(57)【要約】【課題】従来の電子顕微鏡は、あまりにも大きい為、試料を電子顕微鏡で観察する必要が生じた場合、これを、電子顕微鏡がある研究所などに持って行って観察しなければならず時間的、空間的に不便であった。本発明は、このような問題点を解決するために、マイクロカラムを使用して携帯または移動可能な電子顕微鏡を提供することをその目的とする。また、本発明は、時間的および空間的制限なしに、移動しながら試料を観察することが可能な顕微鏡を提供することを目的とする。【解決手段】マイクロカラムを利用したポータブル電子顕微鏡を提供する。このポータブル電子顕微鏡は、マイクロカラム；低真空用ポンプ；高真空用ポンプ；超高真空用イオンポンプ；マイクロカラムおよび測定対象試料が収容固定され、前記ポンプによって真空が形成される第１チェンバー；コントローラー；および前記ポンプ、前記チェンバー、および前記コントローラーを収容するケース；を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロカラム；
高真空用ポンプ；
超高真空用ポンプ；
マイクロカラムおよび測定対象試料が収容固定され、前記ポンプによって真空になる第１チェンバー；
コントローラー；および
前記ポンプ、前記チェンバー、および前記コントローラーを収容するケース；
を含み、
移動できるように、４００ｍｍ×５００ｍｍ×４００ｍｍ以下の大きさを有することを特徴とする、ポータブル電子顕微鏡。
【請求項２】
前記マイクロカラムおよび測定対象試料が相対運動可能であり、前記マイクロカラムがチルティングおよび／または垂直運動を行うことを特徴とする、請求項１に記載のポータブル電子顕微鏡。
【請求項３】
試料が置かれるローダー、前記ローダーを第１チェンバーに移動させる移動手段、および前記ローダーを収容し、前記移動手段が前記第１チェンバーに移動できるように、前記第１チェンバーと開閉ドアによって真空状態で連結される第２チェンバーを含み、前記ローダーに試料が置かれ、前記移動手段によって第１チェンバーに試料を移動させることができることを特徴とする、請求項１または２に記載のポータブル電子顕微鏡。
【請求項４】
前記チェンバーとコントローラーが熱電素子またはヒーティングテープによって区分され、前記ケースに収容されることを特徴とする、請求項１または２に記載のポータブル電子顕微鏡。
【請求項５】
前記チェンバーとコントローラーが熱電素子またはヒーティングテープによって区分され、前記ケースに収容されることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のポータブル電子顕微鏡。
【請求項６】
前記マイクロカラムは超高真空を維持するとともにチェンバーは低真空または高真空をそれぞれ維持するように真空度が差別化されることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のポータブル電子顕微鏡。
【請求項７】
前記マイクロカラムとしてマルチマイクロカラムが使用されることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のポータブル電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロカラムを使用し、容易に運搬可能で、簡便に使用できるポータブル電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロカラムは、スキャニングトンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）の基本原理下で作動する電子放出源および微細構造の電子光学部品に基づく電子ビームマイクロカラムが１９８０年代に最初に導入された。電子ビームマイクロカラムは、微細な部品を精巧に組み立てて光学数値を最小化して、向上したカラムを形成する。
【０００３】
マイクロカラムは、一般的に、電子放出源、ソースレンズ、アインツェルレンズ、およびデフレクターを含んでいる。