KR101682522B1 - 시료 관찰 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 진공이 형성되는 전자빔 방출기와 이격되어 대기 중에 시료를 마련하는 과정과, 상기 전자빔 방출기에서 전자빔이 통과하는 투과창을 점검하는 과정과, 상기 전자빔 방출기를 통하여 상기 시료를 향하여 전자빔을 방출하는 과정과, 상기 시료에 입사된 전자빔이 상기 시료에 충돌 후 시료로부터 방출되는 신호를 수집하는 과정과, 수집된 신호를 처리하는 과정을 포함하는 시료 관찰 방법으로서, 대기압 중에 위치하는 시료의 이미지 및 성분을 관찰 및 분석하는 동안 전자빔이 통과하는 투과창의 교환 여부를 정확하게 판단할 수 있는 시료 관찰 방법이 제시된다.

Description

시료 관찰 방법{Method for observing specimen}
본 발명은 시료 관찰 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대기압 중에 위치하는 시료의 이미지 및 성분을 관찰 및 분석하는 동안 전자빔이 통과하는 투과창의 교환 여부를 정확하게 판단할 수 있는 시료 관찰 방법에 관한 것이다.
주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)은 시료의 이미지 생성 및 성분 분석 등에 사용되는 장치이며, 각종 표시장치나 태양전지 또는 반도체 칩 등의 제조 분야에서 시료를 검사하는 공정에 적용되고 있다.
통상적으로 주사전자현미경은 시료에 주사되는 전자빔에 의하여 시료로부터 방출되는 반사전자나 2차 전자 등을 수집하여 시료의 이미지를 구성하기 때문에, 종래에는 진공 분위기에서 시료를 관찰하였으나, 최근 들어 시료를 대기 중에 놓고 관찰하는 주사전자현미경에 대한 연구가 진행되고 있다.
이의 경우, 주사전자현미경에는 투과창이 구비되며, 전자빔은 진공으로 제어되는 주사전자현미경의 내부에서 생성되어 투과창을 통과하여 대기 중에 위치하는 시료로 방출된다. 이때, 투과창은 전자빔이 투과되는 과정에서 점차 소모되며 두께가 감소된다.
한편, 투과창이 수 ㎚ 미만의 두께로 감소되면, 투과창은 주사전자현미경의 내부와 외부 압력 차이에 의하여 파손될 수 있다. 따라서, 투과창이 소모되어 수 ㎚ 미만의 두께로 감소되기 이전에 주사전자현미경에 장착되어 있는 투과창을 새로운 투과창으로 교환해야 한다.
하지만, 투과창의 두께는 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 범위이고, 투과창의 너비는 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위이기 때문에, 투과창이 주사전자현미경에 장착되어 있는 상태에서는 투과창의 두께를 정밀하게 측정하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 종래에는 투과창의 교체를 경험적으로 실시하였으며, 예컨대 1주 내지 2주 정도의 주기로 숙련된 사용자의 판단 하에 주사전자현미경의 투과창을 교환하였다. 이에 투과창이 조기에 교환되어 전체 공정 비용이 불필요하게 증가되거나 투과창의 교환 시기가 늦어지게 되어 투과창이 파손되는 등의 문제점이 있었다.
KR 10-2014-0027687 A KR 10-1321049 B1
본 발명은 대기압 중에 위치하는 시료의 이미지 및 성분을 관찰 및 분석하는 과정에서 전자빔이 통과하는 투과창의 교환 여부를 정확하게 판단할 수 있는 시료 관찰 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 시료 관찰 방법은, 대기 중에 위치하는 시료를 관찰하는 방법으로서, 내부에 진공이 형성되는 전자빔 방출기와 이격되어 대기 중에 시료를 마련하는 과정; 상기 전자빔 방출기를 통하여 상기 시료를 향하여 전자빔을 방출하는 과정; 상기 시료에 입사된 전자빔이 상기 시료에 충돌 후, 시료로부터 방출되는 신호를 수집하는 과정; 및 수집된 신호를 처리하는 과정;을 포함하고, 상기 전자빔을 방출하는 과정 전에, 전자빔 사용 조건을 확인하고, 상기 전자빔 방출기에서 전자빔이 통과하는 투과창의 교환 여부를 판단하는 투과창 점검 과정을 포함한다.
상기 신호를 수집하는 과정은, 상기 시료에 입사된 전자빔이 상기 시료에 충돌 후, 시료로부터 방출되는 반사전자(back scattered electron), 2차 전자(secondary electron) 및 X선 중 적어도 어느 하나를 수집하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 투과창 점검 과정은, 전자빔의 조사 회수, 전자빔 사용 시간 및 전자빔 강도 중 적어도 어느 하나를 누적 계산하는 과정; 상기 누적 계산으로부터 전자빔 사용 조건을 산출하는 과정; 상기 사용 조건을 기 설정 조건과 비교하는 과정; 및 투과창 교환 여부를 판단하는 과정;을 포함할 수 있다.
전자빔 사용 조건을 산출하는 과정은, 전자빔의 조사 회수, 전자빔 사용 시간 및 전자빔 강도 중 적어도 어느 하나가 누적 계산된 것을 사용 전하량으로 전환하여 사용 조건으로 산출하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 사용 조건을 기 설정 조건과 비교하는 과정은, 상기 투과창 전체의 사용 조건 평균값을 기 설정 조건과 비교하는 과정을 포함하고, 투과창 교환 여부를 판단하는 과정에서 사용 조건 평균값이 기 설정 조건을 초과하는 경우 상기 투과창을 교환할 수 있다.
상기 사용 조건을 기 설정 조건과 비교하는 과정은, 상기 투과창의 위치에 따라 사용 조건을 나타내는 맵핑을 수행하고, 각 위치에서의 사용 조건 값을 기 설정 조건과 비교하는 과정을 포함하고, 투과창 교환 여부를 판단하는 과정에서 맵핑된 전체 사용 조건 중 하나 이상이 기 설정 조건을 초과하는 경우 상기 투과창을 교환할 수 있다.
