KR101118692B1 - 자기 렌즈층을 포함한 전자 칼럼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석을 이용하여 제작된 자기 렌즈층을 포함한 전자 칼럼에 관한 것이다. 본 발명에 따른 영구 자석을 이용한 자기 렌즈를 이용하여 전자빔을 집속함으로써 전자빔의 포커싱이나 제어를 보다 용이하게 할 수 있다.

Description

자기 렌즈층을 포함한 전자 칼럼{AN ELECTRON COLUMN USING A MAGNETIC LENS LAYER}

도1은 종래의 렌즈에서 전자빔을 포커싱하는 것을 개념적으로 도시한 단면도.

도2는 종래의 전자 칼럼의 소스 렌즈에서 전자빔이 진행되는 것을 개념적으로 도시한 단면도.

도3은 본 발명에 따른 자기 렌즈층을 이용하여 전자빔을 포커싱하는 것을 개념적으로 도시한 단면도.

도4는 본 발명에 따른 자기 렌즈층을 이용하여 전자빔이 집속되는 것을 개념적으로 도시한 단면도.

도5는 본 발명에 따른 자기 렌즈층의 일 예의 평면도.

도6은 본 발명에 따른 자기 렌즈층과 함께 사용되는 일반 렌즈층의 예를 나타내는 평면도.

도7는 도5의 렌즈층이 멀티 전자 컬럼에서 사용되기 위하여 멀티화된 자기 렌즈층의 예를 나타내는 평면도.

본 발명은 전자 칼럼용 렌즈 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 칼럼에서 영구자석을 이용한 자기 렌즈층으로 전자빔을 프리 집속(pre-focusing)하고 다시 정밀 포커싱하여 전자빔 포커싱 또는 제어를 보다 용이하도록 하기 위한 렌즈 조립체 및 포커싱 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 칼럼을 포함한 전자 칼럼은 전자를 방출하는 전자 방출원, 유효한 전자빔을 형성하기 위한 소스 렌즈, 전자빔을 디플렉팅하기 위한 디플렉터, 및 전자빔을 포커싱하기 위한 포커싱 렌즈를 포함하여 구성된다. 필요에 따라서 전자 칼럼은 소스 렌즈에서 포커싱이 이루어지기도 한다. 따라서 포커싱은 포커싱 전용 렌즈(예로서 아인젤 렌즈)나 소스 렌즈에서 수행된다.

이러한 포커싱은 2개 이상의 전극층으로 구성된 렌즈를 이용하였다. 전형적인 포커싱 렌즈로서 아인젤 렌즈는 3개의 전극층으로 구성되며 중간의 전극층에 전압을 인가하고 나머지 위 아래 층의 전극은 그라운드 시켜 사용한다. 이와 같은 아인젤 렌즈는 중간의 전극층에 전압을 인가하는 양으로 포커싱을 조절하는데 경우에 따라서는 큰 전압을 인가하여야 하는 경우가 있다. 또한 소스 렌즈는 3개의 전극층으로 구성되어 최상층의 전극은 엑스트렉터로 불리우며 전자 방출원에서 전자를 잘 방출되도록 하는 역할을 하며 두 번째 전극층은 엑셀레이터라 불리우며 전자 방출원에서 방출된 전자들을 가속시키는 역할을 하며, 그리고 마지막 전극층은 리미팅 어퍼쳐라 불리우며 유효한 전자빔을 형성할 수 있도록 전자들을 제한 또는 필터링하는 역할을 한다. 소스 렌즈에서 위와 같은 역할을 하기 위하여 주로 엑스트렉터 에 전압이 인가되며 엑셀레이터 및 리미팅 어퍼쳐는 그라운드 시켜 사용하게 된다.그러나 경우에 따라서 전자 칼럼에서 소스 렌즈의 엑셀레이터 전극층에 포커싱 전압을 인가하여 포커싱을 하기도 한다. 즉 이 경우는 엑셀레이터와 리미팅 어퍼쳐 전극층을 이용하여 포커싱하게 된다.

