KR101104213B1 - Particle beam mass spectroscopy - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자 빔 질량 분석기를 제공한다. 이 입자 빔 질량 분석기는 가스 유동(gas flow)을 입력받아 가스 유동을 가속하여 입자 빔을 형성하는 공기 역학 렌즈, 열전자를 가속하여 입자 빔을 이온화시키어 하전 입자 빔을 형성하는 전자총, 하전 입자빔을 운동 에너지 대 전하 비(kinetic energy to charge ratio)에 따라 굴절시키는 디플렉터, 및 굴절된 하전 입자 빔에 의한 전류를 측정하는 감지부를 포함한다. 상기 전자총은 입자 빔을 통과시키는 원통 형상의 내부 그물, 상기 내부 그물의 외부에 배치된 원통 형상의 외부 그물, 내부 그물 및 내부 그물의 사이에 배치되어 열전자를 생성하는 필라멘트, 및 외부 그물의 외부에 배치되어 열전자를 구속하는 구속 자기장을 생성하는 자기장 생성부를 포함한다.The present invention provides a particle beam mass spectrometer. The particle beam mass spectrometer is equipped with an aerodynamic lens that receives a gas flow to accelerate the gas flow to form a particle beam, an electron gun to accelerate the hot electrons to ionize the particle beam to form a charged particle beam, and a charged particle beam. A deflector that refracts according to a kinetic energy to charge ratio, and a detector that measures the current by the refracted charged particle beam. The electron gun is arranged between a cylindrical inner net through which a particle beam passes, a cylindrical outer net disposed outside the inner net, an inner net and an inner net to generate hot electrons, and an outer portion of the outer net. And a magnetic field generating portion disposed to generate a confining magnetic field that constrains the hot electrons.

전자총, 나노 파티클, 구속 자기장, 집속 자기장, 필라멘트, 입자 빔 Electron gun, nanoparticle, confining magnetic field, focused magnetic field, filament, particle beam

Description

입자 빔 질량 분석기{PARTICLE BEAM MASS SPECTROSCOPY}Particle Beam Mass Spectrometer {PARTICLE BEAM MASS SPECTROSCOPY}

본 발명의 진공 용기에서 발생하는 나노 파티클을 측정하는 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 입자 빔 질량 분석기에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring nanoparticles generated in a vacuum vessel of the present invention, and more particularly to a particle beam mass spectrometer.

공정 중 발생하는 입자는 반도체 생산 수율에 가장 큰 영향을 미치는 원인으로 파악되고 있다. 반도체 공정 중에 발생하는 입자는 제어되고 있지 않다. 대부분의 반도체 공정은 저압에서 수행되고, 저압에서 동작하는 입자 측정 장치가 필요하다. 입자 발생에 대한 실시간 모니터링을 통하여, 오염원을 즉각적으로 제거하는 기술이 필요하다. 특히, 화학 기상 증착 공정은 반도체 공정의 수십 퍼센트를 차지하고 있으며, 오염 입자를 실시간으로 모니터링하여 불생 발생을 저지하는 기술이 요구된다.Particles generated during the process are considered to have the biggest influence on the yield of semiconductor production. Particles generated during the semiconductor process are not controlled. Most semiconductor processes are performed at low pressures and require a particle measuring device that operates at low pressures. Through real-time monitoring of particle generation, there is a need for a technique for removing pollutants immediately. In particular, chemical vapor deposition processes account for tens of percent of the semiconductor process, and there is a need for a technology that monitors contaminants in real time and prevents occurrence of fire.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 고 효율의 입자 빔 질량 분서기를 제공하는 것이다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide a high efficiency particle beam mass spectrometer.

