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TWI588861B - 氣體團簇離子束噴嘴構件 - Google Patents

氣體團簇離子束噴嘴構件 Download PDF

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TWI588861B
TWI588861B TW104125321A TW104125321A TWI588861B TW I588861 B TWI588861 B TW I588861B TW 104125321 A TW104125321 A TW 104125321A TW 104125321 A TW104125321 A TW 104125321A TW I588861 B TWI588861 B TW I588861B
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nozzle
gas
gcb
conical
treatment system
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TW104125321A
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TW201624519A (zh
Inventor
馬修 Ｃ 葛溫
雅若 費特斯
羅伯特 Ｋ 貝克
Original Assignee
東京威力科創艾派恩股份有限公司
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Application filed by 東京威力科創艾派恩股份有限公司 filed Critical 東京威力科創艾派恩股份有限公司
Publication of TW201624519A publication Critical patent/TW201624519A/zh
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Description

氣體團簇離子束噴嘴構件 [相關申請案的交互參照]
依照37 C.F.R.§1.78(a)(4)，本申請案主張先前共同申請中之美國臨時專利申請案第62/033253號的的權益與優先權，申請日為2014年8月5日，該案在此特以參照方式併入於本案中。
本發明係關於使用氣體團簇離子束(GCIB)來處理基板的系統與方法，且更具體而言，係關於在基板上進行處理的改良的波束源以及相關的改良的GCIB。
已知氣體團簇離子束(GCIB)可用於蝕刻、清洗、以及平滑表面(例如，請見Deguchi等人的美國專利案第5814194號)。業已將GCIBs應用於幫助從汽化的含碳材料來沉積薄膜(例如，請見Yamada等人的美國專利案第6416820號)。
為了此討論之目的，氣體團簇為在標準溫度、壓力下呈氣態之奈米尺寸材料聚集體。此種氣體團簇可由包括鬆散地結合在一起之數個到數千(或更多)分子的聚集體所組成。氣體團簇可藉由電子轟擊而離子化，使氣體團簇成為能量可控制的導向波束。此種團簇離子，通常每一者都帶正電，該正電為電子電荷量、以及大於或等於1的一整數(代表該團簇離子之帶電狀態)的乘積。較大尺寸的團簇離子通常較為有用，因為每個團簇離子有能力攜帶大量的能量，但每個單獨的分子又僅具有適度的能量。離子團簇在撞擊工作件後會分解。在已分解的一特定的離子團簇中，各個單獨的分子僅帶有總團簇能量中的一小部 分能量。因此，大離子團簇的撞擊效應係可觀的，但限於非常淺的表面區域。這讓氣體團簇離子有用於各種表面改質處理，但不會傾向造成如習知的離子束處理中常見之較深的表面下的損壞。
習知的團簇離子來源產生具有寬的尺寸分布的團簇離子，該尺寸分布以每一團簇(可達到數千個分子)中的分子數量進行定標。原子的團簇可藉由高壓氣體從噴嘴進入到真空中而絕熱膨脹時，個別的氣體原子(或分子)的凝結作用而形成。具有小孔口的分離器可將偏離開此膨脹的氣流的核心部分的束流除去，而產生平行的(collimated)團簇波束。具有各種尺寸的中性團簇可藉由稱為凡德瓦力的弱原子間作用力而產生並固定在一起。此方法業已使用於從許多氣體產生團簇波束，該等氣體例如氦、氖、氬、氪、氙、氮、氧、二氧化碳、六氟化硫、一氧化氮、一氧化二氮、或該等氣體之混合物。因此，在大電流GCIB工作件處理系統中，存在著提供可改良波束穩定度的方法與設備的需求。
本文中描述的係用於使用氣體團簇離子束(GCIB)來處理基板的噴嘴/分離器模組以及改良的GCIB系統。
該噴嘴/分離器模組包括用以控制GICB之形成的內部噴嘴元件以及內部分離器匣體構件。可將該噴嘴/分離器模組進行預校直(pre-alined)，以將GICB相對於基板而定位。該噴嘴/分離器模組包括用以控制GICB的氣體團簇之形成的噴嘴構件以及分離器構件。
根據另一實施例，提供包含一來源子系統的改良的GCIB處理系統，該來源子系統包括噴嘴/分離器模組、離子化/加速子系統、以及處理子系統。該來源子系統包括具有室內空間的來源腔室，而該噴嘴/分離器模組配置在該室內空間中，該離子化/加速子系統包括離子化/加速腔室，且該處理子系統包括處 理腔室。該改良的GCIB處理系統包含第一氣體供給子系統、第二處理氣體供給子系統、以及與該噴嘴/分離器模組耦接的第一幫浦子系統。
10‧‧‧內側分離器元件
11‧‧‧分離器輸入孔口
12‧‧‧第一外側成型元件
13‧‧‧圓形開口
14‧‧‧第二外側成型元件
15‧‧‧圓形開口
20‧‧‧噴嘴/分離器模組
21‧‧‧支持管
21a‧‧‧第一部分
21b‧‧‧第二部分
23‧‧‧第三安裝孔
24‧‧‧第三緊固裝置
25‧‧‧第一安裝孔
26‧‧‧第一緊固裝置
27‧‧‧第二緊固裝置
28‧‧‧內部波束
29a‧‧‧第一厚度
29b‧‧‧第二厚度
30‧‧‧噴嘴構件
30a‧‧‧螺紋裝置
31‧‧‧噴嘴輸出孔口
32‧‧‧處理空間
34a‧‧‧內壁
34b‧‧‧外壁
35‧‧‧分離器閘體構件
36‧‧‧第四安裝孔
37‧‧‧第二安裝孔
39‧‧‧外部波束
40‧‧‧第一圓柱狀子構件
41‧‧‧第二圓柱狀子構件
42‧‧‧第一O-環
43‧‧‧圓柱狀混合空間
43a‧‧‧圓柱狀供給元件
43b‧‧‧圓柱狀耦合元件
44‧‧‧第二O-環
45‧‧‧氣體饋送管構件
45a‧‧‧輸入氣體饋送元件
45b‧‧‧旋管氣體饋送元件
45c‧‧‧輸出氣體饋送元件
47‧‧‧氣體輸入供給構件
47a‧‧‧固持元件
47b‧‧‧附接元件
47c‧‧‧室內空間部分
47d‧‧‧螺紋裝置
200‧‧‧GCIB系統
201‧‧‧來源子系統
202‧‧‧來源腔室
203‧‧‧室內空間
204‧‧‧離子化/加速子系統
205‧‧‧離子化/加速腔室
206‧‧‧室內空間
207‧‧‧處理子系統
208‧‧‧處理腔室
209‧‧‧室內空間
216a‧‧‧第一真空幫浦系統
216b‧‧‧第二真空幫浦系統
216c‧‧‧第三真空幫浦系統
217a‧‧‧壓力控制元件
217b‧‧‧壓力控制元件
217c‧‧‧壓力控制元件
218a‧‧‧外部真空管
218b‧‧‧外部真空管
218c‧‧‧外部真空管
222‧‧‧第四緊固裝置
233‧‧‧氣體供給子構件
233a‧‧‧氣體輸出埠
238‧‧‧內壁
249a‧‧‧腔室壓力偵測裝置
249b‧‧‧腔室壓力偵測裝置
249c‧‧‧腔室壓力偵測裝置
250‧‧‧第一氣體供給子系統
251‧‧‧第一流量控制元件
252‧‧‧外部氣體供給管路
253‧‧‧第二氣體供給子系統
254‧‧‧第二流量控制元件
255‧‧‧離子化器
256‧‧‧入口孔洞
257‧‧‧延伸管
258‧‧‧離子化燈絲
259‧‧‧出口孔洞
260‧‧‧電子抑制器設備
261‧‧‧電子抑制器電極
262‧‧‧第二電極
263‧‧‧GCIB
264‧‧‧抑制器電極偏壓電源供應器
265‧‧‧高壓電極
266‧‧‧陽極電源供應器
267‧‧‧燈絲電源供應器
268‧‧‧擷取電源供應器
269‧‧‧加速器電源供應器
270‧‧‧光學發送器
271‧‧‧入射光訊號
