KR101068790B1

KR101068790B1 - 전자 빔 처리 장치

Info

Publication number: KR101068790B1
Application number: KR1020067010458A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 티. 데모스; 하리 케이. 폰네칸티; 준 자오; 헬렌 알. 아르머
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2011-09-30
Also published as: CN1875452A; WO2005043599A2; CN1875452B; WO2005043599A3; TW200515461A; US7049606B2; JP5242055B2; KR20060122875A; TWI318416B; JP2007510311A; US20050092935A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 전자 빔 처리 장치에 관한 것으로, (a) 챔버; (b) 챔버의 내부에서 노출되는 비교적 큰 면적의 표면을 가지는 캐소드; (c) 내부에 홀들을 가지며 챔버 내부에 배치되며 작업 간격만큼 캐소드로부터 이격된 애노드; (d) 애노드를 면하게 챔버 내부에 배치된 웨이퍼 홀더; (e) 캐소드 전압을 제공하도록 출력이 캐소드에 인가되는 네거티브 전압원; (f) 출력이 애노드에 인가되는 전압원; (g) 주입 속도로 챔버속으로 가스의 진입을 허용하는 가스 인입구; 및(h) 배기 속도로 챔버로부터 가스가 배기되도록 구성된 펌프를 포함하며, 캐소드 전압값, 가스 압력, 작업 간격은 캐소드와 애노드 사이에 아킹이 발생하지 않도록 구성되며 작업 간격은 전자 평균 자유 경로보다 크다.

Description

전자 빔 처리 장치{ELECTRON BEAM TREATMENT APPARATUS}

본 발명은 전자 빔을 이용하여 막들을 처리하는 장치, 및 이러한 장치를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

예를 들어, 집적회로(IC) 및 제한되지 않지만, 반도체 IC의 제조는 복잡하며, 보다 고속의 소자에 대한 요구로 인해 소자 설계에 대한 요구조건이 점점 엄격해짐에 따라, 제조는 보다 더 복잡해지고 있다. 오늘날의 제조 설비는 통상적으로 0.13㎛의 피쳐 크기를 가지는 소자를 제조하고 있으며, 앞으로의 제조 설비는 곧 보다 더 작은 피쳐 크기를 가지는 소자를 제조하게 될 것이다.

0.13㎛ 이하의 최소 피쳐 크기를 가지는 IC에 대해, RC 지연 및 혼선 문제는 더욱 중요해지고 있다. 예를 들어, 소자 속도는 상호접속부 설계에 이용되는 금속의 저항에 의해 결정되는 RC 지연 및 금속 상호접속부들 사이에 사용되는 절연성 유전 물질의 유전 상수에 의해 부분적으로 제한된다. 또한, 기하학구조 및 소자 크기가 감소됨에 따라, 반도체 산업은 IC에서 부적절한 절연층들에 의해 야기되는 혼선 및 기생 캐패시턴스를 방지하고자 노력하고 있다. 요구되는 낮은 RC 지연 및 IC의 높은 성능을 달성하는 방법 중 하나는 절연층들에 낮은 유전상수를 가지는 유전 물질("낮은-k" 물질)을 사용하는 것이다. 이러한 물질은 낮은 유전 상수를 갖는 물질(제한되지는 않지만, 예를 들어, 탄소-도핑 산화물("CDO"))을 증착하고, 제한되지는 않지만 예를 들어, 미국 특허 No 5,003,178('178 특허)에 개시된 것처럼 전자 빔 처리 장치에 의해 제공되는 전자 빔과 같은 전자 빔을 사용하여 증착된 물질을 처리함으로써 제조된다.

제한되지 않지만, 예를 들어, 유전체막들과 같은 막의 두께가 감소됨에 따라, 상기 막들을 처리하는데 사용되는 에너지는 반드시 감소되어야 한다. '178 특허에 따라 제조된 전자 빔 처리 장치와 관련하여, 에너지를 감소시키기 위해서, 캐소드와 애노드 사이의 생성 및 가속 영역에서 생성된 전자들을 가속시키기 위해 사용되는 캐소드 전압은 감소되어야 한다. 예를 들어, 1.3gm/cm³의 밀도를 가지는 1㎛ 두께의 막에 대해, 캐소드 전압은 약 6.5KV이며; 5000Å 두께의 막에 대해, 캐소드 전압은 약 4KV이며; 2,500Å 두께의 막에 대해, 캐소드 전압은 약 2KV이다. 그러나 본 발명자들은 (i) 특정한 캐소드-애노드 공간, (ii) 특정한 값의 전자 빔 전류, 및 (iii) 장치 내에서 특정한 형태의 가스에 대해, 캐소드 전압이 감소됨에 따라, 전자 빔 처리 장치에서 가스의 압력은 증가되어야 한다는 것을 발견했다. 이는, (a) 캐소드 전압이 감소됨에 따라, 전자 빔 전류를 유지하기 위해 캐소드에 충분한 전자들이 생성되도록 보다 많은 수의 이온이 요구되고; (b) 보다 많은 수의 이온 생성이 가능하도록 보다 큰 압력이 요구되며; (c) 캐소드로부터의 전자 수율은 낮은 캐소드 전압에서 감소되기 때문인 것으로 여겨진다.

