Диагностический способ и устройство для определения характеристик нейтрального пучка и управления процессом с их помощью

Диагностический способ и устройство для определения характеристик нейтрального пучка и управления процессом с их помощью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение, в целом, относится к диагностическим способам и устройству для определения характеристик ускоренного нейтрального пучка (который может быть диссоциированным или частично диссоциированным), получаемого из ускоренного ионного пучка газовых кластеров (GCIB). Дополнительно, оно относится к способам и устройствам для управления дозиметрией при обработке детали облучением ускоренным нейтральным пучком (который может быть диссоциированным или частично диссоциированным), полученным из ускоренного ионного пучка газовых кластеров.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ионы долгое время приветствовались для многих процессов, поскольку их электрический заряд облегчает манипулирование ими посредством электростатического и магнитного полей. Они обладают большой гибкостью при обработке. Однако, при некоторых применениях заряд, свойственный любому иону (в том числе, ионам газовых кластеров в GCIB), может создавать нежелательные эффекты на обработанных поверхностях. По сравнению с традиционными ионными пучками GCIB обладает явным преимуществом в том, что ион газового кластера с одиночным или малыми многочисленными зарядами позволяют транспортировать и управлять намного большим массовым потоком (кластер может состоять из сотен или тысяч молекул) по сравнению с традиционным ионом (одиночным ионизированным атомом, молекулой или молекулярным фрагментом). В частности, в случае изолирующих материалов поверхности, обрабатываемые с использованием ионов, часто страдают от вызываемых ионами повреждений, являющихся результатом быстрого разряда накопленных зарядов или создания повреждающих, вызываемых электрическим полем напряжений в материале (опять же в результате накопленных зарядов.) Во многих таких случаях GCIB обладают преимуществом, благодаря их относительно низкому заряду на единицу массы, но в некоторых случаях проблема целевого заряда не может быть исключена. Дополнительно, пучки ионов с умеренным-высоким током могут страдать значительной пространственной расфокусировкой пучка, вызванной пространственным зарядом, которая имеет тенденцию не позволять транспортировку хорошо сфокусированного пучка на большие расстояния. Опять же, благодаря их более низкому заряду на единицу массы по сравнению с традиционными ионными пучками, GCIB имеют преимущество, но они не исключают полностью проблему транспортирования пространственного заряда.

Дополнительный случай необходимости или возможности возникает из того факта, что хотя использование пучков нейтральных молекул или атомов обеспечивает преимущество при некоторых применениях, связанных с обработкой поверхности, и при пространственном транспортировании пучка, не имеющего заряда, обычно не получается легко и экономически выгодно создавать интенсивные пучки нейтральных молекул или атомов за исключением случая выпуска струй форсункой, где энергии обычно имеют порядок нескольких миллиэлектрон-вольт на каждый атом или молекулу и, таким образом, ограничивают возможности обработки. Большее количество энергетически нейтральных частиц может быть выгодным или необходимым при многих применениях, например, когда желательно разрушить поверхность или обработать подповерхностные связи на небольшую глубину, чтобы облегчить очистку, травление, сглаживание, осаждение, аморфизацию или создать поверхностные химические эффекты. В таких случаях часто могут быть полезны энергии порядка от нескольких эВ до нескольких тысяч эВ на каждую частицу. Здесь раскрываются способы и устройства формирования таких нейтральных пучков посредством формирования сначала ускоренного заряженного GCIB и затем нейтрализации или организации нейтрализации, по меньшей мере, части пучка и разделения заряженных и разряженных частей. Хотя обработка с помощью GCIB успешно использовалась для многих применений, в новых и существующих применениях существуют потребности, не полностью удовлетворяемые GCIB или другими способами и устройствами на существующем уровне техники, и в которых ускоренные нейтральные пучки могут обеспечить превосходные результаты. Например, во многих ситуациях, хотя GCIB может создавать весьма заметное сглаживание на уровне атомов первоначально несколько шероховатой поверхности, окончательное сглаживание, которое может быть достигнуто, является часто меньшим, чем требуемая гладкость, и в других ситуациях процесс GCIB может привести в результате к загрублению умеренно гладких поверхностей, вместо того сгладить их дополнительно.

