KR101744482B1 - 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총 및 이를 포함하는 전자현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방출하는 전자빔의 전류밀도가 높은 전계방사형 전자총(field emission electron gun)에 요구되는 초고진공을 유지하면서 동시에 표유자계(stray magnetic field) 유입을 방지할 수 있는 연강(mild steel)을 전자총 챔버의 재질로 사용하여 비투자율값이 큰 뮤-메탈(Mu-metal)이나 퍼멀로이(permalloy)로 별도의 자기장 차폐막을 만들지 않고도 안정된 고휘도 성능을 구현하는 초고진공 전자총 및 이를 포함하는 전자현미경에 관한 것으로, 본 발명의 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총은 스테인레스 강에 비해 초고진공유지에서 차이가 없으며 비투자율 값이 큰 연강을 챔버로 사용하여 뮤-메탈이나 퍼몰로이 등 전자빔 발생부를 둘러싸는 추가적인 구성을 설치하지 않고도 표유자계의 유입을 방지할 수 있어서 제조가 용이할 뿐 아니라 복잡한 구성을 채택하지 않아 경제적이다.

Description

연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총 및 이를 포함하는 전자현미경{FIELD EMISSION ELECTRON GUN WITH MILD STEEL VACUUM CHAMBER AND ELECTRON MICROSCOPE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 초고진공 전자총과 이를 포함하는 전자현미경에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방출하는 전자빔의 전류밀도가 높은 전계방사형 전자총(field emission electron gun)에 요구되는 초고진공을 유지하면서 동시에 표유자계(stray magnetic field) 유입을 방지할 수 있는 연강(mild steel)을 전자총 챔버의 재질로 사용하여 비투자율값이 큰 뮤-메탈(Mu-metal)이나 퍼멀로이(permalloy)로 별도의 자기장 차폐막을 만들지 않고도 안정된 고휘도 성능을 구현하는 초고진공 전자총 및 이를 포함하는 전자현미경에 관한 것이다.

전자현미경에 사용되는 전자총은 전자빔(electron beam)을 방출하는 전자원(전자빔 발생부)을 포함하며, 크게 열방사형 전자총(thermionic electron gun)과 전계방사형 전자총(field emission electron gun)으로 나눌 수 있다. 원자 내의 전자는 원자핵과의 전기력 작용에 의하여 특정 에너지 궤도에서 일정한 에너지를 가지고 있으므로 전자가 상온에서 원자를 벗어나 방출되는 일은 거의 일어나지 않지만, 열 또는 전계에너지가 가해져서 에너지 장벽(일함수; work function) 이상의 에너지가 전자에 주어지면 밖으로 튀어나오게 된다.

전자총 내부는 전자빔의 흐름이 내부기체와 충돌하여 교란되지 않도록 진공을 유지하여야 하는데, 열방사형 전자총(thermionic electron gun)은 약 10^-3Pa에서 10^-5Pa 정도의 고진공을 필요로 하며, 고분해능 전자현미경에 요구되는 고밀도 전자빔(고휘도)을 방출하는 전계방사형 전자총(field emission electron gun)은 열방사형 전자총보다 초고진공인 약 10^-6Pa 이하에서 작동한다. 전계방사형 전자총 중 상온 전계방사형 전자총(cold field emission electron gun)은 특히 10^-7Pa 이하의 진공도를 요구한다. 따라서 고밀도 전자빔 방출을 위한 이들 전계방사형 전자총의 초고진공 유지를 위한 용기로는 기체방출율(outgassing rate)이 상대적으로 낮아 고진공유지에 유리한 스테인레스 강(stainless steel, STS)이 주로 사용된다. 전자의 흐름이 교란되지 않기 위해서는 고진공 유지와 함께 전자총 외부로부터 스며드는 표유자계(stray magnetic field)도 막아야 한다. 이는 전자가 하전입자이며 질량이 가벼워 자기장에 민감하게 반응하기 때문이다. 자기장을 차폐하기 위해서는 투자율이 높은 재료를 사용해야 하는데, 스테인레스 강은 상대적으로 비투자율(relative permeability, μ_r)이 작기(1~10) 때문에 종래 기술에서는 비투자율 값이 큰 뮤-메탈(Mu-metal)(20,000~50,000)이나 퍼멀로이(permalloy)(8,000)로 전자빔 방출원을 둘러싸서 자기장 차폐를 해 왔다. 이와 같은 퍼멀로이나 뮤-메탈은 값이 비싸고 가공비도 많이 들기 때문에, 고진공유지가 가능하도록 기체방출율이 낮으면서 비투자율 값도 큰 재료를 사용하게 되면 경제성과 제작용이성을 확보할 수 있다.

