KR20160042124A - 저전력에서의 자립식 비-2극성 직류(dc) 플라즈마 - Google Patents

저전력에서의 자립식 비-2극성 직류(dc) 플라즈마 Download PDF

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Abstract

전자빔을 발생하도록 플라즈마를 여기하는 전자빔 소스 챔버 및 기판을 수용하고 이온빔을 발생하도록 또한 여기하는 이온빔 소스 챔버를 갖는 프로세싱 시스템이 개시된다. 프로세싱 시스템은 전자빔 소스 챔버를 이온빔 소스 챔버에 결합하고, 전자빔 및 이온빔을 동시에 주입하고 대향 방향으로 전자빔 및 이온빔을 추진하는 유전성 인젝터를 또한 포함한다. 전자빔 소스 챔버와 이온빔 소스 챔버 사이의 전압 전위 구배는 플라즈마가 기판을 처리함에 따라 전자빔 및 이온빔을 유지하는 데 충분한 에너지장을 발생하여, 전자빔을 발생하기 위해 프로세싱 시스템에 초기에 인가된 무선 주파수(RF) 전력이 종료될 수 있어 따라서 프로세싱 시스템의 전력 효율을 향상시킨다.

Description

저전력에서의 자립식 비-2극성 직류(DC) 플라즈마{SELF-SUSTAINED NON-AMBIPOLAR DIRECT CURRENT(DC) PLASMA AT LOW POWER}
관련 출원의 상호 참조
37 C.F.R. § 1.78(a)(4)에 따라, 본 출원은 본 명세서에 참조로서 명시적으로 합체되어 있는 2013년 8월 12일 출원된 이전에 출원된 계류중인 미국 가출원 제61/864,965호의 이익 및 우선권을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 반도체 처리 기술에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 기판을 처리하기 위한 처리 시스템의 특성을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 반응성 이온 에칭(reactive ion etching: RIE)과 같은, 플라즈마를 사용하는 종래의 에칭 프로세스에서 발생된 고에너지 이온은 플라즈마 내에서 제어하는 것이 어렵다. 종래의 RIE 기술은 고에너지 이온의 제어의 결여에 기인하여 기판을 에칭하는 데 있어서 전체 성능을 방해하는 다수의 문제점과 연관된다. 종래의 RIE 기술은 종종 넓은 이온 에너지 분포(ion energy distribution: IED)를 갖는다. 넓은 이온 에너지 분포는 기판을 적절하게 에칭하는 데 요구되는 정밀도를 감소시킨다. 종래의 RIE 기술은 또한 기판에 대한 전하 손상(charge damage)과 같은 전하 유도 악영향, 및 마이크로 로딩(micro loading)과 같은 특징-형상 로딩 효과를 갖는다. 마이크로 로딩은 기판의 치밀한 영역에 기인하는 에칭 속도의 증가를 야기한다. 증가된 에칭 속도는 기판의 불균일한 에칭을 야기할 수도 있다.
기판을 프로세싱하기 위해 종래의 전자빔 여기 플라즈마를 사용하는 것이 통상적인 지식이 되고 있다. 종래의 전자빔 여기 플라즈마 프로세스는 직류와 함께 동작하여 전자빔 밀도 및 에너지가 일정 전압 및 일정 전류 특성에 기인하여, 방전 전류 및 가속 전압에 의해 각각 독립적으로 제어되게 된다. 따라서, 전자 온도 및 플라즈마 밀도, 뿐만 아니라 시스 전위(sheath potential)는 다른 종래의 플라즈마 프로세스에 비교할 때 기판에서 용이하게 제어된다.
종래의 전자빔 여기 플라즈마 프로세스는 2 챔버 접근법(two chamber approach)을 구현한다. 전자빔 소스 챔버가 전자빔 소스 챔버 내에 플라즈마를 여기함으로써 전자빔을 발생하는 데 사용된다. 고온 필라먼트 방전, 중공 캐소드 방전 및 유도 결합 방전(RF 전력)이 전자빔 소스 챔버 내에 플라즈마를 여기하기 위해 전자빔 소스 챔버에 적용되어 왔다. 전자빔 소스 챔버 내의 여기된 전자는 하나 이상의 차등 바이어스된 그리드(differentially biased grids)를 통해 프로세스 챔버 내로 이동하여 프로세스 챔버 내에 플라즈마를 발생한다. 자기장이 또한 프로세스 챔버에 인가되어 반경방향에서 전자빔을 구속하거나 확장한다.
전자빔 여기 플라즈마는 전자를 여기하기 위해 전자빔 소스 챔버에 공급된 전력이 유지되는 한 기판을 계속 프로세싱한다. 따라서, 전력은 기판의 처리 중에 전자빔 소스 챔버에 계속 공급된다. 전자빔 소스 챔버로의 전력의 계속적인 공급은 기판을 처리하는 데 있어서 전력 효율에 상당한 영향을 갖는다. 따라서, 기판을 프로세싱하는 동안에 전자빔의 강도를 유지하는 데 사용된 전체 전력을 감소시키기 위한 효율적인 수단이 요구된다.
본 발명은 전자빔 소스 챔버 및 이온빔 소스 챔버를 포함하는, 기판의 자립식 비-2극성 플라즈마 처리를 위한 프로세싱 시스템을 제공한다. 전자빔 소스 챔버는 전자빔 여기된 플라즈마를 여기하고 이온빔 소스 챔버 내에 플라즈마(전자빔 여기된 플라즈마)를 여기하기 위해 이온빔 소스챔버를 위한 전자를 공급하도록 구성된다. 이온빔 소스 챔버는 전자빔 여기된 플라즈마를 여기하고 전자빔 소스 챔버 내에 플라즈마(전자빔 소스 플라즈마)를 여기하도록 전자빔 소스 챔버에 이온을 공급하도록 구성된다. 전자빔 소스 챔버에 공급된 이온에 의해 여기된 전자빔 소스 플라즈마는 이어서 공급된 이온에 의해 유지되고 이온빔 여기된 플라즈마가 된다. 전자빔 소스 챔버 및 이온빔 소스 챔버 중 하나 또는 모두는 전자빔 소스 플라즈마 및 전자빔 여기된 플라즈마 중 하나 또는 모두에 의해 처리되도록 기판을 수용하도록 구성된다. 프로세싱 시스템은 전자빔 소스 챔버를 이온빔 소스 챔버에 결합하고 전자빔 소스 챔버로부터 이온빔 소스 챔버 내로 고에너지 전자를 주입하도록 구성된 유전성 인젝터를 또한 포함한다. 유전성 인젝터는 또한 이온빔 소스 챔버로부터 전자빔 소스 챔버 내로 고에너지 이온을 주입하도록 구성된다. 에너지장은 전자빔 소스 플라즈마 및 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하도록 전자빔 소스 챔버와 이온빔 소스 챔버 사이에 인가된 전압 전위 구배로부터 발생된다.
본 발명은 또한 기판을 프로세싱하는 프로세싱 시스템에 의해 소비된 전력을 최소화하기 위해 전자빔 소스 챔버와 이온빔 소스 챔버 사이에 인가된 전압 전위 구배에 의해 발생된 에너지장에 기초하여 전자빔 소스 챔버 및/또는 이온빔 소스 챔버 내에 수용된 기판을 처리하도록 전자빔 소스 플라즈마 및 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법을 또한 제공한다. 방법은 전자빔 소스 챔버 내에 플라즈마를 여기하는 것 및 전자빔 소스 챔버로부터 전자빔을 발생하는 것으로 시작한다. 방법은 전자빔 소스 챔버와 이온빔 소스 챔버 사이에 발생된 전압 전위 구배로부터 에너지장을 발생하는 것을 더 포함한다. 방법은 전자빔 소스 챔버로부터 전자빔을 주입하고 전자빔 소스 챔버를 이온빔 소스 챔버에 결합하는 유전성 인젝터를 통해 이온빔 소스 챔버에 전자빔을 추진하는 것을 더 포함한다. 방법은 이온빔 소스 챔버 내에 전자빔 여기된 플라즈마를 여기하는 것 및 전자빔 여기된 플라즈마/로부터 이온빔을 발생하는 것을 더 포함한다. 방법은 전자빔 소스 챔버 및 이온빔 소스 챔버 중 하나 또는 모두 내에 기판을 제공하는 것을 더 포함한다. 방법은 전자빔 여기된 플라즈마로부터 이온빔을 주입하고 유전성 인젝터를 통해 전자빔 소스 챔버 내로 이온빔을 추진하는 것을 더 포함한다. 이온빔에 의해 여기된 전자빔 소스 플라즈마는 이어서 이온빔에 의해 유지되고 이온빔 여기된 플라즈마가 된다. 전자빔 및 이온빔의 추진은 전자빔 소스 챔버와 이온빔 소스 챔버 사이에 인가된 전압 전위 구배에 의해 영향을 받는다. 방법은 하나 또는 모두가 기판을 처리함에 따라 전자빔 소스 플라즈마 및 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하는 것을 더 포함한다.
본 명세서에 합체되어 그 부분을 구성하고 있는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 도시하고 있고, 상기에 제공된 본 발명의 일반적인 설명 및 이하에 제공된 상세한 설명과 함께, 본 발명을 설명하는 역할을 한다. 부가적으로, 도면 부호의 최좌측 숫자(들)는 도면 부호가 최초로 출현한 도면을 식별한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판의 중성입자빔 처리를 위한 예시적인 프로세싱 시스템의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판의 자립식 비-2극성 플라즈마 처리를 위한 예시적인 프로세싱 시스템의 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기판의 자립식 비-2극성 플라즈마 처리를 위한 예시적인 프로세싱 시스템의 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프로세싱 시스템의 예시적인 동작 단계의 흐름도이다.
이하의 상세한 설명은 본 발명에 따른 예시적인 실시예를 예시하기 위해 첨부 도면을 참조한다. 상세한 설명에서 "일 실시예", "실시예", "예시적인 실시예" 등의 참조는, 설명된 예시적인 실시예가 특정 특징, 구조, 또는 특성을 포함할 수 있지만, 모든 예시적인 실시예가 반드시 특정 특징, 구조, 또는 특성을 포함하는 것은 아니라는 것을 지시하는 것이다. 더욱이, 이러한 구문은 반드시 동일한 실시예를 칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성이 실시예와 관련하여 설명될 때, 이는 명시적으로 설명되건 아니건, 다른 예시적인 실시예와 관련하여 이러한 특징, 구조, 또는 특성에 영향을 미치기 위한 당 기술 분야의 숙련자(들)의 지식 내에 있다.
