KR20190100075A

KR20190100075A - 이온 빔 에칭을 위한 플라즈마 브릿지 중화기

Info

Publication number: KR20190100075A
Application number: KR1020190019817A
Authority: KR
Inventors: 루스탐 에브투코브; 이반 쉬쿠렌코브; 보리스 드루즈; 알란 해이스; 로버트 히에로니미
Original assignee: 비코 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2019-08-28
Also published as: CN110176381A; TW201941240A; US20190259559A1

Abstract

이온 빔 (에칭) 시스템의 일부로서, 플라즈마 브리지 중화기(PBN)라고도 하는 이온 빔 중화 시스템.　 상기 시스템은 개선된 필라멘트 열-전자 방출기 PBN 디자인을 이용하여, 특정 작동 방법에서 이용되면, 필라멘트 수명이 크게 연장되고 오랜 작동 기간 동안 중화기 작동 파라미터들의 변화가 최소화된다.　 PBN은 PBN 내에 축 자기장을 생성하는 솔레노이드 전자기, 및 자기장의 정렬을 용이하게 하고 표유 전자계(stray fields)를 억제하는 자기 집중기를 포함한다.　 PBN은 적어도 500 시간의 필라멘트 수명을 손쉽게 제공할 수 있다.

Description

이온 빔 에칭을 위한 플라즈마 브릿지 중화기{PLASMA BRIDGE NEUTRALIZER FOR ION BEAM ETCHING}

본 출원은 2018년 2월 20일자로 출원된 미국 가출원 62/632,984의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 모든 목적을 위해 본원에 참고로 인용된다.

이온 빔 에칭(ion beam etching)은 웨이퍼(wafer)와 같은 기판으로부터 재료의 작은(예를 들어, 나노미터 스케일(nanometer scale)) 양을 제거하는 방법이다. 흔히, 포토레지스트(photoresist) 또는 하드 마스크(hard mask)와 같은 패턴화된 마스크(patterned mask)가 표면에 도포된 다음, 마스크된 재료(masked material)를 남기면서, 마스크되지 않은 재료(unmasked material)를 제거하기 위해 이온 빔 에칭이 사용된다.

이러한 에칭에 사용된 이온 빔은 본질적으로 양전하(positive charge)를 가진다. 더 나은 처리를 위해, 양으로 차징된 이온 빔(positively charged ion beam)은 전자의 첨가에 의해 중화된다.

본 개시는 이온 빔 (에칭) 시스템의 일부로서 종종 플라즈마 브릿지 중화기(PBN: plasma bridge neutralizer)로 지칭되는 이온 빔 중화 시스템(ion beam neutralization system)에 관한 것이다. 상기 시스템은 필라멘트 열-전자 방출기 PBN 디자인(filament thermo-electron emitter PBN design)을 이용하여, 특정 작동 방법에서 이용될 때, 필라멘트 수명을 크게 연장하고 장시간 작동시 중화기 작동 파라미터(neutralizer operating parameters)의 변화를 최소화한다. 일반적으로, 프로세스 성능 또는 수율에 영향을 줄 수 있으므로 작동 중 파라미터 변화(changes)는 바람직하지 않다.

필라멘트 열-전자 방출기 디자인은 100mm, 150mm 및 300mm 직경을 포함하되 이에 제한되지 않는, 300mm 직경까지의 치수의 노출된 기판에서 100mA 이상의 빔 전류와 같은 이온 빔을 중성화하는데 효과적인 저에너지 전자(low energy electrons)의 높은 플럭스(flux)를 제공한다. 기판의 영역에 걸친 중화(neutralization)의 균일성은 기판상의 임의의 주어진 위치에서의 중화 수준보다 중요하지는 않더라도 중요하다. 프로세스 공간에서의 표유(stray) 및/또는 불균일 자기장과 같은 중화 수준의 현저한 차이는 에치 결과(etch results)의 편차로 인한 최종 수율을 감소시키거나 전하 손상을 초래할 수 있다. PBN 디자인은 이온 및/또는 기판 표면의 "전체(full)" 중화를 가능하게 하고, 일부 구현에서는 음의 표면 차징(negative surface charging)을 제공한다.

일부 구현에서, PBN은 축방향 자기장(axial magnetic field)을 생성하는 솔레노이드 전자석(solenoidal electromagnet) 및 자기장 집중기(magnetic field　concentrator)를 포함한다. 이렇게 생성된 자기장은 출구 오리피스(exit orifice)를 통해 이온 빔 시스템의 프로세스 챔버(process chamber)로 전자를 PBN 밖으로 인도함으로써 PBN으로부터의 저에너지 전자의 디스차지(discharge)의 효율을 크게 향상시킨다. 자기장 집중기는 또한 자기장이 프로세스 챔버 및 둘러싼 공간(surrounding space)으로 누설(leakage)되는 것을 억제(inhibits)한다; 자기장의 누설은 기판 위치에서 및/또는 챔버 내의 이온 빔의 중화의 정도 및 균일성을 방해할 수 있다.

본 명세서에 설명된 이온 빔 시스템 및 PBN은 예를 들어 스퍼터링(sputtering) 및 증발(evaporation)로 인해 필라멘트의 물리적 치수의 임의의 변화가 억제되도록 하는 조건에서 작동될 수 있다. 필라멘트가 최소한이라도 변화되기 때문에, 필라멘트 수명이 연장될 뿐만 아니라 필라멘트를 이용하는 이온 빔 시스템의 작동 파라미터는 오랜 기간 동안 본질적으로 일정할 수 있다.

하나의 특정 구현에서, 본 개시는 저에너지 이온의 브로드 이온 빔(broad ion beam)을 제공하는 이온 빔 생성기(ion beam generator) 및 저에너지 이온을 중화시키기 위한 저에너지 전자를 제공 또는 생성하기 위한 필라멘트 방출기 PBN(filament emitter PBN)를 갖는 브로드 이온 빔 시스템(broad ion beam system)을 제공한다. PBN은 전자를 생성하기 위한 내부에 필라멘트를 갖는 챔버(chamber), 저에너지 전자로서 챔버로부터 전자를 방출하기 위한 중심 방출 오리피스(centered discharge orifice), PBN의 축에 평행한 챔버 내에서 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기(magnetic field generator), 및 PBN을 둘러싸고 중심 디스차지 오리피스와 정렬된 개구(aperture)을 갖는 자기 집중기(magnetic concentrator) - 상기 자기 집중기는 PBN으로부터 자기장이 빠져나가는 것(exiting)을 억제함 -을 포함한다.

또 다른 특정 구현에서, 본 개시는 저에너지 전자를 생성시키기 위한 플라즈마 브릿지 중화기(PBN)를 갖는 브로드 이온 빔 시스템을 제공한다. PBN은 챔버 전원(chamber power source)에 작동 가능하게 연결된 플라즈마 생성 챔버(plasma generation chamber) - 상기 챔버는 중심 챔버 오리피스(centered chamber orifice)를 갖는 바닥 구조(floor structure) 및 벽 구조(wall structure)에 의해 정의된 내부 용적(interior volume)을 가짐 -, 상기 내부 용적에 작동 가능하게 연결된 불활성 가스 소스(inert gas source), 상기 내부 용적 내에 있고 필라멘트 전원(filament power source)에 작동 가능하게 연결된 필라멘트(filament), 상기 내부 용적 내에 축방향 자기장을 생성시키는 챔버의 벽 구조에 근접한 솔레노이드 전자석(solenoidal electromagnet), 및 사익 내부 용적의 적어도 일부를 둘러싸고 중심 디스차지 오리피스와 정렬된 개구를 갖는 자기 집중기를 포함한다.

