Electron-based surface activation of surfaces functionalized by remote plasma appears like a flexible and novel approach to atomic scale etching and deposition. Relative to plasma-based dry etching that uses ion bombardment of a substrate to achieve controlled material removal, electron beam-induced etching (EBIE) is expected to reduce surface damage, including atom displacement, surface roughness, and undesired material removal. One of the issues with EBIE is the limited number of chemical precursors that can be used to functionalize material surfaces. In this work, we demonstrate a new configuration that was designed to leverage flexible surface functionalization using a remote plasma source, and, by combining with electron beam bombardment to remove the chemically reacted surface layer through plasma-assisted electron beam-induced etching, achieve highly controlled etching. This article describes the experimental configuration used for this demonstration that consists of a remote plasma source and an electron flood gun for enabling electron beam-induced etching of SiO2 with Ar/CF4/O2 precursors. We evaluated the parametric dependence of SiO2 etching rate on processing parameters of the flood gun, including electron energy and emission current, and of the remote plasma source, including radiofrequency source power and flow rate of CF4/O2, respectively. Additionally, two prototypical processing cases were demonstrated by temporally combining or separating remote plasma treatment and electron beam irradiation. The results validate the performance of this approach for etching applications, including photomask repair and atomic layer etching of SiO2. Surface characterization results that provide mechanistic insights into these processes are also presented and discussed.

1.
V. M.
Donnelly
and
A.
Kornblit
,
J. Vac. Sci. Technol. A
31
,
050825
(
2013
).
2.
K.
Nojiri
,
Dry Etching Technology for Semiconductors
(
Springer International Publishing
,
New York
,
2015
).
3.
H.
Xiao
,
3D IC Devices, Technologies, and Manufacturing
(
SPIE
,
Bellingham
,
WA
,
2016
).
4.
N.
Loubet
 et al,
paper presented at the 2017 Symposium on VLSI Technology
,
Kyoto, Japan
, 5–8 June 2017 (IEEE,
2017
).
5.
S. D.
Athavale
and
D. J.
Economou
,
J. Vac. Sci. Technol. A
13
,
966
(
1995
).
6.
S. D.
Athavale
and
D. J.
Economou
,
J. Vac. Sci. Technol. B
14
,
3702
(
1996
).
7.
S.
Rauf
,
T.
Sparks
,
P. L. G.
Ventzek
,
V. V.
Smirnov
,
A. V.
Stengach
,
K. G.
Gaynullin
, and
V. A.
Pavlovsky
,
J. Appl. Phys.
101
,
033308
(
2007
).
8.
A.
Agarwal
and
M. J.
Kushner
,
J. Vac. Sci. Technol. A
27
,
37
(
2009
).
9.
C.
Li
,
D.
Metzler
,
C. S.
Lai
,
E. A.
Hudson
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. A
34
,
041307
(
2016
).
10.
D.
Metzler
,
C.
Li
,
S.
Engelmann
,
R. L.
Bruce
,
E. A.
Joseph
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Chem. Phys.
146
,
052801
(
2017
).
11.
K.-Y.
Lin
,
C.
Li
,
S.
Engelmann
,
R. L.
Bruce
,
E. A.
Joseph
,
D.
Metzler
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
040601
(
2018
).
12.
C. M.
Huard
,
S.
Sriraman
,
A.
Paterson
, and
M. J.
Kushner
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
06b101
(
2018
).
13.
R. J.
Gasvoda
,
Z.
Zhang
,
S.
Wang
,
E. A.
Hudson
, and
S.
Agarwal
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
050803
(
2020
).
14.
R. J.
Gasvoda
,
Z.
Zhang
,
E. A.
Hudson
, and
S.
Agarwal
,
J. Vac. Sci. Technol. A
39
,
040401
(
2021
).
15.
G. S.
Oehrlein
,
D.
Metzler
, and
C.
Li
,
ECS J. Solid State Sci.
4
,
N5041
(
2015
).
16.
C. T.
Carver
,
J. J.
Plombon
,
P. E.
Romero
,
S.
Suri
,
T. A.
Tronic
, and
R. B.
Turkot
,
ECS J. Solid State Sci.
4
,
N5005
(
2015
).
17.
K. J.
Kanarik
,
T.
Lill
,
E. A.
Hudson
,
S.
Sriraman
,
S.
Tan
,
J.
Marks
,
V.
Vahedi
, and
R. A.
Gottscho
,
J. Vac. Sci. Technol. A
33
,
020802
(
2015
).
18.
S. U.
Engelmann
,
R. L.
Bruce
,
M.
Nakamura
,
D.
Metzler
,
S. G.
Walton
, and
E. A.
Joseph
,
ECS J. Solid State Sci.
4
,
N5054
(
2015
).
19.
T.
Faraz
,
F.
