KR100640567B1

KR100640567B1 - 집속 이온 빔 장치

Info

Publication number: KR100640567B1
Application number: KR1020000011046A
Authority: KR
Inventors: 이석열
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2006-10-31
Also published as: KR20010086994A

Abstract

집속 이온 빔 장치에 관해 개시된다. 개시된 이온빔장치는: 집속된 이온빔을 발생시켜 제1축의 일방향으로 출사시키는 칼럼과; 상기 제1축의 이온빔의 진행 경로 상에 위치하는 것으로 검사대상물이 장착되는 스테이지와; 상기 스테이지를 지지하는 것으로, 상기 제1축에 대해 직교하는 평면 상에서 상기 스테이지를 이동시키는 제1위치이동부와; 상기 제1위치이동부와 상기 스테이지의 사이에 위치하여 상기 스테이지를 상기 제1축의 양방향으로 이동시키는 제2위치이동부와; 상기 제1축에 대해 상기 스테이지의 평면에 대한 법선의 기울기를 조절하는 기울기조절부와; 상기 제1축상에서 상기 스테이지에 대한 상기 칼럼의 상대적 거리를 조절하는 칼럼 이동부를; 구비한다. 이러한 본 발명에 따르면 작업거리를 현격히 좁힐 수 있고, 따라서, 높은 해상도의 관찰이미지를 얻을 수 있다.

Description

집속 이온 빔 장치{Focused ion beam apparatus}

도 1는 종래 이온빔장치의 개략적 사시도,

도 2는 본 발명의 이온빔장치에 따른 한 실시예의 개략적 구성도,

도 3은 도 2에 도시된 본 발명 이온빔장치의 스테이지 영역의 부분발췌 사시도.

도 4는 도 2에 도시된 본 발명 이온빔장치에서 스테이지의 위치변화를 보인 개략도이다.

본 발명은 집속 이온 빔 장치에 관한 것으로서, 작업 거리(Working Distance)가 저감된 집속 이온 빔 장치에 관한 것이다.

집속 이온 빔 (Focused Ion Beam, FIB) 장치는 Ga⁺를 시료에 스퍼터링(sputtering)하여 그 시료에서 튀어 나오는 2차 부산물, 예를 들어 2차 전자(Secondary Electron), 2차 이온(Secondary Ion) 및 중성원자(Neutral Atom)을 이용하여 화상을 구성하는 장치이다. 이러한 FIB 장치는 제조 공정 상에서 파티클(particle)의 발생원, 구조 등을 분석하는데 사용된다.

미국특허 5,852,297호에서 이시타니 등(Ishitani et al.)은 고속, 고해상도로 미세소자의 밀리작업이 가능한 FIB 장치 및 FIB 조사방법을 개시하고 있고, 미국특허 5,028,780호에서 카이토 등(Kaito et al.)은 FIB 장치를 이용한 시료의 단면 형성 및 관찰방법에 관해 개시하고 있다.

도 1은 미국특허 5,852,297호에 개시된 FIB 장치의 개략적 구조도이다.

도 1에서 참조번호 1은 액상 금속 이온소스(liquid metal ion source)이며, 11 은 관찰대상인 샘플(10)이 위치하는 스테이지(stage)이다. 이온소스(1)에서 방출된 이온은 콘덴서 렌즈(condencer lens, 2)와 대물렌즈(object lens, 8)에 의해 상기 샘플(10) 상에 집속된다.

참조번호 3은 상기 콘덴서 렌즈(2)를 통과한 빔의 단면을 한정하는 제한 어퍼쳐(limiting aperture, 3)이다. 상기 제한 어퍼쳐(3)는 10 내지 750㎛ 범위 내의 서로 다른 크기의 관통공을 구비하여, 6 내지 7 개의 빔 사이즈를 선택할 수 있다.

