DE60122379T2 - Ladungskontroll- und dosimetriesystem sowie verfahren für einen gas-cluster-ionenstrahl - Google Patents

Ladungskontroll- und dosimetriesystem sowie verfahren für einen gas-cluster-ionenstrahl Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Dosimetrie und Werkstückneutralisierung für eine Ionenstrahlbearbeitung von Werkstücken und insbesondere die Dosimetrie und Werkstückneutralisierung für eine Gascluster-Ionenstrahl-(GCIB)-Bearbeitung.
  • Die Verwendung eines GCIB zum Ätzen, Reinigen und Glätten der Oberflächen verschiedener Materialien ist in der Technik bekannt (siehe z.B. US-Patent 5,814,194 von Deguchi et al., „Substrate Surface Treatment Method", 1998). Mittel zum Erzeugen und Beschleunigen solcher GCIBs sind auch in der Deguchi-Referenzliteratur beschrieben. Es ist ebenso bekannt (US-Patent 5,459,326 von Yamada „Method for Surface Treatment with Extra-Low-Speed Ion Beam", 1995), dass Atome in einem Clusterion individuell nicht genügend Energie haben (in der Größenordnung von nur ein paar Elektronenvolt), um signifikant in eine Oberfläche einzudringen, um die Restschäden unter der Oberfläche zu verursachen, die gewöhnlich mit den anderen Ionenstrahlbearbeitungstypen assoziiert sind, in denen individuelle Ionen Energien in der Größenordnung von tausenden von Elektronenvolt haben. Trotzdem können die Clusterionen an sich energetisch genug sein (einige tausend Elektronenvolt), um Oberflächen wirksam zu ätzen, zu glätten oder zu reinigen, die von Yamada & Matsuo (in „Cluster ion beam processing", Matl. Science in Semiconductor Processing I, (1998), S. 27-41) gezeigt wird.
  • Da GCIBs ionisierte Partikel enthalten, die elektrische Ladung führen, ist ein Maß für die Bearbeitungsdosis, die ein Werkstück erhält, die Menge an Ladung (Ampere-Sekunden), die pro Flächeneinheit des Werkstücks empfangen werden, z.B. in Ampere-Sekunden pro Quadratzentimeter gemessen. Für isolierende, teilisolierende oder halbleitende Werkstücke kann Ionenstrahlbearbeitung ein Laden des Werkstücks induzieren, das eine Ionenstrahlbearbeitung erfährt. Ein Vorteil der GCIB-Bearbeitung gegenüber herkömmlicheren Ionenstrahlprozessen ist, dass aufgrund des relativ großen Masse-Ladung-Verhältnisses der Clusterionen im Vergleich zu herkömmlichen atomaren oder molekularen Ionen eine Bearbeitung häufig mit weniger Ladungsübertragung auf das Werkstück bewirkt werden kann. Trotzdem ist Werkstückladung weiterhin ein Anliegen und es werden Mittel benötigt, um den Grad einer solchen Ladung bei der GCIB-Bearbeitung von Werkstücken zu reduzieren.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und Verfahren zum Messen und Regeln der von einem Werkstück empfangenen Bearbeitungsdosis bereitzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Ladungsmenge oder die Oberflächenladung zu messen und zu regeln, die von einem Werkstück bei einer GCIB-Bearbeitung empfangen wird oder werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die oben dargelegten sowie weitere und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden mit den nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung erzielt.
  • Eine Gascluster-Ionenstrahlbearbeitungsvorrichtung behandelt ein Werkstück mit einem Gascluster-Ionenstrahl, um eine Oberflächenmodifizierung wie Glätten, Ätzen, Reinigen, Beschichten usw. zu bewirken. Es ist ein Neutralisierer vorgesehen, um Oberflächenladung des Werkstücks durch den GCIB zu reduzieren. Mit einem einzelnen Faradayscher-Käfig-Sensor wird der GCIB-Strom zur Dosimetrie- und Abtastungsgleichförmigkeitssteuerung gemessen und auch der Grad an Oberflächenladung werden gemessen und geregelt, der bei der Bearbeitung in dem Werkstück induziert werden kann.
  • Um eine gleichförmige Bearbeitung zu gewährleisten, werden mittels mechanischer X-Y-Abtastung des Werkstücks relativ zum GCIB die Strahleneffekte über die Oberfläche oder das Werkstück verteilt. Der mechanische Abtastmechanismus bewegt das Werkstück in einem orthogonalen Rastermuster wenigstens einmal in jedem Bearbeitungszyklus durch den GCIB und auch aus dem Strahl hinaus. Zu diesem Zeitpunkt wird der GCIB-Strom von einem elektronengebremsten Faradayschen Käfig gemessen. Mit einer verbesserten Umschalt- und Steuertechnik kann der Faradaysche Käfig jedoch auch zum Messen des Gesamtstroms im Hinblick auf Werkstückladung verwendet werden und kann somit ein Ladungsneutralisierungssystem steuern oder eine Anzeige und einen Alarm und/oder eine Verriegelung darstellen, um einen unerwünschten Werkstückladezustand anzuzeigen. Um dieses Ladestromerfassungsmerkmal bereitzustellen, wird die Bremsspannung auf dem Vorspannungsring des Faradayschen Käfigs weggenommen. So können Elektronen sowie Gascluster-Ionen von dem Faradayschen Käfig erfasst werden. Das Messen der Ladung kann dann durch Messen des Nettostroms im Faradayschen Käfig erzielt werden.
