KR20180040449A - The magnetic field generating element having three-dimensional coil structure and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판과 이러한 기판 상에 형성된 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠(helmholz) 코일이 포함된 자기장 발생 소자 및 그 소자의 제조 방법에 관한 것이다.Field of the Invention [0002] The present invention relates to a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure and a manufacturing method thereof, and more particularly to a magnetic field generating element including a substrate and a spiral helical coil having a predetermined line width, And a manufacturing method of the device.
투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)은, 전자총에서 방출된 전자를 매우 빠른 속도로 가속하여 얇은 박편 형태의 시편(specimen)에 투과시킴으로써, 투과되는 전자와 시편 간의 상호 반응(예컨대, 회절 등)에 의해 시편의 내부의 결정 구조, 결함 및 성분 분포 등과 관련한 정보를 도출하는 분석 장치이다. 이같은 투과 전자 현미경(TEM)을 활용한 분석 기법 중 시편에 외부 자극(예컨대, 열, 전기 신호, 기계적 응력, 자기장 등)을 인가함에 따라 발생하는 내부 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 In-situ TEM (실시간 투과 전자 현미경 분석) 분야가 관련 기술 범위에서 활발하게 사용되고 있다. 일반적으로, 투과 전자 현미경의 관찰 대상인 시편은, 막대기 형태의 시편 홀더 끝단에 장착되고, 이어 시편이 장착된 홀더가 투과 전자 현미경 대물렌즈부에 삽입됨으로써 시편이 전자빔 광축에 위치된다. 따라서, In-situ TEM 분석을 위해 시편에 외부 자극을 부가하기 위해서는 시편이 장착된 홀더 부위에 외부 자극 인가가 가능하도록 하는 별도의 장치가 마련되어야 한다. Transmission electron microscopy (TEM) is a technique that accelerates electrons emitted from an electron gun at a very high speed and transmits the specimen through a thin flake-shaped specimen. As a result, the interaction between the transmitted electrons and the specimen (for example, Is an analytical device that derives information related to the crystal structure, defects, and component distribution within the specimen. In-situ TEM (TEM), which observes changes in internal structure caused by application of external stimuli (for example, heat, electric signal, mechanical stress, magnetic field, etc.) to a specimen in the analysis technique using such a transmission electron microscope Real-time transmission electron microscopy) fields are actively used in the related art. In general, a specimen to be observed by a transmission electron microscope is mounted on an end of a rod-shaped specimen holder, and then a holder on which the specimen is mounted is inserted into the transmission electron microscope objective lens portion, whereby the specimen is positioned on the electron beam optical axis. Therefore, in order to add external stimuli to the specimen for in situ TEM analysis, a separate device must be provided to enable external stimulation to be applied to the holder where the specimen is mounted.
In-situ TEM 분석과 관련하여 기계적 측면에 있어 주요하게 고려해야 할 점은, 투과 전자 현미경 내에 시편이 위치하는 부위인 대물렌즈 부분의 공간적 한계이다. 즉, 투과 전자 현미경의 대물렌즈는 위,아래 한쌍의 전자기 렌즈로 구성되어 전자빔의 초점 거리를 제어하게 되는데, 이 두 렌즈 사이의 공간(polepiece gap)에 시편이 위치하게 된다. 이같은 렌즈간의 거리(polepiece gap)는 투과 전자 현미경의 공간 분해능과 반비례 하기 때문에, 분해능의 향상을 도모하기 위해서는 이러한 렌즈간 거리를 줄이는 것이 바람직하다. 따라서 In-situ TEM 분석을 위한 시편 홀더는, 시편에 외부 자극을 인가하기 위한 부가 장치인 발열체(예컨대, 열), 자기 코일(예컨대, 자기장), 전기 회로(예컨대, 전기 신호)등이 차지하는 공간을 최소화 하는 것이 필요하다. A major consideration in terms of mechanical aspects with respect to in-situ TEM analysis is the spatial limitations of the objective lens portion, where the specimen is located in the transmission electron microscope. That is, the objective lens of the transmission electron microscope is composed of a pair of upper and lower electromagnetic lenses to control the focal length of the electron beam, and the specimen is placed in a space between the two lenses. Since the distance between the lenses is inversely proportional to the spatial resolution of the transmission electron microscope, it is desirable to reduce the distance between the lenses in order to improve the resolution. Therefore, the specimen holder for the in-situ TEM analysis is a space in which a heating element (for example, heat), an additional coil (for example, magnetic field), an electric circuit Is minimized.
