提供用于半导体晶片的真空紫外波长平面发光图形的可调辐射源的制作方法

专利名称：提供用于半导体晶片的真空紫外波长平面发光图形的可调辐射源的制作方法
发明的领域本发明涉及到用来产生真空紫外(VUV)波长辐射的平面或平板发光图形的辐射源，特别适合于用来加工直径直至300mm以及超过300mm的半导体晶片。
背景技术：
在生产集成电路的半导体晶片加工过程中，短波长辐射有很多用途。短波长辐射包括紫外(UV)(＜400nm)区以及真空紫外(VUV)(100-200nm)区。本发明致力于一种用来加工半导体晶片的能够产生高强度的均匀的UV和VUV波长辐射的辐射源。
半导体晶片加工涉及到在晶片上制造较小的特征(＜0.25μm)。这要求使用新的化学方法、抗蚀剂、以及工艺。许多这种新的化学方法、新的材料、以及新的工艺需要高能光子来克服反应阈值。一些新的抗蚀剂的耐光性需要高能光子。特别是利用VUV波长辐射，能够改善材料和抗蚀剂的烧蚀和腐蚀。高能光子能够激发气体和表面，以便增强反应过程和反应速率。短波长辐射还可用于EPROM擦除、FLASH擦除、以及非易失存储器擦除。
在本技术的目前状态下，还不存在用于加工半导体晶片的VUV波长范围内使用的可接受的辐射源。而且，现有的辐射源存在着下列一个或多个缺点a.目前的源强度太低，或具有临界强度电平，从而得到不合适的产率。
b.目前的源在半导体晶片很典型的二维区域内光输出的不均匀性大。
c.目前的源对于正当使用来说，过于昂贵和复杂。
d.目前的源具有固定的波长。
e.目前的源提供不了足够大的受照射面积覆盖范围。
f.目前的源除了所需的辐射波长之外，还产生不希望有的波长(例如红外(IR)辐射)。
g.由于所需的占用面积大，目前的源对于半导体制造设施的正当使用来说太大。
h.目前的源要求手工装载晶片。
i.目前的源太昂贵。
j.目前的源采用具有电极的灯泡，从而导致寿命降低和在使用寿命内输出退化。
目前的技术提供了一些产生波长低于200nm的辐射的辐射源。这种辐射源在晶片表面上有无法接受的辐射不均匀性水平。这一问题通常是由于采用了诸如线状灯之类的尺寸有限的灯。这些灯的构造与在直径为150mm或以下直至300mm或以上的二维圆形区域上要求均匀照明的晶圆不兼容。

发明内容
本发明的目的是一种特别有用于处理半导体晶片的可调UV和VUV波长辐射源。根据本发明构造的辐射源，提供了用来处理直径直至300mm或以上的半导体晶片工件所需的波长、强度、以及二维平面均匀性。与市场上现有源典型的±15％的照明强度不均匀性相比，本发明的辐射源在300mm的平面辐射图形上提供了百分之几或更小偏差的辐射强度均匀性。
有利的是，本发明的辐射源是可调的，亦即能够在100-200nm或以上的范围内的大量明显不同的波长下工作。在一个优选实施方案中，此辐射源的输出辐射波长能够用气体滤波器来精细调节。
本发明的辐射源能够提供采用从多种形状(例如正方形、圆形等)中选择的一种形状的二维平面辐射源。此辐射源是可调的，以便得到所需的输出辐射波长范围。借助于选择可离子化气体被激励时经由气体分子的准分子激发而产生所需波长范围内的辐射，来得到辐射源发射波长范围的粗调节。此外，在本发明的一个优选实施方案中，通过使用诸如氧之类的吸收气体来得到发射的辐射波长的精细调节，此吸收气体吸收或过滤某些波长的发射辐射，使波长范围被修正了的更窄范围的波长照射到靶晶片。由于不同的工艺由不同波长的辐射最佳地提供，故本发明的辐射源有利地提供了现有技术辐射源中得不到的灵活性。
本发明的目的是一种辐射源，用来发射用于加工半导体晶片的平面图形辐射。典型地说，发射的辐射在UV或VUV波长范围内。本发明的辐射源包括具有界定辐射发射区的二维表面的基电极；与基电极分隔开并界定辐射发射区的电介质辐射透射元件；二维电极屏或矩阵，它与通常平行于基电极二维表面的平面中的电介质元件接触，电极矩阵确定使发射的辐射能够通过电极矩阵透射到晶片处理区的多个窗口；以及分布在辐射发射区中的可离子化气体，用以被建立在基电极与电极矩阵之间的场离子化并经由准分子激发而发射辐射。
在本发明的一个优选实施方案中，此源还包括第二保护性辐射透射元件，它接触到电极矩阵，并将电极矩阵压向电介质元件，且用来防止电极矩阵暴露于晶片处理区中的污染物和用来加固电介质元件。依赖于所需电介质元件和电介质矩阵的材料的尺寸和强度特性以及晶片处理区和辐射透射区之间的压力差，此辐射源还可以包括一个或多个插入在电介质元件与基电极之间辐射发射区中的隔板元件，以便在辐射发射区中提供均匀的截面积。
在本发明的辐射源的另一个优选实施方案中，源气体供应安排能够准分子激发的不同可离子化气体到辐射发射区的选择，以便控制源发射的辐射的波长。这种从能够准分子激发的气体中选择一种气体的做法，使得能够粗调节辐射发射区产生的波长，亦即当经历准分子跃迁时，选择产生所需波长范围的气体。
在本发明的辐射源的另一优选实施方案中，第三辐射透射元件被排列成与第二保护元件分隔开，以便确定一个吸收气体过滤室，诸如氧之类的吸收气体被注入其中。此吸收气体利用可离子化的气体过滤或吸收从辐射发射区发射的选定波长的辐射。此气体过滤器提供了辐射输出波长的精细调节。
从结合附图描述的本发明示例性实施方案的详细描述中，本发明的这些和其它的目的、优点、以及特点将变得更好理解。


图1是根据本发明构成的辐射源第一优选实施方案的剖面透视图，此辐射源安装到用于处理半导体晶片的半导体晶片限制结构；图2是图1的光源的分解剖面透视图；图3是图1的辐射源的示意剖面图；图4是放大剖面图，示出了对确定在第一或基电极与分隔开的电介质层之间的区域进行抽空的泵口；
