KR101663063B1 - 층들을 형성하는 방법들 - Google Patents
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Abstract
많은 박막 애플리케이션들에서, 위에 층들이 형성되는 표면들은 일부 전기적으로 절연하며 일부는 전기적으로 전도하는, 여러 서로 다른 재료들; 및/또는 여러 서로 다른 토포그래피들을 포함할 수 있다. 그와 같은 표면들은 표면의 충전 효과들에 영향을 미칠 수 있으며 그에 의해 충전된 입자들을 포함하는 유입하는 입자와의 서로 다른 그리고 아마도 알려지지 않은 상호작용들을 야기할 수 있다. 현재 활용되는 프로세스들은 이온 빔과 전자 빔을 조합함으로써 빔을 구성하는 충전된 입자들을 보상하며, 그에 의해 제로의 순 전하를 갖는 것을 추구한다.
Description
[01] 많은 박막 애플리케이션들에서, 그 위에 층들이 형성되는 표면들은 일부 전기적으로 절연하며 그리고 일부 전기적으로 전도하는 여러 서로 다른 재료들을 포함할 수 있다. 그와 같은 표면들은 표면의 충전 효과들에 영향을 미칠 수 있으며 그에 의해 충전된 입자들을 포함하는 유입하는 입자와의 서로 다른 그리고 아마도 알려지지 않은 상호작용들을 야기할 수 있다. 현재 활용되는 프로세스들은 이온 빔과 전자 빔을 조합함으로써 단지 빔을 구성하는 충전된 입자들을 보상하며, 그에 의해 제로의 순 전하(net charge)를 갖는 것을 추구한다.
[02] 층을 형성하는 방법은 그 위의 증착을 위해 적응되는 적어도 하나의 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계; 전구체(precursor) 이온 빔을 제공하는 단계를 포함하며, 전구체 이온 빔은 이온들을 포함하며; 중성 입자 빔을 형성하기 위해 전구체 이온 빔의 이온들 중 적어도 일부분을 중성화하는 단계를 포함하며, 중성 입자 빔은 중성 입자들을 포함하며; 그리고 기판의 표면을 향해 중성 입자 빔을 지향시키는 단계를 포함하며, 중성 입자들은 100 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 가지며, 입자 빔의 중성 입자들은 기판 상에 층을 형성한다.
[03] 층을 형성하는 방법은 그 위의 증착을 위해 적응되는 적어도 하나의 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계; 전구체 이온 빔을 제공하는 단계를 포함하며, 전구체 이온 빔은 이온들을 포함하며; 이온 광학 그리드를 향해 전구체 이온 빔을 지향시킴으로써 수정된 전구 입자를 형성하기 위해 전구 이온 빔의 이온들의 적어도 일부분을 중성화하는 단계; 그리고 중성 입자 빔을 형성하기 위해 고 애스펙트(aspect) 비 그리드를 향해 수정된 전구체 입자 빔을 지향시키는 단계; 및 기판의 표면을 향해 중성 입자 빔을 지향시키는 단계를 포함하며, 중성 입자들은 100 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 가지며, 입자 빔의 중성 입자들은 기판 상의 층을 형성한다.
[04] 층을 형성하는 방법은 그 위의 증착을 위해 적응되는 적어도 하나의 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계; 전구체 이온 빔을 제공하는 단계를 포함하며, 전구체 이온 빔은 이온들을 포함하며; 수정된 전구체 입자 빔을 형성하기 위해 질량 선택 기술들을 향해 전구체 입자 빔을 지향시키는 단계; 및 중성 입자 빔을 형성하기 위해 고 애스펙트 비 그리드를 향해 수정된 전구체 입자 빔을 지향시키는 단계; 및 기판의 표면을 향해 중성 입자 빔을 지향시키는 단계를 포함하며, 중성 입자들은 100 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 가지며, 입자 빔의 중성 입자들은 기판 상의 층을 형성한다.
[05] 본 개시물의 상기 요약은 본 개시물의 각 개시된 실시예 또는 모든 구현을 설명하도록 의도되지 않는다. 더 구체적으로 후속하는 설명은 예시적인 실시예들을 예시한다. 애플리케이션 전반의 여러 장소들에서, 예시들의 목록들을 통해 안내가 제공되며, 그 예들은 다양한 조합들에서 이용될 수 있다. 각 사례에서, 인용된 목록은 대표적인 그룹으로서만 기능하며 배제 목록으로서 해석되지 않아야 한다.
[06] 도 1a는 예시적인 시스템의 개략적 예시를 도시한다; 그리고 도 1b는 도 1a에 도시되는 시스템의 일부분의 더 밀접한 뷰를 도시한다.
[07] 도 2는 특정 예시적인 시스템에서의 이온 광학 그리드의 제 3 그리드의 바이어스 대 빔 확산(°)의 그래프이다.
[08] 도 3은 예시적인 개시된 시스템의 개략을 도시한다.
[09] 도 4는 표면 임플랜테이션(implantation)이 삽입 및 변위(displacement) 효과들을 통한 표면 밀도를 변조할 수 있는 방법을 예시한다.
[010] 도 5는 예시적인 분자 이온의 빔 팽창을 도시한다.
[011] 도면들은 반드시 실척되지 않아도 된다. 도면들에 이용되는 유사 번호들은 유사한 컴포넌트들을 지칭한다. 그러나, 정해진 도면에서의 컴포넌트를 지칭하기 위한 숫자의 이용은 동일한 숫자로 라벨링되는 다른 도면에서 컴포넌트를 제한하도록 의도되지 않음이 이해될 것이다.
[07] 도 2는 특정 예시적인 시스템에서의 이온 광학 그리드의 제 3 그리드의 바이어스 대 빔 확산(°)의 그래프이다.
[08] 도 3은 예시적인 개시된 시스템의 개략을 도시한다.
[09] 도 4는 표면 임플랜테이션(implantation)이 삽입 및 변위(displacement) 효과들을 통한 표면 밀도를 변조할 수 있는 방법을 예시한다.
[010] 도 5는 예시적인 분자 이온의 빔 팽창을 도시한다.
[011] 도면들은 반드시 실척되지 않아도 된다. 도면들에 이용되는 유사 번호들은 유사한 컴포넌트들을 지칭한다. 그러나, 정해진 도면에서의 컴포넌트를 지칭하기 위한 숫자의 이용은 동일한 숫자로 라벨링되는 다른 도면에서 컴포넌트를 제한하도록 의도되지 않음이 이해될 것이다.
[012] 다음의 설명에서, 그 일부를 형성하며 예시로서 여러 특정 실시예들이 도시되는 도면들의 첨부하는 세트에 대해 참조가 이루어진다. 본 개시물의 범위 또는 정신으로부터 이탈하지 않고서 다른 실시예들이 고려되며 이루어질 수 있다. 다음의 상세한 설명은 따라서, 제한하는 의미가 아니다.
[013] 달리 표시되지 않는다면, 명세서 및 청구범위에 이용되는 피처 크기들, 양들 및 물리적 특성들을 표현하는 모든 숫자들은 용어 "약(about)"에 의해 모든 사례들에서 수정되는 것으로 이해되는 것이다. 따라서, 반대로 표시되지 않는다면, 전술한 명세서 및 첨부되는 청구범위에 설명되는 수치적 파라미터들은 본원에 개시되는 교시들을 활용하는 당업자에 의해 획득되도록 추구되는 특성들에 따라 변화할 수 있는 근사화들이다.
[014] 종점들에 의한 수치적 범위들의 나열은 그 범위 내에 부분합산된 모든 숫자들(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5) 및 그 범위 내의 임의의 범위를 포함한다.
[015] 본 명세서 및 첨부되는 청구범위에 이용된 바와 같이, 그 내용이 달리 명확하게 서술되지 않는다면, 단수 형태들 "a", "an" 및 "the"는 복수의 지시 대상들을 갖는 실시예들을 망라한다. 본 명세서 및 첨부되는 청구범위에 이용된 바와 같이, 용어 "또는"은 내용이 달리 명확하게 서술하지 않으면 "및/또는"을 포함하는 의미에서 일반적으로 사용된다.
[016] "포함하다", "포함하는" 등의 용어들은 망라하는 것을 의미하지만 그에 제한되지 않으며, 즉 포함하는 것이며 배제하는 것이 아니다. "최상부" 및 "바닥부"(또는 "상부" 및 "하부"와 같은 다른 용어들)는 관련 설명들을 위해 엄격하게 활용되며 그리고 설명된 엘리먼트가 위치되는 관사의 임의의 전체적인 지향을 암시하지 않음이 주목되어야 한다.
