专利名称：中性粒子束处理设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面处理设备。更具体地，本发明涉及一种利用中性粒子束对基板的表面进行处理的中性粒子束处理设备。
背景技术：
等离子体是一组通过放电产生的带电质子和电子，并且正在被广泛应用于半导体制造工艺中的基板表面的处理，例如等离子体刻蚀和PECVD(等离子体增强化学气相沉积)。但是，等离子体处理方法的缺点在于等离子体是一种带电粒子。例如，使用带电粒子用于刻蚀经常会改变刻蚀断面、损坏形成在基板上的电路、或导致可能损坏基板表面的电压梯度。
为了克服由等离子体处理方法引起的这种问题，提出了使用中性粒子的系统。主要存在两种技术来从等离子体产生中性粒子。一种是电荷交换，通过等离子体与气体粒子的碰撞来产生中性粒子。另一种是通过等离子体与重金属板的碰撞来产生中性粒子。作为前一种技术的示例，引用日本专利No.2,606,551和NO.2,842,344作为参考。然而，通过等离子体和气体粒子之间的电荷交换产生的中性粒子的缺点在于中性粒子的变换效率较低且难以控制中性粒子的方向性和碰撞频率。因此，认为通过等离子体体与重金属板的碰撞来产生中性粒子的技术更为需要。
美国专利No.4,662,977公开了一种用于处理基板表面的中性粒子处理设备，包括等离子体枪，产生等离子体并将所产生的等离子体定向到预定方向；以及重金属板，将等离子体离子转换为中性粒子并将中性粒子重定向到基板。系统的优点在于解决了等离子体的缺点，但由于入射中性粒子束的较小横截面，不适于处理具有8英寸或更大尺寸的基板的表面。
由本发明人递交的WO 01/84611公开了一种用于利用中性粒子束来处理表面的设备，包括高频电功率引入部分、等离子体产生部分、中性粒子产生部分和承载目标基板的处理部分。在该设备中，通过高频电功率引入部分引入高频电功率，利用高频电功率将引入到等离子产生部分的气体转换为等离子体，通过等离子体与重金属板的碰撞将在等离子体产生部分的内部产生的等离子体变换为中性粒子，并将如此产生的中性粒子用于处理基板的表面。中性粒子束处理设备的优点在于产生了均匀的等离子体，使得能够处理具有相对较大面积的目标。未公开PCT申请PCT/KR03/02146公开了一种修改的中性粒子束处理设备，通过在重金属板之内形成倾斜切口或倾斜孔以便提高与重金属板碰撞的等离子体的数目，从而改进从等离子体到中性粒子束的转换性能，并由此改进目标表面处理的效率。这里，形成在重金属板上的倾斜切口或倾斜孔保证了等离子体与重金属板的碰撞，并防止等离子体和电子到达基板。例如，中性粒子束处理设备的优点在于，等离子体放电空间保证了具有较大面积的均匀等离子体产生，并且使由未转换为中性粒子的等离子体离子和电子引起的效应最小化，并且产生了高度方向性的中性粒子束。然而，根据中性粒子束处理设备，在倾斜切口或倾斜孔中出现等离子体壳层并且干扰了中性粒子的产生。换句话说，在倾斜切口或倾斜孔处形成的缺陷壳层阻断了等离子体离子的方向，并且来自等离子体离子的大量中性粒子不能到达目标。
发明内容
技术目的作为发明人克服上述问题的深层研究的结果，可以发现一种系统是优选的，其中在用于产生中性粒子的装置(具体地，重金属板)和用于防止没有被转换为中性粒子的等离子体离子和电子到达基板的装置(具体地，等离子体限制器)之间，设置了等离子体放电空间。本发明的第一目的在于提供一种中性粒子束处理设备，包括等离子体放电空间，其内部通过等离子体放电将处理气体转换为等离子体离子；重金属板，通过碰撞将等离子体离子转换为中性粒子；等离子体限制器，防止等离子体离子和电子通过，并仅允许由等离子体离子与金属板的碰撞产生的中性粒子通过；以及处理外壳，其内部设置了要处理的基板，其中将等离子体放电空间夹在重金属板和等离子体限制器之间。通过由位于重金属板和等离子体限制器之间的等离子体放电空间来分离设置用于将在等离子体放电空间中产生的等离子体离子转换为中性粒子的部件与用于选择性地防止在等离子体放电空间中形成的等离子体离子和电子通过的部件，简化了中性粒子的转换，并且易于防止由等离子体离子和电子造成的阻断。
