KR100511556B1 - 이온현미경을 이용한 집속이온빔 장치의 시편 레벨자동조정 장치 및 그 방법 - Google Patents

이온현미경을 이용한 집속이온빔 장치의 시편 레벨자동조정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대면적의 시편을 나노급의 초미세 가공하는 이온현미경을 이용한 집속이온빔 장치의 시편 레벨 자동조정 장치에 관한 것으로, 집속이온빔 장치의 X-Y 스테이지(Stage)의 레벨(Level)을 2차이온 또는 2차전자 현미경(SIM)의 기능을 이용한 빔집속직경(Beam focus diameter)의 On-Line 모니터링에 의한 측정(Sensing) 기능에 의하여 칼럼으로부터 주사되는 이온과 시편 사이의 거리를 일정하게 조절 또는 직각도를 유지할 수 있게 하여 대면적에서의 초미세 가공이 가능하도록 개선한 것임.

Description

이온현미경을 이용한 집속이온빔 장치의 시편 레벨 자동조정 장치 및 그 방법{Automatic Adjustment System of Specimen Set-up Level using SIM Functions}
본 발명은 집속이온빔 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집속이온빔 장치의 시편이 고정되는 시료대의 X-Y 스테이지(Stage) 레벨(Level)을 이온현미경(SIM)의 빔집속직경(Beam focus diameter)을 이용한 On-Line 측정(Sensing)으로 칼럼으로부터 주사되는 이온과 시편 사이의 거리를 일정하게 또는 직각도를 유지할 수 있게하여 대면적에서의 초미세 가공도 가능하도록 개선된 이온현미경을 이용한 집속이온빔 장치의 시편 레벨 자동조정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB) 가공은 레이저와 같이 집속된 고 에너지 빔에 의하여 공작물의 재료 표면을 제거하는 가공기술로 집적된 이온 에너지의 충격력에 의하여 이온이 표면에 충돌하여 표면원자를 제거(sputtering)하는 것이다.
이러한 FIB 장치는 제조 공정 상에서 파티클(particle)의 발생원, 구조 등을 분석하는데 널리 사용된다.
집속이온빔(FIB) 장치는 액체금속원(10) 앞쪽에 설치되는 추출장치(20)에 5kV 정도의 전위차를 주면 약 10micrometer의 텅스텐 니들 앞단에는 강한 전기장(Electric Field)이 형성한다.
이러한 전기력에 의하여 텅스텐 니들의 표면에 표면장력에 의해 붙어있던 원자들로부터 전자가 분리되어 이온이 방출(Ion Emission)된다. 이때 이온원은 장치 및 가공특성상 갈륨(Ga+)을 널리 이용한다.
또한, 액체금속원(10)에서 방출된 이온원은 장치 특성에 적합하도록 방출된 이온들을 집속시키거나 원하지 않은 이온들은 칼럼(30)(Ion Beam Column)이 모두 제거하게 된다.
집속이온빔은 이온원으로 사용되는 합금재료들에서 도중에 필요없는 이온을 제거하기 위한 Magnetic Mass Filter, 이온광학계의 수차보정을 위한 Octopole Stigmator 및 이온빔축의 기계적인 조정을 위한 Alignment System은 집속된 이온의 성능을 개선하게 된다.
종래에는 시편(50)이 고정되는 시료대(45) 하부의 스테이지(40)는 X, Y, Z방향으로만 이송이 가능도록 구성되고 있어 이들 스테이지류는 그 상부에 고정되는 시편(50)의 레벨을 조정할 수 없는 단점이 있다.
따라서 대면적의 시편(50)을 나노급의 초미세 가공시 칼럼으로부터 주사되는 이온과 시편(50) 사이의 거리를 일정하게 또는 직각도를 유지할 수 없기 때문에 도 2에 나타낸 바와 같이 스테이지(40)가 이동하여 대면적의 시편(50)을 가공할 때 시료대(45) 또는 시편(50)과 칼럼(30) 사이의 거리(D)가 일정하지 않아 가공오차가 발생되며, 도면부호 50'는 상기 시편(50)의 가공오차 발생시 상태를 나타내고 있다.
상기한 문제점으로 자유행정 거리를 갖고 있는 이온의 공간상 퍼짐과 이온의 충격력 변화로 인하여 대면적의 패턴가공 및 구멍가공 시 패턴의 정밀도 및 구멍의 정밀도를 확보할 수 없는 단점이 있다.