图5是放大剖面图，示出了用第二电极或屏电极连接电源的电力供应；图6曲线示出了Xe准分子气体源的辐射强度与波长的关系；图7曲线示出了Ar/CF4准分子气体源的辐射强度与波长的关系；图8是本发明辐射源第二实施方案的示意剖面图，它包括用来过滤从辐射发生区发射的光的过滤器；图9曲线示出了氧气气体过滤器的吸收系数对波长的关系；图10是可变频率源的波长对强度的关系；图11曲线示出了气体压力与辐射强度之间的线性依赖关系；图12曲线示出了离辐射源的距离与辐射强度之间的线性依赖关系；图13是对数尺度曲线，示出了点光源和本发明辐射源的辐射强度与离光源距离的关系。
具体实施例方式
辐射源10的第一优选实施方案在图1-5中，以10一般地示出了本发明的光源即辐射源的第一优选实施方案。当被适当的电源33(图3中示意地所示)激励时，辐射源10产生所需波长的平面辐射源。此辐射源的一种有利的用途是用紫外(UV)(＜400nm)和真空紫外(VUV)(100-200nm)波长的辐射来处理半导体晶片。如图1所示，此辐射源10可以有利地是用来以所需波长的均匀平面辐射图形处理半导体晶片16的半导体晶片处理系统14的一部分。利用选定的可离子化气体的准分子激发，源10产生平面辐射图形。
晶片16被支持在由晶片限制结构22的通常为圆形的壁20所确定的晶片处理室18内。辐射源10被安装到晶片限制结构22，且源10发射的辐射被引导到晶片限制结构22中。本发明的辐射源10可以有利地处理直径直至300mm的半导体晶片。但应该指出的是，可以增大辐射源10的尺寸来处理甚至直径更大的晶片。本发明的辐射源10提供了二维平坦-平板型辐射源，它发射所希望范围的波长，且其特征在于辐射的高均匀性和高强度输出。依赖于所选定的可离子化气体，辐射源10能够产生UV波长范围(＜400nm)，或更具体地说是VUV波长范围(100-200nm)内的均匀的高强度辐射的平面图形。
辐射源10包括一般为平面、二维的第一和第二电极30和32、耦合到第一和第二电极30和32的用来激励电极的电源33。辐射源10还包括位于第二电极32邻近并与第一电极30分隔开的电介质辐射透射窗口或层34。第一即基电极30和电介质层34界定并确定离子化气体区35(图2和4所示)，可离子化气体35a被注入其中。第二电极32是一种矩阵或网格屏，它具有高度低的剖面和多个使电极对发射的辐射半透的窗口。
当被电源33激励时，电极30和32产生电场，引起气体区35中的可离子化气体35a的准分子激发，导致由所选择的特定可离子化气体的准分子跃迁为特征的波长范围内发射的辐射。由于电极30和32相对于面对气体区35的表面区域是二维的，故辐射源10发射的辐射具有均匀的二维平面强度图形。发射的辐射通过电介质层34和电极屏32，并进入到晶片处理室18中，对晶片16进行处理。
有利的是，辐射源还可以包括较厚的辐射透射保护窗口36。此窗口36保护电极屏32免受存在的受热气体和/或晶片处理室18中发生的溅射的影响。如下面将要解释的那样，此保护窗口36形成了一个整体组件38，它包括电极屏32和电介质层34，用以加固和支持较薄的电介质层34，并使得能够用可离子化气体区35中的真空或超大气压条件来运行辐射源10，以便得到更高的辐射强度。
从图1和2以及示意地在图3中最佳地可见，基电极30包括气体入口78和气体出口79，用来提供限制在基电极30与电极屏32之间确定的气体区35中的离子化气体35a的入口和出口。基电极30还包括压力抽空抽气口80，以便能够抽空封闭空间即电介质层34与保护窗口36之间的封闭空间或间隙区74。封闭空间即间隙区74的抽空引起电介质层34和保护窗口36将电极屏32夹在其间，导致较薄的电介质窗口34由较坚固和较厚的保护窗口36加固，并形成整体的组件38。
环形垫圈40辐射源10包括环形垫圈40，它提供了间隔和光源10的各个组成部分的外围支持。如在图4和5中可见，垫圈40提供了一系列台阶即横挡来支持保护窗口36的外围边沿，并使保护窗口36靠在第一电极30的水平平面64上(图4)。如在图4中可见，一对密封圈61和62被插入在保护窗口36的上表面36a与第一电极水平表面64之间以及保护窗口36的下表面36b与垫圈40的内水平部分42的上表面98之间。
如在图1中可见，垫圈40还提供了用来将辐射源10安装到晶片限制结构22的基座。如在图1和2中最佳地可见，第一电极30和环形垫圈40被安装在晶片限制结构22的上表面23上。当在剖面中看时，环形垫圈40是阶梯状的即被偏移，且包括外水平部分41和内水平部分42。垫圈40的剖面与晶片限制结构22上表面23的偏移即阶梯状外围部分在尺寸和形状方面一致。垫圈40的外水平部分41包括平坦的上表面43和多个孔44。外水平部分41也包括平坦的下表面45，且内水平部分42同样包括平坦的下表面46。
如在图4中最佳地可见，第一电极30包括向下呈阶梯状的外围边沿部分50。外围边沿部分50包括其尺寸被定为齐平密封垫圈40上表面43的平坦下表面51。第一电极30的外围边沿部分还包括多个孔52。垫圈外水平部分41的平坦下表面45和垫圈内水平部分42的平坦下表面46的尺寸被定为分别齐平密封晶片限制结构22上表面23的相连阶梯状水平表面25和26。亦即，垫圈外水平部分41的下表面45靠在晶片限制结构水平表面25上，而垫圈内水平部分42的下表面46靠在晶片限制结构水平表面26上。利用延伸通过第一电极的多个孔52且通过对准的垫圈40的多个孔44，并拧入到晶片限制结构22上表面23中的对准的多个螺纹孔24中的多个螺栓(未示出)，辐射源10的第一电极30和垫圈40被安装在晶片限制结构22的上表面23上，从而将垫圈40的外水平部分41夹在第一电极30外边沿部分50与晶片限制结构22的外水平表面25之间。
如在图4中最佳地可见，晶片限制结构22的水平表面26包括沟槽或通道27，它支持着在垫圈40与晶片限制结构22之间形成紧密密封的O形环。同样，由于位于垫圈40的内水平部分42的上表面98中的通道中的O形环，在垫圈40与保护窗口36之间形成了紧密密封。
