KR20170041806A - 가스 클러스터 이온 빔 노즐 조립체 - Google Patents

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Abstract

다양한 재료의 가스 클러스터 이온 빔(GCIB) 에칭 처리를 수행하기 위해 사용되는 노즐 조립체가 설명된다. 특히, 노즐 조립체는 동일한 GCIB를 생성하는데 사용되도록 정렬된 2개 이상의 원추형 노즐을 포함한다. 제1 원추형 노즐은 초기에 GCIB를 형성하는 스로트를 포함할 수 있고, 제2 노즐은 제1 원추형 노즐에 부속될 수 있는 더 큰 원추형 공동을 형성할 수 있다. 전이 영역은 실질적으로 원통형일 수 있고 제1 원추형 노즐의 최대 직경보다 약간 큰 2개의 원추형 노즐 사이에 배치될 수 있다.

Description

가스 클러스터 이온 빔 노즐 조립체{GCIB NOZZLE ASSEMBLY}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 C.F.R.§1.78(a)(4)에 의거하여, 여기에 참고로 분명히 포함된, 2014년 8월 5일자로 선출원된 공동 계류중인 임시 출원 번호 제62/033,253의 이익과 우선권을 주장한다.
사용 분야
본 발명은 가스 클러스터 이온 빔(Gas Cluster Ion Beam: GCIB)을 이용하여 기판을 처리하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판상에서 처리를 위한 개선된 빔 소스 및 이와 관련된 개선된 GCIB에 관한 것이다.
에칭, 세정 및 표면 평탄화를 위한 가스 클러스터 이온 빔(GCIB)의 사용은 공지되어 있다(예를 들어, Deguchi 등에 의한 미국 특허 제5,814,194호 참조). GCIB는 기화된 탄소질 물질로부터의 막의 증착을 지원하기 위해 사용되어 왔다(예를 들어, Yamada 등에 의한 미국 특허 제6,416,820호 참조).
본 논의의 목적상, 가스 클러스터는 표준 온도 및 압력의 조건하에서 기체 인 나노 크기의 물질 집합체일 수 있다. 이러한 가스 클러스터는 서로 느슨하게 결합된 수개 내지 수천 개 이상의 분자를 포함하는 응집체를 포함할 수 있다. 가스 클러스터는 전자 충격에 의해 이온화될 수 있으며, 이는 가스 클러스터가 제어 가능한 에너지의 지향성 빔으로 형성되게 한다. 이러한 클러스터 이온은 각각 전형적으로 전자 전하의 크기 및 클러스터 이온의 전하 상태를 나타내는 1 이상의 정수를 곱함으로써 주어진 양전하를 운반한다. 더 큰 크기의 클러스터 이온은 클러스터 이온 당 상당량의 에너지를 운반할 수 있는 능력 때문에 가장 유용하지만 동시에 개별 분자 당 에너지는 보통에 불과하다. 이온 클러스터는 가공물과 충돌시 분해된다. 특정의 분해된 이온 클러스터의 각각의 개별 분자는 전체 클러스터 에너지 중 작은 부분만을 운반한다. 결국, 큰 이온 클러스터의 충격 영향은 상당하지만 매우 얕은 표면 영역으로 제한된다. 이는 가스 클러스터 이온을 다양한 표면 개질 공정에 효과적이게 하지만, 종래의 이온 빔 처리의 특징인 보다 깊은 깊이의 표면 내 손상을 발생시키는 경향을 갖지 않는다.
종래의 클러스터 이온 공급원은 수천 개의 분자에 이를 수 있는 각 클러스터 내의 분자의 수와 함께 넓은 크기 분포 스케일링을 갖는 클러스터 이온을 생성한다. 원자의 클러스터는 고압 가스가 노즐로부터 진공으로 단열 팽창하는 동안 개별 가스 원자(또는 분자)가 응축되는 것으로 형성될 수 있다. 작은 개구가 형성된 스키머(skimmer)는 팽창하는 가스 흐름의 코어로부터 발산 스트림을 제거하여 클러스터의 평행 빔을 생성한다. 다양한 크기의 중성 클러스터는 반 데르 발스 힘(Van der Waals forces)으로 알려진 약한 원자 간 힘에 의해 함께 생성되어 유지된다. 이 방법은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 질소, 산소, 이산화탄소, 육플루오라이드화 황, 산화질소, 아산화질소 및 이들 가스의 혼합물과 같은 다양한 가스로부터 클러스터 빔을 생성하는 데 사용되고 있다. 따라서, 고 전류 GCIB 가공물 처리 시스템에서 빔 안정성을 개선하기 위한 방법 및 장치를 제공할 필요가 있다.
가스 클러스터 이온 빔(GCIB)을 사용하여 기판을 처리하기 위한 노즐/스키머 모듈 및 개선된 GCIB 시스템이 본 명세서에서 기술된다.
노즐/스키머 모듈은 GCIB의 형성을 제어하도록 내부 노즐 요소 및 내부 스키머 카트리지 조립체를 포함할 수 있다. 노즐/스키머 모듈은 기판에 대해 GCIB를 위치시키도록 사전 정렬될 수 있다. 노즐/스키머 모듈은 GCIB의 가스 클러스터의 형성을 제어하도록 노즐 조립체 및 스키머 조립체를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따라 제공되는 개선된 GCIB 처리 시스템은 노즐/스키머 모듈, 이온화/가속 서브시스템 및 처리 서브시스템을 포함하는 소스 서브시스템을 포함한다. 상기 소스 서브시스템은 노즐/스키머 모듈이 구성되는 내부 공간을 갖는 소스 챔버를 포함할 수 있고, 상기 이온화/가속 서브시스템은 이온화/가속 챔버를 포함할 수 있으며, 상기 처리 서브시스템은 처리 챔버를 포함할 수 있다. 개선된 GCIB 처리 시스템은 제1 가스 공급 서브시스템, 제2 공정 가스 공급 서브시스템 및 노즐/스키머 모듈에 연결된 제1 펌핑 서브시스템을 포함한다.
본 발명은 첨부 도면의 도면에 한정되는 것이 아니라 예로써 예시된다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 노즐/스키머 모듈의 단순화된 블록도이고;
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 노즐/스키머 모듈을 정렬하고 개선된 GCIB 처리를 위해 사용되는 테스트 GCIB 시스템에 대한 예시적인 구성을 나타내고;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노즐/스키머 모듈에 대한 예시적인 구성의 도면을 나타내며;
도 4는 GCIB 처리 시스템용 노즐 조립체의 단면도를 포함하며;
도 5는 GCIB 처리 시스템용 노즐 조립체의 노즐 부품의 단면도를 포함하며;
도 6은 GCIB 처리 시스템을 위한 노즐 부품 내의 2개의 노즐 사이의 전이 영역의 단면도를 포함한다.
본 발명의 전술한 목적뿐만 아니라 본 발명의 다른 목적 및 장점은 이하에 설명되는 본 발명의 실시예에 의해 달성된다.
이러한 GCIB의 생성 및 가속 수단은 앞서 인용된 참고 문헌(미국 특허 제5,814,194호)에 기재되어 있으며, 그 교시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 현재 이용 가능한 이온 클러스터 공급원은 넓은 크기 분포를 가지는 N개, 수천 N까지의 클러스터 이온을 생성한다(여기서, N= 각 클러스터의 분자 수-아르곤과 같은 단원자 가스의 경우, 본 명세서 전체에 걸쳐 단원자 가스의 원자는 원자 또는 분자로 지칭될 것이며, 이러한 단원자 가스의 이온화된 원자는 이온화된 원자 또는 분자 이온, 또는 단순히 단량체 이온으로 언급될 것이다).
GCIB 처리 시스템에서의 가공물 처리를 위한 안정적인 고전류 GCIB를 달성하기 위한 노력에서, GCIB 이온화 소스의 개발, 빔 공간 전하의 관리 및 가공물 대전의 관리는 모두 중요한 개발 영역이다. Dykstra에게 허여된 미국 특허 제6,629,508호; Mack 등에게 허여된 미국 특허 제6,646,277호; 및 공동 계류중인 미국 특허 출원 제10/667,006호는 본원에서 상세히 기재되어 있는 것처럼 본원에 참고로 포함되며, 각각 빔 전류가 수백 마이크로 암페어 내지 1 이상의 밀리암페어인 GCIB 빔을 생성할 수 있는 능력을 가져올 수 있는 이들 영역 중 일부에 대한 진보를 기술하고 있다. 그러나, 이들 빔은 경우에 따라 산업적 응용 분야에서의 최적의 사용을 제한할 수 있는 불안정성을 나타낼 수 있다.
통상적인 GCIB 처리 툴에서, 처리되는 이온화기(ionizer) 및 가공물은 통상적으로 개별 챔버에 수용된다. 이를 통해 시스템 압력을 더 잘 제어하게 된다. 그러나, 우수한 진공 시스템 설계 및 장치의 다양한 영역의 차등 격리로도, 다량의 가스를 운반하는 빔의 주요 단점은 압력이 빔 라인을 통해 증가할 수 있다는 것이다. GCIB가 목표 영역을 타격할 때 빔의 전체 가스 부하가 해제되고 이 가스 중 일부는 GCIB 처리 시스템의 진공 챔버 전반에 걸친 압력에 영향을 미친다. GCIB의 형성과 가속에 고전압이 종종 사용되기 때문에 빔 라인 압력이 증가하면 아크, 방전 및 기타 빔 불안정이 발생할 수 있다. 빔 전류가 증가함에 따라 빔에 의한 가스 수송이 증가하고 빔 라인 전체의 압력 관리가 더 어려워진다. 기존의 이온 빔에 비해 GCIB를 사용하여 빔 라인을 통해 다량의 가스를 수송 및 방출할 수 있기 때문에 고전류 GCIB의 경우 압력과 관련된 빔 불안정성 및 전기 방전이 기존의 이온빔보다 훨씬 더 큰 문제를 가진다. 일반적인 GCIB 이온 소스에서 빔의 중성 가스 클러스터는 전자 충격에 의해 이온화된다. 이온화기 영역은 통상적으로 비교적 불량한 진공 영역이며, 일반적으로 주변 구조물에 비해 높은 전위이다.
다른 실시예에서, GCIB 시스템은 가스 클러스터가 이온화되지 않을 수 있는 중성 빔을 생성하는 데 사용될 수 있다. 이 가스 클러스터 빔(GCB)은 잔류물 또는 필름을 기판에서 제거하는 데 사용될 수 있다. 소정의 실시예에서, GCIB는 비이온화된 클러스터를 가질 수 있고, 여기 개시된 GCIB 처리는 GCB에 대한 비이온화된 클러스터의 양을 증가시키도록 변형될 수 있다.
