выборочное удаление материала облучением

Формула изобретения

1. Способ удаления нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки, содержащий операции: подачи вокруг нежелательного материала потока газа, практически инертного по отношению к упомянутому нежелательному материалу и облучения упомянутого нежелательного материала излучением, отличающийся тем, что удаляемый нежелательный материал является практически непрерывной пленкой нежелательного материала, которой покрыт желательный материал, и что облучение упомянутого нежелательного материала включает воздействие на предварительно определенную поверхность упомянутой практически непрерывной пленки энергетическими фотонами с пространственной и временной концентрациями в пределах предварительно определенной поверхности, достаточными для высвобождения соответствующего поверхности раздела участка пленки нежелательного материала с обрабатываемой поверхности и недостаточными для повышения температуры желательного материала выше температуры, при которой плавится желательный материал или физические свойства желательного материала изменяются другим образом; и что облучение нежелательного материала применяют достаточное количество раз на предварительно определенной поверхности и поверхности раздела, пока упомянутая практически непрерывная пленка нежелательного материала не будет удалена без изменения физических свойств желательного материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая пленка имеет толщину, которая требует повторного прохождения энергетических фотонов по ранее подвергнутой их воздействию поверхности практически непрерывной пленки материала и каждое прохождение выполняют таким образом, чтобы исключить изменение физических свойств оставшегося материала на подложке.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение упомянутой обрабатываемой поверхности осуществляют энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для разрушения связей обрабатываемой поверхности удаляемого материала и недостаточными для повышения температуры поверхности остающегося обрабатываемого материала рядом с удаляемым слоем или под ним до уровня, при котором происходят изменения физических свойств остающегося материала обрабатываемой поверхности рядом с удаляемым слоем обрабатываемой поверхности материала или под ним.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что материалом, остающимся на обрабатываемой поверхности, является металл, а удаляемым материалом является окись упомянутого металла.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал, остающийся на обрабатываемой поверхности, является неорганическим, а удаляемый материал является органическим.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый остающийся материал, как и упомянутый удаляемый материал, имеют практически одинаковый химический состав.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый остающийся материал является кварцем, а удаляемый материал является поликристаллическим кремнием.

8. Способ выборочного удаления нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки, при котором модифицируют топографию подложки без изменения физических свойств материала, который желательно оставить на обрабатываемой поверхности рядом с нежелательным материалом или под ним, отличающийся тем, что содержит операции: подачу вокруг упомянутой обрабатываемой поверхности потока газа, практически инертного по отношению к обрабатываемой поверхности, облучения упомянутой обрабатываемой поверхности энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для разрушения связей, образующих поверхность раздела нежелательного материала, и недостаточными для повышения температуры желательного материала рядом с нежелательным материалом или под ним до уровня, который может вызвать плавление желательного материала или вызвать иные изменения физических свойств желательного материала рядом с нежелательным материалом или под ним, и продолжения удаления подвергнутой воздействию поверхности раздела нежелательного материала, пока не будет удалена желаемая толщина материала, который должен быть удален, чтобы получить желаемую топографию в оставшемся материале.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что содержит операции: выбора на обрабатываемой поверхности участка нежелательного материала, имеющего температуру предельного уровня, выше которой происходят существенные изменения физических свойств, и участка желательного материала, имеющего температуру предельного уровня, выше которой происходят существенные изменения физических свойств упомянутого желательного материала, при этом эти температуры предельного уровня являются одинаковыми или в основном одинаковыми; подачи вокруг нежелательного материала потока газа, практически инертного по отношению к обоим упомянутым материалам, как желательному, так и нежелательному; и облучения упомянутого нежелательного материала энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для разрушения связей нежелательного материала и недостаточными для повышения температуры поверхности монослоя желательного материала рядом с нежелательным материалом или под ним до упомянутой температуры предельного уровня, так что предотвращаются изменения физических свойств остающегося материала рядом с нежелательным материалом или под ним.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что упомянутый способ модификации топографии является способом создания структур на обрабатываемой поверхности путем удаления с обрабатываемой поверхности толщины нежелательного материала по пространственному рельефу, который образует желаемую структуру на обрабатываемой поверхности.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что упомянутая обрабатываемая поверхность имеет множество прилегающих участков материала различной толщины и при модификации топографии участки, имеющие большую толщину, уменьшают по отношению к участкам, имеющим меньшую толщину, чтобы получить более однородную толщину материала.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что подложка имеет множество поверхностных элементов с наклонными боковыми поверхностями, подвергнутыми воздействию, и упомянутые энергетические фотоны направляют под относительно косым углом к усредненной плоскости обрабатываемой поверхности.

13. Способ по п.8, отличающийся тем, что облучение упомянутого нежелательного материала включает удаление поверхности первого участка от обрабатываемой поверхности, чтобы подвергнуть воздействию поверхность второго участка, расположенного ниже, и облучение поверхности второго участка, чтобы подвергнуть воздействию поверхность третьего участка, расположенного ниже.

14. Способ создания структур на обрабатываемой поверхности подложки путем выборочного удаления практически непрерывного слоя нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки без воздействия на физические свойства материала, который желательно оставить на обрабатываемой поверхности рядом с нежелательным материалом или под ним, отличающийся тем, что содержит операции: подачу вокруг нежелательного материала потока газа, практически инертного по отношению к упомянутой обрабатываемой поверхности, и удаления с обрабатываемой поверхности той толщины нежелательного материала в пространственном рельефе, которая требуется для формирования желательной структуры на обрабатываемой поверхности, путем выборочного облучения упомянутого нежелательного материала энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для высвобождения нежелательного материала с обрабатываемой поверхности и недостаточными для повышения температуры желательного материала выше температуры, при которой плавится желательный материал или физические свойства желательного материала изменяются другим образом.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что содержит дополнительно операции: образования на упомянутом нежелательном материале участка воздействия излучения, имеющего размеры, подходящие для образования желательной структуры; и прецизионного шагового перемещения участка воздействия излучения по пространственному рельефу.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что содержит дополнительно операции: расположения между обрабатываемой поверхностью и источником энергетических фотонов маски, соответствующей пространственному рельефу; и практически однородного облучения пространственного рельефа на обрабатываемой поверхности через упомянутую маску.

17. Способ по п.14, отличающийся тем, что выборочное облучение упомянутого нежелательного материала содержит последовательное направление энергетических фотонов на предварительно определенные поверхности нежелательного материала таким образом, что в пределах каждой предварительно определенной поверхности удаляется поверхность участка, включающего самый верхний один или два молекулярных монослоя.

18. Способ выравнивания обрабатываемой поверхности подложки, содержащей несколько смежных участков с различной толщиной материала, путем выборочного удаления материала разной толщины с каждого участка без повышения температуры остающегося материала выше температуры, при которой остающийся материал плавится, или без иного воздействия на физические свойства остающегося материала, отличающийся тем, что содержит операции: определения для каждого участка имеющейся толщины материала на этом участке, сравнения каждой имеющейся толщины материала с желательной толщиной материала и определение таким образом толщины нежелательного материала; подачи вокруг упомянутого участка потока газа, практически инертного по отношению к упомянутому материалу, и для каждого участка, имеющего нежелательную толщину материала, выборочного облучения упомянутого участка энергетическими фотонами, имеющими пространственную и временную концентрацию, достаточную для разрушения связей, чтобы удалить упомянутую толщину материала с этого участка и недостаточную для повышения температуры остающегося материала выше температуры, при которой остающийся материал плавится, и недостаточную для изменения физических свойств остающегося материала.

19. Способ уменьшения шероховатости обрабатываемой поверхности, имеющей усредненную плоскость поверхности и отдельные элементы поверхности, расположенные под углом к усредненной плоскости поверхности, без воздействия на физические свойства поверхности, отличающийся тем, что содержит операции: подачи на обрабатываемую поверхность потока газа, практически инертного по отношению к обрабатываемой поверхности; и облучения обрабатываемой поверхности энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для разрушения связей, образующих материал обрабатываемой поверхности, и, таким образом, освобождения материала с остальной обрабатываемой поверхности, и недостаточными для расплавления остающегося материала или для изменения физических свойств остающегося материала обрабатываемой поверхности другим образом, при этом фотоны подаются на обрабатываемую поверхность под относительно косым углом к усредненной плоскости обрабатываемой поверхности.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что упомянутыми элементами поверхности, которые подвергаются воздействию, являются поверхностные элементы с наклонными боковыми поверхностями относительно плоскости обрабатываемой поверхности и упомянутые фотоны направляют под относительно косым углом в направлении к подвергаемым обработке наклонным поверхностям, оставляя без изменений теневую сторону упомянутых подвергаемых обработке наклонных поверхностей.

Описание изобретения к патенту

Данная заявка является частичным продолжением патентной заявки США N 08/045165, поданной 12 апреля 1993 г. (описание которой включено сюда посредством ссылки и которая именуется здесь как "родственная заявка"), которая является частичным продолжением патентной заявки США N 07/865039, поданной 31 марта 1992 г. (описание которой включено сюда посредством ссылки и которая именуется здесь как "заявка 039"), которая является частичным продолжением патентной заявки США N 07/611198, поданной 09 ноября 1990 г., ныне патент США N 5099557 ("патент 557"), которая является разделением патентной заявки США N 07/216903, поданной 08 июля 1988 г., ныне патент США N 5024968 ("патент 968").

