KR20050112261A - 투과전자현미경 분석용 시편의 제작 방법. - Google Patents

Abstract

평면 구조를 갖는 TEM 분석용 시편의 제조방법이 개시되어 있다. 상술한 방법은 다수의 패턴들이 적층된 기판을 절단하여 분석 영역을 포함하는 예비시편을 형성하는 단계와 상기 예비시편의 상면과 수직하는 양측면을 그라인딩하는 단계와 상기 예비시편의 저면을 그라인딩하는 단계와 상기 그라인딩된 예비 시편의 양측부에서 중심방향으로 FIB 식각하여 전자가 투과되는 두께를 갖고, 분석하고자 하는 패턴들이 노출된 구조물을 갖는 TEM 분석용 시편을 형성하는데 있다. 이러한 방법으로 제조되는 TEM 분석용 시편은 분석의 정확도 향상 및 넓은 분석 정보를 포함한다.

Description

투과전자현미경 분석용 시편의 제작 방법.{method of forming sample using analysis by TEM}

본 발명은 분석용 시편을 제작하는 공정에서 적용되는 보호막 코팅 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 기판의 특정 부위를 분석하기 위한 분석용 시편에 형성되는 시편 보호막 코팅 장치 및 이의 코팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 장치는 실리콘웨이퍼 상에 집적 회로를 형성하기 위한 팹 공정(Fabrication process)과, 상기 팹 공정을 통해 형성된 반도체 장치들을 개별화시키기 위한 패키지 공정을 통해 제조된다. 상기 팹(FAB)공정은 증착 공정, 식각 공정, 확산 공정, 이온 주입 공정, 기계적 화학적 연마 공정, 세정 공정, 검사 공정 등과 같은 단위 공정들을 포함한다.

상술한 팹 공정으로 형성되는 반도체 소자에는 보이드(Void), 콘택의 낫 필(Not Fill), 및 파티클등의 다양한 결함(Defect)이 발생될 수 있기 때문에 상기 결함을 분석하기 위한 검사공정이 필수적으로 수행되야 한다.

상기 검사 공정에는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM), 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM), 이차이온질량분석기(secondary ion mass spectrometer; SIMS) 등과 같은 다양한 검사 장치가 사용되고 있다. 상기 검사 장치중에서 특히, 투과전자 현미경을 이용한 분석기술은 분해기능이나 응용 면에 있어서 가장 우수한 기술중의 하나로 큰 관심을 받고 있다.

상기와 같은 TEM을 이용한 분석 기술은 많은 정보를 제공하고 있으나, 원하는 목적에 맞는 분석 결과를 얻기 위해서는 최적의 시편이 준비되어야 하며, 시편의 제조 및 분석 결과의 성패가 좌우된다. 따라서, TEM에 적용되는 시편의 제조 방법이 보다 강조되고 있는 실정이다.

현재까지 실리콘웨이퍼(Silicon Wafer) 등과 같은 반도체 기판을 투과전자 현미경 분석용 평면시편의 제작하기 위해서 이온밀링법(ion milling method)과, 포커싱 이온빔을 이용한 방법 등이 일반적으로 적용되고 있다. 상기 이온 밀링(ion milling)법은 반도체 기판 상에 형성된 다층막 또는 미세 패턴의 구조 또는 다층막 사이의 계면 구조를 관찰하기 위한 시편을 제작할 경우 이용되고, 이에 반하여 포커싱 이온빔은 특성 영역을 관찰하기 위한 평면 시편을 제작할 경우 사용된다.

도 1 종래의 평면 구조를 갖는 TEM 분석용 평면 시편의 제조 방법을 나타내는 공정 순서도이다.

도 1에 도시된 TEM 분석용 시편 형성 방법은, 분석하고자 하는 패턴들이 형성된 반도체 기판을 준비한 후, 전자 현미경(Electron Microscope)을 이용하여 상기 반도체 기판에 형성된 패턴들의 단면 등을 관찰함으로서, 분석하고자 하는 패턴의 분석 영역을 확인한다(S110).

이어서, 상기 반도체 기판에서 분석하고자 하는 분석 영역을 포함하는 반도체 기판에 펀칭 공정(punching process)을 수행하여, 분석 영역을 포함하고, 그 직경이 3mm인 원판형 시편을 형성한다(단계 S120).

