KR101604055B1 - Sem 스테이지를 활용한 6축구동 전자현미경 스테이지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자현미경에서 기존의 주사전자현미경(SEM) 시료 스테이지를 활용하여 SEM 뿐 아니라 투과전자현미경(TEM)과 주사투과전자현미경(STEM)용으로 이용할 수 있도록 하는 6축 구동 전자현미경 스테이지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나 또는 복수개의 그리드안착홈-빔투과공이 형성되어 있는 시료 크래들과, 상기 시료 크래들이 안착되는 지지판을 포함하는 시료거치부가, SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 상면에 소정의 각도로 세워져서 장착되어 있는 6축 구동 전자현미경 스테이지에 관한 것이다.

Description

SEM 스테이지를 활용한 6축구동 전자현미경 스테이지{Electron Microscope Stage With 6-Axis Movement Using SEM Stage}

본 발명은 전자현미경에서 기존의 주사전자현미경(SEM) 시료 스테이지를 활용하여 SEM 뿐 아니라 투과전자현미경(TEM)과 주사투과전자현미경(STEM)용으로 이용할 수 있도록 하는 6축구동 전자현미경 스테이지에 관한 것이다.

전자현미경(electron microscope)은 광원과 광원렌즈 대신 유사한 기능을 하는 전자선과 전자 렌즈를 사용한 현미경으로서 통상 10만 배 ~ 수십만배 이상의 배율을 가지며, 물질의 미소 구조를 보는 데 이용한다. 전자현미경으로는 투과전자현미경, 주사전자현미경, 투사주사전자현미경, 반사전자현미경, 저전압전자현미경 등이 있다.

투과전자현미경(Transmision Electron Microscope, TEM)은 광원과 광원 렌즈 대신에 전자빔과 전자 렌즈를 사용한 현미경으로서, 그 작동원리는 광학 현미경과 같으나 광학현미경의 광원이 빛인데 반하여 TEM의 광원은 가속 전자빔으로 시편을 투과하고 상의 배율 조절을 위해 전자 렌즈의 작용을 전장으로 조절하는 것이다. 즉, 관찰하고자 하는 재료의 파장보다 작은 가속 전자를 발생하여 매질에 투과시키면 결정면이나 결함 등의 정도에 따라 투과할 수 있는 전자빔의 강도차가 발생하게 되는데, 이때 투과된 빔강도 차이가 형광스크린 등(=검출기, 검출판, detecting plate)에서 명암으로 나타나는 것이다.

주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)은 전자빔이 시편 또는 시료면 위를 주사(scanning)할 때 시료에서 발생되는 여러 가지 신호 중 그 발생 확률이 가장 많은 이차전자(secondary electron) 또는 반사전자(back scattered electron)를 검출하는 것으로 대상 시료의 표면을 입체적으로 관찰할 수 있는 장비이다.

이러한 TEM 또는 SEM은 시료를 홀더의 팁 부분에 있는 시료거치대 또는 스테이지에 올려놓은 상태에서 동작한다. 통상적으로, 전자현미경의 다른 부분은 고정되어 있고 홀더 또는 스테이지가 X축, Y축, Z축 방향으로의 직선 및 R축 방향과 T축 방향으로의 회전 이동하여 시료의 다양한 부분이 관찰되도록 한다. 이러한 시료 홀더 또는 스테이지는 고진공의 스테이지 챔버(stage chamber) 내에 구비되는데, 그의 일예(공개특허 10-2013-0120564)를 도 1에 도시하였다. 도시한 바와 같이 종래의 시료 스테이지는 회전수단(50, 60, 80, 90)과 틸팅수단(70)에 의해 기울어지고 회전하는 시료대(100)를 포함하여 구성되어, 상기 회전수단과 틸팅수단을 작동시켜 시료대를 기울이거나 회전시키면서 시료를 관찰하게 된다.

한편, 간단히 표현하여, 통상의 SEM과 같은 장비에서 시료 그리드의 아래에 TEM에서와 같은 검출판(detecting plate)을 설치하고, SEM에서 보다는 얇고(thin) TEM에서 보다는 넓은(bulk) 시료에 대한 주사모드 이미지와 투과모드 이미지를 동시에 얻을 수 있는 개념의 주사투과전자현미경(scanning transmitting electron microscope, STEM)이 알려져 있다. STEM은 복수개의 검출기(detectors)를 적용함으로써 한 번의 실험으로 가능한 많은 정보를 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있기 때문에 관심이 대상이 되고 있다.

STEM도 SEM에서와 같거나 더 복잡한 시료 스테이지가 이용되고 있다.

