用于均匀等离子体产生的切换式电子束等离子体源阵列的制作方法
【专利摘要】周期性地切换环绕等离子体反应器的处理区域的电子束源阵列以改变电子束传播方向并消除或降低不均匀性。
【专利说明】用于均匀等离子体产生的切换式电子束等离子体源阵列
发明领域
[0001]本发明的实施例是关于用于均匀等离子体产生的切换式电子束等离子体源阵列。
[0002]背景
[0003]用于处理工件的等离子体反应器可使用电子束作为等离子体源。此类等离子体反应器可展现归因于电子束内的电子密度及/或动能的不均匀分布的处理结果的不均匀分布(例如，横跨工件表面的蚀刻速率的分布)。此类不均匀性可沿束传播的方向分布且此类不均勻性亦可在垂直于束传播方向的方向上分布。
[0004]概述
[0005]等离子体反应器包含处理腔室及在所述腔室内的工件支撑基座，所述处理腔室包含侧壁、底板及顶板，且所述工件支撑基座具有工件支撑平面并且所述工件支撑基座界定所述工件支撑平面与所述顶板之间的处理区域。提供具有面向所述处理区域的相应束发射轴的电子束源阵列，所述电子束源阵列在所述腔室外部，所述侧壁包含与所述束发射轴中的相应束发射轴对齐的相应孔。进一步提供与所述电子束源阵列对准的束收集器(电子电流收集器)阵列及耦合至所述束收集器中的相应束收集器的相应伺服系统，所述束收集器中的每一个在束阻隔位置及未阻隔位置之间单独地可移动。控制器耦合至所述相应伺服系统。
[0006]在进一步方面中，提供与所述束发射轴中的相应束发射轴对准的束围磁场源及耦合至所述束围磁场源中的相应束围磁场源并具有可反向电流极性的各个电流源。控制器进一步耦合至所述相应电流源。在一个实施例中，相对的所述电子束源对共享所述束发射轴中的相应束发射轴，且控制器被编程为周期性地引起沿所述束发射轴中的相应束发射轴的电子束传播方向的反向。
[0007]附图简述
[0008]为了获得且可详细理解本发明的示例性实施例的方式，可参照图示于附图中的本发明的实施例来理解上文简要概述的本发明的更特定描述。应理解，本文未论述某些熟知过程以免混淆本发明。
[0009]图1A、图1B及图1C是具有一对相对束源的等离子体反应器的正视图，在所述等离子体反应器中，沿束发射轴的束传播方向在所需速率下是可反向的。在第一实施例中，束源使用直流放电作为等离子体源。
[0010]图2及图3是具有围绕等离子体反应器腔室外部的电子束源阵列的等离子体反应器的平面图，在所述等离子体反应器中，束传播方向在二维空间中是可改变的。
[0011]图4A至图4E是描绘用于操作图2及图3的等离子体反应器的模式的示例的同期时序图。
[0012]图5A及图5B描绘使用环形等离子体源的用于图1A或图2的等离子体反应器的电子束源。
[0013]图6描绘使用电容耦合的等离子体源的用于图1A或图2的等离子体反应器的电子束源。[0014]图7A及图7B分别是使用感应耦合的等离子体源的用于图1A或图2的等离子体反应器的电子束源的侧视图及端视图。
[0015]为了促进理解，在可能的情况下，已使用相同的附图标记指定诸图所共享的相同元件。可以预期，一个实施例的元件及特征结构可有利地并入其它实施例而无需进一步详述。然而，应注意的是，附图仅图示本发明的示例性实施例并因此不将附图视为限制本发明的范畴，因为本发明可允许其它等效实施例。
[0016]详细描述
[0017]图1A描绘具有电子束等离子体源的等离子体反应器。反应器包括处理腔室100，所述处理腔室100由圆柱形侧壁102、底板104及顶板106封闭。工件支撑基座108支撑工件110(诸如半导体晶圆)，基座108在轴向(例如，垂直)方向上可移动。气体分配板112与顶板106整合或安装在所述顶板106上，并且所述气体分配板112接收来自处理气体供应114的处理气体。真空泵116经由底板104将腔室抽空。处理区域118被界定在工件110与气体分配板112之间。在处理区域118内，将处理气体离子化以产生用于处理工件110的等离子体。
[0018]等离子体是由电子束在处理区域118中产生。在图1A中，第一电子束源120-1包括等离子体产生腔室122，所述等离子体产生腔室122在处理腔室100外部并具有导电外壳124。第一电子束源120-1最佳可见于图1B的放大视图中。导电外壳124具有颈部或气体入口 125。电子束源气体供应127耦合至气体入口 125。导电外壳124具有开口 124a，所述开口 124a经由处理腔室100的侧壁102中的开口 102a面向处理区域118。
