KR20080080978A - 단순 구조의 초소형 전자칼럼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 방출원 및 렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자 방출원 및 렌즈들의 정렬 및 조립을 보다 용이하게 할 수 있도록 하는 구조의 초소형 전자칼럼에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전자 방출원, 소스 렌즈 및 디플렉터를 포함하는 전자칼럼은, 상기 소스 렌즈가 두 개 이상의 렌즈층으로 구성되어 포커싱 역할을 겸하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 소스 렌즈의 렌즈층 중 하나 이상이 디플렉터 형 렌즈 층으로 구성되어 디플렉터 역할을 함께 하는 것을 특징으로 한다.

Description

단순 구조의 초소형 전자칼럼{MICRO-COLUMN WITH SIMPLE STRUCTURE}

본 발명은 전자 방출원 및 렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자 방출원 및 렌즈들의 정렬 및 조립을 보다 용이하게 할 수 있도록 하는 구조의 초소형 전자칼럼에 관한 것이다.

스캐닝 터널링 현미경(STM)의 기본 원리 하에서 작동하는 전자방출원 및 미세구조의 전자광학 부품에 기초한 초소형 전자칼럼은 1980년대 처음 도입되었다. 초소형 전자칼럼은 미세한 부품을 정교하게 조립하여 광학 수치를 최소화하여 향상된 전자칼럼을 형성하고, 작은 구조는 여러 개를 배열하여 병렬 또는 직렬구조의 멀티전자칼럼구조에 사용이 가능하다.

이러한 초소형 전자칼럼은 초소형 전자렌즈 및 디플렉터(deflector)를 포함하는 고종횡비의 기계적 미세구조물로서, 일반적으로 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 아인젤 렌즈을 포함하여 구성되어 있다.

초소형 전자칼럼에서 전자 방출원, 소스 렌즈, 아인젤 렌즈의 정렬 및 고정은 초소형 전자칼럼의 성능과 관련하여 매우 중요하다. 이러한 초소형 전자칼럼의 정렬 및 고정과 관련하여 종래의 초소형 전자칼럼이 1996년에 발행된 Journal of Vacuum & Science Technology B14(6)의 3792-3796쪽의 "Experimental evacuation of a 20× 20 mm footprint microcolumn"에 소개되어 있다.

도1은 종래의 초소형 전자칼럼의 사시도이며, 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈가 정렬 및 고정되어 있는 종래의 초소형 전자칼럼이다. 상부 플레이트(2)는 상부에 위치되는 마이크로 포지셔너(미도시)와 함께 전자 방출원을 지지하는 부재를 형성하며 그 중심에는 전자 방출원(1)이 위치되도록 관통 홀이 형성되어 있다. 상부 플레이트(2)와 렌즈를 수용하는 지지부재로서의 하부 플레이트(5)는 도1에서는 4개의 지지바(6)로 상부의 볼트들에 의해 결합된다. 하부 플레이트(5)의 상부에는 소스 렌즈(3)가 전자 방출원(1)과 상호 위치가 정렬되어 에폭시 본딩등에 의해 고정되어 있다. 하부 플레이트(5)의 좌우에는 디플렉터(4)가 배치되어 있다. 또한 하부 플레이트(5)의 하부에는 소스 렌즈(3)와 대향되게 아인젤 렌즈(미도시)가 소스 렌즈와 마찬가지로 정렬 고정되어 있다. 상부 및 하부 플레이트(2,5)는 전자 방출원(1)에서 방출된 전자빔이 렌즈들 및 디플렉터를 관통할 수 있도록 중심축에 모두 관통 홈이 형성되어 있다.

또한 도2는 종래의 전자칼럼의 작동 방식을 나타내는 개념도로서, 종래의 전자칼럼의 작동 개념을 설명한다.

도2-A에서, 전자 방출원(1)에서 방출된 전자빔(B)은 소스 렌즈(3)의 홀들을 관통하여 디플렉터(4)에 의해 디플렉팅되며 포커스 렌즈(6)에 의해 시료에 포커싱된다. 이와 같은 종래의 전자칼럼은 디플렉터(4)의 배선과 포커스렌즈(6)의 배선 등 조립 및 사용에 있어서 불편하다. 또한 그 공정이 복잡하다.