[017] 본원에 활용된 바와 같은 "층"은 기판의 표면 상의 재료, 기판의 계면에서의 재료(즉, 표면에 부분적으로 주입되지만 또한 기판 상에 있는 것처럼 노출되는 재료들), 기판 내의 재료(즉, 기판에 주입되며 그리고 기판의 표면에 노출되지 않은 재료들) 또는 그의 임의의 조합을 지칭할 수 있다. 층의 형성은 따라서 (전형적으로 수 나노미터들의 깊이까지만 또는 표면 아래 적게) 기판의 벌크에서의 재료의 임플랜테이션; (예를 들어, 기판에 부분적으로 임베디드되는) 기판의 표면에서의 재료의 임플랜테이션; 기판의 표면 상의 재료(또는 개시된 방법에 의해 이미 형성된 재료 상의)의 증착; 또는 그의 조합들을 포함할 수 있다. 층이 형성됨에 따라, 표면은 기판으로부터 떨어져 상방으로 연속적으로 이동하는 것이 또한 주목되어야 한다. 본원에 활용된 바와 같은 "막"은 기판의 표면 상에 존재하는 재료를 지칭할 수 있다. 층은 따라서 막만을 또는 기판 내의 막 및 재료를 포함할 수 있다. 본원에 개시된 방법들은 층들을 형성하기 위해 활용될 수 있다. 개시된 방법들을 활용하는 층들의 형성은 표면 변형, 재료들 합성, 조성의 변형들 또는 그 조합들을 포함할 수 있다. 본원에 개시된 바와 같은 층들의 형성은 표면 층 원자들 또는 표면으로부터의 약간의 결합 길이들(bond lengths) 내로 국한될 수 있는 프로세스 상호작용들을 포함할 수 있다. 개시된 방법들을 활용하는 층들의 형성은 또한 표면 서브-플랜테이션(surface sub-plantation: SSP)으로 지칭될 수 있다.
[018] 표면 나노엔지니어링 기술들을 확장하며 그리고 개선하기 위한 방법들, 프로세스들 및 시스템들이 본원에 개시된다. 개시된 방법들은 예를 들어 중성 입자 빔들을 포함하는 다양한 방법들 및 기술들을 이용하여 표면 서브플랜테이션(SSP) 및 계면 엔지니어링을 제공한다. 개시된 방법들 및 시스템들에서, 서브-모노층(sub-monolayer)으로부터 표면으로부터의 약간의 결합 길이들까지의 범위에 있는 깊이 스케일들로 프로세싱이 발생한다. 애플리케이션들은 표면으로부터의 수 나노미터들을 연장하는 깊이 스케일에 관한 표면 변형, 재료들 합성 및 조성의 변형들, 에칭 및 계면 엔지니어링을 포함한다. 탄소 및 경화된 탄소 층들 둘 다가 구체적으로 본원에 논의되지만, 개시된 방법들 및 고려들은 준안정(metastable) 표면 구성들 또는 표면 층들을 포함하는 다른 재료들에 적용가능하다. 본 명세서를 숙독하는 당업자는 개시된 방법들이 탄소 및 수소화된 탄소와 다른 재료들에 적용가능함을 이해할 것이다.
[019] 예를 들어 데이터 스토리지에서의 슬라이더 변환기 기술과 같은 많은 중요한 박막 애플리케이션들, 마이크로일렉트로닉스, 또는 생물의학 애플리케이션들에서, 표면들은 서브-미크론 미만으로부터 센티미터까지 범위에 있는 스케일들 상에 (예를 들어 전기적으로 플로팅 구조들로 그라운드될 수 있는) 일부 전기적으로 절연하고, 일부 반전도하며, 일부 전기적으로 전도하는 여러 서로 다른 재료들을 포함할 수 있다. 또한 에지들 근처에 위치되는 막 토포그래피 및/또는 구조들이 존재할 수 있다. 이들 팩터들의 전부뿐 아니라 다른 것들이 충전 효과들에 영향을 미칠 수 있다. 절연 및/또는 전도성 표면들의 충전 또는 차동 충전은 입사 충전된 입자 플럭스, 에너지 및 도달각 분포들에 영향을 미칠 수 있으며, 그 중 임의의 것 또는 전부는 표면 나노엔지니어링 프로세스들에 유해할 수 있다.
[020] 더욱이, 많은 이온 빔들 및 플라즈마 기반된 프로세스들은 플라즈마-표면 상호작용에 관련된다. 임의의 표면은 플라즈마와 접촉할 때, 시스(sheath) 경계를 교차하는 충전된 입자들의 플럭스, 에너지 및 입사각 분포들에 영향을 미칠 수 있는 표면 위에 시스가 형성된다. 평탄한, 동종의, 반무한 기판 표면 위의 균일한 입사 충전된 입자 플럭스에서, 시스 두께가 균일하며 그 전계 라인들은 기판 표면에 수직인데, 즉 시스는 그에 걸친 충전된 입자 흐름인 것과 같이 본래 1차원이다. 시스 필드의 왜곡은 재료들 계면에서 입사하는 입자들의 플럭스, 에너지 및 각도 분포에 부수적으로 영향을 미칠 수 있다. 여러 팩터들은 플라즈마 시스 왜곡을 생성할 수 있다. 예시들은 절연과 전도성 재료들 사이의 계면을 포함할 수 있다. 평면 기하학들에서조차, 시스 두께에서의 차이들은 계면의 어느 한쪽 상에 개발되는 시스 전위에서의 차이들을 발생시킬 수 있다(정해진 플라즈마 특성들을 위한 플로팅 전위를 달성하는 절연체, 전도체 전위는 예를 들어, 바이어싱 등을 통해 가변적일 수 있다). 계면을 걸친 최종 전위 차이는 표면 법선 방향으로부터 전계를 로컬로 그리고 따라서 그에 걸친 이온 흐름을 왜곡할 수 있다. 토포그래픽 피처들 및 기판/웨이퍼 에지들은 또한 플라즈마 시스를 왜곡시킬 수 있다. 왜곡의 범위는 토포그래픽 피처들의 길이 스케일에 대한 시스 두께의 상대적인 크기에 의존하며 시스 폭이 입사 충전된 입자 플럭스, 에너지 및 각도 분포들의 수반적인 왜곡을 갖는 피처 크기에 상당하거나 그보다 작을 때 상당해진다.
[021] 상기 쟁점들 때문에, 표면 및 플라즈마-표면 상호작용들의 충전 효과들인, 본 개시물은 표면과 상호작용하기 위해 중성 입자 빔을 활용한다. 중성 빔의 이용은 플라즈마 시스와의 상호작용들을 제거하며(또는 심지어 플라즈마 시스의 형성을 최소화하며) 그리고 기판들 및 형성된 층들의 표면 상에 전하 또는 전압의 생성을 최소화할 수 있거나 심지어 방지할 수 있다. 이것은 그와 같은 전압들이 특정 애플리케이션들에 대해 문제가 될 수 있기 때문에 유용할 수 있다. 예를 들어, 터널링 자기저항(TMR) 헤드들은 제조 동안 전하의 형성에 의해 불리하게 영향받을 수 있다. 더욱이, 층들의 형성 동안 표면 상에 전하가 형성되지 않는다면, 층을 형성하는 입자들은 더 신뢰성있게 제어될 수 있다. 이것은 더 균일한 특성들을 갖는 층들의 제조를 제공할 수 있다.
[022] 종래의 증착, 에칭 및 임플랜테이션 프로세스들은 충전된 프로세스 입자들과의 정전기 및/또는 전자기 상호작용들을 이용하여 입자 특성들 및 입자 전송을 제어한다. 기판에서의 표면 전하를 중성화하는 방법들은 전자 빔 조사(irradiation)에 의한 빔 펄싱 및 플로딩(flooding)을 포함한다. 전자는 펄스들 사이의 전하의 표면 확산 손실에 의존하며 후자는 재조합시에 표면 전하 균형을 달성하는 것이다. 기판에서의 전하 효과들을 감소시키려 시도하는 더 공통의, 예측가능한 종래 방법은 e-빔 소스를 통해 또는 예를 들어 플라즈마 브리지 중성기(plasma bridge neutralizer)를 통해 이온 빔에 (예를 들어 포지티브 이온 빔들에 대해) 전자들을 "커플링"하는 것이다. 그러나, 이온들 및 전자들의 약간의 재조합이 빔 전송 동안 발생하며 그 상황은 기판에 도달하는 반대 전하들(입자들)의 수량들을 "밸런싱하는 것" 중 하나이다. 그와 같이, 이전에 활용되는 중성화된 이온 빔 프로세싱은 (상기에 논의된) 플라즈마 빔으로의 프로세싱에 대한 유사성들을 갖는다. 결과적으로, 전하 효과들은 이전에 활용된 프로세스들 및 시스템들에서 전적으로 제거되지 않을 수 있다.
[023] 다른 한편으로 활용되는 개시된 방법들 및 시스템들은 진짜 중성 입자들로서 기판과 후속적으로 상호작용하는 중성 입자들의 낮은 에너지 빔들을 제어한다. 이것은 상기에 논의된 유해한 상호작용들을 제거할 수 있거나 적어도 감소시킬 수 있다. 일반적으로, 개시된 방법들은 충전된 입자 빔을 생성하고자 하며 입자들은 원하는 특성들을 가지며 그리고 그 후에 입자들의 특성들을 유해하게 변경하지 않고서 입자들을 중성화한다.