또한, 시편에 자기장을 인가하기 위해 필요한 입력 전류의 세기를 최소화 할 필요가 있다. 즉, 투과 전자 현미경은 다수의 전자기 렌즈들로 구성되어 있는데, 자기장 인가를 위한 입력 전류가 증가하게 되면 이미징을 위한 전자기 렌즈의 세기에 영향을 미치게 되어 이미지 해상도 저하를 야기할 수 있다.It is also necessary to minimize the intensity of the input current required to apply a magnetic field to the specimen. That is, the transmission electron microscope is composed of a plurality of electromagnetic lenses. If the input current for applying a magnetic field is increased, the intensity of the electromagnetic lens for imaging may be influenced, which may result in lower image resolution.
본 발명은 전술한 문제점에 대한 대응안으로서 창안된 것으로, 투과 전자 현미경에 대한 시편이 장착되는 홀더에 자기장(magnetic field)을 효율적으로 인가하기 위한 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 제공하고자 한다. 이를 위하여 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기법을 활용한 초소형 자기장 인가 소자를 개발하여, 전술한 종래 기술의 공간적 한계점를 극복하고자 한다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure for efficiently applying a magnetic field to a holder on which a specimen is mounted for a transmission electron microscope. In order to achieve this, an ultra-small magnetic field applying device using a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technique has been developed to overcome the spatial limitations of the prior art described above.
본 발명의 일 실시예로써, 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자 및 이러한 소자를 제조하기 위한 방법이 제공될 수 있다. As one embodiment of the present invention, a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure and a method for manufacturing such a device can be provided.
본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자는 기판 및 기판 상에 형성된 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠(helmholz) 코일을 포함하고, 기판 상에서 나선형으로 형성된 헬름홀츠 코일에 인가된 전류에 의하여 기판과 평행한 방향으로 자기장이 발생될 수 있다.A magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention includes a substrate and a helical type helmholz coil having a line width of a predetermined size formed on the substrate and is provided with a helmholz coil A magnetic field can be generated in a direction parallel to the substrate by the current.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판은 실리콘을 이용하여 제작된 기판이고, 소정의 크기는 마이크로 미터 이하 단위의 크기일 수 있다. In addition, the substrate according to an embodiment of the present invention is a substrate manufactured using silicon, and the predetermined size may be a unit of micrometer or less.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 헬름홀츠 코일의 중단(middle)부에는 시편(specimen)이 위치할 수 있고, 중단부에 상응하는 기판의 영역에는 전자빔이 투과될 수 있는 적어도 하나의 홀이 형성되어 있으며, 홀은 마이크로 미터 이하 단위의 크기를 가질 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a specimen may be located in the middle portion of the Helmholtz coil, and at least one hole through which the electron beam can be transmitted is formed in the region of the substrate corresponding to the intermediate portion And the hole may have a size in units of micrometers or less.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상의 홀과 인접한 영역에는 시편을 장착하기 위한 적어도 하나의 폴(pole)이 형성되어 있을 수 있다. At least one pole for mounting a specimen may be formed in the region adjacent to the hole on the substrate according to an embodiment of the present invention.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 홀이 형성된 영역에 상응하는 기판의 후면은 식각된 형태이고, 후면은 홀이 형성되기 이전에 소정의 형태로 식각되며, 소정의 형태는 사다리꼴 형태일 수 있다. Also, according to an embodiment of the present invention, the rear surface of the substrate corresponding to the region where the holes are formed is etched, and the rear surface is etched into a predetermined shape before the holes are formed, and the predetermined shape may be trapezoidal .
본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 제조하기 위한 방법은, 기판 상에 메탈 박막을 증착하는 단계 및 기판 상에서 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠 코일이 형성되도록 패터닝하는 단계를 포함하고, 증착하는 단계와 패터닝하는 단계가 반복적으로 수행됨으로써 기판 상에서 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠 코일이 형성되며, 기판 상에서 나선형으로 형성된 헬름홀츠 코일에 인가된 전류에 의하여 기판과 평행한 방향으로 자기장이 발생될 수 있다. A method for fabricating a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention includes depositing a metal thin film on a substrate and patterning the substrate so as to form a spiral helical- And a patterning step is repeatedly performed to form a spiral helical Hertz-Helmholtz coil having a line width of a predetermined size on a substrate, and a current is applied to the substrate by a current applied to the Helmholtz coil formed on the substrate in a spiral manner, A magnetic field can be generated in a parallel direction.
