KR101035061B1 - 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경 및 실시간측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시료의 관측화면에서 실시간으로 시료의 특정 부분의 크기를 측정할 수 있는 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경에 관한 것이다. 본 발명에 의한 전자주사현미경은, 전자주사현미경 본체, 및 상기 전자주사현미경 본체를 제어하며, 상기 전자주사현미경 본체에 놓인 시료의 영상을 출력장치로 출력하는 제어 컴퓨터를 포함하며, 제어 컴퓨터는, 전자주사현미경 본체를 제어하는 본체 제어부와, 전자주사현미경 본체의 검출기로부터 수신된 신호를 이용하여 상기 출력장치에 시료의 영상을 출력하는 영상처리부, 및 출력장치에 출력된 시료의 영상에서 선택된 측정대상을 측정하여 측정값을 출력장치에 표시하는 측정부를 포함한다.

전자주사현미경, 실시간측정, 관측화면, 측정도구, 포인팅장치

Description

실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경 및 실시간 측정방법{Scanning Electron Microscopy having a realtime measuring function and realtime measuring method}

본 발명은 전자주사현미경에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자주사현미경으로 관찰하는 시료의 관측화면에서 실시간으로 시료의 특정 부분의 크기를 측정할 수 있는 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경 및 실시간 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전자주사현미경은 고체상태의 시료의 미세조직과 형상을 관찰하는 데에 가장 다양하게 쓰이는 기기로서 대략 50Å 정도의 해상력을 가진 것이 상품화되어 있다.

이와 같은 전자주사현미경은 전자총과 같은 전자발생원으로부터 발생한 전자빔을 시료에 조사하고, 전자빔에 의해 시료에서 발생하는 2차전자, 반사전자, 투과전자, X선 등의 신호를 검출하여 음극선관(브라운관)과 같은 출력장치의 화면상에 시료의 확대 영상을 표시한다.

사용자는 출력장치상에 츨력된 시료의 영상으로부터 시료의 구조나 형태 등 을 쉽게 알 수 있다. 그런데, 이와 같은 종래의 전자주사현미경은 출력된 시료의 영상에서 특정 부분의 크기를 실시간으로 측정할 수 있는 기능을 갖고 있지 않다. 따라서, 시료의 특정 부분의 크기를 측정하기 위해서는 출력장치에 출력된 영상을 저장한 후, 이 저장된 시료의 영상을 이용하여 사용자가 직접 특정 부분의 크기를 계산하여야 한다. 따라서, 시료를 관찰하면서 시료의 특정 부분의 크기를 측정하기 위해서는 많은 시간과 노력이 소요된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 실시간으로 시료의 관측화면에서 시료의 특정 부분의 크기를 측정할 수 있는 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경 및 실시간 측정방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.

상기와 같은 본 발명의 과제는, 전자주사현미경 본체; 및 상기 전자주사현미경 본체를 제어하며, 상기 전자주사현미경 본체에 놓인 시료의 영상을 출력장치로 출력하는 제어 컴퓨터;를 포함하며, 상기 제어 컴퓨터는, 상기 전자주사현미경 본체를 제어하는 본체 제어부; 상기 전자주사현미경 본체의 검출기로부터 수신된 신호를 이용하여 상기 출력장치에 상기 시료의 영상을 출력하는 영상처리부; 및 상기 출력장치에 출력된 상기 시료의 영상에서 선택된 측정대상을 측정하여 측정값을 상기 출력장치에 표시하는 측정부;를 포함하는 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경을 제공함으로써 달성할 수 있다.

이때, 상기 제어 컴퓨터는 상기 영상처리부에서 출력하는 영상을 저장하는 제1메모리와 상기 측정부가 측정한 상기 측정대상의 측정값이 표시된 영상을 저장하는 제2메모리를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경은 포인팅 장치를 이용하여 상기 출력장치의 화면에서 상기 측정대상을 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에서, 상기와 같은 본 발명의 과제는, 출력장치에 시료의 영상을 출력하는 단계; 측정대상을 입력받는 단계; 입력된 상기 측정대상의 측정값을 계산하는 단계; 및 계산된 상기 측정대상의 측정값을 상기 출력장치에 출력되어 있는 상기 시료의 영상 위에 출력하는 단계;를 포함하는 전자주사현미경의 실시간 측정방법을 제공함으로써 달성된다.

