KR100700408B1

KR100700408B1 - 집속 이온 빔 시스템

Info

Publication number: KR100700408B1
Application number: KR1019990007439A
Authority: KR
Inventors: 고야마요시히로
Original assignee: 에스아이아이 나노 테크놀로지 가부시키가이샤
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1999-03-06
Publication date: 2007-03-27
Also published as: TW521294B; KR19990077662A; US6225627B1; KR20060106912A

Abstract

본 발명은, 시료의 표면에 집속 이온 빔을 주사하고 가스를 분사하면서 집속 이온 빔을 인가함으로써 미세한 패턴닝을 수행하는 집속 이온 빔 시스템에 관한 것으로, 이온 소오스로부터 방사되는 이온 빔을 집속하기 위한 집속렌즈와, 상기 집속 이온 빔을 시료 표면의 소정 영역에 주사하면서 상기 시료 표면의 소정 영역에 집속 이온 빔을 인가하기 위한 주사전극과, 상기 집속 이온 빔의 인가에 의해 상기 시료 표면에서 발생되는 이차 하전 입자를 검출하기 위한 이차 하전 입자 검출기와, 상기 이차 하전 입자 검출기로부터 출력된 신호에 근거하여 상기 시료 표면의 이미지를 표시하기 위한 표시장치를 포함하는 집속 이온 빔 시스템으로서, 상기 집속렌즈가 할로겐 계열의 가스에 대하여 내부식성을 가진 재질로 이루어지거나, 또는 상기 집속렌즈와, 상기 집속렌즈에 고 전압을 인가하기 위한 제어전원 사이에, 각각 고 저항값을 가진 저항들이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

집속 이온 빔 시스템 {FOCUSED ION BEAM SYSTEM}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 이온 빔 시스템의 구성을 도시하는 개략 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 이온 소오스 2 : 집광렌즈

3 : 블랭킹 전극 4 : 주사전극

5 : 대물렌즈 6 : 집속 이온 빔

7 : 이차 하전 입자 8 : 이차 하전 입자 검출기

9 : 시료 10 : 시료 스테이지

11 : 가스총 12 : A/D변환기

13 : 제어전원 14 : 표시장치

15 : 리저버 16 : 버퍼

17 : 제어밸브 18 : 진공 게이지

19 : 봄베 20 : 고 저항

21 : 밸브 30 : 진공 챔버

본 발명은 집속 이온 빔 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시료 표면에 집속 이온 빔을 주사하고 가스를 분사하면서 집속 이온 빔을 인가함으로써 미세한 패턴닝을 수행하는 집속 이온 빔 시스템에 관한 것이다.

지금까지는, 에칭 공정에서 선택성 및 향상된 스퍼터링 속도를 얻기 위해서, 집속 이온 빔이 조사되는 시료 표면의 위치에 국부 가스(local gas)[보조 가스(assist gas)]를 분사하면서 에칭공정을 수행하였다. 이러한 보조 가스로서는, 시료 재질에 반응성을 제공하기 위하여 주로 할로겐 계열의 가스(예를 들면, 염소 가스)가 사용되었다.

또한, 이온 소오스로부터 방사되는 이온 빔을 집속시키기 위해서 집광렌즈 및 대물렌즈를 포함하는 집속렌즈(정전형 렌즈)가 사용되었다. 또, 집광렌즈와 대물렌즈의 재질로서는, 이들 렌즈를 진공상태에서 설치하여야 하는 점 및 이들 렌즈의 가공이 용이하여야 하는 점에서, SUS304 등의 스테인리스 스틸 재질이 통상적으로 사용된다.

