KR101530282B1

KR101530282B1 - 전자현미경 플라즈마 클리너

Info

Publication number: KR101530282B1
Application number: KR1020140116933A
Authority: KR
Inventors: 형형철
Original assignee: 히타치하이테크놀로지즈코리아 주식회사
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2015-06-24
Also published as: JP5918823B2; US9248207B1; JP2016054136A

Abstract

본 발명은 전자현미경 플라즈마 클리너에 관한 것이다. 보다 상세하게는 효과적인 플라즈마(Plasma) 발생을 위해 3중 구조의 플라즈마 생성 전극과 멀티 가스(Multi Gas) 분사 노즐을 갖춘 유기물 Cleaner에 관한 것이다. 본 발명의 일례와 관련된 전자빔을 이용하여 시료의 상을 확대하는 전자현미경을 플라즈마를 이용하여 클리닝(cleaning)하는 장치는, 상기 시료를 내부에 배치하고, 전자의 흐름을 이용하기 위해 상기 내부가 진공인 진공챔버; 상기 전자빔을 생성하고, 상기 생성된 전자빔을 상기 시료로 출력하는 전자총; 상기 시료를 투과한 전자빔을 확대하여 형광판 위에 투영하는 전자렌즈; 기 설정된 범위의 무선주파수(RADIO FREQUENCY)를 갖는 제 1 신호를 생성하는 RF 콘트롤러; 및 플라즈마(Plasma)를 생성하고, 상기 RF 콘트롤러로부터 상기 제 1 신호를 수신하며, 상기 플라즈마 및 제 1 신호를 이용하여 활성화된 산소 라디칼(oxigen radical) 및 이온을 생성하고, 상기 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 상기 진공챔버 내부로 공급하는 플라즈마 헤드;를 포함하되, 상기 진공챔버 내부로 공급된 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 이용하여 상기 진공챔버 내부에 존재하는 오염(contamination)을 제거할 수 있다.

Description

전자현미경 플라즈마 클리너{Electron Microscope Plasma Cleaner}

본 발명은 전자현미경 플라즈마 클리너에 관한 것이다. 보다 상세하게는 효과적인 플라즈마(Plasma) 발생을 위해 3중 구조의 플라즈마 생성 전극과 멀티 가스(Multi Gas) 분사 노즐을 갖춘 유기물 Cleaner에 관한 것이다.

구체적으로 본 발명은 전자 현미경의 챔버 내부와 전자 현미경의 샘플 표면을 플라즈마로 인해 생성된 래디칼(Redical)과 이온으로 Cleaning을 실시함으로써, 전자 현미경의 고분해능 영상 관찰 및 정밀 길이 측정, 패턴 변형 및 Damage 등을 대폭 개선하기 위한 장치에 관한 것이다.

전자 빔을 집속, 초점을 생성하여 각종 Sample의 표면 및 내부를 관찰, 분석하는 전자 현미경(Electron Microscope)류는 SEM, CD-SEM, TEM, Dual Beam(SEM＋FIB), Nano Prober 등이 널리 사용되고 있다.

전자 현미경은 전자총에서 고밀도의 전자류을 방출 시겨 전자 광학계(Electron Column) 내에서 전자 빔을 집속 및 초점을 형성시킨 후 분석하고자 하는 샘플(Sample)의 국소적인 관찰 점에 조사하여 신호를 생성시키고, 검출하여 표면 및 내부 정보를 확대(수십~수백만배) 영상화 하는 장치이다.

초미세 나노 산업이 발전함에 따라 전자 현미경은 반도체, 첨단 재료, 디스플레이 등 각종 산업 분야의 연구 개발, 제조 공정 및 품질관리 등에 필수적인 장비로 운용되고 있다.

한편, 전자현미경 진공 챔버 내부와 샘플 표면에 오염된 유기물과 자연 산화막(Native Oxide)등의 오염을 Cleaning 하는 문제가 대두되고 있다.

구체적으로 전자현미경의 진공 챔버와 샘플 표면의 유기물 오염은 전자현미경 영상의 관찰상에 심각한 장해 요인을 유발 시키는데, 관찰 영역의 오염 및 변형, 영상의 노이즈(Noise) 상승등 공간 분해능(Spatial Resolution)의 핵심 장해 요소가 된다.

유기물의 진공 챔버 오염 요인은 첫째, 반도체 공정상의 주재료인 Photo Resist, 유전율이 매우 높고 결합력이 약한 물성을 가진 유기 재료의 Out-gas에 기인하여 발생 된다.

둘째, 진공 챔버의 각종 구조물(Specimen Stage, 샘플 홀더 포함)의 오염 요소 및 윤할제(Grease)등의 Out-gas이다.

이러한 유기물들은 질량이 매우 무겁고 운동에너지가 낮은 관계로 대다수가 Vacuum Pump로 Pumping 되지 못하고 진공 챔버 내에서 흡/탈착하며 Random하게 떠돌다 입사 빔과 충돌하여 양이온화 되며 그 주변의 음전하가 가장 높은 샘플의 전자 빔 조사 영역에 증착되어 검은 유기물 이온 증착막을 형성하기 때문에 영상의 분해능이 감소하거나 관찰 패턴을 변형시켜 정확한 관찰이나 미세 계측 등을 사실상 어렵게 한다.

또한, 샘플 표면의 유기물 오염 요인은 샘플 제작상에 사용되는 여러 종류의 화학 약품, 화학 약품과 반응한 잔류물, 물로 세척시 남아 있는 수분, 취급자의 인체에서 기인한 인체의 유, 수분 등에 의해 발생 된다.