상기한 종래의 문제점은 집속이온빔(FIB)를 이용한 대면적의 초미세 가공시 시편의 평탄도 또는 이온빔의 주사선에 직각으로 시편이 설치되지 않으면 가공오차가 생기고, 공간상에서 빔의 퍼짐성은 이온의 자유 행정거리에 따라 시편에 충돌되는 충격량이 서로 다르기 나타나기 때문이다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 집속이온빔 장치의 시료대에 구비되는 X-Y 스테이지(Stage)의 레벨(Level) 제어가 가능하게 하여 시료대와 칼럼 사이의 거리를 조정할 수 있게하고, 이온현미경(SIM)의 기능을 이용한 빔집속직경(Beam focus diameter)을 측정(Sensing)하여 칼럼으로부터 주사되는 이온과 시편 사이의 거리를 일정하게 또는 직각도를 유지함으로서 대면적에서의 초미세 가공이 가능하도록 개선된 이온현미경 기능을 이용한 집속이온빔 시편의 레벨 자동조정 장치 및 그 방법을 제공함에 있는 것이다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시 도면을 참고하여 그 구성 및 작용 효과를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서와 같이 본 발명의 집속이온빔 장치는 액체금속원(10)(Liquid Metal Ion Source, LMIS)과 상기 액체금속원(10)의 앞쪽에 추출장치(Extractor)(20)와 방출된 이온원을 장치 특성에 적합하도록 방출 이온들을 집속시키거나 원하지 않은 이온들은 제거하는 칼럼(30)(Ion Beam Column)이 설치되고 있다.
칼럼(30)은 먼저 방출된 이온들이 공간상에서 퍼지므로(Spreading) 이들 방출이온을 걸러주기 위한 조리개(32)(Aperture)와, 이온량을 측정하기 위한 패러데이컵(34)(Faraday Cup)과, 이온들을 가속시켜 운동량을 증가시키는 정전렌즈(36) (Electrostatic Lens; Condensing Lens and Objective Lens)가 구비되어 있다.
그리고 이온원으로 사용되는 합금재료들에서 도중에 필요 없는 이온을 제거하기 위한 필터(Magnetic Mass Filter)와, 이온 광학계의 수차보정을 위한 Octopole Stigmator 및 이온빔축의 기계적인 조정을 위한 정렬장치(Alignment System)가 구비되어 이온의 성능을 개선시켜 주도록 되어 있다.
상기 이온원과 칼럼(30)의 하부측에 위치한 스테이지(40)에 고정되는 시료대(45) 또는 시편(50)을 온라인으로 측정하는 이온현미경(Scanning Ion microscope,SIM)과, 이온과의 화학작용에 의한 Micro Deposition장치와, 10-6Torr 이상의 진공중에서 운용되는 진공펌프와, 각종 전원장치 및 장치운용을 위한 제어장치가 포함하는 구성으로 되어 있다.
또한, 시료대(45)에는 X·Y·Z 방향으로 이송이 가능하도록 된 스테이지(40)가 구비되며, 도 3b와 같이 상기 스테이지(40) 상부에 시료대(45)와 시편(50)을 차례대로 고정시키는 것은 기존과 모두 동일하게 구성되고 있다.
다만, 본 발명은 도 3에 나타낸 바와 같이 상기한 집속이온빔 장치에 있어서, 스테이지(40)와 시료대(45) 사이에 레벨(Level) 제어가 가능하도록 최소한 3개 이상으로 구성되는 다수의 피에조 액추에이터(62)가 설치되고, 상기 피에조 액추에이터(62)는 On-Line으로 집속직경을 측정할 수 있도록 된 집속이온빔(FIB) 장치의 이온현미경(SIM)에 연결되어 도 2와 같이, 상기 이온현미경에 의해 측정된 빔집속직경을 이용하여 칼럼(30)으로부터 주사되는 집속이온빔과 시편(50)사이의 거리(D)를 일정하게 또는 직각도를 유지할 수 있도록 액추에이터를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.
시료대(45)의 하단에 설치되는 피에조 액추에이터(62)는 1nm급으로 구성되어 도 3a와 같이 약 60°간격을 유지하며, 상기 도면에 표기된 “L”은 레벨 제어용 피에조 액추에이터(62)들 사이의 최대거리를 나타내는 것으로, 도 3a와 도 3b의 도면부호 “L”은 동일하다.
이와 같이 본 발명은 스테이지(40)에 레벨 제어를 위해 제어기(60)가 구비되며, 시편(50)의 평탄도 측정은 이온현미경을 이용하여 On-Line으로 측정된 집속이온빔의 직경이 일정한 진원을 유지할 수 있도록 시료대(45)의 하단에 설치되는 3개 이상의 피에조 액추에이터(62)를 이용하여 자동 조정하도록 되어 있다. 본 발명에서는 상기 피에조 액추에이터(62)를 3개(ⓐ,ⓑ,ⓒ)의 구성으로 도 3a등에 표기한다.