272‧‧‧透鏡電源供應器
274‧‧‧透鏡電源供應器
275‧‧‧光學接收器
276‧‧‧散射光訊號
280‧‧‧工作件固持器
280A‧‧‧工作件固持器
281‧‧‧工作件
281A‧‧‧工作件
282‧‧‧X-掃描控制器
283‧‧‧X-掃描運動方向
284‧‧‧Y-掃描控制器
285‧‧‧Y-掃描運動方向
286‧‧‧波束入射角
288‧‧‧波束電流感測器
289‧‧‧電絕緣座
290‧‧‧控制器
291‧‧‧訊號匯流排
295‧‧‧波束過濾器
296‧‧‧波束閘
400‧‧‧噴嘴/分離器模組
402‧‧‧分離器
404‧‧‧支持管
406‧‧‧氣體供給集流腔
408‧‧‧氣體管路/氣體供給導管
410‧‧‧第一噴嘴元件
412‧‧‧第二噴嘴元件
414‧‧‧中心線
416‧‧‧中心線
500‧‧‧噴嘴裝置
502‧‧‧孔洞
504‧‧‧第一入口表面
506‧‧‧第一圓錐狀空腔
508‧‧‧第二圓錐狀空腔
510‧‧‧半角
512‧‧‧水平過渡區
514‧‧‧第一出口表面
516‧‧‧第二入口表面
518‧‧‧第二出口表面
520‧‧‧密封件
600‧‧‧剖面圖
602‧‧‧階高度
604‧‧‧距離
本發明透過舉例的方式來說明，且不限於隨附圖式中的圖像，其中：圖1描繪根據本發明之實施例的例示性噴嘴/分離器模組的一簡易方塊圖；圖2顯示根據本發明之實施例的測試GCIB系統(用於校直噴嘴/分離器模組以及用於改良GCIB處理)的一例示性形構；圖3顯示根據本發明之實施例的噴嘴/分離器模組的一例示性形構的圖像；圖4包括用於GCIB處理系統之噴嘴構件的一橫剖面圖；圖5包括用於GCIB處理系統之噴嘴構件的噴嘴元件的一橫剖面圖；圖6包括用於GCIB處理系統之噴嘴元件中的兩個噴嘴之間的轉換區域的一橫剖面圖。
前文闡述之目的、以及本發明的更多目的與優點，可透過描述如下的本發明之實施例而得到。
用於產生與加速此種GCIBs的方法記載於前文引注之參考資料(美國專利案第5814194號)，該案之教示以參照方式併入於本案中。目前可用的離子團簇來源產生具有寬尺寸分布(N，N上達數千)的團簇離子(N=各個團簇中的分子數量，在通篇討論中，在單原子氣體(例如氬氣)的情況下，單原子氣體的一 個原子被稱為一原子或一分子，且此種單原子氣體的離子化原子被稱為游離原子、或分子離子、或簡單地稱為單體離子)。
為達到穩定的大電流GCIBs(用於GCIB處理系統中進行工作件之處理)，在所做的努力中，GCIB離子化來源之發展、波束的空間電荷的控制、以及工作件的充電之控制，皆為重要的發展領域。Dykstra的美國專利案第6629508；Mack等人的美國專利案第6646277號；以及共同申請中的美國專利申請案第10/667006號，該等案件的內文猶如在本案中詳細闡述般，以參照方式併入於本案中，各個該等案件描述在若干該等領域中的發展，已發展出生產波束電流至少數百微安培到一或更多毫安培的GCIB離子束的能力。然而，在一些情況下，波束表現出不穩定性，而限制了波束在產業應用中的最佳化使用。
在一般的GCIB處理工具中，離子化器與處理中的工作件典型上各自被容納在分離的腔室中。這提供更佳的系統壓力控制。然而，即使有了極佳的真空系統設計以及設備的許多區域的差壓隔離(differential isolation)，波束攜帶大量的氣體，隨之而來的主要問題係整個波束線中的壓力增加。當GCIB撞擊靶材區域時，波束的所有氣體負載被釋放，且若干此氣體對於整個GCIB處理系統的真空腔室中的壓力產生影響。因為GCIBs的形成與加速中通常使用高電壓，所以增加的波束線壓力會造成電弧作用(arcing)、放電、以及其他波束不穩定性。隨著波束電流增大，透過波束傳送的氣體變多，且整個波束線的壓力變得更難以控制。因為GCIB可在整個波束線中傳送並釋放大量氣體的獨特能力(相較於一般的離子束)，比起一般的離子束，與壓力相關的波束不穩定性與放電對於高電流GCIBs而言更是一大困難。在一般的GCIB離子來源中，波束中的中性氣體團簇透過電子撞擊而離子化。離子化器的區域通常係相對不良的真空區域，且相對於周圍的結構典型上為高電位。
在其他的實施例中，GCIB系統可用於產生中性波束(在其中的氣體團簇未被離子化)。此氣體團簇束(GCB)可用於將殘留物或薄膜從基板上移除。在某些實施例中，GCIB可具有未經離子化的團簇，且本文中揭露之GCIB處理可修正以增加該未經離子化的團簇的量而用於GCB。
本發明使用組合的來源(位於噴嘴/分離器模組中)、電子定位技術、以及隔離元件的組合，而產生一改良的GCIB，並減少該GCIB系統中發生的瞬變的頻率(frequency of transients)。
圖1根據本發明之實施例描繪例示性噴嘴/分離器模組的一簡易方塊圖。在所繪之實施例中，表明了噴嘴/分離器模組20可當作預校直的GCIB來源來操作。
設計預校直的噴嘴/分離器模組，可減少列線對準的問題。目前的設計涉及固定的分離器以及可調整的噴嘴，其在一排放(vent)循環之後可要求再校正。在該目前的設計中，當調整該噴嘴的操控器時，波束的形狀/輪廓會發生細微的改變。透過預校直的噴嘴/分離器模組20，可將校正的問題減少或可能消除。透過以固定的串列配置來建構該噴嘴與該分離器，可將波束的列線對準顯著地簡化。此外，預校直噴嘴/分離器模組20可縮短維護時間並提高整體波束的穩定度。該預校直的噴嘴/分離器模組係透過使用條紋光學(Schlieren optics)的專屬測試台進行校直，以最佳化通過分離器的有效氣體傳送。
當在對噴嘴/分離器模組20進行預校直時，可針對第一氣體組成進行預校直，該第一氣體組成包括可凝結的惰性氣體，該惰性氣體包括稀有氣體，即He、Ne、Ar、Kr、Xe、或Rn。在許多實施例中，可使用其他氣體組成來對噴嘴/分離器模組20進行預校直，該其他氣體組成包括薄膜形成氣體組成、蝕刻氣體組成、清洗氣體組成、平滑氣體組成等。此外，噴嘴/分離器模組20可配置以產生離子化團簇，該離子化團簇包含：氦、氖、氬、氪、氙、氮、氧、 氫、甲烷、三氟化氮、二氧化碳、六氟化硫、一氧化氮、或一氧化二氮、或其中的二或更多者之結合。
噴嘴/分離器模組20可配置並預校直以在低壓環境下操作，且該操作壓力之範圍在約0.01mTorr到約100mTorr。
噴嘴/分離器模組20可使用下列各項來構成：噴嘴構件30(用於建立內部波束28)、分離器閘體構件35(用於建立外部波束39)、支持管21、第一圓柱狀子構件40、以及第二圓柱狀子構件41。噴嘴構件30、分離器閘體構件35、支持管21、第一圓柱狀子構件40、或第二圓柱狀子構件41、或該者之任何組合可使用不銹鋼材料來製造。替代地，噴嘴構件30、分離器閘體構件35、支持管21、第一圓柱狀子構件40、或第二圓柱狀子構件41、或該者之任何組合可使用硬化及/或表面塗層材料來製造。
支持管21的第一部分21a為實質上封閉的圓柱狀子構件，其具有之第一厚度29a在大約0.5mm到5mm之間變化。支持管21的第二部分21b為實質上開放的截頭圓錐的(frustoconical)構件，其具有之第二厚度29b在大約0.5mm到5mm之間變化。使用二或更多的第一安裝孔25以及二或更多的第一緊固裝置26，將支持管21的第一部分21a可移動地耦接於第一圓柱狀子構件40；以及使用複數個第二安裝孔37與第二緊固裝置27，將支持管21的第二部分21b可移動地耦接於分離器閘體構件35。在一些範例中，支持管21圍起局部開放的處理空間32，且當正在校直、測試及/或使用噴嘴/分離器模組20時，可在局部開放的處理空間32中建立受控制的低壓(真空)狀態。
第一部分21a具有第一長度(la)，在大約30mm到大約50mm之間變化，且第一部分21a具有安裝長度(lc)，在大約3mm到大約5mm之間變化。第二部份21b具有第二長度(lb)，在大約30mm到大約50mm之間變化。
可將噴嘴構件30可移除地耦接於第二圓柱狀子構件41。例如，噴嘴構件30使用螺紋裝置30a而耦接於第二圓柱狀子構件41。替代地，可使用其他的附接裝置。噴嘴構件30具有噴嘴長度(ln)、噴嘴角度(an)，且噴嘴輸出孔口31具有噴嘴直徑(dn)。噴嘴長度(ln)(從入口到噴嘴輸出孔口31)在大約20mm到大約40mm之間變化；噴嘴角度(an)(從噴嘴輸出孔口31的中心線到噴嘴構件30的內側表面)在大約1度到大約30之間變化；以及噴嘴直徑(dn)在大約2mm到大約4mm之間變化。可根據處理的化學品、分子尺寸、流速、腔室壓力、波束尺寸等，來決定用於生產製程配方的噴嘴長度(ln)、噴嘴角度(an)、以及噴嘴直徑(dn)。
