DE60033664T2

DE60033664T2 - Veränderbarer gasionenclusterstrahl zur glättung von oberflächen

Info

Publication number: DE60033664T2
Application number: DE60033664T
Authority: DE
Inventors: David B. Wesford FENNER
Original assignee: TEL Epion Inc
Current assignee: TEL Epion Inc
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: DE60033664D1; JP2003505867A; US20020139772A1; US6375790B1; ATE355606T1; EP1200980B1; WO2001006538A1; US6805807B2; EP1200980B8; JP4799787B2; EP1200980A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Cluster-Ionengasstrahlglättung (GCIB-Glättung, GCIB-Gas Cluster Ion Beam) von Flächen. Im Spezielleren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 31.
Oberflächen von mikroelektrischen Materialien wie Halbleitern, dielektrischen Stoffen und Metallen (die oftmals als Dünnfilme auf einem Substrat vorliegen) müssen, nachdem sie durch Abscheiden, Kristallzucht, Ätzen oder eine ähnliche Verarbeitung hergestellt wurden, geglättet werden. Die enge räumliche Nähe von mikroelektronischen Bauteilen, die entweder als mehrfache Schichten oder als wechselwirkende/zusammengeschaltete Teilkomponenten vorliegen, macht einen hohen Gütefaktor der Oberflächenqualität erforderlich.
Glättungsverfahren lassen sich grob als mechanische oder chemische Verfahren klassifizieren, und diese werden in Nasslösungsumgebung oder in einer Vakuumkammerumgebung ausgeführt. Ionenstrahlen sind in mehreren bedeutenden Hinsichten den herkömmlichen Läppungs-, Schleif-, Sandstrahl-, Säure-/Basenätzverfahren usw. überlegen. Vor allem stellt die Vakuumumgebung des Ionenstrahlvorrichtung eine Kontaminationskontrolle für die Werkstückoberfläche bereit, die mit irgendwelchen auf Nässe oder Atmosphäre beruhenden Verfahren nicht erzielt werden kann. Der Ionenstrahl trägt die Oberfläche (trocken) ab, d.h. sputtert oder zerstäubt sie, und falls die Oberfläche anfänglich rau war, kann das Abtragen diese Rauigkeit mindern.
Wenn die Oberfläche eine Glätte nahe den Atommaßen des Materials erreicht, erreicht die Ionenstrahlglättung ihre Eigengrenze, d.h. ihren asymptotischen Wert. Dieser Grenzrauigkeitsbetrag rührt von der Grund- oder Eigenbeschaffenheit sowohl der Oberfläche als auch der Ionenwechselwirkung mit dieser festen Oberfläche her. Unglücklicherweise ist die Grenzrauigkeit bei herkömmlichen Ionenstrahlätzverfahren nicht ausreichend glatt, um viele der Anwendungsanforderungen zu ermöglichen, die weitgehend als für zukünftige Mikroelektronik- und Photonikgenerationen notwendig geplant wurden.
Spezialisten, die mit Ionenstrahlbearbeitung von Flächen gearbeitet haben, hatten erkannt, dass Strahlen, die aus Clustern aus Gasatomen – ungefähr 100 bis 10.000 Atomen in jedem Cluster – bestehen, einzeln ionisiert und beschleunigt werden können und bei einem Aufprall auf eine Fläche eine höhere Glätte vieler Materialien bereitstellen. Dies ist das GCIB-Ätz- und Glättungsverfahren. Der Wirkungsgrad dieses Verfahrens ist zum Teil durch die Ionendosis eingeschränkt, die erforderlich ist, um eine Rauigkeitsminderung auf innerhalb gewünschter Grenzen liegend zu erreichen. Cluster-Ionenstrahlen können sich aus verschiedenen Gasarten zusammensetzen, wovon jede einen Bereich an Ätz- und Glättungsfähigkeiten aufweist. Edelgasionenstrahlen (wie Argon) treten durch physikalische Mittel (Sputter-Ätzen genannt) in eine Wechselwirkung mit einer Fläche, während Strahlen aus anderen Gasarten (Sauerstoff zum Beispiel) sowohl eine physikalische als auch chemische Wechselwirkung, d.h. eine Reaktion hervorrufen.
Beim chemischen Ionenätzen handelt es sich im Allgemeinen um einen schnelleren Ätzvorgang, der aber hoch spezifisch für die Zusammensetzung der zu ätzenden Fläche ist. Viel weniger zusammensetzungsspezifisch erbringt das physikalische Ionenätzen im Allgemeinen eine geringere Restrauigkeit bei allen Arten von Flächen, d.h. hinterlässt eine weniger raue Fläche nach einer beliebig langen Bestrahlung (hohen Dosis). Größere Cluster stellen die höchste endgültige Oberflächengüte bereit, aber ihre Herstellung in einer GCIB-Vorrichtung ist weniger wirkungsvoll, so dass mit den größten Clustern nicht die stärksten Strahlströme erzielt werden können.
Strahlen mit höherer Energie, die als Konsequenz des Einsatzes einer höheren Beschleunigungsspannung auftreten, ätzen schneller, hinterlassen aber bei derselben Clustergröße oder Größenverteilung erwartungsgemäß eine höhere Restrauigkeit. Die größere Restrauigkeit ist auf eine (oberflächliche) Implantation und auf Effekte zurückzuführen, die als Ionenvermischung bezeichnet werden, die bewirken, dass der Ionenstrahl Material aus (oberflächlichen) unter der Oberfläche liegenden Bereichen abträgt. Höhere Strahlströme (Clusterströme auf die Oberfläche) ätzen auch schneller, können aber zu höheren Restrauigkeiten führen als schwächere Strahlströme, und zwar infolge von nichtlinearen Effekten des physikalischen und stochastischen Phänomens von Oberflächenätzung.
Der Artikel von W. Skinner et al., "Clusters extend ion-beam technology", Vacuum Solutions, Ausgabe 8, März/April 1999, S. 29–32, beschreibt die Verwendung von Cluster-Ionengasstrahlen zur Oberflächenbearbeitung, die das Einstellen verschiedener Strahlparameter wie etwa des Gasdrucks und der Temperatur umfasst, um die mittlere Clustergröße zu bestimmen, und der Beschleunigungsspannung, um die Clusterenergie zu bestimmen. Eine Oberfläche wird dem Strahl ausgesetzt und die Position des Strahls während der Bearbeitung der Oberfläche verändert, indem die ionisierten Cluster unter Verwendung einer elastrostatischen Abtastvorrichtung an der Probe abgegriffen werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 30 bereit, um die Beschaffenheit eines Ionenstrahls während der Bearbeitung der Oberfläche eines festen Werkstücks anzupassen, um die Minderung von Oberflächenrauigkeit (Glättung) unter Verwendung eines GCIBs zu verbessern. Zusätzlich stellt die Erfindung eine Oberflächenglättung in Kombination mit Ätzen bis zu vorbestimmten Tiefen und einer Beseitigung von Oberflächenverunreinigungen bereit. Vorteile liegen in der minimalen erforderlichen Bearbeitungszeit, der minimalen Restrauigkeit der endgültigen Oberfläche und der Senkung bei den Materialmengen, die entfernt werden müssen, um einen gewünschten Glättegrad zu erzielen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschema einer erfindungsgemäßen adaptiven Cluster-Strahlglättungsvorrichtung;
2 ist eine herkömmliche Kurve, die eine schematische Ätzrate (durchgezogene Linie) eines Cluster-Ionenstrahls bei verschiedenen Beschleunigungsspannungen zeigt, die als Reihenfolge V_th < V₁ < V₂ ablaufen;
3 ist eine herkömmliche Kurve, welche eine mit der Clusterdosis fortschreitende Rauigkeitsabnahme bei konstanter Beschleunigungsspannung für den Cluster-Ionenstrahl zeigt; und
4 ist eine Kurve, welche die mit der Clusterdosis fortschreitende Rauigkeitsabnahme durch ein erfindungsgemäßes adaptives GCIB-Verfahren zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um eine typische Oberfläche in einem mikroelektronischen Anwendungsbereich mit GCIB zu glätten, kann die optimale endgültige Oberflächengüte (Glätte) mit einem Argonstrahl mit niedriger Beschleunigungsspannung und niedrigem Strahlstrom erzielt werden. Die Zeit, die erforderlich ist, um diesen optimalen Zustand zu erreichen, ist viel länger, als wenn andere Strahlauswahlen getroffen würden. Die Erfindung nutzt einen hybriden oder adaptiven Lösungsansatz für GCIB. Beispielsweise kann die anfängliche GCIB-Glättung unter Verwendung eines Strahls höherer Energie (größerer Beschleunigung) erfolgen, um die Ausgangsfläche mit ihrer höheren Rauigkeit so schnell wie möglich zu entfernen (ätzen). Während des Ätzens und wenn die Rauigkeit der Oberfläche die Restrauigkeitsgrenze für diese Strahlenergie erreicht, kann eine GCIB-Vorrichtung so eingestellt werden, dass der Strahl weniger Energie mitführt und der Ätzvorgang so lange anhält, bis er seine neue und niedrigere Restrauigkeitsgrenze erreicht.