Данное изобретение относится к удалению материала с поверхности. В частности, изобретение относится к выборочному удалению материала с поверхности подложки путем облучения без изменения физических свойств материала, остающегося на подложке, т.е. находящегося под или рядом с удаляемым материалом.

Эффективное удаление нежелательного материала с поверхности подложки является критическим аспектом при многих важных процессах обработки материалов и процессах производства продукции. Как описано в родственной заявке, нежелательные материалы (под которыми могут также подразумеваться загрязнения), включают в себя частицы, нежелательные химические элементы или соединения, а также пленки или слои материала. Частицы могут быть отдельными кусочками вещества размерами от долей микрона до гранул, заметных невооруженным глазом. Нежелательные химикаты включают в себя любой элемент или соединение, которое нежелательно в тот момент времени, когда выполняется процесс удаления. К примеру, гидроксильные группы (-ОН) могут быть желательным катализатором реакции на поверхности подложки на одной стадии процесса и могут быть нежелательным загрязнением на другой стадии. Пленки или слои материала могут быть органическими, такими как жир человеческого тела от отпечатков пальцев, краска и эпоксидная смола; или неорганическими, такими как окислы материала подложки или другие неорганические материалы, действию которых была подвергнута подложка.

Может возникать необходимость удалить такие нежелательные материалы, чтобы сделать подножку лучше удовлетворяющей своему назначению. Например, в некоторых точных научных измерительных приборах теряется точность, когда оптические линзы или зеркала в этих приборах покрываются поверхностными микрозагрязнителями. Точно также в полупроводниках поверхностные дефекты из-за малых молекулярных загрязнений часто приводят к появлению бракованных полупроводниковых масок или микросхем. Уменьшение - даже ненамного - количества молекулярных дефектов поверхности в кварцевой полупроводниковой маске может радикально улучшить выход в производстве полупроводниковых микросхем. Подобным же образом, удаление таких молекулярных поверхностных загрязнителей, как углерод или кислород, с поверхности кремниевых пластин перед тем, как на пластину наносятся схемные слои, или между нанесением слоев значительно улучшает качество производимых компьютерных микросхем.

Выборочное удаление слоев материала подложки может выполняться для формирования очень мелкоградуированных структур на поверхности подложки (так называемых "наноструктур"). Материал (материал подложки, окисные слои или другие слои материала) может также выборочно удаляться в различных количествах с поверхности подложки для изменения рельефа поверхности подложки (например, для сглаживания шероховатой поверхности).

Оборудование для обработки материалов часто требует обработки для удаления нежелательного материала, чтобы предотвратить загрязнение продукции, изготавливаемой при помощи этого оборудования. К примеру, значительная часть нежелательного материала, который крайне загрязняет кремниевые пластины в процессе производства, исходит от производственного оборудования, такого как камеры обработки, в которые помещаются пластины кварцевых лодочек, используемых для закрепления пластин при прохождении через кварцевые печные трубы (а также самих печных труб), и труб, подающих рабочий газ в камеры. Соответственно, уровень загрязнения пластин, полученный в процессе производства, может быть существенно понижен путем периодической очистки такого оборудования.

В общем случае, любой процесс, используемый для удаления материала с подложки, должен делать это без воздействия на физические свойства остающегося (желательного) материала. Физическими свойствами, которые должны остаться неизменными, могут в общем случае быть кристаллическая структура, проводимость, плотность, диэлектрическая постоянная, плотность заряда, коэффициент Холла и коэффициент диффузии для электронов/дырок. В отдельных полупроводниковых приложениях (таких как металлооксидный полупроводник ("МОП"), полевой транзистор ("ПТ") и биполярный транзистор ("БТ")) эти свойства могут включать в себя отношение емкости к площади в МОП; емкость перехода; канальный ток в ПТ, направленный от стока к истоку; напряжение между коллектором и базой, эмиттером и базой в БТ; напряжение между стоком и истоком, затвором и истоком в ПТ; пороговый потенциал для МОП; отношение поверхностного статического заряда к площади для МОП; время задержки накопления заряда. Кроме того, может быть нежелательно изменять топографию (например, шероховатость поверхности) остающегося материала.

Как подробно описано в родственной заявке, для удаления нежелательных материалов предложено (и используется в настоящее время) много методов. Они включают в себя влажную химическую чистку (технология RSA), очистку разжиженной плавиковой кислотой в мегазвуковом и ультразвуковом диапазонах, а также закритическим потоком, ультрафиолетовую и озоновую очистку, очистку кистью, жидкостную очистку парами плавиковой кислоты с использованием лазера (в том числе процесс Аллена и процесс Тама); поверхностную плавку, отжиг и промывку.

Другим методом является плазменная очистка, которая может использоваться для очистки камер обработки с инструментами реактивного ионного травления (РИТ) после того, как завершен определенный объем обработки (например, определенное число пластин). Предпочтительными плазменными реагентами являются кислород, четыреххлористый углерод и азот, которые могут использоваться в различных молярно-массовых концентрациях для очистки оптических и кремниевых поверхностей. В настоящее время уровень техники представляет собой плазмы, основанные на электронном циклотронном резонансе (ЭЦР). Эффективность этого типа очистки ограничена частицами - удаление пленок затруднено и нарушает электрические характеристики.

Очистка сухим льдом (CO₂) (известная также как снежная очистка и очистка реактивным распылением CO₂) является способом подачи снега из CO₂ через ручное устройство, имеющее различные насадки, для чистки поверхности. Эта технология ограничена растворимостью частицы в снеге CO₂, - например, если частица не растворима в CO₂, то она не будет удалена с поверхности. Кроме того, с использованием этого метода очистки не могут быть удалены окислы и полимерные пленки.

Все эти методы страдают рядом недостатков, в том числе: неспособность удалять очень малые частицы; нежелательное изменение физических свойств подложки; потребление больших количеств дорогих материалов, таких как сверхчистая вода и газы; образование токсичных отходов (таких как плавиковая кислота HF).

Пленки, в частности окисные пленки, являются общей категорией доставляющих заботы материалов, которые необходимо удалять с подложки. Большинство материалов, которые подвергаются воздействию кислородосодержащей атмосферы (например, воздуха), образуют естественный окисел, покрывающий поверхность. Такие окисные слои обычно представляют собой практически непрерывный слой молекул окисного вещества. В большинстве случаев этот окисный слой является вредным, в зависимости от того, как будет использоваться материал подложки. Одним из решений этой проблемы было держать материал подложки в вакууме, чтобы предотвратить рост окисла. Известные методы по удалению окисных пленок включают в себя их обработку сильными кислотами, такими как царская водка, серная кислота и плавиковая кислота.

При производстве полупроводников удаление естественного окисла (двуокиси кремния) с кремниевой подложки тесно связано с тем, что технологические размеры продолжают уменьшаться. Современные способы удаления двуокиси кремния используют жидкую плавиковую кислоту, а кроме того, были проведены эксперименты с галогенами в паровой фазе и с галогенами в паровой фазе вместе с ультрафиолетовым излучением. В. Van Eck, S. Bhat, and V. Menon, "Vapor-phase etching and cleaning of SiO₂", Proceedings. Microcontamination 92. (Santa Clara, CA; October 27- 30, 1992), p. 694; J. De Larios, W. Krusell, D. McKean, G. Smolinsky, B. Doris, and M. Gordon, "Gas-phase cleaning of trace metal and organic contaminants from wafers: Ultraviolet irradiated oxygen-based and chlorine-based chemistries", Proceedings. Microcontamination 92, (Santa Clara, CA; October 27-30, 1992), p. 706; M. Miyashita, T. Tusga, K. Makihara, and T. Ohmi, "Dependence of surface microroughness of CZ, FZ and EPI wafers on wet chemical processing", Journal of the Electrochemical Society, vol. 139 (8) 1992, p. 2133; and T. Ohmi, ULSI reliability through ultraclean processing", Proceedings IEEE. vol. 81 (5), p. 716. Использование химикатов на основе галогенов может разрушить прилегающие части схемы, т.к. это грубый, а не прицельный способ удаления.

Удаление поверхностных окислов также важно при приготовлении металлических подложек для наложения клеев вместо сварки в авиакосмических, автомобильных и строительных (домостроительных) приложениях. Удаление окисных пленок имеет также применения при восстановлении подвергнутых атмосферным воздействиям металлических поверхностей и улучшении качества обращающихся металлических денег.

Другим важным процессом обработки является образование таких наноструктур (крайне малых физических структур) на или в материалах подложек, как датчики давления, измерители ускорения, зонды атомных микроскопов и микромоторы. Один из предложенных для создания наноструктур методов использует химическое травление в сочетании с методами наложения масок (полезны в обширных областях микрообработки, когда структурные слои материала накладываются на пластину, а затем жертвуемый слой вытравляется). J. Bryzaek, К. Peterson, and W. McCulley, IEEE Spectrum. May, 1994, p. 20. Другой предложенный метод включает в себя лазерное нанесение материала. J. J. McClelland, R.E. Scholten, E.C. Palm, and R.J. Celotta, "Laser-focused atomic deposition", Science, vol. 262, 5 November 1993, p. 877.

