KR930007369B1 - 집속 이온빔 처리장치 및 그의 사용방법 - Google Patents

집속 이온빔 처리장치 및 그의 사용방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

집속 이온빔 처리장치 및 그의 사용방법
제1도는 본 발명에 따른 시스템의 결합 블록도.
제2도는 본 발명에 따른 에칭공정의 개략도.
* 도면의 주요부부에 대한 부호의 설명
11 : 이온소오스 12 : 렌즈
13 : 편향기 14 : 이온빔
18, 27 : 그리드 24 : 이온검출기
25 : 시스템 컴퓨터 26 : 전자 및 이온검출기
본 발명은 집속이온빔 공정에 관한 것, 특히 정밀하고 제어도가 높은 방식으로 부도체인 타겟트를 스퍼터에치하는 서브마이크론 형태의 집속이온빔의 사용에 관한 것이다.
본 발명은 광 및 이온투사 마스크와 X-레이 리소그래피 마스크와 레티클(reticle)을 수리하는 독특한 방법을 실현한다.
절연체 에칭에 관한 중요한 기술적 난점은 에칭공정중 이온빔에 의하여 부착되는 전하를 상기 절연체가 방출할 수 없다는 것이다.
국부전위가 입사빔의 전위에 거의 도달하게 되면 빔형상은 심히 왜곡된다.
그후부터는 더이상 범위치는 전자적 구동신호에 의해 작용하지 못하게 된다.
클라스(350)의 서브클라스(251, 281, 310, 423, 427, 492.2, 492.3), 클라스(156)의 서브클라스(643) 및 클라스(430)의 서브클라스(942)를 조사한바 미국특허 제3,219,817호, 제3,665,185호, 제3,845,305호, 제3,878,392호, 제4,052,614호 제4,249,007호, 제4,381,453호, 영국 명세서 제999,380호 및 Int.J.MAss.Spectrom.Ion.phys.,6 Nos.5-6(1971), pp 401-412에 수록된 "이온 및 전자결합 마이크로 프로우브 장치의 실계(DESIGN OF A COMBINED ION AND ELECTRON MICROPROBE APPARATUS)"란 제목의 Helmut Liebl의 논문등이 본원에 대한 선행기술로서 발견되었다.
발견된 다른 선행기술로는 미국특허(제3,665,185호, 제3,920,989호, 제4,249,077호, 제4,361,762호, 제4,447,724호, 제4,463,255호, 제4,453,078호, 제3,920,989호, 제4,249,077호, 제4,361,762호, 및 제4,447,724호)와 상기 특허에 대한 인용참증등을 열거할 수 있다.
그러나 상기에서 열거한 선행기줄중 본원과 가장 관련성이 큰 것은 전하 중성화에 대한 종래 기술인 전자범람(electron flooding)으로 알려져 미국특허 제4,463,244호라고 믿어진다.
본 발명에 따라 타겟트를 정확히 스퍼터 에칭을 하는 최종적으로 집속된 이온 빔 소오스, 전자 소오스, 및 타겟트 상의 이온빔 전하를 중화시키기 위해 이 타겟트 상에 전자빔을 비추어서 타겟트상에서 이온빔의 정확한 위치선정과 서브마이크론 형태를 유지하는 것을 가능하게 하는 수단이 있다.
본 발명의 다른 특징에 따라 타겟트를 에칭하는 공정을 제어하기 위해 타겟트 표면으로부터 스퍼터된 입자를 감시하는 수단이 제공된다.
본 발명의 여러 특징, 목적 및 장점은 첨부한 도면을 참조한 다음 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 시스템의 결합적 블록도이다.
상기 시스템은 렌즈(12)에 의하여 접속되는 이온을 제공하는 편향판(13)에 의해 편향되는 최종 이온빔(14)을 형성하여 기판(16)의 표면(15)에 충돌시키는 이온소오스(11)을 포함한다.
저에너지 전자총(17)은 이온빔(14)이 표면(15)상에 정확히 집속되는 점 주위의 표면부를 감싸는 전자의 집속점을 형성하도록 제어소자(22)을 통과할 수 있는 전자빔(21)을 형성하기 위해 제어그리드(18)에 의하여 집속되는 전자소오스를 갖는다. 제어소자(22)는 범람 전자빔을 편향하거나 소거하기 위한 멀티플렉서 제어(34)를 통하여 신호를 수신한다.
