用于等离子体加工的方法和装置与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月30日提交的美国临时申请号62/724,865和于2018年12月17日提交的美国临时申请号16/221,918的权益，这些美国临时申请特此通过援引并入本文。

本发明总体上涉及等离子体加工，并且在具体实施例中涉及一种用于等离子体加工的方法和装置。

背景技术：

近几十年来，等离子体加工在许多行业中得到了广泛应用。例如，等离子体工艺通常用于对材料的沉积或去除，包括对在微电子电路、平板显示器或其他显示器、太阳能电池、微机电系统等的制造中所采用的薄层的沉积或刻蚀。

半导体器件的制造涉及包括在衬底上形成、图案化和去除多个材料层的一系列技术。为了实现当前和下一代半导体器件的物理和电气规格，对于各种图案化工艺，期望能够在维持结构完整性的同时减小特征尺寸的加工流程。从历史上看，已经利用微细加工在一个平面上创建晶体管，并在上方形成接线/金属化层，并且因此，这被表征为二维(2d)电路或2d制作。虽然微缩(scaling)工作已经极大地增加了2d电路中每单位面积的晶体管数量，但是随着微缩进入纳米级半导体器件制作节点，微缩工作也将面临更大的挑战。

随着器件结构的致密化和竖直发展，对精确材料加工的期望变得越来越迫切。在等离子体工艺中，选择性、轮廓控制、膜保形性和均匀性之间的权衡可能难以管理。因此，期望将加工条件隔离和控制为对于刻蚀和沉积方案最佳的设备和技术，以便精确地操纵材料并且满足先进的微缩挑战。

对于每一代半导体技术，不仅必须使得能够精确地操纵材料，而且还必须在整个半导体晶圆上维持足够的均匀性。特别地，边缘处的特征必须与晶圆中心处的特征在外观和功能上相似。如果整个晶圆上的这种变化太大，则必须丢弃在晶圆边缘处形成的芯片，从而大大降低了工艺良品率。

等离子体工艺通常用于制造半导体器件。例如，等离子体刻蚀和等离子体沉积是半导体器件制作期间的常见工艺步骤。由于在半导体制造时使用的晶圆尺寸较大，例如，300mm，因此在等离子体加工期间控制整个晶圆变化是具有挑战性的。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，一种等离子体加工系统包括真空室、被配置为对要加工的衬底进行固持的衬底固持器，其中，该衬底固持器设置在该真空室中。该系统进一步包括设置在该衬底固持器的外围区域上方的电子源，该电子源被配置为朝向该衬底固持器的外围区域生成电子束。

根据本发明的替代性实施例，一种加工方法包括将要加工的衬底放置在衬底固持器上，该衬底固持器设置在真空室内，其中，该衬底包括被外围区域包围的中心区域。将包括弹道电子的电子束从电子源朝向该外围区域引导。

根据本发明的替代性实施例，一种等离子体系统的电子生成装置包括围绕中心部分设置的边缘电极部分。该边缘电极部分包括大于该中心部分的直径的内径、小于该内径的厚度、设置在该内径与外径之间的第一导电区域、以及用于将直流(dc)电源耦合到该第一导电区域的第一电耦合部件。该边缘电极部分还包括外表面，该外表面被配置为暴露于该等离子体系统的等离子体并且被配置为生成电子。

