KR101623949B1 - 소형 전자 현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형 전자 현미경에 관한 것으로서, 케이스의 내부 일측에 설치되는 대물렌즈계와, 상기 대물렌즈계 하부에 설치되어 상기 대물렌즈계와의 사이 공간에 진공상태가 유지되는 진공버퍼를 형성하고, 일측에 전자빔이 통과되는 통과홀이 형성되며 상기 통과홀의 부근에 2차 전자 또는 반사전자의 검출을 위한 전자 검출기가 부착되는 시스템 플레이트와, 상기 통과홀에 대응되는 하단 일측에 시료대가 설치되고, 상기 시스템 플레이트 하부에서 수평방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치되는 스테이지 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 시스템의 사이즈 및 진공 유지 공간을 컴팩트화함으로써 장치의 소형화에 따른 제조 비용의 감소 및 사용자 조작의 용이성을 제공할 수 있고, 진공 유지에 소요되는 시간을 현저하게 감소시킴으로써 검사 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

소형 전자 현미경{Compact Electron Microscope}

본 발명은 소형 전자 현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 챔버, 시료대, 스테이지 플레이트를 초소형 스테이지 플레이트에 일체화시키고 이것을 전자현미경의 대물렌즈계 하단에 바로 위치시켜 구조를 간단히 하고 진공공간을 최소화시킬 수 있도록 함으로써 진공상태 유지에 의한 검사시간의 지연을 방지할 수 있는 기술에 관한 것이다.

반도체 산업을 비롯한 각종 제조 공정에서 품질 관리를 위해 비전 검사장치가 널리 사용되고 있다. 특히, 점점 미세화가 진행되는 반도체 제조 프로세스에서는, 결함 사이즈가 수십 나노미터의 오더(order)에 달하고 있는 경우도 있어, 결함의 관찰이나 분류를 위해서는 나노미터 오더의 분해 능력이 필요해진다. 그로 인해, 최근에는 주사전자 현미경을 이용한 결함 관찰 장치가 널리 사용되어지기 시작하고 있다.

주사전자 현미경은 진공 챔버(Chamber)내에 있는 관찰 대상 시료에 전자를 가속 충돌하여 발생하는 이차전자를 포집하여 이미지를 관찰하는 장비이다.

주사전자 현미경은 광학현미경에 비해 훨씬 높은 배율과 심도를 가지는 전자현미경의 활용성이 높아지고 있지만 품질관리를 위한 검사 공정에 있어 생산성 및 사용편의성에 있어 매우 불리한 조건을 가지고 있다.

일반적으로 전자현미경은 복잡하고 시스템 규모가 크기 때문에 공간 활용성이 낮고 샘플 및 스테이지 플레이트를 수용하기 위한 큰 공간의 챔버를 필요로 한다. 또한, 시료 교체시에는 챔버 외의 공간(전자총실 등)도 함께 대기상태가 되기 때문에 초기 이미지를 관찰하기 위한 적정진공 상태에 도달하기까지 비교적 상당히 긴 시간이 소요되므로 검사속도가 지연되고 그에 따라 생산성이 저하되는 원인이 된다.

에어락 시스템이나 전자총실 전용의 밸브 등을 추가하여 초기 진공도달 시간을 줄이는 방법도 가능하나 이러한 경우 시스템이 복잡해지고 제조비용이 상승하는 문제점이 있다. 또한, 슬라이드 베어링 방식의 경우 금속판의 접촉을 통해 진공을 유지하기 때문에 고진공을 유지하기 힘든 단점이 있다.

한국 등록특허 제10-1342203호 "SEM을 이용한 결함 검사 방법 및 장치"

본 발명의 목적은 스테이지 플레이트, 시료대와 챔버를 일체화시켜 시스템을 간단하게 하고 진공유지 공간을 최소화하여 진공도달 시간을 획기적으로 감소시켜 빠른 검사 속도를 요구하는 검사 공정에 적합한 형태의 전자현미경을 구현하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 케이스의 내부 일측에 설치되는 대물렌즈계와, 상기 대물렌즈계 하부에 설치되어 상기 대물렌즈계와의 사이 공간에 진공상태가 유지되는 진공버퍼를 형성하고, 일측에 전자빔이 통과되는 통과홀이 형성되며 상기 통과홀의 부근에 2차 전자 또는 반사전자의 검출을 위한 전자 검출기가 부착되는 시스템 플레이트와, 상기 통과홀에 대응되는 하단 일측에 시료대가 설치되고, 상기 시스템 플레이트 하부에서 수평방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치되는 스테이지 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 전자 현미경이 제공된다.

