KR20200057323A - 전자빔 자동정렬구조가 구비된 전자현미경 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필라멘트 모듈의 교체 시 별도의 조정 작업을 거치지 않아도 전자빔을 발생시키는 필라멘트 팁과 기준 광축이 자동으로 정렬될 수 있도록 한 전자빔 자동정렬구조가 적용된 전자현미경에 관한 것이다.

Description

전자빔 자동정렬구조가 구비된 전자현미경{Electron microscope with automatic beam alignment}
본 발명은 전자현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필라멘트 모듈의 교체 시 전자빔을 발생시키는 필라멘트 팁과 기준 광축이 자동으로 정렬될 수 있도록 한 전자빔 자동정렬구조가 적용된 전자현미경에 관한 것이다.
일반적으로, 주사전자현미경(이하 '전자현미경'이라 약칭함)은 진공챔버 내에 측정대상시료를 위치시킨 후, 경통 속에 위치하는 전자총에서 발생되는 전자빔을 상기 시료에 주사하는 과정을 통해 시료에 대한 정보를 얻게 된다.
즉 상기 전자현미경은 필라멘트를 통해 주사되는 전자빔이 시료 표면에 충돌하면서 발생하게 되는 전자신호를 검출해주게 되고, 상기 검출된 전자신호를 영상으로 표시하거나 기록매체에 기록해주는 일련의 과정을 통해 시료에 대한 정보를 얻을 수 있다.
이 경우 상기 전자총은 고진공 상태의 진공챔버 내에서 필라멘트에 전류를 흘려줌과 아울러, 대략 1 ~ 30kV 수준의 높은 전압으로 가속시키는 방법이 사용되어 왔다. 상기와 같은 전자총은 필라멘트가 시간이 지나면서 소모가 됨에 따라, 소모된 필라멘트를 주기적으로 교체해야 한다. 그리고 필라멘트를 교체한 후에는 전자빔을 발생시키는 필라멘트의 끝단(이하 '필라멘트 팁'이라 함)과 기준 광축을 정렬시키는 전자빔 정렬과정을 거쳐야 한다.
참고로, 상기 '기준 광축'이란 진공챔버에 위치된 시료를 최상의 조건으로 관찰할 수 있도록 전자총에서 발생되는 전자빔이 상기 시료에 주사되는 지점을 정확하게 세팅할 수 있도록 한 일종의 기준이 되는 축을 말한다.
이와 같이 전자총의 부품을 교체한 후의 전자빔 정렬과정에 대하여 종래 대한민국 공개특허 제10-2002-0039023호(공개일: 2002.05.25) 등으로 선 출원된 바 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 전자현미경은 측정대상시료가 위치되는 진공챔버(1)와, 상기 진공챔버(1)의 상부에 절연패널(3)을 사이에 두고 결합되며 측정대상시료를 향해 전자빔을 발생시키는 전자총(5)을 포함한다. 전자총(5)에는 전자빔을 발생시키는 필라멘트 모듈(10)이 구비된다.
이 경우 상기 필라멘트 모듈(10)은 전극(13)이 구비되는 텅스텐 재질의 필라멘트(11)와, 진공 내에서 고전압으로 인한 방전을 방지해줄 수 있도록 상기 필라멘트(11)를 감싸도록 결합되는 웨넬트(Wehnelt) 어셈블리(20)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 웨넬트 어셈블리(20)는 절연패널(3)의 저면에 결합되는 고정마운트(21)와, 상기 필라멘트(11)를 감싸도록 고정마운트(21)의 안착홈(21a)에 안착되는 웨넬트 캡(23)과, 상기 웨넬트 캡(23)을 고정마운트(21)에 고정해주는 고정너트(25)를 포함할 수 있다.
또한 상기 필라멘트 모듈(10)이 설치되는 절연패널(3)의 관통공(3a)에는 전자총(5)에 전원을 공급해주는 전원공급부(7)의 배선(7a)이 진공챔버(1) 내의 필라멘트 모듈(10)에 연결될 수 있도록 기밀을 유지해주는 피드스루(Feed through)핀(30)이 구비된다.
