KR100455644B1 - 엑스선 발생장치 및 이를 구비한 엑스선 검사장치 - Google Patents

Abstract

엑스선 발생장치 및 이를 구비한 엑스선 검사장치가 개시되어 있다.

본 발명에 따른 엑스선 발생장치는, 진공상태가 유지되는 전자빔 이동통로가 내부에 형성되고, 일측부에 개방구가 형성된 몸체부, 입사되는 전자빔과 반응하여 소정 스팟 사이즈의 제 1 엑스선을 발생시키는 제 1 타겟, 상기 제 1 타겟 후면에 고정되어 상기 스팟 사이즈보다 팽창된 제 2 엑스선을 발생시키는 제 2 타겟, 및 상기 제 2 타겟 후면에 고정되어 상기 제 2 엑스선의 스팟 사이즈보다 축소된 소정 스팟 사이즈의 제 3 엑스선을 발생시키는 제 3 타겟으로 이루어지고, 상기 몸체부의 개방구를 폐쇄하여 상기 전자빔 이동통로를 진공상태로 유지하는 타겟부, 상기 타겟부와 마주보는 상기 전자빔 이동통로 내부에 설치되어 상기 전자빔 이동통로에 전자빔을 발생시키는 전계 방사형 전자총, 상기 전계 방사형 전자총에서 발생된 전자빔을 절곡시켜 상기 타겟부의 제 1 타겟에 입사되는 전자빔의 스팟의 형상을 조절할 수 있도록 상기 전자빔 이동통로 주변부에 설치된 전자빔 절곡수단, 상기 타겟부의 제 1 타겟에 주사된 전자빔의 반응에 의해서 발생되는 이차전자 및 후방산란전자를 검출하여 상기 제 1 타겟의 표면 이미지에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제 1 디텍터를 구비하여 이루어지고, 본 발명에 따른 엑스선 검사장치는, 일측부에 분석 대상물 출입용 도어가 형성된 공정챔버; 상기 공정챔버 상부에 설치된 엑스선 발생장치; 상기 엑스선 발생장치 주변부의 상기 공정챔버 상부에 설치되어 입사되는 엑스선을 분석하여 상기 분석 대상물 표면에 존재하는 불순물을 정성 및정량 분석할 수 있는 제 2 디텍터; 상기 엑스선 발생장치 하부의 상기 공정챔버 내부에 설치된 분석 대상물 홀더; 및 상기 분석 대상물 홀더 하부의 상기 공정챔버 내부에 설치된 엑스선 검출수단;을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 스팟 사이즈가 아주 작게 조절된 엑스선을 이용하여 미세선폭의 반도체소자 등의 분석 대상물의 표면에 존재하는 불순물을 정성 및 정량적으로 분석할 수 있고, 분석 대상물의 내부를 비파괴방식으로 촬영 분석할 수 있는 효과가 있다.

Description

엑스선 발생장치 및 이를 구비한 엑스선 검사장치{X-ray generating apparatus and inspection apparatus using the x-ray}

본 발명은 엑스선 발생장치 및 이를 구비한 엑스선 검사장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 스팟(Spot) 사이즈가 조절된 엑스선을 발생시켜 분석 대상물의 단면을 촬영할 수 있고, 분석 대상물 내면 및 표면에 존재하는 불순물을 정성 및 정량적으로 분석할 수 있는 엑스선 발생장치 및 이를 구비한 엑스선 검사장치에 관한 것이다.

최근에, 반도체소자가 256MDRAM, 1GDRAM 등으로 고집적화됨에 따라 반도체기판 상에 적층되는 레이어(Layer)의 수는 증가하고, 회로선폭(Critical Dimension)의 크기는 점점 작아지고, 신호대 응답속도는 빨라지고 있다.

그리고, 상기 반도체소자 제조공정은 높은 정밀도 및 균일도를 요구하고 있으며, 상기 정밀도 및 균일도의 요구에 대응하기 위하여 반도체 단위 제조공정 과정에 검사공정을 진행함으로써 적층된 레이어 표면 및 내면을 촬영 분석하고 있다.

이와 같은 적층된 레이어 표면 및 내면에 대한 검사공정은 주사전자현미경(Scanning Electro Microscope) 및 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope) 등의 계측장치를 이용하여 이루어진다.

상기 주사전자현미경을 이용한 검사공정은, 주사전자현미경의 전자총(Electron gun)은 고에너지를 가진 전자빔을 높은 진공상태에서 발생시켜 분석대상 웨이퍼 상에 주사한다. 이때, 분석대상 웨이퍼 표면에 주사된 전자빔은 반도체기판 표면의 원자와 반응하여 후방산란전자(Backscattered electron), 이차전자(Secondary electron) 및 엑스선(X-ray) 등을 발생시키게 된다.

