KR20160067527A - 미세패턴 측정용 Micro-XRF 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 피검체(100)에 조사될 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브(50); 엑스선이 통과하는 제1 중공부(12)가 형성된 캐필러리(10)를 내부에 수용하는 제1 하우징(21); 상기 제1 하우징(21)의 일면에 제공되고, 상기 제1 하우징의 일면에 대해 경사면(28)을 가지는 제2 하우징(25); 상기 경사면(28)에 제공되는 거울(31); 상기 피검체(100)에 반사되는 엑스선을 측정하는 스펙트럼(70); 상기 거울(31)에 반사되는 상을 획득하는 카메라(40)를 포함하고, 상기 제2 하우징(25) 및 상기 거울(31)은 상기 제1 중공부(12)와 동일한 축을 가지는 제2 중공부(26) 및 홀(36)을 가지는 엑스선을 이용한 분석 장치를 제공한다.
본 발명은 초점거리가 짧은 경우에도 피검체를 동시에 보면서 캐필러리의 정렬을 동시에 할 수 있는 엑스선을 이용한 분석 장치를 제공한다.

Description

미세패턴 측정용 Micro-XRF 장치 및 방법{Apparatus and method for fine pattern measuring Micro-XRF}

X선 XRF 장치는 X선을 이용한 형광분석장치를 의미하고 있으나, 본 발명은 이러한 통상의 XRF 장치가 아니라, 엑스선을 이용하되 미세패턴 측정을 위한 XRF 장치이며, 보다 구체적으로는 초점거리가 짧은 경우에도 피검체를 동시에 보면서 캐필러리의 정렬을 동시에 할 수 있는 엑스선을 이용한 형광 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 X선 XRF 장치는 X선을 이용한 형광분석장치를 의미하는 것이며, 엑스선 형광분석장치는 산업상 이용물질 즉, 반도체 재료나 촉매, 비정질 재료 등의 원자 및 전자구조에 관한 정보를 얻기 위한 비파괴 분석장치의 일종이다.

이러한 엑스선 형광분석장치는 엑스선이 시료에 조사된 후 시료에서 발생되는 형광엑스선의 에너지를 검출하여 시료의 정성을 분석하는 것으로서, 엑스선 형광분석에 사용되는 엑스선의 에너지는 25KeV이하의 형광엑스선으로 측정된 각 광자(photon)의 에너지를 기준으로 측정물의 원소 구성을 측정한다.

아울러, 엑스선 튜브에서 발생된 엑스선에 의한 시료의 형광엑스선 발생원리는 튜브내의 타겟에서 발생한 일차 형광엑스선은 양극전압(anode voltage)에 해당하는 만큼 광대역을 발생하며, 통상 은(Ag)의 경우 특성 방사선이 24KeV이하 이므로 35KVp정도의 양극전압을 가해주면, 3 ~ 35 KeV 사이의 엑스선이 발생된다.

더불어 상기 발생된 엑스선은 양극면을 기준으로 180방향으로 진행하게 되는데, 입사한 전자빔의 입사각에 대응하는 반사각을 기준으로 전자기파의 형으로 방사되어 포물선 형태의 분포를 가지며 진행된다.

이렇게 발생된 엑스선은 콜리메이터(collimator)에 의해 시료를 향하는 부분을 제외한 나머지 부분은 차단되고 시료의 조사 면적에 해당하는 부분만큼만 전달됨으로써 주변 기구물에 의한 스케터(scatter)가 측정에 영향을 주지 않도록 되고, 시료에 입사된 엑스선은 시료를 구성하는 각 원소의 궤도전자를 쫓아내든지 아니면 높은 에너지 준위로 들뜨게 함으로써 에너지를 잃게 되며, 이때 높은 궤도로부터 낮은 궤도로 전자가 전이하면서 궤도간의 에너지 차이에 의해 주어지는 특정한 파장을 가진 엑스선을 방사하는데 이를 특성엑스선이라 한다.

또한 상기 발생된 특성엑스선의 에너지를 원소별로 분류하고, 해당 원소의 정량 및 정성 분석을 위해 각 전자궤도(K,L,M)로부터 발생되는 에너지분포를 스펙트럼의 형태로 측정하여 이를 계산하면 된다.

이 경우 튜브에서 입사되는 엑스선의 에너지는 시료에 다양하게 작용하게 되는데, 입사면을 기준으로 전반사가 이루어지거나, 시료의 형광엑스선을 발생시키거나 또는 바로 투과하는 등의 양상을 보이므로, 이들을 측정하는 검출기 입장에서는 너무나 다양한 에너지의 분포가 검출되어 측정 정도를 저하시키는 요인이 된다.

