[논문]주사전자현미경 렌즈의 해석을 통한 최적의 빔 특성 연구

배진호; 김동환

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.1.001

주사전자현미경 렌즈의 해석을 통한 최적의 빔 특성 연구
Optimal Electron Beam Characteristics by Lenses Analysis Using Scanning Electron Microscopy 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.1, 2015년, pp.1 - 9

배진호 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 김동환 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

초록
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이 논문은 SEM(Scanning Electron Microsopy) 경통부에서 전자빔의 집속특성을 최적화하기 위한 방법을 다루고 있다. SEM 에서 물체 표면을 확대하기 위해서는 경통부를 지나는 전자빔을 효과적으로 집속하여 표면에 충돌하는 프로브 직경을 줄이는 것이 중요하다. 이 전자빔의 집속정도를 나타내는 지표가 반배율이다. 본 연구는 전자빔의 집속특성을 효과적으로 구현하기 위해 그에 영향을 끼치는 경통부의 설계 인자들을 렌즈 해석과 광선 추적을 통해 알아본다. 이 결과를 근거로 민감도 분석을 수행하여 설계 인자들이 빔의 집속에 끼치는 영향의 정도를 정량적으로 비교해 볼 수 있다. 이러한 전자빔의 특성에 따른 설계 인자의 분석은 경통부 설계에 있어 중요한 기초 정보로 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a design method for optimizing the focused beam characteristics, which are mainly determined by the condenser lenses in a scanning electron microscopy (SEM) design. Sharply reducing the probe diameter of electron beams by focusing the condenser lens (i.e., the rate of condensation) is important because a small probe diameter results in high-performance demagnification. This study explored design parameters that contribute to increasing the SEM resolution efficiently using lens analysis and the ray tracing method. A sensitivity analysis was conducted based on those results to compare the effects of these parameters on beam focusing. The results of this analysis on the design parameters for the beam characteristics can be employed as basic key information for designing a column in SEM.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 렌즈해석 목적은 전자 빔의 경로를 제어하는 요소인 B_z를 파악하기 위함이고, 그를 통해 광선 추적을 하는 목적은 빔의 집속을 통해 상이 맺히는 지점(image plane), 집속 길이(focal length), 그리고 반배율을 파악하는 데 있다.
본 연구에서는 이 전자 빔의 집속 특성을 효과적으로 구현하기 위해 경통부의 설계 인자들을 분석하고자 한다. 이를 위해 렌즈 해석, 광선 추적(ray tracing) 그리고 민감도 분석을 이용하며, 상용 전자기장 해석 툴(tool)인 OPTICS 를 사용한다.
이상으로 SEM에서 전자 빔의 집속 특성을 최적화하기 위하여, 빔의 굴절에 영향을 끼치는 인자들의 설계 민감도에 대해 알아보았다. 이 연구의 내용과 그를 통해 내릴 수 있는 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.

가설 설정

제 1 군 렌즈 극편 간격의 크기를 변형할 때 유의할 점은 크기의 변화가 렌즈간 거리에 영향을 주어서는 안 된다는 점이다. 예를 들어 CL1 극편 간격이 Fig.

