KR101027397B1 - 전기 및 전자 소자의 검사를 위한 초소형 전자칼럼용 텅스텐 ｃｆｅ의 제조 방법 - Google Patents

전기 및 전자 소자의 검사를 위한 초소형 전자칼럼용 텅스텐 ｃｆｅ의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전기 및 전자 소자의 검사를 위한 초소형 전자칼럼에 있어서, 내구성이 향상되고 대칭성이 우수해진 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE에 대해 개시한다. 본 발명의 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE 제조 방법은: 일정한 길이의 텅스텐 와이어의 일단부를 KOH 수용액에 넣어 전기 화학적 에칭을 행하는 단계와; 전기 화학적 에칭이 행해진 상기 텅스텐 와이어의 일단부에 대해 열처리를 행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 전자가 안정되게 방출되어 안정적으로 동작할 뿐 아니라, 내구성이 향상되고 대칭성이 우수해진 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE를 얻을 수 있어서, 전자칼럼의 기능을 향상시킬 수 있다.

Description

전기 및 전자 소자의 검사를 위한 초소형 전자칼럼용 텅스텐 ＣＦＥ의 제조 방법 {Method of fabricating Tungsten CFE used in a microcolumn for an inspection in the electric and electron devices}
본 발명은 전기 및 전자 소자의 검사를 위한 초소형 전자칼럼 분야에 관한 것으로, 특히 내구성이 향상되고 대칭성이 우수해진 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE(Cold field emitter)를 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 분야에서는 차세대 리소그라피 기술로서 극자외선(EUV : extremely ultra violet) 리소그라피와 전자빔 리소그라피 기술 (EPL : electron-beam projection lithography, EBDW : electron-beam direct write)을 가장 유력한 기술로 예측하고 있다. 극자외선 리소그라피 기술은 메모리 소자의 대량생산에 초점을 두고 개발을 하는 반면, 전자빔 리소그라피는 소량의 다품종 소자 생산을 위한 기술에 역점을 두고 있다.
그런데, 전자빔 리소그라피 장비가 300 ㎜ 웨이퍼 생산에서 시간 당 25 장 이상의 생산성을 갖게 된다면, 시설 투자 및 공정비용에 있어서 극자외선 리소그라피 기술의 고정비용보다 저렴하게 되어 메모리분야의 생산에도 경쟁력이 있을 것으로 예측된다. 또한, 개발되는 소자들의 고집적화와 미세화로 인하여 공정과정에서 사용되는 계측 및 측정기술이 광학계 장비에서 전자빔장비로 이동하고 있어, 전자빔기술의 수요가 빠르게 증가되고 있다. 초소형 전자빔원 기술은 전자빔 리소그라피, CD-SEM(critical dimension scanning electron microscope), V-SEM, 웨이퍼 검사(wafer inspection) 등의 반도체산업 분야뿐만 아니라 SEM, TEM, STEM 등의 전자현미경 등에 적용되는 등 제반 산업 분야 및 현대과학의 전 영역에서 중요한 핵심 기술로서 이용될 것으로 전망된다.
초소형 전자칼럼(column)은 전자칼럼의 길이를 정교하게 최소화하여 광학 수차 값을 최소화함으로써 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 저 전압으로 구동하여도 고 밀도의 전자빔 전류를 얻을 수 있고, 소형이며 경량화된 구조는 멀티빔 구조가 가능하며, 샘플(sample) 전류의 값이 일반적인 SEM보다 약 10∼100배 정도 높기 때문에 생산력이 높은 멀티 전자빔 리소그라피로서 적용이 가능하다.