상기 투과창 점검 과정은, 투과창 교환이 결정되는 경우, 전자빔 방출기를 대기압으로 전환하는 과정 및 사용 중인 투과창을 탈착하고 새로운 투과창을 설치하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 전자빔 방출기는 복수의 투과창을 구비하며, 상기 투과창 점검 과정은, 투과창 교환이 결정되는 경우, 전자빔 방출기를 진공으로 유지한 상태에서 전자빔이 사용 중인 투과창에서 새로운 투과창으로 향하도록 위치를 조정하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 대기압 중에 위치하는 시료의 이미지 및 성분을 관찰 및 분석함에 있어 전자빔이 통과하는 투과창의 교환 여부를 정확하게 판단할 수 있다. 이로부터 투과창을 정확한 시기에 교환 가능하여, 투과창이 조기 교환되거나 투과창의 교환 시기가 늦어짐에 따라 발생되는 각종 문제점들이 예방될 수 있다.
예컨대 각종 표시장치나 태양전지 또는 반도체 칩 등의 제조 분야에서 시료 또는 기판(wafer)을 검사하는 공정에 적용되는 경우, 전자빔 방출기에 장착된 하나 또는 복수개의 투과창에 대한 전자빔 사용 조건을 확인하고, 확인된 사용 조건을 기 설정 조건과 대비하여 투과창의 교환 여부를 판단 가능하다. 이때, 투과창에 대한 전자빔의 조사 횟수, 사용 시간 및 강도를 누적하고 이를 사용 전하량으로 전환하여 전자빔 사용 조건을 산출하는 방식으로, 투과창의 교환 여부를 종래보다 정확하게 판단할 수 있다. 이에 투과창을 정확한 시기에 교환할 수 있어, 투과창의 사용 효율을 향상시킬 수 있고, 투과창의 파손을 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치를 설명하기 위한 도면.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도면은 과장되거나 확대될 수 있으며, 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법은 대기압 중에 위치하는 시료의 이미지 및 성분을 관찰 및 분석하는 과정에서 투과창의 교환 여부를 정확하게 판단할 수 있는 기술적인 특징을 제시한다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법을 설명하기 전에, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법이 적용되는 시료 관찰 장치를 먼저 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치를 도시한 개략도 이며, 도 2는 본 발명의 변형 예에 따른 시료 관찰 장치를 도시한 개략도 이고, 도 3은 본 발명의 실시 예 및 변형 예에 따른 시료 관찰 장치의 투과창이 커버 어셈블리에 형성되는 과정을 도시한 공정도 이다.
도 1 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치를 설명한다. 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치는 대기압 중에 위치하는 시료(10)의 이미지 및 성분을 관찰 및 분석하도록 형성되는 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 전자빔 방출기(100), 지지부(200), 커버 어셈블리(300), 제1 검출기(400) 및 제2 검출기(500)를 포함하며, 커버 어셈블리(300)에 구비되는 투과창(330A)의 교환 여부를 판단하도록 점검부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
시료(10)는 예컨대 LCD, OLED 및 LED를 포함하는 각종 표시장치나 태양전지 또는 반도체 칩 등이 제조되는 공정에서 각종 전자 소자의 제조에 사용되는 웨이퍼 또는 유리 패널일 수 있다.
물론, 시료(10)는 상기한 바에 한정하지 않으며, 크기나 모양 등에 관계 없이 표준 대기압 상태에서 고체상 또는 액체상 또는 고체상과 액체상의 혼합된 상태로 마련되는 각종 유기물 또는 무기물 또는 유기물과 무기물의 혼합물을 포함하는 광범위한 의미의 시료일 수 있다.
전자빔 방출기(100)는 일 방향으로 연장되어 형성되고 내부에 진공 공간이 형성되는 예컨대 컬럼일 수 있으며, 스테인리스 스틸(SUS) 재질로 형성될 수 있고, 전자빔 방출기(100)의 일 측에는 개방구(110)가 형성될 수 있다. 전자빔 방출기(100)는 지지부(200)의 상측에서 지지부(200)에 교차하는 방향으로 배치될 수 있다. 전자빔 방출기(100)의 내부에는 전자빔 발생이 가능한 전자빔 발생수단(120)이 구비될 수 있고, 이를 위하여, 전자빔 방출기(100)의 내부는 전자빔 발생수단(120)이 수용 가능한 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 전자빔 방출기(100)의 내부는 전자빔의 발생 및 가속을 위하여 소정 크기 예컨대 1.5E-6 torr 내지 1.5E-7 torr 정도의 진공으로 제어될 수 있다.
전자빔 발생수단(120)은 진공 분위기로 제어되는 전자빔 방출기(100)의 내부에 마련되며, 소정의 전자빔을 발생시키고 가속시키도록 형성될 수 있다. 예컨대 전자빔 발생수단(120)은 전자빔 방출기(100)의 개방구(110) 측으로 전자를 방출하도록 전자빔 방출기(100)의 내부 상측에 배치되는 전자 방출수단(121)을 포함할 수 있다. 또한, 전자빔 발생수단(120)은 전자 방출수단(121)에서 방출되는 전자를 전자빔 방출기(100)의 개방구 측으로 집속 및 가속시키도록 전자빔 방출기(100)의 내부 하측에 배치되는 집속 렌즈(522) 및 대물 렌즈(523)를 포함할 수 있다. 이 외에도, 전자빔 발생수단(120)은 전자빔을 통과시키는 어퍼쳐(aperture, 미도시), 전자빔의 수차를 제어해주는 수차보정 전자석(stigmator, 미도시) 및 전자빔의 편향을 보정하는 주사 코일(Scanning coil, 미도시)을 더 포함할 수 있고, 전자빔의 발생 및 가속을 제어 가능하도록 소정의 컨트롤러(미도시)를 더 포함할 수 있다.
