KR101751802B1 - 압력차를 이용한 전자빔 주사용 진공 챔버 및 이를 구비한 전자빔 주사 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자빔 주사기가 설치되는 챔버 본체와, 상기 챔버 본체의 일측에 형성되는 연통홀과, 상기 연통홀의 외부 공간으로 공기를 유입시킬 수 있도록 상기 챔버 본체에서 연장 형성되는 공기 유입관과, 상기 연통홀과 공기 유입관에 연통되게 형성되며 상기 공기 유입관으로 유입된 공기를 배출시키는 공기 배출관과, 상기 공기 유입관에 공기를 공급하여 상기 공기 배출관으로 공기가 배출되도록 하여 상기 챔버 본체 내 압력을 감소시킴으로써 저진공 상태를 구현하는 송풍기를 포함하는 전자빔 주사용 진공 챔버 및 이를 구비하는 전자빔 주사 시스템을 개시한다.

Description

압력차를 이용한 전자빔 주사용 진공 챔버 및 이를 구비한 전자빔 주사 시스템 {VACUUM CHAMBER FOR ELECTRON BEAM SCANNING USING PRESSURE DIFFERENCE AND ELECTRON BEAM SCANNING SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 주사전자현미경, 전자빔 가공장치, 전자빔 용접기 등의 장치에서 전자 빔 주사에 사용되는 진공 챔버 및 이를 구비한 전자빔 주사 시스템에 관한 것이다.

주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)은 시료 표면에 전자빔을 주사하여 시료 표면에서 발생하는 이차전자, 반사전자, X-선 등을 검출하여 분석함으로써 시료 표면의 형상 등을 관찰할 수 있는 장치이다. 이러한 전자빔 주사기술은 최근에는 주사전자현미경뿐 아니라 전자빔 가공기술, 전자빔 용접 기술 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

도 1은 일반적인 형태의 주사전자현미경의 구조를 개략적으로 나타내고 있다.

도 1과 같이 주사전자현미경은 일반적으로 시편(1)가 진공 상태로 배치되는 진공 챔버(10)와, 전자빔을 발생시켜 시편(1)에 주사하는 전자빔 주사기(20) 등을 포함하는 구성을 가진다.

진공 챔버(10) 내에는 시편(S)이 놓이는 스테이지(11)와, 전자빔이 시편(S)에 주사되었을 때 발생하는 2차 전자를 검출하는 디텍터(12) 등이 설치된다.

전자빔 주사기(20)는 전자빔을 발생시켜 가속시키는 전자총(21)과, 전자빔을 순간적으로 차단하거나 차단 상태를 해제하는 빔 블랭커(23)와, 집속렌즈 및 대물렌즈가 구비된 컬럼부(23) 등을 포함하는 구성을 갖는다.

이러한 구성의 주사전자현미경에 따르면, 전자총(21)으로부터 발생된 전자빔이 집속렌즈 및 대물렌즈를 거처 시편(S)으로 조사되면, 시편(S)과 충돌된 빔은 투과전자와 2차 전자를 생성하고, 이 중 2차 전자는 디텍터(12)에 의해 검출되어 디스플레이를 통해 이미지로 표시됨으로써 시편(S)의 표면 및 각종 치수를 측정할 수 있다.

진공 챔버(10)에는 공기를 차단하기 위한 공기 차단부(40)가 연결되고, 진공 챔버(10)의 하부에는 진공 챔버(10) 내부를 진공 상태로 만들기 위한 진공 형성 시스템(30)이 설치된다. 이러한 진공 형성 시스템(30)은 상대적으로 크기가 크고 무게가 많이 나가기 때문에 주사전자현미경을 이동시키거나 새롭게 설치하기 위해 진공 형성 시스템(30)의 설치에 많은 시간과 노력이 소요되고 있으며, 이는 주사전자현미경 시스템의 이동성에 큰 저해 요소로 작용하고 있다.