본 발명의 일 실시예에 따르면 기판의 후면 중 일부는 기판 상에 메탈 박막을 증착하는 단계가 수행되기 전에 식각되고, 이러한 후면 중 일부는 전자빔이 투과될 기판의 영역일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a part of the rear surface of the substrate is etched before the step of depositing the metal thin film on the substrate is performed, and a part of the rear surface may be the area of the substrate through which the electron beam is transmitted.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 헬름홀츠 코일의 중단(middle)부에는 시편(specimen)이 위치할 수 있고, 제조 방법은 중단부에 상응하는 기판의 영역에 대하여 전자빔이 투과될 수 있는 적어도 하나의 홀을 형성하는 단계를 더 포함하고, 홀은 마이크로 미터 이하 단위의 크기를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a specimen may be placed in the middle portion of the Helmholtz coils, and the manufacturing method may include at least one method in which an electron beam can be transmitted through the region of the substrate corresponding to the intermediate portion And the holes may have a size in units of micrometers or less.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 기판 상의 홀과 인접한 영역에 대하여 시편을 장착하기 위한 적어도 하나의 폴(pole)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method according to an embodiment of the present invention may further comprise forming at least one pole for mounting a specimen with respect to an area adjacent to the hole on the substrate.
본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 이용하면, 국부적 영역에 자기장이 집중될 수 있도록 함으로써 자기장 인가를 위한 전류 세기를 감소시키되 시편의 검사 등을 위하여 요구되는 자기장의 세기를 충분히 달성할 수 있다. 예를 들어, 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자는 반도체 공정을 활용한 미세 헬름홀츠(helmholtz) 코일이 포함된 chip 형태의 MEMS 소자로써 제조될 수 있다. By using the magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention, the magnetic field can be concentrated in the local region, thereby reducing the intensity of the current for magnetic field application, Can be sufficiently achieved. For example, a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure can be manufactured as a MEMS element in the form of a chip including a micro Helmholtz coil utilizing a semiconductor process.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자는 미소의 헬름홀츠 코일을 이용하여 자기장을 발생시킬 수 있으므로 공간 분해능을 대폭 향상시킬 수 있다. 다시 말해서, 기존의 자기장 인가를 위한 시편 홀더의 경우에는, 자기장 발생을 위해 일반적으로 상당한 크기(bulky)의 전자기 코일을 장착하여 사용하는 형태이므로 시편이 위치될 부위의 부피가 증가되고, 이에 따라 이러한 종래의 시편 홀더를 사용하기 위해서는 렌즈간 거리를 증가시킬수 밖에 없으므로, 공간 분해능의 저하가 불가피하다. 이에 비하여 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 이용하면, 렌즈간의 거리(polepiece gap)를 효과적으로 감축시킬 수 있으므로, 종래 대비 향상된 공간 분해능을 달성할 수 있다.In addition, the magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention can generate a magnetic field using a Helmholtz coil with a small size, thereby greatly improving spatial resolution. In other words, in the case of the specimen holder for the conventional magnetic field application, since the electromagnetic coil having a considerable size (bulky) is generally used for generating the magnetic field, the volume of the portion where the specimen is to be positioned is increased, In order to use the conventional specimen holder, the distance between the lenses must be increased, so that the spatial resolution is inevitably lowered. In contrast, when a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention is used, the pole piece gap between the lenses can be effectively reduced, thereby achieving an improved spatial resolution compared to the conventional art.
도 1a은 일반적인 투과 전자 현미경(TEM)의 구조 및 시편 홀더를 나타낸다.
도 1b는 일반적인 투과 전자 현미경(TEM)에서의 렌즈간의 거리(polepiece gap) 구조 및 시편 홀더 단부에서의 자기장 생성 형태를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자의 예시적인 측면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자 및 입체형 코일 구조의 일 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 제조하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자의 제조 공정의 일 예이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자의 동작 상태 테스트 결과를 나타낸다.
1A shows a structure of a general transmission electron microscope (TEM) and a specimen holder.
Fig. 1B shows the structure of the pole-gap gap in a general transmission electron microscope (TEM) and the shape of the magnetic field at the end of the specimen holder.
2 shows a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention.
3 shows an exemplary side view of a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows an example of a magnetic field generating element and a three-dimensional coil structure having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart showing a method for manufacturing a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention.
