KR940009764B1 - 기체환경에서 사용되는 전자 검출기를 가진 환경 주사형 전자 현미경 - Google Patents

기체환경에서 사용되는 전자 검출기를 가진 환경 주사형 전자 현미경 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
기체환경에서 사용되는 전자 검출기를 가진 환경 주사형 전자 현미경
[도면의 간단한 설명]
제 1 도는 본 발명의 환경 주사형 전자 현미경의 바람직한 일실시예를 축척에 관계없이 나타낸 단면도.
제 2 도는 제 1 도의 2-2선을 따라 취해진 정면도.
제 3 도는 본 발명의 환경 주사형 전자 현미경의 다른 바람직한 실시예를 축척에 관계없이 나타낸 단면도.
제 4 도는 본 발명의 환경 주사형 전자 현미경의 또 다른 바람직한 실시예를 축척에 관계없이 나타낸 단면도.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
본 출원은 1987년 5월 21일 출원된, "기체 환경하에 사용되는 이차 전자 검출기"라는 명칭의 미합중국 특허 출원 제052,700호와, 1988년 2월 19일 출원된, "환경 주사형 전자현미경의 집적된 전자 광학/차동 펌핑/영상 신호 검출 시스템"이라는 명칭의 미합중국 특허 출원 제158,208호의 일부 계속 출원이다.
본 발명은 환경주사형 전자 현미경(ESEM)에 관한 것으로, 더 구체적으로 ESEM에서 신호 분리 및 검출 체적의 한정을 위해 다전극 구조로 된 기체하의 검출기를 가진 환경 주사형 전자 현미경에 관한 것이다.
배경 기술로서, 표준 주사형 전자현미경(SEM)에 대한 ESEM의 장점은 SEM이 통상적인 진공 환경하에서 영상을 형성하기가 극히 어려운 습성 또는 비전도성의 시료(예컨대, 생물학적 재료, 플라스틱, 세라믹, 섬유)에 대해서도 고 해상도 전자 영상을 형성할 수 있는 성능을 가진다는 것이다. ESEM은 시료를 고진공 전자 비임 관찰을 위해 통상 요구되는 진공, 동결 또는 진공 피복에 의한 변형을 겪지 않고 그의 "본래" 상태로 유지되게 한다. 또한, ESEM 시료실에서 쉽게 견디는 비교적 높은 기체 압력이 표면전하를 소멸시키도록 유효적절하게 작용하는데, 그 표면전하는 통상 비전도성 시료상에 쌓여 고화질 영상의 형성을 방해한다. 또한, ESEM은 SEM 시료실에서 허용될 수 있는 것들 이외에 액체 이송, 화학 반응, 용해, 수호, 결정화 및 비교적 고 증기압에서 발생하는 다른 공정을 직접, 실시간에 관찰할 수 있게 해준다.
영상 형성 성능에 있어서 이러한 기술적 진보는 의학, 생태학, 식품 및 제약 기술, 지질학, 합성 물질, 직물, 반도체 및 토론학을 포함한(이에 제한되지 않음) 넓은 스펙트럼 분야, 간단히 말하면 표준 SEM에 의해서는 영상 형성이 어려운 시료와 관련된 분야에서 연구자에게 전에는 알 수 없었던 미시적 현상의 세계를 보여준다.
하지만, 종래의 ESEM 구조를 이용할 때 발생되는 문제는 저 에너지 이차 전자 신호, 고 에너지 후방 산란 전자 신호, 작은 각도의 반사 전자 신호, 큰 각도의 반사 전자 신호와 같이, 시료에 부딪치는 전자 비임에 의해 방사된 여러가지 신호들을 분리하도록 기체 하에서 검출기를 이용할 수 없다는 것이었다. 따라서, 본 발명은 ESEM에서 신호 분리 및 검출 체적을 한정할 수 있는 다전극 구조를 가진 기체하의 검출기를 제공한다. 본 발명의 ESEM은 더욱 향상된 영상 형성 성능을 제공한다.
더욱이, 전술한 ESEM에서, 전자 검출기는 최종 압력 제한 구멍과 일체로 배치되었다. 양으로 바이어스된, 최종 압력 제한 구멍과 일체의 전자 검출기 전극 및 (접지된)시료대가 병렬판 캐패시터를 형성하고 전위는 검출기 전극과 시료대 사이의 갭에 걸친 간격에서 균일하게 떨어진다. 즉 자유 전자들은 갭내의 위치에 관계없이 양 전극쪽으로 균일하게 가속된다. 하지만, 시료와 검출기 전극 사이에 전기 절연 스크린 또는 격자가 배치된다면, ESEM내 신호의 수집은 현저하게 향상되게 된다. 적절하게 계산된 전압을 격자(및 시료대)에 인가함으로써 수집 지역 또는 "검출 체적"은 격자 위아래에 하나씩 위치한 두개의 독립적인 전계 강도 대역으로 분할될 수 있다. 따라서 격자는 전자 검출기 시스템에서 제어요소로서 작용하게 된다.
