KR101332277B1 - Ｐｅｄ패턴 획득을 용이하게 하는 ｔｅｍ의 렌즈제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 복수개의 전자렌즈 및 각 전자렌즈에 부속하는 다수의 조정코일에 인가되는 전원의 특성을 제어하는 렌즈제어부를 가지는 TEM의 렌즈제어장치로서, (A) 전자렌즈에 인가되는 전원의 특성을 제어하는 전자렌즈제어부와; (B) 상기 조정코일에 연결된 전원특성조정유닛을 통하여 조정코일에 인가되는 전원의 주파수값 및 전류값을 제어하는 조정코일제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PED패턴 획득을 용이하게 하는 TEM의 렌즈제어장치이다.
본 발명에 의한 장치를 적용하면, TEM에서 전자빔 회전각 및 회전속도를 정밀하게 제어하고 제어결과를 표시할 수 있기 때문에 한 번의 시료장착으로 물질의 3차원 구조를 빠르고 정확하게 해석할 수 있게 된다.

Description

ＰＥＤ패턴 획득을 용이하게 하는 ＴＥＭ의 렌즈제어장치{LENS CONTROL APPARATUS OF TEM FOR EASILY OBTAINING PED PATTERN}
본 발명은 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope)을 이용하여 물질의 내부구조를 3차원으로 분석하기 위해 사용되는 회절패턴(DP; diffraction pattern) 즉, 전자빔의 회절현상을 이용한 3차원 구조 분석을 위한 회절분석용 렌즈제어장치에 관한 것이다.
TEM(Transmission electron microscope: 투과 전자 현미경)은 전자현미경의 일종으로, 광원과 광원렌즈 대신 유사한 기능을 하는 전자선과 전자 렌즈를 사용한 현미경이다.
간략하게 설명하면, TEM은 전자총, 집속렌즈, 시료대, 대물렌즈, 중간렌즈 등 복수개의 전자렌즈 및 카메라로 구성되어 있으며, 그 작동과정은 다음과 같다 : 50∼100kV의 음전압이 걸려있는 전자총에서 전자빔이 발사되면 전자빔은 집광렌즈에 의해 수렴되어 시료에 조사된다. 시료를 투과한 전자빔은 대물렌즈에 의해 수백배로 확대되어 중간렌즈 바로 위에 제1상을 맺는다. 제1상의 일부는 중간렌즈 및 투사렌즈로 확대되어 카메라실의 형광막 위에 상을 맺게 된다. 이때 초점은 대물렌즈의 여자전류를 조절하여 맞추게 되고, 배율은 중간렌즈 또는 투사렌즈에 흐르는 전류를 조절하여 가감할 수 있다. 공기가 존재하면 전자빔의 진행방향이 변하므로, TEM 내부는 10-5mmHg (≤ 10-6 pa) 정도로 고진공 상태를 유지한다.
TEM에는, 각 전자렌즈를 통과한 전자빔의 집속과 확대를 안정적으로 제어하기 위하여 모든 또는 일부 전자렌즈의 상부 또는 하부에 각각 4개의 조정코일((+X, -X, +Y 및 -Y)을 두고 있다. 도 1의 (a)에 일반 TEM에서 전자렌즈(2개)와 조정코일(8개)의 위치를 예시적으로 도시하였다. 이들 전자렌즈와 조정코일 각각의 세트는 각각의 렌즈제어장치에 의해 제어되는데, 도 1의 (b)에 렌즈제어장치에 의해 조정코일이 제어됨을 보여주는 개념도를 도시하였다(이해의 편의를 위해 조정코일 면을 90°회전하여 도시함).
