[논문]마이크로칼럼에서 변형된 4중극 디플렉터와 8중극 디플렉터의 스캔 영역 비교

김영철; 김호섭; 안승준; 오태식; 김대욱

doi:10.5762/kais.2018.19.11.1

초록
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마이크로칼럼에서는 전자빔을 스캔하기 위해 초소형화된 정전디플렉터를 사용하는 경우가 많다. 주로 두 개의 8중극 디플렉터(double octupole deflector)를 사용하는 경우가 많은데, 이는 스캔 영역을 넓게 하면서도 전자빔이 대물렌즈를 통과할 때에 광축 근처에 위치하도록 함으로써 수차를 작게 유지할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 마이크로칼럼은 최종적으로는 멀티 칼럼 형태로 사용하여 전자빔 장비의 throughput을 높이고자 하는 목적으로 연구가 되고 있는데, 칼럼의 수가 많아지게 되면 각 부품에 연결되는 배선의 수도 함께 증가하게 된다. 이에 따라 정전렌즈, 디플렉터 등의 마이크로칼럼 부품 배선을 진공 챔버 밖에 있는 제어장비와 연결하는 과정에서 실질적인 문제에 봉착하게 된다. 이러한 문제를 완화하기 위하여 렌즈 수를 최소화할 수 있도록 대물렌즈를 제거한 마이크로칼럼 구조를 선택하여, 변형된 4중극 및 8중극 디플렉터의 동작을 전산모사 방법으로 연구하였다. 기본적으로 MEMS 공정을 적용하기 용이한 실리콘 디플렉터 구조에서 각 전극의 크기를 동일하게 하지 않고, 서로 다른 크기의 전극을 교대로 배치하도록 디자인하였다. 8중극과 4중극 디플렉터 각각에서 디플렉터 전압을 인가하는 구동전극의 크기에 변화를 주었을 때 스캔 영역과 디플렉터 중심점에서의 전기장의 변화를 조사하여 비교하였다. 스캔 영역은 디플렉터전압에 따라 선형적으로 비례하였다. 스캔영역과 중심점에서의 전기장 세기 모두 8중극 디플렉터에 비해 4중극 디플렉터에서 더 크게 나타났으며, 전극의 크기에 따라 약 1.3 ~ 2.0 배 큰 것으로 조사되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In a microcolumn, a miniaturized electrostatic deflector is often adopted to scan an electron beam. Usually, a double octupole deflector is used because it can avoid excessive spherical aberrations by controlling the electron beam path close to the optical axis of the objective lens and has a wide s...

In a microcolumn, a miniaturized electrostatic deflector is often adopted to scan an electron beam. Usually, a double octupole deflector is used because it can avoid excessive spherical aberrations by controlling the electron beam path close to the optical axis of the objective lens and has a wide scan field. Studies on microcolumns have been performed to improve the low throughput of an electron column through multiple column applications. On the other hand, as the number of microcolumns increases, the number of wires connected to the components of the microcolumn increases. This will result in practical problems during the process of connecting the wires to electronic controllers outside of the vacuum chamber. To reduce this problem, modified quadrupole and octupole deflectors were examined through simulation analysis by selecting an ultraminiaturized microcolumn with the Einzel lens eliminated. The modified deflectors were designed changing the size of each electrode of the conventional Si octupole deflector. The variations of the scan field and electric field strength were studied by changing the size of active electrodes to which the deflection voltage was to be applied. The scan field increased linearly with increasing deflection voltage. The scan field of the quadrupole deflector and the electric field strength at the center were calculated to be approximately 1.3 ~ 2.0 times larger than those of the octupole deflector depending on the electrode size.