도1은 종래의 포커스 렌즈로서 아인젤 렌즈에서 전자빔을 포커싱하는 것을 개념적으로 나타낸 단면도이다. 3개의 전극층(F1.F2.F3)으로 구성된 포커스 렌즈는 상 하 전극층(F1,F3)에는 그라운드로 접지되어 사용되며 중간의 전극층(F2)에만 전압이 별도로 인가된다. 전자빔(B)은 포커스 렌즈의 홀로 입사되어 중간의 전극층(F2)에 인가된 전압에 의해 굴절되며 포커싱된다. 포커스 렌즈는 3개의 전극층으로 광학렌즈의 볼록렌즈 역할을 하게 된다.

도2는 종래의 소스 렌즈로서 전자 방출원(s)에서 방출된 전자를 유효한 빔으로 만드는 역할을 한다. 첫 번째 전극층(L1)은 엑스트렉터라 불리우며 전자 방출원(s)에서 전자들이 잘 방출되도록 하는 역할을 한다. 두 번째 전극층(L2)은 엑셀레이터라 불리우며 방출된 전자들을 가속하는 역할을 한다. 그리고 세 번째 전극층(L3)은 리미팅 어퍼쳐라 불리우며 실제로 유효한 전자빔을 형성하기 좋은 전자들을 제한하는 역할을 한다. 이와 같은 소스 렌즈의 전극층들은 기본적인 구조 및 역할을 하는 것으로 첫 번째 전극층(L1)에 전압을 인가하게 되고 다른 전극층들(L1,L2)에는 그라운드 접지를 하게 된다. 그러나 필요에 따라 소스 렌즈에서 포커싱이 이루어지거나 디플렉팅 역할을 수행할 수 있으므로 목적에 따라 전극층의 배열이나 전압 인가 방식을 상황에 맞게 변경된다.

소스 렌즈의 경우 두 개의 전극층으로 포커싱을 하게 되어 포커싱 전압이 많이 가해지게 되며 또한 정밀한 포커싱 제어를 하는 것이 어려운 경우가 많다.

또한 초소형 전자 칼럼으로서 마이크로칼럼의 경우 사용되는 전압이 작은 것이 장점인 바 포커싱을 위하여 큰 전압을 인가하는 것이 바람직하지 않을 수 있으며 또한 큰 전압을 한번에 주는 경우 정밀한 렌즈 제어가 어려울 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 기존의 전자 칼럼에 있어서의 포커싱을 보다 용이하고 정밀하게 제어할 수 있도록 하는 전자 칼럼의 렌즈를 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 전자 칼럼에서 포커싱, 디플렉팅, 또는 소스 렌즈에서의 전자빔 제어에서 적은 전압으로 정밀 제어가 용이하게 할 수 있는 전자 칼럼의 렌즈를 제공하고자 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 전자 칼럼은,

상기 전자 칼럼이 영구자석으로 전자빔을 집속하는 자기 렌즈층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전자 칼럼에서 전자빔의 프리 집속을 위하여 자기 렌즈층을 사용하는 것으로, 자기 렌즈층을 영구자석을 이용하여 별도의 제어 없이 자기장을 형성하여 전자빔을 프리 집속하는 것이다. 아인젤렌즈의 경우 아인젤 렌즈 위에 자기 렌즈층을 두어 전자빔이 완전히 포커싱을 하는 것이 아니고 전자빔의 경로를 중앙으로 모이도록 하여 약간의 프리 집속이 되도록 하는 것이다. 그리고 소스 렌즈의 경우에도 전압을 인가하는 전극층 앞에 자기 렌즈층을 배치하여 전자빔이 자기장의 영향으로 프리 집속이 되도록 하는 것이다.

또한 정밀한 전자빔의 제어 또는 용이한 전자빔의 제어를 위하여, 전자 칼럼내에서 전자빔이 진행하는 경로의 중심을 향하여 전자들이 집속 또는 굴절되도록 하여 전자빔의 제어를 용이 해지도록 하는 것이다.

