KR100795963B1 - 이온유도 이차전자방출계수를 위한 전류변화현상을측정하기 위한 γ-집속이온빔장치 및 방법 - Google Patents

이온유도 이차전자방출계수를 위한 전류변화현상을측정하기 위한 γ-집속이온빔장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물질의 실험적인 이온유도 이차전자방출계수를 측정하기 위한 γ-집속이온빔장치로서, 보다 상세하게는 측정하고자 하는 물질에 이온 입자를 직접 주입시켜서 이온이 갖는 에너지에 의한 물질 표면에서의 이차전자방출로부터 발생되는 전류변화현상을 측정하는 경우에, 이온을 강력하게 집속시켜 주는 이온빔 집속부에 의하여 형성된 이온빔과 측정물질 표면에 밀착되어 설치된 도체 패드부와의 강력한 전기장에 의하여 측정물질 표면에 축적된 전하를 효율적으로 제거하여 전하축적현상에 의한 이온빔과 전류현상에 대한 왜곡됨이 없이 전류변화량에 대한 측정이 가능하며, 이를 이용하여 물질의 실험적인 이온유도 이차전자방출의 계수, 물질의 일함수 및 물질의 식각률에 대한 측정이 가능하다.
γ-집속이온빔, 이차전자방출계수, 도체 패드부, 전하축적현상, 편향기

Description

이온유도 이차전자방출계수를 위한 전류변화현상을 측정하기 위한 γ-집속이온빔장치 및 방법 {MEASUREMENT γ-FOCUSED ION BEAM SYSTEM AND METHOD OF ION INDUCED SECONDARY ELECTRON EMISSION PARAMETER}
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 이온유도 이차전자방출계수를 측정하기 위한 γ-집속이온빔장치.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 이온빔의 직경을 측정하기 위한 방법과 그 전류현상 변화도.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 절연체의 이차전자방출계수를 네온 이온빔으로 결정격자에 의한 측정 결과도.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 반도체 물질의 헬륨과 네온 이온빔에 의한 이차전자방출계수를 나타낸 측정 결과도.
도 5는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 도체의 이차전자방출계수에 대한 네온 이온빔에 의한 측정 결과도.
도 6은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 반도체 물질의 각기 다른 이온화 에너지를 갖는 이온빔에 의한 이차전자방출계수를 이용하여 측정한 결과도와 그에 따른 일함수를 나타낸 결과도.
도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 이온 유도 이차전자방출계수 측정장치를 이용하여 절연체의 이온충격에 의한 식각률 측정을 위한 개략도.
도 8은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 이온유도 이차전자방출계수 측정장치를 이용하여 가속전압에 따른 입자의 방출에 대한 측정 결과도.
도 9는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 이온유도 이차전자방출계수 측정장치 및 이를 이용하여 측정된 물질이 식각되었을 때의 전류현상 변화도.
*** 도면 주요부분의 부호의 설명 ***
10 : 이온빔 집속부 20 : 할로겐 히터
30 : 도체 패드부 40 : 측정물질
50 : 측정스테이지 60 : 세라믹판
70 : 구동스테이지 101 : 텅스텐 필라멘트
102 : 에노드 103 : MFC(Mass Flow Controller)
104 : 이온 가속부 105 : 전기장
106 : 정렬 개구부 107 : 가속 이온빔
108 : 집속 정전렌즈 109 : 편향기
110 : 컬렉터 120 : 이온빔 발생부
130 : 이온 정렬부 140 : 이온 집속부
200 : 진공용기 300 : 진공펌프
본 발명은 물질의 실험적인 이온유도 이차전자방출계수를 측정하기 위한 장치로서, 보다 상세하게는 측정하고자 하는 측정물질에 이온 입자를 직접 주입시켜서 이온이 갖는 에너지에 의한 물질 표면에서의 이차전자방출로부터 발생되는 전류변화현상을 측정하는 경우에, 이온을 강력하게 집속시켜 주는 이온빔 집속부에 의하여 형성된 이온빔과 측정물질 표면에 밀착되어 설치된 도체 패드부와의 강력한 전기장에 의하여 측정물질 표면에 축적된 전하를 효율적으로 제거한다. 따라서, 전하축적현상에 의한 이온빔과 전류현상에 대한 왜곡이 없기 때문에 전류변화량에 대한 측정이 가능하며, 이에 따라 측정물질의 실험적인 이온유도 이차전자방출의 계수, 물질의 일함수 및 물질의 식각률도 측정 가능한 γ-집속이온빔(γ-FIB : γ-Focused Ion Beam)장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 PDP의 특성 검사나 양이온에 의한 절연체 및 반도체 물질의 특성을 보다 효율적으로 측정할 수 있기 때문에, 물질에 대한 더욱 풍부한 특성자료를 얻을 수 있는 장치에 관한 것이다.