依赖于包括区域35中的可离子化气体35a的压力、晶片处理室18中的压力、保护窗口36和电介质层34的抗张强度的各种因素，在可离子化气体区35中可能需要插入一个或多个加固隔板(图3中示意地示出了3个加固隔板70)，以便保持电介质层34与第一电极30之间间距的均匀性。多个隔板70水平延伸在基电极30与电介质材料层34之间，以便保持所希望的间隔。通常，由于这种隔板减小了可用于离子化气体35a的空间的体积，从而降低了发射的辐射的强度，故隔板70的使用是不可取的。若保护窗口36不被提供来加固和增强电介质层34，对隔板的需要当然就会增大。
基电极30如在图2中最佳地可见，第一电极30包含通常碟形的金属基电极。基电极30由铝形成，并被连接到电源33的一侧。基电极30包括确定冷却剂通道54以及一对O形环沟槽55a和55b的上表面53，为了密封，O形环(未示出)被置于其中。
盖子56经由螺栓被安装到上表面并面对位于沟槽55a和55b中的O形环密封。基电极30与电介质窗口38之间的区域或间隙35，被可离子化的准分子气体35a占据，由电极30和32激发或激励。此间隙35通常为几mm厚。陷于区域35中的气体35a发射UV和VUV光，用来处理室18中的半导体晶片16。
基电极30的下表面57具有圆形通道58，O形环59(图4)被置于其中。O形环59面对电介质层34密封，从而密封离子化气体区35。虽然未示出，但电极30中刻有通道，以便使气体35a能够进出基电极30与电介质阻挡层34之间的离子化气体区35。气体馈送入口78和抽出出口79以及通道被构造来在流动气体的可选情况下产生跨越区域35的均匀气流35a，从而在光源10的整个二维区域上产生均匀的放电和均匀的光源。
作为变通，气体区35可以被简单地抽空，然后填充以所需的气体。这种不流动的方法对于用更稀有而昂贵的气体来产生辐射来说，是有用的。另一O形环60(图4)被置于保护窗口36与第一电极30的侧壁65之间。O形环60用作隔件来防止能够导致保护窗口36破碎的玻璃与金属的直接接触。
基电极30的下表面57被有利地高度抛光，以便通常沿向上方向发射的来自激发气体(等离子体)35a的任何辐射都被向下反射，并加入到向着晶片16的净辐射中。如上所述，基电极30包括为限制在区域35中的离子化气体提供入口和出口的气体入口78和气体出口79。
如下面要解释的那样，不同的气体提供不同的准分子跃迁，因而提供不同的发射波长。这样，若希望改变发射的辐射的波长，完成这一结果的一种方法是改变区域35中的气体35a的组成。借助于将存在的气体通过气体出口79抽出区域35，且通过气体入口78将所希望的新气体泵入到区域35中，来完成这一点。纤维光学光导管72(图3示意地所示)延伸到气体区35中来测量激发气体35a所发射的辐射的光谱。
应该理解的是，虽然图1-5所示的辐射源10说明了基电极30和电极屏32的一种大致圆形的电极结构，但电极的结构和得到的发射图形也可以是正方形、矩形、或任何其它所希望的形状。
电介质层34电介质窗口即电介质层34必须是VUV波长辐射的良好透射体，因而最好由高质量石英制造。可接受的电介质材料包括可从俄亥俄州Willoughby的GE Quart公司购得的GE214石英、可从新泽西州WestBerlin的Dynasil公司购得的Dynasil石英、或可从德国Hanan的Heraeus Quarzglas GmbH公司或乔治亚州Duluth的Heraeus Amerisil公司购得的Suprasil石英。较薄的电介质层由于会吸收较少发射的辐射而对光学用途较好。在一个示例性实施方案中，0.072英寸(1.8288mm)的电介质层厚度被证明是令人满意的。
即使质量最好的电介质层34也会吸收少量发射的辐射，将其转换成需要清除的热。而且，此电介质窗口34需要足够薄，以便优化出现在电介质窗口34与基电极30之间但由屏电极32与基电极30之间的电位驱动的放电。
保护性窗口36对于本发明的辐射源10的工作，原则上不一定必须有保护性窗口36，但它提供了一些优点。首先，保护性窗口36使电极屏32保持平坦，致使夹裹的气体35a在屏32的整个二维表面上有同样的电位。这又有助于产生均匀的辐射。其次，保护性窗口36使空气(以及空气中的氧)无法与电极屏32接触，于是防止了在电极屏32附近产生任何气体放电或臭氧。
此外，保护性窗口36在电极屏32、电介质层34、与保护性窗口36之间提供了良好的热接触，致使由于欧姆损耗而在电极屏区域内产生的热能够被有效地清除。而且，保护性窗口36厚得足以提供支持辐射源10中明显高于大气压的气体压力所需的强度。如下面将要更详细地解释的那样，由于来自电介质阻挡层放电的辐射输出随几个大气压范围内的压力而增大，超过大气压以上的工作是可取的。此外，保护性窗口36有助于保持电极屏32清洁。最后，保护性窗口36在高电压电极屏32与附近的其它设备之间提供了某种程度的安全阻挡层。在样机设计中，试验了保护性窗口36的几种不同的厚度(0.072-0.250英寸)。保护性窗口38还有助于提供承受处理室18与辐射源10之间的压力差的强度，例如若处理室18被抽空时。
保护性窗口36还与电介质层34一起确定了一个电极屏32位于其中的封闭空间或间隙区74，此封闭空间能够被抽空，以便将更薄的电介质层34结合到更厚的保护性窗口36，从而加固了电介质层34。泵口80被提供来对电介质层34与保护性窗口36之间的封闭空间进行抽空。