分離器閘體構件35包括內側分離器元件10，其具有截頭圓錐的形構。內側分離器元件10從具有內側直徑(ds0)的分離器輸入孔口11延伸到分離器閘體構件35的內壁34a(內側分離器元件10具有外側直徑(dd0)之處)。分離器輸入孔口11的內側直徑(ds0)在大約0.1mm到大約10mm之間變化。外側直徑(dd0)在大約0.5mm到大約50mm之間變化並且大於內側直徑(ds0)。長度(l0)與角度(a0)亦與內側分離器元件10相關。從分離器輸入孔口11到內壁34a的長度(l0)在大約20mm到大約40mm之間變化，以及起於內壁34a的角度(a0)在大約100度到大約175度之間變化。內側直徑(ds0)、長度(l0)、以及角度(a0)可取決於外部波束39所期望之寬度、氣體團簇的尺寸、以及設計噴嘴/分離器模組20用以產生之製程化學品(氣體)。替代地，可以不同方式來配置內側分離器元件10。
噴嘴輸出孔口31以一間隔距離(s1)與分離器輸入孔口11隔開，該間隔距離(s1)在大約10mm到大約50mm之間變化。替代地，可使用其他的間隔距離(s1)。在使用時，內部波束28(氣體噴流)從噴嘴構件30的噴嘴輸出孔口31產生，並且對準而導向分離器閘體構件35中的分離器輸入孔口11。
分離器閘體構件35包括第一外側成型元件12，其具有一截頭圓錐的形構。第一外側成型元件12從分離器輸入孔口11向外延伸到圓形開口13，圓 形開口13在分離器閘體構件35的外壁34b之內側或與其相鄰。分離器輸入孔口11具有內側直徑(ds0)，在大約0.1mm到大約10mm之間變動。圓形開口13具有第一直徑(ds1)，在大約0.5mm到大約10mm之間變動並大於內側直徑(ds0)。第一長度(ls1)以及第一角度(as1)與第一外側成型元件12相關。從分離器輸入孔口11到圓形開口13的第一長度(ls1)在大約20mm到大約40mm之間變化，以及第一角度(as1)(從與分離器輸入孔口11平行的平面到第一外側成型元件12的表面測得)在大約100度到大約175度之間變化。第一直徑(ds1)、第一長度(ls1)、以及第一角度(as1)取決於外部波束39所期望之寬度、氣體團簇的尺寸、以及設計噴嘴/分離器模組20用以使用之製程化學品(氣體)。替代地，可以不同方式來配置第一外側成型元件12。
分離器閘體構件35包括第二外側成型元件14，其亦具有截頭圓錐的形構。第二外側成型元件14從圓形開口13向外延伸到與外壁34b相交的圓形開口15。圓形開口13的第一直徑(ds1)在大約0.5mm到大約10mm之間變動，以及圓形開口15的第二直徑(ds2)在大約1mm到大約20mm之間變動。第二長度(ls2)以及第二角度(as2)亦與第二外側成型元件14相關。從圓形開口13到圓形開口15的第二長度(ls2)在大約10mm到大約20mm之間變動，以及第二角度(as2)(從平行於圓形開口13的平面到第二外側成型元件14的表面測得)在大約135度到大約175度之間變動。第二直徑(ds2)、第二長度(ls2)、以及第二角度(as2)取決於外部波束39所期望之寬度、氣體團簇的尺寸、以及設計噴嘴/分離器模組20用以使用之製程化學品(氣體)。替代地，可以不同方式來配置第二外側成型元件14。在其他的實施例中，可不需要第一外側成型元件12及/或第二外側成型元件14。此外，分離器閘體構件35包含一或更多的第四安裝孔36，其可配置用以將噴嘴/分離器模組20可移動地耦接於腔室腔壁。在將噴嘴/分離器模組20架設在腔 室腔壁之前，可將噴嘴/分離器模組20的外部波束39列線對準在x-方向、y-方向、以及z-方向中。替代地，可使用一或更多的機械性定位裝置(未顯示)。
分離器閘體構件35具有第一厚度(ts1)，在大約20mm到大約40mm；第二厚度(ts2)，在大約10mm到大約20mm之間變動；第三厚度(ts3)，在大約10mm到大約20mm之間變動；以及第四厚度(ts4)，在大約10mm到大約20mm之間變動。
分離器閘體構件35具有第三直徑(ds3)，在大約30mm到大約50mm之間變動；第四直徑(ds4)，在大約50mm到大約60mm之間變動；第五直徑(ds5)，在大約70mm到大約80mm之間變動；以及第六直徑(ds6)，在大約80mm到大約90mm之間變動；第七直徑(ds7)，在大約85mm到大約95mm之間變動；第八直徑(ds8)，在大約90mm to大約100mm之間變動。
使用三或更多的第三安裝孔23、以及三或更多的第三緊固裝置24、以及第一O-環42，將第二圓柱狀子構件41可移動地耦接於第一圓柱狀子構件40。例如，第一O-環42可為Viton,Inc.的style 2-111O-環。替代地，可使用不同的第一O-環42。第一圓柱狀子構件40具有第一厚度(t1)，在大約2mm到大約5mm之間變動，以及第一直徑(d1)，在大約75mm到大約95mm之間變動。替代地，可以不同方式來配置第一圓柱狀子構件40。第二圓柱狀子構件41具有第二厚度(t2)，在大約2mm到大約5mm之間變動，以及第二直徑(d2)，在大約45mm到大約75mm之間變動。替代地，可以不同方式來配置第二圓柱狀子構件41。
在一些實施例中，可透過將材料從第一圓柱狀子構件40及/或從第二圓柱狀子構件41中移除，來配置圓柱狀混合空間43。此外，可在第一圓柱狀子構件40以及第二圓柱狀子構件41之間，設置一或更多的第二O-環44。例如，第二O-環s 44可為Viton,Inc.的style 2-010 O-環。替代地，可使用不同的 第二O-環44。此外，可將使用點式(point of use)過濾器併入圓柱狀混合空間43中，以避免微粒阻塞噴嘴構件30的孔口。圓柱狀混合空間43具有第三厚度(t3)，在大約2mm到大約5mm之間變動；以及第三直徑(d3)，在大約15mm到大約25mm之間變動。替代地，可以不同方式來配置圓柱狀混合空間43。可將圓柱狀供給元件43a耦接於圓柱狀混合空間43，且其可用以將處理氣體提供到圓柱狀混合空間43。例如，可使用管狀材料來製造圓柱狀供給元件43a，其具有內側直徑，在大約0.2mm到2mm之間變動。此外，可將圓柱狀耦合元件43b附接到圓柱狀供給元件43a。
在一些實施例中，當一開始將第一圓柱狀子構件40耦接於第二圓柱狀子構件41時，可對圓柱狀混合空間43進行預測試，且可便利地原地供給一或更多的預測試的圓柱狀混合空間43。
在一些校直的測試中，可通過圓柱狀供給元件43a提供來自光學測試來源的光學輸入訊號，並且在分離器閘體構件35的第二外側成型元件14處，可使用光學接收器來量測光學輸出訊號。依此方式，可光學地測試並驗證內部波束28的列線對準。
噴嘴/分離器模組20包括氣體饋送管構件45，其配置以在流速受控制的狀態下將處理氣體提供到圓柱狀混合空間43中。氣體饋送管構件45包括輸入氣體饋送元件45a、旋管氣體饋送元件45b、以及輸出氣體饋送元件45c。氣體饋送管構件45(45a、45b、及45c的總稱)具有第四長度(l4)(從元件45a到元件45c)，在大約1000mm到大約1500mm之間變動；以及內側直徑(d4)，在大約0.5mm到大約2.5mm之間變動。替代地，可以不同方式來配置氣體饋送管構件45及/或旋管氣體饋送元件45b。當在製造噴嘴/分離器模組20時，輸出氣體饋送元件45c可用以將氣體饋送管構件45附接到圓柱狀耦合元件43b。在一些實施例中，輸入氣體饋送元件45a、旋管氣體饋送元件45b、及/或輸出氣體饋送 元件45c可配置用以在流速受控制的狀態下將處理氣體提供到圓柱狀混合空間43中。例如，可使用金屬管來建構該等氣體饋送元件(45a、45b、及45c)中的一或更多者。