종래의 기술에 있어서, 직접 이온주입방법에 의한 전하축적이 발생하지 않는 도체물질에서의 측정은 어떠한 문제점도 발생됨이 없이 가능하였다. 그러나, 절연체 및 반도체 물질의 경우에는 전기적 성질을 가지는 입자가 물질표면에서 충전됨 으로써, 주입되는 이온에 영향을 미치고, 그에 따라 전류현상에 왜곡이 생김으로 인해 정확한 값을 측정할 수 없었다.
따라서, 종래의 이차전자방출계수의 측정방법은 측정하고자 하는 물질을 음극물질로 도포하여 직접 방전시킴으로써 방전개시전압에 기인하는 공식을 이차전자방출계수에 대하여 정리함으로써 간접적으로만 측정이 가능하였다.
또한 다른 측정방법으로는 이온빔을 물질표면에 주입되었을 경우에, 전류현상이 측정물질의 표면이 아닌 측정물질 하부에서 측정되기 때문에 측정 결과값은 신뢰성이 떨어지며, 또한 전하축적현상이 발생하기 이전에 전류현상을 측정해야만 하며, 하나의 측정물질 밖에는 측정할 수 없다는 문제점이 발생하였다.
따라서 본 발명은, 이상에서 설명한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 절연체나 반도체 표면에서의 전하축적현상을 제거하므로써 이온빔에 의한 측정이 가능함은 물론, 지속적인 이온 주입시에 발생되는 절연체 및 반도체 물질에서 전하의 축적현상을 제거하므로써, 측정하고자 하는 물질의 전류변화량과 이차전자방출계수, 및 일함수의 측정이 가능하며, 또한 물질에 대한 식각률 측정이 가능하며, 복수개의 측정물질을 측정할 수 있는 γ-집속이온빔장치를 제공한 것이다.
상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 γ-집속이온빔장치는, 이온빔을 발생하여 물질 표면으로 이온빔을 집속하기 위한 이온빔 집속부와, 물질에 전류현상을 일으키기 위한 도체 패드부와, 상기 도체 패드부를 감싸고 있는 도체와 도체막, 절연체와 절연체막, 산화물과 산화막 및 반도체 등과 같은 측정물질과, 상기 측정물질이 위치되는 측정스테이지가 장착되는 진공용기와, 상기 진공용기와 연결되어 진공용기 내부에 일정한 진공을 유지하기 위한 저진공용 펌프와 고진공용 펌프로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 도체 패드부는 상기 집속된 이온빔과 상기 측정물질 표면의 강력한 전기장을 형성하기 위하여 측정물질 표면에 밀착되어 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 이온빔 집속부는 발생된 이온빔을 평행하게 정렬하는 이온 정렬부와, 상기 이온 정렬부에서 평행하게 정렬된 이온빔을 집속하는 이온 집속부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 이온 정렬부는 상기 이온빔을 발생하는 이온빔 발생부와, 상기 발생된 이온빔을 평행하게 정렬하는 정렬개구부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 이온빔 발생부는 열전자를 방출하는 텅스텐 필라멘트와, 상기 텅스텐 필라멘트로부터 방출된 열전자를 통과시켜 진동하게 하는 에노드와, 이온빔의 소스로서 주입되는 불활성 기체의 양을 조절하는 MFC와, 상기 에노드에 의하여 진동하는 전자들과 주입된 불활성 기체들이 충돌하여 생성되는 양이온을 가속하는 이온가속부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 이온 집속부는 이온빔을 집속하는 집속 정전렌즈와, 상기 이온빔을 주기적으로 편향시키는 편향기 및 상기 측정물질로부터 전류를 측정하기 위하여 일정 범위의 전압이 인가되는 컬렉터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 집속 정전렌즈는 전기장을 이용해 평행하게 정렬된 이온빔을 집속하는 3전극형인 것을 특징으로 한다.
상기 편향기는 이온빔을 편향시키는 4극형인 것을 특징으로 한다.
상기 도체 패드부와 측정스테이지는 구리인 것을 특징으로 한다.
상기 측정스테이지는 이온빔의 초점을 맞추기 위하여 X축과 Y축으로 구동하는 것을 특징으로 한다.
상기 측정스테이지를 X축 및 Y축으로 구동시키기 위한 구동스테이지가 상기 측정스테이지 하부에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 측정스테이지와 상기 구동스테이지 사이에 세라믹판이 개재되어 상호 절연되는 것을 특징으로 한다.
