비-이극성 전자 플라즈마에 의해 이방성 및 모노-에너제틱 뉴트럴 빔을 제공하기 위한 방법 및 장치

비-이극성 전자 플라즈마에 의해 이방성 및 모노-에너제틱 뉴트럴 빔을 제공하기 위한 방법 및 장치{A METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING AN ANISOTROPIC AND MONO-ENERGETIC NEUTRAL BEAM BY NON-AMBIPOLAR ELECTRON PLASMA}

본 개시는 기판을 처리하기 위한 플라즈마-기반 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 저-온 환경에서 비-이극성 전자 플라즈마(non-ambipolar electron plasma)를 인가함으로써 기판의 이방성의 그리고 모노-에너제틱 뉴트럴 빔 활성화 화학적 프로세싱을 수행하기 위해 입자들의 뉴트럴 빔(neutral beam)을 생성하기 위한 플라즈마-기반 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 명세서에서 제공되는 "배경" 설명은 본 개시의 문맥을 일반적으로 제시하기 위한 것이다. 이 배경 섹션에서 설명되는 범위까지의 현재 거명된 발명자들의 성과뿐 아니라, 그렇지 않고 출원 시에 종래 기술로서 간주되지 않을 수 있는 설명의 양상들은 본 발명에 대한 종래 기술로서 명시적으로도 또는 암시적으로도 인정되지 않는다.

반도체 프로세싱 동안, 플라즈마는 반도체 기판 상에 패터닝되는 비아들(또는 콘택들) 내의 또는 미세 라인들을 따른 재료의 이방성 제거를 용이하게 함으로써 에칭 프로세스들을 보조하는데 종종 활용된다. 이러한 플라즈마 보조 에칭의 예들은, 본질적으로 이온 활성화된 화학적 에칭 프로세스인 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching; RIE)를 포함한다.

그러나 RIE가 수십년 동안 이용되어왔지만, 그의 성숙도는 : (a) 넓은 이온 에너지 분포(ion energy distribution; IED), (b) 다양한 전하-유도 부작용들; 및 (c) 피처-형상 로딩 효과, 즉 마이크로 로딩을 포함하는 몇 개의 이슈들을 동반하였다. 이들 문제를 완화하기 위한 하나의 접근법은 본 명세서에서 인용에 의해 포함되고, 공동 소유되거나 양도된 미국 특허 공개 번호 제2009/0236314호에서 설명된 것과 같은 뉴트럴 빔 프로세싱을 활용하는 것이다.

순수 뉴트럴 빔 프로세스들은 본질적으로, 화학적 반응물, 첨가물 및/또는 에천트로서 참가하는 어떠한 뉴트럴 열 종 없이 발생한다. 기판에서 에칭 프로세스와 같은 화학적 프로세스는 입사되는(방향적으로 에너제틱) 뉴트럴 종들의 운동 에너지(kinetic energy)에 의해 활성화되며, 입사되는(방향적으로 에너제틱하고 반응적인) 뉴트럴 종들은 반응물 또는 에천트들로서 또한 역할한다.

뉴트럴 빔 프로세싱의 하나의 자연스런 결과는, 프로세스가 (RIE에서 에천트들로서 역할하는) 열 종들과 연관된 플럭스-각도 변동(flux-angle variation)의 효과를 포함하지 않는 것으로 인한 마이크로 로딩(micro loading)의 부재이다. 그러나 마이크로 로딩의 결여의 불리한 결과는 1(unity)의 에칭 효율의 달성인데, 즉 최대 에칭 수율이 1이거나, 또는 하나의 입사되는 뉴트럴은 명목상으로 단지 하나의 에칭 반응을 프롬프팅한다. 역으로, RIE의 풍부한 열 뉴트럴 종들(에천트)은 하나의 에너제틱한 입사 이온에 의한 활성화에 있어서 막의 에칭에 모두 참여할 수 있다. 운동 에너지 활성화(열 뉴트럴 종들) 화학적 에칭은 이에 따라, 마이크로 로딩을 수용하도록 강제되면서 10, 100 및 심지어 1000의 에칭 효율을 달성할 수 있다.

현재 뉴트럴 빔들은, 예를 들어, 부서지기 쉬운 기판들, 예를 들어, 300mm 웨이퍼 기판들 상에 배치되는 상당히 불합리한 10,000 l/s(liters/second) 유량을 활용하는 터보-분자 펌프(turbo-molecular pump; TMP)를 이용할 수 있다.

도 1은 뉴트럴라이저 그리드(neutralizer grid)(20)가 접지되어 있는 종래의 뉴트럴 빔(NB) 소스(10)의 개략도이다. 도 1은 종래의 뉴트럴 빔(NB) 소스의 펌핑 곤란함을 설명한다. 즉, TMP 또는 터보(28)가 높은, 예를 들어, 10,000 리터/초(l/s)인 경우, 얇은 웨이퍼 기판(26), 예를 들어, 300mm 웨이퍼 기판이 동일하게 노출될 때, 웨이퍼 기판은 고장나거나 부서질 수 있다. 도 1에서, NB 소스(10)는 대략 10 mTorr(millitorr)의 제 1 플라즈마 전위(VP, 1)로 제 1 플라즈마(18)를 형성하기 위한 제 1 플라즈마 챔버(16) 및 대략 1x10 ^-4 내지 5x10 ^-5 Torr의 제 2 전위(VP, 2)로 제 2 플라즈마(24)를 형성하기 위한 제 2 플라즈마 챔버(22)를 포함하며, 제 2 전위는 제 1 플라즈마 전위보다 더 크다. 제 1 플라즈마(18)는 12에서, 가스 주입기 입구(14)를 통해 제 1 플라즈마 챔버(16)에서 이온화 가능한 가스, 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스에 라디오 주파수(RF) 또는 마이크로파(μ-파)와 같은 전력을 결합함으로써 형성되는 반면에, 제 2 플라즈마(24)는 제 1 플라즈마(18)로부터 뉴트럴라이저 그리드(20)를 통과하는 전자 플럭스(electron flux)를 이용하여 형성된다.

제 1 플라즈마 챔버(16)는 제 1 플라즈마(18)를 점화하고 가열하도록 구성되는 플라즈마 생성 시스템(12)을 포함한다. 제 1 플라즈마(18)는 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP) 소스, 변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma; TCP) 소스, 용량성 결합 플라즈마(capacitively coupled plasma; CCP) 소스, 전자 싸이클로트론 공진(electron cyclotron resonance; ECR) 플라즈마 소스, 헬리콘파 플라즈마 소스, 표면 파 플라즈마 소스, 슬롯화된 평면 안테나를 갖는 표면파 플라즈마 소스 등을 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)하는 임의의 종래의 플라즈마 생성 시스템에 의해 가열될 수 있다. 제 1 플라즈마(18)가 임의의 플라즈마 소스에 의해 가열될 수 있지만, 제 1 플라즈마(18)는 그의 플라즈마 전위(VP, 1)의 감소된 또는 최소 등락을 생성하는 방법에 의해 가열되는 것이 바람직하다. 예를 들어, ICP 소스는 감소된 또는 최소(VP, 1) 등락을 생성하는 실제적인 기법이다(미국 특허 공개 번호 제 2009/0236314호를 참조).

