KR20150077234A - 주사전자 현미경 - Google Patents

Abstract

시료분석 챔버와, 시료분석 챔버 내부에 설치되어 검사할 시료를 지지하는 시료 스테이지, 시료분석 챔버에 설치되어 시료 스테이지로 시료의 단면을 제작하기 위한 이온 빔을 조사하는 이온 건과, 시료분석 챔버에 연결되며 시료로 전자빔을 주사하는 주사전자유닛, 이온 건과 시료 장착스테이지 사이에 설치되어 시료 스테이지에 놓인 시료의 단면 제작지점을 결정하는 차폐판과, 차폐판을 지지하여 미세 위치 조정 가능하도록 시료분석 챔버내 스테이지에 장착되는 차폐판 위치조정기, 이온 건에서 조사되는 이온 빔에 의한 시료의 단면제작 상태를 검출하고 단면제작 후에는 주사전자유닛에서의 전자빔의 주사에 의한 시료의 단면을 관찰하는 검출기, 시료 스테이지와 이온빔의 주사방향이 직교하는 단면 제작위치와 시료 스테이지와 전자빔의 주사방향이 평행한 단면 관찰위치 사이에서 시료 스테이지의 위치 및 자세를 변경하기 위한 스테이지 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 빔 주사전자현미경이 게시된다.

Description

주사전자 현미경{Scanning Electron Microscope}

본 발명은 주사전자 현미경에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주사전자현미경 내에서 시료의 미세 단면제작 및 단면 영상 관찰기능을 동시에 수행할 수 있도록 하는 주사전자 현미경에 관한 것이다.

최근 IT/NT 기술의 발달로 인하여 반도체 및 디스플레이 및 부품소재들의 패킹 밀도(packing density)도 급격하게 증가하고 있다. 이러한 IT/NT에 의해 얻어진 기술을 분석할 수 있는 전자현미경 분석에 대한 수요는 점점 증가하고 어, 이와 함께 시료제작 장치에 대한 중요성도 높아지고 있다. 특히, 단면제작 장치에 대한 수요 또한 증대되고 있는 실정이다.

종래에는 주사전자현미경(SEM ; Scanning Electron Microscope)에서 단면 시료 제작을 위하여 대표적으로 사용되고 있는 방법은 기계적 연마(Polisher) 장치이다. 이러한 기계적 연마(Polisher)는 다이아몬드 커터(Diamond Cutter)와 에폭시(Epoxy) 제작 키트(Kits) 및 광학현미경 등과 같이 연동되어 처리할 수 있기 때문에 실질적으로 저가의 장치구현 방법은 아니고 고가의 장치인 문제점이 있다.

또한, 제작 방법이 매우 어렵고 오랜 시간이 소요됨과 동시에 기계적 연마에 따른 뒤틀림 변형, 특정부위의 단면제작이 불가능함으로 단순 단면 제작용으로만 사용되고 있다. 또한, 투과전자현미경에서 사용되는 “Micro Tome”은 자체적인 가격대의 부담도 있지만, 글라스 나이프(Glass Knife)로 제작을 하기 때문에 시료 대상이 소프트(Soft)한 시료에 국한되어 있고 소모품에 대한 가격부담도 동시에 발생하고 있으므로 Biology와 같은 특정 목적 이외에는 사용용도가 한정되어 있다.

한편, 최근에 비용적인 문제를 극복하고 현실적으로 제안된 저가의 시료 단면 제작장치기술로서 CP(Cross-section Polisher)장치가 있다.

브로드 이온 빔(Broad Ion beam)을 이용한 CP장치는 단면을 만들고 싶은 시료 위에 차폐판을 놓고 위에서 아르곤 이온 빔을 조사하는 방식이다. 차폐판이 깎임에 따라서 그 단면(端面)을 따르는 형태로 단면(斷面)이 만들어진다. 이온 빔이 시료 단면에 평행하게 입사하므로 선택적 식각이 발생하지 않아 매우 평탄한 단면이 이루어진다. 이렇게 해서 만든 단면에 대하여 수직방향에서 주사전자현미경(SEM) 관찰 혹은 분석을 실행한다. 이러한 CP장치는 기계연마에 비해 개재물의 이동이나 가공변형이 거의 일어나지 않는 장점이 있다. 또한, 기존의 방법에서는 어려웠던 부드러운 재료와 단단한 재료가 혼합된 시료에서도 경면마무리가 가능하여 도금 층 사이의 밀착도나 본-딩 면의 결함(Void)등 기존의 연마에서는 찌그러져 버렸던 간극의 구조가 보존된 채로 단면을 형성할 수 있는 장점이 있다.

