KR100829652B1 - 이온 소스를 위한 이미터 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

액체 금속 이온 소스를 위한 이미터(100)가 제공되며, 상기 이미터는 실질적으로 만곡된 부분(115) 및 표면(120)을 포함하는 와이어(110)를 포함하고, 상기 와이어 표면(120)의 적어도 일부분(125)은 이미터 팁을 형성하도록 상기 실질적으로 만곡된 부분(115)에서 테이퍼링된다. 또한, 이러한 이미터를 위한 제조 방법이 제공된다.

Description

이온 소스를 위한 이미터 및 이를 제조하는 방법{EMITTER FOR AN ION SOURCE AND METHOD OF PRODUCING SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터 팁의 확대도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터의 제조 방법의 단계를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터의 다른 제조 방법의 단계를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터를 적재하는 방법의 단계들을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터를 이용하는 액체 금속 이온 소스의 개념도이다.
도 7은 종래기술에 따른 액체 금속 이온 소스들을 나타내는 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 종래기술에 따른 니들 타입 액체 금속 이온 소스의 개념도들이다.
도 9는 종래기술에 따른 모세관 타입 액체 금속 이온 소스의 개념도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
본 발명은 이온 소스를 위한 이미터(emitter)에 관한 것으로서, 특히 액체 금속 이온 소스(LMIS) 또는 액체 금속 합금 이온 소스(LMAIS)를 위한 이미터에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 이미터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
포커싱된 이온 빔(FIB) 기술은 반도체 산업에서 중요한 툴이다. 포커싱된 이온 빔들은 결함 분석, 투과 전자 현미경 표본 마련, 및 회로와 마스크 변형을 위해 사용된다. FIB 마이크로 제조 및 나노 제조는 동일한 기판상에 제조되는 상이한 컴포넌트들에 대한 다양한 요구조건들을 감소시켜야 하는 종래의 제조 기술, 특히 리소그래피, 에칭 및 주입에 요구되는 복잡성을 감소시키는데 사용될 수 있다.
FIB 기술의 성공은 각각 액체 금속 이온 소스들(LMIS)과 액체 금속 합금 이온 소스들(LMAIS)의 발명에 기인한다. 이하에서, LMIS만을 지칭하거나 LMAIS 만을 지칭할 때 명백하게 LMIS 또는 LMAIS 하나 만을 의미하지 않는 경우, 다른 타입의 이온 소스를 지칭하는 것으로서 이해되어야 한다. 니들 타입 이미터들, 모세관 타입 이미터들 및 다공성 이미터들인 3가지 기본 설계들의 LMIS가 존재한다. 비교를 위해, 니들(niddle) 타입 이미터 및 모세관 타입 이미터의 사진이 도 8에 도시된다.
니들 타입 이미터에서, 통상 W, Ta 또는 Ni로 이루어진 필라멘트와 작은 헤 어핀(니들 팁)이 이미터로서 사용된다(도 7의 좌측편 참조). 이미터는 액체 금속 저장소를 제공하는 액체 금속 소스 물질로 적셔지고 로딩된다. 소스의 습윤(wetting)을 위해, 소스 물질은 액체 형태로 제공되어야 한다. 이러한 목적으로, 저항 히터 또는 전자 빔 히터가 사용될 수 있다. 그 다음, 이미터는 높은 진공상태(약 10-7 Torr)에서 가열된 액체 금속으로 액침된다. 동작 동안, 전류는 저항성으로 가열되는 필라멘트들에 제공된다. 가열된 액체 금속은 니들 팁을 향해 흐른다. 그 다음, 높은 전압이 니들 팁과 추출 전극 사이에 인가된다. 니들 팁에서 높은 전기장 세기로 인해, 액체 소스 물질의 훨씬 더 작은 팁은 이온들이 방출되는 소위 테일러 원뿔(Taylor cone)을 형성한다. 따라서, 안정한 이온 빔이 소스 물질로부터 형성된다. 니들 팁의 팁 단부는 액체 금속 이온들이 팁 단부에서 필수적으로 형성되도록 이미터의 가장 뜨거운 스폿을 형성해야 한다는 것은 명백하다.
