KR20000058187A

KR20000058187A - 집속 이온 빔 장치

Info

Publication number: KR20000058187A
Application number: KR1020000009206A
Authority: KR
Inventors: 스기야마야스히코; 오이마사미치
Original assignee: 핫토리 쥰이치; 세이코 인스트루먼트 가부시키가이샤
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2000-09-25
Also published as: KR20010042622A; US6472881B1; TW449873B; WO2000052730A1; JP2000251751A

Abstract

액체 금속 이온 소스의 사용동안 방출 전류(Ie)가 변하는 것을 방지하기 위해서, 전류계의 전류값(Ie)에 의존하여 억제 전압으로의 인가 전압(Vsup)이 제어된다. 만약 상기 전압(Vsup)이 변하게 되면, 억제 전극과 추출 전극 사이에 기생적으로 형성되는 정전 렌즈의 광학축이 변하게 되어 이온 빔 조사 위치가 일탈된다. 이러한 위치 일탈을 방지하기 위해서, 억제 전극은 수평 방향으로 일탈되어 상기 렌즈의 광학축을 보정하게 된다.

Description

집속 이온 빔 장치{FOCUSED ION BEAM APPARATUS}

본 발명은 액체 금속 이온 소스(liquid metal ion source)를 사용하는 집속 이온 빔 장치에 관한 것이다.

집속 이온 빔 장치는 FIB(Focused Ion Beam) 장치로도 칭해지는데, 이것은 이온 광학 시스템에 의해 금속 이온을 집속시키고 집속된 이온 빔을 샘플에 조사하기 위한 장치이다. 집속 이온 빔 장치는, 예를 들면, 주사 이온 현미경(scanning ion microscope; SIM) 관측에 사용될 수 있으며, 또한 마스크를 사용하지 않고 박막 침착(deposition) 또는 에칭을 수행할 수도 있다.

집속 이온 빔 장치의 이온 소스로서는, 일반적으로 액체 금속 이온 소스가 사용된다. 액체 금속 이온 소스는 LMIS(Liquid Metal Ion Source)로도 칭해지는데, 이것은 이온 빔을 생성하기 위해 용융 상태의 금속으로부터 이온을 추출하기 위한 장치이다.

액체 금속 이온 소스에 있어서, 액체 금속은 바늘 형상의 에미터 전극의 표면 상에 놓여지고 집중 전계(concentration electric field)는 상기 에미터 전극의 끝에서 생성되어, 금속 이온을 추출하게 된다. 집중 전계 생성을 위해, 추출 전극(extractor electrode)과 억제 전극(suppressor electrode)이 사용된다.

집속 이온 빔 장치에 있어서, 추출 전극과 억제 전극에 전압이 인가되면, 정전 렌즈(electrostatic lens)가 추출 전극과 억제 전극 사이에 기생적으로 형성된다. 정전 렌즈의 특성은 추출 전극 또는 억제 전극에 인가되는 전압의 변화에 의해 변한다. 광학축, 초점 거리 등에서 정전 렌즈가 변화되는 경우, 이온 빔은 조사 위치 또는 초점 위치에서 일탈하여, 정확하게 3차원 형상의 샘플을 만드는 것이 불가능하게 된다. 이러한 이유로, 정전 렌즈의 특성이 변하는 것을 방지하기 위해, 종래의 집속 이온 빔 장치는 추출 전극과 억제 전극을 정전압으로 유지한 상태에서 사용되어 왔다.

종래의 집속 이온 빔 장치에 있어서, 서비스 시간이 길게되는 경우, 방출 전류(emission current)(즉, 에미터 전극으로부터의 이온 방전 양)가 변하게 된다는 문제점이 있다. 방출 전류에서의 이러한 변화는 에미터 전극 상에 놓여지는 불순물/산화막 등의 증가, 에미터 전극의 끝에 형성되는 액체 금속 막의 막 두께 변화 등에 의해 유발된다.

만약 방출 전류가 변하게 되면, 샘플에 실질적으로 제공되는 이온의 전류(이하, "샘플 전류"로 칭함)가 변하게 되어, 박막 침착율 또는 박막 에칭율에서의 변화로 나타나게 된다. 이 때문에, 샘플을 3차원적으로 정확하게 가공하는 것이 불가능하게 된다.

본원에선, 방출 전류에서의 변화를 방지하기 위해서, 추출 전극 또는 억제 전극의 전압은 에미터 전극의 끝 단부에서 생성되는 집중 전계의 강도를 조정하도록 변화될 것이다. 그러나, 상기 상술된 바와 같이, 추출 전극 또는 억제 전극의 전압이 변화되는 경우, 추출 전극과 억제 전극 사이에 기생적으로 형성되는 정전 렌즈의 특성이 변하게 되어, 샘플 가공 위치 등의 정밀도를 저하시킨다.

