KR20110122664A - 처리 시스템의 화학적 분석에 사용하기 위한 전자 빔 여기 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 라인 전자 빔 여기 장치에 관한 것이다. 전자 빔 여기 장치는 일반적으로, 전자 챔버 내에 전자 구름을 발생시키기 위한 가변 밀도 전자 공급원과, 상기 전자 챔버로부터 공급되는 전자 빔 형태의 전자를 형광 가스 종 유출류로 가속시키기 위한 가변 에너지 전자 추출 장치를 포함한다. 전자 빔의 전자 에너지는 가변 에너지 전자 추출 장치를 관통하는 전위를 조절함으로써 가변적으로 제어되며, 이에 따라 챔버의 추출 홀을 통과하여 추출 장치로 이동하는 전자에 전류가 인가된다. 전자 공급원에 인가되는 여기력은 전자 빔의 전자 에너지와 독립적으로 조절될 수 있으며, 이에 따라 전자 빔의 전자의 에너지 레벨의 변경 없이 전자 빔의 전자 밀도를 변경할 수 있다.
Description
본 출원은, 본 명세서에 각기 참조 문헌으로서 인용되고 있는, 2008년 7월 17일자로 출원된 "처리 시스템에서의 화학적 분석에 사용하기 위한 전자 빔 여기 장치(Electron Beam Exciter for use in Chemical Analysis in Processing Systems)"를 명칭으로 하는 동시 계속 출원인 미국 가출원 제 61/135,163 호와, 2009년 7월 15일자로 출원된 "처리 시스템에서의 화학적 분석에 사용하기 위한 전자 빔 여기 장치(Electron Beam Exciter for use in Chemical Analysis in Processing Systems)"를 명칭으로 하는 동시 계속 출원인 미국 가출원 제 ******** 호(대리인 사건 번호 제 946959600042P2 호), 그리고 2009년 7월 16일자로 출원된 "처리 시스템에서의 화학적 분석에 사용하기 위한 전자 빔 여기 장치(Electron Beam Exciter for use in Chemical Analysis in Processing Systems)"를 명칭으로 하는 동시 계속 출원인 미국 가출원 제 ******** 호(대리인 사건 번호 제 946959600042 호)에 관한 것으로 이들 출원의 이익을 청구하는 출원이다.
본 발명은 포괄적으로 말하여 반응로 챔버로부터 나온 가스가 형광 현상을 발휘하도록 하기 위한 장치에 관한 것이다.
광학적 발광 분광법(Optical Emission Spectroscopy:OES)을 이용한 종말점 검출은 에칭 공정과 연관된 가스 종(gas species)으로부터 방출되는 광의 세기 변화에 좌우된다. 에칭하고자 하는 층의 정상 상태에서의 에칭 공정 동안, 반응 가스 및 반응 가스 생성물은 플라즈마에 의해 여기되어, 이들 가스 종의 파장 특성에 따라 형광 현상이 야기된다. 에칭 층이 소진되고 나면, 반응 가스의 소비율 및 유출 가스의 생성율은 변하게 된다. 이러한 소비율 및 생성율의 변화는 하나 이상의 방출 파장에서의 광도 변화를 초래한다. 통상적으로, 이러한 파장을 모니터링하는 한편 신호 변화를 적절하게 조합하는 방식으로 처리 단계의 종료를 신호로 알리도록 사용되는 OES 방식의 종말점 추이 도표가 생성되어 왔다. 그러나, 최근의 신규의 플라즈마 에칭 공정들의 경우 이러한 전통적인 모니터링(monitoring) 방법이 종말점의 검출에 실패하는 문제에 직면하여 왔다. 이러한 실패에는 적어도 두 가지 원인이 있는 것으로 보인다.
"원격 플라즈마(Remote Plasma)" 공정은 에칭 공정이 발생할 위치 상류의 플라즈마를 사용한다. 이 공정에서는, 화학적 활성 종이 처리 챔버 내로 유동하여 증착 챔버 내에서 각각의 모든 표면으로부터 증착 필름을 성공적으로 제거하게 된다. 그러나, 반응종 뿐만 아니라 에칭 공정의 유출물 모두 형광 현상을 발생시키는데 필요한 충분히 높은 에너지 상태(들)로 여기 장치되지 않는다. 반응 챔버 내에서의 형광 현상의 부재는 이와 같은 "다크 플라즈마(Dark Plasma)" 공정이 전통적인 OES 방식의 종말점 신호 생성에 실패하도록 만드는 원인이 된다.
신규 공정에서는 에너지가 낮은 플라즈마가 사용되고 있다. 이들 공정의 경우, 가스 종을 여기 장치시켜 처리 챔버에서 검출될 수 있는 형광 현상을 발생시키기는 하지만, 처리 결과 얻어진 스펙트럼이 성공적인 OES 방식의 종말점 검출에 필요한 하나 이상의 파장의 세기 변화를 나타내지는 못하고 있다. 이러한 종류의 실패 원인은 개방 에칭 면적이 넓고 좁음과 같은 통상적인 문제에 따라 달라지며, 종말점 신호가 검출 불가능한 정확한 이유는 잘 파악되지 않고 있다.
전술한 바와 같은 문제점을 나타내는 양 공정의 경우에, 전통적인 OES 방식의 종말점 신호는 반응 챔버 내의 웨이퍼 평면 하류에 존재하는 유출 가스에 이차 플라즈마를 강타하는 방식으로 증명되어 왔다. 이러한 신호 증명은 이차 플라즈마 유닛을 에칭 처리 챔버의 측면 스로틀 밸브(throttle valve) 직전 위치에 부착한 경우 성공률이 높은 것으로 보고되어지고 있다. 기타 다른 보고된 성공 사례에 따르면, 이차 플라즈마 유닛이 터보 펌프 하류에도 배치되고 있지만, 이 경우에는 압력 환경의 조절이 어려울 수 있어 OES 신호 요동이 야기될 수 있다. 이러한 "이차 플라즈마(Secondary Plasma)" 유닛은 시판되고는 있지만, 후술하는 두 가지 문제를 갖고 있다.
OES 방식의 신호는 이차 플라즈마 유닛에 비교적 근접하게 위치한 창(window)을 통하여 수집된다. 그러나, 플라즈마 에너지가 유출 가스를 저분자 성분으로 분해하도록 작용하며 이들 저분자 성분이 표면 상에서 재결합되어 고분자 화합물을 형성함으로 인해, 할로겐화 탄소 에칭 화합물로 인한 통상적인 문제가 발생하게 된다. OES 뷰포트 창에 형성된 고분자 화합물은 광 신호를 급격하게 약화시켜, 해당 방법 자체가 유지 관리 작업 사이의 중간 시간이 긴 제조 기기에는 적용 불가능하도록 만든다.
당 업계의 종사자들의 보고에 따르면, 장시간 유출 가스의 여기 장치 작용이 안정적으로 이루어지도록 이차 플라즈마 유닛을 제어하기는 것은 어려운 일이다. 이같은 사실은 OES 방식을 사용하여 공정에 사용하기 위한 안정적이면서도 재현 가능한 플라즈마를 생산하기 위해 필요한 극단적인 조치들을 고려해 볼 때 놀라운 일이 아니다. 또한, 이차 플라즈마 유닛이 갖고 있는 비용상의 제약으로 인해 안정적이면서도 재현 가능한 플라즈마 성능을 얻을 수 있는 전술한 바와 동일한 종류의 모든 복잡한 기술을 사용하기가 어려운 실정이다. 이차 플라즈마의 요동으로 인해 유발되는 유출 가스의 여기 장치력 변화는 모니터링되고 있는 제조 공정의 변화로서 오해할 수도 있는 광도 변화를 초래한다.
본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 전자 빔의 전자 밀도를 일정한 농도에 유지하면서 연속 빔 작동 모드 또는 펄스 빔 작동 모드로 배기 라인에서 작동될 수 있는 전자 빔 여기 장치와 전자 빔 여기 시스템을 제공한다. 또한, 연속 빔 작동 모드 또는 펄스 빔 작동 모드와 동시에, 가변 전자 에너지 작동 모드로 작동될 수 있는 전자 빔 여기 장치와 전자 빔 여기 시스템을 제공한다. 또한, 빔의 전자 에너지를 일정한 레벨에 유지하면서 전자 빔의 전자 농도를 변경하기 위한 가변 전자 밀도 작동 모드로 작동될 수 있는 전자 빔 여기 장치와 전자 빔 여기 시스템을 제공한다.
본 발명은 전자 빔 여기 장치, 전자 빔 여기 시스템, 그리고 전자 빔 여기 장치를 사용하여 가스를 여기시키기 위한 방법에 관한 것이다. 전자 빔 여기 장치는 일반적으로, 전자 공급원 챔버 내에 전자 구름을 발생시키기 위한 가변 밀도 전자 공급원과, 상기 전자 공급원 챔버로부터 공급되는 전자 빔 형태의 전자를 형광 가스 시료로 가속시키기 위한 가변 에너지 전자 추출 장치를 포함한다. 전자 빔의 전자 밀도(농도)는 전자 공급원에 인가되는 여기력을 조절함으로써 가변적으로 제어된다. 전자 공급원 내의 전자는 기준 전위, 통상 대략 접지 전위에 유지되는 챔버의 전도성 표면과 접촉함으로써 기준 전위를 갖추고 있는 것으로 가정된다. 전자 빔의 전자 에너지는 전자 추출 장치 전극에 인가되는 전압을 조절함으로써 가변적으로 제어되며, 이에 따라 상기 전극의 전하량이 변경된다. 전자 추출 장치 전극과 기준 전위 사이의 전위차에 의해 전자 추출 장치 전극측 챔버의 추출 홀을 통해 전자 구름으로부터 전자가 견인된다. 전자 추출 장치와 전자 공급원 사이의 전위 불균형이 커질수록, 전자 빔의 전자에 부과되는 전자 에너지가 높아진다. 추출 장치 전극에 인가되는 전압은 전자 공급원에 인가되는 여기력과 독립적으로 조절될 수 있으며, 이에 따라 전자 빔의 전자 농도를 변경함이 없이 빔의 전자 에너지를 변경할 수 있다. 반대로, 전자 공급원에 인가되는 여기력은 전자 빔의 전자 에너지와 독립적으로 조절될 수 있으며, 이에 따라 빔의 전자 에너지를 변경함이 없이 전자 빔의 전자의 농도를 변경할 수 있다. 결과적으로, 전자 빔의 전자 밀도는 빔의 전자 에너지와 독립적으로 조절될 수 있으며, 또한 전자 빔의 전자 에너지는 빔의 전자 밀도와 독립적으로 변경될 수 있다.
전자 빔 여기 장치는 전자 빔의 전자 농도를 측정하기 위한 전자 수집 및 계수 장치를 포함한다. 전자 빔의 전자가 전자 수집 및 계수 장치를 강타함에 따라 전자의 강타 횟수에 비례하여 전자 전류가 생성된다. 전자 전류의 변화가 바로 전자 밀도(농도)의 변화를 나타내는 것이다. 이러한 전자 전류를 모니터링함으로써, 전자 빔의 전자 밀도가 방출 광의 세기 변화를 관찰하기 위한 최적의 전자 밀도에서 안정화될 수 있다.
전자 전류의 편차가 검출되면, 이러한 편차를 보상할 수 있도록 전자 공급원에 인가되는 여기력을 조절하는 방식으로, 빔의 전자 에너지를 변경하지 않고서도 전자 밀도를 수정할 수 있다. 반대로, 전자 빔의 에너지 레벨은, 본질적으로 전자 빔의 전자 밀도와 독립적으로, 예를 들어, 특정 종을 여기시키도록 변경될 수 있다. 전자 빔의 전자의 에너지 레벨을 변경할 경우 빔의 전자 농도를 변경할 수 있지만, 이러한 변경에는 전자 수집 및 계수 장치에 의해 발생되는 전자 전류의 변화가 반영된다. 따라서, 이러한 변경은 전자 전류가 다시 기준 전자 전류 및 빔의 전자 농도와 일치할 때까지 전자 공급원에 인가되는 여기력을 조절하는 방식으로 보상될 수 있다.
본 발명의 전자 빔 여기 장치와 전자 빔 여기 시스템은, 전자 빔의 전자 밀도를 일정한 농도에 유지하면서 연속 빔 작동 모드 또는 펄스 빔 작동 모드로 배기 라인에서 작동될 수 있다. 본 발명의 여기 장치 및 여기 시스템은 또한, 상기 연속 빔 작동 모드 또는 펄스 빔 작동 모드와 동시에, 가변 전자 에너지 작동 모드로 작동될 수도 있다. 마지막으로, 전술한 전자 빔 여기 장치 및 전자 빔 여기 시스템은 빔의 전자 에너지를 일정한 레벨에 유지하면서 전자 빔의 전자 농도를 변경하기 위한 가변 전자 밀도 작동 모드로 작동될 수 있다.
본 발명의 신규 특징으로 믿어지는 특성들은 첨부한 청구의 범위에 기재되어 있다. 그러나, 본 발명의 바람직한 사용 모드 뿐만 아니라 추가적인 목적 및 장점은 이하의 예시적인 실시예의 상세한 설명을 첨부 도면과 함께 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 공지된 바와 같은 OES 모니터링 방식의 생성 반응로의 다이아그램이다.
도 2A, 도 2B 및 도 2C는 종래 기술에 공지된 바와 같은 ICP 및 CCP 배기 라인 플라즈마 여기 장치의 다이아그램이다.
도 3A 및 도 3B는 종래 기술에 공지된 바와 같은 압력 조절 배기 라인과 사용되는 배기 라인 플라즈마 여기 장치의 다이아그램이다.
도 4는 종래 기술에 공지된 바와 같은 배기 라인 플라즈마 여기 장치의 다이아그램이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 예를 들어, 반응로 챔버로부터 연장되는 배기 라인의 유출 가스를 여기시켜 처리하기 위한 전자 빔 여기 장치 시스템의 구성 요소를 도시한 다이아그램이다.
도 6A는 E-빔 배기 라인(502)의 단면도이며, 도 6B는 본 발명의 실시예에 따른 여기 장치의 수직도이다.
도 7은 전자 추출 장치 관통 전하를 도시한 개념도이다.
도 8B 내지 도 8D는 본 발명의 실시예에 따른 이상적인 추출 장치의 이차원 상승 전위면에 보다 정확히 근접하는 변형예의 전자 가속 및 추출 장치 구조를 도시한 다이아그램이다.
도 9A, 도 9B 및 도 9C는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 추출 장치의 정면도, 선AA을 따라 취한 단면도, 그리고 수직도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 전자 추출 장치 및 전자 공급원 구성 요소의 기하학적 형상을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 여기 장치 후방의 방출 광을 관찰하도록 구성된 배기 라인 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 여기 장치 전방의 방출 광을 관찰하도록 구성된 배기 라인 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 E-빔을 내포한 빔 광학체가 마련된 배기 라인 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 E-빔의 조준을 위한 링형 자석이 마련된 배기 라인 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 전자 수집 장치로부터의 농도 정보를 수신하는 한편 전자 공급원에 인가되는 여기력을 조절하기 위한 피드백 제어부와 E-빔의 전자 농도를 측정하기 위한 빔 전자 수집 및 계수 장치가 추가된 배기 라인 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 전자 수집 장치로부터의 농도 정보를 수신하는 한편 전자 공급원에 인가되는 여기력을 조절하기 위한 피드백 제어부와 E-빔의 전자 농도를 측정하기 위한 전자 수집 및 계수 장치가 추가된 배기 라인 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔의 전자 농도를 모니터링하기 위한 수집 장치 전극이 마련된 E-빔 여기 장치의 단면도이다.
도 17은 전극 표면에 잔류물이 축적되어 있는 상태를 도시한 수집 장치 전극의 단면도이다.
도 18A 내지 도 18C는 수집 장치 전극 상의 잔류물 축적 결과를 보여주는 도면이다.
도 19A는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자를 발생시키기 위해 별도의 유도 결합형 플라즈마 장치를 사용하는, 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 19B는 본 발명의 일 실시예에 따른 여기 장치의 전극 상의 증착물 발생을 감소시키기 위한 개선된 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자를 발생시키기 위한 중공 캐소드(cathode)를 사용하는, 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계 방출기 어레이를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온의 캐소드를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로파를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 25A 내지 도 25C는 본 발명의 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 다양한 작동 모드를 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 배기 라인의 여기 영역을 추가로 보여주는 배기 라인 E-빔 여기 장치의 상측 단면도이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 배기 라인의 여기 영역을 측면에서 본 배기 라인 E-빔 여기 장치의 측단면도이다.
도 28A 내지 도 28E는 본 발명의 여러 실시예에 따른 다양한 기하학적 형상의 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 29A 내지 도 29D는 본 발명의 다른 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 창 관찰 각도 범위를 도시한 다이아그램이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 배치를 위한 전위 위치를 보여주는 종래 기술에 공지된 바와 같은 전형적인 반응로 배기 시스템을 도시한 다이아그램이다.
도 31A 및 도 31B는 각각 그로티안(Grotian) 다이아그램 및 단면 전자 에너지 다이아그램이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 세 개의 예시적인 여기 시리즈(excitation series)를 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 32의 여기 시리즈에 대응하는 네 개의 가능한 적분 패턴을 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 방출 광을 생성하기 위한 최적의 추출 장치 전압을 결정하기 위한 일 교정(calibration) 여기 시리즈를 도시한 도면이다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 압력 피드백 보정을 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 여러 작동 모드를 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 여기 에너지 레벨에서의 여기 형광 현상을 검출하기 위한 일반적인 방법을 보여주는 순서도이다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세스 툴 상의 특정 종을 검출하기 위한 E-빔 여기 장치의 설정 방법을 보여주는 순서도이다.
도 39는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 공정 압력의 여기된 상태의 생성 가스 종의 파장(λ1)을 검출하기 위해 최적의 추출 장치 전압으로 E-빔 여기 장치를 교정하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 40은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 전자의 농도를 안정화시키기 위한 전자 전류 피드백을 이용하여 일반적인 작동 사이클로 E-빔 여기 장치를 실행하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 41은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 압력 변화에 대해 상대적으로 전자 빔의 밀도를 조절하기 위한 전자 전류 피드백 작용 및 압력 보정 기준 전류를 이용하여 E-빔 여기 장치를 실행하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라인 압력 변화에 대해 상대적으로 전자 빔의 밀도를 조절하도록 E-빔 여기 장치를 실행하기 위한 도 40의 전술한 방법과 유사하지만, 다중 파장의 방출 광을 검출하기 위한 전자 에너지 레벨의 범위에 걸쳐 전자 빔의 밀도를 조절하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 43은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 종의 특유의 스펙트럼 서명을 형성하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 44A 및 도 44B는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 종의 특유의 스펙트럼 서명에 의해 유출물 중의 하나 이상의 가스 종을 검출하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명의 기타 특징이 이하의 상세한 설명과 첨부 도면으로부터 분명해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 공지된 바와 같은 OES 모니터링 방식의 생성 반응로의 다이아그램이다.
도 2A, 도 2B 및 도 2C는 종래 기술에 공지된 바와 같은 ICP 및 CCP 배기 라인 플라즈마 여기 장치의 다이아그램이다.
도 3A 및 도 3B는 종래 기술에 공지된 바와 같은 압력 조절 배기 라인과 사용되는 배기 라인 플라즈마 여기 장치의 다이아그램이다.
도 4는 종래 기술에 공지된 바와 같은 배기 라인 플라즈마 여기 장치의 다이아그램이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 예를 들어, 반응로 챔버로부터 연장되는 배기 라인의 유출 가스를 여기시켜 처리하기 위한 전자 빔 여기 장치 시스템의 구성 요소를 도시한 다이아그램이다.
도 6A는 E-빔 배기 라인(502)의 단면도이며, 도 6B는 본 발명의 실시예에 따른 여기 장치의 수직도이다.
도 7은 전자 추출 장치 관통 전하를 도시한 개념도이다.
도 8B 내지 도 8D는 본 발명의 실시예에 따른 이상적인 추출 장치의 이차원 상승 전위면에 보다 정확히 근접하는 변형예의 전자 가속 및 추출 장치 구조를 도시한 다이아그램이다.
도 9A, 도 9B 및 도 9C는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 추출 장치의 정면도, 선AA을 따라 취한 단면도, 그리고 수직도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 전자 추출 장치 및 전자 공급원 구성 요소의 기하학적 형상을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 여기 장치 후방의 방출 광을 관찰하도록 구성된 배기 라인 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 여기 장치 전방의 방출 광을 관찰하도록 구성된 배기 라인 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 E-빔을 내포한 빔 광학체가 마련된 배기 라인 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 E-빔의 조준을 위한 링형 자석이 마련된 배기 라인 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 전자 수집 장치로부터의 농도 정보를 수신하는 한편 전자 공급원에 인가되는 여기력을 조절하기 위한 피드백 제어부와 E-빔의 전자 농도를 측정하기 위한 빔 전자 수집 및 계수 장치가 추가된 배기 라인 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 전자 수집 장치로부터의 농도 정보를 수신하는 한편 전자 공급원에 인가되는 여기력을 조절하기 위한 피드백 제어부와 E-빔의 전자 농도를 측정하기 위한 전자 수집 및 계수 장치가 추가된 배기 라인 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔의 전자 농도를 모니터링하기 위한 수집 장치 전극이 마련된 E-빔 여기 장치의 단면도이다.
도 17은 전극 표면에 잔류물이 축적되어 있는 상태를 도시한 수집 장치 전극의 단면도이다.
도 18A 내지 도 18C는 수집 장치 전극 상의 잔류물 축적 결과를 보여주는 도면이다.
도 19A는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자를 발생시키기 위해 별도의 유도 결합형 플라즈마 장치를 사용하는, 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 19B는 본 발명의 일 실시예에 따른 여기 장치의 전극 상의 증착물 발생을 감소시키기 위한 개선된 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자를 발생시키기 위한 중공 캐소드(cathode)를 사용하는, 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계 방출기 어레이를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온의 캐소드를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로파를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다.
도 25A 내지 도 25C는 본 발명의 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 다양한 작동 모드를 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 배기 라인의 여기 영역을 추가로 보여주는 배기 라인 E-빔 여기 장치의 상측 단면도이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 배기 라인의 여기 영역을 측면에서 본 배기 라인 E-빔 여기 장치의 측단면도이다.
도 28A 내지 도 28E는 본 발명의 여러 실시예에 따른 다양한 기하학적 형상의 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다.
도 29A 내지 도 29D는 본 발명의 다른 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 창 관찰 각도 범위를 도시한 다이아그램이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 배치를 위한 전위 위치를 보여주는 종래 기술에 공지된 바와 같은 전형적인 반응로 배기 시스템을 도시한 다이아그램이다.
도 31A 및 도 31B는 각각 그로티안(Grotian) 다이아그램 및 단면 전자 에너지 다이아그램이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 세 개의 예시적인 여기 시리즈(excitation series)를 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 32의 여기 시리즈에 대응하는 네 개의 가능한 적분 패턴을 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 방출 광을 생성하기 위한 최적의 추출 장치 전압을 결정하기 위한 일 교정(calibration) 여기 시리즈를 도시한 도면이다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 압력 피드백 보정을 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 여러 작동 모드를 도시한 타이밍 다이아그램이다.
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 여기 에너지 레벨에서의 여기 형광 현상을 검출하기 위한 일반적인 방법을 보여주는 순서도이다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세스 툴 상의 특정 종을 검출하기 위한 E-빔 여기 장치의 설정 방법을 보여주는 순서도이다.
도 39는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 공정 압력의 여기된 상태의 생성 가스 종의 파장(λ1)을 검출하기 위해 최적의 추출 장치 전압으로 E-빔 여기 장치를 교정하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 40은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 전자의 농도를 안정화시키기 위한 전자 전류 피드백을 이용하여 일반적인 작동 사이클로 E-빔 여기 장치를 실행하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 41은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 압력 변화에 대해 상대적으로 전자 빔의 밀도를 조절하기 위한 전자 전류 피드백 작용 및 압력 보정 기준 전류를 이용하여 E-빔 여기 장치를 실행하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라인 압력 변화에 대해 상대적으로 전자 빔의 밀도를 조절하도록 E-빔 여기 장치를 실행하기 위한 도 40의 전술한 방법과 유사하지만, 다중 파장의 방출 광을 검출하기 위한 전자 에너지 레벨의 범위에 걸쳐 전자 빔의 밀도를 조절하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 43은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 종의 특유의 스펙트럼 서명을 형성하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 44A 및 도 44B는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 종의 특유의 스펙트럼 서명에 의해 유출물 중의 하나 이상의 가스 종을 검출하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명의 기타 특징이 이하의 상세한 설명과 첨부 도면으로부터 분명해질 것이다.
구성 요소의 도면 부호의 설명
100: OES 측정 장치 524A: 원형 전자 추출 장치 개구
102: 창 524B: 원형 전자 추출 장치 개구
104: 광학 수집 장치 524C: 육각형 전자 추출 장치 개구
106: 광 섬유 524D: 사각형 전자 추출 장치 개구(메쉬 패턴)
108: 센서 525: 가변 전위 추출 장치 공급원
109: 분광기 526: 빔 조준 광학체
110: 공정 제어부 526A: 끝단 빔 조준 자석
112: 처리 챔버 526B: 추출 장치 빔 조준 자석
114 : 웨이퍼 지지부 526C: 수집 장치 빔 조준 자석
116 : 웨이퍼 527: 자속선
120: 플라즈마 528: 추출 장치 빔 조준 원추체
132: 공정 가스 유입구 530: 여기 영역
138: 처리 챔버 가스 유출구 532: 전자 빔
200: 배기 플라즈마 여기 장치 532A: 전자 빔
202: 창 532B: 전자 빔 패턴
204: 광학 수집 장치 532C: 전자 빔 패턴
206: 광 섬유 532D: 전자 빔 패턴
208: 센서 533: E-빔 축선
209: 분광기 534: 플룸(plume)
210: 공정 제어부 535: 밝은 점
212: 처리 챔버 540: 전자 빔 수집 및 계수 장치
214: 웨이퍼 지지부 541: 전자 수집 장치 관통 증착물
216: 웨이퍼 545: 가변 바이어스 수집 장치 공급원
220: 제 1 플라즈마 영역 550: 배기 라인 압력 게이지
223: 플라즈마 전극 560: 전자 농도 제어부
224: 고주파 전원 570: 광 수집 광학체
226: 에칭 영역 572: 방출 광 처리 장치
232: 공정 가스 유입구 573: 방출 광 처리 장치
233: 발광 스펙트럼 검출 장치 574: 뷰포트 창
234:와이어 메쉬 패턴을 갖춘 차폐판 579:광 섬유를 구비한 광 수집 광학체
235: 이차 고주파 전원 580: 공정 챔버 제어부
236: 제 2 플라즈마 영역 590: 전자 에너지 제어부
237: 방전 플라즈마 700: 전위면
238: 배기 파이프 720: 전자 가속 및 추출 장치
238a: 석영 배기 파이프 721: 양의 전하
239: 용량성 전극판 1900: ICP 전자 빔 배기 라인 여기 장치 시스템
240: 유도 코일 1910: ICP 전자 공급원
310: 처리 챔버 1911: 가변 ICP 전력 공급(RF)
311: 대향 전극 1914: ICP 전자 추출 홀
312: 시료 1915: 석영(또는 사파이어) 관
313: 방전 공간 1916: 기준 전위면
314: 절연 재료 1917: 유도 코일
315: 배기 포트 1918: 기준 전위면 연장부
316: 배플(baffle) 1919: 퍼지 가스
317: 간극 1920: 여기 장치 전극 히터
320: 가스 주입 시스템 1922: 히터 전력 공급
321: 가스 주입관 1924: 온도 센서(열전쌍)
322: 밸브 1926: 온도 제어
330: 매칭 박스 2000:중공 캐소드 전자 빔 배기 라인 여기 장치 시스템
31: RF 전원 2010: 중공 캐소드 전자 공급
31: RF 전원 2010: 중공 캐소드 전자 공급
340: 고진공 배기 시스템 2011: 중공 캐소드 전력 공급(가변 VDC)
341: 터보 펌프 2014: 캐소드 전자 추출 홀
342: 기계적 부스터 2015: 중공 캐소드
343: 회전 펌프 2017: 애노드
344: 배기관
2100:전계 방출기 어레이 전자 빔 배기 라인 여기 장치 시스템
345: 밸브 2110: 전계 방출기 어레이 전자 공급원
350: 에칭 가스 배기 시스템 2111: 전자 방출기 전력 공급(가변 VDC)
351: 오리피스 2114: 전계 방출기 추출 홀
352: 기계적 부스터 2115: 전계 방출기 전자 챔버
353: 회전 펌프 2117: 전계 방출기 어레이
416: 배기관 2200:고온 캐소드 전자 빔 배기 라인 여기 장치 시스템
423:챔버 모니터링 시스템 2210: 고온 캐소드 공급원
426: 여기 챔버 2211: 고온 캐소드 전력 공급(가변 DC 전류)
431: 유도 코일 2214: 고온 캐소드 추출 홀
432: 전원 2215: 고온 캐소드 전자 챔버
433: 배기 라인 2217: 고온 캐소드
434: 포토다이오드 2300: 레이저 전자 빔 배기 라인 여기 장치 시스템
436: 포토다이오드 2310: 레이저 공급원
437: 레벨 검출 장치 2311: 레이저 전력 공급(가변 DC 전류)
500: 전자 빔 배기 라인 여기 장치 시스템 2314: 레이저 추출 홀
502: 전자 빔 여기 장치 2315: 레이저 전자 챔버
502A:유입구의 전자 빔 여기 장치
2400:마이크로파 전자 빔 배기 라인 여기 장치 시스템
502B:스로틀 밸브 상부의 배기 포트의 전자 빔 여기 장치
2410:마이크로파 공급원
502B:러핑 펌프 상부의 배기 포트의 전자 빔 여기 장치
2411:마이크로파 전력 공급
504: 배기 라인 2414: 고온 캐소드 추출 홀
510: 전자 공급원 2415: 마이크로파 석영 전자 챔버
512: 전자 농도 조절부 2417: 마이크로파 공진 챔버
514: 전자 추출 홀 2634: 플룸
516: 기준 전위면 2635: 밝은 선형 점
515: 전자 챔버 2636: 시료 취출 위치
520: 전자 추출 장치/가속 장치 및 빔 광학체 2702: 수명이 짧은 종
520A: 단일 개구 전자 추출 장치 2704: 수명이 중간 수준인 종
521A: 추출 장치의 불투과성부 2706: 수명이 긴 종
522: 전자 에너지 조절 2736S: 수명이 짧은 종의 시료 취출 위치
520B:원형 개구를 구비한 전자 추출 장치
2736M:중간 수명 종의 시료 취출 위치
520C:육각형 개구를 구비한 전자 추출 장치
2736L:긴 수명 종의 시료 취출 위치
520D: 사각형 개구(메쉬 패턴)를 구비한 전자 추출 장치 3000: 반응로 챔버
524: 원추형 개구 3038: 배기 라인
3042: 터보 펌프 3044: 러핑 펌프
3040: 스로틀 밸브 3045: 퍼지 가스
플라즈마가 최초로 발견되었기 때문에 진단 툴(tool)로서 방출 플라즈마 광이 사용되어 왔다. 특히, 방출 광의 스펙트럼이 중요하다. 주어진 종(種)의 입자(원자, 분자, 이온 및 앙금)으로부터 발광 스펙트럼 선이 세기를 다음과 같이 모델링 할 수 있다:
여기서, Ib →c는 여기 에너지 상태(b)로부터 저에너지 상태(c)로의 방출 광 완화를 수행하는 여기 종에 의한 방출 광의 세기이며;
na는 에너지 상태(a)에서의 입자의 개수이고;
Qb →c는 여기 에너지 상태(b)로부터 저에너지 상태(c)로의 쇠퇴에 따른 광 방출을 위한 양자 수율이며;
σa→b는 a 로부터 b 로의 입자의 전자 충격 여기를 위한 단면적이고;
vmin은 에너지 상태 'a' 로부터 에너지 상태 'b'로 입자를 여기시키기 위해 필요한 최소 전자 속도이며;
ge(v)는 전자 에너지 (또는 속도) 분포 함수(EEDF)이다.
입자를 여기시키는 작용에 추가하여, 에너지가 높은 전자는 또한 통상적으로 분자 결합을 끊을 수 있다. 속도 분포는 종종 "맥스웰-볼츠만(Maxwell-Boltzmann)" 또는 "맥스웰리언(Maxwellian)" 분포를 사용하여 나타내어질 수 있다.
여기서, ge(v)는 전자 속도(에너지)의 분포이며;
ne는 전자 밀도(전자의 개수/cc)이고;
me는 전자의 질량(9.109 382 15(45) x 10-31 kg)이며;
Te는 전자 온도(8.617343(15) x 10-5 eV에 대응하는 1°K)이다.
실제 속도 분포는 일부 중요한 복잡한 사항과 함께 대부분 전술한 근사값과 유사하다. 전술한 수학식으로부터 증명되는 바와 같이, 발광 스펙트럼은 입자의 분포 상태, 전자의 밀도, 그리고 전자의 온도(또는 에너지 분포) 뿐만 아니라 양자 기계 상수에 좌우된다.
많은 용례예서 가스 혼합물 중의 하나 이상의 원자 또는 분자 종의 농도를 측정하기 위하여 광학적 발광 분광법(OES)이 사용되고 있다. 반도체 산업에서는 반응물 및 유출물의 농도 변화를 검출함으로써 플라즈마 에칭 공정의 종말점을 검출하기 위하여 오랫동안 OES를 사용하여 왔다. 여기서, 유출물은 에칭 층이 소진되어 정지 층이 에칭 플라즈마에 노출되는 경우 발생하는 물질을 의미한다. 또한, 복잡한 OES 스펙트럼을 반응 플라즈마의 선택 종의 농도와 연계시키기 위한 보다 최근의 분석 방법으로서 부분 최소 제곱법(Partial Least Squares(PLS))이 사용되어 왔다. 마찬가지로, 공정이 정상적으로 수행되고 있는지 여부 및 정상적인 예상되는 거동으로부터 변화하고 있는지 여부를 검출하기 위하여, 스펙트럼과 함께 주성분 분석(Principle Components Analysis(PCA))과 같은 분석 기술이 사용되어 왔다. 후자의 모니터링 방법은 공정 이상 검출 및 분류 기법(Fault Detection and Classification(FDC)) 또는 툴 모니터링(tool monitoring)이라 한다. 기타 다른 산업 분야에서도 유사한 기술이 사용되고 있다.
일 실시예의 방출 광 모니터링 시스템이 도 1에 도면 부호 100을 사용하여 도시되어 있다. 전형적인 공정의 경우, 반도체 웨이퍼(116) 또는 몇몇 다른 가공물이 플라즈마(120)와 직접 접촉하는 상태로 웨이퍼 지지부(114) 상에 유지되며, 상기 반도체 웨이퍼(116) 및 웨이퍼 지지부(114) 모두 반응로 챔버(112) 내부에 수용되어 있다. 진공 펌프를 사용하여, 공정 가스가 공정 가스 유입구(132)를 통해 챔버(112) 내로 들어가며, 반응 가스, 반응 가스 생성물 및 오염물은 유출물로서 가스 유출구(138)를 통해 반응로 챔버(112)로부터 배출된다. 챔버의 조건을 모니터링하기 위한 기타 방법이 또한 공지되어 있긴 하지만, OES 모니터링은 챔버(112)의 내부 조건을 분석하기에 매우 유용한 기술이다. OES를 사용하는 경우, 플라즈마(120)로부터 발생한 광은 챔버 뷰포트 창(102)의 외면에 광학적으로 결합되어 있는광학 수집 장치(104)에 수용된다. 광학 수집 장치와 챔버 창은 플라즈마(120)의 소정 분량만이 관찰되도록 배향될 수도 있다. 광학 수집 장치(104)는 광 섬유(106)를 사용하여 분광기(109)에 광학적으로 결합되어 있다. 분광기(109)는 방출 광을 개별 스펙트럼 파장으로 분리하며, 스펙트럼을 전기 신호로 변환하는 센서(108)로 투영한다. 반응로 챔버(112) 내부의 공정 상태는 반응로 챔버 내부의 소정의 가스 종의 존재 여부에 의해 결정될 수도 있다. 공정 제어부(110)는 광도 변경을 위해 하나 이상의 종에 상응하는 특정 스펙트럼 파장을 모니터링하여 그 분석 결과에 따라 진행중인 반응로를 변경한다. 챔버 가스의 OES 모니터링은 공정의 종말점 검출을 위해 주도적으로 사용되고 있는 방법이다. 더욱이, OES 모니터링은 시작점, 시스템 청결도, 공기 및 물의 누출, 그리고 시스템 및 공정 진단과 같은 기타 조건의 검출에 유용하다. 종종 두 개 이상의 개별 스펙트럼 파장을 동시에 모니터링하는 것이 필요할 수도 있다.
전술한 OES 모니터링 시스템이 탁월한 구성을 갖추고 있긴 하지만, 단점이 없는 것은 아니다. 정량적 OES 방법의 경우, 광 방출이 이루어진 하나 이상의 가스 종의 개수(수학식 1의 na)와 OES 신호 사이에는 재현 가능한 관계가 있음을 가정할 수 있다. 이러한 OES 방법론의 요건은 다음과 같다:
1. 각각의 가스 종을 고정된 여기 상태 상태 분포도를 나타내도록 여기시키기 위한 효율이 시간이 지나도 일정하거나 재현 가능하다;
2. 적어도 하나의 발광 완화 경로를 갖는 각각의 여기 종에 대한 완화 경로 분포가 시간이 지나도 일정하거나 재현 가능하다;
3. OES 신호를 생성하기 위하여 방출 광을 검출하기 위한 효율이 시간이 지나도 일정하거나 재현 가능하다.
이러한 OES 방법론이 성공하기 위해서는, 전자 밀도, 즉, ne, 그리고 전자 온도, 즉 Te가 시간이 지나도 일정하게 또는 적어도 재현 가능한 채로 남아 있어야 한다.
일부 반도체 공정은 전술한 재현 가능한 OES 검출안에서 필요로 하는 세 가지 요건을 충족시키기 어려운 조건을 야기하는 경향이 있다. 최근 제안되고 있는 바와 같은 반도체 에칭 공정의 경우 관심 종이 결합이 완화되어 검출 가능한 광 방출이 달성되도록 하는 여기 상태를 야기하기에 충분한 정도로 가스 혼합물을 여기시키지 않는다(즉, ne 또는 Te가 낮다). 기타 다른 공정의 예에서는, 반응 가스를 여기시키는 플라즈마가 웨이퍼 표면으로부터 충분히 멀리 위치하여, 에칭 웨이퍼 부근에서 어떠한 광 방출도 발생하지 않게 된다. 이러한 플라즈마를 "다크(dark)" 플라즈마 또는 "상류(upstream)" 플라즈마라 한다. 전술한 양 경우에 검사자가 종말점에서 발생하는 웨이퍼 상부의 가스 종의 농도 변화를 검출하기 위하여 OES를 사용할 수 있도록 하는 광의 방출은 거의 또는 전혀 발생하지 않게 된다. 또 다른 상황의 예를 들자면, 반응 챔버가 노이즈가 높은 환경 조건을 갖추고 있어 개방 면적이 좁은 에칭과 같은 소정 공정에서의 종말점 검출이 매우 어려울 수도 있다. 이 경우 노이즈로는 RF 전력 노이즈, RF 주파수 변경, 전력 결합 등이 있을 수 있다. 마지막으로, 플라즈마 챔버의 공정 조건을 완벽하게 재현한다는 것은 불가능하다. 이러한 처리 환경의 변화는 ne와 관련하여 공간적이거나 일시적인 국소 변화를 초래할 수 있다. 보다 중요한 사항으로서, 또한, 전자 속도 분포(Te)는 보다 활기 왕성한 전자의 모집단에서의 민감한 변화에 영향을 받을 수 있다. 보다 활기 완성한 전자, 즉 1/2mev2 min을 초과하는 값을 갖는 전자만이 방전 시의 발광 성능에 책임이 있으므로, 전술한 바와 같은 변화는 검출 및 조절이 어려운 편이다. 결론적으로, 전자 속도 분포(Te)가 변함에 따라, 전자 밀도(ne)가 또한 변한다. 통상적으로, Te가 높을수록 ne가 높아지며, 이들 값의 복잡한 관계는 시스템에 좌우된다. 이러한 결합 관계로 인해 ne에 영향을 미치지 않고 Te를 변경하는 것은 불가능하며 또한 Te에 영향을 미치지 않고 ne를 변경하는 것은 불가능하다.
