KR20180070505A - 가스 클러스터 이온빔 기술에 기반한 중성빔 처리 방법을 이용한 초미세 에칭 방법 - Google Patents

가스 클러스터 이온빔 기술에 기반한 중성빔 처리 방법을 이용한 초미세 에칭 방법 Download PDF

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KR20180070505A
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엑소제네시스 코포레이션
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Abstract

본 발명의 기판 표면의 초미세 에칭 방법은 가속된 중성빔을 이용하여 비개질 기판 상을 오버레이하는 얕은 개질된 기판층을 형성하고, 개질층을 에칭하며, 그 아래의 비개질 기판에서 정지하여 제어된 얕은 에칭된 기판 표면을 생성한다.

Description

가스 클러스터 이온빔 기술에 기반한 중성빔 처리 방법을 이용한 초미세 에칭 방법
본 발명은 일반적으로 저에너지의 중성빔 처리 방법 및 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 가속된 가스 클러스터 이온빔으로부터 가속된 중성 모노머 및/또는 중성 가스 클러스터 빔을 유도하기 위한 높은 빔 순도법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 제어된 극히 얕은 에칭을 위한 신규하거나 개선된 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 장치를 포함한다.
지난 10년 동안, 가스 클러스터 이온빔(GCIB)이 잘 알려져 왔으며, 다양한 표면 및 하위표면 처리 용도로 널리 사용되어 왔다. 통상, 가스 클러스터 이온은 큰 질량을 갖기 때문에, 상당한 에너지를 가속시키는 경우라도 비교적 낮은 속도(종래의 이온과 비교해서)로 이동하는 경향이 있다. 상기 클러스터의 내재된 약한 결합과 연관된 이들 낮은 속도는 종래의 이온빔 및 분산 플라스마와 비교해서 저감된 표면 침투 및 저감된 표면 손상으로 이어지는 특유의 표면 처리 성능을 야기한다.
가스 클러스터 이온빔은, 예를 들면 금속, 반도체, 및 유전체 재료를 포함하는 매우 다양한 표면을 평활화하거나, 에칭하거나, 세척하거나, 증착을 형성하거나, 필름을 성장시키거나, 아니면 개질시키는데 사용되어 왔다. 반도체 또는 반도체 관련 재료를 포함하는 응용에 있어서, GCIB는 산화물 또는 기타를 포함하는 필름을 세척, 평활화, 에칭, 증착 및/또는 성장시키는데 이용되어 왔다. 또한, GCIB는 도핑 및 격자형 원자종, 비결정화 표면 층용 재료를 도입하고, 반도체 재료에 있어서의 도펀트 용해성을 개선시키기 위해 사용되어 왔다. 많은 경우에 있어서, 이러한 GCIB의 용도는 종래의 이온, 이온빔 및 플라스마를 이용하는 다른 기술보다 우수한 결과를 제공할 수 있다. 반도체 재료는 도펀트 재료의 도입에 의해 조작되는 전기 특성을 가져도 좋은 광범위한 재료를 포함하고, 규소, 게르마늄, 다이아몬드, 규소 카바이드, 및 그룹 III-그룹 IV 성분 및 그룹 II-그룹 VI 성분을 포함하는 화합물 재료를 더 포함한다(제한없음). 소스 가스로서 아르곤(Ar)을 사용하여 GCIB를 형성하는데 있어서의 용이함 및 아르곤의 비활성 특성 때문에, 많은 응용이 관상동맥 스텐트, 정형외과용 보철, 및 아르곤 가스 GCIB를 이용한 기타 이식 가능한 의료기기 등의 이식 가능한 의료기기의 표면을 처리하기 위해 개발되어 왔다. 반도체 응용에 있어서, 반응성 에칭, 물리적 에칭, 필름 증착, 필름 성장, 및 기타 유용한 공정을 위해 각종 소스 가스 및 소스 가스 혼합물을 사용한다. 전자 도펀트 및 격자형 종을 함유하는 GCIB를 형성한다. 광범위한 표면 유형에 대한 GCIB 처리를 도입하기 위한 각종 실용 시스템이 알려져 있다. 예를 들면, Kirkpatrick 등에 의해 발행된 미국 특허 6,676,989 C1은 혈관용 스텐트 등의 튜블라 또는 원통형 워크피스를 처리하기에 적합한 워크피스 홀더 및 매니퓰레이터를 갖는 GCIB 처리 시스템을 알려준다. 또 다른 예에 있어서, Kirkpatrick 등에 의해 발행된 미국 특허 6,491,800 B2는, 예를 들면 고관절 보철물을 포함한 기타 유형의 비평면형 의료기기를 처리하기 위한 워크피스 홀더 및 매니큘레이터를 갖는 GCIB 처리 시스템을 알려준다. 또 다른 예에서, Libby 등에 의해 발행된 미국 특허 6,486,478 B1은 반도체 웨이퍼를 처리하기에 적합한 자동화 기판 로딩/언로딩 시스템을 알려준다. Hautala에 의해 발행된 미국 특허 7,115,511은 비스캐닝된 GCIB에 대해 워크피스를 스캐닝하기 위한 기계적 스캐너의 이용을 알려준다. 또 다른 실시예에 있어서, Blinn 등에 의해 발행된 미국 특허 7,105,199 B2는 의료기기에 있어서의 약물 코팅의 부착을 개선시키고, 상기 의료기기로부터 약물의 용리율 또는 방출률을 변동시키기 위한 GCIB 처리의 이용에 대해 공지한다.
GCIB는 다이아몬드 및 기타 원석 등의 재료의 결정 및 비결정 형태의 에칭 및 평활화에 사용되어 왔다. 이것은 원석이 항상 GCIB 처리의 결과로서 바람직하지 않은 색상 변화를 거칠 수 있다는 점에서 완전히 성공적이지 않았다. 이것이 원석 재료의 표면 또는 하위표면의 손상의 일부 형태로부터 야기되는 것인지, 또는 GCIB 처리 및 상기 재료의 근본적인 비개질 벌킹 및 상기 GCIB 처리로부터 야기되는 에칭 및/또는 평활화 표면층 사이의 거친 계면의 형성으로 인한 것인지, 상기 클러스터 이온에 의해 유도된 표면 전기 충전으로 인한 손상 때문인지는 명확하지 않다. 상기 GCIB 처리의 부정적인 부작용의 원인이 무엇이든, 젬의 외관 및 심미적인 특성에 바람직하지 않은 열화를 유도하지 않는 천연 원석 및 합성 원석의 에칭 및/또는 평활화를 위한 처리 기술이 바람직하다. GCIB 처리는 디스플레이용 렌즈, 반사 광학 표면, 광학창, 광학 패널, 포토 마스크용 등의 터치-스크린 패널, 프리즘 디바이스, 투명 기판, 광학 도파관, 전기-광학 디바이스, 및 기타 광학 디바이스 등의 광학 재료의 표면을 평활화 및/또는 평탄화하기 위한 가능한 기술로서 나타내어진다. 광학 디바이스의 재료는 여러가지의 유리, 석영, 사파이어, 다이아몬드, 및 기타 단단한 투명 재료를 포함한다. 기계적 기술, 화학-기계적 기술, 및 기타 기술을 포함하는 종래의 연마 및 평탄화 기술로는 가장 요구되는 용도에 적합한 표면이 형성되지 않는다. 많은 경우에 있어서, GCIB 처리는 종래의 연마 기술에 의해서 얻어질 수 없는 정도로 광학 표면을 평활화 및/또는 평탄화할 수 있는 것으로 나타내어지지만, 광학 재료에 내장된 스캐터링 층의 생성을 회피하기 위해 평활화된 표면과 하부 벌크 재료 사이에 거친 계면을 야기하지 않는 대안적인 기술이 요구된다.
많은 용도에 있어서, GCIB 처리가 성공적으로 이용되어 왔지만, 당업계의 방법 및 장치의 GCIB 또는 기타 상태에 의해서 완전히 충족되지 않는 새로운 응용 및 기존의 응용에 대한 요구가 있다. 많은 경우에 있어서, GCIB는 초기에 다소 거친 표면의 극적인 원자 규모의 평활화를 야기할 수 있지만, 달성될 수 있는 최상의 평활화가 요구되는 평활성보다 적은 경우가 있으며, 다른 경우에 있어서 GCIB 처리는 적당히 평활한 표면을 더 평활하게 하기 보다는 오히려 거칠게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 의해 인식되고 해결되는 다른 요구/기회가 존재한다. 약물-용리 의료용 임플란트의 분야에 있어서, GCIB 처리는 기판에 상기 코팅을 결합시키거나, 약물이 환자에게 이식된 후에 상기 코팅으로부터 용리되는 속도를 변화시키기 위한 의료용 임플란트에 있어서의 약물 코팅의 표면을 처리하는데 성공적이었다. 그러나, GCIB가 약물 코팅(매우 얇은 경우가 있고, 매우 고가의 약물을 포함할 수 있음)을 처리하기 위해 사용되는 일부 경우에 있어서, 상기 GCIB 처리의 결과로서 약물 코팅의 중량 손실(약물 손실 또는 제거의 표시)이 발생할 수 있는 것이 주목된다. 이러한 손실이 발생되는 특정 경우(특정 약물 및 특정 처리 파라미터를 사용함)에 대해, 상기 발생은 일반적으로 바람직하지 않으므로 중량 손실을 회피할 수 있는 공정을 갖지만, 여전히 약물 용리 속도의 만족스러운 제어를 얻는 것이 바람직하다.
반도체 적용에 있어서, GCIB는 많은 표면 처리 개선에 있어서 다양한 정도의 성공으로 이용될 수 있지만, 개선의 기회는 존재한다. 종래의 GCIB 처리에 있어서, 그 결과는 이전의 종래의 기술에 의해 현저하게 개선되기도 했지만, 여전히 가장 요구되는 용도에 필요한 품질의 것은 아니다. 예를 들면, 평활화 공정에 있어서, 많은 재료에 대해 GCIB 처리를 이용하여 실질적으로 얻어질 수 있는 평활성의 최종 수준은 항상 요구를 충족하는 것은 아니다. 도핑, 격자 개질, 및 필름 증착, 필름 성장, 및 비결정화 등의 다른 용도의 목적을 위해 다른 재료가 반도체 재료에 도입(GCIB 인퓨젼이라고 불리는 경우가 있음)되는 용도에 있어서, 이식되거나, 성장되거나, 비결정화되거나, 또는 증착되는 재료 사이의 계면은 GCIB-개질 층의 광학 성능을 손상시키는 하부 기판과 조사된 층 사이의 계면에 러프니스 또는 불균일성을 갖는 경우가 있다.
많은 공정에 있어서, 이온은 그들의 전기 하전이 정전기장 및 자기장에 의해 조작을 용이하게 하기 때문에 오랫동안 선호되어 왔다. 이것은 처리시에 상당한 플렉서블성을 유도한다. 그러나, 일부 용도에 있어서 임의의 이온(GCIB에 있어서의 가스 클러스터 이온을 포함함)에 내재된 전하는 처리된 표면에서 바람직하지 않은 효과를 야기할 수 있다. GCIB는 단일 또는 작은 복수의 전하를 갖는 가스 클러스터 이온이 종래의 이온(단일 원자, 분자, 또는 분자 단편)과 비교해서 더욱 많은 집단류(클러스터는 수백 또는 수천개의 분자로 이루어질 수 있음)의 제어 및 투과를 가능하게 한다. 구체적으로는, 절연 재료의 경우에 있어서 이온을 이용하여 처리된 표면은 축적된 전하의 급격한 방전으로부터 얻어지는 전하에 의해 유도되는 손상, 또는 재료에 있어서의 전기장에 의해 유도되는 응력을 손상시키는 결과(다시 축적된 전하로부터 얻어짐)를 야기하는 경우가 있다. 이러한 많은 경우에 있어서, GCIB가 질량당 비교적 낮은 전하로 인해 이점을 갖지만, 일부 경우에 있어서는 목적의 충전 문제를 해소할 수 없다. 또한, 높은 전류 강도 이온빔으로의 적정은 장거리에 걸쳐 양호하게 집속된 빔을 수송하는 것을 억제하는 경향이 있는 빔의 현저한 공간 전하에 의해 유도된 비집속을 야기할 수 있다. 다시, 종래의 이온빔에 대한 질량당 낮은 전하로 인해 GCIB는 이점을 갖지만, 공간 전하 수송 문제를 완전히 해소할 수 없다.
요구 또는 기회의 다른 예는 중성 분자 또는 원자의 빔의 사용이 일부 표면 처리 응용 및 공간 전하-프리 빔 수송에 있어서 이익을 제공하지만, 에너지가 일반적으로 전자 또는 분자당 대략 수 밀리-전자-볼트인 노즐 제트의 경우를 제외하고 중성 분자 또는 원자의 강한 빔을 생산하는데 용이하거나 경제적이지 않으므로, 제한된 처리 능력을 갖는다는 사실로부터 발생된다.
Hughes Electronics Corporation의 미국 특허 4,935,623에 있어서, Knauer는 에너지(1~10eV)로 하전된 원자 및/또는 중성 원자의 빔을 형성하기 위한 방법을 교시한다. Knauer는 종래의 GCIB를 형성하고, 그것을 원자 및 또는 종래의 이온의 전방으로 산란되는 빔을 야기하는 클러스터 이온을 해리시키는 규소 플레이트 등의 고체 표면에 대하여 그레이징 각도로 향하게 한다. 이것은 처리에 사용될 수 있거나, 또는 상기 이온의 이하의 정전식 분리가 처리시에 중성 원자 빔으로서 사용될 수 있는 이온 및 중성 원자의 강력하지만 비집속된 빔을 야기한다. 해리를 야기하기 위해, 고체 표면의 상기 GCIB 오프의 분산을 요구함으로써, 상당한 문제가 Knauer 기술에 의해 야기된다. 광범위한 빔 에너지에 대해, GCIB는 그것이 타격하는 표면에 강력한 산란을 야기한다. 그것은 Knauer에 의해 이용된 바와 같이 그레이징 각도에서도 GCIB가 고체의 상당한 산란을 야기하고, 따라서 전방으로 산란되는 중성빔이 산란된 이온 및 중성 원자, 및 산란/해리에 사용되는 고체 표면에서 유래된 다른 입자에 의해 오염되는 것이 명확하게 나타내어져 있다(예를 들면, Aoki, T 및 Matsuo, J, "Molecular dynamics simulations of surface smoothing and sputtering process with glancing-angle gas cluster ion beam", Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B 257(2007), 645-648쪽 참조). 의료기기 처리 응용 및 반도체 처리 응용을 포함하는 다수의 응용에 있어서, 전방으로 산란되는 빔을 오염시키는 이러한 산란된 재료의 존재는 그것을 사용하기에 부적합하게 한다.
미국 특허 7,060,989에 있어서, Swenson 등은 GCIB에 있어서의 가스 클러스터 이온 에너지 분산을 개질하기 위한 빔 생성 압력보다 높은 가스 압력을 갖는 가스 압력 셀의 이용을 교시한다. 상기 기술은 GCIB에 있어서의 가스 클러스터 이온의 에너지를 감소시키고, 이러한 개질된 GCIB의 표면 처리 특징의 일부는 개질시킨다. 이러한 GCIB 가스 클러스터 이온 에너지 분포의 가스 개질은 유용하지만, 상기 GCIB에 있어서의 이온에 의해 워크피스에 증착되는 하전에 의해 야기되는 문제를 저감시키지 못하고, 특정 처리 문제, 예를 들면 GCIB 처리시의 약물 코팅의 중량 손실을 해결하지 못한다. Swenson 등의 기술은 GCIB의 최적의 표면 평활화 특징을 개선시킬 수 있지만, 그 결과는 여전히 이상적이지 않다.
통상, 가스 클러스터 및 가스 클러스터 이온 크기는 각각의 클러스터를 포함하는 원자 또는 분자(가스가 원자 또는 분자인지에 따라 다르고, 이온, 모노머, 다이머, 트리머, 리간드 등의 개질을 포함함)의 수(N)를 특징으로 한다. 종래의 GCIB 처리에 의해 기여되는 많은 이점은 GCIB에 있어서의 이온의 낮은 속도 및 표면 아래의 기판으로의 과도한 침투, 이식, 또는 손상없이 트랜션트 가열 및 가압을 야기하는 고체 표면과의 충돌에 의해 크고 느슨하게 결합된 클러스터가 붕괴된다는 사실로부터 유래되는 것으로 여겨진다. 이러한 큰 클러스터(이하에 규정된 바와 같이-대략 수천 이상의-N 모노머를 가짐)의 효과는 일반적으로 수십 Å으로 제한된다. 그러나, 클러스터(대략 수백~약 수천의 N을 가짐)가 작을수록 충격을 받은 표면에 더욱 손상이 야기되어 표면에 별개의 충격 크레이터를 생성할 수 있는 것이 나타내어져 있다(예를 들면, Houzumi, H. 등. "Scanning tunneling microscopy observation of graphite surfaces irradiated with size-selected Ar cluster ion beams", Jpn. J. Appl. Phys. V44(8), (2005), 6252쪽 ff 참조). 이 크레이터-형성 효과는 더 큰 클러스터에 대해 표면 평활화 효과를 갖는 바람직하지 않은 경쟁에 있어서 표면(에칭)으로부터 재료를 제거하고 거칠게 할 수 있다. GCIB가 유용하다고 밝혀진 많은 기타 표면 처리 응용에 있어서, 큰 가스 클러스터 이온 및 작은 가스 클러스터 이온의 효과는 처리 성능을 감소시키기 위한 비생산적 방법으로서 경쟁할 수 있는 것으로 여겨진다. 유감스럽게도, GCIB를 형성하기 위해 용이하게 적용되는 기술은 모두 약 100~수만 만큼의 범위(N)의 크기를 갖는 광범위한 분포의 클러스터 크기를 갖는 빔의 생성을 야기한다. 크기 분포의 평균 및/또는 피크는 종종 상기 분포의 크기 최대점에서부터 0으로 점차적으로 감소되는 분포 꼬리를 갖는 수백~수천의 범위에 있다. 클러스터-이온 크기 분포 및 상기 분포와 연관된 평균 클러스터 크기, N평균은 사용되는 소스 가스에 따라 달라지고, 모두 종래의 GCIB 형성 기술에 따라서 노즐에 의한 압력 강하, 및 노즐 온도에 의해 클러스터 제트를 형성하기 위해 사용되는 노즐의 파라미터의 선택에 의해 상당히 영향을 받을 수 있다. 대부분의 상용되는 GCIB 처리 툴은 정기적으로 자기 크기 구분이나 비정기적으로 정전기 크기 구분을 이용하여 가장 손상된 가장 작은 이온 및 클러스터(최대 약 N=10 이상의 모노머, 다이머, 트리머 등)를 제거한다. 이러한 필터는 "모노머 필터"라고 칭하는 경우가 있지만, 통상 모노머뿐만 아니라 다소 큰 이온도 제거한다. 특정 전자기 클러스터 이온 크기 셀렉터(예를 들면, Knauer에 의해 미국 특허 4,935,623에서 사용된 것과 같음)는 빔에 전기 도전체의 그리드를 위치시키는 것이 요구되고, 이것은 빔 오염을 유도하면서 신뢰성을 감소시키고, 장치에 대한 추가적인 유지보수의 필요를 유도하는 빔에 의한 그리드의 전위 침식으로 인한 강력한 불이익을 유도한다. 이러한 이유로, 현재 모노머 및 저질량 필터는 자기 타입이 일반적이다(예를 들면, Torti 등의 미국 특허 6,635,883 및 Libby 등의 미국 특허 6,486,478 참조). 자기 필터에 의해 효과적으로 제거되는 가장 작은 이온(모노머, 다이머 등) 이외에, 약 N=100 이하의 크기의 가스 클러스터 이온을 약간 함유하거나 함유하지 않는 것으로 나타난다. 이러한 크기는 용이하게 형성되지 않거나 형성 후에 안정적이지 않을 수 있다. 그러나, 약 N=100~수백의 범위 내의 클러스터는 대부분의 시판의 GCIB 처리 툴의 빔에 존재하는 것으로 보인다. 수백~수천의 범위의 N평균의 값은 종래의 기술을 이용하는 경우에 흔히 발생된다. 소정의 가속화 전위에 대해, 중간 크기 클러스터는 큰 클러스터보다 훨씬 더 빠르게 이동하기 때문에, 그들은 크레이터, 거친 계면, 및 기타 바람직하지 않은 효과를 야기할 가능성이 보다 크고, 또한 GCIB에 존재하는 경우의 이상적인 처리보다 적게 기여할 가능성이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 워크피스 처리를 위한 고순도 중성 가스 클러스터 빔을 형성하는 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 중간 크기의 클러스터가 실질적으로 없는 고순도 가스 클러스터 빔을 제공하는 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 약 1eV~수천eV 만큼의 범위에서 에너지를 갖는 중성 원자 또는 분자의 고순도, 고집속, 고강도 빔을 형성하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 GCIB와 비교해서 개선된 표면 평활화가 가능한 빔을 형성하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 목적은 도핑 및/또는 개질된 필름을 형성하기 위한 장치 및 방법, 그리고 반도체 또는 기타 재료의 표면에 외부 원자종을 도입하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것에 있고, 상기 처리된 표면은 종래의 GCIB 처리를 사용하여 형성된 것들보다 우수한 하부 기판 재료에 대해 인터페이스를 갖는다.
본 발명의 또 다른 목적은 중성빔을 사용하여 반도체 또는 기타 재료의 표면에 비결정 영역을 형성하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것에 있고, 하부 기판 재료에 대한 인터페이스는 종래의 GCIB 처리를 이용하여 성형된 것보다 우수하다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 GCIB 처리과 비교해서 우수한 최종 평활성을 갖는 표면을 에칭하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 GCIB 처리과 비교해서 우수한 최종 평활성을 갖는 광학 표면을 에칭하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 방법에 의해 얻어지는 것보다 우수한 부착을 갖는 광학 표면에 광학 코팅을 부착하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 분위기 노출로 인해 분해에 대한 그것의 민감도를 감소시키기 위해 광학 디바이스의 표면을 개질하기 위한 방법을 제공하고, 이에 의해 개선된 광학 디바이스를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 수분의 흡수에 대한 재료의 민감도를 감소시키기 위해 흡습성 물질의 표면 상에 배리어를 형성하기 위한 방법을 제공하고, 이에 의해 개선된 재료를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 GCIB 처리를 이용하여 형성된 것들보다 우수한 하부 기판 재료에 대해 인터페이스를 갖는 반도체 및/또는 기타 재료의 표면 상에 필름을 형성 및/또는 성장시키기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 추가적인 목적은 가스 클러스터의 중성빔으로 전기적으로 절연하는 재료, 및/또는 빔에 의해 유도된 손상없이 전하를 수송하는 이러한 재료를 처리하기 위한 모노머를 처리하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 광학 소자의 표면의 중성빔 조사에 의해 광학 소자 또는 젬의 특성을 개선시키기 위한 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 중성빔 기술에 의해 개선된 특성을 갖는 광학 소자 또는 젬을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 추가적인 목적은 규소 기판 상에 SiC 또는 SiCX 층을 형성하는 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 중성빔 기술 처리에 의해 하드 마스크를 형성함으로써 레지스트-레스 리소그래피 처리를 행하기 위한 방법 및 그에 의해 제조되는 디바이스를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 6nm 이하의 제어된 에칭 깊이를 갖는 재료의 제어된 초미세 에칭 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 상술한 목적뿐만 아니라 다른 목적 그리고 기타 목적 및 이점이 이하에 설명되는 본 발명의 각종 실시형태에 의해 달성된다.