한편 시편(S)의 영상을 얻기 위해서는 시편(S)을 진공 챔버(10)의 내부에 배치해야 하는바, 시편(S)의 크기가 큰 경우 시편을 절단하는 등의 전처리 공정이 필요하여 이미지 획득에 많은 시간과 노력이 소요되고 있는 실정이다.

일본 실용신안공보 제1995-013912호 (1995.04.05)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래보다 간단한 구조로서 새로운 진공 구현 방식이 적용된 전자빔 주사용 진공 챔버를 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 전자빔 주사용 진공 챔버를 이동식으로 구성하여 시편의 크기가 크더라도 시편을 절단할 필요없이 바로 측정하는 것이 가능한 전자빔 주사용 진공 챔버를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 전자빔 주사기가 설치되는 챔버 본체와, 상기 챔버 본체의 일측에 형성되는 연통홀과, 상기 연통홀의 외부 공간으로 공기를 유입시킬 수 있도록 상기 챔버 본체에서 연장 형성되는 공기 유입관과, 상기 연통홀과 공기 유입관에 연통되게 형성되며 상기 공기 유입관으로 유입된 공기를 배출시키는 공기 배출관과, 상기 공기 유입관에 공기를 공급하여 상기 공기 배출관으로 공기가 배출되도록 하여 상기 챔버 본체 내 압력을 감소시킴으로써 저진공 상태를 구현하는 송풍기를 포함하는 전자빔 주사용 진공 챔버를 개시한다.

본 발명의 전자빔 주사용 진공 챔버에 따르면, 상기 공기 유입관은 상기 챔버 본체로부터 상측 방향으로 연장되고, 상기 공기 배출관은 상기 공기 유입관의 단부로부터 하향 경사진 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다.

본 발명의 전자빔 주사용 진공 챔버에 따르면, 상기 챔버 본체는 하단이 개방된 형태를 가질 수 있으며, 상기 챔버 본체의 개방 단부에는 공기 실링을 위한 오-링이 설치될 수 있다.

한편 본 발명은 전자빔을 주사하는 전자빔 주사기와, 상기 전자빔 주사용 진공 챔버를 포함하는 전자빔 주사 시스템을 개시한다.

본 발명의 전자빔 주사 시스템에 따르면, 상기 전자빔 주사기는 전자빔을 발생시키는 전자총을 포함할 수 있고, 여기에 상기 전자총에 결합되며 전자빔을 집속하여 주사 대상에 포커싱하는 컬럼부를 더 포함하는 구성을 갖는 것도 가능하다.

본 발명의 전자빔 주사 시스템에 따르면, 상기 전자총은, 필라멘트와, 상기 필라멘트를 수용하는 전극 캡을 포함하며, 상기 필라멘트는 연속적인 선형 빔이 방출되도록 수평 방향을 길이 방향으로 갖는 로드의 형태를 가질 수 있다. 그리고 상기 전극 캡의 하부에는 상기 선형 빔이 통과하는 장공 형태의 슬릿이 형성될 수 있다.

본 발명의 전자빔 주사 시스템에 따르면, 상기 전자빔 주사기의 빔 방출구에는 어퍼처 링을 고정시키는 어퍼처 홀더 또는 전자빔을 선택적으로 차단하는 빔 차단유닛이 설치될 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 송풍기의 온/오프 동작만으로 진공 챔버 내 저진공 상태를 구현하거나 진공을 해제하는 것이 가능하므로 종래 기술에 비해 간단하고 단순한 구성 및 작동 방식의 진공 챔버를 구현할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 챔버 본체의 구조 변경을 통해 전자빔 주사용 진공 챔버를 이동식으로 구성할 수 있어 시편의 크기가 크더라도 시편을 절단할 필요없이 바로 측정하는 것이 가능하고 챔버의 이동이 용이한 효과가 있다.

이와 같은 용이한 저진공 상태의 구현 및 이동식 챔버의 구현을 통해 전자빔 가공, 샘플 관찰, 표면 가공 등뿐만 아니라 다양한 분야로 전자빔의 응용 범위를 확대하는 것이 가능할 것이다.

