KR20060076107A - 투과 전자현미경 분석용 시편의 코팅 장치 및 이를 이용한시편 코팅 방법 - Google Patents

투과 전자현미경 분석용 시편의 코팅 장치 및 이를 이용한시편 코팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 TEM 분석용 시편의 코팅 장치는, 진공 챔버와; 진공 챔버 내에 배치되는 TEM 분석용 시편과; 시편의 상부에 배치되어 시편 표면을 코팅하기 위한 금속 타겟을 포함하고, 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해 금속 타겟에서 분리된 금속 입자가 중력에 의해 시편 표면에 증착되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 TEM 분석용 시편의 코팅 방법은, 위와 같은 TEM 분석용 시편의 코팅 장치를 이용하여, 관찰하고자 하는 분석 포인트를 포함하는 시편을 소정 크기로 커팅하여 웨이퍼에서 분리시키는 단계와; 분리된 시편을 진공 챔버에 배치하는 단계와; 시편의 분석 포인트에 코팅하고자 하는 금속 타겟을 진공 챔버 내에 배치하는 단계와; 플라즈마에 의한 스퍼터링 방법으로 금속 타겟으로부터 금속 입자를 분리시키는 단계와; 분리된 금속 입자가 중력에 의해 분석 포인트를 포함하는 시편의 표면 상에 증착되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고 시편에 코팅되는 금속은 백금(Pt)이고, 시편의 표면에 코팅된 금속의 두께는 2㎛ 내지 3㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다.
TEM, FIB, 코팅, 스퍼터링

Description

투과 전자현미경 분석용 시편의 코팅 장치 및 이를 이용한 시편 코팅 방법{Device for Coating Specimen for Analyzing by Transmission Electron Microscope and Method for Coating it using the same}
도 1은 종래 기술에 따른 TEM 분석용 시편의 코팅 방법에 의해 코팅된 시편의 최상층 레이어(top layer)를 나타내는 TEM 분석 사진.
도 2는 본 발명에 따른 TEM 분석용 시편의 코팅 장치를 나타내는 단면도.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100 : 진공 챔버 200 : 시편
300 : 금속 타겟 310 : 금속 입자
본 발명은 투과 전자현미경(Transmission Electron Microscope: 이하 “TEM”) 분석용 시편(Specimen) 제조 공정에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 TEM 분석용 시편 제조 공정 중 시편의 최상층 레이어(top layer)를 보호하기 위해 시편을 코팅하는 방법 및 이를 위한 코팅 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치는 반도체 기판 상에 전기적 특성을 갖는 패턴을 형 성하기 위한 막 형성, 식각, 확산, 금속 배선 등의 단위 공정을 반복적으로 수행함으로서 제조된다. 최근, 이러한 반도체 장치는 고용량 및 고속의 응답 속도 등을 구현하기 위해 고집적화, 미세화 되어가고 있으며, 이에 따라 보다 미세한 영역의 구조적, 화학적 분석에 필요한 분석 장치 또는 기술의 중요성이 부각되고 있다. 특히, 여러 가지 분석 장치 중에서, 반도체 소자의 특정 부위에서의 격자 상을 관찰하기 위하여 TEM과 같은 광학 장비가 사용되고 있으며, 이러한 TEM은 소자 특성 및 불량 분석에 매우 유용하고, 높은 신뢰성을 제공한다.
한편, TEM을 이용하여 소자의 특성 및 불량 분석을 수행하기 위해서는 TEM 분석용 시편의 제작이 요구되는데, 이러한 TEM 분석용 시편은 매우 얇은 두께, 예를 들면 1000Å 이하로 제작되어야 한다. 따라서 이처럼 박막 크기의 시편 제작을 위해 일반적으로 이온 빔 집속(Focused Ion Beam : 이하 “FIB”) 장치가 이용되고 있는데, FIB 장치는 소정 크기로 절단된 시편의 소정 부위에 이온 빔을 주사하는 것에 의해 시편의 소정 부위의 두께를 박막화시키는 장치이다.
