KR101633978B1

KR101633978B1 - 모노크로메이터 및 이를 구비한 하전입자빔 장치

Info

Publication number: KR101633978B1
Application number: KR1020140075947A
Authority: KR
Inventors: 타카시 오가와; 조복래; 안상정; 박인용; 한철수
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2016-06-28
Also published as: DE102015109047A1; DE102015109047B4; JP2016009684A; JP5913682B2; KR20150146079A; US20150371811A1; US9425022B2

Abstract

본 발명은 모노크로메이터 및 이를 구비한 하전입자빔 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저비용으로 광축을 일치시키는 모노크로메이터(monochromator, MC) 및 이를 구비한 하전입자빔 장치에 관한 것이다. 이를 위하여 이미터에서 방출된 하전입자빔이 입사되고, 하전입자빔의 궤도를 굴절시키며, 복수개의 전극으로 구성되는 제1정전렌즈; 및 중심축이 제1정전렌즈의 중심축과 동축으로 배치되고, 제1정전렌즈와 특정 이격거리만큼 이격되며, 제1정전렌즈에서 출사되는 하전입자빔이 입사되고, 하전입자빔의 궤도를 굴절시키며, 복수개의 전극으로 구성되는 제2정전렌즈;를 포함하고, 하전입자빔은 정전렌즈의 중심축에서 특정 오프셋만큼 벗어난 축외궤도를 통과하도록 구성되며, 하전입자빔의 에너지 폭이 감축되는 모노크로메이터가 제공될 수 있다. 이에 따르면 모노크로메이터를 통과한 후에도 좋은 하전입자빔 프로파일을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

모노크로메이터 및 이를 구비한 하전입자빔 장치{MONOCHROMATOR AND CHARGED PARTICLE APPARATUS WITH THEREOF}

본 발명은 모노크로메이터 및 이를 구비한 하전입자빔 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저비용으로 광축을 일치시키는 모노크로메이터(monochromator, MC) 및 이를 구비한 하전입자빔 장치에 관한 것이다.

모노크로메이터(monochromator)는 좁은 파장 범위의 빛을 공급하기 위하여 사용하는 장치로서, 렌즈와 슬릿 등의 조합으로 백색광을 분광하여 원하는 단색광을 뽑아내기 위한 광학계, 단색 분광계이다. 이러한 모노크로메이터는 하전입자빔 장치 내에서 광학계로 이용되거나, 에너지 분석기(Energy Analyzer)로 이용되게 된다. 이하에서는 종래에 이용되는 모노크로메이터의 예를 서술한다.

Mollenstedt 에너지 분석기(Mollenstedt Energy Analyzer, MA)와 관련하여, 도 1은 Mollenstedt 에너지 분석기(MA)를 도시한 측단면 및 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 Mollenstedt 에너지 분석기(MA)는 원통형 렌즈(CylL)의 축외 색수차를 이용한 하전 입자 에너지 분석기이다. 원통형 렌즈는 중심에 직사각형의 개구부를 가진 3개의 전극(11)으로 구성되어 중심 전극에 고전압이 인가되고, 전후 양측의 두 개의 전극은 접지 전압으로 하는 하전입자 렌즈이다. 이러한 3개의 전극(11)의 사이에는 절연재(12)가 구비된다. 중심 전극 부근에서 전자의 에너지가 거의 0까지 감속되고, 렌즈의 광축 외부를 통과하는 성분이 선택되며, 렌즈 축의 색수차에 의해 발생하는 에너지 분산을 이용하여 하전 입자의 에너지를 분석하는 에너지 분석기를 발명자의 이름을 따서 Mollenstedt 에너지 분석기(MA)라 칭하고 있는 것이다(비특허문헌 0006).

FEI 사의 정전렌즈를 사용한 모노크로메이터와 관련하여, 도 2는 FEI 사의 모노크로메이터를 도시한 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, FEI 사의 모노크로메이터는 전자 소스의 축외 성분을 애퍼쳐(aperture)에 의해 선택하고, 정전렌즈의 축 밖을 통과시켜 에너지를 분광하여, 단색화(에너지를 확대 축소)하는 모노크로메이터(MC)로서, 주사전자현미경(SEM)과 같은 하전입자빔 장치에 이용될 수 있다. 이러한 모노크로메이터는 색수차의 영향을 감소시켜 이미지의 분해능을 향상시키게 된다(특허문헌 0001, 비특허문헌 0007).

Delft 공과대학, JEOL 사, Tubingen 대학의 모노크로메이터와 관련하여, 도 3내지 도 5는 Delft 공과대학, JEOL 사, Tubingen 대학의 모노크로메이터를 도시한 모식도이다. 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 투과형 전자 현미경(TEM) 또는 주사 투과 전자 현미경(STEM)에는 전자총에 빈 필터(Wien Filter) 형의 모노크로메이터(MC)를 장착하여 에너지를 분광하고 단색화(에너지 분포를 작게)할 수 있다(특허문헌 0002 내지 0004, 비특허문헌 0008 내지 0010).

CEOS 사의 모노크로메이터와 관련하여, 도 6은 CEOS 사의 모노크로메이터를 도시한 모식도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 투과형 전자 현미경(TEM) 또는 주사 투과 전자 현미경(STEM)에는 전자총에 4 단의 정전 편향장치가 장착되어, 에너지 분광하고 단색화(에너지 분포를 작게)할 수 있다(특허문헌 0005, 비특허문헌 0011). CEOS 사의 모노크로메이터에 따르면 색수차의 영향이 감소되어 일반적으로 사용되는 200keV보다 낮은 60keV 이하의 에너지 영역에서 이미지 해상도가 향상되는 효과가 발생된다. 또한 하단에 설치되는 전자 에너지 손실 분광법(EELS)에서의 에너지 분해능의 향상이 가능해졌다.

Henstra, Chaged Particle source with integrated energy filter, US8461525B2 Hindrik Willem Mook, Wien filter, US6,452,169 B1 Masaki Mukai, Method of adjusting transmission electron microscope, US2013/0CylL28699 A1 Erich Piles, Monochromator for charged particles, EP1CylL10292B1 Uhlemann, Monochromator and radiation source with monochromator, US2008/0290273A1

Mollenstedt, Die elektrostatische Linse als hochauflosender Geschwindigkeitsanalysator, Optik 5,499-517(1949). Henstra,J.Chmelik,T.Dingle,A.Manguns,G.van Veen, Versatile monochrometer module for XHR SEM, Microscopy and Microanalysis,Volume 15, Issue SUPPL. 2, July 2009, Pages 168-169. Mook,H.M.Kruit,P, Construction and Characterization of the fringe field monochrometer for a field emission gun, Ultramicroscopy 81(2000) 129-139. Mukai, M, Inami, W, Omoto, K.a, Kaneyama, T, Tomita, T, Tsuno, K, Terauchi, M, Tsuda, K, Naruse, M, Honda, T, Tanaka, M. Monochromator for a 200 kV analytical electron microscope, Microscopy and Microanalysis Volume 12, Issue SUPPL. 2, August 2006, Pages 1206-1207. Plies,E. Marianowski,K. Ohnweiler,N. The wien filter : History, fundamentals and modern application Nucl.instrum.metho.phys.res.A 645(2011)7-11. Uhlemann,S. Haider,M, Experimental Set-Up of a Purely Electrostatic Monochrometer for High Resolution and Analytical Purposes of a 200kV TEM, Microsc.Microanal.8,suppl.2 (2002) 584CD-585CD.

그러나 위에 기재된 종래의 모노크로메이터는 구조가 복잡하고, 상당히 고가이며, 제작에 있어서 고도의 정밀도를 요구하고, 전원의 개수가 상당히 많이 필요한 문제가 있었다.

특히 도 4에 도시된 FEI 사의 모노크로메이터(MC)는 가장 단순한 구조이나, 하전입자빔을 렌즈의 축 밖으로 통과시키기 위해, 코마, 비점수차 등의 축외 수차가 남게 되고, 후단에서 하전입자빔의 프로파일에 악영향을 끼치는 문제가 있다. 또한 전자 소스의 축의 성분을 사용하기 위해 원래의 전자선의 에너지 확산이 커지며 방출 전류가 불안정 해지는 문제가 있다. 샘플와 샘플 표면에 흡착 가스 분자의 포논 분광에는 10meV 보다 더 높은 에너지 분해능(좁은 에너지 확산)이 필요하게 된다.

따라서 본 발명은 상기 제시된 문제점을 개선하기 위하여 창안되었다.

본 발명의 목적은, 2단의 원통형 렌즈(CylL)를 광축에서 오프셋시켜 배치하고 렌즈 사이에 슬릿을 배치하며, 제1단의 원통형 렌즈(CylL)에서 하전입자빔을 편향시키고 에너지를 분산시켜 슬릿으로 에너지를 선택하며, 제2단의 원통형 렌즈(CylL)에서 하전입자빔을 반대 방향으로 편향시켜 원래의 광축과 일치시키는 모노크로메이터 및 이를 이용한 하전입자빔 장치를 제공하는 데에 있다. 이러한 모노크로메이터는 제1단의 원통형 렌즈에서 생긴 이차 수차 및 일차 에너지 분산을 없애는 구조로서, 모노크로메이터를 통과한 후에도 좋은 하전입자빔 프로파일을 얻을 수 있다. 다시말하면 이미터(emitter) 중심 부분의 하전입자빔을 사용할 수 있게 되는 효과가 발생된다.

이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단에 대하여 설명한다.

