KR101542631B1 - 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원 및 이를 이용한 전자 칼럼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원에 관한 것으로서 탄소나노튜브 CNT(Carbon nanotube) 또는 ZnO과 같은 나노튜브, 나노 로드, 나노 필라, 나도 와이어, 또는 나노 파티클 등과 같은 전자를 용이하게 방출할 수 있는 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원에 관한 것이다. 또한 렌즈를 포함하는 전자 칼럼에서 상기 전자 방출원을 사용하는 전자 칼럼에 관한 것이다.

Description

나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원 및 이를 이용한 전자 칼럼{ELECTRON EMITTER HAVING NANO-STRUCTURE TIP AND ELECTRON COLUMN USING THE SAME}

본 발명은 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 탄소나노튜브 CNT(Carbon nanotube) 또는 ZnO등과 같은 나노튜브, 나노 로드, 나노 필라, 나도 와이어, 또는 나노 파티클 등과 같이 수나노에서 수십나노 크기의 튜브, 기둥 또는 덩어리 형태의 구조를 가지고 있으며, 전압을 인가하면 끝부분에 높은 전기장이 형성되어 전자를 용이하게 방출할 수 있는 나노-구조 팁을 구비하고 있으며, 다른 전자렌즈 부품, 즉 전자렌즈 어퍼처 홀과 정렬이 용이하며 사용이 편리한 전자 방출원에 관한 것이다.

또한 본 발명은 상기 전자 방출원을 이용하여 제작된 전자 칼럼에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상기 전자 방출원을 이용하여 제작되는 전자 칼럼의 제작에 있어서, 단일 전자 칼럼뿐만 아니라 멀티 전자 칼럼의 제작이 용이한 전자 칼럼에 관한 것이다.

본 발명과 관련된 전자 방출원은 전자를 방출하기 위한 것으로서, 예를 들면 초소형 전자 칼럼과 같은 전자빔을 형성하여 사용하는 기구나 장비에 사용된다.

먼저 초소형 전자 칼럼은 스캐닝 터널링 현미경(STM)의 기본 원리 하에서 작동하는 전자 방출원 및 미세구조의 전자광학 부품에 기초한 것으로 1980년대 처음 도입되었다. 초소형 전자 칼럼은 미세한 부품을 정교하게 조립하여 광학 수차를 최소화하여 향상된 전자 칼럼을 형성하고, 작은 구조는 여러 개를 배열하여 병렬 또는 직렬구조의 멀티전자 칼럼구조에 사용이 가능하다.

도1은 초소형 전자 칼럼의 구조를 나타내는 도이며, 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈가 정렬되어 전자빔이 주사되는 것을 나타낸다.

일반적으로 초소형 전자 칼럼으로서 대표적인 마이크로칼럼은 전자들을 방출하는 전자 방출원(10), 상기 방출된 전자들을 유효한 전자빔(B)으로 형성하는 소스 렌즈(20), 상기 전자빔을 디플렉팅하는 디플렉터(30), 및 상기 전자빔을 시료(s)에 포커싱을 하는 포커스 렌즈(아인젤 렌즈,40)로 구성된다.

기존의 전자 칼럼이나 전자 현미경과 같은 전자빔 장치에서 핵심 구성 요소 중 하나로서 전자 방출원은 FE(field emitter), TE(thermal emitter), TFE(thermal field emitter)로서 Schottky Emitter 등으로 구분하고 있다. 이상적인 전자 방출원은 안정된 전자 방출, high brightness, 작은 virtual beam 사이즈, 고밀도 전류방출, 작은 에너지 퍼짐(low energy spread), 및 긴 수명을 요구한다.

전자 칼럼의 종류로는 하나의 전자 방출원과 상기 전자 방출원에서 발생된 전자 빔을 제어하기 위한 전자 렌즈들로 구성된 싱글 전자 칼럼과 다수의 전자 방출원에서 방출된 다수의 전자 빔을 제어하기 위한 다수의 전자 렌즈들로 구성된 멀티형 전자 칼럼으로 구분된다. 멀티형 전자 칼럼은 반도체 웨이퍼와 같이 하나의 층에 다수의 전자 방출원 팁이 구비된 전자 방출원과 하나의 층에 다수의 어퍼쳐가 형성된 렌즈 층이 적층된 전자 렌즈를 포함하여 구성된 웨이퍼 타입 전자 칼럼과, 싱글 전자 칼럼과 같이 개개의 전자 방출원에서 방출된 전자 빔을 다수의 어퍼쳐를 가진 하나의 렌즈 층으로 제어하는 조합형 전자 칼럼, 싱글 전자 칼럼들을 하나의 하우징에 하나의 전자방출원과 렌즈들을 장착하여 사용하는 방식 등으로 구분될 수 있다. 조합형의 경우 전자 방출원이 별개로 구분될 뿐 렌즈는 웨이퍼 타입과 동일하게 사용할 수 있다.