附图说明

为了更完整地理解本发明和其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：

图1是包括dc偏置边缘电极的等离子体加工装置的实施例的示意图；

图2是表面上的示例性电子刺激化学反应的图示；

图3是半导体晶圆上的示例性最边缘区域的图示；

图4a是在半导体晶圆的中心部分中对孔进行刻蚀的示例性图示；

图4b是在半导体晶圆的最边缘区域中对孔进行刻蚀的示例性图示；

图4c是在存在电子束的情况下在半导体晶圆的最边缘部分中对孔进行刻蚀的示例性图示；

图5是包括边缘电极的上电极组件的实施例的平面图图示；

图6是包括边缘电极和中心电极的上电极组件的替代性实施例的平面图图示；

图7是包括边缘电极和中心电极的上电极组件的另一实施例的平面图图示；

图8是其中边缘电极受掩模保护的经掩蔽的上电极组件的实施例的示意性正视截面图；

图9展示了受电介质保护的边缘电极的电子束的示例性动态；

图10是包括边缘电极和中心电极的受保护的上电极组件的实施例的示意性正视截面图；

图11a是对等离子体加工装置中的边缘电极、中心电极和衬底固持器的独立偏置的示意性图示；

图11b是等离子体加工装置中的边缘电极、中心电极和衬底固持器的偏置配置的一些实施例的表；

图12是等离子体加工装置的实施例的示意图，该等离子体加工装置通过上电极组件进行气体供应并且包括dc偏置边缘电极；

图13是包括边缘电极和中心电极以及用于气体供应的导管的上电极组件的实施例的平面图图示；

图14是包括边缘电极和中心电极以及用于气体供应的导管的受保护的上电极组件的实施例的示意性正视截面图；以及

图15是包括在主等离子体真空室外部的电子源的等离子体系统的实施例的示意性图示。

除非另外指示，否则不同图中的对应数字和符号通常指代对应的部分。绘制图以清楚地展示实施例的相关方面，并且这些图不一定按比例绘制。此外，各个图中的气体导管的数量、尺寸和位置并非反映在实际中气体导管的数量、尺寸和位置，而仅旨在说明相关概念。

具体实施方式

为了提高等离子体加工期间的制造良品率，本发明的实施例披露了一种等离子体加工工具和方法，在该方法中，在覆盖晶圆外围区域的电极组件的外围区域中选择性地生成电子束。在等离子体加工期间可以选择性地同时或依次地施加电子束，以改变该外围区域中晶圆表面的反应性，这有助于减轻晶圆的中心区域中的器件与晶圆的外围区域中的器件之间的变化。

将使用图1至图3来描述实施例等离子体加工装置。将使用图4a至图4c来讨论加工工具的说明性应用。将使用图5至图8以及图10来描述可以在图1的等离子体工具中使用的上电极组件的实施例。将使用图12来描述另一实施例等离子体加工装置。将使用图13至图14来描述可以在图12的等离子体工具中使用的上电极组件的实施例。将使用图15来描述电子源在主等离子体真空室外部的实施例。

图1是包括dc偏置边缘电极的等离子体加工装置的实施例的示意图。

在该实施例中，等离子体加工装置100包括加工室105(例如，真空室)、气体输入系统110、衬底固持器115和上电极组件120以及线圈125。气体输入系统110将工艺气体提供到加工室105中。气体输入系统110可以包括多个输入，并且可以将不同的气体输入到加工室105中。在实施例中，向线圈125施加射频(rf)偏置，从而在加工室105的区域130中生成电感耦合等离子体(icp)。在其他实施例中，等离子体可以被生成为电容耦合等离子体(ccp)、微波等离子体或通过其他方法生成的等离子体。工件或衬底135(例如，半导体晶圆)可以放置在衬底固持器115上。在实施例中，可以通过匹配网络137向衬底固持器115和衬底135施加rf偏置。

另外，可以在衬底135周围放置聚焦环139。在一些实施例中，等离子体工艺可以是刻蚀工艺，诸如反应离子刻蚀(rie)工艺、原子层刻蚀(ale)工艺等。在其他实施例中，等离子体工艺可以是沉积工艺，诸如等离子体增强物理气相沉积(pvd)工艺、等离子体增强化学气相沉积(cvd)工艺、原子层沉积(ald)工艺等。在又其他实施例中，等离子体工艺可以产生对衬底的任何物理或化学改性。

在实施例中，上电极组件120包括边缘电极140，并且可选地包括中心电极145。如进一步描述的，边缘电极140可以是用于弹道电子的电子源。在其中衬底135为近似圆形形状的实施例中，边缘电极140和可选的中心电极145可以分别为环形形状和圆形形状。在本文中应当理解，由于衬底135、上电极组件120以及边缘电极140和中心电极145具有非零高度，因此术语“圆形”意在更精确地表示圆柱形，并且术语“环形”意在更精确地表示呈环形圆柱体的形状。

