KR101384260B1 - 전자칼럼의 전자빔 포커싱 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자빔을 발생하는 전자칼럼에 있어서 포커싱을 보강하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전자칼럼에서 전자빔의 포커싱을 제어하는 방법은, 전자빔이 시료에 도달할 때 전자빔의 크기를 작게 하여 해상도를 높이고 리소그라피에서 패턴의 선폭 크기를 작게 하여 전자컬럼의 성능을 증가시킬 수 있다.

Description

전자칼럼의 전자빔 포커싱 방법{METHOD FOR FOCUSING ELECTRON BEAM IN ELECTRON COLUMN}

도1은 일반적인 전자칼럼의 구조를 개략적으로 나타내는 개략 단면도.

도2는 본 발명에 따라 전자칼럼에서 전자빔을 포커싱하는 하나의 방법을 나타내는 개략 단면도.

도3은 본 발명에 따라 전자칼럼에서 전자빔을 포커싱하는 다른 방법을 나타내는 개략 단면도.
도4는 빛과 전자빔의 집속을 보여주는 그림.

본 발명은 전자빔(electron beam)을 발생하는 전자칼럼(electron column)에 있어서 전자빔를 보다 효율적으로 포커싱(focusing)하기 위한 방법에 관한 것으로, 전자칼럼에서 전자빔을 포커싱하면서 전자빔에너지를 증가시켜서 포커싱된 전자빔의 크기를 보다 더 작게 하여 정밀한 포커싱을 하며 전자빔의 에너지도 같이 조절하기 위한 방법에 관한 것이다.

도1은 초소형 전자 칼럼의 구조를 보여주고 있는데, 일반적으로 전자칼럼은 전자를 방출하는 전자 방출원(electron emitter, 1), 엑스트렉터(extractor, 3a), 엑셀레이터(accelerator, 3b)), 및 리미팅 어퍼쳐(limiting aperture, 3c) 3개층으로 이루어져 상기 전자 방출원에서 전자들이 방출되도록 유도하며 그리고 방출된 전자들을 유효한 빔의 형태로 형성하는 소스 렌즈(source lense, 3), 상기 전자빔을 디플렉팅하기 위한 디플렉터(deflector,4), 및 시료에 전자빔을 포커싱하기 위한 포커스 렌즈(focus lense, 6)로 구성된다. 물론 필요에 따라 위의 구성들이 다양하게 변형은 되지만 위와 같은 구성을 갖는 것이 일반적이다.

상기의 구조를 갖는 전자칼럼은 전자 방출원(1)에 음 전압이 인가되고 소스 렌즈(3)의 각 전극층은 접지되거나 상기 전자 방출원(1)에서 전자가 잘 방출되도록 엑스트렉터(3a) 전극층에는 양 전압이 인가되거나 또는 전자방출원에 음전압을 더욱 인가하여 전자빔 에너지를 크게 하고 전압차를 적게하기 위하여 엑스트렉터에 음 전압이 인가되기도 한다. 전자 방출원(1)에 인가된 전압과 엑스트렉터(3a) 전극에 인가된 전압의 차이에 의해 형성된 전기장에 따라 전자들이 방출된다. 그리고 시료에 도달하는 전자빔의 에너지는 주로 전자 방출원에 인가된 전압에 의해 결정되는데 일반적으로 렌즈의 마지막 전극층이 접지되어 사용되기 때문이다. 즉 전자 방출원에 인가된 전압과 렌즈의 마지막 전극층(포커싱 렌즈의 마지막 전극층) 사이의 전압차가 전자칼럼의 전자빔 에너지에 중요한 영향을 미치게 된다. 방출된 전자들은 빔강도 분포(a)와 같이 형성되어 엑셀레이터 전극층과 리미팅 어퍼쳐(3c) 전극층을 통과하며 유효한 전자빔을 형성한다. 통상적으로 엑셀레이터와 리미팅 어퍼쳐는 접지되어 사용된다.