Другим важным процессом обработки является выравнивание рельефа для удаления или уменьшения неоднородностей на поверхности подложки. Общеиспользуемым для выравнивания рельефа методом является химико-механическая полировка (ХМП), использующая подходящие пастообразные смеси для шлифования поверхности до плоского состояния при помощи полировальных подушек. Такая полировка поверхности обеспечивает преимущество улучшенной работы микросхемы. ХМП-выраванивание рельефа управляется "остановками травления" и синхронизацией процесса так, чтобы не происходило избыточной полировки. Данный процесс производит большое количество загрязнений (остающихся от пасты) и очень дорог (средняя стоимость примерно $35 за 1 пластину), что обусловлено стоимостью таких потребляемых материалов, как паста, вода, подушки и кисти для кистевых очистителей. Другая проблема, связанная с ХМП, заключается в удалении остатков пасты с поверхности пластины. Удаление с использованием кистей, применяемое в настоящее время, эффективно только для частиц с размером приблизительно 0,5 мкм. Дополнительным недостатком процесса ХМП-выравнивания рельефа является то, что он не совместим с другими современными методами очистки.

Раскрытие изобретения

Основными задачами предложенного изобретения являются следующие: повышение эффективности удаления нежелательного материала с подложки, возможность удаления очень малых частиц без изменения физических свойств подложки, а также исключение использования дорогих материалов и удаление загрязнений без образования токсичных отходов.

Изобретение решает проблемы и избегает недостатков прототипа посредством предложенной группы изобретений. Первым из этих изобретений является способ удаления нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки, содержащий операции: подачи вокруг нежелательного материала потока газа, практически инертного по отношению к упомянутому нежелательному материалу, и облучения упомянутого нежелательного материала излучением, при этом согласно изобретению удаляемый нежелательный материал является практически непрерывной пленкой нежелательного материала, которой покрыт желательный материал; облучение упомянутого нежелательного материала включает воздействие на предварительно определенную поверхность упомянутой практически непрерывной пленки энергетическими фотонами с пространственной и временной концентрациями в пределах предварительно определенной поверхности, достаточными для высвобождения соответствующего поверхности раздела участка пленки нежелательного материала с обрабатываемой поверхности и недостаточными для повышения температуры желательного материала выше температуры, при которой плавится желательный материал или физические свойства желательного материала изменяются другим образом, кроме того, облучение нежелательного материала применяют достаточное количество раз на предварительно определенной поверхности и поверхности раздела, пока упомянутая практически непрерывная пленка нежелательного материала не будет удалена без изменения физических свойств желательного материала.

Упомянутая пленка может иметь толщину, которая требует повторного прохождения энергетических фотонов по ранее подвергнутой их воздействию поверхности практически непрерывной пленки материала, и при этом каждое прохождение выполняют таким образом, чтобы исключить изменение физических свойств оставшегося материала на подложке.

Облучение упомянутой обрабатываемой поверхности предпочтительно осуществляется энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для разрушения связей обрабатываемой поверхности удаляемого материала и недостаточными для повышения температуры поверхности остающегося обрабатываемого материала рядом с удаляемым слоем или под ним до уровня, при котором происходят изменения физических свойств остающегося материала обрабатываемой поверхности рядом с удаляемым слоем обрабатываемой поверхности материала или под ним.

Преимущественно материалом, остающимся на обрабатываемой поверхности, является металл, а удаляемым материалом является окись упомянутого металла.

Возможно, что материал, остающийся на обрабатываемой поверхности, является неорганическим, а удаляемый материал является органическим.

Кроме того, упомянутый остающийся материал, как и упомянутый удаляемый материал, могут иметь практически одинаковый химический состав.

Возможно также, что упомянутый остающийся материал является кварцем, а удаляемый материал является поликристаллическим кремнием.

Указанные задачи также решаются в способе выборочного удаления нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки, при котором модифицируют топографию подложки без изменения физических свойств материала, который желательно оставить на обрабатываемой поверхности рядом с нежелательным материалом или под ним, при этом согласно изобретению данный способ содержит операции: подачи вокруг упомянутой обрабатываемой поверхности потока газа, практически инертного по отношению к обрабатываемой поверхности, облучения упомянутой обрабатываемой поверхности энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для разрушения связей, образующих поверхность раздела нежелательного материала, и недостаточными для повышения температуры желательного материала рядом с нежелательным материалом или под ним до уровня, который может вызвать плавление желательного материала или вызвать иные изменения физических свойств желательного материала рядом с нежелательным материалом или под ним, и продолжение удаления подвергнутой воздействию поверхности раздела нежелательного материала, пока не будет удалена желаемая толщина материала, который должен быть удален, чтобы получить желаемую топографию в оставшемся материале.

Кроме того, данный способ может содержать операции: выбора на обрабатываемой поверхности участка нежелательного материала, имеющего температуру предельного уровня, выше которой происходят существенные изменения физических свойств, и участка желательного материала, имеющего температуру предельного уровня, выше которой происходят существенные изменения физических свойств упомянутого желательного материала, при этом эти температуры предельного уровня являются одинаковыми или в основном одинаковыми, подачи вокруг нежелательного материала потока газа, практически инертного по отношению к обоим упомянутым материалам, как желательному, так и нежелательному, и облучения упомянутого нежелательного материала энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для разрушения связей нежелательного материала и недостаточными для повышения температуры поверхности монослоя желательного материала рядом с нежелательным материалом или под ним до упомянутой температуры предельного уровня, так что предотвращаются изменения физических свойств остающегося материала рядом с нежелательным материалом или под ним.

Предпочтительно упомянутый способ модификации топографии является способом создания структур на обрабатываемой поверхности путем удаления с обрабатываемой поверхности толщины нежелательного материала по пространственному рельефу, который образует желаемую структуру на обрабатываемой поверхности.

Упомянутая обрабатываемая поверхность может иметь множество прилегающих участков материала различной толщины и при модификации топографии участки, имеющие большую толщину, уменьшают по отношению к участкам, имеющим меньшую толщину, чтобы получить более однородную толщину материала.

Подложка также может иметь множество поверхностных элементов с наклонными боковыми поверхностями, подвергнутыми воздействию, и упомянутые энергетические фотоны направляют под относительно косым углом к усредненной плоскости обрабатываемой поверхности.

Преимущественно облучение упомянутого нежелательного материала включает удаление поверхности первого участка от обрабатываемой поверхности, чтобы подвергнуть воздействию поверхность второго участка, расположенного ниже, и облучение поверхности второго участка, чтобы подвергнуть воздействию поверхность третьего участка, расположенного ниже.

Еще одним объектом изобретения является способ создания структур на обрабатываемой поверхности подложки путем выборочного удаления практически непрерывного слоя нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки без воздействия на физические свойства материала, который желательно оставить на обрабатываемой поверхности рядом с нежелательным материалом или под ним, при этом согласно изобретению способ содержит операции: подачи вокруг нежелательного материала потока газа, практически инертного по отношению к упомянутой обрабатываемой поверхности, и удаления с обрабатываемой поверхности той толщины нежелательного материала в пространственном рельефе, которая требуется для формирования желательной структуры на обрабатываемой поверхности путем выборочного облучения упомянутого нежелательного материала энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для высвобождения нежелательного материала с обрабатываемой поверхности и недостаточными для повышения температуры желательного материала выше температуры, при которой плавится желательный материал или физические свойства желательного материала изменяются другим образом.

Предпочтительно данный способ содержит дополнительно операции: образования на упомянутом нежелательном материале участка воздействия излучения, имеющего размеры, подходящие для образования желательной структуры; и прецизионного шагового перемещения участка воздействия излучения по пространственному рельефу.

Кроме того, он может содержать дополнительно операции: расположения между обрабатываемой поверхностью и источником энергетических фотонов маски, соответствующей пространственному рельефу, и практически однородного облучения пространственного рельефа на обрабатываемой поверхности через упомянутую маску.

Преимущественно выборочное облучение упомянутого нежелательного материала содержит последовательное направление энергетических фотонов на предварительно определенные поверхности нежелательного материала таким образом, что в пределах каждой предварительно определенной поверхности удаляется поверхность участка, включающего самый верхний один или два молекулярных монослоя.

Группа изобретений также включает способ выравнивания обрабатываемой поверхности подложки, содержащей несколько смежных участков с различной толщиной материала, путем выборочного удаления материала разной толщины с каждого участка без повышения температуры остающегося материала выше температуры, при которой остающийся материал плавится, или без иного воздействия на физические свойства остающегося материала, при этом согласно изобретению способ содержит операции: определения для каждого участка имеющейся толщины материала на этом участке, сравнения каждой имеющейся толщины материала с желательной толщиной материала и определение таким образом толщины нежелательного материала; подачи вокруг упомянутого участка потока газа, практически инертного по отношению к упомянутому материалу, и для каждого участка, имеющего нежелательную толщину материала, выборочного облучения упомянутого участка энергетическими фотонами, имеющими пространственную и временную концентрацию, достаточную для разрушения связей, чтобы удалить упомянутую толщину материала с этого участка и недостаточную для повышения температуры остающегося материала выше температуры, при которой остающийся материал плавится и недостаточную для изменения физических свойств остающегося материала.

