KR20130135541A - Scanning electron microscope - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a scanning electron microscope. According to the present invention, the scanning electron microscope includes an electron gun generating electron beam; a column comprising the electron gun, a condensing lens, a deflector, an object lens, and an aperture; at least one detector. [Reference numerals] (200) non vaccum chamber (inert gas);(202,203) Detector;(204) Specimen;(300) Data obtaining and image grabber;(320) Computer;(AA) Electron gun;(BB) Secondary electron

Description

주사 전자 현미경{Scanning electron microscope}Scanning electron microscope

본 발명은 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자총을 구비한 진공(vaccum) 상태의 경통(column)과 미세거리로 이격된 비진공 챔버(non vaccum chamber)에 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 중 어느 하나의 불활성 가스가 주입되고, 비진공 챔버(non vaccum chamber)의 경계면에 설치된 필터(filter)를 통해 경통(column)으로부터 주사된 전자빔의 가속된 전자들이 조사된 시료에 방출된 2차전자 등의 검출 신호를 감지하는 다수의 검출기로 구성되고, 챔버(chamber)가 경통(column)과 분리 가능하여 다양한 경통(column)과 인터페이스가 가능한, 개선된 주사 전자 현미경에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning electron microscope (SEM), and more particularly, to a non-vaccum chamber spaced at a fine distance from a column in a vacuum state having an electron gun. An inert gas of any one of helium (He), neon (Ne), and argon (Ar) is injected, and an electron beam scanned from a column through a filter installed at an interface of a non vaccum chamber. Accelerated electrons are composed of a plurality of detectors for detecting detection signals such as secondary electrons emitted to the irradiated sample, and the chamber can be separated from the column to interface with various columns. And an improved scanning electron microscope.

전자 현미경은 매우 높은 분해능(high resolution)이 요구되며, 전자(electron)의 파동성에 입각해 광학 현미경(Optical Microscope)의 미세한 크기의 관찰대상물(object, 시료)을 확대하여 분석하며, 시료 표면의 형상의 국소해부학(topography)적 정보, 시료를 구성하는 나노구조의 입자들의 형상과 크기 등의 형태학(morphology)적 정보, 재료 내 원자들의 배열상태 등의 나노구조의 결정학(crystallography)적 정보를 분석할 수 있다.
Electron microscopy requires very high resolution, and magnifies and analyzes microscopic objects (samples) of the optical microscope based on the wave nature of electrons. Analyze the crystallography of nanostructures, such as topography information, morphological information such as the shape and size of the nanostructured particles that make up a sample, and the arrangement of atoms in the material. Can be.

주사 전자 현미경(SEM)의 분해능은 전자총(electron gun)의 종류에 따라 5nm(열방사형), 또는 1~2nm(전계방사형)으로 50~60 만배까지 관찰할 수 있고, 수십 나노미터(nm) 정도의 매우 높은 분해능(high resolution)을 가지고 있으며, 고배율로 관측 대상물(object, 시료)을 관찰할 수 있다. Scanning electron microscope (SEM) resolution can be observed up to 50 to 600,000 times at 5 nm (thermal radiation) or 1 to 2 nm (field radiation), depending on the type of electron gun, and several tens of nanometers (nm) It has a very high resolution of, and can observe the object (sample) at high magnification.

최근 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)은 약 1000배 정도까지의 비율로 관찰할 수 있는 광학현미경(Optical Microscope)의 분해능(resolution)이 빛의 파장에 의해 제한되어 광학현미경으로 관찰할 수 없었던 바이러스 등의 미생물까지도 50-100만배까지 높은 배율로 선명하게 관찰하게 되었고, 고진공이 아니더라도 저진공하에서 영상을 관찰할 수 있는 저진공 주사 전자 현미경(LV-SEM, VP-SEM, 또는 ESEM)이 개발되어 수십 마이크로미터에서 나노미터(nm)까지 매우 높은 분해능(high resolution)으로 의학, 생명공학, 생물학, 미생물, 재료공학, 식품공학 등 넓은 분야에 많이 사용되고 있다. 또한, X선 분광분석기(EDS, WDS) 등과 더불어 전자 후방산란 회절분석기(EBSD)를 장착하여 시편상의 입자 또는 결정에 대한 배향도 분석을 제공하고, 분석을 용이하게 하기 위해 SEM과 개인용 컴퓨터를 연결한 PC 기반의 SEM이 일반화되고 있다. Recently, the scanning electron microscope (SEM) has been unable to observe the optical microscope because the resolution of the optical microscope, which can be observed at a ratio of about 1000 times, is limited by the wavelength of light. Even microorganisms such as viruses can be clearly observed at a high magnification of 50 to 100 million times, and a low vacuum scanning electron microscope (LV-SEM, VP-SEM, or ESEM) that can observe images under low vacuum even without high vacuum is developed. It has been used in a wide range of fields such as medicine, biotechnology, biology, microorganisms, materials engineering and food engineering with very high resolution from tens of micrometers to nanometers (nm). In addition, X-ray spectroscopy (EDS, WDS) and other electronic backscattering diffractometers (EBSD) are also provided to provide orientation analysis for particles or crystals on the specimen, and to connect the SEM and personal computer to facilitate the analysis. PC-based SEM is becoming commonplace.

전자 현미경의 기본원리는 전자총(electron gun)에 의해 형성된 일련의 전자들의 인가된 가속전압에 의해 에너지를 가지고 시료를 향해 가속된다. 가속된 전자 빔(electron beam)이 전기장 또는 자기장을 이용한 집속 렌즈(condenser lens)에 의해 전자 빔(electron beam)의 양과 spot 사이즈를 조절하며, 수십, 수백 마이크로미터의 직경을 갖는 대물렌즈(objective lens)의 조리개(aperture)를 사용하여 산란된 것을 걸러주게 된다. 조절된 전자빔(electron beam)은 비점보정기(stigmator) 코일에 의해 전자빔이 광축(Optic)에 일치되도록 정렬(alignment)할 뿐만아니라 빔의 정형화 된다. 정형화된 전자빔이 편향기(Deflector)에 의해 주사(scan) 범위를 설정하여 배율을 결정한다. 이 편향된 전자빔은 분해능(resolution)을 결정하는 대물 렌즈(objective lens)에 의해 시료에 초점을 형성한다. 주사 전자현미경으로부터 시료에 입사되는 전자들(electrons)은 시료내에 포함된 원자 및 전자들과 쿨롱의 상호작용(interaction)에 의해 방출되는 여러가지 검출 신호들, 즉 2차전자(secondary electron), 반사전자(backscattered electron), 투과 전자(transmission electron), 오거 전자(auger electron)들이 있으며, X-ray에 대한 정보를 얻게 된다. 이 정보들에서 진공 준위보다 에너지가 큰 2차 전자의 양을 검출하여 영상 신호로 변환하고, CRT 화면에 나타낸다. The basic principle of an electron microscope is to be energized toward a sample with energy by an applied acceleration voltage of a series of electrons formed by an electron gun. Accelerated electron beams control the amount and spot size of an electron beam by a condenser lens using an electric or magnetic field, and an objective lens with a diameter of tens or hundreds of micrometers. Filter the scattered egg using the aperture of the The regulated electron beam not only aligns the electron beam to the optical axis by means of a stator coil, but also normalizes the beam. The shaped electron beam determines the magnification by setting the scan range by means of a deflector. This deflected electron beam focuses on the sample by an objective lens that determines the resolution. Electrons incident on the sample from the scanning electron microscope are various detection signals emitted by the Coulomb interaction with atoms and electrons contained in the sample, namely secondary electrons and reflective electrons. There are backscattered electrons, transmission electrons, and auger electrons, and you get information about X-rays. From this information, the amount of secondary electrons with energy higher than the vacuum level is detected, converted into an image signal, and displayed on a CRT screen.

