KR101761227B1 - 입자 빔 칼럼에서 입자 빔을 블랭킹하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입자 빔 칼럼에서 입자 빔을 블랭킹 하는 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 입자 빔 칼럼에서 입자 빔이 시료를 향해 주사되는 것을 막는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 기존의 입자 빔 칼럼에서 정전위 전자렌즈의 전극에 블랭킹 전압을 인가해서 빔 블랭킹을 수행 하는 것으로, 저에너지 초소형 입자 빔 칼럼에서 가장 잘 활용될 수 있다.

Description

입자 빔 칼럼에서 입자 빔을 블랭킹하는 방법{Method of blanking a particle beam in a particl beam column}

본 발명은 입자 빔 칼럼에서 입자 빔을 블랭킹 하는 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 입자 빔 칼럼에서 입자 빔이 시료를 향해 주사되는 것을 막는 방법에 관한 것이다.

입자 빔 칼럼은 입자 소스(방출원)과 정전기장 또는 자기장으로 작동되는 전자 렌즈들로 구성되어 입자 빔을 생성하고 스캔하는 것으로서, 대표적으로 전자 칼럼 또는 이온 빔 칼럼 등이 있다. 이와 같은 전자 칼럼은 전자 현미경이나 반도체 리소그라피, 또는 전자 빔을 이용한 검사장치, 예를 들어 반도체 소자의 비아홀/컨택홀(via hole / contact hole)의 이상 유무 검사, 시료의 표면 검사 및 분석, 그리고 TFT-LCD 소자에 있어서 TFT(Thin Film Transistor)의 이상 유무 검사 등에 사용된다.

전자 칼럼은 입자 빔 칼럼의 대표적인 예이다. 전자빔을 생성 주사하는 전자 칼럼 중 하나의 예로서 초소형 전자칼럼 (microcolumn)은, 스캐닝 터널링 현미경(STM)의 기본 원리 하에서 작동하는 전자방출원 및 미세구조의 전자광학 부품에 기초한 초소형 전자 칼럼은 1980년대 처음 도입되었다. 초소형 전자 칼럼은 미세한 부품을 정교하게 조립하여 광학 수차를 최소화하여 향상된 전자 칼럼을 형성하고, 작은 구조는 여러 개를 배열하여 병렬 또는 직렬구조의 멀티형 전자 칼럼구조에 사용이 가능하다. 이를 위해 반도체 공정을 이용해서 실리콘 웨이퍼로 렌즈를 만드는 데 렌즈의 구경(어퍼쳐) 부분을 맴스 공정에 의해 멤브레인으로 만들어 정전 렌즈로서 사용하기도 한다.

도1은 초소형 전자 칼럼의 구조를 나타내는 도이며, 전자 방출원, 소스 렌즈, 디플렉터, 및 아인젤 렌즈가 정렬되어 전자 빔이 주사되는 것을 나타낸다.

일반적으로 초소형 전자 칼럼으로서 대표적인 마이크로칼럼은 화살표로 표시된 전자들을 방출하는 전자 방출원(110), 전자들을 방출, 가속 및 제어하도록 3개의 전극층들로 이루어고 상기 방출된 전자들을 유효한 전자 빔으로 형성하는 소스 렌즈(120), 상기 전자 빔을 편향시키는 디플렉터(150), 및 상기 전자 빔을 시료(s)에 집속(focusing)시키는 집속(focus) 렌즈(아인젤 렌즈,140)로 구성된다. 일반적으로 디플렉터는 소스 렌즈와 아인젤 렌즈 사이에 위치된다. 마이크로칼럼의 일반적인 작동을 위하여, 음전압(약 -100 V ~ - 2 kV)이 전자 방출원에 인가되고, 소스 렌즈의 전극층들은 일반적으로 접지(ground)된다. 포커싱 렌즈의 예로서 아인젤 렌즈는 양측의 외부 전극층은 접지시키고 그리고 중앙의 전극층에 음(-)전압(감속 모드)을 인가하거나 또는 양(+)전압(가속 모드)을 인가시킴으로써 전자 빔을 집속하도록 한다(포커싱하도록 사용된다). 동일한 작동 거리에서, 감속 모드의 집속 전압의 크기는 가속모드에서 보다 작다. 동기가 맞추어진 편향(deflecting) 전압은 전자 빔의 경로를 조절하여 시료 표면에 전자 빔을 일정한 주기로 주사시키기 위해 인가된다. 상기 소스 렌즈나 집속 렌즈와 같은 전자 렌즈는 중앙에 전자 빔이 관통하도록 원이나 소정의 형상을 갖는 어퍼쳐를 구비한 전극층을 2개 이상 포함하여 전자 빔을 제어하는 데 통상적으로는 3개의 전극층으로 형성된다.

