KR20170113491A - 모노크로미터 및 이를 구비한 전자선 손실분광 장치 - Google Patents

모노크로미터 및 이를 구비한 전자선 손실분광 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20170113491A
KR20170113491A KR1020170076420A KR20170076420A KR20170113491A KR 20170113491 A KR20170113491 A KR 20170113491A KR 1020170076420 A KR1020170076420 A KR 1020170076420A KR 20170076420 A KR20170076420 A KR 20170076420A KR 20170113491 A KR20170113491 A KR 20170113491A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
charged particle
particle beam
electrode
monochromator
electrodes
Prior art date
Application number
KR1020170076420A
Other languages
English (en)
Inventor
타카시 오가와
김주황
박인용
Original Assignee
한국표준과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국표준과학연구원 filed Critical 한국표준과학연구원
Priority to KR1020170076420A priority Critical patent/KR20170113491A/ko
Publication of KR20170113491A publication Critical patent/KR20170113491A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/05—Electron or ion-optical arrangements for separating electrons or ions according to their energy or mass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion
    • G01N23/2251—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion using incident electron beams, e.g. scanning electron microscopy [SEM]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/10—Lenses
    • H01J37/12—Lenses electrostatic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/21—Means for adjusting the focus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

본 발명은 하전입자선의 진로를 편향시키는 원통형 정전렌즈를 대칭으로 배열하고 그 사이에 에너지 선택 조리개(aperture)를 배치하여 중심 에너지 범위의 하전입자선을 선택하는 것이 가능한 하전입자선 장치에 관한 것으로, 모노크로미터 중앙 전극 및 상기 중앙전극을 중심으로 전방부와 후방부에 배열되는 복수 개의 전극이 절연을 통해 서로 고정되는 일체화 구조를 취하기 때문에, 전방부와 후방부에 각각의 렌즈를 별도로 마련하는 경우에 비해 광축에 대해 오프셋을 조정하는 기구가 간소해지는 장점을 가지며, 광학계의 대칭성에 의해 출사면에서 이차 수차가 상쇄된다.

Description

모노크로미터 및 이를 구비한 전자선 손실분광 장치{Monochromator and Electron Energy Loss Spectroscopy comprising the same}
본 발명은 단색화장치를 구비한 하전입자선 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하전입자선의 진로를 편향시키는 원통형 정전렌즈를 대칭으로 배열하고 그 사이에 에너지 선택 조리개(aperture)를 배치하여 중심 에너지 범위의 하전입자선을 선택하는 것이 가능한 하전입자선 장치에 관한 것이다.
움직이는 하전입자는 정전기장 또는 자기장으로 경로를 변경할 수 있으므로, 여러 개의 하전입자가 함께 움직이는 하전입자선의 진행방향을 조정하거나 하전입자선을 집속 또는 분산하는 기능을 하는 하전입자 경로조정 장치를 빛의 경로를 조정하는 광학계에 빗대어 하전입자광학계라고 한다.
하전입자선에는 이온빔과 전자선이 있으며, 이온빔은 주로 양이온빔으로 플라즈마 이온원(Plasma Ion Source), 전계 이온화 형 가스 이온원(Gas Field Ion Source) 또는 액체 금속 이온원(Liquid metal Ion source)에서 추출하고 전자선은 음극(cathode)에서 얻는다. 전자선은 텅스텐(W) 표면에 산화 지르코니아(ZrO)로 피복한 쇼트키형(Schottky) 전자원, 또는 텅스텐에서 냉음극전계 방출전자원(Cold field emission electron source)에서 얻는다. 이러한 이온빔과 전자선에서는 빔을 이루는 이온 또는 전자가 평균적으로 가지는 일정한 에너지 범위를 벗어나는 이온 또는 전자가 존재하고, 일정한 에너지 범위를 전제로 하여 조절된 하전입자광학계에서 이러한 이온 또는 전자의 경로는 원하는 경로 범위를 벗어나게 된다.
하전입자선에서 중심 에너지 범위의 입자를 선택하고 그 범위를 벗어나는 에너지를 가지는 입자를 제거하는 단색화장치(Monochromator)는 단색화 장치에는 전기장과 자기장을 함께 사용하는 비인 필터(Wien filer)형 단색화장치, 하전입자선을 정전기장 내부에서 원운동시키는 정전기장 단색화장치 및 진행하는 하전입자선이 비대칭 정전기장에 입사하여 경로가 이동되는 묄렌스테트 에너지 분석기 (Mollenstedt Energy Analyzer)형 단색화장치 등이 있다.
여기서 원통형 렌즈는 중심에 직사각형의 개구부를 가진 3개의 전극으로 구성되어 중심 전극에 고전압이 인가되고, 전후 양측의 두 개의 전극은 접지 전압으로 하는 하전입자 렌즈로, 3개의 전극 사이에는 절연재가 구비된다. 고전압이 인가된 중심 전극 부근에서 하전입자의 에너지가 거의 0까지 감속되고, 렌즈의 광축 외부를 통과하는 성분이 선택되며, 렌즈 축의 색수차에 의해 발생하는 에너지 분산을 이용하여 하전 입자의 에너지를 분석하는 방식이다. 하전입자원의 축외 성분을 에너지 선택 조리개(aperture)로 걸러내고, 정전렌즈의 축 밖을 통과시켜 에너지를 분광하여, 중심 에너지부만 선택하는 단색화장치로, 주사전자현미경(SEM)과 같은 하전입자빔 장치에 이용될 수 있다. 이러한 단색화장치는 하전입자선 색수차 영향을 감소시켜 이미지의 분해능을 향상시키게 된다.
