KR20010080286A - 열전계 방출 정렬 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

전자-빔 마이크로컬럼 정렬 방법 및 시스템은 소형 쇼트키 전자 또는 다른 전계 방출 소스에 대한 스필릿 억제 캡을 포함한다. 스플릿 억제 캡은 전자 빔을 스캔하는데 기계적 이동을 요구하지 않고 편향 전압을 분리시킴으로써 개별적으로 구동되고 제어되는 4개 이상의 개별 전극 부재로 분할 된다.

Description

열전계 방출 정렬 방법 및 장치{IMPROVED THERMAL FIELD EMISSION ALIGNMENT}

최근에, 물질의 표면 검사, 계측학, 테스트 및 리소그라피에 저압 스캐닝 전자 빔 시스템을 적용하는데 관심이 높아지고 있다.

종래의 스캐닝 전자 빔 시스템은 대형의 부동형 장치이다. 스캐닝 전자 빔 시스템은, 검사 및 테스트에 관련된 반도체와 같은 다양한 분야에 사용되지만, 종래의 스캐닝 전자 빔 시스템은 시스템의 크기, 부동형, 및 관련 비용 때문에 시스템의 실용성이 제한된다. 이를 테면, 전자 현미경에 대립되는 것으로서 관찰되는 샘플은 검사 과정 동안 이동되어야 하기 때문에, 종래의 스캐닝 전자 현미경은 샘플보다 큰 진공 챔버의 사용이 요구된다. 또한, 샘플은 크고 정교한 샘플을 처리하기가 어려운 3차원형 표면 피춰(feature) 이미징을 위해 요구되는 빔 입사각을 산출하기 위해 종래의 스캐닝 전자 현미경을 중심으로한 각도에 위치되어야 한다. 또한, 전자 현미경은 한번에 단지 한 개의 샘플만을 관찰할 수 있기 때문에 종래의 전자 현미경의 처리량은 제한된다.

전자 빔 시스템을 개선시키기 위한 노력으로 전자 빔 마이크로컬럼("마이크로컬럼")의 축소화가 이루어졌다. 마이크로컬럼은 마이크로 크기로 제조된 전자 "광학" 성분 및 소위 STM 정렬 전계 방출(SAFE)이라 불리는 정렬 원리가 보조되는 스캐닝 터널링 현미경(STM)과 유사한 원리하에 작동하는 전계 방출 소스를 기초로 한다. 마이크로컬럼에 사용되는 정렬 원리는 정밀 X-Y-Z 위치조절기가 날카로운 팁을 제어하는데 사용되고, 팁으로부터 팁의 위치를 측정하기 위한 방출을 이용하는 STM과 유사하다. 일반적인 마이크로컬럼은 본 명세서에서 참조로 하며, Journal of Vacuum Science Technology, Bulletin 14(6), pp. 3774-81, Nov.Dec. 1996에 T.H.P. Chang 등에 의한, "Electron-Beam Microcolumns for Lithography and Related Applications" 이란 제목으로 공보에 개시되어 있다.

마이크로컬럼은 마이크로렌즈 및 편향기를 포함하는 높은 어스펙트비 마이크로공학적 구조를 형성한다. STM 위치조절기는 전계 방출 전자 빔의 위치를 결정하는데 바람직하나, 대부분 원형(portotype) 시스템에 유용하다. STM의 기계적 정렬은 복잡한 기계적 구조를 요구하여 작업이 원하는 바대로 정밀하게 이루어지지 않는다. 또한, 전계 방출 시스템의 작업 동안 방출 전자 빔의 위치상의 편향으로 동력학적인 교정이 요구된다.

따라서, 마이크로컬럼이 동작하는 동안 기계적 구조를 사용하지 않는 전계 방출 빔 정렬이 요구된다.

본 발명은 전자 빔을 사용하는 전하 입자 이미징에 관한 것으로 특히 전계 방출 빔을 정렬하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 포함될 수 있는 마이크로컬럼의 개략적 분해도.

도 2는 본 발명에 포함될 수 있는 마이크로컬럼 소스 및 마이크로렌즈의 개략적 분해도.

도 3은 소형 쇼트키 전자 소스의 측단면도.

도 4는 본 발명의 전자 소스에 대한 스플릿 억제 캡 실시예의 측면도.

도 5는 도 4의 억제 캡의 상부도.

