KR101756171B1 - 주사 전자 현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 상태에서 시료를 관찰하도록 하는 진공 챔버 없이 대기 중에서 시료 표면으로부터 산란되어 방출되는 후방산란전자를 검출하여 시료를 관찰할 수 있도록 구현되는 주사 전자 현미경에 관한 것이다. 본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 진공 상태를 형성하는 경통, 경통의 상부에 위치하고, 진공 하에서 전자 빔을 하부로 주사하는 전자총, 경통의 하부면의 일부를 형성하여 경통 내부를 진공 상태로 형성하고 전자 빔을 통과시키는 차폐막, 차폐막의 하부에 위치하여 전자총으로부터 차폐막을 통과한 전자 빔이 시료에 조사되도록 시료가 배치되는 시료대, 전자총과 차폐막 사이에 위치하여 전자빔을 통과시키는 홀이 형성되고, 상부면에 자기장을 형성하는 제1 평면 코일을 구비하여 전자 빔을 집속하여 차폐막으로 전달하고, 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 제1 후방산란검출기를 포함한다.

Description

주사 전자 현미경{Scanning electron microscope}

본 발명은 주사 전자 현미경에 관한 것으로, 진공 상태에서 시료를 관찰하도록 하는 진공 챔버 없이 대기 중에서 시료 표면으로부터 산란되어 방출되는 후방산란전자를 검출하여 시료를 관찰할 수 있도록 구현되는 주사 전자 현미경에 관한 것이다.

최근 IT/NT 기술의 발달로 인하여 반도체 및 디스플레이 및 부품소재들의 패킹 밀도(packing density)도 급격하게 증가하고 있다. 이러한 IT/NT에 의해 얻어진 기술을 분석할 수 있는 전자현미경 분석에 대한 수요도 점점 증가하고 있으며, 대표적인 것이 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; 이하 'SEM'이라고 칭함)이다.

SEM은 전자총에서 주사하는 전자빔을 전자기 렌즈들을 통하여 집속시키고, 이를 진공 챔버의 시료대에 장착된 시료 표면의 일정 미세 면적에 주사시켜서 시료 표면으로부터 튀어나오는 2차 전자를 포집하여 주사한 면적을 모니터 픽셀(pixel)에 채워주어 관찰하는 원리를 이용한 관찰 장비로서, 시료 표면(수십 nm)을 관찰하는 용도의 영상분석 장비이다.

한편, SEM의 전자총에서 주사되어 고에너지로 집속된 전자빔이 시료의 표면에 입사하게 되면, 시료에 입사하는 1차 전자는 접지선으로 빠져나가야 하는데, 빠져나가지 못하고 시료 내부에 쌓이게 되는 현상을 대전현상(Charge-up)이라고 하며 유기물, 바이오 샘플과 같은 부도체 시료에서 주로 발생한다.

이러한 1차 전자들은 시료 내부에서 Hole-Pair를 이루게 되고 궁극적으로는 시료 표면이 네거티브(Negative)로 대전된다. 시료표면이 네거티브(Negative)로 대전되면, 시료 표면으로부터 튀어나오는 2차 전자의 산출량(Yield)을 크게 발생시킬 수 있는 반면에 입사전자와 2차 전자들 간의 극심한 상호 척력작용에 의하여 영상이 심하게 밝아지거나 영상이 흐르는 현상이 발생함으로 정상적인 양질의 선명한 영상을 확보하기가 어렵다.

따라서 이러한 현상을 최소화하기 위하여 통상적으로 적용되는 방법이 Au 또는 Carbon과 같은 전도성 물질을 시료 표면에 수십 nm로 코팅(Coating) 처리하여 사용한다. 즉, 플라즈마 분위기에서 Cathode Target(Au, Pt 또는 Carbon)과 시료-대(Anode) 간의 전위차를 적용하여 시료의 이온(Ion)들을 시료표면에 얇게 도포하는 코팅기를 사용하여 도포된 표면을 따라서 조사되는 전자빔이 접지 연결된 시료 홀더 및 스테이지를 따라서 빠져나가도록 처리하는 방법이다.

