KR101084574B1 - 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연면거리가 증가된 구조의 정전렌즈를 구비하여 보다 고전압을 인가할 수 있고 보다 소형화 할 수 있는 전자빔 방출장치의 렌즈모듈에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전도성의 특성을 띄는 전도층과, 상기 전도층의 하측에 형성되며 비전도성의 특성을 띄는 절연층으로 이루어지는 정전렌즈, 상기 정전렌즈가 상하로 상호 적층되었을 때 상부에 위치된 제1정전렌즈의 절연층과 하부에 위치된 제2정전렌즈의 전도층 사이에 구비되어 상기 제1정전렌즈와 제2정전렌즈를 이격시킨 상태로 지지하는 절연지지층을 포함하여 이루어지며, 상기 제1정전렌즈의 전도층과 제2정전렌즈의 전도층과의 연면거리를 늘리도록 상기 정전렌즈의 전도층과 지지층 사이의 절연층 표면에 형성되는 제1홈을 포함하여 이루어지는 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈모듈이 제공된다.

Description

고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈 모듈{Lens Module for High Voltage­Small Size Electron Beam Device}

본 발명은 전자빔 방출장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 연면거리가 증가된 구조의 정전렌즈를 구비하여 보다 고전압을 인가할 수 있고 보다 소형화 할 수 있는 전자빔 방출장치의 렌즈모듈에 관한 것이다.

현대 산업 사회가 발전할수록 소비자가 요구하는 제품은 고기능화, 소형화 및 경량화를 지향하고 있다. 특히, 반도체, 정보저장매체, 디스플레이, 바이오 칩 및 광학소자의 제작 등은 기능이나 크기에 맞춰 나노 단위의 제작을 필요로 한다.

이를 위해서, 근래에는 전자빔 방출장치를 응용하여 나노 단위로 가공하는 전자빔 가공기술이 널리 사용되고 있다.

전자빔 가공기술은 1960년대 전후로 개발된 전자주사현미경을 기반으로 하며, 전자의 에너지를 이용하여 나노크기의 패턴을 제작하는 기술로 전자총에서 방출된 운동 에너지를 가진 전자를 집속하고 정밀하게 편향시켜 스캔하는 방식으로 대상물 레지스트를 가공(노광)한다. 이러한 전자빔 가공방식은 나노 크기의 집속빔을 원하는 패턴에 따라 하나씩 조사하게 되므로 반도체 제조용 마스크 제작, MEMS 소자 제작, 나노크기의 스탬프 제작 등에 많이 활용된다.

도 1은 종래의 전자빔 방출장치를 간략하게 도시한 도면이다.

상부에 전자빔 소스(10)가 위치되며, 그 하부측에 복수열의 집속렌즈군(20)이 위치되고, 상기 집속렌즈군(20)의 사이에 조리개(40)가 위치된다.

상기 집속렌즈군(20)는 전자빔 소스(10)로부터 방출된 전자빔을 모아주어 굵기가 가늘어지게 하며, 상기 조리개(40)는 상기 집속렌즈군(20)과 조합되어 전자빔의 세기를 조절할 수 있다. 상기 조리개(40)의 크기가 작으면 전자빔의 스팟 사이즈(spot size)가 작아지고 통과하는 전자들의 수가 감소하며 구면수차(spherical aberration)가 감소된다.

그리고, 상기 집속렌즈군(20)의 하측에는 대물렌즈(60)가 위치된다. 상기 대물렌즈는 전자빔 형성렌즈로도 불리는데, 작은 전자빔을 만들기 위해서는 초점거리가 짧고 시료의 표면에 가깝게 위치되도록 한다. 일반적으로 2개의 주사코일과 한 쌍의 스티그메이터(stigmator)로 구성되어 있다.

상기 주사코일은 스캔 제네레이터와 연결되어 시료 표면에 형성된 전자빔의 스팟(spot)을 이동시키도록 구비된다. 상기 스티그메이터는 시편에 입사되는 전자빔이나 시편에서 방출되는 이차전자의 스팟이 정확히 둥굴지 않을 경우 스팟의 일그러진 방향에 반대의 전자기장을 걸어서 교정하는 기능을 한다.