본 명세서에 설명된 예시적인 실시예는 예시적인 목적으로 제공된 것이고, 한정은 아니다. 다른 실시예가 가능하고, 수정이 본 발명의 범주 내에서 예시적인 실시예에 이루어질 수 있다. 따라서, 상세한 설명은 본 발명을 한정하도록 의도된 것은 아니다. 오히려, 본 발명의 범주는 이하의 청구범위 및 이들의 등가물에 따라서만 규정된다.
예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명은, 당 기술 분야의 숙련자(들)의 지식을 적용함으로써, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고, 다른 사람들이 과도한 실험 없이, 다양한 용례를 위해 이러한 예시적인 실시예를 즉시 수정하고 그리고/또는 개조할 수 있도록 본 발명의 일반적인 성질을 완전히 드러낼 것이다. 따라서, 이러한 개조 및 수정은 본 명세서에 제시된 교시 및 안내에 기초하여 예시적인 실시예의 의미 및 복수의 등가물 내에 있도록 의도된다. 본 명세서의 구문 또는 용어는 한정이 아니라 설명의 목적이며, 본 명세서의 용어 또는 구문은 본 명세서의 교시에 비추어 당 기술 분야의 숙련자(들)에 의해 해석되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 기판의 중성입자빔 처리를 위한 종래의 프로세싱 시스템(100)을 도시하고 있다. 종래의 프로세싱 시스템(100)은 소스 플라즈마 전위(Vp, 1)에서 소스 플라즈마(120)를 형성하는 플라즈마 발생 챔버(110)와, 전자빔 여기 플라즈마 전위(Vp, 2)에서 전자빔 여기 플라즈마(140)를 형성하는 프로세스 챔버(130)를 포함한다. 전자빔 여기 플라즈마 전위는 소스 플라즈마 전위보다 크다(Vp, 2 > Vp, 1).
무선 주파수(radio frequency: RF) 전력과 같은 커플링 전력(coupling power)이 이온화된 가스를 형성하도록 소스 플라즈마(120)에 인가될 수도 있다. 전자빔 여기 플라즈마(140)는 소스 플라즈마(120)에 의해 발생된 전자 플럭스를 사용하여 형성될 수도 있다. 전자 플럭스는 활력적인 전자(energetic electron)(ee) 플럭스, 전류(jee) 플럭스 및/또는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 전자빔 여기 플라즈마(140)를 형성하는 데 사용될 수도 있는 소스 플라즈마(120)에 의해 발생된 임의의 다른 유형의 플럭스를 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 종래의 프로세싱 시스템(100)은 기판(150)을 위치설정할 수도 있는 기판 홀더(도시 생략)를 또한 포함한다. 기판(150)은 프로세스 챔버(130) 내에서 직류(DC) 접지 또는 부동 접지에 위치될 수도 있어, 기판(150)이 전자빔 여기 플라즈마 전위(Vp, 2)에서 전자빔 여기 플라즈마(140)에 노출될 수도 있게 된다.
플라즈마 발생 챔버(110)는 플라즈마 발생 시스템(160)에 결합될 수도 있다. 플라즈마 발생 시스템(160)은 소스 플라즈마(120)를 점화하여 가열할 수도 있다. 플라즈마 발생 시스템(160)은 소스 플라즈마 전위 내의 최소 변동이 성취되도록 소스 플라즈마(120)를 가열할 수도 있다. 플라즈마 발생 시스템(160)은 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma: ICP) 소스, 변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma: TCP) 소스, 용량 결합 플라즈마(capacitively coupled plasma: CCP) 소스, 전자 사이클로트론 공진(electron cyclotron resonance: EC) 소스, 헬리콘파 소스(helicon wave source), 표면파 플라즈마 소스, 슬롯 평면 안테나를 갖는 표면파 플라즈마 소스, 및/또는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 소스 플라즈마 전위의 최소 변동을 갖고 소스 플라즈마(120)를 가열할 수도 있는 임의의 다른 플라즈마 발생 시스템을 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
플라즈마 발생 챔버(110)는 또한 직류(DC) 도전성 전극(170)에 결합된다. DC 도전성 전극(170)은 소스 플라즈마(120)와 접촉할 수도 있는 도전성 표면을 포함한다. DC 도전성 전극(170)은 DC 접지에 결합될 수도 있고, 소스 플라즈마 전위에서 소스 플라즈마(120)에 의해 구동될 수도 있는 이온 싱크로서 작용할 수도 있다. 플라즈마 발생 챔버(110)는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에 명백할 것인 DC 접지에 결합된 임의의 양의 DC 도전성 전극(170)에 결합될 수도 있다.
DC 도전성 전극(170)은 소스 플라즈마 전위에 영향을 미칠 수도 있고, DC 접지에 최저 임피던스 경로를 제공할 수도 있다. 소스 플라즈마 전위는, 소스 플라즈마(120)와 접촉하는 DC 도전성 전극(170)의 도전성 표면의 표면적이 소스 플라즈마(120)와 또한 접촉하는 다른 표면의 표면적보다 클 때, 낮아질 수도 있다. 소스 플라즈마(120)와 또한 접촉하는 다른 표면의 표면적에 대한 소스 플라즈마(120)와 접촉하는 도전성 표면의 표면적이 클수록 다른 표면의 임피던스에 대한 도전성 표면의 임피던스의 더 큰 불일치를 제공하고, 이 더 큰 불일치는 소스 플라즈마(120)를 위한 DC 접지에 더 낮은 임피던스 경로를 제공하고, 따라서 소스 플라즈마 전위를 낮춘다.
전자 전류(jee)는 프로세스 챔버(130) 내에 전자빔 여기 플라즈마(140)를 개시하고 그리고/또는 유지할 수도 있는 소스 플라즈마(120)로부터 전자 플럭스일 수도 있다. 전자 전류(jee)는 중성입자빔을 생성하도록 제어될 수도 있다. 중성입자빔은 소스 플라즈마(120)에 인가된 RF 전력에 의해 여기된 소스 플라즈마(120) 내에 포함된 전자 및 또한 소스 플라즈마(120) 내에 또한 포함된 제1 이온 집단을 포함한다. 제1 이온 집단의 양은 여기된 전자에 동일하다. 중성입자빔을 발생하기 위해, 소스 플라즈마 전위 및 전자빔 여기된 플라즈마 전위는 각각 사이에 최소 변동을 갖고 안정화된다. 전자빔 여기된 플라즈마(140)의 안정성을 유지하기 위해, 프로세스 챔버(130)는 전자빔 여기된 플라즈마(140)와 접촉하는 도전성 표면을 갖는 DC 도전성 바이어스 전극(180)을 포함한다.
DC 도전성 바이어스 전극(180)은 DC 전압 소스(190)에 결합될 수도 있다. DC 전압 소스(190)는 포지티브 DC 전압(+VDC)에서 DC 도전성 바이어스 전극(180)을 바이어스할 수도 있다. 그 결과, 전자빔 여기된 플라즈마 전위는 포지티브 DC 전압 소스에 의해 구동된 경계 구동된(boundary-driven) 플라즈마 전위일 수도 있고, 따라서 전자빔 여기된 플라즈마 전위(Vp, 2)가 포지티브 DC 전압(+VDC)으로 실질적으로 상승하여 포지티브 DC 전압(+VDC)에서 실질적으로 안정하게 유지되게 한다. 프로세스 챔버(130)는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 DC 전압 소스(190)에 결합된 임의의 양의 DC 도전성 바이어스 전극(180)에 결합될 수도 있다.
종래의 프로세싱 시스템(100)은 플라즈마 발생 챔버(110)와 프로세스 챔버(130) 사이에 배치된 분리 부재(195)를 또한 포함한다. 분리 부재(195)는 전자 확산기로서 작용할 수도 있다. 분리 부재(195)는 (Vp, 2) - (Vp, 1)의 전압 전위차에 의해 생성된 전자 가속층을 통해 전기장에 의해 구동될 수도 있다. 분리 부재(195)는 절연기, 석영, 알루미나, 접지에 대한 고 RF 임피던스를 갖는 전기적으로 부동하는 유전성 코팅된 도전성 재료, 및/또는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 임의의 다른 분리 부재(195)를 포함할 수도 있다. (Vp, 2) - (Vp, 1)의 분리 부재(195)를 가로질러 유지되는 큰 전기장에 기인하여, 전자 전류(jee)는 전자빔 여기된 플라즈마(140) 내에 이온화를 유지하기 위해 충분히 활력적이다.
분리 부재(195)는 플라즈마 발생 챔버(110)로부터 프로세스 챔버(130)로 전자 전류(jee)의 통과를 허용하기 위한 하나 이상의 개구를 포함할 수도 있다. 하나 이상의 개구의 총 면적은 전자빔 여기된 플라즈마(140)로부터 소스 플라즈마(120)로 역이온 전류를 최소화하면서 (Vp, 2) - (Vp, 1)의 비교적 큰 전위차를 보장하기 위해 DC 도전성 전극(170)의 표면적에 대해 조정될 수도 있어 이에 의해 기판(150)을 타격하는 이온 포함된 이온 전류(ji1)를 위한 충분한 이온 에너지를 보장한다.
이온 전류(ji2)는 전자 전류(jee) 내에 포함된 제1 이온 집단에 대략적으로 등가인 양으로 DC 도전성 전극(170)으로 플라즈마 발생 챔버(110) 내에서 흐르는 소스 플라즈마(120) 내의 제2 이온 집단으로부터의 제2 이온 플럭스일 수도 있다. 전자 전류(jee)는 소스 플라즈마(120)로부터 분리 챔버(195)에서 전자 가속층(도시 생략)을 통해 전자빔 여기된 플라즈마(140) 내로 흐를 수도 있다. 전자 전류(jee)는 전자빔 여기된 플라즈마(140)를 형성하기 위해 충분히 활력적일 수도 있다. 이와 같이 함으로써, 열 전자의 집단이 형성된다. 열 전자는 도입 전자 전류(jee)에 의해 전자빔 여기된 플라즈마(140)의 이온화시에 방출된 전자의 결과일 수도 있다. 전자 전류(jee)로부터의 몇몇 활력적인 전자는 충분한 양의 에너지를 손실할 수도 있고, 또한 열 전자 집단의 부분이 될 수도 있다. 디바이 차폐(Debye shielding)에 의해, 전자빔 여기된 플라즈마(140)의 열 전자는 jte - jee의 활력적인 전자 플럭스에 동일한 양의 열 전자 전류(jte)로서 DC 도전성 바이어스 전극(180)으로 흐를 수도 있다.
