(57)【要約】  本発明の一実施形態は、（ａ）チャンバと、（ｂ）上記チャンバの内部に露出される比較的大きな表面積を有するカソードと、（ｃ）上記チャンバ内部に配置され、作動距離位ほどカソードから離隔されているホールを有するアノードと、（ｄ）上記アノードと対向する上記チャンバの内側に配置されたウエハホルダと、（ｅ）その出力が上記カソードに印加され、カソード電圧を提供する負電圧源と、（ｆ）その出力が上記アノードに印加される電圧源と、（ｇ）上記チャンバ内にガスが導入速度で入るよう適合されたガス入口と、（ｈ）上記チャンバからガスを排出速度で排出するように適合されたポンプを含む電子ビーム処理装置であって、上記導入速度及び排出速度は、上記チャンバ内のガス圧力を提供し、カソード電圧、ガス圧力、及び作動距離の値は、カソードとアノード間にアークがなく、作動距離が電子平均自由行路より大きくなるようにする装置である。【選択図】  図５
2007510311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム処理装置であって、
（ａ）（i）電子を生産できる露出された表面積を備えるカソードと、
（ii）前記カソードによって生産された電子の電子平均自由行路より大きな作動距離ほど前記カソードから離隔され、ホールを有するアノードと、
（iii）前記アノードと対向するウエハホルダと、
（iv）ガス導入速度で前記チャンバにガスが入るようにするガス入口と、
（v）ガス導入速度とともにチャンバ内にガス圧力を提供するガス排出速度で前記チャンバからガスを排出するポンプと、
を有するチャンバと、
（ｂ）その出力が前記カソードに印加され、カソード電圧を提供する負電圧源と、
（ｃ）その出力が前記アノードに印加される電圧源と、
を備え、
前記カソード電圧、チャンバ内のガス圧力、及び作動距離の値が、電子平均自由行路より大きい作動距離において、カソードとアノード間にアークがないようになっている、電子ビーム処理装置。
【請求項２】
Ｎｅ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｈ２、Ｏ２、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２のうち１つ以上を備えるガス源を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記カソード表面の材料がＡｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｏ、黒鉛、Ｗ、Ｃｏ、及びこれらの合金からなる群から選ばれる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも前記アノード表面の材料が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｏ、黒鉛、Ｗ、Ｃｏ、及びこれらの合金からなる群から選ばれる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記負電圧源が、約−５ＫＶ〜約−１０ＫＶの範囲内の出力電圧を提供することができる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ポンプが、約４０ミリトールより大きいガス圧力を設定する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
電子を生産できる露出された表面積を有するカソード及び前記カソードから作動距離ほど離隔され、その中にホールを有するアノードを有するチャンバと、前記アノードと対向する前記チャンバの内側に配置されたウエハホルダと、その出力が前記カソードに印加され、カソード電圧を提供する負電圧源と、その出力が前記アノードに印加される電圧源と、ガス源からガス導入速度で前記チャンバにガスが入るようにするガス入口と、ガス導入速度とともにチャンバ内にガス圧力を提供するガス排出速度で前記チャンバからガスを排出するように適合されたポンプとを含む電子ビーム処理装置の稼動方法であって、
前記ウエハホルダ上にウエハを置くステップと、
前記アノードとカソード間の作動距離が、前記カソードによって生産された電子の電子平均自由行路より大きくなるように設定するステップと、