그리고 샘플이 대기 중에 보관되었을시, 자연적인 산화막이 생성되어 표면이 오염되게 된다.

이러한 샘플을 샘플 챔버에 도입하여 전자 현미경 영상을 관찰하게 되면 그 또한 역시 관찰상의 패턴 변형 및 분해능이 심각하게 떨어지는 현상이 발생 된다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 특허청 등록특허 제 10-1007289호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명은 효과적인 플라즈마(Plasma) 발생을 위해 3중 구조의 플라즈마 생성 전극과 멀티 가스(Multi Gas) 분사 노즐을 갖춘 유기물 Cleaner를 제안하고자 한다.

구체적으로 본 발명은 전자 현미경의 챔버 내부와 전자 현미경의 샘플 표면을 플라즈마로 인해 생성된 래디칼(Redical)과 이온으로 Cleaning을 실시함으로써, 전자 현미경의 고분해능 영상 관찰 및 정밀 길이 측정, 패턴 변형 및 Damage 등을 대폭 개선하기 위한 장치를 제안하고자 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 전자빔을 이용하여 시료의 상을 확대하는 전자현미경을 플라즈마를 이용하여 클리닝(cleaning)하는 장치는, 상기 시료를 내부에 배치하고, 전자의 흐름을 이용하기 위해 상기 내부가 진공인 진공챔버; 상기 전자빔을 생성하고, 상기 생성된 전자빔을 상기 시료로 출력하는 전자총; 상기 시료를 투과한 전자빔을 확대하여 형광판 위에 투영하는 전자렌즈; 기 설정된 범위의 무선주파수(RADIO FREQUENCY)를 갖는 제 1 신호를 생성하는 RF 콘트롤러; 및 플라즈마(Plasma)를 생성하고, 상기 RF 콘트롤러로부터 상기 제 1 신호를 수신하며, 상기 플라즈마 및 제 1 신호를 이용하여 활성화된 산소 라디칼(oxigen radical) 및 이온을 생성하고, 상기 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 상기 진공챔버 내부로 공급하는 플라즈마 헤드;를 포함하되, 상기 진공챔버 내부로 공급된 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 이용하여 상기 진공챔버 내부에 존재하는 오염(contamination)을 제거할 수 있다.

또한, 상기 오염은 탄화수소(hydrocarbon) 유기물 분자, 상기 시료가 대기 중에 보관되었을 때 형성된 자연 산화막, 오일(oil), 샘플 아웃가스(sample Outgas)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 활성화된 산소 라디칼 및 이온 중 적어도 하나는 상기 오염과 반응하여 물(H2O) 또는 이산화탄소(CO2)를 생성할 수 있다.

또한, 상기 물(H2O) 또는 이산화탄소(CO2)의 생성에 의해 운동 에너지가 높아진 상기 오염은 진공 펌브(vacuum pump)에 의한 펌핑 동작에 의해 상기 진공챔버의 외부로 배출될 수 있다.

또한, 상기 진공챔버 내부로 공급된 이온은 상기 진공챔버 및 시료에 형성된 정전기(static electricity)와 결합함으로써, 상기 정전기를 제거할 수 있다.

또한, 상기 전자현미경은 투과형 전자현미경(transmission electron microscope, TEM), 주사형 전자현미경(scanning electron microscope, SEM), 주사투과형 전자현미경(scanning transmission electron microscope, STEM) 및 X선 micro analyzer(EFMA 또는 XMA)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 진공챔버는 샘플챔버(SC) 및 시료교환챔버(SEC)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 플라즈마 헤드 내의 플라즈마 전극은 복수의 컵으로 겹쳐지는 구조로 제작되고, 상기 복수의 컵 각각의 면에는 복수의 홀이 형성되며, 상기 복수의 컵 구조 및 복수의 홀을 이용하여 상기 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 가스와의 반응면적을 최대화할 수 있다.

또한, 상기 플라즈마 헤드의 전면에 상기 제 1 가스를 분사하는 복수의 가스 분사 노즐을 구성함으로써, 상기 플라즈마의 생성을 지원할 수 있다.

한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일례와 관련된 전자빔을 이용하여 시료의 상을 확대하는 전자현미경을 플라즈마를 이용하여 클리닝(cleaning)하는 방법은, 전자의 흐름을 이용하기 위해 진공인 진공챔버의 내부에 상기 시료를 배치하는 단계; 전자총을 이용하여 상기 전자빔을 생성하는 단계; 상기 생성된 전자빔을 상기 시료로 출력하는 단계; 전자렌즈가 상기 시료를 투과한 전자빔을 확대하여 형광판 위에 투영하는 단계; RF 콘트롤러가 기 설정된 범위의 무선주파수(RADIO FREQUENCY)를 갖는 제 1 신호를 생성하는 단계; 플라즈마 헤드가 플라즈마(Plasma)를 생성하는 단계; 상기 플라즈마 헤드가 상기 RF 콘트롤러로부터 상기 제 1 신호를 수신하는 단계; 상기 플라즈마 헤드가 상기 플라즈마 및 제 1 신호를 이용하여 활성화된 산소 라디칼(oxigen radical) 및 이온을 생성하는 단계; 상기 플라즈마 헤드가 상기 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 상기 진공챔버 내부로 공급하는 단계; 및 상기 진공챔버 내부로 공급된 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 이용하여 상기 진공챔버 내부에 존재하는 오염(contamination)을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 진공챔버 내부로 공급된 이온은 상기 진공챔버 및 시료에 형성된 정전기(static electricity)와 결합함으로써, 상기 전정기를 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 전자현미경은 투과형 전자현미경(transmission electron microscope, TEM), 주사형 전자현미경(scanning electron microscope, SEM), 주사투과형 전자현미경(scanning transmission electron microscope, STEM) 및 X선 micro analyzer(EFMA 또는 XMA)을 포함하고, 상기 진공챔버는 샘플챔버(SC) 및 시료교환챔버(SEC)를 포함할 수 있다.

