KR20150107939A

KR20150107939A - 시료 관찰 장치

Info

Publication number: KR20150107939A
Application number: KR1020140029703A
Authority: KR
Inventors: 김현정; 정도순
Original assignee: 참엔지니어링(주)
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-09-24
Also published as: CN104916515B; JP2015176866A; CN104916515A; TW201535459A

Abstract

본 발명은 대기압 상태에서 시료를 관찰 및 분석할 수 있는 주사전자현미경을 포함하는 시료 관찰 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 시료 관찰 장치(1)는, 시료(50)가 안착되는 스테이지(120)가 상부에 위치하는 테이블(110); 테이블(110) 상에 위치하는 X축 이동부(130); X축 이동부(130) 상에 위치하는 Y축 이동부(140); 및 Y축 이동부(140)에 위치하고, 시료(50)를 관찰 및 분석할 수 있는, 내부가 진공 상태인 주사전자현미경부(200)를 포함하되, 시료(50)의 관찰 및 분석은 대기압 상태에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

Description

시료 관찰 장치{APPARATUS FOR OBSERVATING SPECIMEN}

본 발명은 시료 관찰 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 대기압 상태에서 시료를 관찰 및 분석할 수 있는 주사전자현미경을 포함하는 시료 관찰 장치에 관한 것이다.

최근 디스플레이용 기판, 태양전지용 기판, 반도체용 웨이퍼 등의 수요의 증가와 대형화에 추세에 비추어, 생산에 있어서 안정성을 높이기 위한 많은 노력이 경주되고 있다. 이러한 대면적 기판을 제조하기 위해서 대면적 기판의 결함을 체크하고 분석하는 과정은 필수적이다. 기판에 포함된 파티클의 크기, 형태, 성분 등을 관찰하고 분석하기 위해서, 일반적으로 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)이 사용된다. 상기와 같은 반도체 제조 등에 주사전자현미경을 사용하는 종래의 기술은 한국공개특허 제10-2008-0071793호 등에 개시되어 있다.

도 1은 종래의 주사전자현미경(1)의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 주사전자현미경(1)은 전자 빔을 방출하는 발진부(11), 발진부(11)에서 방출된 전자의 양과 전자 빔의 크기를 조절하는 집속 렌즈(condenser lens), 조리개(aperture), 상의 초점을 맞추는 대물 렌즈(objective lens) 등을 포함하는 광학부(12), 및 광학부(12)를 통과한 전자 빔을 시료(21)에 조사하는 가공부(13)를 포함하는 주사전자현미경부(SEM column; 10)와, 시료(21)가 안착되는 스테이지(22), 이미지 검출을 위한 디텍터(detector; 23) 및 주사전자현미경(1) 내부를 진공 상태로 만들기 위한 진공 펌프(vacuum pump; 24)를 포함하는 주사전자현미경 챔버(SEM chamber; 20)로 구성될 수 있다.

이와 같은 주사전자현미경(1)은 시료(21)가 진공 상태에서 주사전자현미경 챔버(20) 내부에 배치되어야 하므로 진공 상태에서 원래의 상태를 유지하기 어려운 시료[예를 들어, 액체와 같이 진공 상태에서 모양을 유지하기 어려운 시료]를 관찰 시료로 사용하기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 주사전자현미경 챔버(20) 내부에 시료를 넣어야 하므로 크기가 큰 시료를 관찰하기 위해서 크기가 큰 주사전자현미경 챔버(20)를 필요로 하거나, 시료 자체를 파손, 파괴하여 작은 사이즈로 줄여 주사전자현미경 챔버(20)내에 배치해야 하는 문제점이 있었다.