이하에서, 니들 타입 이미터들이 도 8a 및 도 8b를 참조로 보다 상세히 설명된다. 도 8a 및 도 8b는 종래기술의 니들 타입 액체 금속 이온 소스의 개념도이다. 이미터는 니들 팁(10), 필라멘트(11) 및 지지부들(50)을 포함한다. 통상적으로, 지지부들(50)은 세라믹 베이스에 장착되고 필라멘트(11)에 전기 단자를 제공한다. 필라멘트(11)는 2개의 지지부들 사이에서 연장되고 아크형 형상을 갖는다. 아크의 정점에서, 니들 팁(10)이 필라멘트(11)에 부착된다. 도 8b에 도시된 것처럼, 니들 팁(10)은 예를 들어 전기 스폿-용접과 같은 용접 기술들에 의해 필라멘트(11)에 부착되어, 용접 스폿들(15)이 형성된다. 따라서, 니들 팁(10)의 가열은 열 이 용접 스폿들(15)을 통해 필라멘트(11)로부터 니들 팁(10)으로 전달되어야 한다는 점에서 단지 간접적이다. 결과적으로, 니들 팁(10)의 팁 단부가 실제로 이미터의 가장 뜨거운 부분이라는 것을 보장하지 않는다. 이것은 이미터의 효율성을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 니들 팁(10)의 저장소 부분이 과도하게 가열될 수 있으므로, 액체 금속 물질이 저장소로부터 기화할 수 있다. 따라서, 이온 소스의 수명이 감소되고 표본과 이온 빔 장치의 오염물이 증가된다.
제 2 타입의 LMIS는 모세관 타입 또는 저장소-타입 이미터들로서 공지되어 있다. 이러한 모세관 타입 이미터의 일 예는 도 7의 좌측편 및 도 9에 도시된다. 모세관 설계를 위해, 이미터 모듈(10)은 작은 소스 물질 저장소(30)를 가진 2개의 금속 플레이트들로 구성된다. 뾰족한 블레이드가 각 플레이트의 일 측면 상에 정밀하게 기계가공된다. 얇은 물질층이 플레이트들 중 하나의 다른 3개의 측면들 상에 스퍼터링 증착되어 스페이서로서 작용한다; 2개의 이미터 절반부들이 함께 긴밀하게 클램핑될 때, 약 1㎛의 슬릿(17)이 블레이드들 사이에 남겨진다. 또한, 액체 상태에 있도록 소스 물질을 가열하기 위한 히터(40)가 제공된다. 액체 소스 물질은 1㎛의 크기의 곡률 반경으로 슬릿(17)의 출구에서 개방 표면(free surface)을 형성하는 이러한 작은 채널(17)을 통해 흐른다. 이미터와 그 전단에 직접 위치되는 추출 전극 사이의 전압 차 인가에 의해 생성되는 강한 전기장 하에서, 액체 금속의 개방 표면은 정전력과 표면 장력의 결합된 효과들로 인해 국부적인 불안정성의 조건에 근접한다. 돌출 첨점(cusp), 즉 테일러 원뿔이 생성된다. 전기장이 약 109 V/m의 값에 도달할 때, 팁에서의 원자들이 동시에 이온화되고, 스러스트-돌출 이온 제트가 전기장에 의해 추출되며, 전자들이 터널링에 의해 액체 금속의 벌크에서 거부되는 동안 팁으로부터 기화된 원자들이 이온화된다.
그러나 이러한 모세관 타입 이미터의 구조물 및 제조는 상대적으로 복잡하다. 더욱이, 높은 가열 전류가 모세관 타입 이미터들에 요구된다.
따라서, 액체 금속 이온 소스 또는 액체 금속 합금 이온 소스를 위한 개선된 이미터를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 액체 금속 이온 소스 또는 액체 금속 합금 이온 소스를 위한 개선된 이미터를 제공하는 것이다.
상기한 관점에서, 본 발명은 실질적으로 만곡된(curved) 부분 및 표면을 포함하는 와이어(wire)를 포함하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터를 제공하며, 상기 와이어 표면의 적어도 일부분은 이미터 팁을 형성하도록 상기 실질적으로 만곡된 부분에서 테이퍼링된다(tapered). 또한, 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터를 제공하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 와이어를 제공하는 단계, 및 이미터 팁을 형성하도록 상기 와이어 표면의 일부분을 테이퍼링하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가적인 장점들, 특징들, 실시예들 및 세부사항들은 종속항들, 상세한 설명 및 첨부된 도면들로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따라 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터가 제공된다. 본 명세서에서, 액체 금속 이온 소스란 용어는 액체 금속 합금 이온 소스들뿐만 아니라 액체 금속 이온 소스들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 상기 이미터는 실질적으로 만곡된 부분을 갖는 와이어를 포함한다. 전형적으로, 이러한 실질적으로 만곡된 부분은 U-형 또는 V-형이고, 와이어를 굽힘으로써 형성될 수 있다. 본 명세서에서, 와이어는 특히 예를 들어 텅스텐, 탄탈, 티타늄 또는 니켈과 같은 금속으로 이루어진 긴 전도성 부재로서 이해되어야 한다. 또한, 상기 와이어는 와이어 표면의 적어도 일부분이 절삭(chamfer)됨으로써 상기 U-형 또는 V-형의 실질적으로 만곡된 부분의 팁 단부면에서 뾰족해진다. 따라서, 이미터 팁은 U-형 또는 V-형의 실질적으로 만곡된 부분의 팁 단부면에 형성된다.