본 발명은 개선된 GCIB를 생성하고 GCIB 시스템에서 발생하는 과도 현상(transients)의 빈도를 감소시키기 위해 노즐/스키머 모듈, 전자 위치 지정 기술 및 격리 요소에 결합된 소스의 조합을 사용한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 노즐/스키머 모듈의 단순화된 블록도를 나타낸다. 예시된 실시예에서, 사전 정렬된 GCIB 소스로서 동작할 수 있는 예시적인 노즐/스키머 모듈(20)이 예시되어 있다.
사전 정렬된 노즐/스키머 모듈을 설계하는 것은 정렬 문제를 감소시킬 수 있다. 현재의 설계는 고정 스키머와 조정 가능한 노즐을 포함하며, 이들은 통기 사이클 후 재조정이 필요할 수 있다. 노즐 매니퓰레이터(manipulator)가 현재 설계에서 조정될 때 빔 형상/프로파일에 미묘한 변화가 생길 수 있다. 노즐/스키머 모듈(20)을 사전 정렬함으로써, 조정 문제가 감소되거나 가능하게는 제거될 수 있다. 노즐과 스키머를 고정식 탠덤 구성으로 구성함으로써 빔 정렬을 크게 단순화할 수 있다. 또한, 노즐/스키머 모듈(20)의 예비 정렬은 유지 시간을 감소시키고 전반적인 빔 안정성을 증가시킬 수 있다. 사전 정렬된 노즐/스키머 모듈은 스키머를 통해 효율적인 가스 수송을 최대화하기 위해 슐리렌(Schlieren) 광학을 이용할 수 있는 전용 테스트 스탠드를 사용하여 정렬할 수 있다.
노즐/스키머 모듈(20)이 사전 정렬될 때, 제1 가스 조성물을 위해 사전 정렬될 수 있고, 제1 가스 조성물은 비활성 가스, 즉, He, Ne, Ar, Kr, Xe, 또는 Rn을 포함할 수 있는 응축 가능한 불활성 가스를 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 노즐/스키머 모듈(20)은 필름 형성 가스 조성물, 에칭 가스 조성물, 세정 가스 조성물, 스무딩(smoothing) 가스 조성물 등을 포함할 수 있는 다른 가스 조성물을 사용하여 사전 정렬될 수 있다. 또한, 노즐/스키머 모듈(20)은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 질소, 산소, 수소, 메탄, 삼플루오르화질소, 이산화탄소, 육플루오르화황, 산화질소 또는 아산화질소, 또는 이들 중 2종 이상의 임의의 조합을 포함하는 이온화된 클러스터를 생성하도록 구성될 수 있다.
노즐/스키머 모듈(20)은 저압 환경에서 작동하도록 구성 및 사전 정렬될 수 있고, 작동 압력은 약 0.01 mTorr 내지 약 100 mTorr의 범위일 수 있다.
노즐/스키머 모듈(20)은 내부 빔(28)을 형성하기 위한 노즐 조립체(30), 외부 빔(39)을 형성하기 위한 스키머 카트리지 조립체(35), 지지 튜브(21), 제1 원통형 서브 조립체(40) 및 제2 원통형 서브 조립체(41)를 사용하여 구성될 수 있다. 노즐 조립체(30), 스키머 카트리지 조립체(35), 지지 튜브(21), 제1 원통형 서브 조립체(40) 또는 제2 원통형 서브 조립체(41), 또는 이들의 임의의 조합은 스테인리스 강 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 대안으로, 노즐 조립체(30), 스키머 카트리지 조립체(35), 지지 튜브(21), 제1 원통형 서브 조립체(40) 또는 제2 원통형 서브 조립체(41), 또는 이들의 임의의 조합은 경화 및/또는 코팅된 재료를 사용하여 제조될 수 있다.
지지 튜브(21)의 제1 부분(21a)은 대략 0.5 mm 내지 5 mm로 변할 수 있는 제1 두께(29a)를 갖는 실질적으로 폐쇄된 원통형 서브 조립체일 수 있다. 지지 튜브(21)의 제2 부분(21b)은 대략 0.5 mm 내지 5 mm로 변할 수 있는 제2 두께(29b)를 갖는 실질적으로 개방된 절두원추형의 조립체일 수 있다. 지지 튜브(21)의 제1 부분(21a)은 2개 이상의 제1 장착 구멍(25) 및 2개 이상의 제1 고정 장치(26)를 사용하여 제1 원통형 서브 조립체(40)에 제거 가능하게 결합될 수 있고, 지지 튜브(21)의 제2 부분(21b)은 복수의 제2 장착 구멍(37) 및 제2 고정 장치(27)를 사용하여 스키머 카트리지 조립체(35)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시예에서,지지 튜브(21)는 부분 개방된 처리 공간(32)을 둘러쌀 수 있고, 노즐/스키머 모듈(20)이 정렬, 시험 및/또는 사용될 때 부분 개방된 처리 공간(32)에 조절된 저압(진공) 상태가 형성될 수 있다.
제1 부분(21a)은 약 30 mm 내지 약 50 mm로 변할 수 있는 제1 길이(la)를 가질 수 있고, 제1 부분(21a)은 약 3 mm 내지 약 5 mm로 변할 수 있는 장착 길이(lc)를 가질 수 있다. 제2 부분(21b)은 약 30 mm 내지 약 50 mm로 변할 수 있는 제2 길이(lb)를 가질 수 있다.
노즐 조립체(30)는 제2 원통형 서브 조립체(41)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 노즐 조립체(30)는 나사형 수단(30a)을 사용하여 제2 원통형 서브 조립체(41)에 결합될 수 있다. 대안으로, 다른 부착 수단이 사용될 수 있다. 노즐 조립체(30)는 노즐 길이(ln), 노즐 각도(an) 및 노즐 직경(dn)을 갖는 노즐 유출 개구(31)를 가질 수 있다. 노즐 길이(ln)(유입구로부터 노즐 유출 개구(31)까지)는 약 20 mm 내지 약 40 mm로 변할 수 있고; 노즐 각도(an)(노즐 유출 개구(31)의 중심선으로부터 노즐 조립체(30)의 내부 표면까지)는 약 1° 내지 약 30°까지 변할 수 있고; 노즐 직경(dn)은 약 2 mm 내지 약 4 mm로 변할 수 있다. 노즐 길이(ln), 노즐 각도(an) 및 노즐 직경(dn)은 생산 공정 레시피를 위한 공정의 화학적 성질, 분자 크기, 유속, 챔버 압력, 빔 크기 등에 의해 결정될 수 있다.
스키머 카트리지 조립체(35)는 절두원추형 형상을 갖는 내부 스키머 요소(10)를 포함할 수 있다. 내부 스키머 요소(10)는 내경(dso)의 스키머 유입 개구(11)로부터 내부 스키머 요소(10)가 외경(ddo)을 가지는 스키머 카트리지 조립체(35)의 내벽(34a)까지 연장될 수 있다. 스키머 유입 개구(11)의 내경(dso)은 약 0.1 mm 내지 약 10 mm까지 변할 수 있다. 외경(ddo)은 약 0.5 mm 내지 약 50 mm까지 변할 수 있으며, 내경(dso)보다 크다. 길이(lo) 및 각도(ao)도 내부 스키머 요소(10)와 연관될 수 있다. 스키머 유입 개구(11)로부터 내벽(34a)까지의 길이(lo)는 대략 20 mm 내지 대략 40 mm까지 변할 수 있으며, 내벽(34a)으로부터의 각도(ao)는 약 100도 내지 약 175도까지 변할 수 있다. 내경(dso), 길이(lo) 및 각도(ao)는 외부 빔(39)에 대한 소망의 폭, 가스 클러스터 크기 및 노즐/스키머 모듈(20)이 생성하고자 설계된 공정 화학(가스)에 의존할 수 있다. 대안으로, 내부 스키머 요소(10)는 다르게 구성될 수도 있다.
노즐 유출 개구(31)는 약 10 mm 내지 약 50 mm까지 변할 수 있는 이격 거리(s1)만큼 스키머 유입 개구(11)로부터 이격될 수 있다. 대안으로, 다른 이격 거리(s1)가 사용될 수 있다. 사용시, 내부 빔(28)(가스 제트)은 노즐 조립체(30)의 노즐 유출 개구(31)로부터 생성되고 스키머 카트리지 조립체(35)의 스키머 유입 개구(11)와 정렬되고 그 개구를 향해 지향된다.
스키머 카트리지 조립체(35)는 절두원추형 형상을 갖는 제1 외부 형상 요소(12)를 포함할 수 있다. 제1 외부 형상 요소(12)는 스키머 유입 개구(11)로부터 스키머 카트리지 조립체(35)의 외벽(34b)에 인접하거나 내부에 있는 원형 개구(13)까지 외측으로 연장될 수 있다. 스키머 유입 개구(11)는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm까지 변할 수 있는 내경(dso)을 가질 수 있다. 원형 개구(13)는 약 0.5 mm 내지 약 10 mm까지 변할 수 있고 내경(dso)보다 큰 제1 직경(ds1)을 가질 수 있다. 제1 길이(ls1)와 제1 각도(as1)는 제1 외부 형상 요소(12)와 연관될 수 있다. 스키머 유입 개구(11)로부터 원형 개구(13)까지의 제1 길이(ls1)는 대략 20 mm 내지 대략 40 mm까지 변할 수 있으며, 제1 각도(as1)(스키머 유입 개구(11)와 평행한 평면으로부터 제1 외부 형상 요소(12)의 표면까지 측정된 각도)는 대략 100도 내지 대략 175 도까지 변할 수 있다. 제1 직경(ds1), 제1 길이(ls1) 및 제1 각도(as1)는 외부 빔(39)에 대한 소망의 폭, 가스 클러스터 크기 및 노즐/스키머 모듈(20)이 사용하고자 설계된 공정 화학(가스)에 의존할 수 있다. 대안으로, 제1 외부 형상 요소(12)는 다르게 구성될 수도 있다.
스키머 카트리지 조립체(35)는 절두원추형 형상을 갖는 제2 외부 형상 요소(14)를 포함할 수 있다. 제2 외부 형상 요소(14)는 원형 개구(13)로부터 외벽(34b)과 교차하는 원형 개구(15)까지 외측으로 연장될 수 있다. 원형 개구(13)의 제1 직경(ds1)은 약 0.5 mm 내지 약 10 mm까지 변할 수 있고, 원형 개구(15)의 제2 직경(ds2)은 약 1 mm 내지 약 20 mm까지 변할 수 있다. 제2 길이(ls2)와 제2 각도(as2)는 제2 외부 형상 요소(14)와 연관될 수 있다. 원형 개구(13)로부터 원형 개구(15)까지의 제2 길이(ls2)는 대략 10 mm 내지 대략 20 mm까지 변할 수 있으며, 제2 각도(as2)(원형 개구(13)와 평행한 평면으로부터 제2 외부 형상 요소(14)의 표면까지 측정된 각도)는 대략 135도 내지 대략 175도까지 변할 수 있다. 제2 직경(ds2), 제2 길이(ls2) 및 제2 각도(as2)는 외부 빔(39)에 대한 소망의 폭, 가스 클러스터 크기 및 노즐/스키머 모듈(20)이 사용하고자 설계된 공정 화학(가스)에 의존할 수 있다. 대안으로, 제2 외부 형상 요소(14)는 다르게 구성될 수도 있다. 다른 실시예에서, 제1 외부 형상 요소(12) 및/또는 제2 외부 형상 요소(14)는 필요치 않을 수도 있다. 또한, 스키머 카트리지 조립체(35)는 노즐/스키머 모듈(20)을 챔버 벽에 제거 가능하게 결합하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 제4 장착 구멍(36)을 포함할 수 있다. 노즐/스키머 모듈(20)의 외부 빔(39)은 노즐/스키머 모듈(20)이 챔버 벽에 장착되기 전에 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 정렬될 수 있다. 대안으로, 하나 이상의 기계적 위치 설정 장치(도시되지 않음)가 사용될 수 있다.