도 2는 도 1의 모노 에너제틱 타입(mono energetic type)의 종래의 뉴트럴 빔(NB) 소스를 이용하여 접지된 뉴트럴라이저 그리드 상부면(34) 및 가속기 표면(32)의 전위 다이어그램들 및 기하학 구조(30)를 도시하는 그래픽 플롯이다. 이 타입에서, 모노-에너제틱 NB의 가속기 표면(32)은 직류(DC) 전력공급(+VA)되어야 한다. 도 2에서, 플라즈마 벌크(36)는 양으로 바이어싱된 DC 가속기 표면(32)에 의해 구동되는 바와 같은 바운더리-구동 플라즈마 전위 또는 플라즈마 전위(VP)를 가지며, 여기서 V _P ~V _A 이다. 가속기 표면(32)은 뉴트럴라이저 그리드 상부면(34)의 표면 영역 보다 상당히 더 큰 표면 영역을 갖는다는 것이 주의되어야 한다. 또한, 전위 다이어그램 및 기하학 구조(30)는 또한 이온 봄(Bohm) 속도 및 초기 이온 플럭스를 관리하는 종래의 프리-시스(pre-sheath)(SA), 시스 에지(38), 전자-프리 지역(40) 또는 캐소드 폴(cathode fall)(SB)을 포함하는 시스(S)를 또한 도시하며, 여기서 총 시스는 S = S _A + S _B 이다.

DC 바이어싱된 가속기 표면(32)은 플라즈마 벌크(36)와 접촉하는 비교적 큰 영역을 포함한다는 것에 주의되어야 한다. DC 접지되는 영역이 더 클수록, 제 1 플라즈마 전위는 더 낮다. 예를 들어, 플라즈마 벌크(36)와 접촉하는 DC 바이어싱된 가속기 표면(32)에 대한 전도성 표면의 표면 영역은 플라즈마 벌크(36)와 접촉하는 임의의 다른 표면 영역보다 더 클 수 있다.

부가적으로, 예를 들어, 플라즈마 벌크(36)와 접촉하는 DC 바이어싱된 가속기 표면(32)에 대한 전도성 표면의 표면 영역은 플라즈마 벌크(36)와 접촉하는 모든 다른 전도성 표면들의 총 합계 영역보다 더 클 수 있다.

대안적으로, 일 예로서, 플라즈마 벌크(36)와 접촉하는 DC 바이어싱된 가속기 표면(32)에 대한 전도성 표면은 플라즈마 벌크(36)와 접촉하는 유일한 전도성 표면일 수 있다. DC 바이어싱된 가속기 표면(32)은 접지에 대한 최저 임피던스 경로을 제공한다.

다수의 시도들이 이들 단점들, 즉 에칭 효율, 마이크로 로딩, 전하 손상, TMP 유량들 및/또는 이들 파라미터들 간의 트레이드오프들을 고치기 위해 이루어졌지만, 이들은 여전히 남아있고, 에칭 커뮤니티는 이 문제에 대한 새롭고 실제적인 해결책들을 계속 탐구하고 있다.

실시예들은 기판을 처리하기 위한 방법을 포함할 수 있다. 방법은 플라즈마 생산물들(plasma products)로 기판을 처리하도록 구성된 화학적 프로세싱 장치에 기판을 배치하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 화학적 프로세싱 장치의 플라즈마 생성 챔버의 제 1 플라즈마 영역으로 제 1 압력에서 제 1 프로세스 가스를 유동시키는 단계 및 제 1 플라즈마 영역의 제 1 플라즈마를 제 1 플라즈마 전위로 유지하는 단계를 포함한다. 방법은 추가로 플라즈마 생성 챔버의 제 2 플라즈마 영역으로 제 2 압력에서 제 2 프로세스 가스를 유동시키는 단계 및 제 2 플라즈마 전위가 제 1 플라즈마 영역으로부터 제 2 플라즈마 영역으로의 전자 플럭스(electron flux)를 야기하도록 제 1 플라즈마 전위보다 충분히 더 크게 제 2 플라즈마 전위를 유지하는 DC 가속기를 이용함으로써 제 2 플라즈마 영역의 제 2 플라즈마를 제 2 플라즈마 전위로 유지하는 단계를 포함하고, 제 2 플라즈마는 제 1 플라즈마 영역으로부터의 전자 플럭스를 이용하여 유지되고, 제 2 플라즈마 영역은 그 사이에 배치되어 있는 분리 부재를 통해 제 1 플라즈마 영역으로부터 분리되고, 분리 부재는 제 1 플라즈마 영역으로부터 제 2 플라즈마 영역 쪽으로의 전자 플럭스를 허용하기에 충분한 개구들의 어레이를 정의한다. 방법은 또한 제 2 플라즈마 영역으로부터 기판과 제 2 플라즈마 영역 사이에 배치되는 뉴트럴라이저 그리드(neutralizer grid) 쪽으로 양의 이온들을 가속하는 단계를 포함하고, 양의 이온들은 제 2 플라즈마가 뉴트럴라이저 그리드에 인접한 시스 바운더리(sheath boundary)에 걸친 전위 강하를 갖도록 제 2 플라즈마를 유지함으로써 가속되고, 뉴트럴라이저 그리드는 기판의 표면에 수직으로 배향되는 복수의 채널들을 정의하고, 복수의 채널들의 표면 재료는, 뉴트럴라이저 그리드를 통해 이동하는 양의 이온들이 복수의 채널들의 표면으로부터 전자들을 수신하고 뉴트럴 입자로서 기판 쪽으로 계속 이동하도록 복수의 채널들의 표면들 상에서 전자 플럭스로부터의 전자들을 임시로 보유하는 재료가다. 방법은 추가로 뉴트럴라이저 그리드로부터 이동하는 뉴트럴 입자들의 실질적으로 이방성 빔에 기판을 노출시키는 단계를 포함한다.