가속된 중성빔은 생성되어 각종 재료(예를 들면, 집적 회로 또는 마이크로 기계 장치의 마이크로패브리케이션에 사용될 수 있는 반도체 재료 및 유전체 재료와 같은 금속 및 각종 재료를 포함함)의 표면을 처리하여, 이러한 재료의 표면 근처에 매우 얕은-1~10nm 또는 그 이하-의 비정질층 및/또는 산화층을 형성하도록 이용된다. 이들 처리된 층은 용이하게 또는 제어 가능하게 화학적으로 에칭되지 않은 재료의 화학적 에칭을 용이하게 하는 방식으로 개질된다. 따라서, 화학적 에칭은 공정의 에칭 정지층으로서 작용하는 원래의 비개질 재료를 사용하여 가속된 중성빔의 처리 깊이에 의해 에칭 깊이를 제어하도록 행해질 수 있다. 이것은 많은 재료에서 소망의 화학적 에칭 결과를 얻는 것을 종종 방해하는 오버 에칭 및 언더컷팅 및 다른 방향의 에칭 문제를 회피한다. 가속된 중성빔의 침투 깊이는 처리시의 선량 및 에너지를 제어함으로써 1nm 미만에서 10nm 정도까지의 미리 선택된 깊이로 제어될 수 있기 때문에, 매우 얕은 에칭 깊이의 범위가 신뢰성있게 얻어질 수 있다. 이 공정은 가속된 중성빔 파라미터를 선택하여, 상기 선택된 재료에 대한 소정의 깊이의 표면 개질을 비정질화 및/또는 산화시키고, 상기 재료의 표면을 조사하여(선택적으로 패터닝을 제어하기 위해 마스크 또는 패터닝된 템플릿에 의해) 얕은 개질층을 형성하고, 개질 재료 대 비개질 재료에 대해 높은 차등 에칭 속도를 갖는 에천트를 사용하고, 또한 공정에 있어서의 에칭 정치층으로서 비개질 재료를 사용하여 재료의 표면을 화학적으로 에칭하는 단계로 이루어진다. 따라서, 각종 재료의 매우 얕고 반복 가능하며 제어 가능한 에칭이 가능해진다. 먼저, 이들 가속된 중성빔은 종래의 가속된 GCIB를 형성하고, 이어서 빔으로 불순물을 유도하지 않는 방법 및 동작 조건에 의해 부분적으로 또는 필수적으로 완전히 해리시키고, 이어서 중성 부위로부터 빔의 나머지 하전된 부위를 분리시키고, 계속해서 워크피스 처리를 위해 얻어진 가속된 중성빔을 사용함으로써 생성된다. 상기 가스 클러스터 이온의 해리의 정도에 따라서, 생산되는 중성빔은 중성 가스 모노머와 가스 클러스터의 혼합물이거나, 또는 필수적으로 전부 또는 거의 전부 중성 가스 모노머로 이루어질 수 있다. 상기 가속된 중성빔은 필수적으로 완전히 해리된 중성 모노머 빔인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시형태의 방법 및 장치에 의해 제조될 수 있는 중성빔의 이점은 GCIB를 포함하는 모든 이온화된 빔에 대해 통상적으로 발생되는 빔에 의해 수송되는 전하에 의해 이러한 재료의 표면의 하전으로 인한 재료의 손상을 발생시키는 일 없이 전기적으로 절연된 재료를 처리하는데 사용할 수 있다는 것이다. 예를 들면, 반도체 및 기타 전자 애플리케이션에 있어서, 이온은 종종 산화물, 질화물 등의 박형 비유전체 필름의 손상 또는 파괴적 충전에 기여한다. 중성빔의 사용은 이온빔이 표면 충전 또는 기타 충전 효과로 인해 허용할 수 없는 부작용을 발생시킬 수 있는 기타 응용에 있어서 폴리머, 유전체, 및/또는 기타 전기적으로 절연 또는 높은 저항성의 재료, 코팅, 및 필름의 성공적인 빔 처리를 가능하게 할 수 있다. 예는 유기 필름의 부식 억제 코팅 및 조사 가교 및/또는 중합의 처리를 포함한다(제한없음). 다른 예에 있어서, 중성빔에 의해 유도된 폴리머 또는 기타 비유전체 재료의 개질(예를 들면, 멸균, 평활화, 표면 생체적합성의 개선 및 약물의 방출 속도의 부착 및/또는 제어의 개선)은 임플란트 및/또는 기타 의료/수술에의 적용을 위한 의료기기에 있어서 이러한 재료의 사용을 가능하게 할 수 있다. 다른 예는 유리, 폴리머, 및 세라믹 바이오-배양 랩웨어의 중성빔 처리 및/또는 이러한 빔이, 예를 들면 러프니스, 평활성, 친수성, 및 생체적합성 등의 표면 특징을 개선시키기 위해 사용될 수 있는 환경적 샘플링 표면을 포함한다.
가속된 중성빔이 본 발명의 실시형태의 방법 및 장치에 의해 형성될 수 있는 상위의 GCIB는 이온을 포함하기 때문에, 종래의 이온빔 기술을 이용하여 바람직한 에너지로 용이하게 가속되고, 용이하게 집속된다. 상기 중성 입자로부터 하전된 이온의 후속의 해리 및 분리에 기반하여 중성빔 입자가 집속된 궤도를 유지하는 경향이 있고, 양호한 효과로 광범위한 거리에 대해 수송될 수 있다.
제트에 있어서의 중성 가스 클러스터가 전자 충격에 의해 이온화될 때에, 가열 및/또는 여기된다. 이것은 가속 후에 빔라인을 아래로 이동시킴으로써 이온화된 가스 클러스터로부터 모노머의 후속 증발을 야기할 수 있다. 추가적으로, 이오나이저, 액셀러레이터, 및 빔라인 영역에 있어서의 백그라운드 가스 분자와 가스 클러스터 이온의 충돌은 가스 클러스터 이온을 가열 및 여기시키고, 가속 후에 가스 클러스터 이온으로부터 모노머의 추가적인 후속 진화를 야기할 수 있다. 모노머의 진화에 대한 이들 매커니즘은 GCIB가 형성되어 있는 동일한 가스의 백그라운드 가스 분자(및/또는 다른 가스 클러스터)와의 충돌 및/또는 전자 충격에 의해 유도될 때에, 진화된 모노머를 야기하는 해리 공정에 의해 어떠한 오염도 빔에 기여되지 않는다.
빔에 오염을 유도하는 일 없이, GCIB에 있어서의 가스 클러스터 이온을 해리(또는 모노머의 진화를 유도함)시키기 위해 이용될 수 있는 기타 매커니즘이 있다. 또한, 이들 매커니즘 중 일부는 중성 가스 클러스터 빔에 중성 가스 클러스터를 해리시키는데 이용될 수 있다. 하나의 매커니즘은 적외선 또는 기타 레이저 에너지를 이용한 클러스터-이온빔의 레이저 조사이다. 레이저 조사된 GCIB에 있어서 가스 클러스터 이온의 레이저에 의해 유도된 가열은 가스 클러스터 이온의 여기 및/또는 가열을 야기하고, 빔으로부터 모노머의 후속의 진화를 일으킨다. 다른 매커니즘은 복사 열 에너지 광자가 빔의 가스 클러스터 이온에 영향을 미치도록 빔이 열적으로 가열된 튜브를 통과한다. 튜브에 있어서 복사 열 에너지에 의한 가스 클러스터 이온의 유도된 가열은 가스 클러스터 이온의 여기 및/또는 가열을 야기하고, 빔으로부터 모노머의 후속 진화를 일으킨다. 다른 매커니즘에 있어서, GCBI의 형성에 사용되는 소스 가스(또는 기타 비오염 가스)로서 동일한 가스 또는 혼합물의 가스 제트에 의한 가스 클러스터 이온빔의 교차는 빔에 있어서의 가스 클러스터 이온의 여기 및/또는 가열, 및 상기 여기된 가스 클러스터 이온으로부터의 모노머의 후속 진화를 일으키는 이온빔에 있어서의 가스 클러스터와 가스 제트에 있어서의 가스의 모노머의 충돌을 야기한다. 전반적으로 전자 충격에 따라서, 빔 내의 초기 이온화 및/또는 충돌(기타 클러스터 이온, 또는 GCIB를 형성하기 위해 사용되는 것들과 동일한 가스(들)의 백그라운드 가스 분자와의), 및/또는 상기 GCIB 해리 및/또는 단편화를 발생시키기 위한 비오염 가스의 레이저 또는 열 방사선 및/또는 교차된 제트 충돌시에, 다른 재료와의 충돌에 의한 빔의 오염이 회피된다.
이러한 상술의 해리의 비오염 방법의 이용에 의해, GCIB는 본래의 소스 가스 원자의 부분이 아닌 해리 생산물 또는 잔여 클러스터에 원자를 도입하는 일 없이 해리되거나 적어도 부분적으로 해리된다. 소스 가스를 이용함으로써, 잔여 클러스터 또는 해리 생산물을 이용하여 처리되는 워크피스에 대해 오염이 될 수 있는 원자를 함유하지 않는 초기 클러스터 형성에 있어서 워크피스의 오염이 회피된다. 아르곤 또는 기타 비활성 가스가 사용될 때에, 소스 가스 재료는 휘발성이고 화학적으로 반응하지 않으며, 중성빔을 이용한 워크피스의 후속의 조사에 의해, 이들 휘발성 비반응 원자는 완전히 워크피스로부터 방출된다. 따라서, 유리, 석영, 사파이어, 다이아몬드 및 리듐 트라이보레이트(LBO) 등의 기타 단단하고, 투명한 재료를 포함하는 광학 및 젬 재료인 워크피스에 대해, 아르곤 및 기타 비활성 가스는 중성빔 조사로 인해 오염을 일으키는 일 없이 소스 가스 재료로서 제공될 수 있다. 다른 경우에 있어서, 기타 소스 가스가 이용될 수 있고, 단 소스 가스 원자의 구성요소는 워크피스의 오염을 야기할 수 있는 원자를 포함하지 않는다. 예를 들면, 일부 유리 워크피스, LBO, 및 각종 기타 광학 재료에 대해 산소가 함유되고, 산소 원자는 오염물질로서 기능하지 않을 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 산소-함유 소스 가스는 오염없이 이용될 수 있다.
중성 가스 클러스터로서, 노즐로부터의 제트는 전자가 클러스터를 이온화하는 것을 목표로 하는 이온화 영역을 통해 이동하고, 클러스터는 비이온화된 채 잔존하거나, 하나 이상의 전하의 전하 상태 q를 획득할 수 있다(입사 전자에 의한 클러스터로부터 전자의 방출에 의해). 이오나이저 동작 조건은 더욱 높은 전하 상태가 달성될 수 있는 보다 높은 확률을 야기하는 더욱 고강도의 이오나이저 조건에서 가스 클러스터가 특정 전하 상태에서 일어날 가능성에 영향을 미친다. 보다 높은 이온화 효율을 야기하는 더욱 고강도의 이오나이저 조건은 높은 전자 플럭스 및/또는 높은 전자 에너지(한도 내에서)로부터 야기될 수 있다. 가스 클러스가 이온화되면, 통상적으로 이오나이저로부터 추출되고, 빔으로 집속되고, 또한 전기장에 의해 낙하함으로써 가속된다. 상기 클러스터 이온의 가속의 양은 가속하는 전기장의 크기를 제어함으로써 용이하게 제어된다. 일반적으로, 통상의 상용의 GCIB 처리 툴은, 예를 들면 통상 1kV~70kV(최대 200kV 이상의 VAcc의 범위가 실현될 수 있지만, 이 범위에 한정되지 않음)의 조정 가능한 가속 전위, VAcc를 갖는 전기장에 의해 가스 클러스터 이온이 가속화되도록 제공된다. 따라서, 단독으로 하전된 가스 클러스터 이온은 1~70keV(더욱 큰 VAcc가 이용되는 경우에는 그 이상)의 범위의 에너지에 도달되고, 다수의 하전된(예를 들면, 제한없음, 전하 상태, q=3 전자 전하) 가스 클러스터 이온은 3~210keV(더욱 높은 VAcc에 있어서는 그 이상)의 범위의 에너지가 달성된다. 다른 가스 클러스터 이온 전하 상태 및 가속 전위에 대해, 클러스터당 가속된 에너지는 qVAcceV이다. 소정의 이온화 효율을 갖는 소정의 이오나이저로부터, 가스 클러스터 이온은 0부터, 예를 들면 6 등의 더욱 높은 수로 전하 상태의 분포를 가질 수 있고(또는 높은 이오나이저 효율성을 가짐), 또한 전하 상태 분포의 가장 가능성이 높은 값 및 평균 값은 증가된 이오나이저 효율에 의해 증가된다(더욱 높은 전자 플럭스 및/또는 에너지). 또한, 더욱 높은 이오나이저 효율은 이오나이저에서 형성되는 가스 클러스터 이온수의 증가를 야기한다. 많은 경우에 있어서, GCIB 처리 스루풋은 높은 효율로 이오나이저를 동작시키는 것이 GCIB 전류를 증가시킬 때에 증가된다. 이러한 동작의 단점은 크레이터 및 중간 크기의 가스 클러스터 이온 상에서 발생될 수 있는 다수의 전하 상태가 이들 이온에 의한 거친 인터페이스 형성 및 크레이터를 증가시킬 수 있고, 이러한 효과는 종종 처리의 의도에 반생산적으로 동작할 수 있는 것이다. 따라서, 많은 GCIB 표면 처리 방법에 대해, 상기 이오나이저 동작 파라미터의 선택은 단지 빔 전류를 최대화하는 것보다 더욱 많은 고려사항을 수반하는 경향이 있다. 일부 공정에 있어서, "압력 셀"(Swenson 등의 미국 특허 7,060,989호 참조)의 이용이 높은 이온화 효율로 이오나이저를 동작 가능하게 하기 위해 사용될 수 있지만, 여전히 상승된 압력 "압력 셀"에서 가스 충돌에 의해 빔 에너지를 적정함으로써 허용 가능한 빔 처리 성능을 얻고 있다.
중성빔이 본 발명의 실시형태에서 형성될 때에, 높은 효율로 이오나이저를 동작(실상, 이러한 동작이 바람직한 경우도 있음)시키는데 단점은 없다. 이오나이저가 높은 효율로 동작될 때에, 이오나이저에 의해 생산되는 가스 클러스터 이온에 있어서의 광범위한 전하 상태가 있을 수 있다. 이것은 이오나이저와 가속 전극 사이의 추출 영역, 및 또한 하류 빔에 있어서 가스 클러스터 이온에 광범위한 속도를 야기한다. 이것은 일반적으로 가장 큰 가스 클러스터 이온의 단편화의 높은 정도를 야기하는 빔에 있어서의 가스 클러스터 이온들 사이의 충돌의 향상된 빈도를 야기할 수 있다. 이러한 단편화는 더욱 작은 클러스터 크기로 기울어지도록 빔에 있어서의 클러스터 크기의 재분포를 야기할 수 있다. 이들 클러스터 단편은 그들의 새로운 크기(N)에 비례하여 에너지를 유지시켜서 덜 활동적이지만 필수적으로 초기 비단편화된 가스 클러스터 이온의 가속된 속도를 유지한다. 충돌 후 속도의 유지와 에너지의 변화는 실험적으로 확인되었다(예를 들면, Toyoda, N. 등., "Cluster size dependence on energy and velocity distributions of gas cluster ion after collisions with residual gas," Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B 257(2007), 662-665쪽에 보고된 바와 같음). 또한, 단편화는 클러스터 단편에 있어서의 전하의 재분포를 야기할 수 있다. 일부 비하전된 단편이 발생되어 멀티-하전된 가스 클러스터 이온이 몇몇의 하전된 가스 클러스터 이온 및 일부 비하전된 단편으로 단편화될 가능성이 있다. 이오나이저 및 추출 영역에 있어서의 집속 필드의 설계는 더욱 작은 가스 클러스터 이온 및 모노머 이온의 포커싱을 촉진시켜 빔 추출 영역 및 하류 빔에서 더욱 큰 가스 클러스터 이온과의 충돌의 가능성을 증가시키므로 가스 클러스터 이온의 해리 및/또는 단편화에 기여할 수 있는 것이 본 발명자들에 의해 이해된다.
본 발명의 실시형태에 있어서, 이오나이저, 가속 영역, 및 빔라인에 있어서의 백그라운드 가스 압력은 양호한 GCIB 투과를 위해 정상적으로 이용되는 것보다 높은 압력을 갖도록 임의로 배열될 수 있다. 이것은 가스 클러스터 이온으로부터 모노머의 추가적인 진화(초기 가스 클러스터 이온화 이벤트로부터 야기되는 가열 및/또는 여기로부터 야기되는 것 이상)를 야기할 수 있다. 압력은 가스 클러스터 이온이 백그라운드 가스 분자와 다수의 충돌을 거쳐야만 하는 이오나이저와 워크피스 사이에 짧은 충분한 평균-프리-경로 및 충분히 긴 플라이트 경로를 갖도록 배열될 수 있다.
N 모노머를 함유하고, q의 전하 상태를 갖고, VAcc 볼트의 전기장 전위 하락에 의해 가속화되는 동종의 가스 클러스터에 대해, 상기 클러스터는 모노머당 대략 qVAcc/NIeV의 에너지를 가질 수 있고, 여기서 NI는 가속 시간에서의 클러스터 이온에 있어서의 모노머의 수이다. 가장 작은 가스 클러스터 이온을 제외하고, 클러스터 소스 가스로서 동일한 가스의 백그라운드 가스 모노머와 이러한 이온의 충돌은 가스 클러스터 이온으로 대략 qVAcc/NIeV의 추가적인 증착을 야기할 수 있다. 이 에너지는 전체적인 가스 클러스터 이온 에너지(qVAcc)와 비교해서 상대적으로 작고, 일반적으로 클러스터의 여기 또는 가열 및 상기 클러스터로부터 모노머의 후속의 진화를 야기한다. 백그라운드 가스와 더욱 큰 클러스터의 이러한 충돌은 클러스터를 단편화하기 보다는 오히려 그것을 가열 및/또는 여기시켜 증발 또는 유사한 매커니즘에 의한 모노머의 진화를 야기한다. 가스 클러스터 이온으로부터의 모노머 또는 모노머들의 진화를 야기하는 여기의 소스에 관하여, 상기 진화된 모노머(들)은 대략 입자당 동일한 에너지, qVAcc/NIeV를 갖고, 진화된 가스 클러스터 이온과 대략 동일한 속도 및 궤도를 유지한다. 이러한 모노머 진화가 가스 클러스터 이온으로부터 발생될 때에, 그들이 본래의 이온화 이벤트, 충돌, 또는 복사열로 인해 여기 또는 가열로부터 야기되는지의 여부에 관계없이, 상기 전하는 더욱 큰 잔류 가스 클러스터 이온과 잔존할 가능성이 높다. 따라서, 일련의 모노머 진화 후에, 큰 가스 클러스터 이온이 가장 작은 잔여 가스 클러스터 이온(또는 단편화가 또한 발생된 경우에 몇몇 가능성이 있음)과 공동으로 이동하는 모노머의 클라우드로 감소시킬 수 있다. 본래의 빔 궤도를 따라 공동 이동하는 모노머는 모두 대략 상기 본래의 가스 클러스터 이온과 동일한 속도를 갖고, 각각 대략 qVAcc/NIeV의 에너지를 갖는다. 작은 가스 클러스터 이온에 대해, 백그라운드 가스 모노머와의 충돌의 에너지는 상기 작은 가스 클러스터를 완전히 그리고 격렬하게 해리시킬 가능성이 있고, 그러한 경우에 얻어진 모노머가 빔과 계속 이동하는지 또는 빔으로부터 방출되는지의 여부는 확실하지 않다.
백그라운드 가스와의 충돌에 의한 빔의 오염을 회피하도록, 상기 백그라운드 가스는 가스 클러스터 이온을 구성하는 가스와 동일한 가스인 것이 바람직하다. 통상, 가스 클러스터 제트를 형성하기 위한 노즐은 대략 100-600sccm의 높은 가스 흐름으로 동작된다. 가스 클러스터에 응축되지 않는 이 흐름의 부분은 소스 챔버에서 압력을 상승시킨다. 스키머 애퍼쳐를 통해 가스 클러스터의 형태로 투과되는 가스 이외에, 소스 챔버로부터 비클러스터화된 소스 가스는 스키머 애퍼쳐를 통해 하류 빔 라인 또는 빔 경로 챔버(들)로 유동할 수 있다. 소스 챔버로부터 빔 라인으로 비클러스터화된 소스 가스의 증가된 흐름을 제공하기 위해 스키머 애퍼쳐 직경을 선택하는 것은 추가된 빔라인 압력을 제공하여 GCIB와의 백그라운드 가스 충돌을 유도하는 종래의 방법이다. 상기 높은 소스 가스 흐름 때문에(상기 스키머 애퍼쳐를 통해 비클러스터화된 가스 및 빔에 의해 타깃으로 수송되는 가스), 분위기 가스는 빔라인으로부터 신속히 퍼징된다. 대안적으로, 가스는 빔라인 챔버로 누출되거나, 상기 지적된 바와 같이 GCIB 경로를 교차하는 제트로서 도입될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 가스는 소스 가스(또는 불활성 또는 비오염)와 동일한 것이 바람직하다. 중요한 응용에 있어서, 백그라운드 가스 충돌이 모노머의 진화에 중요한 역할을 할 때에 상기 백그라운드 가스의 품질을 확인하기 위해 잔여 가스 애널라이저가 빔라인에서 이용될 수 있다.
GCIB가 워크피스에 도달하기 전에, 빔에 있어서의 나머지 하전된 입자(가스 클러스터 이온, 구체적으로는 작은 크기 및 중간 크기의 가스 클러스터 이온, 및 일부 하전된 모노머뿐만 아니라, 임의의 잔존하는 큰 가스 클러스터 이온도 포함함)는 워크피스의 처리를 위해 중성빔만 남겨두고 빔의 중립 부분으로부터 분리된다.
통상의 동작에 있어서, 처리 목표에서 전달되는 전체(하전 플러스 중립) 빔의 것에 비례하여 중성빔에 있어서의 전력의 분율은 약 5%~95%의 범위이므로, 본 명세서에 기재된 분리 방법 및 장치에 의해 중성빔으로서 타깃에 전체 가속된 하전 빔의 운동 에너지의 일부를 전달하는 것이 가능하다.
가스 클러스터 이온의 해리, 및 이어서 높은 중립 모노머 빔 에너지의 생산은 이하게 의해 용이하게 된다:
1) 더욱 높은 가속 전압에서 동작하는 것. 이것은 임의의 소정 클러스터 크기에 대한 qVAcc/N을 증가시킴; 2) 더욱 높은 이오나이저 효율로 동작하는 것. 이것은 증가하는 q에 의해 임의의 소정의 클러스터 크기에 대해 qVAcc/N을 증가시키고, 클러스터들 사이의 전하 상태에 있어서의 차이로 인해 추출 영역에서의 클러스터-이온 충돌에 있어서 클러스터-이온을 증가시킴; 3) 높은 이오나이저, 가속 영역, 또는 빔라인에서의 동작, 또는 빔을 교차하는 가스 제트 또는 더욱 긴 빔 경로에 의한 동작. 모두 임의의 소정의 크기의 가스 클러스터 이온에 대한 백그라운드 가스 붕괴의 가능성을 증가시킴; 4) 빔의 레이저 조사 또는 열 복사 가열에 의한 동작. 이것은 가스 클러스터 이온으로부터의 모노머의 진화를 직접 촉진시킴; 및 5) 더욱 높은 노즐 가스 흐름에서의 동작. 이것은 GCIB 궤도로 클러스터화되고, 비클러스터화될 가능성이 있는 가스의 수송을 증가시키고, 모노머의 더욱 높은 진화를 야기하는 충돌을 증가시킴.
야기되는 백그라운드 가스 충돌에 대해, 추출 영역에서부터 워크피스까지의 가스 클러스터 이온빔 경로 길이×압력의 곱은 그 영역에서 발생되는 가스 클러스터 이온의 해리도에 기여한다. 30kV 가속에 대해, 1 이상의 평균 가스 클러스터 이온 전하 상태를 제공하는 이오나이저 파라미터, 및 6×10-3토르-㎝(0.8파스칼-㎝)(25℃에서)의 압력×빔 경로 길이는 필수적으로 중립 에너지 모노머로 완전히 해리되는 중성빔(잔여 하전된 이온으로부터의 분리 후)을 제공한다. 가스 목표 두께로서 압력×빔 경로 길이를 특징으로 하는 것이 일반적이고 통상적이다. 6×10-3토르-㎝(0.8파스칼-㎝)은 대략 1.94×1014가스 분자/㎠의 가스 목표 두께에 대응한다. 하나의 예시적(제한없음) 실시형태에 있어서, 상기 백그라운드 가스 압력은 6×10-5토르(8×10-3파스칼)이고, 빔 경로 길이는 100㎝이고, 가속 전위는 30kV이고, 또한 이 경우에 있어서 중성빔은 필수적으로 빔 경로의 말단에서 모노머로 완전히 해리되는 것이 관찰된다. 이것은 레이저 또는 복사 빔 가열이 없고, 빔을 교차하는 가스 제트를 이용하는 일이 없다. 완전히 해리된 가속된 중성빔 조건은 클러스터 이온화 이벤트, 잔여 가스 모노머와의 충돌, 및 빔에 있어서의 클러스터들 사이의 충돌로 인한 클러스터 가열로부터의 모노머 진화로부터 야기된다.
해리된 중성빔을 사용하는 것은 전체 빔과 비교해서 금박 필름을 평활화하는데 있어서 개선된 평활화 결과를 야기한다. 다른 응용에 있어서, 의료기기에 있어서의 약물 표면 코팅에 대해, 의료기기에 있어서의 약물-폴리머-혼합물층에 대해, 또는 의료기기의 약물-폴리-혼합체에 대해 해리된 중성빔을 사용하는 것은 전체 GCIB가 사용될 때에 발생되는 약물 중량 손실없이 개선된 약물 부착 및 약물 방출률의 변경을 제공한다.
