KR100873190B1 - 초소형 전자칼럼 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초소형 전자칼럼의 구조에 관한 것으로, 초소형 전자칼럼의 정렬 조립을 보다 용이하고 또한 안정성을 향상시키기 위한 것이다. 본 발명에 따라, 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 아인젤 렌즈, 및 칼럼 베이스를 포함하는 초소형 전자칼럼은, 상기 전자 방출원이 삽입되도록 중공이며 외부의 전부 또는 하부 일부에 나사산이 형성된 전자 방출원 홀더; 상기 전자 방출원 홀더가 동축상으로 삽입되어 나사 결합되도록 나사산이 내부에 형성되어 있고, 하부에는 상기 소스 렌즈가 결합되는 방출원 홀더 베이스; 상기 아인젤 렌즈가 삽입 고정되며 중공 홀이 있는 렌즈 플레이트; 및 중공이며 상부에서는 상기 홀더 베이스와 결합되며, 중심부에는 디플렉터가 삽입될 수 있도록 방사상으로 관통홀들이 형성되어 있고, 하부에는 상기 렌즈 플레이트가 삽입 형성될 수 있도록 단이 형성된 칼럼 베이스; 를 포함한다.

Description

초소형 전자칼럼{MICROCOLUMN}
도1은 종래의 초소형 전자칼럼의 사시도이다.
도2는 본 발명에 따른 초소형 전자칼럼의 분해 사시도이다.
본 발명은 전자 방출원 및 렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자 방출원 및 렌즈들의 정렬 및 조립을 보다 용이하게 할 수 있도록 하는 구조의 초소형 전자칼럼에 관한 것이다.
스캐닝 터널링 현미경(STM)의 기본 원리 하에서 작동하는 전자방출원 및 미세구조의 전자광학 부품에 기초한 초소형 전자칼럼은 1980년대 처음 도입되었다. 초소형 전자칼럼은 미세한 부품을 정교하게 조립하여 광학 수치를 최소화하여 향상된 전자칼럼을 형성하고, 작은 구조는 여러 개를 배열하여 병렬 또는 직렬구조의 멀티전자칼럼구조에 사용이 가능하다.
이러한 초소형 전자칼럼은 초소형 전자렌즈 및 디플렉터(deflector)를 포함하는 고종횡비의 기계적 미세구조물로서, 일반적으로 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 아인젤 렌즈을 포함하여 구성되어 있다.
초소형 전자칼럼에서 전자 방출원, 소스 렌즈, 아인젤 렌즈의 정렬 및 고정은 초소형 전자칼럼의 성능과 관련하여 매우 중요하다. 이러한 초소형 전자칼럼의 정렬 및 고정과 관련하여 종래의 초소형 전자칼럼이 1996년에 발행된 journal of Vacuum & Science Technology B14(6)의 3792-3796쪽의 "Experimental evacuation of a 20×20 mm footprint microcolumn"에 소개되어 있다.
도1은 종래의 초소형 전자칼럼의 사시도이며, 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈가 정렬 및 고정되어 있는 종래의 초소형 전자칼럼(10)이다. 상부 플레이트(2)는 상부에 위치되는 마이크로 포지셔너(미도시)와 함께 전자 방출원을 지지하는 부재를 형성하며 그 중심에는 전자 방출원(1)이 위치되도록 관통 홀이 형성되어 있다. 상부 플레이트(2)와 렌즈를 수용하는 지지부재로서의 하부 플레이트(5)는 도1에서는 4개의 지지바(6)로 상부의 볼트들에 의해 결합된다. 하부 플레이트(5)의 상부에는 소스 렌즈(3)가 전자 방출원(1)과 상호 위치가 정렬되어 에폭시 본딩등에 의해 고정되어 있다. 하부 플레이트(5)의 좌우에는 디플렉터(4)가 배치되어 있다. 또한 하부 플레이트(5)의 하부에는 소스 렌즈(3)와 대향되게 아인젤 렌즈(미도시)가 소스 렌즈와 마찬가지로 정렬 고정되어 있다. 상부 및 하부 플레이트(2,5)는 전자 방출원(1)에서 방출된 전자빔이 렌즈들 및 디플렉터를 관통할 수 있도록 중심축에 모두 관통 홈이 형성되어 있다.