본 발명은 종래 기술의 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 샘플을 정확하게 가공할 수 있는 집속 이온 빔 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

(1) 본 발명은 추출 전극과 억제 전극을 사용함으로써 에미터 전극의 끝에서 생성되는 집중 전계에 의해 에미터 전극의 끝에 놓여진 액체 금속으로부터 금속 이온을 추출하며 이온 광학 시스템을 사용하여 샘플에 금속 이온을 조사하는 집속 이온 빔 장치에 관한 것이다.

추출 전극의 전압을 고정하고 에미터 전극의 전류가 일정하게 되도록 억제 전극의 전압을 제어하기 위한 전압 제어 수단; 및 억제 전극과 추출 전극 사이에 기생하는 정전 렌즈의 광학축의 변화를 보정하기 위해 억제 전극의 전압 변화에 의존하여 억제 전극의 위치를 조정하기 위한 위치 조정 수단을 구비한다.

본 장치에 따르면, 에미터 전극 전류는 억제 전극의 전압을 조정함으로써 일정하게 될 수 있다. 또한, 억제 전극 전압 변화로 인한 기생 정전 렌즈의 광학축 변화는 억제 전극의 위치 조정에 의해 보정될 수 있다. 따라서, 샘플을 정확하게 가공하는 것이 가능하다.

(2) 본 발명에 따른 집속 이온 빔 장치는 정전 렌즈의 특성 변화에 기초하여 이온 빔 조사 위치에서의 변화를 보정하기 위해서 억제 전극의 전압 변화에 의존하여 광학 시스템 내의 편향 전극의 전압을 보정하기 위한 편향 전압 보정 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이것에 의해, 정전 렌즈 광학축 변화의 영향을 보정함으로써 샘플 가공 정밀도는 더 향상된다.

(3) 여기서, 편향 전극으로서 정렬기(aligner), 스티그메이터(stigmator) 또는 편향기의 전부 또는 임의의 것이 사용될 수 있다.

이것에 의해, 기존의 광학 부품을 활용함으로써 가공 정밀도의 향상이 낮은 가격에서 실현될 수 있다.

(4) 본 발명에 따른 집속 이온 빔 장치는 정전 렌즈의 초점 거리에서의 변화를 보정하기 위해 억제 전극의 전압 변화에 의존하여 광학 시스템 내의 대물 렌즈의 전압을 보정하기 위한 대물 렌즈 전압 보정 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이것에 의해, 정전 렌즈 초점 거리 변화의 영향을 억제하여 샘플 가공 정밀도가 더 향상될 수 있다.

(5) 본 발명에 따른 집속 이온 빔 장치는 광학 시스템 내의 조리개 수단(stop means)에 의해 검출되는 전류값에 의존하여 광학 시스템 내의 커패시터 렌즈의 전압을 보정하기 위한 커패시터 렌즈 전압 보정 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

에미터 전극 전류뿐만 아니라 광학 시스템 내의 조리개 수단에 의해 검출되는 전류를 제어함으로써, 샘플에 실질적으로 제공되는 이온 양이 정확하게 제어될 수 있게되어, 샘플 가공 정밀도를 더 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 집속 이온 빔 장치의 중요 구조를 개략적으로 도시하는 투시도.

도 2는 도 1에 도시된 액체 금속 이온 소스의 확대된 단면 구조를 도시하는 개념도.

도 3은 실시예에 따른 집속 이온 빔 장치의 전기적 구성을 설명하는 블록도.

♠도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♠

100 : 집속 이온 빔 장치 110 : 액체 금속 이온 소스

120 : 이온 광학 시스템 121 : 커패시터 렌즈

122 : 빔 블랭커(beam blanker) 123 : 정렬기

124 : 가동 조리개 125 : 스티그메이터

126, 127 : 대물 렌즈 128 : 편향기

130 : 2차 전자 검출기 140 : 가스총

150 : 이온 빔 160 : 샘플

이하, 본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다. 먼저, 도면에서, 구성 성분의 크기, 모양 및 배치 관계는 본 발명을 이해하는 선에서 개략적으로 도시되었으며, 하기에 설명될 수치적 조건은 단지 예시에 지나지 않는다.

도 1 내지 도 3은 본 실시예에 따른 집속 이온 빔 장치(100)의 구조를 도시하는 도면이다. 도 1은 집속 이온 빔 장치(100)의 본질적인 기구(mechanism)를 도시하는 개략적인 투시도이다. 도 2는 액체 금속 이온 소스(110)의 확대된 단면 구조를 도시하는 개념도이다. 도 3은 집속 이온 빔 장치(100)의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.