중성빔의 측정은 가스 클러스터 이온빔에 대해 통상적인 전류 측정에 의해 이루어질 수 없다. 중성빔 전력 센서는 워크피스를 중성빔으로 조사할 때에 선량측정을 용이하게 하기 위해 사용된다. 상기 중성빔 센서는 빔(또는 빔의 공지된 샘플인 경우가 있음)을 차단하는 열 센서이다. 센서의 온도의 상승률은 센서의 에너지 빔 조사로부터 야기되는 에너지 플럭스와 관련된다. 열 측정은 센서에 대한 에너지 입사의 열 재복사로 인한 에러를 회피하기 위해 센서의 온도의 제한 범위에 걸쳐서 이루어져야 한다. GCIB 공정에 대해, 빔 전력(와트)은 빔 전류(암페어)×VAcc, 빔 가속 전압과 동등하다. GCIB가 일정 시간(초) 동안 워크피스에 조사될 때에, 워크피스에 의해 수신된 에너지(J)는 빔 전력과 조사 시간의 곱이다. 그것이 확장된 영역을 처리할 때의 이러한 빔의 처리 효과는 영역(예를 들면, ㎠)에 걸쳐 분포된다. 이온빔에 대해, 이온이 가속 시간에 평균 전하 상태, q를 갖고, VAcc 볼트의 전위 차에 의해 가속화되어 각각의 이온이 qVAcceV(eV는 대략 1.6×10-19J임)의 에너지를 운반하는 조사된 이온/㎠의 측면에서 처리 선량을 특정하는 것은 일반적으로 관례이다. 이어서, VAcc에 의해 가속되고, 이온/㎠로 특정되는 평균 전하 상태, q의 이온빔 선량은 J/㎠로 표현 가능한 용이하게 산출되는 에너지 선량에 대응한다. 본 발명의 실시형태에서 이용되는 바와 같은 가속된 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔에 대해, 가속의 시간에서의 q의 값 및 VAcc의 값은 (후-형성 및 분리됨)하전된 빔의 분율 및 비하전된 빔의 분율 양쪽에 대해 동일하다. GCIB의 2개의(중립 및 하전) 분율의 제곱은 각 빔 분율에 있어서의 질량에 비례하여 나눠진다. 따라서, 본 발명의 실시형태에서 이용되는 바와 같이 가속된 중성빔에 대해, 동등한 영역이 동등한 시간 동안 조사될 때에, 중성빔에 의해 증착되는 에너지 선량(J/㎠)은 전체 GCIB에 의해 증착되는 에너지 선량보다 반드시 적다. 전체 GCIB에 있어서의 파워, PG 및 중성빔에 있어서의 파워, PN(이것은 통상 전체 GCIB에 대해 약 5%~약 95%인 것으로 밝혀짐)를 측정하기 위해 열 센서를 이용함으로써, 중성빔 처리 선량측정에 있어서의 사용을 위한 보상 계수를 산출하는 것이 가능하다. PN이 PG와 등가하면, 보상 계수는 k=1/a이다. 따라서, 워크피스가 GCIB로부터 유도되는 중성빔을 이용하여 처리되는 경우, 지속 시간에 대해 D이온/㎠의 선량에 도달하는데 필요한 전체 GCIB(하전된 그리고 중성빔 부분을 포함함)에 대해 처리 지속 시간보다 큰 k배로 되고, 이어서 중성빔 및 전체 GCIB 양쪽에 의해 워크피스에 증착되는 에너지 선량은 동일하다(단, 그 결과는 2개의 빔에 있어서의 입자 크기의 차이로 인한 처리 효과의 정성적 차이로 인해 상이할 수 있음). 본 명세서에 사용된 바와 같이, 이러한 방식으로 보상되는 중성빔 처리 선량은 D이온/㎠의 선량의 에너지/㎠ 등가를 갖는 것으로 설명되는 경우가 있다.
많은 경우에 있어서, 선량측정을 위해 열 전력 센서와 조합하여 가스 클러스터 이온빔으로부터 유도되는 중성빔의 사용은 가스 클러스터 이온 및 중립 가스 클러스터 및/또는 중립 모노머의 혼합물을 필연적으로 포함하고, 또한 선량측정 목적을 위해 빔 전류 측정을 이용함으로써 편리하게 측정되는, 전체 가스 클러스터 이온빔 또는 차단되거나 우회된 부분의 사용과 비교해서 이점을 갖는다. 일부 이점은 이하와 같다:
1) 상기 선량측정은 빔의 전체 전력이 측정되기 때문에 선량측정용 열 센서를 이용한 중성빔보다 정확할 수 있다. GCIB는 선량측정을 위해 전통적인 빔 전류 측정을 이용하면서, 단지 빔의 이온화된 부분의 기여도를 측정하고, 선량측정을 위해 사용된다. GCIB 장치의 동작 조건으로의 분과 분 및 셋업과 셋업의 변경은 GCIB에 있어서의 중립 모노머와 중립 클러스터의 분율의 다양성을 야기할 수 있다. 이들 다양성은 선량측정이 빔 전류 측정에 의해 행해질 때에 덜 제어될 수 있는 공정 다양성을 야기할 수 있다.
2) 중성빔에 의해, 매우 절연된 재료 및 전기 충전 효과에 의해 손상될 수 있는 기타 재료를 포함한 여러 가지의 재료가 이온화 빔에 의해 워크피스로 수송된 전하로 인한 워크피스 충전을 방지하도록 목적의 중립하는 전자의 소스를 제공할 필요없이 처리될 수 있다. 종래의 GCIB를 이용할 때에, 충전을 감소시키기 위한 목적의 중화가 거의 완벽하지 않고, 그 자체로 중화되는 전자 소스는 워크피스 가열, 증발로부터의 오염, 또는 전자 소스에서의 스퍼터링 등의 문제를 야기하는 경우가 있다. 중성빔은 워크피스로 전하를 수송하지 않기 때문에 이러한 문제가 감소된다.
3) 중성빔으로부터 에너지 모노머 이온을 분리하기 위해 큰 애퍼쳐 고강도 자석 등의 추가적인 디바이스를 필요로 하지 않는다. 종래의 GCIB의 경우에 있어서, 깊은 손상을 생산하도록 침투되는 워크피스로 수송되는 에너지 모노머 이온(및 기타 작은 클러스터 이온)의 위험이 현저하여, 고가의 자기 필터가 정기적으로 빔으로부터 이러한 입자를 분리하는 것이 필요하다. 본 명세서에 개시된 중성빔 장치의 경우에 있어서, 중성빔을 생산하기 위한 빔으로부터의 모든 이온의 분리는 모든 모노머 이온을 근본적으로 제거한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "약물"은 일반적으로 유리한 방식으로 활성 인 치료제 또는 물질을 의미하며, 장치를 이식하기 용이하도록(예를 들면, 제한없이 윤활을 제공함으로써), 또는 장치의 이식의 유리한 의학적 또는 생리학적 결과를 용이하게 하도록(예를 들면, 제한없이 생물학적 또는 생화학적 활성에 의해) 이식 가능한 의료 장치의 부근에서 국소적으로 방출되거나 용리될 수 있다. "약물"의 의미는 약물과의 결합 또는 간섭을 제공하거나, 약물을 의료 장치에 부착시키거나, 또는 약물의 방출 및 용리를 제어하기 위한 장벽층을 형성하기 위해 사용되는 폴리머와 약물의 혼합물을 포함하는 것으로 의도된다. 고밀도화, 탄화 또는 부분 탄화, 부분 변성, 가교결합 또는 부분 가교결합, 또는 약물의 분자를 적어도 부분적으로 중합하기 위해 이온빔 조사에 의해 개질된 약물은 "약물" 규정에 포함되는 것으로 의도된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "중간 크기"는 가스 클러스터 크기 또는 가스 클러스터 이온 크기를 언급할 때에 N=10~N=1500의 크기를 의미하는 것으로 의도된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "GCIB", "가스 클러스터 이온빔", 및 "가스 클러스터 이온"은 이온화 빔뿐만 아니라 가속된 빔을 포함하는 것으로 의도되고, 그들의 전하 상태의 전체 또는 일부를 갖는 이온은 그들의 가속에 따라서 개질된다(중화를 포함함). 용어 "GCIB" 및 "가스 클러스터 이온빔"은 가속된 가스 클러스터를 포함하는 모든 빔을 포함하는 것으로 의도되지만, 비클러스터화 입자를 포함할 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "중성빔"은 가속된 가스 클러스터 이온빔으로부터 유도되는 중립 가스 클러스터 및/또는 중립 모노머의 빔을 의미하는 것으로 의도되고, 가속은 가스 클러스터 이온빔의 가속으로부터 야기된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 가스의 입자 또는 빔의 입자를 참조하여, 용어 "모노머"는 단일 원자 또는 단일 분자 중 어느 하나를 동등하게 의미한다. 용어 "원자", "분자," 및 "모노머"는 상호교환적으로 사용될 수 있으며, 논의 중인 가스의 특징을 나타내는 적절한 모노머(클러스터의 구성요소, 클러스터 이온의 구성성분, 또는 원자 또는 분자 중 어느 하나)를 의미한다. 예를 들면, 아르곤과 같은 1가의 가스는 원자, 분자, 또는 모노머의 측면에서 참조될 수 있고, 그들 용어는 각각 단일 원자를 의미한다. 마찬가지로, 질소와 같은 2가의 가스의 경우에 있어서, 그것은 원자, 분자, 또는 모노머의 측면에서 참조될 수 있고, 각각의 용어는 2가의 분자를 의미한다. 또한, CO2 또는 B2H6과 같은 분자는 원자, 분자, 또는 모노머의 측면에서 참조될 수 있고, 각각의 용어는 다가의 분자를 의미한다. 이들 규정은 가스, 및 가스 클러스터 또는 가스 클러스터 이온이 1가인지, 2가인지 또는 가스상의 분자인지의 여부에 상관없이 그들에 대한 일반적인 논의를 단순화하는데 사용된다. 분자 또는 고체 재료의 구성요소를 참조하여, "원자"는 종래의 의미를 갖는다.
본 발명의 일 실시형태는 기판 표면의 제어된 미세 에칭 방법을 제공하며, 이 방법은: 감압 챔버를 제공하는 단계; 상기 감압 챔버 내에 가스 클러스터 이온을 포함하는 가스 클러스터 이온빔을 형성하는 단계; 상기 가스 클러스터 이온을 가속시켜 상기 감압 챔버 내의 빔 경로를 따라 가속된 가스 클러스터 이온빔을 형성하는 단계; 상기 빔 경로를 따라 가속된 가스 클러스터 이온의 적어도 일부의 분열 및/또는 해리를 촉진하는 단계; 상기 빔 경로로부터 하전된 입자를 제거하여 상기 감압 챔버에서 상기 빔 경로를 따라 가속된 중성빔을 형성하는 단계; 상기 기판을 상기 빔 경로에 유지시키는 단계; 상기 가속된 중성빔을 조사함으로써 상기 기판의 표면의 일부를 처리하여 상기 표면의 조사된 부분 상에 얕은 개질층을 형성하는 단계로서, 상기 얕은 개질층이 아래의 비개질 기판을 오버레이하는 단계; 얕은 개질층을 갖는 표면을 에칭하여 표면 상의 얕은 개질층의 재료를 우선적으로 제거하는 단계로서, 상기 에칭은 아래의 비개질 기판에서 정지하는 단계를 포함한다.
제거 단계는 본질적으로 모든 하전된 입자를 빔 경로로부터 제거할 수 있다. 제거 단계는 완전히 해리된 가속된 중성빔을 형성할 수 있다. 중성빔은 본질적으로 가스 클러스터 이온빔으로부터의 가스로 이루어질 수 있다. 처리 단계는 패터닝된 템플릿의 개구부를 통해 기판을 조사하는 것 및 얕은 개질층을 패터닝하는 것을 포함할 수 있다. 에칭 단계는 기판 상에 에칭된 패턴을 생성할 수 있다. 패터닝된 템플릿은 기판의 표면과 접촉하는 하드 마스크 또는 포토레지스트 마스크일 수 있다. 촉진 단계는 가속된 가스 클러스터 이온빔에서 이온의 속도 범위를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 촉진 단계는 빔 경로를 따라 압력을 증가시키기 위해 가스 클러스터 이온빔을 감압 챔버에 형성하는데 사용되는 하나 이상의 가스 요소를 도입하는 것을 포함할 수 있다. 에칭 단계는 얕은 개질층 및 비개질 기판에 대한 차등 에칭 속도를 갖는 적절한 화학적 에천트를 사용하여 행해질 수 있다. 화학적 에천트는 플루오르화수소산를 포함할 수 있다. 상기 처리 단계는 상기 가속된 중성빔으로 상기 표면의 연장된 부분을 처리하기 위해 상기 기판을 스캐닝하는 것을 더 포함할 수 있다. 기판 표면은 금속, 반도체 또는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 얕은 개질층은 6nm 이하의 깊이를 가질 수 있다. 얕은 개질층은 약 1nm~약 3nm의 두께를 가질 수 있다. 가스 클러스터 이온은 아르곤 또는 다른 불활성 가스를 포함할 수 있다. 가스 클러스터 이온은 산소를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 조사 단계 전에 기판의 일부 상에 산소 함유층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 산소 함유층은 5 단층 미만의 두께일 수 있다. 가속 단계는 5~50kV의 전위에 의해 가스 클러스터 이온을 가속시킬 수 있다. 얕은 개질층은 비정질층 또는 산화층일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 깊이가 6nm 이하인 패터닝된 에칭 피처를 포함하는 에칭된 반도체 또는 기판의 금속 또는 유전체 표면을 제공한다. 패터닝된 에칭 피처는 3nm 이하의 깊이를 가질 수 있다. 이 피처는 10Å(1nm) 미만의 평균 러프니스(Ra)를 가질 수 있다. 패터닝된 에칭 피처는 가스 클러스터 이온빔으로부터 형성된 가속되고 집속된 중성빔을 사용하여 기판보다 높은 에칭 속도를 갖게 할 수 있다.
본 발명의 더 나은 이해를 위해, 기타 및 추가적인 목적과 함께 첨부된 도면이 참조된다.
도 1은 GCIB를 이용하여 워크피스를 처리하기 위한 종래 기술 장치의 부재를 나타내는 개략도이다.
도 2는 이온빔의 스캐닝 및 워크피스의 조작이 이용되는 GCIB를 이용하여 워크피스를 처리하기 위한 또 다른 종래 기술 장치의 부재를 나타내는 개략도이다.
도 3은 하전 및 비하전된 빔 구성요소를 분리하기 위해 정전기 편향 플레이트를 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 개략도이다.
도 4는 중성빔 측정용 열 센서를 이용한 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 개략도이다.
도 5는 선량측정 도식의 구성요소로서 억제된 편향 플레이트에 수집되는 편향된 이온빔 전류를 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 개략도이다.
도 6은 선량측정 도식의 구성요소로서 패러데이 컵에 수집되는 상기 편향된 이온빔의 샘플을 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 개략도이다.
도 7은 연장된 워크피스를 중성빔으로 균일하게 조사하기 위한 기계적인 스캐닝을 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 8은 빔라인 챔버로 가스를 주입함으로써 가스 목표 두께를 제어하기 위한 수단을 갖는 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 9는 하전 및 중성빔 구성요소를 분리하기 위해 정전기 미러를 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 10은 가속-감속 구성이 중성빔 구성요소로부터 하전된 빔을 분리하기 위해 사용되는 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 11은 대안의 가속-감속 구성이 중성빔 구성요소로부터 하전된 빔을 분리하기 위해 사용되는 본 발명의 실시형태에 따른 장치의 개략도를 나타낸다.
도 12a, 도 12b, 도 12c, 및 도 12d는 금속 필름에 있어서 빔의 중립 구성요소에 의한 처리가 전체 GCIB 또는 빔의 하전된 구성요소 중 어느 하나에 의한 처리와 비교해서 필름의 우수한 평활화를 야기하는 것을 나타내는 처리 결과를 나타낸다.
도 13a 및 도 13b는 중성빔에 의한 처리가 전체 GCIB에 의한 처리에 대해 우수한 결과를 야기하는 약물 용리 의료기기로 대표되는 코발트-크롬 쿠폰 상의 약물 코팅의 비교를 나타낸다.
도 14는 자기 분리가 이용되는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치의 개략도이다.
도 15a, 15b, 및 15c는 가스 클러스터 이온빔과 비교해서 본 발명의 중성빔 실시형태를 이용할 때에 얻어지는 우수한 인터페이스를 나타내는 TEM 이미지이다.
도 16은 본 발명의 실시형태를 이용하여 얕은 정션을 형성하기에 적합한 얕은 붕소 이식의 SIMS 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시형태가 붕소가 도핑된 반도체를 형성하는데 이용될 때에 형성되는 양질의 인터페이스를 나타내는 TEM 이미지이다.
도 18은 본 발명의 실시형태를 이용한 SiO2 및 Si의 에칭을 나타내는 그래프이다.
도 19a 및 도 19b는 반도체 재료 중 비결정 층을 형성하는데 있어서 본 발명의 실시형태의 이용을 나타내는 TEM 이미지이다.
도 20a 및 도 20b는 반도체에 필름을 형성하기 위해 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔의 적용을 나타내는 TEM 이미지이다.
도 21은 가속된 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용한 규소 기판 상에의 다이아몬드-유사 탄소 필름의 증착을 나타내는 그래프이다.
도 22는 러프니스의 정도, 평탄성의 결여, 및 요철의 유무를 나타내는 깨끗하고, 통상적으로 연마된 광학 유리 표면의 러프니스의 원자간력 마이크로그래프 맵이다.
도 23은 가속된 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용한 본 발명의 실시형태에 따른 평활화 후의 광학 유리 표면의 원자간력 마이크로그래프 맵이다.
도 24a, 도 24b, 도 24c, 및 도 24d는 종래의 기술과 비교해서 본 발명의 실시형태에 따른 기판에의 코팅의 우수한 부착을 갖는 광학 기판 상에 광학 코팅을 얻기 위해 GCIB를 이용하거나 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용하기 위한 공정에 있어서의 단계를 나타내는 개략도이다.
도 25a 및 도 25b는 분위기 노출로 인한 열화를 나타내는 비처리된 LBO 광학 구성요소의 표면의 원자간력 마이크로그래프 맵이다.
도 26a 및 도 26b는 본 발명의 실시형태에 따른 처리 후의 분위기 노출로 인해 얻어지는 감소된 열화를 갖는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용하여 처리되는 LBO 광학 구성요소의 표면의 원자간력 마이크로그래프 맵이다.
도 27a, 도 27b, 도 27c, 및 도 27d는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용하여 규소 기판 상에 SiC 또는 SiCX 층을 형성하기 위한 공정에 있어서의 단계를 나타내는 개략도이다.
도 28a, 도 28b, 도 28c, 도 28d, 도 28e, 도 28f, 도 28g, 및 도 28h는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용하여 일부 디바이스의 향상된 마이크로-패브리케이션에서 요구되는 포토레지스트의 이용없이 기판 상에 하드 마스크 패턴을 형성하는 공정에 있어서의 단계를 나타내는 개략도이다.
도 29a, 도 29b, 도 29c, 도 29d, 및 도 29e는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 사용하여 일부 장치의 진보된 마이크로패브리케이션에 요구되는 재료에 제어된 극히 얕은 에칭 영역을 형성하기 위한 공정의 일 실시형태의 단계를 나타내는 개략도이다.
도 30a, 도 30b, 도 30c, 도 30d, 도 30e, 및 도 30f는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 사용하여 일부 장치의 진보된 마이크로패브리케이션에 요구되는 재료에 제어된 극히 얕은 에칭 영역을 형성하기 위한 공정의 대안적인 실시형태의 단계를 나타내는 개략도이다.
도 31a, 도 31b, 도 31c, 도 31d, 도 31e, 및 도 31f는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 사용하여 일부 장치의 진보된 마이크로패브리케이션에 요구되는 재료에 제어된 극히 얕은 에칭 영역을 형성하기 위한 공정의 또 다른 대안적인 실시형태의 단계를 나타내는 개략도이다.
이어서, 선행 기술의 GCIB 처리 장치(100)에 대한 개략적인 구성을 나타내는 도 1이 참조된다. 저압 용기(102)는 3개의 유동적으로 연결된 챔버를 갖는다: 노즐 챔버(104), 이온화/가속 챔버(106), 및 처리 챔버(108). 상기 개의 챔버는 각각 진공 펌프(146a, 146b, 및 146c)에 의해 진공된다. 가스 저장 실린더(111)에 저장된 가압 응축 가능한 소스 가스(112)(예를 들면, 아르곤)는 가스 계량 밸브(113) 및 피드 튜브(114)를 통해 정체 챔버(116)로 유동한다. 정체 챔버(116)에 있어서의 압력(통상, 수 분위기)은 노즐(110)을 통해 실질적으로 낮은 압력 진공으로 가스의 방출을 야기하여 초음파 가스 제트(118)의 형성을 야기한다. 제트에 있어서의 확장에 의해 야기되는 냉각은 가스 제트(118)의 일부가 각각 몇몇~수천의 약하게 결합된 원자 또는 분자로 이루어지는 클러스터에 응축되게 한다. 가스 스키머 애퍼쳐(120)는 클러스터 제트로부터 클러스터 제트로 응축되지 않는 부분적으로 분리된 가스 분자에 의한 하류 챔버로의 가스의 유동을 제어하기 위해 이용된다. 하류 챔버에 있어서의 과잉의 압력은 빔 형성 및 수송에 이용될 수 있는 높은 전압의 관리에 의해 간섭됨으로써, 그리고 가스 클러스터 이온의 수송에 의해 간섭됨으로써 불유익할 수 있다. 적합한 응축 가능한 소스 가스(112)는 아르곤, 및 기타 응축 가능한 비활성 가스, 질소, 이산화탄소, 산소, 및 많은 기타 가스 및/또는 가스 혼합물을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는다. 초음파 가스 제트(118)에 있어서의 가스 클러스터의 형성 후에, 상기 가스 클러스터의 적어도 일부는 일반적으로 하나 이상의 백열 필라멘트(124)로부터(또는 기타 적합한 전자 소스로부터) 열 방출에 의해 전자를 생성하고, 가속하며, 상기 전자가 가스 제트(118)에 있어서 가스 클러스터와 충돌하는 것을 가능하게 하는 전자 충격 이오나이저인 이오나이저(122)에 의해 이온화된다. 가스 클러스터와 충돌한 전자는 가스 클러스터의 일부로부터 전자를 방출하여 그들 클러스터를 양이온화시킨다. 일부 클러스터는 하나 이상의 방출된 전자를 가질 수 있고, 다중 이온화될 수 있다. 통상, 가속 후의 전자의 수 및 그들의 에너지의 제어는 발생되는 이온화의 수 및 가스 클러스터의 다중 이온화와 단일 이온화 사이의 비에 영향을 미친다. 서프레서 전극(142), 및 접지 전극(144)은 이오나이저 엑시트 애퍼쳐(126)로부터 클러스터 이온을 추출하고, 그들을 소망의 에너지(통상, 수백 V~수십kV의 가속 전위를 가짐)로 가속하고, 또한 그들을 집속하여 GCIB(128)를 형성한다. 상기 GCIB(128)가 이오나이저 엑시트 애퍼쳐(126)와 서프레서 전극(142) 사이를 횡단하는 영역은 추출 영역이라고도 불린다. 가스 클러스터를 함유하는 초음파 가스 제트(118)의 축(노즐(110)에서 규정됨)은 실질적으로 GCIB(128)의 축(154)과 동일하다. 필라멘트 전원(136)은 이오나이저 필라멘트(124)를 가열하도록 필라멘트 전압(Vf)을 제공한다. 애노드 전원(134)은 상기 열전자가 클러스터-함유 가스 제트(118)를 조사하여 필라멘트(124)로부터 방출되는 열전자를 가속해서 클러스터 이온을 생산하도록 애노드 전압(VA)을 제공한다. 억제 전원(138)은 서프레서 전극(142)을 바이어싱하도록 억제 전압(VS)(대략 수백~수천 볼트)을 공급한다. 액셀러레이터 전원(140)은 서프레서 전극(142) 및 접지 전극(144)에 대하여 상기 이오나이저(122)를 바이어싱하도록 가속 전압(VAcc)을 공급하여 VAcc와 동등한 총 GCIB 가속 전위를 야기한다. 서프레서 전극(142)은 이오나이저(122)의 이오나이저 엑시트 애퍼쳐(126)로부터 이온을 추출하고, 소망의 전자가 하류로부터 이오나이저(122)로 진입하는 것을 방지하고, 또한 집속 GCIB(128)를 형성하도록 기능한다.
GCIB 처리에 의해 처리되는 의료기기, 반도체 재료, 광학 소자, 또는 다른 워크피스이어도 좋은 워크피스(160)는 GCIB(128)의 경로에 워크피스를 배치하는 워크피스 홀더(162) 상에 유지된다. 상기 워크피스 홀더는 부착되지만, 전기 절연기(164)에 의해 처리 챔버(108)로부터 전기적으로 절연된다. 워크피스(160) 및 워크피스 홀더(162)를 타격하는 GCIB(128)는 전기 리드(168)를 통해 선량 프로세서(170)로 유동한다. 빔 게이트(172)는 축(154)을 따라 워크피스(160)에의 GCIB(128)의 투과를 제어한다. 통상, 빔 게이트(172)는 (예를 들면) 전기적, 기계적, 또는 전기기계적일 수 있는 링케이지(174)에 의해 제어되는 개방 상태 및 폐쇄 상태를 갖는다. 선량 프로세서(170)는 워크피스(160) 및 워크피스 홀더(162)에 의해 수신되는 GCIB 선량을 관리하기 위해 빔 게이트(172)의 개방/폐쇄 상태를 제어한다. 동작에 있어서, 선량 프로세서(170)는 빔 게이트(172)를 개방하여 워크피스(160)의 GCIB 조사를 개시한다. 통상, 선량 프로세서(170)는 워크피스(160) 및 워크피스 홀더(162)에 도달하는 GCIB 전기 전류를 집적하여 축적 GCIB 조사 선량을 산출한다. 소정의 선량에서, 선량 프로세서(170)는 소정의 선량이 달성되었을 때에 처리를 종료하여 빔 게이트(172)를 폐쇄한다.
이하의 설명에 있어서, 도면의 간략화를 위해, 이전의 도면으로부터의 항목 번호는 언급없이 후속 도면에 나타내어질 수 있다. 마찬가지로, 이전의 도면과 관련하여 언급된 항목은 항목 번호 또는 추가적인 설명없이 후속 도면에 나타내어질 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 유사한 번호를 갖는 항목은 유사한 항목이고, 이미 설명된 특징 및 기능을 가지며, 본 도면에 나타낸 항목 번호가 없는 항목의 도시는 이전에 번호가 부여된 도면에서 나타낸 유사한 항목과 동일한 기능을 갖는 유사한 항목을 의미한다.