그리고, 상기 후방산란전자, 이차전자 및 엑스선 중의 이차전자는 디텍터(Detector)에 의해서 검출되고, 상기 디텍터는 이차전자의 검출량에 따른 웨이퍼 표면의 이미지(Image)를 전기신호로 모니터(Monitor)에 전송함으로써 모니터에는 웨이퍼 표면의 3차원 이미지가 명암으로 디스플레이된다.

그러나, 상기 주사전자현미경을 이용한 검사공정은 분석대상 웨이퍼 표면에 대해서만 관찰할 수 있고, 분석대상 웨이퍼 내부에 대해서는 분석할 수 없는 문제점이 있었다.

만일, 분석대상 웨이퍼의 내부를 분석하고자 할때는 분석 대상 웨이퍼를 절단하여 시료를 제작한 후, 상기 시료의 단면에 전자빔을 주사하여 시료의 단면을 분석할 수 있다.

또한, 반도체 웨이퍼, 평판디스플레이 패널 등과 같은 분석 대상물의 내면을 분석하고자 할 경우에는 투과전자현미경을 사용하였다.

상기 투과전자현미경을 이용한 검사공정은, 투과전자현미경의 전자총(Electron gun)이 고에너지를 가진 전자빔을 높은 진공상태에서 발생시켜 전자빔이 투과할 수 있도록 매우 얇게 절단된 시료 상에 주사한다.

이때, 시료 표면에 주사된 전자빔은 시표 원자와의 반응에 의해서 후방산란전자, 이차전자 및 엑스선 등을 발생시키게 된다.

그리고, 일부 전자빔은 얇게 절단 준비된 시료를 투과하여 표면에 인(P)이 도포된 스크린(Screen)에 주사되어 빛을 발생시키게 된다.

또한, 상기 빛을 디텍터가 디텍션하여 빛의 세기에 대응하는 시료 표면의 이미지를 전기신호로 모니터에 전송함으로써 모티터에는 시료의 2차원 이미지가 디스플레이된다.

그러나, 상기 주사전자현미경 및 투과전자현미경은 전자빔을 발생시키기 위한 전자총에 고진공 형성을 위한 진공펌프가 구비되어야 함으로써 검사장비의 크기를 증가시키고, 진공펌프 가동에 따른 장비 운영비가 높고, 진공 형성을 위한 검사장비 초기화에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

그리고, 상기 주사전자현미경 및 투과전자현미경은 전자빔을 분석대상 웨이퍼 또는 시료에 주사함으로써 전자빔에 의해서 분석대상 웨이퍼 또는 시료가 전기적으로 충격(Damage)을 받아 분석대상 반도체 웨이퍼, 시료 등의 분석 대상물의 전기적 특성을 변화시키는 문제점이 있었다.

즉, 상기 전자빔은 음으로 대전된 전자의 흐름이므로 분석 대상물에 주사될 경우에 분석 대상물에 양전자를 정렬시켜 전기적으로 충격을 가하게 되는 문제점이 발생한다.

또한, 투과전자현미경을 이용한 검사공정은, 분석 대상물을 절단하여 시료를 제작하여야 하므로 시료를 파괴하여야 하고, 시료 제작에 따른 로스타임(Loss time)이 발생할뿐만 아니라 제조원가를 상승시키는 문제점이 있었다.

그리고, 현재 반도체소자 제조공정에 의해서 제조된 반도체 칩이 실장된 PCB(Printed Circuit Board) 등은 엑스선을 이용한 PCB 검사장치를 이용하여 단면 분석이 이루어진다.

여기서, 상기 엑스선을 이용한 PCB 검사장치는, 분석대상 시료를 고정시킨 후, 엑스선 발생기가 시료 상부에서 회전에 의해서 그 위치를 변경시키며 시료 상에 엑스선을 주사한다.

이때, 상기 엑스선 발생기는 전자총의 텅스텐 필라멘트재질의 뾰족한 팁에 수 KeV에서 수십만 eV까지 전압을 인가하여 팁을 2,700℃ 이상 충분히 가열함으로써 가열된 팁은 열전자를 발생시키게 되고, 상기 열전자는 타겟에 충돌하여 타겟 물질의 원자핵에 에너지를 인가하여 원자핵주위를 회전하는 전자와의 상호작용에의하여 엑스선을 발생시킨다.

그리고, 상기 시료 하부에 구비된 엑스선 검출기가 상기 엑스선 발생기와 연동하여 회전에 의해서 그 위치를 변경시키며 상기 사료를 투과한 엑스선을 검출하여 시료의 단면에 대한 분석이 이루어진다.