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 기체 환경에서 사용되는 전자 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액체 이송, 화학 반응, 용해, 수화, 결정화 및 비교적 높은 증기압에서 발생되는 다른 공정의 직접적인 실시간 관찰을 가능케하는 환경 주사형 전자 현미경에 사용되는 전자 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 저 에너지 이차 전자 신호, 고 에너지 후방산란 전자 신호, 및 작은 각도와 큰 각도의 반사 전자 신호들과 같이, 시료의 표면에서 방사되는 여러가지 신호들을 분리하는, 주사형 전자 현미경에 사용되는 전자 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 ESEM에서 검출 체적을 한정하는, 환경 주사형 전자 현미경에 사용되는 전자 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 환경 구조를 가지며, 초기에 같은 전위로 바이어스되어 시료의 표면에서 방사되는 여러가지 신호들을 모으는 다수의 동심 호형 부분들을 갖는, 환경 주사형 전자 현미경에 사용되는 전자 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3차원 배열의 전극들이 보통 최종 압력 제한구멍의 평면 또는 그 평면 바로 아래에, 또는 그 구멍 위아래의 평면에 배치되는, 환경 주사형 전자 현미경에 사용되는 전자 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다수의 전극들이 신호를 분리하고 여파하고 증폭하기 위해 양 및 음 전압으로 바이어스되는, 환경 주사형 전자 현미경에 사용되는 전자 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 시료 지지대와 전자 검출기 사이에 바이어스된 격자가 배치되어 비임-시료상호작용에 의해 방사된 전자 플럭스가 에너지에 따라 쉽게 분리될 수 있는 환경 주사형 전자 현미경을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 시료실의 기체 환경에 의해 발생되어 시료로부터 방사되는 신호들의 기체 환경하에서의 증폭을 더 쉽게 설정하고, 제어하는 바이어스된 격자를 시료실 안에 설치한 환경 주사형 전자 현미경을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 시료실 안에 바이어스된 격자를 설치하여 신호 대 잡음비가 고 해상도 영상 신호용으로 개선될 수 있는 환경 주사형 전자 현미경을 제공하는 것이다.
[발명의 요약]
본 발명은 환경 주사형 전자 현미경에 관한 것으로, 더 구체적으로는 저 에너지 이차 전자 신호, 고 에너지 후방 산란 전자 신호, 및 작은 각도와 큰 각도의 반사 전자 신호들과 같이, 시료의 표면에서 방사되는 여러가지 신호들을 분리하는, 환경 주사형 전자 현미경에 사용되는 전자 검출기에 관한 것이다.
바람직한 실시예에서, 전자 현미경은 전자 비임을 발생시켜, 검사될 시료쪽으로 보내는 전자총을 포함한다. 전자 현미경의 진공 시스템에는 하단부에 최종 압력 제한 구멍을 가지며 축방향으로 배치된 진공 상태의 전자광학 컬럼을 포함한 원통형 대물 렌즈 자기 하우징 조립체가 있다. 또한, 그 대물렌즈 하우징 조립체는 전자 총에 의해 방사된 전자비임을 최종 압력 제한 구멍의 직경에 걸쳐 보낼수 있는 전자 비임 촛점 조정 수단을 포함한다.
시료실은 대물렌즈 조립체 아래에 배치되고, 기체로 에워싸인 시료를 최종 압력 제한 구멍과 일치되게 유지하여 시료의 표면을 촛점 조정된 전자비임에 노출될 수 있게 할 수 있다. 시료대는 시료실 내에 배치되어, 시료를 최종 압력 제한 구멍의 대략 1-10㎜ 아래에서 지지하여 촛점 조정된 전자비임이 시료와 상호 작용할 수 있도록 위치한다.
본 발명의 목적들중 하나에 따라, 본 발명의 환경 주사형 전자 현미경은 시료의 표면에서 방사되는 여러 신호들, 즉 저에너지 이차 전자 신호, 고 에너지 후방산란 전자 신호, 작은 각도의 반사 전자 신호, 및 큰 각도의 반사 전자 신호를 분리하는 역할을 하는 적당한 기하학적 형태의 전자 검출기를 포함한다. 이들 여러 신호들은 에너지와 각도에 관계에 대한 마이크로스코피(microscopy) 과학에서 , 기술자에게 중요한 시료에 관한 정보를 반송한다.
특히 , 본 발명의 환경주사형 전자 현미경은 최종 압력 제한 구멍과 일체로 형성된 전자 검출기를 포함한다. 통상, 최종 압력 제한 구멍과 일체인 검출기는 임의 전위로 바이어스되나, 이 전위는 영상 형성 성능을 향상시키도록 변경될 수 있다. 또한, 3차원 환형 전극 조립체는 시료실 내의 최종 압력 제한 구멍 레벨 또는 바로 그 아래 및 시료의 표면 위에 제공된다. 하지만, 이 전극 조립체는 최종 압력 제한 구멍 위아래의 평면에 배치될 수도 있다. 그 환형 전극 조립체는 두께가 약 50-100미크론이고 금속으로 만들어진 얇은 와이어 링으로 형성된 안쪽 전자 검출기를 포함한다. 이 링의 직경은 최종 압력 제한 구멍의 직경보다 조금 크다. 안쪽 전자 검출기는 증폭된 이차 전자 신호를 잘 모은다. 또한, 환형 전극 조립체는 다수의 제1동심 호형 부분들로 형성되고 안쪽 전자 검출기로부터 반경 방향 바깥쪽으로 배치된 중간 전자 검출기를 포함한다. 이 중간 전자 검출기의 내경은 약 0.8㎜이고 외경은 약 3㎜이다. 중간 전자 검출기는 이차 및 후방 산란 전자 신호들의 증폭된 혼합신호를 잘 모은다. 그 혼합된 신호들의 상대적인 강도는 압력, 시료거리 및 이용된 전극 바이어스의 매개변수들과 관련이 있다. 환형 전극 조립체는 다수의 제2동심 호형 부분들로 형성되고 중간 전자 검출기로부터 반경방향 바깥쪽으로 배치된 바깥쪽 전자 검출기를 더 포함한다. 바깥쪽 전자 검출기는 작은 각도의 반사 신호를 잘 모은다. 방향성 토포그래피(topography)대비를 얻기 위해, 바깥쪽 및 중간 전자 검출기들은 서로 대향하거나 또는 직각으로 배치된 동심 호형 부분들로 분할된다. 또한, 환형 전극 조립체의 안쪽 중간 및 바깥쪽 전자 검출기들은 동일 수평면 내에 포함된다.
마지막으로, 구멍 캐리어내의 최종 압력 제한 구멍 위에 다른 전자 검출기가 배치된다. 금속으로 만들어진 얇은 링의 형태인 그 전자 검출기는 큰 각도의 반사 신호를 잘 모은다.