1 ist ein Blockschema einer erfindungsgemäßen adaptiven Cluster-Strahlglättungsvorrichtung. Der Gasströmungsweg und der Clusterstrahl sind als durchgezogene Linien und die Steuerwege in unterbrochenen Linien gezeigt. Die Pfeile zeigen die Verlaufsrichtung für Gas, Cluster bzw. Daten an. Das Vakuumsystem hat mehrere Kammern mit jeweils (nicht gezeigten) Pumpen. Der optische Weg zur Inspektion der Oberflächenrauigkeit ist als fett gezogene Linie und Pfeil dargestellt.
Die Vorrichtung 100 von 1 umfasst ein Vakuumsystem 102 zur Erzeugung des Cluster-Gasionenstrahls. Ein erstes Gas, z.B. Argon, wird mit hohem Druck in einer Gasflasche 120 vorgehalten. Das Gas strömt durch einen Mengendurchflussregler (MFC) 118 aus, der aus einem Membranregler und einem Durchflussmessfühler sowie aus Einrichtungen besteht, um die Strömungsinformation zum Regler zurückzumelden, der typischerweise von der Beschaffenheit her elektronisch ist und durch den Systembediener oder Computer eingestellt werden kann, der auf das Befehlsschema einwirkt. Das Gas strömt dann in eine Vorkühlvorrichtung 114, die aus einem Wärmetauscher besteht, der wiederum von einem Tieftemperaturmittel gekühlt wird, wie etwa zirkulierendem Flüssigstickstoff oder dem kalten Ende eines (Umwälz-)Kühlsystems mit geschlossenem Kreislauf. Mit dem aus der Flasche 120 stammenden Gas kann mindestens ein zusätzliches Gas gemischt werden. Ein zweites Gas aus einer Gasflasche 124 würde dann durch den MFC 122 und die Vorkühlvorrichtung 115 strömen, bevor es sich mit dem aus der Flasche 120 stammenden Gas vermischt. Das Gas oder die Gase fließt/fließen in einem Rohr kleinen Durchmessers mit einem Druck von typischerweise zehn Atmosphären zu einer Düse 112.
Die Düse 112 besitzt typischerweise eine Bohrung mit einem Durchmesser von 50 bis 100 μm und eine Ausgangsöffnung mit einem kleinen Raumwinkel von ca. 10°. Vorzugsweise ist die Form der Ausgangsöffnung an der Düse diejenige einer Lavaldüse. Das Gas bildet einen Überschallstrahl und wird durch seine Ausdehnung durch die Düse und in die erste Vakuumkammer des Systems 102 hinein adiabatisch abgekühlt. Wenn die Gasdichte während ihres Durchtritts durch die Ausgangsöffnung langsam genug abfällt, besteht ausreichend Zeit für den abgekühlten, übersättigten Dampf, um zu Tröpfchenkernen zu kondensieren und durch Aggregatbildung zu kleinen Tropfen, d.h. großen Clustern aus einigen tausend Gasatomen oder Molekülen heranzuwachsen. Dieser Strahl aus Clustern und Restgas wird auf eine kleine Öffnung in der ersten Vakuumkammerwand gerichtet, und der Kern des Strahls, der die höchste Konzentration an Clustern aufweist, geht in die zweite Vakuumkammer über. Die erste Kammer wird durch eine Vakuumpumpe auf einem Druck von ca. 10 bis 100 m Torr gehalten, und die zweite Kammer wird durch eine zweite Pumpe auf einem Druck von 10^–5 Torr oder darunter gehalten.
Nach dem Eintritt in die zweite Kammer geht der Clusterstrahl in den Ionisator 110 und hier in den Kern eines Drahtkäfigs über, der die Anode eines Elektronenstrahls niedriger Energie, typischerweise 100 V ist. Diese Elektronen treffen auf die Cluster und bewirken ein Abschlagen von Elektronen vom Cluster, die wiederum dazu dienen, die Cluster zu ionisieren, und zwar typischerweise mit genau einer positiven Netto-Ladungseinheit. Die ionisierten Cluster werden vom ersten Elektrodenelement des Beschleunigers 108 aus dem Ionisator 110 abgezogen.
Als zweites Bauteil des Beschleunigers ist eine Elektrode mit einem bzw. einer im Verhältnis zur Abzieherelektrode hohen negativen Potential bzw. hohen negativen Spannung vorhanden, wobei es sich bei diesen Spannungsunterschied um das Beschleunigungspotential handelt. Als drittes Bauteil des Beschleunigers 108 ist ein Satz von typischerweise drei Elektroden vorhanden, die als Sammellinse fungieren, und bei einer geeigneten Auswahl von Spannungen für diese Elektroden, dient diese Linse dazu, den Cluster-Ionenstrahl auf einen vorbestimmten Punkt stromabwärts im Strahlenweg zu fokussieren. An diesem Brennpunkt auf der Strahlachse ist das Werkstückziel 104 angeordnet, wobei es senkrecht zum Strahl ist. Nahe am, aber parallel zum Ionenstrahlengang und zwischen der letzten Elektrode des Beschleunigers 108 und des Ziels 104 befinden sich feststehende Paare von Platten 106, die dazu dienen, den Strahl mittels Spannungsunterschieden zwischen den Platten elektrostatisch abzutasten. Ein Paar der Platten bewirkt, wenn es vorgespannt wird, eine Ablenkung des Strahls in der horizontalen Ebene, während ihn das zweite Paar in der vertikalen Ebene ablenkt.
Elektrische Stromversorgungen 134, die außerhalb des Vakuumsystems 102 liegen, liefern Vorspannungen und Strom zu den verschiedenen Elektroden des Ionisators 110, Beschleunigers 108 und Abtasters 106 in der Vakuumkammer. Typischerweise wird ein Satz einzelner Stromversorgungen verwendet, und zwar eine für jede Elektrode, und jede wird außerhalb des Systems 134 durch ein Spannungsreglerstellglied 132 unabhängig überwacht. Es können auch einfachere Auslegungen verwendet werden, wie etwa eine einzelne Stromversorgung mit einer Widerstandsreihenschaltung, um die erforderlichen Spannungen herauszudividieren. In der vorliegenden Erfindung ist jedoch mindestens eine der Elektrodenspannungen vorzugsweise einzeln nach dem adaptiven Verfahren einstellbar. Verschiedene Zwischenschemata mit mehrfachen Stromversorgungen können verwendet werden und bieten manchen elektrischen Vorteil. Alle Elektroden können von einem Aggregat von parallel oder in Reihe oder auch Kombinationen von diesen angeschlossenen Versorgungen wie auch zusammen mit mindestens zwei Elektroden angesteuert werden, die auch von einem Widerstandsteiler angesteuert werden. Einige der Versorgungen regeln sich intern durch elektronische Einsichtungen selbst auf eine eingestellte Spannung oder einen eingestellten Strom, wobei dieser eingestellte Wert durch das Stellglied 132 bereitgestellt und vorzugsweise durch ein faseroptisches Relais and eine elektrische Einrichtung vermittelt wird. Das optische Verbindungsrelais ist bevorzugt, weil bei manchen Verbindungskonfigurationen manche Stromversorgungen 134 mit einer sehr hohen Spannung über dem Masse- oder systemimmanenten Potential betrieben werden.
Eine Inspektion und Überwachung des Werkstückoberflächenziels 104 wird bevorzugt, um während der Oberflächenbearbeitung dahingehend eine schnelle Angabe bereitzustellen, in welchem Ausmaß der GCIB seine Aufgabe erfüllt hat, wie sie in einer zugeteilten Zeit zu erwarten ist. In der Erfindung sind Einrichtungen mittels eines optischen Monitors 136 vorgesehen, wobei ein optisches Messverfahren verwendet wird, da er optische Überwachungsfunktionen erfüllen kann, während er ausreichend weit weg von dem senkrechten Einfallwinkel, den der Clusterstrahl braucht, und ohne Kontakt mit oder Störung der Werkstückoberfläche arbeiten kann. Die Stärke des gestreuten Laserlichts, d.h. die nicht gespiegelte Reflexion von der Zieloberfläche nach einem streifenden Einfall ist ein nützlicher Indikator für die Oberflächenrauigkeit. Eine sehr feinmaßstäbliche Rauigkeit erfordert Licht mit kurzer Wellenlänge, z.B. ultraviolettes Licht zur praktischen Empfindlichkeit. Ein Zugang in das Vakuumsystem 102 wird durch Fenster geboten, die aus einem bei der benutzten Wellenlänge durchlässigen Material bestehen. Die Intensität des gestreuten Lichts oder anderer optischer Parameter wird von einem optischen Sensor im Monitor 136 gemessen und ein elektrischer Ausgang wird einer zentralen Rechnervorrichtung 130 bereitgestellt.