[024] 개시된 방법들은 일반적으로 기판을 제공하는 단계; 전구체 이온 빔을 제공하는 단계; 및 층을 형성하기 위해 기판을 향해 중성 입자 빔을 지향시키는 단계를 포함할 수 있다.
기판을 제공하는 것
[025] 기판을 제공하는 것은 예를 들어, 시스템 내의 기판을 배치, 구성 또는 그렇지 않으면 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 층이 형성되어야 하는 기판은 임의의 타입의 재료 또는 구조일 수 있다. 일부 실시예들에서, 예시적인 기판은 그 위에 층 형성이 발생할 적어도 하나의 표면을 가질 수 있다. 그와 같은 기판은 층이 적어도 원하는 표면 상에 형성되도록 단순하게 프로세스 챔버에 배치되는 것을 포함할 수 있는 "층 형성을 위해 적응되는" 것으로서 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판은 그 위에 또는 그 내부에 형성되는 구조들 또는 디바이스들을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 본원에 개시되는 방법들은 다양한 구조들 상에 오버코트들(overcoats)을 형성하기 위해 활용될 수 있다; 그리고 그와 같은 실시예들에서, 오버코트가 형성되어야 하는 디바이스가 기판으로 고려될 수 있다.
전구체 이온 빔
[026] 개시된 방법들은 또한 전구체 이온 빔을 제공하는 단계, 생성하는 단계, 또는 그렇지 않으면 획득하는 단계를 포함한다. 전구체 이온 빔은 원하는 특성들을 가질 수 있는 이온들 또는 충전된 입자들을 포함할 수 있다. 일단 이온 빔이 중성화되면, 중성 입자들, 이전에 충전된 입자들 또는 이온들은 여전히 원하는 특성들을 갖는다. 원하는 특성들은 예를 들어, 에너지, 속도, 각도 발산 분포(angular divergence distribution) 및 그의 조합들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전구체 이온 빔에서의 이온들은 그의 중성화된 버전들이 원하는 특성들을 갖도록 선택된 하나 또는 그 초과의 특성을 가질 수 있다. 충전된 입자들은 포지티브로 또는 네거티브로 충전될 수 있다. 본 명세서를 숙독한 당업자는 네거티브로 충전된 이온들의 이용을 위해 포지티브로 충전된 이온들에 관하여 구체적으로 논의될 수 있는 더 구체적으로 논의된 개념들을 적응시킬 수 있다.
[027] 전구체 이온 빔을 제공하는 것은 상업적으로 이용가능한 장비를 활용함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 넓은 빔 이온 소스들, 또는 좁은 빔 이온 소스들은 둘 다 활용될 수 있다. 전구체 이온 빔들의 소스들의 타입들의 예들은 예를 들어, 유도적으로 커플링된 RF 이온 소스, 및 직류(DC) 넓은 빔 이온 소스들을 포함할 수 있다.
전구체 이온 빔을 중성화함
[028] 전구체 이온 빔이 형성된 후에, 전구체 이온 빔이 그 후에 중성화된다. (멀티-단계 방식으로 실행될 수 있거나 실행되지 않을 수 있는) 이러한 단계는 전구체 이온 빔의 이온들을 중성 입자 빔의 중성 입자들로 변경한다. 어구 "전구체 이온 빔의 이온들을 중성화함"(및/또는 유사한 어구들)은 일반적으로 이온들 중 적어도 일부가 중성화됨을 암시한다. 따라서, 본원에 이용된 바와 같이, 어구 중성화된 입자 빔은 전구체 이온 빔의 이온들 중 적어도 일부가 중성화된 입자 빔을 지칭한다. 그와 같이, 중성화된 입자 빔은 부분적으로 중성화된 입자 빔 및 완전히 중성화된 입자 빔을 포함한다. 일부 실시예에서, 실질적으로 모든 이온들이 중성화된다. 일부 실시예들에서, 이온들 중 적어도 약 5%는 중성화된다. 일부 실시예들에서, 이온들 중 적어도 약 20%가 중성화된다. 일부 실시예들에서, 이온들 중 적어도 약 50%가 중성화된다. 일부 실시예들에서, 이온들 중 적어도 약 75%가 중성화된다. 일부 실시예들에서, 이온들 중 적어도 약 95%가 중성화된다. 일부 실시예들에서, 이온들 중 적어도 약 100%가 중성화된다.
[029] 일부 실시예들에서, 전구체 이온 빔은 표면 중성화 기술들을 이용하여 중성화될 수 있다. 그와 같은 표면 중성화 기술들은 전제조건화된, 전구체 이온 빔으로부터 중성 입자들의 고도로 제어된 빔들의 발생을 허용하는 입사 이온 빔(들)의 에너지 및 방향성 특성들("원하는 특성들")을 크게 보존하기 위해 셋업될 수 있다.
[030] 예를 들어, 이온들을 중성화하는 일 방식은 표면, 예를 들어 금속 표면에서 충전된 입자들의 빔을 지향시키는 것에 관련할 수 있다. 표면에 접근하는 이온들은 예를 들어, 공진 또는 오제(Auger) 효과들에 의해 중성화될 수 있다. 이온들이 그레이징 입사(grazing incidence)에서 표면에 밀접하게 접근하는 경우에, 스캐터링 프로세스의 운동학은 그 에너지 및 방향성(즉, "원하는 특성들")이 입사 이온 빔에 가까운 중성 입자들을 생성하면서, 매우 낮은 운동 에너지로 낮은 각도(거의 정반사성) 전방 스캐터링을 발생시킬 것이다. 그와 같은 그레이징 충돌들을 이용하는 전구체 이온 빔의 중성화는 표면 거칠기 및 표면 오염물질들의 존재와 같은 팩터들에 의해 더 어렵거나 덜 기능적으로 될 수 있다.
[031] 대안적으로, 중성 입자들은 고 애스펙트 비 그리드로의 직접 이온 주입으로 플라즈마 경계로부터의 이온 추출에 의해 전구체 이온 빔으로부터 생성될 수 있다. 그와 같은 경우에, 그라운드된 그리드의 고 애스펙트 비 홀들(holes)을 통한 이온들 이동(travel)으로서 측벽 상호작용들을 통해 중성화가 발생한다. 이전의 방법들은 그와 같은 제어를 시도하지만, 형상을 결정하는 그리드 오리피스들(grid orifices)을 갖는 플라즈마 메니스커스(plasma meniscus) 경계의 열악하게 제어된 상호작용, 및 그로 인해 메니스커스의 표면으로부터 방출하는 이온들의 방향성 때문에 그레이징, 중성화하는 충돌들을 생산하는 것에 대한 제한된 제어를 나타낸다. 더욱이, 소스 가스 압력은 예를 들어, 그의 넓어진 에너지 분포를 통해 빔의 품질을 완화할 수 있으며 중성 함량들을 감소시킬 수 있는 느린 뉴트럴들(neutrals)과 빠른 이온들 사이의 전하-교환 충돌들을 발생시킬 수 있다.
[032] 일부 실시예들에서, 개시된 시스템들 및 방법들은 따라서 글랜싱(glancing) 측벽 충돌들을 제어하기 위해 이온 광학들을 활용하며 그리고 그에 의해 이온 대 뉴트럴 변환 프로세스에 대한 제어를 개선한다. 일부 실시예들에서, 4개의 그리드 시스템이 활용될 수 있다. 예를 들어, 넓은빔 이온 소스로, 고 애스펙트 비 그리드는 개시되는 방법들 및 시스템들에서의 전형적으로 활용되는 3개의 그리드 시스템을 보충하는 제 4 그리드를 형성할 수 있다.
[033] 예시적인 시스템의 개략은 도 1a에서 보여질 수 있다. 도 1a에 예시된 시스템은 넓은 빔 이온 소스 시스템의 일 예이다. 도 1a에 도시된 시스템(100)은 (전구체 이온 빔을 제공하기 위해) 이온 소스(110)를 포함한다. 이온 소스(110)는 예를 들어, 넓은 빔 이온 소스, 또는 좁은 빔 이온 소스를 포함할 수 있다. 이온 소스의 특정 예는 유도적으로 커플링된 RF 이온 소스이다. 시스템은 또한 이온들을 중성화하기 위한 컴포넌트들, 예를 들어, 이온 광학 그리드(120) 및 고 애스펙트 비 그리드(130)를 포함할 수 있다. 이온 광학 그리드(120)는 예를 들어, 공통으로 활용되는 이온 광학 시스템들을 포함할 수 있다. 이온 광학 그리드(120)는 일반적으로 그리드들의 3개의 세트들, 제 1 그리드, 제 2 그리드 및 제 3 그리드를 포함하며, 제 1 그리드는 이온 소스에 가장 가까운 것이며 그리고 제 3 그리드는 이온 소스로부터 가장 먼 것이다. 개시된 방법들 또는 시스템들에서 활용되는 이온 광학 그리드들(120)에서, 제 3 그리드는 전기적으로 바이어스되며, 종래 시스템들에서처럼 그라운드되지 않는다. 시스템(100)은 또한 높은 어스펙트 비 중성화 그리드(130)를 포함할 수 있다. 높은 어스펙트 비 중성화 그리드(130)는 그라운드되거나 바이어스될 수 있다. 제 3 그리드의 바이어스 전위는 고 애스펙트 비 중성화 그리드로의 이온들의 주입의 각도를 제어할 수 있다.