Поставленные задачи также решаются в предложенном способе уменьшения шероховатости обрабатываемой поверхности, имеющей усредненную плоскость поверхности и отдельные элементы поверхности, расположенные под углом к усредненной плоскости поверхности, без воздействия на физические свойства поверхности, причем согласно изобретению способ содержит операции: подачи на обрабатываемую поверхность потока газа, практически инертного по отношению к обрабатываемой поверхности; и облучения обрабатываемой поверхности энергетическими фотонами с уровнями потоков энергии и мощности, достаточными для разрушения связей, образующих материал обрабатываемой поверхности, и, таким образом, освобождения материала с остальной обрабатываемой поверхности, и недостаточными для расплавления остающегося материала или для изменения физических свойств остающегося материала обрабатываемой поверхности другим образом, при этом фотоны подаются на обрабатываемую поверхность под относительно косым углом к усредненной плоскости обрабатываемой поверхности.

Преимущественно упомянутыми элементами поверхности, которые подвергаются воздействию, являются поверхностные элементы с наклонными боковыми поверхностями относительно плоскости обрабатываемой поверхности и упомянутые фотоны направляют под относительно косым углом в направлении к подвергаемым обработке наклонным поверхностям, оставляя без изменений теневую сторону упомянутых подвергаемых обработке наклонных поверхностей.

Таким образом, за счет выборочного удаления нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки с помощью облучения нежелательного материала энергетическими фотонами, имеющими пространственную и временную концентрацию (потоки энергии и мощности), достаточную для удаления нежелательного материала и недостаточную для изменения физических свойств находящейся под ним подложки достигается технический результат, связанный с возможностью высокоэффективного удаления любых поверхностных загрязнений с подложки без изменения физических свойств остающегося материала.

Предпочтительно, около поверхности постоянным потоком проходит газ, унося удаленный материал для того, чтобы предотвратить вторичное осаждение этого материала где-либо на обрабатываемой подложке. Оптимально газ является инертным по отношению к подложке и удаляемому материалу. Кроме того, чтобы как можно лучше исключить попадание на обрабатываемую поверхность загрязнений, содержащихся в потоке газа, газовый поток предпочтительно является ламинарным.

Источник излучения (энергетических фотонов) может быть любым известным устройством получения фотонов с требуемым энергетическим уровнем, включая импульсный или непрерывно излучающий лазер и лампы высокой энергии. В некоторых приложениях, таких как те, в которых интересующие связи требуют почти одновременного приложения множества фотонов, предпочтителен источник с мощностным выходом, такой как импульсный ультрафиолетовый лазер.

Показано, что изобретение приложимо к удалению практически непрерывных слоев нежелательных органических и неорганических пленок. Удаление органических пленок включает в себя удаление краски и следов маркера с подложек из нержавеющей стали или кварца. Удаление неорганических окисных пленок включает в себя удаление окислов с хрома, молибденовых сплавов, железо-никелевых сплавов, нержавеющей стали, тантала, вольфрама, меди, эрбия и циркония и удаление поликристаллического кремния с кварца. В зависимости от свойств и толщины нежелательного материала и подложки и от свойств доступного источника излучения может быть необходимым удалять нежелательный материал в последовательности операций обработки.

Топография поверхности также может быть изменена при помощи соответствующего применения процесса обработки. К примеру, относительно больше материала может быть удалено для участков, в которых толщина материала относительно больше, и меньше - на участках, где толщина меньше, чтобы обеспечить более однородную толщину материала. Это может эффективно уменьшить шероховатость поверхности материала. Источник фотонов может быть соединен в управляющий контур вместе с эллипсометром или другим прибором измерения свойств поверхности, чтобы обеспечить обратную связь для отслеживания и управления удалением материала в каждой области. Подобным же образом приложение излучения к шероховатой поверхности под относительно малым углом дает большую концентрацию бомбардирующих фотонов на более рельефных участках поверхности, в то время как менее выступающие участки затенены и получают, таким образом, меньшую концентрацию фотонов. Поэтому относительно большее количество материала удаляется с выступающих участков, снижая шероховатость поверхности.

Наноструктуры могут быть созданы путем выборочного облучения поверхности для удаления материала с выбранных участков на выбранную глубину.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 является схемой способа и устройства для удаления нежелательного материала с подложки в соответствии с принципами настоящего изобретения.

Фиг. 2A и 2B являются схемами двух тестовых устройств, использовавшихся для удаления материалов с выбранных подложек.

Фиг. 2C является схемой третьего устройства, подобного устройствам на фиг. 2A и 2B, но с более простой оптической системой.

Фиг. 3 является схемой геометрии участка облучения, полученного на подложке при помощи любого из устройств, изображенных на фиг. 2A - 2C.

Фиг. 4 является схематической иллюстрацией метода для выборочного удаления материала с подложки для создания наноструктур.

Фиг. 5 является схематической иллюстрацией подложки до процесса выравнивания рельефа.

Фиг. 6 является схемой первого устройства, используемого в процессе выравнивания рельефа подложки по фиг. 5.

Фиг. 7 является схематической иллюстрацией выборочного снижения шероховатости поверхности подложки путем облучения подложки под косым углом.

Подробное описание

Ниже даются подробные ссылки на предпочтительные в данный момент выполнения изобретения, примеры которых иллюстрируются сопровождающими чертежами. На всех чертежах одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых элементов.

1. Базовые способ и устройство обработки

Способ и устройство для удаления нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки без изменения физических свойств подложки схематически показан на фиг. 1. Как показано на фиг. 1, устройство 10 для обработки подложки 12, с которой надо удалять нежелательный материал, содержит облучающую систему 400, газовую систему 500 и систему 600 относительного перемещения. Облучающая система 400 содержит источник 410 излучения 11 (которое состоит из энергетических фотонов), например, лазер, и подходящую систему 450 оптической подачи, которая проводит излучение 11 к обрабатываемой поверхности подложки 12. Газовая система 500 содержит источник 510 газа 18 и связанную с источником систему 550 подачи для пропускания газа 18 по меньшей мере над частью поверхности подложки 12, к которой приложено излучение 11. Газ 18 предпочтительно является инертным по отношению к подложке 12 и обтекает подложку 12 так, чтобы подложка 12 была охвачена химически неактивной газовой средой. Предпочтительно газ 18 является химически инертным газом типа гелия, азота или аргона. Система 600 относительного перемещения обеспечивает относительное смещение между обрабатываемой частью обрабатываемой поверхности подложки 12 и излучением 11, а также, если нужно, и газом 18.

Каждый из составляющих элементов данных компонентов устройства 10 (источник 410 излучения, система 450 оптической подачи, источник 510 газа, система 550 подачи газа и система 600 относительного перемещения) может быть таким, какими являются компоненты, описанные в родственной заявке и которые могут быть сразу выбраны специалистом для компоновки устройства в соответствии с принципами настоящего изобретения. К примеру, система 450 оптической подачи может содержать зеркала, линзы, оптические волокна, коллиматоры, диафрагмы и иные элементы. Система 550 подачи газа может содержать трубопроводы, камеры, линии, клапаны, фильтры, измерители потока и иные элементы. Система 600 относительного перемещения может быть любой подходящей системой для поступательного или вращательного движения подложки 12 относительно излучения 11 и газа 18 и может содержать поступательную ступень для плоскостного поступательного движения подложки, вращательное приспособление для вращения подложки либо подвижные компоненты в системе оптической подачи для сканирования подложки излучением 11. Иллюстративные выполнения устройства 10 более подробно описываются ниже.

Согласно способу по настоящему изобретению, энергетические фотоны излучаются на обрабатываемую поверхность подложки с пространственной и временной концентрациями (потоками энергии и мощности), достаточными для удаления нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки и недостаточными для изменения физических свойств материала, который надо оставить на поверхности подложки.

Для удаления нежелательного материала следует разрушить связи, которыми он удерживается находящимся под ним или рядом с ним на обрабатываемой поверхности материалом (это может быть тот же самый материал, материал подложки или какой-либо третий материал). Каждая такая связь разрушается подачей количества энергии, по меньшей мере равного энергии образования этой связи. Энергии образования связи (т.е. количество энергии, высвобождаемое при образовании связи) для обычных материалов подложек приведены ниже в табл. 1a (см. в конце описания). Показанные энергии связи являются энергиями связей между собственно элементами материалов (например, Cr-Cr) и между элементом материала и кислородом (например, Cr-O). Энергии образования связей для различных соединений углерода приведены в табл. 1б (см. в конце описания).

Связи разрушаются, когда энергия, переносимая фотонами, воздействует на связи в количестве большем, чем энергия образования связи. Считается, что этому процессу разрушения связей свойственны недостаточности энергии, поэтому требуемая величина энергии фотона примерно вдвое больше энергии образования связи. Как видно из таблицы 1а, энергии окисных связей находятся в пределах порядка 4,0 - 8,3 эВ, тогда как энергии органических (углеродных) связей - порядка 3,5 - 11,2 эВ. Таким образом, требуются энергии фотонов приблизительно от 7 до 22 эВ.

