KR101954328B1 - 고분해능 주사전자현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시료와 검출부 간의 거리를 줄여 높은 분해능으로 시료를 관찰 할 수 있고, 전자빔을 센터에 정렬하기 위한 별도의 정렬 기구가 불필요하여 구성을 간소화할 수 있는 고분해능 주사전자현미경을 제공하기 위한 것이다.
이를 위한 본 발명의 고분해능 주사전자현미경은 진공 챔버에 배치된 전자빔 소스와 광학부를 통해 방출되는 전자빔을 비진공 영역의 시료 표면에 조사하고 시료를 관찰하는 주사전자현미경에 있어서, 진공 챔버 하단에 고정되고 하부면에 다수의 진공홈이 형성된 상부 진공 흡착 플레이트와, 상부 진공 흡착 플레이트 하단에 진공 흡착에 의해 착탈 가능하게 설치되는 하부 진공 흡착 플레이트 및 하부 진공 흡착 플레이트에 설치되어 진공 챔버와 비진공 영역을 공간 분리하고, 집속된 전자빔을 통과시키는 멤브레인 박막을 포함한다.

Description

고분해능 주사전자현미경{HIGH-RESOLUTION SCANNING ELECTRON MICROSCOPE}

본 발명은 주사전자현미경에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시료와 검출부 간의 거리를 줄여 높은 분해능으로 시료를 관찰 할 수 있고, 전자빔을 센터에 정렬하기 위한 별도의 정렬 기구가 불필요하여 구성을 간소화할 수 있는 고분해능 주사전자현미경에 관한 것이다.

시료의 관찰을 위해 각종 전자현미경은 크게 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)과 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope)으로 구분할 수 있다.

주사전자현미경의 기본 구조는, 시료 위에 전자빔이 주사(scanning)되게 하여 시료에서 발생되는 신호 중 이차전자(secondary electron)나 반사전자(back scattered electron)를 검출하여 대상 시료를 관찰한다.

투과전자현미경(Transmission Electron Microscope)은 물질의 상(phase), 특성, 성분 및 불량 등을 알아보기 위해 사용되는데 박막 시료를 제조하여 고정시킨 후 고전위차의 전자빔을 시료 면에 입사시켜 투과되도록 함으로써 시료의 상과 성분을 얻는다.

전자현미경은 일반적인 현미경의 광원과 광원렌즈에 해당하는 전자선과 전자 렌즈를 사용하는 것인데 전자빔은 고진공 상태에서 방출된다.

이러한 구조는 시료가 항상 건조한 상태가 되어 버리고, 절연체의 경우는 전하량 증가에 의하여 관찰이 저해되기 때문에 도전성 코팅이나 도전성 염색 처리가 필요한 등의 시료 제조가 번거롭고 관찰을 위한 준비작업 시간이 긴 문제점이 발생한다.

또, 생물시료 등을 변형 없이 그대로 관찰하는 것은 불가능한 문제점이 있었다.

이러한 문제점 해소를 위한 기술로 AIR SEM(Scanning Electron Microscope)이 적용되고 있다.

AIR SEM(Scanning Electron Microscope)은 대물렌즈와 관찰시료의 사이에 전자가 통과할 수 있는 두께(통상 수백나노미터 두께)의 매우 얇은 멤브레인 박막을 배치시켜 전자빔 발생부와 시료 영역을 각각 공간 분리한다.

이로 인하여, 시료 영역이 진공 상태가 아닌 대기압 또는 저진공 환경일 경우에도 시료의 표면 형태 또는 구조를 나노스케일 또는 원자스케일로 관찰 가능하게 한다.

이러한 AIR SEM은 대기압 또는 저진공 환경에서 하전 입자빔을 이용하기 때문에 일반적인 고진공 환경에서 관찰할 수 없는 생물, 바이오 수분을 포함한 시료와 같은 비전도성 시료, 또는 휘발성 성분을 포함하고 있는 시료를 금속 코팅없이 이미지를 용이하게 얻거나 또는 시료의 표면을 가공할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 주사전자현미경 시스템 개략도로서, 종래의 주사전자현미경은 진공 챔버(A2) 하단에 설치된 멤브레인 박막(M)에 의해 진공 챔버(A2)와 비진공 영역(A1)이 분리된다.

비진공 영역(A1) 은 대기압 또는 저진공 환경으로서 시료 스테이지(100) 상에 관찰 시료(200)가 안착된다.