형광 현상을 야기하기 위한 가스 여기와 관련한 전술한 문제점에 대한 일 해결 방안으로서, 소정의 OES 분석을 수행하도록 사용되는 검출 가능한 광 신호를 생성하기 위하여 에칭 웨이퍼 부근 또는 하류에 에칭 가스를 여기시키기 위한 별개의 수단을 배치하는 방법이 있다. 이러한 기술은 반응로 챔버로부터 유출되는 가스를 여기시키기 위하여 반응로 챔버의 일차 플라즈마 발생 장치 하류에 위치한 이차 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것을 필요로 한다. 배기 라인의 유출 가스를 발광 스펙트럼의 변화를 검출하기 위한 플라즈마 상태로 점화하기 위한 플라즈마 여기 장치 모니터링 시스템이 본 명세서에 그 전체 내용이 참조를 위해 인용되고 있는 1983년 5월 20일자로 공개된 오카바야시(Okabayashi)의 "플라즈마 에칭 장치(Plasma Etching Device)"를 명칭으로 하는 특허 공개 공보 제 58-84431 호에 서술되어 있다. 오카바야시의 상기 특허 공개 공보에는 도 2A 내지 도 2C에 도시된 바와 같은 배기 라인 플라즈마 여기 장치의 여러 실시예가 개시되어 있다. 도 2A에 도시된 배기 플라즈마 여기 장치(200)는 일반적으로 지지부(214) 상에 하나 이상의 웨이퍼(216)가 유지되어 있는 반응로 챔버(212)를 포함한다. 반도체 처리 과정을 수행하기 위하여 플라즈마 전극(223)에 의해 반응로 챔버(212)의 제 1 플라즈마 영역(220)에서 일차 플라즈마가 발생된다. 상기 플라즈마 전극(223)은 전술한 플라즈마를 생성하기 위하여 고주파 전원(224)에 전기적으로 결합되어 있다. 공정 가스가 가스 유입구(232)를 통해 챔버(212) 내로 유입되며, 유출 가스는 배기관(238)을 통해 챔버로부터 배출된다. 유출 배기 가스는 배기관(238)을 통해 인출되어 진공 펌프를 사용하여 배기관(238)과 정렬되어 있는 석영 배기관(238a) 내로 보내진다. 석영 배기관(238a)을 통과하는 동안, 유출 가스는 방전 플라즈마(237)로 여기된다. 방전 플라즈마(237)는 반응로 챔버(212)의 제 1 플라즈마 영역(220)과 별개로 원거리에 위치하고 있다.
방전 플라즈마(237)의 여기 유출 가스로부터의 방출 광은 발광 스펙트럼 검출 장치(233)에서 검출되며 전기 신호로 변환된다. 이러한 발광 스펙트럼 검출 장치(233)로부터의 출력 신호가 반응로 챔버(212) 내에서의 공정을 제어하도록 사용될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 방전 영역(220)에서 방전 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파 전원(224)의 출력은 발광 스펙트럼 검출 장치(233)로부터의 출력 신호에 의해 조절될 수도 있다. 오카바야시의 특허 공개 공보에 개시된 바에 따르면, 방출 광을 모니터링하기 위한 발광 스펙트럼 검출 장치(233)는 그 시야각이 제 2 플라즈마 영역(236)을 가로지르는 유출물의 유동 방향과 본질적으로 직교하도록 배향된다. 제 2 방전 영역(236)으로부터 발생한 방전 플라즈마가 공정 챔버(212) 내로 들어가는 것을 방지하기 위하여, 와이어 메쉬 패턴을 갖는 차폐판(234)이 제 2 플라즈마 영역(236)과 챔버(212)의 에칭 영역(226)의 사이에 배치되어 있다.
오카바야시의 특허 공개 공보에는, 또한, 도 2A에 도시된 배기 플라즈마 여기 장치(200)와 사용될 수도 있는, 제 2 플라즈마 영역(236)에서 유출물을 여기시키기 위한 두 개의 서로 다른 유형의 플라즈마 발생 장치와, 도 2B에 도시된 바와 같은 용량 결합형 플라즈마 발생 장치, 그리고 도 2C에 도시된 바와 같은 유도 결합형 플라즈마 발생 장치가 개시되어 있다. 도 2B의 용량 결합형 플라즈마 발생 장치에는 제 2 플라즈마 영역(236)에서 방전 플라즈마(237) 내로 유출물을 유도하기 위해 석영 배기관(238a)의 양측에 각각 배치되는 한 쌍의 대향하는 용량성 전극판(239)이 마련되어 있다. 상기 용량성 전극판(239)에는 고주파 전원(235)에 의해 전류가 인가된다. 용량성 전극판(239)은 일반적으로 제 2 플라즈마 영역(236)의 전체 길이에 걸쳐 연장된다. 한편, 유도 결합형 플라즈마 발생 장치는 유도 코일(240)이 권선되어 있는 석영 배기관(238a)을 포함하며, 고주파 전원(235)이 석영 배기관(238a)에 결합되어 있다. 석영 배기관(238a)의 하류 단부가 직각을 이루는 배기 연결부에 결합되어 있다는 점에서, 도 2C의 유도 결합형 플라즈마 발생 장치의 기하학적 형상은 전술한 용량 결합형 플라즈마 발생 장치와 다소 상이하다. 상기 연결부 상에 뷰포트 창이 배치되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 발광 스펙트럼 검출 장치(233)는 그 시야각이 석영 배기관(238a)과 동축으로 배향되며, 이에 따라 발광 스펙트럼 검출 장치(233)는 석영 배기관(238a)의 유동 축선을 따라 방출 광을 검출할 수 있다.
오카바야시에 의해 개시된 배기 플라즈마 여기 장치가 단일 플라즈마 기술에 따른 많은 단점을 극복하긴 하지만, 해당 장치 또한 방전부의 조절되지 않은 가스 압력의 영향을 받아 생산 공정을 제어함에 있어 중요할 수도 있는 스펙트럼 영역에서 불분명한 스펙트럼 선을 초래할 수도 있다. 전체 내용이 본 명세서에 참조를 위해 인용되고 있는 1986년 9월 2일자로 허여된 오가와(Ogawa)의 "에칭 모니터링 방법 및 장치(Method and Apparatus for Monitoring Etching)"를 명칭으로 하는 미국 특허 제 4,609,426 호에는 통상의 고진공 배기 시스템에 결합되어 있으며 유출물의 압력이 조절되는 배기 라인 플라즈마 여기 장치가 개시되어 있다. 도 3A에서, 일차 플라즈마가 사이에 방전 공간(313)을 형성하도록 서로 평행하게 배치된 대항 전극(311)과 시료 전극(312)을 사용하여 처리 챔버(310) 내에서 발생된다. 대항 전극(311)에는 가스 통로와 가스 유출 홀이 형성되어 있으며, 각각의 가스 유출 홀은 방전 공간(313)에 개방되어 있는 한편 가스 통로와 연통하도록 되어 있다. 상기 대항 전극(311)는 가스 통로와 연통하는 에칭 가스 주입 시스템(320)의 가스 주입관(321)에 연결되어 있다. 가스 주입관(321)을 통한 에칭 가스의 유동은 밸브(322)에 의해 조절된다.
시료 전극(312)은 절연 재료(314)에 의해 처리 챔버(310)로부터 전기적으로 격리되어 있으며, 매칭 박스(330)를 통해 처리 챔버(310)의 외부에 위치한 고주파 전원(331)과 같은 전력 공급원에 연결되어 있다. 배기 포트(315)가 처리 챔버(310)의 바닥에 형성되어 있으며, 시료 전극(312)의 후면측과 처리 챔버(310)의 바닥 사이로 처리 챔버(310) 내부에 배플(316)이 배치되어 있다. 배플(316)의 외주면은 처리 챔버(310)의 각각의 측벽까지 연장되며, 배플(316)의 내주면과 시료 전극(312)의 사이에 배기 시스템 내로 유동하는 유출물을 수용하기 위한 간극(317)이 형성되어 있다.
고진공 배기 시스템(340)이 처리 챔버(310)로부터의 유출 가스를 배기하도록 사용되며, 이러한 고진공 배기 시스템은 터보 분자 펌프(341)와, 기계적 부스터(342) 그리고 회전 펌프(343)로 구성되어 있다. 처리 챔버(310)의 배기 포트(315)는 배기관(344)에 의해 회전 펌프(343)의 흡입 포트에 연결되어 있다. 기계적 부스터(342)가 배기관(344)의 회전 펌프(343) 상류에 배치되며, 터보 분자 펌프(341)가 부스터(342)보다 상류에 배치된다. 또한, 밸브(345)가 배기관(344)의 터보 분자 펌프(341)의 상류에 배치된다.
에칭 가스 배기 시스템(350)은 본질적으로 고진공 배기 시스템(340)과 평행하며, 가변 오리피스(351)와, 기계적 부스터(342), 회전 펌프(353), 그리고 질소 포획부와 같은 포획부(354)로 구성되어 있다. 배기관(344)의 밸브(345) 상류 부분에서 분기된 배기관(355)이 회전 펌프(353)의 흡입 포트에 연결되어 있다.
일 실시예에 있어서, 오가와의 특허에 개시된 바와 같이, 유출 가스를 여기시키며 방출 광을 모니터링하기 위한 이차 플라즈마 장치로서의 마이크로파 플라즈마 발생 장치, 즉 플라즈마 수단(360)은 서브 챔버(361)와, 도파관(362)과, 마그네트론(363) 그리고 자석(364)으로 구성되어 있다. 가스 주입관(365)이 배기관(355)과 밸브(345) 사이에서 배기관(344)에 결합되며, 서브 챔버(361)의 상부와 연통하도록 되어 있다. 가스 배출관(366)이 서브 챔버(361)의 하부에 배치된 가스 배출 포트와 밸브(345)와 터보 분자 펌프(341) 사이 배기관(344)의 사이에 연결되어 있다. 밸브(367a)가 가스 주입관(365)에 배치되며, 서브 챔버(361)에 인가되는 압력을 조절하기 위한 가변 오리피스(368)가 밸브(367a)와 서브 챔버(361)의 사이에 배치된다. 또한, 밸브(367b)가 서브 챔버(361)의 배출측으로 가스 배출관(366)에 배치된다.
서브 챔버(361)는 도파관(362) 내에 합체되어 있으며, 도파관(362)의 상단부가 마그네트론(363)에 연결된다. 자석(364)은 가스 주입관(365)과 가스 배출관(366)이 서브 챔버(361)에 연결되는 위치에 각각 대응하는 방식으로 도파관(362)의 외측에 배치된다. 슬릿(371)과, 분광기(372)와, 광 증폭기(373) 등으로 구성되어 있는 스펙트럼 검출 수단(370)이 서브 챔버(361)의 바닥에 배치된다.
처리 챔버(310) 내부의 시료(380)는 에칭 표면이 위로 향하는 상태로 시료 전극(312)에 의해 지지되어 있다. 처리에 앞서 밸브(345)가 개방되고 고진공 배기 시스템(340)이 작동되어 처리 챔버(310) 내부를 배기시킨다. 에칭 가스가 에칭 가스 주입 시스템(320)으로부터 처리 챔버 내로 소정의 유량으로 주입된다. 에칭 가스 배기 시스템(350)이 처리 챔버(310)로부터 가스를 배출하도록 작동되는 동안, 고주파 전원(331)이 작동되어 처리 챔버(310) 내부에 플라즈마를 발생시키며 시료(380)의 플라즈마 에칭을 수행한다. 처리 챔버(310)로부터 배출된 가스 중 일부는 밸브(367a)와 가변 오리피스(368)를 통해 배출을 위한 서브 챔버(361)로 보내진다.
서브 챔버(361) 내부의 압력 가스는 밝은 선 스펙트럼을 구별하는데 도움이 되는 압력으로 가변 오리피스(368)에 의해 조절된 다음 차별적으로 배출된다. 마그네트론(363)이 마이크로파 에너지를 방출함에 따라 서브 챔버(361) 내부의 자석(364)에 의해 마이크로파 방전이 발생하게 된다. 이 마이크로파 방전에 의해 서브 챔버(361) 내로 주입된 압력 조절 상태의 가스가 플라즈마로 점화된다. 스펙트럼 검출 수단(370)이 발광 스펙트럼 중의 정화된 발광 선 스펙트럼을 검출하며, 시간 경과에 따른 발광 선 스펙트럼의 세기 변화로부터 시료(380)의 에칭 상태를 모니터링할 수 있다.
오가와의 특허에는 또한, 이차 플라즈마의 유출 가스를 여기시키기 위한 스파크 방전 유형의 플라즈마 발생 장치가 개시되어 있다. 도 3B에는 전술한 마이크로파 플라즈마 발생 장치에 사용된 바와 동일한 서브 챔버(361')와, 가스 유동 시스템, 그리고 발광 스펙트럼 검출 수단을 포함하는 이차 플라즈마 수단(360')이 도시되어 있으며, 서브 챔버(361') 내부의 가스 압력은 서브 챔버(361)와 동일한 방식으로 조절된다. 전원으로부터 투영 부재(369)로 고압이 인가되는 경우, 이들 부재 사이에 스파크 방전이 발생한다. 이러한 스파크 방전에 의해 서브 챔버(361') 내부의 가스가 여기된다.
종래 기술에 공지되어 있는 전술한 배기 라인 플라즈마 여기 장치는 유출물이 배기 라인을 통과하여 유동함에 따라 해당 유출물을 여기시킨 다음 광학적 발광 분광법(OES) 기술을 사용하여 플라즈마로부터의 방출 광을 모니터링한다. 이와 같은 광학적 모니터링 기술 뿐만 아니라 다른 기하학적 형상을 사용하는 플라즈마 여기 장치 또한 종래 기술에 공지되어 있다. 전체 내용이 본 명세서에 참조를 위해 인용되고 있는, 1989년 8월 15일자로 허여된 자작(Zajac)의 "반응로 모니터링 시스템 및 방법(Reactor Monitoring System and Method)"을 명칭으로 하는 미국 특허 제 4,857,136 호에는 배기 라인으로부터 유출된 가스가 이차 플라즈마 발생 장치의 여기 챔버 내로 확산되는 배기 라인 플라즈마 여기 장치가 개시되어 있다. 여기서, 유출물은 플라즈마로 여기되며, 여기 챔버 내부의 표적 가스 종을 검출하기 위해 포토다이오드가 사용된다.
도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하자면, 챔버 모니터링 시스템(423)으로부터 원거리에 위치한 반응로 챔버 내부의 공정 조건을 모니터링할 수 있다. 이러한 챔버 모니터링 시스템(423)은 일반적으로, 석영과 같은 전기적으로 비전도성의 재료로 제조되는 여기 챔버(426), 그리고 이 챔버(426)를 중심으로 동축으로 권선되어 있으며 전원(432)에 연결되어 있는 유도 코일(431)을 포함한다. 여기 챔버(426)의 일 단부는 배기 라인(416)에 직각으로 결합되어 있으며, 두 개 이상의 포토다이오드(433, 434)가 마련되어 있는 타단부 상에는 여기 유출물로부터의 방출 광을 감지하기 위해 뷰포트 창이 배치되어 있다.
종래 기술에 공지되어 있는 전술한 이차 플라즈마 발생 장치와 달리, 챔버 모니터링 시스템(423)은 인라인(inline) 플라즈마 여기 장치가 아니며, 따라서, 배기 라인 내부의 유출물을 여기시키지는 않지만, 대신 유출물 중 일부가 챔버(426) 내로 확산되도록 한다. 여기서, 유출물은 전술한 유도 결합형 플라즈마 발생 장치에 의해 여기된다. 이러한 시스템의 일 장점은 기존 배기 진공 시스템의 어떠한 수정 없이도 배기 라인(416) 상의 기존 포트에 용이하게 연결될 수 있다는 점이다.
상기 시스템의 다른 장점은, 분광 기술 대신 저렴한 비용으로 여기 발광 스펙트럼을 검출할 수 있는 포토다이오드를 활용한다는 점이다. 포토다이오드는 검출하고자 하는 표적 가스의 특정 파장에 반응하도록 선택되며, 또는 이러한 파장을 선택적으로 통과시키기 위한 필터가 제공될 수 있다. 포토다이오드는 각각의 충돌 파장의 광량에 대응하는 전기 신호를 생성하며, 포토다이오드로부터의 신호비에 대응하는 출력 신호를 제공하는 차동 증폭기(436)에 연결될 수도 있다. 레벨 검출 장치(437)가 출력부에 연결되어, 포토다이오드 신호비가 반응로에서 검출되는 소정의 일부 조건에 대응하는 소정 레벨에 도달하는 경우 출력 신호를 생성하게 된다.
1980년대에 람세이(Ramsey) 등이 "실리콘 결정 성장 동안의 가스 역학 조건의 분석(Analysis of Dynamic Gas Conditions During Silicon Crystal Growth)"에서 제안한 바와 같은 유사한 기술이 본 출원의 양수인인 베리티 인스트루먼트 인코포레이티드(Verity Instrument Inc.)에 의해 실시된 바 있다. 이러한 기술에서는 플라즈마 챔버를 관통하는 유동체에 저주파 플라즈마를 발생시키기 위하여 유전 플라즈마 공급원(dielectric plasma source)을 활용하였다. 그러나, 연속파(CW) 모드로 작동하는 전술한 각각의 종래 기술의 배기 라인 이차 플라즈마 발생 장치와는 달리, 상기 유전 플라즈마 공급원은 방해 작용 없이 연속 플라즈마를 발생시키는 것이 아니라 펄스 방식으로 작동한다. 방출 광을 모니터링하기 위하여 여러 서로 다른 검출 방법론이 사용되었다. 이러한 기술 중 대부분은 1985년 4월부터 베리티 인스트루먼트 인코포레이티드에 의해 시판되어 온 모델명 MS100 울트라 트레이스 가스 분석기(Ultra Trace Gas Analyzer)에 통합되어 있다.
보다 최근에는, 전체 내용이 본 명세서에 참조를 위해 인용되고 있는, 2003년 11월 4일자로 허여된 체발리어(Chevalier)의 "가스상 유출물을 식별하기 위한 방법 및 시스템 그리고 이러한 시스템이 제공된 설비(Method and a System for Identifying Gaseous Effluents and a Facility Provided with Such a System)"를 명칭으로 하는 미국 특허 제 6,643,014 호에, 유출물을 여기시키기 위한 마이크로파 공진 플라즈마 발생 장치와 유도 결합형 플라즈마 발생 장치 모두를 활용하는 확산형 배기 라인 플라즈마 여기 장치와 인라인 배기 라인 플라즈마 여기 장치가 개시되어 있다. 인라인 플라즈마 발생 장치에 관한 몇몇 실시예에 있어서, 플라즈마 발생 장치는 배기 라인 내부에 완전히 구성되어 있다. 플라즈마에 의해 방출되는 방사 스펙트럼의 변화를 분석하기 위하여 광학 분광기가 채용된다.
전체 내용이 본 명세서에 참조를 위해 인용되고 있는, 2005년 12월 13일자로 허여된, 메티스(Mettes)의 또한 본 출원의 양수인에게 양도된 "방출 잔광의 분광법을 이용한 모니터링을 실시하기 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for Implementing an Afterglow Emission Spectroscopy Monitor)"를 명칭으로 하는 미국 특허 제 6,975,393 호에는, 인라인 배기 라인 플라즈마 여과기의 다양한 실시예가 개시되어 있다. 상기 메테스의 특허에는 다중 툴의 배기 흐름에서 유출물을 여기시키기 위한 DC 방전 플라즈마 발생 장치와 RF 유도 결합형 플라즈마 발생 장치 모두가 개시되어 있다. 배기 라인 플라즈마 발생 장치가 수명이 짧은 종으로부터 발생되는 광을 회피하기 위하여 검출 장치로부터 원거리에 위치하는 구성이 여러 실시예에서 다루어지고 있다. 또한, 검출 장치를 일차 플라즈마 발광물로부터 보호하며 방출 잔광만을 관찰할 수 있도록 셔터 및 기타 다른 기계적 장치가 사용된다. 메테스의 특허에는, 플라즈마 발생 장치를 펄스 작동시킨 다음 여기 후 형광 특징을 나타내는 종의 여기 영역을 관찰하는 바와 같은, 종래 기술에 사전에 공지되어 있는 바와 다른 작동 모드가 개시되어 있다.
전체 내용이 본 명세서에 참조를 위해 인용되고 있는, 2003년 3월 25일자로 허여된, 포웰(Powell)의 "실시간 가스 샘플링을 사용한 방법 및 장치(Method and Device Utilizing Real-time Gas Sampling)"를 명칭으로 하는 미국 특허 제 6,538,734 호 및 그 결과물(미국 특허 제 6,757,061 호, 제 6,791,692 호, 제 6,867,859 호, 제 7,019,829 호 및 제 7,202,946 호)에는, 본질적으로 전술한 바와 같은, 반응로 챔버로부터 유출 가스의 유동 방향과 일렬로 여기 챔버가 정렬되도록 구성되어 있는 유도 결합형 플라즈마 발생 장치의 다양한 실시예가 개시되어 있다. 포웰의 특허에는 반응로 챔버의 일차 플라즈마를 모니터링하기 위해 광범위하게 사용되고 있는 배기 라인 유도 결합형 플라즈마 발생 장치를 이용한 다양한 분석 및 모니터링 기술이 개시되어 있다. 포웰의 특허에는 또한, 적분 시간, 검출 장치의 감도, 스케일링(scaling) 인자 등과 같은 조건을 제어하는 한편 방출 광의 스펙트럼을 분석 및 모니터링하기 위한 다양한 표시 인터페이스(interface)가 개시되어 있다.
종래 기술과는 완전히 대조적으로, 본 발명은 방출 광을 발생시키기 위한 플라즈마 상태로 유출 가스를 직접 여기시키기 위한 플라즈마 발생 장치를 채용하고 있으며, 따라서, 전술한 바와 같은 문제점을 나타내지 않는다. 본 발명에서는, 방출 광을 발생시키기 위한 플라즈마 발생 장치를 채용하지 않는 대신, 여기 에너지를 유출물에 운반하기 위한 전자 빔(E-빔)을 활용한다. E-빔으로부터 나온 에너지가 공정 제어 및 기타 다른 용도에 유용한 방출 광을 발생시키기 위해 유출물 중의 가스 종의 원자를 여기시키게 된다. 유출물 중의 가스 종을 여기시키기 위해 E-빔을 사용하는 본 발명의 일 태양에 따르면, 전자의 밀도(nEe)가 빔을 구성하는 전자의 에너지 레벨과 독립적으로 조절될 수 있다.
유출 흐름에 포함되어 있는 광 방출 가스 종의 농도 변화에 따라 상기 가스 종에 의해 발생되는 방출 광의 휘도가 변화한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 그러나, 종래 기술에 공지되어 있는 배기 플라즈마 여기 장치는 유출물 중의 가스 종의 농도와 관련 없는 광도 변화를 야기할 수도 있는 무수한 단점을 나타내고 있다. 이전에는, 플라즈마 발생 장치로 전달되는 전력을 조절하지 않고서는, 특정 농도를 갖는 플라즈마를 발생시키기 위하여 여기 챔버로 전달되는 여기력을 정확하게 조절하는 것이 불가능하였다(종래 기술의 플라즈마 발생 장치에 공통적으로 적용된다). 이러한 수준의 제어 능력으로는 플라즈마 발생 장치가 방출 광의 세기에 관하여 요구되는 제어 효과를 유지하는데 필요한 신뢰도로 Te 및 ne 모두를 반복적으로 재현할 수 없었다. 결과적으로, 종래 기술의 플라즈마 발생 장치의 작동에 있어서의 변화로부터 초래하는 방출 광의 세기 변화는 유출물의 부정확한 상태 변화를 야기할 수도 있다. 이러한 안정성 문제 외에도, 종래 기술의 플라즈마 발생 장치는 또한, 유출물의 압력 변화에 상당히 민감한 편이다. 배기 라인의 적은 압력 변화가 여기 가스의 농도 변화로 잘못 해석될 수도 있다(압력 감소가 전적으로 가스 종의 존재를 감출 수 있기 때문이다). 또한, 다수의 인자로 인해 방출 광의 세기가 약간이나마 변할 수도 있기 때문에, 종래 기술의 유출물 여기 장치로는 방출 광의 세기에 의해 가스 종의 농도를 정확하게 파악하기가 어렵다. 본 발명의 E-빔 여기 장치는 원하지 않는 방출 광의 세기 변화를 초래할 수도 있는 조건을 보상함과 동시에 빔의 전자 밀도를 안정화시키기 위한 방법을 제공한다. 일반적으로, E-빔의 전자가 많아질수록(전자 밀도가 높아질수록), 빔과 유출물 사이의 상호 작용에 의해 초래하는 방출 광의 휘도도 증가한다. 따라서, 특정 가스 종을 식별하기 위한 특정 스펙트럼 파장에서의 광의 신호 대 노이즈 비를 최적화하기 위하여 본 발명의 E-빔의 전자 밀도(nEe)가 조절될 수 있다. 또한, 전자 밀도(nEe)는 유출물 중의 가스와 충돌하는 일정한 양의 광 발생 전자를 생성하기 위하여 최적의 전자 밀도를 유지하도록 표적물에 대해 직접 모니터링되어 조절될 수 있다. E-빔의 전자 밀도가 최적의 레벨로 조절되기 때문에, 여기 가스 종의 농도 변화를 이용하여 광도의 미세한 변화도 보다 신뢰성 있게 확인될 수 있다. 본 발명의 E-빔 여기 장치의 또 다른 장점으로서, 빔의 전자 밀도가 모니터링되어 조절될 수 있기 때문에, 전자 밀도가 배기 라인 압력의 변화로 인한 방출 광의 세기 변화를 보상하도록 사용될 수 있다. 방출 광의 세기와 가스 종의 배기 라인에서의 압력 사이의 상관 관계를 이해함으로써 또한 배기 라인 압력과 가스 종의 전자 밀도 사이의 관계를 이해함으로써, 방출 광의 세기에 영향을 미칠 수도 있는 배기 압력 변화를 보상하도록 전자 밀도가 조절될 수도 있다. 따라서, 배기 압력 변화를 이용하여 전자 밀도를 조절함으로써, 가스 종의 특정 농도에 대한 방출 광의 세기가 폭 넓은 범위의 라인 압력에 관하여 일정하게 유지될 수 있다. 마지막으로, 전자 밀도(nEe)가 빔의 전자 에너지(EEe)와 별개로 독립적으로 조절될 수 있기 때문에, E-빔의 전자 에너지 레벨의 정확성, 범위 또는 장점을 희생함이 없이 전술한 어떠한 장점도 달성할 수 있다.
반대로, 빔의 전자 에너지 레벨이 전자 밀도와 독립적으로 조절될 수 있기 때문에, 바로 위에서 논의한 전자 밀도의 작동상 장점에 악영향을 미치는 일 없이 전자의 에너지 레벨이 변경될 수 있다. 발광 스펙트럼 파장의 스펙트럼 프로파일 또는 패턴으로부터, 또한 여기 가스 종으로부터 방출되는 광으로부터 해당 가스 종을 식별하기 위한 방법은 잘 알려져 있다. 이러한 방법에 의하면 유출물에 존재할 수도 있는 기타 다른 가스 종의 모든 다른 스펙트럼 프로파일로부터 독특한 가스 종의 스펙트럼을 식별해낼 수 있다. 만약 가스 종의 독특한 스펙트럼 프로파일을 식별해낼 수 없다면, 유출물 흐름에서 해당 가스 종을 검출할 수 없는 것이다. 그러나, 가스 종의 스펙트럼 프로파일은 여기 레벨에 따라 변하기 때문에, 다시 말해, 서로 다른 여기 레벨에서는 발광 스펙트럼 파장의 서로 다른 패턴을 볼 수 있기 때문에, 가스 종의 독특한 스펙트럼 프로파일을 생성하는 특정 여기 레벨을 발견할 수도 있는 효과가 있다. 본 발명의 E-빔 여기 장치를 사용할 경우, 가스 종의 독특한 스펙트럼 프로파일을 생성하도록 E-빔의 전자 에너지를 변경함으로써 가스 종이 특정 여기 레벨로 여기될 수도 있다. 이와 같이 함으로써, 가스 종의 독특한 스펙트럼 프로파일을 생성하도록 단순히 E-빔의 전자 에너지를 조절하는 방식으로, 검출하고자 하는 배기 라인의 유출물에 존재할 수도 있는 특정 가스 종을 표적으로 하는 것이 가능하다. 또한, E-빔 전자의 에너지 레벨이 빔의 전자 밀도와 독립적으로 조절될 수 있기 때문에, 거의 실시간으로 가스 종의 독특한 스펙트럼 프로파일을 이용하여 유출물 중의 복수 개의 가스 종을 검출하도록 E-빔의 에너지 레벨이 선택적으로 조절될 수 있다. 유출물에 존재할 수도 있는 모든 기타 다른 가스 종에는 배타적인 하나의 가스 종만의 독특한 스펙트럼 프로파일을 식별하는 것이 항상 가능하지는 않을 수도 있으며, 또는 단일 스펙트럼 프로파일 식별 이상의 보다 높은 정확성이 요구될 수도 있다. 본 발명의 E-빔 여기 장치의 또 다른 장점은, 하나의 가스 종의 독특한 스펙트럼 서명으로부터 다양한 여기 레벨에서 분석되는 일련의 스펙트럼 프로파일을 식별해낼 수도 있다는 점이다. 여기서, 상기 스펙트럼 서명에는 복수 개의 스펙트럼 프로파일이 포함되며, 각각의 개별 스펙트럼 프로파일은 가스 종에 대한 독특한 여기 레벨로부터 얻어진다.
또한, 본 발명의 유출물 여기 장치는 유출물에 직접 결합되는 플라즈마 발생 장치에 대한 의존성이 없기 때문에, 지금까지는 종래 기술에 알려지지 않았던 다양한 작동 모드로 E-빔 여기 장치를 작동시킬 수 있으며, 이와 같이 함으로써, 이전에는 검출 불가능하였던 유출물로부터의 방출 광의 정보를 추출할 수 있다. E-빔 여기 장치는 연속적인 방식으로 작동될 수도 있다(경우에 따라, 이러한 작동을 플라즈마의 연속파(CW) 작동이라 한다). 전자 밀도와 전자 에너지 레벨이 독립적으로 조절될 수도 있기 때문에, 특정 가스 종의 형광 작용을 위한 최적의 전자 에너지가 선정될 수도 있으며 또한, 밝고 어두운 발광 스펙트럼 띠 모두를 관찰하기 위한 최적의 전자 밀도가 빔의 작동을 위해 독립적으로 선정될 수도 있다. 또한, 복수의 여기 가스 종이 그 스펙트럼 파일을 이용하여 동시에 검출될 수도 있다. 또한, 빔의 여기 에너지가 사전에 조절되어 단면적이 좁은 빔 축선을 따라 집중됨으로써 빔이 유출 흐름의 유동 방향을 가로질러 전달될 수도 있기 때문에, 여기 종이 유출물의 유동 방향을 따라 빔과는 반대 방향의 서로 다른 물리적 위치에서 검출될 수도 있다. 가스 종의 형광 작용이 이루어지는 정확한 위치는 가스 종의 형광 수명에 좌우된다(형광 수명이란 가스 입자의 여기 발생 후 광이 완화되어 광자가 방출되는 시점까지의 지연 시간을 의미한다). 예를 들어, 수명이 짧은 종은 E-빔과 가장 가까운 위치에서 검출 가능한 광을 발생시키며, 중간 수명의 가스 종으로부터의 방출 광은 상기 수명이 짧은 가스 종보다는 빔으로부터 먼 위치에서 검출 가능하고, 수명이 긴 가스 종은 상기 수명이 짧거나 중간 수준인 종보다도 빔 아래쪽으로 먼 거리에서 검출 가능한 광을 발생시킨다. 따라서, 본 발명의 E-빔 여기 장치를 사용할 경우, 형광 수명이 서로 다른 가스 종들이 가스 종 개개의 스펙트럼 프로파일 뿐만 아니라 빔으로부터의 서로 다른 거리에서의 광 방출을 통해 동시에 검출 가능하다. 또한, E-빔 여기 장치가 매우 높은 전자 농도로 작동될 수도 있기 때문에, 단일 종의 가스 입자가 다중 전자 충돌을 통해 보다 높은 에너지 상태로 돌입할 가능성이 높으며, 이에 따라 복잡한 완화 경로로부터의 방출 광의 형태로 관찰될 수도 있다. 이러한 복잡한 완화 경로로부터의 방출 광은 종종 형광 수명이 보다 길어지도록 하는 효과를 초래한다.
E-빔 여기 장치는 또한, 펄스 작동 모드로 작동될 수도 있지만, 이러한 펄스 작동은 종래 기술의 유출물 여기 장치에서와 같은 방식으로 직접 결합되어 있는 형태의 플라즈마 여기 장치에 단순히 펄스를 인가하는 것과는 상당히 다른 방식이다. 여기 장치를 펄스 작동시키는데 따른 장점은, 빔과 유출물 사이의 상호 작용으로부터 발생하는, 이후 뷰포트 창에 부착되어 창의 유지 관리를 위한 중단 시간의 주기를 단축할 수도 있는 오염물의 양을 감소시킬 수 있다는 점이다. E-빔의 전자 밀도가 최적의 레벨로 모니터링되어 조절될 수 있기 때문에, 작동 사이클 사이의 전자 밀도 편차가 최소화되며 관찰 광도의 정확성이 보다 높아진다. 전자 밀도를 실시간으로 모니터링함으로써, 방출 광의 측정 값 적분 이전에 또는 적분 동안, 현재 작동 사이클 범위 내에서 변화하는 전자 밀도를 조절하도록 전자 밀도 측정이 사용될 수도 있다. 선택적으로, 전자 밀도 측정은 후속 작동 사이클에 맞춰 전자 밀도를 조절하도록 사용될 수도 있다. 시스템은 적분 주기 동안 측정 전자 밀도가 소정의 밀도 범위 이내에 속하지 않으면 방출 광의 적분이 신뢰할 수 없는 수준으로 이루어진 것으로 간주하여 무시하는 기능이 있다. 또한, 전자 밀도를 모니터링함으로써, 전자 밀도가 소망하는 밀도 범위 이내에서 안정화되었음을 검출하자마자 즉시 광 적분을 촉발하기 위한 방법을 제공할 수 있다. 이에 따라, 작동 사이클 중의 활성 기간이 전자 밀도 측정에 따라 적절하게 변할 수도 있다. 작동 사이클의 길이를 적절하게 변경하는 것은 증착물의 양을 줄이기 위한 매우 효과적인 수단이면서 전자 밀도가 안정적인 E-빔으로부터 상당히 정확한 광 측정값을 얻을 수 있는 효과가 있다. 연속 작동 모드에 대한 전술한 바와 같은 모든 장점은 펄스형 작동 모드에도 동일하게 적용 가능하다.
종래 기술의 직접 결합형 플라즈마 여기 장치를 사용하는 경우 이전까지는 불가능하였던 또 다른 작동 모드로 가변 에너지 작동 모드가 있다. 본 발명에 따라 E-빔의 전자 에너지 레벨이 조절 가능하기 때문에, 이러한 조절이 전술한 연속 및 펄스형 작동 모드의 범위 내에서 조합된 형태로 달성될 수도 있다. 작동 동안, E-빔의 전자 에너지는 복수 개의 소정의 에너지 레벨에 걸쳐 단계적으로 변할 수도 있으며, 또한 각각의 레벨에 맞춰 광 측정이 수행될 수도 있다. 개개의 가스 종이 각각의 에너지 레벨에서의 종의 독특한 스펙트럼 프로파일로부터 또는 복수 개의 전자 에너지 레벨에 걸친 독특한 스펙트럼 서명으로부터 검출될 수도 있다. 여기서 다시 반복하자면, 전자 밀도가 본 발명의 E-빔 여기 장치를 이용하여 전자 에너지와 독립적으로 조절될 수도 있기 때문에, 전자 밀도는 두 개의 서로 다른 스펙트럼 파장을 측정하기 위해 특정 전자 에너지 레벨에서 변경될 수 있다. 두 개의 스펙트럼 파장에 대한 정확한 광도 측정이 중요하긴 하지만 광도가 단일 전자 밀도에서의 측정 장치의 역학 범위를 초과하는 상황에서는 전술한 바와 같은 특징이 중요하다. 측정 장치의 포화를 방지하기 위하여 비교적 낮은 전자 밀도에서는 세기가 높은 파장이 적분되며, 측정을 위한 신호 대 노이즈 비를 증가시키기 위하여 비교적 높은 전자 밀도에서는 세기가 보다 낮은 파장이 적분된다.
첨부 도면과 함께 바람직한 실시예의 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명의 신규한 특징, 장점 및 모드를 보다 완벽하게 가장 잘 이해할 수 있을 것이다. 이하의 설명은 본 발명의 일부를 구성하며 본 발명의 실시 가능한 특정 실시예들이 예시로서 주어진 도면을 참조하여 이루어진 것이다. 후술하는 실시예들은 당 업계의 숙련자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하기에 충분한 정도로 상세히 설명되어 있으며, 또한 기타 다른 실시예가 채용될 수도 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 정신 및 영역을 벗어남이 없이 구조적인, 절차적인, 그리고 시스템 및 특정 사용에 있어서의 변경이 이루어질 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 이하의 설명은 제한적인 의미로 주어진 것이 아니다. 설명의 명료성을 위해, 첨부 도면에 도시된 동일한 특징들은 동일한 도면 부호로 지시되어 있으며, 또한 변형예에 관한 도면에 도시된 바와 같은 유사한 특징들은 유사한 도면 부호로 지시되어 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 예를 들어, 반응로 챔버로부터 연장되는 배기 라인의 유출 가스를 여기시켜 처리하기 위한 전자 빔 여기 장치 시스템의 구성 요소를 도시한 다이아그램이다. 각각의 구성 요소가 각각의 특정 실시예와 관련하여 이하에 보다 상세히 설명되어 있긴 하지만, 본 발명이 각종 변형예 및 용례의 형태로 실시될 수도 있다. 후술하는 예시들의 설명은 본 발명의 원리 및 실제 용례를 가장 잘 설명할 수 있으면서 당 업자가 본 발명의 다양한 실시예와 함께 고려되고 있는 특정 용례에 적합하도록 되어 있는 다양한 수정예를 이해할 수 있도록 하는 순서로 짜여져 있다. 본 발명의 전자 빔 여기 장치 시스템(500)의 일 목적은 방출 광이 검출 가능한 충분한 밀도의 전자와 유출물 중의 가스 입자와 발광 전자와의 충돌을 야기하기에 충분한 전자 에너지 레벨을 갖춘 전자 빔(E-빔)을 발생시키는 것이다. 이에 따라, 본 발명의 E-빔 여기 장치(502)는 일반적으로 전자 추출 장치(가속 장치)(520)에 전자를 공급하기 위한 전자 공급원(510)을 포함한다. 전자 공급원(510)은 일반적으로 기준 전위를 갖는 것으로 가정되는 전자 구름을 발생시키는 공급원 챔버 또는 "전자 보틀"를 포함한다. 전자는 기준 전위, 통상 대략 접지 전위에 유지되는 챔버의 전도성 표면과 접촉함으로써 기준 전위에 도달하게 된다. 공급원 챔버의 추출 개구와 유출 흐름의 사이에 배치되는 전자 추출 장치(520)는 공급원 챔버 내부의 전자의 기준 전위보다 높은 양의 전위로 설정된다. 추출 양극과 전자 공급원의 기준 평면 사이의 전위차에 의해 전자 빔 에너지가 결정된다. 추출 전극은 생성 전자 빔의 크기 및 형상에 상당한 영향을 미칠 수 있는 형상으로 형성된다.
