WO2012153987A2 - 진공용 고정밀 정전 렌즈 - Google Patents

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WO2012153987A2
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김주황
이태걸
문대원
윤소희
이해승
문정희
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한국표준과학연구원
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    • 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 or 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
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes

Definitions

  • the present invention relates to an electrostatic lens, and more particularly to a structure of an electrostatic lens composed of three electrodes for focusing charged particles.
  • SEM scanning electron microscopy
  • TEM transmission electron microscopy
  • SIMS secondary ion mass spectroscopy
  • HEIS high-energy ion scattering spectroscopy
  • MEIS medium-energy MEIS
  • ISS ion scattering spectroscopy
  • LIS low-energy ion scattering spectroscopy
  • analytical measurement devices have.
  • an electrostatic lens is used to focus or image a charged particle beam.
  • An electrostatic lens is a lens which focuses or forms an image by using a refraction of a charged particle by a electrostatic field when an electric potential is applied to an electrode.
  • the electrostatic lens affects the charged particle beam in the same way that an optical lens acts on a light beam.
  • Such electrostatic lenses are widely used for focusing or imaging particle beams in various analytical measurement devices.
  • electrostatic lenses there are various types of electrostatic lenses according to coaxial electrodes or combinations thereof.
  • An electrostatic lens for focusing charged particles consists of two or three electrodes with appropriate voltage applied, and the first and last electrodes have the same voltage (generally ground potential). It is called an equipotential electrostatic lens.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an equipotential electrostatic lens, in which a vertical solid line represents an equipotential distribution, and a dotted line represents an incident ion beam, and in the case of an electron beam, polarities of applied voltages are reversed. That is, the ion beam and the electron beam can be focused by changing the polarity of the applied voltage in the electrostatic lens having the same structure.
  • a common equipotential electrostatic lens is implemented by applying the first electrode and the last electrode as ground potential, applying an appropriate voltage to the center electrode, and installing an insulator between the electrodes for inter-electrode insulation and fixing of the electrode.
  • the degassed stainless steel is generally used, and the insulator is made of a material (for example, ceramic) having low emission of particles or gases in vacuum.
  • the reason is that systems using charged particle beams (ion beams or electron beams), such as Secondary Electron Microscopy or Focused Ion Systems, remain in the system as the beam proceeds to the sample. This is because it operates at high vacuum to minimize scattering by collision with gas particles.
  • FIG. 2 illustrates a conventional electrostatic lens, in which the first electrode 10 and the third electrode 30 have a ground potential, and are suitable for the second electrode 20 located between the first electrode and the third electrode.
  • An insulator 40 is provided between the electrodes for applying voltage and fixing the first electrode and the third electrode to which the ground potential is applied and fixing the electrodes.
  • Through-holes 11, 12, and 13 are respectively formed at the center of the first to third electrodes 10, 20, and 30 for the charged particle beam to pass therethrough, and the through-holes are coaxially to increase the focusing efficiency and precision. It must be placed correctly.
  • the conventional electrostatic lens in which three electrodes are coupled at the same time by screw coupling, has difficulty in coaxializing three electrodes, which causes a problem of poor focusing accuracy and efficiency of the lens.
  • various electro-optic or ion-optical systems or additional electrostatic lenses are arranged in the analytical measurement apparatus to which the electrostatic lens is applied, and a high voltage cable is connected thereto and thus affects the electrostatic lenses around. If the charged particle beam is affected by high voltage such as an external cable while passing through the electrostatic lens, there is a problem that the path is not curved or accurately focused as intended.
  • an insulator is disposed between the electrodes of the electrostatic lens to prevent the influence of the external electrostatic field, and thus the performance of the electrostatic lens is degraded by the external electric field or the high voltage applied to the second electrode of the electrostatic lens. Due to this, there was a problem affecting other electro-optic or ion optics.
  • the analytical measurement device mainly applied to the electrostatic lens is for ultra-precision measurement and analysis of sub-nano-scale, so it is located on the path of the charged particle beam even by the vibration generated during the operation of the motor for the movement of the sample stage.
  • the through-holes of the electrodes may not be centered and the correct focus coaxial alignment may not be correct. Therefore, the coaxial alignment of the lens electrodes should be maintained stably even with such vibration, but in the case of the conventional electrostatic lens, since three electrodes are simultaneously coupled by a simple fastening structure, there is a difficulty in maintaining the coaxial alignment.
  • the present invention has been made to overcome the problems of the conventional electrostatic lens as described above, to provide an electrostatic lens that does not affect the external device as well as not affected by the external electric field when the charged particle beam is focused.
  • the present invention also provides an electrostatic lens having an improved converging accuracy by improving concentric axis alignment of a through hole formed at the center of three electrodes of an electrostatic lens.
  • Another object of the present invention is to provide a contact pin assembly having a low contact resistance and excellent electrode alignment at a second electrode to which a voltage for generating a focused electric field is applied.