TEM에서 시료를 관찰하기 위해서는 먼저 (시료 장착 전에) 전자빔이 중심축에 일치하여 시료대에 초점이 맞추어지도록 조정(alignment)해야한다. 초점이 중심축에 맞지 않으면, 각각의 렌즈제어부는 서로 대칭되는 한 쌍의 조정코일에 흐르는 전류의 전압을 연동하여 제어함으로써 초점을 중심축에 일치시키게 된다. 종래 TEM에서 마주보는 한쌍의 조정코일이 연동하여 제어되는 것을 도 1의 (b)에 개념적으로 나타내었다.
통상의 TEM은 전자빔이 수직으로만 진행되므로 한 번의 시료장착과 관찰로 전자빔이 입사된 한 면에 대한 정보만 얻을 수 있다. 따라서 복합구조로 이루어진 물질의 구조를 모두 얻기 위해서는 시료의 방향을 바꾸어가면서 반복적으로 관찰해야 한다. 이 경우 [시료탈착 → 시료 회전 → 시료장착 → 촬영] 작업을 반복해야 하므로 복잡하고 시간이 많이 소요될 뿐 아니라, 시료의 동일지점을 초점과 일치시키는 것이 거의 불가능하여 정확한 정보를 얻기가 어려웠다.
본 발명은 TEM에서 회절패턴(DP)기법을 이용하여 한 번의 시료장착으로 복잡한 물체의 3차원 구조 영상을 얻을 수 있도록 하는 회절분석장치(Electron Pression System; 이하 'EPS'라 함)를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은, TEM에서 전자빔 회전각 및 회전속도를 정밀하게 제어할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 회절패턴(DP)기법을 이용하여 물질의 3차원 구조해석을 보다 원활하게 할 수 있는 전자빔 회전각도 및 회전속도의 제어 및 표시부가 추가된 EPS를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 복수개의 전자렌즈 및 각 전자렌즈에 부속하는 다수의 조정코일에 인가되는 전원의 특성을 제어하는 렌즈제어부를 가지는 TEM의 렌즈제어장치로서, (A) 전자렌즈에 인가되는 전원의 특성을 제어하는 전자렌즈제어부와; (B) 상기 조정코일에 연결된 전원특성조정유닛을 통하여 조정코일에 인가되는 전원의 주파수값 및 전류값을 제어하는 조정코일제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PED패턴 획득을 용이하게 하는 TEM의 렌즈제어장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 장치를 적용하면, TEM에서 전자빔 회전각 및 회전속도를 정밀하게 제어하고 제어 결과를 실시간으로 표시할 수 있기 때문에 한 번의 시료장착으로 물질의 3차원 구조를 빠르고 정확하게 해석할 수 있게 된다.
또한, 입력유닛을 통하여 원하는 전자빔의 회전각도 및 회전속도를 미세하게 실시간으로 조절할 수 있어 연구의 효율과 정확성을 증대시킬 수 있게 된다.
본 발명에 의한 EPS에서 상기 렌즈제어장치의 입력유닛 및 연산/전송유닛, 표시유닛은 소정의 입출력장치와 이들과 커넥팅되는 소정의 PCB로 제작되어 TEM의 기판 슬롯에 장착할 수 있는 형태일 수도 있다.
또는, 본 발명에 의한 EPS에서 상기 렌즈제어장치의 입력유닛 및 연산/전송유닛, 표시유닛은 소정의 제어프로그램이 설치되어 있고 TEM에 커넥팅되는 컴퓨터일 수 있다.
