KR100928058B1 - 대물렌즈 조리개 제조방법, 제조된 대물렌즈 조리개 및이를 이용한 패턴형성장치 - Google Patents

대물렌즈 조리개 제조방법, 제조된 대물렌즈 조리개 및이를 이용한 패턴형성장치 Download PDF

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Abstract

대물렌즈 조리개 제조방법, 제조된 대물렌즈 조리개 및 이를 이용한 패턴형성장치가 개시된다. 본 발명에 따른 대물렌즈 조리게 제조방법은 결정질 시편의 회절도형을 획득하고, 획득된 회절도형을 바탕으로 원하는 고분해능 원자이미지를 얻기 위해, 투과시킬 회절빔 및 투과빔을 선택한다. 그리고 선택된 회절빔 및 투과빔을 투과시키는 개구부를 대물렌즈 조리개용 플레이트에 형성시킨다. 본 발명에 따르면, 하나의 시편을 이용하여 다양한 원자이미지를 얻을 수 있어 여러 가지 패턴을 형성하고자 할 때 시편을 교체하는데 소요되는 시간과 노력이 절감된다.

Description

대물렌즈 조리개 제조방법, 제조된 대물렌즈 조리개 및 이를 이용한 패턴형성장치{Method of producing objective aperture and objective aperture thus produced and pattern forming apparatus using thereof}
본 발명은 원자이미지를 이용한 패턴 형성장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원하는 고분해능 원자이미지를 얻기 위한 대물렌즈 조리개 제조방법 및 이 방법으로 제조된 대물렌즈 조리개에 관한 것이다.
최근 각광을 받고 있는 나노기술에서 양자점(quantum dot) 및 양자선(quantum line)의 응용은 점차 많은 부분을 차지하고 있다. 양자점 및 양자선을 이용한 나노기술은 단일 전자 소자(single electron device), 광결정(photonic crystal), 패터닝된 자기 저장 소자(patterned magnetic storage device), 전기화학적 센서(electrochemical sensor), 생물학적 센서(biological sensor) 등에 응용이 가능하다. 양자점 및 양자선을 이용한 나노기술은 균일한 크기와 밀도를 갖는 나노패턴을 형성하는 것이 무엇보다도 중요한데, 이를 위해 많은 방법이 연구되고 있다.
최근에, 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy ; TEM)을 사용하 여 물질의 결정구조를 이용한 나노패턴 형성방법이 연구되고 있다. 투과전자현미경을 사용한 나노패턴 형성방법은 결정구조를 갖는 물질을 투과전자현미경의 챔버에 위치시키고 전자빔을 조사한 후, 피조사 물질의 표면에 결정구조를 갖는 물질의 원자이미지를 위상 콘트라스트 영상법으로 형성함으로써 구현된다. 이와 같은 방법은 균일한 크기와 밀도를 갖는 나노패턴 형성이 용이할 뿐 아니라, 별도의 패턴이 형성된 마스크를 제조하지 않아도 되는 장점이 있다.
그러나 투과전자현미경을 사용한 양자점 패턴 형성방법은 물질의 결정구조에 따라 하나의 격자이미지만이 형성되므로 다른 양자점 패턴을 형성하기 위해서는 다른 결정구조를 갖는 물질을 다시 챔버에 위치시켜야 하는 불편함과 시간이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하나의 시편으로 다양한 원자이미지를 얻을 수 있는 대물렌즈 조리개 제조방법, 제조된 대물렌즈 조리개 및 이를 이용한 패턴형성장치를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 대물렌즈 조리개 제조방법은 결정질 시편의 회절도형을 획득하는 단계; 상기 획득된 회절도형을 바탕으로 원하는 고분해능 원자이미지를 얻기 위해, 투과시킬 회절빔 및 투과빔을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 회절빔 및 투과빔을 투과시키는 개구부를 대물렌즈 조리개용 플레이트에 형성시키는 단계;를 갖는다.