도 1은 일반적인 형태의 주사전자현미경의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 주사용 진공 챔버가 구비된 전자빔 주사 시스템의 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자빔 주사용 진공 챔버가 구비된 전자빔 주사 시스템의 개략도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자빔 주사용 진공 챔버가 구비된 전자빔 주사 시스템의 개략도.
도 5는 도 4에 도시된 전자총을 측면 방향에서 바라본 개략도.

이하, 본 발명과 관련된 압력차를 이용한 전자빔 주사용 진공 챔버 및 이를 구비한 전자빔 주사 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에 기술된 전자빔 주사 시스템은 전자빔을 주사 대상에 주사하여 특정 기능을 수행하는 시스템을 말하며, 이러한 전자빔 주사 시스템은 주사전자현미경, 전자빔 가공장치, 전자빔 용접기 등을 모두 포괄하는 개념이다. 전자빔 주사 시스템은 전자빔을 주사하는 전자빔 주사기와, 전자빔 주사기와 결합되는 진공 챔버를 포함하는 구성을 갖는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 주사용 진공 챔버가 구비된 전자빔 주사 시스템의 개략도이다.

본 실시예는 전자빔 주사 시스템으로서 주사전자현미경을 예시하고 있으며, 진공 챔버(100)에 주사전자현미경의 컬럼부(230)가 설치된 구조가 개시되어 있다.컬럼부(230)는 전자총(미도시)에 결합되며, 전자총에서 발생한 전자빔을 집속하여 진공 챔버(100) 내의 주사 대상(시편)에 포커싱하는 기능을 수행한다.

참고로 본 도면에서는 주사전자현미경의 전자총, 빔 블랭커, 디텍터 등의 도시는 생략하였으며, 상세한 구조는 도 1에 도시된 주사전자현미경의 구조와 동일하다.

본 실시예의 진공 챔버(100)는 챔버 본체(110), 연통홀(120), 공기 유입관(130), 공기 배출관(140), 송풍기(150)를 포함한다.

챔버 본체(110)는 전자 주사기가 설치되며, 그 내부에 시편이 수용되는 공간을 구비한다. 본 실시예에 따르면 컬럼부(230)가 챔버 본체(110)의 상부 장착 공간에 설치되어 있다.

연통홀(120)은 챔버 본체(110)의 일측에 형성되어 챔버 본체(110) 내부의 공기(대기)가 외부로 빠져 나가는 통로를 제공한다. 본 실시예는 연통홀(120)이 챔버 본체(110)의 측면에 관통 형성된 구조를 예시하고 있다.

공기 유입관(130)은 연통홀(120)의 외부 공간(외측 공간)으로 공기를 유입시킬 수 있도록 챔버 본체(110)에서 연장 형성된다. 본 실시예에 따르면 공기 유입관(130)은 챔버 본체(110)의 연통홀(120)이 형성된 위치로부터 상측 방향으로 연장된다.

공기 배출관(140)은 연통홀(120)과 공기 유입관(130)에 연통되게 형성되며, 공기 유입관(130)으로 유입된 공기를 배출시키는 기능을 한다. 본 실시예에 따르면 공기 배출관(140)은 공기 유입관(130)의 단부, 즉 연통홀(120)의 외측 공간에 해당하는 위치로부터 하향 경사진 방향으로 연장된 형태를 갖는다.

송풍기(150)는 공기 유입관(130)에 공기를 공급하는 기능을 하며, 파이프 또는 호스 등의 연결 수단(151)을 통해 공기 유입관(130)에 연결될 수 있다. 송풍기(150)는 공기 유입관(130)에 공기를 공급하여 공기 배출관(140)으로 공기가 배출되도록 하며, 이에 따라 챔버 본체(110) 내 압력이 감소하여 챔버 본체(110) 내 저진공 상태가 구현된다.