技术解决方案根据本发明的中性粒子束处理设备，重金属板位于等离子体放电空间的上方，且等离子体限制器位于等离子体放电空间的下方。由偏置电压将在等离子体放电空间中产生的等离子体离子定向到重金属板，并与重金属板进行碰撞，以产生中性粒子，然后，所产生的中性粒子进入等离子体限制器。
根据本发明的中性粒子束设备还包括准直器，根据需要，校准已经通过等离子体限制器的中性粒子。
根据本发明的优选实施例，提供了一种中性粒子束处理设备，包括a)具有开口下部的反应室，包括内部空间、安装在反应室一侧的气体入口和气体出口、以及重金属板，其中反应室的内部空间是等离子体放电空间，并且重金属板被安装在等离子体放电空间的上方，利用等离子体放电将通过气体入口被引入到等离子体放电空间的处理气体转换为等离子体离子，然后利用与重金属板的碰撞将等离子体离子转换为中性粒子；b)位于反应室的下方的等离子体限制器，包括孔或切口，用于通过中性粒子同时阻止等离子体离子和电子通过；以及c)位于等离子体限制器的下方的处理外壳，其内部设置了要利用中性粒子进行处理的基板。
根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种中性粒子束处理设备，还包括用于向等离子体限制器的孔或切口施加磁场的磁单元或用于施加电场的电单元。
根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种中性粒子束处理设备，还包括位于等离子体限制器和处理外壳之间处的准直器，用于校准已经通过等离子体限制器的中性粒子。
根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种中性粒子束处理设备，还包括具有孔的准直器，以便通过孔来校准中性粒子。
根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种中性粒子束处理设备，其中形成重金属板，作为反应室的内上壁，或附加地在等离子体放电空间的上方安装重金属板。
发明的有益效果根据本发明的中性粒子处理设备具有比传统设备更为简单的结构。例如，在WO 01/84611和PCT/KR03/02146中公开的设备具有复杂构成的反射板，以便实现等离子体离子到中性粒子的转换并排除由等离子体离子和电子造成的干扰。相反，根据本发明的中性粒子处理设备不需要这种结构。此外，在本发明中没有出现在传统设备中已经出现的中性粒子产生效率的减小。由位于二者之间的等离子体放电空间分离将等离子体离子转换为中性粒子的重金属板和允许中性粒子通过并禁止等离子体离子和电子通过的等离子体限制器。因此，能够简化到中性粒子的转换并容易防止由等离子体离子和电子造成的阻断，结果，显著地改进了中性粒子的转换效率和基板的表面处理效率。
特别地，根据本发明的中性粒子处理设备能够通过选择适当的准直器并利用诸如模板掩模(stencil mask)的掩模来执行平版印刷。通过中性粒子平版印刷来代替照相平版印刷能够得到两个主要优点。通过包括利用形成图案的掩模将光刻胶曝光并随后进行显影的连续工艺来执行照相平版印刷。此外，为了得到数十纳米范围的线宽，由于与所需的线宽相比相对较长的光的波长，应当开发新的照相平版印刷。然而，通过利用形成图案的掩模将由根据本发明的中性粒子处理设备产生的、例如氧的基本中性粒子束曝光到光刻胶上，中性粒子平版印刷能够同时执行图案形成和光刻胶的去除，结果，能够提高处理效率。此外，由于中性粒子束的de Broglie波长非常短(例如，对于10eV的氧原子束大约是0.002nm)，结果与照相平版印刷不同，不存在聚焦范围的限制，可以将中性粒子束应用于数十纳米的平版印刷。根据利用中性粒子束处理设备来去除光刻胶而执行的实际实验，得到大约30nm/分钟的去除速度，与PCT/KR03/02146相比，这近似改进了4倍。
