KR20030042155A

KR20030042155A - 시편 고정 장치

Info

Publication number: KR20030042155A
Application number: KR1020010072690A
Authority: KR
Inventors: 정은경
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2003-05-28

Abstract

시편을 고정하는 클램프와 상기 시편과 클램프를 지지하는 지지부재 및 상기 부재들을 고정시키는 고정부재를 포함하는 투과전자 현미경용 시편 고정 장치가 개시되고 있다. 상기 고정부재는 투과전자 현미경의 전자빔이 통과되도록 원통 형상을 갖고, 외주면에는 투과전자 현미경의 시편 지지대에 형성되어 있는 나사공에 대응하는 나사산이 형성되어 있다. 또한, 상기 시편 고정 장치는 시편을 최종적으로 제작하는 이온 밀링 장치의 홀더에 체결이 가능하다. 따라서, 이온 밀링 장치에서 최종적으로 시편이 제작되면, 상기 시편 고정 장치로부터 시편을 분리하지 않은 상태로 투과전자 현미경에 시편을 로딩할 수 있다. 따라서, 시편을 분리하는 과정에서 발생되는 시편의 파손 또는 오염 등을 방지할 수 있다.

Description

시편 고정 장치{Apparatus for fixing a specimen}

본 발명은 반도체 기판 상에 형성된 다층막의 분석 공정에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 검사하고자 하는 반도체 기판으로부터 제작된 시편을 투과전자 현미경(transmission electron microscope)의 시편 지지대에 고정시키는 시편 고정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 장치는 반도체 기판 상에 전기적 특성을 갖는 패턴을 형성하기 위한 막 형성, 식각, 확산, 금속 배선 등의 단위 공정을 반복적으로 수행함으로서 제조된다. 최근, 상기 반도체 장치는 고용량 및 고속의 응답 속도 등을 구현하기 위해 고집적화, 미세화 되어가고 있으며, 이에 따라 보다 미세한 영역의 구조적, 화학적 분석에 필요한 분석 장치 또는 기술의 중요성이 부각되고 있다. 특히, 여러 가지 분석 기술 중에서 투과전자 현미경을 이용한 분석 기술은 분해능, 또는 응용의 면에서 가장 우수한 기술중의 하나로 큰 관심을 받고 있다.

상기와 같은 투과전자 현미경을 이용한 분석 기술이 많은 정보를 제공하고 있으나, 원하는 목적에 맞는 분석 결과를 얻기 위해서는 최적의 시편이 준비되어야 하며, 시편의 제작 결과에 따라 분석 결과의 성패가 좌우된다. 따라서, 시편의 제조 및 관리가 보다 중요한 상기 분석 공정의 필수 조건으로 대두되고 있다.

이에 따라, 분석 목적 및 분석하고자 하는 재료에 따라 다양한 시편 제작법들이 개발되어 왔으며, 그 중 이온 밀링(ion milling)법은 반도체 기판 상에 형성된 다층막 또는 미세 패턴의 구조 또는 다층막 사이의 계면 구조를 관찰하기 위한 단면 투과전자 현미경용 또는 평면 투과전자 현미경용 시편 제작에 널리 이용되고 있다.

상기 시편은 커팅 공정, 펀칭 공정, 그라인딩 공정, 딤플링 공정 등을 통해 직경 3mm, 두께 100㎛ 이하로 제작된다. 그리고 시편 고정 장치에 의해 클램핑된 후, 이온 밀링 장치(ion miller)에 의해 최종적으로 투과전자 현미경 분석이 가능하도록 제작된다. 상기 시편 고정 장치의 구조는 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 시편 고정 장치(100)는 시편(900)을 고정하기 위한 두 개의 클램프(102)를 구비한다. 클램프(102)는 상부 플레이트(102a)와 하부 플레이트(102b)로 이루어지고, 상부 플레이트(102a)와 하부 플레이트(102b) 사이에 시편(900)이 고정된다. 하부 플레이트(102b)의 하부에는 시편(900)과 클램프(102)를 지지하는 지지부재(104)가 각각 구비된다. 그리고, 두 개의 지지부재(104) 사이에는 고정 핀(106)이 연결된다. 즉, 고정 핀(106)은 이온 밀링 장치의 홀더(도시되지 않음)에 형성된 홀에 삽입되고, 지지부재(104)가 홀더의 상부면에 놓여진다. 시편 고정 장치에 의해 이온 밀링 장치에 로딩된 시편(900)은 이온 밀링 장치의 아르곤 이온(Ar+)빔에 의해 최종적으로 가공된다.