상기 측정물질의 온도를 제어하기 위한 가열수단 및 냉각수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 가열수단은 할로겐 히터인 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수단은 액화질소를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 γ-집속이온빔장치에 따른 이온유도 이차전자방출계수를 측정하는 방법은, 텅스텐 필라멘트가 열전자를 방출하는 단계와, 상기 열전자를 에노드에서 끌어들이고 에노드의 구멍을 통과시켜 진동시키는 단계와, 상기 진동하는 전자들이 MFC에서 주입되는 기체와 충돌해서 양이온이 발생하는 단계와, 상기 에노드와 정렬 개구부 사이에서 형성된 전기장에 의하여 상기 양이온이 가속되면서 정렬 개구부를 통과하여 이온빔이 평행하게 정렬되는 단계와, 상기 정렬된 이온빔이 집속 정전렌즈에 도달하여 이온빔이 집속되는 단계와, 상기 집속된 이온빔이 측 정하고자 하는 측정물질에 입사되는 단계와, 상기 이온빔을 주기적으로 편향기에 편향시킴으로써 측정물질 표면의 불순물을 제거하는 단계와, 상기 측정물질의 표면에 부딪힌 이온빔에 의해 이차전자가 발생하는 단계와, 스테이지상에 설치되어 있는 컬렉터에 (-)전압을 인가하여 이온전류를 측정하는 단계, 및 상기 컬렉터에 (+)전압을 인가하여 전체전류를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 γ-집속이온빔장치를 이용한 일함수 측정방법에 의하면, 서로 상이한 이온화 에너지를 갖는 불활성 기체를 이용하여 이차전자방출계수를 측정하는 단계와 상기 서로 상이한 이온화 에너지를 갖는 이온에 따른 이차전자방출계수를 X축의 값(이온화 에너지 : Eio)에 따른 Y축의 값(이차전자방출계수: γ)으로 그래프로 작성한 후, 서로 연결하여 이차전자방출계수에 대한 값이 0이 되는 지점의 이온화 에너지를 유도하는 단계와 외삽법을 이용하여 상기 이온유도 이차전자방출계수가 0이 되는 지점의 이온화 에너지(Eio)의 값을 2로 나누어 일함수를 구하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 γ-집속이온빔장치를 이용한 식각률 측정방법에 의하면, 전도성 물질 위에 일정범위의 직경을 갖는 개구부를 가진 도체 패드부를 덮은 후 개구부 내의 전도성 물질 위에 측정물질을 위치시키는 단계와, 상기 측정물질에 입사되는 이온빔을 형성하는 단계와, 상기 이온빔을 측정하고자 하는 물질 표면에 입사시키는 단계와; 상기 측정물질이 모두 식각되기 전에 표면에 입사하는 이온빔에 의해 제 1 전류을 측정하는 단계와; 상기 측정물질이 식각된 후, 이온빔이 전도성 물질의 표면에 입사될 때 나타나는 제 2 전류를 측정하는 단계, 및 상기 제 1 전류에 서 상기 제 2 전류로 변화하는 시간을 측정하여 물질의 식각률을 계산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치(γ-FIB : γ-Focused Ion Beam)를 나타낸 것이다.
도시한 바와 같이 γ-집속이온빔장치는 이온빔 집속부(10), 진공용기(200) 및 진공펌프(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 이온빔 집속부(10)는 이온빔을 발생하여 측정물질(40)의 표면으로 이온빔을 집속하는 것으로, 이온빔을 평행하게 정렬시키는 이온 정렬부(130)와 상기 이온 정렬부(130)에서 정렬된 이온빔을 집속하는 이온 집속부(140)를 포함하여 이루어진다.
상기 이온 정렬부(130)는 이온빔을 발생하는 이온빔 발생부(120)와 이온빔 발생부에서 발생된 이온빔을 평행하게 정렬하는 정렬 개구부(106)를 포함하여 이루어진다.
또한, 이온빔 발생부(120)는 열전자를 방출하는 텅스텐 필라멘트(101)와, 상기 텅스텐 필라멘트(101)로부터 방출된 열전자를 통과시켜 진동하게 하는 에노드(102)와, 이온빔의 소스로서 주입되는 불활성 기체의 양을 조절하는 MFC(Mass Flow Controller,103)와, 상기 에노드(102)에 의하여 진동하는 전자들과 주입된 불활성 기체들이 충돌하여 생성되는 양이온을 가속하는 이온가속부(104)를 포함하여 이루 어진다.
상기 이온 집속부(140)는, 이온빔을 집속하는 집속 정전렌즈(108)와, 상기 이온빔을 주기적으로 편향시키는 편향기(109)와, 상기 측정물질(40)로부터 전류를 측정하기 위하여 일정 범위의 전압이 인가되는 컬렉터(110)를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서 상기 집속 정전렌즈(108)는 전기장(105)을 이용하여 평행하게 정렬된 이온빔을 집속하는 3전극형이다.
또한 상기 편향기(109)는 측정물질의 원하는 위치에 이온빔을 주사시키는 4전극형이다.
진공용기(200)는 측정물질(40)에 전류현상을 일으키기 위한 도체 패드부(30)와, 상기 도체 패드부(30)를 감싸는 도체와 도체막, 절연체와 절연체막, 산화물과 산화막 또는 반도체 등의 측정물질(40)과, 상기 측정물질이 위치되는 측정스테이지(50)가 장착된다.