이하 첨부된 도면을 참고로 하여 다양한 본 발명의 실시예를 설명한다. 여기서 여러 실시예는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 설명하기 위해 사용된 것이며 본 발명의 권리를 한정하고자 한 것이 아님을 알아야 한다.

도3은 본 발명에 따른 포커싱을 위한 렌즈층의 단면을 개념적으로 나타낸 단면도이다. 도4는 소스 렌즈에서 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 전극층이 사용되는 예를 나타내는 단면도이다. 도5는 본 발명에 따른 마그네틱 렌즈층의 평면도이다. 도6은 일반 전자 렌즈의 전극층의 평면도이다.

도3에서 최상층의 전극층(L1) 및 마지막 최하층의 전극층(L3)에는 그라운드 접지시키고 중간의 전극층(L2)에는 가변 전압이 인가되어 포커싱을 하게 된다. 자기 렌즈층(M)은 최상층의 전극층(L1)위에 배치되어 프리 집속을 하게된다. 도시된 바와 같이 마그네틱 전극층(M)에 입사되는 전자빔을 프리 집속을 한다. 프리 집속은 완전한 포커싱이 아니라 분산되어 진행되는 전자빔을 집속하는 역할을 하는 것으로 최종 포커싱과는 구분이 가능하다. 프리 집속은 포커스 렌즈에서 전압이 인가되는 렌즈층(L2)위에서 전자빔의 경로를 중앙으로 집속하도록 하여 렌즈층(L2)에 인가되는 전압의 크기를 줄이고 정밀한 포커싱이 쉬워지도록 하는 것이다. 즉 시료 에 포커싱되는 것은 렌즈층(L2)에 인가되는 전압 또는 전류에 의해 이루어지며, 인가하는 전압 또는 전류량을 조절하며 포커싱을 수행하게 된다.

도5는 본 발명에 따른 자기 렌즈층의 일 예로 영구자석(32)을 사용하여 자기 렌즈 전극층(30)을 형성한 것이다. 3개의 영구자석(32)이 중앙의 어퍼쳐(31)를 중심으로 원을 따라 직렬로 배열되어 어퍼쳐(31)를 통과하는 전자빔을 프리 집속 하게 된다. 영구자석의 자기력에 따라 프리 집속의 세기가 결정된다. 영구 자석(32)은 지지판(33)위에 부착되거나 삽입되어 정렬될 수 있다. 지지판(33)은 파이렉스와 같은 절연체를 사용하거나 반도체 실리콘 판을 사용할 수 있다. 지지판(33)은 영구자석(32)의 자장에 영향을 주지 않으면 특별히 재료에 영향을 받지 않으며, 중앙의 어퍼쳐(31)가 다른 포커스 렌즈의 전극층과 같이 정렬될 수 있도록 하면 된다. 따라서 지지판(33)은 다른 렌즈층과 같이 실리콘으로 제작도 가능하며 얇은 금속판을 이용할 수도 있다. 본 발명의 자기 렌즈층은 전자빔을 제어하기 위하여 영구자석을 사용하므로 별도의 제어가 필요 없고 다만 영구자석의 자기력을 미리 선택하여 전자빔을 해당 자기력 만큼 집속하기 위하여 사용하는 것이다. 도3의 영구자석(32)의 배열은 일반적인 자기장 렌즈의 배열 방법에 따라 다양하게 변형 되어 사용이 가능함은 물론이다. 다만 중앙의 어퍼쳐(31)를 통과하는 전자빔(B)이 집속될 수 있도록 배열하면 된다.

도4는 도2의 소스 렌즈층에서 본 발명에 따른 자기 렌즈층을 사용하는 일 예를 나타내는 평 단면도이다.

도4의 렌즈층은 도2의 최상위 전극층(L1)과 그 아래 전극층(L2) 사이에 본 발명에 따른 자기 렌즈층(M)이 위치된 것이다. 전자빔은 전극층(L1)에 의해 렌즈의 어퍼쳐로 진입하게 되며 진입된 전자빔은 자기 렌즈층(M)에서 중심을 향하여 집속된다. 따라서 전자 방출원(s)에서 방사상으로 퍼져나가던 전자빔이 중심축을 향하여 굴절된다. 따라서 마지막 렌즈층(L3)의 어퍼쳐로 전자들이 더 많이 통과하여 전자빔의 전자량이 증가하게 되어 시료에 도달하는 프로브 빔의 양이 증가하게 된다. 만일 렌즈층(L2)에서 포커싱을 하게되면 도3의 경우와 같이 프리 집속의 역할을 수행할 수 있음은 물론이다.