Исторически, когда для обработки изделий использовались традиционные ионные пучки и GCIB, повторяемость результатов обработки достигалась при использовании способа дозиметрии процесса, использующего результат измерения электрического тока пучка в детали, интегрируемый во времени, и учете размера обработанной области, чтобы определить дозу в ионах/см². Управляя дозой (ионы/см²) и энергией пучка, в большинстве процессов достигается хорошая повторяемость. Часто для достижения требуемых результатов процесса (таких как ограничение температурных расширений изделия и направление падения пучка во время обработки и т.д.) следует также управлять и другими факторами, но доза в ионах/см² и энергия пучка часто являются основными параметрами обработки, которыми управляют, чтобы привести к повторяемым результатам.

В случае нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков, поскольку частицы пучка не заряжены, их поток не может быть определен измерением тока и, таким образом, когда приемлемые результаты обработки зависят от управления точностью дозы, для обработки требуется какой-то другой способ дозиметрии.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в обеспечении диагностических способов и устройств для определения характеристик нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение диагностических способов и устройств для определения характеристик нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков в той степени, которая позволяет более точную дозиметрию процесса, приводящую в результате к повторяемой обработке детали.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на использование совокупности датчиков и измерений, сделанных этими датчиками, которые объединяются, чтобы определить характеристики нейтрального пучка или диссоциированного нейтрального пучка способом, позволяющим улучшить дозиметрию для управления обработкой детали.

Пучки энергетических традиционных ионов, ускоренных электрически заряженных атомов или молекул широко используются для формирования соединений полупроводниковых устройств, модификации поверхности напылением и модификации свойств тонких пленок. В отличие от традиционных ионов, ионы газовых кластеров формируются из кластеров с большими количествами (имеющих типичное распределение от нескольких сотен до нескольких тысяч со средним значением несколько тысяч) слабо связанных атомов или молекул материалов, являющихся газообразными в условиях стандартной температуры и давления (обычно кислород, азот или любой инертный газ, такой как, например, аргон, но для создания ионов газовых кластеров может использоваться любой конденсируемый газ), причем каждый кластер совместно использует один или более электрических зарядов и ионы ускоряются вместе посредством больших электрических разностей потенциалов (порядка от приблизительно 3 кВ до приблизительно 70 кВ или больше), чтобы иметь высокие общие энергии. После того, как ионы газовых кластеров были сформированы и ускорены, состояние их зарядов может изменяться или становиться измененным (даже нейтрализованным) и они могут фрагментироваться или их могут стимулировать к фрагментированию на более мелкие кластерные ионы или на ионы мономеров и/или нейтрализованные более мелкие кластеры и нейтрализованные мономеры, но они имеют тенденцию сохранять относительно высокие скорости и энергии, полученные в результате их ускорения большими электрическими разностями потенциалов, с энергией, распределяемой по фрагментам.

Будучи слабо связанными, ионы газовых кластеров (или нейтральных газовых кластеров) распадаются при столкновении с поверхностью и полная энергия ускоренного иона газового кластера распределяется между составляющими атомами. Из-за этого распределения энергии мономеры в кластерах индивидуально являются намного менее энергетическими (после распада), чем в случае подобно ускоренных традиционных ионов, и в результате атомы проникают на гораздо меньшую глубину, несмотря на высокую общую энергию ускоренного газового кластера. Термины "GCIB" и "ионный пучок газового кластера", как они используются здесь, предназначены охватывать не только ионизированные пучки и ионы, но также пучки, в которых часть частиц не ионизирована. Термины "GCIB" и "ионный пучок газовых кластеров" предназначены охватывать все пучки, содержащие ионы газовых кластеров, даже при том, что они могут также содержать некластеризованные ионы и/или нейтральные частицы. Термин "нейтральный пучок", как он используется здесь, предназначен означать пучок нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров, полученных из ускоренного пучка газовых кластеров, и в котором ускорение является результатом ускорения ионного пучка газовых кластеров. Термин "диссоциированный нейтральный пучок", как он используется здесь, предназначен означать пучок, состоящий, по существу, из ускоренных нейтральных мономеров, полученных из ускоренного ионного пучка газовых кластеров, и в котором ускорение явилось результатом ускорения ионов газовых кластеров. Термин "мономер", как он используется здесь, относится в равной степени к одиночному атому или к одиночной молекуле. Термины "атом", "молекула" и "мономер" могут использоваться взаимозаменяемо и все вместе относиться к соответствующему мономеру, который является характеристикой рассматриваемого газа (компонентом кластера или компонентом кластерного иона или атомом или молекулой). Например, одноатомный газ, подобный аргону, может упоминаться как атом, молекула или мономер и каждый из этих терминов означает одиночный атом. Аналогично, в случае двухатомного газа, такого как азот, он может упоминаться как атомы, молекулы или мономеры и каждый термин означает двухатомную молекулу.