한편, 전자빔 주사기의 빔 방출구, 본 실시예의 경우 컬럼부(230)의 빔 방출구에는 어퍼처 링을 고정시키는 어퍼처 홀더(240)가 설치되거나, 전자빔을 선택적으로 차단하는 빔 차단유닛(빔 셔터)이 설치될 수 있다. 본 실시예와 같이 컬럼부(230)의 빔 방출구에 어퍼처 링을 설치함으로써, 전자빔 주사기 내부는 고진공 상태가 구현되고 진공 챔버(100) 내부는 저진공 상태가 구현되는 차등 진공 상태를 구현할 수 있다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 전자빔 주사용 진공 챔버의 작동 상태에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 도 2에서는 송풍기(150) 작동에 따른 공기의 이동 방향을 화살표로 표시하였다.

송풍기(150)가 작동되면 공기 유입관(130)을 통해 공기가 유입되어 공기 배출관(140)으로 공기가 배출된다. 이에 따라 연통홀(120) 외측 공간의 공기 속도가 증가하게 되어 이 공간의 압력이 감소하게 되며, 이에 따라 챔버 본체(110) 내부의 공기가 연통홀(120)을 통해 외부로 배출되게 된다.

이에 따라 챔버 본체(110) 내부는 압력이 감소하게 되며, 압력이 일정 이상 감소하게 되면 저진공(low vacuum) 상태가 구현되게 된다. 이와 같은 저진공 상태에서 송풍기(150)의 작동을 멈추어 공기 유입을 중단하게 되면, 연통홀(120)을 통해 외부의 공기가 챔버 본체(110)의 내부로 유입되게 되며, 이에 따라 챔버 본체(110) 내부는 대기압 상태가 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자빔 주사용 진공 챔버가 구비된 전자빔 주사 시스템의 개략도이다.

본 실시예에 전자빔 주사용 진공 챔버(100)는 챔버 본체(110)의 구성을 제외하고 앞선 실시예와 동일한 구성을 갖는다.

앞선 실시예의 경우 챔버 본체(110)는 하단이 막힌 형태를 가지나, 본 실시예의 경우 챔버 본체(110)는 하단이 개방된 형태를 갖는다. 이와 같은 구성에 따르면 챔버(100)의 진공이 해제된 상태에서 챔버 본체(110)를 이동시켜 전자빔을 조사하고자 하는 위치(시편 또는 스테이지)로 간편하게 이동시킬 수 있다.

시편(S)의 크기가 큰 경우에도 시편(S)을 절단할 필요없이 전자빔을 조사하고자 하는 위치 위로 챔버 본체(110)를 이동시킨 후 송풍기(150)를 작동시키면 챔버 본체(110) 내의 공간이 저진공 상태로 전환되게 된다. 챔버 본체(110)의 개방 단부에는 공기 실링을 위한 오-링(160, 또는 실링부재)이 설치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자빔 주사용 진공 챔버가 구비된 전자빔 주사 시스템의 개략도이고, 도 5는 도 4에 도시된 전자총을 측면 방향에서 바라본 개략도이다.

앞선 실시예의 경우 전자빔 주사 시스템의 한 형태로서 주사전자현미경을 예시하였으나, 본 실시예의 경우 전자빔 주사 시스템으로서 전자빔 가공 장치를 예시하고 있다.

아울러 앞선 실시예의 경우 진공 챔버(100)의 챔버 본체(110)에 주사전자현미경의 컬럼부(230)가 설치되어 있으나, 본 실시예의 경우 챔버 본체(110)에 전자총(210)이 설치된 구조를 예시하고 있다. 전자빔 가공 장치의 경우 별도의 집광 수단을 적용하지 않고 본 실시예와 같이 전자총(210) 만으로 가공 장치를 구현할 수 있다.