즉 상기 배선(7a)(도 1 참조)은 전자총(5) 본체 내부의 대기압 상태에 위치되고, 상기 필라멘트 모듈(10)은 진공 상태인 진공챔버(1) 내에 위치됨에 따라, 상기 배선(7a)과 필라멘트 모듈(10)이 연결되는 경계인 절연패널(3)의 관통공(3a)에 피드스루핀(30)이 구비된다. 이에 따라 대기압과 진공 사이의 기밀을 용이하게 유지해줄 수 있다.
이러한 구성의 필라멘트 모듈(10)은 기준 광축(S)을 중심으로 사방으로 균일한 밀도의 전자빔을 발생시킬 수 있도록 상기 필라멘트 모듈(10)의 교체 결합 시 웨넬트 캡(23)의 중심을 필라멘트 팁(11a)과 정렬시켜야 한다.
즉 상기 전자총(5)은 필라멘트 팁(11a)이 실질적인 전자빔 발생원이 되므로, 상기 필라멘트 팁(11a)을 기준 광축(S)에 일치시키는 조정 작업이 필요하다.
다시 말해, 상기 필라멘트(11)는 전극(13)에 텅스텐 재질의 와이어가 꺾어지게 구부러진 상태로 용접되는 것으로, 상기 필라멘트(11)가 매번 동일한 형태로 용접되지 않는다. 따라서, 필라멘트 모듈(10)의 교체 시에는 필라멘트 팁(11a)을 기준 광축(S)에 일치시키는 조정 작업이 반드시 필요하다.
특히, 종래의 전자총(5)은 상기 피드스루핀(30)이 고정형으로 형성된다. 따라서 상기 피드스루핀(30)의 하부 끝단에 필라멘트 팁(11a)이 정렬되지 않은 필라멘트(11)의 전극(13)을 끼움 조립하는 경우, 필라멘트 팁(11a)과 기준 광축(S) 사이에 조립 오차가 발생할 수밖에 없다.
이러한 조립 오차를 감안하여 종래에는 상기 웨넬트 캡(23)이 안착되는 고정마운트(21)의 안착홈(21a) 내에 소정의 여유간극(t)을 형성하였으며, 이에 따라 필라멘트 모듈(10)을 장착하는 것이 가능하도록 하였다.
아울러 상기 장착된 필라멘트 모듈(10)의 필라멘트 팁(11a)과 기준 광축(S)을 일치시킬 수 있도록 상기 전자총(5)의 본체 외둘레에 구비된 복수의 조정볼트(40)를 이용하여 조정 작업을 실시하였다.
그러나 상기 조정볼트(40)를 이용한 조정 작업은 필라멘트 모듈(10)의 교체 시 마다 전자현미경의 사용자가 일일이 수행해야 함에 따라 번거로운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 필라멘트 모듈의 교체 시 별도의 조정 작업을 거치지 않아도 전자빔을 발생시키는 필라멘트 팁과 기준 광축이 자동으로 정렬될 수 있도록 한 전자빔 자동정렬구조가 적용된 전자현미경을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명은, 측정대상시료가 위치될 수 있도록 내부에 수납공간이 마련되는 진공챔버; 및 상기 진공챔버의 상부에 절연패널을 사이에 두고 결합되며, 전원공급부로부터 전원을 인가받아 상기 측정대상시료를 향해 전자빔을 발생시키는 필라멘트 모듈이 구비되는 전자총;을 포함하되,
상기 필라멘트 모듈은, 상기 절연패널의 관통공에 결합 시 조립 오차의 발생을 방지할 수 있도록 상기 관통공 내에 삽입되는 플렉시블 와이어;를 매개로 상기 전원공급부와 연결되는 것을 포함하여, 상기 필라멘트 모듈을 통해 발생되는 전자빔과 기설정된 기준 광축이 자동 정렬될 수 있도록 한 것인 전자현미경을 제공한다.