그러나 '178 특허에서 지시된 바와 같이, 캐소드-애노드 공간(또한 '178 특허에서는 작업 간격으로 칭함)은 브레이크다운(즉, 아킹(arcing) 또는 스파크 형성)을 방지하기 위해서 가스의 전자 평균 자유 경로보다 작을 것을 요구한다. 공지된 바와 같이, 전자 평균 자유 경로(λ)는, (a) 가스 압력에 반비례하고, (b) 캐소드 전압이 감소됨에 따라 감소된다. 따라서, '178 특허의 설명에 따라, 얇은 막을 처리하기 위해서, 캐소드 전압은 감소되고, 압력은 증가되고, 작업 간격은 감소된다. 그러나 작은 작업 간격은 제한되지는 않지만 예를 들어, 300mm 웨이퍼가 처리되는 분야 및 웨이퍼가 가열되는 분야가 포함되는, 일정 분야에서 문제시될 수 있다. 이러한 분야에서, 작은 작업 간격에 대해, 애노드는 구부러짐 또는 휨이 문제시될 수 있을 정도로 클 수 있다.

이와 관련하여, 전자 평균 자유 경로보다 큰 작업 간격에서 동작할 수 있는 전자 처리 장치가 요구된다.

본 발명의 하나 이상의 실시예들은 상기 언급된 종래 기술에서의 하나 이상의 요구사항들을 바람직하게 충족시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예는 전자 빔 처리 장치에 관한 것으로, (a) 챔버; (b) 챔버의 내부에서 노출되는 비교적 큰 면적의 표면을 가지는 캐소드; (c) 내부에 홀들을 가지며 챔버 내부에 배치되며 작업 간격만큼 캐소드로부터 이격된 애노드; (d) 애노드를 면하게 챔버 내부에 배치된 웨이퍼 홀더; (e) 캐소드 전압을 제공하도록 출력이 캐소드에 인가되는 네거티브 전압원; (f) 출력이 애노드에 인가되는 전압원; (g) 주입 속도로 챔버속으로 가스의 진입을 허용하는 가스 인입구; 및(h) 배기 속도로 챔버로부터 가스가 배기되도록 구성된 펌프를 포함하며, 캐소드 전압, 가스 압력, 작업 간격의 값은 캐소드와 애노드 사이에 아킹이 발생하지 않도록 구성되며 작업 간격은 전자 평균 자유 경로보다 크다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전자 빔 처리 장치를 나타내는 도면;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전자 빔 처리 장치의 부분 단면도;

도 3A 및 3B는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 홀들의 어레이를 가지는 애노드의 단면도;

도 4는 피드백 제어 회로를 더 포함하는 도 1의 전자 빔 처리 장치를 나타내는 도면; 및

도 5는 작동의 상세한 설명을 나타내기 위한 도 1의 전자 빔 처리 장치의 단편도.

본 발명의 하나 이상의 실시예들은 캐소드 전압, 가스 압력, 및 작업 간격(즉, 전자 빔 처리 장치의 생성 및 가속 영역에서 캐소드와 애노드 사이의 간격)의 값에서 동작하는 US 특허 No. 5,003,178호('178 특허)에 개시된 형태의 전자 빔 처리 장치에 관한 것으로, 상기 작업 간격은 생성 및 가속 영역에서 전자 평균 자유 경로를 초과한다. 상세한 설명에 개시된 것처럼, 캐소드 전압, 가스 압력 및 작업 간격의 값은 불필요한 실험 없이 당업자들이 쉽게 결정할 수 있다. 2002년 11월 21일자로 "Improved Large Area Source for Uniform Electron Beam Generation"이란 명칭으로 출원된 공동-계류중인 특허 출원 10/301,508호(공동-계류중인 특허 출원 및 본 특허 출원은 공동으로 양도됨)가 본 명세서에 참조된다.

장치 : 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전자 빔 처리 장치(100)를 나타낸다. 도 1에 도시된 것처럼, 전자 빔 처리 장치(100)는 진공 챔버(120); 대면적 캐소드(122)(제한되지 않지만, 예를 들어 캐소드는 약 25.8 cm²(4 제곱 인치) 내지 약 4516.1 cm²(700 제곱 인치)); 애노드(126); 및 웨이퍼 또는 기판 홀더(130)를 포함한다. 도 1에 추가 도시된 것처럼, 애노드(126)는 기판 홀더(130)(이온화 영역(138)에 위치됨)와 캐소드(122) 사이에 배치된다. 애노드(126)는 캐소드로부터 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 결정되는 작업 간격("동작" 섹션에서 보다 상세히 설명됨)에 배치된다.