본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기는 가스 유동(gas flow)을 입력받아 가스 유동을 가속하여 입자 빔을 형성하는 공기 역학 렌즈, 열전자를 가속하여 입자 빔을 이온화시키어 하전 입자 빔을 형성하는 전자총, 상기 하전 입자빔을 운동 에너지 대 전하 비(kinetic energy to charge ratio)에 따라 굴절시키는 디플렉터, 및 굴절된 상기 하전 입자 빔에 의한 전류를 측정하는 감지부를 포함한다. 상기 전자총은 상기 입자 빔을 통과시키는 원통 형상의 내부 그물, 상기 내부 그물의 외부에 배치된 원통 형상의 외부 그물, 상기 내부 그물 및 상기 내부 그물의 사이에 배치되어 상기 열전자를 생성하는 필라멘트, 및 상기 외부 그물의 외부에 배치되어 상기 열전자를 구속하는 구속 자기장을 생성하는 자기장 생성부를 포함한다.Particle beam mass spectrometer according to an embodiment of the present invention is an aerodynamic lens that receives a gas flow (gas flow) to accelerate the gas flow to form a particle beam, accelerates the hot electrons to ionize the particle beam to form a charged particle beam An electron gun, a deflector that refracts the charged particle beam according to a kinetic energy to charge ratio, and a detector that measures an electric current by the refracted charged particle beam. The electron gun is a cylindrical inner net for passing the particle beam, a cylindrical outer net disposed outside the inner net, a filament disposed between the inner net and the inner net to generate the hot electrons, and the And a magnetic field generator disposed outside the outer net to generate a confining magnetic field that constrains the hot electrons.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전자총은 상기 필라멘트의 일단에 연결된 제1 기둥, 상기 제1 기둥과 이격되어 배치되고 상기 필라멘트의 타단에 연결된 제2 기둥을 더 포함한다. 상기 외부 그물 및 상기 제1 기둥은 음의 제1 전압에 인가되고, 상기 제2 기둥은 음의 제2 전압에 인가되고, 상기 내부 그물은 접지될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electron gun further comprises a first pillar connected to one end of the filament, a second pillar disposed spaced apart from the first pillar and connected to the other end of the filament. The outer net and the first pillar may be applied to a negative first voltage, the second pillar may be applied to a negative second voltage, and the inner net may be grounded.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 필라멘트는 복수 개이고 서로 다른 층에 배치되어 루프를 형성할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the filament is a plurality and may be disposed on different layers to form a loop.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전자총은 상기 필라멘트의 일단이 연결된 상부 와셔, 상기 필라멘트의 타단에 연결되고 상기 상부 와셔와 수직으로 이격되어 배치된 하부 와셔, 상기 상부 와셔를 지지하고 전류를 공급하는 지지 기둥을 더 포함할 수 있다. 상기 외부 그물 및 상기 상부 와셔는 음의 제1 전압에 인가되고, 상기 하부 와셔는 음의 제2 전압에 인가되고, 상기 내부 그물은 접지될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electron gun is an upper washer connected to one end of the filament, a lower washer connected to the other end of the filament and spaced vertically from the upper washer, and supports the upper washer and supplies current It may further include a support pillar. The outer net and the upper washer are applied to a negative first voltage, the lower washer is applied to a negative second voltage, and the inner net can be grounded.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자기장 생성부는 상기 입자 빔의 진행 방향에 수직한 평면에 구속 자기장을 생성할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the magnetic field generating unit may generate a confining magnetic field in a plane perpendicular to the advancing direction of the particle beam.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 디플렉터와 상기 전자총 사이에 배치되어 상기 전자총으로부터 출력된는 하전 입자 빔을 집속시키어 상기 디플렉터에 입사시키는 집속부를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, it may further include a focusing unit disposed between the deflector and the electron gun to focus the charged particle beam output from the electron gun to enter the deflector.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 집속부는 상기 입자 빔의 진행 방향과 평행한 집속 자기장을 생성하고, 상기 집속 자기장의 세기는 상기 디플렉터의 위치 근처에서 최대값을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the focusing unit generates a focused magnetic field parallel to the direction of travel of the particle beam, the intensity of the focused magnetic field may have a maximum value near the position of the deflector.

본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기는 저압(10-5 Torr) 영역에서 열전자의 손실 없이 고 효율의 전자총을 가지고 동작할 수 있다. 고효율 전자총 으로 인해 입자 빔 질량분석기 사용압력을 낮출 수 있어 장비제작 비용 또한 줄일 수 있는 강정을 가질 수 있다. 상기 입자 빔 질량 분석기는 구속 자기장을 가지고 열전자를 포획할 수 있고, 포획시간 증가 및 포획량 증가로 인해 입자 이온화 효율 또한 극대화시킬 수 있다. 상기 구속 자기장 및 집속 자기장은 하전 입자 빔의 퍼짐을 방지할 수 있다. 특히, 상기 구속 자기장 및 집속 자기장은 입자 유입부에서 감지부 사이의 수송 손실을 최소화하고 입자 이온화 후 추가 집속장치로 인해 검출기까지의 전달 효율을 극대화할 수 있는 장점도한 확보할 수 있다. 특히, 상기 입자 빔 질량 분석기는 반도체 등의 화학 기상 증착 공정 및 식각공정에서 실시간으로 나노 입자를 모니터링하여, 진공 고정 최적화, 진행 적정성 및 용기의 청소 시기 등을 제공하여 수율 및 생산량을 향상시킬 수 있다.The particle beam mass spectrometer according to an embodiment of the present invention may operate with a high efficiency electron gun in the low pressure (10 -5 Torr) region without loss of hot electrons. The high efficiency electron gun can lower the operating pressure of the particle beam mass spectrometer, thereby reducing the cost of equipment manufacturing. The particle beam mass spectrometer can capture hot electrons with a confining magnetic field, and can maximize particle ionization efficiency due to increased capture time and increased capture amount. The constrained magnetic field and focused magnetic field may prevent the spread of the charged particle beam. In particular, the confining magnetic field and the focusing magnetic field can secure the advantages of minimizing the transport loss between the particle inlet and the sensing unit and maximizing the transfer efficiency to the detector due to the additional focusing device after particle ionization. In particular, the particle beam mass spectrometer may monitor nanoparticles in real time in a chemical vapor deposition process and an etching process such as a semiconductor, thereby improving yield and yield by providing vacuum fixation optimization, process adequacy, and cleaning time of a container. .

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the components have been exaggerated for clarity. Portions denoted by like reference numerals denote like elements throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기를 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a particle beam mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 도 1의 입자 빔 질량 분석기의 전자총을 설명하는 분해 사시도이다.FIG. 2A is an exploded perspective view illustrating the electron gun of the particle beam mass analyzer of FIG. 1. FIG.

도 2b는 도 2a의 단면도이다. FIG. 2B is a cross-sectional view of FIG. 2A.

도 2c는 도 2b의 전압을 설명하는 도면이다.FIG. 2C is a diagram illustrating the voltage of FIG. 2B.

도 2d는 2a의 z축 방향의 자기장의 세기를 설명하는 도면이다.It is a figure explaining the intensity of the magnetic field of the z-axis direction of 2a.

