SIMS (이차이온 질량분석기, Secondary Ion Mass Spectrometry)

들어가는 글

doping 공정 (diffusion 공정, ion implantation 공정)에서는 주입한 dopant(불순물)의 양이 어느 정도 되는지 Dose량을 측정하여 판단한다. 이 Dose량을 측정하기 위해서는 SIMS(이차이온 질량분석기 Secondary Ion Mass Spectrometry)라는 장비가 필요한데, 이번 포스팅에서 SIMS 장비가 무엇인지 알아보도록 하겠다.

SIMS (이차이온 질량분석기, Secondary Ion Mass Spectrometry)란?

SIMS는 Secondary Ion Mass Spectrometry의 약자로, 이차이온 질량분석기이다. SIMS는 ion beam으로 시료 표면에 충격을 가한 뒤, 시료 표면에서 발생한 2차 이온의 질량을 분석하여 극미량 이온의 깊이 정보 등을 검출하는 장비이다. SIMS는 표면 분석의 3대 분석 장비 중 하나로 꼽히기도 한다.

SIMS 사용 이유

도입부에서 언급했듯, SIMS는 doping 공정 수준을 판단하기 위해 사용된다. 주입한 dopant(불순물)의 정확한 양을 파악할 수 있고, 시료 깊이에 따른 dopant 분포를 살펴볼 수 있다. ion implantation 장비의 오염 물질을 찾아내는 역할도 한다. 여기서 ion implantation 장비의 오염 발생 원인을 살펴보면 다음과 같다. 진공이 풀리거나 부적절한 순도의 source를 사용했을 때 발생하는 ion source 오염, 질량 분석 전후로의 오염물질 발생, 공정 후 잔류 기체, 외부 물질로 인한 end station 쪽의 오염이 있다.

SIMS 측정 원리

SIMS (이차이온 질량분석기, Secondary Ion Mass Spectrometry) 개략도

질량이 큰 이온 (O2+, O-, Cs+, Ar+, Ga+ 등)으로 구성된 ion을 화학 반응 없이 물리적으로 가속만 시켜 ion beam 형태로 시료 표면에 bombarding(폭격)시킨다. ion beam으로 인해 충격을 받은 시료 표면에서 2차 이온이 발생한다. 발생한 2차 이온을 SIMS 장비 내 magnetic field로 포획한다. 이때 이온을 포획하는 과정에서 이온마다 회전하는 반경이 다르기 때문에 (회전 궤도의 반지름이 다르기 때문에) 원하는 이온만 포획할 수 있다. 포획한 이온을 분석해 시료의 어느 깊이까지 dopant가 분포하는지 그래프로 시각화한다. mass 스펙트럼으로 표시되기 때문에, 여러 이온의 양과 깊이 정보를 독립적으로 분석할 수 있다.

SIMS 특징

SIMS 측정을 위해 시료를 절단하는 파괴 방식이라는 특징이 있다. 주기율표 상 모든 원소를 검출할 수 있다는 장점이 있다. ppm~ppb 수준에 달하는 극미량 성분도 검출 가능하다. ion beam 형성을 위해서 수십~수백keV에 달하는 큰 에너지가 필요하다는 특징이 있다.

시료 깊이에 따른 여러 dopant의 도핑 농도