도 1에 도시된 것처럼, 전자 소스(100)는 : (a) 캐소드(122)와 애노드(126) 사이에 배치되고 애노드(126)로부터 캐소드(122)를 절연시키도록 작동하는 고전압 절연체(124); (b) 사용자에 대한 전기적 보호를 위해 진공 챔버(120) 외측에 배치된 캐소드 커버 절연체(128); (c) 특정 입력 속도로 소스(107)로부터 진공 챔버(120) 속으로 가스를 허용하는 메커니즘을 제공하기 위해 당업자에게 공지된 다수의 방법 중 하나에 따라 제조된 인입구를 갖는 가스 매니폴드(127); (d) 상기 진공 챔버(120) 내부 압력을 제어하기 위해 챔버(120)로부터 가스를 배기시키는 진공 펌 프(135)(상기 진공 펌프(135)는 대기압에서 약 1mTorr 내지 약 200mTorr 사이 범위의 압력으로 진공 챔버(120)의 펌핑을 가능케 하는 상업적으로 이용가능한 진공 펌프들 중 임의의 하나 또는 다수일 수 있음)에 접속된 가변 리크(leak) 밸브(132); (e) 캐소드(122)에 접속된 가변, 고전압 전력원(129); 및 (f) 애노드(126)에 접속된 가변 저전압 전력원(131)을 더 포함한다.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라, 고전압(예를 들어, 약 -500V 내지 약 -30kV 사이 또는 그 이상의 네거티브 전압)은 가변, 고전압 전력원(129)으로부터 캐소드(122)에 인가된다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 고전압 전력원(129)은 뉴욕 힉스빌, Berta에 의해 제조된 Bertan Model # 105-30R 전력원 또는 뉴욕 하우프지, Spellman High Voltage Electronics Corp.에 의해 제조된 Spellman Model # SL30N-1200X258 전력원일 수 있다. 가변, 저전압 전력원(131)(예를 들어, 전류를 소싱(sourcing) 또는 싱킹(sinking)할 수 있는 d.c. 전력원)은 캐소드(122)에 공급된 전압에 대해 포지티브인 전압을 애노드(126)에 공급하는데 이용된다. 예를 들어, 애노드(126)에 공급된 전압은 약 0V 내지 약 -500V의 범위일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 저전압 전력원(131)은 펜실베니아, Acopian of Easton으로부터 이용가능한 Acopian Model #150PT12 전력원일 수 있다.

기판(125)과 같이, 처리될 웨이퍼 또는 기판은 웨이퍼 또는 기판 홀더(130) 상에 위치된다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라, 기판(125)은 제한되지 않지만, 예를 들어 당업자에게 공지된 다양한 방법 중 하나에 따라 웨이퍼 또는 기판 홀더(130) 내에 배치된 저항성 히터, 또는 당업자에게 공지된 다양한 방법 중 하나에 기판을 조사하도록 배치된 하나 이상의 적외선 램프와 같은 가열 장치(본 발명의 명확성을 위해 미도시)에 의해 가열될 수 있다. 가열 메커니즘을 제공하는 데 있어 램프를 이용하는 실시예에서 램프로부터의 방사 출력 중 일부는 챔버(120) 내에서 애노드(126)로 반사될 수 있으며, 이러한 방사에 대한 애노드(126)의 연속적 노출은 애노드(126)의 과열 및 손상을 야기시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라, 진공 챔버(120)의 내부 부분은 비드 블라스트(bead blast) 처리, 다크닝(darken) 처리, 러프닝(roughen) 처리, 또는 양극 처리되어 챔버의 내부 부분의 반사율을 약 0.5 미만으로 감소시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 램프로부터의 방사 출력의 일부는 진공 챔버(120)의 내부 부분에 의해 흡수될 수 있다.