カソード電圧、ガス圧力、及び電子平均自由行路より大きな作動距離において、前記カソードとアノード間にアークがないようにする作動距離の値を提供するように、前記負電圧源、ガス導入速度、ガス排出速度、及び作動距離を設定するステップと、
を備える方法。
【請求項８】
前記カソード電圧が約−５ＫＶ〜約−１０ＫＶの範囲内にある、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記ガスがＮｅ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｈ２、Ｏ２、Ｋｒ、Ｘｅ及びＮ２のうち１つ以上を備える、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記ガス圧力が、約４０ミリトールより大きい、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の技術分野】
【０００１】
本発明の１つ以上の実施形態は、電子ビームを使用して膜を処理するための装置、及びこのような装置を稼動させる方法に関する。
【背景】
【０００２】
例えば、半導体集積回路に限定されない集積回路（以後「ＩＣ」という）の製造は、複雑で、より大きい素子速度に対する要求により素子設計に対する必要条件が厳しくなったため、製造がますます複雑になっている。現在の製造設備は、０．１３μｍの特徴サイズを有する素子を通常的に生産しており、近いうちに、未来の設備はより小さい特徴サイズを有する素子を生産することになる。
【０００３】
０．１３μｍ以下の最小特徴サイズを有するＩＣに対しては、ＲＣ遅延及び漏話問題が重大になる。例えば、素子速度は、相互接続スキームに使用される金属の抵抗によって決定されるＲＣ遅延と、金属相互接続間に使用される絶縁性誘電体の誘電率によってある程度制限される。しかも、幾何学及び素子の大きさを減少させながら、半導体産業はＩＣの不十分な絶縁層によってもたらされる寄生容量及び漏話を回避しようとしている。ＩＣにおける所望の低いＲＣ遅延及びさらに高い性能を達成するための１つの方式としては、低い誘電率を有する絶縁層内の誘電体（以後「ｌｏｗ−ｋ」材料という）を使用することがある。このような材料は、低い誘電率を有する材料（例えば、カーボンがドーピングされた酸化物に限定されない（以後「ＣＤＯ」という））ものを堆積することによって、また、例えば、これに限定されない、米国特許第５，００３，１７８号（以後‘１７８特許という）に開示されたような電子ビーム処理装置によって提供された電子ビームなどの電子ビームを使用された堆積された材料を処理することによって製造される。
【０００４】
例えば、誘電膜に限定されない膜厚が減少されるため、このような膜を処理するために使用される電子のエネルギーも必然的に減少されなければならない。‘１７８特許によって製造された電子ビーム処理装置に対して、エネルギーを減少させるためには、カソードとアノード間の発生及び加速領域で発生された電子を加速するために使用されるカソード電圧も減少されなければならない。例えば、約１．３ｇｍ／ｃｍ３の密度を有する１μｍ厚の膜に対してはカソード電圧が約６．５ＫＶであればよく、５０００Å厚の膜に対してはカソード電圧が約４ＫＶであればよく、２５００Å厚の膜に対してはカソード電圧が約２ＫＶであればよい。しかし、本発明者らは、（i）特定のカソード−アノード空間、（ii）特定の電子ビーム電流値、及び（iii）装置内の特定の種類のガスに対しては、カソード電圧が減少することによって、電子ビーム処理装置内のガスの圧力が増加されなければならないということを見出した。これは、（ａ）カソード電圧が減少することによって、電子ビーム電流を持続するようにカソードに十分な電子を作成するために、より多くの数のイオンが要求され、（ｂ）より多くの数のイオンの生産を可能にするために、より大きな圧力が要求され、そして（ｃ）カソードからの電子の収率がカソード電圧が低いほど小くなるためだと考えられる。
【０００５】