그러나 이러한 시료 코팅방법은 겔(Gel)과 같은 액상시료에 적용을 하는 경우, 액상 자체에 도포가 되지 않으므로 문제점들을 드러나고 있다. 또한 액상시료를 건조시킨 후, 도포하는 방법도 표면(수십 nm)을 관찰하는 주사전자현미경장비가 지니는 특징 때문에 겔(Gel) 및 액상 시료 내에 덮여있는 함유물들의 관찰은 매우 어렵다. 더욱이 수십 ~ 수백 nm크기의 시료들을 관찰하고자 하는 경우, 도포된 두께가 측정오차에 크게 영향을 주기 때문에 이에 대한 기술극복의 필요성이 크게 대두되고 있는 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 대기 상에서 시료를 관찰할 수 있는 주사 전자 현미경(이하 'Air SEM' 이라 함)이 개발되었다. 이러한 Air SEM은 시료가 대기 상에 존재하기 때문에 전자빔이 시료표면에 조사 시, 표면에 축적되는 전자들이 대기 중에 입자들로부터 이온화된 양이온과의 중화작용으로 인하여 대전효과가 극히 낮아지기 때문에 별도의 전처리 없이도 유기물시료를 관찰할 수 있는 장점이 있다.

그러나 Air SEM은 전자 빔을 대기 중에 놓인 시료 표면에 집속하는 과정에서 전자 빔이 대기에 의한 분산이 발생하게 된다. 이에 따라 Air SEM은 전자 빔이 대기 중에 노출되는 거리를 최소화하기 위하여 시료와 전자빔이 진공 상태를 벗어나 주사되게 되는 차폐막과의 거리를 50 ~ 200 um 까지 접근시켜서 관찰해야 하는 물리적인 한계를 가지고 있다.

이에 따라, Air SEM은 시료 표면이 차폐막과 접촉되지 않도록 1차적으로 초점을 맞추고, 동일 높이를 유지하면서, 슬라이드 이동 가능한 시료대를 위치 이동시켜야 하는 문제점이 있었다.

한국등록특허 제10-1348581호(2013.12.31.)