진공 영역에는 전자빔 소스(300), 전자빔 소스(300)에서 방출된 전자의 양과 전자 빔의 크기를 조절하고 집속하는 제 1 및 제 2 집속 렌즈(400a, 400b), 상의 초점을 맞춰 주사하는 대물렌즈(400c)와 조리개(400d) 등을 포함하는 광학부(400)와 시료(200)에 시료에 충돌한 후 반사되는 X선을 검출하는 EXD(Energy Dispersive X-ray detector, 500)와, BSE 검출기 (BSE-Back scattered electron, 600) 및 시료 주변에 헬륨 가스 등의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부(700)가 배치된다.

이때, 주사전자현미경 내부를 진공 상태로 만들기 위한 진공 펌프와 시료의 높이를 조절하기 위한 주변 장치들이 필요하지만 이는 공지된 기술로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도 2는 종래의 주사전자현미경의 요부 확대도로서, 멤브레인 박막(M)은 멤브레인 박막 하우징에 설치되고, 멤브레인 박막 하우징(900)은 진공 챔버(V)의 하단에 착탈식으로 결합된다.

이때, 진공 챔버(A2) 내부의 진공 상태를 유지하기 위하여 멤브레인 박막 하우징(900)과 진공 챔버 하우징은 오링(800)으로 결합되는 구조를 갖게 된다.

이러한 주사전자현미경은 멤브레인 박막과 대기 중에 위치한 시료 및 검출기 사이의 거리가 가까울수록 높은 분해능을 얻을 수 있는데, 오링 방식으로 실링되는 구조를 갖기 때문에 검출기와 시료 간의 거리를 줄이는데 한계가 있어 분해능 향상이 어려운 단점이 있다.

또한, 멤브레인 박박 윈도우 크기가 작기 때문에 전자빔 센터 정렬을 위한 별도의 빔 정렬 기구(1000)를 필요로 하기 때문에, 장치의 구성이 복잡할 뿐만 아니라 정렬 기구로 인하여 검출기와 시료간의 거리를 줄이는데 한계가 있는 단점이 있다.

한국등록특허 제1554594호 "하전입자 빔 프로브 형성 장치 및 이의 이용방" 한국공개특허 제2016-0103034호 "주사 전자 현미경 및 화상 생성 방법"

본 발명은 시료와 검출부 간의 거리를 줄여 높은 분해능으로 시료를 관찰 할 수 있고, 전자빔을 센터에 정렬하기 위한 별도의 정렬 기구가 불필요하여 구성을 간소화할 수 있는 고분해능 주사전자현미경에 관한 것이다.

본 발명의 고분해능 주사전자현미경은 진공 챔버에 배치된 전자빔 소스와 광학부를 통해 방출되는 전자빔을 비진공 영역의 시료 표면에 조사하고 시료를 관찰하는 주사전자현미경에 있어서, 진공 챔버 하단에 고정되고 하부면에 다수의 진공홈이 형성된 상부 진공 흡착 플레이트와, 상부 진공 흡착 플레이트 하단에 진공 흡착에 의해 착탈 가능하게 설치되는 하부 진공 흡착 플레이트 및 하부 진공 흡착 플레이트에 설치되어 진공 챔버와 비진공 영역을 공간 분리하고, 집속된 전자빔을 통과시키는 멤브레인 박막을 포함한다.

이때, 상부 진공 흡착 플레이트 및 하부 진공 흡착 플레이트는 세라믹 소재로 이루어질 수 있고, 상부 진공 흡착 플레이트의 상면은 대전 효과(charging effect)를 방지하기 위하여 금속 코팅될 수 있다.

본 발명은 진공 챔버 하단에 멤브레인 박막 설치를 위하여 진공 흡착되는 한쌍의 세라믹 소재의 플레이트를 설치하여 검출부와 시료간의 거리를 줄임으로써 시료 관찰 분해능을 높여 관찰 신뢰도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 별도의 정렬 기구 없이 세라믹 소재의 플레이트 조정을 통하여 멤브레인 박막을 정렬시킴으로써 장비를 간소화할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 주사전자현미경 시스템 개략도.
도 2는 종래의 주사전자현미경의 요부 확대도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고분해능 주사전자현미경 장치 구성도.
도 4는 도 3의 요부 확대도.
도 5는 도 3의 진공 격리 부재 분해 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 시료 검사 영상과 종래 기술에 따른 시료 검사 영상 비교 이미지.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고분해능 주사전자현미경 장치 구성도이고, 도 4는 도 3의 요부 확대도, 도 5는 도 3의 진공 격리 부재 분해 사시도로서, 본 발명은 진공 영역에 배치된 전자빔 소스와 광학부를 통해 방출되는 전자빔을 비진공 영역의 시료 표면에 조사하고 시료를 관찰하는 주사전자현미경에 관한 것이다.

