KR20080033416A - 전자칼럼의 전자빔 에너지 변환 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자빔을 발생하는 전자칼럼에 있어서 전자빔 에너지를 효율적으로 변환시키기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전자칼럼의 전자빔에너지를 변환시키는 방법은, 전자빔이 시료에 도달할 때 에너지를 자유롭게 조절 가능하도록 시료에 도달하는 최종 전자빔이 필요한 에너지를 갖도록 전압을 필요한 전극에 추가로 인가하는 것을 특징한다.

Description

전자칼럼의 전자빔 에너지 변환 방법{METHOD FOR CHANGING ENERGY OF ELECTRON BEAM IN ELECTRON COLUMN}

본 발명은 전자빔을 발생하는 전자칼럼에 있어서 전자빔 에너지를 효율적으로 변환시키기 위한 방법에 관한 것이다.

전자빔을 발생시키는 전자칼럼에서 전자빔 에너지 변화는 매우 중요한 기능으로, 전자칼럼에서 발생되는 전자빔의 에너지는 그 활용분야에서 매우 중요하다. 예를 들면 전자칼럼으로 리소그래피를 수행하는 경우, 디스플레이를 위하여 전자빔을 사용하는 경우, 또는 전자현미경으로 사용되는 경우 등과 같이 시료에 도달하는 전자빔의 에너지의 크기에 따라 전자빔이 시료에 입사하는 깊이, 시료의 파괴, 및 분해능 등에 영향을 주고 있다.

일반적으로 전자칼럼에서 전자를 방출하는 전자방출원에 가해주는 전압에 의하여 시료에 도달하는 전자빔의 에너지가 결정되고 있다. 그러나 매우 작고 섬세한 구조의 전자칼럼, 예를 들어 마이크로전자칼럼에서 전자빔의 에너지를 높이기 위하여 전자방출원에 높은 전압을 인가하는 것은 한계가 있다.

마이크로칼럼과 관련되어, 싱글 마이크로칼럼의 구조에 관한 일예가 대한민국 특허출원 2003-66003호에 설명되어 있고, 또한 논문으로서, 이. 크래쉬머 외 6 명, J. Vac Sci. Technol. B 13(6), 2498-2503 Pages, 1995년 발행"An electron-beam microcolumn with improved resolution, beam current, and stability", 및 J. Vac Sci. Technol. B 14(6), 3792-3796 Pages, 1996년 발행"Experimental evaluation of a 20x20mm footprint microcolumn"에 있으며, 관련 외국특허로는 미국 특허 US 6,297,584호, US 6,281,508 호, 및 US 6,195,214호 등이 있다. 그리고 멀티마이크로칼럼은 다수의 싱글 마이크로컬럼을 직렬 또는 병렬로 배열하여 구성되는 단일 마이크로칼럼(SCM, single column module)모듈로 구성될수 있고, 2개이상으로 규격화된 일체화된 칼럼 모듈(MCM, monolithic column module), 즉 2x1 또는 2x2 등을 한조로 하여 멀티컬럼을 구성할 수 있고 또한, 웨이퍼 한 장을 컬럼의 렌즈 부품이 되도록 하는 웨이퍼 크기의 칼럼 모듈(WCM; Wafer-scale column module)로 구성한 멀티 칼럼구조가 있다. 이러한 기본적 개념은 티 에치 피 칭 외 8명, J. Vac. Sci, Tehcnol. B14, 3774- 3781페이지, 1996년 발행 "Electron-beam microcolumns for lithography and related applications" 논문에 있다.

또 다른 방식은 혼합형 멀티 방식으로 1개이상 컬럼이 SCM 과 MCM 또는 WCM이 함께 배열되는 경우와 일부의 컬럼 렌즈 부품은 SCM, MCM, 또는 WCM 방식으로 되어 있는 경우도 가능하다. 이것은 김호섭 외 7명, Journal of the Korea Physical Society, 45(5), 1214-1217페이지, 2004년 발행, "Multi-beam microcolumns based on arrayed SCM and WCM 논문과 김호섭외 6명, Microelectronic Engineering, 78-79, 55-61페이지, 2005년 발행, " Arrayed microcolumn operation with a wafer-scale Einzel lens" 논문등에 기초적인 실험 결과가 소개되어 있다.

일반적으로 전자칼럼에서 전자방출원과 첫 번째 전극, 예를 들어 엑스트렉터의 거리가 100 마이크로미터 정도로서 전자방출원에 수백에서 1 kv 정도의 음 전압을 그리고 전극에는 그라운드(0 V)를 인가하게 된다. 또한 인가전압이 높을수록 많은 전자가 방출되지만 전체 전자빔은 불안정하게 되고 심한 경우 전자방출원이 손상되는 문제점을 가지고 있다.

