KR100427113B1 - 전기제어식기하학적필터,이러한필터를갖춘이온에너지분석기및기하학적필터의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기하학적 필터링 특성이 전기적으로 제어되는 마이크로 채널판을 구비하는 이온 에너지 분석기에 대한 것으로서, 이 분석기는 금속 콜렉터, 제어 그리드 및 마이크로 채널판을 포함하고, 이들은 모두 실린더형으로 적층되며, 상기 콜렉터, 구별기 (제어) 그리드 및 마이크로 채널판은 세라믹 절연 와셔에 의해 분리되며, 제어 엘리먼트는 각각의 홀의 임계각을 제어하기 위해 마이크로 채널판의 각각의 홀 내에 형성되며, 전기장이 각각의 마이크로 채널 내에서 형성되도록 전압이 제어 엘리먼트에 가해지며, 전기장의 크기를 변화시킴으로써, 마이크로 채널판의 임계각이 전기 제어될 수 있고, 특정 이온 궤적은 이온 에너지 분석기로 유입되도록 선택될 수 있다.

Description

전기 제어식 기하학적 필터, 이러한 필터를 갖춘 이온 에너지 분석기 및 기하학적 필터의 제조방법
본 발명은 반도체 웨이퍼 가공 시스템용 시험 및 측정 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 전기 제어식 기하학적 필터를 갖춘 이온 에너지 분석기에 관한 것이다.
이온 에너지는 반도체 가공 시스템 내의 반응 챔버에 의해 가두어진 플라즈마의 중요한 변수이다. 반도체 에칭 가공을 하는 동안, 이온 에너지는 에칭의 선택성, 에칭 속도 균일성 및 잔류물 제어에 영향을 미친다. 이 변수는 에칭 가공 공정에서 중요하기 때문에, 반응 챔버 내의 주어진 위치에서의 에너지의 측정은 반도체 웨이퍼를 가공함에 있어서, 플라즈마의 작용을 특성화하는데 중요하다.
이온 충격이 웨이퍼의 표면에 수직으로 향하게 한 상태에서, 플라즈마 에칭은 웨이퍼 표면의 이방성 에칭을 생성하는 것이 일반적이다. 이방성 에칭 이외에도, 상기 웨이퍼의 표면에 인접한 이온 향상 화학반응(ion enhanced chemical reaction)의 결과로서, 자발적 화학 가공이 웨이퍼의 등방성 에칭을 이루는 것이 일반적이다. 이와 같이, 플라즈마 에칭 가공을 하는 동안 상기 이온은 상기 웨이퍼의 격자 구조 또는 웨이퍼의 표면 상의 반응 종에 에너지를 가한다. 에칭 속도 균일성 뿐만 아니라 에칭 수율은 이온 충격 각도 및 충격 이온의 에너지의 함수이다. 이에 따라, 이온 에너지 및 웨이퍼 표면에 대한 이온 궤적의 각도가 플라즈마를 특성화하기 위해 중요하다. 이에 따라서, 플라즈마 에칭 가공에서 상기 플라즈마를충분하게 특성화하기 위해서는, 에칭하는 동안 웨이퍼 표면을 가격하는 이온의 에너지와 각도 분포의 양을 정할 필요가 있다.
이온 에너지 분석기는 반도체 웨이퍼를 위한 지지체 구조물에 삽입되는 것이 일반적인데, 예컨대 지지체 구조물은 웨이퍼 척(chucks), 서셉터(susceptor) 또는 웨이퍼 받침대(pedestal)로서 공지되어 있다. 이온 에너지 분석기는 플라즈마 내에서 이온의 에너지 특성을 결정하기 위한 널리 공지된 장치이다. 전형적인 그리드 이온 에너지 분석기에 관한 상세한 것은 1982년 7월에 "신규한 방향성 이온 에너지 분석기(Novel Directional Ion Energy Analyzer)" 란 제목으로 알. 엘. 스텐젤(R. L. Stenzel) 등이 쓴 Rev. Sci Instrum 53(7)의 페이지 1027-1031의 내용에 개시되어 있다. 여기에 공지되어 있는 종래의 그리드 이온 에너지 분석기는 금속 콜렉터(collector), 제어 그리드, 및 플로팅 그리드를 포함하는데, 이들은 모두 콜렉터와 각각의 그리드가 세라믹 절연 와셔에 의해 분리된 실린더형으로 적층되어 형성된다. 특히, 상기 콜렉터는 음으로 바이어스된 금속 디스크이다. 상기 음극 바이어스는 콜렉터로부터 전자를 배척하고, 그리고 콜렉터로 이온을 끌어들인다. 상기 제어 그리드는 양으로 바이어스되어, 양의 바이어스를 초과하지 않는 에너지를 갖는 이온이 상기 분석기에 의해 거부된다. 이와 같이, 상기 제어 그리드는 특정한 에너지 레벨보다 더 큰 에너지 레벨을 갖는 수집을 위한 이온을 선택하고 다른 모든 것을 거부하는데 사용된다. 바이어스되지 않은(플로팅) 그리드는 바이어스되지 않을 때의 반도체 웨이퍼 표면을 시뮬레이팅하는 메시 스크린이다.