또 다른 특정 구현에서, 본 개시는 이온 빔 에칭 시스템에 저에너지 전자를 제공하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 프로세스 챔버(process chamber)에서 이온 빔을 생성하는 단계 - 상기 이온 빔은 적어도 100mm의 직경 및 전류를 가짐 -, 플라즈마 브릿지 중화기(PBN)의 필라멘트로부터 전자를 생성하는 단계, 필라멘트와 축 방향으로 정렬된 상기 PBN 내에 자기장을 생성하는 단계, 상기 PBN으로부터 저에너지 전자를 추출하는 단계 - 상기 저에너지 전자는 상기 이온 빔 전류보다 더 큰 전류를 가짐 -, 및 상기 PBN 주위에 자기 집중기를 구비한 상기 PBN 내에 상기 자기장을 유지시켜, 상기 집중기의 외부의 상기 프로세스 챔버에서의 자기장이 2가우스(Gauss) 보다 작도록 하는 단계를 포함한다.

또 다른 특정 구현에서, 본 개시는 플라즈마 브릿지 중화기(PBN) 및 저에너지 이온의 와이드 이온 빔을 제공하는 이온 소스(ion source)를 갖는 브로드 이온 빔 시스템, 전자를 제공하는 필라멘트 방출기, PBN의 축에 평행한 자기장을 생성하는 솔레노이드 전자석, 및 상기 PBN의 내부 용적의 대부분을 둘러싸고 상기 PBN으로부터 저에너지 전자를 방출하기 위한 중심 디스차지 오리피스와 정렬된 개구를 갖는 자기 집중기를 제공한다. 내부 용적 내의 자기장은 집중기로 인해 PBN을 떠나지 않아, 저에너지 전자가 이 모션(motion)의 자기 파괴없이 이온 빔으로 자유롭게 이동할 수 있다.

일부 구현에서, 와이드 이온 빔은 적어도 300mm의 직경을 가지며, 일부 구현에서는 500mm이고, 저에너지 이온은 300eV보다 크지 않은 에너지를 갖는다. 일부 구현에서, PBN은 5eV보다 크지 않은 에너지를 갖는 저에너지 전자를 제공한다. 일부 구현에서, 자기장은 PBN 외부의 2 가우스보다 크지 않다. 일부 구현에서, 시스템의 챔버 내의 전자 모션(PBN의 외부)은 PBN이 아닌 전기장에 의해 완전히 결정된다.

또 다른 특정 구현에서, 본 개시는 이온 빔 에칭 시스템에 저에너지 전자를 제공하는 또 다른 방법을 제공한다. 상기 방법은 그리드에 전압을 인가하고 적어도 100mm의 직경을 갖는 이온 빔을 생성하고, 저에너지 전자(예를 들어, 5eV 보다 크지 않은 에너지를 갖는)를 추출함으로써 챔버 내의 그리드된 이온 소스(gridded ion source)로부터 이온 빔을 생성하는 단계 - PBN으로부터의 전자 전류가 이온 소스로부터의 이온 전류보다 더 높음 -를 포함한다. PBN에서 보다 낮은 에너지의 전자를 생성하기 위해, PBN에서 필라멘트와 축 방향으로 정렬된 자기장이 생성된다; 이 자기장은 PBN을 둘러싸는 집중기로 인해 PBN 내부에 완전히 위치된다. 집중기 때문에, 자기장은 PBN 외부의 프로세스 챔버에서 2 가우스 보다 크지 않다; 따라서, 자기장은 그들이 PBN을 떠난 후에 전자에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않으며, 프로세스 챔버에서의 전자의 모션은 프로세스 챔버의 전기장에 의해 결정된다. 일부 구현에서, 그리드에 인가된 전압은 300V 보다 크지 않고 전류는 50mA 보다 작지 않다.

본 개시의 PBN의 디자인은 빔이 충돌하는 기판의 빔 형상(beam geometry) 및 표면 중화(surface neutralization)를 위한 저에너지 이온 빔 시스템에 특히 잘 적용된다. 본 개시의 PBN의 디자인은 또한 고에너지 이온 빔에 대한 기판 표면 중화에 유리하다.

이 요약은 아래의 상세한 설명에서 더 자세히 설명되는 단순한 형태의 개념을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 주제의 핵심 또는 필수 기능을 식별하기 위한 것이 아니며 청구된 주제의 범위를 제한하는 데 사용되지도 않는다. 이들 및 다양한 다른 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.

도 1은 일반적인 플라즈마 브릿지 중화기를 구비한 일 예시적인 이온 빔 에칭 시스템의 개략적인 측단면도이다; 도 1a는 일반적인 플라즈마 브릿지 중화기의 확대된 개략적인 측단면도이다.
도 2는 플라즈마 브릿지 중화기의 중화 능력을 나타내는 그래프이다.
도 3은 플라즈마 브릿지 중화기의 개략적인 측단면도이다.
도 4는 플라즈마 브릿지 중화기에서의 자기 집중기에 의한 차징 포텐셜을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 자기장 선을 도시하는 솔레노이드의 개략도이고, 도 5b는 자기장 선을 도시하는 자기 집중기를 구비한 솔레노이드의 개략도이다.
도 6은 축 방향으로 자화된 링 자석의 개략도이다.
도 7은 다른 플라즈마 브릿지 중화기의 개략적인 측단면도이다.
도 8은 플라즈마 브릿지 중화기에서의 필라멘트의 수명 성능을 나타내는 그래프이다.

본 개시는 종종 플라즈마 브릿지 중화기(PBN)로 지칭되는 이온 빔 중화 시스템, PBN이 내장된 이온 빔 (에칭) 시스템, 및 PBN 및 이온 빔 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것이다. 자기장과 자기장 집중기를 생산하는 솔레노이드 전자석을 포함하는 PBN은 수명 동안 필라멘트의 최소한의 치수 변화로 인해 필라멘트 수명이 연장된다. 또한, 필라멘트 수명에 대한 최소한의 치수 변화는 이온 빔 시스템의 본질적으로 일정한 작동 파라미터를 허용한다.

다음 설명은 특정 구현을 제공한다. 본 개시의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 다른 구현이 고려되고 만들어 질 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여서는 안된다. 본 개시가 그렇게 제한되는 것은 아니지만, 본 개시의 다양한 측면들에 대한 이해는 이하에 제공되는 예시들에 대한 논의를 통해 얻어 질 것이다.

이온 빔 에치(etch) 또는 에칭(etching)은 기판을 이온으로 봄바드(bombard)하여 기판 재료를 제거하기 위해 불활성 가스 플라즈마(inert gas plasma)(예를 들어, 네온(neon), 아르곤(argon), 크립톤(krypton) 및 크세논(xenon))를 이용하는 프로세스이다. 이온 빔 에칭 시스템은 유도 결합된 플라즈마(inductively coupled plasma)(ICP, 또한 유도 결합된 디스차지 플라즈마라고도 함)로부터 양으로 차징된 이온을 추출하고, 이들을 이온의 빔으로서 기판에 제공한다. 일부 이온 빔 에칭 시스템은 이온 빔의 양 이온으로 전자를 전달하는 플라즈마 브릿지 중화기(PBN)를 포함하여, 이온이 봄바드된 기판 및 이온 빔을 중화한다. 양 이온을 중화시키는 것은 또한 기판 상에 이온 빔의 발산(divergence)을 억제하고 기판 상에 전하 축적(charge build-up)을 분산시킨다.