제안 방법

(1) 전자 빔의 집속 특성을 향상시키기 위한 설계 요소(design parameter)를 전자기 렌즈 해석과 광선 추적을 통하여 분석하였다. 또한 분석해야 할 많은 설계 인자들의 수를 줄이기 위해 그 특징과 기능이 유사한 요소들을 군으로 묶어서 분석하였다.
(1) 전자 빔의 집속 특성을 향상시키기 위한 설계 요소(design parameter)를 전자기 렌즈 해석과 광선 추적을 통하여 분석하였다. 또한 분석해야 할 많은 설계 인자들의 수를 줄이기 위해 그 특징과 기능이 유사한 요소들을 군으로 묶어서 분석하였다. 그 결과 설계 요소마다 빔의 집속에 끼치는 특정한 경향성을 나타내었는데, 극편 간격군(g), 경통내 반경군(r)은 길이가 줄어들수록 빔을 잘 집속시킬 수 있는 반면, 렌즈간 간격군(p), 렌즈 반경군(R), 렌즈 길이군(L)은 그 반대의 경우에 해당한다.
렌즈의 형상의 변화가 큰 부분(특히 극편 영역과 물성치가 변하는 부분)에서 메쉬 밀도가 높도록 설정하였고, 축 방향 길이(100.5 mm)에 총 68개, 반경 방향 길이(64.5 mm)에 총 54개의 선으로 메쉬 격자를 설정하였다. 그 결과 극편 영역에서 자속 밀도가 높은 밀도로 형성이 되었으며, 그 최대값은 0.
시스템의 특성(개별 요소들이 반응값에 끼치는 영향)을 파악하기 위해서는 특정한 기준에 따라 시스템에 변화를 주고 반응을 알아보는 것이 일반적이다. 반배율을 효과적으로 줄이기 위한 설계 인자를 구하기 위해 부피를 그 기준으로 정하고 경통에 부피 변화를 주기로 하였다.
우선 반배율 값에 영향을 주는 경통부의 설계 인자를 선정하기 위해 원기둥인 경통부의 부피를 일정하게 유지시킨 상태에서 경통부의 형상 변화를 시도하고 반배율을 살펴보았다. 단면을 기준으로 길이 방향(Fig.
이렇게 처리해야 할 변수가 많을 때의 문제점을 극복하기 위해서 군집(grouping) 방법을 이용하여 처리해야 할 인자의 개수를 줄였다. 곧, 반응 값에 끼치는 특징이나 기능이 유사한 인자들끼리 하나의 군으로 엮어서 같은 군 내의 인자들은 일괄적으로 수준수의 변화를 주었다.
그럼 그에 따라 발생하는 B_z의 값의 상대비교가 가능하며, 그 결과에 따른 반배율의 비교도 가능하게 된다. 이번 시뮬레이션의 수준변화의 초점은 부피를 일정하게 변화시킬 때의 인자 군의 민감도 분석으로, 경통의 부피에 따라 수준의 변화를 주게 되었다.
제4군 개별 렌즈들의 반경군(R: 54.5 ~ 69.5 mm)의 변화: 3개의 렌즈들에 대해 일괄적인 반경(R: 0.9R, 0.95R, 1.05R, 1.1R)의 비율변화 적용.

대상 데이터

렌즈의 형상의 변화가 큰 부분(특히 극편 영역과 물성치가 변하는 부분)에서 메쉬 밀도가 높도록 설정하였고, 축 방향 길이(115 nm)에 총 82개, 반경 방향 길이(80 mm)에 총 71개의 선으로 메쉬 격자를 설정하였다. 그 결과 극편 영역에서 자속 밀도가 높은 밀도로 형성이 되었으며, 그 최대값은 - 0.
렌즈의 형상의 변화가 큰 부분(특히 극편 영역과 물성치가 변하는 부분)에서 메쉬(mesh) 밀도가 높도록 설정하였고, 축 방향 길이(117 mm)에 총 89개, 반경 방향 길이(64.5 mm)에 총 64개 선으로 메쉬 격자를 설정하였다. 그 결과 극편 영역에서 자속 밀도가 높은 밀도로 형성이 되었으며, 그 최대값은 0.
제1군 렌즈 극편(pole-piece) 간격(gap)군(g: 2 ~ 5 mm)의 변화: 3개의 전자기 렌즈의 극편 간격 군에 대해 일괄적인 길이의 비율변화(0.81g, 0.9025g, 1.1025g, 1.21g) 적용.

데이터처리

(3) 광선 추적의 결과를 바탕으로 민감도 해석을 실시하였으며 설계 요소들이 빔의 집속에 끼치는 영향의 정도를 비교해 볼 수 있었다. 본 연구에서는 경통내 반경군(r)이 가장 높은 설계 민감도를 가지고 있다고 결론 내릴 수 있으며, 이는 경통부 설계 시작은 변화에도 자속 밀도(B_z)가 크게 변하여 빔의 집속 정도에 큰 영향을 끼칠 수 있음을 의미한다.