대한민국 공개특허 2015-0146079는 모노크로메이터 및 이를 구비한 하전입자빔 장치에 관한 것으로, 각각 복수 개의 전극을 포함하는 두 정전렌즈와 그 사이에 구비된 에너지 선택 조리개(aperture)로 구성된 단색화장치에 관한 기술을 개시하고 있다. 그러나 상기 공개특허는 직사각형의 두 개 정전렌즈의 직사각형 개구부 중심을 별도로 하전입자선의 광축에 대해 이동해야 하며, 정전렌즈를 구성하는 전극의 수가 많아 전극의 개구부를 정밀하게 일치시키는 작업이 복잡해지는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 2015-0146079호
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 직사각형 개구부의 중심이 일치하는 복수개의 전극으로 구성된 일체 구조의 정전기장 렌즈를 이용하여, 분산이 발생할 수 있는 하전입자선의 에너지확산을 줄인 단색화장치 및 이를 구비한 하전입자선 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은, 직사각형 개구부를 구비하며, 에너지 분포를 가지고 입사하는 하전입자선에서 미리 정한 에너지 범위에 속한 입자를 선택적으로 통과시키는 선택 조리개(Aperture)를 직사각형 상기 개구부 내부 두께의 중심에 구비한 중앙 전극; 입사하는 하전입자선이 통과할 수 있도록 직사각형 개구부를 구비하고 중앙전극을 중심으로 전방부와 후방부에 각각 나란히 배열된 복수 개의 전극; 상기 전방부와 후방부에 각각 배열된 복수 개의 전극의 개구부가 정전렌즈 작용을 하도록 전력을 인가하는 제어전원부; 및 상기 전방부에 배열된 복수 개의 전극이 정전렌즈 작용으로 입사하는 하전입자선을 일방향으로 편향시키고, 상기 후방부에 배열된 복수 개의 전극이 정전렌즈 작용으로 상기 일방향으로 편향된 하전입자선을 원래 위치로 다시 편향시켜 출사시킬 수 있도록, 상기 입사하는 하전입자선의 중심 축으로부터 미리 정한 거리만큼 상기 직사각형 개구부의 짧은 변 방향 중심이 이동되도록 상기 중앙전극 및 상기 복수 개의 전극을 이동조절하는 이동조절부를 포함하고, 상기 중앙 전극 및 상기 복수 개의 전극은 절연을 통해 서로 고정되는 일체화 구조인, 모노크로미터를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 중앙전극의 전방부와 후방부에 각각 배치되는 복수개의 전극은 각각 2개의 전극으로, 상기 중앙전극을 기준으로 대칭구조를 이루며 일체형으로 서로 고정되는, 모노크로미터를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 모노크로미터를 이용한, 전자선 손실 분광장치(EELS)를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 모노크로미터를 투과하는 전자선을 시료실에 위치한 시료에 조사하고, 상기 조사 결과 발생한 전자선의 에너지를 상기 모노크로미터를 이용하여 분광하는, 전자선 손실분광 장치(EELS)를 제공한다.
본 발명의 모노크로미터 중앙 전극 및 상기 중앙전극을 중심으로 전방부와 후방부에 배열되는 복수 개의 전극이 절연을 통해 서로 고정되는 일체화 구조를 취하기 때문에, 전방부와 후방부에 각각의 렌즈를 별도로 마련하는 경우에 비해 광축에 대해 오프셋을 조정하는 기구가 간소해지는 장점을 가지며, 광학계의 대칭성에 의해 출사면에서 이차 수차가 상쇄된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른, 일체화 구조의 모노크로미터 및 단면을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른, 원통형 렌즈의 개구부 전위가 하전입자선의 궤적을 이동시키는 원리를 나타내는 개념도이다.
도 3은 모노크로미터의 하전입자선 에너지 선택에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자선 광축에 대해 직사각형 개구부의 짧은 변 방향으로 이동된 모노크로미터가 배치된 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자원부와 모노크로미터부가 분리된 진공영역을 가지는 장치를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른, 각각 2개의 전극을 구비한 전송렌즈를 포함하는 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자원부와 모노크로미터부가 분리된 진공영역을 가지면서 동시에 각각 2개의 전극을 구비한 전송렌즈를 포함하는 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자선 가속관을 구비한 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자원부와 모노크로미터부가 분리된 진공영역을 가지면서 동시에 하전입자선 가속관을 구비한 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른, 주사형 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따른, 투과형 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 구현예에 따른, 집속렌즈와 대물렌즈를 통해 시료에 하전입자빔을 최적 개방각도에서 집속하는 주사형 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 13은 본 발명의 일 구현예에 따른, 모노크로미터의 상하 전송렌즈를 콘덴서렌즈, 대물렌즈로 사용하는 광학계를 나타내는 개념도이다.
도 14는 본 발명의 일 구현예에 따른, 모노크로미터 전원이 가속전압에 중첩된 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 15는 본 발명의 일 구현예에 따른, 모노크로미터를 하전입자원 고압부에 설치하고 모노크로미터 후단에 가속관을 설치한 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
도 16은 본 발명의 일 구현예에 따른, 모노크로미터를 접지선 기준에서 사용하는 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다.
이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 된다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른, 일체화 구조의 모노크로미터 및 단면을 나타내는 개념도이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 모노크로미터는, 직사각형 개구부(5)를 구비하며, 에너지 분포를 가지고 입사하는 하전입자선에서 미리 정한 에너지 범위에 속한 입자를 선택적으로 통과시키는 선택 조리개(Energy selection aperture)(35)를 직사각형 상기 개구부 내부 두께의 중심에 구비한 중앙 전극(30); 입사하는 하전입자선이 통과할 수 있도록 직사각형 개구부를 구비하고 중앙전극을 중심으로 전방부(10, 20)와 후방부(40, 50)에 각각 나란히 배열된 복수 개의 전극; 상기 전방부와 후방부에 각각 배열된 복수 개의 전극의 개구부가 정전렌즈 작용을 하도록 전력을 인가하는 제어전원부(미도시); 및 상기 전방부에 배열된 복수 개의 전극이 정전렌즈 작용으로 입사하는 하전입자선을 일방향으로 편향시키고, 상기 후방부에 배열된 복수 개의 전극이 정전렌즈 작용으로 상기 일방향으로 편향된 하전입자선을 원래 위치로 다시 편향시켜 출사시킬 수 있도록, 상기 입사하는 하전입자선의 중심 축으로부터 미리 정한 거리만큼 상기 직사각형 개구부의 짧은 변(7) 방향 중심이 이동되도록 상기 중앙전극 및 상기 복수 개의 전극을 이동조절하는 이동조절부(70)를 포함한다. 상기 하전입자선의 진행방향은 Z-방향으로, 개구부의 짧은 변(7) 방향은 X-방향으로, 긴 변(6) 방향은 Y-방향으로 정의한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 중앙 전극 및 상기 복수 개의 전극은 절연을 통해 서로 고정되는 일체화 구조인 것을 특징으로 한다. 상기 절연은 모노크로미터 전극간 절연부(60)를 통해 이루어진다. 또한, 상기 중앙전극의 전방부와 후방부에 각각 배치되는 복수개의 전극은 각각 2개의 전극으로, 상기 중앙전극을 기준으로 대칭구조를 이루며 일체형으로 서로 고정되어 종래 기술에 비해 전극 수를 줄임으로써 전극 개구부의 중심축을 정밀하게 일치하도록 하는 조립이 가능할 뿐 아니라 비용도 절감가능하다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 전방부 및 후방부 전극은 중심전극에 대해 대칭구조를 취하며, 중심전극은 다른 4개의 전극보다 두껍게 한다. 상기 복수 개의 전극은 전방부의 두 전극을 중앙 전극으로 고정(F)하며, 후방부의 두 전극도 중앙 전극으로 고정(F)한다. 상기 복수 개의 전극을 상기 중앙 전극에 맞춰 상하방향으로 조립하므로 정밀 조립이 용이하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른, 원통형 렌즈의 개구부 전위가 하전입자선의 궤적을 이동시키는 원리를 나타내는 개념도이다. 본 발명의 일 구현예에서, 하전입자선(500)은 짧은 변(7)인 X-축의 원점에서 (+)Xd 만큼 이동되고, 긴 변(6)인 Y-축은 원점인 위치로 입사한다. 즉, 전방부 전극(10, 20)에 입사하는 하전입자선은 편향되어 입사하며 개구부가 형성하는 전위(80)의 중심을 벗어난 위치에 입사하게 되어 편향력을 받게 된다. 상기 편향력을 받은 하전입자선의 궤적(trajectory)은 중심 대칭위치에서 벗어나게 되며 후방부 전극(40, 50)에서 반대방향으로 편향되어 원래 입사궤적의 연장으로 복귀하게 된다. 이때, 개구부의 짧은 변(7) 방향인 X-축으로 이동하였기 때문에, 긴 변(6) 방향인 Y-축에는 궤적에는 변화가 없고, X-축 궤적 변경을 하면서 에너지별로 하전입자선이 분리되어 진행하게 되고 중앙전극(30)에 구비된 에너지 선택 조리개(35)를 통해서 중심 에너지의 하전입자선(500)을 선택적으로 통과시키는 것이다.
