KR20060024470A - The methodology for nano scale material joint and welding using scanning electron microscope - Google Patents

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Abstract

산업화의 Packing Density가 급격히 증가함에 따라서 나노미터의 극미세 영역에서 새로운 물리현상과 향상된 물질특성을 나타내는 연구가 활성화되면서 "나노기술"이 부각되었다. 이러한 나노기술 분야 중, 가장 크게 각광을 받고 있는 분야가 탄소 나노 튜브(CNT ; Carbon Nano Tube)이다. 이러한 극미세의 CNT는 직경이 수 십에서 수 백 nm이므로 종래의 광학현미경으로는 관찰이 불가능하고, 전자현미 경이나 또는 원자현미경으로만 관찰이 가능하다. 더우기 이러한 특수 현미경으로만 관찰이 가능한 극미세 나노 소재를 접합시키는 기술은 개발이 전무하였다As the packing density of industrialization has increased rapidly, "nanotechnology" has emerged as researches showing new physical phenomena and improved material properties in the nano-micron domain have been activated. Among the nanotechnology fields, the most prominent fields are carbon nanotubes (CNTs). Since such ultrafine CNTs have a diameter of several tens to hundreds of nm, they cannot be observed by a conventional optical microscope, and can only be observed by an electron microscope or an atomic force microscope. Furthermore, no technology has been developed to bond ultra-fine nanomaterials that can only be observed with these special microscopes.

본 과제는 이러한 극미세 재료(예, CNT)를 고압공급 장치의 일부를 변경하여 방출전류를 극대화할 수 있도록 자체 고안된 기술을 주사 전자현미경에 적용하여, 영상 관찰 시에는 대안렌즈와 대물렌즈 및 가변 어-퍼쳐(Aperture)등의 기능을 통하여 수 nm의 집속된 전자빔의 분해능을 구현하고 합체용접(Coalescent Welding) 시에는 관찰 지점에서 대안렌즈 및 가변 Aperture등은 기계적 또는 전기적으로 제거하고 대물렌즈만 적용시킨 상태에서 자체 고안기술을 적용하여 최대 ~50uA 까지의 탐침전류(Probe Current)를 인가하여 CNT와 같은 극미세 나노 소재를 직접 용접 및 접합시킬 수 있는 기술적 방법 및 장치에 대한 구현 방법을 포함하고 있다.The task is to apply a technique specially designed to maximize the emission current by changing a part of the high pressure supply device such as CNTs to the scanning electron microscope. Realize the resolution of several nm focused electron beam through functions such as Aperture, and remove the alternative lens and variable aperture at the observation point mechanically or electrically at the observation point and apply only the objective lens at the time of coalescent welding. It includes the method of implementing the technical method and device that can directly weld and join the ultra-fine nanomaterials such as CNT by applying the probe current up to ~ 50uA by applying the self-developed technology. .

전자 빔, 탐침전류, 주사 전자현미경, 나노접합, 극미세 나노 소재 용접.Electron beams, probe currents, scanning electron microscopy, nanojunction, welding of ultra-fine nanomaterials.

Description

주사전자현미경을 이용한 극미세 나노 재료 접합 구현 방법 및 장치{The Methodology for Nano scale material joint and welding using Scanning Electron Microscope} The methodology and apparatus for nano scale material joint and welding using Scanning Electron Microscope             

대표 도는 본 고안에서의 전자 현미경 모드와 전자빔 용접 모드의 비교.Representative figure is a comparison of electron microscope mode and electron beam welding mode in the present invention.

도 1은 전자 현미경과 전자빔 용접 장치의 개략도 (좌)주사전자현미경 (우) 전자빔 용접장치.1 is a schematic view of an electron microscope and an electron beam welding device (left) scanning electron microscope (right) an electron beam welding device.

도 2는 주사 전자 현미경과 전자 용접기의 전자총 사양 비교도.2 is an electron gun specification comparison diagram of a scanning electron microscope and an electron welder.

도 3은 전자 현미경의 제어 시스템 내부의 전자 구성도.3 is an electron diagram of the interior of a control system of an electron microscope;

도 4는 도 1은 본 고안의 일 실시예로 reflector부의 개정된 회로도.4 is a revised circuit diagram of the reflector as an embodiment of the present invention.

도 5는 전자 광학계(Electron Optics)의 이중 slit 개요도.5 is a dual slit schematic of Electron Optics.

도 6은 본 장치(주사전자 현미경 모드)로 촬영한 극 미세 소재인 나노 튜브 영상.6 is a nanotube image of an extremely fine material taken with the present apparatus (scanning electron microscope mode).

도 7은 본 고안의 일 실시예로 용접상태를 관찰 할 수 있는 후방산란 전자 검출기 구조도.7 is a structure of a backscattered electron detector capable of observing a welding state as an embodiment of the present invention.