[034] 도 2는 높은 어스펙트 비 그리드(130)로의 이온들의 주입의 각도에 상당히 영향을 미치기 위해 예를 들어, 제 3 그리드 바이어스 전위의 이온 광학 파라미터들의 변화가 어떻게 이용될 수 있는지를 도시하는, 소스, 빔 및 그리드 기하학 및 바이어싱 파라미터들의 정해진 세트에 대한 특정 예시적인 예를 도시한다. 많은 팩터들이 빔의 궁극적 다이버전스 한계를 결정하는 것이 주목되어야 한다. 이러한 특정 예시적인 예에서, 약 20 도의 다이버전스를 갖는 다이버전트 빔을 생산하기 위해 동작되는 그라운드되는 제 3 그리드 광학들을 갖는 3개의 그리드 시스템에 대하여, 제 3 그리드 바이어스의 큰 윈도가 빔 다이버전스를 감소시키기 위해 이용가능함을 알 수 있다. 중성 입자 빔을 생성하기 위해 고 애스펙트 비 그리드에서의 직접 대응하는 그레이징 각도 측벽 입사를 생성하도록 (약 5도보다 작은) 낮은 빔 다이버전스를 생산하는 제 3 그리드 바이어스의 비교적 좁은 윈도가 존재한다.
[035] 이온 광학 그리드의 바이어스된 제 3 그리드는 고 애스펙트 비 그리드(130)로의 진입(entry)을 위해 훨씬 더 적은 다이버전트 빔을 제공하기 위해 기능할 수 있다. 이것은 충전된 빔 입자들 상의 정전기장의 동작을 통한 것이다. 부수적으로, 입자들은 더 낮은 입사에서 고 애스펙트 비 그리드의 플레이트들을 때리며, 그리고 따라서 그들이 형성되거나 변경됨에 따라 동일하게 남아있다(즉, 그들의 "원하는 특성들"을 유지한다). 이것은 원하는 특성들을 갖는 입자들의 더 제어된 빔을 생성하기 때문에 유용할 수 있다.
[036] 일단 전구체 이온 빔이 이온 광학 그리드를 통과하면 수정된 전구체 이온 빔으로서 지칭될 수 있다. 수정된 전구체 이온 빔은 그 후에 고 애스펙트 비 그리드를 통해 지시될 수 있다. 전구체 이온 빔 및/또는 수정된 전구체 이온 빔이 다른 컴포넌트들을 통해 지시될 수 있으며 및/또는 이온 광학 그리드를 통해 지시되기 전에 및/또는 후에 그 위에 실행되는 다른 단계들을 가질 수 있음이 주목되어야 한다. 또한 시스템들이 일부 실시예들에서 하나보다 많은 이온 광학 그리드 또는 서로 다른 이온 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있음이 주목되어야 한다.
[037] 도 1b는 고 애스펙트비 중성화 그리드(130) 및 이온 광학 그리드(120)의 제 3 그리드의 확대된 부분을 도시한다. 거기에 보여지는 바와 같이, 빔 다이버전스(α) 및 측벽 글랜싱 각도(90-α)가 법선에 관련한다. 고 애스펙트 비 중성화 그리드(130)의 측벽들을 때리기 전에 그리고 측벽들을 때린 후에 충전된(n+) 입자(140)가 또한 도 1b에 예시되며, 그에 의해 중성(n0) 입자(145)로 된다.
[038] 정해진 다이버전스 및 직경을 갖는 빔에 대해, (벽을 때리는 빔 입자들의 단편 및 입자가 그것을 통해 전송하는 동안 벽과 상호작용할 횟수의 관점에서) 벽과 빔 입자들의 상호작용들을 글랜싱하는 원하는 정도 및 따라서 고 애스펙트 비 중성화 그리드(130)를 탈출함에 따른 빔의 중성화(또는 대안적으로 이온화)의 정도에 영향을 미치기 위해 그리드의 애스펙트 비의 기하학적 고려사항들이 설정될 수 있다.
기판에 중성 입자 빔을 지향시킴
[039] 중성 입자 빔을 형성하기 위해 전구체 이온 빔이 중성화된 후에, 중성 입자 빔이 그 후에 기판에 향해진다. 일반적으로, 이온 소스, 이온 광학 그리드, 고 애스펙트 비 그리드 및 임의선택적으로 기판 홀더(또는 간단하게 기판)와 같은 컴포넌트들은 이온들 및 지속적으로 중성 입자들이 기판과 상호작용하도록 시스템 내에 구성될 수 있다. 본 명세서를 숙독하는 당업자는 그와 같은 시스템이 구성되어야 하는 방법을 이해할 것이다. 부분적으로 중성화된 빔에 대해, 기판 테이블에 대해 "스로(throw)" 거리의 적절한 고려사항이 프로세스 윈도에서의 증착 레이트의 적절한 제어와 함께 인스투르먼트(instrument) 설계로 이루어지지 않으면 빔 다이버전스가 (프로세스 제어의 확률적 손실을 갖는) 빔에 의해 나타날 수 있음이 주목되어야 한다.
층을 형성하기 위해
[040] 개시된 방법들은 임의의 재료의 층들을 형성하기 위해 활용될 수 있다; 또는 서술된 다른 방법으로 표면 층에 삽입되는 중성 입자들은 임의의 아이덴티티를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 개시된 방법들은 탄소를 포함하는 층들을 형성하기 위해 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개시된 방법들은 탄화수소(예를 들어, 수소화된 탄소)으로서의 탄소를 포함하는 층들을 형성하기 위해 활용될 수 있다. 그러나 탄소 및 탄화수소들은 단순하게 일 예이며 개시된 방법들이 탄소 및/또는 탄화수소 층들 또는 막들의 형성에 제한되지 않음이 이해되어야 한다.
[041] 상기에 논의된 바와 같이, 본원에 활용된 바와 같은 "층"은 기판의 표면 상의 재료, 기판의 계면에서의 재료(즉, 표면에 부분적으로 주입되지만 또한 표면 상에서와 같이 노출된 재료들), 기판 내의 재료(즉, 표면에 주입되며 그리고 기판의 표면에 노출되지 않는 재료들), 또는 그의 임의의 조합을 지칭할 수 있다. 층의 형성은 따라서 (전형적으로 약간의 나노미터들의 깊이까지 또는 표면 약간 아래까지만) 기판의 벌크에서의 재료의 임플랜테이션; (예를 들어, 기판에 부분적으로 임베디드되는) 기판의 표면에서의 재료의 임플랜테이션; 기판의 표면 상의 재료(또는 개시된 방법에 의해 이미 형성된 재료 상의) 증착; 또는 그의 조합들을 포함할 수 있다. 층이 형성됨에 따라, 표면이 기판으로부터 상방으로 떨어져 연속적으로 이동함이 주목되어야 한다. 본원에 활용된 바와 같은 "막"은 기판의 표면 상에 존재하는 재료를 지칭할 수 있다. 층은 따라서 단지 막 또는 기판 내의 막 및 재료를 포함할 수 있다. 본원에 개시된 방법들은 층들을 형성하기 위해 활용될 수 있다. 개시된 방법들을 활용하는 층들의 형성은 표면 변형, 재료들 합성, 조성 변형들 또는 그의 조합들을 포함할 수 있다. 본원에 개시된 바와 같은 층들의 형성은 표면 층 원자들로 또는 표면으로부터의 약간의 결합 길이들 내로 국한될 수 있는 프로세스 상호작용들을 포함할 수 있다. 개시된 방법들을 활용하는 층들의 형성은 또한 SSP로서 지칭될 수 있다.
[042] 중성 입자 빔을 구성하는 재료는 형성되는 층의 재료의 컴포넌트일 것이다. 일부 실시예들에서, 중성 입자 빔으로부터의 재료들은 기판에 삽입될 것이며, 그 경우에 중성 입자 빔으로부터의 재료 및 기판 재료의 혼합물이 형성될 것이다. 일부 실시예들에서, (예를 들어) 탄소를 포함하는 층들이 형성된다. 일부 다른 실시예들에서, (탄소 및 수소 둘 다인) 수소화된 탄소를 포함하는 층들이 형성된다. 형성되는 층들은 다양한 두께들을 가질 수 있다. 그 어구가 본원에 활용되는 바와 같은, 층의 두께는 두께의 측정을 지칭한다. 예를 들어, 두께의 측정은 평균 두께를 제공할 수 있거나, 층의 평균 두께 또는 두께에 관련될 수 있는 특성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 층들은 (재료의 모노층보다 작은) 약 서브-모노층으로부터 약 30Å 두께로 있을 수 있다. 일부 실시예들에서 층들이 약 15Å으로부터 약 25Å 두께로 있을 수 있다; 그리고 일부 실시예들에서, 층들은 약 15Å으로부터 20Å 두께로 있을 수 있다.