电极屏32第二屏32包含半透明的矩阵或网格屏，厚度最好约为8密尔。薄的网格使区域35中可离子化气体35a发射的辐射能够穿过第二电极32、辐射透射电介质层34、以及保护性窗口36而进入处理室18，以便处理晶片16。电极屏32的形状也是圆形的，且其直径小于保护性窗口36和直径最小的O形环亦即O形环59，致使在电极屏32与相邻金属零件之间不引发放电。
电极屏32最好是借助于腐蚀单个金属片而产生的单片网格。使用过钨，但也可以用其它金属代替。借助于腐蚀薄金属片(厚度为0.004英寸)来生产电极屏32，且能够有利地被腐蚀成非常准确的公差，具有非常窄的金属丝网格。用于样机辐射源10的电极屏32的尺寸是0.094单元尺寸，采用正方形单元网格，金属丝宽度为0.004，厚度(垂直尺寸)为0.004。此电极屏32产生的几何透射因子为91.67％。即使在网格的交点处，腐蚀的屏也具有高度低的剖面和恒定的厚度(通常为0.004英寸)。这些特点提供了一些优点由于腐蚀的屏32的尖锐而清晰的边沿，故腐蚀的屏沿网格在交点处以及在离开交点处都提供了起弧位置。腐蚀的网格的尖锐边沿使得能够在任何地方以及到处引发放电，与根据网格的构造细节相比，此放电更多地根据室中的局部气体条件。现有类型的屏可能具有重叠的金属丝来产生网格，从而在离基电极不同的距离处具有金属丝，因而比较而言仅仅择优提供了少数起弧位置。作为多个起弧位置的结果，产生了高度均匀的放电图形，这就产生了辐射的高均匀性。
从电极屏32伸出的舌状物即延伸物75(图2中所见)，或屏的简单延伸，对电极32和电力引线71进行连接。电力引线71提供了电源33与电极屏32之间的高电压耦合，且包括横穿真空密封77的绝缘套76。真空密封77被安装在基电极30上，并延伸穿过基电极30。高压低电流的高频电压被施加在基电极30与电极屏32之间。电源33提供了频率在几个kHz直至多个MHz之间变化的脉冲。要求的电压在2-3kV范围内或更高。
这种高电压在电极屏32与基电极30之间产生许多短寿命的放电。由于准分子源气体35a的发射特性，大多数UV或VUV辐射在气体起始击穿过程中被发射(如下面将要进一步描述那样)。结果，借助于改变脉冲供应电流的频率，就简单地改变了施加到辐射源10的功率。因此，电源33最好是脉冲电源。
电极屏间隙区74的抽空本发明辐射源10的新颖设计使薄的电介质材料窗口34能够面对保护性透射窗口36将电极屏32夹于其间。独特的双重泵送方案使处理室18能够被抽空并填充，而不会击碎薄的电介质窗口或电介质层34。此辐射源10还能够超大气压工作，这有利地导致了辐射输出的提高。
对于辐射源10，有几个设计要求使工程变得困难。一个要求是电极屏32与可离子化气体35a之间的电介质层34的厚度比较薄。这是为了电学(因而也是光发射)性能的理由。结果，当人们要抽空其中要引入放电气体的区域时，就出现问题。亦即，电介质层34上的环境气体压力差可能使其破裂，特别是对于处理300mm直径晶片所需的大面积辐射源，更是如此。
另一个引起困难的要求是电介质层34和保护性窗口36二者都必须由VUV波长范围内透射的材料制成。这一限制淘汰了对上述问题的一些其它可允许的解决方案。亦即，人们无法将电极屏32粘合或胶合在电介质层34与保护性窗口36之间以形成能够承受一个或多个大气压力的结实片。
存在着大量例子，其中，无论瞬时地还是在半导体晶片处理系统14的常规工作过程中，电介质层34和保护性窗口36都经历一个大气压或以上的压力差1)若人们需要在光源10内部几个大气压的气体压力下运行，这在某些应用中是可取的；2)若人们希望抽空处理室18，无论短时间还是在整个工艺过程中。
3)若人们希望改变或清除光源气体区35中的气体，人们可以短时间抽空光源气体区35。
而且，这些过程中的任何二个或更多个可以同时进行，于是在电介质层和保护性窗口上产生多个大气压的压力差。
粘合剂或胶可能吸收VUV光。而且，由于对这些特殊材料(例如VUV级石英、蓝宝石、CaF2、MgF2)来说制造工艺已经够困难的了，故在窗口的制造工艺过程中，人们无法将电极屏32埋置到单个窗口中(于是消除了对二个不同窗口的需要)。
本发明的辐射源10论述了上述问题。电介质层34和保护性窗口36的相对直径被选择成能够存在二个可抽空的区域，第一区域35是正常的体积，其中发生电介质阻挡层放电，亦即基电极30与电介质层34之间的区域。第二区域74(图3中示意地所示)由电介质层34与保护性窗口36之间的间隙确定，电极屏32被置于其中。如在图4中最佳地可见，电介质层34和保护性窗口36被适当的O形环59和60以及可选的密封圈61和62密封，致使安置电极屏32的间隙区74能够被分别抽空。
借助于抽空间隙区74，电介质层34和保护性窗口36被强迫到一起，将电极屏32夹在其间。重要的是，电极屏32的这一夹持使电介质层34成为更厚得多的窗口组件38的一部分(组件38包括保护性窗口36、电介质层34、以及电极屏32)，致使随后将准分子气体35a泵入到电介质层34另一侧上的区域35中的过程不会引起薄的电介质层34弯曲和破裂。
电介质层34与保护性窗口36之间的体积或间隙区74被抽空，致使最大一个大气压将电介质层34与保护性窗口36保持在一起。气体离子化区35的气体放电体积能够被抽空到任何压力(直至一个负大气压)而不会危及电介质层34。相反，气体离子化区35的气体放电体积能够被加压到任何压力，甚至超过大气压，而不会危及组件38的机械完整性，仅仅受包含电介质层34和保护性窗口36的组件38的压力承受能力的限制。
在电介质层34与保护性窗口36之间的区域74中得到的真空不需要是高真空质量的。亦即，人们无需能够得到10-7托真空的特殊真空设备；相反，由于气体离子化区35可能不能够被抽空到足以超过这一数值而使电介质层34受应力，故几托的真空就可能合适。