실시예들은 또한 기판을 처리하기 위한 방법을 포함할 수 있다. 방법은 플라즈마 생산물들로 기판을 처리하도록 구성된 플라즈마 프로세싱 장치에 기판을 배치하는 단계 및 플라즈마 프로세싱 장치의 플라즈마 생성 챔버의 제 1 플라즈마 영역으로 제 1 압력에서 제 1 프로세스 가스를 유동시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제 1 에너지 소스를 이용하여 제 1 플라즈마 영역의 제 1 플라즈마를 제 1 플라즈마 전위로 유지하는 단계 및 플라즈마 생성 챔버의 제 2 플라즈마 영역으로 제 2 압력에서 제 2 프로세스 가스를 유동시키는 단계를 포함한다. 방법은 추가로 DC 가속기를 이용함으로써 제 2 플라즈마 영역의 제 2 플라즈마를 제 2 플라즈마 전위로 유지하는 단계를 포함하고, DC 가속기를 이용하는 것은 제 2 플라즈마 전위가 제 1 플라즈마 영역으로부터 제 2 플라즈마 영역으로의 전자 플럭스(electron flux)를 야기하도록 제 1 플라즈마 전위보다 충분히 더 크게 제 2 플라즈마 전위를 유지하는 것을 포함하고, 제 2 플라즈마는 상기 제 1 플라즈마 영역으로부터의 전자 플럭스를 이용하여 유지되고, 제 2 플라즈마 영역은 그 사이에 배치되어 있는 분리 부재를 통해 제 1 플라즈마 영역으로부터 분리되고, 분리 부재는 제 1 플라즈마 영역으로부터 제 2 플라즈마 영역 쪽으로의 전자 플럭스를 허용하기에 충분한 개구들의 어레이를 정의한다. 방법은 또한 제 2 플라즈마가 기판과 제 2 플라즈마 영역 사이에 배치되는 뉴트럴라이저 그리드 쪽으로 지향되는 플라즈마 빔을 생성하는 플라즈마 시스 전위(plasma sheath potential)를 발현시키도록 DC 가속기에 대한 전력을 제어하는 단계를 포함하고, 플라즈마 빔은 실질적으로 동일한 양의 전자들 및 양의 이온들을 가짐으로써 공간-하전-뉴트럴(space-charge-neutral)이 되고, 뉴트럴라이저 그리드는 기판의 표면에 수직으로 배향되는 복수의 채널들을 정의하고, 복수의 채널들의 표면 재료는, 뉴트럴라이저 그리드를 통해 이동하는 플라즈마 빔으로부터의 양의 이온들이 전자들을 수신하고 뉴트럴 입자로서 기판 쪽으로 계속 이동하도록 유전체 재료의 표면들 상에서 플라즈마 빔으로부터의 전자들을 임시로 보유하는 재료가다. 방법은 추가로 뉴트럴라이저 그리드로부터 이동하는 뉴트럴 입자들의 실질적으로 이방성 빔에 기판을 노출시키는 단계를 포함한다.

실시예들은 추가로 기판을 처리하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 장치는 제 1 플라즈마 전위로 제 1 플라즈마를 형성하기 위한 제 1 플라즈마 챔버를 포함한다. 장치는 또한 제 1 플라즈마 전위보다 더 큰 제 2 전위로 제 2 플라즈마를 형성하기 위한 제 2 플라즈마 챔버를 포함한다. 제 2 플라즈마는 DC 가속기에 결합되고 제 1 플라즈마로부터의 전자 플럭스를 이용함으로써 형성되고 유지된다. 장치는 추가로 제 1 플라즈마 챔버와 제 2 플라즈마 챔버 사이에 배치되는 분리 부재를 포함하며, 분리 부재는 제 1 플라즈마 챔버로부터의 전자 플럭스가 제 2 플라즈마 챔버에 진입하도록 허용하기에 충분한 어레이 또는 개구를 갖도록 구성된다. 장치는 또한 제 2 플라즈마 챔버에 인접하게 그리고 분리 부재로부터 떨어져 배치되는 홀더를 포함한다. 홀더는 기판의 표면에 수직으로 배향되는 복수의 채널들을 정의하는 뉴트럴라이저 그리드를 보유하도록 구성되고, 복수의 채널들의 표면 재료는, 뉴트럴라이저 그리드는 기판의 표면에 수직으로 배향되는 복수의 채널들을 정의하고, 복수의 채널들의 표면 재료는, 뉴트럴라이저 그리드를 통해 이동하는 양의 이온들이 복수의 채널들의 표면으로부터 전자들을 수신하고 뉴트럴 입자로서 기판 쪽으로 계속 이동하도록 복수의 채널들의 표면들 상에서 전자 플럭스로부터의 전자들을 임시로 보유하는 재료가다. 뉴트럴라이저 그리드는 뉴트럴 입자들의 실질적으로 이방성 빔이 전자 플럭스를 통해 뉴트럴라이저 그리드로부터 이동하게 하도록 구성된다.

위의 단락들은 개괄적인 소개로서 제공되며 하기의 청구항들의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 설명된 실시예들은, 추가의 이점들과 함께, 첨부 도면들과 함께 이루어지는 하기의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 것이다.

본 개시의 및 본 개시의 수반되는 이점들 대부분의 완전한 이해는, 그것이 첨부 도면들과 함께 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해될 때 쉽게 얻어질 것이다.

도 1은 뉴트럴라이저 그리드가 접지되는 종래의 뉴트럴 빔(NB) 소스의 개략도이다.
도 2는 도 1의 모노 에너제틱 타입의 종래의 뉴트럴 빔 소스를 이용하여 접지된 뉴트럴라이저 그리드 상부면 및 가속기 표면의 전위 다이어그램 및 기하학 구조를 도시하는 그래픽 플롯이다.
도 3은 본 개시의 특정한 실시예들에 따른 화학적 프로세싱 장치의 예시적인 도면이다.
도 4는 본 개시의 특정한 실시예들에 따른 도 3의 장치의 구조를 도시하는 예시적인 도면이다.
도 5는 본 개시의 특정한 실시예들에 따른 도 3의 장치의 개략도이다.
도 6은 본 개시의 특정한 실시예들에 따른 도 3의 장치의 유전체 뉴트럴라이저 지역의 단면의 확대된 개략도이다.
도 7은 본 개시의 특정한 실시예들에 따르 유전체 뉴트럴라이저 그리드에서 비-이극성 전자 플라즈마 및 뉴트럴 빔의 개략적 측면도이다.
도 8a 및 도 8b는 변동되는 시스 비들을 갖는 도 6의 뉴트럴라이저 그리드의 채널들의 개략적 측면도들이다.
도 9는 본 개시의 특정한 실시예들에 따른 도 3의 장치의 전위 다이어그램의 그래픽 플롯이다.
도 10은 본 개시의 특정한 실시예들에 따른 주입기 유전체, 가속기 및 미접지 뉴트럴라이저 그리드 상부면의 전위 다이어그램 및 기하학 구조를 도시하는 그래픽 플롯이다.
도 11a 및 도 11b는 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 NEP 단부-바운더리에서 측정된 이온 에너지 분포(ion energy distribution; IED)의 그래픽 플롯이다.
도 12는 본 개시의 특정한 실시예들에 따른 도 3의 장치를 이용하는 예시적인 애플리케이션의 개략도이다.
도 13은 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 기판을 처리하도록 구성된 플라즈마 프로세싱 장치를 동작하는 방법을 예시하는 흐름도이다.