도 8은 본 고안의 일 실시예로 Gold Ball에 적용한 용접 사례도.8 is a welding case applied to the Gold Ball as an embodiment of the present invention.

도 9는 본 고안의 일 실시예로 구리선을 용접하여 접합시킨 사례도.Figure 9 is an example of welding by welding a copper wire in one embodiment of the present invention.

도 10은 전자 현미경모드와 전자빔 용접 모드 시, 전자 빔 경로 구조도.10 is an electron beam path structure diagram in an electron microscope mode and an electron beam welding mode.

전자소자의 Packing Density가 급격하게 증가되어 소형화됨에 따라서 미세 소자 간의 폭도 감소되어야 하며, 기존의 금속막 배선방법 대신에 극 미세 나노 소재인 CNT(Carbon Nano Tube)를 배선으로 사용하면 매우 유용하다고 보고되고 있다. 또한 CNT는 정보통신, 소재등의 분야에서 새로운 물질 구현과 산업적 응용성에 있어서 가장 크게 각광을 받고 있다. 특히 반도체 분야에서 CNT로 회로를 만드는 차세대 기술에 대한 연구가 범세계적으로 매우 활발하게 진행되고 있다. 본 고안은 이러한 CNT와 같은 극미세 나노 소재 용접 방법 및 구현 기술을 포함한다.As the packing density of electronic devices is rapidly increased and miniaturized, the width between micro devices should be reduced, and it is reported that it is very useful to use CNT (Carbon Nano Tube), which is an extremely fine nano material, as wiring instead of the conventional metal film wiring method. have. CNTs are also receiving the most attention in the realization of new materials and industrial applications in the fields of information and communication and materials. In particular, research on next-generation technology for making circuits with CNTs in the semiconductor field is being actively conducted worldwide. The present invention includes such ultra-fine nanomaterial welding methods and implementation techniques as CNTs.

극미세 나노 소재인 CNT 회로를 만들기 위해서는 튜브들을 전기적으로 연결하는 기술이 요구되며, 이전의 연구에서는 CNT들을 전기 전도적으로 연결하는 방법이 간단하지 않았으며, 저항접촉부(Ohmic Contact) 대신 터널 연접부(Tunnel Junction)를 만드는 방식을 제시하고 있다. 즉 이러한 구현 기술들은 차기의 생산성과 연계하여 고안된 것이 아니라 연구를 위한 실험 목적으로 초점이 맞추어져 있으므로 현실화하여 적용하기에는 많은 문제점 들을 내포하고 있다. To make CNT circuits made of ultra-fine nanomaterials, the technique of electrically connecting the tubes is required. In the previous study, the method of electrically conducting CNTs was not simple, and the tunnel junction instead of ohmic contact was used. It shows how to create Tunnel Junction. That is, these implementation techniques are not designed in connection with the next productivity, but are focused on experimental purposes for research.

최근에 Ruoff등은 나노튜브의 기계적 조작에 관한 연구에서 주사전자 현미경의 집속된 빔이 탄화수소(Hydrogen Carbon) 오염물을 용착(Deposition)시켜 AFM (atomic Force Microscope)의 Tip을 이용하여 나노튜브를 부착하였다. 그러나 이러한 방법은 AFM과 전자현미경의 이중 작업 및 이들의 조합이 불가피 하므로 이들을 합체시켜야 하는 기술적 장치고안이 당면 과제이다.In recent research on the mechanical manipulation of nanotubes, Ruoff et al. [2] focused beams of scanning electron microscopes deposit hydrocarbon contaminants and attach nanotubes using tips from an atomic force microscope. . However, since this method inevitably requires dual operation of AFM and electron microscope and a combination thereof, a technical device design to integrate them is a challenge.

이 외에도 주사 전자현미경을 이용하여 합체용접을 하는 연구도 진행되고 있다. 즉, 시료 표면의 오염물(유기 오염물 포함)을 이용하여 전자빔이 집속되는 부분에 잔류 유기물들이 분해됨과 동시에 비결정탄소(amorphous Carbon)가 집성되어 Nano Tube를 용착시키는 적용사례가 보고 되어지고 있다. 그러나 이러한 기술은 용접이 아니라 브레이징(Brazing) 개념이고 종래의 전자현미경이 구현할 수 있는 전류치를 용접이 가능한 범위까지 기술구현을 하지 못했으며 시료의 오염도에 공정처리 조건이 설정되어져야 하므로 재현성이 불안정하고 또한 브레이징의 특성상 응용성이 극히 제한되어 있는 단점이 있다.In addition, research on coalescence welding using a scanning electron microscope has also been conducted. In other words, applications have been reported to deposit nanotubes by depositing amorphous carbons while decomposing residual organic matters at the electron beam concentration using contaminants (including organic contaminants) on the sample surface. However, this technique is not a welding but a brazing concept, and the current value that can be realized by the conventional electron microscope cannot be implemented to the extent that it can be welded. In addition, there is a disadvantage that the applicability of the brazing is extremely limited.