웨이퍼 또는 기판 홀더(130)는 전자들이 웨이퍼(125) 상의 애노드(126)의 이미지를 캐스팅하는 것을 방지하기 위해 제한되지 않지만 예를 들어 애노드로부터 10 내지 30mm의 비교적 큰 간격을 두고 위치된다. 웨이퍼(125) 방사는 제한되지 않지만, 예를 들어 '178 특허의 도 3에 도시된 것처럼 진공 챔버(120)를 둘러싸는 편향 코일에 의해 생성된 시변 자기장(time-varying magnetic field)을 사용함으로써 웨이퍼에 대해 앞뒤로 전자 빔을 완전히 스위핑(sweeping)할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전자 빔 처리 장치(400)의 부분 단면도이다. 도 2에 도시된 것처럼, 전자 빔 처리 장치(400)는 (a) 진공 챔버(420); (b) 대면적 캐소드(422); (c) 상부 절연체(424a); (d) 하부 절연체(424b); 및 (e) 상부 절연체(424a)와 하부 절연체(424b) 사이에 배치된 선반(410)을 포함한다. 애노드(426)는 애노드(426) 상부 및 애노드(426) 주변부 부근에 공간(415)이 한정되도록 진공 챔버(420)에 대해 선반(410) 상에 위치된다. 바람직하게, 이런 방식으로, 애노드(426)는 온도 변화에 의해 야기되는 애노드(426)의 팽창 및 수축과 관련된 스트레스를 감소시키기 위해 공간(415)에서의 이동이 자유롭다. 본 실시예에서, 애노드(426)는 플로팅된다, 즉, 기계적으로 선반(410)에 부착되지 않는다.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라, 전자 빔 처리 장치(100)의 애노드(126) 및/또는 전자 빔 처리 장치(400)의 애노드(426)는 제한되지 않지만, 예를 들어, Al, Ti, Ni, Si, Mo, 그래파이트, W, Co 및 이들의 합금과 같이 전기적으로 전도성 있는 물질로(전체 또는 표면이) 제조된다. 예를 들어 약 200℃ 내지 약 600℃ 사이 범위의 온도와 같이 비교적 높은 온도에서 막을 처리하기 위해서, 그래파이트보다 더 안정한 물질로 알루미늄이 제공될 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 알루미늄은 그래파이트보다 열 전도성이 높아, 결과적으로 알루미늄으로 형성된 애노드는 그래파이트로부터 형성된 것보다 높은 온도에서 덜 휜다. 또한, 알루미늄은 그래파이트보다 낮은 방사율을 가져, 방사에 의해 (예를 들어 웨이퍼(125)로부터) 애노드로의 열 전달이 저하된다. 예를 들어, 약 400℃의 처리 온도에서, 그래파이트 애노드의 온도는 약 225℃ 상승되는 반면, 동등하게 위치된 알루미늄 애노드는 단지 약 100℃만 상승된다. 또한, 알루미늄은 그래파이트보다 낮은 스퍼터링 수율을 가져, 웨이퍼(125) 상에 오염물을 덜 생성한다. 또한, 알루미늄으로 형성된 애노드(126) 이외에, 캐소드(122) 및 진공 챔버(120)도 알루미늄으로 형성될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 그러나, 캐소드(122) 표면은 Al, Ti, Ni, Si, Mo, 그래파이트, W, Co 및 이들의 합금으로도 제조될 수 있다.

예를 들어, 애노드(126)는 제한되지 않지만, 예를 들어, 그리드, 메쉬 또는 관통형 홀들의 어레이가 배치된 플레이트일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라, 홀의 크기는 때로 애노드(126)의 에지에서 발생하는 빔 세기의 감소를 보상하도록 변형될 수 있다. 이런 방식으로, 보다 상반되게 균일한 전자 빔이 생성될 수 있다.

도 3A는 직경이 애노드(526)의 중심부로부터 애노드(526)의 에지로 점차적으로 증가하는 홀(510) 어레이를 포함하는 애노드(526)의 실시예를 나타낸다. 도 3B는 직경이 애노드(576) 중심부로부터 애노드(576) 에지로 점차적으로 감소되는 홀(560) 어레이를 포함하는 애노드(576)의 또 다른 실시예를 나타낸다. 홀 어레이에 대한 실시예들 및 이러한 홀을 제조하는 방법들은 본 명세서에서 참조되는 USP No.6,407,399호에 보다 상세하게 개시된다.

도 4는 피드백 제어 회로(300)를 더 포함하는 도 1의 전자 빔 처리 장치(100)를 나타낸다. 일부 분야에서는 상이한 전자 빔 에너지에서 일정한 빔 전류를 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기판상에 형성된 막의 상부층은 처리하고 하부층은 처리하지 않는 것이 바람직하다. 이는 빔의 대부분의 전자들이 상부층에서 흡수되도록 충분히 낮은 에너지를 가지는 전자 빔을 이용함으로써 달성될 수 있다. 순차적인 상부층 처리로, 막의 상부층 및 하부층을 처리하는 것이 바람직하다. 이는 막을 완전히 관통할 수 있도록 전자 빔의 가속 전압을 상승시킴으로써 수행된다. 피드백 제어 회로(300)는 일정한 전자 빔 전류를 유지하면서 캐소드 (122)에 인가되는 가속 전압을 변경시키도록 구성된다. 도 4에 도시된 것처럼, 피드백 제어 회로(300)는 적분기(366) 및 감지 레지스터(390)를 포함하며, 감지 레지스터(390)는 전자 빔 전류를 샘플링하기 위해 웨이퍼 홀더(130)와 적분기(366) 사이에 위치된다. 선택적으로, 전자 빔 전류는 그리드 애노드(126)에서 샘플링될 수 있으며, 이는 여기서 전자 빔의 일부가 차단되기 때문이다. 도 4에 추가적으로 도시된 것처럼, 2개의 유니티 게인 전압 팔로워(392)는 감지 센서(390)에 대해 얻어진 신호를 버퍼링하고 이를 가변 게인 레지스터(394)를 가지는 증폭기(396)에 공급한다. 증폭기(396)의 출력은 그리드 애노드(126)상의 전압을 제어하여 전자 빔 전류의 증가가 그리드 애노드(126)에 공급된 바이어스 전압의 감소를 야기시킬 수 있게 한다. 증폭기(386)의 게인은 가변 게인 레지스터(394)를 조절함으로써 조절되어, 가속 전압의 변화에 의해 야기되는 임의의 전류 변화는 애노드(126)에 공급되는 바이어스 전압의 변화에 의해 완화되어, 일정한 전자 빔 전류를 유지할 수 있다. 선택적으로, 증폭기(396)의 출력은 전압이 제어된 가변 리크 밸브 제어기(398)에 접속되어 이온화 영역(138)에서 압력을 상승 및 하강시킴으로써 방출 전류에서의 변화를 방지할 수 있다. 또한, 피드백 신호를 이용함으로써 전자 빔 전류 제어가 가변 리크 밸브 제어기(398)와 그리드 애노드(126)에 제공될 수 있다.

