KR100485389B1 - 이차이온 질량분석기 및 이를 이용한 이차이온 일드측정방법 - Google Patents

이차이온 질량분석기 및 이를 이용한 이차이온 일드측정방법 Download PDF

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Abstract

이차이온 질량분석기 및 이를 이용한 이차이온 일드 측정방법이 개시되어 있다. 이차이온을 발생시키기 위한 시료가 장착된 이차이온 생성 챔버, 이차이온을 선택적으로 통과시키는 이온 추출기 및 통과된 이차이온을 검출하는 검출기를 포함하는 이차이온 질량분석기는, 상기 이온 추출기 및 검출기를 시편방향과 마주하며 둘러싸고 있는 차폐막, 상기 차폐막에 전압을 인가하는 입력 단자, 상기 차폐막에 인가된 전압에 의해 포집된 이차이온을 전류로 출력하는 출력 단자 및 상기 출력 단자로부터 출력된 전류를 감지하는 검류계를 포함한다. 이차이온 일드 측적방법은, 일차 이온을 시편에 주사하여 이차이온을 방출시고, 상기 방출된 이차이온을 차폐막으로 포획한다. 상기 차폐막에 포획된 이차이온이 나타내는 전류를 검류기로 파악한 후, 상기 이차이온이 나타내는 전류/일차이온이 나타내는 전류의 비를 파악한다. 이와 같이, 측정하고자하는 시편에 대해 직접적으로 이차이온일드를 산출함으로써, 정확하게 이차이온일드를 산출할 수 있다.

Description

이차이온 질량분석기 및 이를 이용한 이차이온 일드 측정방법{SECONDARY ION MASS SPECTROSCOPY AND METHOD OF MEASURING SECONDARY ION YIELD USING THE SAME}
본 발명은 이차이온 질량분석기 및 이를 이용한 이차이온 일드 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정확하게 정량화할 수 있는 이차이온 질량분석기 및 이를 이용한 이차이온 일드 측정방법에 관한 것이다.
고집적의 반도체 소자는 수많은 공정을 반복적으로 되풀이하여 제조한다. 상기 공정은 다양한 종류의 막 형성, 상기 막들에 대한 사진 식각 공정, 상기 막의 평탄화 공정 및 세정 공정 등과 같이 다양한 종류의 공정이다. 따라서, 각 공정에 사용되는 물질을 정확하게 제어하는 것뿐만 아니라, 각 공정을 진행하기 전후의 공정 상태를 점검하는 것 또한 매우 중요하다. 공정을 반복적으로 진행하면서 오염될 위험의 소지가 높기 때문이다.
공정 상태를 점검하기 위해서는 물질에 존재하는 불순물의 농도를 분석하거나, 주입된 이온의 프로파일을 분석하는 방법이 사용된다.
일반적으로 상기 물질의 상태를 분석하기 위해서는 이차 이온 질량 분석기(Secondary Ion Mass Spectrometry;이하, 'SIMS'라 한다.)를 사용한다. 상기 SIMS는 Ar+, O2+, Cs+등의 일차이온을 분석하고자 하는 시편 표면에 주사하여 방출되는 이차이온의 질량(mass)을 분석하고, 분석한 스펙트럼(Spectrum)으로부터 상기 시편의 구성물질 및 함량 등을 분석하는 장치이다.
도 1은 일반적인 이차 이온 질량 분석 장치의 측정 원리를 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 분석하고자 하는 시편표면(100)에 약 0.5keV 내지 20keV의 일정에너지로 일차 이온(Primary Ion)(110)을 입사시키면 입사 이온은 시편중의 원자와 역학적 상호작용 및 전자적 상호작용에 의한 두가지 충돌과정은 거쳐서 시편내로 침투하여 이차이온(120)을 방출시킨다.
상기 침투한 입사 이온은 시편 내에서 정지, 또는 정지하기 전에 후방산란(back scattering)에 의해 반사된다. 상기 시편중의 원자는 입사 이온과 탄성충돌에 의해 운동에너지를 받게 되며, 상기 운동에너지가 결정격자의 위치에너지(potential energy)보다 크게되면, 시편중의 원자는 격자로부터 이탈되어 가까운 원자와 차례로 충돌하게 된다. 상기 충돌 사슬(chain)이 시편표면에 도달하여 배면 방향 성분의 에너지가 원자의 결합에너지보다 커지면 시편원자는 진공 중으로 방출된다. 방출하는 원자는 대부분이 중성이지만 일부는 이온화된 입자로써 이차이온(Secondary Ion)이라 하며, 이와 같은 이온만이 SIMS의 분석대상이다. 일차이온으로는 주로 O2+, Cs+등이 사용되며, 상기 O2+는 2차 양이온(Secondary cation) 검출에 사용되고, 상기 Cs+는 이차 음이온(Secondary anion) 검출에 사용된다. 이때, 시편으로의 입사각은 보통 시편표면에 대해 60°내지 90°의 범위를 갖는다.
