[논문]유한요소법을 사용한 주사전자 현미경의 전자렌즈 설계 및 해석에 관한 연구

박근; 정현우; 박만진; 김동환; 장동영

유한요소법을 사용한 주사전자 현미경의 전자렌즈 설계 및 해석에 관한 연구
A Study on Design and Analysis for Magnetic Lenses of a Scanning Electron Microscope using Finite Element Method 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.24 no.9 = no.198, 2007년, pp.95 - 102

박근 (서울산업대학교 기계설계.자동화공학부) , 정현우 (서울산업대학교 기계설계.자동화공학부 대학원) , 박만진 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 김동환 (서울산업대학교 나노생산기술연구소) , 장동영 (서울산업대학교 나노생산기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The scanning electron microscope (SEM) is one of the most popular instruments available for the measurement and analysis of the micro/nano structures. It is equipped with an electron optical system that consists of an electron beam source, magnetic lenses, apertures, deflection coils, and a detector. The magnetic lenses playa role in refracting electron beams to obtain a focused spot using the magnetic field driven by an electric current from a coil. A SEM column usually contains two condenser lenses and an objective lens. The condenser lenses generate a magnetic field that forces the electron beams to form crossovers at desired locations. The objective lens then focuses the electron beams on the specimen. The present work concerns finite element analysis for the electron magnetic lenses so as to analyze their magnetic characteristics. To improve the performance of the magnetic lenses, the effect of the excitation current and pole-piece design on the amount of resulting magnetic fields and their peak locations are analyzed through the finite element analysis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 자기장의 측정이 용이하도록 실험용 렌즈를 설계/제작하였다. Table 1에실험용 렌즈의 주요 치수를 요약하였으며, 극편간의 간격은 12mm 로 설정하였다.
검증하도록 하겠다. 또한 열전자형 주사전자현미경용 전자렌즈계에 대한 해석을 수행하여각각의 렌즈의 특성 및 전체 렌즈계의 특성을 분석하고, 이를 통해 전자광학계의 설계를 위한 기반을 확립하고자 한다.
본 연구에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYStm를 사용하여 전자렌즈의 기본 특성에 관해 고찰하고 실험결과와의 비교를 통해 해석의 신뢰성을 검증하도록 하겠다. 또한 열전자형 주사전자현미경용 전자렌즈계에 대한 해석을 수행하여각각의 렌즈의 특성 및 전체 렌즈계의 특성을 분석하고, 이를 통해 전자광학계의 설계를 위한 기반을 확립하고자 한다.
그러나 현재 전자현미경은 일본과 독일이 거의 독점하고 있으며, 아직까지 국산화 되지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 수 나노미터 스케일의 분해능을 갖는 전자현미경의 개발을 최종 목표로 주사전자 현미경의 전자광학계를분석하고 설계하기 위한 기초연구를 수행하고자한다.
본 절에서는 전체 렌즈계에 대한 자기장특성해석을 수행하였다. 해석은 Fig.
본 절에서는 주사전자현미경 전자광학계의 주요 부품인 전자 렌즈의 특성을 유한요소해석을 통해 예즉하고, 실험을 통해 해석 결과를 검증하고자 한다. 렌즈는 전자빔의 집속도를 높이기 위해순철로 제작된 극편 주변에 구리선 코일이 감겨지는 구조로 되어 있다.