본원에 기술된 시스템 및 방법 이전에, 긴 필라멘트 수명(예를 들어, 적어도 300시간, 적어도 500시간)을 유지하면서 중화기 작동 파라미터의 변화가 효과적으로 무시될 수 있는 작동 동안, 100mA 및 더 높은 빔 전류에서의 이온 빔에 대한 임계 이온 빔 중화 요구 사항(critical ion beam neutralization requirements)(예를 들어, -4V와 +1V 평균 차징 포텐션 사이)을 충족시키고 초과할 수 있는 개선된 브로드 이온 빔 중화 시스템이 필요하다. 본원에 제시된 시스템은 원하는 니즈를 충족시킨다.

브로드 빔 이온 빔 처리 - 이온 빔 에치(IBE: ion beam etch)와 이온 빔 스퍼터링 증착(IBSD: ion beam sputtering deposition) 또는 이온 빔 증착(IBD: ion beam deposition)의 두 가지 주요 유형이 있다. IBE에서, 기판(예를 들어, 웨이퍼)은 불활성 또는 반응성 가스 원자 또는 분자의 적어도 하나의 이온 빔에 직접 노출되고, 이온은 기판으로부터 재료를 제거한다. 빔과 기판 간의 각도는 0도 내지 90도 사이일 수 있다. 직접 IBD 시스템에서, 기판은 기판 상에 증착될 재료의 적어도 하나의 이온의 빔에 노출된다. IBSD에서, 이온 빔은 스퍼터링 타겟(sputtering target)에 입사되고, 기판 상에 증착되는 타겟 재료(target material)이다. IBE 및 IBSD/IBD 모두 이온 빔 중화 시스템, 예를 들어, 자기적으로 강화된 중화기를 이용할 수 있다.

이온 주입 플라즈마 플러드(ion implant plasma flood)라고도 하는 이온 주입 플라즈마(Ion implant plasma) 및 이의 변형은 또한 자기적으로 강화된 중화기를 이용하는 프로세스이다. 그러한 시스템의 일 예시는 Ito 등의 미국 특허 5,399,871에 제공되어 있다. Ito 등은 "플라즈마 및 저에너지 전자 생성기(plasma and low energy electron generator)(12)" 및 "음으로 바이어스된 전자 컨파인먼트 또는 가이드 튜브(negatively biased electron confinement or guide tube)(10)"를 포함하는 이온 주입을 위한 중화 시스템(예를 들어, Ito 등의 도 4 참조)을 설명한다. Ito 등에 따라서, "플라즈마의 밀도를 증가시켜 챔버에서 생성된 전자의 수를 증가시키고 전자의 평균 에너지 레벨을 감소시킨다. 자석은 또한 전자가 개구(38)를 통해 가이드 튜브(10)로 추출되는 속도를 증가시킨다."(Ito 등의 칼럼 4, 라인 38-44)라고, 전자 생성기는 자기장을 생성하기 위해 중화기 벽(neutralizer walls)을 둘러싸는 축 방향으로 정렬된 자석의 어레이를 갖는 필라멘트-방출기 플라즈마 소스(filament-emitter plasma source)(22)를 포함한다.

그러나, Ito 등의 이온 주입 기술은 IBE 및 IBSD/IBD와 매우 다르며 IBE와는 다른 특정 요구 사항을 가지고 있으며(아래 표 1 참조) 이온 주입에 유용한 것은 IBE에 유용하지 않을 수 있다. 예를 들어, 이온 주입 시스템은 기판 위에 스캔되는 작은 크기의 빔을 사용하고, 매우 낮은 압력에서 작동하지만, IBE는 전체 기판을 덮는 큰 빔을 이용한다. 다른 차이점은 표 1에 요약되어 있다.

	이온 빔 에치(IBE, IBSD/IBD) 저에너지	Ion 구현 (예를 들어, Ito 외)
빔 전압(V_b)	약 100 - 300 V	약 5 - 50 kV
빔 전류(I_b)	약 100 - 1200 mA	약 0.01 - 30 mA
중화기 전류(I_n)	약 200 - 1000 mA	약 10 - 50 mA
사용 가능한 빔 직경	최대 300 mm	약 10 mm
	주로 불활성 가스 빔(예를 들어, Ar)	도펀트 빔(dopant beam)(예를 들어, B₂H₆, PH₃, BF₃)
챔버 압력	약 0.2 mTorr	약 0.01 mTorr
플라즈마 전자 전압	약 1.5 eV	약 15 eV
PBN 오리피스 직경	약 1 - 7 mm	약 3 - 15 mm
중요한 중화 문제	빔 발산 감소 및 기판 표면 중화	기판 표면 중화
		보다 복잡한 기술

Ito 등으로 돌아와서, Ito 등의 이온 주입 프로세스에 가장 중요한, 음으로 바이어스된 가이드 튜브(negatively biased guide tube)(10)는 복잡하고, IBE에 효과적이지 않거나 실용적이지 않다. Ito 등의 시스템에 의해 획득된 중화의 수준, 영역 및 균일성은, 큰 영역 중화(예를 들어, 전체 기판)가 시스템에 의해 생성된 자기장에 의해 교란(perturbed)될 것이기 때문에, IBE에 적용된다면 결함이 될 것이다.

상술한 바와 같이, PBN 이온 빔 중화 시스템은, 개선된 필라멘트 열-전자 방출기 PBN 디자인을 통합하고, 특정 작동 방법에서 이용될 때, 예를 들어, 100mA 빔 전류 이상의 이온 빔을 중화하는데 효과적인 저에너지 전자의 높은 플럭스를 제공하면서, 필라멘트 수명을 크게 연장하고 장기간 작동을 위한 중화기 작동 파라미터의 변화를 최소화한다. 저에너지 전자는 고에너지 전자보다 주어진 조건에서 이온 빔을 중화시키는데 보다 효과적이다. 이러한 결과는 최대 300mm 직경 이상의 치수의 노출된 기판 전반에 걸쳐 달성되었다. 시스템은 또한 기판의 "전체" 중화를 제공하며, 일부 구현에서는, 실제 수명이 긴 작동 조건에서 음의 표면 차징을 제공한다.

이하의 설명에서, 본 명세서의 일부를 구성하고 적어도 하나의 특정 구현이 도시된 첨부 도면을 참조한다. 도면에서, 유사한 구성 요소를 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 여러 도면에 걸쳐 사용될 수 있다.

도 1은 일반적인 이온 빔 에칭 시스템(100)을 개략적으로 도시한다. 시스템(100)은 예를 들어, 실리콘 (Si) 웨이퍼(silicon (Si) wafer), 반도체 웨이퍼(semiconductor wafer), 사파이어 웨이퍼(sapphire wafer) 등과 같은 웨이퍼(101)와 같은 기판을 지지하기 위한 플래튼(platen)(104)을 구비한 챔버(102)를 갖는다. 플래튼(104) 및 웨이퍼(101)는 플래트(104)의 중심 축을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 또한, 챔버(102) 내에는 양으로-차징된 이온(positively-charged ions)을 방출하도록 구성된 이온 소스(106)가 있다. 이온 소스(106)로부터, 이온은 적어도 하나의 이온 빔(110)으로 이온을 시준(collimate)하고 선택적으로 빔(110)을 플래튼(104) 및 웨이퍼(101)쪽으로 조종하는 일련의 그리드(series of grids)(108)를 통과한다. 이온 소스(106)에 작동 가능하게 연결되는 것은 이온을 시준 및 조종하기 위한 빔 전원(beam power source)(118) 및 가스(도시되지 않음, 예를 들어, 불활성 가스 또는 반응성 가스(reactive gas))로부터 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전원(RF power source)(116)이다. RF 전원(116) 및 빔 전원(118) 모두는 각각 RF 전원(116) 및 빔 전원(118)으로부터 이온 소스(106) 및 그리드(108)로의 전압 및/또는 전류를 조정, 유지 및/또는 제어하기 위해 프로세스 모듈 제어기(process module controller)(120)에 연결된다. 또한, 챔버(102) 내에는 플라즈마 브릿지 중화기(PBN)(130)이 있다. PBN(130)은 빔(110)이 웨이퍼(101)에 도달하기 전에 양으로-차징된 이온 빔(110)을 중화하기 위한 저에너지 전자(e^-)의 스트림(stream)을 제공한다.