도 2는 이온빔의 스캐닝 및 워크피스의 조작이 이용되는 GCIB를 이용한 워크피스 처리를 위한 다른 선행 기술 GCIB 처리 장치(200)의 부재를 나타내는 개략도이다. GCIB 처리 장치(200)에 의해 처리되는 워크피스(160)는 GCIB(128)의 경로에 배치된 워크피스 홀더(202) 상에 유지된다. 상기 워크피스(160)의 균일한 처리를 달성하기 위해, 워크피스 홀더(202)는 균일한 처리를 위해 요구될 수 있는 바와 같이 워크피스(160)를 조작하도록 설계된다.
비평면, 예를 들면 구체 또는 컵 형상, 둥근 형상, 불규칙 형상, 또는 기타 비평판 형상인 임의의 워크피스 표면은 워크피스 표면의 최적의 GCIB 처리를 얻기 위해 빔 입사각의 범위 내에 배향될 수 있다. 워크피스 홀더(202)는 모든 비평면 표면을 GCIB(128)와 적합한 배열로 처리되도록 배향시키기 위해 완전히 굴절되어 처리 최적화 및 균일성을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로는, 처리되는 워크피스(160)가 비평면인 경우, 워크피스 홀더(202)는 관절/회전 매커니즘(204)에 의해 회전 운동(210)으로 회전되고, 관절 운동(212)으로 회절된다. 상기 관절/회전 매커니즘(204)은 워크피스 표면을 빔 입사의 소망의 범위 내로 유지하도록 세로축(206)(GCIB(128)의 축(154)과 동축임)에 대해 360°의 디바이스 회전 및 축(206)과 수직인 축(208)에 대해 충분한 관절을 허용할 수 있다.
특정 조건 하에서, 워크피스(160)의 크기에 따라서, 스캐닝 시스템이 대형 워크피스의 균일한 조사를 얻기에 바람직할 수 있다. GCIB 처리에 필요하지 않은 경우가 있지만, 2쌍의 직각으로 배향된 정전기 스캔 플레이트(130 및 132)가 연장된 처리 면적에 대한 래스터 또는 기타 스캐닝 패턴을 생산하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 빔 스캐닝이 행해질 때에, 스캔 발생기(156)는 리드 쌍(159)을 통해 스캔 플레이트(132)의 쌍에 X-축 스캐닝 시그널 전압을 제공하고, 또한 리드 쌍(158)을 통해 스캔 플레이트(130)의 쌍에 Y-축 스캐닝 시그널 전압을 제공한다. 통상, 스캐닝 시그널 전압은 GCIB(128)가 스캐닝된 GCIB(148)로 전환되게 하는 상이한 주파수의 삼각파이고, 이것은 워크피스(160)의 전체 표면을 스캔한다. 스캐닝된 빔-규정 애퍼쳐(214)는 스캐닝된 면적을 규정한다. 스캐닝된 빔-규정 애퍼쳐(214)는 전기적으로 도전되고, 저압 용기(102) 벽과 전기적으로 접속되고, 지지 부재(220)에 의해 지지된다. 워크피스 홀더(202)는 플렉서블 전기 리드(222)에 의해 상기 워크피스(160) 및 상기 워크피스 홀더(202)를 둘러싸는 패러데이 컵(216)에 전기적으로 접속되고, 규정된 애퍼쳐(214)를 통과하는 전류를 모두 수집한다. 상기 워크피스 홀더(202)는 관절/회전 매커니즘(204)으로부터 전기적으로 분리되고, 상기 패러데이 컵(216)은 절연체(218)에 의해 저압 용기(102)에 장착된다. 따라서, 상기 스캐닝된 빔-규정 애퍼쳐(214)를 통과하는 스캐닝된 GCIB(148)로부터의 모든 전류는 패러데이 컵(216)에 수집되고, 전기 리드(224)를 통해 선량 프로세서(170)로 유동된다. 동작에 있어서, 선량 프로세서(170)는 워크피스(160)의 GCIB 조사를 개시하기 위해 빔 게이트(172)를 개방한다. 통상, 상기 선량 프로세서(170)는 상기 워크피스(160) 및 워크피스 홀더(202) 및 패러데이 컵(216)에 도달하는 GCIB 전기 전류를 집적하여 유닛 면적당 축적된 GCIB 조사 선량을 산출한다. 소정의 선량에서, 상기 선량 프로세서(170)는 소정의 선량이 달성되면 처리를 종료하도록 빔 게이트(172)를 폐쇄한다. 소정의 선량의 축적시에, 워크피스(160)는 모든 소망의 표면의 처리를 보장하도록 관절/회전 매커니즘(204)에 의해 조작될 수 있다.
도 3은 GCIB의 하전된 부위 및 비하전된 부위를 분리하기 위해 정전기 편향 플레이트를 사용하는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(300)의 개략도이다. 빔라인 챔버(107)는 이오나이저와 액셀러레이터 영역 및 워크피스 처리 영역을 애워싼다. 상기 빔라인 챔버(107)는 높은 도전도를 가지므로 실질적으로 압력이 전반적으로 균일하다. 진공 펌프(146b)는 빔라인 챔버(107)를 진공처리한다. 가스는 가스 제트(118)에 의해 수송되는 클러스터화 및 비클러스터화된 가스의 형태로, 또한 가스 스키머 애퍼쳐(120)를 통해 누출되는 추가적인 비클러스터화된 가스의 형태로 빔라인 챔버(107)에 유동된다. 빔라인 챔버(107)에서 압력을 측정하여 표시하는 압력 센서(330)는 압력 데이터를 빔라인 챔버(107)로부터 전기 케이블(332)을 통해 압력 센서 컨트롤러(334)로 투과한다. 빔라인 챔버(107)에 있어서의 압력은 빔라인 챔버(107)에의 가스 유동의 밸런스 및 진공 펌프(146b)의 펌핑 속도에 따라 다른다. 가스 스키머 애퍼쳐(120)의 직경, 노즐(110)을 통한 소스 가스(112)의 유동, 및 진공 펌프(146b)의 펌핑 속도의 선택에 의해, 빔라인 챔버(107)에 있어서의 압력은 설계 및 노즐 유동에 의해 결정되는 압력, PB에서 평형화된다. 접지 전극(144)으로부터 워크피스 홀더(162)로의 GCIB 플라이트 경로는, 예를 들면 100㎝이다. 설계 및 조정에 의해, PB는 대략 6×10-5토르(8×10- 3파스칼)일 수 있다. 따라서, 압력 및 빔 경로 길이의 곱은 대략 6×10-3토르-㎝(0.8파스칼-㎝)이고, 빔에 대한 가스 목표 두께는 대략 1.94×1014 가스 분자/㎠이고, 이것은 이오나이저(122)에 있어서의 가스 클러스터의 초기 이온화로 인한 모노머 진화와 연관되고, GCIB(128)에 있어서의 가스 클러스터 이온 사이에 발생하는 충돌은 GCIB(128)에 있어서의 가스 클러스터 이온을 해리하는데 효과적이어서, 완전히 해리된 가속된 중성빔(314)을 야기하는 것으로 관찰된다. VAcc는, 예를 들면 30kV일 수 있고, GCIB(128)는 그 전위에 의해 가속된다. 한 쌍의 편향 플레이트(302 및 304)는 GCIB(128)의 축(154)에 대해 배치된다. 편향기 전원(306)은 전기 리드(308)를 통해 편향 플레이트(302)에 포지티브 편향 전압(VD)을 제공한다. 편향 플레이트(304)는 전기 리드(312)에 의해, 그리고 전류 센서/표시(310)를 통해 전기 접지와 연결된다. 편향기 전원(306)은 서로 제어 가능하다. VD는 0부터 편향 플레이트(304)에 상기 GCIB(128)의 이온화 부분(316)을 완전히 편향시키기에 충분한 전압(예를 들면, 수천 볼트)으로 조정될 수 있다. GCIB(128)의 이온화 부분(316)이 편향 플레이트(304)에 편향될 때에 얻어진 전류, ID는 전기 리드(312) 및 표시용 전류 센서/표시(310)를 유동한다. VD가 0인 경우, GCIB(128)는 비편향되고, 워크피스(160) 및 워크피스 홀더(162)로 이동한다. GCIB 빔 전류 IB는 워크피스(160) 및 상기 워크피스 홀더(162)에 수집되고, 전기 리드(168) 및 전류 센서/표시(320)를 통해 전기 접지로 유동한다. IB는 전류 센서/표시(320) 상에 나타내어진다. 빔 게이트(172)는 빔 게이트 컨트롤러(336)에 의해 링케이지(338)를 통해 제어된다. 빔 게이트 컨트롤러(336)는 소정의 간격 동안 빔 게이트(172)를 개방하도록 수동이거나 미리 설정된 값으로 전기적으로 또는 기계적으로 타이밍될 수 있다. 사용시에, VD는 0으로 설정되고, 워크피스 홀더를 타격하는 빔 전류 IB가 측정된다. 소정의 GCIB 공정 방법에 대한 이전의 경험을 기초로 해서, 소정의 공정에 대한 초기 조사 시간이 측정된 전류, IB에 기반하여 결정된다. VD는 모든 측정된 빔 전류가 IB로부터 ID로 이동하고, ID가 더 이상 증가하는 VD와 함께 증가하지 않을 때까지 증가된다. 이 지점에서, 초기 GCIB(128)의 에너지 해리된 구성요소를 포함하는 중성빔(314)이 워크피스 홀더(162)에 조사된다. 이어서, 빔 게이트(172)가 폐쇄되고, 워크피스(160)는 종래의 워크피스 로딩 수단(도시하지 않음)에 의해 워크피스 홀더(162)에 위치된다. 상기 빔 게이트(172)는 소정의 초기 방사 시간 동안 개방된다. 조사 간격 후에, 워크피스가 검사되고, 필요에 따라서 처리 시간을 조정하여 측정된 GCIB 빔 전류 IB에 기반한 중성빔 처리의 소망의 기간을 보정할 수 있다. 이러한 보정 공정에 이어서, 추가적인 워크피스가 보정된 노출 기간을 이용하여 처리될 수 있다.
중성빔(314)은 가속된 GCIB(128)의 초기 에너지의 반복 가능한 분율을 함유한다. 본래의 GCIB(128)의 나머지 이온화 부분(316)은 중성빔(314)으로부터 제거되고, 접지 편향 플레이트(304)에 의해 수집된다. 중성빔(314)으로부터 제거되는 이온화 부분(316)은 모노머 이온 및 중간 크기의 가스 클러스터 이온을 포함하는 가스 클러스터 이온을 포함할 수 있다. 이온화 공정 동안의 클러스터 가열로 인한 모노머 증발 때문에, 인트라-빔 충돌, 백그라운드 가스 충돌, 및 기타(이들은 모두 클러스터의 부식을 야기함)는 실질적으로 중립 모노머로 이루어지지만 분리된 하전된 입자는 압도적으로 클러스터 이온인 것을 야기시킨다. 본 발명자들은 중성빔을 재이온화하는 것 및 얻어진 이온의 질량비의 변화를 측정하는 것을 포함하는 적합한 측정법에 의해 이를 확인하였다. 분리된 하전된 빔 구성요소는 주로 중간 크기의 클러스터 이온뿐만 아니라 모노머 이온으로 이루어지고, 일부 큰 클러스터 이온으로 이루어질 가능성도 있다. 이하에 나타내어질 수 있는 바와 같이, 특정의 우수한 공정 결과는 이 중성빔을 이용하여 워크피스를 처리함으로써 얻어진다.
도 4는 중성빔 측정을 위해 열 센서를 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(400)의 개략도이다. 열 센서(402)는 낮은 열 도전성 부착(404)을 통해 피봇(412)에 부착된 회전 지지 암(410)에 부착된다. 액추에이터(408)는 중성빔(314) 또는 GCIB(128)를 차단하는 위치와 열 센서(402)가 임의의 빔을 차단하지 않는 파킹 위치(414) 사이의 가역적인 회전 운동(416)에 의해 열 센서(402)를 동작한다. 열 센서(402)가 파킹 위치(414)에 있는 경우, GCIB(128) 또는 중성빔(314)은 워크피스(160) 및/또는 워크피스 홀더(162)의 조사를 위한 경로(406)를 따라 계속된다. 열 센서 컨트롤러(420)는 열 센서(402)의 위치를 제어하고, 열 센서(402)에 의해 생성되는 시그널의 처리를 행한다. 열 센서(402)는 전기 케이블(418)을 통해 열 센서 컨트롤러(420)와 연통한다. 열 센서 컨트롤러(420)는 전기 케이블(428)을 통해 선량측정 컨트롤러(432)와 연통한다. 빔 전류 측정 디바이스(424)는 GCIB(128)가 워크피스(160) 및/또는 상기 워크피스 홀더(162)를 타격할 때에 전기 리드(168)에서 유동하는 전류(IB)를 측정한다. 빔 전류 측정 디바이스(424)는 전기 케이블(426)에 의해 빔 전류 측정 시그널을 선량측정 컨트롤러(432)에 연통한다. 선량측정 컨트롤러(432)는 링케이지(434)에 의해 투과되는 시그널을 제어함으로써 빔 게이트(172)의 개방 및 폐쇄 상태를 설정하는 것을 제어한다. 선량측정 컨트롤러(432)는 전기 케이블(442)에 의해 편향기 전원(440)을 제어하고, 0의 전압과 GCIB(128)의 이온화 부분(316)을 편향 플레이트(304)에 완전히 편향시키기에 적합한 포지티브 전압 사이로 편향 전압 VD를 제어할 수 있다. GCIB(128)의 이온화 부분(316)이 편향 플레이트(304)를 타격할 때에, 얻어진 전류 ID는 전류 센서(422)에 의해 측정되고, 전기 케이블(430)에 의해 선량측정 컨트롤러(432)와 연통된다. 동작시에, 선량측정 컨트롤러(432)는 열 센서(402)를 파킹 위치(414)로 설정하고, 빔 게이트(172)를 개방하고, 전체 GCIB(128)가 워크피스 홀더(162) 및/또는 워크피스(160)를 타격하도록 VD를 0으로 설정한다. 상기 선량측정 컨트롤러(432)는 빔 전류 측정 디바이스(424)로부터 투과되는 빔 전류, IB를 기록한다. 이어서, 상기 선량측정 컨트롤러(432)는 파킹 위치(414)로부터 열 센서(402)를 이동시켜 열 센서 컨트롤러(420)를 통해 중계되는 커맨드에 의해 GCIB(128)를 차단한다. 열 센서 컨트롤러(420)는 그것의 온도가 소정의 측정 온도(예를 들면, 70℃)에 의해 상승됨에 따라 측정된 열 센서(402)의 온도 상승률 및 그 센서의 가열 성능에 기반한 산출에 의해 GCIB(128)의 빔 에너지 플럭스를 측정하고, 이어서 상기 산출된 빔 에너지 플럭스를 선량측정 컨트롤러(432)에 연통하여 열 센서(402)에 의해 측정된 빔 에너지 플럭스 및 빔 전류 측정 디바이스(424)에 의해 측정된 대응하는 빔 전류의 보정값을 산출한다. 이어서, 상기 선량측정 컨트롤러(432)는 파킹 위치(414)에 열 센서(402)를 파킹하고, 그것을 냉각시키고, GCIB(128)의 이온화 부분으로 인해 전류 ID가 모두 편향 플레이트(304)로 이동될 때까지 편향 플레이트(302)로의 포지티브 VD의 인가를 커맨드한다. 전류 센서(422)는 대응하는 ID를 측정하고, 그것을 선량측정 컨트롤러(432)와 연통시킨다. 또한, 선량측정 컨트롤러는 열 센서 컨트롤러(420)에 의해 중계되는 커맨드에 의해 상기 중성빔(314)을 차단하도록 열 센서(402)를 파킹 위치(414)로부터 이동시킨다. 열 센서 컨트롤러(420)는 소정의 결정된 보정 성분 및 열 센서(402)의 온도 상승률을 이용하여 중성빔(314)의 빔 에너지 플럭스를 측정하고, 그것의 온도는 소정의 측정 온도를 통해 상승되고, 상기 중성빔 에너지 플럭스를 선량측정 컨트롤러(432)에 연통한다. 선량측정 컨트롤러(432)는 중성빔 분율을 산출하고, 이것은 센서(402)에서 전체 GCIB(128) 에너지 플럭스의 열 측정에 대한 중성빔(314) 에너지 플럭스의 열 측정의 비율이다. 통상의 동작 하에서, 약 5%~95%의 중성빔 분율이 달성된다. 또한, 처리를 시작하기 전에, 선량측정 컨트롤러(432)는 전류, ID를 측정하고, IB 및 ID의 초기값 사이의 전류 비율을 결정한다. 처리시에, 초기 IB/ID 비에 의해 곱해지는 순간 ID 측정값은 IB의 연속 측정을 위한 프록시로서 이용되고, 선량측정 컨트롤러(432)에 의해 처리의 제어시에 선량측정을 위해 사용된다. 따라서, 상기 선량측정 컨트롤러(432)는 실제 빔 전류 측정을 전체 GCIB(128)에 대해 이용할 수 있는 바와 같이 워크피스 처리시의 임의의 빔 변동을 보상할 수 있다. 상기 선량측정 컨트롤러는 특정 빔 공정을 위한 소망의 처리 시간을 연산하기 위해 중성빔 분율을 이용한다. 공정시에, 처리 시간은 공정시의 임의의 빔 변동의 수집에 대한 보정된 ID의 측정에 기반하여 조정될 수 있다.
도 5는 선량측정 도식의 구성요소로서 억제된 편향 플레이트 상에 수집된 편향된 이온빔 전류를 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(500)의 개략도이다. 도 4를 간략히 참조하면, 도 4에 나타낸 선량측정 도식은 전류, ID가 GCIB(128)의 이온화 부분(316)뿐만 아니라, 상기 전류, ID가 빔의 이온화 부분(316)이 편향 플레이트(304)를 타격할 때에 방출되는 2차 전자의 분사로부터 얻어지는 2차 전자 전류로 인한 전류를 포함한다는 사실로부터 발생될 수 있다. 2차 전자 수율은 이온화 부분(316)에 있어서의 클러스터 이온 크기의 분포에 따라 다양할 수 있다. 또한, 편향 플레이트(304)의 충격 받은 표면의 표면 상태(청결성 등)에 따라 다양할 수 있다. 따라서, 도 4에 기재된 도식에 있어서, ID의 규모는 GCIB(128)의 이온화 부분(316)으로 인한 전류의 정확한 표현이 아니다. 이어서, 다시 도 5를 참조하면, GCIB(128)의 이온화 부분(316)의 개선된 측정은 이온화 부분(316)을 수용하는 편향 플레이트(304)의 표면의 근위에 전자 서프레서 그리드 전극(502)을 추가함으로써 편향 플레이트(304)에서 실현될 수 있다. 전자 서프레서 그리드 전극(502)은 이온화 부분(316)에 대해 매우 투명이지만, 제 2 서프레서 전원(506)에 의해 제공되는 제 2 서프레서 전압 VS2에 의해 편향 플레이트(304) 대하여 네거티브 바이어싱된다. 통상, 2차 전자의 효율적인 억제는 대략 수십 볼트의 VS2에 의해 달성된다. 2차 전자의 방출을 억제함으로써, 편향기 전원(440)의 전류 로딩은 감소되고, GCIB(128)의 이온화 부분(316)의 전류의 ID 표시의 정확성은 증가된다. 전자 서프레서 그리드(502)는 절연 지지체(504)에 의해 편향 플레이트(304)의 근위로부터 절연되고, 유지된다.
도 6은 선량측정 도식의 구성요소로서 패러데이 컵에 수집된 편향된 이온빔 전류의 샘플을 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(550)의 개략도이다. 이 본 발명의 실시형태에 있어서, 이온화 부분(316)(도 5에 나타낸 바와 같이)의 샘플(556)은 패러데이 컵(558)에 캡쳐된다. 패러데이 컵(558)에 수집된 샘플 전류, IS는 측정을 위해 전기 리드(560)를 통해 전류 센서(562)로 도전되고, 측정은 전기 케이블(564)을 통해 선량측정 컨트롤러(566)에 연통된다. 패러데이 컵(558)은 편향 플레이트(304)(도 5에 도시된 바와 같이)에 의해 수집된 전류 ID를 측정함으로써 얻어진 것보다 우수한 전류 측정을 제공한다. 전류 센서(562)는 전류 센서(562)가 ID와 비교해서 보다 작은 IS의 규모를 수용하도록 민감도를 증가시킨 것 이외에는 전류 센서(422)(도 5에 도시된 바와 같이)에 대해 이미 설명된 바와 같이 실질적으로 동작한다. 선량측정(566)은 보다 작은 전류 측정 IS(도 5의 ID와 비료해서)를 수용하도록 설계된 것 이외에는 선량측정 컨트롤러(432)(도 5에 도시된 바와 같이)에 대해 이미 설명된 바와 같이 실질적으로 작동한다.
도 7은 큰 워크피스의 균일한 중성빔 스캐닝을 용이하게 하도록 중성빔(314)을 통해 공간 확장된 워크피스(160)를 스캔하기 위해 기계적 스캐너(602)를 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(600)의 개략도이다. 중성빔(314)은 자기 또는 정전기 기술에 의해 스캐닝될 수 없기 때문에, 처리되는 워크피스(160)가 중성빔(314)의 연장보다 공간적으로 크고, 워크피스(160)의 균일한 처리가 요구되는 경우, 기계적 스캐너(602)가 중성빔(314)을 통해 상기 워크피스(160)를 스캔하도록 이용된다. 기계적 스캐너(602)는 워크피스(160)를 유지하기 위해 워크피스 홀더(616)를 갖는다. 상기 기계적 스캐너(602)는 중성빔(314) 또는 상기 GCIB(128) 중 어느 하나가 워크피스(160) 및/또는 워크피스 홀더(616)에 입사될 수 있도록 배치된다. 편향 플레이트(302, 304)가 GCIB(128)의 이온화 부분(316)를 편향시킨 경우, 워크피스(160) 및/또는 워크피스 홀더(616)는 중성빔(314)만 수신한다. 편향 플레이트(302, 304)가 GCIB(128)의 이온화 부분(316)을 편향시키지 않은 경우, 워크피스(160) 및/또는 워크피스 홀더(616)는 전체 GCIB(128)를 수신한다. 워크피스 홀더(616)는 전기적으로 도전되고 절연기(614)에 의해 접지로부터 절연된다. 워크피스(160) 및/또는 워크피스 홀더(616) 상에서의 GCIB(128) 입사로 인한 빔 전류 IB는 전기 리드(168)에 의해 빔 전류 측정 디바이스(424)에 도전된다. 빔 전류 측정 디바이스(424)는 IB를 측정하고, 측정값을 선량측정 컨트롤러(628)에 통신한다. 기계적 스캐너(602)는 전자 케이블(620)을 통해 기계적 스캔 컨트롤러(618)에 의해 제어되는 액추에이터를 포함하는 액추에이터 베이스(604)를 갖는다. 기계적 스캐너(602)는 도 7의 종이면에 나타낸 바와 같이, Y-방향(610)으로 가역적인 운동이 가능한 Y-배치 테이블(606)을 갖고, X-방향(612)으로 가역적인 운동이 가능한 X-배치 테이블(608)을 갖는다. Y-배치 테이블(606) 및 X-배치 테이블(608)의 이동은 기계 스캔 컨트롤러(618)의 제어 하에서 액추에이터 베이스(604)에 있어서 액추에이터에 의해 작동된다. 기계 스캔 컨트롤러(618)는 전기 케이블(622)을 통해 선량측정 컨트롤러(628)와 통신한다. 선량측정 컨트롤러(628)의 기능은 선량측정 컨트롤러(432)에 대해 이미 설명된 기능 및 기계 스캔 컨트롤러(618)와의 통신에 의해 기계적 스캐너(602)를 제어하기 위한 추가적인 기능을 모두 포함한다. 측정된 중성빔 에너지 플럭스 속도에 기반하여, 선량측정 컨트롤러(628)는 기계 스캔 컨트롤러(618)에 워크피스의 완전하고 균일한 처리를 확보하고, 워크피스(160)에 대한 소정의 에너지 플럭스 선량을 확보하도록 워크피스(160)의 처리시에 워크피스(160)의 집적된 수의 완전한 스캔을 완료시키기 위한 Y-스캐닝 및 X-스캐닝 속도를 산출하여 통신한다. 중성빔의 이용, 및 중성빔 에너지 플럭스율 측정의 이용을 제외하고, 이러한 스캐닝 제어 알고리즘은, 예를 들면 종래의 GCIB 처리 툴 및 이온 이식 툴에서 통상적이고 일반적으로 사용된다. 중성빔 처리 장치(600)는 GCIB(128)가 편향없이 통과되어 전체 GCIB(128)가 워크피스(160) 및/또는 워크피스 홀더(616)를 조사할 수 있게 하도록 편향 플레이트(302, 304)를 제어함으로써 종래의 GCIB 처리 툴과 같이 사용될 수 있는 것이 주목된다.
