KR20040032659A - 시편 홀더 - Google Patents

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Abstract

반도체 장치를 분석하는데 적용되는 분석 장치의 시편 홀더가 개시되어 있다. 오제 전자 분광계 장치의 일렉트론빔이 분석용 시편 상에 조사될 때 상기 분석용 시편의 이 외의 영역에서 생성되는 오제 전자의 발생을 방지하기 위한 제1홈과 상기 제1홈의 주변부에 형성된 제2홈을 포함하는 플레이트가 구비되어 있다. 그리고, 플레이트의 상면에 형성된 제2홈에 결합되고, 상기 플레이트와 이격된 상태를 갖도록 상기 분석용 시편을 고정시키는 제1고정핀을 포함하고 있다. 상기와 같은 구성을 갖는 시편 홀더 TEM 분석용으로 제작된 시편을 상기 오제 전자 분광계 장치의 시편 홀더 상에서 보다 용이하게 고정 및 보다 정확하게 분석할 수 있다

Description

시편 홀더{a specimen holder}
본 발명은 반도체 분석 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 반도체 제조 공정에서 반도체 장치의 특정 영역의 프로파일 및 불순물을 분석하기 위해 분석장치에 적용되는 시편 홀더에 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 분석 기술의 중요성이 부각되고 있다.
특히, 반도체 제조 공정 중에 발생하는 많은 결함들을 해결하기 위해서 여러가지 방법으로 분석이 이루어지는데 그 중에서 가장 대표적인 것이 구조와 물성에 대한 분석이며 이 구조분석과 물성분석의 가장 대표적인 방법이 이차 이온 질량 분석계(Secondary Ion Mass Spectrometry ; 이하 SIMS라 함), 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope ; 이하 TEM라 함) 및 오제 전자 분광계(Auger Electron Spectroscopy ; 이하 AES라 함)라 할 수 있다.
상기 오제 전자 분석이라 함은 AES 장치를 사용하는 기기 분석 방법의 일종으로서, 원자가 여기된 에너지 레벨에서 낮은 에너지 레벨로 방사를 수반하지 않는 대신 전자를 방출하여 전이하는 오제 효과를 이용하는 분석방법이다.
상기 반도체 기판의 제조 공정에서 미소영역을 분석하기 위하여 분석용 시편을 형성한 후 포커싱된 일차 일렉트론빔(Electron Beam)을 이용하여 상기 분석용 시편의 특정 포인트 상에 일차 일렉트론빔을 주사한다. 이렇게 주사된 일차 일렉트론빔에 의해 상기 분석용 시편의 표면 원자들은 X선 뿐만 아니라 오제 전자라고 불리우는 이차 일렉트론을 방출하게 된다. 이렇게 방출된 오제 전자의 방사 속도나 분포도를 측정하여 상기 분석용 시편의 표면상태 뿐만 아니라 불순물의 존재여부 및 이의 상대적인 양 등을 정성 분석할 수 있는 분석 장치이다.
이러한 AES 장치는 10*10-10내지 10*10-9Torr 정도의 고진공 상태의 챔버 내부에서 시편을 분석하게 되는데 이때 시편을 고정하고, 상기 챔버의 내부로 이동되어 시편과 함께 분석과정을 거치게 되는 시편 홀더(Holder)를 이용하여 분석 공정이 진행된다.
통상적인 오제 전자 분광계(AES)장치의 시편 홀더를 설명하기 위한 구성도가 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 시편 홀더는 크게 원형의 플레이트(10)와 고정핀(16)으로구성되어 있다. 상기 플레이트(10) 상면의 주변부에는 상기 고정핀(16)을 플레이트 상에 위치시키기 위한 2개의 고정홈(12)이 형성되어 있다. 상기 플레이트(10) 상면에 위치한 분석용 시편(S)을 고정시키기 위한 고정핀(16)은 고정홈(12)과 나사(14)결합으로 체결되어 있다.