マイクロカラムと関連し、シングルマイクロカラムの構造に関する一例が大韓民国特許出願第２００３−６６００３号に開示されており、さらに論文として、１９９５年発行「Ｊ． ＶａｃＳｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｂ１３（６）」 ２４９８−２５０３頁に掲載のＥ． Ｋｒａｔｓｃｈｍｅｒ他６名による，”Ａｎｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ ｍｉｃｒｏｃｏｌｕｍｎ ｗｉｔｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ， ｂｅａｍ ｃｕｒｒｅｎｔ， ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ”、および１９９６年発行「Ｊ． ＶａｃＳｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｂ１４（６）」３７９２−３７９６頁に掲載の “Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ２０×２０ｍｍ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ ｍｉｃｒｏｃｏｌｕｍｎ”があり、関連外国特許として、米国特許第６、２９７、５８４号、第６、２８１、５０８号、および第６、１９５、２１４号などがある。そして、マルチマイクロカラムは、複数のシングルマイクロカラムを直列または並列に配列してなる単一マイクロカラム（ＳＣＭ、ｓｉｎｇｌｅ ｃｏｌｕｍｎ ｍｏｄｕｌｅ）モジュールから構成することができ、複数のシングルマイクロカラムで規格化した一体型カラムモジュール（ＭＣＭ、ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｃｏｌｕｍｎ ｍｏｄｕｌｅ）、すなわちマルチカラムを２×１または２×２などを一組にして構成することができる。さらに、一枚のウェハーをカラムのレンズ部品となるようにするウェハー大のカラムモジュール（ＷＣＭ；Ｗａｆｅｒ−ｓｃａｌｅ ｃｏｌｕｍｎ ｍｏｄｕｌｅ）から構成したマルチカラム構造がある。このような基本的な概念は、１９９６年発行「Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｃｉ， Ｔｅｈｃｎｏｌ．Ｂ１４」３７７４−３７８１頁に掲載のＴ．Ｈ．Ｐ．Ｃｈａｎｇ他８名による論文“Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ ｍｉｃｒｏｃｏｌｕｍｎｓ ｆｏｒ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”にある。さらに他の方式は混合型マルチ方式で、一つ以上のカラムがＳＣＭとＭＣＭまたはＷＣＭとともに配列される場合と、一部のカラムレンズ部品がＳＣＭ、ＭＣＭ、またはＷＣＭ方式になっている場合も可能である。これは、２００４年発行、「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｒｅａ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， ４５（５）」１２１４−１２１７頁に掲載のキム ホ ソップ他７名による“Ｍｕｌｔｉ−ｂｅａｍ ｍｉｃｒｏｃｏｌｕｍｎｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｒｒａｙｅｄ ＳＣＭ ａｎｄ ＷＣＭ”の論文と、２００５年発行、「Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ７８−７９」５５−６１頁に掲載のキム ホ ソップの他６名による“Ａｒｒａｙｅｄ ｍｉｃｒｏｃｏｌｕｍｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ ｗａｆｅｒ−ｓｃａｌｅ Ｅｉｎｚｅｌ ｌｅｎｓ”の論文などに基礎的な実験結果が紹介されている。
【特許文献１】大韓民国特許出願第２００３−６６００３号
【特許文献２】米国特許第６、２９７、５８４号
【特許文献３】米国特許第６、２８１、５０８号
【特許文献４】米国特許第６、１９５、２１４号
【非特許文献１】「Ｊ． ＶａｃＳｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｂ１３（６）」１９９５年
【非特許文献２】「Ｊ． ＶａｃＳｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｂ１４（６）」１９９６年
【非特許文献３】「Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｃｉ， Ｔｅｈｃｎｏｌ．Ｂ１４」１９９６年
【非特許文献４】「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｒｅａ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， ４５（５）」２００４年