처음에는, 안쪽, 중간 및 바깥쪽 전자 검출기들이 같은 전위로 바이어스된다. 여러 전극들로부터의 모든 신호들은 우선 전극 바이어스를 조정하고 그 다음 전자 수단(혼합 및 처리 수단)에 의해 조작될 수 있다. 이 전극들은 신호를 분리하고, 여파하고, 증폭하기 위해 양 및 음전압에 의해 다양하게 바이어스된다. 시료로부터의 신호들은 최종 압력 제한 구멍 위아래의 양 지역에서, 자체 에너지 및 전극의 전계에 의해 전자/이온에 부여된 에너지들로써 기체를 이온화한다.
전극의 전기 출력은 시료로부터의 정보를 반송하고 그 정보는 전자 현미경에서 공지된 방식에 의해 분석되고 표시된다. 이러한 결과를 얻기 위해, 본 발명의 환경 주사형 전자 현미경은 환형 전극 조립체의 각 검출기에 모인 전류를 수신하는 환형 전극 조립체의 각 전자 검출기에 접속된 개별 전류 증폭기를 포함한다. 이와 다르게, 환형 전극 조립체의 전자 검출기에 접속된 각 증폭기가 그 전자 검출기들 각각을 개별적으로 바이어스하는 가변 바이어싱 수단에 독립적으로 접속될 수도 있다.
최종 압력 제한 구멍과 일체로 형성된 전자 검출기, 환형 전극 조립체, 및 구멍 캐리어내의 전자 검출기를 가진 ESEM의 기체 하에 사용되는 검출기의 이러한 기하학적 구조에 의해, 현미경에서 신호 분리 및 검출 체적을 한정하는 다전극 구조가 제공된다.
이와 다르게, 전기 절연 스크린 또는 격자가 시료와 전극 검출기 사이에 배치될 수 있다. 그 격자는 시료 지지대의 전위보다는 크나 전자 검출기에 인가된 전위보다는 작은 전위로 바이어스된다. 이차 전자의 가속과 그에 따른 이차 전자 신호의 증폭을 증가시키기 위해, 격자는 전자 검출기보다 시료에 더 가깝게 배치되어야 한다.
격자는 ESEM에서 중요한 신호들의 수집과 증폭을 현저히 향상시킨다. 적절하게 계산된 전압을 격자(및 시료대)에 인가함으로써, 수집 지역 또는 "검출 체적"은 격자 위아래에 위치한 독립적인 전계강도의 두 대역으로 분할될 수 있다. 따라서, 그 격자는 비임-시료 상호작용에 의한 전자 플럭스의 다양한 성분들을 더욱 쉽게 분리하는 시스템에서 제어 요소로서 작용하게 되고, 기체하의 증폭 요인들은 보다 쉽게 설정되고 제어될 수 있으며, 신호 대 잡음비가 고 해상도(이차 전자)영상 신호용으로 개선될 수 있다. 이에 따라, 이차 전자들의 종속 증폭이 향상된다. 그와 같이, 격자는 검출기에 의해 수신되는 신호들을 분리함으로써 신호들의 명확도를 현저히 증가시킨다.
[바람직한 실시예의 상세한 설명]
제 1 도를 참조하면, 검사되고 있는 시료의 표면에서 방사되는 이차 후방 산란 전자들을 발생시키고 증폭하여 검출하는 장치를 제공하는 환경 주사형 전자 현미경이 도시되어 있다. 전자 총(12)에 의해 전자 비임이 대물 렌즈 조립체(11)의 전자 광학 컬럼(10)을 통해 방사된다. 진공 상태의 전자 광학 컬럼(10)은 그의 하단부에 최종 압력 제한 구멍(14)을 포함한다. 그 최종 압력 제한 구멍(14)은 구멍 캐리어(15)의 하단부내에 형성되어 있다. 이 구멍 캐리어(15)는 1988년 2월 19일 출원된 미합중국 특허 출원번호 제158,208호에 개시되어 있고, 그 특허의 주요 내용은 본 발명에 참조되어 있다. 그 구멍 캐리어는 최종 압력 제한 구멍(14)위에, 전자 광학 컬럼(10)과 직접 소통하는 제2압력 제한 구멍(17)을 포함한다. 최종 압력 제한 구멍(14)의 직경은 약 500미크론이다. 전자 비임은 그 비임의 촛점 조정을 위해 이용되는 자기 렌즈들(16,18)을 지나 통과한다. 촛점 조정수단(20)은 대물 렌즈 조립체(11)내에서 진공 상태의 전자 광학 컬럼에 인접하게 위치되어 전자 비임을 최종 압력 제한 구멍(14)으로 통과하도록 배향시킬 수 있다.
전자 비임은 최종 압력 제한 구멍(14)을 통해 시료실(22)로 보내어지고 그 시료실에서 비임은 시료대(26)위에 놓인 시료(24)에 부딪친다. 시료실(22)내에 위치되어 있는 시료대(26)는 시료(24)를 최종 압력 제한 구멍(14)으로부터 대략 1-10㎜ 아래에 지탱하여 전자 비임이 시료와 상호작용할 수 있게 하도록 배치되어 있다. 시료실은 진공 상태의 전자 광학 컬럼(10) 아래에 배치되어 질소나 수증기와 같은 기체로 둘러싸여 있는 시료(24)를 최종 압력 제한 구멍과 일치되게 대략 1-25 Torr의 압력으로 유지함으로써 시료의 표면이 전자 총으로부터 방사되어 최종 압력 제한 구멍(14)을 관통하는 하전 입자 비임에 노출될 수 있게 할 수 있다.