이러한 종래의 초소형 전자칼럼은 전자 방출원과 소스 렌즈와의 정렬 및 고정을 위하여 별도의 마이크로 포지셔너가 필요하며, 그리고 렌즈들에 하자가 발생시에 렌즈 교환이 매우 어려운 문제가 있다. 또한 상기와 같은 종래의 초소형 전자 칼럼에서는 렌즈나 디플렉터등의 배선과 관련하여 실드가 잘 이루어지지 않아 초소형 전자칼럼의 고장 및 전자기적 노이지 발생의 원인 될 소지가 많다. 초소형 전자칼럼은 고가이며 전자 방출원 및 렌즈의 정렬 고정에 많은 시간과 노력이 소요되고, 그리고 렌즈 중에서 하나의 이상만으로도 전체 초소형 전자칼럼을 사용할 수 없게 되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전자 방출원 및 렌즈들의 정렬 및 고정을 보다 용이하게 하며 그리고 각 부분의 교환 및 실드가 잘 이루어 질수 있는 초소형 전자칼럼을 제공함에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따라, 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼에 있어서, 방출원이 삽입되는 방출원 홀더, 상기 방출원 홀더가 삽입되는 홀더 베이스, 및 상기 홀더 베이스와 결합되는 렌즈부 하우징을 포함하며, 상기 방출원 홀더와 홀더 베이스가 상하 방향으로 나사결합되어 상기 방출원 홀더와 홀더 베이스의 높이 조정이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따라, 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼에 있어서, 상기 렌즈가 삽입 고정되는 렌즈 플레이트를 포함하며, 렌즈 플레이트가 착탈 가능하게 타 부분과 결합되어 상기 렌즈가 다른 부분과는 직접 접촉하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따라, 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 아인젤 렌즈, 및 칼럼 베이스를 포함하는 초소형 전자칼럼에 있어서, 상기 전자 방출원이 삽입되도록 중공이며 외부의 전부 또는 하부 일부에 나사산이 형성된 전자 방출원 홀더; 상기 전자 방출원 홀더가 동축상으로 삽입되어 나사 결합되도록 나사산이 내부에 형성되어 있고, 하부에는 상기 소스 렌즈가 결합되는 방출원 홀더 베이스; 상기 아인젤 렌즈가 삽입 고정되며 중공 홀이 있는 렌즈 플레이트; 및 중공이며 상부에서는 상기 홀더 베이스와 결합되며, 중심부에는 디플렉터가 삽입될 수 있도록 방사상으로 관통홀들이 형성되어 있고, 하부에는 상기 렌즈 플레이트가 삽입 형성될 수 있도록 단이 형성된 칼럼 베이스; 를 포함한다.
이하 첨부된 도면2를 참조하여 본 발명에 따른 초소형 전자칼럼의 구조를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도2는 본 발명의 가장 바람직한 실시예로서의 초소형 전자칼럼(100)의 구조를 나타내고 있으며, 도2에 나타난 초소형 전자칼럼은 기본적 구성으로 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈를 포함한다.
전자 방출원 홀더(110)는 중심에 관통홀(111)이 형성되어 전자 방출원(미도시)이 삽입되고 볼트 또는 무드 볼트(114)에 의해 중심축을 기준으로 방사상으로 형성된 탭홀(113)을 통하여 고정된다. 무드 볼트(114)에 의해 전자 방출원은 X-Y-Z축의 조정 정렬 및 고정이 가능해 진다. 그러나 상황에 따라서는 본딩에 의해 결합될 수 있다. 그리고 하부에는 나사부(112)가 형성되어 아래에 설명되는 홀더 베이스(120)와 동축상으로 나사 결합된다. 나사부(112)는 도면과 같이 하부 일부에 형 성될 수도 있으나, 외부 전체에 형성되어 동축상의 나사 결합의 범위를 넓게 할 수도 있다. 전자 방출원 홀더는 나사부(112)와 관통홀(111)이 형성되면 그 외관은 도면에 나타난 바와 같이 원형일 필요는 없으며 다각형의 외관을 가지면 된다.