참조번호 4는 블랭킹 디플렉터(blanking deflector)이며, 5는 블랭킹 어퍼쳐(blanking aperture)이다. 상기 블랭킹 디플렉터(4)와 블랭킹 어퍼쳐(5)는 빔의 통과여부를 결정한다. 빔을 통과시키지 않을 때에는 블랭킹 디플렉터(4)의 양쪽에 서로 다른 전압이 인가되어 통과하는 빔을 한쪽으로 편향시키고, 편향된 빔은 그 하부의 블랭킹 어퍼쳐(5)에서 흡수된다.

상기 블랭킹 디플렉터(4)와 블랭킹 어퍼쳐(5)를 통과한 빔은 디플렉터(7)에의해 상기 샘플(10)의 표면을 주사(scan)한다. 위의 구조에 있어서, 상기 참조번호 1내지 8까지의 구성요소를 포함하는 칼럼은 위치가 고정되어 있고, 상기 스테이지(11)가 그 하부에 마련되는 이동장치들에 의해 상하전후좌우의 위치이동이 가능하도록 되어 있다.

상기와 같은 FIB 장치는 이온을 이용하여 샘플, 예를 들어 웨이퍼의 미세부분을 밀링(milling)함으로써 그 특정 부분의 수직단면구조(Vertical structure)을 관찰하는데, 수직 SEM(Scanning Electron Microscopy)에 비해서 이미지 해상도가 떨어진다. 그래서 반도체 공정에서 웨이퍼 단면 관찰을 통한 해당 공정의 이상 유무 확인은 SEM에 의존하고 있다. 이와 같이 SEM을 통해 웨이퍼 단면 구조를 3 내지 5 부위에서 관찰하기 위해서는 웨이퍼를 절단하고 있는데, 이로 인해 원가 손실 및 공정의 피이드 백 지연이 발생된다.

그러나, 상기 FIB 장치는 실시간 샘플의 관찰이 가능하므로 원가손실 및 공정의 피이드 백 지연 등의 결점은 없으나, 전술한 바와 같이 해상도가 떨어지므로 종래의 구조로서는 웨이퍼의 단면 구조 관찰에 적용될 수 없다. FIB에 있어서, 해상도의 저하요인에는 가속전안, 작업거리, 광학적 구조, 진공도 등이 있는데, 이 중에 가장 큰 영향을 주는 요소는 작업 거리이다. 실제 종래 FIB는 작업거리가 16mm 이상으로서, 3.5mm의 작업거리를 가지는 SEM에 비해 광학적으로 매우 불리하다. 따라서, 작업거리를 좁히는 것이 FIB의 해상도의 향상에 있어서 관건이라 할 수 있으며, 이에 대한 개선이 요구된다.

본 발명은 작업거리가 감축되어 높은 해상도를 보이는 집속 이온 빔 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 실시간으로 반도체 웨이퍼의 단면 구조를 비파괴적으로 관찰할 수 있는 집속 이온 빔 장치를 제공함에 그 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

집속된 이온빔을 발생시켜 제1축의 일방향으로 출사시키는 칼럼과;

상기 제1축의 이온빔의 진행 경로 상에 위치하는 것으로 검사대상물이 장착되는 스테이지와;

상기 스테이지를 지지하는 것으로, 상기 제1축에 대해 직교하는 평면 상에서 상기 스테이지를 이동시키는 제1위치이동부와;

상기 제1위치이동부와 상기 스테이지의 사이에 위치하여 상기 스테이지를 상기 제1축의 양방향으로 이동시키는 제2위치이동부와;

상기 제1축에 대해 상기 스테이지의 평면에 대한 법선의 기울기를 조절하는 기울기조절부와;

상기 제1축상에서 상기 스테이지에 대한 상기 칼럼의 상대적 거리를 조절하는 칼럼 이동부를; 구비하는 집속된 이온빔장치가 제공된다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본발명의 집속된 이온빔장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 집속된 이온빔이 발생하는 칼럼(100)이 지지체(101)에 대해 칼럼 이동부(102)에 의해 제1축, 예를 들어 수직방향으로 왕복 이동이 가능하게 설치된다. 상기 지지체(101)는 이온빔장치의 전체를 지지하는 프레임이나 이에 상 응하는 견고한 구조물이다. 상기 칼럼 이동부(102)는 상기 칼럼(100)의 높이를 조절하기 위한 것으로서, 일반적인 유압실린더 또는 스텝핑 모터를 이용한 직선 왕복운동기구를 적용할 수 있다.