이러한 전자방출원 손상의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 전자방출원 부근은 초고 진공도를 유지하는 방법으로 해결하거나 전자방출원과 첫 번째 전극(엑스트렉터 또는 렌즈층)사이에 낮은 전압차를 인가하는 방법을 사용한다. 그러나 초고진공을 유지하는 것은 비용적으로나 구조적으로 어려움이 있고, 전압차를 이용한 것은 인가하는 전압의 제한이 있다.

기술적 과제

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명에서는 이러한 문제점이 발생하는 전자칼럼에서 전자방출원과 첫 번째 전극 사이에서 저 전압차 방법을 사용하면서 전자빔에너지를 자유롭게 조절할 수 있도록 시료위의 마지막 전극(렌즈층 또는 포커스 렌즈)을 플로팅 시키는 방법을 제시한다.

기술적 해결방법

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 전자빔 전자칼럼의 전자빔에너지를 변환시키는 방법은, 전자빔이 시료에 도달할 때 에너지를 자유롭게 조절 가능하도록 시료에 도달하는 최종 전자빔이 필요한 에너지를 갖도록 필요한 전극에 전압을 추가로 인가하는 것을 특징한다.

본 발명에 따른 방법은 전자칼럼에서 전자방출원의 전압을 안정한 범위에서 인가하여 전자빔을 방출하게 유도하여 일정한 전자빔에너지를 유지하게 하고, 전자빔이 시료에 도달할 때 에너지를 자유롭게 조절가능하게 하기위하여 시료 바로 위에 있는 렌즈(통상적으로는 포커스 렌즈)의 제1렌즈층, 제2렌즈층, 제3렌즈층 등에 최종적으로 필요한 에너지를 위한 전압을 인가하여 에너지를 조절하고 제2렌즈층에 포커스를 위한 전압을 추가로 변경하는 방식이다.

이 방법에서는 포커스 렌즈의 마지막 층과 시료사이에는 별도의 전극 없이 사용 가능하지만 필요에 따라 추가할 수 있다. 그러나 전자칼럼의 구조의 복잡성 및 전자빔의 제어를 위하여 포커스 렌즈를 플로팅 시키는 것이 가장 바람직 할 것이다.

전자칼럼이 시료를 관찰하기 위해서는 전자빔 디텍터가 필요할 수 있다. 일반적으로 2차 전자 및/또는 back-scattering electron (BSE)를 검출하기위한 디텍터로서 SE-디텍터, MCP, BSE 디텍터, 반도체 디텍터 등이 사용되고 있다. 이러한 디텍터에는 높은 전압을 인가하거나, 그라운드상태에서 전자를 방출하고 있어 전자빔에너지에 변화를 줄 수 있다. 전자 검출기가 전자칼럼의 측(옆)방향에서 전자를 검출하면 전자빔에너지에 영향이 적게 나타나지만, 전자칼럼과 매우 가까이 또는 전자칼럼과 같은 축선 상에서 전자를 검출하면 전자빔에너지에 영향을 주게 된다. 리소그래피의 경우 검출기는 전자칼럼에서 시료를 관찰하고 전자칼럼의 축선 상에서 옆으로 이동하여 전자빔에너지에 영향이 없도록 하여 리소그래피 패터닝을 할 수 있게 된다. 이런 경우 검출기에도 포커스 렌즈에 인가한 전압만큼 전압을 인하여 포커스렌즈와 검출기의 전압차를 동일하게 또는 유사하게 하여 에너지의 변화를 최소화 하는 방법도 있다. 이 경우에는 추가적인 전자제어 장치(부품)가 필요할 수도 있다.

유리한 효과

본 발명에 따른 전자칼럼의 전자빔 에너지 변환 방법을 사용하면 전자방출원에 높은 전압을 인가하지 않고 필요한 전자빔 에너지를 조절할 수 있어 전자방출원의 팁에 무리를 주지 않으며 또한 초고진공을 유지하기 위한 비용도 절감된다.

본 발명에 따른 전자칼럼의 전자빔 에너지 변환방법을 사용하면 포커스렌즈에 전압을 인가하여 전자빔 에너지를 증가시켜서 전자칼럼의 분해능을 향상시킬 수 있다.

도1은 본 발명에 따라 전자칼럼에서 전자빔 에너지를 변환시키는 방법을 나타내는 개략 단면도.

도2는 본 발명에 따라 전자칼럼에서 전자빔 에너지를 변환시키는 다른 방법을 나타내는 개략 단면도.

도3은 본 발명에 따라 전자칼럼에서 전자빔 에너지를 변환시키는 또 다른 방법을 나타내는 개략 단면도.

도4는 본 발명에 따라 전자칼럼에서 전자빔 에너지를 변환시키는 또 다른 방 법을 나타내는 개략 단면도.

