KR20120059442A - 초소형 칼럼용 리드 프레임을 이용하여 제작되는 렌즈-디플렉터 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초소형 칼럼 제작을 위한 렌즈 및 디플렉터의 조립체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 리드 프레임을 이용하여 초소형 칼럼용 소스렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈의 조립 패키징(packaging)에 관한 것이다.

Description

초소형 칼럼용 리드 프레임을 이용하여 제작되는 렌즈-디플렉터 조립체{A lens-deflector assembly produced by using a lead frame for a microclolumn}
본 발명은 초소형 칼럼 제작을 위한 렌즈 및 디플렉터의 조립체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 리드 프레임을 이용하여 초소형 칼럼용 소스렌즈, 디플렉터, 포커스 렌즈(아인젤 렌즈), 그리고 디텍터의 조립 패키징(packaging)에 관한 것이다.
리드 프레임을 베이스로 전자 렌즈를 조립하여 효율적인 인터커넥팅 (interconnecting) 방법을 사용하여 대량 제조가 가능하도록 하는 것이다.
초소형 전자칼럼 (microcolumn)은, 스캐닝 터널링 현미경(STM)의 기본 원리 하에서 작동하는 전자방출원 및 미세구조의 전자광학 부품에 기초한 초소형 전자 칼럼은 1980년대 처음 도입되었다. 초소형 전자 칼럼은 미세한 부품을 정교하게 조립하여 광학 수차를 최소화하여 향상된 전자 칼럼을 형성하고, 작은 구조는 여러 개를 배열하여 병렬 또는 직렬구조의 멀티형 전자 칼럼구조에 사용이 가능하다. 이를 위해 반도체 공정을 이용해서 실리콘 웨이퍼로 렌즈를 만드는 데 렌즈의 구경부분을 맴스 공정에 의해 멤브레인으로 만들어 사용하기도 한다.
이와 같은 초소형 전자 칼럼은 전자 현미경이나 반도체 리소그라피, 또는 전자 빔을 이용한 계측(metrology) 및/또는 검사(inspection)장치, 예를 들어 반도체 소자의 비아홀/컨택홀(via hole / contact hole)의 이상 유무 검사, 시료의 표면 검사 및 분석, 그리고 LCD 나 OLED 소자에 있어서 TFT(Thin Film Transistor)의 이상 유무 검사 등에 사용된다.
도 1은 초소형 전자 칼럼의 구조를 나타내는 도이며, 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈가 정렬되어 전자 빔이 주사되는 것을 나타낸다.
일반적으로 초소형 전자 칼럼으로서 대표적인 마이크로칼럼은 화살표로 표시된 전자들을 방출하는 전자 방출원(110), 전자들을 방출, 가속 및 전자량을 제어하도록 3개의 전극층들로 이루어고 상기 방출된 전자들을 유효한 전자 빔으로 형성하는 소스 렌즈(120), 상기 전자 빔을 편향시키는 디플렉터(150), 및 상기 전자 빔을 시료(s)에 집속(focusing)시키는 집속(focus) 렌즈(아인젤 렌즈,140)로 구성된다. 일반적으로 디플렉터는 소스 렌즈와 아인젤 렌즈 사이에 위치된다. 마이크로칼럼의 일반적인 작동을 위하여, 음전압(약 -100 V ~ - 2 kV)이 전자 방출원에 인가되고, 소스 렌즈의 전극층들은 일반적으로 접지(ground)된다. 포커싱 렌즈의 예로서 아인젤 렌즈는 양측의 외부 전극층은 접지시키고 그리고 중앙의 전극층에 음(-)전압(감속 모드)을 인가하거나 또는 양(+)전압(가속 모드)을 인가시킴으로써 전자 빔을 집속하도록 한다(포커싱하도록 사용된다). 동일한 작동 거리에서, 감속 모드의 집속 전압의 크기는 가속모드에서 보다 작다. 동기가 맞추어진 편향(deflecting) 전압은 전자 빔의 경로를 조절하여 시료 표면에 전자 빔을 일정한 주기로 주사시키기 위해 인가된다. 상기 소스 렌즈나 집속 렌즈와 같은 전자 렌즈는 중앙에 전자 빔이 관통하도록 원이나 소정의 형상을 갖는 어퍼쳐를 구비한 전극층을 2개 이상 포함하여 전자 빔을 제어하는 데 통상적으로는 3개의 전극층으로 형성된다.