그러나, 상기 엑스선을 이용한 PCB 검사장치는, 기계적인 장치에 의해서 엑스선 발생기 및 엑스선 검출기가 회전하여야 함으로써 엑스선 발생기 및 엑스선 검출기의 회전을 위한 기계적인 장치의 구비에 따른 검사장치의 외형이 커져 검사장치가 분석실 내부에서 차지하는 점유면적이 증가하고, 장비의 구동에 따른 에너지의 소모량이 과도한 문제점이 있었다.

그리고, 상기 엑스선을 이용한 PCB 검사장치의 엑스선 발생기는, 보다 많은 엑스선을 발생시켜 큰 에너지로 가속시키기 위한 가속전압 발생장치, 장비 통제장치, 및 발생된 엑스선이 누출되는 것을 방지하기 위한 각종 부수장치 등이 필요한 문제점이 있었다.

또한, 발생된 엑스선의 스팟(Spot) 사이즈를 아주 작게 조절할 수 없으므로 고집적화된 반도체소자 등의 분석에 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 고진공펌프를 구비하지 않고 분석 대상물 분석용 엑스선을 발생시킬 수 있는 엑스선 발생장치 및 이를 구비한 엑스선 검사장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 엑스선의 스팟 사이즈를 조절함으로써 고집적화된반도체소자 등을 분석할 수 있는 엑스선 발생장치 및 이를 구비한 엑스선 검사장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 분석 대상물이 전기적으로 충격을 받는 것을 방지할 수 있는 엑스선 검사장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 분석 대상물을 비파괴방식으로 적층구조의 분석 대상물을 분석할 수 있는 엑스선 검사장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 점유면적이 작고, 장비구동에 따른 에너지 소모량이 작고, 부속장치를 간소화할 수 있는 엑스선 검사장치를 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 발생장치의 구성도이다.

도2는 도1에 도시된 정전장 렌즈의 사시도이다.

도3은 일반적인 마그네틱 렌즈의 사시도이다.

도4는 도1에 도시된 편향코일의 평면도이다.

도5는 도1에 도시된 타겟의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

도6는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 검사장치의 구성도이다.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 검사장치를 이용하여 분석 대상물의 단면 이미지를 검출해내는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 엑스선 발생장치 4 : 엑스선 검사장치

