열전자 방사형 소형 SEM의 분해능 향상을 위한 정전렌즈의 최종형태 결정 = Determination of the Final Form of the Electrostatic Lens for Improving the Resolution of a Thermionic Compact SEM

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, we produced the specific electrostatic type of SEM, based on miniaturization and optimized for depth of focus mode, for the purpose of applying to other vacuum equipment.
The initial configuration of the specific electrostatic type of SEM started with minimal configuration that allows people to see the mage in video.
in addition, the SEM is specially designed on electron source and lens section to operate seamlessly in the combination with other vacuum equipment.
After improving the stability of operation and resolution of the SEM, we had copious amounts of experimentation on identifying the characteristics and development of Einzel type lens with the reference to the demagnification lens system of SEM.
Through experimentation we have focused on finding a better final shape of the lens by changing factors that affect the focus, and we removed effects from the various aberrations generated in the process by using aperture and calibration device.
As a result, we found a better form of lens that has a much higher efficiency of focusing and stability of operation than conventional lens.
Therefore, we could have the final shape of lens composed of two layers of focusing lens and three apertures.
Because of this, the effective magnification could be up to 8000 times, and the resolution has improved up to 300 nm compared to the previous micro-region.
Starting with minimal configuration we have undergone three steps of changes based on the theories and experimentations, and could determine the future research directions through confirming additional subsequent possibilities.
Through this study, we learned the wide potential for the utilization of the electrostatic type of SEM, and also believe it will be able to contribute significantly in various areas in the coming convergence technology era.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 타 진공장비(ex. 피니싱 장비)에 적용하여 사용할 목적으로, 소형화(miniaturization)를 기본으로 하고 피사계 심도 모드(depth of focus mode)에 특화된 정전타입(electrostatic type)의 SEM을 제작하였다.
초기의 구성은 영상을 볼 수 있는 최소한의 구성으로 시작하였고, 타 진공장비의 환경에서 무리 없이 운용할 수 있도록 전자원 선정 및 렌즈부를 설계하였다. 이후에 보다 안정적인 운용과 분해능 향상을 위해서 SEM의 반확대(demagnification) 렌즈 시스템을 참조하여 집속렌즈(Einzel type)의 특성을 파악 및 개선하는 실험을 하였다.
실험의 내용은 집속에 영향을 미치는 요소들을 변경하며 보다 나은 렌즈의 최종형태를 찾고자 하였고, 이 과정에서 발생하는 각종 수차(aberration)의 영향들을 어퍼쳐(aperture) 및 보정장치를 사용하여 제거하는 실험들을 하였다.
그 결과, 기존의 렌즈보다 집속 효율이 높고 안정적 운용이 가능한 렌즈의 형태를 찾았으며, 이를 반영하여 두 단의 집속렌즈에 3개의 어퍼쳐를 조합한 최종형태를 결정할 수 있었다. 이로 인해서, 초기에 수~마이크로 영역에 머물렀던 분해능을 300 nm까지 향상시킬 수 있었으며, 유효배율은 8000배까지 가능해졌다.
최소한의 구성으로 시작하여, 이론과 실험을 통한 근거들을 가지고 총 3단계의 변화를 거쳤으며, 이후의 발전 가능성을 추가로 확인함으로써 향후의 연구방향을 정할 수 있었다.
본 연구를 통하여 정전타입 SEM의 보다 넓은 활용 가능성을 보았고, 다가올 융합기술시대에 맞추어 다양한 분야에서 크게 이바지 할 수 있을 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 요약 ⅰ
• 표목차 ⅱ
• 그림목차 ⅲ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구배경 1
• 2. 연구내용 및 목적 3
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. SEM의 원리 4
• 2. 진공 시스템의 원리 및 구성 5
• 2. 1. 진공의 목적 5
• 2. 2. 진공 시스템 구성 6
• 2. 3. 평균자유거리(MFP) 9
• 3. 각 부의 원리 및 구성 10
• 3. 1. 전자총부 10
• 3. 2. 전자 광학계부 13
• 3. 3. 비점 보정장치부 17
• 3. 4. 편향 장치부 19
• 3. 5. 신호 검출부 20
• Ⅲ. 실험장치의 구성 및 실험 21
• 1. 실험원리 및 방법 21
• 1. 1. SEM의 반확대 렌즈 시스템 22
• 1. 2. Aperture의 구경 변화에 따른 빔전류 및 영상비교 23
• 1. 3. Lens의 구경 변화에 따른 빔전류 및 영상비교 31
• 1. 4. SIMION을 이용한 해석내용과 실험내용의 비교 34
• 2. 문제점 도출 및 해결방안 모색 36
• Ⅳ. 설계수정을 통한 문제점 해결 및 향후 연구계획 37
• 1. 집속렌즈 추가 적용 37
• 2. 비점 보정장치 적용 40
• 3. 향후 연구계획 45
• Ⅴ. 결 론 48
• 참고문헌 50
• 영문요약(Abstract) 52
• 감사의글 54