KR940010199B1 - 저에너지 전자 조사 방법 및 조사 장치 - Google Patents
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Abstract
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Description
제 1 도는 본 발명의 실시예에 관한 저에너지 전자 조사 장치의 개략 단면도.
제 2 도는 본 발명의 실시예에 있어서 전자강도(전류량)와 전자 에너지와의 관계를 도시한 에너지 분포도
제 3 도는 2차 전자 방출부와 에너지 분포부와의 위치 관계를 도시한 본 발명의 실시예에 있어서 조사 장치의 필요부 단면도
제 4 도는 본 발명의 실시예에 있어서 2차 전자 투과율(η)과 2차 전자 방출부의 타겟면의 1차 전자 비임의 광축에 대한 경사각과의 관계를 도시한 특성도.
제 5 도는 본 발명의 실시예에 있어서 저에너지 전자의 피크 에너지값(Ep)와 2차 전자 방출부에 인가되는 전압(VT)와의 관계를 도시한 특성도.
제 6 도는 본 발명에 관한 저에너지 전자 조사 장치를 적용한 에칭 장치의 개략 단면도.
제 7 도는 종래 전자 조사 장치의 개략 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101, 703 : 열음극 102, 704 : 반사판
103 : 양극 107 : 2차 전자 방출부
104, 105, 106 : 정전 아인첼 렌즈
108 : 실드용 전극 109 : 인출전극
110, 111 : 평행 평판형 에너지 분석기(에너지 필터)
112, 113 : 무전계공간 전극 114, 115 : 감속 전극
116 : 가열용 전원 117 : 바이어스용 전원
118 : 가속 전압 전원
119, 121, 122, 124, 125 : 전압 인가용 전압
120 : 바이어스 인가용 전원 601 : 진공 용기
602 : 반도체 기판 603 : 서셉터
604 : 가스 도입구 605 : 진공 배기구
606 : 방전관 607 : 마이크로파
609 : 저에너지 전자 비임 610 : 저에너지 전자 조사 장치
701 : 이온 비임 702 : 시료(웨이퍼)
705 : 열전자 706, 707, 708 : 전원
709 : 대전부
본 발명은 저에너지 전자의 조사 방법 및 이 방법에 이용하는 조사 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 웨이퍼의 처리에 의해 생긴 대전 상태를 해소하거나 반도체 기판 표면을 처리하기 위해 양이온을 음이온으로 바꾸는 등에 이용하는 저에너지 전자 비임의 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전하 비임 장치에서는 이온 또는 전자 비임을 반도페 웨이퍼 등의 절연물 시료나 접지등이 되어 있지 않은 플로팅(floating) 상태로 있는 시료(이하 시료라고 한다)에 조사해서 시료 표면에서 방출되는 2차 전자 또는 2차 이온을 이용해서 분석 등을 하거나, 이온 비임을 이용해서 반도체 웨이퍼 표면 등에 이온주입이나 이온 에칭을 하고 있다. 이온 비임 장치에서 양(+)이온 비임 시료에 조사하면, 입사한 양(+)이온이나 이온 비임 조사에 의해 발생하는 2차 전자에 의해서 시료는 양(+)으로 대전한다. 이와 같이 시료가 양(+)으로 대전되면 이온 비임 장치를 사용하는데 댜양한 문제점이 발생한다. 그 대표적 예로는 이온 비임 장치를 질량 분석에 이용한 경우에 대한 문제점을 설명한다.
2차 이온 질량 분석법(Secondary Ion Mass Spectroscopy : SIMS)에 있어서 고정도(高精度)의 질량분석을 위해 질량 분석 전에 2차 이온에 에너지 분석을 해서 어느 일정한 에너지를 가진 2차 이온을 질량 분석하는 방법을 채용하고 있으나, 상기 양이온 조사에 의해 시료 표면의 대전 전하는 시료 전압을 양(+)으로 변화시키거나, 시료의 표면 근방에 전계를 일으킨다. 따라서 대전에 의한 2차 이온의 에너지 분포 변화는 에너지 분석의 투과 효율 및 검출 효율을 저하시킨다. 이와 같이 SIMS에 있어서는 시료의 대전은 검출효율을 변화시키는 큰 원인으로 된다.