直流(dc)电源150向边缘电极140提供dc偏置。在各种实施例中，dc偏置可以是连续的或脉冲的。在实施例中，供应给边缘电极140的dc偏置相对于衬底135的外围区域(例如，最边缘区域165)为负，从而产生从最边缘区域165到边缘电极140的电场。在该电场的影响下，等离子体中带正电荷的离子朝向边缘电极140加速并且其中一些离子与该边缘电极碰撞。在其中一些碰撞中，从边缘电极140喷出电子。这种电子被称为二次电子，以使其区别于通过气体电离产生的等离子体电子。从表面喷出的二次电子的数量与同该表面碰撞的正离子的数量之比为二次电子发射系数。二次电子发射系数取决于各种因素。通常，该系数对于氧化物表面较高，而对于金属表面较低。对于硅表面，典型的二次电子发射系数可以约为0.1(例如，在一个图示中，对于100v的离子，该系数为0.027)，这表明每十个离子与一个硅电极表面碰撞，就会生成一个二次电子。

从边缘电极140射出的二次电子在电场的影响下朝向衬底135的最边缘区域165加速并且在该过程中获得能量，但是可能会偏离路线而散开，并且在与等离子体中存在的各种物质发生碰撞时也可能失去能量。弹道电子160在等离子体中没有经历碰撞，并且携带由电场赋予这些弹道电子的全部能量到达最边缘区域165。例如，如果边缘电极140与最边缘区域165之间的电势差为300v，则弹道电子160可以携带约300ev的能量到达衬底135。其他电子(几乎是弹道电子)可能只经历了少量的几乎具有弹性的碰撞以维持大部分能量，并且以足以刺激其上的化学反应的大量能量到达衬底。还有其他电子可能经历了许多碰撞，并且携带的能量仅略多于与等离子体中平均电子温度相对应的能量。

从dc电源施加到边缘电极140的dc偏置的大小不仅影响能量，而且还影响到达最边缘区域165的电子数量。刺激表面的化学反应所需的电子能量取决于该表面和期望的化学反应。在许多感兴趣的等离子体工艺中，几百电子伏特量级的能量可以加快或减慢表面的反应速率，而在其他情况下，几十电子伏特量级的能量可能就足够了。施加到边缘电极的dc偏置的大小还可能必须足以确保足够数量的电子以足够的能量到达最边缘区域165。在一些实施例中，施加到边缘电极140的dc偏置相对于在衬底135的最边缘区域165上出现的最小电势为负，该最小电势可能与在衬底135上其他地方出现的最小电势略有不同。当向衬底135供应rf偏置时，最小电势出现在rf周期的最负点处。当通过电容向衬底135供应rf偏置时，dc自偏置也可能出现在衬底135上并对衬底总偏置产生贡献。这种衬底自偏置取决于系统和操作参数两者。在各种实施例中，施加到边缘电极140的dc偏置被选择为在50v到1000v的范围内，并且在一个实施例中被选择为在约500v到1000v的范围内。在一些实施例中，可以在衬底rf偏置接通的同时施加向边缘电极140施加的dc偏置。在其他实施例中，向边缘电极140施加的dc偏置与衬底rf偏置可以交替地进行施加。在图示中，可以断开衬底rf偏置、然后可以向边缘电极140施加dc脉冲并在dc脉冲之后接通衬底rf偏置，并且重复该序列。这种实施例在衬底自偏置较大时特别有利。

尽管二次电子最初可能以各种角度从边缘电极140喷出，并且电子可能由于在等离子体中的碰撞而改变方向，但是电场在沿垂直于边缘电极140的表面的方向上最强并且在该方向上可高效地操纵许多电子。因此，向边缘电极施加负dc偏置会生成一束弹道电子和邻近的弹道电子。良好近似地，二次电子的密度是环形截面并反映了边缘电极140的大小。这些二次电子基本上在垂直于边缘电极的路径上行进并撞击衬底135的外围区域。因此，弹道电子和邻近的弹道电子以高水平的空间精度递送到衬底135的外围区域。

如图1所展示的，二次电子撞击衬底135上的最边缘区域165。边缘电极140被设计成使得到达衬底的电子束良好近似地覆盖衬底135的最边缘区域165。在实施例中，上电极组件120可以定位在相对于衬底居中的等离子体加工系统中，边缘电极140的内半径和宽度可以大约等于衬底135的最边缘区域165的内半径和宽度。