이상과 같은 구성에 따른 본 발명은, 전원공급부의 배선과 필라멘트 모듈의 전극이 연결되는 부분을 플렉시블 와이어를 이용하여 조립해줌으로써 필라멘트 모듈의 교체 시 조립 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 전자빔을 발생시키는 필라멘트 팁과 기설정된 기준 광축이 자동으로 정렬될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 전자현미경을 보여주는 측단면도,
도 2는 도 1의 'A' 부분 상세도,
도 3은 본 발명에 따른 전자빔 자동정렬구조가 구비된 전자현미경을 보여주는 측단면도,
도 4는 본 발명에 따른 필라멘트 모듈의 부분상세도,
도 5는 본 발명에 따른 필라멘트 모듈의 조립구조를 보여주는 분해도,
도 6의 (a), (b)는 본 발명에 따른 웨넬트 캡의 중심을 필라멘트 팁과 정렬시키는 과정을 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 플렉시블 와이어의 구조를 보여주는 측단면도,
도 8은 본 발명에 따른 절연패널의 관통공 부위에 구비된 덮개를 보여주는 평면도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 자동정렬구조가 구비된 전자현미경을 보여주는 측단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 필라멘트 모듈의 조립구조를 보여주는 상세도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전자빔 자동정렬구조가 구비된 전자현미경은, 진공챔버(100)와, 전자빔을 발생시켜주는 필라멘트 모듈(210)이 구비된 전자총(200)을 포함한다.
이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 진공챔버(100)는 측정대상시료(미도시)가 위치될 수 있도록 내부에 수납공간이 마련된다. 이러한 진공챔버(100)는 수납공간 내에 측정대상시료를 위치시킬 수 있도록 적어도 일면에 개폐 도어(미도시)가 구비될 수 있다.
이러한 진공챔버(100)는 기존 전자현미경에 적용되는 통상적인 구조임에 따라 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
전자총(200)은 외부의 전원공급부(300)로부터 전원을 인가받아 상기 진공챔버(100) 내에 위치된 측정대상시료를 향해 전자빔을 발생시켜주는 것으로, 이러한 전자총(200)은 전자빔을 발생시키는 필라멘트 모듈(210)이 구비된다.
이 경우 상기 전자총(200)은 진공챔버(100)의 상부에 절연패널(110)을 사이에 두고 결합되되, 상기 필라멘트 모듈(210)은 진공챔버(100)의 수납공간 내에 배치된다.
도 4를 참조하면, 상기 필라멘트 모듈(210)은 절연패널(110)의 관통공(111)에 결합 시 조립 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있도록, 상기 관통공(111) 내에 삽입되는 플렉시블 와이어(230)를 매개로 상기 전원공급부(300)의 배선(310)과 연결된다. 이에 따라 상기 필라멘트 모듈(210)을 통해 발생되는 전자빔과 기설정된 기준 광축(S)이 자동 정렬될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 상기 필라멘트 모듈(210)은 절연패널(110)의 관통공(111)에 설치된 플렉시블 와이어(230)와 연결될 수 있도록 복수의 전극(213)이 구비되는 필라멘트(211)와, 상기 필라멘트(211)를 감싸도록 고정되며 수직방향으로 필라멘트 팁(211a)과 중심이 일치하도록 배치되는 웨넬트 어셈블리(220)를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 웨넬트 어셈블리(220)는, 절연패널(110)의 저면에 결합되며 전극(213)이 구비된 필라멘트(211)가 안착될 수 있도록 안착홈(221a)이 구비되는 고정마운트(221)와, 상기 안착된 필라멘트(211)를 감싸도록 고정마운트(221)의 안착홈(221a)에 끼움 결합되는 웨넬트 캡(223)과, 상기 웨넬트 캡(223)의 테두리를 감싸줌과 아울러 고정마운트(221)의 외둘레에 나사 결합되어 상기 웨넬트 캡(223)을 고정해주는 고정너트(225)를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 웨넬트 캡(223)은 그 내부에 위치하게 되는 필라멘트(211)의 위치를 이동 정렬시킨 후 볼트 등의 고정부재(223a)를 이용하여 정렬된 위치를 고정해줄 수 있다.
즉 상기 필라멘트 모듈(210)을 구성하는 필라멘트 팁(211a)과 웨넬트 캡(223)의 중심이 어긋나게 형성될 수 있으며(도 6의 (a) 참조), 이 경우 상기 고정부재(223a)를 이용하여 필라멘트(211)의 위치를 조정해줌으로써 웨널트 캡(223)의 중심과 필라멘트 팁(11a)이 일치되도록 정렬하는 것이 가능하다(도 6의 (b) 참조).