이어서, 그라인더(grinder) 또는 폴리셔(polisher)를 사용하여 상기 원판형 시편 후면을 그라인딩 및 폴리싱함으로서, 최종 두께가 70㎛인 제1예비시편을 형성한다(S130).

이어서, 딤플링 공정(Dimpling process)을 수행하여 상기 제1예비시편의 중앙부 두께가 5㎛를 갖는 제2예비시편을 형성한다(S140).

상기 제2 예비 시편을 형성하는 방법을 구체적으로 설명하면, 먼저 그라인딩 공정이 수행되어 형성된 제1예비시편을 투명 마운트 상면에 부착시킨다. 이어서, 딤플러(dimpler)인 거친 연마휠(bronze wheel)이 상기 제1 예비시편 상면의 중앙에 위치하도록 얼라인 한다.

이어서, 상기 시편이 도 2에 도시된 바와 같이 주황색 불빛이 보일 때까지 제1 예비 시편을 거친 연마한다. 이어서, 주황색 불빛이 보이면 미세 연마휠(Fine wheel)로 교체하고, 교체된 미세 연마휠이 제1 예비시편 상면의 중앙에 위치하도록 얼라인 한다. 이어서, 상기 제1 예비시편을 도 3에 도시된 바와 같이 중심부에서 노란색 불빛이 보일 때까지 미세 연마함으로서 중심부의 두께가 5㎛를 갖는 제2 예비시편을 형성한다.

이어서, 이온 밀링 공정(ion milling process)을 수행하여 상기 제2 예비시편의 양쪽면을 스퍼터링(sputtering)함으로서, 시편의 중앙부에 홀이 형성된 평면구조를 갖는 TEM 분석용 시편을 형성한다(S150).

이와 같은 방법을 수행하여 제작된 평면 구조의 TEM 분석용 시편은 패턴들이 적층된 구조를 갖는 기판의 특정 분석 영역을 평면상에서 관찰하는데 어렵다. 이로 인해, 반도체 기판에 형성된 패턴들의 분석 영역이 한정될 뿐만 아니라 패턴의 분석 정확도가 떨어지는 문제점이 발생한다.

따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1목적은 패턴들이 적층된 구조를 갖는 기판의 특정 분석 영역을 평면에서 관찰이 용이한 구조를 갖는 TEM 분석용 시편의 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 제1목적을 달성하기 위한 본 발명의 TEM 분석용 시편 제작 방법은, 다수의 패턴들이 적층된 기판을 절단하여 분석 영역을 포함하는 제1예비시편을 형성하는 단계; (b) 상기 예비시편의 상면과 수직하는 양측면을 그라인딩하여 제2예비시편을 형성하는 단계; (c) 상기 제2예비 시편의 저면을 그라인딩하여 제3예비시편을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제3예비시편을 양측부에서 중심방향으로 FIB 식각하여 전자가 투과되는 두께를 갖고, 상기 분석영역에 포함된 패턴들이 노출된 구조물을 포함하는 TEM 분석용 시편을 형성하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 시편은 금속 패턴, 절연 패턴 및 폴리 패턴들을 포함하고, 상기 TEM 분석용 시편의 제작 방법은 상기 기판에 분석하고자 하는 패턴들의 분석 영역을 정의하는 분석포인트를 형성하는 단계 및 상기 기판의 분석 영역 상에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함한다.

따라서, 이와 같은 TEM 분석용 시편의 제조 방법은 TEM 분석용 시편을 제조하는 시간을 단축시키고, 분석하고자 하는 패턴들의 손상 없이 상기 TEM 분석용 시편을 형성할 수 있기 때문에 상기 TEM 분석용 시편의 품질을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 기판의 특정 분석 영역을 평면에서 관찰이 용이한 구조를 갖는 TEM 분석용 시편을 형성할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 구조를 갖는 TEM 분석용 시편제작 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

도 4를 참조하면, 다수의 패턴(도시하지 않음)들이 적층된 기판(W)을 마련한 후 상기 패턴들의 불량 및 결함을 분석하기 위해 먼저 광학 현미경을 통해 분석하고자 하는 분석 영역(R)을 확인한다. 여기서, 상기 패턴들은 금속 패턴, 절연 패턴 폴리 패턴등을 포함한다.