소스 플라즈마(120)에 원래 포함된 제1 이온 집단은 기판(150)을 처리하기 위해 전자 전류(jee)에 기인하여 기판(150)을 향해 유도될 수도 있다. 열 전자가 DC 도전성 바이어스 전극(180)에 유도된 상태로, 이온 전류(ji1) 내의 제1 이온 집단으로부터의 제1 이온 플럭스는 제2 전압 전위에서 기판(150)으로 유도될 수도 있다. 상당한 양의 이온 전류(ji1)가 전자빔 여기된 플라즈마(140)를 통해 통과 생존할 수 있고 전자 전류(jee) 내의 도입 활력적인 전자 에너지가 높을 때 기판(150)에 타격할 수도 있다. 기판(150)은 부동 DC 접지에 있을 수도 있기 때문에, 이온 전류(ji1)가 전자빔 여기된 플라즈마(140) 내의 제1 이온 집단에 의해 공급될 수 있고 전자 전류(je1)에 등가일 수도 있어 순 전류(net current)가 존재하지 않게 된다.
그 결과, 소스 플라즈마 전위를 초과하는 전자빔 여기된 플라즈마 전위의 상승은 전자 전류(jee)를 갖는 활력적인 전자빔을 구동하여 전자빔 여기된 플라즈마(140)를 형성할 수도 있다. 종래의 프로세싱 시스템(100) 전체에 걸친 입자 균형은 전자 전류(je1)를 갖는 동일한 수의 전자 및 기판(150)에 타격하는 이온 전류(ji1)를 갖는 이온을 갖는 활력적인 전자빔을 제공할 수도 있어 활력적인 전자빔이 전자 전류(je1)가 이온 전류(ji1)와 동일한 중성입자빔이 되게 된다. 이온 전류(ji1) 내에 포함된 이온은 기판(150)을 처리하고, 반면에 전자 전류(je1) 내에 포함된 전자는 이온 전류(ji1)의 IED를 제어하고 이들의 포지티브 전하를 손실하여 따라서 이온 전류(ji1)를 약화시킬 수도 있는 이온 전류(ji1) 내에 포함된 포지티브 하전된 이온의 양을 최소화한다. 기판(150)에 유도된 중성입자빔의 전하 균형은 기판(150)에서 화학적 프로세스를 활성화한다.
도 1에서 전술된 기판(150)의 중성입자빔 처리는 최종적인 이온 전류(ji1)가 기판(150)을 처리할 수 있도록 충분한 시스템 전력 레벨로 전자 전류(jee)를 유지하기 위해 상당한 양의 전력이 종래의 프로세싱 시스템(100)에 계속 인가되는 것을 필요로 한다. 기판의 중성입자빔 처리 중에 더 효율적인 전력 사용량을 위해, 본 발명은 자립식 비-2극성 플라즈마 시스템을 제공한다. 비-2극성 플라즈마 시스템은 중성입자빔 내에 포함된 저에너지 포지티브 하전된 이온이 고에너지 네거티브 하전된 전자에 의해 균형잡히어 중성입자빔을 발생한다.
전자빔은 전자빔 소스 플라즈마를 포함하는 전자빔 소스 챔버 내에서 발생된다. 전자빔 소스 플라즈마는 동일한 수의 포지티브 하전된 이온 및 네거티브 하전된 전자를 포함한다. 전자빔 소스 플라즈마는 도 1에서 설명된 전자 플럭스(jee)와 유사한 방식으로 전자 플럭스를 발생하는 RF 전력에 의해 발생된 전자기장에 의해 여기될 수도 있다. 전자빔 플라즈마 내에 포함된 네거티브 하전된 전자의 일부는 도 1에 설명된 전자 전류(je1)에 유사한 전자 전류를 형성하는 RF 전력에 의해 제공된 전자기장에 의해 여기되도록 충분한 양의 에너지를 가질 수도 있다. 도 1에 설명된 이온 전류(ji1)에 유사한 전자빔 소스 플라즈마 내에 미리 존재하는 여기된 고에너지 전자 및 동일한 수의 저에너지 이온은 이어서 전자빔 소스 챔버 내에 위치된 전자빔 소스 플라즈마로부터 이온빔 소스 챔버 내로 통과한다. 이온빔 소스 챔버는 처리될 기판 및 또한 고에너지 전자빔에 의해 점화된 전자빔 여기된 플라즈마를 수용한다. 고에너지 전자는 전자빔 소스 챔버로부터 이온빔 소스 챔버 내로 통과하여 전자빔을 형성한다.
전자빔 소스 챔버로부터 이온빔 소스 챔버로의 전자빔의 이동은 전자빔 소스 플라즈마와 전자빔 여기된 플라즈마 사이의 전위차에 기초하여 발생한다. 전자빔 여기된 플라즈마의 전위는 전자빔 소스 빔 플라즈마의 전위에 대해 상승된다. 따라서, 전자빔은 전자빔 소스 챔버로부터 이온빔 소스 챔버로 이동하여 기판을 처리하기 위한 플라즈마를 발생한다.
전자빔 여기된 플라즈마의 이온화 효율은 종래의 전자빔 여기된 프로세스에 비교할 때 비-2극성 플라즈마 시스템에서 증가한다. 비-2극성 플라즈마 시스템 내의 전자빔 소스 챔버 및 이온빔 소스 챔버는 유전성 인젝터에 의해 분리된다. 전자빔 소스 챔버 내에 수용된 전자빔 소스가 여기되어 전자빔을 형성함에 따라, 전자빔 소스 챔버 내에 수용된 전자빔 소스 플라즈마 내에 포함된 고에너지 전자는 유전성 인젝터를 통해 이온빔 소스 챔버 내로 흐른다. 유전성 인젝터는 이온빔 소스 챔버 내로 고에너지 전자를 주입한다. 이온빔 소스 챔버 내로의 네거티브 하전된 전자의 주입은 전자빔이 이온빔 소스 챔버를 통해 기판을 향해 흐름에 따라 이온화를 유지하고, 따라서 전자빔 여기된 플라즈마의 이온화 효율을 향상시킨다.
전술된 바와 같이, 전자빔 내에 포함된 고에너지 전자는 이온빔 소스 챔버 내에 수용된 전자빔 여기된 플라즈마를 점화한다. 전자빔 점화된 플라즈마는 동일한 수의 네거티브 하전된 전자 및 포지티브 하전된 이온을 포함한다. 네거티브 하전된 전자는 전자빔 내에 포함된 고에너지 전자 및 또한 전자빔 점화된 플라즈마 내에 미리 존재하는 저에너지 전자를 포함한다. 포지티브 하전된 이온은 전자빔 여기된 플라즈마 내에 포함된 저에너지 이온 및 또한 전자빔 여기된 플라즈마 내에 미리 존재하는 고에너지 이온 내로 여기될 전위를 갖는 이온을 포함한다.
비-2극성 플라즈마 시스템 내의 이온빔 소스 챔버는 전자빔 소스 챔버와 이온빔 소스 챔버 사이에 상당한 전위차를 발생하기 위한 직류(DC) 전압을 발생하는 포지티브 하전된 가속기를 포함한다. 전자빔 여기된 플라즈마 내에 포함된 포지티브 하전된 이온의 일부는 고에너지 레벨을 갖도록 전위차에 의해 여기되고 이온빔 소스 챔버로부터 유전성 인젝터를 통해 전자빔 소스 챔버 내로 가속될 수도 있다. 전자빔 소스 챔버 내로 주입된 고에너지 이온의 에너지 및 전류는 전자빔 소스 챔버에 공급된 RF 전력이 종료될 수도 있도록 이온빔 소스 챔버 내에 위치된 기판을 처리하는 전자빔 여기된 플라즈마의 강도를 유지한다. 따라서, 비-2극성 플라즈마 시스템은 자립식이다.
종래의 전자빔 여기된 프로세스는 전자빔 소스 챔버에 RF 전력을 계속적으로 공급하여 기판의 프로세싱이 완료될 때까지 전자빔의 강도를 유지한다. 전자빔 소스 챔버로의 RF 전력의 계속된 공급은 종래의 시스템을 위한 높은 시스템 전력 레벨을 야기하고, 기판을 프로세싱하는 비용에 영향을 미치면서 기판을 프로세싱하는 전력 효율에 상당한 영향을 미치는 전력의 상당한 사용이다. 따라서, 종래의 전자빔 여기된 프로세스에서 사용된 바와 같은 RF 전력 상에 연속적인 드레인을 갖는 기판을 프로세싱하는 전력 효율은 비-2극성 플라즈마 시스템에 의해 구현된 이온빔보다 상당히 열악하다.
이하의 설명에서 상세히 나타내는 바와 같이, 개시된 발명은 기판의 프로세싱 중에 전자빔의 강도를 유지하는 데 사용된 전력량을 상당히 감소시키기 위한 자립식의 장점을 취한다. 이는 기판을 프로세싱하는 데 적용된 비용을 최소화하면서 전자빔을 거쳐 기판을 처리하는 전력 효율을 향상시키는 역할을 한다. 이어지는 설명에서, 비-2극성 플라즈마를 참조할 수도 있지만, 시스템 및 방법은 다양한 원하는 전자빔(선택된 전하 특성의 전자빔)에 적용된다는 것이 이해되어야 한다.
도 2를 참조하면, 기판의 비-2극성 플라즈마 처리를 위한 프로세싱 시스템(200)이 도시되어 있다. 프로세싱 시스템(200)은 전자빔(245) 및 이온빔(290)을 발생하여 프로세싱 시스템(200)의 전력 효율을 향상시킨다. 예를 들어, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 전자빔(245) 및 이온빔(290)은 반대 방향으로 유전성 인젝터(272)를 통해 동시에 통과하여 자립식 프로세싱 시스템(200)을 형성한다.
전자빔 소스 챔버(205)는 전자빔 소스 플라즈마 전위(Vp, 1)에서 전자빔 소스 플라즈마(210)를 형성하기 위해 제1 압력에서 제1 프로세스 가스를 수용하는 전자빔 소스 플라즈마 영역(235)을 포함한다. 이온빔 소스 챔버(215)는 전자빔 여기된 플라즈마 전위(Vp, 2) 및 제2 압력에서 전자빔 여기된 플라즈마(250)를 형성하도록 전자빔(245)을 수용하기 위해 전자빔 소스 플라즈마 영역(235)의 하류측에 배치된 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)을 포함한다.
제1 가스 주입 시스템(255)이 제1 프로세스 가스를 전자빔 소스 플라즈마 영역(235)에 도입하기 위해 전자빔 소스 챔버(205)에 결합된다. 제1 프로세스 가스는 양전성 가스, 음전성 가스, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제1 프로세스 가스는 5 mTorr 내지 15 mTorr의 범위의 압력에서 유지될 수도 있는 아르곤(Ar)과 같은 희가스를 포함할 수도 있다. 제1 프로세스 가스는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 기판(220)을 처리하기 위해 적합한 임의의 압력으로 유지된 임의의 가스를 포함할 수도 있다. 또한, 제1 프로세스 가스는 에칭제, 필름 형성 가스, 희석제, 세척 가스 및/또는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 기판(220)을 처리하기 위해 적합한 임의의 다른 화학 성분과 같은 다른 화학 성분을 포함할 수도 있다.