또한, 시료가 부도체인 경우에는 진공상태에서 전자 빔으로 인하여 시료의 표면에 전자가 축적되어 차징(charging)이 발생하는 대전 효과(charge-up effect)가 일어나게 되고, 이에 의해 차징이 전자를 왜곡, 편향시켜 정상정인 이미지를 관찰할 수 없게 된다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 부도체인 시료의 표면에 백금, 금, 카본 등의 전도체를 코팅하는 전처리 과정이 필요하게 된다. 이러한 전처리 과정 또한 별도의 장비가 필요하고, 여러 과정을 거치기 때문에 시료 관찰을 위해서 많은 시간이 소모되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 진공 상태가 아닌 대기압 상태에서 시료를 관찰 및 분석할 수 있는 시료 관찰 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 대형 시료를 파손, 파괴하지 않고 원 상태 그대로 관찰 및 분석할 수 있는 시료 관찰 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 백금 등의 전도체를 코팅하는 전처리 과정을 생략하여 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있는 시료 관찰 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 상기의 목적은, 시료가 안착되는 스테이지가 상부에 위치하는 테이블; 상기 테이블 상에 위치하는 X축 이동부; 상기 X축 이동부 상에 위치하는 Y축 이동부; 및 상기 Y축 이동부에 위치하고, 상기 시료를 관찰 및 분석할 수 있는, 내부가 진공 상태인 주사전자현미경부를 포함하되, 상기 시료의 관찰 및 분석은 대기압 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 장치에 의해 달성된다.

상기 주사전자현미경부는, SE(second electron) 디텍터, BSE(backscattered electron) 디텍터 또는 EDS(energy dispersive spectroscopy) 디텍터 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 주사전자현미경부에 상기 주사전자현미경부 내부를 진공 상태로 유지하기 위한 이온 펌프를 장착할 수 있다.

상기 X축 이동부 및 상기 Y축 이동부에 의해 상기 주사전자현미경부를 이동하여 상기 시료를 관찰 및 분석할 수 있다.

상기 주사전자현미경부는 고정되고, 상기 시료가 안착된 스테이지를 X축 및 Y축으로 이동하여 상기 시료를 관찰 및 분석할 수 있다.

상기 Y축 이동부에 위치하며, 상기 주사전자현미경부보다 낮은 배율로 시료를 관찰할 수 있는 광학현미경부를 더 포함할 수 있다.

상기 테이블의 진동을 방지하는 제진대를 더 포함할 수 있다.

복수의 지지핀을 상승하여 상기 시료를 탑재하고, 상기 복수의 지지핀을 하강하여 상기 시료를 상기 스테이지 내에 안착하는 리프트 핀 업/다운 유닛(lift pin up/down unit)을 더 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 진공 상태가 아닌 대기압 상태에서 시료를 관찰 및 분석할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 대형 시료를 파손, 파괴하지 않고 원 상태 그대로 관찰 및 분석할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 백금 등의 전도체를 코팅하는 전처리 과정을 생략하여 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 대기압 상태에서 시료를 관찰 및 분석할 수 있으므로, 액체, 고체, 무기물, 유기물, 전도체, 부도체 등 시료의 선택 대상 범위가 넓어질 수 있다.

도 1은 종래의 주사전자현미경의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치의 사시도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치의 리프트 업/다운 유닛을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치의 주사전자현미경부 및 광학현미경부를 나타내는 확대 사시도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치의 주사전자현미경부 및 광학현미경부를 나타내는 후방 확대 사시도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치(100)의 사시도이다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치(100)의 정면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치(100)의 리프트 핀 업/다운 유닛(150)을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치(100)는 테이블(110), 스테이지(120), X축 및 Y축 이동부(130, 140), 리프트 핀 업/다운 유닛(lift pin up/down unit; 150), 클램프(clamp; 160), 주사전자현미경부(SEM column; 200), 및 광학현미경부(300), 제진대(400) 등을 포함하여 구성된다.

먼저, 일명 갠트리(gantry)라고 하는 테이블(110)은 지면에 대하여 견고하게 설치되어 외부의 진동이나 충격을 방지할 수 있는 프레임 구조물 상에 설치된다. 테이블(110)의 상부면은 보다 신뢰성 있는 시료 관찰 및 분석을 진행하기 위해 정확하게 수평면이 되도록 한다.

테이블 상에는 시료(50)가 안착 지지되는 스테이지(120)가 설치된다. 본 발명에 있어서, 시료(50)는 대기압 상태에서 스테이지(120)에 안착된다.