따라서 본 발명의 목적은 차폐막을 통과한 전자 빔의 전자들의 산란에 의한 분산을 최소화하면서, 차폐막과 시료 사이의 거리를 확보할 수 있는 주사 전자 현미경을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 진공 상태를 형성하는 경통, 상기 경통의 상부에 위치하고, 진공 하에서 전자 빔을 하부로 주사하는 전자총, 상기 경통의 하부면의 일부를 형성하여 상기 경통 내부를 진공 상태로 형성하고 상기 전자 빔을 통과시키는 차폐막, 상기 차폐막의 하부에 위치하여 상기 전자총으로부터 상기 차폐막을 통과한 상기 전자 빔이 시료에 조사되도록 상기 시료가 배치되는 시료대, 상기 전자총과 상기 차폐막 사이에 위치하여 상기 전자빔을 통과시키는 홀이 형성되고, 상부면에 자기장을 형성하는 제1 평면 코일을 구비하여 상기 전자 빔을 집속하여 상기 차폐막으로 전달하고, 상기 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 제1 후방산란검출기를 포함한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 제1 후방산란검출기는 상부면에 상기 제1 평면 코일을 구비하고, 상기 전자총과 상기 차폐막 사이에 위치하여 상기 전자빔을 통과시키는 상기 홀이 형성된 제1 웨이퍼, 상기 제1 웨이퍼의 하부면에 형성되어, 상기 후방산란전자를 검출하는 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 제1 평면 코일은 상기 제1 웨이퍼의 상부면에 상기 홀을 중심으로 코일 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 제1 평면 코일은 상기 제1 웨이퍼의 상부면에 상기 홀을 중심으로 별도의 코일 패턴을 장착하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 차폐막은 상기 경통의 하부면의 일부를 형성하는 제2 웨이퍼, 상기 제2 웨이퍼 상에 형성되어 상기 경통 내부를 진공 상태로 형성하되, 상기 전자 빔을 통과시키는 초박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 초박막은 상기 제2 웨이퍼를 식각하여 형성되는 실리콘 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 제2 웨이퍼는 상기 전자 빔이 통과하는 홀이 형성되고, 상기 초박막은 상기 홀이 포함되도록 상기 제2 웨이퍼의 하부면에 부착되는 그래핀 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 차폐막은 상기 제2 웨이퍼의 상부면에 구비되고, 자기장을 형성하여 상기 제1 평면 코일을 통해 1차 집속된 상기 전자빔을 2차 집속하여 상기 시료로 전달하는 제2 평면 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 제1 및 제2 평면 코일의 자기장은 상기 전자 빔의 방향과 동일하거나, 상기 전자 빔의 방향과 역방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 경통 상부에 위치하고, 상기 제1 후방산란검출기의 상기 홀을 통해 상기 경통 내부로 유입되는 후방산란전자들을 검출하는 제2 후방산란검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 시료대를 감싸도록 형성되고 상기 경통과 결합되는 챔버, 상기 챔버의 일측에 형성되어, 상기 초박막과 상기 시료대 사이에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부, 상기 챔버의 상기 시료가 배치된 시료대의 인근에 구비되어 상기 시료로부터 방출되는 X선을 검출하는 X선 분석기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 진공 상태를 형성하는 경통, 상기 경통의 상부에 위치하고, 진공 하에서 전자 빔을 하부로 주사하는 전자총, 상기 경통의 하부면의 일부를 형성하여 상기 경통 내부를 진공 상태로 형성하고, 상부면에 자기장을 형성하는 제2 평면 코일을 구비하여 상기 전자 빔을 집속하여 통과시키는 차폐막, 상기 차폐막의 하부에 위치하여 상기 전자총으로부터 상기 차폐막을 통과한 상기 전자 빔이 시료에 조사되도록 상기 시료가 배치되는 시료대, 상기 전자총과 상기 차폐막 사이에 위치하여 상기 전자빔을 통과시키는 홀이 형성되고, 상기 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 제1 후방산란검출기를 포함한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 전자총과 차폐막 사이에 위치하여 전자빔을 통과시키고, 시료로부터 산란되는 후방산란전자를 검출하는 제1 후방산란검출기의 상부면에, 자기장을 형성하는 제1 평면 코일을 구비하여 통과되는 전자 빔을 집속시킴으로써, 차폐막을 통과한 전자 빔의 전자들의 산란에 의한 분산을 최소화할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 차폐막의 상부면에 자기장을 형성하는 제2 평면 코일을 구비하여 초박막을 통과하여 시료로 주사되는 전자 빔을 집속시킴으로써, 전자 빔의 전자들의 산란에 의한 분산을 최소화할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 전자총과 차폐막 사이에 위치하여 전자빔을 통과시키고, 시료로부터 산란되는 후방산란전자를 검출하는 제1 후방산란검출기의 상부면에, 자기장을 형성하는 제1 평면 코일을 구비하여 통과되는 전자 빔을 1차 적으로 집속시키고, 차폐막의 상부면에 형성되는 제2 평면 코일을 통해 전자 빔을 2차 적으로 집속시킴으로써, 차폐막을 통과한 전자 빔의 전자들의 산란에 의한 분산을 최소화할 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 차폐막을 통과한 전자 빔의 분산을 최소화함에 따라 차폐막과 시료 사이의 거리를 확보하여 별도의 광학현미경으로 초기 초점을 조절하고 시료를 로딩하는 등의 불필요한 과정을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경에서 제1 후방산란검출기의 상부면 및 하부면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경에서 제1 후방산란검출기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경에서 차폐막의 상부면 및 하부면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경에서 차폐막의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경을 나타낸 모식도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경을 나타낸 모식도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)은 경통(10), 전자총(20), 제1 후방산란검출기(30), 차폐막(40) 및 시료대(50)를 포함한다. 이 밖에도 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)은 제2 후방산란검출기(60), 챔버(70), 가스 공급부(80) 및 X선 분석기(90)를 포함한다.