在另一实施例中，边缘电极140的宽度可以大于衬底135的最边缘区域165的宽度，使得电子束既覆盖衬底135又稍微延伸到该衬底的外部。电子束延伸超过衬底135的边缘可以在至少两方面是有益的。在等离子体操作期间，离子可以穿透通常存在于衬底135与聚焦环139之间的较小间隙，但是间隙内部经常被电子遮蔽。因此，正电荷可以在间隙中积聚在衬底固持器115上。该电荷进而改变衬底135的边缘附近的电势，从而导致最边缘165与衬底135的其余部分之间的期望等离子体工艺上的差异。当电子束覆盖间隙区域时，束电子会中和，并且因此防止在此处堆积正电荷。另外，电子束延伸超过衬底135的边缘减小了在将衬底135相对于边缘电极140放置时任何未对准的影响。

在被称为溅射的工艺中，除了生成二次电子之外，撞击在边缘电极140上的正离子(未示出)也可能使电极材料的原子离开原位。这些原子然后可以进入等离子体并到达衬底135。如果边缘电极140和可选的中心电极145直接暴露于等离子体，则这些电极可以由专门被选择为使得它们不会损害预期的等离子体工艺的材料制成。可替代地，边缘电极140和可选的中心电极145可以覆盖在保护层中，该保护层由不会损害预期的等离子体工艺的材料制成。下面进一步讨论上电极组件120的实施例和其他特点。

在一些实施例中，可以在衬底135的表面暴露于来自等离子体的离子的同时将电子束引导到衬底135上。在这种情况下，当离子与衬底135的表面相互作用时，电子束存在于最边缘区域165处。可替代地，在一些实施例中，电子束可以被引导到最边缘区域165上并且然后跟在离子通量之后，使得衬底135的表面在与接收离子不同的时间接收电子。

图2是表面上的示例性电子刺激化学反应的图示。表面210可以是任何材料的任何表面，包括材料的顶表面或侧壁，这些材料诸如硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、光致抗蚀剂、底部抗反射涂层(barc)、各种平坦化材料、硬掩模等。特别地，表面210可以是在等离子体刻蚀工艺期间用作刻蚀掩模的任何层的表面。尽管表面210在图2中被示出为是氢封端的，但是该表面通常可以被一个或多个其他原子或原子团(诸如羟基、卤素原子、胺基、氟碳基团等)全部或部分地终止。

如果电子220以足够的能量撞击表面210，则该电子可能破坏表面上的键，从而解吸先前键合至表面的物质并留下悬空键。例如，电子220可以刺激氢原子223的解吸并产生第一悬空键227。

因此产生的悬空键可以参与随后的反应。例如，氢原子230可以到达第二悬空键233的位点并通过与底部材料的原子形成键而吸附在表面上，从而终止第二悬空键233。同样，反应物r1240可以吸附在表面上，从而终止第三悬空键243。在另一种情况下，反应物r2250与悬空键的相互作用可以产生两种物质，即吸附在表面上的反应物r2’253和离开表面的反应副产物p257。在一些等离子体工艺中，反应物r1和r2可以是碳氟化合物。

悬空键的表面密度的变化或覆盖表面的物质的变化可能会影响不同的等离子体工艺，诸如刻蚀或沉积。例如，悬空键可能促进沉积。同样，碳氟化合物覆盖硅表面可以保护该硅表面不受等离子体离子的影响，从而使得该硅表面比氢封端表面相对更耐刻蚀。值得注意的是，附加电子的到达可能会在吸附的反应物上产生附加的悬空键，从而导致表面210上的材料持续生长。例如，如果反应物r1240或反应物r2250是碳氟化合物，则碳氟化合物涂层可以在表面210上继续生长。

在实施例中，在图1中提到的衬底135的最边缘区域165包括衬底135的宽度的10％或更少(并且在另一实施例中包括2％或更少)，并且在另一实施例中包括衬底135的外边缘。

在一个实施例中，衬底135可以是圆形半导体晶圆。图3是半导体晶圆上的示例性最边缘区域的图示。在晶圆300上，最边缘区域310可以是近似环形的形状。就像半导体晶圆300是衬底135的示例一样，半导体晶圆300的最边缘区域310是衬底135的最边缘区域165的示例。在各种实施例中，半导体晶圆的最边缘区域310的内半径315与其最边缘区域310的宽度320之比可以在10:1到150:1之间，并且在图示中在40:1到150:1之间。

