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Focus Ion Beam

Focused Ion Beam의 원리 소개: Focused Ion Beam 장치는 집속빔을 시료 표면에 주사해서 발생되는 2차 전자등을검출해서 현미경상을 관찰 또는 시료 표면을 기공하는 장치입니다.
Focused Ion Beam 장치는 주사 전자현미경과 같은 구성과 기능을 가지고 있습니다.
먼저 주사 현미경의 원리에 대해 소개합니다.
몇 가지의 차이점으로 주사 전자현미경과 Focused Ion Beam장치는 크게 차이가 납니다.
그 차이점에 착안해서 Focused Ion Beam장치의 특징을 소개하겠습니다.

주사 현미경 개요

Figure 1 - Conceptual Diagram

Figure 2 - Scanning Microscope

광원으로부터 발생한 빛을 Aperture 또는 집속렌즈(Condenser Lens, CL라고도 불린다)로 모아서 Beam을 형성시킵니다.
그후 대물렌즈(Objective Lens, OL라고도 불린다)로 시료 표면에 초점을 맞춥니다.
시료 표면에 초점을 맞춘 Beam을 Deflector로 Sample 표면에 주사합니다.
그리고 Beam 조사에 의해 시료표면으로부터 발생하는 2차 신호를 검출기에 의해 검출하여 2차 신호에 대응한 Data를 Beam 조사 위치의 좌표에 대응한 화상데이터 메모리에 기억 시킵니다. 화상 데이터 메모리에 기억된 데이터를 컴퓨터 화면상에 표시하는 것으로 Beam을 조사한 영역의 역의 현미 경상을 관찰할 수가 있습니다.

광원

Figure 3 - Ion Source Conceptual Diagram

Beam의 발생원을 광원이라고 총칭합니다.
주사 전자현미경의 경우는 Electron Gun, Focused Ion Beam의경우는 Ion Gun 또는 Ion Source이라고 부르는 것이 일반적입니다.

예리한 금속의 끝부분과 인출 전극의 사이에 전계를 걸어 전하를 인출시킵니다.
인출된 전하는 가속 전원에 의한 전압으로 가속되어 시료에 충돌합니다.
Ion Gun의 경우에는 예리한 금속의 끝부분에 액체 금속 Ga을 흘려 공급해서 전계의 힘으로 방사시킵니다.

가속 전압은 +5 kV로부터 +30 kV정도가 일반적으로 이용됩니다.
가속 전압이 높을수록 빔을 가늘게 인출 시킬 수가 있습니다.
그렇지만, 동시에 시료에 Damage가 커지므로 최적인 값으로서 30kV을 사용해서 관찰하는 것이 일반적입니다.

광학계

광원에서 발생한 전하를 자계 또는 전계를 이용해서 집속시켜서 시료 표면에 초점을 맞추어 주사 시킵니다.
전자현미경에서 전자석으로부터 발생하는 자계를 이용해 제어하는 것이 일반적입니다.

전자석을 제어하는 전류 회로가 외부 Noise의 영향을 받기 어려운 것, 전자석을 진공 중에 제작할 필요가 없는 것 등에서 비교적 염가로 고성능을 실현할 수가 있습니다.
집속 Focused Ion Beam장치에서는 자계에 의한 제어를 실시하지 않습니다.자계에서는 전하의 중량에 의해 궤도가 바뀝니다.
Ion Beam의 경우 동위체 등의 존재에 의해 중량이 다른 Ion이 존재하는 것으로부터 자계를 이용해 집속시킬 수가 없습니다.
그래서 전계를 이용합니다. 전계를 이용하는 경우에는 진공 중에 설치된 전극에 고전압을 인가하지 않으면 안됩니다.
고전압을 인가해도 방전되지 않게 할 필요가 있습니다.