한국 등록특허 10-0473691호는 알루미늄계(Al 또는 Al 합금제) 진공 챔버부재에 관한 기술을 개시한다. 그러나 상기 특허에 개시된 발명은 부식성 가스나 플라즈마에 대하여 우수한 내식성을 발휘하는 부재에 관한 것이어서 고진공을 유지하면서도 표유자계를 막을 수 있는 진공 챔버구현을 위한 재료와는 거리가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 전자총 내부에 표유자계 유입을 방지하기 위한 별도의 차폐구조를 설치하지 않고도 전자빔의 움직임이 안정되도록 초고진공 유지와 표유자계 차폐가 가능한 재질로 챔버를 구현한 전자총 및 이를 포함하는 전자현미경을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 탄소 중량비가 0.2%이하의 연강재질을 사용하여 전자총 챔버를 구성하면 초고진공을 유지하면서도 표유자계를 차폐할 수 있음을 발견해 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총으로, 상기 전자총은 진공배기관을 구비한 관형 측면부; 상기 관형 측면부의 상부 테두리면과 밀봉 상태로 접하고, 상기 관형의 공간 내부를 향하는 전계방사형 전자빔 발생부를 그 중심에 구비한 평판 상면부; 상기 평판 상면부로부터 미리 정한 거리만큼 이격되고 상기 관형 측면부의 하부 내면과 접하는 내부 판으로, 상기 전자빔 발생부의 전자 방출방향과 대향하는 위치에 전자빔통과용 구멍(hole)을 구비한 제1 하면부; 상기 관형 측면부가 상기 제1 하면부와 접한 위치를 지나 연장되면서 진공 배기관을 구비한 관형 측면 연장부; 상기 제1 하면부로부터 미리 정한 거리만큼 이격되고 상기 관형 측면 연장부의 하부 내면과 접하는 내부 평판으로, 상기 제1 하면부의 전자빔통과용 구멍과 대향하는 위치에 전자빔통과용 구멍(hole)을 구비한 제2 하면부; 및 상기 진공배기관과 연결된 초고진공 배기용 펌프를 포함하고, 상기 관형 측면부, 상기 평판 상면부, 및 상기 제1 하면부는 10^-6Pa 이하의 초고진공으로 유지되는 제1 진공실을 형성하며, 상기 제1 하면부, 상기 관형 측면 연장부, 및 상기 제2 하면부는 제2 진공실을 형성하고, 상기 관형 측면부 및 상기 관형 측면 연장부 재질은 탄소 중량비가 0.2%이하의 연강인, 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 연강은 산화 또는 부식을 막기 위해 표면에 니켈 또는 크롬 산화방지막을 형성한, 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 초고진공 배기용 펌프는 이온펌프이고, 상기 제1 진공실의 배기관은 비증발형 게터펌프(non evaporable getter pump: NEG)를 추가로 포함하는, 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 전계방사형 전자빔 발생부는 상온 전계방사형(cold field emission) 전자빔 발생부이고, 상기 제1 진공실의 진공도는 10^-7Pa 이하인, 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 어느 하나의 전자총을 포함하는, 전자현미경을 제공한다.