홀더 베이스(120)는 중공 원통형으로, 상기 전자 방출원 홀더(110)의 나사부(112)와 동축 결합될 수 있도록 대응 나사부(121)가 형성되어 있다. 홀더 베이스(120)의 하부면(122)에는 아래의 소스 렌즈(130)가 결합되는 데, 직접 본딩 등으로 하부면(122)에 결합될 수 있다. 홀더 베이스(120)의 내부에는 중심축 상에서 방사상으로 탭홀(123)이 직각 방향으로 4개 형성되어 있어, 볼트 또는 무드 볼트(124)에 의해 전자 방출원 홀더(110)와의 결합을 더욱 확실히 이루어 질 수 있다. 탭홀(123)의 수나 무드 볼트(124)의 수는 필요에 따라 정하면 되나 정렬을 위하여 3개 이상을 형성하는 것이 바람직하다. 전자 방출원이 삽입된 전자 방출원 홀더(110)와 소스 렌즈(130)가 본딩등에 의해 결합된 홀더 베이스(120)는 나사 결합되며, 전자 방출원과 소스 렌즈(130)의 정렬은 탭홀(113,123)을 통하여 무드 볼트(114,124)등에 의해 X-Y 좌표축이 주로 정렬되며 Z축의 정렬은 나사결합시 체결되는 높이를 조절함으로써 이루어 질 수 있다. 따라서 전자 방출원과 소스 렌즈(130)와의 정렬 및 고정이 매우 용이하게 이루어진다. 정렬 및 고정을 위하여 반드시 무드 볼트등을 사용할 필요는 없고 나사 결합의 결합력 자체로서 고정성이 확보된다면 별도의 고정을 위한 수단이 필요 없으며 쐐기와 같은 다른 수단을 탭홀에 삽입하여도 가능할 수 있다. 홀더 베이스(120)의 상부와 하부에 형성된 도피부(125)는 소스 렌즈(130)의 배선을 위한 것으로, 상하 도피부(125)내의 수직 관통홈(126)을 통하여 소스 렌즈의(130)의 배선이 상부로 연결될 수 있다. 전자 방출원 홀더(110)의 외경보다 관통홈(126)의 외경을 크게 하면 수직으로 배선이 올라 갈 수 있다. 홀더 베이스(120)의 외부에 형성된 나사부(128)는 아래의 칼럼 베이스(140)와 결합되기 위한 것이다.
칼럼 베이스(140)는 중공 원통형의 형상으로서, 내부의 하부 부분에 전자 방출원에서 방출된 전자빔이 관통될 수 있도록 중심축상으로 관통홈(미도시)이 형성된 단부 부분(142)을 포함한다. 칼럼 베이스(140)의 상부 내부에는 홀더 베이스(120)의 나사부(128)가 수용 결합되기 위한 나사부가(141)가 형성되어 있으며, 그리고 중심축에 방사상으로는 다수의 관통홀이 형성되어 디플렉터(150)가 삽입되어 있다. 단부 부분(142)의 하부에는 아인젤 렌즈(160)가 렌즈 플레이트(170)에 본딩등에 의해 결합되어 칼럼 베이스(140)내부로 삽입된다. 따라서 단부 부분(142)의 위치에 의해 아인젤 렌즈(160)의 수직 위치가 결정될 수 있다. 상기 렌즈 플레이트(170)와 칼럼 베이스(140)의 결합을 위해 칼럼 베이스(140)의 하부에는 중심축에 방사상으로 탭홀들(143)이 형성되어있다. 따라서 아인젤 렌즈(160)가 렌즈 플레이트(170)에 본딩되어 삽입되면 볼트 또는 무드 볼트(144)에 의해 정렬 고정된다. 아인젤 렌즈(160)와 렌즈 플레이트(170)는 마지막 단계로 초소형 전자칼럼(100)에 정렬 고정 될 수도 있고, 미리 칼럼 베이스(140)와 예비 결합후 정렬하고 최종 결합될 수도 있다. 칼럼 베이스(140)의 외부에는 디플렉터(150)의 배선을 위한 배선 도피부(145)가 형성되어 있어, 디플렉터(150)의 배선이 수직으로 구부려져 상부 또는 하부로 연결될 수 있다. 즉 홀더 베이스(120)의 외부 직경보다 도피 부(145)의 직경이 크면 디플렉터(150)의 배선이 상부 또는 하부로 용이하게 연결될 수 있다. 아인젤 렌즈(160)의 배선을 위하여, 칼럼 베이스(140)에는 수직으로 관통형성되고 그 하단부에서 방사상으로 관통된 홈(147)과 연결되는 수직홀(146)이 형성된다.