しかし、‘１７８特許によって示唆されるように、カソード−アノード空間（‘１７８特許でも作動距離として言及されている）は、絶縁破壊（すなわち、アークまたはスパーク形成）を防止するためにガス内の電子平均自由行路より小さくなければならない。周知のように、電子平均自由行路（λ）は：（ａ）ガス圧力に反比例し、（ｂ）カソード電圧が減少することにしたがって、これも減少する。したがって、‘１７８特許が示唆するところによると、より薄い膜を処理するためには、カソード電圧が減少し、その圧力が増加し、作動距離が減少しなければならない。しかし、小さい作動距離は、例えば、これに限定されない、３００ｍｍウエハを処理し、上記ウエハを加熱する応用などを含む応用のようなある応用に問題になることもある。このような応用においては、小さな作動距離に対して、アノードが大きくなりすぎて曲がりまたは反りが問題になることもある。
【０００６】
上述のことを鑑みると、電子平均自由行路より大きな作動距離において稼動できる電子ビーム処理装置が必要である。
【概要】
【０００７】
本発明の１つ以上の実施形態は、当分野における上記の１つ以上の要求条件を有利に満足する。具体的に、本発明の一実施形態は、（ａ）チャンバと、（ｂ）上記チャンバの内部に露出される比較的大きい面積を有するカソードと、（ｃ）上記チャンバ内部に配置され、カソードから作動距離ほど離隔されているホールを有するアノードと、（ｄ）上記アノードと対向する上記チャンバの内側に配置されたウエハホルダと、（ｅ）その出力が上記カソードに印加され、カソード電圧を提供する負電圧源と、（ｆ）その出力が上記アノードに印加される電圧源と、（ｇ）上記チャンバ内にガスが導入速度で入るように適合されたガス入口と、（ｈ）上記チャンバからガスを排出速度で排出するように適合されたポンプを備える電子ビーム処理装置であって、上記導入速度及び排出速度は、上記チャンバ内のガス圧力を提供し、カソード電圧、ガス圧力、及び作動距離の値は、カソードとアノード間にアークがなく、作動距離が電子平均自由行路より大きくなるようにする、装置である。
【説明】
【０００８】
本発明の１つ以上の実施形態は、カソード電圧、ガス圧力、及び発生及び加速領域における電子平均自由行路を超える作動距離（すなわち、電子ビーム処理装置の発生及び加速領域におけるカソードとアノード間の距離）の値で稼動する米国特許第５，００３，１７８号（以後‘１７８特許という）に開示された類型の電子ビーム処理装置に関する。下に詳細に記載するように、このようなカソード電圧、ガス圧力、及び作動距離の値は、不必要な実験をすることなく、当業者によって容易に決定されることができる。２００２年１１月２１日付けで出願された「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｌａｒｇｅ  Ａｒｅａ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」と題する同時係属特許出願（同時係属特許出願及び本特許出願は、共同出願によるものである）第１０／３０１，５０８号が、参照として本明細書に組み込まれている。
【０００９】
装置：
図１は、本発明の一実施形態にしたがって製造された電子ビーム処理装置１００を示す。図１に示すように、電子ビーム処理装置１００は、真空チャンバ１２０と、大面積カソード１２２（例えば、約２５．８平方ｃｍ（４平方インチ）から約４５１６．１平方ｃｍ（７００平方インチ）までの範囲内の面積を有するカソードに限定されない）と、アノード１２６と、ウエハまたは基板ホルダ１３０を含む。さらに、図１に示したように、アノード１２６は、（イオン化領域１３８に設置する）基板ホルダ１３０とカソード１２２との間に配置される。アノード１２６は、（「稼動」と題されたセクションにおいて、以後、さらに詳細に説明するように）本発明の１つ以上の実施形態によって決定されるカソード１２２からの作業距離に配置される。
【００１０】
図１に示したように、電子源１００は、（ａ）カソード１２２とアノード１２６との間に配置され、アノード１２６からカソード１２２を孤立させるように作用する高電圧絶縁体１２４と、（ｂ）真空チャンバ１２０外部に設置し、ユーザに電気的保護を提供するカソードカバー絶縁体１２８と、（ｃ）当業者に周知である多様な方法のうちいずれか１つによって製造され、ソース１０７から真空チャンバ１２０に特定の入力速度でガスが入るようにする機構を提供する入口を有するガスマニホールド１２７と、（ｄ）チャンバ１２０からガスを排出して真空チャンバ１２０内部の圧力を制御する真空ポンプ１３５（真空ポンプ１３５は、大気圧から約１ミリトール〜約２００ミリトールの範囲の圧力で真空チャンバ１２０をポンピングすることのできる任意の１つ以上の市販される真空ポンプであってもよい）に接続される可変リーク弁１３２と、（ｅ）カソード１２２に接続される可変の高電圧電源１２９と、（ｆ）アノード１２６に接続される可変の低電圧電源１３１をさらに含む。