소스 렌즈(3)에서 형성된 전자빔은 디플렉터(4)에 의해 디플렉팅되며 다시 시료에 포커싱된다. 전자 칼럼에서 대표적인 포커스 렌즈(6)로서 아인젤 렌즈가 사용되는데, 상기 아인젤 렌즈 3개의 전극층(E1, E2, 및 E3)의 적층구조로 이루어져 있다.

상기와 같은 전자칼럼의 구성 요소들에서 전자 방출원(1)의 재료는 주로 텅스턴이 이용되며 전자빔을 얻기 위하여 끝이 뾰족한 반경이 수 십 nm인 팁(tip)이 이용된다. 또한 안정된 전자빔을 얻을 뿐만이 아니라 팁의 수명을 길게 하게 위하여 원통형의 길죽한 모양의 팁을 이용한다. 또한 렌즈들은 초소형 전자칼럼에서 멤스(MEMS)공정에 의해 제작된다.

전자빔을 발생시키는 전자칼럼에서 전자빔이 포커싱된 빔크기(spot size)인 프로브 빔크기(probe beam size)는 해당 칼럼의 성능에 매우 중요한 요소이다. 일반 전자 현미경이나 리소그라피에서도 전자칼럼에서 샘플에 포커싱되는 빔의 크기는 전자 현미경에 있어서는 해상도에 그리고 리소그라피에 있어서는 전자빔에 의해 형성되는 패턴의 선 폭를 결정하는 중요한 요소이다.

도1은 초소형 전자 칼럼의 광학적 도식을 보여 준다. 도1에서와 같이 팁에서 방출된 전자빔의 세기는 가우스 분포를 보이고 세미컨버전트 각도(semiconvergent angle) α_e로 퍼지는데, 프로브 빔의 직경을 줄이고 빔을 잘 제어할 수 있도록 구경조리개를 이용하여 세미컨버전트 각도 안에 포함된 전자만 통과시킨다. α₀를 실효 세미컨버전트 각도라 하는데, 이는 구경 조리개(리미팅 어퍼쳐)를 통과한 빛은 대부분 시료에 도달하기 때문이다. 구경조리개를 통과하는 전류는 팁에서 방출된 전 류의 1/10000 정도인데, 이것은 구경조리개의 반경이 대략 수 nm로 매우 작기 때문이다. 구경조리개에 의하여 걸러진 전자들은 좁은 공간의 전자 칼럼을 통과하면서 전자들끼리 충돌이 발생되는데 이로 말미암아 에너지 분산(broadening)이 발생하게 된다.

구경조리개를 통과한 전자들은 편향판을 지나게 되고 이곳에서 편향 수차가 생긴다. 편향 수차는 다른 수차들에 비하여 비교적 작기 때문에 종종 계산에서 제외되곤 한다. 전자들은 마지막으로 아인젤(einzel) 렌즈를 통과하게 된다. 아인젤 렌즈는 광학에서 빛을 모아주는 볼록렌즈 역할을 하게 된다. 따라서 렌즈를 통과한 전자빔은 세미컨버전트 각도 α₁의 범위 내에서 샘플에 도달한다. 렌즈에서 전자빔을 모으는 과정에서 광학에서와 마찬가지로 색수차와 구면 수차가 발생되고, 전자 렌즈들의 배열이 나란하지 않은 데서 오는 코마(coma)를 갖는다.

따라서 전자 칼럼을 설계함에 있어서 색수차를 최소화하고, 렌즈에 의한 각 수축에 따른 프로브 빔의 직경을 최소로 하는 것이 큰 관건이다.

전자빔을 이용하여 정밀한 공정을 수행하기 위하여 프로브 빔의 직경을 최대한 줄여야 하는데, 그러나 여러 가지 요인에 의하여 프로브 빔의 직경을 줄이는 데는 한계가 있다. 가장 큰 요인으로 수차를 들 수 있고, 그 밖에 전자들 간에 충돌, 편향판에 의한 편향, 그리고 회절 등이 있다. 수차에는 색수차, 구면 수차, 그리고 코마(coma)가 있다. 색수차와 구면 수차는 렌즈에서 발생하며 프로브 빔의 특성을 개선하기 위하여 해결해야할 가장 큰 문제 중의 하나이다.