기존 주사 전자 현미경(SEM)의 단점은 부피가 큰 자기형틀을 사용하기 때문에 경통(SEM column)과 본체가 커지고, 자기형 렌즈 제어를 위해 수 밀리 암페어에서 수 암페어의 전류를 정밀하게 공급하기 때문에 제어기의 구조가 복잡하고 부피가 크다. 이러한 주사 전자 현미경의 경통(column)과 제어기(controller)를 줄이기 위한 방법으로 정전기 렌즈(electrostatic lens)를 사용하여 최적의 경통 구조를 얻었으나, 정전기 렌즈(electrostatic lens)의 특성상 수차가 일어나고, 낮은 가속전압으로 인한 배율과 분해능의 한계가 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 전자 현미경 본체가 커지더라도 분해능(resolution)을 개선하기 위해 자기형 렌즈 시스템을 도입하였다. Disadvantages of conventional scanning electron microscopes (SEMs) are the use of bulky magnetic frames, which increase the size of the column and body, and precisely supply the current from several milliamps to several amps for magnetic lens control. The structure of the complex is bulky. Although an optimal barrel structure is obtained by using an electrostatic lens as a method for reducing the column and controller of the scanning electron microscope, aberration occurs due to the characteristics of the electrostatic lens, and low acceleration is achieved. There was a limitation of magnification and resolution due to voltage. In order to solve this problem, a magnetic lens system was introduced to improve the resolution even if the electron microscope body was enlarged.

초기 주사 전자 현미경은 크게 본체(chamber)부와 제어부(control unit)로 구성된다. 본체부는 전자총(electron gun)에서 방출된 전자빔(electron beam)을 집속하여 시료 위를 2차원적으로 주사하면서 조사하는 전자 광학계와 관찰 시료를 취급하는 시료 스테이지, 시료의 표면에서 반사되는 2차전자를 포함하는 신호를 검출하는 검출기(detector) 및 제어부를 포함한다. The initial scanning electron microscope is composed of a main body (chamber) and a control unit (control unit). The main body focuses an electron beam emitted from an electron gun and scans the sample two-dimensionally while scanning the sample, and an electron optical system for irradiating the sample stage, a sample stage for handling an observation sample, and secondary electrons reflected from the surface of the sample. It includes a detector (detector) and a control unit for detecting a signal containing.

제어부는 본체를 제어하는 각종 전원(가속전압 전원, 렌즈 전원, 주사 전원 등)과 검출기의 제어 신호를 처리하는 제어기(controller), 검출된 신호를 모니터 화면에 보여주는 컴퓨터로 구성된다.The control unit includes various power supplies (acceleration voltage power supply, lens power supply, scan power supply, etc.) for controlling the main body, a controller for processing control signals of the detector, and a computer for displaying the detected signals on a monitor screen.

전자총(electron gun)은 캐소드(cathode)를 가열하여 전자들을 방출시키는 필라멘트 소스(filament source), 방출된 전자들을 집속시켜 제어하는 웨넬트(wehnelt, shield), 그리고 가속시키는 가속전극 애노드(anode)로 구성되고, 캐소드(cathode)에서 전자들을 방출시켜 전자빔(electron beam, 전자선)을 형성 집속하여 최종적으로 시료에 도달하도록 가속시킨다. An electron gun is a filament source that heats the cathode to release electrons, a wenelt to shield and control the emitted electrons, and an accelerating acceleration anode. And emit electrons at the cathode to focus and form an electron beam (electron beam) to accelerate to finally reach the sample.

집속렌즈(condenser lens)는 자기형 렌즈(magnetic lens)와 정전기 렌즈(electrostatic lens)가 있으며, 전자 빔(electron beam)을 집속한다. 현재 상용화된 주사 전자 현미경(SEM)의 렌즈는 대부분이 자기형 렌즈이며, 솔레노이드(solenoid)에 전류를 제공할 때 자기장(magnetic field)이 발생하여 그 자기장에 의해 전자빔을 집속한다. 정전기 렌즈(electrostatic lens)는 같은 전기는 반발하는 척력(repel force)과 다른 전기와는 끌어당기는 인력(attractive force)의 원리로 힘이 생기는 전기장에 의해 전자빔(electron beam)을 집속한다. 정전기 렌즈는 2극 구조 렌즈(bipotential lens)와 3극 구조 렌즈(tripotential lens)가 있으며 빠른 응답 특성과 전압을 제어하기 쉽고, 전체 SEM column(경통)의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다. A condenser lens includes a magnetic lens and an electrostatic lens, and focuses an electron beam. Most commercially available lenses of scanning electron microscopes (SEMs) are magnetic lenses, and when a current is provided to a solenoid, a magnetic field is generated to focus the electron beam by the magnetic field. An electrostatic lens focuses an electron beam by an electric field that generates force on the principle of repel force that repels the same electricity and attracting force that is different from other electricity. The electrostatic lens has a bipotential lens and a tripotential lens. The electrostatic lens has advantages of fast response characteristics, easy to control voltage, and reduction of the volume of the entire SEM column.

주사 전자현미경(SEM)의 경통(column)은 펌프(pump)를 사용해 고진공 상태를 만들며, 주사 전자현미경(SEM)의 분해능을 높이기 위해 스테이지(stage) 상에 놓인 시료 표면을 주사하는 전자빔(electron beam)이 직경이 작아야 하고, 높은 에너지 밀도(energy density)를 가지고 있어야 한다.The column of the scanning electron microscope (SEM) uses a pump to create a high vacuum state, and an electron beam that scans the surface of the sample placed on the stage to increase the resolution of the scanning electron microscope (SEM). ) Must have a small diameter and have a high energy density.

주사 전자 현미경의 소스에 전류를 인가하면, 전자들(electrons)이 필라멘트 표면으로 이동하게 되고, 웨넬트에 바이어스 전압(bias voltage)을 인가하므로 필드 에너지에 의해 전자들이 집속하게 된다. 진공(vaccum) 상태의 경통(column) 내에서 집속된 전자빔은 애노드(anode)에 의해 큰 에너지로 가속되고, 가속된 전자빔(electron beam)은 첫번째 집속렌즈(condenser lens)에 의해 빔량을 조절하며, 가늘게 정제된 전자빔을 만든 후 렌즈가 가지는 구면수차를 해결하기 위해 전자빔을 조리개(aperture)로 관통시키게 된다. 다시 두번째 집속렌즈(condenser lens)에 의해 전자빔(electronic beam)이 더욱 가늘게 집속하게 된다. 그런데, 렌즈를 통과한 전자빔들이 정확히 렌즈의 중심을 통과하지않을 뿐만아니라 렌즈의 기계적인 구조가 오차를 가지기 때문에 필드가 좌우 대칭이 되지 못하여 전자빔이 정형화되지않는 경우가 많다. 이러한 비점 전자빔을 비점보정기(stigmator)를 사용하여 정형을 하고, 편향기(deflector)에서 선택된 배율로 편향시킨다. 그리고 대물렌즈(objective lens)에 의해 최소로 집속된 점(Cross Over Point)을 찾고 focusing하여 시료에 도달하게 된다.When a current is applied to the source of the scanning electron microscope, the electrons move to the filament surface, and a bias voltage is applied to the Wennel to concentrate the electrons by the field energy. The electron beam focused in a vacuum column is accelerated to a large energy by an anode, and the accelerated electron beam adjusts the beam amount by the first condenser lens. After making a finely refined electron beam, the electron beam is penetrated through an aperture to solve spherical aberration of the lens. Again, the electron beam is focused more narrowly by the second condenser lens. However, not only the electron beams passing through the lens do not exactly pass through the center of the lens, but also because the mechanical structure of the lens has an error, the field is not symmetrical, and thus the electron beam is not normalized. This boiling point electron beam is shaped using a stigmator and deflected at a magnification selected by the deflector. The crossover point is found and focused by the objective lens to reach the sample.