도 1 및 도 1a를 모두 참조하면, PBN(130)은 내부에 필라멘트 캐소드(filament cathode)(134)를 갖는 밀폐된 챔버(enclosed chamber)(132)를 포함한다. 필라멘트(134)를 위한 필라멘트 전원(114)은 프로세스 모듈 제어기(120)에 연결된다; 필라멘트 전원(114)은 필라멘트(134)를 통해 전류를 제공함으로써 필라멘트(134)를 가열하여 필라멘트(134)가 전자를 방출하도록 한다. 입구(inlet)(138)로부터의 방출된 전자와 불활성 가스 원자 사이의 이온화 충돌(Ionizing collisions)은 이온 및 저에너지 전자의 플라즈마를 생성시킨다. 저에너지 전자는 웨이퍼(101)를 수용하는 시스템 챔버(102)로 디스차지 개구(discharge aperture)(135)를 통해 챔버(132)를 빠져나간다. 이러한 저에너지 전자는 이온 소스(106)로부터의 양으로 차징된 이온과 혼합하여 이온 빔을 중화시킨다.

PBN(130)의 챔버 바디(132)에서의 음의 전기적 바이어스(negative electrical bias)(바디 전압(body voltage))는 개구(135)를 통해 전자를 추출한다. 챔버 바디(132)에 음의 전기적 바이어스를 획득하기 위해, 이 구현에서는 PBN 바디(132)는 프로세스 모듈 제어기(120)에 연결되는 바디 전원(body power source)(112)에 연결된다. 프로세스 모듈 제어기(120)는 PBN 바디 전압을 설정하고 PBN 필라멘트 전류를 조정하여 PBN 바디 전류를 제어한다. 필라멘트(134)로부터의 전자는 PBN 디스차지 전압에 의해 가속된다.

다른 시스템 구성에서, 본원의 실시예에서는 단일 프로세스 모듈 제어기(120)가 바디 전원(112), 필라멘트 전원(114), RF 전원(116) 및 빔 전원(118) 모두에 대해 제공되지만, 다중 제어기가 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 플라즈마 브릿지 중화기를 위한 다양한 전원에 대한 예시적인 배치에 관한 부가적인 세부 사항은 예를 들어, Hansen 등의 미국 특허 8,755,165에 제공된다. 또한, PBN(130)은 온도를 제어하기 위해 챔버(132) 주위에 다른 특징들, 예를 들어 냉각 자켓(cooling jacket)을 가질 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 1은 이온 빔 시스템의 일반적인 개략도이고, 작동 이온 빔 시스템은 흡기 및 배기 시스템(intake and exhaust systems), 진공 펌프(vacuum pump), 및 이온 빔 시스템에서 일반적으로 발견되는 다른 장비와 같은, 도 1에 도시되지 않은 다른 특징을 포함한다. 도 1은 플라즈마 브릿지 중화기의 설명을 용이하게 하는 일반적인 요소를 도시한다.

플라즈마 브릿지 중화기(예를 들어, PBN(130))는 이온 빔이 기판(예를 들어, 웨이퍼(101))에 충돌하기 전에, 이온 빔(예를 들어, 이온 빔(110))에서의 양으로 차징된 이온을 중화하는 저에너지 전자를 제공한다. 이는 이온 빔의 발산을 방지하고 기판상의 전하 축적을 분산시킨다. PBN으로부터의 전자 플럭스 또는 전자 흐름은 전자 전류(I_n) 및 이온 빔 전류(I_b)의 비율, 특히 K-인자로 지칭되는 K = I_n/I_b에 기초하여 제어될 수 있다.

일반적으로, 이온 빔은 K≥1 일 때 "중화"된 것으로 고려되지만, 도 2의 그래프(200)에 도시된 바와 같이 PBN은 상이한 중화 효율을 갖는다. 이온 빔 중화의 효율은 빔 발산(beam divergence)과 같은 이온 빔 파라미터 및 V_p(볼트)로 지정된 기판 차징 포텐셜(substrate charging potential)(예를 들어, "플로팅(floating)"(전기적으로 절연된) 프로브(probe)의 전위)에 의해 결정된다. 일반적으로 V_p가 낮을수록 더 바람직하다; V_p < 1이 특히 바람직하다.

그래프(200)의 곡선(202)은 글로우 디스차지 할로우 캐소드 디자인(glow discharge hollow cathode design)을 갖는 PBN과 같은 전형적인 필라멘트-리스(filament-less) PBN에 대한 K-인자(K-factor)의 함수로서 기판 대전 전위(V_p)를 도시한다; 이러한 PBN은 약 4-5 V의 실제 최소 대전 전위를 갖는다. 대전 전위는 플라즈마 생성의 본질적인 특성에 기인하며, 일상적인 중화 요구 사항에 사용될 수 있다. 곡선(204)은 도 1a와 같은 전형적인 필라멘트-방출기 PBN에 대한 K-인자의 함수로서 기판 대전 전위(V_p)를 도시하며, 이는 효율적인 중화를 위해 최적화되었다. 이러한 PBN은 예를 들어, ESD-민감성 및 기타 중요한 중화 프로세스에 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 곡선(204)은, 본질적으로 모두 도시된 K에 대해, V_p <3V 및 심지어 V_p <1V를 제공하며, 특히 대부분이 K <1.5이다; 이러한 대전 전위는 일반적으로 필라멘트-리스 중화기를 이용하여 획득될 수 없다.

도 3은 본 개시의 다양한 특징들에 따른 예시적인 필라멘트-방출기 PBN(300)을 도시한다. PBN(300)은 가스 입구(도 3에 도시되지 않음)로부터 불활성 가스를 수신하는 챔버(304)를 형성하는 내부 바디(302)를 갖는 전체 바디(301)를 갖는다. 또한, 챔버(304) 내에는 가열시 디스차지 전압에 의해 가속되어 불활성 가스 원자와 충돌하여 플라즈마를 생성하는 전자를 방출하는 필라멘트 캐소드(305)가 있다; 이러한 필라멘트(305)는 열-방출 필라멘트(thermo-emitting filament) 또는 열-방출 캐소드 필라멘트(thermo-emitting cathode filament)로 지칭될 수 있다. 챔버(304)는 저에너지 전자가 챔버(304)를 빠져나가는 디스차지 오리피스(306)를 포함한다.

저에너지 전자는 보다 높은 에너지 전자보다 주어진 조건에서 (시스템의 프로세스 챔버에서) 양으로 차징된 이온 빔을 중화하는데 더 효과적이다. 그러나, 저에너지 전자를 효율적으로 형성하려면, 낮은 PBN 바디 전압(V_n)이 필요하다. 도 3의 PBN(300) 및 그 변형은 5V 보다 많지 않은 바디 전압(V_n)을 이용하여 저에너지 전자를 생성한다.