또한, 상기 측정대상의 측정값이 출력된 시료의 영상을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 측정대상은 직선 거리, 직사각형 면적, 타원 면적, 비직선 거리, 폐곡선의 둘레길이, 폐곡선 면적 중의 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경 및 전자주사현미경의 실시간 측정방법에 의하면, 출력장치에 출력된 시료의 영상화면에서 실시간으로 시료의 특정 부분의 크기를 측정할 수 있다, 따라서, 종래의 전자주사현미경과 같이 시료의 영상화면을 저장한 후 그 저장화면을 이용하여 사용자가 직접 크기를 계산하는 과정을 수행할 필요가 없으므로 전자주사현미경을 사용한 시료의 관찰이 편리하고, 관찰시간이 단축된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경 및 전자주사현미경의 실시간 측정방법에 대하여 상세하게 설명한다.

다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경(Scanning Electron Microscopy)(1)은 전자주사현미경 본체(10)와 제어 컴퓨터(20)를 포함한다.

전자주사현미경 본체(10)는 시료(14)에 전자빔을 주사하고, 전자빔이 주사된 시료(14)에서 방출되는 신호를 검출하는 것으로서, 전자총(Electron Gun)(11), 경통부(12), 시료실(13), 제어기판(15), 및 검출기(16)를 포함한다.

전자총(11)은 텅스텐 또는 LaB6 단결정 필라멘트를 고진공하에서 가열시켜 열전자를 경통부(12)로 방출한다.

경통부(12)는 전자총(11)에서 방출된 열전자를 집속시켜 소정의 단면적을 갖는 전자빔으로 형성하고, 전자빔이 시료실(13)에 놓인 시료(12)에 초점을 맺도록 하는 것으로서, 집속렌즈, 대물렌즈, 주사코일 등을 포함한다.

시료실(13)은 관찰할 시료(14)를 놓는 곳으로서, 시료(14)를 관찰할 때에는 진공을 이루도록 형성된다. 일반적으로는 펌프(미도시)를 사용하여 시료실(13)의 공기를 배출하여 시료실(13)을 대략 10^-5 토르(tor) 이상의 고진공 상태로 만든다.

제어기판(15)은 제어 컴퓨터(20)로부터 신호를 받아 전자주사현미경 본체(10)의 전자총(11), 경통부(12)를 제어하여 전자빔을 방출하고, 펌프를 제어하여 시료실(13)을 소정의 고진공 상태로 만든다.

검출기(16)는 시료실(13)의 내부에 설치되며, 전자빔이 주사된 시료(14)에서 방출되는 신호를 검출하여 전기적 신호로 변환한다. 검출기(16)는 제어 컴퓨터(20)의 영상처리부(23)에 연결된다. 전자빔이 시료(14)에 충돌하면, 시료(14)에서는 2차전자, 반사전자, 투과전자, X선 등의 신호가 방출되고, 검출기(16)는 이러한 신호를 검출하게 된다. 통상적으로, 전자빔이 주사되면 시료(14)에서 2차전자와 반사전자가 가장 많이 방출되므로 검출기(16)로는 2차전자와 반사전자를 검출할 수 있는 것이 많이 사용된다.

제어 컴퓨터(20)는 전자주사현미경 본체(10)를 제어하여 시료(14)의 영상을 얻는 것으로서, 개인용 컴퓨터를 사용할 수 있다. 제어 컴퓨터(20)에는 전자주사현미경 본체(10)를 제어하고 검출기(16)로부터 입력된 신호를 영상으로 출력할 수 있는 프로그램이 설치되어 있다. 따라서, 사용자는 제어 컴퓨터(20)를 통해 전자주사현미경 본체(10)를 적절하게 제어하며 시료(14)를 관찰할 수 있다.

이러한 제어 컴퓨터(20)는 중앙처리부(CPU)(21), 본체 제어부(22), 영상처리 부(23), 측정부(24), 및 출력장치(25)를 포함한다.

중앙처리부(21)는 출력장치(25)에 도 2와 같은 제어화면(30)을 출력하고, 제어화면(30)으로부터 입력되는 신호에 따라, 본체 제어부(22), 영상처리부(23), 측정부(24) 등을 제어한다.