[0019]第一电子束源120-1包括在开口 124a与等离子体产生腔室122之间的析取网格126，以及在析取网格126与处理区域118之间的加速网格128。析取网格126及加速网格128可形成为例如独立的导电筛网(mesh)。析取网格126及加速网格128分别安装有绝缘体130、132，以使所述析取网格126与所述加速网格128彼此电绝缘并与导电外壳124电绝缘。然而，加速网格128与腔室100的侧壁102电接触。开口 124a及102a与析取网格126及加速网格128 —般是互相一致的，并界定电子束进入处理区域118中的薄宽流道。流道的宽度约为工件110的直径(例如，IOOmm至500mm)，如图2中所描绘，而流道的高度小于约两英寸。经由析取网格126自腔室122内的等离子体析取电子，并且由于加速网格与析取网格之间的电压差经由加速网格128而加速所述电子以产生流入处理腔室100的电子束。
[0020]第一电子束源120-1进一步包括第一对电磁体134-1及134_2，所述第一对电磁体134-1及134-2与第一电子束源120-1对准并产生与电子束方向平行的磁场。电子束流经工件110上的处理区域118，并且电子束在处理区域118的相对侧上被第一束收集器136-1吸收。第一束收集器136-1是具有适于捕捉宽薄电子束的形状的导电体。
[0021]等离子体直流放电电压供应140-1的负端子耦合至导电外壳124，且电压供应140-1的正端子耦合至析取网格126。进而，电子束加速电压供应142-1的负端子连接至析取网格126，且电压供应142-1的正端子连接至处理腔室100的接地侧壁102。第一对线圈电流供应146-1及146-2耦合至第一对电磁体134-1及134-2。
[0022]图1A的反应器能够将通过处理区域118的电子束流的方向反向。优点在于，此特征可降低或校正电子束密度的分布沿传播方向(纵向)的不均匀性。为此目的，提供与如图IB所描绘的第一电子束源120-1结构相同、但面向相反方向且位于腔室100的相对侧上的第二电子束源120-2。第二电子束源120-2包括对应于上文关于第一电子束源120-1所描述的那些元件的元件，所述元件包括第一对电磁体134-1及134-2、直流放电电压供应140-2、加速电压供应142-2及线圈电流供应146-1及146-2。亦提供在与第一束收集器136-1相对的侧上的第二束收集器136-2，以及用于独立地提升及降低第一及第二束收集器136-1、136-2的轴向位置的各个伺服系统152。
[0023]可控制线圈电流供应146-1及146-2以使电磁体134_1及134_2在相同方向上产生磁场。控制器150管理各个伺服系统152以根据所需束方向定位束收集器136-1、136-2。具体而言，对于图1A中从右至左的电子束传播，将第一束收集器136-1提升进入来自第一电子束源120-1的电子束的路径，而降低第二束收集器136-2至电子束路径之下。
[0024]为了将电子束方向反向，采用图1C中描绘的配置，在所述配置中，降低第一束收集器136-1同时提升第二束收集器136-2。因此交替提升束收集器136-1及束收集器136-2，以一个束收集器被提升并阻隔来自最近电子束源的电子束流，同时降低相对的束收集器以允许来自相对电子束源的电子束流。
[0025]如上所述，图1A及IC的实施例包括一对相对电子束源120-1及120_2，所述一对电子束源120-1及120-2能够沿着一个轴将电子束传播方向反向，如上所述。在又一实施例中，提供至少二对(或更多对)相对电子束源，所述二对(或更多对)相对电子束源沿不同轴横跨处理区域118彼此面对。优点在于，此特征可降低或校正沿与电子束流垂直的方向的电子束密度分布的不均匀性。
[0026]举例而言，图2例示实施例，在所述实施例中提供两对相对电子束源，在所述两对相对电子束源中，第一对相对电子束源120-1、120-2提供沿第一(“X”)轴的可反向电子束流，而第二对相对电子束源120-3及120-4提供沿正交于第一(“X”)轴的第二( “y”)轴的可反向电子束流。所述相对电子束源对的结构与上文关于图1A及图1B描述的电子束源的结构相同。第一对电子束源120-1及120-2使用第一对电磁体134-1及134-2，且第二对电子束源120-3及120-4使用第二对电磁体134-3及134-4。第二对电磁体134-3及134-4由各个线圈电流供应146-3及146-4供给。此外，提供各个束收集器伺服系统，所述各个束收集器伺服系统管理束阻隔(举升)位置与未阻隔(降低)位置之间的各个束收集器 136-1、136-2、136-3 及 136-4 的个体移动。