솔레노이드 전자석(예를 들어, 전자기 코일)(308)과 같은 자기장 소스(magnetic field source)는 전자 궤적과 상호 작용하는 챔버(304) 내에 축 방향 자기장을 생성하기 위해 내부 몸체(302)의 외주(periphery)에 감겨져 있다(wrapped). 전자석(308)은 저에너지 전자 생성 효율을 향상시키고, 디스차지 및 필라멘트 전류를 감소시키고, 및/또는 챔버 디스차지 오리피스(306) 밖으로 전자의 추출을 가이드하는 것을 돕기 위해 축에서 전자 밀도를 집중시킨다(focuses). 일부 구현에서, 전자석(308)은 예를 들어, 적어도 30 회전, 일부 실시예에서는 약 300 회전을 포함하지만, 더 많거나 적은 회전이 사용될 수 있다.

내부 바디(302)를 둘러싸는, 적어도 주변부(periphery) 및 저부(bottom) 주위에는 고 투자율 자성 재료(high permeability magnetic material)로 형성된 자기 집중기(310)가 있다. 자기 집중기(310)는 전자석(308)으로부터의 자기장 및 필라멘트(305)로부터의 임의의 자기장의 포화를 방지하기 위한 두께(예를 들어, 약 0.2 인치)를 갖는다. 자기 집중기(310)는 챔버 바디(302)의 디스차지 오리피스(306)와 정렬된 출구(outlet)(316)를 포함하여, 저에너지 전자가 PBN(300)을 떠나 이온 빔 시스템의 프로세스 공간으로 진행하여 이온 빔을 중성화시키도록 한다. 출구(316)는 예를 들어 원형(circular), 방향성(directional), 예를 들어, 타원형(elliptical) 또는 계란형(oval) 등일 수 있다.

자기 집중기(310)는 생성된 자기장을 필라멘트(305)의 방향을 따라 PBN의 세로 축을 따라 집중시키고, 자기장 선(magnetic field lines)이 PBN(300)에서 빠져나와 이온 빔 시스템의 프로세스 공간을 관통해서 이온 빔 중화의 정도 및 균일성을 방해하는 것을 억제 및/또는 방지한다. 이러한 효과는, 빔 직경을 가로 지르는 기판 차징 포텐셜의 변화가 자기 집중기 없이 자기 집중기(310)의 합체와 함께 훨씬 더 균일하게 관찰되는 도 4에 도시되어 있다. 출구(316)를 갖는 이 자기 집중기(310)는 중화되는 전체 이온 빔에 걸쳐 그리고 전체 기판에 대해 일관된 중화를 제공한다.

도 4의 그래프(400)는 300mm 빔에 걸친 포텐셜을 도시한다. 자기 집중기가 없는 곡선(402)은 빔 폭의 절반에 대해서만, 따라서 기판의 절반에 대해서만 본질적으로 일정 (수준)한 반면, 자기 집중기를 구비한 곡선(404)은 본질적으로 전체 빔 직경에 걸쳐 일정하고 일관된 포텐셜을 도시한다. 곡선(404)은 전체 기판에 걸친 차징 포텐셜이 1V 보다 작다는 것을 나타낸다. 일부 구현에서, 차징 포텐셜은 겨우 +/- 0.7V이 기판에 걸쳐 다르다. 일부 예시에서, 전체 기판에 걸친 차징 포텐셜은 1V +/- 0.7V 보다 작다.

도 3으로 돌아와서, 자기 집중기(310)는 자기장 생성기(예를 들어, 솔레노이드 전자기(solenoid electromagnetic)(308))가 오리피스(306) 및 출구(316)를 통해 전자를 밖으로 가이드하는 것을 도와, 표유 자기장이 프로세스 챔버로 들어가는 것을 억제하고 바람직하게는 방지하며, 이는 기판의 불균일 중화를 야기한다. 또한, 자기 집중기(310)와 전자석(308)의 조합은 필라멘트(305)로 축을 따라 챔버(304)에서의 자기장을 배향(orienting) 및 정렬시켜, 따라서 PBN 바디에서의 전자 손실을 감소시키고 따라서 필요한 디스차지 전류를 감소시키고, 따라서 필라멘트(305)의 스퍼터링을 감소시킴으로써, 필라멘트 마모를 감소시키는 것을 돕는 것으로 여겨진다.

PBN(300)은 바디(302)에 작동 가능하게 연결된 바디 (양극) 전원(body (anode) power source)(312), 필라멘트(305)에 작동 가능하게 연결된 필라멘트 전원(315), 디스차지 전원(316), 및 솔레노이드 전자석(308)에 작동 가능하게 연결된 전자석 전원(318)을 포함한다.

PBN(300)의 하나의 작동 방법에서, 필라멘트 전원(315)은 약 45-90A의 전류(I_f)를 제공하고, 디스차지 전원(316)은 약 2-4.5A의 전류(I_d)에서 약 15-30V의 전압(V_d)을 제공하고, 바디 전원(312)은 약 0.25-2.0A의 전류(I_n)에서 약 0-5V의 전압(V_n)을 제공한다. 이러한 작동 파라미터는 특히 텅스텐 필라멘트(tungsten filament)(305)에 적합하다.

도 5a 및 5b는 영구 자석(permanent magnet)에서의 PBN에서 전자석을 갖는 이점을 도시한다.

도 5a에 도시된 솔레노이드 전자석(500)은 솔레노이드 축(solenoid axis)에 평행한 코일(coils) 내부에 강한 자기장을 생성한다. 전자석(500)은 솔레노이드의 각각의 단부면(end face)에 하나씩 두 개의 극을 갖는다. 자기장 선은 솔레노이드를 통과하여 축과 평행을 이루고, 단부면을 빠져나와, 전자석 주위를 돌아가 반대쪽 단부면으로 되돌아온다.

솔레노이드 주위의 자기장은 도 5b에 도시된 바와 같이 집중기(510)를 전자석(500) 주위에 위치시킴으로써 단락 및/또는 제거될 수 있다. 자기 집중기를 사용하면, 솔레노이드 축에 평행하게 자기장 선을 구비한 솔레노이드 내부에 자기장을 유지할 수 있다.

솔레노이드에 대한 다른 선택은 자석(600)으로서 도 6에 도시된 축 방향으로 자화된 링(axially magnetized ring)이다. 자석(600)은 축 방향으로 자화된 링형 영구 자석이다. 자석(600)은 도 5a에 도시된 솔레노이드 전자석 장(solenoidal electromagnet field)과 유사한 자기장을 생성한다. 그러나, 이러한 유형의 자석(600)은 일반적으로 집중기를 통해 자기장이 단락될 수 있고, 자석(600) 내부의 결과적인 자기장이 일부 구현에서 거의 0으로 감소될 것이기 때문에 집중기와 함께 사용될 수 없으며, 이는 PBN에서 사용하기에는 충분하지 않다.

PBN으로 돌아와서, 도 3의 PBN(300)과 유사한 대체 구현에서, 도 7은 본 개시의 다양한 특징들에 따른 예시적인 필라멘트-방출기 PBN(700)을 도시한다. PBN(700)은 도 3의 PBN(300)과 관련하여 180도 회전(수직으로 뒤집힌)된 것이 도시된다. PBN(700)은 불활성 가스를 수신하는 챔버(704)를 형성하는 내부 바디(702)를 갖는 전체 바디(701)를 갖는다. 또한, 챔버(704) 내에는 가열시 디스차지 전압에 의해 가속되어 불활성 가스 원자와 충돌하여, 전자를 생성(플라즈마를 생성)하는 전자를 방출하는 필라멘트 캐소드(705)가 있다. 챔버(704)는 저에너지 전자가 챔버(704)를 빠져나가는 챔버 디스차지 오리피스(706)를 포함한다.