Indem sie die Information in Signalform aus dem Monitor 136 nutzt, trifft die Rechnervorrichtung 130 bestimmte logische Entscheidungen. Diese logischen Entscheidungen werden zu digitalen oder analogen Signalen codiert und über Signalverbindungen an verschiedene Stellglieder geliefert (als unterbrochene Linien ausgehend von der Rechnervorrichtung 130 gezeigt), und zwar zu Temperaturstellgliedern 116, Durchflussmengenstellgliedern 126, 128 und dem Spannungsreglerstellglied 132, wodurch ein Regel-/Steuerkreis für die GCIB-Vorrichtung gebildet wird. Die Durchflussmengenstellglieder 126 und 128 stellen Mittel bereit, um die Signale aus der Rechnervorrichtung in eine mechanische oder ähnliche Betätigung umzusetzen, die jeweils den Sollwert für die Mengendurchflussregler 118 und 122 einstellt. Die Temperaturstellglieder 116 stellen Mittel bereit, um die Signale aus der Rechnervorrichtung in Aktionen umzusetzen, die den Sollwert der Gasvorkühleinrichtungen 114 und 115 einstellen. Zusätzlich stellt das Spannungsreglerstellglied 132 Mittel bereit, um den Betriebssollwert für alle Stromversorgungen im System 134 elektronisch einzustellen.
Die Rechnervorrichtung 130 kann beliebige verschiedene Programme nutzen, um zu den logischen Entscheidungen zu gelangen, welche die GCIB-Vorrichtung während ihrer Bearbeitung jedes Werkstücks anpassen. Das einfachste ist einfach nur ein Zeitablaufplan, der Spannungsänderungen nach spezifischen Zeitabständen anweist, die nach dem Anlauf der Bearbeitung stattfinden. Der bevorzugte Algorithmus wäre eine kombinierte mathematische Berechnung aus einem detaillierten theoretischen Modell (oder eine Annäherung, usw.) der in 3 gezeigten Kurvenformen zusammen mit prozessinterner Information, die vom optischen Monitor 136 bereitgestellt wird. Die mathematische Berechnung nutzt viele Kurven mit der in 3 gezeigten Form 300 und 302, welche die Abnahme bei der Rauigkeit nach einem exponentiellen Zerfall zu einer Asymptote zeigen.
Im Allgemeinen sind nur die drei Parameter (1) Anfangsrauigkeit, (2) Zerfallsrate und (3) Asymptotenwert erforderlich, um jede Kurve wie bei 300 zu charakterisieren. Durch Kalibrierung der Vorrichtung unter feststehenden Betriebsbedingungen lässt sich ein detailliertes Wissen darüber erlangen, wie Ätzrate und Asymptote von den GCIB-Parametern wie Beschleunigungsspannung, Clustergröße, Gasart und Vorkühlen abhängen. Mit dieser Information, die für jede Zusammensetzung und Werkstückart ermittelt werden muss, ergibt sich eine eindeutige Abfolge von Änderungen und Anpassungen an bzw. in der GCIB-Vorrichtung, die den schnellsten Prozess bereitstellen, um die beste endgültige Asymptote mit minimaler Oberflächenrauigkeit bereitzustellen. In einer beispielhaften Ausführungsform beginnt die Rechnervorrichtung 130 mit tabellarischen Parametern der Ätzrate und Asymptote, die für jedes Werkstückmaterial vorbestimmt sind, macht durch Berechnung den schnellsten Satz der Anpassungen oder Abfolge der GCIB-Bearbeitungsparameter ausfindig, und führt dann diese Abfolge aus, während gleichzeitig Prozessüberwachungsinformation genutzt wird, um kleinere Einstellungen für jedes einzelne Werkstück vorzunehmen.
Komplexere Einstellungsprogramme für die Strahlenergie werden bevorzugt, weil sie es noch schneller ermöglichen, zur gewünschten Oberflächengüte zu gelangen. Die Strahlenergie befindet sich in der Erfindung konstant unter Einstellung, so dass sie immer mit der schnellstmöglichen Rate für dieses Stadium des Ätzens ihren Fortschritt zur endgültigen gewünschten Oberflächenbeschaffenheit (sowohl Ätztiefe als auch Oberflächenrauigkeit) hin nimmt.
Jede Zusammensetzung der Oberfläche (des Materials) hat eine zumindest etwas andere Wechselwirkung mit jedem Strahl, und somit hängt die optimale Einstellung der Vorrichtung zu jedem Zeitpunkt des Prozesses von der Art des Materials ab, das gerade geglättet wird. Beispielsweise haben Weichgoldschichten ein etwas anderes physikalisches Ionenätzverhalten unter GCIB, was auf die unterschiedliche Sputter-Mechanik auf dem Atomniveau zurückzuführen ist, als brüchige und harte Keramik wie Aluminiumoxid. Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, die in der Lage ist, den GCIB optimal für jede Oberflächenzusammensetzung und jede Anfangsoberflächenrauigkeit einzustellen.
Ein weiteres Merkmal der GCIB-Wirkung auf Oberflächen ist die Beseitigung von Oberflächenverunreinigung. Bei Beschleunigungsspannungen unter dem Schwellenwert für die in Bearbeitung befindliche Oberfläche ätzen die auf die Oberfläche auftreffenden Clusterionen diese nicht nennenswert, aber auf der Oberfläche befindliche Kontaminanten können von ihrer Stelle gelöst und dadurch von der Oberfläche entfernt werden. Aufgrund der allgemein schwächeren Bindungsenergie (Adhäsionskräfte) verunreinigender Fremdkörper im Vergleich zu den stärkeren Festsubstratmaterialbindungen (Kohäsionskräfte) wird es möglich, Ionenenergien zu wählen, welche in der Lage sind, die Ersteren (Ionenenergie ist höher als die Adhäsion) mit jedem oder keinem Schaden am Substrat aufzubrechen (Ionenenergie ist geringer als die Kohäsion). Die Erfindung stellt eine GCIB-Vorrichtung bereit, die an Betriebsbedingungen so angepasst werden kann, dass eine Oberflächenreinigung (Dekontamination) stattfindet, und dann an Ätz- und Glättungsbedingungen angepasst werden kann. Vorzugsweise sollten diese für jedes Werkstück genutzt werden, so dass die endgültige Oberfläche gereinigt, auf die gewünschte Tiefe abgetragen und mit einer endgültigen Oberflächenrauigkeit belassen wurde, die so gering wie möglich ist.
Der herkömmliche GCIB-Glättungsprozess des Ionenätzens kann durch das adaptive technische Verfahren der Erfindung verbessert werden. Mit einem Cluster-Ionenstrahl sind die Ätzrate und das Beharrungszustandsniveau der Restrauigkeit des Zielobjekts größtenteils unabhängige Parameter, die von vielen Faktoren beeinflusst werden. Der praktische Einsatz von GCIB-Glättung wird um vieles besser, wenn die Parameterauswirkung dieser Faktoren verstanden und durch das Bearbeitungsverfahren und den Aufbau der Vorrichtung praktisch genutzt wird. Beispielsweise wird die zum Erreichen des optimalen Glättezustands (minimale Restrauigkeit) erforderliche Zeit viel kürzer, wenn der Strahl während des Prozesses angepasst wird, genauso als wenn man von grober zu feiner Korngröße bei der Verwendung von Schleifpapier übergeht, um die Oberfläche von Holz zu glätten, wenn diese nach und nach glatter wird. Als alternatives praktisches Ziel kann es im Prozess gewünscht sein, eine Ionenstrahlätzung durch eine bestimmte gegebene Materialdicke mit der höchstmöglichen Rate vorzunehmen, wie etwa beim Verdünnen einer abgeschiedenen Schicht, um eine gewünschte entgültige Schichtdicke zu erzielen. Nach der Fertigstellung der gewünschten Ätztiefe ist es von zusätzlichem Wert, diese und die endgültige Oberfläche so glatt wie möglich zu machen.
Jede Art (chemischer Zusammensetzung und Struktur) eines Oberflächenmaterials (Schicht oder Masse, wenn sie freiliegt) hat eine Ätzbeginnschwelle, eine Ätzrate und eine Beharrungszustandsrestrauigkeit, die sich im Allgemeinen eindeutig von anderen Materialarten unterscheidet. 2 ist eine herkömmliche Kurve, welche eine schematische Ätzrate (durchgezogene Linie) eines Cluster-Ionenstrahls bei verschiedenen Spannungen zeigt, die in der Reihenfolge V_th < V₁ < V₂ angelegt werden. Die Beschleunigungsspannungsskala ist in verschiedene Bereiche unterteilt, in denen verschiedene Wirkungen vorherrschen. Im Bereich 200 wird die Oberfläche mit einem Niedrigenergiestrahl gereinigt. Im Bereich 202, findet nicht zu weit über V_th eine lineare Ätzrate statt. Im Bereich 203, der sich aus der Skala heraus zu hoher Energie (Spannung) erstreckt, tritt verstärktes Ätzen auf, aber die Oberflächen werden nicht geglättet.
