KR101377938B1 - 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기에 관한 것으로서, 이온을 발생시키는 이온원(10); 이온을 평행빔으로 발생시키는 콜리메이터(collimator)(20); 평행빔을 가속화시키는 가속기(30); 가속된 이온빔을 펄스화하는 이온빔 펄스발생기(40); 펄스된 이온빔의 직경이 수 ㎛가 되도록 시편(1)으로 집속시키는 집속대물렌즈(50); 집속된 이온빔이 시편(1)으로부터 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하는 검출기(60); 상기 검출기(60)에 의해 검출된 분광신호를 분석 처리하는 데이터 분석기(70);를 포함한다. 본 발명은 이온빔을 직경 수 ㎛ 로 집속함으로써 미소영역의 측정이나 매핑이 가능하고, 고가의 스캐너가 필요없이 측정이 가능하며, 측정시간을 단축하여 분석시간을 단축할 수 있고, 구조가 간단하고 장치를 소형화할 수 있으며, 시간에 따른 이온빔의 산란 각도와 산란 위치를 정확하게 측정할 수 있고, 미소영역에 대한 3차원 조성 분포를 매핑할 수 있으며, 반사모드 또는 투과모드에서도 모두 측정이 가능하여 초박막 두께의 시편에 대한 정확한 원자구조를 분석할 수 있는 장점이 있다.

Description

중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기{Medium Energy Ion Scattering spectrometer}

본 발명은 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중에너지를 갖는 이온빔을 이용하여 시편에서 산란된 이온빔을 검출하고 분석함으로써 반도체 소자 등의 박막을 분석할 수 있는 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기에 관한 것이다.

시편의 표면 또는 시편 위에 형성된 박막 내의 조성, 구조, 화학적 특성 등을 측정하기 위한 다양한 종류의 측정장치들이 개발되고 있다.

특히, 고집적 반도체의 경우 ITRS(국제 반도체 기술 로드맵)에 의하면 실리콘 산화층 두께는 100 nm 기술 세대에서는 1 nm 이하로 줄어야 되며 고집적도가 증가할수록 더욱 산화층 두께는 얇아지는 것이 요구되어 산화 초박막의 분석을 위한 새로운 기술이 요구되며, 도핑층(doped layer)도 더욱 더 얇아져서 그 동안 사용해온 일차이온으로 표면을 때리는 동안 방출하는 양이온 혹은 음이온을 분석하는 2차 이온 질량분석(secondary ion mass spectroscopy; SIMS) 등의 기술로는 더 이상 접근하기 어려우며 원자 분해능의 분석기술이 요구되고 있다. 또한, 기존의 일반적인 표면분석장치들은 초박막 두께에 대한 분해능을 갖지 못하거나 구조나 조성의 일부분만을 확인할 수 있는, 성능이 상당히 제한적인 분석방법에 그치지 않았다.

이러한 요구에 부응하여 개발된 MEIS(Medium Energy Ion Scattering Spectroscopy) 장치는 중간 정도의 에너지를 갖는 이온빔, 예컨대 대략 수십 내지 수백 keV의 에너지를 갖는 이온빔을 이용할 수 있으며, 표면에서 깊이 방향의 에너지 분해능이 약 0.3 nm 정도로 다른 분석 방법보다 탁월하다.

ECOSS 24(European Conference on Surface Science) Paris, September 4-8, 2006. 에 서면으로 발표된 논문인 Determination of Cu(100)-p(3√2x√2)R45°-Sn structure using medium energy ion scattering에서는 MEIS에서 50-400 keV의 에너지범위에서 가속될 수 있는 이온들을 사용하고 있다. 또, Rutgers, The State University of New Jersey 의 2000년 5월 승인된 박사학위 논문인 METAL AND ALLOY SURFACE STRUCTURE STUDIES USING MEDIUM-ENERGY ION SCATTERING By BRETT W. BUSCH의 39페이지에는 MEIS 에서40-400keV의 에너지범위의 H+, He+ 이온을 일반적으로 사용하고 있다고 기재되어 있다. 이와 같이, MEIS에는 일반적으로 수십 내지 수백 keV 범위 내의 에너지로 가속된 이온 빔이 사용되고 있는 것이 당업계의 실정이다.

MEIS는 예를 들어, 100 keV의 H+, He+ 이온이 고체의 표면 및 내부에서 산란되는 과정에서의 에너지 손실을 10^-3의 에너지 분해능으로 정밀하게 측정하여 원자층의 깊이 분해능으로 박막의 원소 조성의 깊이 분포를 측정할 수 있으며 이온빔의 채널링(channeling)/블로킹(blocking) 효과를 이용하여 원자 구조에 대한 정보를 얻을 수 있어 초박막의 표면 및 계면의 조성 및 구조에 대한 극히 유용한 분석기술이며, 또한 이온산란 단면적을 정확히 계산할 수 있어 정량적이며 또한 비파괴적으로 분석할 수 있다는 장점이 있다.