유사한 참조 번호들이 몇 개의 도면들에 걸쳐서 동일하거나 대응하는 부분들을 지정하는 도면들을 이제 참조한다.

일 실시예에 따라, 위에서 식별된 이슈들 중 일부 또는 전부를 완화하기 위해, 다른 것들 중에서도, 기판의 화학적 프로세싱을 활성화할 수 있는 비-이극성 전자 플라즈마(non-ambipolar electron plasma; NEP)에 의해 이방성 및 모노-에너제틱 뉴트럴 빔(mono-energetic neutral beam; NB)을 제공하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 비-이극성 전자 플라즈마에 의한 뉴트럴 빔 활성화 화학적 프로세싱은 운동 에너지 활성화, 즉 열 뉴트럴 종들을 포함하고, 그에 따라 그것은 높은 반응 또는 에칭 효율을 달성한다. 그러나 본 명세서에서 제공된 바와 같은 뉴트럴 빔 활성화 화학적 프로세싱은 또한 모노-에너제틱 활성화, 공간-하전 중립성(space-charge neutrality), 하드웨어 실행성을 달성하고 기판에서 보다 합리적인 더 낮은 터보-분자 압력(turbo-molecular pressure; TMP)을 허용하는 능력을 제공한다.

예를 들어, 약 300mm의 웨이퍼 기판 상에서 이용되도록 약 2,200 l/s 또는 3,300 l/s의 보다 합리적인 TMP 유량을 제공하기 위해, (1) 최저 펌핑(TMP) 요건을 인에이블하기 위해 최저 압력 플라즈마를 제공하도록 구성된 플라즈마-기반 NB 소스, (2) 최고 NB 전자 플럭스, (3) 지향성(이방성)의 제어 가능한 에너지, (4) 모노-에너제틱 NB, (5) 석영(SiO ₂ ), 세라믹(Al ₂ O ₃ ), 벌크 HfO ₂ , 벌크 Y ₂ O ₃ 등과 같이 (도체 대신) 절연체일 수 있는 뉴트럴라이저 그리드 재료인 뉴트럴 빔(NB) 소스가 제공된다.

위에서 논의된 도 1 및 도 2는 뉴트럴라이저 그리드가 접지되는 종래의 뉴트럴 빔(NB) 소스 및 모노 에너제틱 타입의 종래의 뉴트럴 빔 소스를 이용하는 그의 연관된 전위 다이어그램 및 기하학 구조를 도시한다.

도 3은 본 개시의 특정한 실시예들에 따른 화학적 프로세싱 장치, 예를 들어, 1-주입기 뉴트럴 빔(NB) 비-이극성 전자 플라즈마(NEP) 장치(50)(NB-NEP)의 예시적인 실시예의 예시도이다. 도 3에서, 일반적으로 NB-NEP 장치(50)의 유전체 주입기(68)는 제 1 플라즈마 유전체 챔버(58)로부터 제 2 플라즈마 유전체 챔버(64)로의 전자 플럭스를 허용하도록 주입기 노즐들 또는 개구들의 어레이(도시되지 않음)를 가질 수 있다. 도 3에서, 단일 노즐 전자 주입기(68)(1-주입기라 불림)(NEP)는 예시적인 실시예로서 이용된다. NB-NEP 장치(50) 부피는 비교 가능하게 작은데, 예를 들어, 직경이 대략 4cm이다. NB-NEP 장치(50)의 전위 구조는 중요하다(도 9 및 도 10 참조). 완료되는 주입기 이중층이 있다(도 9 및 도 10 참조). NEP 단부-바운더리는 웨이퍼 기판, 뉴트럴라이저 그리드 또는 검출기가 배치되는 곳에 존재할 수 있다(도 3 참조). NEP와 접촉하는 어떠한 전기 접지도 없고; 플라즈마-1 만이 직류(DC)-접지된다는 것이 중요하다. 이러한 DC-접지 영역은 전자 주입기 노즐(68)의 단면 영역에 비교될 때 상당히 커야 한다. 그러므로 NEP 단부-바운더리는 사실상 절연체 표면(예를 들어, 도 3의 72)이다.

1-주입기 NB-NEP 장치(50)는 전기 접지 기준으로서 구성되는 접지 캔(52), 제 1 플라즈마 유전체 튜브/챔버(58), 예를 들어, 가속기(70)에 결합되는 90°-콘 주입기를 갖는 예컨대, 유전체 주입기(68)를 포함하는 주입기 유전체 부분(62), 접지로부터 가속기(70)를 격리하도록 구성되는 제 2 플라즈마 유전체 튜브/챔버(64), 전기 접지로서 구성되는 접지 마운팅 플랜지(66), 유전체 그리드 홀더(71) 및 유전체 뉴트럴라이저 그리드(72) 또는 웨이퍼 기판을 포함할 수 있다. NEP 단부-바운더리는 위에서 논의된 바와 같이 뉴트럴라이저 그리드(분리 부재)(72) 또는 웨이퍼 기판에 배치될 수 있다. 대안적으로, 제 2 접지 플랜지가 제 1 플라즈마 유전체 챔버(58)와 주입기 유전체 부분(62) 사이에 배치될 수 있다.

제 1 플라즈마 유전체 튜브/챔버(58)는 석영(SiO ₂ ), Al ₂ O ₃ 등을 포함할 수 있고 나선 공명기, 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP), 동공 캐소드 등을 포함하는 제 1 플라즈마 전원(54, 56)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 플라즈마 유전체 튜브/챔버(58)는 ICP 석영 튜브일 수 있다. 주입기 유전체 부분(62)은 석영(SiO ₂ ), Al ₂ O ₃ 등일 수 있고, 제 2 플라즈마 전원은 주입기 유전체 부분(62) 및 제 2 플라즈마 유전체 튜브/챔버(64)에 결합되는 가속기(70)를 포함할 수 있다. 또한, 주입기 유전체 부분(62)은 NEP 석영 튜브일 수 있다. 제 2 플라즈마 유전체 튜브/챔버(64)는 석영(SiO ₂ ), Al ₂ O ₃ 등을 포함할 수 있다. 따라서, 제 2 플라즈마 유전체는 예를 들어, 석영 튜브일 수 있다. 제 1 플라즈마는 불활성화되는 플라즈마 및 하이(high)-n _e 전자 소스를 갖는 임의의 효율적인 플라즈마 소스일 수 있고, 여기서 n _e 는 전자 수 밀도이다. 제 1 플라즈마 유전체 튜브/챔버(58) 내의 압력(P)은