도 1을 참조하면, 종래의 주사 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)은 (i) 전자빔(electron beam) 2를 발생시켜, 가속전압으로 가속후 주사해 수렴시키는 주사형 전자현미경 경통(column)(1); (ii) 적어도 하나 이상의 막으로 밀폐되는 하나 이상의 조리개(aperture)를 포함한 인터페이스(interface)(3); (iii) 임의 선택의 메카니컬·스테이지(stage)(7)에 접속되는 시료 홀더; (iv) 시료 표면 영상을 획득하는 컴퓨터(16); (ｖ) 컨트롤러(17); (ｖi) 고전압 공급(high voltage supply)부(18); (ｖii) 저전력 공급부 및 스캐너(19); (ｖiii) 데이터 취득 및 화상 그래버(grabber)(20); (ix) 적어도 하나 이상의 펌프(15); (x) 분광계·컨트롤러 및 프로세서(processor)(21), 저에너지 전자(low-energy electron)(12)를 검출하는 측면 전자 검출기(side electron detector)(8); 고에너지 전자(high-energy electron)(13)을 검출하는 중심 전자 검출기(center electron detector)(9); 광자들(photons)(14)을 검출하는 광자 검출기(photon detector) 또는 분광계(spectrometer)(10); 전자빔(2)으로 시료(object)(6)의 상호작용(interaction)에 대한 응답으로 발생한 전류를 측정하는 피코 암페어 계측기(Pico ampere meter)(11) 등, 적어도 하나 이상의 검출기(detectors)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a conventional scanning electron microscope (SEM) (i) generates an electron beam (2), scans and accelerates and accelerates convergence after accelerating with an acceleration voltage (column) ( One); (ii) an interface 3 comprising one or more apertures sealed with at least one or more membranes; (iii) a sample holder connected to an optional mechanical stage 7; (iv) a computer 16 for acquiring a sample surface image; (iii) the controller 17; (iiii) a high voltage supply section 18; (iiiii) a low power supply and scanner 19; (iiiiii) data acquisition and image grabber 20; (ix) at least one pump 15; (x) a side electron detector 8 that detects a spectrometer controller and a processor 21 and a low-energy electron 12; A center electron detector 9 for detecting high-energy electrons 13; A photon detector or spectrometer 10 for detecting photons 14; At least one detector, such as a pico ampere meter 11, which measures the current generated in response to the interaction of the object 6 with the electron beam 2. .

주사 전자현미경 시스템(30)은 시료(object)(6)의 화상(image), 즉 시료(6)의 2 차원 맵을 생성해 점분석을 실시한다. 컴퓨터(16) 및 컨트롤러(17)는 주사 전자현미경 시스템(30)의 다양한 구성요소(component)의 파라미터(parameter)와 동작을 제어한다. 진공 환경(vaccum environment)이 부호 4로 나타냈고, 비진공 환경(non-vaccum environment)이 부호 5로 나타냈다.The scanning electron microscope system 30 generates an image of the object 6, that is, a two-dimensional map of the sample 6, and performs point analysis. Computer 16 and controller 17 control the parameters and operation of various components of scanning electron microscope system 30. The vacuum environment is denoted by the symbol 4 and the non-vaccum environment is denoted by the symbol 5.

전자빔(electron beam)(2)은 인터페이스(interface)(3)의 하나 이상의 조리개(aperture)를 통해 시료(object)(6)에 조사된다. 조사된 가속 전자들은 2차 전자(secondary electron), 후방 산란 전자(back scattering electron), 특성 X선 및 경우에 따라 캐소드 루미네선스(cathode luminescence)를 발생시킨다. 캐소드 루미네선스(cathode luminescence)는 표면 특성 또는 마커(marker) 또는 분자(labeling molecules)로부터 광 방출(light emission) 때문에 발생한다. 방출된 신호는 검출기를 사용하여 2차전자들이 검출되고, 데이타 취득 및 화상 그래버(grabber)(20) 및 컨트롤러(17)를 통해 컴퓨터(16)로 나노구조의 시료 표면 영상을 출력한다. An electron beam 2 is irradiated to the object 6 through one or more apertures of the interface 3. The irradiated accelerating electrons generate secondary electrons, back scattering electrons, characteristic X-rays and, optionally, cathode luminescence. Cathode luminescence occurs due to surface properties or light emission from markers or labeling molecules. The emitted signal is detected by secondary electrons using a detector and outputs a sample surface image of the nanostructure to the computer 16 via data acquisition and image grabber 20 and controller 17.

그러나, 주사 전자현미경(SEM)은 진공 챔버(vaccum chamber)를 펌프(pump)로 진공(vaccum) 상태를 만들려면 시간이 많이 걸리고 가격이 많이 들며, 진공 챔버 안에 시료가 크면 진공 챔버가 커져야 하므로 펌프로 진공(vaccum) 상태를 만드는게 많은 시간과 노력이 드는 문제점이 있었다. 또한, 주사 전자 현미경(SEM)의 경통(column)과 진공 챔버(vaccum chamber)가 일체화되어 분리되어 사용하지 못하여 불편한 문제점이 있었다.
However, scanning electron microscopy (SEM) is time-consuming and expensive to create a vaccum state by pumping a vaccum chamber into a pump, and the larger the sample in the vacuum chamber, the larger the vacuum chamber must be. There was a problem that it takes a lot of time and effort to make a vacuum. In addition, the column of the scanning electron microscope (SEM) and the vacuum chamber (vaccum chamber) is integrally separated and there is a problem inconvenient to use.

종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전자총을 구비한 진공(vaccum) 상태의 경통(column)과 미세거리로 이격된 비진공 챔버(non vaccum chamber)에 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 중 어느 하나의 불활성 가스가 주입되고, 비진공 챔버(non vaccum chamber)의 경계면에 설치된 필터(filter)를 통해 경통으로부터 주사된 전자빔의 가속된 전자들이 조사된 시료에 방출된 2차전자 등의 검출 신호를 감지하는 다수의 검출기로 구성되고, 챔버(chamber)가 경통(column)과 분리되어 다양한 경통(column)과 인터페이스를 가능하게 하는, 개선된 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 제공하는 것이다.
An object of the present invention for solving the problems of the prior art is to helium (He), Neon (Ne) in a non-vaccum chamber spaced at a fine distance and a column of a vacuum (vaccum) state equipped with an electron gun Inert gas of any one of argon (Ar) is injected, and accelerated electrons of the electron beam scanned from the barrel are emitted to the irradiated sample through a filter installed at the interface of the non vaccum chamber. Improved Scanning Electron Microscope, consisting of a number of detectors that detect detection signals such as secondary electrons, and allowing the chamber to be separated from the column, allowing the interface with various columns , SEM).

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)은, 진공(vaccum) 상태에서 열 또는 전계를 가하여 일함수(work function) 이상의 에너지를 가해 많은 전자들(electrons)을 방출하고, 전자빔(electron beam)을 생성하는 전자총(electron gun), 집속 렌즈(condensor lens), 편향기(deflector), 대물 렌즈(objective lens) 및 조리개(aperture)를 구비하는 경통(column); 전자빔의 가속된 전자들(electrons)을 인가받아 관찰대상 시료에 조사하고, 상기 시료로부터 방출된 2차전자(secondary electron) 등의 검출 신호를 적어도 하나 이상의 검출기(detector)를 통해 제공하는 챔버(chamber); 상기 챔버의 경계면에 설치되고, 광축을 중심으로 집속된 전자빔의 전자들(electrons)을 통과시키고 공기를 통과시키지 않으며, 상기 경통(column)으로부터 제공된 전자빔을 상기 챔버로 제공하는 필터(filter)를 포함한다. In order to achieve the object of the present invention, a scanning electron microscope (SEM) according to the present invention, by applying heat or an electric field in a vacuum (vaccum) state by applying an energy of a work function (work function) or more electrons ( A column equipped with an electron gun, a condensor lens, a deflector, an objective lens and an aperture that emit electrons and produce an electron beam ); A chamber that receives accelerated electrons of an electron beam and irradiates the sample to be observed, and provides a detection signal such as secondary electrons emitted from the sample through at least one detector. ); A filter installed at an interface of the chamber and passing electrons of the electron beam focused about an optical axis and not passing air, and providing a chamber with an electron beam provided from the column to the chamber. do.