전자-빔 마이크로컬럼에서 소스의 정렬을 위한 방법 및 장치는 소형의 쇼트키 전자 또는 다른 전계 방출 소스에 대한 스플릿 억제 캡을 포함한다. 스플릿 억제 캡은 기계적 이동없이 전자 빔을 주사하기 위해 개별 편향 전압으로 개별적으로 제어될 수 있는 4개 이상의 개별 전극 부재로 분할된다. 또한 전자적 제어는 마이크로컬럼의 동작 동안 전계 방출 빔 편향의 동력적 교정을 허용한다.

상이한 도면들에서의 동일한 참조 부호는 구조적으로 및/또는 기능적으로 유사 또는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1을 참조로 하면, 종래 기술의 마이크로컬럼은 참조부호 10으로 표시하며, 그리드 샘플(12) 및 전자 투과 샘플로부터 스캐닝 투과형 전자 현미경(STEM) 이미지를 발생시키기 위해 사용되는 채널트론(channeltron) 전자 검출기(14)를 나타낸다. 마이크로컬럼은 콜드-필드(cold-field) 또는 전계 이미터 팁(16)을 갖는 쇼트키 이미터일 수 있는 전자 소스(도시되지 않음)를 포함한다. 팁(16)은 Zr/O/W 쇼트키형 이미터 팁이거나 또는 콜드 이미터 팁인 경우, 단결정 텅스텐, 하프늄 카바이드 또는 다이아몬드 팁일 수 있다. 바람직하게 팁(16)은 3축 STM형 X-Y-Z 위치결정기와 같은 위치결정기(18) 상에 장착된다. 위치결정기(18)는 각각의 축에 약 1mm에 이르는 몇 마이크론의 이동 범위를 갖는다. 위치결정기(18)는 나노미터크기의 위치결정 정확도를 갖고 전자 광학 컬럼(20)과 팁(16)을 정렬시키는데 사용된다. 컬럼(20)은 3.5mm의 길이를 갖는다.

예시를 위해 팁(16)은 추출장치(24)에 5 미크론 개구부(22)와 정렬된다. 추출장치(24)는 선택적으로 스케일이 있는 듀얼 전극 소스 렌즈(30)를 형성하도록 100 미크론의 개구부(28)를 갖는 애노드(26)와 조합된다. 형성되는 전자 빔(32)은 개구 부재(36)에 있는 빔 제한 개구부(34)를 향한다. 개구부(34)는 수 미크론이며, 직경이 2.5 미크론으로 도시된다. 선택된 공간 및 개구부 크기는 그리드(12)에서 형성되는 e-빔(38)의 집합점을 결정한다.

개구부(34)로부터 단일 유니트 또는 다중 유니트 8폴 스캐너/스티그메이터(stigmator)일 수 있는 빔 편향기(40)를 빔(38)이 통과한다. 편향기(40)는 샘플(12)을 지나는 빔(38)을 편향시키거나 또는 스캔하는데 이용된다. 다중 전극 아인젤(Einzel) 렌즈(42)는 1mm 내지 2mm의 처리 간격(44)에서 샘플(12) 상에 빔(38)을 집중시킨다. 렌즈(42)는 예를 들어, 3개의 전극을 포함할 수 있고, 각각은 200 미크론의 직경을 갖는 개구부(52)를 갖는다.

또한 마이크로컬럼(10)은, 제 2차 및 후방산란된 전자에 대한 마이크로채널 플레이트 전자 검출기 또는 낮은 에너지로 후방산란된 전자에 대한 금속-반도체 검출기 일 수 있는 전자 검출기(54)를 포함할 수 있다. 마이크로컬럼(10)은 1Kev빔(38)을 산출하도록 작동할 수 있다.

도 1은 단지 마이크로컬럼(10)에서 이용될 수 있는 다양한 방법의 전계 방출 소스 및 전자 광학 컬럼의 일례를 나타낸 것이다. 본 명세서에서 참조로하는, 이하의 문헌 및 특허에서 볼 수 있는 추가의 전계 방출 소스 및 전자 광학 컬럼이 마이크로컬럼(10)에 사용될 수 있다: E. Kratschmer 등에 의한, "Experimental Evaluation of a 20×20mm Footprint Microcolumn" , Journal of Vacuum Science Technology, Bulletin 14(6), pp. 3792-96, Nov./Dec/ 1996; T.H.P Chang 등에 의한, "Electron Beam Technology SEM to Microcolumn", Microelectronic Engineering 32, pp. 113-130, 1996; "Electron-Beam Sources and Charged-Particle Optics". SPIE Vol.2522, pp.4-12, 1995; M.G.R.Thomson과 T.H.P.Chang에 의한, "Lens and Deflector Design for Microcolumns", Journal of Vacuum Science Technology, Bulletin 13(6), pp.2245-49, Nov./Dec. 1995; H.S. Kim 등에 의한, "Miniature Schottky Electron Source", Journal of Vacuum Science Technology, Bulletin 13(6), pp.2468-72, Nov./Dec. 1995; Chang 등의 US Pat. No. 5,122,663; Chang 등의 US Pat. No. 5,155,412.