전자 공급원(510)의 내부에는 여기되는 경우 자유 전자로 이루어진 가스를 발생시키는 전자 방출 재료가 수용되어 있다. 전자(e-) 방출 재료의 조성은 채용되고 있는 전자 공급원의 유형에 따라 변하지만, 고체 또는 가스 또는 심지어 배기 라인(504)으로부터 공급원 챔버 내로 확산되는 유출 가스일 수도 있다. 전자 여기 방법은 공급원의 유형에 따라 변한다. 플라즈마 이용하는 방식의 또한 플라즈마를 이용하지 않는 방식의 전자 발생기가 존재하며, 예를 들어, 글로우 방전(glow discharge), 중공 캐소드 방전, 고주파 유도 결합 플라즈마(RF ICP), RF 용량 결합(CCP, 평행판) 플라즈마, 마이크로파 캐버티 방전, 가열 전자 방출 재료(LaB6, 토리움 텅스텐 등), 그리고 강제 전자 방출 기술(표면의 x-ray 촬영 등)이 포함된다. 가스 흐름 중의 특정 가스 종의 존재 및/또는 농도 그리고 기타 다른 가스 종의 부재를 결정하는데 유용할 수도 있는 변화하는 선택 에너지를 우선적으로 여기시키기 위한 E-빔의 경우 좁은 영역에 걸친 전자 에너지 분포가 바람직하다. 전자 발생 방법에 따라 전자 에너지 분포가 결정되므로, 최적의 유형의 전자 공급원이 좁은 에너지 분포에서 전자를 발생시키도록 사용되어 전자 빔의 에너지 분포가 이에 대응하여 좁아지는 것이 바람직하다. 전자 분열에 의해 여기 영역이 형성되는 경우 또한 그러하다면 이에 대한 제어가 가능할 수도 있다. 현재 시판되고 있는 전자 공급원은 특정 작동 범위의 전자 밀도(ne) 내에서 전자를 발생시킨다. 예를 들어, 통상의 용량 결합형 플라즈마(CCP) 전자 발생 장치는 109cm3 내지 1010cm3의 전자 밀도를 야기하며, 통상의 유도 결합형 플라즈마(ICP) 전자 발생 장치는 1010cm3 내지 1012cm3의 전자 밀도를 야기하고, 통상의 DC 글로우 전자 발생 장치는 108cm3 내지 109cm3의 전자 밀도를 야기한다(이하에서는, E-빔의 전자 농도 또는 전자 밀도를 nEe로 나타내기로 한다). 어느 한 유형의 전자 발생 장치에 의해 생성되는 특정 농도의 전자는 공급원 챔버 내의 전자 방출 재료에 적용되는 여기 레벨을 조절함으로써 전자 밀도(nEe)를 제어하는 전자 농도 조절부(512)에 의해 제어된다. 중요하게는, 종래 기술의 배기 라인 플라즈마 여기 장치와 달리, 본 발명의 전자 공급원(510)은 관찰을 위한 광의 방출을 위해 유출물을 플라즈마 상태로 여기시키는 대신, 전자 빔의 형성을 위해 공급원 챔버로부터 여기에 이용 가능한 전자를 발생시키는 역할을 한다. 전자 빔은 유출 흐름 중의 가스 입자를 여기 상태로 만들어 그 결과 발생하는 방출 광을 관찰하기 위해 본 발명에 의해 사용되는 수단이다.
상기 수학식 1 및 수학식 2로부터 알 수도 있는 바와 같이, 방출 광의 세기가 특정 에너지 상태(a)에서의 입자 농도(ne) 및 E-빔의 농도(nEe)에 따라 증가한다. E-빔의 전자의 에너지 레벨이 일정하게 남아 있지 않은 한, 방출 광의 세기 변화의 원인은 모호하다. 유출물의 표적 가스 종의 농도 변경을 신뢰성 있게 검출하기 위하여, nEe가 광도 측정 동안 일정한 채로 남아 있어야 한다. E-빔의 nEe의 편차가 광도로부터 유도되는 가스 종의 농도 수치를 왜곡할 수 있다. E-빔의 nEe를 일정하게 유지하기 위한 일 방법은 빔 전자 수집 및 계수 장치(540)(전자 수집 장치(540))를 사용하여 전자 추출 동안 nEe를 모니터링하는 것이다. 전자 수집 장치(540)는 E-빔의 전자의 개수를 모니터링하기 위해 전자 추출 장치(520)로부터 배기 라인(504)의 여기 영역(530)의 대향 측면 상에 배치될 수도 있다. E-빔의 전자가 전자 수집 장치(540)로 견인되어 접촉되도록 하기 위하여, 추출 장치에 비해 약한 양의 전하가 수집 장치에 인가될 수도 있다. E-빔의 전자가 전자 수집 장치(540)와 상호 작용하여 수집 장치를 강타하는 전자의 개수에 관한 전자 전류 값을 생성한다. 전자 농도 제어부(560)는 E-빔의 nEe의 안정성을 확보하는 한편 전자 공급원(510)이 nEe의 편차를 보상하는데 필요할 수도 있는 전력 조절 값을 결정하기 위하여 전자 제어부(540)로부터의 전자 전류를 사용한다. 본질적으로, 전자 농도 제어부(560)는 전자 제어부(540)로부터 발생되는 전자 전류를 기준 전자 전류와 비교하여 검출된 바와 같은 nEe의 편차를 수정하는데 필요한 조절량을 결정한다. 전자 농도 제어부(560)는 전자 농도 조절부(512)에 조절량을 통보하여 전자 공급원(510)의 여기 전력을 변화시킴으로써 nEe를 수정한다. 안정적인 전자 밀도를 유지함으로써, 방출 광의 세기가 유출물 중의 표적 가스 종의 농도를 보다 정확하게 지시하게 된다. 마지막으로, 수집 장치 상의 바이어스 전압이 E-빔의 전자 에너지의 정밀한 분포를 문의하도록 음의 전위와 양의 전위 사이에 도달할 수도 있다.
그러나, 유출 가스의 압력 변화 또한 유출 흐름 중의 표적 가스 종의 원자의 개수 변화 및 이에 따라 방출 광의 세기 변화를 초래할 수 있음에 주목하여야 한다. 유출 압력이 높아지면, 유출물 중의 표적 가스 종의 원자의 농도는 일정하게 남아 있을 수도 있지만, 여기 영역(530)의 표적 원자의 개수가 증가하게 되며 E-빔의 전류 인가 전자와의 충돌이 증가되어, 결과적으로 발광 휘도가 증가하게 된다. 이러한 유형의 세기 변화가 표적 가스 종의 상대 농도를 나타내는 것은 아니지만, E-빔의 전자와 충돌하는 표적 가스 종의 원자의 총 개수는 나타낸다. 따라서, nEe의 편차를 수정하기 전에 압력을 변화시키기 위해서는 nEe가 수정되어야 한다. 본 발명의 전자 빔 여기 장치 시스템(500)은 유출물의 압력 변화로부터 방출 광의 세기가 자유로와지도록 하기 위한 수단을 제공한다. 즉, 유출물 중의 압력 변화와 무관하게, 유출물의 표적 가스 종의 농도가 변하지 않는 한 방출 광의 세기가 변하지 않는 방식으로 전자 공급원(510)에 인가되는 전자 여기력을 조절하기 위한 방법이 제공되어야 한다. 이러한 방법은 배기 라인에 대한 관련 유출 압력에서의 복수 개의 압력 보정 기준 전위 전류 값을 유도함으로써 이루어질 수 있다. 전자 농도 제어부(560)는 배기 라인 압력에 대한 압력 보정 기준 전자 전류 값을 선정한 다음 이 기준 전류 값을 전자 제어부(540)에 의해 발생되는 전자 전류 값과 비교한다. 전자 농도 제어부(560)에 의해 주목받고 있는 이러한 차이는 nEe의 편차를 나타내며 이러한 편차는 조절되어야만 한다. 도면에 도시된 바와 같이, 전자 농도 제어부(560)는 전자 제어부(540)로부터의 전자 전류 값과 동시에 배기 라인 압력 게이지(550)로부터의 순간 압력 정보를 수신하여, 배기 라인의 압력을 해당 압력에 대한 압력 보정 기준 전자 전류 값을 참조하여 파악한다. 전자 밀도(nEe)의 편차는 배기 라인 압력에 대한 압력 보정 기준 전자 전류와 전자 수집 장치(540)로부터의 전자 전류를 비교하여 결정된다. 전자 농도 제어부(560)는 필요하다면 전자 농도 조절부(512)에 조절 지시를 내려, 전자 공급원(510)에 전달되는 여기 에너지를 변경하는 방식으로 nEe를 보정한다.
최적의 방식으로는, 전자 공급원(510)은 상당히 좁은 에너지 범위 이내의 전자를 생성하여, 전자 추출 장치(가속 장치)(520)에 의해 추출 및 가속되는 경우(가스 입자가 분석되는 방향으로), E-빔의 여기 에너지 분포 또한 매우 좁아지도록 만든다. 이와 같이 상당히 좁은 에너지 범위 이내의 전자를 생성하는 전자 공급원을 선택함으로써, E-빔의 모든 여기 전자가 거의 동일한 에너지를 갖도록 하는데 필요한 완벽한 조건을 대략 추정하는 것이 가능할 수도 있다. 에너지 범위가 좁은 전자 공급원을 사용할 경우 에너지 전이의 보다 정확한 제어를 통해 E-빔의 전자가 주어진 시간에 표적 가스를 여기시키도록 할 수 있다. 이상적인 전자 공급원은 단일 에너지 레벨의 전자를 발생시키지만, 실제 용례에 있어서, 현존하는 전자 공급원은 모두 다양한 에너지 범위의 전자를 생성하며, 따라서 최적의 전자 공급원은 좁은 범위의 에너지를 갖는 전자를 발생시키는 것이다.
특정 용례에 사용하기 위한 전자 공급원의 유형를 선정하기 위한 발단이 되는 고려 사항은 표적 가스 종을 관찰하는데 필요한 관찰 조건과 전자 공급원의 작동 매개 변수를 일치시키는 것이다. 단지 특정 세트의 작동 매개 변수에 도달하는 것 만으로는 충분하지 않을 수도 있으며, 표적 가스 종을 신뢰성 있게 검출하기 위해서는 공급원의 작동 레벨이 작동 사이클 사이의 추출 시간 전체에 걸쳐 일정하게 유지될 수 있어야 한다. 전자 챔버의 전자 농도를 순간적으로 안정화시킴으로써 E-빔을 생성하기 위해서 얼마나 많은 전자가 추출될 수 있어야 하는지를 제어할 수 있다. 이상적으로는, 전자의 농도와 에너지 특성은 추출 동안 교란되지 않으며 또는 전자 시료가 추출된 후 신속하게 평형 상태로 복귀한다. 따라서, 가스 종의 에너지 전이와 전자의 농도에 따라 전자 공급원의 유형을 선정하는 것에 추가하여, 관찰 조건에는 또한 검출 가능한 방출 광을 발생시키도록 특정 가스 종을 여기시키는데 필요한 작동 사이클 및/또는 추출 주기의 길이가 포함된다. 표적 가스 종에 적당한 유형의 전자 공급원은 표적 가스 종으로부터의 방출 광을 검출하는데 필요한 추출 시간 동안 소망하는 농도 및 에너지 레벨의 전자 빔을 발생시킬 수 있어야 한다. 전자 공급원으로부터 공급되는 전자의 농도 또는 에너지 레벨이 추출 주기 동안 표적 가스 종이 검출 가능한 레벨을 초과하여 점차 약화된다면, 해당 유형의 전자 공급원은 표적 가스 종에 적당한 후보가 아니다. 매우 좁은 에너지 범위 이내의 전자 빔을 이용하여 보다 긴 추출 주기를 필요로 하는 가스 종을 관찰하는 방식으로 임계 관찰 조건에 맞는 유형의 전자 공급원을 선정할 경우, 공급원이 표적 가스 종을 검출하기 위한 추출 주기에 걸쳐 충분히 높은 전자 농도를 유지하는 것이 전제되는 한, 중공 캐소드 유형의 전자 공급원을 선택하는 것이 적절할 수도 있다. 이러한 중공 캐소드 전자 공급원을 사용하여 표적 가스 종이 검출 불가능하다면, 상당히 넓은 범위의 에너지 레벨에 걸쳐 보다 높은 밀도의 전자를 발생시키는 유도 결합형 플라즈마(ICP) 유형의 전자 공급원으로 대체될 수도 있다. 표적 가스 종의 관찰 조건과 전자 공급원의 작동 매개 변수를 일치시키는 것은 발단이 되는 고려 사항일 뿐으로, 기타 가능한 고려 사항으로는 배기 라인(504)의 작동 압력에 대한 공급원의 반응성, 공급원으로부터의 방출 오염물, 그리고 예상 작동 조건에서의 신뢰성, 감도 및 안정성이 있음이 언급되어야 한다.
전자 공급원(510)의 전자 챔버의 내부는 전도성 재료로 형성될 수도 있으며 "기준 전위"에 일정하게 유지되어 전자로 하여금 전도성 표면의 전위와 유사한 전위를 갖도록 할 수도 있다. 이하의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 기준 표면 전위가 사실상 어느 하나의 기준 값으로 설정될 수도 있긴 하지만, 실제 용례에 있어서, 전자 추출 장치(가속 장치)(520)의 전극의 전압이 안전상의 이유로 낮은 범위에, 예를 들어 10 VDC 내지 50 VDC의 사이에 유지될 수 있도록 하기 위하여 대략 접지 전위에 유지된다. 예를 들어, 관찰 가능한 형광 파장 범위의 파장을 갖는 광자의 에너지가 10 eV보다 작으면, 전자 여기 에너지는 10 eV보다 높은 전압을 필요로 할 수도 있다. 전자가 접지 전위를 갖는다면, 공급원 챔버로부터의 전자 추출 및 가속을 위해 10 VDC 내지 50 VDC의 전압만이 요구된다.
전자 추출 장치(520)의 목적은 E-빔의 전자 에너지를 소정의 레벨까지 선택적으로 증가시키는 것이며, 전자 수집 장치(540)의 목적은 수집 장치 전극을 강타하는 E-빔의 전자의 개수를 측정하는 것이다. 전자의 개수 측정은 수집 장치 전극에 낮은 바이어스 전압을 인가하여, 수집 장치에 보다 많은 개수의 E-빔 전자가 견인되도록 함으로써 그렇지 않을 경우 수집 장치를 강타할 수도 있는 전자의 개수를 측정하는 방식으로 최적화될 수 있다. 바이어스 전압은 기준 전위 및 추출 장치 전위 이상으로 수집 장치의 전위를 증가시키기에 충분하여야 한다. 몇몇 실시예에 따르면, 수집 장치 전극에 인가되는 바이어스 전압은 E-빔의 에너지 레벨을 증가시키는 일 없이 수집 장치에 전자가 견인되도록 하기에 충분할 만큼 높다. 따라서, 이들 실시예에 따르면, 전자 수집 장치(540)에 인가되는 견인 전위로 인한 전자 에너지의 원하지 않은 증가를 방지하기 위하여, 전위 증가는 전자를 가속하기 위해 전자 추출 장치(520)에 인가되는 전압보다 보통 적다. 예를 들어, 전자 추출 장치(520)에 인가되는 전위가 10 VDC이면, 전자 수집 장치(540)에 추가로 1 DVC가 인가될 수도 있다(다시 말해, 기준 전위 이상의 11 DVC가 인가된다). 선택적으로, 가속 장치로서 전자 수집 장치(540)를 사용하는 것이 바람직한 경우가 있을 수도 있다. 이러한 상황에서는, 전자 수집 장치(540)에 인가되는 전위가 전자 추출 장치(520)에서와 비교하여 높을 수 있다. 예를 들어, 기준 전위보다 1 VDC 높은 전위가 전자 추출 장치(520)에 인가되며 21 VDC의 전위가 전자 수집 장치(540)에 인가된다. 전술한 전위는 본 발명의 다양한 태양을 설명할 목적으로 단지 예로서 주어진 것으로서 본 발명의 범위를 제한할 의도가 있는 것은 아니다. 전위가 특정 용례 및 작동 조건에 의해 결정되어야 함을 이해하여야 한다.
전자 공급원(510)의 내부의 충분한 전자 농도가 설정되고 나면, 전자 추출 장치(520)에 의해 공급원으로부터 전자가 추출된다. 바람직하게는, 전자 추출 장치(520)는 전자 공급원(510) 내부의 전자의 기준 전위에 대하여 균일한 양의 전하를 갖는 투과성 벽의 형태로 형성된다. 이러한 전자 추출 장치(520)는 공급원 챔버의 추출 개구 및 배기 라인의 유출 가스 여기 영역(530)과 일렬로 배치된다. E-빔의 축선은 상기 개구로부터 여기 영역(530)으로 직선을 따라 연장하는 것이 일반적이다. 종종, 전자 공급원(510)의 공급원 챔버는 E-빔 축선과 동축의 대체로 원통형이다. 이상적으로는, 전자 추출 장치(520)는 공급원 챔버의 추출 개구에 적어도 근접하는 수준의 전자 투과성을 갖추어야 한다. 그러나, 공간에서의 균일한 양의 전하로 이루어진 투과성 벽을 통한 광 투영 작용이 즉각적으로 이루어질 수 있는 것은 아니다. 보통 금속으로 만들어진 기판이 전하를 위해 전자 추출 장치 상에 배치되어 있는 것이 분명하다. 이러한 구조체의 정확한 구성은 채용되는 전자 공급원의 유형과, 공급원으로부터 전자를 추출하기 위한 작동 모드와, 배기 라인 및/또는 표적 가스 종의 공정 유동 매개 변수, 또는 표적 가스 종에서 전자가 여기되도록 하는 에너지 전이에 따라 변할 수도 있다.
바람직하게는, 전자 공급원(510)에서 발생되는 전자를 이용하여 전자 추출 장치(520)에 의해 생성되는 E-빔은 대체로 단면적이 균일한 좁은 빔이다. 그러나, E-빔이 일정 농도의 음의 전하의 전자의 포함하기 때문에, 전자 추출 장치(520)로부터의 거리에 따라 E-빔의 단면적이 증가하는 경향이 있다. E-빔이 약간만 원추형으로 형성되는 것은 광의 관찰에 큰 악영향을 미치지는 않을 수도 있긴 하지만, 방출 광의 세기가 전자 밀도(nEe)에 비례하기 때문에 이러한 nEe를 갖는 전자가 원추형 빔의 보다 넓은 면적 부분에서 확산될 수 있음에 따라 방출 광 또한 원추형 형상 전체에 걸쳐 확산될 수 있음을 기억하여야 한다. 이와 같이 빔이 보다 넓게 퍼지게 되면 광의 검출이 보다 어렵게 된다. 따라서, E-빔의 형상을 좁은 원통형으로 한정하도록 E-빔 조준 광학체가 채용되어야 하며, 이 경우 방출 광은 비교적 좁은 면적 이내에 집중된 채로 남아 있게 되어 검출이 보다 용이해진다. E-빔 축선 가까이로 추출 전자를 밀어내기 위한 일 기술로는, 전자 추출 장치(520)를 중실형 전극의 개구가 전자 공급원(510)의 전자 챔버의 추출 개구와 정렬되도록 형성하는 방식과 같이, 전자 공급원의 개구에 가까운 면적 이상의 불투과성 벽을 전자에 제공하는 방법이 있다. 또 다른 기술은 전자 공급원(510)의 기준 전위면을 전자 추출 장치(520)의 불투과성 벽부와 평행한 상태로 대략 동일한 공간에 위치하도록 형성하는 것이다. 전자 추출 장치(520)의 형상 또한 E-빔의 면적을 좁게 한정하며 빔의 확산을 감소시키는데 일조할 수도 있다. 그 외에도, 전자 추출 장치(520)에 여기 영역(530)을 향해 배향되는 오목면을 제공하는 기술이 있다. 이러한 오목면을 형성하기 위하여 전자 추출 장치(520)가 원추형 또는 포물형 단면 형상을 갖도록 형성될 수도 있다. 빔을 조준하는 방법 외에도, E-빔의 전자의 경로를 증가시킴으로써 전자 입자간 충돌로 인한 광 방출을 증가시키는 기술도 있다. 빔 축선을 따라 자석을 배치함으로써 빔 축선에 평행한 자속선을 갖는 자기장이 구축된다. 자기장에 의해 야기되는 전자 사이클로트론(cyclotron) 운동에 의해 전자가 자속선을 중심으로 나선형 경로를 따라 선회하도록 함으로써, 전자 입자간 충돌 가능성을 증가시킬 수 있다. 자기장이 전자를 밀어 E-빔의 방향으로 E-빔을 따라 자기장에 의해 전자 공급원(510)으로부터 전자 수집 장치(540)로 축방향 선을 따라 축적되도록 된다. 이와 같이 함으로써, 전자 공급원(510) 내부의 전자 가스가 공급원 챔버의 추출 개구와 전자 추출 장치(520)와 정렬된다. 추출 시에, 전자는 E-빔 축선에 평행하게 전자 추출 장치(520)를 향해 이동한 다음 전자 추출 장치(520)를 지나쳐 전자 수집 장치(540)로 가속된다. 자기장은 E-빔의 동일 전하를 갖는 전자의 반발력을 상쇄하는 역할을 한다.
광 수집 광학체(570)에 의해 E-빔의 방향과 직각으로 또는 그 이상의 각도로 배향된 하나 이상의 관찰 각도에서 여기 영역(530) 내부의 방출 광이 관찰된다. 수집 광은 광학체로부터 방출 광의 불연속적인 파장 영역을 모니터링하는 방출 광 처리 장치(572)로 전달된다. 전자 에너지 제어부(590)는 모니터링 결과를 사용하여 여러 가지 기능을 수행할 수 있는데, 예를 들어, 특정 가스 종을 모니터링하기 위한 최적의 전자 에너지 레벨을 결정하거나, 실시간으로 전자 에너지 레벨 편차를 조절할 수 있다. 또한, 공정 챔버 제어부(580)는 방출 광 처리 장치(572)로부터의 처리 결과를 이용하여 반응로 챔버 내부에서의 유지 관리 절차와, 오류 값 검출 그리고 다양한 생산 공정을 제어할 수 있다.
다이아그램로부터 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 전자 농도 조절부(512)에 의해 제어되는 전자 공급원(510)에 인가되는 전력은 전자 에너지 조절부(522)에 의해 제어되는 전자 에너지와는 무관하다. 결과적으로, 전자 공급원(510)으로부터의 E-빔의 전자 농도는 공급원 내부의 전자의 평균 에너지 변화가 거의 또는 전혀 없도록 조절될 수 있다. 반대로, 전자 에너지 조절부(522)에 의해 제어되는 전자 에너지는 전자 농도 조절부(512)에 의해 제어되는 전자 공급원(510)에 인가되는 전력과 다소 무관하다. 이러한 독립성은 종래 기술의 배기 라인 여기 장치와 관련하여 지금까지는 알려지지 않은 사실로서, 빔의 전자 개수 및 빔의 평균 전자 에너지 범위에 대한 독립적인 제어가 가능하도록 한다. 그러나, 실천상의 문제에 있어서는, E-빔의 전자의 농도가 전자 추출 장치(520)에 인가되는 전위 증가에 따라 다소 증가할 수도 있는데, 그 이유는 전자 추출 장치(520)가 전자 공급원(510)에 존재하는 전자를 견인하기 때문으로, 견인력이 클수록 전자 공급원(510)으로부터 추출되는 전자의 농도 또한 증가한다. 일정한 전자 밀도(nEe)를 유지하기 위하여, 전자 추출 장치(520)에 인가되는 전위가 증가할 때마다 전자 공급원(510)에 인가되는 구동 전력을 낮추는 작업이 필요할 수도 있다.
도 5에 도시된 다이아그램은 구성 요소 사이의 논리적인 관계를 예시하기 위한 의도록 주어진 것으로서 전자 빔 여기 장치 시스템(500)의 논리적인 구성을 보여주고 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 구성 요소에 부여된 대부분의 기능들은 단일 장치에 의해 달성될 수도 있으며, 또는 그러한 논리적인 구성 요소들이 다른 방식으로 조합될 수도 있다. 예를 들어, 전자 농도 제어부(560)와 전자 에너지 제어부(590)의 기능들이 워크스테이션 또는 PC 컴퓨터에서 수행될 수도 있다. 또한, 방출 광 처리 장치(572)의 기능은 미국 텍사스(Texas)주 캐롤톤(Carrolton)에 소재하는 베리티 인스트루먼트 인코포레이티드에 의해 시판되고 있는 일반적인 기능을 갖춘 분광기에 의해 달성될 수도 있다. 또한, 전자 농도 제어부(560)와, 전자 에너지 제어부(590), 그리고 방출 광 처리 장치(572)의 기능들이 베리티 인스트루먼트 인코포레이티드에 의해 시판되고 있는 모델명 SD512NIR 분광기와 같은 컴퓨터 계산 처리 능력을 갖춘 보다 진보된 분광 기술을 사용하여 수행될 수도 있다.
도 6A 및 도 6B는 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔 배기 라인 여기 장치(502)의 다이아그램이다. 도 6A는 E-빔 배기 라인(502)의 단면도이며, 도 6B는 본 발명의 실시예에 따른 여기 장치의 수직도이다. E-빔 배기 라인 여기 장치(502)는 일반적으로 배기 라인(504)의 여기 영역(530)에 걸쳐 E-빔(532)을 발생시키기 위한 전자 공급원(510)과 전자 추출 장치(520)를 포함한다. E-빔(532)의 전자는 빔 전자 수집 및 계수 장치(540)(선택적으로는 전자 수집 장치라 하기도 한다)로 전달되어 계수된다. 또한, 전자 공급원(510)에 인가되는 전력을 조절하며 전자 추출 장치(520)에서의 전위 (및 전자 수집 장치(540)에서의 바이어스 전압)을 조절하기 위한 전자적 조절 구성 요소(512/522)가 도시되어 있다. 마지막으로, E-빔의 전자를 빔 축선을 따라 또한 자속선을 중심으로 나선형 경로로 선회하도록 밀어 가스 입자와의 충돌 가능성을 보다 증가시키는 역할을 하는 링형 자석(526)이 또한 도면에 도시되어 있다. 이러한 기술은 유도 결합형 전자 공급원과 같은 소정 유형의 전자 추출 공급원에 이용 가능한 전자의 개수를 증가시키는데 특히 유용하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 공급원(510)과 전자 추출 장치(520)가 도시되어 있긴 하지만, 당 업계의 숙련자가 본 명세서를 읽음으로써 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 배기 라인 E-빔 여기 장치(502)는 각종 변형예의 형태로 실시될 수도 있다. 반응로 내부에서 발생하는 공정으로부터의 유출 가스 배기 흐름 등은 도면의 방위를 기준으로 대체로 "배기 흐름(Exhaust Flow)"으로 명명된 화살표로 도시된 바와 같이 하방으로 유동한다. 본 발명의 E-빔 배기 라인(502)의 구성에 있어서, E-빔(532)의 빔 축선은 유출 가스 유동 방향과 수직 방향 방향으로, 여기 영역(530)이 E-빔(532)의 아래에서 가스 유동 방향으로 연장된다. 여기 영역(530)은 동적 유동 조건을 갖는 영역으로, 유출물은 약간 불연속적인 유량으로 E-빔(532)을 가로질러 이동하게 된다. 유출물의 가스 입자가 E-빔(532)의 전자에 의해 에너지가 보다 높은 상태로 여기됨에 따라, 유출물이 E-빔(532)으로부터 반대 방향으로 이동하는 소정 시간 동안 여기 전자는 휴지 상태로 돌아가게 된다. 여러 요인으로 인해, 여기 가스 입자는 E-빔(532)의 빔 축선으로부터 수 밀리미터까지 광을 방출할 수도 있다. 이러한 현상에 대해서는 도 27을 참조하여 이하에 설명하기로 한다. 뷰포트 창(574)이 유출물 유동 방향 및 E-빔(532)의 방향과 대체로 수직 방향으로 배치되어 있지만, 이러한 뷰포트 창은 여기 영역(530)의 전체 범위에서 방출 광을 관찰하기에 충분한 가로세로 비율을 갖추고 있다.
도 7 내지 도 9C는 본 발명의 실시예에 따른 전자 공급원으로부터 전자를 추출하기 위한 전자 가속 및 추출 장치를 도시한 다이아그램이다. 전자 추출/가속 장치의 목적은 전자 공급원의 전자 챔버에 존재하는 전자 구름으로부터 전자를 추출하여 각각의 전자를 소정의 전자 에너지 레벨을 갖는 전자 빔의 형태로 가속시키는 것이다. 전자는 챔버의 전자 추출 홀을 통해 전자 챔버로부터 방출된다. 이러한 전자를 보다 높은 에너지 상태로 가속시키기 위한 일차적인 방법은 추출 장치에 걸쳐 보다 낮은 전위의 전자가 보다 높은 전위부로 견인되도록 하는 것이다. 전자 챔버 내부의 전자는 챔버 내에서 전도성 재료와 접촉하여 전도성 재료의 알려진 "기준 전위"를 나타내는 것으로 가정할 수 있으며, 이후 추출 홀을 통해 가시적인 보다 높은 전위부로 견인된다. 기준 전위가 어느 하나의 값을 가질 수도 있지만, E-빔의 전자 에너지 레벨의 원하지 않는 요동을 초래하는 기준 전위의 전기적 혼란을 회피하기 위하여, 통상 접지 전위 값을 갖는다. 구성상 안정적인 기준 전위를 얻는 것은 일정한 에너지 레벨의 E-빔 전자의 획득에 있어 필수적이다. 전자 가속 및 추출 장치는 기준 전위의 공급원 챔버에 전자가 견인되도록 하기 위한 전위를 유지하는 물리적 구조체이다.
기본적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 전자 가속 및 추출 장치(720)는 추출 홀을 통해 볼 수 있는 기준 전위의 전자를 견인할 수 있는 한편 추출 홀을 통해 전자 챔버로부터 전자를 추출할 수 있는 전위(721)를 유지한다. 이상적으로는, 전자 가속 및 추출 장치(720)는 전자에 대해 투과성을 갖는 이차원 상승 전위면이지만, 전위면과 실질적으로 수직 방향으로 E-빔 형태의 전자를 견인하는 역할을 한다. 이러한 전자 가속 및 추출 장치(720)는 전자 빔의 전자의 에너지 레벨을 변화시킬 수 있는 가변 에너지 전자 가속 장치이다. 전자 가속 및 추출 장치(720)의 전위와 공급원 챔버의 기준 전위 사이의 차이가 커질수록, 전자의 가속 속도가 빨라지며 E-빔의 전자에 부과되는 에너지도 높아진다. 전자 가속 및 추출 장치(720)가 이상적인 전자 추출 장치로서 도시되어 있으며 그 기본 작동이 설명되어 있긴 하지만, 방출 광의 검출 효율을 개선하기 위하여 소면적 여기 영역 내로 방출 광을 집중시키기 위한 좁은 원통형의 빔의 형태로 전자 빔을 조준하는 바와 같이, 이상적인 전자 추출 장치의 현실적으로 부족한 점들을 표명하지는 않는다.
도 8A는 본 발명의 실시예에 따른 개선된 전자 빔 조준을 위한 전자 빔 광학체가 합체되어 있는 전자 가속 및 추출 장치의 다이아그램이다. 여기서, 단일 개구 전자 추출 장치(520A)는 일반적으로 추출 장치의 불투과성 부분(521A)과 원형의 단일 추출 개구(524A)로 구성되어 있다. 이러한 단일 개구 전자 추출 장치(520A)는 전도성 재료로 이루어진 얇은 시트로 형성된다. 작동 상의 관점에서 보면, 단일 개구 전자 추출 장치(520A)가 이상적인 전자 가속 및 추출 장치(720)의 전술한 이차원 전위면에 가까운 형태를 갖추고 있긴 하지만, 이러한 단일 개구 전자 추출 장치(520A)는 불투과성 부분(521A)이 비교적 넓고 원형의 단일 추출 개구(524A)의 면적은 비교적 좁다. 전자 공급원으로부터 추출된 전자는 추출 장치의 불투과성 부분을 통과할 수 없지만, 대신 개구(524A)를 통과하게 된다. 이러한 추출 장치의 구성은 빔 축선에 가까운 비교적 좁은 면적에 빔 형성 전자가 집중되도록 하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이러한 단일 개구 전자 추출 장치(520A)에 인가된 전위는 균일한 전위로서 비교적 큰 개구(524A) 전체에 걸쳐 인가되지 않을 수도 있으며 대신 개구의 중심 아래쪽 및 개구(524A)의 가장자리에 보다 집중된다. 추출 장치의 비교적 넓은 불투과성 부분(521)만이 균일한 전위면을 유지하지만, 이 불투과성 부분은 전자를 통과시킬 수 없다. 따라서, 전자 공급원으로부터 추출되는 전자 중 일부는 전자 빔을 형성하는 것이 아니라 추출 장치의 이러한 대면적의 불투과성 부분(521A)과 충돌할 수도 있다.
도 8B 내지 도 8D는 본 발명의 실시예에 따른 이상적인 추출 장치의 이차원 상승 전위면에 보다 정확히 근접하는 변형예의 전자 가속 및 추출 장치 구조를 도시한 다이아그램이다. 이러한 구성은 빔의 좁은 면적으로의 조준을 위한 또는 그렇지 않을 경우에는 전자 빔을 형성하기 위한 전자 빔 광학체를 구비하고 있지 않다. 추출 장치(520B)는 추출 전자에 대해 불투과성인 전도성 재료로 이루어진 얇은 시트로 형성되며, 추출 전자를 투과시키는 복수 개의 원형 추출 개구(524B)가 마련되어 있다. 추출 장치(520B)의 개방 부분의 면적이 전술한 단일 개구 전자 추출 장치(520A)의 단일 원형 추출 개구(524A)의 면적보다 크기 때문에 추출 전자가 빔을 형성한 가능성이 보다 높아진다. 또한, 홀의 크기가 작음에 따라 추출 장치(520B)의 표면에 걸쳐 보다 균일하게 전위가 형성될 수 있어, 보다 높은 퍼센테이지의 추출 전자가 투과성 영역(원형 추출 개구(524A))으로 견인될 수 있다. 추출 장치(520C)는 추출 전자에 대해 불투과성인 전도성 재료로 이루어진 얇은 시트로 형성된다는 면에서 추출 장치(520B)와 유사한 구조를 갖는다. 추출 장치(520C)의 내부에는 추출 전자에 대해 투과성을 나타내는 복수 개의 육각형 추출 개구(524C)가 마련되어 있다. 추출 장치(520B)의 원형 개구(524B)와 추출 장치(520C)의 육각형 개구(524C) 사이의 한가지 차이점은 추출 장치(520C)의 불투과성 부분이 추출 장치(520B)의 불투과성 부분보다 차지하는 표면적이 적다는 점이며, 이에 따라 추출 장치(520C)를 통과하는 추출 전자의 수가 보다 많을 수도 있다. 마지막으로, 추출 장치(520D)는 추출 전자에 대해 불투과성인 전도성 재료로 이루어진 얇은 시트로 형성된다는 면에서 추출 장치(520B, 520C)와 유사한 구조를 갖추고 있긴 하지만, 추출 장치(520D)는 원형 또는 육각형이 아닌 사각형의 스크린 메쉬 패턴의 개구(524D)를 사용한다. 예상되는 바와 같이, 각각의 추출 장치(520B, 520C, 520D)의 전자 전달 특성이 유사할 수도 있지만, 그 작동 성능은 특정 용례와 사용하기 위해 선택되는 전자 공급원의 유형에 따라 변할 수다. 따라서, 사용에 앞서 시험 가스를 이용하여 각각의 여기 장치 구조체의 작동 성능을 조사하는 것이 신중한 방안이 될 수도 있다. 분명한 것은, 추출 장치 구조를 완성하기 위한 작동 성능의 특성 값들이 용례마다 구별 가능한 것이 아니라면, 보다 경제적인 추출 장치 구성을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 소정 유형의 전자 공급원이 유출물의 가스 입자와 반응하며 추출 장치를 포함한 E-빔 여기 장치의 내부 표면에 증착물을 초래할 수도 있음을 파악하여야 한다. 또한, E-빔은 추출 장치 상에서 재조합될 수도 있는 추출 장치 둘레의 유출물 입자의 분자간 결합을 끊기에 충분한 정도의 에너지를 갖추고 있다. 따라서, 다양한 추출 장치 구조의 전형적인 작동상 특성들을 조사하는 일에 추가하여, 증착물 형성 및 에칭에 대한 감응성도 또한 조사되어야 한다. 추출 장치를 기타 다른 구조로 구성할 수도 있긴 하지만, 이 경우 전자 공급원 및/또는 유출 흐름으로부터 발생하는 오염물에 의해 급격한 성능 저하가 발생할 수 있어, 특정 용례에 선정하기에는 부적합한 경우가 많을 수도 있다.
본 발명의 전술한 추출 장치 구조는 모든 가능한 실시예를 속속들이 포함하는 리스트에 속하는 것으로 간주되지는 않는다. 앞서 논의된 사항은 전술한 전자 추출 장치에 관한 실시예의 예시적인 구조만을 의미하는 것이다. 당 업자라면 즉각적으로 이해할 수 있는 바와 같이, 기타 다른 기하학적 형상의 개구가 대체 가능할 수도 있으며 또한 이러한 개구가 각종 패턴으로 추출 장치를 가로질러 배열될 수도 있다. 또한, 링 형상과 같은 추출 장치 자체의 기타 다른 기하학적 형상이 채용될 수도 있다. 추가적으로, 앞서 논의한 사항은 각각의 실시예의 이득을 달성하기 위한 실시예의 조합 적합성 및 각각의 구조의 장점을 부각시킨 것이다. 예를 들어, 추출 장치(520A)의 단일 개구(524A)의 내부에 추출 장치(520B, 520C, 520D) 중 하나의 추출 장치 구조(도시하지 않음)를 활용함으로써, 단일 개구 추출 장치(520A)의 유리한 빔 광학체와 조합되어 다중 개구 추출 장치의 이득이 달성될 수도 있다.
도 9A 내지 도 9C는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 광학체를 구비한 추출 장치를 도시한 다이아그램이다. 도 9A는 본 발명의 실시예에 따른 추출 장치의 정면도이며, 도 9B는 본 발명의 실시예에 따른 선AA을 따라 취한 추출 장치의 단면도이고, 도 9C는 본 발명의 실시예에 따른 추출 장치의 수직도이다. 여기서, 추출 장치(520)는 원추형 개구(524)를 둘러싸는 추출 장치 빔 조준 원추체(528)를 포함한다. 개구(524)의 직경은 D1으로 도시되어 있으며, 추출 장치(520)의 직경은 D2로 도시되어 있고, 조준 원추체(528)의 높이는 D3으로 도시되어 있으며, 여기서, D2 > D1의 조건이 충족된다. 원추형 개구(524)의 내부에는 복수 개의 사각형 개구, 예를 들어, 도시된 바와 같이 추출 전자에 본질적으로 투과성을 나타내는 스크린(524D)이 배치되어 있다. 조준 원추체(528)의 목적은 E-빔 축선(533)을 중심으로 좁은 면적 내로 E-빔의 전자를 밀어내는 것이다. 이것은 E-빔 축선(533)을 중심으로 좁은 면적에서의 전자 입자간 충돌 가능성을 증가시키며 방출 광이 효과적으로 수집될 수 있는 영역에 집중시키는 효과가 있다. 도시된 바와 같이, 조준 원추체(528)는 선형의 원추체일 수도 있으며, 또는 포물선 형상으로 형성될 수도 있다. 조준 원추체(528)와 스크린(524D)이 마련된 원추형 개구(524)로 이루어진 구조가 전자 공급원과 상호 작용하여 재현 가능한 방출 광의 세기를 달성하는 안정적인 E-빔을 생성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 전자 추출 장치 및 전자 공급원 구성 요소의 기하학적 형상을 도시한 도면이다. 조준 원추체(528)는 도 9A 내지 도 9C를 참조하여 전술한 바와 동일하다. 상기 조준 원추체(528)는 전자 공급원(510)의 기준 전위면(516)으로부터 거리(D5)에 E-빔 축선(533)을 따라 배치된다. 원추형 개구(524)와 전자 챔버 개구(514)는 E-빔 축선(533)과 실질적으로 동축이다. 전자 챔버 개구(514)의 직경은 D4로 도시되어 있다. 예비 시험을 통해 지적되고 있는 바와 같이, 소정의 E-빔 여기 장치의 기하학적 형상에 따라 최적의 E-빔 결과 값이 산출된다. 초기 기준 치수는 아마 전자 공급원 개구(D4)의 직경일 것이다. 초기에, 추출 장치(520)의 직경(D2)은 전자 공급원 개구(514)의 크기(D4)(D2≒2D4)의 대략 두 배에 해당하여야 한다. 추가적으로, 추출 장치의 원추형 개구(524)의 직경이 원자 챔버 개구(514)보다 약간 크거나 대략 동일하여야 한다(D1≥D4). 추출 장치의 원추형 개구(524)의 직경이 전자 챔버 개구(514)보다 작은 경우 전자 공급원(510)으로부터의 전자 추출이 감소된다(D4≫D1). 또한, 추출 장치(520)와 전자 공급원(510)은 대략 추출 장치의 원추형 개구(524)의 직경 만큼 분리되어야 한다(D5≒D1). 전술한 여기 장치의 기하학적 형상은 예시적으로 주어진 것으로서 최적의 E-빔 형성 결과를 달성하는 것을 목적으로 한다. 예시의 여기 장치의 기하학적 형상이 만족스러운 수준에 못 미치는 결과를 초래하는 경우가 있을 수도 있다. 예를 들어, 전술한 예와 일치하지 않는 여기 장치의 기하학적 형상의 변화를 초래할 수도 있는 전자 추출 비용으로 E-빔을 좁게 형성하는 것이 바람직할 수도 있다.