噴嘴/分離器模組20包括耦接於氣體饋送管構件45的氣體輸入供給構件47。在一些實施例中，氣體輸入供給構件47包括固持元件47a、附接元件47b、以及室內空間部分47c。例如，可使用固持元件47a將氣體輸入供給構件47耦接於輸入氣體饋送元件45a。此外，可將室內空間部分47c耦接於輸入氣體饋送元件45a的室內空間。如圖2所示，當將噴嘴/分離器模組20安裝在GCIB系統中的低壓處理腔室中時，氣體輸入供給構件47可用於將噴嘴/分離器模組20可移動地耦接於內部氣體供給管路。例如，氣體輸入供給構件47包括可用於耦接的螺紋裝置47d。在許多的實施例中，圓柱狀混合空間43、氣體饋送管構件45、或氣體輸入供給構件47可視所需包括流量控制裝置、過濾器、以及閥，且可用於控制處理氣體進入噴嘴構件30中的流速。例如，該流速在大約10sccm到大約5000sccm之間變動。
饋送、供給、耦合元件(45a、45b、45c、43a、以及43b)為氣密並且和所使用的各種氣體不反應。例如，可使用雙層編織不鏽鋼網狀物(double walled woven stainless steel mesh)，其具有Kapton或Gore-Tex內膜，可允許具有彈性但沒有高的氣體滲透度。
噴嘴/分離器模組20具有總長度(OL)，在大約18cm到大約28cm之間變動。
圖2顯示GCIB系統的一例示性形構，根據本發明之實施例，其可在將噴嘴/分離器模組20安裝到生產GCIB處理系統中之前，用於對噴嘴/分離器模組20進行校直及/或測試；或其可使用做為其中安裝有噴嘴/分離器模組20的生產GCIB處理系統，而噴嘴/分離器模組20已被預校直及/或測試。GCIB系統 200包含來源子系統201、離子化/加速子系統204、以及處理子系統207。來源子系統201包括具有室內空間203的來源腔室202；離子化/加速子系統204包括具有室內空間206的離子化/加速腔室205；以及處理子系統207包括具有室內空間209的處理腔室208。
GCIB系統200包括第一真空幫浦系統216a、第二真空幫浦系統216b、以及第三真空幫浦系統216c。一或更多的壓力控制元件217a耦接於來源腔室202，且一或更多的壓力控制元件217a可使用一或更多的外部真空管218a而耦接於第一真空幫浦系統216a。並且，一或更多的壓力控制元件217b耦接於離子化/加速腔室205，且一或更多的壓力控制元件217b可使用一或更多的外部真空管218b而耦接於第二真空幫浦系統216b。此外，一或更多的壓力控制元件217c耦接於處理腔室208，且一或更多的壓力控制元件217c可使用一或更多的外部真空管218c而耦接於第三真空幫浦系統216c。
當在對噴嘴/分離器模組20進行校直及/或測試時，或當預校直的噴嘴/分離器模組20在使用中時，可透過第一、第二、以及第三真空幫浦系統216a、216b、以及216c(分別地)將來源腔室202、離子化/加速腔室205、以及處理腔室208排氣到適當的測試及/或操作壓力。此外，在操作期間，真空幫浦系統216a可用於在預校直的噴嘴/分離器模組20中的處理空間32中建立正確的壓力。真空幫浦系統216a、216b、以及216c包括渦輪分子真空幫浦(TMP)，其泵抽速度可高達約每秒鐘5000公升(以及更高)；以及閘閥，其用以將腔室壓力加以節流。在一般的真空處理裝置中，可使用每秒鐘1000到2000公升的TMP。TMPs有用於低壓處理，典型上低於約50mTorr。
再者，在一些實施例中，第一腔室壓力偵測裝置249a可建構在來源腔室202中或與其耦接；第二腔室壓力偵測裝置249b可建構在離子化/加速腔室205中與其耦接；以及第三腔室壓力偵測裝置249c可建構在處理腔室208中 或與其耦接。替代地，一腔室壓力偵測裝置可耦接於噴嘴/分離器模組20。例如，壓力偵測裝置可為電容式壓力計或游離壓力計。控制器290可透過訊號匯流排291而耦接於真空幫浦系統(216a、216b、及216c)，以及耦接於腔室壓力偵測裝置(249a、249b、及249c)。此外，當在對噴嘴/分離器模組20進行校直及/或測試時、或當正確地操作的預校直的噴嘴/分離器模組20正在使用中時，控制器290可偵測及/或控制真空幫浦系統(216a、216b、及216c)、以及腔室壓力偵測裝置(249a、249b、及249c)。
如前文參考圖1所述，在建構噴嘴/分離器模組20之後，可將噴嘴/分離器模組20設置在測試系統(例如系統200)的來源子系統201中。在對噴嘴/分離器模組20進行預校直及/或測試之後，可將噴嘴/分離器模組20設置在生產處理系統(例如系統200)的來源子系統201中。如圖2所示，分離器閘體構件35可用於透過複數個第四安裝孔36以及複數個第四緊固裝置222，將噴嘴/分離器模組20可移動地耦接於來源腔室202的內壁238上。替代地，分離器閘體構件35可用於將噴嘴/分離器模組20可移動地耦接於來源腔室202的外壁(未顯示)上。在將分離器閘體構件35安裝在來源腔室202的室內空間203之前，可將分離器閘體構件35列線對準在x-方向、y-方向、以及z-方向中。替代地，當在安裝噴嘴/分離器模組20時，可使用一或更多的定位裝置(未顯示)。
如前文參考圖1所解釋的，噴嘴輸出孔口31以間隔距離(s1)與分離器輸入孔口11隔開，該間隔距離(s1)在(例如)大約10mm到大約50mm之間變化。當在對噴嘴/分離器模組20進行測試及/或校直時，可建立正確的間隔距離(s1)。若間隔距離(s1)不正確，可再定位或再操作噴嘴構件30、支持管21、及/或分離器閘體構件35。間隔距離(s1)可取決於設計噴嘴/分離器模組20用以使用之在生產處理系統中的製程化學品(氣體)。
當在對噴嘴/分離器模組20進行校直及/或測試時，可將分離器閘體構件35與噴嘴構件30校直，使得從噴嘴輸出孔口31產生的內部波束28，可對準而導向分離器閘體構件35中的分離器輸入孔口11。在一些實施例中，在將噴嘴構件30耦接於第二圓柱狀子構件41之前，可對噴嘴構件30進行預測試及/或預校直。此外，可以不同方式來配置一或更多的預測試及/或預校直的噴嘴構件30，而該等不同方式可由處理化學品、分子尺寸、流速、腔室壓力、團簇尺寸、波束尺寸等來決定。此外，可原地供給一或更多的預測試及/或預校直的噴嘴構件30，以促進其他製程配方的使用。
當正確地對準內部波束28時，為了維持正確的對準狀態，使用二或更多的第一安裝孔25以及二或更多的第一緊固裝置26，將支持管21的第一部分21a牢固地且可移動地耦接於第一圓柱狀子構件40；以及使用第二安裝孔37以及第二緊固裝置27，將支持管21的第二部分21b牢固地且可移動地耦接於分離器閘體構件35。
在一些實施例中，如上所述，當一開始將第一圓柱狀子構件40耦接於第二圓柱狀子構件41時，可對圓柱狀混合空間43進行預測試，且可便利地原地供給一或更多的預測試的圓柱狀混合空間43。例如，在圓柱狀混合空間43的校直及/或測試期間，一或更多的受控制的測試氣體來源，可透過圓柱狀供給元件43a以及圓柱狀耦合元件43b，在一或更多的不同的流速下，將一或更多的測試氣體提供到圓柱狀混合空間43中。
如上所述，噴嘴/分離器模組20包括氣體饋送管構件45，其配置以在流速受控制的狀態下將處理氣體提供到圓柱狀混合空間43。氣體輸入供給構件47可耦接於氣體饋送管構件45。在一些實施例中，氣體輸入供給構件47可用於將噴嘴/分離器模組20可移動地耦接於氣體輸出埠233a，而氣體輸出埠233a附接於氣體供給子構件233。例如，可使用螺紋裝置47d將附接元件47b附接到氣 體輸出埠233a。替代地，可使用「按扣連接」(snap-connect)裝置，將附接元件47b附接到氣體輸出埠233a。此外，可將室內空間部分47c耦接於氣體輸出埠233a的室內空間。此外，可將氣體輸出埠233a附接到來源腔室202的壁上。
在許多實施例中，氣體供給子構件233及/或氣體輸出埠233a可視所需包括流量控制裝置、過濾器、以及閥。氣體供給子構件233及/或氣體輸出埠233a可用於控制處理氣體進入噴嘴/分離器模組20中的流速。例如，該流速在大約10sccm到大約3000sccm之間變動。
當在對噴嘴/分離器模組20進行校直及/或測試，噴嘴/分離器模組20產生導向離子化/加速腔室205的室內空間206中的測試外部波束39。之後可將預校直的噴嘴/分離器模組20配置在生產處理GCIB系統200(可為工作件281提供改良的GCIB處理)中，該工作件可為需要改良的GCIB處理的半導體晶圓、基板上的薄膜、或其他工作件。當在GCIB系統200中使用噴嘴/分離器模組20時，預校直的噴嘴/分離器模組20可產生導向離子化/加速腔室205的室內空間206中的預校直的外部波束39，而對工作件281進行處理。