이러한 장점을 가진 MEIS는 수 nm의 초박막을 원자층의 분해능으로 조성과 원자구조(결정성과 응력, 등)의 깊이분포를 정량적으로 분석할 수 있는 사실상 유일한 분석기술이라고 할 수 있다.

기존의 MEIS 장치는 초대형이며 1 mm의 집속되지 않은 이온빔을 사용하여 미소영역 측정이나 매핑을 할 수 없었다. 또한, 검출기를 이동시키기 위한 스캐너의 스캔으로 측정을 하게 되므로 고가의 스캐너를 필요로 하며, 측정시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이온빔을 이용하여 미소영역의 측정이나 매핑이 가능하도록 하는 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기를 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 다른 목적은 고가의 스캐너가 필요없이 측정이 가능하며 측정시간을 단축할 수 있도록 하는 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 구조가 간단하고 장치를 소형화할 수 있으며, 시간에 따른 이온빔의 산란 각도와 산란 위치를 정확하게 측정함으로써 표면, 계면에서의 원자들의 움직임을 정밀하게 분석할 수 있도록 하는 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기는 이온을 발생시키는 이온원; 상기 이온원으로부터 발생한 이온을 평행빔으로 만드는 콜리메이터(collimator); 상기 평행빔을 가속시키는 가속기; 상기 가속기에 의해 가속된 이온빔을 펄스화하는 이온빔 펄스 발생기; 펄스화된 이온빔을 시편 표면에 선형으로 초점을 맞추어서 조사되도록 하는 래스터 편향기; 상기 펄스화된 이온빔의 직경이 수 ㎛ 가 되도록 시편에 집속시키는 대물집속렌즈; 상기 시편으로부터 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하는 검출기;및 상기 검출기에 의해 검출된 분광신호를 분석 처리하는 데이터 분석기;를 포함한다. 상기 래스터 편향기는 시편의 표면에 연속적인 선으로 초점을 맞추어 래스터 패턴을 만들어 시편에 조사되도록 하여 시편의 미소 영역에 대한 3차원 분광 분석이 가능하게 한다.

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본 발명은 이온빔을 수 ㎛ 로 집속함으로써 미소영역의 측정이나 매핑이 가능하고, 고가의 스캐너가 필요 없이 측정이 가능하며, 측정시간을 단축하여 분석시간을 단축할 수 있고, 구조가 간단하고 장치를 소형화할 수 있으며, 시간에 따른 이온빔의 산란 각도와 산란 위치를 정확하게 측정함으로써 표면, 계면에서의 원자들의 움직임을 정밀하게 분석할 수 있는 장점이 있다. 아울러, 미소영역에 대한 3차원 조성 분포를 매핑할 수 있으며, 반사모드 또는 투과모드에서도 모두 측정이 가능하여 초박막 두께의 시편에 대한 정확한 원자구조를 분석할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기의 구조를 나타낸 부분단면사시도.
도 2는 본 발명에 의한 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기의 빔 경로를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기의 개략적인 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기의 투과모드를 나타낸 도면.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 중에너지 이온 빔 산란을 이용한 분광분석기의 구조를 나타낸 부분 단면 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기의 빔 경로를 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기의 개략적인 구조를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기의 투과모드를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기는 이온을 발생시키는 이온원(10); 이온을 평행빔으로 발생시키는 콜리메이터(collimator)(20); 상기 평행빔을 가속화시키는 가속기(30); 가속된 이온빔을 펄스화하는 이온빔 펄스발생기(40); 펄스된 이온빔을 시편(1)으로 집속시키는 집속대물렌즈(50); 집속된 이온빔이 시편(1)으로부터 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하는 검출기(60); 상기 검출기(60)에 의해 검출된 분광신호를 분석 처리하는 데이터 분석기(70); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 이온원(10)은 이온을 발생시키는 역할을 한다. 상기 이온원(10)은 플라즈마, 방전 등을 이용하여 이온을 발생시키는 것으로 공지된 것을 사용한다.

상기 콜리메이터(collimator)(20)는 상기 이온원(10)으로부터 발생된 이온을 평행빔으로 발생시키는 역할을 하는 것으로 이온빔의 확산을 방지하게 된다. 평행빔으로 발생되는 과정은 상기 이온빔이 콜리메이션 렌즈(Collimation Lens)를 통과하여 평행빔으로 되며 다시 수 mm의 구멍(Aperture)을 통과하여 일정한 직경을 갖는 평행빔이 된다.