이와 같은 전자 방출원은 초소형 전자 칼럼에서 중요한 구성요소이며 또한 전자 빔을 이용한 다양한 분야에서도(예를 들면 전자빔 리소그라피, 전자현미경 분야, FED, SFED (scanning field emission display) 등) 전자 빔 발생원으로 매우 중요한 부분이다.

또한 전자 칼럼이나 다른 전자빔 활용 분야에서 전자 방출원은 전자 렌즈(특히 소스 렌즈)의 광학축의 중앙에 정확하게 정렬하여야 전자 칼럼이나 전자 빔을 이용하는 장비나 장치는 최대의 성능을 발휘할 수 있다. 이를 위하여 전자 방출원의 전자 방출원 팁이 렌즈의 광학축에 잘 정렬되어야 할 뿐만 아니라 팁 자체도 광학축에 따라 일치되도록 제작 또는 형성되어야 한다. 또한 팁 자체가 광학축에 일치되도록 형성되지 않은 경우 이를 수정하기는 매우 어렵거나, 수정하기 위하여 추가적인 부품 또는 제어방식이 필요하다.

특히 반도체나 디스플레이 분야는 생산하는 소자의 구조가 미세하면서 대면적화 되고 있으며, 이러한 미세한 구조를 정교하고 빠르게 공정, 측정, 그리고 검사 하는 기술 및 장비로서 전자 빔을 이용한 다양한 장비의 필요성이 커지면서 생산성 향상을 위한 멀티형 전자 칼럼의 요구가 더욱 부각되고 있으며, 이와 함께 멀티형 전자칼럼에 맞는 전자 방출원의 필요성이 더욱 커지고 있다.

따라서 전자 방출원으로서의 조건을 충족하고 정렬성이 좋으며 단일빔 전자칼럼과 멀티빔 전자칼럼구조에서도 사용하기 적합한 전자 방출원이 필요하다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 전자 칼럼이나 전자빔 주사수단에서 사용되는 기존의 전자 방출원과 달리 저전압에서도 전자를 방출할 수 있으며 제작 및 사용이 편리한 나노-구조 팁을 사용한 전자 방출원을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 상기 전자 방출원에서, 상기 나노-구조 팁을 쉽게 정렬 부착 또는 증착하기 위한 방법 및 이를 이용한 전자 칼럼을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 상기 나노-구조 팁을 사용한 전자 방출원과 전자 렌즈의 정렬을 용이하게 할 수 있도록 하여, 전자 칼럼을 용이하게 제작할 수 있도록 하는 전자 방출원을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전자 방출원은 소정의 위치에 관통되지 않은 어퍼쳐 또는 홈(concave or well)이 형성된 기재 또는 증착 등을 통하여 소정의 부위가 돌출된 기재, 상기 홈 내면에 또는 돌출된 표면에 부착된 촉매 또는 접착제 층, 및 상기 촉매 또는 접착제에 성장 또는 부착되는 나노-구조 팁을 포함한다.

본 발명에서 나노-구조 팁은 탄소(C), 아연 (Zn), 금(Au), 은(Ag), 실리콘(Si), 텅스턴(W), 산소 (O) 등등의 원자들이 단일 원자 또는 두 개 이상의 원자들이 결합하여 형성된 나노미터 크기의 나노 튜브, 나노 로드, 나노 필라, 나도 와이어, 또는 나노 파티클 등의 나노-구조들이 사용된다. 이러한 나노-구조에 전압을 인가하면 나노 구조의 정점에 높은 전기장이 형성되어 이곳으로부터 쉽게 많은 전자들이 방출할 수 있다. 나노 크기의 물질은 용이하게 전자를 방출할 수 있어 이를 사용하여 전자를 직접 방출하는 팁으로 사용하고 이와 같은 나노-구조 팁을 전자 방출원에서 증착 또는 성장 또는 부착의 방법으로 사용하는 것이다. 이러한 나노-구조의 예로서 탄소나노튜브 CNT(Carbon nanotube), ZnO 나노 튜브, ZnO나노로드, SiO나노 로드, Au 나노 피티클, Al 나노 파티클, Cu 나노 파티클, GaSb 나노 파티클, Nb₂O₅ 나노 튜브-나노 필라, Pd 나노 튜브, 나노 필라 등등이 있으며, 다른 원자들로 구성한 이러한 구조의 것을 모두 포함한다.