전술한 이미터는 원칙적으로 적절히 형상화된 와이어만을 포함하기 때문에 특히 모세관 타입 이미터들과 비교하여 단순한 구조를 갖는다. 따라서, 전술한 이미터는 소위 니들이 없는 이미터들일 수 있는 새로운 타입의 LMIS 또는 LMAIS 이미터들을 형성한다. 즉, 필라멘트에 대한 니들 팁의 용접은 전술한 이미터의 설계에 의해 불필요해지고, 이에 따라 이와 연관된 문제들 또한 극복된다. 특히, 전술한 이미터는 이미터 팁이 와이어의 일부분이어서 직접 가열되기 때문에 개선된 온도 분포를 갖는다. 결과적으로, 저장소로부터 소스 물질의 원치않는 기화가 방지될 수 있으므로, 이미터의 수명이 개선되고 이온 빔 장치와 표본의 오염물이 감소된다. 또한, 와이어 표면상에 형성될 수 있는 부식층이 이미터의 사용 이전에 기화될 수 있도록 이미터의 팁 단부는 가열될 수 있다. 더욱이, 전술한 특징들을 갖는 이미터는 높은 용융점을 갖는 소스 물질에 대해 특히 잘 적응된다. 이러한 이미터의 온도 분포로 인해, 높은 용융점을 갖는 이러한 물질들의 가열 문제들은 감소된다. 다른 실시예에 따라, 특정 설계의 이미터는 또한 적은 습윤 특성들을 가진 합금들을 이미터에 적재(loading)하도록 허용한다. 전술한 이미터는 이미터 팁을 향해 연속적으로 부드럽게 증가하는 온도 분포를 갖는다. 이러한 온도 분포로 인해, 예를 들어, In-Ga, Pb-Sn, Er-FeNiCr, Pr-Si와 같은 적은 습윤 특성들을 가진 합금들이 이미터에 적재될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 와이어의 팁 단부면에서 뾰족해진 또는 테이퍼링된 섹션은 비대칭 원뿔을 형성한다. 개구 또는 원뿔 각도는 전형적으로 50°내지 130°범위이다. 보다 전형적으로는, 90°내지 110°의 원뿔 각도가 사용되며, 여기서 98°의 원뿔 각도는 테일러 원뿔의 이론적 값에 해당한다. 전술한 범위의 원뿔 각도들이 이미터 팁에 대해 선택되면, 테일러 원뿔의 형성이 보조 및 촉진된다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따라, 뾰족해진 섹션 내에서 와이어의 폭은 뾰족해진 섹션 외부의 와이어의 폭보다 더 작다. 따라서, 와이어의 저항은 와이어의 나머지 부분 보다 뾰족해진 부분에서 더 높다. 결과적으로, 와이어는 테이퍼링된 부분에서 더 뜨거워지므로, 와이어의 뾰족해진 부분, 즉 이미터 팁이 이미터의 가장 뜨거운 부분이라는 것이 보장된다. 이것은 이미터의 수명을 추가로 개선시키고 저장소로부터 기화된 소스에 의해 오염물을 추가로 감소시킨다.
또 다른 실시예에 따라, 뾰족해진 부분의 적어도 일부분의 와이어 표면상에 마이크로채널들이 형성된다. 전형적으로, 이러한 마이크로채널들은 이미터 팁의 팁 단부면을 향해 곡류(meandering)되거나 꼬여지는(twisted) 방식으로 연장된다. 이것은 마이크로채널들이 소스 물질, 즉 액체 금속 또는 액체 금속 합금을 저장소로부터 이미터의 팁 단부를 향해 유도하기 때문에 이온 빔의 안정성을 개선한다. 동작 동안, 액체 금속 또는 액체 금속 합금은 마이크로채널들을 통해 저장소로부터 이미터의 팁 단부에 형성된 테일러 원뿔로 흐른다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따라, 이미터는 소스 물질, 즉 액체 금속 또는 액체 금속 합금을 홀딩하기 위한 저장소를 갖는다. 전형적으로, 상기 저장소는 U-형 또는 V-형의 실질적으로 만곡된 부분의 림(limb)들 사이에 형성된다.