본 발명의 목적은, 이미터에서 방출된 하전입자빔이 입사되고, 상기 하전입자빔의 궤도를 굴절시키며, 복수개의 전극으로 구성되는 제1정전렌즈; 및 중심축이 상기 제1정전렌즈의 중심축과 동축으로 배치되고, 상기 제1정전렌즈와 특정 이격거리만큼 이격되며, 상기 제1정전렌즈에서 출사되는 상기 하전입자빔이 입사되고, 상기 하전입자빔의 궤도를 굴절시키며, 복수개의 전극으로 구성되는 제2정전렌즈;를 포함하고, 상기 하전입자빔은 상기 제1 정전렌즈와 상기 제2정전렌즈 중 적어도 어느 하나의 상기 중심축에서 특정 오프셋만큼 벗어난 축외궤도를 통과하도록 구성되며, 상기 하전입자빔의 에너지 폭이 감축되는 모노크로메이터를 제공하여 달성될 수 있다.

또한 상기 하전입자빔의 상기 축외궤도는 상기 중심축과 평행하게 상기 제1정전렌즈에 입사되고, 상기 제1정전렌즈는 입사된 상기 하전입자빔의 상기 축외궤도를 입사되는 궤도에서 상기 중심축을 중심으로 하는 반대쪽으로 굴절시켜 출사하며, 상기 제1정전렌즈에서 출사된 상기 하전입자빔의 상기 축외궤도는 상기 중심축과 평행하게 상기 제2정전렌즈에 입사되고, 상기 제2정전렌즈는, 입사된 상기 하전입자빔의 상기 축외궤도를 상기 제2정전렌즈에 입사되는 궤도에서 상기 중심축을 중심으로 하는 반대쪽으로 굴절시켜 출사할 수 있다.

또한 상기 제1정전렌즈와 상기 제2정전렌즈의 사이에 배치되고, 상기 하전입자빔에서 특정 에너지 범위를 갖는 성분을 제거하는 제1슬릿; 및 상기 제1정전렌즈의 전방에 배치되고, 상기 하전입자빔의 입사각도를 제한하는 제2슬릿;을 포함할 수 있다.

또한 상기 제1,2정전렌즈는 각각 3개의 전극으로 구성되고, 중심 전극에는 제1전압이 인가되고, 양측 전극은 제2전압이 인가되며, 각각의 상기 전극은 중심부에 직사각형의 개구부가 구비되고, 상기 개구부의 중심이 서로 일치되며, 각각의 상기 전극의 개구부의 단변 방향이 서로 일치되고, 상기 개구부의 중심이 상기 제1,2정전렌즈의 중심축과 동축을 구성할 수 있다.

또한 상기 중심 전극에 인가되는 전압, 상기 오프셋의 크기 및 상기 특정 이격거리의 1/2크기 중 적어도 하나의 조건을 통해 나머지 조건을 산출하고, 상기 나머지 조건을 반영할 수 있다.

또한 상기 제1정전렌즈와 상기 제2정전렌즈의 사이에 배치되고, 상기 하전입자빔에서 특정 에너지 범위를 갖는 성분을 제거하는 제1슬릿; 및 상기 제1정전렌즈의 전방에 배치되고, 상기 하전입자빔의 입사각도를 제한하는 제2슬릿;을 더 포함하고, 상기 제1,2정전렌즈를 구성하는 각각의 상기 전극은 중심부에 직사각형의 개구부가 구비되고, 상기 개구부의 중심이 서로 일치되며, 각각의 상기 전극의 개구부의 단변 방향이 서로 일치되고, 상기 개구부의 중심이 상기 제1,2정전렌즈의 중심축과 동축을 구성하며, 상기 개구부의 단변 방향과 상기 축외궤도 방향을 포함하는 제1평면 위를 진행하는 하전입자빔에 있어서, 상기 제2슬릿에서 상기 축외궤도와 특정 각도를 이루며 입사되는 제2하전입자빔은, 상기 제1정전렌즈를 통과한 후 상기 제1슬릿에서 상기 축외궤도와 평행하게 진행되고, 상기 제2정전렌즈를 통과한 후 상기 제2정전렌즈 후방의 상기 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치에서 상기 축외궤도에 포커싱되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 후초점위치가 상기 제2슬릿의 위치와 일치되도록 배치되는 제1축대칭렌즈;가 전방에 구비되고, 전초점위치가 상기 제2정전렌즈의 후방에서 상기 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되는 제2축대칭렌즈;가 후방에 구비되며, 상기 이미터는 상기 제1축대칭렌즈의 전초점위치에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제1,2정전렌즈의 상기 개구부의 단변 방향에서는 상기 하전입자빔에 대한 집속 작용을 갖고, 상기 제1,2정전렌즈의 상기 개구부의 장변 방향에서는 상기 하전입자빔에 대한 집속 작용이 없는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제2정전렌즈의 후방에서 상기 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치에 구비되는 제1의 편향장치; 및 상기 제2슬릿의 위치를 중심으로 구비되는 제2 편향장치;를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 제1,2 편향장치는 4중극자인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제1,2 편향장치는 6중극자인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제1,2 편향장치는 12중극자인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제1정전렌즈 및 상기 제2정전렌즈의 2번째 초점거리인 fc는, 상기 축외궤도에 평행하게 입사되는 상기 하전입자빔의 궤도가 상기 축외궤도에 두 번째로 수렴하는 위치에서 정전렌즈 중심까지의 거리로 정의되고, 상기 제1정전렌즈와 상기 제2정전렌즈 사이의 거리는 2fc인 것을 특징으로 할 수 있다.

삭제

본 발명의 목적은, 하전입자빔이 방출되는 이미터(emitter); 상기 하전입자빔이 통과되고, 상기 하전입자빔의 에너지 폭 감소기능을 갖는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 모노크로메이터; 상기 하전입자빔이 조사되는 샘플; 상기 샘플을 유지 이동하는 스테이지; 상기 샘플에서 상기 하전입자빔에 의해 생성된 이차 입자빔을 검출하는 검출기; 상기 이미터, 상기 광학계, 상기 스테이지 및 상기 검출기의 기능을 구동하는 구동 시스템; 및 상기 구동 시스템을 제어하는 제어 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치를 제공하여 달성될 수 있다.

또한 상기 모노크로메이터의 후방에 배치되는 적어도 하나의 축대칭렌즈;를 더 포함하고, 상기 샘플에 상기 하전입자빔을 주사하여 상기 샘플의 표면을 관찰하거나 가공하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 이미터는 전자 소스인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 이미터는 이온 소스인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 샘플 표면에서 방출된 이차 입자빔의 에너지를 분광하는 전자선 손실 분광 기능을 갖는 전자선 손실 분광 스펙트로스코피;를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 모노크로메이터의 후방, 상기 샘플의 전방 및 상기 샘플의 후방 중 적어도 하나에 배치되는 적어도 하나의 축대칭렌즈; 상기 하전입자빔이 투과되는 스크린; 및 투과되는 상기 하전입자빔을 검출하는 검출기;를 더 포함하고, 상기 스크린을 투과하여 검출된 하전입자를 이용하여 시료를 관찰하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 이미터는 전자 소스인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 전초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2정전렌즈의 후방에서 상기 모노크로메이터의 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되는 제2축대칭렌즈;가 상기 모노크로메이터의 후방에 구비되며, 상기 제2축대칭렌즈의 후방에 배치되는 복수개의 제3축대칭렌즈;를 더 포함하며, 상기 제2축대칭렌즈의 후초점위치에 결상된 상기 이미터의 상이, 상기 제3축대칭렌즈에 의해 상기 샘플에 축소결상되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 전초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2정전렌즈의 후방에서 상기 모노크로메이터의 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되는 제2축대칭렌즈;가 상기 모노크로메이터의 후방에 구비되며, 상기 제2축대칭렌즈로 상기 하전입자빔을 상기 샘플에 포커싱하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 전자총 고전압부 상에 배치되고, 상기 전기 시스템이 상기 전자총 고전압 위에 플로팅되는(floating) 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 접지부분 상에 배치되고, 상기 구동 시스템이 접지기준으로 구성될 수 있다.

또한 전초점위치가 상기 이미터의 위치와 일치되도록 배치되며, 후초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2슬릿의 위치와 일치되도록 배치되고, 상호 직렬배치되는 X방향 포커싱의 4중극자 렌즈 및 Y방향 포커싱의 4중극자 렌즈;가 상기 모노크로메이터의 전방에 구비되고, 전초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2정전렌즈의 후방에서 상기 모노크로메이터의 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되며, 상호 직렬배치되는 X방향 포커싱의 4중극자 렌즈 및 Y방향 포커싱의 4중극자 렌즈;가 상기 모노크로메이터의 후방에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 전초점위치가 상기 이미터의 위치와 일치되도록 배치되며, 후초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2슬릿의 위치와 일치되도록 배치되고, 상호 직렬배치되는 X방향 포커싱의 원통형 렌즈 및 Y방향 포커싱의 원통형 렌즈;가 상기 모노크로메이터의 전방에 구비되고, 전초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2정전렌즈의 후방에서 상기 모노크로메이터의 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되며, 상호 직렬배치되는 X방향 포커싱의 원통형 렌즈 및 Y방향 포커싱의 원통형 렌즈;가 상기 모노크로메이터의 후방에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명의 일실시예에 따르면 모노크로메이터를 통과한 후에도 좋은 하전입자빔 프로파일을 얻을 수 있는 효과가 있다. 다시 말하면 이미터(emitter) 중심 부분의 하전입자빔을 사용할 수 있게 되는 효과가 발생된다.

둘째, 본 발명의 일실시예에 따르면 모노크로메이터를 통과한 후에 보다 작은 에너지 확산(10meV)이 실현될 수 있는 효과가 발생된다.

셋째, 본 발명의 일실시예에 따르면 이미터(emitter) 중심 부분의 하전입자빔을 사용할 수 있어 보다 하전입자빔 전류가 안정되는 효과가 있다.