도 4는 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 도 3의 장치의 구조를 도시하는 예시적인 도면이다. 몇몇 실시예들에서, 위에서 논의된 바와 같은 NB-NEP 장치(50)는 펌핑 뉴트럴라이저(76)를 갖는 양의 DC 바이어스 전압(+V _A ) 가속기(70), 제 1 플라즈마 생성기 챔버로서 작동하는 제 1 플라즈마 유전체 또는 ICP 석영 튜브(58), 가속기(70)에 결합되는 주입기(68)를 포함하는 주입기 유전체 또는 NEP 석영 튜브(62), 가속기(70)를 레귤레이팅하도록 구성되는 RF(라디오 주파수) 초크(74), 뉴트럴라이저 그리드(72)에 인접하게 배치되는, 제 2 플라즈마 생성기 챔버로서 작동하는 제 2 플라즈마(NEP) 석영 튜브(64)를 포함할 수 있다. 펌핑 뉴트럴라이저(76)는 플라즈마가 TMP(도시되지 않음)에 도달하기 이전에 플라즈마를 중성화하기 위해 3-그리드 구성을 포함할 수 있다. 대안적으로, 뉴트럴라이저 그리드(72)는 웨이퍼 기판/샘플 또는 에너지 분석기 중 어느 하나로 대체될 수 있다. 가속기(70)는 실질적으로 원통형으로 구성될 수 있고 전도성 재료를 포함한다.

표 1

표 1에서 도시된 바와 같이, 저-압력 비-이극성 전자 플라즈마(NEP) 또는 제 2 플라즈마에서 단부-바운더리 플로팅-표면 시스 전위, 전자 및 이온 에너지 분포 기능들(EEDf, IEDf)이 조사된다. NEP는 NEP 내부에 로케이팅되는 가속기(70)에 의해 주입기 유전체(62)를 통해 유도 결합되는 전자-소스 플라즈마(inductively coupled electron-source plasma; ICP) 또는 제 1 플라즈마로부터 추출되는 전자 빔에 의해 가열될 수 있다. NEP의 EEDf는 플라즈마 빔 에너지 주위의 에너지들 중 가장 에너제틱한 그룹에 연결하는 광범위한 에너지 연속체가 이어진 맥스완 벌크(Maxwellian bulk)를 갖는다. NEP 압력은 N ₂ 의 1 내지 3 mTorr일 수 있고, ICP 압력은 Ar의 5 내지 20 mTorr일 수 있다. 가속기(70)는 80 내지 700V로 양으로(+V _A ) 바이어싱될 수 있고, ICP 전력 범위는 150 내지 300W일 수 있다. NEP EEDf 및 IEDf는 예를 들어, 지체 필드 에너지 분석기(retarding field energy analyzer)를 이용하여 결정될 수 있다. EEDf 및 IEDf는 가속기 전압(+V _A )의 함수로서 다양한 NEP 압력들, ICP 압력들 및 전력들에서 측정될 수 있다. 가속기 전류 및 시스 전위가 또한 측정될 수 있다. IEDf는 조정 가능한 에너지를 갖는 모노-에너제틱 이온들을 드러낼 수 있고, IEDf는 시스 전위에 의해 비례적으로 제어될 수 있다. NEP 단부-바운더리 플로팅 표면은 단일 에너지의 공간-하전-뉴트럴 플라즈마 빔(도 10의 80 참조)에 의해 충격이 가해(bombard)질 수 있다. 주입된 에너제틱 전자 빔은 NEP에 의해 충분하게 댐프닝(dampening)되고 시스 전위는 가속기 전압(+V _A )에 의해 거의 1:1 비로 선형으로 제어될 수 있다. NEP 파라미터들이 전자 빔을 충분히 댐프닝하지 못하여 플로팅 표면 상에 증착된 과도한 양의 전자-빔 전력을 남겨두게 되는 경우, 시스 전위는 붕괴되고 가속기 전압(+V _A )에 반응하지 않게 될 것이다.

제 2 플라즈마(NEP)는 5 mTorr(millitorr) 내지 1 mTorr 사이에서 어떠한 오프 간격들도 없이 한 번에 여러시간들 동안 고도로 안정된 방식으로 실행되도록 셋업될 수 있다는 것이 주의되어야 한다. 표 1에서, V _fM 은 등방성 플로팅 전위 즉, 뉴트럴 빔(NB) 하에 있지 않고, V _fB 는 NB 하의 플로팅 전위이다.

도 5는 본 개시의 특정한 실시예들에 따른 도 3의 장치(50)의 개략도이다. 뉴트럴라이저 그리드(72)는 절연체로서 구성될 수 있다. 유전체 튜브(62) 및 제 2 플라즈마(NEP) 유전체 튜브(64)를 포함하는 전체 NEP 지역은 어떠한 전기 접지도 갖지 않도록 구성된다는 것이 주의되어야 한다. 그러므로 유전체 뉴트럴라이저 그리드(72)는 또한 접지되지 않는다. 즉, NEP 지역은 유전체 뉴트럴라이저 그리드(72)가 접지로부터 분리되게 유지하도록 구성된 유전체 그리드 홀더(71)의 삽입에 의해 접지 마운팅 플랜지(66)의 전기 접지로부터 격리된다. 유전체 뉴트럴라이저 그리드(72)는 예를 들어, 석영, 세라믹, SiO ₂ , 알루미늄 산화물, HfO ₂ , Y ₂ O ₃ 로 구성된 그룹으로부터 선택된 유전체 표면 재료를 갖도록 구성될 수 있다.

유전체 그리드 홀더(71)는 울템(Ultem)(폴리이미드) 등을 포함할 수 있다. 유전체 그리드 홀더(71)의 목적은, NEP(제 2 플라즈마)가 전기 접지-표면과 접촉하지 않고 유전체 뉴트럴라이저 그리드(72)에만 접촉/터치되게 하는 것을 보장하기 위한 것이다. 또한, 가속기는 예를 들어, 양의 DC 바이어스 전압(+VA)의 3-그리드 펌핑 뉴트럴라이저(76)를 포함하도록 구성될 수 있다.

도 6은 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 도 3의 장치의 유전체 뉴트럴라이저 지역의 단면의 확대된 개략도이다. 도 6에서, 뉴트럴라이저 그리드(72)는 NEP 석영 튜브 벽(64)과 그리드 홀더(71) 사이에 배치될 수 있다. 도 6에서, 뉴트럴라이저 그리드(72)는 뉴트럴 입자들의 실질적으로 이방성 빔을 포함하는 공간-하전-뉴트럴 플라즈마 빔(80)이 뉴트럴라이저 그리드(72) 내로 도입되고, 웨이퍼 기판(도시되지 않음, 다운스트림)을 에칭 또는 처리하기 위한 뉴트럴 빔(82)으로서 나간다. 중성화(neutralization)는 전자들 및 양의 이온들의 표면 재결합이 뉴트럴라이저 그리드(72)의 높은 종횡비, 예를 들어, > 5 또는 > 15의 비의 튜브들의 내부 표면 상에서 발생할 때 발생할 수 있다. 이들 튜브들의 내부 표면들 상에서 양의 이온들의 전방 산란 및 이들 양의 이온들과 표면 전자들의 재결합을 통해, 중성화가 발생한다(도 8a 및 도 8b 참조).