상기 가속기(30)는 상기 평행빔을 가속화시키는 역할을 한다. 상기 가속기(30)는 고전압이 인가된 가속관을 통과시켜 평행 이온빔을 수십 내지 수백 keV의 중에너지를 갖는 이온빔으로 변환되게 한다. 이때, 가속관에서 수 mm의 직경을 갖는 평행빔은 집속되어 수~수십 ㎛ 의 직경을 갖는 평행빔으로 가속되게 된다.

상기 이온빔 펄스발생기(40)는 상기 가속기(30)에 의해 가속된 이온빔을 이온빔 다발로 만들기 위해 펄스화하는 역할을 한다. 상기 이온빔 펄스발생기(40)의 구조는 공지된 것으로 4극자형 질량 분석계에서 사용되는 4극 편향기와, 가속관에서 수 mm의 직경을 갖는 평행빔을 수~수십 ㎛ 의 직경을 갖는 평행빔으로 변환시키는 구멍(Aperture)과, 이온빔을 펄스화하는 펄스 생성기로 구성된다.

이온빔 펄스발생과정을 설명하면 다음과 같다.

4극 편향기에서 x-방향의 편향기에 한쪽에 바이어스 전압을 인가하고 반대쪽에 바이어스 전압보다 높은 전압을 인가시켜 빠른 펄스(fast pulse)로 가속관을 통과한 이온빔을 편향시킨다. 이때, 이온빔은 수~수십 ㎛ 의 직경을 갖는 구멍(Aperture)을 통과하여 빠른 펄스를 갖는 이온빔이 된다.

x-방향으로 편향된 이온빔이 다시 같은 경로로 되돌아 올 경우 이중의 이온빔 펄스가 생성되므로 이를 y-방향으로 시프트(shift)시켜 원래의 빔 위치로 복귀시킨다. 이렇게 하기 위해 y-방향에 펄스 지연을 주어 x-방향과 같은 주기의 이온빔 펄스를 발생시킨다. 이렇게 하여 펄스된 이온빔은 집속대물렌즈(50)에 의해 집속되어 시편(1)으로 조사되게 된다.

상기 집속대물렌즈(50)는 펄스된 이온빔을 시편(1)으로 집속시키는 역할을 한다. 이때, 집속되는 이온빔의 직경은 수 ㎛ 인 것이 바람직하다. 이렇게 되면 이온빔을 이용하여 미소영역에서의 분광분석이 가능하게 된다.

아울러, 상기 집속대물렌즈(50)에 의해 집속된 이온빔의 비점수차(astigmatism)를 보정하여 찌그러진 이온빔의 빔모양을 보정하는 스티그메이터(Stigmator)가 더 구비된 것이 바람직하다.

또한, 상기 집속대물렌즈(50)에 의해 집속된 이온빔을 시편(1)의 표면에 선형으로 초점을 맞추어서 시편(1)에 조사되도록 하는 래스터 편향기(Raster Deflector)가 더 구비된 것이 바람직하다. 일반적으로 유사한 분야인 전자현미경에서, 스캐닝 코일이 대물렌즈와 결합하여 전자 빔이 시편에 포커싱되는 위치를 제어하는데, 스캐닝 코일은 상기 펄스화된 이온 빔이 대물렌즈를 통과하기 전 또는 후에 배치되는 것이 일반적이다.

상기 래스터 편향기는 상기 집속대물렌즈와 결합하여, 펄스화된 이온 빔이 소정 직경의 이온 빔으로 시편(1)의 특정 위치에 조사되도록 하기 위한 것으로, 상기 펄스화된 이온 빔은 집속대물렌즈(50)와 래스터 편향기를 통과하게 된다. 상기 래스터 편향기는 상기 이온빔 펄스발생기(40)와 상기 집속대물렌즈(50) 사이에 배치될 수 있으며, 상기 집속대물렌즈(50)와 시편(1) 사이에 배치되는 것도 가능하다. 즉, 상기 래스터 편향기는 상기 집속대물렌즈(50)의 전방 또는 후방에 배치되어 이온 빔의 조사 위치를 결정하는 장치로, 이러한 배치는 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

이에 따라 고정밀도를 요하는 마이크로 단위로 검출기(60)를 이동시켜 분광 이미지를 스캐닝하는 고가의 스캐너가 필요없이 래스터 편향기에 의해 선형으로 초점을 맞추어 시편(1)에 조사되도록 함으로써 분광분석이 가능하며, 스캐닝하는데 소요되는 시간을 단축하여 분석시간을 단축할 수 있다.