따라서, 상기와 같은 구성을 갖는 시편 홀더(20)는 AES 장치의 분석용 시편을 용이하게 파지할 수 있다.
그러나, 반도체 제조 공정중 발생하는 많은 결함들 중 몇 가지의 경우에는 분석을 진행할 수 있는 분석용 시편의 수량이 1~2개로 한정되는 경우가 발생될 수 있다. 이때 상기에서 언급한 TEM분석과 AES분석 방법이 모두 분석용 시편을 손상시키면서 분석하는 방법이기 때문에 분석 방법상 서로의 분석용 시편이 호환되지 않기 때문에 한정된 시편을 분석하는 경우 표면을 분석하는 AES분석 또는 구조를 분석하는 TEM 분석중 한가지만 선택하여야 된다는 문제점이 발생하게 된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 직경이 3mm이하이고, 매우 얇은 두께(수십 nm 내지 50um )를 갖는 원형으로 제작된 TEM 분석용 시편(30)을 AES장치 상에서 분석할 때 상기 AES 장치의 시편 홀더는 일반 시편 홀더와 마찬가지로 금속 재질의 평평한 플레이트(10) 상에 상기 TEM 분석용 시편(30)을 고정시킬 수 있는 고정 장치로 구성되어 있다. 이 때문에 상기 TEM 분석용 시편(30)처럼 매우 작고 얇은 두께를 갖는 시편을 고정하기가 매우 어려울 뿐만 아니라 고정하더라도 분석을 위해 집속된 일렉트론빔(50)을 TEM 분석용 시편(30)의 표면에 주사할 경우 상기 일렉트론빔(50)이 시편을 통과하여 상기 시편 홀더(Holder)의 플레이트(10) 상에 조사된다. 그럼으로 상기 TEM 분석용 시편(30)의 표면에서 생성되는 TEM 분석용 시편의 오제 전자(E1)보다 상기 기판 홀더의 플레이트(10) 표면에서 생성된 오제 전자(E2)가 더 많이 검출되기 때문에 상기 AES 장치의 시편 홀더 상에 TEM 분석용 시편을 위치시켜 분석하는 것은 매우 극히 어렵다.
따라서, 본 발명의 목적은 오제 전자 광학계 장치 내에서 보다 용이하게 TEM 분석용 시편을 고정시켜 분석할 수 있는 시편 홀더를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 오제 전자 분광계(AES)장치의 시편 홀더를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 도 1의 시편 홀더 상에 TEM 분석용 시편을 고정시킨 후 오제 전자 분광계(AES)장치의 일렉트론빔에 의해 방출되는 오제 전자를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 시편 홀더가 적용되는 오제 전자 분광계(AES)장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시 예로서 도 3에 적용된 시편 홀더 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 시편 홀더에 TEM 분석용 시편이 고정된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시 예로서 도 3에 적용된 시편 홀더 설명하기 위한 구성도이다.