그런데 CP장치에서는 500㎛를 넘는 영역의 단면을 제작할 수 있다는 장점을 갖고 있는 반면에 별도의 광학현미경을 이용하여 위치를 제어하기 때문에 위치정밀도를 수 십um 이하로 접근할 수 없는 한계를 지니고 있다. 즉, 추가로 시료 단면 제작 상태를 확인하기 위하여 별도의 광학현미경을 이용해야 하기 때문에 위치 정밀도를 유지하기가 어렵고, 장치의 가격대의 부담은 여전히 남아있을 뿐만 아니라 광학현미경이 지니는 분해능 때문에 실질적으로는 수십 마이크로 이하의 미세 위치정밀도를 지닌 가공은 불가능하다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 10-1999-0086239호(주사전자현미경을 구비하는 시료분석장치 및 구동방법)

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 이온빔 건을 주사전자현미경 내에 결합하여 시료의 단면제작 및 관찰을 하나의 장비에서 진행할 수 있도록 구조가 개선된 듀얼 빔 주사전사현미경을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 듀얼 빔 전자현미경을 구현하는데 있어서 시료 스테이지 몸체에 나노 메니퓰레이터(Manipulator)를 부착하고 메니퓰레이터 핀(pin) 끝단에 차폐판을 장착하여 나노 범위의 정밀도를 가지고 원하고자 하는 지점에 차폐판을 위치하여 시료의 미세 단면제작 및 관찰을 동시에 진행할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 듀얼 빔 주사전자현미경은 시료분석 챔버와; 상기 시료분석 챔버 내부에 설치되어 검사할 시료를 지지하는 시료 스테이지; 상기 시료분석 챔버에 설치되어 상기 시료 스테이지로 시료의 단면을 제작하기 위한 이온 빔을 조사하는 이온 건과; 상기 시료분석 챔버에 연결되며, 상기 시료로 전자빔을 주사하는 주사전자유닛; 상기 이온 건과 상기 시료 장착스테이지 사이에 설치되어, 상기 시료 스테이지에 놓인 시료의 단면 제작지점을 결정하는 차폐판과; 상기 차폐판을 지지하여 나노 범위의 분해능으로 미세 위치 조정 가능하도록 상기 시료분석 챔버에 설치되는 차폐판 위치조정기(나노 매니퓰레이터); 상기 이온 건에서 조사되는 이온 빔에 의한 상기 시료의 단면제작 상태를 2차전자 검출기에 역전압(-) 바이어스를 인가하여 2차전자는 튀어나가고 가속전압의 에너지를 지니고 입사하여 시료에 탄성충돌하여 튀어나오는 후방산란전자를 검출하여 영상촬영을 하고, 단면제작 후에는 상기 주사전자유닛에서의 전자빔의 주사에 의한 2차 전자를 검출하여 상기 시료의 단면을 관찰하는 검출기(ET-BSE 검출기); 상기 시료 스테이지와 상기 이온빔의 주사방향이 직교하는 단면 제작위치와, 상기 시료 스테이지와 상기 전자빔의 주사방향이 평행한 단면 관찰위치 사이에서 상기 시료 스테이지의 위치 및 자세를 변경하기 위한 스테이지 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 주사전자유닛에서 주사되는 전자빔의 주사방향과 상기 이온 건에서 주사되는 이온 빔의 주사방향은 45도 각도를 이루도록 상기 주사전자유닛과 상기 이온 건이 상기 시료분석 챔버에 설치되고, 상기 스테이지를 기울여 상기 시료 표면과 상기 이온건이 수직이 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스테이지 구동부는, 상기 시료 스테이지를 지지하며, 상기 시료홀더를 X축 방향으로 왕복 이동시키기 위한 제1구동유닛과; 상기 제1구동유닛을 지지하며, 상기 X축 방향에 직교하는 Y축 방향으로 왕복 이동시키기 위한 제2구동유닛과; 상기 제2구동유닛을 상기 X축 및 Y축에 직교하는 Z축 방향으로 왕복 이동시키는 승강유닛과; 상기 승강유닛을 회동시켜 상기 시료 홀더에 거치된 시료를 상기 단면 제작위치 및 단면 관찰위치 사이에서 이동되도록 하는 제3구동유닛; 및 상기 제1구동유닛과 상기 시료 스테이지 사이에 설치되어 상기 시료 스테이지를 회전구동시키기 위한 스테이지 회전유닛;을 포함하여, 5축 구동 가능하다.

또한, 상기 차폐판 위치조정기는, 상기 제3구동유닛에 설치되는 지지블록과; 상기 지지블록에 설치되며, 상기 차폐판을 지지한 상태로 X, Y, Z축의 복수 방향으로 나노분해능의 위치변경 및 자세변경 가능한 머니퓰레이터(manipulator);를 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 실시예에 따른 듀얼 빔 주사전자현미경에 의하면, 나노(Nano) 크기의 분해능으로 영상관찰을 구현하는 주사전자현미경(SEM) 장치 내에 시편제작 장비인 이온 빔 밀링 단면 장치를 결합한 특징을 지닌 가칭 소위“Dual Beam SEM”장치로써, 시료 단면 가공을 위한 구성(이온건)과 영상장치(SEM)를 융합한 기술로 씨-너지를 얻을 수 있는 장점이 있다.

즉, 시료의 단면 제작처리와 제작된 단면상의 미세 정보를 SEM으로 관찰할 수 있도록 된 구성으로서, 종래에 시료 제작만을 위한 CP 장치에 비하여 별도의 스테이지, 진공부품, 하우징, 시료관찰용 광학현미경 및 제어기능 등에 소요되는 중복투자를 피하고 이를 단순화하여 가격적인 부담을 줄이면서 SEM에서 기능을 구현할 수 있는 경제적인 장점이 있다.

또한, 시료제작 과정 또는 결과를 SEM 영상에서 모니터링을 할 수 있으므로 제작 상태 확인을 통한 재제작의 필요성을 'In-Situ'로 파악할 수 있는 장점이 있다.