제안 방법

(1) 주사전자 현미경의 기본 구조를 고찰하였고, 2 개의 집속렌즈와 1 개의 대물렌즈로 구성된전자렌즈계의 설계특성에 대해 분석하였다.
(2) 유한요소법을 사용하여 전자렌즈 주변의 자기장 특성을 해석하고, 이를 검증하기 위해별도의 실험을 수행하였다. 또한 해석결과를실험결과와 비교함으로써 해석의 신뢰도를 검증하였다.
(3) 열전자형 주사전자 현미경의 집속렌즈와 대물렌즈에 대해 유한요소해석을 실시하였고, 해석 결과로부터 렌즈의 형상설계에 따른 전자렌즈의 집속특성을 고찰하였다.
(4) 주사전자현미경 전자렌즈계 전체 영역에 대한 해석을 실시하였고 렌즈별 해석결과와 비교하여 렌즈 상호간의 자기장 간섭특성을 고찰하였다.
9(a)에 대물렌즈의 자속선의 분포를 도시하였다. 대물렌즈의 경우 측정하고자 하는 시편 상단에 위치하게 되며, 따라서 렌즈의 하단에 자기장이 집중되도록 극편의 형상을 설계하였다. 해석 결과를 보면 집속렌즈의 경우와 마찬가지로 자기장이극편 주변에서 집중됨을 알 수 있다.
이러한 현상을 정량적으로 관찰하기 위해 렌즈의 바닥면으로부터의 중심축 거리(Z)에 따른 자속밀도(BJ의 변화를 측정하여 해석 결과와 비교하였다. Fig.
이상으로 본 연구에서는 열전자형 주사전자 현미경의 기본 특성에 대해 고찰하고, 보다 체계적인분석을 위해 유한요소법을 사용하여 주사전자 현미경의 전자렌즈 특성을 분석하였다. 이러한 연구내용을 요약하면 다음과 같다.
Table 1에실험용 렌즈의 주요 치수를 요약하였으며, 극편간의 간격은 12mm 로 설정하였다. 인가전류는 각각 1.0, 1.5, 2.0A 로 변화시켜가며 결과를 관찰하였다. Fig.
5 에 렌즈의 자속밀도 측정을 위한 실험장치 구성을 도시하였다. 자속밀도는 Pasco 의 CI- 6520A 장비를 사용하여 측정하였으며, 자기센서를렌즈 내부로 이송시키며 발생되는 신호를 컴퓨터로 전송하여 자속밀도의 변화를 측정하였다.
7 에 도시된 바와 같이 주사전자현미경의경통 내부에는 전자총(상측)으로부터 시편(하측)에이르기까지 2개의 집속렌즈와 1 개의 대물렌즈 순서로 구성되어 있으며, 편의상 상측 집속렌즈를 CL(1), 하측 집속렌즈를 CL(2)로 명명하였다. 해석을 위해 2차원 4 절점 사각형 요소를 사용하여 유한요소망을 구성하였고, 특히 극편 주변에서의 자기장의 급격한 변화를 적절히 묘사하기 위해 적응적 요소망 세분화(Adaptive mesh refinement)를 실시하였다.

대상 데이터

수행하였다. 해석은 Fig. 7 에 도시된 경통내부 전자렌즈계에 대해 수행하였다. Fig.

데이터처리

실험을 수행하였다. 또한 해석결과를실험결과와 비교함으로써 해석의 신뢰도를 검증하였다.

이론/모형

수행해야 한다. 해석을 위한 지배방정식은 Maxwell 방정식을 사용하여 다음과 같이 표현된다.

성능/효과

29%로 가장 크게 나타났는데, 이는 중간지점에위치한 집속렌즈 (2)가 집속렌즈 (1) 및 대물렌즈모두의 영향을 받는 관계로 단일 렌즈에 대한 해석결과보다 최대 자속밀도의 증가폭이 큰 것으로분석된다. 이러한 결과로부터 렌즈간 간섭을 효과적으로 고려하기 위해서는 해석 모델을 전체 영역으로 확장하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
자속밀도값을 Table 4 에 요약하였다. 전체 시스템에서의 최대 자속밀도값을 렌즈별 독립적인 해석모델에서의 결과와 비교해보면 1% 내외의 오차를 보여 렌즈 상호간에 자기장의 간섭이 존재함을알 수 있다. 특히 집속렌즈 (2)의 경우에 오차가 1.

후속연구

적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 제안된 해석기법을 전자빔의 궤적 예측기법과 연계함으로써 제품 개발과정에서 활용할 전망이다.
이러한 연구결과는 향후 주사전자 현미경의 설계과정에서 최적의 집속특성을 갖는 렌즈계의 설계에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 제안된 해석기법을 전자빔의 궤적 예측기법과 연계함으로써 제품 개발과정에서 활용할 전망이다.

참고문헌 (8)

Lee, R. E., 'Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis,' Prentice Hall, 1993
Reimer, L., 'Scanning Electron Microscopy -Physicsof Image Formation and Microanalysis,' Springer Berlin, 1998
Hawkes, P. W., 'Magnetic Electron Lenses,' Springer-Berlin, 1982
Orloff, J., 'Handbook of Charged Particle Optics,' CRC Press, 2004
Juma, S. M. and Mulvey, T., 'Miniature rotation-free magnetic electron lenses for the electron microscope,' J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 11, pp. 759-764, 1978

상세보기
Lencova, B. and Lenc, M., 'Program AMAG for the computation of vector potential distribution in rotationally asymmetric magnetic electron lenses by the finite element method,' Proc. SEM'86, pp. 879915, 1986
Zhu, X. and Munro, E., 'A computer program for electron gun design using second-order finite elements,' J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 7, No.6, pp. 1862-1869,1989

상세보기
Alamir, A. S. A., 'A study on effect of current density on magnetic lenses,' Optik, Vol. 114, No.2, pp. 85-88, 2003

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증