【非特許文献５】「Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ７８−７９」２００５年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電子顕微鏡は、あまりにも大きい為、試料を電子顕微鏡で観察する必要が生じた場合、これを、電子顕微鏡がある研究所などに持って行って観察しなければならず時間的、空間的に不便であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前記のような問題点を解決するために、マイクロカラムを使用して携帯または移動可能な電子顕微鏡を提供することをその目的とする。また、本発明は、時間的および空間的制限なしに、移動しながら試料を観察することが可能な顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明によるポータブル電子顕微鏡は、
マイクロカラム；
低真空用ポンプ；
高真空用ポンプ；
超高真空用ポンプ；
マイクロカラムおよび測定対象試料が収容固定され、前記ポンプ等によって真空が形成される第１チェンバー；
コントローラー；および
前記ポンプ、前記チェンバー、および前記コントローラーを収容するケース；
を含む。
【０００７】
一般的に、電子顕微鏡は、真空状態で電子ビームが試料に照射されて反射された電子ビームを確認して、試料を観察することができる。したがって、マイクロカラムは、電子放出源、ソースレンズ、デフレクター、およびフォーカスレンズを含み、真空状態で電子ビームを放出する。
【０００８】
試料とマイクロカラムの両者を真空状態に保つために、本発明のポータブル電子顕微鏡は、低真空を形成するものとして、メカニカルポンプまたはロータリーポンプ、高真空を形成することができるターボポンプ４０、および超高真空を形成するイオンポンプ（ｉｏｎ ｐｕｍｐ）またはゲッターポンプ（ｇｅｔｔｅｒ ｐｕｍｐ）を含む。低真空はおよそ大気圧で１０〜３Ｔｏｒｒの範囲であり、高真空はおよそ１０−３〜１０−７Ｔｏｒｒの範囲、そして超高真空は１０−７〜１０−１１Ｔｏｒｒの範囲である。本発明で使用されるチェンバーはおよそ２．７インチのキュービック型チェンバーが望ましい。
【０００９】
チェンバーの内部にはマイクロカラムが装着され、このマイクロカラムは、半導体工程またはＭＥＭＳ工程で精巧に加工された直径数μｍ〜数百μｍの孔（ａｐｅｒｔｕｒｅ）を有するマイクロ電子レンズを含んでいる。また、マイクロカラムは、マイクロ電子レンズを含み、電子放出源の電子放出部分から最終の電子レンズの末尾の電極までの全長が１０ｍｍ以下になっている。しかし、全長は、必要に応じて、これより長くすることも可能である。前記マイクロカラムは、直径およそ２０ｍｍ、長さおよそ２２ｍｍの円筒状、またはこれと類似の大きさの六面体等、多様な形態に作成可能であるが、すべての大きさはマイクロカラムに使用される電子放出源、レンズ、およびデフレクターの大きさに応じて変化する。したがって、より小型のマイクロカラムも使用することが可能である。
【００１０】
マイクロカラムを使用した本発明によるポータブル電子顕微鏡は、その大きさが４００ｍｍ×５００ｍｍ×４００ｍｍに製作が可能である。マイクロカラムは真空チェンバー内で使用されなければならず、一般に２．７５インチ程度のキュービックに装着されて使用される。この際に、キュービック型チェンバーでない６ｗａｙまたは４ｗａｙ ｃｒｏｓｓのようなフィッティングフランジなどをチェンバーとして使用することが可能である。チェンバーは測定対象の試料によってその大きさまたは形態が決まる。測定対象試料が大きいとかステージを使用しなければならない場合、チェンバーの大きさは大きくすることが望ましく、小型試料のみを測定する場合は、チェンバーの大きさが小さくなり、試料を動かすことができるステージも小さくなり、よってステージの移動距離も小さくすることができる。したがって、本発明によるポータブル電子顕微鏡の大きさは、マイクロカラムが装着されるチェンバーおよびポンプの大きさによって決定される。もちろん、ポンプの容量などを考慮してさらに大きく製作することもできる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるポータブル電子顕微鏡によって、試料を所望の場所で時間的および空間的制限なしに簡単で容易に観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面に基づいて本発明のポータブル電子顕微鏡を詳細に説明する。