在图示中，最边缘区域310包括晶圆300的外边缘330。在一些实施例中，最边缘区域包括从外边缘330向内延伸宽度320的环形区域，该宽度为衬底135的半径的10％或更少、并且优选地为2％或更少。例如，对于直径为300毫米的晶圆，最边缘区域包括从外边缘330向内延伸宽度320的环形区域，该宽度为15毫米或更少、并且优选地为3毫米或更少。本文中设想到的是，在一些应用中，最边缘区域310可能没有达到外边缘330，而是可以完全位于由外边缘330限定的圆圈内。在本文中还应认识到，如果衬底不是圆形，则最边缘区域可能不是环形形状。衬底135的最边缘区域165中的等离子体加工效果的至少一方面可以与晶圆的内部部分340中的相同方面不同。例如，等离子体工艺可以是沉积工艺，并且等离子体工艺的效果的一方面可以是给定类型的特征在顶表面或侧壁上的生长速率。等离子体工艺可以是旨在通过在线特征周围进行刻蚀来形成线特征的刻蚀工艺，并且等离子体工艺的效果的一方面可以是线特征的宽度。或者等离子体工艺可以是旨在在衬底上的层中对近似圆柱形孔进行刻蚀的刻蚀工艺，并且等离子体工艺的效果的一方面可以是孔的直径。

图4a是在半导体晶圆的中心部分中对孔进行刻蚀的示例性图示。光致抗蚀剂405的图案化层已经形成在硬掩模410上，该硬掩模又位于氧化物层415上。硬掩模410可以是硅、氮化硅、碳化硅等。在这种情况下通常采用两步刻蚀工艺。在第一步骤中，将光致抗蚀剂405用作刻蚀掩模，使用刻蚀工艺在硬掩模410中对开口进行刻蚀。在第二步骤中，将硬掩模410和任何残余的光致抗蚀剂405用作刻蚀掩模，使用第二刻蚀工艺在氧化物层415中对孔进行刻蚀。光致抗蚀剂405的暴露表面、硬掩模410的暴露表面或这两者的暴露表面在任一个或两个等离子体步骤中可能会被腐蚀，因为它们在一定程度上也受到了刻蚀。等离子体工艺的效果的一方面是在氧化物层中刻蚀的孔的直径425，该直径例如是在顶部测得的。直径425部分地通过这种腐蚀来确定。

图4b是在半导体晶圆的最边缘区域中对孔进行刻蚀的示例性图示。在该示例中，与晶圆内部区域中共同的相对位置435相比，光致抗蚀剂405的顶表面440和侧壁445以及硬掩模420的侧壁450展现出更大的腐蚀。因此，孔在晶圆的最边缘区域中的直径455大于其在该晶圆的内部区域中的直径425。与内部区域相比，最边缘区域的腐蚀程度的差异可能由各种因素引起，包括晶圆和聚焦环的电势差异、晶圆的温度差异、或晶圆边缘附近的各种等离子体物质的能量或密度。例如，由于晶圆上特征在边缘处突然终止而产生的负载效应可能会产生这种密度差异。可以通过审慎地设计和操作聚焦环来减轻由晶圆和聚焦环的电势差异产生的效应。然而，由于等离子体物质的扩散和热扩散，与温度和化学因素有关的效应难以对精细的空间分辨率产生影响。本文还认识到，光致抗蚀剂405的初始厚度或侧壁轮廓可能由于较早的工艺步骤而存在差异。

图4c是在存在电子束的情况下在半导体晶圆的最边缘部分中对孔进行刻蚀的示例性图示。可能发生两个竞争过程，一方面是通过刻蚀对光致抗蚀剂405和硬掩模410的腐蚀，而另一方面是反应物在光致抗蚀剂405和硬掩模410的表面上的电子刺激生长。例如，生长可以在初始腐蚀期之后开始。可以到达光致抗蚀剂和硬掩模的表面的有利位置465，并且之后使该有利位置在这两个竞争过程之间维持平衡。