도 3은 모노크로미터의 하전입자선 에너지 선택에 대한 개념도로, 중앙전극의 전방부와 후방부에 배열된 각각 3개의 전극으로 구성된 모노크로미터에서 하전입자선의 궤적변화를 과장되도록 강조하여 묘사하였다. 실제 하전입자선은 진행하면서 경로가 진행방향에 평행하게 이동하지만, 하전입자선의 이동을 설명하기 위해 마치 하전입자선이 되돌아 휘는 것처럼 과장하여 그린 것이다. 하전입자원(390)에서 방출된 하전입자선(500)이 제1 전송렌즈(190)과 입사 조리개(entrance aperture)(15)를 지나 전방부 원통형 렌즈(33)에 입사하고, 상기 원통형 렌즈(33)에 의해 궤적이 변화하여 에너지가 분산된 하전입자선(510, 520)으로 궤적이 나누어진다. 상기 궤적이 나누어진 에너지가 분산된 하전입자선(510, 520)과 중앙부 하전입자선의 형태를 진행방향에서 보면 그래프 I와 같으며, 상기 에너지가 분산된 하전입자선(510, 520)은 에너지 선택 조리개(35)에 의해 진로가 막히고, 중심부에 위치한 하전입자선(500)만 통과한 뒤 후방부 원통형 렌즈(37)에서 윈래 궤적으로 복귀하여 진행한다. 상기 원래 궤적으로 복귀하여 진행하는 하전입자선 빔이 제2 전송렌즈(290)를 통과한 뒤 하전입자선의 형태를 진행방향으로 보면 원형으로 관찰(S)된다. 본 발명의 일 구현예에서는 상기 원통형 렌즈가 2개의 전극으로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자선 광축에 대해 직사각형 개구부의 짧은 변 방향으로 이동된 모노크로미터가 배치된 하전입자선 장치를 나타내는 개념도로, 직사각형 개구부의 중심이 일치하는 복수개의 전극으로 구성된 일체구조의 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치를 나타낸다. 본 발명의 일 구현예에 따른 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는, 하전입자선을 방출하는 하전입자원(340); 상기 하전입자원을 가열하는 전류(Ifil)를 인가하는 필라멘트(Filament)(300); 상기 하전입자원으로부터 임의의 방향으로 전자방사를 억제하는 억제 전극(suppressor)(320); 상기 하전입자원에 인출전압(Vext)을 인가하는 인출 전극(extractor)(330); 상기 인출 전극을 통과한 하전입자선을 집속하여 통과시키는, 각각 개구부를 구비한 복수 개의 전극을 포함하는 제1 전송(transfer) 렌즈(제1 축대칭렌즈)부(100, 110, 120); 상기 제1 전송 렌즈부에서 상기 하전입자선의 진행방향으로 이격되어 상기 제1 전송 렌즈를 통과한 하전입자선의 입사각도를 미리 정한 범위에서 제한하는 입사 조리개(Aperture)(15); 상기 입사 조리개를 통과한 하전입자선 중 미리 정한 에너지 범위의 하전입자선을 선택적으로 통과시키는 모노크로미터; 상기 모노크로미터를 통과한 하전입자선을 집속하여 통과시키는, 각각 개구부를 구비한 복수 개의 전극을 포함하는 제2 전송 렌즈(제2 축대칭렌즈)부(200, 210, 220); 상기 제2 전송 렌즈를 통과한 하전입자를 배출하며, 접지되는 하전입자선 배출전극(270); 상기 모노크로미터 후방으로 하전입자선 렌즈계 편향계와 비점 보정 장치를 갖는 광학계(700); 상기 하전입자선이 조사되는 시료와 상기 시료를 내부에 장착하는 시료실; 상기 하전입자선의 조사를 통해 시료로부터 방출되는 하전입자선을 검출하는 검출기; 및 제어부를 포함한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 하전입자원(340) 및 상기 필라멘트(300)는 절연체(310)를 통해 접지부이자 진공 챔버(vacuum chamber)의 일부로 진공밀폐된 플랜지(360)와 연결되며, 벨로우즈(350)를 통해 정렬 및 보호 가능하게 된다. 또한, 상기 입사조리개(15)는 입사조리개 조절부(16)로 조절되며, 상기 모노크로미터 이동조절부(70) 및 모노크로미터의 선택조리개(35)도 선택조리개 조절부(36)를 통해 조절된다. 상기 각 정렬 및 조절은 XY 방향으로 정렬 및 조절(A)된다. 상기 모노크로미터 이동조절부(70)는 상기 전방부 및 후방부에 위치한 전송렌즈의 간격을 유지해주며 절연으로 연결하는 전송렌즈 지지부(400)를 통해 상기 전송렌즈 지지부(400)를 기준으로 작동될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 전송렌즈(100~120, 200~220)는 전송렌즈 절연부(160)를 통해 절연 연결된다.