[043] 개시된 방법들은 층의 조성을 엔지니어하기 위해 활용될 수 있다. 예를 들어, 개시된 방법들은 탄소 함유 층을 엔지니어하기 위해 활용될 수 있다(탄소 함유 층은 일 예로서만 활용되며 조성 엔지니어링이 임의의 타입의 재료로 착수될 수 있음이 주목된다). 또한 조성 엔지니어링은 탄소 함유 층 및/또는 수소화된 탄소 함유 층을 형성하기 위해 활용될 수 있음이 주목된다. 탄소 함유 층들의 증착에 대한 개시된 프로세스들 또는 방법들의 애플리케이션은 층의 sp3/sp2 비가 엔지니어링되도록 허용할 수 있다. "sp3" 및 "sp2"는 (예를 들어) 탄소 원자가 포함할 수 있는 혼성 궤도들의 타입들을 지칭한다. sp3 탄소 원자는 4개의 sp3 궤도들을 포함하기 때문에 4개의 다른 탄소 원자들과 같은 4개의 다른 원자들로 결합되며, sp3 궤도는 예를 들어 다른 탄소 원자에 대한 매우 강한 σ 결합을 형성한다. sp2 탄소 원자는 3개의 sp2 궤도들을 포함하기 때문에 3개의 다른 탄소 원자들과 같은 3개의 다른 원자들로 결합되며, sp2 궤도는 σ 결합보다 더 약한 π 결합을 형성한다. 자기 레코딩 헤드들 및 매체에서 이용되는 탄소 오버코트들을 포함하는 수많은 애플리케이션들에서, 탄소가 더 안정하기 때문에(즉, 더 강한 결합들을 포함하기 때문에) sp2 결합들보다 더 많은 sp3을 갖는 탄소가 종종 바람직할 수 있다. 일부 실시예들에서, 개시된 프로세스들 또는 방법들은 더 안정한, 즉 sp2 결합들보다 더 많은 sp3 결합들을 갖는 탄소 함유 층의 형성을 허용할 수 있다. 그와 같은 탄소 층들은 더 높은 열적 탄성, 더 양호한 기계적 특성들, 더 양호한 화학적 특성들 또는 그의 조합들을 가질 수 있다.
[044] 상기에 논의된 바와 같이, 층은 기판의 표면 상의 재료, 기판의 계면에서의 재료(즉, 기판으로 부분적으로 주입되지만 또한 표면 상에서와 같이 노출되는 재료들), 기판 내의 재료(즉, 기판에 주입되며 기판의 표면에 노출되지 않는 재료들) 또는 그의 임의의 조합을 지칭할 수 있다. 실시예들에서, 본원에 개시되는 방법들은 핵생성 성장 메커니즘들 상에 기초한 층들을 형성하지 않는다. 핵생성 성장 메커니즘들은 기본적으로 연속적인 막의 최소 두께를 제한한다.
[045] 일부 개시된 방법들은 임플랜테이션의 원치않는 효과들을 최소화하기 위해 낮은 에너지 입자들을 프로세싱하거나 증착하는 단계를 포함한다. 다음의 구성은 입자들의 에너지를 설명하기 위해 본원에 활용될 수 있다. 그라운드된 빔 입자 소스의 예시적인 경우에, 비-바이어스된, 비-충전된 기판 표면과의 상호작용 직전에 입자의 입사 에너지(
)는 입사 입자가 단원자, 단일로 충전된 이온을 가정하여, 빔 전압(또는 스크린 바이어스), 
및 플라즈마 전위, 
의 합산에 의해 제공된다. 본 예에서, 주입 에너지(
)는 설명된 바와 같은 입사 에너지(
)와 동일하다. 단일로 충전된 분자 이온 또는 클러스터의 경우에 대해, 기판 표면에서의 원자들과의 상호작용시에, 분자 궤도 중복은 그 성분 원자 종들로 분자(또는 클러스터)의 완전한 분열을 발생시킨다. 입사 운동 에너지(
) 마이너스 분자 또는 클러스터 해리(dissociation) 에너지는 그 후에 각 단편의 
를 제공하기 위해 원래의 입사 분자 또는 클러스터 질량의 질량 단편(
)에 따른 각 원자 "단편" 위에 분할된다.
[046] 입자의 주입 에너지는 약간의 결합 길이들의 최대치보다 작게 표면으로의 이온 투사된 범위를 제한하기 위해 선택될 수 있다(최대치가 선택된다). 입자의 주입 에너지가 또한 표면으로의 입자들의 통합을 허용하기 위해 표면 에너지 배리어(barrier)의 관통을 허용하는데 최소한 충분하도록 선택될 수 있다(최소치가 선택된다). (표면으로의 입자의 관통을 허용하는데 충분한) 선택된 최소 에너지때문에, 전형적인 핵생성 성장 메커니즘들을 통해 층의 성장이 달성되지 않는다. 주입 입자 에너지들의 선택된 범위는 타겟 원자들로의 운동 에너지 전달이 이동을 생성하는데, 또는 평균적으로 단지 하나 또는 2개의 이동 반응들을 일반적으로 생성하는 불충분하거나, 표면으로의 또는 표면으로부터의 약간의 결합 길이들 내의 거리들까지의 삽입을 허용하는데 충분하도록 되어 있다.
[047] 일단 기판의 표면과 접촉되는 입자들은 더 작은 입자들로 분열할 수 있다. 그와 같은 경우들에서, 입자들 스스로들, 그와 같은 입사 입자들의 단편들 또는 그의 일부 조합은 에너지들, 즉 100 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 가질 수 있다. 주입 에너지들이 본원에서 논의될 때, 그와 같은 에너지들은 입사 입자들, 표면과의 상호작용에 의해 생성되는 그와 같은 입사 입자들의 단편들 또는 그의 임의의 조합을 지칭할 수 있음이 이해되어야 한다. 일부 실시예들에서, 개시된 방법들은 수십(10s) 전자 볼트들(eV)의 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 약 100 eV보다 작은 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 약 80 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 약 60 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 약 40 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 약 20 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 약 20 eV 내지 100 eV의 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 약 20 eV 내지 80 eV의 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 약 20 eV 내지 60 eV의 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 약 20 eV 내지 40 eV의 주입 에너지들을 갖는 입자들을 활용하는 단계를 포함한다.
[048] 개시된 방법들은 표면 이동성 효과들에 의존하는 핵생성으로부터의 기본적인 성장 메커니즘을 변경할 수 있다. 핵생성 기반된 방법들은 약 20 eV보다 작은 입사 에너지들을 활용하는 프로세스들에서 전형적이다(예를 들어, 전형적인 스퍼터 증착 방법들은 약 7 내지 약 15 eV이다; 그리고 증발 방법들은 약 1eV보다 작다). 개시된 방법들은 근처 표면 구역으로의 임플랜테이션에 의한 이동성을 억제한다. 초박형의 변경된 표면 구역들을 생성하기 위해 주입된 구역은 얕게 유지된다. 이를 달성하기 위해, 이용가능한 빔 플럭스들에서 생성하기에 실제로 어려운 낮은 에너지 입사 입자들이 활용된다. 종래의 낮은 에너지 임플랜테이션은 상업적으로 실행가능한 빔 전류들을 달성하기 위해 KeV 에너지들을 갖는 입자들을 여전히 활용한다. 활용된 입자들은 단편들이 낮은 에너지들을 갖도록 비교적 큰 분자들 또는 클러스터들이다; 예를 들어, 실리콘 도핑. nm 스케일 막들의 기본적인 엔지니어링에 대해, 이러한 분열 프로세스는 충분한 제어를 허용하지 않는다. 개시된 방법들은 따라서 제어가능한, 매우 낮은 주입 에너지 입자들을 달성하기 위해 작은 분자들에 걸친 분할로 매우 낮은 입사 에너지들을 활용한다.
[049] 입자 에너지, 빔 전류, 빔 다이버전스, 전하 상태 및 이온 질량의 프로세스 제어는 전형적으로 종래의 프로세스 기술들에서 정적이다. 그러나 선택된 빔 파라미터들의 변형은 예를 들어, 샘플 각도 측정 모션들로 그리고 모션없이 계면들, 조성적 또는 손상 중심 농도 프로파일들을 맞추기 위해 이용될 수 있다. 이와 함께, 가변가능하게 도핑된 멀티층 나노구조들 또는 선택적 깊이 또는 표면 도핑은 예를 들어, 윤활유 엔지니어링 애플리케이션들에서의 사후-막 성장 동안 질량 필터 파라미터들의 적절한 스위칭에 의해 달성될 수 있다.