본체 제어부(22)는 전자주사현미경 본체(10)의 제어기판(15)과 전기적으로 연결되며, 제어화면(30)으로부터 입력된 값에 따라 적절한 신호를 제어기판(15)으로 전송하여, 전자총(11), 경통부(12)의 집속렌즈, 대물렌즈, 주사코일을 제어하여 사용자가 원하는 형태로 전자빔을 시료(14)에 주사한다. 즉, 사용자는 도 2의 제어화면(30)으로부터 초점, 배율, 주사 방법 등을 선택하여 전자주사현미경 본체(10)를 제어하여 시료(14)에 주사되는 전자빔을 제어할 수 있다.

영상처리부(24)는 전자주사현미경 본체(10)의 시료실(13) 내에 설치된 검출기(16)로부터 입력되는 전기 신호를 변환하여 출력장치(25)에 영상으로 출력하여 시료(14)의 영상화면(40)을 형성한다. 이하, 이를 시료(14)의 관측화면(40)이라 한다. 이때, 시료(14)의 관측화면(40)은 제어화면(30)의 관측창(31)을 통해 출력되도록 하는 것이 바람직하다. 그러면, 사용자는 도 2의 제어화면(30)을 통해 영상처리부(23)에 의해 출력장치(25)로 출력되는 관측화면(40)의 명암, 휘도, 화질 등을 조절할 수 있다. 또한, 영상처리부(23)는 시료(14)의 관측화면(40)을 일정 시간 간격으로 제1메모리(27)에 저장한다.

측정부(24)는 영상처리부(23)에 의해 출력장치(25)에 출력된 시료(14)의 관측화면(40)에서 실시간으로 특정 부분의 크기를 측정하여, 도 3에 도시된 바와 같 이, 출력장치(25)에 출력되어 있는 관측화면(40) 위에 측정결과(41a, 42~46)를 나타낸다. 측정부(24)는 측정대상의 형태에 따라 선택할 수 있는 복수 개의 측정도구와, 입력된 데이터를 이용하여 선택된 측정대상의 크기를 산출하는 계산처리부분, 및 계산된 결과를 관측화면(40)에 나타내는 표시부분을 포함한다. 측정도구로는 두 점간 거리 측정도구, 직사각형의 높이, 폭, 면적 측정도구, 타원면적 측정도구, 비직선 거리 측정도구, 곡선화 비직선 거리 측정도구, 폐곡선의 둘레 길이 측정도구, 폐곡선 면적 측정도구, 각도 측정도구 등이 있다. 측정에 필요한 데이터는 마우스와 같은 포인팅 장치(26)로 출력장치(25)에 표시된 시료(14)의 관측화면(40)을 클릭하여 측정부(24)에 입력한다. 즉, 사용자가 포인팅 장치(26)로 출력장치(25)의 관측화면(40)의 임의의 점을 클릭하면, 측정부(24)는 클릭된 점의 제어화면(30)의 픽셀 좌표값을 얻을 수 있다. 출력장치(25)로는 개인용 컴퓨터에 사용되는 엘시디(LCD) 모니터나 브라운관 모니터 등이 사용될 수 있다.

측정부(24)가 상기의 측정도구 중 하나인 두 점간 거리 측정도구에 의해 관측화면(40) 상의 두 점 간의 실제 거리를 계산하여 출력장치(25)에 표시하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

사용자는 먼저 시료(14)의 관측화면(40)이 출력된 제어화면(30)에서 측정도구로 두 점간 거리 측정도구를 선택한다. 이어서, 포인팅 장치(26)인 마우스를 이용하여 관측화면(40)에서 측정대상으로 한 직선(41a)을 이루는 두 점(41b,41c)을 클릭한다. 그러면, 측정부(24)는 제어화면(30)의 픽셀 좌표값을 이용하여 포인팅 장치(26)에 의해 선택된 두 점(41b,41c)의 좌표(X1,Y1), (X2,Y2)를 얻을 수 있다. 그러면, 측정부(24)는 인식한 두 점(41b,41c)의 좌표값과 이미 저장되어 있는 두 점간의 거리를 구하는 공식을 사용하여 두 점(41b,41c)간의 거리를 픽셀 단위로 산출한다. 이하, 이를 논리적 거리라 한다. 여기서, 두 점의 좌표값을 이용하여 두 점 사이의 직선 거리를 구하는 공식은 공지된 기술이므로 상세하게 설명하지 않는다. 이어서, 관측화면(40)의 배율에 의해 결정되는 한 픽셀에 대한 실제의 물리적 거리를 산출한다. 이대, 관측화면(40)의 배율과 한 픽셀의 실제의 물리적 거리의 관계는 측정부(24)에 저장되어 있다. 그 후, 먼저 계산한 픽셀 단위의 논리적 거리를 실제의 물리적 거리로 변환한다. 끝으로, 시료(14)의 관측화면(40) 상에, 도 3에 도시된 바와 같이, 두 점(41b,41c)을 연결하는 직선(41a)과 계산된 두 점 사이의 물리적 거리를 표시한다.