상기 챔버는, 관측 대상물인 시료; 및 상기 전자빔(electron beam)의 가속된 전자들이 조사된 상기 시료로부터 방출된 2차전자(secondary electron), 반사 전자 등의 검출신호를 감지하는 적어도 하나 이상의 검출기(detector)를 포함한다. The chamber includes a sample that is an observation object; And at least one detector for detecting detection signals of secondary electrons, reflected electrons, and the like emitted from the sample to which the accelerated electrons of the electron beam are irradiated.

상기 주사 전자 현미경은, 상기 시료에 전자빔의 가속 전자들이 조사된 후, 상기 시료로부터 방출된 2차 전자(secondary electron) 등의 검출 신호를 적어도 하나 이상의 검출기로부터 수신받아 시료 표면 영상의 화상처리를 담당하는 데이타 취득 및 화상 그래버(grabber); 상기 주사전자현미경의 배율과 각종 파라미터의 제어를 위한 제어기(controller); 및 상기 데이타 취득 및 화상 그래버(grabber) 및 상기 제어기(controller)로부터 고분해능의 나노구조의 시료 표면 영상을 관찰하고 분석하는 컴퓨터를 더 포함한다. The scanning electron microscope is responsible for image processing of a sample surface image by receiving a detection signal, such as secondary electrons emitted from the sample, from at least one detector after the electrons of the electron beam are irradiated with the acceleration electrons. Data acquisition and image grabber; A controller for controlling magnification of the scanning electron microscope and various parameters; And a computer for observing and analyzing sample surface images of high resolution nanostructures from the data acquisition and image grabber and the controller.

상기 챔버는, 진공(vaccum) 상태가 아닌 비진공 챔버(non vaccum chamber)이며, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 중 어느 하나의 불활성 가스가 주입되는 것을 특징으로 한다. The chamber is a non-vaccum chamber that is not in a vacuum state and is characterized in that any one of helium (He), neon (Ne), argon (Ar) is injected.

상기 챔버는, 시료 표면에 전자들(electrons)이 달라붙는 것을 방지하기 위해 불활성 가스와 함께 소량의 H2O 수증기를 같이 주입하는 것을 특징으로 한다, The chamber is characterized by injecting a small amount of H 2 O water vapor together with an inert gas to prevent electrons from adhering to the sample surface.

상기 챔버는 주사 전자현미경(SEM)의 상기 챔버(non vaccum chamber)가 경통(column)과 분리 가능한 구조로 이루어져 있으며, 다양한 경통(column)과 인터페이스가 가능한 것을 특징으로 한다.
The chamber has a structure in which the non-vaccum chamber of the scanning electron microscope (SEM) is detachable from a column, and can interface with various columns.

본 발명에 따른 개선된 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)은 전자총을 구비한 진공(vaccum) 상태의 경통(column)과 미세거리로 이격된 비진공 챔버(non vaccum chamber)에 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 중 어느 하나의 불활성 가스가 주입되고, 비진공 챔버(non vaccum chamber)의 경계면에 설치된 필터(filter)를 통해 경통으로부터 주사된 전자빔의 가속된 전자들이 조사된 시료에 방출된 2차전자 등의 검출 신호를 감지하는 다수의 검출기로 구성되고, 챔버(chamber)가 경통(column)과 분리 가능하여 다양한 경통(column)과 인터페이스가 가능하고, 부파가 큰 챔버도 쉽게 제작이 가능하다.
The improved scanning electron microscope (SEM) according to the present invention is a helium (He) in a non-vaccum chamber spaced at a fine distance and a vacuum column with a electron gun. , Inert gas of neon (Ne) or argon (Ar) is injected, and accelerated electrons of the electron beam scanned from the barrel are irradiated through a filter installed at the interface of the non vaccum chamber. It is composed of a plurality of detectors for detecting detection signals such as secondary electrons emitted to the sample, and the chamber can be separated from the column, so that it can interface with various columns. Easy to make

도 1은 종래의 주사 전자현미경의 구성도이다.
도 2는 주사 전자현미경에서 집속렌즈와 대물렌즈의 광진행 경로 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 개선된 주사 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)의 구성도이다. 1 is a block diagram of a conventional scanning electron microscope.
2 is a schematic diagram of a light traveling path of a focusing lens and an objective lens in a scanning electron microscope.
3 is a block diagram of an improved scanning electron microscope (SEM) according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 개선된 주사 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)의 구성도이다. 3 is a block diagram of an improved scanning electron microscope (SEM) according to the present invention.

주사 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)은 주사전자현미경의 진공(vaccum) 상태의 전자총(electron gun)을 구비한 경통(column)과 미세한 거리로 이격되고, 비진공 챔버(non vaccum chamber)의 경계면에 설치된 필터(filter)에 의해 전자들을 통과시키면서 공기는 통과시키지 않으며, 진공(vaccum) 상태가 아닌 불활성 가스가 주입된 non-vaccum chamber내에 시료와 2차전자(secondary electron)를 감지하는 다수의 검출기로 구성된다. Scanning Electron Microscopes (SEMs) are spaced at a small distance from a column equipped with a vacuum electron gun of a scanning electron microscope and at the interface of a non vaccum chamber. A large number of detectors detect the sample and secondary electrons in a non-vaccum chamber filled with an inert gas rather than a vacuum, while passing electrons through a filter installed in the filter. It consists of.

또한 상기 챔버(chamber)는 경통(column)과 분리 가능하기 때문에 다양한 경통(column)과 인터페이스가 가능할 뿐 아니라 챔버가 큰 경우라도 손쉽게 제작할 수 있는 것을 특징으로 한다. In addition, the chamber (chamber) can be separated from the barrel (column), so that not only can be interfaced with various columns (column), it is characterized in that it can be easily manufactured even when the chamber is large.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경(SEM)은 경통(column)(100), 비진공 챔버(non vaccum chamber)(200), 데이타 취득 및 화상 그래버(grabber)(300), 제어기(controller)(310), 컴퓨터(320)로 구성된다 The scanning electron microscope (SEM) according to the present invention includes a column 100, a non vaccum chamber 200, a data acquisition and image grabber 300, a controller 310. , Computer 320

본 발명에 따른 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)은 진공(vaccum) 상태에서 열 또는 전계를 가하여 일함수(work function) 이상의 에너지를 가해 많은 전자들(electrons)을 방출하고, 전자빔(electron beam)을 생성하는 전자총(electron gun)(101), 집속 렌즈(condensor lens)(102), 편향기(deflector)(103), 대물 렌즈(objective lens)(104) 및 조리개(aperture)를 구비하는 경통(SEM column)(100); 상기 비진공 챔버(200)의 경계면에 설치된 필터(filter)(201)를 통해 공기를 필터링하고 집속된 전자빔의 가속된 전자들(electrons)을 인가받아 관찰대상 시료(204)에 조사하며, 상기 시료(204)로부터 방출된 2차전자(secondary electron) 등의 검출 신호를 적어도 하나 이상의 검출기(detector)(202,203)로 감지하여 데이터 취득 및 화상 그래버(grabber)(300)로 제공하는 비진공 챔버(non-vaccum chamber)(200)를 포함한다. Scanning Electron Microscope (SEM) according to the present invention emits many electrons by applying energy above a work function by applying heat or an electric field in a vacuum state, and emits many electrons. A barrel having an electron gun 101, a condensor lens 102, a deflector 103, an objective lens 104 and an aperture to produce (SEM column) 100; Air is filtered through a filter 201 installed at an interface of the non-vacuum chamber 200 and irradiated to the observation target sample 204 by applying accelerated electrons of a focused electron beam. A non-vacuum chamber that detects a detection signal such as secondary electrons emitted from 204 with at least one detector 202, 203 and provides the data to the image grabber 300. a vaccum chamber (200).

상기 챔버(200)는, 관측 대상물인 시료(204); 및 상기 전자빔(electron beam)의 가속된 전자들이 조사된 상기 시료(204)로부터 방출된 2차전자(secondary electron), 반사 전자 등의 검출신호를 감지하는 적어도 하나 이상의 검출기(detector)(202,203)를 포함한다. The chamber 200 includes a sample 204 that is an observation target; And at least one detector 202 or 203 for detecting a detection signal such as secondary electrons and reflected electrons emitted from the sample 204 to which the accelerated electrons of the electron beam are irradiated. Include.