PBN(300)에서와 같이, 자기장 소스는 챔버(704) 주위에 제공된다. 이 구현에서, 자기장 소스는 디스차지 오리피스(706)에 대향하는 단부에서 영구 자석(710)과 함께 챔버(704)의 외주에 감겨진 솔레노이드 전자석(예를 들어, 전자기 코일)(708)이다. 전자석(708)은 챔버(704) 내부에 자기장을 생성하고, 저에너지 전자 생성 효율을 향상시키며, 방전 및 필라멘트 전류를 감소시킨다. 영구 자석(710)은 극성(polarity)이 전자석(708)의 극성과 정렬(예를 들어, 동일)되도록 배열된다. 도 7에 도시된 바와 같이, PBN(700)은 챔버(704) 주위에 자기 집중기를 포함한다.

이와 같은 배치는 도 7에 도시된 바와 같이 PBN(700) 내의 자기장 선의 밀도를 증가시켜서, 자기 미러(magnetic mirror)라고도 부르는 미러 효과(mirror effect)를 생성한다. 필라멘트(705)에 인접하고 디스차지 오리피스(706)에 대향하는 PBN(700)의 단부에 접근하는 입자는 점차적으로 방향을 반전시키고 디스차지 오리피스(706)로 복귀하게 하는 증가하는 힘을 경험한다.

전자석(708)과 영구 자석(710)의 조합은 PBN 챔버(704) 내의 전자의 손실, 특히 필라멘트 단부 부근의 전자 손실을 상당히 감소시킨다. 전자석(708)은 PBN 챔버(704)의 벽에서의 전자 손실을 방지하고, 전자를 오리피스(706)쪽으로 가이드하는 장(field)을 생성한다. 영구 자석(710)은 PBN 챔버(704)의 저부(바닥)에서의 전자 손실을 감소시킨다.

본 명세서에 설명된 PBN(예를 들어, PBN(300), PBN(700) 및 이들의 변형)의 디자인에 앞서, 이온 빔 시스템에서 필라멘트 캐소드의 단점은 필라멘트 수명이 제한된다는 것이다. 필라멘트 수명은 이온 빔 시스템의 평균 유지 시간(MTBM: mean time between maintenance)을 규정하며, PBN 사용 중 필라멘트에서 발생하는 물리적 변화를 기반으로 한다. 반도체 산업에서 300-500 시간의 MTBM이 요구된다; 그러나, 많은 필라멘트는 이 원하는 수명보다 떨어진다. 솔레노이드 전자기 및 자기 집중기를 갖는 PBN(300), PBN(700) 및 이들의 변형은 적어도 500 시간의 필라멘트 수명을 용이하게 제공할 수 있다. 일부 구현에서, 이 필라멘트 수명은 이온 빔 처리 시스템의 임의의 다른 구성 요소의 MTBM보다 크다.

PBN이 작동됨에 따라, 필라멘트는 필라멘트 상에 불활성 가스 플라즈마의 해로운 스퍼터링 및/또는 플라즈마상의 온도 및 전하로 인한 필라멘트 재료의 증발에 노출되며, 둘 다 필라멘트 물리적 치수의 변화를 생성한다. 필라멘트가 치수가 변화함에 따라, 필라멘트 전류(I_f) 및 전압(V_f)이 변경되어, 필라멘트 전류 흐름이 변화됨으로 인해 PBN 내의 자기장이 변경된다. 필라멘트의 치수에서 10% 보다 작은 변화는 프로세스 챔버에 공급된 중화 전자의 물리적 및 에너지 분포의 변화를 억제한다. 그러나, 10% 보다 큰 물리적 변화는 저에너지 중화 전자의 물리적 및 에너지 분포를 변화시킨다.

일부 구현에서, 필라멘트의 단면적의 10%의 변화는 필라멘트 수명의 끝으로 간주된다. 따라서, 더 큰 직경을 갖는 필라멘트는 더 작은 직경을 갖는 필라멘트보다 더 오래 지속된다. 반도체 및 관련 처리를 위한 종래의 플라즈마 소스는 직경이 1 내지 1.5 mm 사이인 필라멘트를 사용한다. 1.5mm보다 큰 필라멘트 직경은 필라멘트 단면적으로 작동 온도를 높이기 위해 필요한 전류가 증가하기 때문에 일반적으로 실용적이지 않다. 필라멘트 길이가 길어지면 선형적으로 전자 방출이 증가하여, 필라멘트 온도가 낮아 지지만, 필라멘트 V_f에 걸리는 전압 강하가 증가하여 필라멘트 스퍼터링이 증가한다. 자기 집중기 및 축방향 장 생성기(axial field generator)를 갖는 PBN은 필라멘트 마모와 관련된 많은 문제를 해결한다.

필라멘트 마모는 PBN으로부터 일정한 전자 방출로 작동되는 소스에 대한 필라멘트 전류의 꾸준한 감소에 의해 입증된다; 이것은 필라멘트 마모의 잘 이해된 표시이다. 도 8은 PBN(300)과 같은 본 발명의 PBN으로 획득될 수 있는 연장된 필라멘트 수명을 그래프로 도시한다. 선택된 작동 조건에서 작동될 때, 이 개시의 PBN 디자인(예를 들어, PBN(300))이 500 시간을 넘게 작동하는 동안 유의한 마모는 관찰되지 않았다.

도 8의 그래프(800)는 두 개의 상이한 PBN 구성을 비교하며, 곡선(802)은 자기 집중기 및 축방향 장 생성기가 없는 PBN에 대한 것이며, 곡선(804)은 자기 집중기 및 축방향 장 생성기를 구비한 PBN에 관한 것이다.

곡선(804)는 자기 집중기 및 V_d = 20V 및 V_n = 3V에서 작동하는 축방향 자기장 생성기를 갖는 PBN에 대한 결과를 도시한다. 이러한 조건은 필라멘트 전류(I_f가 약 80A 내지 75A로부터의)의 감소를 허용하고, 필라멘트 작동 파라미터를 크게 변경하지 않고 500 시간 넘게 작동할 수 있었다.

작동 파라미터를 효과적으로 변경하지 않고 긴 필라멘트 작동 시간을 달성하려면, 자기 집중기 및 축방향 장 생성기를 구비한 PBN을 사용하면 자기 증강 PBN의 높은 디스차지 효율이 증발 및 스퍼터링으로 인한 필라멘트 마모가 최소화된 조건에서 작동할 수 있다. 필라멘트 마모를 피하기 위해, 구성에 따라, 필라멘트 캐소드에 봄바드하는 이온(불활성 가스로부터의)의 에너지는 스퍼터 에너지 임계치(sputter energy threshold)보다 작고 필라멘트의 온도는 증발 임계치(evaporation threshold)보다 낮다. 낮은 필라멘트 온도를 유지하는 것은 증발 및 전자 방출이 온도에 따라 기하 급수적으로 증가하고 온도 임계치가 멀리 떨어져 있지 않기 때문에, 플라즈마 소스를 갖는 필라멘트 전자 방출기에 대해 챌린징(challenging)될 수 있다. 필라멘트 증발의 개시(onset)에 대한 정확한 임계치가 없지만, 이상적인 텅스텐 필라멘트는 약 2400K의 온도에서 작동한다고 말하지만, 플라즈마 소스는 실용적인 전자 방출을 위해 전형적으로 약 2600-2700K와 같이 훨씬 높은 필라멘트 온도를 필요로 한다.

