KR20200082301A - 시료 관찰 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 시료를 지지할 수 있는 지지부와 마주보도록 배치되고, 지지부를 향하는 일측이 개구된 컬럼부, 컬럼부의 내부에 설치되는 하전 입자 발생부, 및 컬럼부의 개구와 결합되고, 하전 입자 및 2차 입자를 통과시킬 수 있는 어퍼처를 구비하는 커버부를 포함하는 시료 관찰 장치, 및 이를 이용한 시료 관찰 방법으로서, 하전 입자를 이용하여 대기압 중의 시료를 관찰할 때, 하전 입자 및 2차 입자의 손실을 줄여서 시료 이미지의 해상력을 높일 수 있는 시료 관찰 장치 및 방법이 제시된다.

Description

시료 관찰 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR OBSERVING SPECIMEN}
본 발명은 시료 관찰 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입자의 손실을 줄여서 시료 이미지의 해상력을 높일 수 있는 시료 관찰 장치 및 방법에 관한 것이다.
주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 및 집속이온빔장치(Focused Ion Beam Apparatus)는 시료의 이미지 생성 및 성분 분석 등에 사용되는 장치이다. 상술한 장치들(이하, 관찰 장치라고 한다)은 표시장치, 태양전지 및 반도체칩 등의 제조 분야에서 시료를 검사하는 공정에 다양하게 사용된다.
관찰 장치로 대기압 중의 시료를 관찰할 때, 시료에 하전 입자를 주사하고, 하전 입자에 의하여 시료로부터 방출되는 2차 입자를 수집하여 시료의 이미지를 구성한다.
이하의 특허문헌 1은 대기압 중의 시료를 관찰하는 관찰 장치를 게시한다.
관찰 장치는 내부가 진공으로 제어되는 컬럼부을 구비한다. 컬럼부는 내부에 전자빔 발생수단 및 반도체 디텍터가 설치되고, 하부에 얇은 두께의 나이트라이드 막이 장착된다.
시료가 대기압 중에 마련되면, 전자빔 발생수단에서 방출된 전자빔이 나이트라이드 막을 투과하여 시료에 입사되고, 전자빔이 시료에 충돌한 후 시료에서 방출되는 2차 전자가 나이트라이드 막을 투과하여 반도체 디텍터에 수집된다.
이처럼 전자빔 발생수단 및 반도체 디텍터는 나이트라이드 막을 통하여 대기압 중의 시료와 전자빔 및 2차 전자를 주고 받는다. 이때, 나이트라이드 막은 저항 역할을 한다. 즉, 나이트라이드 막을 투과하는 전자빔 및 2차 전자는 적어도 일부가 나이트라이드 막을 지나가면서 산란되어 손실된다.
따라서, 시료 이미지를 생성함에 있어, 해상력이 높은 고품질의 이미지를 생성하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 특허문헌에 게재되어 있다.
KR 10-2016-0134235 A
본 발명은 대기압 중의 시료와 하전 입자 및 2차 입자를 주고 받는 과정에서 이들 입자의 손실을 줄여 시료 이미지의 해상력을 높일 수 있는 시료 관찰 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 시료 관찰 장치는, 하전 입자를 이용하여 대기압 중의 시료를 관찰하는 시료 관찰 장치로서, 상기 시료를 지지할 수 있는 지지부와 마주보도록 배치되고, 상기 지지부를 향하는 일측이 개구되는 컬럼부; 상기 컬럼부의 내부에 설치되는 하전 입자 발생부; 및 상기 컬럼부의 개구와 결합되고, 하전 입자 및 2차 입자를 통과시킬 수 있는 어퍼처(aperture)를 구비하는 커버부;를 포함한다.
상기 어퍼처는 상기 커버부의 중심부에 형성되고, 수십 마이크로미터 이하의 크기를 가지며, 하전 입자 진행 경로를 감쌀 수 있다.
상기 컬럼부는 상호 연통하는 복수의 진공실을 구비하고, 상기 하전 입자 발생부는 어느 하나의 진공실에 설치될 수 있다.
상기 복수의 진공실은 하전 입자 진행 경로를 따라 나열되고, 상기 컬럼부는 상기 복수의 진공실을 정의하도록 내부에 적어도 하나 이상의 격벽을 구비할 수 있다.
상기 격벽은, 하전 입자 진행 경로를 따라 이격되고, 하전 입자 진행 경로에 교차하는 방향으로 연장되며, 하전 입자를 통과시킬 수 있도록 중심부가 개구될 수 있다.
상기 컬럼부의 복수 위치를 관통하도록 설치되고, 상기 복수의 진공실에 각기 연결되는 복수의 진공 펌프;를 포함할 수 있다.
상기 진공 펌프는 터보 펌프를 포함하고, 상기 복수의 진공실에 차동 진공을 형성할 수 있다.
상기 컬럼부에서 상기 지지부를 향하여 연장되고, 상기 커버부의 외측을 둘러 감싸는 실드부;를 더 포함할 수 있다.
분진이 포집된 청정가스를 상기 커버부와 상기 지지부 사이에 분사하는 커튼부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 시료 관찰 방법은, 대기압 중의 시료를 관찰하는 시료 관찰 방법으로서, 내부에 진공이 형성된 컬럼부와 마주보도록 상기 시료를 마련하는 과정; 하전 입자의 진행 방향을 따라, 상기 컬럼부의 내부에서 상기 시료를 향하여 하전 입자를 방출하는 과정; 상기 컬럼부의 개구와 결합된 커버부에 구비되는 어퍼처로 하전 입자를 통과시켜, 상기 시료에 하전 입자를 입사시키는 과정;을 포함한다.
상기 하전 입자를 방출하는 과정 이전에, 상기 컬럼부의 내부에서 하전 입자의 진행 방향으로 나열되어 서로 연통하는 복수 공간에 차동 진공을 형성하는 과정;을 포함하고, 상기 하전 입자를 입사시키는 과정 이후에, 상기 하전 입자가 상기 시료에 충돌 후, 상기 시료로부터 방출되는 2차 입자를 상기 어퍼처를 통하여 상기 컬럼부의 내부에서 수집하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 차동 진공을 형성하는 과정은, 상기 복수 공간 중 상기 어퍼처와 상대적으로 가까운 공간보다 먼 공간이 진공도가 상대적으로 높도록, 상기 복수 공간의 진공을 제어하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 하전 입자를 방출하는 과정 이전에, 상기 컬럼부와 상기 시료 사이에 버퍼 공간을 형성하는 과정; 및 상기 컬럼부와 상기 시료 사이에, 분진이 포집된 청정가스를 분사하는 과정; 중 적어도 어느 하나의 과정을 포함할 수 있다.
상기 하전 입자는 전자빔 및 이온빔 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 진공으로 제어되는 컬럼부의 내부에서 생성된 하전 입자를 대기압 중의 시료에 주사할 때, 하전 입자가 손실되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 하전 입자와 시료의 충돌 후 시료로부터 방출되는 2차 입자를 컬럼부의 내부로 도달시킬 때, 2차 입자가 손실되는 것을 억제할 수 있다.
더욱 구체적으로, 컬럼부의 내외부를 분리시키는 커버부에 하전 입자 및 2차 입자가 통과될 수 있도록 어퍼처를 형성하고, 진공으로 제어된 컬럼부의 내부와 대기압 중의 시료 간에 하전 입자 및 2차 입자를 주고받을 때, 어퍼처를 통하여 주고받음으로써, 하전 입자 및 2차 입자의 산란을 방지하여 손실을 줄일 수 있다.