도 8은 빔라인 챔버(107)에 있어서의 가스 압력의 능동적 설정 및 제어를 제공하는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(700)의 개략도이다. 압력 센서(330)는 압력 측정 데이터를 빔라인 챔버(107)로부터 전기 케이블(332)을 통해 압력 컨트롤러(716)에 투과하고, 이것은 빔라인 챔버에서 압력을 측정하여 표시한다. 빔라인 챔버(107)에 있어서의 압력은 빔라인 챔버(107)에의 가스 유동의 밸런스 및 진공 펌프(146b)의 펌핑 속도에 따라 달라진다. 가스 보틀(702)은 바람직하게는 소스 가스(112)와 동일한 가스종인 빔라인 가스(704)를 함유한다. 가스 보틀(702)은 빔라인 챔버(107)에 있어서의 가스 디퓨져(710)를 통해 빔라인 챔버(107)로 빔라인 가스(704)를 누출시키기 위해 원격으로 동작 가능한 누출 밸브(706) 및 가스 피드 튜브(708)를 갖는다. 상기 압력 컨트롤러(716)는 압력 세트 포인트, 압력×빔 경로 길이 세트 포인트(소정의 빔 경로 길이에 기반함), 또는 가스 목표 두께 세트 포인트의 형태로 입력 세트 포인트(시스템 컨트롤러(도시하지 않음)의 수동 엔트리 또는 자동 엔트리에 의해)를 수신할 수 있다. 세트 포인트가 압력 컨트롤러(716)에 대해 확립되면, 빔라인 챔버(107)로의 빔라인 가스(704)의 유동을 조절하여 중성빔 처리 장치의 동작시에 세트 포인트를 유지한다. 이러한 빔라인 압력 조절 시스템이 이용될 때에, 진공 펌프(146b)는 일반적으로 빔라인 챔버(107)로 도입되는 빔라인 가스(704)의 존재 하에서, 빔라인 챔버(107)에 있어서의 기본 압력이 바람직한 동작 압력보다 낮도록 크기 조정된다. 기본 압력이 종래의 GCIB(128)가 과잉의 해리없이 빔 경로의 길이를 전파할 수 있도록 선택되면, 또한 중성빔 처리 장치(700)는 종래의 처리 툴로서 사용될 수 있다.
도 9는 하전된 부분 및 중성빔 부분의 분리를 위해 정전기 미러를 이용하는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(800)의 개략도이다. 반사 전극(802) 및 실질적으로 투명 전기 그리드 전극(804)은 빔 축(154)에 대해 서로 어긋나고, 서로 평행하고, 또한 45°의 각도로 배치되어 있다. 반사 전극(802) 및 실질적으로 투명 전기 그리드 전극(804) 양쪽은 2개의 전극으로 통해 중성빔(314)의 통과를 허용하기 위한 빔 축(154) 상에 집중되어 있는 홀(각각, 836 및 838)을 갖는다. 미러 전원(810)은 도 9에 나타낸 바와 같이 극성을 갖는 전기 리드(806 및 808)에 의해 반사 전극(802) 및 실질적으로 투명 전기 그리드 전극(804) 사이의 갭을 가로질러 미러 전자 전위(VM)를 제공한다. VM은 VAcc+VR(VR은 가스 클러스터 제트가 이온화 및 가속화 전에 갖는 열 에너지를 극복하는데 필요한 지연 전위이고, 통상 VR은 대략 수kV임)보다 약간 크게 되도록 선택된다. 반사 전극(802) 및 상기 실질적으로 투명 전기 그리드 전극(804) 사이에 생성되는 전기장은 축(154)에 대하여 대략 90°의 각도로 GCIB(128)의 이온화 부분(814)을 편향시킨다. 패러데이 컵(812)은 GCIB(128)의 이온화 부분(814)을 수집하도록 배치된다. 서프레서 전극 그리드 전극(816)은 패러데이 컵(812)으로부터의 2차 전자의 탈출을 방지한다. 서프레서 그리드 전극(816)은 제 3 서프레서 전원(822)에 의해 제공되는 네거티브 제 3 서프레서 전압 VS3와 바이어싱된다. 통상, VS3은 대략 수십 볼트이다. GCIB(128)의 편향된 이온화 부분(814)에 있어서의 전류를 나타내는 패러데이 컵 전류, ID2(및 따라서 GCIB(128)에 있어서의 전류)는 전기 리드(820)를 통해 전류 센서(824)로 유동한다. 전류 센서(824)는 전류(ID2)를 측정하고, 전기 리드(826)에 의해 선량측정 컨트롤러(830)에 측정값을 투과한다. 선량측정 컨트롤러(830)의 기능은 선량측정 컨트롤러(830)가 전류 센서(824)로부터 ID2 전류 측정 정보를 수신하고, 선량측정 컨트롤러(830)가 편향기 전원(440)을 제어하지 않지만, 대신에 전기 케이블(840)을 통해 미러 전원(810)을 제어하는 것을 제외하고 선량측정 컨트롤러(432)에 대해 상술한 바와 같다. 미러 전원(810)을 0볼트 또는 VM 중 어느 하나를 출력하도록 설정함으로써, 선량측정 컨트롤러(830)는 전체 GCIB(128) 또는 단지 GCIB(128)의 중성빔(314)만을 측정 및/또는 처리를 위해 워크피스(160) 및/또는 워크피스 홀더(616)로 투과할지의 여부를 제어한다.
도 10은 접지 전위에서 동작하는 상기 이오나이저(122) 및 상기 워크피스(160) 양쪽의 이점을 갖는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(940)의 개략도이다. 워크피스(160)는 전기적으로 도전된 워크피스 홀더(162)에 의해 중성빔(314)의 경로를 유지하고, 이것은 결과적으로 저압 용기(102)의 벽에 부착된 전기적으로 도전되는 지지 부재(954)에 의해 지지된다. 따라서, 워크피스 홀더(162) 및 워크피스(160)는 전기적으로 접지된다. 가속 전극(948)은 이오나이저 엑시트 애퍼쳐(126)로부터 가스 클러스터 이온을 추출하고, 가속 전원(944)에 의해 제공되는 전압 전위 VAcc를 통해 가스 클러스터 이온을 가속화하여 GCIB(128)를 형성한다. 이오나이저(122)의 본체는 접지되고, VAcc는 네거티브 극성이다. 가스 제트(118)에 있어서의 중립 가스 원자는 대략 수십의 밀리-전자-볼트의 작은 에너지를 갖는다. 그들은 클러스터로 응축되기 때문에, 이 에너지는 클러스터 크기, N에 비례하여 축적된다. 충분히 큰 클러스터는 응축 공정으로부터 상당한 에너지를 얻고, VAcc의 전압 전위를 통해 가속될 때에, 각각의 이온의 최종 에너지는 그것의 중립 클러스터 제트 에너지로 VAcc를 초과한다. 가속 전극(948)의 하류, 지연 전극(952)은 GCIB(128)의 이온화된 부분(958)의 감속을 보장하기 위해 이용된다. 지연 전극(952)은 지연 전압 전원(942)에 의해 포지티브 지연 전압, VR에서 바이어싱된다. 수kV의 지연 전압, VR은 일반적으로 GCIB(128)에 있어서의 이온이 모두 감속되고, 가속 전극(948)으로 복귀되는 것을 보장하기에 적합하다. 영구 자석 배열(950)은 가속 전극(948)에 부착되어 가속 전극(948)을 타격하는 복귀된 이온의 결과로서 방출될 수 있는 2차 전자의 자기 억제를 제공한다. 빔 게이트(172)는 기계적 빔 게이트이고, 워크피스(160)의 상류에 위치된다. 선량측정 컨트롤러(946)는 워크피스에 의해 수신된 공정 선량을 제어한다. 열 센서(402)는 중성빔 에너지 플럭스 측정을 위해 중성빔(314)을 차단하는 위치 또는 열 센서 컨트롤러(420)의 제어 하에서 워크피스의 중성빔 처리를 위한 파킹 위치에 위치된다. 열 센서(402)는 빔 센싱 위치에 존재하고, 중성빔 에너지 플럭스는 측정되어 전기 케이블(956)을 통해 선량측정 컨트롤러(946)로 투과된다. 일반적인 사용에 있어서, 선량측정 컨트롤러(946)는 빔 게이트(172)를 폐쇄하고, 중성빔(314)의 에너지 플럭스를 측정하여 보고하도록 열 센서 컨트롤러(420)를 커맨드한다. 이어서, 종래의 워크피스 로딩 매커니즘(도시하지 않음)은 워크피스 홀더 상에 새로운 워크피스를 위치시킨다. 측정된 중성빔 에너지 플럭스를 기초로 해서, 선량측정 컨트롤러(946)는 소정의 소망의 중성빔 에너지 선량을 제공하기 위한 조사 시간을 산출한다. 선량측정 컨트롤러(946)는 중성빔(314) 중의 열 센서(402)를 커맨드하고, 산출된 조사 시간 동안 빔 게이트(172)를 개방하고, 이어서 산출된 조사 시간의 종료시에 빔 게이트(172)를 폐쇄하여 워크피스(160)의 처리를 종료한다.
도 11은 이오나이저(122)가 네거티브 전위 VR에서 동작하고, 워크피스가 접지 전위에서 동작하는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(960)의 개략도이다. 가속 전극(948)은 이오나이저 엑시트 애퍼쳐(126)로부터 가스 클러스터 이온을 추출하고, 가속 전원(944)에 의해 제공된 VAcc의 전위를 향해 가스 클러스터 이온을 가속화하여 GCIB(128)를 형성한다. 얻어지는 GCIB(128)는 전위 VAcc-VR에 의해 가속화된다. 접지 전극(962)은 GCIB(128)의 이온화 부분(958)을 감속시키고, 그것을 가속 전극(948)으로 복귀시킨다.
도 14는 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔 처리 장치(980)의 개략도이다. 이 실시형태는 중성빔 구성요소로부터의 하전된 빔 구성요소의 분리가 정전기장보다는 오히려 자기장에 의해 행해지는 것을 제외하고 도 8에 나타낸 것과 마찬가지이다. 다시, 도 14를 참조하면, 자기 애널라이저(982)는 자기 B-필드가 존재하는 갭에 의해 분리된 자극면을 갖는다. 지지체(984)는 GCIB(128)가 자기 애널라이저(982)의 갭에 진입하여 B-필드의 벡터가 GCIB(128)의 축(154)을 횡단하도록 GCIB(128)에 대하여 자기 애널라이저(982)를 배치한다. 상기 GCIB(128)의 이온화 부분(990)은 자기 애널라이저(982)에 의해 편향된다. 중성빔 애퍼쳐(988)를 갖는 배플(986)은 중성빔(314)이 중성빔 애퍼쳐(988)를 통해 워크피스(160)로 통과할 수 있도록 축(154)에 대하여 배치된다. GCIB(128)의 이온화 부분(990)은 진공 펌프(146b)에 의해 펌핑되도록 가스를 해리하는 저압 용기(102)의 벽 및/또는 배플(986)을 타격한다.
도 12a~도 12d는 금박 필름이 금박 필름 상에서 전체 및 전하 분리된 빔의 비교 효과를 나타낸다. 실험 셋업에 있어서, 규소 기판 상에 증착된 금박 필름은 전체 GCIB(하전 및 중립 구성요소), 중성빔(빔으로부터 편향된 하전된 구성요소), 및 단지 하전된 구성요소를 포함하는 편향된 빔에 의해 처리되었다. 3가지 조건은 모두 동일한 초기 GCIB, 30kV 가속된 Ar GCIB로부터 유도되는다. 가속 후의 빔 경로에 대한 가스 목표 두께는 대략 2×1014아르곤 가스 원자/㎠이었다. 3개의 빔의 각각에 대해, 노출은 2×1015가스 클러스터 이온/㎠의 이온 선량에서 전체 빔(하전+중립)에 의해 수송되는 총 에너지와 일치되었다. 각각의 빔의 에너지 플럭스율은 열 센서를 이용하여 측정되었고, 공정 기간은 각 샘플이 전체(하전+중립) GCIB 선량의 것과 등가인 동일한 총 열 에너지 선량을 수신하는 것을 보장하도록 조정되었다.
도 12a는 원자간력 현미경(AFM)에 의한 5미크론×5미크론 스캔 및 대략 2.22nm의 평균 러프리스, Ra를 갖는 증착된 금박 필름 샘플의 통계적 분석을 나타낸다. 도 12b는 전체 GCIB로 처리된 금 표면의 AFM 스캔을 나타내고-평균 러프니스, Ra는 대략 1.76nm로 감소된다. 도 12c는 빔의 하전된 구성요소만을 이용하여 처리된 표면의 AFM 스캔(중성빔 구성요소로부터의 편향 후)을 나타내고-평균 러프니스, Ra는 대략 3.51nm까지 증가된다. 도 12d는 단지 빔의 중립 구성요소만을 이용하여 처리된 표면의 AFM 스캔(하전된 구성성분이 중성빔으로부터 편향된 후)을 나타내고-평균 러프니스, Ra는 대략 1.56nm까지 평활화된다. 전체 GCIB가 처리된 샘플(B)은 증착된 필름(A)보다 평활하다. 중성빔 처리된 샘플(D)은 전체 GCIB가 처리된 샘플(B)보다 평활하다. 상기 빔의 하전된 구성요소로 처리된 샘플(C)은 실질적으로 증착된 막보다 거칠다. 그 결과는 빔의 중립 부분이 평활화에 기여하고, 빔의 하전된 구성요소가 러프니스에 기여한다는 결론을 뒷받침한다.
도 13a 및 도 13b는 약물 용리 관상동맥 스텐트의 약물 용리율을 측정하기 위해 사용되는 코발트-크롬 쿠폰 상에 증착된 약물 필름의 전체 GCIB 및 중성빔 처리의 비교 결과를 나타낸다. 도 13a는 2×1015가스 클러스터 이온/㎠의 조사 선량으로 30kV의 VAcc를 이용하여 가속되는 아르곤 GCIB(상기 하전된 및 중립 구성요소를 포함함)를 이용하여 조사된 샘플을 나타낸다. 도 13b는 30kV의 VAcc를 이용하여 가속되는 아르곤 GCIB로부터 유도되는 중성빔을 이용하여 조사된 샘플을 나타낸다. 중성빔은 2×1015가스 클러스터 이온/㎠의 선량(빔 열 에너지 플럭스 센서에 의해 결정된 등가)으로 가속된 30kV의 것과 등가인 열 에너지 선량으로 조사되었다. 양쪽 샘플을 위한 조사는 빔 투과를 가능하게 하기 위한 대략 50미크론 직경의 환형 애퍼쳐의 배열을 갖는 코발트 크롬 근점 마스크를 통해 행해졌다. 도 13a는 마스크를 통해 전체 빔으로 조사된 샘플의 300미크론×300미크론 영역의 스캐닝 전자 현미경 이미지이다. 도 13b는 마스크를 통해 중성빔으로 조사된 샘플의 300미크론×300미크론 영역의 스캐닝 전자 현미경 이미지이다. 도 13a에 나타낸 샘플은 마스크를 통해 통과되는 전체 빔에 의해 야기되는 손상 및 에칭을 나타낸다. 도 13b에 나타낸 샘플은 가시적인 효과를 나타내지 않는다. 생리 식염수의 용리 속도 시험에 있어서, 도 B 샘플(그러나, 마스크는 없음)과 같이 처리된 샘플은 도 13a 샘플(그러나, 마스크는 없음)과 같이 처리된 샘플과 비교해서 우수한(지연된) 용리율을 나타낸다. 상기 결과는 중성빔에 의한 처리가 소망의 용리 지연 효과에 기여하고, 반면에 전체 GCIB(하전된 구성요소+중립 구성요소)에 의한 처리는 에칭에 의한 약물의 중량 손실에 기여하여 열등한(덜 지연되는) 용리율 효과를 갖는다는 결론을 지지한다.
표면에의 약물의 부착을 보조하고, 지연된 약물 용리를 야기하는 방식으로 약물 개질을 제공하도록 가속된 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔의 능력을 더 도시하기 위해, 추가적인 시험이 행해졌다. 대략 1㎝×1㎝(1㎠)의 규소 쿠폰은 약물 증착 기판으로서의 용도를 위해 매우 연마된 깨끗한 반도체-품질의 규소 웨이퍼로부터 조제된다. 약물 라파마이신(카탈로그 번호 R-5000, LC Laboratories, Woburn, MA 01801, USA)의 용액은 20ml의 아세톤에 500mg의 라파마이신을 용해시킴으로써 형성되었다. 이어서, 파이펫을 사용하여 각각의 쿠폰에 대략 5㎕ 액적의 약물 용액을 분배하였다. 용액의 분위기 증발 및 진공 건조 후, 이 잔존한 대략 5mm 직경 환형 라파마이신은 각각의 규소 쿠폰 상에 증착된다. 쿠폰은 중성빔 조사의 각종 조건에 의해 비조사(대조 그룹) 또는 조사된 군으로 나눠졌다. 이어서, 상기 그룹은 혈장으로의 약물의 용리를 가능하게 하기 위해 4.5시간 동안 개개의 배스(쿠폰당 배스)의 인간의 혈장에 위치되었다. 4.5시간 후, 쿠폰은 혈장 배스로부터 제거되고, 탈이온수로 세정되고, 진공 건조되었다. 중량 측정은 하기 공정 단계에서 행해졌다: 1) 증착이 없는 깨끗한 규소 쿠폰 중량; 2) 증착 및 건조 후, 쿠폰+증착된 약물의 중량; 3) 포스트-조사 중량; 및 4) 포스트 혈장-용리 및 진공 건조 중량. 따라서, 각각의 쿠폰에 대해, 이하의 정보가 이용 가능하다: 1) 각 쿠폰에 로딩된 증착된 약물의 초기 중량; 2) 각 쿠폰의 조사시에 약물 손실의 중량; 및 3) 각 쿠폰에 대한 혈장 용리시에 손실된 약물의 중량. 각각의 조사 쿠폰에 대해, 조사시의 약물 손실은 무시할만한 수준인 것을 확인하였다. 인간 혈장에 있어서의 용리시의 약물 손실은 표 1에 나타낸다. 상기 그룹은 다음과 같았다: 대조 그룹-조사가 행해지지 않음; 그룹 1-30kV의 VAcc로 가속된 GCIB로부터 유도되는 중성빔으로 조사됨. 그룹 1에 조사된 빔 에너지 선량은 30kV로 가속된 5×1014가스 클러스터 이온/㎠ 선량(빔 열 에너지 플럭스 센서에 의해 결정된 에너지 등가)과 등가이고; 그룹 2는 30kV의 VAcc로 가속된 GCIB로부터 유도되는 중성빔으로 조사됨. 상기 그룹 2에 조사된 빔 에너지 선량은 30kV로 가속된 1×1014가스 클러스터 이온/㎠ 선량(빔 열 에너지 플럭스 센서에 의해 결정된 에너지 등가)과 등가이고; 또한 그룹 3은 25kV의 VAcc로 가속된 GCIB로부터 유도되는 중성빔으로 조사됨. 상기 그룹 3에 조사된 빔 에너지 선량은 25kV로 가속된 5×1014 가스 클러스터 이온/㎠ 선량(빔 열 에너지 플럭스 센서에 의해 결정된 에너지 등가)과 등가이었다.
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표 1은 중성빔 조사(그룹 1~그룹 3)의 모든 경우에 있어서, 인간 혈장으로의 4.5시간의 용리시의 약물 손실은 비조사된 대조 그룹에 대한 것보다 훨씬 적었던 것을 나타낸다. 이것은 중성빔 조사는 비조사된 약물과 비교해서 더욱 양호한 약물 부착 및/또는 감소된 용리율을 야기하는 것을 나타낸다. p값(이종의 쌍을 이루지 않는 T-시험)은 대조군에 대해 중성빔이 조사된 그룹 1~그룹 3의 각각에 대해, 인간의 혈장에 있어서의 용리 후의 약물 체류에 있어서의 차이는 통계적으로 유의하였다.
도 15a~도 15c는 전체 빔(하전된 구성요소+비하전된 구성요소)의 비교 효과를 나타내고, 통상 반도체 애플리케이션에 이용될 수 있는 단일 결정 규소 웨이퍼 상에 분리된 빔을 충전한다. 규소 기판은 대략 1.3nm의 초기의 자연 산화층을 갖는다. 별도의 경우에 있어서, 규소 기판은 전체 GCIB(하전된 구성요소 및 중립 구성성분), GCIB(편향에 의해 상기 빔으로부터 제거되는 하전된 구성요소)로부터 유도되는 중성빔, 및 중립 구성요소로부터의 그들의 분리 후에 GCIB의 하전된 구성요소만을 포함하는 하전된 클러스터 빔을 이용하여 처리되었다. 3가지 조건은 모두 동일한 초기 GCIB 조건으로부터 유도되고, 30kV로 가속된 GCIB는 2% O2와 98% Ar의 혼합물로 형성된다. 각각의 3가지 빔에 대해, 조사된 선량은 2×1015가스 클러스터 이온/㎠의 이온 선량에서 전체 빔(하전+중립)에 의해 이송되는 총 에너지와 일치하였다. 각각의 빔의 에너지 플럭스율은 열 센서를 이용하여 측정되었고, 공정 기간은 각각의 샘플이 상기 전체(하전+중립) GCIB의 것과 등가인 동일한 총 열 에너지 선량을 수신하는 것을 보장하도록 조정되었다. 3개의 샘플이 절편화된 후 투과형 전자 현미경(TEM)에 의해 이미지화함으로써 평가되었다.
도 15a는 전체 GCIB(하전된 구성요소 및 중성빔 구성요소)에 의해 조사되는 규소 기판의 절편의 TEM 이미지(1000)이다. 상기 조사는 이미지의 상단 방향으로부터 이미지의 저면을 향하여 규소 기판 상에 입사하였다. TEM 이미지의 절편화 전에, 규소 기판의 상단 표면(조사된 표면)은 절편화 동작을 용이하게 하고, 상기 절편화 공정시에 기판의 손상을 회피하기 위해 에폭시 오버코트로 코팅되었다. TEM 이미지(1000)에 있어서, 에폭시 오버코트(1006)는 이미지의 상단에 보여진다. 조사는 대략 4.6nm의 최소 두께를 갖는 규소 및 산소를 포함하는 비결정 영역(1004)을 형성한다. 조사 공정의 결과로서, 대략 4.8nm의 피크-투-피크 편차를 갖는 거친 인터페이스(1008)가 상기 비결정 영역(1004)과 상기 하부 단일 결정 규소(1002) 사이에 형성되었다.
도 15b는 GCIB(하전된 부분만)의 별도의 하전된 구성요소에 의해 조사된 규소 기판의 절편의 TEM 이미지(1020)이다. 조사는 이미지의 상단의 방향으로부터 이미지의 저부를 향하여 규소 기판 상에 입사되었다. TEM 이미지를 위한 절편화 전에, 규소 기판의 상단 표면(조사된 표면)은 절편화 동작을 용이하게 하고, 상기 절편화 공정시에 기판의 손상을 회피하기 위해 에폭시 오버코트로 코팅되었다. TEM 이미지(1020)에 있어서, 에폭시 오버코트(1026)는 이미지의 상단에 보여진다. 상기 조사는 대략 10.6nm의 최소 두께를 갖는 규소 및 산소를 포함한 비결정 영역(1024)을 형성한다. 조사 공정의 결과로서, 대략 5.9nm의 피크와 피크 차이를 갖는 거친 인터페이스(1028)가 상기 비결정 영역(1024)과 상기 하부 단일 결정 규소(1022) 사이에 형성되었다.
도 15c는 중립 부분(편향에 의해 분리되고 폐기되는 하전된 구성요소)에 의해 조사되는 규소 기판의 절편의 TEM 이미지(1040)이다. 조사는 이미지의 상단의 방향으로부터 이미지의 저부를 향하여 규소 기판 상에 입사되었다. TEM 이미지를 위한 절편화 전에, 규소 기판의 상단 표면(조사된 표면)은 절편화 동작을 용이하게 하고, 상기 절편화 공정시에 기판의 손상을 회피하기 위해 에폭시 오버코트로 코팅되었다. TEM 이미지(1040)에 있어서, 에폭시 오버코트(1046)는 이미지의 상단에 보여진다. 상기 조사는 대략 3.0nm의 실질적으로 균일한 두께를 갖는 규소 및 산소를 포함한 비결정 영역(1044)을 형성한다. 조사 공정의 결과로서, 원자 크기에 대하여 피크와 피크 간에 차이를 갖는 평활 인터페이스(1048)는 비결정 영역(1044)과 상기 하부 단일 결정 규소(1042) 사이에 형성되었다.
도 15a~도 15c에 나타낸 처리의 결과는 반도체 애플리케이션에 있어서, 전하 분리에 의해 가속된 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔의 사용이 전체 GCIB 또는 GCIB의 하전된 부분만 중 어느 하나와 비교해서 조사 처리된 영역과 비처리된 영역 사이에 우수한 인터페이스를 야기하는 것을 나타낸다. 또한, 데이터는 평활한 균일한 산화물 필름이 GCIB로부터 유도되는 중성빔을 이용하여 규소 상에 형성될 수 있고, 이러한 필름은 종래의 GCIB의 이용과 연관된 경우가 있는 거친 인터페이스가 없는 것을 나타낸다. 특정 이론에 한정되고자 하는 일 없이, 상기 개선은 빔으로부터의 중간 크기 클러스터의 제거 및 전체 또는 대부분의 클러스터의 제거로부터 얻어질 가능성이 있는 것으로 생각된다.