일반적인 TEM 분석용 시편의 제조 공정은 다음과 같다.
웨이퍼에 관찰하고자 하는 부분을 식별하기 위한 분석 포인트를 이온 빔을 이용하여 마킹(marking)한다. 다만, 이러한 마킹 공정이 반드시 필요한 것은 아니고, 사용자의 편의에 따라 마크(mark)를 표시하지 않고 다음 공정을 진행할 수도 있다.
웨이퍼 상에 표시된 분석 포인트(관찰하고자 하는 부분)를 중심으로 하여, 그 주변을 커팅한 후, 커팅된 시편을 웨이퍼에서 분리한다.
그리고 분석 포인트를 포함하는 분석용 시편의 형성을 위해, 시편의 양쪽 면을 FIB 장치의 이온 빔으로 밀링(milling) 하면, 시편의 두께가 1000Å 이하, 높이가 5~7㎛, 폭이 7~10㎛가 되는 TEM 분석용 시편이 완성된다.
이때, 완성된 시편을 웨이퍼에서 분리하여 카본 필름(C film)이 얇은 막을 형성하고 있는 메쉬(mesh) 형태의 그리드(grid)로 옮기는 과정을 리프팅(lifting)이라 하고, 일반적으로 유리 막대를 이용하여 리프팅(lifting) 하게 된다. 즉 유리 막대를 시편에 갖다 대면, 정전기로 인해 시편이 유리 막대에 달라 붙게 된다. 이와 같이 유리 막대에 달라 붙은 시편을 그리드(grid) 위에 리프팅(lifting)한 후, TEM 장비를 이용하여 시편을 관찰하게 된다.
한편, FIB 장치로 TEM 시편을 제작할 경우 이온 빔에 의한 데미지(damage)로부터 시편을 보호하고, 또는 리프팅(lifting)과 같은 핸들링(handling) 작업 중 시편을 보호하기 위해서, 시편의 표면에 코팅 공정을 실시한다.
이러한 코팅 공정은, FIB 장치의 챔버(chamber) 내부에 코팅할 금속, 예를 들면 백금(Pt) 가스를 흘려보내고, 가속된 갈륨(Ga) 이온이 백금(Pt) 가스에 있는 백금(Pt) 원자를 잡아서 강제로 시편 표면에 증착(deposition) 시키는 과정에 의해 이루어진다.
그러나 이러한 코팅 공정 중, 30KeV로 가속된 갈륨(Ga) 이온과 백금(Pt) 원자의 질량에 의해 시편의 최상부 레이어(top layer)가 데미지(damage)를 받아서, 도 1에 도시된 바와 같이 300~500Å정도 아머퍼스(amorphous)화 되는 현상을 보인다. 이 경우 시편의 최상부 레이어(top layer)가 가지고 있는 모양이나, 결정구 조, 반응 정도, 두께 등이 달라져서 시편의 정확한 정보를 분석할 수 없게 된다.
또한 시편 내부에 콘택 홀(contact hole)이 존재하는 경우, 이온 빔에 의한 데미지에 의해 콘택 홀이 무너지거나 터지는 등, 콘택 홀(contact hole)의 결정 구조가 훼손되어, 콘택 홀(contact hole)의 정확한 프로파일(profile)을 관찰할 수 없게 된다.