상기와 같이 제작된 투과전자 현미경용 시편은 이온 밀링 장치의 홀더에 고정되는 시편 고정 장치로부터 분리된 후, 기름 종이 등에 의해 보관된다. 그리고, 보관된 시편은 투과전자 현미경의 시편 지지대에 로딩된 후, 투과전자 현미경의 전자빔에 의해 분석이 진행된다. 투과전자 현미경의 시편 지지대에는 상기 시편이 삽입되어 안착되도록 2단으로 천공된 홀이 가공되어 있고, 홀의 내주면에는 상기 시편을 고정하기 위한 나사산이 가공되어 있다. 시편이 상기 홀에 형성된 걸림턱에 안착되면, 시편을 고정하기 위한 고정부재가 상기 홀에 체결된다. 상기 고정 부재는 투과전자 현미경의 전자빔이 통과할 수 있도록 양측이 개방된 원통 형상을 갖고, 외주면에는 홀의 내주면에 가공되어 있는 나사산에 대응하는 나사산이 가공되어 있다.

이때, 시편을 상기 시편 고정 장치로부터 분리시키는 과정에서 파손되는 경우가 빈번하게 발생되고, 시편의 보관 과정 또는 시편의 로딩 언로딩 과정에서 시편의 오염 또는 표면에 자연 산화막이 생성되는 문제점이 발생된다. 또한, 이온 밀링 공정의 오류로 인해 재공정을 수행하는 경우 상기와 같은 문제점은 더욱 커지게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 이온 밀링 공정 및 투과전자 현미경을 이용한 분석 공정에 동시에 적용 가능한 시편 고정 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 시편 고정 장치를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편 고정 장치를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시한 시편 고정 장치가 로딩되는 투과전자 현미경을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100, 200 : 시편 고정 장치 102, 202 : 클램프

104, 204 : 지지부재 106, 206 : 고정부재

300 : 전자총 302 : 집속 렌즈

304 : 대물 렌즈 306 : 대물 조리개

308 : 회절 조리개 310 : 중간 렌즈

312 : 투영 렌즈 314 : 형광판

900 : 시편

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 시편 고정 장치는,

검사를 위한 시편의 주연 부위를 파지하는 클램프와,

상기 클램프의 일측과 연결되고, 상기 클램프를 지지하는 지지 수단, 및

상기 시편의 하부에 위치되도록 상기 지지 수단과 연결되고, 상기 시편을 제작하기 위한 이온 밀링(ion milling) 장치의 홀더(holder)에 고정됨과 아울러 상기 시편을 분석하기 위한 투과 전자 현미경(transmission electron microscope ; TEM)의 시편 지지대에 고정되고, 상기 시편을 투과한 투과 전자 현미경의전자빔(electron beam)이 통과하는 경로를 제공하는 고정수단을 포함한다.

상기 고정수단은 양측이 개방된 원통 형상을 갖고, 상기 클램프 및 상기 지지수단을 고정시키기 위한 나사산이 외주면에 형성된 나사부 및 상기 나사부와 상기 지지수단을 연결하는 연결부를 포함한다.

상기 클램프는 상기 시편을 파지하기 위한 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 구비한다. 그리고, 상기 지지수단은 상기 하부 플레이트와 연결되는 몸체와, 상기 몸체를 관통하여 상기 상부 플레이트와 연결되는 연결축과, 상기 연결축의 단부에 구비되고, 상기 클램프, 몸체 및 축을 지지하는 플레이트 및 상기 플레이트와 상기 몸체 사이에서 상기 연결축을 둘러싸도록 구비되고, 상기 시편을 파지하기 위한 파지력을 제공하는 코일 스프링을 구비한다.

따라서, 상기 시편 고정 장치를 사용하여 이온 밀링 공정 및 투과전자 현미경을 이용한 분석 공정을 수행하는 경우, 이온 밀링 공정을 종료한 후 시편을 상기 시편 고정 장치로부터 분리시키지 않고, 시편이 시편 고정 장치에 클램핑되어 있는 상태에서 투과전자 현미경의 시편 지지대에 로딩할 수 있다. 이에 따라, 시편의 파손을 방지하고, 시편의 분리시에 발생되는 오염을 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2를 참조하면, 시편 고정 장치(200)는 시편(900)을 파지하는클램프(202), 클램프(202)를 지지하는 지지부재(204) 및 시편 고정 장치(200)를 고정시키는 고정부재(206)를 구비한다.

클램프(202)는 상부 플레이트(202a)와 하부 플레이트(202b)로 이루어지고, 상부 플레이트(202a)와 하부 플레이트(202b) 사이에 시편(900)이 파지된다.