경통(10)은 본 발명의 관 형태로 내부에 전자 빔이 통과할 수 있는 공간을 형성한다. 여기서 경통(10)의 내부에 형성된 공간은 진공 상태로 유지된다.

이러한 경통(10)은 도시되지는 않지만, 전자총(20)으로부터 주사되는 전자 빔을 집속시켜주는 대물렌즈 및 편향코일을 포함할 수 있다.

전자총(20)은 전자를 생성하고 가속시키는 역할을 한다. 이러한 전자총(20)은 전자선(Electron ray)의 형태로 사용되는 안정된 전자원을 공급한다. 즉 전자총(20)은 경통(10)의 상부에 형성되어 하부를 향하여 전자 빔을 주사한다.

여기서 원자 내의 전자는 원자핵과의 전기력 작용에 의하여 특정 위치에서 일정한 에너지를 갖고 있기 때문에, 전자가 상온에서 자기 위치를 벗어나 공중으로 방출되는 일은 거의 일어나지 않지만 전자가 갖고 있는 에너지 장벽 이상의 에너지가 주어질 경우 전자가 튕겨져 나오게 된다.

이에 따라 전자총(20)은 텅스텐을 포함하는 금속을 가열하여 표면의 원자에서 구속되어 있던 전자들이 원자핵의 속박에서 벗어나 경통로 이탈되도록 구현할 수 있다.

이러한 전자총(20)은 열주사형(thermionic electrongun) 또는 전계주사형(field emission electron gun)을 포함할 수 있다.

제1 후방산란검출기(30)는 경통(10)의 내부에 구비되고, 전자총(20)과 차폐막(40) 사이에 배치된다. 이러한 제1 후방산란검출기(30)는 시료의 표면으로부터 산란되어 다시 시료의 표면 밖으로 방출되는 후방산란전자를 검출할 수 있다.

여기서 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)은 자기장을 형성하여 전자총(20)으로부터 주사되는 전자 빔을 집속시켜 통과시킬 수 있다.

차폐막(40)은 경통(10)의 하부면의 일부를 형성하여 경통(10) 내부를 진공 상태로 형성한다. 즉 차폐막(40)은 전자 빔이 통과하는 경로에 구비되는 초박막을 통해 경통(10)의 하부면의 일부를 형성하면서 경통(10)의 진공 상태는 유지하도록 하고, 전자총(20)에 의해 주사되고 제1 후방산란검출기(30)를 통해 전달되는 전자 빔은 통과시키도록 할 수 있다.

시료대(50)는 차폐막(40)을 통과한 전자 빔이 정확히 시료를 조사할 수 있도록 상부면에 시료가 배치된다. 이러한 시료대(50)는 스터드 등의 금속제가 될 수 있다. 이때 시료대(50)는 별도의 홀더(51)를 통하여 접지될 수 있다.

제2 후방산란검출기(60)는 경통(10)의 상부에 위치하고, 시료로부터 산란되어 제1 후방산란검출기(30)의 홀을 통해 유입되는 후방산란전자를 검출할 수 있다.

제2 후방산란검출기(60)는 대기 중의 시료에 조사되는 전자 빔이 시료에 충돌하여 발생하는 후방산란전자 포집과 관련하여, 일차적으로 제1 후방산란검출기(30)에서 포집되는 후방산란전자 이외에 시료와의 직접적인 충돌로 튀어나오는 양질의 후방산란전자들의 검출 효과를 배가시키기 위하여 경통(10) 상부에 위치될 수 있다.