10 : 몸체부 12 : 팁

14 : 전계 방사형 전자총 16 : 전자빔 이동통로

18 : 정전장 렌즈 20 : 편향코일

22 : 제 1 디텍터 24 : 제 1 타겟

26 : 제 2 타겟 28 : 제 3 타겟

30 : 타겟부 32 : 원통

34, 40 : 코일 36 : 전원

38 :절편 50 : 공정챔버

52 : 엑스선 수용관 54 : 제 2 디텍터

56 : 홀더 58 : 웨이퍼

60 : 도어 62 : 진공라인

64 : 진공펌프 66 : CCD 카메라

68 : 피스톤 70 : 구동원

72 : 로봇아암 74 : 로더

76 : 카세트 80 : 전자빔

82 : CuKα엑스선 84 : BeKα엑스선

86 : 제 1 전극 88 : 제 2 전극

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엑스선 발생장치는, 진공상태가 유지되는 전자빔 이동통로가 내부에 형성되고, 일측부에 개방구가 형성된 몸체부; 입사되는 전자빔과 반응하여 소정 스팟 사이즈의 제 1 엑스선을 발생시키는 제 1 타겟, 상기 제 1 타겟 후면에 고정되어 상기 스팟 사이즈보다 팽창된 제 2 엑스선을 발생시키는 제 2 타겟, 및 상기 제 2 타겟 후면에 고정되어 상기 제 2 엑스선의 스팟 사이즈보다 축소된 소정 스팟 사이즈의 제 3 엑스선을 발생시키는 제 3 타겟으로 이루어지고, 상기 몸체부의 개방구를 폐쇄하여 상기 전자빔 이동통로를 진공상태로 유지하는 타겟부; 상기 타겟부와 마주보는 상기 전자빔 이동통로 내부에 설치되어 상기 전자빔 이동통로에 전자빔을 발생시키는 전계 방사형 전자총(Field Emission Gun); 상기 전계 방사형 전자총에서 발생된 전자빔을 절곡시켜 상기 타겟부의 제 1 타겟에 입사되는 전자빔의 스팟의 형상을 조절할 수 있도록 상기 전자빔이동통로 주변부에 설치된 전자빔 절곡수단; 상기 타겟부의 제 1 타겟에 주사된 전자빔의 반응에 의해서 발생되는 이차전자 및 후방산란전자(Backscattered electron)를 검출하여 상기 제 1 타겟의 표면 이미지에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제 1 디텍터;를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전자빔 절곡수단은 상기 전계 방사형 전자총에서 발생된 전자빔을 1차 절곡시키도록 상기 전자빔 이동통로 주변부에 설치된 마그네틱 렌즈와 상기 마그네틱 렌즈에 의해서 1차 절곡된 상기 전자빔을 2차 절곡시키도록 상기 전자빔 이동통로 주변부에 설치된 편향코일로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 전자빔 절곡수단은 상기 전계 방사형 전자총에서 발생된 전자빔을 1차 절곡시키도록 상기 전자빔 이동통로 주변부에 설치된 정전장 렌즈와 상기 정전장 렌즈에 의해서 1차 절곡된 상기 전자빔을 2차 절곡시키도록 상기 전자빔 이동통로 주변부에 설치된 편향코일로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제 1 타겟은, 구리(Cu), 루비듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 백금(Pt) 및 크롬(Cr) 중의 어느 하나의 재질로 이루어지고, 상기 제 2 타겟은 베릴륨(Be) 재질로 이루어지고, 상기 제 3 타겟은 알루미늄(Al) 재질로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 제 1 타겟 내지 제 3 타겟의 두께는 0.01㎛ 내지 50㎛로 이루어지고, 상기 제 1 타겟 내지 제 3 타겟은 1㎜ 내지 100㎜의 지름을 가지는 원판 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 엑스선 검사장치는, 일측부에 분석 대상물 출입용 도어가 형성된 공정챔버; 상기 공정챔버 상부에 설치된 엑스선 발생장치; 상기 엑스선 발생장치 주변부의 상기 공정챔버 상부에 설치되어 입사되는 엑스선을 분석하여 상기 분석 대상물 표면에 존재하는 불순물을 정성 및 정량 분석할 수 있는 제 2 디텍터; 상기 엑스선 발생장치 하부의 상기 공정챔버 내부에 설치된 분석 대상물 홀더; 및 상기 분석 대상물 홀더 하부의 상기 공정챔버 내부에 설치된 엑스선 검출수단;을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제 2 디텍터는 XRF(X-Ray Flourescence Spectrometry)로 이루어질 수 있고, 상기 엑스선 검출수단은 구동원의 구동에 의한 피스톤의 상하운동에 의해서 상하이동이 가능한 CCD 카메라로 이루어질 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 발생장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 엑스선 발생장치(2)는, 도1에 도시된 바와 같이 몸체부(10) 내부에 형성된 진공상태의 전자빔 이동통로(16) 내부에 전자빔(Electron beam)을 주사할 수 있는 전계 방사형 전자총(Field Emission Gun : 14)을 구비한다.

여기서, 상기 전계 방사형 전자총(14)은, (1,0,0)의 방향을 가진 텅스텐(W) 싱글 크리스탈(Single crystal) 표면에 산화지르코늄(ZrO)이 코팅된 팁(12)을 구비한다.

그리고, 상기 팁(12)은 인가된 고압의 전위차에 의해서 강한 전기장(Electri field)를 형성하고, 약 1,800℃ 정도의 온도로 가열되어 전자빔을 방출하도록 되어있다.

그리고, 상기 전계 방사형 전자총(14)은 약 2,800℃ 정도의 온도에서 전자빔을 방출하는 열전자총(Thermionic gun)보다 현저히 낮은 약 1,800℃ 정도의 온도에서 전자빔을 방출함으로써 전자빔의 움직임은 상기 열전자총에 의해서 방출된 전자빔보다 떨어진다.

그러나, 상기 팁(12)의 표면에 코팅된 산화지르코늄(ZrO)에 의해서 팁(12)에서 외부로 튀어 나오는데 필요한 필요에너지(Potential barrier)를 낮추어 주는 소위, 쇼트키 효과(Schottky effect)에 의해서 상기 팁(20)은 열전자총보다 약 500배 이상의 전자빔을 방출할 수 있다.

따라서, 같은 가속전압으로 타겟부에 발생되는 엑스선의 광자(Photo)의 개수가 적어도 수백배 이상 증대되며, 열전자총의 가속전압을 증대시킴으로써 발생하는 여러 가지 문제점들을 해소할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 전계 방사형 전자총(14)와 근접한 전자빔 이동통로(16) 주변부에 전계 방사형 전자총(14)에서 방출되는 전자빔을 1차 절곡시키는 정전장 렌즈(18)가 설치되어 있다.