상기와 같은 해결수단에 따르면, 본 발명은 Plasma Cleaning 시간의 단축을 제공할 수 있다. 즉, Plasma Source의 Plasma 발생 밀도를 기존 제품 대비 월등히 높게 구성하여 Cleaning 시간을 대폭 단축 시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명은 Plasma Head를 소형화시킬 수 있다. 기존 제품의 경우 Plasma Head의 제어 부품이 측면에 위치 해 있기 때문에 대상 장치의 구조물에 의해 장착의 제약이 발생하는 경우가 발생하였고, Sample Chamber에만 장착이 가능하기 때문에 SEC(시료 교환 챔버)에 장착하여 시료 표면 Cleaning이 사실상 불가능 하였다. 이에 반해, 본 발명은 모든 제어 부품을 Plasma Head 후단에 위치 하도록 구성 했기 때문에 Sample Chamber 및 Sample Exchange Chamber 모두 제약 없이 장착 할 수 있다.

또한, 본 발명은 대상기기 시료 표면의 Cleaning이 가능하다. 기존 제품은 SC에만 장착 가능하기 때문에 시료 표면을 Cleaning 하기 위해서는 고 진공 Pump를 정지 또는 차단 시키고 Cleaning을 실시 해야 하기 때문에 최소 3시간 이상이 소요 되었다. 따라서 시료 표면의 Cleaning 시간이 장시간 소요되어 기기 사용자들이 시료 표면 Cleaning용으로는 사용 할 수 없었다. 이에 반해 본 발명은 SEC에 장착 가능하기 때문에 고 진공 Pump의 정지나 별도 차단 없이 시료 교환실 내부에서 Cleaning 한 후 곧 바로 SC로 Loading 하여 관찰, 분석 할 수 있다는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명은 Wafer, LCD, Chamber 구조물의 대전 제거 효과를 제공할 수 있다. 즉, 반도체, LCD In-line 장비에 사용시 Plasma Source에서 대량의 Radical과 양이온을 생성하여 Chamber에 주입함으로써 여러 불량을 유발 할 수 있는 대전을 제거하는 효과도 탁월하다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명과 관련된 전자현미경 플라즈마 클리너 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명과 관련하여 전자 현미경의 샘플 챔버의 오염을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명과 관련하여 전자 현미경의 샘플 챔버 표면의 오염에 의한 영상 장해 관련 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명과 관련된 전자현미경 플라즈마 클리너 시스템의 또 다른 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 클리닝의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 플라즈마 클리너의 장착 형태에 따른 클리닝 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명과 관련하여 시료 교환실(SEC) 장착형의 시료 표면 클리닝 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8에서 설명한 장치를 적용하기 전과 적용한 이후의 시료 표면 상의 결과 데이터를 서로 비교한 것이다.
도 10은 본 발명과 관련하여, SC(시료실) 장착형의 시료 표면 클리닝 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10과 관련하여 샘플 챔버 내의 오염을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명과 관련하여, SC(시료실) 장착형의 시료 표면 클리닝 원리를 추가적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 10 내지 도 12에서 설명한 장치를 적용하기 전과 적용한 이후의 시료 표면 상의 결과 데이터를 서로 비교한 것이다.
도 14a 및 도14b는 본 발명에 적용되는 플라즈마 헤드를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명에 적용되는 RF 파워 콘트롤러의 구체적인 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명과 관련된 케이블 세트를 설명하기 위한 도면이다.
도 17는 본 발명에 따른 플라즈마 헤드의 내부 구성도의 일례를 도시한 것이다.
도 18a 및 도18b는 본 발명과 관련하여 플라즈마 헤드의 작동법을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명이 제안하는 트리플 컵 플라즈마 소스를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명과 관련된 멀티 가스 노즐의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 발명과 관련된 소형화 및 Full Auto Control을 설명하기 위한 도면이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.

도 1은 본 발명과 관련된 전자현미경 플라즈마 클리너 시스템의 일례를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전자현미경 플라즈마 클리너 시스템(10)은 플라즈마 헤드(100)와 플라즈마 콘트롤러(200)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 플라즈마 헤드(100)는 SEC 장착형 플라즈마 헤드, SC 장착형 플라즈마 헤드, SEC 및 SC 모두에 장착될 수 있는 플라즈마 헤드를 포함할 수 있다.

전술한 것과 같이, 전자현미경 진공 챔버 내부와 샘플 표면에 오염된 유기물과 자연 산화막(Native Oxide)등의 오염을 Cleaning 하는 문제가 대두되고 있다.

즉, 전자현미경의 진공 챔버와 샘플 표면의 유기물 오염은 전자현미경 영상의 관찰상에 심각한 장해 요인을 유발 시키는데, 관찰 영역의 오염 및 변형, 영상의 노이즈(Noise) 상승등 공간 분해능(Spatial Resolution)의 핵심 장해 요소가 되고 있다.

도 2는 본 발명과 관련하여 전자 현미경의 샘플 챔버의 오염을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, Sample Chamber의 오염에 대한 내용이 도시되어 있는데, SEM Sample Chamber의 Hydro Carbon등 유기물 분자와 Electron Beam간 충돌에 의해 양이온이 생성되어 Sample의 주사 영역에 증착되는 현상이 발생되고, 이에 따라 분해능이 저하되며, Pattern Damage & Shrinkage 영상 장해가 발생된다는 사실을 확인할 수 있다.

