KR20080060000A - 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사 장치 - Google Patents

주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사 장치 Download PDF

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Abstract

전자빔을 주사하는 주사 전자 현미경을 이용하여 포토 마스크를 검사하는 시료 검사 장치를 개시한다. 본 발명은 주사 전자 현미경에 의해 주사되는 전자빔에 의해 포토 마스크 표면에서 발생하는 전하를 포집하는 전하 포집부를 포함하며, 일반적인 주사 전자 현미경에 전하 포집부를 추가하여 간단하게 구성할 수 있어서 비용 부담이 적으면서도 검사 장치에서 획득하는 영상 품질을 향상할 수 있다.
주사 전자 현미경, 전자빔, 전하 축적, 접지, 포토 마스크

Description

주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사 장치{Apparatus For Inspecting Sample Using A Scanning Electronic Microscope}
도 1은 시료 표면에 국부적으로 포텐셜 장벽이 형성되어 전자빔의 경로를 방해하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1접지대의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제2접지대의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 전하 포집부를 구비하지 않은 시료 검사장치에서 획득한 영상을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 전하 포집부를 구비하는 시료 검사장치에서 획득한 영상을 나타내는 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10 : 챔버
20 : 주사 전자 현미경
30 : 시료
40 : 시료 스테이지
50 : 전하 포집부
본 발명은 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시료 표면에 형성되는 전하 축적 현상을 개선하기 위한 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화에 따라 반도체 기판상에 형성되는 패턴의 크기가 작아지고 있다. 반도체 소자의 패턴의 크기가 작아짐에 따라 수 마이크로미터 이하의 크기를 가지는 파티클(particle)에 의해서도 완성된 반도체소자의 불량 원인이 된다.
파티클의 주요 발생 원인 중의 하나가 반도체 제조설비와 반도체 제조설비에 사용되는 재료들이다.
도 1은 시료 표면에 국부적으로 포텐셜 장벽(potential barrier)이 형성되어 전자빔의 경로를 방해하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 주사 전자 현미경(20) 내부에서 생성된 전자빔(23)이 대물 렌즈(21)의 출구를 통해 시료(30)의 표면에 조사된다. 이때 시료 표 면에 전하가 축적되는 현상이 발생하고, 전하 축적에 의해 시료의 표면에 포텐셜 장벽(potential barrier)(60)이 국부적으로 형성될 수 있다. 이 포텐셜 장벽(60)에 의해 전자빔의 디포커스(defocus), 디프랙션(deflection)되는 문제와 획득된 시료 표면에 대한 영상이 움직이는 현상(drift)이 발생하게 된다.
이와 같이 시료 검사를 위한 전자빔을 조사하는 장치에서는 시료 표면에서의 전하 축적 현상을 고려할 필요가 있다. 그러한 문제를 감안하여, 시료의 분석과 평가를 위해 환경 주사 전자 현미경(Environmental Scanning Electronic Microscope; ESEM)이 개발되었다.
환경 주사 전자 현미경은 원형 그대로 비파괴 성분분석을 할 수 있는데, 주사 전자 현미경 기능과 에너지 분산형 분광기 기능이 복합되어 있는 설비로서, 1차 전자를 시료 표면에 주사함에 따라 표면에서 발생하는 이차전자(secondary electron;SE), 후방 산란 전자(back scattered electron;BSE), 물질 고유의 특성 X선 등을 검출하여 시료 표면의 단차, 굴곡, 구성물질 등을 분석하는 장비이다.
환경 주사 전자 현미경은 여러 종류의 시료를 대상으로 검사 공정을 범용적으로 수행할 수 있는 이점이 있는 반면에, 다음의 단점을 가지고 있다.
첫째, 전자빔을 집속하여 시료의 표면을 조사하기 위하여 진공 레벨을 다르게 생성하는 차등 진공 시스템을 갖추어야 한다.
둘째, 시료 표면에 축적되는 전하를 중성화시키기 위해 가스 입자들을 분사시켜 주는 가스 인젝터(gas injector)를 구비하여야 한다.
셋째, 펌핑 시스템을 구비하여야 하며, 이 펌핑 시스템은 가스 챔버 내의 초 고진공(UHV) 환경을 위한 이온 펌프(ion pump) 및 차등 진공시스템을 구현하기 위한 로터리 펌프, 확산 펌프, 터보 펌프를 다단계로 설치해야 하므로 복잡한 구성을 가지게 된다.
본 발명은 상기한 문제를 감안하여 고안한 것으로, 본 발명의 목적은 간단한 구조의 일반적인 주사 전자 현미경에 전하 포집부를 추가 설치함으로써 시료 표면에 형성되는 전하 축적 현상을 개선할 수 있는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