본 개시에 따른 자기 집중기 및 축방향 자기장 생성기를 갖는 PBN의 경우, PBN이 다음과 같은 특징을 가질 때 저에너지 전자 생성 및 중화 균일성은 용이하게 제어될 수 있다:

오리피스: 챔버로부터의 디스차지 오리피스의 크기는 직경 2 - 9mm이고, 일부 구현에서는 5 - 8mm이다. 디스차지 오리피스는 원형일 수 있거나 길쭉(oblong) (예를 들어, 타원형 또는 계란형)할 수 있다; 오리피스 형상, 방향, 및 필라멘트 배향, 위치 및 형상에 대한 그의 위치는 전자 추출의 효율 및/또는 중화의 균일성을 증가시키도록 디자인될 수 있다. 2 - 9㎜보다 크거나 작은 직경을 갖는 오리피스의 경우, 저에너지 전자의 차징 포텐셜이 높다는 것이 밝혀졌다.

PBN 챔버 압력: 작동 중 PBN 챔버 내부의 압력은 약 1 - 70mTorr이다.

불활성 가스(예를 들어, Ar): 약 0.1 - 0.4 mTorr, 일부 구현에서는 약 0.15 - 0.3 mTorr의 챔버 압력을 제공하기 위해, PBN 챔버로의 불활성 가스의 흐름은 일부 구현에서는 약 7 sccm이고, 다른 구현에서는 약 5 - 10 sccm이다. 일부 구현에서, 반응성 가스(예를 들어, Kr, Xe)는 불활성 가스 대신에 사용될 수 있다.

불활성 가스 압력에 대한 계산된 범위는 가스 유속, 디스차지 오리피스 크기 및/또는 형상 및 챔버 압력에 따라 0.001 - 1 Torr이다. 직접 측정의 경우, 챔버 압력은 불활성 가스의 0.1 - 0.4 mTorr이고, 일부 실시예에서는 0.15 - 0.3 mTorr이며, 지정된 오리피스 크기 범위에 대해 7 sccm(일부 구현에서는 5 - 10 sccm)의 가스 유량을 삽입(insert)한다.

종래의 PBN의 전형적인 저 유량에서는, 차징 포텐셜이 높다. 높은 유량은 높은 프로세스 챔버 압력으로 인해 바람직하지 않으며 높은 압력의 결과로 이온 소스가 PBN 가스와 다른 경우 프로세스 가스의 희석(dilution)과 같이 이온 산란(ion scattering)이 발생한다.

자기장: 필라멘트 팁(filament tip)에서의 전형적인 자기장은 약 100 가우스(약 300 A-회전의 전자석)이다. 약 10 내지 125 가우스의 범위에서 작동할 때 디스차지 효율 증가가 관찰되지만, 약 40 가우스 아래에서는 이 비율 증가가 떨어진다.

전자석: 솔레노이드 전자석은 약 300 회 회전시 약 0.5A - 1.25A의 전류 범위를 갖는다.

일부 구현에서:

플라즈마 이온 에너지는 스퍼터링 임계치(약 25V) 아래이다;

디스차지 전압 ≤30V, 일부 구현에서 ≤20V, 특히 텅스텐 및 텅스텐 합금 필라멘트(tungsten alloy filament)의 경우;

PBN 바이어스(V_n, "바디 전압")는 <5V이며, 일부 구현에서는 <3V이다;

부가적으로 또는 대안적으로, 접지에 대한 PBN 바디 전압은 <-5V이며, 일부 구현에서는 <-3V이다;

필라멘트 전압은 <5V이며, 일부 구현에서는 <3V이다;

필라멘트 증발 속도(filament evaporation rate)는 '무시할 만하다';

텅스텐 필라멘트의 온도는 <2640K이다;

텅스텐 또는 텅스텐 합금 필라멘트의 경우, 필라멘트 전류 " I_f "와 직경 "d" 관계는 I_f/d^3/2 < 65A/mm^3/2이다; 일 예시에서, d = 1.25mm(0.05 인치), I_f(max) = 90A; 다른 예시에서, 필라멘트는 1mm(0.04 인치)와 1.5mm(0.06 인치) 사이의 직경을 가지며;

적어도 150mm의 직경을 갖는 기판 위에 중화 균일성이 존재하고; 및

완전 중화는 차징 포텐셜 0V +/- 0.7V을 갖는다.

따라서, 본 명세서는 이온 에치 시스템, 이온 빔 중화 시스템(PBN) 및 다양한 방법의 다양한 구현을 제공한다. 상기한 것 이외에, 본 개시는 또한 다음을 제공하는 시스템을 제공한다:

일부 구현에서, 필라멘트 작동 특성의 변화는 PBN이 일정한 방출 및/또는 방전 전류에서 작동될 때 PBN 필라멘트 전류의 변화에 의해 표시된다. "필라멘트 전류의 효과적인 변화"는 > 10%의 변화이다. 일부 구현에서, PBN 필라멘트는 본질적으로 물리적 치수의 변화가 없다. 일부 구현에서, 이는 필라멘트를 봄바드하는 이온의 최대 에너지가 필라멘트 재료의 스퍼터링 임계치에서 또는 그 아래일 때 그리고 필라멘트의 최대 온도가 필라멘트 재료에 대한 증발에 대한 임계치에서 또는 그 아래일 때 발생한다.

일부 구현에서, PBN 내부의 압력은 2mTorr과 1Torr사이이고, PBN의 디스차지 오리피스 직경은 2와 9mm사이를 포함하며, 다른 구현에서는 5와 8mm사이를 포함하며, 약 5 - 10 sccm의 PBN에 대한 불활성 가스(예를 들어, Ar)의 질량 유속(mass flow rate)과 함께, 0.1 내지 0.4 mTorr, 일부 실시예에서는 0.15 내지 0.3 mTorr의 프로세스 챔버 압력을 갖는 이온 빔 시스템을 구비한다. 일부 구현에서, PBN으로부터의 저에너지 전자의 평균 에너지는 < 5.5eV이고, 일부 구현에서는 < 3eV이다.

전술한 바와 같이, 작동중인 PBN은 축방향 자기장 및 자기 집중기를 갖는다. 일부 구현에서, 전자석에 의해 생성된 축방향 자기장은 PBN 필라멘트에서 적어도 10 가우스이고, 일부 구현에서는 약 100 가우스이다.

본 명세서에는 브로드 이온 빔 고 진공 처리 장비(broad ion beam high vacuum processing equipment)를 위한 PBN 시스템이 제공되며, PBN 시스템은 빔 확산, 빔 조종 및 기판 표면 중화를 제어하는데 사용된다. PBN 시스템은 필라멘트 열-전자 방출 구동 플라즈마 생성기(filament thermo-electron emissive driven plasma generator)와 PBN 필라멘트 전류, 디스차지 전압 및 바디 전압 및 PBN으로의 가스 입력을 조정하는 수단을 가진다. PBN 필라멘트 전류, 디스차지 전압 및 바디 전압을 조정하는 수단은 하나 이상의 제어기일 수 있다. 플라즈마 억제 챔버(plasma containment chamber)는 필라멘트가 일 단부에 위치되는 중심 축 및 대향 단부에서 이온 빔 처리 챔버로의 가스 유출 및 전자 방출을 허용하는 오리피스를 갖는다. 일부 구현에서, PBN은 수냉식 플라즈마 억제 챔버(water-cooled plasma containment chamber)를 갖는다.

