KR102552225B1

KR102552225B1 - 주사 전자 현미경

Info

Publication number: KR102552225B1
Application number: KR1020210015996A
Authority: KR
Inventors: 구정회
Original assignee: (주)새론테크놀로지
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2023-07-06
Also published as: KR20210099530A

Abstract

본 발명은 고진공이 요구되는 전자 총 및 경통을 진공 차폐하면서, 저진공 환경에 놓인 시료표면을 조사하고 영상화하기 위한 주사 전자 현미경에 관한 것이다. 본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 전자총이 내부에 배치되는 건 챔버, 건 챔버와 연통되어 전자총으로부터 주사된 전자 빔이 이동하는 통로를 형성하며, 하부면에 전자 빔이 통과하는 경통홀이 형성된 경통, 경통홀에 탈부착 가능하게 결합되어, 경통을 차폐하여 경통을 진공상태로 형성하는 차폐 모듈, 차폐 모듈을 통과한 전자 빔이 시료에 조사되도록 시료가 배치되는 시료대, 차폐 모듈의 하부에 구비되어, 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 후방산란검출기, 시료대 및 후방산란검출기가 내부에 배치되며, 경통에 결합되는 시료 챔버를 포함한다.

Description

주사 전자 현미경{Scanning electron microscope}

본 발명은 주사 전자 현미경에 관한 것으로, 고진공이 요구되는 전자 총 및 경통을 진공 차폐하면서, 저진공 환경에 놓인 시료표면을 조사하고 영상화하기 위한 주사 전자 현미경에 관한 것이다.

최근 IT/NT 기술의 발달로 인하여 반도체 및 디스플레이와 같은 메가트렌드 사업과 더불어 다양한 산업분야 전반에 걸쳐서 집적도의 급격한 증가에 따른 주사전자현미경의 수요도 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. SEM은 전자총에서 방사하는 전자빔을 전자기렌즈들을 통하여 집속시키고, 이를 TV에서와 같이, 일정 미세 면적을 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 방사되어 고-에너지로 집속된 전자빔이 시료의 표면에 입사하게 되면, 시료에 입사하는 1차 전자는 접지선으로 빠져나게 되는데, 부도체의 경우에는 입사하는 전자가 빠져나가지 못하고 시료 내부에 쌓이게 되어 관찰이 불가능해지는 이른바 “대전현상(Charge-up)"이 발생하게 된다. 이러한 대전현상을 최소화하기 위하여 통상적으로 적용되는 방법이 Au 또는 Carbon과 같은 전도성 물질을 수십 nm로 사료 표면에 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 방법을 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 주사전자현미경이 지니는 특성 때문에 겔(Gel) 및 액상 시료 내에 덮여있는 함유물들의 관찰은 매우 어렵다. 더욱이 수십 ~ 수백 nm크기의 시료들을 관찰하고자 하는 경우, 도포 된 두께가 측정오차에 크게 영향을 주기 때문에 이에 대한 기술극복의 필요성이 크게 대두되고 있는 실정이다.

코팅을 하지 않고 SEM에서 전처리 없이 부도체 시료를 관찰할 수 있는 또 다른 방법은 가속전압을 0.5KeV 이하로 낮추어 적용하거나, 시료 챔버를 저-진공 환경으로 유지하여 관찰하는 저진공 SEM을 적용하는 방법이 대전현상을 줄이는 대표적인 해결 방법으로 대두되고 있다.

이 방법들은 주로 대면적 시료관찰에 유용한 적용기술이라고 할 수 있다. 그러나 반도체 웨이퍼 시료관찰의 경우, 극저-가속전압(≤0.5KeV)을 사용하여 고분해능의 영상 관찰 및 측정은 가능하지만, 디스플레이 시료의 경우에는 반도체 시료와는 달리 Glass와 같은 부도체 기판 위에 적층 공정된 시료를 대상으로 하기 때문에 대전효과로부터 자유롭지 못할 뿐만 아니라, 메머드한 시료 챔버를 대상으로 고진공을 유지하는데 소요되는 로딩(Loding) 시간이 매우 길기 때문에 수율차원에서의 한계에 직면하고 있다.

