DE4029470C1 - Local gas atmos. generator for vacuum receptacle - has application jet with ID tapering to outlet tip smaller than 100 microns - Google Patents

Local gas atmos. generator for vacuum receptacle - has application jet with ID tapering to outlet tip smaller than 100 microns

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Abstract

Local gas atmos. is produced in a vacuum vessel for reprocessing of highly integrated circuits, e.g. for repair of masks, by an arrangement of a gas storage container (2), from which a gas supply tube (3) proceeds, terminating in a nozzle (5). A focusing device (6) above the substrate (4) focuses a particle stream at the desired point. The inside dia. of the nozzle is reduced towards the outlet, to give a conical shape, with a dia. or the outlet of less than 100 microns, pref. 80 microns. The outlet is sharp-edged, with outside and inside dias. almost the same. ADVANTAGE - Substrate area covered by gas reduced.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer lokalen Gasatmos­ phäre in einem Vakuumrezipienten nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie sie insbesondere bei der Nachbehandlung von hochintegrierten Schaltkrei­ sen mit Strukturen im µm und im subµm Bereich verwendet wird.The invention relates to a device for generating a local gas atmosphere sphere in a vacuum recipient according to the preamble of claim 1, as they are especially in the aftertreatment of highly integrated circuits is used with structures in the µm and subµm range.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Nachbearbeitung von hochintegrierten Schaltkreisen, z. B. bei der Repa­ ratur von Masken, wurden mit zunehmender Miniaturisierung der Strukturen (im µm und Subµm Bereich) die Nachbereitung mittels fokussierter Laserstrahlen durch den Einsatz von fokussierten Teilchenstrahlen, Elektronen bzw. Ionen, er­ setzt. Diese Anlagen arbeiten mit einem Vakuumrezipienten, in dem der Teil­ chenstrahl auf die zu verändernde Struktur des Substrates fokussiert wird, wobei der Durchmesser des Teilchenstrahls auf Werte unter einen µm fokussiert wer­ den kann. Um im Fokus des Teilchenstrahls Material auf das Substrat aufzu­ bringen, wird dieses in einer gasförmigen Verbindung zu dem Auftreffort des Teilchenstrahls geleitet, und strömt in der Nähe des Teilchenstrahls aus einer Düse in Richtung des Fokus. Aus dem Stand der Technik (H. C. Petzold et al., Repair of clear defects on X-Ray masks by ion-induced metal deposition, SPIE Vol. 1089 Electron-Beam, X-Ray, and Ion-Beam Technology: Submicrometer Lithographies VII (1989)//Y. Makodoro et al., Focused ion beam assisted de­ position of tungsten, SPIE Symposium March 90, San Jose, SPIE code No. 1263-35//P. G. Blauner et al., Focused ion beam fabrication of submicron gold structures, J. Vac. Sci. Technol. B7(4), Jul/Aug 1989 S. 609-617//H. Ko­ mano et al., Silicon oxid film formation by focused ion beam (FIB)-assisted de­ position, Jap. Journal of Appl- Phys., Vol. 28, No. 11 Nov. 1989, pp 2372-2375 //M. J. Vasile et al., Focused ion beam stimulated deposition of organic com­ pounds, J. Vac. Sci. Technol. B7(6), Nov/Dec 1989, pp 1954-1958) sind Vorrichtungen bekannt, bei denen das Gas aus rohrförmigen Düsen in der Nähe des Teilchenstrahls auf die Substratoberfläche strömt. Die dort verwendeten Dü­ sen haben an ihrem Austrittsende einen Innendurchmesser, der zwischen 200 µm und 800 µm beträgt. Da jedoch nur im Bereich der Wechselwirkung zwischen Teilchenstrahl und Gas eine Materialabscheidung auf das Substrat stattfindet, bleibt der größte Teil des zugeführten Gases ungenutzt. Die Minimierung des Abstandes zwischen Düsenende und Teilchenstrahl einerseits sowie unterem Ende der Düse und Substratoberfläche andererseits zur Reduzierung des Gas­ verlustes ist auf Grund der relativ großen Ausbildung der Düsenenden nur be­ grenzt möglich. Der größte Teil des zugeführten Gases gelangt somit ungenützt in den Vakuumrezipienten, und führt zu dessen Kontamination. Dies hat zur Folge, daß der Druck in dem Vakuumrezipienten unerwünscht stark ansteigt, daß der Teilchenstrahl zunehmend gestreut wird, und daß die Lebensdauer der Teilchenquelle reduziert wird. Die zur Vermeidung dieser Nachteile notwendige Reduzierung der Gaszufuhr hat jedoch eine verminderte Spotaufwachsrate (abgeschiedene Schichtdicke pro Zeiteinheit) zur Folge.When reworking highly integrated circuits, e.g. B. at the Repa rature of masks, with increasing miniaturization of the structures (in µm and Subµm range) post-processing using focused laser beams through the use of focused particle beams, electrons or ions, he puts. These systems work with a vacuum recipient in which the part chenstrahl is focused on the structure of the substrate to be changed, wherein the diameter of the particle beam is focused on values below one µm that can. To pick up material onto the substrate in the focus of the particle beam bring, this will be in a gaseous compound to the impact of the Particle beam, and flows in the vicinity of the particle beam from a Nozzle towards the focus. From the prior art (H.C. Petzold et al., Repair of clear defects on X-Ray tasks by ion-induced metal deposition, SPIE Vol. 1089 Electron-Beam, X-Ray, and Ion-Beam Technology: Submicrometer Lithographies VII (1989) // Y. Makodoro et al., Focused ion beam assisted de position of tungsten, SPIE Symposium March 90, San Jose, SPIE code No. 1263-35 // P. G. Blauner et al., Focused ion beam fabrication of submicron gold structures, J. Vac. Sci. Technol. B7 (4), Jul / Aug 1989 pp. 609-617 // H. Knockout mano et al., Silicon oxide film formation by focused ion beam (FIB) -assisted de  position, Jap. Journal of Appl-Phys., Vol. 28, No. 11 Nov. 1989, pp 2372-2375 // M. J. Vasile et al., Focused ion beam stimulated deposition of organic com pounds, J. Vac. Sci. Technol. B7 (6), Nov / Dec 1989, pp 1954-1958) Devices known in which the gas from tubular nozzles nearby of the particle beam flows onto the substrate surface. The Dü used there sen have an inside diameter at their outlet end that is between 200 µm and 800 µm. However, since only in the area of interaction between Particle beam and gas material deposition takes place on the substrate, most of the gas supplied remains unused. Minimizing the Distance between nozzle end and particle beam on the one hand and the lower End of the nozzle and substrate surface on the other hand to reduce the gas loss is due to the relatively large design of the nozzle ends only be limits possible. Most of the gas supplied is thus unused in the vacuum recipient, and leads to its contamination. This has to Consequence that the pressure in the vacuum recipient increases undesirably, that the particle beam is increasingly scattered, and that the lifespan of the Particle source is reduced. The necessary to avoid these disadvantages However, reducing the gas supply has a reduced spot growth rate (deposited layer thickness per unit of time).