  • Still another object of the present invention is that external power can be applied without loss even when there is an external vibration or shock, or when there is a thermal deformation in various parts of the electrostatic lens including the contact pin assembly due to the high voltage applied to the second electrode. To provide an electrostatic lens.
  • Still another object of the present invention is to provide an inexpensive electrostatic lens with excellent focusing performance.
  • the electrostatic lens according to an embodiment of the present invention is a first electrode, a third electrode, and a second spaced apart at regular intervals between the first electrode and the third electrode
  • And through-holes through which charged particle beams pass, respectively, formed in the centers of the first electrode, the second electrode, and the third electrode, the through-holes are electrostatic lenses arranged in a row.
  • the first electrode 110 and the third electrode 130 are contacted to be energized with each other by a fastening means to form a reference electrode having a hollow formed therein, and the reference electrode is spaced apart from the second electrode disposed in the hollow.
  • a shield is shielded from the surrounding external electric field, and a voltage capable of generating an electric field is applied to the second electrode.
  • the reference electrode is grounded and a high voltage of 1 kV to 30 kV is applied to the second electrode.
  • the second electrode has a disk shape having a smaller radius than the first electrode and the third electrode, and is fixed to the first electrode or the third electrode at regular intervals by a fastening means and a spacer which are insulators. .
  • the first electrode 110 is fixedly fastened to the third electrode 130 after the second electrode is fixedly fastened to the third electrode at the center of the through hole.
  • the contact pin assembly is inserted through the through-hole formed in the side of the reference electrode, and connects the second electrode and the power cable to apply external power.
  • the contact pin assembly may include an elastic member to contact the side of the second electrode.
  • the contact pin assembly may include a contact pin of a conductive material in contact with a side surface of the second electrode, a spring disposed on an outer circumferential surface of the contact pin, an insulating housing for insulating the contact pin, and the spring from the reference electrode, and the contact pin. It may include an external connection for electrically connecting the cable.
  • the insulating housing is inserted into and attached to a through hole formed at a side of the reference electrode, and a spring is installed inside the insulating housing on an outer circumferential surface of the contact pin, and one end of the insulating housing is slidably contacted with the contact pin. It is preferable to act as a locking jaw against the spring.
  • the electrostatic lens having the above structure may be employed in various analytical measurement devices, and the analytical measurement device may be any one of an electron microscope, SIMS, and ion scattering spectroscopy (ISS).
  • the analytical measurement device may be any one of an electron microscope, SIMS, and ion scattering spectroscopy (ISS).
  • the electrostatic lens of the present invention not only is not affected by an external electric field when focusing the charged particle beam, but also does not have an electrical effect on an external device, so that the focusing effect of the charged particle beam is stabilized.
  • the accuracy of the analysis and observation device using the electrostatic lens is improved.
  • the concentric axis alignment of the through holes formed at the centers of the three electrodes serving as the paths of the charged particle beams is improved, so that the focusing accuracy is improved.
  • the electrostatic lens according to the embodiment of the present invention also has excellent alignment performance of the electrode through-hole which is the path of the charged particle beam to the second electrode to which the voltage for generating the focusing field is generated, and has a low contact resistance with an external power source. This is excellent.
  • the external power supply may be properly applied when external vibration or shock occurs or when there is thermal deformation in various parts of the electrostatic lens including the contact pin assembly due to the high voltage applied to the second electrode. Can be applied.
  • the electrostatic lens of the present invention can be produced at a low price with excellent focusing performance.
  • 1 is a conceptual diagram of an equipotential electrostatic lens.
  • FIG. 2 is a simplified side cross-sectional view of a conventional electrostatic lens.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a schematic structure of the electrostatic lens of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of an electrostatic lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 is an exploded view of the electrostatic lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view from above of an electrostatic lens according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a side cross-sectional detail of the electrostatic lens according to an embodiment of the present invention.
  • first electrode 20 second electrode
  • first electrode 120 second electrode
  • insulation screw 171 spacer
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view schematically showing the structure of the electrostatic lens of the present invention.
  • the shape of the electrostatic lens applied to microscopy is cylindrical
  • the following description assumes that the overall shape of the electrostatic lens is cylindrical.
  • the first electrode and the third electrode of the present invention are not limited to the cylindrical shape or the second electrode is limited to the disc shape.
  • the basic structure of the electrostatic lens of the present invention as shown in Figure 3, the first electrode 110, the third electrode 130, and a second disposed in parallel between the first electrode and the third electrode Through-holes 111, 121, and 131 through which charged particle beams pass are formed in the centers of the first electrode 110, the second electrode 120, and the third electrode 130.
  • Each of the through holes 111, 121, and 131 is arranged in a line.
  • the first electrode 110 is a cylindrical shape (cylinder) through which the lower portion
  • the third electrode 130 is a cylindrical shape with the upper portion is drilled
  • the first electrode 110 and the third electrode 130 is fastening means By contact coupling so as to be energized with each other by to form a reference electrode having a hollow formed therein.