도 7은 도 6에 도시된 시편 홀더에 AES 분석용 시편이 고정된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 공정 챔버110 : 이온 배출구
120 : 이온총130 : 전자총
140 : 검출기150 : 시편 홀더
160 : 플레이트162 : 제1홈
164 : 제2홈166 : 제1고정부
176 : 제2고정부200 : AES 장치
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시편 홀더는,
오제 전자 분광계(AES) 장치의 일렉트론빔이 분석용 시편 상에 조사될 때 상기 분석용 시편 이외의 영역에서 생성되는 오제 전자의 발생을 방지하기 위한 제1홈과 상기 제1홈의 주변부에 형성된 제2홈을 포함하는 플레이트; 및
상기 플레이트의 상면에 형성된 제2홈에 결합되고, 상기 플레이트의 상면과 이격된 상태를 갖도록 상기 분석용 시편을 고정시키는 제1고정핀을 포함하고 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 시편 홀더는 TEM 분석용으로 제작된 시편을 상기 오제 전자 분광계 장치의 시편 홀더 상에서 보다 용이하게 고정시킬 수 있고, 상기 분석용 시편의 이 외의 영역에서 발생되는 오제 전자의 생성을 방지할 수 있어 상기 TEM 분석용 시편의 특정 영역의 정보를 보다 정확하게 분석할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 시편 홀더가 적용되는 오제 전자 분광계(AES) 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3에 도시된 오제 전자 분광계 장치(200)는 이온 배출구(110)가 형성되어 있는 공정 챔버(100), 공정 챔버(100)의 내측에 설치되어 분석하고자 하는 반도체 기판의 분석용 시편(도시하지 않음)을 고정시키기 위한 시편 홀더(150), 시편 홀더(150)의 일측 방향에 설치되는 이온총(120), 시편 홀더(120)의 상부 면과 대응되는 방향에 위치한 전자총(130) 및 시편으로부터 방출되는 오제 전자를 검출하여 분석데이터를 제공하는 검출기(140)로 구성되어 있다. 상기 오제 전자 분광계 장치(200)를 이용하여 상기 분석용 시편의 표면을 관찰하기 위해서는 공정 챔버(100)의 내측에 존재하는 시편 홀더(150)상에 분석용 시편을 고정시킨 후 상기 공정 챔버(100)의 내부 압력을 고 진공 상태로 형성한다. 이어서, 상기 분석용 시편 상에 이온총(120)으로부터 생성된 이온빔을 조사하여 상기 분석용 시편의 표면을 스퍼터링한다. 그리고, 상기 전자총(130)과 검출기를 이용하여 상기 스퍼터링된 분석용 시편의 표면을 분석함으로서 상기 오제 전자들의 특성 피크의 신호를 검출할 수 있다. 여기서 분석용 시편은 TEM 장치에 적용하기 위한 TEM 분석용 시편을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1실시예로서 도 3에 적용된 시편 홀더 설명하기 위한 구성도이고, 도 5는 도 4에 도시된 시편 홀더에 TEM 분석용 시편이 고정된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 TEM 분석용 시편(S1)을 고정시키는 AES 장치의 시편 홀더(150)는 크게 플레이트(160)와 제1고정핀(170)으로 구성되어 있다.
상기 플레이트(160)는 약 10mm의 높이(high)를 갖고, 약 25mm의 직경(diameter)을 갖는 원통 형상이다. 그리고, 플레이트(160)의 상면에는 상기 TEM 분석용 시편(S1)의 이 외의 영역에 조사되거나 TEM 분석용 시편을 통과한 오제 전자 분광계(AES) 장치의 일렉트론빔으로 인해 생성되는 오제 전자의 발생을 최소화시키기 위한 직경과 약 7mm 깊이를 갖는 제1홈(162)이 형성되어 있다.
상기 제1홈(162)은 플레이트(160) 상부에 고정될 TEM 분석용 시편(S1)의 직경보다 크고, 플레이트(160)의 직경보다 작은 것이 바람직하다. 이는 상기 제1홈(162)의 직경이 TEM 분석용 시편(S1)의 직경보다 작으면 상기 TEM 분석용 시편(S1)을 벗어나 이외 영역인 시편 홀더(150) 상에 조사된 일렉트론빔에 의해 생성된 시편 홀더(150)의 오제 전자(이차전자)들은 상기 분석하고자 하는 TEM 분석용 시편(S1)의 오제 전자들보다 더 많이 검출됨으로 인해 TEM 분석용 시편(S1)의 정확한 분석이 불가능하게 되기 때문이다.
