KR20150101532A - 제작이 용이한 4중극 렌즈층의 소스렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4중극 렌즈층의 소스렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이러한 초소형 전자칼럼의 분해능을 향상시키면서 또한 제작이 용이한 초소형 전자칼럼에 관한 것이다.
본 발명은 초소형 전자칼럼의 특성을 개선하기 위하여 보조집속전극(auxiliary focusing electrode)을 채용하여 소스렌즈(source lens)의 기하학적 구조와 작동 조건(operating condition)을 최적화하여, 시료에서의 전자빔 크기를 조절함으로써 1 keV 이하의 저에너지로 구동되는 50 nm급 분해능을 가지는 초소형 전자칼럼을 제공하는 것

Description

제작이 용이한 4중극 렌즈층의 소스렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼{MICRO-COLUMN HAVING A SOURCE LENS WHICH COMPRISES FOUR ELECTRODES FOR EASY FABRICATION}

본 발명은 4중극 렌즈층의 소스렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이러한 초소형 전자칼럼의 분해능을 향상시키면서 또한 제작이 용이한 초소형 전자칼럼에 관한 것이다.

1990년대 초에 IBM T. J. Watson 연구소에서 처음으로 개발한 초소형 전자칼럼(microcolumn)은, 도1에 도시된 바와 같이, 전자방출원(t), 소스렌즈(source lens, 10), 빔을 스캔하기 위한 디플렉터(deflector, 20), 포커스렌즈(focus lens) 로서의 아인젤 렌즈(Einzel lens, 30)로 구성되어 있으며, 전체 길이가 10 mm 이하의 초소형 전자칼럼이다.

초소형 전자칼럼은 길이가 짧아 칼럼내에서 운동하는 전자들 간의 산란을 최소화시키는 특징이 있다.

초소형 전자칼럼의 주요 특징은 소형 구조의 전자칼럼을 이용한 멀티(multi) 전자빔 구조가 가능하다는 것이다. 멀티 전자칼럼은 현재 전자빔 장비, 예를 들어 CD-SEM, wafer-inspection, 전자빔 리소그래피 등에서 단점으로 지적되고 있는 생산성을 향상시킬 수 있다.

기존의 전자빔을 만드는 대형 전자칼럼은 금속판을 사용하여 기계적 가공을 통하여 전자가 통과할 수 있는 수 백 ㎛ 크기의 어퍼쳐(aperture)로 제작된다. 하지만 초소형 전자칼럼은 필요에 따라 수㎛ 정도의 어퍼쳐를 제작해야하기 때문에 홀(hole)의 정교한 가공이 요구된다. 이러한 문제는 반도체를 이용한 MEMS 공정으로 해결하고 있다. 그 중에서도 소스렌즈는 전자빔이 시료에 도달하는 동안 전자 빔의 궤적을 제어할 뿐만 아니라 초소형 전자칼럼의 전기적 특성을 좌우하는 중요한 구성요소이다.

도1에 도시된 바와 같이 소스렌즈(10)는 초소형 전자칼럼의 전자빔 특성에 가장 큰 영향을 주는 부분이다. 통상적인 소스렌즈는 전자방출원(tip, t)에서 전계전자방출(field emission)을 유도하는 추출전극(extractor, S1), 전자를 가속시키는 가속전극(accelerator, S2), 전자를 걸러주는 제한전극(limiting aperture, S3)로 구성되어 있으며 각 전극에 전압을 인가함으로써 전극판 사이에 전기장을 형성하여 전자빔의 운동을 제어한다.