또한 인스펙션 및 모니터링에 요구되는 전자빔 장치기술들은 초고진공의 전계방사형 전자총 및 경통을 요구하기 때문에 이러한 경통계와 메머드한 대면적 챔버를 대상으로 외압을 유지 및 차폐하는 기술은 매우 어렵고 까다롭기 때문에 시장에서의 수요에도 불구하고 아직까지는 제품화가 이루어지지 못하고 있는 상황이다.

즉, 기존의 저진공 SEM은 절대센서를 통하여 불활성 Gas의 유입량을 조절하는 저진공 SEM의 진공시스템 구현은 추가 설치 제작비용이 크게 소요됨으로 가격적인 부담으로 인하여 수요가 크게 발생하지 못하고 있고, 대면적 시료를 대상으로 하는 대면적 챔버의 저진공 SEM 모드 구현은 진공도가 떨어짐에 따라서 분해능도 급격하게 떨어지며, 실질적인 저-진공 영역에서는 영상 관찰이 어렵고, 고-배율에서의 관찰에도 한계를 드러내고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 고진공이 요구되는 전자 총 및 경통을 진공 차폐하면서, 저진공 환경에 놓인 시료표면을 조사하고 영상화하기 위한 주사 전자 현미경을 제공하는 데 있다.

이를 통해 본 발명은 경통과 시료 챔버간의 완전 차폐를 통하여 시료 진공도를 대기 상태까지 유지하면서 전자 빔에서 튀어나오는 후방산란전자를 검출함으로써, 경제적이며 장시간 동안 저진공 상태에 노출되더라도 경통 내의 고진공 유지에 영향이 없으며, 대기 상태에 근접한 낮은 시료 챔버의 진공 상태에서 고분해능 영상 관찰을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 전자총이 내부에 배치되는 건 챔버, 상기 건 챔버와 연통되어 상기 전자총으로부터 주사된 전자 빔이 이동하는 통로를 형성하며, 하부면에 상기 전자 빔이 통과하는 경통홀이 형성된 경통, 상기 경통홀에 탈부착 가능하게 결합되어, 상기 경통을 차폐하여 상기 경통을 진공상태로 형성하는 차폐 모듈, 상기 차폐 모듈을 통과한 상기 전자 빔이 시료에 조사되도록 상기 시료가 배치되는 시료대, 상기 차폐 모듈의 하부에 구비되어, 상기 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 후방산란검출기, 상기 시료대 및 상기 후방산란검출기가 내부에 배치되며, 상기 경통에 결합되는 시료 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 차폐 모듈은 상기 경통의 하부면에 탈부착 가능하게 결합되는 멤브레인 홀더, 상기 멤브레인 홀더의 상부면에 배치되고, 상기 멤브레인 홀더와 상기 경통의 하부면 사이에서 공기 유입을 방지하는 오링, 상기 멤브레인 홀더의 중심부에 구비되는 차폐막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 건 챔버, 상기 경통 또는 상기 시료 챔버의 진공 상태를 형성하는 진공 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 진공 모듈은 상기 건 챔버 및 상기 시료 챔버에 연결되며, 상기 건 챔버 및 상기 시료 챔버 사이에 구비되는 제1 밸브를 포함하는 제1 배관, 상기 시료 챔버에 연결되며, 제2 밸브를 포함하는 제2 배관, 상기 제1 배관을 통해 상기 건 챔버, 상기 경통 또는 상기 시료 챔버 내부의 공기를 흡입하여 진공 상태로 형성하는 제1 펌프, 상기 제2 배관을 통해 상기 시료 챔버 내부의 공기를 흡입하여 진공 상태로 형성하는 제2 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 진공 모듈은 상기 건 챔버에 연결되며, 제1 밸브를 포함하는 제1 배관, 상기 제1 배관과 연통되어 상기 시료 챔버에 연결되며, 제2 밸브를 포함하는 제2 배관, 상기 제1 배관 또는 상기 제2 배관을 통해 상기 건 챔버, 상기 경통 또는 상기 시료 챔버 내부의 공기를 흡입하여 진공 상태로 형성하는 제1 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 경통은 하단부에 구비되어, 상기 경통 내부의 진공 상태를 유지하는 셔틀 밸브, 상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이에 구비되어, 상기 차폐 모듈을 초기 장착 시 상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이의 에어 포켓을 제거하는 에어포켓 제거 모듈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 에어포켓 제거 모듈은 상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이에 연결되는 제3 배관, 상기 제3 배관을 통해 상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이의 공기를 흡입하는 제2 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 에어포켓 제거 모듈은 상기 상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이에 연결되고, 상기 제1 배관 또는 상기 제2 배관과 연통되어 제3 밸브를 포함하는 제3 배관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 경통과 시료 챔버간의 완전 차폐를 통하여 시료 진공도를 대기 상태까지 유지하면서 전자 빔에서 튀어나오는 후방산란전자를 검출함으로써, 시료가 진공 상에 위치할 때, 진공 압력에 의하여 발생하는 탈수 현상 및 이로 인한 형체변형(Deform) 현상을 최소화하여 관찰할 수 있다.