또한, 도 3은 본 발명과 관련하여 전자 현미경의 샘플 챔버 표면의 오염에 의한 영상 장해 관련 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, Native Oxide, 각종 유기성 오염 막질이 wafer의 표면 위에 형성됨으로써, 장치의 오동작 및 성능을 저하시키고 있다는 사실을 확인할 수 있다.

구체적으로 Surface Native Oxide(산화막), 각종 유기물 오염원, Sample Material Out-gas, 주사 영역에 흡착된 탄화수소(사각의 오염 영역 제거), 전처리 후 Sample 표면의 Residual Chemical 등이 문제가 된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명은 효과적인 플라즈마(Plasma) 발생을 위해 3중 구조의 플라즈마 생성 전극과 멀티 가스(Multi Gas) 분사 노즐을 갖춘 유기물 Cleaner를 제안하고자 한다. 구체적으로 본 발명은 전자 현미경의 챔버 내부와 전자 현미경의 샘플 표면을 플라즈마로 인해 생성된 래디칼(Redical)과 이온으로 Cleaning을 실시함으로써, 전자 현미경의 고분해능 영상 관찰 및 정밀 길이 측정, 패턴 변형 및 Damage 등을 대폭 개선하기 위한 장치를 제안하고자 한다.

본 발명과 관련된 전자현미경 플라즈마 클리너 시스템에서는

Low Power Plasma(<30W)를 이용 Oxygen Radical을 생성 후 Chamber내에 Flow 시켜주면, 시료 표면의 산화막, 유기물 오염의 제거 및 Pumping 되지 않고 Chamber 내에 머물던 Hydro-Carbon이 Oxygen Radical과 결합, CO2 및 H2O의 Gas로 활성화 된 후 Vacuum Pump로 제거될 수 있다.

본 발명이 제안하는 장치는 Plasma를 이용하여 SEM, TEM, FIB, Dual Beam등 분석 장치의 진공 Chamber 내부의 Contamination을 유발하는 Hydro Carbon, Native Oxide, Oil, Sample Outgas, 각종 유기물에 의한 SEM 관찰 영역의 오염원을 제거하는 장치이다.

먼저, Low Power RF(13.56MHz / 10~30W)를 분석 장치의 Vacuum Chamber에 장착된 고효율 Plasma Source (Triple Plasma Source)에 인가하여 Plasma에 의한, 활성화된 Oxygen Radical 및 이온을 생성시킨다.

이러한 Oxygen Radical과 이온들은 SEM Vacuum Chamber 내부 Pumping 흐름 방향으로 이동하게 된다. 이때 운동에너지가 매우 낮고 무거운 유기물 분자(탄화 수소류 : HnCn)와 반응하여 H2O 나 CO2로 화학 결합되어 활성화 되고 이로 인해 운동 에너지가 매우 높아진 유기물 분자들은 Vacuum Pump로 Pumping 되어 제거 된다.

또한, 여러 형태의 불량을 유발하는 반도체 Wafer나 LCD 액정 등의 시료 및 Chamber 구조물에 존재하는 정전기(대전)도 많은 양이온을 생성하여 주입 됨으로 대전된 전자와 결합하여 제거되기 때문에 정전기 제거 효과도 탁월하다. EM Plasma Cleaner 장치의 구성은 Low Power RF Generator, Matching Controller(Auto & Manual), 대상 장치의 Vacuum Chamber에 장착된 Plasma Source (Triple Cup Plasma Source)와 Vacuum Gauge등의 부가 제어 장치로 구성되어 있다. Operation은 One-touch 방식으로 매우 편리하게 구성되어 보통 Operator가 실시할 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 도 4 및 도 5는 본 발명과 관련된 전자현미경 플라즈마 클리너 시스템의 또 다른 일례를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, Low Power Plasma(<30W)를 이용 Oxygen Radical과 이온들을 생성 후 Chamber내에 Flow 시켜주면, Pumping 되지 않고 Chamber에 머물던 Hydro-Carbon이 Oxygen Radical이나 이온과 결합, CO2 및 H2O등의 Gas로 활성화 된 후 Vacuum Pump로 제거 됨. SC(Sample Chamber) 장착 및 SEC(Sample Exchange Chamber에 장착 할 수 있다.

도 5에서는 In-Lens Type SEM은 Side Entry Holder 도입 방식임으로 SC(Sample Chamber)에만 장착 가능한 구조를 제시하고 있다.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 클리닝의 성능을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, Electron Beam 및 Ion Beam 사용 장비의 Beam Contamination 제거되는 단계가 도시되어 있다.

또한, Sample 표면의 Native Oxide, Hydro Carbon, 유기 오염 등의 제거되는 구체적인 단계도 개시되어 있다.

또한, Contamination에 의한 Pattern Distortion의 개선의 내용도 도시되어 있다.

또한, SEM/FIB등의 Resolution의 개선(Ultra High Resolution의 실현)도 구체적으로 개시되어 있다.

또한, 반도체, LCD등 In-line 장비의 Wafer나 액정, Chamber 구조물에 존재하는 대전(정전기) 제거로 불량률을 개선하는 각각의 단계가 도시되어 있다.

또한, EDXS 분석 시 Vacuum Chamber내의 Carbon 및 Oxide 검출량이 개선되고, 반도체 Sample의 Pattern Shrink가 개선되는 구체적인 단계가 도시되어 있다.