종래의 주사 전자현미경은 고 분해능을 구현하기 위해서 전자빔이 작게 고안되어야 한다. 즉, 원리적으로 주사 전자현미경에서 고 분해능을 구현하기 위해서는 전자 빔의 탐침전류(PROBE CURRENT)를 ~ pA 수준으로 낮추어야 구현이 가능하다. 그러나 이러한 전류치에서는 물질의 용접처리가 불가능하다. 이러한 한계를 극복하고자 고출력 (고 전압/고 전류)으로 고안된 장치가 전용 전자빔 용접 장치(EBW;Electron Beam Welder)이다. 전자빔 용접 장치는 60~150 KeV 이상의 고 전압을 인가하여 1000mA까지의 탐침전류를 발생시킬 수 있기 때문에 금속물질의 용접처리가 가능하게 고안된 장치이다. 그러나 전용 전자빔 용접 장치는 Beam 분해능이 수십 um이므로 거시적인 용접장치로써의 응용분야는 효과적이지만 CNT(Varbon Nano Tube)와 같은 극미세 재료의 용접으로의 응용은 모재의 관찰이 불가능하므로 불가능하다.Conventional scanning electron microscopes have to be designed with a small electron beam in order to achieve high resolution. That is, in principle, in order to realize high resolution in a scanning electron microscope, the probe current of the electron beam may be reduced to ~ pA. However, welding of the material is impossible at these current values. In order to overcome this limitation, a device designed with high power (high voltage / high current) is a dedicated electron beam welding device (EBW). The electron beam welding device is a device designed to allow welding of metal materials because it can generate a probe current of up to 1000 mA by applying a high voltage of 60 to 150 KeV or more. However, the dedicated electron beam welding device has a beam resolution of several tens of um, so that the application field as a macro welding device is effective, but the application of ultra-fine materials such as CNT (Varbon Nano Tube) to welding is impossible because the base metal cannot be observed.

본 고안기술은 이러한 한계를 극복하고 극미세 모재의 영상을 구현하기 위하여 전자현미경을 이용하고 이들을 합체 용접시에는 고 탐침전류를 구현하는 전자빔 용접 장치를 이용하는 원리를 적용하였다. 즉, 종래의 전자현미경의 고압인가 전원부의 회로를 변경하여 방사 전류량을 증가시키고 주사 전자현미경을 이용한 관찰 모드와 전자빔 용접 모드를 적용할 수 있도록 하는 장치고안을 특징으로 한다. 따라서 전자 빔의 초점 위치의 변형 없이 주사 전자현미경 관찰 모드와 전자빔 용접 모드를 동시에 자유롭게 전환시켜서 나노 스케일의 극 미세 소재 관찰을 가능케 하면서이들 소재간의 직접적인 용접/접합등을 가능케 하는 방법 및 장치 고안을 포함하고 있다.In order to overcome these limitations and to overcome these limitations, the present invention employs the principle of using electron microscopy and the electron beam welding device that realizes high probe current when welding them together. In other words, the device is designed to increase the amount of radiation current by changing the circuit of the high-voltage power supply of the conventional electron microscope and to apply the observation mode using the scanning electron microscope and the electron beam welding mode. Therefore, it is possible to freely switch between scanning electron microscopy mode and electron beam welding mode without changing the focal position of the electron beam, thereby enabling a method and apparatus for enabling direct welding / bonding between these materials while enabling nanoscale ultra-fine material observation. Doing.

전자 산업의 Nano기술이 발전되고, 전자소자의 크기가 소형화됨에 따라서 미세 소자간의 배선 폭도 감소되어 나노 와이어(Nano wire) 또는 나노 튜브등의 나노 접합기술이 필요하게 될 것이다. 이러한 나노기술의 발달은 나노용접 및 나노가공 기술등을 포함한 나노소재를 공정하는 장치기술의 낙후로 인하여 지연되고 있다. 본 고안 기술은 이러한 나노기술중 핵심기술인 나노 용접에 관한 획기적인 구현방법 및 장치 기술을 포함하고 있다.As the nanotechnology of the electronic industry is developed and the size of electronic devices is miniaturized, the wiring width between the microdevices is also reduced, so that nano-bonding technology such as nano wire or nanotube will be required. The development of such nanotechnology is delayed due to the deterioration of device technology for processing nanomaterials including nano welding and nano processing technology. The present invention includes a breakthrough implementation method and device technology for nano welding, which is a core technology among these nano technologies.

