KR20110121004A

KR20110121004A - 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR20110121004A
Application number: KR1020100040395A
Authority: KR
Inventors: 김영대; 유길연; 안태원
Original assignee: (주)펨트론
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-07

Abstract

본 발명은 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치에 관한 것으로, 고전압 속에서 필라멘트의 가열이 가능한 전류의 흐름이 가능하도록 상기 필라멘트와 바이어스의 2차측이 플로우팅되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 진공관이 파괴되는 등의 이유로 고압의 누설이 발생하는 경우, 보호 회로의 동작에 따라 필라멘트의 1차 측으로의 전원 유입을 차단함으로써 전류가 회로에 유기되는 것을 방지할 수 있게 된다.

Description

주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치{POWER SUPPLING APPARATUS FOR ELECTRON GUS OF SCANNING ELECTRON MICROSCOPE}

본 발명은 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공관이 파괴되는 등의 이유로 고압의 누설이 발생하여 전류가 회로에 유기되는 것을 방지할 수 있는 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치에 관한 것이다.

주사 전자 현미경(SEM : Scanning Electron Microscope)은 고체 상태에서 작은 크기의 미세 조직과 형상을 관찰할 때 널리 쓰이는 현미경으로서 1965년 최초로 상품화된 후 초점 심도가 깊고 3차원적인 영상의 관찰이 용이해서 복잡한 표면 구조나 결정 외형 등의 입체적인 형상을 높은 배율로 관찰할 수 있는 분석 장비로 널리 사용되고 있다.

이러한 주사 전자 현미경의 활용도는 매우 다양해서 금속 파편, 광물과 화석, 반도체 소자와 회로망의 품질 검사, 고분자 및 유기물, 생체 시료와 유가공 제품 등 전 산업 영역에 걸쳐 있다. 특히 X-선을 이용하여 작은 부피의 화학 조성을 빠르고 정확하게 측정할 수 있어서 SEM의 활용분야를 획기적으로 확장해주고 있다.

주사 전자 현미경은 집속 렌즈(Condenser lens)나 대물 렌즈(Objective lens)를 가지고 있으나, 광학 현미경이나 투과 전자 현미경(TEM : Transmission Electron Microscope)처럼 빛의 법칙에 따라서 화면을 형성하지 않고, 전자기 렌즈 모듈이 전기가 통하는 시편의 표면에 초점을 형성한 전자빔 spot을 형성하고 이 spot이 관찰하고자 하는 시편 부위를 주사하여 영상을 형성한다.

주사 전자 현미경에서의 전자총의 역할은 전자를 만들고 가속시키는 역할을 한다. 전자총은 전자선(electron ray)의 형태로 사용되는 안정된 전자원을 공급하게 되는데, 충분한 양의 2차 전자를 생산할 수 있을 만큼 많은 양의 1차 전자를 만들되, 자기렌즈에 의해서 작은 빔을 효과적으로 형성하도록 고안되어 있다.

원자 내의 전자는 원자핵과의 전기력 작용에 의하여 특정 위치에서 일정한 에너지를 갖고 있기 때문에 전자가 상온에서 자기 위치를 벗어나 공중으로 방출되는 일은 거의 일어나지 않지만, 전자가 갖고 있는 에너지 장벽(일함수 : Work function) 이상의 에너지가 주어질 경우 전자가 튕겨져 나오게 된다.

즉, 전자총의 필라멘트로 사용되는 텅스텐과 같은 금속을 높은 온도로 가열시키면, 표면의 원자에 구속되어 있던 전자들이 원자핵의 속박에서 벗어나 진공 중으로 이탈된다.

주사 전자 현미경의 전자총은 통상 열 방사형(Thermionic electron gun)과 전계 방사형(Field emission electron gun)으로 나뉘어진다.

열 방사형(Thermal emission)의 경우 음극은 주로 텅스텐으로 약 100㎛ 직경의 선 필라멘트로서 끝이 V자 모양을 가진 머리핀 모양으로 구부러져 있다. 텅스텐은 일함수 값이 4.5 eV로 크지 않고, 융점은 3,650K로 매우 높기 때문에 필라멘트로 많이 사용되며, 일반적으로 필라멘트에 직접 전류를 가하여 약 2,700K까지 가열한다.

한편, 고급 전자 현미경에서는 발생된 전자의 밀도(즉, 단위 각도상 단위면적당 전자의 수)를 높이기 위해서 LaB₆(lanthanium hexaboride)를 사용하며, 1900K의 온도로 가열하여 사용한다. LaB₆는 표면 원자흡착에 의해 전자방출성이 현저히 떨어지는 문제가 있으므로 고진공을 유지하여야 한다.