상기 전자 방출원을 제작하는 방법은, 얇은 두께의 기재 (이 경우, 팁이 있는 곳은 전기가 통하도록 옆면 또는 뒷면에서 도체를 연결) 또는 전기가 통하는 얇은 두께의 기재(substrate)에 상기 나노-구조 팁이 위치될 곳을 소정의 크기와 두께를 갖도록 식각 또는 증착 등을 통하여 관통되지 않는 홈을 더 얇은 두께로 형성하거나 돌출 모양을 형성한다. 이때 리소그라피 공정 등을 이용하여 상기 홈 또는 돌출부는 매우 얇은 박막인 멤브레인으로 만들어 이곳으로 빛 또는 레이저 등이 통과하게 한다. 여기서 멤브레인의 두께는 나노-구조팁이 안정적으로 부착되는 두께이면 되며, 또한 하단 렌즈 구조의 렌즈 아퍼처 홀을 통과한 빛 또는 레이저로 하단 렌즈 홀 형태를 식별할 수 있는 정도 이면 된다. 이러한 구조는 멤브레인을 만드는 방식, 즉 식각방식 또는 polishing 방식 등을 사용할 수 있다. 상기 홈 또는 돌출 형상의 아래의 두께와 크기는 각각 수 내지 수십 마이크로미터 이내로 하고, 또한 그 형상은 전자 렌즈의 홀 또는 어퍼쳐 형상에 대응되는 형상, 예를 들면 원형 형상을 이용하는 것이 바람직하다. 그리고 식각된 원형 홈 또는 돌출 형상 등에 촉매를 입히고 그리고 상기 촉매위에 나노-구조 팁을 부착하거나 성장시키면 된다. 이러한 나노-구조 팁을 부착하거나 성장시키는 방법은 리소그라피 공정을 이용하면 정확한 위치에 형성하는 것이 가능해진다.

또한 원형 홈 또는 돌출 형상에 나노-구조 팁을 증착방법을 사용하는 경우에도 유사한 방법으로 가능하다. 예를 들면, 이 경우에 반도체공정을 이용하여 증착될 부분만 오픈하고 나머지 부분은 보호물질로 증착이 안 되도록 보호하여 증착시킬 수 있다. 나노-구조 팁을 성장시키는 방법으로는 기존의 방법을 사용할 수 있으며 CVD 기법, 아킹 기법, 식각, 증착 등의 종래의 나노 크기의 물질들을 성장 또는 부식시키는 방법을 사용할 수 있다. 물론 성장된 나노-구조 팁을 부착하는 것도 가능하나 직접 성장시키는 것이 추후 정렬시 보다 편리할 것이다. 따라서 성장된 또는 부착된 나노 팁은 1개 또는 1개 이상의 나노 튜브, 나노로드, 나노 필라, 나노 파티클 등으로 구성하게 된다.

상기 기재로는 실리콘과 같은 반도체에 도핑 하여 전기를 잘 통하게 하여 사용하는 것이 바람직하며 금속 등의 도체는 수 내지 수백 ㎛로 하며 상기 홈이 잘 형성될 수 있으면 사용이 가능하다. 또한 나노-구조 팁의 성장 길이를 고려하는 것이 바람직하다.

위와 같이 실리콘 기재에 전자 방출원과 정렬되는 전자 렌즈의 홀과 같은 형상으로 관통되지 않도록 식각 등을 통하여 파내면, 파내진 나머지 부분은 얇은 멤브레인 처럼 남게 된다. 따라서 렌즈 홀과 같이 보이게 되어 본 발명에 따른 전자 방출원은 마이크로칼럼과 같은 전자 칼럼에서 사용되는 전자 렌즈와 같은 형태를 가질 수 있다. 그리하여 다른 층의 전자 렌즈들과 정렬 결합시 렌즈의 정렬 결합 방식을 렌즈 홀 간의 결합 방식으로 그대로 사용할 수 있다.

따라서, 위와 같은 본 발명에 따른 전자 방출원은 실리콘 기재의 렌즈 정렬방식으로 전자 칼럼을 제작하기 용이해진다. 또한 상기 전자 방출원은 고도핑된 실리콘 부분에 전압을 인가하여 전체적으로 쉽게 전자 방출원에 전압 인가가 용이해지며 전자 칼럼의 제어도 용이해지게 된다. 그리고 금속 멤브레인 또는 일반 멤브레인도 기재로 사용이 가능하며, 이런 경우에도 매우 얇기 때문에 빛이 통과할 수 있다.

또한 상기 전자 방출원은 두께가 얇은 멤브레인 부분(실리콘 또는 금속)에 나노-구조 팁이 부착 또는 증착되어 멤브레인을 투과한 빛을 이용하여 나노-구조 팁의 위치를 직접 현미경을 통해서 관찰할 수 있어 전자 방출원과 전자 렌즈의 아퍼처와의 정렬을 보다 용이하게 할 수 있다.

또한 상기 전자 방출원은 금속 멤브레인 또는 고도핑된 실리콘 멤브레인을 더 식각 또는 증착하여 고도핑된 실리콘 부분 내에 나노-구조 팁이 위치되면 오목형태 (U 자 형태; concave or well) 의 중앙에 나노-구조 팁이 위치하고, 주변이 나노-구조 팁을 감싸게 되거나, 볼록형태 (∩자 형태 또는 단순 돌출, convex) 의 중앙 상단에 나노-구조 팁이 위치하게 된다. 나노-구조 팁에 전압을 인가하면, 이와 함께 상기 고도핑된 부분 전체에도 전압이 인가되고 팁의 끝은 강한 전자장이 형성되어 전자가 방출한다. 특히 팁과 U 자 형태의 경우는, 모든 곳에 동일한 전압이 인가되고, U 자 형태의 양쪽 면의 전압은 팁에서 방출되는 전자가 외각으로 발산되는 것을 막아주는 역할을 하게 되어 전자빔의 발산각을 적게 하는 효과를 갖게 된다.