이를 최소화하기 위해서는 측정하는 대상시료에 가장 적합한 에너지 즉, 시료를 구성하는 원소의 특성 방사선 에너지보다 높은 에너지 단색광(monochromatic beam)이 입사될 경우 그 영역의 에너지를 제외한 나머지 스펙트럼은 시료에서 발생된 형광엑스선으로 간주해도 무방하며, 이를 위해 종래에는 동위원소와 같은 특정에너지만 방사하는 방사선원을 이용하거나 엑스선 튜브와 시료 사이에 금속성 솔리드필터(solid filter)를 삽입하여 필터 고유의 컷 오프(cut-off) 에너지 이상만 시료로 조사될 수 있도록 하는 등의 방법을 이용하고 있다.

상기의 방사선 동위 원소를 사용한 측정에서는 광원의 안정성 및 단색성은 우수하나 방사선 발생량이 제한되어 측정시간이 오래 걸리는 문제점이 있으며, 상기의 솔리드필터를 사용하는 경우에는 필터의 컷오프 에너지 이상은 시료에 그대로 조사되므로 시료에서 발생된 형광엑스선과 중복되어 검출됨으로써 제한된 검출기 능력을 최대한 발휘하기 힘들뿐만 아니라 측정 오차의 원인으로 검출 정확성이 떨어지는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 한국공개특허 2008-0088057호에는 엑스선발생부와 시료 사이에 다층박막으로 형성된 필터부를 형성하여, 상기 필터부에 의해 엑스선발생부에서 조사되는 다색(polychromatic)한 방사선을 단색(monochromatic)화 시켜 시료의 조사에 따른 형광분석이 용이하도록 하는 엑스선 형광분석장치를 제공하고 있다.

본 발명은 초점거리가 짧은 경우에도 피검체를 동시에 보면서 캐필러리의 정렬을 동시에 할 수 있는 엑스선을 이용한 분석 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

피검체(100)에 조사될 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브(50); 엑스선이 통과하는 제1 중공부(12)가 형성된 캐필러리(10)를 내부에 수용하는 제1 하우징(21); 상기 제1 하우징(21)의 일면에 제공되고, 상기 제1 하우징의 일면에 대해 경사면(28)을 가지는 제2 하우징(25); 상기 경사면(28)에 제공되는 거울(31); 상기 피검체(100)에 반사되는 엑스선을 측정하는 스펙트럼(70) 및; 상기 거울(31)에 반사되는 상을 획득하는 카메라(40)를 포함하고, 상기 제2 하우징(25) 및 상기 거울(31)은 상기 제1 중공부(12)와 동일한 축을 가지는 제2 중공부(26) 및 홀(36)을 가지는, 엑스선을 이용한 미세패턴 측정용 Micro-XRF 장치를 제공한다.

이 경우, 상기 제1 중공부(12)는 엑스선의 유입부의 직경(d1), 중간부의 직경(d2), 유출부의 직경(d3)의 관계가, d2 > d1 > d3 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피검체(100)를 지지하는 테이블(60)과, 상기 테이블의 위치를 제어하는 위치제어부(50)를 더 포함하고, 상기 위치제어부(50)는 상기 카메라(40)에 의해 획득된 상에 기초하여 상기 테이블(60)의 위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 홀(36)은 상기 거울(31)의 면에 대하여 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 초점거리가 짧은 경우에도 피검체를 동시에 보면서 캐필러리의 정렬을 동시에 할 수 있는 엑스선을 이용한 분석 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 캐필러리의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 캐필러리의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 제2 하우징의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 거울의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 분석 장치의 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 분석 장치의 구성도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명에 따른 엑스선을 이용한 분석 장치는 XRF 장치에 적용되는 것이 보통이나, 그 적용 용도는 다른 분석 장치에도 적용될 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 엑스선을 이용한 분석 장치는, 피검체(100)에 조사될 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브(50)와, 엑스선이 통과하는 제1 중공부(12)가 형성된 캐필러리(10)를 내부에 수용하는 제1 하우징(21)과, 상기 제1 하우징(21)의 일면에 제공되고, 상기 제1 하우징의 일면에 대해 경사면(28)을 가지는 제2 하우징(25)과, 상기 경사면(28)에 제공되는 거울(31)과, 상기 피검체(100)에 반사되는 엑스선을 측정하는 스펙트럼(70) 및; 상기 거울(31)에 반사되는 상을 획득하는 카메라(40)를 포함한다.