이처럼 시료에 주사되는 하전 입자의 손실을 줄여 시료로부터 2차 입자를 충분하게 방출시킬 수 있고, 시료로부터 방출될 후 컬럼부의 내부에 도달하는 2차 입자의 손실을 줄여 컬럼부의 내부에서 2차 입자를 고효율로 수집할 수 있다.
따라서, 고효율로 수집된 2차 입자를 시료 이미지의 생성에 사용할 수 있고, 고품질의 시료 이미지를 생성할 수 있다. 즉, 시료 이미지의 해상력(resolution)을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 시료 관찰 장치의 작동도이다.
도 3은 본 발명의 변형 예에 따른 시료 관찰 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도면은 과장될 수 있고, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치의 개략도이다. 도 2는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 시료 관찰 장치의 작동도이다. 도 3은 본 발명의 변형 예에 따른 시료 관찰 장치의 개략도이다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법의 순서도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치 및 방법은, 어퍼처를 통하여 대기압 중의 시료와 하전 입자 및 2차 입자를 주고 받음으로써, 하전 입자 및 2차 입자의 손실을 방지하여 고품질의 시료 이미지를 생성할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치 및 방법은 오픈 타입 혹은 어퍼처 타입 시료 관찰 장치 및 방법이라고 할 수 있다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치를 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치는, 하전 입자를 이용하여 대기압 중의 시료를 관찰하는 시료 관찰 장치로서, 시료(10)를 지지할 수 있는 지지부(20)와 마주보도록 배치되고, 지지부(20)를 향하는 일측이 개구되는 컬럼부(100), 컬럼부(100)의 내부에 설치되는 하전 입자 발생부(200), 및 컬럼부(100)의 개구(160)와 결합되고, 하전 입자 및 2차 입자를 통과시킬 수 있는 어퍼처(H3)를 구비하는 커버부(300)를 포함한다.
또한, 시료 관찰 장치는, 어퍼처(H3)를 통과하는 하전 입자에 의하여 발생되는 전류 및 신호를 검출하는 검출부(500, 600)를 포함할 수 있다. 검출부는 제1검출부(500) 및 제2검출부(600)를 포함할 수 있다. 이때, 신호는 X선을 포함할 수 있다. X선은 시료(10)로부터 방출되고, 어퍼처(H3)를 통과하여 컬럼부(100)의 내부로 수집될 수 있다. 시료 관찰 장치는, 제1검출부(500)에 연결되는 신호 처리기(미도시) 및 제2검출부(600)에 연결되는 데이터 처리기(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 시료 관찰 장치는, 컬럼부(100)의 복수 위치를 관통하도록 설치되고, 컬럼부(100)에 구비된 복수의 진공실(110, 120, 130)에 각기 연결되는 복수의 진공 펌프(410, 420, 430)를 포함할 수 있다.
시료(10)는 LCD, OLED 및 LED를 포함하는 각종 표시장치, 태양전지 및 반도체 칩 등이 제조되는 공정에서, 각종 전자 소자의 제조에 사용되는 웨이퍼 또는 유리 패널일 수 있다.
물론, 시료(10)는 크기나 모양 등에 관계 없이 표준 대기압 상태에서 고체상 또는 고체상과 액체상의 혼합 상으로 마련된 각종 유기물 또는 무기물 또는 유기물과 무기물의 혼합물을 포함하는 광범위한 의미의 시료일 수 있다.
하전 입자는 이온빔 및 전자빔 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 하전 입자가 시료(10)에 입사되면, 시료(10)로부터 2차 입자 및 X선이 방출될 수 있다. 이때, 2차 입자는 2차 이온, 후방산란전자 및 2차 전자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
지지부(20)는 다양할 수 있다. 지지부(20)는 각종 스테이지일 수 있다. 지지부(20)는 대기압 중의 시료(10)를 지지할 수 있다. 지지부(20)는 소정의 테이블(미도시)상에 마련될 수 있다.
지지부(20)는 시료(10)의 형상에 대응하여 예컨대 판 타입으로 형성될 수 있다. 지지부(20)는 컬럼부(100)의 개구(160)와 마주볼 수 있다. 이때, 지지부(20)는 컬럼부(100)의 개구(160)의 하측에 위치할 수 있다. 지지부(20)는 시료(10)를 지지할 수 있는 소정의 크기로 형성될 수 있다.
지지부(20)에는 바이어스 전원 공급기(30)가 연결될 수 있다. 바이어스 전원 공급기(30)는 지지부(20)를 통해 시료(10)에 바이어스 전원을 인가할 수 있다. 시료(10)로부터 방출되는 2차 입자는 바이어스 전원에 의한 반발력에 의해 시료(10)에서 컬럼부(100)를 향하는 방향으로 방향성을 가질 수 있다.
지지부(20)는 복수의 방향으로 이동 가능하게 형성될 수 있다. 예컨대 서로 교차하는 x축, y축 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동 가능하게 형성될 수 있다. 여기서, z축 방향은 상하 방향과 나란한 방향일 수 있다. 또한, x축 및 y축 방향은 z축 방향과 교차하는 방향일 수 있다. 한편, 지지부(20)는 위치가 고정될 수도 있다.
컬럼부(100)는 지지부(20)와 마주보도록 배치될 수 있다. 컬럼부(100)는 지지부(20)의 상측으로 소정 높이 이격될 수 있다. 컬럼부(100)는 지지부(20)와 상하방향으로 마주볼 수 있다. 컬럼부(100)는 내부에 진공 공간이 형성될 수 있다. 컬럼부(100)는 지지부(20)를 향한 일측이 개구될 수 있다. 구체적으로, 컬럼부(100)는 하부에 개구(160)가 형성될 수 있다.
컬럼부(100)는 지지부(20)에 대하여 상대 이동이 가능할 수 있다. 더욱 구체적으로, 컬럼부(100)는 테이블상에 마련된 복수의 축 부재(미도시)에 지지될 수 있다. 그리고 복수의 축 부재는 컬럼부(100)를 z축 방향으로 이동시킬 수 있게 형성되거나, 또는, x,y,z축 방향으로 이동시킬 수 있게 형성될 수 있다.
컬럼부(100)는 상하방향으로 연장될 수 있다. 컬럼부(100)는 내부에 하전 입자 발생부(200)를 수용할 수 있는 일종의 진공 용기일 수 있다. 컬럼부(100)는 스테인리스스틸(SUS) 재질을 포함할 수 있다. 컬럼부(100)의 내부는 전자빔의 발생 및 가속을 위해 소정 크기 예컨대 1.0E-3 내지 1.0E-6 torr의 진공으로 제어될 수 있다.
컬럼부(100)는 상호 연통하는 복수의 진공실(110, 120, 130)을 구비할 수 있다. 진공실의 개수는 다양할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 세 개의 진공실을 예시한다. 예컨대 복수의 진공실은 제1진공실(110), 제2진공실(120) 및 제3진공실(130)을 포함할 수 있다. 진공실의 개수가 많아질수록 컬럼부(110)의 내부의 진공을 1.0E-6 torr에 가깝도록 고진공으로 제어할 수 있다.
복수의 진공실은 하전 입자 진행 경로를 따라 나열될 수 있다. 하전 입자 진행 경로는 하전 입자 발생부(200)와 시료(10) 사이에서 컬럼부(100)의 중심부와 어퍼처(H3)의 중심부를 상하방향으로 지나도록 연장형성된 경로로서, 하전 입자 진행 경로를 따라서 하전 입자가 하방으로 방출될 수 있다.
위에서 아래를 향하는 방향으로, 제1진공실(110), 제2진공실(120) 및 제3진공실(130)이 나열될 수 있다. 복수의 진공실 중 어느 하나에 하전 입자 발생부(200)가 설치될 수 있다.