Кроме того, молекулярный газ, подобный CO₂, может упоминаться как атомы, молекулы или мономеры и каждый термин означает трехатомную молекулу и т.д. Такие условные обозначения используются, чтобы упростить универсальные обсуждения газов и газовых кластеров или ионов газовых кластеров, независимо от того, являются они одноатомными, двухатомными или молекулярными в их газообразной форме.

Когда ускоренный ион газового кластера полностью диссоциирован и нейтрализован, результирующие нейтральные мономеры имеют энергии, приблизительно равные общей энергии первоначального ускоренного иона газового кластера, поделенной на количество N₁ мономеров, которые содержат первоначальный ион газового кластера в то время, когда он ускорялся. Такие диссоциированные нейтральные мономеры обладают энергиями порядка от приблизительно 1 эВ до десятков или даже гораздо больше, чем несколько тысяч эВ, в зависимости от первоначальной ускоряющей энергии иона газового кластера и размера газового кластера во время ускорения. Результаты обработки такими диссоциированными нейтрализованными ускоренными мономерами зависят как от количества таких мономеров, которые ударяют по заданной площади поверхности обрабатываемой детали, так и энергии, связанной с таким мономером.

Ионные пучки газовых кластеров формируются и транспортируются для целей облучения обрабатываемой детали в соответствии с известными технологиями. Специалистам в данной области техники известны различные типы держателей, чтобы держать объект на пути GCIB для облучения и для того, чтобы манипулировать объектом для облучения многочисленных участков объекта. Нейтральные пучки и диссоциированные нейтральные пучки могут формироваться и транспортироваться для целей облучения обрабатываемой детали в соответствии с упоминаемыми здесь технологиями.

Настоящее изобретение может использовать способ и систему с высокой чистотой пучка, чтобы получить из ускоренного ионного пучка газовых кластеров ускоренный пучок нейтральных газовых кластеров и/или предпочтительно мономеров, который может использоваться для множества типов поверхностной и неглубокой подповерхностной обработки материалов и который пригоден для многих применений с превосходными характеристиками по сравнению с традиционной обработкой GCIB. Он может обеспечить хорошо сфокусированные, ускоренные, интенсивные пучки нейтральных мономеров с частицами, имеющими энергии в диапазоне от приблизительно 1 эВ вплоть до нескольких тысяч эВ. Этот диапазон является диапазоном энергий, в котором было непрактичным с помощью простого, относительно недорогого устройства формировать интенсивные нейтральные пучки.

Эти ускоренные нейтральные пучки формируются посредством формирования сначала традиционного ускоренного GCIB, затем частичной или, по существу, полной диссоциации его способами и рабочими условиями, которые не вносят загрязнений в пучок, затем отделения остающихся заряженных частей пучка от нейтральной части, и использования в дальнейшем результирующего ускоренного нейтрального пучка для обработки детали. В зависимости от степени диссоциации ионов газовых кластеров, полученный нейтральный пучок может быть смесью нейтральных газовых мономеров и газовых кластеров или может, по существу, состоять полностью или почти полностью из нейтральных газовых мономеров. Предпочтительно, ускоренный нейтральный пучок является диссоциированным нейтральным пучком, поскольку известно, что присутствие кластеров меньших размеров в нейтральных пучках может создавать эффекты, нежелательные при некоторых применениях.