이에 따라 본 발명에 따른 주사 전자 현미경은 경제적이며 장시간 동안 저진공 상태에 노출되더라도 경통 내의 고진공 유지에 영향이 없으며, 대기 상태에 근접한 낮은 시료 챔버의 진공 상태에서 고분해능 영상 관찰할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 차폐 모듈의 구조를 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 차폐 모듈 및 후방산란검출기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 차폐 모듈 및 후방산란검출기의 기능을 설명하기 위한 사진이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 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 현미경의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 차폐 모듈의 구조를 나타낸 측단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)은 건 챔버(10), 경통(20), 차폐 모듈(30), 시료대(40), 후방산란검출기(50), 시료 챔버(60) 및 진공 모듈(70)을 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)은 고진공 전자총을 요하는 Tungsten SEM이 될 수 있다.

건 챔버(10)는 내부에 전자총이 배치되고, 진공 모듈(70)에 의해 내부를 진공 상태로 유지한다. 여기서 전자총은 전자를 생성하고 가속시키는 역할을 한다. 이러한 전자총은 전자선(Electron ray)의 형태로 사용되는 안정된 전자원을 공급한다. 즉 전자총은 경통(20)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 전자총은 텅스텐을 포함하는 금속을 가열하여 표면의 원자에서 구속되어 있던 전자들이 원자핵의 속박에서 벗어나 이탈되도록 구현할 수 있다. 이러한 전자총은 열주사형(thermionic electrongun) 또는 전계주사형(field emission electron gun)을 포함할 수 있다. 여기서 건 챔버(10)의 내부 압력은 약 ~10^-5Torr가 될 수 있다.

경통(20)은 관 형태로 내부에 전자총으로부터 주사되는 전자 빔이 통과할 수 있는 공간을 형성한다. 여기서 경통(20)의 내부에 형성된 공간은 진공 모듈(70)에 의해 진공 상태로 형성될 수 있다. 이러한 경통(20)은 도시되지는 않지만, 전자총으로부터 주사되는 전자 빔을 집속시켜주는 대물렌즈 및 편향코일 등을 포함할 수 있다. 특히 경통(20)은 건 챔버(10)와 연통되어 전자총으로부터 주사된 전자 빔이 이동하는 통로를 형성하며, 하부면에 전자 빔이 통과하는 경통홀이 형성된다. 여기서 경통(20)의 내부 압력은 약 ~10^-5Torr가 될 수 있다.

또한 경통(20)은 하단부에 구비되어, 경통(20) 내부의 진공 상태를 유지하는 셔틀 밸브(21)를 포함할 수 있다.