도 1의 (a)는 일반 TEM에서 전자렌즈와 조정코일의 위치를 보여주는 예시적 사시도, (b)는 일반 TEM에서 렌즈제어장치에 의해 조정코일이 제어됨을 보여주는 개념도,
도 2는 PED pattern 분석법을 수행하는 상태를 보여주는 예시도,
도 3은 본 발명에 의한 렌즈제어장치의 개념적 구성을 보여주는 예시도,
도 4는 본 발명에 의한 장치에서 전자빔의 조정작업과정을 도시한 예시도,
도 5의 (a), (b)는 각각 본 발명에 의한 장치에서 한 쌍의 조정코일이 연동해서 제어되는 구성과, 개별적으로 제어되는 구성을 보여주는 예시도,
도 6은 외장형인 본 발명에 의한 장치의 예를 보여주는 정면도,
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 이들 도면은 예시적인 목적일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
복합구조 물질의 3차원 구조정보를 얻기 위하여 전자빔을 기울이거나 회전시켜 시편의 표면에 다양한 각도로 수렴된 전자빔이 도달하게 하여 그 결과를 분석하는 방법(3차원 회절패턴분석법; Precession electron diffraction pattern 분석법; PED pattern 분석법)을 사용한다. PED pattern분석법은 전자빔을 광축에 대하여 소정의 각도로 기울여 회전되도록 하면서 연속하여 TEM 관찰하고 이를 분석하여 한 번의 시료장착으로 복잡한 물체의 3차원 구조 영상을 얻을 수 있는 방법이다(도 2 참조). 도 2에서 좌측은 통상의 TEM에서 수직인 전자빔에 의한 단순한 구조를 분석하는 상태를 보여주는 예시도이며, 우측은 전자빔이 기울어지고 회전하면서 작동하는 PED pattern 분석법을 수행하는 상태를 보여주는 예시도이다.
본 발명은 통상의 TEM에서 PED pattern분석법을 수행할 수 있게 하는 회절분석장치(Electron Pression System; 이하 'EPS'라 함)이다.
종래 통상의 TEM의 렌즈제어장치는 전자렌즈 코일에 인가되는 전압을 조절하여 전자빔의 수렴과 확산을 제어하는 전자렌즈제어기능과, 조정코일에 인가되는 전압을 조절하여 전자빔의 초점을 중심에 일치시키는 조정코일제어기능을 가지고 있다.
본 발명은 종래 통상의 렌즈제어장치의 기능과 역할을 분리하여, 전자렌즈제어기능은 상기 전자렌즈제어부에서, 전원특성조정유닛을 매개로한 조정코일제어기능은 조정코일제어부에서 수행되도록 한다. 또한 종래 통상의 TEM에서 조정코일은 인가되는 전원의 전압에 의해서만 제어되었으나(전자빔의 수직직진만 제어) 본 발명에 의한 EPS에서 조정코일은 인가되는 전원의 주파수값 및 전류값을 통해서 제어된다.
본 발명에 의한 장치를 이용한 PED pattern분석법의 진행과정에서, 광축에 대한 전자빔의 회전각(precession angle)과 회전속도는 제1렌즈(예를 들면 집속렌즈)와 제2렌즈(예를 들면 대물렌즈)에 인접한 각각 4개의 조정코일(+X, -X, +Y 및 -Y)에 인가되는 전원의 특성조절에 의해 결정된다. 즉, 본 발명에서는 전자렌즈에 의해 수렴 또는 확산된 전자빔은 조정코일에 인가되는 전원의 주파수에 비례하여 전자빔의 회전속도가 변하고, 전류에 비례하여 전자빔의 회전각도가 변한다.
본 발명에 의한 렌즈제어장치의 개념적 구성도를 도 3에 예시하였다. 종래기술을 예시한 도 1의 (b)와 비교하여, 본 발명에서는 렌즈제어장치가 전자렌즈만을 제어하는 전자렌즈제어부와 조정코일을 제어하는 조정코일제어부로 분리되어 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 EPS를 장착하고 PED패턴분석법에 따라 시료를 관찰하기 위해서는 먼저 (시료 장착 전에) 전자빔이 중심축에서 노이즈 없이 작은 원형상을 형성할 수 있도록 통상 도 4에 도시한 바와 같은 조정작업(alignment)을 해야한다. 보통 처음 TEM을 가동하면 도면의 (A)처럼 렌즈에서 찌그러지는 현상이 나타난다. 이 경우 전자렌즈에 인접한 조정코일(+X, -X, +Y 및 -Y)을 정밀하게 조절하여 전자빔에 찌그러짐이 없도록 조절한다(도면에서 과정). 이어서 전자빔 각도를 조절하고(도면에서 과정) 전자빔을 조정하여 전자빔이 중심축에서 회전하도록 설정한다(도면에서 과정).