도6은 본 발명의 자기 렌즈층과 같이 사용될 수 있는 전자 칼럼의 전기장 렌즈층의 예로서 사각의 형상 및 원의 형상을 갖는 렌즈층(43)에 원 및 사각형의 어퍼쳐(41)를 도시하고 있다. 그러나 본 도면의 원과 사각형은 일 예일 뿐이며 삼각형, 사각형 등의 다각형과 원 타원 등을 포함하는 다양한 형상이 사용될 수 있고 어퍼쳐 또한 필요에 따라 소정의 형상을 가질 수 있다. 본 발명의 자기 렌즈층은 다른 렌즈층의 외부 및 어퍼쳐의 형상을 따라 제작될 수 있으나 경우에 따라서 어퍼쳐를 원형으로만 해서 프리 집속만 할 수 있다. 본 발명에 따른 자기 렌즈층 전기장 렌즈, 자기장 렌즈, 또는 전자기장 렌즈 등에서 모두 사용이 가능하다.

본 발명에 따른 영구 자석을 이용한 자기 렌즈층은 포커스 렌즈는 물론 소스 렌즈에서 사용이 가능하다. 본 발명에 따른 자기 렌즈층은 그 역할이 영구자석이 같는 자기력에 따른 집속이므로 이와 같은 집속이 필요한 것에는 사용이 가능하다. 본 발명의 자기 렌즈층이 사용될 수 있는 대표적인 예로서 전자빔이 포커싱에서 프리 집속의 역할을 수행하도록 사용되는 것이다. 그러나 다른 예로서 디플렉터 앞에 서 미리 빔을 집속하여 디플렉팅이 보다 용이해 지도록 사용될 수도 있다.

먼저 포커싱과 관련해서는 도3에서 설명한 바와 같이 포커싱을 위하여 전압 또는 전류가 가변 인가되는 전극층 앞에서 전자빔이 미리 집속되도록 하여 포커싱이 용이해짐과 아울러 정밀한 포커싱 제어가 가능하도록 해준다. 전자 칼럼에서 포커싱은 주로 별도의 포커싱 렌즈에서 수행되는 것이 일반적이나 별도의 포커스 렌즈 없이 소스 렌즈에서 포커싱이 이루어지는 경우도 있는데, 이 경우도 포커싱을 위한 전압 또는 전류가 인가되는 전극층 앞에 배치되어 사용될 수 있다.

또한 전자 칼럼에서 디플렉터는 전자빔을 시료에 스캔하기 위하여 사용되는데 디플렉터의 중심을 전자빔이 통과하게 되므로 디플렉터에서 디플렉팅으로 보다 용이하게 전자빔을 집속하여 디플렉팅하기 위하여 본 발명에 따른 자기 렌즈층을 디플렉터 앞에 배치할 수 있다.

본 발명에 따른 자기 렌즈는 별도의 배선이나 접지가 필요 없으나 경우에 따라서 금속과 같은 전도체나 고도핑된 실리콘 지지판을 사용할 경우 접지하여 별도의 제어는 하지 않지만 전자빔의 가속이나 렌즈의 일부로서 역할을 할 수 있도록 하는 것도 가능하다.

특히 전기장 렌즈의 경우 도1의 포커스 렌즈의 상 하층은 접지되어 사용되는 것처럼 특정 렌즈층은 접지된 상대로서 역할을 수행하므로 같은 역할을 동시에 수행이 가능하다. 즉 도1의 포커스 렌즈의 최상층을 대신하여 본 발명의 자기 렌즈층을 사용할 수 있다. 이 경우 영구자석의 지지판은 도체나 고도핑된 실리콘을 사용하면 된다.