작동시, 상기 받침대 내에 들어 있는 이온 에너지 분석기는 웨이퍼를 받침대위에 놓기 전에 또는 특히 플라즈마에 에너지 분석기를 노출시키는 개구부를 구비한 특별히 설계된 웨이퍼가 받침대 위에 놓였을 때 이온 에너지를 측정하는데 사용된다. 일단 챔버 내에 플라즈마가 형성되면, 제어 그리드 바이어스를 초과하는 에너지를 구비한 이온은 콜렉터 판에 의해 수집되고 콜렉터 판에 연결된 전류계 내에 전류를 형성한다. 플라즈마의 이온 에너지는 제어 그리드 바이어스를 조정하고 그리고 전류계에 의해 측정된 전류를 모니터링함으로써 결정된다.
이온 에너지 분석기가 특별한 궤적을 갖는 이온을 포착하도록 고정된 기하학적 필터링을 제공하기 위해, 전술한 이온 에너지 분석기 내에서 플로팅 그리드 대신에 마이크로 채널판이 제공된다. 일반적으로 마이크로 채널판은 판을 관통하여 고정된 패턴으로 형성된 다수의 모세형 채널을 포함한다. 이러한 마이크로 채널판은 이온 에너지 분석기 안으로 각각의 통로에 대해 깊이를 제공하고 이와 같이 이온 궤적을 구별하며, 판이 더 두꺼울수록, 분석기는 기하학적으로 더 구별되고 유입 이온이 분석기에 받아들여지는 각을 더 좁히게 된다.
더 상세하게는, 상기 채널판은 상기 채널판을 관통한 벌집형 패턴으로 형성된 (마이크로 채널 또는 마이크로 모세관으로 알려진) 다수의 홀을 구비한 유리로 제조된다. 특히, 판의 두께 및 마이크로 채널의 지름은 주어진 마이크로 채널의 장축으로부터 측정된 임계각을 한정한다. 임계각보다 큰 궤적 각도로 마이크로 채널에 진입하는 이온은 마이크로 채널의 벽에 부딪히고, 이은 에너지 분석기에 유입되지 않는다. 반면에, 임계각보다 작은 궤적 각도를 갖는 이온은 추가의 구별을 위해, 예컨대 구별기 그리드에 의한 에너지 구별을 위해 분석기 내로 통과된다. 이온에너지 분석기 내에 마이크로 채널판을 사용하는 종래 기술에서, 각각의 마이크로 채널은 약 0.6도의 임계각을 한정하는 0.6밀리미터의 길이와 0.015밀리미터의 지름을 갖는다. 1982년 7월에 "신규한 방향성 이온 에너지 분석기(Novel Directional Ion Energy Analyzer)"란 제목으로 알. 엘. 스텐젤(R. L. Stenzel) 등이 쓴 Rev. Sci Instrum 53(7)의 페이지 1027-1031를 참조하라. 물론, 실린더형 홀에 대해, 임계각은 구면각이다. 선택적으로, 마이크로 채널은 상기 판의 표면에 대해 (수직과는 다른) 각도로 형성되어 특정 궤적 각도에 임계각을 더하거나 뺀 값을 구비한 이온이, 측정을 위해 기하학적으로 선택된다. 더욱이, 이온이 이온 에너지 분석기 내로 수용되는 각도를 바꾸기 위해 전체 이온 에너지 분석기는 특정한 궤적 각도를 갖는 특정 이온을 선택하도록 물리적으로 회전될 수도 있다.
이온 궤적 각도에 관하여 이온 에너지를 결정하는 다른 종래기술의 이온 에너지 분석기에서, 상기 분석기 내에 제어 그리드와 콜렉터 판은 오목한 형상을 갖는다. 1990년 8월 15일에 "알 에프 플라즈마의 이온 충격(Ion Bombardment in R. F. Plasmas)"란 제목으로 제이. 리우(J. Liu) 등이 쓴 J. Appl. Phys. 68(6)의 페이지 3916-3933을 참조하라. 이러한 종래기술의 이온 에너지 분석기에서, 상기 콜렉터 판은 다수의 중심 전도체 링으로서 형성되는데, 여기서 각각의 링은 특별한 링에 가해지는 이온의 에너지를 각각 측정할 수 있다. 상기 콜렉터와 제어 그리드의 오목 형상 때문에, 특정한 궤적 각도를 갖는 이온이 특정한 콜렉터 링에 부딪힌다. 이와 같이, 다수의 이온 에너지 레벨은 각각의 링에 대해서 측정될 수 있고 각각의 링에서 측정된 이온 에너지는 특정 궤적 각도에 대한 이온 에너지를 나타낸다. 이에 따라서, 상기 이온 에너지 분석기는 특정한 이온 궤적 각도에서 다수의 이온 에너지를 측정한다. 이에 따라서, 상기 분석기는 궤적 각도에 따른 이온 에너지 분포를 결정한다. 종래기술의 분석기에서, 상기 콜렉터와 제어 그리드의 물리적 오목 형상은 임계각을 한정한다.
각각의 종래기술의 이온 에너지 분석기에 있어서, 이온 각도 궤적의 선택은 상기 분석기의 물리적 이동 또는 상기 분석기의 물리적 설계에 의해 이루어진다. 바람직하지 않게도, 상기 분석기의 물리적 운동은 정확한 제어를 곤란하게 하고, 그리고 궤적 측정을 불안정하게 할 수 있다. 다양한 궤적에서 이온을 측정할 수 있는 분석기의 물리적 설계는 전형적으로 복잡하고 고가인 이온 에너지 분석기들이다. 이에 따라, 종래기술에서는 이온 분석기가 측정을 위해 다양한 궤적의 이온을 전기적으로 선택하는 이온 에너지 분석기가 필요하게 되었다.
