KR20210025699A - 중성 원자 빔을 이용한 워크피스 처리를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

중성 원자 빔을 이용한 워크피스 처리를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마 처리 시스템 및 방법이 제공된다. 일례에서, 시스템은 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버를 포함한다. 워크피스는 워크피스를 지지하도록 구성된다. 시스템은 하나 이상의 음이온 종을 생성하기 위하여 플라즈마 챔버 내에서 공정 가스로부터 플라즈마를 유도하도록 구성된 플라즈마 소스를 포함한다. 시스템은, 워크피스를 향하여 하나 이상의 음이온을 가속하도록 구성된 그리드 구조체를 포함한다. 그리드 구조체는 제1 그리드 플레이트, 제2 그리드 플레이트 및 제1 그리드 플레이트를 통하여 가속되는 전자를 감소시키기 위하여 제1 그리드 플레이트와 제2 그리드 플레이트 사이에 위치 설정된 하나 이상의 자기 요소를 포함할 수 있다. 시스템은, 그리드 구조체의 하류에 배치되고, 워크피스를 처리하기 위한 하나 이상의 고에너지 중성 종(energetic neutral species)을 생성하기 위하여 하나 이상의 음이온 종의 이온으로부터 여분의 전자를 분리하도록 구성된 중성화기 셀(neutralizer cell)을 포함한다.

Description

중성 원자 빔을 이용한 워크피스 처리를 위한 시스템 및 방법
본 개시 내용은 플라즈마 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마 처리는 워크피스(들)(예를 들어, 반도체 웨이퍼)의 증착(deposition), 에칭, 레지스트 제거 및 관련 처리를 위하여 반도체 산업에서 널리 사용된다. 플라즈마 소스(예를 들어, 마이크로웨이브, ECR, 전기 유도(inductive) 등)가 워크피스(들)를 처리하기 위하여 고밀도 플라즈마 및 반응성 종(reactive species)을 생성하도록 플라즈마 처리를 위하여 사용될 수 있다.
플라즈마를 이용한 한 종류의 공정은 원자층 에칭이다. 원자층 에칭은 반도체 소자 제조를 위하여 매우 미세한 정밀도로 임계 에칭(critical etching)을 수행하기 위한 기술이다. 원자층 에칭은 지나친 표면 아래의 손상 또는 바람직하지 않은 수정을 방지하려고 시도하면서 얇은 층 상에 수행될 수 있다. 원자층 에칭은 다른 임계층 위에 놓이는 매우 얇은 층을 에칭하기 위하여 수행될 수 있다. 또한, 원자층 에칭은 아래에 놓이는 구조를 손상시키지 않으면서 이전에 에칭된 소량의 잔류층을 제거하기 위하여 에칭 공정의 마지막에 사용될 수 있다. 에칭 공정 동안, 주요 목표는 이방성으로, 그리고 에칭되는 피처의 하부에서의 차지업(charge-up)에 의해 통상적으로 발생되는 효과인 반응성 이온 에칭(reactive ion etching(RIE)) 지연(lag) 없이 깊은 피처(deep feature)(예를 들어, 컨택 홀(contact hole), 깊은 비아(deep via), 깊은 트렌치(deep trench) 또는 다른 고도의 3차원 피처 등)을 에칭하는 것일 수 있다.
본 개시 내용의 실시예의 양태와 이점은 이어지는 설명에서 부분적으로 설명되거나, 설명으로부터 학습될 수 있거나, 또는 실시예의 실시를 통해 학습될 수 있다.
본 개시 내용의 하나의 예시적인 양태는 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다. 시스템은 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버를 포함한다. 워크피스는 워크피스를 지지하도록 구성된다. 시스템은 하나 이상의 음이온 종을 생성하기 위하여 플라즈마 챔버 내에서 공정 가스로부터 플라즈마를 유도하도록 구성된 플라즈마 소스를 포함한다. 시스템은, 워크피스를 향하여 하나 이상의 음이온을 가속하도록 구성된 그리드 구조체를 포함한다. 그리드 구조체는, 제1 그리드 플레이트, 제2 그리드 플레이트 및 제1 그리드 플레이트를 통하여 가속되는 전자를 감소시키기 위하여 제1 그리드 플레이트와 제2 그리드 플레이트 사이에 위치 설정된 하나 이상의 자기 요소를 포함할 수 있다. 시스템은, 그리드 구조체의 하류에 배치되고, 워크피스를 처리하기 위한 하나 이상의 고에너지 중성 종(energetic neutral species)을 생성하기 위하여 하나 이상의 음이온 종의 이온으로부터 여분의 전자를 분리하도록 구성된 중성화기 셀(neutralizer cell)을 포함한다.
본 개시 내용의 다른 예시적인 양태는, 예를 들어 반도체 웨이퍼인 반도체 기판과 같은 워크피스를 처리하기 위한 시스템, 방법 및 장치에 관한 것이다.
다양한 실시예의 이러한 특징, 양태 및 이점과 다른 특징, 양태 및 이점은 이어지는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 첨부된 특허청구범위를 참조하여 더 양호하게 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 개시 내용의 실시예를 예시하고, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께, 관련된 원리를 설명하는 역할을 한다.
당해 기술 분야에서 통상의 기술자를 위한 실시예에 대한 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명되고, 도면에서:
도 1은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 플라즈마 챔버를 도시하고;
도 2는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 그리드 구조체를 도시하고;
도 3은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 중성화기 셀을 도시하고;
도 4는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 처리 챔버를 도시하고;
도 5는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서 워크피스를 처리하기 위한 프로세스의 순서도를 도시하고;
도 6은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 중성화기 셀을 도시하고; 그리고,
도 7은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 중성화기 셀을 도시한다.
이제, 하나 이상의 예가 도면에 도시된 실시예가 상세하게 참조될 것이다. 각각의 예는 본 개시 내용에 대한 한정이 아니라 실시예에 대한 설명으로서 제공된다. 사실, 다양한 수정 및 변경이 본 개시 내용의 범위 또는 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 당해 기술 분야에서의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예의 일부로서 예시되거나 설명된 특징은 추가의 실시예를 산출하기 위하여 다른 실시예와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 양태는 이러한 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다.
본 개시 내용의 예시적인 양태는 반도체 워크피스, 광전자(opto-electronic) 워크피스, 평판 디스플레이 또는 다른 적합한 워크피스와 같은 워크피스 상에서 이방성으로 깊은 피처 에칭하거나 원자층 에칭하는 것을 포함하는 표면 처리 및 에칭을 위한 플라즈마 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 시스템 및 방법은 반응성 이온 에칭(RIE) 지연(lag) 없이 깊은 피처의 에칭을 제공할 수 있다. 워크피스 재료는, 예를 들어, 실리콘, 실리콘 게르마늄, 유리, 플라스틱 또는 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스는 반도체 웨이퍼일 수 있다.
에칭 시스템은 깊은 이방성 피처(deep anisotropic feature)를 패터닝하기 위하여 고에너지 이온 충격(energetic ion bombardment)을 사용할 수 있다. 일부 에칭 시스템은 이방성을 제공하기 위하여 이온 에너지를 증가시킬 수 있으며, 차지업(charge-up)을 회피하기 위하여 웨이퍼 전도도(conductivity)에 의존한다. 다른 이러한 시스템은, 이온의 굴절을 방지하는 깊은 피처의 양으로 대전된 하부의 저에너지 전자 중성화가 있을 수 있도록 펄스형 플라즈마(대략 1 킬로헤르츠(kHz))보다 더 큰 주파수를 갖는 펄스형 플라즈마)를 사용할 수 있다. 소스 전력이 꺼질 때 전자가, 예를 들어, 할로겐 원자에 빠르게 부착되어 음이온을 형성하기 때문에, 일부 펄스형 플라즈마 에칭 시스템은 양이온과 교대로 음이온을 사용할 수 있다.
에칭을 위하여 적절한 에너지로 가속되는 음이온을 사용하는 몇 가지 유형의 중성 원자 빔 에칭 시스템이 있다. 이러한 중성 원자 빔 에칭 시스템은 기체 분자와의 충돌에 의해 또는 신장된 추출 홀의 측부와의 충돌에 의해 고에너지 중성 원자를 형성하기 위하여 각각의 음이온의 여분의 전자를 제거할 수 있다. 양 접근 방식에 있어서, 결과적인 중성 원자는 음이온 충돌에서의 각도 산란으로 인하여 증가된 발산 각도를 가진다.
에칭 시스템에서, 고바이어스 RIE 시스템은 종종 워크피스(들) 상에서의 민감한 구조에 전기적 손상을 야기할 수 있고, 워크피스(들)의 피처의 에지에 면깍기(faceting)를 야기할 수 있는 이온 손상을 발생시킨다. 교대하는 양이온 및 음이온 충돌을 이용하는 에칭 반응기는 워크피스(들)에 대한 양이온 및 음이온 플럭스의 발산 및 전류 밀도가 상이하여 워크피스(들)에서의 높은 종횡비 피처를 계속 순 대전(net charging)이 계속해서 발생한다는 사실로 어려움을 겪을 수 있다. 일부 중성 원자 빔 에칭 시스템은 작은 입사각으로 어퍼처(aperture)의 표면에 충돌하는 이온과 중성 종(neutrals)은 상당한 각도 범위에서 추출 어퍼처 표면에서 나오기 때문에 상당한 빔 발산을 가질 수 있다. 이 발산 문제는 깊은 피처에 대한 에칭 레이트와 측벽 프로파일의 제어를 제한할 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 양태들에 따르면, 플라즈마 처리 시스템 및 에칭 방법은 전술한 발산 문제를 극복할 수 있다.