尽管有上述工程困难，但对本技术领域熟练人员来说，显然存在着保护性窗口-电极屏-电介质层组件38的其它设计可能性。作为一个例子，屏32能够充满二个石英窗口(电介质层34和保护性窗口36)之间的空间，以便从保护性窗口36与电介质层32之间的间隙74中清除所有的气体，并提供甚至更好的热接触。包含的材料当然必须对UV和VUV辐射透明或半透明。作为另一个例子，其中安置电极屏34的间隙74，可以被密封并用某种气体填充，以便排除氧，防止气体击穿，或二者兼而有之。作为第三个例子，电极屏32可以在制作石英的过程中被组设置到电介质层石英中。
气体放电过程上述的这一设备和操作提供了当气体或气体混合物被使用时要有选择地激发的准分子跃迁所需的条件，这种气体具有准分子型能量跃迁1)低的气体温度，2)高的激发能量。
在单个脉冲过程中，当足够的电场被施加在区域35的气体间隙上，致使离子化速率超过电子附着速率时，就形成电子流，跨越间隙输运电荷，并将电荷淀积在电介质层34的表面上。若不存在电介质层34，则开始于Townsend图形的起始放电可能发展成为一种热弧。相反，电介质层34上或来自电介质层34的电子的积累和/或耗尽迅速地将内部局部电场降低到附着超越离子化的程度，且电子流本身熄灭。
形成和熄灭的整个过程发生在几个毫微秒之内，即使在高气压(100mbar到几个大气压)下，也提供了非热等离子体(没有时间用于碰撞以平衡电子和原子/离子之间的热)。
虽然上述的各个单个微观放电发生在小的通道(直径为0.100微米)中，但分布在电极30和32整个表面上的大量这种放电(各来自电源的外加脉冲的)为源10提供了一个均匀的照明强度外貌。这些微观放电彼此完全独立。尽管如此，重要的是提供电极来促使尽可能多的微观放电发生，并使这些微观放电尽可能均匀地形成在辐射源10的表面上。
大多数UV或VUV辐射在微观放电击穿时被发射，因而仅仅延续几个毫微秒。这样，就无需延长各个微观放电。因此，利用了脉冲电源。
由于上述的运行行为(高效率的准分子跃迁，高的电压，低的电流，高的气压)，故这些源工作于低的设备温度下，导致比较冷的辐射源10。
合适的准分子可离子化气体35a的例子存在着大量在准分子激发过程中产生UV和VUV波长范围内的发射的可接受的可离子化气体。这在光谱的UV和VUV部分中提供了基本上连续(但分立)的可供选择的峰值波长范围，所选择的峰值波长仅仅依赖于辐射源10中所使用的可离子化气体35。例如，可接受的离子化气体及其相关的峰值波长如下表1


已经利用纯Xe2(172nm的准分子跃迁)(见图6)和利用Ar/CF4(193nm的ArF准分子跃迁)(见图7)成功地运行了辐射源10的样机。
图6示出了Xe2在600托运行下的发射光谱。如可以看到，此发射光谱的中心在大约172nm处，其FWHM带宽约为14nm。样机Xe辐射源产生了0.3mW/cm2的辐射。正如本技术领域熟练人员可以承认的那样，借助于包括改进了的电介质层、保护性窗口、以及电极屏材料、改进了的电源、在离子化区35中使用更高的压力、从间隙区74中消除空气在内的各种修正，能够提高样机辐射源的输出强度。
此样机输出强度与从使用线状灯泡阵列的目前可以得到的172nm辐射源得到的5.5mW/cm2进行了比较。使用线状灯泡的结果(以及缺点)包括下列各点1.对于线状灯阵列，光源上光的均匀性非常差，典型为±15％。这是由灯的分立造成的。
2.由于发射气体的体积有限，故输出辐射受到限制。存在着一个产生准分子光的最佳放电能量密度。因此，放电的体积会限制光输出的净强度。
本发明辐射源10的工作气体(亦即任何给定时间存在于可离子化气体区35中的气体35a)的体积是均匀的，从而产生约为百分之几偏差的照明均匀性。由于在二个平坦电极之间具有二维的被激发气体片35a，故本发明的工作气体体积被最大化，于是产生比线状灯阵列结构高得多的输出。高透射的电极屏32使之有效地工作。
图7示出了标注为500的193nm的ArF准分子发射的发射光谱。CF4由于是比较安全的且容易得到，故被用来输送氟。但对于准分子物理或光输出来说，CF4不是最佳的。但由于这种低百分比的氟在气体混合物中是需要的，故为了安全地运行Ar/F混合物，仅仅存在着需要提及的小的安全问题。
辐射均匀性辐射源10有利地产生了辐射的高均匀性。电介质-屏-窗口组件38叠层提供了没有内设的不均匀性的被激发气体片35a。辐射源10的设计明显地不同于当组合到系统设计中时具有重大不均匀性的点状源或线状灯源的设计。各个分隔的线状灯起准点状源或线源的作用，致使当从任何一个灯移开时，强度迅速地下降。一旦离开足够远，不均匀性就改善，但强度受到损失。
另一方面，本发明辐射源10的平板特性提供了看似紧密分布的多个点源的一个无限平面，致使强度随离源的距离(见下面)缓慢地(线性)降低，与点源的随距离平方反比相反。其次，利用上述电极屏32的特殊屏构造，得到了高的辐射均匀性。
波长调节用二种方法来获得波长调节。一种调节的性质是不连续的，且借助于改变辐射源10离子化气体区35中的气体/气体混合物来完成。最好借助于通过气体出口79将现有气体抽出区域35，并通过气体入口78将新气体泵入到此区域中，来完成气体35a的改变。由于此区域35中的气体在足够长的时间内会被沾污，故辐射输出可能下降。利用反馈探测方法来监视辐射输出(例如图3示意地所示的纤维光学光导管72)，能够确定旧气体被抽出和新气体被引入到区域35所经过的时间阈值。作为另一选项，人们可以具有不同的辐射源，此辐射源由不同的气体混合物来充灌。若有需要，它们可以被永久地密封，而当需要产生所需波长范围的发射输出时，人们可能仅仅调换这些辐射源(借助于将选定的一个辐射源安装到晶片限制结构22)。
借助于将发射体积即发射区域35构造成比较大的平坦二维体积，部分地得到了高的输出强度。由于存在着一个最佳间隙间距，故区域35的宽度被固定。借助于不具有点或线辐射源，而是借助于具有平坦的平板源，得到了产生的UV和VUV辐射的高强度。区域35的体积比典型线状灯中通常所用的体积大一个数量级以上。