임의선택적 단계들
[050] 개시된 방법들은 또한 다른 임의선택적 단계들을 포함할 수 있다. 그와 같은 임의선택적 단계들은 다양한 기술들을 활용하여 낮은 에너지 프로세싱 기술들을 개선할 수 있다. 그와 같은 임의선택적 단계들은 또한 상기 논의된 "원하는 특성들"을 이온들에게 제공하기 위해 활용될 수 있다. 이온/중성 입자들에 원하는 특성들을 제공하기 위해 그와 같은 임의선택적 단계들이 활용되는 일부 실시예들에서, 이온들이 고 애스펙트 비 그리드를 통해 향해지기 전에 임의선택적 단계들이 일반적으로 착수된다. 일단 이온들이 중성화되면, 불가능하지 않다면, 제어 및 그에 따른 특성 변형이 어려울 수 있다.
[051] 임의선택적 단계의 일 예는 이온들의 가속화 및/또는 감속화이며, 이것은 본원에서 "이온 액셀-디셀"로 지칭될 수 있다. 그와 같은 임의선택적 방법들 및/또는 단계들이 입자 빔이 중성화되기 전에 착수될 수 있다. 그와 같은 임의선택적 방법들 및/또는 단계들은 프로세스 현상들, 예를 들어, 에칭, 계면 나노엔지니어링, 나노도핑, 나노재료들 및 준안정 표면 재료들의 표면 나노엔지니어링의 제어를 제공하는 팩터들을 제어하기 위해 각도 측정 프로세싱((빔 축에 관하여) 타겟 프로세스 표면의 각도 측정 (각도) 배치로 입자 빔 파라미터들의 조정된 실시간 변화)과 함께 질량 선택, 빔 조정 및 쉐이핑으로 달성될 수 있다. 이온 액셀-디셀 방식들은 프로세스 제어를 개선하기 위해 낮은 에너지 이온 빔 전송 효과들 및 낮은 에너지들(예를 들어, 쓸모없이 낮은 빔 전류들)에서의 열악한 이온 소스 성능 특성들을 회피할 수 있다. 이온들은 높은 에너지들에서 가속될 수 있고 조정될 수 있으며 그 후에 기판과의 충돌 직전의 에너지에 영향을 미치기 위해 감속될 수 있다. 낮은 에너지 프로세스들을 위한 존재 제한들은 그러나, 극도로 좁을 수 있으며 쉽게 손상될 수 있다.
[052] 다른 실시예에서, 빔은 임의선택적으로 쉐이핑될 수 있다. 빔의 쉐이핑은 예를 들어, 이온 소스에서 또는 예를 들어, 질량 선택 후에 발생할 수 있다. 일부 실시예들에서, 좁은 직사각 또는 라인 쉐이핑된 빔이 유용한 형상일 수 있다. 다른 유용한 양상은 중성 입자 빔 자체가 정적이며 기판은 빔에 관하여 기계적으로 스캔될 수 있는 것이다. 정적 입사를 쉐이핑하는 것 및 독립적인 기판 스캐닝 둘 다는 키노 각도측정(kinogoniometric) 중성 입자 프로세싱에서의 중요한 양상들이다.
예시적인 시스템들
[053] 양쪽 방법들 및 시스템들이 본원에 개시된다. 일반적으로, 개시된 시스템들은 개시된 방법 단계들 중 하나 또는 그 초과를 실행하는 컴포넌트들을 획득함으로써 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개시된 시스템은 이온 소스, 이온 광학 그리드, 및 고 애스펙트 비 그리드를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 또한 임의선택적 기판 홀더를 포함할 수 있다. 유사하게, 일부 개시된 시스템들은 이온 액셀-디셀, 질량 선택, 빔 쉐이핑, 빔 스캐닝, 빔 펄싱 또는 그의 다양한 조합들에 영향을 미치기 위한 컴포넌트들을 임의선택적으로 포함할 수 있다.
[054] 개시된 방법들을 실행하기 위해 활용될 수 있는 예시적인 시스템 또는 개시된 시스템의 예시적인 기본 엘리먼트들, 그러나 상세되지 않은 컴포넌트들을 포함하는 개략적 예시는 도 3에 나타날 수 있다. 도 3에 도시되는 예시적인 시스템(300)은 예를 들어 가스 및/또는 솔리드들 이온 소스일 수 있으며 그리고 이온 영향 전위(플로팅)로 바이어스(+ve)될 수 있는 이온 소스(310); 이 경우에 이온-광학 렌즈들로서 예시되는 2개의 이온 광학 컴포넌트들(320a 및 320b); 및 고 애스펙트 비 그리드(330)를 포함한다. 이러한 예시적인 시스템은 또한 광학 컴포넌트들: 높은 전압(HV) 이온 추출 렌즈(315), 질량 필터(325), 빔 디셀 및 쉐이퍼 이온-광학 어셈블리(327) 및 기판 홀더(340)를 포함한다. 바이어스된 빔 라인(345)은 시스템을 통한 이온들의 적절한 빔 전송을 허용하기 위해 이용될 수 있다.
[055] 이러한 개시된 시스템에서, 공간-전하 팽창으로부터 발생하는 빔 전송 장애들을 극복하기 위해, 빔 전송 동안 공간-전하 팽창 효과들을 제어하기 위해 바이어스된 빔 라인(345) 어셈블리를 통해 전송되며 그리고 원하는 타겟(기판) 임팩트(impact) 전위에서 바이어스되는 이온 소스(310)로부터 낮은 에너지 이온들이 (315를 통해) 추출되며 그리고 가속화된다. (325를 통한) 질량 필터링후에, 이온들이 임팩트 전위로 되돌려 (327을 통해) 감속화되며, 제어된, 낮은 다이버전스 각도 빔이 고 애스펙트 비 중성화 디바이스(330)로 주입된다. 전구체 이온 빔의 방향성 및 에너지를 효율적으로 유지하는 중성 입자들(원자들, 분자들 또는 나노클러스터들)의 결과적인 빔은 그 후에 기판(340)에 향해진다. 이온 편향기 플레이트들의 임의선택적 세트는 또한 기판 어셈블리 전에 고 애스펙트 비 중성화 디바이스 후에 위치될 수 있다. 그와 같은 이온 편향기 플레이트들은 빔 경로로부터 임의의 이온화된 입자들을 편향시키기 위해 예를 들어, 정전기적으로 충전될 수 있다.
장점들/효과들
[056] 개시된 방법들은 성장이 진행함에 따라, 연속적으로 층의 최상부 약간의 결합 길이들까지 프로세싱 효과들을 국한하기 위해 노력한다. 이것은 (입사의 각도가 단지 변경될 때 여전히 존재할 수 있는) 기판 원자들과의 임플란팅 입자들의 비-선형적 원자 상호작용의 영향들을 최소화하거나 제거할 수 있다. 도 4는 표면 임플랜테이션이 삽입 및 이동 효과들을 통한 표면 밀도를 변조할 수 있는 방법을 예시한다. 탄소를 포함하는 막이 형성되는 일부 실시예들에서, 이것은 또한 sp3 결합 혼성화(hybridization)를 변조할 수 있다.
도 4에 나타난 바와 같이, 표면 임플랜테이션은 스퍼터 에칭, 표면 에너지 배리어의 관통 및 이온 반사를 포함하는, 여러 메커니즘들에 의해 복잡해질 수 있다. 프로세스 에너지 윈도는 이들 효과들의 계산 추정치들로부터 추정될 수 있다. 탄소 또는 탄화수소 기판 표면에 주입된 탄소의 경우에 대해, 크기 효과들은 효율적으로 관통을 위한 최소 에너지를 결정한다; 이것은 약 20 내지 25 eV이도록 충돌 단면들의 추정치들로부터 추정된다. 이것은 이온 빔 증착(IBD) 스퍼터 증착 기술들의 높은 에너지 테일(tail)에 대응하는 전형적인 원자 이동 에너지들에 가깝다. 가능한 표면 원자 분출 메커니즘들의 연구로부터, 예를 들어 정상 입사로부터의 최대 도달 에너지는 성장하는 막의 과도한 스퍼터링을 회피하기 위해 계산될 수 있으며 그리고 스퍼터 계수의 에너지 의존성에 기초한 예측들에 비교될 수 있다. 스퍼터링은 부분적으로, 표면 서브-플랜테이션(SSP) 기술을 위한 (특정 실시예들에서) 상위 에너지 제한을 정의한다. 양쪽 모델들은 약 40 내지 42 eV 아래의 최소 원자 배출을 예측한다. 실제적으로, 스퍼터 산출의 에너지 의존성으로부터의 예측들은 일부 실시예들에서의 상위 프로세스 제한을 위한 효율적인 "제로" 스퍼터 손실 추정치를 설정하는, 약 60 eV에서의 단지 약 10% 표면 스퍼터 손실을 표시한다. 다른 실시예들에서, 더 큰 스퍼터 손실들은 예를 들어, 본 예에서의 80 eV의 주입 에너지들에서 대략 30-40%로 용인될 수 있거나 심지어 바람직할 수 있다. 상기 논의된 특정 값들이 탄소의 경우에 적용하는 것이 주목되어야 한다; 그러나 고려사항들은 임의의 재료의 임플랜테이션에 적용한다.