이러한 SEM/STEM에 적용되는 시료 스테이지는, 평면이동-회전-틸팅을 위해 복잡한 모터와 기어들이 정밀하게 3차원상에, 특히 도 1에서 볼 수 있듯이, 시료대의 하부공간에 배치되어 있다. 이러한 공간상의 제약이 있기 때문에, 시료 그리드의 아래 즉, 시료대의 하부에 검출기를 장착해야 하는 TEM이나 STEM용으로 활용하기에는 큰 어려움이 있는 것이 현실이다. 또한 이러한 공간상의 제약은 한 번에 로딩할 수 있는 시료수를 제한하게 된다. 1회 로딩 시료수가 적은 경우 시료 그리드를 자주 교체해야 하는데, 시료 교체시마다 시료적재공간(경통 내부)의 [진공유지→진공해제→시료교체→진공화→진공유지]에 시간과 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

또한 이러한 SEM/STEM에 적용되는 시료 스테이지는, 비록 x, y, z, R(회전), T(틸팅) 등 5축구동이 가능하게 되어 있으나 위와 같이 복잡한 구성요소들이 시료대의 하부에 위치하기 때문에 5축구동 기능을 충분히 활용하지 못하고 있다.

공개특허 10-2013-0120564

본 발명은 SEM/STEM용 시료 스테이지에서, 시료대의 하부 공간에 검출기가 장착될 수 있는 충분한 여유공간을 주어 편리하게 STEM 또는 TEM용으로도 활용할 수 있는 전자현미경 스테이지를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 시료대의 하부 공간에 충분한 여유공간을 주어 한 번에 많은 수의 시료를 로딩할 수 있도록 하는 전자현미경 스테이지를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 다양한 위치와 방향에서 시료를 관찰할 수 있도록 6축구동이 가능한 전자현미경 스테이지를 제공하고자 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하나 또는 복수개의 그리드안착홈-빔투과공이 형성되어 있는 시료 크래들과, 상기 시료 크래들이 안착되는 지지판을 포함하는 시료거치부가, SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 상면에 소정의 각도로 세워져서 장착되어 있는 전자현미경 스테이지에 관한 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의한 전자현미경 스테이지는 SEM/STEM의 시료 스테이지를 그대로 두고 시료 스테이지의 상면에 회전가능한 시료 크래들(cradle)을 수직으로 탈부착 가능하게 장착함으로써 사용시에 스테이지를 틸팅시켜 시료 크래들이 수평(빔에 직각)이 되도록 한다. 이에 따라 시료대 하부에 각종 장치들이 존재하여 활용공간이 적은 종래 SEM/STEM의 시료 스테이지와는 달리, 본 발명에 의하면 시료 크래들의 하부에 충분한 공간이 있게 된다.

이에 따라 본 발명에 의하면, 시료 크래들의 하부 공간에 주사모드 관찰을 위한 검출기를 장착할 수 있게 되므로, SEM/STEM의 시료 스테이지를 활용하여 전용의 TEM 또는 STEM처럼 편리하게 관찰할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 시료 크래들의 하부공간 전체에 전자빔을 방해할 기구구성이 없기 때문에 시료 크래들 전체 수평면을 활용할 수 있다. 즉, 일회에 장착하여 관찰할 수 있는 시료 수가 크게 증가하여 관찰에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면 기존 SEM/STEM의 시료 스테이지의 x, y, z 구동기능을 그대로 활용하고, 회전(R)과 틸팅(T) 기능을 두 종류의 틸팅(t1 t2) 기능으로 활용하며, 시료 크래들의 회전(r)기능이 추가되므로 6축구동이 가능하게 되어 시료를 보다 원활하게 관찰할 수 있게 된다.

도 1은 종래 SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 일예를 개략적으로 도시한 사시도.
도 2a~2c는 예를 들면 도 1과 같은 종래 통상의 SEM 또는 STEM 시료 스테이지에서 틸팅부(적색 점원으로 표시)가 각각 0˚, 20˚, 90˚ 틸팅되었을 때의 사진.
도 2d는 예를 들면 도 1과 같은 종래 SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 5축구동기구의 배치관계의 일예를 도시한 개념적 단면도.
도 3은 도 2와 같은 SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 시료대 위에 시료거치부가 장착되어 있는 본 발명에 의한 전자현미경 스테이지의 개념적 단면도.
도 4a는 시료 크래들이 수평회전 가능하도록 구성된 시료 크래들과 지지판, 회전구동기 등이 포함된 시료거치부 일예의 개념적 평면도.
도 4b는 본 발명에 의한 전자현미경 스테이지에서 시료 크래들의 예를 보여주는 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 시료거치부의 예시적 사시도.
도 6은 도 3과 같은 본 발명에 의한 전자현미경 스테이지에서 틸팅부를 회전하여 시료 크래들이 수평으로 유지됨을 보여주는 개념적 단면도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. 또한 청구범위의 구성요소에 도면부호가 병기되어 있는 경우, 이는 설명 위한 예시적인 것일 뿐 도면부호가 구성요소를 한정하려는 의도가 아님도 명백할 것이다.