제1 프로세스 가스는 전자빔 소스 플라즈마(210)를 생성할 수도 있다. 전자빔 소스 플라즈마(210)는 용량 결합 플라즈마(CCP), 유도 결합 플라즈마(ICP), 변압기 결합 플라즈마(TCP), 표면파 플라즈마, 헬리콘파 플라즈마, 전자 사이클로트론 공진(ECR) 가열된 플라즈마, 및/또는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 임의의 다른 유형의 플라즈마일 수도 있다. 전자빔 소스 플라즈마(210)는 전자빔 플라즈마 전위(Vp, 1) 내의 최소 변동을 생성하도록 가열될 수도 있다.
전자빔 소스 챔버(205)는 전력 소스(275)에 결합될 수도 있는 유도성 코일(270)에 결합될 수도 있다. 전력 소스(275)는 RF 전력을 임피던스 정합 네트워크(도시 생략)를 통해 유도성 코일(270)에 결합하는 RF 발전기를 포함할 수도 있다. 10 MHz 내지 100 MHz의 주파수 범위를 갖는 200 W 내지 400 W의 RF 전력이 유도성 코일(270)로부터 유전성 튜브(280)를 통해 전자빔 소스 플라즈마 영역(235) 내의 전자빔 소스 플라즈마(210)에 유도 결합될 수도 있다. 유전성 튜브(280)는 전자빔 소스 챔버(205)의 측벽을 따라 위치되고, 전자빔 소스 챔버(205) 내로의 입력 포트로서 작용한다. 유전성 튜브(280)는 전자빔 소스 챔버(205)를 위한 기밀 밀봉부 및 전자빔 소스 챔버(205) 내로의 RF 전력의 전송을 위한 포털(portal)을 제공하도록 유도성 코일(270)과 정합될 수도 있다. 전자빔 소스 챔버(205)는 DC 접지에 결합될 수도 있는 큰 표면을 가질 수도 있다. 슬롯 패러데이(Faraday) 차폐부(도시 생략)가 유도성 코일(270)과 전자빔 소스 플라즈마(210) 사이의 용량 결합을 감소시키도록 채용될 수도 있다.
임피던스 정합 네트워크는 반사된 전력을 감소시킴으로써 플라즈마로의 RF 전력의 전달을 향상시킬 수도 있다. 정합 네트워크 토폴로지는 L-형, N-형, T-형 및/또는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 임의의 다른 정합 네트워크 토폴로지를 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 전자빔 소스 플라즈마(210)의 양전성 방전에서, 전자 밀도는 대략 1010 cm3 내지 1013 cm3의 범위일 수도 있고, 전자 온도는 사용된 플라즈마 소스의 유형에 따라 1 eV 내지 약 10 eV의 범위일 수도 있다.
부가적으로, 전자빔 소스 챔버(205)는 DC 도전성 전극(285)을 포함한다. DC 도전성 전극(285)은 전자빔 소스 플라즈마(210)와 접촉하고 있는 경계로서 작용하는 도전성 표면을 포함한다. DC 도전성 전극(285)은 DC 접지에 결합될 수도 있다. DC 도전성 전극(285)은 도핑된 실리콘 전극을 포함할 수도 있다. DC 도전성 전극(285)은 전자빔 소스 플라즈마 전위(Vp, 1)에서 전자빔 소스 플라즈마(210)에 의해 구동될 수도 있는 이온 싱크로서 작용할 수도 있다.
제2 가스 주입 시스템(260)이 이온빔 소스 챔버(215)에 결합되어 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)에 제2 프로세스 가스를 도입한다. 제2 프로세스 가스는 양전성 가스, 음전성 가스, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제2 프로세스 가스는 1 mTorr 내지 3 mTorr의 범위의 압력에서 유지될 수도 있는 질소 가스(N2)와 같은 가스를 포함할 수도 있다. 제2 프로세스 가스는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 기판(220)을 처리하기 위해 적합한 임의의 압력에서 유지된 임의의 가스를 포함할 수도 있다. 또한, 제2 프로세스 가스는 에칭제, 필름 형성 가스, 희석제, 세척 가스 및/또는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 기판(220)을 처리하기 위해 적합한 임의의 다른 화학 성분과 같은 화학 성분을 포함할 수도 있다.
기판(220)이 존재하는 기판 홀더(225)는 기판(220)이 부동 접지에 있을 수도 있도록 접지에 대해 부동 전위를 갖는 유전성 단부판(265)에 결합될 수도 있다. 그 결과, 단지 전자빔 여기된 플라즈마(250)가 접촉하고 있는 접지만이 기판(220)에 의해 제공된 부동 접지이다. 기판(220)은 세라믹 정전 클램프(ceramic electrostatic clamp: ESC) 층을 거쳐 기판 홀더(225)에 클램핑될 수도 있다. ESC 층은 접지된 기판 홀더(225)로부터 기판(220)을 절연할 수도 있다. 프로세싱 시스템(200)은 기판(220)을 전기적으로 바이어스하도록 기판 홀더(225)에 결합된 기판 바이어스 시스템(도시 생략)을 또한 포함할 수도 있다. 예를 들어, 기판 홀더(225)는 임피던스 정합 네트워크(도시 생략)를 통해 RF 발전기(도시 생략)에 결합된 전극(도시 생략)을 포함할 수도 있다. 기판 홀더(225)에 인가된 전력을 위한 주파수는 0.1 MHz 내지 100 MHz의 범위일 수도 있다.
기판 홀더(225)는 기판(220)과 기판 홀더(225) 사이의 열전달을 향상시키기 위한 클램핑 시스템(도시 생략)을 또한 포함할 수도 있다. 클램핑 시스템은 ESC 시스템과 같은 기계적 클램핑 시스템 또는 전기적 클램핑 시스템을 포함할 수도 있다. 클램핑 시스템은 기판 홀더(225)의 상부면에 기판(220)을 부착할 수도 있다. 기판 홀더(225)는 기판(220)의 이면 및 기판 홀더(225)에 가스를 도입하기 위한 기판 이면 가스 전달 시스템(도시 생략)을 더 포함할 수도 있다. 기판 이면 가스 전달 시스템은 헬륨 압력 간극이 기판(220)의 중심과 에지 사이에서 독립적으로 변동될 수도 있도록 2-구역 가스 분배 시스템을 포함할 수도 있다.
프로세싱 시스템(200)은 기판(220)의 온도를 조정하기 위해 기판 홀더(225)에 결합된 기판 온도 제어 시스템(도시 생략)을 포함할 수도 있다. 기판 온도 제어 시스템은 온도 제어 요소를 포함한다. 온도 제어 요소는 기판 홀더(225)로부터 열을 수용한 후에 냉각제 흐름을 재순환시키고 열교환기 시스템으로 열을 전달하기 위한 냉각 시스템을 포함할 수도 있다. 온도 제어 요소는 또한 기판 홀더(225)를 가열할 때 열교환기 시스템으로부터 열을 전달할 수도 있다. 온도 제어 요소는 저항성 가열 요소, 열전 히터/쿨러 및/또는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 기판 홀더(225)의 온도를 제어하기 위한 임의의 다른 유형의 온도 제어 요소를 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
프로세싱 시스템(200)은 제어기(292)를 또한 포함한다. 제어기(292)는 마이크로프로세서, 메모리, 및 프로세싱 시스템(200)으로의 입력과 통신하고 활성화할 뿐만 아니라 프로세싱 시스템(200)으로부터의 출력을 모니터링하는 데 충분한 제어 신호를 발생하는 것이 가능한 디지털 입출력 포트를 포함한다. 제어기(292)는 제1 가스 주입 시스템(255), 전력 소스(275), 제2 가스 주입 시스템(260), 기판 홀더(226) 및 기판 홀더(225)에 결합될 수도 있다. 실시예에서, 메모리 내에 저장된 프로그램은 기판(220)을 처리하기 위한 프로세스 레시피에 기초하여 프로세싱 시스템(200)의 상기 구성요소의 입력을 활성화할 수도 있다.
전자빔 소스 플라즈마(210)는 이어서 유도성 코일(270)로부터 소스 플라즈마에 제공된 RF 전력에 기초하여 전자빔(245)을 형성하도록 여기될 수도 있다. 아르곤(Ar) 가스가 제1 가스 주입 시스템(255)에 의해 전자빔 소스 챔버(205) 내로 도입될 수도 있다. 전자빔 소스 플라즈마(210)는 동일한 수의 네거티브 하전된 전자 및 포지티브 하전된 이온을 포함할 수도 있다. 전력 소스(275)에 의해 발생된 RF 전력은 아르곤(Ar)을 점화하도록 유도성 코일로부터 전자빔 소스 챔버(205)에 유도 결합될 수도 있는 데, 여기서 충분히 높은 에너지 레벨을 갖는 전자빔 소스 플라즈마(210) 내에 포함된 네거티브 하전된 전자의 일부가 여기된다. 전자빔 소스 플라즈마(210) 내에 미리 존재하는 여기된 고에너지 전자 및 동일한 수의 저에너지 이온은 전자빔(245)을 형성한다. 예를 들어, 전자빔(245)은 13.56 MHz의 주파수, 10 mTorr의 압력, 및 섭씨 25도의 온도에서 400 W의 RF 전력으로부터 발생될 수도 있다. 전자빔(245)은 이어서 전자빔 소스 플라즈마 전위(Vp, 1)와 전자빔 여기된 플라즈마 전위(Vp, 2) 사이의 전위차에 기초하여 전자빔 소스 플라즈마 영역(235)으로부터 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)으로 이동한다.
전자빔(245)이 전자빔 소스 플라즈마 영역(235)으로부터 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)으로 이동함에 따라, 전자빔(245)은 유전성 인젝터(272)를 통해 통과한다. 유전성 인젝터(272)는 고에너지 전자를 전자빔(245) 내로 주입하여 따라서 비-2극성 전자빔을 생성한다. 전자빔(245) 내로의 고에너지 전자의 주입은 전자빔(245)이 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240) 내로 이동함에 따라 전자빔 여기된 플라즈마(250)의 이온화 효율을 향상시킨다.