여기서, 상기 정전장 렌즈(18)는 도2에 도시된 바와 같이 서로 이격된 한쌍의 원통형의 제 1 전극(86) 및 제 2 전극(88)에 전위차를 주어 전기장을 형성함으로써 원통형의 제 1 전극(86) 및 제 2 전극(88) 내부를 통과하는 전자빔을 전기장에 의해서 절곡시킬 수 있다.

그리고, 상기 전자빔 1차 절곡수단으로써 정전장 렌즈(18)를 대신하여 마그네틱 렌즈로 교체 사용할 수도 있다.

이때, 상기 마그네틱 렌즈는 도3에 도시된 바와 같이 원통(32)에 감겨진 코일(34)에 전원(36)에서 고전력을 인가하여 전기장을 형성함으로써 원통(32)의 내부로 이동하는 전자빔이 전기장에 의해서 1차 절곡되도록 하는 기능을 수행한다.

또한, 상기 정전장 렌즈(18)와 근접한 전자빔 이동통로(16) 주변부에 정전장 렌즈(18)에 의해서 1차 절곡되어 내부를 통과하는 전자빔을 소정각도 2차 절곡되도록 하는 편향코일(20)이 설치되어 있다.

여기서, 상기 편향코일(20)은 도4에 도시된 바와 같이 방사형으로 소정간격 이격되어 설치된 복수의 절편(38)에 감겨진 코일(38)에 선택적으로 전원(도시되지 않음)이 고전력을 인가함으로써 전기장을 발생시켜 방사형 절편(38) 내부를 통과하는 전자빔이 전기장에 의해서 소정각도 2차 절곡되도록 하여 전자빔이 한점으로 주사될 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

즉, 상기 편향코일(20)은 절편에 감겨진 코일(38)의 전류를 조절함으로써 타겟부(30)에 입사되는 전자빔의 입사 방향을 조절할 수 있어서 결과적으로 타겟부(30)에서 발생된 엑스선이 분석 대상물의 표면의 소정부에 주사될 수 있도록 하는 기능을 수행하는 것이다.

또한, 상기 편향코일(20)과 근접한 전자빔 이동통로(16) 주변부에 타겟부(30)에서 형성된 이차전자 및 후방산란전자(Backscattered electron)를 디텍션할 수 있는 제 1 디텍터(22)가 설치되어 있다.

여기서, 상기 제 1 디텍터(22)는 이차전자 및 후방산란전자를 디텍션하여 이차전자 및 후방산란전자의 검출량에 따른 타겟부(30)의 표면 이미지를 외부의 제 1 모니터(도시되지 않음)에 전기신호로 전송할 수 있도록 되어 있다.

이때, 작업자는 제 1 모니터를 모니터링한 후, 전자빔의 스팟이 타원을 형성할 경우에 정전장 렌즈(18) 및 편향코일(20)을 적절히 조절하여 전자빔의 절곡되는 정도를 조절하여 전자빔의 스팟이 진원을 형성하도록 함으로써 전자빔의 스팟 사이즈를 축소 조절할 수 있도록 되어 있다.

그리고, 상기 제 1 디텍터(22) 주변부의 전자빔 이동통로(16) 단부에 개방구(25)를 폐쇄하여 전자빔 이동통로(16)를 진공상태로 유지하는 타겟부(30)가 구비되어 있다.

여기서, 상기 타겟부(30)는 진공상태의 전자빔 이동통로(16)와 직접 접촉하는 구리(Cu) 재질의 제 1 타겟(24), 상기 제 2 타겟(26) 후면과 전면이 접촉하는 베릴륨(Be) 재질의 제 2 타겟(26) 및 상기 제 2 타겟(26) 후면과 전면이 접촉하고 후면이 대기상태에 노출된 알루미늄(Al) 재질의 제 3 타겟(28)이 적층된 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 제 1 타겟(24)은 구리(Cu) 이외에 루비듐(Rb), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 백금(Pt) 및 크롬(Cr) 중의 어느 하나의 재질로 형성할 수도 있고, 상기 각 타겟(24, 26, 28)은 0.01㎛ ~ 50㎛, 바람직하게는 제 1 타겟(24) 및 제 3 타겟(28)은 0.1㎛ 정도의 두께로 형성하고, 상기 제 2 타겟(26)은 10㎛ 정도의 두께로 형성한다. 그리고, 상기 각 타겟(24, 26, 28)은 1㎜ ~ 100㎜, 바람직하게는 약 3㎜ 정도의 지름을 가지는 원판 형상으로 이루어진다.

따라서, 전계 방사형 전자총(14)의 팁(Tip : 12)에 고압의 전위차를 걸어주게 되면, 상기 팁(12)은 전기장을 형성하며 전자빔을 발생시켜 전자빔 이동통로(16) 내부로 전자빔을 방출하게 된다.