스키머 카트리지 조립체(35)는 약 20 mm 내지 약 40 mm까지 변할 수 있는 제1 두께(ts1), 약 10 mm 내지 약 20 mm까지 변할 수 있는 제2 두께(ts2), 약 10 mm 내지 약 20 mm까지 변할 수 있는 제3 두께(ts3) 및 약 10 mm 내지 약 20 mm까지 변할 수 있는 제4 두께(ts4)를 포함할 수 있다.
스키머 카트리지 조립체(35)는 약 30 mm 내지 약 50 mm까지 변할 수 있는 제3 직경(ds3), 약 50 mm 내지 약 60 mm까지 변할 수 있는 제4 직경(ds4), 약 70 mm 내지 약 80 mm까지 변할 수 있는 제5 직경(ds5), 약 80 mm 내지 약 90 mm까지 변할 수 있는 제6 직경(ds6), 약 85 mm 내지 약 95 mm까지 변할 수 있는 제7 직경(ds7), 약 90 mm 내지 약 100 mm까지 변할 수 있는 제8 직경(ds8)을 가질 수 있다.
제2 원통형 서브 조립체(41)는 3개 이상의 제3 장착 구멍(23)과 3개 이상의 제3 고정 장치(24) 및 제1 O-링(42)을 사용하여 제1 원통형 서브 조립체(40)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 제1 O-링(42)은 Viton, Inc사의 style 2-111일 수 있다. 대안으로, 다른 제1 O-링(42)이 사용될 수 있다. 제1 원통형 서브 조립체(40)는 약 2 mm 내지 약 5 mm까지 변할 수 있는 제1 두께(t1)와 약 75 mm 내지 약 95 mm까지 변할 수 있는 제1 직경(d1)을 가질 수 있다. 대안으로, 제1 원통형 서브 조립체(40)는 다르게 구성될 수도 있다. 제2 원통형 서브 조립체(41)는 약 2 mm 내지 약 5 mm까지 변할 수 있는 제2 두께(t2)와 약 45 mm 내지 약 75 mm까지 변할 수 있는 제2 직경(d2)을 가질 수 있다. 대안으로, 제2 원통형 서브 조립체(41)는 다르게 구성될 수도 있다.
일부 실시예에서, 제1 원통형 서브 조립체(40) 및/또는 제2 원통형 서브 조립체(41)로부터 재료를 제거함으로써 원통형 혼합 공간(43)이 구성될 수 있다. 또한, 하나 이상의 제2 O-링(44)이 제1 원통형 서브 조립체(40)와 제2 원통형 서브 조립체(41) 사이에 제공될 수 있다. 예를 들어, 제2 O-링(44)은 Viton, Inc.사의 style 2-010 O-링일 수 있다. 대안으로, 다른 제2 O-링(44)이 사용될 수도 있다. 또한, 사용시 입자가 노즐 조립체(30)의 오리피스를 막지 못하도록 원통형 혼합 공간(43)에 필터가 합체될 수 있다. 원통형 혼합 공간(43)은 약 2 mm 내지 약 5 mm까지 변할 수 있는 제3 두께(t3)와 약 15 mm 내지 약 25 mm까지 변할 수 있는 제3 직경(d3)을 가질 수 있다. 대안으로, 원통형 혼합 공간(43)은 다르게 구성될 수도 있다. 원통형 혼합 공간(43)에는 원통형 공급 요소(43a)가 결합되어 원통형 혼합 공간(43)에 처리 가스를 제공하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 원통형 공급 요소(43a)는 약 0.2 mm 내지 2 mm까지 변할 수 있는 내경의 튜브 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 또한, 원통형 공급 요소(43a)에 원통형 결합 요소(43b)가 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, 원통형 혼합 공간(43)은 제1 원통형 서브 조립체(40)가 초기에 제2 원통형 서브 조립체(41)에 결합될 때 사전 테스트 될 수 있고, 하나 이상의 사전 테스트된 원통형 혼합 공간(43)이 현장에 편리하게 보관될 수 있다.
일부 정렬 테스트에서, 광학 테스트 소스로부터의 광 입력 신호가 원통형 공급 요소(43a)를 통해 제공될 수 있고, 광 출력 신호가 수광기를 사용하여 스키머 카트리지 조립체(35)의 제2 외부 형상 요소(14)에서 측정될 수 있다. 이러한 방식으로, 내부 빔(28)의 정렬을 광학적으로 시험 및 검증할 수 있다.
노즐/스키머 모듈(20)은 원통형 혼합 공간(43)에 조절된 유속으로 공정 가스를 제공하도록 구성될 수 있는 가스 공급 튜브 조립체(45)를 포함할 수 있다. 가스 공급 튜브 조립체(45)는 유입 가스 공급 요소(45a), 코일형 가스 공급 요소(45b) 및 유출 가스 공급 요소(45c)를 포함할 수 있다. 가스 공급 튜브 조립체(45)(집합적으로 45a, 45b 및 45c)는 약 1000 mm 내지 약 1500 mm까지 변할 수 있는 (요소(45a)로부터 요소(45c)까지의) 제4 길이(l4)와 약 0.5 mm 내지 약 2.5 mm까지 변할 수 있는 내경(d4)을 가질 수 있다. 대안으로, 가스 공급 튜브 조립체(45) 및/또는 코일형 가스 공급 요소(45b)는 다르게 구성될 수도 있다. 노즐/스키머 모듈(20)이 제조될 때, 유출 가스 공급 요소(45c)는 가스 공급 튜브 조립체(45)를 원통형 결합 요소(43b)에 부착하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 유입 가스 공급 요소(45a), 코일형 가스 공급 요소(45b) 및/또는 유출 가스 공급 요소(45c)는 조절된 유속으로 원통형 혼합 공간(43)에 공정 가스를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 가스 공급 요소(45a, 45b 및 45c) 중 하나 이상은 금속 배관을 사용하여 구성될 수 있다.
노즐/스키머 모듈(20)은 가스 공급관 조립체(45)에 결합될 수 있는 가스 유입 공급 조립체(47)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 유입 공급 조립체(47)는 유지 요소(47a), 부착 요소(47b) 및 내부 공간부(47c)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유지 요소(47a)는 가스 유입 공급 조립체(47)를 유입 가스 공급 요소(45a)에 결합하는 데 사용될 수 있다. 또한, 내부 공간부(47c)는 유입 가스 공급 요소(45a)의 내부 공간에 결합될 수 있다. 가스 유입 공급 조립체(47)는 노즐/스키머 모듈(20)이 도 2에 도시된 바와 같은 GCIB 시스템의 저압 처리 챔버 내에 장착될 때 노즐/스키머 모듈(20)을 내부 가스 공급 라인에 제거 가능하게 결합시키도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 유입 공급 조립체(47)는 결합에 사용될 수 있는 나사형 수단(47d)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 원통형 혼합 공간(43), 가스 공급 튜브 조립체(45) 또는 가스 유입 공급 조립체(47)는 필요에 따라 유동 제어 장치, 필터 및 밸브를 포함할 수 있으며, 노즐 조립체(30) 내로의 처리 가스의 유량을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유량은 약 10 sccm 내지 약 5000 sccm까지 변할 수 있다.
이송, 공급 및 결합 요소들(45a, 45b, 45c, 43a, 및 43b)은 사용되는 다양한 가스에 대해 기밀성과 비 반응성을 가질 수 있다. 예를 들어, 가스 침투성이 높지 않고 굴곡을 허용하도록 Kapton 또는 Gore-Tex 내부 막을 갖는 이중 벽으로 직조된 스테인리스 강 메쉬를 사용할 수 있다.
노즐/스키머 모듈(20)은 약 18 cm 내지 약 28 cm까지 변할 수 있는 전체 길이(OL)를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제조 GCIB 처리 시스템에 장착되기 전에 노즐/스키머 모듈(20)을 정렬 및/또는 테스트하기 위해 사용될 수 있거나, 사전 정렬되거나 및/또는 테스트된 노즐/스키머 모듈(20)이 장착된 제조 GCIB 처리 시스템으로서 사용될 수 있는 GCIB 시스템을 위한 예시적인 구성을 보여준다. GCIB 시스템(200)은 소스 서브시스템(201), 이온화/가속 서브시스템(204) 및 처리 서브시스템(207)을 포함한다. 소스 서브시스템(201)은 내부 공간(203)을 갖는 소스 챔버(202)를 포함할 수 있고, 이온화/가속 서브시스템(204)은 내부 공간(206)을 갖는 이온화/가속 챔버(205)를 포함할 수 있고, 처리 서브시스템(207)은 내부 공간(209)을 갖는 처리 챔버(208)를 포함할 수 있다.
GCIB 시스템(200)은 제1 진공 펌핑 시스템(216a), 제2 진공 펌핑 시스템(216b) 및 제3 진공 펌핑 시스템(216c)을 포함할 수 있다. 소스 챔버(202) 내에는 하나 이상의 압력 제어 요소(217a)가 결합될 수 있고, 압력 제어 요소(217a) 중 하나 이상은 하나 이상의 외부 진공 호스(218a)를 사용하여 제1 진공 펌핑 시스템(216a)에 결합될 수 있다. 또한, 이온화/가속 챔버(205) 내에는 하나 이상의 압력 제어 요소(217b)가 결합될 수 있고, 압력 제어 요소(217b) 중 하나 이상은 하나 이상의 외부 진공 호스(218b)를 사용하여 제2 진공 펌핑 시스템(216b)에 결합될 수 있다. 또한, 처리 챔버(208) 내에는 하나 이상의 압력 제어 요소(217c)가 결합될 수 있고, 압력 제어 요소(217c) 중 하나 이상은 하나 이상의 외부 진공 호스(218c)를 사용하여 제3 진공 펌핑 시스템(216c)에 결합될 수 있다.