도 1, 및 도 2a 내지 도2d를 참조하면, 상기 입자 빔 질량 분석기(particle beam mass spectroscopy: PBMS)는 가스 유동(GF)을 입력받아 가스 유동(GF)을 가속하여 입자 빔(PB)을 형성하는 공기 역학 렌즈(10), 열전자를 가속하여 입자 빔(PB)을 이온화시키어 하전 입자 빔(CPB)을 형성하는 전자총(30), 상기 하전 입자빔(CPB)을 운동 에너지 대 전하 비(kinetic energy to charge ratio)에 따라 굴절시키는 디플렉터(40), 굴절된 상기 하전 입자 빔(CPB)에 의한 전류를 측정하는 감지부(50)를 포함한다. 상기 전자총(30)은 상기 입자 빔(PB)을 통과시키는 원통 형상의 내부 그물(214), 상기 내부 그물(214)의 외부에 배치된 원통 형상의 외부 그물(230), 상기 내부 그물(214) 및 상기 내부 그물(214)의 사이에 배치되어 상기 열전자를 생성하는 필라멘트(226), 및 상기 외부 그물(230)의 외부에 배치되어 상기 열전자를 구속하는 구속 자기장(Bz)을 생성하는 자기장 생성부(240)를 포함한다.1 and 2A to 2D, the particle beam mass spectroscopy (PBMS) receives a gas flow GF to accelerate the gas flow GF to form a particle beam PB. An aerodynamic lens 10, an electron gun 30 that accelerates the hot electrons to ionize the particle beam PB to form a charged particle beam CPB, and the kinetic energy to charge ratio of the charged particle beam CPB. The deflector 40 refracts according to the charge ratio, and the detector 50 measures the current caused by the refracted charged particle beam CPB. The electron gun 30 has a cylindrical inner net 214 through which the particle beam PB passes, a cylindrical outer net 230 disposed outside the inner net 214, and the inner net 214. And a filament 226 disposed between the inner net 214 to generate the hot electrons, and a magnetic field generating unit disposed outside the outer net 230 to generate a confining magnetic field Bz that constrains the hot electrons. 240.

상기 입자 빔 질량 분석기(particle beam mass spectroscopy: PBMS)는 저압 챔버(미도시)에서 상기 가스 유동(GF)을 입력받아 분석할 수 있다. 상기 가스 유동(GF)은 상기 공기 역학 렌즈(10)를 통하여 상기 입자 빔(PB)의 형태로 상기 공기 역학 렌즈(10)의 중심부에 모여지고, 노즐(11)의 팽창에 의하여 가속된다. 상기 입 자 빔(PB)은 충분한 관성 모멘트(inetia moment)을 가지고, 전자총(electron gun, 30)에 입사한다. 상기 전자총(30)은 필라멘트를 이용하여 열전자를 방출한다. 상기 열전자는 가속되어 상기 입자 빔(PB)을 이온화시킨다. 상기 하전 입자 빔(CPB)은 디플렉터(40)에 의하여 운동 에너지와 하전량의 비에 따라 분류된다. 분류된 입자의 전류량은 파라데이 센서(52)와 전류계(54)에 의하여 측정된다.The particle beam mass spectroscopy (PBMS) may receive and analyze the gas flow GF in a low pressure chamber (not shown). The gas flow GF is collected in the center of the aerodynamic lens 10 in the form of the particle beam PB through the aerodynamic lens 10, and is accelerated by the expansion of the nozzle 11. The particle beam PB has a sufficient moment of inertia and enters an electron gun 30. The electron gun 30 emits hot electrons using the filament. The hot electrons are accelerated to ionize the particle beam PB. The charged particle beam CPB is classified by the deflector 40 according to the ratio of the kinetic energy and the charged amount. The amount of current of the sorted particles is measured by Faraday sensor 52 and ammeter 54.

상기 가스 유동(GF)의 스토크 넘버(Stokes number)는 1 정도일 수 있다. 상기 가스 유동(GF)은 나노 파티클(nano paticle)을 포함할 수 있다. 상기 나노 파티클은 상기 공기 역학 렌즈(10)를 통하여 중심선 상에 위치할 수 있다. 또한, 상기 나노 파티클들은 집속될 수 있다. 상기 나노 파티클은 노즐 팽창에 의하여 가속될 수 있다.The stoke number of the gas flow GF may be about one. The gas flow GF may include nano particles. The nanoparticles may be located on a centerline through the aerodynamic lens 10. In addition, the nanoparticles may be focused. The nanoparticles can be accelerated by nozzle expansion.