Преимущество нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков, которые могут создаваться способами и устройством, соответствующими настоящему изобретению, состоит в том, что они могут использоваться для обработки электроизоляционных материалов, не повреждая материал из-за заряда поверхностей таких материалов зарядами, переносимыми пучком, как это обычно происходит для всех ионизированных пучков, в том числе, для GCIB. Например, при применениях для полупроводников и других видов электронной обработки, ионы часто способствуют повреждению или разрушающему заряду тонких диэлектрических пленок, таких как оксиды, нитриды и т.д. Использование нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков может способствовать успешной обработке пучком полимеров, диэлектриков и/или других электроизолирующих или высокорезистивных материалов, покрытий и пленок при других применениях, где ионные пучки могут создавать нежелательные побочные эффекты за счет поверхностных эффектов или других эффектов, связанных с зарядом. Примерами являются (без ограничения) обработка стойких к коррозии покрытий и образование поперечных связей под действием излучения и/или полимеризация органических пленок. В других примерах вызванные нейтральным пучком изменения полимерных или других диэлектрических материалов (например, стерилизация, сглаживание, улучшение поверхностной биологической совместимости и улучшение скрепления и/или управления скоростями вымывания лекарственных средств) могут позволить использование таких материалов в медицинских устройствах для имплантирования и/или других медицинских/хирургических применений. Дополнительные примеры содержат обработку нейтральным пучком стекла, полимеров и керамического биокультурного лабораторного оборудования и/или поверхностей для взятия экологических проб, где такие пучки могут использоваться для улучшения поверхностных характеристик, таких как, например, шероховатость, гладкость, гидрофильность и биосовместимость.

Поскольку исходный GCIB, из которого ускоренный нейтральный пучок или диссоциированный нейтральный пучок может быть сформирован описанными здесь способами и устройствами содержит ионы, он легко ускоряется до требуемой энергии и легко фокусируется, используя традиционные технологии ионного пучка. При последовательной диссоциации и отделении заряженных ионов от нейтральных частиц, частицы нейтрального пучка имеют тенденцию сохранять свои сфокусированные траектории и могут транспортироваться на большие расстояния с хорошим эффектом.

Когда нейтральные газовые кластеры в струе ионизируются бомбардировкой электронами, они становятся нагретыми и/или возбужденными. Это может привести в результате к последующему испарению мономеров из ионизированных газовых кластеров после ускорения по мере того, как движутся по траектории пучка. Дополнительно, столкновения ионов газовых кластеров с фоновыми газовыми молекулами в ионизаторе, ускорителе и областях траектории пучка также нагревают и возбуждают ионы газовых кластеров и могут приводить в результате к дополнительному последующему развитию мономеров из ионов газовых кластеров после ускорения. Когда эти механизмы развития мономеров вызываются электронной бомбардировкой и/или столкновением с фоновыми газовыми молекулами (и/или другими газовыми кластерами) того же самого газа, из которого был сформирован GCIB, никакое загрязнение в пучок процессами диссоциации, приводящее к развитию мономеров, не вносится.

Существуют другие механизмы, которые могут использоваться для диссоциации (или вызвать развитие мономеров из) ионов газовых кластеров в GCIB, не вводя загрязнение в пучок. Некоторые из этих механизмов могут также использоваться для диссоциации нейтральных газовых кластеров в нейтральном пучке газовых кластеров. Одним из механизмов является лазерное облучение ионного пучка-кластеров, используя инфракрасную или другую лазерную энергию. Вызванное лазером нагревание ионов газовых кластеров в GCIB, облучаемом лазером, приводит в результате к возбуждению и/или нагреванию ионов газовых кластеров и вызывает последующее развитие мономеров из пучка. В другом механизме пучок пропускается через термически нагреваемую трубу, так чтобы излучаемые фотоны тепловой энергии воздействовали на ионы газовых кластеров в пучке. Индуцированное нагревание ионов газовых кластеров излучаемой тепловой энергией в трубе приводит в результате к возбуждению и/или нагреванию ионов газовых кластеров и вызывает последующее развитие мономеров из пучка. В другом механизме пересечение ионного пучка газовых кластеров газовой струей того же самого газа или смеси, в зависимости от того, какой исходный газ используется при формировании GCIB, (или другой незагрязняющий газ), приводит в результате к столкновениям мономеров газа в газовой струе с газовыми кластерами в ионном пучке и/или нагреванию ионов газовых кластеров в пучке и последующему развитию мономеров из возбужденных ионов газовых кластеров. Завися исключительно от бомбардировки электронами во время начальной ионизации и/или от столкновений (с другими ионами кластеров или с фоновыми газовыми молекулами того же самого газа(-ов), которые используются для формирования GCIB) внутри пучка и/или лазерного или теплового излучения и/или столкновений с пересекающей струей незагрязненного газа, чтобы произвести диссоциацию GCIB и/или фрагментацию, избегают загрязнения пучка за счет столкновений с другими материалами.