또한, 직사각형 높이, 너비, 면적 측정하고자 하는 경우에는 직사각형의 좌측 상단과 우측 하단의 꼭지점 좌표 획득한 후, 논리적 사각형을 표시한다. 그 후, 물리적 거리 단위를 이용하여 실제 단위로 변경한다.

타원 면적을 측정하는 경우는 직사각형의 좌측 상단과 우측 하단의 꼭짓점의 좌표를 획득하여, 논리적 사각형에 완전히 포함되는 타원을 구성하여 계산한다.

비직선 거리를 측정할 경우에는 포인팅 장치를 이용하여 관측화면의 측정대상에서 필요한 만큼의 좌표를 획득하고, 획득한 좌표를 획득 순서대로 직선으로 연결한 다음, 각 직선의 거리를 합산하여 얻을 수 있다.

곡선화 비직선 거리를 측정할 경우에는 상술한 비직선 거리 측정과 같은 방법으로 좌표를 획득한다. 이때는 3점 이상의 좌표 필요하다. 그 후, Spline Curve 를 이용하여 곡선화 비직선을 근사 곡선으로 변환하고, 다시 근사 곡선을 픽셀 단위의 개별 직선으로 변환한다. 그 후, 각 직선의 거리를 합산하면 곡선화 비직선 거리를 얻을 수 있다.

폐곡선의 둘레 길이를 측정할 경우에는 비직선 거리 측정과 같은 방법으로 좌표를 획득하고, 폐곡선의 시작 좌표와 끝 좌표를 연결한 후, 각 직선의 거리를 합산하여 계산한다.

상기와 같은 측정도구의 크기를 계산하는 과정은 측정부(24)에 이미 기억되어 있으므로, 사용자가 제어화면(30)에서 측정도구를 선택하고, 그 측정도구에 필요한 개수의 점을 관측화면(40)에서 포인팅 장치(26)로 선택하면 측정부(24)에 의해 자동으로 계산되어 관측화면(40)에 표시된다.

이하, 상기와 같은 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경(1)을 이용하여 출력장치(25)에 표시된 시료(14)의 관측화면(40)으로부터 특정 부분의 크기를 실시간으로 측정하는 방법에 대해 도 1 및 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, 전자주사현미경 본체(10)의 시료실(13)에 관찰할 시료(14)를 넣고, 전자주사현미경(1)을 동작시키면, 제어 컴퓨터(20)의 출력장치(25)에 출력된 제어화면(30)의 관측창(31)에 시료(14)의 영상이 관측화면(40)으로 표시된다(S10).

이 상태에서 사용자는 제어화면(30)을 통해 초점 조정, 배율 조정, 주사 방법 등을 선택하여 원하는 시료(14)의 관측화면(40)을 얻을 수 있다. 또한, 관측창(31)에 출력되는 시료(14)의 관측화면(40)의 명암, 휘도, 화질 등을 조절할 수 있다.

원하는 시료(14)의 관측화면(40)이 얻어졌으면, 사용자는 크기를 측정하고자 하는 측정대상을 선택하여 입력한다(S20). 즉, 사용자는 제어화면(30)에서 측정도구를 선택하고, 선택된 측정도구에 필요한 개수의 점을 포인팅 장치(26)를 사용하여 입력한다. 예를 들면, 도 3과 같이 관측화면(40)의 가운데 구멍 부분(41)의 폭에 해당하는 두 점(41b,41c)간의 거리를 측정하고자 할 경우에는 측정도구 중에서 두 점간의 거리 측정도구를 선택하고, 관측화면(40)에서 측정할 대상의 두 점(41b,41c)을 마우스(26)로 클릭한다. 그러면, 측정부(24)는 사용자가 측정하고자 하는 측정대상을 인식하게 된다.