有利的是，借助于电极屏32的高度透明性质，部分地得到了高的输出强度。如上所述，电极屏32产生了91.67％的几何透射因子。与典型的现有技术电极屏相比，这是非常高的透射因子。典型电极屏的透射投影几何透射因子的范围为40％直至60％或70％。与典型的屏金属丝构造相比，超过较高的投影几何透射因子，电极屏32由于其特别低的垂直剖面而比现有技术的电极屏相对更透射。亦即，由于电极屏32的厚度如此之小，故以大角度来自气体区35的非常少的辐射由于被电极屏32的有限厚度拦截而被损失。
利用高的压力，也部分地得到了辐射源10的高输出强度。由于短寿命的微观放电，气体35a不被高温微观放电加热。结果，区域35中的气体压力能够上升，结果有更多的发射体产生更多的辐射输出。实际上，辐射输出强度随区域35中气体压力的增加而线性增大。图11中的曲线600说明了这一点。如图11所示，从几百托到600托以上，辐射输出与气体压力之间的线性关系非常明显。这种关系有望一直延续到几个大气压。
注意，在气体35a的激发过程中的压力与激发停止时的压力几乎相同。这进一步支持了由于高频下发生的许多微观放电而平均气体温度不上升的事实。图11所示的结果是Xe准分子气体工作的情况，但对于辐射源10的准分子工作的其它气体混合物，得到了相似的线性关系。
大气压或超大气压压力工作与辐射源10的低压或大气压以下的工作相比，大气压或接近大气压的工作具有一些附加(高强度以外)的优点。由于存在着由保护性窗口36提供的比较大的窗口区，且由于人们希望尽量减小所需的隔板和隔板所占据的面积，故若隔板被用于基电极30与电介质层-电极屏-保护性窗口组件38之间的区域，则在大气压或接近大气压的压力下的工作尽量减小了系统上的压应力，并尽量减小了石英破裂的可能性，从而尽量减少了对支持隔板的需要。
而且，与亚大气压工作相比，大气压以上的工作具有一些优点。这种类型的工作再次具有尽量加大辐射输出的优点。由于保护性石英窗口36能够比电介质层34厚得多，故组件38能够被容易地设计来承受辐射源10中气体的大气压以上的填充所造成的外向压力。这与由于压力非常低即亚大气压工作而必须支持组件38承受内向压力的情况相反。
高压工作提供了从放电区到强迫冷却的基电极30的更好的热传导。金属丝网格电极屏32的高度低的剖面设计有一些附加的好处。由于电极屏32拦截较少的辐射，故发热较少，从而降低了对辐射源10的总体冷却要求。现有技术的金属丝构造的屏典型地彼此接触处具有重叠的金属丝。这些特点有利于在屏区之间形成电弧，从而浪费功率，且不必要地加热屏组件。而且，除非作出特别的努力来从这一区域排除氧或空气，否则就能够在电极屏所处的间隙区中产生不希望有的臭氧。空气中的臭氧和氧会分别吸收250和200nm以下的辐射，从而使VUV光源工作的目的破灭。
在为晶片处理而设计的现有技术的辐射源中，严格的要求通常在于晶片相对于辐射源的位置。这起源于二个问题1)若如通常使用线状灯源的情况那样辐射的均匀性很差，则晶片相对于源存在着一个最佳的位置；由于光强度随着从源移开而下降，此位置通常非常靠近或几乎触及到源。例如，对于是为极端情况的点源，光强度随1/r2而下降。
2)由于空气的吸收，来自远VUV光谱波长源的辐射会被源与靶晶片之间的空气吸收。这就要求晶片靠近光源的表面放置。
本发明的光源10解决了这二个问题。由于可离子化气体区35的单一的平坦性质，发射的辐射的强度随离源表面的距离而线性下降(当避免空气吸收问题时)。实际上，此线性下降很慢，特别是当与点源的1/r2下降特性比较时。图12示出了延伸到离源远至20英寸的辐射强度与离辐射源10表面的距离的关系。在此情况下，离子化气体35a是准分子跃迁为193nm的ArF。在此比较高的VUV波长下，氧吸收比较低。尽管如此，图10所示的少量下降是由于源10与靶探测器之间的空气造成的氧吸收。对于较低的波长，例如来自Xe准分子跃迁的172nm，可能必须清除源10与晶片16之间的所有空气。如在图12中可见，对于远至10英寸的距离，辐射强度已经下降了小于50％。这是由于随着从源10移开，来自最靠近探测点的各个点的光强度下降，但探测点现在能够看到更多的源区，并以不断增大的垂直角看到这些区域，从而进一步加入到被探测的强度中。
图13示出了与图12所示相同的数据，但此数据被绘制在对数-对数标度上，致使点源辐射强度的1/r2关系也能够为了比较而被加入。光源10的强度被示为980，而辐射点源的强度被示为990。如在图13中可见，在本发明的辐射源10与点源造成的下降之间，存在着巨大的差别。
应该指出的是，图10和11中在离辐射源10距离大处的某些下降是由样机辐射源构造的有限尺寸(对于此二个特定的图12和13的情况，仅仅几平方英寸)造成的。即使如此，对于比人们所想象的更大得多的距离，强度仍然很强。这或许是由来自这一样机辐射源的辐射几乎垂直于源表面而离开的事实所造成的。
对于任何不希望有的(空气中的)氧吸收会成为问题的足够低的波长来说，气体吸收过滤室190(下面结合第二优选实施方案10’所讨论的)能够被用来从发射路径中清除任何空气或氧，其方法是简单地用诸如氮气之类的气体填充过滤室190，致使其用作反过滤器，或能够用一些其它的方法来清除空气。
辐射源的第二优选实施方案本发明辐射源的第二优选实施方案被示意地示于图8中的10’。有利的是，辐射源10’使得能够通过使用气体过滤器190而精细调节发射辐射的波长。辐射源10’的其余结构与对第一优选实施方案中所述辐射源10所述的构造相似，不再赘述。标注为30’、32’、33’、34’、36’的元件，在结构和功能方面对应于上述辐射源10中的相应元件30、32、33、34、36。具有高度低的剖面的连续可调的气体过滤器190有选择地过滤掉源10’发射的不希望有的波长，而不影响所需的波长。