상기 도체 패드부(30)는, 구리(Cu)로 이루어지고 상기 집속된 이온빔과 측정물질 표면의 강력한 전기장을 형성하기 위하여 측정물질 표면에 밀착되어 설치되는 것이 바람직하다.
상기 측정스테이지(50)는 도체 패드부(30)처럼 구리로 이루어지고 이온빔의 초점을 맞추기 위하여 X축과 Y축으로 구동하며, 그 하부에는 측정스테이지(50)를 X축 및 Y축으로 구동시키기 위한 구동스테이지(70)가 위치된다.
이때 상기 측정스테이지(50)와 구동스테이지(70) 사이에 세라믹판(60)이 개 재되어 측정스테이지(50)와 구동스테이지(60)가 서로 절연된다.
상기 측정물질(40)의 온도를 제어하기 위하여 가열수단 및 냉각수단이 구비되어야 하는 바, 본 발명에서 가열수단으로 할로겐 히터(20)를 사용하고 냉각수단은 액화질소를 이용한다.
진공펌프(300)는 상기 진공용기(200)와 연결되어 진공용기(200) 내부에 일정한 진공을 유지하기 위해 저진공용 펌프와 고진공용 펌프로 이루어진다.
상기한 구성에서 열전자을 방출하는 텅스텐 필라멘트(101)에 2~3A 정도의 전류를 흘려주면, 발생하는 열에 의해 열전자들이 방출되고 상기 열전자들은 에노드(102)에 인가된 전압에 의하여 에노드(102)쪽으로 끌려간다.
상기 텅스텐 필라멘트(101)에서 방출된 전자들은 약 2mm의 개구부가 형성되된 에노드(102)에 일부 흡수되지만, 에노드(102)의 개구부를 통과하여 이온가속부(104)에 존재하는 전자들은 에노드(102)에 인가된 전위에 의하여 진동하게 된다.
진동하는 전자들은 MFC(103)에 의하여 주입되는 기체와 충돌하고 그 결과 양이온들이 발생하게 된다.
이때 발생한 이온들의 밀도는 에노드(102) 주위에서 1010ions cm-3 값을 갖는다.
이와 같이 발생된 이온들은 에노드(102)에 인가된 전위에 의하여 전기적 척력인 전기장(105)으로 인해 500um의 직경을 갖는 정렬 개구부(Aperature,106)를 통과하여 가속 이온빔(107)이 평행하게 정렬된 후, 집속 정전렌즈(108)에 도달하게 된다.
여기서, 가속 이온빔(107)은 집속되어져서 측정하고자 하는 측정물질(40)로 입사하게 된다.
이때 나이프 엣지(Knife-edge) 측정방법으로 측정하였을 때 이온빔의 직경은 80um 정도가 된다.
상기 측정물질(40) 표면에 부딪힌 이온들에 의하여 측정물질(40)의 표면으로부터 이차전자가 발생된다.
가속 이온빔(107)을 4극의 편향기(109)에 의하여 주기적으로 편향시킴으로써 측정물질 표면의 불순물을 제거한다.
이때 측정스테이지(50) 상부에 설치되어 있는 컬렉터(110)에 -60(V) ~ +60(V)의 바이어스 전압을 가변적으로 변화시키면서 스윕(sweep)한다.
우선, 켈렉터(110)에 (-)전압이 가해지는 동안에는 전기장이 측정물질(40) 표면에서 컬렉터(110) 방향으로 형성되므로, 측정물질(40) 표면에서 발생된 이차전자는 측정물질(40)의 표면으로 되돌아가게 된다.
따라서 이 때 측정되는 전류는 이온빔에 의해서만 형성된 순수 이온전류(Ii)만 흐르게 된다.
컬렉터(110)의 전압이 (+)극으로 반전되면 전기장이 측정물질(40)에서 컬렉터(110)의 방향으로 형성되므로, 측정물질(40)의 표면으로부터 발생하는 이차전자들은 컬렉터(110) 방향으로 끌려 들어가게 되고 측정물질(40)의 표면에서는 이온에 의한 이온전류(Ii)와 이차전자에 의한 전자전류(Ie)가 합쳐지어 전체전류(It)가 흐 르게 된다.
따라서, 이차전자에 의한 전류는 실험적으로 측정 가능한 이온전류와 전체전류와의 차이가 되므로 실험적인 이차전자방출계수는 수학식 1과 같다.
γ = (It - Ii) / Ii
이에 따라 측정물질(40) 예를 들어, 절연체인 MgO 박막의 이차전자방출계수를 측정할 수 있고, 또한 예를 들어, 반도체(SiO2)에서의 이차전자방출계수와 도체(가령, 구리)에서의 이차전자방출계수도 저에너지 영역(50[eV] ~ 200[eV])에서 측정할 수 있다.