제1진공실(110)은 내부가 하방으로 개방된 통형의 진공 용기를 포함할 수 있다. 제1진공실(110)의 하부에 제2진공실(120)이 연결될 수 있다. 제2진공실(120)은 내부가 상하방향으로 개방된 통형의 진공 용기를 포함할 수 있다. 제2진공실(120)의 하부에 제3진공실(130)이 연결될 수 있다. 제3진공실(130)은 내부가 상하방향으로 개방된 통형의 진공 용기를 포함할 수 있다. 이때, 개구(160)는 제3진공실(130)의 하부에서 하방으로 연장될 수 있다. 제1진공실(110), 제2진공실(120), 제3진공실(130) 및 개구(160)는 상하방향으로 순서대로 나열되어 서로 연통할 수 있다. 제1진공실(110)의 진공의 크기가 가장 클 수 있다. 그리고 제1진공실(110)에서 제3진공실(130)로 갈수록 어퍼처(H3)와 가까워지기 때문에, 진공의 크기가 작아질 수 있다. 따라서, 어퍼처(H3)에서 가장 먼 진공실인 제1진공실(110)에 하전 입자 발생부(200)가 설치될 수 있다. 물론, 하전 입자 발생부(200)의 설치 위치는 다양할 수 있다.
컬럼부(100)는 복수의 진공실을 정의하도록 내부에 적어도 하나 이상의 격벽을 구비할 수 있다. 컬럼부(100)는 복수의 진공실의 개수보다 하나 적은 개수로 격벽을 구비할 수 있다. 예컨대 본 발명의 실시 예에서는 격벽이 제1격벽(140) 및 제2격벽(150)을 포함할 수 있다. 이들 격벽에 의해, 컬럼부(100)의 내부의 진공이 세 부분으로 나눠질 수 있다.
격벽(140, 150)은 하전 입자 진행 경로를 따라 상하방향으로 상호 이격될 수 있다. 격벽(140, 150)은 하전 입자 진행 경로에 교차하는 방향 예컨대 수평방향으로 연장될 수 있다. 이때, 수평방향은 좌우방향 및 전후방향을 포함할 수 있다.
격벽(140, 150)의 형상은 컬럼부(100)의 내부 공간의 형상에 따라 달라질 수 있다. 컬럼부(100)가 원통 형상이면, 격벽(140, 150)은 원판 형상일 수 있다. 컬럼부(100)가 사각통 형상이면, 격벽(140, 150)은 사각판 형상일 수 있다.
제1격벽(140)은 제1진공실(110)과 제2진공실(120)의 경계에 장착될 수 있다. 제2격벽(150)은 제2진공실(120)과 제3진공실(130)의 경계에 장착될 수 있다. 제1격벽(140) 및 제2격벽(150)은 하전 입자를 통과시킬 수 있도록 각각 중심부가 개구될 수 있다.
제1격벽(140)의 중심부에 제1개구(H1)가 구비되고, 제2격벽(140)의 중심부에 제2개구(H2)가 구비될 수 있다. 한편 제1개구(H1)를 제1내부 어퍼처라고 하고, 제2개구(H2)를 제2내부 어퍼처라고 할 수 있다. 제1개구(H1) 및 제2개구(H2)의 크기는 어퍼처(H3)의 크기와 같을 수 있다. 또는 제1개구(H1) 및 제2개구(H2)의 크기는 어퍼처(H3)의 크기보다 작거나 클 수 있다. 제1개구(H1) 및 제2개구(H2)는 크기가 서로 다를 수도 있다.
개구(160)는 상하방향으로 연장된 중공형의 원통체 형상일 수 있고, 외주면에 나사산이 형성될 수 있다. 나사산에 커버부(300)가 탈착될 수 있다. 한편, 컬럼부(100)는 전기적으로 접지(earth)될 수 있다.
하전 입자 발생부(200)는 지지부(20)를 향하도록 컬럼부(100)의 내부에 설치될 수 있다. 구체적으로 하전 입자 발생부(200)는 제1진공실(110)의 내부에 설치될 수 있다. 하전 입자 발생부(200)는 컬럼부(100)의 내부에서 하전 입자를 발생할 수 있고, 하전 입자를 가속시키며 빔의 형태로 정형하여 하방으로 방출할 수 있다.
하전 입자가 전자빔인 경우를 아래에서 설명한다.
하전 입자 발생부(200)는 전자 방출기(210) 및 복수의 렌즈(220, 230)를 포함할 수 있다. 전자 방출기(210)는 제1진공실(110)의 상부에 배치될 수 있다. 전자 방출기(210)는 개구(160)의 중심을 상하방향으로 통과하도록 전자빔을 방출할 수 있다. 복수의 렌즈(220, 230)는 전자 방출기(210) 및 개구(160) 사이에 배치되어 전자빔을 집속 및 가속시킬 수 있다.
전자 방출기(210)는 전자 총(Electron gun)을 포함할 수 있다. 전자 총은 전계방사 및 열방사 방식 중 어느 하나의 방식을 이용하여, 원하는 크기의 가속 전압 및 프로브 전류로 전자 다발을 방출할 수 있다. 구체적으로, 전자 총은 전계방사형 쇼트키 방식의 전자 총을 포함할 수 있다.
복수의 렌즈(220, 230)는 집속 렌즈(220) 및 대물 렌즈(230)를 포함할 수 있다. 집속 렌즈(220) 및 대물 렌즈(230)는 전자기적힘을 이용하여 전자 방출기(210)에서 방출된 전자 다발을 전자빔 형태로 모아줄 수 있다. 전자 방출기(210)에서 개구(160)를 향하는 방향으로, 집속 렌즈(220) 및 대물 렌즈(230)의 순서로 배치될 수 있다.
하전 입자 발생부(200)는 전자 방출기(210)와 복수의 렌즈(220, 230) 사이에서 전자빔을 통과시키는 어퍼쳐(미도시), 전자빔의 수차를 제어해주는 수차보정 전자석(stigmator, 미도시), 전자빔의 편향을 보정하는 주사 코일(Scanning coil, 미도시), 및 전자빔의 발생 및 가속을 제어할 수 있도록 전자 방출기(210) 및 복수의 렌즈(220, 230)와 연결되는 컨트롤러(미도시)를 더 포함할 수 있다.
하전 입자가 이온빔인 경우를 아래에서 간략하게 설명한다.
하전 입자 발생부(200)는 예컨대 이온 소스, 추출 전극, 자기 전극, 정전 렌즈, 정전 편향 코일, 스캔 렌즈 및 자기 렌즈 등을 포함할 수 있다. 여기서, 이온은 음이온 또는 양이온일 수 있다. 물론, 하전 입자 발생부(200)의 구성과 방식은 다양할 수 있다. 예컨대 집속이온빔현미경(Focused Ion Beam Microscope)의 구성과 방식이 용이하게 사용될 수 있다.
하전 입자가 이온빔인 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치는 예컨대 시료의 이미지를 관찰하는 것 뿐만 아니라, 시료를 가공하는 것에도 사용될 수 있다. 즉, 하전 입자 발생부(200)가 하전 입자로 이온빔을 방출하는 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치를 ‘시료 처리 장치’ 혹는 ‘시료 가공 장치’라고 할 수도 있다.
즉, 하전 입자 발생부(200)에서 이온빔을 방출하여 대기압 중의 시료(10)의 원하는 영역을 소정 깊이로 절단할 수 있다. 물론, 하전 입자 발생부(200)에서 방출된 이온빔을 이용하여 시료를 관찰할 수도 있다.