이에 따라 종래기술과 관련된 이러한 단점들은 전기적으로 제어되는 기하학적 필터를 구비한 본 발명의 이온 에너지 분석기에 의해 극복된다.
특히 본 발명은 마이크로 채널판의 기하학적 필터링 특성이 전기적으로 제어되는 마이크로 채널판을 구비한 이온 에너지 분석기에 관한 것이다. 이온 에너지 분석기는 금속 콜렉터, 제어 그리드 및 마이크로 채널판을 포함하는데, 이들은 모두 실린더형으로 적층되며, 상기 콜렉터, 구별기 (또는 제어) 그리드 및 마이크로 채널판은 세라믹 절연 와셔(환형 절연체)에 의해 분리된다. 특히, 상기 콜렉터는 음으로 바이어스된 금속 디스크이다. 상기 음의 바이어스는 상기 콜렉터로부터 전자를 방출시키고 이온을 콜렉터로 끌어당긴다. 상기 구별기 그리드는 양으로 바이어스되어, 양의 바이어스를 초과하지 않는 에너지를 가진 이온이 상기 분석기에 의해 거부된다. 이와 같이, 상기 구별기 그리드는 특정 에너지 레벨보다 더 큰 에너지 레벨을 가지는 이온들을 수집하기 위해 선택하고 다른 모든 것을 거부하는데 사용된다. 마이크로 채널판 내에서의 각각의 마이크로 채널은 제어 엘리먼트가 장착되어 있다. 제어 엘리먼트가 마이크로 채널판 내의 각각의 마이크로 채널 내에 전기장을 형성하도록 상기 제어 엘리먼트에 전압이 가해진다. 상기 전기장의 크기는 각각의 마이크로 채널의 임계각을 제어한다.
본 발명의 제 1 실시예에서, 본 발명의 제어 엘리먼트는 마이크로 채널판 내의 각각의 마이크로 채널의 벽을 전도성 재료로 부분적으로(반실린더형으로) 도금(plating)하여 이루어진다. 마이크로 채널의 도금되지 않은 부분과 도금된 부분 사이에 전기장이 형성되도록 마이크로 채널의 도금된 부분에 바이어스 전압이 가해진다. 전기장의 크기를 바꿈으로써, 마이크로 채널판의 임계각이 전기적으로 제어될 수 있고, 특정한 이온 궤적이 이온 에너지 분석기로 유입되도록 선택된다. 그 결과, 부분적으로 도금된 마이크로 채널판은 이온 에너지 분석기를 위한 전기 제어식 기하학적 필터를 형성한다.
선택적으로, 본 발명의 제 2 실시예에 있어서, 마이크로 채널판을 관통하는 각각의 실린더형 마이크로 채널은 각각의 마이크로 채널 내에 동축으로 위치된 실린더형 전도성 로드를 포함한다. 각각의 전도성 로드는 로드와 상기 마이크로 채널의 벽 사이에서 전기장을 형성하기 위해 전압에 의해 바이어스된다. 상기 전기장의 크기는 마이크로 채널의 임계각과 전체로서 이온 에너지 분석기의 임계각을 제어한다. 본 발명의 제 2 실시예는 각(angular) 이온 에너지 분포를 방위각으로 통합하여 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예를 사용하여 에너지 분석기가 측정하고자 하는 이온 궤적 각도를 전기적으로 선택할 수 있다. 이에 따라, 이온 에너지 분석기의 물리적 이동 또는 물리적 변경이 상기 플라즈마 내에서 이온을 선택적으로 기하학적으로 필터링할 필요가 없다.
본 발명은 첨부된 도면과 다음의 상세한 설명에 의해 더 용이하게 이해될 수 있다.
제 1도에 기판(102) 상에 지지된 이온 에너지 분석기(100)의 단면을 도시하였다. 제 2도는 제 1도의 이온 에너지 분석기(100)에 포함된 마이크로 채널판(104)의 부분 단면을 도시한 것이다. 본 발명을 용이하게 이해하기 위해서는 제 1도와 제 2도를 동시에 참조하여야 한다.
특히 상기 기판(102)은, 상기 반도체 가공 시스템 내에서 반도체 웨이퍼와 대체되는 반도체 웨이퍼와 같은 크기의 양극 처리된(anodized) 알루미늄 디스크인 것이 일반적이다. 특히, 상기 기판은 지름 및 두께는 반도체 웨이퍼와 동일하여, 그 하부면이 상기 가공 시스템 내에서 척 또는 웨이퍼 받침대에 설치될 수 있다. 상기 척은, 반도체 웨이퍼가 플라즈마로부터의 이온 충격을 받는 위치와 같은 위치에서, 기판이 동일한 이온 충격을 받도록, 기판을 가공 시스템 내에 지지한다. 이로써, 상기 기판에 부착된 임의의 측정도구는 반도체 웨이퍼의 경우와 유사하게 생성된 가공 시스템 내의 환경을 측정한다. 본 발명에서 사용될 수 있는 예시적인 반도체 웨이퍼 가공 시스템은 미국 캘리포니아 산타 클라라의 어플라이드 머티어리얼스사에서 제작된 모델 센츄라 DPS(Centura DPS)금속 에칭 시스템이다.