실시예에서, 유전성 인젝터(272)는 전자빔 여기된 플라즈마(250)로부터 전자빔 소스 플라즈마(210)를 분리한다. 유전성 인젝터(272)는 10 ㎛ 내지 10 cm의 범위일 수도 있는 직경을 갖는 단일 개구를 포함할 수도 있다. 전술된 바와 같이, 전자빔 소스 플라즈마는 동일한 수의 네거티브 하전된 전자 및 포지티브 하전된 이온을 포함한다. 유전성 인젝터(272)는 전자빔 여기된 플라즈마(250)를 전자빔(245)으로서 진입시키기 위해 유전성 인젝터(272)의 단일 개구를 통해 이동하도록 충분한 에너지를 갖는 전자빔(245)의 부분(예를 들어, 고에너지 전자)이 되는 전자빔 소스 플라즈마(210) 내에 포함된 전자를 제한한다.
전자빔(245)이 유전성 인젝터(272)를 통해 이동하고 이온빔 소스 챔버(215)에 진입할 때, 전자빔(245)은 이어서 큰 표면적 포지티브 DC 가속기(230)를 거쳐 가속될 수도 있다. 가속기(230)는 저에너지 이온이 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)을 통해 이동하여 기판(220)에 도달하도록 도 1에 설명된 바와 같이 이온 전류(ji1) 내에 포함된 이온과 유사한 저에너지 이온을 추진하기 위해 이온빔 소스 챔버(215)에 포지티브 DC 전압(+VDC)을 인가할 수도 있다. 도 1에 설명된 바와 같은 전자 전류(je1) 내에 포함된 전자에 유사한 고에너지 전자는 저에너지 이온이 기판(220)을 처리함에 따라 저에너지 이온의 포지티브 전하를 유지하면서 저에너지 이온의 IED를 제어하도록 저에너지 이온을 안내한다. 저에너지 이온을 가속하기 위해 가속기(230)에 의해 인가된 포지티브 DC 전압(+VDC)은 1 V 내지 100 kV의 범위일 수도 있다. 가속기는 연속적이고 그리고/또는 펄스형인 DC 전압을 인가할 수도 있다.
가속기(230)는 이온빔 소스 챔버(215)의 내부 부분에 결합될 수도 있고, 이온빔 소스 챔버(215)에 유사한 직경을 가질 수도 있다. 가속기(230)는 가속기(230)가 이온빔 소스 챔버(215) 전체에 걸쳐 포지티브 하전된 이온을 적절하게 가속할 수도 있도록 이온빔 소스 챔버(215)의 큰 표면적을 점유할 수도 있다. 이온빔 소스 챔버(215)의 나머지 표면적은 기판(220)을 둘러싸는 유전성 단부판(265)을 포함할 수도 있다. 유전성 단부판(265)은, 가속기(230)에 의해 제공된 포지티브 DC 전압(+VDC)에 대해 부동할 수도 있는, 예를 들어 석영과 같은 부동면일 수도 있다.
가속기(230)에 의해 인가된 상당한 양의 DC 전압(+VDC)은 전자빔 소스 플라즈마(210)와 전자빔 여기된 플라즈마(250)를 분리하는 상당한 전압 전위 구배를 발생할 수도 있는 데, 여기서 전자빔 소스 플라즈마 전위(Vp, 1)는 전자빔 여기된 플라즈마 전위(Vp, 2)보다 상당히 낮다. 상당한 전압 전위 구배가 전자빔 소스 챔버(205)와 이온빔 소스 챔버(215) 사이에 이중층을 발생할 수도 있다. 이중층은 대향 전위를 갖는 2개의 평행층을 포함하는 플라즈마 내의 구조체이다. 대향 전하의 층은 상당한 전압 전위 구배에 의해 유발되는 전압의 급격한 변화에 대응하는 강력한 전기장을 유발한다. 이중층에 동시에 진입하는 포지티브 하전된 고에너지 이온 및 네거티브 하전된 고에너지 전자는 대향 방향에서 전기장에 의해 가속될 수도 있다. 그 결과, 이온빔(290)은 이온빔 소스 챔버(215) 내에 형성되고 이어서 유전성 인젝터(272)를 통해 전자빔 소스 챔버(205) 내로 추진될 수도 있다.
전자빔 여기된 플라즈마(250)는 가속기(230)로부터 전자빔 여기된 플라즈마(250)에 인가된 DC 전압에 기초하여 이온빔(290)의 소스로서 기능하도록 여기될 수도 있다. 질소 가스(N2)가 제2 가스 주입 시스템(260)에 의해 이온빔 소스 챔버(215) 내로 도입될 수도 있다. DC 전력은 질소 가스(N2)를 점화하여 전자빔 여기된 플라즈마(250) 내에 이온빔(290)을 형성할 수도 있다. 전자빔 여기된 플라즈마(250)는 동일한 수의 네거티브 하전된 전자 및 포지티브 하전된 이온을 포함할 수도 있다. 네거티브 하전된 전자는 전자빔(245)과 연관되지 않은 저에너지 전자와 함께 전자빔(245) 내에 포함된 고에너지 전자를 포함할 수도 있다. 포지티브 하전된 이온은 전자빔(245)과 연관되지 않은 고에너지 이온 내로 여기될 전위를 갖는 이온과 함께 저에너지 이온을 포함할 수도 있다.
가속기(230)에 의해 이온빔 소스 챔버(215)에 인가된 DC 전압은 이온을 여기할 수도 있다. 전자빔 여기된 플라즈마(250) 내의 여기된 이온은 이온빔(290)을 형성한다. 예를 들어, 이온빔(290)은 2 mTorr의 압력 및 섭씨 25도의 온도에서 600 V의 DC 전압으로부터 발생될 수도 있다. 이온빔(290)은 이어서 전자빔 소스 플라즈마 전위(Vp, 1)와 전자빔 여기된 플라즈마 전위(Vp, 2) 사이의 전위차에 기초하여 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)으로부터 전자빔 소스 플라즈마 영역(235)으로 이동한다. 이온빔(290)이 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)으로부터 전자빔 소스 플라즈마 영역(235)으로 이동함에 따라, 이온빔(290)은 유전성 인젝터(272)를 통해 통과한다. 유전성 인젝터(272)는 고에너지 이온빔(290)을 주입하여 따라서 전자빔 소스 플라즈마(210)에 진입하는 비-2극성 이온빔을 생성한다.
전자빔(245) 및 이온빔(290)의 동시 주입이 설정되고 안정화된 후에, 이온빔 소스 챔버 내로의 전자빔(245) 및 전자빔 소스 챔버(205) 내로의 이온빔(290)의 동시 주입은 자립식 비-2극성 DC 시스템을 발생할 수도 있다. 이온빔(290)의 주입은 전자빔 여기된 플라즈마(250)가 기판(220)의 프로세싱의 기간 동안 기판(220)을 처리함에 따라 전자빔(245)의 강도를 유지하는 데 충분한 강도로, 전기장과 같은 에너지장을 발생할 수도 있다. 그 결과, 200 W 내지 400 W의 범위 또는 전자빔 여기된 플라즈마(250)가 기판(220)을 처리함에 따라 전자빔(245)의 강도를 유지하기 위해 미리 요구되어 있던 임의의 전력 범위일 수도 있는 전자빔 소스 챔버(205)에 인가된 RF 전력이 종료될 수도 있다. 전자빔(245)의 대향 방향에서 동시에 이동하는 이온빔(290)에 의해 발생된 에너지장은 전자빔(245)의 구조를 유지하도록 미리 요구되어 있던 RF 전력을 대체하도록 충분한 강도를 가질 수도 있다. 따라서, 프로세싱 시스템(200)의 시스템 전력 레벨은 감소될 수도 있어 얻어질 수도 있는 프로세싱 시스템(200)의 전력 효율의 상당한 증가를 야기한다.
예를 들어, 전력 소스(275)는 전자빔 소스 플라즈마(210)를 점화하여 전자빔(245)을 발생하기 위해 10 mT의 압력에서 13.56 MHz의 RF 주파수에서 유도성 코일(270)에 400 W의 RF 전력을 제공한다. 전자빔(245)은 전자빔 소스 챔버(205)로부터 유전성 인젝터(272)를 통해 이온빔 소스 챔버(215) 내에 주입되어 기판(220)을 처리하기 위한 전자빔 여기된 플라즈마(250)를 발생한다. 가속기(230)는 이중층을 갖는 상당한 전위 구배를 생성하는 2 mT의 압력에서 이온빔 소스 챔버(215)에 600 V의 DC 전압을 인가한다. 상당한 전위 구배는 기판(220)을 향해 이온빔 소스 챔버(215) 내로 전자빔(245)을, 전자빔 소스 챔버(205) 내로 이온빔(290)을 동시에 가속한다.
전자빔(245)의 대향 방향에서 이온빔(290)의 동시 주입은 전자빔 여기된 플라즈마(250)가 기판(220)을 처리함에 따라 전자빔(245)의 강도를 유지하는 데 충분한 에너지장을 생성하여 자립식 프로세싱 시스템(200)을 생성한다. 그 결과, 전력 소스(274)에 의해 전자빔 소스 챔버9205)에 인가된 400 W의 RF 전력이 종료된다. 가속기(230)는 10 mA의 전류에서 이온빔 소스 챔버(215)에 인가된 600 V의 DC 전압을 유지한다. 따라서, 0.57 Acm-2의 전류 밀도에서 전자빔(245)을 유지하도록 요구된 프로세싱 시스템(200)의 시스템 전력 레벨은 6 W인데, 이는 전력 소스(275)에 의해 원래 발생된 400 W의 RF 전력으로부터의 상당한 감소이다.
실시예에서, 전자빔(245)의 전류 밀도는 가속기(230)에 의해 이온빔 소스 챔버(215)에 인가된 DC 전압을 조정함으로써 조정될 수도 있다. 전자빔(245)의 전류 밀도는 기판(220)의 프로세싱에 영향을 미칠 수도 있다. 기판(220)의 프로세싱 사양에 기초하여, 기판은 지정된 시간 기간에 기판(220)을 적절하게 프로세싱하기 위해 전자빔(245) 내에 포함된 특정 레벨의 전류 밀도를 요구할 수도 있다. 전자빔(245)을 위한 최소 레벨의 전류 밀도는 최소 레벨의 전류 밀도로 전자빔(245)을 유지하기 위해 가속기(230)에 의해 인가된 최소 레벨의 DC 전압에 대응할 수도 있다. 가속기(230)에 의해 인가된 최소 레벨의 DC 전압에 의해 표현된 프로세싱 시스템(200)의 시스템 전력 레벨은 프로세싱 시스템(200)에 의해 사용된 최소 전력량에 기초하여 프로세싱 시스템(200)에 의해 얻어진 최대 전력 효율에 대응한다.