이론/모형

전자들은 전자총에서 발생하여 경통부에 있는 2개의 집속 렌즈(CL: Condenser lens)과 1 개의 대물렌즈(OL: Objective lens)을 거쳐 집속이 된다.(Fig.1) 전자 빔이 전자기 렌즈에서 집속되는 원리는 로렌츠 법칙을 따른다.(Fig.
본 연구에서는 이 전자 빔의 집속 특성을 효과적으로 구현하기 위해 경통부의 설계 인자들을 분석하고자 한다. 이를 위해 렌즈 해석, 광선 추적(ray tracing) 그리고 민감도 분석을 이용하며, 상용 전자기장 해석 툴(tool)인 OPTICS 를 사용한다.

성능/효과

(4) 렌즈 사이 거리(p_i)보다 초점 거리(f_i)를 변화시키는 인자들(g_i , r_i)의 민감도가 높은 것으로 보아 빔을 집속하기 위한 설계에는 초점 거리(f_i)를 줄이는 것이 더 유리함을 알 수 있다(단, i=1, 2, 3)
(5) Fig. 17의 반배율-R,L변화량 결과 그래프를 통해 경통부의 부피를 증가시킬 때는 반경이 긴 형태보다 길이가 긴 것이 효과적으로 빔을 집속시킬 수 있는 구조이고, 부피를 감소시킬 때는 반경이 짧은 형태가 그러한 구조에 해당한다고 결론지을 수 있다.
또한 각각의 설계 인자 군들이 빔의 집속에 영향을 끼치는 정도가 각기 차이를 나타내는 데, 이는 평균민감도의 계산으로 판단이 가능하다.(Table 3) 평균민감도는 설계 인자 군의 변화량에 대한 그의 반배율 변화량의 비로 극편 간격군(g), 경통내 반경군(r)이 다른 인자 군들에 비해 설계민감도를 가지는 것을 알 수 있다. 곧, 상대적으로 그 길이를 조금 변경함에도 반배율의 변화에 큰 영향을 끼칠 수 있다는 것을 의미한다.
- 설계 인자간의 민감도 차이: 부피를 일정하게 유지시키고 R 과 L 에 일정한 변화를 주었음에도 불구하고, 반배율 값의 차이가 크게 났으며, 또한 그 값의 변화가 비선형적이었다. 이를 통해 경통부의 길이와 반경방향의 비율 변화가 반배율 값에 변화를 준다는 사실과 그 변화된 여러 요소들이 반배율 값에 끼치는 정도에 차이가 있다는 것을 추론 할 수 있다.
OPTICS의 전자기장, 광선추적의 해석 신뢰성은 실험을 통해 타당하다는 결론 내릴 수 있다.⁽⁷⁾
5 mm)에 총 64개 선으로 메쉬 격자를 설정하였다. 그 결과 극편 영역에서 자속 밀도가 높은 밀도로 형성이 되었으며, 그 최대값은 0.1182 T이다.(Fig.
5 mm)에 총 54개의 선으로 메쉬 격자를 설정하였다. 그 결과 극편 영역에서 자속 밀도가 높은 밀도로 형성이 되었으며, 그 최대값은 0.2259 T이다.(Fig.
또한 분석해야 할 많은 설계 인자들의 수를 줄이기 위해 그 특징과 기능이 유사한 요소들을 군으로 묶어서 분석하였다. 그 결과 설계 요소마다 빔의 집속에 끼치는 특정한 경향성을 나타내었는데, 극편 간격군(g), 경통내 반경군(r)은 길이가 줄어들수록 빔을 잘 집속시킬 수 있는 반면, 렌즈간 간격군(p), 렌즈 반경군(R), 렌즈 길이군(L)은 그 반대의 경우에 해당한다.
(3) 광선 추적의 결과를 바탕으로 민감도 해석을 실시하였으며 설계 요소들이 빔의 집속에 끼치는 영향의 정도를 비교해 볼 수 있었다. 본 연구에서는 경통내 반경군(r)이 가장 높은 설계 민감도를 가지고 있다고 결론 내릴 수 있으며, 이는 경통부 설계 시작은 변화에도 자속 밀도(B_z)가 크게 변하여 빔의 집속 정도에 큰 영향을 끼칠 수 있음을 의미한다.
이 결과들을 통해 극편 간격군(g), 경통내 반경군(r)은 길이가 줄어들수록, 그리고 렌즈간 간격군(p), 렌즈 반경군(R), 렌즈 길이군(L)은 길이가 길수록 반배율이 작아지는 경향성을 보인다. 빔의 집속 특성에 기인한 설계를 할 때에는 이와 같은 경향성을 따르는 것이 유리하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SEM(Scanning Electron Microscopy)이란?	SEM(Scanning Electron Microscopy)은 현미경보다 더 작은 미세한 영역을 관찰하기 위해 고안된 측정 장비이다. 이는 최근 나노 과학 및 산업의 발전에 힘입어 그 활용도와 중요도가 더욱 증대되고 있다.
	전자 빔의 집속 특성을 효과적으로 구현하기 위해 무엇을 사용하는가?	본 연구에서는 이 전자 빔의 집속 특성을 효과적으로 구현하기 위해 경통부의 설계 인자들을 분석하고자 한다. 이를 위해 렌즈 해석, 광선 추적(ray tracing) 그리고 민감도 분석을 이용하며, 상용 전자기장 해석 툴(tool)인 OPTICS 를 사용한다.
	SEM의 경통부는 어떻게 구성되는가?	일반적으로 경통부는 3 개의 전자기렌즈(electromagnetic lens)와 2 쌍의 편향기(deflector)로 구성되어 전자빔을 시편의 원하는 영역에 주사시키는데, 그 영역의 크기 따라 화면에 출력되는 배율이 결정된다. 배율이 높이기 위해서 시편에 충돌하는 전자 빔, 즉 프로브 직경(probe diameter)이 줄어들어야 하는데, 반배율(Demag: Demagnification)로 전자 빔이 줄어든 정도를 파악할 수 있다.