렌즈 플레이트(170)는 중심에 전자빔이 관통될 수 있는 홀(171)이 형성되고 내부에 아인젤 렌즈(160)가 삽입 본딩 등에 의해 결합된다. 아인젤 렌즈의 배선을 위하여 외부에는 도피 홈(172)이 형성되어 있다.
아인젤 렌즈(160)의 배선은 도피 홈(172)을 지나 칼럼 베이스의 관통 홈(147)으로 들어가 수직홀(146)을 통하여 상부로 연결된다. 따라서 본 발명에 따른 초소형 전자칼럼은 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈의 배선이 모두 초소형 전자칼럼의 외벽부을 따라 상부로 연결되어 칼럼 자체의 재질에 따라 전자기장으로 부터 실드의 효과가 발생하며 또한 초소형 전자칼럼의 배선을 용이하게 하고 안정적으로 보호할 수 있다.
칼럼 베이스(140)의 외부 하단에 형성된 나사부(148)는 시료나 다른 부분과 연결하기 위한 것으로서 초소형 전자칼럼의 활용을 용이하게 하기 위하여 형성된 것이다. 도면에서는 외부에 형성되어 있으나 내부 또는 양면 모두에 형성될 수 있다.
홀더 베이스(120) 및 칼럼 베이스(140)의 외부는 전자 방출원 홀더(110)와 같이 원형의 형상이나 다각형의 형상을 가질 수 도 있다.
도2의 초소형 전자칼럼(100)에서는 소스 렌즈가 홀더 베이스의 하단에 직접 본딩 등에 의해 결합되었으나. 아인젤 렌즈와 칼럼 베이스의 결합과 같은 방식으로 렌즈 플레이트를 이용하여 결합할 수도 있다.
홀더 베이스(120)와 칼럼 베이스(140)는 도2에서 나사결합으로 체결되나, 도2와 같은 나사체결하는 방식 외에도 종래의 방식과 같이 별도의 볼트등을 이용하여 결합시킬 수도 있다.
본 발명에 따른 초소형 전자칼럼(100)의 구성은 먼저 전자 방출원을 위치고정할 수 있는 전자 방출원 홀더와 홀더 베이스의 결합 구조로 이루어진 구성, 렌즈들과 렌즈 플레이트를 이용하여 렌즈를 용이하게 정렬 및 조립하고 또한 교환이 용이하도록 한 렌즈 정렬 조립을 위한 구조로서 렌즈 플레이트와 칼럼 베이스의 구성, 그리고 칼럼의 배선을 용이하게 하기 위한 홀더 베이스 및 칼럼베이스의 구조에 따른 구성으로 크게 구분될 수 있다.
상기와 같은 초소형 전자칼럼은 전자 방출원에 하자가 있는 경우 전자 방출원 홀더만 신속히 분해해 교체하여 홀더 베이스에 결합된 소스렌즈와 정렬 고정하면 되고, 소스 렌즈의 이상시는 홀더 베이스 부분을 신속히 교체하거나 소스 렌즈용 렌즈 플레이트를 교체하면 되고, 그리고 아인젤 렌즈에 이상시는 역시 아인젤 렌즈와 렌즈 플레이트를 신속히 교체하고 정렬 결합하면 되므로 초소형 전자칼럼의 정렬 뿐만 아니라 수리에도 매우 용이하다.