여기서, 상기 시스템 플레이트와 스테이지 플레이트 간에는 서로 다른 직경을 갖는 2개 이상의 오링이 설치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 스테이지 플레이트는 시료 교체를 위한 이동과 시료 관찰을 위한 2차원 이동을 모두 제공할 수 있도록 하기 위하여, 제 1 축 방향으로의 이동을 위한 구동수단에 연결되어 제 1 축 방향으로 슬라이딩 이동하는 제 1 축 스테이지 베이스와,상기 제 1 축 스테이지 베이스의 하부에 설치되고, 제 2 축방향으로의 이동을 위한 구동수단에 연결되어 제 2 축 방향으로 슬라이딩 이동하는 제 2 축 스테이지 베이스와, 상기 제 2 축 스테이지 베이스의 하부에 설치되는 시료대를 포함하여 구성된다.

상기 오링을 사용하지 않아 부드러운 슬라이딩이 가능하면서도 진공을 유지할 수 있도록 하기 위하여, 시스템 플레이트와 스테이지 플레이트가 접하는 면 중 적어도 어느 한 면에는 복수 개의 요홈이 형성되고, 상기 시스템 플레이트와 스테이지 플레이트가 접하는 면은 세라믹 재질로 형성되도록 할 수도 있다.

또한, 상기 케이스의 일측에는 자석이 설치된 도어가 형성되고, 상기 도어는 시료 관찰시에는 상기 케이스에 부착되고, 시료 교체시에는 상기 스테이지 플레이트의 슬라이딩 이동에 의해 상기 스테이지 플레이트에 부착된 상태로 개방위치로 이동되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 시스템의 사이즈 및 진공 유지 공간을 컴팩트화함으로써 장치의 소형화에 따른 제조 비용의 감소 및 사용자 조작의 용이성을 제공할 수 있고, 진공 유지에 소요되는 시간을 현저하게 감소시킴으로써 검사 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소형 전자 현미경의 주요 부분을 구성을 도시한 단면도로서, 시료 관찰 상태를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 소형 전자 현미경의 주요 부분을 구성을 도시한 단면도로서, 시료 교체 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 세라믹을 이용하여 진공버퍼가 진공 상태를 유지할 수 있도록 하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 외부 진동을 차단하면서도 도어의 개폐가 용이한 도어 개폐구조에 관한 것으로서, 도 4는 시료 관찰 상태의 도어 폐쇄위치를 나타내고 도 5는 시료 교체시의 도어 개방위치를 나타낸 것이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 소형 전자 현미경의 주요 부분을 구성을 도시한 단면도로서, 시료 관찰 상태를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 소형 전자 현미경의 주요 부분을 구성을 도시한 단면도로서, 시료 교체 상태를 나타낸 것이다.

도 1에는 전체적인 전자 현미경의 구조를 생략하고, 본 발명의 핵심 부분에 해당하는 구성들 즉, 대물렌즈계(4), 시스템 플레이트(6), 대물렌즈계(4)와 시스템 플레이트(6) 간에 형성되는 진공버퍼(5) 및 스테이지 플레이트(10)의 구성만이 도시되어 있다.

대물렌즈계는 전자총에서 생성되고 집속 렌즈계에 의해 1차적으로 반확대된 전자빔을 2차적으로 반확대하여 최종 프로브를 형성하는 것으로서, 렌즈에 흐르는 전류를 증가시키면 자기장의 크기가 증가하고,초점거리가 짧아진다. 짧아진 초점거리는 영상까지의 거리를 짧게 하고 배율을 증가시킨다.

시스템 플레이트(6)는 대물렌즈계(4)의 하부에 설치되어 대물렌즈계(4)의 하면, 대물렌즈 폴피스(3)의 내면 및 시스템 플레이트(6)의 상면에 의해 형성되는 밀폐공간을 형성한다. 이 밀폐공간은 진공상태가 유지되는 진공버퍼(5)로서 일반적인 전자 현미경에서의 진공 챔버에 대응되는 구성으로 볼 수 있으나, 도 1에 도시된 바와 같이 매우 작은 초소형의 진공 공간을 제공하는 것이 특징이다.