用排列在保护性窗口36’下方且与保护性窗口36’分隔开的辐射透射元件192来构成过滤器190，以便确定过滤室即区域194，适当的吸收气体196被注入其中。此过滤能力在半导体晶片加工中是重要的。高能光子对于某些工艺是重要的。但若光子能量超过某一临界数值，则光子实际上可以对半导体晶片电路引起损伤(例如由于产生电子-空穴对)。
假设一个标准的比较宽的准分子带，人们可能仅仅需要带中能量较低的部分(即波长较高的部分)。因此，可以用包含氧或空气(空气中有18％的氧)的吸收气体196来做外科手术似地清除高能带尾。与其它类型的过滤相反，气体过滤的好处在于所需波长仅仅幅度稍许减小，特别是当采用敏锐的差分过滤时。过滤室194利用了吸收气体196的发射吸收特性。例如，如图9中的900所示，氧的吸收光谱示出了一种复杂的结构，但基本上向着较低的波长非常迅速地增大。
使氧吸收谱对本发明的辐射源10’如此有吸引力的一个特点是，如在图9中可见，它在波长240nm和150nm之间跨越了8个数量级。这意味着它是一种非常强的差分过滤器，且覆盖了UV范围以及特别是本发明特别感兴趣的VUV范围。确切地说，氧为150-200nm的VUV波长提供了差分过滤。
借助于用可调节的氧压填充过滤室，能够引入用作非常敏锐的(波长)高通过滤器的特定的较低截止波长。由于跃迁(来自包含准分子的各个原子之间的原子间距的振动运动)的连续性质，故典型准分子跃迁的带宽大。假设典型的准分子跃迁带宽比较宽，则气体过滤器190能够选择性地使带窄，且这样做时，使峰值波长向上移动。带的峰值幅度当然减小，但由于带宽开始是如此的大，故仅仅缓慢地减小。
作为一个例子，Xe气体表现峰值在172nm的准分子跃迁(图6中400所示)。此发射带的FWHM约为18nm，导致一直从163nm延伸到181nm的明显发射辐射。若发现165nm处或以下的辐射是不希望有的，则气体过滤器190能够清除这一低波长组分，而不明显地影响更长波长的辐射水平。
图10示出了空气基气体过滤器190应用于Xe 172nm准分子源的例子。在曲线950中，过滤器190在保护性窗口36’与过滤器窗口192之间包括一个1/16英寸的间隙。峰值发射波长偏移到大约175nm，这是从未被过滤的172nm峰值的稍许增大。在曲线960中，过滤器190被修正成在保护性窗口36’与过滤器窗口192之间具有一个0.5英寸的间隙。与未被过滤的172nm峰值相比，峰值发射波长偏移到大约180nm。最后，在曲线970中，过滤器190被修正成在保护性窗口36’与过滤器窗口192之间具有一个1.25英寸的间隙。与未被过滤的172nm峰值相比，峰值发射波长偏移到大约183nm。
在图10中，峰值发射从172nm偏移到183nm，但更高得多的偏移(额外10nm)是可能的。实际上，峰值能够被一直偏移到接近190nm，然后能够利用不同的准分子跃迁(亦即ArF 193nm准分子跃迁)来代替Xe。作为一个例子，仅仅利用二种不同的气体混合物准分子跃迁，亦即Xe和ArF，这就产生了从172nm到200nm的连续可选择的峰值波长。从图10中的3种过滤情况可见，较低波长的截止是非常尖锐的，仅仅占用大约8nm就完全截止了发射。
虽然以一定程度的特殊性已经描述了本发明，但认为本发明包括了所附权利要求的构思与范围内的对所公开的各个实施方案的所有修正和改变。
权利要求
1.一种辐射源，用来发射用于加工半导体晶片的辐射，此辐射源包含a)具有界定辐射发射区的二维表面的基电极；b)辐射透射电介质元件，它界定辐射发射区并由辐射发射区将它与基电极分隔开，用来将辐射从辐射发射区投射到晶片处理区；c)二维辐射透射矩阵电极，它与大致平行于基电极二维表面的平面中的透射元件接触，界定辐射发射区；d)用来激励基电极和矩阵电极的电源；e)用来将可离子化气体提供给辐射发射区的气体源，以便被建立在基电极与矩阵电极之间的场离子化；以及f)电源，用来激励基电极和矩阵电极，以便产生电场，导致辐射发射区中可离子化气体的准分子激发，从而产生由源发射的平坦图形辐射通过矩阵电极从源出射。
2.权利要求1的辐射源，还包含辐射透射保护性窗口，它接触矩阵电极，并使其与界定辐射发射区的电介质元件接触，从源发射的辐射的平坦图形通过保护性窗口从源出射。
3.权利要求1的辐射源，还包含一个或多个设在辐射发射区中的隔板元件，隔板元件设在电介质元件与界定辐射发射区的基电极的二维表面之间。
4.权利要求1的辐射源，其中，气体源选自一种能够实现辐射发射区的准分子激发的可离子化气体，以便得到所希望波长范围的源发射的辐射。
5.权利要求4的辐射源，其中，可离子化气体包括NeF、Ar2、Kr2、F2、Xe2、ArCl、KrI、ArF、KrBr、KrCl、KrF、XeI、Cl2、XeBr、Br2、Ar/CF4。
6.权利要求1的辐射源，其中，气体源通过基电极中分隔开的入口和出口运送到辐射发射区。
7.权利要求2的辐射源，其中，辐射透射保护性窗口被压向矩阵电极，并用来借助于抽空保护性窗口与电介质元件之间的间隙区域产生负压条件，使保护性窗口和电介质元件牢固地夹住矩阵电极，从而加固电介质元件。
8.权利要求1的辐射源，其中，矩阵电极是导电网格材料。
9.权利要求1的辐射源，还包括与辐射透射保护性窗口分隔开的辐射透射过滤器，以确定过滤室；和注入到过滤室中的吸收气体，以吸收从辐射发射区发射的某些波长，致使范围更小的辐射波长通过辐射透射过滤室元件从辐射源被发射。
10.权利要求9的辐射源，其中，吸收气体包括氧。
11.权利要求1的辐射源，其中，发射的辐射位于UV波长范围内。
12.权利要求1的辐射源，其中，发射的辐射位于VUV波长范围内。