전자 칼럼의 종류로는 하나의 전자 방출원과 상기 전자 방출원에서 발생된 전자 빔을 제어하기 위한 전자 렌즈들로 구성된 싱글 전자 칼럼과 다수의 전자 방출원에서 방출된 다수의 전자 빔을 제어하기 위한 전자 렌즈들로 구성된 멀티형 전자 칼럼으로 구분된다. 멀티형 전자 칼럼은 반도체 웨이퍼와 같이 하나의 층에 다수의 전자 방출원 팁이 구비된 전자 방출원과 하나의 층에 다수의 어퍼쳐가 형성된 렌즈 층이 적층된 전자 렌즈를 포함하여 구성된 웨이퍼 타입 전자 칼럼과, 싱글 전자 칼럼과 같이 개개의 전자 방출원에서 방출된 전자 빔을 다수의 어퍼쳐를 가진 하나의 렌즈 층으로 제어하는 조합형 전자 칼럼, 싱글 전자 칼럼들을 하나의 하우징에 장착하여 사용하는 어레이(array) 방식 등으로 구분될 수 있다. 조합형의 경우 전자 방출원이 별개로 구분될 뿐 렌즈는 웨이퍼 타입과 동일하게 사용할 수 있다.

위와 같은 전자 칼럼은 전자 방출원에서 전자빔이 발생되어 시료를 스캔하게 되는데, 시료에 따라서 전자빔이 쏘여지면 안되는 경우가 있다. 예를 들면 반도체나 LCD 등의 검사장치에서 검사 지역이 아닌 다른 부위에 전자빔이 쏘여지면 높은 에너지의 전자빔이 차징이 되어 시료를 손상시키는 경우가 있다. 따라서 전자 칼럼에서 전자빔을 필요에 따라 주사하거나 전자빔이 전자 칼럼으로부터 전자빔이 나오지 못하게 하거나 시료에 도달하지 못하도록 막을 필요가 있다. 이와 같이 전자빔을 블랭킹하기 위하여 통상적으로 빔 블랭커로 추가하여 사용한다. 그러나 이러한 빔 블랭커는 추가적인 구성물로서 전자 칼럼에 포함되는 경우 일반 전자 칼럼보다 추가적인 구성을 포함하게 되며 제어 전극이 추가되어 전자 칼럼의 제어가 더 복잡하게 된다.

입자 빔에서 전자 이외의 다른 입자 빔으로 이온 빔 칼럼의 경우 전자 대신 양이온이 주사되는 데 빔 블랭킹의 문제는 전자 칼럼과 동일하게 발생된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기존의 입자 빔 칼럼에서 정전위 전자렌즈의 전극을 활용해서 빔 블랭킹을 할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 블랭킹 방법은, 입자 빔 칼럼에서 상기 빔을 블랭킹하는 방법에 있어서,