한편, 상기 집속렌즈군(20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 복수개의 실리콘 정전렌즈(30)로 이루어진다. 상기 실리콘 정전렌즈(30)는 통상적인 MEMS 공정으로 수~수백 마이크로 미터 직경의 원형구멍이 형성된 얇은 실리콘막이다. 상기 실리콘 정전렌즈(30)의 표면에는 붕소 등이 침투되어 높은 전도성을 띄게 된다.

상기와 같은 실리콘 정전렌즈(30)는 붕소가 침투되어 있는 전도층(32)과 침투되어 있지 않은 절연층(34)으로 이루어진다. 그리고, 상기와 같은 실리콘 정전렌즈(30)는 서로 상하로 적층되어 집속렌즈군(20)을 이루며, 각 정전렌즈(30)의 사이에는 세라믹 등으로 이루어진 절연 지지층(36)이 구비된다.

한편, 근래에는 전자빔 방출장치가 점점 고성능화 되면서 인가되는 가속전압이 갈수록 고전압화 되고 있으며 그에 반해 크기는 갈수록 소형화 되는 고전압 소형화가 진행되고 있다.

그런데, 이러한 고전압 소형화가 진행되면서, 상기 적층된 각 정전렌즈(30)의 전도층(32)과 전도층(32) 사이의 거리 또한 짧아지게 되는데, 상기 각 정전렌즈(30)의 전도층(32)과 전도층(32) 사이의 거리는 도체와 도체 사이의 절연재의 표면에 따른 최단거리인 연면거리(Creepage Distance)에 해당되어 거리가 짧아질수록 절연이 파괴될 가능성이 높아져 전자빔 방출장치의 인가전압을 높이는데 제약이 따르는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 상호 적층된 정전렌즈의 연면거리를 증가시켜 절연이 파괴될 위험이 적은 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈모듈을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전도성의 특성을 띄는 전도층과, 상기 전도층의 하측에 형성되며 비전도성의 특성을 띄는 절연층으로 이루어지는 정전렌즈, 상기 정전렌즈가 상하로 상호 적층되었을 때 상부에 위치된 제1정전렌즈의 절연층과 하부에 위치된 제2정전렌즈의 전도층 사이에 구비되어 상기 제1정전렌즈와 제2정전렌즈를 이격시킨 상태로 지지하는 절연지지층을 포함하여 이루어지며, 상기 제1정전렌즈의 전도층과 제2정전렌즈의 전도층과의 연면거리를 늘리도록 상기 정전렌즈의 전도층과 지지층 사이의 절연층 표면에 형성되는 제1홈을 포함하여 이루어지는 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈모듈이 제공된다.

상기 제1홈은 상기 절연층의 하측면에 형성될 수 있다.

상기 절연 지지층은, 상기 제1홈이 형성된 부위의 외측을 지지하도록 이루어질 수 있다.

상기 절연지지층은, 상기 제1홈이 형성된 부위의 외측을 지지하도록 상기 제1홈이 형성된 부위의 외측과 접촉되며 상기 제1홈이 형성된 내측과는 이격되도록 단차를 이루면서 내측으로 연장형성되어 상기 제1정전렌즈의 전도층과 제2정전렌즈의 전도층과의 연면거리를 늘리도록 이루어질 수 있다.

상기 절연지지층은, 외측 테두리 둘레에 돌기를 연장 형성하여 상기 제1정전렌즈의 전도층과 제2정전렌즈의 전도층과의 연면거리를 늘리도록 이루어질 수 있다.

상기 절연지지층은, 외측 테두리 둘레에 제2홈을 형성하여 상기 제1정전렌즈의 전도층과 제2정전렌즈의 전도층과의 연면거리를 늘리도록 이루어질 수 있다.

본 발명의 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈 모듈에 따르면 정전렌즈간의 연면거리가 늘어나게 되어 렌즈 모듈의 절연성이 한층 향상되므로 전자빔 방출장치에 인가할 수 있는 가속전압의 크기를 높일 수 있어 가공깊이 및 가공분해능이 향상되면서도 소형화된 전자빔 방출장치를 제작할 수 있다.