  • the second electrode 120 has a disk shape in which a through hole 121 through which a charged particle beam passes is formed at a central portion thereof, and is fixedly disposed inside the reference electrode to which the first electrode 110 and the third electrode 130 are coupled. do.
  • the reference electrode to which the first electrode 110 and the third electrode 130 are coupled, surrounds the second electrode 120 spaced apart to electrically shield the inside of the electrostatic lens from an external electric field.
  • the reference electrode is preferably grounded.
  • the second electrode 120 is appropriately applied with + or-voltage depending on the charged particle beam to be focused.
  • the second electrode 120 is fixed to the first electrode or the third electrode by fastening means made of an electrically insulating material.
  • the disk-shaped second electrode 120 having a through hole formed at the center thereof is fixed to the third electrode 130 by an insulating screw 170. 171 is spaced apart from the third electrode 130 at regular intervals. Since the insulating screw and the spacer are insulators, the second electrode is electrically insulated from the reference electrode. According to the drawing, the second electrode may be spaced apart and fixed to the third electrode at a predetermined interval, but may be fixed to the first electrode instead of the third electrode.
  • the spacer and the insulating screw are preferably made of polyether ether ketone (PEEK).
  • a measuring device such as a dial gauge may be used.
  • the disk-shaped second electrode 120 having a small radius is used.
  • the center of the through hole is accurately fixed and fastened to the third electrode 130, and then the first electrode, which is the remaining electrode, may be fixed and fastened to the third electrode, thus positioned at the center of the three electrodes 110, 120, and 130.
  • the through hole can be fixed exactly coaxially. Therefore, the focusing performance of the electrostatic lens is improved.
  • An external voltage should be applied to the second electrode 120 of the electrostatic lens of the present invention. Since the second electrode is surrounded by the reference electrode formed by the first electrode and the third electrode, the second electrode 120 is disposed on the side surface of the cylindrical reference electrode. A through hole for applying an external voltage should be formed. 3 to 5, it is preferable that a through hole is formed in a side portion of the reference electrode that is horizontal to the position of the second electrode. It is preferable that the grooves are formed in the contact portions of the first electrode and the third electrode to form through holes, for convenience of assembly, but is not limited thereto. When the side lengths of the first electrode and the third electrode are different from each other, a through hole for applying an external voltage may be formed only on the long side electrode.
  • the contact pin assembly 160 for connecting the cable 150 for supplying external power to the second electrode 120 is inserted into the through hole.
  • the contact pin 161 is a conductive material, and insulates the outer circumferential surface of the contact pin 161 at a portion in contact with a through hole formed on the side of the reference electrode to prevent conduction between the second electrode and the reference electrodes 110 and 130. 140 is disposed.
  • the contact pin assembly 160 also includes an elastic member, the elastic member disposed inside the insulating housing to apply an appropriate biasing force so that the contact pin is energized with the second electrode. Therefore, the contact resistance of the second electrode and the contact pin can be reduced at the same time without disturbing the alignment of the second electrode and the third electrode.
  • FIG. 4 is a perspective view of an electrostatic lens according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is an exploded view of the electrostatic lens of FIG.
  • FIG. 7 is an enlarged cross sectional side view (viewed from A-A direction of FIG. 6) and a contact pin assembly of an electrostatic lens of an embodiment of the present invention.
  • the contact pin assembly 160 includes a contact pin 161, a spring 162, an insulating housing 140, and an external connection 163.
  • the contact pin 161 is a conductor
  • the insulating housing 140 is an insulator and suitable for a material without outgasing in vacuum.
  • PEEK polyether ether ketone
  • the insulating housing 140 is disposed on the outer circumferential surface of the contact pin 161 while contacting the through hole formed on the side of the reference electrode to electrically insulate the contact pin and the reference electrode.
  • an elastic member such as a spring 162 is installed inside the insulating housing.
  • One end of the insulating housing is slidably contacted with the contact pin 161 to act as a latching jaw 164 with respect to the spring, and at the same time the outer circumferential surface of the insulating housing 140 is fixed to the through hole.
  • a snap ring 165 is disposed on an outer circumferential surface of the contact pin to prevent the spring.
  • the contact pin assembly and the second electrode 120 can be simultaneously removed without disturbing the coaxial alignment of the through holes 111, 121, and 131 between the electrodes 110, 120, and 130.
  • the contact resistance can be reduced.
  • the contact pin assembly is applied by the force of the spring 162.
  • the contact 160 may maintain a good contact with the second electrode 120.
  • a cable for applying external power is directly connected to the external connection unit.