상기와 같은 칼럼(100)은 집속된 이온빔을 발생하기 위하여, 종래의 기술에서 설명된 액상 금속 이온소스, 콘덴서 렌즈, 대물렌즈, 제한 어퍼쳐, 블랭킹 디플렉터, 블랭킹 어퍼쳐등을 구비한다.

한편, 상기 칼럼(100)의 하부에 위치하는 스테이지(11)는 상기 제1축(z-z')에 대해 직교하는 평면 상에서 상기 스테이지를 이동시키는 기존구조의 두개의 직선왕복 운동기구에 의한 제1위치이동부(110)에 의해 지지된다.

상기 제1위치이동부(110)와 상기 스테이지(11)의 사이에는 상기 스테이지(11)를 상기 제1축의 양방향, 즉, 상하 방향으로 이동시키는 기존의 직선왕복 운동기구에 의한 제2위치이동부(130)가 개재된다. 한편, 상기 제2위치이동부(130)와 상기 제1위치이동부(110)의 사이에는 제1축에 대해 상기 스테이지(11)의 평면에 대한 법선의 기울기를 조절하는 기울기 조절부(140)가 위치한다. 상기 기울기 조절부(140)는 호형의 레일 구조를 가지며, 별도로 마련된 동력원에 의해 동작된다.

한편, 상기 칼럼(100)의 하단부에는 스테이지(11)에 대한 에 대한 상기 칼럼의 상대적 거리를 측정하여 근접거리센서(103)이 마련된다. 상기 근접거리센서(103)는 상기 칼럼(100)이 상기 칼럼 이동부(102)에 의해 이동될때에, 상기 스테이지(11) 또는 스테이지(11)에 탑재되는 검사대상물간의 거리를 측정하여 이를 전기적 신호로서 발생한다. 근접거리센서(103)에서 발생된 전기적 신호는 별도로 마련되는 제어부에 의해 연산되어 측정된 물체간의 거리를 산출하고, 이에 따라 주어진 제어가 이루어지게 된다.

한편, 상기 스테이지의 주위에는 GAE(Gas Assisted Etch)노즐, 증착노즐, 이온, 전자 등에 대한 디텍터로서 이온 및 전자를 받아들이는 MCP(micro channel plate) 등이 위치한다. 따라서, 이러한 주변 요소에 의해 상기 제2운동부에 의한 상기 스테이지의 상승높이가 제한되며, 제2운동부에 의한 스테이지(11)와 상기 칼럼(100)간의 작업거리 조절은 크게 제한되며, 따라서, 작업거리의 실제적인 조절은 상기 칼럼이동부(102)에 이루어 진다.

도 3을 참조하면, 제2위치이동부로서의 리니어 베어링 시스템(130)에 의해 수직 승하강이 가능하도록 설치된 베이스 프레임(120) 상에 제1위치이동부(110)가 위치한다. 제1위치이동부(110)는 x-y 방향으로 왕복운동하는 두개의 직선왕복 운동부(111, 112)를 가진다.

제1직선왕복 운동부(111)는 x 방향으로 상대적 운동하는 제1블럭(111a)과 제2블럭(111b)을 구비하고, 제2직선왕복운동부(112)는 상기 제2블럭(111b)상에 고정되는 제3블럭(112a)과 제3블럭(112a)에 대해 y 방향으로 상대적인 운동을 하는 제4블럭(112b)을 구비한다.