【００１１】
本発明の１つ以上の実施形態によると、可変の高電圧電源１２９からカソード１２２に高電圧（例えば、約、−５００Ｖと約−３０ＫＶ以上の間の負電圧）が印加される。本発明の一実施形態によると、高電圧電源１２９は、Ｂｅｒｔａｎ  ｏｆ  Ｈｉｃｋｓｖｉｌｌｅ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋによって製造されたＢｅｒｔａｎ  Ｍｏｄｅｌ＃１０５−３０Ｒ電源、または、Ｓｐｅｌｌｍａｎ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｒｐ．ｏｆ  Ｈａｕｐｐａｇｅ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋによって製造されたＳｐｅｌｌｍａｎ  Ｍｏｄｅｌ＃ＳＬ３０Ｎ−１２００Ｘ２５８電源であってもよい。可変の低電圧電源１３１（例えば、電流を供給するか弱くすることのできる直流電源）は、カソード１２２に印加された電圧に比べて正のアノード１２６に電圧を印加するために利用される。例えば、アノード１２６から印加された電圧は、約０Ｖ〜約−５００Ｖ範囲にあってもよい。本発明の一実施形態によると、低電圧電源１３１は、Ａｃｏｐｉａｎ  ｏｆ  Ｅａｓｔｏｎ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａから入手できるＡｃｏｐｉａｎ  Ｍｏｄｅｌ＃１５０ＰＴ１２電源であってもよい。
【００１２】
基板１２５のような処理されるウエハまたは基板が、ウエハまたは基板ホルダ１３０上に置かれる。本発明の１つ以上の実施形態によると、基板１２５は、例えば、当業者に周知である多様な方法のうちいずれか１つによってウエハまたは基板ホルダ１３０内に配置された抵抗性ヒータ、または当業者に周知である多様な方法のうちいずれか１つによって基板１２５に照射するために配置された１つ以上の赤外線ランプなどに限定されない加熱装置（本発明を容易に理解するために示さない）によって加熱されてもよい。ランプを利用して加熱機構を提供する実施形態において、ランプから出力される放射線の一部がチャンバ１２０内でアノード１２６に反射されることができ、このような放射線に対するアノード１２６の継続的な露出は、アノード１２６が過熱され、破損されるようにすることもできる。これによって、本発明の１つ以上のこのような実施形態によると、真空チャンバ１２０の内部がひびくか、暗くなるか、粗くなるか、またはアノード化され、チャンバの内部の反射率を約０．５より小さく減少させることもできる。このような方式で、ランプから出力される放射線の一部が真空チャンバ１２０の内部によって吸収されることもできる。
【００１３】
ウエハまたは基板ホルダ１３０は、例えば、電子がウエハ１２５上のアノード１２６のイメージに向かうことを防止するために、アノード１２６から１０〜３０ｍｍに限定されない比較的大きな距離に置かれることもある。ウエハ（１２５）の照射は、例えば、これに限定されない、‘１７８特許の図３に示したように、真空チャンバ１２０を囲む偏向コイルによって生産された時間変化磁界を使用することで、ウエハ１２５を横切って電子ビーム前後にスイーピングするステップをさらに伴うこともある。
【００１４】
図２は、本発明の一実施形態によって製造された電子ビーム処理装置４００の部分的な断面図を示す。図２に示したように、電子ビーム処理装置４００は、（ａ）真空チャンバ４２０と、（ｂ）大面積カソード４２２と、（ｃ）上部絶縁体４２４ａと、（ｄ）下部絶縁体４２４ｂと、（ｅ）上部絶縁体４２４ａと下部絶縁体４２４ｂとの間に配置された棚４１０を含む。アノード４２６上とアノード４２６の境界線の周りに空間４１５が定義されるように真空チャンバ４２０を横切って棚４１０上にアノード４２６が位置する。このような方式で、アノード４２６が空間４１５内に移動するのが自由で、温度変化によって引き起こされるアノード４２６の膨脹及び収縮に係るストレスを減少させる利点がある。このような一実施形態において、アノード４２６は浮遊しており、つまり、棚４１０に機械的に付着されていない。