주사 전자현미경은 대표 도와 도1에서 보는바와 같이 우수한 분해능(수 nm) 을 구현하기 위하여 가속전압은 높이고 시료에 탐침(Probe)되는 전류량을 최소화(nA ~pA) 시켜야 한다. 즉, 도2에서 나타낸 바와 같이 탐침전류(Probe Current)(105)가 낮을수록 분해능이 작아지는 원리 때문이다. 이러한 전류량의 세기로는 물질의 표면에 거의 영향(10~20oC 표면 온도 상승)을 주지 않을 정도이므로 용접이나 접합이 불가능하다. 또한 접합부의 합체용접을 처리하기 위하여 고 전류의 전자빔 용접장치(EBW; Electron Beam Welder)의 기능을 적용하면 Beam Diameter가 수십 um까지 되므로 극미세 형상의 영상관찰이 불가능한 한계가 있다.Scanning electron microscopy should increase the acceleration voltage and minimize the amount of current probed to the sample (nA ~ pA) in order to achieve a good resolution (a few nm) as shown in Fig. 1 and representative. That is, as shown in FIG. 2, the lower the probe current 105, the smaller the resolution. The strength of this amount of current has little effect on the surface of the material (10 to 20 o C surface temperature rise), so welding or joining is impossible. In addition, when applying the function of high current electron beam welding device (EBW) in order to process the coalescing welding of the junction, the beam diameter is up to several tens of um, there is a limit that is impossible to observe the ultra-fine image.

본 특허 기술은 도3에서 보는 바와 같이 주사 전자현미경을 토대로 하는 제어 시스템 구성 내에서 도4의 고압 장치부(High Voltage Tank)(21)를 특별히 개조하여 전자현미경의 분해능에 거의 영향을 미치지 않고 전자빔의 전류량을 극대화하여 용접 및 접합 처리를 할 수 있도록 고안한 기술적 특징을 지니고 있다. 즉, 도 6에서 보는 바와 같은 카본 나노 튜브(CNT)(31)와 같은 극미세 모제(Work-piece)는 전자현미경과 같은 특수 장치 이외에는 관찰이 불가능하다. 따라서 접합하고자 하는 위치를 확인하기 위해서는 전자 현미경을 이용한 관찰이 불가피하다. 즉, 자체 고안된 주사 전자현미경의 고압 장치부(HV Tank)(21)내의 고압 인가부(22)를 구성하고 있는 배압기(Reflector)(23)의 회로 변경을 통하여 전류치를 증가 시켰다. 즉, 별도의 전자빔용접장치를 위한 고압 인가부(22)를 제작하지 않고 기존의 전자현미경의 고압 인가부(22)인 배압기(23)의 회로 변경을 통하여 방사전류(106) 및 탐침전류(105)를 극대화 할 수 있도록 고안을 하였다. 본 고안의 주요 특징은 고압을 발생시키는 장치의 내부에서 변압기 후단의 배압기(Reflector)부분의 Cockroft- walton회로에서 캐패시터(capacitor)(24)값을 낮추는 작업에 토대를 둔다. 전압강하(Voltage Drop) 및 S/W 주파수등의 다른 조건들은 변화가 없게끔 제어된 상태에서 도2의 전자현미경 전자총 캐소드(Cathode)(102)에서 발생되는 방사전류(Emmision Current)(106)량의 증가를 유도해 내었다. 즉, Loading 시, Cockroft-walter회로에서 전압강하는 하기 식과 같이 표현된다.As shown in FIG. 3, the patented technology specifically remodels the high voltage tank 21 of FIG. 4 within the control system configuration based on the scanning electron microscope, thereby hardly affecting the resolution of the electron microscope. It has technical features designed to maximize welding current and welding and joining treatment. That is, a work-piece such as a carbon nanotube (CNT) 31 as shown in FIG. 6 cannot be observed except for a special device such as an electron microscope. Therefore, observation using an electron microscope is inevitable to confirm the position to be bonded. That is, the current value was increased by changing the circuit of the reflector 23 constituting the high pressure applying unit 22 in the HV tank 21 of the self-developed scanning electron microscope. That is, the radiation current 106 and the probe current (by changing the circuit of the back pressure 23, which is the high pressure applying unit 22 of the existing electron microscope, without fabricating a high pressure applying unit 22 for a separate electron beam welding apparatus) 105) designed to maximize. The main feature of the present invention is based on the work of lowering the value of the capacitor 24 in the cockroft-walton circuit of the reflector part at the rear of the transformer inside the device for generating high pressure. The amount of emission current 106 generated in the electron microscope cathode 102 of FIG. 2 under controlled conditions such that voltage drop and S / W frequency remain unchanged. Led to an increase. That is, during loading, the voltage drop in the Cockroft-walter circuit is expressed as follows.

V DROP = Iload/(fC) * (2/3 n3 + 1/2 n2 - 1/6 n) ; 여기서, Iload is the load current (Amps), C is the stage capacitance (Farads), f is the AC frequency (Hz), n is the number of stages. V DROP = Iload / (fC) * (2/3 n3 + 1/2 n2-1/6 n); Where Iload is the load current (Amps), C is the stage capacitance (Farads), f is the AC frequency (Hz), n is the number of stages.