13.一种通过对半导体晶片的辐射处理而对安置在辐射处理室中的半导体晶片进行处理的方法，此方法包含下列步骤a)将具有大致平坦表面的第一电极面向辐射发射区定位；b)将电介质辐射透射元件定位成与第一电极的大致平坦表面分隔开且大致与所述平坦表面平行，电介质元件的第一侧界定辐射发射区，而电介质元件的第二侧面对晶片；c)将二维辐射透射电极屏定位成邻近大致平行于界定辐射发射区的基电极的二维表面的平面中的电介质元件的第二侧；d)在辐射发射区中提供能够准分子激发的可离子化气体；以及e)激励基电极和电极屏，以便在基电极与电极屏之间产生电场，并引起可离子化气体的准分子激发，从而产生从源发射的平坦图形的辐射来处理晶片。
14.权利要求13的方法，其中，激励基电极和电极屏的步骤包括用频率大于1kHz的脉冲电压进行激励。
15.权利要求13的方法，其中，提供可离子化气体的步骤包括在基电极中提供与辐射发射区连通的气体入口和气体出口，以便将可离子化气体注入到辐射发射区中。
16.权利要求13的方法，其中，提供可离子化气体的步骤包括从下列可离子化气体中选择一种可离子化气体并将其注入到辐射发射区中的子步骤，所述气体包括NeF、Ar2、Kr2、F2、Xe2、ArCl、KrI、ArF、KrBr、KrCl、KrF、XeI、Cl2、XeBr、Br2、Ar/CF4。
17.权利要求13的方法，还包括提供辐射透射保护性窗口的步骤，此保护性窗口接触电极屏，并使之与界定辐射发射区的电介质元件接触，从源发射的平坦图形辐射通过第二辐射透射元件从源出射。
18.一种辐射源，用来发射用于处理位于晶片限制结构中的半导体晶片的辐射，此辐射源包含a)具有界定辐射发射区的二维表面的基电极；b)组件，它包括1)辐射透射电介质元件，它界定辐射发射区并由辐射发射区将其与基电极分隔开，用来将辐射从辐射发射区投射到晶片处理区；以及2)二维辐射透射矩阵电极，它与大致平行于界定辐射发射区的基电极二维表面的平面中的透射元件接触；c)用来激励基电极和矩阵电极的电源；d)位于辐射发射区的能够准分子激发的可离子化气体，用于被建立在基电极与矩阵电极之间的场离子化；以及e)电源，用来激励基电极和矩阵电极，以便产生电场，导致辐射发射区中可离子化气体的准分子激发，从而产生由源发射的平坦图形辐射，该辐射通过矩阵电极从源出射。
19.权利要求18的辐射源，其中，组件还包括辐射透射保护性窗口，此保护性窗口接触矩阵电极，并使之与界定辐射发射区的电介质元件接触，从源发射的平坦图形辐射通过保护性窗口从源出射。
20.权利要求18的辐射源，还包含界定辐射发射区外围的隔板元件，此隔板元件设在电介质元件与界定辐射发射区的基电极的二维表面之间。
21.权利要求18的辐射源，其中，位于辐射发射区中的气体通过基电极中的气体入口被注入。
22.权利要求18的辐射源，其中，位于辐射发射区中的气体选自下述能够准分子激发的可离子化气体NeF、Ar2、Kr2、F2、Xe2、ArCl、KrI、ArF、KrBr、KrCl、KrF、XeI、Cl2、XeBr、Br2、Ar/CF4。
23.权利要求19的辐射源，其中，辐射透射保护性窗口被压向矩阵电极，并用来借助于抽空保护性窗口与电介质元件之间的间隙区域导致负压条件，使保护性窗口和电介质元件牢固地夹住矩阵电极，从而加固电介质元件。
24.权利要求18的辐射源，其中，矩阵电极是导电网格材料。
25.权利要求18的辐射源，还包括与辐射透射保护性窗口分隔开的辐射透射过滤器，以便确定过滤室；和注入到过滤室中的吸收气体，以吸收从辐射发射区发射的某些波长，致使范围更小的波长通过过滤室元件从辐射源被发射。
26.权利要求25的辐射源，其中，吸收气体包括氧。
27.权利要求18的辐射源，其中，发射的辐射位于UV波长范围内。
28.权利要求18的辐射源，其中，发射的辐射位于VUV波长范围内。
29.一种用发射的辐射来处理半导体晶片的半导体晶片处理系统，此半导体晶片处理系统包含a)用来支持半导体晶片的晶片限制结构；以及b)安装到晶片限制结构且发射用来处理晶片的辐射的辐射源，此辐射源包括1)具有界定辐射发射区的二维表面的基电极；2)组件，它包括i)辐射透射电介质元件，它界定辐射发射区，并被辐射发射区将其与基电极分隔开，用来将辐射从辐射发射区投射到晶片处理区；以及ii)二维辐射透射矩阵电极，它与大致平行于界定辐射发射区的基电极二维表面的平面中的透射元件接触；3)用来激励基电极和矩阵电极的电源；4)位于辐射发射区的能够准分子激发的可离子化气体，用于被建立在基电极与矩阵电极之间的场离子化；以及5)电源，用来激励基电极和矩阵电极，以便产生电场，导致辐射发射区中可离子化气体的准分子激发，从而产生由源发射的平坦图形辐射，该辐射通过矩阵电极从源出射。
全文摘要
根据本发明构成的辐射源特别适用于加工半导体晶片。本发明的一个示例性实施方案包括具有二维表面的基电极，它界定辐射发射区的一侧。可离子化的准分子气体存在于辐射发射区中。当被激励时，此准分子气体发射UV和/或VUV波长的辐射。二维电介质辐射透射层界定辐射发射区的反侧，并使辐射投射到晶片处理区。排列在电介质辐射透射层与保护性辐射透射窗口之间的是二维矩阵电极或屏电极，用来确定一个通常平行于基电极区的二维表面的平面。电源耦合到基电极和矩阵电极，以便激励这些电极和准分子气体，引起UV和/或VUV辐射的发射。利用排列在保护性窗口附近的用来阻挡发射的选定波长的辐射透射的过滤器，能够调节被透射到晶片处理区的波长范围。
文档编号H01J65/00GK1554111SQ02817861
公开日2004年12月8日 申请日期2002年7月12日 优先权日2001年7月12日
发明者A·亚诺斯, D·理查森, A 亚诺斯, 樯 申请人:艾克塞利斯技术公司