KR102116889B1

KR102116889B1 - 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치

Info

Publication number: KR102116889B1
Application number: KR1020180130331A
Authority: KR
Inventors: 김형철
Original assignee: (주)자비스
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-05-29
Also published as: KR20200048340A

Abstract

본 발명은 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치에 관한 것이고, 구체적으로 나노 해상도 이미지 획득이 가능한 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치에 관한 것이다. 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치는 엑스선 발생 모듈(11); 엑스선 발생 모듈(11)로부터 방출된 엑스선을 표적(T)으로 유도하는 제1 유도 유닛(12); 표적(T)을 투과한 엑스선의 감광 특성을 조절하는 제2 유도 유닛(13); 및 제2 유도 유닛(13)에서 유도된 엑스선을 감지하여 엑스레이 이미지를 생성시키는 디텍터 모듈(14)을 포함한다.

Description

유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치{A Transmission X-Ray Microscope with an Enhanced Guiding Property}

본 발명은 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치에 관한 것이고, 구체적으로 나노 해상도 이미지 획득이 가능한 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치에 관한 것이다.

반도체 분야의 다양한 소자 또는 부품이 초소형화가 되면서 공정 또는 취급 과정에서 발생되는 마이크로 또는 나노 스케일의 미세 결함의 탐지 기술이 요구되고 있다. 또한 다양한 형태의 질병에 대한 정확한 진단 또는 치료를 위하여 생체 조직의 구조를 나노 해상도를 가지는 이미지로 생성될 필요성이 증가하고 있다. 나노 스케일의 결합 또는 나노 스케일의 이미지를 획득하기 위한 기술로 광학 기반 영상 기법이 있지만 광 산란으로 인하여 영상이 왜곡되거나 비파괴 방식으로 적용되기 어렵다는 단점을 가진다. 나노 스케일 이미지 획득을 위한 다른 기술에 해당하는 전자 현미경은 적용 시료가 수백 나노미터 이하가 되어야 하고, 고진공과 같은 적용 조건이 제한된다는 단점을 가진다. 이에 비하여 투과 엑스선 나노 현미경(Transmission X-ray Microscope: TXM)은 비파괴 방식으로 고해상도의 이미지의 획득이 가능하지만 이미지 획득에 적합한 엑스선의 발생을 제어하기 어렵고, 목표 지점으로 유도하는 것이 어렵다는 단점을 가진다. 또한 이미지 획득을 위한 장치가 복잡하고 이로 인하여 장치의 규모가 커진다는 단점을 가진다. 미국특허등록번호 9,075,245는 제1 틈(aperture)을 가지는 적어도 하나의 이송 스테이지; 제2 틈을 가지면서 이송 스테이지(stage)의 한쪽 측면에 배치된 적어도 하나의 구동 유닛 및 구동 유닛에 연결된 적어도 하나의 광학 어셈블리를 포함하는 광학 모듈에 대하여 개시한다. 특허등록번호 10-1031675는 고강도 단일 파장 평행 X선을 사용하여 고선명도 단층 영상을 획득할 수 있는 X선 거울을 이용한 3차원 X선 현미경 및 X선 거울의 제조 방법에 대하여 개시한다. 투과 엑스선 현미경으로부터 나노 스케일의 표적에 대한 이미지의 획득을 위하여 표적 위치의 선택 및 선택된 표적 위치에 대한 엑스선 유도 수단의 배열이 주요한 인자가 된다. 그러나 선행기술은 이와 같은 기술에 대하여 개시하지 않는다.

본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

선행기술 1: US 9,075,245(Academia Sinica, 2013년07월25일 공개) Optical Module for X-ray Microscope 선행기술 2: 특허등록번호 10-1031675(전남대학교산학협력단, 2011년04월29일 공고) X선 거울을 이용한 3차원 X선 현미경 및 X선 거울의 제조 방법