상기 하전입자원, 상기 억제 전극, 상기 인출전극, 상기 제1 전송 렌즈부, 상기 입사 조리개, 상기 모노크로미터, 상기 제2 전송 렌즈, 상기 광학계, 상기 시료실 및 상기 검출기는 진공펌프를 통해(B) 진공상태로 유지되며, 자기장 차폐부(600)를 통해 외부자기장으로부터 보호된다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 진공펌프는 이온펌프이다. 또한, 상기 모노크로미터는, 직사각형 개구부를 구비하며, 에너지 분포를 가지고 입사하는 하전입자선에서 미리 정한 에너지 범위에 속한 입자를 선택적으로 통과시키는 선택 조리개(Aperture)를 상기 직사각형 개구부 내부 두께의 중심에 구비한 중앙 전극; 입사하는 하전입자선이 통과할 수 있도록 직사각형 개구부를 구비하고 중앙전극을 중심으로 전방부와 후방부에 각각 나란히 배열된 복수 개의 전극; 상기 전방부와 후방부에 각각 배열된 복수 개의 전극의 개구부가 정전렌즈 작용을 하도록 전력을 인가하는 전원부; 및 상기 전방부에 배열된 복수 개의 전극이 정전렌즈 작용으로 입사하는 하전입자선을 일방향으로 편향시키고, 상기 후방부에 배열된 복수 개의 전극이 정전렌즈 작용으로 상기 일방향으로 편향된 하전입자선을 원래 위치로 다시 편향시켜 출사시킬 수 있도록, 상기 입사하는 하전입자선의 중심 축으로부터 미리 정한 거리만큼 상기 직사각형 개구부의 짧은 변 방향 중심이 이동되도록 상기 중앙전극 및 상기 복수 개의 전극을 이동조절하는 이동조절부를 포함하고, 상기 중앙 전극 및 상기 복수 개의 전극은 절연을 통해 서로 고정되는 일체화 구조이다.
상기 제1 전송렌즈의 초점거리는 f1으로 전 초점이 광원위치(Z0)이고, 후 초점은 상기 입사조리개(15) 위치(Z1)와 일치한다. 상기 제2 전송렌즈의 초점거리는 f2로 전 초점이 상기 모노크로미터를 통과한 위치(Z3)이고, 후 초점은 하전입자선이 출사하는 크로스 오버 위치(Z4)와 일치한다. 상기 전방부(10, 20)와 후방부(40, 50)에 각각 나란히 배열된 복수 개의 전극은 각각 도 3에 과장되도록 강조하여 묘사된 원통형 렌즈(33, 37)를 형성하며, 상기 원통형 렌즈는 이차 집속조건을 사용하여 초점거리를 fc로 한다. 상기 두 원통형 렌즈(33, 37)의 중심은 중심 대칭위치(Z2)인 상기 선택조리개(35) 위치에 대해 대칭이며 각각 중심 대칭위치(Z2)로부터 초점거리인 fc만큼 떨어져 위치한다. 즉, 각각 도 3에 과장되도록 강조하여 묘사된 전방부 원통형 렌즈(33)의 전 초첨은 전방부 원통형 렌즈(33)의 중심으로부터 fc만큼 전방에 위치하며, 후방부 원통형 렌즈(37)의 후 초첨은 후방부 원통형 렌즈(37)의 중심으로부터 fc만큼 후방에 위치한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는, 상기 제2 전송렌즈와 상기 하전입자선 배출전극 사이에, 상기 제2 전송 렌즈부로부터 상기 하전입자선의 진행방향으로 이격되어 상기 제 2 전송 렌즈부와 대향하는 대향전극(250)을 더 구비할 수 있다. 상기 대향 전극(250)에서 하전입자선 출사 위치의 크로스 오버(Z4) 아래까지 둘러싸기 때문에 제 전송렌즈 하부 전극(220)과 같은 전위가 되며, 그 아래에 전위가 다른 전극을 배치하는 것을 특징으로 한다. 대향 전극을 설치하지 않고 전위가 다른 전극을 배치하는 경우에는 크로스 오버의 위치(Z4)가 상기 전위가 다른 전극의 전압에 따라 변화한다. 따라서 평소보다 복잡한 모노크로미터의 광학 계산이 전압의 기준에 따라 요구된다. 대향 전극을 설치한 경우, 상기 전위가 다른 전극으로부터 전계가 차폐되어 있기 때문에, 전압을 변화시킨 경우에도 크로스 오버의 위치(Z4)가 변화하지 않는다. 따라서 후단의 광학계 사용 조건은 모노크로미터와 독립적으로 계산이 가능하므로 광학계 사용 조건의 설정이 용이하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자원부와 모노크로미터부가 분리된 진공영역을 가지는 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 도 3에 묘사된 하전입자원(390), 상기 억제전극(320), 상기 인출전극(330) 및 상기 도 3에 묘사된 제1 전송렌즈(190)부는 상기 모노크로미터와 분리된 초고진공 공간을 구비하고, 상기 분리된 초고진공 공간은 별도의 진공펌프를 통해(C) 초고진공을 유지한다. 본 발명의 일 구현예에서는 진공챔버에 내벽(380)을 설치하고 제1 전송렌즈를 절연부(370)를 통해 챔버벽에 연결하며, 상기 분리된 초고진공 공간을 진공배기하는 진공펌프는 이온펌프이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는, 상기 중앙전극의 전방부와 후방부에 각각 배치되는 복수개의 전극은 각각 2개의 전극으로, 상기 중앙전극을 기준으로 대칭구조를 이루며 일체형으로 서로 고정되고, 상기 선택 조리개는 상기 중앙전극에 고정되고, 상기 제1 전송 렌즈 및 2 전송 렌즈에 포함되는 전극은 각각 3개이고, 상기 제1 전송 렌즈의 후방부 전극과 상기 제2 전송 렌즈의 전방부 전극은, 각각 상기 입사 조리개와 상기 모노크로미터를 내부에 포함하는, 전송 렌즈 지지부의 상면과 하면을 구성하며, 상기 전송 렌즈 지지부의 상면과 상기 입사조리개 사이(430) 및 상기 모노크로미터 후방부의 후단 전극과 상기 전송 렌즈 지지부의 하면 사이(440)에는 하전입자선의 위치를 보정하는 정렬 전극이 더 배열되며, 상기 제1 전송 렌즈의 하전입자선 진행방향 첫 번째 전극전압은 상기 인출전압이고, 상기 제1 전송 렌즈의 하전입자선 진행방향 두 번째 전극전압은 상기 하전입자선을 평행하게 유지하는 전압이며, 세 번째 전극전압은 추출전압보다 낮은 통과전압이고, 상기 제2 전송 렌즈의 하전입자선 진행방향 첫 번째 전극전압은 통과전압이고, 상기 제2 전송 렌즈의 하전입자선 진행방향 두 번째 전극전압은 상기 제1 전송 렌즈의 두 번째 전극전압과 같은 전압이며, 세 번째 전극전압은 통과전압보다 높은 추출전압이다. 상기 제1 전송렌즈 전압은 광학 계산에 의해 결정된다. 이 전압에서 한 점에서 방출된 궤도는 평행하게 출사한다. 통과전압은 임의의 전압을 지정할 수 있다. 상기와 같이, 인출전압보다 낮은 통과 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 제2 전송렌즈 전압은 제1 전송렌즈 전압과 거의 동일하지만, 렌즈계의 치수 오차에 의한 초점 위치의 변화가 있다. 하지만 제2 전송렌즈 전압을 변화시켜 조정할 수 있다. 후단에 렌즈계가 있으면 제2 전송렌즈 전압은 제1 전송렌즈 전압과 일치시킴으로써 전원의 수를 줄일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른, 각각 2개의 전극을 구비한 전송렌즈를 포함하는 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이고, 도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자원부와 모노크로미터부가 분리된 진공영역을 가지면서 동시에 각각 2개의 전극을 구비한 전송렌즈를 포함하는 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다. 