검사 시료를 수용하는 챔버; 상기 챔버 안에 설치되어 상기 검사 시료 표면에 전자빔을 주사하는 주사 전자 현미경; 및 상기 전자빔의 주사에 의해 시료 표면에서 발생하는 전하를 포집하는 전하 포집부를 포함한다.
상기 전하 포집부는 전기적으로 접지한다.
상기 전하 포집부는 금속 재질이다.
상기 전하 포집부는 알루미늄 또는 구리 중 어느 하나이다.
상기 전하 포집부는 상기 검사 시료로부터 일정 거리 떨어지고, 상기 주사 전자 현미경의 일측과 상기 검사 시료 사이에 설치한다.
상기 전하 포집부는 중공이 형성된 몸체와 그 몸체에서 갈라진 지지부를 포함한다.
상기 지지부를 전기적으로 접지된 상기 주사 전자 현미경의 대물 렌즈의 외측부에 고정하기 위한 고정 부재를 더 포함하고, 상기 지지부는 상기 고정 부재를 설치하기 위한 결합공을 형성하고, 상기 중공은 상기 전자빔을 통과할 수 있도록 상기 대물렌즈의 출구에 대향한다.
상기 전하 포집부는 중공이 형성된 몸체와 그 몸체의 양측으로 굴곡되어 연장되는 지지부를 포함한다.
상기 지지부를 전기적으로 접지된 상기 챔버의 양측에 설치된 걸림턱에 고정하기 위한 고정 부재를 더 포함하고, 상기 지지부는 상기 고정 부재를 설치하기 위한 결합공을 형성하고, 상기 중공은 상기 전자빔을 통과할 수 있도록 상기 대물렌즈의 출구에 대향한다.
상기 검사 시료는 부도체의 유리 재질이다.
상기 검사 시료는 포토 마스크이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토 마스크; 상기 포터 마스크의 검사 공정을 수행하기 위한 챔버; 상기 포토 마스크의 표면에 전자빔을 출사하는 주사 전자 현미경; 및 상기 전자빔의 주사에 의해 상기 포토 마스크 표면에서 발생하는 전하에 의한 포텐셜 장벽의 형성을 억제하기 위하여 전기적으로 접지하는 접지대를 포함한다.
상기 접지대는 상기 주사 전자 현미경의 일측 또는 상기 챔버의 일측에 고정 설치한다.
상기 접지대는 상기 주사 전자 현미경의 일측과 상기 포토 마스크 사이에 설 치한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 의한 주사 전자 현미경의 시료 검사장치를 설명한다.
도 2는 본 발명의 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전하 포집부의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 포집부의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명은 복잡하고 고가의 환경 주사 전자 현미경(ESEM) 대신에 일반적인 주사 전자 현미경(SEM)을 적용한다. 여기서 일반적인 주사 전자 현미경이라 함은 포토 마스크와 같이 부도체(nonconductor)의 특성을 갖는 시료 검사에 한정하며, 이에 따라 검사 장치의 구조가 환경 주사 전자 현미경에 비하여 간단하고 검사 절차를 단순화할 수 있다.
이러한 일반적인 주사 전자 현미경에서 시료 검사 시 전하 축적 현상이 발생하는 문제를 해소하기 위해, 본 발명에서는 전하를 끌어당기는 전하 포집부를 추가하는 구성을 구비하며, 이와 관련하여 상세하게 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 시료 검사 장치(1)는 챔버(10) 안에 일반적인 주사 전자 현미경(20)과 시료 스테이지(40)를 구비한다.
도 2에 도시한 본 발명에 따른 일반적인 주사 전자 현미경의 구조는 기존의 구성과 유사하다. 주사 전자 현미경(20)은 내부에서 시료(30)에 주사하기 위한 전자빔(23)을 생성하고, 대물 렌즈(21)의 출구(22)를 통해 전자빔(23)을 출사하도록 되어 있다. 실시 예에서는 시료(30)의 예로서 포토 마스크(photomask)를 적용한다.
시료 스테이지(40) 위에 놓여진 포토 마스크(30) 표면에 전자빔(23)이 주사된다. 포토 마스크(30)에 전자빔(23)을 주사하면, 이차전자(SE), 후방 산란 전자(BSE) 등의 반응 이온(32)이 검출기(24)측으로 반사된다. 검출기(24)는 반응 이온(32)을 토대로 시료 표면의 영상을 획득한다.
한편, 전자빔(23)의 주사에 의해 포토 마스크(30) 표면에는 전하(Q)가 축적된다. 포토 마스크(30)는 부도체의 유리 재질로서 그 표면에 디바이스 패턴이 형성되기 때문에, 전하 축적에 의한 문제가 심각하다.
이를 보다 구체적으로 살펴본다.
포토 마스크(30) 표면에 축적되는 전하(Trapped charges; Q)는 다음과 같은 식1)로 표현할 수 있다.
IO = σ*IO + dQt/dt + IL --- 식1)
여기서, IO 는 주사된 전류량, σ(=η+δ)는 η과 δ의 합성값으로 η은 BSE 발생율 값이고 δ은 SE의 yield 값이고, dQt/dt는 시간에 따라 시료 표면에 축적되는 전하량, IL 는 전자와 정공의 재결합(electron-hole recombination ), 열이나 빛 등 다른 에너지 형태로 변환되어 소멸되는 전류이다.
시료 표면에 축적되는 전하는 식1)로부터 다음의 식2)로 표현할 수 있다.
dQt/dt = (1-σ)*IO - IL --- 식2)
