KR101057285B1 - 엑스레이를 이용한 박막 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X-ray 장치를 이용한 박막 및 패턴 측정장치에 관한 것으로, 특히, X-ray 방출을 위한 전자방출원으로 탄소 나노튜브를 사용하고여 부피가 작으면서도 원하는 크기를 갖는 X-ray 램프를 제공하고, 상기 X-ray 램프와 디텍터 사이에 선량 조절장치를 부가하여 상기 X-ray 램프와 디텍터 사이의 간격을 최소화하면서도 X-ray 선량을 조절하여 박막 및 패턴의 두께와 폭 등을 정확하게 측정할 수 있는 X-ray를 이용한 박막 측정장치를 제공한다.

X-ray, 탄소나노튜브, 디텍터

Description

엑스레이를 이용한 박막 측정장치{Measurement Device Using X-ray}

본 발명은 X-ray 장치를 이용한 박막 및 패턴 측정장치에 관한 것으로, 특히, X-ray 방출을 위한 전자방출원으로 탄소 나노튜브를 사용하고여 부피가 작으면서도 원하는 크기를 갖는 X-ray 램프를 제공하고, 상기 X-ray 램프와 디텍터 사이에 선량 조절장치를 부가하여 상기 X-ray 램프와 디텍터 사이의 간격을 최소화하면서도 X-ray 선량을 조절하여 박막 및 패턴의 두께와 폭 등을 정확하게 측정할 수 있는 X-ray를 이용한 박막 측정장치를 제공한다.

일반적으로 X-ray를 이용한 박막 측정장치는 X-ray를 방출하는 X-ray 램프와, 상기 엑스레이 램프와 일정거리 이격되어 설치되고 두께 또는 선폭을 측정하고자 하는 시료를 올려놓는 디텍터와, 상기 디텍터에서 촬영한 영상을 표시하는 모니터 등으로 구성된다.

상기 X-ray를 이용한 박막 측정장치에 사용되는 엑스레이 램프는 X선관이라고도 하며 일종의 진공방전관을 사용하여 고전압하에서 가속한 전자를 방출하고, 상기 방출된 타겟(traget:표적)인 금속판을 충돌시켜 발생시킨다.

상기와 같은 진공방전관은 많은 양의 전자를 방출하기 위해서는 그 부피가 매우 크기 때문에 방사선 가속기인 싱크로트론이나 고출력 레이저와 고체 타킷을 이용하는 레이저-플라즈마 또는 열전자 방출소자를 주로 사용되고 있다.

그러나, 상기 싱크로트론에서 발생하는 엑스레이 광원은 높은 평균 출력을 제공할 수 있으나, 이 역시 그 크기가 거대하여 일정한 설치공간이 필요하므로 설치장소가 한정되고, 상대적으로 많은 제작비용을 소용된다는 문제점이 있었다.

또한, 상기 레이저-플라즈마는 레이저의 타겟이 되는 고체 타겟으로부터 많은 시료파편을 발생하게 되므로 고체 타겟으로 주로 사용되는 금속선(thin wire)을 매번 갈아 끼워야 한다는 문제점이 있었고, 고전압 및 고전류에 의한 금속선의 손상으로 엑스레이 광학계 자체의 손상 및 코팅을 부식시킨다는 문제점도 있었다.

또한, 상기 열전자 방출소자는 대면적화에 한계를 가지고 있으므로 원하는 크기의 전자방출 소자를 제공할 수 없다는 문제점도 있었다.

상기와 같이 종래의 엑스레이 램프에서 발생하는 문제점들을 해결하기 위하여 전자방출원으로 새로운 소자의 필요성이 증대되고 있는 실정이다.

또한, 소프트 엑스레이(soft X-ray)는 감광제를 도포하고 빛을 이용해서 필요한 부분만 노광을 시켜주게 되는 리소그라피(lithography) 공정과 같은 차세대 반도체 공정에 적용 가능한 기술이다. 현재는 자외선 노광이 주로 사용되고 있으 나, 이 방법은 자외선의 퍼지는 성질 때문에 노광을 시킬 때도 원하지 않은 부분까지 노광이 된다는 문제점이 있었다. 따라서 빛의 퍼지는 정도를 줄여야 하며, 파장이 짧을수록 빛이 적게 퍼진다는 점에 착안하여 자외선 보다 파장이 짧은 엑스레이를 이용하는 것이 리소그라피에 있어서 선택도를 높일 수 있다.

종래의 소프트 엑스레이는 주로 작은 선폭의 노광이 가능하고, MEMS 분야에서 고종횡비의 구조물을 제작하는 데에 있어서 큰 이점이 있다. 또한, 소프트 엑스레이는 광자에너지가 100∼1000 eV (1∼10 nm)의 빛으로, 높은 수준의 공간분해능을 지니는 이미지를 얻을 수 있으나, 상기한 바와 같이 그 부피가 크고 설치장소에 공간적인 제한이 있으며, 고가이기 때문에 리소그라피 공정에 사용하에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다.