시스템 플레이트(6)는 중앙에 브라켓(7)이 설치되는데, 브라켓(7)의 중앙에는 대물렌즈계(4)에서 주사되는 전자빔이 통과되는 통과홀(9)이 형성되며 통과홀(9)의 부근에 2차 전자 또는 반사전자의 검출을 위한 전자 검출기(8)가 부착되어 있다.

전자 검출기(8)는 후방산란전자 검출기(Backscattered electron detector)일 수 있다. 전자선이 시료와 충돌하면 일부의 전자는 우주선이 중력에 이끌려 떨어지듯 시료의 원자핵과 반응한다. 음전하를 띄고 있는 전자는 양전하를 가진 핵에 의해 흡인되지만 입사각이 직각이면 중력 작용으로 전자가 포획되는 대신 핵 주의를 원형으로 돌아 시료 밖으로 방출된다. 이러한 전자를 후방산란전자라고 부른다. 이 전자들은 매우 빠르게 움직이므로 주행 궤적이 직선이다. 후방산란전자에 의한 상을 얻기 위하여 전자의 궤도에 전자 검출기(8)를 장치하고 전자가 검출기에 닿으면 영상을 얻을 수 있는 신호가 생성된다.

시스템 플레이트(6)의 하면에는 복수 개의 오링 장착홈(6a)이 원형으로 형성되고, 오링 장착홈(6a)에는 오링(6b)이 삽입되어 진공버퍼(5) 또는 시료대(13) 내부의 진공상태를 유지할 수 있도록 한다. 시료의 교체를 위해 스테이지 플레이트(10)가 슬라이딩 이동하는 경우에도 진공버퍼(5) 내부가 진공상태를 유지할 수 있도록 서로 다른 직경의 오링(6b)이 2개 이상 설치되는 것이 바람직하다. 2개의 오링이 사용되는 경우, 2 개의 오링 사이의 거리는 나머지 진공공간의 진공을 유지하기 위해서 시료실(13a)의 너비보다 커야 한다.

스테이지 플레이트(10)는 통과홀(9)에 대응되는 하단 일측에 시료대(13)가 설치되고, 시스템 플레이트(6)의 하부에서 수평방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치된다.

스테이지 플레이트(10)는 시료대(13)에 장착되는 시료의 교체를 위한 슬라이딩 이동과 시료 관찰을 위한 2차원 이동을 동시에 제공할 수 있도록 하는 구조를 갖는다.

이를 위해, 스테이지 플레이트(10)는 제 1 축 방향으로의 이동을 위한 구동수단에 연결되어 제 1 축 방향으로 슬라이딩 이동하여 시료 교체를 위한 슬라이딩 이동과 시료 관찰시 제 1 축 방향으로의 시료 이동 기능을 제공하는 제 1 축 스테이지 베이스(11)와, 제 1 축 스테이지 베이스(11)의 하부에 설치되고, 제 2 축방향으로의 이동을 위한 구동수단에 연결되어 시료 관찰시 제 2 축 방향으로의 시료 이동 기능을 제공하는 제 2 축 스테이지 베이스(12) 및 제 2 축 스테이지 베이스(12)의 하부에 설치되는 시료대(13)를 포함하여 구성된다.

여기서, 제 1 축은 X축, 제 2 축은 Y축일 수 있고, 구동수단은 실린더 장치일 수 있으며, 설명의 간단을 기하기 위하여 도면에서 구동수단은 생략되어 있다.

그리고, 제 1 축 스테이지 베이스(11)와 제 2 축 스테이지 베이스(12)는 중앙에 전자빔의 주사 및 시료로부터 반사되는 전자들이 전자 검출기(8)에서 검출될 수 있도록 중앙에 상하가 개방된 개구가 형성된다.