도2-B는 디플렉터형 렌즈 층을 사용하여 포커싱과 디플렉팅을 함께 수행하도록 하여 디플렉터를 없앤 실시예이다. 이 기술은 1995년에 발행된 Journal of Vacuum & Science Technology B13(6)의 2445-2449쪽의 "Lens and deflector design for microcolumn", 및 3802-3807쪽의 "The electrostatic moving objective lens and optimized deflection systems for Microcolumn"에 소개 되어 있다.

도2-B의 전자칼럼은 도2-A의 디플렉터(4)대신에 포커스 렌즈(6')가 중간 층에 이하에서 설명할(도4 설명 참조) 디플렉터형 렌즈층(6b)를 포함하여 포커싱 및 디플렉터 역할을 수행한다.

본 발명은 기존의 초소형 전자칼럼과는 달리 디플렉터를 포커스렌즈와 결합시켜 단순한 구조의 전자칼럼을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 상기와 같은 본 발명의 초소형 전자칼럼은 배선의 복잡성을 줄여서 시켜 공정을 단순화 시켰다.

또한 본 발명의 초소형 전자칼럼은 멀티 초소형 전자칼럼에서의 배선 및 제어 공정을 단순화 시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 단순 구조를 갖는 초소형 전자칼럼은 기본적으로 전자 방출원, 소스렌즈, 및 디플렉터를 포함한다.

또한 본 발명의 전자칼럼은, 전자 방출원, 및 렌즈부를 포함하는 전자칼럼에 있어서, 상기 렌즈부가 2개 이상의 렌즈 층으로 구성되어 소스 렌즈의 역할 및 포커싱이 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 초소형 전자칼럼은 종래의 전자칼럼과 비교하면 소스 렌즈가 포커스 렌즈의 기능을 같이 수행할 수 있다는 것이다. 또한 소스 렌즈가 포커싱 및 디플렉팅 기능을 모두 같이 수행할 수 있다는 것이다.

본 발명의 전자칼럼의 구조는 이미 개발된 전자칼럼(microcolumn) 기술을 응용한 것이다 ([1] H. S. Kim, D. W. Kim, S. J. Ahn, Y. C. Kim, S. S. Park, S. K. Choi, D. Y. Kim, J. Korean Phys. Soc., 43 (5), 831, (2003), [2] E. Kratschmer, H.S. Kim, M.G.R. Thomson, K.Y. Lee, S.A. Rishton, M.L. Yu, S.Zolgharnain, B.W. Hussey, and T.H.P. Chang, J. Vac. Sci. Techno. B 14 (6), 3792 (1996), [3] T.H.P. Chang, M.G.R. Thomson, E. Kratschmer, H.S. Kim, M.L. Yu, K.Y. Lee, S.A. Rishton, and B.W. Hussey, J. Vac. Sci. Techno. B 14 (6), 3774 (1996) 참조). 전자칼럼은 전자를 방출하는 전자방출원, 및 전자빔을 제어하고 빔의 일부를 걸러주는 3개의 전극(렌즈층)으로 이루어진 소스렌즈 부분, 전자빔을 스캔하기 위한 두 쌍의 8극 디플렉터(deflector), 그리고 전자빔을 모아주는 아인젤(Einzel) 렌즈 또는 포커싱 렌즈로 구성되는 것이 일반적이다. 이러한 구조는 전자현미경 및 리소그라피를 위한 기본구조로서 전자칼럼이 항상 이 구조로서 만들어지는 것은 아니다. 전자칼럼의 전체 길이는 3.5mm 이내로 제작이 가능하며 이것은 전자방출원에서 포커스렌즈의 마지막 전극까지의 총 길이이다. 기존의 칼럼에 비해서 초소형화된 칼럼은 빔 전류(beam current)를 극대화 할 수 있고, 각종 렌즈 수차들을 최소화 할 수 있어 분해능을 높일 수 있다. 또한, 1 ~ 2kV의 저전압으로 전자빔이 방출되므로 기존의 고전압(10kV 이상)을 사용할 때 문제가 되고 있는 스페이스 차징(space charging), 전자-전자 스캐터링(electron-electron scattering) 문제를 해결할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이러한 전자칼럼은 이미 개발된 반도체 미세가공기술을 활용하면 실리콘 또는 금속 멤브레인(membrane)으로 제작 가능하다.

본 발명에 따른 전자칼럼은 별도의 포커싱 렌즈가 없어 종래의 전자칼럼에 비해 그 구조가 단순해짐으로 인하여 배선 및 제어함에 있어 용이해지며 또한 멀티 전자칼럼에 있어서는 전자칼럼의 제작 및 렌즈 제어에 있어 보다 더 간단하고 용이해 진다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 초소형 전자칼럼을 보다 구체적으로 설명한다.

