KR100630521B1 - 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법에 관한 것으로, 별도의 금속성 보호튜브를 구비하여 이를 사용하여 시편의 외주면을 감싸도록 함으로써, 시편을 취급함에 있어서 빈번하게 발생되는 시편의 파손을 방지하고 또한 시편을 장기간 보관하는 경우에도 손상없이 안정적으로 보관할 수 있도록 된 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 웨이퍼에서 일정한 크기로 시편을 커팅하는 단계, 상기 시편이 내측에 삽입되도록 상기 시편의 외측으로 보호튜브를 결합하는 단계, 상기 시편이 일정한 높이가 되도록 그 뒷면을 연마하여 제거하는 단계, 상기 시편의 뒷면을 연마하여 홈을 형성하는 단계, 상기 홈을 보다 정밀하게 가공하고 중앙부위에 미세한 홀을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

웨이퍼, 시편, 전자현미경, 딤플그라인더, 이온밀링

Description

반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법 { The method of producing specimen for semiconductor TEM analysis }

도 1은 종래 전자현미경을 사용한 웨이퍼 검사 과정을 나타낸 절차흐름도,

도 2 내지 도 6은, 본 발명 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.

♧ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♧

1 -- 웨이퍼 2 -- 커팅기

10 -- 시편 11 -- 홈

12 -- 홀 20 -- 보호튜브

본 발명은 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자현미경을 이용하여 웨이퍼의 표면 상태를 분석하기 위한 시편을 제작 함에 있어서 시편의 외주면을 감싸는 보호튜브가 결합되어 시편 취급시 파손을 방지할 수 있도록 된 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법에 관한 것이다.

현대 사회의 필수품인 컴퓨터나 텔레비전과 같은 전자 제품은 항상 다이오우드나 트랜지스터 등의 반도체 소자가 포함된다. 상기 반도체 소자는 일반적으로, 산화실리콘에서 고순도의 실리콘을 추출한 것을 단결정으로 성장시키고 이를 원판 모양으로 잘라서 웨이퍼를 만들고, 상기 웨이퍼의 전체 표면에 막을 형성하고 필요한 부분을 제거하여 일정한 패턴을 형성하고, 상기 패턴에 따라 불순물 이온을 주입하여 전기적으로 활성된 영역을 배선하고, 전기적 특성이 양호한 칩을 분리하여 가공하는 공정을 거쳐서 제조된다.

위와 같은 일련의 공정 중에는, 공정용 가스가 웨이퍼에 확산되는 확산공정과 웨이퍼 표면에서의 산화반응을 통해 산화막이 증착되는 산화공정, 기타 금속 배선을 위한 금속공정 등이 반복적으로 수행되며, 그에 따라 웨이퍼상에는 다양한 형태의 막이 적층된다. 그런데 위와 같이 웨이퍼 상에 형성되는 다양한 막층 가운데 특정막에 결함이 존재한다면, 결국 후속공정에서 제조되는 반도체 소자도 정상적으로 작동되지 않는 불량품이 될 수 밖에 없다.

따라서 웨이퍼상에 막을 형성하거나 기타 반도체 소자의 제조 공정이 진행되는 중간에는, 임의로 몇 장의 표본 웨이퍼를 선택하여 그 표면을 검사하는 작업을 필수적으로 수행하며, 반도체 소자의 고집적화에 따른 공정상의 복잡화·미세화 경 향을 감안하면 이러한 검사 및 분석에 대한 중요성이 점점 증대되고 있다.

위와 같은 분석 등을 위해서는 표본 웨이퍼의 일부에서 추출된 시편을 제작하여 검사하는 것이 일반적이고, 실제적인 표면 검사시에는 전자현미경을 사용하며 특히 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope ; TEM)을 주로 사용한다.

도 1은 종래 전자현미경을 사용한 웨이퍼 검사 과정을 나타낸 절차흐름도이다. 도면을 참조하면, 구체적인 웨이퍼 검사는, 『시편 제작(S10) → 시편을 옮겨서 전자현미경에 고정(S20) → 이상 유무 검사(S30)』로 이루어진다.