본 발명의 ESEM의 기체하의 검출기의 특정 기하학적 구성의 결과로서, 시료에서 방사되는 여러가지 신호들은 더 좋은 영상 형성 성능을 제공하도록 분리될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, ESEM은 5개의 전극들을 갖는다. 우선, 시료 표면에서 방사되는 저 에너지의 이차 전자들은 최종 압력 제한 구멍(14)과 일체로 형성된 전자 검출기(28)에 부딪친다. 최종 압력 제한 구멍과 일체인 전자 검출기(28)는 시료에서 방사된 이차 전자들이 그 구멍을 통해 나오지 못하게 하는 몇몇 소정 전위에서 바이어스된다. 최종압력 제한 구멍과 일체인 건자 검출기는 증폭된 저 에너지 이차 전자 신호를 모은다.
3개의 전자 검출기들(30, 32, 34)은 환형 전극 조립체(36)내에 일체로 포함되어 있다. (제 1 도 및 제 2 도 참조) 환형 전극 조립체(36)의 안쪽 전자 검출기(30)는 얇은 링으로 형성되며 금속으로 만들어져 있다. 바람직한 실시예에서, 안쪽 전자 검출기는 두께가 대략 50,100미크론인 얇은 와이어다. 안쪽 전자 검출기(30)의 직경은 최종 압력 제한 구멍(14)의 직경보다 조금 크고 그 최종압력 제한 구멍(14) 바로 아래에 떨어져 배치되어 있다. 그러나, 환형 전극 조립체(36)는 최종 압력 제한 구멍(14)의 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 안쪽 전자 검출기는 시료의 표면에서 방사되어 증폭된 저 에너지 이차 전자들을 모은다.
환형 전극 조립체(36)의 중간 전자 검출기(32)는 안쪽 전자 검출기(30)의 반경방향 바깥쪽으로 배치되어 통상 평탄한 다수의 제1동심 분할 호형 부분들(38a, 38b)로 형성되어 있다.(제 2 도 참조). 제 1 도에 도시된 바와같이, 환형 중간 전자 검출기(32)의 내경은 약 0.8㎜이고 외경은 약 3㎜이다. 이러한 구성에 의해 중간 전자 검출기는 시료의 표면에서 방사되는 고 에너지 이차 전자 신호와 후방 산란 전자 신호의 증폭된 혼합신호를 잘 모을 수 있다. 그 혼합된 신호들의 상대적인 강도는 압력, 시료 거리, 및 이용된 전극 바이어스의 매개 변수에 따라 정해진다.
환경 전극 조립체(36)의 바깥쪽 전자 검출기(34)는 중간 전자 검출기(32)의 반경방향 바깥쪽으로 배치되어 통상 평탄한 다수의 제2동심 분할 호형 부분들(40a,40b)로 형성되어 있다. 바깥쪽 환형 전자 검출기(34)는 시료의 토포그래피(topography)를 나타내는 증폭된 작은 각도의 후방 산란 반사 신호들을 모은다. 반사 신호의 각도는 시료의 수평면으로 부터의 영상 신호의 입사각으로 정의된다.
토포그래피와 같은 더욱 폭넓은 스팩트럼의 영상 형성 성능을 제공하기 위해, 환형 중간 전자 검출기(32)의 동심 호형 부분들(38a,38b)과 바깥쪽 전자 검출기(34)의 동심 호형 부분들(40a, 40b)은 통상 서로 대향하는 동일한 부분들로 분할되어 있다. 호형 부분들중 한 절반부의 출력을 다른 절반부의 출력에서 전자적으로 감(減)하여 Z-대비 압축 방법에 의해서 통상의 후방 산란 전자 검출기들과 연관된 방식으로 토포그래피 음영을 나타낼 수 있다.
시료(24)의 표면에서 방사되는 큰 각도의 후방 산란 전자들을 모으기 위해, 또 다른 검출기(42)가 최종 압력 제한 구멍(14)과 제2압력 제한 구멍(17) 사이의 구멍 캐리어(15)내에 배치되어 있다. 구멍 캐리어내의 전자 검출기(42)는 금속으로 만들어진 얇은 링의 형태를 갖는다. 그 전자 검출기(42)는 최종 압력 제한 구멍(14)위에 배치되어 최종 압력 제한 구멍(14)을 통해 탈출하는 후방 산란 전자들에 의해 야기된 이온화를 검출할 뿐만 아니라, 원자 번호 대비를 나타내는 증폭된 큰 각도의 후방 산란 반사 신호들을 모은다.
요약하면, 본 발명의 검출기들은 여러가지 신호들을 다음과 같이 분리한다. 최종 압력 제한 구멍과 일체인 전자 검출기(28)와 안쪽 전자 검출기(30)는 증폭된 저 에너지 이차 전자 관련 신호들을 잘 모으게 된다. 환형 전극 조립체의 중간 전자 검출기(32)는 증폭된 고 에너지 후방 산란 전자 신호들을 잘 모으게 된다. 바깥쪽 전자 검출기(34)는 토포그래피 대비를 나타내는 증폭된 작은 각도의 후방 산란 반사 신호들을 잘 모을 것이고 최종 압력 제한 구멍(14) 위에 배치된 구멍 캐리어내의 전자 검출기(42)는 원자 번호 대비를 나타내는 증폭된 큰 각도의 후방 산란 반사 신호들을 잘 모을 것이다. 아주 소량의 후방 산란 전자들이 이차 전자들과 혼합될 수 있고, 가시적인 경우, 그 소량은 우선 전극 바이어스를 조정함에 의해 그리고 다음에 전자수단(혼합 및 처리 수단)에 의해 조작되는 다른 전극들로부터의 신호들에 의해 전자적으로 감해질 수 있다.