Энергия фотона зависит от его длины волны в отношении:



где с является скоростью света (3,0010⁸ м/с), есть длина волны (м), а h есть постоянная Планка (4,14 10^-15 эВс). Поэтому выбор источника фотонов зависит от требуемой энергии фотонов, то есть от требуемой длины волны. В таблице 1в определены различные лазеры (см. в конце описания).

Эта таблица определяет: рабочую среду лазера (а также то, является ли лазер газовым (г), жидкостным (ж), твердотельным (т) или плазменным (п)), длину волны (нм) фотонов, и энергию E_ф (эВ) фотонов. Для лазеров непрерывного излучения показаны также средняя мощность P_ср (Вт), а для импульсных лазеров - энергия импульса E_имп (Дж), продолжительность импульса t_ИМП (нс), и пиковая мощность в течение импульса P_ПИК (МВт). Сравнивая энергии фотонов вышеуказанных лазеров с приведенными выше энергиями, требуемыми для обычных материалов подложек (и принимая в расчет ожидаемые недостаточности), видно, что в большинстве случаев энергии одного фотона не будет достаточно для разрушения интересующей связи. Однако предполагается, что энергия разрушения связи может быть достигнута множеством фотонов, если фотоны воздействуют на связь в течение очень короткого промежутка времени или практически "одновременно".

Так как для разрушения каждой связи требуется определенное количество энергии, то общее количество энергии (и, таким образом, общее количество фотонов с данной энергией), требуемое для удаления данного объема нежелательного материала с обрабатываемой поверхности подложки, в общем случае пропорционально числу связей в этом объеме материала. Предполагается, что фотоны взаимодействуют со связями только в пограничной области обрабатываемой поверхности (т.е. в одном или двух самых верхних слоях атомов или молекул (монослоях)). Для удаления практически непрерывных слоев материала (таких как окисные слои) было бы полезно поэтому считать участки единой поверхности и толщину материала как совокупность монослоев. Таким образом, для данного участка поверхности удаление материала определенной толщины (или определенного количества монослоев) требует эффективного приложения определенного количества энергии (числа фотонов). Естественно, не все фотоны, сталкивающиеся с обрабатываемой поверхностью подложки, будут вносить вклад в разрушение связи. Предполагается, что для разрушения связи требуется малая часть фотонов. Предполагается, что это по меньшей мере частично происходит из-за того, что эффективные положения (связи или их части) дня поглощения фотонной энергии занимают малую часть площади поверхности. Однако - по меньшей мере для данного материла - предполагается, что существует относительно постоянная зависимость между реальным количеством требуемых фотонов и теоретическим количеством, основанным на числе связей, которые следует разрушить. Соответственно, релевантным параметром для рассмотрения является поток энергии (энергия на единицу площади, или количество фотонов на единицу площади), подаваемый на обрабатываемую поверхность подложки, который соответствует толщине удаляемого нежелательного материала.

Как отмечено выше, существуют случаи, в которых интересующие связи требуют большей энергии, чем та, которую несет одиночный фотон, испускаемый выбранным источником излучения. Такие связи называются "многофотонными связями". Как отмечено выше, считается, что энергии двух или более фотонов дополняют друг друга для того, чтобы была подана энергия, необходимая для разрушения многофотонной связи, только в том случае, если фотоны воздействуют на связь одновременно. Это подразумевает скорость достижения связи фотонами, которая является потоком мощности (энергия за единицу времени на единицу площади). Далее, считается, что разрушение многофотонных связей имеет вероятностную природу. Для данного среднего потока мощности по участку подложки существует средняя скорость достижения фотонами любой заданной связи. Однако реальная скорость достижения фотонов должна быть случайно распределена около среднего значения. Таким образом, если представлена минимальная скорость достижения фотонов (максимальный временной интервал между фотонами), при котором для разрушения многофотонной связи будет иметь место добавление энергии, то средний поток мощности, поданный на данный участок, соответствующий минимальной скорости достижения, будет воздействовать приблизительно на половину связей на участке, подвергнутом воздействию требуемой (или большей) скорости достижения. Наоборот, даже если средний поток мощности несколько ниже, чем требуемый для получения минимально необходимой скорости достижения фотонов, ожидается, что фотоны будут достигать некоторых связей в течение требуемого интервала.

Итак, для удаления нежелательного материала заданной толщины с обрабатываемой поверхности подложки на этот нежелательный материал должен быть подан минимальный суммарный поток энергии (суммарное количество фотонов данного уровня энергии на единицу площади). Если рассматриваются и многофотонные связи, то требуется также определенный поток мощности, и чем выше поток мощности, тем выше вероятность, что каждая связь будет подвергнута воздействию требуемой скорости достижения фотонов. Выбор подходящего источника энергетических фотонов, таким образом, требует оценки необходимой энергии фотонов и - для многофотонных связей - достижимой мощности. Как станет ясно из данных, приводимых ниже, для удаления окислов и органических пленок (которые имеют высокие, т. е. многофотонные, энергии связей) предпочтительными фотонными источниками являются УФ лазеры, имеющие самые высокие пиковые уровни мощности и высокие энергии фотонов.

Противоположные соображения ограничивают потоки энергии и мощности, которые можно подать на обрабатываемую поверхность подложки - необходимость избегать изменения физических свойств материала, который следует оставить на поверхности. В общем случае, изменения физических свойств материала вызываются увеличением температуры материла выше предельного уровня. Изменение температуры поверхности материала, вызываемое энергией излучения, зависит от теплопроводящих характеристик материала, а также от потоков мощности и энергии подаваемого излучения. Нахождение максимальных потоков энергии и мощности, которые можно использовать для определенного материала подложки, потребует экспериментирования. Существующие методы лазерной очистки, основанные на парообразовании, промывке или поверхностном плавлении, дают некоторое представление о потоках энергии и мощности, необходимых для изменения состояния материалов подложек.

В общем случае фотоны предпочтительно направлены перпендикулярно к плоскости участка обрабатываемой подложки для того, чтобы максимизировать потоки мощности и энергии у поверхности для данного выхода от источника фотонов. Однако фотоны могут направляться и под углом к подложке, если это удобно или необходимо для реализации процесса в отдельной среде. Конечно потоки мощности и энергии у поверхности будут изменяться как синус угла падения фотонов относительно плоскости подложки, что следует учитывать при выборе выхода источника фотонов. В некоторых ситуациях может быть предпочтительно направлять излучения под углом к подложке, чтобы сильнее облучать и, таким образом, удалять неровности в материале для его сглаживания.

2. Тестовое устройство

Два набора тестовых устройств (обозначенные здесь как устройство А и устройство Б) использовались в следующих примерах. Устройство А показано схематически на фиг. 2А. В этом устройстве (обозначенном на чертеже как 10А) источником излучения является лазер 411, являющийся импульсным лазером на эксимерах KrF, продаваемый фирмой Lambda Physik в качестве модели LEXtra 200. Этот лазер имеет длину волны 248 нм (при энергии фотона 5,01 эВ), максимальную выходную энергию одного импульса 600 мДж и фиксированную продолжительность импульса 34 нс (при максимальной мощности импульса 17,65 МВт). Максимальная скорость повторения импульсов составляет 30 Гц, что дает максимальную среднюю мощность 18 Вт. Излучаемый поток имеет диаметр 23 мм при 13 мм на выходе лазера.

Система 450 подачи излучения содержит, в порядке следования излучаемого потока 11 после выхода из лазера 411, диафрагменную пластину 452, расположенные под углом 45^o зеркала 453, 454, 455 и 456, и регулируемую фокусирующую линзу 457. Диафрагменная пластина 452 является плоской пластиной с прямоугольной диафрагмой шириной 6 мм и длиной 25 мм и используется для отсечения "хвостов" Гауссова распределения фотонов, выходящих из лазера 411, чтобы пространственное распределение энергии в излучаемом потоке 11 было примерно одинаковым по всей плоскости, перпендикулярной лучу. Каждое из повернутых зеркал 453 и 454 является 50 мм плоским зеркалом, а для зеркал 455 и 456 - 25 мм плоским зеркалом. Регулируемая фокусирующая линза 457 является цилиндрической линзой шириной 25 мм, длиной 37 мм и с фокусным расстоянием 75 мм. Путем выбора высоты фокусирующей линзы 457 над поверхностью подложки 12 и ориентации линзы (вогнутой стороной вверх или вниз) регулируется ширина пятна луча на поверхности подложки. Все оптические элементы покрыты антиотражающим слоем для света с длиной волны 248 нм.

Система 450 подачи второго устройства - устройства Б (показано на фиг. 2В) - идентична системе подачи устройства А за исключением того, что первое повернутое зеркало 453 отсутствует (а лазер 411 и диафрагменная пластина 452 соответственно переориентированы на 90^o, чтобы свет попадал прямо на зеркало 454), а повернутое зеркало 455 является 50-миллиметровым (а не 25 мм, как в устройстве А). Третье устройство (не использовалось в экспериментах) с более простым (а потому, предпочтительным) оптическим путем показано на фиг. 2С.