또 다른 예로 이온 비임 조사 장치를 반도체 디바이스에 이용한 경우이다. 이온 비임 장치로서는 반도체 디바이스에 대전류의 이온 비임을 조사하는 이온 주입 장치가 허용된다. 반도체 웨이퍼의 대전 전하량이 너무 많아져 절연 파괴를 일으켜서 반도체 디바이스가 파손되는 경우가 있다. 이 밖에도 이온원을 양(+)전위 상태로 유지하고, 불활성 가스를 이용해서 플라즈마를 발생시켜 이온원에서 불활성 가스 이온을 인출해서 웨이퍼에 조사해서 그 표면을 에칭하는 이온 비임 에칭 장치, 고진공 분위기내에 놓인 티켓에 독립한 이온원으로부터 고에너지로 가속한 이온 비임을 인출하여 충격을 주어 0.01Pa 이하의 낮은 가스로 반도체 웨이퍼 등에 막을 형성하는 이온 비임 스패터링 장치, 반도체 웨이퍼를 음극 측에 두고, 글로우 방전을 일으켜 증발원에서 증발 원자를 이온화 또는 여기시켜 가속해서 웨이퍼에 격돌, 퇴적시켜서 박막을 형성하는 이온 플레이팅장치, 고진공 중에서 100-1000개의 원자 덩어리 클러스터를 이온화해서 가속하여 웨이퍼에 충돌, 퇴적시켜 박막을 형성하는 클러스터 이온 비임 증착 장치등이 있으나, 이들 장치를 사용한 후는 반도체 웨이퍼 등의 시료가 대전해서 상기와 같은 절연 파괴가 발생하는 경우가 있는 것은 마찬가지이다.
따라서, 이온 비임 장치를 이용하는 경우에는 시료 표면의 양(+)의 대전을 완화하기 위해 대전한 시료표면에 음의 전하를 가진 전자 비임을 중첩 조사함으로서 대전 전하의 중화를 도모하는 방법이 이용되어 왔다. 제 7 도는 종래의 이와 같은 대전 중화에 이용되는 전자 비임 조사의 설명도이다, 먼저 반도체 기판에 이온 주입을 하는 이온 비임 장치(도시하지 않음)에 의해 양전하를 갖는 이온 비임(701)이 시료인 웨이퍼(702)에 조사된다. 양이온 비임 또응 이온 비임 조사에 따라 발생하는 2차 전자에 의해 조사면이 양으로 대전한다. 여기서는 이 부분을 대전부(709)라고 한다, 대전부(709)의 양(+)전하를 중화하기 위해 열전자(705)를 전원 VF(706)에 의해 전압을 인가해서 가열한다. 열음극(703)에서 방출된 열전자(705)는 열음극(703)과 웨이퍼(702)와의 사이에 인가된 전원 VA(708)에 의한 가속 전압에 의해 가속되어 웨이퍼(702)의 표면에 대전부(709)로 조사된다. 열전자(705)의 발산을 억제하고, 지향성을 주기 위해 열음극(703)을 둘러싸는 반사판(704)를 설치하고, 반사판(704)와 열음극(703)과의 사이에 전원 VR(707)을 집속해서 반사판(704)를 열음극에 대해 음으로 바이어스해 둔다. 이와 같이 해서 열전자(705)에 의해 대전부(709)에 대전해 있는 양(+)전하를 중화시킨다.
또, 실리콘과 같은 웨이퍼의 표면처리에는 주로 중성의 활성종(活性種)이나 양이온이 사용된다. 예를들면, 반응성 이온 에칭(RIE)는 고주파 방전에 의해 반응 가스의 플라즈마를 형성하고, 웨이퍼 표면을 플라즈마에서 노출해서 그 표면에 자기 바이어서 전압(Vdc)를 유기해서 플라즈마에서 양이온을 인출하고, 이 이온으로 중성의 활성종이 흡착된 웨이퍼 표면을 충격함으로서 그 표면을 에칭한다. 통상 이온 에너지는 100eV보다 높고, 수백 eV에 달하는 경우도 있다. 이와 같은 이온 충격하에서는 피에칭 재료의 결합 에너지보다 근소하게 높은 에너지의 이온이 웨이퍼 표면에 충격하기 때문에 재료에 따른 선택성이 없어져서 남아야 할 것도 제거되는 경우가 생긴다. 한편 중성의 활성종을 이용하는 예를 들면, 화학 건식 에칭의 경우는 이온 충격은 전혀 없이 화학적으로 반응이 진행되므로 재료와 가스를 임의로 선택함으로써 높은 선택비의 에칭이 가능하다. 이러한 에칭에 있어서는 예를들면 SiO2는 거의 에칭하지 않고, Si는 에칭한다. 그런데, 역으로 Si는 에칭하지 않고 SiO2만을 에칭하기는 대단히 어렵다. 이것은 Si-O의 결합이 Si-Si의 결합보다 강하고, 따라서 SiO2의 에칭속도가 Si의 에칭 속도보다 느리기 때문이다. 또 실리콘 등의 반도체 기판의 소자들 사이를 절연하기 위해 통상 LOCOS법을 이용한다. 이것은 웨이퍼 표면에 질화막 등의 마스크 패턴을 형성하여 웨이퍼를 산화 분위기 중에 노출함으로써 웨이퍼 표면의 마스크로 피복되어 있지 않는 부분에 두꺼운 산화막을 형성하는 방법이다. 이 방법에서는 웨이퍼와 마스크재의 계면에 버즈빅(bird's beak)이라는 산화막의 잠식이 생겨서 산화막이 불필요하게 커져서 고집적화가 손상되었다.