지지부(200)는 전자빔 방출기(100)의 개방구와 대향하도록 대기 중에 위치할 수 있다. 지지부(200)는 시료(10)를 지지할 수 있는 소정 형상 및 크기의 지지면을 구비하는 예컨대 판 타입의 스테이지일 수 있으며, 이 외에도 시료(10)를 대기 중에서 지지하는 것을 만족하는 다양한 형상 및 구조일 수 있고, 본 발명에서는 이를 특별히 한정하지 않는다. 상기의 지지부(200)는 대기압 상태에서 시료(10)를 지지하는 역할을 한다.
커버 어셈블리(300)는 전자빔이 통과되는 소정의 투과창(330A)을 구비하며, 전자빔 방출기(100)의 개방구에 기밀하게 결합되어 전자빔 방출기(100)의 내부 진공을 유지시킴과 함께 전자빔, 각종 전자 및 X선을 통과시키는 역할을 한다.
커버 어셈블리(300)는 메인 바디(310)를 포함할 수 있다. 메인 바디(310)는 예컨대 원판 형상의 부재일 수 있고, 전자빔 방출기(100)의 개방구에 결합될 수 있다. 메인 바디(310)는 전기 전도성 재질 예컨대 스테인리스 스틸(SUS) 재질로 형성되는 전기 전도성 부재일 수 있으나 이를 특별히 한정하지 않는다. 메인 바디(310)는 메인 바디(310)의 중앙 영역을 상하 방향으로 관통하는 관통구(311)를 구비할 수 있고, 관통구(311)를 둘러싸는 메인 바디(310)의 관통단부는 메인 바디(310)의 하측으로 돌출되어 중앙 영역의 중심을 향하여 하향 경사지는 구조일 수 있다.
커버 어셈블리(300)는 보조 바디(320)를 포함할 수 있다. 보조 바디(320)는 관통구(311)의 하측에서 관통구(311)를 둘러싸는 관통단부의 하부면에 직접 접착 또는 접합되어 관통구(311)에 결합되며, 이에 관통구(311)를 밀봉할 수 있다. 보조 바디(320)는 원판 형상 또는 사각판 형상 등을 포함하는 다양한 형상의 전도성 판 부재일 수 있으며, 예컨대 실리콘(Si) 단결정 재질의 실리콘 웨이퍼나 실리콘 카바이드(SiC) 웨이퍼 또는 그라파이트(C) 웨이퍼 등을 포함하는 전도성 웨이퍼일 수 있다. 보조 바디(320)는 보조 바디(320)의 중앙 영역을 상하 방향으로 관통하는 비아홀(321)을 포함할 수 있다. 비아홀(321)의 일측에는 투과창(330A)이 형성될 수 있으며, 투과창(330A)은 비아홀(321)을 통하여 전자빔 방출기(100)의 내부에 연접할 수 있다.
커버 어셈블리(300)는 투과창(330A)을 포함할 수 있다. 투과창(330A)은 보조 바디(320)의 일면에 형성되는 얇은 두께의 멤브레인(membrane) 예컨대 3㎚ 내지 100㎚ 의 두께의 실리콘 나이트라이드(SiN) 막을 포함할 수 있다. 투과창(330A)은 보조 바디(320)의 중앙 영역에 형성되어 전자빔, 반사전자 등과 X선을 통과시키는 역할을 한다. 예컨대 전자빔은 투과창(330A)을 통과하여 전자빔 방출기(100)의 내부에서 외부로 방출될 수 있다. 또한, 전자빔의 입사에 의하여 시료(10)에서 방출되는 반사전자 및 X선은 투과창(330A)을 통과하여 전자빔 방출기(100)의 외부에서 내부로 수집될 수 있다.
도 3을 참조하여, 투과창(330A)이 보조 바디(320)의 중앙 영역에 형성되는 과정을 설명한다. 보조 바디(320)의 일면에 투과성 박막(330)으로 예컨대 실리콘 나이트라이드 막을 형성한다. 투과성 박막(330)이 형성되지 않은 보조 바디(320)의 타면에서 보조 바디(320)의 일면을 향하는 방향으로 보조 바디(320)의 중앙 영역에 비아홀(321)을 식각한다. 이때, 비아홀(321)의 직경 또는 일변의 너비는 예컨대 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위일 수 있다. 비아홀(321)의 식각에 의하여 보조 바디(320)의 중앙 영역에는 전자빔 등이 통과 가능한 투과창(330A)이 형성될 수 있다. 상기의 과정은 하나의 예시일 뿐이며, 투과창(330A)을 형성하는 과정은 다양하게 변경될 수 있다.
투과창(330A)은 전자빔이 투과됨에 따라 마모되며 두께가 얇아지고, 두께가 얇아짐에 따라 강도(strength)가 약해진다. 투과창(330A)의 파손을 방지하도록, 본 발명의 실시 예에서는, 점검부(미도시)를 이용하여 시료(10)를 관찰하는 일련의 과정 중에 투과창(330A)의 전자빔 사용 조건을 확인하고 이로부터 투과창(330A)의 교환 여부를 판단할 수 있다.
점검부(미도시)는 전자빔 방출기(100)가 시료(10)로 전자빔을 방출하기 전에 투과창(330A)에 대한 전자빔 사용 조건을 확인하고, 이로부터 투과창(330A)의 교환 여부를 판단하는 역할을 한다. 이를 위하여, 점검부는 연산부, 산출부 및 판단부를 구비할 수 있다. 연산부는 전자빔의 조사 횟수, 사용 시간 및 강도 중 적어도 어느 하나를 누적 계산하고, 산출부는 누적 계산된 값을 사용 전하량으로 전환하여 전자빔 사용 조건을 산출하며, 판단부는 전자빔 사용 조건을 기 설정 조건에 대비하여 투과창(330A)의 교환 여부를 판단한다.