Излучаемый поток 11 подается примерно перпендикулярно платформе 610, на которой крепится подложка 12. Как показано на фиг. 3, платформа 610 может двигаться в направлениях X и Y (параллельных плоскости платформы и показанных на фиг. 3 стрелками X и Y). Излучаемый поток 11 образует в основном прямоугольный участок 611 попадания излучения шириной w и длиной l. Участок 611 перемещается по поверхности подложки 12 путем смещения платформы 610.

Система 500 подачи газа содержит сосуд Дьюара с жидким азотом (объем 4500 л), последовательно соединенный: с двухступенчатым регулятором; поглотителем влаги/кислорода (MG Industries Oxisorb, который поглощает вплоть до концентраций 0,01 частей на миллиард); фильтром твердых частиц Millipore Model 304 (фильтрует частицы до 0,003 мкм); измерителем потока; фильтром U. S. Filter Membralox (фильтрует до 0,001 мкм); и, затем, с соплом 551, заканчиваясь рядом с участком 611. Сопло 551 рассеивает поток газа 18 по участку 611 и остается в фиксированном по отношению к участку 611 положении, так что платформа 610 и подложка 12 перемещаются по отношению к этому соплу. Эта система подачи газа пригодна для материалов, которые нечувствительны к обычным атмосферным газам, и допускает более простое устройство, чем то, которое требуется, если необходимо или желательно изолировать подложку от атмосферы во время обработки (как описано в родственной заявке).

Видеокамера 700 расположена для наблюдения участка 611, обеспечивая тем самым визуальные данные о результатах обработки.

В проиллюстрированном выполнении платформа 610 сначала перемещается в направлении X, в то время как излучаемый поток 11 подается на поверхность подложки 12, образуя удлиненную прямоугольную дорожку 612 на подложке 12, которая была подвергнута воздействию излучаемого потока 11. Платформа 610 может быть возвращена в начальную позицию и снова перемещена в направлении X так, что излучаемый поток 11 сделает еще один "проход" по дорожке 612. После одного или более проходов платформа 610 может быть перемещена в направлении Y на расстояние, приблизительно равное длине l, затем опять перемещена в направлении X, чтобы создать еще одну дорожку, смежную с предыдущей дорожкой 612. Таким образом, часть поверхности подложки 12, которую следует обработать, последовательно подвергается действию излучаемого потока 11 и потока газа 18.

Поток энергии (энергия на единицу площади), подаваемый на любую точку поверхности подложки 12 излучаемым потоком 11 в течение одного импульса лазера 411, равен энергии импульса у поверхности, деленной на площадь, по которой распределена энергия. Это можно выразить так:



где F_ЭИП есть поток энергии импульса за единицу времени у поверхности (Дж/см²), E_ИП - энергия импульса у поверхности (Дж), а l и w - длина и ширина участка 611 (см). Подобным же образом, поток мощности импульса (F_МИП) может быть рассчитан как:



где t_p есть длительность лазерного импульса.

Существуют потери энергии, связанные с прохождением излучаемого потока 11 через оптику и диафрагменную пластину. Так, энергия лазерного импульса у поверхности (E_ИП) меньше, чем испущенная энергия лазерного импульса. Лазер LEXtra 200 содержит миниконтроллер с измерителем энергии импульса, который удобен для записи выходной энергии лазера во время экспериментов. Однако этот встроенный измеритель не безупречно точен. Для получения более точных измерений энергии тестовое устройство было откалибровано для выведения коэффициента коррекции, который следует применять к показаниям встроенного измерителя для получения более точных показаний. Соответственно, энергия импульса лазера у поверхности (E_ИП) измерялась при помощи детекторной головки Molectron J50 и джоулеметра JD 1000, расположенных у обрабатываемой поверхности, и измеренная энергия сравнивалась с показаниями встроенного измерителя для энергии импульса (E_ИЗМ). Таким образом был выведен коэффициент коррекции (R_KOPP), учитывающий и потери на оптическом пути, и неточность встроенного измерителя.

E_ИП = E_ИЗМR_KOPP,

Данный коэффициент коррекции не постоянен - было обнаружено, что он изменяется примерно линейно с изменением выходного уровня лазера. Энергия импульса зависит от входного напряжения (V_ВХ) на лазере, которое регулируется в пределах приблизительно от 17 до 22 кВ. Выходная энергия лазера (по показаниям встроенного измерителя) изменяется при заданном значении напряжения в зависимости от таких факторов, как уровень подачи лазерного газа, так что напряжение не может напрямую быть использовано в качестве меры энергии импульса, и вместо этого считывается встроенный измеритель. Для удобства коэффициент коррекции рассчитывается как функция от значения напряжения и затем применяется к показаниям энергии встроенного измерителя. Коэффициент коррекции выглядит так:



где m - коэффициент наклона, a b - отсекаемый отрезок линейной функции.

Значения m и b для двух тестовых устройств приведены ниже в табл. 2а (см. в конце описания).

Таким образом, энергия импульса у обрабатываемой поверхности:



В проиллюстрированном варианте выполнения обработанный участок 612 формируется из нескольких дискретных участков 611 (как показано на фиг. 3 выделенным пунктиром вторым участком 611"). Расстояние, на которое участок 611" смещен от участка 611 (x), является произведением времени между лазерными импульсами (обратным скорости R_ИМП повторения лазерных импульсов) и скорости перемещения платформы 610 (скорость V_с сканирования). Поток энергии, доставляемый в заданную точку на подложке, таким образом, равен произведению потока энергии за импульс (F_ЭИП) и количества импульсов (N_ИМП), которым подвергается эта точка. Количество импульсов N_ИМП равно ширине участка 611, деленной на расстояние X, которое проходит платформа в промежутке между импульсами. Конечно, если w не является целым кратным от X, а каждая точка должна получить целое число импульсов, то не каждая точка

получит одинаковое число импульсов. Однако выведенное выше соотношение достаточно точно определяет среднюю энергию, приходящуюся на каждую дорожку 612. Кроме того, вместо перемещения платформы по оси Y перед тем, как начать новую дорожку 612, платформа может быть оставлена в той же самой позиции по оси Y, а на том же месте будет сделана еще одна дорожка 612, т.е. будет сделан еще один "проход" по подложке. Общий доставленный поток энергии (F_ЭО), таким образом, равен потоку энергии за проход (F_ЭПР), умноженному на число проходов (N_ПР).

Средний поток энергии, поданный на поверхность подложки 12, может быть вычислен как:



Общий поток энергии, поданный на данную точку, получается перемножением потока энергии за проход (F_ЭПР) на число проходов:

F_ЭО=F_ЭПРN_ПР

В экспериментальных данных, представленных ниже, тестовые параметры определены, как показано в табл. 2б (см. в конце описания).

Во всех тестах скорость потока газообразного азота у обрабатываемой поверхности была от 250 до 500 мл/с.

3. Примеры удаления окисных пленок

Применение базовых способа и устройства обработки по отношению к окисным пленкам показано на последующих примерах. В каждом примере производилась серия "прогонов" обработки на одном или более образцах окисленных материалов подложек. Каждый прогон состоял из обработки одной дорожки 612 по обрабатываемой поверхности, с одним или более проходами по дорожке. Если специально не оговорено, обработке была подвергнута плоская поверхность образцов (такая, как на плоской лицевой стороне мишени распылительной установки).

Эффективность обработки классифицируется по шестибалльной шкале коэффициента очистки (R_О), который приведен в табл. 3а (см. в конце описания).

Цель в этих тестах состояла в удалении всех окислов за как можно меньшее количество проходов (предпочтительно за один проход) и с как можно более высокой скоростью платформы без повреждения обрабатываемой поверхности. Это соответствует максимальной производительности при коммерческом применении - обработка подложки за минимально возможное время. Как обсуждалось выше, предполагается, что ключевым фактором в процессе является поток энергии за импульс (F_ЭИП), напрямую связанный с ним (при фиксированной длительности импульса 34 нс) поток мощности за импульс (F_МИП) и общий поток энергии (E_ЭО). Эти факторы варьировались при помощи регулировки энергии импульса (E_ИП), скорости повторения лазерных импульсов (К_ИМП), скорости платформы (V_С) и ширины (w) подвергающегося облучению участка.

а. Хромовая мишень распылительной установки

В данном примере окисленная хромовая мишень распылительной установки обрабатывалась устройством Б. Мишень распылительной установки (как и другие мишени, использованные в описанных ниже экспериментах) была приблизительно 21 см длиной, слегка овальной формы с максимальной шириной 9 см. Была проведена серия из 9 прогонов, результаты которой сведены в таблицу 3б (см. в конце описания).

Эти данные предполагают, что уровни потока мощности за импульс, поданные во время прогонов, перекрывали предельный уровень для многофотонных связей. Хорошее качество удаления было получено для значений F_МИП больших, чем приблизительно 12 МВт/см², даже для постоянных значений F_ЭИП (например, прогоны с 5 по 7), и для более низких значений F_ЭИП (например, прогоны с 8 по 10).

б. Эрбиевая мишень распылительной установки

В данном примере окисленная эрбиевая мишень распылительной установки обрабатывалась устройством Б. Результаты приведены в табл. 3в (см. в конце описания).