넷째, 본 발명의 일실시예에 따르면 직선구조의 광학계에 대한 열(column)의 원통 형상을 유지할 수 있고, 높은 기계적 강도와 동축 정밀도를 얻을 수 있는 효과가 있다. 대전류(大電流)를 사용하는 방식 등으로, 모노크로메이터(MC)를 사용할 필요가 없는 경우에는 원통형 렌즈(CyL)의 전압을 오프(OFF)하여 일반적인 광학계로 사용 가능한 효과가 있다.

다섯째, 본 발명의 일실시예에 따르면 전체가 정전 방식이기 때문에 이온빔도 사용 가능한 효과가 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면 코일로부터 방출되는 가스가 없기 때문에 진공도를 향상시키는 것도 용이하며, 초고진공 및 극고진공이 필요한 전자총 부근에서의 사용이 가능해지는 효과가 있다. 또한 히스테리시스(hysteresis)가 없기 때문에 응답성이 뛰어나, 모노크로메이터(MC)의 On / OFF의 빠른 전환이 가능해지는 효과가 있다.

여섯째, 본 발명의 일실시예에 따르면 다극자를 렌즈로 사용하지 않기 때문에, 기계적인 구조, 전기, 제어계의 구성이 단순해지는 효과가 있다. 위에 기재된 종래의 다른 모노크로메이터(MC)들보다 저렴한 비용으로 우수한 효율을 발생시킬 수 있다.

일곱째, 본 발명의 일실시예에 따르면 모노크로메이터(MC)에서 비점수차(Astigmatic) 결상(X 방향으로 3회, Y 방향으로 0회)이, 전자-전자의 상호 작용에 의한 에너지 확산의 증가 및 하전입자빔의 직경의 증가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 원통형 렌즈(CylL)를 도시한 측단면 및 평면도,
도 2는 FEI 사의 모노크로메이터를 도시한 모식도,
도 3내지 도 5는 Delft 공과대학, JEOL 사, Tubingen 대학의 모노크로메이터를 도시한 모식도,
도 6은 CEOS 사의 모노크로메이터를 도시한 모식도,
도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 궤도에 관한 Z-X축 변위그래프,
도 8은 본 발명의 일실시예에서 전극에 가해지는 전압비에 따른 오프셋 조건에 대한 그래프,
도 9, 10는 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터를 도시한 모식도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 전송렌즈에 이용되는 자기장형 축대칭 렌즈를 도시한 모식도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 전송렌즈에 이용되는 정전형 축대칭 렌즈를 도시한 모식도,
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모노크로메이터를 도시한 모식도,
도 14,15,16는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티폴을 도시한 모식도,
도 17, 18, 19는 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도,
도 20, 21, 22, 23, 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 특정 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 특정 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

모노크로메이터

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터와 관련하여, 이하에 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터의 구성과 기능에 대하여 기술한다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터에 이용되는 원통형 렌즈와 관련하여, 도 1은 원통형 렌즈(CylL)를 도시한 측단면 및 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 하전입자빔의 진행 방향을 Z 방향으로 정의하고, X 방향을 원통형 렌즈 의 직사각형 개구부의 단변(短邊) 측으로 정의하며, Y 방향을 장변(長邊) 측으로 정의한다. 원통형 렌즈는 X 방향으로 렌즈 작용이 강하고, Y 방향으로 렌즈 작용이 약하다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터에는 2단의 원통형 렌즈(CylL)가 이용되고, 2단의 원통형 렌즈(cylL)의 중심축을 하전입자빔 장치의 광학장비(예를 들어, 이미터(emitter, 전자소스), 전송렌즈(transfer lens, TL), 후단의 대물 렌즈(OL)) 등의 광축에서 X 방향으로 특정 거리만큼 오프셋시켜 배치한다. 이 오프셋의 크기를 Xd라 칭한다.

도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 궤도에 관한 Z-X축 변위그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 하전입자빔은 이미터에서 원통형 렌즈의 중심(center of CylL 1&2)과 Xd의 오프셋을 갖는 광축(optical axis)으로 출사되게 되며, 원통형 렌즈(cylL)를 지나면서 X축을 중심으로 대칭되도록 중심 궤도(axial ray)가 이동되게 된다.

원통형 렌즈는 일반 렌즈보다 굴절률이 강력한 렌즈가 사용되고, 하전입자빔의 상(像)이 맺히는 면이 하나 또는 두 개(2nd focus)인 조건으로 사용될 수 있다. 이 영역에서의 렌즈 조건은, 원통형 렌즈의 중심축에서 상기 오프셋만큼 이격되어서 평행하게 입사되는 하전입자빔의 축외 궤도가 중심축에 한번 수렴한 후 (초점이 맺힘) 중심축에 평행하게 출사되며, 중심축과 출사 궤도의 거리가 입사시의 오프셋과 동일한 조건으로 구성되게 된다.

상기 평행 입사 및 평행 출사하는 축외 궤도를 중심 궤도(axial ray)로 정의하면, 상기 중심 궤도에 대해 작은 각도를 가지며 방출되는 궤도를 근축(近軸)궤도(para-axial ray)로 정의할 수 있다. 이러한 근축 궤도는 원통형 렌즈 중심과 원통형 렌즈 중심 외에서 각각 한 번씩 중심 궤도에 수렴된다는 사실이 도 7의 하전입자빔 궤도 계산을 통해 확인된다.

도 7에서 원통형 렌즈의 두 번째 초점 거리(2nd focal plane)인 fc는 중심 궤도에 평행하게 입사한 근축 궤도가 중심 궤도에 두 번째로 수렴하는 위치에서 원통형 렌즈 중심까지의 거리로 정의될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터에서, 이러한 원통형 렌즈를 모노크로메이터의 중심축(Center of CylL 1&2) 위에 좌우 대칭으로 제작하면, 중심 궤도에 대해 특정 각도를 가지고 이미터(emitter)에서 방출된 근축 궤도가 2단의 원통형 렌즈를 지나 중심 궤도와 평행이 되기 이전의 초점과 2단의 원통형 렌즈의 중심과의 거리도 두 번째 초점 거리(fc)와 동일하다.

이러한 근축 궤도는 일반 렌즈계와 마찬가지로 두 번째 초점 거리(fc)에 의해 설명될 수 있다. 도 8은 본 발명의 일실시예에서 중심전극 및 양측전극에 가해지는 전압비(Vcenter/Vside)에 따른 오프셋(Xd) 조건에 대한 그래프이다. 도 8에는 광학계의 시뮬레이션을 통해 원통형 렌즈의 중심 전극에 인가한 전압(Vcenter) 대해 오프셋(Xd)과 두 번째 초점 거리(fc)가 그래프로 표시되어있다. x축은 원통형 렌즈의 중심 전극에 인가한 전압(Vcenter)를 양측 전극의 전압(Vside)으로 나눠서 도출한 전극에 가해지는 전압비 수치이다. Vcenter, Vside 모두 이미터(emitter, 전자소스)의 전위를 0으로 기준을 삼았을 때의 수치이다. Vcenter는 추출전압(extraction voltage)와 같고 본 발명의 일실시예에서는 4kV로 설정될 수 있다. Vcenter가 음수인 것은, 이미터(emitter)의 전위보다 낮은 전압이 중심 전극의 전압으로 인가되는 경우를 의미한다.

오프셋(Xd)과 전극(11)에 가해지는 전압비 수치(Vcenter/Vside)와의 관계와 관련하여, 상기 관계는 원통형 렌즈의 형상으로 결정되며, 보다 상세하게는 도 1에 도시된 각 전극(11)의 두께(t1,t2,t3), 각 전극(11)의 간격(g1, g2), 개구부의 X, Y 방향의 폭(wx1, wx2, wx3, wy1, wy2, wy3) 에 의해 결정된다. 본 발명의 일실시예에서는 t1 = t2 = t3 = 10mm, g1 = g2 = 10mm, wx1 = wx2 = wx3 = 10mm, wy1 = wy2 = wy3 = 100mm로 계산을 실시하여 도 8을 도시하였다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터를 도시한 모식도이다. 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)는 2단의 원통형 렌즈(CylL1, CylL2)를 Z 방향으로 상기 도 7에서 표시된 fc의 2배의 거리(2fc)로 상호 이격되도록 배치하는 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명은 미리 계산된 오프셋(Xd)과 전극(11)에 가해지는 전압비 수치(Vcenter/Vside)와의 관계 데이터(도 8)를 제어부(control PC)에 저장하고, 그 관계 데이터를 바탕으로 2단의 원통형 렌즈(CylL1, CylL2)의 중심(Center of CylL 1&2)를 이미터에서 하전입자빔(X)이 출사되는 광학 광축인 광축(optical axis)에서 Xd 만큼 오프셋시켜서 배치하며, 각각의 원통형 렌즈의 중심 전극 전압(Vcenter1, Vcenter2)에 거의 Vcenter와 같은 값을 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이론적으로는 2단의 원통형 렌즈의 두 중심 전극 전압인 Vcenter1, Vcenter2는 Vcenter에 일치해야하지만, 실제로는 기계 조립 정도에 의해 미세한 조정이 필요하기 때문에, 각각의 원통형 렌즈(CylL1, CylL2)의 전극이 두 개의 독립적인 전원을 갖추는 것이 바람직하다. 또한 2단의 원통형 렌즈 전체에 대한 X 방향의 미세 조정기구(position adjustmet)가 진공챔버 밖에 구비될 수 있다.