이온검출기(24)는 표면(15)으로부터 스퍼터되는 이온을 검출하여 시스템 컴퓨터(25)에 신호를 제공한다. 전자 및 이온검출기(26)는 그리드(27)가 연산증폭기(30)를 통해 시스템 컴퓨터(25)에도 인가되는 신호를 제공하도록 적당히 바이어스될때 그리드(27)을 통하여 표면(15)으로부터 스퍼터되는 전자와 이온을 검출할 수 있다. 시스템 컴퓨터(25)는 바이어스 제어(31)와 그의 아암(33)에 접속된 릴레이(32)를 제어하여 그리드(27)를 바이어스 제어(31)의 대응적 지정단자상에 제공되는 이온 선택적 전위 또는 전자선택적 전위에 선택적으로 접속한다.
전형적인 전자 및 이온 선택전위는 각각 +300 내지 +600볼트(V)와 -300 내지 -2000볼트의 범위내에 있다. 멀티플렉서 제어(34)는 전자총(17)의 편향판(22)에 편향신호를 제공할 수 있다. 시스템 컴퓨터(25)는 또한 편향신호를 편향판(13)에 에너지를 공급하는 편향증폭기(35)에 제공한다.
시스템의 구성요소는 종래 기술에서 잘 알려져 있으므로 본 발명의 원리를 모호하게 하는 것을 피하기 위하여 상세히 설명하지 않겠다.
예컨대 이온소오스(11)은 오리건주에 있는 FEI 사로부터 상업적으로 입수가능한 것이다. 저에너지 전자총(17)은 N.H.Wilton의 킴발피직스(Kimball Physics of Wilton, N.H)로부터 상업적으로 입수가능한 것이다.
전자 및 이온검출기(26)는 매사추세스주 스터브리지의 갈릴레오(Galileo of Sturbridge, Massachusetts)로부터 상업적으로 입수가능한 채널 전자증배기로 구성가능하다.
시스템 배열을 기술하고 그의 동작 모드를 기술하겠다.
제1도의 시스템은 이메징(imaging), 이온전하의 중성화 및 스퍼터링 공정의 끝점 검출에 있어서 유용하다.
상기 목적으로 이온빔(14)은 정전렌즈(12)에 의하여 가속하고 집속된 이온을 제공하는 액제 금속이온소오스(11)으로부터 발생한다.
편향기(13)는 표면(15)상에 전형적으로 대략 1mm2인 시야에 걸쳐 이온빔(14)을 정확히 위치시킬 수 있다.
이온빔(14)이 기판(16)의 표면(15)에 충돌할때 수많은 사건이 발생한다.
(1) 저에너지의 2차 전자가 발생한다.
(2) 양 및 음의 저에너지 2차 이온이 발생한다.
(3) 원자가 표면(15)으로부터 스퍼터 된다.
(4) 빔(14)의 1차 이온이 표면(15)속으로 이식된다.
제2도는 이들 과정의 개략적 표시도이다.
이렇게 발생된 각 입자는 이온빔(14) 바로 아래 영역에서만 발생하므로 빔(14)을 표면(15)과 만나는 곳에 작고 정확하게 위치시키는 것이 중요하다.
기판(16)이 도체가 아닐 경우, 즉 전형적으로 반도체상에 또는 절연표면상에서 에칭할때 입사이온전하가 빔 아래에서 누적되어, 표면에서 이온빈 형상 뿐만 아니라, 이온과 전자가 표면을 이탈할때 이들 궤도와는 간섭하는 전계를 발생한다.
단지 수볼트의 전위가 이들 공정을 심하게 손상시킨다. 제1도의 장치에서 전자와 이온 모두는 집속이온빔(14)하의 표면에 관한 정확한 위상 및 합성정보를 제공하는데 이용된다.
상기 정보는 표면 이메징과 스퍼터링비를 결정하는데 유용하다.
정자총(17)으로부터는 전자빔으로서 이온빔(14)이 충돌하는 주위의 표면을 비춤으로써 이러한 전자는 입사이온의 양전하를 중화하여 양이온에 의한 바람직하지 않은 전계를 감소시킨다.
멀티플렉서 제어(34)는 시스템 컴퓨터(25)로부터의 신호에 응하여 표면(15)상의 전자수를 효율적으로 제어하는 전자총 제어전극(22)상에 신호를 제공함으로써 충분한 저에너지 전자를 유지시켜 원하는 중화를 이루게 된다.
전환 가능한 음이온 및 전자검출기(26)는 그리드(27)가 전자 및 이온의 통과를 허용하도록 바이어스되어 시스템 컴퓨터(25)에 적당한 신호를 제공하도록 조정가능한 이득을 갖는 연산증폭기(30)에 의하여 증폭된 전기적 신호를 제공하게 되면 표면(15)을 이탈하는 전자 또는 이온의 수를 측정한다.