По мере того, как газовая струя нейтральных кластеров из сопла проходит через ионизирующую область, где электроны направляются так, чтобы ионизировать кластеры, кластер может оставаться неионизированным или может получить состояние заряда, q, от одного или более зарядов (за счет выбивания электронов из кластера падающим электроном). Рабочие условия ионизатора влияют на вероятность того, что газовый кластер примет конкретное состояние заряда, и при более интенсивных условиях ионизатора приводят в результате к большей вероятности, что будет достигнуто более высокое состояние заряда. Более интенсивные условия ионизатора, приводящие к более высокой эффективности ионизации, могут являться результатом более высокого электронного потока и/или более высокой (в определенных рамках) энергии электронов. Когда газовый кластер ионизирован, он обычно извлекается из ионизатора, фокусируется в пучок и ускоряется, падая через электрическое поле. Величина ускорения иона газового кластера легко управляется посредством управления величиной ускоряющегося электрического поля. Типичные коммерческие инструменты для обработки посредством GCIB обычно обеспечивают для ионов газовых кластеров, которые должны ускоряться электрическим полем, имеют регулируемый ускоряющий потенциал, V_Acc, обычно, например, от приблизительно 1 кВ до 70 кВ (но не ограничиваясь этим диапазоном - может быть осуществимо V_Acc до 200 кВ или даже больше). Таким образом, отдельно заряженный ион газового кластера достигает энергии в диапазоне от 1 до 70 кэВ (или больше, если используется большее V_Acc) и умноженный заряженный (например, без ограничения, состояние заряда, q=3 зарядам электрона) ион газового кластера достигает энергии в диапазоне от 3 до 210 кэВ (или больше для более высокого V_Acc). Для других состояний заряда иона газового кластера и ускоряющих потенциалов ускоренная энергия на кластер составляет qV_Acc эВ. Для данного ионизатора с заданной эффективностью ионизации ионы газовых кластеров будут иметь распределение состояний заряда от нуля (не ионизированы) до более высокого числа, такого как, например, 6 (или при более высокой эффективности ионизатора даже больше), и наиболее вероятные и средние значения распределения состояния заряда также увеличиваются с увеличение эффективности ионизатора (более высокий поток электронов и/или энергия). Более высокая эффективность ионизатора также приводит к повышенным количествам ионов газовых кластеров, формируемых в ионизаторе. Во многих случаях увеличение производительности обработки GCIB при работе ионизатора с высокой эффективностью приводит в результате к увеличенному току GCIB. Оборотной стороной такой операции является то, что многочисленные состояния заряда, которые могут возникать для ионов газовых кластеров промежуточных размеров, могут увеличивать кратер и/или загрублять формирование границы этими ионами и часто такие эффекты могут работать контрпроизводительно намеченной обработке. Таким образом, для многих средств GCIB-обработки поверхности выбор рабочих параметров ионизатора имеет тенденцию учитывать больше соображений, а не только максимизацию тока пучка. В некоторых процессах, использование "датчика давления" (смотрите патент США 7 060 989, Swenson и др.) может позволить работу ионизатора с высокой эффективностью ионизации, все еще получая приемлемые характеристики обработки пучком, замедляя энергию пучка столкновениями газа в "датчике давления" с поднятым давлением.