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 중앙전극의 전방부와 후방부에 각각 배치되는 복수개의 전극은 각각 2개의 전극으로, 상기 중앙전극을 기준으로 대칭구조를 이루며 일체형으로 서로 고정되고, 상기 선택 조리개는 상기 중앙전극에 고정되고, 상기 제1 전송 렌즈 및 2 전송 렌즈에 포함되는 전극은 각각 2개이고, 상기 제1 전송 렌즈의 후방부 전극과 상기 제2 전송 렌즈의 전방부 전극은, 각각 상기 입사 조리개와 상기 모노크로미터를 내부에 포함하는, 전송 렌즈 지지부의 상면과 하면을 구성하며, 상기 전송 렌즈 지지부의 상면과 상기 입사조리개 사이(430), 및 상기 모노크로미터 후방부의 후단 전극과 상기 전송 렌즈 지지부의 하면 사이(440)에는 하전입자선의 위치를 보정하는 정렬(Alignment) 전극이 더 배열되고, 상기 제1 전송 렌즈의 하전입자선 진행방향 첫 번째 전극전압은 상기 인출전압이고, 두 번째 전극전압은 통과전압이며, 상기 제2 전송 렌즈의 하전입자선 진행방향 첫 번째 전극전압은 통과전압이고, 두 번째 전극전압은 상기 인출전압이다. 상기 인출전압은 전자원의 제조과정에 의존하는 특성에 따라 결정되며, 통과전압은 광학계산으로 정해지고, 방출된 하전입자선은 평행하게 출사된다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 두 번째 전극전압은 인출전압과 거의 동일하지만 렌즈계의 치수 오차에 의한 초점위치의 변화가 있을 수 있고 이는 상기 두 번째 전극전압을 변화시켜 조정할 수 있다. 후단에 렌즈계가 있는 경우는 인출전압과 일치시켜 전극의 수를 줄일 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자선 가속관을 구비한 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이고, 도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른, 하전입자원부와 모노크로미터부가 분리된 진공영역을 가지면서 동시에 하전입자선 가속관을 구비한 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는, 상기 대향전극(250)과 상기 하전입자선 배출전극(270) 사이에는 하전입자선 가속관(710)을 더 구비한다. 상기 가속관의 설치로 하전입자선의 에너지를 변화시킨 경우에도 크로스 오버의 위치가 변화하지 않으므로, 후단의 광학계 조건의 설정이 용이하게 된다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 중앙전극, 상기 중앙전극 기준으로 대칭인 상기 전방부의 전면에 배열된 전극 및 상기 후방부의 후면에 배열된 전극에 통과전압(Vp)을 인가하고, 상기 중앙전극 기준으로 대칭인 상기 전방부의 후면에 배열된 전극에 제1 원통형렌즈 전압(VCL1)을, 상기 후방부의 전면에 배열된 전극에 제2 원통형렌즈 전압(VCL2)을 각각 인가한다. 전기적으로 모노크로미터 중심전극에 대해 대칭구조를 가지며, 제1 원통형렌즈 전압과 제2 원통형렌즈 전압은 이상적으로는 동일하지만, 기계가공이나 조립오차에 의해 조정이 필요할 수 있다. 상기 구성은 광학계의 대칭성에 의해 출사면에서 이차 수차가 상쇄된다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치에서 상기 제1 원통형렌즈 전압(VCL1)과 상기 제2 원통형렌즈(VCL2)전압은 동일한 크기이다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 이동조절부(70)로 이동조절되고 일체형으로 서로 고정된 전극은, 상기 제2 전송 렌즈부(290)의 중심축에 대해 이동조절될 수 있다. 상기 구조는 모노크로미터의 중심 축을 제2 전송렌즈부의 중심축에 대하여 정확한 위치이동량으로 조정가능하게 한다. 또한, 모노크로미터와 제2 전송렌즈부의 이동을 조정하면 일체형 구조로 할 수 있는 장점을 가진다. 대기압 중에서 위치 조정이나 다른 진공 장치에서 위치 조정 후에 주장치인 하전입자선 장치로 쉽게 이전하는 것도 가능하다. 모노크로미터의 성능 평가를 실시함으로써, 제조 공정이나 사용 도중 고장이 발생한 경우에는 모노크로미터 단위로 교환하는 것도 가능해진다. 또한, 하전입자선 장치 안에서 하전입자선을 발사 후 이동을 미세하게 조정할 수도 있다. 본 발명의 일 구현예에서 위치 조정기구의 구동부는 진공 내에 설치된 모터, 압전 소자로 가능하다. 상기 구동부는 진공 밖에서 회전 도입기구(Rotation motion feedthrough) 또는 직선 도입기구(Linear motion feedthrough)를 사용하여 실시할 수 있다. 전송렌즈 지지부 절연부(460)로 이동기구인 가이드 레일을 설치해도 된다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 제2 전송 렌즈부의 하부전극과 상기 대향전극은 동일한 전위가 인가된다. 대향전극에서 하전입자선 출사 위치의 크로스 오버(Z4) 아래까지 둘러싸기 때문에 제2 전송렌즈 하부 전극과 같은 전위가 인가된다. 또한, 그 아래 위치에 다른 전극을 배치한다. 대향 전극을 설치하지 않고 전위가 다른 전극을 배치한 경우 크로스 오버의 위치(Z4)가 전위가 다른 전극의 전압에 따라 변화한다. 따라서 평소보다 복잡한 모노크로미터의 광학 계산이 전압의 기준에 따라 요구된다. 대향 전극을 설치한 경우, 전위가 다른 전극으로부터 전계가 차폐되어 있기 때문에, 전압을 변화시킨 경우에도 크로스 오버의 위치(Z4)는 변화하지 않는다. 따라서 후단의 광학계 사용조건에 대해 모노크로미터와 독립적으로 계산이 가능해지므로 광학계 사용 조건의 설정이 용이하게 된다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 제1 전송 렌즈부의 하부전극(120)과 중앙전극 기준으로 대칭인 상기 전방부의 전면에 배치된 전극(10)은 동일한 전위가 인가된다. 이로 인해, 상기 모노크로미터를 이동한 경우에 전자선의 편향 작용이 없어진다. 또한, 상기 하부 전극(120)과 전방부 전단 전극(10) 사이에 제1 정렬전극(430)과, 입사 조리개(15)를 설치하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 제2 전송 렌즈부의 상부전극(200)과 상기 후방부의 후면에 배열된 전극(50)은 동일한 전위가 인가된다. 이로 인해, 상기 모노크로미터를 이동한 경우에 전자선의 편향 작용이 없어진다. 또한, 상기 상부 전극(200)과 후방부 후단 전극(50) 사이에 제2 정렬전극(440)을 설치하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 하전입자선 배출전극은 상기 배출전극을 통과한 하전입자선이 진행하는 광학계의 콘덴서렌즈의 일부이다. 