소스 챔버(202), 이온화/가속 챔버(205) 및 처리 챔버(208)는 노즐/스키머 모듈(20)이 정렬 및/또는 테스트 될 때, 또는 사전 정렬된 노즐/스키머 모듈(20)이 사용될 때. 각각 제1, 제2 및 제3 진공 펌핑 시스템(216a, 216b 및 216c)에 의해 적절한 테스트 및/또는 작동 압력으로 배기될 수 있다. 또한, 진공 펌핑 시스템(216a)은 작동 중에 사전 정렬된 노즐/스키머 모듈(20)의 처리 공간(232)에 정확한 압력을 형성하는 데 사용될 수 있다. 진공 펌핑 시스템(216a, 216b 및 216c)은 초 당 약 5000 리터(또는 그 이상)까지의 펌핑 속도가 가능한 터보-분자 진공 펌프(TMP) 및 챔버 압력을 조절하기 위한 게이트 밸브를 포함할 수 있다. 종래의 진공 처리 장치에서는 초 당 1000 리터 내지 2000 리터의 TMP가 사용될 수 있다. TMP는 통상적으로 약 50 mTorr 미만의 저압 처리에 유용하다.
또한, 일부 실시예에서, 소스 챔버(202)에 또는 그 내부에는 제1 챔버 압력 모니터링 장치(249a)가 결합되거나 구성될 수 있고, 이온화/가속 챔버(205)에 또는 그 내부에는 제2 챔버 압력 모니터링 장치(249b)가 결합되거나 구성될 수 있으며, 처리 챔버(208)에 또는 그 내부에는 제3 챔버 압력 모니터링 장치(249c)가 결합되거나 구성될 수 있다. 대안으로, 노즐/스키머 모듈(20)에 챔버 압력 모니터링 장치가 결합될 수 있다. 예를 들어, 압력 모니터링 장치는 커패시턴스 압력계 또는 이온화 게이지일 수 있다. 진공 펌핑 시스템(216a, 216b 및 216c) 및 챔버 압력 모니터링 장치(249a, 249b 및 249c)에는 신호 버스(291)를 통해 제어기(290)가 결합될 수 있다. 또한, 제어기(290)는 노즐/스키머 모듈(20)이 정렬 및/또는 테스트될 때, 또는 정확하게 작동되는 사전 정렬된 노즐/스키머 모듈(20)이 사용될 때, 진공 펌핑 시스템(216a, 216b 및 216c) 및 챔버 압력 모니터링 장치(249a, 249b 및 249c)를 모니터링 및/또는 제어할 수 있다.
노즐/스키머 모듈(20)은 도 1을 참조로 전술한 바와 같이, 노즐/스키머 모듈(20)이 구성된 후에 테스트 시스템(예를 들어, 시스템(200))의 소스 서브시스템(201) 내에 위치될 수 있다. 노즐/스키머 모듈(20)이 사전 정렬 및/또는 테스트 된 후에, 노즐/스키머 모듈은 생산 공정 시스템(예를 들어, 시스템(200))의 소스 서브시스템(201) 내에 위치될 수 있다. 스키머 카트리지 조립체(35)는 도 2에 도시 된 바와 같이 복수의 제4 장착 구멍(36) 및 복수의 제4 고정 장치(222)를 사용하여 노즐/스키머 모듈(20)을 소스 챔버(202)의 내벽(238)에 제거 가능하게 결합 시키는 데 사용될 수 있다. 대안으로, 스키머 카트리지 조립체(35)는 노즐/스키머 모듈(20)을 소스 챔버(202)(도시되지 않음)의 외벽에 제거 가능하게 결합시키는 데 사용될 수 있다. 스키머 카트리지 조립체(35)는 소스 챔버(202)의 내부 공간(203) 내에 장착되기 전에 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 정렬될 수 있다. 대안으로, 노즐/스키머 모듈(20)을 장착시 하나 이상의 위치 설정 장치(도시 생략)를 사용할 수 있다.
도 1을 참조로 전술된 바와 같이, 노즐 유출 개구(31)는 예컨대 약 10 mm 내지 약 50 mm까지 변할 수 있는 이격 거리(s1)만큼 스키머 유입 개구(11)로부터 이격될 수 있다. 정확한 이격 거리(s1)는 노즐/스키머 모듈(20)이 테스트 및/또는 정렬될 때 확정될 수 있다. 이격 거리(s1)가 정확하지 않을 때, 노즐 조립체(30), 지지 튜브(21) 및/또는 스키머 카트리지 조립체(35)는 다시 위치되거나 다시 제조될 수 있다. 이격 거리(s1)는 노즐/스키머 모듈(20)이 생산 공정 시스템에서 사용하도록 설계된 공정 화학(가스)에 의존할 수 있다.
노즐/스키머 모듈(20)이 정렬 및/또는 테스트 될 때, 스키머 카트리지 조립체(35)는 노즐 유출 개구(31)로부터 형성된 내부 빔(28)이 스키머 카트리지 조립체(35)에서 스키머 유입 개구(11) 측으로 정렬되도록 노즐 조립체(30)와 정렬될 수 있다. 일부 실시예에서, 노즐 조립체(30)는 제2 원통형 서브 조립체(41)에 결합되기 전에 사전 테스트 및/또는 사전 정렬될 수 있다. 또한, 하나 이상의 사전 테스트되거나 및/또는 사전 정렬된 노즐 조립체(30)는 다르게 구성될 수 있으며, 그 차이는 공정 화학, 분자 크기, 유속, 챔버 압력, 클러스터 크기, 빔 크기 등에 의해 결정될 수 있다. 또한, 하나 이상의 사전 테스트되거나 및/또는 사전 정렬된 노즐 조립체(30)는 현장에 보관되어 다른 공정 레시피의 사용을 용이하게 할 수 있다.
내부 빔(28)이 정확하게 정렬되면, 지지 튜브(21)의 제1 부분(21a)은 2개 이상의 제1 장착 구멍(25) 및 2개 이상의 제1 고정 장치(26)를 사용하여 제1 원통형 서브 조립체(40)에 견고하고 제거 가능하게 결합될 수 있고, 지지 튜브(21)의 제2 부분(21b)은 정확한 정렬을 유지하기 위해 제2 장착 구멍(37) 및 제2 고정 장치(27)를 사용하여 스키머 카트리지 조립체(35)에 견고하고 제거 가능하게 결합될 수 있다.
일부 실시예에서, 전술한 바와 같이, 원통형 혼합 공간(43)은 제1 원통형 서브 조립체(40)가 초기에 제2 원통형 서브 조립체(41)에 결합될 때 사전 테스트 될 수 있고, 하나 이상의 사전 테스트 된 원통형 혼합 공간(43)은 편리하게 현장에 보관될 수 있다. 예를 들어, 원통형 혼합 공간(43)의 정렬 및/또는 테스트 중에, 하나 이상의 제어된 테스트 가스 소스가 원통형 공급 요소(43a)와 원통형 결합 요소(43b)를 통해 원통형 혼합 공간(43)에 하나 이상의 상이한 유속으로 1종 이상의 테스트 가스를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 노즐/스키머 모듈(20)은 제어된 유속으로 원통형 혼합 공간(43)에 공정 가스를 제공하도록 구성될 수 있는 가스 공급 튜브 조립체(45)를 포함할 수 있다. 가스 공급 튜브 조립체(45)에는 가스 유입 공급 조립체(47)가 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 유입 공급 조립체(47)는 노즐/스키머 모듈(20)을 가스 공급 서브 조립체(233)에 부착된 가스 유출 포트(233a)에 제거 가능하게 결합시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 부착 수단(47b)을 가스 유출 포트(233a)에 부착하기 위해 나사형 수단(47d)이 사용될 수 있다. 대안으로, "스냅-접속" 수단이 부착 요소(47b)를 가스 유출 포트(233a)에 부착하는 데 사용될 수 있다. 또한, 내부 공간부(47c)는 가스 유출 포트(233a)의 내부 공간에 결합될 수 있다. 또한, 가스 유출 포트(233a)는 소스 챔버(202)의 벽에 부착될 수 있다.
다양한 실시예에서, 가스 공급 서브 조립체(233) 및/또는 가스 유출 포트(233a)는 필요에 따라 유동 제어 장치, 필터 및 밸브를 포함할 수 있다. 가스 공급 서브 조립체(233) 및/또는 가스 유출 포트(233a)는 노즐/스키머 모듈(20) 내로의 처리 가스의 유량을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유량은 약 10 sccm 내지 약 3000 sccm까지 변할 수 있다.
노즐/스키머 모듈(20)이 정렬 및/또는 테스트 될 때, 노즐/스키머 모듈(20)은 이온화/가속 챔버(205)의 내부 공간(206) 내로 지향될 수 있는 테스트 외부 빔(39)을 생성할 수 있다. 사전 정렬된 노즐/스키머 모듈(20)은 반도체 웨이퍼, 기판상의 박막 또는 개선된 GCIB 처리를 필요로 하는 다른 가공물일 수 있는 가공물(281)에 대해 개선된 GCIB 공정을 제공할 수 있는 생산 공정 GCIB 시스템(200) 내에 구성될 수 있다. 사전 정렬된 노즐/스키머 모듈(20)이 GCIB 시스템(200)에 사용될 때, 사전 정렬된 노즐/스키머 모듈(20)은 이온화/가속 챔버(205)의 내부 공간(206) 내로 지향될 수 있는 사전 정렬된 외부 빔(39)을 생성함으로써 가공물(281)을 처리한다.
일부 GCIB 시스템(200)은 제1 가스 공급 서브시스템(250) 및 제2 가스 공급 서브시스템(253)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 가스 공급 서브시스템(250)은 하나 이상의 외부 가스 공급 라인(252) 및 하나 이상의 제1 유동 제어 요소(251)를 사용하여 가스 공급 서브 조립체(233)에 결합될 수 있고, 제2 가스 공급 서브시스템(253)은 하나 이상의 외부 가스 공급 라인(252) 및 하나 이상의 제2 유동 제어 요소(254)를 사용하여 가스 공급 서브 조립체(233)에 결합될 수 있다. 노즐/스키머 모듈(20)이 정렬 및/또는 테스트 될 때, 또는 생산 공정에 사용될 때, 제1 가스 공급 서브시스템(250)에 저장된 제1 가스 조성물 및/또는 제2 가스 공급 서브시스템(253)에 저장된 제2 가스 조성물이 사용될 수 있다.
일부 예에서, 노즐/스키머 모듈(20)은 제1 가스 조성물을 사용하도록 구성될 수 있고, 제1 가스 조성물은 비활성 가스, 즉, He, Ne, Ar, Kr, Xe 또는 Rn을 포함할 수 있는 응축 가능한 불활성 가스를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 노즐/스키머 모듈(20)은 성막 가스 조성물, 에칭 가스 조성물, 세정 가스 조성물, 스무딩 가스 조성물 등을 포함할 수 있는 제2 가스 조성물을 사용하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 가스 공급 서브시스템(250) 및 제2 가스 공급 서브시스템(253)은 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 질소, 산소, 수소, 메탄, 삼플루오르화 질소, 이산화탄소, 육플루오르화 황, 산화질소 또는 아산화질소, 또는 이들 중 2종 이상의 임의의 조합을 포함하는 이온화된 클러스터를 생성하도록 노즐/스키머 모듈(20)이 구성될 때 단독으로 또는 서로 조합으로 사용될 수 있다.