이때, 상기 전계 방사형 전자총(14)는 필라멘트(Filament)를 고온으로 가열시켜서 필라멘트의 표면으로부터 자유전자가 진공 중으로 방출되도록 하는 열전자건(Thermionic gun)보다 발생되는 전자빔의 에너지분포가 일정하여 균일한 엑스선을 발생시킬 수 있다.

다음으로, 상기 전계 방사형 전자총(14)에 의해서 전자빔 이동통로(16) 내부로 방출된 전자빔은 전자빔 이동통로(16) 주변부에 설치된 정전장 렌즈(18)에 의해서 1차 절곡된다.

이때, 상기 정전장 렌즈(18)는 한쌍의 원통형의 제 1 전극(86) 및 제 2 전극(88)에 전위차를 주어 전기장을 형성함으로써 원통형의 제 1 전극(86) 및 제 2 전극(88) 내부를 통과하는 전자빔은 전기장에 의해서 1차 절곡된다.

그리고, 상기 정전장 렌즈(18)를 대신하여 마그넥틱 렌즈를 사용할 경우의 전자빔은, 전원(36)으로부터 원통(32)에 감겨진 코일(34)에 인가된 고전압에 의해서 형성된 전기장에 의해서 소정각도로 1차 절곡된다.

이어서, 상기 1차 절곡된 전자빔은 전자빔 이동통로(16) 주변부에 설치된 편향코일(20)에 의해서 2차 절곡된다.

이때, 상기 전자빔은 방사형으로 소정간격 이격되어 설치된 복수의 절편(38)에 감겨진 코일(40)에 전원(도시되지 않음)이 선택적으로 고전력을 인가함으로써전기장을 발생시켜 방사형으로 설치된 복수의 절편(38) 내부를 통과하는 전자빔이 전기장에 의해서 소정각도 2차 절곡되도록 한다.

다음으로, 상기 편향코일(20)에 의해서 2차 절곡된 전자빔은 타겟부(30)의 제 1 타겟(24)과 부딪히게 된다.

이때, 제 1 타겟(24) 표면에 입사된 전자빔의 일부는 제 1 타겟(24)과 반응하여 후방산란전자, 이차전자 등을 발생시키게 되고, 상기 후방산란전자 및 이차전자는 제 1 타겟(24)에 의해서 반사되어 제 1 디텍터(22)에 의해서 검출된다.

그리고, 상기 제 1 디텍터(22)는 검출된 후방산란전자 및 이차전자의 검출량에 따른 제 1 타겟(24)의 표면 이미지를 외부의 제 1 모니터(도시되지 않음)에 전기신호로 전송하게 된다.

그리고, 작업자는 상기 제 1 모니터를 모니터링하며 제 1 타겟(24)에 입사된 전자빔의 스팟의 형상이 타원형상 등으로 형성되어 전자빔 스팟 사이즈가 큰 경우에는 정전장 렌즈(18) 및 편향코일(20)의 동작을 적절히 조절함으로써 전자빔 스팟의 형상을 진원형상으로 조절하여 전자빔 스팟 사이즈를 축소 조절하게 된다.

그리고, 도5에 도시된 바와 같이 제 1 타겟(24)에 입사된 전자빔(80)의 다른 일부는 제 1 타겟(24)을 이루는 구리(Cu)의 최외각 궤도와 인접하는 내측 궤도의 전자 하나를 방출시키고 최외각 궤도의 전자를 내측 궤도로 이동시킴으로써 CuKα엑스선(82)을 발생시킨다. 이때, 상기 CuKα엑스선(82)의 스팟 사이즈는 입사되는 전자빔(80)의 스팟 사이즈와 동일하다.

또한, 상기 제 1 타겟(24)에서 발생된 CuKα엑스선(82)은 베릴륨(Be) 재질의제 2 타겟(26)의 표면에 도달한 후 반응에 의해서 스팟 사이즈가 확장되고, CuKα엑스선을 포함하는 BeKα엑스선(84)을 발생시키게 된다.

그리고, 상기 제 2 타겟(26)에서 발생된 CuKα엑스선을 포함하는 BeKα엑스선(84)은 알루미늄(Al) 재질의 제 3 타겟(28)의 표면에 도달한 후 다시 스팟 사이즈가 축소되며 BeKα엑스선을 필터링하여 CuKα엑스선(82)만을 외부로 방출하게 된다.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 검사장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 엑스선 검사장치는, 도6에 도시된 바와 같이 일측부에 분석 대상물이 출입하는 도어(Door : 60)가 설치된 공정챔버(50)를 구비한다.