액체 금속 이온 소스(110)에 있어서, 바늘(111)은 코일 형태의 저수지부(coil-formed reservoir portion; 111a)와 바늘 형상의 에미터 전극(111b)을 구비하고 있다. 상기 저수지부(111a)는 액체 금속, 즉 용융된 상태의 이온 재료(도시되지 않음)를 보유하기 위해 사용된다. 저수지부(111a)에 보유된 액체 금속을 흘려보냄으로써, 액체 금속 막이 에미터 전극(111b)의 표면 상에 형성된다. 그 다음, 에미터 전극(111b)의 끝에 집중 전계를 발생시킴으로써, 금속 이온은 이 끝 부분의 액체 금속 막으로부터 인출된다. 바늘(111)은, 예를 들면, 텅스텐으로 형성할 수 있다. 또한, 이온 재료로서는 예를 들면 갈륨이 사용될 수 있다.

필라멘트(112)는 전류원(311a)(도 3에서 도면 부호 311로 도시됨)으로부터 제공되는 전류에 의해 바늘(111)을 가열한다. 이것에 의해, 갈륨과 같은 이온 재료는 용융 상태로 유지될 수 있다. 또한, 필라멘트(112)의 온도에 의해, 에미터 전극(111b)의 표면 상에 형성되는 액체 금속 막의 막 두께를 제어하는 것이 가능하다. 방출 전류(Ie)의 크기는 이 막 두께에 의존한다. 방출 전류(Ie)는 전류계(312)에 의해 측정된다.

베이스(113)는 필라멘트(112)와 하기에 언급될 억제 전극(114)을 지탱한다. 이 베이스(113)는 예를 들면 유리 등의 절연 재료로 형성된다.

억제 전극(114)에는 전압원(311b)(도 3에서 도면 부호 311로 도시됨)에 의해 양 또는 음의 낮은 억제 전압(Vsup)이 인가된다. 본 실시예에서, 억제 전압(Vsup)을 조정하여 에미터 전극(111b)의 끝에서 발생되는 집중 전계의 강도를 조정한다. 이러한 조정에 의해서, 방출 전류(Ie)는 일정한 값으로 제어된다. 또한, 억제 전극(114)은 구동 기구(313)에 의해 수평 방향으로 위치 조정되도록 구성된다.

추출 전극(115)에는 전압원(311c)(도 3에서 도면 부호 311로 도시됨)에 의해 수십 킬로볼트의 추출 전압(Vext)이 인가된다. 이 추출 전압(Vext)에 의해, 에미터 전극(111b)의 끝에서 아주 강한 집중 전계가 발생될 수 있다. 이 집중 전계에 의해, 금속 이온은 액체 금속으로부터 추출된다.

캐소드(116)는 전압원(311d)(도 3에서 도면 부호 311로 도시됨)의 마이너스 단자에 접속되고 또한 접지된다. 이것은 캐소드(116)와 에미터 전극(111b) 사이에 Vacc의 전위차, 즉 가속 전압을 제공한다. 이 가속 전압(Vacc)에 의해 생성되는 전계에 의해, 에미터 전극(111b)의 끝에서부터 추출된 금속 이온은 가속되어 이온 빔(150)을 형성하게 된다.

이온 광학 시스템(120)의 커패시터 렌즈(121)는 전계를 발생시켜 이온 빔(150)이 굴절되도록 하여, 평행 빔을 형성한다. 커패시터 렌즈(121)의 전압은 전압원(321)에 의해 인가된다. 또한, 하기에 언급되겠지만, 본 실시예는 가동 조리개(movable stop; 124) 내에 흐르는 이온 빔(150)을 조정하도록 커패시터 렌즈(121)의 굴절율을 제어하여, 샘플 전류를 조정한다.

빔 블랭커(beam blanker; 122)는 이온 빔(150)이 샘플(160)에 조사되지 않고 있는 경우에 전계를 발생시켜 이온 빔(150)을 굴절시킨다. 빔 블랭커(122)의 전압은 전압원(322)에 의해 인가된다.

정렬기(123)는 이온 빔(150)의 축을 조정하도록 전계를 발생시킨다. 정렬기(123)의 전압은 전압원(323)에 의해 인가된다.

가동 조리개(124)는 직경이 다른 다수의 관통 구멍을 구비하며 이들 관통 구멍 중 임의의 것을 사용함으로써 이온 빔의 직경을 조정한다. 사용되는 관통 구멍은 구동 기구(324a)에 의해 가동 조리개(124)의 위치를 이동함으로써 선택된다. 관통 구멍을 통과하지 않고 가동 조리개(124) 내에 흐르는 이온 전류는 전류계(324b)에 의해 측정된다.