시료(50)는 로봇의 아암(미도시)에 지지되어 스테이지(120)의 상측으로 이송될 수 있다. 시료(50)가 스테이지(120)의 상측으로 이송되면, 도 4에 도시된, 스테이지(120)의 하측에 위치된 리프트 핀 업/다운 유닛(150)에 포함된 복수의 지지핀(151)이 상승하고, 복수의 지지핀(151)이 상승하면 상기 로봇의 아암이 하강하여 시료(50)를 복수의 지지핀(151) 상에 탑재할 수 있다. 복수의 지지핀(151) 상에 시료(50)가 탑재되면 복수의 지지핀(151)이 하강하고, 이로 인해 시료(50)가 스테이지(120)에 안착 지지될 수 있다. 이러한 복수의 지지핀(151)이 상승 및 하강할 수 있도록 스테이지(120)에는 복수의 지지핀(151)이 통과할 수 있는 복수의 홀(미도시)이 형성될 수 있다.

스테이지(120)에 안착 지지된 시료(50)는 스테이지(120) 외측에 설치된 클램프 (160)에 의하여 정렬될 수 있다.

스테이지(120)에는 펌프(미도시) 등과 같은 펌핑수단과 연통된 복수의 흡입공(미도시)이 형성될 수 있다. 흡입공은 스테이지(120)에 정렬된 시료(50)를 흡입하여, 시료(50)가 스테이지(120)에 견고하게 안착 지지되게 한다.

테이블(110) 양측에는 직선 형태로 형성된 한 쌍의 X축 이동부(130)가 서로 연동하도록 설치될 수 있고, X축 이동부(130) 각각에는 직선 형태로 형성된 Y축 이동부(140)의 양단이 연결되어 X축 이동부(130)의 동작에 의해 테이블(110)의 상부에서 이동할 수 있도록 설치될 수 있다.

X축 이동부(130)는 제1 안내레일(131) 및 제1 가동레일(132)을 포함하고, Y축 이동부(140)는 제2 안내레일(141) 및 제2 가동레일(142)을 포함하며, X축 및 Y축 이동부(130, 140)는 모터(미도시)의 구동력에 의해 동작될 수 있다.

스테이지(120) 외측의 테이블(110) 부위에는 X축 방향과 평행하게 쌍을 이루는 제1 안내레일(131)이 설치되고, 제1 안내레일(131)에는 제1 안내레일(131)을 따라 직선왕복운동하는 제1 가동레일(132)이 설치될 수 있다.

그리고, 제1 가동레일(132)에는 제1 안내레일(131)과 직교하는 방향인 Y축 방향과 평행하게 제2 안내레일(141)이 설치되고, 제2 안내레일(141)에는 제2 가동레일(142)이 설치될 수 있다.

제2 가동레일(142)에는 시료(50)의 표면을 관찰하고 표면 성분을 분석할 수 있는 주사전자현미경부(200)가 설치될 수 있다. 주사전자현미경부(200)의 일 측면에 배치된 지지브라켓(201)이 제2 가동레일(142)과 결합되어, 주사전자현미경부(200)가 제2 가동레일(142)에 설치될 수 있다. 이처럼, 제2 가동레일(142)이 X축 이동부(130) 및 Y축 이동부(140)에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동가능하게 설치되므로, 주사전자현미경부(200)도 X축 방향 및 Y축 방향으로 함께 이동할 수 있다. 또한, 제2 가동레일(142)의 상부에는 주사전자현미경부(200)의 제어장치, 전력장치 등이 포함된 주사전자현미경제어부(250)가 설치될 수 있다.

한편, 제2 가동레일(142)에는 광학현미경부(300)가 더 설치될 수 있다. 광학현미경부(300)의 일측면에 배치된 지지브라켓(301)이 제2 가동레일(142)과 결합되어, 광학현미경부(300)가 제2 가동레일(142)에 설치될 수 있다. 제2 가동레일(142)이 X축 이동부(130) 및 Y축 이동부(140)에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동가능하게 설치되므로, 광학현미경부(300)도 주사전자현미경부(200)와 함께 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동할 수 있다. 이 외에, 광학현미경부(300)는 주사전자현미경부(200)의 측면에 설치될 수도 있다.