다른 실시예에 따라, 와이어의 림들 사이의 각도(ξ)는 1°≤ ξ ≤ 25°범위이다. 이러한 범위내에서 각도(ξ)를 선택하면 저장소 부분(130)에 소스 물질(135)의 습윤 및 적재가 용이해진다. 또한, 림들은 본질적으로 서로 동일하게 형성될 수 있고 이미터 팁에 대해 대칭적으로 위치될 수 있다. 특히, 림들은 동일한 길이, 두께 및 외형을 가질 수 있다. 림들이 본질적으로 동일하면, 하나의 림 부분의 열 팽창이 대향하는 림 부분의 열 팽창에 의해 상쇄되기 때문에, 림 부분들의 열 팽창으로 인해 이미터 팁의 측방향 편차(drift)가 발생하지 않는다. 따라서, 림 부분들의 열 팽창은 이미터 팁이 광학 축을 따라 이동하도록 단지 유도할 것이다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따라, 액체 금속 이온 소스가 제공된다. 액체 금속 이온 소스는 실질적으로 만곡된 부분과 표면을 포함하는 와이어를 포함하는 이미터를 갖고, 상기 와이어 표면의 적어도 일부분은 이미터 팁을 형성하도록 상기 실질적으로 만곡된 부분에서 테이퍼링되며, 상기 이미터의 저장소 부분은 액체 금속 및 상기 이미터로부터 이온들을 추출하기 위한 추출 전극을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 액체 금속 이온 소스 또는 액체 금속 합금 이온 소스를 위한 이미터를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 와이어를 제공하는 단계, 및 상기 실질적으로 만곡된 부분내에서 상기 와이어의 섹션을 절삭하는 단계를 포함한다. 따라서, 이미터 팁은 상기 와이어의 실질적으로 만곡된 부분의 팁 단부에 형성된다. 전형적으로, 상기 와이어는 상기 와이어 표면을 성형(molding), 연마(grinding), 또는 에칭함으로써 절삭된다. 그러나 실질적으로 만곡된 부분의 팁 단부면에서 테이퍼링된 부분을 형성하기 위한 다른 적절한 방법들이 사용될 수도 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따라, 이온 빔을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 이러한 방법은 이미터를 갖는 액체 금속 이온 소스를 하전되는 입자 빔 장치에 제공하는 단계 - 상기 이미터는 실질적으로 만곡된 부분과 표면을 포함하는 와이어를 포함하고, 상기 와이어 표면의 적어도 일부분은 이미터 팁을 형성하도록 상기 실질적으로 만곡된 부분에서 테이퍼링되며, 상기 이미터의 저장소 부분은 액체 금속, 및 상기 이미터로부터 이온들을 추출하기 위한 추출 전극을 포함함 -; 상기 와이어에 전류를 인가하는 단계; 및 이온 빔을 생성하기 위해 상기 액체 금속으로부터 이온들을 추출하도록 상기 액체 금속과 상기 추출 전극 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상술한 실시예들 및 다른 보다 상세한 실시예들의 일부는 이하의 상세한 설명에서 기술되며 도면들을 참조로 부분적으로 도시될 것이다.
본 발명의 다양한 실시예들에 대해 상세히 참조될 것이며, 이 중 하나 이상의 예들은 도면들에 도시된다. 각각의 예는 본 발명의 설명을 위해 제공되는 것이며, 본 발명을 제한하는 의미가 아니다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 도시되거나 기술되는 특징들은 추가적인 실시예를 유도하기 위해 다른 실시예들과 연계하여 사용되거나 다른 실시예들에 사용될 수 있다. 본 발명은 이러한 변형들과 변화들을 포함하는 것이다.
도 1의 좌측편은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터(100)를 도시한다. 이미터(100)는 금속 와이어(110)가 본질적으로 U-형 또는 V-형 부분(115)을 갖도록 실질적으로 만곡되는 방식으로 연장되는 금속 와이어(110)를 포함한다. 전형적으로, 와이어(110)는 텅스텐, 탄탈, 티타늄 또는 니켈로 이루어진다. 와이어(110)는 테이퍼링된 부분(125)을 형성하기 위해 V-형 부분(115)에서 테이퍼링된다. 전형적으로, 테이퍼링된 부분(125)은 예를 들어 성형, 연마, 에칭 또는 정밀기계가공에 의해 와이어(110)의 외부 표면(120)에 형성된다. V-형 부분(115)과 더불어, 와이어(110)는 지지부들(미도시)에 장착될 수 있는 필라멘트 부분들(140, 145)도 포함한다. 전형적으로, 이러한 지지부들은 또한 전류가 이미터(100)에 인가될 수 있도록 하는 와이어(110)에 대한 전기 단자들로서 작용한다. 소스 물질, 즉 액체 금속 또는 액체 금속 합금의 일정량을 홀딩하기 위한 저장소 부분(130)이 V형 부분의 좌측 림(140)과 우측 림(145) 사이에 형성된다.