일반적으로 소스렌즈 중에서 가속전극은 추출전극과 제한전극에 비해 홀의 크기가 매우 크기 때문에 전자빔의 특성에 직접적인 영향을 주지 않는 것으로 알려져 있다. 초소형 전자칼럼을 구성하고 있는 상기의 전극들에 서로 다른 전압을 인가하면 어퍼쳐(aperture) 공간에 전기장에 의한 도2와 같은 무수히 많은 등전위분포(등전위선)가 형성된다. 상기의 등전위선은 하나 하나가 전자렌즈로서의 역할을 한다. 등전위선들의 간격과 곡률은 전극의 두께 및 어퍼처의 직경 그리고 전극간의 간격과 인가한 전압에 따라 결정되고 이러한 전자렌즈를 통과하는 전자들은 가속 혹은 감속되면서 집속되거나 발산되어진다.

이와 같은 소스렌즈의 구성은 초소형 전자칼럼의 특성에 많은 영향을 주고 있으므로 소스렌즈의 구성은 초소형 전자칼럼의 설계에 매우 중요한 요소이다.

본 발명은 초소형 전자칼럼의 특성을 개선하기 위하여 보조집속전극(auxiliary focusing electrode)을 추출전극(extractor, S1)과 가속전극(accelerator, S3) 사이에 삽입 배치하여 소스렌즈(source lens)의 기하학적 구조와 작동 조건(operating condition)을 최적화하여, 시료에서의 전자빔 크기를 조절함으로써 1 keV 이하의 저에너지로 구동되는 50 nm급 분해능을 가지는 초소형 전자칼럼을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 새로운 개념의 렌즈층 또는 전극(S2s) 하나를 소스렌즈에 삽입함으로써 제한전극(S3) 및 추출전극(S1)의 어퍼쳐 크기(aperture size)를 크게 하여 전극간의 정렬 및 전자 방출원 팁(t)과 추출전극(S1)과의 정렬을 용이하게 하고 추출전극(S1)을 통과하는 전자들의 수를 증가시켜 초소형 전자칼럼의 전자빔 특성을 개선하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 초소형 전자칼럼은 전자를 방출시키는 전자 방출원, 상기 전자를 빔으로 형성하고 제어하는 정전기장 전자렌즈, 및 상기 전자빔을 시료에 스캔하게 하는 디플렉터를 포함하며, 상기 전자렌즈는 상기 전자 방출원에서의 상기 전자 방출을 유도하는 추출전극; 상기 전자 방출원으로부터 발생하는 전자빔의 집속력을 조절하기 위한 보조집속전극; 상기 인출 전극부에 의하여 방출된 상기 전자를 가속하는 가속전극; 및 상기 가속전극부에 의하여 가속된 상기 전자에 의한 상기 전자빔의 양과 크기를 제어하는 제한전극;을 포함하며, 상기 제한전극의 구경이 상기 보조집속전극의 구경의 1/5 이상 크기 또는 10 마이크로미터 중 어느 하나로부터 상기 가속전극의 구경과 동일한 구경 사이인 것 및/또는 추출전극의 구경이 보조집속전극의 구경과 같거나 큰 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 초소형 전자칼럼은, 상기 전자 방출원, 추출전극, 보조집속전극, 가속전극, 및 제한전극을 포함하는 전자렌즈, 및 디플렉터 중 어느 하나 이상이 각각 하나의 실리콘 기판에 복수개로 형성되고, 상기 기판들을 순차적으로 조립하여 복수개의 전자칼럼을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 초소형 전자칼럼은, 상기 보조집속전극은 상기 추출전극과 상기 가속전극로부터 각각 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위 내에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 초소형 전자칼럼은, 상기 디플렉터가 상기 제한전극과 시료 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.

위와 같은 구성의 초소형 전자칼럼은 전자빔의 특성에 가장 큰 영향을 주는 소스렌즈에 보조집속전극을 추출전극과 가속전극 사이에 추가로 포함함으로써 소스렌즈의 기하학적 구조와 작동 조건을 최적화하며, 또한 1 keV 이하의 저에너지로 구동되는 sub-50nm급 이상의 분해능을 가질 수 있도록 한다.