Diese Ätzmerkmale sind eine Folge der mikroskopischen Details der Wechselwirkung zwischen dem Ionenstrahl und der einzigartigen Materialeigenschaften des Zielmaterials, ob diese Ionen nun als einzelne Atome oder Moleküle oder Clustern von diesen vorliegen. Zusätzlich zur kinetischen Energie des Ionenstrahls wirken sich die Größe der Cluster (Anzahl der diese bildenden Atome oder Moleküle) und der Zustand kondensierten Stoffs, in dem sich der Cluster zu dem Zeitpunkt befindet, in dem er auf die Zielfläche auftrifft, auf die Beschaffenheit der Strahlwechselwirkung mit der Oberfläche aus. Eine Beibehaltung der Wucht der einfallenden Cluster wird je nach den Merkmalen der Cluster und der Oberfläche, wie etwa Größe und Energie der Cluster, Spitzendruck und Temperatur, die durch die Kollision verursacht werden, Spannungs-/Belastungsansprechen der Cluster und Oberfläche einschließlich des Ausmaßes plastischer Verformung, Stärke der akustischen Stoßwelle, die im Cluster im Verhältnis zur Cluster-Bruchfestigkeit entsteht, und das Ausmaß, in dem der Cluster und die Oberfläche elastisch ansprechen, d.h. die einfallende Clusterenergie beibehalten, auf verschiedene Weisen erzielt.
Erfahrungsgemäß ätzt ein Zerstäuben reiner elementarer Metalle durch Monomerionen typischerweise nur bei Ionen über einer Schwellenionenenergie, die ungefähr proportional zur Sublimationswärme für diese Metalle ist. Herkömmlicherweise wird berichtet, dass die Ätzrate von Metallen durch Argon-Cluster in etwa linear mit der Beschleunigungsspannung über einen Schwellenwert ansteigt, der bei typischen Situationen ca. 5 bis 7 kV beträgt. 2 stellt diesen Schwellenwert wie auch eine linear über den Schwellenwert ansteigende Ätzrate dar. Es wurde auch berichtet, dass Goldschichten auf immer niedrigere Rauigkeitsbeträge (gemessen entweder als mittlere Rauigkeit R_a oder als quadratisch gemittelte Rauigkeit R_rms) abgetragen werden, wenn sich eine zusätzliche Dosis aus einem Argon-Clusterstrahl ansammelt. Diese Situation ist in 3 dargestellt, worin sich R_a bzw. R_rms exponentiell zum erzielbaren Mindestwert hin annähern.
3 ist eine herkömmliche Kurve, welche eine mit der Clusterdosis progressive Abnahme von Rauigkeit bei einer konstanten Beschleunigungsspannung für den Cluster-Ionenstrahl zeigt. Es sind drei Ätzkurven gezeigt, eine, 300, die sich bei einer Spannung V₁ und die andere, 302, bei V₂ ergab, wobei V₁ < V₂ ist. Die Kurve 303 für V₃, wobei V₃ >> V₂ ist, bedeutet Ätzen mit einer so hohen Spannung, dass die Oberfläche rauer gemacht wird. Die Kurven sind zu veranschaulichenden Zwecken in Segmenten gezeichnet, würden in Wirklichkeit aber stetig verlaufen. Die Kurve 302 bei V₂ ist die am steilsten abfallende, hat aber eine Asymptote bei einer höheren R_a als die Kurve V₁, während diese Letztere langsamer abfällt, aber die niedrigste R_a bei hoher Dosis hat.
Es wird über ein mathematisches Modell zusammen mit Computersimulationen des Cluster-Ätzens unter Verwendung dieses Modells berichtet. Es stellte sich heraus, dass ein simulierter Ätzvorgang von der Beschleunigungsspannung oder -energie abhängt, wobei die Ätzrate bei zunehmender Energie aber mit asymptotischer Rauigkeit (bei sehr hoher Dosis) zunimmt, die mit zunehmender Energie abnahm. Die Erfindung sorgt dafür, dass dies nicht das Ergebnis unter realistischen Ionenätzbedingungen sein kann. Die Restrauigkeit, die nach einem sehr lange dauernden, also mit einer hohen Dosis erfolgenden Ätzvorgang zurückbleibt, hängt sicherlich von dem Ausmaß ab, in dem Clusteraufschläge auf die Oberfläche des Werkstücks die Oberfläche durchdringen und Material absputtern, das von unterhalb des unmittelbaren Oberflächenbereichs stammt. Dies ist schematisch in 3 dargestellt, worin die asymptotische (hochdosierte) Rauigkeit (R_a und R_rms) mit der niedrigeren Spannung (V₁, wobei V₁ < V₂) selbst geringer ist.
Herkömmliche Messungen von Atom-, Molekül- und Clusterionenaufprall und -ätzen zeigen einen Trend hin zur abnehmenden Tiefeneindringung und -zerstörung, wenn die Ionenenergie gesenkt wird, bis diese Energie das Minimum oder den Schwellenwert erreicht, das bzw. der notwendig ist, damit Ätzen stattfindet. Gemessene Tiefenprofile der Konzentration der unter die Oberfläche des Werkstücks einfallenden Spezies zeigen diesen Trend ziemlich klar an. Die Erfindung sorgt dafür, dass mit Cluster-Ätzen die asymptotische Rauigkeit bei hoher Dosis sich beim Ätzen mit Cluster-Ionenstrahlen, die auf Energien gerade über dem Schwellenwert für das Ätzen beschleunigt werden, auf einem Minimum befinden. Die Schwellenenergie kann für jede Art von Werkstoffmaterial und für jede Zusammensetzung, den thermodynamischen Zustand und die Beschleunigung des Clusterstrahls experimentell festgestellt werden.
Ein erfindungsgemäßer adaptiver GCIB-Ätzprozess ist in 4 dargestellt. 4 ist eine grafische Darstellung, welche die mit der Clusterdosis progressive Rauigkeitsabnahme durch ein erfindungsgemäßes adaptives GCIB-Verfahren zeigt. Das Ätzen beginnt bei der Kurve 400 mit Clustern, die konstant auf V₂ sind, wechselt dann abrupt zur Kurve 402 bei einer Dosis, wo sich der vertikale Pfeil befindet. Beide Kurven 400 und 402 erstrecken sich vor und nach dem Kreuzungspunkt von gekrümmten unterbrochenen Linien. Das Ätzen geht entlang der Kurve 402 bei einer konstanten Spannung V₁ weiter, wobei V₁ < V₂ ist. Bei der zusammengefassten Ätzkurve (nur durchgezogene Linien) handelt es sich um das adaptive Verfahren. Die Asymptoten für Ätzen bei V₁ und V₂ sind als horizontale unterbrochene Linien gezeigt.
Das Ätzen beginnt mit einer größeren Beschleunigungsspannung V₂, ca. 20 kV bis 60 kV, was eine relativ schnelle Ätzrate bewirkt, und eine Dosis für das Werkstück wird akkumuliert, bis die R_a oder R_rms um einen deutlichen Betrag gesenkt ist. Die Beschleunigungsspannung wird dann auf V₁ gesenkt, ca. 5 kV bis 7 kV, (als Knick oder abrupte Krümmung in der Ätzkurve gezeigt), und die Bestrahlung geht weiter, bis sich eine ausreichend große Dosis ansammelt, so dass die Exponentialkurve nun zu ihrem asymptotischen Wert hin verläuft. Die einzelne Ätzkurve kann als eine im Wesentlichen stückweise Kombination der beiden Kurven gesehen werden. Es ist wichtig, festzuhalten, dass dieser zweistufige adaptive Prozess schon früh, wenn die Werkstückoberfläche noch am rauesten ist, eine schnelle Rauigkeitsabnahme bereitstellt, sich dann aber an eine niedrigere Spannung anpasst, weil der höhere Wert die gewünschte geringe asymptotische Rauigkeit nicht bereitstellt. Als adaptives Verfahren wären mehrere Spannungsstufen in der Bestrahlungszeit sogar noch wirksamer als eine kontinuierliche Veränderung der Beschleunigungsspannungen.
Als ein Beispiel adaptiven GCIBs wird eine Abfolge von Systembetriebsbedingungen beschrieben, die auf bekannten Ätzparametern sowie der angestrebten endgültigen Ätztiefe und der maximalen Oberflächenrauigkeit beruhen. Toyoda et al. berichten in den Tagungsreferaten der Konferenz "Applications of Accelerators in Research and Industry", herausgegeben von Duggan und Morgan (Amer. Inst. Physics Press, New York, 1997) auf Seite 483, dass Argoncluster-Ionenstrahlätzen von Kupferschichten auf Siliziumwafern eine ungefähre Schwellenspannung von V_th = 6.000 V hat, und ein Sputter-Ertrag Y, der linear proportional zur Cluster-Beschleunigungsspannung V über V_th ist, Y = (4,2 × 10^–3)(V – V_th) entspricht, und zwar in Einheiten zerstäubter Atome pro einfallendem Ion.