图1a是示出了根据本发明的中性粒子束处理设备的优选实施例的截面图。
图2是示出了根据本发明的中性粒子束处理设备的另一个优选实施例的截面图。
图3是示出了根据本发明的中性粒子束处理设备的另一个优选实施例的截面图。
图4是示出了在根据本发明的中性粒子束处理设备中使用的等离子体限制器和准直器的优选结合的透视图。
具体实施例方式
本发明涉及一种中性粒子束处理设备，包括等离子体放电空间、重金属板、等离子体限制器和承载要处理的基板的处理外壳，其中等离子体放电空间被夹在重金属板和等离子体限制器之间。
在等离子体放电空间的内部，通过等离子体放电将引入的处理气体转换为等离子体。换句话说，在等离子体放电空间中产生作为等离子体离子(或正离子)和电子组的等离子体。关于这一点，可以通过各种方法产生等离子体。例如，可以应用容性耦合等离子体放电、感性耦合等离子体放电、利用等离子体波的螺旋波放电以及微波等离子体放电。其中在较低操作压力下产生高密度等离子体的感性耦合等离子体放电更为需要。关于用于感性耦合等离子体放电的天线的形状，请参考韩国专利申请No.7010807/2000、14578/1998、35702/1999以及43856/2001。
通过与重金属板的碰撞将在等离子体放电空间的内部产生的等离子体离子转换为中性粒子。如这里所使用的，术语“重金属板”应当被理解为一种由分子量实质上大于气体分子量的重金属构成的板或其上涂敷有这种重金属的板。优选地，抛光等离子体离子碰撞的重金属板的表面，以保证弹性碰撞。可以使用的重金属的示例包括钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)、金(Au)、铂(Pt)、不锈钢或其合金。与WO 01/84611和韩国专利2002-62648相反，重金属板不需要用作中性粒子的通道的任意孔。这是因为，尽管重金属板与等离子体离子碰撞并将其转换为中性粒子，但重金属板并没有用作所产生的中性粒子的通道。通过与重金属板的碰撞产生的中性粒子被反射，并通过位于重金属板和等离子体限制器之间的等离子体放电空间进入到等离子体限制器。
等离子体限制器阻止等离子体离子和电子通过并选择性地允许中性粒子通过。可以使用安装有孔或切口以限制等离子体离子和电子通过的负向限制，或使用向孔和切口施加磁场或电场以控制带电等离子体离子或电子的移动方向的正向限制。已经通过等离子体限制器的中性粒子与位于处理外壳内部的基板碰撞，并执行包括例如从基板上去除有机材料或光刻胶的表面处理。
为了实现充分的表面处理，需要适当地控制中性粒子的方向性。例如，为了通过表面处理在表面上形成预定图案，中性粒子的方向性非常重要。在这种情况下，希望附加地在等离子体限制器和处理空间之间安装校准中性粒子的方向的准直器。准直器具有提供固定方向性的多个孔。
根据本发明的表面处理设备可应用于各种半导体处理，例如灰化、氧化膜的形成和清洁。如这里所使用的，术语“半导体处理”意味着针对制造包括与半导体相连的半导体设备、电路或电极的结构所执行的各种工艺，其中通过在要处理的材料(例如半导体晶片或液体基板)上以预定的图案形成半导体层、绝缘层或导电层来制造所述结构。
下面，将参考附图来更完整地描述本发明。
图1是示出了根据本发明的中性粒子束处理设备的优选实施例的截面图。图1所示的设备包括具有开口下部的反应室100、位于反应室100的开口下部处的等离子体限制器200以及处理外壳300。反应室的内部空间是等离子体放电空间101。在放电空间101中安装天线102以便提供高频能量，并且在反应室100的一侧处安装气体入口104和气体出口105。反应室100如下进行操作。首先，通过气体入口104将处理气体注入引入到等离子体放电空间101中，并由通过天线102提供的高频电源使处理气体进行等离子体放电，并将其转换为等离子体103。将所产生的等离子体的正离子(等离子体离子)定向到位于等离子体放电空间101的上方的重金属板106，在此处，等离子体离子与重金属板106进行碰撞并被转换为中性粒子。这里，通过向重金属板106施加负偏置电压能够容易地将等离子体离子定向到重金属板106。