Наблюдавшийся голубой окисел предположительно является окислом эрбия или каким-либо другим побочным продуктом взаимодействия мишени распылительной установки. Все прогоны были сделаны с одной и той же толщиной луча 2,9 мм, в то время как энергия импульса E_ИП лазера (и, таким образом, поток мощности импульса F_МИП) медленно увеличивалась от прогона к прогону, а также от прогона к прогону сильно увеличивалась скорость сканирования. Первые два прогона дали частичную очистку, в то время как последующие прогоны (с несколько большими значениями F_МИП, приблизительно равными 8 МВт/см²) дали хорошую очистку при последующем снижении уровней общего потока энергии F_ЭО, причем уровень 0,7 Дж/см² также обеспечивал хорошее качество удаления. Снова предполагается, что F_МИП превысила предел для многофотонных связей между прогонами 2 и 3.

В прогоне 7 скорость V_C платформы была увеличена до 50 мм/с с целью уменьшить общий поток энергии до уровня, слишком низкого для удаления окисла. Данный прогон дал "дифракционную" картину из остаточных окисных линий в направлении X, предполагая, что участки, где остался окисел, не подверглись действию тех же потоков энергии и мощности, что и перемежающие их очищенные участки. Хотя скорость была не настолько высока, чтобы последовательные облученные участки (611) были неперекрывающимися (при скорости повторения импульсов 30/с подложка между импульсами проходила расстояние (1,6 мм), которое меньше, чем ширина облучаемого участка (2,9 мм)), наблюдавшийся эффект может отражать Гауссово распределение фотонов по координате X на облучаемом участке 611.

в. Циркониевая мишень распылительной установки

В данном примере окисленная циркониевая мишень распылительной установки обрабатывалась устройством Б. Результаты приведены в табл. 3г (см. в конце описания).

Как и в предыдущем примере, все прогоны были сделаны лучом одинаковой толщины 2,9 мм, энергия импульса E_ИП (и, таким образом, поток мощности импульса F_МИП) от прогона к прогону слегка увеличивалась, а скорость сканирования от прогона к прогону увеличивалась значительно. Каждый прогон давал хорошую очистку, причем последующие более низкие уровни общего потока энергии (приблизительно 0,9 Дж/см²) также обеспечивали хорошее качество удаления.

г. Танталовый держатель

В данном примере окисленный танталовый цилиндрический держатель обрабатывался устройством Б. Так как держатель был цилиндрический, он представлял собой кривую обрабатываемую поверхность, и возможности линейных перемещений платформы были неадекватны для качественного сканирования участка 611 воздействия луча по поверхности. Соответственно, держатель вращался вручную со скоростью, при которой участки воздействия излучения были неперекрывающимися. Поэтому данные табл. 3д прикладываются к изолированным участкам воздействия излучения (см. в конце описания).

Эти данные показывают, что поток энергии приблизительно 0,5 Дж/см² адекватен для удаления пленки окисла тантала с находящейся под ней танталовой подложки. При потоке мощности более чем приблизительно 22 МВт/см² (при прогонах 1 - 3) получались некоторые повреждения, при которых отмечалось почернение поверхности подложки.

д. Вольфрамовый тигель

В данном примере окисленный вольфрамовый тигель обрабатывался устройством Б. Тигель был приблизительно 10 см в длину и 2,5 см в ширину, имел форму вытянутого блюда (примерно полуцилиндрическую в обрабатываемой области). Данные, приведенные в табл. 3е (см. в конце описания), содержат информацию о прогонах 1 - 3 на внутренней поверхности (вогнутой) и 4 - 7 на внешней (выпуклой).

Эти данные показывают, что окись вольфрама может быть удалена при таком низком потоке энергии, как 1,3 Дж/см², при этом подложка не повреждается при значениях потока мощности до приблизительно 41 МВт/см².

е. Маски из молибденового сплава

В данном примере три окисленные маски (используемые при производстве рисунка разводки на кремниевых микросхемах), изготовленные из молибденового сплава, обрабатывались устройством А. Данные об обработке этих масок приведены в табл. 3ж (см. в конце описания).

Для удаления окисла с большей по размерам маски, использованной в качестве Образца 1, потребовались более высокие, чем для других двух масок потоки общей энергии (F_ЭО). При прогонах 6 и 9а на первой маске обработка оставила коричневатый остаток, который может означать повреждение оставшегося материала. Данные говорят также о том, что F_МИП не превзошел предела мощности для многофотонных связей для Образца 1 (где F_МИП был меньше, чем приблизительно 30 МВт/см²), но превзошел этот предел для Образцов 2 и 3 (F_МИП выше приблизительно 60 МВт/см²).

ж. Стальная линейка

В данном примере окисленная стальная линейка обрабатывалась устройством А. Данные обработки линейки приведены в табл. 3з (см. в конце описания). Данные показывают, что предельный поток энергии для многофотонной связи был пройден между прогонами 2b и 2c - 7 (т.е., находится приблизительно между 7,5 и 9,3 МВт/см²). Кроме того, хотя F_МИП при прогонах 5 - 7 была достаточно высокой, поток общей энергии F_ЭО был недостаточен (приблизительно от 1,5 до 1,9 Дж/см²) для удаления всего окисла.

з. Мишень распылителя из никелево-железного сплава

В данном примере мишень распылительной установки обрабатывалась устройством Б. Мишень распылительной установки была сделана из сплава никеля и приблизительно 19% железа. Данные обработки этой мишени сведены в табл. 3и (см. в конце описания).

При прогонах 1, 3, 4, 5 и 7 во время обработки наблюдалось розоватое световое взаимодействие, а при прогоне 7 на поверхности остался розоватый оттенок. Одним из возможных объяснений является то, что поверхность была повреждена при более высоком, приблизительно от 20 до 26 МВт/см² потоке мощности импульса. С другой стороны, более высокий поток мог вызвать смену сочетания окисных слоев на сочетание, более сложное для удаления (т.е. с большими энергиями связей). Это согласуется с наблюдениями, согласно которым в этих прогонах требовался больший поток общей энергии для удаления всех окисных слоев. Наоборот, при прогонах 8 - 10 меньшие потоки мощности импульса, в диапазоне приблизительно от 9 до 10 МВт/см², были достаточны для удаления окисла (при потоке общей энергии F_ЭО приблизительно 1,3 Дж/см² или более).

и. Полоска из никелевого сплава

В данном примере полоска из окисленного никелевого сплава обрабатывалась устройством А. Никелевый сплав был неопределенного состава. Данные обработки сведены в табл. 3к (см. в конце описания).

Визуальное наблюдение прогона 4 выявило коричневатый остаток, вероятно, говорящий о повреждении оставшегося материала. Визуальный осмотр прогона 7 между проходами показал, что окись удалялся постепенно при каждом проходе. Далее, выявлено, что предел потока мощности для многофотонных связей равен приблизительно 50 МВт/см² - в некоторых случаях очистка достигалась при меньших значениях F_МИП, но для полного удаления окисла требовалось большее значение F_ЭО.

к. Медный пенни

В этом примере окисленные американские монеты достоинством 1 пенни (медные) обрабатывались устройством Б. Были обработаны 3 монеты, по одному прогону на аверсной и реверсной сторонах каждой монеты (прогоны идут попарно для каждой монеты: прогоны 1 и 2 - для одной и той же, 3 и 4 - для следующей, и т.д.). Данные по обработке сведены в табл. 3л (см. в конце описания).

Эти данные показывают эффективное удаление окиси меди при уровнях потока мощности импульса приблизительно от 8 до 20 МВт/см² (требующих общей энергии приблизительно от 13 до 130 Дж/см² для удаления всего или почти всего окисла), в то время как большие потоки мощности импульса (20 МВт/см² при прогоне 6) могут повреждать поверхность.

л. Четветьдолларовая монета из никелевого сплава

В данном примере окисленные монеты достоинством в четверть доллара США (с поверхностным слоем из никелевого сплава) обрабатывались устройством Б. Было обработано 2 монеты, по одному прогону на аверсной и реверсной сторонах каждой монеты (как и в вышеописанном случае, прогоны 1 и 2 - для двух сторон одной монеты, 3 и 4 - для другой). Данные по обработке сведены в табл. 3м (см. в конце описания).

Эти данные показывают, что окисный слой на никелированной поверхности четвертьдолларовых монет был эффективно удален при потоках мощности импульса приблизительно от 10 до 11 МВт/см² за количество проходов от одного до четырех.

4. Удаление органических пленок

Применение способа и устройства обработки, описанных выше, по отношению к органическим пленкам проиллюстрировано последующими примерами. Если специально не оговорено обратное, тесты проводились таким же образом, а данные представлены в том же формате и в тех же единицах, что и для примеров удаления окисных пленок. Все тесты были проведены с помощью устройства А.

а. Краска на нержавеющей стали

В данном примере диск, имеющий радиус 20, из нержавеющей стали 304 был покрыт (путем напыления) обычной краской по металлу (в данном случае использовалась краска, продаваемая под торговой маркой "RUSTOLEUM"). Результаты обработки приведены в табл. 4а (см. в конце описания).

Эти данные показывают, что относительно толстая органическая пленка может быть эффективно удалена с подложки из нержавеющей стали без наблюдаемых повреждений подложки. Установлено, что пленка краски требует потока общей энергии (F_ЭО) как минимум приблизительно 16 Дж/см², и большей общей энергии (167 Дж/см²) при более низком потоке мощности импульса (приблизительно 8 МВт/см² в прогоне 9). Это может говорить о том, что предельное значение потока мощности находится между 8 и 12 МВт/см².