  • the high precision electrostatic lens for vacuum of the present invention can be produced at a low price with excellent focusing performance, and is easy to be applied to various measurement analysis devices including an electron microscope, and the performance of measurement analysis employing the same is improved.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • Electron Beam Exposure (AREA)

Abstract

본 발명은 정전 렌즈의 구조에 관한 것으로서, 제 1 전극, 제 3 전극, 및 상기 제 1 전극과 상기 제 3전극의 사이에 일정 간격을 두고 이격 배치되는 제 2 전극을 포함하며, 세 전극의 중앙부에는 하전 입자 빔이 통과하는 관통구가 각기 형성되어 있으며, 세 전극의 관통구는 일렬로 정렬 배치되는 정전 렌즈의 구조를 개선한 것이다.

Description

진공용 고정밀 정전 렌즈
본 발명은 정전 렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하전입자의 집속을 위해 3개의 전극으로 구성된 정전 렌즈의 구조에 관한 것이다.
나노 기술의 발달로 원자 스케일의 물질 구조를 해석할 수 있는 비파괴 분석 측정 장치들이 새로이 개발되고 나날이 중요해지고 있다. 마이크로 유기체, 세포, 분자구조, 금속, 결정, 반도체의 표면 및 계면 분석 등의 분야에서 이러한 필요성은 더욱 커지고 있으며, 보다 해상도가 높고 시료에 대한 손상이 적으면서 동시에 다양한 방향의 관측이 가능한 장치들이 요구되고 있다. 이러한 장치의 예로서, 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM), 양전자현미경(Positron Microscopy), SIMS(secondary ion mass spectroscopy), HEIS(high-energy ion scattering spectroscopy), MEIS(medium-energy ion scattering spectroscopy), LEIS(low-energy ion scattering spectroscopy) 등의 ISS(ion scattering spectroscopy)나 그 밖의 하전 입자(charged particle)를 이용한 다양한 분석 측정 장치들(이하, '분석 측정 장치'라 함)이 있다.
이러한 전자, 양전자, 이온 등 하전입자를 이용한 분석 측정 장치에서, 하전 입자 빔을 집속하거나, 결상하기 위해, 정전 렌즈(electrostatic lens)가 이용되고 있다. 정전 렌즈는 전극에 전위차를 가했을 때 정전계가 하전 입자를 굴절시키는 것을 이용하여 집속 또는 결상시키는 렌즈로, 광학 렌즈가 광선 빔에 작용하는 것과 동일한 방법으로 하전 입자 빔에 영향을 주도록 한 것이다. 이러한 정전 렌즈는 다양한 분석 측정 장치에서 입자 빔의 집속 또는 결상을 위해 널리 사용되고 있다.
일반적으로 동축의 전극이나 그 조합에 따라 여러 종류의 정전식 렌즈가 있는데, 하전 입자의 가속이나 감속에 필요한 침지 렌즈, 원통 전극 렌즈, 3개 전극 단일 렌즈 등이 있다. 하전입자의 집속을 위한 정전렌즈(electrostatic lens)란 적절하게 전압이 인가된 2개 또는 3개의 전극으로 구성되며 이 중 첫 전극과 마지막 전극의 전압이 동일하게(일반적으로 접지전위) 인가되는 구성을 등전위 정전렌즈(einzel lens)라 한다.
도 1은 등전위 정전렌즈의 개념도로서, 전극사이의 세로실선은 등전위 분포를 표현한 것이고, 점선은 입사되는 이온 빔을 나타낸 것이며, 전자빔일 경우는 인가되는 전압의 극성은 반대가 된다. 즉 동일한 구조의 정전렌즈에서 인가전압의 극성을 바꾸면 이온빔 및 전자빔을 집속할 수 있다. 일반적인 등전위 정전렌즈는 첫 전극과 마지막 전극을 접지전위로 하고, 가운데 전극에 적절한 전압을 인가하며, 전극간 절연 및 전극의 고정을 위하여 전극사이에 절연물을 설치하여 구현한다. 이때 사용되는 전극은 일반적으로 탈가스 처리된 스테인레스 스틸이 사용되며, 절연체는 진공중에서 입자 또는 가스의 방출이 적은 재질(예를 들어 세라믹)을 사용한다. 그 이유는 하전입자 빔(이온빔 또는 전자빔)을 이용하는 시스템, 예를 들어 2차전자현미경(Secondary Electron Microscopy)이나 집속이온빔 시스템(Focused Ion System)은 빔이 시편(sample)으로 진행하는 중에 시스템 내에 잔류하는 가스입자와의 충돌에 의한 산란을 최소화하기 위해 고진공에서 작동하기 때문이다.