본 발명의 목적은 정해진 표적에 대한 나노 스케일의 엑스레이 이미지의 획득이 가능한 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치는 엑스선 발생 모듈; 엑스선 발생 모듈로부터 방출된 엑스선을 표적으로 유도하는 제1 유도 유닛; 표적을 투과한 엑스선의 감광 특성을 조절하는 제2 유도 유닛; 및 제2 유도 유닛에서 유도된 엑스선을 감지하여 엑스레이 이미지를 생성시키는 디텍터 모듈을 포함한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 제1 유도 유닛은 엑스선 콘덴서를 포함하고, 제 2 유도 유닛은 위상 조절 유닛을 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 표적의 정해진 위치로 유도되는 광을 발생시켜 탐지 위치를 확인하는 광학 모듈을 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 광학 모듈은 반투과성 하프 미러를 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 디텍터 모듈은 서로 다른 파장 대역의 엑스선을 감지하는 다수 개의 디텍터를 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 광학 모듈의 적어도 일부는 제1 유도 유닛에 결합된다.

본 발명에 따른 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치는 소형으로 만들어지면서 10 내지 100 ㎚의 공간 해상도를 가진 엑스선 이미지가 획득이 가능하도록 한다. 본 발명에 따른 투과 엑스선 현미경은 다수 개의 엑스선 유도 수단을 통하여 엑스선을 유도하는 것에 의하여 정해진 표적에 대한 엑스레이 이미지의 획득이 용이하도록 한다. 본 발명에 따른 투과 엑스선 현미경은 광학 모듈에 의하여 미리 표적이 확인되고, 이에 기초하여 표적에 대한 엑스레이 이미지가 획득되는 것에 의하여 작동 효율성이 향상되도록 한다. 본 발명에 따른 투과 엑스선 현미경은 반도체 분야 또는 생체 의학 분야에 적용되어 효율적인 비파괴 검사가 가능하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치 구조의 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 투과 엑스선 현미경 장치의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 투과 엑스선 현미경 장치에 결합된 표적 확인 광학 모듈의 실시 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 현미경 장치에 적용되는 다중 디텍터의 실시 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 현미경 장치의 작동 구조의 실시 예를 도시한 것이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치 구조의 예를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 유도 특성 개선 구조의 투과 엑스선 현미경 장치는 엑스선 발생 모듈(11); 엑스선 발생 모듈(11)로부터 방출된 엑스선을 표적(T)으로 유도하는 제1 유도 유닛(12); 표적(T)을 투과한 엑스선의 감광 특성을 조절하는 제2 유도 유닛(13); 및 제2 유도 유닛(13)에서 유도된 엑스선을 감지하여 엑스레이 이미지를 생성시키는 디텍터 모듈(14)을 포함한다.

엑스선 발생 모듈(11)은 미리 결정된 파장 대역의 엑스선을 발생시킬 수 있는 다양한 엑스선 발생 수단이 될 수 있고, 예를 들어 엑스레이 튜브, 입자 가속기 또는 이와 유사한 엑스선 발생 수단이 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 엑스선 발생 모듈(11)은 다양한 크기를 가질 수 있지만 바람직하게 소형이 될 수 있고, 예를 들어 1 내지 100 keV의 에너지 범위, 바람직하게 2 내지 20 keV의 에너지를 가진 엑스선을 발생시킬 수 있는 다양한 엑스선 발생 수단이 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 엑스선 발생 모듈(11)에서 발생된 엑스선은 제1 유도 유닛(12)으로 방출될 수 있고, 제1 유도 유닛(12)은 표적(T)의 정해진 위치로 엑스선을 유도하면서 초점을 형성하는 기능을 가질 수 있다. 제1 유도 유닛(12)은 다수 개의 미세 도파관을 포함할 수 있고, 예를 들어 모세 도파관(capillary guide tube)을 포함할 수 있다. 모세 도파관은 표적(T)의 정해진 위치에 초점을 형성하는 기능을 가질 수 있고, 엑스선을 집중시키는 콘덴서(condenser) 기능을 가질 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 제1 유도 유닛(12)은 엑스선 발생 모듈(11)과 일체로 형성되거나, 도파관에 의하여 연결될 수 있고, 필요에 따라 제1 유도 유닛(12)은 선형 이동 유닛(121)의 작동에 따라 엑스선 발생 모듈(11) 또는 표적(T)에 대하여 선형 이동이 가능한 구조를 가질 수 있다. 제1 유도 유닛(12)에 의하여 유도된 엑스선은 표적(T)의 정해진 부위에 초점을 형성할 수 있다. 그리고 표적을 투과한 엑스선은 제2 유도 유닛(13)으로 유도될 수 있다.