예를 들어, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 음이온 추출동안 전자 가속을 억제하는 가속 그리드 구조체를 이용하여 H-, Cl- 또는 F- 이온에 대한 높은 추출 이온 전류 밀도를 갖는 이온 소스를 포함할 수 있다. 본 개시 내용의 일부 예시적인 실시예는 가속 후에 음이온으로부터 매우 효율적인 전자 스트리핑(electron stripping)(중성화(neutralization)라고도 함)을 제공할 수 있어, 운동량 전달(momentum transfer) 충돌을 방지하거나, 감소시키거나, 최소화하여, 이에 의해 고에너지 중성 종의 매우 낮은 빔 발산을 유지한다. 이것은 예를 들어 매우 깊은 피처가 거의 일정하고 제어 가능한 레이트로 거의 수직인 측벽으로 이방성으로 에칭되도록 우수한 제어를 에칭 프로세스에 제공할 수 있어, "RIE 지연"을 방지하거나 감소시킨다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 워크피스의 모든 표면이 적절하게 노출되어 준비될 수 있도록 소정의 각도 범위로 입사하는 중성 종을 이용하여 워크피스 표면 상의 3차원 구조의 표면 처리를 제공할 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 양태는 다수의 기술적 효과 및 이점을 가진다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는, 예를 들어, 대략 3 나노미터 내지 대략 7 nm 미만의 기술에 있어서의 소자를 패터닝하기 위하여 적용될 수 있어, 허용 가능한 측벽 프로파일 제어, 감소된 스퍼터링 및 마스크 침식으로 이방성 에칭을 수행한다. 본 개시 내용의 예시적인 실시예의 적용예는 깊은 수직 피처(예를 들어, 홀 및 트렌치 모두)의 에칭을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않으며, 짧은 공정 시간 내에 원하는 깊이를 성취하기 위하여 수직 측벽을 유지하고 일정한 에칭 속도를 유지한다. 본 개시 내용의 일부 예시적인 실시예는 Tri-Gates 또는 우수한 공정 특성을 갖는 다른 구조체와 같은 3차원 표면 구조를 갖는 워크피스의 표면 처리를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 예시적인 실시예는 논리 소자 및 메모리 소자 모두의 진보된 미세 가공(microfabrication) 공정을 위한 진보된 반응성 이온 에칭 시스템을 제공할 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 양태에 따르면, 플라즈마 처리 시스템은 하나 이상의 음이온 종을 생성하기 위해 플라즈마 챔버 내에서 공정 가스로부터 플라즈마를 유도하도록 구성된 플라즈마 소스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 챔버는 제1 측에서 제1 진공 벽과 경계를 이루고, 제2 측(예를 들어, 제2의 반대편 측)에서 진공 벽이 아닌 이온 추출 구조체와 경계를 이룰 수 있다. 플라즈마 챔버는 제1 부피 및 제2 부피와 같은 적어도 2개의 연속 부피를 포함하는 진공 챔버일 수 있다. 각각의 부피 내에서 플라즈마가 유지될 수 있다. 결합된 플라즈마 부피는 이 플라즈마 챔버 내에 포함될 수 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 챔버의 제1 부피는 제1 측에서 제1 진공 벽에 인접하고 이와 경계를 이룰 수 있고, 제2 측에서 제2 부피와 인접하고 이와 경계를 이룰 수 있다. 전자기 에너지는 적어도 하나의 안테나에 의해 주로 제1 부피 내의 플라즈마로 전송될 수 있다. 가스는 플라즈마 챔버의 내부에 제공될 수 있다. 무선 주파수(radio frequency(RF)) 생성기에 의해 제1 부피에 인접하거나 그 내에 있는 안테나(예를 들어, 플라즈마 소스)로 제공되는 전력은 이온화가 일어나게 하고 플라즈마가 이 제1 부피 내에 유지되게 할 수 있다. 제1 부피는 내부에 감소된 이온화 속도 (예를 들어, 제1 부피 내의 속도의 대략 10% 미만, 예를 들어, 대략 1% 미만)가 발생하는 제2 플라즈마를 수용하는 제2 부피에 의해 플라즈마 챔버의 제2 측으로부터 분리될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 챔버의 제2 측은 이온 추출을 위한 복수의 어퍼처(aperture)를 갖는 진공 벽이 아닌 전기 전도성 벽을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 영구 자석 세트가 플라즈마 챔버 외부에 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 영구 자석 세트는 제1 부피가 내부에 있는 플라즈마의 외벽들 중 적어도 하나에 인접할 수 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마를 수용하는 제2 부피는 제1 부피에 인접할 수 있다. 음이온의 밀도는 제2 부피 내에서 상당히 더 높을 수 있는 반면, 양이온 형성은 주로 제1 부피에서 발생할 수 있다. 플라즈마를 수용하는 이러한 제2 부피는 플라즈마 챔버의 제2 측에 인접하게 위치될 수 있다. 음이온은 진동 여기 상태(vibrationally excited state)에 있을 수 있는 가스 분자와의 저에너지 전자의 충돌과 제1 부피보다 더 낮은 고에너지 전자의 밀도로 인하여 이 제2 부피에서 더 밀도가 높을 수 있다. 이러한 분자는 제1 부피 내의 고에너지 전자 충돌에 의해 진동 여기 상태로 되었을 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 영구 자석 세트(자기 필터(magnetic filter))라고도 함)가 제1 부피와 제2 부피 내에 개재될 수 있어, 이에 의해 이온화 플라즈마를 더 높은 음이온 밀도 플라즈마로부터 분리한다. 일부 실시예에서, 자기 필터는 복수의 금속 튜브의 각각에 둘러싸인 다수의 자석을 포함할 수 있다. 각각의 튜브 내에서 자석은 튜브의 길이를 따르는 방향에 대체로 수직인(예를 들어, 대략 15도 이하 내로 수직인) N/S 극과 정렬된다. 일부 실시예에서, 자석은 대략 2 cm 미만, 예를 들어, 대략 1.5 cm 미만의 직경을 갖는 튜브 내에 피팅되도록 제1 세트 내의 자석보다 더 작을 수 있다. 자석을 보유하는 튜브는 서로 평행하게(예를 들어, 대략 5도 이하로 평행하게) 정렬되어 제1 측으로부터 제2 측으로의 방향에 수직인(예를 들어, 대략 5도 이하로 수직인) 방향으로 플라즈마 챔버를 횡단할 수 있다. 자석을 수용하는 인접하는 튜브들은 대략 2 센티미터(cm) 및 대략 10 cm 사이, 예를 들어, 대략 4 cm 및 대략 7 cm 사이에 있을 수 있는 간격(gap)만큼 분리될 수 있다. 따라서, 플라즈마를 수용하는 제2 부피는 영구 자석을 수용하는 튜브 어레이와 제2 측 사이에 위치될 수 있다. 이 제2 영구 자석 세트는 제1 부피 내의 플라즈마 소스에 의해 생성된 고에너지 전자에 대한 배리어(barrier)로서 기능할 수 있다. 이 자기 배리어는 고에너지 전자를 제1 부피 내에 실질적으로 가둘 수 있다.
이 자기 배리어는 제2 부피에서의 음이온 형성 영역 내의 음이온을 제1 부피 내의 이온화 영역으로부터 나와서 충돌 분리(collisional detachment)에 의해 음이온을 파괴하는 고에너지 전자로부터 보호할 수 있다. 튜브 어레이에 자석을 제공하는 것은 제2 부피의 음이온 형성 영역 내의 평균 전자 에너지 또는 전자 온도를 제1 부피의 이온화 영역 내의 평균 전자 에너지 또는 전자 온도보다 훨씬 낮게 할 수 있다. 제1 영역 내의 평균 전자 에너지가 대략 3 eV와 대략 10 eV 사이에 있을 때에도, 이 평균 에너지는 대략 1 eV와 같이 대략 2 eV보다 낮아야 한다.
일부 실시예에서, 공정 가스는 제1 부피 내의 플라즈마 또는 제2 부피 내의 플라즈마로 또는 이 모두로 주입될 수 있다. 이러한 공정 가스는 수소, 염소 또는 불소나, 플루오르화 수소(HF), 삼플루오르화질소(NF3), 염화수소(HCl), 삼플루오르화염소(ClF3) 등과 같은 이들의 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 비활성 가스는 이의 여기 상태가 탈여기되고(de-excite) 일부 음이온을 파괴할 수 있기 때문에 진공 챔버의 어느 부분에도 공급되지 않는다.
일부 실시예에서, 플라즈마 소스는 정전기적으로 차폐된 유도 결합 플라즈마 소스(electrostatically shielded inductively coupled plasma source(ESICP))일 수 있다. 이 플라즈마 소스에서, 제1 부피에 인접한 플라즈마 챔버의 적어도 하나의 벽은 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 유도 안테나는 제1 부피에 인접한 적어도 하나의 벽에 근접하게 위치 설정될 수 있다.
일부 실시예에서, 안테나는 플라즈마 소스 부피 내의 이온화에 의해 플라즈마를 유지하기 위하여 RF 파워 소스에 연결될 수 있다. 전기적으로 접지된 슬롯형(slotted) 패러데이 실드가 안테나와 플라즈마 챔버의 적어도 하나의 유전체 벽(예를 들어, 일부 실시예에서 제1 벽일 수 있다) 사이에 위치 설정될 수 있다. 플라즈마 소스의 제1 부피는 제2 측을 향하는 방향으로 제1 부피로부터의 고에너지 전자에 대한 자기 배리어를 제공하는 제2 영구 자석 세트와 경계를 이룰 수 있다.
일부 실시예에서, 이온화를 위한 RF 전력을 플라즈마로 전달하는 안테나는 유전체 인클로저(enclosure)에 의해 덮일 수 있는 소스의 부피 내에 하나 이상의 루프로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 정전기 실드 또는 패러데이 실드가 안테나와 유전체 인클로저 사이에 개재될 수 있다. 이 실드는 전기적으로 접지될 수 있고, 금속 또는 실리콘이나 탄소와 같은 전기 전도성 재료 또는 다른 적합한 재료의 플레이트 또는 층으로 구성될 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 양태에 따르면, 플라즈마 처리 시스템은 제1 부피가 아닌 제2 부피에 인접한 플라즈마 챔버의 제2 측의 일부 또는 전부로서 워크피스를 향하여 하나 이상의 음이온을 가속하도록 구성된 그리드 구조체를 포함할 수 있다. 이 그리드 구조체는 제1 그리드 플레이트, 제2 그리드 플레이트 및 제1 그리드 플레이트를 통해 가속되는 전자를 감소시키기 위하여 제1 그리드 플레이트에 인접하게 위치 설정된 하나 이상의 자기 요소를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 부피에서 생성된 이온은 음이온을 가속하는 목적을 위하여 플라즈마 챔버의 제2 측에 위치 설정된 그리드 구조체로 확산하거나 흐를 수 있다. 그리드 구조체는 DC 전원에 연결되고 제2 부피로부터의 음이온의 가속을 발생시키도록 구성된 복수의 그리드 플레이트를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 그리드 플레이트(또는 전도성 벽)는 플라즈마 챔버의 제2 측에서 플라즈마 경계를 형성할 수 있다. 제1 그리드 플레이트 또는 전도성 벽은 진공 벽이 아니고, 제2 부피 내에서 플라즈마로부터 추출된 이온이 통과하면서 가속되는 둥근 홀 또는 신장된(elongated) 홀 또는 긴 슬롯(길이가 폭의 적어도 2배보다 더 길다)인 복수의 어퍼처를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 그리드 플레이트는 플라즈마 챔버의 전도 부분(conducting part)(예를 들어, 금속)에 전기적으로 연결될 수 있고, 플라즈마 챔버의 전도 부분과 동일한 전위로 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 전위는 접지 기준 전위와 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 챔버 상의 전위는 접지에 대하여 음일 수 있어, 대략 -1 kV와 대략 -20 V 사이의 전위를 갖는다.
일부 실시예에서, 제2 그리드 플레이트는 가속 구조를 포함할 수 있다. 제2 그리드 플레이트는 제1 그리드 플레이트와 대략 동일한 크기를 가질 수 있다. 제2 그리드 플레이트는 제1 그리드 플레이트에 근접하게 위치 설정될 수 있고, 제2 그리드 플레이트의 두께 미만인(예를 들어, 대략 2 센티미터 미만인) 거리를 두고 제2 부피로부터 멀어지는 방향으로 제1 그리드 플레이트로부터 이격될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 그리드 플레이트는 제1 그리드 플레이트에 대하여 양의 전위에 결합될 수 있다. 제1 그리드 플레이트는 접지에 대하여 양 또는 음일 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 그리드는 하류의 플라즈마로부터의 양이온이 소스 내로 다시 가속되는 것을 방지하기 위하여 접지에 대하여 약간 양일 수 있다. 제2 그리드 플레이트 상의 양의 전위는 음이온을 추출하고 가속하는 제1 및 제2 그리드 플레이트 사이에 전기장을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 직류 전원이 제1 그리드 플레이트 또는 플라즈마 챔버의 전도 부분에 연결될 수 있다. 별개의 직류 전원이 제2 그리드 플레이트에 연결될 수 있다. 직류 전원은 제1 그리드 플레이트에 비하여 양이고 접지 기준 전위에 대해 상대적으로 음인 전압을 제2 그리드 플레이트에 유지할 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 그리드 플레이트는 제1 그리드 플레이트의 제1 복수의 어퍼처를 통과하는 하나 이상의 음이온이 제2 복수의 어퍼처의 대응하는 어퍼처를 통과하도록 제1 그리드 플레이트의 제1 복수의 어퍼처와 정렬된 복수의 어퍼처를 포함할 수 있다. 복수의 어퍼처는 추출 슬롯 또는 추출 홀일 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 그리드 플레이트의 복수의 어퍼처는 제1 그리드 플레이트의 복수의 어퍼처와 동일한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 그리드 플레이트의 복수의 어퍼처는 제1 그리드 플레이트에 수직인(예를 들어, 대략 15도 이하로 수직인) 방향으로 제1 그리드 플레이트의 대응하는 어퍼처와 정렬될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소는 제2 부피 내의 플라즈마로부터의 전자가 제1 그리드 플레이트 내의 어퍼처를 통해 가속되는 것을 방지하도록 제1 그리드 플레이트(또는 제2 그리드 플레이트)에 인접하게 위치 설정된 영구 자석일 수 있다.
일부 실시예에서, 자기 요소는 자신의 자화 방향에 수직(예를 들어, 대략 5도 이하 내로 수직)인 방향을 따라 신장된 형상을 가지고, 길이 치수가 이온 추출 및/또는 이온 가속 방향에 수직(대략 5도 이하로 수직)이 되도록 장착될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소의 길이는 제1 그리드 플레이트의 복수의 어퍼처의 길이보다 더 길다. 예를 들어, 자신의 긴 방향을 따르는 자기 요소의 길이는 어퍼처(예를 들어, 슬롯, 홀)의 길이보다 더 길거나, 제1 그리드 플레이트 및/또는 제2 그리드 플레이트 내의 인접한 어퍼처의 중심간 간격보다 더 길 수 있다. 자기 요소는 자기장이 정렬되도록 단부끼리 이어져(end-to-end) 위치 설정된다면 더 짧아질 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소의 하나 이상의 자극면(pole face)에서의 자기장 세기는 대략 1 킬로가우스 이하의 정도이다. 자기 요소는 자유 공간의 투과율(μ0)의 대략 10,000배 이하인 적당한 자기 투과율(μ)을 갖는 강자성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 자기 요소의 재료는 페라이트(ferrite), 세라믹 자석, 철 기반 재료 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 자석은, 제1 그리드 플레이트 또는 제2 그리드 플레이트 상에 또는 그 근처에 또는 두 플레이트 사이에 장착된 바와 같이, 자석의 중심 대칭 평면에서의 자석의 자기장의 방향이 어퍼처의 중심에서의 이온 추출 방향에 수직(예를 들어, 대략 5도 이하로 수직)이고 제1 또는 제2 그리드 플레이트의 평면에 평행(예를 들어, 대략 5도 이하로 평행)할 수 있도록 정렬될 수 있다. 따라서, 자기장은 음이온 형성 플라즈마로부터 추출된 전자가 궤도 운동에서 실질적으로 지연되고 그리드 구조체를 통해 음이온과 함께 가속되지 않도록 할 수 있다.