필라멘트에서 튕겨져 나온 전자는 1~30 kV의 고압을 걸어서 가속시킨다. 전자총은, 도 1에 도시된 바와 같이, 필라멘트 전원(cathode)과 필라멘트가 있고, 필라멘트 주위를 감싸고 있는 웨넬트 실린더(Wehnelt cylinder), 그리고 가속 전극 역할을 수행하는 양극판(Anode plate)으로 구성된다. 30kV의 고전압을 발생시키는 고압회로의 전압 및 전류의 안정도는 주사 전자 현미경의 이미지의 화질에 지대한 영향을 미치므로 치밀한 설계가 요구된다.

여기서, 웨넬트 실린더(Wehnelt cylinder)에 바이어스 전압이 가해지면 웨넬트 실린더(Wehnelt cylinder)는 음극인 필라멘트보다 더 마이너스 전압을 띠게 되고, 이로 인해 필라멘트에서 방출된 전자는 척력을 받게 되어 가운데로 집속된다.

그리고, 음극인 필라멘트와 양극판 사이에 가해지는 전압을 가속 전압(Accelerator voltage)이라고 하는데 이에 의해 필라멘트에서 방출된 전자가 가속되어 아래 방향으로 방사되면서 전자빔을 형성하게 된다.

상기와 같은 고전압 하에서 동작하는 주사 전자 현미경은 진공 상태의 유지가 가능한 챔버 내에 수용되는데, 챔버의 진공 상태가 파괴되거나 다른 이유 등으로 인하여 고압 누설이 발생하게 되면, 전류(최대 300μA)가 회로로 유기됨에 따라 회로의 손상을 발생하는 문제가 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 진공관이 파괴되는 등의 이유로 고압의 누설이 발생하여 전류가 회로에 유기되는 것을 방지할 수 있는 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 고전압 하에서 필라멘트의 가열을 위해 충분한 전류가 흐를 수 있게 하여 필라멘트의 가열 성능이 향상된 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치에 있어서, 고전압 속에서 필라멘트의 가열이 가능한 전류의 흐름이 가능하도록 상기 필라멘트와 바이어스의 2차측이 플로우팅되는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치에 의해서 달성된다.

여기서, 변압기의 2차측에 기 설정된 전압 이상의 고전압이 발생하는 경우, 상기 변압기의 1차측으로의 전압 입력을 차단하는 전류 누설 보호회로를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 전류 누설 보호회로는, 상기 변압기의 2차측에 고전압이 발생하는지 여부를 감지하는 제너다이오드와; 상기 제너다이오드의 동작에 따라 스위칭되는 릴레이를 포함할 수 있다.

상기 구성에 따라 본 발명에 따르면, 진공관이 파괴되는 등의 이유로 고압의 누설이 발생하는 경우, 보호 회로의 동작에 따라 필라멘트의 1차 측으로의 전원 유입을 차단함으로써 전류가 회로에 유기되는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 플리멘트와 바이어스의 2차측을 플로우팅(Floating) 시킴으로서, 고전압 하에서 필라멘트의 가열을 위해 충분한 전류가 흐를 수 있게 되어 필라멘트의 가열 성능이 향상될 수 있다.

도 1은 통상적인 주사 전자 현미경의 전자총의 구성을 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치의 회로 구성을 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명에 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치의 전류 누설 보호회로를 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 본 발명에 따른 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치의 기본 구성은 도 1을 참조하여 설명한다.

여기서, 주사 전자 현미경에서의 전자총의 역할은 전자를 만들고 가속시키는 역할을 한다. 여기서, 본 발명에 따른 주사 전자 현미경의 전자총은, 도 1에 도시된 바와 같이, 열 방사형(Thermal emission)으로 마련된다.

전자총의 음극은 주로 텅스텐으로 약 100㎛ 직경의 선 필라멘트로서 끝이 V자 모양을 가진 머리핀 모양으로 구부러져 있다. 텅스텐은 일함수 값이 4.5 eV로 크지 않고, 융점은 3,650K로 매우 높기 때문에 필라멘트로 많이 사용되며, 일반적으로 필라멘트에 직접 전류를 가하여 약 2,700K까지 가열한다.

필라멘트에서 튕겨져 나온 전자는 1~30 kV의 고압을 걸어서 가속시킨다. 전자총은, 도 1에 도시된 바와 같이, 필라멘트 전원(cathode)과 필라멘트가 있고, 필라멘트 주위를 감싸고 있는 웨넬트 실린더(Wehnelt cylinder), 그리고 가속 전극 역할을 수행하는 양극판(Anode plate)으로 구성된다.