본 발명에 따르면, 하나의 시편을 이용하여 다양한 원자이미지를 얻을 수 있어 여러 가지 패턴을 형성하고자 할 때 시편을 교체하는데 소요되는 시간과 노력이 절감된다. 또한, 일부 투과빔과 회절빔만을 이용하여 원자이미지를 얻게 되어 투과전자현미경에서 시편을 투과하여 발생하는 배경잡음을 제거할 수 있어 전자빔의 배경강도가 균일하게 된다.노이즈도 없어진다.
본 발명은 투과전자현미경을 사용하여 양자점 패턴형성을 할 때 이용되는 대물렌즈 조리개에 관한 것이므로, 우선 투과전자현미경에 대해서 살펴본다.
투과전자현미경은 전자빔을 시편에 조사하여 투과된 전자빔으로 영상을 얻고 회절된 전자빔으로 얻어진 회절 도형으로 상의 결정 구조를 해석하는 현미경이다. 투과전자 현미경은 전자총에서 전자를 발생하여 고압으로 가속된 전자빔을 집속렌즈로 모아서 시편에 투과시켜 대물렌즈로 상을 만들고 이를 중간 렌즈를 사용하여 확대하여 형광판에 영상이 맺히도록 구성된다.
투과전자현미경에서의 광원은 높은 진공상태(1×10-4Pa 이상)에서 고속으로 가속되는 전자선이다. 고속으로 가속된 전자선은 시편을 투과하여 일련의 전기자기장(electromagnetic field) 또는 정전기장(electrostatic field)을 거쳐 형광판이나 사진필름에 초점을 맞추어 투사된다. 이 전자의 파장은 가속전압에 따라 다르며 100kV 전압에서의 전자파장은 0.004nm이다. 전자현미경의 이론적 분해능(해상력)은 약 0.001nm이나 생물학적 표본에서 사용되는 분해능은 0.2nm(side entry), 0.14nm(top entry)이다.
투과전자현미경에서 전자빔이 시편을 투과하면 브래그 법칙(Bragg's law)에 따라 회절하여 후방초점면(back focal plane)에 회절도형(diffraction pattern)을 만든다. 시료를 투과한 빔 중에서 회절하지 않는 투과빔만을 대물렌즈 조리개(objective aperture)로 선택하여 관찰하는 영상을 명시야상(bright field image)이라 하고, 특정면에서 회절한 회절빔만을 선택하여 관찰하는 영상을 암시야상(dark field image)이라고 한다.
이러한 투과전자현미경의 광학 시스템은 전자총(electric gun)과 여러 개의 집속렌즈, 대물렌즈, 투사렌즈, 형광판 등 많은 복잡한 체계로 구성되어 있지만, 이 복잡한 시스템에서 일어나고 있는 현상을 전자빔, 시편, 렌즈 하나로 구성된 시스템으로 단순화할 수 있다. 도 1은 투과전자현미경의 광학시스템에서 일어나는 현상을 모식적으로 나타낸 도면으로 이러한 단순화한 시스템을 나타내고 있다.
도 1에서 중앙의 수평선(가로선)은 광축을 의미하며, 시편에 조사되어 시편과 상호 작용한 후(시편을 통과한 후) 나온 전자빔은 대물렌즈를 지나면서 대물렌즈의 후방 초점면에 회절상을 형성한다. 그리고 이 회절상 뒤에는 대물렌즈의 배율만큼 확대된 이미지가 상면에 형성된다.
이러한 현상을 수학적으로 표현하면 물체를 나타내는 함수
Figure 112008008158060-pat00001
가 렌즈에 의해 생기는 회절상은 물체함수
Figure 112008008158060-pat00002
를 푸리에변환(Fourier Transformation)한
Figure 112008008158060-pat00003
로 표현할 수 있다. 여기서 k는 역공간(reciprocal space)에서의 좌표를 나타낸다. 회절상 뒤에 형성되는 상은 이 회절상의 함수
Figure 112008008158060-pat00004
를 다시 푸리에 변환한
Figure 112008008158060-pat00005
로 표현할 수 있다. 여기서 (-)부호는 원래의 물체에 대해 반전(inversion)되어 있음을 의미하며,
Figure 112008008158060-pat00006
는
Figure 112008008158060-pat00007
와 같은 실공간에서의 좌표를 의미한다.