При настоящем изобретении в работе ионизатора с высокой эффективностью нет никаких недостатков - на деле, такой режим является предпочтительным. Когда ионизатор работает с высокой эффективностью, возможен широкий диапазон состояний заряда ионов газовых кластеров, созданных ионизатором. Это приводит в результате к широкому диапазону скоростей ионов газовых кластеров в области извлечения между ионизатором и ускоряющими электродами пучка, и также после пучка. Это может приводить в результате к повышенной частоте столкновений между и среди ионов газовых кластеров в пучке, что обычно приводит к повышенной степени фрагментации самых больших ионов газовых кластеры. Такая фрагментация может приводить к перераспределению размеров кластеров в пучке, отклоняя его в направлении кластеров меньшего размера. Эти фрагменты кластеров сохраняют энергию, пропорциональную их новому размеру (N) и поэтому становятся менее энергетическими, сохраняя, в то же время, по существу, ускоренную скорость начального иона нефрагментированного газового кластера. Изменение энергии с сохранением скорости после столкновений было экспериментально проверено (как, например, сообщается в работе Toyoda, N. и др. "Cluster size dependence on energy and velocity distributions of gas cluster ions after collisions with residual gas," Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B 257 (2007), pp 662-665). Фрагментация может также приводить к перераспределению зарядов во фрагментах кластеров. Результатом, вероятно, могут быть некоторые незаряженные фрагменты и мультизаряженные ионы газовых кластеров могут фрагментироваться на несколько заряженных ионов газовых кластеров и, возможно, нескольких незаряженных фрагментов. Изобретатели понимают, что проект фокусирующих полей в ионизаторе и области извлечения может улучшить фокусировку малых ионов газовых кластеров и ионов мономеров, чтобы увеличить вероятность столкновения с большими ионами газовых кластеров в области извлечения пучка и после прохождения пучком этой области, способствуя, таким образом, диссоциации и/или фрагментации ионов газовых кластеров.

В варианте осуществления настоящего изобретения давление фонового газа в ионизаторе, ускоряющей области и траектории пучка может дополнительно быть организовано так, чтобы иметь более высокое давление, чем то, которое обычно используется для хорошего прохождения GCIB. Это может привести в результате к дополнительному развитию мономеров из ионов газовых кластеров (сверх тех, которые являются результатом нагревания и/или возбуждения вследствие начального события ионизации газового кластера). Давление может быть организовано таким образом, чтобы ионы газовых кластеров имели достаточно короткую среднюю длину свободного пробега и достаточно длинную траекторию пролета между ионизатором и обрабатываемой деталью, на которой они должны подвергаться многочисленным столкновениям с молекулами фонового газа.

Для однородного иона газового кластера, содержащего N мономеров и имеющего состояние заряда q и который был ускорен за счет падения напряжения электрического поля V_Acc В, кластеры будут иметь энергию приблизительно qV_Acc/N_I эВ на мономер, где N_I - количество мономеров в ионе кластера во время ускорения. За исключением самых малых ионов газовых кластеры, столкновение такого иона с мономером фонового газа того же самого газа, что и исходный газ кластера, будет приводить к дополнительному внесению приблизительно qV_Acc/N_I эВ в ион кластера. Эта энергия относительно мала по сравнению с общей энергией иона газового кластера (qV_Acc) и обычно приводит к возбуждению или нагреванию кластера и к последующему развитию мономеров из кластера. Считается, что такие столкновения больших кластеров с фоновым газом редко фрагментируют кластеры, а скорее нагревает и/или возбуждают его, что приводит в результате к развитию мономеров за счет испарения или подобных механизмов. Независимо от источника возбуждения, который приводит к развитию мономера или мономеров из иона газового кластера, развитый мономер(-ы) имеет приблизительно одну и ту же энергию на частицу, равную qV_Acc/N_I эВ, и сохраняет приблизительно ту же самую скорость и траекторию, что и ион газового кластера, из которого они развиваются. Когда такое развитие мономера происходит из иона газового кластера, независимо от того, за счет возбуждения или нагревания благодаря первоначальному событию ионизации, столкновению или лучевому нагреванию, заряд имеет высокую вероятность оставаться с большим остаточным ионом газового кластера. Таким образом, после последовательности развития мономеров большой ион газового кластера может быть уменьшен до облака совместно движущихся мономеров, возможно, с меньшим ионом остаточного газового кластера (или, возможно, нескольких ионов, если также произошла фрагментация). Совместно движущиеся мономеры, следующие первоначальной траектории пучка, все имеют приблизительно ту же самую скорость, что и оригинальный ион газового кластера, и каждый из них обладает энергией, приблизительно равной qV_Acc/N_i эВ. Для малых ионов газовых кластеров энергия столкновения с мономером фонового газа, вероятно, должна полностью и очень активно диссоциировать малый газовый кластер и сомнительно, продолжают ли в таких случаях результирующие мономеры двигаться вместе с пучком или теряются из пучка.