본 발명의 시료 관찰 장치(100)는 테이블(120)의 진동을 방지하기 위해서 제진대(400)를 설치할 수 있다. 주사전자현미경부(200)를 이용하여 시료(50)를 관찰할 때, 매우 작은 진동이 발생하는 환경에서도 시료 표면의 이미지의 해상도에 영향을 미치게 된다. 따라서, 제진대(400), 바람직하게는 액티브 제진대(active isolator)를 테이블(120)의 하부에 설치하여 진동을 방지할 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 관찰 장치(100)의 주사전자현미경부(200) 및 광학현미경부(300)를 나타내는 확대 사시도 및 후방 확대 사시도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 주사전자현미경부(200)의 내부 구성은, 도 1에 도시된 주사전자현미경(1)과 비교할 때, 시료(21)가 안착되는 공간을 제공하는 주사전자현미경 챔버(20)에 있어서 차이가 있을 뿐, 나머지 구성은 동일한 것으로 이해되어야 한다.

따라서, 주사전자현미경부(200)는 전자 빔을 방출하는 발진부(11), 발진부에서 방출된 전자의 양과 전자 빔의 크기를 조절하는 집속 렌즈(condenser lens), 조리개(aperture), 상의 초점을 맞추는 대물 렌즈(objective lens) 등을 포함하는 광학부(12), 및 광학부(12)를 통과한 전자 빔을 시료(21)에 조사하는 가공부(13)를 포함할 수 있다.

그리고, 주사전자현미경부(200)는 내부에 SE(second electron) 디텍터, BSE(backscattered electron) 디텍터 또는 EDS(energy dispersive spectroscopy) 디텍터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이차전자(SE) 또는 후반산란전자(BSE)의 신호를 감지하여 시료의 표면 형태를 관찰할 수 있고, 방출되는 X-ray를 EDS 디텍터가 감지하여 시료의 성분을 분석할 수 있다.

또한, 주사전자현미경부(200)는 주사전자현미경부(200)의 내부를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 펌프(220)를 포함할 수 있다. 특히, 펌프 자체에서 진동이 발생하지 않으며, 도달할 수 있는 진공도가 낮고, 기름이나 수은을 사용하지 않아 내부를 보다 청결하게 유지할 수 있는 이온 펌프(ion pump)를 설치하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 시료 관찰 장치(100)는 주사전자현미경부(200) 내부만을 진공 상태로 유지하고, 시료는 대기압 상태에서 배치되어, 시료가 배치되는 챔버를 주사전자현미경부와 일체로 형성할 필요가 없어져서 대면적 시료를 파손, 파괴하지 않고 원 상태 그대로 관찰 및 분석할 수 있는 이점이 있다.

상술한 바와 같이, 광학현미경부(300)는 제2 가동레일(142)에 설치되어 주사전자현미경부(200)와 함께 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동할 수 있다. 주사전자현미경은 약 5,000 내지 300,000의 배율로 시료를 관찰할 수 있고, 광학현미경은 주사전자현미경보다 낮은 배율인 약 1 내지 100의 배율로 시료를 관찰할 수 있다. 대면적 시료의 특정 부분을 관찰할 때 주사전자현미경만을 사용한다면 관찰하고자 하는 시료의 위치를 찾는데 어려움이 생길 수 있다. 따라서, 본 발명은 주사전자현미경부(200)와 광학현미경부(300)이 함께 이동하므로, 상대적으로 배율이 낮은 광학현미경부(300)를 통해 관찰하고자 하는 대면적 시료의 위치를 어느 정도 특정한 후에, 상대적으로 배율이 높은 주사전자현미경부(200)로 시료를 세밀하게 관찰할 수 있어, 보다 효율적으로 시료를 관찰하고 분석하는 것이 가능한 이점이 있다.