일부 실시 예에서, 자석은 대략 100 가우스를 초과하는 자기장이 음이온 형성 플라즈마의 부피 내로 대략 20 mm보다 더 확장하지 않도록 장착될 수 있다. 자석은 홀을 가지지 않은 그리드 영역 뒤에서 이온 충돌로부터 보호될 수 있다. 일부 실시예에서, 자석은 플라즈마 열이 제1 그리드 플레이트로 흐르거나 이온/중성 종이 제2 그리드 플레이트를 가열할 때 자석이 가열되지 않도록 그리드 또는 다른 냉각된 구조에 장착될 수 있다. 이에 의해, 자석은 자화가 영향을 받는 온도에 도달하지 않도록 보호될 수 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 처리 시스템은 제1 및 제2 부피로부터 멀어지는 방향으로 제2 그리드 플레이트를 넘어 위치 설정될 수 있는 제3 그리드 플레이트를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 그리드 플레이트는 DC 전원에 의해 접지 전위에 또는 그에 매우 근접하게 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 그리드 플레이트는 제2 그리드 플레이트를 통과하여 나오는 이온이 제3 그리드 플레이트 및 후속 그리드 플레이트(사용되는 경우) 내의 어퍼처를 통과할 수 있도록 제2 그리드 플레이트에서의 어퍼처와 대략 동일한 위치에 대략 동일한 형상을 갖는 어퍼처(예를 들어, 홀 또는 슬롯)를 포함할 수 있다. 제3 그리드 플레이트 및 후속 그리드 플레이트의 목적은 입자가 마지막 그리드 너머의 부피로부터 마지막 그리드 내의 어퍼처를 통해 선행하는 그리드(들) 그리고 가능하게는 제1 그리드 플레이트 내의 어프처를 통해 플라즈마 영역 내로 가속되는 것을 억제하는 것일 수 있다. 일부 실시예에서 제3 그리드는 접지에 대하여 약간 음인 전위로 유지된다. 이것은 중성화기 영역으로부터의 전자의 역방향 가속을 줄이는데 도움을 준다. 일부 실시예에서, 영구 자석은 제2 그리드와 제3 그리드 사이에 위치 설정될 수 있고, 제1 및 제2 그리드 플레이트 내의 어퍼처에서 이러한 영구 자석이 제1 그리드 플레이트 및 제2 그리드 플레이트의 표면 대부분에 대하여 대략 평행하도록(10도 이내) 정렬될 수 있다. 이것은 그리드 어퍼처를 통한 제2 부피로부터의 전자의 추출 및 가속을 억제하는 역할을 한다. 일부 실시예에서, 제2 그리드는 제3 그리드에 대하여 전위에 있어서 약간 양이므로 중성화기 부피 내의 이온도 플라즈마 소스로 역방향으로 가속되지 않는다. 이러한 방식으로, 자기장 또는 그리드 플레이트 전위의 설정 또는 둘 모두에 의해, 중성화기 영역으로부터 입자의 역가속(back acceleration)이 감소될 수 있다. 일부 실시예에서, 전술한 자석은 또한 중성화기 셀과 같은 하류 영역으로부터 그리드 구조체 또는 플라즈마 소스로 "역방향" 전자 가속을 억제하는 효과를 가질 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 양태에 따르면, 플라즈마 처리 시스템은 워크피스를 처리하기 위하여 하나 이상의 종류의 중성 종을 생성하기 위하여 하나 이상의 종류의 음이온을 중성화하도록 구성된 그리드 구조체의 하류에 배치된 중성화기 셀을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 챔버는 제3 그리드로부터 나오는 이온의 방향이 처리되고 있는 워크피스 상의 수직선에 평행한 대략 1도 내에 있을 수 있도록 중성화기 셀에 대해 상대적으로 회전 가능할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 이러한 회전 능력은 하나 이상의 중성 종이 처리되는 워크피스에 구성된 수직선에 대하여 하나 이상의 입사각으로 워크피스를 처리할 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 중성화기 셀은 대략 10 센티미터 내지 대략 100 센티미터의 범위 내의 깊이(예를 들어, 중성화기 셀을 통한 빔의 이동 방향을 따르는 치수), 또는 일부 실시예에서, 대략 20 센티미터 내지 대략 50 센티미터 사이의 깊이를 가질 수 있다. 음이온이 그리드 구조체로부터 나온 후에, 이온은 중성화기 셀을 통과한다. 중성화기 셀은 일부 실시예에서 음이온 상의 여분의 전자가 그 이온으로부터 분리되게 할 수 있는 방사선 소스로부터의 강한 전자기 방사선을 포함한다. 일부 실시예에서, 방사선 소스는 방사선 소스의 스펙트럼 대역에서 매우 높은 반사도(예를 들어, 대략 95%보다 더 높다)를 갖는 미러와 함께 하나 이상의 레이저를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방사기 소스는 그리드 구조체에서 가속되고 이 영역을 통과하고 있는 특정 유형의 음이온으로부터 전자를 광 분리(photo-detach)하기에 적합한 파장의 레이저일 수 있다. 이러한 방사선은 방사선이 중성화기 셀의 부피를 반복하여 통과하여, 중성화기 영역의 경계를 짓는 미러로부터 많은 횟수로 반사되고, 중성화기 셀 내에서 효과적으로 갇히기 때문에 효율적인 중성화를 제공할 수 있다. 이것은 전자를 분리하는데 사용되는 확률을 몇 배 크게 각각의 광자에게 제공한다.
일부 실시예에서, 중성화기 셀은 플라즈마를 수용할 수 있고, 가스 압력은 대략 3 파스칼(~ 23 밀리토르) 이하이고, 일부 실시예에서 대략 1 파스칼(~ 7.6 밀리토르) 미만이다. 상기 플라즈마는 일부 실시예에서 대략 3 eV보다 더 큰 전자 온도와 1011 전자/cm3보다 더 큰 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 중성화기 셀은 제3 또는 마지막 그리드 플레이트에 근접하게 위치 설정될 수 있어, 그리드 구조체를 빠져나온 음이온이 중성화기 셀 내의 내부 부피를 통과한다. 중성화기 셀은 임의의 어퍼처로부터의 이온 또는 고속 중성 원자가 미러를 타격하지 않도록 최종 그리드 플레이트 내의 어퍼처로부터 나오는 음이온 빔렛(beamlet)으로부터 분리된 중성화기 셀의 측에 위치 설정된 미러를 포함할 수 있다. 따라서, 최종 그리드 플레이트로부터 나오는 음이온은 원하는 파장 대역 내에 자신의 에너지 농도를 갖는 강한 방사선이 횡단하는 영역을 통과한다. 이러한 대역은 광자의 에너지가 빔 내의 음이온의 종들 중 하나의 종의 과잉 전자를 분리하기에 충분한 임의의 파장을 포함할 수 있다. 미러는 고반사성 표면이 음이온을 마주보도록 위치 설정될 수 있고, 대략 99%보다 더 큰 것과 같이 높은 효율로 갖는 원하는 방사선 파장을 반사하는 재료로 이루어진다. 순수한 광 분리 중성화의 경우에, 중성화기 셀 내에 대해 상대적으로 낮은 밀도의 플라즈마가 있을 수 있다 - 통상적으로, 음이온 빔의 공간 전하(space-charge)가 플라즈마 내의 양이온에 의해 완전이 보상되어야 하도록 이 플라즈마 내에 충분한 밀도의 양이온이 있어야 한다. 이러한 양이온 밀도는 일부 실시예에서, 특히 Cl- 또는 F-와 같은 음이온이 제3 그리드 내의 어퍼처로부터 나오는 음이온 중에 있을 때, 크기가 107 이온/cm3 이상의 정도가 될 수 있다. 빔 내의 음이온이 플라즈마 내의 양이온의 전하를 보상하기 위하여 그 부피 내에 음 전하의 일부를 제공하기 때문에, 이러한 중성화 플라즈마는 양이온의 전자 밀도보다 더 낮은 전자 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 중성화기 셀은 전자를 분리하기에 충분한 에너지를 갖는 광자가 음이온이 중성화기 셀을 횡단할 때 거의 모든 음 전하를 타격하도록 원하는 파장 대역 내의 높은 세기의 방사선을 가지도록 동작할 수 있다. 대략 1000 나노미터 미만인 광의 파장은 H- 이온으로부터 전자를 분리하기에 충분히 효과적일 수 있으며, 대략 250 나노미터 미만의 파장은 F- 및 Cl- 이온으로부터 전자를 분리하기에 충분할 수 있다. 이와 같이. 잉여 전자가 대다수의 음이온으로부터 분리될 수 있어, 중성화기 셀에 진입한 음이온의 상당한 부분이 중성화기 셀에 진입한 음 이온과 거의 동일한 운동 에너지를 갖는 중성 원자로서 나타날 수 있고, 잉여 전자가 음이온으로부터 분리되면, 중성 원자는 편향되거나 산란될 수 없다. 또한, 전자의 질량이 이온의 질량보다 훨씬 더 작기 때문에, 분리 프로세스에서 음이온의 최소 산란이 있다. 이러한 방식으로, 광 중성화로부터의 고속 중성 원자(예를 들어, H, F 또는 Cl)의 빔은 효과적으로 단일 에너지로(mono-energetic) 될 수 있고 거의 단방향이 될 수 있어, 포함된 중성 종의 극소수가 빔의 평균 방향으로부터 벗어나는 운동 방향을 갖는다. 거의 단일 에너지의 중성 원자의 고도로 지향성이고 및 균일한 플럭스가 워크피스를 조사하고(irradiate), 워크피스 표면에서 공정을 수행하기 위하여 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 빔은 워크피스 표면의 노출된 영역이 워크피스 표면으로부터 제거된 적어도 하나의 원자 단일 재료층(atomic monolayer of material)을 가질 수 있도록 워크피스를 에칭하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 방사선 소스는 상기 파장 범위 모두에서 전자기(EM) 방사선을 생성하는데 효율적인 고체 상태(solid-state) 레이저일 수 있다. 이러한 레이저는, 이온이 광자가 빔 내에서 이온 집단을 완전히 중성화하도록 중성화기 영역에서 적절한 시간을 소비하기 때문에, 모든 상기 유형의 이온에 대해 1 keV 미만의 에너지를 이용하여 음이온으로부터 높은 전자 분리 가능성을 제공하기 위한 적절한 세기를 효율적으로 생성할 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 양태에 따르면, 플라즈마 처리 시스템은 워크피스 지지부(support)를 갖는 처리 챔버를 포함할 수 있다. 워크피스 지지부는 워크피스를 지지하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스 지지부는 워크피스가 자신의 유치를 유지하도록 물리적 지지부를 제공할 수 있고, 고에너지 중성 원자가 중성화기 셀로부터 나온 후에 고에너지 중성 원자의 충돌 빔에 대한 표면 배향의 일부 변형을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 처리 챔버는 원하는 빔 입사각이 전체 워크피스에 걸쳐 성취될 수 있도록 워크피스 지지부를 기울이고 회전시킬 수 있는 짐벌(gimbal) 또는 베어링을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 처리 챔버는 대략 300 밀리미터(mm)보다 더 크고, 예를 들어, 대략 300 mm보다 더 클 수 있으며, 워크피스 지지부는 적어도 대략 300 mm의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 처리 챔버는 처리 챔버 내에서 적합하게 낮은 가스 압력을 유지하기 위하여 덕트에 의해 진공 펌프에 연결된 포트를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스는 대략 300 mm 직경을 갖는 결정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 다른 직경이 고려될 수 있다(예를 들어, 200 mm, 450 mm 등). 가스 소스는 플라즈마 소스로부터 그리드 구조체를 통하여 나온 후 중성화기 영역을 통과한 가스, 중성화를 위한 다른 가스 소스뿐만 아니라 워크피스 표면으로부터 나온 가스 종 또는 (잠재적으로는, 워크피스로부터 방출된 가스의 퍼지 도는 희석을 위하여) 워크피스 처리 부피 내로 주입된 가스를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 비활성 또는 다른 처리 가스가 처리 챔버 내로 공급된다. 일부 실시예에서, 이러한 비활성 가스는 헬륨 또는 아르곤을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 가스는 질소와 같은 캐리어 가스일 수 있다. 이 가스의 일부는, 질소, 헬륨 또는 아르곤 가스인지 관계 없이, 플라즈마 챔버 내로 다시 확산하고, 분자 가스는 제1 부피 또는 제2 부피 내의 기상 화학(gas phase chemistry)에 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스 처리 또는 중성화기 챔버에 제공되는 가스는 플루오르화 수소(HF), 삼플루오르화질소(NF3), 염화수소(HCl), 플루오린(F2), 클로라인(Cl2) 또는 다른 적합한 가스와 같은 수소, 염소 또는 불소 함유 가스일 수 있다. 이러한 가스는 플라즈마 소스 챔버에서 음이온 형성을 위한 공급 원료를 제공할 뿐만 아니라 워크피스 표면에 중성 에칭제 종을 제공하는데 도움을 줄 수 있다. 일부 실시예에서, 처리 챔버 내의 압력은 플라즈마 챔버 내의(예를 들어, 제1 및 제2 부피 모두 내의) 가스 압력보다 낮을 수 있다. 일부 실시예에서, 특정 가스 공급 조건 하에서, 워크피스 처리 부피 내의 가스 압력은 플라즈마 소스 챔버 내의 가스 압력보다 클 수 있다. 이 경우, 플라즈마 및/또는 중성화기 영역으로 공급되는 가스는 또한 플라즈마 소스에서 이온화를 위한 가속 그리드 구조체를 통해 가스 종을 제공할 것이다. 일부 실시예에서, 중성화기 챔버 및/또는 웨이퍼 처리 부피 내로 주입되는 가스가 있는 반면, 플라즈마 소스 챔버 내로 직접 주입되는 가스가 없을 수 있다.