그러나, 상술한 집속 이온 빔 시스템에서는, 에칭 보조 가스가 시료 뿐만 아니라 스테인리스 스틸 재질로 된 집속렌즈 등과 반응하므로(즉, 화학적 에칭을 일으키므로), 이 화학적 에칭으로 인하여 집속렌즈의 표면이 거칠어지게 된다. 또한, 반응물이 집속렌즈의 표면에 석출되어 집속렌즈 표면의 거칠기를 증가시키게 된다. 이때, 집속렌즈에 고 전압(수십 kV 정도)을 인가하면, 집속렌즈와 접지 사이에서 방전이 발생되기 쉬운 상태로 된다.

상기 가공처리중에 방전이 발생하면, 집속 이온 빔이 조사되어야 할 소정 영역 이외의 다른 영역에도 집속 이온 빔이 인가되고, 이로 인하여 시스템과 작업자가 각각 소망하는 가공처리와 관찰을 할 수 없게 된다. 또한, 상기 방전의 발생으로 인하여 대량의 전류가 제어전원(13; 도 1 참조)을 통하여 흐르게 되어 제어전원(13)이 파괴될 수도 있다. 종래 기술에서는 상기한 바와 같은 문제점을 가지고 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 상기한 방전을 발생시키지 않도록 된 집속 이온 빔 시스템을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 각 렌즈를 할로겐 계열의 가스에 대한 내부식성이 우수한 재질로 구성하고 있다. 그러한 내부식성 재질로서는 하스텔로이(hastelloy) 합금 또는 스텔라이트(stellite) 합금이 적합하다.

따라서, 에칭 보조 가스는 고 전압이 인가되는 각 렌즈에 대하여 부식작용을 하지 못하게 되므로, 각 렌즈는 거칠어지지 않게 된다. 이에 따라, 각 렌즈에 날카로운 선단(sharp tip)이 형성되지 않게 되어, 방전은 거의 발생하지 않게 된다.

또한, 본 발명에서는 각각 고 저항값을 가진 저항들을 관련 회로에 설치해둠으로써, 집속렌즈와 접지 사이에서 방전이 발생하더라도 관련 회로를 통해 흐르게 되는 전류량이 감소되므로, 이 방전은 글로우(glow) 방전 형태로 발생하게 된다. 따라서, 제어전원은 파괴되지 않고, 또한 집속렌즈에는 방전 홀(hole)도 생성되지 않게 된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 빔 가공 시스템의 구성을 도시하는 개략 단면도이다. 진공 챔버(30)의 상부에는 하방으로 이온 빔을 발생시키는 이온 소오스(1)가 설치되어 있다. 이온 소오스(1)로서는 액체 갈륨 등의 액체 금속의 이온 소오스가 사용된다. 이온 소오스(1)로부터 방사된 이온 빔의 축상에는 집광렌즈(2)와 대물렌즈(5)가 설치되어 있다. 집광렌즈(2)와 대물렌즈(5)는 집속렌즈를 구성하는 것으로, 이온 소오스(1)로부터 방사된 이온 빔을 집속 이온 빔(6)에 집속시키도록 기능한다. 집광렌즈(2)와 대물렌즈(5)에는 제어전원(13)의 제어하에서 전압이 인가된다. 집광렌즈(2)와 대물렌즈(5)에 각각 인가되는 전압은 수십 kV 정도의 고 전압이다.

집속 이온 렌즈를 구성하는 집광렌즈(2)와 대물렌즈(5)는 각각, 기본 구성요소로서 니켈과 몰리브덴을 함유하는 내열성 및 내부식성 합금(그 상품명은 하스텔로이 합금으로 알려져 있음)으로 구성되거나, 주 구성요소로서 코발트, 크롬 및 텅스텐을 함유하는 내열성 및 내부식성 합금(그 상품명은 스텔라이트 합금으로 알려져 있음)으로 구성된다. 대안으로, 상기의 내열성 및 내부식성 합금을 사용하는 대신에, 스테인리스 스틸 재질의 표면상에 탄화티타늄, 질화티타늄, 탄화규소, 또는 금과 같은 귀금속으로 된 막(film)을 형성하여도 된다. 집광렌즈(2)와 대물렌즈(5)의 재질 또는 집광렌즈(2)와 대물렌즈(5)의 표면처리 재질은 이하에서 후술하는 바와 같이 에칭 가스에 대하여 안정성을 갖는다.