図１は本発明による基本的な電子顕微鏡の構造を概略的に示す平面図である。ポータブル電子顕微鏡をすべて収容するケース９９内に、コントローラー２０、チェンバー１０、イオンポンプおよび／またはゲッターポンプのような超高真空用ポンプ３０が、前記チェンバー上にターボポンプのような高真空用ポンプ４０が、前記高真空用ポンプ４０の右側に機械ポンプのような低真空用ポンプ５０が位置する。図示しなかったが、コントローラー２０を便利に制御するために、ノートブックパソコンのようなコンピューターをコントローラーと連結できる。もちろん、図１の配置は常に同一なものではなく、ケースと各部品の大きさによって変えることができる。
【００１３】
コントローラー２０は、マイクロカラム１の電子ビームを制御し試料を観察するように制御するために、チェンバー１０と制御線２１を介して連結され、また各種のポンプを制御するように配線（図示せず）できる。チェンバー１０は、マイクロカラム１を収容して固定し、内部に試料が置かれるように、ローダー（図示せず）が備えられており、試料を投入するためのドア１２が備えられる。また、チェンバー１０はポンプと真空吸引管３１を介して連結され、空間的効率のために、高真空用ポンプ４０と低真空用ポンプ５０は、図示のように、一つのバルブ６０によってチェンバー１０に連結されることが望ましい。作動手順を説明すれば、まず試料をドア１２を通じてチェンバーのローダーに固定し、機械ポンプのような低真空用ポンプ５０とターボポンプ等の高真空用ポンプ４０のバルブ６０を開けてチェンバーの内部を高真空に形成する。その後、イオンポンプなどの超高真空用ポンプ３０によってチェンバー１０の内部を超高真空にする。チェンバー１０の内部が超高真空になれば、コントローラー２０がマイクロカラム１を作動させて試料を観察することができる。
【００１４】
チェンバーの真空が一定に維持されている間は、チェンバーは、バルブによって密閉される。しかし、イオンポンプに連結されたバルブは、真空維持中も継続して開放されている。チェンバーとターボポンプ間のバルブを除き、他の二つのバルブは装備の体積および重さを減らすために、取付しなくてもよい。
【００１５】
図２は本発明によるマイクロカラム１とチェンバー１０の配置を示す断面図である。一般的に、マイクロカラム１はフィードスルー（ｆｅｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ）２に装着され、真空チェンバー１０の１ポートに固定される。真空チェンバー１０の内部には測定対象の試料９を固定することができるローダー８またはステージなどが設置され、設置固定された試料９は、マイクロカラム１から放出される電子ビームＢによって、一般電子顕微鏡によって測定される原理と同一または類似の原理で測定される。この時、試料９を測定するに際して、マイクロカラムは超高真空を維持しなければならず、望ましくは１０−９トール以上の真空度を維持することが良い。しかし、試料が位置するチェンバーの内部は超高真空を維持する必要はなく、高真空に近い真空度を、真空吸引管３１を介して高真空ポンプによって維持することができるので、チェンバー１０とマイクロカラム１の真空度を互いに異なるように維持することができる。すなわち、真空度を差別化（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）することができる。真空度を差別化することは、マイクロカラムのレンズ孔の外はすべて密閉させ、超高真空用ポンプを、Ｔ型またはクロスフランジ３または別途のチェンバーなどによって、チェンバー１０でなくマイクロカラム１とフィードスルー２に連結することでなされる。デファレンシャルタイプを使用しなければ、フランジ３を使用しなくてもよい。
【００１６】
図３は本発明によるポータブル電子顕微鏡の他の実施例を示す平面図で、図１の実施例に試料のみを別にローディングすることができるチェンバー７０をさらに備えたものである。測定用チェンバー１０とローディング用チェンバー７０はローディング通路７１によって連結が可能であり、通路７１間にドア７２があるので、試料移動の時に開放し、観察の時に密閉することができる。チェンバーの内部に超高真空を形成するのには多くの時間が必要であるので、チェンバー１０の内部は予め超高真空に近くし、別途のチェンバー７０に試料のみをローディングし、線形移動器具を利用してチェンバー通路７１を通じて測定用チェンバー１０に試料を運ぶものである。この実施例においては、バルブ６０、７３によって予めチェンバー１０を超高真空に形成する。試料はローディング用チェンバー７０に入れ、機械ポンプ５０とターボポンプ４０を利用して高真空に形成し、ローディング通路７１を通じてマイクロカラム１によって測定できるように、観測用チェンバー１０に試料を移送する。ターボポンプ４０とチェンバー１０を直接連結した真空吸引管３１はチェンバーの真空を早く形成するためのもので、なくてもかまわない。しかし、チェンバーにステージがある場合は、ステージ部分とマイクロカラム部分をバルブ（図示せず）で区分し、試料を挿入するかあるいは除去する時、ステージ部分の真空を維持するために使用する。