일부 실시예에서, 이온을 제공하기 위한 플라즈마 소스는 플라즈마 전자의 전자 사이클로트론 공진(electron cyclotron resonance(ECR)) 가열을 사용하는 마이크로웨이브 소스일 수 있다. 이러한 유형의 플라즈마 소스는 매우 효율적일 수 있으며 분자 가스 종의 이온화와 여기를 모두 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, ECR 소스에서의 자기장 축의 배향은 제1 벽으로부터 그리드 구조체로의 방향에 수직(예를 들어, 일부 실시예에서 대략 5도 이하의 수직)으로 될 수 있다. 이러한 구성에서, 대략 2.45 GHz의 마이크로웨이브 주파수에서 전자에 대한 공진 조건을 생성하는 자기장은 공진 영역에서 대략 875 가우스의 자기장 일 수 있다. 이 강한 자기장은 고에너지 전자를 제한하고 이러한 전자가 그리드 구조체 근처의 부피로 빠르게 확산되는 것을 방지하여 그리드 구조체에 인접한 음이온 형성 영역이 감소된 전자 온도를 갖게 하여 높은 밀도의 음이온을 생성할 것이다. 일부 실시예에서, 이 자기장은 이온화 부피에서 플라즈마의 공진 생성을 위하여 사용될 수 있어, 자기 제한 로드(magnetic confinement rod)를 필요로 하지 않으면서 플라즈마 챔버를 이온화 부피 및 음이온 형성 영역으로 분할할 수 있다.
일부 실시예에서, ECR 소스는 서로 거리를 두고 원통형 플라즈마 챔버의 양측에 위치 설정되는 2개의 대형 솔레노이드를 사용할 수 있다. 이 구성은 플라즈마 챔버의 대칭 축에 수직(예를 들어, 대략 15도 이하로 수직)인 대칭 축을 갖는 솔레노이드 자기장을 생성하는 헬름홀츠(Helmholtz) 구성이라고도 한다. 공진 장 조건은 자기장의 대칭 축 근처에 있는 솔레노이드 사이의 중간 지점에 또는 그 근처에 있을 수 있다. 이 구성에서, 마이크로웨이브는 유전체 윈도우를 통해 플라즈마 챔버로 후방으로부터 플라즈마 챔버의 축을 따라 공급될 수 있다. 이 구성은 전자가 가열되는 플라즈마 내의 영역과 음이온 형성이 발생하는 장소 사이의 상당한 거리를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전자석 세트의 축 상의 자기장은, 음이온이 실질적으로 편향 없이 가속되는 것을 허용하는 동안 자기장이 그리드 플레이트를 통한 전자의 가속을 억제할 수 있도록, 추출 그리드 플레이트(예를 들어, 제1 그리드 플레이트)의 표면에서 음이온의 추출 방향에 대체로 수직(예를 들어, 대략 5도 이하로 수직)인 방향으로 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 어퍼처에서의 자기장 강도는 제1 그리드 플레이트 내의 추출 어퍼처에서 대략 20 가우스 내지 대략 1000 가우스 사이, 예를 들어 대략 100 가우스 내지 500 가우스 사이에 있을 수 있다.
본 개시 내용의 이러한 예시적인 실시예에 대해 변형 및 수정이 이루어질 수 있다. 명세서에서 사용된 바와 같이, 관사 "a", "an" 및 "the"를 갖는 단수 형태는 문맥 상 달리 명확하게 지시하지 않는 한 복수 대상을 포함한다. "제1", "제2", "제3" 및 "제4"의 사용은 식별자로 사용되며 처리 순서로 지정된다. 예시적인 양태들은 예시 및 논의의 목적으로 "기판(substrate)", "웨이퍼(wafer)" 또는 "워크피스(workpiece)"를 참조하여 논의될 수 있다. 본 명세서에 제공된 개시 내용을 사용하는 통상의 기술자는 본 개시 내용의 예시적인 양태들이 임의의 적합한 워크피스와 함께 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 수치와 관련한 "대략"이라는 용어의 사용은 언급된 수치의 20% 이내를 의미한다. "대체로 수직인(generally perpendicular)"이라는 용어의 사용은 대략 15도 이내로 수직인 것을 의미한다. "대체로 평행한(generally parallel)" 이라는 용어의 사용은 대략 15도 이내로 평행하다는 것을 의미한다.
이제 도면을 참조하여, 본 개시 내용의 예시적인 실시예들이 상세히 논의될 것이다. 도 1은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 플라즈마 챔버(100)를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 챔버(100)는 제1 측(110)에서 제1 진공 벽과 경계를 이루고, 제2 측(115)에서 진공 벽이 아닌 그리드 구조체(도 2에 도시된 바와 같이)와 경계를 이룬다. 플라즈마 챔버(100)는 이온화가 주로 발생하는 제1 부피(120)와 음이온 형성이 주로 발생하는 제2 부피(125)를 포함한다. 플라즈마 챔버(100)의 제1 부피(120)는 제1 측(110)에서 제1 진공 벽에 인접하고 이와 경계를 이룰 수 있고, 제2 측(115)에서 제2 부피(125)와 인접하고 이와 경계를 이룰 수 있다. 제1 부피(120)는 이온화 플라즈마(도시되지 않음)을 포함하고, 제2 부피(125)는 음이온 함유 플라즈마(도시되지 않음)을 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 자석(130) 세트는 제1 부피(120)가 내부에 있는 플라즈마 챔버(100)의 외벽들 중 적어도 하나에 인접할 수 있다. 예를 들어, 제1 자석(130) 세트는 제1 측(110), 제1 측벽(135) 및 제2 측벽(140)에 인접할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 자석(130) 세트는 영구 자석일 수 있다. 예를 들어, 제1 자석 세트는 플라즈마 챔버(100)와 실질적으로 유사한 형상을 갖는 자석 링 세트를 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 자석(130) 세트는 행(row)에서 행으로 교대하는 극성을 가지면서 행으로 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 자석(145) 세트(자기 필터라고도 한다)가 제1 부피(120)와 제2 부피(125) 사이에 개재될 수 있고, 이에 의해, 제1 부피(120)의 이온화 영역 내의 평균 전자 에너지 또는 전자 온도가 제2 부피에서보다 더 크도록, 음이온 플라즈마로부터 이온화 플라즈마를 분리할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 부피에서 전자 온도는 제2 부피에서의 전자 온도의 2배보다 더 클 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 자석(145) 세트는 영구 자석일 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 자석(145) 세트의 각각은 튜브(150)(예를 들어, 금속 튜브, 수냉식 로드(rod) 등)에 수용될 수 있다. 일부 실시예에서, 자기 필터(145)는 다수의 금속 튜브(150)의 각각에 둘러싸인 선형 배열의 다수의 자석(145)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 튜브(150) 내의 자석(145)은 튜브(150)의 길이를 따르는 방향에 대체로 수직(예를 들어, 대략 15도 이하 내로 수직)인 N/S 극과 정렬될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 자석(145) 세트의 각각은 튜브(150) 내에, 예를 들어 대략 0.5 인치 미만의 직경을 갖는 튜브(150) 내에서 피팅되도록 제1 자석(130) 세트의 각각보다 더 작을 수 있다.
제2 자석(145) 세트를 보유하는 튜브(150)는 서로 평행하게(예를 들어, 대략 5도 이하로 평행하게) 정렬되어 제1 측(110)으로부터 제2 측(115)으로의 방향에 수직인(예를 들어, 대략 5도 이하로 수직인) 방향으로 플라즈마 챔버(100)를 횡단할 수 있다. 제2 자석(145) 세트를 수용하는 인접하는 튜브들(150)은 간격(gap)만큼 분리될 수 있다. 일부 실시예에서, 간격은 대략 2 센티미터(cm)와 대략 10 cm 사이에 있을 수 있다. 따라서, 플라즈마를 수용하는 제2 부피(125)는 제2 자석(145) 세트를 수용하는 튜브(150) 어레이와 제2 측(115) 사이에 위치될 수 있다.
제2 자석(145) 세트는 제1 부피(120) 내의 플라즈마 소스(155)에 의해 생성된 고에너지 전자에 대한 배리어로서 기능하는 자기장을 제공할 수 있다. 이 자기 배리어는 충돌 분리(collisional detachment)에 의해 음이온을 파괴할 수 있는 제1 부피(120)로부터 나올 수 있는 고에너지 전자로부터 제2 부피(125)를 보호할 수 있다. 제2 자석(145) 세트를 수용하는 튜브(150) 어레이를 제공하는 것은 제2 부피(125)의 음이온 형성 영역 내의 평균 전자 에너지 또는 전자 온도를 제1 부피(120)의 이온화 영역 내의 평균 전자 에너지 또는 전자 온도보다 훨씬 낮게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 부피 내의 전자 온도는 제2의 밀도 있는 음이온 수용 부피에서의 전자 온도의 2배보다 더 높을 수 있다. 이 자기 필터 및 결과적인 전자 온도 차이는 전자 충격에 의해 제2 부피에서 음이온이 파괴되는 속도를 상당히 감소시켜, 더 많은 이러한 이온이 추출되고 가속될 수 있다. 일부 실시예에서, 음이온 형성 영역 내의 평균 전자 에너지는 대략 2 eV 미만일 수 있고, 예를 들어 대략 1.5 eV 미만일 수 있다. 수소 이온이 추출되어야 하는 일부 실시예에서, 유익하게는, 평균 전자 에너지는 제2 부피에서 대략 1.0 eV 미만일 수 있다. 제1 부피, 양이온 형성 영역에서의 평균 전자 에너지는 대략 2.5 eV보다 클 수 있고, 예를 들어 대략 3 eV보다 클 수 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 소스(155)를 위한 여기 안테나는 제1 부피(120)에 인접한 적어도 하나의 유전체 벽(예를 들어, 135 및/또는 140)에 근접하게 위치 설정된다. 패러데이(정전) 실드(160)가 여기 안테나(155)와 적어도 하나의 유전체 진공 벽(예를 들어, 135 및/또는 140) 사이에 위치 설정될 수 있다. 패러데이 실드(160)는 전기적으로 접지될 수 있고, 금속이나 실리콘, 카본 또는 다른 적합한 재료와 같은 다른 전기적으로 전도성인 재료의 플레이트 또는 층으로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 패러데이 실드(160)는 플라즈마 챔버(100)의 소스 대칭 축(165)을 중심으로 대칭적으로(예를 들어, 대략 15도 이하로 평행하게) 위치 설정될 수 있다. 패러데이 실드(160)는 슬롯 가공될 수 있다. 예를 들어, 패러데이 실드(160)는 소스 대칭 축(165)에 평행하게 슬롯 가공될 수 있다.