본 발명에서 발명의 대상을 "6축구동 전자현미경 스테이지"로 표현하였으나, 관점에 따라서는 "6축구동 전자현미경 홀더(holder)"라 볼 수도 있을 것이다.

본 발명은 시료 크래들과 지지판을 포함하는 시료거치부가 SEM 또는 STEM 시료 스테이지(이하 "기존 스테이지"라 약칭함)의 상면에 스테이지의 틸팅부회전축과 평행하게 소정의 각도로 세워져서 장착되어 있는 전자현미경 스테이지에 관한 것이다.

도 2a~2c에 종래 통상의 SEM 또는 STEM 시료 스테이지에서 틸팅부(적색 점원으로 표시)가 각각 0˚, 20˚, 90˚ 틸팅되었을 때의 사진을 첨부하였고, 도 2d에 종래 통상의 SEM 또는 STEM 시료 스테이지에서 5축구동기구의 배치관계의 개념적 일예를 도시하였다. 제일 하부에는 x, y, z 구동부가, 그 위에 틸팅부(T), 다시 그 위에 틸팅축을 매개로 회전부(R)가 배치되어 있다. 회전부 위에는 지지봉을 매개로 시료대가 장착되어 있다. 도시된 예에서는 x-y-z 구동과 틸팅 및 회전 등 5축구동이 가능한 것이지만, 경우에 따라서는 이중 일부의 기능만 보유할 수도 있을 것이다. 또한 도시된 예에서는 [(x-y-z 구동부)→틸팅부→회전부] 순서로 적층되어 있지만 그 순서가 바뀌더라도 기본적으로 동일한 작동이 가능하다. 종래 통상의 SEM 또는 STEM 시료 스테이지에서는 시료대의 하부 공간(녹색 원으로 표시함)이 제한되어 있어 시료대 위에 샘플이 장착될 수 있는 면적이 매우 좁을 수밖에 없다.

본 발명은 소정의 거치대를 상기 SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 상면에 소정의 각도로 세워서 장착한 것이다. 도 3에 도 2와 같은 기존 스테이지 위에 시료거치부가 장착되어 있는, 본 발명에 의한 전자현미경 스테이지의 개념적 단면도를 도시하였다. 도시된 예에서는 회전부(R) 위의 지지봉과 시료대를 그대로 두고 시료대 위에 시료거치부를 장착하였지만, 시료대 또는 시료대와 지지봉을 제거한 다음 시료거치부를 장착할 수도 있을 것이다.

본 발명에서 상기 시료거치부는 시료 크래들과 지지판을 포함하고 있다(도 3~5 참조). 도면이나 설명상으로는 '시료 크래들과 지지판'이 별개의 구성요소인 것이 바람직하지만 이들이 일체화된 하나의 물리적 형태를 가질 수도 있다. 시료 크래들에는 실제 시료(가 얹혀진 그리드)가 안착되는 그리드안착홈-빔투과공이 하나 또는 복수개 형성되어 있다. 도 4b에 본 발명에 의한 전자현미경 스테이지에서 시료 크래들의 예를 보여주는 사시도를 첨부하였다. 시료 크래들의 전면에 걸쳐 고르게 복수개의 그리드안착홈-빔투과공 세트가 형성되어 있다. 그리드안착홈에는 시료가 로딩된 그리드가 안착된다. 복수개의 그리드안착홈-빔투과공이 형성되는 경우 균일한 간격이 되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 시료거치부는 기존 스테이지에 고정설치될 수도 있지만, 스테이지의 다양한 활용을 위해 소정의 어댑터(도시 생략)를 매개로 하여 탈착가능하게 장착되도록 하는 것이 좋다.

한편 본 발명에서 상기 시료거치부가 세워지는 각도는, 상기 틸팅부회전축(길이에 수직인 단면을 도 3과 도 6에서 틸팅부와 회전부 사이에 검은 점으로 표시함)을 중심으로 회전하여 상기 시료거치부가 수평을 이룰 수 있는 각도인 것이 좋다. 시료거치부가 수평을 이룰 때 빔이 조사되는 공간적 제약을 최소화하기 위해서 기존 스테이지의 틸팅부회전축과 평행이면서 틸팅부에 대하여 수직으로 시료거치부가 장착되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 틸팅부의 최대 회전각이 90˚ 이상인 경우 시료거치부는 기존 스테이지 상면과 수직이 되도록 한다.