본 발명의 실시 예에서는 투과창(330A)의 일 위치를 통과한 전자빔의 조사 횟수, 사용 시간 및 강도를 누적하고, 이를 투과창(330A)의 일 위치에 대한 전하량으로 환산하여, 전자빔 사용 조건으로 산출한다. 이와 마찬가지로, 투과창(330A)의 나머지 위치들 각각을 통과한 전자빔의 조사 횟수, 사용 시간 및 강도를 누적하고, 이를 투과창(330A)의 나머지 위치들에 대한 전하량으로 각각 환산하여, 각각의 전자빔 사용 조건을 산출한다. 즉, 전자빔 사용 조건은 투과창(330A)의 각 위치별 사용 정도를 전하량을 기준으로 하여 나타낸 상태값이다. 한편, 전자빔의 사용 조건과 이에 따른 투과창(330A)의 소모 두께와의 관계로부터, 투과창(330A)이 파손되는 두께에 대응하는 전자빔의 사용 조건을 알 수 있고, 이에 대응하여 기 설정 조건을 정할 수 있다. 전자빔 사용 조건이 기 설정 조건을 초과하는 것은 투과창(330A)의 두께가 파손 가능한 두께보다 더 얇아진 것을 의미한다.
커버 어셈블리(300)는 메인 바디(310)를 전자빔 방출기(100)의 개방구에 탈착 결합시키도록 이음부재(340) 예컨대 소켓(socket) 또는 커넥터(connector)를 포함할 수 있다. 이음부재(340)는 내부가 상하 방향으로 개방되는 중공의 원통체 형상 또는 환형의 링 형상으로 형성될 수 있으며, 메인 바디(310)의 외측을 감싸도록 배치되어 전자빔 방출기(100)의 개방구(110)에 예컨대 나사 결합될 수 있다.
커버 어셈블리(300)는 메인 바디(310)와 전자빔 방출기(100)의 사이를 기밀하게 밀봉하는 밀폐링(350)을 포함할 수 있다. 밀폐링(350)은 예컨대 오링(O ring)을 포함할 수 있으며, 메인 바디(310)의 상부면 가장자리와 이를 마주보는 전자빔 방출기(100)의 개방구 사이에서 이들을 상하 방향으로 기밀하게 결합시키도록 구비될 수 있다. 이로부터 전자빔 방출기(100)의 전자빔 방출기(100) 내부 진공이 유지될 수 있다. 밀폐링(350)은 예컨대 고무 재질의 밀폐링일 수 있으며, 이에 절연성 및 탄성을 가질 수 있다.
커버 어셈블리(300)는 가스를 하향 경사지게 분사하는 가스분사구(미도시) 및 이에 연결되어 불활성 가스를 공급하는 가스라인(미도시)을 포함할 수 있다. 가스분사구는 메인 바디(310)의 관통단부 부근에 복수개 구비되되, 보조 바디(320)를 중심으로 방사상으로 배치되며 보조 바디(320)의 중심 위치를 향하여 하향 경사지게 개방될 수 있다. 가스라인은 메인 바디(310)의 내부를 관통하여 복수개의 가스분사구에 연결될 수 있다. 여기서, 가스라인에는 헬륨, 네온, 아르곤 또는 이들이 적어도 둘 이상 혼합된 불활성 가스가 공급될 수 있으며, 따라서, 투과창(330A)의 하측에는 국부적으로 불활성 가스 분위기가 조성될 수 있다.
제1 검출기(400)는 예컨대 소정의 판 형상으로 구비되는 반도체 디텍터일 수 있으며, 전자빔 방출기(100)의 내부에서 투과창(330A)의 상측으로 정렬되어 보조 바디(320)를 마주보도록 배치될 수 있다. 이때, 제1 검출기(400)의 중앙 영역은 상하 방향으로 관통되어 전자빔 통로가 형성될 수 있다. 전자빔은 제1 검출기(400)의 중앙 영역을 통과하여 투과창(330A)으로 입사될 수 있고, 투과창(330A)을 통과하여 시료(10)로 방출될 수 있다. 전자빔의 충돌에 의하여 시료(10)로부터 방출되는 전자 예컨대 반사전자(back scattered electron) 및 2차 전자(secondary electron) 중 적어도 하나는 투과창(330A)를 통과하여 전자빔 방출기(100)의 내부로 수집되고 제1 검출기(400)에서 획득된다. 획득되는 전자에 의하여 야기되는 전류는 제1 신호 처리부(미도시)로 전달되어 시료(10)의 이미지 생성에 활용된다.
제2 검출기(500)는 예컨대 에너지 분산형 분광 검출기(Energy dispersive X-ray spectroscopy Detector, EDS Detector)를 포함하며, 적어도 일부가 전자빔 방출기(100)를 관통하여 전자빔 방출기(100)의 내부에서 커버 어셈블리(300)의 투과창(330A)을 향하도록 배치될 수 있다. 에너지 분산형 분광 검출기는 전자빔의 주사에 의하여 시료로부터 방출되는 X선을 실리콘 단결정의 p-i-n 반도체 소자를 이용하여 에너지의 형태로 검출하는 방식으로 시료의 성분을 검사 가능하다. 제2 검출기(500)는 제2 신호 처리부(미도시)에 연결되며, 제2 신호 처리부는 제2 검출기(500)에서 출력되는 X선의 에너지 세기 정보를 기 입력된 각 성분별 방출 X선 고유 에너지 크기 정보에 대비하여 시료 성분을 정성적으로 분석하고, 제2 검출기(500)에서 출력되는 에너지 세기별 검출 빈도수 정보로부터 시료 성분을 정량적으로 분석하여, 이를 시각 정보로 출력한다.