또한, 도 7은 본 발명의 플라즈마 클리너의 장착 형태에 따른 클리닝 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 도 6에 따른 구성 제공에 따라 Cleaning System의 Vacuum Chamber에 장착된 Triple Plasma Source에 반도체 장치 규격인 13.56MHZ RF(~40W)를 인가, Oxygen Radical을 생성시킬 수 있다.

또한, Chamber에 Flow 시키면, 영상 장해를 유발시키는 Sample 표면의 각종 오염막이 Oxygen Radical과 결합, CO2 , H2O, O2의 Gas로 활성화 된 후 Vacuum Pump로 유입되어 제거될 수 있다.

여기서 각종 유기물, 산화막, Out-gas화 시료 막질, Chemical Residues등) 등이 제거될 수 있다.

결과적으로 FE-SEM의 Wafer(기타 Sample) Surface의 오염 물질을 Plasma를 이용한 Cleaning 실시로 고분해능 영상 관찰, e-beam Damage에 의한 Point 왜곡, Pattern Shrinkage EDXS 조성 분석의 정확도 개선하는 효과를 도출할 수 있다.

이를 종합해 보면, 1)초고분해능의 실현 2)Voltage Contrast 효과의 개선 3)Sample Damage의 최소화 4)Pattern Shrinkage의 개선 5)EDXS 분석 정확도 개선의 효과가 제공될 수 있다.

이하에서는 도 8 내지 도 13를 이용하여 본 발명에 따른 클리닝 단계 및 구성을 설명하고, 이에 따른 효과를 서술한다.

도 8은 본 발명과 관련하여 시료 교환실(SEC) 장착형의 시료 표면 클리닝 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 8에서 설명한 장치를 적용하기 전과 적용한 이후의 시료 표면 상의 결과 데이터를 서로 비교한 것이다.

도 8를 참조하면, Sample Chamber로 시료 도입 전 SEC에서 TMP(터보 분자 펌프) 정지 없이 시료 표면의 오염 물질을 Cleaning(약 5분 이내)하는 구체적인 단계가 도시되어 있다.

도 8를 참조하면, Plasma Head를 SEC 장착 후 Gate Valve가 잠김 상태일 경우엔 Sample 표면의 오염된 유기물이 Cleaning 된다.

SEC는 저진공 Pump만이 연결되어 있기 때문에 TMP를 정지 시키지 않고 빠른 시간 내에 시료 표면을 Cleaning 할 수 있다.

일반적인 반도체 시료는 5분 이내에 시료 표면의 오염 물질을 Cleaning 할 수 있다.

또한, TMP를 정지 시킨 후 Gate Valve를 개방하고 Plasma Cleaning을 실행 할 경우 산소 Radical 및 이온이 SC로 이동하게 되어 SC 내부의 오염 물질을 Cleaning 할 수 있으나, Gas의 흐름이 Chamber의 내부 깊이 침투하기가 어렵기 때문에, Plasma Head를 SC에 장착 시 보다 Cleaning 시간이 다소 길게 소요되고 효율이 감소 할 수 있다.

이러한 점을 개선하기 위해서는 SC Cleaning용 Plasma Head를 별도로 부착하는 것이 유리하다.

또한, 도 9을 참조하면, 유기물 Absorption Layer에 대한 영상 데이터에 있어서 클리닝 이후의 데이터인 오른쪽 데이터가 훨씬 더 선명하게 현출되는 것을 명확하게 확인할 수 있다.

한편, 도 10은 본 발명과 관련하여, SC(시료실) 장착형의 시료 표면 클리닝 원리를 설명하기 위한 도면이다.

또한, 도 11은 도 10과 관련하여 샘플 챔버 내의 오염을 설명하기 위한 도면이다.

또한, 도 12는 본 발명과 관련하여, SC(시료실) 장착형의 시료 표면 클리닝 원리를 추가적으로 설명하기 위한 도면이다.

또한, 도 13은 도 10 내지 도 12에서 설명한 장치를 적용하기 전과 적용한 이후의 시료 표면 상의 결과 데이터를 서로 비교한 것이다.

먼저, 도 10을 참조하면, FE-SEM등의 분석 장치 시료실 내부는 탄화수소 등의 유기물 분자로 인해 다양한 Image 장애 요소가 존재 한다

즉, 도 11에 도시된 것과 같이, Sample Chamber 내의 Contamination 현상이 발생될 수 있다.

이때, 도 12에 도시된 것과 같이, 시료실(SC) 장착형의 Vacuum Chamber Cleaning의 원리가 적용될 수 있다. 구체적으로 TMP(터보 분자 펌프) 정지 후 Dry Pump만 가동 상태에서 Sample Chamber 내에 존재하는 유기물을 Radical 및 이온을 이용하여 Cleaning 실시(1시간 ~ 2시간 소요)하는 방법이 이용될 수 있다.

도 12을 참조하면, Plasma Head에서 생성시킨 산소 Radical/Ion등은 Sample Chamber 내에서 Pumping 되지 않고 흡/탈착 하거나 떠도는 유기 분자와 결합하여 CO2나 H2O의 형태로 활성화 되어 Pump 방향으로 Pumping 된다.

또한, SC 장착의 경우 Plasma Cleaning의 압력이 ≒6×10-1 Torr 이기 때문에 TMP(터보 분자 펌프)를 정지 시킨 후 DP(Dry Pump) 혹은 Rotary Pump등의 저진공 펌프만 동작시켜 Cleaning을 실시 해야 한다.

일반적으로 Cleaning 시간은 1시간~2시간 정도 소요 된다.