스키머(skimmer,20)는 상기 공기 역학 렌즈(10)와 상기 전자 총(30) 사이에 배치될 수 있다. 상기 스키머(20)는 집속되지 않는 상기 나노 파티클들을 차단할 수 있다. 상기 스키머(20)와 상기 공기 역학 렌즈(10) 사이의 공간은 제1 챔버(15)를 구성할 수 있다. 상기 스키머(20)와 상기 디플렉터(40) 사이의 공간은 제2 챔버(17)를 구성할 수 있다. 상기 제1 챔버(15)는 제1 배관(71)을 통하여 제1 펌프(72)에 연결될 수 있다. 상기 제2 챔버(17)는 제2 배관(73)을 통하여 제2 펌프(74)에 연결될 수 있다. 상기 제1 챔버(15)의 압력은 수 10-3 토르 이하일 수 있다. 상기 제2 챔버(17)의 압력은 수 10-5 토르 이하일 수 있다. 상기 제1 펌브(72) 및 상기 제2 펌프(74)는 제3 배관(75)을 통하여 저진공 펌프(76)에 연결될 수 있 다. 상기 제1 펌프(72) 및 상기 제2 펌프(74)는 고진공 펌프일 수 있다.A skimmer 20 may be disposed between the aerodynamic lens 10 and the electron gun 30. The skimmer 20 may block the nanoparticles that are not focused. The space between the skimmer 20 and the aerodynamic lens 10 may constitute the first chamber 15. The space between the skimmer 20 and the deflector 40 may constitute the second chamber 17. The first chamber 15 may be connected to the first pump 72 through the first pipe 71. The second chamber 17 may be connected to the second pump 74 through the second pipe 73. The pressure of the first chamber 15 may be several 10 −3 Torr or less. The pressure of the second chamber 17 may be several 10 −5 Torr or less. The first pump 72 and the second pump 74 may be connected to the low vacuum pump 76 through the third pipe 75. The first pump 72 and the second pump 74 may be a high vacuum pump.

상기 전자총(electron gun,30)은 지지 절연부(200)을 포함할 수 있다. 상기 지지 절연부(200)은 중심에 관통홀(200c)을 포함할 수 있다. 상기 입자 빔(PB)은 상기 관통홀(200c)로 입사할 수 있다. 상기 지지 절연부(200)는 큰 외경을 가진 제1 너트부(200a)와 상기 제1 너트부(200a) 상에 배치되고 작은 외경을 가진 제2 너트부(200b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 너트부(200a)와 상기 제2 너트부(200b)는 일체화될 수 있다. 상기 제2 너트부(200b) 상에 서로 마주보는 제1 기둥(224) 및 제2 기둥(222)이 배치될 수 있다. 상기 제1 기둥(224)은 상기 필라멘트(226)의 일단에 연결될 수 있다. 상기 제2 기둥(222)은 상기 필라멘트(226)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 제1 기둥(224)과 상기 제2 기둥(222)은 상기 관통홀(200c)을 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 기둥(224) 및 상기 제2 기둥(222)은 중심축 방향(z축 방향)으로 정렬할 수 있다.The electron gun 30 may include a support insulation 200. The support insulation part 200 may include a through hole 200c at the center thereof. The particle beam PB may be incident to the through hole 200c. The support insulation part 200 may include a first nut part 200a having a large outer diameter and a second nut part 200b disposed on the first nut part 200a and having a small outer diameter. The first nut part 200a and the second nut part 200b may be integrated. The first pillar 224 and the second pillar 222 facing each other may be disposed on the second nut part 200b. The first pillar 224 may be connected to one end of the filament 226. The second pillar 222 may be connected to the other end of the filament 226. The first pillar 224 and the second pillar 222 may be symmetrically disposed about the through hole 200c. The first pillar 224 and the second pillar 222 may be aligned in the central axis direction (z-axis direction).

상기 제2 너트부(200b)의 외곽에 외부 그물 지지부(222)가 배치될 수 있다. 상기 외부 그물 지지부(232)는 링 형상을 가질 수 있다. 상기 외부 그물 지지부(232)와 상기 외부 그물(230)은 기계적 및 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 외부 그물(232)은 뚜껑을 가진 원통 형상일 수 있다. 상기 외부 그물(232)의 뚜껑은 중심부에 관통 홀(234)을 포함할 수 있다.An outer net support part 222 may be disposed outside the second nut part 200b. The outer net support 232 may have a ring shape. The outer net support 232 and the outer net 230 may be mechanically and electrically coupled. The outer net 232 may be cylindrical in shape with a lid. The lid of the outer net 232 may include a through hole 234 in the center.

내부 그물 지지부(212)는 상기 제2 너트부(200b) 상에 배치될 수 있다. 상기 내부 그물 지지부(212)는 와셔 형상일 수 있다. 상기 내부 그물 지지부(212)와 상기 내부 그물(214)은 기계적 및 전기적으로 결합할 수 있다. 상기 내부 그물(214) 은 뚜껑을 가진 원통 형상일 수 있다. 상기 내부 그물(214)의 뚜껑은 중심에 관통홀(216)을 가질 수 있다. 보조 전극(201)은 상기 내부 그물 지지부(212)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 보조 전극(201)은 와셔 형태이고 플로팅될 수 있다.The inner net support 212 may be disposed on the second nut part 200b. The inner net support 212 may have a washer shape. The inner net support 212 and the inner net 214 may be mechanically and electrically coupled. The inner net 214 may be cylindrical in shape with a lid. The lid of the inner net 214 may have a through hole 216 at the center thereof. The auxiliary electrode 201 may be disposed under the inner net support 212. The auxiliary electrode 201 may be in the form of a washer and may be floated.