일 실시예의 기하학적 구성에 따르면, 공급원 개구(514)는 ICP 유형의 전자 공급원(이하에 논의되는 바와 같은)의 경우에 대략 0.10 inch(D4≒0.10 inch)의 크기로 감소된다. 이와 같은 경우에, 추출 장치의 원추체(528)의 추출 장치 개구(524)는 대략 0.2 inch에 유지될 수 있다(D1≒0.20 inch). 추출 장치 개구(524)는 100 메쉬의 스테인리스 스틸 스크린(개구율이 73%)과 같은 스크린(524D)으로 덮여 있다. 스크린(524D)은 추출 장치 원추체(528)의 평평한 측면에 맞대어져 가압되어 추출 장치 전극과 전기적으로 접촉하게 된다. 스크린(524D)의 평면은 진공 챔버 벽과 동일 평면 상에 장착되어 있는 ICP 관의 평평한 단부로부터 0.10 inch(D5≒0.10 inch) 이격 배치되어 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 E-빔 여기 장치는 유출물을 플라즈마로 유도하기 위한 플라즈마 발생 장치를 사용하는 일 없이 유출 흐름의 가스 입자를 여기시키기 위한 기구를 제공한다. 이에 따라, 본 발명의 E-빔 여기 장치는 E-빔의 전자 농도 및 전자 에너지 레벨의 독립적인 제어가 가능하다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 E-빔 여기 장치는 각종 공정의 용례에 독특한 방식으로 적합하도록 되어 있다. 도 11 내지 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 여러 기하학적 구성을 보여주는 다이아그램이다. 많은 용례에서 E-빔의 위치는 E-빔이 배기 라인의 내부에 존재하도록 설정되어 있음을 이해하여야 한다. 이와 같이 함으로써, E-빔이 배기 흐름 내부에 존재함에 따라 배기 가스와 E-빔의 상호 작용이 이루어질 수 있음을 가정할 수 있다. 그러나, 확산도가 높은 배기 가스로 인한 환경 상의 문제를 고려할 때, 여기 E-빔이 배기 라인에는 개방되어 있으면서 배기 흐름과는 격리되어 있는 챔버 내부에 존재할 수도 있다. 이 경우, 확산도가 높은 유출 가스가 E-빔 여기 장치 내로 이동하여 E-빔에 의해 여기된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 여기 장치 후방의 방출 광을 관찰하도록 구성된 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다. 여기서, E-빔 여기 장치는 빔 축선(533)과 동축으로 정렬되어 있는 챔버 개구(514)를 구비한 전자 공급원(510)을 포함한다. 전자 공급원(510)의 전자 챔버는 접지 전위와 관계가 있다. 전자 공급원(510)은 전자 공급원(510)에 인가되는 여기력을 조절하여 nEe를 조절하기 위해 가변 전자 밀도 여기력 공급원에 전기적으로 결합되어 있다. 또한, 스크린 추출 장치(520D)가 가스 흐름과 전자 공급원(510) 사이에 배치되며 빔 축선(533)과 동축으로 정렬되어 있다. 스크린 추출 장치(520D)는 스크린 추출 장치(520D)의 전위를 조절하여 E-빔의 전자 에너지 레벨을 변경하기 위한 가변 에너지 전자 추출 장치에 전기적으로 결합되어 있다. 스크린 추출 장치(520D)를 가로지르는 전위에 인해, 빔 패턴(532A)을 갖는 E-빔이 빔 축선(533)을 따라 발생된다. 예상되는 바와 같이, 전자는 스크린 추출 장치(520D)를 통과할 때에 에너지 레벨이 최대가 되며 가스 흐름을 가로질러 통과할 때에 에너지를 잃게 된다. 그러나, 스크린 추출 장치(520D)가 전자 공급원(510) 및 공급원 내부의 전자와 상당히 근접하여 배치되어 있기 때문에, 이러한 기하학적 형상에 의해 전자에 상당한 에너지가 부과된다. 스크린 추출 장치(520D)의 다소 후방에 산포되어 있는 E-빔의 전자로 인해 빔 패턴(532A)이 약간 원추형임에 주목하여야 한다. 뷰포트 창(574)에 의해 수집 장치 광학체(도시하지 않음)가 E-빔의 통전 전자가 유동 가스 입자와 상호 작용하는 여기 영역(530)에 노출되어 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 여기 장치 전방의 방출 광을 관찰하도록 구성된 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다. E-빔 여기 장치의 기하학적 형상은, 스크린 추출 장치(520D)가 전자 공급원(510)으로부터의 가스 흐름 반대쪽에 배치된 점을 제외하고는, 도 11에 도시된 바와 동일하다. 이러한 구성에 의하면, 여기 영역(530)은 스크린 추출 장치(520D)와 전자 공급원(510)의 사이에 위치하게 된다. 추출 장치가 전자 공급원에 근접하여 위치하는 경우의 빔 패턴(532A)보다 빔 패턴(532B)이 보다 더 원추형인 점에 주목하여야 한다. 이러한 확산 형상은 추출 장치와 전자 공급원 사이의 거리가 길어질수록 나타나며 또한 스크린 추출 장치(520D)의 직경이 일차적인 원인이 된다. 전자는 스크린 추출 장치(520D)를 통과할 때에 에너지 레벨이 최대가 되기 때문에 E-빔 전자의 에너지 레벨이 전술한 실시예의 레벨에 도달할 수 있는지가 의심된다. 추출 장치가 여기 영역(530)의 후방에 위치하므로, 여기 영역(530)에서의 전자의 에너지 레벨은 낮다. 또한, 전자가 여기 영역(530)의 폭을 가로지르는 방향으로 가속되기 때문에, 서로 다른 가스 종이 빔 축선(533)의 범위를 따라 서로 다른 측면 위치에서 여기될 수도 있는 가능성이 있다. 따라서, E-빔의 측방향 범위를 따라 샘플링 위치를 공간적으로 결정함으로써 방출 광의 측방향 위치로부터 가스 종을 동시에 검출하는 것이 가능할 수도 있다. 빔 축선(533) 방향에서의 방출 광의 측방향 위치는 빔 상의 측방향 위치에서의 전자의 에너지 레벨 및 가스 종에 좌우되므로, 스크린 추출 장치(520D)에서의 전자의 전위는 방출 광이 빔의 방향을 따라 공간적으로 이동하는 것을 방지할 수 있도록 절대적으로 안정되어야만 한다. 이러한 구성은 문제가 될 수도 있는데 그 이유는 빔의 방향 때문이며 또한 스크린 추출 장치(520D)가 여기 영역(530)에 아주 근접하여 배치되어 있기 때문이다. 예상되는 바와 같이, E-빔은 가스 입자와 상호 작용하며, 반응 결과물 중 일부는 스크린 추출 장치(520D) 상에 증착될 수도 있어, 전자를 견인하는 스크린 추출 장치(520D)의 전위를 낮추도록 작용할 수도 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 E-빔을 내포한 빔 광학체가 마련된 배기 라인 E-빔 여기 장치를 도시한 도면이다. 도 13의 E-빔 여기 장치의 기하학적 형상은 도 11에 도시된 바와 동일하며, 전자 추출/가속 장치 및 빔 광학체(520)가 마련되어 있다. 여기서, 전자 추출 장치(520)에는 도 10을 참조하여 전술한 바와 마찬가지로 빔 조준 원추체(528)와 메쉬 스크린(524)이 마련되어 있다. 상기 빔 조준 원추체(528)의 장점이 좁은 형상으로 형성된 빔 패턴(532C)을 통해 개략적으로 도시되어 있다.
충돌을 통해 방출 광이 집중되도록 하기 위한 보다 좁은 E-빔 패턴 내로 전자를 구속하는 방법 외에도, 빔 축선에 평행한 자속선을 갖는 자장을 구축함으로써 빔 축선 가까이에서의 전자 입자간 충돌 횟수를 증가시킬 수도 있으며, 이에 따라 빔에 근접한 위치에 방출 광이 집중되도록 할 수 있다. 도 14에는 빔 축선(533)을 따라 동축으로 배치되어 있는 자석이 도시되어 있다. 여기서, 링 형상의 자석(526A, 526B, 526C)이 빔 축선(533)을 따라 배치되어 있으며, 보다 구체적으로 설명하자면, 단부 자석(526A)이 전자 공급원(510)에 인접하고, 추출 장치 자석(526B)이 추출 장치(520)에 근접하여 전자 공급원(510)의 상기 단부 자석(526A)의 반대쪽에 위치하며, 마지막 수집 장치 자석(526C)은 가스 라인의 상기 두 개의 자석 반대측에 배치되어 있다. 자속선(527)이 전자 공급원(510)의 길이 방향으로 공급원의 하측에 거의 평행하게 위치하는 상태로 생성된다. 자기장에 의한 전자 공진 현상에 의해 전자가 자속선을 중심으로 나선형 경로를 따라 선회함으로써, 원자 입자간 충돌 가능성이 증가된다.
도 15에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 전자 수집 장치로부터의 농도 정보를 수신하는 한편 전자 공급원에 인가되는 여기력을 조절하기 위한 피드백 제어부와 E-빔의 전자 농도를 측정하기 위한 빔 전자 수집 및 계수 장치가 추가된 여기 장치가 도시되어 있다. 본 실시예는 E-빔의 전자 농도를 측정하기 위한 기구를 제공하며, 이러한 측정은 전자 공급원에 인가되는 여기력과는 무관하다. 따라서, 종래 기술의 배기 라인 여기 장치와는 대조적으로, 단순히 유출물을 여기시키기 위해 사용되는 여기력을 측정하는 것이 아니라 전자 수집 및 계수 장치의 전극에 도달하는 전자의 nEe를 측정할 수 있다. 여기서, E-빔 여기 장치는 챔버 개구(514)가 빔 축선(533)과 동축으로 정렬되는 전자 공급원(510)을 포함한다. 전자 공급원(510)의 전자 챔버 또는 기타 다른 전자와 접촉 가능한 부분은 접지 전위와 관계가 있다. 전자 공급원(510)은 전자 공급원(510)에 인가되는 여기력을 조절하여 E-빔의 전자 농도를 조절하기 위해 가변 전자 밀도 여기력 공급원에 전기적으로 공급되어 있다. 스크린 추출 장치(520D)가 또한 빔 축선(533)과 동축으로 정렬되어 가스 라인의 유출 흐름과 전자 공급원(510)의 사이에 빔 축선(533)을 따라 배치된다. 이 스크린 추출 장치(520D)는 스크린 추출 장치(520D)의 전위를 조절하여 E-빔의 전자의 에너지 레벨을 변경하기 위해 가변 추출 장치 전위 공급원(525)에 전기적으로 결합되어 있다. 스크린 추출 장치(520D)를 가로지르는 전위에 의해, 빔 축선(533)을 따라 빔 패턴(532A)을 갖는 E-빔이 발생된다. 도 11의 다이아그램 및 참조 설명 내용으로부터 알 수 있는 바와 같이, 에너지 전자 추출 장치 전위는 전자 발생 여기력과 독립적으로 변할 수 있다. 전자는 스크린 추출 장치(520D)를 통과한 직후 최대 에너지 레벨에 도달하며 아마 가스 흐름을 가로질러 통과함에 따라 에너지를 잃게 되는 것으로 예상된다. 그러나, 스크린 추출 장치(520)가 전자 공급원(510)에 근접하여 위치하고 있으며 전자를 내포하고 있기 때문에, 추출 장치의 기하학적 형상에 의해 E-빔의 전자에 상당한 에너지가 부과된다.
전술한 바에 추가하여, 본 발명의 E-빔 가스 라인 여기 장치는 전자 수집 장치 전극에 도달하는 E-빔의 전자 농도를 측정하기 위한 빔 전자 수집 및 계수 장치(540)를 포함한다. 빔 전자 수집 및 계수 장치(540)(전자 수집 장치(540))는 전극과 충돌하는 전자의 개수에 비례하여 전자 전류(e- 전류)를 발생시키는 페러데이 컵(Faraday cup) 전극이다. 전자 수집 장치가 기타 다른 기하학적 형상으로 형성될 수도 있긴 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자 수집 장치(540)는 유출 흐름의 적어도 일부의 반대측 상에 빔 축선(533)을 따라 배치되는 디스크 형태의 구성이다. E-빔의 nEe를 확인하기 위해 e- 전류가 모니터링될 수도 있다. 밀도에 편차가 발생하면, 조작자는 이러한 편차를 보정하기 위하여 즉각적인 조처를 취할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, e- 전류가 간섭 없이 전자 공급원(510)에 인가되는 여기력을 자동적으로 조절하기 위한 피드백으로서 사용될 수도 있다. 여기서, 피드백 제어부(560)는 전자 수집 장치(540)에서의 E-빔의 전자 밀도에 비례하는 전자 수집 장치(540)로부터의 e- 전류 값을 수신한다. 이러한 전자 전류 값을 사용하여, 피드백 제어부(560)는 특정 용례에 적합한 작동 범위 이내에 전자 전류 값을 유지하기 위하여 전자 공급원(510)에 인가되는 여기력을 조절한다. 전류 값이 기준 전자 전류 값 범위 아래로 떨어지면, 피드백 제어부(560)가 전자 공급원(510)에 인가되는 여기력을 증가시킨다. 또한, 전류 값이 기준 전자 전류 값 범위 이상으로 상승하면, 피드백 제어부(560)는 여기력을 감소시켜 측정 전자 전류 값이 기준 전자 전류 값 범위 이내가 되도록 한다. 어느 경우에나, 피드백 제어부(560)와 조합하여 전자 수집 장치(540)는 조작자에게 어느 한 조건이 피드백 제어부(560)에 의해 자동적으로 보정되는지 여부와 상관없이 해당 조건이 전자 밀도 작동 범위에 속하지 않고 있음을 경고하기 위한 수단을 제공하는 역할을 한다. 이에 따라, E-빔 여기 장치 시스템의 기타 다른 구성 요소와 조합하여 전자 수집 장치(540) 및 피드백 제어부(560)를 사용함으로써, 유출 가스의 여기를 위한 정확한 전자 밀도를 갖는 E-빔의 형성이 가능하며, 또한 작동 동안 전자 밀도가 정확하게 제어될 수 있다.
전자 수집 장치/피드백 제어부에 관한 본 발명에 따른 전술한 바와 같은 개선점이 안정적이면서 일정한 전자 밀도(nEe)를 갖는 E-빔을 유지하기 위한 방법과 관련하여 설명되어 있긴 하지만, 이와 같이 전자의 nEe를 독립적으로 모니터링할 수 있는 능력은 작동 조건의 실시간 변경을 가능하게 하는 nEe의 조절을 허용할 수 있음을 이해하여야 한다. 작동 조건 범위에 걸쳐 방출 광의 세기를 일정하게 유지하기 위한 상기와 같은 nEe 조절 능력에 대해서는 지금까지 알려진 바가 없었다. 종래 기술의 배기 라인 방출 광 세기 측정법은 방출 광의 크기에 영향을 미치는 작동 조건의 변화에 의해 상당히 영향을 많이 받는 편이었다. 이러한 특징에 대해서는 이하에서 본 발명의 가스 라인 E-빔 여기 장치의 예시적인 작동 모드와 관련하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
E-빔 여기 장치의 기하학적 형상 및 보다 구체적으로는 전자 수집 장치(540)의 위치 설정과 관련하여 추가로 설명하자면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면(예를 들어, 도 11의 기하학적 형상과 관련하여 전술한 바와 같이), 전자 추출 장치(520)는 전자 제어부(540)로부터 대략 3cm 거리(전자 공급원(510)으로부터 대략 4cm 거리)에 배치될 수도 있다. 그러나, 예상되는 바와 같이, 이러한 기하학적 형상의 경우에 두 개의 전극 사이의 최적의 간격은 배기 라인에서의 작동 압력과 상관성이 있다. 선택적으로, 전자 추출 장치(520)와 전자 수집 장치(540)가 모두 가스 흐름을 기준으로 전자 공급원(510)의 반대측에 배치될 수도 있다(예를 들어, 도 12의 기하학적 형상과 관련하여 전술한 바와 같이). 이 경우에, 전자 제어 장치(540)는 전자 추출 장치(520)에 상당히 가까이, 아마 단지 수 밀리미터 범위 이내로 배치되며, 전자 추출 장치(520)는 전자 공급원(510)으로부터 2cm 이상의 거리에 배치된다.
통상적으로, E-빔의 전자에 적절한 크기의 표적을 제공하기 위하여, 전자 수집 장치(540)는 전자 추출 장치(520)보다 다소 크며, 예를 들어, 수집 장치 전극의 직경이 추출 장치 전극의 직경의 두 배일 수도 있다. 그러나, 전자 수집 장치(540)의 크기가 전자 추출 장치(520)와 전자 수집 장치(540) 사이의 간격에 좌우됨을 이해하여야 한다. 이 간격이 증가함에 따라, 동일한 비율의 E-빔 전자가 수집 장치 전극을 강타하도록 전자 수집 장치(540)의 직경 또한 증가하여야 한다. 또한, 전자 수집 장치(540)의 구조가 아주 상세히 설명되어 있지는 않지만, E-빔 및 기타 다른 인자를 수용하기 위하여 평면이 아닌 다양한 형상으로 형성될 수도 있다. 이러한 기하학적 형상에는, 예를 들어, 컵 형상, 원추형, 원통형 및 이들의 조합 형상이 포함된다.
일부 경우에, 전자 수집 장치(540)에서 발생되는 전자 전류 값이 E-빔에 의해 운반되는 전자의 개수와 약간 상이할 수도 있다. 이러한 차이는, 원자 또는 전자의 분산으로 인해 잃은 전자의 개수, 분산 영역에서 이온과 결합하는 전자의 개수, 그리고 전자 충전 공간에 의해 편향되는 전자의 개수와 상관성이 있다. 보다 정확한 전자의 계수가 수집 장치 전극을 향해 전자를 인출하는 방식으로 달성될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 임의의 바이어스 전압이 가변 바이어스 수집 장치 공급원에 의해 전자 제어부(540)에 인가된다. 이러한 바이어스 전압은 전자 수집 장치(540)와 전자 추출 장치(520) 사이에 전위차를 생성하여 E-빔(532)으로부터 전자 수집 장치(540)의 방향으로 전자에 전류가 통하도록 만든다. 전자 수집 장치(540)를 가로질러 전위를 구축하는 것은 전위 없이 전자 수집 장치를 사용하는 것과 비교하여 적어도 두 가지 장점을 갖는다. 첫째, 증가된 전위가 전자 추출 장치의 수집 장치 전극 사이의 영역으로부터 전자를 잡아당기는 경향이 있으며, 다시 말해, 전위에 의해 보다 많은 전자가 계수를 위한 전자 계수 장치로 견인되어, 전자 수집 장치(540)에서의 E-빔의 nEe의 보다 정확한 측정이 가능하다는 점이다. 둘째, 전자 수집 장치에서의 증가된 전위는 빔 축선(533)을 따라 전자를 구속하는 경향이 있으며, 그 결과 편향 및 분산으로 인해 잃는 전자의 수가 보다 적어지며, 빔 축선의 부근에서 보다 많은 전자 입자가 충돌하게 되고, 빔 축선 부근에서 방출 광의 휘도 또는 농도가 보다 높아져 광의 검출이 보다 용이해진다. 추가적으로, 전자의 에너지가 표적 종을 여기시킬 수도 있는 범위 아래로 완화되는 일부 경우에, 수집 장치에서의 증가된 전위는 가스 종을 여기시키기 위해 필요한 레벨로 전자에 전류가 통하도록 하며 중성자 또는 이온과 결합하도록 사용될 수 있는 저에너지 전자의 개수를 감소시킨다.
밀도 측정을 위한 전자 수집을 달성하는 데에 필요한 정확한 전압은 수집 장치가 채용되는 특정 용례 및 해당 용례에 적합한 작동 매개 변수와 상관성이 있다. 그러나, 개념상으로 보면, 도 16에 도시된 바와 같이, 전자는 전자 추출 장치(520)를 가로질러 전위를 형성함으로써 전자 공급원으로부터 추출된다. 전자 공급원(510)에서 발생되는 전자가 대략 접지 전압의 기준 전위를 갖는 것으로 가정할 수 있는 점을 상기해 볼 때, 이 기준 전위가 공급원(510)의 추출 개구에 근접하게 위치하고 있으면서 추출 전극(예를 들어, 전자 추출 장치(520))의 평평한 후면과 대략 평행한 기준 전위면(516)을 가로질러 인가될 수도 있다. 기준 전위와 전자 추출 장치(520)를 가로지르는 전위 사이의 차이에 의해 E-빔(532)의 전자 에너지가 결정된다(이하에서는, E-빔의 전자 에너지를 EEe로 지시하기로 한다). 보다 정확하게 말하자면, E-빔의 EEe는 빔의 평균 전자 에너지이다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 전자 공급원은 에너지 범위(공급원에 적합한 전자 에너지 분포) 이내에서 전자를 발생시키며, 추출 장치는 상기 에너지 범위를 평균 값이 EE인 다른 에너지 상태로 가속시킨다. 추출 장치의 전위는 전압(b+ VDC)을 전자 추출 장치(520)의 전극에 인가함으로써 생성될 수도 있다(추출 전극의 전압의 크기는 보통 안전상의 이유로 낮게 유지되며, 통상 10 VDC 내지 50 VDC의 범위에 있지만, 수백 볼트일 수도 있다). 추출 장치의 전위면을 가로지르는 전자가 수집 장치 전극으로 견인되도록 하기 위하여, 수집 장치 전극에 인가되는 바이어스 전압이 추출 장치 전압보다 보통 높다. 이에 따라, 수집 장치 전극에 인가되는 바이어스 전압은 예를 들어, b+ VDC 보다 높다(b+ + a VDC). 또한, 이러한 수집 장치의 바이어스 전압(b+ + a VDC)은 전자의 정확한 에너지 분포가 확인될 수 있도록 양의 전위로부터 음의 전위까지의 범위에 있을 수도 있음에 주목하여야 한다.
서로 다른 전극에서의 전위의 크기 및 이들 전극의 전위 사이의 차이는 특정 용례에 적합한 작동 매개 변수와 E-빔 여기 장치의 기하학적 형상과 상관성이 있다. 예를 들어, 전자 추출 장치(520)가 E-빔이 전자의 통전을 위한 일차 가속 공급원의 역할을 하는 경우에, 전자 수집 장치(540)에서의 전위는 전자 추출 장치(520)에서의 전위보다 약간만 높다(b+ ≒ 10a)b+ + a VDC ≒ 1.1b+ VDC. 선택적으로, 전자가 전자 추출 장치(520)를 통과한 후 전자 빔을 보다 정밀하게 제어하는 것이 필요한 경우, 또는 전자 추출 장치(520)로부터 나온 E-빔의 전자의 에너지를 증가시키거나 재통전시키는 것이 바람직한 경우, 전자 수집 장치(540)에 인가되는 바이어스 전압은 실질적으로 전자 추출 장치(520)에 인가되는 전압보다 높다(예를 들어, (b++ a)VCD ≒ 21b+ VDC, a ≒ 20b+). 예상되는 바와 같이, E-빔의 전자는 전자 추출 장치(520)를 통과할 때에 에너지 레벨이 최대가 되며 가스 흐름을 가로질러 통과하면서 에너지를 잃는다. 전자 추출 장치로부터의 거리와 상관성이 있는 EEe의 손실은 보다 높은 가스 압력에서 작동하는 시스템에서 보다 두드러지게 나타나며, 전자의 자유 경로의 평균 길이는 압력이 상승함에 따라 감소한다. 상당히 높은 압력에서는 가스 입자와의 충돌 후 전자를 재통전시키는 전위를 생성하기 위하여 수집 장치의 바이어스 전압을 실질적으로 증가시키는 것이 필요하다. 양의 전압은 추출 장치 전극과 수집 장치 전극 사이의 구역에 걸쳐 전극을 잡아당기는 경향이 있다. 이러한 결과를 달성하기 위하여 수집 장치 바이어스 전압이 수십 또는 수백 볼트까지 증가될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 수집 장치를 가로질러 전위를 생성하며 수집 장치로 전자를 견인하도록 a(b+ + a)DC 의 전압이 전자 수집 장치(520)에 인가된다. 여기서, 전위는 E-빔의 전자의 이동에 영향을 미치는 힘이며, 정확하면서도 재현 가능한 밀도 측정을 보장하기 위하여 시간이 지나도 일정한 채로 남아 있어야 한다(재현 가능한 광도 관찰 값을 보장하기 위하여 필요하다). 그러나, 전극의 전위가 직접 측정되는 것은 아니다. 대신에, 시간이 지나도 일정한 전압이 전극에 인가되는 경우 전극의 전위는 일정한 것으로 추정할 수 있다. 통상적으로, 전극의 전위의 크기 또는 그 안전성을 확인하기 위하여 전극으로부터의 피드백이 사용되지는 않는다. 측정 결함을 극복하기 위한 일 방법은 수집 장치 전극 전위를 이용하여 전자 에너지를 측정하는 것이다. 이러한 방식으로, E-빔의 전자 에너지 분포를 직접 측정할 수 있을 뿐만 아니라 수집 장치의 바이어스 전압과 추출 장치의 전압을 구할 수 있다.
바로 위에 설명되고 또한 명세서 전반에 걸쳐 설명되고 있는 바와 같이, 전자 수집 장치(520)에서의 측정 페러데이 컵 전류(e- 전류)와 OES 스펙트럼의 세기 사이에는 선형의 상관 관계가 존재한다(예를 들어, E-빔의 에너지가 일정한 도 36의 시간(t5)과 시간(t9) 사이의 광도의 e- 전류 사이의 상관 관계를 참조한다). 이에 따라, 전자 발생 장치에 전달되는 RF 전력의 대강의 조절을 달성하기 위하여 페러데이 컵 전류가 피드백으로서 사용될 수 있으며, 이에 따라 기준 전위면(1916)의 핀 홀 전극에서의 전자의 농도가 변하게 됨에 따라, 페러데이 컵 전류가 목표 값으로 되돌아가게 되며 원래 OES 신호 강도를 복원하게 된다. RF 전력 조절 분해능에 따른 제한성으로 인해, 때때로 페러데이 컵 전류 목표 값을 정밀하게 제어하기 어렵다. 또한, 페러데이 컵 전류에 있어서의 어떠한 작은 오류도 OES 신호 강도에 영향을 미친다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, OES 신호의 이와 같이 감지되는 오류를 해결하기 위한 일 방안은 OES 신호를 측정된 페러데이 컵 전류를 사용하여 표준화하는 것으로, OES 신호 강도를 목표 값으로 보정할 수 있다. 실시간 인가시에, 페러데이 컵 전류를 이용하여 OES 신호를 표준화하는 것은 OES 신호의 노이즈를 상당히 감소시킨다.
전자 수집 장치(540)를 가로질러 일정한 전위를 유지하는 것과 관련된 일 문제점은, E-빔의 방향에서 뿐만 아니라 전자 수집 장치(540) 부근에서의 전자와 복합 가스 사이의 충돌로 인해, 분자 절편과 원자 잔류물이 전자 수집 장치(540)의 표면으로 견인되어 표면 상에서 재결합될 수도 있다는 점이다(도 17 참조). 전자 수집 장치(540)의 표면 위의 이러한 축적 잔류물(541)은 전극에 인가되는 바이어스 전압에 주목할 만한 영향을 미치지 않고서도 수집 장치 전극에서의 전위 크기를 감소시키는 경향이 있다. 수집 장치 전극에서의 이러한 전위 변화는 전자 수집 장치(540)의 전극을 향해 견인되는 전자의 개수에 있어서의 상응하는 변화를 초래하며, 밀도 측정에 사용되는 발생 전자 전류 값의 변화를 야기한다. 반면에, 전자 수집 장치(540)에서의 바이어스 전위는 E-빔이 빔 축선에 가까이 구속되도록 하며, 및/또는 E-빔의 전자 에너지를 증가시키는 역할을 한다. 전위가 감소할수록 이에 상응하여 전위가 전자에 미치는 영향도 적어지기 때문에 전자 수집 장치(540) 상의 축적 증착물(541)은 빔의 광학적인 전위 특성 및 전자의 통전 능력에 악영향을 미친다.
도 18A 내지 도 18C에는 본 발명의 전자 수집 장치에 잔류물이 미치는 영향이 개략적으로 나타내어져 있다. 도 18A에는 시간 경과에 따른 잔류물(541)의 축적 깊이(1802)가 나타내어져 있다. 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 전자 수집 장치(540)가 배기 라인의 여기 영역의 증착 환경에 노출되는 시간이 길어질수록, 증착 잔류물(541)의 전자 수집 장치(540) 상에서의 축적 깊이도 깊어진다. 도 18A의 다이아그램에는 시간(보다 구체적으로 설명하자면, 전극이 증착물 형성 오염물에 노출되는 시간)과 수집 장치(540) 상의 잔류물의 깊이 사이의 관계가 명확하게 나타내어져 있다.
바람직하게는, 수집 장치 전극의 전위(1808)는 수집 장치 전극에 인가되는 바이어스 전압에 대한 어느 기준 전위(181)의 값으로 일정한 채로 남아 있어야 한다(도 18C에 도시된 바와 같이). 마찬가지로, 전자 수집 장치(540)에 의해 발생되는 전자 전류(1810)는 특정 nEe에 대한 어느 기준 전자 전류(1812)에서 일정한 값으로 유지되어야 한다. 전술한 바와 같은 두 가지의 관계를 유지하는 것은 방출 광의 측정이 정확하면서도 재현 가능한 방식으로 이루어지는 것을 보장한다. 도 18B에는 수집 장치(540)에 걸쳐 형성되는 잔류물(541)이 전자 전류에 미치는 영향이 증명되어 있다. 수집 장치 전극 상의 축적 잔류물(541)은 기준 전위(181)에 관하여 수집 장치 전위(1808)를 감소시킨다. 수집 장치 전위(1808)의 이러한 감소 정도가 손실 전위(1804)로서 따로 도시되어 있다. 이러한 손실 전위는 전자 수집 장치(540)로 견인되어 계수되는 전자의 양을 감소시키며, 결국 기준 전류(1812) 대비 전자 전류(1806)의 편차를 초래한다. 전자 전류(1806)에 있어서의 이러한 편차는 전자 전류 피드백 구성 요소(전자 수집 장치/제어부/조절부(540/560/512))에 의해 nEe의 감소로서 파악되며, 전자 공급원(510)에 인가되는 여기력을 증가시키는 방식으로 보상될 수 있다. 그러나, 이 경우에, 전자 전류의 감소는 수집 장치 전극에 형성되는 증착물로 인한 것이며, 전자 밀도의 변화가 원인은 아니다.
수집 장치 전위(1808)의 감소는 잔류물(541)로 인한 전위(1804) 감소의 결과이다. 이것은 수집 장치 전자에 의해 발생되는 전자 전류가 전위 변화에 의해 영향을 받지 않으며 이에 따라 전자 밀도가 일정한 경우 전자 전류(1806)가 기준 전류(1812)를 따라가게 되는 것을 보장한다(도 18C에 도시된 바와 같이). 이러한 조건은 교정 운전 동안 확인되어야 한다. 교정 운전은 추출 장치 및 수집 장치에 인가된 전위를 사용함으로써 전자 에너지의 측정이 가능하도록 할 수 있다. 그러나, 도 18B로부터 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 적어도 하나의 가능한 경우를 보면, 전자 수집 장치(540)에 인가되는 바이어스 전압이 일정하게 유지되더라도, 잔류물로 인한 전위(1804) 감소는 잔류물(541)의 깊이에 비례하며, 또는 비례하지는 않더라도 연관성은 있다.
기준 전자 전류(1812)와 관련하여, 잔류물(541)의 축적 깊이(1802)와 전자 수집 장치(540)에 인가되는 바이어스 전압(1814) 사이의 관계는 특정 용례에 대한 시험 운전 중에 결정되어야 한다. 교정 운전의 목적은 축적 잔류물(541)에 의해 유발되는 수집 장치의 전위 약화를 상쇄하는 수집 장치 바이어스 전압의 보정을 확인하기 위한 것이다. 교정 운전 동안, 수집 장치 전극(540)의 표면에 축적되는 잔류물(541)을 제외하고는, 모든 작동 조건은 일정하게 유지된다. 광도 측정을 통해 nEe의 조절이 결정되며, 전자 전류가 아닌 이 nEe는 일정하게 유지되어야 한다. 이후, 전자 전류를 변화시키는 원인은 오로지 축적 잔류물로서, 수집 장치 전극의 전위 변화를 초래한다. 전자 전류의 편차가 수집 장치 바이어스 전압을 조절하는 방식으로 다시 기준 전자 전류 값으로 보정된다. 이러한 수집 장치 바이어스 전압 보정은 시간에 따른 수집 장치 바이어스 전압 보정 알고리즘을 생성하기 위하여 작동 시간과 관련하여 기록된다. 그 결과 얻어지는 수집 장치 바이어스 전압(VDC)은 도 18C의 바이어스 전압(1814)과 유사한 형태로 나타난다. 이러한 기술 및 그 결과로서 얻어지는 시간에 따른 수집 장치 바이어스 전압 보정 알고리즘은 이하의 네 가지의 가정을 가능하게 한다: 1. nEe가 교정 운전 동안 일정하게 유지된다; 2. 교정 동안의 방출 광의 세기 변화는 전적으로 E-빔의 전자의 전위를 차단하는 잔류물 때문이다; 3. 전류는 수집 장치를 강타하는 전자의 개수, 즉 잔류물을 관통하여 수집 장치 전극 내로 접근한 모든 전자의 개수를 정확히 나타낸다; 4. 수집 장치 상의 증착물은 조성이 동일하며 교정 운전에서와 생성 운전에서 동일한 비율로 축적된다.
전술한 설명으로부터 알 수도 있는 바와 같이, 전자 수집 장치(540)에서의 증착물 형성은 문제가 된다. 이에 대한 일 해결 방안은 전술한 시간에 따른 수집 장치 바이어스 전압 보정 알고리즘을 사용하는 것이다. 그러나, 명백한 사실은, 이러한 알고리즘은 생성 운전과 관련하여 궁극적으로는 진실이 아닐 수도 있는 많은 가정을 내포하고 있다. 따라서, 보다 바람직한 해결 방안은 축적 잔류물로부터 전자 수집 장치(540)를 보호하는 것이지만, 전자 수집 장치(540)가 이러한 증착물의 원인처에 가까이 위치하여야만 하기 때문에 수집 장치의 재배치는 실용적인 해답이 아니다. 선택적으로, 전자 수집 장치(540) 상의 증착물은 증착물이 E-빔 여기 장치의 성능을 저하시키기 전에 주기적으로 청소될 수도 있다. 작동 사이클 사이사이에 (또는 작동 사이클 중 비통전 기간에) 또는 메인 시스템의 시스템 청소 사이클 동안 전자 수집 장치(540)에 인가되는 바이어스 전압을 역전시킴으로써 전극 표면으로부터 이와 같은 경량의 축적 잔류물을 제거하는 것이 가능할 수도 있다. 수집 장치 전극에 인가되는 바이어스 전압을 역전시키는 것은 기준 전위면과의 전위차를 발생시킨다. 이러한 해결 방안에 따르면 수집 장치상의 증착물이 후방으로 튀어나가게 되며 또는 그렇지 않은 경우에는 가스 흐름 내로 다시 돌아가도록 된다. 특정 용례에서의 이러한 바이어스 전압 역전을 이용한 해결 방안의 유효성은 가스 흐름으로부터의 오염물에 대한 공정의 민감성과, (반응로 챔버에 가까운) 배기 시스템상의 E-빔 여기 장치의 위치 그리고 작동 매개 변수(예를 들어, 유량 및 압력 범위)를 포함하는 다수의 인자에 좌우된다. 메인 시스템의 청소 사이클 동안의 E-빔 청소 사이클의 작동에 의해 증착 층의 제거를 돕는 적절한 화합물이 추가될 수 있게 된다. 또한, 이러한 해결 방안은 수집 장치 바이어스 전압이 E-빔의 전자에 영향을 미치는 수집 장치를 가로지르는 전위를 정확히 지시하는 것을 가정한 것이다.
따라서, 일 변형예의 해결 방안은 전자 수집 장치(540)를 가로지르는 전위의 크기를 모니터링하는 것이다(전술한 바와 같이 여기력과 독립적으로 전자 밀도를 측정하기 위하여 전자 수집 장치를 사용하는 바와 유사한 방식으로). 수집 장치의 전위를 직접 모니터링하기는 어려울 수도 있지만, 전위에 의해 전기장이 구축되며 이와 같이 구축된 전기장은 전자의 운동에 영향을 미친다. 수집 장치 전극에 인가되는 바이어스 전압과 독립적으로 전위가 모니터링될 수도 있다. 또한, 전기장의 세기가 직접 모니터링될 수도 있다. 전자 수집 장치(540)의 상류 및 가까이에 전기장 측정 전극(도시하지 않음)을 배치함으로써, 전기장의 세기가 실시간으로 모니터링될 수도 있으며, 이러한 전기장의 세기는 E-빔의 전자의 이동에 영향을 미치는 수집 장치 전위의 크기에 대응한다. 이에 따라, 전자 수집 장치(540)에 인가되는 바이어스 전압이 특정 용례에 대한 작동 범위 이내로 전기장의 세기를 조절하기 위하여 전기장 측정 전극으로부터의 피드백을 사용하여 조절될 수 있다(E-빔의 전자 밀도를 보정하기 위한 제어부 피드백 루프(feedback loop)를 사용하는 바와 유사한 방식으로). 전기장 측정 전극의 사용은 시간에 따른 바이어스 전압 보정 알고리즘보다 바이어스 전압에 대한 보다 정확한 보정이 가능하도록 할 수도 있으며, 이에 따라, 수집 장치 바이어스 전압이 항상 수집 장치를 가로지르는 전위를 정확히 나타낸다는 가정 외에도 많은 가정을 전제로 할 수 있게 된다.
본 발명의 E-빔 여기 장치와 연관된 전기장을 모니터링하기 위한 전기장 측정 전극의 용례가 또한, 전극 추출 장치(520)를 가로지르는 전위로부터 초래하는 전기장을 모니터링하도록 적용될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 전자 공급원(510)으로부터 추출되는 전자의 에너지 레벨은 전자 추출 장치(520)에서의 전위와 전자 공급원(510)에서의 기준 전위 사이의 차이에 좌우된다. 특정 가스 종을 여기시키기 위해 필요한 전자 추출 장치(520)에 인가되는 전압의 작동 범위는 해당 가스 종을 이용한 교정 운전 시에 미리 결정될 수도 있다. 전자 추출 장치(520)를 가로지르는 전위와 전자 추출 장치(520)에 인가되는 전압(전위를 발생하는데 필요한)의 작동 범위 사이의 관계는 생성 운전 동안 변하지 않는 것으로 가정할 수 있다. 그러나, 특정 용례와 사용하기 위해 선택된 공급원의 유형에 따라 전자 수집 장치(540)에 형성되는 증착물을 야기하는 동일한 인자 중 일부가 전자 공급원(510)의 내부에도 존재할 수 있어, 증착 층이 예를 들어, 추출 장치 스크린 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다. 이와 같은 상황이 발생하면, 전자 추출 장치(520)를 가로지르는 전위가 감소할 수도 있으며, 추출 전자가 예상 에너지 레벨을 획득하지 못할 수도 있다. 이러한 상황은 EE를 결정하기 위한 미터법으로서 추출 장치에 인가되는 전위를 사용하는 것이 아니라, 전자 추출 장치(520)에서의 전기장을 직접 모니터링함으로써 수정될 수도 있다.