도 2는 종래의 정전렌즈를 도시한 것으로, 제1 전극(10), 제 3 전극(30)은 접지전위로 하고, 상기 제 1 전극과 제 3 전극 사이에 위치한 제 2 전극(20)에 적절한 전압을 인가하며, 상기 제 3전극과 접지 전위가 인가된 제 1 및 제 3전극 사이의 절연 및 전극들의 고정을 위하여 전극사이에 절연체(40)를 설치한다. 상기 제 1 내지 제 3 전극(10, 20, 30)의 중심에는 하전입자 빔이 통과하기 위한 관통공(11, 12, 13)이 각기 형성되어 있으며, 집속 효율 및 정밀도를 높이기 위해서는 관통공이 동축으로 정확히 배치되어야 한다. 그러나, 나사 결합에 의해서 3개의 전극이 동시에 결합되는 종래의 정전 렌즈는 세 전극의 동축화가 곤란한 점이 있어, 렌즈의 집속 정밀도 및 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
나아가, 이와 같은 정전 렌즈가 적용되는 분석 측정 장치에는 다양한 전자 광학계나 이온 광학계 또는 추가적인 정전 렌즈들이 배치되며, 여기에는 높은 전압을 가하는 케이블 등이 연결되고 이에 따라 주위의 정전 렌즈에 영향을 주게 된다. 하전 입자 빔이 정전 렌즈를 통과하면서 외부 케이블 등의 고전압에 영향을 받을 경우 의도한 바와 다르게 경로가 휘거나 정확하게 집속이 되지 않는 문제가 있다. 종래의 정전 렌즈의 경우, 정전 렌즈의 전극들 사이에 절연체가 배치되어 외부 정전계의 영향을 차폐할 수 없었고 따라서 외부 전계에 의해 정전 렌즈의 성능이 저하되거나 정전 렌즈의 제 2전극에 인가되는 고전압으로 인해 주변의 다른 전자 광학계 또는 이온 광학계에 영향을 미치는 문제가 있었다.
한편, 정전 렌즈가 주로 적용되는 분석 측정 장치는 나노 스케일 이하의 초정밀 측정 및 분석을 위한 것이므로 시료대(sample stage)의 이동을 위한 모터의 작동시 발생하는 진동에 의해서도 하전 입자 빔의 경로 상에 위치한 전극들의 관통구들의 중심이 맞지 않게 되어 정확한 집속 동축 정렬이 맞지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 진동에도 렌즈 전극의 동축 정렬이 안정되게 유지되어야 하나, 종래의 정전 렌즈의 경우, 단순 체결 구조에 의해 3 개의 전극들을 동시에 결합한 것이므로, 동축 정렬유지에 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 정전 렌즈의 문제점을 극복하고자 안출된 것으로서, 하전 입자 빔의 집속 시 외부 전계의 영향을 받지 않을 뿐 아니라 외부 장치에 영향을 미치지 않는 정전 렌즈를 제공하고자 한다. 본 발명은 또한 정전 렌즈의 세 전극의 중심에 형성된 관통구의 동심 축 정렬도가 향상되어 집속 정밀도가 향상된 정전 렌즈를 제공하고자 한다.
본 발명은 또한 집속 전계 발생을 위한 전압이 인가되는 제 2 전극에 접촉 저항이 낮으면서도 동시에 전극 정렬도가 우수한 접촉핀 어셈블리를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부 진동이나 충격이 있을 때, 또는 제 2 전극에 인가되는 고전압에 의해 접촉핀 어셈블리를 포함한 정전 렌즈의 여러 부품에 열변형이 있을 경우에도 외부전원이 손실 없이 인가될 수 있는 정전 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 집속성능이 우수하면서 저렴한 정전렌즈를 공급하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 의한 정전 렌즈는 제 1 전극, 제 3 전극, 및 상기 제 1 전극과 상기 제 3전극의 사이에 일정 간격을 두고 이격 배치되는 제 2 전극을 포함하며, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3전극의 중앙부에는 하전 입자 빔이 통과하는 관통구가 각기 형성되어 있으며, 상기 관통구는 일렬로 정렬 배치되는 정전 렌즈로서, 상기 제 1 전극(110)과 제 3 전극(130)은 체결수단에 의해 서로 통전되도록 접촉 결합되어 내부에 중공이 형성된 기준전극을 형성하고, 상기 기준전극은 상기 중공 내에 배치된 상기 제 2 전극을 이격되게 둘러싸 외부 전계로부터 차폐하고, 상기 제 2 전극에는 전계를 생성할 수 있는 전압이 인가된다.
상기 기준전극은 접지되고 상기 제 2 전극에는 1 kV 내지 30 kV의 고전압이 인가되는 것이 바람직하다.
상기 제 2 전극은 상기 제 1 전극 및 상기 제 3전극 보다 반경이 작은 원판형상이고, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 3전극에 절연체인 체결수단과 스페이서에 의해 일정한 간격을 두고 이격 고정되는 것이 바람직하다.
상기 제 2 전극이 제 3 전극에 관통구의 중심을 맞추어 정확히 고정 체결된 뒤 상기 제 1 전극(110)이 제 3 전극(130)에 고정 체결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 기준전극의 측면에 형성된 관통공을 통해 접촉핀 어셈블리가 삽입 배치되어, 상기 제 2 전극과 전원 케이블을 연결하여 외부 전원을 인가한다. 상기 접촉핀 어셈블리는 탄성부재를 포함하여, 상기 제 2 전극의 측면에 접촉되는 것이 바람직하다.