차폐 모듈(30)은 경통홀에 탈부착 가능하게 결합되어, 경통(20)을 차폐하여 경통(20)을 진공 상태로 형성한다.

이러한 차폐 모듈(30)은 멤브레인 홀더(31), 오링(32) 및 차폐막(33)을 포함한다.

멤브레인 홀더(31)는 경통홀에 삽입되는 삽입부(31a) 및 삽입부(31a)로부터 연장되어 경통(20)의 하부면에 밀착 결합되는 결합부(31b)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 삽입부(31a)는 내부에 공간이 형성된 경통홀의 직경과 대응되는 원통형으로 형성될 수 있다. 또한 결합부(31b)는 삽입부(31a)의 하부면으로부터 외측면으로 연장되어 형성되는 원판이 될 수 있다.

오링(32)은 결합부(31b)의 상부면에 배치될 수 있다. 즉 오링(32)은 결합부(31b)와 경통의 하부면 사이에 배치되어, 결합부(31b)와 경통의 하부면을 밀봉하는 역할을 수행할 수 있다. 이러한 오링(32)은 링 형태로 형성될 수 있으며, 고무, 실리콘, 우레탄 등과 같은 플렉서블한 재질로 형성되어, 결합부(31b)와 경통의 하부면을 밀폐시킬 수 있다.

차폐막(33)은 멤브레인 홀더(31)의 하부면의 중심부에 구비되어 멤브레인 홀더(31)의 하부면을 차폐하는 역할을 수행한다. 이러한 차폐막(33)은 전자 빔이 통과하는 경로에 구비되며, 초박막으로 구성되어 외부로부터 경통(20)을 차폐시키면서, 경통(20)을 진공상태로 유지하도록 하고, 전자총에 의해 주사되는 전자 빔은 통과시키도록 할 수 있다.

시료대(40)는 차폐 모듈(30)을 통과한 전자 빔이 정확히 시료를 조사할 수 있도록 상부면에 시료가 배치된다. 이러한 시료대(40)는 스터드 등의 금속제가 될 수 있다. 이때 시료대(40)는 별도의 홀더를 통하여 접지될 수 있다.

후방산란검출기(50)는 차폐 모듈(30)과 시료대(40) 사이에 구비되어, 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출한다. 즉 후방산란검출기(50)는 시료의 표면으로부터 산란되어 다시 시료의 표면 밖으로 방출되는 후방산란전자를 검출할 수 있다.

시료 챔버(60)는 시료대(40) 및 후방산란검출기(50)가 내부에 배치되며, 경통(20)에 결합되어 외부로부터 시료대(40) 및 후방산란검출기(50)를 차폐하여 진공 모듈(70)에 의해 내부를 진공 상태로 형성할 수 있다.

진공 모듈(70)은 건 챔버(10), 경통(20) 또는 시료 챔버(60)를 진공 상태로 형성할 수 있다.

이러한 진공 모듈(70)은 건 챔버(10)에 연결되며, 제1 밸브(72a)를 포함하는 제1 배관(72)을 포함한다.

또한 진공 모듈(70)은 시료 챔버(60)에 연결되며, 제2 밸브(71a)를 포함하는 제2 배관(71)을 포함한다.

또한 진공 모듈(70)은 제1 배관(72)과 연결되는 제1 펌프(74) 및 제2 배관(71)과 연결되는 제2 펌프(73)를 포함한다.

여기서 제1 펌프(74)는 로터리 펌프(Rotary Pump)를 포함할 수 있고, 제2 펌프(73)는 터보 분자 펌프(Turbo Molecular Pump)를 포함할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)의 동작을 설명하면 하기와 같다.