시료 표면에 전하 축적이 많아지면, 포토 마스크(30) 표면에 국부적으로 포텐셜 장벽이 형성되고, 이러한 포텐셜 장벽에 의한 악영향을 받을 수 밖에 없다. 비록 포텐셜 장벽이 국부적으로 형성된다고 하여도, 고배율의 영상을 얻기 위한 주사 전자 현미경에서 대부분의 이차 전자를 이용하여 시료 표면의 영상을 얻기 때문에 영상 품질에 결정적인 영향을 주게 된다.
이를 감안하여, 본 발명에 따른 주사 전자 현미경의 시료 검사 장치에서는 대물 렌즈(21)와 포토 마스크(30) 사이에 전하 포집부(50)를 배치한다.
전하 포집부(50)는 포토 마스크(30)로부터 작업 거리(working distance;D)만큼 떨어져 설치된다. 전하 포집부(50)는 설치 구조에 따라 제1실시 예와 같이 제1접지대(50a)과 제2실시 예와 같이 제2접지대(50b)로 구현할 수 있다. 제1 및 제2접지대(50a)(50b)는 금속 재질로 만드는데, 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등이 적용될 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제1접지대(50a)는 중공(55)이 형성된 몸체(51)와 그 몸체에서 세 갈래로 갈라진 지지부(52)로 이루어진다. 전자빔(23)을 통과시킬 수 있도록 중공(55)은 대물렌즈(21)의 출구(22)에 대향 설치된다. 지지부(52)에 대물 렌즈(21)의 원뿔 형상의 외측부(21a)에 고정 설치하기 위한 결합공(53)이 형성된다. 결합공(53)에 고정 나사(54)를 끼워서 제1접지대(50a)의 지지부(52)를 대물 렌즈(21)의 외측부(21a)에 고정한다. 대물 렌즈(21)의 외측부(21a)는 전기적으로 접지되어 있다. 따라서 제1접지대(50a)는 전기적으로 접지된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제2접지대(50b)는 중공(56a)이 형성된 몸체(56)와 그 몸체의 양측으로 굴곡되어 연장되는 지지부(57)를 구비한다.
전자빔(23)을 통과시킬 수 있도록 중공(56a)은 대물렌즈(21)의 출구(22)에 대향 설치된다. 지지부(57)에 챔버(10)의 양측에 형성된 걸림턱(11)에 지지부(57)를 고정 설치하기 위한 결합공(58)이 형성된다. 결합공(58)에 고정 나사(59)를 끼워서 제2접지대(50b)의 지지부(57)를 챔버(10)의 걸림턱(11)에 고정한다. 챔버(10)의 양측에 형성된 걸림턱(11)은 전기적으로 접지되어 있다. 따라서 제2접지대(50b)는 전기적으로 접지된다.
상기 구성을 갖는 본 발명에 따른 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사 장치의 동작을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치의 동작원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 전하 포집부를 구비하지 않은 시료 검사장치에서 획득한 영상을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 전하 포집부를 구비하는 시료 검사장치에서 획득한 영상을 나타내는 도면이다.
주사 전자 현미경(20) 내부에서 출사되는 전자빔(23)이 포토 마스크(30)에 주사되고, 이 전자빔(23)에 의해 포토 마스크(30) 표면에 전하가 축적되는 현상이 발생한다. 이러한 전하 축적이 많아지면 국부적으로 포텐셜 장벽을 형성하게 된다. 만약 이러한 포텐셜 장벽을 제거하거나 무시할 수 있을 정도로 약화시키지 않을 경우, 이러한 환경 조건에서 반응 이온(32)을 토대로 검출기(24)에서 획득하는 영상의 품질은 저하될 수 밖에 없다. 예를 들어, 도 6과 같이, 전하 포집부를 구비하지 않고 획득한 영상 이미지는 일부 영역(la)에서 영상이 움직이는 것과 같은 드리프트(drift) 현상이 발생하게 된다. 따라서 시료 검사에 심각한 지장을 초래한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 전하 포집부(50)는, 도 3 및 도 4 에서 도시되어 있는 제1접지대(50a)와 제2접지대(50b)에 대하여 설명한 바와 같이, 전기적으로 접지되어 있다. 이에 따라 전하 포집부(50)는 전자빔(23)의 주사에 의해 포토 마스크(30) 표면에서 발생하는 전하를 끌어 당기는 역할을 한다. 이에 따라 포토 마스크(30 표면에서 전하 축적 현상을 방지하거나 최소한 전하 축적을 상당히 완화시켜서 포텐셜 장벽의 형성을 억제할 수 있다.
이와 같이 전하 포집부(50)가 전하를 포집하는 동작에 의하여 포토 마스크(30) 표면에 포텐셜 장벽이 제거되거나 무시할 수 있을 정도로 약화시킬 수 있게 됨에 따라 고 품질의 영상 이미지를 얻을 수 있다. 예를 들어 도 7과 같이, 본 발명에 따른 전하 포집부를 구비하여 획득한 영상 이미지는 도 6과 대응하는 일부 영역(lb)에서 선명한 라인의 영상을 나타낼 수 있다. 따라서 시료 검사의 자료로 유용하게 적용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 일반적인 주사 전자 현미경에 전기적으로 접지되는 전하 포집부를 추가하는 간단한 구성으로 시료 표면에 발생하는 전하 축적 현상을 개선할 수 있어서 비용 부담이 적고, 검사 장치에서 획득하는 영상 품질을 향상할 수 있다.