본 발명의 초소형 전자칼럼은 상기 제한전극의 구경이 상기 집속 전극부의 구경의 1/5 이상이 되도록 하여 용이하게 소스렌즈 정렬 제작을 할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 실리콘 기판(Si substrate)에 전자 광학 컬럼을 구성하는 전극부들을 복수개 배치시킴으로써 복수개의 초소형 전자 광학 컬럼을 용이하게 제작할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래의 초소형 전자칼럼의 구성을 나타내는 단면 개략도이다.
도2는 소스렌즈에서 어퍼쳐(aperture) 공간에 전기장에 의한 등전위선 분포 특성을 나타내는 도면이다.
도3은 본 발명의 초소형 전자칼럼의 구성을 나타내는 개략적인 사시도 이다.
도4는 빔 커런트 밀도(beam current density)와 시료(specimen)에서의 빔 지경(beam diameter)에 대한 특성을 나타낸 그래프이다.
도5는 본 발명에 따른 초소형 전자칼럼의 제한 전극의 크기에 따른 보조집속전극(S2s)에 인가된 전압과 방출원 팁커런트(tip current) 및 시료(specimen)에서의 빔 커런트(beam current) 특성을 나타내는 그래프이다.
도6은 본 발명에 따른 초소형 전자칼럼의 가속 전극에 인가된 전압에 따른 시료에서의 빔 사이즈 및 빔 커런트 특성을 나타내는 그래프이다.
도7은 본 발명이 다른 실시예에 따른 초소형 전자컬럼에서의 전자빔의 궤적 형태를 도시한 단면 개략도이다.
도8은 도7의 구성의 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전자 광학 컬럼과 종래의 초소형 전자 광학 컬럼의 시료에서의 전자빔 크기를 비교한 그래프이다.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼 스케일(Si wafer sacle)의 멀티 초소형 전자칼럼의 구성을 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하며, 각 도면의 구성요소들의 도면부호는 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 구성요소를 나타내도록 부여되었다.

본 발명의 보조집속전극(auxiliary focusing electrode)의 컨셉(concept)은 크기가 증가한 추출전극(S1)을 통과하며 갈라짐(divergence)이 증가한 전자빔을 보조집속전극(S2s)에서 집속하여 아인젤(Einzel) 렌즈로 입사되는 전자 궤적 (electron trajectory)을 최적의 조건으로 조절하는 것이다.

그리고 초소형 전자칼럼의 렌즈층(전극)의 정렬은 그 구경이 작아 용이하지 않다. 특히 제한전극의 구경은 통상적으로 더 작아 다른 전극들과 정렬이 쉽지 않다.

초소형 전자칼럼은 각 전극들의 구경들이 전자 광학축에 따라 매우 정밀하게 정렬되어야만 빔사이즈가 작은 고해상도의 성능을 발휘할 수 있다.

따라서 본 발명은 소스렌즈에 보조집속전극(S2s)을 추가하여 4개의 전극으로 형성되도록 하여 통상적으로 구경이 작은 제한전극의 구경을 기존의 구경보다 크게 한 것이다. 보조집속전극(S2s)을 기준으로 하여 상기 제한전극의 구경이 상기 보조집속전극의 구경의 1/5 이상 및 10 마이크로미터 중 큰 것으로부터 상기 가속전극의 구경과 동일한 구경 사이인 것이 바람직하다.

도3은 본 발명의 초소형 전자칼럼의 구성을 나타내는 개략적인 사시도 이다. 도3에 도시된 바와 같이 본 발명의 소스렌즈(110)는 모두 4개의 전극으로 이루어져 있다. 종래의 소스렌즈(10)와 비교하면 상기 보조집속전극(S2s)이 추출전극(extractor, S1)과 가속전극(accelerator, S2) 사이에 추가된 것이다.

도3에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 초소형 전자칼럼 구조에서 S2s 전극의 효과를 확인하기 위하여 종래 초소형 전자칼럼(아래 표1의 구성)과 simulator인 Opera Ver. 15를 이용하여 비교하였다. 종래 전자칼럼의 결과치는 속이 빈원으로 그리고 본 발명의 결과치는 검은 원으로 표시하였다.