즉 제2 후방산란검출기(60)는 분해능이 우수한 후방산란전자들의 포집을 극대화하기 위하여 제1 후방산란검출기(30)에 추가적으로 제1 후방산란검출기(30)의 홀을 따라서 경통(10) 내부로 유입되는 후방산란전자들을 음(-)준위의 부스팅 전압(60a)을 인가하여 포집되도록 함으로써, 고분해능의 영상을 구현하도록 할 수 있다.

챔버(70)는 진공 상태가 아닌 비진공 상태이며, 시료를 감싸도록 형성되어 경통(10)과 결합된다. 이때 챔버(70)와 경통(10)은 탈부착 가능하도록 결합될 수 있다.

가스공급부(80)는 불활성 가스를 챔버(70) 내로 제공할 수 있다. 여기서 불활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 중 어느 하나가 될 수 있다.

X선 분석기(90)는 1차 전자와 고체시료 사이의 작용으로 방출되는 X선을 검출할 수 있다. X선 분석기(90)는 전자 빔을 시료에 주사하여 발생하는 특성 X선의 세기를 검출하여 원소의 분포도를 측정하여 정성 또는 정량분석을 하도록 할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 후방산란검출기(30)에 대하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경에서 제1 후방산란검출기의 상부면 및 하부면을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경에서 제1 후방산란검출기의 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 후방산란검출기(30)는 제1 웨이퍼(31) 및 포토다이오드(32)를 포함한다.

제1 웨이퍼(31)는 상부면에 전기장을 형성하는 제1 평면 코일(31a)을 구비하고, 전자총(20)과 상기 차폐막(30) 사이에 위치하여 전자 빔을 통과시키는 홀(33)이 형성될 수 있다. 여기서 제1 웨이퍼(31)는 실리콘 재질을 포함할 수 있다.

여기서 제1 평면 코일(31a)에는 전류가 인가되고, 전류가 인가된 제1 평면 코일(31a)은 자기장 필드를 형성한다. 이때, 제1 평면 코일(31a)로부터 형성되는 자기장은 전자 빔의 주사 방향과 동일한 방향으로 형성될 수 있다.

이에 따라, 전자총(20)으로 주사되는 전자 빔은 제1 웨이퍼(31)에 형성되는 홀(33)을 통과하면서, 제1 평면 코일(31a)에 의해 발생되는 자기장에 의해 집속될 수 있다.

또한 제1 평면 코일(31a)로부터 형성되는 자기장은 전자 빔의 주사 방향과 반대 방향으로 형성될 수 있다.

이 경우, 전자 총(20)으로 주사되는 고-가속 에너지 전자 빔을 억제시킴으로써, 시료에 입사되는 에너지를 최소화하여, 고-가속 전압의 전자 빔이 시료 표면에 인가시 시료 표면으로부터 발생되는 손상을 최소화하도록 할 수 있다.

이와 같이 자기장의 방향은 제1 평면 코일(31a)의 권선 방향에 따라 결정될 수 있다.

이러한 제1 평면 코일(31a)은 제1 웨이퍼(31)의 상부면에 홀(33)을 중심으로 코일 패턴 형태로 형성될 수 있다. 즉 제1 평면 코일(31a)은 제1 웨이퍼(31)의 상면에 반도체 패턴 공정으로 평면 코일을 증착하여 미세 전류를 인가함으로써, 자기장을 발생시켜 전자 빔을 집속시킬 수 있다.

또한 제1 평면 코일(31a)은 별도의 코일 패턴을 형성한 초박막 PCB 기판을 제1 웨이퍼(31)의 상부면에 장착하여 미세 전류를 인가함으로써, 자기장을 발생시켜 전자 빔을 집속시킬 수 있다. 즉 제1 평면 코일은 별도의 PCB 기판의 중앙에 전자빔이 통과하도록 홀을 형성하고, 홀을 중심으로 코일 패턴을 형성하고, 코일 패턴이 형성된 PCB 기판을 제1 웨이퍼의 상부면 부착하여, 홀을 중심으로 코일 패턴이 형성되도록 한다.