제2 유도 유닛(13)은 표적을 투과한 엑스선의 전자기적 특성을 조절하는 기능을 가질 수 있고, 예를 들어 엑스선을 회절을 시키거나, 위상을 조절하거나 또는 필터링을 하는 기능을 가질 수 있다. 예를 들어 표적(T)을 투과한 엑스선은 제2 유도 유닛(13)을 통과하면서 회절이 될 수 있고, 표적의 서로 다른 부위에 대한 회절 특성이 탐지될 수 있다. 또한 표적의 서로 다른 부위를 투과한 엑스선의 위상이 조절되어 간섭 현상에 의하여 감지 특성이 낮아지는 것이 방지되도록 할 수 있다. 제2 유도 유닛(13)은 표적(T)을 투과한 엑스선의 표적에 대한 감지 특성을 향상시키는 기능을 할 수 있다. 제2 유도 유닛(13)에 의하여 감지 특성이 향상된 투과 엑스선은 디텍터 모듈(14)에서 탐지되어 표적(T)에 대한 엑스선 이미지가 획득되도록 한다. 이와 같이 제1, 2 유도 유닛(12, 13)에 의하여 엑스선의 유도 특성 및 감지 특성이 향상되는 것에 의하여 현미경 장치가 소형으로 만들어지면서 예를 들어 10 내지 50 ㎚의 분해능을 가지는 이미지가 획득될 수 있도록 한다.

제1, 2 유도 유닛(12, 13)은 엑스선의 특성을 향상시키는 다양한 기능을 가질 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 투과 엑스선 현미경 장치의 실시 예를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 제1 유도 유닛(12)은 엑스선 콘덴서(22)를 포함하고, 제 2 유도 유닛(13)은 위상 조절 유닛(232)을 포함한다. 예를 들어 엑스레이 튜브와 같은 엑스선 발생 모듈(11)로부터 발생된 엑스선은 엑스선 콘덴서(22)를 통과하면서 표적(25)의 탐지 부위에 초점이 형성되도록 유도될 수 있다. 엑스선 콘덴서(22)는 적어도 하나의 모세관(capillary)을 포함할 수 있고, 전체적으로 실린더 형상이 되면서 점차적으로 직경이 작아지는 형상을 가질 수 있다. 동일한 구조를 가지는 모세관이 길이 방향으로 중심선을 따라 대칭으로 배치될 수 있고, 엑스선 콘덴서(22)의 내부에 전자기장이 인가될 수 있고, 이에 따라 이에 의하여 엑스선의 경로가 조절될 수 있고, 이에 의하여 표적(25)의 정해진 위치에 초점이 형성될 수 있다.

표적(25)은 중심축에 대하여 회전 가능하거나, 상하 이동이 가능하도록 배치될 수 있고, 표적(25)에 탐지 부위(251)가 형성될 수 있다. 탐지 부위(251)에 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈 형상의 유도 거울(252)이 형성될 수 있고, 유도 거울(252)에 탐지 부위(SP)가 위치할 수 있다. 표적(25)의 탐지 부위를 통과한 엑스선은 다시 산란 또는 분산이 될 수 있고, 회절 유닛(231)을 통과하면서 탐지 부위(251)를 중심으로 경로가 조절될 수 있다. 회절 유닛(231)은 다수 개의 동심원 슬릿을 가질 수 있고, 슬릿의 폭은 미리 결정될 수 있다. 이후 엑스선은 위상 조절 유닛(232)을 통과하면서 위상이 조절될 수 있다. 위상 조절 유닛(232)은 예를 들어 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이와 유사한 금속이 될 수 있고, 예를 들어 중심에 홀이 형성된 박막 구조로 만들어질 수 있고, 중심을 기준으로 반지름 방향으로 서로 다른 두께를 가진 구조로 만들어질 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 이와 같이 위상 조절 유닛(232)에 의하여 위상이 조절된 엑스선은 디텍터(24)에 의하여 탐지되어 탐지 부위에 대한 엑스선 이미지를 생성할 수 있다. 디텍터(24)는 단일 파장 탐지 구조 또는 다중 파장 탐지 구조를 가질 수 있다.