도3은 본 발명에 따른 전자칼럼의 작동 방식의 실시예들을 나타내는 개념도로서 도2의 종래의 전자칼럼의 작동방식에 대응된다. 도4는 본 발명에 따른 소스 렌즈 중 디플렉터의 역할을 병행하여 수행하는 렌즈 층의 평면도이다.

도3-A에서, 전자 방출원(11)에서 방출된 전자빔(B')은 소스 렌즈(13)의 홀들을 관통한다. 그리고 소스 렌즈(13)는 상부 렌즈층(13a), 중간 렌즈층(13b) 및 하부 렌즈층(13c)으로 구성되어 있다. 여기서 상부 렌즈층(13a)은 엑스트렉터의 역할을 하여 전자 방출원(11)으로부터 전자 방출을 유도하며, 중간 렌즈층(13b)은 전자 방출원(11)으로부터 방출된 전자들을 가속시키는 엑셀레이터의 역할 및 포커싱의 역할을 같이 수행하게 된다. 하부 렌즈층(13c)은 포커싱의 역할 및 전자 빔(B')이 시료에 잘 포커싱 되도록 하며 유효한 전자빔을 제한 한다. 그리고 이와 같이 포커싱된 전자빔은 디플렉터(14)에 의해 시료에 디플렉팅 된다.

도3-B에서, 전자 방출원(11)에서 방출된 전자빔(B')은 소스 렌즈(13＇)의 홀들을 관통한다. 그리고 소스 렌즈(13')를 관통한 전자빔(B')은 시료에 포커싱되며 디플렉팅 된다. 도3-B의 소스 렌즈(13＇)는 상부 렌즈층(13a), 중간 렌즈층(13b') 및 하부 렌즈층(13c)으로 구성되어 있다. 도3-B의 전자칼럼은 렌즈부가 소스 렌즈만으로 구성된 것으로 특히 중간 렌즈층(13b＇)이 디플렉터 형으로 3개의 렌즈 층만으로 간단한 전자칼럼을 구성하는 것이 특징이다. 즉, 디플렉터 형 렌즈 층을 사용함으로써 간단한 구조의 렌즈부를 가진 전자칼럼을 만들 수 있다. 또한 도3-B의 구성에서, 소스 렌즈를 모두 디플렉터형 렌즈 층으로서 구성할 수 도 있으나 일반 렌즈에 비해 디플렉터형 렌즈 층은 렌즈 배선이나 제어에 있어 복잡하므로 필요한 만큼만 사용하는 것이 바람직하다. 도3-B의 구성을 갖는 전자칼럼은 상부 렌즈 층(13a)이 엑스트렉터의 역할을 하여 전자 방출원(11)으로부터 전자 방출을 유도하며, 중간 렌즈층(13b＇)은 전자 방출원(11)으로부터 방출된 전자들을 가속시키는 엑셀레이터의 역할, 포커싱 및 디플렉터의 역할을 같이 수행하게 된다. 하부 렌즈층(13c)은 포커싱의 역할 및 전자 빔(B')이 시료에 잘 포커싱 되도록 하며 유효한 전자빔을 제한하도록 한다.

도3의 본 발명에 따른 전자칼럼의 작동 방식은 소스 렌즈의 렌즈층(전극)간 전압차를 두어 소스 렌즈를 통과하는 전자빔을 포커싱을 같이 할 수 있도록 한 것이다.

도4의 렌즈층(40)은 소스 렌즈(13) 또는 포커싱 렌즈(16)를 구성하는 3개의 렌즈 중 중간층의 렌즈(13b,13b',6b)에 해당하는 렌즈층으로서 디플렉팅 역할을 함께 수행한다. 도4의 렌즈(40)는 하나의 렌즈 층이 4개의 구역 또는 전극(41,42,43,44)으로 구분되어 있다. 4개의 구역은 4개의 절연부(49)에 의해 절연되어 각 4개의 구역(41,42,43,44)에 별도의 전압을 인가할 수 있다. 여기서 절연 부(49)는 절연물질로 형성될 수도 있으며 또는 분리되어 작은 공간 갭을 가지고 파이렉스 등으로 고정하면 분리되는 것만으로도 절연부가 형성될 수 있다.