SIMS 는 일차 이온을 만들어내고 시편을 향해 집속시키는 이온 소스 및 전자총, 분석 시편을 넣을 수 있는 진공 챔버, 이차 이온 에너지 분석기, 이차 이온의 질량/전하비율에 따라 이를 분리해 낼 수 있는 질량분석기 및 검출기로 이루어진다. 미국 특허 5,943,548(Kim et. al.)에 SIMS 에 의하여 분석방법이 개시되어 있다.
일반적으로, SIMS에서 생성된 일차이온은 측정하고자 하는 시편에 입사되어 충돌된 부분을 파괴시킨다. 상기 파괴된 부분으로부터 이온화된 원자, 분자, 전자 및 중성입자 등이 방출되며, 추출기(Extractor)에 전압을 가하면 이온화된 분자는 가속되게 되어 추출기 쪽으로 가속된다. 이때 추출기에 양(+)전압을 걸면 음성 이온이 추출기 쪽으로 가속되고, 상기 추출기에 음(-)전압을 가하면 양성 이온이 추출기 쪽으로 가속된다. 상기 가속된 이온은 추출기의 홀(Hole)을 통과하여 이차이온 검출기에 검출되어 에너지 분석 및 질량분석이 이루어진다.
상기 SIMS에 의한 분석방법은 ppm 내지 ppb 의 적은 양까지 검출할 수 있고 동위 원소를 포함한 거의 모든 원소를 검출할 수 있다. 또한, 2 내지 5㎚의 간격으로 깊이에 대해 분석할 수 있으며, 일차이온의 종류에 따라서는 20㎚ 내지 1㎛m 까지 표면 분해가 가능하다. 도체뿐만 아니라, 부도체에 대해서도 분석이 가능하며, 표준시편의 상대적 감도(Relative Sensitivity Factor;이하, 'RSF'라고 한다.)에 의해 정량화 할 수 있다. 따라서, 분자이온량의 상대 비교로 화학정보를 획득할 수 있다.
반면에, 상기 가속된 이온은 추출기의 홀(Hole)을 통과하는 이온만 검출기(Detector)에서 검출하게 되며 상기 홀을 통과하지 않은 나머지 이온들은 추출기의 외벽, 챔버 내벽 또는 진공중의 입자와 충돌하거나, 상호작용에 의해 전하를 상실하여 중성입자로 존재한다.
따라서, 일차이온에 의해 생성된 대량의 이차이온이 손실되어 적은 양의 이차이온만이 검출된다. 따라서, 검출된 적은 양의 이차이온으로 이차이온 일드를 역으로 추산하여야 한다. 상기 SIMS에 의한 분석방법은 막질의 깊이에 대한 분석을 진행하기 위해 기존에 농도를 알고 있는 표준시편을 사용하여 상대적인 정량화를 취해야 하므로 정량화하는 방법이 까다롭다.
정량화를 하기 위해서는 모체를 이루고 있는 기판에 대한 RSF를 아는 것이 중요한데, 이는 이차이온 일드에 직접적인 연관성이 있다. 그러나, 상기 SIMS에 의한 분석방법은 질량이 비슷한 이온이나, 원자간의 간섭으로 인해 오차가 발생할 수 있으며, 원소에 따라서는 이차이온의 일드(yield)의 변화가 106에 달하는 경우도 있다. 즉, 손실되는 이차이온으로 인해 이차이온 일드의 오차가 크게 발생하여 분석하고자 하는 미지 시료에 대한 잘못된 결과를 산출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1목적은 생성된 이차이온을 모두 포집하여 직접적으로 이차이온 일드를 산출할 수 있는 이차이온 질량분석기를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2목적은 생성된 이차이온을 모두 포집하여 직접적으로 이차이온 일드를 산출함으로서 정확하게 정량화할 수 있는 이차이온 질량분석기의 이차이온 일드 측정방법을 제공하는 것이다.