발명의 실시를 위한 형태

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

먼저 도1은 본 발명에 따른 전자빔을 제어하는 방법의 일 실시예로 일반적인 전자칼럼의 내부에서 전자빔을 제어하는 것을 나타내는 단면도이다.

전자방출원(1)에 음전압이 수백에서 수킬로 eV 사이에서 인가되면 소스렌즈(3)의 엑스트렉터 렌즈층(3a)에 전자방출원보다 높은 전압을 인가하여 전자가 전자방출원에서 방출되어 높은 전압이 있는 엑스트렉터로 이동한다. 필요한 경우, 전자방출원(1)에 -500eV 인가시 엑스트렉터(3a)에는 그 이상의 전압(예로서 -200 eV 내지 +200 eV)을 인가하는 방식으로 전자방출원(1)으로부터 전자들이 방출되도록 한다. 이렇게 방출된 전자들이 빔(B)을 형성하여 엑셀레이터(3b)에서 전자빔이 가속되고 또는 포커싱되어 리미팅 아퍼쳐(limiting aperture, 3c)를 통과하며 전자빔의 형상이 결정된다. 각각의 렌즈층에는 필요하면 전압을 인가할 수 있으나, 일반적으로 렌즈(3b) 및 렌즈(3c)에는 그라운드 전압이 인가된다.

리미팅 아퍼쳐(3c)를 통과한 전자빔은 디플렉터(4)에 의해 디플렉팅 되고 포커스렌즈(6)에 의해 시료에 의해 포커싱된다. 시료에 도달한 전자빔에 의하여 나오는 2차 전자 및 반사된 전자 등을 디텍터(미도시)에서 감지되어, 그 결과 예를 들면 이미지 등을 알 수 있다. 여기서 디텍터는 렌즈들과 동축상에 위치거나 별개로 존재할 수 도 있고 디텍터의 특성에 따라 다양한 방법으로 위치될 수 있다.

다만 이하에서 본 발명과 관련되어 동축상에 있는 디텍터로 설명하는 것뿐이 며 MCP나 다른 디텍터와 같이 전자빔이 렌즈들을 통해 진행하는 경로의 외부나 측방향에 위치될 수 있다.

시료에 도달하는 전자빔의 에너지는 일반적으로 전자방출원(1)과 전자칼럼의 마지막 렌즈층(6c) 또는 시료 사이의 전압차에 의하여 결정된다. 일반적으로 마지막 렌즈층(6c)은 그라운드로서 즉 0V의 전압이 인가된다. 그러나 도1에서는 포커스렌즈(6)의 하단에 더 전압을 인가하기 위하여 별도의 렌즈층 또는 전극층(10)이 하나가 더 디텍터와 같이 또는 별개로 배치될 수 있다. 물론 이 전극층(10)은 렌즈의 마지막 층(예로서 6c)에 인가되는 전압과 관련되어, 전자빔에 에너지를 더 추가될 필요가 있거나 시료에 더욱 접근되어 에너지를 증가 또는 변화시킬 필요가 있는 경우에 사용되는 것으로 필요에 따라 사용여부를 결정하면 된다.

시료에 도달되는 전자빔 에너지는 전자방출원과 전자칼럼의 마지막 렌즈층이나 전극(10) 또는 시료와의 전압차에 의해 결정되고 전자방출원에는 수백에서 2 keV 사이의 음전압이 인가되므로 마지막 렌즈층이니 전극에는 0 V나 그 이상의 양전압이 인가되면 전자빔의 에너지는 증가될 것이다.

도1에서 포커스렌즈(6)의 3개의 렌즈층들(6a,6b,6c)에는 개별적으로 전압을 인가할 수 있다. 전자빔 에너지는 도1의 경우에는 소스렌즈(3)나 포커스렌즈(6)의 하나의 전극층(3a, 3b, 3c, 6a, 6b, 6c)과 같이 전압을 인가할 수 있는 전자빔 에너지 변환용 전극층(10)에 의해 최종적으로 변화될 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이 전자빔 에너지 변환용 전극층(10)은 필요에 따라 사용하면 되고 필요한 에너지를 계산하여 상기 전극층에 전압을 인가하면 된다. 물론 상기 전극층을 사용하지 않는 경우에는 포커스렌즈(6)에 필요 전압을 계산하여 인가하면 된다. 이 경우 위에서 설명한 바와 같이 포커스렌즈(6)의 각각의 렌즈층(6a,6b,6c)에 전압을 인가할 수 도 있고 마지막 렌즈층(6c)에만 전압을 별도로 인가할 수 있으나 포커스렌즈 전체에 인가하는 것이 전자빔의 에너지를 변화시키는데 더 바람직할 수 있다.