상기 주사 전자 현미경(SEM)은 상기 시료(204)에 전자빔의 가속 전자들이 조사된 후, 상기 시료(204)로부터 방출된 2차 전자(secondary electron) 등의 검출 신호를 적어도 하나 이상의 검출기(detector)(202,203)로부터 수신받아 시료 표면 영상의 화상처리를 담당하는 데이타 취득 및 화상 그래버(grabber)(300); 상기 주사전자현미경의 배율과 각종 파라미터의 제어를 위한 제어기(controller); 및 상기 데이타 취득 및 화상 그래버(300) 및 상기 제어기(310)로부터 고분해능의 나노구조의 시료 표면 영상을 관찰하고 분석하는 컴퓨터(320)를 더 포함한다. The scanning electron microscope (SEM) is at least one detector for detecting a detection signal, such as secondary electrons (e.g., secondary electrons) emitted from the sample 204 after the electrons are accelerated electrons of the sample 204 is irradiated Data grabber and image grabber 300 received from 202 and 203 and responsible for image processing of a specimen surface image; A controller for controlling magnification of the scanning electron microscope and various parameters; And a computer 320 for observing and analyzing a sample surface image of a high resolution nanostructure from the data acquisition and image grabber 300 and the controller 310.

상기 챔버(200)는 진공(vaccum) 상태가 아닌 비진공 챔버(non-vaccum chamber)이며, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 중 어느 하나의 불활성 가스가 주입되어 사용된다. The chamber 200 is a non-vaccum chamber that is not a vacuum state, and an inert gas of one of helium (He), neon (Ne), and argon (Ar) is injected and used.

상기 챔버(200)는, 시료 표면에 전자들(electrons)이 달라붙는 것을 방지하기 위해 불활성 가스와 함께 소량의 H2O 수증기를 같이 주입하거나 소량의 H2O 수증기를 주입하는 것을 특징으로 한다, The chamber 200 is characterized in that for implanting such a small amount of H 2 O water vapor with an inert gas to prevent sticking the electrons (electrons) varies on the sample surface or injecting small amounts of H 2 O vapor,

상기 비진공 챔버(non vaccum chamber)는 경통(column)과 분리 가능한 구조로 이루어져 있으며, 다양한 경통(column)과 인터페이스가 가능한 것을 특징으로 한다. The non vaccum chamber has a structure that can be separated from a column, and can interface with various columns.

상기 시료(204)는, 상기 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 PCB나 반도체의 층별 정렬 키(alignment key)가 표시된 다층 구조(multi layer)의 시료에 대한 표면 구조와 표면 상태를 확인하고 관찰할 경우, 상기 전자총(101)의 가속전압을 변경(고전압(high voltage)과 저전압(low voltage))으로 각각 달리 공급하여 전자빔(electronic beam)을 생성하고, 상기 시료(204)에 전자빔을 다층 구조(multi layer)의 시료(204)의 침투 깊이를 달리하여 조사함으로써 다층구조 시료(204)의 각 레이어(layer)의 정렬 키를 확인할 수 있어 상층부와 하층부의 정렬(alignment) 정도를 확인하는 것을 특징으로 한다.When the sample 204 confirms and observes the surface structure and the surface state of the multilayered sample in which the alignment keys of the PCB or the semiconductor are displayed by the scanning electron microscope (SEM) In addition, the acceleration voltage of the electron gun 101 is changed to a different voltage (high voltage and low voltage), respectively, to generate an electron beam, and the electron beam is applied to the sample 204. By irradiating with different depth of penetration of the sample 204 of the layer) it is possible to determine the alignment key of each layer of the multi-layered sample 204, characterized in that the degree of alignment of the upper layer and the lower layer is confirmed. .

일반적으로, 전자총(electron gun)은 열 방사형 전자총(TEG:thermionic electron gun)과 전계(electric field)를 이용하는 전계방사형 전자총(FEG:field emission electron gun)으로 분류된다. 열 방사형 전자총은 전자(electron)가 음극 재료를 벗어날 수 있는 일함수(work function) 에너지를 열 에너지로 공급하여 고체물질의 전자를 방출한다. 웨널트 실린더(Wehnelt cylinder) 음극인 필라멘트와 양극단(anode plate) 사이에 가속전압을 제공하고, 가속전압에 의해 필라멘트로부터 방출된 전자는 양극판으로 가속되며, 가속된 전자들은 양극판 가운데에 광축의 홀(hole)을 통해 아래 방향으로 방사되어 전자빔을 형성한다. 이때, 웨널트 실린더는 필라멘트에서 방출된 전자들을 모으는 역할을 한다. In general, electron guns are classified into thermal emission electron guns (TEGs) and field emission electron guns (FEGs) using electric fields. Thermally radiated electron guns release work electrons in the solid material by supplying work function energy that allows electrons to escape the cathode material. Wennel cylinders provide an acceleration voltage between the cathode filament and the anode plate, and the electrons emitted from the filament by the acceleration voltage are accelerated to the anode plate, and the accelerated electrons in the center of the anode plate It is radiated downward through the hole to form an electron beam. At this time, the Wennel cylinder serves to collect electrons emitted from the filament.

전계방사형 전자총(FEG:Field Emission Gun)을 장착한 전계방사형 주사 전자 현미경(FESEM)은 전자빔의 휘도가 열방사형 전자총에 비하여 1000배 정도 높고 나노 스케일의 작은 방사원의 크기와 분해능(resolution)이 1.6nm 이하로 매우 높으며 1~5kV 정도의 낮은 가속전압으로 10만~100만배의 고배율로 나노구조의 시료 표면 형상을 관찰할 수 있다. Field emission scanning electron microscopes (FESEMs) equipped with field emission guns (FEGs) have an electron beam brightness of about 1000 times higher than that of thermal radiation electron guns, and the size and resolution of small nanoscale radiation sources are 1.6 nm. The surface shape of the nanostructured sample can be observed at a high magnification of 100,000 to 1 million times with very high and low acceleration voltage of 1 to 5 kV.

전계방사형 전자총(101)은 고진공에서 단결정의 텅스텐 재료를 사용하여 전자 방출 효율이 높으며, 열을 가하지 않는 상온형(CPE: Cold Field Emitter), 열을 가하는 고온형(TFE: Thermal Field Emitter)과 쇼트키형(SFE:Shorrtkey Field Emitter)으로 나누어 진다. 전계방사형 전자총(101)은 전자총 재료에 108V/cm 정도의 높은 전계(electric field)를 가하면 고체 물질의 에너지 장벽이 낮아져 전자들이 방출되고, 고체 물질로부터 방출된 전자들은 10,000~30,000V의 고전압을 걸어 가속시킨다. The field emission electron gun 101 uses a single crystal of tungsten material in high vacuum, and has high electron emission efficiency, and does not apply heat to a cold field emitter (CPE), to heat (TFE: thermal field emitter), and to short. It is divided into key types (SFE: Shorrtkey Field Emitter). In the field emission electron gun 101, when a high electric field of about 10 8 V / cm is applied to the electron gun material, the energy barrier of the solid material is lowered to emit electrons, and the electrons emitted from the solid material are 10,000 to 30,000 V high voltage. To accelerate.

전자총(electron gun)(101)은 고체 물질 내의 열 또는 전계를 가하여 일함수(work function) 이상의 에너지(진공에서 에너지 준위와 페르미 에너지의 차이값)를 가하면 전자들(electrons)은 고유의 위치에서 많은 수의 전자들을 방출하고, 전자빔(electron beam)을 생성한다. The electron gun 101 applies heat or an electric field in a solid material to apply more energy than the work function (the difference between the energy level and the Fermi energy in the vacuum), which causes the electrons to lie in their own positions. It emits a number of electrons and produces an electron beam.