상기 제1목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이차이온을 발생시키기 위한 시료가 장착된 이차이온 생성 챔버, 이차이온을 선택적으로 통과시키는 이온 추출기 및 통과된 이차이온을 검출하는 검출기를 포함하는 이차이온 질량분석기는, 상기 이온 추출기 및 검출기를 시편방향과 마주하며 둘러싸고 있는 차폐막, 상기 차폐막에 전압을 인가하는 입력 단자, 상기 차폐막에 인가된 전압에 의해 포집된 이차이온을 전류로 출력하는 출력 단자 및 상기 출력 단자로부터 출력된 전류를 감지하는 검류계를 포함한다.
상기 제2목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이차이온질량분석기의 이차이온 일드 측적방법은, 일차 이온을 시편에 주사하여 이차이온을 방출시키는 단계, 상기 방출된 이차이온을 차폐막으로 포획하는 단계, 상기 차폐막에 포획된 이차이온이 나타내는 전류를 검류기로 파악하는 단계 및 상기 이차이온이 나타내는 전류/일차이온이 나타내는 전류의 비를 파악하는 단계를 포함한다.
이와 같이, 측정하고자하는 시편에 대해 직접적으로 이차이온 일드를 산출함으로써, 부수적으로 이차이온 일드를 산출하기 위한 과정을 생략할 수 있으며 손실되는 이차이온으로 인한 오차를 방지하여 정확하게 이차이온 일드를 산출할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명의 이차이온을 발생시키기 위한 시료가 장착된 이차이온 생성 챔버, 이차이온을 선택적으로 통과시키는 이온 추출기 및 통과된 이차이온을 검출하는 검출기를 포함하는 이차이온 질량분석기는, 상기 이온 추출기 및 검출기를 시편방향과 마주하며 둘러싸고 있는 차폐막을 포함한다. 상기 차폐막에 전압을 인가하는 입력 단자, 상기 차폐막에 인가된 전압에 의해 포집된 이차이온을 전류로 출력하는 출력 단자 및 상기 출력 단자로부터 출력된 전류를 감지하는 검류계를 포함한다.
이때, 상기 차폐막은 -2000 내지 0V의 전압이 인가되어 양성의 이차이온을 포획하거나, 0 내지 2000V의 전압이 인가되어 음성의 이차이온을 포획한다.
또한, 상기 이차이온 질량분석기는 이차이온 에너지 분석기, 이차이온 질량 분석기 및 분석된 이차이온을 검출하는 검출기를 구비한다.
상기 이차이온 질량분석기를 이용한 이차이온 일드 측정방법은 일차 이온을 시편에 주사하여 이차이온을 방출시키고, 상기 방출된 이차이온을 차폐막으로 포획한 후, 상기 차폐막에 포획된 이차이온이 나타내는 전류를 검류기로 파악하고 상기 이차이온이 나타내는 전류/일차이온이 나타내는 전류의 비를 파악하여 이루어진다.
이때, 상기 이차이온을 차폐막으로 포획하는 단계는 상기 차폐막에 -2000 내지 0V의 전압을 인가하여 양성의 이차이온을 포획하거나, 상기 차폐막에 0 내지 2000V의 전압을 인가하여 음성의 이차이온을 포획함으로서 이루어진다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 2a는 이차 이온 질량 분석기의 개략도이다.
도 2a를 참조하면, 이차 이온 질량 분석기는 일차이온(200)을 생성시키는 생성기(210)를 구비한다. 상기 생성기(210)는 측정하고자 하는 시편(220)이 위치한 챔버(230)와 연결되고, 상기 챔버(230)는 측정 시편(220)로부터 방출시킨 이차이온(240)을 분석하기 위한 에너지 분석기(250)와 연결된다. 또한, 상기 에너지 분석기(250)는 질량 분석기(260)와 연결되며 상기 질량 분석기(260)는 검출기(270)와 연결된다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 이차 이온 질량 분석기의 이차 이온 검출부를 나타낸 개략도이다.
도 2b를 참조하면, 상기 챔버와 에너지 분석기의 연결부에는 방출된 이차이온을 추출하기 위한 추출기(242), 상기 추출기(242)를 통해 추출된 제1 방향(244a)의 이차이온을 집중시킬 렌즈(245), 상기 제1 방향(244a)으로 이차이온을 검출하는 중간 검출기(246) 및 상기 추출기(242), 렌즈(245) 및 중간 검출기(246)를 둘러싸고 있으며 제2 방향(244b)으로 이차이온를 검출하는 차폐막(248)이 위치한다. 상기 차폐막(248)은 스텐레스 스틸(Stainless Steel) 재질로 이루어지며, 전압을 인가시킬 수 있는 입력 단자(248a) 및 전류를 내보낼 수 있는 출력 단자(248b)를 포함한다.