도 2는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 그리드 구조체(200)를 도시한다. 그리드 구조체(200)는 워크피스를 향하여 하나 이상의 유형의 음이온을 가속하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 그리드 구조체(200)는 워크피스를 향하여 하나 이상의 유형의 음이온을 가속하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 그리드 구조체(200)는 제1 그리드 플레이트(210), 제2 그리드 플레이트(215), 제3 그리드 플레이트(220) 및 제1 그리드 플레이트(210)를 통해 가속되는 전자를 감소시키기 위하여 제1 그리드 플레이트(210)와 제2 그리드 플레이트 사이에 위치 설정된 자기 요소 세트(226)를 포함한다. 일부 실시예에서, 자석은 제1 또는 제2 그리드 플레이트 내에 매립되어 위치 설정될 수 있다. 일부 실시예에서, 자석은 제2 및 제3 그리드 사이에 위치 설정될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 부피(125) 내에서 생성된 이온은 음이온을 가속하는 목적으로 플라즈마 챔버(100)의 제2 측(115)에 위치 설정된 그리드 구조체(200)로 확산하거나 흐를 수 있다. 그리드 구조체(200)는 제2 부피(125)로부터 음이온의 가속을 발생시키도록 구성된 복수의 그리드 플레이트(210, 215, 220)를 포함할 수 있다.
제1 그리드 플레이트(210)는 도 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 챔버(100)의 제2 측(115)에서 플라즈마 경계를 형성한다. 제1 그리드 플레이트(210)는 진공 벽이 아니고, 복수의 어퍼처(230)를 가진다. 어퍼처(230)는 제2 부피(125)에서 음이온 형성 플라즈마로부터 추출된 이온이 통과하면서 가속되는 둥근 홀, 신장된(elongated) 홀 또는 긴 슬롯일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 그리드 플레이트(210)는 플라즈마 챔버(100)의 전도 부분(conducting part)(예를 들어, 금속)에 전기적으로 연결될 수 있고, 플라즈마 챔버(100)의 전도 부분과 동일한 전위로 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 챔버의 상기 전도 부분은 바람직하게는 제1 및 제2 부피 모두에서의 플라즈마와 접촉하여야 한다. 예를 들어, 플라즈마 챔버(100)의 전도 부분은 제1 측벽(135) 및/또는 제2 측벽(140)을 포함할 수 있다. 전위는 접지 기준 전위와 다를 수 있다. 제1 그리드 플레이트(210)에 인접한 제2 부피(125)는 높은 밀도의 음이온을 갖는 플라즈마를 수용할 수 있다. 음이온은 제1 그리드 플레이트(210) 내의 어퍼처(230)를 통과하여 추출되고 그리드 구조체(200)에 의해 가속될 수 있다.
제2 그리드 플레이트(215)는 제1 그리드 플레이트(210)와 대략 동일한 크기를 가진다. 제2 그리드 플레이트(215)는 제1 그리드 플레이트(210)에 근접하게 위치 설정되고, 일부 실시예에서, 제2 그리드 플레이트(215)의 두께(예를 들어, 대략 2 센티미터 미만)보다 작은 거리를 두고 제2 부피(125)로부터 멀어지는 방향으로 제1 그리드 플레이트(210)로부터 이격된다.
일부 실시예에서, 제2 그리드 플레이트(216)는 제1 그리드 플레이트(210)의 제1 복수의 어퍼처(230)를 통과한 하나 이상의 음이온이 제2 복수의 어퍼처(235)의 대응하는 어퍼처(235)를 통과하도록 제1 그리드 플레이트(210)의 제1 복수의 어퍼처(230)와 정렬된 제2 복수의 어퍼처(235)를 포함할 수 있다. 제2 그리드 플레이트(215)의 어퍼처(235)는 추출 슬롯 또는 추출 홀일 수 있다. 제2 그리드 플레이트(215)의 어퍼처(235)는 제1 그리드 플레이트(210)의 어퍼처(230)와 대략 동일한 형상을 가지며, 제1 그리드 플레이트(210)에 대체로 수직인(예를 들어, 대략 15 미만으로 수직인) 방향으로 제1 그리드 플레이트(210)의 대응하는 어퍼처(230)와 정렬된다.
일부 실시예에서, 제2 그리드 플레이트(215)는 제1 그리드 플레이트(210)에 대하여 양의 전위에 결합될 수 있다. 양의 전위는 제1 그리드 플레이트(210)와 제2 그리드 플레이트(215) 사이에 전기장을 형성할 수 있다. 전기장은 제2 부피(125) 내의 플라즈마로부터 음이온을 추출할 수 있다. 일부 실시예에서, 직류 전원이 제2 그리드 플레이트(215)에 연결될 수 있다. 직류 전원은 제1 그리드 플레이트(210)에 대해 상대적으로 양이고 일부 실시예에서 접지 기준 전위에 대해 상대적으로 음일 수 있는 전압을 제2 그리드 플레이트(215)에 유지할 수 있다.
제2 부피(125) 내의 플라즈마로부터의 전자가 제1 그리드 플레이트(210) 내의 어퍼처(230)를 통해 가속되는 것을 방지하기 위하여 자기 요소(225) 세트가 제1 그리드 플레이트(210)와 제2 그리드 플레이트 사이에 위치 설정된다. 일부 실시예에서, 자기 요소(225) 세트는 영구 자석일 수 있다. 일부 실시예에서, 자기 요소(225)는 자신의 자화 방향에 수직(예를 들어, 대략 5도 이하 내로 수직)인 방향을 따라 신장된 형상을 가지고, 길이 치수가 이온 추출 및/또는 이온 가속 방향에 수직(대략 4도 이하로 수직)이 되도록 장착될 수 있다. 자기 요소의 길이(240)는 제1 그리드 플레이트(210)의 어퍼처의 길이(245)보다 길 수 있다. 예를 들어, 자신의 긴 방향을 따르는 자기 요소의 길이(240)는 어퍼처(예를 들어, 슬롯, 홀)의 길이(245)보다 길거나, 제1 그리드 플레이트 및/또는 제2 그리드 플레이트 내의 인접한 어퍼처의 중심간 간격보다 클 수 있다. 일부 실시예에서, 자석은 슬릿의 반대편들에 있는 자석 사이의 갭이 최소화될 수 있도록 제1 또는 제2 그리드 내로 매립될 수 있다. 또한, 슬릿 내의 자기장은 그리드 플레이트의 전체 스케일 표면에 대하여 거의 평행할 것이어서, 전자 가속의 억제가 가장 효율적으로 될 것이다.
일부 실시예에서, 자기 요소(225)의 하나 이상의 자극면(pole face)에서의 자기장 세기는 대략 1 킬로가우스 이하의 정도이다. 자기 요소(225) 세트는 자유 공간의 투과율(μ0)의 대략 10,000배 이하인 적당한 자기 투과율(μ)을 갖는 강자성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 자기 요소(225)의 재료는 페라이트, 세라믹 자석, 철 기반 재료 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 자기 요소(225) 세트는, 제1 그리드 플레이트(210) 또는 제2 그리드 플레이트(215) 상에, 그 근처에 또는 이들 사이에 장착되거나, 어느 그리드 플레이트 내에 매립될 때, 어퍼처의 중심에서의 자기장의 방향이 어퍼처(230)의 중심에서의 이온 추출 방향에 수직(예를 들어, 대략 10도 이하로의 수직)이고 제1 그리드 플레이트(210) 및/또는 제2 그리드 플레이트(215)의 평면에 평행(예를 들어, 대략 15도 이하로 평행)할 수 있도록 정렬될 수 있다. 따라서, 자기장은 음이온 형성 플라즈마로부터 추출된 전자가 궤도 운동에서 실질적으로 지연되고 그리드 구조체를 통하여 기판에 손상을 야기할 수 있는 음이온과 함께 가속되지 않도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 자기 요소(225) 세트는 (예를 들어, 대략 100 가우스보다 더 큰) 상당한 자기장이 음이온 형성 플라즈마의 부피 내로 대략 5 cm보다 더 많이 연장하지 않도록 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 상당한 자기장은 이온 형성 플라즈마의 부피 내로 대략 2 cm보다 더 많이 연장하지 않는다. 자기 요소(225) 세트는 홀을 가지지 않은 그리드 영역 뒤에서 이온 충돌로부터 보호될 수 있다. 일부 실시예에서, 자기 요소(225) 세트는 플라즈마 열이 제1 그리드 플레이트(210)로 흐르거나 이온/중성 종이 제2 그리드 플레이트(215)를 가열할 때 자석이 가열되지 않도록 그리드 또는 다른 냉각된 구조에 장착될 수 있다. 이에 의해, 자기 요소(225) 세트는 자화가 영향을 받는 온도에 도달하지 않도록 보호될 수 있다. 일부 실시예에서, 자기 요소(225) 세트는 또한 도 3의 중성화기 셀(300)과 같은 하류 영역으로부터 그리드 구조체(200) 또는 도 1의 플라즈마 챔버(100) 내로 "역방향으로"의 전자 가속을 억제하는 효과를 가질 수 있다.
제3 그리드 플레이트(220)는 제1 부피(120) 및 제2 부피(125)로부터 멀어지는 방향으로 제2 그리드 플레이트(215) 너머에 위치 설정된다. 제3 그리드 플레이트(220)는 제2 그리드 플레이트(215)를 통해 나오는 이온이 제3 그리드 플레이트(220) 내의 어퍼처(250)를 통과하도록 제2 그리드 플레이트(215) 내의 복수의 어퍼처(235)와 대략 동일한 위치에 대략 동일한 형상을 갖는 어퍼처(250)(예를 들어, 홀 또는 슬롯)를 포함한다. 일부 실시예에서, 제3 그리드 플레이트(220)는 전기적으로 접지되거나, DC 전원에 의해 접지 전위 근처에 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 그리드 플레이트(220)는, 접지 전위에 대해 상대적으로 적당한 양(|V3, B| ≤ 대략 25V)만큼 음으로 바이어스된 경우, 음으로 대전된 입자가 제3 그리드 플레이트(220) 너머의 부피로부터 다시 어퍼처(230, 235, 250)를 통해 도 1의 플라즈마 챔버(100) 내로 가속되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 음으로 바이어스된 제3 그리드와 함께, 제2 그리드가 제3 그리드에 대해 상대적으로 적당한 양(|V2, B| ≤ 대략 25V)만큼 양으로 바이어스된 경우, 이것은 제3 그리드를 넘어서는 영역으로부터 다시 음이온이 추출되는 제2 부피 내로의 양이온의 역가속을 더 억제할 수 있다.
도 3은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 중성화기 셀(300)을 도시한다. 중성화기 셀(300)은 워크피스를 처리하기 위하여 하나 이상 유형의 중성 종 생성하기 위하여 하나 이상의 유형의 음이온으로부터 전자를 분리하도록 구성될 수 있다. 중성화기 셀(300)은 도 2의 그리드 구조체(200)의 하류에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(300)은, 대략 20 센티미터 내지 대략 50 센티미터와 같이, 대략 10 센티미터 내지 대략 100 센티미터의 범위의 깊이(예를 들어, 중성화기 셀(300)을 통한 빔의 이동 방향을 따르는 치수)를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 그리드를 포함하는 플라즈마 챔버(100)는 제3 그리드의 직경 부분인 제3 그리드 표면에 평행한 축을 중심으로 회전 가능할 수 있고, 슬릿 어퍼처의 긴 방향에 수직일 수 있다. 이것은 하나 이상의 중성 종이 이의 축에 평행한 중성화기를 통과하여 직각 입사각 및 직각을 조금 벗어난 입사각(대략 15도° 이하)으로 워크피스에 충돌할 수 있도록 중성화기 셀(300)에 대해 상대적으로 소스를 회전시킨다.
중성화기 셀은 음이온으로부터 여분의 전자를 분리할 수 있는 하나 이상의 대역 내의 파장을 갖는 하나 이상의 방사선 소스(310)로부터의 강한 전자기(EM) 방사선을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 방사선 소스(310)는 하나 이상의 레이저 또는 강한 EM 방사선 생성을 갖는 하나 이상의 플라즈마 방전 또는 이러한 방사선의 임의의 효율적인 고강도 소스를 포함할 수 있다. EM 방사선은 음이온이 통과하는 중성화기 부피의 일부를 비추어야 하고, 흡수되지 않은 방사선은 바람직하게는 미러에 의해 음이온이 통과하는 그 부피를 통해 다시 반사되어야 한다. 예를 들어, 하나 이상의 방사선 소스(310)는 도 2의 그리드 구조체와 같은 그리드 구조체 내에서 가속된 특정 유형의 음이온으로부터 전자를 광 분리(photo-detach)하기에 적합한 파장의 레이저일 수 있다. 이러한 방사선은, 원주 미러(320)로 인하여 방사선이 중성화기 셀(300)의 부피를 반복적으로 통과하여, 중성화기 셀(300) 내에서 많은 횟수로 반사되고 그 내에 갇히기 때문에, 효율적인 중성화를 제공할 수 있다. 중성화기 셀(300)은 그리드 구조체(200)를 빠져 나온 음이온이 중성화기 셀(300)을 통과하도록 제3 그리드 플레이트(220)에 근접하게 위치 설정된다.