V-형 부분(115)의 확대도는 도 1의 우측편에 도시된다. 여기서, 이미터의 적재 상태가 도시되며 소스 물질(135)은 저장소 부분(130)에 배치된다. 전형적으로, 저장소 부분은 예를 들어 1㎣ 내지 5㎣와 같이 5㎣ 이하의 부피를 갖는다. 따라서, 저장소 부분은 많은 양의 소스 물질(135), 즉 5㎣ 까지 홀딩하도록 적응된다. 또한, 원뿔 각도(Φ)는 50°≤ Φ ≤ 130°범위이고, 전형적으로는 90°≤ Φ ≤ 110°범위이다. 도 1에 도시된 특정 실시예에서, 원뿔 각도(Φ)는 98°가 테일러 원뿔의 이론값이므로 98°와 동일하다. 따라서, 이미터의 동작 동안 액체 금속 또는 액체 금속 합금에 의한 테일러 원뿔의 형성이 용이해진다. 추가적인 각도(ξ)가 도 1에 도시되어 있다. 이러한 각도(ξ)는 필라멘트 부분들(140, 145) 사이의 각도에 의해 규정된다. 각도(ξ)는 필라멘트 부분들(140, 145)이 약간의 곡률을 가질 수 있기 때문에 근사값 또는 평균값이라는 것을 이해해야 한다. 또한, 필라멘트 부분들(140, 145)이 각각의 지지부들(미도시)에 대한 필라멘트 부분들(140, 145)의 장착을 위해 측방향으로 구부러질 수 있기 때문에, 이미터 팁, 즉 테이퍼링된 부분(125)에 상대적으로 근접한 영역에서만 각도(ξ)가 규정된다는 것을 이해해야 한다. 전형적으로, 각도(ξ)는 1°≤ ξ ≤ 25°범위이다. 이러한 범위 내에서 각도(ξ)를 선택하면 저장소 부분(130)에 소스 물질(135)의 습윤 및 적재가 용이해진다.
도 1의 우측편으로부터 명백해지는 추가적인 특징은 와이어의 폭(W)이 테이퍼링된 부분(125) 외부의 와이어 부분에서보다 테이퍼링된 부분(125) 내에서 더 작다는 것이다. 테이퍼링된 부분(125) 내에서 와이어의 이러한 감소된 단면으로 인해, 전기적 저항이 와이어(110)의 나머지 부분에서보다 테이퍼링된 부분(125) 내에서 더 높다. 전류가 와이어(110), 테이퍼링된 부분(125)에 인가되면, 이미터 팁은 이에 따라 와이어의 나머지 부분보다 더 많이 가열될 것이다. 결과적으로, 이미터 팁은 와이어(110)의 가장 뜨거운 부분이 되기 때문에, 이미터의 가장 이상적인 온도 분포가 달성된다. 이미터의 개선된 온도 분포로 인해, 저장소로부터 소스 물질의 기화는 최소화됨으로써, 이미터의 수명이 향상되고, 기화되는 물질에 의한 이온 빔 장치 및 표본의 오염물이 감소된다.
도 2는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 이미터 팁의 확대도를 도시한다. 여기서, 마이크로채널들(127)이 저장소 부분(130)과 테이퍼링된 부분(125)의 팁 단부면 사이의 와이어(110) 표면상에 제공된다. 마이크로채널들(127)은 저장소 부분(130)으로부터 이미터의 팁 단부면을 향해 테이퍼링된 부분(125) 주위에 권선된다. 마이크로채널들(127)은 이미터의 동작 동안 팁 단부면에 형성된 테일러 원뿔을 향한 액체 금속 또는 액체 금속 합금(135)의 유동을 촉진시킨다. 따라서, 테일러 원뿔로의 소스 물질의 안정한 흐름이 제공되고 이온 빔의 안정성이 개선된다.
그 다음, 이러한 이미터의 제조 방법이 도 3을 참조로 기술된다. 도 3은 테이퍼링된 부분(125)을 형성하기 위한 도구의 단면도를 도시한다. 상기 도구는 목표된 이미터 팁과 반대 형상으로 형성된 리세스(210)를 갖는 몰드(mold)(200)를 포함한다. 또한, 상기 도구는 리세스(210)에 설치되도록 조작되는 다이(250)를 포함한다. 테이퍼링된 부분(125)은 몰드(200) 상에 와이어(110)를 제공함으로써 형성된다. 와이어(110)는 와이어(110)에 전류를 인가함으로써 가열되어 와이어 물질이 연성이 되고 성형가능하게 된다. 다음, 다이(250)가 와이어(110)에 가압되고 성형가능한 와이어 물질이 리세스(210)로 유도된다. 따라서, 와이어 물질은 리세스(210)의 형상을 결정하고 테이퍼링된 부분(125)은 와이어 표면상에 형성된다. 또한, 다이(250)는 와이어 물질이 리세스(210)로부터 떨어지게 돌출될(thrusted) 정도로 가압될 수 있다. 결과적으로, 형성된 테이퍼링된 부분(125)은 와이어(110)의 나머지 부분보다 더 작은 폭을 갖는다.
본 발명에 따른 이미터의 추가적인 제조 방법은 도 4를 참조로 기술된다. 여기서, 와이어는 본질적으로 U-형 또는 V-형이되도록 구부러진다. 와이어(110)는 선반(lathe)의 척(chuck)(400)에 클램핑된다. 선반 척(400)은 회전축(AL)을 갖고, 와이어(110)는 상기 회전축을 따라 정확히 맞춰진다. 따라서, 와이어(110)는 회전축(AL)에 대해 회전 속도(ω1)로 회전될 때 측방향으로, 즉 회전축(AL)에 수직으로 벤딩되지 않는다. 또한, 와이어(110)의 U-형 또는 V-형 부분을 연마하도록 연마기(grinder)(300)가 제공된다. 연마 휠(320)은 연마기(300)의 샤프트(310)에 장착된다. 샤프트(310)와 연마 휠(320)은 회전 속도(ω2)로 축(AG)에 대해 회전될 수 있다.