상기 시편 제작(S10) 단계는, 검사 장비인 전자현미경을 통하여 분명하게 웨이퍼 표면을 관찰할 수 있도록 적당한 형태와 크기의 시편을 준비하기 위한 과정으로, 구체적으로는 『표본 웨이퍼의 일부를 커팅하여 소정 크기의 시편을 준비(S11) → 상기 커팅된 시편을 적정 높이까지 그 뒷면(막이 형성된 면의 반대면)을 연마하여 제거(S12) → 상기 시편의 뒷면을 연마하여 홈을 형성(S13) → 상기 홈을 이온밀링 등을 통하여 보다 정밀하게 가공(S14)』하는 것으로 이루어진다.

상기 시편을 옮겨서 전자현미경에 고정(S20)하는 단계는, 시편의 외측면을 핀셋으로 잡아서 이동시킨 후 전자현미경의 홀더에 고정하는 것으로 이루어진다. 그런데 웨이퍼는 통상 실리콘 단결정을 성장시켜 제조되고 상기 실리콘은 부서지기 쉬운 물성을 가지므로, 핀셋으로 시편을 잡는 경우 빈번하게 시편이 파손되는 문제가 있다.

마지막 이상 유무 검사(S30) 단계에서는, 전자현미경으로 분석된 시편의 표 면을 분석하여 웨이퍼에 형성된 막질의 이상 유무를 검사한다. 그런데 시편은 1회 검사 후에도, 필요에 따라 재차 검사하는 경우가 빈번하게 발생되는데, 수회 검사할수록 시편을 핀셋으로 잡는 경우가 증가하므로 시편이 파손될 가능성은 더욱 증대된다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 이를 해소하고자 발명된 것으로, 시편의 외주면을 감싸도록 별도의 금속성 보호튜브를 사용함으로써 시편을 취급함에 있어서의 파손을 방지하며 또한 시편을 장기간 보관하는 경우에도 손상됨이 없이 안정적으로 보관할 수 있는 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법은, 웨이퍼에서 일정한 크기로 시편을 커팅하는 단계, 상기 시편이 내측에 삽입되도록 상기 시편의 외측으로 보호튜브를 결합하는 단계, 상기 시편이 일정한 높이가 되도록 그 뒷면을 연마하여 제거하는 단계, 상기 시편의 뒷면을 연마하여 홈을 형성하는 단계, 상기 홈을 보다 정밀하게 가공하고 중앙부위에 미세한 홀을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 살펴본다.

도 2 내지 도 6은, 본 발명 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 첫번째 단계에서는 분석을 위하여 선정된 웨이퍼(1)에서 커팅기(2)을 사용하여 일정한 크기의 시편(10)을 커팅한다.

전자현미경에 의한 분석은 웨이퍼(1)상에 형성된 산화막, 질화막 등의 각종 막이므로, 커팅하면서 이들이 손상되지 않도록 도 2와 같이 분석대상인 막(채색된 부분)이 형성된 방향이 아닌 웨이퍼(1) 뒷면(막이 형성된 면의 반대면)으로 커팅기(2)를 삽입하여 원통형 형태로 펀치된 시편(10)을 형성한다.

일반적으로 전자현미경에서 시편(10)을 고정하는 홀더의 규격을 감안하여, 시편(10)은 일정한 크기로 제작되어야 한다. 즉, 원통형 시편(10)에 있어서 시편(10)의 직경은 3 mm 가 적당하며, 높이는 100 ㎛ 이하가 되어야 한다. 그런데 본 발명에서는 후술할 두번째 단계에서 시편(10)의 외측으로 보호튜브가 결합되므로, 상기 보호튜브의 두께를 감안하여 종전보다 직경이 적은 크기로 시편(10)이 제작되어야 한다. 따라서 본 발명에서는 직경이 2.2 ~ 2.4 mm 인 커팅기(2)를 사용하여 동일한 규격의 시편(10)을 만든다.