포토다이오드(32)는 제1 웨이퍼(31)의 하부면 복수개로 구비되고, 포토다이오드(32)마다 바이어스 전압을 조작하는 것이 가능하다. 이러한 포토다이오드(32)는 시료로부터 산란되는 후방산란전자를 전기적 신호로 변환할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)은 전자총(20)과 차폐막(40) 사이에 위치하여 전자 빔을 통과시키고, 시료로부터 산란되는 후방산란전자를 검출하는 제1 후방산란검출기(30)의 상부면에, 자기장을 형성하는 제1 평면 코일(31a)을 구비하여 통과되는 전자 빔을 집속시킴으로써, 차폐막(40)을 통과한 전자 빔의 전자들의 산란에 의한 분산을 최소화할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경에 대하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경을 나타낸 모식도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경에서 차폐막의 상부면 및 하부면을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경에서 차폐막의 단면도이다.

도 4 내지 도 6를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(200)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)과 제1 후방산란검출기(30) 및 차폐막(40)의 구조를 제외하고는 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하기로 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(200)은 경통(10), 전자총(20), 제1 후방산란검출기(130), 차폐막(140) 및 시료대(50)를 포함한다. 이 밖에도 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(200)은 제2 후방산란검출기(60), 챔버(70), 가스 공급부(80) 및 X선 분석기(90)를 포함한다.

제1 후방산란검출기(130)은 전자총(20)과 차폐막(140) 사이에 위치하여 전자빔을 통과시키는 홀이 형성되고, 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출할 수 있다.

여기서 본 발명의 제2 실시예에 따른 차폐막(140)은 경통(10)의 하부면의 일부를 형성하여 경통 내부를 진공상태로 형성하고, 상부면에 자기장을 형성하는 제2 평면 코일(141a)을 구비하여 전자 빔을 집속하여 통과시킬 수 있다.

이러한 차폐막(140)은 제2 웨이퍼(141) 및 초박막(142)을 포함한다.

제2 웨이퍼(141)는 경통(10)의 하부면의 일부를 형성할 수 있고, 상부면에 자기장을 형성하는 제2 평면 코일(141a)을 구비할 수 있다.

여기서 제2 평면 코일(141a)에는 전류가 인가되고, 전류가 인가된 제2 평면 코일(141a)은 자기장 필드를 형성한다. 이때, 제2 평면 코일(141a)로부터 형성되는 자기장은 전자 빔의 주사 방향과 동일한 방향으로 형성될 수 있다.

이에 따라, 전자총(20)으로 주사되는 전자 빔은 제2 웨이퍼(141)에 구비되는 초박막(142)을 통과하면서, 제2 평면 코일(141a)에 의해 발생되는 자기장에 의해 집속되어 시료 표면으로 전달될 수 있다.

또한 제2 평면 코일(141a)로부터 형성되는 자기장은 전자 빔의 주사 방향과 반대 방향으로 형성될 수 있다.

이 경우, 전자 총(20)으로 주사되는 고-가속 에너지 전자 빔을 억제시킴으로써, 시료에 입사되는 에너지를 최소화함으로써, 고-가속 전압의 전자 빔이 시료 표면에 인가시, 시료 표면으로부터 발생되는 손상을 최소화하도록 할 수 있다.

이와 같이 자기장의 방향은 제2 평면 코일(141a)의 권선 방향에 따라 결정될 수 있다.

이러한 제2 평면 코일(141a)은 제2 웨이퍼(141)의 상부면에 초박막(142)을 중심으로 코일 패턴 형태로 형성될 수 있다. 즉 제2 평면 코일(141a)은 제2 웨이퍼(141)의 상면에 반도체 패턴 공정으로 평면 코일을 증착하여 미세 전류를 인가함으로써, 자기장을 발생시켜 전자 빔을 집속 시킬 수 있다.

또한 제2 평면 코일(141a)은 별도의 코일 패턴을 형성한 초박막 PCB 기판을 제2 웨이퍼(141)의 상부면에 장착하여 미세 전류를 인가함으로써, 자기장을 발생시켜 전자 빔을 집속시킬 수 있다.