一些GCIB系統200包括第一氣體供給子系統250、以及第二氣體供給子系統253。例如，可使用一或更多的外部氣體供給管路252以及一或更多的第一流量控制元件251，將第一氣體供給子系統250耦接於氣體供給子構件233；以及可使用一或更多的外部氣體供給管路252以及一或更多的第二流量控制元件254，將第二氣體供給子系統253耦接於氣體供給子構件233。當在對噴嘴/分離器模組20進行校直及/或測試、或當在生產處理中使用噴嘴/分離器模組20時，可使用儲存在第一氣體供給子系統250中的第一氣體組成及/或儲存在第二氣體供給子系統253中的第二氣體組成。
在一些範例中，噴嘴/分離器模組20可配置用以使用第一氣體組成，該第一氣體組成包括可凝結的惰性氣體，該惰性氣體包括稀有氣體，即He、 Ne、Ar、Kr、Xe、或Rn。在其他範例中，噴嘴/分離器模組20可配置用以使用第二氣體組成，該第二氣體組成包括薄膜形成氣體組成、蝕刻氣體組成、清洗氣體組成、平滑氣體組成等。此外，當設置噴嘴/分離器模組20以產生離子化團簇時，可單獨地或彼此結合地使用第一氣體供給子系統250以及第二氣體供給子系統253，而該離子化團簇包含氦、氖、氬、氪、氙、氮、氧、氫、甲烷、三氟化氮、二氧化碳、六氟化硫、一氧化氮、或一氧化二氮、或其中之二或更多者之結合。
在校直、測試、及/或GCIB處理期間，可在高壓下將第一氣體組成及/或第二氣體組成提供給噴嘴/分離器模組20，以產生離子化團簇，該離子化團簇包括：氦、氖、氬、氪、氙、氮、氧、氫、甲烷、三氟化氮、二氧化碳、六氟化硫、一氧化氮、或一氧化二氮、或其中之二或更多者之結合。例如，可將該第一氣體組成及/或該第二氣體組成引入圓柱狀混合空間43中，並透過噴嘴構件30而將其噴射到實質上低壓的真空中(支持管21內側的局部開放的處理空間32中)。當高壓的可凝結氣體從噴嘴構件30進入局部開放的處理空間32中的較低壓的區域而膨脹時，該氣體分子的速度可達到超音速，而在噴嘴構件30的噴嘴輸出孔口31、以及內側分離器元件10的分離器輸入孔口11之間產生內部波束28(氣體噴流)，並且可從噴嘴/分離器模組20中的第一外側成型元件12以及第二外側成型元件14放射出團簇的外部波束39。
氣體饋送管構件45、氣體輸入供給構件47、以及圓柱狀供給與耦合元件43a、43b中的流量元件為氣密並且和所使用的各種氣體不反應。例如，可使用雙層編織不鏽鋼網狀物，其具有Kapton或Gore-Tex內膜，可允許具有彈性但沒有高的氣體滲透度。
來源腔室202為一封閉構造，其配置以維持其中之低壓。來源腔室202的一或更多的腔壁包括非反應性金屬，例如不鏽鋼或塗層鋁。
來源子系統201包括耦接於來源腔室202的一或更多的壓力控制元件217a。可使用一或更多的外部真空管218a將一或更多的壓力控制元件217a耦接於第一真空幫浦系統216a。在替代的實施例中，一或更多的內部真空管(未顯示)可耦接於支持管21且可用於控制支持管21中的局部開放的處理空間32內側的壓力。
產生超音速氣體噴流，而成為在噴嘴/分離器模組20中的內部波束28。冷卻作用(因噴流的擴散作用而產生)導致一部分的超音速氣體噴流凝結成為團簇，且各個團簇由鬆散地結合之數個到數千個原子或分子所組成。噴嘴/分離器模組20中的分離器閘體構件35從團簇噴流中部分地分離出未凝結成為團簇噴流的氣體分子，藉以將下游區域中的壓力降至最低，而在該等下游區域(例如離子化器255、高壓電極265、以及處理腔室208)中，此種較高的壓力係不利的。適當的可凝結的處理氣體包括(但非必須限於)氬、氮、二氧化碳、氧、以及其他氣體。分離器輸入孔口11、第一外側成型元件12、以及第二外側成型元件14較佳地為圓錐狀，且形成實質上圓柱狀的外部波束39。
在一些校直及/或測試步驟、或處理步驟中，來自噴嘴/分離器模組20的外部波束39包含氣體團簇，而具有團簇的外部波束39可通過電子抑制器設備260而發送。替代地，在一些校直、測試及/或處理步驟中，不需要電子抑制器設備260，或將電子抑制器設備260使用在不同地方。電子抑制器設備260包含導電性電子抑制器電極261(在第一電位)、第二電極262(在第二電位)、以及抑制器電極偏壓電源供應器264。抑制器電極偏壓電源供應器264提供突波抑制電壓VGS(glitch suppression voltage)，且該VGS的測試範圍在大約1kV到大約5kV之間變化。在測試及/或處理期間，可相對於第二電極262以及噴嘴/分離器模組20對電子抑制器電極261施加負偏壓，且第二電極262以及噴嘴/分離器模組20在幾乎相同的電位上。電子抑制器電極261以及第二電極262均具有同軸排列的孔洞，用於外部波束39(中性超音速氣體噴流)的穿透。負偏壓的電子抑制器設備260在噴嘴/分離器模組20的出口區域(圓形開口13、15)以及電子抑制器電極261 之間提供電場，使從噴嘴/分離器模組20的出口區域噴射出來的任何二次電子，可沿著軌跡回到噴嘴/分離器模組20的出口區域(或電氣連接的相鄰區域)，以避免二次電子在噴嘴/分離器模組20以及離子化器255之間的區域被加速而在外部波束39(超音速氣體噴流)中產生離子化。延伸管257以及電子抑制器設備260均有助於減少波束突波，該波束突波係因為在噴嘴/分離器模組20的出口區域以及離子化器255之間的區域的放電以及電弧作用(arcing)而產生。延伸管257以及電子抑制器設備260如圖2所示般結合地使用，明顯地比單獨貢獻的總合更為有用。此結合將分離器-離子化器的放電(成為波束突波的來源)減少到可忽略的程度，並且能夠產生大約500到1000微安培的穩定的GCIB波束電流，其具有之突波(來自所有原因)速率大約每小時一次。這係超越先前從一般的系統所得到的結果的10倍到100倍的改良。替代地，可使用磁性電子抑制器以及其他電子閘。
在一些校直、測試、及/或處理步驟中，從電子抑制器設備260離開的外部波束39中的超音速氣體團簇可在離子化器255中被離子化，離子化器255較佳地具有與外部波束39中的超音速氣體團簇同軸對準的實質上圓柱狀的結構。離子化器255可為一電子衝擊離子化器，當噴流(波束)通過離子化器255時，離子化器255從一或更多的離子化燈絲(filaments)258產生熱電子，這些電子被加速並且引導而與外部波束39中的超音速氣體團簇碰撞。電子撞擊使電子從團簇中噴射出來，造成一部分的團簇被離子化而帶正電荷。一組適當地加偏壓的高壓電極265可擷取來自離子化器的團簇離子、形成波束、然後將該等團簇離子加速至所需能量(一般在1keV到數十keV之間)、並將其集中而形成GCIB263。
在許多例示性測試與處理期間，燈絲電源供應器267提供燈絲電壓VF以加熱離子化燈絲258。陽極電源供應器266提供陽極電壓VA以加速自離子化燈絲258發射的熱電子，使該等熱電子輻射含有團簇的外部波束39，而產生離子。測試擷取電源供應器268提供擷取電壓VE以對高壓電極施加偏壓，俾從離子化器255的離子化區域擷取離子而形成GCIB 263。加速器電源供應器269提供加速電壓VACC以相對於離子化器255對高壓電極施加偏壓，而產生等於VACC的全 GCIB加速能量。可設置一或更多的透鏡電源供應器(272以及274)以對高壓電極施加聚焦電壓(VL1以及VL2)，而產生可被成形及/或聚焦的GCIB 263。
GCIB系統200包括X-掃描控制器282，其可提供工作件固持器280在X-掃描運動方向283(進入與離開紙面)上的線性運動。Y-掃描控制器284可提供工作件固持器280在Y-掃描運動方向285(一般係正交於X-掃描運動方向283)上的線性運動。在一些校直、測試、及/或處理步驟中，X-掃描以及Y-掃描運動方向的結合，使被工作件固持器280所固持的工作件281得以似逐行掃描(raster-like)的掃描運動方式移動通過GCIB 263。當正確地操作GCIB系統200時，GCIB 263可提供工作件281之表面的均勻照射，而藉此產生工作件281的均勻處理。控制器290(可為以微電腦為基礎的控制器)透過訊號匯流排291而連接至X-掃描控制器282以及Y-掃描控制器284，並且控制X-掃描控制器282以及Y-掃描控制器284，藉此將工作件281置入或置出GCIB 263，以及相對於GCIB 263而均勻地掃描工作件281，俾透過GCIB 263來達到工作件281的均勻處理。