도 3을 참조하면, 두번째 단계에서는 상기 시편(10)의 외측으로 보호튜브(20)가 결합된다.

상기 보호튜브(20)는 상기 시편(10)의 외측으로 결합되므로 그 내측은 상기 시편(10)의 외측과 동일한 형상으로 이루어져야 하고, 따라서 원기둥 형상의 시편(10)에 대해서는 중공원통 형상이 되어야하다. 또한 종래 시편(10)에 있어서 전자현미경 홀더에 따라 제한되는 규격이 직경이 3 mm 정도인 것을 감안하면, 직경이 2.2 ~ 2.4 mm 인 시편(10)에 대해서는 상기 중공원통의 보호튜브(20)의 직경 두께는 도 3과 같이 0.6 ~ 0.8 mm 가 되어야한다. 즉 상기 보호튜브(20)는, 그 두께가 지나치게 얇으면 외부의 압력에 쉽게 찌그러지는 문제가 있고, 지나치게 두꺼우면 시편(10) 자체의 직경이 줄어드는 문제가 있으므로, 대략 0.7 mm 내외가 적당하다. 한편 시편(10)과 보호튜브(20)의 결합시에는 도 3과 같이 분석대상인 막과 보호튜브(20)의 끝이 일치되도록 한다. 여기서 보호튜브(20)에 포함되지 않은 시편(10)의 잔여부분은 후속 단계에서 제거된다.

위와 같이 보호튜브(20)와 시편(10)을 결합하면, 전자현미경 분석을 위해 작업자가 시편(10)을 핀셋으로 잡고 조작하는 경우 비록 시편(10)이 손상되기 쉬운 실리콘으로 된 웨이퍼라 하더라도, 핀셋의 직접적인 접촉부위는 보호튜브(20)가 되므로 내부의 시편(10)은 파손되지 않게 된다. 또한 시편(10)을 일단 제작하면 1회 검사 후에도 재차 검사하는 경우가 빈번하여 장기간 보관할 필요성이 있는데, 이러한 경우라도 시편(10)은 보호튜브(20) 내부에서 견고하게 보호되므로 장기 보관에도 시편(10)의 상태가 안정적으로 유지된다.

상기 보호튜브(20)는 금속성 재질로 특히 구리(Cu)를 사용함이 좋다. 구리는 공기 중에 산화되지 않아 부식 및 산성에 강하여 장기 보존에 유리하고, 후술할 세번째 단계에서 시편(10)의 뒷면을 연마하는 경우 보호튜브(10)의 일부가 함께 연마 되더라도 연마되어 생성된 구리 파티클이 연마 중인 시편(10)의 성질을 변화시킬 정도의 영향을 미치지 않으므로 유리한다.

한편 시편(10)과 보호튜브(20)의 규격을 일치시킨다 하더라도 작업자가 시편(10)을 조작하는 경우 시편(10)이 보호튜브(20)로부터 이탈될 수 있으므로, 접착제를 사용하여 시편(10)과 보호튜브(20)의 결합을 강화함이 좋다. 따라서 본 발명에서는, 시편(10)의 외측과 보호튜브(20)의 내측에 에폭시와 같은 접착제를 도포하여 이들을 접착시킴으로써 결합력을 증가시키며, 접착 후 열처리를 하여 접착 효과를 높일 수 있다.

도 4를 참조하면, 세번째 단계에서는 상기 시편(10)이 일정한 높이가 되도록 그 뒷면을 연마하여 제거한다.

시편(10)의 높이는 대략 100 ㎛ 이하가 됨이 바람직한데 이는 전자현미경에서 시편(10)을 고정하는 홀더 부분의 규격을 고려한 것이다. 또한 실제로 전자현미경으로 관찰하기 위해서는 두께가 1000 Å 미만이 되도록 후속 단계에서 시편(10)의 처리가 필요한데 가령 시편(10)의 높이가 200 ㎛ 정도라면 후속 단계의 진행도 원활하지 못할 뿐만 아니라 시편(10)을 검사하기에 충분한 영상을 얻을 수도 없다. 따라서 그라인더(grinder) 및 폴리셔(polisher) 등의 장치를 이용하여 적정 높이로 연마하며, 상기 보호튜브(20)의 경우에는 처음부터 시편(10)의 최종 연마 높이와 같도록 생산한다.