	Tip 직경	S1 직경	S2 직경	S3 직경	Tip-S1 거리	S1-S2거리	S2-S3 거리
Diameter/Gap (㎛)	0.1	5	100	2.5	50	200	400
Driving Voltage(V)	-1000	-697.5	0	0	-	-	-

도4는 빔 커런트 밀도(beam current density)와 시료(specimen)에서의 빔 지경(beam diameter)에 대한 특성을 나타낸 그래프이다. 본 발명의 칼럼은 아래 표2의 구성과 같으며 비교 칼럼은 S2s 전극이 없고 나머지 전극 직경은 본 발명의 칼럼과 같으며 전극 거리는 종래 칼럼과 같다.

	Tip 직경	S1 직경	S2s 직경	S2 직경	S3 직경	Tip-S1 거리	S1-S2s 거리	S2s-S2 거리	S2-S3 거리
Diameter/Gap(㎛)	0.1	50	50	50	10	50	200	200	400
Driving Voltage(V)	-1000	-697.5	-800/ Variable	0	0	-	-	-	-

상기 종래 초소형 전자칼럼과 동일조건을 구현하기 위하여 S3의 어퍼쳐지름을 10㎛, 동작거리(working distance)를 2.0 mm로 고정시키고 동일한 구동전압의 조건하에서 시료에서의 전자빔 직경을 관찰하였다. 여기서 S1의 인가전압을 -697.5 V로 인가하여 팁커런트를 10 ㎂로 일치시켰다. 본 발명의 초소형 전자칼럼 구조의 경우에서 종래의 초소형 전자칼럼보다 빔 직경이 훨씬 작아짐을 볼 수 있으며 S2s 전극이 전자빔 제어에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 즉 보조집속전극(S2s)이 전자빔 제어에 큰 영향을 미치는 것을 보여준다.

도5는 제한전극의 크기에 따른 보조집속전극(S2s)에 인가된 전압과 방출원 팁커런트(tip current) 및 시료(specimen)에서의 빔 커런트(beam current) 특성을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 보조집속전극(S2s)의 인가전압에 따른 시료에서의 전자빔 직경의 변화를 측정한 그래프에서 보조집속전극(S2s)의 인가전압이 증가할수록 전자빔 직경(beam diameter)이 작아짐을 나타낸다.

그러나 보조집속전극(S2s)의 인가전압이 증가할수록 지속적으로 빔 지름이 작아지는 것은 아니다. 도5는 제한전극(S3)의 크기에 따른 보조집속전극(S2s)에 인가된 전압과 팁 커런트(tip current)와 시료에서의 빔 커런트(beam current)와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이 팁 커런트는 제한전극(S3)의 크기에 크게 영향을 받지 않으나 시료에서의 빔 커런트는 제한전극(S3)의 aperture diameter가 2.5㎛인 경우 보조집속전극(S2s)의 인가전압에 따른 의존도가 미미하지만 제한전극(S3)의 aperture diameter가 10 ㎛인 경우에는 보조집속전극(S2s)의 control 효과가 확연히 드러남을 알 수 있다. 이것은 제한전극(S3)가 작을수록 제한전극(S3)을 통과하는 전자의 수가 적어서 보조집속전극(S2s)의 control 효과와 상관관계가 적음을 알 수 있다. 따라서 보조집속전극(S2s)에 인가된 전압을 적절하게 조절하면 초소형 전자칼럼의 전자빔 특성을 저하시키지 않고도 제한전극(S3)의 어퍼쳐 구경을 10㎛정도로 크게 하여 빔 커런트를 증가시킬 수 있다. 가속전극(S2)이나 보조집속전극(S2s)에 인가된 전압이 증가하면 빔 커런트는 증가하며(도5 참조) 빔 사이즈는 도4에서와 같이 점차적으로 감소한다.