Aus dem Ertrag Y lässt sich die Ätztiefe d unter Verwendung des folgenden Ausdrucks berechnen:
D = (DY)/ρ_a in cm-Einheiten, und worin D die Cluster-Ionendosisdichte, D = Jt/e für J die Ionenstrahlstromdichte (A/cm²), t die Bestrahlungszeit, e die elementare Ladung e = 1,6 × 10^–19 Coulomb, und ρ_a die Atomdichte des Feststoffs (Atome/cm³) ist. Daraus folgt: d = (4,2 × 10⁵)(V – V_th)D/ρ_a in Å-Einheiten.
Zum Beispiel ist die Dichte der Atome in massivem Kupfer ρ_a = 8,5 × 10²² Atome/cm³. Wenn der Ionenstrahl in diesem Beispiel J = 10 μA/cm² und V = 27 kV, dann ist mit t = 1 sec Bestrahlung die Ätztiefe erwartungsgemäß ca. d = 6,5 Å, bzw. in ca. t = 1 Stunde Bestrahlung d = 2,3 μm.
Die hier berechnete Ätztiefe d ist die Tiefe zwischen zwei idealen ebenen Oberflächen oder die mittlere Tiefe zwischen zwei rauen Oberflächen. Klar hat eine gemessene Tiefe d einen höheren statistischen Aussagewert, wenn die mittlere Rauigkeit R_a der höheren und der niedrigeren Oberfläche jeweils viel kleiner als d, d.h. R_a << d ist. Es ist ein generelles Merkmal des GCIB-Prozesses, dass die Clusterionen die Oberflächenrauigkeit (R_a) bei einem Aufprall mit senkrechtem Einfall senken. Yamada et al. haben über den Rauigkeitssenkungsprozess in The Journal of Vacuum Science and Technology, Band A14, Seite 781, 1996 berichtet. Dort wird berichtet, dass eine Abnahme von R_a exponentiell mit einer Dosisdichte D auftritt, nämlich als: Ra = (Ri – Ro)exp(–D/Δ) + Ro,worin R_i die Ausgangsrauigkeit der Oberfläche, R_o die asymptotische oder Grenzrauigkeit ist, die nach willkürlich langen Bestrahlungen erzielt wird, und Δ die exponentielle Dosiskennlinie bei einer Senkung der Rauigkeit ist. (Diese Exponentialfunktion ist diejenige, die in 3 als Kurve 300 und Kurve 302 dargestellt ist). Es wurde berichtet, dass bei Dünnfilmen aus Kupfer, die auf Siliziumwafern hergestellt wurden, ein Argoncluster-Ionenstrahl mit 20 kV Beschleunigung eine Schicht mit einer anfänglichen R_i = 58 Å auf eine geschätzte R_o = 12 Å glättet, wobei eine Dosis von ca. 1 × 10¹⁵ Ionen/cm² benötigt wird, um 1/e (= 37%) der Größe (R_i – R_o) zu erreichen. Daraus folgt Δ = 1 × 10¹⁵ Ionen/cm² für diese Situation.
Darüber hinaus wird hier geschätzt, dass R_o = α(V – V_th) mit ca. α = 1 × 10^–3 Å/V, und Δ = β/(V – V_th) mit ca. β = 1,4 × 10¹⁹ Ionen/cm² ist. Beide dieser linearen Relationen gehen davon aus, dass die Beschleunigung V größer, aber nicht zu viel größer als V_th ist, d.h. V größer als V_th und weniger als ca. 100 kV sein muss. Es ist auch zu sehen, dass, wenn sich V V_th annähert, die Restrauigkeit (R_o) und die Glättungsrate (1/Δ) wie auch die Ätzrate (d/t) jeweils gegen Null tendieren, was eine primäre Motivation für das erfindungsgemäße adaptive GCIB-Verfahren ist. Dieses Beispiel wird durch Ausweitung auf Mischgase zur Ausbildung des Clusterstrahls und insbesondere auf das Beispiel weiterentwickelt, in dem reines Argongas durch ein Gemisch von Argon- und Sauerstoffgasen mit einem Volumenverhältnis 80:20 ersetzt wird. Dafür wird geschätzt, dass das Ätzen der Kupferschicht um das ca. Dreifache beschleunigt wird, also Y_m = 3Y und Δ_m = Δ/3, aber die asymptotische Rauigkeit (und zwar nach sehr langen Bestrahlungen) um das Zweifache zunimmt, also R_om = 2R_o ist, worin Y, Δ und R_o Werte für reines Argongas sind, die wie vorstehend berechnet wurden.
Ein mögliches Szenario für einen adaptiven GCIB-Prozess zum Glätten und Ätzen einer Dünnfilmoberfläche wird durch die folgende Abfolge von Gerätebetriebsparametern veranschaulicht. Das bestimmte Werkstück in diesem Beispiel besteht aus einer Kupferschicht, die eine Anfangsoberflächenrauigkeit von R_; = 100 Å hat, und auf den GCIB anspricht, der den verschiedenen Parametern und ihren in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigten Zahlenwerten entspricht. Die Schicht wird mit vier aufeinanderfolgenden GCIB-Bestrahlungen bearbeitet, wovon jede einzelne die Schichtrauigkeit senkt und eine bestimmte Dicke der Schicht wegätzt. Die vier Gruppen von Betriebsbedingungen und die Schichtrauigkeit und Ätztiefe sind in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt.
Kurz ausgedrückt umfasst Schritt Eins einen aggressiven Ätzvorgang mit einem Gasgemisch und hoher Beschleunigungsspannung, gefolgt von einer erneuten Messung der Oberflächenrauigkeit in situ (unter Verwendung von Laserlichtstreuung). Schritt Zwei umfasst reines Argon-Ätzen bei hoher Spannung, Schritt Drei senkt die Spannung etwas, und schließlich vervollständigt Schritt Vier die Prozessabfolge mit reinem Argon und einer Beschleunigungsspannung, die etwas über derjenigen der Schwellenenergie liegt.

Die in situ-Messung von R_a erfolgt in jedem Fall in jedem Schritt nach der GCIB-Bestrahlung und wird dann als Grundlage zur Berechnung des erwarteten Effekts des nächsten Bestrahlungsschritts verwendet. In diesem Beispiel wird die Vorrichtung bei allen dargestellten Schritten mit einer konstanten Cluster-Ionenstrahlstromdichte (J) betrieben. Somit kann die Bestrahlungszeit (t) aus der Dosis (D) berechnet werden, die für jeden Schritt angegeben ist. Tabelle 1. Parameter für ein Beispiel eines adaptiven GCIB-Prozesses

Parameter	Symbol	Zahlenwert
Schichtdichte	ρ_a	8,5 × 10²² Atome/cm³
Anfangsrauigkeit	R_i	100 Å
Schwellenenergie	V_th	6.000 V

Tabelle 2. Betriebsbedingungen und schrittweise Veränderungen der Schicht während des adaptiven Prozesses.

Betriebsablauf	Anfang	Schritt 1	Schritt 2	Schritt 3	Schritt 4
Gas zur Ausbildung des Cluster-Ionenstrahls	-	Ar + O₂	Ar	Ar	Ar
Beschleunigungsspannung V	-	30 kV	30 kV	20 kV	10 kV
Sputter-Ertrag Y	-	300	100	60	17
Dosiskennlinie Δ (Ionen/cm²)		2 × 10	6 × 10¹⁴	1 × 10¹⁵	3,5 × 10¹⁵
Dosis D, in diesem Schritt (Ionen/cm²)		1 × 10¹⁴	5 × 10¹⁴	1 × 10¹⁵	5 × 10
Asymptotische R_a (Å)		50	25	15	5
Berechnete Prozess-R_a (Å)	-	80	47	27	10
In situ gemessene R_a (Å)	100	75	-	-	11
Ätztiefe d, in diesem Schritt (Å)	0	36	59	69	100
Ätztiefe, kumulativ (Å)	0	36	95	164	264

Anhand der Darstellung des Vorteils des adaptiven Prozesses ist festzustellen, dass von den vier Schritten nur Schritt 4 die Fähigkeit hat, die endgültige Rauigkeit R_a zu erreichen, welche die in Tabelle 2 gezeigte Abfolge erreichte. Wenn nur ein einzelner Prozess zum Vergleich verwendet wird, und mit Ausnahme der Dosis die Betriebsbedingungen diejenigen waren, die für Schritt 4 aufgelistet sind, wäre eine höhere Dosis von 9,7 × 10¹⁵ Ionen/cm² notwendig. Diese Einzelprozessdosis ist 1,5 mal höher als diejenige des in Tabelle 2 dargestellten, aus vier Schritten bestehenden Prozesses. Wenn die GCIB-Vorrichtung mit einer Cluster-Ionenstrahlstromdichte von J = 10 μA/cm² bei allen Prozessen in diesem Beispiel arbeitet, würde der adaptive Prozess eine Gesamtbestrahlungszeit von 106 Sekunden und der einzelne Prozess 155 Sekunden benötigen. Das ist der Vorteil des adaptiven Prozesses der Erfindung.