참고문헌 (13)

Reimer, L., 1998, "Scanning Electron Microscopy," 2nd Ed., Springer, Berlin, pp. 1-3.
Park, M. J., Kim, D. H., Park, K., Jang, D. Y. and Han, D. C., 2008, "Design and Fabrication of a Scanning Electron Microscope Using a Finite Element Analysis for Electron Optical System," J. of Mechanical Science and Technology, Vol. 22, No. 9, pp. 1734-1746.

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http://advressys.com/analytic/sem.htm
Lee, R. E., 1993, "Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis," P T R prentice Hall, pp. 68-69.
Park, K., Lee, J. J., Park, M. J., Kim, D. H. and Jang, D. Y., 2009, "Design and Analysis of an Objective Lens for a Scanning Electron Microscope by Coupling FE Analysis and Ray Tracing," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 26, No. 11, p. 94.
Kim, S. J., Joo, W. and Kim, D. H., 2013, "Raster San Waveform Compensation Control for Enhancing the Orthogonality of Images in SEM," Microscopy, Vol. 62, No. 4, p. 476.
Jumg, H. W., 2008, "Finite Element Analysis for Electron Optical System of a Scanning Electron Microscope," M.S. Dissertation, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, pp. 22-46.
Munro, E., 2005, "OPTICS-Software for Electron and Ion Beam Column Design," MEBS Ltd., London, p.112.
Kim, D. H., Park, k., Park, M. J., Jung, H. W. and Jang, D. Y., 2010, " Numerical Analysis for Verifying the Performance of Lens System in a Scanning Electron Microscope," Optik, in press, Vol. 121, p. 334.
Reimer, L., 1998, "Scanning Electron Microscopy," 2nd Ed., Springer, Berlin, pp. 30-31.
Kim, D. H., Park, k., Park, M. J., Jung, H. W. and Jang, D. Y., 2010, " Numerical Analysis for Verifying the Performance of Lens System in a Scanning Electron Microscope," Optik,, Vol. 121, pp. 330-338.

상세보기
Murray-Smith, D. J., 2013, "The Application of Parameter Sensitivity Analysis Methods to Inverse Simulation Models," Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, Vol. 19, No.1, p. 69.
Tohsato, Y., Ikuta, K., Shionoya, A., Mazaki, A. and Ito, M., 2013, "Parameter Optimization and Sensitivity Analysis for Large Kinetic Models Using a Real-Coded Genetic Algorithm," Gene, Vol. 518, No.1, p. 86.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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