위의 도3에서 소스 렌즈(13＇)의 중간층(13b＇) 만을 디플렉팅 하기 위하여 디플렉터 형(type)의 렌즈층으로 구성하였지만 3개의 층을 모두 디플렉터 형 렌즈층으로 구성할 수도 있다. 즉 소스 렌즈의 각 층중 선택하여 하나 이상을 디플렉터 형 렌즈층으로 하여 소스 렌즈를 구성할 수 있다. 일반적으로 소스 렌즈 또는 포커스 렌즈는 하나 이상의 렌즈층으로 이루어져 형성되나 본 발명에 따른 소스 렌즈부는 두개 이상의 층이 필요하며 그중 어느 하나 이상을 디플렉터 형 렌즈층으로 구성하면 도3-B의 작동 방식을 구현 할 수 있다.

렌즈부에는 각 렌즈 층별로 각각 전압이 인가된다. 그러나 일반 렌즈 층과는 다르게 디플렉터 형 렌즈에는 디플렉터 타입의 수만큼 다른 전압이 인가되도록 한다. 그리하여 디플렉터 형 렌즈 층에는 해당 층에 인가되어야 할 전압을 기준으로 하여 디플렉팅에 필요한 해당 구역의 부분에 디플렉팅을 위한 전압을 추가 또는 감소시켜서 인가하면 된다. 본 실시예에서 디플렉터 형 렌즈층은 4개의 구역으로 구분되어 디플렉터 역할을 수행하지만 8개의 구역으로 구분하여 사용할 수 있으며 분할할 구역의 수는 필요에 따라 분할하면 된다. 또한 도3에서 디플렉터는 하나의 층으로 구성되었으나 2개 이상으로 구성하여 디플렉팅 하는 것 또한 가능하다.

도5와 도6은 멀티 전자칼럼에서 본 발명에 따른 디플렉터 형 렌즈층을 사용하여 소스 렌즈를 구성하기 위한 각각의 렌즈층을 나타내는 것이다.

도5는 디플렉터 형이 아닌 일반 멀티 전자칼럼용 렌즈층(50)이며 도6은 디플 렉터 형 렌즈층(60)을 나타낸다. 위의 싱글 형 전자칼럼과 같이 멀티 전자칼럼의 렌즈도 도5의 일반 멀티 전자칼럼용 렌즈층과 도6의 멀티 전자칼럼용 렌즈층을 조합하거나 멀티 전자칼럼용 렌즈층만으로 멀티 전자칼럼용 소스 렌즈를 제작할 수 있다. 즉 도3에서 설명한 싱글 전자칼럼의 렌즈 구성과 동일 또는 유사하게 구성될 수 있다. 도5에서 도면부호52는 전자빔이 관통할 수 있는 홀(52)이며 53이 각각의 하나의 렌즈층(53)이 되는 것이다. 즉 싱글형 전자칼럼의 각 렌즈층에 해당한다.

도6은 디플렉터 형 멀티 전자칼럼용 렌즈층(60)으로 도4의 디플렉터형 렌즈가 도5와 같은 방식으로 멀티형으로 구성된 것이다. 도6에서 도면부호62는 전자빔이 관통할 수 있는 홀(62)이며 전극 63a,63b,63c,63d가 하나의 멀티형 렌즈층의 싱글 전자칼럼의 렌즈층에 해당되는 것이다. 절연부(69)는 도4의 렌즈층과 동일하다며, 각각의 작동은 도4의 싱글 전자칼럼의 디플렉터형 렌즈의 작동과 같이 기본적으로 필요한 전압 외에 디플렉팅을 위하여 각 구역에 별개의 전압을 인가하면 된다. 그러나 멀티 전자칼럼에서 각 디플렉터를 작동하기 위하여 디플렉터형 렌즈의 각각의 방위에 따른 각각의 구역에 개별적 배선을 하여 디플렉팅과 해당 렌즈층의 역할을 동시에 수행 할 수 있다. 멀티타입에서는, 상황에 따라 각 방위별로 동일한 전압을 인가하여 배선 및 전압제어를 보다 용이하게 할 수 있다. 이 경우 미리 전자빔에 대한 특성 및 동일한 방위의 각 구역마다 해당 렌즈층의 역할에 필요한 전압에 디플렉팅을 위한 전압을 부가하여 전압을 인가하면 된다. 예를 들면 포커싱 및 디플렉팅을 위한 전압인가에 대한 데이터 또는 소스 렌즈의 해당 전압에 디플렉팅을 위한 전압을 각 방위에 해당하는 부분에 부가하여 활용하는 것이 바람직하다.