Als Beispiel für die Bedeutung des Ätzschwellenwerts ist zu berücksichtigen, dass bei niedriger Einfallsenergie eines Clusterstrahls auf eine Oberfläche unter hoch elastischen Bedingungen es nur zu schwachen irreversiblen Auswirkungen kommen kann und die Cluster elastisch abprallen, ohne irgendetwas vom Oberflächenmaterial loszubrechen (abzutragen) oder gar selbst zu zerbrechen. Als weiteres Beispiel können größer bemessene Cluster aus einem bestimmten Gas, z.B. Argon, gebildet werden, indem dieses, z.B. unter Verwendung von Tieftemperaturverfahren, vorgekühlt wird, oder indem eine hohe Konzentration eines leichteren Gases, z.B. Wasserstoff oder Helium, zugemischt wird, das anschließend ausreichend lange vor dem Clusteraufprall in den Vakuumkammern abgepumpt wird. Bei derselben Cluster-Ionenbeschleunigungsspannung haben alle entstandenen einfach geladenen Cluster dieselbe kinetische Energie. Die größeren Cluster in diesem Beispiel haben aber ein niedrigeres Moment und eine geringere Geschwindigkeit und weniger mittlere kinetische Energie pro Atombestandteil.
Die Kombination dieser Parameter wirkt sich auf die Beschaffenheit des Kollisionszusammenpralls mit der Zielfläche und von daher das Ätzen aus.
Bei relativ hohen Cluster-Aufprallraten (Anzahl von Cluster-Kollisionen pro Sekunde) und somit Ätzraten, kann es gut sein, dass die Aufprall-, Sputter- und Ätzvorgänge nichtlinear oder nichtlinearer als bei niedrigen Raten werden. Als Konsequenz kann das Ätzen bei hohen Strahlströmen (Anzahl von Ionen pro Sekunde, wobei jedes Ion im Wesentlichen ein Cluster ist) nichtlinear zunehmen. Erfindungsgemäß kann die hohe Ätzrate in den Anfangsstadien eines Ätzvorgangs zum Glätten der Oberfläche eines Werkstücks nützlich sein, die endgültige Restrauigkeit der Oberfläche wird aber positiv beeinflusst, wenn der Strahlstrom erst gegen Ende des Ätzprozesses mit dem Ziel gesenkt wird, dass sich die mechanischen Ätzabläufe linearer darstellen.
Cluster haben als kleine Materieteilchen in einem verdichteten physikalischen Zustand einen thermodynamischen Zustand, können als Flüssigkeit oder als verschiedene feste Formen vorliegen, und haben eine Temperatur. Während des Durchtritts durch die Vakuumkammer ab der Entstehung in der Düsenvorrichtung bis zum Aufprall auf die Zielfläche, verdunstet etwas vom Material der Cluster, da sie zu einem thermodynamischen Gleichgewicht mit dem umgebenden Vakuum tendieren. Dieses Verdunsten führt zu Verdunstungskühlung und einer Senkung der Clustertemperatur.
Bei Argon ist beispielsweise die Erstarrungstemperatur nur ein bisschen niedriger als die Flüssigkeitskondensationstemperatur, und somit ist zu erwarten, dass unter den meisten Bedingungen ein Argoncluster im festen Zustand auf eine Zielfläche auftrifft. Die viskose Strömung und die elastische Beschaffenheit, inklusive Bruchfestigkeit von Feststoffen, hängt von vielen Parametern ab, welche die Bindungsfestigkeit, das Vorhandensein kristallinen Stoffs und die Beschaffenheit von Kristallfehlern oder Polykristallinität sowie auch die Temperatur umfassen. Flüssiges und festes Argon werden durch van der Waalssche Kräfte gebunden, die durch sehr schwache Anziehungskräfte und sehr starke (Hard-Core-)Abstoßungskräfte gekennzeichnet sind.
Bei einer Beschleunigung nicht zu weit über den Schwellenwert sind die Ätzwirkungen des Aufpralls eines sehr kalten Cluster-Gasstrahls größer als diejenigen eines fast geschmolzenen (und von daher weichen) festen Clusters oder eines Clusters im flüssigen Zustand. Dies lässt sich durch die erheblich höheren abrasiven und erodierenden Auswirkungen eines Strahls von Eiskristallen auf eine Fläche im Vergleich zu einem Wasserstrahl verdeutlichen. Eis ist jedoch stärker gebunden als festes Argon. Generell wird der GCIB-Glättungsprozess durch eine Vorrichtung, die in der Lage ist, Cluster in verschiedenen Zuständen und Temperaturen herzustellen, sowie durch Bearbeitungsverfahren gefördert, die diese Leistungsmerkmale nutzen, um die praktische Anwendung dieser Glättung zu nutzen.
Trockenätzen mit Ionenstrahlen auf Vakuumgrundlage eignet sich besonders gut zur Herstellung mikroelektronischer Schaltungen durch losweise Prozesse auf Wafern großen Durchmessers, z.B. Silizium. Hier besteht oftmals die Situation, dass die Oberfläche, die geätzt werden soll (oder der Film, der dünner gemacht werden soll), auch geglättet, d.h. weniger rau gemacht werden muss. Die Verwendung eines GCIB-Verfahrens ist für solche Anwendungen besonders vorteilhaft, weil es einen wesentlichen Fortschritt auf dem Gebiet im Vergleich zu herkömmlichen Ätzverfahren aufweist. Wie bei allen Ionenätzverfahren kann jede stoffliche Zusammensetzung in der Oberfläche eines Werkstücks eine Ätzrate aufweisen, die sich von derjenigen anderer Zusammensetzungen unterscheidet.
Beispielsweise kann die Oberfläche lithografisch strukturierte Metallschichten enthalten, die als Schaltungsverdrahtung bei VLSI oder als ferromagnetische Sensoren in Festplattenspeicherköpfen gedacht sind, und diese sind, je nach dem Leiterbild, durch dielektrische Schichtmaterialien wie ein Siliziumoxid oder Aluminiumoxidverbindungen voneinander getrennt. Es wird dann oftmals angestrebt, diese aus zwei Komponenten, d.h. den Metall- und Oxidschichten bestehenden Oberflächen dünner zu machen, und zwar so, dass keine Höhen- oder Dickenunterschiede zwischen den beiden Komponenten hervorgerufen werden. Oder, falls bereits Höhenunterschiede bestehen, diese zu mindern oder abzuschaffen, d.h. die Oberfläche zu ebnen. Eine Steuerung unterschiedlicher Ätzraten kann für ein besseres Ergebnis des Planätzens sorgen, aber eine Anpassung jeder Ätzvorrichtung an jedes Material und Stadium des Prozesses wird notwendig, damit dieser Vorteil auch eintritt.
Die Ätzraten zweier beliebiger Werkstoffe hängen im Allgemeinen sowohl von deren physikalischen als auch chemischen Ätz- oder Sputter-Raten ab, die wiederum von der Zusammensetzung und Energetik der im Prozess verwendeten Ionen abhängen. Beispielsweise ätzt Argon als Inertgas nur durch physikalische Zerstäubungsmechanismen, während Sauerstoffionen, die auf eine oxidierbare Metalloberfläche einfallen, je nach Ionenenergie und anderen Parametern sowohl physikalisch als auch chemisch ätzen können. Bei hoher Energie tendieren alle Ionen dazu, vorwiegend durch physikalisches Zerstäuben zu ätzen, aber genau über der Schwellenenergie herrschen chemische Wirkungen für gewöhnlich vor. Die verschiedenen Verfahren des chemischen Trockenätzens von Oberflächen durch Ionen werden oft als reaktives Ionenätzen (RIE) bezeichnet. Halogene und halogenhaltige Gasphasenverbindungen sind auf dem Gebiet des Ionenätzens auch dafür hinlänglich bekannt, dass sie auf den Oberflächen bestimmter Materialien selektiv höhere Ätzraten aufweisen.
Cluster-Gasionenstrahlen haben die Eigenschaft, etwa wie herkömmliche Monomer-Ionenstrahlen, durch physikalische und chemische Mechanismen zu ätzen. Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, um die Planarität von aus zwei Komponenten bestehenden Oberflächen als zusätzliche und gewollte Konsequenz des GCIB-Glättungsprozesses bereitzustellen. Die Cluster selbst können in einer mischgassolvatisierten Zusammensetzung aus beispielsweise Argon mit einigen Prozent Sauerstoff oder Chlor hergestellt werden. Wenn das der Düse zugeführte Ausgangsgas sowohl aus Argon als auch Sauerstoff mit Letzterem in hohem Prozentanteil besteht, der höher ist als ca. 20%, bilden die beiden Gase im Allgemeinen jeweils Cluster, aber primär nur mit der einen oder der anderen Gasart in diesen Clustern.