[0027]控制器150管理各个伺服系统152以有选择地启用及将沿两个轴中的每一者的电子束流反向。
[0028]如图2中所示，主机移送腔室400经由移送端口 410耦合至侧壁102中的工件移送开口 420。移送端口 410以图2中描绘的方式安装在电磁体134-2内。
[0029]图3描绘对于两对相对束源120-1至120-4产生的磁场。在图3中，由与“x”轴平行的第一电子束源120-1及第二电子束源120-2的电磁体134-1及134-2产生的场标记为“X场”。同样地，由与“y”轴平行的第三电子束源120-3及第四电子束源120-4的电磁体134-3及134-4产生的场标记为“y场”。可藉由控制器150交替地(异步地)启用沿两个轴的电子束流。可以用户选择的速率周期性地反向沿每一轴的流向，且沿每一轴的方向反向的速率对于所有轴而言可能是不同的或对于所有轴而言可能是相同速率。
[0030]以异步模式操作的一种方式是将四个束收集器136-1至136-4维持在各自的提升或“阻隔”位置(以阻隔束传播)，并将所述四个束收集器136-1至136-4的每一者一次一个地依次降低(至所述束收集器的“未阻隔”位置)。以此类异步模式的束源的操作的示例是描绘于图4A至图4E中。图4A至图4E是电子束传播方向(图4A)以及束收集器136-1至136-4(图4B至图4E)的位置的同期时序图。图4A至图4E示出当束收集器136-1在“向下”位置时束方向是沿正向的X轴，且当束收集器136-2是“向下”时束方向是沿负向的X轴，且当束收集器136-3是“向下”时束方向是沿正向的y轴，且当束收集器136-4是“向下”时束方向是沿负向的y轴。
[0031]在图4A至图4E图示的序列中，电子束传播方向是沿X轴，然后反向束方向以使所述束方向沿负的X轴。此后，停止沿X轴的束流并替代地沿Y轴建立所述束流，此举实际上为束方向的90度旋转。然后沿负的Y轴反向束方向，并重复整个序列。上述序列由以下步骤组成:沿一个轴传播电子束，沿一个轴反向束方向，然后旋转束方向以与其它轴对准，且然后沿其它轴反向束流。再次旋转束方向以与第一轴对准,并重复整个序列。
[0032]在可选实施例中，反向及旋转的序列是一系列连续的束旋转，在所述一系列连续的束旋转，首先沿一个轴(例如，正X轴)建立束方向，且然后将束方向旋转至沿其它轴(例如，正Y轴)，且然后再次旋转束方向至沿第一轴但是在负方向(例如，负X轴)上，且再一次旋转束方向至沿第二轴但是在负方向(例如，负Y轴)上。
[0033]每一电子束源120-1至120-4可具有描绘于图1至图3中的直流气体放电类型。然而，可使用等离子体产生的任何适合模式而不局限于直流气体放电。例如，电子束源可包括环形等离子体源、感应耦合的等离子体源，或电容耦合的等离子体源。
[0034]图5A及图5B描绘经修改以使用环形等离子体源功率施加器的图1A的电子束源120-1，所述环形等离子体源功率施加器包括环绕耦合至气体入口 125的凹角管125-1的铁氧体环160、环绕环160的线圈162及经由阻抗匹配164耦合至线圈162的RF (射频)功率产生器163。图5B图示凹角管125-1以环形等离子体源的方式在一对端口 125-2及125-3处耦合至腔室外壳124。
[0035]图6描绘经修改以包括与腔室122整合的电容耦合的RF等离子体源的图1A的电子束源120-1。电容耦合的等离子体源具有由上外壳170-1及下外壳170-2组成的导电外壳。在腔室122的一端处,上外壳170-1藉由介电间隔物171与下外壳170-2分离。在腔室122的相对端，上外壳170-1与下外壳170-2是由面向析取网格126的发射孔172分离。邻近上外壳170-1提供RF热源电极173，并且藉由介电层174将RF热源电极173与上外壳170-1分离。RF冷电极411 (接地回路)覆盖下外壳170-2并藉由介电层413与下外壳170-2分离。RF源功率产生器175经由阻抗匹配176耦合至RF源电极173。高直流电压供应177的负端子经由各个扼流圈电感器178-1、178-2连接至上外壳170-1及下外壳170-2。或者，高直流电压供应177的负端子可经由扼流圈电感器连接至析取网格126。高直流电压供应177的正端子接地连接。