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반도체 산업에서의 XPS 및 AFM 분석 기술 원문보기

진공 이야기 = Vacuum magazine, v.3 no.4, 2016년, pp.24 - 31  

김안순 (한국표준과학연구원) ,  신채호 (한국표준과학연구원)

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문제 정의

  • 지금까지 XPS를 이용한 다양한 분석기술에 대해 소개하였다 (표 1). 최근에는 기존에 개발된 XPS로 분석하기 어려운 영역까지 그 응용 분석 분야를 확대하고 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
엑스선 광전자 분광법이란 무엇인가? 엑스선 광전자 분광법 (X- ray Photoelectron Spectroscopy; XPS)은 표면분석에 있어서 가장 널리 사용되고 있는 분석 기술 중 하나로서 1905년 아인슈타인이 발표한 광전효과의 이론을 기반으로 한 분석법이다. 분석하고자 하는 시료에 X-선 중 상대적으로 파장이 긴 수십에서 수천 eV의 에너지에 해당되는 soft X-선을 시료에 조사하면 분석 시료를 이루고 있는 표면 층 원자로부터 강하게 결합되어 있는 내각준위 (core level) 또는 약하게 결합되어 있는 외각 준위 (valence level) 전자가 방출되게 된다.
XPS 분석 기술은 어떤 분야에서 쓰이는가? 광전자의 평균 자유 행로(mean free path)가 수 나노미터 정도로 짧다는 것이 밝혀지면서부터 XPS는 초박막의 성분 및 분자 결합상태 등에 대한 정성 분석 및 정량 분석에 활용되고 있다. 또한 XPS 분석 기술은 시료에 손상을 가하지 않고 비파괴 분석이 가능하므로 시료의 표면 층에 존재하는 오염물질 분석, 박막 및 코팅, 부식, 흡착 및 촉매반응 등의 표면 처리 분야뿐만 아니라 최근에는 반도체 표면의 성분 및 구조 분석 등에 관한 연구에도 응용되고 있다 [2]. 그림 3은 원자증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)로 2 nm SiO2 박막 위에 다른 두께로 증착된 HfO2 박막의 XPS 스펙트럼이다 [3].
광전효과에 대해 간단히 설명하시오. 엑스선 광전자 분광법 (X- ray Photoelectron Spectroscopy; XPS)은 표면분석에 있어서 가장 널리 사용되고 있는 분석 기술 중 하나로서 1905년 아인슈타인이 발표한 광전효과의 이론을 기반으로 한 분석법이다. 분석하고자 하는 시료에 X-선 중 상대적으로 파장이 긴 수십에서 수천 eV의 에너지에 해당되는 soft X-선을 시료에 조사하면 분석 시료를 이루고 있는 표면 층 원자로부터 강하게 결합되어 있는 내각준위 (core level) 또는 약하게 결합되어 있는 외각 준위 (valence level) 전자가 방출되게 된다. 이 때 방출되는 전자를 광전자라고 하고, 광전자가 방출되기 위해서는 전자의 결합에너지 (binding energy) 및 일함수(work function)를 뛰어 넘을 수 있는 운동에너지가 필요하다. 그림 1의 입사된 X-선의 에너지 hν를 분석 시료의 전자가 전달받아 결합 에너지(Eb)를 끊고 물질의 일함수(φ)를 뛰어넘어 광전자가 방출되게 되고 방출된 광전자의 운동 에너지(Ekin)를 측정함으로 그 물질에 해당하는 전자의 결합에너지를 아래 식 (1)을 통해 구할 수 있다.
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참고문헌 (12)

  1. S. Hagstrom, C. Nordling, K. Siegbahn, Z. Physik, 178, 439 (1964) 

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  2. K. Siegbahn, Science, 217, 111 (1981) 

  3. D. Briggs and M. P. Seah, "Practical surface analysis; V1. Auger and X-ray photoelectron spectroscopy", John Wiley & Sons, New York (1983). 

  4. K. J. Kim, S. M. Lee, J. S. Jang, M. Moret, "Thickness measurement of a thin hetero-oxide film with an interfacial oxide layer by X-ray photoelectron spectroscopy" Applied Surface Science, 258, 3552- 3556 (2012). 

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  5. K. J. Kim, A. S. Kim, J. S. Jang, et al. "Final report of CCQM-K129 Measurement of Mole Fractions of Cu, In, Ga, Se in Cu(In, Ga)Se2 Film", Metrologia, 53, Tech. Suppl. 08011 (2016). 

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  6. H. Kwon, S. W. Seo, T. G. Kim, E. S. Lee, P. T. Lahn, S. Yang, S. Ryu, J. W. Kim, "Ultrathin and Flat Layer Black Phosphorus Fabricated by Reactive Oxygen and Water Rinse", ACS Nano, 10, 8723-8731 (2016). 

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  7. B. Bunday et al., "Gaps Analysis for CD Metrology Beyond the 22 nm Node," Proc. SPIE, 8681, 8681-57 (2013). 

  8. A. Diebold, "Semiconductor Metrology from New Transistor and Interconnect Materials to Future Nano Structures," Proc. SPIE, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXV, 7971-01 (2011). 

  9. R. James, "Intel 22 nm Tri-Gate Technology at VLSI Symposium," Chipworks Real Chips Bolg, http://electroiq.com/chipworks_real_chips_blog/2012/04/12/intel-to-present-on-22-nm-tri-gatetechnology-at-vlsi-symposium/ 

  10. C. Shin et al. "Fast, exact, and non-destructive diagnoses of contact failures in nano-scale semiconductor device using conductive AFM", Scientific Reports, 3, 2088 (2013). 

    상세보기 crossref

  11. http://www.nanotools.com/ 

  12. https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensionalanalysis/atomic-force-microscopes.html 

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