Ein GCIB mit entweder den Clustern aus solvatisiertem Gemisch oder dem Gemisch aus verschiedenen Clustern kann zum Ätzen von Zweikomponentenoberflächen verwendet werden, und machen unter geeigneten Bedingungen diese Flächen eben und extrem glatt. Zusätzlich kann der GCIB mit reinem Argon chemisch unterstützt werden, indem ein kleiner Strom chemisch reaktiven Gases wie Sauerstoff oder Chlor auf die oder nahe der Werkstoffoberfläche eingeleitet wird. Dies ist eine Verbesserung gegenüber früheren Verfahren des chemisch unterstützten Ionenstrahlätzens (CAIBE), die bekannt sind und beispielsweise dazu verwendet werden, Kristallfacettenspiegel auf Verbundhalbleiterlaserdioden zu ätzen.
Der optimale Prozess und die optimale Einstellung der Vorrichtung werden im Allgemeinen möglich, indem die Strahlparameter der Vorrichtung verändert werden, wenn der Glättungsprozess im Ablauf ist, und wird weiter möglich durch eine sofortige Kenntnis der Restrauigkeit und Ätztiefe der Zielfläche. Somit ist es für die Erfindung höchst erwünscht, eine instrumentelle Ausrüstung zu nutzen, die in der Lage ist, eine direkte und unmittelbare Information über die Rauigkeit und Tiefe des Zielwerkstücks während der Ionenstrahlbearbeitung, d.h. eine Prozessüberwachung in situ zu bieten.
Darüber hinaus ist die Vorrichtung, die in der Lage ist, die Ionenstrahleigenschaften während des Prozesses abzuändern, wesentlich für die Anpassung des Prozesses während des Ausführungszeitraums dieses Glättungsprozesses. Zusätzlich macht eine automatisierte Rechnereinrichtung, die Entscheidungsalgorithmen auf Grundlage der durch den Prozessmonitor in situ bereitgestellten Information anwenden und anschließende Befehle an die elektromechanischen Stellglieder in der Ionenstrahlausbildungsvorrichtung erteilen kann, ein geschlossenes Regelsystem und ein bevorzugtes adaptives Glätten des Werkstücks möglich. Diese Leistungsmerkmale sind im Hinblick auf die Vorrichtung 100 von 1 dargestellt.
Es steht eine große Anzahl an Verfahren und verschiedenartigen Instrumenten zur Oberflächenmesstechnik zur Verfügung. Viele von diesen erwiesen sich als geeignet zur Prozessüberwachung eines Werkstücks vor Ort in einer Vakuumkammer. Optische Verfahren sind besonders gut geeignet für diese Anwendung. Die Wellenlängen müssen so gewählt werden, dass sie sich wirksam durch die Gase in der Vakuumkammer fortpflanzen und maximal empfindlich für die Oberflächeneigenschaften sind, die in jedem Prozess zu überwachen sind. Beispielsweise wird der streifende Einfall eines Laserstrahls von einer Oberfläche reflektiert und erzeugt ein Flecken- oder Speckle-Muster, d.h. eine Kleinwinkelstreuung, die empfindlich auf Rauigkeit der Oberfläche bei Längenmaßteilungen von ein paar Wellenlängen bis hinunter zu einem kleinen Bruchteil der Wellenlänge anspricht. Wenn der einfallende Lichtstrahl polarisiert und die Polarisation des reflektierten Strahls analysiert wird, wird die Oberflächenrauigkeit durch die ellipsometrischen Parameter ψ und Δ ausgedrückt. Elektronenstrahlinstrumente sind gut geeignet, und Reflexionshochenergie-Elektronendiffraktion (RHEED) wurde weitverbreitet zur Charakterisierung von Oberflächenkristallinität, und in geringerem Ausmaß, von Rauigkeit eingesetzt.
Der Clusterstrahlbeschleuniger funktioniert mittels eines hohen elektrischen Potentialunterschieds (Spannung) zwischen Elektroden in der Vakuumkammer. Das Potential wird von einer außerhalb der Vakuumkammer liegenden Stromversorgung angetrieben. Elektronische Stromversorgungen sind bevorzugt, und darüber hinaus diejenigen, die ein Mittel bereitstellen, um die Stärke des Beschleunigungspotentials (der Beschleunigungsspannung) mittels eines Niedrigpegelrelaispotentials zu regeln/steuern. Das Relaispotential wird von fern zugeführt und durch den Bediener der GCIB-Vorrichtung oder vorzugsweise durch einen direkten analogen Ausgang einer digitalen Rechnervorrichtung eingestellt. Die Clustergröße kann gleichermaßen durch den Bediener oder Computer über elektromechanische Gasmengenventile, Gasdruckregler und Tieftemperaturkühlvorrichtungen einschließlich Wärmetauschern geregelt/gesteuert und eingestellt werden. Die ersten beiden Einrichtungen werden zur Einstellung der Hauptgasquelle zur Ausbildung von Clustern, z.B. Argon, und zum Zumischen eines zweiten oder leichteren Gases und zur anschließenden Steigerung der Clusterbildungswirkung in der Düse verwendet.
Die Tieftemperaturkühleinrichtung nutzt typischerweise mittels eines Wärmetauschers die Durchflussregelung einer Kryoflüssigkeit wie etwa Flüssigstickstoff (ausreichend, um Argon zu verflüssigen), der auf das Cluster-Ausgangsgas, z.B. Argon, wirkt. Ein Abkühlen des Gases muss geregelt/gesteuert werden, weil die Kondensationsthermodynamik dieses Gases in der Düse sich schnell ändert, wenn das Gas auf die der Massenverflüssigungstemperatur immer näher kommende Temperatur vorabgekühlt wird. Oftmals wird ein elektronischer Temperaturregler verwendet, und dies ist am wirksamsten, wenn ein elektrisches Heizelement im Wärmetauscherbereich vorgesehen ist, um ein schnelleres Ansprechen und straffer geregelte Temperaturregelungszustände bereitzustellen. Der Temperatursollwert des Reglers wird am besten unter elektronische Regelung/Steuerung gestellt und in die adaptive Regel-/Steuerelektronik integriert, wodurch sich die Clustergrößen während des Ätzprozesses anpassen lassen.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Hinblick auf verschiedene bevorzugte Ausführungsformen von dieser aufgezeigt und beschrieben wurde, können verschiedene Änderungen, Weglassungen und Zusätze darin an deren Form und Detail vorgenommen werden, ohne dass dabei vom Rahmen der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abgewichen würde.