전자 칼럼의 종류로는 하나의 전자 방출원과 상기 전자 방출원에서 발생된 전자 빔을 제어하기 위한 전자 렌즈들로 구성된 싱글 전자 칼럼과 다수의 전자 방출원에서 방출된 다수의 전자 빔을 제어하기 위한 전자 렌즈들로 구성된 멀티형 전자 칼럼으로 구분된다. 멀티형 전자 칼럼은 반도체 웨이퍼와 같이 하나의 층에 다수의 전자 방출원 팁이 구비된 전자 방출원과 하나의 층에 다수의 어퍼쳐가 형성된 렌즈 층이 적층된 전자 렌즈를 포함하여 구성된 웨이퍼 타입 전자 칼럼과, 싱글 전자 칼럼과 같이 개개의 전자 방출원에서 방출된 전자 빔을 다수의 어퍼쳐를 가진 하나의 렌즈 층으로 제어하는 조합형 전자 칼럼, 싱글 전자 칼럼들을 하나의 하우징에 장착하여 사용하는 어레이(array) 방식 등으로 구분될 수 있다. 조합형의 경우 전자 방출원이 별개로 구분될 뿐 렌즈는 웨이퍼 타입과 동일하게 사용할 수 있다.
위와 같은 전자 칼럼은 정밀하고 정교한 작업으로 렌즈와 디플렉터 그리고 전자 방출원 등이 개별적으로 제작되어 조립되는 데, 예를 들어 대한민국 특허 공개 2005-0029794호 "초소형 전자칼럼"과 같이 고정을 위한 부품들 및 하우징에 고정되고 조립된다. 그러나 이런 하우징을 이용한 칼럼의 제작은 별도의 공정으로 매우 정밀하고 정교한 새로운 작업의 추가를 의미한다. 따라서 제작이 용이하고 비용이 절감될 수 있는 칼럼이 필요하다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명은 제작이 간편하고 그 크기도 작은 초소형 전자 칼럼을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 쉽게 제작된 멀티형 전자칼럼을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초소형 전자 칼럼은, 상기 칼럼의 전자 렌즈들과 디플렉터가 리드 프레임에 의해 지지되며 패키징 된 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체를 이용하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체는, 리드 프레임을 중심으로 상부에는 소스 렌즈와 상부 디플렉터가 그리고 하부에는 하부 디플렉터 및 포커스 렌즈가 배치되거나, 또는 소스 렌즈, 디플렉터, 및 포커스 렌즈가 모두 리드 프레임 위에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전자 칼럼은 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체에 디텍터가 추가 될 수 있다. 이러한 디텍터는 전자를 디텍팅 하는 것으로서, 실리콘 기재로 반도체 공정으로 제조될 수 있는 디텍터 또는 BSED(back scattering electron detector)가 포함되는 것이 바람직하며, 디텍터는 아인즐 렌즈 상단 또는 하단에 위치하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체는, 상기 리드 프레임은 반도체 패키지 공정에서 사용하는 것으로서 다이 본딩으로 각 렌즈층과 디플렉터를 결합시키며, 그리고 상기 리드 프레임은 렌즈층과 디플렉터로부터 와이어 본딩되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 전자 칼럼은 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체의 렌즈 층 상부에 전자 방출원이 함께 패키징되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체는, 상기 리드 프레임에 패키징 된 렌즈와 디플렉터들이 모두 에폭시, 또는 어나딕 본딩(anodic bonding), 이타딕 본딩(eutectic bonding) 등과 같은 기타 다른 본딩 등을 이용해서 패키징되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 전자 칼럼은, 메인 플레이트에 n×m 배열되고 리드 프레임으로 배선 및 고정되어 멀티 초소형 전자 칼럼으로 작동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 렌즈들과 디플렉터가 리드 프레임에 의해 지지되며 패키징되면 용이하게 초소형 전자 칼럼을 제작할 수 있다.
또한 본 발명에 따라 칼럼이 리드 프레임에 지지 패키징되면 용이하게 멀티화 칼럼을 만들 수 있다.
또한 본 발명에 따라 칼럼이 리드 프레임에 지지 패키징되면 별도의 하우징이나 조립 방식이 줄게 되어 제작 비용이 줄고 보관 관리 및 사용이 보다 간편해 진다.
또한 본 발명에 따라 칼럼이 리드 프레임에 지지 패키징되면 배선이 정확하고 간편해져 정확한 제어가 용이하게 되며 기존의 복잡한 배선에 의해 발생되는 노이즈 등이 줄어들게 된다.