Weiterhin ist aus der Druckschrift WO 86/02 774 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der der Durchmesser der Austrittsöffnung der Düse einen unteren Wert von 125 µm aufweist. Entsprechend dem Anspruch 14 dieser Druckschrift beträgt der Abstand zwischen dem unteren Ende der Düse und der Substratoberfläche bestenfalls 200 µm. Damit soll es, wie Anspruch 17 ent­ nommen werden kann, möglich sein, den Druck der lokalen Gasatmosphäre auf dem Substrat auf einen Wert bis zu 4 × 10-2 mbar zu steigern, um vermutlich mehr Material auf dem Substrat abscheiden zu können. Dies geht jedoch nur zu Lasten einer vermehrten Kontamination des Vakuumrezipienten, der bereits ohne zusätzliche Gaszufuhr ein relativ schlechtes Vakuum von mehr als 10-5 mbar aufweist (Seite 9, erster Absatz). Dies hat die bereits zuvor erwähnten Nachteile zur Folge, daß der Teilchenstrahl gestreut und die Lebensdauer der Teilchenquelle herabgesetzt wird.Furthermore, from the document WO 86/02 774 a device of the type mentioned is known, in which the diameter of the outlet opening of the nozzle has a lower value of 125 μm. According to claim 14 of this document, the distance between the lower end of the nozzle and the substrate surface is at best 200 microns. Thus, as can be inferred from claim 17, it should be possible to increase the pressure of the local gas atmosphere on the substrate to a value of up to 4 × 10 -2 mbar in order to presumably be able to deposit more material on the substrate. However, this is only at the expense of increased contamination of the vacuum recipient, which already has a relatively poor vacuum of more than 10 -5 mbar without additional gas supply (page 9, first paragraph). This has the disadvantages already mentioned that the particle beam is scattered and the life of the particle source is reduced.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung der zuvor genann­ ten Art dahingehend zu verbessern, daß die vom zugeführten Gas überstrichene Substratfläche erheblich reduziert wird, und daß somit der ungenutzt in den Va­ kuumrezipienten entweichende Anteil wesentlich verringert wird und die damit verbundenen Nachteile in einem erheblichen Maße behoben werden. Ferner liegt der Erfindung das Problem zugrunde, gleichzeitig den Gasverbrauch ge­ genüber den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik bedeutend zu reduzie­ ren und die Spotaufwachsrate zu steigern, bei der elektroneninduzierten Metall­ abscheidung auf Werte bis zu etwa 20 nm pro Sekunde. Ein weiteres der Erfin­ dung zugrunde liegendes Problem besteht darin, den Druck der lokalen Gasat­ mosphäre, z. B. über dem Fokus des Teilchenstrahls auf dem Substrat, auf einen Wert bis zu 2 × 10-2 mbar zu erhöhen und gleichzeitig im Vakuumrezipienten einen Druck von weniger als 1 × 10-5 mbar aufrecht zu erhalten.The invention is based on the problem of improving a device of the type mentioned above in such a way that the substrate area swept by the supplied gas is considerably reduced, and thus the portion unused in the vacuum recipient escaping is substantially reduced and the associated disadvantages in one considerable dimensions can be remedied. Furthermore, the invention is based on the problem of simultaneously significantly reducing the gas consumption compared to the devices according to the prior art and increasing the spot growth rate in the case of electron-induced metal deposition to values of up to approximately 20 nm per second. Another problem underlying the inven tion is the pressure of the local gas atmosphere, e.g. B. above the focus of the particle beam on the substrate, to a value up to 2 × 10 -2 mbar and at the same time to maintain a pressure of less than 1 × 10 -5 mbar in the vacuum recipient.