当将负偏置电压施加到重金属板106时，实质上或理想上，将等离子体离子垂直地定向到重金属板106，并且与重金属板106碰撞。可以抛光等离子体离子碰撞的重金属板106的表面，以便改进到中性粒子的转换效率并在碰撞期间防止能量损耗。由重金属板106和等离子体离子之间的弹性碰撞产生的中性粒子被反射，并通过等离子体放电空间101进入等离子体限制器200。
等离子体限制器200具有孔或切口201。这些孔或切口201允许中性粒子穿透，同时阻止等离子体离子和电子的通过，从而中性粒子可以选择性地通过等离子体限制器200并到达位于处理外壳300中的基板。尽管没有具体限制用于等离子体限制器200的材料，希望使用例如陶瓷的电介质。原因在于当等离子体离子和电子与等离子体限制器200的侧壁碰撞时，吸收了等离子体离子和电子的能量，因此可以使等离子体离子和电子的负面效应最小化。同时，等离子体限制器200还可以与没有限制方向性的中性粒子碰撞并吸收其能量，因此还可以消除由于没有限制方向性的中性粒子导致的任意负面效应。由孔或切口201造成的等离子体离子和电子的负向限制取决于孔和切口201的直径和深度，应当适当地执行这种调整。
为了防止等离子体离子和电子通过等离子体限制器200，可以在等离子体限制器200处附加地安装用于向等离子体限制器200施加磁场或电场的装置203。用于施加磁场或电场的装置203改变等离子体离子和电子的移动方向，并且进一步防止其到达基板的表面。将该限制称作“正向限制”。
利用“负向限制”或“正向限制”来保护使之不受等离子体离子或电子阻断的中性粒子执行安装在处理外壳300的内部的基板301的表面处理。例如，中性粒子与所吸收的或残余在基板301上的残余产物(例如晶片)碰撞，并将其去除。关于这一点，中性粒子不是带电离子，不会对基板301造成损坏。同时，随着处理温度升高，提高了基板301的表面处理效率。因此，希望通过传导或照射来升高基板的表面温度。没有描述的参考号302是通过与升降轴(未示出)相连的升降器件的操作来上升和下降的目标夹持器，以便装入例如要新处理的晶片之类的基板301并送出已处理的基板301。同时，可以通过电动机(未示出)来旋转目标夹持器。结果，目标夹持器302的旋转可以防止形成由于将中性粒子局部引入到晶片的表面上导致的盲点。没有描述的参考号303是与真空泵(未示出)相连的气体出口，将处理外壳300的内部压力保持在大约1mTorr的范围。
可以针对表面处理的目的来适当地选择处理气体，这是本领域技术人员所公知的。例如，为了从基板301上清洁有机物质，优选使用氮气、氮和氧的混合物、氮和空气的混合物、稀有气体或氮和稀有气体的混合物。从经济的角度，氮、氮和氧的混合物、氮和空气的混合物更为优选。为了去除光刻胶或刻蚀有机膜，优选使用氧、臭氧、二氧化碳(CO2)、水蒸汽或氧化氮(N2O)。此外，为了刻蚀硅，使用氮或稀有气体结合例如CF4或氯气的氟基气体更为有效。为了还原金属氧化物，可以使用例如氢或氨的还原气体。
尽管图1示出了通过感性耦合等离子体放电产生等离子体的示例，在等离子体放电空间中利用放电原地产生等离子体离子并且利用所产生的等离子体离子与重金属板的碰撞来产生中性粒子的情况下，可以广泛地使用容性耦合等离子体放电、利用等离子体波的螺旋波放电以及微波等离子体放电。除了等离子体放电技术的各种应用以外，还可以通过向反应室100施加正偏压而不是向重金属板106施加负偏压来将等离子体离子定向到重金属板106。施加负偏压通过吸引将带正电的等离子体离子定向到重金属板106。相反，正偏压通过排斥将等离子体离子定向到重金属板106。