상기 플라즈마 내의 상기 이온 에너지를 충분히 특성화하기 위해서는, 상기 기판은 다수의 이온 에너지 분석기(100)를 지지하는 것이 일반적이다. 그밖에도, 본 출원의 양수인과 동일하고 본 명세서에서 참조로 포함된 1994년 10월 31자로 출원된 "반도체 웨이퍼 가공 시스템용 복합 진단 웨이퍼"란 제목의 미국 특허출원 제 08/331,836호에 기재된 바와 같이, 상기 기판은 복합 진단 웨이퍼를 형성하도록 하나 이상의 이온 에너지 분석기와 하나 이상의 전류 프로브를 지지할 수도 있다. 이러한 장치에 있어서, 상기 분석기와 프로브는 상기 플라즈마의 특성이 상기 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 최적으로 측정될 수 있도록 소정의 배열로 위치된다.
더 상세하게, 콜렉터(116)는 접착물을 사용하여 기판(102)에 부착된다. 상기 콜렉터는 텅스텐 또는 스테인레스강과 같은 전도성 재료로 이루어진 디스크이다. 상기 콜렉터는 조정 가능한 음극 전위로 콜렉터를 바이어스시키기 위해 와이어(도시되지 않았음)에 의해 전압원에 각각 접속된다.
콜렉터(116) 상단에는 개구부(122)를 포함하는 환형의 절연체(114)가 위치된다. 상기 개구부는 상기 콜렉터의 지름보다 약간 작은데, 예컨대 상기 개구부의 지름은 대략 0.2 내지 0.4인치이다. 환형의 절연체는 상기 콜렉터의 외부 에지에 얹혀 있기 때문에, 환형의 절연체는 상기 콜렉터의 두께만큼 상기 기판의 표면으로부터 이격되어 있다. 보통 텅스텐 또는 스테인레스강 와이어 메시 또는 에칭된 니켈 박막으로 제조된 제 2 전자 반발 그리드(112)는 상기 절연체(114) 위에 위치된다.상기 그리드는 두께가 약 4밀리미터이며, 인치 당 약 200라인의 메시를 포함한다. 상기 개구부(122) 내에서는, 제 2 전자 반발 그리드가 상기 콜렉터에 대해 평행하게 이격되어 떨어져 있다. 에너지 분석기(100)의 다른 부품 뿐만 아니라 그리드 및 절연체는 접착물에 의해 서로 부착된다. 선택적으로, 분석기의 구성 부품들은 서로 고정되거나 또는 나사식으로 고정된다.
제 2 전자 반발 그리드(112)가 이 실시예에 기술되었지만, 그리드와 그리드의 지지 절연체(114)는 실제로는 선택적이다. 제 2 전자 반발 그리드는 높은 이온 에너지, 예컨대 10eV보다 큰 에너지를 나타내는 에너지 분석기에서만 사용되는 것이 일반적이다. 이와 같이, 본 발명은 높은 이온 에너지 환경에서 사용될 수 있다. 그러나, 만약 본 발명이 낮은 이온 에너지 환경에서 사용되는 경우에, 당업자는 제 2 전자 반발 그리드와 그 지지 절연체가 에너지 분석기에 결합될 필요가 없다는 것을 알 것이다.
제 1도 및 제 2도에 기술된 실시예에 의하면, 다른 (두 번째) 환형 절연체(110)는 제 2 전자 반발 그리드(112)의 상단에 적층된다. 상기 절연체(110)는 제 2 전자 반발 그리드 절연체(114) 내의 개구부(122)와 동축으로 배열된 개구부(120)를 구비한다. (제어 그리드로서 공지된) 구별기 그리드(discriminator grid; 108)는 절연체(110)의 상단에 놓인다. 상기 구별기 그리드는 보통 텅스텐 또는 스테인레스강 와이어 메시 또는 에칭된 니켈 박막에 의해 제조된다. 제 3 환형 절연체(106)는 구별기 그리드(108)의 상단에 위치된다. 제 3 환형 절연체(106)는 하부에 위치된 절연체(110 및 114) 내의 개구부(120 및 122)와 동축으로 배열된 개구부(118)를 포함한다. 에너지 분석기를 완성시키기 위해서, 마이크로 채널판(104)이 제 3 절연체(106) 상에 놓인다. 일반적으로 이러한 판은 판을 통해 벌집형 패턴으로 형성된 다수의 홀(124)(또는 마이크로 채널)을 구비한 유리로 제조된다. 마이크로 채널은 일반적으로 실린더형이지만, 다른 형태 예컨대 정사각형, 직사각형, 타원형, 다각형 등이 될 수 있다. 이러한 마이크로 채널판을 사용하여, 기하학적 필터로 알려진 궤적의 구별 구성부(trajectory discrimination scheme)가 제공된다.
특히, 판의 두께 및 마이크로 채널 지름은, 주어진 마이크로 채널의 장축(128)으로부터 측정된 임계각(126)을 한정한다. 주어진 마이크로 채널에 상기 임계각보다 큰 궤적 각도로 진입하는 이온은, 마이크로 채널의 벽에 충돌하고 이온 에너지 분석기로 유입되지 않는다. 반면, 임계각보다 작은 궤적 각도를 갖는 이온은 구별 그리드에 의해 추가로 구별(에너지 구별)시키기 위해 분석기로 통과된다. 물론, 실린더형 홀에 대해, 임계각은 상기 주어진 마이크로 채널의 장축의 중앙에 있는 구면각이다.