도 2을 참조로, 소스 렌즈(30) 및 아인젤 렌즈(42)의 구성의 예를 나타냈다. 또한 본 명세서에서 참조로하는, K.Y. Lee, S.A. Rishton 및 T.H.P. Chang등에 의한, "High Aspect Ration Aligned Multilayer Microstructure Fabrication", Journal of Vacuum Science Technology, Bulletin 12(6), pp. 3425-30, Nov./Dec., 1994에서 볼 수 있는 추가의 공정을 설명한다. 소스(30)는 100 내지 500 미크론두께의 절연층(66,68)에 의해 공간을 두고 있는, 다수의 실리콘 웨이퍼 또는 칩(60,62,64)을 포함한다. 층(60-68)은 크기(scale)는 도시되지 않는다. 층(66-68)은 파이렉스(Pyrex)란 상표로 시판되는 유리로 형성된다. 다음 층(60-68)은 전형적으로 전기화학적 양극성 결합에 의해, 소스(30)를 형성하기 위해 서로 정확하게 정렬되고 결합된다.

결합 공정 이전에, 실리콘 칩은 칩(60,62,64) 각각에 각각의 실리콘 박막(70,72)을 형성하기 위해 전자 빔 리소그라피 및 반응성 이온 에칭처리된다. 각각의 개구부(22,28,34)와 같이 요구되는 빔 개구부는 박막(70,72,74)에 형성된다. 박막(70,72,74)은 1 내지 2 미크론 두께이다. 박막(70,72,74) 및 개구부(22,28,34)는 렌즈(30)의 부재(24,26,36)를 형성한다.

유사한 방식으로, 렌즈(42)의 전극(46,48,50)은 중심 실리콘 박막(76,78, 80)으로 형성된다. 다시, 렌즈(42)는 개구부(52) 보다 큰 개구부(88,90)를 포함하는 다수의 파이렉스 절연층(84,86)을 포함한다. 층(46,48,50,84,86)은 다시 렌즈(42)를 형성하도록 서로 정렬되고 결합된다.

도 3을 참조로, 마이크로컬럼(10)용 이미터 소스일 수 있고 이미터 팁(16)을 포함할 수 있는 소형 쇼트키 전자 소스(100)을 나타낸다. 보다 상세한 설명은 본 명세서에서 참조로하는 H.S. Kim 등에 의한, "Miniature Schottky electron source", Journal of Vacuum Science Technology, Bulletin 13(6), pp. 2468-72, Nov./Dec. 1995에 개시되어 있고, 전자 소스(100)는 억제 캡(102)을 포함한다. 캡(102)은 팁(16)에 전력을 공급하고 지지하는 한 쌍의 도체(106,108)를 에워싸고절연시키는 절연체(104) 위에 장착된다.

팁(16)은 바람직하게 Zr/O/W 합금 팁일 수 있고 억제 캡(102) 내에 동봉된 소형 필라멘트(110)상에 장착된다. 종래의 쇼트키 전자 소스는 전형적으로 약 20mm의 길이(L)와 약 17mm의 폭(W)(또는 직경)을 갖는다. 전자 소스(100)는 길이(L)가 13.7mm이고 폭(W)은 4mm이다. 종래의 소스는 125 미크론 필라멘트를 갖지만, 전자 소스(100)는 75 미크론 텅스텐 필라멘트를 갖는다. 필라멘트 크기가 작을수록 전자 소스(100)는 종래의 전자 소스에 대해 1.5 내지 1.8 와트의 가열 전력 대 2.5 내지 3.5 와트에서 동작할 수 있다.