도 7은 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 NEP(제 2 플라즈마) 및 뉴트럴라이저 그리드(72)의 개략적 측면도이다. 도 7에서, NEP(제 2 플라즈마)는 높은 종횡비의 석영 뉴트럴라이저 그리드(72) 및 그의 튜브 채널(88) 및 튜브 벽(86) 구성들과 접촉하는 것으로 도시된다. 플라즈마 빔(80)은 시스 에지(84) 이후 도시된 바와 같은 형상을 취할 수 있다는 것이 주의되어야 한다.

도 8a 및 도 8b는 NEP(82)에 의해 작동될 때 변동되는 시스 비들을 갖는 도 6의 미접지 유전체 뉴트럴라이저 그리드의 홀들 또는 채널들(92, 98)의 개략적 측면도들이다. 도 8a에서, 예를 들어, S ~ 2d 및 높은 ℓ/d 튜브 채널 > 5 비를 갖는 뉴트럴라이저 그리드(90)는 뉴트럴라이저 개별 그리드 홀(92)을 포함할 수 있다. 도 8b에서, 예를 들어, S > 2d 및 높은 ℓ/d 튜브 채널 > 15 비를 갖는 뉴트럴라이저 그리(94)는 뉴트럴라이저 튜브 표면(96), 뉴트럴라이저 튜브 채널(98) 및 뉴트럴라이저 상부면(100)을 포함할 수 있다. 각각의 뉴트럴라이저 그리드는 비 ℓ/d를 갖도록 구성될 수 있으며, 여기서 ℓ는 뉴트럴라이저 튜브 채널(98)의 단면 길이이고, d는 뉴트럴라이저 상부면(100)과 튜브 표면(96), 즉 뉴트럴라이저 그리드의 개별 그리드 홀(92) 또는 개구 간에 측정된 바와 같은 길이이다. 뉴트럴라이저 튜브 채널들(98)은 기판의 표면에 수직으로 배향되는 복수의 채널들로서 구성될 수 있다.

서브-디바이(sub-Debye) 그리드 홀(d < S)은 시스(S)가 그리드 홀(92) 내로 몰딩되는 것을 방지하도록 구성될 수 있고, 입사되는 이온과 튜브 표면(96) 간의 지표각(도 8a 및 도 8b에서 이온 및 뉴트럴 참조) 상호작용을 보장하여, 부상하는 빠른-뉴트럴에 대한 높은 정도의 지향성을 발생시킬 수 있다는 것이 주의되어야 하며: (1) > 5의 비에 대해, 예를 들어, S > 2d 서브-디바이 뉴트럴라이저 구성은 직선의 빠른 뉴트럴들; 중성화를 위해 대형 튜브 표면의 이익을 갖고, 임의의 축외 로그 빠른 뉴트럴들(off-axis rogue fast-neutrals)을 필터링할 수 있는 높은 ℓ/d 튜브 채널 > 5를 보장하도록 그리드 홀(92)에 걸쳐서 상당히 평평한 시스(S)를 유지할 수 있고; (2) > 15의 비에 대해, 예를 들어, S > 2d 서브-디바이 뉴트럴라이저 구성은 플라즈마 빔(80)의 모노 에너지, 지향성, 및 중성화 효율을 최적화할 수 있는 기하학 구조를 갖는 대략 > 15의 높은 ℓ/d 튜브 채널과 함께 그리드 홀(92)에 걸쳐서 평평한 시스(S)를 보장할 수 있다.

즉, 그리드 홀(92)은 서브-디바이(예를 들어, S > 2d)가 되도록 구성될 수 있고, 튜브 채널(98)은 고도 지향성 빠른 뉴트럴 빔(이방성 에너제틱 NB)을 보장하기 위해 높은 종횡비(예를 들어, ℓ/d ~ >15)를 갖도록 구성될 수 있다. 모노-에너제틱 NB(도 1 참조)의 종래의 버전과 달리, 모노-에너제틱 NB-NEP 장치(50)는 표면 중성화를 위해 공간-하전-뉴트럴 플라즈마 빔을 활용한다. 따라서, 동등한-수-전자-이온 플라즈마 빔(equal-number-electron-ion plasma beam)이 튜브 채널에 진입할 때, 튜브-표면 전자는 뉴트럴 빔을 형성하는 지표-각 전방-산한 이온과 재결합한다. 그의 시스는 전자-프리 지역을 갖지 않고, 그의 뉴트럴라이저 그리드(72)는 어떠한 전자들도 공급하지 않는데, 즉 중앙 부분 그리드의 중립성(neutrality)은 공간-하전-뉴트럴 플라즈마 빔에 의해 미리 결정된다.

도 9는 본 개시의 특정한 실시예에 따라 도 3의 장치의 전위 다이어그램(102)의 그래픽 플롯이다. 도 9에서, 전위 구조는 NEP 단부-바운더리의 표면 이중층(106) 및 도 3의 주입기(68)의 주입기 이중층(104)을 도시한다. 표면 이중층(106)은 실험적으로 아직 판명되지 않았다. 그의 존재/예측은 매우 그럴듯한 이론이다. 그러나 표면 이중 층의 존재 또는 비존재는 NB-NEP 장치(50)에 대한 유전체 뉴트럴라이저 그리드(72)의 설계에 중요하지 않다는 것이 여기서 주의되어야 한다. 도 9에서, 예를 들어, 제 1 플라즈마(ICP)는 대략 25V의 제 1 플라즈마 전위를 가질 수 있고, 제 2 플라즈마(NEP)는 대략 700V의 제 2 플라즈마 전위를 가질 수 있고, NB-NEP 장치(50) 빔 하의 플로팅 전위(V _fB )는 대략 280V일 수 있다. 또한, 가속기(70)의 DC 바이어스 전위는 또한 대략 700V일 수 있다. 따라서, 제 2 플라즈마 전위는 가속기(70)의 DC 바이어스 전위와 대략 동일할 수 있다.

또한, 제 1 플라즈마(제 1 플라즈마 유전체 챔버(58)에서

₁ )는 TMP를 통해 제어된 압력에서 유지될 수 있다. 제 2 플라즈마(제 2 플라즈마 챔버(64)에서 Torr인 P

₂ )는 또한 TMP를 통해 제어된 압력에서 유지될 수 있다.