피에조 액추에이터(62)의 자동 조정방법은 FIB의 2차 전자 또는 이온현미경을 이용한다. 이때 자동 조정전에는 반드시 집속이온빔 장치의 Stigmator 기능으로 집속이온빔의 직경을 진원이 되도록 초기 설정한다.
이를 위해서는 도 3a에 나타낸 바와 같이 먼저, 피에조 액추에이터(62)를 시편(50)의 최대 위치 3점(ⓐ,ⓑ,ⓒ)을 지정하여 순차적으로 집속된 이온빔의 직경을 측정하여 도 4a 및 4b와 같이, 시편(50)의 기울어짐(θ) 또는 평탄도를 계산한다.상기 도 4b는 시료대(45)가 기울어져 있을때, 칼럼(30)과 시료대(45) 사이의 거리가 가까워져서 집속이온빔의 직경이 커지는 것을 나타내는 것으로, 직경이 증가됨을 알 수 있다.
상기한 시편(50)의 기울어짐 또는 평탄도 측정방법은 도 5에 나타낸 바와 같이 시료대(45)에 고정되는 시편(50)의 집속직경을 집속이온빔을 이용하여 이온현미경으로 측정하여 피에조 액추에이터(62)의 3개(ⓐ,ⓑ,ⓒ)의 측정점 중에서 이온빔직경이 가장 작은 지점을 "ⓐ"로 지정하여 "Φset"로 세팅하는 제1단계와, 상기한 측정점 "Φset"를 기준값으로 하고 다음 측정점 "ⓑ" 지점의 집속직경을 측정하여 측정값 "Φ"를 얻는 제2단계와, 상기한 이온현미경을 통해 측정된 시편의 집속직경을 비교하는 제3단계와, 상기 비교 결과에 따라 액추에이터를 작동시켜 이온과 시편사이의 거리 및 직각도가 일정하도록 조정하는 제4단계로 구성된다. 상기 직경이 가장 작은 지점을 "ⓐ"로 지정한다는 것은 3개(ⓐ,ⓑ,ⓒ)의 피에조 액추에이터(62) 중에서 기울어짐 또는 평탄도 유격이 가장 작은 1개 지점을 선택하게 되며, 그 지점이 "Φ"이 됨과 동시에 기준점이 되는 "Φset"로 표현되는 것으로 측정방법은 다음과 같다.
상기한 측정 결과에 있어, 피에조 액추에이터(62)의 3지점(ⓐ,ⓑ,ⓒ) 중에서 이온빔직경이 가장 작은 지점을 "ⓐ"라하면 "Φset"가 되며, 두번째로 작은 지점을 "ⓑ"로 측정하면 "Φ"가 되며,
측정값이 "Φset < Φ" 이면;
(-)Height => 시편의 "ⓑ"지점을 하방향으로 액추에이터가 조정될 수 있도록 명령하여 조정함으로써 "ⓐ"지점과의 평탄도를 맞추게 된다.
그리고 "Φset > Φ" 이면;
(+)Height => 시편의 "ⓑ"지점을 상방향으로 액추에이터가 조정될 수 있도록 명령하여 조정함으로써 "ⓐ"지점과의 평탄도를 맞추게 된다.
한편, 이온현미경에 의해 측정 결과 즉 "Φset - Φ = 0" 이면;
상기 "ⓐ"지점과 "ⓑ"지점의 평탄도가 일치하게 되는 것으로 거리조정 명령을 중지하여 액추에이터가 더 이상 작동하지 않게 한다.
만약 "Φset - Φ ≠ 0" 이면;
상기 "ⓐ"지점과 "ⓑ"지점의 평탄도가 일치하지 않는 것으로, 앞서 설명한 액추에이터 제어 동작을 반복한다.상기와 같이 피에조 액추에이터(62)의 "ⓐ"지점과 "ⓑ"지점의 평탄도를 일치시킨 후, 나머지 "ⓒ"지점의 기울어짐 또는 평탄도 역시 같은 방법으로 일치시키게 되는데, 다음과 같다.피에조 액추 에이터(62)의 기준점 "ⓐ"와 맞추고자하는 "ⓒ"지점을 측정후,측정값이 "Φset < Φ" 이면;(-)Height => 시편의 "ⓒ"지점을 하방향으로 액추에이터가 조정될 수 있도록 명령하여 조정함으로써 "ⓐ"지점과의 평탄도를 맞추게 된다.그리고 "Φset > Φ" 이면;(+)Height => 시편의 "ⓒ"지점을 상방향으로 액추에이터가 조정될 수 있도록 명령하여 조정함으로써 "ⓐ"지점과의 평탄도를 맞추게 된다.한편, 이온현미경에 의해 측정 결과 즉 "Φset - Φ = 0" 이면;상기 "ⓐ"지점과 "ⓒ"지점의 평탄도가 일치하게 되는 것으로 거리조정 명령을 중지하여 액추에이터가 더 이상 작동하지 않게 한다.만약 "Φset - Φ ≠ 0" 이면;상기 "ⓐ"지점과 "ⓒ"지점의 평탄도가 일치하지 않는 것으로, 앞서 설명한 액추에이터 제어 동작을 반복한다.