도 1에 도시된 것처럼, STM 위치결정기(18)는 전자 소스(100) 및 팁(16)의 위치결정을 기계적으로 조절하는데 사용될 수 있다. 이러한 물리적 정렬은 여러 가지 이유로 바람직하지 못하다. 도 4를 참조로, 본 발명의 억제 캡의 일실시예를 참조 부호 114로 표시했다. 팁(16)을 통해 전자 소스(100)는 전자 빔(116)을 방출한다(도 1 참조). 빔(116)은 추출장치(24)에서 개구부(22)와 바람직하게 정렬되는 것으로 도시되어 있으나, 사실 요구되는 최적의 정렬은 달성하기 어렵다. 개구부(22)는 수 미크론의 직경을 갖고 팁(16)은 개구부(22)로부터 100 미크론의 작업 간격(118)을 갖는다. 억제 캡(102,114)은 필라멘트(110)로부터 그리고 팁(16)의 생크(shank)(120)(도 3 참조)로부터 열이온적으로 방출된 전자의 수를 감소시킨다.

또다른 종래의 전자 소스에서, (도시되지 않음) 팁은 작업 간격(118)에서 기계적으로 집중되며 개구부(22)와 정렬된다. 그러나, 전자 소스(100)는 마이크로컬럼(10)에서는 동일한 방식으로 기계적으로 정렬될 수 없으며, 이는 어셈블리 작업이 마이크로컬럼(10), 소스(30)에서의 전극 치수 및 마이크로컬럼(10)에서의 부재의 전체 치수의 소형화가 요구되기 때문이다. STM 위치결정기(18)의 이용이 바람직하지만, 이는 마이크로컬럼(10)에 복작성 및 크기를 증가시켜, 요구될 수 있는 넓은 영역 위로 빔(116)을 스캔하는데 요구되는 것보다 많은 시간을 필요로함에 따라 실현성이 없다. 빔(116)이 개구부(22)와 정렬되는 것으로 도시되어있으나, 빔(116')으로 표시된 것처럼 오정렬이 있을 수도 있다. 오정렬된 빔(116')은 전체적으로(도시된 것처럼) 또는 부분적으로 개구부(22)로부터 멀어지게 된다. 이는 개구부(22)를 통과하는 빔(116')의 전체 또는 부분이 손상되어, 정렬될 때 빔(38)이 되는 최대 전력 빔(122)을 형성한다(도 1 참조).

본 발명의 억제 캡(114)은 도 4 또는 도 5에 도시된 것처럼 4 이상으로 분할 또는 분리된 전극(124,126,128,130)을 사용함으로써 상기 정렬/스캐닝 초점 문제를 해결한다. 비록 소형 쇼트키 전자 소스에 대해 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 억제 캡(114)은 어떤 형태의 열 전계 방출 소스라도 이용할 수 있다. 필라멘트(110) 및 팁 생크(120)로부터 열이온적으로 방출된 전자의 수를 감소시키는데 사용되는 억제 전압(Vs)은 원하는 바대로 빔(116)을 조정하기 위해 전력 소스(도시되지 않음)와 결합된 각각의 전극 세그먼트(124,126,128,130)에 인가되는 원하는 편향 전압(±Vy, ±Vx)의 합이다. 램프 전기 신호는 빔(116)을 최적의 작업 위치에 위치시키기 위해 추출장치(24) 위에 빔(116)을 신속하게 스캔하도록 전극(124,126,128,130)에 인가할 수 있다. 편향 전압(±Vy, ±Vx)은 또한, 마이크로컬럼(10)이 동작하는, 전자 소스(100)의 동작 동안, 소스 빔(116)의 위치의 편향을 동력학적으로 교정하는데 이용될 수 있다.

편향 전압은 예를 들어, 스캔 발생기에 의해 발생될 수 있고, 전형적으로 2개의 동기 램프 웨이브를 발생시킨다. 빔(116)의 위치는 추출장치(24), 애노드(26), 또는 제한 개구부(34)상에 입사하는 빔 전류를 측정함으로써 모니터 될 수 있다. 요구되는 편향은 작고 빔 전압이 낮기 때문에, 고속 전자기가 요구되는 스캔 신호를 발생시키는데 사용될 수 있다.

본 발명을 특정 실시예를 참조로 설명하였으나, 기술된 실시예는 본 발명의 일례로 제한을 두는 것은 아니다. 4개 전극(122,124,126,128)을 도시하고 설명했지만, 원한다면 추가의 전극 세그먼트가 이용될 수 있다. 당업자라면 이를 인지할 수 있을 것이며, 본 명세서에서 개시된 실시예의 다양한 조합 및 변조가 첨부된 청구항의 범주내에서 가능하다.