다시 도 5를 참조하면, 상기 웨넬트 캡(223)은 안착홈(221a)과의 사이에 틈새가 발생하지 않는 끼워 맞춤으로 결합될 수 있다.
즉 상기 웨넬트 캡(223)은 안착홈(221a) 내에서 유동되지 않고 정확한 조립위치를 유지해줄 수 있다.
다시 말해, 상기 필라멘트 모듈(210)은 전자빔과 기준 광축(S)이 일치하도록 사전에 정렬된 상태로, 상기 필라멘트 모듈(210)의 교체 시 정해진 조립 위치에 정확하게 결합할 수 있다. 따라서 별다른 조정 작업을 거치지 않고도 상기 필라멘트 모듈(210)을 교체 조립하는 작업만으로 전자빔과 기준 광축(S)을 일치시키는 것이 가능하다.
도 7을 참조하면, 상기 플렉시블 와이어(230)는 관통공(111)에 결합된 전극하우징(231) 내에 설치될 수 있다.
구체적으로, 상기 전극하우징(231)은 절연패널(110)의 관통공(111) 내경과 대응되는 외경으로 형성되며 일측이 개구된 내부공간이 마련된다.
아울러 상기 전극하우징(231)의 내부공간 타측에는 전원공급부(300)의 배선(310)과 연결되는 플렉시블 와이어(230)의 일단이 납땜 등을 통해 고정될 수 있도록 전도성 디스크(233)가 구비될 수 있다.
그리고 상기 플렉시블 와이어(230)의 타단에는 필라멘트(211)의 전극(213)이 끼움 결합되는 소켓(235)이 구비될 수 있다. 이 경우 상기 소켓(235)은 전극하우징(231) 내에서 사방으로 유동될 수 있도록 소켓(235)의 외경이 전극하우징(231)의 내경에 비해 작게 형성될 수 있다.
즉 상기 플렉시블 와이어(230)가 고정형이 아닌 연성으로 유동 가능하게 설치됨에 따라, 상기 플렉시블 와이어(230)에 필라멘트 모듈(210)을 끼움 결합하는 경우 조립 오차의 발생을 방지할 수 있다.
다시 말해 상기 필라멘트 팁(211a)의 위치가 조정된 웨넬트 캡(223)(도 6 참조)을 고정마운트(221)의 안착홈(221a)에 결합하는 경우, 끼움공(221b)을 통해 플렉시블 와이어(230)와 연결되는 필라멘트(211) 전극(213)의 조립위치가 변경될 수 있다. 이때, 상기 플렉시블 와이어(230)가 유동 가능함에 따라 상기 필라멘트(211)의 조립 오차를 자동으로 보정해줄 수 있다.
한편, 상기 절연패널(110)의 상부에는 전원공급부(300)의 배선(310)과 플렉시블 와이어(230)가 연결되는 관통공(111) 부위의 틈새를 막아 기밀을 유지해주는 덮개(240)(도 5 참조)가 구비된다. 덮개(240)는 합성수지 재질이나, 또는 PCB 기판 등으로 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 덮개(240)는 복수의 배선(310)이 끼움 결합될 수 있도록 삽입공(241)이 대응되게 형성된다. 그리고 상기 배선(310)이 끼움 결합된 삽입공(241)의 사이 틈새는 납땜부(243)를 통해 기밀을 유지해줄 수 있다.
아울러 상기 덮개(240)와 절연패널(110)의 접촉면 사이에는 기밀 성능을 향상시킬 수 있도록 가스켓(245)(도 5 참조)이 개재될 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 전자빔 자동정렬구조가 구비된 전자현미경은, 전원공급부(300)의 배선(310)과 필라멘트 모듈(210)의 전극(213)이 연결되는 부분을 플렉시블 와이어(230)를 이용하여 조립해줌으로써 필라멘트 모듈(210)의 교체 시 조립 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라 별도의 조정 작업을 거치지 않아도 전자빔을 발생시키는 필라멘트 팁(211a)과 기설정된 기준 광축(S)이 자동으로 정렬되는 것이 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.
