KR20200141331A - 초고속 전자현미경 - Google Patents

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KR20200141331A
KR20200141331A KR1020190068249A KR20190068249A KR20200141331A KR 20200141331 A KR20200141331 A KR 20200141331A KR 1020190068249 A KR1020190068249 A KR 1020190068249A KR 20190068249 A KR20190068249 A KR 20190068249A KR 20200141331 A KR20200141331 A KR 20200141331A
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이혜리
김유종
이영욱
이승현
이재용
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Abstract

본 발명이 일 실시예에 따른 초고속 전자현미경은, 전자빔을 방사하는 광전자총; 및 상기 광전자총으로부터 방사되는 전자빔이 입사되는 전자빔 편향 마그네트를 포함한다. 상기 전자빔 편향 마그네트는 상기 전자빔 편향 마그네트에 입사되는 전자빔이 상기 전자빔 편향 마그네트 내에서 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행된 후 상기 전자빔 편향 마그네트로부터 방출되도록 구성된다.

Description

초고속 전자현미경{ULTRAFAST ELECTRON MICROSCOPE}
본 발명은 초고속 전자현미경에 관한 것이다.
초고속 전자현미경은 레이저의 시간분해능과 투과형 전자현미경의 공간분해능을 결합하여 만든 하이브리드 분석 장치이다. 초고속 전자현미경은 전자빔이 시료를 투과할 때 시료에서 초고속으로 일어나는 원자 수준의 동역학적 현상을 관찰할 수 있다.
일반적으로 초고속 전자현미경은, 전자빔을 생성하여 방사하는 광전자총과, 광전자총으로부터 방사되는 전자빔을 집속하여 시료 스테이지상에 놓여진 시료를 투과하도록 하는 솔레노이드 어레이를 포함할 수 있다. 시료를 투과한 전자빔은 하측에 배치된 형광 스크린에 투사되어 상이 맺어진다.
통상의 초고속 전자현미경에서는, 광전자총, 솔레노이드 어레이, 시료 스테이지 및 형광 스크린이 수직방향으로 직선적으로 배열되어 있다.
광전자총으로부터 방사되는 전자빔은 전자다발 형태로 이루어지며, 머리부(head)의 에너지가 꼬리부(tail)의 에너지보다 크므로, 직선적으로 진행하는 전자빔은 머리부와 꼬리부의 간격이 점점 멀어지게 된다.
초고속 전자현미경에 있어서 높은 시간해상도를 구현하려면, 전자빔을 압축하여, 전자빔이 시료를 통과하는데 걸리는 시간에 대응하는 전자빔의 길이를 최대한 짧게 할 필요가 있다.
초고속 전자현미경에 요구되는 빔에너지 범위(3 MeV 이하)에서는 빔이 쉽게 퍼지므로 고주파 광전자총 이외의 전자빔 압축을 위한 부가적인 장치들이 요구된다. 이와 관련하여 선형가속장치를 부가하는 방법이 있지만, 이러한 방법은 비용 및 공간적인 면에서 한계가 있다.
따라서 저비용으로 공간상의 제약없이 시료를 통과하는 전자빔의 길이를 수십 펨토초(1 펨토초=10-15 초) 이하로 줄일 수 있는 구성을 갖는 초고속 전자현미경이 요구되고 있다.
한국 등록특허공보 10-1897460호
본 발명의 실시예들은 전자빔이 커브 형상의 경로를 통과하도록 설계된 전자석인 전자빔 편향 마그네트를 적용하여 전자빔의 길이를 수십 펨토초 이하로 줄일 수 있는 초고속 전자현미경을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 초고속 전자현미경은, 전자빔을 방사하는 광전자총; 및 상기 광전자총으로부터 방사되는 전자빔이 입사되는 전자빔 편향 마그네트를 포함할 수 있으며, 상기 전자빔 편향 마그네트에 입사되는 전자빔은 상기 전자빔 편향 마그네트 내에서 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행된 후 상기 전자빔 편향 마그네트로부터 방출될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 초고속 전자현미경에 전자빔이 커브형상의 경로를 통과하도록 설계된 전자석인 전자빔 편향 마그네트를 적용하여 전자빔의 길이를 효과적으로 압축함으로써, 전자빔의 길이를 수십 펨토초 이하로 줄일 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 전자빔 편향 마그네트에 에너지 슬릿을 적용하여 전자빔의 에너지 퍼짐도 및 횡방향 사이즈를 줄일 수 있어, 횡방향 빔품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자현미경의 개략적 구성을 도시하는 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자현미경의 전자빔 편향 마그네트 내에서의 전자빔의 진행 궤적을 나타내는 모식도이다.