  • Zur Vermittlung eines besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit anderen und weiteren Aufgaben davon wird nunmehr auf die Begleitzeichnungen und die ausführliche Beschreibung Bezug genommen und ihr Umfang wird in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Schema, das die Grundelemente einer GCIB-Bearbeitungsvorrichtung des Standes der Technik zeigt, die einen elektrostatisch abgetasteten Strahl verwendet;
  • 2 ist ein Schema, das die Grundelemente einer GCIB-Bearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt, die ein mechanisches Abtasten eines Werkstücks zum Verteilen des Effekts eines GCIB über eine Oberfläche eines Werkstücks verwendet;
  • 3 ist ein Schema eines GCIB-Bearbeitungssystems mit Ladesteuerung und Dosismessung und Steuerverbesserungen der vorliegenden Erfindung;
  • 4A ist eine normale Ansicht des Werkstückhalters der vorliegenden Erfindung mit angebrachtem Werkstück;
  • 4B ist eine normale Ansicht des Werkstückhalters der vorliegenden Erfindung, die die Beziehung eines GCIB-Abtastmusters relativ zu Werkstückhalter und Werkstück zeigt; und
  • 5 stellt ein Schema von Details der Dosimetrie- und Abtaststeuerteile der vorliegenden Erfindung dar.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
  • 1 zeigt ein Schema der Grundelemente einer typischen Konfiguration für einen GCIB-Prozessor 100 einer in der Technik bekannten Form und kann wie folgt beschrieben werden: ein Unterdruckbehälter 102 ist in drei miteinander in Verbindung stehende Kammern unterteilt, nämlich eine Quellkammer 104, eine Ionisierungs-/Beschleunigungskammer 106 und eine Bearbeitungskammer 108. Die drei Kammern werden jeweils mit den Vakuumpumpensystemen 146a, 146b und 146c auf geeignete Betriebsdrücke evakuiert. Ein kondensierbares Quellgas 112 (z.B. Argon oder N2) wird unter Druck aus einer Gasvorratsflasche 111 durch ein Gasdosierventil 113 und die Gaszuführungsröhre 114 in die Stagnationskammer 116 eingelassen und durch eine geeignet geformte Düse 110 in den erheblich tieferen Unterdruck ausgestoßen. Es kommt zu einem Überschallgasstrom 118. Kühlung, die von der Ausdehnung im Strom resultiert, hat zur Folge, dass ein Teil des Gasstrahls 118 zu Clustern kondensiert, die jeweils aus mehreren bis zu mehreren tausend schwach gebundenen Atomen oder Molekülen bestehen. Eine Gasskimmeröffnung 120 scheidet die Gasmoleküle, die nicht zu einem Clusterstrahl kondensiert sind, von dem Clusterstrahl teilweise ab, um den Druck in den nachgeschalteten Regionen minimal zu halten, wo solche höheren Drücke schädlich wären (z.B. Ionisierer 122, Hochspannungselektroden 126 und Prozesskammer 108). Geeignete kondensierbare Quellgase 112 beinhalten, sind aber nicht unbedingt begrenzt auf Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff und andere Gase.
  • Nach dem Bilden des Gascluster enthaltenden Überschallgasstrahls 118 werden die Cluster in einem Ionisierer 122 ionisiert. Der Ionisierer 122 ist typischerweise ein Elektronenstoßionisierer, der Thermoelektronen von einem oder mehreren Glühfäden 124 erzeugt und die Elektronen beschleunigt und sie so richtet, dass sie mit den Gasclustern in dem Gasstrahl 118 kollidieren, wo der Strahl durch den Ionisierer 122 passiert. Der Elektronenstoß stößt Elektronen aus den Clustern aus und bewirkt, dass ein Teil der Cluster positiv ionisiert wird. Ein Satz von geeignet vorgespannten Hochspannungselektroden 126 extrahiert die Clusterionen aus dem Ionisierer, bildet einen Strahl und beschleunigt sie dann auf eine gewünschte Energie (typischerweise von 1 keV bis zu mehreren Dutzend keV) und bündelt sie zu einem GCIB 128. Die Fadenstromversorgung 136 erzeugt eine Spannung VF zum Erhitzen des Ionisiererfadens 124. Die Anodenstromversorgung 134 erzeugt eine Spannung VA zum Beschleunigen von aus dem Faden 124 emittierten Thermoelektronen, um zu bewirken, dass sie den das Cluster enthaltenden Gasstrahl 118 zum Erzeugen von Ionen ausstrahlen. Die Extraktionsstromversorgung 138 erzeugt eine Spannung VE zum Vorspannen einer Hochspannungselektrode zum Extrahieren von Ionen aus der Ionisierungsregion des Ionisierers 122 und zum Bilden eines GCIB 128. Die Beschleunigerstromversorgung 140 erzeugt die Spannung VACC zum Vorspannen einer Hochspannungselektrode in Bezug auf den Ionisierer 122, was eine GCIB-Gesamtbeschleunigungsenergie von gleich VACC Elektronenvolt (eV) ergibt. Eine oder mehrere Linsenstromversorgungen (es sind z.B. 142 und 144 dargestellt) können vorgesehen werden, um Hochspannungselektroden mit Potentialen (VL1 und VL2 z.B.) zum Bündeln des GCIB 128 vorzuspannen.
  • Ein Werkstück 152, das ein Halbleiterwafer oder ein anderes durch GCIB-Bearbeitung zu bearbeitendes Werkstück sein kann, wird von einem Werkstückhalter 150 gehalten, der im Pfad des GCIB 128 angeordnet ist. Da die meisten Anwendungen die Bearbeitung großer Werkstücke mit räumlich gleichförmigen Ergebnissen vorsehen, ist ein Abtastsystem wünschenswert, um den GCIB 128 gleichförmig über große Bereiche abzutasten, um räumlich homogene Ergebnisse zu erzielen. Es können zwei Paare von orthogonal orientierten elektrostatischen Abtastplatten 130 und 132 verwendet werden, um ein Raster oder ein anderes Abtastmuster über die gewünschte Bearbeitungsfläche zu erzeugen. Wenn eine Strahlenabtastung durchgeführt wird, dann wird der GCIB 128 in einen abgetasteten GCIB 148 konvertiert, der die gesamte Oberfläche des Werkstücks 152 abtastet.