도 9에 도시된 오프셋(Xd)과 전극(11)에 가해지는 전압비 수치(Vcenter/Vside)와의 관계 조건하에서, 광축 상의 하전입자빔(X)은 1단째의 원통형 렌즈인 제1원통형 렌즈(CylL1)에서 오프셋(Xd)과 반대쪽 방향으로 편향되어 광축(optical axis)과 평행하게 동일한 오프셋 크기를 가지고 출사되며, 동일한 전압이 인가된 2단째의 원통형 렌즈인 제2원통형 렌즈(CylL2)에 의해 되돌려져, 다시 광축(optical axis)과 일치하는 위치의 궤도를 그리게 된다. 즉, 도 9에 도시된 두꺼운 실선은 하전입자빔의 중심 궤도(axial ray)을 의미하며, 1점 쇄선은 각각 광축(optical axis)과 원통형 렌즈의 중심(Center of CylL 1&2)을 의미한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 2단의 원통형 렌즈에 의하여 하전입자빔(X)의 중심 궤도(axial ray)는 원통형 렌즈의 중심(Center of CylL 1&2)을 중심으로 하는 반대편으로 굴절되었다가, 다시 광축(optical axis)으로 복귀하게 된다.

도 10는 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터를 도시한 모식도이다. 도 10의 하단에 도시된 Z-X 평면과 Z-Y 평면의 그래프에서는, 2단의 원통형 렌즈에 의해 굴절되며 진행되는 중심 궤도(axial ray)을 직선으로 표현하여, 근축 궤도와 중심 궤도의 관계에 대해 시각적으로 향상된 접근성을 갖도록 도시되어 있다.

도 10의 하단 Z-X 평면(Z-X Plane)에서 Xα(실선)는, α의 각도만큼 중심 궤도(axial ray)와 어긋나게 입사되는 근축(近軸) 궤도(para-axial ray)을 의미한다. Z-X 평면(Z-X Plane)에서 Xγ(점선)는, 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 입사되는 근축(近軸) 궤도(para-axial ray)을 의미한다. 이미터(emitter, 1)에서 방출되는 하전입자빔의 근축 궤도(Xγ)는 제1전송렌즈(TL1)를 통과하면서 중심 궤도(axial ray)와 X축 방향으로 각도 γ만큼 어긋나게 된다. 근축 궤도(Xγ)는 제1,2원통형 렌즈(CylL1,CylL2)를 통과하면서 중심 궤도(axial ray)와 X축 방향으로 각도 -γ만큼 어긋나게 된다. 근축 궤도(Xγ)는 제2전송렌즈(TL2)를 통과하면서 입사되었던 방향 그대로, 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 출사되게 된다.

도 10의 하단 Z-X 평면(Z-X plane)에서 이미터(emitter, 1)에서 방출되는 하전입자빔의 근축 궤도(Xα)는 X축 방향으로 중심 궤도(axial ray)와 α의 각도를 이루며 제1전송렌즈(TL1)에 입사되게 된다. 근축 궤도(Xα)는 제1전송렌즈(TL1)을 통과하면서 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 진행되게 된다. 근축 궤도(Xα)는 제1,2원통형 렌즈(CylL1,CylL2)를 통과하면서 중심 궤도(axial ray)을 중심으로 X축 대칭되어 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 진행하게 된다. 근축 궤도(Xα)는 제1,2원통형 렌즈(CylL1,CylL2)를 통과한 뒤에 제2전송렌즈(TL2)를 통과하면서, 입사되었던 방향 그대로 출사되게 된다.

도 10의 하단 Z-Y 평면(Z-Y Plane)에서 Yβ(실선)는, Y축 방향으로 β의 각도만큼 중심 궤도(axial ray)와 어긋나게 입사되는 근축(近軸) 궤도(para-axial ray)을 의미한다. Z-Y 평면(Z-Y Plane)에서 Yδ(점선)는, 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 입사되는 근축(近軸) 궤도(para-axial ray)을 의미한다. 도 10에서는, 근축 궤도(Yδ)와 근축 궤도(Yβ)가 Y축 방향으로 궤도 변화가 크지 않고, 포커싱 되지 않음을 확인할 수 있다.

도 10의 하단에 도시된 바와 같이, 이미터(emitter, 1)와 제1전송렌즈(TL1), 및 제1전송렌즈(TL1)와 도입부 애퍼쳐(Entrance Aperture) 사이의 거리는 제1전송렌즈의 초점거리인 f1으로 정의될 수 있고, 제1디플렉터(Deflector1)가 설치된 도입부 애퍼쳐(Entrance Aperture)와 제1원통형 렌즈(CylL1), 제1원통형 렌즈(CylL1)와 에너지 선택 애퍼쳐(Energy Selection Aperture), 에너지 선택 애퍼쳐(Energy Selection Aperture)와 제2원통형 렌즈(CylL2), 및 제2원통형 렌즈(CylL2)와 제2디플렉터(Deflector2) 사이의 거리는 도 7에서 확인할 수 있는 원통형 렌즈의 두 번째 초점거리인 fc로 정의될 수 있다. 또한 제2디플렉터(Deflector2)와 제2전송렌즈(TL2), 및 제2전송렌즈(TL2)와 Zi 사이의 거리는 제2전송렌즈의 초점거리인 f2로 정의될 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 제1원통형 렌즈(CylL1)의 전방으로 원통형 렌즈 중심에서의 거리가 fc인 Ze1 위치에서 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 원통형 렌즈에 입사되는 근축 궤도(Xα)는 제1원통형 렌즈(CylL1)의 중심부근에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱되고, 제1원통형 렌즈(CylL1)에서 출사된 후 제1, 2원통형 렌즈(CylL1, CylL2)의 중간에서, 각 원통형 렌즈 중심에서의 거리가 fc인 Zm 위치에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱된다. 제2원통형 렌즈(CylL2)에서는 비대칭 궤도를 취하고, 제2원통형 렌즈(CylL2) 내에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱 된 후, 제2원통형 렌즈(CylL2)의 후방으로 원통형 렌즈 중심에서의 거리가 fc인 Ze2 위치에서 중심 궤도(axial ray)에 평행하게 출사된다. 본 발명의 일실시예에 따르면 하전입자빔의 궤도(X)는 X 방향으로 3 회 중심 궤도(axial ray)에 포커싱되는 궤도가 된다.