여기서 회절상이 형성되는 후방초점면에 대물렌즈 조리개로 투과빔만 통과하도록 하여 상을 만들면 명시야상이 되고, 회절빔중 하나만을 선택하여 상을 만들면 암시야상이 된다. 이들이 상기 언급한 투과전자현미경의 여러 영상형태 중 하나이다. 그리고 대물렌즈 조리개를 사용하지 않거나 상당히 큰 대물렌즈 조리개를 사용 하여 투과빔과 회절빔을 함께 사용하여 상을 만들게 되면 고분해능 투과전자현미경 이미지를 형성할 수 있다.
투과전자현미경에서 전자가 시편을 통과하면서 시편의 결정구조에 따라 대물렌즈의 후방초점면에 형성된 회절상은 시편의 결정구조에 따라 그 형태가 바뀌게 된다. 그리고 투과점과 회절점 사이의 거리는 회절점이 나타내는 면의 면간거리(dhkl)에 의해 결정된다.
도 2 내지 도 5는 대표적인 결정구조의 시편에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 2는 다이아몬드 결정구조의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 전자빔 방향에 따라 나타내는 도면이며, 도 3은 체심입방구조(body centered cubic ; BCC)의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 전자빔 방향에 따라 나타내는 도면이다. 그리고 도 4는 면심입방구조(face centered cubic ; FCC)의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 전자빔 방향에 따라 나타내는 도면이고, 도 5는 조밀육방격자(hexagonal closed packed ; HCP)의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 전자빔 방향에 따라 나타내는 도면이다.
어느 미지의 시료로부터 회절도형을 얻게 되면, 그것의 격자상수를 구할 수 있는데, 이때 브래그 법칙이 사용된다. 이때 필요한 카메라상수(L)는 보통 금(Au)과 같이 알려진 표준시료를 사용하여 미리 측정하여 둔다.
도 6은 투과전자현미경의 회절상과 대물렌즈 조리개 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 투과전자현미경의 회절상은 이월드구(Ewald sphere)와 역격자(reciprocal lattice)의 교점이 확대되어 만들어지는 것이므로 도 6의 회절상에서 측정된 거리는 실제 역격자 벡터를 확대한 것으로 간주한다. 투과전자현미경의 배율은 도 6에서 L과 이월드구의 반경의 비이며 수학식 1로 나타낼 수 있다.
L/k = λL
여기서, L은 시편과 상기 대물렌즈 조리개 사이의 거리이고, k는 파동벡터의 크기이며, λ는 투과전자현미경에서 조사되는 전자빔의 파장이다.
도 6에 나타나는 rhkl을 회절상의 투과점에서 회절점까지의 거리라고 하면, 전자 회절과 같이 회절각이 아주 작을 경우에는 rhkl는 수학식 2로 나타낼 수 있다.
rhkl=LtanθL=sin2θB=L2θB
한편, 브래그 법칙으로부터 λ=2dhklsinθB이며, 여기에서 회절각이 아주 작은 경우에는 λ=2dhklθB이므로, rhkl은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있게 된다. 여기서 dhkl은 hkl 면의 면간 거리를 의미한다.
rhkl=λL/dhkl
그리고 일반적인 경우 고분해능 이미지를 얻기 위해서는 시편에 전자빔을 평행하게 조사하지 않고 수렴각을 갖고 시편에 조사하게 된다. 이 경우 회절상의 투과빔 및 회절빔은 점이 아닌 원반(disc)의 형태를 갖게 되며, 이 원반의 직경인 bdisc는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
bdisc=2Lα
여기서, L은 상술한 바와 같이 시편과 상기 대물렌즈 조리개 사이의 거리이고, α는 상기 결정질 시편에 조사되는 전자빔의 수렴반각(convergence semiangle)이다.