와이어(110)의 팁 단부에서 테이퍼링된 부분(125)을 형성하기 위해, 선반 척(400), 와이어(110) 및 연마 휠(320)이 회전 속도들(ω1, ω2)로 각각 회전된다. 그 다음, 연마 휠(320)의 표면(325)이 테이퍼링되는 부분(125)에서 와이어(110)의 외부 표면과 접촉된다. 와이어(110)의 표면 물질은 연마에 의해 제거되어 와이어(110)의 외부 표면이 U-형 또는 V-형 부분에서 테이퍼링된다. 따라서, 와이어(110)의 팁 단부는 회전축(AL)을 따라 볼 때 원뿔 형상이 된다. 그러나, 상기 원뿔은 벤딩된 와이어의 기하학적 구조로 인해 비대칭적이다. 도 4로부터 명백한 것처럼, 개구 또는 원뿔 각도(Φ)는 와이어의 회전축(AL)과 연마기의 회전축(AG) 사이의 각도(θ)에 의존한다. 그 관계식은 다음과 같이 주어진다:
θ= 90°- Φ/2.
전형적으로, 각도(θ)가 25°내지 55°범위에 있도록 50°≤ Φ ≤ 130°범위의 원뿔 각도들이 사용된다. 이미터 팁의 원뿔 형상은 이미터 팁에서 테일러 원뿔의 형성을 촉진시키고 저장소 부분으로부터 테일러 원뿔로 소스 물질의 흐름을 촉진시킨다. 테일러 원뿔의 원뿔 각도의 이론 값은 98°이기 때문에, 전형적으로 각도(θ)가 35° 내지 45°범위에 있도록 하기 위해 이미터 팁의 매우 전형적인 원뿔 각도들은 90°≤ Φ ≤ 110°범위이다. 물론, 98°의 원뿔 각도, 즉 테일러 원뿔의 이론값이 사용될 수 있으며, 특히 이미터 팁에서 테일러 원뿔의 형성을 촉진시킬 것이다. 따라서, 각도(θ)는 41°(41°= 90°- 49°)이다. 전술한 방법에 의해, 다양한 개구 각도들을 갖는 LMIS 및 LMAIS 이미터들이 간단한 방식으로 형성될 수 있다. 특히, 전술한 방법에 의하면, 부품들의 조립 및 용접 프로세스들이 제공될 필요가 없다.
본 발명에 따른 이미터를 제조하기 위한 제 3 방법에 따라, 이미터 팁에서 테이퍼링된 부분(125)은 와이어 물질을 에칭함으로써 형성된다. 예를 들어, 텅스텐이 와이어 물질로서 사용되면, NaOH가 텅스텐 와이어를 에칭하는데 사용될 수 있다.
또한, 전술한 방법들의 임의의 조합이 본 발명에 따른 이미터를 제조하는데 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 이미터는 성형 방법에 의해 전처리 되고 연마에 의해 마무리될 수 있다. 대안적으로, 이미터는 에칭에 의해 전처리되고 연마에 의해 마무리될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터를 적재하는 방법의 단계들을 나타낸다. 도 5a에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터(100)가 제공된다. 이미터를 적절한 온도로 가열하도록 이미터(100)에 전류가 인가된다. 또한, 액체 상태의 소스 물질을 홀딩하는 가열된 용융 도가니(crucible)(500)가 제공된다. 소스 물질(510)은 액체 금속 또는 액체 금속 합금이고, 정확한 용융 온도는 소스 물질에 좌우된다. 도 5b에 도시된 것처럼, 이미터(100)의 팁 단부는 액체 소스 물질(510)에 액침된다. 따라서, 저장소 부분(130)이 액침될 수 있다. 모세관력들로 인해, 이미터(100)는 소스 물질(510)로 적재되고, 즉 와이어(110)의 V-형 부분이 소스 물질로 적셔지고 소스 물질의 저장소(135)가 와이어(110)의 2개의 림들 사이에서 저장소 부분에 형성된다. 습윤 특성들이 상기 합금의 온도 뿐만 아니라 와이어(110)의 온도에 의존하기 때문에, 용융 온도 및 와이어의 온도를 제어함으로써 와이어의 습윤이 정밀하게 제어될 수 있다. 이러한 온도들은 와이어(110)를 통한 가열 전류에 의해 제어될 수 있으며 용융 도가니(500)의 온도 제어에 의해 제어될 수 있다. 특히, 너무 많치 않은 소스 물질이 이미터(100)에 적재되도록 제어될 수 있다. 