도 10은 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 주입기 유전체(62), 가속기(70)의 가속기 표면들(114a, 114b), 및 도 3의 뉴트럴라이저 그리드(72)의 미접지 뉴트럴라이저 그리드 상부면(118)의 전위 다이어그램(108)을 도시하는 그래픽 플롯이다. 도 10은 NB-NEP 장치(50)에 대한 유전체 뉴트럴라이저 그리드(72)의 전위 구조 및 설계를 도시한다. 특정한 실시예들에서, 이온 및 전자들의 전방 산란에 이어 뉴트럴라이저 그리드(72)의 튜브 표면(118)에서 이러한 입자의 재결합에 의한 중성화는 주로 초기 이온 속도 및 플라즈마 빔(80)에서 동등한 수의 전자들 및 양의 이온들을 보존하고, 뉴트럴라이저 그리드(72)의 튜브 표면(96) 상의 재결합 중성화는 입자들의 에너지 및 모멘텀을 보존한다. 즉, 미접지되도록 구성되는 뉴트럴라이저 그리드(72)를 통해, 양의 이온들은 플라즈마 빔(80)에서 손실되지 않는다. 가속기 표면 영역은 도 10에서 도시된 바와 같이 NEP 전자 주입기 노즐 영역(NEP 기준)보다 상당히 더 크다는 것이 주의되어야 한다.

또한, 특정한 실시예들에서, 시스 에지(84)에서 형성되는 플라즈마 빔(80)에서의 동등한 수의 전자들 및 양의 이온들은 튜브 표면(96) 상에서 재결합하고 중성화되어 에너지 및 모멘텀을 보존한다.

도 11a 및 도 11b는 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 NEP 단부-바운더리에서 측정된 이온 에너지 분포(ion energy distribution; IED)의 그래픽 플롯이다. 도 11a 및 도 11b는 NEP 단부-바운더리에서 측정된 IEDf의 예를 도시한다. 특정한 실시예들에서, 뉴트럴 입자들의 실질적으로 이방성 빔을 포함하는 공간-하전-뉴트럴 플라즈마 빔(80)이 NEP 단부-바운더리(재차, 절연 표면)에 충격을 가한다. 예를 들어, 가속기 전압은 V _A =550V일 수 있으며 이는 또한 NEP 플라즈마 전위(V _P2 ~V _A )이다. 측정된 이온 에너지 피크는 360eV이며 이는 V _P2 - V _fB 이고, 여기서 V _fB 는 빔(80)의 충격 하에서 절연체 표면 플로팅 전위이다. 단부-바운더리에 충격을 가하는 플라즈마 빔의 전자 에너지는 대략 190eV인 V _fB - V _P1 이다(V _P1 은 통상적으로 대략 20V인 제 1 플라즈마 전위임).

도 3의 NB-NEP 장치(50)는 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 구리의 이방성 에칭을 위해 이용될 수 있다. 에칭 시제 가스(etch reagent gas)는 유기 화합물 가스일 수 있다. 유기 화합물에 관해 말하면, 있는 그대로, 또는 가열에 의해 기체 상태로, 진공 상태에서 유지되는 플라즈마 프로세싱 시스템에 공급되는 유기 화합물을 이용하는 것이 바람직하다. 통상적으로 유기 산이 이용된다. 유기 산에 관해 말하면, 아세트 산에 의해 표현되는 카르복실 산(일반 공식: R-COOH, R은 수소, 또는 C1 내지 C20의 직쇄 또는 측쇄 아킬, 또는 아케닐, 바람직하게는, 메틸, 에테르, 프로필, 부틸, 펜틸 또는 헥실임)을 이용하는 것이 바람직하다. 아세트 산 이외의 다른 카르복실 산은 포름산(HCOOH), 프로피온산(CH ₃ CH ₂ COOH), 부티르 산(CH ₃ (CH ₂ ) ₂ COOH), 발레르 산(CH ₃ (CH ₂ ) ₃ COOH) 등을 포함할 수 있다. 카르복실 산들 중에서, 포름산, 아세트 산, 및 프로피온 산이 이용되는 것이 보다 바람직하다.

유기 화합물이 아세트 산일 때, 구리 산화물과 아세트 산 간의 반응이 가속되고, 휘발성 Cu(CH ₃ COO) 및 H ₂ O가 생성된다. 결과적으로, 구리 산화물 분자들은 Cu 막으로부터 분리된다. 동일한 반응이 아세트 산 이외의 다른 포름 산 또는 프로피온 산과 같은 다른 유기 화합물(유기 산)을 이용하는 경우에 발생한다. 그 결과, Cu 막이 에칭된다.

도 12는 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 도 3의 NB-NEP 장치(50)를 이용하는 예시적인 애플리케이션(124)의 개략도이다. 도 12에서, 본 개시의 실시예들은 Cu 이방성 건식-에칭을 위해 CU 기반 기판을 CH ₃ COOH로 처리하도록 적용된다. 예를 들어, 대기에서, 기판은 25℃에 그리고 3x10 ⁵ Torr로 배치된다. 이방성 고열 산소(O) 기반 처리는 예를 들어, 100eV에서 적용될 때, Cu _x O는 에칭 동안 이방성 고열 산소(O)의 서브-플랜테이션(sub-plantation)에 의해 126에서 형성된다. CH ₃ COOH와 산화된 Cu 간의 순수한 표면 반응들은 다음과 같이 쓰여질 수 있다:

수학식들(1) 및 (2)에 따라, CH ₃ COOH는 산화된 Cu와 반응하고, Cu 및 휘발성 Cu(CH ₃ COO) ₂ +H ₂ O 에칭 생성물들을 형성한다. 그러므로, CH ₃ COOH가 에칭 시제로서 선택될 때, 휘발성 에칭 생성물들은 Cu(CH ₃ COO) ₂ 및 H ₂ O)이다.

프로세싱 챔버로의 기체 CH ₃ COOH 에칭 가스의 이송은 버블러 시스템(bubbler system) 및 질량 유동 제어기(mass flow controller; MFC)를 포함할 수 있는 전달 시스템을 이용하여 달성될 수 있다. 버블러 시스템은 아르곤(Ar)과 같은 캐리어 가스 없이 또는 이와 함께 이용될 수 있다. 캐리어 가스가 이용되는 경우, 그것은 CH ₃ COOH 액체를 통해 버블링되고 CH ₃ COOH 증기로 포화된다. 프로세스 챔버에서 CH ₃ COOH 증기의 부분 압력은 버블러에서 CH ₃ COOH 액체의 온도에 의해 제어된다. CH ₃ COOH 및 캐리어 가스의 예시적인 가스 유량들은 1000sccm 미만, 바람직하게는, 500sccm 미만이다. 대안적으로 액체 주입 시스템은 CH ₃ COOH를 프로세싱 챔버에 전달하는데 이용될 수 있다. CH ₃ COOH 시제들과 같은 에칭 시제들의 핸들링 및 이용은 당 분야에 잘 알려져 있다.