또한 이온화가 되었을 때, 서로 다른 에너지를 갖는 불활성 기체를 기본적으로 하는 이온빔을 이용하여 그 물질의 일함수의 값을 측정할 수 있다.
이것은 저에너지(200[eV] 이하)에서는 이온에 의한 운동에너지보다는 포텐셜에너지에 의한 물질의 전자방출이 대부분이다.
이를 오제이(Auger) 중화이론이라고 정의한다.
따라서, 측정물질(40)의 표면으로부터 방출되는 이차전자의 최대운동에너지(Ek Max)는 오제이 중화이론에 의하면 수학식 2와 같이 나타내어진다.
Figure 112005025600248-pat00001
Ek Max = Ei - 2γw
여기서, 물질의 이온유도 이차전자방출계수가 0일 경우 방출되는 이차전자의 최대운동에너지(Ek Max)는 0이므로, 이온유도 이차전자방출계수가 0이 되는 지점의 이온화 에너지(Eio)를 2로 나눈 값이 일함수의 값을 나타내게 된다.
즉, γw=Eio/2으로 나타내어 진다.
따라서 실제의 일함수는 저에너지 영역에서 각종 불활성기체의 이온유도 이차전자방출계수를 측정할 수 있으며, 각 이온빔에 의한 이차전자방출의 계수는 외삽법(Extrapolation)을 통하여 0이 되는 점의 값을 2로 나눈 값으로 측정되어진다.
또한, 에너지를 가진 이온빔을 이용하여 측정물질(40)에 대한 이차입자의 분압을 잔류 기체분석기를 설치하여 관측할 수 있다.
또한 측정물질(40)을 측정스테이지(50)에 도포하여 물질에 대한 식각률도 측정할 수 있다.
여기서 식각률의 측정은 측정물질(40) 표면에서의 이온빔의 물질 주입시의 전류현상과 식각 이후의 전류현상을 측정한다.
γ-집속이온빔장치는 이온빔을 물질에 주입할 때 물질위에 개구부를 형성한 도체 패드부(30)를 밀착시켜 설치한다.
측정물질(40) 표면의 전류현상은 전류계를 통하여 접지 되어 있는 도체 패드부(30)를 통하여 이루어진다.
또한, 측정하고자 하는 물질의 온도를 제어할 수 있는 할로겐 히터(20)나 액화질소 등을 이용한 가열 및 냉각 수단을 구비한 상태에서 X, Y축으로의 이동조정 이 가능하기 때문에 복수의 물질을 동시에 설치하여 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 이온빔의 직경을 측정하기 위한 방법과 그 전류현상 변화도로서, 이온빔이 집속 되어져서 측정하고자 하는 측정물질(40) 표면으로 입사하게 되는데 이 때 이온빔의 직경은 도면과같이 나이프 엣지 측정방법으로 측정한다.
도 2에 따른 이온빔의 직경을 측정하는 방법은, 이온빔이 발생한 상태에서 전류가 통할 수 있는 금속나이프(knife)를 삽입한다. 진공상태에서 이온빔이 발생되므로 금속나이프는 챔버 외부에서 챔버 내부로 삽입이 가능한 모션 피드스루를 사용한다. 금속나이프가 삽입된 상태에서 초기에는 이온빔에 접근하지 않을 경우 금속나이프의 전류는 측정되지 않는다.
그러나 점차적으로 금속나이프가 이온빔에 접근하면 금속나이프에서는 전류가 생성되게 된다. 따라서, 이온빔에 가까워질수록 금속나이프에 접촉되는 이온빔은 증가하게 되고 전류의 양도 증가한다. 금속나이프가 이온빔을 관통하게 되면 도 2와 같이 포화상태로 되기 때문에 금속나이프에서의 전류는 더 이상 상승하지 않는다. 따라서, 초기 전류 상승부에서부터 전류 포화부까지의 거리의 80%가 이온빔의 직경이 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 절연체의 이차전자방출계수를 네온 이온빔으로 결정격자에 따른 측정 결과도로서, 도면에서와 같이 절연체인 MgO 박막의 이차전자방출계수를 측정할 수 있다.
또한, 상기 도면을 간략히 설명하면, 도 3에서는 절연체 물질인 단결정 MgO 의 결정방향에 따른 네온이온에 의한 이차전자방출계수 γ값을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 여기서, 단결정이라 함은 결정 전체가 일정한 결정축을 따라 규칙적으로 생성된 고체를 의미하며, 밀러지수의 결정축 방향은 좌표축 (111)방향, (200)방향 및 (220)방향과 같이 세가지 방향으로 나타낸다. 여기서, MgO (111), (200) 및 (220)이라 하면 결정의 원자배열의 방향을 상대적으로 나타낸 밀러지수 (Miller-Index)을 의미한다.