상기 제1블럭(111a) 상면에는 x방향의 제1레일(111c)가 마련되고, 상기 제2블럭(111b)의 저면에는 상기 제1레일(111c)을 수용하는 가이드 홈(111d)이 마련된다. 또한, 상기 제3블럭(111a) 상면에는 y 방향의 제2레일(112c)가 마련되고, 상기 제4블럭(112b)의 저면에는 상기 제2레일(112c)을 수용하는 가이드 홈(112d)이 마련된다.

한편, 상기 제4블럭(112b)의 상면 중앙에는 상기 기울기조절부(140)의 한 요소인 호형 가이드홈(141)이 마련되고, 여기에 상기 제2위치이동부(13)의 하단에 위치하는 호형 운동자(142)가 위치한다. 상기 호형 운동자(142)는 상기 호형 가이드홈(141)내를 별도로 마련되는 일반적인 동력원에 의해 왕복이동하며, 이에 따라 상기 제2위치이동부(13) 및 이의 상단에 위치하는 스테이지(11)의 기울기가 변화된다.

도 4는 공정단계별 스테이지(11)의 위치변화를 보인다.

도 4에는 ①은 상기 스테이지에 놓인 검사대상물에 대한 밀링(milling)이 실시되는 위치로서, 상기 제2위치이동부(13)에 의해 상기 스테이지(11)가 상승된 상태를 보이며, ②는 상기 제2위치이동부(13)에 의해 상기 스테이지(11)가 하강된 상태를 보인다. ③은 검사대상물에 대한 관찰을 위하여 상기 기울기 조절부(140)에 의해 상기 스테이지(11)가 z-z 축에 대해 기울어져 있는 상태를 보인다. 이와 같이 스테이지(11)가 기울어진 상태에서 상기 칼럼이동부(102)에 의해 상기 칼럼(100)을 하강시켜 스테이지(11)와 칼럼(100) 하단부간의 거리 즉, 작업거리를 줄인 후, 검사대상물에 대한 관측을 통상적인 방법에 의해 실시한다. 이때에 칼럼(100)이 하강할때의 작업거리의 조절은 상기 근접거리센서(103)에 의해 작업거리를 계측하여, 목적하는 작업거리로 상기 칼럼(100)을 하강시킨다.

이상과 같은 본 발명은 종래와는 달리 칼럼을 승하강시켜, 스테이지에 탑재 된 검사대상물에 대한 작업거리를 조절할 수 있게 하고, 스테이지(11)의 하부의 제2위치이동부(13)를 지지하는 기울기 조절부(140)에 의해 상기 스테이지(11)의 기울기를 조절하는 점에 특징이 있다. 특히, 스테이지(11)의 하부에 위치하는 기울기 조절부(140)에 의한 스테이지(11)의 기울기 조절은, 상기 제1,제2,제3,제3블럭 및 상기 스테이지등을 지지하는 서브프레임의 기울기 조절에 의한 종래의 이온빔 장치와 구별된다.

특히, 본 발명에서와 같이 칼럼의 승하강에 의해, 작업거리를 조절하게 되면, 상기 스테이지의 주변에 위치하는 각종의 가스 노즐에 의한 간섭을 배제할 수 있어서 종래 보다 작업거리를 현격히 줄일 수 있다.

이상과 같은 구조의 본 발명의 이온빔장치에 의하면, 칼럼(100)의 하단부와 상기 스테이지(11)에 위치하는 검사대상물간의 작업거리를 종래의 16mm 이하에서 10mm 이하로 줄일수 있다. 따라서, 이온빔장치에 의해서도 높은 해상도의 관측이미지를 얻을 수 있게 된다.