100 : 진공챔버 110 : 절연패널
111 : 관통공 200 : 전자총
210 : 필라멘트 모듈 211 : 필라멘트
211a : 필라멘트 팁 213 : 전극
220 : 웨넬트 어셈블리 221 : 고정마운트
221a : 안착홈 221b : 끼움공
223 : 웨넬트 캡 225 : 고정너트
230 : 플렉시블 와이어 231 : 전극하우징
233 : 전도성 디스크 235 : 소켓
240 : 덮개 241 : 삽입공
243 : 납땜부 245 : 가스켓
300 : 전원공급부 310 : 배선

Claims (8)

  1. 측정대상시료가 위치될 수 있도록 내부에 수납공간이 마련되는 진공챔버(100); 및
    상기 진공챔버(100)의 상부에 절연패널(110)을 사이에 두고 결합되며, 전원공급부(300)로부터 전원을 인가받아 상기 측정대상시료를 향해 전자빔을 발생시키는 필라멘트 모듈(210)이 구비되는 전자총(200);을 포함하되,
    상기 필라멘트 모듈(210)은,
    상기 절연패널(110)의 관통공(111)에 결합 시 조립 오차의 발생을 방지할 수 있도록 상기 관통공(111) 내에 삽입되는 플렉시블 와이어(230);를 매개로 상기 전원공급부(300)와 연결되는 것을 포함하여,
    상기 필라멘트 모듈(210)을 통해 발생되는 전자빔과 기설정된 기준 광축(S)이 자동 정렬될 수 있도록 한 것인 전자현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플렉시블 와이어(230)는,
    상기 절연패널(110)의 관통공(111) 내경과 대응되는 외경으로 형성되며, 일측이 개구된 내부공간이 마련되는 전극하우징(231); 내에 삽입 설치되고,
    상기 전극하우징(231)의 내부공간 타측에는,
    상기 전원공급부(300)와 연결되는 상기 플렉시블 와이어(230)의 일단이 전기적으로 연결 고정될 수 있도록 전도성 디스크(233);가 구비된 것을 포함하는 전자현미경.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플렉시블 와이어(230)의 타단에는,
    상기 필라멘트(211)의 전극(213)이 끼움 결합되는 소켓(235);이 구비된 것을 더 포함하는 전자현미경.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필라멘트 모듈(210)은,
    상기 진공챔버(100) 내에 배치되며, 상기 절연패널(110)의 관통공(111)에 설치된 플렉시블 와이어(230)와 연결될 수 있도록 복수의 전극(213)이 구비되는 필라멘트(211); 및
    상기 필라멘트(211)를 감싸도록 고정되며, 수직방향으로 필라멘트 팁(211a)과 중심이 일치하도록 배치되는 웨넬트 어셈블리(220);를 포함하는 전자현미경.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 웨넬트 어셈블리(220)는,
    상기 절연패널(110)의 저면에 결합되며, 상기 필라멘트(211)가 안착될 수 있도록 안착홈(221a)이 구비되는 고정마운트(221);
    상기 안착된 필라멘트(211)를 감싸도록 상기 고정마운트(221)의 안착홈(221a)에 끼움 결합되는 웨넬트 캡(223); 및
    상기 웨넬트 캡(223)의 테두리를 감싸줌과 아울러 상기 고정마운트(221)의 외둘레에 나사 결합되어 상기 웨넬트 캡(223)을 고정해주는 고정너트(225);를 포함하는 전자현미경.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 웨넬트 캡(223)은,
    상기 안착홈(221a)과의 사이에 틈새가 발생하지 않는 끼워 맞춤으로 결합되는 것인 전자현미경.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연패널(110)의 상부에는,
    상기 전원공급부(300)의 배선(310)과 플렉시블 와이어(230)가 전기적으로 연결되는 관통공(111) 부위의 틈새를 막아 기밀을 유지해주는 덮개(240);를 더 포함하는 전자현미경.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 덮개(240)는,
    상기 절연패널(110)과의 접촉면 사이에 개재되는 가스켓(245);을 더 포함하는 전자현미경.
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