엑스선 튜브(50)과 스펙트럼(70)은 일반적인 기술 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

일반적으로, 캐필러리를 통과한 엑스선의 초점거리가 짧기 때문에, 피검체(샘플)를 보면서 캐필러리의 정렬을 동시에 하는 것은 매우 어려운 일이었다. 본 발명의 첫번째 목적은 이러한 피검체를 보면서 캐필러리의 정렬을 동시에 할 수 있도록 하는 장치를 제공하는 것이다.

이를 위해 캐필러리(10)를 수용하는 제1 하우징(21)의 밑면에 제2 하우징(25)을 부착하고, 이에 거울을 경사지게 형성하는 것을 주요 특징으로 제공하고 있다. 도 5를 참조하면, 캐필러리를 통과한 엑스선은 피검체를 조사하고, 이에 반사되어 스펙트럼(70) 측정장치로 검출된다. 이 경우, 제2 하우징을 도 5와 같이 제공하여 거울면을 통하여 피검체의 영상을 카메라(40)를 통하여 획득함으로써, 위의 목적을 달성할 수 있다.

다만, 이를 위해 캐필러리(10), 제2 하우징(25) 및 거울(31)의 구조가 특이한 구조를 가져야 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제2 하우징(25) 및 상기 거울(31)은 상기 제1 중공부(12)와 동일한 축을 가지는 제2 중공부(26) 및 홀(36)을 가지도록 제공되어야 한다. 이를 위해서는 홀(36)은 거울(31)의 면에 대하여 경사지게 형성되어야 한다.

거울의 일면에는 Al 코팅층이 형성되어 있고, Al 코팅층은 제2 하우징의 경사면(28)에 부착되는데, 홀(36)은 제2 중공부(26)와 동일한 중심축을 가지도록 배열되어야 한다.

또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 두번째 특징으로서 캐필러리의 초점거리를 증가시키는 방안이 제시된다. 제1 중공부(12)는 엑스선의 유입부의 직경(d1), 중간부의 직경(d2), 유출부의 직경(d3)의 관계가, d2 > d1 > d3 인 것을 특징으로 한다. 이러한 기하학적인 구성을 통해 엑스선의 초점거리는 증가할 수 있는 효과가 있다.

도 6은 제2 하우징에 대응하여 카메라를 설치할 공간을 확보하지 못하는 경우에, 제2 거울(39)를 두어 거울(31)에서 획득한 상을 제2 거울(39)로 재반사를 하여 이격되어 위치하는 카메라(40)로 전송하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 위의 설명과 같이, 피검체를 보면서 캐필러리를 정렬하는 것을 특징으로 하고 있으므로, 상기 피검체(100)를 지지하는 테이블(60)과, 상기 테이블의 위치를 제어하는 위치제어부(50)를 더 포함하고, 상기 위치제어부(50)는 상기 카메라(40)에 의해 획득된 상에 기초하여 상기 테이블(60)의 위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

캐필러리(10)
제1 중공부(12)
제1 하우징(21)
제2 하우징(25)
제2 중공부(26)
경사면(28)
거울(31)
홀(36)
카메라(40)
위치제어부(50)
테이블(60)
스펙트럼(70)

Claims (4)

1. 피검체(100)에 조사될 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브(50);
   엑스선이 통과하는 제1 중공부(12)가 형성된 캐필러리(10)를 내부에 수용하는 제1 하우징(21);
   상기 제1 하우징(21)의 일면에 제공되고, 상기 제1 하우징의 일면에 대해 경사면(28)을 가지는 제2 하우징(25);
   상기 경사면(28)에 제공되는 거울(31);
   상기 피검체(100)에 반사되는 엑스선을 측정하는 스펙트럼(70);
   상기 거울(31)에 반사되는 상을 획득하는 카메라(40)를 포함하고,
   상기 제2 하우징(25) 및 상기 거울(31)은 상기 제1 중공부(12)와 동일한 축을 가지는 제2 중공부(26) 및 홀(36)을 가지는,
   엑스선을 이용한 미세패턴 측정용 Micro-XRF 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 중공부(12)는 엑스선의 유입부의 직경(d1), 중간부의 직경(d2), 유출부의 직경(d3)의 관계가,
   d2 > d1 > d3 인,
   엑스선을 이용한 미세패턴 측정용 Micro-XRF 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 피검체(100)를 지지하는 테이블(60)과,
   상기 테이블의 위치를 제어하는 위치제어부(50)를 더 포함하고,
   상기 위치제어부(50)는 상기 카메라(40)에 의해 획득된 상에 기초하여 상기 테이블(60)의 위치를 제어하는,
   엑스선을 이용한 미세패턴 측정용 Micro-XRF 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 홀(36)은 상기 거울(31)의 면에 대하여 경사지게 형성된,
   엑스선을 이용한 미세패턴 측정용 Micro-XRF 장치.

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