한편, 제1원통형 렌즈(CylL1)의 전방으로 원통형 렌즈 중심에서의 거리가 fc 인 Ze1 위치에서 중심 궤도(axial ray)에서의 각도(γ)로 진행되는 근축 궤도(Xγ)는 제1원통형 렌즈(CylL1) 내에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱되고, 제1,2원통형 렌즈(CylL1,CylL2)의 중간 위치인 Zm에서 중심 궤도(axial ray)와 평행한 궤도로 진행된다. 그 후, 제2원통형 렌즈(CylL2)에서는 대칭 궤도를 취하고, 제2원통형 렌즈(CylL2) 내에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱 된 후, 제2원통형 렌즈(CylL2)의 후방으로 원통형 렌즈 중심에서의 거리가 fc인 Ze2 위치에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 구성은 초점 거리 fc의 4 배와 관계되기 때문에 4f 광학계라 정의될 수 있고, X 방향에서 Ze1 위치에서와 동일한 상이 Ze2 위치에 등배(等倍)로 결상(結像)된다. 본 발명의 일실시예에서는 미리 계산된 도 9에 도시된 오프셋(Xd)과 전극(11)에 가해지는 전압비 수치(Vcenter/Vside)와의 관계 조건에 따라 제1,2원통형 렌즈(CylL1,CylL2)의 배치, 오프셋 크기와 중심 전압(Vcenter1, Vcenter2)을 설정하여, 상기의 광학계를 구성할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)에서는 제1원통형 렌즈(CylL1)의 전방으로, 렌즈의 중심에서 거리가 fc인 Ze1 위치에서 하전입자빔이 입사되는 각도를 제한하는 도입부 애퍼쳐(Entrance Aperture)가 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이 Ze1에서는 근축 궤도(Xγ)는 중심 궤도(axial ray)에 포커싱되고 있기 때문에 영향을 주지 않으면서, 근축 궤도(Xα)의 입사 각도를 결정할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)는 도입부 애퍼쳐(Entrance Aperture)의 위치를 진공 외부에서 조절하는 기능을 갖는 미세조절부(adjustment)를 구비할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)에서는 제1,2원통형 렌즈(CylL1,CylL2)의 중앙부인 Zm에, 입사되는 하전입자빔의 에너지를 선택하는 에너지 선택 애퍼쳐(Energy Selection Aperture)가 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이 Zm에서는 하전입자빔의 에너지 중에서 다른 중심 궤도가 서로 다른 위치를 통과하는 에너지 분산이 발생하므로, 효율적으로 에너지를 선택할 수 있게 되는 효과가 발생된다. 도 10에서는 이러한 하전입자빔의 다른 중심 궤도를 Xk로 나타내고 있다. 에너지 선택 애퍼쳐(Energy Selection Aperture)에서 제한되지 않은 궤도는 제2원통형 렌즈(CylL2)의 후방인 Ze2에서 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 출사된다. 또한 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)는 에너지 선택 애퍼쳐(Energy Selection Aperture)의 위치를 진공 외부에서 조절하는 기능을 갖는 미세조절부(adjustment)를 구비할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)에서는 도입부 애퍼쳐(Entrance Aperture)의 위치인 Ze1에서 더 전방으로 f1거리의 위치인 Zt1 에 제1전송렌즈(TL1)를, TL1에서 전방으로 f1거리의 위치 Zo에 이미터(Emitter, 1)를 두는 것을 특징으로 할 수 있다. 이미터(emitter, 1)의 추출전압(extraction voltage)의 에너지를 감안하여 제1전송렌즈(TL1)의 조건을 적절히 설정하는 방식으로, 이미터(Emitter, 1)에서 특정 각도를 갖고 출사되는 하전입자빔의 궤도를 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 진행시킬 수 있고, 이미터(Emitter, 1)에서 평행하게 출사된 하전입자빔의 궤도를 Ze1에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱시킬 수 있다. 이러한 조건은 제1전송렌즈(TL1)의 초점 거리 f1과 일치한다. 이러한 조건은 Ze1위치의 도입부 애퍼쳐(Entrance Aperture)의 직경에 따라 입사되는 하전입자빔의 전류의 양을 결정할 수 있다. 이미터(Emitter, 1)에서 중심 궤도(axial ray)에 평행하게 출사되는 근축 궤도(Xγ)는 Ze1에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱되기 때문에, 이미터(Emitter, 1)의 하전입자빔 방출위치에 따라 전류가 제한되지 않으므로, 보다 균일한 하전입자빔 프로파일(profile)을 얻을 수 있다. 또한 이미터(Emitter, 1)의 크기나 상태에 따라 변하는 추출전압(extraction voltage)의 변동을 제1전송렌즈(TL1)를 변화시킴으로써, 추출전압(extraction voltage)의 변동을 상쇄하여 일정한 초점 거리 f1을 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)에서는 제2원통형 렌즈(CylL2)의 후방으로, 렌즈 중심에서 거리가 fc인 Ze2 위치보다 더 후방으로, 거리가 f2인 Zt2 위치에 제2전송렌즈(TL2)를 두는 것을 특징으로 할 수 있다. 하전입자빔에 인가되는 에너지에 따라 제2전송렌즈(TL2)의 조건을 적절히 설정하고, 제2전송렌즈(TL2)의 초점 거리를 f2로 정의한다. 제1원통형 렌즈(CylL1)에 평행하게 입사하는 근축 궤도(Xα)는 Zt2에 위치한 제2전송렌즈(TL2)의 후방인 Zi 위치에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱된다. Ze1 위치에서 중심 궤도(axial ray)와 특정 각도(γ)를 가지고 출사되어 제2원통형 렌즈(CylL2)의 후방인 Ze2 위치에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱되는 근축 궤도(Xγ)는, 제2전송렌즈(TL2)의 위치인 Zt2에서 중심 궤도(axial ray)와 평행이 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 광학계 구성에 의해, 제2전송렌즈(TL2)에서 후방으로의 거리가 f2인 Zi 위치에서 이미터(Emitter, 1)의 상이 결상될 수 있다. X 방향에서 2단의 원통형 렌즈인 제1,2원통형 렌즈(CylL1,CylL2)는 Ze1 과 Ze2 위치에서 등배로 결상되므로, Zo 와 Zi 간의 모든 배율은 두 전송렌즈(TL1, TL2)의 초점 거리의 비인 f2/f1에 의해 결정된다. 제1전송렌즈(TL1)와 제2전송렌즈(TL2)의 초점거리를 일치시킨 경우, 배율은 1이 되고 이미터(Emitter, 1)의 등배상이 Zi 위치에 결상되게 된다. 또한 에너지 선택 애퍼쳐(Energy Selection Aperture)에서 제한되지 않은, 에너지가 다른 근축 궤도(Xk) 는 제2원통형 렌즈(CylL2)의 후방인 Ze2 위치에서 중심 궤도(axial ray)와 거의 평행하게 출사되고 제2전송렌즈(TL2)에 의해 동일한 위치인 Zi에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱된다. 따라서 이러한 Zi 위치에서는, 에너지가 일치하는 수색성(Achromatic)의 광원 상을 얻을 수 있게 된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)에서 2단의 원통형 렌즈(CylL1, CylL2)는 Y 방향의 포커싱 작용을 거의 가지지 않는 것을 특징으로 할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 원통형 렌즈의 입구 사각형 애퍼쳐(Aperture)의 Y 방향 개구를 X 방향 개구의 10 배 이상으로 구성하여 X 방향으로 포커싱 작용을 하고, Y 방향으로 포커싱 작용을 하지 않게 구성할 수 있다. Y 방향 개구를 X 방향 개구보다 크게 제작할수록 더욱 효과적이므로, 상한은 제작할 수 있는 한도까지이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)에서 본 발명은 두 전송렌즈(TL1, TL2)를 축대칭 렌즈(Axial symmetric lens)으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 축대칭 렌즈는 X 방향과 Y 방향으로 동일한 수렴 작용이 있을 수 있다.

전송렌즈의 구성과 관련하여, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 전송렌즈에 이용되는 자기장형 축대칭 렌즈를 도시한 모식도, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 전송렌즈에 이용되는 정전형 축대칭 렌즈를 도시한 모식도이다. 도 11, 12에 도시된 바와 같이 자기장(magnetic)형 축대칭 렌즈(axial symmetric lens)는 코일(32)과 자성 재료인 요크(york, 31), 폴 피스(pole piece, 34)로 구성되어 갭(gap, 33)에서 누설된 자속에 의해, 광축에 축대칭인 자기장 분포를 만들어 하전입자빔을 포커싱하는 하전입자 광학렌즈이다. 또한 정전(electrostatic)형 축대칭 렌즈(axial symmetric lens)는 3개의 전극(11) 사이의 절연재(12)로 구성되어 광축에 축대칭인 전기장 분포를 만들어 포커싱 작용을 얻는 하전입자 광학렌즈이다.

Y 방향에서, 이미터(Emitter)에서 특정 각도(β)를 가지고 방출된 하전입자빔의 궤도(근축 궤도, Yβ)는 제1전송렌즈(TL1)에 의해 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 진행하게 된다. Y 방향의 하전입자빔 궤도(근축 궤도, Yβ)는 2단의 원통형 렌즈(CylL1, CylL2)에 거의 영향을 받지 않고 직진하여 후단의 제2전송렌즈(TL2)에서 중심 궤도(axial ray)와 평행하게 입사되고, 제2전송렌즈(TL2)의 축대칭 렌즈 작용에 의하여 제2전송렌즈(TL2) 후방의 초점 위치인 Zi 위치에서 중심 궤도(axial ray)에 포커싱된다.

본 발명의 일실시예에 따른 광학계 구성에 따르면, 하전입자빔의 X 방향과 Y 방향이 동일한 위치에 수렴하게 되는 무수차(Stigmatic) 결상을 얻을 수 있다. 이미터(Emitter)의 위치인 Zo와 최후방의 상 위치인 Zi 사이에서 하전입자빔의 Y 방향의 근축 궤도는 중심 궤도(axial ray)에 포커싱되지 않고(0회 포커싱), 전술한 X 방향의 3회 포커싱되는 근축 궤도와 크게 다른 궤도를 갖게 된다. 2단의 원통형 렌즈인 제1,2원통형 렌즈(CylL1,CylL2)로 구성된 모노크로메이터(MC) 내에서는 X 방향만 중심 궤도(axial ray)에 포커싱되는 비점수차(Astigmatic) 결상이 된다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따르면, 하전입자가 한 점으로 포커싱될 수 없기 때문에, 전자 - 전자 상호 작용(Boersh 효과, 공간 전하 효과)을 완화하는데 효과적이다. 또한 본 발명의 일실시예에 따르면, Y 방향의 렌즈 작용이 적기 때문에, Y 방향으로 수차의 영향이 작다는 장점도 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)에서 본 발명은, 제2원통형 렌즈(CylL2)의 후방에 위치하는 초점 위치인 Ze2 전후로, 2단의 편향장치(Deflector2)을 설치하는 것을 특징으로 할 수 있다. 원통형 렌즈를 통해서 나온 근축 궤도(Xγ)를 평행 이동(Shift), 각도 보정(Tilt)하여, 근축 궤도(Xγ)를 후단의 제2전송렌즈(TL2)와 그 후단의 광학계의 중심 궤도(axial ray)에 정확히 일치시킬 수 있다.

모노크로메이터(MC)의 다른 실시예

실시예 1

도 9, 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모노크로메이터(MC)에서는 제1원통형 렌즈(CylL1)의 전방 초점 위치인 Ze1의 전후에 2단의 편향장치(Deflector1)를 설치하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이미터(emitter)로부터 제1전송렌즈(TL1)를 통해서 출사된 근축 궤도(Xγ)를 평행 이동(Shift), 각도 보정(Tilt)하여 제1전송렌즈(TL1)의 후방에 위치한 제1원통형 렌즈(CylL1)의 입사 위치에 하전입자빔의 궤도를 일치시킬 수 있다. 예를 들면, 시간 경과에 따른 추출전압(extraction voltage)의 상승과 같은 이미터(emitter)의 위치 변화, 사용 조건의 변화에 의한 축 어긋남의 미세 조정을 가능하게 하고, 원통형 렌즈의 오프셋이 변경되는 빈도를 줄일 수 있는 효과가 있다.

실시예 2

본 발명의 다른 실시예에 따른 모노크로메이터(MC)와 관련하여, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모노크로메이터를 도시한 모식도이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 제1멀티폴(Multipole 1), 제2멀티폴(Multipole 2)의 각 위치에, 대칭으로 분할된 전극 또는 자극으로 구성되는 멀티폴(Multipole)을 직렬로 2개를 배치할 수 있다. 이러한 제1멀티폴(Multipole 1), 제2멀티폴(Multipole 2)은 각 극에 대칭으로 전자기장을 가하고, 기하학적 수차, 색수차, 또한 기구적 오차에 의한 기생 수차(parasitic aberration)를 보정하는 것을 특징으로 할 수 있다. 각 멀티폴(Multipole)은 대칭 평면 Zm 대해 대칭으로 전자기장을 진행되는 하전입자빔에 가하여, 최종 하전입자빔에의 영향을 줄일 수 있다. 이러한 멀티폴(Multipole)은 위에 기재된 바와 같은 편향장치(Deflector)와 중첩이용 될 수 있다.