【００１５】
本発明の１つ以上の実施形態によると、電子ビーム処理装置１００のアノード１２６及び／または電子ビーム処理装置４００のアノード４２６は、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｏ、黒鉛、Ｗ、Ｃｏ、及びこれらの合金などに限定されない導電性材料で（全体またはその表面に）製造されることもできる。例えば、約２００℃〜約６００℃の範囲内の温度のような比較的高温で膜を処理するためには、アルミニウムが黒鉛より適当な材料を提供することもできる。例えば、アルミニウムは一般的に黒鉛より高い熱伝導性を有し、その結果、アルミニウムから形成されたアノードが、黒鉛から形成されたものよりも高温で曲がりが少ない。しかも、アルミニウムは、黒鉛より放射率が低く、これは（例えば、ウエハ１２５から）放射線によるアノードへの熱転送の低下という結果につながる。例えば、約４００℃の処理温度において、黒鉛アノードの温度は、約２２５℃に上昇するが、比較できるように位置するアルミニウムアノードの温度は約１００℃ほどまで上昇することになる。さらに、アルミニウムは、黒鉛よりスパッタリング収率が低く、これによってウエハ１２５上の汚染が少ない。アノード１２６がアルミニウムで作られることに加え、カソード１２２及び真空チャンバ１２２がアルミニウムで作われることもできるということを注目しなければならない。しかし、カソード１２２の表面は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｏ、黒鉛、Ｗ、Ｃｏ、及びこれらの合金で製造されることもできる。
【００１６】
アノード１２６は、例えば、そこに配置されたホールのアレイを有するグリッド、メッシュまたはプレートに限定されなくてもよい。例えば、本発明の１つ以上の実施形態によると、ホールの大きさを変化させ、アノード１２６のエッジで生じる場合があるビームの強さの減少を補償することもできる。このような方式で、より完全に均一な電子ビームを発生させることができる。
【００１７】
図３Ａは、アノード５２６の中心からアノード５２６のエッジへ直径が次第に増加するホール５１０のアレイを含むアノード５２６の一実施形態を示す。図３Ｂは、アノード５７６の中心からアノード５７６のエッジへ直径が次第に減少するホール５６０のアレイを含むアノード５７６の別の実施形態を示す。ホールのアレイ及びホールを作る方法に対する例としては、その開示内容が、参照として本明細書に組み込まれている米国特許第６，４０７，３９９号により詳細に記述されている。
【００１８】
図４は、図１の電子ビーム処理装置１００において、フィードバック制御回路３００をさらに含むことを示す。一部の用途においては、異なる電子ビームエネルギーで一定のビーム電流を提供することが望ましい。例えば、底層ではない、基板上に形成された層の上部層を処理することが望ましいともいえる。これは、ビームのエネルギーの大部分が上部層に吸収されるように十分に低いエネルギーを有する電子ビームを利用することによって達成し得る。上部層を処理することに引き続き、膜の上部及び下部層を処理することが望ましい。これは、電子ビームの加速電圧を上昇させることによって膜を通じて完全に侵透できるようにすることもできる。フィードバック制御回路３００は、一定の電子ビーム電流を維持しながらカソード１２２に印加された加速電圧を変えるように構成されている。図４に示したように、フィードバック制御回路３００は、積分器３６６及び感知抵抗器３９０を含み、感知抵抗器３９０は、ウエハホルダ１３０と積分器３６６との間に置かれ、電子ビーム電流をサンプリングする。その代わりに、電子ビームの一部がグリッドアノード１２６で遮断されるため、電子ビーム電流をグリッドアノード１２６でサンプリングすることができる。さらに、図４に示したように、２つの単一利得の電圧フォロア３９２が感知抵抗器３９０を横切って得られた信号を緩和させ、これを可変利得の抵抗器３９４を有する増幅器３９６に供給する。増幅器３９６の出力は、電子ビーム電流の増加がグリッドアノード１２６に印加されたバイアス電圧の減少を引き起こされるようなグリッドアノード１２６上で電圧を制御する。増幅器３９６の利得は、加速電圧の変化によって引き起こされる電流のある変化がアノード１２６に印加されたバイアス電圧の変化によって妨げられるように、可変利得の抵抗器３９４を調整することによって調整され、これによって、一定の電子ビーム電流を維持させることができる。その代わりに、増幅器３９６の出力は、制御された電圧に接続されることもでき、可変リーク弁１３２を制御するための可変リーク弁制御器３９８がイオン化領域１３８の圧力を上昇または低下させることによって、放出電流の変化を妨げる。また、電子ビーム電流制御も、可変リーク弁制御器３９８へ、また、へグリッドアノード１２６へのフィードバック信号を利用する提供されることができる。