Die Lösung dieser Probleme besteht in den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2-8 gekennzeichnet.The solution to these problems consists in the characterizing part of claim 1 specified features. Advantageous developments of the invention are included characterized the features of subclaims 2-8.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch die spezielle Ausgestaltung der Düse, diese einerseits sehr nahe an den Teilchenstrahl und andererseits sehr dicht an die Oberfläche des Substrates angenähert werden kann, so daß die vom Gas überstrichene Substratfläche erheblich reduziert wird, und daß somit ein wesentlich geringerer Anteil des zugeführten Gases ungenutzt in den Vakuumrezipienten entweicht und diesen kontaminiert. Ein weiterer Vor­ teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß durch den minimier­ ten Abstand zwischen Düsenende und Teilchenstrahlfokus der Gesamtgasfluß, und somit der Gasverbrauch, erheblich reduziert werden kann und dennoch eine erhöhte Spotaufwachsrate erreicht wird, die bei der elektronenstrahlindu­ zierten Metallabscheidung Werte bis zu etwa 20 nm pro Sekunde erreicht. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht insbesondere auch darin, daß auf Grund der speziellen Ausgestaltung der Düse der Druck in der lokalen Gasat­ mosphäre, z. B. am Fokus des Teilchenstrahls, auf einen Wert von bis zu 2 × 10-2 mbar gesteigert werden kann, und daß trotzdem im Vakuumrezipienten ein Druck von weniger als 1 × 10-5 mbar aufrecht erhalten bleibt.The advantages of the invention are, in particular, that the special design of the nozzle allows it to be very close to the particle beam on the one hand and very close to the surface of the substrate on the other hand, so that the substrate area covered by the gas is considerably reduced, and thus a much smaller proportion of the gas supplied escapes unused into the vacuum recipient and contaminates it. Another part of the device according to the invention is that the total gas flow, and thus the gas consumption, can be considerably reduced by the minimized distance between the nozzle end and particle beam focus, and yet an increased spot growth rate is achieved, which values in the electron-beam-induced metal deposition values up to about Reached 20 nm per second. A major advantage of the invention is in particular that due to the special design of the nozzle, the pressure in the local gas atmosphere, z. B. at the focus of the particle beam, can be increased to a value of up to 2 × 10 -2 mbar, and that nevertheless a pressure of less than 1 × 10 -5 mbar is maintained in the vacuum recipient.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ermöglicht dar­ über hinaus die Verwendung beliebiger, insbesondere auch chemisch aggressi­ ver oder korrosiver, Gase.The advantageous embodiment of the invention according to claim 2 enables beyond the use of any, especially chemically aggressive ver or more corrosive, gases.