在一些測試及/或處理步驟中，工作件固持器280以相對於GCIB 263之軸呈一角度來配置工作件281，使得GCIB 263具有相對於工作件281之表面的波束入射角286。當正確地操作GCIB系統200時，波束入射角286為大約90度。在Y-掃描測試期間，工作件281被工作件固持器280所固持，且從所顯示的位置移動到另一個位置「A」(工作件及工作件固持器分別由標號281A和280A所標示)。當正確地執行掃描步驟時，工作件281可透過GCIB 263而完全地掃描，並且在兩末端位置上，工作件281可被完全移出GCIB 263的路徑(超出掃描)。此外，相似的掃描及/或超出掃描可在正交的X-掃描運動方向283(進入與離開紙面)上被執行。在一些測試情況下，當測試掃描步驟失敗時，可對噴嘴/分離器模組20進行校正及/或再校直。
工作件281可經由例如機械箝制系統、或電箝制系統(如靜電箝制系統)的箝制系統(未顯示)，而被固定於工作件固持器280上。再者，工作件固持器280可包含加熱系統(未顯示)或冷卻系統(未顯示)，其配置以調整及/或控制工作件固持器280以及工作件281的溫度。
波束電流感測器288可配置在位於GCIB263之路徑中的工作件固持器280的後方，俾在當工作件固持器280超出GCIB263之路徑時，能截取GCIB263的樣品。波束電流感測器288為法拉第杯或相似物(其除了波束入口開口以外，皆為密閉)，並且以電絕緣座289而附接於處理腔室208的壁上。替代地，可將一或更多的感測裝置耦接於工作件固持器280上。
GCIB 263可在位於工作件281之表面上的投射衝擊區域來衝擊工作件281。在X-Y測試與處理期間，工作件固持器280可將工作件281之表面的每一個部分定位在GCIB 263的路徑中，俾能使工作件281之表面的每一個區域被GCIB263處理。X-掃描與Y-掃描控制器282、284可用於控制工作件固持器280在X軸與Y軸方向上的位置與速度。X-掃描與Y-掃描控制器282、284可透過訊號匯流排291而接收來自控制器290的控制訊號。在許多測試與處理期間，工作件固持器280可以連續式運動或步進式運動的方式來進行移動，以將工作件281的不同區域定位在GCIB263之內。在一實施例中，工作件固持器280被控制器290控制，以透過GCIB263以可程式化的速度對工作件281的任何部分進行掃描。
在一些例示性測試或處理步驟中，將工作件固持器280的一或更多的表面建構成為導電性並且連接至由控制器290所操作的劑量測定(dosimetry)處理器。工作件固持器280的電絕緣層(未顯示)可用於使工作件281以及基板持面，與工作件固持器280的其他部分隔離。藉由衝擊GCIB263而在工作件281中所引發的電荷可透過工作件281以及工作件固持器280之表面而傳導，並且訊號可透過工作件固持器280而耦合至控制器290以進行劑量測定量測。劑量測定量測 具有用以積分GCIB電流以判定GCIB處理劑量的積分裝置。在某些情況下，電子的目標中和源(target-neutralizing source)(未顯示)，有時稱為電子潮(electron flood)，可用以中和GCIB263。在此種情況下，法拉第杯可用以確保準確的劑量測定而不論增加的電荷來源。在工作件281的處理期間，劑量率被傳送到控制器290，而控制器290確認GCIB波束通量係正確的、或偵測GCIB波束通量中的變化。
控制器290亦透過訊號匯流排291而接收藉由波束電流感測器288所收集的樣本波束電流。控制器290可偵測GCIB263的位置、可控制由工作件281所接收的GCIB劑量，並且在當預定的所需劑量已被傳送到工作件281時，將工作件281從GCIB263移開。替代地，可使用內部的控制器。
如圖2所示，GCIB系統200包括允許增加的GCIB電流但減少或最小化「凸波」的機制。舉例來說，一管狀導體(例如延伸管257)顯示為離子化器255的整體(integral)部分，並位於離子化器255的入口孔洞256；然而，延伸管257並非必需如此一體成形地連接。延伸管257為導電性，並且電性附接到離子化器255，故因此在離子化器的電位。可使用其他的配置，以達到延伸管257與離子化器255之間幾乎相同的電位關係。離子化器的入口孔洞256的直徑，在大約2cm到大約4cm之間變化。延伸管257具有內側直徑，在大約2cm到大約4cm之間變化。延伸管257的長度在大約2cm到大約8cm之間變化。延伸管257的壁為導電性(較佳地為金屬性)且可為多孔性，或配置為複數個連接的同軸環、或由篩網材料製成，以提高氣體傳導性。延伸管257使離子化器255的內側屏蔽而隔絕外部電場，減少在靠近離子化器255的入口孔洞256之處形成的正離子，被從離子化器255向後擷取出來，而朝向噴嘴/分離器模組20的輸出端加速之可能性。離子化器的出口孔洞259的直徑在大約2cm到大約4cm之間變動。
GCIB系統200更包含原位量測系統。例如，該原位量測系統可包含光學診斷系統，該光學診斷系統具有光學發送器270以及光學接收器275，其 分別係配置以使用入射光訊號271照射工作件281、以及接收來自工作件281的散射光訊號276。該光學診斷系統包含光學窗，其可允許入射光訊號271及散射光訊號276通過進出處理腔室208。再者，光學發送器270以及光學接收器275可分別包含發送透鏡以及接收透鏡。光學發送器270可耦接於控制器290並與其交流。光學接收器275可將量測訊號傳回控制器290。例如，該原位量測系統可配置以監測GCIB處理的進行。
控制器290包含能夠產生控制電壓的一或更多的微處理器、記憶體、以及I/O埠，該控制電壓足以傳達並啟動通往GCIB系統200的輸入，並且監測來自GCIB系統200的輸出。此外，控制器290可耦接於真空幫浦系統216a、216b、及216c、第一氣體供給子系統250、第二氣體供給子系統253、噴嘴/分離器模組20、氣體供給子構件233、抑制器電極偏壓電源供應器264、陽極電源供應器266、燈絲電源供應器267、擷取電源供應器268、加速器電源供應器269、透鏡電源供應器272及274、光學發送器270、光學接收器275、X-掃描及Y-掃描控制器282及284、以及波束電流感測器288，並與其交換資訊。例如，儲存於記憶體中的程式可依照製程配方而用以啟動通往GCIB系統200之上述元件的輸入，以在工作件281上執行測試或生產GCIB處理。
在一些測試實施例中，可將波束過濾器295安裝在離子化/加速腔室205中並用以自GCIB 263消除單體或單體與輕離子化團簇，而在GCIB 263進入處理腔室208之前，進一步定義GCIB 263。此外，可將波束閘296安裝在離子化/加速腔室205內之GCIB 263的路徑中。例如，波束閘296具有開啟狀態，於其中GCIB 263被允許從離子化/加速腔室205通到處理子系統207；以及關閉狀態，於其中GCIB 263被阻擋進入處理子系統207。可將控制器290耦接於波束過濾器295以及波束閘296，且控制器290可在測試或處理期間監測與控制波束過濾器295以及波束閘296。
替代地，可調式孔隙可與波束過濾器295結合或加入作為個別的裝置(未顯示)，以調節或可變地阻擋GCIB通量的一部份，從而使此GCIB波束電流降至所需值。可單獨使用該可調式孔隙或與熟悉本技藝者已知悉的其它裝置與方法搭配以降低GCIB通量至一非常小的值，該等方法包括變化來自GCIB來源供應器的氣體流量；藉由變化燈絲電壓VF或變化陽極電壓VA來調制離子化器；或藉由變化透鏡電壓VL1及/或VL2來調制透鏡聚焦。
在一些步驟中，當離子化氣體團簇離子撞擊工作件281之表面時形成淺的撞擊坑洞，其有約20nm的寬度、以及約10nm但少於約25nm的深度。當使用如原子力顯微鏡(AFM)的奈米級成像裝置成像時，此撞擊坑洞具有類似缺口的外觀。撞擊之後，來自氣體團簇離子的惰性物種會汽化，或自工作件281的表面逃逸為氣體，並藉由真空幫浦系統216c而自處理子系統207與處理腔室208中排出。