그래서, 근래 에칭에서의 선택성 등을 개선하는 것을 목적으로 해서 NH3 -등의 음이온을 이용하는 것이 고려되고 있다. 즉 반응성 가스의 원자나 분자를 음으로 대전시켜서 이들 이온에 웨이퍼 등의 피처리 반도체 기판을 노출시키는 것이다. 반응성 가스의 음이온에 대해서는 실리콘 산화막과 같은 화학 결합에 극성을 갖는 재료가 실리콘과 같이 극성이 없는 재료에 비해 흡착이 현저해서 에칭정의 흡착 확률이 크고, 따라서 상대적으로 에칭 속도는 빨라진다. 그래서 산화막 등의 고선택성 에칭이 가능해진다, 또 산화막의 형성시 산소의 음이온을 이용하는 경우가 있다. 예를 들면 실리콘 반도체 기판을 약 800℃로 가열하고, 10V 정도의 바이어스 전압을 인가해서 음이온을 끌어들일 수 있도록 한다. 이 상태에서 반도체 기판을 산소의 음이온 분위기중에 둠으로서 실리콘 산화막을 반도체 기판상에 퇴적할 수 있다. 바이어스 전압에 의해 형성된 전계에 끌려 산소의 음이온은 반도체 기판의 종방향으로 확산하기 때문에 산화의 방향성이 가능해져서 버즈빅을 작게 할 수 있게 된다. 또 불순물 확산 처리 공정에 있어서 P, B, As 등의 불순물 원자를 음이온화해서 반도체 기판에 바이어스를 인가한 상태에서 열처리함으로써 상기 산화막의 형성과 마찬가지로 방향성이 있는 확산처리가 가능해진다.
그러나 이와 같은 종래의 장치에서 대전 전하를 중화하기 위해 대전부에 조사할 때 역으로 전자가 공급과잉으로 되는 문제가 있었다. 이와 같은 경우에는 웨이퍼 면은 음의 대전이 진행하여 웨이퍼의 표면 전위가 웨이퍼에 조사되는 전자의 에너지와 동일해질때까지 음으로 저하를 계속하게 된다. 예를 들면, 웨이퍼에 조사되는 전자의 에너지가 최대 100eV라면, 전자가 공급과잉의 경우에는 웨이퍼 표면은 -100V로 될 때까지 계속 저하한다. 제 7 도에 도시한 종래의 장치에서는 전원 VA(708)에 의해 가속된 열전자(705)가 웨이퍼에 조사된다. 통상 전원 VA(708)의 전압은 -100∼-500V정도로 설정된다. 따라서 100eV 이상의 에너지를 가진 열전자가 웨이퍼에 조사되게 되어 전자가 과잉 공급되면 웨이퍼면의 전위가 음으로 저하한다. 이와 같은 시료 표면의 전위 저하는 시료 표면에서 방출된 2차 이온(양이온)의 에너지 분포를 표면 전위분만큼 저에너지 측으로 전이시켜 버린다. 또, 2차 이온(음이온) 또는 2차 전자의 경우는 고에너지 측으로 전이한다. 그 결과 2차 이온, 2차 전자의 에너지 분포가 변화해 버려서 SIMS의 경우에는 후단의 에너지 필터의 투과율이 크게 저하한다. 이와 같은 현상을 피하기 위해서는 중화에 이용하는 열전자의 공급량을 제어할 필요가 있으나, 종래의 장치에는 이온 비임 조사 영역의 대전 저하를 모니터하는 방법이 없고, 따라서 대전 전하량에 따라 전자 조사량을 제어하기는 대단히 곤란하다.
이와 같은 과잉 전자 공급을 없애기 위해 저에너지 전자를 선택적으로 대전부에 조사하는 방법이 공지되어 있다.(일본 특허 공개소 63-257175호 공보) 이 방법은 열전자를 타겟으로 해서 튀어나오는 반사 전자 및 2차 전자중 반사 전자를 빼고, 2차 전자만을 조사하는 것이다. 반사 전자는 고에너지으므로 이것을 제외하면 저에너지의 전자를 조사하게 되어 전자의 공급과잉을 방지할 수 있다. 그러나 타겟에서 튀어나온 전자는 큰 에너지 분포를 가지고 있고, 광범위하게 분산해서 진행하므로 이대로 이용해서는 예를 들어 반사전자를 제외해도 효율적으로 되지는 않는다. 또 이 방법에서는 열전자는 타겟 표면에 수직으로 닿아 있으나 이것은 중심부분의 많은 열전자가 열전자의 발생 부분으로 향해지므로 2차 전자 이용은 매우 적어진다.