상기 외부 그물(230) 및 상기 제1 기둥(224)은 음의 제1 전압(V1)에 인가된다. 상기 제2 기둥(222)은 음의 제2 전압(V2)에 인가된다. 상기 내부 그물(214)은 접지된다. 상기 제 1 전압(V1)의 절대값은 상기 제2 전압(V2)의 절대값보다 수 볼트 정도 클 수 있다. 상기 제 1 전압(V1)은 -200 V 정도 일 수 있다. 이에 따라, 전류(I1,I2)는 상기 제2 기둥(222), 상기 필라멘트(226), 및 상기 제2 기둥(222)을 통하여 흐를 수 있다. 전기장은 상기 내부 그물(214)에서 상기 외부 그물(230) 사이에 반경 방향으로 형성될 수 있다. 상기 필라멘트(226)는 상기 제1 기둥(224) 및 제2 기둥(22)을 감싸는 루프 형태일 수 있다. 상기 필라멘트(226)는 열전자를 방출할 수 있다. 상기 열전자는 상기 전기장에 의하여 가속되어 상기 내부 그물(214)의 내부로 입사할 수 있다. 상기 가속된 열 전자는 상기 입자 빔(PB)을 이온화할 수 있다. 이에 따라, 상기 하전 입자 빔(CPB)은 양의 전하로 대전될 수 있다.The outer net 230 and the first pillar 224 are applied to a negative first voltage V1. The second pillar 222 is applied to the negative second voltage V2. The inner net 214 is grounded. The absolute value of the first voltage V1 may be several volts greater than the absolute value of the second voltage V2. The first voltage V1 may be about -200V. Accordingly, the currents I1 and I2 may flow through the second pillar 222, the filament 226, and the second pillar 222. An electric field may be formed in the radial direction between the inner net 214 and the outer net 230. The filament 226 may have a loop shape surrounding the first pillar 224 and the second pillar 22. The filament 226 may emit hot electrons. The hot electrons may be accelerated by the electric field and may enter the inside of the inner net 214. The accelerated hot electrons may ionize the particle beam PB. Accordingly, the charged particle beam CPB may be charged with a positive charge.

상기 자기장 생성부(240)는 상기 입자 빔(PB)의 진행 방향의 성분을 가지는 구속 자기장(Bc)을 생성할 수 있다. 상기 하전 입자 빔(CPB)은 질량이 매우 커서 상기 구속 자기장(Bc)에 영향을 거의 받지 않을 수 있다. 하지만, 상기 열 전자는 빨리 상기 전자총(30)으로부터 제거될 필요가 있다. 상기 구속 자기장(Bc)은 상기 내부 그물(214) 내부에 존재하는 상기 열전자를 상기 구속 자기장의 방향(z축)으로 제거할 수 있다. 즉, 상기 구속 자기장(Bc)은 자기장의 수직방향으로 상기 열전자 의 이동을 제한하고, 상기 자기장의 방향으로 상기 열전자의 이동을 촉진할 수 있다. 한편, 상기 구속 자기장(Bc)은 상기 내부 그물(214)과 상기 외부 그물(230) 사이에서 상기 열전자가 운동 에너지를 얻는 것을 방해할 수 있다. 따라서, 상기 구속 자기장(Bc)은 상기 열전자가 상기 입자 빔을 이온화할 수 있도록 충분히 작을 수 있다.The magnetic field generator 240 may generate a constrained magnetic field Bc having a component in a traveling direction of the particle beam PB. The charged particle beam (CPB) is very large mass may be hardly affected by the confining magnetic field (Bc). However, the hot electrons need to be removed from the electron gun 30 quickly. The constrained magnetic field Bc may remove the hot electrons present in the inner net 214 in the direction (z-axis) of the constrained magnetic field. That is, the confining magnetic field Bc may limit the movement of the hot electrons in the vertical direction of the magnetic field and promote the movement of the hot electrons in the direction of the magnetic field. Meanwhile, the confining magnetic field Bc may prevent the hot electrons from obtaining kinetic energy between the inner net 214 and the outer net 230. Thus, the confining magnetic field Bc may be small enough for the hot electrons to ionize the particle beam.

집속부(90)는 상기 디플렉터(40)와 상기 전자총(30) 사이에 배치되어 상기 전자총으로부터 출력되는 하전 입자 빔(CPB)을 집속시키어 상기 디플렉터(40)에 입사시킬 수 있다. 상기 집속부(90)는 양이온 및 전자를 집속 자기장(Bf)을 이용하여 집속할 수 있다. 상기 집속 자기장은 상기 입자 빔의 방향 성분을 가질 수 있다. 상기 집속 자기장의 세기는 상기 디플렉터의 위치(z2)에 가장 클 수 있다. 이에 따라, 상기 전자 총의 출구의 위치(z1)로부터 출력된 상기 하전 입자 빔은 상기 집속 자기장에 구속되어 상기 디플렉터에 입사할 수 있다. The focusing unit 90 may be disposed between the deflector 40 and the electron gun 30 to focus the charged particle beam CPB output from the electron gun and enter the deflector 40. The focusing unit 90 may focus cations and electrons using a focused magnetic field Bf. The focused magnetic field may have a directional component of the particle beam. The intensity of the focused magnetic field may be largest at the position z2 of the deflector. Accordingly, the charged particle beam output from the position z1 of the exit of the electron gun may be confined to the focusing magnetic field and enter the deflector.