먼저 경통(20)의 끝단에 차폐 모듈(30)을 끼우고 제2 밸브(71a)를 닫은 상태에서 초기 제1 펌프(74) 및 제2 펌프(73)를 순차적으로 동작시킨다. 이에 따라 연결된 배관을 따라서 시료 챔버(60), 건 챔버(10) 및 경통(20)이 고진공도를 유지하는 상태가 된다. 이때 제2 밸브(71a)를 닫고, 제1 밸브(72a)를 닫은 상태에서 leak 밸브(61)을 동작시키면, 시료 챔버(60) 내부로 공기가 주입되면서, 시료 챔버(60)만 진공도가 깨지게 된다.

즉 시료 챔버(60)는 대기 상태에 있게 되고, 건 챔버(10), 경통(20) 및 제2 배관(71)은 제2 펌프(73)의 동작에 의하여 고진공이 유지됨과 동시에 차폐 모듈(30)을 통해 대기압 상태의 시료 챔버(60)로부터 진공 차폐가 유지된다. 이에 따라 건 챔버(10) 및 경통(20)은 고진공상태를 확보할 수 있다.

이러한 상태에서 시료를 장착하고, 제1 밸브(72a)를 열면, 제1 펌프(74)로부터 진공이 시작되고, 시료는 진공도의 악영향을 받지 않고, 대기상태로부터 원하고자 하는 저진공도 영역에 도달한 상태에서 제1 밸브(72a)를 닫으면 시료 챔버(60)는 저진공 상태에서 SEM 시료 관찰이 가능해진다.

따라서 시료 챔버(60)의 진공도를 거의 대기압 근처까지 쉽게 높인 상태에서 전자 빔을 시료에 주사하고, 후방산란검출기(50)를 통해 1차 전자를 포집하여 영상을 구현할 수 있다. 이에 따라 대기압 근처로 진공도를 유지할수록 초점거리(W.D.: working disrtance)는 극도로 줄어든다. 즉, 시료와 후방산란전자 검출기간의 초-근접거리를 유지해야만 우수한 영상을 확보할 수 있는 특징을 지닌다.

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

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경의 구조를 나타낸 도면이다.

한편 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(200)은 진공 모듈(170)의 구성을 제외하고는 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)과 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 따라서 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

여기서 제1 펌프(174)는 로터리 펌프(Rotary Pump)를 포함할 수 있고, 제2 펌프(175)는 터보 분자 펌프(Turbo Molecular Pump)를 포함할 수 있고, 제3 펌프(176)는 이온 펌프(Ion Pump)를 포함할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(200)의 진공 모듈(170)은 건 챔버(10)에 연결되며 제2 밸브(171a)를 포함하는 제2 배관(171)을 포함한다.

또한 진공 모듈(170)은 제2 배관(171)과 연통되어 시료 챔버(60)에 연결되며, 제1 밸브(172a)를 포함하는 제1 배관(172)를 포함한다.

또한 진공 모듈(170)은 제1 배관(172) 또는 제2 배관(171)을 통해 건 챔버(10), 경통(20) 또는 시료 챔버(60)의 공기를 흡입하여 진공 상태로 형성하는 제1 펌프(174) 및 제2 펌프(175)를 포함한다.

여기서 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(200)은 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이에 구비되어, 차폐 모듈(30)을 초기 장착 시 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이의 에어 포켓을 제거하는 에어포켓 제거 모듈(173)을 포함한다.

여기서 에어포켓 제거 모듈(173)은 제3 밸브(173a) 및 제3 배관(173b)을 포함할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(200)은 제1 실시예에 따른 주사 현미경(100)과는 달리 초고진공(≤ 10^-8 mbar) SEM에 해당한다. 한편 초고진공 SEM의 경우에는 시료 교환 시, 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이에 에어 포켓이 형성되어 있어서 전자 빔 조사를 위하여 셔틀 밸브(21)를 여는 순간 초고진공이 깨지는 상황이 발생한다.

따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 주사 전자 현미경(200)은 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이에 에어포켓 제거 모듈(173)을 구성하여 저진공 모드를 구현하는 구성을 제시한다.