입자 빔 소스에 인가되는 전압과 동일한 극성이며 절대값으로 같거나 더 큰 블랭킹 전압을 상기 칼럼의 전극 층 중 어느 하나 이상의 전극 또는 블랭킹을 위한 추가 전극에 인가하여 상기 빔을 블랭킹 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 블랭킹 방법은, 상기 입자 빔 칼럼이 초소형 칼럼(마이크로 칼럼)의 전자 렌즈를 포함하여 구성되며, 상기 전자 렌즈 중 소스 렌즈의 마지막 전극층 또는 포커스 렌즈의 가장 상부층에 상기 블랭킹 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 방법은, 상기 입자 빔 칼럼이 마이크로 칼럼의 전자 렌즈를 포함하여 구성되며, 상기 칼럼이 단일 렌즈로 사용되는 경우 3개의 렌즈층으로 이루어진 소스 렌즈의 마지막 렌즈층인 limiting aperture의 역할을 하는 전극에 상기 블랭킹 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 방법은, 상기 칼럼이 멀티형 칼럼으로서 작동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 빔 블랭킹 방법은 기존의 입자 빔 칼럼을 그대로 활용하여 손쉽게 블랭킹이 되어 전자 칼럼의 구조를 단순화시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 빔 블랭킹 방법을 활용시 쉽게 빔을 블랭킹 할 수 있어 입자 빔 칼럼의 제어가 용이해진다.

또한 본 발명에 따른 빔 블랭킹 방법은 저 에너지를 이용하는 입자 빔 칼럼에서 활용시 저 에너지를 기존 전극층(렌즈층)에 인가하여 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 빔 블랭킹 방법은 크기가 매우 작은 초소형 입자빔 칼럼의 경우에 기존의 구조를 그대로 활용하여 사용할 수 있고 추가적인 구조물이 필요없어 경제적이며 활용이 쉽다.

또한 위와 같은 본 발명의 장점은 저 에너지 초소형 입자 빔 칼럼에서 가장 잘 발휘될 수 있다.

도1은 통상적인 초소형 전자 칼럼의 구조를 나타내는 단면도이다.
도2는 본 발명에 따라 빔 블랭킹이 수행되는 예를 도시한 단면도이다.
도3은 본 발명에 따라 빔 블랭킹이 수행되는 다른 예를 도시한 단면도이다.
도4는 본 발명에 따라 빔 블랭킹이 수행되는 또 다른 예를 도시한 단면도이다.
도5는 본 발명에 따라 빔 블랭킹 전압이 인가될 수 있는 멀티형 전극층의 예를 도시한 평면도이다.

본 발명은 기존의 렌즈를 구성하는 전극층들 중 어느 하나의 전극층에 입자 빔 소스(입자 방출원)의 입력 전압보다 절대값으로 더 크며 동일한 극의 전압을 인가하는 것이다.

본 발명에서 블랭킹 대상인 입자는 전자 또는 이온으로 양이온 등의 입자들의 빔을 생성 제어하는 입자 빔 칼럼에서 입자 빔을 블랭킹 하는 것이다. 특히 본 발명에서 바람직하게는 저에너지 입자 빔의 블랭킹이 유리하다. 입자의 에너지가 클수록 블랭킹 전압도 같이 커져야 하나 중간의 렌즈층에 고에너지를 인가하는 것은 제어에 바람직하지 못하기 때문이다. 그리하여 저에너지 이며 소형인 초소형 칼럼에서 본 발명의 블랭킹 방법의 활용이 매우 바람직하다. 여기서 저에너지는 바람직하게는 절대값으로 2 kV 이하의 빔에너지를 가진 입자(전자 또는 양이온)를 의미하며 5kV 이하의 입자 빔을 사용하는 칼럼에서도 바람직하게 사용이 가능하다. 특히 입자 방출원 소스에 수백 V 내의 전압이 인가되어 저에너지 일뿐 아니라 정전 렌즈(electro-static lens)를 사용하여 초소형의 크기를 갖는 초소형 전자 칼럼을 포함하는 초소형 입자 빔 칼럼에서 가장 바람직하게 본 발명의 빔 블랭킹 방법이 적용될 수 있다. 물론 초소형 입자 빔 칼럼 외에도 일반적인 입자 빔 칼럼에서도 본 발명의 블랭킹 방법을 활용이 가능하다.