또한, 상기 제1홈(162)의 깊이는 일렉트론빔으로 인해 상기 시편 홀더(150)의 오제 전자의 발생을 최소화시키는 깊이(h)를 갖는 것이 바람직하다. 이는 상기 제1홈(162)의 깊이가 너무 낮으면, 상기 TEM 분석용 시편(S1)을 통과한 일렉트론빔이 약화되지 못하여 시편 홀더(150)의 표면에 주사된다. 그럼으로 상기 시편 홀더(150)의 정보를 갖는 오제 전자(이차전자)들이 상기 분석하고자 하는 TEM 분석용 시편(S1)의 오제 전자들 보다 더 많이 검출됨으로 인해 TEM 분석용 시편(S1)의 정확한 분석이 불가능하게 되기 때문이다.
그리고, 상기 플레이트(160)의 제1홈(162)의 주변부에는 적어도 1개의 제2홈(164)이 형성되어 있다. 상기 제2홈(164)에는 상기 TEM 분석용 시편(S1)을 제1홈(162)이 형성된 플레이트(160)와 이격된 상태를 갖도록 고정시키기 위한 제1고정핀(166)이 나사(172) 결합에 의해 체결되어 있다.
상기 제1고정핀(166)은 상기 TEM 분석용 시편(S1)의 외측면을 파지할 수 있도록 상기 TEM 분석용 시편의 외측면과 대응되는 형상을 갖는 홈을 포함하는 고정부(168)와 상기 TEM 분석용 시편을 파지하는 고정부(168)를 상기 제1홈이 형성된 플레이트(160)로부터 소정의 높이를 이격시키기 위한 지지부(170)를 포함하고 있다. 상기 제1고정핀(166)은 오제 전자 분광계 장치로부터 생성된 일렉트론빔을 최소한으로 조사받을 수 있도록 얇은 두께로 형성된다.
그리고, 상기 제1홈에는 AES 장치의 일렉트론빔의 조사될 때 상기 제1홈 내측부로부터 오제 전자가 발생되지 않도록 전자 포집용 물질이 도포 되어있고, 상기 플레이트(160)는 일렉트론빔의 조사시 상기 플레이트(160)로부터 오제 전자가 발생하지 않도록 포지티브 성격의 바이어스 전력이 인가된다.
도 6은 본 발명의 제2실시예로서 도 3에 적용된 시편 홀더 설명하기 위한 구성도이고, 도 7은 도 6에 도시된 시편 홀더에 AES 분석용 시편이 고정된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 TEM 분석용 시편 및 AES 장치의 분석용 시편(S2)을 모두 고정시킬 수 있는 AES 장치의 시편 홀더(150)는 크게 플레이트(160)와 제1고정핀(166) 및 제2고정핀(176)으로 구성되어 있다.
상기 플레이트(160)는 약 10mm의 높이를 갖고, 약 25mm의 직경을 갖는 원통 형상이다. 그리고, 플레이트(160)의 상면에는 상기 TEM 분석용 시편을 통과하거나 상기 TEM 분석용 시편의 이 외의 영역에 조사된 AES 장치의 일렉트론빔으로 인해 발생되는 오제 전자를 최소화시키는 소정의 직경과 소정의 깊이를 갖는 제1홈(162)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 플레이트(160)의 제1홈(162)의 주변부에는 적어도 3개의 제2홈(164)이 형성되어 있다. 상기 1개의 제2홈(164)에는 상기 제1홈이 형성된 플레이트(160)와 이격된 상태를 갖도록 TEM 분석용 시편을 고정시키기 위한 제1고정핀(166)이 나사(172)와의 결합에 의해 체결된다. 또한 나머지 2개의 제2홈(164)에는 상기 플레이트 상면에 AES 장치의 분석용 시편(S2)을 고정시키기 위한 제2고정핀(176)이 나사(172) 결합에 의해 체결된다.