본 발명의 목적은 TEM 시편의 제조 공정 중, 이온 빔에 의한 데미지(damage)로부터 시편의 최상부 레이어(top layer)를 보호하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, TEM 시편에 대한 리프팅(lifting)과 같은 핸들링(handling) 작업 중 시편을 보호하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 이온 빔에 의한 데미지(damage)로부터 TEM 시편의 콘택 홀(contact hole)의 결정 구조를 보호하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 TEM 분석용 시편의 코팅 장치는, 진공 챔버와; 진공 챔버 내에 배치되는 TEM 분석용 시편과; 시편의 상부에 배치되어 시편 표면을 코팅하기 위한 금속 타겟을 포함하고, 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해 금속 타겟에서 분리된 금속 입자가 중력에 의해 시편 표면에 증착되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 TEM 분석용 시편의 코팅 방법은, 위와 같은 TEM 분석용 시편의 코팅 장치를 이용하여, 관찰하고자 하는 분석 포인트를 포함하는 시편을 소정 크기로 커팅하여 웨이퍼에서 분리시키는 단계와; 분리된 시편을 진공 챔버에 배치하는 단계와; 시편의 분석 포인트에 코팅하고자 하는 금속 타겟을 진공 챔버 내에 배치하는 단계와; 플라즈마에 의한 스퍼터링 방법으로 금속 타겟으로부터 금속 입자를 분리시키는 단계와; 분리된 금속 입자가 중력에 의해 분석 포인트를 포함하는 시편의 표면 상에 증착되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고 시편에 코팅되는 금속은 백금(Pt)이고, 시편의 표면에 코팅된 금속의 두께는 2㎛ 내지 3㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다.
구현예
이하 도면을 참조로 본 발명의 구현예에 대해 설명한다.
TEM 분석용 시편의 표면에 대한 코팅 공정을 수행하기 전에 다음과 같은 공정을 통해 시편을 웨이퍼에서 커팅하여 분리한다.
웨이퍼 상에서 관찰하고자 하는 부위(이하 “분석 포인트”)를 마킹하거나 또는 현미경 등을 통해 관찰하면서, 이 분석 포인트가 포함된 특정 영역을 웨이퍼로부터 1차 커팅한다. 예를 들면, 다이아몬드 커팅기를 이용하여 약 3 ×3mm의 크기를 갖도록 1차 커팅함으로서 분석 포인트가 중심부에 위치하는 시편을 형성한다.
그리고 1차 커팅된 시편에 대해 분석 포인트에 최대한 가깝게 2차 커팅을 수행한다. 이때 반드시 분석 포인트가 시편 상에 남아 있도록 커팅한다.
이러한 1차 및 2차 커팅은 클리빙 시스템(Cleaving System)에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 클리빙 시스템(Cleaving System)이란, 웨이퍼가 단결정이므로, 커팅하고자 하는 특정 영역의 각 모서리에 홈을 형성한 후, 그 웨이퍼의 특정 영역에 힘을 가하여, 분석 포인트가 포함되는 시편을 커팅하는 방법이다.
그리고 이와 같은 방식으로 커팅된 시편을 본 발명에 따른 TEM 분석용 시편의 코팅 장치에 배치하여 시편의 표면을 코팅하게 된다.
한편, 도1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 TEM 분석용 시편의 코팅 장치는, 스퍼터링 방법에 의해 시편 표면을 코팅하는 장치로서, 진공 챔버(100)와, 진공 챔버(100) 내에 배치되는 TEM 분석용 시편(200)과, 시편(200)의 상부에 배치되어 시편(200) 표면을 코팅하기 위한 금속 타겟(300) 등으로 이루어진다. 따라서 플라즈마에 의해 금속 타겟(300)으로부터 금속 입자(310)를 분리하면, 분리된 금속 입자(310)는 진공 챔버(100) 내에서 중력에 의해 자연스럽게 시편(200) 표면 위로 이동하여 증착된다.
이하에서는 위와 같은 TEM 분석용 시편의 코팅 장치를 이용하여 시편의 표면을 코팅하는 방법에 대해 살펴본다.
우선, 위에서 설명한 바와 같이 관찰하고자 하는 분석 포인트를 포함하는 시편을 소정 크기로 커팅하여 웨이퍼에서 분리한다.
그리고 분리된 소정 크기의 시편(200)을 본 발명에 따른 TEM 분석용 시편의 코팅 장치의 진공 챔버(100)에 배치한다.