임계각을 제어하기 위해, 각각의 마이크로 채널 내에 제어 엘리먼트가 조립된다. 특히, 상기 각각의 마이크로 채널 벽의 반실린더형 부분(200)은 알루미늄과 같은 전도성 재료로 도금된다. 벽(200)의 도금된 반실린더형 부분은 전압원(도시되지 않았음)에 접속된다. 작동시, 전하는, 플라즈마가 생성되는 동안 형성된 RF장으로 인해 유리 마이크로 채널 판의 표면에 축적된다. 마이크로 채널의 도금 벽(200)에 DC 바이어스 전압을 인가함으로써, 각각의 마이크로 채널 내에서 도금 벽(200)과 비도금 벽(202) 사이에서 전기장(E)이 형성된다. 상기 판 상에 전하와 관련한 DC 바이어스 전압을 조정하여 상기 마이크로 채널의 임계각을 바꾸도록 전기장의 크기를 변화시킨다. 전압 조정에 응답하여, 마이크로 채널은 이온 에너지 분석기에 유입되도록 선택된 임계각 이내의 궤적을 갖는 이온을 선택한다. 각각의 마이크로 채널내에서, 상기 전기장은 바이어스 전압을 변경시킴으로써 다양한 이온 궤적 각도가 상기 마이크로 채널의 물리적 크기에 의해 한정된 임계각 내에 있게 선택될 수 있도록 실질적으로 (궤적을 굴곡시켜서) 이온의 궤적을 변경시킨다. 본 발명의 실시예에 있어서, 선택된 궤적 각도는 (평면(204)로 지시된) 전기장의 평면 내에서 마이크로 채널의 장축과 관련된 각도이다. 각도의 선택은 단일 방향 즉, 전기장 평면 내에 있게 된다.
특정 전압이 가해지는 마이크로 채널의 임계각은 상기 이온의 에너지에 따라 좌우되는데, 예컨대 상대적으로 높은 에너지를 갖는 이온은 주어진 전기장 내에서 상대적으로 낮은 에너지 레벨을 갖는 이온 보다 적게 굴곡된다. 따라서, 이온 에너지와 이온 궤적 각도를 정확하게 측정하기 위해서는, 에너지와 각도를 풀어써야(deconvolve) 한다. 전기장의 평면 내에서 임의의 3차원 작용을 무시하면, 에너지와 각도는 일반적으로 (전기장이 Z-X면 내에 있고, 이온이 Z-X면 내에서 이동된다고 가정하면) 하기 방정식과 같이 서로 관련된다.
α= Z-X면 내의 임계각
Ei= 이온 전체 에너지 (eV)
V = 마이크로 채널에 걸친 전압
d = 마이크로 채널의 지름
h = 마이크로 채널의 높이(길이)
제 1 식을 사용하여, 특정 전압(V)에 대한 임계각을 주어진 이온 에너지(Ei)에 대해 계산할 수 있다. 이에 따라, 이온 에너지 및 이온 궤적의 각도 분포가 결정될 수 있다. 식(1)은 이온 궤적 각도 및 이온 에너지를 풀어쓰기 위한 단순한 예시적인 방법이다. 당업자라면 변형을 위한 많은 다른 복잡한 방법이 유용하고, 그리고 이러한 다른 방법을 사용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있음을 알 수 있을 것이다.
제 3도는 전기 제어식 기하학적 필터를 형성하는 마이크로 채널판(302) 내의 마이크로 채널(300)의 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서, 제어 엘리먼트를 형성하기 위해, 각각의 마이크로 채널은 상기 마이크로 채널판을 통과하는 실린더형 홀이다. 이들과 동축으로 전도성 로드(304)가 각각의 실린더형 홀 내에 있다. 상기 로드(304)는 지지 부분(306)에 의해 한 단부에서 지지된다. 상기 지지 부분은 콘덕터(308)를 에워싸는 절연체이다. 상기 콘덕터는 상기 로드의 한 단부에 접속된다. 이와 같이, 상기 콘덕터는 상기 로드에 바이어스 전압을 공급한다. 작동시, 전기장이 전도성 로드와 상기 마이크로 채널의 내부 벽 사이에서 방사형으로 형성되도록 상기 콘덕터(308)에 의해 DC 바이어스 전압이 전도성 로드(304)에 가해진다. 분석기의 동작 동안, 전하는 플라즈마를 형성하는 동안 사용된 RF 장으로 인해 유리 마이크로 채널판의 표면에 축적된다. 상기 판의 하전된 표면과 관련하여 DC 바이어스 전압의 크기를 조정함으로써 상기 전기장의 크기는 임계각을 바꾸도록 조정된다. 이 실시예에 있어서, 전기장은 방사형 전기장이기 때문에, 임계각은 구면각이다. 상기 이온 에너지로부터 이온 궤적 각도를 풀어쓰기 위해, 식 (1)이 구면 좌표계를 수용하도록 변형될 수 있다.