중성화기 셀(300)은 임의의 어퍼처(250)로부터의 산란되지 않은 이온 또는 고속 중성 원자가 미러(320)를 타격하지 않도록 제3 그리드 플레이트(220) 내의 어퍼처(250)로부터 나오는 음이온 빔렛(beamlet)으로부터 분리된 중성화기 셀(300)의 주변부에 위치 설정된 미러(320)를 포함할 수 있다. 미러(320)는 고반사성 표면이 음이온 빔이 제3 그리드로부터 나온 후에 이를 마주보도록 위치 설정되고, 높은 효율(예를 들어, 대략 99%보다 더 크다)로 원하는 방사선 파장을 반사하는 재료로 이루어진다. 따라서, 제3 그리드 플레이트(220)로부터 나오는 음이온은 강한 방사선이 반복적으로 횡단하는 중성화기 영역을 통과한다.
일부 실시예에서, 중성화기 셀(300)은 음이온이 중성화기 셀(300)을 횡단할 때 전자를 분리하기에 충분한 에너지를 갖는 대역 내의 광자가 거의 모든 음이온을 타격하도록 원하는 파장 대역(들) 내의 고강도 방사선을 가지도록 동작할 수 있다. 원하는 파장 대역(들) 내의 상기 방사선은 광자가 중성화기 셀을 통과하는 이러한 유형의 음이온으로부터 여분의 전자를 분리하기 위하여 충분히 큰(10-18 cm2보다 더 큰) 단면적을 가지게 하는 것이다. 주변부 미러로 인하여, 이 방사선의 일부 광자는 여러 번 반사되어 일부 음이온으로부터 전자를 분리할 수 있는 상당한 확률을 갖기에 충분한 횟수만큼 빔 부피를 통과할 수 있다. 이와 같이, 잉여 전자가 대부분의 음이온으로부터 분리될 수 있어, 중성화기 셀(300)에 진입한 음이온의 상당한 부분이 중성화기 셀(300)에 진입한 음이온과 거의 동일한 운동 에너지를 갖는 중성 원자로서 나타날 수 있고, 중성 원자는 공정 영역 또는 웨이퍼에서 전기장 또는 자기장에 의해 편향되거나 산란될 수 없다. 이러한 방식으로, 고속 중성 원자(예를 들어, H, F 또는 Cl)의 빔은 효과적으로 단일 에너지로(mono-energetic) 될 수 있고 거의 단방향이 될 수 있어, 포함된 중성 종의 극소수만이 빔의 평균 방향으로부터 몇 도 이상만큼 벗어나는 운동 방향을 갖는다. 거의 단일 에너지의 중성 원자의 고도로 지향적이고 균일한 플럭스가 워크피스를 조사하고(irradiate) 워크피스 표면에서 공정을 수행하기 위하여 제공될 수 있다.
도 4는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 처리 챔버(400)를 도시한다. 워크피스 지지부(410)는 워크피스(도시되지 않음)가 자신의 위치를 유지하도록 물리적 지지부를 제공하고, 고에너지 중성 원자가 중성화기 셀(300)로부터 나타난 후에 고에너지 중성 원자의 충돌 빔에 대해 상대적인 표면 배향의 일부 변화를 허용한다. 예를 들어, 처리 챔버(400)는 원하는 빔 입사각이 전체 워크피스에 걸쳐 성취될 수 있도록 워크피스 지지부(410)를 기울이고 회전시키는 짐벌(gimbal) 또는 베어링(430)을 포함할 수 있다. 처리 챔버(400)는 처리 챔버(400) 내에서 적합하게 낮은 가스 압력과 같은 적합한 가스 압력을 유지하기 위하여 덕트에 의해 진공 펌프(420)에 연결된 포트를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스 지지부는 워크피스에 수직인 축을 중심으로 하는 이의 중심에서의 회전을 더 허용할 수 있다 - 이에 의해, 워크피스에 걸친 빔 입사의 평균화를 제공한다.
일부 실시예에서, 처리 챔버는 대략 300 밀리미터(mm) 보다 더 클 수 있고, 워크피스 지지부는 적어도 대략 300 mm의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 처리 챔버는 적어도 대략 350 mm의 내경을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스는 대략 300 mm 직경을 갖는 결정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 그러나, 다른 직경이 고려될 수 있다(예를 들어, 200 mm, 450 mm 등).
일부 실시예에서, 비활성 또는 다른 처리 가스가 처리 챔버(400) 내로 공급될 수 있다. 예를 들어, 가스 소스는 플라즈마 챔버(100)로부터 그리드 구조체(200)를 통해 나온 후 중성화기 영역(300)을 통과한 가스 및/또는 워크피스 표면으로부터 나온 가스 종을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 비활성 가스는 헬륨 또는 아르곤을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 가스는 질소와 같은 캐리어 가스일 수 있다. 헬륨 또는 아르곤 가스는 플라즈마 챔버(100) 내로 후방 확산하고, 분자 가스는 제1 부피(120) 또는 제2 부피(125) 내의 기상 화학(gas phase chemistry)에 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시예에서, 처리 챔버(400)에 제공되는 가스는 플루오르화 수소(HF), 삼플루오르화질소(NF3), 염화수소(HCl), 플루오린(F2), 클로라인(Cl2) 또는 다른 적합한 가스와 같은 수소, 염소 또는 불소 함유 가스일 수 있다. 이러한 가스는 음이온의 소스일 수 있고, 따라서 워크피스 표면에 중성 에칭제 종을 제공하는데 도움을 줄 수 있다. 일부 실시예에서, 처리 챔버(400) 내의 압력은 플라즈마 챔버(100) 내의(예를 들어, 제1 부피(120) 및 제2 부피(125) 모두의 내의) 가스 압력보다 낮을 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 챔버 내의 압력은 중성화기 영역 또는 기판 처리 영역 내의 압력 미만일 수 있다.
도 5는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서 워크피스를 처리하기 위한 프로세스(500)의 순서도를 도시한다. 프로세스(500)는 플라즈마 처리 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 그러나, 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이, 본 개시 내용의 예시적인 양태에 따른 프로세스(500)는 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 플라즈마 기반의 처리 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 도 5는 예시 및 논의의 목적으로 특정 순서로 수행되는 단계들을 도시한다. 본 명세서에 제공된 개시 내용을 이용하여, 당해 업계에서의 통상의 기술자는 본 명세서에 설명된 임의의 방법의 다양한 단계들이 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 생략, 확장, 동시 수행, 재배열 및/또는 수정될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 다양한 추가 단계들(도시되지 않음)이 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 수행될 수 있다.
(510)에서, 프로세스는 플라즈마 소스를 이용하여 플라즈마 챔버 내에서 공정 가스로부터 플라즈마를 유도함으로써 하나 이상의 유형의 음이온을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 예시적인 실시예에서, 플라즈마 소스(155)는 하나 이상의 음이온을 생성하기 위하여 플라즈마 챔버(100) 내에 플라즈마를 유도한다. 음이온 형성은 주로 도 1의 플라즈마 챔버(100)의 제2 부피(125) 내에서 발생할 수 있다. 음이온은 진동 여기 상태에 있을 수 있는 가스 분자와의 더 낮은 에너지 전자의 충돌로 인하여 제2 부피(125)에서 더 높은 속도로 형성될 수 있다. 이러한 분자는 제1 부피(120)에서의 고에너지 전자 충돌에 의해 진동 여기 상태로 놓여졌을 수 있다.
(520)에서, 프로세스는 도 2의 그리드 구조체(200)를 이용하여 워크피스를 향하여 하나 이상 유형의 음이온을 가속하는 단계를 포함할 수 있다. 음이온이 제1 부피 내에 실질적으로 제한된 고에너지 전자의 충격에 의해 파괴되지 않기 때문에, 음이온은 높은 전류 밀도로 제2 부피로부터 추출될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 부피(125) 내에서 생성된 이온은 음이온을 가속하는 목적으로 플라즈마 챔버(100)의 제2 측(115)에 위치 설정된 그리드 구조체(200)로 확산하거나 흐를 수 있다. 그리드 구조체(200)는 제2 부피(125)로부터 음이온의 가속을 발생시키도록 구성된 복수의 그리드 플레이트(210, 215, 220)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 예시적인 실시예에서, 그리드 구조체(200)는 제1 그리드 플레이트(210), 제2 그리드 플레이트(215) 및 제1 그리드 플레이트(210)를 통해 가속되는 전자를 감소시키기 위하여 제1 그리드 플레이트(210)에 인접하게 위치 설정된 하나 이상의 자기 요소(225)를 포함한다. 또한, 그리드 구조체(200)는 제2 그리드 플레이트를 빠져나온 하나 이상의 유형의 음이온을 더 가속 또는 감속하기 위한 제3 그리드 플레이트(220)를 포함한다. 예를 들어, 제2 그리드 플레이트(220)는 대전된 입자가 제3 그리드 플레이트(220) 너머의 부피로부터 다시 어퍼처(230, 235, 250)를 통해 제2 부피(125) 또는 제1 부피(120)와 같은 도 1의 플라즈마 챔버(100) 내로 가속되는 것을 억제하기 위한 추가 기능을 가질 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 제3 그리드 플레이트가 대략 25 볼트 이하만큼 접지에 대해 상대적으로 음으로 바이어스되고 제2 그리드 플레이트가 적어도 대략 10 볼트만큼 접지에 대해 상대적으로 양으로 바이어스되는 경우, 중성화기 영역 내의 플라즈마로부터 플라즈마 소스 부피 내로 그리드에 의해 가속된 전자 또는 양이온은 극소수가 있을 것이다. 이것은 전력 낭비 및 제1 및 제2 그리드의 바람직하지 않은 가열을 방지하는데 매우 바람직할 수 있다.
(530)에서, 프로세스는 하나 이상의 중성 종을 생성하기 위하여 하나 이상의 음이온 종으로부터 전자를 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 예시적인 실시예에서, 중성화기 셀(300)은 음이온 상의 여분의 전자가 하나 이상의 중성 종을 생성하도록 그 이온으로부터 분리되게 하는 다수의 방사선 소스(310)를 포함한다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(300)은 음이온이 중성화기 셀(300)을 횡단할 때 전자를 분리하기에 충분한 에너지를 갖는 광자가 거의 모든 이온을 타격하도록 원하는 파장 대역 내의 고강도 방사선을 가지도록 동작할 수 있다. 이와 같이, 잉여 전자는 대부분의 음이온으로부터 분리될 수 있으며, 중성화기 셀(300)에 진입한 음이온의 상당한 부분이 중성화기 셀(300)에 진입한 음이온과 거의 동일한 운동 에너지를 갖는 중성 원자로서 나타날 수 있고, 중성 원자는 전기장 또는 자기장에 의해 편향되거나 산란될 수 없다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 하나 이상의 방사선 소스(310)는 음이온 상의 여분의 전자가 그 이온으로부터 분리되게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 방사선 소스(310)는, 하나 이상의 레이저, 하나 이상의 플라즈마 방전 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 방사선 소스(310)는 도 2의 그리드 구조체(200)와 같은 그리드 구조체 내에서 가속된 특정 유형의 음이온으로부터 전자를 광 분리하기에 적합한 파장을 갖는 레이저일 수 있다.
(540)에서, 프로세스는 하나 이상의 중성 종이 하나 이상의 입사각으로 워크피스를 처리하도록 플라즈마 챔버를 중성화기 셀에 대해 상대적으로 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 처리 시스템은 하나 이상의 중성 종이 하나 이상의 입사 각으로 처리 챔버(400) 내의 워크피스를 처리하도록 중성화기 셀(300)에 대하여 플라즈마 챔버(100)를 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 챔버는 워크피스의 모든 표면이 적합하게 노출되고 준비될 수 있도록 소정의 각도 범위로 입사하는 중성 종을 이용한 워크피스 표면 상의 3차원 구조의 표면 처리를 제공하기 위하여 이동될 수 있다. 또한, 그리드에 의한 전자 가속을 억제하는데 사용된 자기장이 또한 음이온을 자신의 경로에서 약간 휘어지게 하고 제1 또는 제2 그리드 플레이트에 수직으로 가속되지 않게 하기 때문에, 회전은 기판 표면에 수직으로 입사하는 중성 빔을 제공하는 역할을 할 수 있다.