스티그메이터(stigmator; 125)는 전계를 발생시킴으로써 이온 빔(150)의 조사면이 원형이 되도록 빔 형태를 정렬한다. 스티그메이터(125)의 전압은 전압원(325)에 의해 인가된다.

대물 렌즈(126)는 샘플(160)의 표면 상에 이온 빔이 초점을 맞추도록 전계의 세기만큼 초점 거리를 조정한다. 대물 렌즈의 전압은 전압원(326)에 의해 인가된다.

편향기(127)는 전계에 의해 이온 빔(150)의 조사 위치를 주사한다. 편향기(127)의 전압은 전압원(327)에 의해 인가된다.

또한, 2차 전자 검출기(130)는 이온 빔(150)을 샘플(160)의 표면에 조사할 때 생성되는 2차 전자를 검출하고 이들을 모니터(330)로 전송한다.

가스총(gas gun; 140)은 가스 공급 기구(340)로부터 공급되는 침착 가스 또는 에칭 가스를 샘플(160)의 표면으로 내뿜는다.

제어부(300)는 전류원(312, 324b)으로부터 전류값을 입력하고, 모니터(330)로부터 2차 전자 검출 결과를 입력한다. 이들 입력값에 기초하여, 전압원(311, 321-323, 325-327) 및 기구(312, 324a, 340)가 제어된다.

다음에, 이온 빔 장치(100)에 대해서 설명된다.

먼저, 제어부(300)는 억제 전극(114)과 가동 조리개(124)를 소정의 위치로 이동시키기 위해 구동 기구(313, 324a)를 제어한다. 다음, 제어부(300)는 전류원과 전압원의 각각을 제어하여, 공급 전류와 인가 전압을 초기값으로 설정한다. 이것에 의해 액체 금속 이온 소스(110)에 의한 이온 빔(150)의 방출이 시작된다.

여기서, 만약 전압(Vsup, Vext)이 억제 전극(114)과 추출 전극(115)에 인가되면, 정전 렌즈(200)는 억제 전극(114)과 추출 전극(115) 사이의 공간에 기생적으로 형성된다(도 2 참조).

그 다음, 종래의 집속 이온 빔 장치와 유사하게, 샘플(160)에 대해 현미경 관찰, 박막 침착, 박막 에칭 등이 수행된다. 샘플(160)에 대해서 침착 또는 에칭이 수행되는 경우, 가스 구동 기구(340)는 샘플(160)로 가스 공급을 개시하도록 제어된다.

만약 액체 금속 이온 소스(110)의 서비스 시간이 장시간 동안 계속되면, 방출 전류(Ie)는 변하게 된다. 일반적으로, 만약 이 서비스 시간이 소정 시간에 도달하면, 방출 전류(Ie)는 상승하기 시작한다. 앞서 언급한 바와 같이, 방출 전류(Ie)의 값은 전류계(312)에 의해 측정되고 제어부(300)로 전송된다. 제어부(300)는 추출 전압(Vext)을 고정한 상태에서 억제 전압(Vsup)을 조정함으로써 전류(Ie)를 설정된 값으로 유지한다.

일반적으로, 억제 전압(Vsup)이 변하게 되면, 기생 정전 렌즈(200)의 렌즈 특성도 변하게 된다. 본 실시예에서, 억제 전압(Vsup)에서의 변화로 인해 정전 렌즈(200)의 광학축 변화를 억제하기 위해 억제 전극(114)의 위치를 조정하는 것이 가능하다. 이 위치 조정은 구동 기구(313)에 의해 수행된다. 제어부(300)는 억제 전압(Vsup)의 변화량에 따라 위치 조정이 행해지도록 구동 기구(313)를 제어한다. 억제 전극(114)의 위치 조정은 원칙적으로 이온 빔(150)에 대한 수직 방향에 대해서 수행된다.

또한, 제어부(300)는 2차 전자의 검출 결과를 사용하는 원포인트 드리프트 보정(one-point drift correction)을 수행한다. 상기 언급된 바와 같이, 2차 전자는 2차 전자 검출기(130)에 의해 검출되고 모니터(300)에 의해 측정되며, 검출 결과는 제어부(300)로 전송된다. 이 2차 전자 검출 결과를 사용하여, 제어부(300)는 기생 정전 렌즈(200)에서의 특성 변화에 의한 이온 빔 조사의 일탈을 보정한다. 이 드리프트 보정은, 예를 들면, 보정 전압을 정렬기(123) 및 스티그메이터(125)의 인가 전압에 중첩함으로써 수행될 수 있다. 또한, 드리프트 보정은 보정 전압을 스티그메이터(125) 및 편향기(127)의 인가 전압에 중첩하거나 또는 보정 전압을 이들 이온 광학 부재(123, 125, 127)의 모든 인가 전압에 중첩함으로써 수행될 수 있다.