因此，可以利用电子束在晶圆的最边缘区域中获得小于先前描述的孔直径455并且因此更接近孔内径425的孔外径470。在本文中应当理解，尽管束电子可以到达被刻蚀的孔的内表面，但是由于侧壁的遮蔽效果而导致孔内氟碳反应物相对不可用，因此这些束电子对抑制孔的刻蚀的影响有限。

图5是包括边缘电极的上电极组件的实施例的平面图图示。在实施例中，上电极组件500包括电介质中心件510、边缘电极140和外绝缘体530。中心件510可以是近似圆柱形形状，并且该中心件的厚度可以小于其直径。边缘电极140和外绝缘体530可以是近似环形的圆柱体形状。在各种实施例中，边缘电极140可以由不损害预期的等离子体工艺的导电材料制成。例如，对于氧化硅刻蚀工艺，边缘电极140可以由硅或碳化硅制成。在各种实施例中，中心件510和外绝缘体530可以由一种或多种绝缘材料(包括诸如氧化钇等陶瓷)制成。边缘电极140的内半径570和宽度580可以大约等于半导体晶圆的最边缘区域310的内半径315和宽度320(例如，如以上所讨论的)。因此，在各种实施例中，边缘电极140的内半径570与边缘电极140的宽度580之比可以在10:1到150:1之间。在其他实施例中，宽度580可以大于半导体晶圆的最边缘区域310的宽度320。

可以向边缘电极140供应连续或脉冲的dc偏置。在刻蚀工艺的示例性应用中，该工艺可以在大约100毫秒内去除期望刻蚀的材料的一个单层，并且刻蚀掩模表面上的表面位点的数量可以为每平方厘米10¹⁵个位点的数量级。例如，硅(100)表面上的晶格表面位点的总数约为1.3×10¹⁵cm^-2。为了在这种刻蚀工艺中有利地影响刻蚀掩模表面上的化学工艺，各种实施例可以每100毫秒提供每平方厘米10¹⁴到10¹⁶个电子的电子通量。为了说明，可以将电子通量选择为相对于表面上的反应物或悬空键的瞬时浓度(其本身可以低于键位点的总数)维持电子过饱和。

对于其中施加到边缘电极140的dc偏置是连续的实施例，通常可用的连续dc电源能够很好地提供必要的电流。

在一些实施例中，可以仅在刺激刻蚀掩模表面上的生长所需的时间和持续时间内施加连续的dc偏置。在千赫兹频率范围内操作的通常可用的脉冲dc电源每秒提供数千个脉冲。对于其中施加到边缘电极140的dc偏置是脉冲的实施例，每100毫秒提供每平方厘米10¹⁴到10¹⁶个电子的束通量所需的电流水平完全在这种电源的能力之内。在实施例中，将脉冲宽度选择为足够长以确保供应期望的束通量。在一些实施例中，可以仅在需要刺激刻蚀掩模表面上的生长时才施加dc脉冲。

图6是包括边缘电极和中心电极的上电极组件的实施例的平面图图示。与图5的实施例不同，在该实施例中，上电极组件包括附加的中心电极。

因此，在该实施例中，上电极组件120包括中心电极145、内绝缘体620、边缘电极140和外绝缘体530。中心电极145可以是近似圆柱形形状，并且该中心电极的厚度可以小于其直径。内绝缘体620、边缘电极140和外绝缘体530可以是近似环形的圆柱体形状。在实施例中，中心电极145可以由掺杂的硅制成。内绝缘体620可以由各种绝缘材料(包括诸如氧化钇等陶瓷)制成。

在各种实施例中，可以向中心电极610供应与边缘电极140不同的偏置电压。下面将进一步讨论使中心电极145和边缘电极140偏置的各种实施例。

图7是包括边缘电极和中心电极的上电极组件的另一实施例的平面图图示。除了图6中描述的中心电极之外，该实施例进一步包括包围边缘电极的外部件。

在该实施例中，上电极组件700包括中心电极145、内绝缘体620、边缘电极140、外绝缘体740以及外部件750。外绝缘体740和外部件750可以是近似环形的圆柱体形状。外绝缘体740在边缘电极140与外部件750之间提供电绝缘，并且可以由一种或多种绝缘材料(诸如陶瓷等)制成，并且可以在宽度上与外绝缘体530不同。外部件750可以由绝缘材料或导电材料制成。