동작 : 도 5는 도 1의 전자 빔 처리 장치(100)의 단편도를 나타내며 상기 장치의 동작을 설명을 보조한다. 전자 빔 처리 장치(100)에서 전자 방출을 초기화시키기 위해, 애노드(126)와 웨이퍼 홀더(130) 사이의 이온화 영역(138)의 가스는 이온화되어야 한다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라, 가스는 제한되지 않지만, 예를 들어 헬륨, 아르곤, 질소, 수소, 산소, 암모니아, 네온, 크립톤, 및 크세논 중 하나 이상을 포함한다. 가스를 이온화시키는 단계는 감마 레이를 자연스럽게 발생시킴으로써 초기화되거나, 또는 당업자들에게 공지된 다양한 방법 중 임의의 방법에 따라 진공 챔버(120) 내부에 배치된 고전압 스파크 갭에 의해 초기화될 수 있다.

애노드(126)는 예를 들어, 저전압 공급원(131)으로부터 공급되는 약 0V 내지 약 -500V 범위의 전압에 의해 네거티브로 바이어스된다. 일단 이온화가 시작되면, 도 5에 도시된 것처럼, 포지티브 이온들(242)이 네거티브로 바이어스된 애노드(126)를 향해 부착된다. 이들 포지티브 이온들(242)은 캐소드(122)와 애노드(126) 사이의 전자 생성 및 가속 영역(136)으로 애노드(126)의 홀을 통과한다. 영역(136)에서, 포지티브 이온들(242)은 고전압 전력원(129)으로부터 인가되는 전압(예를 들어, 약 -500V 내지 약 -30kV 또는 그 이상의 범위에서의 전압)의 결과로서 캐소드(122)를 향해 가속된다. 캐소드(122)의 표면을 가격(strike)시, 포지티브 이온들(242)은 애노드(126)를 향해 다시 가속되는 전자(244)를 생성한다. 일부 전자(244) 애노드(126)를 가격하지만, 대부분은 애노드(126)를 통과하여 웨이퍼 또는 기판 홀더(130) 상에 배치된 웨이퍼(125)에 연속적으로 충돌한다. 또한, 일부 전자(244)는 이온화 영역(138)에서 가스 분자를 이온화시킨다.

'178 특허에 개시된 것처럼, 캐소드(122)와 애노드(126) 사이의 작업 간격은 불안정한 아킹 또는 고전압 브레이크다운을 방지하도록 생성 및 가속 영역(136)에서 전자(244)의 평균 자유 경로보다 작다. '178 특허에 의해 개시된 것처럼, 이러한 작업 간격의 제한은 애노드(126)에 인가되는 전압에 의해 제어되는 생성 및 가속 영역(136)에서 포지티브 이온의 존재를 가능케 한다. 결국, 이는 전자 방출을 가능케 하여, 애노드(126)에 인가되는 전압을 변화시킴으로써 매우 작은 전압으로부터 매우 큰 전압으로 전자 빔 전류를 연속적으로 제어할 수 있다. '178 특허에 개시된 것처럼, 전자 방출, 및 전자 빔 전류 또한 진공 챔버(120)의 가스 압력을 조절(이온화 영역(138) 및 생성 및 가속 영역(136)에서 각각 가스 압력을 상승 또는 하강, 분자의 수를 상승 또는 하강)하기 위해 가변 리크 밸브(132)를 사용함으로써 제어될 수 있다. 그러나 진공 챔버(120)에서 가스 압력을 조절할 경우 수반되는 비교적 느린 응답 시간으로 인해, 공칭 전자 빔 전류를 생성하기 위해 초기에 가스 압력을 조절하고, 다음 추가적으로 전자 빔 전류를 제어하기 위해 애노드(126)에 공급된 전압을 조절하는 것이 바람직하다. 따라서, '178 특허의 지시에 따른 전자 빔 처리 장치 설계시, 캐소드(122)와 애노드(126) 사이의 작업 간격은 특정 처리 분야에 대해 가장 낮은 바람직한 캐소드 전압 및 관련된 가스 압력에 의해 결정되는 전자 평균 자유 경로보다 작도록 충분히 작아야 한다.