상기 디플렉터(40)는 복층 구조의 메쉬를 이용할 수 있다. 상기 디플렉터(40)는 차례로 이격되어 적층된 제1 내지 제3 메쉬를 포함할 수 있다. 상기 제1 메쉬는 플로딩 상태일 수 있다. 상기 제2 메쉬는 양의 전압으로 스캔될 수 있다. 상기 제3 메쉬는 접지될 수 있다. 상기 제1 메쉬에 입사한 상기 하전 입자 빔(CPB)은 상기 제2 메쉬의 전압에 따라 굴절할 수 있다. 상기 입사각과 상기 제1 메쉬의 법선 성분 사이의 입사각은 45 도 내외일 수 있다. 상기 제2 메쉬에 인가되는 전압은 수백 내지 수천 볼트일 수 있다. 상기 제2 메쉬에 인가되는 1 볼트의 전압은 대략 0.2 nm의 입자 크기에 대응될 수 있다. 상기 디플렉터(40)는 입사하는 하전 입 자 빔을 굴절시킬 수 있다.The deflector 40 may use a multi-layered mesh. The deflector 40 may include first to third meshes that are sequentially spaced apart from each other. The first mesh may be in a floating state. The second mesh may be scanned with a positive voltage. The third mesh may be grounded. The charged particle beam (CPB) incident on the first mesh may be refracted according to the voltage of the second mesh. An angle of incidence between the angle of incidence and the normal component of the first mesh may be about 45 degrees. The voltage applied to the second mesh may be hundreds to thousands of volts. The voltage of 1 volt applied to the second mesh may correspond to a particle size of approximately 0.2 nm. The deflector 40 may refrac the incident charged particle beam.

상기 디플렉터에 인가되는 전압은 다음과 같이 주어질 수 있다.The voltage applied to the deflector may be given as follows.

Figure 112009059575363-pat00001
Figure 112009059575363-pat00001

여기서, mp, up, Zp는 각각 입자의 질량, 속도, 및 하전량이다. A는 입사각에 의존하는 상수이고, e는 단위 전하량이다.Where m p , u p , and Z p are the mass, velocity, and charge amount of the particles, respectively. A is a constant depending on the angle of incidence, and e is the unit charge amount.

상기 굴절된 하전 입자 빔(CPB)은 상기 감지부(50)에 입사할 수 있다. 상기 감지부(50)는 센서(52)를 포함할 수 있다. 상기 센서(52)는 파라데어 컵(Faraday cup)을 포함할 수 있다. 상기 감지부(50)는 전류계(54)를 포함할 수 있다. 상기 센서(52)에 흐르는 전류는 상기 전류계(54)를 통하여 검출될 수 있다. 상기 디플렉터(40)에 인가되는 전압에 따라 상기 감지부(50)에 흐르는 전류를 측정하여 하전된 입자의 질량을 검출할 수 있다.The refracted charged particle beam CPB may be incident on the detector 50. The sensing unit 50 may include a sensor 52. The sensor 52 may include a Faraday cup. The sensing unit 50 may include an ammeter 54. The current flowing through the sensor 52 may be detected through the ammeter 54. The mass of the charged particles may be detected by measuring the current flowing through the detector 50 according to the voltage applied to the deflector 40.

보조 감지부(55)는 상기 입자 빔을 방향을 따라 상기 디플렉터(40)의 뒤에 배치될 수 있다. 상기 보조 감지부(55)는 상기 디플렉터가 없는 경우의 상기 하전 입자빔을 측정할 수 있다. 상기 보조 감지부(55)는 센서(56) 및 전류계(58)를 포함할 수 있다.The auxiliary detecting unit 55 may be disposed behind the deflector 40 along the direction of the particle beam. The auxiliary detector 55 may measure the charged particle beam in the absence of the deflector. The auxiliary detecting unit 55 may include a sensor 56 and an ammeter 58.

도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기의 전자총을 설명하는 분해 사시도이다. 도 3b는 도 3a의 단면도이다. 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.3A is an exploded perspective view illustrating an electron gun of a particle beam mass spectrometer according to another embodiment of the present invention. 3B is a cross-sectional view of FIG. 3A. Description overlapping with those described in FIGS. 1 and 2 will be omitted.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 전자총(30a)은 입자 빔을 통과시키는 원통 형상의 내부 그물(214), 상기 내부 그물(214)의 외부에 배치된 원통 형상의 외부 그물(230), 상기 내부 그물(214) 및 상기 내부 그물(214)의 사이에 배치되어 상기 열전자를 생성하는 필라멘트(326), 및 상기 외부 그물(230)의 외부에 배치되어 상기 열전자를 구속하는 구속 자기장(Bz)을 생성하는 자기장 생성부(240)를 포함한다.3A and 3B, the electron gun 30a includes a cylindrical inner net 214 through which a particle beam passes, a cylindrical outer net 230 disposed outside the inner net 214, and A filament 326 disposed between the inner net 214 and the inner net 214 to generate the hot electrons, and a confining magnetic field Bz disposed outside the outer net 230 to constrain the hot electrons. It generates a magnetic field generating unit 240.

상부 와셔(327)는 상기 필라멘트(326)의 일단에 연결된다. 하부 와셔(328)는 상기 필라멘트(326)의 하단에 연결되고 상기 상부 와셔(327)와 수직으로 이격되어 배치된다. 지지 기둥(322,324)은 상기 상부 와셔(327)를 지지하고 전류를 공급한다. 상기 외부 그물(230) 및 상기 상부 와셔(327)는 음의 제1 전압(V1)에 인가되고, 상기 하부 와셔는 음의 제2 전압(V2)에 인가되고, 상기 내부 그물(214)은 접지된다. 상기 필라멘트는 복수 개 일 수 있다. 상기 필라멘트는 상기 지지 기둥과 같은 방향으로 연장될 수 있다. 상기 필라멘트는 상기 상부 와셔의 방위각을 따라 대칭적으로 배치될 수 있다. An upper washer 327 is connected to one end of the filament 326. The lower washer 328 is connected to the lower end of the filament 326 and disposed vertically spaced apart from the upper washer 327. Support columns 322 and 324 support the upper washer 327 and supply current. The outer net 230 and the upper washer 327 are applied to a negative first voltage V1, the lower washer is applied to a negative second voltage V2, and the inner net 214 is grounded. do. The filament may be a plurality. The filament may extend in the same direction as the support pillar. The filaments may be arranged symmetrically along the azimuth of the upper washer.