그리고, 전압 회로는 전류 회로와 비교해 Noise의 영향을 받기 쉬우므로 Noise 대책이 필요합니다.
또 전극의 기계적 배치에 의해 성능이 결정됩니다. 고성능을 실현하기 위애서 미크론 오더의・오더의 정밀도로 부품을 조립할 필요가 있습니다.
SIINT는 이러한 과제를 극복해 Focused Ion Beam장치의 제품화를 실현하고 있습니다.

Electron Beam 과 Focused Ion Beam: 주사 전자현미경에서 Electron Beam 이 Focused Ion Beam 장치에서는 Ga Ion에 Ion Beam이 Sample에 조사됩니다.
Electron Beam을 시료의 표면에 조사하면 시료 표면으로부터 2차 전자가 발생합니다.
이것은 조사된 전자의 에너지에 의해 전자가 지금까지의 궤도로부터 벗어나 튀어나온 것입니다.
그리고 Electron Beam의 가속 전압이 높아지면 재질에 따라서 다른 성질의 X선이 발생합니다.
2차 전자는 표면의 형상이나 재질에 따라 발생량이 다릅니다.

이 발생량의 이차원 분포를 얻는 것으로 시료 표면의 현미경상을 관찰 할 수가 있습니다.
다른 성질의 X선은 그 파장 분포(스펙트럼)를 분석하는 것으로 시료 표면을 구성하는물질을 알 수가 있습니다.
그리고 특정 X선의 이차원 분포를 얻는 것으로 재질의 분포를 관찰할 수도 있습니다.

Figure 4 - Electron Beam Irradiation

Figure 5 - Ion Beam Irradiation

Ion Beam을 Sample 표면에 조사하면 Sample 표면으로부터 Electron Beam과 같게 2차 전자가 발생합니다.
그리고 Electron Beam의 경우와 같게 2차 전자의 이차원 분포를 구하는 것으로 Sample표면의 현미경상을 관찰할 수가 있습니다.
또, Ga Ion이 전자와 비교하면 훨씬 무겁고 Sample를 구성하는 원자를 튀어 나오게 하는 Sputtering 현상이 발생합니다.
발생된 2차 이온을 검출기로 검출해 이차원 분포를 구하는 것으로 Sample 표면의 현미경상을 관찰 할 수도 있습니다.

일반적으로 이것들2차 신호의 공간 분해능력과 재질 의존성의 관계는 이하와 같이 됩니다.

Figure 6 - Secondary Electron Image Comparison

Figure 7 - Characteristics Comparison

Focused Ion Beam에 의한 가공

Figure 8 - 64M-DRAM Cross-Section Processing Observation

Figure 9 - TEM sample Fabrication

Electron Beam과는 다른 기능으로서 Sample에 Ion Beam을 조사하여 가공할 수 있습니다.

Etching

먼저 Ion Beam 조사에 의해 sputtering 현상이 발생하는 것을 소개했습니다.
Ion Beam의 조사양을 늘려 sputtering되는 원자의 양이 늘어나는 것을 이용해서 Sample 표면을 Etching 할 수가 있습니다.
이 기술을 응용해 Sample에 정해진 곳의 Etching을 실시해 단면을 노출시켜 관찰하는 단면 가공관찰이나 Sample의 특정 장소를 박편으로 채취하는 TEM 시료 제작 가공을 실시 할 수가 있습니다.

Deposition

일차 Ion을 Sample에 조사하면 2차 전자가 발생합니다.
2차 전자가 화합물 가스의 분해에 기여하는 화합물 가스가 기체 성분과 고체 성분으로 분리됩니다.
기체 성분은 진공 배기되지만 고체 성분은 시료 표면에 퇴적합니다.
이 현상에 의해 Ion Beam 조사 영역에 대해 선택적으로 Mask Deposition을 실시할 수가 있습니다.
SIINT에서는 Deposition의 원료인 화합물 가스를 Ion Beam 조사 영역의 주변에 효율적으로 공급하기 위해 화합물 가스 공급 장치를 개발해서 제품화했습니다.