또 이온 에칭에 있어서, 선택적 에칭이 효과적으로 가능한 음이온은 저에너지 전자의 래디컬한 이온에의 조사에 의해 형성할 수 있으나 그 에너지를 효율적으로 제어하기는 대단히 곤란하다. 음이온을 형성하는 경우에 있어서는 예를 들면, NF3, CIF3, Cl2, F2등의 가스를 방전관으로 도입하여 마이크로파 방전등으로 분해한다. 분해후 생성한 반응가스 성분인 F나 Cl 등의 원자를 진공 용기내로 공급한다. 이들 원자에 저속의 전자 비임을 조사하면 F나 Cl 등의 음이온이 형성된다. 음이온화하기 위한 전자 비임의 에너지는 이들 원자의 이온화 에너지에 의해 낮게 유지되어 양이온을 생성하지 않도록 설정한다. 그 값은 어느 원자라도 약 수십eV이고, 따라서 음이온화를 위한 전자비임의 에너지를 20eV 이하 정도로 유지하며 양이온의 생성량을 매우 적게 할 수 있다. 반응가스가 분자인 상태인 경우에도 필요한 에너지는 원자의 경우와 거의 같은 정도이다. 이와 같은 음이온화에 필요한 저에너지의 전자 비임을 형성하기는 어렵고, 또 그 에너지의 제어는 곤란하다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 일정값 이상의 고에너지 성분을 제거한 저에너지 전자를 제어하기 좋게 조사할 수 있는 저에너지 전자의 조사 방법 및 이 방법에 이용되는 조사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 저에너지 전자의 조사 방법은 1차 전자 비임 조사부에서 1차 전자 비임을 2차 전자 방출부로 조사해서 2차 전자를 방출하는 수단, 상기 방출된 2차 전자 비임을 가속하는 수단, 상기 가속된 2차 전자 비임에서 고에너지 성분을 제거하는 수단 및 고에너지 성분을 제거한 상기 2차 전자 비임을 감속해서 집속하는 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다. 또 이 방법은 상기 2차 전자 방출부 또는 상기 2차 전자 비임을 감속하는 수단에 인가되는 전압을 변화시킴으로써 상기 저에너지 전자의 에너지 분포를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또, 이 방법에서는 상기 저에너지 전자는 대전된 시료에 조사되어 그 대전 상태를 중화하거나, 래디컬한 상태의 원자 또는 분자에 조사함으로써 음이온을 형성한다.
본 발명의 저에너지 전자 조사 장치는 1차 전자 비임 조사부, 상기 1차 비임 조사부에서 발생한 1차 전자 비임의 조사를 받아서 2차 전자 비임을 방출하는 2차 전자 방출부, 상기 2차 전자 비임을 가속하는 수단, 상기 가속된 2차 전자 비임에서 고에너지 성분을 제거해서 저에너지의 2차 전자를 얻는 에너지 분석부 및 상기 에너지의 2차 전자를 감속하는 감속 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 2차 전자 방출부 또는 상기 감속 수단에는 가변 바이어스 인가용 전원을 포함하고 있다. 상기 2차 전자 방출부는 그 표면이 상기 1차 전자 비임의 광축에 대해 경사지도록 배치되어 있다. 상기 에너지 분석부는 평행 평판형, 원통 거울형 또는 자장형 에너지 분석기를 이용한 에너지 필터를 포함하고 있다. 상기 에너지 분석부는 상기 2차 전자 방출부에 대항하는 측에 2차 전자를 보충 집속하기 위한 인출전극을 포함하고 있다. 상기 감속 수단은 감속 렌즈계에서 형성할 수 있다. 또 상기 감속 렌즈계는 상기 저에너지 전자에 대해 우전계 공간을 부여하기 위해 소정 전위로 유지된 제1전극과 이 제1전극을 통과한 상기 저에너지 전자를 감속시키기 위한 제2전극으로 구성될 수 있고, 또 상기 2차 전자 방출부에 인가되는 전압과 상기 에너지 분석부의 상기 인출 전극에 인가되는 전압과의 차에 의해 상기 2차 전자 비임은 가속된다.