또한, 상기 래스터 편향기는 시편(1)의 표면에 연속적인 선으로 초점을 맞추어서 래스터 패턴(Raster Pattern)을 만들어 시편(1)에 조사되도록 하여 시편(1)의 미소영역에 대한 분광분석이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 래스터 패턴은 보통 직사각형이나 정사각형 형태로 된다. 이와 같이 래스터 편향기를 이용하여 연속적인 선으로 초점을 맞추어 시편(1)에 조사하여 분광분석 이미지를 얻게 되면 각 선에 대한 분광분석 이미지를 조합하여 3차원 조성분포 매핑을 구현할 수 있게 된다.

상기 검출기(60)는 집속된 이온빔이 시편(1)으로부터 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하는 역할을 한다. 상기 분광신호는 산란빔이 검출되는데 걸리는 시간과 산란빔의 에너지가 포함된다.

이때, 상기 검출기(60)는 시편(1)으로부터 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하는데 걸리는 시간을 검출할 수 있는 지연 선검출기(Delay Line Detector)인 것이 바람직하다. 이와 같이 시편(1)으로부터 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하는데 걸리는 시간으로 검출하게 됨으로써 이온빔의 산란각도 및 위치를 검출할 수 있게 되며 결국 시편(1)의 원자구조를 알 수 있게 된다. 이 경우 이온빔의 산란 각도와 산란 위치는 시편(1)으로부터 산란된 이온빔의 검출위치의 측정이 가능하도록 2차원으로 이미지화하여 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 검출기(60)는 시편(1)으로부터 반사되어 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하도록 집속된 이온빔의 입사방향과 0도 초과 90도 미만의 각도로 상기 시편(1)의 측상방에 설치되도록 할 수 있고, 시편(1)을 투과하여 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하도록 상기 시편(1)의 직하방에 설치될 수 있다. 이 경우 상기 시편(1) 또는 상기 검출기(60)를 회전시키는 회전판(65)이 구비되어 상기 시편(1) 또는 상기 검출기(60)를 회전시켜 측정하고자 하는 각도를 임의로 조정하여 측정하도록 할 수 있다.

상기 시편(1)의 직하방에 설치되는 경우(도 4 참조)에는 TEM과 같이 아주 얇은 초박막 시편에 대해 분석이 가능하게 된다.

상기 데이터 분석기(70)는 상기 검출기(60)에 의해 검출된 분광신호를 컴퓨터로 전송하여 데이터를 분석 처리하게 된다.

아울러, 본 발명은 상기 이온원(10), 콜리메이터(20), 가속기(30), 이온빔 펄스발생기(40) 및 집속대물렌즈(50)를 선형으로 배치하여 일체로 된 것이 바람직하다. 이렇게 선형으로 배치되면 빔 손실을 방지할 수 있으며, 장치를 소형화할 수 있게 있다.

10: 이온원 20: 콜리메이터(collimator)
30: 가속기 40: 이온빔 펄스발생기
1: 시편 50: 집속대물렌즈
60: 검출기 65: 회전판
70: 데이터 분석기

Claims (6)

1. 이온을 발생시키는 이온원(10);
   상기 이온원(10)으로부터 발생한 이온을 평행빔으로 만드는 콜리메이터(collimator)(20);
   상기 평행빔을 가속시키는 가속기(30);
   상기 가속기(30)에 의해 가속된 이온빔을 펄스화하는 이온빔 펄스 발생기(40);
   상기 펄스화된 이온빔의 직경이 수 ㎛ 가 되도록 시편(1)에 집속시키는 대물집속렌즈(50);
   상기 시편(1)으로부터 반사되어 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하도록 집속된 이온빔의 입사방향과 0도 초과 90도 미만의 각도로 상기 시편(1)의 측상방에 설치되거나, 상기 시편(1)을 투과하여 산란된 이온빔 펄스의 분광신호를 검출하도록 상기 시편(1)의 직하방에 설치되는 검출기(60);
   상기 검출기(60)에 의해 검출된 분광신호를 분석 처리하는 데이터 분석기(70); 및
   상기 시편(1) 또는 상기 검출기(60)를 이온빔의 입사방향과 수직된 방향을 축으로 회전시키는 회전판(65);을 포함하는 것을 특징으로 하는 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광 분석기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광 분석기는 펄스화된 이온빔을 시편(1) 표면에 선형으로 초점을 맞추어서 조사되도록 하는 래스터 편향기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광 분석기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 래스터 편향기는 시편의 표면에 연속적인 선으로 초점을 맞추어 래스터 패턴을 만들어 시편에 조사되도록 하여 시편의 미소 영역에 대한 3차원 분광 분석이 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광 분석기
4. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 대물집속렌즈는 상기 펄스화된 이온빔의 직경이 1 ㎛ 가 되도록 시편에 집속시키는 것을 특징으로 하는 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광 분석기.
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