도 2는 주사 전자현미경에서 집속렌즈와 대물렌즈의 광진행 경로 모식도(전자빔의 지름이 d0에서 d1으로, d1에서 dp로 반확대되는 광진행 경로 모식도)이다. FIG. 2 is a schematic diagram of a light traveling path of a focusing lens and an objective lens in a scanning electron microscope (optical travel path diagram in which the diameter of an electron beam is enlarged from d 0 to d 1 and d 1 to d p ).

주사 전자현미경(SEM:scanning electron microscope)에서 전자총(electron gun)(101)으로부터 생성된 전자빔(electron beam)은 전자기렌즈의 자장을 이용하여 굴절되고 수렴한다. 주사 전자현미경에서 시료 표면에 전자총(electron gun)(101)으로부터 발생된 전자빔 조사를 최대로 하도록 정렬된 광축에 따라 집속렌즈(condensor lens)(102)의 강한 여기로 전자빔의 크기를 최소화하고, 대물렌즈(objective lens)(104)의 조리개(aperature)와 시료의 짧은 작동거리(W:working distance)로 전자빔의 크기를 최소화하고, 전자 검출기(202,203)의 수집 효율을 증대하며, 초점 조절-비점 수차 보정을 반복하여 최적의 고분해능의 시료 표면 형상을 획득하여 나노구조의 미세구조를 분석한다. The electron beam generated from the electron gun 101 in a scanning electron microscope (SEM) is refracted and converged using the magnetic field of the electromagnetic lens. In the scanning electron microscope, the size of the electron beam is minimized by the strong excitation of the condensor lens 102 along the optical axis aligned to maximize the electron beam irradiation generated from the electron gun 101 on the sample surface. The aperture of the objective lens 104 and the short working distance of the sample minimize the size of the electron beam, increase the collection efficiency of the electron detectors 202 and 203, and focus-astigmatism Repeat the calibration to obtain the optimum high resolution sample surface shape and analyze the microstructure of the nanostructures.

주사 전자현미경에서 렌즈에 의해 전자빔의 크기가 축소되는데 이를 반확대(demagnification)라고 하며, 반확대 전후의 전자빔(electron beam)이 크기를 각각 d0,d1 이라 하고, 렌즈로부터 대상물과 영상까지의 거리를 l0,l1라고 하면 렌즈의 초점거리는 다음 수학식1과 같이 계산된다.In the scanning electron microscope, the size of the electron beam is reduced by the lens. This is called demagnification, and the electron beams before and after the half magnification are called d 0 and d 1 , respectively. If the distance is l 0 , l 1 , the focal length of the lens is calculated as in Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

전자빔이 반확대(demagnification)되는 배율 m은 수학식(2)와 같이 거리 관계에 의하여 결정된다. 렌즈에 흐르는 전류를 증가시키면 자기장의 크기가 증가하고,초점거리가 짧아진다. 짧아진 초점거리는 영상까지의 거리 ℓ을 짧게 하고 배율을 증가시킨다.The magnification m at which the electron beam is demagnified is determined by the distance relationship as shown in Equation (2). Increasing the current through the lens increases the magnitude of the magnetic field and shortens the focal length. The shorter focal length shortens the distance l to the image and increases the magnification.

Figure pat00002
Figure pat00002

전자총(101)에서 생성된 d0 지름의 광원은 집속 렌즈(condensor lens)(102)에 의해 d1 지름으로 반확대되고, 이를 다시 대물 렌즈(objective lens)(104)에 의해 dp 지름으로 반확대되어 최종 프로브를 형성하게 된다. The light source of diameter d 0 generated by the electron gun 101 is half enlarged by the condensor lens 102 to the diameter d 1 , which is in turn reflected by the objective lens 104 to the diameter d p . It is enlarged to form the final probe.

집속 렌즈(condensor lens)(102)의 세기가 세면, 도 2의 광진행 경로 모식도에서 도시된 바와 같이 반확대(demagnification) 배율이 커져 프로브의 크기가 작아지게 되고 전자현미경의 분해능이 높아지게 된다. When the intensity of the condensor lens 102 is high, as shown in the light traveling path schematic of FIG. 2, the demagnification magnification is increased to reduce the size of the probe and increase the resolution of the electron microscope.

반면에 집속 렌즈(102)의 수렴각(또는 분산각) α1이 커져서 대물렌즈(objective lens)(104)에 부착된 조리개(aperture)를 통과하여 최종 프로브에 도달하는 전류량이 작아지게 되고 화질은 나빠지게 된다. On the other hand, the convergence angle (or dispersion angle) α 1 of the focusing lens 102 is increased, so that the amount of current reaching the final probe through the aperture attached to the objective lens 104 becomes small and the image quality is low. It gets worse.

만일, 집속렌즈(102)의 세기가 약하면, 그 반대로 프로브의 지름이 커지고 분해능이 나빠지지만 프로브의 전류량이 커져 화질이 좋아지게 된다. If the intensity of the focusing lens 102 is weak, on the contrary, the diameter of the probe is increased and the resolution is deteriorated, but the current amount of the probe is increased to improve image quality.

전자빔은 렌즈의 작용에 따라 퍼졌다 모였다 하면서 한 위치에서 영상을 관찰한다. 집속렌즈(condenser lens)(102) 및 편향기(deflector)(103) 아래에 위치하고 있는 대물렌즈(objective lens)(104)는 전자빔을 반확대하는 역할과 더불어 시료 바로 위에 위치하며 시료의 초점을 맞추는 역할을 한다.The electron beam spreads and gathers under the action of the lens and observes the image from one location. The objective lens 104, which is located under the condenser lens 102 and the deflector 103, is positioned directly above the sample and serves to focus the sample, with the role of semi-enlarging the electron beam. Play a role.

조절된 전자빔(electron beam)은 비점보정기(stigmator) 코일에 의해 전자빔이 광축(Optic)에 일치되도록 정렬(alignment)하고 빔을 정형화한다. 편향기(Deflector)는 정형화된 전자빔을 주사(scan) 범위를 설정하여 배율을 결정한다. The regulated electron beam aligns the electron beam with the optical axis by means of a stigmator coil and shapes the beam. The deflector determines the magnification by setting the scan range of the shaped electron beam.

편향기(deflector)(103)는 편향제어회로에 의해 전류와 전압을 인가하여 전자빔을 주사할 범위를 자기장과 전기장의 세기를 제어하여 결정하고, 설정된 배율로 편향시켜 주사영역(scanning area)을 결정한다. The deflector 103 determines the range to scan the electron beam by applying current and voltage by the deflection control circuit by controlling the strength of the magnetic field and the electric field, and determines the scanning area by deflecting at the set magnification. do.

대물렌즈(objective lens)(104)의 조리개(aperture)는 작은 hole로 전자빔(electron beam)의 형태로 전자 외의 산란전자들을 걸러주며, 전자빔(electron beam)의 직경을 작게 하는 역할을 한다. 대물렌즈(104)의 조리개(aperture)는 주사 전자 현미경(SEM)에서 경통(column)을 따라 수직으로 입사되는 전자 빔이 렌즈 중심부에 도달하지 못하며 구면수차(spherical aberration)를 일으킬 확률이 있는 전자들과 전자들을 걸러주어 한 점에 초점이 맞추도록 한다 An aperture of the objective lens 104 filters out scattered electrons other than electrons in the form of an electron beam with a small hole, and serves to reduce the diameter of the electron beam. The aperture of the objective lens 104 is electrons with a probability of spherical aberration which does not reach the center of the lens with a vertically incident electron beam along the column in a scanning electron microscope (SEM). Filter out the electrons and focus on a point

대물렌즈(objective lens)(104)의 조리개(aperture)와 시료(object)까지의 작동거리(working distance)가 짧으면, 대물렌즈의 세기가 세고 렌즈의 반확대 배율이 높기 때문에 프로브의 크기가 작아지므로 분해능이 좋아진다. If the working distance between the objective lens and the object of the objective lens 104 is short, the size of the probe becomes small due to the high intensity of the objective lens and the high half-magnification of the lens. The resolution is improved.