Beschreibung eines AusführungsbeispielsDescription of an embodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist den Fig. 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in FIGS. 1 and 2 and will be described in more detail below. It shows

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Schnittdarstellung, jedoch ohne vollständige Darstellung des kompletten Vakuumrezipienten, Fig. 1 shows an inventive device in sectional view, but without a complete representation of the complete vacuum recipient,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Düse aus Fig. 1 in Schnittdarstellung, Fig. 2 is an enlarged representation of the nozzle of Fig. 1 in a sectional representation,

Fig. 3 Auswirkung des Düsendurchmessers auf die vom Gas überstrichene Substratfläche. Fig. 3 Effect of the nozzle diameter on the substrate area swept by the gas.

Bester Weg zur Ausführung der ErfindungBest way to carry out the invention

Die in Fig. 1 geoffenbarte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem sich innerhalb des Vakuumrezipienten 1 befindlichen Gasvorratsbehälter 2, von dem eine Gaszuführung 3 ausgeht, die an der gewünschten Stelle über dem Substrat 4 endet und deren Endbereich als erfindungsgemäße Düse 5 ausgebil­ det ist. Oberhalb des Substrates 4 befindet sich eine Fokussiereinrichtung 6, mit der der Teilchenstrahl auf den gewünschten Ort auf dem Substrat fokussiert wird. Außerhalb des Vakuumrezipienten 1 ist eine Positioniervorrichtung 7 ange­ bracht, mit der über eine Grobjustierung 8 und eine Feinjustierung 9 die genaue Position der Düse bezüglich des Fokus auf dem Substrat 4 eingestellt werden kann.The device disclosed in FIG. 1 consists of a gas reservoir 2 located within the vacuum recipient 1 , from which a gas supply 3 emanates, which ends at the desired location above the substrate 4 and whose end region is configured as a nozzle 5 according to the invention. Above the substrate 4 is a focusing device 6 , with which the particle beam is focused on the desired location on the substrate. Outside the vacuum recipient 1 , a positioning device 7 is introduced , with which the precise position of the nozzle with respect to the focus on the substrate 4 can be adjusted via a rough adjustment 8 and a fine adjustment 9 .