또한, 스테이지 구동부를 이용하여 시료 내에서 선택하고자 하는 미세 위치를 찾아갈 수 있고, 그 스테이지 몸체에 설치한 나노 머니퓰레이터를 조절하여 나노 머니퓰레이터 끝에 장착한 차폐판을 놓고 가공할 수 있으므로 정밀도가 뛰어나다.

또한, 차폐판을 부착한 나노 머니퓰레이터를 스테이지 상에 장착하여 나노 단위의 정밀도로 선택하고자 하는 미세 위치로의 접근이 가능함과 동시에 단면제작이 가능함으로 반도체와 디스플레이 분야 등에서 소자의 특정 위치에서 미세패턴의 단면제작이 가능하다는 장점을 지닌다. 따라서 수십 억대의 장비인 FIB(Focused Ion beam)의 역할을 대체할 수 있어서 매우 경제적이다.

또한, 장착된 이온 건에서 조사되는 이온빔의 조절 폭을 넓게 조절할 수 있어, 낮은 가속전압에서 조사하여 시료 표면의 오염원인 탄소 오염물질을 제거할 수 있어, 보다 선명한 SEM영상을 확보할 수 있는 장점이 있으며M, SEM으로 부도체 시료를 대상으로 영상관찰 시, 발생하는 대전감소(Charge-up Reduction) 효과도 구현할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 빔 주사전자현미경을 나타내 보인 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1b의 상태에서 시료 단면을 보다 자세히 관찰할 수 있도록 전환한 상태를 나타내 보인 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 1a의 요부를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 이온빔을 이용하여 시료 단면을 제작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 이온빔에 의한 시료의 단면 제작상태를 나타내 보인 도면이다.
도 6은 시료의 단면을 제작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 시료의 단면을 관찰하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 이온빔을 이용하여 시료 표면의 탄소오염물질을 제거하고 대전효과를 낮추는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 전자현미경에서의 대전효과 발생원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9b는 대전효과의 발생원리 및 물리적 특성을 나타내 보인 도면이다.
도 10은 전자현미경에서의 대전효과 현상을 나타내 보인 관찰영상이다.
도 11은 시료 표면의 오염물질을 클리닝 하기 전(a)과 후(b)의 상태를 각각 나타내 보인 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 빔 주사전자현미경을 자세히 설명하기로 한다.

도 1a 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 빔 주사전자현미경은, 시료분석 챔버(10)와, 상기 시료분석 챔버(10) 내부에 설치되어 검사할 시료를 지지하는 시료 스테이지(20), 상기 시료분석 챔버(10)에 설치되어 상기 시료 스테이지(20)로 시료의 단면을 제작하기 위한 이온 빔을 조사하는 이온 건(30)과, 상기 시료분석 챔버(10)에 연결되며 상기 시료(1)로 전자빔을 주사하는 주사전자유닛(40), 상기 이온 건(30)과 상기 시료 장착스테이지(20) 사이에 설치되어 시료 스테이지(10)에 놓인 시료(1)의 단면 제작위치를 결정하는 차폐판(50)과, 상기 차폐판(50)을 지지하여 미세 위치 조정 가능하도록 상기 시료분석 챔버(10)에 설치되는 차폐판 위치조정기(60), 상기 이온 건(30)에서 조사되는 이온빔(31)에 의한 상기 시료(1)의 단면제작 상태를 검출하고 단면제작 후에는 상기 주사전자유닛(40)에서의 전자빔의 주사에 의한 상기 시료의 단면을 관찰하는 검출기(70) 및 스테이지 구동부(80)를 구비한다.

시료분석 챔버(10) 내부에 시료 스테이지(20)가 설치되고, 시료 스테이지(20)에 놓이는 시료(1)를 기준으로 하여 검출기(70)를 Y축 방향으로 나란한 자세로 설치되고, 주사전자유닛(40)과는 수직으로 교차하는 자세로 설치된다. 즉, 시료분석 챔버(10)의 측면 쪽에 검출기(70)가 설치되고, 상부측에 주사전자유닛(40)이 설치된다. 그리고 이온 건(30)은 시료분석 챔버(10)에서 검출기(70)와 주사전자유닛(40) 사이에 설치된다. 구체적으로, 상기 주사전자유닛 (40)에서 주사되는 전자빔(42)의 주사방향(Z축)과 상기 이온 건(30)에서 주사되는 이온 빔(31)의 주사방향은 45도 각도를 이루도록 상기 주사전자유닛(40)과 상기 이온 건(30)이 시료분석 챔버(10)에 고정 설치된다.

여기서, 시료 스테이지(20)에는 시료(1)를 안정적으로 지지하기 위한 시료홀더(5)가 설치될 수 있다.