Keyword

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. (a) Conventional microcolumn with Einzel lens. (b) The microcolumn structure used in this work. Einzel lens is eliminated and one additional subsidiary electrode (S_2s) is added in source lens.
그림 Fig. 2. The schematic diagram for (a) a conventional Si octupole deflector, (b) a modified octupole deflector, and (c) a quadrupole deflector, considered in this simulation.
그림 Fig. 3. Electron beam trajectories obtained by applying deflection voltage to 30⁰ electrodes of the modified octupole deflector (a and b) and quadrupole deflector (c). Deflection voltage is 0 V for (a), and 100 V for both (b) and (c). The column operation conditions are described in text.
표 Table 1. The geometrical dimension of each component and the distance between each component of a microcolumn described in Fig. 1(b).
그림 Fig. 4. The variations of deflection field depending on the size (radial angle) of deflector electrode for both octupole and quadrupole deflector structures.
그림 Fig. 5. The variation of (a) electric potential and (b) electric field strength with the radial distance from the center to the deflector electrode. Deflection voltage is 100 V.
그림 Fig. 6. The variation of electric field strength according to the angle (size) of the deflector electrode.
그림 Fig. 7. The relation between the electric field strength at deflector center and the scan field.

AI 본문요약
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문제 정의

MEMS 공정을 활용하면 마스크 패턴 디자인에 따라 실리콘으로 다양한 형태의 디플렉터를 제작할 수 있다. 여기서는 참고문헌[8]에서 제시한 마이크로칼럼 구조를 기본으로 하여, 변형을 한 8중극 및 4중극 디플렉터(quadrupole deflector)를 적용한 마이크로칼럼의 스캔영역에 대한 조사 결과를 보고하고자 한다.

가설 설정

5. The variation of (a) electric potential and (b) electric field strength with the radial distance from the center to the deflector electrode. Deflection voltage is 100 V.

제안 방법

1(b)와 같이 아인즐렌즈를 제거하여 칼럼 전체의 길이를 획기적으로 줄이는 개선된 모델이 제시되었다[7,8]. 이 개선된 모델에서는 소스렌즈에 하나의 전극(S2s)을 추가하여 전자빔을 집속하는 전압을 인가하도록 함으로써, 아인즐렌즈를 제거하고도 기존의 마이크로칼럼과 같은 성능을 유지할 수 있도록 하였다.
2(b)와 같은 마이크로칼럼을 모델링하였다. 디플렉터는 일반적인 대칭형의 디플렉터와 함께 변형된 8중극 디플렉터 및 4중극 디플렉터들을 적용하여 디플렉터 구조에 따른 스캔영역 변화를 조사하였다.
8중극 디플렉터 구조에서는 구동 전극의 크기를 θ = 30°, 45°, 그리고 60°로 변화시키면서 세 가지 모델을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.
이렇게 모델링한 마이크로칼럼의 디플렉터의 스캔 영역 변화를 상업용 프로그램 ‘OPERA 3D’를 사용하여 조사하였다.
Fig. 2(c)에 제시된 4중극 디플렉터의 경우에는 구동 전극의 크기를 θ = 30°, 45°, 60°, 그리고 90°로 변화를 주면서 네 가지 모델에 대해 계산을 수행하였다.
Fig. 2에 본 연구에서 고려한 두 종류의 8중극 디플렉터와 4중극 디플렉터의 구조를 제시하였다. Fig.
본 시뮬레이션에서는 Fig. 2의 상하좌우의 전극들에 디플렉터 전압을 인가하고, 대각선 방향의 전극들을 접지시켰다. 8중극 디플렉터 구조에서는 구동 전극의 크기를 θ = 30°, 45°, 그리고 60°로 변화시키면서 세 가지 모델을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.
이렇게 모델링한 마이크로칼럼의 디플렉터의 스캔 영역 변화를 상업용 프로그램 ‘OPERA 3D’를 사용하여 조사하였다. 구동 전극에 인가하는 디플렉션 전압을 150 V 까지 변화시키면서 스캔 영역을 구하였다.
디플렉터 전극의 각도가 각각 θ = 30°, 45°, 60°인 세 가지 8중극 디플렉터와 θ = 30°, 45°, 60°, 그리고 90°인 네 가지 4중극 디플렉터에서, 디플렉터 전압을 증가시키면서 z = 4,700 um 평면에서 전자빔의 편향 정도를 구하였다.
이러한 스캔 영역 변화를 좀 더 살펴보기 위하여 광축에 수직하고 디플렉터의 중앙을 지나는 평면(즉, z = 1,808 um 평면)에서 전기적 포텐셜과 전기장의 변화를 구하였다.
각 전극의 크기가 동일한 일반적인 8중극 디플렉터 구조를 변형하여, 디플렉터 중심에서 각도가 θ = 30°, 60° 인 서로 다른 크기의 전극을 교대로 배치하는 구조로 modified octupole deflector를 다자인 하였다.
마이크로칼럼을 멀티칼럼으로 사용하기 위해서는 배선의 수가 최소화 되어야 한다. 이를 위해 MEMS 기술로 batch-fabrication이 가능한 8중극과 4중극 실리콘 디플렉터의 개선된 모델을 디자인하였다.