전자 에너지 분포도이기도 한 전자 밀도의 범위는 E-빔 여기 장치용의 전자를 발생시키도록 사용되는 여기 방법의 유형과 상관성이 있다. 종래 기술에 공지되어 있는 여기 방법 중 특히 공통적으로 사용되는 일 방법은 플라즈마를 사용하는 방법이다(본 발명의 실시예에 따르면, 방출 광을 생성하기 위해 유출 가스를 여기시키는 것이 아니라 전자를 발생시키도록 플라즈마 방법론이 사용되고 있다). 그 특성상, 플라즈마를 기반으로 하는 여기 방법은 전자 에너지 범위 폭이 넓어지도록 만든다. 에너지 범위의 근사 값을 구하기 위하여 종종 맥스웰-볼츠만 분포도가 적용되고 있다. 가스 종과 에너지가 보다 높은 전자와의 충돌은 입자(분자, 분자 절편 및 원자)가 형광 상태로 여기되도록 하는 일차적인 수단이 된다. 전자 에너지 분포에 있어서의 에너지가 높은 부분인 말단부에 적은 개수의 전자가 존재하므로, 전자 에너지 분포의 작은 변화에 의해서도 기타 다른 플라즈마 가스 종, 가장 일반적으로는 가스 분자와 전자 사이의 충돌에 의해 생성되는 광량에 있어서의 상당한 변화를 유발할 수 있다. 통전율이 보다 높은 전자의 경우 분자 결합을 끊기 위한 충분한 에너지를 갖추고 있다. 충돌의 결과 발생한 분자 절편이 이후 다른 고에너지 전자와 충돌하게 되면, 보다 더 작은 분자 절편과 원자가 발생할 수 있다. 이것이 연속(CW) 여기 방법이 원자 및 크기가 비교적 작은 분자 절편(예를 들어, 플루오르화 에칭 화합물 중 C, F, CF, SiF)으로부터 보다 높은 광 방출이 야기되며 방출 광의 검출을 어렵게 만드는 모분자(parent molecule)(예시의 플로오르화 에칭 화합물 중 CF4 및 SiF4)로부터 보다 낮은 광 방출이 야기되는 이유이다. 또한, 분자 절편의 유착이 발생할 수도 있으며 광학 검출 창과 시스템 전기 접지부를 포함하는 종래 기술의 여기 장치 시스템의 표면 오염이 발생할 수도 있다. 메인 진공 시스템의 일측에 부착되어 있는 일단이 막힌 진공관 내에 위치한 종래 기술의 플라즈마 여기 장치 하류의 낮은 가스 유량은 고분자 화합물이 모든 방향으로 동일하게 증착되는 것을 촉진한다. 오염 표면은 검출 광량을 변화시킨다. 또한, 오염 전극은 접지를 위한 전기 임피던스를 변화시킬 수 있으며, 이는 다시 전자 에너지 분포 함수(EEDF)를 낮추어 방출 광의 변화를 야기한다. RF ICP용의 여기 관에 피복되어 있는 오염물은 RF 에너지 전달 가스의 양을 변화시켜, 결국 여기 효율 변화를 초래한다. 오염된 상태의 광학 창은 검출 장치로 전달되는 방출 광량을 감소시킨다. 종래 기술의 RF ICP 센서의 성능 변화를 야기하는 이러한 여러 가지 요인으로 인해, 시간이 지나도 형광 신호 변화를 낮게 유지하기가 매우 어려울 수도 있다. 여기 장치에 의해 야기되는 방출 광의 불안정성은 OES 종말점 추적 또는 오류 검출 신호의 노이즈의 형태로 나타난다.
이와는 대조적으로, 본 발명의 E-빔 여기 장치는 별개의 전자 공급원 내에서 전자를 발생시킨다. 전자 공급원 내부의 전자 가스는 기준 전위에 유지되어 있는 전도성 표면과 접촉하며, 전자는 기준 전위에 상대적인 전위를 설정하는 것으로 가정할 수 있다. 전자는 기준 전위보다 높은 추출 장치 전위로 설정되어 있는 전자 추출 장치를 사용하여 공급원으로부터 추출된다. 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 E-빔 여기 장치와 사용하기 위한 전자 공급원의 기본 요건은 취급이 상당히 용이하여야 한다는 점이다. 전자 공급원 내부에 전자를 발생시키도록 사용될 수도 있는 플라즈마를 이용하는 또한 플라즈마를 이용하지 않는 방법들이 존재한다. 이들 방법의 예에는 고주파 유도 결합형 플라즈마(RF ICP), RF 용량 결합형 플라즈마(RF CCP), 마이크로파 캐버티 방전, 가열 전자 방출 재료(LaB6, 토리움 텅스텐 등), 그리고 강제 전자 방출 기술(표면의 x-ray 촬영 등)이 포함되지만, 이들 나열 방법으로만 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 전자 공급원은 전자의 에너지 분포를 최소화하는 방식으로 고밀도의 전자를 발생시킨다. 좁은 에너지 분포 범위로부터 시작함으로써, 그 결과 얻어지는 E-빔의 에너지 분포 또한 이에 상응하여 좁아지게 된다. 이와 같은 좁은 전자 에너지 분포 범위는 선택된 가스 종만을 선택된 에너지 상태로 여기시키는데 있어서 매우 유용하여, 분자 파쇄에 의해 여기 영역이 초래하는 경우 그 제어가 가능하도록 할 수도 있다. 중공 캐소드는 좁은 에너지 분포 범위를 이용하여 이상적인 수준의 낮은 에너지의 전자를 발생시키기 위한 이상적인 방법이다. 그러나, 이 중공 캐소드 방법은 소정 용례에는 바람직하지 못한 여러 단점을 갖고 있다. 다른 유형의 플라즈마 전자 공급원으로는 고주파 유동 결합형 플라즈마(RF ICP) 장치가 있다. 이러한 ICP에 의해 발생되는 전자 에너지 분포 범위는 중공 캐소드의 전자 에너지 분포 범위보다는 약간 넓다. 따라서, 특정 용례에 맞게 선택되는 전자 공급원의 유형은, 특정 용례의 작동 조건과 공급원의 작동 매개 변수의 일치 여부에 따라 결정됨을 이해할 수 있을 것이다. 요약하면, 모든 각각의 가능한 용례에 완벽한 전자 공급원은 존재하지 않을 수도 있으며, 따라서 특정 용례마다 각각의 유형의 전자 공급원의 특유의 장점 및 단점을 고려하여야 한다. 이하에는, 본 발명의 전술한 E-빔 여기 장치와 사용하기에 유용할 수도 있는 여러 예시적인 유형의 전자 여기 장치가 설명되어 있다. 이러한 이하의 설명에 각각의 가능한 유형의 전자 공급원이 속속들이 설명되어 있는 것은 아니며, 대신 특정 용례에 대한 한 가지 유형의 여기 장치로부터 다른 유형의 여기 장치로의 접근에 사용하기 위한 모형의 역할을 하는 것으로 이해하면 된다.
도 19A는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자를 발생시키기 위한 별도의 유도 결합형 플라즈마 장치를 사용하는, 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다. 전술한 바와 같이, E-빔 여기 장치(1900)는 일반적으로, 전자 공급원과, E-빔(532)을 발생시키기 위해 전자 공급원의 전자 챔버로부터 전자를 추출하기 위한 전자 추출 장치(520), 그리고 수집 장치 전극을 강타하는 전자의 개수를 모니터링하며 이와 같은 전극 강타 전자의 개수에 따라 전자 전류를 발생시키기 위한 전자 제어부(540)를 포함한다. 전자 추출 장치(520)와 전자 수집 장치(540)에는, E-빔(532)의 전자에 전류가 통하도록 하며 이들 전자를 견인하기 위해, 가변 바이어스 수집 장치 공급원(545)의 VDC 값의 수집 장치 바이어스 전압과 가변 추출 장치 전위 공급원(525)으로부터의 b+ VDC 값의 전압 전위가 각각 제공된다. 전자 수집 장치(540)에 의해 발생되는 전자 전류는 압력 게이지(550)로부터의 압력 정보와 함께 전자 농도 제어부(피드백 제어부)(560)에 의해 수신되며, 배기 라인의 작동 압력에 대한 전자 계수 값에 따라 E-빔(532)의 전자 밀도로 변환된다. 측정된 E-빔(532)의 전자 농도는 밀도가 작동 범위 이내에 있는지 여부를 결정하기 위하여 기준 밀도와 비교된다(선택적으로는, 측정 전자 전류가 기준 전자 전류와 비교된다). 상기와 같은 정보는 조절이 필요한 경우 채용되고 있는 특정 유형의 전자 공급원의 여기력을 조절하기 위하여 전자 농도 조절부(512)에 의해 사용된다. 원추형 불투과성 추출 장치 전극 및 빔 축선을 따라 동축으로 배치되는 링형 자석(이들 자석은 특히, 충돌 횟수를 증가시켜 전자를 자유 상태로 만들 수 있는 ICP 유형의 공급원과 사용하기에 유용하다)과 같은 E-빔 광학체가 또한 E-빔(532)의 기하학적 형상을 구속하도록 채용될 수도 있다.
ICP 전자 공급원(1910)은 종래 기술에 공지되어 있는 ICP 배기 라인 여기 장치와 동일한 기본 원리로 작동하지만, 방출 광을 생성하기 위해 유출 가스를 여기시키지는 않는다. 대신에, ICP 전자 공급원(1910)은 전자 추출 장치(520)에 이용 가능한 자유 전자를 생성하기 위해 플라즈마를 발생시킨다. 이 경우, ICP 전자 공급원(1910)은 일반적으로 관을 중심으로 권선되는 유도 코일(1917)을 이용하여 플라즈마를 유도할 수 있는 석영 관(또는 사파이어) 또는 기타 다른 비전도성 재료로 이루어진 전자 챔버(1915) 또는 보틀(bottle)을 포함한다. 프로세스 툴(process tool)에 연결되어 있는 관(1915)의 배기 라인 단부는 추출 개구(1914)를 구비한 기준 전위면(1916)을 형성한다. 이 기준 전위면(1916)은 대략 접지 기준 전위로 설정되어 있으며 관(1915)에 직접 결합되어 있으며, 또는 일부 다른 구성의 경우에는, 가준 전위면이 전자와 접촉하기 위한 기준 전위면 및 전자 추출 장치(520)의 후면과 평행한 것이 바람직하다. 추출 개구(1914)를 통해 전자 챔버(1915) 내로 확산되는 유출 가스는 가변 RF 전력 공급부(1911)에 의해 제공되는 유도 코일(1917)로부터의 에너지에 의해 여기된다. 챔버 내부를 청소하며 전자 공급원의 오염물 축적 비율을 감소 또는 말소하기 위하여 퍼지 가스(1919)가 또한 공급원 챔버 내로 배기될 수도 있다.
E-빔(532)의 전자 밀도는 특정 방출 파장을 검출하기 위해 전자 밀도를 증가 및 감소시키기 위하여 전자 농도 제어부(560) 및 전자 농도 조절부(512)를 통해 전자 수집 장치(540)로부터의 피드백에 의해 가변적으로 제어된다. 전술한 바와 같이, 유출 표적 가스 종(또는 유출 표적 가스 종의 농도)의 검출이 필요한 용례에 있어서는, 좁은 전자 에너지 분포를 이용하여 E-빔(532)을 발생시키는 능력이 표적 가스 종만을 여기시키기에 바람직하다. 따라서, 표적 가스 종용의 여기 창만을 가로지르는 좁은 범위 이내의 ICP 전자 공급원(1910)에 의해 생성되는 전자 에너지 분포에서 전자 밀도를 증가시키도록 가변 추출 장치 전위 공급원(525)이 사용되고 있다. 여기 가스 입자로부터 방출되는 광이 희미한 경우, 모니터링되는 특정 파장(들)에 대한 신호 대 노이즈 비가 가변 RF 전력 공급부(1911)를 사용하여 RF 여기력을 조절함으로써 증가될 수 있다. 반대로, 관찰되는 특정 파장(들)에서 여기 가스 입자로부터 방출되는 광이 극도로 밝은 경우, 유출 가스의 농도 변화를 나타내는 세기의 변화를 검출하기가 어려울 수도 있다. 이 경우에, 모니터링되는 특정 파장(들)에 대한 광의 상대 세기가 광도를 모니터링하도록 사용되는 검출 장치의 최적의 작동 범위까지 감소될 수도 있다.
보다 구체적으로 설명하자면, ICP 유형의 전자 공급원은 극도로 높은 작동 전자 밀도 범위 및 극도로 좁은 전자 에너지 분포 범위를 갖는 거동이 우수한 공급원이다. 그러나, 기타 다른 유형의 전자 공급원과 마찬가지로, ICP 유형의 전자 공급원은 유출 가스를 전자 방출 재료로서 사용하며, 따라서 시간이 지남에 따라 전자 챔버(1911)의 내면 상에 또는 전자 추출 장치 스크린 격자부에 증착물이 형성될 수도 있다. 종래 기술에서는 유도 결합형 여기 장치가 광범위하게 사용되어 왔으며, 따라서 그 작동 특성을 다룬 문서가 많이 있어, 특정 용례와 사용하기 위한 ICP 유형의 전자 공급원의 평가에 도움이 될 수도 있다.
공급원 챔버(1911) 내부에서의 잔류물 축적에 추가하여, 도 17 및 도 18 내지 도 18C를 참조하여 전술한 바와 같이, 유출물( 및 기타 다른 원인처)로부터 발생하는 잔류물이 전자 수집 장치(540)의 표면에 축적될 수도 있으며, 그 결과 전자 수집 장치(540)의 전극을 향해 전자를 견인하기에 유용한 전위가 낮아짐으로써 여기 장치의 효율이 저하된다. 상기 전극에 견인되는 전자가 감소함에 따라 이에 상응하여 밀도 측정에 사용되는 발생 전자 전류가 변화하게 된다. 그러나, 전자 수집 장치(540)의 전극과 공급원 챔버가 증착물의 영향에 민감할 수도 있는 E-빔 여기 장치 상의 유일한 위치는 아니라는 점에 유의하여야 한다. 증착물은 공급원 챔버(1911), 전자 제어부(540), 전자 추출 장치(520) 및 기준 전위면(1916) 중 어느 하나 또는 이들 모두 상에 발생할 수도 있다. 일반적으로, 증착물의 유형, 발생 증착률, 증착물의 누적량, 여기 장치 전자에 미치는 영향, E-빔의 안정성은 모두 E-빔 여기 장치가 작동하는 화합물과 연관이 있다.
예를 들어, CF4 공정 가스가 챔버의 표면 상에 CF 고분자 화합물이 증착되도록 한다는 사실은 잘 알려진 사실이다. 여기서, 증착율은 표면 재료 및 온도와 상관성이 있다. 바람직하게는, CF4 공정 가스를 이용한 작동용으로 설계된 챔버의 경우 증착 저항 재료로 제조되는데, 그 이유는 작동 온도가 공정에 좌우되며 따라서 챔버 내부의 표면상의 증착물의 발생률을 낮추도록 작동 온도를 변경하는 일은 불가능하기 때문이다. 결과적으로, 플로오르를 이용한 에칭 공정은 E-빔 시스템이 작동할 것으로 예상되는 보다 도전적인 환경 중 하나임이 파악될 것이다. 일 예의 화합물과 관련하여, 304 스테인레스 스틸 전극을 사용하는 E-빔 여기 장치를 CF4 가 25% 함유되어 있는 Ar 가스 혼합물 환경에서 작동시켰다. 작동을 시작한 지 한 시간 이내에, 여기 장치의 전극에 CF 유형의 전기적으로 절연성을 갖는 고분자 화합물이 피복되었으며 페러데이 컵 전류가 90%까지 감소하였다. 명백하게 알 수 있듯이, 상업성을 극대화하기 위해서는, 유지 관리 사이클 주기가 한 시간 이상이어야 한다. 여기 장치의 전극 상의 증착물의 축적률을 감소시키기 위한 개선된 E-빔 여기 장치가 이하에 바로 설명된다.
도 19B는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 라인 하류의 환경 조건에서 발생하는 오염물로 이루어진 증착물에 저항성을 갖는 개선된 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다. 이러한 E-빔 여기 장치(1900A)는, 생성 전자의 양을 증가시키며 증착으로 인해 유지 관리 작업 사이의 간격을 증가시키도록 여러 개선점이 반영되도록 설계가 이루어진 점을 제외하고는, 전술한 E-빔 여기 장치(1900)와 동일하다. 여기서, 도면에 도시되어진 E-빔 여기 장치(1900A)는 E-빔 여기 장치(1900)의 단순화된 버젼이다. 추가적으로, E-빔 여기 장치(1900A)가 추출 전자 구름을 발생시키기 위해 ICP 전자 공급원을 구비하는 것으로 도시되어 있긴 하지만, 이하에 설명되는 개선점은 본 명세서에 논의 및 제안되고 있는 기타 다른 유형의 전자 공급원과 함께 사용할 경우에도 마찬가지로 유리한 효과를 발휘한다. 이하에는 CxFy 환경을 다루면서 어떠한 방식으로도 개선 범위를 제한할 의도는 없는 실시예들이 설명되고 있다. 또한, 당업자라면 기타 다른 화합물에 대한 이러한 개선점의 적응성을 이해할 수 있을 것이며, 부적당한 실험 없이도 특정 환경에 대한 이들 개선점의 최적의 용례가 즉각적으로 파악될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 실온의 플로오르를 이용한 에칭 공정 환경에서 304 스테인레스 스틸 전극을 구비한 본 발명의 E-빔 여기 장치를 작동시킬 경우, 한 시간 이내에 상당한 열하가 초래될 것이다. 증착물은 전자 수집 장치(540)와 격리되어 있지 않지만, 전자 공급원의 기준 전위면(1916)과 전자 추출 장치(520)의 표면에서 유사한 비율로 발생한다. 온도와 재료 선정을 조합하여 전극 상의 증착물의 축적률을 낮추거나 효과적으로 방지할 수도 있는 것으로 예상된다. 우선, 304 스테인레스 스틸 전극을 사용하는 E-빔 여기 장치를 이전과 마찬가지로 CF4 가 25% 함유되어 있는 Ar 가스 혼합물 환경에서 작동시켰다. 단, 이 경우에 온도는 250℃로 상당히 높은 온도에서 실험을 수행하였다. 네 시간 작동시킨 후에, 304 스테인레스 스틸 전극의 표면이 거무스름한 부식 막으로 덮여 있는 것이 육안으로 확인되었다. 상기 막에 대해 에너지 분산 X-ray (EDX) 표면 요소 분석을 수행한 결과 고농도의 Fe 및 F가 발견되었으며, 조사 보고서에 의해 확인된 바와 같이 아마도 FeF3도 발견되었을 수도 있다. 후속 시험에서는, 여기 E-빔의 온도를 조절하였으며, 온도를 증가시키면서 CF 유형의 전기적으로 절연성을 갖는 고분자 화합물 및/또는 FeF3 부식 막의 존재 여부를 관찰하였다. CxFy 환경에서 이루어진 시험으로부터 얻은 실험 결과에 의하면, 304 스테인레스 스틸 전극 표면의 최적의 온도는 150℃이다. 150℃ 이하에서는, CF 유형의 전기적으로 절연성을 갖는 고분자 화합물의 축적률이 큰 폭으로 증가하며, 150℃ 이상에서는 FeF3 부식 막의 축적률이 증가한다. 예상되는 바와 같이, 작동 시에 전극은 한계 온도 이상, 아마도 한계 온도보다 5℃ 내지 15℃ 정도 높은 온도 범위 이내에서 작동할 수도 있다. 조사 보고서에 따르면, 온도가 증가할수록 FeF3 부식 막도 포물선 모양으로 성장한다. 이러한 FeF3 부식 막을 감소시켜 보다 높은 작동 온도를 허용할 수 있는 일 해결 방안은 전자 연마 과정을 거친 316L 스테인레스 스틸을 사용하는 것이다. 보고서에 제안된 바에 따르면, 연마 처리된 316L 스테인레스 스틸은 304 스테인레스 스틸보다 CF4의 고온 부식에 덜 민감한 편이다. 선택적으로, 불화 알루미늄 및 산화물의 혼합물로 이루어진 피막을 형성하도록 가스와 금속 표면을 반응시킨 결과, 알루미늄, 예를 들어, 6061 알루미늄이 CF4 공정 가스에 상당히 안정적인 것으로 보고되고 있다. 그러나, E-빔 여기 장치 전극의 표면상의 부동화 알루미늄의 전기 절연 특성에 대해 완전히 조사가 이루어져 있는 것은 아니다.
전술한 내용으로부터 알 수 있는 바와 같이, E-빔 여기 장치 전극의 노출 전극 표면을 특정 화합물에 맞게 최적화하기 위해서는 적어도 최적의 작동 온도 및 전극 재료 선정에 대한 최소한도의 조사를 필요로 한다. CF4가 25% 함유되어 있는 Ar 가스 혼합물 환경에서 304 스테인레스 스틸 전극을 사용하는 E-빔 여기 장치와 같은 일부 경우에, 온도 조절은 장치의 수명 연장에 있어 중요하다. 그외 다른 경우에서는, 한계 온도(이 온도 이상에서는 증착물이 크게 감소한다)를 확인하는 것만으로 충분할 수도 있다. 실제 적용에 있어서는, 특정 화합물에서의 E-빔 여기 장치의 작동 온도는 특정 화합물의 특정 전극 재료의 작동 수명을 확인하기 위하여 다양한 온도에서의 여러 개의 연속적인 시험을 필요로 할 수도 있다. 전극 재료에 대하여 한계 온도(또는 작동 온도)는 증착물 또는 부식으로 인한 실패 없이 최대 작동 시간을 달성하도록 선택된다. 작동 수명이 허용할 수 없는 수준인 경우, 화합물에 대한 허용 가능한 작동 수명을 갖는 것으로 확인될 때까지 새로운 전극의 재료에 대해 시험이 이루어진다.
또한, 도 19B에 도시된 E-빔의 여기 장치(1900A)와 관련하여, E-빔 여기 장치(1900A)는 일반적으로 전자 공급원과, E-빔(532)을 발생시키기 위한 전자 공급원의 전자 챔버로부터 전자를 추출하기 위한 전자 추출 장치(520), 그리고 수집 장치 전극을 강타하는 전극의 개수를 모니터링하며 이와 같은 전극 강타 전자의 개수에 따라 전자 전류를 발생시키기 위한 전자 수집 장치(540)를 포함한다. 전자 공급원 챔버의 개방 단부에는 챔버 내부 전자의 전위를 설정하기 위한 기준 전위면(1916)이 배치되어 있다. 바람직하게는, 전자 접촉 가능성을 증가시키기 위하여 전극의 표면적을 증가시키도록 원통형의 기준 전위면 연장부(1918)가 기준 전위면(1916)에 결합될 수도 있다.
전극의 증착물 감소를 특히 고려하여, E-빔 여기 장치(1900A)에 히터(1920)가 장착되며, 이러한 히터는 카트리지 히터와 같은 시판되고 있는 전기 저항성 히터일 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 공급부(1922)에 의해 히터(1920)로의 전력 공급이 조절될 수 있다. 온도 피드백 제어부(1926)가 온도 센서(1924)로부터 획득되는 온도 값에 따라 히터(1920)로 전달되는 전력량을 제어하며, 이러한 온도 센서는 또한, 규격 제품의 열전쌍일 수도 있다. 선택적으로, 몇몇 용례에서는, 온도 피드백이 실시될 필요가 없다(도시하지 않음). E-빔 여기 장치가 최적의 작동 온도까지 상승되며 추가적인 온도 보정은 이루어지지 않는다. 또한, 소정의 환경에서는 온도 조절이 중요하기 때문에, 전극에 영향을 미치는 열의 제거를 위한 방열판을 제공하도록 가능한 한 전극의 질량을 증가시키는 것이 유리할 수도 있다(예를 들어, 도 19A 및 도 19B의 전자 추출 장치(520)와 전자 수집 장치(540)의 단면 형상을 비교한다). 도 19B에 도시된 전극이 실질적으로 보다 질량이 많이 나가며 따라서 온도가 비이상적으로 변할 확률이 적음에 주목하여야 한다. 또한, 실질적으로 질량이 적게 나가는 전극이 과도한 열 손실을 나타낼 수도 있으며, 따라서 다소 낮은 온도에서 작동할 수도 있음을 이해하여야 한다. 전자 추출 장치(520)의 단면적은 전자 수집 장치(540) 또는 기준 전위면(1916)의 단면적보다 상당히 작으며, 결과적으로 전자 추출 장치(520)는 전자 수집 장치(540) 또는 기준 전위면(1916)의 온도를 나타내지 않을 수도 있음에 주의한다.
도 20은 본 발명이 일 실시예에 따른 전자를 발생시키기 위한 중공 캐소드를 사용하는 배기 라인의 가시를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다. E-빔 여기 장치(2000)는, 전자를 발생시키기 위한 전자 공급원의 유형과 관련한 사항을 제외하고는, 전술한 E-빔 여기 장치(1900)와 동일하다. 이에 따라, 이하에는 두 개의 여기 장치 사이의 단점만이 설명된다.
E-빔 여기 장치(2000)의 중공 캐소드 전자 공급원(2010)은 일반적으로, 전자 공급원의 프로세스 툴 단부에 추출 장치 개구(2014)를 형성하는 중공 캐소드(2015)와, 공급원의 타단에서 약간의 거리를 두고 중공 캐소드(2015)와 전기적으로 격리되어 있는 애노드(2017)를 포함한다. 공급원 챔버에 수용되어 있는 자유 전자는 중공 캐소드(2015)의 기준 전위를 나타내는 것으로 가정되며, 전자 추출 장치(520)의 10 VDC 내지 50 VDC의 추출 전극 전압이 인가됨에 따라 추출 장치 개구(2014)를 통하여 추출된다. ICP 전자 공급원(1910)을 이용하는 방식과 마찬가지로, 중공 캐소드 전자 공급원(2010)은 전자 방출 재료로서 공급원 챔버 내부로 확산되는 공정 가스를 사용하며, 중공 캐소드 유형의 전자 공급원은 전자를 발생시키는 글로우 방전을 생성하도록 하는 유형의 공정 가스 분석 기능을 갖추고 있다. 전자 방출 재료는 전기적으로 애노드(2017)에 결합되어 있는 가변 DC 전압 전력 공급부(2011)를 조절함으로써 여기된다. 전술한 예에서와 같이, E-빔(532)의 전자 밀도는 중공 캐소드 전력 공급부(2011)에 전자 수집 장치/제어부/조절부(540/560/512)를 통해 제공되는 전자 전류 피드백을 이용하여 조절된다. 중공 캐소드 전력 공급부(2011)는 애노드(2017)에 10 VDC 내지 100 VDC 사이의 전력을 가변적으로 공급한다. 작동 시에, 글로우 방전이 설정되면 중공 캐소드 전자 공급원(2010)으로부터의 전자 생성을 개시하기 위해 필요한 전압이 약간 감소될 수도 있다.
중공 캐소드 유형 전자 공급원은 전술한 ICP 유형 전자 공급원에서보다 에너지 범위가 매우 좁으며 밀도가 높은 느리게 이동하는 전자를 발생시킨다. 이러한 중공 캐소드 유형 전자 공급원을 사용할 때 나타나는 한 가지 단점은 양의 이온이 중공 캐소드의 외벽으로 견인되어 캐소드 관벽으로부터 나오는 중성 원자 형태의 비산 물질을 생성하는 점이다. 이러한 비산 물질은 중공 캐소드 밖으로 이동하여 다른 영역을 오염시킬 수 있다. E-빔 여기 장치가 배기 라인의 생성 챔버에 가까이 배치되어야만 하는 용례의 경우에는 이러한 단점을 고려하여야만 한다. 그러나, 중공 캐소드 유형 전자 공급원의 우수한 작동상의 특징으로 인해, 중공 캐소드 공급원을 사용하는 E- 빔 여기 장치의 경우 반응로 챔버로부터 멀리 위치하는 경우에도 허용 가능한 결과를 달성할 수도 있다(유출물이 질소 및 기타 펌프 가스에 보다 희석될 수도 있다).
또한, 중공 캐소드 유형 전자 공급원은 E-빔 여기 장치의 기타 다른 구성 요소를 변경함이 없이 다양한 작동 조건에 맞게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 중공 캐소드(2015)의 단부로부터 애노드(2017) 까지의 거리를 감소시킴으로써 중공 캐소드가 글로우 방전을 설정하여 중공 캐소드 내부에 자유 전자를 생성할 수 있도록 하는 최소 전압을 낮출 수 있다. 중공 캐소드(2015)의 직경을 증가시킬 경우에도, 중공 캐소드가 글로우 방전을 설정하여 중공 캐소드 내부에 자유 전자를 생성할 수 있도록 하는 최소 전압을 낮출 수 있다. 전술한 바와 같은 관계가 이해되긴 하지만, 전술한 구성들이 완벽하게 선형인 것은 아니기 때문에, 특정 작동 조건에 맞는 허용 오차를 설정하기 위하여 몇몇 시험이 필요한 수도 있다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계 방출기 어레이 유형 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다. 전계 방출기 어레이 유형 전자 공급원은 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 인용되고 있는 찰리즈 에이. 스펜드트(Charles A. Spendt)에게 1973년 8월 28일자로 허여된 미국 특허 제 3,755,704 호에 설명되어 있는 바와 같은 코로나 방전을 생성하기 위한 "스펜드트 팁(Spendt tip)" 기술을 사용한다. 전계 방출기 어레이 전자 공급원(2110)은 일반적으로, 전자 공급원 챔버(2115)의 내부에 전자를 발생시키는 전계 방출기 어레이(2117)를 포함한다. 프로세스 툴에 연결되어 있는 전자 공급원 챔버(2115)의 배기 라인 단부에는 추출 개구(2114)와 기준 전위면(1916)이 마련되어 있다. 기준 전위면(1916)은 대략 접지 기준 전위로 설정되며 전자 공급원 챔버(2115)에 기계적으로 결합되어, 전자 추출 장치(520)의 후면 및 전자 접촉을 위한 기준 전위면에 평행한 기준 전위면을 제공하는 것이 바람직하다. 전계 방출기 어레이(2117)의 일면에는 마이크로 전자 공학 제조 기술을 이용하여 미크론 크기의 팁이 형성되어 있다. 이러한 팁의 배치에 의해, 전계 방출기 전력 공급부(2111)에 의해 공급되는 비교적 낮은 DC 전압이 전계 방출기 어레이(2117)에 인가되어 높은 전위의 전기장을 발생시킬 수 있다. E-빔 여기(532)의 전자 농도는 전계 방출기 전력 공급부(2111)로부터의 음의 DC 전압을 조절함으로써 변화 가능하며, 전술한 바와 같이 전자 수집 장치(540)로부터의 피드백을 이용하여 조절될 수도 있다.
전술한 이전의 전자 공급원 유형과는 달리, 전자가 전계 방출기 어레이 전자 공급원(2110)의 전계 방출기 어레이(2117)로부터 직접 생성된다. 따라서, 이러한 유형의 전자 공급원의 경우에, 전자 방출 재료는 전계 방출기 어레이 자체이며 유출 가스가 아니다. 전계 방출기 어레이(2117)로부터 발생되는 전자의 농도는 란탄 헥사보라이드(lanthanam hexaboride)(LaB6-2.3 eV의 매우 낮은 전압에서도 작용성을 가짐)로 전계 방출기 어레이(2117)를 코팅함으로써 증가될 수도 있다. 추가적으로, 전술한 유형의 전자 공급원과 접촉한 상태에서, 전계 방출기 어레이 전자 공급원(2110)은 전자 추출 장치(520)에 의해 추출되는 공급원 챔버 내부의 자유 전자 구름을 발생시키지 않는다. 대신에, 전자가 전계 방출기 어레이(2117)로부터 바로 추출될 수도 있다. 따라서, 음의 전압 펄스를 전계 방출기에 인가하며 동시에 양의 전압을 가속 전극에 인가하여 E-빔(532)을 형성하거나, 그렇지 않고 전계 방출기 어레이(2117)와 전계 방출기 어레이 전자 공급원(2110) 내부 또는 부근의 다른 구조체 사이에 전위를 생성하여 전자를 보다 높은 전자 에너지 상태로 가속시킬 수 있다. 이에 따라, 전자 빔이 전계 방출기 어레이로부터 거의 동시에 직접 생성되기 때문에 본 방법은 전자 발생 방법론을 간소화할 수 있다. 소정 조건 하에서는 바람직하지 못한 오염 또는 방출기의 화학적 에칭이 발생할 수도 있다.
또한, 방출기 어레이 전극은 전술한 스펜드트 팁의 형태로 구성될 필요는 없다. 이러한 구성의 목적은 E-빔 발생 전극이 방출기 어레이 전극의 단부에서 작은 점 또는 점들로부터 시작된 다음 전자 추출 장치(520) 또는 기타 다른 전극에 의해 가속되도록 하는 것이다. 상기 점은 좁은 게이지의 와이어 또는 와이어들의 단부일 수도 있다. 따라서, 스펜드트 팁의 또 다른 변형예로서, 전극이 하나 이상의 와이어의 형태로 구성될 수도 있으며, 와이어의 단부 대신에, 반경이 좁은 부분이 전극으로 사용될 수도 있다. 또한, 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 전자가 음의 또는 양의 코로나 방전으로부터 얻어질 수도 있다. 양의 코로나 방전의 경우, 양의 이온을 가속시키도록 사용되는 양의 코로나 방전을 달성하기 위하여 전술한 극성이 반대로 될 수 있다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고온 캐소드 유형 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다. 고온 캐소드 전자 공급원(2210)은 일반적으로, 캐소드 DC 공급부(2211)로부터의 캐소드 전류에 응답하여 전자 공급원 챔버(2215) 내부에 열적으로 전자를 생성하는 캐소드(2217)를 포함한다. 전자 공급원 챔버(2215)는 전술한 바와 유사하게 구성되며, 프로세스 툴에 연결되어 있는 전자 공급원 챔버(2215)의 배기 라인 단부에 기준 전위면(1916)과 추출 개구(2214)가 마련되어 있다. 기준 전위면(1916)은 대략 접지 기준 전위로 설정되며 전자 공급원 챔버(2215)에 기계적으로 결합되어, 전자 추출 장치9520)의 후면 및 전자 접촉을 위한 기준 전위면과 팽행한 기준 전위면을 제공하는 것이 바람직하다. E-빔의 전자 농도는 캐소드의 온도(캐소드로 전달되는 전류)를 사용하여 제어된다. 캐소드(2217)는 전자 방출 효율을 증가시키도록 란탄 헥사보라이드(LaB6-2.3 eV의 매우 낮은 전압에서도 작용성을 가짐)로 피복될 수도 있으며, 또는 토리움 텅스텐과 같은 재료로 형성될 수도 있다. 도 22에 전자 추출 장치(520)에 의해 공급원 챔버(2215) 내부의 추출 전자가 보다 높은 에너지 상태로 변화될 수 있긴 하지만, 캐소드는 또한 도 21의 전계 방출기 어레이 전자 공급원과 관련하여 전술한 바와 같이 추출 장치와 직접 접촉할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 캐소드(2217)와 전자 추출 장치(또는 기타 다른 전자 공급원의 구성 요소) 사이의 전위치에 의해 전자가 캐소드(2217)로부터 직접 가속될 수도 있다. 소정 조건 하에서는 바람직하지 못한 오염 또는 방출기의 화학적 에칭이 발생할 수도 있다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다. 레이저 전자 공급원(2310)은 추출용 자유 전자를 생성하도록 유출 가스를 여기시키기 위하여 레이저 광자가 사용되고 있는 점에서 전술한 다른 전자 공급원과는 상이하다. 레이저 동력은 레이저 전자 공급원(2410)으로 전자 추출 장치/제어부/조절부(540/560/512)를 통해 제공되는 전자 전류 피드백을 이용하여 공급원 챔버(2315) 내부의 자유 전자의 농도를 가변적으로 조절함으로써 변할 수 있다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로파를 사용하는 전자 공급원으로부터 전자를 추출함으로써 배기 라인의 가스를 여기시키기 위한 E-빔 여기 장치의 다이아그램이다. 마이크로파 전자 공급원(2410)은 마이크로파 에너지를 사용하여 석영 챔버(2415) 내로 확산되는 유출물을 여기시킴으로써 자유 전자를 발생시킨다. 석영 챔버(2415)는 마이크로파 에너지가 공진하도록 조절 과정을 거친 마이크로파 공동(2417) 내부에 배치되어 있다. E-빔(532)의 자유 전자의 농도는 마이크로파 전자 공급원(2410)으로 전자 추출 장치/제어부/조절부(540/560/512)를 통해 제공되는 전자 전류 피드백을 이용하여 조절된다.
마이크로파 전자 공급원(2410)은 대부분의 기타 다른 유형의 전자 공급원, 특히 저압 환경과 비교하여 작동 압력 변화를 보다 잘 견딜 수 있다. 따라서, 배기 압력 라인이 보다 높으면서 비교적 안정적인 환경에서는 마이크로파 전자 공급원(2410)의 작동이 고려되어야 한다.
전술한 실시예들 중 어느 하나와 관련하여, 본 발명에서 설명되고 있는 가스 라인 E-빔 여기 장치는 하나 이상의 작동 모드로 작동할 수도 있다. 용례에 맞는 유형의 작동 모드는, 예결저를 들어, 해당 모드에서 감지되는 특정 장점 및 관찰되는 사항의 종류에 따라 선택된다. 각각의 작동 모드가 전자 공급원에 인가되는 전력 기록(2502) 그리고 전자 추출 장치에 인가되는 전압 기록(2504)으로서 도 25A 내지 도 25C에 개략적으로 나타내어져 있다.
도 25A에는 연속(CW) 작동 모드가 타이밍 다이아그램으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 가스 라인 E-빔 여기 장치 시스템은 E-빔의 전자의 밀도 및 전력 레벨의 독립적인 제어 및 조절을 허용한다. 여기서, 전자 공급원 전력(2502) 및 추출 장치 전압(2504)은 정상 상태, 연속 작동 모드로 도시되어 있다. 방출 광 관찰 결과는 E-빔 여기 장치의 작동과 무관한 주기로 적분된다. 이러한 유형의 작동 모드는 특정 에너지 레벨에서 볼 수 있게 되는 스펙트럼 발광 파장 패턴에 기초하여 개개의 표적 가스 종의 스펙트럼 프로파일을 확인하는 데에 특히 유용하다. 가스는 표적 가스 종을 형광 상태로 여기시키는 에너지 전이와 일치시키는 에너지 범위가 좁은 E-빔에 의해 여자된다.
도 25B에는 펄스 작동 모드가 타이밍도로 도시되어 있다. 궁극적으로, 본 작동 모드의 목적은 가스 분석을 위해 E-빔이 필요한 경우에만 전자를 발생시키도록 전자 공급원을 펄스 작동시키는 것이다. 여기서, 전자 공급원 전력(2502) 및 추출 장치 전압(2504)은 소정 펄스 간격으로 측정된다. 이러한 간격의 기간에 의해 작동 사이클이 결정되며, 또한 이러한 기간은 적분 횟수 및 기간, 표적 가스 종의 형광 수명, 전자 공급원, 전지 수집 장치 및 뷰포트 창의 오염도를 포함하는 여러 인자에 좌우된다. 전자 공급원을 펄스 작동시키는 것은 전자 공급원의 전원이 오프 상태인 경우에 오염도를 감소시킨다. 펄스 작동 시스템은 또한, 뷰포트 창 및 기타 다른 구성 요소의 오염도를 감소시키는데, 그 이유는 오염 물질을 생성하는 플라즈마가 활성 상태가 아닌 경우가 많기 때문이다. 추가적으로, 전자 공급원은 관찰이 필요한 경우에만, 즉 공정 상태를 평가하기 위하여 OES 신호가 필요한 경우에만 펄스 작동될 수도 있다. 여기 장치의 구성 요소가 오염될 가능성이 낮아질수록, 유지 보수 기간 및 빈도수가 감소될 수 있다. 또한, 전자 공급원의 펄스 작동은 신호 대 노이즈 비를 개선하기 위하여 후속 광도 측정 동안 활성 배경 보정을 유도하기 위한 배경 조건의 측정을 위해 E-빔이 오프 상태에 있는 비활성 주기를 제공한다.