또한, 도 13을 참조하면, 유기물 Absorption Layer에 대한 영상 데이터에 있어서 클리닝 이후의 데이터인 오른쪽 데이터가 훨씬 더 선명하게 현출되는 것을 명확하게 확인할 수 있다.

한편, 도 14a 및 도 14b는 본 발명에 적용되는 플라즈마 헤드를 설명하기 위한 도면이다.

도 14a 및 도 14b를 참조하면, 플라즈마 헤드의 전면으로서 고효율 Triple-Cup Plasma Source가 도시되어 있고, Plasma Cleaner Head의 외부 구성으로서 DC24V Valve Control, RF Power(BNC Port), Pirani Gauge(LAN Port), Gas In(Air or O2), Needle Valve(Manual)이 도시되어 있다.

도 15는 본 발명에 적용되는 RF 파워 콘트롤러의 구체적인 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 15의 (a)는 본 발명에 적용되는 RF 파워 콘트롤러의 전체 형태를 도시한 것이고, (b)는 전면을 도시한 것이며, (c)는 후면을 도시한 것이다.

RF Power Controller 13.56MHZ 10~30W(Max 40W)의 고주파를 공급하는 장치로써 Cleaning Process가 Programing 되어 전 과정이 자동화되어 있다.

한편, 도 16은 본 발명과 관련된 케이블 세트를 설명하기 위한 도면이다.

도 16의 (a)에는 케이블 세트 전체가 도시되어 있고, (b)는 Head Assy부를 도시하고 있으며, (c)는 Controller 부를 도시하고 있다.

또한, 본 발명의 효과가 증대되어 제공되기 위해서는 다음과 같은 환경이 더 바람직하다.

즉, 본 발명에 따른 고주파 발전기는 실내와 고도 2000m 미만에서 사용하도록 디자인되었으므로, 교류전압 변동 폭은 Spec의 ±10% 이고, 설치 장소의 기온은 5℃ 와 35℃ 사이가 적당하고, 설치 장소의 상대 습도는 80% 이하가 바람직하며, 설치 장소는 먼지 또는 용액과 산성 증기가 없는 곳이 적당하고, 설치 장소 진동이 없는 곳이 바람직하다.

한편, 도 17는 본 발명에 따른 플라즈마 헤드의 내부 구성도의 일례를 도시한 것이다.

도 17를 참조하면, Triple Cup Plasma Electrode, Multi Nozzle, Solenoid Valve, RF 인가용 Feed-through, Micro Needle Valve, Pirani Gauge의 구체적인 구성이 도시되어 있다.

한편, 도 18a 및 18b는 본 발명과 관련하여 플라즈마 헤드의 작동법을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 18a을 참조하면, Plasma Chamber, Plasma 전극(3중 구조), Multi Gas Nozzle, Gas 미세 조절 밸브, Gas On/off 밸브, 진공게이지, Plasma Controller, Gas In(Air or O2), Plasma Out, SEM Chamber 등의 구체적인 모습이 도시되어 있다.

또한, 도18b를 참조하면, Multi Gas Nozzle과 관련된 12-Orifice에 대한 구체적인 정보가 도시되어 있다.

구체적으로 Plasma Cleaning을 실시하기 전에 먼저 (10.SEM 및 기타 분석 관련 진공장치)를 저 진공 Pump(Dry Pump, Oil Rotary Pump등) 만 Chamber를 Pumping 하도록 동작 시킨다.

TMP나 Diffusion Pump등의 고진공 Pump는 Valve를 차단 시킨다. 차단 Valve가 없을 경우엔 동작을 정지 시킨다.

또한, Plasma Cleaning 대상 분석기기의 Vacuum Chamber가 저 진공(<1Pa Pump) 만 Pumping 하는 상태에서 Plasma Controller의 메인 전원을 On 시키고 대상 Chamber의 압력이 8×10-1Torr 이하의 압력 상태가 되면 자동으로 Gas On/off 밸브에 전원이 인가되어 Open 된다.

만약 8×10-1Torr에 도달하지 않을 경우에는 Plasma Controller에서 고주파를 인가 할 수 없다.

Gas 미세 조절 밸브를 조정하여(5×10-1Torr ~ 7×10-1Torr) 이내의 압력이 되도록 조정한다.

이때, Gas In)에서 유입된 Air 또는 O2 Gas는 Multi Gas Nozzle -12 Orifice를 통해 Plasma 전극에 고르게 분사 된다.

진공의 Reading은 진공게이지에서 인식하여 Plasma Controller에서 Display 됨으로 Cleaning 대상기기에 장착된 진공 Display는 무시하고 Plasma Controller에 Display 되는 수치를 참조 하면 된다.

Gas 미세 조절 밸브는 초기 조정 후 밸브를 별도 조정하지 않는 한 Gas의 유입량이 변하지 않기 때문에 차후 Cleaning시, 허용 압력을 벗어 나지 않을 경우엔 조정이 필요치 않다.

대상 Chamber의 압력이 허용 압력 이내가 되면 Plasma Controller에서 고주파 13.56MHZ 10W~40W를 Plasma 전극을 Triple Cup Plasma Source에 인가 하게 된다.

이때, Plasma 전극)에서는 Plasma가 발생하게 된다.

Multi Gas Nozzle)의 12개의 Orifice에서 3중 구조의 Plasma 전극에 고르게 분사되기 때문에 Plasma 발생 효율은 극대화 된다.

Plasma 전극에서 Plasma에 의해 전리 활성화 된 산소 Radical(O) 및 산소 이온(O＋)등이 생성되어 대상기기로 흘러 들어간다.