도 1은 종래의 전자빔 방출장치의 구조를 간략하게 도시한 도면;
도 2는 종래의 정전렌즈가 적층된 구조를 간략하게 도시한 단면도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈 모듈이 적용된 전자빔 방출장치를 간략하게 도시한 단면도;
도 4는 도 3의 정전렌즈가 적층된 구조를 도시한 단면도; 그리고,
도 5는 종래의 정전렌즈의 연면거리와 본 발명의 다양한 실시예에 따른 정전렌즈의 연면거리를 도시한 단면도 이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에 따른 전자빔 방출장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 전자빔 소스(110)와 1차 집속렌즈군(120), 2차 집속렌즈군(140) 및 대물렌즈군(150)을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 전자빔 소스(110)는 전자빔을 방출하는 구성요소이다. 그리고, 상기 1차 집속렌즈군(120)과 2차 집속렌즈군(140)은 종래의 기술에서 기술한 바와 같이, 전자빔 소스(110)로부터 방출된 전자빔을 모아주어 굵기를 가늘어지게 하는 구성요소이다. 본 실시예에서는 1차 집속렌즈군(120)과 2차 집속렌즈군(140)으로 구성되는 것을 예로 들어 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 단일의 집속렌즈군으로 이루어질 수도 있으며 또는 3개 이상의 복수개의 집속렌즈군이 구비될 수도 있다.

또한, 상기 대물렌즈군은 종래기술에서 기술한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기와 같은 집속렌즈군은 도 4에 도시된 바와 같이, 복수개의 정전렌즈(130)가 상호 상하 방향으로 적층되어 이루어진다.

상기 정전렌즈(130)는 실리콘 등의 재질로 이루어지며, 미세공정으로 중앙부에 수~수백 마이크로 미터 직경의 원형 구멍이 형성된다. 상기 정전렌즈(130)의 상측 표면층에는 붕소(Boron)가 침투되어 도전성을 띄는 전도층(132)이 형성되며, 붕소가 침투되지 않은 하측부분은 비전도성의 성질을 띄는 절연층(134)이 형성된다.

상기와 같은 정전렌즈(130)는 복수개가 상호 상하방향으로 적층되어 이루어지며, 그 사이에 세라믹등으로 이루어진 절연 지지층(136)이 구비된다.

한편, 본 실시예에서는 상기 집속렌즈군이 3개의 정전렌즈(130)와 3개의 절연 지지층(136)으로 이루어지는 것을 예로 들어 설명하나, 본 발명은 이에 한정된 것은 아니며, 실시형태에 따라 다양한 개수의 정전렌즈와 절연 지지층의 조합이 가능하다.

상기와 같이 복수개의 정전렌즈(130)가 조합되었을 때 상기 상부측에 위치된 정전렌즈(130)의 전도층(132)과 하부측에 위치된 정전렌즈(130)의 전도층(132)은 상기 절연층(134)과 절연 지지층(136)에 의해 이격되어 있다.

한편, 연면거리(Creeppage Distance)란 도전체와 도전체 사이의 절연재 표면을 따르는 최단거리를 뜻한다. 따라서, 종래와 같은 구조에 따른 정전렌즈의 연면거리는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상부측에 위치된 정전렌즈(130)의 전도층(132)으로부터 상기 절연층(134)의 표면과 절연 지지층(136)의 표면을 거쳐 하부측에 위치된 정전렌즈(130)의 전도층(132)까지의 거리이다.

상기와 같은 연면거리를 증가시키기 위하여, 본 실시예에서는 도 4및 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 상부측에 위치된 정전렌즈(130)의 전도층(132)과 하부측에 위치된 정전렌즈(130)의 전도층(132) 사이의 절연층(134) 및 지지층(136)의 표면 거리를 증가시키도록 상기 정전렌즈(130)의 절연층(134) 표면에 제1홈(133)을 형성한다. 따라서, 연면거리가 상기 제1홈(133)의 표면거리만큼 늘어날 수 있다.