컴퓨터 시스템(25)은 상기 검출신호를 감시하여 공정이 실제로 교란되지 않도록 전자전류와 타이밍을 제어한다. 표면(15)상의 전자흐름을 조정하여 빔(14)으로부터의 양이온 전하를 중화함으로써 공정은 충전된 표면에 의하여 발생하는 교란의 영향을 받지 않는다.
지금까지 상기 시스템을 종래기술에 따라 제어를 행하는 시스템 컴퓨터에 관련하여 기술하였으나 본원은 원하는 제어를 수동으로 행하면서 실행할 수도 있다. 예컨대 편향신호를 적당한 전위차계를 수동으로 동작함으로써 편향계(13)에 인가할 수 있으며, 전자검출과 이온검출의 상호간에 스위치되도록 릴레이(32)를 수동으로 조작가능하며, 계기등의 시각 표시계를 연산증폭기(30)와 이온검출기(24), 예컨대 2차 이온 질량검출기의 출력에 위치시킬 수 있다.
제어소자(22)에 인가되는 제어신호는 수동으로 제어가능하다.
더우기 신호를 편향기(13)에 인가함으로써 이온빔을 이동시키는 대신 이온빔(14)을 고정시키고 기판(16)을 이동할 수도 있다.
기판(16)은 바람직하게는 통상 검출된 이온 및/또는 전자전류의 민감한 변화에 의하여 특징이 표시되는 위치를 용이하게 판별하기 위해 쉽게 결정가능한 위치사이에서 상호 직교방향으로 이동하는 정밀한 기계적이동장치를 갖는 기계단상에 지지될 수 있다.
바람직하게는 편향기(13)에 인가되는 편향신호는 검출된 전자 및/또는 이온전류의 급격한 변화가 기판표면(15)상의 특정위치와 대응하는 특정 편향신호진폭과 연관되도록 전자 및 이온검출기(26), 예컨대 채널전자 증배기로부터 수신되는 신호와 상관된다.
보 발명은 포토옵티컬 마스크 및 레티클을 수리하는데 특히 유용하다.
큰 면적의 마스크 또는 레이클이 고절연 유리이므로 양이온에 의하여 충돌될때 이들 표면은 전하축적이 된다.
본 발명은 상기 전하축적을 중화하는 것이다.
본 발명은 불투명수리(광차단입자의 에칭), 투명수리(전송영역의 불투명화) 및 이메징(결함영역이 이온빔 및 수리되는 기판의 다른 특징에 관한여 정밀하게 위치될 수 있도록)하는데 유용하다.
상기 동작 모두는 본 발명을 이용하여 전하축적을 중화하고 공정을 용이하게 함으로써 향상된다.
불투명수리 공정에서 이온빔은 결함형성 물질을 제거하는데 사용된다. 전자전하 중성화는 이온 이메징과 2차 전자 이메징 모두가 결합의 위치를 찾고 스퍼터링 공정을 감시하는데 이용되도록 실시간 및 다중화 모드에서 이용된다. 예컨대 2차 전자가 원하는 이메지를 발생하도록 이용될때 빔(21)내의 저에너지의 범람(flood)전자가 검출기(26)로 끌리게 되어 원하는 신호와 간섭하게 된다. 그러므로, 조건에 따라 전자총(17)이 1차 이온빔(14)과 협조하여 시분할 다중방식으로 온 및 오프되어 전자중화와 2차 전자 이메징을 동시에 허용한다.
양이온 이메징(상이한 형태의 콘트라스트를 발생하는데 사용됨)을 위해 전자 중화기가 1차 이온빔(14)과 동시에 사용된다.
이런 접근은 릴레이(32)가 동작할때 바이어스 제어(31)로부터 그리드(27)까지의 바이어스가 중화빔(21)중에서 부로 충전된 저에너지 전자는 거부하면서 한편으로 2차 방출 양이온을 받아들이기 때문에 매우 효과적이다.
불투명 결함의 수리에서 SIM 검출기(24)는 기판(16)을 이탈하는 이온의 형태를 양적으로 결정하는데 사용된다.
상기 정보가 시스템 컴퓨터(25)에 의하여 처리되어 빔(14)의 에칭위치를 조정함으로 전형적으로 유리인 기판(16)의 바람직하지 못한 에칭을 최소화 하게 된다. 전자 중성화는 상기 공정중에 전술한 2차 전자 이메징 방식과 유사한 방식으로 실시간에서 사용된다.