지지부재(204)는 하부 플레이트(202b)와 연결되는 원통 형상을 갖는 몸체(204a)와 몸체(204a)를 관통하여 상부 플레이트(202a)와 연결되는 연결축(204b)을 구비한다. 또한, 연결축(204b)의 하부에 구비되고, 이온 밀링 장치의 홀더(도시되지 않음)에 놓여지는 플레이트(204c) 및 몸체(204a)와 플레이트(204c) 사이에서 연결축(204b)을 둘러싸도록 구비되고, 시편(900)을 고정시키기 위한 파지력을 제공하는 코일 스프링(204d)을 구비한다. 즉, 시편(900)이 로딩될 때 코일 스프링(204d)이 압축되어 상부 플레이트(202a)와 하부 플레이트 사이(202b)에 공간이 형성되고, 상기 공간에 시편(900)이 로딩되면, 코일 스프링(204d)의 복원력에 시편(900)이 파지된다.

고정부재(206)는 투과전자 현미경의 시편 지지대에 형성되어 있는 나사공에 결합될 수 있도록 외주면에 나사산이 형성되어 있는 나사부(206a)와 지지부재(204)의 몸체(204a)와 연결되는 연결부(206b)를 구비한다. 나사부(206a)는 투과전자 현미경의 전자빔이 통과할 수 있도록 양측이 개방된 원통 형상을 갖고, 외주면에 나사산이 형성되어 있다.

상기와 같은 시편 고정 장치는 이온 밀링 장치의 홀더에도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 이온 밀링 장치의 홀더에는 형성되어 있는 홀에 고정부재가 삽입되고, 지지부재는 상기 홀더에 놓여진다.

한편, 전체적인 시편 제작 공정을 살펴보면 다음과 같다.

단면시편 제작공정은 적당한 크기로 두 개의 시편과 네 개의 더미 웨이퍼(dummy wafer)를 절단하는 커팅 공정(cutting process)과, 이들 두 개의 시편을 마주보게 배치한 후 그 양쪽면에 상기 더미 웨이퍼를 두 개씩 배열하여 각각 접착시키는 본딩 공정(bonding process)과, 다이아몬드 소오(diamond saw)를 사용하여 중첩된 웨이퍼를 0.5 내지 1mm 정도의 두께로 절단하는 슬라이싱 공정(slicing process)과, 슬라이싱된 복층의 시편을 직경 3mm 정도의 원판 형태로 가공하는 펀칭 공정(punching process)과, 그라인더(grinder) 또는 폴리셔(polisher)를 사용하여 상기 시편의 양쪽면을 최종 두께가 100㎛ 이하로 연삭하는 그라인딩 공정(grinding process)과, 딤플러(dimpler)를 사용하여 상기 시편의 중앙부 두께가 5㎛ 이하로 되도록 가공하는 딤플링 공정(dimpling process)과, 이온 밀링 장치를 사용하여 아르곤 이온으로 상기 시편의 양쪽면을 스퍼터링(sputtering)함으로서, 계면 부근에 해당하는 시편의 중앙부에 홀을 형성하는 이온밀링 공정(ion milling process)으로 이루어지며, 이와 같은 공정에 의해 제작된 단면시편을 시편 고정 장치에 고정된 상태로 투과전자 현미경의 시편 지지대 위에 올려놓고 상기 단면시편의 구멍 주위를 관찰하여 분석하게 된다.

한편, 평면시편 제작공정은 소정의 크기로 절단된 시편을 직경 3mm 정도의 원판 형태로 가공하는 펀칭 공정과, 그라인더 또는 폴리셔를 사용하여 상기 시편의 관찰하고자 하는 면의 반대쪽 면을 최종 두께가 100㎛ 이하로 연삭하는 그라인딩공정과, 딤플러를 사용하여 상기 시편의 연삭면을 중앙부 두께가 5㎛ 이하로 가공하는 딤플링 공정과, 이온 밀링 장치를 사용하여 아르곤 이온으로 상기 시편의 양쪽면을 스퍼터링함으로서, 계면 부근에 해당하는 시편의 중앙부에 홀을 형성하는 이온 밀링 공정으로 이루어지며, 이와 같은 공정에 의해 제작된 평면 시편을 시편 고정 장치에 고정된 상태로 투과전자 현미경의 작업 테이블 위에 올려놓고 상기 평면 시편의 구멍 주위를 관찰하여 분석하게 된다.

도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시한 시편 고정 장치가 로딩되는 투과전자 현미경을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 투과 현미경의 주요 부분은 전자총(electron gun) 부분, 전자빔을 모으는 집속 시스템(condensing system), 영상을 만들고 확대시키는 영상시스템과 투영시스템, 그리고 관찰 및 기록용 필름이 들어있는 관찰 및 기록 시스템으로 나누어진다. 전자총(300)에서 나온 전자빔은 가능한 한, 밝고 장시간 안정하여야 한다. 조사시스템은 관찰 시편(900)에 입사되는 전자빔의 세기를 조절하고 빔의 수렴각 등을 선택하는 역할을 하여, 전자빔을 넓은 영역에 균일하도록 쪼여주거나 혹은 수 nm의 작은 탐침을 시편(900)에 형성시키는 등의 조작이 가능하다.