모든 단계의 capacitor(C1 through C(2*n)인 경우, 리플전압(ripple voltage)은 다음 식으로 부터 유도될 수 있다 ; Eripple = Iload/(fC)*n*(n+1)/2 For capacitors of all stages (C1 through C (2 * n), the ripple voltage can be derived from the equation: Eripple = Iload / (fC) * n * (n + 1) / 2

상기 식에서 리플은 캐패시터(24) 단계 수에 따라서 크게 증가된다. 즉, 본 고안 실험에서는 도4에서 보는바와 같이 주사 전자 현미경의 전압을 인가하여 주는 고압 장치부(High Voltage Tank)(21)내의 리플전압의 변화등을 인위적으로 일정하게 유지시키면서, 필라멘트(101), 웨넬-트(103) 및 애노-드(104)전압등의 변경 없이 캐패시터(24) 용량을 2200(pF)에서 1000pF로 바꾸었다. 이 때의 Frequency의 변화도를 평가하기 위하여 동일한 조건으로 제작된 장치를 대상으로 조사한 결과, S/W Frequency값과 별다른 차이를 보이지 않았다. 따라서 기타의 다른 회로 부분의 전압등의 파라미터를 인위적으로 일정하게 유지시키고 캐패시터(24)를 낮춘 결과로 고 전류 발생을 유도해 내었다. 즉, 본 고안으로 고압 인가부(22)로 부터 동일한 가속전압으로 인가되는 방사전류(106)를 종래의 주사 전자현미경에서 적용되는 방사 전류치(100uA) 보다 높게 200uA이상으로 유도해 낼 수 있었다. 이 때의 방출전류의 증가로 인하여 발생되는 분해능 감소를 최소화하기 위하여 본 실험을 위하여 부수적으로 경통 부를 다음과 같이 설계하였다. 즉, 도 5에서 보는바와 같이 주사 전자현미경에서 전자총(11)으로 부터 방사되는 전자빔을 집속시키는 전자기장 집속렌즈(Condenser Lens)(12,13)의 자장을 증가시켰고, 전자 용접 Mode로 변환 시, 전자 빔의 분산(spread)을 최소화하기 위하여 대물렌즈(Objective Lens)(15)단에는 이중 Slit(16)을 적용하여 Dual Field Lens로 처리하였다.In the above formula, the ripple is greatly increased depending on the number of capacitor 24 steps. That is, in the experiment of the present invention, as shown in FIG. 4, the filament 101 is artificially maintained while constantly changing the ripple voltage in the high voltage tank 21 to which the voltage of the scanning electron microscope is applied. The capacitor 24 capacity was changed from 2200 (pF) to 1000 pF without changing the Wennel-Tt 103 and anode-104 voltages. In order to evaluate the degree of change of frequency at this time, the device manufactured under the same condition was examined. As a result, there was no difference from the S / W frequency value. Therefore, high current generation was induced as a result of artificially maintaining parameters such as voltage of other circuit parts artificially and lowering the capacitor 24. That is, according to the present invention, the radiation current 106 applied by the same acceleration voltage from the high voltage applying unit 22 was induced to 200uA or more higher than the radiation current value 100uA applied in the conventional scanning electron microscope. In order to minimize the decrease in resolution caused by the increase of the discharge current at this time, the tube part was additionally designed as follows for this experiment. That is, as shown in FIG. 5, the magnetic field of the condenser lens 12, 13 for focusing the electron beam radiated from the electron gun 11 in the scanning electron microscope is increased, and when converted to the electron welding mode, In order to minimize the spread of the beam, a dual slit 16 was applied to the objective lens 15 to process the dual field lens.