상기 접촉핀 어셈블리는 상기 제 2 전극의 측면에 접하는 도전성 재질의 접촉핀과, 상기 접촉핀의 외주면에 배치되는 스프링, 상기 접촉핀 및 상기 스프링을 상기 기준전극으로부터 절연시키는 절연하우징 및 상기 접촉핀을 케이블과 전기적으로 연결하는 외부 연결부를 포함할 수 있다.
상기 절연하우징은 기준 전극의 측면에 형성된 관통공에 삽입 부착되며, 상기 접촉핀의 외주면에는 스프링이 상기 절연하우징의 내부에 설치되고, 상기 절연하우징의 일 단부는 상기 접촉핀과 슬라이딩 가능하게 접촉되어 상기 스프링에 대해 걸림턱으로 작용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구조의 정전 렌즈는 다양한 분석 측정 장치에 채용될 수 있으며, 상기 분석 측정 장치는 전자 현미경, SIMS, ISS(ion scattering spectroscopy) 중 어느 하나일 수 있다.
상기한 바와 같은 수단에 의해 본 발명의 정전 렌즈는 하전 입자 빔의 집속 시 외부 전계의 영향을 받지 않을 뿐 아니라 외부 장치에 전기적 영향을 미치지 않아, 하전 입자 빔의 집속 효과가 안정되며, 본 발명의 정전 렌즈를 체용한 분석 관측 장치의 정밀도가 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 정전 렌즈는 하전 입자 빔의 경로가 되는 세 전극의 중심에 형성된 관통구의 동심 축 정렬도가 향상되어 집속 정밀도가 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 정전 렌즈는 또한 집속 전계 발생을 위한 전압이 인가되는 제 2 전극에 하전 입자 빔의 경로가 되는 전극 관통구의 정렬도가 우수한 동시에 외부 전원과의 접촉 저항이 작아 집속 성능이 우수하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 정전 렌즈는 외부 진동이나 충격이 있을 때, 또는 제 2 전극에 인가되는 고전압에 의해 접촉핀 어셈블리를 포함한 정전 렌즈의 여러 부품에 열변형이 있을 경우에도 외부 전원이 적절히 인가될 수 있다.
본 발명의 정전 렌즈는 집속성능이 우수하면서 저렴한 가격으로 생산이 가능하다.
도 1은 등전위 정전렌즈의 개념도.
도 2는 종래의 정전 렌즈의 간략한 측단면도.
도 3은 본 발명의 정전 렌즈의 개략적 구조를 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전 렌즈의 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전 렌즈의 분해 조립도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전 렌즈를 위에서 본 평면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 정전 렌즈의 측단면 상세도.
**부호의 설명**
10 : 제 1 전극 20 : 제 2 전극
30: 제 3 전극 40 : 절연체
110 : 제 1 전극 120 : 제 2 전극
130 : 제 3 전극 111, 121, 131 : 관통구
140 : 절연하우징 150 : 케이블
160 : 접촉핀 어셈블리 161 : 접촉핀
162 : 스프링 163 : 외부 연결부
164 : 걸림턱 165 : 스냅링
170 : 절연나사 171 : 스페이서
180 : 체결 나사
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 렌즈를 상세히 설명하도록 하겠다.
도 3은 본 발명의 정전 렌즈의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다. 일반적으로 Microscopy에 적용되는 정전 렌즈의 형상이 원통형임을 고려하여 아래의 설명에서는 이에 맞추어 정전 렌즈의 전체 형상이 원통형상임을 가정하고 설명하겠다. 그러나, 본 발명의 제 1 전극과 제 3전극이 원통형상에 한정되거나 제 2전극이 원판형상에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 정전렌즈의 기본 구조는 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(110), 제 3 전극(130), 및 상기 제 1 전극과 상기 제 3전극의 사이에 평행하게 배치되는 제 2 전극(120)을 포함하며, 상기 제 1 전극(110), 상기 제 2 전극(120) 및 상기 제 3전극(130)의 중앙부에는 하전 입자 빔이 통과하는 관통구(111, 121, 131)가 각기 형성되어 있으며, 상기 관통구(111, 121, 131)는 일렬로 정렬 배치된다. 여기서, 제 1 전극(110)은 하부가 뚫린 원통(cylinder) 형상이고, 제 3 전극(130)은 상부가 뚫린 원통 형상으로, 상기 제 1 전극(110)과 제 3 전극(130)은 체결수단에 의해 서로 통전되도록 접촉 결합되어 내부에 중공이 형성된 기준전극을 형성한다. 제 2 전극(120)은 중앙부에 하전 입자 빔이 통과하는 관통구(121)가 형성된 원판 형상이며, 제 1 전극(110)과 제 3 전극(130)이 결합된 상기 기준전극의 내부에 고정 배치된다.