초소형 입자 빔 칼럼은 초소형 전자 칼럼의 전자 렌즈를 이용해서 그 크기가 입자 방출 소스의 말단 부터 렌즈의 마지막 전극까지 길이를 약 10mm 내외 까지도 줄일 수 있는 칼럼을 말하는 데, 주로 반도체 공정을 이용해 만들어지는 초소형 전자 칼럼의 전정기 전자 렌즈를 이용하여 제작되는 입자 빔 칼럼을 말한다. 따라서 그 전체 크기가 작고 정밀한 초소형 입자 빔 칼럼에서 새로운 블랭킹 구조물을 사용하지 않으며 또한 빔을 블랭킹하기 위한 전압도 저전압으로 충분하여 활용가치가 극대화 될 수 있다.

이하 초소형 전자 칼럼을 위주로 본 발명의 블랭킹 방법을 설명한다. 그 이유는 다른 입자 빔 칼럼인 이온 빔의 경우 극성이 반대일 뿐 블랭킹하는 방법은 동일 또는 유사하게 적용되기 때문이다.

본 발명의 빔 블랭킹 방법은 전자 방출원에 인가된 전압이 - 300 V 라면 같은 음전압으로 300V 이상의 전압을 전극층(렌즈층)에 인가하여 전자 방출원에서 방출된 전자들이 전자 렌즈의 어퍼처를 통과하지 못하게 하여 전자 칼럼에서 발생된 전자들이 시료로 가지 못하도록 하는 것이다.

전자 렌즈 중 어느 하나의 전극층(렌즈층)에 전압을 인가하여도 전자빔을 블랭킹 (blanking) 할 수 있으나 바람직하게는 소정의 전압을 인가시킬 수 있도록 구성된 전극층을 이용하는 것이 바람직하다. 또한 가급적 작은 크기의 전압으로 전자빔을 블랭킹 시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 전자 칼럼에서 전자빔을 블랭킹하는 것은 전자빔이 전자 렌즈의 어퍼쳐를 통과해서 시료를 향해 진행되는 것을 쉽게 막을 수 있도록 하는 것이다. 도2는 본 발명에 따라 빔 블랭킹이 수행되는 예를 도시한 단면도로서 소스 렌즈(120)의 가장 아래 렌즈층인 리미팅 어퍼쳐(121)에 블랭킹 전압을 인가한 것이다. 도시된 바와 같이 소스 렌즈(120)의 마지막 렌즈층인 리미팅 어퍼져(121)에 블랭킹 전압이 인가되면 전자 방출원(110)에서 나온 전자들이 화살표로 표시된 것과 같이 반사되어 다시 위로 올라간다. 따라서 리미팅 어퍼쳐(121)를 통과하지 못하고 시료(S)에 도달하지 못하게 된다. 그러나 리미팅 어퍼쳐(121)에 블랭킹 전압을 인가하지 않으면 도1과 같이 전자들이 정상적으로 시료에 도달하게 된다.

도3은 본 발명에 따라 빔 블랭킹이 수행되는 다른 예를 도시한 단면도로서 포커스 렌즈(140)의 가장 위 렌즈층(141)에 블랭킹 전압을 인가한 것이다. 도시된 바와 같이 포커스 렌즈(140)의 상부 렌즈층(141)에 블랭킹 전압이 인가되면 전자 방출원(110)에서 나온 전자들이 화살표로 표시된 것과 같이 반사되어 다시 위로 올라간다. 따라서 상부 렌즈층(141)을 통과하지 못하고 시료(S)에 도달하지 못하게 된다. 그러나 상부 렌즈층(141)에 블랭킹 전압을 인가하지 않으면 도1과 같이 전자들이 다시 정상적으로 시료에 도달하게 된다.