  • 2 zeigt ein Schema der Grundelemente einer verbesserten Konfiguration für einen mechanischen GCIB-Abtastprozessor 200, der das Werkstück mit einer mechanischen Abtasttechnik relativ zum GCIB abtastet. Die GCIB-Bildung ist im Wesentlichen wie in 1 gezeigt, aber im mechanischen GCIB-Abtastprozessor 200 von 2 ist der GCIB 128 stationär (nicht abgetastet) und das Werkstück 152 wird mechanisch durch den GCIB 128 abgetastet, um die Effekte des GCIB 128 über eine Oberfläche des Werkstücks 152 zu verteilen. Ein X-Scan-Stellglied 202 erzeugt eine Linearbewegung des Werkstückhalters 150 in der Richtung der X-Scan-Bewegung 208 (in die und aus der Ebene des Papiers). Ein Y-Scan-Stellglied 204 erzeugt eine Linearbewegung des Werkstückhalters 150 in der Richtung der Y-Scan-Bewegung 210, die orthogonal zur X-Scan-Bewegung 208 ist. Die Kombination aus X-Scan-und Y-Scan-Bewegungen bewegt das vom Werkstückhalter 150 gehaltene Werkstück 152 in einer rasterähnlichen Abtastbewegung durch den GCIB 128, um eine gleichförmige Bestrahlung einer Oberfläche des Werkstücks 152 durch den GCIB 128 für eine gleichförmige Bearbeitung des Werkstücks 152 zu bewirken. Der Werkstückhalter 150 ordnet das Werkstück in einem Winkel mit Bezug auf die Achse des GCIB 128 an, so dass der GCIB 128 einen Strahleneinfallswinkel 206 in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks 152 hat. Der Strahleneinfallswinkel 206 kann 90 Grad oder ein anderer Winkel sein, vorzugsweise 90 Grad oder nahe 90 Grad. Während der Y-Abtastung bewegt sich das vom Werkstückhalter 150 gehaltene Werkstück 152 von der gezeigten Position in die Alternativposition „A", die jeweils von den Bezugsziffern 152A und 150A angezeigt wird. Man beachte, dass das Werkstück 152 bei der Bewegung zwischen den beiden Positionen durch den GCIB 128 abgetastet und in beiden Endpositionen vollständig aus dem Pfad des GCIB 128 hinaus bewegt (überabgetastet) wird. Obwohl dies in 2 nicht ausdrücklich dargestellt ist, so erfolgt ein ähnliches Abtasten und Überabtasten auch in der orthogonalen X-Scan-Bewegungsrichtung 208 (in die und aus der Ebene des Papiers), wie später bei der Erörterung von 4B erläutert wird.
  • 3 zeigt das verbesserte GCIB-Verarbeitungssystem 300 der vorliegenden Erfindung. Ein GCIB-Erzeugungssystem 302 ist schematisch als Block zusammengefasst. Das GCIB-Erzeugungssystem 302 kann eine beliebige aus einer Reihe verschiedener GCIB-Quellen mit Funktionen ähnlich denen der Komponenten sein, die in der Quellkammer 104 und der Ionisierungs-/Beschleunigungskammer 106 des mechanische GCIB-Abtastprozessors 200 von 2 dargestellt sind. Wieder mit Bezug auf 3, der GCIB 128 wird vom GCIB-Erzeugungssystem 302 erzeugt. Anordnung und Funktion von Werkstück 152, Werkstückhalter 150, X-Scan-Stellglied 202 und Y-Scan-Stellglied 204 sind alle wie für den mechanischen GCIB-Abtastprozessor 200 von 2 beschrieben. Ein Neutralisierer 310 ordnet einen oder mehrere thermionische Fäden (es sind beispielsweise zwei, jedoch nicht einschränkend, als erster Faden 312 und zweiter Faden 314 dargestellt, die radial um den und parallel zu dem GCIB 128 angeordnet sind) in der Nähe des Pfades des GCIB 128 an. Der Neutralisierer 310 wurde zwar beispielsweise als thermionischer Neutralisierer dargestellt, es wird jedoch erkannt, dass auch andere Neutralisierertypen im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, unter der Voraussetzung, dass der Neutralisierer so gesteuert werden kann, dass er den Elektronenausstoß zur Neutralisation erhöhen oder verringern kann. Solche in der Ionenstrahltechnik bekannten alternativen Neutralisierer beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Accel-Decel-Elektronenkanonen und verschiedene Plasmavorrichtungen wie z.B. einen Elektronenplasmafluter. Im vorliegenden Beispiel eines thermionischen Neutralisierers 310 erzeugt eine regulierbare Neutralisiererstromversorgung 346 mit Steuersignaleingang 358 einen regelbaren Fadenstrom 318, mit IF symbolisiert, zum Erhitzen der Fäden 312 und 314 durch die Leitungen 326 und 328. Einige Thermoelektronen 336, die von den erhitzten thermionischen Fäden 312 und 314 emittiert wurden, werden an die positive Raumladung des positiv geladenen GCIB 128 angezogen und fließen am GCIB 128 entlang, reduzieren die Raumladung des GCIB 128 und versorgen das Werkstück 152 mit Elektronen, um deren positive Ladung durch den GCIB 128 durch Neutralisieren positiver Ladungen zu reduzieren, die ansonsten auf dem Werkstück 152 akkumulieren könnten. Ein die Öffnung 332 definierender GCIB definiert den GCIB 128, um das Ausmaß des GCIB 128 unterhalb der den GCIB definierenden Öffnung 332 zu begrenzen, um zu gewährleisten, dass das gesamte Ausmaß des GCIB 128 durch die GCIB-Sensoröffnung 338 in einen Faradayschen Käfig 306 passieren kann. Der Faradaysche Käfig 306 hat eine Bremselektrode 308 und ein geerdetes Gehäuse 304 und ist im Pfad des GCIB 128 unterhalb der den GCIB definierenden Öffnung 332 und der GCIB-Sensoröffnung 338 angeordnet, um Sensorstrom 342, als IS symbolisiert, zwecks Messung zu erfassen.