根据本发明的中性粒子束处理设备，可以与处理气体的中性粒子相结合，附加地将添加气体提供到处理外壳300，以便辅助表面处理。PCT/KR03/02146对此进行了具体描述。
在上文中，中性粒子束处理设备包括附加安装在等离子体放电空间101的上方的重金属板106，通过由重金属形成或其上涂敷有重金属，还可以将反应室100的内部上壁用作重金属板。图2示出了这种示例。在图2中，代替附加地安装重金属板106，将涂敷有重金属的反应室100的内部上壁用作重金属板106，并向其施加负偏压。此外，在等离子体放电空间106产生的等离子体103碰撞涂敷有重金属以便充当重金属板的内部上壁，并产生中性粒子。这里，利用绝缘体107’、107”使内上壁与反应室100的其它侧壁电绝缘。没有具体描述的参考数字与图1所示的中性粒子束处理设备相同。
图3示出了根据本发明的中性粒子束处理设备的另一个优选实施例的截面图。图3所示的设备包括具有开口下部的反应室100、位于反应室100的开口下部处的等离子体限制器200、位于等离子体限制器200的下方的处理外壳300、以及位于等离子体限制器200和处理外壳300之间的准直器400。由于与图1所述相同，省略对于反应室100、等离子体限制器200和外壳300的描述。位于等离子体限制器200和处理外壳300之间的准直器400校准通过等离子体限制器200的中性粒子，以改进中性粒子的方向性。准直器400具有多个孔401。在碰撞期间，与孔401的侧壁402碰撞的中性粒子不止一次地释放其能量，并且不再能够执行任务。因此，在已经穿透准直器400的中性粒子中，可以仅使用垂直于孔401的中性粒子。因此，准直器400可以改进中性粒子的方向性。
图4是示出了等离子体限制器和准直器的优选结合的透视图。图4的等离子体限制器200具有形成在由陶瓷制成的平板204之间的切口，准直器400具有位于与等离子体限制器200的切口201相对应的位置处的孔。形成在等离子体限制器200中的切口改进了中性粒子的穿透效率，附加地，还通过施加由磁体203产生的磁场来阻止等离子体离子和电子通过切口201。此外，形成在准直器400中的孔401改进了中性粒子的方向性。通过组合有效地排除了由等离子体离子和电子造成的干扰，并且具有已校准方向性的中性粒子执行基板的表面处理。可以将通过组合具有改进方向性的中性粒子有效地应用于平版印刷。例如，可以将中性粒子束应用于具有模板掩模的基板301上的光刻胶去除。同时，尽管在图4中将等离子体限制器和准直器表示为六面体形状，可以将其改变为例如圆柱或椭圆形状的各种形状。
如上所述，在没有影响、干扰、或改变本发明的精神和范围的前提下，显然可以通过上述技术领域中的各种配置来实现本发明。因此，可以理解，这里演示的示例和应用意欲作为说明书的实质而不是限制。此外，应当理解，本专利申请的意义、范围和更高的概念理解以及源自其的修改和变体是当前申请的延伸。
权利要求
1.一种中性粒子束处理设备，包括等离子体放电空间，在其内部，通过等离子体放电将处理气体转换为等离子体离子；重金属板，通过碰撞将等离子体离子转换为中性粒子；等离子体限制器，防止等离子体离子和电子通过，并允许由等离子体离子与金属板的碰撞产生的中性粒子通过；以及处理外壳，其内部设置了要处理的基板，其中将等离子体放电空间夹在重金属板和等离子体限制器之间。
2.根据权利要求1所述的中性粒子束处理设备，其中，等离子体限制器具有孔或切口，在阻止等离子体离子和电子通过的同时，选择性地允许中性粒子通过等离子体限制器。
3.根据权利要求2所述的中性粒子束处理设备，其中，等离子体限制器还包括从用于向孔或切口施加磁场的磁单元和用于向孔或切口施加电场的电单元中选择的构件。