б. Органические пленки на лодочке для кварцевых пластин

В данном примере различные органические пленки наносились да поверхность в общем случае цилиндрической лодочки с прорезью для кварцевых пластин (используемой для транспортировки полупроводниковых пластин через печи). Наносились органические пленки трех типов: отпечатки пальцев (жир человеческого тела); краска (синяя и красная); и "волшебный маркер". Затем лодочка обрабатывалась устройством А. Результаты обработки приведены в табл. 46 (см. в конце описания).

Эти данные показывают, что органические пленки могут эффективно удаляться без повреждения кварцевой подложки за один или более проходов при различных уровнях энергии.

в. Органические пленки на окне плавленного кремниевого кварца

В данном примере различные органические пленки наносились на поверхность плоского оптического окна плавленного кремниевого кварца. Наносились пленки двух типов: отпечатки пальцев (жир человеческого тела) с добавлением пыли и без нее и синяя краска. Затем окно обрабатывалось устройством А. Результаты обработки приведены в табл. 4в (см. в конце описания).

Эти данные снова показывают, что органические пленки могут эффективно удаляться без повреждения кварцевой подложки за один или более проходов при различных уровнях энергии.

5. Удаление поликристаллического кремния с кварца

Применение способа и устройства обработки, описанных выше, по отношению к поликристаллическому кремнию на кварце проиллюстрировано следующими примерами. Внутренняя поверхность цилиндрической трубы кварцевой печи обрабатывалась для удаления слоя поликристаллического кремния, который конденсировался на поверхности во время обработки кремниевых кристаллов, проходящих через трубу печи. Устройством А обрабатывался отдельный кольцевой сектор трубы. Была проведена серия тестовых прогонов, результаты которых показаны в табл. 5а (см. в конце описания). В тестовом устройстве участок 611 воздействия излучения непрерывно сканировался по дорожке 612 шириной (X-измерение) от 0,9 до 2,0 мм в течение десятков минут. Таким образом, показанное в табл. 5а число проходов (N_ПР):



где w_ljh - ширина дорожки 612, t_СКАН - время сканирования, a V_С - скорость сканирования лазера.

Было обнаружено, что, при высоких уровнях потока энергии и мощности в точке, где слой поликристаллического кремния полностью удалялся и кварц, таким образом, подвергался облучению, наблюдалась флюоресценция кварца. Это обеспечивало удобный визуальный индикатор момента времени, в который достигался прорыв кремния.

Эти данные показывают, что поликристаллический кремний может быть удален с поверхности кварца.

6. Изменения топографии поверхности

Из описания и данных, приведенных выше, очевидно, что практически непрерывные слои материала могут выборочно удаляться с поверхности подложки. Толщина удаляемого с подложки материала является функцией энергий связей подлежащего удалению материала, энергии (длины волны) воздействующих фотонов, потока энергии воздействующих фотонов и - для многофотонных связей - потока мощности. Потоки энергии и мощности могут также быть обозначены как пространственная и временная концентрации воздействующих фотонов. Поэтому для данного материала можно определить временную и пространственную концентрации фотонов, требующиеся для удаления слоя материала желательной толщины. Как описано выше для слоев окисных, а также органических и неорганических пленок, слои материала могут удаляться одинаково на большой площади подложки путем сканирования излучением по поверхности подложки. Однако путем подходящего управления процессом удаления возможно выборочно (т.е. неодинаково) удалять материал с относительно небольших площадей для изменения рельефа поверхности подложки. Изменение рельефа может производится для создания наноструктур или для выравнивания шероховатой поверхности.

а. Создание наноструктур

Наноструктуры могут быть построены путем выборочного удаления материала подложки, окружающего структуры, которые должны быть подняты над поверхностью. Это может быть сделано двумя способами. Первый по сути эквивалентен операции фрезерования для обычных структур. Продолжая аналогию, представим участок 611 воздействия излучения в качестве фрезерного инструмента при размерах участка 611 (соответствующих размеру фрезерного инструмента), определяющих наименьшую ширину, на которой может быть удален материал. Подобным образом возможное продольное разрешение в управлении при движении участка 611 (либо путем перемещения платформы, например 610, либо путем движения фокусирующей оптики) диктует точность, с которой могут быть созданы структуры. Глубина "выреза", достигаемая на каждом "проходе" по облучаемому участку, диктуется потоками энергии и мощности, и затем общая глубина удаления материала определяется количеством проходов по поверхности.

Создание простой наноструктуры схематически показано на фиг. 4. Наноструктура является "островом" 720, окруженным "рвом" 710, сформированным на поверхности подложки 12. Ров 710 сформирован путем движения участка 611 воздействия излучения (схематически показан в виде круглого участка, хотя может быть прямоугольным, как проиллюстрировано выше для экспериментальных устройств) по периметру участка, на котором желательно создать остров 720. Движение участка 611 показано другим размещением участка (611") в другой части рва 710.

Альтернативной технологией микрообработки является использование маски для определения удаляемых участков материала, наложение маски на обрабатываемую поверхность подложки или над ней, и однородное сканирование участком воздействия излучения по маске. Конечно, материалы подложки и маски должны выбираться, а уровни потока энергии и мощности фотонов должны устанавливаться так, чтобы нежелательный материал удалялся с обрабатываемой поверхности подложки, и при этом маска не повредилась настолько, чтобы выйти из строя до того, как завершится микрообработка подложки.

В прототипе было продемонстрировано, что методы для использования масок (как например, фотолитография) и управления размером и положением участка воздействия лазера управляемы в интересующем пространственном диапазоне при микрообработке наноструктур. Способ, которым эти методы могли бы быть применены для использования настоящего изобретения для микрообработки, таким образом, будет очевиден для специалиста и не описывается здесь более подробно.

б. Выравнивание поверхности

Поверхность подложки может также быть "выровнена" путем избирательного приложения облучения, как схематически показано на фиг. 5. Если, как показано на фиг. 5, подложка 12 имеет слой 12b (например, окисный слой, хотя этот слой может быть просто поверхностным слоем подложки), который неоднороден по толщине (показано при помощи участков 12b1, 12b2, 12b3 и т.д.), может быть желательно в некоторых случаях удалять часть окисного слоя (но не весь) для того, чтобы сделать окисный слой более равномерным по толщине (показано пунктирной линией 12c). Это может быть достигнуто путем избирательного приложения облучения к каждому из участков 12b1 и т.д. для удаления толщины материала, равной разности между толщиной до обработки и желательной толщиной. Излучение может сканироваться в виде растра по поверхности подложки с удалением желательного количества материала с каждого участка.

Для точного определения толщины слоя 12b перед обработкой (и, возможно, для подтверждения желательной толщины после обработки) желательно использовать метод измерения толщины пленки на месте. Подходящими известными методами являются отражение или спектрофотометрия либо эллипсометрия профиля луча. (Такие методы описаны в P.Burggraaf, "Thin Film Metrology: Headed for a New Plateau", Semiconductor International. March 1994). Реальная толщина в каждом участке может затем сравниваться с желательной толщиной для определения толщины нежелательного материала. Подходящие потоки энергии и мощности могут затем подаваться на участок для удаления нежелательного материала данной толщины. После обработки может производиться измерение толщины для подтверждения того, что реальная толщина равна желательной толщине, и, если необходимо, производится дополнительная обработка. Этот процесс может итеративно продолжаться для каждого участка.

Подходящее устройство схематически показано на фиг. 6. Подложка 12 размещается на подвижной платформе 610, а излучение 11 подается от источника 410 через систему 450 оптической подачи. Информация 805 о толщине собирается при помощи эллипсометра 810 (или другого подходящего устройства измерения толщины). Контроллер 850 принимает информацию 805 о толщине от эллипсометра 810 и выдает сигнал 820 управления излучением к источнику 410, а сигналы 825 управления позиционированием - к платформе 610 либо сигналы 830 - к управляемой оптике 450.

в. Облучение под углом

Обрабатываемая поверхность подложки неодинаковой толщины может также быть "сглажена" с помощью облучения под углом к поверхности подложки, как показано схематически на фиг. 7. Шероховатый поверхностный слой 12b подложки 12 (показан на фиг. 7 в разрезе) имеет поверхностные элементы, ориентированные во многих направлениях (или под множеством углов по отношению к общей плоскости обрабатываемой поверхности). Поскольку воздействующие потоки энергии и мощности от излучения 11 изменяются как синус угла падения излучения на поверхностный элемент, элементы, которые в наибольшей степени перпендикулярны к излучению, будут подвергнуты воздействию более сильных потоков, чем те элементы, которые расположены под углом к излучению. Далее, элементы, которые затенены (не облучаются), не подвергнутся воздействию потока. Таким образом, кумулятивный эффект применения излучения 11 будет состоять в удалении относительно большего количества материала с перпендикулярно-ориентированных поверхностных элементов, и меньшего количества материала с затененных элементов или элементов, находящихся под углом (схематически обозначено при помощи контуров 12b", 12b"" поверхности после обработки). Это, в свою очередь, уменьшит среднюю шероховатость поверхностного слоя 12b.