정렬, 테스트 및/또는 GCIB 처리 중에, 제1 가스 조성물 및/또는 제2 가스 조성물은 노즐/스키머 모듈(20)에 고압으로 제공되어, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 질소, 산소, 수소, 메탄, 삼플루오르화 질소, 이산화탄소, 육플루오르화 황, 산화질소 또는 아산화질소, 또는 이들 중 2종 이상의 임의의 조합을 포함하는 이온화된 클러스터를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 가스 조성물 및/또는 제2 가스 조성물은 원통형 혼합 공간(43) 내로 도입된 후 노즐 조립체(30)를 통해 지지 튜브(21) 내부의 부분 개방된 처리 공간(32)으로 실질적으로 저압인 진공 상태로 분출될 수 있다. 노즐 조립체(30)로부터의 고압의 응축성 가스가 부분적으로 개방된 처리 공간(32)의 영역 내로 팽창시, 가스 분자 속도가 초음속에 접근할 수 있고, 내부 빔(28)(가스 제트)이 노즐 조립체(30)의 노즐 유출 개구(31)와 내부 스키머 요소(10)의 스키머 유입 개구(11) 사이에서 생성되고, 클러스터의 외부 빔(39)이 노즐/스키머 모듈(20) 내의 제1 외부 형상 요소(12) 및 제2 외부 형상 요소(14)로부터 방출될 수 있다.
가스 공급 튜브 조립체(45), 가스 유입 공급 조립체(47) 및 원통형 공급 및 결합 요소(43a, 43b) 내의 유동 요소는 사용되는 다양한 가스 대해 기밀성 및 비 반응성을 가질 수 있다. 예를 들어, 가스 침투성이 높지 않고 굴곡이 허용되도록 Kapton 또는 Gore-Tex 내부 막이 있는 이중 벽으로 직조된 스테인리스 강 메쉬를 사용할 수 있다.
소스 챔버(202)는 내부에 저압을 유지하도록 구성된 폐쇄 구조체일 수 있다. 소스 챔버(202)의 하나 이상의 벽은 스테인리스 강 또는 코팅 알루미늄과 같은 비 반응성 금속을 포함할 수 있다.
소스 서브시스템(201)은 소스 챔버(202) 내에 결합된 하나 이상의 압력 제어 요소(217a)를 포함할 수 있다. 압력 제어 요소(217a) 중 하나 이상은 하나 이상의 외부 진공 호스(218a)를 사용하여 제1 진공 펌핑 시스템(216a)에 결합될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 내부 진공 호스(도시 생략)가 지지 튜브(21)에 결합될 수 있으며, 지지 튜브(21)의 부분 개방된 내부 공간(32) 내의 압력을 제어하는 데 사용될 수 있다.
초음속 가스 제트는 노즐/스키머 모듈(20)의 내부 빔(28)으로서 발생된다. 제트의 팽창으로 인한 냉각은 초음속 가스 제트의 일부를 수개~수천 개의 약하게 결합된 원자 또는 분자로 각각 이루어진 클러스터들로 응축시킨다. 노즐/스키머 모듈(20) 내의 스키머 카트리지 조립체(35)는 클러스터 제트로부터 클러스터 제트로 응축되지 않은 가스 분자를 부분적으로 분리하여 그러한 더 높은 압력이 해로운 하류 영역(예를 들어, 이온화기(255), 고전압 전극(265) 및 처리 챔버(208))의 압력을 최소화한다. 적합한 응축 가능한 처리 가스는 아르곤, 질소, 이산화탄소, 산소 및 다른 가스를 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 스키머 유입 개구(11), 제1 외부 형상 요소(12) 및 제2 외부 형상 요소(14)는 바람직하게는 원추형이며 실질적으로 원통형인 외부 빔(39)을 형성한다.
일부의 정렬 및/또는 테스트 절차 또는 처리 과정 중에, 노즐/스키머 모듈(20)로부터의 외부 빔(39)은 가스 클러스터를 포함할 수 있고, 클러스터의 외부 빔(39)은 전자 억제 장치(260; electron suppressor apparatus)를 통해 보내질 수 있다. 대안으로, 전자 억제 장치(260)는 일부의 정렬, 테스트 및/또는 처리 절차 중에 필요치 않거나 다른 위치에서 사용될 수도 있다. 전자 억제 장치(260)는 제1 전위의 전도성 전자 억제 전극(261), 제2 전위의 2차 전극(262) 및 억제 전극 바이어스 전원(264)을 포함할 수 있다. 억제 전극 바이어스 전원(264)은 글리치(glitch) 억제 전압(VGS)을 제공하며, VGS 테스트 범위는 약 1 kV 내지 약 5 kV까지 변할 수 있다. 전자 억제 전극(261)은 2차 전극(262) 및 노즐/스키머 모듈(20)에 대해 음으로 바이어스될 수 있고, 2차 전극(262) 및 노즐/스키머 모듈(20)은 테스트 및/또는 처리 중에 거의 동일한 전위일 수 있다. 전자 억제 전극(261) 및 2차 전극(262)은 각각 외부 빔(39)(중성 초음속 가스 제트)의 전달을 위해 동축으로 정렬된 구멍을 가진다. 음으로 바이어스된 전자 억제 장치(260)는 노즐/스키머 모듈(20) 유출구(원형 개구(13, 15))와 전자 억제 전극(261) 사이의 영역에, 노즐/스키머 모듈(20) 유출 영역으로부터 방출된 임의의 2차 전자가 노즐/스키머 모듈(20)의 유출구 또는 전기적으로 접속된 인접 영역 측으로 2차 전자를 복귀시키는 궤적으로 따르도록 하며 노즐/스키머 모듈(20)의 유출구와 이온화기(255) 사이의 영역에서의 2차 전자의 가속을 방지하여 외부 빔(39)(초음속 가스 제트)의 이온화 생성을 방지하는 전기장을 제공한다. 연장관(257) 및 전자 억제 장치(260) 모두는 노즐/스키머 모듈(20)의 유출구와 이온화기(255) 사이의 영역에서의 방전 및 아크 발생에 기인한 빔 글리치의 감소에 기여한다. 도 2에 예시된 바와 같이 조합하여 사용시, 이들은 그 독립적인 기여의 합보다 훨씬 더 효과적이다. 이 조합은 빔 글리치의 원인으로서 스키머-이온화기 방전을 무시할 수 있는 수준으로 감소시키고, 시간 당 1 회 정도로 모든 원인으로부터의 글리치 비율로 500~1000 마이크로 암페어 정도의 안정적인 GCIB 빔 전류의 생성을 가능하게 하였다. 이는 기존 시스템에서 얻어진 이전의 결과보다 10배 내지 100배까지 향상된 것이다. 대안으로, 자기 전자 억제기 및 다른 전자 게이트가 사용될 수 있다.
일부의 정렬, 테스트 및/또는 처리 과정 중에, 전자 억제 장치(260)로부터 방출되는 외부 빔(39) 내의 초음속 가스 클러스터는 이온화기(255)에서 이온화될 수 있는데, 이온화기는 바람직하게는 외부 빔(39)의 초음속 클러스터와 동축으로 정렬된 실질적으로 원통형의 형상을 가진다. 이온화기(255)는 하나 이상의 이온화기 필라멘트(258)로부터 열전자를 생성하는 전자 충격 이온화기일 수 있으며, 제트(빔)가 이온화기(255)를 통과할 때 외부 빔(39) 내의 초음속 가스 클러스터와 충돌되도록 전자를 가속 및 유도한다. 전자 충격은 클러스터로부터 전자를 방출하여 클러스터의 일부가 양이온화 되게 한다. 적절하게 바이어스된 고전압 전극(265)의 세트는 이온화기로부터 클러스터 이온을 추출하여 빔을 형성한 후, 클러스터 이온을 원하는 에너지(통상 1 keV 내지 수십 keV)로 가속하고 이들을 집속하여 GCIB(263)를 형성한다.
다양한 예시적인 테스트 및 처리 중에, 필라멘트 전원(267)은 이온화기 필라멘트(258)를 가열하도록 필라멘트 전압(VF)을 제공할 수 있다. 애노드 전원(266)은 애노드 전압(VA)을 제공하여 이온화기 필라멘트(258)로부터 방출된 열 전자를 가속시켜 열 전자가 클러스터를 포함하는 외부 빔(39)을 조사하도록 함으로써 이온을 생성한다. 테스트 추출 전원(268)은 고전압 전극을 바이어스하여 이온화기(255)의 이온화 영역으로부터 이온을 추출하고 GCIB(263)를 형성하도록 추출 전압(VE)을 제공할 수 있다. 가속기 전원(269)은 가속 전압(VACC)을 제공하여 이온화기(255)에 대해 고전압 전극을 바이어싱함으로써 VACC와 동일한 총 GCIB 가속을 야기할 수 있다. 하나 이상의 렌즈 전원(272 및 274)은 집속 전압(VL1 및 VL2)으로 고전압 전극을 바이어싱하여 형상화 및/또는 집속될 수 있는 GCIB(263)를 생성하도록 제공될 수 있다.
GCIB 시스템(200)은 X-스캔 동작(283)의 방향(지면 내외의 방향)으로 가공물 홀더(280)의 직선 동작을 제공하는 X-스캔 제어기(282)를 포함할 수 있다. Y-스캔 제어기(284)는 전형적으로 X-스캔 동작(283)에 직교하는 Y-스캔 동작(285)의 방향으로 가공물 홀더(280)의 직선 동작을 제공한다. 일부의 정렬, 테스트 및/또는 처리 과정 중에, X-스캐닝 및 Y-스캐닝 동작의 조합은 가공물 홀더(280)에 의해 유지된 가공물(281)을 GCIB(263)를 통한 래스터(raster)-스캐닝 동작으로 이동시킬 수 있다. GCIB 시스템(200)이 정확하게 동작할 때, GCIB(263)는 가공물(281)의 표면을 균일하게 조사할 수 있어서 가공물(281)을 균일하게 처리할 수 있다. 마이크로컴퓨터 기반 제어기일 수 있는 제어기(290)는 신호 버스(291)를 통해 X-스캔 제어기(282) 및 Y-스캔 제어기(284)에 접속되어 X-스캔 제어기(282) 및 Y-스캔 제어기(284)를 제어함으로써 가공물(281)을 GCIB(263) 내외로 배치하고 가공물(281)을 GCIB(263)에 대해 균일하게 스캔하여 GCIB(263)에 의한 가공물(281)의 균일한 처리를 달성한다.