커버부(300)는 개구(160)와 결합될 수 있다. 커버부(300)는 메인 바디(310), 이음부(320), 및 절연성 밀폐링(330)을 포함할 수 있다. 또한, 커버부(300)는 X선, 하전 입자 및 2차 입자를 통과시킬 수 있는 하나의 어퍼처(H3)를 구비할 수 있다. 이때, 어퍼처(H3)는 메인 바디(310)에 구비될 수 있다.
메인 바디(310)는 중심부에 상하방향으로 어퍼처(H3)가 형성되고, 개구(160)와 결합될 수 있다. 또한, 이음부(320)는 메인 바디(310)를 개구(160)에 탈착 가능하게 결합시킬 수 있다. 또한, 절연성 밀폐링(330)은 메인 바디(310)와 개구(160) 사이에 구비될 수 있다.
메인 바디(310)는 이음 부재(320)에 의하여 개구(160)에 탈착 가능하게 결합될 수 있다. 메인 바디(310)는 커버부(300)의 본체로서, 전체 형상은 원판 형상일 수 있다. 메인 바디(310)는 하전 입자 진행 방향으로 상호 적층된 전기 전도층 및 적어도 하나의 절연층을 포함할 수 있다. 이때, 하전 입자 진행 방향은 상하방향과 나란한 방향일 수 있다.
메인 바디(310)는 상하방향으로 적층 결합되는 상부층, 중간층 및 하부층을 포함할 수 있다. 상부층과 하부층은 전기 전도층일 수 있다. 중간층은 절연층일 수 있다. 상부층과 하부층은 예컨대 스테인리스스틸 재질을 포함할 수 있다. 중간층은 예컨대 고무 및 플라스틱 재질을 포함할 수 있다. 중간층에 의해 상부층 및 하부층이 전기적으로 절연될 수 있다. 메인 바디(310)는 단일 층으로 형성될 수도 있다.
메인 바디(310)의 중심부를 관통하도록 어퍼처(H3)가 형성될 수 있다. 이때, 메인 바디(310)는 중심부 부근이 평평하거나, 하측으로 볼록할 수 있다.
메인 바디(310)의 중심부 부근이 하측으로 볼록할 경우에, 메인 바디(310)의 중심부 부근의 관통 단부는 메인 바디(310)는 중심부 부근에서 중심부를 향하여 하향 경사진 구조일 수 있다. 어퍼처(H3)는 메인 바디(310)의 중심부 부근의 관통 단부에 의해 정의될 수 있다. 메인 바디(310)의 중심부 부근의 관통 단부로 둘러싸인 내측 공간을 상하방향으로 관통하여 하전 입자가 방출될 수 있고, 2차 입자가 유입될 수 있다. 이때, 메인 바디(310)의 중심부 부근의 관통 단부는 커버부(300)와 시료(10) 사이에서 수평 방향으로의 공기 흐름을 일부 막아주는 공기 차단 벽의 역할을 수행할 수도 있다. 한편, 메인 바디(310)는 중심부 부근이 상측으로 볼록할 수도 있다.
어퍼처(H3)는 메인 바디(310)의 중심부에 형성될 수 있다. 이때, 어퍼처(H3)는 하전 입자 발생부(200)에 정렬될 수 있고, 하전 입자 발생부(200)와 상하방향으로 마주볼 수 있다.
어퍼처(H3)는 수십 마이크로미터(㎛) 이하 크기를 가질 수 있다. 어퍼처(H3)는 예컨대 10 마이크로미터 이상 100 마이크로미터 미만의 크기를 가질 수 있다. 바람직하게는, 어퍼처(H3)는 예컨대 20 내지 70 마이크로미터의 크기를 가질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 어퍼처(H3)는 40 내지 55 마이크로미터의 크기를 가질 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 50 마이크로미터의 크기를 가지는 어퍼처(H3)를 예시한다. 어퍼처(H3)는 하전 입자를 통과시킬 수 있도록 하전 입자 진행 경로를 감쌀 수 있다.
어퍼처(H3)의 크기는 어퍼처(H3)의 수평 단면의 수평방향 폭 즉, 어퍼처(H3)의 내부 폭을 지칭할 수 있다. 어퍼처(H3)의 단면 형상은 원형 및 사각형을 포함하여 다양할 수 있다. 어퍼처(H3)의 수평 단면이 원형 단면일 때, 어퍼처(H3)의 크기는 원형 단면의 내경을 의미한다. 어퍼처(H3)의 수평 단면이 사각 단면일 때, 어퍼처(H3)의 크기는 사각 단면의 일변의 길이를 의미하거나, 사각 단면의 중심을 지나는 대각선의 길이를 의미한다. 한편, 어퍼처(H3)의 크기는 어퍼처(H3)의 하단부를 기준으로 하거나, 상하방향으로의 복수 위치에서 측정된 어퍼처(H3)의 크기 중 가장 작은 크기를 어퍼처(H3)의 크기로 할 수 있다.
컬럼부(100)의 외부의 공기가 어퍼처(H3)를 통하여 컬럼부(100)의 내부로 유입될 수 있다. 컬럼부(100)의 내부로 유입되는 공기의 유량은 어퍼처(H3)의 크기에 따라 정해질 수 있다. 어퍼처(H3)를 통하여 컬럼부(100)의 내부로 유입되는 공기의 유량과 진공 펌프(410. 420. 430)의 흡입 유량이 평형을 이루도록, 진공 펌프(410. 420. 430)의 흡입 유량을 조절하여, 컬럼부(100)의 내부의 진공도를 원하는 진공도로 유지시킬 수 있다.
어퍼처(H3)의 크기가 예컨대 수십 마이크로 미터보다 크면, 진공 펌프(410. 420. 430)에 부담이 증가하고, 어퍼처(H3)의 크기가 수십 마이크로 미터보다 작으면 가공이 어려울 수 있다.
어퍼처(H3)는 지지부(20)와 이격될 수 있다. 또한, 어퍼처(H3)는 지지부(20)상의 시료(10)와 이격될 수 있다. 이때, 시료(10)와 어퍼처(H3) 간의 이격 높이는 수십 내지 수백 ㎛ 정도일 수 있다.
어퍼처(H3)는 하전 입자, X선, 및 2차 입자를 통과시킬 수 있다. 어퍼처(H3)은 하전 입자를 컬럼부(100)의 내부에서 외부로 통과시킬 수 있다. 하전 입자가 시료(10)로 입사된 후, 시료(10)에서 X선 및 2차 입자가 방출될 수 있다. 어퍼처(H3)는 하전 입자가 시료(10)로 입사된 후 시료(10)로부터 방출되는 2차 입자 및 X선을 컬럼부(100)의 외부에서 내부로 통과시킬 수 있다. 이에, 2차 입자는 어퍼처(H3)을 통과하여 컬럼부(100)의 내부에 도달할 수 있다.
이음 부재(320)는 내부가 상하방향으로 개방된 중공의 원통체 형상일 수 있다. 이음 부재(320)의 내주면에 메인 바디(310)가 안착되고, 끼움 결합될 수 있다. 이음 부재(320)는 메인 바디(310)보다 상하방향의 두께가 클 수 있다.
이음 부재(320)는 내주면 하부에 돌출단부가 형성될 수 있다. 돌출단부는 이음 부재(320)의 내주면 둘레방향으로 연장될 수 있다. 돌출단부에 메인 바디(310)가 안착될 수 있다. 이음 부재(320)는 내주면 상부에 나사산이 형성될 수 있다. 나사산은 개구(160)의 외주면에 나사 결합될 수 있다. 이음 부재(320)는 스테인리스스틸 재질 또는 플라스틱 재질을 포함할 수 있다.