도 25C에는 본 발명에서 설명되고 있는 E-빔 여기 장치의 다른 작동 모드 또는 보다 구체적으로 설명하자면 서브 모드가 도시되어 있다. 본 발명의 E-빔 여기 시스템은 전자의 전자 밀도 및 에너지의 독립적인 제어를 제공할 뿐만 아니라, 각각의 독립적인 가변 제어를 허용한다. E-빔의 전자 농도가 E-빔의 에너지를 변경 하지 않고서도 변경될 수 있으며, 반대로, E-빔의 에너지가 nEe를 변경하지 않고서도 변경될 수 있다.
다이아그램으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 전자 공급원 전력(2502)은 전자 공급원에 인가되는 여기 전력(SP1) 값에 일정하게 유지되는 반면, 추출 장치 전압(2504)은 추출 장치 전압 값(VP1, VP2, VP3) 사이에서 가변적으로 조절될 수 있다. 그 결과, 빔의 전자의 에너지가 추출 장치 전압이 VP1 에서 VP3 으로 변함에 따라 증가하는 동안에도 nEe는 일정하다. 이러한 유형의 작동 모드는, 서로 다른 여기 레벨에서 볼 수 있게 되는 스펙트럼 발광 파장 패턴에 기초하여 개개의 가스 종의 다중 스펙트럼 프로파일을 확인하여야 하는 경우에, 특히 유용하다. 또한, EEe 를 조절함으로써 가스 종의 존재 여부를 검출하기 위한 보다 정확한 수단이 제공된다. 대다수의 가스 종은 서로 다른 여기 에너지 레벨을 이용하여 형광성을 발휘하는 다중 전이 레벨을 갖고 있다. 표적 가스 종의 특유의 스펙트럼 서명을 형성하는 다양한 여기 에너지 레벨에서 결정되는 일련의 스펙트럼 프로파일을 확인하는 것이 가능할 수도 있다. 형광 에너지 레벨의 잠재적으로 활성의 파장이 관찰되며, 형광 패턴은 표적의 스펙트럼 서명과 일치한다.
본 발명의 E-빔 여기 장치는 빔 축선을 둘러싸고 있는 비교적 좁은 여기 영역을 따라 가스를 여기시키지만, 방출 광의 광도는 빔의 길이를 따라 균일하지 않다. 도 26은 본 발명의 실시예에 따른 배기 라인의 여기 영역을 추가로 보여주는 배기 라인 E-빔 여기 장치의 상측 단면도이다. E-빔 여기 장치는 일반적으로, E-빔(532)의 축선을 따라 정렬되어 있는 전자 공급원(510)과, 전자 추출 장치(520) 그리고 전자 수집 장치(540)를 포함한다. 또한, 방출 광을 수용하기 위한 뷰포트 창(574)에 광학적으로 결합되어 있는 광섬유(579)를 구비한 광 수집 광학체가 도시되어 있다. 광섬유의 타단은 유출물의 발광 스펙트럼을 분석하기 위한, 텍사스주 캐롤톤에 소재하는 베리티 인스트루먼트 인코포레이션에 의해 시판되고 있는 상품명 SD512NIR 분광기와 같은 방출 광 처리 장치에 결합되어 있다. 통상적으로, 뷰포트 창(574)은 배기 라인의 유출류의 이동 방향 및 E-빔의 방향과 90° (또는 그 이상의) 각도로 배향되어(즉, 도면 내로 들어가는 방향), E-빔(532)의 측면부가 창(574)에 노출되도록 되어 있다. 이러한 배향 취지는 가능한 한 E-빔(532)으로부터 멀리에 광학 표면을 유지하는 것이다.
E-빔의 에너지는 전자 추출 장치(520)에 가까울수록 커지며 전자 수집 장치(540)로 갈수록 그 길이를 따라 감소한다. 이러한 E-빔을 가로지르는 전자 에너지 변화는 빔(532)을 따라 다양한 위치에서 서로 다른 여기 상태가 나타나도록 할 수도 있다. 이에 따라, 소정 조건 하에서는, E-빔(532)을 가로질러 서로 다른 공간적 위치에서 밝은 선형 얼룩(2635)이 나타나게 된다. 생성 운전에 앞서 이와 같은 밝은 선형 얼룩(2635)의 샘플링 위치를 공간적으로 결정하는 과정을 거쳐야만 한다. 그러나, EEe가 추출 장치(520)에 인가되는 전압에 의해 제어되므로, 추출 장치 전압에 있어서의 편차는 밝은 선형 얼룩(2635)의 공간적 위치의 변위 가능성을 제공한다. 따라서, 밝은 선형 얼룩(2635)의 공간적 위치가 이들 샘플링 위치(2636)가 결정된 후 변하는 것을 방지하기 위하여 가변 전위 추출 장치 공급원은 매우 안정적인 상태로 유지되어야 한다. 또한, 동적 유동 환경 하에서는, 위치 샘플링에 적당한 밝은 선형 얼룩이 E-빔 축선을 따라 형성되기보다는 E-빔 축선의 여기 영역 하류에서 발생할 수도 있다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 배기 라인의 여기 영역을 측면에서 본 배기 라인 E-빔 여기 장치의 측단면도이다. 가스 입자 여기 시간과 가스 입자가 완화되어 광자를 발생시키는 시간 사이의 지연 시간이 입자의 형광 수명이다. 동적 유동 환경에서, E-빔(532)을 통과하여 이동하는 유출물이 여자되지만, 방출 광 플룸(2634)이 유출 이동 방향을 따라 E-빔(532)의 아래에서 운반된다. E-빔(532)과 수직 방향으로 유출류가 유동하기 때문에, 방출 광이 공간 및 시간적으로 분리되도록 할 수 있다. 뷰포트 창의 가로 세로 비율은 빔 하류에서 잘 나타나는 이러한 여기 플룸을 수용할 수 있도록 결정되어야 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 밝은 선형 얼룩(2635)이 샘플링 위치(2636)에서 E-빔(532)을 따라 결정된다. 그러나, 일부 가스 종은 E-빔(532) 하류로 소정의 거리를 두고 형광성을 나타낼 수도 있다. 이 거리는 배기 라인에서의 유출물의 속도 및 가스 종의 형광 수명과 상관이 있다. 따라서, 빔을 가로질러 에너지 레벨에 맞는 샘플링 위치를 결정하는 일에 추가하여, 샘플링 위치는 또한 유출물의 속도 및 가스 종의 형광 수명에 맞도록 유출물 유동 방향을 따라 결정된다. 이러한 현상의 특징이 도면에 개략적으로 도시되어 있다. 비교적 빠르게 형광성이 소진되는 수명이 짧은 가스 종(2702)의 경우에, E-빔(532)을 따라 짧은 수명에 해당하는 샘플링 위치(2735S)가 결정된다. 여기 시간과 형광 시간 사이의 지연 시간이 수명이 짧은 가스 종(2702)보다는 긴 중간 수명의 가스 종(2704)의 경우에, E-빔을 따라 중간 수명에 해당하는 샘플링 위치(2736M)가 결정된다. 마지막으로, 도시된 가스 종 중 지연 시간이 가장 긴 긴 수명의 가스 종(2706)의 경우에, E-빔(532)으로부터 가장 멀리 하류 위치에 긴 수명에 해당하는 샘플링 위치(2763L)가 결정된다. 이러한 현상은 신속한 가스 유동 및 펄스 전자 빔 작동에 의해 보다 현저하게 나타내어질 수도 있다.
수명이 서로 다른 가스 종에서 나타나는 모든 밝은 선형 얼룩이 도면에 도시된 바와 같이 수직선을 따라 놓여 지지는 않을 것이다. 수명이 보다 긴 가스 종의 경우에 수명이 보다 짧은 가스 종과 비교하여 E-빔을 따라 서로 다른 공간적 위치에서 에너지 레벨에 의해 여기될 수도 있다. 또한, 수명이 긴 가스 종은 또한, 다른 입자가 여기되도록 하는 다른 입자와의 비발광성 충돌을 통해 광 발생이 완화될 수 있으며 또한, 발광 공정을 통해 보다 낮은 에너지 상태로 완화될 수도 있다. 이러한 유형의 이차 여기 및 발광 공정을 수행하는데 필요한 시간은 여기 영역 하류에서 볼 수 있는 발광 현상을 야기한다. 이에 따라, 광 수집 광학체가 빔 하류 그리고 E-빔(532)을 따라 서로 다른 위치에서의 광 관찰 가능성을 높이는 구조로 형성되는 것이 중요하다. 다른 해결 방안은 뷰포인트 창을 가로질러 광학 수집 장치 어레이를 사용하는 것이다. 평가 동안, 모든 수집 장치는 광을 또는 특정 샘플링 위치에서의 광만을 모니터링할 수도 있다. 광학 수집 장치가 특정 샘플링 위치를 향해 전달되면, E-빔 여자기 작동 매개 변수가 운전 동안 또는 운전 사이사이에 표류하지 않도록 주의를 기울여야 한다. E-빔의 특징 변화, 즉 전자 에너지 또는 전자 밀도는 샘플링 위치를 변화시킬 수도 있으며 새로운 작동 매개 변수에 대해 재교정되도록 하기 위한 광학체를 필요로 한다.
광 방출 가능성이 모니터링되는 방출 광 플룸 영역이 넓은 이유는 전술한 바와 같은 배기 라인 E-빔의 기하학적 구성 때문이다. 도 28A에는 여기 장치의 전술한 기본적인 기하학적 구성이 단면도로 도시되어 있다. 도시된 기하학적 형상에서, E-빔(532)은 유출류의 방향과 실질적으로 수직 방향으로 배향된다. 전자 공급원(510)이 전자 추출 장치(520)와 실질적으로 동축으로 배기 라인의 일측에 정렬되며, 배기 라인의 반대쪽 벽에는 전자 수집 장치(540)가 위치한다. 뷰포트 창(574)이 시야 범위 이내의 배기 라인의 유출류의 방향을 가로질러 측방향으로 배향되어 있는 전자 추출 장치(540)에서 E-빔(532)이 발생된다. 이러한 기하학적 형상의 여기 장치 구성 요소의 정확한 위치는 용례에 따라 좌우되며, 예를 들어, 전자 추출 장치(540)가 전자 추출 장치(520)에 가까이 배기 라인 내부에 또는 그 반대로 배치될 수도 있음이 언급되어야 한다. 이 경우에, 다이아그램으로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 전자 추출 장치(520)와 전자 수집 장치(540) 사이의 E-빔(532)의 측방향 범위는 전자 입자 간 충돌이 발생할 수도 있는 여기 영역의 크기를 크게 증가시킨다. 또한, 바로 위에 설명된 바와 같이, 결과로서 얻어진 광 플룸으로부터의 방출 광은 배기류 하류에서 운반되어, 광 방출 가능성이 모니터링되는 영역의 크기를 확대시킨다. 모니터링 영역의 크기는 뷰포트 창을 향해 E-빔을 재배향함으로써 다소 감소될 수 있다. 이것은 E-빔 여기 장치의 기하학적 형상을 재구성함으로써 또는 뷰포트 창의 시야각을 재배향함으로써 가능하다.
E-빔 여기 장치의 기하학적 형상을 재구성하는 것과 관련하여, 도 28E 내지 도 28E에는 광 방출 가능성이 모니터링되는 영역을 감소시킬 수도 있는 여러 개의 기하학적 형상이 도시되어 있다. 도 28A 및 도 28C에는 본 발명의 여러 실시예에 따른 E-빔(532)이 유출류에 평행한 인라인 기하학적 구성을 갖는 E-빔 여기 장치가 도시되어 있다. 도 28B에는 E-빔의 전자가 유동 방향으로 배향되어 있는 기하학적 형상이 도시되어 있는 반면, 도 28C에는 여기 장치 구성 요소의 역구성, 즉 E-빔이 유동 반대 방향으로 배향되어 있는 구성이 도시되어 있다. 전술한 바와 같이 전자 추출 장치(520)와 전자 수집 장치(540) 사이의 E-빔(532)의 범위를 모니터링할 필요가 있긴 하지만, 여기 영역은 E-빔(532)의 어느 일 측의 좁은 영역에 대해 횡방향으로 구속된다. E-빔 하류의 영역을 관찰하기 위하여 뷰포트 창(574)이 수직 방향으로 연장되도록 하는 것이 필요할 수도 있다. 선택적으로, 후술하는 바와 같이, 유동 방향에 관한 뷰포트 창(574)의 시야각은 빔의 하류 영역을 보다 넓게 볼 수 있도록 증가될 수도 있다. 각각의 실시예는 많은 구성 요소가 배기 라인 내부에 구성되는 것을 필요로 한다.
도 28D 및 도 28E에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 E-빔(532)이 유출류의 유동 방향과 실질적으로 평행한 변형 인라인 기하학적 구성을 갖는 E-빔 여기 장치가 도시되어 있다. 이러한 실시예의 기하학적 형상과 관련하여, 배기 라인은 배기 라인의 외부에 구성 요소가 배치되는 "S" 또는 "U"자형(도시하지 않음) 형상을 갖는다.
통상적으로, 뷰포트 창은 가능한 한 E-빔으로부터 멀리에 광학 표면을 유지하기 위하여 배기 라인의 가스 유동 방향 및 E-빔의 방향과 90° (또는 그 이상)의 각도로 배향된다. 본 발명의 배기 라인 E-빔 여기 장치의 경우 오염원에 매우 가까이 위치하고 있기 때문에 창의 오염이 심각할 수도 있다. 따라서, 창을 보호하기 위하여, 뷰포트 창과 배기 라인 내부 사이에 다중 채널 어레이 또는 그레이트(grate)가 배치될 수도 있다. 창이 가스 라인에 노출되어 있기 때문에, 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 인용되고 있는, 본 발명의 양수인에게 양도된, "창 보호를 위한 다중 채널 어레이(Multichannel Array as Window Protection)"를 명칭으로 하는, 하베이(Harvey)의 미국 특허 출원 제 11/726,958 호에 개시된 바와 같은 다중 채널 어레이를 사용하는 방안이 특히 고려될 수 있다. 예를 들어, 뷰포트 창과 다중 채널 어레이의 사이에 창 챔버가 형성되며, 이 창 챔버의 내부에 유출 가스 또는 비활성 가스가 가압 상태로 유지된다. 채널의 개수 및 채널 개개의 크기는 공정 가스가 극도로 낮은 유량으로 배기 라인 내로 유동하여, 배기 라인 후방 여기 영역에서 생성된 오염물을 뷰포트 창에 도달하기 전에 쓸어내도록 하기에 충분하지만 배기류의 흐름을 방해하지 않는 수준으로 결정된다.
실제 사용 시에 창은 또한 여기 영역, 가스 흐름 중의 오염물 흐름, 그리고 E-빔의 빠르게 이동하는 전자로부터 멀리 배치되어야 한다. 바람직하게는, 창은 E-빔 상류로 가스 라인의 전자 공급원 배치측 상에, 즉 유출류의 방향에 대하여 90° 이상의 각도로 또한 E-빔의 방향에 대하여 90 °이상의 각도로 배치되어야 한다.
도 29A는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 방향의 빔 기하학적 형상을 갖는 E-빔 여기 장치의 창 관찰 각도 범위를 도시한 다이아그램이다. 도시된 바와 같이, 창(574)은 배기류에 대하여 90°이상의 관찰 각도를 갖고 있다. 이러한 배향 상태에 있어서, 창(574)은 E-빔의 상류에 위치하고 있다. 추가적으로, 창의 배향 각도는 전자 공급원(도시하지 않음)의 방향으로 배기 라인의 축선을 중심으로 회전될 수도 있다. 이러한 배향 상태에서는, 창(574)이 E-빔의 상류에 위치하는 한편 전자 공급원으로부터 유동하는 전자의 후방에 위치한다.
도 29B는 본 발명의 일 실시예에 따른 인라인 기하학적 형상을 갖는 E-빔 여기 장치의 창 관찰 각도 범위를 도시한 다이아그램이다. 여기서, 유출류와 E-빔의 전자 이동 방향은 반드시 동축이다. 따라서, 도시된 바와 같이, 창(574)은 배기류 및 전자의 이동 방향에 대하여 90°이상의 관찰 각도를 갖고 있다. 도 29C에 도시된 바와 같이, 유동 방향이 반대 방향인 경우는 보다 문제가 많다. 시야각은 배기류 및 전자 이동 방향과 수직 방향에 있다. 오염 물질의 상당부가 배기류 또는 유동 전자로부터 생성된 것으로 판명되면, 창(574)의 시야각은 영향을 덜 받는 방향으로, 하지만, 또 다른 요인으로 인한 오염 증가는 방지하는 범위 내에서 재배향될 수도 있다. 도 29D는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼성 기하학적 구성의 E-빔 여기 장치의 창 관찰 각도 범위를 도시한 다이아그램이다. 도시된 E-빔 여기 장치의 기하학적 형상은, 흐름이 상향류인 점을 제외하고는, 도 29B에 도시된 바와 유사하다. 여기서, 이러한 구성의 목적은 뷰포트 창(574)으로부터 반대 방향으로 유출류의 이동 방향을 전환하며, 이렇게 함으로써, 오염 물질이 창으로부터 반대 방향으로 쓸어 내어져, 창의 잔류물 축적을 감소시키는 것이다. 이러한 상향류는 창(574)을 지나쳐 다중 채널 어레이(575)를 가로질러 E-빔(532)을 향해 이동한다. 유사한 변형예의 기하학적 구성을 갖는 E-빔 여기 장치가 도 29C에 도시되어 있다.
본 발명의 배기 라인 E-빔 여기 장치의 일 장점은 특정 작동 환경에 맞는 가능한 다수의 구조적 구성으로 형성될 수 있다는 점이다. E-빔의 에너지와 빔의 전자 농도를 독립적으로 제어할 수 있는 능력과 함께, 본 발명의 여기 장치는 작동성의 희생 없이 배기 라인을 따라 다양한 위치에 배치될 수 있다. 도 30은 본 발명의 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 배치를 위한 전위 위치를 보여주는 종래 기술에 공지된 바와 같은 전형적인 반응로 배기 시스템을 도시한 다이아그램이다. 반응로 챔버(3000)에는 보통 챔버(3000)로부터의 반응 가스 및 반응 가스 생성물을 추출하기 위해 공정 가스 유입 및 배기 라인(3038)이 마련되어 있다. 보통 한 쌍의 펌프, 즉 터보 분자 펌프(3042)와 아래쪽의 러핑 펌프(3044)에 의해 진공력이 인가된다. 배기 라인(3038)에는 터보 펌프(3042) 위쪽으로 스로틀 밸브(3040)가 배치되어 펌프가 작동함에 따른 챔버(3000) 내부의 압력을 조절한다. 질소 퍼지 가스(3045)가 터보 펌프(3042) 반대 방향으로 부식성 가스를 이동시키도록 터보 펌프(3042)에 보통 장착되지만, 희석 가스 혼합물이 종종 종말점 부근에서 발생하는 유출물의 약간의 농도 변화를 방지하는 역할을 하기도 한다. 이러한 유입 가스는 특히 종래 기술의 배기 라인 플라즈마 여기 장치에서는 문제가 되며, 따라서 전술한 장치는 거의 항상 터보 펌프(3042)의 상류에 위치한다.
특정 용례용의 프로세스 툴 상의 E-빔 여기 장치(502)의 설치 위치의 선택은 항상 공학적인 절충 과정을 거쳐 이루어진다. 보통, 작동성을 확인하기 위한 몇몇 실험이 요구된다. 그 한 가지 구성 방안은 터보 펌프(3042)와 러핑 펌프(3044) 사이에 E-빔 여기 장치(502C)를 설치하는 것이다. 이러한 구성 방안의 평가 시에는, 특정 용례의 작동 환경에 가장 잘 부합하는 E-빔 여기 장치 구조만이 가능한 후보군으로 간주되어야 한다. 반복하여 설명하자면, 최적의 여기 장치 구조는 좁은 에너지 범위로 E-빔을 발생시키지만, 전자 밀도는 최대한 높을수록 좋기 때문에 높은 전자 밀도를 달성할 수 있는 E-빔을 발생시키는 구조이다. 두 개의 가능한 후보로서, ICP 전자 공급원과 중공 캐소드 전자 공급원을 사용할 수 있다. 중공 캐소드 유형 전자 공급원은 상당히 좁은 에너지 범위의 전자를 발생시키면서 높은 전자 농도를 달성할 수 있다. ICP 유형은 다소 범위가 넓은 에너지의 전자를 발생시키지만, 중공 캐소드보다 높은 전자 농도를 달성할 수 있다. 언뜻 보기에는 질소 희석 유출 가스에 대한 최선의 선택은 터보 펌프(3042) 아래에 ICP 유형 전자 공급원을 제공하는 것인데, 그 이유는 ICP 공급원으로부터 농도가 보다 높은 E-빔 전자를 얻을 수 있는 보다 높은 방출 광도를 얻을 수 있기 때문이다. 그러나, 중공 캐소드의 극도로 좁은 전자 에너지 범위는 표적 가스 종의 검출, 예를 들어, 종말점 검출이 보다 용이해지도록 할 수도 있다. 이러한 환경에서는, E-빔 여기 장치(502)로서는 중공 캐소드 전자 공급원이 아마 최상의 선택이 될 것이다. 또한, E-빔 밀도와 에너지를 독립적으로 제어하는 능력이 이러한 환경에서는 결정적이므로, E-빔 여기 장치의 구조는 바이어스 전압을 갖는 전자 수집 장치를 구비하여야 한다. 터보 펌프(3042) 하류 진공 환경에서의 압력 요동은 문제가 되며 관심을 끄는 광도 변화를 차폐할 수도 있다. 본 발명의 E-빔 여기 장치에 의하면, 그러나, 압력 보정 기준 전자 전류를 사용하여 방출 광의 광도를 표준화할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 모호해질 수도 있는 방출 광의 광도 변화가 검출 가능해진다. 따라서, E-빔 여기 장치 구조에는 압력에 맞는 압력 보정 기준 전자 전류를 표시하기 위한 배기 라인 압력 센서가 포함되어야 한다.
최선의 바람직한 E-빔 여기 장치 후보 구조가 일 위치에서 작동 불가능하다면, 예를 들어, 종말점이 검출될 수 없다면, 작동 환경에 맞는 차선책의 E-빔 여기 장치 후보 구조가 모든 가능한 실패 원인에 대하여, 예를 들어 압력 요동 및 질소 희석에 대하여 분석되어야 한다. 배기 라인의 해당 위치를 포기하기 전에, 차선책의 E-빔 여기 장치 후보 구조가 평가될 수도 있다. 해당 위치에서 작동 가능한 E-빔 여기 장치 구조가 확인될 수 었다면, E-빔 여기 장치는 프로세스 툴 또는 펌프 시스템 범위 이내의 보다 나은 위치로 재배치되어야 한다.
E-빔 여기 장치(502B)를 반응로 챔버(3000)와 스로틀 밸브(3040) 사이의 진공 환경에 배치할 경우, 상기 영역에서의 보다 우수한 진공 압력 제어가 가능하다는 장점이 있으며, 또한, 가스 혼합물이 반응로 챔버(3000)를 나오기 전에 웨이퍼로부터 센서를 통과하여 유동함에 따라 변화가 거의 없다는 장점이 있다. 다시 반복하자면, 해당 위치에서 작동 환경에 맞는 최선의 E-빔 여기 장치 구조가 고려되어야만 한다. 전술한 바와 동일한 이유로, ICP 유형의 E-빔 여기 장치보다는 중공 캐소드 유형 E-빔 여기 장치가 최선의 선택인 것으로 여겨진다. 그러나, 중공 캐소드 유형 공급원은 재료의 비산을 유발하여, 반응로 챔버(3000)의 오염을 야기할 수도 있다. 이와 같은 점이 우려되는 상황에서는, E-빔 여기 장치(502)는 ICP 전자 공급원을 채용하여야 한다.
또한, E-빔 여기 장치(502A)는 또한, 본 명세서에 설명된 바와 동일한 방식으로 유출물인 공정 가스를 분석하기 위해 반응로 챔버의 일측 또는 공정 가스 유입 라인에 배치될 수도 있다. 선택적으로, 처리 시스템의 포괄적인 화학적 분석을 위해, E-빔 여기 장치(502A)는 공정 가스 라인 또는 반응로 챔버 내부에 배치되고, E-빔 여기 장치(502B 또는 502C)는 배기 라인에 배치될 수도 있다. 기타 다른 조합도 가능하다.
E-빔 여기 장치(502)는 배기 라인(3038)에서의 위치와 상관없이 유사한 작동을 보인다. E-빔 여기 장치(502)가 적소에 배치되는 경우, 화학 공정의 각각의 순수 가스 성분의 E-빔 시뮬레이션 방출 스펙트럼이 전체 여기 에너지 범위에 걸쳐 포착되어야 한다. 서로 다른 가스 종으로부터 광 방출은 서로 다른 E-빔 여기 에너지에서 발생한다. 스펙트럼의 각각의 형광 발광 선을 생성하는 여기 E-빔 에너지가 가스 종의 발광 "서명"에 추가된다. 예를 들어, 1) 일 가스의 경우에, 파장(A)의 방출 광이 낮은 여기 에너지에서 생성되며, 2) 파장(A, B)의 방출 광이 중간 여기 에너지에서 생성되고, 3) 파장(B, C)의 방출 광이 높은 여기 에너지에서 생성되는 한편 파장(A)의 방출 광이 약한 여기 에너지에서 생성된다. 이러한 가스의 스펙트럼 사인은 각각의 여기 에너지에서의 스펙트럼의 조합이다. 다양한 에너지 상태의 서로 다른 가스 입자 사이의 에너지 전이로 인해, E-빔 여기 에너지와 혼합물에 대한 스펙트럼 사이의 상호 작용은 매우 복잡할 수 있으며 혼합물의 약간의 변화에도 매우 민감하다.
전자 빔의 에너지를 독립적으로 제어하는데 따른 유용성이 도 31A에 도시된 바와 같은 가스 종의 그로티안(Grotian) 다이아그램을 사용한 설명을 참조하여 보다 잘 이해될 것이다. 원자 또는 분자의 에너지 상태는 아이템의 개수에 좌우된다. 대부분의 경우에, 입자의 막대한 부분은 접지 상태에 있다. 본 다이아그램에서, 바닥이 접지 상태를 나타낸다. 전자는 입자의 에너지 상태를 접지 상태로부터 광자를 방사할 수 있는 여기 상태까지 끌어올리기 위해 충분한 에너지를 필요로 한다. 이러한 시스템은 종종 에너지가 다수의 중간 여기 상태를 거쳐 접지 상태로 떨어지는 상황을 경험하게 된다. 방사 광자의 에너지(예를 들어, 파장)는 각각의 입자의 에너지 상태 사이의 에너지 차이와 같다. 따라서, 형광 광자 에너지는 충돌 전자의 에너지보다 작아야 한다. 또한, 입자의 소정 에너지 상태 및 그에 따라 광자의 소정 파장(색상, 주파수, 에너지)에 도달하기 위해서는, 충돌 에너지가 전술한 크기 이상의 값을 가져야만 한다. 이것은 광자의 방출이 전자 빔의 여기 입자의 에너지 상태에 직접 좌우됨을 의미한다.
입자를 강타하여 입자를 여기 상태로 밀어 내는 전자의 '단면'은 양적 역학과 상관이 있다. 단면은 최소 값보다도 낮은 에너지를 갖고 있어 여기 현상이 발생할 수 없다. 종종, 관심이 있는 여기 레벨과 관련하여, 이러한 최소 값은 대략 10eV 이지만, 변할 수도 있다(도 31B 참조). 이러한 단면은 종종 최대 50 eV 내지 100 eV 까지 에너지가 증가한다. 낮은 에너지 상태로부터 소망하는 여기 상태의 에너지 상태로 밀려가게 되는 에너지의 개수를 설정함에 있어 이러한 단면이 중요하며, 여기 에너지 상태에 따라 단면이 주어진 파장(에너지, 색상, 주파수)을 방사할 수 있다.
도 32에 도시된 여기 장치에 대한 타이밍 시퀀스(timing sequence)의 설명을 참조함으로써 본 발명의 배기 라인 E-빔 여기 장치가 보다 완벽하게 이해될 수 있을 것이다. 긴 시리즈의 샘플링 중 세 개의 여기 시리즈가 도시되어 있다. 다이아그램의 최상측 섹션에는 E-빔의 에너지를 나타내는 E-빔 에너지(3202)가 도시되어 있다. 수직 높이는 분석하고자 하는 가스에 전달되는 전자 빔 에너지에 대응한다. 바로 아래 다음 섹션에는 전자 공급원에 인가되는 여기력을 나타내는 전자 공급원 전력(3204)이 도시되어 있다. 제 3 레벨에는 전자가 수집 장치를 강타할 때에 이에 응답하여 전자 수집 장치에 의해 생성되는 전자 전류(3206)와 기준 전자 전류(3208)가 도시되어 있다. 제 2 여기 시리즈는 기준 전자 전류(3208)보다 높은 기준 전자 전류(3218)를 사용하며, 제 3 여기 시리즈는 보다 더 높은 기준 전자 전류(3228)를 사용한다. 아래에서부터 두 번째 섹션에는 E-빔의 에너지를 조절하기 위하여 추출 장치 전극에 인가되는 추출 장치 전압(3210)이 도시되어 있으며, 최하측 섹션에는 수집 장치 바이어스 전압(3212)이 도시되어 있다. 일 작동 사이클은 t1 에서 t1 까지이다.
t1 이전에, 전자 공급원 및 전자 추출 장치 또는 전자 수집 장치에 어떠한 입력 사항이 없고 또한 전자 공급원 전력(3204), 추출 장치 전압(3210) 그리고 수집 장치 바이어스 전압(3212)이 모두 각각의 영점 상태에 있다면 여기 장치는 반드시 오프 상태이어야 한다. 이에 응답하여, E-빔 에너지(3202)도 오프 상태이며, 어떠한 전자도 전자 수집 장치를 강타하도록 되어 있지 않으며, 또한 전자 전류(3206)도 제로 상태에 있다. 각각의 에너지 레벨은 두 개의 부분으로 분할되는데, 보다 구체적으로 설명하자면 안정화 구간이 우선 발생하고 E-빔이 안정화된 후 이어서 수집 구간이 발생한다. 안정화 구간에서는, 전자 농도 제어부가 수집 장치 전극을 판독한 다음 기준 전자 전류를 발생시키도록 전자 공급원 전력에 대해 정밀한 피드백 조절을 수행한다. 이러한 조절에 의해 전자 공급원 내부의 전자의 농도 변화가 이루어져 전자 빔 전류가 제어된다. 빔 전류가 안정화된 후, 표적에 대한 스펙트럼이 수집된다. t1 에서, 전자 공급원에 여기력이 인가되며, t1 과 t2의 사이 구간에서 전자 공급원 전력(3204)이 안정화된다. t2 에서, 추출 장치 전극과 전자 수집 장치에 전압이 인가되어, 추출 장치 전압(3210) 및 수집 장치 바이어스 전압(3212)이 모두 증가하게 된다. 전자 발생 장치에 인가되는 여기력과 추출 장치에 인가되는 전압에 의해, E-빔 에너지(3202)에서 E-빔이 발생한다. 이러한 E-빔의 형성에 의해, 전자가 추출 장치 전극을 강타하도록 되어 전자 전류(3206)가 증가하지만, 기준 전자 전류(3208)에는 못 미치는 수준이다. t1 과 t2 사이의 주기는 소정의 전자 농도와 함께 일 설정 레벨에서 안정적인 전자 에너지를 갖는 빔을 생성하기 위한 E-빔 여기 장치의 안정화 구간이다. 전자 전류(3206)가 기준 전자 전류(3208)와 같아지면 상기와 같은 농도를 얻을 수 있다. 낮은 전자 전류(3206)에 응답하여, 전자 전류(3206)가 기준 전자 전류(3208)와 같아질 때까지 전자 공급원 전력(3204)이 증가된다. 이 상태에서, E-빔 에너지(3202)는 제 1 에너지 레벨에 있으며, 수집 구간이 t3 에서 시작되어 t4 까지 계속된다. 수집 구간 동안, 전자 농도 제어부는 전자 전류 정보 수집을 지속적으로 수행하여 전자 공급원 전력(3204)을 계속 조절할 수도 있다.
전술한 시퀀스가 t4 과 t6 사이에서 반복되지만, 이 경우 추출 장치 전압(3210)이 증가하여(수집 장치 바이어스 전압(3212)과 함께), E-빔 에너지(3202)가 보다 높아진다. t4 직후 전자 전류(3206)가 기준 전자 전류(3208)를 초과하게 되며, 전자 전류(3206)가 기준 전자 전류(3208)와 일치할 때까지 전자 농도 제어부는 전자 공급원 전력(3204)을 감소시키는 것에 주목하여야 한다. 전자 전류가 증가할 때마다 EEe가 증가할 것으로 예상된다. 추출 장치 전극에 인가되는 전압이 증가함에 따라, 전위가 증가하여 전자 공급원의 공급원 챔버로부터 보다 많은 전자를 견인하게 됨으로써, E-빔의 전자 농도가 증가하는 것이다. 밀도 변화는 전자 전류에 반영되며, 전자 농도 제어부가 E-빔의 밀도를 이전의 전자 농도로 복귀시키기 위해 사용한다.
이러한 특정 작동 사이클은 네 개의 E-빔 에너지 레벨을 구비한다. t10 에서, E-빔이 오프 상태로 절환되며 E-빔 에너지(3202)가 제로 상태로 복귀한다. t10 과 t1 사이의 시간에, 음의 바이어스 전압이 수집 장치 전극에 인가되는 것에 주목하여야 한다. 이 전압이 양의 바이어스 전압으로 견인되었던 오염물을 쫓아내어 전극의 표면으로부터 증착물을 청소하는 역할을 한다. 또한, 전술한 바를 상기해 보면, 전자 추출 장치는 메쉬 스크린 또는 유사한 구조를 갖추고 있다. 오프 주기 동안, 전자 공급원 챔버 내부의 오염물은 배기 흐름 내로 떠내려갈 수도 있다. 이러한 현상은 작동 사이클 중 오프 부분 동안 추출 장치에 인가되는 전압을 상당히 낮게 유지함으로써 다소 감소될 수도 있다.
제 2 여기 시리즈는, 기준 전자 전류(3218)가 보다 높다는 점을 제외하고는, 제 1 전자 시리즈와 동일하다. 전자 농도 제어부는 전자 전류(3206)가 기준 전자 전류(3218)와 일치할 때까지 전자 공급원 전력(3204)를 조절하여, E-빔이 보다 높은 전자 농도를 갖도록 한다. 제 3 여기 시리즈에서는 보다 더 높은 기준 전자 전류(3228)가 적용된다. 전자 농도 제어부는 다시 전자 전류(3206)가 기준 전자 전류(3228)와 일치할 때까지 전자 공급원 전력(3204)를 조절하여, E-빔이 보다 더 높은 전자 농도를 갖도록 한다.
전자 농도 제어부가 전자 전류로부터의 피드백을 이용하여 E-빔 전류를 안정화시키는데 필요로 하는 시간은 10~20 밀리초 정도이다. 그 결과, 사단계로 이루어진 전체 측정 세트가 1초 미만의 시간 내에 완료될 수 있다. 따라서, 전체 실험은 세 개의 서로 다른 전자 전류에서 네 가지 레벨의 전자 에너지를 3초 미만의 시간 내에 달성하도록 설계되어 있다. 일부 종말점 용례에서는 3초 마다의 샘플링이 너무 느리지만, 공정 모니터링을 위해서는 너무 느린 것이 아니다. 그러나, 짧은 시간 내에 막대한 양의 정보를 수집하는 것은 다소 복잡한 샘플링 시퀀스를 필요로 한다. 종말점 검출에 이러한 복잡성이 필요하다는 증거는 없다. 부분 최소 제곱법(PLS) 모델링은 전술한 바와 같은 E-빔 센서가 생성할 수 있는 풍부한 다차원 스펙트럼 데이터의 분석 방법과 관련한 우수한 후보인 것으로 보여진다. 생성 스펙트럼 상의 빔 전류와 전자 에너지의 상호 관련성을 설명하는 PLS 모델을 구축하는 것은 솔직히 간단한 일이다.
도 33에는 도 32의 여기 시리즈에 대응하는 네 개의 가능한 적분 패턴이 도시되어 있다. 적분 패턴(3304)의 경우, 각각의 수집 구간, t3-t4, t5-t6, t7-t8, 그리고 t9-t10 동안 광도 데이터가 수집된다. 광도 데이터는 또한, 적분 패턴(3306)으로 도시된 바와 같이 전체 에너지 주기, 즉 t2-t4, t4-t6, t6-t8, t8-t10에 걸쳐 수집될 수도 있다. 선택적으로, 광도 데이터는 적분 패턴(3308)으로 도시된 바와 같이 전체 여기 시리즈, 즉 t2-t10 에 걸쳐 적분될 수도 있다. 이들 데이터는 긴 수명의 가스 종 또는 준 안전성의 가스 종으로부터의 잔광을 모니터링 하거나 배경 노이즈 조건을 평가함에 있어 유용하다.
E-빔 여기 장치와 관련하여, 어느 에너지 상태로부터 보다 낮은 에너지 상태로의 방출 광 완화를 경험한 여기 가스 종에 의해 방출되는 광의 세기는 가스 종을 여기시키는 E-빔의 전자 밀도 및 EEe와 상관성이 있다. 표적 가스 종을 검출하기 위한 최적의 기술은 표적 가스 종을 보다 높은 에너지 상태로 여기시키는데 필요한 에너지보다 약간 높은 평균 전자 에너지에서 좁은 전자 에너지 분포를 가지는 고농도의 전자로 이루어진 E-빔을 방출하는 것이다. 추출 장치 전극에 인가되는 전압이 전하 및 이에 따른 E-빔의 평균 전자 에너지를 결정하게 된다. 완화 기간 동안 좁은 파장의 광을 방출하는 표적 가스 종을 특정 에너지 상태로 여기시키는 전압의 범위를 구하기란 다소 어렵다. 필요한 전압의 양은 많은 인자로 인해 변하게 되며, 따라서, 장치와 특정 용례, 즉 추출 장치 전압은 각각의 용례의 특정 여기 장치에 맞게 결정되어야 한다. 특정 용례의 추출 장치 전압 범위를 형성하기 위해서는 교정 운전이 필요하다.
교정 운전의 취지는 다음과 같은 두 가지로 구분할 수 있는데, 가스 종, 특히 표적 가스 종의 발광 파장의 스펙트럼 프로파일을 확인하는 것과 특정 파장을 방출하도록 가스 종을 여기시키기 위한 최적의 추출 장치 전압을 결정하는 것이다. 이러한 공정은 각기 특유의 추출 장치 전압에서 여기되는 복수 개의 스펙트럼 프로파일로 이루어지는 가스 종의 독특한 스펙트럼 신호를 확인하도록 반복 수행될 수 있다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 방출 광을 생성하기 위한 최적의 추출 장치 전압(b+ sp1)을 결정하기 위한 일 교정 여기 시리즈를 도시한 타이밍 다이아그램이다. 최상측 섹션에 E-빔 에너지(3402)가, 그 다음 섹션에 추출 장치 전압(3404)이, 그 다음 아래 섹션에는 OES 적분 간격(3410)이, 그리고 최하측 섹션에는 파장(λ1)에서 방출되는 광의 세기(Iλ1)(3412)가 도시되어 있다. 우선, E-빔의 전자 농도가 충분히 높아 검출 장치에 의해 용이하게 검출될 수 있어야 하며 전체 교정 운전 동안 일정하게 유지되어야 하고, 또한 적분 시간이 빔의 전자 농도에 따른 광을 검출하도록 선정되어야만 함을 이해하여야 한다. 적분 시간은 짧은 것이 보통 보다 바람직한데, 그 이유는 소정 주기 동안 보다 많은 측정이 이루어질 수 있기 때문으로, 전자 밀도가 높은 E-빔이 일반적으로 바람직하다.