본 발명의 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총은 스테인레스 강에 비해 초고진공유지에서 차이가 없으며 비투자율 값이 큰 연강을 챔버로 사용하여 뮤-메탈이나 퍼몰로이 등 전자빔 발생부를 둘러싸는 추가적인 구성을 설치하지 않고도 표유자계의 유입을 방지할 수 있어서 제조가 용이할 뿐 아니라 복잡한 구성을 채택하지 않아 경제적이다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른, 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총 및 이를 포함하는 전자현미경을 나타내는 개념도이다.
도 2는 종래기술의, 전계방사형 전자총 및 이를 포함하는 전자현미경을 나타내는 개념도이다.

이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른, 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총 및 이를 포함하는 전자현미경을 나타내는 개념도이다. 자기장 차폐를 위한 퍼말로이가 사용되지 않고, 전체 진공챔버를 연강재질로 제작한 것이다. 본 발명의 일 구현예에서 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총은, 상기 전자총은 진공배기관을 구비한 관형 측면부; 상기 관형 측면부의 상부 테두리면과 밀봉 상태로 접하고, 상기 관형의 공간 내부를 향하는 전계방사형 전자빔 발생부(10)를 그 중심에 구비한 평판 상면부; 상기 평판 상면부로부터 미리 정한 거리만큼 이격되고 상기 관형 측면부의 하부 내면과 접하는 내부 판으로, 상기 전자빔 발생부의 전자 방출방향과 대향하는 위치에 전자빔(50) 통과용 구멍(hole)을 구비한 제1 하면부(70); 상기 관형 측면부가 상기 제1 하면부와 접한 위치를 지나 연장되면서 진공 배기관을 구비한 관형 측면 연장부; 상기 제1 하면부로부터 미리 정한 거리만큼 이격되고 상기 관형 측면 연장부의 하부 내면과 접하는 내부 평판으로, 상기 제1 하면부의 전자빔통과용 구멍과 대향하는 위치에 전자빔통과용 구멍(hole)을 구비한 제2 하면부(80); 및 상기 진공배기관과 연결된 초고진공 배기용 펌프(500, 600)를 포함한다.

본 발명의 일 구현예에서 상기 관형 측면부, 상기 평판 상면부, 및 상기 제1 하면부는 10^-6Pa 이하의 초고진공으로 유지되는 제1 진공실(100)을 형성하며, 상기 제1 하면부, 상기 관형 측면 연장부, 및 상기 제2 하면부는 제2 진공실(200)을 형성한다. 상기 관형 측면부와 상기 평판 상면부는 밀봉 상태로 서로 접할 수도 있고 일체형으로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 관형 측면 연장부는 상기 관형측면과 일체형일 수도 있고 밀봉 상태로 서로 접할 수도 있다. 상기 전자빔(50)은 전자빔 검출기(40)로 관측하며, 전자빔이 지나는 경로도 진공인 경통(300) 내부로 유지된다. 상기 전자총을 사용하는 전자현미경은 전자총과 시료 챔버(400) 사이에 밸브(60)를 두어 초고진공인 전자총 및 경통 부분(100, 200, 300)과 고진공 또는 중진공인 시료 챔버 사이의 진공도 차이를 유지한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 시료 챔버(400)에는 전자빔 주사장치(20)를 지난 전자빔이 시료(30)에 주사된다. 상기 고진공 또는 중진공인 시료 챔버의 진공은 터보 분자펌프(800)를 이용하여 배기할 수 있으며, 상기 경통 부분은 이온펌프(700)를 이용하여 배기할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서 상기 관형 측면부 및 상기 관형 측면 연장부 재질은 탄소 중량비가 0.2%이하의 연강(1)이다. 철강은 2% 이하의 탄소가 합해진 철을 말하며, 주로 탄소만을 합금 원소로 삼은 것을 탄소강, 탄소강에 다른 합금 원소를 첨가한 것을 특수강 또는 합금강이라 한다. 본 발명의 명세서에서 ‘연강’은 합금 원소가 첨가되지 않은 저탄소강으로 정의한다. 탄소강은 탄소량의 포함 정도에 따라서 기계적 성질이 크게 변화하기 때문에 일반적으로 0.25%이하를 연강 또는 저탄소강, 0.25~0.60%를 중탄소강, 0.60%이상을 고탄소강으로 나눈다. 저탄소강은 인장강도가 5MPa이하로 성형성이 양호하기 때문에, 별로 강도가 요구되지 않는 강판, 조재(條材), 리벳(rivet)등에 다양하게 사용된다. 합금강은 탄소강에 특수한 성질을 주기 위하여 다른 금속을 적당량 첨가한 것으로 스테인레스강(3)이 대표적이고 니켈, 크롬 등을 함유하며 탄소량이 적고 내식성이 우수하다. 스테인레스강은 기계적 성질이 좋아 알루미늄판의 1/3 두께로 같은 강도를 보이며 전기저항이 크고 열전도율이 낮다. 스테인레스강(3)은 기체방출율(outgassing rate)이 낮아(10시간 진공배기후~10^-8 Pa m³ s^-1 m^-2, 100~200℃ 열처리후~10^-9 Pa m³ s^-1 m^-2) 초고진공용 챔버 재료로 주로 사용되지만, 전자총용 챔버재료로 사용하기에는 상대적으로 비투자율(relative permeability, μ_r)이 작기(1~10) 때문에 비투자율이 큰 뮤-메탈(Mu-metal)(20,000~50,000)이나 퍼멀로이(permalloy)(8,000)(2)로 별도 자기장 차폐를 해야 했다.