대상 데이터

0 um로 하였다. 디플렉터의 내경은 1 mm 이다. Table 1에 소스렌즈의 각 전극 중앙에 위치한 홀의 직경, 디플렉터의 내경, 그리고 각 부품 간의 거리를 정리하였다.

성능/효과

범례의 숫자들은 구동 전극의 각도를 의미한다. 그래프에서 보는 바와 같이 스캔 영역은 디플렉터 전압에 선형적으로 비례하는데, 디플렉터 전극의 크기가 커질수록 증가하는 것으로 나타났다.
35 배의 스캔 영역을 갖는 것으로 나타났다. 전극 크기에 따라 스캔영역이 증가하지만 비례관계가 성립하지는 않는 것으로 나타났다.
전극의 크기가 θ =90°인 경우(4중극)에는 포텐셜은 선형에 가까운 감소 추세를 보이며, 중심 근처에서 전기장의 세기는 가장 큰 것으로 나타났다.
스캔영역과 중심점에서의 전기장 세기 모두 8중극 디플렉터에 비해 4중극 디플렉터에서 더 크게 나타났으며, 전극의 크기가 θ = 30° ~ 60° 인 경우 약 1.3 ~ 2.0 배 큰 것으로 조사되었다.
즉, 전극의 크기가 커질수록 디플렉터 중심 근처에서 전기장의 세기가 강해진다. 구동 전극의 크기가 동일할 경우 4중극과 8중극 디플렉터를 비교하면, 4중극 디플렉터의 경우에 포텐셜도 높고 전기장의 세기도 강한 것으로 나타났다.
7은 8중극과 4중극 디플렉터를 동일하게 100 V의 구동 전압으로 동작시켰을 때, 디플렉터 중심에서 전기장의 세기와 스캔 영역 사이의 관계를 그래프로 정리한 것이다. 예상되는 바와 같이 디플렉터의 종류와 무관하게 전자빔의 스캔영역은 전기장의 세기에 비례하는 것으로 나타났다.
이들 8중극과 4중극 디플렉터의 스캔 동작에 대한 시뮬레이션 연구를 수행한 결과, 전체적으로 4중극 디플렉터의 경우에 중심점에서 전기장의 세기가 강하고 스캔영역도 그에 따라 커지는 것으로 나타났다. 8중극 디플렉터의 경우에는 스캔영역과 중심점에서의 전기장의 세기 모두 전극의 크기에 따라 선형적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 4중극 디플렉터의 경우에는 비선형적인 증가 추세를 보였다.
이들 8중극과 4중극 디플렉터의 스캔 동작에 대한 시뮬레이션 연구를 수행한 결과, 전체적으로 4중극 디플렉터의 경우에 중심점에서 전기장의 세기가 강하고 스캔영역도 그에 따라 커지는 것으로 나타났다. 8중극 디플렉터의 경우에는 스캔영역과 중심점에서의 전기장의 세기 모두 전극의 크기에 따라 선형적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 4중극 디플렉터의 경우에는 비선형적인 증가 추세를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배선의 수를 줄이는 방안에 대한 연구가 중요한 이유는 무엇인가?	기본적으로 이러한 부품들은 모두 전기적 신호에 의해 제어되므로 각 부품의 전극에는 전기적 제어장치와 연결되는 배선이 배치되어야만 한다. 병렬로 배치된 다수의 마이크로칼럼을 동시에 동작시키기 위해서는 배선의 숫자도 함께 증가되어야 한다. 그러나 실제적으로 진공 내의 마이크로칼럼에서 외부의 제어장치에 연결할 수 있는 배선의 수는 feedthrough의 구조에 의해 제한을 받을 수밖에 없다. 8중극 디플렉터(octupole deflector)를 사용할 경우 하나의 마이크로칼럼에 8개의 배선이 연결되어야 하며, N 개의 마이크로칼럼을 구동하기 위해서는 8N 개의 배선이 제어장치에 연결되어야 한다.
	마이크로칼럼은 무엇인가?	마이크로칼럼은 높이와 직경이 각각 2 cm 이하로 초소형화된 전자칼럼으로, 여러 개의 마이크로칼럼을 병렬로 사용할 수 있어서 MAPPER 등의 multi-beam system과 함께 전자빔 장비의 throughput 문제를 해결할 수 있는 대안 중의 하나로 연구되어 왔다[1-3]. 마이크로 칼럼을 형성하는 주요 부품들은 초소형 전자방출원, 소스렌즈(source lens), 아인즐렌즈(Einzel lens), 디플렉터 등이다.
	마이크로 칼럼을 형성하는 주요 부품들에는 무엇이 있는가?	마이크로칼럼은 높이와 직경이 각각 2 cm 이하로 초소형화된 전자칼럼으로, 여러 개의 마이크로칼럼을 병렬로 사용할 수 있어서 MAPPER 등의 multi-beam system과 함께 전자빔 장비의 throughput 문제를 해결할 수 있는 대안 중의 하나로 연구되어 왔다[1-3]. 마이크로 칼럼을 형성하는 주요 부품들은 초소형 전자방출원, 소스렌즈(source lens), 아인즐렌즈(Einzel lens), 디플렉터 등이다. 전자방출원은 다양한 재질의 전계방출원, 열전계방출원 등이 사용된다.