도 1a는 종래기술에 따른 초소형 전자칼럼의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 1b는 도 1a의 초소형 전자칼럼이 조립된 후의 외관을 보여주는 사시도이다. 도 1a를 참조하면, 초소형 전자칼럼(100)은 전자 방출원(110), 전자렌즈(micro lens; 120), 스캔 디플렉터(scan deflector; 130), Einzel 렌즈 등의 포커스(focus) 렌즈(140), 그리드(grid; 150), 디텍터(detector; 미도시) 등으로 이루어져 있다. 전자렌즈(120)와 포커스 렌즈(140)는 통상적으로 실리콘과 파이렉스(pyrex)의 적층 구조로서, 애노딕 본딩(anodic bonding) 기법으로 정교하게 결합되어 있다. 전자빔을 스캔(scan)하는 스캔 디플렉터(130)는 Mo(molybdenum) 로드(rod)를 이용한 이중 디플렉터(double deflector) 형태로서, 비점수차(stigmatism)의 조절을 원활히 하기 위하여 옥터폴(octupole) 구조로 제작된다. 이러한 초소형 전자칼럼의 특성을 향상시키기 위한 여러 가지 요소들 중 가장 큰 영향을 미치는 것이 전자 방출원(110)이다. 전자방출원의 종류에 따라 전자빔시스템의 설계가 달라지며, 그 성능과 기능도 다르게 나타나게 되므로 전자방출원의 특성은 전자칼럼의 설계 및 제작에 매우 중요한 요소이다. 특히, 초소형 전자칼럼에서는 저에너지 구동을 위하여 전자방출원의 정침이 매우 작아야 한다. 이상적인 전자방출원의 특성으로는 안정된 전자방출, 높은 휘도(brightness), 작은 크기의 전자방출원, 낮은 전자 에너지 분포, 그리고 긴 수명 등의 특성을 갖추어야 한다.
한편, CFE(Cold field emitter)는 초고진공에서 사용해야 하는 단점이 있지만 전자방출이 안정적이며 수명이 길기 때문에 가장 이상적인 전자방출원으로 사용되고 있다. 일반적으로 사용되는 CFE는 KOH 또는 NaOH 용액을 이용한 전기화학적 에칭(electro-chemical etching) 방법으로 텅스텐(W)이나 몰리브덴(Mo)으로 제작한다. 가공 후의 전자방출원의 정침(tip)의 지름은 수 백 ㎚ 이상이며 높은 유도전압(10 kV)을 사용하게 되므로, 초소형 전자칼럼에 적용할 경우 전자칼럼에 있는 초소형 렌즈들의 물리적 손상(physical damage) 때문에 사용이 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 전자방출원의 정침이 대칭성을 가져야 하며 50 ㎚ 이하의 지름을 갖도록 조절할 수 있어야 한다.
따라서, 본 발명에서 해결하려는 과제는, 초소형 전자칼럼에 적합한 것으로 알려진 텅스텐의 CFE를 제작함에 있어서, 초소형 전자칼럼의 안정적인 동작과 특성을 개선하기 위하여 내구성이 향상되고 대칭성이 우수해진 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 전기 및 전자 소자의 검사를 위한 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE를 제조하는 방법으로서, 일정한 길이의 텅스텐 와이어의 일단부를 KOH 수용액에 넣어 전기 화학적 에칭을 행하는 단계와; 전기 화학적 에칭이 행해진 상기 텅스텐 와이어의 일단부에 대해 열처리를 행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 전기 화학적 에칭을 행하는 단계에서 사용되는 KOH 수용액이 10%의 농도의 것이며, 상기 텅스텐 와이어의 일단부에 대해 행해지는 열처리는 상기 텅스텐 와이어의 일단부에 펄스형 Nd:YAG 레이저를 조사함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 텅스텐 와이어의 일단부에 대해 열처리를 하는 동안에 상기 텅스텐 와이어를 그 중심축에 대하여 회전시키거나, 상기 중심축에 나란한 방향으로 가속 평행이동시키는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전자가 안정되게 방출되어 안정적으로 동작할 뿐 아니라, 내구성이 향상되고 대칭성이 우수해진 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE를 얻을 수 있어서, 전자칼럼의 기능을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 초소형 전자칼럼의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 1b는 도 1a의 초소형 전자칼럼이 조립된 후의 외관을 보여주는 사시도;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE의 제조 방법에 의하여 만들어진 텅스텐 CFE의 SEM 사진;
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE로부터 방출된 I-V 특성 곡선이며, 도 3b는 그에 대한 파울러-노다임 그래프 표시(Fowler-Nordheim plot);
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE의 전류발생특성을 나타낸 그래프; 및