소거수리에서 유리에서의 불투명 영역을 발생시키는 바람직한 방법은 1983년 5월 캘리포니아, 로스앤젤레스에서 개최된 제17차 전자, 이온 및 광빔에 관한 심포지엄에서 A.Wagner, D.Barr, D.Atwood 및 J.H.Bruning에 의하여 발표된 논문에 기술된 바와 같은 각종 형태의 광 디퓨저(optical diffuser)를 에칭하는 것이다.
상기 공정은 절연유리표면을 정확히 그리고 상당히 긴시간의 에칭을 필요로 한다. 정밀한 광소자가 에치되어야 하므로 전자중화빔(21)은 이온 에칭빔(14)의 영역에 집중된다.
전하중화를 보조하는데는 이온빔 유도 전도성을 이용하는 것이 도움이 된다. 이온빔(14)이 표면(15)을 주사할때 충분한 결정손상과 불순물 이식이 생겨 이미 절연된 유리기판(16)의 상측 10nm 내에서 얇은 전도층을 생성한다.
상기 전도층은 유리의 바람직한 광특성을 왜곡하지 않으면서 범람전자가 1차 이온빔 에칭 영역에 도달하도록 증가된 표면 전도영역을 제공한다. 따라서, 전자범람빔(21)을 미세하게 집속하는 것은 불필요하며, 1차 이온빔(14)보다 적은 전류밀도를 갖는 중화빔이 사용될 수 있다.
이온빔 전류는 전형적으로 약 1amp/cm2의 밀도를 갖는 0.5×10-9amp이다.
전자빔 전류는 전형적으로 10-4amp/cm2의 전류밀도를 갖는 10-6amp이다.
전자빔 전류는 미세하게 집속된 이온빔의 전류보다 훨씬 더 크며, 그의 전류밀도는 이온빔의 전류밀도보다 훨씬 적다.
지금까지 표면상의 급격히 집속되는 이온빔의 메인터넌스를 가능하게 하고 이메징과 제어를 용이하게 하도록 이온빔 충돌에 따라 기판상에 분포된 표면전하를 중화하는 신규한 장치와 방법에 대하여 기술했다.
동분야의 통상의 지식을 가진자라면 발명의 범위내에서 상기한 본 발명의 특정 실시예를 이용, 변경, 개조할 수 있음이 명백하다.
결과적으로 발명은 여기에서 개시된 장치 및 기술에 존재하는 그리고 보유되어 있는 각자의 모든 신규한 특징 및 신규한 특징의 결합을 포함하고 있는 것으로 해석되어야 하며 첨부된 특허청구 범위의 사상 및 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (15)

  1. 소정 평면내 기판표면상(15)에 서브마이크론 형태의 미세하게 집속된 이온빔(14)을 충돌시키는 이온빔 소오스(11) ; 전자빔 소오스(17) ; 및 상기 이온빔에 의해 발생된 상기 표면내 표면전하를 중화시키기 위하여 상기 이온빔에 의해 교차되는 표면내 타겟트점을 포함하는 기판표면 영역보다 작은 영역에 상기 전자빔(21)을 비추어서 상기 표면내 상기 이온빔의 디포커싱 및 원하지 않는 편향을 감소시켜, 상기 타겟트점상에서 상기 이온빔을 정확하게 위치시키며 상기 타겟트상에서 상기 이온빔의 서브마이크론 형태를 유지시키는 수단 ; 으로 구성되는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면으로부터 2차 방출입자를 감지하는 검출수단(24, 26) ; 및 상기 검출수단에 의해 제공된 신호에 응답해서 상기 이온빔과 상기 전자빔을 서로 작용시켜 원하는 방식 및 위치에서 상기 표면내의 상기 이온빔이 에칭하도록 제어하기 위한 제어수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 검출수단은 상기 이온빔에 의하여 기판표면상에 충돌함에 따라 기판을 이탈하는 이온의 형태를 감지하는 2차 이온질량 검출기(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 검출수단은 상기 이온빔이 충돌함에 따라 기판표면으로부터 2차적으로 방출되는 전자와 이온을 검출하는 전자 및 이온검출기(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치.
  5. 제4항에 있어서, 전자가 상기 전자 및 이온검출기에 들어가는 것을 저지하지만, 이온이 들어가는 것은 허용하는 전계를 선택적으로 형성하기 위하여 상기 전자 및 이온검출기와 상기 표면사이에 설치된 그리드 수단(27) ; 및 상기 전계를 형성하기 위해 상기 그리드 수단을 선택적으로 바이어스하는 수단 ; 을 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 집속이온빔 처리장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이온빔과 상기 전자빔이 상기 표면상에 충돌하는 시간을 제어함으로써 상호 겹치지 않는 시간간격중에 있도록 하는 멀티플렉서 제어수단(34)을 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치.