참고문헌 (11)

E. Kratschmer, H. S. Kim, M. G. R. Thomson, K. Y. Lee, S. A. Rishton, M. L. Yu, S. Zolgharnain, B. W. Hussey, T. H. P. Chang, "Experimental evaluation of a 20 $\times$ 20 mm footprint microcolumn", Journal of Vacuum Science & Technology B, Vol.14, No.6, pp.3792-3796, 1996. DOI: https://dx.doi.org/10.1116/1.588669

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T. H. P. Chang, M. G. R. Thomson, E. Kratschmer, H. S. Kim, M. L. Yu, K. Y. Lee, S. A. Rishton, B. W. Hussey, S. Zolgharnain, "Electron-beam microcolumns for lithography and related applications", Journal of Vacuum Science & Technology B, Vol.14, No.6, pp.3774-3781, 1996. DOI: https://dx.doi.org/10.1116/1.588666

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Z. Liu, J. Ximen, "A study of miniaturized electrostatic octupole deflectors", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol.363, No.1-2, pp.225-231, 1995. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/0168-9002(95)00156-5
C. Stebler, T. Pfeffer, U. Staufer, N. F. de Rooij, "Microfabricated double layer octupoles for microcolumn applications", Microelectronic Engineering, Vol.46, No.1-4, pp.401-404, 1999. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/S0167-9317(99)00118-5

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H. Kim, C. Han, K. Chun, "The Novel Deflector for Multi Arrayed Microcolumn Using Microelectromechanical System (MEMS) Technology", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.42, Part 1, No.6B, pp.4084-4088, 2003. DOI: https://dx.doi.org/10.1143/JJAP.42.4084

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T. S. Oh, H. S. Kim, S. Ahn, D. W. Kim, "Design of an ultra-miniaturized electron optical microcolumn with sub-5 nm very high resolution", Ultramicroscopy, Vol.136, pp.171-175, 2014. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.ultramic.2013.10.003

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H. S. Gross, F. E. Prins, D. P. Kern, "Fabrication and characterisation of an array of miniaturized electrostatic multipoles", Microelectronic Engineering, Vol.41-42, pp.489-492, 1998. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/S0167-9317(98)00114-2

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L. P. Muray, K. Y. Lee, J. P. Spallas, M. Mankos, Y. Hsu, M. R. Gmur, H. S. Gross, C. B. Stebler, T. H. P. Chang, "Experimental evaluation of arrayed microcolumn lithography", Microelectronic Engineering, Vol.53, No.1-4, pp.271-277, 2000. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/S0167-9317(00)00313-0

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T. H. P. Chang, M. Mankos, K. Y. Lee, L. P. Muray, "Multiple electron-beam lithography.", Microelectronic Engineering, Vol.57-58, pp.117-135, 2001. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/S0167-9317(01)00528-7

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