또한, 시료 스테이지(10) 상에 놓인 시료(9) 표면에 집속 이온 빔(6)이 조사되기 위해서는, 시료(9)가 놓여 있는 스테이지(10)의 중심이 집속 이온 빔(6)의 조사 축과 일직선이 되도록 스테이지(10)를 설치한다. 또, 시료의 근방에는 시료(9) 표면으로부터 발생된 이차 하전 입자(7)(이차 전자, 이차 이온 등)를 검출하기 위한 이차 하전 입자 검출기(8)가 배치되어 있다. 상기 이차 하전 입자 검출기(8)는 시료(9)의 상면을 향하는 검출 창을 구비하고 있다. 이차 하전 입자 검출기(8)에 의해 검출된 이차 하전 입자(7)로부터 발생된 신호는 A/D변환기(12)를 매개로 표시장치(14)에 입력된다. 그 다음, 표시장치(14)는 시료(9) 표면의 이미지를 표시한다. 즉, 본 실시예의 집속 이온 빔 시스템은 시료(9)의 관찰과 가공처리 모두를 수행할 수 있다.

시료(9) 표면의 이미지에 근거하여, 시료(9)의 가공처리 영역이 결정된 다음, 이 가공처리 영역에 집속 이온 빔(6)을 주사하면서 집속 이온 빔(6)을 이 가공처리 영역에 반복적으로 인가함으로써 시료(9) 표면을 가공처리한다. 가공처리 영역인 집속 이온 빔(6)의 주사영역은, 집속 이온 빔(6)의 광학 축의 주위에 설치된 두쌍의 주사전극(4)에 인가되는 전압을 제어함으로써 설정된다. 두쌍의 주사전극(4)에 각각 인가되는 전압은 제어전원(13)으로부터 공급된다. 또, 집속 이온 빔(6)의 광학 축의 주위에 설치된 블랭킹 전극(blanking electrode; 3)의 동작에 의하여, 시료(9) 등에의 집속 이온 빔(6)의 인가는 온/오프 제어된다.

또, 본 시스템은 집속 이온 빔(6)이 조사되는 시료(9)의 표면 영역에 에칭용 보조 가스를 분사하는 가스총(11)을 구비하고 있다. 이 보조 가스는 리저버(reserver)(15)에 저장되어 있다. 이 리저버(15)는, 온도 센서, 예를 들면 열전쌍(thermoelectric couple)에 의해 온도가 측정되고, 이와 같이 측정된 온도가 보조 가스의 증기압이 소망의 압력이 되는 온도로 되도록 설정되어 있다. 이와 같이 측정된 리저버(15)의 온도에 근거하여, 온도 제어기에서는 히터를 제어하여, 리저버(15)의 온도가 소망의 온도로 되게 제어한다. 리저버(15) 내의 보조 가스가 흐를 때는 밸브(21)가 개방된 다음, 보조 가스가 가스총(11)을 통하여 시료(9) 표면에 분사된다. 그후, 시료(9)는 이온 빔 에칭 보조 처리된다.

또한, 대안으로, 상기 보조 가스는 리저버로부터 뿐만 아니라 가스를 공급하는 가스 유니트로부터 도입되어도 된다. 또, 가스 유니트는, 가스를 저장하는 봄베(bomb)(19), 소정 압력의 가스를 저장하는 버퍼(16), 및 버퍼(16) 내의 압력을 측정하기 위한 진공 게이지(18)에 의해 지시되는 값에 근거하여 버퍼(16)에 저장된 가스의 압력을 조절하기 위한 제어 밸브(17)를 구비하고 있다. 이 가스 유니트는 상온(실온)에서도 보조 가스의 증기압이 높아서 소망의 압력이 리저버에 의한 온도제어만으로는 달성되지 않는 경우에만 사용된다.