'178 특허의 설명에도 불구하고, 본 발명자들은 캐소드 전압, 가스 압력, 및 작업 간격의 값에서 전자 빔 처리 장치(100)의 아크-프리(arc-free) 동작을 유지할 수 있다는 것을 발견했으며, 여기서 상기 작업 간격은 생성 및 가속 영역(136)에서 전자 평균 자유 경로를 초과한다. 예를 들어, 3mA의 전자 빔 전류에서 2KEV의 캐소드 전압 및 : (a) 10mm의 작업 간격에서 700m Torr 이상의 압력; (b) 15mm의 작업 간격에서 45mTorr 이상의 압력; 및 (c) 20mm의 작업 간격에서 40mTorr 이상의 압력에서, 아킹없이 e-빔 처리 장치를 작동시킬 수 있다. 이와 관련하여, 그리고 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라, 작업 간격을 전자 평균 자유 경로보다 큰 값으로 증가시킬 수 있다. 사실상, 작업 간격은 생성 및 가속 영역(136)에서 아킹 또는 브레이크다운이 없이 일관되게 본 발명의 하나 이상의 실시예(하기에 보다 상세히 설명됨)에 따라 값들을 증가시킬 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 발견은 (a) 박막 처리시 유용하게 충분히 작은 캐소드 전압값; (b) 작은 캐소드 전압값에서 전자 빔 전류를 유지하기에 충분히 큰 가스 압력값; 및 (c) 제한되지 않지만 예를 들어, 애노드(126)와 같은 챔버 부재를 가열함으로써 야기되는 문제를 완화시키기 위해 충분한 작업 톨러런스를 제공하는 작업 간격값을 이용할 수 있게 한다.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 보다 높은 가스 압력을 이용하는 능력은 몇 가지 이유에 있어 바람직하다. 첫째, 헬륨과 같은 가스는 헬륨이 24V의 이온화 전위를 가지기 때문에 전자 빔 전류를 유지하기 위해 보다 높은 가스 압력을 요구하고, 동작을 유지하기 위해 보다 많은 이온이 생성될 것을 요구한다. 둘째, 예를 들어 헬륨 및 수소와 같은 경량의 가스 사용은 전자 빔 전류를 유지하기 위해 보다 높은 가스 압력을 요구하며, 이는 이들 이온이 예를 들어 아르곤과 같은 중량의 가스보다 캐소드(122) 상의 충돌로부터 비교적 적은 전자들을 생성하기 때문이다. 예를 들어, 4KV의 캐소드 전압, 4mA의 전자 빔 전류(특정한 전자 빔 전류값은 통상적으로 적절한 처리 수율을 제공하도록 결정됨), 및 100μC/㎠ 에 대해, 아르곤의 전형적인 가스 압력값은 35mTorr인 반면 비교되는 헬륨에 대한 가스 압력값은 160mTorr일 수 있다. 예를 들어, 헬륨 및 수소와 같은 경량의 가스 사용은 몇 가지 이유로 인해 일부 처리 분야에서 예를 들어 아르곤과 같은 중량의 가스에 비해 바람직하다는 것을 주목해야 한다. 첫째, 경량의 가스의 이온들은 애노드(126)로부터의 덜 스퍼터링되어 처리되는 웨이퍼(125)의 오염을 감소시킨다. 둘째, 경량의 가스의 이온들은 충돌에 의해 처리되는 웨이퍼(125)에 보다 적은 에너지를 전달할 수 있다. 셋째, 수소와 같은 가스의 사용은 처리시 화학적 효과를 부가시킴으로써, 예를 들어, 댕글링(dangling) 결합을 완성함으로써, 소정 분야에 있어 바람직하다.

본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라, 전자 빔 처리 장치(100, 400)는 캐소드 전압, 가스 압력, 및 전압 브레이크다운이 발생되지 않는 작업 간격의 값들의 이용을 포함하며, 작업 간격은 전자 평균 자유 경로보다 크다. 하기의 설명은 캐소드 전압, 가스 압력, 및 작업 간격의 값이 불필요한 실험 없이 당업자들에 의해 어떻게 결정되는지를 개시한다. 또한, 하기 설명되는 것처럼 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라, 상기 결정은 파센 법칙(Paschen's law)으로 참조될 수 있다.

파센 법칙은 균일한 필드 전극 갭에 대해 가스 압력(P) 및 작업 간격(d)에 따라 브레이크다운 전압이 어떻게 변하는지를 나타낸다. 파센의 법칙은 가스에서의 타운젠트 브레이크다운 메커니즘을 반영하며, 갭의 브레이크다운 특성은 가스 압력(P)과 작업 간격(d)의 곱의 함수로 설명된다(일분 변경이 높은 네거티브전기 가스에 대해 필요하며, 이는 이들이 2차 전자들과 매우 빨리 재결합되기 때문이다).

1889년 파센의 논문 공개 이후 상기 파센의 법칙의 이론적 기반을 제공하고 브레이크다운 메커니즘의 보다 나은 이해를 위한 많은 연구들이 수행되었다. 그러 나 제한되지 않지만, 예를 들어, 방사, 표면 불균일성 등과 같이 갭의 브레이크다운에 영향을 미치는 많은 요인들이 있을 수 있다. 따라서, 상기 이론적 기반은 갭이 왜 브레이크다운되는지에 대한 이해는 도울 수 있지만, 하기에 제공되는 것보다 임의의 주어진 상황에서 브레이크다운 전압에 대해 보다 정확한 값을 반드시 제공하지는 않는다. 일반적으로, 브레이크다운에 대한 식이 유추되고, 실험적 데이터(fitting empirical data)에 의해 적절한 파라미터들이 선택된다. 예를 들어, 브레이크다운 전압(V_bd)은, V_bd = B*P*d/(C+ln(P*d))이며, 여기서 C = ln(A/ln(1+1/γ))이며, P는 압력이고, d는 갭 또는 캐소드들 사이의 작업 간격이며, γ는 전극을 가격하는 이온당 2차 전자들을 생성하는 효율을 나타내며(이는 캐소드 물질 및 이온 및 E/N의 비율로서 결정되는 에너지에 따라 좌우되며, E는 전계이고 N은 가스 입자 밀도이다), A 및 B는 특정 가스에 따라 좌우되는 상수들이다. V_bd에 대한 식은 Pd의 곱에 따른 브레이크다운 전압의 관계를 제공하는 "파센 곡선"을 생성하는데 사용될 수 있다.