초박막(142)은 제2 웨이퍼(141)에서 전자 빔이 통과하는 지점에 구비될 수 있다. 이러한 초박막(142)은 실리콘 재질로 형성되는 제2 웨이퍼(141)를 식각하여 형성될 수 있다.

또한 초박막(142)은 제2 웨이퍼(141)에 전자 빔을 통과하기 위한 홀이 형성되고, 홀이 형성된 제2 웨이퍼(141)의 하부면에 부착되어 형성될 수 있다. 이때 초박막(142)은 그래핀 박막이 될 수 있다. 이러한 초박막(142)은 양면테이프와 점성이 높은 순간접착제를 사용하여 제2 웨이퍼(141)에 부착될 수 있다.

이에 따라 초박막(142)은 경통(10)의 진공 상태는 유지하도록 하고, 전자총(20)에 의해 주사되고 제1 후방산란검출기(30)를 통해 전달되는 전자 빔은 통과시키도록 할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(200)은 차폐막(140)의 상부면에 자기장을 형성하는 제2 평면 코일(141a)을 구비하여 초박막(142)을 통과하여 시료로 주사되는 전자 빔을 집속시킴으로써, 전자 빔의 전자들의 산란에 의한 분산을 최소화할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경을 나타낸 모식도이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(300)은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100, 200)과 제1 후방산란검출기(30, 130) 및 차폐막(40, 140)의 구조를 제외하고는 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하기로 한다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(300)은 제1 실시예의 제1 후방산란검출기(30)와, 제2 실시예의 차폐막(140)이 각각 적용될 수 있다.

즉 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(300)은 제1 평면 코일(31a)이 형성된 제1 후방산란검출기(30)와, 제2 평면 코일(141a)이 형성된 차폐막(40)을 포함하여 구성될 수 있다.

이에 따라 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(300)은 전자총(20)과 차폐막(140) 사이에 위치하여 전자빔을 통과시키고, 시료로부터 산란되는 후방산란전자를 검출하는 제1 후방산란검출기(30)의 상부면에, 자기장을 형성하는 제1 평면 코일(31a)을 구비하여 통과되는 전자 빔을 1차 적으로 집속시키고, 차폐막(140)의 상부면에 형성되는 제2 평면 코일(141a)을 통해 전자 빔을 2차 적으로 집속시킴으로써, 차폐막(140)을 통과한 전자 빔의 전자들의 산란에 의한 분산을 최소화할 수 있다.

종합하면 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100, 200, 300)은 차폐막(40, 140)을 통과한 전자 빔의 분산을 최소화함에 따라 차폐막(40, 140)과 시료 사이의 거리를 확보하여 별도의 광학 현미경으로 초기 초점을 조절하고 시료를 로딩하는 등의 불필요한 과정을 줄일 수 있다.

한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10 : 경통 20 : 전자총
30, 130 : 제1 후방산란검출기 31 : 제1 웨이퍼
31a : 제1 평면 코일 32 : 포토다이오드
40, 140 : 차폐막 50 : 시료대
51 : 홀더 60 : 제2 후방산란검출기
70 : 챔버 80 : 가스 공급부
90 : X선 분석기 100, 200, 300 : 주사 전자 현미경
141 : 제2 웨이퍼 141a : 제2 평면코일
142 : 초박막

Claims (12)