도 5c를 참조하면, 이미터(100)에 소스 물질이 적재된 이후, 이미터는 용융 도가니(500)로부터 추출된다. 물론, 상기 적재 방법은 진공상태에서, 전형적으로 5×10-7 Torr 이상의 높은 진공상태에서 수행된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터(100)를 사용하는 액체 금속 이온 소스(700)의 개념도이다. 이미터(100)의 2개의 필라멘트 부분들(140, 145)은 본질적으로 서로 동일하게 형성되며 이미터 팁에 대해 대칭적으로 위치된다. 특히, 상기 필라멘트 부분들은 동일한 길이, 두께 및 외형을 갖는다. 따라서, 필라멘트 부분(140)의 열 팽창이 대향하는 필라멘트 부분(145)의 열 팽창에 의해 상쇄되기 때문에, 상기 필라멘트 부분들의 열 팽창으로 인한 이미터 팁의 측방향 편차가 발생하지 않는다. 따라서, 필라멘트 부분들(140, 145)의 열 팽창은 이미터 팁이 광학 축을 따라 상하로 이동되도록 할 것이다. 와이어(110)의 2개의 필라멘트 부분들(140, 145)은 각각 지지부들(150, 155)에 장착된다. 또한, 지지부들(150, 155)은 전류가 와이어(110)에 인가될 수 있도록 전기 단자들을 제공한다. 따라서, 와이어(110)는 저항성으로 가열될 수 있다. 더욱이, 필라멘트 부분들(140, 145) 사이에서 저장소 부분(130)에 포함되는 소스 물질(135)이 이미터(100)에 적재된다. 또한, 추출 전극(600)이 제공되며, 추출 전극(600)과 소스 물질(135) 사이에 전압이 인가될 수 있다. 물론, 이는 전압이 전형적으로 추출 전극과 지지부들(150) 사이에 인가되기 때문에 형식적인 예시일 뿐이다. 인가되는 전압으로 인해, 소스 물질(135)은 이미터 팁에서 테일러 원뿔을 형성한다.
이미터(100)로부터 소스 물질(135)의 이온들을 추출하기 위해, 지지부들(150, 155)을 통해 전류가 와이어(110)에 인가된다. 와이어(110)가 가열되고, 이미터 팁은 그 감소된 단면으로 인해 와이어(110)의 가장 뜨거운 부분이 된다. 소스 물질(135)은 저장소 부분으로부터 이미터 팁을 향해 흐른다. 상기 소스 물질의 기화된 원자들은 테일러 원뿔의 팁 단부에서 이온화되고 추출 전극(600)에 의해 표본(미도시)을 향해 가속된다. 따라서, 도 6에 도시된 LMIS 또는 LMAIS(700)에 의해 이온 빔이 형성된다. 물론, 전술한 액체 금속 이온 소스(700)는 예를 들어, FIB 동작을 위한 이온 빔을 형성하는 하전된 입자 빔 장치에 사용될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 상기 이미터는 반도체 제조 프로세스들에서 특별한 관심사인 Si-함유 합금들을 위해 적합하다. 예를 들어, 이성분(binary) 합금 PrSi를 이용하는 액체 금속 합금 이온 소스는 본 발명에 참조로 포함되는 유럽특허 출원 번호 제04017894.9호에 기술된다. 미량의 클러스터 및 분자 이온들 뿐만 아니라 Pr 및 Si 이온들만이 이러한 이온 소스에 의해 생성되기 때문에, 이성분 합금 PrSi가 바람직한 것으로 유럽특허 출원 번호 제04017894.9호에 기술된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미터는 PrSi 이온 소스를 위해 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 이성분 합금 PrSi는 탄탈 이미터 또는 니켈 이미터의 저장소 부분(130)에서 소스 물질로서 제공된다. PrSi에 대해 기술되었지만, 본 발명에 따른 이미터는 InGa, PbSn, ErFeNiCr과 같은 다른 물질들로 바람직하게 사용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 물론, 본 발명의 이미터는 Ga 등과 같은 LMIS를 위해 일반적으로 사용되는 물질에 매우 적합할 수도 있다.