이러한 프로브 빔의 특성과 관련하여 전자칼럼의 렌즈들이 중요하다. 광학 렌즈가 빛의 경로에 영향을 주는 것처럼 전자 렌즈는 전자의 이동 궤적에 영향을 준다.

도 4(a)는 광학 볼록 렌즈에 의하여 빛이 집속되는 것을 보여주고 있고, 도 4(b)는 전자 렌즈에 의하여 전자빔이 집속되는 것을 보여주고 있다. 광학 렌즈의 경우 빛이 굴절률이 다른 매질을 통과하면서 굴절 또는 집속되지만 전자 렌즈의 경우 동일한 매질에 형성된 전위차에 의해 전자빔이 굴절된다. 광학 렌즈는 일정한 굴절률을 갖는 단일 물질로 이루어져서 렌즈 내에서 빛의 속력이 일정하지만 전자 렌즈는 등전위면의 곡률이 연속적으로 변하므로 전자가 렌즈를 통과하면서 연속적으로 속력의 변화를 갖게 된다.

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일반적으로 전자 렌즈의 구조는 두 개 이상의 실린더형 전극 판으로 구성되어 있으며, 각 전극에 전압을 인가함으로써 전극판 사이에 전기장을 형성하여 전자빔의 운동을 제어한다. 특히, 도 4(b)와 같이 세 개의 전극으로 구성되고, 양 끝 전극에 동일한 전압을 인가하여 렌즈를 통과하는 전자의 에너지가 입사할 때와 통과 후에 일정하게 유지하도록 설계된 전자렌즈를 아인젤 렌즈라고 한다. 아인젤 렌즈의 양끝 전극에 인가되는 전압을 V₁, 중앙 전극에 인가되는 전압을 V₂라 할 때, V₁ ＞ V₂이면 감속모드(retarding mode), V₁ ＜ V₂이면 가속 모드(accelerating mode)라 부른다.

위와 같은 전자칼럼의 전자 렌즈에서 시료에 쏘여지는 전자빔의 크기와 관련하여 포커스 렌즈가 중요하다.

통상적으로 전자칼럼에 있어서 포커싱은 아인젤 렌즈와 같은 포커스 렌즈에서 수행되는 데, 아인젤 렌즈에서 포커싱을 위하여 감속모드(retarding mode) 또는 가속모드(accelerating mode)가 주로 사용된다. 이 포커스 렌즈에서 상 하 전극층(E1,E3)은 그라운드로 접지하고 중간층(E2)에만 전압이 인가되어 감속모드나 가속모드가 형성된다. 따라서 감속모드는 중간층(E2) 전극에 음 전압이 인가되어 상 하 전극층(E1.E3) 보다 낮은 전압이 인가되고 가속모드는 중간층(E2) 전극에 양전압이 인가되어 상 하 전극층(E1,E3)보다 높은 전압이 인가된다.