도5 내지 도7에서 멀티 전자칼럼은 4개의 싱글형 전자칼럼이 2×2배열로 형성된 것이다. 그러나 멀티 전자칼럼은 본 설명과 동일한 방식으로 다양한 n×m 배열로 형성될 수 있다.

그 작동방식 또한 위의 싱글 형 전자칼럼과 마찬가지로 작동 시킬 수 있다. 멀티 전자칼럼용의 작동 방식은 2004.07.05일자 대한민국 특허출원 제10-2004-0052102호 "멀티 마이크로칼럼에서 전자빔을 제어하는 방법 및 멀티 마이크로칼럼"을 참조하면 된다.

도7-A는 본 발명에 따른 멀티 전자칼럼의 일 실시예의 분해 사시도로서, 본 발명에 따른 전자렌즈로 멀티 전자칼럼(70)을 형성하는 것을 도시한 것이다. 도7-A는 본 발명에 따른 멀티 전자칼럼은 멀티형 전자 방출원(71), 소스 렌즈(73), 및 두 개의 디플렉터형 렌즈(76b)로 구성된 디플렉터(76)를 포함하여 구성된다. 즉, 도5의 렌즈로 소스 렌즈(73)를 형성하고 도5 및 도6의 렌즈층들로 도면과 같이 디플렉터(76) 및 전자 방출원 층(71)으로 구성된 것이다. 디플렉터(76)의 층 중에서 도면 부호 76b가 디플렉터형 렌즈층(76b)이다. 디플렉터형 렌즈층(76b)사이의 층은 디플렉터간에 거리를 두기 위한 것으로 도5의 렌즈층과 같은 형상의 절연층으로 구성된다. 또한 도7-B는 본 발명에 따른 멀티 전자칼럼의 다른 실시예의 분해 사시도 로서, 위에서 설명한 도3-B와 같은 방식의 간단한 구조의 멀티 전자칼럼의 구성으로 디플렉터가 별도로 없이 소스 렌즈(73)의 중간층(73b)이 디플렉터 형 렌즈층으로 구성되어 있다

본 도면에서 렌즈층들의 조합으로 소스 렌즈나 디플렉터가 형성되는데 각 렌 즈층사이는 자세히 설명하지는 않았지만 절연층이 들어갈 수 있으며 렌즈간의 결합등은 종래의 방법에 의해 결합된다.

위에서 설명된 소스 렌즈는 본 발명에서 기존의 소스 렌즈의 역할을 하면서 동시에 포커싱을 수행하는 것으로, 기존의 명칭을 이용하여 소스 렌즈란 용어로 사용하였을 뿐 본 발명의 소스 렌즈는 종래의 소스 렌즈와는 구분되어야 할 것이다.

도1은 종래의 초소형 전자칼럼의 사시도이다.

도2-A 및 도2-B는 종래의 전자칼럼의 작동 방식을 나타내는 개념도이다.

도3-A는 본 발명에 따른 전자칼럼의 작동 방식 중 일 실시예를 나타내는 개념도이다.

도3-B는 본 발명에 따른 전자칼럼의 작동 방식 중 다른 실시예를 나타내는 개념도이다.

도4는 본 발명에서 사용되는 전자칼럼의 디플렉터 형 렌즈의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도5는 본 발명에서 사용되는 멀티 전자칼럼의 일반 렌즈의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도6은 본 발명에서 사용되는 멀티 전자칼럼의 디플렉터 형 렌즈의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도7-A는 본 발명에 따른 멀티 전자칼럼의 일 실시예의 분해 사시도 이다.

도7-B는 본 발명에 따른 멀티 전자칼럼의 다른 실시예의 분해 사시도 이다.

Claims (4)

1. 전자 방출원, 및 렌즈부를 포함하는 전자칼럼에 있어서,

   상기 렌즈부가 2개 이상의 렌즈 층으로 구성되어 소스 렌즈의 역할 및 포커싱이 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 전자칼럼.
2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈부가 하나 이상의 디플렉터 형 렌즈층을 구비하여 디플렉터 역할을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 전자칼럼.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전자 칼럼이 멀티 전자칼럼으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자칼럼.
4. 제3항에 있어서, 상기 멀티 전자칼럼이 웨이퍼 타입인 것을 특징으로 하는 전자칼럼.

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