FIB란 무엇인가?FIB의 기본 원리,FIB의 기본 원리(QRT시스템)

TEST관련자료/기타시험, 분석

2021. 9. 4. 21:58

FIB(Focused Ion Beam) 소개

다양한 분야(반도체, 바이오, 로봇, 섬유, 디스플레이, IoT 등)에서 새로운 가치를 창출하는 기반 기술로 나노기술이 각광을 받고 있다. 나노기술의 발전과 함께 다양한 나노소재(나노와이어, 나노입자, 나노튜브, 폴리머체인, 나노박막, 나노입계 등)가 개발되고 있으며, 이러한 소재의 물성 측정 및 평가 필요성이 증가하고 있다. 나노소재 고유의 결정구조, 입자크기 및 형상은 물성을 예측하는데 기본이 되는 중요한 특성이며, 이러한 물성 특성을 파악하기 위해 다양한 분석 장비를 이용하고 있다. 특히 나노크기의 이미징 뿐만 아니라 집속빔을 이용한 밀링 및 증착 기능을 보유하고 있어 나노크기의 조작 및 가공이 가능한 집속이온빔 시스템 FIB(Focused Ion Beam)에 대해 소개하려고 한다.

FIB의 기본 원리

FIB 장치를 최초로 개발한 것은 1977년경 반도체의 마이크로 디바이스를 목표로 한 미국 Hughes 연구소의 R. L. Seliger이며, 당초 마스크 없는 이온주입을 할 목적으로 Duo-Plasmatron형 이온 원으로부터 이온 빔을 집속하여 시료의 미소영역에 선택적으로

조사하는용도로 개발되었다. 그리고 일본에서도 역시 1981년부터 일본전자㈜에서 마스크 없는 이온주입용 FIB 장치개발에 착수하고, 정부의 대형프로젝트로 추진하였다. 특히 Ga+ (융점 29.8 ~ 2175 ℃) Source를 이용한 액체금속이온 소스(Liquid Metal Ion Source, LMIS)의 개발로 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB) 장치는 고도의 정밀도를 요구하는 반도체를 비롯하여 전자, 통신, 의료, 바이오 등 여러 분야의 수요로 인해 빠른 성장을 보여왔다.

FIB 장치는 주로 매우 가늘게 집속한 이온 빔을 시료표면에 주사(Scanning)하여 발생한 전자/이온을 검출하여 현미경상을 관찰하거나 시료표면을 가공하는 용도로 쓰인다. 우선 액체금속이온 소스에서 발생한 이온을 어퍼처(Aperture)와 집속렌즈(Condenser Lens)로 집속시켜 빔을 만든다. 다음에 대물렌즈(Objective Lens)로 시료표면에 초점을 맞추고 집속 된 이온 빔을 시료에 입사시킨다. 이렇게 입사된 빔에 의해 그림 2.와 같은 현상들이 일어나게 되고, 이중 어느 한 경우를 이용하여 FIB 장비의 기본 3가지 운영 모드를 만든다.

1) FIB 이미징(Imaging)

시료에 빔이 주사될 때 시료에서 튀어나오는 입자로서 이온과 전자가 있다. 이것을 이차이온(Secondary Ion) 그리고 이차전자(Secondary Electron)라 한다. 이러한 2차 신호를 센서로 검출하고, 2차 신호에 대응한 데이터를 빔 조사위치좌표에 대응한 화상데이터를 메모리에 기억시킨다. 이 데이터를 컴퓨터 화면에 표시하여 빔을 조사한 영역의 현미경상을 관찰할 수 있다.

2) FIB 밀링(Milling)

FIB Source에 높은 가속전압을 가해 이온을 발생 시키고 전계(Electric Field)를 이용하여 이를 조절하여 이온을 선택적 영역에 일정한 세기로 주사하여

시료의 원하는 부분(넓이, 깊이)을 가공하는 것을 말한다.

3) FIB 식각/증착 (Etching/Deposition)

이온빔 조사로 스퍼터링된 원자의 양을 증가시켜 시료표면을 에칭하고, 화합물가스를 시료표면의 이온빔조사영역 근처에 불어넣어 국소적으로 증착을 할 수 있다. 1차 이온을 시료에 조사하면 2차 전자가 발생한다. 이 2차 전자가 화합물가스의 분해에 기여하고, 화합물가스가 기체성분과 고체성분으로 분리한다. 기체성분은 진공 배기되지만, 고체성분은 시료표면에 증착한다.

[그림 2. Ion-Solid Interaction]

FIB의 기본 원리

1) 회로수정

FIB의 식각/증착(Etching/Deposition)을 이용하여 반도체의 Metal Line을 자르거나 연결하여 회로를 수정하는 것을 말한다. 특히 새로운 설계 적용을 포토 마스크와 웨이퍼 공정을 수행하지 않고도 디바이스의 오류를 수정할 수 있다.

2) FIB Cross Section

FIB의 밀링(Milling)을 이용하여 특정 부위 및 특정한 위치의 Defect에 대한 단면을 가공하고, FIB or SEM으로 이미지를 관찰하여 불량분석에 유용하게 사용된다. 특히 EDS 장비를 이용하여 지정된 영역에 대해 성분분석도 가능하다.

3) TEM Sampling

FIB의 밀링(Milling)을 이용하여 TEM 관찰을 하고자 하는 부위에 대하여 수십 nm 두께의 박막을 제작하여 TEM 관찰이 가능한 시편을 제작할 수 있으며, 특히 저 가속 전압 이온 빔을 이용하여 damage layer를 최소화하여 TEM 시편을 제작할 수 있다.

4) Ion Channeling Contrast

주사 이온 빔에서 얻어지는 이미지의 특징으로 숨겨진 입자를 찾는데 유용하며, 특히 금속 박막의 Grain 관찰 및 측정에 유용할 수 있다.

5) 3D 나노구조 형성

3차원 CAD를 FIB 장비와 연동하여 FIB의 식각/증착(Etching/Deposition)을 이용하여 3D 나노구조물을 형성할 수 있으며, 다양한 나노기술을 응용한 디바이스와 시스템을 형성할 수 있는 토대가 될 것으로 전망하고 있다.

QRT만의 탁월한 FIB 서비스 3가지

QRT에서는 회로수정 전용으로 사용하는 V400ACE 장비와 FIB 단면분석, EDX 성분분석 및 TEM Sampling이 가능한 Dual FIB XVISION200 장비를 보유하고 있습니다. 특히 다음과 같은 QRT만의 탁월한 FIB 서비스 3가지를 제공하고 있습니다.

1) 구리(Cu) 배선 회로수정

반도체 금속 배선을 구리(Cu)를 사용하고 제품에 대해 회로수정을 할 경우, 기존의 알루미늄(Al) 배선과는 달리 식각/증착(Etching/Deposition) 시 구리(Cu) 물질이 재증착(Re-deposition)되어 회로수정 작업의 성공률이 낮다. 하지만 큐알티만의 Know-how와 구리(Cu) 배선 수정 전용 장비를 이용함으로써 높은 성공률의 회로수정을 서비스할 수 있다.