본 발명에서는 2차 전자 방출부의 타겟에서 방출된 2차 전자는 가속된 후 에너지 분석부로 인가되어 고에너지 성분이 제거되고, 그후 감속 장치로 인도되어 감속, 집속됨으로써 에너지 분포폭이 좁은 원하는 에너지 성분 및 방출 속도를 가진 저에너지 전자를 취출할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조해서 설명한다. 제 1 도는 본 발명의 실시예에 관한 저에너지 방사장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 1차 전자 비임 조사부는 열음극(101)과 양극(103)과 정전 아인첼렌즈(104,105 및 106)으로 구성되어 있다. 열전극(101)은 텅스텐으로 형성되어 있다. 또 열음극(101)을 둘러싸는 것과 같은 열음극에서 발생한 열전자 발산을 억제하기 위해 반사판(102)가 설치되어 있다. 열음극(101)은 가열용 전원 VF(116)에서 가열되고 그 전원의 출력 전압은 44V, 전류는 0-7A이다. 판사판(102)를 열음극(101)에 대해 음으로 바이어스하는 바이어스용 전원 VR(117)은 출력 전압 0-5V로 해둔다. 또 열음극(101)과 양극(103)과의 사이에 인가되는 가속 전압을 발생하는 가속 전압 전원 VA(218)은 출력 전압0-800V로 한다. 양극(103)은 접지되어 있다. 정전 아인첼 렌즈(104 또는 106)은 접지되고, 중간 전극(105)에는 전원(119)에 음전압 0-800V가 인가된다. 이와 같이 해서 1차 전자 비임 조사부에서 방출된 1차 전자 비임은 가속되어 2차 전자 방출부(107)의 타겟 표면에 조사된다. 2차 전자 방출부(107)에는 바이어스 인가용 전원(120)이 집속되어 0-20V로 설정된 바이어스 전압(VT)가 인가된다. 2차 전자 방출부(107)의 근방에는 접지된 실드용 전극(108)이 설치되고, 또 인출용 전극(109)이 설치된다. 인출용 전극(109)에는 전압 인가용 전원(121)에 의해 0-200V의 전압이 인가된다. 상기와 같이 2차 전자 방출부(107)에 인가되는 전압과 인출 전극(109)에 인가되는 전압과의 차에 따라 2차 전자는 가속되어 에너지 분석부로 보내지도록 되어있다. 인출 전극(109)의 후부에는 평행 평판형 에너지 분석기(110 및 111)이 설치되고, 각 평팽 평판에는 전원(123 및 122)에서 0-200V 및 0-40V의 출력 전압이 주어진다.
이와 같이, 2차 전자 방출부(107)의 근방에 설치되는 에너지 분석부는 2차 전자 방출부(107)에서 방출되는 2차 전자를 받아서 고에너지 성분을 제거하는데 이용되고, 이 분석부는 실드용 전극(108)과 인출용 전극(109)와 평행 평판형 에너지 분석기(110 및 111)로 구성되어 있다. 분석부의 후부에는 무전계 공간을 만들기 위한 전극(112 및 113)이 설치되고, 양전극에는 전원(124)에서 0-100V 범위의 같은 출력 전압이 인가되어 있다. 또 전극(112 및 113)의 후부에는 감속전극(114 및 115)가 설치되어 있다. 전극(114)에는 전원(125)에서 0-40V의 출력 전압이 주어지고, 전극(115)는 접지되어 있다. 이와같이 해서 저에너지 전자를 감속해서 집속하는 수단으로서의 감속렌즈계가 전극(112 및 113)과 감속전극(114 및 115)로 구성된다.
다음에 본 실시예에 관한 조사장치의 동작에 대해 설명한다. 열음극(101)에서 발생한 1차 전자는 음극(101)과 양극(103)과의 사이에서 가속되어 양극에서 1차 전자 비임이 출사된다. 가속전압을 800V로 하고 반사판(102)의 바이어스 전압을 -50V로 한다. 1차 전자 비임을 정전 아인첼 렌즈(104,105 및 106)을 이용해서 집속시킨다. 중간전극(105)에 -600V를 인가하면 1차 전자 비임은 2차 전자 방출부(107)상에 초점을 맺는다 가속된 1차 전자 비임이 2차 전자 방출부(107)에 조사되면 2차 전자 방출부(107)의 타겟에서 2차 전자가 방출된다. 2차 전자의 방출 효율(δ)(2차 전자 전류/1차 비임 전류)는 보통 θ를 1차 비임의 조사각(타겟 표면의 수선에서의 각도)로서δ=δ0/cosθ인 관계가 있다. 여기서 δ0는 2차 전자 방출부(107)의 타겟에 1차 전자 비임이 수직으로 입사한 때의 방출효율로, 1차 전자 비임의 에너지 및 2차 전자 방출부의 재료에 의존한다. 본 실시예에서는 2차 전자 방출부(107)의 조사면의 재료, 즉, 타겟으로서 금을 사용했다. 금의 2차 전자 방출 효율은 1차 전자 비임의 에너지가 800eV일 때 최대이고, δ0=1.3으로 된다. 또 1차 전자 비임을 2차 전자 방출부(107)의 타겟에 대해 경사지게 방사시키면 방출 효율을 높일 수 있다. 본 실시예에서는 1차 비임의 사각(θ)는 40도로 되어 있다. 2차 전자 방출부(107)에서 방출된 2차 전자는 바이어스 인가용 전원 VT(120)에서의 전압 VT및 전압 인가용 전원(121)에서의 전압에 의해 가속되어 인출 전극(109)의 전계에 의해 에너지 분석부로 들어간다. 2차 전자 방출부(107)에는 -10V를 인가하고, 인출 전극(109)에는 +200V를 인가한다. 여기서 실드용 전극(108)은 인출전극(109)의 단부의 전계 분포를 조정해서 전계 원화를 위해 이용된다.