低直流电压供应179的负端子连接至高直流电压供应177的负端子。低直流电压供应179的正端子经由扼流圈电感器178-3连接至析取网格126。RF源功率产生器175提供功率以在腔室122中产生电容耦合的等离子体。扼流圈电感器178-1、178-2及178-3启用RF源功率产生器175以维持电容放电所需的上外壳170-1与下外壳170-2之间的RF电压差，并且经由直流电压供应防止产生器的RF短路。在一个示例中，RF源功率产生器175的频率可为60MHz且扼流圈电感器178-1、178-2、178-3的电感可为一个微亨。高直流电压供应177可提供在几千伏特至数千伏特范围内的电压。低直流电压供应179可提供在几百伏特至数百伏特范围内的电压。净电子析取电位是高直流电压供应177与低直流电压供应179的电压之间的差异。在此实施例中，尽管有电子束源腔室122中的等离子体的主要来源是电容耦合的放电这个事实，但仍要求低电压供应179消除在析取网格126的放电侧的电子排斥护套，且因此确保电子可经由析取网格离开电子束放电腔室。在一个实施例中，来自图1A的气体供应127的电子束源气体可被引入主腔室100，电子束源气体自主腔室100扩散进入图6的电子束源腔室122，因此不必需要直接连接至电子束源腔室122 (如图6中所图示)的气体供给。在电子束源气体供应127直接连接至电子束源腔室122的实施例中，如图6中所例示的，则可能需要将与图1A的主腔室真空泵116分离的真空泵(未图示)连接至图6的腔室122。
[0036]图7A及图7B描绘图1A的经修改以包括感应耦合的RF等离子体源的电子束源120-1，所述电子束源120-1包括邻近外壳124的线圈天线180及经由RF阻抗匹配184耦合至线圈天线180的RF功率产生器182。线圈180卷绕支撑杆180a，所述支撑杆180a可为铁氧体或介电质。介电管180b环绕线圈180。
[0037]在替代实施例中，可消除可机械定位的束收集器136-1至136-4。在此替代性实施例中，用于电子束源中的特定一个的束收集器可为相对束源，所述相对束源的腔室外壳124已暂时地接地连接，同时暂时地关闭所述相对束源的等离子体源功率。举例而言，在电子束源120-1产生电子束时，(例如，藉由禁用电子束源120-2的放电电压供应140-2及电子束源120-2的加速电压供应142-2)关闭相对电子束源120-2，并暂时地将相对束源120-2的等离子体源外壳124接地连接。因此，每一电子束源120-1至120-4以上文关于可机械定位的束收集器136-1至136-4所论述的周期性方式在不同时间用作束收集器。
[0038]虽然上文关于本发明的实施例，但在不偏离本发明的基本范畴的情况下可设计出本发明的其它及进一步实施例，且本发明的范围是由以下申请专利范围决定。
【权利要求】
1.一种等离子体反应器，包含: 处理腔室，所述处理腔室包含侧壁、底板及顶板； 在所述腔室内的工件支撑基座，所述工件支撑基座具有工件支撑平面并且所述工件支撑基座界定所述工件支撑平面与所述顶板之间的处理区域； 电子束源阵列，所述电子束源阵列具有面向所述处理区域的相应束发射轴，所述电子束源阵列在所述腔室外部，所述侧壁包含与所述束发射轴中的相应束发射轴对齐的相应孔； 束收集器阵列，所述束收集器阵列与所述电子束源阵列以及耦合至所述束收集器中的相应束收集器的相应伺服系统对准，所述束收集器的每一个在束阻隔位置与未阻隔位置之间单独地可移动；及 控制器，所述控制器耦合至所述相应伺服系统。
2.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，进一步包含: 束围磁场源阵列，所述束围磁场源阵列与所述束发射轴中的相应束发射轴对准； 相应电流源，所述相应电流源耦合至所述束围磁场源中的相应束围磁场源并具有可反向的电流极性； 其中所述控制器进一步 耦合至所述相应电流源。
3.如权利要求2所述的等离子体反应器，其特征在于，相对的所述电子束源对共享所述束发射轴中的相应束发射轴。
4.如权利要求3所述的等离子体反应器，其特征在于，所述控制器被编程为周期性地引起沿所述束发射轴中的相应束发射轴的电子束传播方向的反向。
5.如权利要求4所述的等离子体反应器，其特征在于，所述控制器进一步被编程为实现在不同时间沿所述束发射轴中的不同束发射轴的电子束传播。