일부의 테스트 및/또는 처리 과정 중에, 가공물 홀더(280)는 가공물(281)을, GCIB(263)가 가공물(281)의 표면에 대해 빔 입사각(286)을 갖도록 GCIB(263)의 축에 대해 소정의 각도로 위치시킬 수 있다. GCIB 시스템(200)이 정확하게 작동할 때, 빔 입사각(286)은 대략 90°일 수 있다. Y-스캔 테스트 중에, 가공물(281)은 가공물 홀더(280)에 의해 유지될 수 있고, 도시된 위치로부터 표시(281A 및 280A)에 의해 각각 지시된 대체 위치 "A"로 이동될 수 있다. 스캐닝 절차가 정확하게 수행되면, 가공물(281)은 GCIB(263)를 통해 완전히 스캐닝될 수 있고, 두 극단 위치에서 가공물(281)은 GCIB(263)의 경로 밖으로 완전히 이동될 수 있다(오버 스캐닝됨). 또한, 유사한 스캐닝 및/또는 오버 스캐닝이 직교하는 X-스캔 동작(283) 방향(지면 내외 방향)으로 수행될 수 있다. 일부의 테스트 케이스 중에, 노즐/스키머 모듈(20)은 테스트 스캐닝 절차가 실패할 때 조정 및/또는 재조정 될 수 있다.
가공물(281)은 기계적 클램핑 시스템 또는 전기적 클램핑 시스템(예를 들어, 정전 클램핑 시스템)과 같은 클램핑 시스템(미도시)을 사용하여 가공물 홀더(280)에 부착될 수 있다. 또한, 가공물 홀더(280)는 가공물 홀더(280)와 가공물(281)의 온도를 조정 및/또는 제어하도록 구성된 가열 시스템(미도시) 또는 냉각 시스템(미도시)을 포함할 수 있다.
GCIB(263)의 경로에서 가공물 홀더(280)를 지나 빔 전류 센서(288)가 위치 될 수 있고, 가공물 홀더(280)가 GCIB(263)의 경로 밖으로 스캐닝 될 때 GCIB(263)의 샘플을 차단하는 데 사용될 수 있다. 빔 전류 센서(288)는 패러데이 컵(faraday cup) 등일 수 있으며, 빔-진입 개구를 제외하고는 폐쇄될 수 있고, 전기 절연 마운트(289)를 사용하여 처리 챔버(208)의 벽에 부착될 수 있다. 대안으로, 하나 이상의 센싱 장치가 가공물 홀더(280)에 결합될 수 있다.
GCIB(263)는 가공물(281)의 표면상의 돌출 충돌 영역에서 가공물(281)에 충격을 가할 수 있다. X-Y 테스팅 및 처리 중에, 가공물 홀더(280)는 가공물(281)의 표면의 모든 영역이 GCIB(263)에 의해 처리될 수 있도록 GCIB(263)의 경로에 가공물(281)의 표면의 각 부분을 위치시킬 수 있다. X-스캔 및 Y-스캔 제어기(282, 284)는 X-축 및 Y-축 방향의 가공물 홀더(280)의 위치 및 속도를 제어하는 데 사용될 수 있다. X-스캔 및 Y-스캔 제어기(282, 284)는 신호 버스(291)를 통해 제어기(290)로부터 제어 신호를 수신할 수 있다. 다양한 테스트 및 처리 중에, 가공물 홀더(280)는 가공물(281)의 다른 영역들을 GCIB(263) 내에 위치시키도록 연속적인 동작 또는 단계적 동작으로 이동될 수 있다. 일 실시예에서, 가공물 홀더(280)는 제어기(290)에 의해 제어되어 GCIB(263)를 통해 가공물(281)의 임의의 부분을 프로그램 가능한 속도로 스캐닝할 수 있다.
일부 예시적인 테스트 또는 처리 시퀀스에서, 가공물 홀더(280)의 하나 이상의 표면은 전기 도전성이 되도록 구성될 수 있고, 제어기(290)에 의해 작동되는 선량 측정(dosimetry) 프로세서에 연결될 수 있다. 가공물 홀더(280)의 전기 절연층(미도시)은 가공물(281) 및 기판 유지 표면을 가공물 홀더(280)의 다른 부분으로부터 격리시키기 위해 사용될 수 있다. GCIB(263)에 충돌하여 가공물(281)에 유도되는 전하는 가공물(281) 및 가공물 홀더(280) 표면을 통해 전도될 수 있고, 선량 측정을 위해 가공물 홀더(280)를 통해 제어기(290)에 신호가 결합될 수 있다. 선량 측정에는 GCIB 처리량을 결정하기 위해 GCIB 전류를 통합하는 통합 수단을 구비한다. 특정 상황에서, 전자 플러드(electron flood)로도 지칭되는 전자의 타겟 중성화 소스(미도시)는 GCIB(263)를 중성화시키는 데 사용될 수 있다. 이 경우, 추가된 전하 소스에도 불구하고 정확한 선량 측정을 보장하기 위해 패러데이 컵이 사용될 수 있다. 가공물(281)의 처리 중에, 선량률(dose rate)이 제어기(290)에 전달될 수 있고, 제어기(290)는 GCIB 빔속이 정확한지를 확인하거나 GCIB 빔속의 변화를 검출 할 수 있다.
제어기(290)는 신호 버스(291)를 통해 빔 전류 센서(288)에 의해 수집된 샘플링된 빔 전류를 접수할 수 있다. 제어기(290)는 GCIB(263)의 위치를 모니터링할 수 있고, 가공물(281)이 받은 GCIB 선량을 제어할 수 있으며, 소정의 원하는 선량이 가공물(281)에 전달되었을 때 가공물(281)을 GCIB(263)로부터 제거할 수 있다. 대안으로, 내부 제어기가 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 GCIB 시스템(200)은 "글리치"를 줄이거나 최소화하면서 증가된 GCIB 전류를 허용하는 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 연장관(257)과 같은 관형 도전체가 이온화기(255)의 입구 개구(256)에 배치된 이온화기(255)의 일체부로서 예시되어 있으나; 연장관(257)은 이와 같이 일체로 연결될 필요는 없다. 연장관(257)은 전기 전도성이며, 이온화기(255)에 전기적으로 연결되어 있어서 이온화기 전위로 존재한다. 연장관(257)과 이온화기(255) 사이에 거의 동일한 전위 관계를 달성하는 다른 구성이 사용될 수 있다. 이온화기 입구 개구(256)의 직경은 약 2 cm 내지 약 4 cm까지 변할 수 있다. 연장관(257)은 약 2 cm 내지 약 4 cm까지 변할 수 있는 내경을 가진다. 연장관(257)의 길이는 약 2 cm 내지 약 8 cm까지 변할 수 있다. 연장관(257)의 벽은 바람직하게는 금속성의 전기 도전성이며, 가스 전도성을 향상시키기 위해 복수의 연결된 동축 링으로서 천공 또는 구성되거나 스크린 재료로 제조될 수 있다. 연장관(257)은 이온화기(255)의 내부를 외부 전기장으로부터 차폐하여, 이온화기(255)의 입구 개구(256) 근처에 형성된 양이온이 이온화기(255)로부터 후방으로 추출되어 노즐/스키머 모듈(20)의 유출 단부 측으로 가속될 가능성을 감소시킨다. 이온화기 출구 개구(259)의 직경은 약 2 cm 내지 약 4 cm까지 변할 수 있다.
GCIB 시스템(200)은 현장 계측 시스템을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 현장 계측 시스템은 입사 광신호(271)로 가공물(281)을 조명하고 가공물(281)로부터 산란 광신호(276)를 수신하도록 각각 구성된 광 송신기(270) 및 광 수신기(275)를 갖는 광학 진단 시스템을 포함할 수 있다. 광학 진단 시스템은 입사 광신호(271) 및 산란 광신호(276)가 처리 챔버(208)로 들어가고 나오는 것을 허용하는 광학 창을 포함한다. 또한, 광학 송신기(270) 및 광학 수신기(275)는 각각 송신 및 수신 광학 장치를 포함할 수 있다. 광 송신기(270)는 제어기(290)에 결합되어 제어기와 통신할 수 있다. 광 수신기(275)는 측정 신호를 제어기(290)로 복귀시킨다. 예를 들어, 현장 계측 시스템은 GCIB 처리의 진행을 모니터링하도록 구성될 수 있다.
제어기(290)는 GCIB 시스템(200)으로의 입력을 전달 및 활성화하는 것은 물론, GCIB 시스템(200)으로부터의 출력을 모니터링하기에 충분한 제어 전압을 생성 할 수 있는 하나 이상의 마이크로프로세서, 메모리 및 I/O 포트를 포함한다. 더욱이, 제어기(290)는 진공 펌핑 시스템(216a, 216b, 216c), 제1 가스 공급 서브시스템(250), 제2 가스 공급 서브시스템(253), 노즐/스키머 모듈(20), 가스 공급 서브 조립체(233), 억제 전극 바이어스 전원(264), 애노드 전원(266), 필라멘트 전원(267), 추출 전원(268), 가속기 전원(269), 렌즈 전원(272, 274), 광 송신기(270), 광 수신기(275), X-스캔 및 Y-스캔 제어기(282, 284) 및 빔 전류 센서(288)에 결합되어 이들과 정보 교환할 수 있다. 예를 들면, 메모리에 저장된 프로그램은 가공물(281)에 대한 테스트 또는 생산 GCIB 처리를 수행하기 위해 공정 레시피에 따라 GCIB 시스템(200)의 전술한 성분들에 대한 입력을 활성화시키는 데 이용될 수 있다.
일부의 테스트 실시예에서, 빔 필터(295)는 이온화/가속 챔버(205) 내에 위치될 수 있으며, 처리 챔버(208)로 들어가기 전에 GCIB(263)를 추가로 확정하기 위해 GCIB(263)로부터 모노머 또는 모노머 및 광이 이온화된 클러스터를 제거하는 데 사용될 수 있다. 또한, 이온화/가속 챔버(205) 내의 GCIB(263)의 경로에 빔 게이트(296)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 빔 게이트(296)는 GCIB(263)가 이온화/가속 챔버(205)로부터 처리 서브시스템(207)으로 통과되는 것이 허용되는 개방 상태와 GCIB(263)가 처리 서브시스템(207)으로 진입하는 것이 차단되는 폐쇄 상태를 가질 수 있다. 제어기(290)는 빔 필터(295) 및 빔 게이트(296)에 결합될 수 있고, 제어기(290)는 테스트 또는 처리 중에 빔 필터(295) 및 빔 게이트(296)를 모니터링 및 제어할 수 있다.