여기서, 본 발명에 따른 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 바이어스 전압 회로가 Half-fixed Bias를 구성하여 필라멘트와 웨넬트 실린더 간에 열전자 방출로 인하여 전계가 형성되었을 경우, 바이어스 전압이 변하도록 마련된다.

즉, 고전압 속에서 필라멘트의 가열을 위한 충분한 전류가 흐를 수 있도록, 도 2의 ‘A’로 표시된 영역에서와 같이, 필라멘트와 바이어스의 2차측이 플로우팅(Floating)된다. 이와 같은 플로우팅은 가속 전압(Acceleration Voltage(최대 30kV)가 인가된 상태에서 약 10A의 전류를 필라멘트로 전달하게 된다.

한편, 제어기(미도시)에서 가변 범위가 일정한(0~10V) 범위에서 가변 가능토록 하고, 고압 발생 측에서는 가변 전압 안에서 가속 전압(Acceleration voltage : 0~-30kV), 바이어스 전압(Bias voltage : 0 ~ 6kV, 가열 전류(Heating Current : 0~15A)가 발생하도록 설계된다.

그리고, 입력된 전압범위에서 RLC 공진을 통하여 변압기(Transformer)의 상호 인덕턴스(Inductance)를 야기시키고, 이를 통해 고압의 경우 변압기(Transformer)의 1차측 대비 약 70배에 해당하는 전압을 얻을 수 있다.

변압기의 2차측의 전압(약 1200V)을 토대로 체배 회로를 통하여 최대 -30kV까지의 출력을 얻으며, 변압기(Transformer)의 2차 측의 전압을 1kV정도로 낮춤으로써 1차측과 2차측의 이격 거리가 줄었으며, 체배 회로를 늘림으로써 원하는 출력을 얻을 수 있다.

고압 출력상의 바이패스 커패시터(By-pass Capacitor)의 용량(200pF 2단)의 변화를 통하여 리필 노이즈(Ripple Noise)를 최소화하였다. 그리고, 바이어스와 가열 전류 단은 2차측에서 1차측으로의 피드백(Feedback)을 설정하지 않고, 플로우팅(Floating)시킴으로써 1차측과의 절연 효과를 최대화할 수 있으며, 가속 전압 단을 통함으로써 2차측 전체 사용 전류를 한 지점에서 체크할 수 있게 된다.

또한, T1 트랜스포머에는 하니컴(Honey-Comb) 감이 방식을 통해, 다층 권선에서 권선과 권선 사이의 분포용량과 유전체 손실을 감소시키고, Q를 높이기 위해 상,하 겹치는 층의 권선을 상호 교차하도록 권선하였다. 이는 일반적인 트랜스포머 권선 방식에 비해 Power의 크기 및 부피를 상당히 줄일 수 있는 효과도 제공하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치는 진공이 파괴되거나, 어떤 다른 이유로 인하여 고압이 누설되어, 전류(최대 300uA) 이상의 전류가 회로에 유기됨을 방지하기 위한 전류 누설 보호회로를 포함한다.

도 3은 본 발명에 따른 전류 누설 보호회로를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하여 설명하면, D5를 통해 들어오는 전류 모니터링(Current Monitoring) 값, 즉 변압기의 2차측으로부터 들어오는 전류값(전압값으로 변환되어서 들어올 수 있다)을 감지하여 D8 제너다이오드에 설정된 전압(대략 12V) 이상이 들어오면 Q6을 통해서 릴레이(Relay, K1)가 동작하여 차단 동작이 진행됨으로써, 변압기의 1차 측으로의 입력전압의 입력이 차단된다. 따라서, 변압기의 출력, 즉 2차측으로의 전압 출력도 동시에 차단됨으로써, 사용자는 물론 회로나 장비 등을 손상을 방지하게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치에 있어서,
고전압 속에서 필라멘트의 가열이 가능한 전류의 흐름이 가능하도록 상기 필라멘트와 바이어스의 2차측이 플로우팅되는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치.
제1항에 있어서,
변압기의 2차측에 기 설정된 전압 이상의 고전압이 발생하는 경우, 상기 변압기의 1차측으로의 전압 입력을 차단하는 전류 누설 보호회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치.
제2항에 있어서,
상기 전류 누설 보호회로는,
상기 변압기의 2차측에 고전압이 발생하는지 여부를 감지하는 제너다이오드와;
상기 제너다이오드의 동작에 따라 스위칭되는 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경의 전자총 전원 공급 장치.