가속된 2차 전자는 평행 평판형 에너지 분석기(110 및 111)에 의해 고에너지 성분이 제거된다. 즉 고에너지의 반사 1차 전자 및 고에너지의 2차 전자는 직진(A)하는데 비해, 저에너지의 2차 전자(B)는 전극(110 및 111)에 의해 굽어져 전극(112)의 슬릿(slit)을 통과한다. 본 실시예의 경우에는 전극(110 및 111)에는 각각 +10V와 +190V가 인가되고 있다. 이와같이 해서 고에너지 성분(A)가 제거된 저에너지의 2차 전자만이 전극(112)의 슬릿을 통과해서 전극(112 및 113)으로 구성되는 무전계 공간으로 입사한다. 이 공간은 후단의 감속 전극(114 및 115)의 초점이 정합성을 취하기 위해 설치된 것이다. 전극(112 및 113)에는 각각 +70V가 인가되고 있다. 무전계 공간을 통과한 2차 전자는 감속 전극(114 및 115)에 의해 감속되어 집속된다. 전극(114)에는 20V가 인가되고, 전극(115)는 접지되어 있다. 집속에서 초점거리는 전극(114)에 의해 제어되고, 감속된 저에너지 전자(20eV 이하)(B)가 전극(115)에서 출사된다.
본 발명의 조사 장치는 2차 전자 방출부(107)에서 발생한 2차 전자의 고에너지 성분 및 반사 전자를 에너지 분석기로 이루어지는 에너지 필터(110 및 111)을 이용해서 제거해서 전자의 에너지 분포도를 좁게할 수 있기 때문에 비교적 균일한 에너지를 갖는 저에너지 전자만을 공급할 수 있게 된다. 또 2차 전자 방출 효율(δ)을 높게 하도록 2차 전자 방출부(107)의 타겟 재료를 선택하거나, 1차 전자 비임을 타겟에 경사지게 입사시킴으로써 1차 전자 비임 전류의 수 배의 2차 전자를 방출시킬 수 있다. 또 1차 전자 비임의 지름을 조절함으로서 인출전극(109)에서 후단으로의 비임 투과 효율(η)를 향상시킬 수 있다. 이와 같이 해서 대량의 저에너지 전자를 시료에 공급할 수 있게 된다. 제 2 도는 본 실시예의 장치를 이용해서 시료에 저에너지 전자를 조사했을 때 전자의 에너지 분포를 도시한 것이다. 종축이 전자 강도(전류량), 횡축이 전자 에너지(eV)를 나타내고, 전자에너지의 분포의 피크 위치를 Ep로 한다. 2차 전자 방출부(107)에 전위를 주는 전원(120)의 전압(VT)를 -5V,-10V,-20V로 변환시켰을 때의 조사시의 전자에너지 분포의 변화 상태를 도시한다. 전압(VT)을 음으로 증가시키면 에너지 분포도 고에너지 측으로 전이하는 것을 도면으로부터 용이하게 이해할 수 있다. 또 그때의 전이량은 2차 전자 방출부(107)에 인가하는 전압(VT)의 변화량과 거의 일치한다. 이것은 2차 전원 방출부(107)에서 발생한 2차 전자의 에너지 분포에 2차 전자 방출부 전압(VT)에 의한 가속에너지의 옵셋을 건 것으로 생각된다.
상기 타겟의 전압(VT)와 제 2 도에 도시한 전자의 에너지 분포에 있어서 피크 에너지 위치(Ep)와의 관계를 제 3 도에 도시한다. 도면에서처럼 타겟 전압(VT)를 변화시킴으로써 저에너지 전자 비임의 에너지 분포를 변화시킬 수 있다. 이와 같이 전자를 가속시키는 전압(VT)를 변화시킴으로서 저에너지 전자 비임의 에너지를 제어할 수 있고, 감속 전극의 전압 변화에 의해서도 에너지 제어는 가능하다. 또 전압(VT) 및 감속 전압을 동시에 변화시킴으로써 전자 비임의 에너지를 제어할 수 있다.