상기와 같은 종래의 전자칼럼에 있어서의 포커싱 방법은 상 하 전극층(E1,E3)을 접지하고 중간층(E2) 전극에 필요한 전압을 인가함으로써 작동은 간편하 나 시료에 도달하는 전자빔의 크기가 커서 해상도나 리소그라피에 있어서 패턴작업에 불리하다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 2개 이상의 층으로 이루어진 포커스 렌즈에서 전체 전극 각각에 전압(또는 플로팅 전압)을 인가하여 포커싱렌즈를 통과하는 전자빔 에너지를 증가시키며 포커싱하도록 하여 포커싱을 보다 정밀하게 하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 전자칼럼에서 발생되는 전자빔을 포커싱 하는 방법은, 포커스 렌즈의 각 전극층에 양의 전압을 인가하며 감속 모드 또는 가속 모드를 위한 추가 전압을 해당 전극층에 인가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방법은 전자칼럼에서 전자방출원의 전압을 안정한 범위에서 인가하여 전자빔을 방출하게 유도하여 일정한 전자빔에너지를 유지하게 하고, 소스 렌즈를 통과한 전자빔이 포커스 렌즈에서 각 전극층에 가능한 높은 전압을 인가하여 전자빔이 고 에너지를 갖도록 한다. 그리고 포커스 렌즈에서 각 층에 동일한 기본 전압이 인가되고 기본 포커스 렌즈의 필드 전압 또는 전류가 증가하여 전자 렌즈로서 성능이 향상되게 된다. 즉 포커스 렌즈 각 층에서 양의 전압을 동일하게 인가하고 감속 모드 또는 가속 모드를 위한 에너지를 중간층의 전극에 추가로 인가하면 포커스 렌즈내에 형성되는 전 자기장의 세기가 보다 증가하여 보다 일정한 전 자기장을 형성할 수 있어 렌즈로서의 성능이 향상된다. 그리고 포커스 렌즈를 통과 하는 전자빔은 그 에너지가 증가하여 포커스 렌즈내에서 형성된 보다 일정한 전자기장의 영향을 받게 되고 또한 전자기장에 의한 움직임이 둔해지므로 보다 정밀하게 포커싱을 조절할 수 있게 된다. 즉 중간층의 제어 전압에 의한 영향력이 작아 질 수 있으므로 좀더 세밀한 제어가 가능해질 수 있다. 즉 포커스 렌즈의 각 층에 동일한 전압을 인가함으로써 포커스 렌즈에서 형성되는 전자기장이 더욱 일정하고 외부의 영향을 덜 받게 되며 전자빔의 에너지 또한 증가하므로 중간층의 전압에 의한 영향력이 보다 작아질 수 있으므로 중간층의 전압 조정에 의한 굴절 각도가 작아져 그만큼 세밀한 포커싱이 이루어 질 수 있다. 그 결과 시료에 도달하는 전자빔의 크기는 작아지며 또한 에너지는 증가된다.

즉, 시료에 도달할 때 에너지를 자유롭게 조절가능하게 하기 위하여 포커스 렌즈의 제1렌즈층, 제2렌즈층, 제3렌즈층 등에 최종적으로 필요한 에너지를 위한 전압을 인가하여 에너지를 조절하고 제2렌즈층에 포커스를 위한 전압을 추가로 변경하는 방식이다.

이 방법에서는 전자칼럼의 구조의 복잡성 및 전자빔의 제어를 위하여 포커스 렌즈를 플로팅 시키는 것이 바람직할 것이다.

전자칼럼이 시료를 관찰하기 위해서는 전자빔 디텍터가 필요할 수 있다. 일반적으로 2차 전자 및/또는 back-scattering electron (BSE)를 검출하기위한 디텍터로서 SE-디텍터, MCP, BSE 디텍터, 반도체 디텍터 등이 사용되고 있다. 이러한 디텍터에는 높은 전압을 인가하거나, 그라운드상태에서 전자를 방출하고 있어 전자빔에너지에 변화를 줄 수 있다. 전자 검출기가 전자칼럼의 측(옆) 방향에서 전자를 검출하면 전자빔에너지에 영향이 적게 나타나지만, 전자칼럼과 매우 가까이 또는 전자칼럼과 같은 축선 상에서 전자를 검출하면 전자빔에너지에 영향을 주게 된다. 리소그래피의 경우 검출기는 전자칼럼에서 시료를 관찰하고 전자칼럼의 축선 상에서 옆으로 이동하여 전자빔에너지에 영향이 없도록 하여 리소그래피 패터닝을 할 수 있게 된다. 이런 경우 검출기에도 포커스 렌즈에 인가한 전압만큼 전압을 인하여 포커스렌즈와 검출기의 전압차를 동일하게 또는 유사하게 하여 에너지의 변화를 최소화 하는 방법도 있다. 이 경우에는 추가적인 전자제어 장치(부품)가 필요할 수도 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

먼저 도2는 본 발명에 따른 전자빔을 포커싱하는 방법이 사용되는 일 실시예로 일반적인 전자칼럼의 내부에서 전자빔을 제어하는 것을 나타내는 단면도이다.