연강(1)은 비투자율이 크기(100~5,000) 때문에 표유자계(stray magnetic field)를 막는데 널리 쓰이지만, 10시간 진공배기 후 기체방출율이 10^-5 ~10^-6Pa m³ s^-1 m^-2로 스테인레스강보다 100배 내지 1000배 이상 크기 때문에 초고진공용 챔버재료로 사용하는데는 의문이 있어 왔다. 따라서 도 2에서 보는 바와 같이 상대적으로 진공도가 낮은 시료 챔버(400) 등의 재질로 사용되는 것이 일반적이었다. 문헌상으로는 300℃ 열처리후 연강과 크롬도금 연강의 기체방출율은 각각 2.6^-8 Pa m³ s^-1 m^-2과 8^-9 Pa m³ s^-1 m^-2이다(Y. Ishimori, N. Yoshimura, S. Hasegawa and H. Oikawa, J. Vac. Soc. Jpn. 14, 295 (1971)). 본 발명의 일 구현예에서는 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 경통 뿐 아니라 상기 전자총까지 초고진공 챔버재질을 연강으로 사용하여 뮤-메탈 또는 퍼말로이를 이용한 별도 차폐장치없이 전자현미경을 구성한다.

본 발명의 일 구현예에서 상기 연강은 산화 또는 부식을 막기 위해 표면에 니켈 또는 크롬 산화방지막을 형성하여 사용한다. 기체방출율이 충분히 낮기 때문에 상기 도금은 진공성능을 개선하기 위한 것이 아니라 표면의 산화나 부식을 방지하기 위한 것이다.

본 발명의 일 구현예에서 상기 초고진공 배기용 펌프는 이온펌프(500, 600, 700)이고, 상기 제1 진공실의 배기관은 비증발형 게터펌프(non evaporable getter pump: NEG)(550)를 추가로 포함한다. 상기 비증발형 게터펌프는 작동되는 순간에 일시적으로 진공도를 떨어뜨리기도 하지만 진공도 개선에 도움이 된다.

본 발명의 일 구현예에서 상기 전계방사형 전자빔 발생부는 상온 전계방사형(cold field emission) 전자빔 발생부이고, 상기 제1 진공실의 진공도는 10^-7Pa 이하이다. 상온 전계방사형은 에너지 분산이 약 0.3eV로 고온 전계방사형(field emission)의 에너지 분산 약 1eV보다 작고 진공도는 더욱 낮은 상태를 요구하기 때문이다.

(시험예)

탄소함유량이 0.1 내지 0.2 중량%인 3가지 종류의 연강재질로 만든 챔버를 제작하여 진공실험을 실시하였다. 비교를 위하여 스테인레스 강으로도 챔버를 제작하였으며 각각의 재질은 표 1과 같다.