도 1은 초소형 전자 칼럼의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 리드 프레임, 렌즈층 및 디플렉터의 예를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 리드 프레임을 기준으로 렌즈들과 디플렉터를 적층한 예를 도시한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 적층에 활용될 수 있는 얼라인 마크를 구비한 렌즈의 예를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 리드 프레임을 기준으로 렌즈들과 디플렉터를 적층한 예를 도시한 사시도 및 그 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 멀티형 리드 프레임 베이스의 예를 나타내는 평면도이다.
도 7은 단위 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체들을 기판에 적층하여 멀티 칼럼을 형성하는 것을 도시한 사시도이다.
도 8은 도 2 내지 도 5의 실시예에서 설명된 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체에 전자 방출원까지 적층 조립된 것을 나타내는 단면도이다.
본 발명의 초소형 전자 칼럼은 마이크로 정전 렌즈 및 디플렉터(deflector)를 포함하는 고종횡비의 기계적 미세구조물이다. 이 렌즈 조립체는 (렌즈 전극용 멤브레인 창을 갖춘) 다중층의 실리콘 칩이거나, 또는 100 내지 500㎛ 두께의 절연층에 의해 이격된 실리콘 홀이다. 이들 마이크로칼럼의 렌즈조립체는 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터 크기의 구경을 가진다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 적층 및 조립에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 리드 프레임, 렌즈층 및 디플렉터의 예를 도시한 평면도이다. 렌즈층(20)은 가운데 전자빔이 관통하는 어퍼져(구경, 25)을 구비하고 있다. 본 렌즈층(20)은 일반적으로 정전 렌즈로서 실리콘 반도체로 만들어진다. 이와 같은 렌즈층(20)은 전극(층)으로 표현되기도 하는데 단일 층구조의 전극으로 2개 이상 적층되어 소스 렌즈 또는 포커스 렌즈 등의 렌즈 역할을 하게 된다. 그리고 디플렉터(150)는 전자빔을 스캔하도록 하는 것으로 일반적으로 하나의 층에 4개 이상의 개별 전극을 구비하는 데 도2에 도시된 바와 같이 8개의 개별 전극(151)이 사용되기도 하며 중앙에는 전자빔이 관통하도록 어퍼쳐(155)를 구비한다. 상기 디플렉터(150)도 상기 렌즈와 같은 재질로 만들어지며, 단지 개별 전극들을 구분하기 위하여 어퍼쳐를 만들듯이 각 전극을 절연되도록 분리한다. 상기 디플렉터(150) 및 렌즈층(20)들이 적층될 리드 프레임 베이스(200)는 중앙에 전자빔이 관통될 수 있도록 어퍼쳐(250)를 구비하고 개별 리드(210)들이 일반 리드 프레임처럼 구비하고 있다.
도 3은 본 발명에 따라 리드 프레임을 기준으로 렌즈들과 디플렉터를 적층한 예를 도시한 단면도들이다. 본 실시예에서, 도 3a와 같이, 중앙에 리드 프레임 베이스(200)가 배치되고, 상부측에 바로 상부 디플렉터(350)가 배치되고 다시 그 위에 3개의 렌즈층(20)들이 적층되어 소스 렌즈(120)를 형성하고, 하부측으로는 바로 하부 디플렉터(360)가 배치되고 다시 그 아래에 3개의 렌즈층(20)들이 적층되어 포커스 렌즈(140)를 형성한다. 여기서 도 3의 디플렉터(350, 360)는 도 2의 디플렉터(150)가 두 개 사용된 예를 나타낸 것이다. 도 3b는 도 3과 같이 적층된 상태에서 각 전극(20)들과 해당 리드(210)를 와이어(220)로 도통되게 본딩이 된 것을 도시한다. 도 3c는 도 3b에서 와이어 본딩이 완료된 상태에서 일반적인 반도체 패키징과 같이 에폭시 몰딩(230)으로 고정한 상태를 나타낸 것이다. 여기서 디텍터는 도시되지 않았지만 포커스 렌즈(140) 상단 또는 하단에 위치하게 된다. 또한 포커스 렌즈(140) 하단에 있는 경우 에폭시 몰딩 밖에도 위치할수 있다.