In Fig. 2 ist die Düse 5 der Gaszuführung 3 in erheblich vergrößertem Maßstab dargestellt. Der Innendurchmesser der Düse ist im Austrittsbereich konisch zu­ laufend ausgeführt und der Enddurchmesser auf 80 µm reduziert. Die Düsen­ austrittsöffnung ist derart scharfkantig, daß Innendurchmesser und Außen­ durchmesser nahezu identisch sind. Dadurch wird gewährleistet, daß der Ab­ stand zwischen der Düsenaustrittsöffnung und dem Auftreffort der Teilchen mi­ nimal gewählt und den Prozeßerfordernissen angepaßt werden kann. Die Aus­ bildung der Düse in Keramik ermöglicht den Einsatz von korrosiven Gasen oder sonstigen aggressiven Chemikalien. Zur Vermeidung von unerwünschten elek­ trischen Aufladungen ist die Düse mit einer dünnen Goldschicht belegt.In Fig. 2, the nozzle 5 of the gas supply 3 is shown on a significantly enlarged scale. The inside diameter of the nozzle is tapered in the outlet area and the final diameter is reduced to 80 µm. The nozzle outlet opening is so sharp that the inner diameter and outer diameter are almost identical. This ensures that the distance between the nozzle outlet opening and the impact point of the particles is chosen to be minimal and can be adapted to the process requirements. The formation of the nozzle in ceramic enables the use of corrosive gases or other aggressive chemicals. To avoid unwanted electrical charges, the nozzle is coated with a thin layer of gold.

Zur Verdeutlichung des Einflusses des Düsendurchmessers auf die vom Gas überstrichene Substratfläche und letztendlich auch auf den Gesamtgasver­ brauch ist in Fig. 3 für zwei unterschiedlich große rohrförmige Düsen die gas­ belegte Fläche dargestellt. Durch die stärkere Schattierung der gasbelegten Flä­ che im Falle der kleinen Düse soll zum Ausdruck gebracht werden, daß gegen­ über der großen Düse ein höherer Druck erreicht werden kann, was gleich­ zusetzen ist mit einer höheren Flächenstoßrate der Gasteilchen bzw. einer Redu­ zierung der Bedeckungszeit. Gegenüber dem Stand der Technik wird die Be­ deckungszeit um einen Faktor 4-5 verringert. Dieser Faktor spiegelt sich bei dem Verfahren der elektronenstrahlinduzierten Metallabscheidung direkt in einer Erhöhung der Spotaufwachsrate von 5 nm pro Sekunde mit einer Standarddüse zu 19 nm pro Sekunde mit der erfindungsgemäßen Düse wieder.In order to illustrate the influence of the nozzle diameter on the substrate area swept by the gas and ultimately also on the total gas consumption, the gas-occupied area is shown in FIG. 3 for two differently sized tubular nozzles. Due to the stronger shading of the gas-coated surface in the case of the small nozzle, it should be expressed that a higher pressure can be achieved compared to the large nozzle, which is to be put right with a higher surface impact rate of the gas particles or a reduction in the coverage time. Compared to the prior art, the coverage time is reduced by a factor of 4-5. This factor is directly reflected in the process of electron beam-induced metal deposition in an increase in the spot growth rate from 5 nm per second with a standard nozzle to 19 nm per second with the nozzle according to the invention.

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens stellt die Düse eine Verbesserung für alle Anwendungen dar, die unter Vakuum-, speziell Hochva­ kuumbedingungen, lokal gasunterstützte Prozesse durchführen. Dies kommt ne­ ben teilcheninduzierten Abscheide- und Ätzverfahren in Grundlagenuntersu­ chungen und Analyseverfahren zum Tragen. Without restricting the general idea of the invention, the nozzle sets one Improvement for all applications that are under vacuum, especially Hochva vacuum conditions, local gas-assisted processes. This is coming use particle-induced deposition and etching processes in basic research investigations and analysis procedures.  