나노 튜브 또는 나노-구조 팁을 위한 기재는 금속 또는 반도체 물질로서 팁과 U 자 또는 ∩자 형태의 모든 부분에 동일한 전압이 인가되는 전도체성 물질이면 된다. 단지 실리콘은 가공이 용이하고 식각 공정 등이 잘 알려진 재료임으로 한 실시예로 사용하였다.

상기 전자 방출원에서 만일 나노-구조 팁의 정점이 수직 방향으로 정확히 위치되지 못하면, 팁에서 방출된 전자는 렌즈의 어퍼처 또는 홀의 중앙을 지나지 못하거나, 홀 속으로 통과하지 못하게 된다. 이러한 경우에는 이온빔을 이용하여 나노-구조 팁을 수직 정렬할 수 있어 상기 전자 방출원을 이용한 전자 칼럼의 제작이 용이해진다. 물론 전자 칼럼이외에 전자빔 주사수단으로 사용하는 전자빔장치의 경우도 동일 또는 유사하게 적용이 가능하다. 이온빔을 이용한 정렬은 평행한 이온빔을 전자렌즈에 수직하게 입사시키고, 렌즈에 전압을 인가하면 포커스 렌즈로서 작동하여 팁이 있는 곳으로 이온빔이 모아지면서 나노-구조 팁들이 입사한 이온빔에 따라 수직하게 정렬된다. 또 다른 방법으로는 포커스된 이온빔을 전자 렌즈 홀을 통과하여 팁에 포커스하여 나노-구조 팁을 정렬하는 방법이다.

또한 본 발명은, 나노-구조 팁이 부착된 전자 방출원과 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자들이 통과하는 전자 렌즈층의 어퍼쳐를 정렬하는 단계; 및 상기 전자 렌즈층의 어퍼쳐를 통하여 수직방향으로 이온 빔을 나노-구조 팁을 향해 주사하는 단계;를 포함하여 나노-구조 팁이 부착된 전자 방출원의 나노-구조 팁을 정렬하는 방법을 제공한다.

따라서 본 발명에서는, 나노-구조 팁이 형성되는 홈 또는 돌출부를 기준으로 렌즈와 정렬하고 나노-구조 팁은 이온 빔을 이용하여 다시 정렬하는 방식을 사용한다.

본 발명의 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원은 반도체 제작 기법을 이용하여 정확한 위치에 나노-구조 팁을 위치시킬 수 있어 정렬이 매우 용이하다.

또한 본 발명의 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원은 상기 나노-구조 팁이 기재 내에 또는 위로 돌출되어 고도핑된 실리콘 부분 전체에 전압을 인가하여 유효한 전자를 방출할 수 있으며 또한 제어가 용이해진다.

또한 본 발명의 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원은 한 장의 실리콘 웨이퍼와 같은 기재에 다수의 전자 방출원을 제작할 수 있어 제작 비용이 저렴해지며 또한 멀티용으로 사용이 용이하다. 상기 전자 방출원을 웨이퍼에 제작시 전자 렌즈처럼 개별적으로 커팅하여 단일 전자 방출원 또는 멀티형으로 용이하게 제작된다.

또한 본 발명의 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원은 일반 전자 렌즈 타입처럼 제작이 가능하여 전자 렌즈, 특히 초소형 전자 칼럼용 전자 렌즈, 와 용이하게 정렬할 수 있어 전자 칼럼을 제작시 공정이 용이해진다. 또한 멀티형 전자 칼럼의 전자 방출원으로 사용이 용이하다.

도1은 초소형 전자 칼럼의 구조를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도2은 본 발명에 따른 전자 방출원(100)의 제작 과정을 나타낸 도이다.
도3은 본 발명의 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도4는 본 발명의 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원을 전자 칼럼에 사용하는 일예를 도시한 평면도와 단면도이다.
도5는 도4의 전자 칼럼이 멀티형인 경우를 도시한 평면도와 단면도이다.
도6은 도5의 실리콘 기재층의 다른 예를 도시한 단면도와 평면도이다.
도7은 본 발명에 따른 전자 방출원의 나노-구조 팁의 재정렬을 위하여 이온 빔을 주사하는 것을 개념적으로 도시한 단면도와 평면도이다.

이하 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원 및 전자 칼럼에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

도2은 본 발명에 따른 전자 방출원(100)의 제작 과정을 기재로서 실리콘 웨이퍼를 사용하여 설명하기위한 도이다. 도2a 내지 도2d는 각 실리콘 웨이퍼를 이용하여 나노-구조 팁을 증착하는 방식을 나타낸다. 좌측의 원형태의 도면은 위에서 본 평면도이고, 그 우측은 중앙부분을 절단한 단면도이다.