4.根据权利要求1所述的中性粒子束处理设备，其中，重金属板位于等离子体放电空间的上方，且等离子体限制器位于等离子体放电空间的下方，将在等离子体放电空间中产生的等离子体离子定向到向其施加了偏置电压的重金属板，并与重金属板进行碰撞，以产生中性粒子，然后，所产生的中性粒子进入等离子体限制器。
5.根据权利要求1所述的中性粒子束处理设备，还包括位于等离子体限制器和处理外壳之间的准直器，以便校准已经通过等离子体限制器的中性粒子。
6.根据权利要求5所述的中性粒子束处理设备，其中，准直器包括校准中性粒子的孔。
7.一种中性粒子束处理设备，包括a)具有开口下部的反应室，包括内部空间、安装在反应室一侧的气体入口和气体出口、以及重金属板，其中反应室的内部空间是等离子体放电空间，并且重金属板被安装在等离子体放电空间的上方，利用等离子体放电将通过气体入口被引入到等离子体放电空间的处理气体转换为等离子体离子，然后利用与重金属板的碰撞将等离子体离子转换为中性粒子；b)位于反应室的下方的等离子体限制器，包括孔或切口，用于通过中性粒子同时阻止等离子体离子和电子通过，其中等离子体限制器具有孔或切口，在阻止等离子体离子和电子通过的同时，选择性地允许中性粒子通过等离子体限制器；以及c)位于等离子体限制器的下方的处理外壳，其内部设置了要利用中性粒子进行处理的基板。
8.根据权利要求7所述的中性粒子束处理设备，其中，等离子体限制器还包括从用于向孔或切口施加磁场的磁单元和用于向孔或切口施加电场的电单元中选择的构件。
9.根据权利要求7所述的中性粒子束处理设备，还包括位于等离子体限制器和处理外壳之间的准直器，以便校准已经通过等离子体限制器的中性粒子。
10.根据权利要求9所述的中性粒子束处理设备，其中准直器具有用于校准中性粒子的孔。
11.根据权利要求12所述的中性粒子束处理设备，其中将偏置电压施加到重金属板，以便将中性粒子定向到重金属板。
12.一种利用中性粒子的表面处理方法，包括步骤a)在通过碰撞将等离子体离子转换为中性粒子的重金属板与防止等离子体离子和电子通过并允许由等离子体离子和重金属板的碰撞产生的中性粒子通过的等离子体限制器之间，设置等离子体放电空间，在其内部通过等离子体放电将处理气体转换为等离子体离子；b)在等离子体放电空间中通过等离子体放电将处理气体转换为等离子体；c)在施加到重金属板的偏置电压的帮助下，将在等离子体放电空间中产生的等离子体离子定向到重金属板，由此利用等离子体离子与重金属板的碰撞产生中性粒子；d)使由重金属板反射的中性粒子经由等离子体放电空间通过等离子体限制器；以及e)已经通过等离子体限制器的中性粒子与基板的表面相接触，以便实现基板的表面处理。
13.根据权利要求12所述的表面处理方法，其中，等离子体限制器具有孔或切口，选择性地允许中性粒子通过，并阻止等离子体离子和电子通过。
14.根据权利要求13所述的表面处理方法，其中，等离子体限制器还包括从用于向孔或切口施加磁场的磁单元和用于向孔或切口施加电场的电单元中选择的构件。
15.根据权利要求12所述的表面处理方法，还包括在d)步骤和e)步骤之间，使已经通过等离子体限制器的中性粒子通过具有孔的准直器，以便校准中性粒子。
全文摘要
本发明涉及一种中性粒子束处理设备。更具体地，本发明涉及一种中性粒子束处理设备，包括等离子体放电空间，在其内部，通过等离子体放电将处理气体转换为等离子体离子；重金属板，通过碰撞将等离子体离子转换为中性粒子；等离子体限制器，防止等离子体离子和电子通过，并允许由等离子体离子与金属板的碰撞产生的中性粒子通过；以及处理外壳，其内部设置了要处理的基板，其中将等离子体放电空间夹在重金属板和等离子体限制器之间。
文档编号H01J37/32GK1887035SQ200480034993
公开日2006年12月27日 申请日期2004年11月27日 优先权日2003年11月27日
发明者李奉柱, 俞席在, 李学柱 申请人:韩国基础科学支援研究院, 希姆科技有限公司