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE의 제조 방법에 의하여 만들어진 텅스텐 CFE의 SEM 사진이다. 텅스텐 CFE를 제작하기 위하여 일정한 길이의 텅스텐 와이어(wire)를 KOH 수용액에 넣어 전기 화학적 에칭(electro-chemical etching) 방법을 적용하였다. 에칭액으로 사용한 KOH 농도는 10 % 였으며, 텅스텐 와이어의 침지 깊이를 약 1 ㎜로 하여 DC 7 V의 전압을 인가하였다. 이어서, 텅스텐 CFE의 안정성을 향상시키기 위하여 정침의 끝에 펄스형 Nd:YAG 레이저를 조사(irradiation)하여 열처리 하였다. 이렇게 하여 제작된 CFE 정침의 길이는 약 300 ㎛ 정도이며 정침 끝의 반경은 약 12 ㎚인 것으로 아래의 측정에 의해 확인되었다.
텅스텐 CFE의 제조 후에, 이를 초소형 전자칼럼에 적용한 경우의 특성을 평가하기 위하여, 제조된 텅스텐 CFE와 전자렌즈들을 조립하였다. 먼저 기저 압력(base pressure)을 5×10-10 torr로 유지한 다음, 전자방출원인 텅스텐 CFE에서 방출되는 전류(전자)를 정확하게 측정하기 위하여 1000 V의 전압에서 피크투피크 노이즈(peak to peak noise)가 10 mV 정도인 고정밀 DC 고전압 전력공급기(high voltage power supply)와 미세 전류의 측정이 가능한 피코암미터(pico-ammeter)를 익스트렉터(extractor) (마이크로칼럼의 첫 번째 전자렌즈)에 연결하여 전류(current)를 측정하였다. 도 3a는 전자방출원인 텅스텐 CFE로부터 방출하는 전류를 측정한 데이터로서 230 V에서 전류의 값이 변화되기 시작하는 것을 관측할 수 있었으며, 350 V에서는 0.8 ㎂ 정도의 전류가 측정되었다. 텅스텐 CFE에 인가된 전압과 익스트렉터에서 측정한 전류 값에 의한 I-V 특성곡선을 토대로 파울러-노다임 그래프 표시(Fowler-Nordheim plot)(도 3b 참조)를 한 결과 정침의 유효 반경(effective radius)이 약 12 ㎚인 것을 알 수 있었다. 정침의 반경은 CFE의 수명을 결정하는 주요한 인자로서 약 50 ㎚ 이하의 것이 적합하다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에서는 전자방출원인 텅스텐 CFE의 안정성 향상을 위하여 정침의 끝에 펄스형 Nd:YAG 레이저를 조사(irradiation)하여 열처리하였는데, 열처리를 하지 않은 경우와 열처리를 한 경우를 대비하여 도 4에 나타내었다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE의 전류발생특성(after annealing)과 열처리를 하지 않은 텅스텐 CFE의 전류발생특성(before annealing)을 각각 나타낸 그래프로서, 도 4를 참조하면, 열처리를 한 경우에, 전자가 안정되게 방출됨을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 텅스텐 와이어(310)의 일단부에 대해 펄스형 Nd:YAG 레이저(200)에서 발생한 펄스빔(210)을 이용하여 열처리를 하는 동안에 텅스텐 와이어(310)를 그 중심축(C)에 대하여 회전시키거나, 중심축(C)에 나란한 방향으로 가속 평행이동시킴을 알 수 있다. 이와 같이 텅스텐 와이어(310)를 회전 또는 가속 평행이동시키면, 완성된 텅스텐 CFE의 대칭성이 향상되면서, 정침의 끝이 더 예리해져서 텅스텐 CFE의 성능이 좋아진다.
100: 전자칼럼 110: 전자 방출원
120: 전자렌즈 130: 스캔 디플렉터(scan deflector)
140: 포커스(focus) 렌즈 150: 그리드
200: 펄스형 Nd:YAG 레이저 210: 펄스빔
310: 텅스텐 와이어

Claims (3)

  1. 전기 및 전자 소자의 검사를 위한 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE를 제조하는 방법에 있어서,
    일정한 길이의 텅스텐 와이어의 일단부를 KOH 수용액에 넣어 전기 화학적 에칭을 행하는 단계와;
    전기 화학적 에칭이 행해진 상기 텅스텐 와이어의 일단부에 펄스형 Nd:YAG 레이저를 조사하여 열처리를 행하는 단계를 구비하되,
    상기 텅스텐 와이어의 일단부에 대해 열처리를 하는 동안에 상기 텅스텐 와이어를 그 중심축에 대하여 회전시키거나, 상기 중심축에 나란한 방향으로 가속 평행이동시키는 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 화학적 에칭을 행하는 단계에서 사용되는 KOH 수용액이 10%의 농도의 것인 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼용 텅스텐 CFE의 제조 방법.
  3. 삭제
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