Claims (15)

1. 열전계 방출 소스용의 방출 빔을 정렬하는 방법에 있어서,

   억제 캡을, 전기적으로 서로 절연되게 적어도 4개의 전극 세그먼트로 나누는 단계 및 방출 빔을 이동시키고 정렬하기 위해 상기 각각의 전극에 개별적으로 억제 전압 및 편향 전압과 상기 전극 각각을 구동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방출 빔 정렬 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 마주하고 있는 쌍의 전극에 동일한 편향 전압을 공급하는 단계를 포함하며, 상기 편향 전압은 상기 전극 각 쌍의 전극중 각각 하나와 반대 극성인 것을 특징으로 하는 방출 빔 정렬 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 영역 위로 상기 방출 빔을 스캔하기 위해 상기 전극 쌍에 상기 편향 전압을 램핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방출 빔 정렬 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 마이크로컬럼 방출 소스에 상기 억제 캡을 제공하는 단계 및 상기 편향 전압을 변화시킴으로써 상기 마이크로컬럼의 상기 방출 빔을 정렬시켜 상기 방출 소스에 대한 출력 빔을 최대화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방출 빔 정렬 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 편향 전압을 변화시킴으로써 상기 마이크로컬럼이 동작하는 동안 상기 방출 빔 정렬 편차를 동력학적으로 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방출 빔 정렬 방법.
6. 열전계 방출 소스에 있어서,

   전기적으로 서로 절연된 적어도 4개의 전극 세그먼트를 갖는 분할된 억제 캡을 포함하는 열 전계 방출 소스에 대한 방출 빔 정렬 수단 및 상기 방출 빔을 이동시키고 정렬하기 위해 각각 상기 전극에 개별적으로 억제 전압 및 편향 전압으로 상기 전극 각각을 구동시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전계 방출 소스.
7. 제 6 항에 있어서, 대립하는 쌍의 전극에 동일한 편향 전압을 제공하는 수단을 포함하며, 상기 편향 전압은 상기 전극의 각 쌍의 전극중 각각 하나와 반대 극성인 것을 특징으로 하는 열전계 방출 소스.
8. 제 7 항에 있어서, 영역 위로 상기 방출 빔을 스캐닝하기 위해 상기 전극 쌍에 상기 편향 전압을 램핑하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전계 방출 소스.
9. 제 7 항에 있어서, 마이크로컬럼 방출 소스부를 형성하는 상기 억제 캡 및 상기 편향 전압을 변화시킴으로써 상기 마이크로컬럼의 상기 방출 빔을 정렬하는 수단을 포함하여 상기 방출 소스에 대한 출력 빔을 최대화시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전계 방출 소스.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 편향 전압을 변화시킴으로써 상기 마이크로컬럼이 동작하는 동안 상기 방출 빔 정렬의 편차를 동력학적으로 교정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전계 방출 소스.
11. 열전계 방출 소스에 있어서,

    방출 빔을 포함하는 열 전계 방출 소스, 상기 소스를 둘러싸고 있고 서로 전기적으로 절연되어 있는 적어도 4개 전극 세그먼트를 갖는 분할된 억제 캡, 상기 방출 빔을 이동시키고 정렬하기 위해 상기 전극 각각을 개별적으로 구동시키기 위해 억제 전압 및 편향 전압과 연결되는 전력 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전계 방출 소스.
12. 제 11 항에 있어서, 대립 쌍의 전극과 연결된 동일한 편향 전압을 포함하며, 상기 편향 전압은 상기 전극쌍 각각의 전극 중 각각 하나와 대립 극성인 것을 특징으로 하는 열전계 방출 소스.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 편향 전압은 영역 위로 상기 방출 빔을 스캔하도록 상기 전극 상에서 램핑되는 것을 특징으로 하는 열전계 바울 소스.
14. 제 12 항에 있어서, 마이크로컬럼 방출 소스부를 형성하는 억제 캡을 포함하며, 마이크로렌즈는 그 내부에 개구부를 갖는 추출장치를 포함하며, 출력 빔은 상기 방출 소스에 대해 최대화되며, 방출 빔이 상기 편향 전압에 의해 상기 추출장치 개구부와 상기 마이크로컬럼에서 정렬되는 것을 특징으로 하는 열전계 방출 소스.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 편향 전압을 사용하여 상기 마이크로컬럼이 동작하는 동안 상기 추출장치 개구부와 동력학적으로 연결된 상기 방출 빔 정렬장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전계 방출 소스.