투과전자현미경의 고분해능 이미지는 투과빔과 회절빔 사이의 간섭현상으로 인한 위상차에 의해 형성되므로, 고분해능 이미지를 형성하기 위해서 투과빔과 회절빔을 통과시킬 수 있는 구조를 가지는 대물렌즈 조리개가 필요하다. 이러한 조리개의 구조는 시편의 결정구조에서 정의되는 회절상의 형태와 회절빔과 투과빔 사이의 거리 및 전자빔의 수렴반각에 의해 변화할 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 대물렌즈 조리개 제조방법, 제조된 대물렌즈 조리개 및 이를 이용한 패턴형성장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려 주기 위해 제공되는 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 대물렌즈 조리개의 제조방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 우선 결정질 시편의 회절도형(diffraction pattern)을 획득한다(S710). 결정질 시편의 회절도형은 상술한 바와 같이 투과전자현미경을 이용하여 얻을 수 있다. 그리고 결정구조를 사전에 아는 시편의 경우는 상술한 방법으로 계산에 의해 도출하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 결정질 β-Si3N4 시편을 이용하였다. 도 8a는 결정질 β-Si3N4 시편의 회절도형을 나타내었고, 도 8b는 결정질 β-Si3N4 시편의 고분해능 이미지를 나타내었다. 도 8a에 참조번호 810으로 표시된 회절도형은 투과빔에 의한 회절도형이고, 나머지 회절도형(820, 830, 840)은 회절빔에 의한 회절도형이다. 대물렌즈 조리개를 이용하지 않는다면, 도 8b에 도시된 바와 같이 하나의 시편으로부터 하나의 이미지만을 얻을 수 없게 된다.
다음으로, 획득된 회절도형(도 8a)을 바탕으로 원하는 고분해능 원자이미지를 얻기 위해, 투과시킬 회절빔 및 투과빔을 선택한다(S720). 도 8a에 도시된 바와 같은 회절도형 중에서 원하는 정보의 빔의 정보만 남기고 나머지는 제거한 후 컴퓨터 처리를 하게 되면 남긴 빔에 의한 정보에 의해 하나의 시편으로부터 다양한 이미지를 얻을 수 있게 된다.그 결과를 도 9 내지 도 13에 나타내었다.
도 9a는 도 8a에 도시된 회절도형 중 참조번호 810 내지 840으로 표시된 회 절도형을 남기고 나머지는 제거한 회절도형을 나타내었고, 도 9b는 도 9a에 도시된 회절도형에 나타낸 정보에 의해 얻어지는 고분해능 이미지를 나타내었다. 그리고 도 10a는 도 8a에 도시된 회절도형 중 참조번호 810, 820으로 표시된 회절도형을 남기고 나머지는 제거한 회절도형이고, 도 11a는 도 8a에 도시된 회절도형 중 참조번호 810, 830으로 표시된 회절도형을 남기고 나머지는 제거한 회절도형이다. 그리고 도 12a는 도 8a에 도시된 회절도형 중 참조번호 810, 830, 840으로 표시된 회절도형을 남기고 나머지는 제거한 회절도형이고, 도 13a는 도 8a에 도시된 회절도형 중 참조번호 810, 820, 830으로 표시된 회절도형을 남기고 나머지는 제거한 회절도형이다. 그리고 도 10b, 도 11b, 도 12b 및 도 13b는 각각 도 10a, 도 11a, 도 12a 및 도 13a에 도시된 회절도형에 나타낸 정보에 의해 얻어지는 고분해능 이미지를 나타내었다.
도 9b, 도 10b, 도 11b, 도 12b 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 어떠한 회절도형을 선택하였는 가에 의하여 얻어지는 고분해능 이미지가 다르게 됨을 알 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이 푸리에변환을 이용한 컴퓨터 처리를 이용하여 원하고자 하는 원자이미지를 얻기 위하여 어떠한 회절도형을 선택하여야 하는가를 결정할 수 있다. 이와 같은 방법으로 원하는 정보의 빔의 정보만을 선택적으로 택하게 되면 임의의 패턴을 형성할 수 있게 된다. 따라서 하나의 시편으로부터 다양한 원자이미지를 얻을 수 있게 되어 시편의 교체에 따른 시간을 절감할 수 있다.