전자빔(245)의 전류 밀도는 가속기(230)에 인가된 DC 전압의 약간의 증가에 따라 증가될 수도 있는 데, 이는 DC 전압의 상당한 증가로부터 발생된 프로세싱 시스템(200)에 의해 사용된 전력의 약간의 증가에 기초하여 프로세싱 시스템(200)에 의해 얻어진 전력 효율의 약간의 감소를 야기한다. 그러나, 전자빔(245)의 전류 밀도를 증가시키기 위해 가속기(230)에 의해 DC 전압의 약간의 증가로부터 발생하는 프로세싱 시스템(200)을 위한 시스템 전력 레벨의 약간의 증가는 전자빔(245)의 전류 밀도를 통상적으로 유지하기 위해 전력 소스(275)에 의해 발생된 RF 전력보다 상당히 낮을 수도 있다. 따라서, 가속기(230)에 의해 인가된 DC 전압은 종래의 방법에 비교할 때 향상된 전력 효율을 얻으면서 기판(220)의 프로세싱 사양을 만족시키기 위해 전자빔(245)의 전류 밀도를 조정하도록 이에 따라 조정될 수도 있다.
예를 들어, 가속기(230)는 가속기(230)에 의해 공급된 6 W의 총 전력을 야기하는 0.57 Acm-2의 전류 밀도에서 전자빔(245)을 유지하도록 이온빔(290) 및 전자빔(245)의 동시 주입 중에 이온빔 소스 챔버(215)에 600 V의 DC 전압을 인가한다. 가속기(230)는 0.57 Acm-2 내지 1.44 Acm- 2으로 전자빔의 전류 밀도를 증가시키기 위해 600 V로부터 700 V로 이온빔 소스 챔버(215)에 인가된 DC 전압을 증가시키는 데, 여기서 가속기(230)에 의해 공급된 총 전력은 6 W로부터 17.8 W로 증가한다.
전자빔(245)의 전류 밀도를 증가시키기 위해 가속기에 의해 DC 전압의 증가로부터 발생하는 프로세싱 시스템(200)을 위한 전력 시스템 전력 레벨의 증가는 전자빔(245)의 전류 밀도를 통상적으로 유지하기 위해 전력 소스(275)에 의해 발생된 RF 전력보다 여전히 상당히 낮을 수도 있다. 예를 들어, 종래의 방법에 기초하여 전자빔의 전류 밀도를 유지하도록 통상적으로 발생된 RF 전력은 200 W 내지 10 kW의 범위이다. 0.57 Acm-2로부터 1.44 Acm- 2으로 전자빔(245)의 전류 밀도를 증가시키기 위해 6 W로부터 17.8 W로 가속기(230)에 의해 발생된 전력의 증가는 종래의 방법에서 발생된 RF 전력보다 상당히 낮다.
실시예에서, 전자빔(245)의 전류 밀도는 전기 인젝터(272)의 양을 조정함으로써 또한 조정될 수도 있다. 전자빔(245)의 전류 밀도는 전자빔 소스 챔버(205)와 이온빔 소스 챔버(215) 사이에 위치된 유전성 인젝터(272)의 양의 증가에 따라 증가될 수도 있다.
예를 들어, 가속기(230)는 가속기(230)에 의해 공급된 17.8 W의 총 전력을 야기하는 1.44 Acm-2의 전류 밀도에서 전자빔(245)을 유지하기 위해 유전성 인젝터(272)를 통한 이온빔(290) 및 전자빔(245)의 동시 주입 중에 이온빔 소스 챔버(215)에 700 V의 DC 전압을 인가한다. 유전성 인젝터(272)의 양이 단일 유전성 인젝터(272)로부터, 6개의 유전성 인젝터(272)가 원 내에 위치되어 있고 7번째 유전성 인젝터(272)가 원의 중심에 위치되어 있는 7개의 유전성 인젝터(272)로 증가되고 가속기(230)가 이온빔 소스 챔버(215)에 인가된 DC 전압을 600 V로 감소시키면, 전자빔의 전류 밀도는 1.44 Acm- 2으로부터 1.78 Acm- 2으로 증가하고, 여기서 가속기(230)에 의해 공급된 총 전력은 17.8 W로부터 130 W로 증가한다.
전자빔(245)의 전류 밀도를 증가시키기 위해 유전성 인젝터(272)의 증가로부터 발생하는 프로세싱 시스템(200)을 위한 시스템 전력 레벨의 증가는 전자빔(245)의 전류 밀도를 통상적으로 유지하기 위해 전력 소스(275)에 의해 발생된 RF 전력보다 여전히 상당히 작을 수도 있다. 예를 들어, 종래의 방법에 기초하여 전자빔의 전류 밀도를 유지하도록 통상적으로 발생된 RF 전력은 200 W 내지 10 kW의 범위이다. 1.44 Acm- 2으로부터 1.78 Acm- 2으로 전자빔(245)의 전류 밀도를 증가시키기 위해 17.8 W로부터 130 W로 가속기(230)에 의해 발생된 전력의 증가는 종래의 방법에서 발생된 RF 전력보다 상당히 낮다. 임의의 양의 유전성 인젝터가 임의의 방식으로 위치될 수도 있어 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것인 기판(220)을 적절하게 처리하기 위해 가속기(230)에 의해 발생된 특정 시스템 전력 레벨에서 전자빔(245)의 특정 전류 밀도를 얻는다.
실시예에서, 기판(221)은 전자빔 소스 챔버(205) 내의 기판 홀더(226) 상에 위치될 수도 있다. 전자빔 소스 챔버(205) 내로의 이온빔(290)의 주입은 전자빔 여기된 플라즈마(250)가 전자빔 여기된 플라즈마(250) 내로의 전자빔(245)의 주입에 기인하여 기판(220)을 처리하는 것과 유사한 방식으로 전자빔 소스 플라즈마(210)가 기판(221)을 처리하게 할 수도 있다. 기판(221)은 기판(220)이 이온빔 소스 챔버(215)로부터 제거되어 단지 전자빔 소스 챔버(205) 내에 수용된 기판(221)이 처리되게 하여 기판(220) 대신에 처리될 수도 있다. 그러나, 기판(221)은 이온빔 소스 챔버(215) 내에 수용된 기판(220)과 동시에 전자빔 소스 챔버(205) 내에 수용될 수도 있어 기판(2210)이 전자빔 여기된 플라즈마(250)에 의해 처리된 기판(220)과 동시에 전자빔 소스 플라즈마(210)에 의해 처리되게 된다.
유사한 도면 부호가 유사한 부분을 나타내는 데 사용되고 있는 도 3을 참조하면, 기판의 비-2극성 플라즈마 처리를 위한 프로세싱 시스템(300)이 도시되어 있다. 프로세싱 시스템(300)은 프로세싱 시스템(200)과 다수의 유사한 특징을 공유하고, 따라서 단지 프로세싱 시스템(300)과 프로세싱 시스템(200) 사이의 차이만이 추가의 상세로 설명될 것이다. 도 3의 이하의 설명은 전력 소스(275)에 의해 전자빔 소스 챔버(205)에 공급된 RF 전력이 기판(220)을 프로세싱하기 위해 전자빔 여기된 플라즈마(250)를 발생하도록 전자빔(245)의 강도를 유지하면서 종료될 수 있도록 대향 방향으로 전자빔(245) 및 이온빔(290)의 동시 발생에 관하여 추가의 상세로 진행한다. 예를 들어, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 맥스웰리언-테일(Maxwellian-tail) 전자(350a 내지 350d)는 유전성 인젝터(272)를 통해 이온빔 소스 챔버(215) 내로 주입되도록 충분한 에너지를 갖는 동시에 고에너지 이온(380a 내지 380d)은 유전성 인젝터(272)를 통해 전자빔 소스 챔버(205) 내로 주입되도록 충분한 에너지를 갖는다. 4개의 전자 및 이온(a 내지 d)이 도시되어 있지만, 임의의 수(1 초과의 정수)의 전자(350) 및 이온(380)이 동시에 대향 방향에서 주입될 수도 있다는 것이 이해될 수도 있다.
전술된 바와 같이, 전자빔 소스 플라즈마(210)는 유도성 코일(270)로부터 전자빔 소스 플라즈마(210)에 제공된 RF 전력에 기초하여 전자빔(245)을 형성하도록 여기될 수도 있다. 전자빔 소스 플라즈마(210)는 전자(340a 내지 340n)를 포함할 수도 있고, 여기서 n은 1 이상의 정수이다. 소스 플라즈마에 제공된 RF 전력은 전자(340a 내지 340d)의 일부가 유전성 인젝터(272)를 통해 추진된 맥스웰리언-테일 전자(350a 내지 350d)가 되어 전자빔(245)을 형성하는 데 충분한 에너지 레벨을 얻도록 전자(340a 내지 340n)를 여기한다. 전자빔 소스 플라즈마(210)는 전자빔 소스 플라즈마(210) 내에 또한 포함된 전자(340a 내지 340n)의 양에 등가인 이온(330a 내지 330n)을 또한 포함할 수도 있다.
비-2극성 전자빔(245)을 형성하는 맥스웰리언-테일 전자(350a 내지 350d)가 이온빔 소스 챔버(215)에 진입한다. 전자빔(245a) 내의 맥스웰리언-테일 전자(350a 내지 350d)는 전자빔(245)이 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)을 통해 이동하여 전자빔 여기된 플라즈마(250)를 점화함에 따라 전자빔 여기된 플라즈마(250)의 이온화 효율을 향상시킨다.
주입된 전자빔(245)의 전력은 종래의 전자-중성 충돌보다는 전자빔(245)과 전자빔 여기된 플라즈마(250) 사이의 복잡한 불안정성에 기초하여 전자빔 여기된 플라즈마(250)에 의해 댐핑될 수도 있다. 전자빔 여기된 플라즈마(250) 내에 포함된 랭뮤어파(Langmuir waves)는 전자빔(245)에 의해 여기될 수도 있는 데, 여기서 랭뮤어파의 위상 속도는 전자빔(245)의 위상 속도에 유사하다. 1차 랭뮤어파는 결국에는 활력적인 맥스웰리언-테일 전자 집단의 범위에서 위상 속도를 갖는 이온파 및 2차 랭뮤어파로 쇠퇴한다. 전자빔 여기된 플라즈마(250) 내에 포함된 맥스웰리언-테일 전자(350a 내지 350d)의 속도에 유사한 위상 속도를 갖는 랭뮤어파는 란다우 댐핑(Landau damping)을 거쳐 전자빔 여기된 플라즈마(250) 내에 포함된 맥스웰리언-테일 전자(350a 내지 350d)로 이들의 에너지를 전달할 수도 있다. 랭뮤어파로부터 전자빔 여기된 플라즈마(250) 내에 포함된 맥스웰리언-테일 전자(350a 내지 350d)로의 에너지의 전달은 전자빔 여기된 플라즈마(250)를 유지하는 전자(370a 내지 370n)를 위한 넓은 에너지 스펙트럼을 발생할 수도 있다.