도2에서는 전극층(10) 위치에 상기 전자빔 에너지 변환용 전극층을 포함하거나 또는 포함하지 않은 디텍터(20)가 렌즈의 동축상에 위치된 것으로 전압의 인가는 위에서 설명한 전자빔 에너지 변환용 전극층과 같이 하거나 디텍터(20)에 디텍팅을 위한 전압이 인가되는 경우 포커스렌즈(6)와 같이 필요 전압을 계산하여 추가로 인가(경우에 따라 전압이 추가되거나 줄어들 수 있음)할 수 있다. 도2에서는 디텍터(20)를 사용하는 경우로서 포커스렌즈의 마지막층(6c)에만 전압을 인가하도록 할 있으나 도1에서 포커스렌즈 각층에 모두 전압을 개별적 및/또는 조합 적으로 인가 하는 방법처럼 디텍턱(20)에 전압을 인가 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로서 도3은 시료에 별도의 전압을 인가할 수 있도록 하였다. 최종적으로 시료에 인가된 전압에 의해 전자빔의 에너지는 결정될 것이다. 이 경우에도 포커스렌즈(6)에 전압이 추가 인가될 수 있음은 물론이고 전압을 인가하지 않고 시료에만 필요 전압을 인가하여 시료에 도달하는 전자빔의 최종적 에너지를 변화시킬 수 있다.

본 발명의 가장 간단한 또 다른 실시예는 도4와 같이 포커스렌즈부분이 별도로 존재하는 것이 아니고 소스렌즈 부분에서 엑스트렉터에 필요한 전압을 인가하여 포커스를 하면서 에너지의 증가가 필요하면 소스렌즈 전체부분(3a,3b,3c) 또는 필 요한 층(3b) 및/또는 층(3c)에 전압을 인가하여 에너지를 변화시킬 수 있다. 이러한 경우 디플렉터에도 필요한 전압을 증가할 수 있다. 그러나 보다 쉬운 방법은 추가 전자빔 에너지 변환용 전극층(10)에 소스렌즈층 전압을 인가하여 최종에너지를 변화할 수 있다.

위에서는 싱글 타입의 전자칼럼을 위주로 설명하였으나 멀티 타입의 전자칼럼도 동일한 방식으로 전자빔 에너지를 조절할 수 있다.

멀티 타입의 전자칼럼의 경우는 싱글 전자칼럼의 구성에 대응되는 각 단위 전자칼럼이 n×m행렬식으로 배열되어 사용될 수 있고 추가되어야 할 전극이나 렌즈(층)에 기존의 제어방식에 추가되는 전압을 인가하면 되고 전자빔에너지를 조절하기 위하여 추가되는 전극에는 기존의 멀티 전자칼럼의 제어방식으로 제어하면 된다.

위의 실시예의 설명에서 도3의 시료에는 별도의 전압을 인가하기 위하여 플로팅되어 있으나 나머지 도1, 도2 및 도4와 같은 예에서 시료는 그라운드 또는 플로팅 시키게 된다. 시료가 그라운드 된 경우에 전자빔의 에너지는 전자 방출원에 인가된 전압과 시료의 전압차 즉 전자 방출원에 인가된 전압 만큼이 전자빔 에너지가 되는 것이 일반적이다. 따라서 전극(10)을 사용하는 경우 상기 전극과 시료의 간격을 최대한 근접하여, 예를 들면 수 마이크로미터 간격을 갖도록 하여 사용하면 상기 전극(10)에 인가된 추가 전압에 의해 전자빔 에너지는 변환 될 수 있으며 또한 분해능도 향상된다.

본 발명에 따른 전자빔 에너지 변환 방법은 전자 칼럼을 이용한 검사 장치나 리소그라피 장치에서 사용이 가능하다. 또한 멀티 전자 칼럼으로 디스플레이나 반도체등 전자 칼럼을 이용한 검사 장치나 리소그라피 장치 등에서 사용이 유용하게 사용이 가능하다.

Claims (5)

1. 전자칼럼의 전자빔에너지를 변환시키는 방법에 있어서,

   전자빔이 시료에 도달할 때 에너지를 자유롭게 조절 가능하도록 시료 위에 도달하는 최종 전자빔이 필요한 에너지를 갖도록 전극에 전압을 추가로 인가하는 것을 특징으로 하는 전자칼럼의 전자빔에너지 변환방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전극이 포커스렌즈인 것을 특징으로 하는 전자칼럼의 전자빔에너지 변환방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 전극이 전자빔의 에너지를 조절하기 위한 별도의 전용 전극 또는 디텍터인 것을 특징으로 하는 전자칼럼의 전자빔에너지 변환방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 디텍터에 인가되는 전압이 포커스 렌즈에 인가되는 전압과 동일하거나 그라운드 인 것을 특징으로 하는 전자칼럼의 전자빔에너지 변환방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 시료에 별도의 전압이 추가로 인가되는 것을 특징으로 하는 전자칼럼의 전자빔에너지 변환방법.

Images