6 is an example of a manufacturing process of a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 8 and 9 show results of the operation state test of the magnetic field generating element having the three-dimensional coil structure according to the embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. The terms used in this specification will be briefly described, and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Also, in certain cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term, not on the name of a simple term, but on the entire contents of the present invention.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다. When an element is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements as well, without departing from the spirit or scope of the present invention. Also, the terms "part," "module, " and the like, which are described in the specification, refer to a unit that processes at least one function or operation. In addition, when a part is referred to as being "connected" to another part throughout the specification, it includes not only "directly connected" but also "connected with other part in between".
본 발명은 시편 등의 소재 내부의 미세 구조를 매우 높은 공간 분해능(예컨대, 10-10m 이하)으로 시각화 할 수 있는 투과 전자 현미경에서 사용될 수 있는 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자 및 그 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래 대비 코일의 부피를 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 코일을 통하여 발생될 자기장의 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한, 기판 상에 코일을 입체적(3D)으로 형성함으로써 기판에 평행하게 자기장이 발생될 수 있다. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure that can be used in a transmission electron microscope capable of visualizing a microstructure in a material such as a specimen with very high spatial resolution (for example, 10 -10 m or less) ≪ / RTI > According to an embodiment of the present invention, not only the volume of the coil can be drastically reduced but also the density of the magnetic field generated through the coil can be increased. In addition, a magnetic field can be generated parallel to the substrate by forming the coil in three dimensions (3D) on the substrate.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a은 일반적인 투과 전자 현미경(TEM)의 구조 및 시편 홀더를 나타내고, 도 1b는 일반적인 투과 전자 현미경(TEM)에서의 렌즈간의 거리(polepiece gap) 구조 및 시편 홀더 단부에서의 자기장 생성 형태를 나타낸다. FIG. 1A shows a structure of a general transmission electron microscope (TEM) and a specimen holder, and FIG. 1B shows a structure of a polepiece gap in a general transmission electron microscope (TEM) and a shape of a magnetic field at a specimen holder end.
투과 전자 현미경(10)은 전자총에서 방출된 전자를 매우 빠른 속도로 가속하여 얇은 박편 형태의 시편에 투과시킴으로써, 투과되는 전자와 시편 간의 회절 현상에 의해 시편 내부의 결정 구조, 결함 및 성분 분포 등과 관련한 정보를 도출하는 분석 장치이다. The
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일반적으로 투과 전자 현미경(10)의 관찰 대상인 시편은 막대기 형태의 시편 홀더(20) 끝단(21)에 장착되고, 시편이 장착된 홀더(20)는 투과 전자 현미경의 대물렌즈부에 삽입됨으로써 시편이 전자빔 광축에 위치하도록 하여 이미징이 진행된다. 이에 따라 시편에 외부 자극(예컨대, 열, 전기장, 자기장 등)을 부가하기 위해서는 시편이 장착 되는 홀더(20) 부위에 외부 자극 인가가 가능하도록 하는 별도의 장치(예컨대, 발열체, 전기회로, 자기 코일 등)가 부착되어 활용된다. 다만, 이러한 종래의 별도의 장치는 적지 않은 부피를 차지하므로, 렌즈간의 거리(polepiece gap)를 증가시켜 공간 분해능을 저해한다는 문제점이 존재한다. 1A and 1B, a specimen to be observed by a
본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자에서는 MEMS 공정을 활용하여 미세한 크기(에컨대, 수 마이크로 미터 이하)의 헬름홀츠(helmholtz) 코일이 3차원으로 입체적으로 형성되므로, 국부 영역(예컨대, 기판에 마련될 홀 등)에 가해지는 자기장의 밀도를 향상시킬 수 있다. 다시 말해서, 미세 코일이 포함된 자기장 발생 소자 칩(MEMS chip)에 투과 전자 현미경의 시편을 장착함으로써 시편에 자기장을 인가하는 동시에 미세 구조의 변화를 관찰할 수도 있다.In a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention, a helmholtz coil having a minute size (for example, several micrometers or less) is formed in a three-dimensional manner using a MEMS process, (For example, a hole or the like to be provided on the substrate) can be improved. In other words, by attaching a specimen of a transmission electron microscope to a magnetic field generating element chip (MEMS chip) including a fine coil, a magnetic field can be applied to the specimen and the change in the microstructure can be observed.