전술된 바와 같이, 전자빔 여기된 플라즈마(250)는 가속기(230)로부터 전자빔 여기된 플라즈마(250)에 제공된 DC 전압에 기초하여 이온빔(290)을 형성하도록 여기될 수도 있다. 가속기(230)에 의해 발생된 DC 전압은 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)과 전자빔 소스 플라즈마 영역(235) 사이에 상당한 전위 구배를 발생할 수도 있고, 여기서 전자빔 여기된 플라즈마 영역(240)의 전압 전위(Vp, 2)는 가속기(230)에 의해 발생된 DC 전압(VDC)에 동일하다. 전자빔 여기된 플라즈마(250)는 이온(360a 내지 360n)을 포함할 수도 있고, 여기서 n은 1 이상의 정수이고, 전자(370a 내지 370n)를 또한 포함할 수도 있고, 여기서 n은 1 이상의 정수이다. 이온(360a 내지 360n)의 양은 전자(370a 내지 370n)의 양과 동등할 수도 있다. 상당한 전위 구배는 이중층을 형성하여 이온(360a 내지 360n)의 일부가 고에너지 이온(380a 내지 380d)(고에너지 레벨을 갖는 이온)이 되게 하는 데 충분한 에너지 레벨을 얻게 되고 유전성 인젝터(272)를 통해 추진되어 이온빔(290)을 형성하게 한다.
고에너지 이온(380a 내지 380d)은 전자빔 소스 챔버(205)에 진입하는 비-2극성 빔(290)을 형성한다. 이온빔(290) 내의 고에너지 이온(380a 내지 380d)은 전자빔 여기된 플라즈마(250)가 기판(220)을 처리하는 동안 전자빔 소스 플라즈마(210)와 전자빔 여기된 플라즈마(250) 사이의 입자 균형을 유지하는 데 충분한 전기장을 발생하여 자립식 프로세싱 시스템(300)을 생성한다. 따라서, RF 전력은 종료될 수도 있어 프로세싱 시스템(300)의 전력 효율을 증가시킨다.
RF 전력이 종료된 후에, 고에너지 이온(380a 내지 380d)의 속도는 상당할 수도 있다. 고에너지 이온(380a 내지 380d)은 이온 음향 속도보다 상당히 더 높은 초음속으로 이동할 수도 있다. 예를 들어, 고에너지 이온(380a 내지 380d)은 102 km/s의 초음속으로 이동할 수도 있다. 고에너지 이온(380a 내지 380d)은 전자빔 소스 플라즈마(210) 내에서 발생하는 이온-음향 불안정성을 통해 전자빔 소스 플라즈마(210)를 가열하는 이온파를 형성한다. 그 결과, 이온파의 에너지가 이온 란다우 댐핑(ion-Landau damping)에 의해 전자빔 소스 플라즈마(210)에 전달될 수도 있다.
자립식 비-2극성 플라즈마 프로세싱 시스템(300)은 나노제조 및 우주 추진에서 다양한 잠재적인 용례에 사용될 수도 있다. 예를 들어, 프로세싱 시스템(300)은 기판(220)을 위한 반응성 이온 에칭 프로세스에 사용될 수도 있다. 다른 예에서, 이온빔 소스 챔버(215) 내에 수용된 기판(220)은 기판(220)을 수용하는 제3 챔버(도시 생략)에 이온빔 소스 챔버(215)를 결합하는 중화기 그리드로 교체될 수도 있다. 다른 예에서, 프로세싱 시스템(300)은 플라즈마 향상된 증착을 위해 사용될 수도 있다.
프로세싱 시스템(300)은 또한 공간 전하 중성 플라즈마 빔 스러스터로서 적용될 수도 있다. 전자빔 소스 플라즈마(210)는 낮은 전자빔 소스 플라즈마 전위(Vp, 1)를 가질 수도 있다. 따라서, 전자빔 소스 플라즈마(210)는 공간으로의 배기 원추 및 도관으로서 기능할 수도 있다. 전자빔 여기된 플라즈마(250)로부터의 주입된 이온빔(290)은 전자빔 소스 플라즈마(210) 내에 포함된 열 전자 및 전자빔 소스 플라즈마(210) 내의 전자 교환 프로세스의 모두에 의해 공간 전하 중화될 수도 있다. 다음에, 이온빔(290)에 의해 전달된 운동량은 스러스터의 배기물로서 공간 전하 중성 활력적인 플라즈마 빔의 형태로 전자빔 소스 챔버(205)의 단부로 계속 전파한다.
프로세싱 시스템(300)은 전극 없이 구현될 수도 있고 따라서 프로세싱 시스템(300)의 비용을 저감한다. 프로세싱 시스템(300)은 외부 중화기를 필요로 하지 않을 수도 있어, 이에 의해 더 긴 연속적인 스러스트 미션을 발생한다. 프로세싱 시스템(300)은 프로세싱 시스템(300)의 용례가 소형 스러스터로부터 대규모 플라즈마 로켓의 범위일 수 있도록 부가의 DC 전력을 추가하고 그리고/또는 유전성 인젝터(272) 내의 개구의 수를 증가시킴으로써 용이하게 규모 확장될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프로세싱 시스템의 예시적인 동작 단계의 흐름도이다. 본 발명은 이 동작 설명에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 다른 동작 제어 흐름이 본 발명의 범주 내에 있다는 것이 본 명세서의 교시로부터 당 기술 분야의 숙련자(들)에게 명백할 것이다. 이하의 설명은 도 4의 단계들을 설명하고 있다.
단계 410에서, 전자빔 소스 플라즈마(210)는 전자빔 소스 챔버 내에서 여기된다.
단계 420에서, 에너지장은 전자빔 소스 챔버와 이온빔 소스 챔버 사이에 인가된 전압 전위 구배로부터 발생된다.
단계 430에서, 전자빔은 이온빔 소스 챔버 내에서 가속기 상에 인가된 DC 전압에 의해 여기된 전자빔 소스 플라즈마로부터 발생된다. 예를 들어, 전력 소스(275)는 무선 주파수(RF)를 유도성 코일(270) 상에 결합하여 전자빔 소스 챔버(205)에 전력을 제공한다. RF 전력은 전자빔 소스 플라즈마(210)를 여기하여 전자빔(245)을 발생시켜 기판(220)을 처리하는 전자빔 여기된 플라즈마(250)를 점화한다.
단계 440에서, 전자빔은 전자빔 플라즈마로부터 주입되고 전자빔 소스 챔버를 이온빔 소스 챔버에 결합하는 유전성 인젝터를 통해 이온빔 소스 챔버로 추진된다. 구체적으로, 전자빔(245)은 전자빔 소스 플라즈마(210)로부터 주입되고 전자빔 소스 챔버(205)를 이온빔 소스 챔버(215)에 결합하는 유전성 인젝터(272)를 통해 이온빔 소스 챔버(215)로 추진된다.
단계 450에서, 전자빔 여기된 플라즈마는 전자빔을 사용하여 기판을 수용하는 이온빔 소스 챔버 내에서 여기된다.
단계 460에서, 이온빔은 전자빔 여기된 플라즈마로부터 발생된다. 예를 들어, 큰 표면적 포지티브 DC 가속기(230)가 직류(DC) 전압을 이온빔 소스 챔버(215)에 제공한다. DC 전압은 전자빔 여기된 플라즈마(250)를 여기하여 이온빔(290)을 발생한다.
단계 470에서, 이온빔은 전자빔 여기된 플라즈마로부터 주입되어 유전성 인젝터를 통해 전자빔 소스 챔버 내로 추진된다. 구체적으로, 이온빔(290)은 전자빔 여기된 플라즈마(250)로부터 주입되고 유전성 인젝터(272)를 통해 전자빔 소스 챔버(205) 내로 추진된다.
단계 480에서, 전자빔 및 이온빔의 추진은 플라즈마가 기판을 처리함에 다라 전자빔 소스 챔버와 이온빔 소스 챔버 사이에 인가된 전압 전위 구배로부터 발생된 에너지장으로 유지된다. 구체적으로, 전자빔(245) 및 이온빔(290)의 추진은 전자빔 여기된 플라즈마(250) 및 전자빔 소스 플라즈마(210) 중 하나 또는 모두가 기판(220)을 처리함에 따라 가속기(230)에 의해 발생된 전자빔 소스 챔버(205)와 이온빔 소스 챔버(215) 사이에 인가된 전압 전위 구배로부터 발생된 에너지장으로 유지된다. 가속기(230)에 의해 발생된 전자빔 소스 챔버(205)와 이온빔 소스 챔버(215) 사이에 인가된 전압 전위 구배로부터 발생된 에너지장은 전자빔(245) 및 이온빔(290)의 추진을 유지하는 데 충분하여 전력 소스(275)에 의해 제공된 RF 전력이 종료될 수 있어 프로세싱 시스템(200)의 전력 효율을 향상하게 된다.
요약 섹션이 아니라 상세한 설명 섹션은 청구범위를 해석하는 데 사용되도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다. 요약 섹션은 본 발명의 하나 이상의, 그러나 모두는 아닌 예시적인 실시예를 설명할 수 있고, 따라서 본 개시내용 및 첨부된 청구범위를 임의의 방식으로 한정하도록 의도된 것은 아니다.
본 발명의 그 하나 이상의 실시예의 설명에 의해 예시되었지만, 그리고 실시예는 상당한 상세로 설명되어 있지만, 이들 실시예는 첨부된 청구범위의 범주를 이러한 상세에 한정하거나 임의의 방식으로 한정하도록 의도된 것은 아니다. 부가의 장점 및 수정이 당 기술 분야의 숙련자들에게 즉시 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 그 더 넓은 양태에서, 도시되고 설명된 특정 상세, 대표적인 장치 및 방법 및 예시적인 예에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라, 일반적인 발명적 개념의 범주로부터 벗어나지 않고 이러한 상세로부터 일탈이 이루어질 수도 있다.