환경 전극 조립체(36)의 안쪽, 중간 및 바깥쪽 전자 검출기들(30,32,34)은 각각 일반적으로 동일 수평면에 위치하지만, 분리되어 있으며 처음에는 400볼트의 같은 전위로 바이어스된다. 하지만, 5개의 전극들 각각은 신호분리, 여파 및 증폭의 목적으로 양 및 음 전압에 의해 다양하게 바이어스될 수 있다. 시료에서 방사되는 신호들은 최종 압력 제한 구멍(14) 위아래의 양 지역에서 자체 에너지 및 전극의 전계에 의해 전자이온에 부여된 에너지로써 기체를 이온화한다.
5개의 전극들의 전기 출력은 시료에서부터의 정보를 반송하여 이 정보는 전자 현미경의 공지된 방식에 의해 분석되고 표시된다. 특히, 3개의 전자 검출기들(30,32,34)은 개별 전류 증폭기(44,46,48)에 독립적으로 상호 접속되거나(제 1 도 참조) 3개의 전자 검출기들 각각이 그 3개의 전자 검출기로부터 수신된 정보를 증폭할 수 있는 공통 가변 전압원에 접속된 개별 증폭기에 상호 접속된다.(제 3 도 참조) 최종 압력 제한 구멍과 일체인 전자 검출기(28)와 구멍 캐리어내의 전자 검출기(42)는 그 검출기들로부터 수신된 정보를 증폭하는 개별 전류 증폭기(52,54)에 각각 독립적으로 접속된다. 증폭기들(44, 46,48)은 검출기 바이어스 전압에서 플로트(float)하여 전 대역폭에 걸쳐 접지된 비디오 회로들(62,64,68) 각각에 결합된다. 이 비디오 회로들은 디스플레이 장치에 접속된다.
본 발명의 ESEM의 기체하의 검출기의 기하학적 구성의 결과로서, 저 에너지 이차 전자들, 고 에너지 후방 산란 전자들, 작은 각도의 반사 전자들, 및 큰 각도의 반사 전자들이 모일 수 있다. 본 발명의 ESEM은 , 특히 토포그래피 및 원자 번호 대비의 항목으로 향상된 영상 형성 성능을 제공한다.
전술한 전자 검출기 시스템에서, 최종 압력 제한 구멍과 일체로 형성된 양으로 바이어스된 검출기 전극 및 (접지된)시료대가 병렬판 캐패시터를 형성하여 그 "판들" 사이의 갭에 걸친 간격에서 전위가 균일하게 떨어진다. 전계 강도가 이 갭에 걸쳐 일정하기 때문에, 전자들은 갭내 위치에 관계없이 양전극(즉, 최종 압력 제한 구멍과 일체인 전극)쪽으로 균일하게 가속된다.
전기 절연 스크린이나 격자(70)(제 4 도 참조)가 시료와 검출기 전극들 사이에 배치된다면, ESEM에 관련된 신호들의 수집 및 증폭이 현저히 향상된다. 이 격자(70)는 와이어 메쉬로 형성되어 있다. 적절하게 계산된 전압을 격자 및 시료대에 인가함으로써 수집 지역이나 "검출체적"을 격자 위아래에서 별개의 전계강도를 가진 두 지역으로 나눌 수 있다
일예로, 시료대 및 최종 압력 제한 구멍과 일체인 전자 검출기(28) 사이의 간격은 10㎜이고 제어 격자(70)는 시료대(26)에서 1㎜ 떨어져 배치되며, 최종 압력 제한 구멍과 일체인 전자 검출기는 +300V로 바이어스 되고, 제어 격자(70)는 +90V로 바이어스되고 시료대는 접지되어 있다면, 시료에서 방사되는 저 에너지 전자들이 선택적으로 증폭될 것이다.
따라서, 격자는 시스템의 제어 요소로서 작용한다. 이 제어격자에 의해, 비임-시료 상효작용에 의한 전자 플럭스의 여러가지 성분들이 좀더 쉽게 분리될 수 있다. 격자상에 음전압을 인가하면 시료에서의 저 에너지 이차전자들의 수집을 억압하는 상태가 되지만, 양전압을 인가하면 저 에너지 이차 전자들의 수집이 증대된다.
또한, 기체하의 증폭 인자들이 좀더 쉽게 설정되고 제어될 수 있다. 기체 증가 효과는 기체 압력과 전계강도에 따라 크게 달라지므로, 단일-전극 시스템은 소정 압력에서 작업거리에 엄격한 제한을 부여한다. 또한, 보다 약한 신호들을 증폭하는데 필요한 높은 전계 강도에 의해 최종 압력 제한 구멍 둘레로 기체가 바람직스럽지 않게 방전될 수 있어서 이 경우 접지된 금속에 대한 간극이 최소로 된다. 바이어스된 격자를 이용하면 그 양쪽 영역들에서 좀더 자유로이 동작될 수 있다.
더욱이, 신호 대 잡음비는 고 해상도(이차 전자) 영상 신호들용으로 개선될 수 있다. 단일-전극 시스템의 이 중요한 장점은, 시료 표면에서 발생되는 이차 전자들이 격자 아래의 강한 전계에 의해 증폭될 수 있지만, 후방 산란으로 발생된 자유 전자들과 격자위에 발생된 다른 외부 신호는 격자 윗쪽 대역의 비교적 약한 전계에 의해 덜 증폭된다는 사실에 기인한다. 이 결과, 표면이 더 상세해지고 대비가 더 양호한 영상신호가 발생된다.
전술한 제어 격자는 제 1 도 및 제 3 도의 전극 검출기 구성에 이용되거나 또는 전극이 제어 격자 위에 배치되고 그 제어 격자가 시료대에 인가된 전위보다는 높지만 전극 검출기에 인가된 전위보다는 낮은 전위로 바이어스되는 임의의 상황에서 이용될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 증가된 신호 가속은 이차 전자들의 증폭을 증가시킬 것이다.