그리고, 상기 공정챔버(50) 상부 중앙에는 도1에 도시된 바와 같은 엑스선 발생장치(2)가 설치되고, 상기 엑스선 발생장치(2)와 인접하는 공정챔버(50) 상부에 제 2 디텍터(54)와 연결된 엑스선 수용관(52)이 설치되어 있다.

이때, 상기 제 2 디텍터(54)는 XRF(X-Ray Flourescence Spectrometry)로 이루어진다.

그리고, 상기 제 2 디텍터(54)는 엑스선 수용관(52)을 통해서 유입된 특성 엑스선을 파장별로 검출하여 엑스선 파장에 따라 분석 대상물의 표면에 존재하는 불순물을 정성적으로 분석하고, 상기 엑스선 파장의 세기를 측정하여 분석 대상물 표면에 존재하는 불순물을 정량적으로 분석할 수 있다.

그리고, 상기 엑스선 발생장치(2) 및 엑스선 수용관(52) 하부의 공정챔버(50) 내부에 웨이퍼(58) 등과 같은 분석 대상물을 지지할 수 있는홀더(Holder : 56)가 설치되어 있다.

또한, 상기 공정챔버(50) 하부에는 홀더(56) 상에 위치한 분석 대상물을 투과한 엑스선을 수신하여 분석 대상물의 단면 이미지에 대응하는 신호의 강약을 외부의 제 2 모니터(도시되지 않음)에 디지털 신호로 전송하는 CCD 카메라(Charge Coupled Device Camera : 66)가 설치되어 있다.

이때, 상기 CCD 카메라(66)는 배율을 조절하기 위하여 구동원(70)의 구동에 의한 피스톤(68)의 상하이동에 상하로 이동할 수 있도록 되어 있다.

그리고, 상기 공정챔버(50)의 일측부에는 공정챔버(50)의 내부압력을 조절하기 위하여 펌핑동작을 수행하는 진공펌프(64)와 연결된 진공라인(62)이 형성되어 있다.

또한, 상기 공정챔버(50)의 도어(60) 외측부에는 로더(Loader : 74)에 위치한 카세트(76)에 적재된 웨이퍼(58)를 잡아 홀더(56)로 반입하고, 홀더(56) 상의 웨이퍼(58)를 외부로 반출하는 로봇아암(72)이 설치되어 있다.

따라서, 로봇아암(72)이 카세트(76)에 적재된 복수의 웨이퍼(58) 중의 하나의 웨이퍼(58)를 잡아 개방된 도어(60)를 통해서 홀더(56)로 이송한다.

다음으로, 상기 도어(60)가 폐쇄되면, 상기 진공펌프(64)가 가동됨에 따라 공정챔버(64)의 내부기체는 진공라인(62)을 통해서 외부로 강제 펌핑됨으로써 공정챔버(50)는 소정의 진공상태가 형성된다.

이어서, 상기 구동원(70)의 구동에 의한 피스톤(68)의 상하이동에 의해서 CCD 카메라(66)를 소정의 위치로 이동시킨다.

계속해서, 본 발명에 따른 엑스선 발생장치(2)는 CuKα엑스선을 발생시켜 홀더 (56)상에 위치한 웨이퍼(58)의 표면 소정부에 주사하게 된다.

이때, CuKα엑스선은 분석 대상물로의 웨이퍼(58)를 투과하여 CCD 카메라(66)에 입사되게 되고, 상기 CCD 카메라(66)는 웨이퍼(58)를 통과한 엑스선 신호를 수신하여 웨이퍼(58)의 단면 이미지에 대응하는 신호의 강약을 제 2 모니터에 전송하게 됨으로써 작업자는 웨이퍼의 단면 이미지를 분석할 수 있다.

특히, 도6에 도시된 바와 같이 엑스선 발생장치(2)의 정전장 렌즈(18) 및 편향코일(20)을 적절히 조절함으로써 CuKα엑스선의 웨이퍼(58) 표면 입사위치를 조절하여 서로 상이한 위치에서 CCD 카메라(66)가 웨이퍼(58)를 투과한 웨이퍼(58)의 2차원적인 단면 이미지를 합성하여 3차원적인 단면 이미지를 창출해낼 수도 있다.

즉, 복수의 위치에서 검출한 CuKα엑스선를 검출하여 2차원적인 웨이퍼(58)의 단면 이미지를 합성하여 3차원적인 단면 이미지를 창출해낼 수 있는 것이다.