하기와 같이 통상적인 실험에 의해 적절한 값을 검출할 수 있다. 먼저, 전가 빔 처리 장치에 대한 적절한 작업 간격을 선택한다. 다음 웨이퍼를 처리하는데 요구되는 전자 에너지에 의해 결정되는 캐소드 전압값을 선택한다. 다음, (예를 들어, 고전압 공급원(129)과 직렬로 배치된 전류 검출기를 사용하여) 전자 빔 전류를 측정하면서, 효과적으로 균일한 전자 빔을 유지하기 위해 가스 압력을 변경시킨다. 전류는 (제한되지 않지만, 예를 들어 전자 빔 전류는 약 1mA 내지 약 40mA의 범위) 유용한 산출량을 제공하는 전류값을 결정하고 캐소드 전압, 가스 압력 및 작업 간격이 생성 및 가속 영역(138)에서 아킹 또는 브레이크다운을 야기시키지 않게 사용되도록 측정된다(브레이크다운은 캐소드에서 전압 또는 전류 스파아킹(spiking)에 의해 관찰될 수 있는 페인트(faint) 플라즈마 또는 아킹에 의해 검증된다). 이온화 영역(138)에서의 충돌로 인한 빔 방향성 및/또는 전자 에너지 손실을 완화시키기 위해 낮은 가스 압력에서 동작하는 것이 바람직한 것으로 볼일 수 있지만, 본 발명자들은 예를 들어, 탄소-도핑 산화물("COD")막들의 처리와 같은 특정 분야에 있어, 보다 높은 압력의 사용은 처리 결과에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했다.

본 발명의 하나 이상의 추가 실시예들에 따라, 유용한 가스 압력의 값은 압력과 작업 간격의 곱이 특정 가스, 특정 캐소드 물질, 및 원하는 작업 간격에 대해 파센 곡선 이하로 하락되는 요구조건에 의해 근사화될 수 있다.

당업자들은 단지 설명 및 개시를 목적으로 상기 상세한 설명이 개시되었다는 것을 이해할 것이다. 이는 상기 개시된 형태로 본 발명을 독점적으로 또는 한정되게 하고자 한 것은 아니다. 예를 들어, 소정의 치수들이 개시되었지만, 이는 단지 도시를 위한 것이다. 또한, 기판이란 용어는 집적회로 또는 다른 마이크로일렉트로닉 소자에서 처리되기에 적합한 것들을 포함하며, 광범위한 의미로 사용된다. 본 발명에 적합한 기판은 제한되지 않지만, 갈륨비소(GaAs), 게르마늄, 실리콘, 실리콘 게르마늄, 리튬 니오베이트 및 결정성 실리콘, 폴리실리콘, 비정질 실리콘, 에피택셜 실리콘 및 실리콘 산화물 및 이들의 조합 혼합물과 같은 실리콘 함유 조성물을 포함한다. 또한, 기판이란 용어는 유리 기판을 포함한다.

Claims

전자 빔 처리 장치로서,

(a) (ⅰ) 전자들을 생성할 수 있게 노출된 표면 영역을 갖는 캐소드;

(ⅱ) 상기 캐소드에 의해 생성된 전자들의 평균 자유 경로 보다 큰 작업 간격만큼 상기 캐소드로부터 이격된, 홀들을 갖는 애노드;

(ⅲ) 상기 애노드를 면하는 웨이퍼 홀더; 및

(ⅳ) 가스 주입 속도로 챔버속으로 가스 진입을 허용하는 가스 인입구

를 갖춘, 챔버;

(b) 가스 배기 속도로 상기 챔버로부터 가스를 배기시키기 위한 펌프 ― 상기 가스 주입 속도 및 상기 가스 배기 속도는 상기 챔버에 가스 압력을 제공함 ―

(c) 캐소드 전압을 제공하도록 상기 캐소드로 출력이 인가되는 네거티브 전압원; 및

(d) 상기 애노드로 출력이 인가되는 전압원

을 포함하며, 상기 캐소드 전압, 상기 챔버의 가스 압력, 및 작업 간격의 값들은 상기 캐소드로부터의 전자들의 평균 자유 경로보다 큰 작업 간격에서 상기 캐소드와 애노드 사이에 아킹이 발생하지 않도록 설정되는, 전자 빔 처리 장치.
제 1 항에 있어서,