이온 건(30)은 일반적인 CP장치와 동일하게 적용되는 기능을 갖는 것으로서, 시료 스테이지(20)에 놓인 시료(1)로 이온빔(31)을 조사하여 시료(1)에 원하는 단면을 제작할 수 있다. 이러한 이온 건(30)에 의해 이온빔(31)을 발생하는 원리 및 이온빔(31)을 가속하는 원리 등은 공지의 기술로부터 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 것이므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

주사전자유닛(40)은 시료분석 챔버(10)의 상부측에 설치되어 전자빔(42)을 시료(1)로 주사하여 시료(1)에 형성된 단면(1a)을 관찰할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이러한 주사전자유닛(40)은 일반적인 주사전자현미경의 경통(41)을 포함하는 구성으로서, 전자빔(42)을 방사하는 전자총(미도시)과 경통(41)을 포함하여 구성된다. 경통(41)은 전자빔(42)을 집속시켜주는 대안렌즈 및 대물렌즈 및 집속된 전자빔(42)을 주사해주는 편향코일로 이루어진다. 이러한 경통(41) 및 전자총을 포함하는 주사전자유닛(40)의 구성도 공지의 기술로부터 당업자게 용이하게 이해할 수 있는 구성이므로, 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

차폐판(50)은 이온 건(30)에서 조사되어 시료(1)로 향하는 이온빔(31)을 차단하여 시료(1)의 원하는 위치로만 이온빔이 향하도록 하여 시료(1)의 원하는 단면제작위치를 선전한다. 즉, 도 4a 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 차폐판(50)은 마스크역할을 하여 이온 건(30)에서 조사된 이온빔(31)이 시료(1)로 향하지 못하도록 차단하고, 차단하지 않은 부분으로는 이온빔(31)이 조사되어 시료(1)가 등방성 식각처리 되어 식각면이 우수하게 처리될 수 있다. 즉, 차폐판(50)이 시료(1)를 부분적으로 차단하여 시료(1)의 노출된 면으로만 이온빔(31)이 조사되어 식각처리되어 단면이 제작되도록 할 수 있다.

이러한 차폐판(50)은 차폐판 위치조정기(60)에 의해 X,Y,Z축 각각으로 미세하게 위치조정 가능함은 물론, 상하 및 좌우 방향으로 미세회동되어 자세 조정됨으로써, 시료(1)에 대한 차폐판(50)의 위치 및 자세를 정밀 제어할 수 있게 된다. 따라서 시료(1)의 원하는 위치에 단면을 제작할 수 있게 된다. 이러한 차폐판 위치조정기(60)는 상기 스테이지 구동부(80)의 제3구동유닛(130)에 설치되는 지지블록(61)과, 상기 지지블록(61)에 설치되며 차폐판(50)을 지지한 상태로 복수 방향으로 위치변경 및 자세변경 가능한 머니퓰레이터(manipulator)(63)를 구비한다. 머니퓰레이터(63)는 차폐판(50)을 정밀 위치 및 자세 조정할 수 있는 것으로서, 공지의 기술로부터 당업자게 용이하게 이해할 수 있는 구성이므로 자세한 설명은 생략한다.

검출기(70)는 이온 건(30)에서 이온빔을 조사하여 시료(1)의 단면을 제작하는 과정에서는 시료(1)의 제작과정시, 검출기(70) 끝단에 역 전압을 인가하여 자체에서 발생하는 2차전자는 척력으로 벗어나게 하고, 후방산란전자만을 검출하여 시료 단면제작 과정을 관찰할 수 있는 영상을 획득한다. 그리고 검출기(70)는 시료(1) 단면(1a)을 제작한 후에는 시료(1)의 단면(1a)을 관찰하기 위한 시료 관찰모드에서는 주사전자유닛(40)에서 시료(1)로 전자빔(42)을 주사할 때 발생되는 이차전자를 검출하여 시료 단면 검출 영상을 획득한다. 이를 위해, 검출기(70)는 후방산란전자와 이차전자를 모두 검출할 수 있는 E-T BSM 검출기인 것이 바람직하며, 검출기(70)의 끝단에 (+)정전압 인가시, 이차 전자 관찰모드(시료 단면 관찰모드)로 적용되어 통상적인 주사전자현미경의 관찰기능으로 사용되고, 반대로 (-)역 전압을 인가하여 후방산란전자(Back scattered Electron)를 검출할 수 있게 되어 시료 단면 제작과정을 관찰할 수 있게 된다.

도 6은 검출기(70)를 이용하여 이온 건(30)에서 발생된 이온빔(31)을 이용하여 시료(1) 단면을 제작하는 과정을 관찰하는 과정을 나타내 보인 것으로서, 이 위치에서 검출기(70)에서 후방산란전자를 포집하여 제작된 단면 관찰 영상을 획득할 수 있다.

도 7은 검출기(70)에서 시료 단면 관찰모드시, 이차전자를 포집하여 시료 단면의 미세관찰을 하는 동작을 설명하는 도면으로서, 보다 낮은 각도에서 제작처리된 단면을 주사전자 현미경으로 관찰할 수 있도록 구현하는 방법이다.

상기 스테이지 구동부(80)는 스테이지(10)에 놓인 시료(1)를 도 6과 같이 이온 건(30)의 이온빔(31)을 이용한 단면 제작위치와, 도 7과 같이 전자빔(42)을 이용하여 시료(1)의 단면(1a)을 미세 관찰하는 단면 관찰위치 사이에서 자세 및 위치조정하기 위한 것으로서, 시료 스테이지(20)를 소위 5축 구동시키기 위한 것이다. 즉, 스테이지 구동부(80)는 시료 스테이지(20)를 X축, Y축, Z축(승강), 회전 및 틸팅 구동시킬 수 있다. 상기 스테이지 구동부(80)에 의해 스테이지(10)는 5축 구동이 가능하며, 스테이지(10)에 놓인 시료의 위치가 중심저머이 되어 스테이지를 틸팅 및 회전시에도 시료의 중심점이 변하지 않는 소위 'Eucentric stage'가 적용된다.