측정부(24)는 입력된 데이터와 저장된 측정도구의 계산과정을 이용하여 측정대상인 두 점(41b,41c) 사이의 거리를 계산한다(S30). 측정부(24)가 두 점 사이의 거리를 측정하는 과정에 대해서는 상술하였으므로 여기서는 반복하여 설명하지 않는다.

그 후, 측정부(24)는 사용자가 선택한 측정대상의 크기를 도 3과 같이 관측화면(40)의 측정대상 위에 표시하며(S40), 측정대상의 크기가 표시된 관측화면(40)을 영상처리부(23)의 제2메모리(28)에 저장한다.

도 3에는 참조기호 42는 직사각형의 높이, 폭, 면적을 측정한 결과를 나타내며, 참조기호 43은 비직선 거리의 측정결과를, 참조기호 44는 타원의 면적을 측정한 결과를, 참조기호 45는 폐곡선의 면적을 측정한 결과를 나타내며, 참조기호 45는 각도 측정 결과를 예로서 표시하고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 전자주사현미경(1)은 시료(14)의 영상이 출력장치(25)에 출력되어 있는 상태에서 사용자가 선택한 시료(14)의 특정 부분의 크기를 실시간으로 측정할 수 있으므로, 시료(14)의 관찰이 매우 편리하다. 또한, 시료(14)의 관찰과 동시에 시료(14)에서 원하는 부분의 크기를 실시간으로 측정할 수 있으므로, 종래 기술에 의한 전자주사현미경에 비해 측정시간 및 관찰시간이 단축된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경를 나타내는 블록도;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경의 제어 컴퓨터의 출력장치에 출력되는 제어화면을 나타내는 도면;

도 3은 도 2의 제어화면 중의 관측창만을 나타낸 도면;

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자주사현미경의 실시간 측정방법을 나타낸 순서도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1; 전자주사현미경 10; 전자주사현미경 본체

11; 전자총 12; 경통부

13; 시료실 14; 시료

15; 제어기판 16; 검출기

20; 제어 컴퓨터 21; 중앙처리부

22; 본체 제어부 23; 영상처리부

24; 측정부 25; 출력장치

26; 포인팅 장치 27,28; 메모리

Claims (6)

1. 전자주사현미경 본체; 및

   상기 전자주사현미경 본체를 제어하며, 상기 전자주사현미경 본체에 놓인 시료의 영상을 출력장치로 출력하는 제어 컴퓨터;를 포함하며,

   상기 제어 컴퓨터는,

   상기 전자주사현미경 본체를 제어하는 본체 제어부;

   상기 전자주사현미경 본체의 검출기로부터 수신된 신호를 이용하여 상기 출력장치에 상기 시료의 영상을 출력하는 영상처리부; 및

   상기 출력장치에 출력된 상기 시료의 영상에서 선택된 측정대상을 측정하고 상기 선택된 측정대상의 측정값을 상기 출력장치에 출력된 상기 시료 영상에 표시하는 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어 컴퓨터는 상기 영상처리부에서 출력하는 영상을 저장하는 제1메모리와 상기 측정부가 측정한 상기 측정대상의 측정값이 표시된 영상을 저장하는 제2메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경.
3. 제 1 항에 있어서,

   포인팅 장치를 이용하여 상기 출력장치의 화면에서 상기 측정대상을 선택하 는 것을 특징으로 하는 실시간 측정 기능을 갖는 전자주사현미경.
4. 출력장치에 시료의 영상을 출력하는 단계;

   상기 출력장치에 출력된 상기 시료의 영상에서 선택된 측정대상을 입력받는 단계;

   입력된 상기 측정대상의 측정값을 계산하는 단계; 및

   계산된 상기 측정대상의 측정값을 상기 출력장치에 출력되어 있는 상기 시료의 영상 위에 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자주사현미경의 실시간 측정방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 측정대상의 측정값이 출력된 시료의 영상을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자주사현미경의 실시간 측정방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 측정대상은 직선 거리, 직사각형 면적, 타원 면적, 비직선 거리, 폐곡선의 둘레길이, 폐곡선 면적 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자주사현미경의 실시간 측정방법.

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