  • Ein erster einpoliger Umschalter 322 mit einer mit „C" gekennzeichneten Ladungsmessposition und einer mit „D" gekennzeichneten Dosimetriemessposition verbindet den Sensorstrom 342 regulierbar entweder mit dem Widerstand 330 über die Leitung 316 oder durch die Leitung 354 mit dem Erfassungseingangs 360 des Dosimetrie- und Scanner-Steuersystems 500. Der Widerstand 330 kann beispielsweise einen Wert von 1 Megaohm haben.
  • Ein zweiter einpoliger Umschalter 320 mit einer mit „C" gekennzeichneten Ladungsmessposition und einer mit „D" gekennzeichneten Dosimetriemessposition verbindet die Bremselektrode 308 regulierbar mit der Bremsstromversorgung 344 oder mit Masse.
  • Die Schalter 320 und 322 sind gruppiert und werden gemeinsam von der Schaltsteuerung 324 zwecks gleichzeitiger Betätigung gesteuert. Die Schalter 320 und 322 werden beide in die Position „C" oder beide in die Position „D" umgeschaltet.
  • Wenn eine Dosimetriemessung erforderlich ist, dann werden beide Schalter 320 und 322 in die Position „D" geschaltet. Somit ist der Sensorstrom 342 (IS) mit dem Dosimetrie- und Scanner-Steuersystem 500 verbunden, und die Bremselektrode 308 ist mit der Bremsstromversorgung 344 verbunden und dadurch mit einem elektrischen Potential, der Bremsspannung Vs, die beispielsweise 1500 Volt haben kann, negativ vorgespannt. Wenn die Bremselektrode 308 negativ vorgespannt ist, dann verhütet sie den Ein- oder Austritt von Elektronen in den/aus dem Faradayschen Käfig 306 und der Sensorstrom 342 (IS) ist ein Maß für den GCIB-Strom.
  • Wenn eine Messung des ungefähren Werkstückladestroms erforderlich ist, dann werden beide Schalter 320 und 322 in die Position „C" geschaltet. Somit ist der Sensorstrom 342 (IS) durch die Leitung 316 mit dem Widerstand 330 sowie mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 348 verbunden; auch die Bremselektrode 308 ist mit Masse verbunden und ist ohne Vorspannung. Wenn die Bremselektrode 308 vorspannungslos ist, dann lässt sie den Ein- oder Austritt von Elektronen in den/aus dem Faradayschen Käfig 306 zu und der Sensorstrom 342 (IS) ist ein Maß für den GCIB-Strom plus Elektronenströme, die in den und aus dem Faradayschen Käfig 306 fließen. Diese Summe von GCIB- und Elektronenströmen ist näherungsweise der gesamte zum Laden eines Werkstücks zur Verfügung stehende Strom. Der Verstärker 348 hat einen nichtinvertierenden Eingang mit hoher Eingangsimpedanz und verstärkt den Spannungsabfall über den Widerstand 330 aufgrund der Tatsache, dass der Sensorstrom 342 (IS) durch den Widerstand 330 zu Masse fließt. Der Verstärker 348 hat einen Verstärkungsfaktor A1 und gibt ein Ladungssignal SC aus, das proportional zum verfügbaren Werkstückladestrom ist. Die Leitung 340 verbindet das Ladungssignal SC mit dem Ladungssignaleingang 348 des Ladungsalarmsystems 350 und mit dem Abtastsignaleingang 366 des Verfolgen-Halten-Moduls 364. Das Ladungsalarmsystem 350 hat einen Alarmausgang 386 und erzeugt ein Alarmsignal SA am Alarmausgang 386, wenn die Größe von SC einen voreingestellten Wert überschreitet, der zuvor experimentell als für das Werkstück 152 schädlich ermittelt wurde. Die Leitung 352 verbindet das Alarmsignal SA vom Alarmausgang 386 des Ladungsalarmsystems 350 mit dem Alarmsignaleingang 362 des Dosimetrie- und Scannersteuersystems 500. Das Ladungsalarmsystem 350 kann bei Bedarf auch hörbare und/oder sichtbare Alarmanzeigen erzeugen, wenn es ein Alarmsystem SA erzeugt, um einen menschlichen Gerätebediener darüber in Kenntnis zu setzen, dass ein möglicher Werkstückladezustand vorliegt. Das Verfolgen-Halten-Modul 364 hat einen Verfolgen/Halten-Befehlseingang 370 zum Empfangen eines Verfolgen/Halten-Signals ST/H durch die Leitung 374 vom Verfolgen/Halten-Befehlsausgang 376 des Dosimetrie- und Scannersteuersystems 500, um zu bewirken, dass das Verfolgen-Halten-Modul 364 das Signal SC regelbar verfolgt oder hält. Der verfolgte oder gehaltene Wert von Signal SC wird als Verfolgen/Halten-Ladesignal SCH am Verfolgen/Halten-Ausgang 368 des Verfolgen-Halten-Moduls 364 ausgegeben. Die Leitung 372 verbindet das Verfolgen/Halten-Ladesignal SCH mit dem Steuereingang 358 der Neutralisiererstromversorgung 346 und dem Anzeigegerät 356. Als Reaktion auf eine Zunahme des Signals SCH am Steuereingang 358 erzeugt die Neutralisiererstromversorgung 346 einen zunehmenden Fadenstrom 318 (IF) in thermionischen Fäden 312 und 314, was zu einer höheren thermionischen Emission von Thermoelektronen 336 mit der entprechender zunehmender Verfügbarkeit von Elektronen führt, um die Raumladung des GCIB 128 zu neutralisieren und den zur Werkstückladung zur Verfügung stehenden Nettostrom zu reduzieren. Das Anzeigegerät 356 gibt eine Anzeige für die Größe des Verfolgen/Halten-Ladesignals SCH, was eine Anzeige des zum Laden des Werkstücks 152 verfügbaren Stroms gibt. Das Dosimetrie- und Scannersteuersystem 500 hat Scannersteuerausgänge 378 zum Ausgeben von Scannersteuersignalen auf dem Kabel 334 zum Steuern des X-Scan-Stellglieds 202 und des Y-Scan-Stellglieds 204. Das Dosimetrie- und Scannersteuersystem 500 hat auch einen Schaltsteuerausgang 380 zum Ausgeben eines C/D-Schaltsteuersignals SC/D durch die Leitung 382 zur Schaltsteuerung 324. Die Funktionen des Dosimetrie- und Scannersteuersystems 500 werden nachfolgend bei der Erörtung von 5 erläutert.