제 4도는 에너지 분석기(100)를 바이어스시키는데 사용되는 회로(400)의 개략도이다. 상기 마이크로 채널판(104)은, 반도체 웨이퍼의 표면이 상기 반응 챔버 내에서 척을 바이어스시키는 RF 에너지에 노출되어 DC 바이어스를 축적하는 것과 동일한 방법으로 바이어스를 축적시키도록 바이어스되지는 않는다. 몇 가지 이유로 상기 판이 반도체 웨이퍼의 표면을 시뮬레이팅하도록 적절한 바이어스를 축적시키지 않는다면, 전압 VREF는 판을 정확히 바이어스시키는데 사용될 수 있다. 구별기 그리드(108)는 보통 전압원(V1)으로부터 램핑된(ramp) DC 전압만큼 전압 VREF와 관련하여 양극으로 바이어스된다. 상기 램핑된 전압은 보통 0 볼트에서 시작하여 상기 웨이퍼 상의 예상된 DC 바이어스와 척을 바이어스시키는데 사용되는 RF 전압의 진폭을 더한 합계보다 더 큰 전압에서 마무리되는 진폭을 갖는다. 스위핑(램핑)된(swept(ramped)) 구별기 그리드 전압을 가짐으로써, 측정 도구는 이온 에너지 분포를 결정한다. 물론, 다른 전압 파형이 램핑된 전압 이외에 구별기 그리드에 가해질 수도 있다.
제 2 전자 반발 그리드(112)는 콜렉터보다 다소 큰 음전압으로, 보통 약 -200볼트(VBIAS)로 바이어스된다. 제 2 전자 반발 그리드 상에서 이러한 바이어스를 가짐으로써, 이온이 콜렉터를 가격함에 따라 콜렉터로부터 방출된 전자는 그리드(112)에 의해 콜렉터의 반대 방향으로 반발된다. 각각의 그리드는 커패시터(C1)에 의해 콜렉터에 연결되어 그리드가 콜렉터에 RF 연결되도록 한다. 인덕터(L)와 커패시터(C2)의 각각의 조합은 저역 필터를 형성하여 RF 에너지가 측정 장치(예컨대 전류계(A) 또는 파워 서플라이(예컨대 VBIAS, VREF및 전압원 V1및 V2))에 영향을 미치는 것을 방지한다.
콜렉터(116)에 의해 수집된 이온은 상기 콜렉터에 접속된 와이어에서 전류를 유발한다. 이온의 에너지 분포를 결정하기 위해서는, 전류 분석도구(예컨대 전류계 (A))가 저역 필터(402)를 통해 콜렉터(116)에 접속된다. 상기 구별기 그리드(112) 상의 전압이 스위핑됨에 따라, 상기 콜렉터(116)는 전압 V2에 의해 형성된 임계각 내에 있고 구별기 그리드에 의해 생성된 반발력을 극복하는 에너지 레벨을 갖는 이온만을 수집할 수 있다.
각각의 마이크로 채널판 내의 채널은 저역 필터(404)를 통과한 전압 V2에 의해 바이어스된다. 이 전압은 전압 VREF보다 더 큰 200mV 내지 1볼트 정도이다. 이러한 비교적 작은 전압 레벨은 이온이 상기 마이크로 채널을 통과함에 따른 전체 이온 에너지의 변화를 작게 하기 때문에 중요하다. 이에 따라, 측정된 이온 에너지 레벨은 전기 제어식 기하학적 필터를 사용함으로써 현저하게 변화되지 않는다.
본 발명을 사용함으로써, 이온 궤적 각도는 특정한 이온 궤적 각도를 선택하기 위해 분석기의 위치를 물리적으로 변경시키지 않고서도 정확하게 선택될 수 있다. 특히, 본 발명은 다양한 이온 궤적 각도를 전기적으로 다르게 할 수 있는 개선된 이온 에너지 분석기이다. 이러한 개선된 이온 에너지 분석기는 종래의 이온 에너지 분석기와 비교하여 실질적으로 복잡하지 않고, 제조비용도 비싸지 않다. 더구나, 궤적 각도 선택은 전기적으로 제어되기 때문에, 궤적 각도를 물리적으로 선택하기 위해 종래기술에서 사용된 복잡하고 정확하지 않은 물리 운동 제어 장치는 더 이상 필요하지 않다. 이에 따라서, 본 발명의 이온 에너지 분석기는 종래기술의 이온 에너지 분석기보다 실질적으로 개선되었다.
본 발명을 설명하기 위해 다양한 실시예가 개시되었지만, 당업자는 본 발명에 포함되는 다른 다양한 실시예를 용이하게 고안할 수 있다.
제 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 제어식 기하학적 필터를 갖춘 이온 에너지 분석기의 단면도,
제 2도는 제 1도에 도시된 마이크로 채널판의 사시도 및 상기 마이크로 채널판 내에 있는 마이크로 채널중 하나를 확대한 사시도,
제 3도는 다른 실시예의 마이크로 채널판에 대한 사시도 및 마이크로 채널판 내에 있는 마이크로 채널중 하나를 확대한 사시도,
제 4도는 다양한 그리드를 바이어스시키고 제 1도의 이온 에너지 분석기 내의 기하학적 필터를 제어하는 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 이온 에너지 분석기 102 : 기판
108 : 구별기 그리드 112 : 제 2 전자 반발 그리드
114 : 절연체 116 : 콜렉터(collector)
120,122 : 개구부 126 : 임계각
300 : 마이크로 채널 302 : 마이크로 채널판
304 : 전도성 로드(rod) 308 : 콘덕터(conductor)

Claims (23)

  1. 이온 에너지 분석기용 전기 제어식 기하학적 필터로서,
    이온 에너지 분석기 내에 있는 이온 유입 개구부에 위치된 마이크로 채널판; 및
    상기 마이크로 채널판의 임계각을 전기적으로 제어하도록 상기 마이크로 채널판에 접속된 전기 제어 수단을 포함하는 필터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전기 제어 수단이, 상기 마이크로 채널판 내에 형성된 적어도 하나의 마이크로 채널의 내부에 전기장을 발생시키는 전기장 발생 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필터.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전기장 발생 수단이,
    상기 마이크로 채널의 벽의 반실린더형 부분을 덮는 전도성 도금물(plating); 및
    상기 전도성 도금물과 상기 마이크로 채널판 사이로 전압을 인가하여 상기 마이크로 채널에 걸쳐 전기장을 발생시키도록, 상기 전도성 도금물과 상기 마이크로 채널판에 접속된 전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필터.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 전기장 발생 수단이,
    상기 마이크로 채널과 동축으로 위치된 전도성 로드; 및
    상기 전도성 로드와 상기 마이크로 채널의 벽 사이에 전압을 인가하여, 상기 전도성 로드와 상기 마이크로 채널의 벽 사이에서 방사형으로 전기장을 발생시키도록, 상기 전도성 로드와 상기 마이크로 채널판에 접속된 전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필터.