또한, 제어부(300)는 대물 렌즈(126)의 초점 거리를 보정한다. 즉, 제어부(300)는 보정 전압을 대물 렌즈(126)에 대한 인가 전압에 중첩함으로써 기생 정전 렌즈(200)에서의 특성 변화에 기인하는 이온 빔의 초점 변화를 보정한다.

또한, 제어부(300)가 전류계(324b)로부터 입력되는 전류값을 사용함으로써 커패시터 렌즈(121)에 대한 인가 전압을 보정하는 것이 바람직하다. 즉, 제어부(300)는 관통 구멍을 통과하지 않고 가동 조리개(124) 내에서 흐르는 이온의 전류값이 억제 전극(114)의 위치 조정 이전 및 이후에 변하지 않도록 커패시터 렌즈(121)에 대한 인가 전압을 보정한다. 이러한 보정을 수행함으로써, 샘플 전류 제어는 보다 더 정확하게 수행될 수 있다.

상기 설명된 바와 같이, 본 실시예에 따른 집속 이온 빔 장치(100)에 따르면, 억제 전압(Vsup)을 제어함으로써 방출 전류(Ie)가 일정하게 유지될 수 있기 때문에, 샘플 전류는 안정화될 수 있다. 따라서, 샘플(160)에 대한 침착율과 에칭율에서의 정확도를 향상시키는 것이 가능하다.

또한, 본 실시예에 따르면, 억제 전극(114)에 대한 위치 보정, 이온 빔(150)에 대한 드리프트 보정 및 대물 렌즈(126)에 대한 초점 거리 보정을 수행함으로써 기생 렌즈(200)의 특성 변화에 기인하여 가공 위치 정밀도가 악화되는 것을 방지하는 것이 가능하다. 또한, 정렬기(123), 스티그메이터(125) 및 편향기(127)를 사용하는 드리프트 보정을 수행함으로써, 종래 장치에서 사용된 이온 광학 부재를 그대로 사용하여 보정이 값싸게 구현될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 가동 조리개(124) 내에 흐르는 이온의 전류값을 사용하여 커패시터 렌즈(121)에 대한 인가 전압을 보정함으로써, 샘플 전류 안정성을 더 향상시킬 수 있고 또한 침착율과 에칭율의 정밀도를 더 향상시킬 수 있다.

상기 상세히 논의된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 정확하게 샘플을 가공할 수 있는 집속 이온 빔 장치가 제공될 수 있다.

Claims

추출 전극과 억제 전극을 사용함으로써 에미터 전극의 끝에서 생성되는 집중 전계에 의해 에미터 전극의 끝에 놓여진 액체 금속으로부터 금속 이온이 추출되고 이온 광학 시스템을 사용하여 샘플에 금속 이온이 조사되는 집속 이온 빔 장치에 있어서,

상기 추출 전극의 전압을 고정하고 상기 에미터 전극의 전류가 일정하게 되도록 상기 억제 전극의 전압을 제어하기 위한 전압 제어 수단; 및

상기 억제 전극과 추출 전극 사이에 기생하는 정전 렌즈의 광학축의 변화를 보정하기 위해 상기 억제 전극의 전압 변화에 의존하여 상기 억제 전극의 위치를 조정하기 위한 위치 조정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
제 1항에 있어서, 상기 정전 렌즈의 특성 변화에 기초하여 이온 빔 조사 위치에서의 변화을 보정하기 위해서 상기 억제 전극의 전압 변화에 의존하여 광학 시스템 내의 편향 전극의 전압을 보정하기 위한 편향 전압 보정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
제 2항에 있어서, 상기 편향 전극은 정렬기(aligner), 스티그메이터(stigmator) 또는 편향기의 어느 하나를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정전 렌즈의 초점 거리에서의 변화를 보정하기 위해 상기 억제 전극의 전압 변화에 의존하여 광학 시스템 내의 대물 렌즈의 전압을 보정하기 위한 대물 렌즈 전압 보정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 시스템 내의 조리개 수단(stop means)에 의해 검출되는 전류값에 의존하여 광학 시스템 내의 커패시터 렌즈의 전압을 보정하기 위한 커패시터 렌즈 전압 보정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 이온 빔 장치.