결정면의 밀러지수는 면에 의해 교차되는 좌표축의 길이를 그 축의 단위 길이로 나눈 값의 최소 정수비로 나타낸 것이며, 이는 결정 격자의 규칙 좌표축의 기준점을 어느 곳에 설정해도 동일한 관계가 성립해야 하며, 이와 같은 원자배열 방향을 나타내는 밀러지수는 동일 물질이라 하여도 결정을 성장시키는 방법이나 조건에 따라 달라진다.
또한, 이차전자 방출계수는 음극표면으로 입사한 양이온에 의해 방출되는 전자의 계수를 말하는 것이다. 만약, 그 계수의 값이 0.1이라 한다면 이온입자 10개가 물질에 입사하였을 때 이차전자가 하나 방출된다는 의미이다. 도 3에 나타낸 바와같이 공통적인 특징은 이온 가속전압(Acceleration Voltages)이 높아짐에 따라 γ가 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 가속 전압에 의하여 이온이 에너지를 얻게 되고, 에너지를 많이 얻은 이온이 MgO 표면에서 이차전자를 보다 많이 발생시킨다는 의미이다. 따라서 가속전압이 커지면 γ값이 증가하게 된다. 또한 도 3과 같이 좌표축 (111)방향의 MgO에 대한 이차전자방출계수가 다른 방향 즉, 좌표축(200)방향 및 (220)방향의 MgO에 대한 이차전자방출계수보다도 크며, 이와 같은 현 상으로부터 각 결정방향마다 이차전자방출계수의 특성이 달라짐을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 반도체 물질의 헬륨과 네온 이온빔에 의한 이차전자방출계수를 나타낸 측정 결과도이다.
도 4에 의하면, 반도체 물질 표면에 입사하는 이온의 종류에 따라서 이차전자 방출계수가 각기 상이함을 확인할 수 있다. 일반적으로 이차전자 방출은 물질의 종류(절연체, 반도체, 도체)에 관계없이 방출되는데, 각 이온들은 고유의 이온화 에너지를 가지고 있으며, 도 4에서는 각각 He 이온(24.58[eV]) 및 Ne 이온(21.56[eV])인 경우에 대한 이차전자방출계수를 나타낸 것이다. He의 이온화 에너지가 Ne보다 크기 때문에 이온이 가지는 에너지 역시도 He이 더 크다. 결국 음극 표면에서 에너지가 작은 Ne 이온이 입사하였을 때보다 에너지가 큰 He 이온이 입사하였을 때 γ값의 방출이 더 크다, 한편 가속전압(Acc Voltage)이 크면 이온이 얻는 에너지가 커지게 되므로 두 이온 모두 γ값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 도체의 이차전자방출계수를 네온 이온빔으로 측정한 결과도이다.
도 5는 저에너지 영역(50[eV] ~ 200[eV])에서 도체(가령, 구리)에 대한 이차전자방출계수를 측정할 경우에, 이온의 가속전압에 따른 구리 표면에 입사하는 Ne이온에 의한 이차전자방출계수를 나타낸 것이다.
도 5로부터 절연체 및 반도체 물질과 같이 이온이 구리 표면에 입사하면, 이차전자가 발생하게 되고 이러한 이차전자는 이온의 가속전압이 클수록 많이 발생하 게 된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 반도체 물질의 각기 다른 이온화 에너지를 갖는 이온빔에 의한 이차전자방출계수를 이용하여 측정한 결과도와 그에 따른 일함수를 나타낸 결과도이다. 즉, 서로 다른 에너지를 갖는 불활성 기체를 원천으로 하는 이온빔을 이용하여 그 물질의 일함수의 값을 측정할 수 있다.
상기 도 6에는 4개의 표시점이 나타나 있는데, 각 표시점은 기체가 이온화 되었을 때의 기체의 이온화 에너지에 대한 이차전자 방출계수를 표시한 것이다. 여기서, X축은 이온화에너지, Y축은 이차전자방출계수를 나타낸 것이다.
도 6과 같이 입자의 이온화에너지에 비례하여 이차전자방출계수가 증가함을 확인할 수 있으며, 이 때 4개의 표시점은 서로 다른 이온화에너지를 갖는 입자에 따른 이차전자방출계수를 서로 연결하여 가상의 이온화 에너지가 0가 되는 부분을 유도하여 나타낸 것이다. 즉, 4개의 표시점은 Y축의 값(이차전자방출계수: γ)이 0이 될 경우에 X축의 값(이온화에너지 : Eio)은 물질의 일함수 값의 2배가 된다. 즉, 이온유도 이차전자방출계수가 0이 되는 지점을 이온화 에너지(Eio)로 나타낼 수 있으며, 이 때의 값을 2로 나눈 값이 일함수의 값이 된다. 즉, γw=Eio/2이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 이온유도 이차전자방출계수 측정장치를 이용하여 절연체의 이온충격에 의한 식각률 측정을 위한 개략도이다. 즉, 에너지를 가진 이온빔에 의한 측정물질(40)의 이차입자 의 분압은 잔류 기체 분석기를 사용함으로써 측정할 수 있다.