이어서, 상기 다수의 패턴들의 분석위치를 전자상으로 관찰하여 분석하고자 하는 분석 영역(R)의 정확한 위치를 나타내는 마킹(M)을 상기 기판의 상면에 형성한다. 상기 마킹은 포커싱 이온빔 장치 내로 상기 시편을 이송한 후 전자상으로 관찰하면서, 상기 분석 영역(R)을 중심으로 방사상으로 이온빔을 조사함으로서 형성된다. 상기 마킹(M)은 현미경으로 관찰할 수 정도로 기판에 표시된다.

도면에 도시하지 않았지만, 상기 기판의 분석 영역의 상부에 분석하고자 하는 패턴을 손상을 방지하는 보호막(도시하지 않음)을 증착한다. 상기 보호막은 FIB 이용하여 TEM 분석용 시편의 특정 영역을 관찰하거나 이후 마이크로 식각(micro milling)할 경우, 상기 FIB에 의한 TEM 분석용 시편 표면에 발생할 수 있는 데미지(damage)를 최소화 해주는 역할을 한다. 상기 보호막으로는 예컨대 텅스텐(W)막, 백금(Pt)막, 탄소(C)막, 알루미늄(Al)막, 폴리머막 등을 사용할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 분석 영역(R)이 포함되도록 상기 기판을 절단하여 가로 3mm×세로 2mm 크기를 갖는 제1예비시편(110)을 형성한다. 상기 기판(W)은 초음파 절단기(ultrasonic cutter) 또는 다이아몬드 절단기(diamond cutter)를 사용하여 절단하는 것이 바람직하다.

상기 절단 공정이 수행됨으로 인해 형성된 제1예비 시편(110)은 기판의 분석 영역(R)을 손상시키지 않으면서 상기 기판을 절단할 수 있는 최소한의 크기이다. 이때. 상기 다수의 패턴들은 상기 기판의 상면과 수직한 상태로 적층되어 있다. 여기서, 예비 시편의 상면은 마킹(M)이 형성된 면이고, 저면은 상기 상면과 대응되는 면이다.

도 6을 참조하면, 다수의 패턴들의 결함을 관찰할 수 있는 분석 영역(R)을 포함하는 제1예비시편(110)의 2개의 측면을 제1그라인딩(Grinding)하여 분석하고자 하는 분석 영역과 근접된 측면을 갖는 제2예비시편(도시하지 않음)을 형성한다.

이때, 제1그라인딩은 형성 하고자 하는 제1예비시편(110)의 측면에 스크레치가 발생하지 않도록 상기 예비 시편의 식각량을 40㎛-15㎛-5㎛-1㎛ 감소시키면서 진행하는 것이 바람직하다. 상기 측면은 상기 제1예비 시편(110)의 상면과 수직하는 면이다.

이어서, 상기 제2예비시편(도시하지 않음)의 저면을 제2그라인딩하여 가로 40㎛×세로 3mm 의 크기를 갖고 약 40㎛의 두께를 갖는 제3예비시편(120)을 형성한다. 상기 제2그라인딩공정은 형성 하고자 하는 제3예비시편(120)의 저면에 스크레지가 발생하지 않도록 상기 제2예비시편의 식각량을 40㎛-15㎛-5㎛-1㎛ 감소하면서 진행하는 것이 바람직하다.

상기 제3예비시편(120)에서 상기 상면과 저면에 각각 수직되고, 서로 마주보는 측면의 간격이 작을수록 후속 공정에서 FIB에 의해 식각하여야 할 두께가 감소된다. 이로 인해, TEM분석용 시편의 제작에 소요되는 시간이 감소될 수 있다. 또한, 상기 제3예비시편(120)의 상면과 저면의 간격이 지나치게 작으면 작업자에 의해 제3예비시편(120)의 취급이 용이하지 않은 문제점이 발생한다.

따라서, 상기 제1 및 제2그라인딩 방법에 의해 형성된 제2예비시편(120)은 상기 분석 영역(R)을 손상하지 않으면서 서로 마주보는 양측면의 간격을 감소시키는데는 한계가 있다. 이 때문에, 제3예비시편(120)의 파손 및 분석 영역(R)의 손상 등을 방지하기 위해서는 제시된 간격을 갖는 것이 바람직하다.