우선 진공 챔버(V)에는 전자빔 소스(1), 광학계(2), 검출기(3)가 설치된다.

전자빔 소스(1)는 시료(S)에 주사되는 전자빔을 생성하기 위한 것으로서 텅스텐(W) 등으로 이루어진 필라멘트를 가열하여 전자를 발생시킴으로써 전자빔을 생성하고, 생성된 전자에 전압을 걸어 약 수십 keV 정도의 에너지로 가속할 수 있다.

광학계는 빔 얼라인먼트 코일(21), 집속렌즈(22), 조리개(23), 대물렌즈(24), 스캔 코일(25)을 포함한다.

빔 얼라인먼트 코일(21)은 빔을 시료(S) 면상에 수직이 되도록 조정한다. 즉, 전자빔은 진공 챔버 내부에서 공기와 충돌하여 에너지가 소실되거나 굴절되는 등 조사빔의 방향을 제어하는데 어려움이 있다.

이렇게 전자빔이 시료 표면에 입사할 때, 수직방향으로 입사가 되지 않거나 설계자가 원하는 방향대로 입사가 되지 않으면 정확한 측정값을 얻기가 어려운 단점이 있다. 이에, 빔 얼라인먼트 코일(21)은 전자빔을 시료(S) 면상에 수직으로 조사하기 위하여 사용된다.

집속 렌즈(22)는 전자빔 소스(1)로부터 생성 및 가속된 전자빔이 시료(S)의 어느 한 미소한 점에 모이도록 집속하는 것으로서, 시료(S)에 조사되는 전자빔의 직경이 작을수록 이로부터 획득된 시료 영상의 분해능은 높아질 수 있다.

이러한, 집속 렌즈(22)는 단일이 아닌 다수를 단계적으로 배치하여 전자빔의 직경을 단계적으로 집속할 수 있다.

대물렌즈(24)는 집속 렌즈(22)를 통해 집속되어 진행하는 전자빔의 직경을 조절함으로써 시료 영상의 분해능(즉, 배율)을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명은 전자빔의 이동 경로에 전자빔의 주사 각도와 주사 방향 조절을 위한 주사 코일(25)을 더 배치할 수 있다. 즉, 주사 코일(25)에 전류가 인가되면 전자빔이 휠 수 있는데, 주사 코일(25)에 인가된 전류의 크기에 따라 전자빔이 휘는 정도를 조절할 수 있고, 인가된 전류의 방향에 따라 전자빔이 휘는 방향을 조절할 수 있다.

검출기(3)는 시료(S)로부터 방출되는 다양한 신호들에 따라 해당 신호들을 각각 검출하기 위한 것으로서, 시료(S)에 주사된 전자빔에 의해 시료로부터 방출되는 신호들 중 후방 산란 전자(BSE)를 검출하는 BSE 디텍터로 구성될 수 있다.

또한, BSE 디텍터 이외에 시료(S)에 주사된 전자빔에 의해 시료(S)로부터 방출되는 특정 X선을 검출하여 물체가 갖는 고유한 값을 통해 에너지 세기를 알 수 있는 EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) Detector, EDX, EDAX 중 하나일 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 검출기가 X선이나 후방산란전자를 검출하는 것으로 예시하였으나, 이차 전자(SE)를 검출하는 SE 디텍터 등이 적용될 수 있다.

아울러, 본 발명의 실시예는 도면에 도시되지는 않았으나 진공펌프가 진공 챔버(V)와 연결되어 진공 챔버(V) 내부가 진공 상태가 되도록 할 수 있고, 가스 공급 장치를 이용하여 진공 챔버(V) 내부에 시료(S) 방향으로 이동하는 전자의 이동을 활성화하기 위한 헬륨 가스 등의 불활성 가스를 공급할 수 있다.

한편, 진공 챔버(V)의 하단에는 진공 흡착을 통해 진공 챔버(V)와 비진공 영역을 분리하는 멤브레인 박막(5)이 설치되는 진공 격리 부재(4)가 장착된다.

이때, 멤브레인 박막(5)은 진공 챔버(V)와 비진공 영역을 공간 분리할 뿐만 아니라, 집속된 전자빔이 시료(S) 표면에 조사될 수 있도록 전자빔을 통화시키는 역할을 하는 것ㅇ로서, 멤브레인 박막(5)은 후방 산란 전자 및 특성 X선이 흡수되지 않고 모두 투과될 수 있도록 탄소(C), 질소(N), 산호(O), 규소(Si) 등의 원소로 이루어진 비전도성 물질로 형성되며, 투과율이 높고 흡수율이 낮은 물질로 형성된다.