상술한 초소형 전자칼럼은 가장 바람직한 초소형 전자칼럼을 예로서 설명한 것으로, 본 발명에 따라 초소형 전자칼럼은 전자 방출원의 위치 조정 및 고정, 전자 방출원 및 렌즈의 정렬 및 고정, 그리고 렌즈들의 정렬과 결합이 각각 또는 전 체적으로 신속하고 용이하게 수행될 수 있으며, 결과적으로 전체 칼럼의 정렬 및 결합이 용이하게 수행될 수 있다.
본 발명에 따라서 전자칼럼을 정렬 결합함에 있어서, 렌즈가 소스 렌즈 및 아인젤 렌즈가 모두 사용되는 칼럼 뿐만 아니라 전자 방출원과 렌즈가 사용되는 칼럼이라면 본 발명의 사상을 이용하여 정렬 및 결합은 용이하게 수행 될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 초소형 전자칼럼은 별도의 고가의 마이크로 포지셔너와 전자 방출원의 위치 조정 부재가 필요 없어 그 구조가 단순해진다.
본 발명에 따른 초소형 전자칼럼은 전자 방출원, 렌즈등의 교환이 용이해 특정 부분에 문제가 발생시 그 부분만 신속하고 용이하게 교체가 가능해져서 고가의 초소형 전자칼럼을 재활용하기 용이하다.
본 발명에 따른 초소형 전자칼럼은 배선이 모두 칼럼의 모체 내부에서 이루어짐으로써 전자기장 및 기타 신호로부터 실드 효과와 배선들을 안정적으로 보호하는 효과가 있어 성능의 극대화를 이룰 수 있다.
당업자들은 본 발명이 특정 실시예로 한정되어 있지만, 이는 단지 실예를 위한 것이지 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다.

Claims (6)

  1. 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼에 있어서,
    방출원이 삽입되는 방출원 홀더, 상기 방출원 홀더가 삽입되는 홀더 베이스, 및 상기 홀더 베이스와 결합되는 렌즈부 하우징을 포함하며, 상기 방출원 홀더와 홀더 베이스가 상하 방향으로 나사결합되어 상기 방출원 홀더와 홀더 베이스의 높이 조정이 가능한 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼.
  2. 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼에 있어서,
    상기 소스 렌즈 또는 상기 아인젤 렌즈가 삽입 고정되는 렌즈 플레이트를 포함하며, 상기 렌즈 플레이트가 착탈 가능하게 타 부분과 결합되어 상기 소스 렌즈 또는 상기 아인젤 렌즈가 다른 부분과는 직접 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼.
  3. 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 아인젤 렌즈, 및 칼럼 베이스를 포함하는 초소형 전자칼럼에 있어서,
    상기 전자 방출원이 삽입되도록 중공이며 외부의 전부 또는 하부 일부에 나사산이 형성된 전자 방출원 홀더;
    상기 전자 방출원 홀더가 동축상으로 삽입되어 나사 결합되도록 나사산이 내 부에 형성되어 있고, 하부에는 상기 소스 렌즈가 결합되는 방출원 홀더 베이스;
    상기 아인젤 렌즈가 삽입 고정되며 중공 홀이 있는 렌즈 플레이트; 및
    중공이며 상부에서는 상기 홀더 베이스와 결합되며, 중심부에는 디플렉터가 삽입될 수 있도록 방사상으로 관통홀들이 형성되어 있고, 하부에는 상기 렌즈 플레이트가 삽입 형성될 수 있도록 단이 형성된 칼럼 베이스;
    을 포함하는 초소형 전자칼럼.
  4. 제3항에 있어서, 상기 홀더 베이스와 상기 칼럼베이스에는 각각 대응되게 나사부를 더 포함하여 상하 나사결합되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 렌즈 플레이트와 상기 홀더 베이스에 각각 렌즈 배선을 위한 홈 또는 홀이 방사상으로 형성되고 상기 칼럼베이스에도 렌즈 및 디플렉터의 배선을 위한 도피홈 또는 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼.
  6. 제1항, 제3항, 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홀더 베이스에 방사상으로 복수개의 탭홀이 형성되어 볼트 또는 무드 볼트로 상기 방출원 홀더와 홀더 베이스사이에서 X-Y 좌표이동 및 고정이 되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼.
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