도 16은 본 발명의 실시형태에 따른 중성빔을 이용하여 행해지는 규소 기판에 있어서의 얕은 붕소 이식의 2차 이온 질량 분석법(SIMS)의 깊이 프로파일 측정의 결과를 나타내는 그래프(1060)이다. 상기 그래프는 nm로 깊이 측정된 함수로서, 붕소 원자/cc(원자/㎤)에서 측정된 붕소 농도(1062)를 플롯한다. 도 4에 나타낸 것과 마찬가지의 장치를 이용하여, 30kV 가속된 GCIB는 1% 다이보레인(B2H6)과 99% Ar의 혼합으로 형성되었다. 정체 챔버 압력은 80psi(5.5×105파스칼)이고, 노즐 유동은 200표준㎤/분(3.3표준㎤/초)이었다. 전체 빔 전류(편향에 의한 분리 전의 하전된 구성요소+중립 구성요소)는 대략 0.55마이크로A(μA)이었다. 빔 경로에 있어서의 압력은 대략 6.9×10-5토르(9.2×10- 3파스칼)로 유지되었고, 그 압력을 형성하는 백그라운드 가스는 필수적으로 아르곤/다이보레인이었다. 상기 액셀러레이터 및 상기 워크피스 사이의 영역에 대한 아르곤/다이보레인 가스 목표 두께는 대략 2.23×1014아르곤/다이보레인 가스 모노머/㎠이었고, 상기 가속된 중성빔은 필수적으로 목표에서 완전히 해리되는 중립 모노머로 이루어지는 것으로 관찰되었다. 정전기 편향을 이용하여, 모든 하전된 입자는 필수적으로 완전히 해리되는 중성빔을 형성하도록 빔 축으로부터 떨어져 빔 밖으로 편향되었다. 따라서, 중성빔은 가속된 모노머 중립 아르곤/다이보레인 빔이었다. 선량측정은 중성빔 증착 에너지가 상기 하전된 입자 및 비하전된 입자(전하 분리에 의한 중화없이) 양쪽을 포함한 가속된(30kV) GCIB에 의해 6.3×1014가스 클러스터 이온/㎠ 조사 선량으로 증착될 수 있는 에너지와 등가이도록 규소 기판에 전달되는 총 중성빔 선량을 보정하기 위해 열 센서를 이용하여 행해졌다. 도 16에 나타낸 깊이 프로파일은 GCIB로부터 유도되는 중성빔을 이용하여 얻어지는 중성빔 붕소 이온 이식이 매우 얕은 붕소 이식을 야기하는 것을 나타낸다. 1018붕소 원자/㎤ 농도 깊이로부터 측정된 정션 깊이는 약 12nm 깊이의 매우 얕은 정션에서 발생된다. 깊이에 대한 붕소 선량을 통합하면, 대략 7.94×1014붕소 원자/㎠의 면적 깊이를 나타낸다.
도 17은 GCIB로부터 유도되는 중립 부분(편향에 의해 분리되고 폐기되는 하전된 구성요소)에 의해 조사된 규소 기판의 절편의 TEM 이미지(1100)이다. 도 4에 나타낸 바와 마찬가지의 장치를 이용하여, 30kV 가속된 GCIB는 1% 다이보레인(B2H6)과 99% Ar의 혼합으로부터 형성되었다. 정체 챔버 압력은 88psi(6.05×105파스칼)이었고, 노즐 유동은 200표준㎤/분(3.3표준㎤/초)이었다. 전체 빔 전류(편향에 의한 분리 전의 하전된 구성요소+중립 구성요소)은 대략 0.55 마이크로A(μA)이었다. 빔 경로에 있어서의 압력은 대략 6.8×10-5토르(9.07×10- 3파스칼)로 유지되었고, 그 압력을 형성하는 백그라운드 가스는 필수적으로 아르곤/다이보레인이었다. 따라서, 상기 액셀러레이터 엑시트 애퍼쳐와 상기 워크피스 사이의 영역에 대한 아르곤/다이보레인 가스 목표 두께는 대략 2.2×1014아르곤/다이보레인 가스 모노머/㎠이었고, 상기 가속된 중성빔은 필수적으로 목표에서 완전히 해리되는 중립 모노머로 이루어지는 것으로 관찰되었다. 정전기 편향을 이용하여, 모든 하전된 입자는 필수적으로 완전히 해리되는 중성빔을 형성하도록 빔 축으로부터 멀리 떨어져 빔 밖으로 편향되었다. 따라서, 상기 중성빔은 가속된 모노머 중립 아르곤/다이보레인 빔이었다. 선량측정은 중성빔 증착 에너지가 하전된 입자 및 비하전된 입자(전하 분리에 의한 중화없이) 양쪽을 포함한 가속된(30kV) GCIB에 의해 1.8×1014 가스 클러스터 이온/㎠ 조사 선량으로 증착될 수 있는 에너지와 등가이도록 규소 기판에 전달되는 총 중성빔 선량을 보정하기 위해 열 센서를 이용해서 행해졌다. 조사는 이미지의 상단의 방향으로부터 이미지의 저부를 향하여 규소 기판 상에 입사되었다. TEM 이미지을 위한 절편화 전에, 규소 기판의 상단 표면(조사된 표면)은 절편화 동작을 용이하게 하고, 상기 절편화 공정시에 기판의 손상을 회피하기 위해 에폭시 오버코트로 코팅되었다. 다시, 도 17을 참조하면, TEM 이미지(1100)에 있어서, 상기 에폭시 오버코트(1106)는 이미지의 상단에 보여진다. 상기 조사는 대략 1.9nm의 실질적으로 균일한 두께를 갖는 규소 및 붕소를 포함하는 비결정 영역(1104)을 형성한다. 조사 공정의 결과로서, 원자 크기에 대해 피크와 피크간의 차이를 갖는 평활 인터페이스(1108)는 상기 비결정 영역(1104)과 상기 하부 단일 결정 규소(1102) 사이에 형성되었다. 스트레인 유도 종 등의 도펀트를 도입하기 위한 반도체 재료의 선행 기술의 GCIB 조사는 도 15a에 나타낸 인터페이스(1008)와 마찬가지로 처리된 필름과 상기 하부 기판 사이에 더욱 거친 인터페이스를 형성하는 것으로 알려져 있다. 다이보레인은 상기 도핑된 필름과 상기 하부 기판 사이의 고품질의 인터페이스를 갖도록 붕소와 반도체를 효율적으로 도핑하기 위해 이용될 수 있는 것을 알 수 있다. 빔에 있어서의 중간 크기의 클러스터 이온의 존재가 거친 인터페이스를 야기하는 종래의 GCIB 기술과 비교해서, 기타 도펀트 및/또는 격자 개질종을 함유하는 다른 가스, 도펀트의 고체 용해도 상한을 증가시키기 위한 종, 또는 표면 비결정화를 촉진시키기 위한 종을 이용함으로써, 필름과 기판 사이에 우수한 인터페이스를 갖는 고품질의 필름이 얻어질 수 있다. 도펀트를 도입하기 위해 단독으로 또는 혼합하여 이용될 수 있는 일부 도펀트-함유 가스는 다이보레인(B2H6), 붕소 트리플루오라이드(BF3), 포스핀(PH3), 인 펜타플루오라이드(PF5), 아르신(AsH3), 및 아르신 펜타플루오라이드(AsF5)이고, 비제한적인 예로서 가스 클러스터에 도펀트 원자를 집적하기 위해 이용될 수 있다. 격자 개질종을 도입하기 위해 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있는 일부 가스는 게르만(GeH4), 게르마늄테트라플루오라이드(GeF4), 실란(SiH4), 규소 테트라플루오라이드(SiF4), 메탄(CH4)이 있다. 비결정화를 촉진하기 위해 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있는 일부 가스는 아르곤(Ar), 게르만(GeH4), 게르마늄테트라플루오라이드(GeF4), 및 플루오린(F2)이지만, 제한되지 않는다. 도펀트 용해성을 촉진하기 위해 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있는 일부 가스는 게르만(GeH4) 및 게르마늄테트라플루오라이드(GeF4)이다. 도펀트 용해성을 개선시키 위한 도펀트-함유 가스, 격자 개질종을 함유하는 가스, 비결정종을 함유하는 가스, 및/또는 기타 종을 함유하는 가스(및 선택적으로 불활성 또는 기타 가스)는 상기 가속된 중성빔 공정에 의한 이익과 관련된 동시 형성을 위해 혼합하여 사용될 수 있다. 도 17에 있어서, 그것의 객체에 숫자 표시(1108)가 연결된 리드 라인은 상이한 백그라운드를 갖는 도면에 있어서의 영역에 대한 대비를 유지하기 위해 색상을 변경한다.
도 18은 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용하여 규소 기판 상에 이산화규소(SiO2) 필름을 에칭하고, 규소 기판을 에칭한 후에 얻어지는 깊이 프로파일 측정 그래프(1200)를 도시한다. 도 4에 나타낸 것과 마찬가지의 장치를 이용하면, 30kV 가속된 GCIB는 아르곤을 이용하여 형성되었다. 정체 챔버 압력은 28psi(1.93×105파스칼)이고, 노즐 유동은 200표준㎤/분(3.3표준㎤/초)이었다. 전체 빔 전류(편향에 의한 분리 전의 하전된 구성요소+중립 구성요소)은 대략 0.50마이크로A(μA)이었다. 상기 액셀러레이터 및 상기 워크피스 사이의 영역에 대한 아르곤 가스 목표 두께는 대략 1.49×1014아르곤 가스 모노머/㎠이고, 상기 가속된 중성빔은 필수적으로 목표에서 완전히 해리된 중립 모노머로 이루어지는 것으로 관찰되었다. 정전기 편향을 이용하면, 모든 하전된 입자는 중성빔을 형성하도록 빔 측으로부터 멀리 떨어져 빔 밖으로 편향되었다. 따라서, 중성빔은 필수적으로 가속된 중립 아르곤 모노머 빔이었다. 선량측정은 열 센서를 이용하여 중성빔 증착된 에너지가 상기 하전된 입자 및 비하전된 입자(전하 분리에 의한 중화없이) 양쪽을 포함하는 가속된(30kV) GCIB에 의해 2.16×1016가스 클러스터 이온/㎠ 조사 선량으로 증착될 수 있는 에너지와 등가이도록 규소 기판에 전달되는 총 중성빔 선량을 보정하도록 행해졌다. 규소 기판 상의 이산화규소(SiO2) 필름(대략 0.5미크론[μm] 두께)은 부분적으로 좁은(대략 0.7mm의 넓이) 스트립의 폴리이미드 필름 테이프로 마스킹되고, 이어서 가속된 중성빔에 의해 조사되었다. 조사 후에, 상기 폴리이미드 테이프는 제거되었다. 다시 도 18을 참조하면, 깊이 프로파일 측정 그래프(1200)는 가속된 중성빔으로부터 얻어지는 에칭으로 인해, 상기 SiO2 필름(규소 기판 상에)의 표면을 따른 방향 및 상기 폴리이미드 필름 테이프에 의해 마스킹된 영역에 대해, 단계별 프로파일을 측정하도록 TENCOR Alpha-Step 250 조면계를 이용하여 생성되었다. 플라토(1202)는 폴리이미드 필름(필름 제거 및 세척 후) 아래에 SiO2 필름의 비부착 표면을 나타내고, 반면에 영역(1204)은 에칭된 부분을 나타낸다. 상기 가속된 중성빔은 깊이 프로파일 측정 그래프(1200)에 나타낸 단계에서 생산되는 0.5미크론 SiO2 필름 전체 및 추가적인 1.9미크론을 상기 하부 결정 규소 기판으로 에칭하여 대략 2.4미크론(μm)의 에칭 깊이를 얻는다. 아르곤 및 기타 불활성 가스는 소스 가스로서 사용되어 물리적 수단에 의해 에칭될 수 있다. 또한, 반응성 소스 가스를 이용하거나 반응 가스를 포함하는 소스 가스를 혼합하여 사용함으로써, 반응성 에칭은 중성빔을 이용하여 행해질 수 있다. 단독으로 또는 불활성 가스와 혼합하여 사용될 수 있는 통상의 반응 가스는 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 암모니아(NH3), 플루오린(F2), 염소(Cl2), 6플루오르화황(SF6), 테트라플루오로메탄(CF4), 및 기타 응축성 할로겐-함유 가스이다(제한없음).
도 19a 및 도 19b는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔의 조사에 의한 결정 반도체 재료에 있어서의 비결정 층의 생산을 도시하는 TEM 이미지이다. TEM 이미지를 위한 절편화 전에, 각각의 샘플의 상단 표면은 절편화 동작을 용이하게 하고, 상기 절편화 공정시에 표면의 손상을 회피하기 위해 에폭시 오버코트로 코팅되었다. 자연 산화물은 베어 규소가 노출될 때에 공기 또는 물에서 동시에 형성된다.
도 19a는 자연 SiO2의 필름을 갖는 규소 기판의 절편의 TEM 이미지(1220)이다. TEM 이미지(1220)에 있어서, 상기 에폭시 오버코트(1226)는 이미지의 상단에 보여진다. 얇은(대략 1.3nm) 자연 산화물 필름(1224)은 하부 규소 기판(1222) 상에 보여진다.
도 19b는 GCIB로부터 유도되는 가속된 아르곤 중성빔에 의한 규소 기판의 조사의 결과를 나타내는 TEM 이미지(1240)이다. 도 19a에 나타낸 것과 마찬가지의 자연 산화물 필름을 갖는 규소 웨이퍼는 자연 산화물을 제거하기 위해 플루오르화수소산 1% 수용액으로 세척되었다. 세척된 규소 기판은 아르곤으로부터 형성된 30kV 가속된 GCIB(편향에 의해 빔으로부터 제거된 하전된 구성요소)로부터 유도되는 중성빔을 이용하여 조사되었다. 상기 조사된 선량은 열 센서를 이용하여 5×1014가스-클러스터 이온/㎠의 이온 선량에서 전체 빔(하전+중립)에 의해 이송되는 총 에너지와 에너지를 일치시켜 전체 5×1014가스-클러스터 이온/㎠ 빔의 것과 중성빔에 의해 증착되는 총 에너지를 일치시켰다. 다시, 도 19b를 참조하면, TEM 이미지(1240)는 상기 결정 규소 기판 재료(1242) 위에 놓여지는 가속된 중성빔 조사에 의해 형성되는 규소의 표면에 있어서의 2.1nm 두께의 비결정 필름(1244), 상기 에폭시 오버코트(1246)를 나타낸다. 조사 공정의 결과로서, 원자 크기에 대해 피크와 피크간에 차이를 갖는 평활 인터페이스(1248)가 상기 비결정 필름(1244) 및 상기 하부 결정 규소 재료(1242) 사이에 형성되었다. 이것은 비활성 가스, 아르곤(Ar)이 결정 반도체 재료에 비결정 층을 형성하는데 이용될 수 있다는 것을 나타낸다. 본 발명의 실시형태에 대해 가속된 중성빔의 형성에 그들을 이용함으로써 비결정 층을 형성하는데 사용될 수 있는 일부 다른 가스(제한없음)는 크세논(Xe), 게르만(GeH4), 및 게르마늄 테트라플루오라이드(GeF4)를 포함한다. 이러한 소스 가스는 단독으로 또는 아르곤 또는 기타 비활성 가스와 혼합하여 사용될 수 있다. 도 19b에 있어서, 그것의 객체에 숫자 표시(1248)가 연결된 리드 라인은 상이한 백그라운드를 갖는 도면에 있어서의 영역에 대해 대비를 유지하기 위해 색상을 변경한다.
도 20a 및 도 20b는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔의 사용에 의한 규소 상의 산화물 필름의 성장을 도시하는 TEM 이미지이다. TEM 이미지를 위한 절편화 전에, 각각의 샘플의 상단 표면은 절편화 동작을 용이하게 하고, 상기 절편화 공정시에 표면의 손상을 회피하기 위해 에폭시 오버코트로 코팅되었다.
도 20a는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔에 의한 규소 기판의 조사의 결과를 나타내는 TEM 이미지(1260)이다. 도 19a에 나타낸 것과 마찬가지의 자연 산화물 필름을 갖는 규소 웨이퍼는 자연 산화물을 제거하기 위해 플루오르화수소산 1% 수용액으로 세척되었다. 이어서, 상기 세척된 베어 규소 기판은 2% O2와 98% Ar의 소스 가스 혼합물로부터 형성되는 30kV 가속된 GCIB(편향에 의해 상기 빔으로부터 제거되는 하전된 구성요소)로부터 유도되는 중성빔을 이용하여 조사되었다. 조사된 중성빔 선량은 에너지적으로 2.4×1013가스 클러스터 이온/㎠의 이온 선량의 30kV 가속된 GCIB와 등가(빔 열 에너지 플럭스 센서에 의해 결정된 에너지 등가)이었다. 다시, 도 20a를 참조하면, 상기 TEM 이미지(1260)는 상기 결정 규소 기판 재료(1262) 위에 놓여지는 상기 가속된 중성빔 조사에 의해 형성된 규소의 표면에 있어서의 2nm 두꺼운 산화물 필름(1264), 에폭시 오버코트(1266)를 나타낸다. 조사 공정의 결과로서, 원자 크기에 대해 피크와 피크간 차이를 갖는 평활 인터페이스(1268)는 상기 산화물 필름(1264)과 상기 하부 결정 규소 재료(1262) 사이에 형성되었다. 도 20a에 있어서, 상기 그것의 객체에 숫자 표시(1268)가 연결된 리드 라인은 상이한 백그라운드를 갖는 도면에 있어서의 영역에 대해 대비를 유지하기 위해 색상을 변경한다.
도 20b는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔에 의한 규소 기판의 조사의 결과를 나타내는 TEM 이미지(1280)이다. 도 19a에 나타낸 것과 마찬가지의 자연 산화물 필름을 갖는 규소 웨이퍼는 자연 산화물을 제거하기 위해 플루오르화수소산 1% 수용액으로 세척되었다. 이어서, 상기 세척된 베어 규소 기판은 2% O2와 98% Ar의 소스 가스 혼합물로부터 형성되는 30kV 가속된 GCIB(편향에 의해 빔으로부터 제거되는 하전된 구성요소)로부터 유도되는 중성빔을 이용하여 조사되었다. 조사된 중성빔 선량은 에너지적으로 4.7×1014가스 클러스터 이온/㎠의 이온 선량에서 30kV 가속된 GCIB와 등가(빔 열 에너지 플럭스 센서에 의해 결정된 에너지 등가)이었다. 다시, 도 20b를 참조하면 상기 TEM 이미지(1280)는 결정 규소 기판 재료(1282) 위에 놓여지는 상기 가속된 중성빔 조사에 의해 형성되는 표면에 있어서의 3.3nm 두꺼운 산화물 필름(1284), 에폭시 오버코트(1286)를 나타낸다. 조사 공정의 결과로서, 원자 크기에 대해 피크와 피크간 차이를 갖는 평활 인터페이스(1288)는 산화물 필름(1284)과 상기 하부 결정 규소 재료(1282) 사이에 형성되었다. 이것은 산소를 포함하는 중성빔이 반도체 재료의 표면에서 산화물 층을 형성하기 위해 이용될 수 있는 것을 나타낸다. 성장된 필름의 두께는 조사 선량을 변경함으로써 다양해질 수 있다. 가속된 중성빔을 형성하는데 있어서 기타 반응성 종을 포함하는 소스 가스를 이용함으로써, 다른 유형의 필름이 반도체 또는 기타 표면 상에 성장될 수 있고, 예를 들면(제한없음) 산소(O2), 질소(N2), 또는 암모니아(NH3)가 아르곤(Ar) 또는 기타 비활성 가스와 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 도 20b에 있어서, 그것의 객체에 숫자 표시(1288)가 연결된 리드 라인은 상이한 백그라운드를 갖는 도면에 있어서의 영역에 대해 대비를 유지하도록 색상을 변경한다.
도 21은 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용하여 규소 기판 상에 다이아몬드와 같은 탄소 필름을 증착한 후에 얻어지는 깊이 프로파일 측정 그래프(1300)를 도시한다. 도 4에 나타낸 것과 마찬가지의 장치를 이용하여, 30kV 가속된 GCIB는 90% 아르곤과 10% 메탄(CH4)의 소스 가스 혼합물을 이용하여 형성되었다. 상기 가속된 중성빔은 필수적으로 목표에서 완전히 해리되는 중립 모노머로 이루어지는 것으로 관찰되었다. 정전기 편향을 이용하여, 모든 하전된 입자는 중립 메탄/아르곤 빔을 형성하도록 빔 축으로부터 멀리 떨어져 빔 밖으로 편향되었다. 따라서, 중성빔은 필수적으로 가속된 중립 메탄/아르곤 모노머 빔이었다. 선량측정은 중성빔 증착된 에너지가 상기 하전된 입자 및 비하전된 입자(전하 분리에 의한 중화없이) 양쪽을 포함하는 가속된(30kV) GCIB에 의해 2.8마이크로A 가스 클러스터 이온/㎠ 조사 선량으로 증착될 수 있는 에너지와 등가이도록 규소 기판에 전달되는 총 중성빔을 보정하도록 열 센서를 이용하여 행해졌다. 규소 기판은 부분적으로 좁은(대략 1mm 넓이) 스트립의 폴리이미드 필름 테이프로 마스킹되고, 이어서 기판 및 마스크는 다이아몬드와 같은 탄소 필름을 증착하도록 30분 동안 가속된 중성빔으로 조사되었다. 조사 후에, 마스크가 제거되었다. 다시, 도 21을 참조하면, 상기 깊이 프로파일 측정 그래프(1300)는 가속된 중성빔으로부터 얻어지는 증착으로 인해, 규소 기판의 표면을 따른 방향 및 상기 폴리이미드 필름 테이프에 의해 마스킹된 영역에 대해 단계 프로파일을 측정하기 위해 TENCOR Alpha-Step 250 조면계를 이용하여 생성되었다. 평면 영역(1302)은 상기 폴리이미드 필름(필름 제거 및 세척 후)의 아래의 규소 기판의 원래의 표면을 나타내고, 반면에 영역(1304)은 상기 증착된 다이아몬드와 같은 탄소 부분을 나타낸다. 가속된 중성빔은 대략 2.2미크론(μm)의 증착 두께를 생산하여 깊이 프로파일 측정 그래프(1300)에 나타낸 단계를 얻는다. 증착 속도는 GCIB 전류(본 단락에서 상술한 열 센서에 의해 규정된 바와 같은 에너지 등가)의 각각의 마이크로A/㎠에 대해 대략 0.45nm/초이었다. 다른 시험에 있어서, 아르곤에 있어서의 CH4의 5% 혼합물 및 7.5% 혼합물은 마찬가지의 결과를 부여하지만, 증착 속도가 낮을수록 소스 가스에 있어서의 CH4 백분율이 낮아진다. 가스 혼합물 및 용량의 선택은 소정의 두께를 갖는 필름의 반복 가능한 증착을 허용한다. CH4 단독, 또는 아르곤 또는 기타 비활성 가스의 혼합은 가속된 중립 모노머 빔을 이용하여 탄소를 증착하기 위한 효율적인 소스 가스이다. 가속된 중립 모노머 빔을 이용한 필름 증착을 위해 단독으로 또는 불활성 가스와 혼합하여 사용될 수 있는 기타 통상의 가스는 게르만(GeH4), 게르마늄 테트라플루오라이드(GeF4), 실란(SiH4), 및 규소 테트라플루오라이드(SiF4)이다(제한없음).
도 22는 광학창, 디스플레이 및/또는 터치-스크린 기판, 마이크로스코피 슬라이드 및 커버슬립, 필터 등의 애플리케이션에 일반적으로 이용되는 유형의 붕규산염 광학 유리(코닝 타입(0211))의 종래의 세척된 샘플 및 연마된 샘플의 표면의 500nm×500nm 영역을 원자간력 현미경(AFM) 평가함으로써 얻어지는 통상의 맵(1320)을 나타낸다. 상기 표면은 0.27nm와 등가인 평균 러프니스, RA를 갖고, 대략 수nm의 높이를 갖는 다수의 요철부(1322)를 나타낸다. 가속된 GCIB로부터 유도되는 필수적으로 완전히 해리된 중성빔을 이용한 이러한 표면의 처리는 만족할만한 평활화 및 평탄화를 야기하여 총 피크-투-밸리 편차를 감소시킨다. 코닝 타입(0211) 광학 유리의 종래의 세척된 샘플 및 연마된 샘플은 아르곤 소스 가스로부터 형성되는 30kV 가속된 GCIB(편향에 의해 빔으로부터 제거되는 하전된 구성요소)로부터 유도되는 중성빔을 이용하여 조사되었다. 상기 조사된 중성빔 선량은 에너지적으로 1×1014가스 클러스터 이온/㎠의 이온 선량에서 30kV 가속된 GCIB와 등가(빔 열 에너지 플럭스 센서에 의해 결정된 에너지 등가)이었다.
도 23은 중성빔 조사된 유리의 표면의 500nm×500nm 영역을 AFM 평가함으로써 얻어지는 맵(1340)을 나타낸다. 상기 표면은 비조사된 재료의 러프니스의 대략 절반인 0.13nm와 등가인 평균 러프니스, RA를 갖는다. 상기 표면은 필수적으로 요철부가 없다. 총 피크-투 밸리 편차는 비조사된 광학 표면의 대략 절반인 대략 약 2nm이다.
비하전된 구성요소로부터의 하전된 구성요소의 분리에 의해 가속된 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔의 이용은 반도체 처리 분야에서 다수의 응용을 가능하게 하는 것을 알 수 있고, 상기 조사에 의해 형성된 층과 상기 하부 반도체 사이의 계면이 종래의 GCIB 조사에 의해 얻어지는 결과보다 우수하고, 매우 평활하다고 하는 추가적인 이점을 갖는다.