특히, 디스플레이 소자와 같은 미세한 구조로 기판 상부에 형성되는 반도체층, 도핑층, 그리고 전극과 같은 박막의 두께나 선폭 등을 측정하기 위해서는 크기가 작고 원하는 고출력의 X-ray를 방출할 수 있는 X-ray 램프가 요구되나 상기와 같은 종래의 X-ray 램프는 그 크기가 상대적으로 크고, 공간에 제약을 받기 때문에 디텍터의 설치 거리가 상대적으로 멀기 때문에 미세함 구조의 박막의 두께나 선폭 등을 측정하기에는 적당하지 않다는 문제점이 있었다.

상기 문제점들을 해결하기 위하여 본 발명은, X-ray를 이용한 박막측정장치를 구성하는 X-ray 램프를 CNT를 이용하여 제조함으로써 전자 방출을 위해 필요한 전력를 크게 줄일 수 있고, 캐소드 전압 조절만으로 방출되는 전류를 간단한 제어할 수 있으며, 안정적인 전자 방출을 통한 장수명의 구현으로 유지비용의 감소, 빔 직경 미세화를 통해 고 분해능 및 출력 조절이 용이한 X-ray 램프를 제공하여 디텍터와의 측정하고자 하는 시료간의 거리를 근거리로 유지하여 미세한 구조의 박막의 두께 또는 선폭 등을 용이하게 측정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 박막 측정장치에 사용되는 X-ray 램프를 소형으로 제조할 수 있으므로 설치 공간에 제약없이 원하는 장소에서 원하는 크기에 따라 기판위에 형성된 박막의 두께 또는 선폭을 측정할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 상기 X-ray 램프와 디텍터의 거리를 최소화시켜 선폭 측정시 X-ray 직진성에 따른 실제보다 크게 측정하는 것을 방지하고, 원하는 크기로 X-ray 출력을 조절하여 X-ray의 박막 투과량에 따라 박막의 두께를 측정할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 상기 X-ray 램프와 디텍터 사이에 X-ray 선량을 조절할 수 있는 선량 조절부를 부가함으로써 X-ray 램프로부터 방출되는 선량을 용이하게 조절하여 얇은 두께의 패턴을 갖는 박막의 두께를 용이하게 측정할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, X-ray 램프와 디텍터로 구성되는 박막 측정장치에 있어서, 상기 X-ray 램프는 탄소나노튜브 에미터를 갖는 필드 에미터와, 상기 필드 에미터로부터 방출된 전자와 충돌하여 반사 또는 투과에 의해 X-ray를 방출하는 애노드 전극으로 구성되며; 상기 X-ray 램프와 디텍터 사이에 선량 조절부가 더 설치된 것을 특징으로 하는 X-ray를 이용한 박막 측정장치를 제공한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 X-ray를 이용한 박막측정장치를 구성하는 X-ray 램프를 전자 방출을 위해 필요한 전력을 크게 줄일 수 있고, 캐소드 전압 조절만으로 방출되는 전류를 간단한 제어할 수 있으며, 안정적인 전자 방출을 통한 장수명의 구현으로 유지비용의 감소, 빔 직경 미세화를 통해 고 분해능 및 출력 조절이 용이하도록 제조하고, 디텍터와의 거리를 근거리로 유지하여 미세한 구조의 박막의 두께 또는 선폭 등을 용이하게 측정할 수 있다.

또한, 상기 박막 측정장치에 사용되는 X-ray 램프를 소형으로 제조할 수 있으므로 설치 공간에 제약없이 원하는 장소에서 원하는 크기에 따라 기판위에 형성된 박막의 두께 또는 선폭을 측정할 수 있도록 한다.

또한, 상기 X-ray 램프와 디텍터의 거리를 최소화시켜 선폭 측정시 X-ray 직진성에 따른 실제보다 크게 측정하는 것을 방지하고, 원하는 크기로 X-ray 출력을 조절하여 X-ray의 박막 투과량에 따라 박막의 두께 및 선폭을 측정할 수 있도록 한다.

또한, 상기 X-ray 램프와 디텍터 사이에 X-ray 선량을 조절할 수 있는 선량 조절부를 부가함으로써 X-ray 램프로부터 방출되는 선량을 용이하게 조절하여 얇은 두께의 패턴을 갖는 박막의 두께를 용이하게 측정할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도1은 본 발명에 따른 X-ray를 이용한 박막 측정장치를 개략적으로 나타낸 것으로, CNT를 이용하여 평면형태로 제조된 X-ray 램프(100)와, 상기 X-ray 램프 하부에 미세한 간격을 두고 설치되며 올려놓은 시료(300)를 통과한 X-ray 빔을 검출하는 디텍터(200)와, 상기 X-ray(100)와 디텍터(200) 사이에 설치되며 X-ray 램프(100)로부터 방출되는 X-ray 선량을 조절하기 위한 선량 조절부(400)로 구성된다.