이러한 스테이지 구동부(80)는 시료 스테이지(20)를 지지하며 시료 스테이지(20)를 X축 방향으로 왕복 이동시키기 위한 제1구동유닛(110)과, 상기 제1구동유닛(110)을 지지하며 상기 X축 방향에 직교하는 Y축 방향으로 왕복 이동시키기 위한 제2구동유닛(120)과, 상기 제2구동유닛(120)을 지지하여 Z축 방향으로 왕복이동(승강이동) 시키는 승강유닛(150)과, 상기 승강유닛(150)을 회동시켜 상기 시료 스테이지(20)에 거치된 시료를 상기 단면 제작위치 및 단면 관찰위치 사이에서 이동되도록 틸팅구동하는 제3구동유닛(130) 및 시료 스테이지(20)를 회전구동시키는 스테이지 회전유닛(140)을 구비한다.

여기서, 시료 스테이지(20)의 중앙에는 시료(1)가 거치되는 시료 홀더(5)가 설치될 수 있으며, 이러한 스테이지(20)는 스테이지 구동부(80)에 의해 X축, Y축 방향으로 위치 제어되어 시료(1)를 단면제작 및 단면 관찰을 위한 정확한 위치에 위치시킬 수 있으며, 또한 단면 제작위치와 단면 관찰위치 각각으로 시료 스테이지(20)를 위치(자세) 변경시킬 수 있다.

상기 제1구동유닛(110)은 시료 스테이지(20)를 지지하는 제1가동블록(111)과, 제1가동블록(111)을 제2구동유닛(120)의 제2가동블록(121)에 대해 X축 방향으로 이동가능하게 가이드 하는 제1가이드부(112)와, 제1가동블록(111)에 형성되는 제1스크류 결합부(113)와, 제2구동유닛(120)에 설치되어 상기 제1스크류 결합부(113)에 스크류 결합되는 제1리드스크류(114)를 구비한다. 제1리드스크류(114)가 제1스크류 결합부(113)에 상호 나사결합되며, 제1리드스크류(114)의 회전시 제1스크류 결합부(113)가 피동되어 X축 방향으로 이동됨으로써 제1가동블록(111)을 X축 방향으로 위치이동시킬 수 있다. 여기서 제1리드스크류(114)는 단부에 수동으로 회전동작시킬 수 있는 회전손잡이가 설치될 수도 있고, 자동으로 회전방향 및 회전수를 제어할 수 있는 스텝모터가 연결될 수도 있다. 제1리드스크류(114)의 회전구동은 시료분석 챔버(10) 외부에서 수동 또는 자동으로 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.

제2구동유닛(120)은 제1구동유닛(110)을 지지하면 Y축 방향으로 이동 가능한 제2가동블록(121)과, 제2가동블록(121)을 Y축 방향으로 이동가능하게 지지하는 베이스(122)와, 베이스(122)와 제2가동블록(121) 사이에서 제2가동블록(121)의 이동을 가이드 하는 제2가이드부(123)와, 제2가동블록(121)에 설치되는 제2스크류 결합부(124)와, 베이스(122)에 설치되어 상기 제2스크류 결합부(124)에 스크류 결합되는 제2리드스크류(125)를 구비한다. 제2리드스크류(125)를 회전시키면, 제2스크류 결합부(124)가 피동되어 Y축 방향으로 이동되어 제2가동블록(121)을 Y축 방향으로 이동시킬 수 있게 된다. 여기서 제2리드스크류(125)도 끝단에 손잡이를 마련하여 수동으로 조작할 수 있도록 구성되거나, 끝단에 스테핑모터를 설치하여 자동으로 정역방향 회전 또는 기울임(Tilt)을 정밀제어할 수 있게 구성될 수도 있다.

이와 같이 제1 및 제2구동유닛(110,120)을 이용하여 시료 스테이지(20)를 X축 및 Y축 방향으로 위치 조정함으로써, 시료 스테이지(20)에 놓인 시료(1)의 단면 제작위치 및 단면 검사위치를 결정할 수 있게 된다. 이때, 제1 및 제2구동유닛(110,120)을 이용해서 시료(1)의 위치를 대략 위치시키고, 정확한 시료 단면제작위치는 차폐판(50)을 차폐판 위치조정기(60)를 이용하여 정밀하게 미세 조정하여 정확하게 위치 조정할 수 있게 된다.

한편, 상기 제1 및 제2구동유닛(110,120)의 구체적인 구성은 상술한 구성 이외에도 다양한 구성이 가능하며, 상술한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

상기 승강유닛(150)은 제2구동유닛(120)을 하부에서 지지하면서, 상하로 높이조절하기 위한 것이다. 이러한 승강유닛(150)의 일예로서, 승강 베이스(151)와, 승강베이스(151)와 제2구동유닛(120) 사이에 설치되어 제2구동유닛(120)을 승강 이동시키는 복수의 액추에이터(153)를 구비할 수 있다.

상기 제3구동유닛(130)은 스테이지(20)에 놓인 시료(1)를 기준으로 하여 시료(1)의 단면을 제작할 수 있도록 이온빔(31)에 수직인 단면 제작위치(도 1의 위치)와, 시료 단면(1a)과 전자빔(42)이 수직을 이루는 시료 관찰위치(도 2의 위치) 사이에서 이동가능하도록 승강 베이스(151)를 이동시키기 위한 것이다. 이러한 제3구동유닛(130)의 일예로서, 시료분석 챔버(10) 내에 설치되어 승강 베이스(151)를 회전가능하게 지지하는 회전축(131)과, 회전축(131)을 회전시키기 위한 회전구동부(132)를 구비한다.