즉, 모든 밸브를 연 상태에서 제1 펌프(174)와 제2 펌프(175)가 순차적으로 동작하여 건챔버(10), 경통(20) 및 시료챔버(60)가 고진공도에 다다르면, 제3 펌프(176)를 작동시켜, 초고진공도를 유지시킨다. 여기서 건챔버(10) 및 경통(20) 및 제2 배관(171)이 초고진공도에 이르면, 제1 밸브(172a), 제2 밸브(171a), 셔틀 밸브(21) 및 제3 밸브(173a)을 닫은 상태에서, Leak 밸브(61)을 동작시키면, 시료 챔버(60)내로 공기가 주입되면서, 시료 챔버(60)만 진공도가 깨지게 된다.

즉, 건 챔버(10), 경통(20) 및 제2 배관(171)은 제3 펌프(176)의 동작에 의하여 초고진공이 유지되는 반면에 시료 챔버(60) 및 경통 하부는 대기압 상태에 있게 되는데, 이때, 시료 장착과 더불어 나노 멤브레인 홀더(31)를 경통(20) 끝에 장착한다.

즉, 대기상태에 놓인 시료 챔버(60) 하부의 제1 밸브(172a)를 닫은 상태에서 차폐 모듈(30)을 장착하고, 제3 밸브(173a)를 열게 되면, 이미 작동중인 제1 펌프(174) 및 제2 펌프(175)로부터 진공이 형성되면서, 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이의 경통(20) 하단부 공간에서의 에어 포켓은 제거된다. 이에 따라 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이에 형성된 에어 포켓 영역은 고진공도( ~10^-4 ~ 10^-5Torr)를 유지하게 된다.

이때 재차 제3 밸브(173a)를 닫고, 전자 빔을 조사하기 위하여 셔틀 밸브(21)를 열게 되면, 초고진공과 진공 평형 유지가 바로 이루어진다.

또한 제2 펌프(175)를 끈 상태에서 제1 밸브(172a)를 열게 되면, 시료 챔버(60) 내부는 진공을 확보하게 된다. 따라서 대기압 상태에서 원하는 진공도에 이르렀을 때에 다시 제1 밸브(172a)를 닫게 되면, 건 챔버(10) 및 경통(20)에 형성된 초고진공도에는 거의 영향을 주지 않고 시료 환경은 저진공 또는 대기압 상태에서 집속된 전자 빔을 조사하여 매우 안정적으로 후방산란검출기(50)를 통하여 1차 전자를 포집하여 영상을 구현할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경의 구조를 나타낸 도면이다.

한편 도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(300)은 진공 모듈(270)의 구성을 제외하고는 본 발명의 제1 실시예에 따른 주사 전자 현미경(100)과 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 따라서 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(300)의 진공 모듈(270)은 건 챔버(10)에 연결되며 제1 밸브(271a)를 포함하는 제1 배관(271)을 포함한다.

또한 진공 모듈(270)은 제1 배관(271)과 연통되어 시료 챔버(60)에 연결되는 제2 배관(272)를 포함한다.

또한 진공 모듈(270)은 제1 배관(271) 또는 제2 배관(272)을 통해 건 챔버(10), 경통(20) 또는 시료 챔버(60)의 공기를 흡입하여 진공 상태로 형성하는 제1 펌프(274)를 포함한다.

여기서 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(300)은 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이에 구비되어, 차폐 모듈(30)을 초기 장착 시 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이의 에어 포켓을 제거하는 에어포켓 제거 모듈(273)을 포함한다.

여기서 에어포켓 제거 모듈(173)은 제3 밸브(173a), 제3 배관(173b) 및 제2 펌프(173c)를 포함할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(300)은 제1 실시예에 따른 주사 현미경(100)과는 달리 초고진공(≤ 10^-8 mbar) SEM에 해당한다. 한편 초고진공 SEM의 경우에는 시료 교환 시, 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이에 에어 포켓이 형성되어 있어서 전자 빔 조사를 위하여 셔틀 밸브(21)를 여는 순간 초고진공이 깨지는 상황이 발생한다.