도 1 및 도 3을 참조하여 상기에서 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치는 하기의 변형 예를 포함하여 다양하게 구성될 수 있다. 본 발명의 변형 예에 따른 시료 관찰 장치는 대기압 중에 위치하는 시료(10)의 이미지 및 성분을 관찰 및 분석하도록 형성되는 장치로서, 전자빔 방출기(100), 지지부(200), 커버 어셈블리(300), 제1 검출기(400) 및 제2 검출기(500)를 포함한다. 또한, 시료 관찰 장치는 커버 어셈블리(300)에 구비되는 복수의 투과창(330A)을 수평 방향으로 위치 조절하도록 구동부를 더 포함할 수 있고, 투과창(330A)의 교환 여부를 판단하도록 점검부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 변형 예에 따른 시료 관찰 장치는 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치와 구성이 유사하므로, 설명의 중복을 피하기 위하여, 아래에서는 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치와 구분되는 특징을 중심으로 본 발명의 변형 예에 따른 시료 관찰 장치를 설명한다.
커버 어셈블리(300)는 메인 바디(310), 보조 바디(320) 및 투과창(330A)을 포함하며, 이때, 투과창(330A)은 복수개로 구비될 수 있다. 복수개의 투과창(330A)은 두께와 면적이 각각 다르게 형성되거나, 모두 동일하게 형성될 수 있으며, 이를 특별히 한정하지 않는다.
도 3을 참조하여, 복수개의 투과창(330A)이 보조 바디(320)의 중앙 영역에 형성되는 과정을 설명한다. 보조 바디(320)의 일면에 투과성 박막(330)으로 예컨대 실리콘 나이트라이드 막을 형성한다. 투과성 박막(330)이 형성되지 않은 보조 바디(320)의 타면에서 보조 바디(320)의 일면을 향하는 방향으로 보조 바디(320)의 중앙 영역에 복수개의 비아홀(321)을 식각한다. 이때, 비아홀(321)의 직경 또는 일변의 너비는 예컨대 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위일 수 있고, 각각의 비아홀(321)의 직경 또는 일변의 너비는 서로 동일하게 형성되거나 각각 다르게 형성될 수 있다. 도면으로 도시하지는 않았으나, 두께를 다르게 형성하고자 하는 투과창(330A)이 있는 경우, 투과성 박막(330)이 형성되지 않은 보조 바디(320)의 타면에서 보조 바디(320)의 일면을 향하는 방향으로 두께를 다르게 형성하고자 하는 투과창(330A)을 더 식각할 수 있다. 상기 과정으로 보조 바디(320)의 중앙 영역에는 전자빔 등이 통과 가능한 투과창(330A)이 형성될 수 있다.
투과창(330A)은 전자빔이 투과됨에 따라 마모되며 두께가 얇아지고, 두께가 얇아짐에 따라 강도(strength)가 약해진다. 투과창(330A)의 파손을 방지하도록, 본 발명의 실시 예에서는, 점검부(미도시)를 이용하여 시료(10)를 관찰하는 일련의 과정 중에 투과창(330A)의 전자빔 사용 조건을 확인하고 이로부터 투과창(330A)의 교환 여부를 판단할 수 있다.
점검부(미도시)는 전자빔 방출기(100)가 시료(10)로 전자빔을 방출하기 전에 투과창(330A)에 대한 전자빔 사용 조건을 확인하고, 이로부터 투과창(330A)의 교환 여부를 판단할 수 있다. 이때, 복수개의 투과창(330A) 중에 일부가 교환 대상일 경우, 투과창(330A)의 위치를 조절하여 전자빔의 방출 경로에 놓이는 투과창(330A)을 교환하는 방식으로 투과창(330A)을 교환한다. 반면, 복수개의 투과창(330A)이 전부 교환 대상일 경우, 커버 어셈블리(300)의 메인 바디(310) 및 보조 바디(320)를 교환하는 방식으로 투과창(330A)을 교환한다.
커버 어셈블리(300)는 전자빔 방출기(100)의 개방구에 결합되되, 수평 방향으로 위치 조절이 가능하게 결합될 수 있으며, 이를 위하여, 커버 어셈블리(300)에는 구동부가 장착될 수 있다. 구동부는 메인 바디(310)를 수평 방향으로 이동시킬 수 있는 것을 만족하는 다양한 구조 및 방식으로 다양하게 변경 가능하며, 본 발명의 실시 예에서는 이를 특별히 한정하지 않는다.
예컨대 구동부는 전자빔 방출기(100)의 개방구 외측에서 전자빔 방출기(100)의 개방구를 방사상으로 둘러싸도록 배치되는 구동 모터(610), 커버 어셈블리(300)의 메인 바디(310)의 하부면 복수 위치에 장착되는 방사상 또는 환형 구조의 구동 블록(620), 구동 모터(610)와 구동 블록(620)의 사이를 연결하는 구동 로드(630)를 포함할 수 있다.
구동 모터(610)는 구동 로드(630)를 수백 ㎛ 내에서 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 의 단위로 정밀하게 조절하여, 구동 블록(620)을 이동시킨다. 구동 블록(620)과 결합된 메인 바디(310)는 구동 블록(620)의 움직임에 의하여 수평 방향으로 이동될 수 있다. 이때, 밀폐링(350)이 메인 바디(310)의 상대적인 이동을 탄력적으로 수용하며 전자빔 방출기(100)과 메인 바디(310) 사이를 실링하여, 전자빔 방출기(100)의 전자빔 방출기(100) 내부 진공이 파괴되지 않고 유지될 수 있다.