이어서, 시편(200)의 표면에 코팅하고자 하는 금속 타겟(300)을 진공 챔버(100) 내에 배치한다. 이때 금속 타겟(300)으로부터 분리된 금속 입자(310)가 중력에 의해 자연스럽게 시편(200)의 표면으로 이동할 수 있도록 금속 타겟(300)을 시편(200) 위에 배치한다.
그리고 시편(200)을 코팅하기 위한 타겟(300)으로 이용되는 금속으로는 백금 (Pt)을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 코팅을 위한 금속으로 백금(Pt) 이외에도 텅스턴(W), 알루미늄(Al) 등의 금속을 사용하여도 무방하다.
계속해서, 플라즈마에 의한 스퍼터링 방법으로 금속 타겟(300)으로부터 금속 입자(310)를 분리시킨다.
그리고 분리된 금속 입자(310), 예를 들면 백금(Pt) 입자가 중력에 의해 자연스럽게 분석 포인트를 포함하는 시편(200)의 표면으로 이동하여 증착됨으로서 시편(200)의 표면이 코팅된다. 이때, 이후 밀링(milling) 공정 중에 시편(200) 표면에 가해지는 가속된 갈륨(Ga) 이온에 의한 데미지를 충분히 감소시킬 수 있도록, 시편(200) 표면에 코팅되는 금속의 두께는 2㎛ 내지 3㎛ 정도가 되는 것이 바람직하다.
그리고 위와 같이 코팅이 완료된 시편(200)을 진공 챔버(100)에서 꺼낸 후, TEM 시편 제작을 위한 나머지 공정, 예를 들면 그라인딩(grinding) 공정 및 FIB 장치에 의한 밀링(milling) 공정을 수행하여 TEM 분석용 시편을 완성시킨다.
지금까지 본 발명의 구체적인 구현예를 도면을 참조로 설명하였지만 이것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 설명한 구현예는 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 얼마든지 변형하거나 수정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 타겟에서 스퍼터된(sputtered) 금속 입자가 중력에 의해 자연스럽게 시편 표면에 증착되므로, 시편의 최상층 레이어(top layer)가 손상되지 않아서, 시편의 최상층 레이어(top layer)의 두께 및 결함 여부를 정확히 관찰할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 TEM 시편에 존재하는 콘택 홀(contact hole)의 결정 구조를 훼손하지 않고, 콘택 홀(contact hole)의 정확한 프로파일(profile)을 분석할 수 있다.

Claims (4)

  1. TEM 분석용 시편의 표면을 코팅하기 위한 코팅 장치에 있어서,
    진공 챔버와;
    상기 진공 챔버 내에 배치되는 TEM 분석용 시편과;
    상기 시편의 상부에 배치되어 시편 표면을 코팅하기 위한 금속 타겟을 포함하고,
    스퍼터링(sputtering) 방법에 의해 상기 금속 타겟에서 분리된 금속 입자가 중력에 의해 시편 표면에 증착(deposition)되는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 코팅 장치.
  2. 제1항의 TEM 분석용 시편의 코팅 장치를 이용하여 시편의 표면을 코팅하는 방법에 있어서,
    관찰하고자 하는 분석 포인트를 포함하는 시편을 소정 크기로 커팅하여 웨이퍼에서 분리시키는 단계와;
    상기 분리된 시편을 진공 챔버에 배치하는 단계와;
    상기 시편의 분석 포인트에 코팅하고자 하는 금속 타겟을 진공 챔버 내에 배치하는 단계와;
    플라즈마에 의한 스퍼터링 방법으로 상기 금속 타겟으로부터 금속 입자를 분리시키는 단계와;
    상기 분리된 금속 입자가 중력에 의해 분석 포인트를 포함하는 시편의 표면 상에 증착되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 코팅 방법.
  3. 제2항에서,
    시편에 코팅되는 상기 금속은 백금(Pt)인 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 코팅 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에서,
    상기 시편의 표면에 코팅된 금속의 두께는 2㎛ 내지 3㎛인 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 코팅 방법.
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