교정 동안, 변화하는, 즉, 상승 및 하강하는 E-빔 에너지(3402)로 이루어지는 여기 시리즈가 t1 내지 t15 사이에 도시된 바와 같이 추출기 전압(3404)에 대응하여 변화하는 방식으로 발생된다. 이에 응답하여, 파장(λ1)을 생성하도록 가스 종을 여기시키기 위해 필요한 여기 에너지가 통과함에 따라 광의 세기(Iλ1)(3412)가 변한다. 통상적으로, 광의 세기(Iλ1)(3412)는 추출 장치 전압(3404)이 증가함에 따라 제로 상태로부터 증가하며, 이후 다시 제로 상태로 감소한다. 최대 선형 광도 값은 보통, t5 내지 t9 사이의 구간에 도시된 바와 같이 추출 장치 전압(3404)의 증가가 광도의 상당한 변화를 초래하지 않는 가스 종의 경우에서 확인될 수 있다. 파장(λ1)의 방출 광을 생성하도록 가스 종을 여기시키기 위한 전자 에너지를 갖는 E-빔을 발생시키기 위한 최적의 추출 장치 전압(b+ sp1)은 최대 선형 광도 값의 중간 지점이다. 시간이 지남에 따라 발생할 것으로 예상되는 추출 장치 전극의 감소 효율을 보상하기 위하여 최적의 추출 장치 전압은 이 중간 지점보다 약간 높게 설정될 수도 있다. E-빔 에너지(3414)는 t21 내지 t22 사이의 구간을 참조하여 알 수 있는 바와 같이 검출용 파장(λ1)을 생성하도록 표적 가스 종을 여기시키기 위해 최적의 추출 장치 전압(3416)으로부터 생성되는 E-빔의 최적의 에너지(EE)를 나타낸다. 동시에 최적의 수집 장치 바이어스 전압(b+ si1 + a)(3418)이 또한 수집 장치 전극에 인가될 수도 있다.
이상적으로는, E-빔의 에너지 분포는 파장(λ1)에서 방출 광의 완화를 경험하기 위해 필요한 에너지 상태로 표적 가스 종만을 여기시키기에 충분한 정도로 좁아야 한다. 최적의 추출 장치 전압(3416)이 평균 전자 에너지의 E-빔을 생성하는 것을 가정할 경우, E-빔의 전자 공급원의 이상적인 에너지 분포는 최대 선형 광도 값에 걸친 광도를 생성하는 에너지 분포보다 넓지 않아야 한다. 에너지 분포가 보다 넓다는 것은 에너지 낭비를 의미한다.
EEe 와 관련하여 또한 설명하자면, 추출 장치 전압을 강화시키는 방식으로 최적의 EEe 를 갖는 E-빔을 항상 발생시키지는 못할 수도 있음을 이해하여야 한다. 추출 장치 전압이 가스 종에 맞는 최적의 추출 장치 전압(b+ si1)(3416)에 설정될 수도 있다 하더라도, 파장(λ1)의 광을 방출시키도록 표적 가스 종을 여기시키기 위한 최적의 전자 에너지를 갖는 E-빔이 초래하지 않을 수도 있다. 이러한 조건은, 예를 들어, 추출 장치 전극 상의 증착물 형성 또는 추출 장치 전압 공급에 있어서의 편차를 발생시킬 수도 있다. E-빔의 전자 에너지가 적절한 파장의 광을 방출하기 위한 최적의 에너지 상태에 있음을 확인하기 위한 일 방법은 수집 장치 바이어스 전압을 대조 표시 수단으로서 사용하는 것이다. 확인 절차에 대해서는 다이아그램의 t16 내지 t20 사이에 도시되어 있다. 초기에, 추출 장치 전압에서의 최적의 EEe는 수집 장치 바이어스 전압으로부터 결정된다. 교정 운전 동안, 전자 공급원에 전력이 공급되어 최적의 추출 장치 전압(b+ si1)(3416)이 추출 장치 전극에 인가된다. 또한, 수집 장치 바이어스 전압(b+ si1 + a)이 수집 장치 전극에 인가될 수도 있지만, 여기서 그 취지는 E-빔의 전자 에너지(n)와 동일한 음의 바이어스 값으로 수집 장치 바이어스 전압(3406)을 조절하여 E-빔의 전자 흐름을 정지시키는 것이다. 본질적으로, 수집 장치 바이어스 전압(3406)은 전자 수집 장치에 의해 발생되는 전자 전류가 제로가 될 때까지 감소한다. 이 상태에서, 음의 수집 장치 바이어스 전압(3424)은 E-빔의 최적의 EEe와 정확히 동일하다. 음의 수집 장치 바이어스 전압(3424) 값이 기록되어, 필요할 때마다 이 바이어스 값이 E-빔이 가스 종을 여기시키기 위한 최적의 EEe 상태에 있는지를 확인하도록 사용될 수 있다. 에너지 상태의 확인 동안, 예를 들어, 생성 운전 중에, 수집 장치 바이어스 전압은 음의 수집 장치 바이어스 전압(3424)으로 설정되며 추출 장치 전압은 전자 수집 장치에서 전자 전류가 발생하지 않을 때까지 조절된다. 이 시점에서, 추출 장치 전압은 최적의 에너지 레벨의 전자를 생성하도록 설정된다. 수집 장치 바이어스 전압은 이후 최적의 수집 장치 바이어스 전압(3418)으로 증가되며, 전자 전류의 검사가 이루어지고, 전자 공급원에 인가되는 여기력은 OES 측정을 수행하기 이전에 필요한 경우 조절된다.
전술한 바와 같이, 종래 기술의 배기 라인 플라즈마 여기 장치의 일 단점은 배기 라인 압력 변화를 다룰 수 있는 능력이 없다는 점이다. 본 발명의 배기 라인 E-빔 여기 장치의 피드백 시스템은 E-빔의 전자 농도를 조절하는 방식으로 압력 변화를 보상하기에 충분할 정도로 정교한 시스템이다. 또한, 이러한 보정 작업이 대략 실시간으로 수행될 수 있어, 유효 적분 사이의 지연 시간을 최소화할 수 있는 것으로 예상된다.
도 35는 본 발명의 E-빔 여기 장치의 압력 피드백 보상 태양을 나타내는 타이밍 다이아그램이다. 이러한 피드백 조절은 일차적으로 전자 농도 제어부의 책임으로, 전자 농도 제어부는 전자 수집 장치로부터 전류 정보를 그리고 배기 라인 상에 위치한 압력 센서로부터 압력 정보를 수신한다. 최상측에는 E-빔 에너지(3502)가, 다음 섹션에는 압력 센서로부터의 압력(3504)이, 그리고 그 다음 아래 섹션에는 교정에 사용되는 광도(3506)와 상대 광도(3508)가 도시되어 있다. 그 아래 섹션에는 세 가지 결과 값, 즉, 전자 수집 장치로부터의 전자 전류(3516)와, P1 기준 전류(3512)와 P2 기준 전류(3514)를 포함하는 두 개의 압력 보정 기준 전자 전류가 도시되어 있다. 또한, 최하측 섹션에는 OES 적분 간격(3518)이 도시되어 있다.
E-빔의 전자 농도의 조절은 전자 농도 제어부의 책임이다. 전자 농도 조절의 목적은 E-빔 여기 장치가 재현 가능한 광도 결과 값을 얻을 수 있도록 하는 것이다. 이와 같은 목적은 전자 수집 장치에 도달하는 전자를 샘플링하고 기준 표준 값으로 계수된 전자와 비교하여 달성될 수 있다(전자 농도 제어부에는 기준 전자 계수 값과 비교되는 수집 장치로부터의 전자 전류 값이 수신된다). 전자 공급원에 인가되는 전력을 변경함으로써 밀도 조절이 이루어지며, 또한 이러한 밀도 조절에 의해 전자 전류가 기준 전자 전류로 조절된다. 또한, 광도 변화가 유출물 중의 표적 가스 종의 농도 변화에 기여할 수 있다. 유출물의 압력 변화는 또한, 광도 변화를 초래하며, 또한 광도 변화를 차폐시키는 경우 이러한 압력 변화를 전자 전류로부터 검출할 수 없다. 압력 변화를 보상하기 위한 일 수단은 압력에 맞춰 전자 농도를 조절하는 것이다(즉, 전자 공급원 전력을 조절). 이것은 직면하게 될 생성 압력 범위에 맞춰 미리 복수의 압력 보정 기준 전자 전류 값을 결정할 경우 가능하다. 도 35의 타이밍 다이아그램에는 압력 보정 기준 전자 전류가 결정되어 사용되는 방식이 증명되어 있다. 이와 같이, 본 다이아그램의 태양에는 교정 운전과 생성 운전이 나타내어져 있다.
교정 운전 동안, 안정적인 압력(P1)의 시험 가스가 사전에 정의된 에너지 상태의 안정적인 농도의 전자로 이루어진 E-빔에 의해 여기된다. 그 결과, t2 내지 t3 사이에서 상대 광도(3508)와 동일한 레벨의 광도(3506)가 생성된다. 기준 전류(P1)(3512)는 해당 압력에 맞춰 파악된다. 그러나, 압력은 이후 예를 들어 P2로 변경되고 이러한 시퀀스는 반복되는데, 압력 변화로 인해 광도(3506)가 변하므로, 이와 같이 변한 광도는 조절에 앞서 상대 광도(3508)로 다시 조절되어야 하기 때문이다. 일단 안정화된 후에는, P2 기준 전류(3514)가 t8 내지 t9 사이의 압력(P2)에 맞춰 기록된다. 적절한 압력 증강을 나타내는 모든 가능한 생성 압력 범위에 걸쳐 전술한 바와 같은 교정 시퀀스가 반복되며, 대응하는 압력 보정 기준 전자 전류가 또한 기록된다. 교정 공정은 에너지 상태 마다 반복될 수도 있는데, 그 교정 값은 각각의 에너지에 대해 기록된 압력 보정 기준 전자 전류가 유효한지를 확인하도록, 또한 유효하지 않다면 해당 에너지에 대해 새로운 압력 보정 기준 전류가 기록되도록 생성 운전 시에 사용된다.
생성 운전 시에, E-빔 여기 장치는 교정 운전과 동일한 전자 농도 및 사전에 정의된 에너지 상태를 갖는 빔을 생성한다. 전자 농도 제어부에 의해 압력이 예를 들어, P1으로 감지되며, 적절한 P1 기준 전류(3512)가 이용된다. 전자 전류(3516)가 이 P1 기준 전류(3512)와 일치하도록 전자 공급 전력이 조절된다. 이후, 광도 정보가 수집될 수 있다. 작동 압력 변화는 예측 불가능하며, 따라서, 전자 농도 제어부는 또한, 압력 변화로 인해 신뢰할 수 없는 적분 값은 무시하는 기능을 갖추고 있다. 예를 들어, t2에서 시작된 측정 값은 t5 값까지 적분되어야 하지만, 압력 변화가 검출됨에 따라 t4 에서 종결되었다. 전자 농도 제어부가 압력 변화를 검출하고나면, 새로운 압력에 대한 기준 전류가 이용되며 새로운 여기 시리즈가 개시된다. 이 새로운 여기 시리즈는 제 1 여기 시리즈로서 t6 내지 t9 사이에 도시되어 있다. t4 내지 t9 사이의 압력 변화에 대한 전체 피드백 응답이 도시되어 있다. 제 2 여기 시리즈는 전자 농도 제어부에 의해 압력 강하가 감지되는 역전(revere) 경우를 나타낸 것이다.
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른 E-빔 여기 장치의 여러 작동 모드를 도시한 타이밍 다이아그램이다. t1 내지 t7 사이의 시퀀스는 도 32 및 도 33을 참조하여 설명된 바와 같은 가변 전자 에너지 모드를 나타낸다. 광도(3612 내지 3620)는 파장(λ1~λ5)에 대한 여기 시퀀스에 따른 예시의 광도 판독 값(Iλ1~Iλ5)이다. 시간(t5)에서의 광도(Iλ4)가 허용 가능한 신호 대 노이즈 한계치 아래로 낮음에 주목하여야 한다. 광도를 증가시키기 위한 일 방안은 시리즈 전체에 걸쳐 전자 공급원 전력(3606)을 증가시키는 것이다. 그러나, 이러한 일 예의 설명을 위해, 전자 공급원 전력(3606)을 증가시키는 것은 검출 장치의 범위를 능가하여 다른 파장의 광도를 예를 들어, 광도(Iλ3)로 증가시킬 수도 있어, 사용 가능한 광도 정보가 포화 상태에 이르도록 하는 결과를 초래한다. 따라서, E-빔의 농도가 EE와 독립적으로 제어될 수 있기 때문에, E-빔 에너지(3602)는 일정하게 유지될 수 있으며, 전자 공급원 전력(3606)이 증가되어, 보다 높은 전자 밀도(3602)와 보다 높은 광도 판독 값(Iλ1~Iλ5)이 얻어짐에 따라, 광도(Iλ3)(3616)에 대한 SNR이 개선된다. 다중 전자 밀도로부터 광도를 수집하기 위한 E-빔 여기 장치의 교정 절차 또한 도 32 및 도 33을 참조하여 설명되어 있다.
t10 내지 t13 사이의 제 2 여기 시리즈는 규칙적인 수집 간격 이전에 발생하는 규칙적인 안정화 구간을 갖는 규칙적인 여기 주기를 나타내며, 다시 말해 안정화 구간의 기간이 미리 결정되며 작동 사이클 주기가 이를 기반으로 결정되어 있다. 이것은 데이터 수집을 위한 복잡하지 않은 방안이긴 하지만, 아무래도 다소 시간적으로는 비효율적일 수도 있다.
t13 내지 t25 사이의 제 3 여기 시리즈는 적응성 안정화 구간을 갖는 여기 시리즈를 나타내고 있다. 규칙적인 수집 구간의 기간은 적분 과정과 상관성이 있으며 따라서 단축은 불가능하다. 반면에, 안정화 구간의 기간은 측정에 앞서 E-빔 여기 장치를 안정화시키도록 사용된다. 수집 장치 전류는 전자 전류가 기준 전자 전류와 일치되고 나면 E-빔 여기 장치가 안정화됨을 나타낸다. 안정화 기간이 비교적 짧다면, 수집 구간이 즉각적으로 개시될 수 있다. 시리즈 CYC1, CYC2 및 CYC3는 적응성 안정화 구간의 효율을 증명하고 있다. CYC1 동안, 전자 수집 장치 전류(3622)는 t14에서 기준 전류(3624)와 일치하며 수집 구간이 즉각적으로 시작될 수 있음에 주목하여야 한다(다이아그램에서는, 추출 장치 전위가 바로 샘플링될 수 없기 때문에 지연 주기(t14 내지 t15)가 추출 장치 전위가 안정되었는지를 보장하도록 적용되고 있다). 이러한 모드의 장점은 CYC1, CYC2 및 CYC3 동안의 주기를 비교함으로써 분명해진다.
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 여기 에너지 레벨에서의 여기 형광 현상을 검출하기 위한 일반적인 방법을 보여주는 순서도이다. 해당 공정은 예정된 전자 밀도(nE)와 에너지(EEe)를 갖는 E-빔을 발생(단계(3702))시켜 이 E-빔을 예를 들어, 반응로 공정으로부터의 유출 배기 흐름을 향해 전달(단계(3704))함으로써 시작된다. 다양한 파장에서 발생하는 형광 가스 종의 E-빔을 둘러싸고 있는 여기 영역이 모니터링된다(단계(3706)). E-빔 에너지가 다른 파장 또는 가스 종을 검출하기 위해 조절되어야 하는지가 결정된다(단계(3708)). 조절이 필요하다면, E-빔 에너지의 조절이 이루어지며(단계(3710)) 이후 공정은 다음 측정을 위해 단계(3706)로 되돌아간다. 조절이 필요하지 않다면, 공정은 측정을 계속하도록 단계(3706)로 되돌아간다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세스 툴 상의 특정 가스 종을 검출하기 위한 E-빔 여기 장치의 설정 방법을 보여주는 순서도이다. 우선, 조작자는 표적 가스 종을 방출하는 스펙트럼 파장(들)에 관한 어느 정도의 추정 정보를 획득하여야 한다(단계(3802)). 다음, 작동 환경, 예를 들어, 전자 공급원의 유형, 추출 장치의 유형, 형상 및 치수, 빔 조준 광학체의 유형 및 위치, 자석의 형상, 전자 밀도를 샘플링하는 수집 장치, 전자 밀도 제어부를 포함하는지 여부, 압력 센서를 사용하는지 여부 등을 고려하여, 여기 장치가 최적의 구조로 구성된다(단계(3804)). E-빔 여기 장치의 기하학적 형상이 결정된다(단계(3806)). 여기서, 추출 장치 및 수집 장치 전극의 위치가 결정되며, 전자 공급원과 추출 장치 전극 사이의 간격 및 추출 장치와 수집 장치 전극 사이의 간격 그리고 유출 흐름에 대한 E-빔의 방위 등이 결정된다. 이후, 시야각과 수집 광학체가 결정될 수 있다(단계(3808)). 가장 가능성이 높기로는, OES 측정이 이루어지는 일이지만, 본 발명의 장치가 기타 다른 검출 장치, 예를 들어, 포토다이오드 등을 사용할 수도 있다. 선택된 기하학적 형상에 맞는 시야각이 결정되며 오염물 방지 측정이 수행된다.
프로세스 툴 상의 E-빔 여기 장치의 위치가 또한 결정된다(단계(3810)). 실제 적용 시에는, 배기 시스템 상에서의 E-빔 여기 장치의 위치가 여기 장치를 구성하기 이전에 밝혀져야만 한다. 그러나, 여기 장치의 최적의 위치가 확정되기 이전에 후보 여기 장치 구조의 성능 시험이 다양한 위치에서 이루어지는 반복 공정일 수도 있다. 적소에 장치가 위치하는 경우, 용례에 맞는 최적의 여기 장치 작동 매개 변수, 예를 들어, 공급원 전력, 추출 장치/수집 장치 전압, 수집 장치 기준 전자 전류, 작동 사이클, 작동 모드 등이 공식화될 수 있다(단계(3812)).
이어서, 상기 구성에 대한 시험이 시험 가스를 이용하여 이루어진다(단계(3814)). 방출 광의 하나 이상의 파장이 모니터링된다. 방출 광이 존재하면(단계(3816), 검출 장치, 즉 SNR에 맞춰 작동 매개 변수가 최적화되어 생성 운전을 위해 기록될 수 있다(단계(3818)). 단계(3816)에서, 작동 매개 변수를 정제하는 방식으로 시험 가스의 존재가 검출될 수 없다면, E-빔 여기 장치를 프로세스 툴 상에 재구성하여야 하며 공정은 단계(3804)로 되돌아간다.
도 39는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 공정 압력의 여기된 상태의 생성 가스 종의 파장(λ1)을 검출하기 위해 최적의 추출 장치 전압으로 E-빔 여기 장치를 교정하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다. 본 방법은 도 34 및 도 35에 증명되어 있는 여기 시퀀스를 달성하도록 사용될 수도 있다. E-빔 여기 장치가 프로세스 툴 상에 구성되고 나면, 시험 가스의 유동과 함께 공정이 시작된다(단계(3902)). 시험 가스를 검출하기 위해 조절이 이루어진다(단계(3804))(도 38 참조). 소망하는 파장의 가스 종 형광성을 달성하기 위하여 전자 공급원 전력, 추출 장치 전압 및 수집 장치 바이어스 전압이 최적화되며, 수집 장치 전자 전류가 전류 압력에 맞는 기준 수집 장치 전자 전류로서 기록된다. 최대 선형 광도(Iλs)(에너지 곡선이 선형 부분)가 얻어지는 추출 장치 전압 범위를 구하기 위하여 일정한 배기 라인 압력 및 기준 수집 장치 전자 전류를 유지하면서 여러 레벨에 걸쳐 반복적으로 빔 에너지가 인가되고 사이 광도(Iλs)가 기록된다(단계(3906)). 다음, 에너지 곡선의 선형 부분과 상관성이 있는 추출 장치 전압의 중간 지점이 파장(λ1)을 생성하도록 가스 종을 여기시키기 위한 최적의 추출 장치 전압으로서 기록된다(단계(3908)).
다음, 전자 공급원에 인가되는 전력을 조절하여 광도(Iλs)를 일정하게 유지하면서 압력을 교란시켜 용례의 E-빔 여기 장치에 대한 기타 다른 압력 보정 기준 전자 전류가 유도되며(단계(3910, 3912, 3914), 이로부터 생성 운전에 사용하기 위한 한 세트의 압력 보정 기준 수집 장치 전자 전류 데이터가 축적된다. 배기 라인의 각각의 화합물에 대하여 전술한 전체 공정이 반복되어야 하며(단계(3916)), 소망하는 파장을 생성하도록 가스 종을 여기시키기 위한 최적의 추출 장치 전압과 해당 가스 종에 대한 한 세트의 압력 보정 기준 수집 장치 전자 전류 데이터가 기록되어 생성 운전이 개시될 수 있다.
도 40은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 전자의 농도를 안정화시키기 위한 전자 전류 피드백을 이용하여 일반적인 작동 사이클로 E-빔 여기 장치를 실행하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다. 전자 공급원에 여기력이 인가되고 추출 장치 및 수집 장치에 전압이 인가되면 작동 사이클이 시작된다(단계(4002, 4044)). 전자 농도 제어부는 공급원에 전력이 인가되었는지를 확인하고(단계(4006)) 수집 장치 전류를 모니터링하기 시작한다(단계(4008)). 전자 농도 제어부는 수집 장치 전극에 수신된 전자 전류와 기준 전류를 비교하고(단계(4010)), 이들 두 개의 값이 일치할 때까지 전자 공급원 전력을 조절한다(단계(4012)). 다음, 모니터링되고 있는 파장에 대한 데이터를 수집한 후(단계(4014)), 여기 주기를 종료하고 E-빔 여기 장치의 전원이 예정된 오프 시간 주기 동안 차단된다(단계(4016)). 실제 적용시에는, 이 주기 동안 추출 장치에서는 약간의 전압이 유지될 수도 있다. 또한, 수집 장치에는 여기 시리즈 동안 축적되었을 수도 있는 표면 증착물을 청소하기 위하여 역전 바이어스 전압이 펄스 방식으로 인가될 수도 있다(단계(4018)). 상기 예정된 오프 타이 시간 주기가 만료된 후, 다른 작동 사이클이 시작된다(단계(4012)). 소정 조건 하에서는 작동 사이클의 기간이 변경될 수도 있음이 언급되어야 한다. 예를 들어, 특정 광도에 대한 특정 파장이 모니터링되는 경우, 작동 사이클은 광도가 목표 값에 가까울수록 짧아질 수도 있으며, 이에 따라 덜 중요한 측정 주기 동안에 창에 축적되는 오염물의 양을 줄일 수 있다.
도 41은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 압력 변화에 대해 상대적으로 전자 빔의 밀도를 조절하기 위한 전자 전류 피드백 작용 및 압력 보정 기준 전류를 이용하여 E-빔 여기 장치를 실행하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다. 여기서, E-빔 여기 장치에는 전자 공급원에 인가되는 여기 전력을 조절하기 위한 압력 정보와 수집 장치 전자 전류를 수신하기 위한 전자 밀도 제어부가 마련되어 있다. E-빔 여기 장치의 작동 매개 변수를 설정(단계(4102))하고 라인 압력을 모니터링(단계(4104))함으로써 공정이 시작된다. 라인 압력을 사용하여, 전자 밀도 제어부는 압력에 맞는 적절한 기준 전류를 이용(단계(4106))하여 수집 장치 전자 전류의 모니터링을 시작한다(단계(4108)). 수집 장치 전자 전류는 압력에 맞는 기준 전류와 일치하여야 한다(단계(4110)). 전자 공급원에 인가되는 여기 전력이 일치할 때까지 조절된다(단계(4112)). 방출 광에 대한 파장((λs1)의 광도가 적분되어 검사된다(단계(4114)). 검출 공정 시에, 파장((λs1)의 광도가 검출되면 공정 제어가 중단(또는 변경)(단계(4116))되지만, 기타 다른 유형의 공정에서는 파장 검출 후에도 계속될 수도 있다. 여느 경우에나, 파장((λs1)이 검출되지 않으면, 공정은 단계(4104)로 되돌아가며, 광 적분을 수행하기 이전에, 압력 판독 값 획득(단계(4104)), 압력에 맞는 적절한 기준 전류 획득(단계(4106)), 수집 장치 전류 모니터링(단계(4108)), 그리고 전자 공급원에 인가되는 여기력을 조절하기 위한 전류 시험을 포함하는 일련의 후속 여기 단계가 반복된다.
도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라인 압력 변화에 대해 상대적으로 전자 빔의 밀도를 조절하도록 E-빔 여기 장치를 실행하기 위한 도 40의 전술한 방법과 유사하지만, 다중 파장의 방출 광을 검출하기 위한 전자 에너지 레벨의 범위에 걸쳐 전자 빔의 밀도를 조절하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다. 여기서도 마찬가지로, E-빔 여기 장치에는 전자 공급원에 인가되는 여기 전력을 조절하기 위한 전자 밀도 제어부가 마련되어 있다. 전자 공급원에 전력을 공급(단계(4202))하고 압력을 모니터링(단계(4204))함으로써 공정이 시작된다. 라인 압력은 압력에 맞는 적절한 기준 전류를 획득하도록 사용된다. 이어서, 표적 가스 종의 여기를 위한 최적의 에너지 레벨을 생성하도록 추출 장치 전압이 설정된다(단계(4206)). E-빔 여기 장치는 여기되는 가스 종 및/또는 다양한 파장과 상호 관련되어 있는 다수의 전압 값을 보유하고 있는 것으로 예상된다(도 38에 관한 설명 참조). E-빔의 에너지가 변할 수도 있음에 따라, 빔의 전자 농도 또한 변할 수도 있으므로, 수집에 앞서, 전자 농도 제어부는 수집 장치 전극으로부터의 전자 전류를 샘플링(단계(4208))한 다음 이를 압력에 맞는 기준 전류와 비교한다(단계(4210)). 광도의 통합(단계(4214))에 앞서, 전자 공급원에 인가되는 여기 전력이 일치할 때까지 조절된다(단계(4212)). 이후, 공정은 단계(4204)로 되돌아가 다른 전자 에너지 레벨에 대하여 반복된다(단계(4216)).
본 발명의 E-빔 여기 장치의 일 장점은, 각각 가스 종을 여기시키기 위한 특유의 (및 최적의) 여기 레벨에서 얻어지는 복수 개의 스펙트럼 프로파일로 이루어진 가스 종에 대한 특유의 스펙트럼 서명을 정확하게 형성하여 검출하는 능력을 갖추고 있다는 점이다. 도 43은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 종의 특유의 스펙트럼 서명을 형성하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다. 본 공정은 생성 운전의 예상되는 작동 압력에서 표적 가스 종을 이용한 시험 운전 동안 수행된다(단계(4302)). E-빔 여기 장치가 최적의 가스 종 형광성을 달성하도록 조절된다(단계(4304)). 여기서, 일부 가스 종의 경우 밝고 어두운 스펙트럼 선을 동시에 생성함이 언급되어야 한다(단계(4306)). 그 취지는 밝은 스펙트럼 선의 포화 현상 없이 어두운 선의 SNR이 허용 가능한 검출 장치의 범위 이내의 광도 레벨을 구하는 것이다. 전자 농도에 맞는 수집 장치 전자 전류가 기록된다(단계(4308)). 이어서, 여기 레벨에서의 가스 종의 스펙트럼 프로파일 형태로 스펙트럼 선이 기록된다(단계(4310)). 동일한 작동 매개 변수에 대한 다중 에너지 레벨에서 표적 가스에 대하여 본 공정이 반복된다(단계(4312)). 서로 다른 에너지 상태에 대한 스펙트럼 프로파일이 가스 종용의 특유의 스펙트럼 서명으로 편집된다(단계(4314)). 본 공정은 생성 운전의 유출류에 존재하는 모든 화합물에 대해 반복될 수도 있다.
전술한 배기 라인에 존재하는 가스에 대한 특유의 스펙트럼 서명을 사용할 경우, 비교적 복잡한 화합물이 존재하는 경우에도 이들 화합물을 정확하게 검출할 수 있다. 도 44A 및 도 44B는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 종의 특유의 스펙트럼 서명에 의해 유출물 중의 하나 이상의 가스 종을 검출하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다. 본 공정은 E-빔 여기 장치가 안정적인 작동 상태로 돌입함에 따라 시작된다. 라인 압력이 판독되며(단계(4402)) 이어서 압력에 맞는 기준 전자 전류가 획득된다(단계(4404)). 전자 빔을 생성하기 위하여, 전자 공급원에 전력이 공급되고(단계(4406), 추출 장치 및 수집 장치 전극에 전압이 인가된다(단계(4408)). 공정을 계속하기에 앞서, 필요하다면, 공급원 및 수집 장치에 대하여 작동성 및 재시동 성능 등에 대한 검사가 이루어진다(단계(4414)). 이어서, 빔의 작동 조건이 확인되며, 수집 장치 전류가 샘플링(단계(4412))되어 기준 전류와 비교된다(단계(4414). 일치하는 경우, 모니터링되고 있는 다양한 파장에서의 광도가 적분된다(단계(4418)). 일치하지 않는다면, 전자 공급원에 공급되는 여기력이 일치할 때까지 조절된다(단계(4416)).
전술한 여기 시퀀스는 평가되는 스펙트럼 서명과 상관 있는 다양한 예정된 에너지 스테이지를 통해 증가된다(단계(4420)). 각각의 에너지 단계에서, 추출 장치 전압이 증가되며(단계(4422)), 모니터링되는 다양한 파장의 광이 적분된다(단계(4418)). 전자 에너지 스테이지가 평가되고 나면, E-빔 여기 장치의 전력 공급이 중단되며(단계(4424), 가스 종의 특유의 스펙트럼 서명의 존재 여부와 관련하여 적분 값이 평가딘다(단계(4426)). 컴퓨터 계산 처리 특징을 이용하여 별개의 처리 장치 또는 진보된 분광법에서 이러한 기능이 수행될 수 있을 것으로 예상된다. 어느 경우에나, 복수 개의 특유의 스펙트럼 서명이 일치 값에 대한 가장 최근의 적분 값과 비교되는 관찰 값들에 대한 기준으로 저장된다(단계(4430)). 상상할 수 있는 바와 같이, 유출물 중의 가스 종에 대해 다수 개의 일치 스펙트럼 서명이 확인될 것이다. 이러한 일치 값에 대한 비교 기준은 각각의 에너지 상태에 맞는 모든 스펙트럼 프로파일의 동일한 일치 값으로부터 두 개의 프로파일의 조합 값으로 변할 수도 있다. 가스 종에 대한 특유의 스펙트럼 서명은 다소 복잡할 수 있으며 생성 조건에 따라 완벽하게 재생되기가 어려울 수 있음을 이해하여야 한다. 스펙트럼 내용과 관련하여 적분 값이 평가되고 나면, 공정을 계속할지 여부가 결정되며(단계(4428), 적절하다면, 공정이 다음 사이클로 진행된다(단계(4432)).
본 발명이 반도체 산업 분야의 용례에서의 사용과 관련하여 설명되어 있긴 하지만, 상기 분석 방법은 가스 혼합물의 구성 성분의 정량적 또는 정성적 측정이 연구, 확인 또는 측정되어야 하는 광범위한 범위의 용례에 적용 가능하다. 일 사용 예로 가스 혼합물의 구성 성분의 연구, 확인, 및/또는 측정을 위한 분석 화학 분야를 들 수 있다. 본 명세서에 설명되고 있는 여기 방법론은 가스 혼합물이 형광 특성을 나타내도록 여기시키기 위해 적용 가능하다. 형광 스펙트럼은 시험되는 혼합물을 완벽하게 분해하여 분석하도록 종종 사용되는 분석용 ICP 플라즈마 시스템에 사용될 수 있다. 본 발명의 E-빔 여기 시스템은 이러한 분해를 최소화하도록 설정될 수 있어, 원자 및 분자 가스 종의 취급이 가능하다. 이와 같이, E-빔 시스템은 표준 ICP 원자 분광법을 이용하여 보통 시험되어 오지 않았던 산업 용례에 사용될 수 있다. 기타 다른 가능한 용례의 예로는, ICP 원자 분광법에 사용되는 바와 유사한 방법 및 실시예를 사용하는 대기 관련 화학적 연구, 방수로 방출 측정, 굴뚝 방출 측정, 고상 및 액상 물질의 화학적 확인법이 있으며, 이로만 제한되는 것은 아니다.
실시예는 본 발명의 원리 및 실제 용례를 가장 잘 설명하기 위하여 또한 특정 사용에 적합하도록 만들어진 다양한 수정예와 함께 다양한 실시예를 통해 당 업자가 본 발명을 이해할 수 있도록 하기 위하여 선택 및 논의된 것이다. 이와 같은 특정 실시예들은 본 발명의 범위를 제한할 의도로 만들어진 것이 아니며 본 발명의 범위 및 취지를 벗어남이 없이 각종 변형예 및 환경에서 실시될 수도 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예로만 제한되는 것은 아니며, 본 명세서에 설명된 원리 및 특징과 일치하는 가장 광범위한 영역에 따르는 것으로 이해되어야 한다.
도면의 순서도 및 블록도는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 생성물의 가능한 실시 형태의 구성, 기능성 및 작동을 예시한 것이다. 이와 관련하여, 순서도 또는 블록도의 각각의 블록은 모듈, 세그먼트 또는 코드 부분을 나타낼 수도 있으며, 특정 논리 기능(들)을 실시하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 지시 사항을 내포하고 있다. 또한, 일부 변형 실시 형태에 있어서, 블록에 기재된 기능이 도면에 도시된 순서와 달리 발생할 수도 있음에 주목하여야 한다. 예를 들어, 포함된 기능성에 따라, 연속적으로 도시된 두 개의 블록이 사실은 실질적으로 동시에 실행될 수도 있으며, 또는 이들 블록이 때때로 역순으로 실행될 수도 있다. 또한, 특정 목적의 하드웨어 및 컴퓨터 지시 사항의 조합 또는 특정 기능 또는 작용을 수행하는 특수 목적의 하드웨어 기반 시스템에 의해 블록도의 각각의 블록 및/또는 순서도의 예시 사항, 그리고 블록도의 블록 및/또는 순서도의 예시 사항의 조합이 이루어질 수 있음에 주목하여야 한다.
본 명세서에 사용된 용어는 본 발명을 제한할 의도로 결정된 것은 아니며 단지 특정 실시예를 설명할 목적으로 채용된 것이다. 본 명세서에 사용되고 있는 바와 같이, 용어가 단수형으로 나타내어 있을지라도, 내용이 명확하게 지시되어 있지 않은 한, 이들 용어는 또한 복수의 의미를 포함하고 있는 것이다. 또한, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는" 은 본 명세서에서 증명된 특징, 완전체, 단계, 작동, 부품, 및/또는 구성 요소의 존재를 열거하도록 사용되고 있지만, 하나 이상의 기타 다른 특징, 완전체, 단계, 작동, 부품, 구성 요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가의 의미를 배제하는 것은 아님을 이해하여야 한다.