도면과 같이, 측정물질을 올려 놓는 측정스테이지(50)가 있고 측정스테이지(50)의 상부에는 ITO 전극이 도포된 유리가 위치하며, ITO전극위에 MgO 보호막이 증착된다. 증착된 MgO 보호막은 10mm의 지름을 갖는 원형이며, MgO 보호막 양쪽 옆에는 상부 중앙 개구부가 있는 도체 패드부(30)가 위치한다.
이온빔을 주입하여 식각률을 측정하는 방법은 도체 패드부(30)의 가운데 개구부에 위치된 측정물질(40)에 Ne 이온빔을 주입하여 식각률을 측정한다. 따라서 저에너지 영역(50[eV]~500[eV])에서 이온 주입시 절연체 혹은 반도체 물질 위에서 발생되는 전하축적 현상을 억제시킴으로써 장시간 이온을 입사하여 물질의 식각률을 구할 수 있다.
또한, 절연체 혹은 반도체의 식각률 측정을 위해 측정물질을 증착시킬 경우에는, 전도성 물질 위에 일정범위 직경의 개구부(Hole)가 있는 도체 패드부(30)를 덮은 후에 개구부(Hole) 내의 전도성 물질 상부에 측정물질을 위치시켜, 이온빔을 안정화시킨 후 측정하고자 하는 물질 표면에 입사시킨다. 물질이 모두 식각되기 전에 표면에 입사하는 이온빔에 의해 측정되어지는 제 1 전류 (Current1)는 이온빔이 절연체 혹은 반도체의 표면에 입사될 때 발생되는 값으로써 입사 이온의 전체적인 양을 알 수 있다.
제 2 전류 (Current2)의 경우에는 물질이 식각된 후, 이온이 전도성 물질의 표면에 입사될 때 발생되는 값으로서, 제 1 전류에서 제 2 전류로 변화하는 시간을 측정하여 물질의 식각률을 계산할 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 이온유도 이차전자방출계수 측정장치를 이용하여 가속전압에 따른 입자의 방출을 측정한 결과도이다. 즉, 측정물질(40)을 측정스테이지에 도포하여 측정물질의 식각률을 측정할 수 있다.
도 8과 같이, γ-집속이온빔장치을 이용하여 이온빔을 물질표면에 입사하였을 경우에, 잔량가스분석기(RGA : Residual Gas Analyzer)를 이용하여 물질표면에서 튀어나오는 입자를 측정한다. 여기서, 절연 측정물질은 MgO를 사용한다.
도면에서와 같이, 이온빔의 에너지를 0[eV]에서 300[eV]로 변화시켰을 경우에 MgO와 O2에 대한 입자의 분압이 증가하며, 300[eV]에서 500[eV]로 변화시켰을 경우에는 300[eV]의 경우보다 각 입자의 분압이 더욱 증가함을 확인할 수 있다. 이와같은 현상은 저에너지 영역(0[eV]~300[eV])의 이온이 물질표면에 입사하였을 경우에도 물질이 식각되어짐을 직접적으로 확인할 수 있는 결과도로서, 본 발명의 γ- 집속이온빔장치에 따른 저에너지 영역의 이온빔을 이용하여 물질의 식각률 측정이 가능함을 확인할 수 있는 것이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 γ-집속이온빔장치에서 이온유도 이차전자방출계수 측정장치 및 이를 이용하여 측정된 물질이 식각되었을 때의 전류현상 변화도이다. 식각률은 측정물질(40) 표면에서 이온빔의 주입시의 전류현상 및 식각 이후의 전류현상을 측정하여 얻을 수 있으며, 도 9에서는 이와같은 식각되기 전과 식각된 이후의 전류변화를 나타낸 것이다.
도 9에 대하여 간략히 설명하면, 상기 도 1의 γ-집속이온빔장치에서 측정스테이지 상에 놓여 있는 구리 패드의 개구부 내에 측정하고자 하는 측정물질을 증착한다. 여기서, 구리 패드는 전하축적현상을 억제시키고 측정하고자 하는 물질이 식각되는 동안의 전류를 측정한다. 그리고 측정하고자 하는 물질의 식각이 끝나게 되면, 이온빔이 하부의 도체 패드부(30)와 연결되어 있는 ITO 유리에 도달하게 되고 그 식각시간을 측정하게 된다. 즉, 측정하고자 하는 물질에 이온빔이 주입되었을 때의 전류값을 측정하고, ITO 유리 위에 이온빔이 주입되었을 때의 전류값을 측정하므로써, 서로 상이한 전류값에 대한 전류 변화량에 의하여 식각률을 확인할 수 있다.