도 3에서 각 렌즈층(20)과 디플렉터(150, 350, 360) 사이는 절연층(190)에 의해 절연된다. 그리고 각 렌즈층(20)과 디플렉터(150, 350, 360)는 다이 본딩(Die Bonding)과 같이 본딩으로 적층이 가능하다. 렌즈 등의 적층시 정렬이 매우 중요한 데, 대한민국 특허 공개 제 10-2003-0004627 호(레이저를 이용한 전자렌즈의 정렬 방법)과 같이 레이저를 이용해서 정렬을 할 수도 있고, 도 4와 같이 렌즈층(20)에 얼라인 마크(29)를 이용해서 정렬을 할 수도 있다. 이 경우 리드 프레임 베이스(200)이나 디플렉터(150) 등에 얼라인 마크를 만들어 정렬할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 리드 프레임을 기준으로 렌즈들과 디플렉터가 적층된 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체(100)의 완성된 예를 도시한 사시도와 그 단면도이다. 도 5는 도 2내지 도 4의 실시 예로 제작된 완성된 조립체(100)이다. 여기서 전자 방출원(110)은 포함되지 않았지만 별도로 적층시 포함시킬 수도 있고 아니면 후술 하는 바와 같이 함께 적층시킬 수 있다. 본 도면에서 전자 방출원(110)과 결합하여 전자들이 들어 갈 수 있도록 어퍼쳐 홀(235)이 구비되어 있다. 만일 전자 방출원과 같이 결합된 상태라면 이 어퍼쳐 홀(235)은 필요 없고 하부에 전자빔이 주사될 어퍼쳐만 있어도 된다. 그리고 전자 방출원까지 결합되면 하나의 완성된 전자 칼럼이 된다.
도 5에 도시된 바와 같이 각 렌즈층(20)은 리드 프레임 베이스(200)에서 멀어질 수록 그 크기가 작아져서 와이어링을 할 공간을 만든 것이다. 그러나 대한민국 특허 공개 제 10-2005-0012493 호(마이크로칼럼의 렌즈조립체 제조 방법 및 그 방법에 의해 제작된 렌즈 조립체)의 경우 도 5의 예처럼 렌즈의 사이즈가 올라갈 수록 작을 필요가 없이 렌즈들을 엇갈려서 적층하여 와이어링 공간을 확보할 수 있으며 또한 대한민국 특허 공개 제 10-2001-0075293 호 (레이저 스폿 용접을 사용한 마이크로칼럼 조립체)와 같이 스폿 용접을 할 공간을 와이어링에 이용하면 도시된 바와 같이 렌즈층의 사이즈를 개별적으로 나눌 필요는 없다. 렌즈의 형상이 원형인 경우 도 5의 실시예가 적합할 것이며, 렌즈 형상이 사각형인 경우에는 45도 엇갈려서 동일한 크기의 렌즈 층들을 적층하여 사용하거나 별도의 공간을 만들어 쓰면 된다. 특히 엇갈려서 렌즈들을 적층할 경우 위에서 설명한 레이저를 이용한 전자렌즈의 정렬 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 5의 예와 달리 리드 프레임 베이스 위에 모든 렌즈층과 디플렉터들을 적층할 수 도 있다. 이 경우 렌즈 사이즈를 줄이면서 적층하게 되면 렌즈의 사이즈 구분이 많아져야 하는 단점이 있으나 엇갈림 방식의 적층을 이용하면 렌즈 외형의 구분없이 적층이 가능하다. 다만 이 경우 적층의 수가 많아지면 와이어링을 위한 공간이 렌즈에서 부족해 질 수 있는 단점이 있다. 그러나 도 3 및 도 5의 실시예와 같이 중간층에 리드 프레임 베이스(200)를 배치한 경우 위 아래의 렌즈층이나 디플렉터의 와이어링 공간이 더 여유를 갖게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 멀티형 리드 프레임 베이스(200')의 다른 예를 나타내는 평면도로서, 4×4 의 배열로 적층 조립 될 수 있도록 만들어진 리드 프레임 베이스(200)이다. 즉, 다양한 배열로 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체(100)를 만들 수 있다. 이와 같은 공정은 도 5의 각 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체(100)를 형성하는 단위 유니트별로 렌즈층과 디플렉터들을 적층할 수도 있고, 렌즈층이나 디플렉터도 본 멀티형 리드 프레임 베이스(200')과 같이 큰 층으로 만들어 한번에 정렬하여 제작할 수 있다. 이러한 제작은 반도체 공정을 활용하여 얼라인 키를 쓰면 가능하다.
도 7은 단위 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체(100)들을 기판(300)에 적층하여 멀티 전자 칼럼을 형성하는 것을 도시한 것이다. 여기서 기판(300)은 절연기판인 알루미나 또는 LTCC 기판을 활용할 수 있다. LTCC 기판 내부에 배선을 해서 사용하면 멀티형 전자칼럼의 활용에 더욱 구조가 간단해져 사용이 편리해 질 수 있다.