예컨대 복수개의 투과창(330A)이 형성되는 보조 바디(320)의 중앙 영역의 직경 또는 일변의 길이는 예컨대 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛ 의 범위일 수 있고, 구동부가 상기 범위 내에서 메인 바디(310)를 수평 방향으로 이동시키는 동안, 밀폐링(350)에 의하여 전자빔 방출기(100) 내부 진공을 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법을 도시한 순서도 이다. 또한, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법에서 전자빔 사용 조건을 투과창의 위치에 따라 맵핑하는 과정을 설명하기 위한 개략도 이며, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법에서 전자빔 사용 조건을 투과창 내의 복수의 위치에 맵핑한 결과를 예시적으로 나타내는 사진 이다. 또한, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법에서 투과창을 교환하는 과정을 설명하기 위한 모식도 이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법에서 투과창의 위치를 조절하는 과정을 설명하기 위한 모식도 이다.
다음으로, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법을 설명한다. 시료 관찰 방법은 대기 중에 위치하는 시료의 이미지 및 성분을 관찰 및 분석하는 방법으로서, 대기 중에 시료를 마련하는 과정, 시료에 전자빔을 방출하는 과정, 시료로부터 방출되는 신호를 수집하는 과정, 수집된 신호를 처리하는 과정을 포함하며, 특히, 전자빔을 방출하는 과정 전에, 투과창을 점검하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이때, 점검되는 투과창은 전자빔이 방출되는 경로에 교차하도록 배치되어 전자빔이 사용 중인 또는 사용 예정인 투과창일 수 있다.
내부에 진공이 형성되는 전자빔 방출기(100)와 이격되어 대기 중에 시료(10)를 마련(S100)한다. 이송 로봇(미도시)를 이용하여 지지부(200)에 시료(10)를 로딩하여 대기 중에 시료(10)를 마련한다. 이어서, 전자빔 방출기(100)를 시료(10)의 상측에서 시료(10)와 마주보도록 위치시키고, 전자빔 방출기(100) 및 지지부(200) 중 적어도 하나를 승강시키며, 시료(10)와 투과창(330A) 사이의 거리를 예컨대 수백 ㎛ 의 범위 내에서 정밀하게 조절한다.
전자빔 사용 조건을 확인 또는 산출하고, 전자빔 사용 조건이 기 설정 조건을 초과하는 지를 판단하여, 투과창(330A)의 교환 여부를 판단하는 투과창 점검 과정을 실시(S200)한다.
투과창 점검 과정은 전자빔의 조사 횟수, 전자빔의 사용 시간 및 전자빔의 강도 중 적어도 어느 하나를 누적 계산하는 과정, 누적 계산으로부터 전자빔 사용 조건을 산출하는 과정, 사용 조건을 기 설정 조건과 비교하는 과정, 비교 결과에 따라 투과창의 교환 여부를 판단하는 과정을 포함할 수 있다.
투과창(330A)에 대하여, 전자빔의 조사 횟수, 전자빔의 사용 시간 및 전자빔의 강도 중 적어도 어느 하나를 누적 계산한다. 이어서, 계산된 값을 사용 전하량으로 전환하여 전자빔 사용 조건으로 산출한다. 이때, 하나의 투과창(330A) 내의 복수의 위치별로 전자빔의 조사 횟수, 전자빔의 사용 시간 및 전자빔의 강도 중 적어도 어느 하나를 누적 계산하고, 계산된 값들을 각각 사용 전하량으로 전환하여 하나의 투과창(330A) 내의 복수의 위치별 전자빔 사용 조건으로 산출한다. 이어서, 투과창 전체(330A)의 전자빔 사용 조건의 평균값을 기 설정 조건과 비교한다. 비교 결과에 따라 투과창의 교환 여부를 판단함에 있어, 전자빔 사용 조건의 평균값이 기 설정 조건 예컨대 0.1 쿨롱(C)을 초과하는 경우 투과창의 교환한다.
투과창의 점검 과정은 하기와 같이 변형 예를 포함하여 다양하게 구성될 수 있다. 본 발명의 변형 예에 따른 투과창의 점검 과정은, 전자빔의 조사 횟수, 전자빔의 사용 시간 및 전자빔의 강도 중 적어도 어느 하나를 누적 계산하는 과정, 누적 계산으로부터 전자빔 사용 조건을 산출하는 과정, 사용 조건을 기 설정 조건과 비교하는 과정, 비교 결과에 따라 투과창의 교환 여부를 판단하는 과정을 포함할 수 있다.
투과창(330A)에 대하여, 전자빔의 조사 횟수, 전자빔의 사용 시간 및 전자빔의 강도 중 적어도 어느 하나를 누적 계산한다. 이어서, 계산된 값을 사용 전하량으로 전환하여 전자빔 사용 조건으로 산출한다. 이때, 하나의 투과창(330A) 내의 복수의 위치별로 전자빔의 조사 횟수, 전자빔의 사용 시간 및 전자빔의 강도 중 적어도 어느 하나를 누적 계산하고, 계산된 값들을 각각 사용 전하량으로 전환하여 하나의 투과창(330A) 내의 복수의 위치별 전자빔 사용 조건으로 산출한다. 이어서, 투과창(330A)의 위치에 따라 사용 조건을 나타내는 맵핑을 수행하고, 각 위치에서의 전자빔 사용 조건값을 기 설정 조건과 비교한다. 비교 결과에 따라 투과창의 교환 여부를 판단함에 있어, 맵핑된 전체 전자빔 사용 조건 중 하나 이상이 기 설정 조건 예컨대 0.1 쿨롱(C)을 초과하는 경우 투과창을 교환한다.