在其中外部件750导电的实施例中，该外部件可以接地，或者对其进行连续或脉冲模式的dc偏置或rf偏置。在这种实施例中，附加的绝缘环(未示出)可以包围外部件750。

在图5至图7的实施例中，上电极组件的电极暴露于等离子体。因此，电极材料可能被溅射到等离子体中，并且可能地到达衬底并干扰其上的等离子体加工。例如，在电极由掺杂的硅制成的实施例中，硅的溅射可能与硅刻蚀工艺竞争并降低其效率。对于这种应用，可以采用受保护掩模的实施例。在受保护掩模的实施例中，可以通过覆盖物或层压材料来保护电极免受等离子体的影响。由于在操作期间覆盖材料可能会被溅射，因此该覆盖材料被选择为使得该覆盖材料不会损害刻蚀工艺。取决于刻蚀工艺，覆盖材料可能是电介质，诸如包括氧化钇的陶瓷、氧化物、氮化物等、或其复合物或组合。

图8是其中边缘电极受掩模保护的经掩蔽的上电极组件800的实施例的示意性正视截面图。在该实施例中，边缘电极140设置在保护电介质820中。边缘电极140由导电材料(诸如掺杂的硅、金属或合金、或其组合)制成，并且为近似环形的圆柱体形状。边缘电极的高度通常小于其直径。保护电介质可以包括一种或多种绝缘材料(包括诸如氧化钇等陶瓷)中的一片或多片绝缘材料。在各种实施例中，边缘电极140可以被印刷到保护电介质820中的一片或多片保护电介质中，或者边缘电极140和保护电介质820可以由单独片组装而成。边缘电极140设置有边缘触点825，用于电气接入以允许偏置。

保护电介质820的表面区域830面对等离子体、覆盖边缘电极140并为近似环形的形状。当向边缘电极施加负dc偏置时，等离子体中的正离子被吸引朝向边缘电极140、撞击在表面区域830上并从表面区域830生成二次电子。然而，由于电介质不导电，因此电荷逐渐聚集在表面区域830上直到生成二次电子，并且因此所产生的电子束被熄灭。

图9展示了受电介质保护的边缘电极的电子束的示例性动态。轨迹a、b和c分别描绘了施加到边缘电极的偏置、电介质表面的电压以及电子束中电子的通量。在时间t1处向边缘电极140施加负dc偏置。表面区域830处的电压从在一些工艺中不存在施加的偏置时的电压值迅速下降到负10v左右的较小值、接近大约等于施加的偏置的值。在时间t2处产生明显的电子束通量。当电荷聚集在表面区域830上时，表面电压缓慢上升回到其原始值。在时间t3处，表面电压不再足以生成显著的电子束通量，并且到时间t4表面电压几乎已经恢复到其原始值。为了连续地影响衬底上的等离子体工艺，有利的是去除dc偏置，从而允许积聚在表面区域830上的电荷逸散到等离子体中，并且在时间t5处重新施加dc偏置。因此，使用脉冲dc电源来使经掩蔽的上电极组件800中的边缘电极140偏置是有利的。

图10是包括边缘电极和中心电极的受保护的上电极组件的实施例的示意性正视截面图。在该实施例中，边缘电极140和中心电极145设置在绝缘本体1020中。另外，保护电介质1030用于将边缘电极140与中心电极145绝缘，并且保护它们免受等离子体的影响。

在实施例中，保护电介质1030可以是氧化钇。氧化钇通常用作等离子体系统中的涂层，并且通常不会导致明显的污染。在其他实施例中，保护电介质1030可以包括一种或多种其他绝缘材料(包括其他陶瓷)中的一片或多片绝缘材料。边缘电极140和中心电极145由导电材料制成，这种导电材料诸如掺杂的硅、金属或合金、或其组合。在各种实施例中，边缘电极140和中心电极145可以被印刷到本体1020或保护电介质1030的一片或多片中，或者该边缘电极和中心电极可以由单独片组装而成。边缘电极140和中心电极145设置有边缘触点825和中心触点1045，用于电气接入以允许独立偏置。