도 3은 전자빔 편향 마그네트가 적용되지 않은 통상의 초고속 전자현미경에 있어서의 전자빔의 길이를 나타내는 그래프이다.
도 4는 전자빔 편향 마그네트가 적용된 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자현미경에 있어서의 전자빔의 길이를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자현미경(10)은, 광전자총(100), 전자빔 편향 마그네트(200), 집속 렌즈부(300), 및 결상 렌즈부(400)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 전자빔 편향 마그네트(200), 집속 렌즈부(300) 및 결상 렌즈부(400)는 순차적으로 상방에서부터 하방으로 수직방향을 따라 배열될 수 있으며, 광전자총(100)은 전자빔 편향 마그네트(200)의 측방에 배치될 수 있다.
광전자총(100)이, 전자빔 편향 마그네트(200), 집속 렌즈부(300) 및 결상 렌즈부(400)와 함께 수직방향으로 배열되지 않고, 전자빔 편향 마그네트(200)의 측방에 배치되는 것에 의해, 초고속 전자현미경(10)의 종방향 길이의 증가를 회피할 수 있다.
광전자총(100)은 전자빔을 방사하는 장치이다. 광전자총(100)은 전자빔을 발생시키는 캐소드(미도시)와, 발생된 전자빔을 집속하여 방사하는 솔레노이드(미도시)를 구비할 수 있다.
광전자총(100)의 캐소드에는 레이저 발생부(미도시)로부터의 광전자총 구동 레이저 또는 프로브 레이저(probe laser)가 조사될 수 있다. 광전자총(100)의 캐소드에 광전자총 구동 레이저가 조사되면, 캐소드로부터 전자빔이 발생된다. 캐소드로부터 발생된 전자빔은 솔레노이드에 의해 집속되어 빔라인을 따라 선형으로 방사된다. 빔라인을 따라 선형으로 방사되는 전자빔은, 광전자총(100)의 측방에 배치된 전자빔 편향 마그네트(200)에 입사된다.
전자빔 편향 마그네트(200)는, 입사되는 전자빔이 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행한 후 방출되도록 설계된 전자석이다. 예컨대, 전자빔 편향 마그네트(200)는 비대칭 4중극자(quadrupole) 마그네트일 수 있다.
전자빔 편향 마그네트(200)는 광전자총(100)으로부터 방사되는 전자빔이 입사되는 입구 및 입사된 전자빔이 전자빔 편향 마그네트(200) 내에서 알파형상의 궤적 경로를 따라 진행된 후 방출되는 출구를 구비할 수 있다.
예컨대, 전자빔 편향 마그네트(200)는 입구를 통해 입사된 전자빔이 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행하여, 전자빔의 진행방향이 소정 각도 편향된 후 출구를 통해 후술하는 집속 렌즈부(300)를 향해 방출되도록 구성될 수 있다.
전자빔 편향 마그네트(200)내에서 전자빔이 진행하는 커브 형상의 궤적 경로는 예컨대 알파(α) 형상의 궤적 경로일 수 있다.
전자빔 편향 마그네트(200)는 입사되는 전자빔 된 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행하는 전자빔은 그 진행방향이 소정 각도 예컨대 270도 편향된 후 방출될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 전자빔이 270도 편향되는 것으로 예시하였지만, 본 발명의 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 전자빔 편향 마그네트(200)는 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행하는 전자빔의 진행방향이 270보다 작은 각도 또는 270보다 큰 각도록 편향된 후 방출되도록 구성될 수 있다. 또한, 전자빔 편향 마그네트(200)는 에너지 슬릿(210)을 포함할 수 있다. 에너지 슬릿(210)은, 전자빔 편향 마그네트(200) 내에서 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행하는 전자빔의 횡방향에 있어서, 전자빔의 일부만을 통과시키고 전자빔의 나머지 부분은 차단함으로써 에너지 퍼짐도 및 전자빔의 횡방향 사이즈를 감소시킬 수 있다.
예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 슬릿(210)은 전자빔 편향 마그네트(200) 내에서 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행하는 전자빔의 횡방향에 있어서의 중앙부의 전자빔만을 통과시키고, 전자빔의 횡방향에 있어서의 외측부의 전자빔은 차단할 수 있다.
집속 렌즈부(300)는 전자빔 편향 마그네트(200)로부터 방출되는 전자빔을 집속할 수 있다. 집속 렌즈부(300)는 집속 전자기 렌즈(310)를 포함할 수 있으며, 집속 전자기 렌즈(310)는 복수 개 마련될 수 있다. 집속 렌즈부(300)는 솔레노이드 어레이를 포함할 수 있다.
집속 렌즈부(300)에 의해 집속된 전자빔은 집속 렌즈부(300) 하방에 마련된 시료 스테이지(미도시)상에 놓여진 시료를 투과한다. 시료에는 별개의 레이저 발생부(미도시)로부터 펌프레이저(pump laser)가 조사될 수 있다.