먼저 도2a는 원형의 실리콘 웨이퍼(110)를 나타내는 도면이다. 전류가 통하는 실리콘 웨이퍼(110)를 기재로 하여 나노-구조 팁을 전자 방출원 팁으로 사용하는 것이다. 상기 실리콘 기재는 그 두께를 수 내지 수 백 ㎛로 하면 된다. 상기 기재로서 실리콘 웨이퍼 대신 금속 또는 일반 얇은 판(멤브레인 형태로 만들 수 있는 판)을 사용할 수도 있으며 비도체 기재인 경우 팁이 위치하는 부분만 도체로 처리하여 배선을 연결하면 된다. 이와 같은 구조는 멀티빔 구조로 사용할 수 있는 장점이 있다.

도2b는 중앙의 홈(130)을 식각으로 멤브레인 부분이 남도록 제거한 것을 나타낸다. 상기 홈(130)은 패턴을 이용하여 반도체 식각 공정 등에 의하여 형성되며 그 깊이는 관통되지 않도록 하여야 한다. 그리하여 남은 부분은 멤브레인과 같이 얇은 두께를 갖도록 한다. 기존 부분과 구분되는 두께를 갖도록 하여 레이저 빛이 투과 시 구별이 되도록 하여 한다.

도2c는 상기 홈(130)의 내부 바닥(131)에 나노-구조 팁을 위치시킬 수 있도록 촉매(140)를 넣는다. 상기 촉매(140)에 나노-구조 팁이 증착하게 된다. 여기서 나노 파티클 같은 것은 증착으로도 가능하며, 이런 경우 촉매위치만 남기고 다른 부분은 보호막으로 덮은 다음 증착 후에는 보호막을 제거하면 된다.

도2d는 상기 촉매(140)에 나노-구조 팁(150)이 증착된 모습을 나타낸다. 이때 나노-구조 팁의 높이는 실리콘 기재(110)와 동일하거나 약간 들어간 높이로 하는 것이 바람직하다. 도2에서 나노-구조 팁의 갯수는 여러 개로 하였으나 이는 필요에 따라 정해지는 것으로 하나 이상이면 된다. 전자현미경, 나노 리소그라피 등에서는 하나의 나노팁이, 그리고 sfed(scan field emission display) 등은 여러 개 팁이 사용될 수 있다. 즉 본 전자 방출원이 사용되는 분야의 특성에 따라 결정되는 것이 바람직하다.

또한 상기 홈(130)은 원형의 형태를 가지고 있으나 필요에 따라 다양한 다각형의 형태로 만들어 쓸 수 있으며 패턴으로 그 형상을 만들어 식각하면 된다. 바람직하게는 전자 렌즈의 어퍼쳐 형태와 동일한 형태를 갖는 것이며 그 크기는 전자 렌즈의 어퍼쳐의 크기보다 같거나 작은 것이다. 상기 도2d에서 나노-구조 팁은 증착되는 것으로 나타났으나 도2c에서 촉매 대신 미리 형성된 나노-구조 팁을 부착하여 사용할 수 있다.

도3은 본 발명의 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원의 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도3a는 도2의 일반적인 형태의 전자 방출원(100)을 도시한다. 도3b는 도3a의 전자 방출원에서 나노-구조 팁(150)이 그 개수가 작거나 크기가 작아서 홈(130)을 2단으로 형성한 것이다. 도3c는 도2의 형태와 달리 돌출부에 나노-구조 팁이 형성된 것을 도시한다. 도3d는 도3c의 돌출부의 다른 실시예를 도시한다.

도3의 a 및 b의 홈 또는 어퍼쳐와 도3의 c 및 d의 돌출부는 전자 칼럼을 제작하기 위해 필요한 다른 전자 렌즈의 어퍼쳐나 디플렉터의 어퍼쳐와의 정렬을 위해 사용될 수 있다. 즉 상기 홈이나 돌출부의 중앙에 나노-구조 팁이 위치하게 되는데, 상기 나노-구조 팁의 크기가 매우 작아 다른 전자 렌즈의 어퍼쳐와 정렬시 그 위치를 확인하기 매우 어렵다. 따라서 상기 나노-구조 팁이 형성되는 홈 또는 돌출부의 형상을 기준으로 다른 전자 렌즈의 어퍼쳐를 정렬하면 매우 쉽게 정렬할 수 있다. 만일 상기 나노-구조 팁이 상기 홈이나 돌출부의 중앙에 정확하게 형성되지 않고 약간의 오차가 있다면 이에 대한 오차 데이터를 이용하여 상기 홈이나 돌출부를 기준으로 오차 값만큼 다른 전자 렌즈의 어퍼쳐와의 정렬시 반영하여 정렬하면 된다. 즉 오차 데이터를 기준으로 상기 홈이나 돌출부의 형상의 정 중앙에서 나노-구조 팁이 벗어난 만큼 전자 렌즈나 디플렉터의 어퍼쳐와 정렬에서 반영하여 전자 렌즈나 디플렉터의 어퍼쳐의 전자 광학축 중심에 나노-구조 팁이 위치하도록 정렬하면 된다.