6.一种等离子体反应器，包含: 处理腔室，所述处理腔室包含侧壁、底板及顶板； 在所述腔室内的工件支撑基座，所述工件支撑基座具有工件支撑平面并且所述工件支撑基座界定所述工件支撑平面与所述顶板之间的处理区域； 第一对电子束源，所述第一对电子束源在所述腔室外部并且布置在所述处理区域的相对侧上且沿第一轴彼此面对，所述第一对电子束源中的每一者具有电子束发射孔及与所述第一轴平行的电子束传播方向，所述侧壁包含面向所述第一对电子束源的所述电子束发射孔中的相应电子束发射孔的相应开口； 邻近所述电子束发射孔中的相应电子束发射孔的第一束收集器及第二束收集器，所述第一束收集器及第二束收集器中的每一个在电子束阻隔位置与非阻隔位置之间可移动，且第一伺服系统及第二伺服系统分别耦合至所述第一束收集器及所述第二束收集器； 第一电磁体，所述第一电磁体具有与所述第一轴平行的场方向，及耦合至所述第一电磁体并具有可转换极性的第一电流供应；以及 控制器，所述控制器耦合至所述第一伺服系统及所述第二伺服系统并耦合至所述第一电流供应。
7.如权利要求6所述的等离子体反应器，其特征在于，所述控制器被编程为用于在所述第一束收集器及所述第二束收集器的相应阻隔位置与未阻隔位置之间移动所述第一束收集器及所述第二束收集器并切换所述第一电流供应中的电流极性，藉以将沿所述第一轴的电子束传播方向反向。
8.如权利要求6所述的等离子体反应器，其特征在于，进一步包含: 第二对电子束源，所述第二对电子束源在所述腔室外部并布置在所述处理区域的相对侧上且沿与所述第一轴垂直的第二轴彼此面对，所述第二对电子束源中的每一个具有电子束发射孔及与所述第二轴平行的电子束传播方向，所述侧壁包含面向所述第二对电子束源的所述电子束发射孔中的相应电子束发射孔的相应开口； 邻近所述第二对电子束源的所述电子束发射孔中的相应电子束发射孔的第三束收集器及第四束收集器，所述第三束收集器及所述第四束收集器中的每一个在电子束阻隔位置与非阻隔位置之间可移动，且第三伺服系统及第四伺服系统分别耦合至所述第三束收集器及所述第四束收集器； 第二电磁体，所述第二电磁体具有与所述第二轴平行的场方向，及耦合至所述第二电磁体并具有可转换极性的第二电流供应；以及 其中所述控制器进一步耦合至所述第二伺服系统及所述第三伺服系统并耦合至所述第二电流供应。
9.如权利要求6所述的等离子体反应器，其特征在于，所述控制器被编程为用于在所述第三束收集器及所述第四束收集器的相应阻隔位置与未阻隔位置之间移动所述第三束收集器及所述第四束收集器并切换所述第二电流供应的电流极性，藉以将沿所述第二轴的电子束传播方向反向。
10.如权利要求6所述的等离子体反应器，其特征在于，所述第一轴及所述第二轴是彼此正交的。`
11.如权利要求6所述的等离子体反应器，其特征在于，所述电子束源中的每一个包含以下类型之一的等离子体源:(a)环形等离子体源、(b)直流气体放电等离子体源、(C)感应耦合的等离子体源、(d)电容耦合的等离子体源。
12.如权利要求6所述的等离子体反应器，其特征在于，所述电子束源中的每一者包含: 源外壳，所述电子束发射孔包含:在所述源外壳中的开口、在所述电子束发射孔中的绝缘析取网格及在所述绝缘析取网格与所述处理腔室之间的绝缘加速网格，以及在所述源外壳中的气体入口。
13.一种操作具有电子束源的等离子体反应器的方法，包含: 将处理气体引入到所述等离子体反应器的处理区域中； 沿相应束发射轴将电子束引入到所述等离子体反应器的所述处理区域中，所述相应束发射轴沿相应径向方向延伸；及 周期性地将沿所述束发射轴中的相应束发射轴的电子束传播方向反向。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包含以下步骤:产生沿所述束发射轴中的相应束发射轴的相应束围磁场，以及结合沿所述束发射轴中的相应束发射轴的电子束传播方向的所述反向来将所述相应磁场的方向反向。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包含以下步骤:实现在不同时间沿所述相应束发射轴中的不同束发射轴的电子束传播。
【文档编号】H01L21/3065GK103766005SQ201280042408
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年10月15日 优先权日:2011年10月20日
【发明者】L·多尔夫, S·拉乌夫, K·S·柯林斯, N·米斯拉, J·D·卡达希, G·勒雷, K·拉马斯瓦米 申请人:应用材料公司