시료대(14)는 응용분야에 따라 다양한 크기의 시료를 측정할 수 있도록 스테이지 플레이트(10)를 적용 분야에 따라 탈부착이 가능한 구조의 형태로 제공될 수도 있다. 일반적으로 전자현미경으로 관찰하는 시료는 수십mm의 크기를 가지므로 시료실(13a)을 아주 작게 만들어 진공배기 시간을 최소로 하여 사용편의성을 극대화 시키는 것이 가능하며, 반도체 웨이퍼와 같은 넓으면서 얇은 시료의 경우에는 시료실(13a)의 체적은 작게 유지하면서 넓게 할 수 있도 있고, 벌크 시료와 같이 부피가 큰 시료의 경우 일반 챔버형태의 시료실(13a)을 제공할 수 있도록 할 수도 있다. 즉, 측정하고자 하는 시료의 크기에 따라 그에 맞는 시료대(14)가 부착된 스테이지 플레이트(10)를 연결하여 해당 시료를 검사할 수 있는 것이다.

본 발명에서 진공버퍼(5)는 대물렌즈계(4)와 스테이지 플레이트(10)의 사이에 형성되어 종래 진공 챔버에 비해 초소형 공간을 제공하므로 구조가 간단해지고, 진공 유지 공간을 최소화할 수 있게 된다. 시료교체 후 더 빨리 고진공 상태에 도달하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 대물렌즈계(4)와 스테이지 플레이트(10) 사이에 진공버퍼(5)를 위치시킴으로써 시료실(13a)이 대물렌즈계(4)의 하부에 위치하면 진공버퍼(5)를 통하여 순간적으로 시료실(13a)의 공기를 배기시킬 수 있게 된다. 이때 진공버퍼의 체적은 시료실(13a)에 비해 충분히 크게 하여 초기 진공을 쉽게 잡을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

시료의 교체를 위해 스테이지 플레이트(10)가 이동하는 경우에도, 도 2와 같이, 스테이지 플레이트(10)와 2개의 오링(6b)에 의해 나머지 시스템의 진공공간의 진공상태를 유지시켜 줄 수 있게 된다.

도 3은 세라믹을 이용하여 진공버퍼가 진공 상태를 유지할 수 있도록 하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.

진공 유지를 위해 오링(6b)이 사용되는 경우 스테이지 플레이트(10)의 슬라이딩 이동시 스테이지 플레이트(10)와 오링(6b) 간의 마찰력에 의해 스테이지 플레이트(10)의 부드러운 이동이 어려울 수 있다.

도 3에서는 이를 고려하여, 오링 대신 시스템 플레이트(6)와 스테이지 플레이트(10)가 접하는 면을 세라믹 재질로 형성하여 효과적으로 진공을 유지하는 방법을 제공한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 접하는 2 면 중 하나의 면에 수mm의 반원의 요홈(6c)을 형성하면 요홈(6c)에 포집된 공기의 압력에 의해 시스템 플레이트(6)와 스테이지 플레이트(10)가 접하는 2 면의 접촉력이 높아져 보다 고진공 유지가 가능한 진공실링 작용을 가져올 수 있다.

도 3에서는 시스템 플레이트(6)의 하면에 요홈(6c)을 형성한 경우를 예시하였으나, 반대로 스테이지 플레이트(10)의 상면에 요홈(6c)을 형성하는 것도 가능함은 물론이다.

도 4 및 도 5는 외부 진동을 차단하면서도 도어의 개폐가 용이한 도어 개폐구조에 관한 것으로서, 도 4는 시료 관찰 상태의 도어 폐쇄위치를 나타내고 도 5는 시료 교체시의 도어 개방위치를 나타낸 것이다.

본 실시예는 전자 현미경의 전체적인 외형을 구성하는 케이스(1)에 설치되는 도어(2)를 케이스(1)에 고정적으로 설치하는 것이 아니라, 도어(2)에 부착된 자석(2a)의 자력에 의해 케이스(1)에 부착되도록 함으로써 외력에 의해 도어(2)가 케이스(1)로부터 부착 또는 분리될 수 있는 구조를 제공한다. 여기서 외력은 스테이지 플레이트(10)의 슬라이딩 이동에 의해 도어(2)를 밀어내는 힘을 의미한다.

이를 위해, 케이스(1)와 스테이지 플레이트(10)는 도어(2)와 자력에 의해 부착이 가능한 금속 재질로 이루어져야 한다.

도 4 도시된 바와 같이, 도어(2)는 케이스(1)에 형성된 개구(1a) 보다 큰 면적을 갖도록 형성되어 케이스(1)의 외면에 탈착 가능하도록 부착된다.