절연성 밀폐링(330)은 예컨대 오링(O ring)일 수 있다. 절연성 밀폐링(330)은 메인 바디(310)의 상부층과 컬럼부(100)의 개구(160) 사이에 마련될 수 있다. 절연성 밀폐링(330)은 메인 바디(310)의 상면의 가장자리를 둘러 연장될 수 있다. 절연성 밀폐링(330)은 메인 바디(310)의 상면의 가장자리에 접촉하고, 개구(160)의 하면에 접촉할 수 있다. 절연성 밀폐링(330)은 메인 바디(310)와 컬럼부(100)의 사이를 절연 및 밀봉시킬 수 있다.
한편, 커버부(300)의 구성은 다양할 수 있다. 또한, 커버부(300)는 컬럼부(100)와 일체형으로 구성될 수도 있다.
진공 펌프(410, 420, 430)는 컬럼부(100)의 내부 진공을 유지시킬 수 있다. 진공 펌프(410, 420, 430)는 진공실의 개수 만큼 마련될 수 있다. 예컨대 진공 펌프(410, 420, 430)는 제1진공 펌프(410), 제2진공 펌프(420) 및 제3진공 펀프(430)를 포함할 수 있다.
진공 펌프(410, 420, 430) 각각은 복수의 진공실(110, 120, 130)에 각각 설치될 수 있다. 예컨대 제1진공 펌프(410)는 제1진공실(110)의 측벽에 설치되고, 제2진공 펌프(420)는 제2진공실(120)의 측벽에 설치되고, 제2진공 펌프(430)는 제3진공실(130)의 측벽에 설치될 수 있다.
컬럼부(100)의 내부가 원하는 진공도로 감압될 때까지, 진공 펌프(410. 420. 430)의 흡입 유량을 어퍼처(H3)를 통하여 컬럼부(100)의 내부로 유입되는 공기의 유량보다 크게 할 수 있다.
컬럼부(100)의 내부가 원하는 진공도로 감압되면, 진공 펌프(410. 420. 430)의 흡입 유량을 어퍼처(H3)를 통하여 컬럼부(100)의 내부로 유입되는 공기의 유량에 맞춰줄 수 있다. 이때, 진공 펌프(410. 420. 430)의 흡입 유량은 어퍼처(H3)와의 거리에 따라 다를 수 있다. 예컨대 어퍼처(H3)와 가장 가까운 진공실에 장착된 진공 펌프의 흡입 유량이 가장 크고, 어퍼처(H3)에서 멀어질수록 진공 펌프의 흡입 유량이 작아질 수 있다.
이러한 방식으로 컬럼부(100)의 내부를 원하는 진공도로 조절할 수 있고, 이후, 평형 상태를 유지할 수 있다. 여기서, 평형 상태는 컬럼부(100)의 내부로 유입되는 공기의 유량과 진공 펌프(410, 420, 430)로 흡입되는 공기의 유량이 같아지도록 조절된 상태를 의미한다.
이때, 진공 펌프(410, 420, 430)는 복수의 진공실(110, 120, 130)에 차동 진공을 형성할 수 있다. 여기서, 차동 진공은 복수의 진공실(110, 120, 130)의 진공도가 서로 다르도록 복수의 진공실(110, 120, 130)의 진동도를 제어하는 것을 의미한다. 예를 들어, 복수의 진공실(110, 120, 130)은 어퍼처(H3)에서 멀수록 진공 펌프(410, 420, 430)에 의해 고진공으로 제어될 수 있다.
구체적으로, 진공 펌프(410, 420, 430)는 복수의 진공실(110, 120, 130) 중, 어퍼처(H3)와 가장 먼 제1진공실(110)에 가장 큰 진공을 형성하고, 어퍼처(H3)와 가장 가까운 제3진공실(130)에 가장 작은 진공을 형성할 수 있다. 제3진공실(130)의 진공도는 상대적으로 1.0E-3 torr에 가까울 수 있다. 제1진공실(110)의 진공도는 상대적으로 1.0E-6 torr에 가까울 수 있다. 상술한 진공 펌프(410, 420, 430)는 터보 펌프를 포함할 수 있다. 한편, 진공 펌프(410. 420. 430)의 흡입 유량을 각기 다르게 조절하여, 진공실(110, 120, 130) 간의 진공도 차이를 조절할 수 있다.
어퍼처(H3)를 통과한 2차 입자는 컬럼부(100)의 내부에서 제1검출부(500)에 검출될 수있고, X선은 제2검출부(600)에 검출될 수 있다.
제1검출부(500)는 어퍼처(H3)에서 가장 가까운 진공실인 제3진공실(130)의 내부에 설치되거나, 혹은 개구(160)의 내부에 설치될 수 있다. 예를 들어, 제1검출부(500)는 어퍼처(H3)의 상부를 덮도록 개구(160)의 내부에 설치될 수 있다. 이때, 제1검출부(500)는 메인 바디(310)의 중심부에 상하방향으로 정렬될 수 있다. 또한, 하전 입자 발생부(200), 제1검출부(600), 및 어퍼처(H3)은 하전 입자 진행 경로의 방향으로 순서대로 나열될 수 있다.
제1검출부(500)는 하전 입자 진행 경로를 감쌀 수 있다. 제1검출부(500)의 중심부에 하전 입자가 통과할 수 있는 통로가 형성될 수 있다. 즉, 제1검출부(500)는 하전 입자를 통과시키도록 중심부가 하전 입자 진행 경로의 방향 예컨대 상하방향으로 관통될 수 있다.
하전 입자 진행 경로의 방향은 하전 입자 발생부(200)에서 빔의 형태로 방출된 하전 입자가 진행하는 방향으로, 예컨대 좌우방향, 전후방향 및 수평방향과 교차하는 방향인 상하방향을 포함할 수 있다. 하전 입자 진행 경로의 방향을 하전 입자의 방출방향이라 할 수 있다.
제1검출부(500)는 컬럼부(100)의 내부에서 2차 입자를 수집할 수 있고, 수집된 2차 입자에 의하여 야기되는 전류를 신호 처리기(미도시)로 전달할 수 있다. 신호 처리기로 전달된 전류는 고해상도의 시료 이미지의 생성에 활용될 수 있다. 제1검출부(500)는 예컨대 소정의 판 형상으로 구비되는 반도체 디텍터일 수 있다.
신호 처리기(미도시)는 검출된 전류를 처리하여 이미지로 형성할 수 있다. 예컨대 어퍼처(H3)의 하측에 위치하는 시료(10)의 관찰 대상 영역을 복수의 픽셀로 구분하고, 복수의 픽셀 중 어느 하나에 하전 입자를 주사한다. 하전 입자에 의하여 시료(10)에서 2차 입자가 방출되어 제1검출부(500)에 수집되면, 수집된 2차 입자에 의하여 야기되는 전류를 검출한다. 검출된 전류는 신호 처리기에서 증폭 및 처리되고, 이미지 신호 예컨대 픽셀의 밝기 값으로 선택 출력된다. 상술한 과정을 반복하여 복수의 픽셀 각각의 이미지 신호를 형성 가능하고, 이로부터 시료(10)의 관찰 대상 영역의 이미지를 형성 가능하다.
제2검출부(600)는 컬럼부(100) 내로 산란되는 X선을 수집하여 이로부터 시료(10)의 성분을 검사할 수 있다. 제2검출부(600)는 예컨대 에너지 분산형 분광 검출기(Energy dispersive X-ray spectroscopy Detector, EDS Detector)를 포함하며, 일부가 컬럼부(100)를 관통하여, 단부가 컬럼부(100)의 내부에서 커버부(300)의 어퍼처(H3)을 향하도록 배치될 수 있다. 에너지 분산형 분광 검출기는 전자빔의 주사에 의하여 시료(10)로부터 얻어지는 X선의 에너지를 실리콘 단결정의 p-i-n 반도체 소자를 이용하여 에너지의 형태로 검출하는 방식으로, 시료(10)의 표면 성분을 검사 가능하도록 형성될 수 있다. 제2검출부(600)는 데이터 처리기(미도시)에 연결될 수 있다.