도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기의 전자총을 설명하는 분해 사시도이다. 도 4b는 도 4a의 개념도이다. 도 4c는 4a의 단면도이다. 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.4A is an exploded perspective view illustrating an electron gun of a particle beam mass analyzer according to another embodiment of the present invention. 4B is a conceptual diagram of FIG. 4A. 4C is a cross-sectional view of 4A. Descriptions overlapping with those described in FIGS. 1 and 2 will be omitted.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 전자총(30b)은 입자 빔을 통과시키는 원통 형상의 내부 그물(214), 상기 내부 그물(214)의 외부에 배치된 원통 형상의 외 부 그물(230), 상기 내부 그물(214) 및 상기 내부 그물(214)의 사이에 배치되어 상기 열전자를 생성하는 필라멘트(226), 및 상기 외부 그물(230)의 외부에 배치되어 상기 열전자를 구속하는 구속 자기장(Bz)을 생성하는 자기장 생성부(240)를 포함한다.4A to 4C, the electron gun 30b includes a cylindrical inner net 214 through which the particle beam passes, a cylindrical outer net 230 disposed outside the inner net 214, A filament 226 disposed between the inner net 214 and the inner net 214 to generate the hot electrons, and a confining magnetic field Bz disposed outside the outer net 230 to constrain the hot electrons. It includes a magnetic field generating unit 240 for generating a.

필라멘트(226)는 루프 형상일 수 있다. 상기 필라멘트는 복수 개일 수 있다. 상기 필라멘트는 서로 다른 층에 배치될 수 있다. 제1 기둥(224)은 상기 필라멘트(226)의 일단에 연결될 수 있다. 상기 제2 기둥(222)은 상기 필라멘트(226)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 제1 기둥(224)과 상기 제2 기둥(222)은 상기 관통홀(200c)을 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 제1 기둥(224) 및 상기 제2 기둥(222)은 중심축 방향(z축 방향)으로 정렬할 수 있다.The filament 226 may be looped. The filament may be plural. The filaments may be arranged in different layers. The first pillar 224 may be connected to one end of the filament 226. The second pillar 222 may be connected to the other end of the filament 226. The first pillar 224 and the second pillar 222 may be symmetrically disposed about the through hole 200c. The first pillar 224 and the second pillar 222 may be aligned in the central axis direction (z-axis direction).

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기의 전자총을 설명하는 도면이다. 5 is a view for explaining the electron gun of the particle beam mass spectrometer according to another embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 상기 전자총(30c)은 입자 빔을 통과시키는 원통 형상의 내부 그물(214), 상기 내부 그물(214)의 외부에 배치된 원통 형상의 외부 그물(230), 상기 내부 그물(214) 및 상기 내부 그물(214)의 사이에 배치되어 상기 열전자를 생성하는 필라멘트(226), 및 상기 외부 그물(230)의 외부에 배치되어 상기 열전자를 구속하는 구속 자기장(Bz)을 생성하는 자기장 생성부(240)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the electron gun 30c includes a cylindrical inner net 214 through which a particle beam passes, a cylindrical outer net 230 disposed outside the inner net 214, and the inner net ( A filament 226 disposed between 214 and the inner net 214 to generate the hot electrons, and a magnetic field disposed outside of the outer net 230 to produce a confining magnetic field Bz that constrains the hot electrons Generation unit 240 is included.

자기장 생성부(240)는 적어도 하나의 전자석 또는 영구 자석을 포함할 수 있다. 상기 자기장 생성부(240)는 적어도 한 쌍의 자석들(240a,240b,241a,241b)을 포함할 수 있다. 제1 자석(240a,240b)는 x축 방향으로 자기장을 생성할 수 있다. 제2 자석(241a,241b)는 y축 방향으로 자기장을 생성할 수 있다. 상기 자기장 생성부(240)는 상기 내부 그물(214) 및 상기 내부 그물(214)에 의하여 형성된 전기장과 나란한 자기장을 생성할 수 있다. 이에 따라, 상기 필라멘트에서 발생한 열전자는 상기 자기장을 따라 상기 내부 그물(214)로 입사할 수 있다.The magnetic field generating unit 240 may include at least one electromagnet or permanent magnet. The magnetic field generating unit 240 may include at least one pair of magnets 240a, 240b, 241a and 241b. The first magnets 240a and 240b may generate a magnetic field in the x-axis direction. The second magnets 241a and 241b may generate a magnetic field in the y-axis direction. The magnetic field generating unit 240 may generate a magnetic field parallel to the electric field formed by the inner net 214 and the inner net 214. Accordingly, hot electrons generated from the filament may enter the inner net 214 along the magnetic field.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기를 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a particle beam mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 도 1의 입자 빔 질량 분석기의 전자총을 설명하는 분해 사시도이다.FIG. 2A is an exploded perspective view illustrating the electron gun of the particle beam mass analyzer of FIG. 1. FIG.

도 2b는 도 2a의 단면도이다.FIG. 2B is a cross-sectional view of FIG. 2A.

도 2c는 도 2b의 전압을 설명하는 도면이다.FIG. 2C is a diagram illustrating the voltage of FIG. 2B.