Ne, He, Ar, H₂, O₂, Kr, Xe 및 N₂ 중 하나 이상을 포함하는 가스원을 더 포함하는, 전자 빔 처리 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 캐소드의 상기 노출된 표면의 물질은 Al, Ti, Ni, Si, Mo, 그래파이트, W, Co 및 이들의 합금들로 이루어진 그룹에서 선택되는, 전자 빔 처리 장치.
제 1 항에 있어서,

적어도 상기 애노드의 표면 물질은 Al, Ti, Ni, Si, Mo, 그래파이트, W, Co 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택되는, 전자 빔 처리 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 네거티브 전압원은 -.5KV 내지 -10KV 범위에서 출력 전압을 제공할 수 있는, 전자 빔 처리 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 펌프는 40mTorr를 초과하는 가스 압력을 제공하는, 전자 빔 처리 장치.
전자 빔 처리 장치에서 전자 빔을 이용하여 웨이퍼를 처리하는 방법으로서, 상기 전자 빔 처리 장치는,

챔버; 전자들을 생성할 수 있게 상기 챔버 내부에 노출된 표면 영역을 갖는 캐소드; 상기 챔버 내부에 배치되며 작업 간격만큼 상기 캐소드로부터 이격되고 내부에 홀들을 가지는 애노드; 상기 애노드를 면하게 상기 챔버 내부에 배치된 웨이퍼 홀더; 캐소드 전압을 제공하도록 상기 캐소드로 출력이 인가되는 네거티브 전압원; 상기 애노드로 출력이 인가되는 전압원; 가스의 소스로부터 가스 주입 속도로 상기 챔버속으로의 상기 가스의 진입을 허용하는 가스 인입구; 및 가스 배기 속도로 상기 챔버로부터 가스를 배기시키도록 구성된 펌프 ― 상기 가스 주입 속도 및 상기 가스 배기 속도는 상기 챔버에 가스 압력을 제공함 ― 를 포함하며, 상기 방법은,

상기 웨이퍼 홀더 상에 웨이퍼를 위치시키는 단계;

상기 캐소드와 애노드 사이의 작업 간격을 상기 캐소드에 의해 생성된 전자들의 전자 평균 자유 경로보다 크게 유지하는 단계; 및

상기 캐소드로부터 상기 전자 평균 자유 경로보다 큰 작업 간격으로 상기 캐소드와 애노드 사이에 아킹이 발생하지 않도록 상기 캐소드 전압, 가스 압력, 및 작업 간격의 값들을 제공하기 위해, 상기 네거티브 전압원, 상기 가스 주입 속도, 상기 가스 배기 속도, 및 상기 작업 간격을 설정하는 단계

를 포함하는, 전자 빔 처리 장치 작동 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 캐소드 전압은 -.5KV 내지 -10KV 범위인, 전자 빔 처리 장치 작동 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 가스는 Ne, He, Ar, H₂, O₂, Kr, Xe 및 N₂ 중 하나 이상을 포함하는, 전자 빔 처리 장치 작동 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 가스 압력은 40mTorr를 초과하는, 전자 빔 처리 장치 작동 방법.
전자 빔 처리 장치로서,

챔버 ― 상기 챔버는,

(a) (ⅰ) 4 제곱 인치 내지 700 제곱 인치의 노출된 표면 영역을 가지며 전자들을 생성할 수 있는 캐소드;

(ⅱ) 10 내지 20 mm 범위의 작업 간격만큼 상기 캐소드로부터 이격되며 홀들을 가지는 애노드;

(ⅲ) 상기 애노드를 면하는 웨이퍼 홀더; 및

(ⅳ) 가스 주입 속도로 상기 챔버로의 가스의 진입을 허용하는 가스 인입구

를 갖춤 ― ;

(b) 가스 배기 속도로 상기 챔버로부터 가스를 배기시키는 펌프 ― 상기 가스 주입 속도와 상기 가스 배기 속도는 상기 챔버내에 가스 압력을 제공함 ― ;

(c) 캐소드 전압을 제공하도록 상기 캐소드로 출력이 인가되는 네거티브 전압원; 및

(d) 상기 애노드로 출력이 인가되는 전압원

을 포함하는, 전자 빔 처리 장치.
제 12 항에 있어서,

Ne, He, Ar, H₂, O₂, Kr, Xe 및 N₂ 중 하나 이상을 포함하는 가스원을 더 포함하는, 전자 빔 처리 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 캐소드의 상기 노출된 표면 영역의 물질은 Al, Ti, Ni, Si, Mo, 그래파이트, W, Co 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택되는, 전자 빔 처리 장치.
제 12 항에 있어서,

적어도 상기 애노드의 표면 물질은 Al, Ti, Ni, Si, Mo, 그래파이트, W, Co 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택되는, 전자 빔 처리 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 네거티브 전압원은 -.5KV 내지 -10KV 범위에서 출력 전압을 제공할 수 있는, 전자 빔 처리 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 가스 압력은 40mTorr를 초과하는, 전자 빔 처리 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 웨이퍼 홀더는 300mm 웨이퍼용인, 전자 빔 처리 장치.