가스를 공급하기 위한 유니트에서는, 진공 게이지(18)가 버퍼(16)의 압력을 측정하고, 제어 밸브(17)가 버퍼(16)의 압력이 일정하게 되도록 버퍼(16)의 압력을 제어한다. 이와 같은 방식으로 가스 유니트는 가스를 공급한다. 이 경우에도 압력제어에 근거하여 제어되는 가스가 밸브(21)를 매개로 가스총(11)으로부터 시료(9) 표면에 분사된다.

또한, 이온 광학 시스템용 제어전원(13)과 집광렌즈(2) 사이, 및 제어전원(13)과 대물렌즈(5) 사이로 분배된 렌즈 케이블에는, 각각 고 저항값을 갖는 고 저항(20)이 삽입되어 있다. 각 저항(20)은 600MΩ∼10GΩ의 저항값을 가지며, 이들 저항(20)의 삽입으로 인하여 방전은 글로우 방전 형태로 발생된다. 또, 방전이 집광렌즈(2) 또는 대물렌즈(5)와 접지 사이에서 발생되면, 이온 광학 시스템용 제어전원(13)을 통해서 흐르게 되는 전류량은 50㎂ 이하의 값으로 저감될 수 있다. 각 저항(20)의 저항값이 600MΩ이하이면, 방전은 스파크 방전 형태로 발생되어 각 렌즈(2,5) 및 제어전원(13)이 손상되게 된다. 또, 각 저항(20)의 저항값이 10GΩ이면, 렌즈(2,5)에 각각 인가되는 인가전압의 응답성(집속 응답성)이 열화되므로, 이러한 저항(20)은 사용할 수 없다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 상술한 시스템에 있어서, 각 렌즈(2,5)가 내부식성이 우수한 재질(예를 들면, 하스텔로이 합금 또는 스텔라이트 합금)로 이루어지거나 또는 각 렌즈가 우수한 내부식성을 갖도록 표면처리되고, 이에 따라 보조 가스에 대한 내부식성이 향상되므로, 방전이 거의 발생하지 않게 된다. 각 렌즈(2,5)가 통상의 재질로 이루어진 경우에는 부식이 발생하고 이로 인하여 1∼2주 정도 경과한 후 방전이 발생하게 되지만, 본 발명에 따르면 부식의 발생이 수년동안 억제될 수 있다.

또한, 고 저항(20)이 렌즈 케이블에 삽입되어 방전 발생시에 흐르는 전류를 조절하고 있다. 렌즈에 인가되는 전압이 30kV인 경우에는, 각각 수 GΩ의 저항값을 갖는 저항(20)을 삽입함으로써 암(dark) 전류가 수십 ㎂ 정도로 저감될 수 있고, 이에 따라 제어전원을 포함하는 제어 유니트의 파괴는 거의 발생하지 않게 된다.

Claims

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이온 소오스로부터 방사되는 이온 빔을 집속하는 집속 렌즈와, 상기 집속 이온 빔을 시료 표면의 소정 영역에 주사시켜 조사하기 위한 주사 전극과, 상기 이온빔 조사에 의해 상기 시료 표면에서 발생하는 이차 하전 입자를 검출하는 이차 하전 입자 검출기와, 상기 이차 하전 입자 검출기의 신호에 기초하여 상기 시료 표면의 이미지를 표시하기 위한 표시장치와, 상기 시료표면에 가스를 분사하기 위한 가스총으로 이루어지는 집속 이온 빔 시스템에 있어서,

상기 집속 렌즈와 상기 집속 렌즈에 전압을 제어하여 인가하는 제어 전원과의 사이에 600MΩ∼10GΩ의 저항을 삽입한 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 시스템.
제6항에 있어서,

상기 집속렌즈는 집광렌즈와 대물렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 시스템.
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