도 2d는 2a의 z축 방향의 자기장의 세기를 설명하는 도면이다.It is a figure explaining the intensity of the magnetic field of the z-axis direction of 2a.

도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기의 전자총을 설명하는 분해 사시도이다. 도 3b는 도 3a의 단면도이다.3A is an exploded perspective view illustrating an electron gun of a particle beam mass spectrometer according to another embodiment of the present invention. 3B is a cross-sectional view of FIG. 3A.

도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기의 전자총을 설명하는 분해 사시도이다. 도 4b는 도 4a의 개념도이다. 도 4c는 4a의 단면도이다.4A is an exploded perspective view illustrating an electron gun of a particle beam mass analyzer according to another embodiment of the present invention. 4B is a conceptual diagram of FIG. 4A. 4C is a cross-sectional view of 4A.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자 빔 질량 분석기의 전자총을 설명하는 도면이다.5 is a view for explaining the electron gun of the particle beam mass spectrometer according to another embodiment of the present invention.

Claims (7)

가스 유동(gas flow)을 입력받아 상기 가스 유동을 가속하여 입자 빔을 형성하는 공기 역학 렌즈;An aerodynamic lens that receives a gas flow and accelerates the gas flow to form a particle beam; 열전자를 가속하여 입자 빔을 이온화시키어 하전 입자 빔을 형성하는 전자총;An electron gun that accelerates the hot electrons to ionize the particle beam to form a charged particle beam; 상기 하전 입자빔을 운동 에너지 대 전하 비(kinetic energy to charge ratio)에 따라 굴절시키는 디플렉터; 및A deflector that refracts the charged particle beam according to kinetic energy to charge ratio; And 굴절된 상기 하전 입자 빔에 의한 전류를 측정하는 감지부를 포함하고,It includes a detector for measuring the current by the refracted charged particle beam, 상기 전자총은:  The electron gun is: 상기 입자 빔을 통과시키는 원통 형상의 내부 그물;A cylindrical inner net passing through the particle beam; 상기 내부 그물의 외부에 배치된 원통 형상의 외부 그물;A cylindrical outer net disposed outside the inner net; 상기 내부 그물 및 상기 외부 그물의 사이에 배치되어 상기 열전자를 생성하는 필라멘트; 및A filament disposed between the inner net and the outer net to generate the hot electrons; And 상기 외부 그물의 외부에 배치되어 상기 열전자를 구속하는 구속 자기장을 생성하는 자기장 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 빔 질량 분석기.And a magnetic field generator disposed outside the outer net to generate a confining magnetic field that constrains the hot electrons. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전자총은: The electron gun is: 상기 필라멘트의 일단에 연결된 제1 기둥;A first pillar connected to one end of the filament; 상기 제1 기둥과 이격되어 배치되고 상기 필라멘트의 타단에 연결된 제2 기둥을 더 포함하고,A second column disposed spaced apart from the first pillar and connected to the other end of the filament; 상기 외부 그물 및 상기 제1 기둥은 음의 제1 전압에 인가되고, The outer net and the first pillar are applied to a negative first voltage, 상기 제2 기둥은 음의 제2 전압에 인가되고, The second pillar is applied to a negative second voltage, 상기 내부 그물은 접지된 것을 특징으로 하는 입자 빔 질량 분석기.And the inner net is grounded. 제 2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 필라멘트는 복수 개이고 서로 다른 층에 배치되어 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 입자 빔 질량 분석기.Wherein said filaments are plural and arranged in different layers to form a loop. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전자총은: The electron gun is: 상기 필라멘트의 일단이 연결된 상부 와셔;An upper washer having one end of the filament connected thereto; 상기 필라멘트의 타단에 연결되고 상기 상부 와셔와 수직으로 이격되어 배치된 하부 와셔;A lower washer connected to the other end of the filament and disposed vertically spaced apart from the upper washer; 상기 상부 와셔를 지지하고 전류를 공급하는 지지 기둥을 더 포함하고,A support pillar for supporting the upper washer and supplying current; 상기 외부 그물 및 상기 상부 와셔는 음의 제1 전압에 인가되고, The outer net and the upper washer are applied to a negative first voltage, 상기 하부 와셔는 음의 제2 전압에 인가되고,The lower washer is applied to a negative second voltage, 상기 내부 그물은 접지된 것을 특징으로 하는 입자 빔 질량 분석기.And the inner net is grounded. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 자기장 생성부는 상기 입자 빔의 진행 방향에 수직한 평면에 구속 자기장을 생성하는 것을 특징으로 하는 입자 빔 질량 분석기.The magnetic field generating unit generates a confining magnetic field in a plane perpendicular to the advancing direction of the particle beam. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 디플렉터와 상기 전자총 사이에 배치되어 상기 전자총으로부터 출력되는 하전 입자 빔을 집속시키어 상기 디플렉터에 입사시키는 집속부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 빔 질량 분석기.And a focusing unit disposed between the deflector and the electron gun to focus the charged particle beam output from the electron gun and to enter the deflector. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 집속부는 상기 입자 빔의 진행 방향과 평행한 집속 자기장을 생성하고, 상기 집속 자기장의 세기는 상기 디플렉터에서 최대값을 가지는 것을 특징으로 하는 입자 빔 질량 분석기.And the focusing unit generates a focused magnetic field parallel to the advancing direction of the particle beam, and the intensity of the focused magnetic field has a maximum value at the deflector.
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