실시예 3

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모노크로메이터를 도시한 모식도, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티폴을 도시한 모식도이다. 도 13, 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 본 발명의 다른 실시예에서는 제1멀티폴(Multipole 1), 제2멀티폴(Multipole 2)의 각 위치에, 대칭적으로 4분할 된 전극(a) 또는 자극(b)을 직렬로 두 개 사용할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티폴은 각 전극 또는 자극이 2회전 대칭(180도 회전 하면 같은 형태가 됨)되도록 전자기장을 걸어서 기존의 현미경에 사용되는 4중극자(QuadruPole, 스티그매이터)를 구성하여, 원통형 렌즈에서 발생하는 비점수차, 2차의 믹스 수차 또는 기계 정밀도에 의한 기생 수차를 보정하는 것을 특징으로 할 수 있다. 각 4중극자(QuadroPole)는 대칭 평면 Zm 대해 대칭으로 전자기장을 진행되는 하전입자빔에 가하여 최종 하전입자빔에의 영향을 줄일 수 있다.

실시예 4

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티폴을 도시한 모식도이다. 도 13, 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 본 발명의 다른 실시예에서는 제1멀티폴(Multipole 1), 제2멀티폴(Multipole 2)의 각 위치에, 대칭으로 6분할 전극 또는 자극을 직렬로 두개를 배치한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티폴은 각 극이 3회전 대칭(120도 회전 하면 같은 형태가 됨)되도록 전기장 또는 자기장을 걸어 6중극자(HexaPole)를 구성하고, 에너지 선택 위치인 Zm에서 원통형 렌즈를 통과하며 발생되는 부차적인 애퍼쳐(Aperture) 수차(α2), 1차의 색수차(αk)를 보정하게 된다. 이에 따라 본 발명의 다른 실시예에 따르면 전류를 보다 크게 얻는 조건에서 하전입자빔의 직경을 동일하게 유지하여 동일한 에너지 분해능에서 더 큰 전류를 얻을 수 있는 광학계가 실현될 수 있다. 또는 동일한 전류 조건에서 하전입자빔 직경을 축소하여 동일한 전류량에서 에너지 분해능을 향상시킬 수 있게 된다. 또한 기계 정밀도에 의한 기생 수차를 보정하는 것을 특징으로 할 수 있다. 각 6중극자(HexaPole)는 대칭 평면 Zm 대해 대칭되는 전자기장을 진행되는 하전입자빔에 가하여 최종 하전입자빔에의 영향을 줄일 수 있다.

실시예 5

도 16는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티폴을 도시한 모식도이다. 도 13, 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 본 발명의 다른 실시예에서는 제1멀티폴(Multipole 1), 제2멀티폴(Multipole 2)의 각 위치에, 대칭으로 8분할한 전극 또는 자극을 이용할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티폴은 각 극이 4회전 대칭(90도 회전 하면 같은 형태가 됨)되도록 전기장 또는 자기장을 걸어 자극하여 8중극자(OctaPole)을 구성하고, 에너지 선택 위치인 Zm에서 원통형 렌즈를 통과하여 발생되는 3차 애퍼쳐(Aperture) 수차(α3)를 보정한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 보다 큰 전류 조건에서 동일한 하전입자빔 직경을 유지하여, 동일한 에너지 분해능에서 더 큰 전류를 얻을 수 있는 광학계가 실현될 수 있다. 또는 동일한 전류 조건에서 하전입자빔 직경을 축소하여 동일한 전류량에서 에너지 분해능을 향상시킬 수 있게 된다. 각 8중극자(OctaPole)는 대칭 평면 Zm 대해 대칭되는 전자기장을 진행되는 하전입자빔에 가하여 최종 하전입자빔에의 영향을 줄일 수 있다.

실시예 6

본 발명의 다른 실시예에서는 본 발명의 다른 실시예에서는 제1멀티폴(Multipole 1), 제2멀티폴(Multipole 2)의 각 위치에, 대칭으로 12분할되는 전극 또는 자극으로 구성되는 12중극자를 직렬로 2개 배치할 수 있다. 12중극자는 위에 기재된 4중극자, 6중극자, 8중극자를 중첩하여 구성 할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 12중극자로 에너지 선택 위치 Zm에서 원통형 렌즈에서 발생하는 각 수차를 보정할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전류를 보다 크게 얻는 조건에서 하전입자빔 직경을 동일하게 유지하여 동일한 에너지 분해능에서 더 큰 전류를 얻을 수 있는 광학계가 실현될 수 있다. 또는 동일한 전류 조건에서 빔 직경을 축소하여 동일한 전류량에서 에너지 분해능을 향상시킬 수 있게 된다. 각 12중극자는 대칭 평면 Zm 대해 대칭되는 전자기장을 진행되는 하전입자빔에 가하여 최종 하전입자빔에의 영향을 줄일 수 있다.

모노크로메이터(MC)를 포함하는 하전입자빔 장치의 구성 예

도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도이다. 도 17에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치는, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 구성 하단에 복수개의 콘덴서 렌즈(CL), 대물 렌즈(OL)와 같은 광학계(4)를 배치하여 샘플 표면을 관찰하거나 가공하는 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치에는, 이미터(emitter)로서 전자(electron) 소스를 사용하고 정전렌즈(electro-static) 또는 자기렌즈(magnetic)를 사용하는 주사전자현미경(SEM), 또한 이미터(emitter)로서 이온 소스(Ga, In, Au, Bi 등)를 사용하고 정전렌즈를 사용하는 집속 이온빔 장치(FIB), 이미터(Emitter)로서 이온 소스(He, Ne, H₂, Ar, O₂ 등)를 사용하고 정전렌즈를 사용하는 헬륨 이온 현미경(HIM) 등이 포함될 수 있다.

도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도이다. 도 18에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치는, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 하단에 조명광학계(Illumination Optics, 40), 대물 렌즈(OL), 투영광학계(Projection Optics, 42), 스크린(Screen, 9) 또는 디텍터(detector, 5)가 배치되고, 투과된 전자를 사용하여 샘플을 관찰하거나 가공하는 하전입자빔 장치를 포함할 수 있다. 이러한 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치는 이미터(emitter)로서 전자(electron) 소스를 사용하고 자기렌즈를 사용하는 투과전자현미경(TEM) 또는 이미터(emitter)로서 전자(electron) 소스를 사용하고 자기렌즈를 사용하는 주사투과전자현미경(STEM) 등이 포함될 수 있다.

도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도이다. 도 19에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치는, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 최후방인 Zi에 맺히는 초점을, 하단의 콘덴서 렌즈(CL)에 의해 대물 렌즈(OL)의 물면에 결상하고, 대물 렌즈(OL)에 의해 샘플(6) 위에 하전입자빔을 집속하는 하전입자빔 장치를 포함할 수 있다. 콘덴서 렌즈(CL)는 복수개의 렌즈로 구성될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치에 따르면 하전입자빔의 에너지, 광학계의 수차에 의해 결정되는 최적의 열림각을 콘덴서 렌즈(CL), 대물 렌즈(OL)에 의해 조정 가능하다는 효과가 발생된다.

본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔에서, 다른 광학계 구성은 종래의 SEM, FIB, HIM, TEM, STEM의 광학계 구성과 같다. 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔은 하전입자빔을 주사하는 스캔(Scan), 하전입자빔의 비점을 보정하는 스티그메이터(Stigmater), 하전입자빔의 광축 및 샘플의 위치를 보정하는 얼라이먼트(Alignment), 하전입자빔을 차단하는 블랭커(Blanker), 렌즈의 이차 전자/반사 전자 감지기, 샘플실 내의 이차 전자 검출기 등의 각종 디텍터(Detector) 등의 광학 요소가 배치될 수 있다. 도 18에 도시된 바와 같은, TEM, STEM에서는 샘플에 전자빔을 조사하는 전류량, 조사 각도, 조명 영역을 결정하는 조명광학계(Illumination Optics, 40), 샘플의 상을 확대하고 스크린(Screen, 9)에 투영하는 투영광학계(Projection Optics, 42)가 배치될 수 있다. 투영광학계(Projection Optics, 42)에 의해 배율, 시야, 샘플 이미지/ 회절이미지의 전환, 산란 각도 등의 조정이 가능해진다.

샘플의 하전입자빔에 대한 위치(X, Y, Z), 각도(Rotation, Tilt)를 변경하기 위한 스테이지(Stage, 60), 샘플의 이송 시스템도 포함될 수 있다. 또한 하전 입자는 진공 환경이 필요하기 때문에, 하전입자빔은 금속 진공챔버(vacuum chamber, 7)로 둘러싸여있다. 진공챔버(7)에는 적어도 하나 이상의 진공펌프(8)가 구비될 수 있다. 샘플실에는 터보펌프, 전자총 챔버, 중간 챔버에는 좋은 진공을 얻기 위해 복수개의 이온 펌프가 일반적으로 배치될 수 있다. 또한 전자총 챔버 및 샘플실을 나누는 게이트 밸브, 샘플 교체용 로드락 챔버 등도 설치될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 구성을 채택한 하전입자 광학 장치는 이미터(emitter)의 에너지 퍼짐이 좁기 때문에 색수차의 기여가 감소되고 해상도가 향상되는 효과가 발생된다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)를 포함하고, 샘플 표면을 관찰하는 하전입자빔 장치는, 샘플 표면에서 방출 된 이차 전자의 에너지를 분석하는 전자선 손실 분광(EELS, 20) 기능이 포함될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치에 따르면, 샘플의 국소적인 조성, 화학 결합 상태, 전자 상태, 유전 함수, 포논 상태를 분석할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)를 포함하고, 투과한 전자를 사용하여 샘플을 관찰하는 하전입자빔 장치는, 투과된 전자선의 에너지를 분광하는 전자선 손실 분광(EELS, 20) 기능이 포함될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치에 따르면 샘플의 국소적인 조성, 화학 결합 상태, 전자 상태, 유전 함수, 포논 상태를 분석할 수 있다.