회전구동부(132)는 작업자가 수동으로 회전축(131)을 회전시키기 위한 회전손잡이를 포함하거나 또는 자동으로 원하는 각도만큼 회전시킬 수 있는 스텝모터를 포함할 수도 있다. 그리고 상기 제3구동유닛(130)은 상술한 구성 이외에도 승강 베이스(151)를 45도 내지 180도 각도로 틸팅 구동시킬 수 있는 다양한 공지의 구동수단을 포함할 수 있음은 당연하다.

상기 스테이지 회전유닛(140)은, 상기 제1구동유닛(110)과 시료 스테이지(20) 사이에 설치되어 상기 시료 스테이지(20)를 회전구동시키기 위한 것이다. 이러한 스테이지 회전유닛(140)은 시료 스테이지(20)에 연결되며, Z축 중심으로 회전되게 제1가동블록(111)에 설치되는 회전기어(141)와, 회전기어(141)에 기어 연결되는 구동기어(142) 및 구동기어(142)를 회전구동시키는 구동모터(143)를 구비한다. 구동모터(143)의 구동에 의해 구동기어(142)가 회전되고, 구동기어(142)의 회전에 의해 회전기어(141)가 회전됨으로써 시료 스테이지(20)를 회전시킬 수 있다.

이와 같이 스테이지 회전유닛(140)을 구비하여 시료 스테이지(20)를 회전구동시킬 수 있는 구성을 가짐으로써, 도 8에 도시된 바와 같이, 시료 스테이지(20)를 기울인 상태에서 회전시키면서 이온빔(31)을 시료(1)로 주사하여 시료(1) 표면의 대전효과를 낮추고, 시료(1) 표면의 대전시 오염된 탄소오염물질을 클리닝 하여 제거할 수 있게 된다.

즉, 도 9a는 일반 주사전자현미경을 사용하여 부도체의 시료 표면을 관찰하는데 있어서 전자빔이 누적되어 발생되는 대전효과(charge-up)에 관한 내용이고, 도 9b는 대전효과의 물리적 특성을 나타내 보인 그래프이다. 도 9a 및 도 9b의 내용을 통해 알 수 있듯이, 고에너지로서 집속된 전자빔이 유기물의 표면에 입사하게 되면, 시료에 입사하는 1차 전자는 접지선으로 빠져나가야 하는데, 빠져나가지 못하고 시료 내부에 대전(Charge-up)된다. 이러한 입사 전자들은 시료 내부에서 홀페어(Hole-Pair)를 이루게 되고 궁극적으로는 시료 표면이 네거티브(Negative) 극성으로 대전된다. 시료표면이 네거티브(Negative)로 대전(Charge-up)이 되면, 이차전자의 산출량(Yield)을 크게 발생시킬 수 있는 반면에 시료표면이 열화되어 타거나 전자들 간의 상호 간섭현상을 일으킨다. 또한, 포지티브(Positive)로 대전이 되면, 시료 표면으로부터 튀어나가는 이차 전자들을 시료 표면에 대전된 (+) 이온들이 끌어들여 검출량이 급격히 줄어들게 된다. 따라서 2차 전자의 산출량(Yield)에 영향을 줄 뿐만 아니라 표면에 대전된 전자들에 의하여 영상을 관찰하는데 있어서 영상이 왜곡되거나 흐르는 현상이 발생함으로 관찰할 수 없게 된다.

도 10은 도 9a 및 도 9b에서 설명한 바와 같이, 시료 표면에 대전효과가 발생하여 주사전자현미경 영상 관찰에 좋지 않은 영향을 발생시키는 현상을 촬영한 사진이다.

도 11은 도 8과 같은 상태로 이온 건(30)을 이용하여 이온빔을 시료로 주사하면서 스테이지(20)를 기울인 상태로 회전시키면서 이온빔을 시료(1)에 수직이 아닌 경사진 각으로 주사하여, 시료 표면의 오염된 탄소 오염물질(cabon contamination)을 제거하기 전(a)과 제거 후(b)의 영상 차이를 주사전자현미경으로 관찰한 영상 결과이다. 이와 같이 시료(1) 표면을 이온 건(30)의 이온빔을 경사지게 주사하여 클리닝 함으로써 시료의 관찰시 시료 단면의 촬영 영상의 질을 향상시킬 수 있게 되어 정밀하고 정확한 시료 관찰이 가능하게 된다.