1. 진공 상태를 형성하는 경통;
   상기 경통의 상부에 위치하고, 진공 하에서 전자 빔을 하부로 주사하는 전자총;
   상기 경통의 하부면의 일부를 형성하여 상기 경통 내부를 진공 상태로 형성하고 상기 전자 빔을 통과시키는 차폐막;
   상기 차폐막의 하부에 위치하여 상기 전자총으로부터 상기 차폐막을 통과한 상기 전자 빔이 시료에 조사되도록 상기 시료가 배치되는 시료대;
   상기 전자총과 상기 차폐막 사이에 위치하여 상기 전자빔을 통과시키는 홀이 형성되고, 상부면에 자기장을 형성하는 제1 평면 코일을 구비하여 상기 전자 빔을 집속하여 상기 차폐막으로 전달하고, 상기 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 제1 후방산란검출기; 를 포함하고,
   상기 제1 후방산란검출기는,
   상부면에 상기 제1 평면 코일을 구비하고, 상기 전자총과 상기 차폐막 사이에 위치하여 상기 전자빔을 통과시키는 상기 홀이 형성된 제1 웨이퍼;
   상기 제1 웨이퍼의 하부면에 형성되어, 상기 후방산란전자를 검출하는 포토 다이오드;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 평면 코일은 상기 제1 웨이퍼의 상부면에 상기 홀을 중심으로 코일 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 평면 코일은 별도의 PCB 기판의 중앙에 전자빔이 통과하도록 홀을 형성하고, 상기 홀을 중심으로 코일 패턴을 형성하고, 상기 코일 패턴이 형성된 PCB 기판을 상기 제1 웨이퍼의 상부면 부착하여, 상기 홀을 중심으로 코일 패턴이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 평면 코일은 별도의 코일을 상기 제1 웨이퍼의 상부면에 상기 홀을 중심으로 부착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
6. 제1항에 있어서,
   상기 차폐막은,
   상기 경통의 하부면의 일부를 형성하는 제2 웨이퍼;
   상기 제2 웨이퍼 상에 형성되어 상기 경통 내부를 진공 상태로 형성하되, 상기 전자 빔을 통과시키는 초박막;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
7. 제6항에 있어서,
   상기 초박막은 상기 제2 웨이퍼를 식각하여 형성되는 실리콘 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제2 웨이퍼는 상기 전자 빔이 통과하는 홀이 형성되고,
   상기 초박막은 상기 홀이 포함되도록 상기 제2 웨이퍼의 하부면에 부착되는 그래핀 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
9. 제6항에 있어서,
   상기 차폐막은,
   상기 제2 웨이퍼의 상부면에 구비되고, 자기장을 형성하여 상기 제1 평면 코일을 통해 1차 집속된 상기 전자빔을 2차 집속하여 상기 시료로 전달하는 제2 평면 코일;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 평면 코일의 자기장은 상기 전자 빔의 방향과 동일하거나, 상기 전자 빔의 방향과 역방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
11. 제1항에 있어서,
    상기 경통 상부에 위치하고, 상기 제1 후방산란검출기의 상기 홀을 통해 상기 경통 내부로 유입되는 후방산란전자들을 검출하는 제2 후방산란검출기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
12. 진공 상태를 형성하는 경통;
    상기 경통의 상부에 위치하고, 진공 하에서 전자 빔을 하부로 주사하는 전자총;
    상기 경통의 하부면의 일부를 형성하여 상기 경통 내부를 진공 상태로 형성하고 상기 전자 빔을 통과시키는 차폐막;
    상기 차폐막의 하부에 위치하여 상기 전자총으로부터 상기 차폐막을 통과한 상기 전자 빔이 시료에 조사되도록 상기 시료가 배치되는 시료대;
    상기 전자총과 상기 차폐막 사이에 위치하여 상기 전자빔을 통과시키는 홀이 형성되고, 상부면에 자기장을 형성하는 제1 평면 코일을 구비하여 상기 전자 빔을 집속하여 상기 차폐막으로 전달하고, 상기 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 제1 후방산란검출기; 를 포함하고,
    상기 차폐막은,
    상기 경통의 하부면의 일부를 형성하는 제2 웨이퍼;
    상기 제2 웨이퍼 상에 형성되어 상기 경통 내부를 진공 상태로 형성하되, 상기 전자 빔을 통과시키는 초박막;
    상기 제2 웨이퍼의 상부면에 구비되고, 자기장을 형성하여 상기 제1 평면 코일을 통해 1차 집속된 상기 전자빔을 2차 집속하여 상기 시료로 전달하는 제2 평면 코일;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.

Images