표 1. 진공실험에 사용된 연강 재질 및 불순물

방출된 기체 대부분은 수소(H₂)였으며 연강의 기체방출율은 문헌상의 값보다 작았다. 850℃에서 12시간 예열처리를 비교조건으로 하여 진공배기하면서 150℃조건으로 48시간 열처리하였을 때 전체 기체(수소 등가)방출율 q값은 아래 표 2와 같았다.

연강을 예열처리하지 않았을 때에도 기체방출율(q)이 1~4^-10 Pa m³ s^-1 m^-2로 측정되어 스테인레스 강의 기체방출율보다 10 내지 50배 낮았다. 이는 종래 문헌에 기재된 자료가 1970년대 초반 자료여서, 그 이후 철강공정에서 진행하는 불순물 처리 공정이 개선(예: Ruhrstahl-Hausen (RH) process)된 결과라고 짐작되었다.

그러므로, 연강을 예열처리하였을 때는 기체방출율율이 5배 내지 10배 정도 줄어들어 스테인레스 강의 기체방출율보다 100배 가까이 줄어든 현상을 보여주었다. 따라서, 연강재질은 비투자율이 클 뿐 아니라 초고진공유지에 필요한 기체방출율도 낮은 값을 나타내므로 전계방출형 전자총과 같이 초고진공을 요구하는 전자총 챔버로 사용될 수 있다. 평균적인 수준의 연강을 화학세척 처리하면 초고진공 챔버재질에 필요한 조건을 만족하는 것이다.

표 2. 전체 기체(수소 등가)방출율 q값

이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.

1. 연강
2. 퍼멀로이
3. 스테인레스 강
10. 전자빔 발생부
20. 전자빔 주사장치
30. 시료
40. 전자빔 검출기
50. 전자빔
60. 밸브
70. 제1 하면부
80. 제2 하면부
100. 제1 진공실
200. 제2 진공실
300. 경통
400. 시료 챔버
500. 제1 진공실 배기 이온펌프
600. 제2 진공실 배기 이온펌프
700. 경통 배기 이온펌프
800. 터보 분자펌프
900. 비증발형 게터펌프(non evaporable getter pump: NEG)

Claims (5)

1. 연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총으로,
   상기 전자총은 진공배기관을 구비한 관형 측면부;
   상기 관형 측면부의 상부 테두리면과 밀봉 상태로 접하고, 상기 관형의 공간 내부를 향하는 전계방사형 전자빔 발생부를 그 중심에 구비한 평판 상면부;
   상기 평판 상면부로부터 미리 정한 거리만큼 이격되고 상기 관형 측면부의 하부 내면과 접하는 내부 판으로, 상기 전자빔 발생부의 전자 방출방향과 대향하는 위치에 전자빔통과용 구멍(hole)을 구비한 제1 하면부;
   상기 관형 측면부가 상기 제1 하면부와 접한 위치를 지나 연장되면서 진공 배기관을 구비한 관형 측면 연장부;
   상기 제1 하면부로부터 미리 정한 거리만큼 이격되고 상기 관형 측면 연장부의 하부 내면과 접하는 내부 평판으로, 상기 제1 하면부의 전자빔통과용 구멍과 대향하는 위치에 전자빔통과용 구멍(hole)을 구비한 제2 하면부; 및
   상기 진공배기관과 연결된 초고진공 배기용 펌프를 포함하고,
   상기 관형 측면부, 상기 평판 상면부, 및 상기 제1 하면부는 제1 진공실을 형성하며,
   상기 제1 하면부, 상기 관형 측면 연장부, 및 상기 제2 하면부는 제2 진공실을 형성하고,
   상기 관형 측면부 및 상기 관형 측면 연장부 재질은 탄소 중량비가 0.2%이하의 연강을 진공배기하면서 150℃조건으로 48시간 열처리한 것이며,
   상기 제1 진공실의 진공도는 10^-7Pa 이하인,
   연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연강은 산화 또는 부식을 막기 위해 표면에 크롬 산화방지막을 형성한,
   연강재질의 초고진공 진공챔버를 구비한 전계방사형 전자총.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 2항의 전자총을 포함하는,
   전자현미경.

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