콘덴서 렌즈의 사용 조건을 변화시킨 경우에도 크로스 오버(Z4)의 위치가 변화하지 않아서 후단의 광학계 조건의 설정이 용이하게 된다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 하전입자선 배출전극은 상기 배출전극을 통과한 하전입자선이 가속되는 가속관의 일부이다. 이와 같은 경우, 하전입자선의 에너지를 변화시킨 경우에도 크로스 오버(Z4)의 위치가 변화하지 않아서 후단의 광학계 조건의 설정이 용이하게 된다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 전송 렌즈 지지부(400)가 진공배기관으로 진공이 유지되는 공간 내부에 위치하며, 상기 제1 전송 렌즈부의 하부전극(120) 및 상기 제2 전송 렌즈부의 상부전극(200)과 동일한 전위를 유지한다. 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부전극(200)의 전위는 통과 전압(Vp)과 동일하고, 절연기구가 필요 없으며 구조가 단순화된다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 이동조절부(70)가 상기 전송 렌즈 지지부(400)를 통과하여 마련된다. 이를 통해 제1 전송렌즈, 모노크로미터의 두 원통형 렌즈(33, 37) 및 제2 전송렌즈를 일체화 할 수 있다. 대기 중에서 위치 조정한 후 또는 다른 진공 장치에서 위치조정 후 본 장치에 쉽게 이전할 수 있다. 모노크로미터의 성능 평가를 실시하는 것으로, 제조공정이나 현장에서 고장이 발생한 경우, 모노크로미터 단위로 교환이 가능해진다. 위치 조정기구의 구동부는 진공내에 설치된 모터, 압전소자가 사용될 수 있다. 또한, 이 구동부의 구동은 진공 밖으로 회전 도입기구 또는 직선 도입기구를 사용하여 실시할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치는 상기 이동조절부가 상기 중앙전극에 연결되어 작용한다. 모노크로미터의 높이 방향의 중심에 작용하여 모노크로미터 위치를 조정할 때 기울기를 줄일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치의 상기 하전입자는 전자이고, 상기 하전입자선 배출전극은 양극(anode)일 수 있다. 전자인 상기 하전입자원, 상기 억제 전극 및 상기 인출 전극은 절연물을 통해 접지전위인 전자총 플랜지(Flange)에 연결되고, 접지부는 진공 내부에서 수평과 수직 방향 조정이 가능하도록 벨로우즈로 연결되어, 모노크로미터와 독립적으로 전자원을 교체가능하게 한다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 모노크로미터를 구비한 하전입자선 장치의 상기 하전입자는 이온이고, 상기 하전입자선 배출전극은 음극(Cathode)일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른, 주사형 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이고, 도 11은 본 발명의 일 구현예에 따른, 투과형 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다. 주사형 하전입자선 장치에는 주사형 정렬 광학계(791)가 사용되고, 투과형 하전입자선 장치에는 투과형 정렬 광학계(790)가 사용된다. 상기 하전입자선 장치는, 시료실에 위치한 시료의 표면의 영상을 관찰하는 주사전자현미경이거나, 시료실에 위치한 시료를 투과한 전자선의 영상을 획득하는 투과전자현미경일 수 있다. 상기 투과전자현미경의 경우에는 투과형 시료 홀더(800), 투과형 대물렌즈(810), 투과형 투사 광학계(820), 스크린을 겸한 검출기(830)이 설치될 수 있다. 본 발명의 또 다른 구성예에서 상기 하전입자선 장치는, 시료실에 위치한 시료표면을 식각하는, 전자빔 식각 장치이거나, 시료실에 위치한 시료의 표면을 가공하는 집속이온빔 장치일 수 있다. 다른 광학계 구성은 종래의 주사전자현미경(SEM), 집속이온빔 장치(FIB, HIM), 투과전자현미경(TEM) 및/또는 주사형투과전자현미경(STEM)과 같다. 빔을 주사하는 주사장치, 빔의 비점 보정부(Stigmator), 빔의 광축 시료의 위치를 보정부(Alignment), 최소한의 빔을 시료에 조사하기 위해 빔을 차단하는 차단부(Blanker), 여러 검출기(렌즈 내에 위치하는 이차 전자 또는 반사 전자 검출기, 시료 실내의 이차 전자 검출기) 등의 광학 요소가 배치된다. 투과전자현미경(TEM, STEM)에서는 시료에 전자선을 조사하는 전류량, 조사 각도, 조명 영역을 결정하는 조명계(Illumination Optics), 시료의 상을 확대하여 스크린에 투사하는 투사부(Projection Optics)가 배치된다. 또한, 투과한 전자선을 검출하는 복수의 투과 검출기(detector)가 설치된다. 투사부(Projection Optics)를 통해 배율, 시야, 시료상 및 회절상의 전환, 산란 각도 등의 조정이 가능해진다. 시료와 빔에 대한 위치(직교좌표), 각도(Rotation, Tilt)를 변경하는 시료받침대(Stage), 시료의 운송계(transfer system) 등도 포함되는 것으로 한다. 또한, 하전입자선은 진공 환경이 필요하기 때문에 하전 입자선은 금속의 진공 챔버로 둘러싸여 있고 초고진공용 진공펌프(P1, P2)로 진공 배기된다. 본 발명의 일 구현예에서 시료실에는 터보펌프가 배치된다. 하전입자원 챔버와 중간 챔버에는 좋은 진공을 얻기 위해 여러 이온 펌프가 배치될 수 있다. 또한, 여러 챔버를 나누는 게이트 밸브, 시료교체용 로드락(load lock) 챔버 등도 설치될 수 있다. 위의 구성을 취하는 하전입자 광학 장치는 광원의 에너지 퍼짐이 좁기 때문에 색수차의 기여가 감소하여 분해능이 향상된다.
본 발명의 일 구현예에서는 상기 모노크로미터를 이용한, 전자선 손실 분광장치(EELS)를 구현하거나, 상기 모노크로미터를 투과하는 전자선을 시료실에 위치한 시료에 조사하고, 상기 조사 결과 발생한 전자선의 에너지를 제 1항 또는 제 2항의 모노크로미터를 이용하여 분광하는, 전자선 손실분광 장치(EELS)를 구현한다. 상기 모노크로미터를 갖추어 시료표면을 관찰하는 하전입자선 장치에서 시료 표면으로부터 방출된 전자선의 에너지를 분광하는 전자선 에너지 손실 분광(EELS)(840) 기능을 가지며, 이를 이용해 시료의 국소적인 조성, 화학 결합 상태, 전자 상태, 유전 함수, 포논 상태의 분석 및 해석을 할 수 있다. 상기 모노크로미터를 포함하고 시료를 투과한 전자를 사용하여 시료를 관찰하는 하전입자선 장치는 투과한 전자선의 에너지 분광을 할 수 있는 전자선 손실 분광(EELS) 기능을 가지며, 시료의 국소적인 조성, 화학 결합 상태, 전자 상태, 유전 함수 포논 상태의 분석 및 해석을 할 수 있다. 본 발명의 모노크로미터를 이용한 전자선 손실 분광(EELS)은 일차 빔의 에너지 퍼짐이 작아지므로 에너지 분해능이 향상된다.