종래의 TEM 장비에서는 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 렌즈제어장치가 서로 마주한 두 개의 조정코일(+X과 -X 또는 +Y과 -Y)에 공급되는 전원의 전압을 연동하여 제어하도록 제작되어 있다. 따라서 본 발명에 의한 장치에서 이러한 방식(마주한 두 조정코일의 연동제어방식)을 따르는 경우 하나의 조정코일의 주파수나 전류를 변화시키면 다른 조정코일의 주파수나 전류가 동시에 변동되기 때문에 조정작업이 매우 복잡하고 많은 시간을 소요하는 문제가 있었다.
그러므로 본 발명에 의한 EPS에서 상기 전원특성조정유닛은 각각의 조정코일마다 연결되어 독자적으로 제어될 수 있도록 제작되는 것이 바람직하다.
마주보는 두 조정코일의 전원특성을 연동하여 제어하는 방식과 모든 조정코일을 개별적으로 제어하는 방식에 대한 개념적 예시적 회로구성을 각각 도 5의 (a)와 (b)에 도시하였다.
도 5의 (a)에서처럼 서로 마주한 두 개의 렌즈코일((+X, -X)쌍 또는 (+Y, -Y)쌍)을 동시에 제어할 경우 렌즈코일(+X)의 변위와 렌즈코일(-X)의 변위가 중첩되기 때문에 그에 따른 전자빔의 회전각과 회전속도가 예상하지 못하는 방향으로 변화될 수 있다. 도 5의 (b)에서처럼 각각의 조정코일을 개별적으로 제어할 경우 다른 조정코일의 전원특성은 변하지 않기 때문에 하나의 조정코일만을 제어할 수 있으므로 전자빔의 회전각과 회전속도를 예측가능한 범위에서 미세하게 조절을 할 수 있는 것이다.
본 발명에 의한 EPS에서 상기 조정코일제어부는 다음과 같은 기능을 하는 입력유닛과 연산/전송유닛을 포함할 수 있다
입력유닛은 일종의 외부입력장치로서, 사용자가 조정을 원하는 조정코일, 상기 조정코일에 인가될 전원의 주파수값 및 전류값을 입력받는다. 연산/전송유닛은 입력된 조정코일을 선택하고, 상기 선택된 조정코일에 입력되는 전원의 주파수값 및 전류값을 주파수-전류조정부에서 인식 가능한 제어신호로 변환하여 전원특성조정유닛으로 제어신호를 전송한다.
도 6에 본 발명에 의한 EPS의 stand-alone 형태를 예시적으로 도시하였다. 입력유닛은 조정코일을 선택하기 위한 선택버튼, 전자빔의 회전각도를 조절하기 위한 회전각조절노브, 보다 미세한 조절을 위한 미세조절노브 등 입력유닛 영역과 표시유닛을 외부에서 확인할 수 있다. 연산/전송유닛은 내장되어 있다.
본 발명에 의한 EPS에서 상기 조정코일제어부는 다음과 같은 기능을 하는 표시유닛을 더 포함할 수 있다.
표시유닛은 상기 입력유닛에 입력된 조정 대상 조정코일, 상기 조정코일에 인가되는 전원의 주파수값과 전류값 및 입력에 따라 제어된 전자빔의 회전각도 및 회전속도값을 계산하여 출력하는 유닛이다. 표시유닛에 의해, 사용자는 실시간으로 현재 작동하고 있는 TEM 전자빔의 회전각도 및 회전속도를 실시간으로 확인하면서 제어할 수 있게 된다.