그러나 도6은 가속전극에 인가된 전압에 따른 시료에서의 빔 사이즈 및 빔 커런트 특성을 나타내는 그래프로서, 도6에서 보는 바와 같이 가속전극(S2)나 보조집속전극(S2s)에 특정 전압(-860 V) 이상의 전압이 인가될 경우 시료에서의 빔 사이즈가 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 이것은 보조집속전극(S2s)에 860 V 이상의 전압이 인가되면 소스렌즈에서 전자빔 집속이 너무 지나치게 되어 전자빔이 Einzel 렌즈부로 진입하기 이전에 crossover가 발생되어 Einzel 렌즈부에서의 전자빔 집속이 이루어지지 않는 것을 알 수 있다.

새로운 개념의 제어전극인 보조집속전극(S2s)의 도입은 구경 직경이 큰 추출전극을 선택할 수 있게 하여 빔 커런트를 증가시키고 시료에서의 빔 크기를 줄일 수 있어서 초소형 전자칼럼의 분해능을 개선시키는 역할을 한다.

도7은 본 발명이 다른 실시예에 따른 초소형 전자컬럼에서의 전자빔의 궤적 형태를 도시한 도면으로서, 본 발명에 따른 소스렌즈에서 보조집속전극(S2s)이 집속 전극 역할을 하여 별도의 포커스렌즈 없이 사용하는 것으로서 소스렌즈와 디플렉터만으로 구성된 초소형 전자칼럼을 도시한다. 도7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 전자 광학컬럼에서의 전자빔(B)의 궤적 경로가 도시되어 있다. 먼저, 추출전극(S1)과 전자 방출원 팁(t) 사이에 형성되는 강한 전기장에 의하여 전계 전자 방출이 유도되어 팁(t)에서 전자빔(B)이 방출된다. 그리고 보조집속전극(S2s)이 추출전극(S1)의 추출전극 구경을 통과한 전자빔(B)의 집속력을 조절한다. 이때, 보조집속전극(S2s)에는 Working distance에 따라 전압이 유동적으로 인가되어, 전자빔(B)의 집속력을 조절한다. 그리고 가속전극(S2)이 보조집속전극(S2s)을 통과하는 전자빔(B)의 전자를 가속한다. 그리고 제한전극(S3)이 가속전극 구경을 통과한 전자빔(B)의 양과 크기를 기 정하여진 수치로 제한한다. 이후, 제한전극(S3)을 통과한 전자빔(B)을 디플렉터(D)가 편향시켜 시료에 주사된다. 여기서, B'는 전자 방출원에서 방출되나 실제 시료에 도달하지 못하는 전자빔의 궤적을 표시한 것이다.

도8은 도7의 구성의 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전자 광학 컬럼과 종래의 초소형 전자 광학 컬럼의 시료에서의 전자빔 크기를 비교한 그래프이다. 도8을 참조하여 설명하면, 빈원은 참고문헌 1( J. Vac. Sci. Technol. B, Vol.7, No.6, pp.1855, 1989) 및 참고문헌 2(J. Vac. Sci. Technol. B, Vol.8, No.6, pp.1698, 1990)에 공지된 시뮬레이션 결과에 의한 것이고, 검게 채워진 원은 보조집속전극(S2s)의 위치를 추출전극(S1)으로부터 150㎛ 위치에 설치한 경우이고, 개방 삼각형은 보조집속전극(S2s)의 위치를 추출전극(S1)로부터 200㎛ 위치에 설치한 경우이며, 검게 채워진 사각형은 보조집속전극(S2s)의 위치를 추출전극(S1)로부터 250㎛ 위치에 설치한 경우이다. 이와 같은 포커스렌즈가 없는 4중극 렌즈층의 소스렌즈를 포함하는 초소형 전자칼럼은 크기를 줄이고 및 구조를 단순화하면서도 성능이 우수한 초소형 전자칼럼의 일 예이다. 포커스렌즈가 없이도 초소형 전자칼럼의 역할을 수행할 수 있으며 필요한 해상도에 따라, 본 발명의 주요 특징인 추출전극 및 제한전극의 구경을 종래 보다 더 크게 할 수 있어 보다 용이하게 소스렌즈를 만들 수 있어 바람직하다.