먼저 도3의 a와 b에서 홈(130)과 나노-구조 팁(150)의 관계를 설명하면 홈(130)의 바닥(131)은 물론 벽면으로부터도 전압이 나노-구조 팁(150)에 영향을 주는 것으로서 가급적 홈의 내경은 작을수록 좋다.

따라서 홈(130)은 나노-구조 팁(150)의 크기에 따라 크기를 결정하며, 나노-구조 팁(150)은 홈(130) 또는 내부홈(132)의 중앙부분에 증착, 부착 또는 식각방식을 통하여 하여 형성되도록 한다. 정확한 위치 및 홈의 크기를 위하여 전자빔 리소그라피 공정을 이용할 수 있으며, 홈의 크기가 마이크로급의 패턴인 경우 광학 리소그라피 공정을 이용할 수도 있다. 나노-구조 팁(150)은 홈 (130)의 중앙 부분에 외부 홈 벽면과 일정한 거리를 유지하게 하기위하여 정교한 리소그라피 패턴을 중앙에 하여 이 부분에만 촉매(140)을 증착하거나, 또는 식각하거나, 팁을 부착하도록 한다. 이때의 나노-구조 팁(150)의 높이는 내부홈 (132)의 높이가 가장 바람직하며, 사용하는 기재, 예를 들어 실리콘 기재(110)의 높이보다 같거나 낮게 할 수 있다.

여기서 홈(130) 크기에 따라 필요시 홈(130)의 바닥을 2단으로 형성하는 것이다. 물론 3단 이상도 가능하나 일반적으로 2단으로 형성하면 충분하다.

도3의 c와 d에서 상기 홈(130) 대신에 돌출부(160)를 형성하는 것 외에는 나노-구조 팁(150)을 상기 돌출부(160)의 중앙에 형성하는 것은 상기 홈(130)의 중앙에 형성하는 것과 동일 또는 유사하게 적용된다. 즉, 돌출부의 바닥(161)의 중앙에 나노-구조 팁(150)이 형성된다. 도3d는 도3c의 돌출부의 바닥 부분에 대향홈(161)을 상기 도3a 및 b의 홈과 같이 형성한 것으로서 돌출부(160)의 두께를 상기 홈의 바닥 두께와 같이 작게 하고자 한 것이며 그 방법은 홈의 형성 방법을 적용할 수 있다.

도4는 본 발명의 나노-구조 팁을 구비한 전자 방출원을 전자 칼럼에 사용하는 일예를 도시한 것으로 이하 도2의 전자 방출원을 기준으로 설명한다. 도4에서 좌측도는 나노-구조 팁이 맨 아래층에 위치된 상태에서 본 평면도이고 우측도는 그 단면도이다.

본 발명에 따른 전자 방출원(100)위에 소스 렌즈(200)가 부착된 것을 도시한 것이다. 소스 렌즈는 3개의 전극층으로 되어 있으며 각각 하나의 전극층은 고도핑된 부분(220,240,260)이며 실리콘 층은(210,230,250)으로 되어 있다, 하나의 전극층은 전자 방출원과 같이 실리콘 기재에 고도핑되어 멤브레인을 형성하며, 상기 멤브레인 중앙에 전자 빔이 관통될 수 있도록 어퍼쳐(222)가 형성되어 있다. 맨 아래의 전극층(250,260)은 전자 칼럼에서는 엑스트렉터라 불리우며 전자 방출원(100)의 팁(150)에서 전자가 잘 방출되도록 한다. 중간층으로서 전극층(230,240)은 엑셀레이터라 하며 방출된 전자들을 가속시키기 위한 것이다. 마지막 전극층(210,220)은 리미팅 어퍼쳐라 하며 전자들을 유효한 전자 빔으로 형성시킨다. 즉, 소스렌즈(200)는 전자 방출원에서 방출된 전자들을 전자빔으로 만드는 역할을 주 목적으로 하며 포커싱이나 다른 역할 또한 겸하기도 한다. 일부 전극층 (210,230,250)은 필요시 제거되어도 된다.

상기 소스 렌즈(200)는 각 전극층사이에는 절연을 위하여 파이렉스와 같은 절연층(300)이 삽입된다. 이와 같은 절연층이 상기 엑스트렉터와 전자 방출원 사이에도 역시 절연을 위하여 파이렉스와 같은 절연층(300)이 삽입된다.

도4와 같은 구조는 본 발명에 따른 전자 방출원의 사용예로서 소스 렌즈 자체를 전자 방출원과 결합시켜도 되나, 반도체 공정으로 상기 전자 방출원의 실리콘 기재부터 적층하면 정렬 및 제작이 보다 간단해 질 수 있어 바람직하다.

또한 나노-구조 팁(150)을 얇은 멤브레인 밑에서 빛 또는 레이저를 비추어 소스 렌즈의 홀(222)과 정렬하거나 또는 소스렌즈 홀에서 빛 또는 레이저를 비추어 멤브레인 위에서 렌즈 홀을 확인하며 정렬할 수 있다. 특히 주변의 다른 얼라인 키를 이용하여 정렬하는 것도 가능하다. 이 방법은 정렬 후 정렬 정도를 확인이 가능하다.