도4는 본 발명에 따라 빔 블랭킹이 수행되는 또 다른 예를 도시한 단면도로서 단일 렌즈(170)의 가장 아래 렌즈층에 블랭킹 전압을 인가한 것이다. 도시된 바와 같이 본 실시예에서 상기 칼럼은 전자 방출원(110)과 3개의 렌즈층(전극)로 이루어진 단일 전자 렌즈(170)와 전자들을 스캔하는 디플렉터(150)으로 이루어졌다. 일반적인 형태의 구조는 아니지만 전자 칼럼으로 작동이 된다. 단일 렌즈(170)는 소스 렌즈 역할과 포커스 렌즈의 역할을 모두 수행하게 된다. 따라서 단일 전자 렌즈(170)의 마지막 렌즈층은 다른 일반 전자 칼럼의 리미팅 어퍼져(121)와 포커스 렌즈(140)의 마지막 하부 렌즈(143)의 역할을 공동으로 수행할 수 있는 것으로, 단일 렌즈(17)의 경우에도 마지막 렌즈층에 블랭킹 전압이 인가될 수 있다. 이 경우도 전자 방출원(110)에서 나온 전자들이 화살표로 표시된 것과 같이 반사되어 다시 위로 올라간다. 따라서 상기 렌즈층을 통과하지 못하고 시료(S)에 도달하지 못하게 된다. 그러나 본 렌즈층에 블랭킹 전압을 인가하지 않으면 도1과 같이 전자들이 정상적으로 시료에 도달하게 된다. 단일 렌즈(170)에서는 도2의 소스 렌즈(120)와 달리 마지막 렌즈층 외에 중간 렌즈층에 블랭킹 전압을 인가하여 사용할 수 있다. 즉, 마지막 렌즈층이 접지되어 사용되는 경우에는 상기 렌즈의 다른 어느 전극층에 전압이 인가되고 있으면 그 전극층을 활용하여 사용할 수 있다.

통상적인 초소형 전자 칼럼의 구조에서, 전자 방출원에서 방출된 전자들은 빔을 형성하며 포커스 렌즈와 디플렉터에 의해 전자빔이 포커싱 되어 시료상에 스캔되는 데, 이때 도2와 3의 예들 에서와 같이, 포커스 렌즈의 가장 상부측 전극층이나 소스 렌즈의 가장 하부의 전극층에 블랭킹 전압을 인가하는 것이 바람직하다.

즉, 전자 방출을 유도하는 렌즈층(121)인 인 엑스트렉터와 중간의 전자 가속 전극(렌즈층)인 엑셀레이터(122)와 유효한 전자빔을 형성하도록 하는 렌즈층(123)인 리미팅 어퍼쳐를 포함하는 소스 렌즈(120)의 가장 하부층인 리미팅 어퍼쳐 렌즈층 (123)이나, 양 외곽의 렌즈층(141, 143)을 기준으로 중간층(142)에 주로 포커싱 전압을 인가하여 사용되는 포커스 렌즈(140)의 상부 렌즈층(141)에 전자 방출원의 전압보다 더 큰 음 전압을 인가하면 상기 음 전압이 인가된 전자층이 전자들이 해당 전극층 아래로 통과하지 못하도록 한다. 즉, 전자들의 에너지보다 큰 힘으로 상기 전극층의 음전압이 전자의 진행을 밀어내게 되므로 전자빔의 진행이 블랭킹 된다.

그리고 본 발명에서 전자빔의 블랭킹은 전자 렌즈의 어퍼쳐로 전자들이 통과하는 것을 완전히 차단하는 것만을 의미하지 않고 필요에 따라서는 전자빔이 시료에 파손을 주지 않을 만큼 쏘여지는 것을 허용할 수도 있다.