Claims (50)

  1. (a) 전자 비임을 발생시키는 전자 총, 상기 전자 비임을 구멍 캐리어의 하단부내에 형성된 최종 압력 제한 구멍을 통해 시료쪽으로 배향시키는 촛점 조정 수단, 및 진공 상태의 전자 광학 컬럼을 포함하는 원통형 대물 렌즈 조립체, (b) 시료의 표면에서 방사되는 신호를 검출하는 수단으로서, 얇은 링으로 형성된 안쪽 전자 검출기와, 그 안쪽 전자 검출기의 반경 방향 바깥쪽으로 배치되어 다수의 제1동심 호형 부분들로 형성된 중간 전자 검출기, 및 그 중간 전자 검출기의 반경방향 바깥쪽으로 배치되어 다수의 제동심 호형 부분들로 형성된 바깥쪽전자 검출기를 가지는 환형 전극 조립체를 포함하며, 상기 다수의 제1동심 호형 부분들은 방향성 토포그래피 대비를 얻도록 상기 다수의 제2동심 호형 부분들에 대해 직각으로 배치되고, 상기 안쪽, 중간 및 바깥쪽 전자 검출기들이 동일 수평면을 따라 정렬되는 신호 검출 수단, 및 (c) 상기 안쪽, 중간 및 바깥쪽 전자 검출기를 초기에 동일한 전위로 개별적으로 바이어스하는 수단을 포함하는 환경 주사형 전자 현미경.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 안쪽 전자 검출기가 50-100미크론의 두께를 가지는 와이어인, 환경 주사형 전자 현미경.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 안쪽 전자 검출기가 금속으로 만들어진, 환경 주사형 전자 현미경.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 중간 전자 검출기가 0.8㎜의 내경과 3㎜의 외경을 가지는 환경 주사형 전자 현미경.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 안쪽, 중간, 바깥쪽 전자 검출기들이 초기에 400볼트로 바이어스되는 환경 주사형 전자 현미경.
  6. (a) 하단부에 최종 압력 제한 구멍을 가지는 진공 상태의 전자 광학 컬럼, (b) 상기 진공상태의 전자 광학 컬럼안에 배치되어 하전 입자 비임을 방사하는 전자 총, (c) 상기 진공 상태의 전자 광학 컬럼안에 배치되어, 상기 전자 총에 의해 방사된 하전 입자 비임을 상기 최종 압력 제한 구멍으로 통과하도록 배향시키는 촛점 조정 수단, (d) 상기 최종 압력 제한 구멍 아래에 배치되어, 상기 전자 총에서 방사되어 상기 최종 압력 제한 구멍을 통해 보내진 하전 입자 비임에 시료의 표면이 노출될 수 있도록, 기체로 에워싸인 시료를 상기 최종 압력 제한 구멍과 일치되게 1-25 Torr의 압력으로 유지시키는 시료실, (e) 상기 시료실 안에 위치되어, 촛점 조정된 전자 비임이 상기 시료와 상호 작용하도록 상기 시료를 상기 최종 압력 제한 구멍에서 1㎜ 아래의 위치에 지지하도록 배치된 시료대, (f) 상기 시료의 표면으로부터 방사되는 신호들을 검출하는 제1수단으로서, 얇은 링으로 형성된 안쪽 전자 검출기와, 그 안쪽 전자 검출기의 반경방향 바깥쪽으로 배치되어 다수의 제1동심 호형부분들로 형성된 중간 전자 검출기, 및 그 중간 검출기의 반경방향 바깥쪽으로 배치되어 다수의 제2동심 호형 부분들로 형성된바깥쪽 전자 검출기를 가지는 환형 전극 조립체를 포함하며, 상기 다수의 제1동심 호형 부분들은 상기 다수의 제2동심 호형 부분들에 대해 직각으로 배치되고, 상기 안쪽, 중간, 및 바깥쪽 전자 검출기들이 동일 수평면을 따라 정렬되는 제1전자 검출기 수단, 및 (g) 상기 안쪽, 중간 및 바깥쪽 전기 검출기들을 초기에 동일한 전위로 개별적으로 바이어싱하는 수단을 포함하는 환경 주사형 전자 현미경.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 최종 압력제한 구멍의 직경이 500미크론인, 환경 주사형 전자 현미경.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 안쪽 전자 검출기가 50∼100미크론의 두께를 가지는 와이어인, 환경 주사형 전자 현미경.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 안쪽 전자 검출기가 금속으로 만들어진, 환경 주사형 전자 현미경.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 시료실이 질소로 둘러싸여 있는, 환경 주사형 전자 현미경.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 중간 전자 검출기가 0.8㎜의 내경과 3㎜의 외경을 가지는, 환경 주사형 전자 현미경.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 최종 압력 제한 구멍이 그와 일체로 형성되어 상기 시료로부터 방사되는 신호들을 검출하는 제2전자 검출기 수단을 포함하는 환경 주사형 전자 현미경.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제2전자 검출기 수단이 초기에 소정의 전위로 바이어스되는, 환경주사형 전자 현미경.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제2전자 검출기 수단이 가변 전위로 바이어스되는, 환경주사형 전자 현미경.
  15. 제 6 항에 있어서, 구멍 캐리어내의 상기 최종 압력 제한 구멍 위에 배치되어, 상기 시료로부터 방사되는 신호들을 검출하는 제3전자 검출기 수단을 더 포함하는, 환경 주사형 전자 현미경.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제3전자 검출기 수단이 금속으로 형성된 얇은 환형 링은, 환경주사형 전자 현미경.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 제3전자 검출기 수단이 가변 전위로 바이어스되는, 환경주사형 전자 현미경.
  18. 제 6 항에 있어서, 상기 안쪽 전자 검출기가 증폭된 저 에너지 2차 전자 신호들을 잘 모으는 수단을 포함하는, 환경주사형 전자 현미경.
  19. 제 6 항에 있어서, 상기 중간 전자 검출기가 증폭된 고 에너지 후방 산란 관련 신호들을 포함하는 환경주사형 전자 현미경.