[057] 개시된 방법들 및 시스템들은 그 개시물은 본원에 인용에 의해 포함되는 2012년 4월 5일에 출원된 "METHODS OF FORMING LAYERS"란 명칭의 미국 특허 출원 제 13/440,068 호; 및 2012년 4월 5일에 출원된 "METHODS OF FORMING LAYERS"란 명칭의 제 13/440,073 호에 개시된 것들과 같은, 각도 운동학 프로세싱 기술들에 대해 적절한 빔 전류를 갖는 제어된 낮은 에너지, 질량 필터링된, 전하 비 제어된, 콜리메이트된(collimated) 빔 입자 소스를 유용하게 제공할 수 있다. 더욱이, 본원에 개시된 방법들 및 시스템들은 표면들, 계면들 및 근처 표면 구역들의 제어된 나노엔지니어링을 가능하게 하기 위해 예를 들어, 표면 충돌 프로세스들을 구동하기 위해 유용할 수 있다. 이용들은 예를 들어, 도핑, 결함 형성, 에칭, 스트레스 제어, sp3/sp2 비 엔지니어링 및 계면 엔지니어링을 포함할 수 있다.
[058] 측정 운동학 프로세스들은 (빔 축에 관하여) 타겟 프로세스 표면의 각도 측정 배치로 입자 빔 파라미터들의 조정된 실시간 변화를 활용할 수 있다. 그와 같은 방법들은 예를 들어, 입사 입자들은 표면 또는 서브-표면 원자들을 인테로게이트(interrogate)하는지 여부를 선택적으로 제어하는데 그리고 그에 의해 표면 원자간 전위 또는 내부 "벌크" 원자간 전위 또는 둘 다를 통해 타겟 원자들 또는 원자 "체인들"과 상호작용하는데 도움을 줄 수 있다. 이것은 차례로 원하는 표면 충돌 또는 표면 충돌 시퀀스가 달성되는지 여부, 표면 반응에 대한 전위 배리어가 극복되는지 여부, 또는 서브-표면 관통이 달성되는지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 충격(impact) 각도들의 범위 또는 선택된 값에 상관되는 입사 입자 에너지들의 특정 프로파일은 예를 들어, 도핑 농도 프로파일에서의 주입된 원자들의 깊이 프로파일 또는 예를 들어, sp3/sp2 깊이 프로파일을 제어하기 위해 또는 표면 에칭 프로세스를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 각도 운동학 프로세싱에서, 프로세스 제어 변수들은 입자 빔 축(예를 들어, 경사 또는 극 각도 등)을 기판의 기하학 배치에 관하여 예를 들어, 입자 빔 파라미터들(예를 들어, 에너지, 빔 입자 밀도 등)의 변화를 제어하기 위해 프로세스 제어 알고리즘에 따라 변화될 수 있다.
[059] 좁은 이온 빔들은 균일한 이온 양을 생성하기 위해 기판 표면 위에 전형적으로 정전기적으로 스캔된다. 이것은 심지어 고정된 기판 포지션 및 원자적으로 평활한 표면에 대해, 타겟 원자들을 갖는 유입하는 이온들의 포지션 가변 각도 등록을 발생시킬 수 있다. 더욱이, 빔 스캐닝은 심지어 정적 기판들 상의 이온 소스에서의 빔 이온 전류 및 빔 에너지의 고정된 값들에 대한 포지션 입사 에너지, 운동학 에너지 교환 변화 및 포지션적으로 가변적인 빔 전류 밀도들을 생성할 수 있다. 이들 효과들 중 다수는 또한 스캔된 중성 입자 빔들에 적용한다. 빔 쉐이핑 방법들과 조합되는 기계적인 스캐닝 기술들은 스팟 입자 빔들의 스캐닝에 의해 생성되는 여러 각도 운동학 프로세스 변화 효과들을 개선할 수 있다. 예들은 기판 영역을 통해 전체 균일한 조명을 달성하기 위해 빔 축에 관하여 수직 또는 수평 축에서 스캔된 기판 및 균일한 강도의 프로파일과 같은 얇은 "슬롯"으로 형성되는 입자 빔을 포함한다. 일부 스캔 시스템들은 기판 영역을 통한 입자 조사의 균일한 필드를 달성하기 위해 더 느린 측면 또는 세로 방향 스캔 모션과 함께 기판의 고속 방위각 회전으로 조합된 쉐이핑된 정적 빔 프로파일들을 이용할 수 있다. 그와 같은 기술들은 기판이 경사지는 경우에도 빔 스캐닝 기술들에 반대로 기판 필드를 통한 일정한 입사 면적 입자 밀도 프로세싱을 허용할 수 있다. 낮은 에너지 나노엔지니어링 이온 빔 프로세싱에서, 공간-전하 효과들은 특히 악화된다. 분자 이온을 위해 생성되는 빔 팽창의 일 예는 정해진 필드 프리(field free) 빔 드리프트 길이들 및 빔 전류들에 대해 도 5에 도시된다. 빔 스캐닝에 의해 생성되는 필드 프리 드리프트 경로(FFDP)의 길이의 변화는 단지 입자 입사 각도를 변화시킬 뿐 아니라 재료들 프로세스 평면을 걸쳐 또한 불일치하는 임계적 각도 운동학 프로세스 변수들에 영향을 미치는 (가변 경로 길이 및 공간-전하 효과들을 통한) 입사 빔 다이버전스에 대한 상당한 변화를 야기할 수 있다. 이것은 (일정한 빔 전류에서) 포지션으로 가변적인 면적 입자 밀도에 의해 더 합성될 수 있다. 이들 효과들은 입사 입자 면적 밀도 및 일정한 FFDP에서의 기판의 각도 측정적으로 가변적인 프로세싱을 허용하기 위해 설계되는 기판 모션을 이용하여 정적인, 쉐이핑된, 입자 빔들에 의해 일부 범위까지 개선될 수 있다. 그러나, 짧은 FFDP로부터 발생하는 낮은, 가능하게는 실행불가능하게 낮은 빔 전류 밀도들 및 기하학적 제한들은 낮은 에너지 이온 빔 프로세스의 상업적 적용들을 제약시킬 수 있다. 개시된 방법들 및 시스템들은 이들 공간-전하 유도된 제한들로부터 겪지 않는 낮은 에너지 중성 빔 입자 프로세싱을 제공할 수 있으며 그리고 실행가능한 빔 입자(플럭스) 밀도들에서의 실행가능한 낮은 에너지 입자 프로세싱에 대한 핵심일 수 있다.
[060] 개시된 방법들 및 프로세스들은 또한 표면으로부터의 첫 번째 약간의 원자 층들에 대한 층 형성의 "바람직하지 않은 효과들"을 최소화하거나 제한할 수 있다. 본원에 개시되는 방법들 및 프로세스들은 표면으로부터의 단지 약간의 결합 길이들까지 하부의 서브-표면과 (주입, 증착 또는 둘 다 되는 것들인) 프로세스 입자들의 상호작용을 국한하는 것으로서 설명될 수 있다. "약간의 결합 길이들"은 성장이 진행함에 따라 (표면을 향해) 계속적으로 이동한다. 본원에 개시되는 방법들 및 프로세스들은 또한 하부 재료가 불리하게 영향받지 않도록 표면 또는 근처 표면 구역으로 (증착되는 것들인) 프로세스 입자들로부터 에너지의 커플링 또는 교환을 제어하는 것으로서 특성화될 수 있다.
[061] 본원에 개시되는 방법들 및 프로세스들은 대안적으로 표면으로부터 30Å 내로 원자들의 표면 층으로 입사 종들의 삽입을 가능하게 하는 것으로서 특성화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개시된 방법들 및 프로세스들은 표면으로부터 20Å 내로 원자들의 표면 층으로 입사 종들의 삽입을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 개시된 방법들 및 프로세스들은 표면으로부터 15Å 내로 원자들의 표면 층으로 입사 종들의 삽입을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 개시된 방법들 및 프로세스들은 표면으로부터 10Å 내로 원자들의 표면 층으로 입사 종들의 삽입을 가능하게 할 수 있다. 어구 "표면으로부터의 첫 번째 약간의 원자 층들" 또는 표면으로부터 (예를 들어, "표면으로부터의 30Å 내의") 특정의 측정은 증착/임플랜테이션 표면에 가장 가까운 것들인, 근처 표면 층의 최상부 원자 층들을 지칭하는 것을 의미한다.
[062] 개시된 방법들 및 시스템들을 이용하여 회피되거나 최소화될 수 있는 바람직하지 않은 효과들은 예를 들어 손상 중심들 또는 더 구체적으로 이동된 원자들; 결함 발생 및 재조합; 공격자점들(vacancies) 및 리코일들(recoils); 서브-표면 층을 갖는 증착된 층의 계면에 상당한 스케일 상의 리코일 믹싱(recoil mixing); 층으로부터 원하는 특성들(예를 들어, 탄소 함유 막들에서의 sp3 중심들)을 어닐링(anneal)할 수 있는 증착된 이온들로부터의 운동 에너지의 열적 소실; 스퍼터링; 입사 입자 반사; 열 발생; 및 층으로부터 원하는 특성들(예를 들어, 탄소 함유 층들에서의 sp3 중심들)을 어닐링할 수 있는 결함 중심 이주(migration)에 의해 로컬화된 유도된 변형(strain)의 열적 완화를 강화할 수 있는 임플랜테이션(및 고유한) 유도된 결함들; 및 그의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 개시된 프로세스들 및 방법들은 그와 같은 효과들을 회피할 수 있거나 최소화할 수 있으며, 그들을 표면으로부터 첫 번째 약간의 원자 층들로 국한할 수 있거나, 둘 다일 수 있다.