【００１７】
図４は図３のポータブル電子顕微鏡に熱電素子または発熱装置８１、８２を装着した実施例を示す平面図である。本実施例は超高真空を容易に形成するためのもので、超高真空を形成するために、チェンバー１０、７０を約１００℃でベーキング（ｂａｋｉｎｇ）するためのものである。一方、コントローラー２０は精密な電子部品で、熱に弱いので、熱電素子８１によって区画して、チェンバー１０はベーキングを行い、コントローラーは低温状態で作動するようにしたものである。したがって、コントローラー２０および機械ポンプ５０は、前記熱電素子８１、８２またはヒーティングテープなどによって低温を維持するために、外部に配置し、チェンバー１０、７０、ターボポンプ３０およびイオンポンプ４０は、高温に維持するために、内部に配置したものである。図３の実施例に示したように、すべてのポータブル電子顕微鏡を、前述した原理で具現することができる。
【００１８】
図５は本発明によるポータブル電子顕微鏡のケース９９の外部を示す側面図である。前記ケース９９の外部には、電源端子８２、ノートブックパソコンなどと連結するための制御端子８３、およびエアまたはガスの排出および吸入などのためのエア連結部８４が備えられている。エア連結部は、チェンバーおよび／またはポンプに連結（図示せず）されて真空にベントさせる時に使用する。本発明によるポータブル電子顕微鏡は、マイクロカラムの大きさが小型で、チェンバーの大きさも小さいので、移動中にも自動車のバッテリー電源などによっても真空を維持することができる利点がある。
【００１９】
図６は、前述した本発明による様々なポータブル電子顕微鏡の実施例において、マイクロカラム１をチルティングおよび／または垂直運動させることができる構造を概略的に示す斜視図である。
【００２０】
ケース９９に固定された支持部９２によってチェンバー１０が支持され、マイクロカラム１はベローズタイプの固定具９３に固定され、前記固定具９３の上面は三つの位置調整器９１によってチルティングされ、前記調整器９１と固定具９３はいずれもスライド部材９０によって支持されて垂直運動可能になる。前記調整器９１はスライド部材９０で回転し、固定具９３にねじ等によって固定され、スライド部材９０と固定具９３間の相対距離を調整することができる。図６はマイクロカラム１の垂直移動および／またはチルティングのいずれか一つの可能性のみを例示したもので、このような方法は当業者であれば多様な他の方式で実施できる。この機能により、既存の電子顕微鏡が動けないように固定された状態で試料を観察するのとは異なり、本発明では、リアルタイムでマイクロカラムが上下左右の方向に動き、任意の角度に傾いて試料を観察することができる。
【００２１】
このような本発明の構成において、マイクロカラムはシングル型またはマルチ型が使用可能である。マルチマイクロカラムは、複数のシングルマイクロカラムを組み合わせるか、あるいは半導体工程によって製造されるウェハータイプ等様々なタイプのマルチマイクロカラムを使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明によるマイクロカラムを利用したポータブル電子顕微鏡は、運搬携帯用検査装備またはリソグラフィー用にも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のポータブル電子顕微鏡の一実施例を示す平面図である。
【図２】本発明によるマイクロカラムとチェンバーの配置を示す断面図である。
【図３】本発明のポータブル電子顕微鏡における他の実施例を示す平面図である。
【図４】本発明のポータブル電子顕微鏡のさらに他の実施例を示す平面図である。
【図５】本発明のポータブル電子顕微鏡のケース外部を示す側面図である。
【図６】本発明に使用されるマイクロカラムのチルティング等の動きの一例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００２４】
１・・・マイクロカラム      １０・・・チェンバー      
１２・・・試料投入用ドア      ２０・・・コントローラー      
２１・・・制御線      ３０・・・超高真空用ポンプ（イオンポンプ）      
３１・・・真空吸引管      ４０・・・高真空用ポンプ（ターボポンプ）
５０・・・低真空用ポンプ(機械ポンプ)      ６０・・・バルブ
９９・・・ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2008511957.tif 000009
2008511957.tif 000010