도 5(a)는 하나의 전자빔 방출기(100)에 하나의 투과창(330A)이 구비되는 시료 관찰 장치를 이용하여 본 발명의 변형 예에 따른 투과창 점검 과정을 실시하는 경우에서 투과창(330A) 내의 복수의 위치에 전자빔 사용 조건이 맵핑된 상태를 예를 들어 도시한 모식도이다. 또한, 도 5(b)는 하나의 전자빔 방출기(100)에 복수개의 투과창(330A)이 구비되는 시료 관찰 장치를 이용하여 본 발명의 변형 예에 따른 투과창 점검 과정을 실시하는 경우에서 투과창(330A) 내의 복수의 위치에 전자빔 사용 조건이 맵핑된 상태를 예를 들어 도시한 모식도이다. 도 5(a) 및 도 5(b)에서 특별히 구분하여 도시하지는 않았으나, 투과창(330A) 내에 점의 형태로 맵핑되는 전자빔 사용 조건은 각각의 값 예컨대 사용 전하량 값에 따라 예컨대 다른 색의 점으로 구분되어 맵핑될 수 있다.
상기의 맵핑 과정의 이해를 돕기 위하여, 투과창(330A) 내의 복수의 위치에 전자빔 사용 조건을 맵핑한 결과를 도 6(a) 및 도 6(b)에 각각 2차원 및 3차원 그래프의 형식으로 예시적으로 도시하였다. 도 6(a) 및 도 6(b)를 보면, 도면 상에 나타난 바와 같이, 투과창(330A)을 예컨대 그리드 형상의 복수 위치들로 구분하고, 각 위치에서의 전자빔 사용 조건에 대응하여 각각 다른 색으로 맵핑하였다. 도면에서 붉은 색에 가까울수록 해당 위치에서의 전자빔 사용 조건이 기 설정 조건에 도달한 또는 가까운 값을 가지는 것을 의미하며, 이와 반대로, 도면에서 파란 색에 가까울수록 해당 위치에서의 전자빔 사용 조건이 기 설정 조건보다 상대적으로 더 작은 값을 가지는 것을 의미한다. 이와 같은 방식으로 본 발명의 실시 예에서는 하나의 투과창(330A) 마다 투과창(330A) 내의 복수의 위치별로 전자빔 사용 조건을 맵핑할 수 있고, 이에 각 위치별 전자빔 사용 조건을 명확하게 구분할 수 있어 각 위치에서의 투과창 두께 감소 정도를 판단할 수 있다. 이를 이용하여 후술하는 투과창의 점검 과정을 원활하게 실시할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법의 나머지 과정들을 이어 설명한다.
투과창을 점검하는 과정은 투과창의 교환이 결정되는 경우, 투과창의 교환을 실시하는 과정(S300)을 포함할 수 있다. 투과창의 교환 여부를 판단하는 과정에서 전자빔 사용 조건이 기 사용 조건을 초과하면, 투과창의 교환을 결정하고, 투과창의 교환을 실시한다.
하나의 전자빔 방출기(100)에 하나의 투과창(330A)이 구비되는 경우, 투과창의 교환이 결정되면, 전자빔 방출기를 대기압으로 전환하고, 사용 중인 투과창을 탈착한 후, 새로운 투과창을 설치한다. 이를 도 6에 도시하였다.
하나의 전자빔 방출기(100)에 복수의 투과창(330A)이 구비되는 경우, 투과창의 교환이 결정되면, 전자빔 방출기(100)를 진공으로 유지한 상태에서 전자빔이 사용 중인 투과창에서 새로운 투과창으로 향하도록 투과창의 위치를 조정한다. 이를 도 7에 도시하였다.
투과창의 교환이 완료되면, 교환된 새로운 투과창에 대하여 상술한 투과창 점검 과정을 실시한다. 이때, 하나의 전자빔 방출기(100)에 하나의 투과창(330A)이 구비되는 경우에서는 사용 중인 투과창을 탈착한 후, 새로운 투과창을 설치하였기 때문이 투과창 점검 과정이 생략될 수 있다. 반면, 하나의 전자빔 방출기(100)에 복수의 투과창(330A)이 구비되는 경우, 교환된 투과창에 대하여 투과창 점검 과정을 반복 실시하고, 결과에 대응하여 투과창의 위치를 조정하거나 투과창 점검 과정을 완료하고 후속 과정을 진행한다. 이때, 복수개의 투과창 모두 교환이 결정되는 경우, 전자빔 방출기(100)를 대기압으로 전환하고, 사용 중인 투과창 전체를 탈착한 후, 새로운 투과창을 설치한다.
투과창 점검 과정이 완료되면, 전자빔 방출기(100)를 이용하여 시료(10)를 향하여 전자빔을 방출(S400)한다. 전자빔 방출기(100)의 전자빔 방출기(100) 내부에 구비된 전자빔 발생수단(120) 및 각 렌즈들을 이용하여 전자를 소정 크기의 가속 전압 및 프로브 전류로 방출 및 가속시킨다. 전자빔은 투과창(330A)를 통과하여, 수 ㎚ 내지 수백 ㎚의 프로브 크기로 제어되며 시료(10) 상의 목적하는 위치에 초점이 형성될 수 있다. 이때, 전자빔의 초점은 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 의 높이로 정밀하게 조절되고, 이에 시료(10)의 원하는 위치에 전자빔을 방출하여 충돌시킬 수 있다.
한편, 전자빔을 방출할 때, 투과창(330A) 내의 서로 다른 복수의 위치별로 전자빔의 위치를 이동시키면서 전자빔을 방출할 수 있으며, 이때, 전자빔의 이동은 전자빔 방출수단(120)에 구비되는 복수의 렌즈들을 이용한 전자빔의 위치 조정으로 가능하다.