도 5를 참조하면, 네번째 단계에서는 상기 시편(10)의 뒷면을 연마하여 홈(11)을 형성한다. 즉, 본 단계에서는 딤플그라인더(Dimple grinder) 장치를 이용하여 도 5와 같이, 중앙부위가 대단히 얇은 원형의 굴곡을 가진 홈(11)을 형성한다.

도 6을 참조하면, 마지막 단계에서는 상기 홈(11)을 정밀하게 가공하면서 중앙부위에 홀(12)을 형성한다. 즉, 본 단계에서는 이온밀링장치를 사용하여 이온소스를 상기 홈(11)에 가하여 이를 보다 정밀하게 가공하면서, 최종적으로는 도 6과 같이 중앙부위에 홀(12)을 형성하며 이 때 상기 홀(12) 근방의 두께는 10 ~ 20 Å 이하가 된다. 이후 상기 홀(12)이 형성된 근방에 대해서 전자현미경을 이용한 검사가 진행된다.

이상으로 견고하면서도 장기간 보관할 수 있는 전자현미경 분석용 시편 제작방법에 대해 살펴보았지만, 본 발명은 위와 같은 일련의 단계로 구성된 제작방법에 한정되지 않고, 위와 같은 방법이 구체적으로 구현된 보호튜브가 결합된 시편 그 자체의 물품에도 적용될 수 있으며, 또한 전자현미경 외에 정밀한 분석을 위한 각종 시편을 만드는 경우에도 해당분야의 통상의 지식을 가진 업자에 의해 다양하게 적용될 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방 법에 의하면, 시편을 만들어 웨이퍼의 표면 상태를 검사함에 있어서 별도의 금속성 보호튜브를 구비하고 이를 통하여 상기 시편의 외주면을 감싸서 보호하도록 함으로써, 첫째 작업자가 시편을 취급함에 있어서 핀셋 등을 이용하여 시편을 잡는 경우에도 시편의 파손을 방지할 수 있고, 둘째 필요한 경우에 재차 검사할 수 있도록 시편을 보관하는 경우에도 견고한 보호튜브 내에서 손상없이 시편을 안정적으로 보관할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 반도체 제조공정의 표면분석을 위한 웨이퍼를 일정한 크기로 자르는 시편 커팅 단계; 상기 시편이 내측에 삽입되도록 상기 시편의 외측으로 보호튜브를 결합하는 단계; 상기 시편이 일정한 높이가 되도록 상기 보호튜브가 결합된 시편의 뒷면을 연마하여 제거하는 단계; 상기 시편의 뒷면을 연마하여 홈을 형성하는 단계; 상기 홈을 보다 정밀하게 가공하고 중앙부위에 미세한 홀을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 웨이퍼에서 커팅되는 시편은 원통 형상으로 직경은 2.2 ~ 2.4 mm 이며, 상기 보호튜브는 그 내측이 상기 시편의 외측과 동일한 형상으로 된 중공원통으로 직경두께는 0.6 ~ 0.8 mm 인 것을 특징으로 하는 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 보호튜브는 구리(Cu)로 된 것을 특징으로 하는 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 시편과 보호튜브의 결합은, 상기 시편의 외측면과 상기 보호튜브의 내측면에 접착제를 도포하여 접착시킴으로써 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 시편의 뒷면을 연마하는 단계에서는 시편의 높이가 100 ㎛ 이하가 되도록 연마하는 것을 특징으로 반도체 전자현미경 분석용 시편 제작방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 방법으로 제작되는 반도체 전자현미경 분석용 시편.

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