BezugszeichenlisteReference symbol list

1 Vakuumrezipient
2 Gasvorratsbehälter
3 Gaszuführung
4 Substrat
5 Düse
6 Fokussiereinrichtung
7 Positioniereinrichtung
8 Grobjustierung
9 Feinjustierung 1 vacuum recipient
2 gas storage tanks
3 gas supply
4 substrate
5 nozzle
6 focusing device
7 positioning device
8 Rough adjustment
9 Fine adjustment

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer lokalen Gasatmosphäre in einem Va­ kuumrezipienten mit einem Gasvorratsbehälter, einer Gaszuführung von dem Gasvorratsbehälter zu dem für die lokale Gasatmosphäre vorgese­ henen Ort und einem als Düse ausgebildeten Ende der Gaszuführung, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Düse (5) zur Austrittsöffnung hin konisch zulaufend ausgebildet ist, daß der Innendurchmesser der Austrittsöff­ nung weniger als 100 µm beträgt, und daß die Austrittsöffnung derart scharfkantig ausgebildet ist, daß der Außendurchmesser und der Innen­ durchmesser der Austrittsöffnung nahezu identisch sind.1. Device for generating a local gas atmosphere in a vacuum recipient with a gas storage container, a gas supply from the gas storage container to the location provided for the local gas atmosphere and an end of the gas supply designed as a nozzle, characterized in that the inner diameter of the nozzle ( 5 ) is tapered towards the outlet opening that the inner diameter of the outlet opening is less than 100 microns, and that the outlet opening is formed so sharp that the outer diameter and the inner diameter of the outlet opening are almost identical. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (5) aus Keramik besteht und auf ihrer äußeren Oberfläche mit einer dünnen Goldschicht belegt ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the nozzle ( 5 ) consists of ceramic and is coated on its outer surface with a thin gold layer. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Austrittsöffnung 80 µm beträgt.3. Device according to claim 1 or 2, characterized, that the inside diameter of the outlet opening is 80 µm. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß in der lokalen Gasatmosphäre ein Druck von bis zu 2 × 10-2 mbar erzeugt werden kann und daß gleichzeitig im Vakuumrezipienten ein Hochvakuum mit einem Druck von weniger als 10-5 mbar bestehen bleibt.4. Device according to one or more of claims 1-3, characterized in that a pressure of up to 2 × 10 -2 mbar can be generated in the local gas atmosphere and that at the same time a high vacuum with a pressure of less than 10 - in the vacuum recipient 5 mbar remains. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Gasatmosphäre über einem bestimmten Ort eines Sub­ strats erzeugt wird, an dem aus dem Gas unter Einwirkung eines Ionen- oder Elektronenstrahls eine Substanz in einem engdefinierten Bereich lokal abgeschieden wird.5. The device according to one or more of claims 1-4, characterized, that the local gas atmosphere over a particular location of a sub strats is generated, on the gas under the action of an ion or electron beam a substance in a narrowly defined range is deposited locally. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ausbildung der Düse aus Keramik chemisch aggressive und/oder korrosive Gase benutzbar sind.6. The device according to one or more of claims 2-5, characterized, that chemically aggressive through the formation of the ceramic nozzle and / or corrosive gases can be used. 7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Düsenendes von der Substratoberfläche weniger als 100 µm, vorzugsweise 50 µm beträgt.7. The device according to one or more of claims 5-6, characterized, that the distance of the nozzle end from the substrate surface is less than 100 microns, preferably 50 microns. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Düsenendes von außerhalb des Vakuumrezipien­ ten einstellbar ist.8. The device according to one or more of claims 1-7, characterized, that the position of the nozzle end from outside the vacuum recipient is adjustable.
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