위에 기재된 본 발명의 일실시예에 따른 하전입자빔 장치, 양자 모두 전자선 손실 분광(EELS, 20)을 할 경우, 일차 하전입자빔의 에너지 퍼짐이 작기 때문에 에너지 분해능의 개선이 기대된다.

다른 실시예 1

도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도이다. 도 20에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 제1전송렌즈(TL1), 제2전송렌즈(TL2)를 콘덴서 렌즈, 대물 렌즈 등으로 사용하는 광학계는 특히 낮은 가속전압에서 사용하는 SEM 및 FIB에 효과적이다. 본 발명의 다른 실시예 1에 따르면 컬럼에서 포커스 지점이 없는 광학계가 실현가능하기 때문에 공간 전하 효과의 영향을 줄일 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시예 1에 따르면 전체 광학 요소를 줄이고 장비 길이를 작게하여, 강성을 높이고 내진동성을 향상시킬 수 있다. 이 경우 제1전송렌즈(TL1)과 제2전송렌즈(TL2)의 초점 거리의 비율이 f2/f1 = 0.05 ~ 0.3이 되도록 이미터(emitter)를 축소하여 사용한다.

다른 실시예 2

도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도이다. 도 21에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)를 전자총 고압 부분에 통합하면, 특히 하전입자빔 에너지가 높은 투과 전자 현미경(TEM), 주사 투과 전자 현미경(STEM)과 같은 하전입자빔 장치에 효과적이다. Zi 위치의 후단에 가속관(50)을 배치하여 60 ~ 300keV의 TEM 또는 STEM으로 사용할 수 있다. 이 경우 모노크로메이터(MC)의 하전입자의 에너지는 이미터(emitter)의 추출전압(extraction voltage)에서 결정되는 3-5keV 정도이며, 후단의 가속관(50)에서 인가되는 가속 전압은 100 ~ 300keV로 가속된다. 모노크로메이터(MC)의 에너지가 거의 일정하기 때문에 모노크로메이터(MC)에서의 에너지 분해능도 일정하게 된다. 제1,2원통형 렌즈(CylL1,CylL2)의 중심 전극 전압과 함께 편향장치(Deflector2)의 편향 전압, 애퍼쳐 미세조정용 피에조(piezo) 전원을 가속 전압에 중첩하여 제공할 필요가 있다.

다른 실시예 3

도 22은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도이다. 도 22에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)를 접지 기준에서 사용하는 하전입자빔 장치가 제공될 수 있다. 2단의 원통형 렌즈(CylL1, CylL2)의 전극 간격을 10mm로 한 경우, 중심 전극에는 60kV 정도가 인가될 수 있고, 가속 전압을 60keV까지 사용할 수 있다. 그러나 모노크로메이터(MC)에서의 에너지 분해능은 가속 전압에 반비례하기 때문에 낮은 가속에서 모노크로메이터(MC)의 성능이 향상되고 에너지 폭이 좁은 하전입자빔을 얻을 수 있는 구성이 된다. 편향장치(Deflector2)의 편향 전압, 애퍼쳐의 미세조정용 피에조 전원은 접지 기준이 되므로, 전기 계통의 제작이 편해지는 장점이 있다. 한편, 2단의 원통형 렌즈(CylL1, CylL2)의 중심 전극 전압의 출력을 고전압 할 필요가 있기 때문에 전원의 보다 높은 안정성, 저잡음화가 요구된다.

다른 실시예 4

도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도이다. 도 23에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에서는, 제1전송렌즈(TL1) 및 제2전송렌즈(TL2)에 각각 2단의 4중극자(Quadrupole)를 사용할 수 있다. 4중극자(Quadrupole)는 도 14에 도시된 바와 같은 4분할 된 구조이며, 하전입자빔에 대하여 한 방향은 집속, 다른 한 방향은 발산하는 작용을 가진다. Z 방향으로 이러한 4중극자(QuadroPole)를 2단으로 배치하면 X, Y 방향으로 집속 가능하며, X, Y의 초점 거리를 독립적으로 설정할 수 있게 된다(f1x, f1y, f2x, f2y). 이를 위해 원통형 렌즈의 Y 방향의 경미한 포커싱 작용에 의한 X, Y 초점 거리의 차이를 보정 할 수 있게 되는 효과가 발생된다. 또한 설정의 자유도를 높이기 위해 제1전송렌즈(TL1) 및 제2전송렌즈(TL2)에 3단의 4중극자(QuadroPole)를 사용하는 것도 가능하다.

다른 실시예 5

도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하전입자빔 장치를 도시한 모식도이다. 도 23에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에서는, 제1전송렌즈(TL1) 및 제2전송렌즈(TL2)에 2단의 원통형 렌즈(Cylindrical lens)를 사용할 수 있다. 원통형 렌즈는 도 1에 도시된 바와 같이 한 방향으로 수렴 작용을 가지는 구조이며, 2단으로 배치함으로서 X, Y 두 방향으로 수렴 작용을 갖는 것이 가능해지고, X, Y 초점 거리를 독립적으로 설정할 수 있게 된다(f1x, f1y, f2x, f2y). 따라서 원통형 렌즈의 Y 방향의 경미한 포커싱 작용에 의한 X, Y 초점 거리의 차이를 보정 할 수 있게 되는 효과가 발생된다.

적용 예

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 구성은 주사전자현미경(SEM)에 효과적이다. 특히 반도체 공정 관리에 사용되는 CD-SEM, DR-SEM은 낮은 가속에 주로 사용되어 색수차의 영향이 크기 때문에, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)를 사용하여 큰 성능 향상이 예상된다. 또한 종래의 SEM은 거의 일정한 사용 조건 (가속 전압, 전류)로 사용되기 위하여, 광축 조정에 시간이 걸린다는 단점이 상존하였는데, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)를 적용하면, 이러한 단점이 완화되는 효과가 발생된다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 구성은 집속 이온빔 장치 (FIB)에 효과적이다. 이온 소스는 에너지 폭이 5eV 이상으로 크기 때문에, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)를 탑재하는 것으로 색수차의 기여가 줄어들게 된다. 따라서 중간 전류 영역, 낮은 에너지 영역에서 성능 향상이 전망된다. 또한 빈 필터(Wien Filter)와 달리, 본 발명은 모두 전기장을 사용하는 정전형이기 때문에 이온의 동위 원소에 의한 분리가 없어 더 효과적이다. 마찬가지 이유로 이미터(emitter)에 가스 이온을 사용하는 헬륨이온현미경 (HIM)에도 효과적이다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 구성은 낮은 가속 영역에서 사용되는 투과형 전자 현미경(TEM)과 주사 투과 전자 현미경(STEM)에 효과적이다. TEM과 STEM의 경우에는 색수차의 영향이 크기 때문에, 본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)를 사용하여 상당한 성능 향상이 전망된다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 구성은 SEM에 전자선 에너지 손실 스펙트로스코피(EELS) 기능을 마련한 하전입자빔 장치에서도, 일차 전자빔의 에너지 퍼짐이 작기 때문에 에너지 분해능의 향상이 예상되므로 효과적이다. 또한 샘플 표면에 흡착 가스 분자의 포논 등의 분광 가능한 SEM-EELS 장치에도 응용하는 것이 가능하다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)의 구성은 TEM, STEM에 전자선 에너지 손실 스펙트로스코피(EELS) 기능을 마련한 하전입자빔 장치에서도, 일차 전자빔의 에너지 퍼짐이 작기 때문에 에너지 분해능의 향상이 예상되므로 효과적이다. 또한 샘플 표면에 흡착 가스 분자의 포논 분광 가능한 (S)TEM-EELS 장치에도 응용하는 것이 가능하다.

본 발명의 일실시예에 따른 모노크로메이터(MC)는 빈 필터(wien filter)형 정전 편향장치에 비하여, 감속하기 위해 낮은 에너지 영역에서 전자-전자 상호작용이 증대되는 문제점이 발생될 수 있으나, 전자와 전자의 상호 작용은 모노크로메이터(MC)에 하전입자빔이 입사되기 전에 애퍼쳐로 사용 전류를 제한하여 모노크로메이터(MC)에서의 전류를 감소시킴으로써 감축시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 이미터
4: 광학계
5: 디텍터
6: 샘플
7: 진공챔버
8: 진공펌프
9: 스크린
11: 전극
12: 절연재
20: 전자선 손실 분광(EELS)
31: 요크
32: 코일
33: 갭
34: 폴 피스
40: 조명광학계
42: 투영광학계
50: 가속기
60: 스테이지
X: 하전입자빔
Xd: 오프셋
Xk: 다른 중심 궤도
Xα,Xγ: 근축 궤도
Yβ,Yδ: 근축 궤도
MC: 모노크로메이터
TL1: 제1전송렌즈
TL2: 제2전송렌즈
CylL1: 제1원통형 렌즈
CylL2: 제2원통형 렌즈
OL: 대물렌즈
CL: 콘덴서 렌즈