이처럼 본 발명은 시료대(45)에 놓여지는 시편(50)의 진원을 이온현미경을 통해 측청하고 이를 기준으로 또 다른 지점의 집속직경(진원)을 차례로 측정하여 이들간의 차이값에 따라 스테이지(40)에 놓여진 시편(50)이 다수의 피에조 액추에이터(62)를 제어하여 순차적으로 조정하여 칼럼(30)으로부터 주사되는 이온과 시편(50) 사이의 거리를 일정하게 유지함과 동시에 직각도를 조정할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 대면적의 시료대 위의 시편을 나노급의 초미세 가공하는 스테이지에 놓여지는 시편의 진원도를 이온현미경을 통해 측정한 후 상기 측정 결과에 따라 그 시료대의 레벨을 자동으로 조정하면서 집속이온빔 장치의 칼럼으로부터 주사되는 이온과 시편 사이의 거리 보정함과 동시에 직각도를 유지하게 함으로서 대면적에서의 초미세 가공도 가능하게 되어 치수 정밀도를 높고 정확한 가공도 가능하다는 등의 이점이 있게 된다.
도 1은 본 발명이 적용된 집속이온빔 장치의 구성을 나타낸 예시도,
도 2는 본 발명의 시료대가 기울어져 있을때 칼럼과 시료대 사이의 거리변화를 나타낸 참고도,
도 3a, 3b는 레벨조정을 위한 3 측정점과 제어를 위한 피에조엑츄에이터
도 4a, 4b는 본 발명에 의해 초기 위치를 세팅하는 것을 나타낸 참고도,
도 5는 본 발명의 시편 레벨 조정방법을 나타낸 흐름도,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 액체금속원 20 : 추출장치
30 : 칼럼 45 : 시료대
50 : 시편 60 : 제어기
62 : 피에조 액추에이터

Claims (2)

  1. 액체금속원(10)과, 상기 액체금속원(10)의 앞쪽에 설치되는 추출장치(20)와, 방출된 이온들이 공간상에서 퍼지므로 이들 방출이온을 걸러주기 위한 조리개(32), 이온량을 측정하기 위한 패러데이컵(34), 이온들을 가속시켜 운동량을 증가시키는 정전렌즈(36)가 구비되어 방출된 이온원을 장치 특성에 적합하도록 방출 이온들을 집속시키거나 원하지 않은 이온들은 제거하는 칼럼(30)과, 상기 이온원과 칼럼(30)의 하단 시료대(45)에 놓여지는 시편(50)을 온라인으로 측정하는 이온현미경(SIM)과, 이온과의 화학 작용에 의한 Micro Deposition장치와, 10-6Torr 이상의 진공중에서 운용되는 진공펌프와, 각종 전원장치 및 장치운용을 위한 제어장치가 구비되는 집속이온빔 장치에 있어서, 상기 시료대(45)에 놓여지는 시편(50)을 X·Y·Z 방향으로 이송이 가능한 스테이지(40)에 제어기(60)가 구비되는 최소한 3개 이상으로 되는 다수의 피에조 액추에이터(62)가 설치되고, 상기 피에조 액추에이터(62)는 이온현미경과 연결되어 상기 이온현미경을 통해 측정된 집속이온빔의 직경에 따라 3개의 액추에이터 지점(ⓐ,ⓑ,ⓒ)을 순차적으로 동작시켜 칼럼으로부터 주사되는 이온과 시편(50) 사이의 거리 및 직각도가 일정하도록 시료대(45)의 레벨을 자동 조정하는 것을 특징으로 하는 이온현미경을 이용한 집속이온빔 시편의 레벨 자동조정 장치.
  2. 제1항의 장치를 이용하여 시료대(45)에 고정되는 시편(50)의 집속직경을 집속이온빔을 통해 이온현미경으로 측정하여 측정점 "ⓐ"를 "Φset "로 세팅하는 제1단계와, 상기한 측정점 "Φset"를 기준값으로 하고 다음 측정점 "ⓑ" 지점의 집속직경을 측정하여 측정값 "Φ"를 얻는 제2단계와, 상기한 이온현미경을 통해 측정된 시편의 집속직경을 비교하는 제3단계와, 상기 비교 결과에 따라 액추에이터를 작동시켜 이온과 시편사이의 거리 및 직각도가 일정하도록 조정하는 제4단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 이온현미경을 이용한 집속이온빔 시편의 레벨 자동조정 방법.
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