본 실시예에 있어서는, 전자빔 편향 마그네트(200) 하측에 집속 렌즈부(300)가 마련되어 있는 구성이 예시되어 있지만, 본 발명의 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 전자빔 편향 마그네트(200)와 시료 사이에 집속 렌즈부(300)를 마련하지 않고, 전자빔 편향 마그네트(200)로부터 방출되는 전자빔이 바로 시료를 투과하도록 구성할 수도 있다.
또한, 전자빔 편향 마그네트(200)와 시료 사이에, 전자빔의 횡방향 사이즈 및 빔퍼짐을 작게 할 수 있는 조리개(aperture), 슬릿(slit) 또는 시준기(collimator)를 마련할 수도 있다. 이러한 조리개, 슬릿 또는 시준기는 솔레노이드보다 상대적으로 길이가 짧아 초고속 전자현미경의 전체 길이를 작게 할 수 있다.
결상 렌즈부(400)는 시료를 투과한 전자빔을 전자기적으로 조절하면서 하측으로 전달하여 형광 스크린(S)에 상을 맺도록 할 수 있다. 결상 렌즈부(400)는 솔레노이드 어레이를 포함할 수 있다.
예를 들어, 결상 렌즈부(400)는 제1 확대 전자기 렌즈(410) 및 제2 확대 전자기 렌즈(420)를 포함할 수 있다.
제1 확대 전자기 렌즈(410)는 시료 스테이지의 하측에 배치되고, 제2 확대 전자기 렌즈(420)는 제1 확대 전자기 렌즈(410)의 하측에 배치된다.
제1 확대 전자기 렌즈(410) 및 제2 확대 전자기 렌즈(420)는, 시료를 투과한 전자빔을 순차적으로 확대하여 하방으로 투사할 수 있다.
결상 렌즈부(400)의 하측에는 형광 스크린(S)이 배치될 수 있다.
결상 렌즈부(400)에 의해 확대된 전자빔은 형상 스크린(S)상에 투사될 수 있다.
형광 스크린(S)은, 시료를 투과한 전자빔을 가시 광선으로 변환하여 시료 이미지를 형성할 수 있다.
형광 스크린(S)에 형성된 시료 이미지는 예컨대, CCD 카메라 이미징 장치(500)에 의해 영상화될 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자현미경(10)의 전자빔 편향 마그네트(200)의 작용에 대해 설명한다.
광전자총(100)으로부터 방사되는 전자빔은 전자다발 형태로 이루어지며, 머리부(head)의 에너지가 꼬리부(tail)의 에너지보다 크다. 따라서, 전자빔이 직선으로 진행되어 시료를 투과하는 경우는, 전자빔의 머리부와 꼬리부의 간격이 점점 멀어지게 되어, 전자빔이 시료를 투과하는데 걸리는 시간에 대응하는 전자빔의 길이가 길어지게 된다.
초고속 전자현미경에 있어서 높은 시간해상도를 구현하려면 전자빔이 시료를 통과하는데 걸리는 시간에 대응하는 전자빔의 길이를 최대한 짧게 하는 것이 요구된다.
본 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 광전자총(100)으로부터 방사되는 전자빔은 전자빔 편향 마그네트(200)에 입사되어 커브됨으로써, 전자빔 편향 마그네트(200) 상에서 이미 이동한(거쳐온) 경로 중 어느 부분을 가로질러 이동하는 궤적 경로를 그릴 수 있다. 이러한 궤적 경로는 알파형상과 유사하여 알파형상의 궤적으로 명명될 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 광전자총(100)으로부터 방사되는 전자빔이 전자빔 편향 마그네트(200)에 의해 편향되는 궤적을 알파형상이라 표현하지만, 이러한 표현이 본 발명의 사상을 편향되는 궤적이 알파형상에 완벽하게 부합하거나 완전히 일치하여야 한다는 것에 한정시키는 것은 아니다.
광전자총(100)으로부터 방사되는 전자빔이 전자빔 편향 마그네트(200)에 입사되어 알파형상의 궤적 경로를 따라 진행됨에 따라, 알파형상 궤적 경로의 외측의 전자빔의 머리부와, 알파형상 궤적 경로의 내측의 전자빔의 꼬리부의 진행방향 간격이 줄어든다. 따라서, 전자빔이 전자빔 편향 마그네트(200) 내에서 알파형상의 궤적 경로를 따라 진행하면서 전자빔의 길이가 압축된다.