도 7을 참조하면, 상기 제3예비시편(102)의 상면의 외각에서 상기 보호막(도시하지 않음)이 형성된 분석 영역(R)의 중심 방향으로 FIB을 조사하여 전자가 투과하는 두께를 갖고, 분석하고자 하는 패턴들이 노출된 TEM 분석용 시편(130)을 형성한다.

구체적으로, 상기 제3예비시편(120)을 발굽 형상을 갖는 그리드(Grid)에 상에 부착한 후 상기 제3예비시편이 부착된 그리드를 FIB 장치의 시편홀더에 장착한다. 이어서, 상기 제3예비시편(120)의 상부면으로 FIB를 주사하여 분석 영역(R)에서 가장 멀리 떨어진 제3예비시편(120)의 상면의 주변부로부터 상기 분석 영역(R)의 중심 방향으로 제3예비시편(120)의 상부를 국부적으로 빠르게 식각(coarse milling)한다. 상기 빠른 식각은 FIB의 전류밀도를 2800 내지 2400pa로 설정하여 분석 영역(R)이 포함된 제23비시편(120)의 상면의 외측부를 빠르게 식각하는데 있다.

이어서, 상기 제2예비시편(120)의 상부가 상기 빠른 식각에 의해 어느 정도 식각되면, FIB의 전류밀도를 1100 내지 800pa(pico ampere)로 설정하여 상기 빠른 식각공정이 수행된 상면을 상기 빠른 식각보다 느리게 식각한다.

이후에, 상기 제2예비시편(120)의 상부가 느린 식각에 의해 어느 정도 식각되면, FIB의 전류밀도를 300 내지 100pa(pico ampere)로 설정하여 제2 비시편의 상부를 미세 식각(fine milling)한다. 상술한 공정으로 인해 형성된 TEM 분석용 시편(130)은 분석하고자 하는 패턴들을 노출시키고, 100 내지 400nm 두께를 구조물을 포함하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 분석하고자 하는 시편의 패턴들을 평면상에서 광범위하게 관찰할 수 있는 구조를 갖는 TEM 분석용 시편의 제작 방법을 제공하는데 있다. 즉, 분석 하고자 하는 분석 영역의 패턴들이 노출되며, 전자빔이 투과할 정도로 얇고 균일한 두께를 갖는 TEM 분석용 시편을 보다 용이하게 형성할 수 있는 특성을 가지고 있다. 이 때문에, 상기 TEM 분석용 시편을 사용하면, TEM 장비에서 더욱 정확하게 상기 TEM 분석 시편의 결점 및 문제점을 분석할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 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.

도 1은 종래의 평면 구조를 갖는 TEM 분석용 시편의 제조 방법을 나타내는 공정 순서도이다.

도 2 및 3은 딤플링 공정시 TEM 분석용 시편의 연마상태를 나타내는 사진이다.

도 4 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 구조를 갖는 TEM 분석용 시편제작 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

W : 기판 110 : 제1예비시편

120 : 제3예비시편 130 : TEM 분석용 시편

R : 분석 영역 M : 마킹

Claims (5)

1. (a) 다수의 패턴들이 적층된 기판을 절단하여 그 상면에 정의된 분석 영역을 포함하는 제1예비시편을 형성하는 단계;

   (b) 상기 제1예비시편의 상면과 수직하는 양측면을 그라인딩하여 제2예비시편을 형성하는 단계;

   (c) 상기 제2예비시편의 저면을 그라인딩하여 제3예비시편을 형성하는 단계; 및

   (d) 상기 제3예비시편을 양측면에서 중심방향으로 FIB 식각하여 전자가 투과되는 두께를 갖고, 분석영역에 포함된 패턴들이 노출된 구조물을 포함하는 TEM 분석용 시편을 형성하는 단계를 포함하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 금속 패턴, 절연 패턴 및 폴리 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 단계(a) 이전에,

   상기 기판에 상기 분석하고자 하는 패턴들의 분석 영역을 정의하는 분석포인트를 형성하는 단계; 및

   상기 기판에 상기 분석 영역 상에 보호막을 형성하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 단계(d)는 상기 제2예비시편의 저면을 그리드에 부착한 후 수행하는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 단계(d)는 갈륨이온(Ga⁺)을 이용하는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.