본 발명에 의한 EPS에서, 상기 연산/전송유닛은 각각의 조정코일, 상기 조정코일에 공급되는 전원의 주파수값과 전류값에 대응되는 전자빔의 회전각도 및 회전속도값이 저장된 입출력값DB를 가지며, 상기 입력유닛은 사용자로부터 전자빔의 희망 회전각도 및 희망 회전속도값을 입력받고, 상기 연산/전송유닛은 상기 입출력값DB를 조회하여 희망 회전각도 및 희망 회전속도값에 대응되는 조정코일과 상기 조정코일에 인가되는 전원의 주파수값 및 전류값을 추출하고 제어신호로 변환하여 해당 전원특성조정유닛으로 제어신호를 전송하도록 할 수도 있다.
이에 의해 사용자는 일일이 각각 조정코일 및 이들에 인가되는 전원의 주파수값과 전류값을 입력-수정입력할 필요 없이, 원하는 전자빔의 회전각도 및 회전속도를 입력하면 각 조정코일 및 이들에 인가되는 전원의 주파수값과 전류값 제어신호가 자동으로 전송되므로 분석을 위한 시간을 대폭 줄일 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 복수개의 전자렌즈 및 각 전자렌즈에 부속하는 다수의 조정코일에 인가되는 전원의 특성을 제어하는 TEM의 렌즈제어장치에 있어서,
    상기 렌즈제어장치는
    (A) 전자렌즈에 인가되는 전원의 특성을 제어하는 전자렌즈제어부;
    (B) 상기 각 조정코일에 연결된 전원특성조정유닛;과
    (C) 상기 전원특성조정유닛을 통하여 조정코일에 인가되는 전원의 주파수값 및 전류값을 제어하는 조정코일제어부;로 이루어진 것을 특징으로 하는 PED패턴 획득을 용이하게 하는 TEM의 렌즈제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원특성조정유닛은 각각의 조정코일마다 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 PED패턴 획득을 용이하게 하는 TEM의 렌즈제어장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조정코일제어부는
    (a) 조정 대상인 조정코일, 상기 조정코일에 인가될 전원의 주파수값 및 전류값을 입력받는 입력유닛; 및
    (b) 상기 입력유닛에서 입력된 조정코일을 선택하고, 상기 선택된 조정코일에 입력되는 전원의 주파수값 및 전류값을 제어신호로 변환하여 전원특성조정유닛으로 전송하는 연산/전송유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 PED패턴 획득을 용이하게 하는 TEM의 렌즈제어장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 조정코일제어부는
    (c) 상기 입력유닛에 입력된 조정 대상 조정코일, 상기 조정코일에 인가되는 전원의 주파수값과 전류값 및 입력에 따라 제어된 전자빔의 회전각도 및 회전속도값을 계산하여 출력하는 표시유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 PED패턴 획득을 용이하게 하는 TEM의 렌즈제어장치.
  5. 삭제
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 연산/전송유닛은 각각의 조정코일, 상기 조정코일에 공급되는 전원의 주파수값과 전류값에 대응되는 전자빔의 회전각도 및 회전속도값이 저장된 입출력값DB를 가지며,
    상기 입력유닛은 전자빔의 희망 회전각도 및 희망 회전속도값을 입력받고,
    상기 연산/전송유닛은 상기 입출력값DB를 조회하여 희망 회전각도 및 희망 회전속도값에 대응되는 조정코일과 상기 조정코일에 인가되는 전원의 주파수값 및 전류값을 추출하고 제어신호로 변환하여 해당 전원특성조정유닛으로 전송하는 것을 특징으로 하는 PED패턴 획득을 용이하게 하는 TEM의 렌즈제어장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 렌즈제어장치의 입력유닛 및 연산/전송유닛은,
    제어프로그램이 설치된 컴퓨터인 것을 특징으로 하는 PED패턴 획득을 용이하게 하는 TEM의 렌즈제어장치.
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