Roozeboom
,
H. C. M.
Knoops
, and
W. M. M.
Kessels
,
ECS J. Solid State Sci.
4
,
N5023
(
2015
).
20.
K.
Ishikawa
 et al,
Jpn. J. Appl. Phys.
56
,
06ha02
(
2017
).
21.
X.
Sang
,
Y.
Xia
,
P.
Sautet
, and
J. P.
Chang
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
043005
(
2020
).
22.
C. R.
Viswanathan
,
Microelectron. Eng.
49
,
65
(
1999
).
23.
D.
Metzler
,
C.
Li
,
S.
Engelmann
,
R. L.
Bruce
,
E. A.
Joseph
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. A
34
,
01b101
(
2016
).
24.
N.
Layadi
,
V. M.
Donnelly
,
J. T. C.
Lee
, and
F. P.
Klemens
,
J. Vac. Sci. Technol. A
15
,
604
(
1997
).
25.
S. A.
Vitale
and
B. A.
Smith
,
J. Vac. Sci. Technol. B
21
,
2205
(
2003
).
26.
Y.
Nakakubo
,
A.
Matsuda
,
M.
Fukasawa
,
Y.
Takao
,
T.
Tatsumi
,
K.
Eriguchi
, and
K.
Ono
,
Jpn. J. Appl. Phys.
49
,
08jd02
(
2010
).
27.
K.
Eriguchi
,
Y.
Takao
, and
K.
Ono
,
J. Vac. Sci. Technol. A
29
,
041303
(
2011
).
28.
K.
Eriguchi
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
333001
(
2017
).
29.
E. J. C.
Tinacba
,
M.
Isobe
, and
S.
Hamaguchi
,
J. Vac. Sci. Technol. A
39
,
042603
(
2021
).
30.
A.
Hirata
,
M.
Fukasawa
,
K.
Kugimiya
,
K.
Karahashi
,
S.
Hamaguchi
,
Y.
Hagimoto
, and
H.
Iwamoto
,
Jpn. J. Appl. Phys.
61
,
SI1003
(
2022
).
31.
G. S.
Oehrlein
,
Mater. Sci. Eng., B
4
,
441
(
1989
).
32.
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. B
8
,
1199
(
1990
).
33.
M.
Matsui
,
T.
Tatsumi
, and
M.
Sekine
,
J. Vac. Sci. Technol. A
19
,
1282
(
2001
).
34.
J. J.
Végh
 et al,
J. Appl. Phys.
104
,
034308
(
2008
).
35.
D.
Nest
 et al,
Plasma Process. Polym.
6
,
649
(
2009
).
36.
R. L.
Bruce
 et al,
J. Appl. Phys.
107
,
084310
(
2010
).
37.
G. S.
Oehrlein
,
R. J.
Phaneuf
, and
D. B.
Graves
,
J. Vac. Sci. Technol. B
29
,
010801
(
2011
).
38.
T. E.
Madey
and
J. T.
Yates
,
J. Vac. Sci. Technol.
8
,
525
(
1971
).
39.
R. D.
Ramsier
and
J. T.
Yates
,
Surf. Sci. Rep.
12
,
246
(
1991
).
40.
S. J.
Randolph
,
J. D.
Fowlkes
, and
P. D.
Rack
,
J. Appl. Phys.
98
,
034902
(
2005
).
41.
N.
Vanhove
,
P.
Lievens
, and
W.
Vandervorst
,
Phys. Rev. B
79
,
035305
(
2009
).
42.
W. F.
Van Dorp
, in
Materials and Processes for Next Generation Lithography
, edited by
A.
Robinson
and
R.
Lawson
(
Elsevier
,
Cambridge
,
MA
,
2016
), pp.
115
133
.
43.
J. W.
Coburn
and
H. F.
Winters
,
J. Appl. Phys.
50
,
3189
(
1979
).
44.
T.
Bret
,
B.
Afra
,
R.
Becker
,
T.
Hofmann
,
K.
Edinger
,
T.
Liang
, and
P.
Hoffmann
,
J. Vac. Sci. Technol. B
27
,
2727
(
2009
).
45.
F. J.
Schoenaker
,
R.
Cordoba
,
R.
Fernandez-Pacheco
,
C.
Magen
,
O.
Stephan
,
C.
Zuriaga-Monroy
,
M. R.
Ibarra
, and
J. M.
De Teresa
,
Nanotechnology
22
,
265304
(
2011
).
46.
H.
Miyazoe
,
I.
Utke
,
J.
Michler
, and
K.
Terashima
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
043124
(
2008
).
47.
M. G.
Lassiter
,
T.
Liang
, and
P. D.
Rack
,
J. Vac. Sci. Technol. B
26
,
963
(
2008
).
48.
C. J.
Lobo
,
A.