In-situ TEM 분석과 관련하여 기계적 측면에 있어 주요하게 고려해야 할 점은 투과 전자 현미경 내에 시편이 위치하는 부위인 대물렌즈 부분의 공간적 한계이다. 즉, 투과 전자 현미경의 대물렌즈는 위,아래 한쌍의 전자기 렌즈로 구성되어 전자빔의 초점거리를 제어하게 되는데, 이러한 두 렌즈 사이의 공간(polepiece gap)에 시편이 위치하게 된다. 렌즈간의 거리는 투과 전자 현미경 공간 분해능과 반비례 하기 때문에, 공간 분해능을 향상시키기 위해서는 이러한 렌즈간 거리를 감소시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자에서는 MEMS 공정을 활용하여 미세한 크기(에컨대, 수 마이크로 미터 이하)의 헬름홀츠 코일이 3차원으로 입체적으로 형성되므로 종래 대비 렌즈간 거리를 효과적으로 감소키실 수 있다. A major consideration in terms of mechanical aspects in relation to in-situ TEM analysis is the spatial limitations of the objective lens, the location of the specimen in the transmission electron microscope. That is, the objective lens of the transmission electron microscope is composed of a pair of upper and lower electromagnetic lenses to control the focal distance of the electron beam. The specimen is placed in a gap between the two lenses. Since the distance between the lenses is inversely proportional to the spatial resolution of the transmission electron microscope, it is desirable to reduce such inter-lens distance in order to improve spatial resolution. In a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention, a Helmholtz coil having a minute size (for example, several micrometers or less) is formed three-dimensionally using a MEMS process, Can be effectively reduced.
또한, 시편에 자기장을 인가하기 위하여 요구되는 입력 전류의 세기를 최소화할 필요가 있다. 다시 말해서, 투과 전자 현미경은 다수의 전자기 렌즈들로 구성되어 있는데, 자기장 인가를 위한 입력 전류가 증가하게 되면 이미징을 위한 전자기 렌즈의 세기에 영향을 미치게 되어 이미지의 해상도 저하를 초래할 수 있다. 그러므로, 자기장 인가를 위한 입력 전류의 세기를 줄이되 효과적인 이미징을 위하여 요구되는 자기장 세기를 획득하기 위해서는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자에서와 같이 국부적 영역에 자기장이 집중될 수 있는 형태이어야 한다.It is also necessary to minimize the intensity of the input current required to apply a magnetic field to the specimen. In other words, the transmission electron microscope is composed of a plurality of electromagnetic lenses. If the input current for applying the magnetic field is increased, the intensity of the electromagnetic lens for imaging may be influenced, resulting in a lower resolution of the image. Therefore, in order to reduce the intensity of the input current for applying the magnetic field but obtain the required magnetic field strength for effective imaging, the magnetic field is concentrated in the local region as in the magnetic field generating element having the three-dimensional coil structure according to the embodiment of the present invention It should be in a form that can be.
본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자는 수 마이크로 미터 이하의 선폭을 갖는 금속 라인을 3차원 코일의 형태로 실리콘 기판에 적층하여 chip으로써 제조하고, 금속 라인에 전류를 인가하여 코일의 중앙부에 자기장이 인가되도록 함으로써 종래의 문제점을 개선할 수 있다. A magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention is manufactured by stacking a metal line having a line width of several micrometers or less on a silicon substrate in the form of a three-dimensional coil as a chip, So that the magnetic field is applied to the central portion of the coil, thereby improving the conventional problems.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 나타내고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자 및 입체형 코일 구조의 일 예를 나타낸다.FIG. 2 shows a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows an example of a magnetic field generating element and a three-dimensional coil structure having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention .
본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자(100)는 기판(110) 및 기판 상에 형성된 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠(helmholz) 코일(120)을 포함하고, 기판(110) 상에서 나선형으로 형성된 헬름홀츠 코일(120)에 인가된 전류에 의하여 기판(110)과 평행한 방향으로 자기장이 발생될 수 있다.A magnetic
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판(110)은 실리콘을 이용하여 제작된 기판이고, 소정의 크기는 마이크로 미터 이하 단위의 크기일 수 있다.In addition, the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자의 예시적인 측면도를 나타낸다.3 shows an exemplary side view of a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 헬름홀츠 코일(120)의 중단(middle)부에는 시편(specimen)이 위치할 수 있고, 중단부에 상응하는 기판의 영역에는 전자빔이 투과될 수 있는 적어도 하나의 홀(111)이 형성되어 있으며, 홀은 마이크로 미터 이하 단위의 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 적어도 하나의 홀(111)은 코일 개방 간격과 상응하는 크기로 형성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a specimen may be positioned in the middle portion of the Helmholtz coils 120, and at least one hole (111), and the holes may have a size in units of micrometers or less. For example, at least one
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상의 홀과 인접한 영역에는 시편을 장착하기 위한 적어도 하나의 폴(pole)(113)이 형성되어 있을 수 있다. At least one
도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 홀(111)이 형성된 영역에 상응하는 기판의 후면은 식각된 형태이고, 후면은 홀이 형성되기 이전에 소정의 형태로 식각되며, 소정의 형태는 사다리꼴 형태 등일 수 있다(도 3의 (b)). Referring to FIG. 3, according to an embodiment of the present invention, the rear surface of the substrate corresponding to the region where the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 제조하기 위한 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자의 제조 공정의 일 예이다. 또한, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross- Is an example of a process. 7 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자(100)를 제조하기 위한 방법은, 기판 상에 메탈 박막을 증착하는 단계(S100) 및 기판 상에서 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠 코일이 형성되도록 패터닝하는 단계(S200)를 포함하고, 증착하는 단계(S100)와 패터닝하는 단계(S200)가 반복적으로 수행됨으로써 기판 상에서 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠 코일이 형성되며, 기판 상에서 나선형으로 형성된 헬름홀츠 코일에 인가된 전류에 의하여 기판과 평행한 방향으로 자기장이 발생될 수 있다. A method for manufacturing a magnetic
본 발명의 일 실시예에 따르면 기판의 후면 중 일부는 기판 상에 메탈 박막을 증착하는 단계(S100)가 수행되기 전에 식각되고, 이러한 후면 중 일부는 전자빔이 투과될 기판의 영역일 수 있다. 이러한 식각에 의하여 투과 전자 현미경에서의 전자빔이 투과할 수 있도록 하는 윈도우 제작이 보다 용이해질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a part of the rear surface of the substrate is etched before the step S100 of depositing a metal thin film on the substrate is performed, and a part of the rear surface may be an area of the substrate through which the electron beam is transmitted. This etching makes it easier to manufacture a window through which an electron beam in a transmission electron microscope can be transmitted.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 헬름홀츠 코일의 중단(middle)부에는 시편(specimen)이 위치할 수 있고, 제조 방법은 중단부에 상응하는 기판의 영역에 대하여 전자빔이 투과될 수 있는 적어도 하나의 홀을 형성하는 단계(S300)를 더 포함하고, 홀은 마이크로 미터 이하 단위의 크기를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a specimen may be placed in the middle portion of the Helmholtz coils, and the manufacturing method may include at least one method in which an electron beam can be transmitted through the region of the substrate corresponding to the intermediate portion (S300), and the hole may have a size in the sub-micrometer unit.
전술한 단계들을 거친 본 발명의 일 실시예에 따른 소자(100)에는 아직 전자가 투과될 수 있는 홀(111)이 형성되어 있지 않기 때문에, 홀(111)을 형성하기 위한 단계(S300)가 추가적으로 수행될 수 있다. 일반적으로 투과 전자 현미경을 관찰하는 영역이 수십 마이크로 미터 이내이므로, 이 정도 크기의 미세 가공을 통하여 홀이 형성될 수 있다. Since the
홀 형성을 위한 미세 가공을 위하여 이온 집속 빔장치(Focused Ion Beam, FIB)이 활용될 수 있다. FIB 장치는 전자 현미경과 달리 이온(예컨대, Ga+)빔을 집속하여 물체의 국부적 가공(예컨대, 마이크로 내지 나노 미터 이하 수준의 절삭 가공)을 가능케 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 전술한 단계(S100 및 S200)를 마친 소자에 FIB를 이용하여 전자빔 투과를 위한 수십 마이크로 미터 이하 크기의 홀을 형성할 수 있다. Focused ion beam (FIB) can be utilized for micromachining to form holes. Unlike an electron microscope, a FIB device can focus an ion (e.g., Ga < + >) beam to enable local processing of the object (e.g., machining at submicron to sub-nanometer levels). According to an embodiment of the present invention, a hole having a size of several tens of micrometers or less for electron beam transmission can be formed on the device after completing steps S100 and S200.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 기판(110) 상의 홀(111)과 인접한 영역에 대하여 시편을 장착하기 위한 적어도 하나의 폴(113)을 형성하는 단계(S400)를 더 포함할 수 있다. 형성된 적어도 하나의 폴(113)은 미소의 시편을 고정시키기 위하여 활용될 수 있다. 예를 들면, 적어도 하나의 폴(113)의 높이는 코일 높이의 절반(1/2)일 수 있고, 미소의 시편은 적어도 하나의 폴(113)에 접합됨으로써 고정될 수 있다. 기판 상에 마련된 홀(111) 및 폴(113)을 이용하여 코일에 의하여 발생되는 자기장의 세기가 가장 큰 곳에 시편을 위치시킬 수 있다. 전술한 수치 및 도 6 등에 나타난 수치는 설명의 편의를 위하여 사용된 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자의 제조 공정에서 반드시 이러한 수치에 제한되는 것은 아니다. The method according to an embodiment of the present invention may further include the step of forming at least one
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자의 동작 상태 테스트 결과를 나타낸다.FIGS. 8 and 9 show results of the operation state test of the magnetic field generating element having the three-dimensional coil structure according to the embodiment of the present invention.