圖3顯示根據本發明之實施例的噴嘴/分離器模組的例示性形構的圖像。在所繪之實施例中，表明噴嘴/分離器模組400相似於圖1的噴嘴/分離器模組20，相同的部分以相同的參考號碼標記。替代地，可以不同方式來配置噴嘴/分離器模組。
圖4包括用於圖2所示之GCIB處理系統之噴嘴/分離器模組400的橫剖面圖。對照於圖1所示之單一波束的噴嘴，噴嘴/分離器模組400可用於產生二或更多的GCIBs，而用於處理基板或工作件281。二或更多的噴嘴彼此相鄰地設置並產生其自身相對應的GCIB。因此，分離器402可設計以使從該等二或更多的噴嘴射出的氣體團簇平行。該等二或更多的噴嘴以及分離器之間的距離可由支持管404(耦接於噴嘴/分離器模組400的一或更多部分)的長度來支配或控制。在某些情況下，該等二或更多的噴嘴可合併成同一個構件或單一零件、或單一零件被耦接在一起的組合。在圖4之實施例中，將氣體集流腔406設計成可將氣體管路408提供到該等噴嘴之各者。氣體集流腔能使三或更多的氣體被 引入到噴嘴構件中。一或更多的氣體的輸入壓力範圍為1atm到100atm，且其具有介於-100℃與110℃的溫度。
在一實施例中，該等二或更多的噴嘴可合併成為單一零件的組合，其包括第一噴嘴元件410，且第一噴嘴元件410與第二噴嘴元件412相鄰或對齊，該等元件之細節將於圖5與6的說明中更詳細地描述。然而，圖4亦描繪出第一噴嘴元件410與第二噴嘴元件412的圓錐狀開口的列線對準，使得該等圓錐狀開口以其個別的波束的中心線為中心(例如波束#1的中心線414以及波束的中心線416)。依此方式，各個噴嘴元件可以對準圓錐狀開口為基礎，來促成其個別的GCIB形成，而該等圓錐狀開口具有相同或實質上相似的半角。
圖5包括噴嘴裝置500的一橫剖面圖，噴嘴裝置500包括第一噴嘴元件410以及第二噴嘴元件412。噴嘴裝置500包括孔洞502，在氣體管路408與第一圓錐狀空腔506之間的高的壓差之下，形成GCIB的氣體可通過孔洞502而發射。孔洞502的直徑在25μm與500μm之間變化。在具體的一實施例中，孔洞502約80μm。孔洞502相鄰於第一入口表面504，其具有與氣體集流腔406齊平的實質上平坦的表面。孔洞502具有拋光的表面或最小的表面粗糙度，而可促成團簇。該表面粗糙度的範圍介於0.1μm與0.5μm之間，具體的一實施例為約0.2μm。
一旦通過孔洞502，氣體穿過第一圓錐狀空腔506而朝向第二噴嘴元件412中的第二圓錐狀空腔508發射。第一圓錐狀空腔506的長度範圍介於20mm與60mm之間，並且第二圓錐狀空腔508的長度基於第一圓錐狀空腔506的長度的一比例而變化。該比例在0.40到0.99之間變化。
第一圓錐狀空腔506亦具有相同或相似的半角510，半角510從中心線414測得。半角510之範圍為大約1.5到大約30.0度。依此方式，第一圓錐狀空腔506以及第二圓錐狀空腔508的邊緣可形成具有相同或相似斜率的直線。在具體的一實施例中，該半角大約6度。
在圖5的實施例中，在第一出口表面514的第一圓錐狀空腔506的出口直徑小於第二圓錐狀空腔508的入口直徑。依此方式，第一圓錐狀空腔506的最大直徑小於在第二圓錐狀空腔508中沿中心線414從任一點測得的任何直徑。例如，該出口直徑在該入口直徑的50%到將近100%之間變化，使得第一圓錐狀空腔506與第二圓錐狀空腔508之間存在不大於1mm的階高度。在某些實施例中，在第一圓錐狀空腔506與第二圓錐狀空腔508之間設置水平過渡區512。水平過渡區512包括與第一噴嘴元件410的第一出口表面514相對的第二入口表面516。第一出口表面514亦被稱為居間的出口表面，其設置在第一入口表面504與第二噴嘴元件412的第二出口表面518之間。
在一實施例中，第二噴嘴元件412可稱為內凹角空腔元件。在此實施例中，第二噴嘴元件412包括可設置第一噴嘴元件410的一空腔，使得第一噴嘴元件410被第二噴嘴元件412固定或保持在定位。第一噴嘴元件410可從第一入口表面504滑入該內凹角空腔中。結合第一噴嘴元件410，可將內凹角空腔設計成使得內凹角空腔元件的第二圓錐狀空腔508，與第一圓錐狀空腔506對準。
在圖5的實施例中，可將第一噴嘴元件410設計成可設置或容納密封件520，其可在氣體管路408、氣體集流腔406、以及第一噴嘴元件410之間維持流體密封。在此例子中，密封件520在氣體管路408以及第一圓錐狀空腔506之間維持高的壓差。密封件520可包括(但不限於)密封劑、O-環、或合成橡膠。
在一實施例中，第一噴嘴元件410由陶瓷材料製成，且第二噴嘴元件412由金屬(例如不鏽鋼)製成。在一具體實施例中，該陶瓷材料為併入第二噴嘴元件412中的一體成型的零件。
在另一實施例中，該噴嘴構件包括一氣體供給集流箱，其具有與該噴嘴構件的第一噴嘴元件410流體連通的至少一氣體供給導管(例如氣體管路 408)。該第一噴嘴元件410包括至少一圓錐狀噴嘴的第一部分(例如第一圓錐狀空腔506)，該第一部分之形成係從噴嘴喉部(例如孔洞502)(位在第一入口表面504)延伸到居間的出口(位在第一出口表面514)。該噴嘴構件的第二噴嘴元件412相鄰於第一噴嘴元件410。第二噴嘴元件412包括至少一圓錐狀噴嘴的第二部分(例如第二圓錐狀空腔508)，係從居間的入口(位在第二入口表面516)延伸到噴嘴的出口(位在第二出口表面518)。第二噴嘴元件412更包括一內凹角空腔，而第一噴嘴元件410可插入該內凹角空腔中，使第一出口表面514得以接合或碰觸第二入口表面516。該內凹角空腔可設計成使得第一圓錐狀空腔506與第二圓錐狀空腔508對齊，而達到GCIB在該等兩元件之間所需的過渡區，使該第一噴嘴部分的中心線與該第二噴嘴部分的中心線得以重合或對準。
在一實施例中，該居間的出口(位在該第一噴嘴元件的第一出口表面)的直徑，等於或小於該居間的入口(位在該第二噴嘴元件的第二入口表面)的直徑。
在另一實施例中，該第一噴嘴元件之居間的出口的直徑之範圍，在該第二噴嘴元件之居間的入口的直徑的約50%到約100%。
該噴嘴構件亦包括設置在第一噴嘴元件410與氣體供給集流腔406之間的密封件520，使得當第二噴嘴元件412附接或接合於氣體供給集流腔406時，第一入口表面504可建立包圍至少一氣體供給導管408之出口的封口(例如流體流動障壁)。在一實施例中，該密封件包括形成或據以實現該封口或該流體流動障壁的密封劑、O-環、或合成橡膠。
在另一實施例中，該噴嘴構件包括彼此平行並且相鄰的一對噴嘴，如圖5所示。
圖6包括過渡區(例如水平過渡區512)的橫剖面圖600，其位於GCIB處理系統之噴嘴裝置500的兩個噴嘴(例如第一噴嘴元件410與第二噴嘴元 件412)之間。在一實施例中，水平過渡區512或延續噴嘴的形狀可為圓柱狀，使得沿著距離604(小於5mm)的水平過渡區512的直徑一致或實質上一致。在此實施例中，在第一出口表面514，水平過渡區512的直徑大於第一圓錐狀空腔410的任何部份的直徑。在此例子中，第一圓錐狀空腔410與水平過渡區512之間存在階高度602。在一實施例中，水平過渡區512的長度不大於10mm。階高度602小於1mm。在具體的一實施例中，階高度602約0.04mm。
在許多實施例中揭露用於將噴嘴/分離器模組併入GCIB系統中的設備與方法。然而，熟悉相關技藝者將認可不需具體細節中的一或更多者，或以其他取代及/或額外的方法、材料，或元件，即可執行許多實施例。在其他例子中，為了避免混淆本發明之許多實施例的態樣，未詳盡地顯示或描述熟知的結構、材料，或操作。同樣地，為了解釋之目的，闡明特定數字、材料，與形構以提供本發明之全面了解。儘管如此，本發明毋須具體細節而可被實施。再者，應了解圖中所示的許多實施例係例示性表達且未必按比例繪製。
參照此實施方式的全文，〝一個實施例〞或〝一實施例〞意味在本發明之至少一實施例中包括關於本實施例所描述的特殊形體、結構、材料，或特徵，但不表示在每一實施例中都會存在。因此，在此實施方式的全文的許多地方中，〝在一個實施例中〞或〝在一實施例中〞的詞組的出現未必涉及本發明的相同實施例。此外，在一或多個實施例中可以任何適當的方式結合特殊形體、結構、材料，或特徵。在其他實施例中可包括各種另外的層及/或結構，及/或省略所描述的形體。