위의 실시예에서 상기 제한전극의 구경이 10 마이크로미터 이상에서도 잘 작동하는 것을 확인하였다. 그러나 다른 보조집속전극이나 추출전극 등을 고려했을 때 보조집속전극에서 전자빔의 사이즈를 제한하며 그 크기를 모아주므로, 만일 보조집속전극이 크기가 작아져도 상기 보조집속전극의 구경의 1/5 이상으로 크게하여 작동시킬 수 있다.

또한 추출전극의 구경도 보조집속전극의 구경보다 더 크게 하여서 보조집속전극에서 전자들을 집속시키면 충분히 고성능의 전자칼럼으로서 높은 해상도를 발휘할 수 있다. 초소형 전자칼럼의 용도에 맞게 해상도를 조절한다 할 때 보조집속전극을 제어하여 추출전극과 제한전극의 구경을 더 키울 수 있다.

도9는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼 스케일(Si wafer sacle)의 멀티 초소형 전자칼럼의 구성을 나타내는 사시도이다. 도9를 참조하면, 실리콘 웨이퍼 스케일(Si wafer sacle)의 멀티 전자 광학 컬럼은 전자 방출원(t), 인출 전극(S1), 보조집속전극(S2s), 가속전극(S2), 제한전극(S3), 디플렉터(D), 및 포커스렌즈(F)를 각각 하나의 실리콘 웨이퍼 기판에 MEMS(micro electro mechanical system) 공정을 이용하여 복수개 형성되고, 실리콘 기판들을 순차적으로 조립함으로써 복수개의 초소형 전자칼럼을 만들 수 있다.

t - 전자방출원팁 S1 - 추출전극
S2s - 보조집속전극 S2 - 가속전극
S3 - 제한전극

Claims (4)

1. 전자를 방출시키는 전자 방출원, 상기 전자를 빔으로 형성하고 제어하는 하나 이상의 정전기장 전자렌즈, 및 상기 전자빔을 시료에 스캔하게 하는 디플렉터를 포함하는 초소형 전자칼럼에 있어서,
   상기 초소형 전자칼럼이, 상기 전자 방출원에서의 상기 전자 방출을 유도하는 추출전극; 상기 전자 방출원으로부터 발생하는 전자빔의 집속력을 조절하기 위한 보조집속전극; 상기 인출 전극부에 의하여 방출된 상기 전자를 가속하는 가속전극; 및 상기 가속전극에 의하여 가속된 상기 전자에 의한 상기 전자빔의 양과 크기를 제어하는 제한전극;을 구비한 소스렌즈를 포함하며,
   상기 추출전극의 구경이 상기 제한전극의 구경보다 크며, 그리고
   상기 제한전극의 구경이 상기 보조집속전극의 구경의 1/5 이상 또는 10 마이크로미터 중 어느 하나로부터 상기 가속전극의 구경과 동일한 구경 사이인 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼.
2. 제1항에 있어서,
   상기 추출전극의 구경이 보조집속전극의 구경과 같거나 큰 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전자 방출원; 하나 이상의 전자렌즈; 및 디플렉터; 중 어느 하나 이상이 각각 하나의 실리콘 기판에 복수개로 형성되고, 상기 기판들을 순차적으로 조립하여 복수개의 전자 광학 컬럼을 형성하는 것을 특징으로 하는 초소형 전자 광학 컬럼.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초소형 전자칼럼이 전자방출원, 상기 소스렌즈, 및 디플렉터를 포함하며, 상기 디플렉터가 제한전극과 시료 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자칼럼.

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