  5. 기판에 설치된 콜렉터 판;
    상기 콜렉터 판의 중심과 정렬된 중앙 개구부를 갖추고 있으며 상기 콜렉터 판에 부착된 구별기 그리드 환형 절연체;
    상기 구별기 그리드 환형 절연체의 상기 중앙 개구부에 걸쳐 놓여 있고 상기 콜렉터 판과 이격되어 있으며 상기 구별기 그리드 환형 절연체에 부착된 구별기 그리드;
    상기 구별기 그리드 환형 절연체의 상기 중앙 개구부의 중심과 정렬된 중앙 개구부를 갖추고 있으며 상기 구별기 그리드에 부착된 마이크로 채널판 환형 절연체; 및
    필터를 포함하며, 상기 필터는:
    상기 마이크로 채널판 환형 절연체의 상기 중앙 개구부에 걸쳐 놓여 있고 상기 구별기 그리드로부터 이격되어 있으며 상기 마이크로 채널판 환형 절연체에 부착된 마이크로 채널판; 및
    상기 마이크로 채널판의 임계각을 전기적으로 제어하는 전기 제어 수단을 포함하는 이온 에너지 분석기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 콜렉터 판의 중심과 정렬된 중앙 개구부를 갖추고 있으며 상기 콜렉터 판과 상기 구별기 그리드 환형 절연체 사이에 위치된 제 2 전자 반발 그리드 환형 절연체, 및
    상기 제 2 전자 반발 그리드 환형 절연체의 상기 중앙 개구부에 걸쳐 놓여 있고 상기 콜렉터 판 및 상기 구별기 그리드로부터 이격되어 있으며 상기 제 2 전자 반발 그리드 환형 절연체에 부착된 제 2 전자 반발 그리드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 에너지 분석기.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 전기 제어 수단이, 상기 마이크로 채널판 내의 적어도 하나의 마이크로 채널 내에 전기장을 발생시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 에너지 분석기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 전기장 발생 수단이,
    상기 마이크로 채널의 벽의 반실린더형 부분을 덮는 전도성 도금물; 및
    상기 전도성 도금물과 상기 마이크로 채널판 사이에 전압을 인가하여 상기 마이크로 채널에 걸쳐 전기장을 형성하도록, 상기 전도성 도금물과 상기 마이크로 채널판에 접속된 전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 에너지 분석기.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 전기장 발생 수단이,
    상기 마이크로 채널과 동축으로 위치된 전도성 로드; 및
    상기 전도성 로드와 상기 마이크로 채널의 벽 사이에 전압을 인가하여, 상기 전도성 로드와 상기 마이크로 채널의 벽 사이에서 방사형으로 전기장을 발생시키도록, 상기 전도성 로드와 상기 마이크로 채널판에 접속된 전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 에너지 분석기.
  10. 이온 에너지 분석기용 전기 제어식 기하학적 필터로서,
    하전 입자를 필터링하여 상기 분석기로 통과시키며, 자신의 면을 가로지르는 축을 구비한 다수의 채널을 한정하는 마이크로 채널판을 포함하는데, 상기 마이크로 채널판의 각각의 채널이, 수용 가능한 하전 입자 궤적의 각도 범위를 기하학적으로 미리 설정하는 유입 개구부를 구비하고 상기 유입 개구부를 통해 하전 입자를 수용하는 채널판;
    채널 축방향을 향하고, 가변 전위원으로부터 제어 신호를 수용하기에 적합한 면적을 가지며, 상기 채널 축방향과 교차하여 전기장을 형성시킬 수 있는, 상기 각각의 채널 내에 있는 적어도 하나의 전극,
    상기 수용 가능한 입자 궤적의 기하학적으로 미리 설정된 각도 범위는, 상기 제어 신호에 응답하여 상기 전기장을 변화시킴으로써 전기적으로 변화될 수 있는 필터.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 전극은 상기 각각의 채널의 반실린더형 부분을 커버하는 전도성 도금물을 더 포함하고, 상기 가변 전위원은 상기 전도성 도금물과 상기 마이크로 채널 사이에 제어 신호를 인가하도록 상기 도금물과 상기 마이크로 채널판에 접속된 것을 특징으로 하는 필터.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 전극은 상기 각각의 채널 내에 동축으로 위치된 전도성 로드를 더 포함하고, 상기 가변 전위원은 상기 로드와 상기 마이크로 채널 사이에 제어 신호를 인가하도록 상기 로드와 상기 마이크로 채널판에 접속된 것을 특징으로 하는 필터.