전자현미경은 구조적으로 전자빔을 집속시켜 빔의 크기를 작게하여 고 분해능을 구현하는 장치이다. 따라서 통상적으로 집속렌즈(대안렌즈; Condenser Lens)(12, 13)와 어퍼-처(Aperture)(14)의 조합으로 전자빔의 크기를 작게 조절한다. 따라서 전자빔이 일정크기의 구멍(Hall)을 가진 어퍼-처(14)를 통과하는 과정에서 전자 빔의 크기는 줄어들지만, 많은 전류량이 손실되므로 최종 시료 표면에 조사되는 전자 빔은 수nm 크기의 수nm~pA의 탐침전류(105)량이 구현된다. 따라서 대표도에서 보는바와 같이 전자현미경의 SEM 영상을 구현 시에는 접합부분을 주사 전자현미경으로 관찰하고, 용접 처리 시에는 접합하고자 하는 관찰지점과 동일한 지점에 전자빔의 위치를 고정시킨 상태에서, 전자현미경에서 관찰한 용접 위치에 전자빔을 고정시키고, 일차적으로 전자총으로 부터 방사되어지는 강한 전자빔을 전류량의 손실을 최소화 하고자 집속시켜주는 집속렌즈(Condenser Lens)(12,13)를 전 기적으로 "Off" 시켜 전자빔을 통과시키고, 전자빔의 크기를 조절하기 위하여 전자 빔이 일정 크기의 Hole을 통과하게 하는 어-퍼쳐(Aperture)(14)를 기계적으로 용이하게 제거(기구적으로 In/Out 처리)하여 실질적으로 이중 Slit으(16)로 구조된 대물렌즈(Objective Lens)(15)만을 사용하여 전자 빔을 집속시킴으로써, 전자빔의 전류를 수십 uA(자체 실험결과 ~50uA 이상 인가 가능)까지 극대화 시킬 수 있었다.An electron microscope is a device that structurally focuses an electron beam to reduce the size of the beam to achieve high resolution. Therefore, the size of the electron beam is controlled to be small by a combination of focusing lenses (condenser lenses) 12 and 13 and aperture 14. Therefore, the size of the electron beam is reduced in the course of passing the upper-turecher 14 having a predetermined size of Hall, but a large amount of current is lost, so that the electron beam irradiated to the final sample surface is several nm in size. The amount of probe current 105 of nm to pA is realized. Therefore, as shown in the representative view, when the SEM image of the electron microscope is implemented, the junction is observed by scanning electron microscope, and during the welding process, the electron beam is fixed at the same point as the observation point to be bonded. The electron beam is fixed at the welding position observed at, and the electric condenser lens (12, 13) that focuses the strong electron beam radiated from the electron gun to minimize the current loss is electrically turned off. In order to pass the electron beam and adjust the size of the electron beam, the aperture 14, which allows the electron beam to pass through a hole of a certain size, is mechanically easily removed (mechanical in / out treatment) to substantially remove the aperture. By focusing the electron beam using only the objective lens 15 structured as a double slit (16), the current of the electron beam is several tens of uA (self test result). ~ It could be maximized by applying more than 50uA available).

본 고안을 통하여 상기에서 언급한 바와 같은 회로변경을 통하여 전자 빔 방사전류를 극대화 시키고, 종래의 전자현미경 구조를 적용하여 집속렌즈(12,13) 및 어-퍼쳐(14)등을 통하여 빔의 크기를 작게 하여 수nm 분해능을 구현하여 극미세의 CNT(31)와 같은 모재를 관찰 할 수 있다. 이 때, 대표 도에서와 같이 용접 모드로 전환 시, 용접상태를 관찰하기 위하여 Chamber 내부에 도7과 같이 후방산란 전자 검출기(BSE;Backscattered Electron Detector)를 설치함으로써, 종래의 이차전자 검출기의 얇은 Al 박막에 damage를 최소화하고 Seam Tracking과 같은 기존의 특허기술을 대체할 수 있도록 용접상태를 처리함과 동시에 관찰할 수 있게끔 고안하였다. 본 고안을 적용시킨 실험 결과, 주사전자 현미경에서 관찰한 전자빔 위치는 변화되지 않고 본 과정을 진행 시킬 수 있었다.The present invention maximizes the electron beam radiation current through the circuit change as mentioned above, and applies the conventional electron microscope structure to the size of the beam through the focusing lens (12, 13) and aperture-14, etc. By minimizing the resolution to implement a few nm resolution it can be observed the base material such as ultra-fine CNT (31). At this time, when switching to the welding mode as shown in the representative diagram, in order to observe the welding state by installing a backscattered electron detector (BSE; Backscattered Electron Detector) (BSE) as shown in Figure 7, the thin Al of the conventional secondary electron detector In order to minimize damage to the thin film and replace the existing patented technology such as seam tracking, it is designed to observe the welding state at the same time. As a result of applying the present invention, the electron beam position observed in the scanning electron microscope was able to proceed without changing the position.

통상적으로 본 실험에서 30~50uA의 탐침전류에서의 전자빔의 크기는 대략 수 um의 분해능을 나타내므로 용접과정에서의 후방산란전자를 통한 CNT와 같은 극미세 재료의 용접 관찰은 어렵다. 그러나 이러한 합체용접의 결과를 관찰하기 위하여 상기의 절차를 역으로 처리하여 주사 전자현미경 모드에서 관찰을 하면, 용접상태를 용이하게 관찰 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 본 고안된 장치를 이용하여 실험결 과, 탐침전류(105)를 50uA이상 구현이 가능하였으며, 도8과 도 9에서 보는 바와 같이 용융점이 1000 oC 이상인 Copper wire 및 Gold Ball까지의 용접을 용이하게 수행할 수 있는 획기적인 결과를 얻었다.In general, in this experiment, the size of the electron beam at a probe current of 30 to 50 uA exhibits a resolution of about several um. Therefore, it is difficult to observe welding of ultrafine materials such as CNT through backscattered electrons during the welding process. However, if the above procedure is reversed to observe the result of the coalescence welding and observed in the scanning electron microscope mode, the welding state can be easily observed. Experimental results using the proposed device, the probe current 105 was possible to implement more than 50uA, as shown in Figures 8 and 9 it is easy to weld to the copper wire and gold ball with a melting point of 1000 o C or more The breakthrough results can be obtained.