상기 제 1 전극(110)과 제 3전극(130)이 결합된 기준 전극은 상기 제 2 전극(120)을 이격되게 둘러 쌈으로써 외부 전계로부터 정전 렌즈 내부를 전기적으로 차폐한다. 상기 기준전극은 접지되어 있는 것이 바람직하다. 제 2 전극(120)에는 집속할 하전 입자 빔에 따라 적절히 + 또는 -전압을 인가한다.
제 2 전극(120)은 전기적 절연 소재로 된 체결수단에 의하여, 상기 제 1 전극 또는 제 3 전극에 고정된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙부에 관통구가 형성된 원판형상의 제 2 전극(120)은 절연나사(170)에 의해, 제 3 전극(130)에 대해 고정되며, 이 때, 절연체인 스페이서(171)에 의해 상기 제 3 전극(130)에 대해 일정 간격을 두고 이격되게 배치된다. 절연나사와 스페이서는 절연체이므로, 제 2 전극은 기준 전극과 전기적으로 절연되게 된다. 도면에 의하면 제 2 전극은 제 3 전극에 일정 간격을 두고 이격 고정되나, 제 3 전극이 아닌 제 1 전극에 이격 고정되어도 무방하다. 상기 스페이서와 상기 절연 나사는 PEEK(polyether ether ketone)로 만들어지는 것이 바람직하다.
이 때, 전극 고정시 관통구(111, 121, 131)의 중심을 정확히 맞추기 위하여, 다이얼 게이지 등의 측정기기를 이용할 수 있다.
3개의 원판형의 전극을 같이 동축으로 체결하던 종래의 정전 렌즈 구조에서는 관통구의 중심을 정확히 맞추기 어려워 정전 렌즈의 집속 성능이 떨어지는 반면, 본 발명의 경우 반경이 작은 원판형의 제 2 전극(120)을 먼저 제 3 전극(130)에 관통구의 중심을 맞추어 정확히 고정 체결한 후 다시 나머지 전극인 제 1 전극을 제 3 전극에 고정 체결할 수 있으므로, 세 전극(110, 120, 130)의 중심에 위치한 관통구가 정확히 동축으로 고정될 수 있다. 따라서, 정전 렌즈의 집속 성능이 향상된다.
본 발명의 정전 렌즈의 제 2 전극(120)에는 외부 전압이 인가되어야 하는데, 제 2 전극은 제 1 전극 및 제 3 전극이 형성하는 기준 전극에 둘러 싸여 있으므로, 상기 원통 형상의 기준 전극의 측면에 외부 전압 인가를 위한 관통공이 형성되어야 한다. 도 3 내지 5에 도시된 바와 같이, 제 2 전극의 위치와 수평인 기준 전극의 측면부에 관통공이 형성되면 바람직하다. 제 1 전극과 제 3 전극의 접촉부에 각기 홈이 형성되어 관통공을 구성하는 것이 조립의 편의상 바람직할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제 1 전극과 제 3 전극의 측면 길이가 각기 다를 경우, 측면이 긴 전극에만 외부 전압 인가를 위한 관통공이 형성될 수도 있다.
상기 관통공에는 외부 전원을 공급하는 케이블(150)을 제 2 전극(120)에 연결하는 접촉핀 어셈블리(160)가 삽입된다.
상기 접촉핀 어셈블리의 일 단부는 제 2 전극(120)에 연결되고, 타 단부는 외부 전원 공급 케이블(150)에 연결되어 외부 전원을 공급한다. 접촉핀(161)은 도전성 재질이며, 제 2 전극과 기준 전극(110, 130) 사이의 통전을 막기 위해, 상기 기준 전극의 측면에 형성된 관통공과 접하는 부분에는 접촉핀(161)의 외주면에 절연하우징(140)이 배치된다. 접촉핀 어셈블리(160)는 또한 탄성부재를 포함하여, 상기 탄성부재는 절연하우징 내부에 배치되어 상기 접촉핀이 제 2 전극과 통전되도록 적절한 가세력을 가한다. 따라서 제 2 전극과 제 3 전극의 정렬을 흐트러뜨리지 않으면서 동시에 제 2 전극과 접촉핀의 접촉 저항을 줄일 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 접촉핀 어셈블리(160)와 기준 전극 및 제 2 전극의 결합부를 상세히 설명하겠다. 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 정전 렌즈의 사시도이며, 도 5는 도 4의 정전 렌즈의 분해 조립도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예의 정전 렌즈의 측단면도(도 6의 A-A 방향에서 본)와 접촉핀 어셈블리의 확대 단면도이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 접촉핀 어셈블리(160)는 접촉핀(161), 스프링(162), 절연하우징(140) 및 외부 연결부(163)를 포함한다. 상기 접촉핀(161)은 도체이며, 상기 절연하우징(140)은 절연체로서 진공에서 outgasing이 없는 소재가 적절하고, 예를 들어 엔지니어링 플라스틱의 일종인 PEEK(polyether ether ketone)이 이용될 수 있다.