GCIB 또는 중성빔 처리로부터의 이점을 갖는 또 다른 광학 애플리케이션은 광학 기판에 광학 필름을 부착하는 문제와 관련된다. 광학 디바이스는 일반적으로 성능을 촉진 또는 개선시키기 위해 각종 얇은 필름으로 그들을 코팅함으로서 개선된다. 이러한 광학 필름은 다이콜릭 얇은 필름 광학 필터를 생산하기 위한 보호성 코팅, 반사 방지 코팅, 고반사 코팅, 또는 그 조합으로서 이용될 수 있다. 상기 코팅은 얇은 금속 필름(예를 들면, 알루미늄 또는 금), 유전체 필름(예를 들면, 플루오르화마그네슘, 플루오르화칼슘, 또는 금속 산화물)이거나, 또는 정전 성질을 촉진하거나 디스플레이 또는 터치 감지 구조용 전극으로서 기능하기 위한 도전성 필름일 수 있다. 이러한 얇은 필름 코팅은 목적에 적합한 물리적 기상 증착(PVD) 기술 또는 기타 종래의 기술을 이용하여 증착되는 경우가 있다. 일반적인 문제는 이러한 필름이 기판 또는 후속 층과 강한 인터페이스를 형성하지 않고, 따라서 바람직하지 않을 뿐만 아니라 부착되지 않을 수 있다는 것이다. 문제는 기판 재료와 그들의 비유사성때문에 PVD 및 기타 종래의 기술에 의해 도포된 코팅이 기판 재료와 강한 결합을 형성하지 않는 경우가 있기 때문에 발생된다. GCIB 또는 중성빔 처리는 종래의 기술에 의해 도포된 코팅보다 훨씬 강력하게 부착되는 광학 기판 상에(광학 디바이스 상에 또는 기타 광학 코팅 위에) 얇은 필름 코팅을 생산하기 위해 이용될 수 있다. 보다 높은 부착 성능을 달성하도록, GCIB 또는 중성빔은 초기 시드 코팅을 기판과 강력하게 집적된 인터페이스 층으로 전환하고, 이어서 상기 인터페이스 층 상에 소망의 두께로 최종 코팅을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 많은 상황에서 GCIB 및 중성빔 양쪽이 사용될 수 있지만, 기판 또는 코팅 중 어느 하나가 유전체 또는 낮은 도전성 재료인 경우에 있어서, 중성빔은 이온빔 처리에 내재된 전하 수송으로 인한 손상을 회피하는데 있어서 그것이 갖는 상술의 이점으로 인해 바람직하다. GCIB 및 중성빔 처리 양쪽은 종래의 모노머 이온빔으로 발생되는 경우가 있으므로 현저한 하위표면 손상없이 코팅의 향상된 부착을 달성한다.
도 24a~도 24d는 GCIB 또는 중성빔 기술을 이용하여 광학 기판 상에 강력하게 부착되는 광학 코팅의 형성을 위한 본 발명의 실시형태에 있어서의 단계를 나타내는 개략도이다. 도 24a는 PVD 등의 종래의 기술에 의해 미리 도포된 광학 코팅 재료(1404)의 매우 얇은 필름 코팅을 갖는 광학 기판(1402)을 나타내는 개략도(1400)이다. 종래의 부착 특성(의도된 용도에 적합할 수 있음)을 갖는 광학 기판(1402)과 광학 코팅 재료(1404) 사이에 인터페이스(1406)가 있다. 상기 기판(1402) 및 상기 광학 코팅 재료(1404)의 두께는 반드시 일정 비율로 도시되지 않는다. GCIB 및 중성빔은 빔 소스 재료, 사용되는 빔 가속 전위, 및 빔에 존재(완전히 해리된 중성빔에서는 클러스터가 존재하지 않지만)하는 임의의 클러스터의 크기의 범위에 따라 달라지는 관통 특징을 갖는다. 해리된 중성빔은, 예를 들면 대략 약 1~3nm의 통상의 광학 코팅 재료에 관통 깊이를 가질 수 있고, 반면에 클러스터를 함유하는 GCIB 및 중성빔은 대략 약 2~20nm(모두 코팅 재료 및 빔 파라미터에 따라 달라짐)의 관통 깊이를 가질 수 있다. 본 발명의 이 실시형태의 방법에 있어서, 광학 코팅 재료(1404)의 두께는 실제 빔 타입의 파라미터가 광학 코팅 재료(1404)의 전체 두께를 관통하고, 또한 광학 기판(1402)으로의 짧은 거리를 통과하도록 선택된다.
도 24b는 GCIB 또는 중성빔인 빔(1412)에 의한 광학 코팅 재료(1404)의 조사를 나타내는 개략도(1410)이다. 상기 빔(1412) 특징은 빔(1412)에 있어서의 입자의 적어도 일부가 상기 광학 코팅 재료(1404) 상에 입사하여 그것을 완전히 관통하도록 상기 광학 코팅 재료(1404)의 두께와 관련하여 선택된다. 관통된 것들은 종래의 인터페이스(1406)를 거쳐 대략 약 1~수nm의 거리의 광학 기판(1402)으로 통과된다. 조사된 GCIB 선량 또는 중성빔 선량은, 예를 들면 30kV 가속된 GCIB의 적어도 5×1013이온/㎠이고, 또는 중성빔의 경우에 있어서, 예를 들면 적어도 5×1013 가스 클러스터 이온/㎠의 이온 선량을 갖는 30kV 가속된 GCIB와 에너지적으로 등가이다.
도 24c는 상술의 조사로부터 얻어지는 구조를 나타내는 개략도(1420)이다. 광학 코팅 재료(1404)의 얇은 필름과 빔의 상호작용은 원자를 광학 기판(1402)으로부터 광학 코팅 재료(1404)로 구동하여 혼합물 영역(1422)을 형성하고, 여기서 광학 코팅 재료(1404) 및 광학 기판(1402)의 원자는 밀접하게 혼합되고, 원자는 상기 혼합물 영역의 상부 영역에서 더욱 높아지고, 상기 혼합물 영역의 낮은 영역에서 0에 가까워지는 광학 코팅 재료의 농도 구배를 갖는다. 혼합물 영역(1422)의 상부 영역에 있어서의 마찬가지의 원자는 종래의 혼합물 영역(1422)의 경우보다 광학 코팅 재료(1404)가 광학 기판에 훨씬 보다 강력하게 부착되게 하는 광학 코팅 재료(1404)의 원자와의 강한 결합을 용이하게 한다. 혼합물 영역(1422)을 형성하도록 빔의 관통을 가능하게 하는 두께로 반드시 제한되는 광학 코팅 재료(1404)의 두께는 소망의 광학 코팅 특성을 위해 지나치게 얇아질 수 있고, 이러한 경우에 있어서 추가적인 광학 코팅 재료의 후속의 증착은 소망의 광학 코팅 특성을 생성할 필요가 있다.
도 24d는 광학 코팅 재료(1404)+광학 코팅 재료(1432)의 네트 두께가 소망의 광학 효과를 위해 필요한 두께로 증가시키기 위한 광학 코팅 재료(1432)의 추가적인 증착 층을 도시하는 개략도(1430)이다. 재료(1404) 및 재료(1432)는 일반적으로 동일한 재료이지만, 그들은 상이한 재료일 수 있고, 단 2개의 재료는 그들 사이에 강한 부착을 형성한다. 하나의 경우에 있어서, 재료(1404)는 상기 광학 기판 재료 및 상기 상부 재료(1432) 양쪽과 비유사할 수 있지만, 상기 재료(1404)는 상기 기판 및 상기 상부 재료 양쪽과 화학적으로 결합하도록 선택될 수 있고, 반면에 상부 재료 및 상기 광학 기판은 서로 내재된 친화성을 갖지 않을 수 있다. 2개의 재료(재료(1404) 및 재료(1432))가 동일한 경우에 있어서, 원자의 유사성은 통상적으로 종래의 인터페이스(1406)(도 24a에 도시됨)에서 발생되는 것보다 상기 2개의 층 사이에 훨씬 강한 부착을 야기한다.
GCIB 또는 중성빔 처리로부터 이점을 갖는 더한 응용은 재료의 분위기 열화의 문제와 관련된다. 예를 들면, 광학 및 기타 디바이스는 일반적으로 바람직한 광학 특징을 갖지만, 통상의 분위기 상태에 노출된 경우에 그들을 열화되기 쉽게 하는 특징도 갖는 재료를 이용한다. 이것은 분위기 노출을 회피하는 것이 실용적이지 않은 경우에 그들의 유용성 또는 유용한 서비스 수명 또는 유용한 저장 수명을 제한한다. 이러한 재료는 표면 산화, 분위기 수분의 흡수로 인해, 또는 분위기 인터페이스에서 재료의 표면의 기타 반응으로 인해 열화될 수 있다. 특정 예는 많은 비선형 광학(NLO) 용도에 바람직한 재료인 재료, 삼붕산리튬(LBO), LiB3O5이다. NLO 용도에 있어서, LBO는 종종 기타 이용 가능한 재료를 포함하지만, 그것이 흡습성이고 분위기 또는 기타 소스에 의해 수분을 흡수함으로써 열화된다고 하는 단점이 있다. 이것은 많은 용도에 있어서의 재료의 효율적인 수명을 제한하거나, 분위기 저장-수명이 제한되는 기타 용도에 있어서 재료가 서비스에 위치되기 전에 열화가 일어난다. 종래, 첨가제 표면 코팅은 수분 배리어를 제공함으로써 수분 흡수의 속도를 감소시키는데 이용되어 왔다. 그러나, 이들이 항상 필요로 하는 정도로 효율적인 것은 아니고, 특히 광학 전력 밀도가 높은 적용(예를 들면, 레이저 적용)의 경우에 있어서 코팅은 시간에 따라 박리되거나 아니면 열화되고 효율성이 저하될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 코팅의 부착은 GCIB를 필름 부착을 개선시키기 위한 상술한 가속된 중성빔 기술 및 GCIB를 이용함으로써 개선시킬 수 있다. 그러나, GCIB 또는 가속된 중성빔 조사도 표면 반응성 및/또는 수분 민감도를 감소시키는 얇은 배리어를 형성하기 위해 이용될 수 있다. 필요에 따라서, 조사에 의해 형성된 배리어는 계속해서 도포된 종래의 배리어 코팅과 조합하여 이용될 수 있다. GCIB 및 중성빔 양쪽은 많은 상황에서 이용될 수 있지만, 상기 처리된 재료는 유전체 또는 낮은 도전성 재료 중 어느 하나이고, 상기 중성빔은 그것이 갖는 상술의 이점으로 인해 이온빔 처리에 있어서 내재된 전하 수송으로 인한 손상을 회피하는데 있어서 바람직하다. LBO 표면은 통상의 주변의 분위기 조건에 직접 노출될 때에 급속히 열화된다.
도 25a 및 도 25b는 분위기 노출로 인해 열화를 나타내는 비처리된 LBO 광학 구성요소의 표면의 원자간력 마이크로그래프 맵이다.
도 25a는 일반적으로 냉방 장치가 설치된 빌딩에 있어서의 통상의 주변 실험실 분위기에 노출된(1시간 미만 동안) 비코팅된 LBO 광학 구성요소의 표면을 나타낸다. 상기 맵은 결정의 통상의 1미크론×1미크론 정사각형 영역을 나타낸다. 선형의 원통형상의 특징은 일반적으로 연마된 표면에 스크래치를 남긴다. 수많은 승강 범프는 흡습성 LBO 재료의 분위기 노출로 인해 표면 열화의 시작의 표시를 나타낸다. 상기 표면은 대략 0.30nm의 평균 러프니스, Ra를 나타낸다.
도 25b는 동일한 주변 실험실 분위기에의 100시간의 노출 후의 LBO 재료의 동일한 조각의 통상의 1미크론×1미크론 정사각형 영역을 나타낸다. 표면 열화는 실질적으로 진행된 것으로 보여지고-평균 러프니스, Ra는 표면에서 성장한 범프의 증가된 면적 및 높이로 인해 대략 3.58nm까지 증가된다.
도 26a 및 도 26b는 분위기 노출로 인해 감소된 열화를 야기하는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용하여 처리된 LBO 광학 구성요소의 표면의 원자간력 마이크로그래프 맵이다.
도 26a는 도 25a에서 상술한 비코팅된 LBO 광학 구성요소의 동일한 조각의 표면을 나타낸다. 일반적으로 냉방 장치가 설치된 빌딩에 있어서의 주변의 실험실 분위기에의 짧은(1시간 미만 동안) 노출 후에, 표면의 일부가 가속된 중성빔 조사로 처리된다. 조사 단계 후에, 도 26a에 나타낸 조사된 부분의 일부의 원자간력 현미경 이미지가 측정되었다. 상기 맵은 조사 직후에 결정의 조사된 부위의 통상의 1미크론×1미크론 정사각형 영역을 나타낸다. 선형의 원통 형상의 스크래치는 더 이상 나타나지 않고, 상기 표면은 대략 0.26nm의 평균 러프니스, Ra를 나타낸다. 상기 표면의 조사된 부분은 30kV의 VAcc를 이용하여 가속된 아르곤 GCIB로부터 유도되는 중성빔을 이용하여 조사되었다. 상기 중성빔은 5×1018아르곤 원자/㎠의 중립 원자 선량로 조사되었다. 기타 실험은 2.5×1017아르곤 원자/㎠ 만큼 낮은 중립 원자 선량이 효율적(대안적으로, 효율적인 GCIB 선량은 마찬가지의 가속 및 마찬가지의 아르곤 원자의 선량을 제공하는 클러스터 이온 크기 및 선량의 조합을 가짐)인 것을 나타낸다.
도 26b는 동일한 주변 실험실 분위기에의 100시간의 연속 노출 후에 LBO 재료의 동일한 조각의 통상의 1미크론×1미크론 정사각형 영역을 나타낸다. 상기 표면 열화는 매우 적게 진행되고-평균 러프니스, Ra는 대략 0.29nm이다. 중성빔 조사는 수분 흡수 및 열화의 기타 형태에 대해 배리어로서 기능하는 얕은 표면 개질을 야기하여 흡습성 LBO 광학 재료의 기능적으로 유용한 수명을 연장시킨다. 100시간의 분위기 노출의 종료시에, 조사된 표면은 단지 1시간만의 분위기 노출 후의 본래의 재료의 것보다 등가이거나 보다 양호한 품질을 나타낸다.
중성빔 처리로부터 이점을 갖는 다른 응용은 규소 기판 상에서 규소-탄화물 반도체 층으로서 기능하거나 아니면 규소 기판을 개선시키기 위해, 보다 단단하고, 보다 내열성을 갖고, 손상되는 경향이 적고, 보다 내화성이고, 개선된 화학적 성질을 갖고, 상이한 격자 상수를 갖고, 후속의 층 성장의 기반으로서 기능할 수 있고, 후속의 재료의 증착(격자 매칭 또는 개선된 결합)을 위해 기판으로서 기능할 수 있는 표면을 제공하기 위한 규소 기판 상에서의 SiC 또는 SiCX(0.05<X<3) 층의 형성과 관련된다.
도 27a는 단일 결정 규소 기판일 수 있고, 반도체 제조에 사용되도록 고순도일 수 있는 규소 기판(1502)을 나타내는 개략도(1500)이다. 규소 기판(1502)의 두께는 반드시 일정 비율로 도시되어 있지 않다. 중성빔은 빔 소스 재료, 사용되는 빔 가속 전위, 및 빔에 존재(완전히 해리된 중성빔에는 클러스터가 존재하지 않지만)하는 임의의 클러스터의 크기의 범위에 따라 달라지는 관통 특징을 갖는다. 해리된 중성빔은, 예를 들면 대략 약 1~3nm의 통상의 광학 코팅 재료로의 관통 깊이를 갖고, 반면에 클러스터를 함유하는 중성빔은 대략 약 2~20nm(목표 재료 및 빔 파라미터에 따라 달라짐)의 관통 깊이를 가질 수 있다.
도 27b는 중성빔(바람직하게는 해리된 중성빔)인 빔(1512)에 의한 규소 기판(1502)의 조사를 나타내는 개략도(1510)이다. 상기 빔(1512) 특징(가속 전위 및 선량 및 소스 가스를 포함함)은 규소 기판(1502)을 소정의 소망의 깊이로 관통시켜 규소 원자당 탄소원자가 약 0.05~약 3의 C:Si 비율로 이식 영역에 형성되기에 적절한 탄소 원자의 양을 이식하도록 선택된다. 탄소-함유 소스 가스(바람직하게는 메탄)는 빔에 탄소 원자를 제공하기 위해 이용된다. 상기 이식은 바람직한 두께 및 탄소:규소 원자비를 갖는 이식 층(비결정일 수 있음)을 형성한다. 조사된 중성빔 선량 및 가속 전위에 대한 바람직한 범위는, 예를 들면 가스-클러스터 이온으로부터 중성빔 또는 해리된 중성빔을 형성하기 전에 5~50kV 가속 전위를 이용하여 가속되는 가스-클러스터 이온으로부터 형성되는 약 1×1014~약 5×1016탄소 원자/㎠(중립 메탄 클러스터 및/또는 모노머를 포함하는 빔에 대해)이다.
도 27c는 상술의 조사로부터 얻어지는 구조를 나타내는 개략도(1520)이다. 규소 기판(1502)의 표면과 빔의 상호작용은 탄소 및 수소 원자를 규소 기판(1502)에 이식하여 이식 층(1522)을 형성하고, 탄소의 원자와 규소 기판(1502) 이 혼합된다. 층에 탄소 및 규소 원자는 잔존하면서 빔으로부터의 수소 원자는 휘발되고 이식 층을 이탈한다. 상기 이식 층은 탄소 원자에 의해 방해될 수 있고, 탄소:규소 비가 충분히 높은 경우에는 비결정일 수 있다.
도 27d는 열 처리 단계 후에 이식된 층(1522)(도 27c) 상에서의 열 처리(어닐링)의 효과를 도시하는 개략도(1530)이다. 상기 열 처리는 이식 손상을 어닐링하고, 격자 치환 부위로 이식된 탄소를 이동시키기 위해 충분한 온도-시간 처리(공지된 기술에 따라서)를 제공할 수 있는 퍼니스 또는 복사열 장치를 이용하여 아르곤 분위기 또는 기타 불활성 분위기에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 어닐링된 열처리 층(1532)은 실질적으로 결정 형태로 복원된다.
또한, 중성빔 처리의 유리한 다른 용도는 규소 디바이스를 패브리케이팅하는 과정에서, 또는 상기 다바이스를 패브리케이션하는 과정에서 패턴을 투과하기 위한 리소그래피를 이용하고, 탄화물 표면을 형성함으로써 경화되는 기타 재료 및 공정(특히, 제한된 열수지에 의한 마이크로패브리케이션)에 의해 레지스트-레스 리소그래피의 실행 방법에 있어서의 규소 기판 상에의 SiC 또는 SiCX(0.05<X<3) 층의 형성과 관련된다. 도 28a, 도 28b, 도 28c, 도 28d, 도 28e, 도 28f, 및 도 28g는 일부 디바이스의 향상된 마이크로-패브리케이션에 요구되는 바와 같은 포토레지스트의 이용없이 기판 상에 하드 마스크 패턴을 형성하도록 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 이용하는 공정에 있어서의 단계를 나타내는 개략도이다.
도 28a는 반도체 제조 또는 다른 마이크로패브리케이션을 위해 이용되는 단일 결정 규소 기판일 수 있고, 고순도일 수 있는, 예를 들면 규소 기판(1602)을 나타내는 개략도(1600)이다. 규소 기판(1602)의 두께는 반드시 일정한 비율로 도시되어 있지 않다. 컨택트 템플릿(1604)은 규소 기판(1602) 상에 그리고 접촉하여 있다. 컨택트 템플릿(1604)에 있어서의 개구부는 기판(1602)의 후속의 패터닝된 처리를 위한 기판(1602)으로의 이송이 소망되는 패턴을 전달한다.
도 28b는 중성빔(바람직하게는 해리된 중성빔)인 빔(1612)에 의한 규소 기판(1602)의 조사를 나타내는 개략도(1610)이다. 상기 빔(1612) 특징(가속 전위 및 선량 및 소스 가스를 포함함)은 컨택트 템플릿(1604)에 있어서의 개구부를 통과하여 그것이 규소 기판(1602)을 소정의 바람직한 깊이로 관통하고, 이식 영역에서 규소 원자당 탄소 원자(바람직하게는 약 0.5~1.5 규소 원자당 탄소 원자)를 약 0.05~약 3의 C:Si 비로 적절한 탄소 원자의 양을 이식하도록 선택된다. 탄소-함유 소스 가스(바람직하게는 메탄)는 빔에 탄소 원자를 제공하기 위해 사용된다. 상기 이식은 규소 기판(1602) 상에 패터닝된 면적 및/또는 영역(1614)에 있어서의 탄소:규소 원자비 및 소망의 두께를 갖는 이식된 층(비결정일 수 있음)을 형성한다. 조사된 중성빔 선량 및 가속 전위의 범위는, 예를 들면 가스-클러스터 이온으로부터 중성빔 또는 해리된 중성빔을 형성하기 전에 5~50kV 가속 전위를 이용하여 가속되는 가스-클러스터 이온으로부터 형성되는 약 1×1014~약 5×1016탄소 원자/㎠(중립 메탄 클러스터 및/또는 모노머를 포함하는 빔에 대해)이다. 규소 기판(1602) 상에서의 탄소-함유 패터닝된 면적 및/또는 영역(1614)의 형성 후에, 상기 컨택트 템플릿(1604)은 추가적인 처리 전에 제거된다.
도 28c는 패턴 템플릿을 위한 대안 배열을 나타내는 개략도(1620)이다. 컨택트 템플릿보다는 오히려 투영 템플릿(1622)이 빔(1612)을 이용한 규소 기판(1602)의 조사의 조사시에 규소 기판(1602)으로부터 이격된다. 빔(1612)에 있어서의 중립 입자는 템플릿(1622)에 있어서의 개구부를 통과하고, 규소 기판(1602)을 조사하여 이식된 면적 및/또는 영역(1614)을 형성하고, 여기서 규소 기판(1602)을 소정의 소망의 깊이로 관통할 때에 접촉 템플릿(1604)의 개구부를 통과하여 이식된 영역에서 규소 원자당 탄소 원자(바람직하게는 약 0.5~1.5 규소 원자당 탄소 원자)가 약 0.05~약 3의 C:Si비가 되도록 적절한 탄소 원자의 양이 이식된다. 규소 기판(1602) 상에서의 탄소-함유 패터닝된 면적 및/또는 영역(1614)의 형성 후에, 투영 템플릿(1622)이 추가적인 처리 전에 제거된다.
도 28b 또는 도 28c에 도시된 바와 같이 탄소-함유 패터닝된 면적 및/또는 영역의 형성 후에, 기판의 더한 처리를 제어하도록 에칭 마스크로서 이용된다.
도 28d는 상기 도 28b 또는 28c에서 도시된 패터닝으로부터 얻어지는 구조의 후속의 처리를 나타내는 개략도(1530)이다. 2차 빔, 바람직하게는 중성빔 또는 해리된 중성빔(1634)은 면적 및/또는 영역(1614) 및 비조사된 표면 양쪽을 포함한, 기판의 표면을 에칭하기 위해 사용된다. 더욱 단단한 및/또는 더욱 조밀한 면적 및/또는 영역(1614)은 비조사된 표면보다 빔 에칭에 보다 저항성을 갖고, 비조사된 표면은 면적 및/또는 영역(1614)보다 우선적으로(보다 신속히) 에칭된다. 빔(1634)은 중립 및 분리 전에 10~70kV의 가속을 가진 아르곤 GCIB로부터 형성된 아르곤 중성빔 또는 해리된 중성빔인 것이 바람직하다. 이러한 빔은 중성빔 에너지와 SiC의 품질에 따라 통상 약 10:1 또는 20:1인 규소 및 SiC에 대한 차등 에칭 속도를 갖는다. 30kV 가속에 대해, 본 발명자들은 16:1을 측정하였고, 50kV 가속에 대해, 본 발명자들은 약 8:1(Si:SiCX 각각의 비)을 측정하였다. 도 28d에 도시된 바와 같이, 상기 빔(1634)에 의한 에칭은 규소 기판(1602)에 있어서의 트렌치(1632)를 생성하도록 제어되고, 반면에 더욱 단단한 및/또는 더욱 조밀한 면적 및/또는 영역(1614)을 최소로 에칭한다.
도 28e는 도 28d에 도시된 것의 대안의 에칭 기술을 도시하는 개략도(1640)이다. 도 28e에 있어서, 에칭 빔(1642)은 더욱 단단한 및/또는 더욱 조밀한 면적 및/또는 영역(1614)과 떨어져서 완전히 에칭되어, 플라토(1644) 및 트렌치(1632)는 남겨두고, 이들 양쪽이 순수 기판(1602) 재료로 이루어지는 상부 표면을 갖도록 제어된다. 아르곤 중성빔 또는 해리된 중성빔을 이용한 에칭이 기재되어 있지만, Si:SiC에 대해 양호한 차등 에칭 속도를 갖는 임의의 종래의 에칭 방법이 트렌치(1632)를 형성하기 위해 이용될 수 있는 것이 이해된다.
도 28f는 트렌치 에칭 후의 산화물 형성의 단계를 나타내는 개략도(1650)이다. 종래의 (바람직하게는 저온) 방법은 플라토(1644) 및 트렌치(1632)를 오버레이하는 기판(1602) 상에서 이산화규소층(1652)을 형성하기 위해 이용된다. 상기 이산화규소층(1652)의 두께는 트렌치(1632)의 깊이보다 약간만 두꺼운 것이 바람직하지만, 필수적인 것은 아니다. 이산화규소보다 다른 재료가 이용될 수 있고, 후속의 처리를 위해 하드 마스크와 같이 양호하게 행해질 수 있는 비오염 재료인 것이 요구된다. 산화물 형성 후에, 기판 표면은 CMP(화학적 기계 연마) 등의 종래의 공정을 이용하여 평탄화된다.
도 28g는 CMP 평탄화 후의 구성을 도시하는 개략도(1660)이다. 하드 마스크 영역(1664)은 표면 평탄화 구성에 있어서의 노출된 규소 기판(1602) 재료의 면적(1662)으로 대체된다. 일부 상황에 있어서, 강화된 규소 아일랜드가 바람직할 수 있고, 이것은 규소가 후속 패터닝의 공정에서 노출되는 최종 단계일 수 있다. 다른 공정에 있어서, 상부 규소 표면은 하드 마스크 영역(1664)의 저부와 평면인 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에는, 추가적인 에칭이 요구된다.