상술한 것처럼 타겟에서의 2차 전자 비임의 방출 효율(δ)는 1차 전자 비임의 타겟에의 조사각(θ)에 의해 좌우된다. 제 4 도에서는 1차 전자는 2차 전자 방출부(107)의 타겟의 조사각(θ)(타겟표면의 수선에서의 각도)로 입사한다. 조사각(θ)는 상기 정의에 따라 1차 전자 비임의 광축에 대한 타겟의 경사각에 해당하고, 또 1차 전자 비임의 광축과 에너지 분석부의 에너지 필터는 평행으로 배치되어 있으므로 상기 필터에 대한 타겟의 경사각에 해당한다. 1차 전자가 타겟 표면의 어느 위치로 입사하면 2차 전자는 그 위치에서 출사하여 출사위치를 중심으로 구상으로 발산한다. 즉, 2차 전자는 출사면으로부터 어느 방향으로 방출되어 에너지도 그 방향과 법선과의 이루는 각의 코사인(cosine)에 비례하는 코사인 방출측에 따라 출사한다. 따라서 타겟 표면에 수직으로 입사하는 것은 방출효율(δ)이 가장 나빠지므로 수직 이외의 조사각(θ)을 변경해야 한다. 조사각(θ)를 변경함으로써 2차 전자 투과율(η)가 어떻게 변화하는가를 제 5 도의 특성도에 도시한다. 도면은 횡축에 타겟 표면의 경사각 즉 상기 조사각(θ)(rad)를 종축에 2차 전자 투과율(η)(%)를 취한다. 투과율(η)는 100×N/No로 나타난다. No는 2차 전자중 전 방출량을, N은 2차 전자중 에너지 분석부를 통과한 전자량을 나타낸다. 이 결과, 타겟 표면이 40-50도 정도 기울은 때가 2차 전자 투과율(η)이 가장 높아진다.
이와 같이 해서 저에너지 전자의 조사 장치에서 출사한 전자 비임은 대전상태에 있는 시료에 접촉해서 중화하거나 반응성 가스에 조사해서 음이온을 형성하는등 여러 가지 용도에 이용한다. 본 발명의 저에너지 전자의 조사 방법에 이용하는 조사 장치는 이온 주입이나 에칭 혹은 SIMS 등에 사용하는 이온 비임 장치의 부속 장치로 설치된다. 이온 주입을 행하는 장치의 대전부에 대한 중화 장치로서 이용하는 경우 제 7 도에 도시하는 종래예와 마찬가기로 전자 비임이 대전부에 대해 약간 경사지게 조사되도록 배치된다.
제 6 도에 있어서, 본 발명의 조사 장치를 이온 비임 장치에 사용하는 음이온 형성 장치로서 이용하는 경우를 설명한다. 도면에서 이온 비임 장치는 실리콘 등의 반도체 기판(602)의 표면을 에칭 처리하는 에칭 장치이고, 이 장치에 음이온 형성 장치(610)을 병설한다. 에칭 장치는 진공 용기(601)를 구비하고 있고, 그 중에 실리콘 등의 피처리 반도체 기판(602)를 지지하는 서셉터(603)이 탑재되어 있다. 서셉터(603)은 온도 제어되고, 또 직류 전압을 인가할 수 있다. 진공 용기(601)에는 반응가스의 도입구(604)와 배기구(605)가 설치되어 있다. 도입구(604)에는 예를 들면 방전관(606)이 집속되어, 이 중에 도입되는 예를들면 0.1Torr 정도의 NH3등의 반응가스의 마이크로파(200W)(607)의 도입에 의해 방전 여기시킨다. 이와 같이 분해한 가스의 F원자를 진공 용기(601)내로 보낸다. 방전관(606)앞에는 방전관과 진공 용기와의 압력차를 유지하기 위한 오리피스(orifice)가 설치되어 있다. 또 진공 용기(601)에는 병치된 음이온 형성 장치(601)에서 출사된 저에너지 전자 비임(609)가 도입된다. 진공 용기(601)에 도입된 F원자에 전자 비임(609)를 접촉시켜 F-이온을 형성한다. 이 이온을 이용해서 기판(602)의 표면에 에칭한다. 서셉터(603)을 주사함으로써 기판(602) 전체의 표면 부근에 균일하게 전자 비임을 공급할 수 있다. 전자 비임의 에너지를 원자의 이온화 에너지(F원자는 17.4eV)보다 낮게 유지하면 양이온이 생성되지 않는다.
따라서 에너지를 20eV 정도로 되면 양이온 생성을 대단히 작아져서 문제로 되지 않는다. 이 에칭장치는 F-이온을 기판(602)의 상부 방향으로부터 공급하나 음이온 형성 장치에서의 전자 비임(609)은 기판(602) 표면에 기판과 평행으로 F원자에 조사해서 음이온을 형성한다. 그리고 도시한 것처럼 기판에 전압을 인가해서 전계(E)를 생성시키고, 또 기판(602) 표면에 자계 발생 현상(도시하지 않음)에 의해 자계(B)를 전계(E)와 직교하도록 발생시킨다. 이와 같이 하면 F원자(래디컬)은 F-이온으로 되어, 이것이 전계(E)의 작용에 의해 기판(602)로 방향성 좋게 입사한다. 때때로 부수적으로 생성되는 F+이온은 기판과 반대 방향으로 이동하여 기판으로는 입사되지 않는다. 또 F-이온은 무겁기 때문에 E×B 효과에 의한 궤도 변화가 작게 기판(602)로 입사되나, 가벼운 전자는 E×B에 의해 굽어져서 기판으로는 들어가지 않는다.