반면에 대물렌즈(104)의 수렴각(또는 분산각) αp가 커지므로 시료상의 수직 방향으로 초점이 맞는 범위에 해당하는 피사계 심도(depth of field, 시료의 높낮이가 있는 경우 초점이 맞는 범위에 해당하는 높낮이 또는 깊이)가 작아지게 되는데, 작동거리 W가 길면, 대물렌즈의 세기가 약하고 프로브의 크기가 커져 분해능이 나빠지더라도 대물렌즈의 수렴각 αp가 작아 피사계 심도(depth of field)가 깊어진다.On the other hand, since the convergence angle (or dispersion angle) α p of the objective lens 104 becomes large, the depth of field corresponding to the focusing range in the vertical direction on the sample is in the focused range when there is a height of the sample. If the working distance W is long, the depth of field is small because the convergence angle α p is small because the intensity of the objective lens is weak and the size of the probe is large, resulting in poor resolution. Lose.

전자광학계(electron optics system)에서 전자총과 전자기 렌즈의 작용에 의하여 미세한 전자빔 형태로 만들어지는 프로브는 광축을 기준으로 시료 표면에 집속된 전자빔을 조사하면서 2차전자(secondary electron)와 후방 산란 전자 신호를 검출기(detector)(202,203)로 획득하여 나노구조의 시료 표면 형상 이미지를 획득한다. 렌즈의 수차는 구면수차(spherical aberration), 색수차(chromatic aberration), 및 비점수차(astigmatism)가 존재한다. In the electron optics system, a probe made in the form of a fine electron beam by the action of an electron gun and an electromagnetic lens emits secondary electrons and backscattered electron signals while irradiating an electron beam focused on a sample surface based on an optical axis. Acquisition with detectors 202 and 203 is used to obtain sample surface shape images of nanostructures. Lens aberrations include spherical aberration, chromatic aberration, and astigmatism.

비점수차(astigmatism)는 렌즈의 세기가 광축을 중심으로 비대칭 일 때, 렌즈를 통과한 전자빔이 한 초점에 모이지 않고, 길쭉한 모양으로 되는 것을 말한다.Astigmatism refers to the fact that when the intensity of the lens is asymmetric about the optical axis, the electron beam passing through the lens does not converge at one focal point and becomes elongated.

조절된 전자 빔(electron beam)은 비점보정기(stigmator) 코일에 의해 전자빔이 광축(optic axis)에 일치되도록 정렬(alignment)하고 빔을 정형화한다. 정형화된 전자빔이 편향기(deflector)(103)에 의해 주사(scan) 범위를 설정하여 배율을 결정한다. 이 편향된 전자빔은 분해능(resolution)을 결정하는 대물 렌즈(objective lens)(104)에 의해 시료(204)에 초점을 형성한다. The regulated electron beam aligns the electron beam with the optic axis by means of a stigmator coil and shapes the beam. The shaped electron beam determines the magnification by setting the scan range by deflector 103. This deflected electron beam focuses on the specimen 204 by an objective lens 104 which determines the resolution.

편향기(deflector)(103)는 편향제어회로(미도시)에 의해 전류와 전압을 인가하여 전자빔을 주사할 범위를 자기장과 전기장의 세기를 제어하여 결정하고, 기 설정된 배율로 편향시켜 주사영역(scanning area)을 결정하는 역할을 한다. The deflector 103 determines a range in which the electron beam is scanned by applying a current and a voltage by a deflection control circuit (not shown) by controlling the intensity of the magnetic field and the electric field, and deflecting the light at a preset magnification. It determines the scanning area.

주사 전자 현미경(SEM)에서 광축을 중심으로 집속된 전자빔을 시료(204)에 주사시, 대물렌즈(objective lens)(104)에 의해 시료(204) 면에 집속된 전자빔은 이중 편향 코일(주사 코일)에 의해 시료 면의 관찰 영역을 종/횡 방향으로 이동함 주사하게 된다. When scanning the electron beam focused on the optical axis in the scanning electron microscope (SEM) to the sample 204, the electron beam focused on the sample 204 surface by the objective lens 104 is a double deflection coil (scanning coil). ) Scans while moving the observation area on the sample surface in the longitudinal / lateral direction.

집속된 전자빔이 조사된 시료(object)(204)는 비탄성 산란 과정에서 가속된 전자들의 에너지나 모멘트가 시료의 원자에 전달된다. 에너지를 전달받은 원자는 평형상태에서 벗어나 여기된 상태로 갔다가 기저 상태로 되돌아오게 된다. 이 과정에서, 시료 표면에 2차전자, 음극냉광, 포논 진동의 신호가 발생한다. In the sample 204 irradiated with the focused electron beam, the energy or moment of the electrons accelerated in the inelastic scattering process is transferred to the atoms of the sample. The energized atoms move out of equilibrium, go to an excited state, and return to the ground state. In this process, signals of secondary electrons, cathode cold light, and phonon vibrations are generated on the sample surface.

전자빔(electron beam)의 전자빔의 가속전자들이 시료(204)에 조사된 후, 외각전자의 구조 및 분포의 화학적인 결합, 결정의 방향성, 표면 상태, 가속전자와 전도대(conduation band) 또는 가전자대(valance band) 전자간의 운동역학적 비탄성 산란에 의해 후방 산란 전자의 영향으로 약 50 eV 이하의 에너지를 가진 2차 전자(secondary electron)가 방출된다. 2차 전자(secondary electron)는 시료에 조사된 전자빔의 가속전자들과 시료의 원자 내 외각전자의 반응에 의해 발생하며, 시료의 표면 형상을 감지하는데 사용하는 가장 중요한 신호이며, 대부분 3~5 eV 정도의 작은 에너지를 가진다. 후방 산란 전자는 시료에 입사된 전자빔의 전자기 시료와의 반복적인 탄성 산란 과정에서 진로가 바뀌어 시료를 이탈한 전자이다. Accelerated electrons of the electron beam of the electron beam are irradiated onto the sample 204, and then chemical bonding of the structure and distribution of the outer electrons, crystal orientation, surface state, acceleration electrons and a conduction band or valence band ( Valance band) Secondary electrons with an energy of about 50 eV or less are emitted by the effect of backscattered electrons by the kinetic inelastic scattering between electrons. Secondary electrons are generated by the reaction of the accelerometer of the electron beam irradiated onto the sample and the external electrons in the atoms of the sample, and are the most important signals used to detect the surface shape of the sample. Mostly, 3 to 5 eV It has a small amount of energy. Backscattered electrons are electrons that have escaped from the sample due to a change of course in the repetitive elastic scattering process with the electromagnetic sample of the electron beam incident on the sample.

시료에 조사된 전자빔(electron beam)은 일부 시료와의 상호작용을 통해 시료 표면 영상의 신호들인 2차전자와 후방산란전자 신호가 발생하고, 나머지 시료에 흡수된 전자들은 접지 회로를 따라 시료를 빠져나가게 된다. The electron beam irradiated on the sample generates secondary and backscattered electron signals, which are signals of the sample surface image, through interaction with some samples, and electrons absorbed by the remaining sample exit the sample along the ground circuit. Will go out.

주사 전자현미경(SEM)의 전자검출기(202,203)는 전자빔의 가속 전자들이 시료에 조사되면, 가속된 전자들이 조사된 시료의 원자나 전자와 쿨롱의 상호작용(interaction)에 의해 탄성, 비탄성 산란되어 고체내의 전자들을 기저상태에서 여기 상태로 전이하게 되고 여기전 전자중에 진공준위보다 큰 2차 전자들이 시료 표면을 이탈하며, 시료 표면을 이탈한 2차 전자 및/또는 후방 산란 전자를 모두 검출하며 가장 널리 사용되는 에버하트-톤리 검출기(E-T detector, Everhart-Thornley detector); 또는 후방 산란 전자(BSE) 전용 검출기를 사용한다.The electron detectors 202 and 203 of the scanning electron microscope (SEM), when the accelerated electrons of the electron beam is irradiated to the sample, the accelerated electrons are elastic and inelastic scattered by the interaction of atoms or electrons and coulombs of the sample irradiated with a solid The electrons in the transition from the ground state to the excited state, the secondary electrons larger than the vacuum level of the excitation electrons off the sample surface, and detects all the secondary electrons and / or backscattered electrons off the sample surface, the most widely Everhart-Thornley detectors used; Or a detector dedicated for backscattered electrons (BSE).