稼動：
図５は、図１の電子ビーム処理装置１００における動作の一部詳細の記述を助けるための断片的な図面を示す。電子ビーム処理装置１００内の電子放出を初期化するために、アノード１２６とウエハホルダ１３０との間のイオン化領域１３８のガスをイオン化しなければならない。本発明の１つ以上の実施形態によると、ガスは、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素、水素、酸素、アンモニア、ネオン、クリプトン及びキセノンなどに限定されない１つ以上を含むこともできる。ガスをイオン化するステップは、ガンマ線を自然的に生じさせることによって初期化されることもでき、または、当業者に周知である多様な方法のうちいずれか１つによって真空チャンバ１２０内部に配置された高電圧スパークギャップで初期化されることもできる。
【００１９】
アノード１２６は、例えば、低電圧電源１３１から、そこに印加される約０Ｖ〜約−５００Ｖ範囲内の電圧によって負にバイアスされる。図５に示したように、一旦イオン化が初期化されると、正イオン２４２が負にバイアスされたアノード１２６に向かって引かれる。これら正イオン２４２は、アノード１２６内のホールを通じてカソード１２２とアノード２６との間の電子発生及び加速領域１３６内に通過する。領域１３６において、正イオン２４２は、高電圧電源１２９から、そこに印加される電圧（例えば、約−５００Ｖ〜約−３０ＫＶ以上の範囲内の電圧）の結果としてカソード１２２に向かって加速される。正イオン２４２がカソード１２２の表面にあたり、正イオン２４２は、アノード１２６の反対方向に加速される電子２４４を生産する。一部の電子２４４がアノード１２６にあたり、多くはアノード１２６を通過してウエハまたは基板ホルダ１３０上に配置されたウエハ１２５に引き続き衝突する。さらに、一部の電子２４４がイオン化領域１３８のガス分子をイオン化する。
【００２０】
‘１７８特許で示唆するように、カソード１２２とアノード１２６との間の作動距離は、不安定なアークまたは高電圧絶縁破壊を防止するために発生及び加速領域１３６における電子２４４の平均自由行路より小さい。‘１７８特許でまた示唆するように、作動距離に対するこのような制限により、発生及び加速領域１３６における正イオンの存在をアノード１２６に印加された電圧で制御することができる。これは、電子放出を可能にし、また、これによる電子ビーム電流がアノード１２６に印加される電圧を変化させることによって、非常に小さい電流から非常に大きな電流まで引き続き制御可能にする。さらに、‘１７８特許によって示唆されるように、電子放出を可能にし、また、これによる電子ビーム電流が可変リーク弁１３２を使用することによって真空チャンバ１２０内のガス圧力を調整するように制御されることができる（ガス圧力の上昇または低下はイオン化領域１３８並びに、発生及び加速領域１３６における分子の数をそれぞれ増加または減少させる）。しかし、真空チャンバ１２０内のガス圧力を調整するとき、伴われる比較的遅い反応時間のため、ガス圧力を初期に調整することによって名目上の電子ビーム電流を生産し、その後、アノード１２６に印加された電圧を調整し、電子ビーム電流をさらに制御するのがよい。したがって、‘１７８特許で示唆することによって、電子ビーム処理装置を設計するとき、カソード１２２とアノード１２６との間の作動距離は、特別な処理応用のために最も低い所望のカソード電圧及び関連されたガス圧力によって決定される電子平均自由行路より低いほど十分に小さくなければならない。
【００２１】