전자총(210)은 전극선(213)을 통해 전압이 인가됨에 따라전자를 발생시키는 필라멘트(211)와, 필라멘트(221)를 수용하며 바이어스 전압이 가해지는 전극 캡(212)을 포함하는 구성을 가질 수 있다. 전자총(210)은 챔버 본체(110)의 상부에 설치된 서포트(220)에 의해 지지되며, 서포트(220)의 내측 공간에는 가속 전극의 기능을 하는 애노드 플레이트(225)가 설치될 수 있다. 서포트(220)의 빔 방출구에는 빔 셔터(250)가 설치될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 필라멘트(210)는 도 5와 같이 수평 방향을 길이 방향으로 갖는 로드의 형태를 가질 수 있으며, 전극 캡(212)의 하부에는 선형 빔이 통과하는 장공 형태의 슬릿(215)이 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 따라 전자총(210)은 연속적인 선형 빔을 방출하도록 구성되어 동시에 넓은 면적을 가공할 수 있는 이점이 있다. 특히 본 실시예와 같이 진공 챔버(100)를 이동식 챔버로 구현한 경우 챔버 본체(110)의 이동이 용이하므로, 넓은 면적을 단시간에 가공할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.

이상에서 설명한 압력차를 이용한 전자빔 주사용 진공 챔버 및 이를 구비한 전자빔 주사 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있으며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

100: 진공 챔버 110: 챔버 본체
120: 연통홀 130: 공기 유입관
140: 공기 배출관 150: 송풍기
160: 오-링 210: 전자총
220: 서포트 230: 컬럼부

Claims (10)

1. 전자빔 주사기가 설치되는 챔버 본체;
   상기 챔버 본체의 일측에 형성되는 연통홀;
   상기 연통홀의 외부 공간으로 공기를 유입시킬 수 있도록 상기 챔버 본체에서 연장 형성되는 공기 유입관;
   상기 연통홀과 공기 유입관에 연통되게 형성되며, 상기 공기 유입관으로 유입된 공기를 배출시키는 공기 배출관; 및
   상기 공기 유입관에 공기를 공급하고 상기 공기 배출관으로 공기가 배출되도록 하여 상기 연통홀 외측 공간의 공기 속도를 증가시켜 상기 연통홀의 내부 공간의 압력을 감소시키며, 상기 연통홀의 내부 공간의 압력이 감소됨에 따라 상기 챔버 본체 내의 공기가 상기 연통홀을 통해 외부로 배출됨으로써 상기 챔버 본체 내부의 압력을 감소시켜 저진공 상태를 구현하는 송풍기;를 포함하는 전자빔 주사용 진공 챔버.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공기 유입관은 상기 챔버 본체로부터 상측 방향으로 연장되고,
   상기 공기 배출관은 상기 공기 유입관의 단부로부터 하향 경사진 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 전자빔 주사용 진공 챔버.
3. 제1항에 있어서,
   상기 챔버 본체는 하단이 개방된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전자빔 주사용 진공 챔버.
4. 제3항에 있어서,
   상기 챔버 본체의 개방 단부에는 공기 실링을 위한 오-링이 설치되는 것을 특징으로 하는 전자빔 주사용 진공 챔버.
5. 전자빔을 주사하는 전자빔 주사기; 및
   상기 전자빔 주사기와 결합되며, 제1 내지 제4항 중 어느 한 항을 따르는 전자빔 주사용 진공 챔버를 포함하는 전자빔 주사 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 전자빔 주사기는 전자빔을 발생시키는 전자총을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 주사 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 전자빔 주사기는,
   상기 전자총에 결합되며 전자빔을 집속하여 주사 대상에 포커싱하는 컬럼부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 주사 시스템.
8. 제6항에 있어서, 상기 전자총은,
   필라멘트와, 상기 필라멘트를 수용하는 전극 캡을 포함하며,
   상기 필라멘트는 연속적인 선형 빔이 방출되도록 수평 방향을 길이 방향으로 갖는 로드의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전자빔 주사 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 전극 캡의 하부에는 상기 선형 빔이 통과하는 장공 형태의 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 전자빔 주사 시스템.
10. 제5항에 있어서,
    상기 전자빔 주사기의 빔 방출구에는 어퍼처 링을 고정시키는 어퍼처 홀더 또는 전자빔을 선택적으로 차단하는 빔 차단유닛이 설치되는 것을 특징으로 하는 전자빔 주사 시스템.

Images