以最有助於了解本發明的方法將各種操作依序描述為複數個分離的操作。然而，不應把描述的順序理解為暗示這些操作係必定順序相依。具體而言，這些操作係不需依表達順序而執行。可以不同於所述實施例的順序執 行所述的操作。在其他的實施例中，可執行各種其他的操作，及/或省略所述的操作。
為說明與描述之目的已表達本發明之實施例的上述內容。其並不意欲窮舉或使本發明限於所揭露的精確形式。本說明與下述的申請專利範圍包括如左、右、頂、底、在上方、在下方、較高、較低、第一、第二等術語，其僅用以描述性目的且不應理解為限制性。例如，若指明相對垂直位置的術語提及一狀況，其中基板或積體電路的裝置側(或有效表面)係此基板的「頂」表面；此基板實際上可位於任何方向而使得在標準地面參考系中基板的「頂」端可低於「底」端且仍落於「頂」一詞的意義內。本文(包括在申請專利範圍中)所用的「在...之上」一詞，除非特別說明，否則不代表在第二層上的第一層係直接及立即與第二層接觸；可有第三層或其它結構介於第一層與在第一層上的第二層之間。可在若干狀況與目標中製造、使用或運送本發明所述之裝置或物品的實施例。
在上述教示的指引下，熟悉相關技藝者可理解許多修正或變化係可能的。熟悉本技藝者將認可圖中所示的各種元件的各種等價的結合與替換。因此按計畫本發明的範圍係不為此詳細說明所限，而為隨附的申請專利範圍請求項所限。
400‧‧‧噴嘴/分離器模組
402‧‧‧分離器
404‧‧‧支持管
406‧‧‧氣體供給集流腔
408‧‧‧氣體管路/氣體供給導管
410‧‧‧第一噴嘴元件
412‧‧‧第二噴嘴元件
414‧‧‧中心線
416‧‧‧中心線

Claims (20)

  1. 一種用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其包含：一氣體供給集流腔，其具有至少一氣體供給導管；一第一噴嘴元件，而至少一圓錐狀噴嘴的第一部分形成通過該第一噴嘴元件，該第一部分從位在第一入口表面的噴嘴喉部延伸到位在第一出口表面的居間的出口；一第二噴嘴元件，而該至少一圓錐狀噴嘴的第二部分從位在第二入口表面的居間的入口、穿過該第二噴嘴元件延伸到位在第二出口表面的噴嘴出口，該第二噴嘴元件更包括一內凹角空腔，而該第一噴嘴元件插入該內凹角空腔中，使該第一出口表面與該第二入口表面接合，且噴嘴的該第一部分與噴嘴的該第二部分對準，而形成該圓錐狀噴嘴；以及一密封件，其設置在該第一噴嘴元件與該氣體供給集流腔之間，使得當該第二噴嘴元件附接於該氣體供給集流腔時，該第一噴嘴元件的該第一入口表面頂住該密封件，而與該氣體供給集流腔建立一封口，該封口包圍該至少一氣體供給導管的出口。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該第一噴嘴元件為陶瓷構成的一體成型的零件。
  3. 如申請專利範圍第1項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該第二噴嘴元件由不鏽鋼所構成。
  4. 如申請專利範圍第1項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該至少一圓錐狀噴嘴包含彼此平行並且相鄰設置的一對噴嘴。
  5. 如申請專利範圍第1項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中噴嘴的該第一部分的中心線與噴嘴的該第二部分的中心線重合。
  6. 如申請專利範圍第1項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中位在該第一噴嘴元件的第一出口表面之該居間的出口的直徑，等於或小於位在該第二噴嘴元件的第二入口表面之該居間的入口的直徑。
  7. 如申請專利範圍第1項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中位在該第一噴嘴元件的第一出口表面之該居間的出口的直徑，小於位在該第二噴嘴元件的第二入口表面之該居間的入口的直徑。
  8. 如申請專利範圍第7項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該第一噴嘴元件之該居間的出口的直徑之範圍，係該第二噴嘴元件之該居間的入口的直徑的約50%到約100%。
  9. 一種用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其包含：一噴嘴元件，其包含：至少一圓錐狀噴嘴；以及一噴嘴喉部，其緊鄰該至少一圓錐狀噴嘴的一端點而設置，且可從一氣體供給導管接收氣體；一內凹角空腔元件，其包含：一空腔，其用以安置該噴嘴元件；該空腔之第一開口，其可接收該噴嘴元件或該氣體；該空腔之第二開口，其與該第一開口相對並且可從該至少一圓錐狀噴嘴接收該氣體；以及一延續噴嘴，其包含與該圓柱狀噴嘴對準的圓錐狀空腔，並且可透過該第二開口而從該至少一圓錐狀噴嘴接收該氣體，該圓錐狀空腔包含一入口直徑，其大於該至少一圓錐狀噴嘴的任何直徑。
  10. 如申請專利範圍第9項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該內凹角空腔元件更包含一過渡空腔，其設置在該第二開口與該延續噴嘴之間，該過渡空腔包含：實質上圓柱狀的形狀，其具有從該第二開口到該延續噴嘴的該氣體流經的位移長度；大於沿著該至少一圓錐狀噴嘴的任何直徑的一直徑。
  11. 如申請專利範圍第10項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該過渡空腔的直徑與相鄰該過渡空腔的該至少一圓錐狀噴嘴的端點的直徑相比，包含不大於1mm的差值。
  12. 如申請專利範圍第11項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該位移長度包含不大於10mm的距離。
  13. 如申請專利範圍第9項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，更包含設置在該噴嘴元件與一氣體供給集流腔之間的一密封件。
  14. 如申請專利範圍第9項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該至少一圓錐狀噴嘴包含彼此平行並且相鄰設置的一對噴嘴。
  15. 如申請專利範圍第14項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該內凹角空腔元件包含該空腔的第三開口，該第三開口與該第二開口相鄰，並且對準該對噴嘴的其中一者。
  16. 如申請專利範圍第9項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該至少一圓錐狀噴嘴之特徵在於範圍在約1.5到約30.0度的半角。
  17. 如申請專利範圍第9項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該噴嘴元件的長度，比上該圓錐狀噴嘴以及該延續噴嘴的總長度之比值範圍為0.40到0.99。
  18. 如申請專利範圍第9項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該噴嘴喉部之範圍為25μm到500μm。
  19. 如申請專利範圍第9項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中設置二或更多的噴嘴以產生目標GCB電流。
  20. 如申請專利範圍第9項之用於氣體團簇束(GCB)處理系統的噴嘴構件，其中該至少一圓錐狀噴嘴以及該延續噴嘴包含一總長度，其範圍為約20mm到約60mm。
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