일부 실시예에서, PBN 시스템은 PBN의 축을 따라 자기장을 생성하는 수단 및 PBN의 바디 내부에 자기장을 집중시키는 수단을 포함한다. 자기장을 생성하는 수단은 PBN 챔버의 축과 동심인 솔레노이드 전자기 코일일 수 있으며, 코일의 회전 수 및 전류 정격은 적어도 10 가우스, 일부 실시예에서는 적어도 100 가우스의 전자 디스차지 오리피스에서 자기장을 생성시키기에 충분하다. 자기장을 집중기라고도 할 수 있는 자기장을 집중시키는 수단은 바디 오리피스 영역과 필라멘트가 장착되는 단부를 제외하고 PBN의 챔버 또는 바디를 둘러싸는 자기적으로 투과가능한 재료(magnetically permeable material)의 덮개(shroud)이다.

본원은 또한 브로드 이온 빔 재료 처리 시스템에서 기판의 이온 빔 중화의 방법을 제공하며, 상기 방법은 100mA 보다 큰 이온 빔을 이용하고, -0V 보다 작은, 그리고 일부 실시예에서는 -3V 보다 작은 기판의 영역에 걸친 평탄한 기판 차징 포텐셜(planar substrate charging potential)을 달성하고, 이 조건에서 적어도 300 시간 동안 작동할 수 있는 필라멘트-방출기 구동 플라즈마 브릿지 중화기(PBN) 전자 소스를 이용한다.

본원에서 제공되는 또 다른 방법은, 적어도 100mA의 이온 빔 전류를 적어도 300 시간의 평균 누적 작동 시간 동안 이온 빔 전류와 적어도 같은 전자 전류에 의해 중화시키도록 작동되는, 필라멘트-구동 플라즈마 브릿지 중화기(PBN) 전자 소스를 이용하는 브로드 이온 빔 재료 처리 시스템에서 기판의 이온 빔 중화의 방법이며, 상기 PBN 필라멘트는 작동 시간 동안 그 작동 특성을 효과적으로 변화시키지 않는다.

상기 명세서 및 예시는 본 발명의 예시적인 구현의 프로세스 및 사용에 대한 완전한 설명을 제공한다. 위의 설명은 특정 구현을 제공한다. 본 개시의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 다른 구현이 고려되고 만들어 질 수 있음을 이해해야 한다. 그러므로, 상기 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여서는 안된다. 본 개시가 그렇게 제한되지는 않지만, 제공되는 예시에 대한 논의를 통해 본 개시의 다양한 측면을 이해할 수 있을 것이다.

달리 지시되지 않는 한, 특징 크기, 양 및 물리적 특성을 나타내는 모든 숫자는 용어 "약(about)"에 의해 수정된 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대의 표시가 없다면, 제시된 수치 파라미터는 본원에 개시된 교시를 이용하여 당업자가 획득할 수 있는 원하는 특성을 얻을 수 있다.

본원에서 사용된, 단수 형태 "일(a)", "일(an)" 및 "상기(the)"는 내용이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 갖는 구현을 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 청구의 범위에서 사용된 바와 같이, 용어 "또는"은 일반적으로 내용이 명확하게 지시하지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 의미로 사용된다.

본원에서 사용되는 경우, "하부(lower)", "상부(upper)", "아래(beneath)", "아래(below)", "위(above)", "상에(on top)"등과 같은 공간적으로 관련된 용어는 요소와 다른 요소의 공간적 관계를 설명하기 위해 설명의 용이함을 위해 이용된다. 이러한 공간적으로 관련된 용어는 도면에 묘사되고 본원에 기술된 특정 배향 이외에 장치의 상이한 배향을 포함한다. 예를 들어, 도면들에 도시 된 구조체가 뒤집히거나 뒤집혀 진다면, 이전에 아래에 또는 다른 요소들 아래에 기술된 부분들은 다른 요소들 위에 또는 그 위에 있을 것이다.

본 발명의 많은 구현이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있으므로, 본 발명은 첨부된 청구 범위에 속한다. 또한, 다른 구현들의 구조적 특징들은 청구된 청구항들로부터 벗어남이 없이 또 다른 구현에서 결합될 수 있다.

Claims

브로드 이온 빔 시스템에 있어서,
300eV보다 크지 않은 전압을 갖는 저에너지 이온의 빔을 제공하는 이온 빔 생성기; 및
3eV 보다 작은 전압을 갖는 저에너지 전자를 생성하는 플라즈마 브릿지 중화기(PBN)
를 포함하고,
상기 PBN은,
챔버 전원에 작동 가능하게 연결된 플라즈마 생성 챔버 - 상기 챔버는 상기 PBN 챔버로부터 상기 전자를 추출하기 위한 중심 챔버 디스차지 오리피스를 갖는 바닥 구조 및 벽 구조에 의해 정의된 내부 용적을 가짐 -;
상기 내부 용적에 작동 가능하게 연결된 불활성 가스 소스;
상기 내부 용적 내에 있고, 필라멘트 전원에 작동 가능하게 연결된 열-방출 캐소드 필라멘트;
상기 PBN의 축에 평행하고 선택적으로 상기 필라멘트에 평행한 상기 챔버 내에 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및
상기 챔버를 둘러싸고, 상기 챔버 디스차지 오리피스와 정렬된 개구를 갖는 자기 집중기 - 상기 자기 집중기는 상기 자기장이 상기 PBN을 빠져나가는 것을 금지함 -
를 포함하는 브로드 이온 빔 시스템.
제1항에 있어서,
상기 자기장 생성기는 솔레노이드 전자석인
브로드 이온 빔 시스템.
제2항에 있어서,
상기 솔레노이드 전자석은 적어도 30회 회전하는 PBN
인 것을 특징으로 하는 브로드 이온 빔 시스템.
제1항에 있어서,
상기 자기 집중기는 상기 바닥 구조 및 상기 벽 구조 외부에 있는 PBN
인 것을 특징으로 하는 브로드 이온 빔 시스템.
제1항에 있어서,
상기 자기 집중기는 상기 벽 구조 주위에서 연속적인 PBN
인 것을 특징으로 하는 브로드 이온 빔 시스템.
이온 빔 에칭 시스템에 저에너지 전자를 제공하는 방법에 있어서,
프로세스 챔버에서 300eV 보다 크지 않은 전압을 갖는 저에너지 이온 빔을 생성하는 단계 - 상기 이온 빔은 적어도 100mm의 직경 및 전류를 가짐 -;
필라멘트를 갖는 플라즈마 브릿지 중화기(PBN)로부터 저에너지 전자를 추출하는 단계 - 상기 저에너지 전자는 상기 이온 빔 전류보다 크고 3eV보다 작은 전압을 가짐 -;
상기 필라멘트와 축 방향으로 정렬된 상기 PBN 내에 자기장을 생성하는 단계; 및
상기 PBN 주위에 자기 집중기를 구비한 상기 PBN 내에 상기 자기장을 유지시켜, 상기 집중기의 외부의 상기 프로세스 챔버에서의 자기장이 2가우스 보다 작도록 하는 단계
를 포함하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 이온 빔을 생성하는 단계는,
그리드된 이온 소스로부터 상기 이온 빔을 생성하는 단계
를 포함하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 그리드된 이온 소스로부터 상기 이온 빔을 생성하는 단계는,
50mA보다 작지 않은 전류로 그리드에 300V보다 크지 않은 전압을 인가함으로써 상기 이온 빔을 생성하는 단계
를 포함하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 자기장과 정렬된 챔버 오리피스를 통해 상기 PBN으로부터 저에너지 전자를 방출하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 저에너지 전자는 적어도 100mm의 직경을 갖는 빔으로서 방출되는
방법.