즉, 시료(1) 표면의 오염원인 탄소 오염물질을 제거하는 과정을 보다 자세히 설명하면 다음과 같다. 통상적으로 시료표면은 항시 진공상태로 보관되어있지 못하기 때문에 표면은 공기 중의 탄소(Carbon) 등의 오염물질로 도포되어 있다. 따라서 이러한 경우, 주사전자현미경(SEM)으로 영상관찰 시, 해상도가 떨어지게 된다. 이러한 부작용을 해결하기 위하여 통상적으로는 불활성(Ar) 이온 빔으로 표면을 “Ashing”처리하는데, 본 발명에서도 Ar 이온빔(31)의 가속전압 및 전류량을 약하게 조절하고 소위 "Zarar Rotation"기술을 적용하여 Ar 이온빔(31)을 조사하는 동안 시료(1)가 장착된 스테이지(20)를 도 8과 같이 기울여준 상태에서, 360도 회전시켜주면서 처리를 하면, 시료(1) 표면에 손상을 적게 주면서, 시료(1) 표면의 오염-원인 탄소(carbon)의 "Ashing" 처리가 가능해 진다. 따라서 일반 시료 표면을 Ashing처리 한, 후 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하게 되면, 상대적으로 선명한 영상을 구현할 수 있는 장점을 지닌다.

본 발명 기술의 또 하나의 특징은 듀얼 빔(Dual Beam)으로 대전감소 효과(Charge-Up Reduction)를 구현할 수 있다. 대전효과(Charge-up)는 집속된 이온빔 또는 전자빔이 시료(1)에 입사였을 때, 시료표면이 (+) 또는 (-)로 대전되는 형태를 말한다. 금속의 경우에는 전도체이므로 시료 대에 접지처리하게 되면, 대전문제가 해결되지만 유기물이나 부도체인 경우, 자체에 전도성이 없으므로 입사되는 집속된 전자 빔이 시료 표면에 축적되어 쌓이는 대전현상(Charge-up)이 발생된다. 주사전자현미경(SEM)의 경우, 대전현상(Charge-up)은 집속된 전자 빔이 시료에 입사하였을 때, 입사된 전자 빔이 빠져나가지 못하고, 시료 표면이 (-)로 대전된다. 이러한 현상은 통상적으로 이차전자(Secondary Electron) 및 후방산란전자(Back-scattered Electron)의 산출량(Yield)을 저해하는 영향을 주게 되고, 시료표면에 손상을 줄 뿐만 아니라, 심한 경우에는 영상의 왜곡을 유발시킨다. 따라서 전자 빔에 의하여 표면에 전자가 누적이 되면 이를 중성화시켜 주어야 한다. 본 발명에서는 상기의 탄소 오염물질 클리닝동작과 유사한 조건으로 이온빔(31)의 가속전압을 낮추고 이온빔(31) 량을 조절하고, 시료(1)의 기울기를 낮게 하여 (-)로 대전된 표면에 조사하여 중성화(Neutralization)시키는 원리를 적용할 수 있다. 즉, 도 9b에서 보는 바와 같이 입사 에너지(E1)가 축출되는 에너지(E2)보다 클 때와 작을 때의

대전효과를 표현해주고 있다. 따라서 E1과 E2의 ratio가 “1”이 되는 순간의 정점에서 대전효과가 발생하지 않기 때문에 이온빔(31)과 전자빔(41)의 전하량을 동일하게 유지하면, 대전효과를 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼빔 주사전자현미경에 따르면, 도 1a의 상태에서는 시료(1)의 작업높이를 조절하기 위해서 승강유닛(150)을 구동시켜서 높이를 조절한다.

시료(1)의 높이를 조절한 다음, 상기 제3구동유닛(130)을 구동하여 시료(1)와 이온빔(31)이 수직을 이루도록 시료 스테이지(20)의 자세를 위치시킨다. 이때 나노 머니퓰레이터를 조절하여 차폐판을 정확하게 미세 조정이동시켜 단면 제작위치에 접근시킨다. 그런 다음, 도 6과 같이 스테이지(20)를 틸팅시켜서 이온빔과 수직상태로 한 다음에, 도 5와 같이 이온빔(31)을 주사하여 시료를 단면 제작할 수 있다. 즉, 이온빔(31)을 시료에 주사시 발생되는 후방산란전자를 검출기(70)에서 검출하여 단면제작 영상을 얻을 수 있게 된다. 따라서 시료(1) 단면 제작과정을 모니터링 할 수 있는 이점이 있다. 이때, 시료(1)의 단면 제작위치를 조정하기 위해서는 앞서 설명한 바와 같이, 제1구동유닛(110), 제2구동유닛(120), 제3구동유닛(130) 및 승강유닛(150)을 이용하여 대략적인 위치를 조정한 후에, 차폐판이 부착된 메니퓰레이터 위치조정기(60)를 이용하여 정밀하게 시료 단면제작위치를 설정할 수 있다.

이와 같이, 시료(1)를 단면 제작위치로 위치하여 이온빔(31)을 이용하여 단면(1a)을 제작하게 되면, 시료(1)의 단면(1a)에 이온빔(31)이 평행하게 입사하므로 선택적 식각이 발생하지 않아 매우 평탄한 단면(1a)이 형성된다. 이와 같이 이온빔(31)을 이용하여 시료(1)의 단면(1a)을 제작하게 되면, 기계연마 방법에 비해 개재물의 이동이나 가공변형이 거의 일어나지 않게 되며, 기존의 방법에서는 어려웠던 부드러운 재료에 단단한 재료가 혼합된 시료에서도 경면마무리가 가능하여 도금 층 사이의 밀착도와 본딩면의 결함 등 기존의 연마에서는 찌그러졌던 간극의 구조가 보존된 채로 단면을 형성할 수 있는 이점이 있다. 또한, 차폐판(50)을 미세 조정하여 위치시킬 수 있게 되어 시료(1)의 원하는 위치에서의 단면제작 및 관찰이 가능해진다.