(550)에서, 프로세스는 워크피스를 하나 이상의 중성 종에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4의 예시적인 실시예에서, 워크피스 지지부(410)는 워크피스가 자신의 위치를 유지하는 물리적 지지를 제공하고, 고에너지 중성 원자가 중성화기 셀(300)로부터 나타난 후에 고에너지 중성 원자의 충돌 빔에 대해 상대적인 표면 배향의 일부 변화를 허용한다. 예를 들어, 빔은 워크피스 표면의 노출된 영역이 워크피스 표면으로부터 제거된 적어도 하나의 원자 단일 재료층(atomic monolayer of material)을 가질 수 있도록 워크피스를 에칭하는데 사용될 수 있다.
도 6은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 플라즈마 기반의 중성화기 셀(600)을 도시한다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(600)은 도 3에 도시된 중성화기 셀 대신에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(300)은 빔 내의 대부분의 음이온으로부터 여분의 전자를 충돌식으로 분리하는 따뜻한 전자(warm electron)(대략 3 eV보다 큰 평균 전자 에너지)를 갖는 고밀도 플라즈마를 포함할 수 있으며, 여기서 플라즈마에 의해 생성된 충분히 높은 에너지의 광자도 또한 빔 내의 음이온에서 전자를 분리하는데 기여한다. 이 플라즈마 중성화기는 수소 음이온으로부터 전자를 분리하는데 특히 효과적이지만, F- 및 Cl- 이온으로부터 전자를 분리하는 데는 그다지 효과적이지 않다.
일부 실시예에서, 중성화기 셀은 상기 플라즈마를 통과하는 빔 내의 임의의 음이온으로부터 여분의 전자를 충돌식으로 분리하기 위하여 큰 단면을 갖기에 충분한 평균 에너지의 충분한 전자 밀도를 갖는 플라즈마로 충전될 수 있다. 상기 전자 밀도는 바람직하게는 대략 1011 전자/cm3보다 클 수 있고, 상기 평균 전자 에너지는 바람직하게는 H- 이온 빔의 경우 대략 3 eV보다 크고 Cl- 및 F- 이온의 경우 4eV보다 클 수 있다. 일부 실시예에서의 상기 플라즈마의 가스 조성은 음이온 빔을 형성하기 위한 가스 소스와 동일하다. 이 실시예에서 중성화기 내의 고에너지 전자는 중성화기를 통과하는 음이온의 속도보다 적어도 한 차수 더 큰 크기의 열 속도를 가지며, 따라서 전자 분리의 확률은 속도가 동일한 플라즈마를 통과하는 전자 열 속도보다 더 큰 음 이온에 대한 것보다 실질적으로 더 높다. 이것은, 느린 속도로 인하여 이온이 중성화기 영역에서 더 많은 시간을 소비하기 때문이며, 플라즈마 내의 전자의 열 에너지가 전자 충격 분리에 대하여 충분하기 때문이다. 또한, 방금 설명된 바와 같은 플라즈마 중성화기에 대하여 반사성 미러가 사용된다면, 플라즈마로부터의 EM 방사선은 주변부 미러에서 중성화기 부피로 다시 반사되어, 방사선이 빔 내 음이온으로부터의 전자 분리 확률을 증가시킬 수 있다. 이것은 중성 종 분율을 개선하고, 중성 종 생성의 효율성을 개선할 수 있다.
도 6을 참조하면, 중성화기 셀(600)은 워크피스를 처리하기 위하여 하나 이상의 중성 종을 생성하기 위해 중성화 플라즈마로부터의 고에너지 전자를 이용하여 하나 이상의 음이온을 중성화하도록 구성될 수 있다. 중성화기 셀(600)은 도 2의 그리드 구조체(200)의 하류에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 챔버(100)는 하나 이상의 중성 종이 직각 입사로 또는 원하는 경우 직각 입사로부터 상이한 소정의 입사각 범위로 워크피스를 처리할 수 있도록 중성화기 셀(600)에 대해 상대적으로 회전 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(600)은 대략 10 센티미터 내지 대략 100 센티미터의 범위 내의 깊이(예를 들어, 중성화기 셀(600)을 통한 빔의 이동 방향을 따르는 치수)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(600)은 대략 40 센티미터 내지 대략 60 센티미터의 범위 내의 폭(예를 들어, 직경과 같이 중성화기 셀(600)을 통한 빔의 이동 방향에 수직인 치수)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(600)은 실질적으로 원통형일 수 있다. 예를 들어, 중성화기 셀(600)은 실질적인 원형 또는 타원형 단면 프로파일을 가질 수 있다.
중성화기 셀(600)은 중성화기 셀(600)의 원주 주위로 배치된 하나 이상의 자기 요소(610)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 자기 요소(610)는 중성화기 셀(600)의 측벽과, 중성화기 셀 내에 플라즈마를 생성하는데 사용되는 코일(620) 사이에 위치 설정될 수 있다. 하나 이상의 자기 요소(610)는 임의의 적합한 형상 및/또는 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소(610)는 중성화기 셀(600)의 깊이를 따라(즉, 원통형 중성화기 셀(600)에 의해 정의되는 중심 축에 평행하게) 연장하는 하나 이상의 자기 바(bar) 또는 로드(rod)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소(610)는 교대하는 극성을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 자기 요소(610)는 제1 자기 요소(610)의 N극이 중성화기 셀(600)의 제1 단부에 근접하게 있고/있거나 이를 마주보도록 구성될 수 있다. 제1 자기 요소(610)에 바로 인접한 제2 자기 요소(610)는 제2 자기 요소의 S극이 중성화기 셀(600)의 제1 단부에 근접하게 있고/있거나 이를 마주보도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 자기 요소(610)를 위한 임의의 다른 적합한 구성이 본 개시 내용에 따라 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소(610)는 영구 자석을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소(610)는 전자석을 포함할 수 있다.
하나 이상의 자기 요소(610)는 중성화기 셀(600) 내부에서 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 자기장은 중성화기 셀(600)의 측벽 근처에서 상당한 크기를 갖도록 구성될 수 있다. 추가적으로 그리고/또는 대안적으로, 자기장은 중성화기 셀(600)의 중심 부피 내에서 대략 10 가우스 미만의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 자기장은 중성화기 셀을 통과하는 빔의 이동 방향에 수직으로 원통형 부피 내에서 대략 10 가우스 미만의 크기를 가지도록 구성될 수 있고, 원통형 부피는 대략 350 밀리미터의 직경을 가진다. 예를 들어, 자기장이 대략 10 가우스 미만의 크기를 갖는 부피는 빔이 중성화기 셀(600)을 통과할 수 있는 부피일 수 있다. 일부 실시예에서, 자기장은 선형 멀티스커프(multi-cusp) 자기장일 수 있다.
중성화기 셀(600)은 중성화 플라즈마(602)를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 중성화기 셀(600)은, 유도 결합된 중성화 플라즈마(602)를 생성하고 그리고/또는 유지하도록 구성된 정전기적 차폐 안테나와 같은 안테나(620)를 포함할 수 있다. 안테나(620)는 RF 소스(622)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 안테나(620)는 적합한 정합(matching) 네트워크(624)에 의해 RF 소스(622)에 결합될 수 있다. 안테나(620)는 중성화기 셀(600)의 측벽 주위로 배치될 수 있다. 예를 들어, 안테나(620)는 중성화기 셀(600)과 실질적으로 유사한 형상을 가질 수 있다. 안테나(620)의 임의의 적합한 형성 및/또는 구성이 본 개시 내용에 따라 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 추가적으로 그리고/또한 대안적으로, 마이크로웨이브 에너지가 중성화 플라즈마(602)를 유지하기 위하여 사용될 수 있다.
중성화 플라즈마(602)는 본 개시 내용에 따라 임의의 적합한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 공정 가스가 중성화 플라즈마(602)를 생성하기 위하여 하나 이상의 흡입구(inlet)(도시되지 않음)에 의해 플라즈마 내로 주입될 수 있다. 이러한 공정 가스는 수소, 염소 또는 불소나, 플루오르화 수소(HF), 삼플루오르화질소(NF3), 염화수소(HCl), 삼플루오르화염소(ClF3) 또는 임의의 다른 적합한 공정 가스와 같은 이들의 화합물을 포함할 수 있다. 하나 이상의 진공 펌프(도시되지 않음)가 중성화기 셀(600) 내에서 공정 가스의 원하는 압력 및/또는 조성을 유지하는데 사용될 수 있다. 추가적으로 그리고/또한 대안적으로, 중성화 플라즈마(602)를 생성하기 위하여 사용되는 가스는 플라즈마 소스로부터 그리드 구조체(예를 들어, 도 2의 그리드 구조체(200))를 통해 중성화기 셀(600)의 내부로 전달되어, 중성화 플라즈마(600)를 생성하고 그리고/또는 유지하도록 중성화기 셀(600) 내에서 이온화될 수 있다.
중성화 플라즈마(602)로부터의 전자는 중성화기 셀(600)을 통해 통과된 빔 내의 음이온과 충돌하여 음이온으로부터 전자를 분리할 수 있다. 본 개시 내용의 일부 실시예에 따라, 중성화기 셀(600)이 높은 효율로 이온을 중성화하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 중성화기 셀(600)을 통과한 후에, 빔은 거의 전체적으로 중성 입자를 포함하고, 양이온 또는 음이온이 거의 없거나 전혀 없어야 한다. 예를 들어, 중성화기 셀(600)을 통한 전자 분리 속도 및 음이온 이동 시간의 곱은 대략 4 이상과 같이 적어도 대략 2인 것이 바람직할 수 있다. 이것은 대략 e-4 미만과 같은 대략 e-2 미만의 음이온의 나머지 부분에 대응할 수 있다. 다른 예로서, 중성화기 셀(600)을 통한 양이온 이온화 속도 및 빔 이동 시간의 곱은 대략 0.2와 같이 1보다 훨씬 작은 것이 바람직할 수 있다. F-와 Cl- 모두의 여분의 전자의 전자 충돌 분리를 위한 단면이 10-15cm2 미만이고 단면이 최대인 전자 에너지가 30eV 이상이기 때문에, 이러한 중성화기의 길이와 밀도가 수소 음이온에 대한 것보다 훨씬 더 클 수 있으므로, 음의 불소 또는 염소 빔에 대하여 플라즈마 중성화기를 사용하는 것은 음의 수소 이온 빔보다 덜 실용적일 수 있다. 플라즈마 중성화기의 효율을 개선하기 위한 방법은 중성화 플라즈마 영역 전반에 걸쳐 UV 방사선을 위한 미러를 위치 설정하는 것이다. 이것은 강한 플라즈마 방사선이 음이온 내로 다시 반사되게 하고, 이는 전자 분리 속도를 증가시킨다. 충분히 밀도가 높고 고온인 플라즈마에 대하여, 이것은 분리 속도를 실질적으로 개선할 수 있고, 불소 또는 염소 음이온에 대하여 중성화기 영역의 길이를 감소시킨다.
본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따르면, 중성화기 셀(600)을 통해 통과된 빔은 대략 10 전자 볼트와 같이 100 킬로전자볼트 미만의 에너지를 갖는 빔과 같은 저에너지 빔일 수 있다. 예를 들어, 저에너지 빔은 대략 6eV보다 큰 에너지의 전자를 갖는 중성화 플라즈마 내에서 높은 전자 분리 확률을 갖는 H- 이온을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 중성화기 셀(600)의 크기는 고에너지 음이온 빔에 대한 플라즈마 중성화기에 대해 상대적으로 길이에 있어서 감소될 수 있다.
도 7은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템에서의 예시적인 플라즈마 기반 중성화기 셀(700)을 도시한다. 중성화기 셀(700)은 도 3 및 6에 도시된 중성화기 셀 대신에 사용될 수 있다. 도 7을 참조하면, 중성화기 셀(700)은 워크피스를 처리하기 위하여 하나 이상의 중성 종을 생성하기 위하여 하나 이상의 음이온을 중성화하도록 구성될 수 있다. 중성화기 셀(700)은 도 2의 그리드 구조체(200)의 하류에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마 챔버(100)는 하나 이상의 중성 종이 직각 입사로 또는 하나 이상의 입사각으로 워크피스를 처리하도록 중성화기 셀(700)에 대해 상대적으로 이동 가능(예를 들어, 회전 가능)할 수 있다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(700)은 대략 10 센티미터 내지 대략 100 센티미터의 범위, 예를 들어, 대략 30 cm 및 대략 50 cm 사이의 범위 내의 깊이(예를 들어, 중성화기 셀(700)을 통한 빔의 이동 방향을 따르는 치수)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(700)은 대략 40 센티미터 내지 대략 60 센티미터의 범위 내의 폭(예를 들어, 직경과 같이 중성화기 셀(700)을 통한 빔의 이동 방향에 수직인 치수)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 중성화기 셀(700)은 실질적으로 원통형일 수 있다. 예를 들어, 중성화기 셀(700)은 실질적인 원형 또는 타원형 단면 프로파일을 가질 수 있다.