즉, 기판은 배치될 수 있으며, 이는 예를 들어, 패터닝된 마스크 아래 있는 구리(Cu) 층 및 구리 층의 에칭 피처들을 갖는 기판을 배치하는 것을 포함한다. 또한, 에칭은 뉴트럴 입자들의 실질적으로 이방성 빔을 이용하여 기판 상에 하나 이상의 피처들을 에칭하는 것을 포함할 수 있다. 불활성 가스는 상술된 프로세스 가스 화학물질들 중 임의의 하나에 첨가될 수 있다. 불활성 가스는 아르곤, 헬륨, 크립톤, 크세논, 및 질소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세스 화학물질로의 불활성 가스의 첨가는 프로세스 가스를 희석시키거나 또는 프로세스 가스 부분 압력(들)을 조정하는데 이용된다.

대안적으로, 본 개시의 몇몇 실시예들은 NB-NEP 장치(50)를 통해 루테늄(Ru)과 같은 다른 재료들을 처리 또는 에칭하도록 적용될 수 있다. Ru 에칭은 에탄올(C ₂ H ₆ O) 대기 환경에서 NB-NEP 장치(50)의 산소 이온 빔에 의해 수행될 수 있다.

도 13은 본 개시의 특정한 실시예들에 따라 기판을 처리하도록 구성된 화학적 프로세싱 장치(50)를 동작하는 방법을 예시하는 흐름도(200)이다. 도 13에서, 흐름도(200)는 205에서, 플라즈마를 이용한 기판의 처리를 용이하게 하도록 구성된 화학적 프로세싱 장치(50)에 기판을 배치하는 단계를 포함한다. 플라즈마 프로세싱 챔버(58, 62, 64)는 도 3 내지 도 10에서 설명되고 위에서 표시된 바와 같은 화학적 프로세싱 장치(50)의 컴포넌트들을 포함할 수 있다.

210에서, 제 1 플라즈마는 제 1 플라즈마 전위, 예를 들어, 25V로 제 1 플라즈마 영역에서 제 1 프로세스 가스로부터 형성된다. 도 3, 도 4 및 도 9에서 예시된 바와 같이, 제 1 플라즈마 영역은 플라즈마 생성 챔버(58, 62, 64)에 로케이팅되고, 플라즈마 생성 장치(54)는 제 1 플라즈마를 형성하기 위해 플라즈마 생성 챔버(58, 62, 70)에 결합될 수 있다. 제 1 프로세스 가스는 제 1 플라즈마 영역(58)내로 아르곤(Ar)을 포함하는 가스를 유동시키는 것을 포함할 수 있다.

215에서, 제 2 플라즈마는 제 1 플라즈마 영역(58)으로부터 전자 플럭스를 이용하여 제 2 플라즈마 전위, 예를 들어, 700V로 제 2 플라즈마 영역(62, 64)에서 형성된다. 도 3 내지 도 10에서 예시된 바와 같이, 제 1 플라즈마 영역(58)의 제 1 플라즈마로부터의 전자 플럭스는, 주입기 유전체(62)를 통해 플라즈마 생성 챔버(58, 62, 70)로부터 기판이 처리되는 프로세스 챔버 또는 제 2 플라즈마 유전체 튜브/챔버(64)로 전달된다. 도 3, 도 5 및 도 6에서 예시된 바와 같이, 제 2 플라즈마 영역(58)은 플라즈마 생성 챔버(58, 62, 70)와 프로세스 챔버(64) 사이에 배치된 뉴트럴라이저 그리드(72) 내의 하나 이상의 개구들 또는 통로들(88)이 제 1 플라즈마 영역(58)으로부터 제 2 플라즈마 영역(62, 64)으로의 전자들의 이송 또는 공급을 용이하게 하는 프로세스 챔버(64)에 로케이팅될 수 있다. 제 2 플라즈마(NEP)는 제 2 플라즈마 영역 내로 산소를 유동시키는 것을 포함할 수 있는 제 2 프로세스 가스를 유동시킴으로써 형성될 수 있다.

220에서 제 2 플라즈마 전위는 전자 플럭스를 제어하도록 제 1 플라즈마 전위보다 높게 상승되고 유지된다(도 9 및 도 10 참조). 제 1 플라즈마 영역(58)의 제 1 플라즈마는 바운더리-구동 플라즈마일 수 있는데, 즉 플라즈마 바운더리는 각각의 플라즈마 전위에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 여기서 제 1 플라즈마와 접촉하는 바운더리의 부분 또는 전부는 DC 접지에 결합된다. 부가적으로, 제 2 플라즈마 영역의 제 2 플라즈마는 바운더리-구동 플라즈마일 수 있으며, 여기서 제 2 플라즈마와 접촉하는 부분적 또는 전체 바운더리는 +V _A 의 DC 전압 소스에 결합된다. 제 1 플라즈마 전위 초과로 제 2 플라즈마 전위의 상승은 도 9 및 도 10에서 제공된 실시예들 중 임의의 하나 또는 이들의 결합을 이용하여 수행될 수 있다.

225에서, 프로세스 챔버에 진입하는 가스는 프로세스 챔버 내의 압력을 제어하기 위해 진공 펌핑 장치(vacuum pumping apparatus; TMP)에 의해 펌핑된다. 230에서, 가속기는 이방성 및 모노-에너제틱 뉴트럴 빔(80)을 형성하도록 제 2 플라즈마 영역(62, 64)으로부터 전자들 및 양의 이온들을 재결합하기 위해 미접지 뉴트럴라이저 그리드(72) 쪽으로 가속하도록 활용될 수 있다. 양의 이온들을 뉴트럴라이저 그리드(72) 쪽으로 가속하는 것은 SiO ₂ , 석영, 알루미늄 산화물, HfO ₂ , Y ₂ O ₃ 등으로 구성된 그룹으로부터 선택된 유전체 표면 재료를 갖는 뉴트럴라이저 그리드(72) 쪽으로 양의 산소 이온들을 가속하는 것을 포함한다.

235에서, 기판은 제 2 플라즈마 영역(62, 64) 내의 제 2 플라즈마의 이방성 및 모노-에너제틱 뉴트럴 빔에 노출된다. 제 2 플라즈마로의 기판의 노출은 이방성 및 모노-에너제틱 뉴트럴 빔 활성화 화학적 프로세스에 기판을 노출시키는 것을 포함할 수 있다.

따라서, 위의 논의는 본 발명의 단지 예시적인 실시예들을 개시하고 설명한다. 당업자들에 의해 이해될 바와 같이, 본 발명은 본 발명의 사상 및 본질적인 특성으로부터 벗어남 없이 다른 특정한 형태들로 실현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 개시는 본 발명의 범위는 물론 다른 청구항들의 제한이 아닌 예시적인 것으로 의도된다. 임의의 쉽게 구분 가능한 본 명세서의 기술들의 변동들을 포함하는 개시물은 어떠한 진보성 있는 청구 대상도 대중에 헌정되지 않도록 위의 청구항 용어의 범위를 부분적으로 정의한다.