이 때, 상기 제1홈(133)은 가공의 편의성을 위하여 상기 정전렌즈(130)의 절연층(134)의 하측면에 형성되는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 상기 절연층(134)의 하측면에 접하여 상기 정전렌즈(130)를 지지하는 절연 지지층(136) 또한 상기 절연층(134) 하측면의 제1홈(133)이 형성된 부분의 외측에 접촉되어 지지하면서 상기 절연층(134) 하측면의 제1홈(133)이 형성된 부분의 내측과는 이격되도록 이루어진다. 이를 위하여, 상기 절연 지지층(136)의 제1홈(133)이 형성된 부분의 내측에 대응되는 부분(135)은 단차를 이루면서 내측으로 연장형성되도록 이루어진다.

따라서, 상기 정전렌즈(130)의 연면거리는 상기 제1홈(133)에 의해 연장된 길이에 더하여 상기 절연 지지층(136)의 단차지게 연장된 부분(135)의 표면길이까지 더해져 한층 더 늘어날 수 있다.

또한, 상기 도 4 및 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 절연 지지층(136)의 하측에 위치되는 정전렌즈(130)의 전도층(132) 상측면과 마주보는 면에도 단차(138)를 형성하여 연면거리를 더욱 증가시킬 수도 있다.

한편, 상기 정전렌즈(130)의 내측은 물론, 상기 정전렌즈(130)의 외측표면으로 전기가 흐를 수도 있으므로 상기 정전렌즈(130) 외측 표면의 연면거리도 중요하다. 따라서, 본 실시예에서는 도 4 및 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 절연 지지층(136)의 외측 둘레에 돌기(138)를 외측으로 연정형성하여 상기 돌기(138)의 표면길이만큼 연면거리를 증가시킬 수 있다.

또는, 도 4 및 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 상기 절연 지지층(136)의 외측 둘레에 제2홈(139)을 형성하여 상기 제2홈(139)의 표면길이만큼 연면거리를 증가시킬 수 도 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

110: 전자빔 소스 120: 1차 집속렌즈군
130: 정전렌즈 132: 전도층
133: 제1홈 134: 절연층
136: 절연 지지층 138: 돌기
139: 제2홈 140: 2차 집속렌즈군
150: 대물렌즈군

Claims (6)

1. 전도성의 특성을 띄는 전도층과, 상기 전도층의 하측에 형성되며 비전도성의 특성을 띄는 절연층으로 이루어지는 정전렌즈;
   상기 정전렌즈가 상하로 상호 적층되었을 때 상부에 위치된 제1정전렌즈의 절연층과 하부에 위치된 제2정전렌즈의 전도층 사이에 구비되어 상기 제1정전렌즈와 제2정전렌즈를 이격시킨 상태로 지지하는 절연지지층;
   을 포함하여 이루어지며,
   상기 제1정전렌즈의 전도층과 제2정전렌즈의 전도층과의 연면거리를 늘리도록 상기 정전렌즈의 전도층과 지지층 사이의 절연층의 하측표면에 형성되는 제1홈;
   을 포함하여 이루어지고,
   상기 절연 지지층은,
   상기 제1홈이 형성된 부위의 외측을 지지하도록 이루어지는 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈모듈.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 절연지지층은,
   상기 제1홈이 형성된 부위의 외측을 지지하도록 상기 제1홈이 형성된 부위의 외측과 접촉되며 상기 제1홈이 형성된 내측과는 이격되도록 단차를 이루면서 내측으로 연장형성되어 상기 제1정전렌즈의 전도층과 제2정전렌즈의 전도층과의 연면거리를 늘리도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 절연지지층은,
   외측 테두리 둘레에 돌기를 연장 형성하여 상기 제1정전렌즈의 전도층과 제2정전렌즈의 전도층과의 연면거리를 늘리도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 절연지지층은,
   외측 테두리 둘레에 제2홈을 형성하여 상기 제1정전렌즈의 전도층과 제2정전렌즈의 전도층과의 연면거리를 늘리도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전압 소형 전자빔 방출장치의 렌즈모듈.

Images