진공 격리 부재(4)는 하부면에 다수의 진공홈(41a)이 형성된 상부 진공 흡착 플레이트(41)와, 상부 진공 흡착 플레이트(41)의 하부에 진공 흡착 방식으로 착탈되는 하부 진공 흡착 플레이트(42) 및 하부 진공 흡착 플레이트(42)의 중앙에 설치되는 멤브레인 박막(5)으로 구성된다.

이때, 상부 진공 흡착 플레이트(41)와 하부 진공 흡착 플레이트(42)는 진공 흡착 특성을 갖는 세라믹 플레이트가 이용될 수 있다.

이와 같은 구성에 따르면 얇은 플레이트 간의 진공 흡착을 통하여 진공 챔버(V)와 비진공 영역을 격리하는 멤브레인 박막(5)을 설치할 수 있어, 종래의 오링 방식을 이용하는 구조와 대비하여 검출기(3)와 시료 사이의 거리를 줄일 수 있다.

즉, 종래 기술의 도 2에 도시된 오링 방식의 경우 검출기와 멤브레인 사이의 거리가 L1 으로서 다소 크지만, 본 발명의 진공 흡착 플레이트를 이용하는 경우 검출기와 멤브레인 사이의 거리가 L2로 L1에 비하여 크게 감소시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 시료 검사 영상과 종래 기술에 따른 시료 검사 영상 비교 이미지로서, 본 발명의 실시예에 따르면 검출기(3)와 시료 사이의 거리인 WD(Working Distance-작동거리)를 짧게 함으로써 고해상도의 관찰 이미지를 획득할 수 있는 이점이 있다.

또한, 기존에는 오링 방식으로 체결되는 멤브레인 하우징을 이용하기 때문에, 전자빔 경로에 멤브레인 박막을 정렬시키기 위한 별도의 정렬 기구가 필요하였다.

그러나, 본 발명의 실시예에 따르면 진공 흡착 상태의 하부 진공 흡착 플레이트를 조작하여 멤브레인을 정렬시킴으로써 별도의 정렬 수단을 필요로 하지 않아 장비를 간소화할 수 있을 뿐만 아니라 두께가 얇은 이점이 있다.

이때, 진공 격리 부재로 세라믹 재질의 플레이트를 이용할 경우 대전 효과(charging effect)에 의해 전자가 플레이트를 통과하지 못하게 되어 관찰 이미지에 블러링(blurring)이 발생할 수 있다.

이에 본 발명의 실시예는 상부 진공 흡착 플레이트(41)의 상면을 금속 재질로 코팅하여 대전 효과(charging effect)를 방지함으로써 고해상도 관찰 이미지를 얻을 수 있다.

한편, 비진공 영역은 대기압 또는 저진공 영역으로서, X-Y-Z 방향으로 이동 가능한 시료 스테이지와 시료 스테이지의 상부에 안착되는 시료대가 설치된다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

1 : 전자빔 소스 2 : 광학계
21 : 빔 얼라인먼트 코일 22 : 집속렌즈
23 : 조리개 24 : 가변 조리개
25 : 대물렌즈 26 : 주사코일
3 : 검출기 4 :진공 격리 부재
41 : 상부 진공 흡착 플레이트 41a : 진공홈
42 : 하부 진공 흡착 플레이트 5 : 멤브레인 박막

Claims (3)

1. 진공 챔버에 배치된 전자빔 소스와 광학부를 통해 방출되는 전자빔을 비진공 영역의 시료 표면에 조사하고 시료를 관찰하는 주사전자현미경에 있어서,
   상기 진공 챔버와 상기 비진공 영역을 공간 분리하고, 집속된 전자빔을 통과시키는 멤브레인 박막;
   상기 진공 챔버 하단에 고정되고 하부면에 다수의 진공홈이 형성된 상부 진공 흡착 플레이트; 및
   하단 중심부에 상기 멤브레인 박막이 설치되고, 상기 멤브레인 박막 위치 정렬을 위한 자유로운 평면 위치 이동이 가능하도록 상기 상부 진공 흡착 플레이트 하단에 진공 흡착에 의해 착탈 가능하게 설치되는 하부 진공 흡착 플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분해능 주사전자현미경.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 상부 진공 흡착 플레이트 및 하부 진공 흡착 플레이트는 세라믹 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분해능 주사전자현미경.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 상부 진공 흡착 플레이트의 상면은 대전 효과(charging effect)를 방지하기 위하여 금속 코팅된 것을 특징으로 하는 고분해능 주사전자현미경.

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