이에 따라 본 발명의 제3 실시예에 따른 주사 전자 현미경(300)은 별도로 마련된 제2 펌프(173c)를 이용하여 셔틀 밸브(21)와 차폐 모듈(30) 사이의 에어 포켓을 제거할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 주사 전자 현미경(100, 200, 300)은 경통(20)과 시료 챔버(60) 간의 완전 차폐를 통하여 시료 진공도를 대기 상태까지 유지하면서 전자 빔에서 튀어나오는 후방산란전자를 검출함으로써, 시료가 진공 상에 위치할 때, 진공 압력에 의하여 발생하는 탈수 현상 및 이로 인한 형체변형(Deform) 현상을 최소화하여 관찰할 수 있다.

이에 따라 본 발명에 따른 주사 전자 현미경(100, 200, 300)은 경제적이며 장시간 동안 저진공 상태에 노출되더라도 경통 내의 고진공 유지에 영향이 없으며, 대기 상태에 근접한 낮은 시료 챔버의 진공 상태에서 고분해능 영상 관찰할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 차폐 모듈 및 후방산란검출기의 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 차폐 모듈 및 후방산란검출기의 기능을 설명하기 위한 사진이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 주사 전자 현미경은 차폐 모듈(130)과 후방산란검출기(150)가 일체로 형성될 수 있다.

한편 차폐 모듈(130)에 포함된 차폐막(133)은 수십 nm두께의 SiNx 초박막 또는 그래핀 박막 등으로 구성되는데, 이러한 차폐막(133)을 전자빔이 지나가는 홀 중심에 정확히 위치시키도록 장착하는 과정에서 오차(Tolerance) 범위가 매우 넓어 중심점에 위치시키는 작업이 어렵다.

또한 차폐막(133)은 수십 nm 두께이기 때문에, 외압을 견디기 위해서는 면적이 수백 um² 정도로 유지되어야 하는데, 이러한 이유 때문에 차폐막(133)의 중심에 전자 빔에 위치시키기가 매우 어렵다. 즉 전자빔이 투과되어 볼 수 있는 영역이 중심에서 벗어나 있는 경우, 이를 정중앙으로 조절하기가 불가능하다.

따라서 확대 영상을 보기 위해서 배율을 키우면, 도 6과 같이 관찰 범위(FOV ; Field of View)가 모니터에서 사라져 버리기 때문에 영상 구현이 어렵다.

이에 따라 본 발명의 제4 실시예에 따른 주사 전자 현미경은 차폐 모듈(130)과 후방산란검출기(150)가 일체로 형성한다.

즉 후방산란검출기(150)는 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 센서(151) 및 센서(151)를 이동시켜 위치를 조절하는 위치 조절부(152)로 구성된다.

그리고 차폐 모듈(130)은 위치 조절부(152)와 일체로 형성되어, 위치 조절부(152)에 의해 위치가 조절될 수 있다. 즉 위치 조절부(152)의 끝단부에 차폐막(133) 및 오링(132)을 일체로 형성한다.

이에 따라 위치 조절부(152)를 통해 X, Y축에 대한 차폐막(131)의 위치를 조절하여, 차폐막(133) 중심이 홀의 정중앙에 위치시키도록 조절한 후, Z축을 조절하여 경통의 하부면에 밀착시켜 진공을 유지하도록 할 수 있다. 이때 경통 내부 진공도가 시료 챔버 진공도 보다 낮게 유지되면, 외압차에 의하여 차폐 모듈(130)은 경통 끝단에 밀착하게 된다.

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

10 : 건 챔버 20 : 경통
21 : 셔틀 벨브 30, 130 : 차폐 모듈
31 : 멤브레인 홀더 32, 132 : 오링
33, 133 : 차폐막 40 : 시료대
50 : 후방산란검출기 60 : 시료 챔버
70, 170, 270 : 진공 모듈 100, 200, 300 : 주사 전자 현미경

Claims

전자총이 내부에 배치되는 건 챔버;
상기 건 챔버와 연통되어 상기 전자총으로부터 주사된 전자 빔이 이동하는 통로를 형성하며, 하부면에 상기 전자 빔이 통과하는 경통홀이 형성된 경통;
상기 경통홀에 탈부착 가능하게 결합되어, 상기 경통을 차폐하여 상기 경통을 진공상태로 형성하는 차폐 모듈;
상기 차폐 모듈을 통과한 상기 전자 빔이 시료에 조사되도록 상기 시료가 배치되는 시료대;
상기 차폐 모듈의 하부에 구비되어, 상기 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 후방산란검출기; 및
상기 시료대 및 상기 후방산란검출기가 내부에 배치되며, 상기 경통에 결합되는 시료 챔버;를 포함하되,
상기 경통은,
하단부에 구비되어, 상기 경통 내부의 진공 상태를 유지하는 셔틀 밸브;
상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이에 구비되어, 상기 차폐 모듈을 초기 장착 시 상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이의 에어 포켓을 제거하는 에어포켓 제거 모듈;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
제1항에 있어서,
상기 차폐 모듈은,
상기 경통의 하부면에 탈부착 가능하게 결합되는 멤브레인 홀더;
상기 멤브레인 홀더의 상부면에 배치되고, 상기 멤브레인 홀더와 상기 경통의 하부면 사이에서 공기 유입을 방지하는 오링;
상기 멤브레인 홀더의 중심부에 구비되는 차폐막;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
제2항에 있어서,
상기 건 챔버, 상기 경통 또는 상기 시료 챔버의 진공 상태를 형성하는 진공 모듈;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
삭제
제3항에 있어서,
상기 진공 모듈은,
상기 건 챔버에 연결되며, 제1 밸브를 포함하는 제1 배관;
상기 제1 배관과 연통되어 상기 시료 챔버에 연결되며, 제2 밸브를 포함하는 제2 배관;
상기 제1 배관 또는 상기 제2 배관을 통해 상기 건 챔버, 상기 경통 또는 상기 시료 챔버 내부의 공기를 흡입하여 진공 상태로 형성하는 제1 펌프;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
삭제
제5항에 있어서,
상기 에어포켓 제거 모듈은,
상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이에 연결되는 제3 배관;
상기 제3 배관을 통해 상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이의 공기를 흡입하는 제2 펌프;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
제5항에 있어서,
상기 에어포켓 제거 모듈은,
상기 셔틀 밸브와 상기 차폐 모듈 사이에 연결되고, 상기 제1 배관 또는 상기 제2 배관과 연통되어 제3 밸브를 포함하는 제3 배관;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
전자총이 내부에 배치되는 건 챔버;
상기 건 챔버와 연통되어 상기 전자총으로부터 주사된 전자 빔이 이동하는 통로를 형성하며, 하부면에 상기 전자 빔이 통과하는 경통홀이 형성된 경통;
상기 경통홀에 탈부착 가능하게 결합되어, 상기 경통을 차폐하여 상기 경통을 진공상태로 형성하는 차폐 모듈;
상기 차폐 모듈을 통과한 상기 전자 빔이 시료에 조사되도록 상기 시료가 배치되는 시료대;
상기 차폐 모듈의 하부에 구비되어, 상기 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 후방산란검출기; 및
상기 시료대 및 상기 후방산란검출기가 내부에 배치되며, 상기 경통에 결합되는 시료 챔버;를 포함하되,
상기 후방산란검출기는,
상기 시료로부터 후방산란되는 후방산란전자를 검출하는 센서; 및
상기 센서를 이동시켜 위치를 조절하는 위치 조절부;를 포함하고,
상기 차폐 모듈은,
상기 위치 조절부의 상부면에 일체로 형성되어, 상기 위치 조절부에 의해 위치가 조절되는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
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