피처리 기판으로서는 실리콘 기판 표면에 산화막이 형성되어 있는 것에 한정되지 않는다. 반도체나 금속등 중성 결합을 갖는 재료에 대해 알루미나나 질화막등 이온성 결합을 갖는 재료를 선택적으로 에칭하는 경우에 적용할 수 있다. 반응 가스로서는 예를 들면 할로겐을 포함하는 NF3, CIF3, Cl2, SF6, Br2, HBr 등을 이용하고, O와 반응하기 쉬운 CF4, CCI4, CBrF3등을 이용할 수 있다. 또 발명의 음이온 형성 장치는 에칭 장치뿐 아니라 실리콘 반도체 기판 표면을 산화시켜서 SiO2막을 형성하는 산화장치나 반도체 기판 내부에 불순물을 주입하는 이온 주입장치등도 병설할 수 있다. O나 As 등을 음이온으로 해서 처리하므로 산화막이나 확산층을 방향성 좋게 형성할 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명의 조사 방법에서는, 조사하는 전자의 에너지 분포를 제어할 수 있는 본 발명의 조사 장치는 대단히 유효하다. 타겟의 재료로서 산화하기 어려운 것이나 2차 전자 방출 효율이 좋은 것 중에서 선택하는데 예를 들면 Au, Pt, W등이 이용된다. 또 열 음극 재료에는 W나 LAB6이 사용된다. 에너지 분석 수단으로는 실시예에서는 평행 평판형 에너지 분석기를 이용했으나 원통 거울형이나 자장형 에너지 분석기를 이용했으나, 원통 거울형이나 자장형 에너지 분석기를 이용할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 2차 전자 방출부에서 발생하는 2차 전자를 가속해서, 가속한 2차 전자 중 고에너지 성분 및 1차 전자 비임의 반사 전자를 에너지 분석 수단을 이용해서 유효하게 제거하고, 또 그후 감속함으로써 에너지 분포폭이 좋은 저에너지의 2차 전자만을 제어성 좋게 얻을 수 있다. 또 2차 전자 방출부 또는 감속수단의 인가전압을 변화시킴으로서 얻어지는 방출 전자의 에너지 분포를 제어할 수 있게 된다.
Claims (12)
1차 전자 비임 조사부(101,103,104,105 및 106)으로부터 1차 전자 비임을 2차 전자 방출부(107)에 조사해서 2차 전자 비임을 방출하고, 상기 방출된 2차 전자 비임을 가속하며, 상기 가속된 2차 전자 비임에서 고에너지 성분을 제거하고, 고에너지 성분을 제거한 상기 2차 전자 비임을 감속해서 집속하는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 2차 전자 방출부 또는 상기 2차 전자 비임을 감속하는 수단을 인가되는 전압을 변화시킴으로서 상기 저에너지 전자의 에너지 분포를 제어하는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사방법.
제 1 항에 있어서, 상기 저에너지 전자가 대전된 시료에 조사되어 그 대전 상태를 중화하는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 저에너지 전자가 래기컬한 상태의 원자 또는 분자에 조사함으로써 음이온을 형성하는 것을 특징으로 하는 전자 조사 방법.
1차 전자 비임 조사부(101,103,104,105 및 106), 상기 1차 전자 비임 조사부에서 발생한 1차 전자 비임의 조사를 받아서 2차 전자 비임을 방출하는 2차 전자 방출부(107), 상기 2차 전자 비임을 가속하는 수단(120 및 121), 상기 가속된 2차 전자 비임으로부터 고에너지 성분을 제거해서 저에너지의 2차 전자를 얻는 에너지 분석부(108,109,110 및 111) 및 상기 저에너지의 2차 전자를 감속해서 집속하는 감속 수단(112,113,114 및 115)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 2차 전자 방출부 또는 상기 감속수단에 가변 바이어스 인가용 전원을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 2차 전자 방출부가 그 표면에 상기 1차 전자 비임의 광축에 대해 경시지도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 에너지 분석부가 평행 평판형, 원통 거울형 또는 자장형 에너지 분석기를 이용한 에너지 필터(110 및 111)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 에너지 분석부가 상기 2차 전자 방출부에 대항하는 측에 2차 전자를 보집(補集)하기 위한 인출 전극(109)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 감속 수단이 감속 렌즈계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 감속 렌즈계가 상기 저에너지 전자에 대해 무전계 공간을 부여하기 위해 소정 전위로 유지된 제1전극(112 및 113) 및 상기 제1전극을 통과한 상기 저에너지 전자를 감속시키기 위한 제2전극(114 및 115)로 구성되는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 2차 전자 방출부에 인가되는 전압과 상기 에너지 분석부의 상기 인출 전극에 인가되는 전압과의 차에 의해 상기 2차 전자 비임이 가속되는 것을 특징으로 하는 저에너지 전자 조사 장치.
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