또한, 상기 X-ray 램프는 다수개를 2차원적으로 배열하여 대면적의 기판에 형성된 박막이나 패턴의 두께 및 선폭을 측정할 수도 있다.

또한, 상기 X-ray 램프(100)와 디텍터(200)는 배기구를 갖는 밀봉용기 내부에 설치되며, 상기 배기구 끝단에서는 진공펌프가 설치되어 시료(300)를 설치한 다음, 밀봉용기 내부를 진공상태로 만들어 X-ray의 산란 등을 방지하여 시료의 박막의 두께나 선폭 등을 측정할 수도 있다.

또한, 상기 선량 조절부(400)는 X-ray를 차단하는 물질인 텅스텐-티타늄 합금(W-Ti), 비스무트(Bi), 금(Au), 납(Pb) 등을 사용하여 박막 또는 슬릿 형태로 제조한다. 상기와 같이 박막 또는 슬릿 형태로 제조된 선량 조절부(400)는 그 박막의 두께 및 슬릿에 형성된 홀의 개수에 따라 투과하는 X-ray를 조절하게 된다.

또한, 상기 X-ray 램프(100)는 반사형 또는 투과형 X-ray 램프를 사용한다.

도2 및 도3은 반사형 X-ray 램프(100)의 하나인 평면형 엑스레이 램프를 나타낸 것으로, 평면 엑스레이램프를 사용할 금속의 증착이 가능하고 높은 절연특성이 갖는 석영, 유리 또는 테프론으로 형성한 램프 기판(110)과; 상기 램프 기판(110) 상부의 일측에 설치되며 에미터(123)가 기판에 눕혀진 상태를 유지하도록 설치되는 필드 에미터(120)와; 상기 필드 에미터(120)가 설치된 램프 기판의 타측에 눕힌 삼각기둥 형태를 갖도록 형성되며 경사면이 필드 에미터(120)와 마주보도록 형성되는 애노드 전극(130)으로 구성된다. 또한, 상기 애노드 전극(130)과 필드 에미터(120) 사이에 형성되는 탈부착이 가능한 게이트 전극(140)를 더 포함하여 구성할 수도 있다.

상기 에미터(121)는 낮은 전압하에서도 많은 전자를 방출할 수 있고 강도가 커 장시간 사용이 가능하고, 나노미터 크기의 구조로써 탄력성과 강도, 유연성 등을 가지며, 낮은 전자방출 전압과 높은 방출전류로 인해 전계효과 디스플레이의 전자방출 소자로 응용할 수 있는 탄소나노튜브를 이용하여 형성한다.

또한, 상기 게이트 전극(그리드)은 필드 에미터의 에미터 상부에 일체로 형성하여 게이트 전극을 갖는 필드 에미터를 형성하여 램프 기판에 설치할 수도 있다.

상기와 같이 형성된 기본 단위의 평면형 엑스레이 램프는 필드 에미터의 에미터에서 방출된 전자빔이 게이트 전극을 통과하면서 가속되고, 상기 가속된 전자빔이 애노드 전극을 구성하는 금속기둥에 충돌하여 램프 기판의 수직한 방향으로 엑스레이를 방출하게 된다.

상기와 같이 평면형 엑스레이 램프는 평면형으로 구성되고 기판의 수직한 방향으로 엑스레이를 방출하기 때문에 평면형 액스레이 램프를 선형적 또는 2차원적(평면적)으로 합착 구성함으로써 엑스레이 램프의 크기를 조절할 수 있다.

다음에, 도4는 X-ray 램프의 한 종류인 투과형 X-ray 램프(100a)를 나타낸 것으로, 기판(121a) 상부에 캐소드 전극과 탄소나노튜브로 형성된 에미터(121a)를 갖는 필드 에미터(120a)를 설치하고, 상기 필드 에미터(120a)와 수평을 이루도록 애노드 전극(130a)를 형성한다. 이때, 상기 애노드 전극(130a)는 구리, 텅스텐 등을 이용하여 박막으로 형성하여 상기 에미터(121a)로부터 방출된 전자가 그 애노드 전극(130a)를 투과하면서 금속입자와 충돌하여 X-ray가 방출되도록 한다. 또한, 상기 애노드 전극(130a)과 필드 에미터(120a) 사이에 형성되는 탈부착이 가능한 게이트 전극(140a)를 더 포함하여 구성할 수도 있다.