본 발명의 시료거치부에서 시료크래들과 지지판이 물리적으로 별개의 구성요소인 경우, 시료크래들이 지지판에 대하여 수평회전할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 본 발명의 상기 시료거치부에서 상기 시료 크래들은 원형이며, 크래들에는 원형기어가 형성되어 있고, 회전축이 직간접적으로 상기 크래들의 원형기어와 기어결합되도록 상기 시료 스테이지의 시료대 또는 상기 지지판에 회전구동기가 고정결합되어 있도록 하는 것이 좋다. 이때 원형기어는 크래들이 상면, 하면 또는 외주면에 형성될 수 있다. 도 4a에 시료 크래들이 수평회전 가능하도록 구성된 시료 크래들과 지지판, 회전구동기 등이 포함된 시료거치부 일예의 개념적 평면도를 도시하였다. 혼동을 방지하기 위하여 시료 크래들에 있는 그리드안착홈-빔투과공 세트의 도시를 생략하였다. 이 예에서는 회전구동기가 지지판에 장착되어 있으나, 회전구동기가 시료대 또는 어댑터에 장착될 수도 있을 것이다.

도 5에 본 발명에 의한 시료거치부의 예시적 사시도를 첨부하였다. 이 예에서 좌측 말단의 디스크는 기존 스테이지의 상단부(도 2a에서 화살표 표시부분)에 해당한다. 도면의 예에서는 시료 크래들의 회전을 위한 회전구동기의 축 말단에 베벨기어가 장착되어 있고, 베벨기어와 시료 크래들 사이에 평기어가 지지판에 회전가능하게 고정되어 있어 회전 구동력을 시료 크래들에 전달한다. 시료 크래들을 회전가능하게 고정하기 위하여 둘 이상의 시료 크래들 회전 고정용 평기어가 추가될 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 의한 전자현미경 스테이지의 작동에 대하여 설명한다.

도 6에 도 3과 같은 본 발명에 의한 전자현미경 스테이지를 사용할 때 SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 틸팅부를 회전하여 시료 크래들이 수평으로 유지됨을 보여주는 개념적 단면를 도시하였다.

도면에서 파악할 수 있듯이, 종래 SEM 또는 STEM 시료 스테이지(도 2a~2d 참조)의 시료대 하부에 여유공간이 거의 없음에 반하여, 본 발명에 의한 전자현미경 스테이지에서는 시료 크래들의 하부에 자유공간이 생겨서 검출기를 자유롭게 장착할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 기존 스테이지의 x-y-z 구동부에 의한 x-y-z 구동, 기존 스테이지의 틸팅부(T)의 작동에 의한 y축을 회전축으로 하는 틸팅(t2), 기존 스테이지 회전부(R)의 작동에 의한 x축을 회전축으로 하는 틸팅(t1) 및 시료 크래들의 호전에 의한 z 축을 회전축으로 하는 회전(r)이 가능하게 된다. 즉, 본 발명에 의하면 x, y, z 방향으로의 이동(3축)과 x, y, z축을 회전축으로 하는 틸팅 및 회전(3축)이 가능한 6축구동 전자현미경 스테이지가 제공되는 것이다.

Claims (5)

1. 하나 또는 복수개의 그리드안착홈-빔투과공이 형성되어 있는 시료 크래들과, 상기 시료 크래들이 안착되는 지지판을 포함하는 시료거치부가,
   SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 상면에 소정의 각도로 세워져서 장착되어 있으며,
   상기 시료 크래들은 원형이며, 크래들에는 원형기어가 형성되어 있고,
   회전축이 직간접적으로 상기 크래들의 원형기어와 기어결합되도록 상기 시료 스테이지의 시료대 또는 상기 지지판에 회전구동기가 고정결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전자현미경 스테이지.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 시료대에 탈착가능하게 장착되어 상기 시료거치부를 탈착가능하게 장착하는 어댑터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자현미경 스테이지.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 시료거치부가 세워지는 각도는,
   SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 틸팅축이 회전하여 상기 시료거치부가 수평을 이룰 수 있는 각도인 것을 특징으로 하는 전자현미경 스테이지.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 시료거치부가 세워지는 각도는,
   SEM 또는 STEM 시료 스테이지의 틸팅축의 최대 회전각이 90˚ 이상인 경우 스테이지 상면과 수직인 것을 특징으로 하는 전자현미경 스테이지.
   
5. 삭제

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