데이터 처리기는 제2검출부(600)에서 출력되는 X선의 에너지 세기 데이터 및 각 에너지 세기별 검출 빈도수 데이터를 기 입력된 각 성분별 방출 X선 고유 에너지 크기 데이터에 대비하여, 시료(10)의 성분을 정량 및 정성적으로 분석하고, 이를 시각 정보로 출력할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 어퍼처(H3)는 하전 입자 및 2차 입자를 산란에 의한 손실 없이 원활하게 통과시킬 수 있다.
도 2의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치의 작동도이고, 도 2의 (b)는 본 발명의 비교 예에 따른 시료 관찰 장치의 작동도이다.
시료(10)에 하전 입자가 입사되면, 시료(10)로부터 2차 입자가 방출된다. 방출된 2차 입자는 어퍼처(H3)을 통과하여 컬럼부(100)의 내부로 입사된다. 이때, 시료(10)에 입사되는 전자빔의 스팟 크기는 수 ㎚ 정도일 수 있다. 이때, 어퍼처(H3)과 시료(10) 사이의 200㎛ 이하 높이의 공간에 불활성 가스 분위기가 국부적으로 형성될 수 있다. 이에 2차 입자가 원활하게 어퍼처(H3)을 통과하여 컬럼부(100)의 내부로 수집될 수 있다.
도 2의 (a)를 참조하면, 실시 예에 따른 어퍼처(H3)는 하전 입자(전자빔) 및 2차 입자(2차 전자)를 산란 및 손실 없이 통과시킬 수 있다. 즉, 어퍼처(H3)에 의하여 메인 바디(310)와 시료(10) 사이에 하전 입자 및 2차 입자가 원활하게 이동할 수 있는 오픈 공간이 마련될 수 있다.
이를테면 하전 입자가 컬럼부(100)의 외부에서 컬럼부(100)의 내부로 진행하며 어퍼처(H3)를 통과할 때, 대기 외에 물리적으로 방해되는 것이 없으므로, 산란 및 손실되지 않을 수 있다. 마찬가지로, 2차 입자도 어퍼처(H3)를 통과하면서 대기 외에는 어떠한 물리적인 저항도 받지 않기 때문에 산란 및 손실되지 않을 수 있다. 이에, 2차 입자를 컬럼부(100)의 내부에서 고효율로 수집할 수 있다.
특히, 후방산란전자보다 에너지 준위가 낮은 2차 전자도 오픈 공간을 통하여 원활하게 컬럼부(100)의 내부로 이동시킬 수 있고, 이에, 2차 입자를 컬럼부(100)의 내부에서 고효율로 수집할 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 비교 예의 커버부(310)는 중심부에 관통구가 형성되고, 관통구에는 보조 바디(320) 및 나이트라이드 막(330)이 구비된다. 이 경우, 메인 바디(310)와 시료(10) 사이가 나이트라이드 막(330)에 의해 막힌 공간이 된다.
이때, 하전 입자가 나이트라이드 막(330)을 투과하며 일부 산란되어 손실될 수 있다. 2차 입자도 나이트라이드 막(330)을 투과하면서 일부 산란되어 손실될 수 있다.
특히, 2차 전자는 후방산란전자보다 에너지 준위가 낮기 때문에, 나이트라이드 막(330)을 통과하면서 많은 양이 손실될 수 있다.
상술한 바에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 어퍼처(H3)는 하전 입자 및 2차 입자를 산란 및 손실 없이 원활하게 통과시킬 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 장치는 어퍼처(H3)를 커버할 수 있는 셔터(미도시)를 더 포함할 수 있고, 이를 이용하여, 하전 입자를 방출하지 않을 때, 컬럼부(100)의 내부를 외부로부터 밀봉시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 시료 관찰 장치의 개략도이다.
본 발명의 제1변형 예에 따른 시료 관찰 장치는 컬럼부(100)에서 지지부(20)를 향하여 연장되는 실드부(700)를 더 포함할 수 있다. 실드부(700)는 커버부(300)의 외측을 둘러 감쌀 수 있다. 예컨대 실드부(700)는 통 형상으로 형성될 수 있다.
실드부(700)는 커버부(300)와 시료(10) 사이에 버퍼 공간을 제공할 수 있다. 실드부(700)는 지지부(20)에 안착된 시료(10)의 상측으로 이격되는데, 이때, 실드부(700)의 하측 단부와 시료(10) 사이의 이격 높이(H1)는 어퍼처(H3)와 시료(10) 사이의 이격 높이(H)보다 작거나 같을 수 있다.
실드부(700)는 커버부(300)와 시료(10) 사이에 일종의 공기 차단벽을 형성할 수 있고, 커버부(300)와 시료(10) 사이에서 실드부(700)에 의해 형성되는 버퍼 공간은 실드부(700)의 외측의 대기압보다 압력이 작을 수 있다. 이때, 실드부(700)의 하측 단부와 시료(10) 사이의 이격 높이(H1)가 작아질수록 버퍼 공간의 공기 차단 효과가 좋아질 수 있다.
실드부(700)의 구조는 다양할 수 있다. 실드부(700)는, 컬럼부(100)의 하부에 설치되며, 컬럼부(100)의 외주면을 따라 둘레방향으로 연장되는 통 형상의 차단벽(710) 및 차단벽(710)과 컬럼부(100)의 외주면 사이에 마련되고, 차단벽(710)을 승강시키는 구동기(720)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2변형 예에 따른 시료 관찰 장치는, 분진이 포집된 청정가스(g)를 커버부(300)와 지지부(20) 사이에 분사하는 커튼부(800)를 더 포함할 수 있다.
커튼부(800)는 일종의 가스 배관으로서, 컬럼부(100)의 하부를 향하여 연장될 수 있다. 커튼부(800)는 가스 공급원(미도시)에 연결되고, 분진이 포집된 청정가스(g)를 공급받을 수 있다. 커튼부(800)의 하부에 가스 분사구가 형성되고, 가스 분사구를 통하여 청정가스(g)가 커버부(300)와 지지부(20) 사이로 분사될 수 있다.
가스 분사구는 복수개 형성되고, 메인 바디(310)를 중심으로 방사상으로 배치될 수 있다. 가스 분사구는 360° 전방위에서 분진이 포집된 청정가스(g)를 분사하여 메인 바디(320)의 하측에 국부적으로 청정가스 분위기를 조성할 수 있다. 이에, 예컨대 대기 중에 파티클이 있을 경우, 이에 의한 오염으로부터 컬럼부(100)의 내부를 보호할 수 있다.
청정가스(g)는 예컨대 헬륨(He), 네온(Ne) 및 아르곤(Ar) 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 가스일 수 있다. 또는, 청정가스(g)는 공기일 수 있다. 또는, 청정가스(g)는 질소 및 산소 중 선택된 적어도 하나의 가스일 수 있다.
본 발명의 제3변형 예에 따른 시료 관찰 장치는 실드부(700) 및 커튼부(800)를 함께 포함할 수 있다.
이때, 커튼부(800)는 실드부(700)를 관통하도록 장착될 수 있고, 분진이 포집된 청정가스(g)를 커버부(300)와 실드부(700)의 사이의 버퍼 공간에 주입시킬 수 있다. 어퍼처(H3)를 통하여 컬럼부(100)의 내부로 유입되는 공기의 유량에 맞춰 커튼부(800)에서 버퍼 공간으로 주입하는 청정가스(g)의 유량을 조절하여, 버퍼 공간에 청정 가스로 형성된 기체벽을 형성할 수 있다.