본 발명고안은 나노기술에서 접합기술, 특히 전자현미경이나 원자 현미경으로만 관찰이 가능한 극미세 나노 소재인 CNT 접합 및 용접에 대한 획기적인 기술이라고 평가할 수 있다. 종래에 전자현미경을 이용하여 극미세 나노 소재의 위치를 관찰하고, 전자빔 용접 모드로 전환하여 50uA까지 탐침전류를 극대화 시켜서 1300oC 용융점을 가진 재료를 용접 및 접합 시킬 수 있도록 고안한 장치 및 구현기술을 특징으로 한다.The present invention can be evaluated as a breakthrough technology for the bonding technology of CNT bonding and welding, which is an ultrafine nanomaterial that can be observed only in an electron microscope or an atomic microscope in nanotechnology. Conventionally, the device and implementation technology designed to observe the location of ultra-fine nanomaterials using an electron microscope and to weld and bond materials with a melting point of 1300 o C by maximizing probe current up to 50uA by switching to electron beam welding mode It is characterized by.

지금까지 다양한 화학적 물리적 방법들을 접목하여 구현한 나노 접합기술에 관한 연구발표가 나왔지만, 본 발명기술과 같이 직접적으로 작업이 용이하게 극 미세 형상을 가공할 수 있는 기술은 전 세계적으로 발표된 사례가 없기 때문에 매우 이례적인 발명 기술로써, 논문 발표 시점 및 응용 Data를 확보하는 시점부터는 바로 상용화 적용이 가능하리라 평가된다. 즉, 반도체 공정(Metalization), 반도체 분야의 Packaging 기술 및 CNT와 같은 다양한 나노 소재 기술 연구개발을 활성화시키는 중추적인 역할을 할 것으로 기대된다.Until now, research on nano-bonding technology that has been implemented by incorporating various chemical and physical methods has been published, but there is no case in which technology capable of processing extremely fine shapes, such as the present invention, can be directly processed easily. Therefore, as a very unusual invention technology, it is estimated that commercialization can be applied immediately from the time of publication and application data. In other words, it is expected to play a pivotal role in activating R & D of various nanomaterial technologies such as semiconductor processing, semiconductor packaging technology, and CNT.

본 발명기술의 또 다른 효과로는 이미 실험적으로 검증된 바와 같이 Melting 온도 가 1000 oC 이상인 Copper를 용접한 결과에서 보는 바와 같이, 나노기술 이외 에도 중소형의 일반 금속의 용접이 가능하므로 현재 수입에 의존하고 있는 전자빔 용접장치 시장에서 국내 최초로 개발된 전자빔 용접 장치로서의 수입대체 효과와 이를 저가에 공급할 수 있기 때문에 생산가격 경쟁력을 높일 수 있다는 측면에서 큰 의미를 부여할 수 있다.Another effect of the present technology is as shown in the results of welding copper with a melting temperature of 1000 o C or higher, as experimentally verified, and it is possible to weld small and medium-sized general metals in addition to nanotechnology. In the electron beam welding device market, it is possible to give great meaning in terms of import substitution effect as an electron beam welding device developed for the first time in Korea and supply of them at a low price.

따라서 바로 상용화 할 수 있다는 점에서도 차세대 용접장치 시장성으로의 기대치가 높다. Therefore, the expectation for the marketability of the next generation welding equipment is high in that it can be commercialized immediately.

Claims (4)