중성화기 셀(700)은 중성화기 셀(700)의 원주 주위로 배치된 하나 이상의 자기 요소(710)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 자기 요소(710)는 중성화기 셀의 측벽에 근접하게 위치 설정될 수 있다. 하나 이상의 자기 요소(710)는 임의의 적합한 형상 및/또는 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소(710)는 중성화기 셀(700)의 깊이를 따라(즉, 원통형 중성화기 셀(700)에 의해 정의되는 중심 축에 평행하게) 연장하는 하나 이상의 자기 바 또는 로드를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소(710)는 교대하는 극성을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 자기 요소(710)는 제1 자기 요소(710)의 N극이 중성화기 셀(700)의 제1 단부에 근접하게 있도록 구성될 수 있다. 제1 자기 요소(710)에 바로 인접한 제2 자기 요소(710)는 제2 자기 요소의 S극이 중성화기 셀(700)의 제1 단부에 근접하게 있도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 자기 요소(710)를 위한 임의의 다른 적합한 구성이 본 개시 내용에 따라 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소(710)는 영구 자석을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 자기 요소(710)는 전자석을 포함할 수 있다.
하나 이상의 자기 요소(710)는 주로 중성화기 셀(700) 내부의 벽 근처에서 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 자기장은 중성화기 셀(700)의 측벽 근처에서만 상당한 크기를 갖도록 구성될 수 있다. 추가적으로 그리고/또는 대안적으로, 자기장은 중성화기 셀(700)의 중심 부피 내에서 대략 30 가우스 미만의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 자기장은 중성화기 셀을 통과하는 빔의 이동 방향에 수직으로 원통형 부피 내의 모든 곳에서 대략 10 가우스 미만의 크기를 가지도록 구성될 수 있고, 원통형 부피는 대략 350 밀리미터의 직경을 가진다. 일부 실시예에서, 자기장은 선형 멀티스커프 자기장일 수 있다.
중성화기 셀(700)은 중성화 플라즈마(702)를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 중성화기 셀(700)은, 유도 결합된 중성화 플라즈마(702)를 생성하고 그리고/또는 유지하도록 구성된 하나 이상의 안테나(720)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 안테나(720)의 각각은 하나 이상의 RF 소스(722)의 각각에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 안테나(720) 중 2 이상의 안테나가 동일한 RF 소스(722)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 안테나(720)는 적합한 정합 네트워크(도시되지 않음)에 의해 하나 이상의 RF 소스(722)에 결합될 수 있다. 하나 이상의 안테나(720)는 중성화기 셀(700) 내에서 측벽에 근접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 안테나(720)는 중성화기 셀(700)의 측벽 내에서 부분적으로 연장할 수 있다. 하나 이상의 안테나(720)는 실질적으로 중성화기 셀(700)의 측벽을 따라 래핑(wrap)할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 안테나(720)는 대략 0의 크기를 갖는 하나 이상의 자기 요소(710)에 의해 생성된 자기장의 부피 외부에서 전체적으로 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 안테나(720)는 중성화기 셀(700)을 통과하는 빔과의 간섭을 방지하기 위하여 중성화기 셀(700)의 중심에서 350 밀리미터 원통형 부피의 외부에서 전체적으로 배치될 수 있다. 하나 이상의 안테나(720)의 임의의 적합한 형상 및/또는 구성이 본 개시 내용에 따라 사용될 수 있다. 추가적으로 그리고/또한 대안적으로, 마이크로웨이브 에너지가 중성화 플라즈마(702)를 유지하기 위하여 사용될 수 있다.
중성화 플라즈마(702)는 본 개시 내용에 따라 임의의 적합한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 공정 가스가 중성화 플라즈마(702)를 생성하기 위하여 하나 이상의 흡입구(도시되지 않음)에 의해 플라즈마 내로 주입될 수 있다. 이러한 공정 가스는 수소, 염소 또는 불소나, 플루오르화 수소(HF), 삼플루오르화질소(NF3), 염화수소(HCl), 삼플루오르화염소(ClF3) 또는 임의의 다른 적합한 공정 가스와 같은 이들의 화합물을 포함할 수 있다. 하나 이상의 진공 펌프(도시되지 않음)가 중성화기 셀(700) 내에서 공정 가스의 원하는 압력 및/또는 조성을 유지하는데 사용될 수 있다. 추가적으로 그리고/또한 대안적으로, 중성화 플라즈마(702)를 생성하기 위하여 사용되는 가스는 플라즈마 소스로부터 그리드 구조체(예를 들어, 도 2의 그리드 구조체(200))를 통해 중성화기 셀(700)의 내부로 전달되어, 중성화 플라즈마(700)를 생성하고 그리고/또는 유지하도록 중성화기 셀(700) 내에서 이온화될 수 있다.
중성화 플라즈마(702)로부터의 전자는 중성화기 셀(700)을 통해 통과된 빔 내의 음이온과 충돌하여 음이온으로부터 전자를 분리할 수 있다. 본 개시 내용의 일부 실시예에 따라, 중성화기 셀(700)이 높은 효율로 이온을 중성화하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 중성화기 셀(700)을 통과한 후에, 빔은 거의 전체적으로 중성 입자를 포함하고, 양이온 또는 음이온이 거의 없거나 전혀 없어야 한다. 예를 들어, 중성화기 셀(700)을 통한 전자 분리 속도 및 음이온 이동 시간의 곱은 적어도 대략 4 이상과 같이 적어도 대략 2인 것이 바람직할 수 있다. 이것은 대략 e-4 미만과 같은 대략 e-2 미만의 음이온의 나머지 부분에 대응할 수 있다. 다른 예로서, 중성화기 셀(700)을 통한 양이온 이온화 속도 및 빔 이동 시간의 곱은 1 미만인 것이 바람직할 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따르면, 중성화기 셀(700)을 통해 통과된 빔은 대략 1 킬로전자볼트(keV)와 같이 100keV 미만의 에너지를 갖는 빔과 같은 저에너지 빔일 수 있다. 예를 들어, 저에너지 빔은 대략 10 전자볼트보다 큰 에너지의 전자를 갖는 중성화 플라즈마 내에서 높은 전자 분리 확률을 갖는 H-, C- 및/또는 F- 이온을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 중성화기 셀(700)의 크기는 종래의 플라즈마 중성화 기술에 비하여 상당히 감소될 수 있다.
본 주제가 이의 특정의 예시적인 실시예에 관하여 상세히 설명되었지만, 당해 기술 분야에서 통상의 기술자는 전술한 것에 대한 이해를 획득함에 따라 이러한 실시예에 대한 대안, 이의 수정 및 이에 대한 균등물을 용이하게 생성할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 개시 내용의 범위는 한정이 아닌 예이며, 당해 기술 분야에서 통상의 기술자에게 자명한 바와 같이, 본 개시 내용은 본 주제에 대한 이러한 수정, 변형 및/또는 추가의 포함을 배제하지 않는다.

Claims (21)

  1. 워크피스를 지지하도록 구성되는 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버;
    하나 이상의 음이온 종을 생성하기 위하여 플라즈마 챔버 내에서 공정 가스로부터 플라즈마를 유도하도록 구성된 플라즈마 소스;
    상기 워크피스를 향하여 상기 하나 이상의 음이온을 가속하도록 구성되고, 제1 그리드 플레이트, 제2 그리드 플레이트 및 상기 제1 그리드 플레이트를 통해 가속되는 전자를 감소시키기 위하여 상기 제1 그리드 플레이트와 상기 제2 그리드 플레이트 사이에 위치 설정된 하나 이상의 자기 요소를 포함하는 그리드 구조체; 및
    상기 그리드 구조체의 하류에 배치되고, 상기 워크피스를 처리하기 위한 하나 이상의 고에너지 중성 종(energetic neutral species)을 생성하기 위하여 상기 하나 이상의 음이온 종의 이온으로부터 여분의 전자를 분리하도록 구성된 중성화기 셀(neutralizer cell)
    을 포함하는, 플라즈마 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스는 유도 결합 플라즈마 소스를 포함하는, 플라즈마 처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공정 가스는 수소, 염소 또는 불소를 포함하는, 플라즈마 처리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스는, 상기 하나 이상의 중성 종이 하나 이상의 개별 입사각으로 상기 워크피스를 처리하도록 상기 중성화기 셀에 대해 상대적으로 이동 가능한, 플라즈마 처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 그리드는 제1 복수의 어퍼처를 포함하여, 상기 하나 이상의 음이온이 상기 제1 복수의 어퍼처를 통과하는, 플라즈마 처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 그리드와 상기 제2 그리드 사이에 상기 음이온의 복수의 빔을 가속기에 충분한 전위차가 존재하는, 플라즈마 처리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스는 음이온의 정상 상태 소스를 생성하는, 플라즈마 처리 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 그리드 플레이트는 상기 제1 그리드 플레이트의 상기 제1 복수의 어퍼처와 정렬되는 제2 복수의 어퍼처를 포함하여, 상기 제1 그리드 플레이트의 상기 제1 복수의 어퍼처를 통과하는 상기 하나 이상의 음이온이 상기 제2 복수의 어퍼처의 대응하는 어퍼처를 통과하는, 플라즈마 처리 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 자기 요소는, 상기 하나 이상의 자기 요소의 길이 차원이 이온 추출 방향에 대체로 수직이고 상기 그리드 구조체의 평면에 대체로 평행하도록, 상기 제1 그리드 플레이트에 인접하게 위치 설정되는, 플라즈마 처리 시스템.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 하나 이상의 자기 요소의 길이는 상기 제1 복수의 어퍼처 중 하나의 길이보다 더 긴, 플라즈마 처리 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 자기 요소의 하나 이상의 자극면(pole face)에서의 자기장 세기는 대략 1 킬로가우스(kiko-Gause) 이하의 정도인, 플라즈마 처리 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 자기 요소의 재료는 페라이트(ferrite), 세라믹 자석 또는 이 모두를 포함하는, 플라즈마 처리 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 중성화기 셀은 하나 이상의 레이저, 하나 이상의 플라즈마 방전 또는 이의 일부 조합을 포함하는, 플라즈마 처리 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 중성화기 셀은 대략 10 센티미터 내지 100 센티미터 범위의 깊이를 갖는, 플라즈마 처리 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 중성화기 셀은 중성화 플라즈마를 이용하여 하나 이상의 이온을 중성화하도록 구성된 플라즈마 기반 중성화기 셀을 포함하는, 플라즈마 처리 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온의 에너지는 상기 중성화 플라즈마 내의 종과 연관된 에너지보다 적은, 플라즈마 처리 시스템.
  17. 워크피스를 처리하기 위한 프로세스에 있어서,
    플라즈마 소스를 이용하여 플라즈마 챔버 내에서 공정 가스로부터 플라즈마를 유도함으로써 하나 이상의 음이온을 생성하는 단계;
    제1 그리드 플레이트, 제2 그리드 플레이트 및 상기 제1 그리드 플레이트를 통해 가속되는 전자를 감소시키기 위하여 상기 제1 그리드 플레이트와 상기 제2 그리드 플레이트 사이에 위치 설정된 하나 이상의 자기 요소를 포함하는 그리드 구조체를 이용하여 상기 워크피스를 향하여 상기 하나 이상의 음이온을 가속하는 단계;
    하나 이상의 중성 종을 생성하기 위하여 상기 하나 이상의 음이온으로부터 전자를 분리하는 단계; 및
    상기 워크피스를 상기 하나 이상의 중성 종에 노출시키는 단계
    를 포함하는, 프로세스.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 하나 이상의 중성 종이 하나 이상의 개별 입사각으로 상기 워크피스를 처리하도록 중성화기 셀에 대해 상대적으로 상기 플라즈마 챔버를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 프로세스.
  19. 제17항에 있어서,
    하나 이상의 중성 종을 생성하기 위하여 상기 하나 이상의 음이온으로부터 전자를 분리하는 단계는, 중성화 플라즈마를 이용하여 상기 전자를 분리하는 단계를 포함하는, 프로세스.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 하나 이상의 음이온의 에너지는 상기 중성화 플라즈마와 연관된 에너지보다 적은, 프로세스.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 공정 가스는 수소, 염소 또는 불소를 포함하는, 프로세스.
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