  20. 제 6 항에 있어서, 상기 바깥쪽 전자 검출기가 증폭된 작은 각도의 반사 신호들을 잘 모으는수단을 포함하는 환경주사형 전자 현미경.
  21. 제 12 항에 있어서, 상기 제2전자 검출기 수단이 증폭된 저 에너지 2차 전자 신호들을 잘 모으는 수단을 포함하는 환경주사형 전자 현미경.
  22. 제 15 항에 있어서, 상기 제3전자 검출기 수단이 증폭된 큰 각도의 반사 신호들을 잘 모으는 수단을 포함하는 환경주사형 전자 현미경.
  23. (a) 전자 비임을 발생시키는 전자 총, 상기 전자 비임을 구멍 캐리어의 하단부내의 형성된 최종 압력 제한 구멍을 통해 시료쪽으로 배향시키는 촛점 조정 수단, 및 진공 상태의 전자 광학 컬럼을 포함하는 원통형 대물렌즈 조립체, (b) 상기 시료의 표면으로부터 방사되는 신호들을 검출하는 수단으로서, 얇은 링으로 형성된 안쪽 전자 검출기와, 그 안쪽 전자 검출기의 반경 방향 바깥쪽으로 배치되어 서로 다른 전위에서 바이어스될 수 있는 다수의 동심 호형 부분들로 형성되는 바깥쪽 전자 검출기를 가지는 환형 전극 조립체를 포함하는 전자 검출기 수단을 포함하는 환경 주사형 전자 현미경.
  24. 환경 주사형 전자 현미경내에서 검사되는 시료의 표면으로부터 방사되는 신호등을 검출하는 장치로서, 얇은 링으로 형성된 안쪽 전자 검출기, 그 안쪽 전자 검출기의 반경방향 바깥쪽으로 배치되어 다수의 제1동심 호형 부분들로 형성된 중간 전자 검출기, 및 그 중간 전자 검출기의 반경방향 바깥쪽으로 배치되어 다수의 제2동심 호형 부분들로 형성된 바깥쪽 전자 검출기를 가지는 환형 전극 조립체를 포함하며, 상기 다수의 제1동심 호형 부분들은 상기 다수의 제2동심 호형부분들에 대해 직각으로 배치되고, 상기 안쪽, 중간, 및 바깥쪽 전자 검출기들은 동일 수평면을 따라 정렬되는, 신호 검출 장치.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 안쪽, 중간, 및 바깥쪽 전자 검출기들을 초기에 동일한 전위로 개별적으로 바이어싱하는 수단을 더 포함하는, 신호 검출 장치.
  26. (a) 최종 압력 제한 구멍을 갖는 축방향으로 배치된 전자 광학 컬럼을 포함하고 그 전자 광학 컬럼을 통해 시료쪽으로 통과하는 전자 비임을 자기적으로 촛점 조정하는 수단을 포함하는 원통형 대물 렌즈 조립체 ; (b) 상기 대물렌즈 조립체 아래에 위치되고, 기체로 둘러싸인 시료를 최종 압력 제한 구멍과 일치되게 유지하여 시료의 표면이 촛점 조정된 전자 비임에 노출될 수 있게 하는 시료실 ; 및 (c) 상기 최종 압력 제한 구멍과 일체로 형성되는 제1전자 검출기, 상기 최종 압력 제한 구멍 아래에 배치되어 얇은 링으로 형성된 제2전자 검출기, 상기 제2전자 검출기의 반경 방향 바깥쪽으로 배치되어 각각 다수의 동심 호형부분들로 형성되는 제3 및 제4전자 검출기들, 및 상기 최종 압력 제한 구멍 위에 배치된 제5전자 검출기로 구성되어 시료의 표면으로부터 방사되는 신호들을 검출하는 수단을 포함하는, 환경 주사형 전자 현미경.
  27. 제 26 항에 있어서, 각 전자 검출기를 초기에 개별적으로 또는 다른 전위로 바이어싱하는 수단을 더 포함하는, 환경 주사형 전자 현미경.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 각 검출기에 의하여 검출된 정보를 기록하는 수단으로서, 상기 각 검출기에 접속되어 상기 각 검출기에 모인 전류를 수신하는 개별적인 전류 증폭기를 포함하는 상기 기록 수단을 더 포함하는, 환경 주사형 전자 현미경.
  29. 제 27 항에 있어서, 상기 각 검출기에 의하여 검출된 정보를 기록하는 수단으로서, 상기 각 바이어싱 수단에 접속되어 상기 각 검출기에 모인 전류를 수신하는 개별적으로 수신하는 단일 전류 증폭기를 포함하는 상기 기록 수단을 더 포함하는, 환경 주사형 전자 현미경.
  30. 제 26 항에 있어서, 상기 최종 압력 제한 구멍의 직경이 500미크론이고 상기 제2검출기가 50-100미크론의 와이어 두께를 갖는, 환경 주사형 전자 현미경.
  31. 제 26 항에 있어서, 상기 제2검출기가 금속으로 만들어진, 환경 주사형 전자 현미경.
  32. 제 26 항에 있어서, 상기 제3검출기의 내경이 0.8㎜이고 외경이 3㎜인, 환경 주사형 전자 현미경.
  33. 제 26 항에 있어서, 상기 제3 및 제4전자 검출기들의 동심 호형 부분들은 각각 방향성 토포그래피 대비를 얻도록 통상 서로 대향하게 배치되는, 환경 주사형 전자 현미경.
  34. 제 26 항에 있어서, 상기 제2전자 검출기가 증폭된 이차 전자 신호들을 잘 모으는 수단을 포함하는, 환경 주사형 전자 현미경.
  35. 제 26 항에 있어서, 상기 제3전자 검출기가 증폭된 고 에너지 후방 산란 관련 신호들을 잘 모으는 수단을 포함하는, 환경 주사형 전자 현미경.