도 1b와 같은 상태에서 시료(1)의 단면을 제작하면서 관찰동작이 완료되면, 제3구동유닛(130)을 동작시켜서 도 2와 같이 시료 스테이지(20)를 45도 각도보다 더 회전시킨다. 그러면, 시료(1)의 단면(1a)이 전자빔(41)에 대해 수직에 가깝게 이루게 되며, 이러한 상태에서 주사전자유닛(40)에서 전자빔을 주사하며, 이때 발생되는 이차전자를 검출기(70)에서 검출하여 시료 단면 영상을 획득하여 모니터링 할 수 있게 된다. 물론, 도 1b와 같은 상태에서도 시료(1)로 전자빔(41)을 주사하여 시료를 관찰할 수도 있다.

한편, 시료(1)의 단면(1a)을 관찰하기 전에, 도 8에 도시된 바와 같이, 시료(1)를 이온빔(31)에 대해 수직인 아닌 경사진 자세로 위치 조정한 상태에서, 시료 회전유닛(140)을 이용하여 시료(1)를 360도 회전시키면서, 이온건(30)에서 이온빔(31)을 조사하되, 단면 제작시보다는 낮은 가속전압으로 조사하여 시료(1) 표면의 오염원인 탄소 오염물질을 클리닝 처리함으로써, 시료(1)의 단면(1a)을 관찰할 경우 선명한 주사전자현미경 영상을 확보할 수 있는 이점이 있다.

또한, 시료(1)가 부도체인 경우에도 이온빔(31)을 이용하여 시료(1)에 이온빔을 수직이 아닌 경사진 각도로 조사함으로써 대전효과를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

1..시료 10..시료분석 챔버
20.시료 스테이지 30..이온 건
40..주사전자유닛 50..차폐판
60..차폐판 위치조정기(차폐판이 부착된 메니퓰레이터)
70..검출기 80..스테이지 구동부 110..제1구동유닛 120..제2구동유닛 130..제3구동유닛 140..스테이지 회전유닛

Claims (4)

1. 시료분석 챔버와;
   상기 시료분석 챔버 내부에 설치되어 검사할 시료를 지지하며, 5축으로 구동 가능한 시료 스테이지;
   상기 시료분석 챔버에 설치되어 상기 시료 스테이지로 시료의 단면을 제작하기 위한 이온 빔을 조사하는 이온 건과;
   상기 시료분석 챔버에 연결되며, 상기 시료로 전자빔을 주사하는 주사전자 경통유닛;
   상기 이온 건과 상기 시료 스테이지 사이에 설치되어, 상기 시료 스테이지에 놓인 시료의 단면 제작지점을 결정하는 차폐판과;
   상기 차폐판을 지지하여 나노범위의 분해능으로 미세 위치 조정 가능하도록 상기 시료분석 챔버에 설치되는 차폐판 위치조정기;
   상기 이온 건에서 조사되는 이온 빔에 의한 상기 시료의 단면제작 상태를 검출하고, 단면제작 후에는 상기 주사전자유닛에서의 전자빔의 주사에 의한 상기 시료의 단면을 관찰하는 검출기;
   상기 시료 스테이지를 5축 구동하여 상기 이온빔의 주사방향이 직교하는 단면 제작위치와, 상기 시료 스테이지와 상기 전자빔의 주사방향이 직교하는 관찰위치 사이에서 상기 시료 스테이지의 위치 및 자세를 변경하기 위한 스테이지 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 빔 주사전자현미경.
2. 제1항에 있어서,
   상기 주사전자유닛에서 주사되는 전자빔의 주사방향과 상기 이온 건에서 주사되는 이온 빔의 주사방향은 45도 각도를 이루도록 상기 주사전자유닛과 상기 이온 건이 상기 시료분석 챔버에 설치되고, 상기 스테이지를 기울여 상기 시료 표면과 상기 이온건이 수직이 되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 듀얼 빔 주사전자 현미경.
3. 제2항에 있어서, 상기 스테이지 구동부는,
   상기 시료 스테이지를 지지하며, 상기 시료홀더를 X축 방향으로 왕복 이동시키기 위한 제1구동유닛과;
   상기 제1구동유닛을 지지하며, 상기 X축 방향에 직교하는 Y축 방향으로 왕복 이동시키기 위한 제2구동유닛과;
   상기 제2구동유닛을 상기 X축 및 Y축에 직교하는 Z축 방향으로 왕복 이동시키는 승강유닛과;
   상기 승강유닛을 회동시켜 상기 시료 홀더에 거치된 시료를 상기 단면 제작위치 및 단면 관찰위치 사이에서 이동되도록 하는 제3구동유닛; 및
   상기 제1구동유닛과 상기 시료 스테이지 사이에 설치되어 상기 시료 스테이지를 회전구동시키기 위한 스테이지 회전유닛;을 포함하여,
   5축 구동 가능한 것을 특징으로 하는 듀얼 빔 주사전자 현미경.
4. 제3항에 있어서, 상기 차폐판 위치조정기는,
   상기 제3구동유닛에 설치되는 지지블록과;
   상기 지지블록에 설치되며, 상기 차폐판을 지지한 상태로 X, Y, Z축의 복수 방향으로 나노분해능의 위치변경 및 자세변경 가능한 머니퓰레이터(manipulator);를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 빔 주사전자 현미경.
   

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