대안으로, GCIB 빔속의 일부를 조절하거나 가변적으로 차단하여 GCIB 빔 전류를 원하는 값으로 감소시키기 위해 빔 필터(295)에 조절 가능한 개구가 일체화되거나 별도의 장치(미도시)로서 포함될 수 있다. GCIB 소스 공급원으로부터의 가스 유동을 변화시키거나; 필라멘트 전압(VF)을 변화시키거나 애노드 전압(VA)을 변화시킴으로써 이온화기를 조절하거나; 렌즈 전압(VL1 및/또는 VL2)을 변화시킴으로써 렌즈 초점을 조절하는 것을 포함하여, GCIB 빔속을 매우 작은 값으로 감소시키기 위해 조절 가능한 개구를 단독으로 또는 당업자에게 공지된 다른 장치 및 방법과 함께 사용할 수 있다.
일부의 절차 중에, 이온화된 가스 클러스터 이온이 가공물(281)의 표면에 충돌시, 얕은 충돌 크레이터가 약 20 nm의 폭과 약 10 nm이지만 약 25nm 미만인 깊이로 형성될 수 있다. 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy: AFM)과 같은 나노 크기의 촬상 장치를 사용하여 화상이 형성될 때, 충돌 크레이터의 모양은 오목부와 유사하다. 충격 후, 가스 클러스터 이온으로부터의 불활성 화학종은 기화되거나 가스로서 가공물(281)의 표면을 빠져나가, 진공 펌핑 시스템(216c)에 의해 처리 서브시스템(207) 및 처리 챔버(208)로부터 배출된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노즐/스키머 모듈에 대한 예시적인 구성의 도면을 보여준다. 예시된 실시예에서, 도 1의 노즐/스키머 모듈(20)과 유사한 노즐/스키머 모듈(400)이 예시되어 있으며, 유사한 참조 번호로 지시된 유사 부분을 가진다. 대안으로, 노즐/스키머 모듈은 다르게 구성될 수도 있다.
도 4는 도 2에 예시된 GCIB 처리 시스템을 위한 노즐 조립체(400)의 단면도를 포함한다. 도 1에 예시된 단일 빔 노즐에 비해, 노즐 조립체(400)는 기판 또는 가공물(281)을 처리하는 데 사용될 수 있는 2개 이상의 GCIB를 생성하는 데 사용될 수 있다. 2개 이상의 노즐이 서로 인접 배치되어 그들 자신의 대응하는 GCIB를 생성할 수 있다. 따라서, 스키머(402)는 2개 이상의 노즐로부터 방출되는 가스 클러스터를 평행화시키도록 설계될 수 있다. 2개 이상의 노즐과 스키머 사이의 거리는 노즐 조립체(400)의 하나 이상의 부분에 결합되는 지지 튜브(404)의 길이에 의해 지시되거나 제어될 수 있다. 소정의 경우, 2개 이상의 노즐은 함께 결합될 수 있는 공통 조립체 또는 피스 부품 또는 피스 부품들의 조합으로 통합될 수 있다. 도 4의 실시예에서, 가스 매니폴드(406)는 각각의 노즐에 가스 라인(408)을 제공하도록 설계될 수 있다. 가스 매니폴드는 3종 이상의 가스가 노즐 조립체로 도입될 수있게 할 수 있다. 상기 1종 이상의 가스에 대한 유입 압력은 1 기압 내지 100 기압의 범위일 수 있고, -100℃ 내지 110℃의 온도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 2개 이상의 노즐은 제2 노즐 컴포넌트(412)에 인접하거나 정렬될 수 있는 제1 노즐 컴포넌트(410)를 포함할 수 있는 조합 부품으로 통합될 수 있으며, 이는 도 5 및 도 6의 설명에서 더 상세히 설명한다. 그러나, 도 4는 제1 노즐 컴포넌트(410) 및 제2 노즐 컴포넌트(412)의 원추형 공동의 정렬이 원추형 공동이 각각의 빔 중심선(예를 들어, 빔 #1 중심선(414) 및 빔 중심선(416))을 따라 중심 정렬될 수 있음을 나타낸다. 이러한 방식으로, 각각의 노즐 컴포넌트는 동일하거나 실질적으로 유사한 반각을 가질 수 있는 원추형 공동의 정렬에 기초하여 그 각각의 GCIB의 형성에 기여할 수 있다.
도 5는 제1 노즐 컴포넌트(410) 및 제2 노즐 컴포넌트(412)을 포함할 수 있는 노즐 장치(500)의 단면도를 포함한다. 노즐 장치(500)는 GCIB를 형성하는 가스가 가스 라인(408)과 제1 원추형 공동(506) 사이의 높은 압력차로 투사될 수 있는 오리피스(502)를 포함할 수 있다. 오리피스(502)의 직경은 25 ㎛와 500 ㎛ 사이에서 변할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 오리피스(502)는 약 80 ㎛ 일 수 있다. 오리피스(502)는 가스 매니폴드(406)와 동일 평면에 있을 수 있는 실질적으로 편평한 표면을 포함할 수 있는 제1 입구면(504)에 인접할 수 있다. 오리피스(502)는 클러스터링을 촉진할 수 있는 연마된 표면 또는 최소 표면 거칠기를 가질 수 있다. 표면 거칠기는 0.1 ㎛와 0.5 ㎛ 사이의 범위, 특정 실시예에서는 약 0.2 ㎛일 수 있다.
일단 오리피스(502)를 통과하면, 가스는 제1 원추형 공동(506)을 통해 제2 노즐 컴포넌트(412)의 제2 원추형 공동(508)을 향하여 발사될 수 있다. 제1 원추형 공동(506)의 길이는 20 mm 내지 60 mm의 범위일 수 있고, 제2 원추형 공동(508)의 길이는 제1 원추형 공동(506)의 길이의 비율을 기초로 변화될 수 있다. 상기 비율은 0.40으로부터 0.99까지 변할 수 있다.
제1 원추형 공동(506)은 또한 중심선(414)으로부터 측정될 수 있는 동일하거나 유사한 반각(510)을 가질 수 있다. 반각(510)은 약 1.5도 내지 약 30.0도의 범위일 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 원추형 공동(506) 및 제2 원추형 공동(510)의 엣지는 동일하거나 유사한 기울기를 갖는 라인을 형성할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 반각은 약 6도일 수 있다.
도 5의 실시예에서, 제1 출구면(514)에서의 제1 원추형 공동(506)의 출구 직경은 제2 원추형 공동(508)의 입구 직경보다 작을 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 원추형 공동(506)의 최대 직경은 중심선(414)을 따른 임의의 지점으로부터 측정된 제2 원추형 공동(508)의 임의의 직경보다 작을 수 있다. 예를 들어, 출구 직경은 입구 직경의 50%에서 거의 100%까지 변할 수 있어서, 제1 원추형 공동(506)과 제2 원추형 공동(508) 사이에 1mm 이하의 단차(step height)가 존재할 수 있다. 소정의 실시예에서, 제1 원추형 공동(506)과 제2 원추형 공동(508) 사이에 평면 전이 영역(512)이 배치될 수 있다. 평면 전이 영역(512)은 제1 노즐 컴포넌트(410)의 제1 출구면(514)과 대향될 수 있는 제2 입구면(516)을 포함할 수 있다. 제1 출구면(514)은 제2 노즐 컴포넌트(412)의 제1 입구면(504)과 제2 출구면(518) 사이에 배치될 수 있는 중간 출구면으로도 지칭될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 노즐 컴포넌트(412)는 요형 공동 성분으로 지칭될 수 있다. 이 실시예에서, 제2 노즐 컴포넌트(412)는 제1 노즐 컴포넌트(410)가 제2 노즐 컴포넌트(412)에 의해 제 위치에 고정되거나 유지될 수 있도록 제1 노즐 컴포넌트(410)를 수용하는 공동을 포함할 수 있다. 제1 노즐 컴포넌트(410)는 제1 입구면(504)으로부터 요형 공동 내로 슬라이드될 수 있다. 제1 노즐 컴포넌트(410)와 관련하여 요형 공동은 요형 공동의 제1 원추형 공동(506) 및 제2 원추형 공동(508)을 정렬시키도록 설계될 수 있다.
도 5의 실시예에서, 제1 노즐 컴포넌트(410)는 가스 라인(408), 가스 매니폴드(406) 및 제1 노즐 컴포넌트(410) 사이의 유체 밀봉을 유지하는 밀봉 부재(520)를 내장하거나 수용하도록 설계될 수 있다. 이 경우, 밀봉 부재(520)는 가스 라인(410)과 제1 원추형 공동(506) 사이에 높은 압력차를 유지할 수 있다. 밀봉 부재(520)는 밀봉재(sealer), O-링 또는 엘라스토머를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 제1 노즐 컴포넌트(410)는 세라믹 재료로 제조될 수 있고, 제2 노즐 컴포넌트(412)는 스테인리스 강과 같은 금속으로 제조될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 세라믹 재료는 제2 노즐 컴포넌트(412)에 합체될 수 있는 모놀리식 피스일 수 있다.
다른 실시예에서, 노즐 조립체는 노즐 조립체의 제1 노즐 컴포넌트(410)와 유체 연통할 수 있는 적어도 하나의 가스 공급 도관(예를 들어, 가스 라인(408))을 갖는 가스 공급 매니폴드를 포함할 수 있다. 제1 노즐 컴포넌트는 제1 입구면(504)에 있는 노즐 스로트(throat)(예, 오리피스(502))로부터 제1 출구면(514)에 있는 중간 출구까지 연장되도록 형성된 적어도 하나의 원추형 노즐(예, 제1 원추형 공동(506))의 제1 부분을 포함할 수 있다. 노즐 조립체의 제2 노즐 컴포넌트(412)는 제1 노즐 컴포넌트(410)에 인접할 수 있다. 제2 노즐 컴포넌트(412)는 제2 입구면(516)에 있는 중간 입구로부터 제2 출구면(518)에 있는 노즐 출구까지 연장되는 적어도 하나의 원추형 노즐(예, 제2 원추형 공동(508))을 포함할 수 있다. 제2 노즐 컴포넌트(412)는 제1 노즐 컴포넌트(410)가 삽입될 수 있는 요형 공동을 더 포함하고 있어서, 제1 출구면(514)은 제2 입구면(516)과 경계를 이루거나 접촉된다. 요형 공동은 제1 노즐부 중심선이 제2 노즐부의 중심선과 일치 또는 정렬되도록 제1 원추형 공동을 제2 원추형 공동(508)과 정렬시키도록 설계되어 GCIB가 상기 2개의 성분 사이에서 소망하는 대로 전이될 수 있게 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 노즐 컴포넌트의 제1 출구면에서의 상기 중간 출구의 직경은 상기 제2 노즐 컴포넌트의 제2 입구면에서의 상기 중간 입구의 직경과 같거나 그보다 작을 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제1 노즐 컴포넌트의 상기 중간 출구의 직경은 상기 제2 노즐 컴포넌트의 상기 중간 입구 직경의 약 50% 내지 약 100% 범위이다.