도 12는 본 발명의 일 구현예에 따른, 집속렌즈와 대물렌즈를 통해 시료에 하전입자빔을 최적 개방각도에서 집속하는 주사형 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 집속렌즈는 제1 집속렌즈(720) 및 제2 집속렌즈(730)로 구성된다. 상기 모노크로미터(90) 후방의 크로스 오버에서 초점을 하단의 모노크로미터 렌즈를 통해 대물렌즈(740)의 시료(750) 면에 결상하고, 대물렌즈에 의해 시료 상에 빔을 집속하는 하전입자선 장치이다. 제1 집속렌즈 (720) 및 제2 집속렌즈 (730)의 여기조건을 조정하여 대물 렌즈의 결상조건을 변경하지 않고 개방각을 조정할 수 있다. 모노크로미터 및/또는 대물 렌즈를 통해 빔의 입사 에너지, 에너지 확산 광학계의 수차에서 결정되는 빔 직경이 최소로 되는 최적화된 개방 각도 조정이 가능해진다.
도 13은 본 발명의 일 구현예에 따른, 모노크로미터의 상하 전송렌즈를 콘덴서렌즈, 대물렌즈로 사용하는 광학계를 나타내는 개념도이다. 상기 모노크로미터의 제1 전송렌즈(190), 제2 전송렌즈(290)를 콘덴서 렌즈, 대물렌즈로 사용하는 광학계이다. 특히 낮은 가속전압을 사용하는 주사전자현미경(SEM)과 집속이온빔(FIB)일 때 효과적이다. 하전입자선 칼럼(Column)에서 집속점을 가지지 않는 광학계가 실현 가능하기 때문에 공간 전하 효과의 영향을 줄일 수 있다. 또한, 전체적인 광학 요소를 줄이고 장치 길이를 줄임으로써 강성을 높이고, 환경기능(environmental performance)을 향상시킬 수 있다. 이 경우 제1 전송렌즈와 제2 전송렌즈의 초점 거리 비는 f2 / f1 = 0.05 ~ 0.3으로 광원을 축소하여 사용한다.
도 14는 본 발명의 일 구현예에 따른, 모노크로미터 전원이 가속전압에 중첩된 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다. 본 발명의 일 구현예에서는 상기 모노크로미터를 전자총 고압부에 설치하고, 가속 전압 기준에서 사용하는 모노크로미터로, 후단에 양극(anode)을 배치한다. 모노크로미터의 전원은 가속 전압(ACC)에 중첩한다. 이 경우 모노크로미터(90)의 하전 입자 에너지는 통과 전압(Vp)에서 결정되는 0.5-1keV 정도이며, 후단의 양극(anode)까지 인가된 가속 전압은 0.5 ~ 60keV으로 가속된다. 모노크로미터의 에너지(Vp)는 가속 전압에 의존하지 않기 때문에, 설정 조건이 일정해 조정이 쉽다. 원통형 렌즈 전압 (VCL1, VCL2), 인출전극 전압(Extraction voltage), 전송렌즈 전압 (VTL1, VTL2), 정렬전극의 편향 전압, 슬릿 위치 조정 전원을 가속 전압에 중첩하여 공급할 필요가 있다. 주로 가속전압이 낮은(0.5-60kV) 조건에서 사용되는 주사전자현미경(SEM) 또는 낮은 가속 투과전자현미경(TEM)에 효과적이다.
도 15는 본 발명의 일 구현예에 따른, 모노크로미터를 하전입자원 고압부에 설치하고 모노크로미터 후단에 가속관을 설치한 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다. 본 발명의 일 구현예에서는, 상기 모노크로미터(90)를 전자총 고압 전원부(960)의 가속전압 회로부(940)에 연결하여 설치하고, 가속전압 기준에서 사용한다. 또한, 모노크로미터 후단에 가속관(710)을 설치하고, 모노크로미터의 전원을 가속 전압에 중첩한다. 모노크로미터 후단의 가속관에서 인가된 가속 전압은 100~300kV이다. 특히 가속 전압이 높은 투과전자현미경(TEM), 주사투과전자현미경(STEM)에 효과적이다. 모노크로미터의 후단에 가속관을 배치하여 60-300keV의 에너지를 갖는 투과전자현미경(TEM, STEM)으로 사용할 수 있게 된다.
도 16은 본 발명의 일 구현예에 따른, 모노크로미터를 접지선 기준에서 사용하는 하전입자선 장치를 나타내는 개념도이다. 본 발명의 일 구현예에서는 상기 모노크로미터(90)를 접지 기준에서 사용하는 하전입자선 장치로, 모노크로미터(90)를 전자총 고압 전원부(960)의 전자원 및 제1 전송렌즈 가속전압 회로부(941)와 모노크로미터, 제2 전송렌즈 및 하전입자선 광하계 가속전압 회로부(942)에 연결하여 설치하고, 가속전압 기준에서 사용한다. 모노크로미터의 전극 간격을 10mm로 한 경우, 중심 전극에는 60kV 정도 인가가 가능하며, 가속 전압 60keV까지 사용할 수 있다. 그러나 모노크로미터에서 에너지 분해능은 가속 전압에 반비례하기 때문에 낮은 가속 전압에서 모노크로미터의 성능이 향상되며, 에너지 폭이 좁은 하전입자선을 얻을 수 있는 구성이다. 제1 정렬전극과 제2 정렬전극의 편향 전압 슬릿 위치 조정 전원은 접지 기준이 되므로, 전기계의 제작이 편해지는 장점이 있다. 한편, 모노크로미터 원통형 렌즈에 출력 전원을 고전압화 할 필요가 있기 때문에, 안정성이 높은 저노이즈 전원이 필요하다.