  7. 제1항에 있어서, 사이 이온빔과 상기 전자빔은 전자빔 전류가 이온빔 전류보다 더 크고 전자빔 전류 밀도가 이온빔 전류밀도보다 적은 전류를 발생하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 소정 평면내에 상기 기판표면을 갖는 기판을 추가로 포함하며, 상기 기판은 절연물질이고 상기 표면에 얇은 전도층을 발달시킴으로써 상기 표면상에 대한 상기 이온빔의 충돌에 응하고, 상기 전도표면은 상기 전자빔 소오스로 부터의 범람전자가 상기 이온빔에 의한 상기 표면상의 1차 이온빔 에칭의 영역에서 도달하여 그곳의 전하를 중화하도록 증가된 표면 전도영역을 제공하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치.
  9. 제1항의 집속이온빔 처리장치를 사용하는 방법에 있어서, 다음과 같은 단계, 즉 서브마이크론 형태의 미세하게 집속된 이온빔을 소정 평면내 기판 표면상의 타게트 점에 충돌시키는 단계 ; 및 상기 이온빔에 의해 발생된 상기 표면내 표면전하를 중화시키기 위하여 상기 이온빔에 의해 교차되는 표면내 상기 타겟트점을 포함하는 기판 표면영역보다 작은 영역에 상기 전자빔을 비추어서 상기 이온빔의 디포커싱 및 원하지 않는 편향을 감소시켜, 상기 타겟트점 상에서 상기 이온빔을 정확하게 위치시키며 상기 타겟트점상에서 상기 이온빔의 서브마이크론 형태를 유지시키는 단계 ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치의 사용방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 표면의 특성을 감지하기 위하여 상기 이온빔이 상기 표면상에 충돌하는 것에 응하여 상기 표면으로부터 2차로 방출되는 입자를 감지하는 단계 ; 및 상기 이온빔과 상기 표면이 상대적으로 이동될때 상기 표면으로부터 방출되는 입자밀도의 변화를 관찰함으로써 찾아지는 상기 표면상의 소정위치에서 에칭되도록 상기 이온빔의 위치를 정하는 단계 ; 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치의 사용방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 이온빔의 충돌에 응하여 상기 표면으로부터 2차적으로 방출되는 전자와 이온 모두를 감지하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치의 사용방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 이온빔을 이용하여 상기 기판표면을 손상시켜 그안에 불순물을 이식시켜 이기판의 상측 10mm내에 얇은 전도층을 형성함으로서 상기 기판의 원하는 광특성을 왜곡하지 않고 범람 전자가 상기 기판상의 상기 이온빔에 의한 제1이온빔 에칭 영역에 도달하도록 증가된 표면전도층을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 제2차 입자의 양과 궤도에 영향을 주는 전압 콘트라스트 모드에서의 이메징이 상기 기판을 구성하는 재료들간의 콘트라스트의 강화를 허용하도록 상기 기판표면을 제어가능하게 충전시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 소정 평면내 기판표면상에 미세하게 집속된 이온빔을 충돌시키는 이온빔 소오스(11) ; 전자빔 소오스(17) ; 상기 이온빔에 의해 발생된 상기 표면내 표면전하를 중화시키기 위해서 상기 이온빔에 의해 교차되는 표면내 점을 포함하는 기판 표면영역보다 작은 영역쪽으로 상기 전기빔을 향하게 함으로써 상기 표면내 상기 이온빔의 디포커싱 및 원하지 않는 편향을 감소시키는 수단 ; 상기 이온빔의 충돌에 응하여 상기 기판으로부터 2차적으로 방출되는 전자 및 이온을 검출하기 위한 전자 및 이온검출기로 구성되는 검출수단(26) ; 상기 검출수단과 상기 표면사이에 위치하며, 전자가 상기 검출수단에 들어가는 것은 저지하지만 이온은 들어가는 것을 허용하는 전계를 선택적으로 형성시키는 그리드 수단(27) ; 및 상기 전체를 형성시키기 위해서 상기 그리드 수단을 선택적으로 바이어스 시키는 수단 ; 으로 구성되는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 이온빔과 상기 전자빔이 상기 표면에 충돌하는 시간을 제어함으로써 상호 겹치지 않는 시간 간격중에 있도록 하는 멀티플렉스 제어수단(34)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집속이온빔 처리장치.
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