Claims (157)
- 가스 입자를 여기(excitation)시키기 위한 배기 라인 여기 장치로서,
빔 축선을 따라 제 1 평균 전자 에너지 상태에서 제 1 농도를 갖는 전자로 이루어진 전자 빔(electron beam)을 발생시키며, 반도체 반응로 챔버로부터 연장되며 상기 반도체 반응로 챔버로부터의 유출류를 운반하기 위한 내부 체적부를 갖춘 가스 도관에 결합되는 전자 빔 여기 장치를 포함하며,
상기 빔 축선의 적어도 일부는 상기 가스 도관의 내부 체적부 중 일부를 통과하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 전자 빔 여기 장치는,
제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 발생시키기 위한 전자 공급원; 그리고
상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 추출하여 이 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태로 가속시키기 위한 전자 추출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 2 항에 있어서, 상기 전자 공급원에 기준 전위를 설정하기 위해 전자 공급원에 전기적으로 결합되는 기준 전위 공급원; 그리고
상기 전자 추출 장치에 전기 추출 전하를 설정하기 위하여 전자 추출 장치에 전압을 인가하도록 전자 추출 장치에 전기적으로 결합되는 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 2 항에 있어서, 상기 전자 공급원에 기준 전위를 설정하기 위해 전자 공급원에 전기적으로 결합되는 기준 전위 공급원; 그리고
상기 전자 추출 장치에 가변 전기 추출 전하를 설정하기 위하여 전자 추출 장치에 가변 전압을 인가하도록 전자 추출 장치에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 4 항에 있어서, 상기 전자 공급원은,
공급원 챔버와;
여기 에너지를 받아들여 상기 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부에 마련되어 있는 전자 방출 재료; 그리고
상기 공급원 챔버로부터 연장하는 경로(path)를 형성하며 추출 장치 개구 직경을 갖는 추출 장치 개구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 5 항에 있어서, 상기 전자 방출 재료는 반도체 반응로 챔버로부터 나온 유출물인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 전자 방출 재료는 상기 전자 공급원용의 방출 장치 구성 성분인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 전자 빔 여기 장치는,
상기 전자 공급원에 가변 여기 에너지를 공급하기 위해 전자 공급원에 결합되는 가변 밀도 여기 에너지 공급부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 8 항에 있어서, 상기 전자 공급원은 유도 결합형 플라즈마 유형 전자 공급원이며, 또한, 상기 전자 공급원은,
반도체 반응로 챔버로부터 나와 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부에 수용되어 있는 유출물을 여기시키기 위해, 공급원 챔버의 둘레에 형성되어 있으면서 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 전기적으로 결합되는 유도 코일을 추가로 포함하며,
상기 공급원 챔버의 적어도 일부는 비전도성 재료로 형성되고, 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 의해 공급되는 가변 여기 에너지는 무선 주파수 범위의 고주파 전자기파인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 8 항에 있어서, 상기 전자 공급원은,
상기 공급원 챔버 내부의 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자 가까이에 마련되어, 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자가 기준 전위 공급원의 기준 전위를 나타낼 수 있도록 하는 기준 전위 면을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 8 항에 있어서, 상기 전자 공급원은 중공 캐소드(cathode) 유형 전자 공급원이며, 또한, 상기 전자 공급원은,
가변 밀도 여기 에너지 공급부에 전기적으로 결합되는 애노드(anode); 그리고
상기 기준 전위 공급원에 전기적으로 결합되며, 반도체 반응로 챔버로부터 나와 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부에 수용되어 있는 유출물을 여기시키기 위한 상기 추출 장치 개구와 상기 애노드의 사이에 적어도 일부가 배치되는 중공 캐소드를 추가로 포함하며,
상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 의해 공급되는 가변 여기 에너지는 DC 전압인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 8 항에 있어서, 상기 전자 공급원은 전계 방출기 어레이 유형 전자 공급원이며, 또한, 상기 전자 공급원은,
상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 결합되며, 제 1 표면 그리고 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 제 1 표면상에 배치되어 있는 복수 개의 팁(tip)을 구비하는 전계 방출기 어레이를 추가로 포함하고,
상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 의해 공급되는 여기 에너지는 DC 전압인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 12 항에 있어서, 상기 전자 공급원은,
상기 공급원 챔버 내부의 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자 가까이에 마련되어, 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자가 상기 기준 전위 공급원의 기준 전위를 나타낼 수 있도록 하는 기준 전위 면을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 8 항에 있어서, 상기 전자 공급원은 고온 캐소드 유형 전자 공급원이며, 또한, 상기 전자 공급원은,
제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 열적으로 방출하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 결합되는 고온 캐소드를 추가로 포함하며,
상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 의해 공급되는 여기 에너지는 DC 전류인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 14 항에 있어서, 상기 전자 공급원은,
상기 공급원 챔버 내부의 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자 가까이에 마련되어, 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자가 기준 전위 공급원의 기준 전위를 나타낼 수 있도록 하는 기준 전위 면을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 5 항에 있어서, 상기 전자 공급원은 광자 방출기 유형 전자 공급원이며, 또한, 상기 전자 공급원은,
반도체 반응로 챔버로부터 나와 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부에 수용되어 있는 유출물을 여기시키기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 결합되는 광자 방출기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 16 항에 있어서, 상기 전자 공급원은,
상기 공급원 챔버 내부의 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자 가까이에 마련되어, 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자가 상기 기준 전위 공급원의 기준 전위를 나타낼 수 있도록 하는 기준 전위 면을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 5 항에 있어서, 상기 전자 공급원은 마이크로파 유형 전자 공급원이며, 또한, 상기 전자 공급원은,
마이크로파 공진 공동(cavity); 그리고
반도체 반응로 챔버로부터 나와 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 마이크로파 공진 공동의 내부에 수용되어 있는 유출물을 여기시키기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 결합되는 마그네트론(magnetron)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 7 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치에 전기 추출 전하를 설정하기 위해 추출 장치 전압을 인가하도록 전자 추출 장치에 전기적으로 결합되는 추출 장치 전압 공급부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 19 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치는,
추출 장치 전압을 수신하며 상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도를 갖는 전자를 견인하여 이 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태로 가속시키기 위해 상기 추출 장치 전압 공급부에 전기적으로 결합되는 추출 장치 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 7 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치에 가변 전기 추출 전하를 설정하기 위하여 가변 추출 전압을 인가하도록 상기 전자 추출 장치에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 21 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치는,
추출 장치 전압을 수신하며 상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도를 갖는 전자를 견인하여 이 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태로 가속시키기 위해 상기 가변 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부에 전기적으로 결합되는 추출 장치 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 21 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치는,
추출 장치 전압을 수신하며 상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도를 갖는 전자를 견인하여 이 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태로 가속시키고 또한 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 제 3 평균 전자 에너지 상태로 가속시키기 위해 상기 가변 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부에 전기적으로 결합되는 추출 장치 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 23 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치는,
제 1 부분 직경을 가지며 상기 빔 축선과 실질적으로 정렬 상태이고 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 투과성을 나타내는 제 1 전극부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는,
복수 개의 개구를 구비한 실질적으로 평면형의 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 25 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 스크린 격자(screen grid)이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 직사각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 25 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 원형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 25 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 육각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 25 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 다각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 25 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 곡선형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 23 항에 있어서, 상기 전극 추출 장치는,
상기 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 투과성을 나타내는 제 1 전극부; 그리고
상기 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 불투과성을 나타내는 제 2 전극부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 31 항에 있어서, 상기 제 1 부분 직경을 갖는 제 1 전극부는 빔 축선과 실질적으로 정렬되어 있으며 상기 전자 추출 장치의 제 2 전극부의 실질적으로 내부에서 전자 추출 장치상에 배치되며, 상기 제 2 부분 직경을 갖는 제 2 전극부는 빔 축선과 실질적으로 정렬되어 있고,
상기 제 2 부분 직경은 제 1 부분 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 복수 개의 개구를 구비한 실질적으로 평면형의 전극을 추가로 포함하며, 상기 빔 축선과 실질적으로 동축인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 스크린 격자이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 직사각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 원형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 육각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 다각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 곡선형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 제 2 전극부의 개구인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 제 2 전극부는 전자 빔 조준 광학체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 40 항에 있어서, 상기 전자 빔 조준 광학체는,
상기 제 2 전극부상에 마련되는 원추형 단면부를 추가로 포함하며, 상기 원추형 단면부는 상기 빔 축선과 실질적으로 동축으로 전자 빔을 향해 배향되어 있는 오목면과 함께 원추체 깊이를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 41 항에 있어서, 상기 오목면은 선형인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 41 항에 있어서, 상기 오목면은 비선형인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 41 항에 있어서, 상기 원추체 깊이는 상기 제 1 전극부의 제 1 부분 직경과 관련이 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 24 항에 있어서, 상기 추출 장치 전극의 제 1 전극부는 전자 빔을 따라 배치되며 상기 전자 공급원으로부터 제 1 분리 거리만큼 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 45 항에 있어서, 상기 제 1 분리 거리는 추출 장치 개구 직경과 관련이 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 45 항에 있어서, 상기 추출 장치 개구 직경은 제 1 분리 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 24 항에 있어서, 전자 빔으로부터의 다량의 충돌 전자를 수용하여 이 다량의 충돌 전자에 관한 전자 전류를 생성하기 위한 전자 수집 장치를 추가로 포함하며, 상기 전자 수집 장치는 빔 축선과 실질적으로 정렬되어 있고 상기 전자 공급원으로부터 제 2 분리 거리만큼 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 48 항에 있어서, 상기 전자 수집 장치에 가변 전기 바이어스 전하를 설정하기 위하여 가변 바이어스 전압을 인가하도록 전자 수집 장치에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 수집 장치 바이어스 전압 공급부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 49 항에 있어서, 상기 가변 바이어스 전압은 가변 추출 장치 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 49 항에 있어서, 상기 가변 바이어스 전압은 가변 추출 장치 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 31 항에 있어서, 전자 빔으로부터의 다량의 충돌 전자를 수용하여 이 다량의 충돌 전자에 관한 전자 전류를 생성하기 위한 전자 수집 장치를 추가로 포함하며, 상기 전자 수집 장치는 빔 축선과 실질적으로 정렬되어 있고 상기 전자 공급원으로부터 제 2 분리 거리만큼 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 52 항에 있어서, 상기 전자 수집 장치에 가변 전기 바이어스 전하를 설정하기 위하여 가변 바이어스 전압을 인가하도록 전자 수집 장치에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 수집 장치 바이어스 전압 공급부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 53 항에 있어서, 상기 가변 바이어스 전압은 가변 추출 장치 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 54 항에 있어서, 상기 가변 바이어스 전압은 가변 추출 장치 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 52 항에 있어서, 상기 전자 전류를 수용하여 전류의 크기에 따라 상기 전자 공급원에 인가되는 가변 여기 에너지를 조절하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부와 전자 수집 장치의 사이에 전기적으로 결합되는 전자 농도 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 52 항에 있어서, 상기 가스 도관의 내부 체적부의 압력을 감지하여 압력 정보를 생성하기 위한 압력 센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 57 항에 있어서, 상기 전자 전류를 수용하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부와 전자 수집 장치의 사이에 전기적으로 결합되며 또한, 압력 정보를 수신하여 전류의 크기와 압력 정보에 따라 상기 전자 공급원에 인가되는 가변 여기 에너지를 조절하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부와 압력 정보의 사이에 전기적으로 결합되는 전자 농도 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스 도관의 내부 체적부에서 전자 빔에 의해 여기되는 입자로부터 방출되는 광을 검출하기 위한 방출 광 검출 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전자 공급원에 가변 여기 에너지를 인가하기 위해 전자 공급원에 결합되는 가변 밀도 여기 에너지 공급부와;
제 2 평균 전자 에너지 상태에서의 제 2 농도의 전자를 발생시키기 위한 전자 공급원과;
상기 전자 추출 장치에 가변 전기 추출 전하를 설정하기 위하여 가변 추출 장치 전압을 인가하도록 전자 추출 장치에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부; 그리고
상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 추출하여 이 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태로 가속시키기 위한 전자 추출 장치를 추가로 포함하며,
상기 전자 공급원은 반도체 반응로 챔버로부터 나와 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부에 수용되어 있는 유출물을 여기시키기 위해, 공급원 챔버의 둘레에 형성되어 있으면서 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 전기적으로 결합되는 유도 코일을 추가로 포함하며,
상기 공급원 챔버의 적어도 일부는 비전도성 재료로 형성되고, 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 의해 공급되는 가변 여기 에너지는 무선 주파수 범위의 고주파 전자기파인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 60 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치는,
추출 장치 전압을 수신하며 상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도를 갖는 전자를 견인하여 이 제 2 농도의 전자를 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태로 가속시키고 또한 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 제 3 평균 전자 에너지 상태로 가속시키기 위해 상기 가변 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부에 전기적으로 결합되는 추출 장치 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 61 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치는, 제 1 부분 직경을 가지며 상기 빔 축선과 실질적으로 정렬 상태이고 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 투과성을 나타내는 제 1 전극부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 62 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는,
복수 개의 개구를 구비한 실질적으로 평면형의 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 63 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 다각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 63 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 곡선형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 61 항에 있어서, 상기 전극 추출 장치는,
상기 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 투과성을 나타내는 제 1 전극부; 그리고
상기 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 불투과성을 나타내는 제 2 전극부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 66 항에 있어서, 상기 제 1 부분 직경을 갖는 제 1 전극부는 빔 축선과 실질적으로 정렬되어 있으며 상기 전자 추출 장치의 제 2 전극부의 실질적으로 내부에서 전자 추출 장치상에 배치되며, 상기 제 2 부분 직경을 갖는 제 2 전극부는 빔 축선과 실질적으로 정렬되어 있고,
상기 제 2 부분 직경은 제 1 부분 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 47 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 복수 개의 개구를 구비한 실질적으로 평면형의 전극을 추가로 포함하며, 상기 빔 축선과 실질적으로 동축인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 68 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 다각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 59 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 곡선형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 60 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치는,
상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 전기적으로 결합되는 애노드; 그리고
상기 기준 전위 공급원에 전기적으로 결합되며, 반도체 반응로 챔버로부터 나와 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부에 수용되어 있는 유출물을 여기시키기 위해 상기 추출 장치 개구와 상기 애노드의 사이에 적어도 일부가 배치되는 중공 캐소드를 추가로 포함하며,
상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 의해 공급되는 가변 여기 에너지는 DC 전압인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 71 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치는,
제 1 부분 직경을 가지며 상기 빔 축선과 실질적으로 정렬 상태이고 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 투과성을 나타내는 제 1 전극부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 72 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는,
복수 개의 개구를 구비한 실질적으로 평면형의 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 73 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 다각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 73 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 곡선형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 71 항에 있어서, 상기 전극 추출 장치는,
상기 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 투과성을 나타내는 제 1 전극부; 그리고
상기 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 불투과성을 나타내는 제 2 전극부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 76 항에 있어서, 상기 제 1 부분 직경을 갖는 제 1 전극부는 빔 축선과 실질적으로 정렬되어 있으며 상기 전자 추출 장치의 제 2 전극부의 실질적으로 내부에서 전자 추출 장치상에 배치되며, 상기 제 2 부분 직경을 갖는 제 2 전극부는 빔 축선과 실질적으로 정렬되어 있고,
상기 제 2 부분 직경은 제 1 부분 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 77 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 복수 개의 개구를 구비한 실질적으로 평면형의 전극을 추가로 포함하며, 상기 빔 축선과 실질적으로 동축인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 78 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 다각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 78 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 복수 개의 개구 어레이가 마련되어 있는 기판이며, 상기 복수 개의 개구는 각각 대체로 곡선형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 전자 공급원은,
내부 체적부를 구비한 공급원 챔버와;
여기 에너지를 받아들여 상기 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부 체적부에 마련되어 있는 전자 방출 재료; 그리고
상기 공급원 챔버로부터 연장하는 경로를 형성하며 추출 장치 개구 직경을 갖는 추출 장치 개구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 81 항에 있어서, 상기 전자 공급원은,
상기 공급원 챔버에 결합되며 공급원 챔버의 내부 체적부에 연결되어 있는 가스 포트(gas port)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 빔 축선을 따르는 전자 빔의 전자의 방향은 상기 가스 도관의 유출류의 유동 방향과 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 빔 축선을 따르는 전자의 방향은 상기 가스 도관의 유출류의 유동 방향과 실질적으로 반대되는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 빔 축선을 따르는 전자의 방향은 상기 가스 도관의 유출류의 유동 방향과 실질적으로 수직 방향을 이루는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 빔 축선을 따르는 전자의 방향은 상기 가스 도관의 유출류의 유동 방향과 평행하며 또한 유출류의 유동 방향과 반대되는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스 도관의 내부 체적부의 일부를 통과하는 빔 축선의 적어도 일부를 관찰하기 위한 시야각을 갖는 뷰포트 창(viewport window)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 87 항에 있어서, 상기 시야각은 상기 가스 도관 내부의 유출류의 유동 방향에 대하여 90°또는 이보다 큰 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 87 항에 있어서, 상기 시야각은 상기 빔 축선을 따르는 전자 빔의 전자의 방향에 대하여 90°또는 이보다 큰 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 89 항에 있어서, 상기 시야각은 상기 가스 도관 내부의 유출류의 유동 방향에 대하여 90°또는 이보다 큰 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상류 가스 도관 포트와 하류 가스 도관 포트를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하류 가스 도관 포트는 상기 배기 라인 여기 장치와 러핑 펌프(roughing pump)의 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상류 가스 도관 포트는 상기 배기 라인 여기 장치와 반응로 챔버의 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상류 가스 도관 포트는 상기 배기 라인 여기 장치와 스로틀 밸브(throttle valve)의 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상류 가스 도관 포트는 상기 배기 라인 여기 장치와 터보 펌프의 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 23 항에 있어서, 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태는 상기 유출물 중의 제 1 표적 가스를 제 1 파장의 방출 광 완화를 수행할 수 있는 에너지 상태로 여기시키기 위한 여기 에너지 레벨과 관련이 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 96 항에 있어서, 상기 제 3 평균 전자 에너지 상태는 상기 유출물 중의 제 1 표적 가스를 제 2 파장의 방출 광 완화를 수행할 수 있는 제 2 평균 에너지 상태로 여기시키기 위한 여기 에너지 레벨과 관련이 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 96 항에 있어서, 상기 제 3 평균 전자 에너지 상태는 상기 유출물 중의 제 2 표적 가스를 제 3 파장의 방출 광 완화를 수행할 수 있는 에너지 상태로 여기시키기 위한 여기 에너지 레벨과 관련이 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 빔 축선을 따라 제 1 평균 전자 에너지 상태에서 제 1 농도를 갖는 전자로 이루어진 전자 빔을 발생시키며, 가스 흐름을 운반하기 위한 내부 체적부를 갖는 가스 도관에 결합되어 있는 전자 빔 여기 장치를 포함하며,
상기 빔 축선의 적어도 일부는 상기 가스 도관의 내부 체적부 중 일부를 통과하고,
상기 전자 빔 여기 장치는,
전자 공급원에 기준 전위를 설정하기 위해 전자 공급원에 전기적으로 결합되는 기준 전위 공급원; 그리고
제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 발생시키기 위한 상기 전자 공급원을 포함하며,
상기 전자 공급원은,
제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 수용하기 위한 내부 체적부를 구비한 공급원 챔버와;
여기 에너지를 받아들여 상기 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부에 마련되어 있는 전자 방출 재료와;
상기 공급원 챔버로부터 연장하는 경로를 형성하기 위한 추출 장치 개구; 그리고
상기 공급원 챔버 내부의 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자 가까이에 마련되어, 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자가 기준 전위 공급원의 기준 전위를 나타낼 수 있도록 하는 기준 전위 면을 포함하며,
상기 전자 빔 여기 장치는,
상기 전자 공급원에 가변 여기 에너지를 공급하기 위해 전자 공급원에 결합되는 가변 밀도 여기 에너지 공급부; 그리고
상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 추출하여 이 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태로 가속시키기 위한 전자 추출 장치를 포함하며,
상기 전자 추출 장치는 추출 장치 전압을 수신하며 상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도를 갖는 전자를 견인하는 추출 장치 전극을 포함하며,
상기 추출 장치 전극은,
전자에 대해 실질적으로 투과성을 나타내는 제 1 전극부와;
전자에 대해 실질적으로 불투과성을 나타내는 제 2 전극부; 그리고
전자 빔 조준 광학체를 포함하며,
상기 전자 빔 여기 장치는,
상기 전자 추출 장치에 가변 전기 추출 전하를 설정하기 위하여 전자 추출 장치에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부; 그리고
전자 빔으로부터의 다량의 충돌 전자를 수용하여 이 다량의 충돌 전자에 관한 전자 전류를 생성하기 위한 전자 수집 장치를 추가로 포함하며,
상기 전자 수집 장치는 수집 장치 바이어스 전압을 공급받아 전자 빔으로부터의 전자를 잡아당기기 위한 수집 장치 전극을 포함하며;
상기 전자 빔 여기 장치는,
상기 전자 수집 장치에 가변 전기 바이어스 전하를 설정하기 위해 상기 수집 장치 전극에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 수집 장치 바이어스 전압 공급부와;
상기 전자 전류를 수용하여 전류의 크기에 따라 상기 전자 공급원에 인가되는 가변 여기 에너지를 조절하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부와 전자 수집 장치의 사이에 전기적으로 결합되는 전자 농도 제어부와;
상기 빔 축선과 동축으로 자기장을 생성하기 위한 자기장 공급원; 그리고
상기 가스 도관의 내부 체적부에서 전자 빔에 의해 여기되는 입자로부터 방출되는 방출 광을 검출하기 위한 방출 광 검출 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 흐름의 입자를 여기시키기 위한 장치. - 빔 축선을 따라 제 1 평균 전자 에너지 상태에서 제 1 농도를 갖는 전자로 이루어진 전자 빔을 발생시키며, 가스 흐름을 운반하기 위한 내부 체적부를 갖는 가스 도관에 결합되어 있는 전자 빔 여기 장치를 포함하며,
상기 빔 축선의 적어도 일부는 상기 가스 도관의 내부 체적부 중 일부를 통과하고,
상기 전자 빔 여기 장치는,
전자 공급원에 기준 전위를 설정하기 위해 전자 공급원에 전기적으로 결합되는 기준 전위 공급원; 그리고
제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 발생시키기 위한 상기 전자 공급원을 포함하며,
상기 전자 공급원은,
제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 수용하기 위한 내부 체적부를 구비한 공급원 챔버와;
여기 에너지를 받아들여 상기 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부에 마련되어 있는 전자 방출 재료와;
상기 공급원 챔버로부터 연장하는 경로를 형성하기 위한 추출 장치 개구와;
상기 공급원 챔버 내부의 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자 가까이에 마련되어, 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자가 기준 전위 공급원의 기준 전위를 나타낼 수 있도록 하는 기준 전위 면; 그리고
상기 공급원 챔버에 결합되며 상기 내부 체적부에 연결되는 가스 포트를 포함하며,
상기 전자 빔 여기 장치는,
상기 전자 공급원에 가변 여기 에너지를 공급하기 위해 전자 공급원에 결합되는 가변 밀도 여기 에너지 공급부; 그리고
상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 추출하여 이 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태로 가속시키기 위한 전자 추출 장치를 포함하며,
상기 전자 추출 장치는 추출 장치 전압을 수신하며 상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도를 갖는 전자를 견인하는 추출 장치 전극을 포함하며,
상기 추출 장치 전극은,
전자에 대해 실질적으로 투과성을 나타내는 제 1 전극부와;
전자에 대해 실질적으로 불투과성을 나타내는 제 2 전극부; 그리고
전자 빔 조준 광학체를 포함하며,
상기 전자 빔 여기 장치는,
상기 전자 추출 장치에 가변 전기 추출 전하를 설정하기 위하여 전자 추출 장치에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부; 그리고
전자 빔으로부터의 다량의 충돌 전자를 수용하여 이 다량의 충돌 전자에 관한 전자 전류를 생성하기 위한 전자 수집 장치를 추가로 포함하며,
상기 전자 수집 장치는 수집 장치 바이어스 전압을 공급받아 전자 빔으로부터의 전자를 잡아당기기 위한 수집 장치 전극을 포함하며;
상기 전자 빔 여기 장치는,
상기 전자 수집 장치에 가변 전기 바이어스 전하를 설정하기 위해 상기 수집 장치 전극에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 수집 장치 바이어스 전압 공급부와;
상기 가스 도관의 내부 체적부의 압력을 감지하여 압력 정보를 생성하기 위한 압력 센서와;
상기 전자 전류를 수용하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부와 전자 수집 장치의 사이에 전기적으로 결합되며 또한 압력 정보를 수신하여 이 압력 정보 및 전류의 크기에 따라 상기 전자 공급원에 인가되는 가변 여기 에너지를 조절하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부와 압력 정보 사이에 전기적으로 결합되는 전자 농도 제어부와;
상기 빔 축선과 동축으로 자기장을 생성하기 위한 자기장 공급원; 그리고
상기 가스 도관의 내부 체적부에서 전자 빔에 의해 여기되는 입자로부터 방출되는 방출 광을 검출하기 위한 방출 광 검출 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 흐름의 입자를 여기시키기 위한 장치. - 제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 발생시키기 위한 전자 공급원과;
상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 추출하여 이 제 2 농도의 전자를 빔 축선을 따라 제 1 평균 전자 에너지 상태로 가속시키기 위한 전자 추출 장치; 그리고
전자 빔으로부터 다량의 충돌 전자를 수용하여 이 다량의 충돌 전자와 관련된 전자 전류를 생성하기 위한 전자 수집 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치. - 제 101 항에 있어서,
상기 전자 공급원에 기준 전위를 설정하기 위해 전자 공급원에 전기적으로 결합되는 기준 전위 공급원과;
상기 전자 공급원에 가변 여기 에너지를 공급하기 위해 전자 공급원에 결합되는 가변 밀도 여기 에너지 공급부와;
상기 전자 추출 장치에 가변 전기 추출 전하를 설정하기 위해 전자 추출 장치에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 상태 추출 장치 전압 공급부; 그리고
상기 전자 수집 장치에 가변 전기 바이어스 전하를 설정하기 위해 전자 수집 장치에 전기적으로 결합되는 가변 에너지 수집 장치 바이어스 전압 공급부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치. - 제 102 항에 있어서, 상기 전자 공급원은,
제 2 평균 전자 에너지 상태에서 제 2 농도를 갖는 전자를 수용하기 위한 내부 체적부를 구비한 공급원 챔버와;
여기 에너지를 받아들여 상기 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 방출하기 위해 상기 공급원 챔버의 내부에 마련되어 있는 전자 방출 재료; 그리고
상기 공급원 챔버로부터 연장하는 경로를 형성하기 위한 추출 장치 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치. - 제 103 항에 있어서, 상기 전자 공급원은,
상기 공급원 챔버 내부의 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자 가까이에 마련되어, 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자가 기준 전위 공급원의 기준 전위를 나타낼 수 있도록 하는 기준 전위 면을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치. - 제 104 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치는,
추출 장치 전압을 수용하여 상기 전자 공급원으로부터 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 견인하기 위한 추출 장치 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치. - 제 105 항에 있어서, 상기 추출 장치 전극은,
상기 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 투과성을 나타내는 제 1 전극부; 그리고
상기 전자 빔의 전자에 대해 실질적으로 불투과성을 나타내는 제 2 전극부를추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치. - 제 106 항에 있어서, 상기 전자 전류를 수용하여 전류의 크기에 따라 상기 전자 공급원에 인가되는 가변 여기 에너지를 조절하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부와 전자 수집 장치의 사이에 전기적으로 결합되는 전자 농도 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치.
- 제 106 항에 있어서, 상기 가스 도관의 내부 체적부의 압력을 감지하여 압력 정보를 생성하기 위한 압력 센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치.
- 제 108 항에 있어서, 상기 전자 전류를 수용하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부와 전자 수집 장치의 사이에 전기적으로 결합되며 또한 압력 정보를 수신하여 이 압력 정보 및 전류의 크기에 따라 상기 전자 공급원에 인가되는 가변 여기 에너지를 조절하기 위해 상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부와 압력 정보 사이에 전기적으로 결합되는 전자 농도 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치.
- 제 109 항에 있어서, 상기 빔 축선과 동축으로 자기장을 생성하기 위한 자기장 공급원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치.
- 제 110 항에 있어서, 상기 가스 도관의 내부 체적부에서 전자 빔에 의해 여기되는 입자로부터 방출되는 방출 광을 검출하기 위한 방출 광 검출 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 장치.
- 제 1 평균 전자 에너지 상태에서 제 1 전자 농도를 갖는 전자 빔을 빔 축선을 따라 발생시키는 단계와;
상기 빔 축선이 반도체 반응로 챔버로부터의 유출류를 운반하기 위한 가스 도관의 내부 체적부를 향해 연장하도록 하는 단계; 그리고
제 1 파장과 제 1 광도를 갖는 방출 광을 수용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 112 항에 있어서, 상기 전자 빔의 에너지 상태를 제 2 평균 전자 에너지 상태로 변경하는 단계; 그리고
제 2 파장의 방출 광을 수용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 112 항에 있어서, 상기 전자 빔의 전자의 밀도를 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태에서의 전자의 제 2 농도로 조절하는 단계; 그리고
상기 제 1 파장과 제 2 광도를 갖는 방출 광을 수용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 112 항에 있어서, 상기 전자 빔의 전자의 밀도를 전자의 제 1 농도에 일정하게 유지하는 단계와;
상기 전자 빔의 에너지 상태를 제 2 평균 전자 에너지 상태로 변경하는 단계; 그리고
제 2 파장과 제 2 광도의 방출 광을 수용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 115 항에 있어서, 상기 전자 빔의 전자의 에너지 레벨을 제 2 평균 전자 에너지 상태에 일정하게 유지하는 단계와;
상기 전자 빔의 전자의 밀도를 전자의 제 2 농도로 조절하는 단계; 그리고
상기 제 2 파장과 제 3 광도의 방출 광을 수용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 112 항에 있어서, 상기 전자 빔의 전자의 밀도를 모니터링하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법.
- 제 117 항에 있어서, 상기 전자 빔의 전자의 밀도가 전자의 제 1 농도인지를 확인하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법.
- 제 116 항에 있어서, 상기 전자 빔의 전자의 밀도가 전자의 제 2 농도인지를 검출하는 단계; 그리고
상기 전자 빔의 전자의 밀도를 전자의 제 1 농도로 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 112 항에 있어서, 상기 전자 빔의 전자의 에너지 레벨을 제 1 평균 전자 에너지 상태에 일정하게 유지하는 단계와;
상기 전자 빔의 전자의 밀도를 상기 제 1 평균 전자 에너지 상태에서의 전자의 제 2 농도로 조절하는 단계; 그리고
상기 제 1 파장과 제 2 광도의 방출 광을 수용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 1 평균 전자 에너지 상태에서 제 1 전자 농도를 갖는 전자 빔을 발생시키는 단계와;
제 1 가스를 포함하는 시험 가스 흐름에 전자 빔을 전달하는 단계; 그리고
방출 광과 관련하여 상기 시험 가스 흐름을 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 121 항에 있어서, 상기 제 1 가스로부터 제 1 발광 파장을 갖는 방출 광을 검출하는 단계; 그리고
상기 제 1 평균 전자 에너지 상태의 제 1 가스에 대하여 상기 제 1 발광 파장을 갖는 방출 광 프로파일을 기록하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 121 항에 있어서, 상기 제 1 가스로부터 제 1 발광 파장과 제 2 발광 파장을 갖는 방출 광을 검출하는 단계; 그리고
상기 제 1 평균 전자 에너지 상태의 제 1 여기 가스에 대하여 상기 제 1 발광 파장과 제 2 발광 파장을 갖는 방출 광 프로파일을 기록하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 123 항에 있어서, 상기 전자 빔의 에너지 상태를 제 2 평균 전자 에너지 상태로 변경하는 단계와;
상기 제 1 가스로부터 제 3 발광 파장의 방출 광을 검출하는 단계; 그리고
상기 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 1 가스에 대하여 상기 제 3 발광 파장을 갖는 제 2 방출 광 프로파일을 기록하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 123 항에 있어서, 상기 전자 빔의 에너지 상태를 제 2 평균 전자 에너지 상태로 변경하는 단계와;
상기 제 1 가스로부터 제 3 발광 파장 및 제 4 발광 파장의 방출 광을 검출하는 단계; 그리고
상기 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 1 가스에 대하여 상기 제 3 발광 파장 및 제 4 발광 파장을 갖는 제 2 방출 광 프로파일을 기록하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 125 항에 있어서, 상기 제 1 방출 광 프로파일과 제 2 방출 광 프로파일을 상기 제 1 가스에 대한 특유의 스펙트럼 서명(signature)으로 편집하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법.
- 제 125 항에 있어서, 상기 제 1 가스를 포함하는 시험 가스 흐름을 종결시키는 단계와;
제 2 가스를 포함하는 제 2 시험 가스 흐름을 제공하는 단계와;
상기 제 2 시험 가스 흐름에 상기 전자 빔을 전달하는 단계; 그리고
방출 광과 관련하여 상기 제 2 시험 가스 흐름을 모니터링하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 127 항에 있어서, 상기 제 2 가스로부터 제 5 발광 파장의 방출 광을 검출하는 단계; 그리고
상기 제 1 평균 전자 에너지 상태의 제 2 가스에 대하여 상기 제 5 발광 파장을 갖는 방출 광 프로파일을 기록하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 127 항에 있어서, 상기 제 2 가스로부터 제 5 발광 파장과 제 6 발광 파장의 방출 광을 검출하는 단계; 그리고
상기 제 1 평균 전자 에너지 상태의 제 2 가스에 대하여 상기 제 5 발광 파장과 제 6 발광 파장을 갖는 방출 광 프로파일을 기록하는 단계를 추가로 포함하는것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 131 항에 있어서, 상기 전자 빔의 에너지 상태를 제 2 평균 전자 에너지 상태로 변경하는 단계와;
상기 제 2 가스로부터 제 7 발광 파장의 방출 광을 검출하는 단계; 그리고
상기 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 가스에 대하여 상기 제 7 발광 파장을 갖는 제 2 방출 광 프로파일을 기록하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 129 항에 있어서, 상기 전자 빔의 에너지 상태를 제 2 평균 전자 에너지 상태로 변경하는 단계와;
상기 제 2 가스로부터 제 7 발광 파장 및 제 8 발광 파장의 방출 광을 검출하는 단계; 그리고
상기 제 2 평균 전자 에너지 상태의 제 2 가스에 대하여 상기 제 7 발광 파장 및 제 8 발광 파장을 갖는 제 2 방출 광 프로파일을 기록하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 125 항에 있어서, 상기 제 1 방출 광 프로파일과 제 2 방출 광 프로파일을 상기 제 2 가스에 대한 특유의 제 2 스펙트럼 서명으로 편집하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법.
- 제 132 항에 있어서, 시험 가스 흐름으로부터 가스에 대한 일련의 방출 광 프로파일을 생성하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법.
- 제 133 항에 있어서, 상기 특유의 스펙트럼 서명과 상기 특유의 제 2 스펙트럼 서명의 시험 가스 흐름으로부터 가스에 대한 일련의 특유의 스펙트럼 서명을 생성하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법.
- 제 134 항에 있어서, 상기 제 1 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 포함하는 제 2 전자 빔을 빔 축선을 따라 발생시키는 단계와;
반도체 반응로 챔버로부터의 유출류를 운반하기 위한 가스 도관의 내부 체적부를 향해 빔 축선을 전달하는 단계와;
제 1 발광 파장의 방출 광을 수용하는 단계; 그리고
상기 유출류에 존재하는 바와 같은 제 1 가스를 확인하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 134 항에 있어서, 상기 제 1 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 포함하는 제 2 전자 빔을 빔 축선을 따라 발생시키는 단계와;
반도체 반응로 챔버로부터의 유출류를 운반하기 위한 가스 도관의 내부 체적부를 향해 빔 축선을 전달하는 단계와;
제 1 발광 파장 및 제 2 발광 파장 중 하나의 방출 광을 수용하는 단계; 그리고
상기 유출류에 존재하는 바와 같은 제 1 가스를 확인하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 126 항에 있어서, 상기 제 2 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 포함하는 제 2 전자 빔을 빔 축선을 따라 발생시키는 단계와;
반도체 반응로 챔버로부터의 유출류를 운반하기 위한 가스 도관의 내부 체적부를 향해 빔 축선을 전달하는 단계와;
제 3 발광 파장의 방출 광을 수용하는 단계; 그리고
상기 유출류에 존재하는 바와 같은 제 1 가스를 확인하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 131 항에 있어서, 상기 제 2 전자 에너지 상태의 제 2 농도의 전자를 포함하는 제 2 전자 빔을 빔 축선을 따라 발생시키는 단계와;
반도체 반응로 챔버로부터의 유출류를 운반하기 위한 가스 도관의 내부 체적부를 향해 빔 축선을 전달하는 단계와;
제 7 발광 파장 및 제 8 발광 파장 중 하나의 방출 광을 수용하는 단계; 그리고
상기 유출류에 존재하는 바와 같은 제 2 가스를 확인하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 135 항에 있어서, 복수 개의 발광 파장의 방출 광을 수용하는 단계와;
일련의 방출 광 프로파일과 수신된 방출 광을 비교하는 단계와;
상기 일련의 방출 광 프로파일로부터의 일 방출 광 프로파일과 한 세트의 발광 파장을 일치시키는 단계; 그리고
일치하는 방출 광 프로파일로부터 존재하는 표적 가스를 확인하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 135 항에 있어서, 제 1 전자 에너지 상태에서의 복수 개의 발광 파장의 방출 광을 수용하는 단계와;
제 2 전자 에너지 상태에서의 복수 개의 제 2 발광 파장의 제 2 방출 광을 수용하는 단계와;
상기 수용된 방출 광과 상기 수용된 제 2 방출 광을 상기 일련의 특유의 스펙트럼 서명과 비교하는 단계와;
상기 일련의 특유의 스펙트럼 서명으로부터의 하나의 특유의 스펙트럼 서명과 한 세트의 발광 파장을 일치시키는 단계; 그리고
일치하는 특유의 스펙트럼 서명으로부터 존재하는 표적 가스를 확인하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 전자 공급원에 제 1 여기 에너지 레벨을 제공하는 단계와;
상기 전자 공급원에 기준 전위를 설정하는 단계와;
상기 기준 전위보다 큰 제 1 추출 장치 전압을 전자 추출 장치에 제공하는 단계와;
상기 제 1 추출 장치 전압에 따른 제 1 전자 에너지 상태 및 상기 제 1 여기 에너지 레벨에 따른 제 1 전자 농도를 갖는 전자 빔을 빔 축선을 따라 발생시키는 단계와;
반도체 반응로 챔버로부터의 유출류를 운반하기 위한 가스 도관의 내부 체적부를 향해 전자 빔을 전달하는 단계; 그리고
방출 광과 관련하여 상기 유출류를 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 141 항에 있어서, 전자 공급원에 제공되는 제 1 여기 에너지 레벨을 제 2 여기 에너지로 조절하는 단계; 그리고
상기 전자 빔의 전자의 밀도를 제 2 전자 농도로 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 141 항에 있어서, 전자 추출 장치에 제공되는 제 1 추출 장치 전압을 제 2 추출 장치 전압으로 변경하는 단계; 그리고
상기 전자 빔의 에너지 상태를 제 2 평균 전자 에너지 상태로 변경하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 141 항에 있어서, 상기 제 1 추출 전압보다 큰 제 1 수집 장치 바이어스 전압을 전자 수집 장치에 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법.
- 제 144 항에 있어서, 전자 추출 장치에 제공되는 제 1 추출 장치 전압을 제 2 추출 장치 전압으로 변경하는 단계; 그리고
상기 제 1 수집 장치 바이어스 전압을 상기 제 2 추출 장치 전압보다 큰 제 2 수집 장치 바이어스 전압으로 변경하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 141 항에 있어서, 광을 방출하도록 유출류의 입자를 여기시키는 단계; 그리고
상기 전자 빔의 빔 축선을 따라 나타나는 광도를 상기 전자 빔을 따라 일 위치로 공간적으로 분해하는 단계를 추가로 포함하며,
방출 광과 관련하여 유출류를 모니터링하는 단계는 상기 전자 빔을 따라 상기 일 위치를 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 141 항에 있어서, 광을 방출하도록 유출류의 입자를 여기시키는 단계; 그리고
상기 전자 빔의 빔 축선을 따라 나타나는 광도를 상기 전자 빔을 따라 하류 위치로 공간적으로 분해하는 단계를 추가로 포함하며,
방출 광과 관련하여 유출류를 모니터링하는 단계는 상기 전자 빔을 따라 상기 하류 위치를 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 144 항에 있어서, 전자 추출 장치에 대한 상기 제 1 추출 장치 전압의 공급을 종결하는 단계와;
전자 공급원에 대한 상기 제 1 여기 에너지 레벨의 공급을 종결하는 단계; 그리고
상기 전자 공급원에 공급되는 제 1 수집 장치 바이어스 전압을 상기 기준 전위보다 낮은 제 2 수집 장치 바이어스 전압으로 변경하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 123 항에 있어서, 제 1 평균 전자 에너지 상태에서 제 1 전자 농도를 갖는 전자 빔을 발생시키는 단계는,
전자 공급원에 제 1 여기 에너지 레벨을 제공하는 단계와;
상기 전자 공급원에 기준 전위를 설정하는 단계와;
상기 기준 전위보다 높은 제 1 추출 장치 전압을 전자 추출 장치에 제공하는 단계와;
상기 제 1 추출 장치 전압에 따른 상기 제 1 전자 에너지 상태 및 상기 제 1 여기 에너지 레벨에 따른 제 1 전자 농도를 갖는 전자 빔을 빔 축선을 따라 발생시키는 단계와;
상기 추출 장치 전압보다 높은 제 1 바이어스 수집 장치 전압을 전자 수집 장치에 제공하는 단계; 그리고
상기 전자 수집 장치로부터 제 1 전자 전류를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 149 항에 있어서, 상기 추출 장치 전압보다 높은 제 1 바이어스 수집 장치 전압을 전자 수집 장치에 제공하는 단계는,
상기 제 1 바이어스 수집 장치 전압을 제 2 수집 장치 바이어스 전압으로 조절하는 단계와;
상기 전자 수집 장치로부터 무효 전자 전류를 측정하는 단계; 그리고
상기 제 1 가스로부터 제 1 발광 파장을 여기시키기 위해 제 1 평균 전자 에너지 상태로서 제 2 수집 장치 바이어스 전압을 기록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 149 항에 있어서, 상기 제 1 가스를 포함하는 시험 가스 흐름을 종결시키는 단계와;
상기 전자 공급원에 제 1 여기 에너지 레벨을 제공하는 단계와;
상기 전자 수집 장치에 제 2 바이어스 수집 장치 전압을 제공하는 단계와;
상기 전자 수집 장치로부터 제 2 전자 전류를 측정하는 단계와;
상기 전자 추출 장치에 제 2 추출 장치 전압을 제공하는 단계와;
상기 전자 수집 장치로부터 무효 전자 전류를 측정하는 단계와;
상기 전자 수집 장치에 제공되는 제 2 바이어스 수집 장치 전압을 제 1 수집 장치 바이어스 전압으로 조절하는 단계와;
유출류를 제공하는 단계; 그리고
방출 광과 관련하여 유출류를 모니터링하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 3 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치와 기준 전위 공급원에 열적으로 결합되는 히터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 49 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치와, 상기 기준 전위 공급원, 그리고 상기 전자 수집 장치에 열적으로 결합되는 히터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 153 항에 있어서, 상기 전자 추출 장치와, 상기 기준 전위 공급원, 그리고 상기 전자 수집 장치에 열적으로 결합되는 온도 센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
- 제 154 항에 있어서, 상기 히터에 전력을 공급하기 위한 히터 전력 공급부; 그리고
상기 온도 센서로부터의 온도 정보를 수신하여 상기 히터 전력 공급부로부터의 전력을 조절하기 위한 온도 조절기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치. - 제 149 항에 있어서, 상기 방출 광에 대한 광도 정보를 수신하는 단계; 그리고
전자 전류에 대하여 방출 광도를 표준화하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 입자를 여기시키기 위한 방법. - 제 8 항에 있어서, 상기 전자 공급원은 코로나 방전 유형 전자 공급원이며,
상기 전자 공급원은 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 결합되는 전극을 추가로 포함하며, 상기 전극은 제 2 평균 전자 에너지 상태이 제 2 농도의 전자를 방출하기 위한 와이어 단부와 뾰족하거나 좁은 게이지 와이어체 중 하나를 구비하며,
상기 가변 밀도 여기 에너지 공급부에 의해 공급되는 여기 에너지는 DC 전압인 것을 특징으로 하는 배기 라인 여기 장치.
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