시료(10)에 입사된 전자빔이 시료(10)에 충돌한 후, 시료(10)로부터 방출되는 신호를 수집(S500)한다. 이의 과정은, 시료에 입사된 전자빔이 시료에 충돌 후 시료로부터 방출되는 반사전자, 2차 전자 및 X선 중 적어도 어느 하나를 수집하는 과정을 포함할 수 있다. 예컨대, 시료로부터 방출되는 신호는 시료에 입사된 전자빔이 시료에 충돌 후, 시료로부터 방출되는 전자 및 X-선을 포함한다. 이때, 시료에 입사된 전자빔에 의하여 시료로부터 방출되는 전자로는 상대적으로 높은 에너지 준위에 의하여 방향성을 가지고 소정 방향 예컨대 시료(10)로부터 전자빔 방출기(100)를 향하는 방향으로 직진하는 반사전자(back scattered electron)가 있다. 또한, 시료에 입사된 전자빔에 의하여 시료로부터 방출되는 전자로는 상대적으로 낮은 에너지 준위에 의하여 시료(10) 부근으로 산란되는 2차 전자(secondary electron)가 있다. 시료로부터 방출되는 전자는 제1 검출부(400)에서 수집될 수 있고, 시료로부터 방출되는 X-선은 제2 검출부(500)에서 수집될 수 있다.
수집된 신호를 처리(S600)한다. 예컨대 수집되는 전자로부터 야기되는 전류를 활용하여 시료의 이미지를 생성할 수 있고, 수집되는 X선을 활용하여 시료의 성분을 분석할 수 있다. 이의 처리 과정에는 공지의 기술이 적용될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 실시 예에서는 시료로부터 방출되는 신호를 수집하는 과정을 실시하기 전에, 또는 동시에, 전자빔 방출기(100)와 시료(10) 사이에 불활성 가스 분위기를 형성하는 과정을 포함할 수 있다. 예컨대 커버 어셈블리(300)에 구비되는 가스분사구(미도시)를 이용하여, 투과창(330A)의 하측에 불활성 가스를 분사할 수 있다. 따라서, 투과창(330A)과 시료(10) 사이의 예컨대 수백 ㎛ 너비의 공간에 국부적으로 불활성 분위기를 형성할 수 있어, 시료에서 방출되는 신호를 용이하게 고효율로 수집할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법은 투과창의 점검 과정을 실시함에 따라 투과창의 교환 시기를 명확하게 확인할 수 있어, 투과창의 사용 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이며, 본 발명의 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 즉, 본 발명은 본 발명의 특허청구범위 및 이와 균등한 기술 사상의 범위 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 전자빔 방출기 300: 커버 어셈블리
330: 투과성 박막 330A: 투과창

Claims (8)

  1. 대기 중에 위치하는 시료를 관찰하는 방법으로서,
    내부에 진공이 형성되는 전자빔 방출기와 이격되어 대기 중에 시료를 마련하는 과정;
    상기 전자빔 방출기를 통하여 상기 시료를 향하여 전자빔을 방출하는 과정;
    상기 시료에 입사된 전자빔이 상기 시료에 충돌 후, 시료로부터 방출되는 신호를 수집하는 과정; 및
    수집된 신호를 처리하는 과정;을 포함하고,
    상기 전자빔을 방출하는 과정 전에, 전자빔 사용 조건을 확인하고, 상기 전자빔 방출기에서 전자빔이 통과하는 투과창의 교환 여부를 판단하는 투과창 점검 과정을 포함하며,
    상기 투과창 점검 과정은,
    전자빔의 조사 회수, 전자빔 사용 시간 및 전자빔 강도 중 적어도 어느 하나를 누적 계산하는 과정;
    상기 누적 계산으로부터 전자빔 사용 조건을 산출하는 과정;
    상기 사용 조건을 기 설정 조건과 비교하는 과정; 및
    투과창 교환 여부를 판단하는 과정;을 포함하는 시료 관찰 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호를 수집하는 과정은,
    상기 시료에 입사된 전자빔이 상기 시료에 충돌 후, 시료로부터 방출되는 반사전자(back scattered electron), 2차 전자(secondary electron) 및 X선 중 적어도 어느 하나를 수집하는 과정을 포함하는 시료 관찰 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    전자빔 사용 조건을 산출하는 과정은,
    전자빔의 조사 회수, 전자빔 사용 시간 및 전자빔 강도 중 적어도 어느 하나가 누적 계산된 것을 사용 전하량으로 전환하여 사용 조건으로 산출하는 과정을 포함하는 시료 관찰 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 사용 조건을 기 설정 조건과 비교하는 과정은, 상기 투과창 전체의 사용 조건 평균값을 기 설정 조건과 비교하는 과정을 포함하고,
    투과창 교환 여부를 판단하는 과정에서 사용 조건 평균값이 기 설정 조건을 초과하는 경우 상기 투과창을 교환하는 시료 관찰 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 사용 조건을 기 설정 조건과 비교하는 과정은,
    상기 투과창의 위치에 따라 사용 조건을 나타내는 맵핑을 수행하고, 각 위치에서의 사용 조건 값을 기 설정 조건과 비교하는 과정을 포함하고,
    투과창 교환 여부를 판단하는 과정에서 맵핑된 전체 사용 조건 중 하나 이상이 기 설정 조건을 초과하는 경우 상기 투과창을 교환하는 시료 관찰 방법.
  7. 청구항 1, 청구항 2 및 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 투과창 점검 과정은,
    투과창 교환이 결정되는 경우, 전자빔 방출기를 대기압으로 전환하는 과정 및 사용 중인 투과창을 탈착하고 새로운 투과창을 설치하는 과정을 포함하는 시료 관찰 방법.
  8. 청구항 1, 청구항 2 및 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전자빔 방출기는 복수의 투과창을 구비하며,
    상기 투과창 점검 과정은,
    투과창 교환이 결정되는 경우, 전자빔 방출기를 진공으로 유지한 상태에서 전자빔이 사용 중인 투과창에서 새로운 투과창으로 향하도록 위치를 조정하는 과정을 포함하는 시료 관찰 방법.
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