또한 필요에 따라서는 상기 도 9와 같은 식각률의 측정인 경우에도 측정물질의 온도 특성에 알맞는 가열수단 및 냉각수단을 이용하여 온도를 제어하면서 측정을 용이하게 수행하도록 한다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 사용된 특정한 용어는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것일 뿐 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것이 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 이온유도 이차전자방출계수를 측정하 기 위한 γ-집속이온빔장치에 의하면, 절연체나 반도체 표면에서의 전하축적 현상을 제거하여 이온빔에 의한 측정이 가능하고, 지속적인 이온 주입시에 생기는 절연체 및 반도체 물질에서 전하의 축적현상이 발생되지 않기 때문에 측정하고자 하는 물질의 이차전자방출계수 및 이를 이용한 일함수의 측정과 물질의 식각률의 측정이 가능하며, 복수개의 측정물질에 대한 측정이 가능하다.
특히, 양이온에 의한 절연체 및 반도체 물질의 특성을 보다 효율적으로 측정할 수 있어서, 측정하고자 하는 물질에 대한 보다 많은 특성자료를 얻을 수 있다.

Claims (18)

  1. 도체와 도체막, 절연체와 절연체막, 산화물과 산화막 또는 반도체 등 측정물질의 실험적인 이온유도 이차전자방출계수를 측정하기 위한 γ-집속이온빔장치에 있어서,
    열전자를 방출하기 위한 텅스텐 필라멘트와 상기 텅스텐 필라멘트로부터 방출된 열전자를 통과시켜 진동하게 하는 에노드와 이온빔의 소스로서 주입되는 불활성 기체의 양을 조절하는 MFC(Mass Flow Controller)와 상기 에노드에 의하여 진동하는 전자들과 주입된 불활성 기체들과 충돌하여 생성되는 양이온이 가속되는 이온가속부로 이루어져서 이온빔을 발생하기 위한 이온빔 발생부와, 상기 발생된 이온빔을 평행하게 정렬하기 위한 정렬 개구부로 형성되는 이온 정렬부와, 전기장을 이용하여 상기 이온 정렬부에서 평행하게 정렬된 이온빔을 집속하는 3전극형 집속 정전렌즈와 상기 집속된 이온빔을 주기적으로 편향시키는 4전극형 편향기와 상기 측정물질로부터 전류를 측정하기 위하여 일정 범위의 전압이 인가되는 컬렉터로 이루어지는 이온 집속부를 포함하는 이온빔 집속부와;
    상기 집속된 이온빔과 상기 측정물질 표면의 강력한 전기장을 형성하여 표면에 잔류하는 전하 축적현상을 억제시켜서 측정물질이 식각되는 동안에 전류현상의 왜곡없이 정확한 전류량을 측정하기 위하여 상기 측정물질 표면에 밀착되어 설치되며 제1전류계를 통하여 접지되는 도체 구리 패드부와, 상기 측정물질이 위치되며 구리로 이루어진 측정스테이지와, 상기 측정스테이지 상부에 위치하며 상기 이온빔 주입시 도달된 전류량을 측정하기 위하여 상기 측정물질 하부 표면에 밀착되어 설치되며 제2전류계를 통하여 접지되는 ITO 전극과, 상기 ITO 전극이 도포된 유리와, 상기 측정스테이지 하부에 위치하여 상기 이온빔의 초점을 맞추기 위하여 상기 측정스테이지를 X축 및 Y축으로 구동시키는 구동스테이지 및 상기 측정스테이지와 상기 구동스테이지 사이에 개재되어 상호 절연하기 위한 세라믹판을 포함하는 진공용기와;
    상기 진공용기와 연결되어 진공용기 내부에 일정한 진공을 유지하기 위한 저진공용 펌프와 고진공용 펌프; 및
    상기 측정물질의 온도를 제어하기 위한 가열수단인 할로겐 히터 및 액화질소를 이용하는 냉각수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 γ-집속이온빔장치.
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  18. 전도성 물질 위에 일정범위의 직경의 개구부를 가진 도체 패드부를 덮은 후 개구부 내의 전도성 물질 위에 측정물질을 위치시키는 단계와;
    상기 측정물질에 입사되는 이온빔을 형성하는 단계와;
    상기 이온빔을 측정하고자 하는 측정물질 표면에 입사시키는 단계와;
    상기 측정물질이 모두 식각되기 전에 표면에 입사하는 이온빔에 의하여 제 1 전류을 측정하는 단계와;
    상기 측정물질이 식각된 후, 이온빔이 전도성 물질의 표면에 입사될 때 나타나는 제 2 전류를 측정하는 단계와;
    상기 제 1 전류에서 상기 제 2 전류로 변화하는 시간을 측정하여 물질의 식각률을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 식각률 측정방법.
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