엑스선 현미경 장치에서 탐지되는 탐지 부위(251)는 마이크론 단위의 크기를 가질 수 있고, 탐지 부위(251)로 엑스선의 초점이 맞추어질 필요가 있다. 그러므로 미리 탐지 부위(251)가 확인이 되는 것이 유리하다.

도 3은 본 발명에 따른 투과 엑스선 현미경 장치에 결합된 표적 확인 광학 모듈의 실시 예를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 현미경 장치는 표적(T)의 정해진 위치로 유도되는 광을 발생시켜 탐지 위치를 확인하는 광학 모듈(30)을 포함할 수 있다. 광학 모듈(30)은 광 발생 유닛(31)을 포함할 수 있고, 광 발생 유닛(31)은 레이저 광 또는 이와 유사한 특성을 가지는 광을 발생시킬 수 있고, 다양한 파장을 가진 광을 발생시킬 수 있다. 광 발생 유닛(31)에서 발생된 광은 예를 들어 하프 미러(32)와 같은 경로 설정 유닛에 의하여 유도 경로가 설정될 수 있다. 하프 미러(32)에 의하여 광의 일부는 초점 형성 유닛(33)에 의하여 표적(T)의 탐지 부위로 유도될 수 있다. 이후 표적(T)의 탐지 부위에서 반사된 광은 하프 미러(32)에 의하여 예를 들어 CCD 카메라(charge-coupled device camera)와 같은 광 탐지 유닛(34)으로 유도될 수 있다. 광 탐지 유닛(34)에 의하여 표적에 대한 영상이 분석되어 영상 분석 유닛(35)으로 전송되어 영상이 분석되고, 이에 의하여 탐지 부위에 대한 위치 정보가 생성될 수 있다. 초점 형성 유닛(33)은 선형 가이드(331)에 의하여 선형으로 이동 가능한 구조를 가질 수 있고, 광학 모듈(30)은 거리 측정 기능을 가질 수 있고, 광 탐지 유닛(34)은 간섭 측정 유닛이 될 수 있다. 예를 들어 일부의 광은 하프 미러(32)에서 반사되어 광 탐지 유닛(34)으로 유도되고, 나머지 광은 표적(T)의 탐지 부위에서 반사되어 광 탐지 유닛(34)으로 유도될 수 있다. 그리고 두 개의 광의 간섭 여부에 따라 표적(T)의 탐지 부위에 대한 정밀한 거리 측정이 가능하다. 광학 모듈(30)은 표적(T)의 탐지 부위의 위치를 확인할 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

도 4는 본 발명에 따른 현미경 장치에 적용되는 다중 디텍터의 실시 예를 도시한 것이다.

도 4를 탐지하면, 디텍터 모듈(14)은 서로 다른 파장 대역의 엑스선을 감지하는 다수 개의 디텍터(43_1 내지 43_K)를 포함한다.

표적(T)의 탐지 부위를 투과한 엑스선은 유도 모듈(41)을 경유하여 디텍터 모듈(14)로 유도될 수 있고, 유도 모듈(41)은 위에서 설명된 제2 유도 유닛 또는 이와 유사한 유도 유닛이 될 수 있다. 필요에 따라 노이즈 파장 대역의 엑스선을 제거하는 필터 모듈(42)이 디텍터 모듈(14)의 앞쪽에 배치될 수 있다. 디텍터 모듈(14)은 서로 병렬로 배치되거나, 서로 적층되어 배치된 다수 개의 디텍터(43_1 내지 43_K)를 포함할 수 있다. 그리고 서로 다른 디텍터(43_1 내지 43_K) 사이에 감지 필터(44_1 내지 44_L)가 배치되어 차례대로 이미 감지된 파장 대역의 엑스선이 제거되도록 할 수 있다. 이와 같이 다수 개의 디텍터(43_1 내지 43_K)에 의하여 엑스선 이미지를 획득하고 서로 다른 이미지를 결합하는 것에 의하여 정밀한 탐지 부위의 엑스선 이미지의 획득이 가능해진다.