정렬된 나노-구조 팁과 source 렌즈계는 FIB 방식으로 나노-구조 팁(150)을 소스 렌즈의 광학축에 정렬함으로써 정렬이 가능해진다.

도4는 전자 방출원과 소스 렌즈의 결합 예를 설명하였으나 소스 렌즈가 아닌 다른 전극 층과 쉽게 정렬이 가능하다. 그리하여 FED 나 SFED의 전극층도 동일 또는 유사하게 상기 전자 방출원과 정렬할 수 있다.

도5는 도4의 전자 칼럼이 멀티형인 경우를 도시 한 것이다. 도5에서 전자 칼럼은 도4와 동일한 방식으로 정렬이 가능하며 본 발명의 전자 방출원이 여러 홈에 나노-구조 팁(150)을 배치할 수 있어 동일한 방식의 전자 렌즈(특히, 소스 렌즈)를 도3과 같은 방식으로 정렬한 것을 도시한다.

도5에서 각 나노-구조 팁에서 전자들이 방출되어 전자 빔을 형성하는 하나를 단위 칼럼이라 하면 5개의 단위 전자 칼럼을 포함하는 멀티형 전자 칼럼을 도시하고 있다. 도5에서 전자 방출원의 나노-구조 팁은 모두 하나의 판에 형성되어 동일한 전압이 인가되는 데, 상기 판은 도체는 물론 절연체 판도 사용이 가능한 데 절연체인 경우 팁부분은 도체성으로 만들어 배선하면 된다. 상기 판으로 고도핑된 실리콘 층이나 금속층이 바람직하다. 이러한 경우 각각의 팁에서 방출되어 시료에 도달하는 전자빔은 동일한 에너지를 가지게 된다. 따라서 만일 나노-구조 팁에 개별적으로 전압의 인가가 필요한 경우 상기 나노-구조 팁의 주변을 개별적으로 구분하여 전압을 인가하거나, 또는 상기 전자 방출원에 제일 근접한 전극층을 각각 구분하여 전압을 인가하여 각 나노-구조 팁과 근접 전극층간의 개별적 전압차를 이용하여 제어할 수 있다.

도6은 도5의 실리콘 기재층의 다른 예를 도시한다.

도6은 도5와는 달리 실리콘 기재 등을 각 단위 전자 방출원 기준으로 절연되도록 한 것이다. 따라서 실리콘은 전체적으로는 도핑되지 않거나 적게 도핑되어 절연특성을 갖도록 하고 나노-구조 팁(150)을 기준으로 개별적으로 도시된 바와 같이 도핑 부분(120)을 형성하는 것이다. 전자 방출원의 도핑 부분(120)이나 렌즈의 각 전극층(220,240,260)에서 패턴 등을 이용하여 단위 전극마다 고 도핑이 구분되어 형성된 것으로 도5의 멀티형에서 홈(130)이나 어퍼쳐(222)를 중심으로 부분적으로 형성되고 별도로 각 고도핑 부분이 배선(223)에 의해 전극부(229)가 형성되어 외부에서 각 단위 전극에 개별적 전압이 인가될 수 있도록 한 것이다. 전자 방출원의 경우에는 고도핑 층(120)만 일부 형성시키고 배선이나 전극부는 동일하게 형성하여 사용하면 된다. 이와 같은 전자 방출원은 멀티형에서 개별적으로 전압을 인가하여 제어할 수 있는 장점이 있다.

도6의 예는 일 예로서 다른 층을 추가하여 개별적으로 단위 칼럼별로 나노-구조 팁이나 대응 엑스트렉터와 같은 전극을 제어할 수 있음은 물론이다.

도5나 도6과 같이 웨이퍼 형식으로 제작하여 각 단위 칼럼 별로 절단하여 개별적 전자 칼럼으로 사용할 수 있음은 물론이다.

위의 실시 예들에서 어퍼처나 홈의 형상은 다양한 다각형의 형상으로 변경이 가능하며 실리콘 기재 또한 사각형 등의 다각형 형상으로 변경할 수 있다.

도7은 본 발명에 따른 전자 방출원의 나노-구조 팁의 재정렬을 위하여 이온 빔을 주사하는 것을 개념적으로 도시한 것이다.

도7에서 상기 전자 방출원의 나노-구조 팁은 정렬후 수직 정렬을 위하여 이온 빔(I)을 전자 칼럼 등의 전자 빔 주사 수단의 광학축에 수직하게 평행 빔을 이온 빔 주사수단(600)을 이용하여 주사하는 것을 도시한 것이다. 만일 나노-구조 팁이 수직으로 정확히 정렬되지 않았을 경우, 또는 광학축에서 벗어난 곳에 위치하였을 경우 이온 빔의 방향에 따라 나노-구조 팁의 경사 각도가 변하는 것을 이용한 것이다. 도7에서는 각 전자 렌즈 전극층에 전압을 인가하여 이온 빔(I)을 나노-구조 팁에 포커싱 할 수도 있다. 이때 중간의 전극층에 전압을 가변인가하고 상하 전극층은 그라운드 시키거나 다른 전압을 인가하여 나노-구조 팁에 이온 빔을 포커싱 할 수 있다. 이런 경우 팁과 포커스렌즈의 정렬이 완벽하게 될 수 있는 장점이 있다.

