[논문]갈륨 소스를 이용한 집속이온빔 컬럼 개발

김창조; 이재승; 최윤; 최은하; 박철우; 김종국; 김영권; 엄창용

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.3.185

갈륨 소스를 이용한 집속이온빔 컬럼 개발
Development of Focused Ion Beam Column Using Ga Source 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.3 = no.282, 2009년, pp.185 - 189

김창조 (아텍시스템 부설연구소) , 이재승 (아텍시스템 부설연구소) , 최윤 (아텍시스템 부설연구소) , 최은하 (광운대학교 전자물리학과) , 박철우 (한국산업기술대 기계공학과) , 김종국 (한국기계연구원) , 김영권 ((주) FTLab) , 엄창용 ((주) 컨벡스)

Abstract ▼ AI-Helper

Focused ion beam system was designed, which includes LMIS, electrostatic lens and high voltage power supply. Control program is updated for high speed image processing. The details of vibration-free vacuum system and other important electrical parts were trouble-shooted for appropriately controlling...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

세계적인 기업들의 경우 장기간에 걸쳐 집속이온빔 설계, 가공, 제작 및 배열, 인가파워 등 집속이온빔 요소기술 분야에 깊이있는 기술을 축적하였는 바 본 논문에서는 갈륨소스를 이용한 집속이온빔 컬럼의 제작 및 이와 관련된 실험결과를 정리함으로써 집속이온빔 컬럼 제조에 있어서 기초자료를 제공하는데 목적이 있고, 현재 진행 중인 각 모듈별 상세 연구내용에 대해서는 추후 지속적으로 보고될 예정이다.

제안 방법

LMIS 에 30kV 를 인가한 상태에서 빔 집속직경 30nm 에서 기판에 도달한 최대 이온빔 전류값은 80pA 였으며, 이를 통해 기판에 도달하는 최대 전류 밀도를 계산하였다. 기판에 도달하는 최대 이온 빔 전류값은 50 ㎛의 고정형 aperture 만을 사용한 경우에 측정된 값이다.
국내 기술로 제작된 고전압 인가용 파워써플라이와 1 차렌즈의 고정형 aperture, 가변형 aperture 만을 이용하여, LMIS 로 부터 발생시킨 이온빔을 약 30 ㎚가량 집속시켰다.
본 실험에 사용된 FIB system 의 경우 초기 18kV 까지의 가속전압 인가만이 가능했으며, 이후 몰딩을 통한 절연처리를 통해 30kV 를 인가하여 테스트 하였다.
집속이온빔 시스템의 컬럼부 조립 시, 최대한 기계적 배열을 맞추어 구면수차를 감소시킨 상태에서 1 차 렌즈 상단의 고정형 aperture 를 변경하여 색수차를 조절함으로써 영상의 선명도에 미치는 영향을 확인하였다.

대상 데이터

이 이온빔을 집속시키는 방법으로 정전렌즈를 사용하는데, 정전렌즈는 구조에 따라 최대 3 개까지 설치가 되는 경우도 있다. 본 실험에 사용된 구조에서는 2 개의 렌즈가 사용되었는데, 하나는 LMIS 로 부터 방출된 이온빔을 응집시키는 1 차 렌즈이며, 다른 하나는 시편 쪽으로 빔을 집속시키는 2 차 렌즈이다.
본 실험에 사용된 집속이온빔 시스템은 크게 컬럼부와 챔버부로 나누어 지는데, 컬럼부에는 LMIS, 정전렌즈, 가변 aperture, stigmator, gate valve, 컬럼부의 진공을 형성시키기 위한 pumping system 그리고 deflector 로 구성되어 있고, 챔버부에는 시편을 위치시키는 stage, stage 구동용 stepping motor system, 그리고 진공을 형성시킬 수 있는 pumping system 으로 구성되어 있다. Fig.
본 집속이온빔 시스템에서 사용한 이온빔은 광운대학교에서 제작한 LMIS 를 사용하였다.

성능/효과

가속전압 30kV 와 1 차 렌즈의 50 ㎛ 홀 사이즈를 갖는 고정형 aperture 를 통해 분해능이 향상된 영상을 얻을 수 있었으며, 이때 기판에 도달하는 최소 빔 량은 5 ㎀, 최대 빔량은 80 ㎀였다.
고정형 aperture 의 직경이 작아짐에 따라 색수차가 현격히 감소했음을 알수 있는데, 이는 색수차 계수가 aperture 직경에 크게 좌우되고 있음을 단적으로 보여주고 있다. 고정형 aperture 의 직경을 감소시킴에 따라 색수차를 최대 70%가량 감소시킬 수 있었다. 이때의 집속 이온빔의 사이즈는 800 ㎛의 aperture 를 사용한 경우 약 5~600 ㎛였으며, 50 ㎛의 aperture 를 사용한 경우 약 48~52 ㎚였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FIB system의 상용화를 위해 핵심적으로 이루어져야 하는 기술은 어떤 기술인가?	FIB system의 상용화를 위해 핵심적으로 이루어져야 하는 기술은 고전압이 인가되는 정전렌즈의 표면 가공기술로 micro burr의 제거가 핵심사항이며, 전극 조립 시 정확한 기계적 배열이 이루어져야 한다. 30kV의 고전압이 인가된 이온빔 발생부에서 안정적인 빔이 지속되어야 하며, 발생된 이온빔이 시편에 집속되기까지 정전기적 배열에 어긋남이 없어야 하며, 인가된 고전압의 경우 빔 인출 동안 100ppm 이하의 ripple 만이 허용된다.
	집속이온빔 시스템에서의 이온빔은 어떤 특성을 가져야만 하는가?	1) 고전류밀도(high current density : ~1.0A/㎠) 2) 고선명도(high brigthness : ~106 A/㎠sr) 3) 낮은 에너지분포(low energy spread : ~10eV)
	FIB이란?	영국의 Roy Clampitt 등에 의해 액체금속온원(LMIS : Liquid Metal Ion Source)이 최초로 시사된 이후, 1980 년대 중반부터 본격적인 개발이 시작된FIB(Focused Ion Beam) system(1)은 정전렌즈를 이용해 직진 비행을 하는 이온을 시편의 한 지점에 집속시키는 장치로, 집속된 이온의 에너지를 이용해 표면관측, 가공 그리고 증착 등 다양한 작업을 수행할 수 있는 장점을 가지고 있다.

참고문헌 (8)

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Jon Orloff and Pierre Sudraud' “Design of a 100kV, High Resolution Focused Ion Beam Column with a Liquid Metal Ion Source,” Microelectronic Engineering, Vol. 3, pp. 161-165

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