시편 지지대(도시되시 않음)는 작은 시편(900)을 움직이거나 회전 혹은 양축으로 기울일 수가 있는 고니오미터이고, 대물렌즈(304) 내의 좁은 공간에 위치한다. 투과전자 현미경의 1차 영상은 대물렌즈(304)에 의하여 형성되고 다수의 렌즈들이 대물렌즈(304)의 영상을 점차 확대시켜 형광판(314)에 최종 확대된 영상을 형성시킨다.

투과전자현미경의 영상은 전자빔이 시료를 투과하면 브래그(Bragg) 법칙에 의해 회절하여 후방 초점면(back focal plane)에 회절도형(diffraction pattern)을 만드는데, 회절하지 않은 가운데의 투과빔만을 대물 조리개(objective aperture, 306)로 선택하여 관찰하는 명시야상(도 3a 참조, bright field image ; BFI)과 특정면에서 회절한 회절빔만을 선택하여 관찰하는 암시야상(도 3b 참조, dark field image ; DFI)의 두 종류가 있다.

전자총(300)으로부터 집속 렌즈(302)를 통해 시편(900)으로 입사되는 전자빔은 시편(900)을 투과하여 대물 렌즈(304), 대물 조리개(306), 회절 조리개(308), 중간 렌즈(310) 및 투영 렌즈(312)를 거쳐 형광판(314)에 최종 영상을 형성시킨다.

형관판(314) 아래에는 카메라가 위치하여 영상은 음화로 기록된다. 음화를 현상, 인화하여 사진으로 만들어 분석하거나 보관한다. 따라서, 암실에서의 사진작업도 투과전자 현미경 작업의 일부로 간주된다. 최근에는 TV 카메라나 CCD 디지탈 카메라를 부착하여 영상의 관찰과 영상처리가 암실 없이도 처리할 수 있어 크게 편리해지고 있는 추세이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 투과전자 현미경을 이용한 반도체 기판의 분석 공정에서, 시편을 최종적으로 제작하기 위한 이온 밀링 장치의 홀더에 시편을 고정시키기 위한 시편 고정 장치를 투과전자 현미경의 시편 지지대에도 사용할 수 있도록 함으로서, 이온 밀링 공정을 수행하여 최종적으로 완성된 시편을 시편 고정 장치로부터 분리하지 않아도 된다.

따라서, 시편 고정 장치로부터 분리시 발생되는 시편의 파손 또는 오염을 방지하고, 작은 시편의 핸들링 작업 또한 용이하게 진행할 수 있다. 또한, 시편의 파손으로 인한 시간적인 손실을 감소시키고, 시편의 오염 방지에 따라 보다 정확한 분석 결과를 얻을 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

검사를 위한 시편의 주연 부위를 파지하는 클램프;

상기 클램프의 일측과 연결되고, 상기 클램프를 지지하는 지지 수단; 및

상기 시편의 하부에 위치되도록 상기 지지 수단과 연결되고, 상기 시편을 제작하기 위한 이온 밀링(ion milling) 장치의 홀더(holder)에 고정됨과 아울러 상기 시편을 분석하기 위한 투과 전자 현미경(transmission electron microscope ; TEM)의 시편 지지대에 고정되고, 상기 시편을 투과한 투과 전자 현미경의 전자빔(electron beam)이 통과하는 경로를 제공하는 고정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 고정 장치.
제1항에 있어서, 상기 고정수단은 양측이 개방된 원통 형상을 갖고, 상기 클램프 및 상기 지지수단을 고정시키기 위한 나사산이 외주면에 형성된 나사부; 및

상기 나사부와 상기 지지수단을 연결하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 고정 장치.
제1항에 있어서, 상기 클램프는 상기 시편을 파지하기 위한 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 고정 장치.
제3항에 있어서, 상기 지지수단은 상기 하부 플레이트와 연결되는 몸체;

상기 몸체를 관통하여 상기 상부 플레이트와 연결되는 연결축;

상기 연결축의 단부에 구비되고, 상기 클램프, 몸체 및 축을 지지하는 플레이트; 및

상기 플레이트와 상기 몸체 사이에서 상기 연결축을 둘러싸도록 구비되고, 상기 시편을 파지하기 위한 파지력을 제공하는 코일 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 시편 고정 장치.