디텍터 모듈(14)은 다양한 구조의 디텍터(43_1 내지 43_K) 또는 감지 필터(44_1 내지 44_L)를 포함할 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

도 5는 본 발명에 따른 현미경 장치의 작동 구조의 실시 예를 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 광학 모듈(30)의 적어도 일부는 제1 유도 유닛(12)에 결합될 수 있다. 광학 모듈(30)에 의하여 표적(T)에서 탐지 부위의 위치가 확인될 수 있고, 예를 들어 하프 미러(32)가 제1 유도 유닛(12)에 설치될 수 있고, 광 발생 유닛 또는 광 탐지 유닛을 포함하는 위치 탐지 모듈(52)은 엑스선의 경로를 벗어난 위치에 배치될 수 있다. 그리고 엑스선의 경로에 배치된 광을 유도하여 표적(T)의 탐지 부위를 영상을 생성하거나, 거리를 측정할 수 있다. 엑스선 유도 경로 또는 광의 유도 경로에 서로 분리된 한 쌍의 경로 확인 슬릿(51a, 51b)이 배치될 수 있고, 이에 의하여 표적(T)의 탐지 부위에 대한 선형성 또는 거리가 확인될 수 있다. 구체적으로 두 개의 경로 확인 슬릿(51a, 51b)을 통과하는 광의 특성이 특성 확인 유닛(53)에 의하여 확인될 수 있고, 이에 의하여 정해진 경로로 엑스선이 유도되도록 한다.

광학 모듈(30)은 다양한 방법으로 투과 엑스선 현미경에 결합될 수 있고 제시된 실시 에에 제한되지 않는다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

11: 엑스선 발생 모듈 12: 제1 유도 유닛
13: 제2 유도 유닛 14: 디텍터 모듈
22: 엑스선 콘덴서 24: 디텍터
25: 표적 30: 광학 모듈
31: 광 발생 유닛 32: 하프 미러
33: 초점 형성 유닛 34: 광 탐지 유닛
35: 영상 분석 유닛 41: 유도 모듈
42: 필터 모듈 43_1 내지 43_K: 디텍터
44_1 내지 44_L: 감지 필터 51a, 51b: 경로 확인 슬릿
52: 위치 탐지 모듈 53: 특성 확인 유닛
121: 선형 이동 유닛 231: 회절 유닛
232: 위상 조절 유닛 251: 탐지 부위
252: 유도 거울 331: 선형 가이드
SP: 탐지 부위 T: 표적

Claims

엑스선 발생 모듈(11);
엑스선 발생 모듈(11)로부터 방출된 엑스선을 표적(T)으로 유도하는 제1 유도 유닛(12);
표적(T)을 투과한 엑스선의 감광 특성을 조절하는 제2 유도 유닛(13); 및
제2 유도 유닛(13)에서 유도된 엑스선을 감지하여 엑스레이 이미지를 생성시키는 디텍터 모듈(14)을 포함하고,
표적(T)의 정해진 위치로 유도되는 광을 발생시켜 탐지 위치를 확인하는 광학 모듈(30)을 더 포함하고,
광학 모듈(30)에 포함된 반투과성 하프 미러(32)는 제1 유도 유닛(12)에 설치되고 엑스선의 유도 경로에 서로 분리된 한 쌍의 경로 확인 슬롯(51a, 51b)이 배치되어 표적(T)의 탐지 부위에 대한 선형성 또는 거리가 확인되는 것을 특징으로 하는 투과 엑스선 현미경 장치.
청구항 1에 있어서, 제1 유도 유닛(12)은 엑스선 콘덴서(22)를 포함하고, 제 2 유도 유닛(13)은 위상 조절 유닛(232)을 포함하는 투과 엑스선 현미경 장치.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서, 디텍터 모듈(14)은 서로 다른 파장 대역의 엑스선을 감지하는 다수 개의 디텍터(43_1 내지 43_K)를 포함하는 투과 엑스선 현미경 장치.
삭제