상기 제1고정핀(166)에는 상기 TEM 분석용 시편의 외측면을 파지할 수 있도록 상기 TEM 분석용 시편의 외측면과 대응되는 형상을 갖는 홈을 포함하는 고정부(168)와 상기 TEM 분석용 시편을 파지하는 고정부를 상기 제1홈이 형성된 플레이트로부터 일정 높이를 이격시키기 위한 지지부(170)가 포함되어 있다. 상기 제2고정핀(176)은 1쌍으로 구성되어 상기 플레이트(160) 상면에 놓여지는 AES 장치의 분석용 시편(S2)의 상면 외측부를 눌러 상기 플레이트(160) 상에 AES 장치의 분석용 시편(S2)을 고정시킨다.
그리고, 상기 제1홈에는 상기 AES 장치의 분석용 시편을 통과한 일렉트론빔에 의해 상기 제1홈 내측부로부터 오제 전자(이차 전자)가 발생되지 않도록 전자 포집용 물질이 도포되어 있고, 상기 플레이트(160)는 일렉트론빔의 주사시 상기 플레이트(160)로부터 2차 전자가 발생하지 않도록 포지티브 성격의 바이어스 전력이 인가된다.
상기 AES 장치의 분석용 시편을 분석하려할 때 제1고정핀을 플레이트의 외측 방향으로 회전시켜 제1고정핀에 일렉트론빔이 조사되는 것을 방지해야 한다.
따라서 본 발명과 같은 구성을 갖는 시편 홀더는 TEM 분석용으로 제작된 시편을 상기 오제 전자 분광계 장치의 시편 홀더 상에서 보다 용이하게 고정시킬 수 있고, 상기 분석용 시편을 통과하고 분석용 시편의 이 외의 영역에 조사된 일렉트론빔에 의해 발생되는 시편 홀더의 오제 전자 생성을 방지할 수 있고, 상기 분석용 시편의 특정 영역의 정보를 보다 정확하게 분석할 수 있다. 그리고, 상기 TEM 분석용 시편과 AES 분석용 시편을 모두 적용하여 고정시킬 수 있어 비용 및 공정적 효율성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 오제 전자 분광계(AES) 장치의 일렉트론빔이 분석용 시편 상에 조사될 때 상기 분석용 시편 이외의 영역에서 생성되는 오제 전자의 발생을 방지하기 위한 제1홈과 상기 제1홈의 주변부에 형성된 제2홈을 포함하는 플레이트; 및
    상기 플레이트의 상면에 형성된 제2홈에 결합되고, 상기 플레이트의 상면과 이격된 상태를 갖도록 상기 분석용 시편을 고정시키는 제1고정핀을 포함하는 시편 홀더.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분석용 시편은 투과전자 현미경(TEM) 분석용 시편인 것을 특징으로 하는 시편 홀더.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1홈은 상기 TEM 분석용 시편의 직경보다 크고, 상기TEM 분석용 시편의 통하거나 TEM 분석용 시편 이외의 영역에 조사된 일렉트론빔에 의해 생성되는 상기 시편 홀더의 오제 전자가 상기 오제 전자 분광계(AES) 장치의 검출기에 검출되지 않는 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 시편 홀더
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1고정핀은 상기 플레이트의 제2홈에 체결되고, 상기 TEM 분석용 시편의 일측부와 대응되는 형상을 갖는 고정홈을 포함하는 고정부와 상기 TEM 분석용 시편을 파지하는 고정부를 상기 플레이트와 이격시키기 위한 지지부로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 시편 홀더.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1홈에는 일렉트론빔의 조사시 상기 제1홈 내측부로부터 오제 전자가 발생되지 않도록 전자 포집용 물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 시편 홀더.
  6. 제1항에 있어서, 상기 플레이트는 이온빔의 주사시 상기 플레이트로부터 오제 전자가 발생하지 않도록 포지티브 성격의 바이어스 전력이 인가되는 것을 특징으로 하는 시편 홀더.
  7. 제1항에 있어서, 상기 시편 홀더는 AES 장치의 분석용 시편을 상기 플레이트의 상면에 고정시키기 위한 제2고정핀을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 시편 홀더.
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