Martin
,
M. R.
Phillips
, and
M.
Toth
,
Nanotechnology
23
,
375302
(
2012
).
49.
P.
Roediger
,
M.
Mijic
,
C.
Zeiner
,
A.
Lugstein
,
H. D.
Wanzenboeck
, and
E.
Bertagnolli
,
J. Vac. Sci. Technol. B
29
,
06FB03
(
2011
).
50.
M. M.
Shawrav
,
Z. G.
Gokdeniz
,
H. D.
Wanzenboeck
,
P.
Taus
,
J. K.
Mika
,
S.
Waid
, and
E.
Bertagnolli
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
42
,
170
(
2016
).
51.
S.
Matsui
and
K.
Mori
,
Appl. Phys. Lett.
51
,
1498
(
1987
).
52.
S.
Matsui
and
H.
Watanabe
,
Appl. Phys. Lett.
59
,
2284
(
1991
).
53.
P.
Roediger
,
G.
Hochleitner
,
E.
Bertagnolli
,
H. D.
Wanzenboeck
, and
W.
Buehler
,
Nanotechnology
21
,
285306
(
2010
).
54.
N.
Vanhove
,
P.
Lievens
, and
W.
Vandervorst
,
J. Vac. Sci. Technol. B
28
,
1206
(
2010
).
55.
A. A.
Martin
and
M.
Toth
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
18457
(
2014
).
56.
S. J.
Randolph
,
J. D.
Fowlkes
, and
P. D.
Rack
,
Crit. Rev. Solid State Mater. Sci.
31
,
55
(
2006
).
57.
I.
Utke
,
P.
Hoffmann
, and
J.
Melngailis
,
J. Vac. Sci. Technol. B
26
,
1197
(
2008
).
58.
S. M.
Ivo Utke
and
P.
Russell
,
Nanofabrication Using Focused Ion and Electron Beams
(
Oxford University
,
London
,
2012
).
59.
M.
Toth
,
Appl. Phys. A
117
,
1623
(
2014
).
60.
O.
Ingólfsson
,
Low-Energy Electrons Fundamentals and Applications
(
Jenny Stanford
,
Boca Raton
,
2019
).
61.
J. J.
Beulens
,
B. E. E.
Kastenmeier
,
P. J.
Matsuo
, and
G. S.
Oehrlein
,
Appl. Phys. Lett.
66
,
2634
(
1995
).
62.
C.
Li
,
V.
Godyak
,
T.
Hofmann
,
K.
Edinger
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
033001
(
2020
).
63.
M.
Weiler
,
K.
Lang
,
E.
Li
, and
J.
Robertson
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
1314
(
1998
).
64.
R.
Hippler
,
J.
Kredl
, and
V.
Vartolomei
,
Vacuum
83
,
732
(
2008
).
65.
C.
Li
,
T.
Hofmann
,
K.
Edinger
,
V.
Godyak
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. B
38
,
032208
(
2020
).
66.
B. E. E.
Kastenmeier
,
P. J.
Matsuo
,
J. J.
Beulens
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. A
14
,
2802
(
1996
).
67.
G. S.
Oehrlein
,
P. J.
Matsuo
,
M. F.
Doemling
,
N. R.
Rueger
,
B. E. E.
Kastenmeier
,
M.
Schaepkens
,
T.
Standaert
, and
J. J.
Beulens
,
Plasma Sources Sci. Technol.
5
,
193
(
1996
).
68.
P. J.
Matsuo
,
B. E. E.
Kastenmeier
,
J. J.
Beulens
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. A
15
,
1801
(
1997
).
69.
B.
Pfeiffer
,
J. Appl. Phys.
37
,
1624
(
1966
).
70.
N. A.
Morrison
,
S.
Muhl
,
S. E.
Rodil
,
A. C.
Ferrari
,
M.
Nesladek
,
W. I.
Milne
, and
J.
Robertson
,
Phys. Status Solidi A
172
,
79
(
1999
).
71.
N. A.
Morrison
,
S. E.
Rodil
,
A. C.
Ferrari
,
J.
Robertson
, and
W. I.
Milne
,
Thin Solid Films
337
,
71
(
1999
).
72.
H.
Oechsner
,
Vacuum
83
,
727
(
2008
).
73.
H.
Tompkins
and
E. A.
Irene
,
Handbook of Ellipsometry
(
William Andrew
,
Norwich
,
NY
,
2005
).
74.
J. W.
John
and
F.
Watts
,
An Introduction to Surface Analysis by XPS and AES
(
John Wiley & Sons
,
West Sussex
,
2005
).
75.
S. W.
Robey
and
G. S.
Oehrlein
,
Surf. Sci.
210
,
429
(
1989
).
76.
T. E. F. M.
Standaert
,
M.