상기 노즐 조립체는 상기 제1 노즐 컴포넌트(410)와 상기 가스 공급 매니폴드(406) 사이에 배치된 밀봉 부재(520)를 포함할 수 있으며, 상기 제2 노즐 컴포넌트(411)가 상기 가스 공급 매니폴드(406)에 부착 또는 결합시, 제1 입구면(504)은 적어도 하나의 가스 공급 도관(406)의 출구를 둘러싸는 밀봉부(예, 유체 유동 장벽)를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 밀봉 부재는 밀봉재, O-링 또는 밀봉재 또는 유체 유동 장벽을 형성하거나 가능하게 하는 엘라스토머를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 노즐 조립체는 도 5에 도시된 바와 같이 서로 평행하고 인접하게 배열된 한 쌍의 노즐을 포함할 수 있다.
도 6은 GCIB 처리 시스템을 위한 노즐 장치(500) 내의 2개의 노즐(예, 제1 노즐 컴포넌트(410)와 제2 노즐 컴포넌트(412)) 사이의 전이 영역(예, 평면 전이 영역(T))의 단면도(600)를 포함한다. 일 실시예에서, 평면 전이 영역(512) 또는 연속 노즐은 평면 전이 영역(512)의 직경이 5 mm 미만일 수 있는 거리(604)를 따라 일정하거나 실질적으로 일정할 수 있도록 원통형 형상일 수 있다. 이 실시예에서, 평면 전이 영역(512)의 직경은 제1 출구면(516)에서의 제1 원추형 공동(410)의 임의의 부분의 직경보다 클 수 있다. 이 경우, 제1 원추형 공동(410)과 평면 전이 영역(512) 사이에 단차(602)가 존재할 수 있다. 일 실시예에서, 전이 영역(512)은 길이가 10 mm 이하일 수 있다. 단차(602)는 1 mm 미만일 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 단차(602)는 약 0.04 mm 일 수 있다.
노즐/스키머 모듈을 GCIB 시스템에 통합하기 위한 장치 및 방법이 다양한 실시예들에 개시되어 있다. 그러나, 관련 기술 분야의 당업자는 다양한 실시예가 하나 이상의 특정 세부 사항 없이 또는 다른 대체 및/또는 추가 방법, 재료 또는 구성 요소를 가지고 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 구조, 재료 또는 동작은 본 발명의 다양한 실시예의 불명료한 양태들을 피하기 위해 상세히 예시되거나 설명되지 않는다. 마찬가지로, 설명의 목적으로, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 개수, 재료 및 구성이 제시된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 특정 세부 사항 없이 실시될 수 있다. 또한, 도면에 예시된 다양한 실시예들은 예시적인 표현이며, 반드시 일정한 비율로 작도된 것은 아니라는 것을 이해해야 한다.
본 명세서 전체에 걸쳐 언급된 "일 실시예" 또는 "실시예"는 그 실시예와 관련하여 설명된 특정의 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되지만, 이들이 모든 실시예에 존재하는 것을 지시하는 것은 아님을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 여러 곳에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 표현의 출현은 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정의 특징, 구조, 재료 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다. 다양한 추가 층들 및/또는 구조들이 포함될 수 있으며, 그렇지 않은 경우, 설명된 특징들은 다른 실시예들에서 생략될 수 있다.
다양한 동작들이 본 발명을 이해하는데 가장 도움이 되는 방식으로 차례로 다수의 개별적인 동작들로서 설명될 수 있다. 그러나, 설명의 순서는 이들 동작이 반드시 순서에 따른다는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 특히 이러한 동작은 표현 순서대로 수행될 필요가 없다. 기술된 동작들은 설명된 실시예와 다른 순서로 수행될 수 있다. 다양한 추가 동작들이 수행될 수 있고, 그렇지 않은 경우, 설명된 동작들은 추가적인 실시예들에서 생략될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된 것이다. 그것은 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하거나 포괄하고자 의도된 것이 아니다. 상기 설명 부분 및 다음의 청구범위는 설명의 목적으로만 사용되며 제한적인 것으로 해석돼서는 안되는 용어, 예컨대, 좌, 우, 상, 하, 위, 아래, 상부, 하부, 제1, 제2 등의 용어를 포함한다. 예를 들어, 상대적인 수직 위치를 지정하는 용어는 기판 또는 집적 회로의 장치 측(또는 활성면)이 해당 기판의 "상부" 표면인 상황을 지칭하며; 기판은 기판의 "상부" 측이 표준 지상 프레임 기준에서 "하부" 측보다 낮을 수 있고 실제로는 "상부"라는 용어의 의미 내에 있도록 임의의 배향으로 존재할 수 있다. 본 명세서(청구범위 포함)에서 사용되는 "위(on)"라는 용어는 제2 층 위에 있는 제1 층이 구체적으로 명시되지 않는 한 제2 층 위에 직접적으로 바로 접촉한다는 것을 나타내지는 않으며; 제1 층과 해당 제1 층 위의 제2 층 사이에 제3 층 또는 다른 구조가 있을 수 있다. 본 명세서에 기재된 장치 또는 물품의 실시예는 다수의 위치 및 배향으로 제조, 사용 또는 선적될 수 있다.
관련 기술 분야의 당업자는 상기 교시에 비추어 많은 수정 및 변형이 가능함을 알 수 있다. 당업자는 도면에 예시된 다양한 구성 요소에 대해 다양한 등가의 조합 및 대체를 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명에 의해서가 아니라 오히려 본 명세서에 첨부된 청구범위에 의해 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 가스 클러스터 빔(GCB) 처리 시스템에 사용되는 노즐 조립체로서:
    적어도 하나의 가스 공급 도관을 갖는 가스 공급 매니폴드;
    적어도 하나의 원추형 노즐의 제1 부분이 제1 입구면에서의 노즐 스로트(nozzle throat)로부터 제1 출구면에서의 중간 출구(intermediate exit)까지 연장되도록 형성된 제1 노즐 컴포넌트;
    상기 적어도 하나의 원추형 노즐의 제2 부분이 제2 입구면에서의 중간 입구로부터 제2 출구면에서의 노즐 출구까지 연장되는 제2 노즐 컴포넌트로서, 상기 제1 출구면이 상기 제2 입구면과 결합하고, 상기 제1 노즐부가 상기 제2 노즐부와 정렬하여 상기 원추형 노즐을 형성하도록 상기 제1 노즐 컴포넌트가 삽입되는 요형 공동(re-entrant cavity)을 더 구비하는 제2 노즐 컴포넌트;
    상기 제1 노즐 컴포넌트와 상기 가스 공급 매니폴드 사이에 배치되는 밀봉 부재로서, 상기 제2 노즐 컴포넌트가 상기 가스 공급 매니폴드에 부착될 때 상기 제1 노즐 컴포넌트의 상기 제1 입구면이 상기 밀봉 부재에 대해 가압되어 상기 적어도 하나의 가스 공급 도관의 출구를 둘러싸는 상기 가스 공급 매니폴드와 함께 밀봉부를 형성하는, 밀봉 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐 컴포넌트는 세라믹으로 구성된 모놀리식 피스인 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 노즐 컴포넌트는 스테인리스 강으로 구성된 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원추형 노즐은 서로 평행하고 인접하게 배열된 한 쌍의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐부의 중심선은 상기 제2 노즐부의 중심선과 일치하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐 컴포넌트의 상기 제1 출구면에서의 상기 중간 출구의 직경은 상기 제2 노즐 컴포넌트의 상기 제2 입구면에서의 상기 중간 입구의 직경과 동일하거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐 컴포넌트의 상기 제1 출구면에서의 상기 중간 출구의 직경은 상기 제2 노즐 컴포넌트의 상기 제2 입구면에서의 상기 중간 입구의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 노즐 컴포넌트의 상기 중간 출구의 직경은 상기 제2 노즐 컴포넌트의 상기 중간 입구의 직경의 약 50 % 내지 약 100 %의 범위인 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  9. 가스 클러스터 빔(GCB) 처리 시스템에 사용되는 노즐 조립체로서:
    노즐 컴포넌트;
    요형 공동 성분
    을 포함하며,
    상기 노즐 컴포넌트는:
    적어도 하나의 원추형 노즐;
    가스 공급 도관으로부터 가스를 수용할 수 있는 상기 적어도 하나의 원추형 노즐의 일단부에 근접 배치된 노즐 스로트
    를 포함하며,
    상기 요형 공동 성분은:
    상기 노즐 컴포넌트를 수용하는 공동;
    상기 노즐 컴포넌트 또는 상기 가스를 수용할 수 있는 상기 공동의 제1 개구;
    상기 제1 개구에 대향하고 상기 적어도 하나의 원추형 노즐로부터 상기 가스를 수용할 수 있는 상기 공동의 제2 개구;
    상기 적어도 하나의 원추형 공동과 정렬되고 상기 제2 개구를 통해 상기 적어도 하나의 원추형 노즐로부터 상기 가스를 수용할 수 있는 원추형 공동을 포함하는 연속 노즐로서, 상기 원추형 공동은 상기 적어도 하나의 원추형 노즐의 임의의 직경보다 큰 입구 직경을 가지는 것인 연속 노즐
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 요형 공동은 상기 제2 개구와 상기 연속 노즐 사이에 배치된 전이 공동(transition cavity)을 더 포함하고, 상기 전이 공동은:
    상기 가스가 상기 제2 개구로부터 상기 연속 노즐로 유동하는 오프셋 길이를 갖는 실질적으로 원통형인 형상;
    상기 적어도 하나의 원추형 노즐을 따른 임의의 직경보다 큰 직경
    을 갖는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전이 공동의 직경은, 상기 전이 공동에 인접한 상기 적어도 하나의 원추형 노즐의 일단부의 직경보다 1mm 이하의 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 오프셋 길이는 10 mm 이하의 거리를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 노즐 컴포넌트와 상기 가스 공급 매니폴드 사이에 배치된 밀봉 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  14. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원추형 노즐은 서로 평행하고 인접하게 배열된 한 쌍의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 요형 공동은, 상기 제2 개구에 인접하고 상기 한 쌍의 노즐 중 하나와 정렬되는 상기 공동의 제3 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  16. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원추형 노즐은 약 1.5도 내지 약 30.0도 범위의 반각(half angle)을 갖는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  17. 제9항에 있어서, 상기 원추형 노즐 및 상기 연속 노즐의 총 길이에 대한 상기 노즐 컴포넌트의 길이의 비율은 0.40 내지 0.99의 범위인 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  18. 제9항에 있어서, 상기 노즐 스로트는 25 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  19. 제9항에 있어서, 2개 이상의 노즐이 목표 GCB 전류를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
  20. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원추형 노즐 및 상기 연속 노즐은 약 20 mm 내지 약 60 mm 범위의 전체 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 노즐 조립체.
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