위와 같은 실시 예는 주로 전자빔을 발생하는 초소형 전자 칼럼을 위주로 하여 설명하였으나 동일한 렌즈층 구조를 같는 다른 이온빔에서도 이온빔과 동일한 극으로 동일 또는 더 큰 전압을 전극층에 인가하면 되고 빔 블랭킹 전압을 인가할 전극층의 선택 또한 위의 전자 칼럼과 동일 유사한 원리를 이용하여 선택하면 된다.

또한 멀티형 입자 빔 칼럼에서는 동일 위치의 렌즈층에 위와 같은 방법으로 빔 블랭킹 전압을 인가하면 된다. 멀티형의 경우 개개의 단위 입자빔 마다 빔 에너지가 차이가 있는 경우 개별적으로 전압 크기를 선택하여 빔 블랭킹 전압을 선택할 수 있으나 가장 큰 전압을 선택하여 일률적으로 인가하여도 된다. 특히 도5a 및 도5b에 도시된 바와 같이 큰 웨이퍼 전극층(20, 90)에 다수의 어퍼쳐들(21, 91)이 형성되어 사용되는 멀티형 칼럼에서, 각 어퍼쳐는 단위 개별 칼럼의 렌즈층의 어퍼쳐에 해당하는 것으로 입자들이 통과하게 되는 데 특정 전극층은 모두 접지되어 사용되어 동일 전압이 인가되는 경우에는 도5a의 렌즈층이 사용되고, 그리고 각 단위 렌즈 어퍼쳐에 개별적으로 전압이 인가되어야 하는 경우에는 도5b와 같이 각 어퍼쳐 별로 절연 구분되어 개별적인 전압이 인가될 수 있는 렌즈층이 사용된다.

도5a의 렌즈층의 경우 그냥 결정된 블랭킹 전압을 동일하게 전체 전극에 인가하면 된다. 그리고 도5b와 같이 각 단위 렌즈층에 개별적으로 전압이 인가되어야 하는 경우에는, 개별적으로 인가되는 전극 전압에 블랭킹 전압이 될 수 있도록 추가적으로 전압을 인가하면 되는데 단순하게는 기존 인가되는 전압을 무시하고 도5a와 같이 전체 블랭킹 전압을 인가한 후 블랭킹이 해제될 경우 다시 종전 전압으로 변경하여 인가하면 된다. 그 외 다른 멀티형 칼럼에서는 도 5의 렌즈층에 인가하는 것과 유사하게 각 해당 전극층에 블랭킹 전압을 인가하면 된다. 필요에 따라 멀티형은 개별적으로 다른 렌즈층에 블랭킹 전압을 인가하여 사용할 수도 있다.

Claims (5)

1. 입자 빔 칼럼에서 상기 빔을 블랭킹하는 방법에 있어서,
   상기 입자 빔 칼럼이 마이크로 칼럼의 전자 렌즈를 포함하여 구성되며,
   입자 빔 소스에 인가되는 전압과 동일한 극성이며 절대값으로 같거나 더 큰 블랭킹 전압을 상기 칼럼의 전극 층 중 어느 하나 이상의 전극에 인가하여 상기 빔을 블랭킹 하며, 그리고
   상기 전자 렌즈 중 소스 렌즈의 마지막 전극층 또는 포커스 렌즈의 가장 상부층에 상기 블랭킹 전압을 인가하는 것,
   을 특징으로 하는 빔 블랭킹 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 입자 빔 칼럼이 마이크로 칼럼의 전자 렌즈를 포함하여 구성되며, 상기 칼럼이 단일 렌즈로 사용되는 경우 limiting aperture 역할을 하는 전극에 상기 블랭킹 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 빔 블랭킹 방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 입자 빔 칼럼이 전자 칼럼 또는 이온 빔 칼럼인 것을 특징으로 하는 빔 블랭킹 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 칼럼이 멀티 칼럼으로서 작동하는 것을 특징으로 하는 빔 블랭킹 방법.

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