상기와 같은 X-ray 램프를 사용하여 박막 측정장치를 형성할 경우, X-ray 램프의 캐소드 전극과 애노드 전극에 가해지는 전압의 크기를 조절하여 원하는 양의 X-ray를 방출할 수 있도록 할 수 있고, 상기 게이트 전극의 전압을 조절하여 방출 되는 X-ray 조절할 수 있으므로, 상기와 같이 방출되는 X-ray양과 크기에 따라 X-ray 램프와 디텍터 사이의 거리를 현격하게 줄일 수 있다.

상기와 같이 평면형 X-ray 램프와 디텍터로 구성되는 X-ray를 이용한 박막 측정장치는 측정하고자 하는 시료(300)의 하나로 기판(301) 상부에 형성된 박막(302)의 선폭을 측정할 경우, X-ray 램프와 디텍터의 거리를 밀착시키거나 최소화 할 수 있기 때문에 정확한 선폭의 측정이 가능하다.

상기와 같이 형성된 투과형 X-ray 램프는 필드 에미터의 에미터에서 방출된 전자빔이 게이트 전극을 통과하면서 가속되고, 상기 가속된 전자빔이 애노드 전극을 투과하면서 금속입자들과 충돌하여 기판의 수직한 방향으로 엑스레이를 방출하게 된다.

또한, 기판 상부에 형성된 박막의 두께 측정시에는 디텍터에서 촬영한 영상이 박막이 위치한 부분은 어둡게 나타나게 되고, 그 어두운 부분의 밝기 정보와 물질의 특성 등을 고려하여 박막의 두께를 측정할 수 있다.

또한, X-ray램프의 캐소드 전극에 걸리는 전압을 조절하여 일정한 펄스의 패턴을 갖도록 하여 시료의 두께를 측정할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이 는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 발명의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.

도1는 본 발명에 따른 X-ray를 이용한 박막 측정장치의 한 실시예를 나타낸 도면.

도2 및 도3은 본 발명의 X-ray를 이용한 박막 측정장치에 구성하는 반사형 X-ray 램프의 한 실시예를 나타낸 도면.

도4는 본 발명의 X-ray를 이용한 박막 측정장치에 구성하는 투과형 X-ray 램프의 한 실시예를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 평면형 엑스레이 램프 110 : 램프 기판
120,120a : 필드 에미터 121,121a : 에미터

130,130a : 에노드 전극 140,140a : 게이트 전극

100a : 투과형 엑스레이 램프 200 : 디텍터

300 : 시료 301 : 기판

302 : 박막 400 : 선량 조절부

Claims (8)

1. X-ray 램프와 디텍터로 구성되는 박막 측정장치에 있어서,

   상기 X-ray 램프는 탄소나노튜브 에미터를 갖는 필드 에미터와, 상기 필드 에미터로부터 방출된 전자와 충돌하여 반사 또는 투과에 의해 X-ray를 방출하는 애노드 전극으로 구성되고;

   상기 X-ray 램프와 디텍터 사이에 선량 조절부가 설치되며;

   상기 X-ray 램프와 디텍터와 선량 조절부는 밀봉용기 내부에 설치된 것을 특징으로 하는 X-ray를 이용한 박막 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 선량 조절부는 텅스텐-티타늄 합금, 비스무트, 금 또는 납 중 어느 하나를 이용하여 박막 또는 슬릿 형태로 제조한 것을 특징으로 하는 X-ray를 이용한 박막 측정장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 X-ray 램프는 필드 에미터와 애노드 전극 사이에 방출된 전자를 가속시키는 게이트 전극을 더 설치한 것을 특징으로 하는 X-ray를 이용한 박막 측정장치.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 X-ray 램프는,

   반사형 또는 투과형 X-ray 램프인 것을 특징으로 하는 X-ray를 이용한 박막 측정장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 반사형 X-ray 램프는,

   기판의 상부 일측에 에미터가 눕혀지도록 설치되는 필드 에미터와;

   상기 램프 기판의 상부 타측에 경사진 면이 필드 에미터와 마주보도록 형성되는 눕힌 삼각기둥 형태의 애노드 전극으로 구성된 평면형 엑스레이 램프인 것을 특징으로 하는 X-ray를 이용한 박막 측정장치.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 투과형 X-ray 램프는,

   에미터가 형성된 필드에미터와;

   상기 필드 에미터 상부에 기판과 수평하게 형성된 박막형태의 애노드 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 X-ray를 이용한 박막 측정장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 X-ray 램프는,

   적어도 하나 이상의 엑스레이 램프를 선형적 또는 평면적으로 배열하여 구성된 것을 특징으로 X-ray를 이용한 박막 측정장치.

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