‘１７８特許の示唆にもかかわらず、本発明者らは、カソード電圧、ガス圧力、並びに発生及び加速領域１３６における電子平均自由行路を超える作動距離の値で電子ビーム処理装置１００のアークフリー稼動を持続することができることを発見した。例えば、電子ビーム電流３ｍＡ以上、カソード電圧２ＫＥＶ、そして（ａ）作動距離１０ｍｍ、圧力７０ミリトール以上で、（ｂ）作動距離１５ｍｍ、圧力４５ミリトール以上で、及び（ｃ）作動距離２０ｍｍ、圧力４０ミリトール以上で、アークなしに、電子ビーム処理装置を稼動させることができた。これを踏まえて、本発明の１つ以上の実施形態によると、作動距離を電子平均自由行路より大きな値に増加させることができる。実際、作動距離は、本発明の１つ以上の実施形態によって、（下に記載するように）発生及び加速領域１３６におけるアークまたは絶縁破壊なしに得るものと一致する値に増加されることもできる。本発明者らの発見は、（ａ）薄膜を処理するのに有用に十分小さなカソード電圧値、（ｂ）このように小さな値のカソード電圧で電子ビーム電流を持続するのに十分に高いガス圧力値、及び（ｃ）例えば、アノード（１２６）などのチャンバ要素の加熱によって引き起こされる問題に限定されない問題を緩和するのに十分な作業許容誤差を提供する作動距離の値を利用することができる利点がある。
【００２２】
本発明の１つ以上の実施形態によって高いガス圧力を利用する能力は、様々な理由で有利である。第一に、ヘリウムなどのガスは、ヘリウムが２４Ｖのイオン化電位を有するため、電子ビーム電流を持続するためには高いガス圧力を必要とし、稼動を持続するためにより多くのイオンの発生を必要とする。第二に、例えば、ヘリウム及び水素などの軽いガスを使用することは、そのイオンが、例えば、アルゴンなどの重いガスよりカソード１２２上の衝撃が比較的少ない電子を生産するため、電子ビーム電流を持続するためにさらに高いガス圧力を必要とする。例えば、４ＫＶのカソード電圧、４ｍＡの電子ビーム電流（適当な処理スループットを提供するために特定値の電子ビーム電流が通常的に決定される）、及び１００μＣ／ｃｍ２の電子ドースに対し、アルゴンに対するガス圧力の通常的な値は３５ミリトールである一方、ヘリウムに対するガス圧力の比較値は１６０ミリトールである。例えば、ヘリウム及び水素などの軽いガスの使用は、様々な理由で一部処理応用において、例えば、アルゴンなどの重いガスに比べて有利であるということに留意すべきである。第一に、軽いガスのイオンはアノード１２６からのスパッタリング発生がより少なくなり、これによって、処理されるウエハ１２５の汚染物質が減少される。第二に、軽いガスのイオンは処理されるウエハ１２５に対する衝撃によってエネルギーをより移送しないようになる。第三に、水素などのガスの使用は、例えば、ダングリングボンドを完成するなどの処理に化学的効果を追加することによって一部応用において有利になることもできる。
【００２３】
本発明の１つ以上の実施形態によると、電子ビーム処理装置１００または４００の適切な稼動条件は、カソード電圧、ガス圧力、及び電圧絶縁破壊が生じない作動距離の値を利用することを伴い、その作動距離は、電子平均自由行路より大きい。次いで、このようなカソード電圧、ガス圧力及び作動距離の値が本発明の１つ以上の実施形態によって、当業者によって不必要な実験を経ず、どのように容易に決定されることができるかについて説明する。さらに、１つ以上の更なる実施形態によると、下に記載するように、このような決定はパッシェンの法則を参照することによって知られている。
【００２４】
パッシェンの法則には、どのように絶縁破壊電圧が均一な電場の電極ギャップに対してガス圧力Ｐ及び作動距離ｄによって変化するかが記載されている。ここでギャップ内の電場は均一で、単位はＶ／ｄである。パッシェンの法則は、ガスでタウンゼント絶縁破壊機構を示し、ギャップの絶縁破壊特性はガス圧力Ｐ及び作動距離ｄの積の関数だと述べている（２次電子を素早く再結合するため、高度の電気陰性ガスに対しては一部変形が必要である）。
【００２５】