위의 도4 내지 도6에서는 전자 방출원 층 위에 3개의 전극층이 더 정렬 부착되는 것을 도시하였으나, 필요에 따라 디플렉터나 포커싱 렌즈도 도시된 전극층과 같이 더 정렬 부착(또는 증착) 될 수 있다. 디플렉터의 경우는 렌즈형 디플렉터를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전자 방출원은 다양한 용도의 전자 칼럼에 사용될 수 있으며 이러한 전자 칼럼은 전자 현미경, 표면 측정 장비, 표면 분석 전자빔장비, 컨텍 및 비아홀의 결함 검사 전자빔장비, defect 용 전자빔장비, CD-SEM, inspection 장비, 전기적 defect 검사장비, 미세 회로의 open-close 검사장비, array 검사장비, 전자빔리소그라피를 포함한 반도체 산업 또는 디스플레이 산업에서 전자빔을 이용한 측정 및 검사 장치용으로 전자 빔을 형성 제어하는 필요성이 있는 분야에서 사용이 가능하다.

Claims (13)

1. 전자를 방출하는 전자 방출원에 있어서, 상기 전자 방출원은
   소정의 위치에 관통되지 않은 홈 또는 돌출부가 형성된 기재; 및
   상기 홈 내면 또는 돌출부 면 내에 형성된 나노-구조 팁;
   을 포함하며,
   상기 홈 또는 돌출부는 그 재질이 상기 홈 또는 돌출부를 통해서 상기 나노-구조 팁에 전압이 인가될 수 있도록 금속을 포함하는 도체 또는 도핑된 반도체 재질로 이루어지며, 그리고
   상기 기재에서 외부의 빛 또는 레이저가 상기 홈 또는 돌출부만을 통과될 수 있도록 상기 홈 또는 돌출부만이 박막 두께를 갖도록 형성되어, 빛 또는 레이저를 투과하여 상기 홈 또는 돌출부의 형상을 기준으로 함께 정렬될 수 있는 전자 렌즈의 어퍼쳐 또는 홀과 전자 광학축에 함께 정렬될 수 있도록 하는 것,
   을 특징으로 하는 전자 방출원.
2. 제1항에 있어서, 상기 홈 또는 돌출부에 외부의 전압이 개별적으로 인가될 수 있는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
3. 제2항에 있어서, 상기 나노-구조 팁이 상기 홈 내면에 형성되고 상기 기재 표면 아래에 상기 나노-구조 팁이 위치하여 상기 팁 주위에 동일한 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
4. 제2항에 있어서, 상기 기재에 2개 이상의 홈 또는 돌출부가 형성되고 상기 홈 또는 돌출부에 나노-구조 팁이 개별적으로 포함되는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 전자 방출원;
   전자 렌즈; 및
   디플렉터;
   를 포함하며,
   상기 전자 방출원의 상기 홈 또는 돌출부는 함께 정렬될 전자 렌즈의 어퍼쳐 또는 홀에 대응한 형상을 구비하고, 그 크기는 상기 어퍼쳐 또는 홀의 크기와 같거나 작으며, 그리고 빛 또는 레이저가 통과되어 상기 홈 또는 돌출부의 형상을 기준으로 전자 렌즈의 어퍼쳐 또는 홀이 전자 광학축에 함께 정렬될 수 있도록 하며, 그리고
   상기 전자 렌즈, 및 상기 디플렉터가 전자 방출원의 홈 또는 어퍼쳐 만큼의 어퍼쳐를 갖는 전자 칼럼인 것,
   을 특징으로 하는 전자빔 주사 수단.
6. 제5항에 있어서, 상기 전자빔 주사 수단이 소스 렌즈, 디플렉터, 및 포커스 렌즈를 포함하며,
   상기 소스 렌즈, 상기 소스 렌즈 및 포커스 렌즈, 또는 소스 렌즈, 디플렉터, 및 포커스 렌즈가 상기 전자 방출원의 전자 빔 방출 갯수 만큼의 어퍼쳐를 갖는 멀티형 전자 칼럼인 것을 특징으로 하는 전자빔 주사 수단.
7. 전자빔 주사 수단에서 전자 방출원과 전자 렌즈 또는 디플렉터를 정렬하는 방법에 있어서,
   제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 전자 방출원의 홈 또는 돌출부의 형상을 기준으로 전자 렌즈의 어퍼쳐 또는 디플렉터의 어퍼쳐를 정렬하는 것을 특징으로 하는 정렬방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 나노-구조 팁이 상기 홈이나 돌출부의 면의 중앙에 위치하지 않은 경우 오차값을 미리 측정하고, 이 오차값을 반영하여 상기 나노-구조 팁이 상기 전자빔 수단의 전자 광학축에 위치하도록 정렬하는 것을 특징으로 하는 정렬방법.
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