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
5. 원통형 렌즈의 직사각형 개구부
6. 직사각형 개구부의 긴 변
7. 직사각형 개구부의 짧은 변
10. 모노크로미터 전방부의 전단 전극
15. 입사 조리개(entrance aperture)
16. 입사 조리개 조절부
20. 모노크로미터 전방부의 후단 전극
30. 모노크로미터 중앙 전극
33, 37. 원통형 렌즈
35. 선택 조리개(energy selection aperture)
36. 선택 조리개 조절부
40. 모노크로미터 후방부의 전단 전극
50. 모노크로미터 후방부의 후단 전극
60. 모노크로미터 전극간 절연부
70. 모노크로미터 이동조절부
80. 렌즈 개구부 전위
90. 모노크로미터
100. 제1 전송렌즈 전방부 전극
110. 제1 전송렌즈 중간 전극
120. 제1 전송렌즈 후방부 전극
160. 전송렌즈 절연부
190. 제1 전송렌즈
191. 제1 전송렌즈 겸용 모노크로미터 전극
200. 제2 전송렌즈 전방부 전극
210. 제2 전송렌즈 중간 전극
220. 제2 전송렌즈 후방부 전극
250. 대향 전극
260. 배출전극 절연부
270. 배출전극
290. 제2 전송렌즈
291. 제2 전송렌즈 겸용 모노크로미터 전극
300. 필라멘트(filament)
310. 하전입자원 절연부
320. 억제 전극
330. 인출 전극
340. 필라멘트 팁(filament tip)
350. 벨로우즈
360. 플랜지
370. 하전입자원 절연부
380. 진공챔버 벽
390. 하전입자원
400. 전송렌즈 지지부
430. 제1 정렬전극
440. 제2 정렬전극
460. 전송렌즈 지지부 절연부
500. 하전입자선
510, 520. 에너지가 분산된 하전입자선
550. 하전입자선의 원형 집속 이미지
600. 자기장 차폐부
700. 하전입자선 광학계
710. 가속관
720. 하전입자선 제1 집속렌즈
730. 하전입자선 제2 집속렌즈
740. 하전입자선 대물렌즈
750. 시료
790. 투과형 정렬 광학계
791. 주사형 정렬 광학계
800. 투과형 시료 홀더
810. 투과형 대물렌즈
820. 투과형 투사 광학계
830. 스크린/검출기
840. 전자선 손실 분광장치(EELS)
900. 진공 챔버
910. 전자 회로부
920. 제어부
940. 가속전압 회로부
941. 전자원 및 제1 전송렌즈 가속전압 회로부
942. 모노크로미터, 제2 전송렌즈 및 하전입자선 광학계 가속전압 회로부
960. 전원부
A. 축 정렬(XY alignment)
B. 진공 배기
C. 분리된 진공 배기
F. 모노크로미터 중앙전극에 대한 전방부 및 후방부 전극의 고정방향
P1, P2: 초고진공용 진공 펌프

Claims (4)

  1. 직사각형 개구부를 구비하며, 에너지 분포를 가지고 입사하는 하전입자선에서 미리 정한 에너지 범위에 속한 입자를 선택적으로 통과시키는 선택 조리개(Aperture)를 직사각형 상기 개구부 내부 두께의 중심에 구비한 중앙 전극;
    입사하는 하전입자선이 통과할 수 있도록 직사각형 개구부를 구비하고 중앙전극을 중심으로 전방부와 후방부에 각각 나란히 배열된 복수 개의 전극;
    상기 전방부와 후방부에 각각 배열된 복수 개의 전극의 개구부가 정전렌즈 작용을 하도록 전력을 인가하는 제어전원부; 및
    상기 전방부에 배열된 복수 개의 전극이 정전렌즈 작용으로 입사하는 하전입자선을 일방향으로 편향시키고, 상기 후방부에 배열된 복수 개의 전극이 정전렌즈 작용으로 상기 일방향으로 편향된 하전입자선을 원래 위치로 다시 편향시켜 출사시킬 수 있도록, 상기 입사하는 하전입자선의 중심 축으로부터 미리 정한 거리만큼 상기 직사각형 개구부의 짧은 변 방향 중심이 이동되도록 상기 중앙전극 및 상기 복수 개의 전극을 이동조절하는 이동조절부를 포함하고,
    상기 중앙 전극 및 상기 복수 개의 전극은 절연을 통해 서로 고정되는 일체화 구조인,
    모노크로미터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중앙전극의 전방부와 후방부에 각각 배치되는 복수개의 전극은 각각 2개의 전극으로, 상기 중앙전극을 기준으로 대칭구조를 이루며 일체형으로 서로 고정되는,
    모노크로미터.
  3. 제 1항 또는 제 2항의 모노크로미터를 이용한,
    전자선 손실 분광장치(EELS).
  4. 제 1항 또는 제 2항의 모노크로미터를 투과하는 전자선을 시료실에 위치한 시료에 조사하고,
    상기 조사 결과 발생한 전자선의 에너지를 제 1항 또는 제 2항의 모노크로미터를 이용하여 분광하는,
    전자선 손실분광 장치(EELS).
KR1020170076420A 2017-06-16 2017-06-16 모노크로미터 및 이를 구비한 전자선 손실분광 장치 KR20170113491A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170076420A KR20170113491A (ko) 2017-06-16 2017-06-16 모노크로미터 및 이를 구비한 전자선 손실분광 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170076420A KR20170113491A (ko) 2017-06-16 2017-06-16 모노크로미터 및 이를 구비한 전자선 손실분광 장치

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160034683A Division KR101815850B1 (ko) 2016-03-23 2016-03-23 모노크로미터 및 이를 구비한 하전입자선 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170113491A true KR20170113491A (ko) 2017-10-12

Family

ID=60140737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170076420A KR20170113491A (ko) 2017-06-16 2017-06-16 모노크로미터 및 이를 구비한 전자선 손실분광 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20170113491A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11587758B2 (en) Apparatus of plural charged-particle beams
KR101815850B1 (ko) 모노크로미터 및 이를 구비한 하전입자선 장치
EP3408829B1 (en) Apparatus of plural charged-particle beams
US10522327B2 (en) Method of operating a charged particle beam specimen inspection system
JP5913682B2 (ja) モノクロメータ及びこれを備えた荷電粒子ビーム装置
US8785879B1 (en) Electron beam wafer inspection system and method of operation thereof
US7821187B1 (en) Immersion gun equipped electron beam column
EP3624167A1 (en) Multi-electron-beam imaging appartus with improved perormance
KR101773861B1 (ko) 모노크로미터를 구비한 전자선장치
US6822246B2 (en) Ribbon electron beam for inspection system
JP2001283759A (ja) 走査電子顕微鏡
CN115223831B (zh) 带电粒子束设备、多子束组件和检查样本的方法
US11404260B2 (en) Input lens and electron spectrometer
KR20170113491A (ko) 모노크로미터 및 이를 구비한 전자선 손실분광 장치
TWI748480B (zh) 射束偏向元件，像差修正器，單色器，及帶電粒子線裝置
JP2005063983A (ja) 走査電子顕微鏡
WO2023248272A1 (ja) 電子顕微鏡およびその画像撮影方法
KR20230157977A (ko) 플러드 컬럼 및 하전 입자 장치
JP2005294128A (ja) エネルギーフィルタおよび電子顕微鏡ならびにスリット移動機構

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment