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KR20170010917A - 시료의 광학 이미지를 얻을 수 있는 주사전자현미경 - Google Patents

시료의 광학 이미지를 얻을 수 있는 주사전자현미경 Download PDF

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KR20170010917A
KR20170010917A KR1020150102133A KR20150102133A KR20170010917A KR 20170010917 A KR20170010917 A KR 20170010917A KR 1020150102133 A KR1020150102133 A KR 1020150102133A KR 20150102133 A KR20150102133 A KR 20150102133A KR 20170010917 A KR20170010917 A KR 20170010917A
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KR
South Korea
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sample
electron beam
region
objective lens
aperture
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KR1020150102133A
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KR101725506B1 (ko
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조복래
안상정
박인용
한철수
권희석
Original Assignee
한국표준과학연구원
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Publication date
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Abstract

본 발명은 전자빔을 방출하는 전자빔 소스; 상기 전자빔 소스쪽에 구비되며, 상기 전자빔을 집속하여 주는 하나이상의 중간 집속렌즈, 및 최종 집속렌즈로서 시료쪽에 구비되며, 시료위에 집속되는 전자빔 스폿을 형성시키는 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군; 상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버; 상기 전자빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 하나 이상의 편향기; 및 관찰하려는 시료를 지지하는 시료 스테이지;를 포함하는 주사전자현미경에 관한 것이다.

Description

시료의 광학 이미지를 얻을 수 있는 주사전자현미경{SCANNING ELECTRON MICROSCOPY CAPABLE OF OBSERVING OPTICAL IMAGE OF SAMPLE}
본 발명은 시료의 광학 이미지를 얻을 수 있는 주사전자현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시료 표면의 광학 이미지를 검출할 수 있는 장치를 포함함으로써, 시료내 광역 이미지를 광학적으로 획득하고, 상기 광역 이미지내의 미세 영역은 전자빔을 이용한 이미지로서 시료를 관찰할 수 있는 주사전자현미경에 관한 것이다.
주사전자현미경은 전자빔을 이용하여 시료의 표면을 관찰하는 장치로서, 보통 진공상태에서 시료에 전자빔을 조사하여 시료로부터 방출되는 2차 전자를 검출함으로써, 시료의 표면정보를 얻을 수 있다.
한편, 바이오 시료 등의 관찰을 위해 주사전자현미경을 이용하는 경우에, 이를 진공상태에서 관찰하지 않고 대기압하 또는 저진공 분위기하에서 시료의 표면형태 또는 구조를 관찰할 필요가 있고, 이를 위해 환경주사전자현미경(Environmental Scanning Electron Microscope : E-SEM) 또는 에어 주사전자현미경(Air Scanning Electron Microscope : Air-SEM), 등을 활용할 수 있으며, 이들은 통상의 주사전자현미경과는 달리 대물렌즈와 시료사이에 전자빔이 통과가능한 개구부에 해당하는 어퍼처를 구비하고 있어, 전자빔의 조사되는 영역과 시료가 포함되는 영역의 압력 차이를 가지게 된다.
도 1에서는 종래 기술에 따른 환경 주사전자현미경을 도시하였다. 이를 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 주사전자현미경은 진공챔버(30)내의 전자빔 소스(10), 상기 진공챔버 내에 전자빔 소스쪽에 구비되는 중간 집속렌즈(22)와 시료쪽에 구비되는 최종 집속렌즈인 대물렌즈(24)를 포함하는 집속렌즈군(20), 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔 빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로인 어퍼처(35)를 구비한 진공챔버(30)와 상기 중간 집속렌즈와 대물렌즈 사이에 구비되며, 전자 빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 편향기(40) 및 진공챔버 외부에 위치하는 시료(55)를 지지하고 이동할 수 있는 시료 스테이지(50)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 도 1에서의 주사전자현미경은 진공챔버안의 전자빔 소스에서 방출되는 전자빔을 복수의 집속렌즈군으로 집속시켜 시료상에 집속되는 빔 스폿, 즉 프로브를 형성하되, 하나 또는 복수의 편향기를 이용하여 빔 궤도를 조절하여 상기 프로브의 위치를 이동시키는 방식으로 시료위에 전자빔을 주사시켜 시료의 형상을 관찰한다. 이때, 상기 전자빔은 공기분자와 충돌하여 산란될 수 있기 때문에, 상기 전자빔 소스와, 집속렌즈군과 어퍼처(35) 사이의 빔 주사영역을 포함하는 진공챔버내 공간은 진공펌프를 사용하여 고진공 환경으로 유지하도록 배기하여야 한다.
이때 상기 전자빔 소스와, 집속렌즈군을 포함하는 진공챔버내 압력을 고진공으로 유지하기 위해서 통상적으로 10-4 mbar 이하, 바람직하게는 10-5 mbar 이하의 압력을 갖도록 진공펌프를 구비할 수 있다.
이때 전자빔 소스에서 방출되는 전자빔은 도 1에서 점선으로 표시되는 광축(60)을 중심으로 집속렌즈군으로부터 유도되는 회전 대칭하는 전기장 또는 자기장에 의해 집속된다. 이때, 전자빔의 경우 광학계와는 달리 아닌 전극에 의해 형성되는 전기장 또는 전기코일에 의해 형성되는 자기장이 집속렌즈군의 역할을 한다.
여기서 상기 집속렌즈군에 의해 집속되어 시료의 표면에 형성되는 빔 스폿인 상기 프로브의 크기는 시료 형상 관찰시 분해능을 결정한다. 일반적으로 프로브의 크기가 작아질수록 분해능과 정밀도는 향상된다.
한편, 일반적으로 렌즈는 수차를 가지고 있으며, 상기 수차에 의해 프로브의 사이즈가 결정되고, 상기 수차가 커지면 프로브 사이즈가 커져서 관찰 분해능과 가공 정밀도가 저하된다.
또한, 상기 전자빔의 궤도가 대물렌즈의 중심에서 벗어나면 수차가 급속히 증가하여 스폿사이즈가 커지게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위해 일반적으로 대물렌즈 상부에 편향기를 구비할 수 있다.
도 2에서는 편향기를 구비하며 저진공 환경에서의 시료에 사용되는 종래 기술에서의 주사전자현미경을 도시하였고, 도 3에서는 편향기를 구비하며 대기압하에 놓인 시료에 사용되는 종래 기술에서의 주사전자현미경을 도시하였다.
상기 도 2 또는 도 3에서는 빔을 시료위에 주사시킬 때 수차를 줄이기 위해 대물렌즈와 중간 집속렌즈의 사이에 상-하단으로 편향기를 구성하여 빔의 궤도가 렌즈의 중심을 통과하도록 빔 궤도를 제어하고 있다.
일반적으로 도 2에서와 같이 저진공 환경에서 상기 시료상에 전자빔을 조사하는 경우, 상기 시료를 포함하는 시료실내 영역의 압력을 1x10-2 mbar 이상의 비교적 저진공 상태를 유지할 수 있고, 상기 시료실내 영역의 저진공을 유지하기 위해 별도의 진공펌프를 두어, 상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 포함하는 고진공 영역의 진공챔버와는 압력차이를 유지할 수 있도록 한다.
이 경우에 상기 어퍼처는 상기 진공챔버내 개구부 형태로 개방되도록 형성될 수 있고, 상기 어퍼처의 지름 또는 면적, 각각의 진공펌프의 용량 등에 따라 상기 시료영역과 전자빔 소스를 포함하는 진공챔버의 내부영역 사이의 압력차이가 조절될 수 있다.
한편, 생물 시료 등의 관찰이나 가공을 수행하게 하기 위해서는 도 3에서와 같이, 시료를 포함하는 시료실내 영역을 진공챔버를 사용하지 않고 대기압하에서 시료를 놓게 된다.
이 경우에 상기 어퍼처는 도 3에서와 같이 개구부가 아닌, 일정 두께를 갖는 격막(37)을 형성하게 된다. 상기 격막은 예컨대, SiN과 같은 재료를 이용하여 제작하거나 그래핀 같은 박막재료 자체를 사용할 수 있고, 두께는 1 내지 2000 nm, 바람직하게는 2 내지 500 nm의 범위를 가질 수 있다.
한편, 상기 도 2 또는 도 3에서의 어퍼처를 포함하는 주사전자현미경의 경우에 어퍼처의 크기에 의해 하전입자빔의 주사각도가 제한됨으로써 시료의 표면을 측정할 수 있는 범위가 그 각도에 의하여 제한될 수 있고, 또한 어퍼처와 대물렌즈사이의 거리에 의해 하전입자빔의 주사각도가 제한됨으로써 시료상에 형성되는 전자빔 프로브의 최대 형성영역이 결정될 수 있어 시료의 표면을 측정할 수 있는 범위가 제한된다.
즉, 상기 어퍼처의 크기가 크거나 또는 어퍼처와 대물렌즈사이의 거리가 짧은 경우에는 시료를 이동시키지 않고 고정된 상태에서 상기 편향기를 이용하여 프로브를 형성할 수 있는 영역인 주사 범위를 넓게 가져갈 수 있으나, 이와 반대로 어퍼처의 크기가 작거나 어퍼처와 대물렌즈사이의 거리가 긴 경우에는 주사범위가 좁게 된다.
일반적으로, 상기 시료를 고정하고 집속렌즈군 및 편향기 등의 제어를 통해 시료를 관찰하거나 가공하는 것이, 집속렌즈군 및 편향기 등의 제어조건을 고정하고 시료를 움직이는 것보다 관찰영역의 확대 및 축소에 있어 사용자에게 편리함을 주며, 또한 특정영역을 신속하고도 용이하게 찾을 수 있는 장점이 있으나, 상기와 같이 어퍼쳐를 포함하는 주사전자현미경에서는 시료를 고정하고 전자빔의 조사 방향을 조절하는 방법에 따른 시료내 전자빔 조사 영역의 범위는 상기 어퍼처의 크기 및 어퍼처와 대물렌즈사이의 거리에 의존하게 된다.
또한, 상기 어퍼처의 크기가 커지는 경우에는 시료를 포함하는 영역과 전자빔 소스를 포함하는 진공챔버의 내부영역 사이의 압력차이를 유지하기 어려워 상기 하전입자빔이 공기분자와 충돌하여 산란될 수 있고, 심지어 시스템에 무리한 영향을 줄 수 있는 한계가 있다.
예컨대, 상기 도 2에 나타난 바와 같은 환경 주사전자현미경(E-SEM)에서는 상기 시료실내 영역의 압력을 1x10-2 mbar 이상의 저진공 상태로 유지하며, 또한 상기 하전입자 소스를 포함하는 진공챔버에서의 1x10-4 mbar 이하의 고진공상태를 유지하는데 영향이 미지치 않도록 상기 고진공 영역의 진공챔버내부와 저진공 영역의 시료실 영역을 연통하는 어퍼처의 지름을 매우 작도록( < 1mm)하여 구비해야 한다.
또한, 상기 도 3에 나타난 바와 같은 에어 주사전자현미경(Air-SEM)에서는 시료 주위의 압력을 대기압 상태로 유지하며, 또한 상기 전자빔 소스를 포함하는 진공챔버에서의 1x10-4 mbar 이하의 고진공상태를 유지하는데 영향이 미지치 않도록 어퍼처의 지름을 매우 작고( < 1mm) 일정한 두께이하( < 수 백 nm)를 갖는 박막을 구비해야 한다.
이와 같은 주사전자현미경에 관한 종래 기술로서, 유럽특허공보 EP 0786145 B1에서는 시료가 시료실의 기체 환경 안에 수용되고 있는 경우에서도 우수한 공간분해능을 주는 환경 주사전자현미경(E-SEM)에 관해 기재되어 있고, 또한, J. Vac. Sci. Technol. B 9, 1557 (1991)에서는 실리콘 나이트라이드 박막을 이용하여 대기압하에서 시료를 관찰할 수 있는 에어 주사전자현미경(Air SEM)에 관해 기재되어 있다.
그러나, 상기 선행기술을 포함하는 종래기술들에서는 최종집속렌즈인 대물렌즈에서의 수차를 줄이기 위해 상기 도 1 내지 3에서 도시된 바와 같이 전자빔 궤도가 반드시 대물렌즈의 중심을 지나도록 전자빔 궤도를 편향기를 통해 제어해야 하며, 상기 전자빔이 대물렌즈의 중심을 지나면서도, 도 2 및 도 3에서의 어퍼처를 통과하기 위해서는 결국 주사범위를 좁혀야 된다.
결과적으로, 이는 주사전자현미경의 경우 관측할 수 있는 시료영역의 시야가 좁아지는 문제점을 가지고 있어, 관심영역(ROI: Region of interest)을 미세관측을 통해 관찰하는 과정에 있어, 상기 관심영역(ROI: Region of interest)의 위치를 신속히 파악하기 어려운 조건을 갖게 되며, 이를 해결하여 시료내 관심영역의 위치를 신속히 파악하여 전자빔에 의해 관심영역의 고해상도의 이미지를 얻는 것이 주사전자현미경을 이용함에 있어 매우 중요한 요인이 될 수 있다.
따라서, 주사전자현미경을 이용하여 시료를 관찰함에 있어, 우선적으로 시료내 넓은 영역을 관측하여 관심영역의 위치를 파악 할 수 있고, 이를 통해 상기 관심 영역의 미세 관측을 수행 가능한 주사전자현미경의 개발 및 이를 이용한 시료의 관측방법에 대한 필요성이 지속적으로 요구되고 있다.
유럽특허공보 EP 0786145 B1(2004.12.15)
J. Vac. Sci. Technol. B 9, 1557 (1991), Atmospheric scanning electron microscopy using silicon nitride thin film windows, E. D. Green and G. S. Kino.
따라서 상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 시료를 관찰함에 있어, 우선적으로 시료내 넓은 영역을 광학 현미경으로 관찰함으로써, 관심영역의 위치를 파악 할 수 있고, 이를 통해 상기 관심 영역을 전자빔을 이용한 전자현미경으로 미세 관측이 수행 가능한 주사전자현미경을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 주사전자현미경을 이용하여, 시료의 넓은 영역을 광학현미경을 이용하여 관찰하여 관심영역의 위치를 파악 한 후에, 이를 통해 상기 관심 영역을 전자빔을 조사하여 전자현미경을 통해 미세 관측하는 시료의 관찰 방법을 제공하는 것을 발명의 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 전자빔을 방출하는 전자빔 소스; 상기 전자빔 소스쪽에 구비되며, 상기 전자빔을 집속하여 주는 하나이상의 중간 집속렌즈, 및 최종 집속렌즈로서 시료쪽에 구비되며, 시료위에 집속되는 전자빔 스폿을 형성시키는 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군; 상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버; 상기 전자빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 하나 이상의 편향기; 및 관찰하려는 시료를 지지하는 시료 스테이지;를 포함하는 주사전자현미경으로서, 상기 주사전자현미경은 진공챔버 내부의 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 상대적으로 높은 압력을 가지며 상기 시료를 포함하는 제2 영역으로 구분되고, 상기 대물렌즈와 시료의 사이에 시료의 이미지가 반사될 수 있는 거울이 구비되고, 상기 거울의 하부방향으로 상기 거울에 의해 반사되는 시료의 광학 이미지를 얻기 위해 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사전자 현미경을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 주사전자현미경을 이용하여 시료를 관찰하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 전자빔을 방출하는 전자빔 소스; 상기 전자빔 소스쪽에 구비되며, 상기 전자빔을 집속하여 주는 하나이상의 중간 집속렌즈, 및 최종 집속렌즈로서 시료쪽에 구비되며, 시료위에 집속되는 전자빔 스폿을 형성시키는 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군; 상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버; 상기 전자빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 하나 이상의 편향기; 및 관찰하려는 시료를 지지하는 시료 스테이지;를 포함하며, 상기 주사전자현미경은 진공챔버 내부의 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 상대적으로 높은 압력을 가지며 상기 시료를 포함하는 제2 영역으로 구분되고, 상기 대물렌즈와 시료의 사이에 시료의 이미지가 반사될 수 있는 거울이 구비되고, 상기 거울의 하부방향으로 상기 거울에 의해 반사되는 시료의 광학 이미지를 얻기 위해 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출 장치를 구비하는 주사전자 현미경을 이용하여 시료를 관찰하는 방법으로서, a) 상기 진공챔버;의 내부영역인 제1 영역의 압력이 상기 시료를 포함하는 제2 영역의 압력보다 상대적으로 낮은 압력을 가지도록 각각의 영역의 압력을 설정하여 유지하는 단계; b) 상기 광학 이미지 검출 장치를 이용하여 넓은 영역의 시료 표면 정보를 획득하는 단계; 및 c) 상기 획득된 넓은 영역의 시료 표면정보를 바탕으로 원하고자 하는 좁은 영역의 시료의 표면 정보를 얻기 위해, 상기 하나 이상의 편향기를 제어하여 시료내 전자빔 빔의 조사 방향을 조절함으로써, 좁은 영역의 시료 표면 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 주사전자현미경을 이용하여 시료를 관찰하는 방법을 제공한다.
본 발명은 대물렌즈와 시료의 사이에 시료의 이미지가 반사될 수 있는 거울이 구비되고, 상기 거울의 하부방향으로 상기 거울에 의해 반사되는 시료의 광학 이미지를 얻기 위한 광학 이미지 검출 장치를 구비함으로써, 전자빔만의 조사시 어퍼처의 크기에 의해 제한되었던 시료의 측정 범위보다 넓은 시야를 광학 이미지를 통해 확보할 수 있는 주사전자현미경을 제공할 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 주사전자현미경은 시료를 관찰함에 있어, 우선적으로 시료내 넓은 영역을 광학 현미경으로 관찰함으로써, 관심영역의 위치를 파악 할 수 있고, 이를 통해 상기 관심 영역을 전자빔을 이용한 전자현미경으로 미세 관측이 수행 가능한 주사전자현미경을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 주사전자현미경을 이용하여, 시료의 넓은 영역을 광학현미경을 이용하여 관찰하여 관심영역의 위치를 파악 한 후에, 이를 통해 상기 관심 영역을 전자빔을 조사하여 편향기에 의해 전자빔의 조사 방향을 정밀하게 조절함으로써, 전자현미경을 통해 시료내 관심영역(좁은 영역)의 시료 표면 정보를 신속하고 용이하게 획득할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 주사전자현미경을 도시한 그림이다.
도 2는 종래 기술에 따른 주사전자현미경으로서, 상기 시료가 저진공의 환경에서 상기 전자빔이 조사되는 장치를 도시한 그림이다.
도 3은 종래 기술에 따른 주사전자현미경으로서, 상기 시료가 대기압의 환경에서 상기 전자빔이 조사되는 장치를 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 시료가 저진공의 환경에서 시료와 대물렌즈 사이에 거울이 구비되고, 시료 스테이지 하단에 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치가 구비된 주사전자현미경을 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 상기 시료가 대기압의 환경에서 시료와 대물렌즈 사이에 거울이 구비되고, 시료 스테이지 하단에 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치가 구비된 주사전자현미경을 도시한 그림이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 시료가 저진공의 환경에서 시료와 대물렌즈 사이에 거울이 구비되고, 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치가 시료의 직하부가 아닌 어퍼처로부터 일정한 각도를 가지는 연장선상에 구비된 주사전자현미경을 도시한 그림이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 시료가 저진공의 환경에서 시료와 대물렌즈 사이에 거울이 광축을 중심으로 어느 일방에 구비되고, 시료 스테이지가 광축에 대해 수직이 아닌 일정 각도를 가지고 기울어져 있고, 또한 상기 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치가 시료의 직하부가 아닌 거울로부터 일정한 각도를 가지는 연장선상에 구비된 주사전자현미경을 도시한 그림이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치를 이용하여 시료와 대물렌즈 사이에 위치한 거울의 반사면을 통해 시료의 표면을 촬영한 이미지를 도시한 그림이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치를 이용하여 시료와 대물렌즈 사이에 위치한 거울의 반사면을 통해 시료의 표면을 촬영한 이미를 바탕으로, 관심영역을 더 미세하게 측정하기 위하여 시료의 위치를 대물렌즈의 초점거리로 이동하고, 시료에 전자빔을 조사하고 전자빔을 편향기를 이용하여 좁은 영역을 스캔하여 미소영역에서의 시료 표면정보를 획득한 이미지를 도시한 그림이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 장치 및 방법을 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
본 발명에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 어퍼처를 구비한 주사전자현미경으로서, 상기 대물렌즈와 시료의 사이에 시료의 이미지가 반사될 수 있는 거울이 구비되고, 상기 거울의 하부방향으로 상기 거울에 의해 반사되는 시료의 광학 이미지를 얻기 위한 광학 이미지 검출 장치를 구비한 주사전자현미경을 도시한 그림이다.
이는 전자빔을 방출하는 전자빔 소스(10);; 상기 전자빔 소스쪽에 구비되며, 상기 전자빔을 집속하여 주는 하나이상의 중간 집속렌즈(22), 및 최종 집속렌즈로서 시료쪽에 구비되며, 시료위에 집속되는 전자빔 스폿을 형성시키는 대물렌즈(24)를 포함하는 집속렌즈군(20); 상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버(30); 상기 전자빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 하나 이상의 편향기(40); 및 관찰하려는 시료를 지지하는 시료 스테이지(50);를 포함하여 이루어지며, 상기 주사전자현미경은 진공챔버 내부의 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 상대적으로 높은 압력을 가지며 상기 시료를 포함하는 제2 영역으로 구분되고,
상기 대물렌즈와 시료의 사이에 시료의 이미지가 반사될 수 있는 거울이 구비되고, 상기 거울의 하부방향으로 상기 거울에 의해 반사되는 시료의 광학 이미지를 얻기 위해 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서의 주사전자현미경은 추가의 구성요소로서 2차전자 검출기(100), 또는 후방산란전자 검출기(back scattered electron detector, 미도시)를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 전자빔 소스, 중간 집속렌즈(22) 및 대물렌즈(24)를 포함하는 집속렌즈군(20), 상기 어퍼처를 포함하는 진공챔버(30) 및 시료스테이지(50)는 도 2 및 도 3에서 기재된 바와 같은, 종래기술에서 사용되는 구성요소를 그대로 사용할 수 있다.
이를 보다 상세히 설명하면, 본 발명에서 사용되는 전자빔은 전자빔 소스로부터 방출되어 상기 집속렌즈군(20)과 편향기(40)에 의해 입자빔의 조사방향이 제어될 수 있는 형태이면 그 종류에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
또한 본 발명에서 사용되는 전자빔 소스는 전자빔을 방출할 수 있는, 텅스텐 필라멘트 등의 열전자 방출원을 포함할 수 있다.
상기 열전자 방출원으로는 융점이 높으면서도 상대적으로 전자방출이 잘되는 텅스텐, 탄탈륨, 이리듐, 이리듐-텅스텐 합금의 필라멘트와, 상기 재료 표면에 전자가 더 낮은 온도에서 방출되도록 이트륨, 바륨, 세슘 및 그 산화물을 코팅한 필라멘트가 사용될 수 있다.
한편, 상기 집속렌즈군(20)은 전기장 또는 자기장에 의해 상기 전자빔을 집속하여 주는 역할을 하며, 전자빔 소스쪽에 구비되는 하나이상의 중간 집속렌즈(22) 및 최종 집속렌즈로서 시료쪽에 구비되며, 시료위에 집속되는 빔 스폿인 전자빔 프로브를 형성시키는 대물렌즈(24)를 포함한다.
상기 집속렌즈군내 중간집속렌즈(22)와 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군(20)은 내부에 포함된 전극을 통해, 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔을 감속 시키거나 가속시키거나 조사방향을 변경시킬 수 있고, 다양한 형태로 감겨있는 다수의 코일 형태로 존재할 수 있다.
이때, 상기 전자빔은 수차를 감소시키기 위해 상기 대물렌즈의 중심을 통과하도록 제어될 수 있다. 즉, 주사를 시킬 때 편향기에 의해 편향되는 빔이 최종 집속렌즈인 대물렌즈의 중심을 지나도록 제어될 수 있다.
이를 구현하기 위해 본 발명에서는 종래기술과 마찬가지로 중간집속렌즈와 대물렌즈 사이에 종래기술에서 사용되는 편향기를 구비할 수 있으며, 상기 편향기에 의해 전자빔의 조사방향을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 편향기는 하전 입자 빔을 편향시키는데 사용되는 자기장을 생성하는 적어도 하나의 코일 장치를 포함할 수 있다.
상기 편향기는 종래 기술에 있어, 통상적으로 중간 집속렌즈(22)와 대물렌즈(24) 사이에 구비되는 것이 일반적이다. 따라서 도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이, 중간 집속렌즈(22)와 대물렌즈(24)사이에 상단(41) 및 하단(42)으로 편향기를 복수로 구비하여 전자빔 빔의 궤도가 대물렌즈의 중심을 통과하도록 빔 궤도가 설정될 수 있게 제어된다.
이때, 상기 어퍼처의 크기에 따라, 광축을 기준으로 시료에 조사되는 전자빔의 최대 각도가 제한될 수 있다. 예컨대, 도 1을 참조하면, 상기 시료에 조사되는 전자빔은 어퍼처의 최외각 부분에 해당하는 부분보다 안쪽의 개구부를 통과하도록 상기 최대각도보다 작은 각도를 갖는 공간범위내로 제한되어 시료에 조사될 수 있고, 이보다 각도가 더 벌어져서 조사되는 경우는 경우에는 어퍼처를 통과할 수 없게 된다.
이에 관한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 상기 편향기를 대물렌즈와 시료 사이에 위치하도록 할 수 있고, 이른 통해 상기 전자빔이 조사되는 영역을 자유롭게 확장가능할 수 있다.
즉, 상기 대물렌즈와 시료 사이에 편향기를 구비하고, 상기 편향기와 어퍼처와의 거리를 제어함으로써, 시료의 관찰영역을 넓히거나 좁힐 수 있는 장점이 있다. 이 경우에 상기 편향기는 상기 광축방향인 Z방향에 대하여 높이 조절이 가능하게 구비될 수 있다.
상기와 같이 편향기를 대물렌즈와 시료 사이의 위치에 구비하게 되는 경우에 전자빔은 대물렌즈의 중심을 통과한 후 상기 편향기에 의해 빔 궤도의 방향이 제어되어 원하는 조사방향으로 종래기술에 의해 제어되는 영역보다 훨씬 넓은 영역의 빔 조사를 수행할 수 있다.
예컨대, 상기 편향기를 대물렌즈와 시료 사이에 놓으면 편향기에 의해 빔 조사방향이 변경되는 위치에 해당하는 편향점이 상기 대물렌즈에서 시료쪽으로 가까워질수록 관찰될 수 있는 시료의 영역 범위는 넓어지며, 또한 빔 조사범위도 넓어지게 된다.
따라서, 상기 대물렌즈의 중심을 통과한 후에 시료에 조사되는 전자빔이 하나의 편향기에 의해 빔 궤도의 방향을 제어할 수 있어, 종래기술에서와 같이 대물렌즈와 중간 집속렌즈 사이에 복수의 편향기를 구비할 필요가 없이 간단하게 시료의 조사영역을 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에서의 주사전자현미경은 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버를 포함할 수 있다.
본 발명의 주사전자현미경은 상기 진공챔버에 의해 둘러싸인 진공챔버 내부의 제1 영역과, 상기 시료를 포함하는 제2 영역으로 구획될 수 있고, 상기 제1영역보다 제2 영역이 상대적으로 높은 압력을 가진다.
보다 상세하게는 상기 제1 영역은 10-4 mbar 이하의 범위를 갖는 고진공 영역일 수 있고, 바람직하게는 10-5 mbar 이하의 범위를 갖는 고진공 영역일 수 있다.
이를 위해서 상기 진공챔버 내부를 상기와 같은 압력을 유지할 수 있도록 고진공용 진공펌프를 구비하는 진공 시스템을 구비할 수 있다.
예시적으로, 상기 진공챔버는 진공펌프에 의해 고진공이 유지되는 진공공간을 형성한다. 이때 상기 진공펌프는 드라이 펌프, 확산펌프(diffusion pump), 터보 분자펌프(Turbo molecular pump), 이온펌프 (ion pump), 크라이오펌프 (cryopump), 로터리펌프 (rotary pump), 스크롤 또는 다이어프램 펌프등의 드라이 펌프 (dry pump) 로부터 선택되는 하나 이상을 포함하여 구비될 수 있다.
이때, 상기 제 2영역은 시료를 포함하는 영역으로서, 일반적으로 시료가 위치하는 시료실내부의 영역에 해당될 수 있으며, 상기 시료실은 도 2에서와 같이 별도의 저진공용 진공펌프에 의해 감압된 영역에 해당하는 독립적으로 폐쇄된 영역이 될 수도 있고, 또는 도 3에서와 같이 대기압 환경에서와 같이 외기와 동일한 압력하의 개방된 영역이 될 수도 있다.
한편, 본 발명에서 상기 제1 영역과 제2 영역의 압력차이는 100배 이상의 압력차이를 나타낼 수 있고, 바람직하게는 1000배 이상의 압력차이를 나타낼 수 있다.
또한 본 발명에서, 상기 어퍼처는 제1 영역과 제2 영역을 구분하는 경계부가 될 수 있다. 즉, 상기 어퍼처는 제1 영역인 진공챔버 내부영역과 시료를 포함하는 제2 영역 사이를 구분하며, 단면이 원형, 다각형, 타원 또는 임의의 형태를 가지는 구멍의 형태의 개구부로서, 상기 제1영역과 제2영역이 어퍼처를 통해 연통시키며, 서로 개방된 형태일 수 있고, 또는 시료영역인 제2 영역의 진공도에 따라 상기 개구부의 개구부분이 얇은 두께의 격막에 의해 밀봉된 형태를 가질 수 있다.
상기 어퍼처의 크기는 직경 3000 um 이하일 수 있고, 바람직하게는 2000 um이하일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1000 um이하일 수 있다.
따라서, 상기 진공챔버는 개구부를 가진 어퍼처에 의해 부분적으로 밀봉되거나 또는 격막을 포함하는 어퍼처에 의해 밀봉되어 진공챔버내 전자빔 소스로부터 방출되는 전자빔이 산란되지 않고 시료에 조사될 수 있도록 한다.
본 발명에서 상기 시료를 포함하는 시료실내의 압력이 10-3 mbar 이상의 압력 범위, 바람직하게는 10-2 mbar 이상의 압력 범위를 갖는 저진공인 경우에는 상기 어퍼처가 개구형태만으로 이루어지도록 서로 개방됨으로써, 시료영역인 제2영역의 대기가 상기 진공챔버내부의 제1 영역으로 자유롭게 유입될 수 있다.
상기 어퍼처가 개구형태로 개방된 경우에, 상기 제1 영역과 제2 영역에서의 압력은 압력의 측정지점에 따라 달라질 수 있는 바, 상기 각각의 영역의 압력측정의 기준이 되는 위치로서, 제1 영역은 전자빔 소스원 부근이 될 수 있고, 제2 영역은 시료스테이지 상의 시료부근이 될 수 있다.
한편, 상기 시료를 포함하는 제2 영역내의 압력이 대기압 환경인 경우에는 상기 어퍼처가 개구형태만으로 이루어지는 경우에는 상기 전자빔 소스를 포함하는 진공챔버내 제1 영역의 압력조절이 용이하지 않을 수 있고, 또한 전자빔 빔의 방출이 대기압내 존재하는 공기 입자들에 의해 산란되거나 방해받을 수 있어, 도 3에서와 같이 어퍼처가 얇은 두께의 격막에 의해 밀봉된 개구형태일 수 있다.
따라서, 상기와 같이 어퍼처가 격막에 의해 밀봉되는 경우에 상기 제1 영역은 제2 영역으로부터 격리될 수 있다.
이때 상기 격막의 두께는 전자빔이 투과할 수 있는 정도이면 두께에 제한되지 않으며, 구체적으로 10 nm 내지 3000 nm 일 수 있고, 바람직하게는 20 nm 내지 2000 nm 일 수 있고, 더욱 바람직하게는 20 nm 내지 500 nm 일 수 있다.
또한 상기 격막 재료로서는 질화 실리콘(SiN), 그래핀 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 복합층일 수 있다.
본 발명에서 상기 시료는 대물렌즈 아래의 시료실에 위치하게 된다. 이때 상기 시료실내 압력은 앞서 살펴본 바와 같이, 대기압 또는 저진공 압력하의 환경으로 유지되며, 상기 시료의 표면을 전자빔에 노출될 수 있게 할 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 시료는 시료 스테이지에 의해 지지될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 시료 스테이지는 관찰하려는 시료를 지지하며, 필요에 따라 시료를 미세하게 수평 이동할 수 있는 장치로서, 통상적으로 시료를 지지시킨 후 전자빔이 조사되는 위치로 이동시키고 시료 스테이지를 고정시킴으로써, 전자빔이 시료의 특정부분에 주사되도록 하는 기능을 가지나, 또한 추가적인 기능으로 전자빔의 조사방향을 고정시킨 후에 시료 스테이지를 미세하게 수평 이동시킴으로써 시료내 전자빔의 조사되는 영역의 미세 조절이 가능하도록 한다.
본 발명에서 전자빔의 조사방향을 고정시킨 후에 상기 시료를 미세하게 수평 이동할 수 있도록 하기 위해 상기 시료 스테이지는 압전 모터에 의해 구동될 수 있다.
즉, 본 발명에서의 시료 스테이지는 종래기술에서 사용되는 시료스테이지를 사용할 수 있으며, 또는 필요에 따라 압전 모터에 의해 구동되도록 하여 시료를 이동시킬 수 있다.
일반적으로 압전 모터(piezoelectric motor)는 압전 소자를 구비하여 이를 이용하여 고정자와 회전자의 마찰에 의해 구동력을 갖는 모터로서, 예시적으로 피에조일렉트릭 스테이지로 구성된 나노 조작기(nanomanipulator) 등이 사용될 수 있다.
즉, 상기 시료 스테이지는 피에조일렉트릭 스테이지로 구성된 나노 조작기(nanomanipulator)와 유사하게 x축 및 y축 방향으로 나노미터(nm) 또는 마이크로미터(um)의 단위로 움직임이 가능할 수 있고, 일예로서, 고정판 위에 설치된 x축 및 y축 스테이지 및 상기 각 스테이지에 설치되어 각 스테이지를 나노미터(nm) 또는 마이크로미터(um)의 단위로 이동시키는 압전 모터를 구비할 수 있다.
즉, x축 스테이지는 압전 모터에 의해 x축 방향으로 자유도를 가지며 이동되고, y축 스테이지는 압전 모터에 의해 y축 방향으로 자유도를 가지며 이동될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 시료 스테이지의 수평 이동가능한 범위는 1000 um 내지 5 nm의 범위일 수 있고, 바람직하게는 500 um 내지 10 nm일 수 있다.
종래기술에서 사용되는 주사전자현미경으로서 어퍼처를 가진 환경 주사전자현미경 또는 에어 주사전자현미경의 경우에, 일반적으로 시료를 지지하는 시료 스테이지는 상기 어퍼처의 0.1 내지 100 mm 아래에서, 바람직하게는 1 내지 30 mm 아래에서 시료를 지지하며, 지면에 평행인 x방향 및 y방향과 지면에 수직방향인 z방향으로 위치이동이 가능하도록 구비될 수 있다.
그러나, 종래 기술에서 사용되는, 어퍼처를 가진 주사전자현미경을 이용하여 시료에 전자빔을 조사하여 시료를 관찰하는 경우에, 전자빔 주사범위와 비교하였을 때 수평이동의 범위가 매우 큰 종래 기술에 따른 시료 스테이지를 이동하게 되면 시료 스테이지의 이동에 따른 시료의 이동 범위가 전자빔의 조사에 따른 시료의 관찰범위보다 매우 크게 될 수 있어, 전자빔 조사에 따른 관찰영역의 위치 파악이 어려울 수 있어, 관심영역을 찾기가 어렵게 된다.
따라서, 종래에서는 전자빔을 조사하기 전에 시료를 고정하고 편향기 등을 제어함으로써, 시료의 주사영역을 조절하는 방법이 사용되고 있었으나, 본 발명에서는 시료내 넓은 영역의 관측범위를 위해서 전자빔의 조사방향을 고정시키고 상기 압전 모터 등에 의해 구동되는 시료 스테이지를 이용하여 시료를 미세하게 이동시켜 전자빔의 조사에 의한 시료 표면의 정보를 획득하여 관심영역을 찾고, 분석을 요하는 관심영역에서의 미세 범위는 시료를 고정하고 전자빔의 조사 위치를 조절하여 시료 표면을 스캔하여 시료 정보를 획득할 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 시료스테이지는 최적화된 광학 이미지 또는 최적화된 전자 현미경 이미지를 얻을 수 있기 위해 수직방향으로 시료 스테이지의 이동이 가능할 수 있다.
일반적으로 어퍼처를 갖?? 전자 현미경에서의 전자현미경 이미지를 얻기 위해서는 시료와 어퍼처 사이의 거리가 광학 이미지를 얻을 때 보다 가깝도록 하는 경우가 많기 때문에, 본 발명에서는 시료의 광학 이미지를 얻은 후에 시료 스테이지를 사용하여 시료를 상방으로 이동시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 시료의 광학이미지를 얻기 위해 상기 주사전자현미경의 하부에 광학 이미지 검출장치를 구비할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 시료가 저진공의 환경에서 시료와 대물렌즈 사이에 거울이 구비되고, 시료 스테이지 하단에 광학렌즈(91)를 포함한 광학 이미지 검출장치(92)가 구비된 주사전자현미경을 도시한 그림이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 상기 시료가 대기압의 환경에서 시료와 대물렌즈 사이에 거울이 구비되고, 시료 스테이지 하단에 광학렌즈(91)를 포함한 광학 이미지 검출장치(92)가 구비된 주사전자현미경을 도시한 그림이다.
상기 도 4 및 도 5에서 도시된 바와 같이 본 발명의 주사전자현미경은 상기 대물렌즈와 시료의 사이에 시료의 이미지가 반사될 수 있는 거울(90)이 구비되고, 상기 거울의 하부방향으로 상기 거울에 의해 반사되는 시료의 광학 이미지를 얻기 위한 광학렌즈(91)를 포함한 이미지 검출 장치(92)를 구비할 수 있다.
여기서 상기 광학 이미지 검출 장치는 카메라 또는 이미지 센서가 가능하며, 이미지 센서로서 CCD 센서 또는 CMOS 센서가 사용될 수 있다.
상기 광학 이미지 검출 장치는 카메라 또는 이미지 센서가 가능하며, 시료의 표면을 촬영하기 위해 조명(미도시)이 구비 될 수 있다.
본 발명에서의 주사전자현미경은 대물렌즈 개구부 하단에 거울을 위치시키고, 시료 하단에 광학렌즈를 포함한 이미지 검출 장치(92)를 구비함으로써, 상기 어퍼처로 인해 전자빔이 조사되는 영역의 제한에 기인한 시료내 좁은 영역만의 표면정보를 획득하는 단점을 극복하여 시료의 관찰 영역을 넓혀, 시료내 광역 이미지를 얻을 수 있고 이를 통해 관심영역 또는 시료의 관찰하고자 하는 영역을 신속히 찾아낼 수 있는 장점이 있다.
이 경우에 상기 거울은 바람직하게는 어퍼처의 위치와 시료의 위치 사이에 구비될 수 있고, 상기 거울은 전자빔의 광축과 수직방향으로 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 거울이 전자빔의 광축과 수직방향으로 위치하는 경우에, 상기 거울이 광축을 기준으로 일정각도를 가짐으로써 경사지게 위치하는 경우보다 대물렌즈와 시료 사이에 거리 또는 어퍼처와 시료 사이의 거리를 좁힐 수 있는 장점이 있어 유리하다.
또한, 상기 주사전자현미경에서의 광축상에 어퍼처에 해당하는 면적부분은 전자빔의 진행을 방해하지 않도록 하여야 하므로, 상기 거울은 어퍼처에 해당하는 면적부분에는 구비되지 않도록 하거나 또는 구멍(hall)을 두어 전자빔의 진행을 방해하지 않도록 한다.
예시적으로 상기 거울은 어퍼처를 포함하는 주사전자현미경의 시료실내 별도의 플레이트가 구비되어 이에 결합되거나, 또는 주사전자현미경의 대물렌즈 하부면 등의 구성요소에 결합될 수 있다.
즉, 시료실내 별도의 플레이트가 구비되어 이에 결합되는 경우에는 전자빔이 투과가능한 구멍(hall)을 포함하는 별도의 플레이트를 대물렌즈 하부 또는 어퍼쳐 하부에 구비하고, 상기 플레이트의 하부에 거울이 구비될 수 있고, 이는 상기 어퍼처를 통과한 전자빔이 상기 플레이트내 구비된 구멍(hall)을 통과하도록 하며, 시료의 이미지는 시료실 내에 독립적으로 구비된 상기 별도의 플레이트의 하부에 구비된 거울의 반사면으로부터 얻어 질 수 있다.
또한, 대물렌즈 하부면 등에 결합되는 경우에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 대물렌즈와 일체화된 어퍼처를 가지는 대물렌즈 하단의 어퍼쳐 주변에 거울이 구비되어 거울의 하부방향으로 시료가 위치할 수 있도록 한다.
한편 본 발명에서의 또 다른 응용예로서 상기 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치가 시료의 직하부가 아닌 광축으부터 광축과 일정한 각도를 가지는 연장선상에 구비될 수 있다.
이에 관한 설명으로서, 도 6에서는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 시료가 저진공의 환경에서 시료와 대물렌즈 사이에 거울(90)이 구비되고, 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치가 시료의 직하부가 아닌 광축으로부터 일정한 각도를 가지는 연장선상에 구비된 주사전자현미경을 도시하였고, 이는 광학 이미지 검출장치가 광축으로부터 일정한 각도를 가지는 연장선상에 구비됨에 따라서 시료 및 시료 스테이지가 광학렌즈를 가리지 않음으로써, 시료를 보다 효과적으로 관찰할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서의 또다른 응용예로서, 본 발명은 상기 거울이 시료와 대물렌즈 또는 시료와 어퍼처 사이에 광축을 중심으로 광축의 어느 일방에 구비되고, 시료 스테이지가 광축에 대해 수직이 아닌 일정 각도를 가지고 기울어져 있으며, 또한 상기 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치가 시료의 직하부가 아닌 광축으로부터 일정한 각도를 가지는 연장선상에 구비된 주사전자현미경을 제공할 수 있다.
이에 관한 설명으로서, 도 7에서는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 시료가 저진공의 환경에서 시료와 대물렌즈 사이에 거울이 광축을 중심으로 우측에 구비되고, 시료 스테이지가 광축에 대해 수직이 아닌 일정 각도를 가지고 기울어져 있는 주사전자현미경을 도시하고 있다.
이 경우에, 상기 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치는 거울의 반사각에 따라 시료의 직하부가 아닌 광축으로부터 일정한 각도를 가지는 연장선상에 구비될 수 있으며, 이에 따라서 도 6에서의 주사전자현미경과 마찬가지로 시료 및 시료 스테이지가 광학렌즈를 가리지 않음으로써, 시료를 보다 효과적으로 관찰할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서의 상기 거울과 광학 이미지 검출장치를 구비하는 주사전자현미경을 통해 시료의 광학적 이미지를 우선적으로 용이하게 얻을 수 있고, 이를 바탕으로 시료내 관심영역을 신속하게 파악하여, 관심영역의 정밀한 이미지를 전자빔 조사를 통해 획득할 수 있다.
한편, 본 발명의 진공챔버는 외부에서 접근가능한 적어도 하나의 커넥터를 포함할 수 있다. 상기 커넥터는 진공챔버와 외부환경과의 전기적 연결을 위한 연결부로서, 진공 챔버내 전자빔 소스 및 집속렌즈군으로의 전원 및 제어신호 공급 (ⅱ) 진공 챔버내 추가적인 편향기가 구비된 경우에 이의 제어 신호 및 전원 공급 및 (iii) 상기 (i) 및 (ii)에서의 전자빔 소스, 집속렌즈군 및 편향기의 이상 유무에 관한 정보를 제공할 수 있는 검출기의 전원공급 및 제어 등을 용이하게 할 수 있다.
또한 본 발명의 주사전자현미경은 그 응용분야에 따라 다양한 추가적 구성요소들을 구비할 수 있다. 예컨대, 환경 주사형 전자 현미경으로 이용되는 경우에, 시료의 표면에서 방사되는 여러 신호들, 즉 저에너지 이차 전자 신호, 고 에너지 후방산란 전자 신호, 작은 각도의 반사 전자신호, 및 큰 각도의 반사 전자 신호를 분리하는 역할을 하는 적당한 기하학적 형태의 전자 검출기를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 검출기는 시료의 표면의 형태를 나타내주는 디스플레이 장치 등의 표시장치에 연결되어 최종적으로 이미지로 정보가 표시된다.
또한 본 발명의 주사전자현미경은 상기 전자빔 소스내 전자빔의 방출강도와 방출시기 등을 조절하며, 집속렌즈군 및 편향기의 제어, 시료 스테이지의 위치조절 등을 위한 제어부를 추가적으로 구비할 수 있다.
이때, 상기 전자빔 소스를 포함하는 진공챔버의 진공도와 시료실내의 진공도를 조절하기 위한 컨트롤러가 각각 개별적으로, 또는 통합하여 상기 제어부에 포함될 수 있고, 이에 의해 각각의 영역의 압력이 각각 제어될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 주사전자현미경을 이용하여 시료를 관찰하는 방법을 제공한다.
보다 구체적으로 이는, 상기 전자빔 소스; 중간 집속렌즈, 및 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군; 상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 어퍼처를 구비하는 진공챔버; 편향기; 및 시료 스테이지;를 포함하며, 상기 주사전자현미경은 진공챔버 내부의 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 상대적으로 높은 압력을 가지며 상기 시료를 포함하는 제2 영역으로 구분되고, 상기 대물렌즈와 시료의 사이에 시료의 이미지가 반사될 수 있는 거울이 구비되고, 상기 거울의 하부방향으로 상기 거울에 의해 반사되는 시료의 광학 이미지를 얻기 위해 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출 장치를 구비하는 주사전자 현미경을 이용하여 시료를 관찰하는 방법으로서, a) 상기 진공챔버;의 내부영역인 제1 영역의 압력이 상기 시료를 포함하는 제2 영역의 압력보다 상대적으로 낮은 압력을 가지도록 각각의 영역의 압력을 설정하여 유지하는 단계; b) 상기 광학 이미지 검출 장치를 이용하여 넓은 영역의 시료 표면 정보를 획득하는 단계; 및 c) 상기 획득된 넓은 영역의 시료 표면정보를 바탕으로 원하고자 하는 좁은 영역의 시료의 표면 정보를 얻기 위해, 상기 하나 이상의 편향기를 제어하여 시료내 전자빔 빔의 조사 방향을 조절함으로써, 좁은 영역의 시료 표면 정보를 획득하는 단계;를 포함한다.
이는 앞서 기재된 본 발명의 상기 주사전자현미경을 이용하되, 우선적으로 넓은 영역의 시료 표면 정보를 획득하기 위해, 상기 거울과 광학 이미지 검출 장치를 이용하여 보다 신속하고 용이하게 넓은 영역의 시료 표면 정보를 광학 이미지로서 획득하는 단계를 포함한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치를 이용하여 시료와 대물렌즈 사이에 위치한 거울의 반사면을 통해 시료의 표면을 촬영한 이미지를 도시한 그림으로서, 이를 통해 시료 표면의 관심영역을 찾거나 또는 넓은 영역의 시료 부위에 특정한 부위를 선택할 수 있도록 한다.
이를 위해 도 8에서는 최적의 이미지를 얻기 위해 시료 스테이지를 이동함으로써, 상기 거울과 시료 사이의 거리를 적절히 조절할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치를 이용하여 시료와 대물렌즈 사이에 위치한 거울의 반사면을 통해 시료내 넓은 영역의 표면을 촬영한 이미지를 바탕으로, 관심영역을 더 미세하게 측정하기 위하여 시료의 위치를 대물렌즈의 초점거리로 이동하여 시료를 고정시키고, 전자빔을 편향기를 이용하여 좁은 영역을 스캔하여 미소영역에서의 시료 표면정보를 획득한 이미지를 도시한 그림이다.
상기 도 9의 좌측에 도시된 바와 같이 시료의 광학이미지를 얻은 후 전자빔 조사에 따른 전자현미경 이미지를 얻기 위해 시료를 대물렌즈 방향으로 이동하여 편향기를 제어하여 시료내 전자빔 빔의 조사 방향을 조절함으로써, 우측 하단에 도시된 광학이미지로부터의 관심영역에 대한 미세 영역의 전자 현미경 이미지를 정밀하게 얻을 수 있다.
한편, 본 발명은 b) 상기 광학 이미지 검출 장치를 이용하여 넓은 영역의 시료 표면 정보를 획득하는 단계; 이전에 또는 이후에 상기 전자빔을 시료방향으로 고정시켜 조사하고 상기 시료 스테이지의 이동을 통해 시료를 이동시킴으로써, 전자빔에 의한 넓은 영역의 시료 표면 정보를 획득하는 단계;가 추가할 수 있다.
이는 전자빔을 고정시키고 시료에 전자빔을 조사하되, 상기 시료스테이지의 미세 이동을 통해 시료의 넓은 영역의 전자현미경 이미지를 얻는 것으로서, 이는 통상적으로 사용되는 전자현미경의 이미지 획득방법에 해당하는 편향기의 제어를 통한 전자빔의 경로를 바꾸어 이미지를 얻는 방법 보다는 공간 분해능은 떨어지지만 보다 신속하고 용이하게 전자현미경에 의한 넓은 영역의 시료 표면 정보를 획득할 수 있어, 이를 바탕으로 시료내 관심영역의 위치를 용이하게 파악할 수 있고, 이후 과정으로서 시료의 넓은 영역의 광학 이미지를 얻거나, 또는 시료의 관심영역(좁은 영역)의 시료 표면 전자현미경 이미지를 신속하고 용이하게 획득할 수 있는 장점을 가진다.
이 경우에 본 발명의 주사전자현미경은 전자빔의 주사방향을 고정하고 상기 시료 스테이지의 이동을 통해 얻어낸 시료의 전자현미경 이미지와 상기 광학적 이미지를 서로 비교하거나 중첩함으로써, 보다 신속하게 시료의 넓은 영역의 이미지를 얻을 수 있고, 이를 통해 보다 효과적으로 관심영역을 찾아낼 수 있는 장점이 있다.
이상 본 발명의 구성을 세부적으로 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 전자빔 소스 20 : 집속렌즈군
22 : 중간 집속렌즈 24 : 대물렌즈
30 : 진공챔버 35 : 어퍼처
37 : 어퍼처 내 격막 40 : 편향기
50 : 시료 스테이지 55 : 시료
60 : 광축 90 : 거울
91 : 광학 렌즈 92 : 광학 검출기
100 : 2차전자 검출기

Claims (14)

  1. 전자빔을 방출하는 전자빔 소스;
    상기 전자빔 소스쪽에 구비되며, 상기 전자빔을 집속하여 주는 하나이상의 중간 집속렌즈, 및 최종 집속렌즈로서 시료쪽에 구비되며, 시료위에 집속되는 전자빔 스폿을 형성시키는 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군;
    상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버;
    상기 전자빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 하나 이상의 편향기; 및
    관찰하려는 시료를 지지하는 시료 스테이지;를 포함하는 주사전자현미경으로서,
    상기 주사전자현미경은 진공챔버 내부의 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 상대적으로 높은 압력을 가지며 상기 시료를 포함하는 제2 영역으로 구분되고,
    상기 대물렌즈와 시료의 사이에 시료의 이미지가 반사될 수 있는 거울이 구비되고, 상기 거울의 하부방향으로 상기 거울에 의해 반사되는 시료의 광학 이미지를 얻기 위해 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사전자 현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어퍼처의 크기는 직경 3000 um 이하인 인 것을 특징으로 하는 주사전자현미경.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 어퍼처는 구멍의 형태의 개구부로서, 상기 제1영역과 제2영역이 상기 어퍼처를 통해 서로 개방된 것을 특징으로 하는 주사전자현미경.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 어퍼처는 전자빔이 투과할 수 있는 두께 2000 nm 이하의 격막으로 형성되어 상기 제1 영역을 제2 영역으로부터 격리되는 것을 특징으로 하는 주사전자현미경.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔은 대물렌즈의 중심을 통과함으로써, 수차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 주사전자현미경.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역과 제2 영역의 압력차이는 100배 이상의 압력차이를 나타내는 것을 특징으로 하는 주사전자현미경.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주사전자현미경은 전자빔이 투과가능한 구멍(hall)을 포함하는 별도의 플레이트를 대물렌즈 하부에 구비하고, 상기 플레이트의 하부에 거울이 구비되는 것을 특징으로 하는 주사전자현미경.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 주사전자현미경은 대물렌즈와 일체화된 어퍼처를 가지며, 상기 어퍼쳐와 일체화된 대물렌즈 하단의 어퍼쳐 주변에 거울이 구비된 것을 특징으로 하는 주사전자 현미경.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 거울은 전자빔의 광축과 수직방향으로 위치한 것을 특징으로 하는 주사전자 현미경.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치가 시료의 직하부가 아닌 광축으로부터 일정한 각도를 가지는 연장선상에 구비된 것을 특징으로 하는 주사전자 현미경.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 시료와 대물렌즈 사이에 거울이 광축을 중심으로 어느 일방에 구비되고, 시료 스테이지가 광축에 대해 수직이 아닌 일정 각도를 가지고 기울어져 있고, 또한 상기 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출장치가 시료의 직하부가 아닌 광축으로부터 일정한 각도를 가지는 연장선상에 구비된 것을 특징으로 하는 주사전자 현미경.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 주사전자현미경을 이용하여 시료를 관찰하는 방법.
  13. 전자빔을 방출하는 전자빔 소스;
    상기 전자빔 소스쪽에 구비되며, 상기 전자빔을 집속하여 주는 하나이상의 중간 집속렌즈, 및 최종 집속렌즈로서 시료쪽에 구비되며, 시료위에 집속되는 전자빔 스폿을 형성시키는 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈군;
    상기 전자빔 소스 및 집속렌즈군을 내부에 구비하며, 상기 전자빔 소스로부터 방출된 전자빔이 대물렌즈를 거쳐 시료에 조사되는 통로인 어퍼처를 구비하는 진공챔버;
    상기 전자빔의 조사 방향을 제어하여 바꾸어 주는 하나 이상의 편향기; 및
    관찰하려는 시료를 지지하는 시료 스테이지;를 포함하며,
    상기 주사전자현미경은 진공챔버 내부의 제1 영역과, 상기 제1 영역보다 상대적으로 높은 압력을 가지며 상기 시료를 포함하는 제2 영역으로 구분되고,
    상기 대물렌즈와 시료의 사이에 시료의 이미지가 반사될 수 있는 거울이 구비되고, 상기 거울의 하부방향으로 상기 거울에 의해 반사되는 시료의 광학 이미지를 얻기 위해 광학렌즈를 포함한 광학 이미지 검출 장치를 구비하는 주사전자 현미경을 이용하여 시료를 관찰하는 방법으로서,
    a) 상기 진공챔버;의 내부영역인 제1 영역의 압력이 상기 시료를 포함하는 제2 영역의 압력보다 상대적으로 낮은 압력을 가지도록 각각의 영역의 압력을 설정하여 유지하는 단계;
    b) 상기 광학 이미지 검출 장치를 이용하여 넓은 영역의 시료 표면 정보를 획득하는 단계; 및
    c) 상기 획득된 넓은 영역의 시료 표면정보를 바탕으로 원하고자 하는 좁은 영역의 시료의 표면 정보를 얻기 위해, 상기 하나 이상의 편향기를 제어하여 시료내 전자빔 빔의 조사 방향을 조절함으로써, 좁은 영역의 시료 표면 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 주사전자현미경을 이용하여 시료를 관찰하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 b) 단계 이전 또는 이후에 상기 전자빔을 시료방향으로 고정시켜 조사하고 상기 시료 스테이지의 이동을 통해 시료를 이동시킴으로써, 전자빔에 의한 넓은 영역의 시료 표면 정보를 획득하는 단계; 가 추가되는 것을 특징으로 하는, 주사전자현미경을 이용하여 시료를 관찰하는 방법.
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