본 발명에 대해 상세히 기술되었지만, 이하의 청구범위의 사상과 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형들이 본 발명에 이루어질 수 있다는 것은 통상의 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명에 의하면, 액체 금속 이온 소스 또는 액체 금속 합금 이온 소스를 위한 개선된 이미터를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (29)

  1. 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터(100)로서,
    실질적으로 만곡된(curved) 부분(115) 및 표면(120)을 포함하는 와이어(110) - 상기 와이어 표면(120)의 적어도 일부분(125)은 이미터 팁을 형성하도록 상기 실질적으로 만곡된 부분(115)에서 테이퍼링됨 -
    를 포함하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어 표면(120)의 테이퍼링된 부분(125)은 상기 와이어(110)의 외부 표면인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 부분(125)은 상기 이미터(100)의 광학 축(OA)을 따라서 볼 때 원뿔을 형성하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 원뿔의 각도(Φ)는 50°≤ Φ ≤ 130°범위인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 원뿔의 각도(Φ)는 98°와 동일한 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 테이퍼링된 부분(125)에서 상기 와이어(110)의 직경(W)은 상기 테이퍼링된 부분(125) 외부의 상기 와이어(110)의 직경보다 더 작은 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실질적으로 만곡된 부분(115)의 적어도 일부분에서 상기 와이어 표면(120)에 마이크로채널들(microchannels)(127)이 제공되는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 와이어(110)는 상기 와이어(110)를 지지 수단(150)과 연결시키기 위한 필라멘트 부분들(140, 145)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 필라멘트 부분들(140, 145)은 본질적으로 서로 동일하게 형성되고 상기 이미터 팁에 대해 대칭적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 필라멘트 부분들(140, 145) 사이의 각도(ξ)는 1°≤ξ≤ 25°범위인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 이미터는 소스 물질(135)을 홀딩하기 위한 저장소 부분(130)을 더 포함하며, 상기 저장소 부분(130)은 상기 필라멘트 부분들(140, 145) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 와이어(110)는 금속 와이어 또는 와이어 형상의 전도성 물질인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 와이어는 텅스텐, 탄탈, 티타늄 또는 니켈로 이루어진 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이미터(100)는 컴포넌트로서 Si를 포함하는 합금을 위한 액체 금속 합금 이온 소스인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 이미터(100)는 이성분 합금 PrSi를 위한 액체 금속 합금 이온 소스인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터.
  16. 이미터(100)를 포함하는 액체 금속 이온 소스(700)로서,
    상기 이미터(100)는,
    실질적으로 만곡된 부분(115) 및 표면(120)을 포함하는 와이어(110) - 상기 와이어 표면(120)의 적어도 일부분(125)은 이미터 팁을 형성하도록 상기 실질적으로 만곡된 부분(115)에서 테이퍼링되고, 상기 이미터의 저장소 부분(130)은 액체 금속(135)을 포함함 -; 및
    상기 이미터(100)로부터 이온들을 추출하기 위한 추출 전극(600)
    을 포함하는, 이미터를 포함하는 액체 금속 이온 소스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 이미터(100)는 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 따라 구성되는 것을 특징으로 하는 이미터를 포함하는 액체 금속 이온 소스.
  18. 하전된(charged) 입자 빔 장치로서,
    청구항 제 16 항에 따른 액체 금속 이온 소스(700)를 포함하는 하전된 입자 빔 장치.
  19. 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터를 제조하는 방법으로서,
    (a) 실질적으로 만곡된 부분(115)과 표면(120)을 포함하는 와이어를 제공하는 단계; 및
    (b) 이미터 팁을 형성하도록 상기 와이어 표면(120)의 일부분을 상기 와이어의 상기 실질적으로 만곡된 부분(115)에서 테이퍼링하는 단계
    를 포함하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 테이퍼링 단계는 성형(molding) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터 제조 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 테이퍼링 단계는 연마(grinding) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터 제조 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 테이퍼링 단계는 에칭 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터 제조 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 테이퍼링 단계는 정밀기계가공(micromachining) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스를 위한 이미터 제조 방법.
  24. 이온 빔을 형성하기 위한 방법으로서,
    (a) 이미터(100)를 포함하는 액체 금속 이온 소스(700)를 하전된 입자 빔 장치에 제공하는 단계 - 상기 이미터(100)는 실질적으로 만곡된 부분(115) 및 표면(120)을 포함하는 와이어(110)를 포함하고, 상기 와이어 표면(120)의 적어도 일부분(125)은 이미터 팁을 형성하도록 상기 실질적으로 만곡된 부분(115)에서 테이퍼링되며, 상기 이미터의 저장소 부분(130)은 액체 금속(135), 및 상기 이미터(100)로부터 이온들을 추출하기 위한 추출 전극(600)을 포함함 -;
    (b) 상기 와이어(110)에 전류를 인가하는 단계; 및
    (c) 이온 빔을 생성하기 위해 상기 액체 금속(135)으로부터 이온들을 추출하도록 상기 액체 금속(135)과 상기 추출 전극(600) 사이에 전압을 인가하는 단계
    를 포함하는 이온 빔의 형성 방법.
  25. (a) 실질적으로 만곡된 부분(115)과 표면(120)을 포함하는 와이어를 제공하는 단계; 및
    (b) 이미터 팁을 형성하도록 상기 와이어 표면(120)의 일부분(125)을 상기 와이어(100)의 실질적으로 만곡된 부분(115)에서 테이퍼링하는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 획득될 수 있는 액체 금속 이온 소스.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 테이퍼링 단계는 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 테이퍼링 단계는 연마 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 테이퍼링 단계는 에칭 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 테이퍼링 단계는 정밀기계가공 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온 소스.
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