그리고, 본 발명에 따른 엑스선 발생장치(2)에서 웨이퍼(58) 표면에 주사된 CuKα엑스선의 일부는 웨이퍼(58) 표면에서 반응하여 CuKα엑스선과 다른 엑스선을 만들고 이는 엑스선 수용관(52)을 통해서 제 2 디텍터(54)로 입사된다.

이때, 상기 제 2 디텍터(54)는 엑스선 수용관(52)을 통해서 유입된 엑스선을 파장별로 선별 검출하여 엑스선 파장에 따라 웨이퍼(58)의 표면에 존재하는 불순물을 정성분석하고, 상기 엑스선 파장의 세기에 따라 불순물을 정량적으로 분석하게 된다.

또한, 웨이퍼(58)에 입사되는 CuKα엑스선의 입사 에너지를 조절하여 레이어적층구조의 웨이퍼(58) 내면에 CuKα엑스선을 주사함으로써 웨이퍼(58) 내면에 존재하는 불순물도 검사할 수 있다.

본 발명에 의하면, 엑스선 발생장치는 몸체부 내부의 전자빔 이동통로의 내부압력은 초기에 진공상태가 계속 유지 형성됨으로써 별도의 진공펌프가 구비되지 않는다.

따라서, 장비의 크기를 감소시킬 수 있고, 진공펌프의 가동에 따른 장비 운영비를 감소시킬 수 있고, 진공 형성을 위한 장비 초기화에 필요한 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

그리고, 엑스선을 분석 대상물 표면에 주사함으로써 분석 대상물이 전기적으로 충격을 받아 전기적 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 별도의 시료 제작공정을 생략하고 비파괴 방식으로 분석 대상물을 바로 분석할 수 있으므로 시료 제작에 따른 로스타임의 발생을 억제할 수 있고, 시료 제작비를 줄일 수 있는 효과가 있다.

그리고, 엑스선의 스팟 사이즈를 조절할 수 있으므로 고집적화된 반도체소자의 콘택홀 등과 같이 미세선폭 내부에 존재하는 불순물을 정성 및 정량 분석할 수 있을 뿐만 아니라 분석 대상물의 단면을 촬영 분석할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전계 방사형 전자총을 이용함으로써 가속전압의 증대없이 보다 많은 양의 엑스선을 생성할 수 있으므로 가속전압 증대에 따른 제반 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 따른 엑스선 검사장치는, 보다 많은 엑스선을 발생시키기 위한 가속전압 발생장치, 장비 통제장치 및 발생된 엑스선이 누출되는 것을 방지하기 위한 각종 부수장치 등이 구비되지 않음으로써 장비가 간단하여 분석실 점유면적을 축소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 엑스선 검사장치는, 타겟부에 입사되는 전자빔을 정전장 렌즈 또는 마그네틱렌즈와 편향코일을 이용하여 절곡함으로써 분석 대상물에 입사되는 엑스선 입사지점을 조절할 수 있으므로 분석 대상물의 부위별로 단면 형상을 분석할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (13)

1. 전자빔 이동통로가 내부에 형성되고 일측부에 개방구가 형성된 몸체부에 전자빔을 발생시키는 전계 방사형 전자총과, 상기 전계 방사형 전자총에서 발생된 전자빔을 절곡시키는 전자빔 절곡수단과, 상기 전자빔 절곡수단을 경유한 전자빔이 입사되어 소정 스팟 사이즈의 제 1 엑스선을 발생시키는 제 1 타겟과 상기 제 1 타겟 후면에 고정되어 상기 스팟 사이즈보다 팽창된 제 2 엑스선을 발생시키는 제 2 타겟으로 구성되는 타겟부와, 상기 타겟부의 제 1 타겟에 주사된 전자빔의 반응에 의해서 발생되는 이차전자 및 후방산란전자(Backscattered electron)를 검출하여 상기 제 1 타겟의 표면 이미지에 대응하는 전기신호를 발생시키는 제 1 디텍터가 설치되는 엑스선 발생장치에 있어서,

   상기 타겟부는 상기 제 2 타겟 후면에 고정되어 상기 제 2 엑스선의 스팟 사이즈보다 축소된 소정 스팟 사이즈의 제 3 엑스선을 발생시키는 제 3 타겟을 포함하며, 상기 몸체부의 개방구를 폐쇄하여 상기 전자빔 이동통로를 진공상태로 유지하도록 구성됨을 특징으로 하는 엑스선 발생장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 타겟은 알루미늄(Al) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 타겟의 두께는 0.01㎛로 구성됨을 특징으로 하는 엑스선 발생장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 타겟 내지 제 3 타겟은 1㎜ 내지 100㎜의 지름을 가지는 원판 형상으로 구성됨을 특징으로 하는 엑스선 발생장치.
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