대상기기 내부 Chamber 구조 물이나 시료 표면의 유기물(탄화 수소류) 등과 결합하여 CO2나 H2O등으로 화학 결합 및 활성화 되어 대상기기 Pump로 Pumping 되어 제거 된다.

Cleaning 시간은 Sample Chamber의 경우 그 용적에 따라 1 ~3시간 정도 소요 되며, 관찰 및 분석 시료 표면의 경우, 시료 종류에 따라 수십 초 ~ 10분 정도 시간이 소요 된다.

Cleaning이 완료 되면 Plasma Cleaner에서 인가되는 RF는 Off되고 Gas On/off 밸브는 Close 된다.

그 이후 대상기기의 필요 진공이 Pumping 완료되면, 유기물 오염이 없는 고 분해능 영상 획득 및 정밀 분석이 가능하다.

한편, 본 발명의 특이사항으로 트리플 컵 플라즈마 소스가 이용될 수 있다.

도 19는 본 발명이 제안하는 트리플 컵 플라즈마 소스를 설명하기 위한 도면이다.

도 19의 (a)는 플라즈마 소스의 외형을 도시한 것이고, (b)는 플라즈마 소스의 내부 구조를 도시한 것이다.

도 19를 참조하면, Plasma 전극의 구조를 3중 Cup 형태로 구성 하였으며, 모든 면에 걸쳐 Multi Hole(2mm) 구조 형태로 제작되어 플라즈마 생성 Gas와의 반응 면적을 최대화할 수 있다.

따라서 Gas의 이온화 손실율을 최소화 하고 Plasma 발생 효율을 최대화 할 수 있다.

이에 따라 기존 제품 대비 2배 이상의 Cleaning 효율 및 대전 제거 효율을 얻을 수 있다.

한편, 도 20은 본 발명과 관련된 멀티 가스 노즐의 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 20의 (a)를 참조하면, 멀티 가스 노즐의 구조가 도시되어 잇고, (b)에는 가스 흐름의 방향이 도시되어 있다.

도 20를 참조하면, 기존 제품은 Plasma Gas를 측면 중간 부분 Single 분사 구조로 구성되어 있기 때문에 Plasma 전극에 고른 분포를 이루지 못하고 측면 부분에만 유입되어 플라즈마 발생 효율이 매우 떨어졌다

이에 반해, 본 발명은 Plasma 전극 구조를 고려, Gas 유입 후 전극 전면에 걸쳐 고른 분사 구조를 갖도록 구성 하였다.

즉, Gas 유입부(전극 후단)에 12개의 Orifice(Φ1mm) 형태의 Gas 분사 노즐을 구성함으로써 Plasma 전극 전면에 고르게 Gas가 충돌하게 되어 고주파 인가 시 최대의 Plasma 발생 효율을 얻을 수 있으므로 기존 제품 대비 2배 이상 빠른 Cleaning 효율 및 대전 제거 효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 21은 본 발명과 관련된 소형화 및 Full Auto Control을 설명하기 위한 도면이다.

도 21을 참조하면, Plasma 제어를 위한 부가 장치(Vacuum Gauge, Gas On/off, RF 인가용 Feed-through, Gas 미세 조절 Valve등)의 Plasma Head 후단에 모두 위치 하도록 구성하여 직경 및 Size를 최소화 하였다.

따라서 Plasma Head Size에 의해 대상 장치에 장착의 제약이 발생되는 경우를 개선 하였고 모든 제어 신호를 Head 후단에 연결하기 때문에 연결 케이블을 단순화시킬 수 있다.

또한, 대상 기기 Cleaning 압력 제어, RF On/off, Cleaning 완료 후 대상기기 Pumping Start를 Plasma Controller에 Programing 하여 Cleaning 전 과정을 대부분 자동화할 수 있다.

전술한 본 발명의 구성이 적용되는 경우, Plasma Cleaning 시간의 단축을 제공할 수 있다. 즉, Plasma Source의 Plasma 발생 밀도를 기존 제품 대비 월등히 높게 구성하여 Cleaning 시간을 대폭 단축 시킬 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