전자방출원(1)에 음전압이 수백에서 수킬로 eV 사이에서 인가되면 소스렌즈(3)의 엑스트렉터 렌즈층(3a)에 전자방출원보다 높은 전압을 인가하여 전자가 전자방출원에서 방출되어 높은 전압이 있는 엑스트렉터로 이동한다. 필요한 경우, 전자방출원(1)에 -500eV 인가시 엑스트렉터(3a)에는 그 이상의 전압(예로서 -200 eV 또는 +200 eV)을 인가하는 방식으로 전자방출원(1)으로부터 전자들이 방출되도록 한다. 이렇게 발생된 전자들이 빔(B)을 형성하여 엑셀레이터(3b)에서 전자빔이 가속되고 또는 포커싱되어 리미팅 아퍼쳐(limiting aperture, 3c)를 통과하며 전자빔의 형상이 결정된다. 각각의 렌즈층에는 필요하면 전압을 인가할 수 있으나, 일반적으로 렌즈(3b) 및 렌즈(3c)에는 그라운드 전압이 인가된다.

리미팅 어퍼쳐(3c)를 통과한 전자빔은 디플렉터(4)에 의해 디플렉팅 되고 포커스 렌즈(6)에 의해 시료에 의해 포커싱된다. 시료에 도달한 전자빔에 의하여 나오는 2차 전자 및 반사된 전자 등을 디텍터(10)에서 감지되어, 그 결과 예를 들면 이미지 등을 알 수 있다. 여기서 디텍터(10)는 렌즈들과 동축상에 위치하나 이는 하나의 예일 뿐이며 별개로 존재할 수도 있고 디텍터의 특성에 따라 다양한 방법으로 위치될 수 있다. 다만 여기서는 설명을 위하여 동축상에 있는 디텍터로 설명하는 것뿐이며 MCP나 다른 디텍터와 같이 전자빔이 렌즈들을 통해 진행하는 경로의 외부나 측방향에 위치될 수 있다.

시료에 도달하는 전자빔의 에너지는 일반적으로 전자방출원(1)과 전자칼럼의 마지막 렌즈층(6c)사이의 전압차에 의하여 결정된다. 일반적으로 마지막 렌즈층(6c)는 그라운드로서 즉 0V의 전압이 인가된다. 그러나 도2에서는 포커스렌즈(6)의 하단에 더 전압을 인가하기 위하여 별도의 렌즈층 또는 전극층(10)이 하나가 더 설치된 상태로 도시되었다. 물론 전극층(10)은 렌즈의 마지막 층(예로서 6c)에 인가되는 전압과 관련되어, 전자빔에 에너지를 더 추가될 필요가 있거나 시료에 더욱 접근되어 에너지를 증가 또는 변화시킬 필요가 있는 경우에 사용되는 것으로 필요에 따라 사용 여부를 결정하면 된다.

시료에 도달되는 전자빔 에너지는 전자방출원과 전자칼럼의 마지막 렌즈층이나 전극과의 전압차에 의해 결정되고 전자방출원에는 수 백에서 2 keV 사이의 음전압이 인가되므로 마지막 렌즈층이니 전극에는 0 V나 그 이상의 양전압이 인가되면 전자빔의 에너지는 증가될 것이다.

본 발명에서는 포커스 렌즈(6)의 3개의 렌즈층들(6a,6b,6c)에는 개별적으로 전압을 인가한다. 전자빔 에너지는 도2의 경우에는 전극층(10)에 의해 최종적으로 변화될 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이 전극층(10)은 필요에 따라 사용하면 되고 필요한 에너지를 계산하여 전극층에 전압을 인가하면 된다.