본 발명의 제4변형 예에 따른 시료 관찰 장치는 어퍼처(H3)의 내벽 구체적으로, 메인 바디(310)의 중심부 부근의 관통 단부에 에어 브레이크(미도시)가 구비될 수 있다. 에어 브레이크는 플랩 형상, 링 형상, 오목홈 형상 또는 딤플 형상 등 각종 형상으로 형성될 수 있다. 예컨대 에어 브레이크는 별도의 부재로 구비될 수 있고, 메인 바디(310)의 중심부 부근의 관통 단부의 내주면에 장착될 수 있다. 또는, 에어 브레이크는 메인 바디(310)와 일체형으로 구비될 수 있고, 메인 바디(310)의 중심부 부근의 관통 단부의 내주면에 돌출 형성되거나 오목 형성될 수 있다. 에어 브레이크는 어퍼처(H3)를 통과하여 컬럼부(100)의 내부를 향하는 공기의 흐름을 방해하여, 공기의 유동 단면적 및 공기의 유량을 줄여주는 역할을 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법의 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법을 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 시료 관찰 방법은, 대기압 중의 시료를 관찰하는 시료 관찰 방법으로서, 내부에 진공이 형성된 컬럼부(100)와 마주보도록 시료(10)를 마련하는 과정(S100), 하전 입자의 진행 방향을 따라, 컬럼부(100)의 내부에서 시료(10)를 향하여 하전 입자를 방출하는 과정(S300), 및 컬럼부(300)의 개구(160)와 결합된 커버부(300)에 구비되는 어퍼처(H3)로 하전 입자를 통과시켜 시료(10)에 하전 입자를 입사시키는 과정(S400)을 포함한다.
시료 관찰 방법은,하전 입자를 방출하는 과정 이전에, 컬럼부(100)의 내부에서 하전 입자의 진행 방향으로 나열되어 서로 연통하는 복수 공간(D1, D2, D3)에 차동 진공을 형성하는 과정(S200)을 포함할 수 있다.
또한, 시료 관찰 방법은, 하전 입자를 입사시키는 과정 이후에, 하전 입자가 시료에 충돌 후 시료로부터 방출되는 2차 입자를 어퍼처(H3)를 통하여 컬럼부(100)의 내부에서 수집하는 과정(S500), 수집된 2차 입자에 의하여 야기되는 전류를 검출하는 과정(S600), 검출된 전류를 처리하여 시료 이미지로 생성하는 과정(S700)을 포함할 수 있다.
먼저, 컬럼부(100)와 마주보도록 대기압 중에 시료(10)를 마련(S100)한다. 예컨대 이송 로봇(미도시)를 이용하여 지지부(20)의 상면에 시료(10)를 로딩한다.
시료(10)가 지지부(20)의 상면에 마련되면, 컬럼부(100)를 시료(10)의 상측에서 시료(10)와 마주보도록 위치시키고, 컬럼부(100) 및 지지부(20) 중 적어도 하나를 상하방향으로 승강시키고, 어퍼처(H3)과 시료(10) 사이의 높이를 대략 200㎛ 이하의 범위 내에서 정밀하게 조절할 수 있다.
이후, 컬럼부(100)의 내부에서 하전 입자의 진행 방향으로 나열되어 서로 연통하는 복수 공간(D1, D2, D3)에 차동 진공을 형성(S200)한다. 이때, 차동 진공을 형성하는 과정은, 복수 공간(D1, D2, D3) 중 어퍼처(H3)와 상대적으로 가까운 공간보다 어퍼처(H3)와 상대적으로 먼 공간이 진공도가 상대적으로 더 높도록, 복수 공간(D1, D2, D3)의 진공을 각기 제어하는 과정을 포함할 수 있다.
예컨대 컬럼부(100)의 내부를 하전 입자의 발생 및 가속을 위하여 1.0E-3 내지 1.0E-6 torr 의 진공으로 제어할 수 있다. 이때, 어퍼처(H3)와 가장 가까운 제3 공간(D2)을 1.0E-3 torr 에 가까운 진공으로 제어하고, 어퍼처(H3)에서 가장 먼 제1 공간(D1)을 제3 공간(D2)보다 고진공으로 제어한다. 제3 공간(D3)과 제1 공간(D1)을 연결하는 제2 공간(D2)의 진공도는 제1 공간(D1)의 진공도와 제3 공간(D3)의 진공도의 중간 값일 수 있다. 물론, 제1 공간(D1) 내지 제3 공간(D3)의 진공도를 동일하게 제어할 수도 있다.
이후, 하전 입자의 진행 방향을 따라, 컬럼부(100)의 내부에서 시료(10)를 향하여 하전 입자를 방출(S300)한다. 구체적으로, 하전 입자 발생부(200)에서 소정 가속 전압 예컨대 수 내지 수십 kV의 가속 전압으로 하전 입자를 방출하고, 방출된 하전 입자를 하방으로 가속시키며 빔 형태로 정형한다. 하전 입자는 하전 입자 진행 경로를 따라 진행할 수 있다. 하전 입자는 전자빔 또는 이온빔일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에서는 하전 입자가 어퍼처(H3)를 통과하기 때문에, 하전 입자 발생부(200)는 가속 전압을 수kV 정도 예컨대 3 또는 7 kV 정도로 낮게 할 수 있다. 가속 전압의 상술한 수치는 실시 예의 설명을 위한 일 예시일 뿐이다.
반면, 비교 예의 경우와 같이 하전 입자가 나이트라이드 막(330)을 통과해야 할 경우, 수십 kV의 가속 전압으로 하전 입자를 방출해야 하전 입자가 나이트라이드 막(330)을 통과하여 시료(10)로 입사될 수 있다.
이후, 커버부(300)에 구비되는 어퍼처(H3)로 하전 입자를 통과시켜 시료(10)에 하전 입자를 입사(S400)시킨다. 가속된 하전 입자는 커버부(300)의 어퍼처(H3)을 통과하여 수 내지 수백 ㎚의 프로브 크기로 제어되며 시료(10) 상의 목적하는 위치에 초점이 형성될 수 있다. 이때, 어퍼처(H3) 하측으로 이격된 소정의 위치에서 수 내지 수백 ㎛ 범위의 높이로 전자빔의 초점을 정밀하게 조절하며 시료(10)의 원하는 위치에 전자빔을 방출하여 충돌시킬 수 있다.
이후, 대기압 분위기에서, 하전 입자가 시료(10)에 충돌 후, 시료(10)로부터 방출되는 2차 입자를 어퍼처(H3)를 통해 컬럼부(100)의 내부에서 수집(S500)한다. 이때, 2차 입자는 어퍼처(H3)를 통과함에 따라, 산란 및 손실이 억제 또는 방지될 수 있다. 여기서, 2차 입자는 2차 이온, 후방산란전자 및 2차 전자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이후, 수집된 2차 입자에 의하여 야기되는 전류를 제1검출부(500)에서 검출(S600)한다. 이때, 2차 입자는 어퍼처(H3)를 통과하며 산란 및 손실이 방지되고, 따라서, 제1검출부(500)는 2차 입자를 고효율로 수집할 수 있다. 제1검출부(500)는 검출된 전류를 신호 처리기에 전기적으로 전달할 수 있다.