Прежде чем GCIB достигнет обрабатываемой детали, остающиеся заряженные частицы (ионы газовых кластеров, в частности, ионы газовых кластеров малого и промежуточного размеров и некоторые заряженные мономеры, а также содержащие любые остающиеся большие ионы газовых кластеров) в пучке отделяются от нейтральной части пучка, оставляя только нейтральный пучок для обработки детали.

При типичной работе доли мощности, подаваемая к цели обработки в компонентах нейтрального пучка относительно мощности полного (заряженного плюс нейтрального) пучка, находится в диапазоне приблизительно от 5% до 95%, так что посредством способов и устройства разделения, соответствующих настоящему изобретению, возможно подавать эту часть кинетической энергии полного ускоренного заряженного пучка к цели в качестве нейтрального пучка.

Диссоциация ионов газовых кластеров и, таким образом, производство нейтрального пучка мономеров высокой энергии облегчается при следующих условиях: 1) Работа с повышенными ускоряющими напряжениями. Это увеличивает qV_Acc/N для любого заданного размера кластера. 2) Работа с высокой эффективностью ионизатора. Это увеличивает qV_Acc/N для любого заданного размера кластера, увеличивая q, и увеличивает столкновение ионов-кластеров в области извлечения за счет различий состояний заряда между кластерами. 3) Работа в области высокой ионизации, ускорения или давления на пути прохождения пучка или работа с газовой струей, пересекающей пучок, или с увеличенной длиной пути прохождения пучка, которые все увеличивают вероятность столкновений фонового газа с ионами газовых кластеров любого заданного размера. 4) Работа с лазерным облучением или тепловым нагреванием пучка, которые напрямую способствуют развитие мономеров из ионов газовых кластеров; и 5) Работа с повышенным газовым потоком сопла, которая увеличивает транспортировку газа, кластеризованного и, возможно, некластеризованного, по траектории GCIB, что увеличивает столкновения, приводящие в результате к большему развитию мономеров.