본 고안이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 고안은, 기존의 탐침전류가 nA~pA 정도인 주사 전자현미경의 고압 인가부의 reflector 회로단자를 도4와 같이 개조하여 방사전류량을 증가시키는 것을 특징으로 한다. 즉, ①종래의 주사 전자현미경 고압장치부(21)내에 고압인가부(22)에서 배압기(23)내의 S/W 주파수를 짧게 하고, ② Cockroft-Walton회로 내의 캐패시터(24) 용량을 배 이상 줄였으며, ③ 배압기(23) 구조를 변경시키면서, 이외의 전압강하(필라멘트(101), 애노-드(104), 웨넬트(103), 전압강하 등)의 조건은 인위적으로 일정하게 유지시킴으로써 ④ 전자총 캐쏘-드(Cathode)(102)에 고 전류 부하를 인가시키고 동일한 가속전압 조건하에서 방사전류(106) 및 탐침전류(105)를 극대화 시켜서 전자빔으로 용접 및 접합을 할 수 있도록 50uA이상의 탐침전류(105)를 구현하는 고압 장치부(HV Tank)(21) 회로 구현 장치.In order to achieve the technical problem to be achieved by the present invention, the present invention is characterized by increasing the amount of radiation current by modifying the reflector circuit terminal of the high-pressure application portion of the scanning electron microscope of the conventional probe current of about nA ~ pA as shown in FIG. do. That is, (1) in the conventional scanning electron microscope high pressure device section 21, the high pressure applying section 22 shortens the S / W frequency in the back pressure 23, and ② doubles the capacity of the capacitor 24 in the Cockroft-Walton circuit. 3) By changing the structure of the back pressure 23, the conditions of other voltage drop (filament 101, anode 104, Wennel 103, voltage drop, etc.) are artificially kept constant. ④ 50uA or more probe current to apply high current load to electron gun Cathode 102 and to maximize the radiated current 106 and probe current 105 under the same acceleration voltage condition for welding and bonding with electron beam High voltage device unit (HV Tank) 21 for implementing the circuit device. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기의 고안된 고압장치를 적용하여 주사 전자현미경모드에서의 대표도(a)에서 보는바와 같은 집속렌즈(Condenser1, condenser2)(12,13) 및 200um hole을 가진 가변 어-퍼쳐(Movable Aperture)(14)를 조합하여 전자 빔(전류량)의 크기를 줄여서 종래의 주사 전자현미경이 지닌 조건과 변동없이 분해능을 유지하여 극 미세 형상을 관찰한다. 그리고 용접 모드로 전환 시에는 대표도(b)에서 보는 바와 같이 동일 한 관찰 지점에서 집속렌즈(Condenser Lens)(12,13)를 전기적으로 Off"시키고 가변 Aperture(14)를 기계적 운영방법(돌려서 처리)으로 용이하게 빼내어 용접 모드로 전환시킨 후, 전자 빔을 자체 고안된 이중슬릿(16)을 가진 대물렌즈(Objective Lens)(15)단에서만 집속을 시켜서 에너지(전류량) 손실을 줄이면서 방사된 전자빔을 직접 대물렌즈(15) 단에서 집속시킴으로서 ~50uA까지 탐침전류(105) 치를 구현하여 극 미세 모재 및 일반 금속재료 용접, 브레이징 및 접합까지 처리할 수 있도록 하는 구현 기술 방법.By applying the designed high pressure device, a condenser lens (Condenser1, condenser2) 12, 13 and a variable aperture with 200um hole as shown in the representative view (a) in the scanning electron microscope mode 14 ) And the size of the electron beam (current amount) is reduced to maintain the resolution without changing the conditions of the conventional scanning electron microscope and to observe the extremely fine shape. When switching to the welding mode, as shown in the representative view (b), the condenser lens 12 and 13 are electrically turned off at the same observation point, and the variable aperture 14 is mechanically operated (turned and processed). After switching to the welding mode, the electron beam is focused only at the objective lens 15 having its own designed double slit 16 to reduce the energy (current) loss. An implementation technique method of directly probing at an objective lens (15) stage to implement probe current (105) values up to ˜50 uA to process welding, brazing and joining of ultrafine base materials and general metal materials. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 본 고안의 또 다른 특징은 용접 시에 영상을 관찰하기 위하여 후방산란 전자 검출기(Back-scattered Electron Detector)를 장착하여, 극 미세 영상은 종래의 주사 전자 현미경에서 사용되는 이차 전자 검출기를 사용하여 관찰하고 용접모드로의 전환 시에는 이차 전자 검출기로는 손상이 발생되므로 후방 산란 전자 검출기를 통하여 고 운동에너지 및 고 전류의 발생 전자들을 검출기 자체 장치에 손상없이 검출하게 하고, 이를 영상화시킴으로써 용접 처리과정을 영상화하여 관찰할 수 있도록 하는 종래의 특허 기술인 Seam tracking을 대체할 수 있는 구현 기술 방법.Another feature of the present invention is equipped with a back-scattered Electron detector to observe the image during welding, the ultra-fine image is observed using a secondary electron detector used in conventional scanning electron microscope When switching to the welding mode, damage occurs with the secondary electron detector, so that the generated electrons of high kinetic energy and high current can be detected without damage to the detector itself through the backscattered electron detector, and the welding process is imaged by imaging. An implementation technology method that can replace Seam tracking, which is a conventional patented technology that can be observed. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 본 고안의 또 다른 특징은 본 고에서 적용한 열전자 방출 형 전자 현미경 이외에도 동작의 원리 및 적용원리가 유사한 점을 들어서 전계 방사형 주사 전자 현 미경 및 다양한 전자현미경으로의 확대 적용을 포함하는 기술 구현 방법.Another feature of the present invention is the method of implementing the technique including the expansion of the field emission scanning electron microscope and various electron microscopes in addition to the thermo-electron emission electron microscope applied in this paper, the principle of operation and the principle of application are similar.
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