도 3a은 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 이차 이온 일드 측정방법을 나타낸 순서도이다.
도 2b 및 도 3a을 참조하면, 분석하고자 하는 물질을 포함하는 막이 형성된 시편을 챔버 내에 장착한다.(S300) 상기 챔버는 1.3x10-7 내지 1.3x10-11 Torr의 상태를 유지한다. 상기 시편에 일차이온 생성기로부터 생성된 일차이온을 조사한다.(S310) 상기 일차이온이 조사되면, 상기 시편이 장착된 홀더의 검류계(미도시)에 의해 조사된 일차이온은 전류로써 나타난다. 상기 검류계는 10-9 내지 10-12 범위까지 검출할 수 있다.
또한, 상기 시편과 마주보는 방향의 차폐막(248)에는 전압이 인가되어 있다. 상기 전압은 -2000 내지 2000V로서 추출하고자 하는 이온과 반대되는 전압이 인가된다. 상기 전압의 범위는 시편과 차폐막의 거리에 비례하여 조절할 수 있다. 즉, 거리가 멀어질수록, 전압의 세기는 증가하며, 상기 범위를 초과하는 전압에서는 전기장에 의한 간섭이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 범위를 만족하는 거리에 시편을 위치시킴으로서 이차이온의 손실이 발생하는 것을 예방한다.
상기 조사된 일차이온에 의해 시편의 물질막은 파괴되고 중성입자를 포함하여 양성이온 및 음성이온의 이차이온 등을 발생시킨다.(S320) 이때, 상기 양성이온 및 음성이온은 상기 일차이온에 의해 발생된 이차이온으로서, 발생된 상기 이온들 중, 상기 차폐막과 반대되는 이온은 정전기적인 인력에 의해 제2방향(244b)으로 가속되어 상기 차폐막에 포집된다.(S330) 상기 포집된 이차이온은 상기 차폐막과 연결된 검류계에 의해 전류로써 나타난다.(S340) 상기 검류계에 의해 파악된 상기 이차이온을 나타내는 전류는 생성된 이차이온의 개수와 비례하므로 시편에 조사된 일차이온을 나타내는 전류의 비로서 이차 이온 일드를 구할 수 있다.(S350)
실제적으로, 이차이온 일드는 생성된 이차이온의 개수/입사된 일차이온의 개수의 비로 나타낸다. 이때, 일차이온의 개수 및 이차이온의 개수 각각의 전류에 비례하므로 이차이온 일드는 생성된 이차이온 전류/입사된 일차이온 전류의 비로 나타낼 수 있다. 따라서, 생성된 이차이온 전류를 측정함으로서 이차이온 일드를 측정할 수 있다.
상기 차폐막에 전류를 인가하면, 검출기까지 도달하지 못하고 진공 중에서 중성입자로 사라질 수 있는 이차이온을 모두 포획할 수 있다. 따라서, 상기 포획된 이차이온을 전류로 검출하고 상기 전류로부터 이차 이온 일드를 바로 획득할 수 있다. 즉, 기존에는 진공에서 손실되는 이차이온까지 감안하여 이차이온 일드를 추산하였으나, 차폐막에 전압을 인가함으로서 이차이온의 손실을 방지하므로 이차 이온 일드를 추산하는 부수적인 과정을 피할 수 있다.
종래에는 전기장으로부터 이차이온 검출기를 보호하기 위한 목적만으로 사용하던 차폐기에 전압을 인가함으로서 부수적인 비용의 증가없이 이차이온 일드를 간단한 방법으로 정확하게 구할 수 있다.
도 3b은 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 시편 분석방법을 나타낸 순서도이다.