또한 본 발명에 따른 자기 렌즈층은 영구 자석을 배열하여 사용되는 것으로 도4의 경우는 최상의 전극층(L1)의 밑면에 영구 자석을 도5의 자석처럼 접착 또는 결합시키면 도4의 예와 같은 역할을 할 수 있다. 즉, 별도의 전극층을 만들지 않고 기존의 전기장 렌즈의 경우에는 전기장 렌즈의 밑면이나 상면에 영구 자석을 배열함으로써 본 발명의 자기 렌즈층을 형성할 수 있다. 물론 전기장 렌즈의 경우 절연층이나 간격을 둘 수 있는 것으로 어느 정도 거리를 두고 파이렉스 등에 영구 자석을 배열하여 사용할 수도 있다. 기존의 전기장 렌즈는 전극층들을 파이렉스와 같은 절연층으로 절연을 하면서 적층을 하므로 이러한 적층에서 파이렉스와 같은 절연층에 영구 자석을 배열하면 되는 것이다.

본 발명에 따른 영구 자석을 포함한 자기 렌즈층을 멀티플 전자 칼럼의 렌즈층과 같이 제작하면 멀티플 전자 칼럼에서도 사용이 가능하다.

도7은 도5의 자기 렌즈층(30)이 멀티 전자 칼럼에서 사용되기 위하여 다수의 어퍼쳐(51)를 중심으로 다수의 영구자석(52)이 배치되어 있는 것으로 다른 렌즈층과 같이 웨이퍼 타입으로 제작하는 것이다.

영구 자석은 반도체 공정으로 제작하거나 별도로 접착등을 하여 지지판(53)에 형성될 수 있다. 지지판(53)은 전체가 하나의 층으로 구성되어 영구 자석(52)과 어퍼쳐(51)를 내부에 단위 전자 칼럼별로 포함하고 있다.

상기 지지판(43)은 금속판으로 제작할 수도 있으나 반도체 공정으로 제작하기 위하여 고도핑된 실리콘, 파이렉스와 같은 절연층, 또는 일반 실리콘 층으로 제작될 수 있다.

본 발명의 자기 렌즈층은 전자빔을 집속하는 역할을 하므로 전자 칼럼에서 포커싱에서 정밀한 포커싱 및 포커싱에 사용되는 전압을 낮출 수 있어 포커싱 제어에 유리하다.

본 발명에 따른 자기 렌즈층은 전자빔을 집속하여 디플렉팅을 보다 용이하게 제어할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 자기 렌즈층은 지지판을 도체로 형성하여 포커싱 렌즈의 하나의 렌즈층을 대신하여 사용하여 전자 칼럼의 구조를 단순화시킬 수 있다

Claims (6)

1. 전자 칼럼에 있어서,

   상기 전자 칼럼이 영구자석으로 전자빔을 집속하는 자기 렌즈층을 포함하며, 그리고

   상기 자기 렌즈층이 지지판, 상기 지지판의 내부에 관통 형성된 어퍼쳐 및 상기 어퍼쳐를 중심으로 배열되며 상기 지지판 위 또는 내부에 삽입된 영구 자석을 포함한 것,

   을 특징으로 하는 전자 칼럼
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 지지판이 도체 또는 고도핑된 실리콘으로 도체성질을 갖는 것 또는 전기장 렌즈층 인 것을 특징으로 하는 전자 칼럼.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 자기 렌즈층이 전기장 렌즈의 하나의 전극층으로 또는 전기장 렌즈의 전극층들 사이, 렌즈와 렌즈 사이, 또는 디플렉터 앞에 배치되는 것을 특징으로 하는 전자 칼럼.
5. 제4항에 있어서, 상기 자기 렌즈층이 전자빔을 포커싱하는 렌즈 앞 또는 디플렉터 앞에 배치되어 전자빔을 프리 포커싱하는 것을 특징으로 하는 전자 칼럼.
6. 제3항에 있어서, 상기 자기 렌즈층이 전기장 렌즈의 하나의 전극층으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전자 칼럼.

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