이상에서 설명된 실시예에서, 각종 운동체에 동력을 제공하는 동력원에 대해서는 언급되지 않았다. 이는 공지된 다양한 동력원이 적용될 수 있음을 의미한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims

집속된 이온빔을 발생시켜 제1축의 일방향으로 출사시키는 칼럼과;

상기 제1축의 이온빔의 진행 경로 상에 위치하는 것으로 검사대상물이 장착되는 스테이지와;

상기 스테이지를 지지하는 것으로, 상기 제1축에 대해 직교하는 평면 상에서 상기 스테이지를 이동시키는 제1위치이동부와;

상기 제1위치이동부와 상기 스테이지의 사이에 위치하여 상기 스테이지를 상기 제1축의 양방향으로 이동시키는 제2위치이동부와;

상기 제1축에 대해 상기 스테이지의 평면에 대한 법선의 기울기를 조절하는 기울기조절부와;

상기 제1축상에서 상기 스테이지에 대한 상기 칼럼의 상대적 거리를 조절하는 칼럼 이동부를; 구비하는 집속된 이온빔장치.
제1항에 있어서, 상기 기울기조절부는 상기 제1위치이동부의 상면에 형성되는 호형 가이드홈과 호형 가이드홈의 내를 왕복운동하는 호형 운동자를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스테이지에 인접한 칼럼의 하단부에 근접거리센서가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제1항에 있어서, 상기 기울기조절부는 상기 제2위치이동부와 상기 제1위치이동부의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제4항에 있어서, 상기 스테이지에 인접한 칼럼의 하단부에 근접거리센서가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제1항에 있어서, 상기 제1위치이동부는 수직방향으로 승하강운동하는 프레임에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제6항에 있어서, 상기 기울기조절부는 상기 제1위치이동부의 상면에 형성되는 호형 가이드홈과 호형 가이드홈의 내를 왕복운동하는 호형 운동자를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 스테이지에 인접한 칼럼의 하단부에 근접거리센서가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제6항에 있어서, 상기 기울기조절부는 상기 제2위치이동부와 상기 제1위치이동부의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제9항에 있어서, 상기 스테이지에 인접한 칼럼의 하단부에 근접거리센서가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
집속된 이온빔을 발생시켜 제1축의 일방향으로 출사시키는 칼럼과;

상기 제1축의 이온빔의 진행 경로 상에 위치하는 것으로 검사대상물이 장착되는 스테이지와;

상기 스테이지를 상기 제1축에 대해 직교하는 제1방향으로 이동시키는 제1직선왕복운동부와 상기 스테이지를 상기 제1축과 제1방향에 대해 직교하는 제2방향으로 이동시키는 제2직선왕복운동부를 구비하는 제1위치이동부와;

상기 제1위치이동부와 상기 스테이지의 사이에 위치하여 상기 스테이지를 상기 제1축의 양방향으로 이동시키는 제2위치이동부와;

상기 제1축에 대해 상기 스테이지의 평면에 대한 법선의 기울기를 조절하는 기울기조절부와;

상기 제1축상에서 상기 스테이지에 대한 상기 칼럼의 상대적 거리를 조절하는 칼럼 이동부와;

상기 제1위치이동부를 지지하는 것으로 상기 제1축방향으로 왕복운동하는 프 레임을; 구비하는 집속된 이온빔장치.
제11항에 있어서, 상기 기울기조절부는 상기 제1위치이동부의 상면에 형성되는 호형 가이드홈과 호형 가이드홈의 내를 왕복운동하는 호형 운동자를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 스테이지에 인접한 칼럼의 하단부에 근접거리센서가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제11항에 있어서, 상기 기울기조절부는 상기 제2위치이동부와 상기 제1위치이동부의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제14항에 있어서, 상기 스테이지에 인접한 칼럼의 하단부에 근접거리센서가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제11항에 있어서, 상기 제1위치이동부는 수직방향으로 승하강운동하는 프레임에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제16항에 있어서, 상기 기울기조절부는 상기 제1위치이동부의 상면에 형성되는 호형 가이드홈과 호형 가이드홈의 내를 왕복운동하는 호형 운동자를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 스테이지에 인접한 칼럼의 하단부에 근접거리센서가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제16항에 있어서, 상기 기울기조절부는 상기 제2위치이동부와 상기 제1위치이동부의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.
제19항에 있어서, 상기 스테이지에 인접한 칼럼의 하단부에 근접거리센서가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 집속된 이온빔장치.