본 발명의 또 다른 실시예로서 도3은 포커스 렌즈부분이 별도로 존재하는 것이 아니고 소스렌즈 부분에서 엑스트렉터에 필요한 전압을 인가하여 포커스를 하면서 에너지의 증가가 필요하면 소스렌즈 전체부분(3a,3b,3c) 또는 필요한 층(3b) 및/또는 층(3c)에 전압을 인가하여 에너지를 변화시킬 수 있다. 이러한 경우 디플렉터에도 필요한 전압을 증가할 수 있다. 이러한 도3의 실시예에서 전체 렌즈부분에 동일하게 높은 전압을 추가하고 소스 렌즈에서 필요한 전압 및 포커싱을 위한 전압을 각 층에 인가하면 렌즈를 통과하는 전자빔의 전체 에너지는 증가하고 포커싱을 위한 전자기장도 역시 외부의 영향을 덜 받고 일정하게 유지될 수 있어 도2의 실시예와 같은 효과를 얻을 수 있다.

즉 포커싱을 위한 렌즈의 위치와 무관하게 포커싱의 역할을 하는 렌즈 각 층에 양의 전압을 전체적으로 동일하게 추가로 인가 하므로써 포커싱을 위한 전자기장의 형성을 더 일정하게 유지하며 전자빔의 에너지도 같이 높일 수 있다. 물론 포커싱 렌즈 아래에 별도의 렌즈 층이나 다른 구성 부분이 있다면 최종 전자빔의 에너지를 높이기 위하여 별도로 양의 전압을 추가 인가하면 시료에 도달하는 전자빔 에너지를 높여서 리소그라피에서의 패턴 형성시 보다 작은 크기의 선폭과 깊은 깊이의 팬턴을 얻을 수 있다.

위에서는 싱글 타입의 전자칼럼을 위주로 설명하였으나 멀티 타입의 전자칼럼도 동일한 방식으로 전자빔 에너지를 조절할 수 있다.

멀티 타입의 전자칼럼의 경우는 싱글 전자칼럼의 구성에 대응되는 각 단위 전자칼럼이 n*m행렬식으로 배열되어 사용될 수 있고 추가되어야 할 전극이나 렌즈(층)에 기존의 제어방식에 추가되는 전압을 인가하면 되고 전자빔에너지를 조절하기 위하여 추가되는 전극에는 기존의 멀티 전자칼럼의 제어방식으로 제어하면 된다.

본 발명에 따른 전자칼럼의 포커싱 제어방법을 사용하면 시료에 도달하는 전자빔이 크기가 작아져서 전자 현미경으로 사용하는 경우 해상도를 향상시킬 수 있으며 또한 작동거리(working distance)의 폭이 더 넓어질 수 있는 장점이 있으며 또한 리소그라피의 경우 패턴 폭을 더 작게 함은 물론 패턴의 깊이를 증가시킬 수 있어 보다 우수한 패터닝이 가능해 진다.

본 발명에 따른 전자칼럼의 포커싱 제어방법을 사용하면 전자방출원에 높은 전압을 인가하지 않고 필요한 전자빔 에너지를 조절할 수 있어 전자방출원의 팁에 무리를 주지 않으며 또한 초고진공을 유지하기 위한 비용도 절감된다.

Claims (3)

1. 3개 이상의 전극층을 포함하는 포커스 렌즈를 구비한 전자칼럼에서 전자빔을 포커싱하는 방법에 있어서,

   상기 포커스 렌즈의 모든 전극층에 전자칼럼에서 발생하는 전자빔의 에너지에 대응하는 소정의 양 전압을 동일하게 인가하고, 그리고

   상기 포커스 렌즈의 다수의 전극 중 하나 이상의 중간의 전극층에 상기 전자빔의 포커싱을 위한 감속 모드 또는 가속 모드에 따라 상기 소정의 양 전압과 다른 전압을 추가로 인가하는 것,

   을 특징으로 하는 전자칼럼의 포커싱 방법.
2. 제1항에 있어서, 시료에 도달할 때의 최종 전자빔이 필요한 에너지를 갖도록 상기 전극층들에 동일한 전압을 추가로 인가하는 것을 특징으로 하는 전자칼럼의 포커싱 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 소스 렌즈로서의 역할도 동시에 수행하도록, 소스 렌즈 역할에 필요한 개별 전압이 각 전극층에 추가로 인가되는 것을 특징으로 하는 전자칼럼의 포커싱 방법.

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