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 시료 교체시에는 스테이지 플레이트(10)가 케이스(1)의 개구(1a) 방향으로 슬라이딩 이동되면서 스테이지 플레이트(10)의 종단이 도어(2)에 접촉되고, 이 상태에서 스테이지 플레이트(10)가 케이스(1)의 외측으로 더 이동하면 도어(2)는 스테이지 플레이트(10)에 부착된 상태로 밀려나면서 케이스(1)로부터 분리된다.

효율적인 도어 개폐 구조를 제공하기 위해 스테이지 플레이트(10)와 도어(2)를 일체형으로 구현하는 것을 생각해볼 수 있다. 그러나 이러한 경우 시료관찰을 위해 x, y축의 2차원 스테이지 이동을 구현하기 위해 스테이지 플레이트(10)를 x축 또는 y축으로 사용하고자 하면 스테이지 플레이트(10)의 이동에 따라 외부에서 도어(2)가 이동하게 되고 그 이동 거리만큼의 공간을 확보해야 하므로 장치의 일체감이 저하됨과 아울러 진동에 민감한 전자현미경에 있어 도어가 프레임이나 케이스에 접촉시 외부진동이 스테이지 플레이트(10)에 전달되어 좋은 이미지를 얻을 수 없게 된다.

반면, 도 4 및 도 5와 같이, 도어(2)와 스테이지 플레이트(10)를 분리 구성하고 도어(2)에 영구자석을 삽입하면, 시료 교체시에는 스테이지 플레이트(10)와 도어(2)가 연결되고, 시료 관찰시에는 도어(2)가 스테이지 플레이트(10)와 분리되면서 케이스(1)에 장착될 수 있도록 하여 외부진동을 차단하고 디자인적인 요소를 강화할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 케이스 1a : 개구
2 : 도어 2a : 자석
3 : 대물렌즈 폴피스 4 : 대물렌즈계
5 : 진공버퍼 6 : 시스템 플레이트
6a : 장착홈 6b : 오링
7 : 브라켓 8 : 전자 검출부
9 : 통과홀 10 : 스테이지 플레이트
11 : 제 1 축 스테이지 베이스 12 : 제 2 축 스테이지 베이스
13 : 시료대 13a : 시료 수용공간

Claims (6)

1. 케이스의 내부 일측에 설치되는 대물렌즈계와;
   상기 대물렌즈계 하부에 설치되어 상기 대물렌즈계와의 사이 공간에 진공상태가 유지되는 진공버퍼를 형성하고, 일측에 전자빔이 통과되는 통과홀이 형성되며 상기 통과홀의 부근에 2차 전자 또는 반사전자의 검출을 위한 전자 검출기가 부착되는 시스템 플레이트와;
   상기 통과홀에 대응되는 하단 일측에 시료대가 설치되고, 상기 시스템 플레이트 하부에서 수평방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치되는 스테이지 플레이트를 포함하되,
   상기 케이스의 일측에는 자석이 설치된 도어가 형성되고, 상기 도어는 시료 관찰시에는 상기 케이스에 부착되고, 시료 교체시에는 상기 스테이지 플레이트의 슬라이딩 이동에 의해 상기 스테이지 플레이트에 부착된 상태로 개방위치로 이동되는 것을 특징으로 하는 소형 전자 현미경.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 시스템 플레이트와 스테이지 플레이트 간에는 서로 다른 직경을 갖는 2개 이상의 오링이 설치되는 것을 특징으로 하는 소형 전자 현미경.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 스테이지 플레이트는
   제 1 축 방향으로의 이동을 위한 구동수단에 연결되어 제 1 축 방향으로 슬라이딩 이동하는 제 1 축 스테이지 베이스와;
   상기 제 1 축 스테이지 베이스의 하부에 설치되고, 제 2 축방향으로의 이동을 위한 구동수단에 연결되어 제 2 축 방향으로 슬라이딩 이동하는 제 2 축 스테이지 베이스와;
   상기 제 2 축 스테이지 베이스의 하부에 설치되는 시료대를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 전자 현미경.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 시스템 플레이트와 스테이지 플레이트가 접하는 면 중 적어도 어느 한 면에는 복수 개의 요홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 소형 전자 현미경.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 상기 시스템 플레이트와 스테이지 플레이트가 접하는 면은 세라믹 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 소형 전자 현미경.
   
   
   
6. 삭제

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