도 8은 도 2 내지 도 5의 실시예에서 설명된 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체(100)에 전자 방출원(110)까지 적층 조립된 것이다. 전자 방출원은 다양한 형태의 방출원이 사용되나 본 실시예에서는 실리콘 웨이퍼에 전자 방출원 팁이 형성된 전자 방출원(110)이 바람직하다. 예로서는 웨이퍼에 나노 튜브등의 방출원 팁이 형성되거나 웨이퍼 표면을 식각하여 팁을 형성한 구조의 방출원 팁이 바람직하다. 즉 렌즈층과 같이 적층 조립이 가능한 방출원들이 활용가능하다. 이 경우 위의 예에서 에폭시 본딩시 상부의 전자빔 통과를 위한 어퍼쳐 홀(235)은 필요없이 막히게 되고 아랫부분에만 어퍼쳐가 구비되어 빔이 조사 방출될 수 있으면 된다. 따라서 도 8 실시예의 조립체(100')를 도 5 및 도 7의 실시 예와 비교해서 설명하면, 본 조립체(100')는 별도의 방출원이 필요없어, 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체(100')가 방출원까지 포함하여 하나의 전자 방출원 자체로 구성될 수 있다. 또한 디텍터가 전자 칼럼에 포함될 수 있는데, 그 위치는 전자빔 진행방향으로 마지막 층으로 부착되는 것이 바람직하다.
또한 도 6의 멀티형 리드 프레임 베이스처럼 렌즈층이나 디플렉터도 하나의 층에 여러 단위 렌즈들을 어퍼쳐(250) 기준으로 n×m 배열로 크게 만들어 하나의 웨이퍼 타입 멀티 층으로 만들어 사용할 수 있다. 따라서, 도 7과 같은 하나의 기판(300)에 도 6의 프레임(200)을 이용해서 웨이퍼 타입 멀티 층들을 적층 가공하여 도 7 과 같은 멀티 조립체를 하나의 멀티 웨이퍼 타입의 칼럼으로 제작할 수도 있다..
또한 위의 전자 칼럼은 동일한 정전 렌즈를 사용하고 디플렉터를 사용하는 이온빔을 포함하는 다른 입자빔 칼럼에도 동일하게 적용이 가능하다. 위에서 본 발명을 초소형 전자 칼럼 위주로 설명하였으나, 본 발명은 반도체 공정으로 제작된 실리콘 렌즈 및 디플렉터에 모두 적용가능하며 웨이퍼 타입의 입자 방출원을 활용하는 경우 적용이 가능하다. 따라서 이온빔을 주사하는 칼럼 등 초소형 칼럼에 본 발명의 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체 기술을 적용할 수 있다.
100 : 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체
110 : 전자 방출원
20 : 렌즈층
150 : 디플렉터

Claims (7)

  1. 초소형 전자 칼럼에 있어서,
    상기 칼럼의 전자 렌즈들과 디플렉터가 리드 프레임에 의해 지지되며 패키징 된 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체를 이용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자 칼럼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체는,
    리드 프레임을 중심으로 상부에는 소스 렌즈와 상부 디플렉터가 그리고 하부에는 하부 디플렉터 및 포커스 렌즈가 배치되거나, 또는
    소스 렌즈, 디플렉터, 및 포커스 렌즈가 모두 리드 프레임위에 배치되는 것,
    을 특징으로 하는 초소형 전자 칼럼.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리드 프레임은 반도체 패키지 공정에서 사용하는 것으로서 다이 본딩으로 각 렌즈층과 디플렉터를 결합시키며, 그리고
    상기 리드 프레임은 렌즈층과 디플렉터로부터 와이어 본딩되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자 칼럼.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체의 렌즈 층 상부에 전자 방출원이 함께 패키징되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자 칼럼.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리드 프레임에 패키징 된 렌즈와 디플렉터들이 모두 에폭시, 어나딕 본딩(anodic bonding), 또는 이타딕 본딩(eutectic bonding)을 이용해서 패키징되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자 칼럼.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈-디플렉터 리드 프레임 조립체에 디텍터를 더 포함하여 패키징되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자 칼럼.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 초소형 전자 칼럼들이 메인 플레이트에 n×m 배열되고 상기 리드 프레임으로 배선 및 고정되는 멀티 초소형 전자 칼럼.
KR1020110127343A 2010-11-30 2011-11-30 초소형 칼럼용 리드 프레임을 이용하여 제작되는 렌즈-디플렉터 조립체 KR20120059442A (ko)

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