다음으로, 선택된 회절빔 및 투과빔을 투과시키는 개구부를 대물렌즈 조리개용 플레이트에 형성시킨다(S730). S720 단계에서 원하고자 하는 원자이미지를 얻기 위해 선택된 회절도형으로부터 그에 대응되는 회절빔 및 투과빔을 투과시키는 개구부를 대물렌즈 조리개용 플레이트에 형성시킴으로써 대물렌즈 조리개를 제조할 수 있다. 그리고 개구부의 직경은 회절빔 및 투과빔 이외의 정보가 개입되지 않도록 하기 위해서, 수학식 4에 나타낸 반원의 직경 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로 제조된 대물렌즈 조리개의 일 예를 도 14에 나타내었다.
도 14는 도 10a에 도시된 회절도형으로부터 제조된 조리개(100)로서, 도 14에 도시된 조리개를 이용하여 결정질 β-Si3N4 시편에 전자빔을 조사하면 도 10b에 도시된 바와 같은 원자이미지를 얻을 수 있게 된다.
본 발명의 이러한 구조의 대물렌즈 조리개는 원자이미지를 이용한 패턴형성방법 및 장치에도 적용 가능하다. 원자이미지를 이용한 패턴형성방법 및 장치는 한국출원 제2001-17694에 기술되어 있는데, 이러한 방법 및 장치에 적용함으로써 본 발명의 목적이 구현될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 투과전자현미경의 광학시스템에서 일어나는 현상을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 다이아몬드 결정구조의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
도 3은 체심입방구조의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 면심입방구조의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 조밀육방격자의 물질에서 얻을 수 있는 투과전자현미경의 회절상의 형태를 나타내는 도면이다.
도 6은 투과전자현미경의 회절상과 대물렌즈 조리개 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 대물렌즈 조리개의 제조방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 8a는 결정질 β-Si3N4 시편의 회절도형을 나타낸 도면이고, 도 8b는 결정질 β-Si3N4 시편의 고분해능 이미지를 나타낸 도면이다.
도 9a, 도 10a, 도 11a, 도 12a 및 도 13a는 결정질 β-Si3N4 시편의 회절도형 중 일부의 회절도형의 정보만 선택한 회절도형을 나타낸 도면이다.
도 9b, 도 10b, 도 11b, 도 12b 및 도 13b는 각각 도 9a, 도 10a, 도 11a, 도 12a 및 도 13a에 도시된 회절도형에 나타낸 정보에 의해 얻어지는 고분해능 이미지를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 대물렌즈 조리개의 제조방법으로 제조된 대물렌즈 조리개의 바람직한 일 실시예를 나타낸 도면이다.

Claims (6)

  1. 결정질 시편에 전자빔을 조사함으로써, 상기 결정질 시편을 통과한 투과빔과 복수의 회절빔에 의해 형성된 고분해능 원자이미지로부터 패턴을 형성하는 장치에 이용되는 대물렌즈 조리개 제조방법으로,
    상기 결정질 시편의 회절도형을 획득하는 단계;
    상기 복수의 회절빔 중 어떤 회절빔을 선택하여 투과시키느냐에 따라 형성되는 고분해능 원자이미지의 패턴 형태가 서로 상이하다는 점을 이용하여, 상기 획득된 회절도형을 기초로 원하는 형태의 패턴을 갖는 고분해능 원자이미지를 얻기 위해, 투과시킬 회절빔을 선택하는 단계; 및
    상기 투과빔 및 상기 선택된 회절빔을 투과시키는 개구부를 대물렌즈 조리개용 플레이트에 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대물렌즈 조리개 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 시편의 회절도형은 투과전자현미경을 이용하여 획득하는 것을 특징으로 하는 대물렌즈 조리개 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투과시킬 회절빔을 선택하는 단계는,
    푸리에 변환을 이용한 컴퓨터 처리를 통하여 투과시킬 회절빔을 선택하는 것을 특징으로 하는 대물렌즈 조리개 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 개구부는 2Lα 이하의 직경으로 형성되고, 여기서 L은 상기 결정질 시 편과 상기 대물렌즈 조리개용 플레이트 사이의 거리이고, α는 상기 결정질 시편에 조사되는 전자빔의 수렴반각(convergence semiangle)인 것을 특징으로 하는 대물렌즈 조리개 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 대물렌즈 조리개.
  6. 제5항에 기재되어 있는 대물렌즈 조리개를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자이미지를 이용한 패턴형성장치.
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