  13. 기판에 설치된 콜렉터 판;
    상기 콜렉터 판의 중심과 정렬된 중앙 개구부를 갖추고 있으며 상기 콜렉터 판에 부착된 구별기 그리드 환형 절연체;
    상기 구별기 그리드 환형 절연체의 상기 중앙 개구부에 걸쳐 놓여져 있고 상기 콜렉터 판과 이격되어 있으며, 상기 구별기 그리드 환형 절연체에 부착된 구별기 그리드;
    상기 구별기 그리드 환형 절연체의 상기 중앙 개구부의 중심과 정렬된 중앙 개구부를 갖추고 있으며 상기 구별기 그리드에 부착된 마이크로 채널판 환형 절연체; 및
    필터를 포함하며, 상기 필터는:
    상기 마이크로 채널판 환형 절연체의 상기 중앙 개구부에 걸쳐 놓여 있고 상기 구별기 그리드로부터 이격되어 있으며 상기 마이크로 채널판 환형 절연체에 부착되고, 자신의 면을 가로지르는 축을 구비한 다수의 채널을 한정하는 마이크로 채널판을 포함하는데, 상기 마이크로 채널판의 각각의 채널은 수용 가능한 하전 입자 궤적의 각도 범위를 기하학적으로 미리 설정하는 유입 개구부를 구비하고 상기 유입 개구부를 통해 하전입자를 수용하며; 및
    채널 축방향을 향하며, 가변 전위원으로부터 제어 신호를 수용하기에 적합한 면적을 가지며, 상기 채널 축방향과 교차하여 전기장을 형성할 수 있는, 상기 각각의 채널 내에 있는 적어도 하나의 전극을 포함하며;
    상기 수용 가능한 입자 궤적의 기하학적으로 미리 설정된 각도 범위는, 상기 제어 신호에 응답하여 상기 전기장을 변화시킴으로써 전기적으로 변화될 수 있는 이온 에너지 분석기.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 전극은 상기 각각의 채널의 반실린더형 부분을 커버하는 전도성 도금물을 더 포함하고, 상기 가변 전위원은 상기 전도성 도금물과 상기 마이크로 채널 사이에 제어 신호를 인가하도록 상기 전도성 도금물과 상기 마이크로 채널판에 접속된 것을 특징으로 하는 이온 에너지 분석기.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 전극은 상기 각각의 채널 내에 동축으로 위치된 전도성 로드를 더 포함하고, 상기 가변 전위원은 상기 로드와 상기 마이크로 채널 사이에 제어 신호를 인가하도록 상기 로드와 상기 마이크로 채널판에 접속된 것을 특징으로 하는 이온 에너지 분석기.
  16. 이온 에너지 분석기용의 전기 제어식 기하학적 필터를 제조하는 방법으로서,
    마이크로 채널판에 개구부를 형성하는 단계; 및
    상기 개구부 내에 상기 개구부의 임계각을 제어하기 위한 엘리먼트를 형성하는 단계를 포함하는 전기 제어식 기하학적 필터 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 엘리먼트에 전압을 인가하는 단계;
    상기 개구부의 임계각을 제어하기 위해 전압을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 제어식 기하학적 필터 제조 방법.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 엘리먼트 형성 단계는,
    전도성 재료로 상기 개구부의 반실린더형 부분을 도금하는 단계; 및
    상기 개구부에 걸쳐 전기장을 형성하도록 상기 마이크로 채널판과 도금물에 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 제어식 기하학적 필터 제조 방법.
  19. 제 16항에 있어서, 상기 엘리먼트 형성 단계는,
    상기 개구부 내에 동축으로 도전성 재료의 로드를 형성하는 단계; 및
    상기 로드와 상기 개구부의 벽 사이에 전기장을 방사형으로 형성하도록 상기 마이크로 채널판과 상기 로드에 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 제어식 기하학적 필터 제조 방법.
  20. 제 16항에 있어서, 상기 개구부 형성 단계는 상기 마이크로 채널판 내에 다수의 개구부를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 엘리먼트 형성 단계는 상기 각각의 개구부 내에 상기 개구부의 임계각을 동시에 제어하기 위한 엘리먼트를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 제어식 기하학적 필터 제조 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 엘리먼트 형성 단계는,
    도전성 재료로 상기 각각의 개구부의 반실린더형 부분을 도금하는 단계; 및
    상기 각각의 개구부에 걸쳐 전기장을 형성하도록 상기 마이크로 채널판과 상기 각각의 개구부의 도금물에 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 제어식 기하학적 필터 제조 방법.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 엘리먼트 형성 단계는,
    상기 각각의 개구부와 동축으로 도전성 재료의 로드를 형성하는 단계; 및
    상기 로드와 상기 각각의 개구부의 벽 사이에 전기를 방사형으로 형성하도록 상기 각각의 개구부 내에 상기 마이크로 채널판과 상기 로드에 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 제어식 기하학적 필터 제조 방법.
  23. 제 20항에 있어서,
    상기 각각의 개구부 내의 각각의 엘리먼트에 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 각각의 개구부의 임계각을 제어하도록 상기 전압을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 제어식 기하학적 필터 제조 방법.
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