이후, 검출된 전류를 처리하여 시료 이미지로 생성(S700)한다. 구체적으로, 2차 입자에 의해 야기되는 전류를 이미지로 전환한다. 검출된 전류로부터 이미지를 형성하는 과정 및 방식에는 공지의 기술이 적용될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
하전 입자가 이온빔인 경우, 시료에 하전 입자를 입사시키는 과정 이후, 하전 입자를 이용하여 시료를 가공하는 과정을 더 포함할 수도 있다. 이때, 이미지 관찰용의 이온빔보다 시료 가공용의 이온빔의 방출 전압이 더 클 수 있다. 즉, 상대적으로 높은 방출 전압으로 이온빔을 방출하여 시료의 원하는 영역을 원하는 깊이로 절단할 수 있다. 또는, 상대적으로 낮은 방출 전압으로 이온빔을 방출하여 시료에 입사시키고, 시료로부터 2차 입자를 방출시킬 수 있다. 이후, 2차 입자를 수집하여 시료의 이미지 생성에 활용할 수 있다.
한편, 본 발명의 변형 예에 따른 시료 관찰 방법은, 컬럼부(100)와 시료(10) 사이에 버퍼 공간을 형성하는 과정, 컬럼부(100)와 시료(10) 사이에 분진이 포집된 청정가스(g)를 분사하는 과정, 및 어퍼처(H3)의 내벽에 구비된 에어 브레이크를 이용하여 어퍼처(H3)를 통과하는 공기의 유동단면 크기를 감소시키는 과정 중 적어도 어느 한 과정을 더 포함할 수 있다.
이때, 시료 관찰 방법이 컬럼부(100)와 시료(10) 사이에 버퍼 공간을 형성하는 과정을 포함하면, 컬럼부(100)와 시료(10) 사이에 분진이 포집된 청정가스(g)를 분사하는 과정은 분진이 포집된 청정가스(g)를 버퍼 공간에 주입시키는 과정을 포함할 수 있다.
예컨대 실드부(700)를 이용하여 컬럼부(100)와 시료(10)의 사이에 버퍼 공간을 형성하고, 커튼부(800)를 이용하여 분진이 포집된 청정가스(g)를 버퍼 공간에 주입시킬 수 있다. 이때, 버퍼 공간에 청정가스(g)를 대기압으로 주입하거나, 대기압보다 높거나 낮은 소정 압력으로 주입하며 어퍼처(H3)와 시료(10) 사이에 청정가스의 벽을 형성할 수 있다. 이때, 청정가스(g)의 주입 유량은 어퍼처(H3)를 통하여 컬럼부(100)의 내부로 유입되는 공기의 유량에 맞춰줄 수 있다. 또한, 에어 브레이크로 어퍼처(H3)의 내벽 부근에 난류를 형성하여 어퍼처(H3)를 통과하는 공기의 유동단면 크기를 감소시켜 컬럼부(100)의 외부에서 내부로의 공기 유동을 억제할 수 있다. 이때, 버퍼 공간으로의 공기 유입을 실드부(700)를 이용하여 억제하여 버퍼 공간의 압력을 대기압보다 낮게 제어할 수도 있다.
이에, 어퍼처(H3)와 시료(10) 사이에 대기압보다 낮은 압력으로 청정가스 분위기를 형성할 수 있다. 따라서, 컬럼부(100)의 내부로 이물이 유입되는 것을 막을 수 있다. 또한, 시료(10)로부터 방출되는 2차 입자를 어퍼처(H3)를 통하여 고효율로 수집할 수 있다.
본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이고, 본 발명의 제한을 위한 것이 아니다. 본 발명의 상기 실시 예에 개시된 구성과 방식은 서로 결합하거나 교차하여 다양한 형태로 변형될 것이고, 이 같은 변형 예들도 본 발명의 범주로 볼 수 있음을 주지해야 한다. 즉, 본 발명은 청구범위 및 이와 균등한 기술적 사상의 범위 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 컬럼부 200: 하전 입자 발생부
300: 커버부 H3: 어퍼쳐
500: 제1검출부 700: 실드부
800: 커튼부 10: 시료

Claims (14)

  1. 하전 입자를 이용하여 대기압 중의 시료를 관찰하는 시료 관찰 장치로서,
    상기 시료를 지지할 수 있는 지지부와 마주보도록 배치되고, 상기 지지부를 향하는 일측이 개구되는 컬럼부;
    상기 컬럼부의 내부에 설치되는 하전 입자 발생부; 및
    상기 컬럼부의 개구와 결합되고, 하전 입자 및 2차 입자를 통과시킬 수 있는 어퍼처(aperture)를 구비하는 커버부;를 포함하는 시료 관찰 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 어퍼처는 상기 커버부의 중심부에 형성되고, 수십 마이크로미터 이하의 크기를 가지며, 하전 입자 진행 경로를 감싸는 시료 관찰 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 컬럼부는 상호 연통하는 복수의 진공실을 구비하고,
    상기 하전 입자 발생부는 어느 하나의 진공실에 설치되는 시료 관찰 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 진공실은 하전 입자 진행 경로를 따라 나열되고,
    상기 컬럼부는 상기 복수의 진공실을 정의하도록 내부에 적어도 하나 이상의 격벽을 구비하는 시료 관찰 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 격벽은, 하전 입자 진행 경로를 따라 이격되고, 하전 입자 진행 경로에 교차하는 방향으로 연장되며, 하전 입자를 통과시킬 수 있도록 중심부가 개구된 시료 관찰 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 컬럼부의 복수 위치를 관통하도록 설치되고, 상기 복수의 진공실에 각기 연결되는 복수의 진공 펌프;를 포함하는 시료 관찰 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 진공 펌프는 터보 펌프를 포함하고, 상기 복수의 진공실에 차동 진공을 형성하는 시료 관찰 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 컬럼부에서 상기 지지부를 향하여 연장되고, 상기 커버부의 외측을 둘러 감싸는 실드부;를 더 포함하는 시료 관찰 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    분진이 포집된 청정가스를 상기 커버부와 상기 지지부 사이에 분사하는 커튼부;를 더 포함하는 시료 관찰 장치.
  10. 대기압 중의 시료를 관찰하는 시료 관찰 방법으로서,
    내부에 진공이 형성된 컬럼부와 마주보도록 상기 시료를 마련하는 과정;
    하전 입자의 진행 방향을 따라, 상기 컬럼부의 내부에서 상기 시료를 향하여 하전 입자를 방출하는 과정;
    상기 컬럼부의 개구와 결합된 커버부에 구비되는 어퍼처로 하전 입자를 통과시켜, 상기 시료에 하전 입자를 입사시키는 과정;을 포함하는 시료 관찰 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 하전 입자를 방출하는 과정 이전에,
    상기 컬럼부의 내부에서 하전 입자의 진행 방향으로 나열되어 서로 연통하는 복수 공간에 차동 진공을 형성하는 과정;을 포함하고,
    상기 하전 입자를 입사시키는 과정 이후에,
    상기 하전 입자가 상기 시료에 충돌 후, 상기 시료로부터 방출되는 2차 입자를 상기 어퍼처를 통하여 상기 컬럼부의 내부에서 수집하는 과정;을 포함하는 시료 관찰 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 차동 진공을 형성하는 과정은,
    상기 복수 공간 중 상기 어퍼처와 상대적으로 가까운 공간보다 먼 공간이 진공도가 상대적으로 높도록, 상기 복수 공간의 진공을 제어하는 과정;을 포함하는 시료 관찰 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 하전 입자를 방출하는 과정 이전에,
    상기 컬럼부와 상기 시료 사이에 버퍼 공간을 형성하는 과정; 및
    상기 컬럼부와 상기 시료 사이에, 분진이 포집된 청정가스를 분사하는 과정; 중 적어도 어느 하나의 과정을 포함하는 시료 관찰 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 하전 입자는 전자빔 및 이온빔 중 하나를 포함하는 시료 관찰 방법.
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