전자빔을 이용하여 시료의 상을 확대하는 전자현미경을 플라즈마를 이용하여 클리닝(cleaning)하는 장치에 있어서,
상기 시료를 내부에 배치하고, 전자의 흐름을 이용하기 위해 상기 내부가 진공인 진공챔버;
상기 전자빔을 생성하고, 상기 생성된 전자빔을 상기 시료로 출력하는 전자총;
상기 시료를 투과한 전자빔을 확대하여 형광판 위에 투영하는 전자렌즈;
기 설정된 범위의 무선주파수(RADIO FREQUENCY)를 갖는 제 1 신호를 생성하는 RF 콘트롤러; 및
플라즈마(Plasma)를 생성하고, 상기 RF 콘트롤러로부터 상기 제 1 신호를 수신하며, 상기 플라즈마 및 제 1 신호를 이용하여 활성화된 산소 라디칼(oxigen radical) 및 이온을 생성하고, 상기 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 상기 진공챔버 내부로 공급하는 플라즈마 헤드;를 포함하되,
상기 진공챔버 내부로 공급된 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 이용하여 상기 진공챔버 내부에 존재하는 오염(contamination)을 제거하고,
상기 오염은 탄화수소(hydrocarbon) 유기물 분자, 상기 시료가 대기 중에 보관되었을 때 형성된 자연 산화막, 오일(oil), 샘플 아웃가스(sample Outgas)를 포함하며,
상기 활성화된 산소 라디칼 및 이온 중 적어도 하나는 상기 오염과 반응하여 물(H2O) 또는 이산화탄소(CO2)를 생성하고,
상기 물(H2O) 또는 이산화탄소(CO2)의 생성에 의해 운동 에너지가 높아지는 것을 이용하여 상기 오염은 상기 진공챔버의 외부로 배출되며,
상기 진공챔버 내부로 공급된 이온은 상기 진공챔버 및 시료에 형성된 정전기(static electricity)와 결합함으로써, 상기 정전기를 제거하고,
상기 진공챔버는 시료교환챔버(SEC)이고,
상기 오염은 상기 시료교환챔버(SEC) 내에 배치된 상기 시료가 대기 중에 보관되었을 때 형성된 자연 산화막, 오일(oil), 샘플 아웃가스(sample Outgas) 중 적어도 하나이며,
상기 플라즈마 헤드 내의 플라즈마 전극은 복수의 컵으로 겹쳐지는 구조로 제작되고,
상기 복수의 컵 각각의 면에는 복수의 홀이 형성되며,
상기 복수의 컵 구조 및 복수의 홀을 이용하여 상기 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 가스와의 반응면적을 최대화하고,
상기 플라즈마 헤드의 전면에 상기 제 1 가스를 분사하는 복수의 가스 분사 노즐을 구성함으로써, 상기 플라즈마의 생성을 지원하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 클리너.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 운동 에너지가 높아진 오염은 진공 펌프(vacuum pump)에 의한 펌핑 동작에 의해 상기 진공챔버의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 클리너.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 전자현미경은 투과형 전자현미경(transmission electron microscope, TEM), 주사형 전자현미경(scanning electron microscope, SEM), 주사투과형 전자현미경(scanning transmission electron microscope, STEM) 및 X선 micro analyzer(EFMA 또는 XMA) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 클리너.
삭제
삭제
삭제
전자빔을 이용하여 시료의 상을 확대하는 전자현미경을 플라즈마를 이용하여 클리닝(cleaning)하는 방법에 있어서,
전자의 흐름을 이용하기 위해 진공인 진공챔버의 내부에 상기 시료를 배치하는 단계;
전자총을 이용하여 상기 전자빔을 생성하는 단계;
상기 생성된 전자빔을 상기 시료로 출력하는 단계;
전자렌즈가 상기 시료를 투과한 전자빔을 확대하여 형광판 위에 투영하는 단계;
RF 콘트롤러가 기 설정된 범위의 무선주파수(RADIO FREQUENCY)를 갖는 제 1 신호를 생성하는 단계;
플라즈마 헤드가 플라즈마(Plasma)를 생성하는 단계;
상기 플라즈마 헤드가 상기 RF 콘트롤러로부터 상기 제 1 신호를 수신하는 단계;
상기 플라즈마 헤드가 상기 플라즈마 및 제 1 신호를 이용하여 활성화된 산소 라디칼(oxigen radical) 및 이온을 생성하는 단계;
상기 플라즈마 헤드가 상기 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 상기 진공챔버 내부로 공급하는 단계; 및
상기 진공챔버 내부로 공급된 활성화된 산소 라디칼 및 이온을 이용하여 상기 진공챔버 내부에 존재하는 오염(contamination)을 제거하는 단계;를 포함하되,
상기 오염은 탄화수소(hydrocarbon) 유기물 분자, 상기 시료가 대기 중에 보관되었을 때 형성된 자연 산화막, 오일(oil), 샘플 아웃가스(sample Outgas)를 포함하고,
상기 활성화된 산소 라디칼 및 이온 중 적어도 하나는 상기 오염과 반응하여 물(H2O) 또는 이산화탄소(CO2)를 생성하며,
상기 물(H2O) 또는 이산화탄소(CO2)의 생성에 의해 운동 에너지가 높아지는 것을 이용하여 상기 오염은 상기 진공챔버의 외부로 배출되고,
상기 진공챔버 내부로 공급된 이온은 상기 진공챔버 및 시료에 형성된 정전기(static electricity)와 결합함으로써, 상기 정전기를 제거하는 단계;를 더 포함하며,
상기 진공챔버는 시료교환챔버(SEC)이고,
상기 오염은 상기 시료교환챔버(SEC) 내에 배치된 상기 시료가 대기 중에 보관되었을 때 형성된 자연 산화막, 오일(oil), 샘플 아웃가스(sample Outgas) 중 적어도 하나이고,
상기 플라즈마 헤드 내의 플라즈마 전극은 복수의 컵으로 겹쳐지는 구조로 제작되고,
상기 복수의 컵 각각의 면에는 복수의 홀이 형성되며,
상기 복수의 컵 구조 및 복수의 홀을 이용하여 상기 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 가스와의 반응면적을 최대화하고,
상기 플라즈마 헤드의 전면에 상기 제 1 가스를 분사하는 복수의 가스 분사 노즐을 구성함으로써, 상기 플라즈마의 생성을 지원하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마를 이용한 클리닝 방법.
삭제
삭제
제 10항에 있어서,
상기 운동 에너지가 높아진 상기 오염은 진공 펌프(vacuum pump)에 의한 펌핑 동작에 의해 상기 진공챔버의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마를 이용한 클리닝 방법.
삭제
제 10항에 있어서,
상기 전자현미경은 투과형 전자현미경(transmission electron microscope, TEM), 주사형 전자현미경(scanning electron microscope, SEM), 주사투과형 전자현미경(scanning transmission electron microscope, STEM) 및 X선 micro analyzer(EFMA 또는 XMA) 중 어느 하나이고,
상기 진공챔버는 샘플챔버(SC) 및 시료교환챔버(SEC)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마를 이용한 클리닝 방법.