투과 전자 현미경의 시편 홀더에 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자(100)를 장착하여 실제 투과 전자 현미경에 홀더를 삽입한 후, 소자(100)의 동작 여부 등을 확인 해보았다. 도 8의 코일 #1은 홀(111)을 기준으로 기판(110) 상에서 왼편에 위치한 코일을 지칭하고, 코일 #2는 홀(111)을 기준으로 기판(110) 상에서 오른편에 위치한 코일을 지칭한다.A magnetic
전자빔 투과를 위해 FIB로 가공한 홀(111)은 TEM 이미지에서 확인될 수 있다. 다시 말해서, 구멍을 낸 부분에서만 전자빔이 투과되므로 홀(111) 부분에서만 투과된 전자로 이미징이 수행될 수 있다.
도 8을 참조하면, 실제 금속 코일(120)에 의해 자기장이 발생되는지 여부가 확인될 수 있다. 소자(100)에 조성된 홀(111) 부위에 전자빔을 집속하여 원(cirle) 형태의 전자빔 이미지가 획득될 수 있다. 이후, 코일(120)에 가해지는 전류의 세기를 달리하였을 때, 원 형태의 전자빔이 도 8에서와 같이 위치 이동함을 확인할 수 있는데, 이는 플레밍의 왼손 법칙에 의해 음의 전하를 띄는 전자빔은 자기장과의 상호 작용에 의해 미세하게 회절될 수 있음을 나타낸다. 다시 말해서, 플레밍의 왼손법칙에 따라 코일(120)에서 발생한 자기장에 의해 전기자기력을 받아 전자빔이 이동하게 된 것이다. 이러한 테스트를 통하여 코일(120)에 의한 자기장 인가가 가능함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, it can be confirmed whether or not a magnetic field is generated by the
도 9에서와 같이, 코일(120)에 인가되는 전류량에 따른 전자빔의 이동 이미지를 중첩해보면, 코일(120)에 의해 인가되는 자기장의 세기가 전류 량에 비례하며 그 방향도 일정하다는 것을 확인할 수 있다. 9, when the movement image of the electron beam according to the amount of current applied to the
본 발명의 일 실시예에 따른 방법(예컨대, 소자 제조 방법)과 관련하여서는 전술한 장치(예컨대, 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자)에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 방법과 관련하여, 전술한 장치에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.With respect to a method (for example, a device manufacturing method) according to an embodiment of the present invention, the content of the above-described device (for example, a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure) can be applied. Therefore, the description of the same contents as those of the above-mentioned apparatus has been omitted in connection with the method.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
10: 투과 전자 현미경(TEM)
20: 시편 홀더
21: 홀더 단부
100: 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자
110: 기판
111: 홀(hole)
113: 폴(pole)
120: 입체형 코일10: Transmission electron microscope (TEM)
20: Specimen holder
21: Holder end
100: magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure
110: substrate
111: hole
113: pole
120: three-dimensional coil
Claims (9)
기판; 및
상기 기판 상에 형성된 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠(helmholz) 코일을 포함하고,
상기 기판 상에서 나선형으로 형성된 상기 헬름홀츠 코일에 인가된 전류에 의하여 상기 기판과 평행한 방향으로 자기장이 발생되는 것인 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자.
A magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure,
Board; And
And a helical type helmholz coil having a predetermined line width formed on the substrate,
And a magnetic field is generated in a direction parallel to the substrate by a current applied to the Helmholtz coils spirally formed on the substrate.