Claims

이미터에서 방출된 하전입자빔이 입사되고, 상기 하전입자빔의 궤도를 굴절시키며, 복수개의 전극으로 구성되는 제1정전렌즈; 및
중심축이 상기 제1정전렌즈의 중심축과 동축으로 배치되고, 상기 제1정전렌즈와 특정 이격거리만큼 이격되며, 상기 제1정전렌즈에서 출사되는 상기 하전입자빔이 입사되고, 상기 하전입자빔의 궤도를 굴절시키며, 복수개의 전극으로 구성되는 제2정전렌즈;를 포함하고,
상기 하전입자빔은 상기 제1정전렌즈와 상기 제2정전렌즈 중 적어도 어느 하나의 상기 중심축에서 특정 오프셋만큼 벗어난 축외궤도를 통과하도록 구성되며, 상기 하전입자빔이 통과되면, 상기 하전입자빔의 에너지 폭이 감축되는 모노크로메이터.
제 1항에 있어서,
상기 하전입자빔의 상기 축외궤도는 상기 중심축과 평행하게 상기 제1정전렌즈에 입사되고,
상기 제1정전렌즈는 입사된 상기 하전입자빔의 상기 축외궤도를 입사되는 궤도에서 상기 중심축을 중심으로 하는 반대쪽으로 굴절시켜 출사하며,
상기 제1정전렌즈에서 출사된 상기 하전입자빔의 상기 축외궤도는 상기 중심축과 평행하게 상기 제2정전렌즈에 입사되고,
상기 제2정전렌즈는, 입사된 상기 하전입자빔의 상기 축외궤도를 상기 제2정전렌즈에 입사되는 궤도에서 상기 중심축을 중심으로 하는 반대쪽으로 굴절시켜 출사하도록 구성되는 모노크로메이터.
제1항에 있어서,
상기 제1정전렌즈와 상기 제2정전렌즈의 사이에 배치되고, 상기 하전입자빔에서 특정 에너지 범위를 갖는 성분을 제거하는 제1슬릿; 및
상기 제1정전렌즈의 전방에 배치되고, 상기 하전입자빔의 입사각도를 제한하는 제2슬릿;
을 포함하는 모노크로메이터.
제1항에 있어서,
상기 제1,2정전렌즈는 각각 3개의 전극으로 구성되고,
중심 전극에는 제1전압이 인가되고, 양측 전극은 제2전압이 인가되며,
각각의 상기 전극은 중심부에 직사각형의 개구부가 구비되고, 상기 개구부의 중심이 서로 일치되며,
각각의 상기 전극의 개구부의 단변 방향이 서로 일치되고,
상기 개구부의 중심이 상기 제1,2정전렌즈의 중심축과 동축을 구성하는 모노크로메이터.
제4항에 있어서,
상기 중심 전극에 인가되는 전압, 상기 오프셋의 크기 및 상기 특정 이격거리의 1/2크기 중 적어도 하나의 조건을 통해 나머지 조건이 산출되고, 산출된 상기 나머지 조건이 반영되는 것을 특징으로 하는 모노크로메이터.
제1항에 있어서,
상기 제1정전렌즈와 상기 제2정전렌즈의 사이에 배치되고, 상기 하전입자빔에서 특정 에너지 범위를 갖는 성분을 제거하는 제1슬릿; 및
상기 제1정전렌즈의 전방에 배치되고, 상기 하전입자빔의 입사각도를 제한하는 제2슬릿;
을 더 포함하고,
상기 제1,2정전렌즈를 구성하는 각각의 상기 전극은 중심부에 직사각형의 개구부가 구비되고, 상기 개구부의 중심이 서로 일치되며,
각각의 상기 전극의 개구부의 단변 방향이 서로 일치되고,
상기 개구부의 중심이 상기 제1,2정전렌즈의 중심축과 동축을 구성하며,
상기 개구부의 단변 방향과 상기 축외궤도 방향을 포함하는 제1평면 위를 진행하는 하전입자빔에 있어서,
상기 제2슬릿에서 상기 축외궤도와 특정 각도를 이루며 입사되는 제2하전입자빔은, 상기 제1정전렌즈를 통과한 후 상기 제1슬릿에서 상기 축외궤도와 평행하게 진행되고, 상기 제2정전렌즈를 통과한 후 상기 제2정전렌즈 후방에서 상기 축외궤도에 포커싱되는 것을 특징으로 하는 모노크로메이터.
제6항에 있어서,
후초점위치가 상기 제2슬릿의 위치와 일치되도록 배치되는 제1축대칭렌즈;가 전방에 구비되고,
전초점위치가 상기 제2정전렌즈의 후방에서 상기 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되는 제2축대칭렌즈;가 후방에 구비되며,
상기 이미터는 상기 제1축대칭렌즈의 전초점위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 모노크로메이터.
제6항에 있어서,
상기 제1,2정전렌즈의 상기 개구부의 단변 방향에서는 상기 하전입자빔에 대한 집속 작용을 갖고,
상기 제1,2정전렌즈의 상기 개구부의 장변 방향에서는 상기 하전입자빔에 대한 집속 작용이 없으며, 상기 이미터에서 제2정전렌즈의 후방의 사이에서 포커싱되지 않는 것을 특징으로 하는 모노크로메이터.
제6항에 있어서,
상기 제2정전렌즈의 후방에서 상기 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치에 구비되는 제1 편향장치; 및
상기 제2슬릿의 위치를 중심으로 구비되는 제2 편향장치;
를 더 포함하는 모노크로메이터.
제9항에 있어서,
상기 제1,2 편향장치는 4중극자인 것을 특징으로 하는 모노크로메이터.
제9항에 있어서,
상기 제1,2 편향장치는 6중극자인 것을 특징으로 하는 모노크로메이터.
제9항에 있어서,
상기 제1,2 편향장치는 12중극자인 것을 특징으로 하는 모노크로메이터.
제1항에 있어서,
상기 제1정전렌즈 및 상기 제2정전렌즈의 2번째 초점거리인 fc는, 상기 축외궤도에 평행하게 입사되는 상기 하전입자빔의 궤도가 상기 축외궤도에 두 번째로 수렴하는 위치에서 정전렌즈 중심까지의 거리로 정의되고,
상기 제1정전렌즈와 상기 제2정전렌즈 사이의 거리는 2fc인 것을 특징으로 하는 모노크로메이터.
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하전입자빔이 방출되는 이미터(emitter);
상기 하전입자빔이 통과되고, 상기 하전입자빔의 에너지 폭 감소기능을 갖는 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 모노크로메이터;
상기 하전입자빔이 조사되는 샘플;
상기 샘플을 유지 이동하는 스테이지;
상기 샘플에서 상기 하전입자빔에 의해 생성된 이차 입자빔을 검출하는 검출기;
상기 이미터, 상기 스테이지 및 상기 검출기의 기능을 구동하는 구동 시스템; 및
상기 구동 시스템을 제어하는 제어 시스템;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제15항에 있어서,
상기 모노크로메이터의 후방에 배치되는 적어도 하나의 축대칭렌즈;
를 더 포함하고,
상기 샘플에 상기 하전입자빔을 주사하여 상기 샘플의 표면을 관찰하거나 가공하는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제16항에 있어서,
상기 이미터는 전자 소스인 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제16항에 있어서,
상기 이미터는 이온 소스인 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제16항에 있어서,
상기 샘플 표면에서 방출된 이차 입자빔의 에너지를 분광하는 전자선 손실 분광 기능을 갖는 전자선 손실 분광 스펙트로스코피;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제15항에 있어서,
상기 모노크로메이터의 후방, 상기 샘플의 전방 및 상기 샘플의 후방 중 적어도 하나에 배치되는 적어도 하나의 축대칭렌즈;
상기 샘플을 투과한 하전입자빔을 투영하는 스크린; 및
투과한 하전입자빔을 검출하는 검출기;
를 더 포함하고,
검출된 하전입자를 이용하여 시료를 관찰하는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제20항에 있어서,
상기 이미터는 전자 소스인 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제20항에 있어서,
상기 샘플 표면에서 방출된 이차 입자빔의 에너지를 분광하는 전자선 손실 분광 기능을 갖는 전자선 손실 분광 스펙트로스코피;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제15항에 있어서,
전초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2정전렌즈의 후방에서 상기 모노크로메이터의 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되는 제2축대칭렌즈;가 상기 모노크로메이터의 후방에 구비되며,
상기 제2축대칭렌즈의 후방에 배치되는 복수개의 제3축대칭렌즈;
를 더 포함하며,
상기 제2축대칭렌즈의 후초점위치에 결상된 상기 이미터의 상이, 상기 제3축대칭렌즈에 의해 상기 샘플에 축소결상되는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제15항에 있어서,
전초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2정전렌즈의 후방에서 상기 모노크로메이터의 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되는 제2축대칭렌즈;가 상기 모노크로메이터의 후방에 구비되며,
상기 제2축대칭렌즈로 상기 하전입자빔을 상기 샘플에 포커싱하는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제15항에 있어서,
상기 모노크로메이터는 전자총 고전압부 상에 배치되고, 상기 구동 시스템이 상기 전자총 고전압 위에 플로팅되는(floating) 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제15항에 있어서,
상기 모노크로메이터는 접지부분 상에 배치되고, 상기 구동 시스템이 접지기준으로 구성되는 하전입자빔 장치.
제15항에 있어서,
전초점위치가 상기 이미터의 위치와 일치되도록 배치되며, 상호 직렬배치되는 X방향 포커싱의 4중극자 렌즈 및 Y방향 포커싱의 4중극자 렌즈;가 상기 모노크로메이터의 전방에 구비되고,
전초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2정전렌즈의 후방에서 상기 모노크로메이터의 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되며, 상호 직렬배치되는 X방향 포커싱의 4중극자 렌즈 및 Y방향 포커싱의 4중극자 렌즈;가 상기 모노크로메이터의 후방에 구비되는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.
제15항에 있어서,
전초점위치가 상기 이미터의 위치와 일치되도록 배치되며, 후초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2슬릿의 위치와 일치되도록 배치되고, 상호 직렬배치되는 X방향 포커싱의 원통형 렌즈 및 Y방향 포커싱의 원통형 렌즈;가 상기 모노크로메이터의 전방에 구비되고,
전초점위치가 상기 모노크로메이터의 일구성인 제2정전렌즈의 후방에서 상기 모노크로메이터의 특정 이격거리의 1/2크기인 거리의 위치와 일치되고, 후초점위치에 상기 이미터의 상이 결상되도록 배치되며, 상호 직렬배치되는 X방향 포커싱의 원통형 렌즈 및 Y방향 포커싱의 원통형 렌즈;가 상기 모노크로메이터의 후방에 구비되는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 장치.