도 3b을 참조하면, 상기 시편에 일차이온 생성기로부터 생성된 일차이온을 조사한다.(S360) 상기 조사된 일차이온에 의해 시편의 물질막은 파괴되고 상기 파괴된 시편은 이온화된 원자, 분자, 전자 및 중성입자등을 방출시킨다.(S365) 이때, 이온들은 검출하고자 하는 이차이온으로서 추출기에 전압을 가하면 이차이온들은 제1방향(244a)으로 가속되어 추출기(242) 쪽으로 이동한다.(S370) 추출하고자 하는 이온의 성격에 따라, 상기 추출기(242)에는 선택적으로 양전압 및 음전압을 인가할 수 있다. 즉, 양성 이차이온을 추출하고자 할 때에는 음전압을 인가하며, 음성 이차이온을 추출하고자 할 때에는 양전압을 인가한다. 이때, 상기 추출기(242)의 홀(242a)을 통과한 이차이온은 렌즈(245)에 가해지는 전압에 의해 집속되어 후속의 중간 검출기(246)에 검출된다.(S375)
도 2a를 참조하면, 예컨대, 상기 이차이온은 에너지 분석기를 통하면서 정전기적 자기장(electrostatic magnetic field)에 의해 분류된다.(S380) 즉, 특정 에너지를 갖는 이차이온만이 걸러진다. 상기 정전기적 자기장을 거친 이차이온은 질량 분석기(260)를 통해 분석되며 최종적으로 검출기(270)에 검출된다.(S385) 상기 검출된 이차이온은 다중채널플레이트(Multi_Channel_Plate;MCP), Scintilator, 전자증배관(Electron Multiplier) 또는 패러데이 컵(Faraday Cup)등을 사용해서 증폭된다. 이때, 상기 검출기(270)에 검출된 이차이온에 의해 상기 시편이 포함하는 물질의 원자에 대한 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 상기 스펙트럼에 의해 시편의 구성물질 및 함량을 분석한다.(S390) 상기 원자에 대한 정보를 얻기 위해서는 시편을 이루고 있는 기판에 대한 RSF를 사용하며, 상기 RSF는 앞서 측정한 이차 이온 일드에 의해 산출된다.
따라서, 이차 이온 일드를 부수적인 작업없이 직접적으로 파악할 수 있다.
상기 측정방법은 상기 자기부(magnetic sector) 방식의 질량 분석기를 갖는 SIMS 뿐만 아니라, 사중극자(quadrupole) 방식 및 비행시간(Time -Of-Flight)측정방식의 질량 분석기를 갖는 SIMS를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 시편으로부터 발생한 이차이온을 검출하기 위해 차폐막에 전압을 인가하여 이차이온을 포집하고 상기 포집된 이차이온의 전류를 이용하여 직접적으로 이차이온 일드를 산출한다.
이와 같이, 측정하고자하는 시편에 대해 직접적으로 이차이온 일드를 산출함으로써, 부수적으로 이차이온 일드를 산출하기 위한 과정을 생략할 수 있으며 손실되는 이차이온으로 인한 오차를 방지하여 정확하게 이차이온 일드를 산출할 수 있다. 상기 이차이온 일드는 SIMS 내에 검출기를 보호하고 있는 차폐기에 전압을 인가하는 방식에 의해 구할 수 있으므로 저렴한 비용으로 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 이차 이온 질량 분석 장치의 측정 원리를 나타낸 개념도이다.
도 2a는 이차 이온 질량 분석기의 개략도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 이차 이온 질량 분석기의 이차 이온 검출부를 나타낸 개략도이다.
도 3a은 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 이차 이온 일드 측정방법을 나타낸 순서도이다.
도 3b은 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 시편 분석방법을 나타낸 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 시편 표면 110, 200 : 일차이온
120, 240 : 이차이온 210 : 생성기
220 : 시편 230 : 챔버
250 : 에너지 분석기 260 : 질량 분석기
270: 검출기 242 : 추출기
242a : 홀 244a : 제1 방향
244b : 제2 방향 245 : 렌즈
246 : 중간 검출기 248 : 차폐막
248a : 입력 단자 248b : 출력 단자

Claims (7)

  1. 이차이온을 발생시키기 위한 시료가 장착된 이차이온 생성 챔버, 이차이온을 선택적으로 통과시키는 이온 추출기 및 통과된 이차이온을 검출하는 검출기를 포함하는 이차이온 질량분석기에 있어서,
    상기 이온 추출기 및 검출기를 시편방향과 마주하며 둘러싸고 있는 차폐막;
    상기 차폐막에 전압을 인가하는 입력 단자;
    상기 차폐막에 인가된 전압에 의해 포집된 이차이온을 전류로 출력하는 출력 단자; 및
    상기 출력 단자로부터 출력된 전류를 감지하는 검류계를 구비하는 이차이온 질량분석기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차폐막은 -2000 내지 0V의 전압이 인가되어 양성의 이차이온을 포획하는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량 분석기
  3. 제1항에 있어서, 상기 차폐막에는 0 내지 2000V의 전압이 인가되어 음성의 이차이온을 포획하는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량 분석기
  4. 제1항에 있어서, 상기 이차이온 질량분석기는 이차이온 에너지 분석기, 이차이온 질량 분석기 및 분석된 이차이온을 검출하는 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기.
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