한편, 주사전자현미경은 미세한 진동에도 시료(50)의 표면 관찰에 영향을 줄 수 있으므로, 주사전자현미경부(200)를 X축 및 Y축 이동부(130, 140)를 이용하여 시료(50)의 특정위치를 관찰하는 것뿐만 아니라, 주사전자현미경부(200)를 고정하고, 시료(50)가 안착된 스테이지(120)를 X축 및 Y축으로 이동하여 시료(50)를 관찰 및 분석할 수도 있다. 스테이지(120)를 X축 및 Y축으로 이동하기 위해서, 스테이지(120) 외측의 테이블(110) 부위에 직선운동이 가능하도록 가동블럭(미도시) 및 고정블록(미도시)을 더 설치하여 스테이지를 이동할 수 있다. 또한, 시료(50)를 Z축 방향으로 이동하여 주사전자현미경부(200)와의 거리를 조절할 수 있도록 스테이지(120)를 Z축 방향으로 이동할 수 있게 구성할 수도 있다.

본 실시예에 따른 시료 관찰 장치는 주사전자현미경부 내부만을 진공 상태로 유지하고 시료를 대기압 상태에 배치하여, 대면적 시료를 원 상태 그대로 관찰 및 분석할 수 있는 이점이 있다. 또한, 대기압 상태에서는 부도체 시료의 표면에 전자가 축적되는 대전 효과도 발생하지 않으므로 전도체를 코팅하는 전처리 과정을 생략할 수 있어, 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다. 또한, 대기압 상태에서 시료를 관찰 및 분석할 수 있으므로, 고체, 액체, 무기물, 유기물, 전도체, 부도체 등 시료의 대상 범위가 넓어지는 이점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하여 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

1: 주사전자현미경(SEM)
10, 200: 주사전자현미경부(SEM column)
20: 주사전자현미경 챔버(SEM chamber)
50: 시료
100: 시료 관찰 장치
110: 테이블
120: 스테이지
130: X축 이동부
131, 141: 안내레일
132, 142: 가동레일
140: Y축 이동부
150: 리프트 업/다운 유닛(lift up/down unit)
160: 클램프(clamp)
300: 광학현미경부
400: 제진대

Claims

시료가 안착되는 스테이지가 상부에 위치하는 테이블;
상기 테이블 상에 위치하는 X축 이동부;
상기 X축 이동부 상에 위치하는 Y축 이동부; 및
상기 Y축 이동부에 위치하고, 상기 시료를 관찰 및 분석할 수 있는, 내부가 진공 상태인 주사전자현미경부
를 포함하되,
상기 시료의 관찰 및 분석은 대기압 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 장치.
제1항에 있어서,
상기 주사전자현미경부는,
SE(second electron) 디텍터, BSE(backscattered electron) 디텍터 또는 EDS(energy dispersive spectroscopy) 디텍터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 장치.
제1항에 있어서,
상기 주사전자현미경부에 상기 주사전자현미경부 내부를 진공 상태로 유지하기 위한 이온 펌프를 장착한 것을 특징으로 하는 시료 관찰 장치.
제1항에 있어서,
상기 X축 이동부 및 상기 Y축 이동부에 의해 상기 주사전자현미경부를 이동하여 상기 시료를 관찰 및 분석할 수 있는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 장치.
제1항에 있어서,
상기 주사전자현미경부는 고정되고, 상기 시료가 안착된 스테이지를 X축 및 Y축으로 이동하여 상기 시료를 관찰 및 분석할 수 있는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 장치.
제1항에 있어서,
상기 Y축 이동부에 위치하며, 상기 주사전자현미경부보다 낮은 배율로 시료를 관찰할 수 있는 광학현미경부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 장치.
제1항에 있어서,
상기 테이블의 진동을 방지하는 제진대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 장치.
제1항에 있어서,
복수의 지지핀을 상승하여 상기 시료를 탑재하고, 상기 복수의 지지핀을 하강하여 상기 시료를 상기 스테이지 내에 안착하는 리프트 핀 업/다운 유닛(lift pin up/down unit)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 장치.