상기 절연하우징(140)은 기준 전극의 측면에 형성된 관통공에 접하면서 상기 접촉핀(161)의 외주면에 배치되어 접촉핀과 기준전극을 전기적으로 절연한다. 상기 접촉핀의 외주면에는 스프링(162)과 같은 탄성부재가 절연하우징 내부에 설치된다. 상기 절연하우징의 일 단부는 상기 접촉핀(161)과 슬라이딩 가능하도록 접촉되어 상기 스프링에 대해 걸림턱(164)으로 작용하며, 동시에 절연하우징(140)의 외주면은 상기 관통공에 부착 고정된다. 상기 스프링을 막기 위해 상기 접촉핀의 외주면에는 스냅링(165)이 배치된다.
상기와 같은 스프링 구조를 채택함으로써 각 전극들(110, 120, 130) 사이의 관통구(111, 121, 131)의 동축 정렬을 흐트러 뜨리지 않으면서 동시에 접촉핀 에셈블리와 제 2 전극(120)의 접촉 저항을 줄일 수 있다. 나아가, 외부 진동이나 충격이 있을 때, 또는 제 2 전극에 인가되는 고전압에 의해 접촉핀 어셈블리를 포함한 정전 렌즈의 여러 부품에 열변형이 있을 경우에도 상기 스프링(162)의 가세력에 의해 접촉핀 어셈블리(160)는 제 2 전극(120)에의 접촉이 잘 유지될 수 있다. 상기 외부연결부에는 외부 전원을 인가하는 케이블이 직접 연결된다.
본 발명의 진공용 고 정밀 정전 렌즈는 집속성능이 우수하면서 저렴한 가격으로 생산이 가능하며, 전자 현미경을 포함한 각종 측정 분석 장치에 적용이 쉽고, 이를 채용한 측정 분석의 성능이 향상되게 된다.

Claims (11)

  1. 제 1 전극(110), 제 3 전극(130), 및 상기 제 1 전극과 상기 제 3전극의 사이에 일정 간격을 두고 이격 배치되는 제 2 전극(120)을 포함하며, 상기 제 1 전극(110), 상기 제 2 전극(120) 및 상기 제 3전극(130)의 중앙부에는 하전 입자 빔이 통과하는 관통구(111, 121, 131)가 각기 형성되어 있으며, 상기 관통구(111, 121, 131)는 일렬로 정렬 배치되는 정전 렌즈에 있어서,
    상기 제 1 전극(110)과 제 3 전극(130)은 체결수단에 의해 서로 통전되도록 접촉 결합되어 내부에 중공이 형성된 기준전극을 형성하고,
    상기 기준전극은 상기 중공 내에 배치된 상기 제 2 전극을 이격되게 둘러싸 외부 전계로부터 차폐하고,
    상기 제 2 전극에는 전계를 생성할 수 있는 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 정전 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기준전극은 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 렌즈.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 전극(120)은 상기 제 1 전극(110) 및 상기 제 3전극(130) 보다 반경이 작은 원판형상이고, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 3전극에 절연체인 체결수단과 스페이서에 의해 일정한 간격을 두고 이격 고정되는 것을 특징으로 하는 정전 렌즈.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 전극(120)이 제 3 전극(130)에 관통구(121,131)의 중심을 맞추어 정확히 고정 체결한 후 다시 상기 제 1 전극(110)이 제 3 전극(130)에 고정 체결되는 것을 특징으로 하는 정전 렌즈
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 전극(120)에는 1 kV 내지 30 kV의 고전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 정전 렌즈.
  6. 제 1 항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 기준전극의 측면에 형성된 관통공을 통해 접촉핀 어셈블리(160)가 삽입 배치되어, 상기 제 2 전극(120)과 전원 케이블(150)을 연결하여 외부 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 정전 렌즈
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 접촉핀 어셈블리(160)는 탄성부재를 포함하여, 상기 제 2 전극(120)의 측면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 정전 렌즈.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 접촉핀 어셈블리(160)는 상기 제 2 전극의 측면에 접하는 도전성 재질의 접촉핀(161)과, 상기 접촉핀의 외주면에 배치되는 스프링(162), 상기 접촉핀 및 상기 스프링을 상기 기준전극으로부터 절연시키는 절연하우징(140) 및 상기 접촉핀을 케이블(150)과 전기적으로 연결하는 외부 연결부(163)를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 렌즈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 절연하우징(140)은 기준 전극의 측면에 형성된 관통공에 삽입 부착되며, 상기 접촉핀(161)의 외주면에는 스프링(162)이 상기 절연하우징(140)의 내부에 설치되고, 상기 절연하우징의 일 단부는 상기 접촉핀(161)과 슬라이딩 가능하게 접촉되어 상기 스프링에 대해 걸림턱으로 작용하는 것을 특징으로 하는 정전 렌즈.
  10. 제 1 항 또는 제 2항의 정전 렌즈를 포함하는 분석 측정 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 분석 측정 장치는 전자 현미경, SIMS, ISS(ion scattering spectroscopy) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분석 측정 장치.
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