１８８９年Ｐａｓｈｅｎ‘ｓ  Ｐａｐｅｒが出版されて以来、この法則の理論的な土台を提供し、絶縁破壊機構をよりよく理解できるように多くの研究が進められている。しかし、多数の因子は、例えば、放射線、表面不規則性などに限定されないギャップの絶縁破壊に対する影響を有する。したがって、このような理論的土台が、なぜギャップが絶縁破壊されるかの理由を理解させているが、ある与えられた状況において、絶縁破壊電圧に対して以下に提供されるものより正確な値を必ず提供するのではない。一般的に、絶縁破壊に対する方程式が誘導され、適当な経験的データによって適当なパラメータが選択される。例えば、絶縁破壊電圧Ｖｂｄは、Ｖｂｄ＝Ｂ＊Ｐ＊ｄ／（Ｃ＋Ｉｎ（Ｐ＊ｄ））（ここで、Ｃ＝Ｉｎ（Ａ／Ｉｎ（１＋１／ｙ））；Ｐは圧力；ｄは電極間のギャップまたは作動距離；ｙは電極にぶつかるイオン当たり２次電子を生産する効率（カソード材料、及びＥ／Ｎの割合（Ｅは電場で、Ｎはガス粒子密度）によって決定されるイオンとそのエネルギーに依存する）を表す。また、ＡとＢは特定ガスに依存する定数）である。Ｖｂｄに対する方程式は、Ｐｄ製品に対する絶縁破壊電圧の依存性を与える「パッシェンの曲線」を発生させるために使用されることができる。
【００２６】
以下に通常的な実験によって適切な動作値を設定することができる。まず、電子ビーム処理装置に対する便利な作動距離を選択する。次に、ウエハを処理するのに要求される電子エネルギーによって決定されるカソード電圧値を選択する。次いで、（例えば、高電圧電源１２９と直列に配置された電流検出器を使用して）電子ビーム電流を測定しながら、ガス圧力を変化させて有効かつ均一な電子ビームを持続させる。電流を測定し、有用なスループットを提供する電流値を決定し、（例えば、電子ビーム電流が約１ｍＡ〜約４０ｍＡ範囲内にある電子ビーム電流に限定されない）、カソード電圧、ガス圧力、及び使用された作動距離の値が発生及び加速領域（１３８）において絶縁破壊またはアークが得られないことを保証するために測定される（カソードで、電圧または電流スパイクによって観察できる薄いプラズマまたはアークによって絶縁破壊を立証することができる）。イオン化領域１３８における衝突によって電子エネルギー損失及び／またはビーム指向性を緩和するために低いガス圧力で動作させることが望ましいが、例えば、炭素がドーピングされた酸化物（「ＣＤＯ」という）膜の処理などの特定応用において、高いガス圧力の使用は処理結果に測定可能なほどに影響を及ぼさないということを見出した。
【００２７】
本発明の１つ以上の更なる実施形態によると、圧力と作動距離の積が、特定ガス、特定カソード材料及び所望の作動距離に対してパッシェンの曲線を下回る要求条件によって、有用なガス圧力値が近似されることもできる。
【００２８】
当業者は上述の記載内容が単に説明及び記述のために存在するということを認識する。それだけで徹底的に表すか開示された精密な形態で本発明を限定しようとする意図はない。例えば、上述の内容において、ある寸法が論じられたが、単に説明のためのものである。しかも、基板という用語は、集積回路または他のマイクロ電子素子に加工するのに適当なものを含み、単語の広い意味として使用される。本発明に適当な基板は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム、シリコン、シリコンゲルマニウム、ニオブ酸リチウム及び結晶質シリコン、ポリシリコン、非晶質シリコン、エピタキシャルシリコン、及びシリコン酸化物などのシリコンを含有する組成物及びそれが組み合わされた混合物などの半導体材料を包括的に含む。基板は、任意の種類のガラス基板も含む。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態にしたがって製造された電子ビーム処理装置を示す。
【図２】本発明の一実施形態にしたがって製造された電子ビーム処理装置の部分的な断面図を示す。
【図３Ａ】本発明の一実施形態にしたがって製造されたホールのアレイを有するアノードの断面図を示す。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態にしたがって製造されたホールのアレイを有するアノードの断面図を示す
【図４】図１の電子ビーム処理装置において、フィードバック制御回路をさらに含む図面を示す。
【図５】図１の電子ビーム処理装置において、その稼動の一部を詳細に説明するための断片的な図を示す。
【符号の説明】
【００３０】
１２２…カソード、１２４…高電圧絶縁体、１２５…基板、１２６…アノード、１３０…ウエハまたは基板ホルダ、１３６…電子発生及び加速領域、１３８…イオン化領域、２４２…正イオン、２４４…電子。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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