[063] 입사 고열 입자들은 원자 밀도에서의 로컬화된 증가를 유도하기 위해 기존의 원자들 사이의 사이트들(sites)에서의 삽입을 통해 및/또는 비-재조합하는 리코일링 원자의 생성으로 기존의 원자를 변위시키는 것을 통해 표면 전위 배리어를 관통할 수 있다. 로컬 원자 재구성 및 sp3 결합 혼성화는 비-평형 고열 및 변위된 입자들의 존재 및 최종 유도된 로컬화된 왜곡/변형을 수용하기 위해 발생할 수 있다. 개시된 방법들은 표면의 약간의 결합 길이들 내에 포함되는 매우 얇은 층에서 이것을 달성할 수 있다. 추가로, 에너지론은 각각 sp3 중심들을 전멸시키거나 어닐링 아웃하기 위해 동작할 수 있는 열적 에너지의 생산 및 순간적 재조합을 최소화하려 시도하기 위해 조정될 수 있다.
[064] 입자의 주입 에너지는 약간의 결합 길이들의 최대치보다 작게 표면으로의 입사 투사된 범위를 제한하기 위해 선택될 수 있다(최대치가 선택된다). 입자의 주입 에너지는 또한 표면으로의 입자들의 통합을 허용하기 위해 표면 에너지 배리어의 관통을 허용하는데 최소한 충분하도록 선택될 수 있다(최소치가 선택된다). (기판으로의 입자의 관통을 허용하는데 충분한) 선택된 최소 에너지 때문에, 층의 성장이 전형적인 핵생성 성장 메커니즘들을 통해 달성되지 않는다. 주입 입자 에너지들의 선택된 범위는 타겟 원자들로의 운동 에너지 전달이 변위를 생성하는데, 또는 평균으로, 단지 하나 또는 2개의 변위 반응들을 일반적으로 생성하는데 불충분한 또는 표면으로 또는 표면으로부터의 약간의 결합 길이들 내의 거리들로의 삽입을 허용하기에 충분하도록 되어 있다.
[065] 따라서, METHODS OF FORMING LAYERS의 실시예들이 개시된다. 상기 설명된 구현들 및 다른 구현들은 후속하는 청구범위들의 범위 내에 있다. 당업자는 본 개시물이 개시된 것들과 다른 실시예들로 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 개시된 실시예들은 제한이 아닌 예시의 목적들을 위해 제시된다.
Claims (20)
- 층을 형성하는 방법으로서,
적어도 하나의 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계 ―상기 적어도 하나의 표면은 상기 적어도 하나의 표면 상에서의 증착을 위해 적응됨― ;
전구체(precursor) 이온 빔을 제공하는 단계 ―상기 전구체 이온 빔은 이온들을 포함함―;
중성 입자 빔을 형성하기 위해 상기 전구체 이온 빔의 이온들 중 적어도 일부분을 중성화하는 단계 ―상기 중성 입자 빔은 중성 입자들을 포함함―; 및
상기 기판의 표면을 향해 상기 중성 입자 빔을 지향시키는 단계를 포함하며,
상기 중성 입자들은 100 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 가지며, 상기 입자 빔의 상기 중성 입자들은 상기 기판 상에 층을 형성하며,
상기 중성 입자들은 탄소를 포함하고, 상기 기판 상에 형성된 층은 sp2 및 sp3 결합들을 갖는 탄소를 포함하며, 상기 기판 상에 형성된 층은 sp2 결합들보다 sp3 결합들을 더 많이 가지는,
층을 형성하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전구체 이온 빔의 이온들 중 적어도 일부분을 중성화하는 단계는 금속 표면을 향해 상기 전구체 이온 빔을 지향시키는 단계를 포함하는, 층을 형성하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전구체 이온 빔의 이온들 중 적어도 일부분을 중성화하는 단계는 수정된 전구체 입자 빔을 형성하기 위해 이온 광학 그리드를 향해 상기 전구체 이온 빔을 지향시키는 단계를 포함하는, 층을 형성하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 이온 광학 그리드는 전기적으로 바이어싱되는 제 3 그리드를 가지는 3개의 별개 그리드들을 포함하는, 층을 형성하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
고 애스펙트(aspect) 비 그리드를 향해 상기 수정된 전구체 입자 빔을 지향시키는 단계를 더 포함하는, 층을 형성하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전구체 이온 빔의 이온들의 적어도 일부분을 중성화하는 단계는 수정된 전구체 입자 빔을 형성하기 위한 질량 선택 기술들을 포함하는, 층을 형성하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
고 애스펙트 비 그리드를 향해 상기 수정된 전구체 입자 빔을 지향시키는 단계를 더 포함하는, 층을 형성하는 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 고 애스펙트 비 그리드는 전기적으로 바이어스되는, 층을 형성하는 방법. - 삭제
- 층을 형성하는 방법으로서,
적어도 하나의 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계 ―상기 적어도 하나의 표면은 상기 적어도 하나의 표면 상에서의 증착을 위해 적응됨―;
전구체 이온 빔을 제공하는 단계 ―상기 전구체 이온 빔은 이온들을 포함함―;
이온 광학 그리드를 향해 상기 전구체 이온 빔을 지향시킴으로써 수정된 전구체 입자를 형성하기 위해 상기 전구체 이온 빔의 이온들 중 적어도 일부분을 중성화하는 단계;
중성 입자 빔을 형성하기 위해 고 애스펙트 비 그리드를 향해 상기 수정된 전구체 입자 빔을 지향시키는 단계; 및
상기 기판의 상기 표면을 향해 상기 중성 입자 빔을 지향시키는 단계를 포함하며,
상기 중성 입자들은 100 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 가지며, 상기 입자 빔의 상기 중성 입자들은 상기 기판 상에 층을 형성하며,
상기 중성 입자들은 탄소를 포함하고, 상기 기판 상에 형성된 층은 sp2 및 sp3 결합들을 갖는 탄소를 포함하며, 상기 기판 상에 형성된 층은 sp2 결합들보다 sp3 결합들을 더 많이 가지는,
층을 형성하는 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 고 애스펙트 비 그리드는 전기적으로 바이어스되는, 층을 형성하는 방법. - 삭제
- 제 10 항에 있어서,
상기 전구체 이온 빔이 상기 고 애스펙트 비 그리드를 향해 향하게 하기 전에, 액셀-디셀(accel-decel) 모듈 또는 빔 쉐이핑(shaping) 모듈 중 적어도 하나를 향해 상기 전구체 이온 빔을 지향시키는 단계를 더 포함하는, 층을 형성하는 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 전구체 입자 빔의 이온들 중 적어도 95%는 상기 중성 입자 빔을 형성하기 위해 중성화되는, 층을 형성하는 방법. - 층을 형성하는 방법으로서,
적어도 하나의 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계 ―상기 적어도 하나의 표면은 상기 적어도 하나의 표면 상에서의 증착을 위해 적응됨― ;
전구체 이온 빔을 제공하는 단계 ―상기 전구체 이온 빔은 이온들을 포함함―;
수정된 전구체 입자 빔을 형성하기 위한 질량 선택 기술들을 위해(toward) 상기 전구체 입자 빔을 지향시키는 단계;
중성 입자 빔을 형성하기 위해 고 애스펙트 비 그리드를 향해 상기 수정된 전구체 입자 빔을 지향시키는 단계; 및
상기 기판의 표면을 향해 상기 중성 입자 빔을 지향시키는 단계를 포함하며,
상기 중성 입자들은 100 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 가지며, 상기 입자 빔의 상기 중성 입자들은 상기 기판 상에 층을 형성하며,
상기 중성 입자들은 탄소를 포함하고, 상기 기판 상에 형성된 층은 sp2 및 sp3 결합들을 갖는 탄소를 포함하며, 상기 기판 상에 형성된 층은 sp2 결합들보다 sp3 결합들을 더 많이 가지는,
층을 형성하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 전구체 이온 빔의 이온들은 좁은 빔 이온 소스로부터 획득되는, 층을 형성하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 고 애스펙트 비 그리드는 전기적으로 바이어스되는, 층을 형성하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 전구체 이온 빔의 이온들 및 상기 중성 입자 빔의 상기 중성 입자들 둘 다는 100 eV보다 크지 않은 주입 에너지들을 갖는, 층을 형성하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 전구체 입자 빔의 이온들 중 적어도 95%는 상기 중성 입자 빔을 형성하기 위해 중성화되는, 층을 형성하는 방법. - 삭제
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