Claims (22)

  1. 기판의 자립식 비-2극성 플라즈마 처리를 위한 프로세싱 시스템으로서,
    전자빔 여기된 플라즈마를 여기하는 전자빔을 발생하도록 전자빔 소스 플라즈마를 여기하도록 구성된 전자빔 소스 챔버;
    상기 전자빔을 유지하기 위해 이온빔을 발생하도록 상기 전자빔 여기된 플라즈마를 수용하도록 구성된 이온빔 소스 챔버로서, 상기 전자빔 소스 챔버 및 상기 이온빔 소스 챔버 중 하나 또는 모두는 상기 전자빔 소스 플라즈마 및 상기 전자빔 여기된 플라즈마 중 하나 또는 모두에 의해 처리될 기판을 수용하도록 구성되는 것인, 이온빔 소스 챔버;
    상기 전자빔 소스 챔버를 상기 이온빔 소스 챔버에 결합하는 유전성(dielectric) 인젝터를 포함하고,
    상기 유전성 인젝터는, 상기 전자빔 소스 플라즈마로부터 전자빔을 주입하고 상기 전자빔을 상기 이온빔 소스 챔버 내로 추진(propel)하도록 구성되고, 상기 전자빔 여기된 플라즈마는 상기 이온빔 소스 챔버 내에 동일한 수의 전자 및 이온을 포함하고,
    상기 유전성 인젝터는 상기 전자빔 여기된 플라즈마로부터 이온빔을 주입하고 상기 이온빔을 상기 전자빔 소스 챔버 내로 추진하도록 구성되고, 상기 전자빔 소스 플라즈마는 상기 전자빔 소스 챔버 내에 동일한 수의 전자 및 이온을 포함하고, 상기 전자빔 여기된 플라즈마 및 상기 전자 소스 플라즈마 중 하나 또는 모두가 하나 또는 다른 플라즈마가 기판을 처리함에 따라 전자빔을 유지하는 대향 방향으로 이동하는 이온빔 및 전자빔으로부터 에너지장(energy field)이 발생되는 것인 프로세싱 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전자빔 소스 챔버는 상기 전자빔 소스 플라즈마에 의해 처리된 제1 기판을 수용하고, 상기 이온빔 소스 챔버는 상기 전자빔 여기된 플라즈마에 의해 처리된 제2 기판을 수용하는 것인 프로세싱 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    전원을 더 포함하고, 상기 전원은,
    상기 대향 방향으로 이동하는 이온빔 및 전자빔에 의해 에너지장이 발생될 때까지 전자빔을 발생시키기 위해 상기 전자빔 소스 플라즈마를 여기하도록 상기 전자빔 소스 챔버에 무선 주파수(radio frequency: RF) 전력을 발생시키고,
    상기 대향 방향으로 이동하는 이온빔 및 전자빔에 의해 발생된 에너지장이 상기 전자빔을 유지할 때 RF 전력을 종료하도록 구성되는 것인 프로세싱 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔 소스 챔버와 상기 이온빔 소스 챔버 사이에 전압 전위 구배를 발생시키기 위하여 직류(direct current: DC) 전압을 상기 이온빔 소스 챔버에 인가하도록 구성된 포지티브 하전된 이온 가속기를 더 포함하고, 상기 전압 전위 구배는 상기 이온빔 소스 챔버로부터 상기 전자빔 소스 챔버 내로 이온빔을, 그리고 상기 전자빔 소스 챔버로부터 상기 이온빔 소스 챔버 내로 전자빔을 추진(propel)시켜, 상기 이온빔 및 상기 전자빔이 반대 방향으로 동시에 상기 유전성 인젝터를 통해 추진되어 상기 기판이 상기 전자빔 여기된 플라즈마에 의해 처리됨에 따라 상기 전자빔을 유지하는 에너지장을 발생시키는 것인 프로세싱 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전자빔 소스 챔버와 연관된 제1 전압 전위가 상기 이온빔 소스 챔버와 연관된 제2 전압 전위보다 작은 것인 프로세싱 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이온빔 소스 챔버와 연관된 상기 제2 전압 전위는, 상기 포지티브 하전된 이온 가속기에 의해 상기 이온빔 소스 챔버에 인가된 DC 전압에 등가인 것인 프로세싱 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 프로세싱 시스템의 시스템 전력 레벨은 상기 RF 전력이 종료될 때 상기 포지티브 하전된 이온 가속기에 의해 상기 이온빔 소스 챔버에 인가된 DC 전압에 기초하는 DC 전력 레벨에 등가인 것인 프로세싱 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 시스템 전력 레벨은 상기 RF 전력이 종료될 때 최소이고, 상기 DC 전력 레벨은 상기 이온빔 소스 챔버에 인가되어 상기 전자빔 및 이온빔이 유지되는 것인 프로세싱 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 시스템 전력 레벨은 상기 RF 전력이 종료될 때 최소이고, 상기 DC 전력 레벨은 상기 전자빔 및 이온빔이 유지되도록 6 와트인 것인 프로세싱 시스템.
  10. 제4항에 있어서, 상기 포지티브 하전된 이온 가속기에 의해 상기 이온빔 소스 챔버에 인가된 DC 전압이 증가되고 상기 RF 전력이 종료될 때 상기 전자빔의 전류 밀도가 증가되는 것인 프로세싱 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 포지티브 하전된 이온 가속기는 또한, 상기 RF 전력이 종료될 때 상기 전자빔의 원하는 전류 밀도와 상기 프로세싱 시스템의 원하는 시스템 전력 레벨을 균형잡기 위하여 DC 전압을 조정하도록 구성되는 것인 프로세싱 시스템.
  12. 기판을 프로세싱하는 프로세싱 시스템에 의해 소비된 전력을 최소화하기 위해 대향 방향으로 이동하는 이온빔 및 전자빔에 의해 발생된 에너지장에 기초하여 기판을 처리하도록 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법으로서,
    전자빔 소스 챔버 내에 전자빔 소스 플라즈마를 여기하는 단계;
    상기 전자빔 소스 플라즈마로부터 전자빔을 발생시키는 단계;
    상기 전자빔 소스 챔버와 이온빔 소스 챔버 사이에 발생된 전압 전위 구배로부터 에너지장을 발생시키는 단계;
    상기 전자빔 소스 플라즈마로부터 전자빔을 주입하고 상기 전자빔 소스 챔버를 이온빔 소스 챔버에 결합하는 유전성 인젝터를 통해 상기 이온빔 소스 챔버에 전자빔을 추진하는 단계로서, 상기 전자빔 여기된 플라즈마는 상기 이온빔 소스 챔버 내에 동일한 수의 전자 및 이온을 포함하는 것인, 상기 전자빔을 추진하는 단계;
    상기 이온빔 소스 챔버 내의 전자빔 여기된 플라즈마를 여기시키는 단계;
    상기 전자빔 여기된 플라즈마로부터 이온빔을 발생시키는 단계;
    상기 전자빔 소스 챔버 및 상기 이온빔 소스 챔버 중 하나 또는 모두 내에 기판을 제공하는 단계;
    상기 전자빔 여기된 플라즈마로부터 이온빔을 주입하고 상기 유전성 인젝터를 통해 상기 전자빔 소스 챔버 내로 이온빔을 추진하는 단계로서, 상기 전자빔 소스 플라즈마는 상기 전자빔 소스 챔버 내에 동일한 수의 전자 및 이온을 포함하는 것인, 상기 이온빔을 추진하는 단계; 및
    상기 전자빔 여기된 플라즈마 및 상기 전자빔 소스 플라즈마 중 하나 또는 모두가 상기 기판을 처리함에 따라 에너지장으로 상기 전자빔 및 이온빔의 추진을 유지하는 단계
    를 포함하며,
    상기 전자빔 및 이온빔을 추진하는 것은, 상기 전자빔 소스 챔버와 상기 이온빔 소스 챔버 사이에 인가된 전압 전위 구배에 의해 영향을 받는 것인 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전자빔 소스 챔버 내에 제1 기판을 수용하는 단계;
    상기 전자빔 소스 플라즈마로 상기 제1 기판을 처리하는 단계;
    상기 이온빔 소스 챔버 내에 제2 기판을 수용하는 단계; 및
    상기 전자빔 여기된 플라즈마로 상기 제2 기판을 처리하는 단계를 더 포함하는 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전자빔 소스 챔버와 상기 이온빔 소스 챔버 사이의 전압 전위 구배에 의해 에너지장이 발생될 때까지 전자빔을 발생하고 추진하기 위해 상기 전자빔 소스 플라즈마를 여기하도록 상기 전자빔 소스 챔버에 무선 주파수(RF) 전력을 발생시키는 단계; 및
    상기 전자빔 소스 챔버와 상기 이온빔 소스 챔버 사이의 전압 전위 구배에 의해 발생된 에너지장이 상기 전자빔 및 이온빔의 추진을 유지할 때 RF 전력을 종료하는 단계를 더 포함하는 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 전자빔 소스 챔버와 상기 이온빔 소스 챔버 사이에 전압 전위 구배를 발생하도록 직류(DC) 전압을 상기 이온빔 소스 챔버에 인가하는 단계를 더 포함하고, 상기 전압 전위 구배는, 상기 이온빔 소스 챔버로부터 상기 전자빔 소스 챔버 내로 이온빔을, 그리고 상기 전자빔 소스 챔버로부터 상기 이온빔 소스 챔버 내로 전자빔을 추진하여, 상기 이온빔 및 상기 전자빔이 반대 방향으로 동시에 상기 유전성 인젝터를 통해 추진되어 상기 기판이 상기 전자빔 여기된 플라즈마에 의해 처리됨에 따라 상기 전자빔 및 이온빔을 유지하는 에너지장을 발생시키는 것인 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 전자빔 소스 챔버와 연관된 제1 전압 전위가 상기 이온빔 소스 챔버와 연관된 제2 전압 전위보다 작은 것인 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 이온빔 소스 챔버와 연관된 상기 제2 전압 전위는 상기 이온빔 소스 챔버에 인가된 DC 전압에 등가인 것인 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  18. 제15항에 있어서, 프로세싱 시스템의 시스템 전력 레벨은 상기 RF 전력이 종료될 때 상기 이온빔 소스 챔버에 인가된 DC 전압에 기초하는 DC 전력 레벨에 등가인 것인 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 시스템 전력 레벨은 상기 RF 전력이 종료될 때 최소이고, 상기 DC 전력 레벨은 상기 이온빔 소스 챔버에 인가되어 상기 전자빔 및 이온빔이 유지되는 것인 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 시스템 전력 레벨은 상기 RF 전력이 종료될 때 최소이고, 상기 DC 전력 레벨은 상기 전자빔 및 이온빔이 유지되도록 6 와트인 것인 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 DC 전압이 증가되고 상기 RF 전력이 종료될 때 전자빔의 전류 밀도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 RF 전력이 종료될 때 전자빔의 원하는 전류 밀도와 상기 프로세싱 시스템의 원하는 시스템 전력 레벨을 균형잡도록 DC 전압을 조정하는 단계를 더 포함하는 전자빔 여기된 플라즈마를 유지하기 위한 방법.
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