Claims

Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks unter Verwendung eines adaptiven Cluster-Ionengasstrahls, Folgendes umfassend: Bilden eines Cluster-Ionengasstrahls; Bestrahlen der Oberfläche des Werkstücks mit dem Cluster-Ionengasstrahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Cluster-Ionengasstrahl eine anfängliche Ätzrate hat, und der Cluster-Ionengasstrahl während der Bearbeitung so angepasst wird, dass der Cluster-Ionengasstrahl mindestens eine andere Ätzrate hat, wobei die mindestens eine andere Ätzrate niedriger ist als die anfängliche Ätzrate.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ätzen der Oberfläche eine Reinigung oder Glättung der Oberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anpassungsschritt eine Einstellung der Ionenbeschleunigungsspannung des Cluster-Ionengasstrahls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anpassungsschritt eine Einstellung des Ionenstrahlstroms oder der Strahlstromdichte des Cluster-Ionengasstrahls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anpassungsschritt darüber hinaus eine Einstellung des Anteils mehrfach ionisierter Cluster des Cluster-Ionengasstrahls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anpassungsschritt eine Einstellung des Ausgangsgasdrucks oder der Ausgangsgastemperatur umfasst, um dadurch die Cluster-Größenverteilung des Cluster-Ionengasstrahls zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anpassungsschritt eine Einstellung der Ausgangsgaszusammensetzung des Cluster-Ionengasstrahls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Ausgangsgaszusammensetzung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Argon, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefelhexafluorid, einem Halogen, einer halogenhaltigen Verbindung, Stickstoffoxid und Kohlendioxid, irgendeiner Mischung davon, und Gemischen mit Wasserstoff oder Helium besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Cluster-Ionengasstrahl unter Verwendung eines Argongases gebildet wird, und der Cluster-Ionengasstrahl eine breite Cluster-Größenverteilung mit wahrscheinlichsten Größen zwischen 500 und 5000 Atomen hat.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Cluster-Ionengasstrahl mit einer anfänglichen Beschleunigungsspannung ausgebildet wird, die höher als oder gleich ca. 15.000 Volt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Anpassungsschritt eine Senkung der anfänglichen Beschleunigungsspannung auf mindestens eine andere Beschleunigungsspannung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine andere Beschleunigungsspannung höher als oder gleich ca. 5.000 Volt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die anfängliche Beschleunigungsspannung ca. 30.000 bis ca. 50.000 Volt beträgt, und die mindestens eine andere Beschleunigungsspannung ca. 5.000 bis ca. 7.000 Volt beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Cluster-Ionengasstrahl mit einer anfänglichen Beschleunigungsspannung gebildet wird, wobei die anfängliche Beschleunigungsspannung von in etwa der Hälfte eines vorbestimmten Ätzschwellenwerts bis zu in etwa dem vorbestimmten Ätzschwellenwert reicht und der Bestrahlungsschritt ausreichend lang erfolgt, um einen wesentlichen Betrag an Kontamination von der Oberfläche zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Anpassungsschritt darüber hinaus eine Einstellung der anfänglichen Beschleunigungsspannung auf mindestens eine andere Beschleunigungsspannung umfasst, wobei die mindestens eine andere Beschleunigungsspannung höher ist als der vorbestimmte Ätzschwellenwert und höher als 15.000 Volt ist, und dann die mindestens eine andere Beschleunigungsspannung auf einen Wert gesenkt wird, der höher als oder gleich ca. 5.000 Volt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Cluster-Ionengasstrahl unter Verwendung eines Argongases gebildet wird, der Cluster-Ionengasstrahl durch eine festgelegte Spannung beschleunigt wird, die ca. 7.000 bis ca. 30.000 Volt beträgt, und der Cluster-Ionengasstrahl eine breite Cluster-Größenverteilung mit wahrscheinlichsten Größen zwischen 100 und 1.000 Atomen hat.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Anpassungsschritt eine Anhebung der Größenverteilung auf eine wahrscheinlichste Größe von 5.000 bis 50.000 Atomen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Cluster-Ionengasstrahl unter Verwendung eines Argongases gebildet wird, der Cluster-Ionengasstrahl eine Cluster-Größenverteilung mit wahrscheinlichsten Größen zwischen 500 bis 5.000 Atomen hat, und der Cluster-Ionengasstrahl eine anfängliche Strahlstromdichte von größer oder gleich 10 μA/cm² hat.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Anpassungsschritt eine Senkung der anfänglichen Strahlstromdichte auf mindestens eine andere Strahlstromdichte umfasst, wobei die mindestens eine andere Strahlstromdichte kleiner oder gleich 1 μA/cm² ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Cluster-Ionengasstrahl anfänglich aus Clustern besteht, die im Vergleich zum Gefrierpunkt eines Ausgangsgases relativ kalt sind.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Anpassungsschritt eine Erwärmung der Cluster auf eine höhere Temperatur umfasst, wobei die höhere Temperatur niedriger ist als eine Kondensationsverflüssigungstemperatur des Ausgangsgases.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Cluster-Ionengasstrahl unter Verwendung eines mit einem zusätzlichen Gas gemischten Argongases gebildet wird, wobei das zusätzliche Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sauerstoff, einem Halogen und einer halogenhaltigen Verbindung besteht, wodurch eine isomorphere Ätzrate auf der Oberfläche des Werkstücks bereitgestellt wird, wobei das Werkstück aus zwei oder mehr Zusammensetzungen besteht.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Anpassungsschritt eine Senkung des Prozentsatzes des zusätzlichen Gases im Gasgemisch bei fortschreitender Bearbeitung umfasst, um dadurch die Oberfläche des Werkstücks nahezu eben und glatt zu machen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anpassungsschritt eine Einstellung eines Parameters oder mehrerer Parameter umfasst, wobei die Parameter aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ausgangsgaszusammensetzung, Ausgangsgastemperatur, Gas-Clustergröße, Strahlbeschleunigungsspannung, Ionenstrahlstrom und Ionenstrahlstromdichte besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, darüber hinaus eine Überwachung der Oberfläche des Werkstücks während der Bearbeitung umfassend, um Information über die Oberfläche bereitzustellen, wobei der Überwachungsschritt nach dem Bestrahlungsschritt und vor dem Anpassungsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei es sich bei der Information um Oberflächenrauigkeit oder Ätztiefe handelt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Anpassungsschritt auf Grundlage der während des Überwachungsschritts bereitgestellten Information automatisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Überwachungsschritt und der Anpassungsschritt mindestens einmal wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Überwachungsschritt durch eine optische Rauigkeitsüberwachungseinrichtung (136) durchgeführt wird.
Vorrichtung (100) zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks unter Nutzung eines adaptiven Cluster-Ionengasstrahls, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Einrichtung (112, 110, 108), um einen Cluster-Ionengasstrahl zu bilden; eine Einrichtung (118, 122, 114, 115), um ein Gas oder mehrere Gase (120, 124) den Einrichtungen zum Bilden eines Cluster-Ionengasstrahls zuzuführen und zu steuern; mindestens eine Stromversorgung (134), wobei die Stromversorgung an die Einrichtung zum Bilden eines Cluster-Ionengasstrahls angeschlossen ist; und eine Einrichtung (130, 132, 116, 126, 128), um die Einrichtung zum Bilden eines Cluster-Ionengasstrahls, die Gaszufuhreinrichtung (118, 122, 114, 115) und die mindestens eine Stromversorgung (134) zu regeln/steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Cluster-Ionengasstrahl mit einer anfänglichen Ätzrate zu bilden und die anfängliche Ätzrate während der Bearbeitung auf mindestens eine andere Ätzrate zu senken, wobei die mindestens eine andere Ätzrate niedriger ist als die anfängliche Ätzrate.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei die Regel-/Steuereinrichtung darüber hinaus eine Einrichtung (130) umfasst, um einen vorbestimmten Programmplan von Bestrahlungsvorgängen durchzuführen, um die Senkung der anfänglichen Ätzrate auf die mindestens eine andere Ätzrate und/oder eine Einrichtung (136) zu regeln/steuern, um die Ätzrate oder Oberflächenrauigkeit des Werkstücks zu überwachen, um die Senkung der anfänglichen Ätzrate auf die mindestens eine andere Ätzrate einzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Regel-/Steuereinrichtung (130, 132) die Senkung der anfänglichen Ätzrate auf die mindestens eine andere Ätzrate regelt/steuert, indem die mindestens eine Stromversorgung (134) geregelt/gesteuert wird, um eine/n Strahlbeschleunigungsspannung und/oder -strom zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Regel-/Steuereinrichtung (130, 132) die Senkung der anfänglichen Ätzrate auf die mindestens eine andere Ätzrate regelt/steuert, indem die mindestens eine Stromversorgung (134) geregelt/gesteuert wird, um eine Spannung und/oder einen Strom für die Einrichtung zum Bilden eines Cluster-Ionengasstrahls zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Regel-/Steuereinrichtung (130, 132, 116, 126, 128) die Senkung der anfänglichen Ätzrate auf die mindestens eine andere Ätzrate regelt/steuert, indem die mindestens eine Stromversorgung (134) und/oder Temperaturregeleinrichtung (114, 115) und/oder die Gaszufuhreinrichtung (118, 122, 114, 115) geregelt/gesteuert wird/werden, um eine Strahlbeschleunigungsspannung und/oder einen Strahlstrom, die Temperatur der Gase und das Verhältnis und/oder die Zusammensetzung der Gase zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 31, darüber hinaus eine Einrichtung (130, 116, 114, 115) umfassend, um die Temperatur der den Einrichtungen (112, 110, 108) zum Bilden eines Cluster-Ionengasstrahls zugeführten Gase (120, 124) zu regeln, und wobei die Regel-/Steuereinrichtung (130, 116, 114, 115) die Senkung der anfänglichen Ätzrate auf die mindestens eine andere Ätzrate regelt/steuert, indem die Temperaturregeleinrichtung (130, 116, 114, 115) geregelt/gesteuert wird, um eine Temperatur des Gases oder der Gase zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Regel-/Steuereinrichtung (130, 126, 128) die Senkung der anfänglichen Ätzrate auf die mindestens eine andere Ätzrate regelt/steuert, indem die Gaszufuhreinrichtung (118, 122) geregelt/gesteuert wird, um ein Verhältnis und/oder eine Zusammensetzung der Gase zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Werkstück zu bearbeiten, das aus zwei oder mehr Oberflächenzusammensetzungsbereichen besteht, und die Regel-/Steuereinrichtung (130, 126, 128) die Gaszufuhreinrichtung (118, 122) regelt/steuert, um ein Verhältnis und/oder eine Zusammensetzung der Gase zu verändern, um die Mindestdifferenz der Ätzrate der Bereiche aufrechtzuerhalten, um dadurch zu bewirken, dass die Oberfläche von Bereich zu Bereich ebener gemacht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei die Oberfläche anfänglich vor der Ätzphase dekontaminiert wird.