  • 4A ist eine normale Ansicht 400 des Werkstückhalters 150 der vorliegenden Erfindung mit angebrachtem Werkstück 152. Der Werkstückhalter 150 kann das Werkstück 152 durch elektrostatische Anziehung (ein elektrostatischer Chuck) oder durch Schwerkraft oder mit einer Klammer oder einer anderen Anordnung in seiner Position am Werkstückhalter 150 halten. Ein erster Haltebolzen 402 und ein zweiter Haltebolzen 404 können bei Bedarf verwendet werden, um das Werkstück 152 am Werkstückhalter zu halten.
  • 4B ist eine normale Ansicht 450 des Werkstückhalters 150 der vorliegenden Erfindung, die die Beziehung eines Abtastpfades 452 (durch einen punktierten geschlängelten Pfad angedeutet) eines GCIB 128 (wie in den 2 und 3 gezeigt) relativ zum Werkstückhalter 150 und zu einem Werkstück 152 zeigt. Für die Zwecke dieser Figur und dieser Erörterung sei angenommen, dass der Strahleneinfallswinkel 206 wie in 2 definiert 90 Grad beträgt, aber die Erfindung ist nicht auf einen Strahleneinfallswinkel 206 von 90 Grad begrenzt. Der Werkstückhalter 150 hat einen unteren Rand 468. Der Abtastpfad 452 repräsentiert den Pfad, über den die Mitte des GCIB relativ zum Werkstückhalter und zum Werkstück 152 verläuft, während der Werkstückhalter vom X-Scan-Stellglied 202 und vom Y-Scan-Stellglied 204 (beide wie in den 2 und 3 gezeigt) bei der GCIB-Bearbeitung des Werkstücks mechanisch durch den GCIB 128 abgetastet wird. Eine Vorabposition 454 repräsentiert die Position der Mitte des GCIB 128 vor Bearbeitungsbeginn. Die Startposition 456 repräsentiert die Position der Mitte des GCIB 128 zu Beginn einer gesteuerten Bearbeitung. Die Fertigposition 466 repräsentiert die Position der Mitte des GCIB 128 am Schluss oder Ende der Bearbeitung. Die Vorabposition 454 kann sich von der Startposition 456 wie in 4B gezeigt unterscheiden, oder die Startposition 456 kann als die Vorabposition dienen. Die punktierten Kreise 458a, 458b, 458c und 458d repräsentieren die Hüllkurve der Projektion der GCIB-Hülle (Strahlenpunkt genannt) in der Ebene der Frontfläche des Werkstückhalters 150. Der GCIB 128 führt eine vollständige Überabtastung des Werkstücks 152 auf allen Seiten durch. Am unteren Rand 468 des Werkstückhalters 150 entlang führt der GCIB 128 ebenfalls eine vollständige Überabtastung des unteren Randes 468 des Werkstückhalters 150 durch. Zwischen der Startposition 456 und der Fertigposition 466 deckt der Abtastpfad 452 einen Abtastbereich AS = DX × DY ab, wobei DX und DY jeweils durch die Bezugsziffern 460 und 462 angedeutet werden. Zwischen der Startposition 456 und der Fertigposition 466 führt der Abtastpfad 452 der Mitte des GCIB 128 eine vorbestimmte Anzahl N von Durchgängen über den Werkstückhalter 150 in der Y-Achsenrichtung durch. Jeder der N Durchgänge hat eine Länge 462 (DY). In 4B ist N nur beispielhaft als 34 Durchgänge angegeben, was nicht begrenzend ist. Der Wert von N ist nicht besonders kritisch und kann so gewählt werden, dass eine ausreichende Überlappung von aufeinander folgenden Abtastdurchgängen erfolgt, die zu einem ausreichenden Grad an Gleichförmigkeit für eine Bearbeitung durch den GCIB führt. Im Allgemeinen erfordern kleinere Strahlendurchmesser und größere Werkstücke größere Werte von N, um eine gute Bearbeitungsgleichförmigkeit zu erzielen. An den Y-Positionsenden jedes der N Durchgänge des Abtastpfades 452 bewegt sich der Pfad (relativ zum Werkstückhalter 150) in der X-Achsen-Richtung durch ein X-Achsen-Distanzinkrement 470 IX, wobei IX = DX/(N – 1) ist, wobei DX die Länge 460 ist.