상기 기판은 실리콘을 이용하여 제작된 기판이고,
상기 소정의 크기는 마이크로 미터 이하 단위의 크기인 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자.
The method according to claim 1,
The substrate is a substrate manufactured using silicon,
Wherein the predetermined size of the magnetic field generating element is a size of a unit of micrometer or less.
상기 헬름홀츠 코일의 중단부에는 시편(specimen)이 위치할 수 있고,
상기 중단부에 상응하는 상기 기판의 영역에는 전자빔이 투과될 수 있는 적어도 하나의 홀이 형성되어 있고,
상기 홀은 마이크로 미터 이하 단위의 크기를 갖는 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자.
The method according to claim 1,
A specimen may be positioned at the intermediate portion of the Helmholtz coil,
At least one hole through which an electron beam can be transmitted is formed in a region of the substrate corresponding to the intermediate portion,
Wherein the hole has a three-dimensional coil structure having a size of less than a micrometer unit.
상기 기판 상의 상기 홀과 인접한 영역에는 상기 시편을 장착하기 위한 적어도 하나의 폴(pole)이 형성되어 있는 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자.
The method of claim 3,
And at least one pole for mounting the specimen is formed in an area adjacent to the hole on the substrate.
상기 홀이 형성된 영역에 상응하는 상기 기판의 후면은 식각된 형태이고,
상기 후면은 상기 홀이 형성되기 이전에 소정의 형태로 식각되며,
상기 소정의 형태는 사다리꼴 형태인 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자.
The method of claim 3,
The back surface of the substrate corresponding to the region where the holes are formed is in an etched form,
The rear surface is etched in a predetermined shape before the hole is formed,
Wherein the predetermined shape is a trapezoidal shape and has a three-dimensional coil structure.
기판 상에 메탈 박막을 증착하는 단계; 및
상기 기판 상에서 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠 코일이 형성되도록 패터닝하는 단계를 포함하고,
상기 증착하는 단계와 상기 패터닝하는 단계가 반복적으로 수행됨으로써 상기 기판 상에서 소정 크기의 선폭을 갖는 나선형의 입체형 헬름홀츠 코일이 형성되며,
상기 기판 상에서 나선형으로 형성된 상기 헬름홀츠 코일에 인가된 전류에 의하여 상기 기판과 평행한 방향으로 자기장이 발생되는 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 제조하기 위한 방법.
A method for manufacturing a magnetic field generating element having a three-dimensional coil structure,
Depositing a metal thin film on a substrate; And
Patterning to form a helical helmholtz coil of a predetermined size having a line width on the substrate,
The deposition step and the patterning step are repeatedly performed to form a helical solid state Helmholtz coil having a line width of a predetermined size on the substrate,
And a three-dimensional coil structure in which a magnetic field is generated in a direction parallel to the substrate by a current applied to the Helmholtz coils spirally formed on the substrate.
상기 기판의 후면 중 일부는 상기 기판 상에 메탈 박막을 증착하는 단계가 수행되기 전에 식각되고,
상기 후면 중 일부는 전자빔이 투과될 상기 기판의 영역인 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 제조하기 위한 방법.
The method according to claim 6,
Wherein a portion of the back surface of the substrate is etched prior to performing a step of depositing a metal thin film on the substrate,
Wherein a part of the back surface has a three-dimensional coil structure which is an area of the substrate through which an electron beam is transmitted.
상기 헬름홀츠 코일의 중단부에는 시편(specimen)이 위치할 수 있고, 상기 중단부에 상응하는 상기 기판의 영역에 대하여 전자빔이 투과될 수 있는 적어도 하나의 홀을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 홀은 마이크로 미터 이하 단위의 크기를 갖는 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 제조하기 위한 방법.
The method according to claim 6,
Further comprising the step of forming at least one hole through which a specimen may be placed at the intermediate portion of the Helmholtz coil and through which an electron beam may be transmitted with respect to an area of the substrate corresponding to the intermediate portion,
Wherein the hole has a three-dimensional coil structure having a size of less than a micrometer unit.
상기 기판 상의 상기 홀과 인접한 영역에 대하여 상기 시편을 장착하기 위한 적어도 하나의 폴(pole)을 형성하는 단계를 더 포함하는 입체형 코일 구조를 갖는 자기장 발생 소자를 제조하기 위한 방법.
9. The method of claim 8,
Further comprising forming at least one pole for mounting the specimen with respect to an area adjacent to the hole on the substrate. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI >
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