검출기(detector)(202,203)는 시료 면에 전자빔을 조사한 후, 시료(204)로부터 반사된 2차전자(secondary electron), 반사 전자(backscattered electron) 등의 검출신호를 감지하여 데이터 획득 및 화상 그래버(300) 및 제어기(310)를 통해 컴퓨터(320)로 검출신호를 전송하여, 컴퓨터(320)에서 전자현미경의 설정된 배율로 고분해능의 나노구조의 시료 표면 영상(image)을 획득한다. Detectors 202 and 203 irradiate electron beams on the sample surface, and then detect detection signals such as secondary electrons and backscattered electrons reflected from the sample 204 to acquire data and to obtain image grabbers ( 300 and the detection signal is transmitted to the computer 320 through the controller 310, to obtain a sample surface image of a high resolution nanostructure at a set magnification of the electron microscope in the computer 320.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken in conjunction with the present invention. The present invention can be variously modified or modified.

100: 경통(SEM column) 101: 전자총(electron gun)
102: 집속 렌즈 103: 편향기(deflector)
104: 대물 렌즈 200: 비진공 챔버(non vaccum chamber)
201: 필터 202, 203: 검출기(detector)
204: 시료 300: 데이타 취득 및 화상 그래버
310: 제어기(controller) 320: 컴퓨터 100: SEM column 101: electron gun
102: focusing lens 103: deflector
104: objective lens 200: non-vaccum chamber
201: filter 202, 203: detector
204: Sample 300: data acquisition and image grabber
310: controller 320: computer

Claims (7)

주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)에 있어서,
진공(vaccum) 상태에서 열 또는 전계를 가하여 일함수(work function) 이상의 에너지를 가해 많은 전자들(electrons)을 방출하고, 전자빔(electron beam)을 생성하는 전자총(electron gun), 집속 렌즈(condensor lens), 편향기(deflector), 대물 렌즈(objective lens) 및 조리개(aperture)를 구비하는 경통(column);
전자빔의 가속된 전자들(electrons)을 인가받아 관찰대상 시료에 조사하고, 상기 시료로부터 방출된 2차전자(secondary electron) 등의 검출 신호를 적어도 하나 이상의 검출기(detector)를 통해 제공하는 챔버(chamber); 및
상기 경통과 미세거리로 이격되고 상기 챔버의 경계면에 설치되며, 광축을 중심으로 집속된 전자빔의 전자들(electrons)을 통과시키고 공기를 통과시키지 않으며, 상기 경통(column)으로부터 제공된 전자빔을 상기 챔버로 제공하는 필터(filter);
를 포함하는 주사 전자 현미경.In Scanning Electron Microscope (SEM),
Electron gun, condensor lens that emits a large number of electrons by applying heat or electric field in a vacuum and applies more energy than a work function, and generates an electron beam. A column having a deflector, an objective lens, and an aperture;
A chamber that receives accelerated electrons of an electron beam and irradiates the sample to be observed, and provides a detection signal such as secondary electrons emitted from the sample through at least one detector. ); And
An electron beam provided from the column is passed through the electrons of the electron beam, which is spaced apart from the barrel and is installed at the boundary of the chamber, and passes through the electrons of the electron beam focused around the optical axis, and does not pass through the air. Providing filter;
Scanning electron microscope comprising a. 제1항에 있어서,
상기 챔버는,
관측 대상물인 시료; 및
상기 전자빔(electron beam)의 가속된 전자들이 조사된 상기 시료로부터 방출된 2차전자(secondary electron), 반사 전자 등의 검출신호를 감지하는 적어도 하나 이상의 검출기(detector)를 포함하고, 비진공 챔버(non-vaccum chamber)인 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.The method of claim 1,
The chamber may comprise:
A sample that is an observation object; And
And a non-vacuum chamber including at least one detector for detecting detection signals of secondary electrons, reflected electrons, etc. emitted from the sample to which the accelerated electrons of the electron beam are irradiated. scanning electron microscope, characterized in that the (non-vaccum chamber). 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 시료에 전자빔의 가속 전자들이 조사된 후, 상기 시료로부터 방출된 2차 전자 등의 검출 신호를 적어도 하나 이상의 검출기로부터 수신받아 시료 표면 영상의 화상처리를 담당하는 데이타 취득 및 화상 그래버(grabber);
상기 주사전자현미경의 배율과 각종 파라미터의 제어를 위한 제어기(controller); 및
상기 데이타 취득 및 화상 그래버 및 상기 제어기로부터 고분해능의 나노구조의 시료 표면 영상을 관찰하고 분석하는 컴퓨터;
를 더 포함하는 주사 전자 현미경.3. The method according to claim 1 or 2,
A data grabber and image grabber which is responsible for image processing of a sample surface image by receiving a detection signal such as secondary electrons emitted from the sample after irradiating the accelerated electrons of an electron beam to the sample;
A controller for controlling the magnification of the scanning electron microscope and various parameters; And
A computer for observing and analyzing sample surface images of high resolution nanostructures from said data acquisition and image grabber and said controller;
Scanning electron microscope further comprising. 제1항에 있어서,
상기 챔버는,
진공(vaccum) 상태가 아닌 비진공 챔버(non-vaccum chamber)이며, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 중 어느 하나의 불활성 가스가 주입되는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.The method of claim 1,
The chamber may comprise:
A scanning electron microscope, characterized in that it is a non-vaccum chamber that is not in a vacuum state and inert gas of helium (He), neon (Ne), or argon (Ar) is injected. 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 챔버는,
상기 시료 표면에 전자들(electrons)이 달라붙는 것을 방지하기 위해 상기 불활성 가스와 함께 소량의 H2O 수증기를 같이 주입하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.The method according to claim 1 or 4,
The chamber may comprise:
And a small amount of H 2 O water vapor is injected together with the inert gas to prevent electrons from adhering to the sample surface. 제1항에 있어서,
상기 챔버는,
상기 주사 전자현미경(SEM)의 상기 챔버(non vaccum chamber)가 경통(column)과 분리 가능한 구조로 이루어져 있으며, 다양한 경통(column)과 인터페이스가 가능한 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.The method of claim 1,
The chamber may comprise:
The non-vaccum chamber (SEM) of the scanning electron microscope (SEM) has a structure that can be separated from the column (column), the scanning electron microscope, characterized in that the interface with a variety of columns (column). 제1항에 있어서,
상기 시료는,
상기 주사 전자 현미경에 의해 PCB나 반도체의 층별 정렬 키(alignment key)가 표시된 다층 구조(multi layer)의 시료의 표면 구조와 다층구조의 정렬상태를 확인할 경우, 시료를 동일한 위치에 둔 상태에서 상기 전자총의 가속전압의 전압의 세기를 변경{고전압(high voltage)과 저전압(low voltage)}하여 전자빔을 생성함으로써, 상기 시료에 전자빔을 다층 구조의 시료의 침투 깊이를 달리하도록 조사하여 다층구조 시료의 각 레이어(layer)의 정렬 키를 계측함에 따라 상층부와 하층부의 정렬(alignment) 정도를 확인하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.

















The method of claim 1,
The sample,
In the case of confirming the surface structure of the multilayer structure sample and the alignment state of the multilayer structure by the scanning electron microscope where the alignment keys of the PCB or the semiconductor are displayed, the electron gun with the sample placed at the same position By generating the electron beam by changing the intensity of the voltage of the acceleration voltage of the high voltage (high voltage and low voltage), the electron beam is irradiated to the sample to vary the penetration depth of the sample of the multi-layer structure, each of the multi-layer sample A scanning electron microscope, characterized in that the degree of alignment of the upper and lower layers is checked by measuring the alignment keys of the layers.

















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