도 3은 전자빔 편향 마그네트가 적용되지 않은 통상의 초고속 전자현미경에 있어서의 전자빔의 길이를 나타내는 그래프이고, 도 4는 전자빔 편향 마그네트가 적용된 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자현미경에 있어서의 전자빔의 길이를 나타내는 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전자빔 편향 마그네트가 적용되지 않은 통상의 초고속 전자현미경에 있어서의 전자빔의 길이는 177 fs(rms 값(σdt))였고, 도 4에 도시된 바와 같이, 전자빔 편향 마그네트가 적용된 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자현미경에 있어서의 전자빔의 길이는 21 fs(rms 값(σdt)였다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자현미경에 따르면, 전자빔 편향 마그네트(200)를 적용함으로써, 전자빔의 길이를 효과적으로 압축할 수 있어, 시료를 투과하는데 걸리는 시간에 대응하는 전자빔의 길이를 수십 펨토초 이하로 줄일 수 있다. 따라서, 시료 이미지의 시간해상도가 향상된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 전자빔 편향 마그네트(200)에 마련된 에너지 슬릿(210)은 전자빔 편향 마그네트(200) 내에서 알파형상의 궤적 경로를 따라 진행하는 전자빔의 횡방향에 있어서의 중앙부의 전자빔만을 통과시키고, 전자빔의 횡방향에 있어서의 외측부의 전자빔은 차단할 수 있다.
전자빔 편향 마그네트(200)에 마련된 에너지 슬릿(210)에 의해 전자빔의 횡방향에 있어서의 외측부의 전자빔을 차단함으로써, 전자빔의 에너지 퍼짐도(energy spread) 및 횡방향 사이즈(transverse beam size)를 줄일 수 있어, 전자빔의 횡방향 빔품질(transverse emittance)을 향상시킬 수 있다. 따라서, 시료 이미지의 공간해상도가 향상된다.
상기와 같이, 본 실시예에 따른 초고속 전자현미경(10)에 따르면, 전자빔 편향 마그네트(200)를 적용하는 것에 의해, 시료 이미지의 시간해상도 및 공간해상도가 향상될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
10: 초고속 전자현미경 100: 광전자총
200: 전자빔 편향 마그네트 210: 에너지 슬릿
300: 집속 렌즈부 310: 집속 전자기 렌즈
400: 결상 렌즈부 410: 제1 확대 전자기 렌즈
420: 제2 확대 전자기 렌즈 500: CCD 카메라 이미징 장치
S: 형광 스크린

Claims (8)

  1. 전자빔을 방출하는 광전자총; 및
    상기 광전자총으로부터 방사되는 전자빔이 입사되는 전자빔 편향 마그네트를 포함하며,
    상기 전자빔 편향 마그네트는, 상기 전자빔 편향 마그네트에 입사되는 전자빔이 상기 전자빔 편향 마그네트 내에서 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행된 후 상기 전자빔 편향 마그네트로부터 방출되도록 구성된,
    초고속 전자현미경.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자빔 편향 마그네트에는 에너지 슬릿이 마련되고,
    상기 에너지 슬릿은 상기 전자빔 편향 마그네트 내에서 상기 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행하는 전자빔의 횡방향에 있어서, 상기 전자빔의 어느 일부를 통과시키고 상기 전자빔의 다른 일부를 차단하는,
    초고속 전자현미경.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 에너지 슬릿은, 상기 전자빔 편향 마그네트 내에서 상기 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행하는 전자빔의 횡방향에 있어서, 중앙부의 전자빔은 통과시키고, 외측부의 전자빔은 차단하는,
    초고속 전자현미경.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자빔 편향 마그네트로부터 방출되는 전자빔을 집속하는 집속 렌즈부를 더 포함하는
    초고속 전자현미경.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 집속 렌즈부에 의해 집속되어 시료를 투과한 전자빔을 전자기적으로 조절하여 스크린에 상을 맺도록 하는 결상 렌즈부를 더 포함하는,
    초고속 전자현미경.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전자빔 편향 마그네트, 상기 집속 렌즈부 및 상기 결상 렌즈부는 순차적으로 상방에서부터 하방으로 수직방향을 따라 배열되며,
    상기 광전자총은 상기 전자빔 편향 마그네트의 측방에 배치되는,
    초고속 전자현미경.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자빔 편향 마그네트에 입사되는 전자빔은 상기 전자빔 편향 마그네트 내에서 거쳐온 경로 중 어느 부분을 가로질러 이동하도록 상기 커브 형상의 궤적 경로를 따라 진행되는,
    초고속 전자현미경.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자빔 편향 마그네트에 입사되는 전자빔은 상기 전자빔 편향 마그네트 내에서 거쳐온 경로 중 어느 부분을 가로질러 이동하도록 알파 형상의 궤적 경로를 따라 진행되는,
    초고속 전자현미경.
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