Измерение нейтрального пучка не может делаться посредством измерения тока, хотя это удобно для ионных пучков газовых кластеров. В одном из вариантов осуществления используется датчик мощности нейтрального пучка, чтобы облегчить дозиметрию при облучении обрабатываемой детали нейтральным пучком. Датчик нейтрального пучка является тепловым датчиком, установленным в пучке (или, как вариант, известной выборке пучка). Скорость нарастания температуры датчика связывается с потоком энергии, являющимся результатом облучения датчика энергетическим пучком. Тепловые измерения должны делаться в ограниченном диапазоне температур датчика, чтобы минимизировать ошибки из-за теплового переизлучения энергии, падающей на датчик. Для процесса GCIB мощность пучка (ватты) равна току пучка (амперы), умноженному на V_ACC, являющееся ускоряющим напряжением пучка. Когда GCIB облучает обрабатываемую деталь в течение некоторого периода времени (секунды), энергия (джоули), принятая обрабатываемой деталью, является произведением мощности пучка и времени облучения. Результаты обработки таким пучком, когда он обрабатывает большую площадь, распределяются по площади (например, выраженной в см²). Для ионных пучков традиционно было удобным указывать дозу обработки в терминах излучаемых ионов/см², где известно или предполагается, что ионы имеют во время ускорения среднее состояние заряда q и ускоряются разностью потенциалов V_Acc, так чтобы каждый ион нес энергию qV_Acc эВ (эВ - приблизительно равен 1,6⋅10^-19 джоулей). Таким образом, доза ионного пучка для среднего состояния заряда q, ускоренного V_Acc и определенная в ионы/см² соответствует легко вычисляемой дозе энергии, выраженной в джоулях/см². Для ускоренного нейтрального пучка, полученного из ускоренного GCIB, как он используется в настоящем изобретении, значение q во время ускорения и значение V_Acc являются одинаковыми для обеих (позже сформированных и разделенных) заряженных и незаряженных частей пучка. Мощность в двух частях (нейтральной и заряженной) GCIB делится пропорционально массе в каждой части пучка. Таким образом, для ускоренного нейтрального пучка, как он используется в изобретении, когда равные площади облучаются в течение равного времени, доза энергии (джоуль/см²), внесенная нейтральным пучком, будет обязательно меньше, чем доза энергии, внесенная полным GCIB. При использовании теплового датчика для измерения мощности при полном GCIB P_G и мощности в нейтральном пучке P_N (которая, как обычно считают, составляет приблизительно от 5 % до 95 % мощности полного GCIB) можно вычислить коэффициент компенсации для использования при дозиметрии для обработки нейтральным пучком. Когда P_N равна aP_G, то тогда коэффициент компенсации k = 1/a. Таким образом, если деталь обрабатывается, используя нейтральный пучок, полученный из GCIB, продолжительность времени делается в k раз большей, чем длительность обработки для полного GCIB (содержащего заряженные и нейтральные части пучка), требующаяся, чтобы достигнуть дозы D ионов/см², то есть, дозы энергии, падающей на обрабатываемую деталь как нейтрального пучка, так и полного GCIB, вместе являются одинаковыми (хотя результаты могут отличаться из-за качественных различий эффектов обработки благодаря различиям в размерах частиц в двух пучках). Технологическая доза нейтрального пучка, как она используется здесь, скомпенсированная таким способом, иногда описывается как имеющая эквивалентную энергию/см² дозы D ионы/см². Из-за небольших различий в ионизаторах или соплах газовых струй, распределение размеров кластеров в источнике и распределение состояния заряда в ионизированной газовой струе перед ускорением могут иногда варьироваться от настройки к настройке и от одного технологического инструмента к другому. Для многих процессов описанный выше способ дозиметрии обеспечивает соответствующую повторяемость процесса. Для некоторых других процессов эти вариации в аппаратурном обеспечении могут приводить в результате к нежелательно большой вариации процесса и отсутствию повторяемости. В таких случаях желательно получение более полных характеристик нейтрального пучка или диссоциированного нейтрального пучка.

В таких случаях более полная характеристика пучка обеспечивает точность, требуемую для повышенной повторяемости процесса. В варианте осуществления, описанном ниже, диагностический способ и устройство для получения полных характеристик нейтрального пучка или диссоциированного нейтрального пучка обеспечивают как точное измерение потока ускоренных нейтральных частиц в пучке, так и среднюю энергию на каждую ускоренную нейтральную частицу. В случае диссоциированного нейтрального пучка это соответствует потоку ускоренных нейтральных мономеров и средней энергии на каждый ускоренный нейтральный мономер. Различные другие свойства заряженных и незаряженных, ускоренных и неускоренных частей основополагающего GCIB определяются технологией и могут использоваться для гарантии повторяемости применений обработки детали нейтральными пучками и диссоциированными нейтральными пучками.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ. 1 - элементы устройства 1100 обработки с помощью GCIB для обработки детали с использованием GCIB;

Фиг. 2 - элементы другого устройства 1200 обработки с помощью GCIB для обработки детали с использованием GCIB, в котором используется сканирование ионного пучка и манипулирование обрабатываемой деталью;

Фиг. 3 - устройство 1300 обработки с помощью нейтрального пучка, соответствующее варианту осуществления изобретения, которое использует электростатиче