  36. 제 26 항에 있어서, 상기 제4전자 검출기가 증폭된 작은 각도의 관련 반사신호들을 잘 모으는 수단을 포함하는, 환경 주사형 전자 현미경.
  37. 제 26 항에 있어서, 상기 제5전자 검출기가 증폭된 큰 각도의 반사 신호들을 잘모으는 수단을 포함하는, 환경 주사형 전자 현미경.
  38. (a) 하단부에 최종 압력 제한 구멍을 가지는 진공 상태의 전자 광학 컬럼, (b) 상기 전자 광학 컬럼안에 배치되어 하전 입자 비임을 상기 최종 압력 제한 구멍을 통해 방사하는 전자 총, (c) 상기 전자 광학컬럼안에 배치되어 상기 전자 총에 의해 방사된 하전 입자 비임을 상기 최종 압력 제한 구멍으로 통과하도록 배향시키는 촛점 조정 수단, (d)상기 최종 압력 제한 구멍 아래에 배치되어, 상기 전자 총에서 방사되어 상기 최종 압력 제한 구멍을 통해 보내진 하전 입자 비임에 시료의 표면이 노출될 수 있도록, 기체로 둘러싸인 시료를 상기 최종 압력제한 구멍과 일치되게 1∼25 Torr의 압력으로 유지시키는 시료실, (e) 촛점 조정된 전자 비임이 상기 시료와 상호작용하도록 상기 시료를 상기 최종 제한 구멍에서 1∼20mm 아래의 위치에 지지하도록 상기 시료실 안에 배치된 시료대, (f) 얇은 링으로 형성된 안쪽 전자 검출기와 다수의 동심 호형 부분들로 형성된 형성되는 바깥쪽 전자 검출기를 가지는 환형 전극 조립체, 및 상기 최종 압력 제한 구멍과 일체로 전자 검출기를 포함하는 전자 검출기 수단, 및 (g) 상기 시료대에 인가된 바이어스 전위와 상기 전자 검출기 수단에 인가된 바이어스 전위 사이의 전위로 바이어스되어, 이차 전자들을 더욱 증폭시키도록 시료로부터 방사되는 신호들을 가속시키는 제어 격자를 포함하는 환경 주사형 전자 현미경.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 제어격자가 상기 전자 검출기보다 상기 시료대에 더 가깝게 배치되는, 환경 주사형 전자 현미경.
  40. 제 38 항에 있어서, 상기 전자 검출기가 +300V로 바이어스되는 환경 주사형 전자 현미경.
  41. 제 38 항에 있어서, 상기 제어 격자가 +90V로 바이어스되는 환경 주사형 전자 현미경.
  42. 제 40 항에 있어서, 상기 시료대가 접지되어 바이어스되는 환경 주사형 전자 현미경.
  43. (a) 하단부에 최종 압력 제한 구멍을 가지는 진공 상태의 전자 광학 컬럼, (b) 상기 전자 광학 컬럼안에 배치되어 하전 입자 비임을 방사하는 전자 총, (c) 상기 전자 광학 컬럼 안에 배치되어 상기 전자 총에 의해 방사된 하전 입자 비임을 상기 최종 압력 제한 구멍을 통해 보내는 촛점 조정 수단, (d) 상기 최종 압력 제한 구멍 아래에 배치되어, 상기 전자 총으로부터 방사되어 상기 최종 압력 제한 구멍을 통해 보내진 하전 입자 비임에 시료의 표면이 노출될 수 있도록, 기체로 둘러싸인 시료를 상기 압력 제한 구멍과 일치되게 1∼25 Torr의 압력으로 유지시키는 시료실, (e) 촛점 조정된 전자 비임이 상기 시료와 상호작용하게끔 상기 시료를 상기 압력 제한 구멍 아래에서 지지하도록 상기 시료실 안에 배치된 시료대, (f) 얇은 링으로 형성된 안쪽 전자 검출기, 그 안쪽 검출기의 반경반사 바깥쪽으로 배치되어 다수의 제1동심 호형 부분들로 형성되는 중간 전자 검출기, 및 그 중간 전자 검출기의 반경방향 바깥쪽으로 배치되어 다수의 제2동심 호형 부분들로 형성되는 바깥쪽 전자 검출기를 갖는 환경 전극 조립체, 및 (g) 상기 시료실 내에서 상기 시료대와 상기 환경 전극 조립체 사이에 배치된 제어 격자로서, 시료 지지대에 인가된 바이어스 전위보다는 크고 상기 환경 전극 조리체에 인가된 바이어스 전위보다는 작은 전위로 바이어스되어, 전자들을 더욱 증폭시키도록 시료로부터 상기 제어 격자로 가속시키는 제어 격자를 포함하는 환경 주사형 전자 현미경.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 다수의 제1동심 호형 부분들은 상기 다수의 제2동심 호형 부분들과 대향하게 배치되는 환경 주사형 전자 현미경.
  45. 제 43 항에 있어서, 상기 안쪽, 중간 및 바깥쪽 전자 검출기들은 동일 수평면을 따라 정렬되는 환경 주사형 전자 현미경.
  46. 제 46 항에 있어서, 상기 환형 전극 조립체가 상기 시료대의 10㎜ 위에 배치되는 환경 주사형 전자 현미경.
  47. 제 46 항에 있어서, 상기 제어 격자가 상기 시료대의 1㎜ 위에 배치되는 환경 주사형 전자 현미경.
  48. 제 47 항에 있어서, 상기 환형 전극 조립체가 +300V로 바이어스되는, 환경 주사형 전자 현미경.
  49. 제 48 항에 있어서, 상기 시료대가 접지되어 바이어스되는 환경 주사형 전자 현미경.
  50. 제 49 항에 있어서, 상기 제어 격자가 +90V로 바이어스되는 환경 주사형 전자 현미경.
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