Schaepkens
,
N. R.
Rueger
,
P. G. M.
Sebel
,
G. S.
Oehrlein
, and
J. M.
Cook
,
J. Vac. Sci. Technol. A
16
,
239
(
1998
).
77.
C. J.
Mogab
,
A. C.
Adams
, and
D. L.
Flamm
,
J. Appl. Phys.
49
,
3796
(
1978
).
78.
D. L.
Flamm
,
V. M.
Donnelly
, and
J. A.
Mucha
,
J. Appl. Phys.
52
,
3633
(
1981
).
79.
Y. H.
Lee
and
M.-M.
Chen
,
J. Appl. Phys.
54
,
5966
(
1983
).
80.
D.
Humbird
and
D. B.
Graves
,
J. Appl. Phys.
96
,
791
(
2004
).
81.
P.
Arora
,
T.
Nguyen
,
A.
Chawla
,
S.-K.
Nam
, and
V. M.
Donnelly
,
J. Vac. Sci. Technol. A
37
,
061303
(
2019
).
82.
M. G.
Lassiter
and
P. D.
Rack
,
Nanotechnology
19
,
455306
(
2008
).
83.
E.
Bohler
,
J.
Warneke
, and
P.
Swiderek
,
Chem. Soc. Rev.
42
,
9219
(
2013
).
84.
L. G.
Christophorou
,
J. K.
Olthoff
, and
M. V. V. S.
Rao
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
25
,
1341
(
1996
).
85.
L. G.
Christophorou
and
J. K.
Olthoff
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
28
,
967
(
1999
).
86.
L. G.
Christophorou
and
J. K.
Olthoff
,
Appl. Surf. Sci.
192
,
309
(
2002
).
87.
J. W.
Mcconkey
,
C. P.
Malone
,
P. V.
Johnson
,
C.
Winstead
,
V.
Mckoy
, and
I.
Kanik
,
Phys. Rep.
466
,
1
(
2008
).
88.
S.
Muhl
and
A.
Pérez
,
Thin Solid Films
579
,
174
(
2015
).
89.
K.
Sasaki
,
Y.
Kawai
, and
K.
Kadota
,
Rev. Sci. Instrum.
70
,
76
(
1999
).
90.
N. S. J.
Braithwaite
,
Plasma Sources Sci. Technol.
9
,
517
(
2000
).
91.
H.
Singh
,
J. W.
Coburn
, and
D. B.
Graves
,
J. Vac. Sci. Technol. A
19
,
718
(
2001
).
92.
I.
Chun
,
A.
Efremov
,
G. Y.
Yeom
, and
K.-H.
Kwon
,
Thin Solid Films
579
,
136
(
2015
).
93.
D. J.
Oostra
and
A. E.
De Vries
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect., B
18
,
618
(
1986
).
94.
K.
Edinger
 et al,
J. Vac. Sci. Technol. B
22
,
2902
(
2004
).
95.
T.
Bret
,
T.
Hofmann
, and
K.
Edinger
,
Appl. Phys. A
117
,
1607
(
2014
).
96.
K.-Y.
Lin
,
C.
Li
,
S.
Engelmann
,
R. L.
Bruce
,
E. A.
Joseph
,
D.
Metzler
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
032601
(
2020
).
97.
A. C.
Adams
,
F. B.
Alexander
,
C. D.
Capio
, and
T. E.
Smith
,
J. Electrochem. Soc.
128
,
1545
(
1981
).
98.
D.
Metzler
,
F.
Weilnboeck
,
S.
Engelmann
,
R. L.
Bruce
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. B
34
,
041604
(
2016
).
99.
G. S.
Oehrlein
and
J. F.
Rembetski
,
IBM J. Res. Dev.
36
,
140
(
1992
).
100.
A.
Ermolieff
,
S.
Marthon
,
F.
Bertin
,
F.
Pierre
,
J. F.
Daviet
, and
L.
Peccoud
,
J. Vac. Sci. Technol. A
9
,
2900
(
1991
).
101.
O.
Joubert
,
G.
Cunge
,
B.
Pelissier
,
L.
Vallier
,
M.
Kogelschatz
, and
E.
Pargon
,
J. Vac. Sci. Technol. A
22
,
553
(
2004
).
102.
G.
Cunge
,
B.
Pelissier
,
O.
Joubert
,
R.
Ramos
, and
C.
Maurice
,
Plasma Sources Sci. Technol.
14
,
599
(
2005
).
103.
D.
Metzler
,
R. L.
Bruce
,
S.
Engelmann
,
E. A.
Joseph
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. A
32
,
020603
(
2014
).
104.
R. J.
Gasvoda
,
A. W.
Van De Steeg
,
R.
Bhowmick
,
E. A.
Hudson
, and
S.
Agarwal
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
31067
(
2017
).
You do not currently have access to this content.