  • Die Geschwindigkeit VY der Y-Richtungsabtastung wird so geregelt, dass sie bei jedem der N Durchgänge in der Y-Achsenrichtung im Wesentlichen konstant ist. Somit hat die Zeit pro Abtastdurchgang in Y-Achsenrichtung einen konstanten Wert TY und die Gesamtzeit der N Y-Richtungsabtastungen beträgt TS = N × TY und die Y-Scan-Bewegungsgeschwindigkeit wird durch VY = (N × DY)/TS ausgedrückt. An den Y-Positionsenden in der Nähe des unteren Randes 468 des Werkstückhalters 150 jedes der N Durchgänge des Abtastpfades 452 führt der Abtastpfad X-Achsen-Distanzinkremente 464i , 464i+1 , 464i+2 , ... 464n aus, wobei n = (N/2) – 1 ist. Die X-Richtung-Abtastgeschwindigkeit VX in der Richtung der X-Bewegungsinkremente ist nicht besonders wichtig und wird im Hinblick auf Einfachheit des Designs gewählt, da der GCIB 128 bei X-Scan-Bewegungen aufgrund der Überabtastung immer abseits vom Werkstück 152 ist. In allen Fällen, wenn sich die Mitte des GCIB 128 an der Vorabposition 454 oder an der Startposition 456 oder an der Fertigposition 466 oder an einem beliebigen der X-Achsen-Distanzinkremente 464 in der Nähe des unteren Randes 468 des Werkstückhalters 150 befindet, wird der gesamte Strahlenpunkt des GCIB 128 über den unteren Rand 468 des Werkstückhalters 150 hinaus abgetastet und der GCIB 128 passiert stromabwärts vom Werkstückhalter 150 und tritt in den Faradayschen Käfig 306 ein (wie in 3 gezeigt) ein. Zu diesen Zeitpunkten sammelt der Faradaysche Käfig 306 Sensorstrom 342 IS zwecks Messung. Zu allen diesen Zeiten kann der Sensorstrom 342 IS zum Messen des Strahlenstroms des GCIB 128 IB oder des Gesamtstroms IT (einschließlich Elektronen) verwendet werden, die zum Laden des Werkstücks zur Verfügung stehen, je nach der „D"- oder „C"-Positionswahl der Schalter 320 und 322, wie in 3 gezeigt und oben beschrieben wurde. Eine vollständige Überabtastung des Werkstücks 152 auf allen Seiten ist zwar die bevorzugte Ausgestaltung zum Erzielen einer gleichförmigen Verarbeitung des gesamten Werkstücks 152, aber es wird erkannt, dass es lediglich notwendig ist, das Werkstück 152 und den Werkstückhalter 150 an wenigstens einer Stelle überabzutasten, um die vorliegende Erfindung zu praktizieren. Zu Erläuterungszwecken wurde der Abtastpfad 452 als schlangenförmiger Pfad dargestellt, mit einem Strahlenweg in der X-Scan- und Y-Scan-Richtung, der einen insgesamt rechteckigen Abtastbereich AS beschreibt. Man wird erkennen, dass die Erfindung nicht auf den oben beschriebenen Abtastpfad 452 begrenzt ist. Es können andere zweiachsige Abtastpfade, die Abtastmuster des Bereichs AS beschreiben, die durch konstante oder veränderliche Geschwindigkeiten in den beiden Achsen generiert werden und rechteckige oder nicht rechteckige Abtastbereiche erzeugen, selbst mit spiralförmigen Mustern, zur Anwendung kommen, unter der Voraussetzung, dass das Muster wenigstens eine vollständige Überabtastung beinhaltet, so dass der gesamte Strahlenpunkt des GCIB 128 über einen Rand des Werkstückhalters 150 hinaus abgetastet wird und in den Faradayschen Käfig 306 zwecks Messung eintritt.
  • 5 zeigt ein Schema von Details des Dosimetrie- und Scannersteuersystems 500 von 3. Gemäß 5 hat das Dosimetrie- und Scannersteuersystem 500 einen Erfassungseingang 360 zum Empfangen von Sensorstrom 342 IS auf der Leitung 354. Bei Dosimetriemessungen ist, wenn die Schalter 320 und 322 auf ihre jeweiligen „D"-Positionen eingestellt sind, IS ein Maß für den Strom IB des GCIB 128. Der Sensorstrom 342 IS wird durch die Leitung 354 mit dem Widerstand 518 sowie mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 502 verbunden. Der Widerstand 518 kann einen Wert von beispielsweise 1 Megaohm haben, was aber nicht begrenzend ist. Der Verstärker 502 hat einen nichtinvertierenden Eingang mit hoher Eingangsimpedanz und verstärkt den Spannungsabfall über den Widerstand 518 aufgrund der Tatsache, dass der Sensorstrom 342 (IS = IB) durch den Widerstand 518 zu Masse fließt. Der Verstärker 502 hat einen Verstärkerfaktor A2 und gibt ein Dosimetriesignal SD aus, das proportional zum Strahlenstrom IB des GCIB 128 ist. Die Leitung 520 verbindet das Dosimetriesignal SD mit dem Dosimetrieeingang 508 der Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 und auch mit dem Anzeigegerät 504. Das Anzeigegerät 504 gibt die Größe des Strahlenstroms IB des GCIB 128 an.
  • Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 hat einen Alarmeingang 510 zum Empfangen eines Alarmsignals SA auf der Leitung 352 durch den Alarmsignaleingang 362 des Dosimetrie- und Scannersteuersystems 500.
  • Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 hat einen Verfolgen/Halten-Signalausgang 514 zum Ausgeben eines Verfolgen/Halten-Signals ST/H auf der Leitung 374 durch den Verfolgen/Halten-Befehlsausgang 376 des Dosimetrie- und Scannersteuersystems 500.
  • Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 hat einen C/D-Schaltsteuerausgang 516 zum Ausgeben eines C/D-Schaltsteuersignals SC/D auf der Leitung 382 durch den Schaltsteuerausgang 380 des Dosimetrie- und Scannersteuersystems 500.
  • Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 hat einen Scannersteuerausgangsbus 512 zum Ausgeben von Scannersteuersignalen auf dem Kabel 334 durch Scannersteuerausgänge 378 des Dosimetrie- und Scannersteuersystems 500.
  • Man wird erkennen, dass die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 bei Bedarf ein gemeinsam genutzter Teil der Funktionen und Vorrichtungen eines Mikroprozessorsystems oder Mikrocomputers oder einer Universalsteuerung sein kann, das/der/die auch andere Funktionen des GCIB-Bearbeitungssystems 300 steuert.
  • Beim Betrieb wird vor dem Einleiten der GCIB-Bearbeitung eines Werkstücks 152 ein GCIB 128 im GCIB-Bearbeitungssystem 300 gebildet, wobei sich der Werkstückhalter 150 in der Vorabposition 454 befindet. Demgemäß passiert der GCIB 128 in den Faradayschen Käfig 306. Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 gibt ein Signal SC/D aus, um zu bewirken, dass die Schaltsteuerung 324 die Schalter 320 und 322 in die Ladungsmessposition „C" einstellt. Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 gibt ein Verfolgen/Halten-Signal ST/H aus, um zu bewirken, dass der Verfolgen/Halten-Ausgang 368 des Verfolgen-Halten-Moduls 364 das Ladesignal SC verfolgt. Demgemäß empfangen das Anzeigegerät 356 und die Neutralisiererstromversorgung 346 SCH, das SC verfolgt. Eine negative Feedback-Schleife wird durch die Emission von Thermoelektronen 336 geschlossen. Der Sensorstrom 342 IS wird durch das Feedback minimal gehalten. Wenn das System ordnungsgemäß funktioniert, dann wird das Ladesignal SC minimiert und das Ladealarmsystem 350 gibt kein(en) Alarm oder Alarmsignal SA aus. Nach einer Zeitverzögerung, die ausreicht, damit sich das SC-Signal einschwingen kann (typischerweise ein bis mehrere Sekunden), testet die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 das Alarmsignal SA am Alarmeingang 510, um sicherzustellen, dass der zum Laden des Werkstücks 152 zur Verfügung stehende Gesamtstrom auf einem sicheren Niveau ist. Wenn die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 festgestellt hat, dass kein Alarmsignal SA vorliegt, dann gibt sie ein Verfolgen/Halten-Signal ST/H aus, um zu bewirken, dass der Verfolgen/Halten-Ausgang 368 des Verfolgen-Halten-Moduls 364 das Verfolgen/Halten-Ladesignal SCH für die Dauer der GCIB-Bearbeitung des Werkstücks 152 festhält.
  • Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 gibt als Nächstes ein Signal SC/D aus, um zu bewirken, dass die Schaltsteuerung 324 die Schalter 320 und 322 in die Dosimetrieposition „D" stellt. Demgemäß empfängt der Dosimetrieeingang 508 der Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 das Dosimetriesignal SD. Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung misst den Wert des Dosimetriesignals SD (in Ampere Strahlenstrom IB typischerweise ein paar Mikroampere bis zu mehreren tausend Mikroampere). Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 hat eine zuvor gespeicherte, vorbestimmte, benötigte Bearbeitungsdosis DP (in A-Sekunden pro Flächeneinheit gemessen) für die GCIB-Bearbeitung des Werkstücks 152, um den gewünschten Bearbeitungseffekt zu erzielen. Andere Prozessparameter wie die Anzahl von Abtastdurchgängen N, X- und Y-Scan-Distanzen DX und DY sind ebenfalls vorbestimmt und zuvor in der Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 gespeichert. Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 berechnet die Gesamtabtastzeit TS und die Abtastgeschwindigkeit VY gemäß: AS = DX × DY TS = (DP × AS)/IB VY = (N × DY)/TS
  • Die Dosimetrie-/Abtaststeuerung 506 sendet dann Signale durch den Scannersteuerungsausgangsbus 512 durch Scannersteuerausgänge 378 durch Kabel 334, um zu bewirken, dass das X-Scan-Stellglied 202 und das Y-Scan-Stellglied 204 gesteuerte X-Scan-Bewegungen und Y-Scan-Bewegungen mit regulierten Geschwindigkeiten erzeugen, zunächst von der Vorabposition 454 zur Startposition 456, dann über den Abtastpfad 452 zur Fertigposition 466. Jede Y-Scan-Bewegung erfolgt mit einer geregelten Y-Scan-Geschwindigkeit VY. Der Abtastpfad 452 (siehe 4B) wird erzeugt. Nach dem Erreichen der Fertigposition 466 ist die Bearbeitung des Werkstücks 152 abgeschlossen und die Bearbeitungsdosis DP wurde gleichmäßig auf das gesamte Werkstück 152 und mit minimierter Ladung des Werkstücks 152 appliziert.
  • Die Erfindung wurde zwar mit Bezug auf verschiedene Ausgestaltungen beschrieben, aber es ist zu verstehen, dass diese Erfindung auch auf eine Reihe verschiedener weiterer und anderer Ausgestaltungen im Rahmen der beiliegenden Ansprüche anwendbar ist.