Claims (14)

  1. 검사 시료를 수용하는 챔버;
    상기 챔버 안에 설치되어 상기 검사 시료 표면에 전자빔을 주사하는 주사 전자 현미경; 및
    상기 전자빔의 주사에 의해 시료 표면에서 발생하는 전하를 포집하는 전하 포집부를 포함하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전하 포집부는 전기적으로 접지하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전하 포집부는 금속 재질인 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전하 포집부는 알루미늄 또는 구리 중 어느 하나인 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전하 포집부는 상기 검사 시료로부터 일정 거리 떨어지고, 상기 주사 전자 현미경의 일측과 상기 검사 시료 사이에 설치하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전하 포집부는 중공이 형성된 몸체와 그 몸체에서 갈라진 지지부를 포함하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지부를 전기적으로 접지된 상기 주사 전자 현미경의 대물 렌즈의 외측부에 고정하기 위한 고정 부재를 더 포함하고,
    상기 지지부는 상기 고정 부재를 설치하기 위한 결합공을 형성하고, 상기 중공은 상기 전자빔을 통과할 수 있도록 상기 대물렌즈의 출구에 대향하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전하 포집부는 중공이 형성된 몸체와 그 몸체의 양측으로 굴곡되어 연장되는 지지부를 포함하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지부를 전기적으로 접지된 상기 챔버의 양측에 설치된 걸림턱에 고정하기 위한 고정 부재를 더 포함하고,
    상기 지지부는 상기 고정 부재를 설치하기 위한 결합공을 형성하고, 상기 중공은 상기 전자빔을 통과할 수 있도록 상기 대물렌즈의 출구에 대향하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 검사 시료는 부도체의 유리 재질인 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 검사 시료는 포토 마스크인 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  12. 포토 마스크;
    상기 포터 마스크의 검사 공정을 수행하기 위한 챔버;
    상기 포토 마스크의 표면에 전자빔을 출사하는 주사 전자 현미경; 및
    상기 전자빔의 주사에 의해 상기 포토 마스크 표면에서 발생하는 전하에 의한 포텐셜 장벽의 형성을 억제하기 위하여 전기적으로 접지하는 접지대를 포함하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 접지대는 상기 주사 전자 현미경의 일측 또는 상기 챔버의 일측에 고정 설치하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 접지대는 상기 주사 전자 현미경의 일측과 상기 포토 마스크 사이에 설치하는 주사 전자 현미경을 이용한 시료 검사장치.
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