도 28h는 추가적인 에칭 스텝 후의 구성을 도시하는 개략도(1670)이다. 산화물보다 더욱 신속히 규소를 에칭하는데 양호한 차등 에칭 속도를 갖는 종래의 에칭 속도가 이용된다. 예는, 예를 들면 Cl2 또는 CCl2F5 또는 마찬가지의 플라스마 재료에 의한 플라스마 에칭이다. 규소 기판(1602)의 상부 표면의 평탄화의 발생에 맞춰서 에칭 엔드-포인트를 제어함으로써, 하드 마스크(1664)에 있어서의 개구부의 규소의 표면(1672)이 규소 기판(1602)의 상부 표면과 평면이 되고, 도시된 구성이 얻어진다.
도 15a, 도 15b, 도 15c, 도 17, 도 19a 및 도 19b의 설명과 관련하여 본 명세서에서 교시된 바와 같이, 가속된 중성빔(바람직하게는 해리된 또는 완전히 해리된 중성빔)이 처리된 층과 처리되지 않은 층 사이에 예외적으로 매끄러운 계면 영역을 갖는 얕은 표면층을 비정질화 및/또는 산화시키기 위해 사용될 수 있다. 처리된 층은 미처리된 재료를 에칭하기 위해 비활성이거나 활성이 높지 않은 에칭제를 사용하여 화학적 에칭에 보다 민감해질 수 있도록 개질된다. 따라서, 중성빔에 의해 처리된 재료를 제거할 수 있지만 중성빔의 침투 깊이 이하의 미처리된 재료를 에칭 정지층으로서 이용할 수 있는 차등있는 에칭 공정이 가능하여, 현저한 언더컷 또는 다른 방향의 에칭 영향없이 균일하고, 제어 가능한 얕은 에칭을 가능하게 한다. 가속된 중성빔이 유도되는 가속된 GCIB를 형성하기 위한 소스 가스로서 아르곤 또는 다른 불활성 가스가 사용될 수 있다. 상기 공정은 완전히 또는 본질적으로 완전히 분해된 중성빔(GCIB로부터 유도되는 가속된 중성 모노머빔)이 사용될 때에, 기판 재료의 조사된 영역과 조사되지 않은 영역 사이의 매끄러운 계면 영역을 형성하는데 가장 효과적이다. 본 발명자들에 의해 중성빔에 산소를 혼입시키거나 중성빔이 조사된 층 내로 산화 정도를 배열하여 기판 재료의 처리된 부분과 미처리된 부분 사이의 에칭 속도에 있어서의 더 큰 차이를 가능하게 하는 것이 유용하다는 것이 일반적으로 발견되었다. 본 기술은 금속, 반도체 및 유전체 기판 재료에 성공적으로 사용되어 왔다.
도 29a, 도 29b, 도 29c, 도 29d 및 도 29e는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 사용하여 일부 장치의 진보된 마이크로패브리케이션에 요구되는 재료에 제어된 극히 얕은 에칭 영역을 형성하기 위한 프로세스의 일 실시형태의 단계를 나타내는 개략도이다.
도 29a는 제어된 얕은 에칭을 위한 기판(1702)의 개략도(1700)이다. 구리 금속, 규소(반도체) 및 질화규소(SiN, 유전체)의 기판은 동일하게 성공적인 결과로 테스트되었다.
도 29b는 마이크로전자 또는 마이크로기계 에칭 프로세스에 종종 요구되는 패터닝된 에칭을 위한 빔 노출을 제어하기 위해 마스크(1714)를 적용하는 임의의 단계 후의 기판(1702)을 나타내는 개략도(1710)이다. 마스크(1714)는, 예를 들면 포토레지스트 또는 하드 마스크일 수 있다. 마스크(1714)로 피복되지 않은 기판(1702)의 개구 영역(1713)은 중성빔 조사 및 다른 처리를 위해 노광된다.
도 29c는 해리된 중성빔(1726)을 갖는 마스크(1714)의 개구 영역(들)(1713)을 통해 기판(1702)을 조사하는 단계를 나타내는 개략도(1720)이다. 하나의 예시적인 경우(비제한적임)에 있어서, 중성빔은 기판(1702) 상에 약 3nm의 두께의 개질층(1728)을 제공하도록 선택된 선량으로 10kV 전위에 의해 가속되는 가속된 GCIB로부터 형성된 완전히 해리된 중성 모노머빔이었다. 가속 잠재력, 중성빔을 형성하는데 사용되는 GCIB에 대한 소스 가스의 선택, 및 조사된 선량은 모두 개질층(1728)의 깊이에 영향을 미치며, 이들 파라미터는 소망의 두께의 개질층(1728)을 제공하는 통상적인 실험에 의해 용이하게 선택될 수 있다. 선택된 결과는 반복 가능하다. 경험적으로, 1~20원자 퍼센트의 범위 내에 빔에 산소를 포함시키는 것은 개질층(1728)과 기판(1702) 사이에 보다 큰 차등 에칭 속도를 생성하게 한다는 것이 본 발명자들에게 나타내어졌다. 이 예에 있어서, 대략 5원자 퍼센트 산소의 아르곤과 산소의 혼합물이 GCIB 소스 가스에 사용되었다. 이 조사 단계 후에, 표면이 화학적으로 에칭된다. 구리, 규소, 및 SiN 기판의 경우에 있어서, 예를 들면 플루오르화수소산의 1% 수용액이 성공적으로 사용되면 개질층(1728)이 공정이 비개질 기판(1702) 상에서 정지할 때까지 에칭될 수 있다. 또한, 플루오르화수소산 및 기타 플루오르화수소산를 함유하는 다른 에천트의 수용액의 다른 농도가 효과적인 것으로 알려져 있다. 본 발명자들은 이 동일한 처리 방법을 이용하여 상이한 화학 에천트를 상이한 기판 재료 상에 사용할 수 있는 것으로 이해한다.
도 29d는 화학적 에칭 완료 후에 에칭된 기판(1732)을 나타내는 개략도(1730)이다. 극히 얕은 에칭된 영역(1734)이 에칭된 기판(1732)에 형성되었다. 극히 얕은 에칭된 영역(1734)의 깊이는 3nm의 두께로 중성빔의 조사 깊이를 갖는다. 극히 얕은 에칭된 영역(1734)의 상부 표면은 약 8Å(0.8nm)의 평균 러프니스(Ra)를 가져 매우 매끄럽다. 마스크는 에칭된 기판(1732)의 표면으로부터 제거되거나 탈리될 수 있다.
도 29e는 마스크의 탈리 후에 완성된 에칭된 기판(1732)을 나타내는 개략도(1740)이다.
이(상기) 예에 있어서, 아르곤과 산소 소스 가스가 사용되었다. 또한, 아르곤 단독 또는 다른 불활성 가스가 이 공정에서 효과적인 것으로 나타내어졌지만, 개질층에의 산소의 포함은 전형적으로 많은 재료에 대해 개질층과 비개질 기판 사이에 보다 큰 차등 에칭 속도를 제공한다.
도 30a, 도 30b, 도 30c, 도 30d, 도 30e 및 도 30f는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 사용하여 일부 장치의 진보된 마이크로패브리케이션에 요구되는 재료에 제어된 극히 얕은 에칭 영역을 형성하기 위한 프로세스의 대안적인 실시형태의 단계를 나타내는 개략도이다. 이 공정은 중성빔 조사 영역의 직접 산화를 이용한다.
도 30a는 제어된 얕은 에칭을 위한 기판(1802)의 개략도(1800)이다. 구리 금속, 규소(반도체) 및 질화규소(SiN)의 기판은 동일하게 성공적인 결과로 테스트되었다.
도 30b는 마이크로전자 또는 마이크로기계 에칭 공정에 종종 요구되는 패터닝된 에칭에 있어서 빔 노출을 제어하기 위해 마스크(1814)를 적용하는 임의의 단계 후의 기판(1802)을 나타내는 개략도(1810)이다. 마스크(1814)는, 예를 들면 포토레지스트 또는 하드 마스크일 수 있다. 마스크(1814)에 의해 피복되지 않은 기판(1802)의 개구 영역(들)(1812)은 중성빔 조사 및 다른 처리를 위해 노광된다.
도 30c는 해리된 중성빔(1826)을 갖는 마스크(1814)의 개구 영역(들)(1812)을 통해 기판(1802)을 조사하는 단계를 나타내는 개략도(1820)이다. 하나의 예시적인 경우(제한없음)에 있어서, 중성빔은 기판(1802) 상에 약 3nm의 두께의 개질층(1828)을 제공하도록 선택된 선량으로 10kV 전위에 의해 가속되는 가속된 GCIB로부터 형성된 완전히 해리된 중성 아르곤 모노머빔이었다. 가속 잠재력, 중성빔을 형성하는데 사용되는 GCIB에 대한 소스 가스의 선택, 및 조사된 선량은 모두 개질층(1828)의 깊이에 영향을 미치며, 이들 파라미터는 개질층(1828)의 소망의 두께를 제공하기 위한 통상적인 실험에 의해 용이하게 선택될 수 있다. 선택된 결과는 반복 가능하다. 경험적으로, 본 발명자들에 의해 개질층(1828)에 산소를 포함하는 것은 개질층(1828)과 기판(1802) 사이에 더 큰 차등 에칭 속도를 생성시키는 것이 나타내어졌다.
도 30d는 산화 분위기(1832)에 조사된 아르곤 중성빔의 노광에 의해 형성된 산화된 개질층(1838)의 형성을 나타내는 개략도(1830)이다. 개질층(1828)은 매우 얕기 때문에, 가스의 혼합물을 함유하는 산소에의 노광에 의해 용이하게 산화된다. 산화 분위기는 통상의 지구 대기일 수 있거나, 아르곤 및 산소와 같은 불활성 가스의 혼합물일 수 있다. 5~50% 산소 범위의 산소 혼합물이 효과적인 것으로 나타났다. 조사된 개질층을 10분 동안 지구의 대기에 노출시키는 것은 소망의 정도의 산화를 제공하기에 적합하다. 이 산화 단계 후에, 표면은 화학적으로 에칭된다. 구리, 규소 및 SiN 기판의 경우에 있어서, 플루오르화수소산의 1% 수용액이 성공적으로 사용되면 산화된 개질층(1838)의 에칭이 공정이 비개질 기판(1802) 상에서 정지할 때까지 에칭된다. 본 발명자들은 이 동일한 처리 방법을 이용하여 상이한 화학 에천트가 상이한 기판 재료 상에 사용될 수 있는 것으로 이해한다.
도 30e는 화학적 에칭 완료 후의 에칭된 기판(1842)을 나타내는 개략도(1840)이다. 극히 얕은 에칭 영역(1844)이 에칭된 기판(1842)에 형성되었다. 극히 얕은 에칭 영역(1844)의 깊이는 3nm의 두께로 중성빔의 조사 깊이를 갖는다. 극히 얕은 에칭 영역(1844)의 상부 표면은 10Å(1nm) 미만의 평균 러프니스(Ra)를 가져 매우 매끄럽다. 마스크(1814)는 에칭된 기판(1842)의 표면으로부터 제거되거나 탈리될 수 있다.
도 30f는 마스크의 탈리 후에 완성된 에칭된 기판(1842)을 나타내는 개략도(1850)이다.
도 31a, 도 31b, 도 31c, 도 31d, 도 31e, 및 도 31f는 GCIB로부터 유도되는 가속된 중성빔을 사용하여 일부 장치의 진보된 마이크로패브리케이션에 요구되는 재료에 제어된 극히 얕은 에칭 영역을 형성하기 위한 프로세스의 또 다른 대안적인 실시형태의 단계를 나타내는 개략도이다. 상기 공정은 불활성 중성빔을 사용하여 표면 산소를 조사된 영역으로 유도한다.
도 31a는 제어된 얕은 에칭에 대한 기판(1902)의 개략도(1900)이다. 구리 금속, 규소(반도체) 및 질화규소(SiN)의 기판은 동일하게 성공적인 결과로 테스트되었다.
도 31b는 마이크로전자 또는 마이크로기계 에칭 공정에 종종 요구되는 패터닝된 에칭을 위한 빔 노출을 제어하기 위해 마스크(1912)를 적용하는 임의의 단계 후의 기판(1902)을 나타내는 개략도(1910)이다. 마스크(1912)는, 예를 들면 포토레지스트 또는 하드 마스크일 수 있다. 마스크(1912)에 의해 피복되지 않은 기판(1902)의 개구 영역(들)(1914)은 중성빔 조사 및 다른 처리를 위해 노광된다.
도 31c는 개구 영역(들)(1914)의 표면 상에, 그리고 선택적으로 마스크(1912) 상에 형성된 산소 함유층(1922)의 얇은 코팅의 형성을 나타내는 개략도이다. 산소 함유층(1922)은 산소 함유층의 상당한 분압을 함유하는 분위기에 상기 개구 영역(들)(1914)의 표면 및 선택적인 마스크(1912)의 표면을 노광시킴으로써 형성되는 산소 함유 재료(예를 들면, O2, 과산화수소 또는 수증기, 제한하지 않음)의 5개 미만의 몇몇 단층의 층이다. 이러한 조건 하에서, 수개의 단층의 산소 함유층(1922)이 수초 내에 형성된다. 산소 함유층(1922)은 매우 얇기 때문에, 후속의 중성빔 조사에 의해 표면으로 용이하게 도입되어 조사에 의해 형성된 층에 산소를 제공한다.
도 31d는 해리된 중성빔(1932)을 갖는 마스크(1912)의 산소 함유층(1922) 및 개구 영역(들)(1914)을 통해 기판(1902)을 조사하는 단계를 나타내는 개략도(1930)이다. 하나의 예시적인 경우(제한없음)에 있어서, 중성빔은 기판(1902) 상에 약 3nm의 두께의 개질층(1934)을 제공하도록 선택되는 선량으로, 10kV 전위에 의해 가속되는 가속된 GCIB로부터 형성된 완전히 해리된 중성 아르곤 모노머빔이었다. 가속 잠재력, 중성빔을 형성하는데 사용되는 GCIB에 대한 소스 가스의 선택, 및 조사된 선량은 모두 개질층(1934)의 깊이에 영향을 미치고, 이들 파라미터는 개질층(1934)의 소망의 두께를 제공하는 통상적인 실험에 의해 용이하게 선택될 수 있다. 선택된 결과는 반복 가능하다. 이 조사 단계 후에, 표면은 화학적으로 에칭된다. 구리, 규소 및 SiN 기판의 경우에 있어서, 플루오르화수소산의 1% 수용액이 성공적으로 사용되면 개질층(1934)의 에칭이 공정이 비개질 기판(1902) 상에서 정지할 때까지 에칭된다. 본 발명자들은 이 동일한 처리 방식을 이용하여 상이한 화학 에천트가 상이한 기판 재료 상에 사용될 수 있는 것으로 이해한다.
도 31e는 화학 에칭 완료 후의 에칭된 기판(1942)을 나타내는 개략도(1940)이다. 극히 얕은 에칭 영역(1944)이 에칭된 기판(1942)에 형성되었다. 극히 얕은 에칭된 영역(1944)의 깊이는 3nm의 두께로 중성빔의 조사 깊이를 갖는다. 극히 얕은 에칭 영역(1944)의 상부 표면은 10Å(1nm) 미만의 평균 러프니스(Ra)를 가져 매우 매끄럽다. 마스크(1912)는 에칭된 기판(1942)의 표면으로부터 제거되거나 탈리될 수 있다.
도 31f는 마스크의 탈리 후에 완성된 에칭된 기판(1942)을 나타내는 개략도(1950)이다.
본 발명의 실시형태는 흡습성 LBO 광학 재료에 대하여 설명되었지만, 광학 및 다른 응용에 사용될 수 있는 다른 흡습성 결정 재료에도 동등하게 적용 가능하다는 것이 본 발명자들에 의해 이해된다. 예를 들면, 흡습성 탈륨-도핑된 요오드화나트륨 결정 및 약간 흡습성의 탈륨 또는 나트륨-도핑된 요오드화세슘 결정은 감마선 섬광 분광학에서 사용되며 수분 흡수로 인해 분해될 수 있다. 이러한 분해는 조사에 의해 지연되거나 감소될 수 있다. 상술한 예는 LBO의 중성빔 조사를 이용하였지만, 낮은 전기 도전성을 갖는 재료의 경우에는 중성빔 조사가 바람직할지라도 또한 GCIB 조사가 효과적으로 적용될 수 있다는 것이 본 발명자들에 의해 이해된다. 또한, 흡습성 재료의 표면 분해를 감소시키기 위한 조사에 앞서 GCIB 또는 중성빔의 전처리를 이용하여 표면을 평활하게 하고, 현존하는 표면 분해를 제거하는 것이 유용할 수 있다는 것도 본 발명자들에 의해 이해된다.
본 발명의 실시형태는 규소 반도체 재료에 대하여 설명되어 있지만, 본 발명자들에 의해, 게르마늄을 포함하는 기타 반도체 재료 및 제한없이 그룹 III-V 및 그룹 II-VI 및 관련된 재료를 포함하는 화합물 반도체에 동일하게 적용될 수 있는 것으로 이해되고, 본 발명의 범위는 이들 재료를 포함하고자 하는 것으로 의도된다. 본 발명자들에 의해, 본 발명의 실시형태는 규소 반도체 웨이퍼를 사용함으로써 이러한 평활화, 에칭, 필름 성장, 필름 증착, 비결정화, 및 도핑을 공정하는데 유용한 예시적 목적을 위해 나타내어지지만, 본 발명자들에 의해, 본 발명의 이점은 베어 반도체 표면에서 행해지는 공정에만 제한되는 것은 아니고, 종래의 최신 기술을 이용하여 규소 기판, 기타 반도체 기판, 및 기타 재료의 기판 상에 일반적으로 구축되는 전기 회로, 전기 디바이스, 광학 소자, 집적 회로, 마이크로-전기 기계 시스템(MEMS) 디바이스(및 그들의 일부) 및 기타 디바이스의 처리 부분에 동일하게 유용한 것이 이해되며, 본 발명의 범위는 이러한 응용을 포함하는 것으로 의도되는 것으로 이해된다.
전기 충전-프리 처리에 본 발명의 중성빔을 적용하는 것의 이점은 절연 약물 코팅, 산화물 및 질화물 등의 유전체 필름, 절연 부식 억제 코팅, 폴리머, 유기 필름, 유리, 세라믹 등의 각종 전기적으로 절연된 재료 및/또는 비전기적으로 도전되는 재료에 대하여 기재되어 있지만, 본 발명자들에 의해, 열악한 또는 낮은 전기 도전성의 재료는 모두 이온빔, 플라스마 등과 같은 전하 이송 처리 기술을 이용한 처리의 대체로서 본원에 개시된 중성빔을 이용하여 얻어지는 이점일 수 있는 것이 이해된다. 본 발명자들에 의해, 중성빔 처리는 그것의 감소된 충전 특징뿐만 아니라 전기적으로 도전성인 많은 재료를 처리하는데 있어서 이점이 있고, 중성빔 처리, 특히 중립 모노머 빔 처리의 다른 이점은 금속 및 높은 도전성 재료에 있어서도, 처리된 영역과 하부 비처리된 영역 사이에 적은 표면 손상, 더욱 양호한 평활화, 및 스무더 인터페이스를 생산한다는 것이 더욱 이해된다. 본 발명의 범위는 이러한 재료의 처리를 포함하는 것으로 의도된다.
전기 전하-프리 처리에 대해 본 명세서에 개시된 중성빔의 적용의 이점은 각종 절연 재료 및/또는 비전기적 도전성 재료를 처리하는 것에 대하여 기재되어 있지만, 본 발명자들에 의해, 코팅 또는 층의 형태 또는 절연층 위에 놓이거나 절연 기판 위에 배치된 기타 형태로 존재하는 전기적으로 도전성 재료, 반도체 재료, 또는 약간 도전성 재료의 처리과 동등하게 적용되고, 여기서 적어도 약간 도전성인 재료는 전하 이송 처리 기술을 이용하여 처리됨으로써 유도될 수 있는 표면 전하를 제거하기 위한 기타 경로 또는 안정적인 접지 접속을 갖지 않는다는 것이 이해된다. 이러한 경우에 있어서, 처리시에 적어도 약간 도전성인 재료의 충전은 이들 재료 또는 하부 절연 재료에 대해 손상을 야기할 수 있다. 충전 및 손상은 본 발명의 중성빔 처리를 이용함으로써 회피될 수 있다. 본 발명자들에 의해, 본 발명의 범위는 적어도 약간 도전성인 재료가 절연 재료로 오버레이되는 이러한 비유사한 재료 배열의 처리를 포함하는 것으로 의도된다.
광학 재료를 평탄화시키기 위해 본 발명의 중성빔을 적용하는 이점은 비결 정성 재료인 코닝 타입 0211 광학 유리의 처리와 관련하여 설명되었지만, 본 발명자들에 의해 전하-프리 중성빔 처리의 이점은 유리, 석영, 사파이어, 다이아몬드, 및 기타 경질의 투명한 광학 재료(광학 요소 또는 원석[천연 또는 합성] 재료로 사용됨)를 제한없이 포함하는 비정질 또는 결정질의 다른 광학 재료를 처리하는데 동일하게 적용되는 것이 이해된다. 또한, 본 발명자들에 의해 중성빔 처리가 이러한 재료에 광학 코팅을 적용하고, 굴절률과 같은 이러한 재료의 광학 특성에 영향을 미치는데 사용될 수 있는 것이 이해된다. 본 발명의 범위는 본 발명자들에 의해 광학 및 원석 용도로의 이러한 재료의 처리를 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명은 각종 실시형태에 대해서 기재되어 있지만, 또한 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 다른 및 기타 실시형태가 가능한 것으로 이해되어야 한다.

Claims (23)

  1. 감압 챔버를 제공하고,
    상기 감압 챔버 내에 가스 클러스터 이온을 포함하는 가스 클러스터 이온빔을 형성하는 단계;
    상기 가스 클러스터 이온을 가속하여 상기 감압 챔버 내의 빔 경로를 따라 가속된 가스 클러스터 이온빔을 형성하는 단계;
    상기 빔 경로를 따라 상기 가속된 가스 클러스터 이온의 적어도 일부의 분열 및/또는 해리를 촉진하는 단계;
    상기 빔 경로로부터 하전된 입자를 제거하여 상기 감압 챔버 내의 상기 빔 경로를 따라 가속된 중성빔을 형성하는 단계;
    상기 빔 경로에 상기 기판을 유지하는 단계;
    상기 가속된 중성빔을 조사함으로써 상기 기판의 표면의 일부를 처리하여 상기 표면의 조사된 부분 상에 얕은 개질층을 형성하고, 상기 얕은 개질층은 그 아래의 비개질 기판을 오버레이하는 단계;
    상기 얕은 개질층을 갖는 상기 표면을 에칭하여 우선적으로 상기 표면 상에서 상기 얕은 개질층의 재료를 제거하고, 상기 에칭은 그 아래의 비개질 층에서 정지하는 단계를 포함하는 기판 표면의 제어된 미세 에칭 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제거 단계는 필수적으로 상기 빔 경로로부터 모든 하전된 입자를 제거하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제거 단계는 완전히 해리된 가속된 중성빔을 형성하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 단계는 패터닝된 템플릿의 개구부를 통해 상기 기판을 조사하고, 상기 얕은 개질층이 패터닝되는 것을 포함하고, 또한 상기 에칭 단계는 상기 기판 상에 에칭된 패턴을 생성하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 패터닝된 템플릿은 상기 기판의 표면과 접촉하는 하드 마스크 또는 포토레지스트 마스크인 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉진 단계는 상기 가속된 가스 클러스터 이온빔에 있어서의 이온의 속도의 범위를 증가시키는 것을 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉진 단계는 상기 감압 챔버에 상기 가스 클러스터 이온빔을 형성하는데 사용되는 하나 이상의 가스상 요소를 도입하여 상기 빔 경로를 따라 압력을 증가시키는 것을 포함하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 에칭 단계는 상기 얕은 개질층 및 상기 비개질 기판에 대해 차등 에칭 속도를 갖는 적합한 화학 에천트를 이용하여 행해지는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 화학 에천트는 플루오르화수소산을 포함하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 단계는 상기 기판을 스캐닝하여 상기 가속된 중성빔으로 상기 표면의 연장된 부분을 처리하는 것을 더 포함하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 표면은 금속, 반도체, 또는 유전체 재료를 포함하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 얕은 개질층은 6nm 이하의 깊이를 갖는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 얕은 개질층은 약 1nm~약 3nm의 두께를 갖는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 클러스터 이온은 아르곤 또는 다른 불활성 가스를 포함하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스 클러스터 이온은 산소를 더 포함하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 조사 단계 전에 상기 기판의 일부 상에 산소 함유층을 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 산소 함유층은 5 단층 두께 미만인 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 가속 단계는 5~50kV의 전위에 의해 상기 가스 클러스터 이온을 가속하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 얕은 개질층은 비정질층 또는 산화층인 방법.
  20. 6nm 이하의 깊이로 패터닝된 에칭된 피처를 포함하는 기판의 에칭된 반도체 또는 금속 또는 유전체 표면.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 피처는 3nm 이하의 깊이를 갖는 물품.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 피처는 10Å(1nm) 미만의 평균 러프니스(Ra)를 갖는 물품.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 패터닝된 에칭된 피처는 가스 클러스터 이온빔으로부터 형성된 가속되고 집속된 중성빔을 사용하여 상기 기판보다 높은 에칭 속도를 갖도록 하는 방법.
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