Claims (9)

  1. Vorrichtung (200), die einen Gascluster-Ionenstrahl (128) zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks (152) verwendet, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Unterdruckbehälter (102); eine Gascluster-Ionenstrahlenquelle (118) innerhalb des Unterdruckbehälters (102) zum Erzeugen eines Gascluster-Ionenstrahls (128) mit einem Strahlenstrom; einen Beschleuniger (126) zum Beschleunigen des Gascluster-Ionenstrahls (128) über eine Bahn; Werkstückhaltemittel (150) zum Halten des Werkstücks (152) für die Gascluster-Ionenstrahlbearbeitung; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (200) ferner Folgendes umfasst: steuerbare Bewegungsmittel (202, 204) zum selektiven Abtasten des genannten Werkstückhaltemittels (150) und des Werkstücks (152) durch den genannten Gascluster-Ionenstrahl (128) an einer Stelle entlang der genannten Bahn zwischen dem genannten Beschleuniger (126) und einem Strommessmittel, das entlang der genannten Bahn angeordnet ist, und zum selektiven Entfernen des Werkstückhaltemittels (150) und des Werkstücks (152) von der genannten Gascluster-Ionenstrahlbahn; Steuermittel (500) zum Erzeugen von Signalen zu den genannten steuerbaren Bewegungsmitteln (202, 204) zum Abtasten des Werkstücks (152) und zum Entfernen des Werkstücks (152) und des Werkstückhaltemittels (150) von der genannten Gascluster-Ionenstrahlbahn, damit der genannte Strahlenstrom gemessen werden kann, wobei das genannte Steuermittel (500) solche Signale wenigstens teilweise als Reaktion auf wenigstens ein Strommesssignal (342) erzeugt, das von dem Strommessmittel (338) erfasst wurde; und wobei das genannte Strommessmittel (338) wenigstens zwei steuerbare Betriebsarten zum Erfassen des Sensorstrommesssignals (342) aufweist, wobei eine (D) der genannten Betriebsarten selektiv ein Abtastsignal des Gascluster-Ionenstrahlstroms und eine andere (C) der genannten Betriebsarten selektiv ein Abtastsignal des gesamten zum Laden des Werkstücks (152) verfügbaren Stroms misst, wobei das genannte Steuermittel (500) Steuersignale zum Auswählen zwischen den beiden Betriebsarten (C, D) bereitstellt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das genannte wenigstens eine Strommesssignal (342) ein Abtastsignal des genannten Gascluster-Ionenstrahlenstroms repräsentiert, der gemessen wird, während das Werkstück (152) und der genannte Werkstückhalter (150) von der genannten Gascluster-Ionenstrahlenbahn entfernt werden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das genannte Steuermittel (500) ferner als Reaktion auf das wenigstens eine Strommesssignal (242), das ein Abtastsignal des genannten Gascluster-Ionenstrahlenstroms repräsentiert, Folgendes umfasst: (a) Ausgangssignale (512) zum Steuern des Abtastens des Werkstücks (152); oder (b) Ausgangssignale (376) zum Regeln einer Dosis des genannten Gascluster-Ionenstrahls (128), der bei der Bearbeitung auf das Werkstück (152) appliziert wird.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, die ferner einen steuerbaren Neutralisierer (310) zum Erzeugen von Elektronen (336) umfasst, um (a) Raumladung in dem genannten Gascluster-Ionenstrahl (128) oder (b) elektrische Ladung des Werkstücks (152) zu reduzieren.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen steuerbaren Neutralisierer (310) umfasst, um als Reaktion auf Steuersignale, die von dem Steuermittel (500) ausgegeben werden, das mit wenigstens einem Strommesssignal assoziiert ist, das den gesamten verfügbaren Strom repräsentiert, den zum elektrischen Laden des Werkstücks (152) zur Verfügung stehenden Gesamtstrom auf ein vorbestimmtes sicheres Niveau zur Bearbeitung zu reduzieren.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das genannte Steuermittel (500) ferner Mittel umfasst, um zu ermitteln, ob wenigstens ein den verfügbaren Gesamtstrom repräsentierendes Strommesssigal ein vorbestimmtes sicheres Niveau zur Bearbeitung übersteigt, und Mittel zum Verhindern der Bearbeitung des Werkstücks (152), wenn der genannte Gesamtstrom das vorbestimmte sichere Niveau für die genannte Bearbeitung übersteigt.
  7. Verfahren zum Bearbeiten der Oberfläche eines Werkstücks (152) mit einem Gascluster-Ionenstrahl, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden eines Gascluster-Ionenstrahls in einem Unterdruckbehälter (102), wobei der genannte Gascluster-Ionenstrahl einen Gascluster-Ionenstrahlstrom hat; Beschleunigen des genannten Gascluster-Ionenstrahls über eine Bahn; steuerbares Heraushalten des Werkstücks (152) für eine Gascluster-Ionenstrahlbearbeitung aus der Bahn des genannten Gascluster-Ionenstrahls; Bereitstellen eines Strommessmittels (338) mit wenigstens zwei (C, D) steuerbaren Betriebsarten, eine (D) der genannten Betriebsarten zum selektiven Messen eines Abtastsignals des Gascluster-Ionenstrahlstroms und eine andere (C) der genannten Betriebsarten zum selektiven Messen eines Abtastsignals des zum Laden des Werkstücks (152) zur Verfügung stehenden Gesamtstroms; Auswählen der genannten Betriebsart zum Messen eines Stromabtastsignals in Bezug auf die Bearbeitung des Werkstücks (152); Messen, wenigstens einmal, des Stromabtastsignals; Bewegen, wenigstens einmal, des Werkstücks (152) in die Bahn des genannten Gascluster-Ionenstrahls (128) zur Bearbeitung; und Steuern der Bearbeitung des Werkstücks (152) unter Verwendung vom genannten wenigstens einen Messwert des Stromabtastsignals.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das genannte Stromabtastsignal ein Abtastsignal des Gascluster-Ionenstrahlenstroms ist; wobei der Steuerschritt das Regeln einer Dosis des genannten auf das Werkstück (152) applizierten Gascluster-Ionenstrahls umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das genannte Stromabtastsignal ein Abtastsignal des zum Laden des Werkstücks (152) zur Verfügung stehenden Gesamtstroms ist; und wobei der Steuerschritt die Verwendung des genannten Abtastsignals des genannten zur Verfügung stehenden Gesamtstroms als Basis zum Reduzieren des zum Laden des Werkstücks (152) zur Verfügung stehenden genannten Gesamtstroms auf ein vorbestimmtes sicheres Niveau umfasst.
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