图11a是对等离子体加工装置中的边缘电极140、中心电极145和衬底固持器115的独立偏置的示意性图示，而图11b是其偏置配置的一些实施例的表。施加到边缘电极140的脉冲dc偏置a与施加到中心电极145的脉冲dc偏置b可以在电压、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲定时或其组合方面不同。在一些实施例中，脉冲dc偏置a的大小可以大于脉冲dc偏置b，从而使得到达最边缘区域的电子通量大于衬底的内部部分。在其他实施例中，脉冲dc偏置b的大小可以大于脉冲dc偏置a，从而使得到达内部部分的电子通量大于衬底的最边缘区域。在需要电子优先在内部部分而不是在最边缘区域中刺激化学反应的情况下，后一种实施例是有利的。在又其他实施例中，脉冲dc偏置a的脉冲可以与脉冲dc偏置b的脉冲交替，从而使衬底的最边缘部分和内部部分交替地暴露于电子。

在图11b的第1行至第3行中指出的hf(高频)偏置和lf(低频)偏置分别是指在等离子体系统中通常用于上电极和衬底固持器的偏置。lf频率通常低于30khz、但在一些应用中为400khz或800khz，而hf偏置通常在3mhz到300mhz之间的频率范围内，其中通常采用的频率是13mhz、27mhz、40mhz、60mhz、100mhz、120mhz和200mhz。第4行至第7行中列出的配置与第1行至第3行中的配置相关，其中，将hf偏置施加到衬底固持器而不是施加到中心电极。

其他偏置配置也是可能的。例如，除了脉冲dc偏置a之外，还可以向边缘电极140施加在配置1至3中施加到中心电极145的hf偏置。在其他配置中，衬底115可以接地，而向中心电极145以及可选地向边缘电极140施加rf偏置。此外，可以通过匹配网络或电容施加各种偏置，并且可以存在线圈以进一步保持等离子体。

在本文中认识到，在等离子体加工系统的一些实施例中，可以通过平面线圈来保持电感耦合的等离子体。在这种实施例中，可以使用法拉第笼以允许对专用电极的dc偏置，并因此生成指向晶圆的最边缘区域的电子束。

在一些等离子体系统中，习惯上通过上电极组件供应工艺气体。图12是等离子体加工装置的实施例的示意图，该等离子体加工装置通过上电极组件进行气体供应并且包括dc偏置边缘电极。在该实施例中，等离子体加工装置1200包括气体输入系统1210、衬底固持器115和上电极组件1220。工艺气体通过上电极组件1220中的气体导管1240被引入到等离子体区域1230中。在实施例中，上电极组件包括边缘电极1250，并且可选地包括中心电极1260。另外，dc电源1270向边缘电极1250提供dc偏置。取决于上电极组件1220的任一实施例中的气体导管1240的放置，边缘电极1250可以类似于边缘电极140。

图13是包括边缘电极和中心电极以及用于气体供应的导管的上电极组件的实施例的平面图图示。在该实施例中，经掩蔽的上电极组件1300包括中心电极1260、内绝缘体620、边缘电极1250、外绝缘体740以及外部件1350。在该实施例中，中心电极1260和外部件1350可以在材料、形式和操作方面与图7的中心电极145和外部件750相似，不同之处在于气体导管1240设置在中心电极1260和外部件1350中以允许气体通过。

图14是包括边缘电极和中心电极以及用于气体供应的导管的受保护的上电极组件1400的实施例的示意性正视截面图。在该实施例中，边缘电极1250和中心电极1260设置在绝缘本体1420中。另外，保护电介质1430用于将边缘电极1250与中心电极1260绝缘，并且保护它们免受等离子体的影响。

在实施例中，保护电介质1430可以是氧化钇。在其他实施例中，保护电介质1430可以包括一种或多种其他绝缘材料(包括其他陶瓷)中的一片或多片绝缘材料。边缘电极1250和中心电极1260由导电材料制成，这种导电材料诸如掺杂的硅、金属或合金、或其组合。在各种实施例中，边缘电极1250和中心电极1260可以被印刷到本体1420或保护电介质1430的一片或多片中，或者该边缘电极和中心电极可以由单独片组装而成。

边缘电极1250和中心电极1260分别设置有边缘触点1440和中心触点1445以进行电气接入，从而允许偏置。气体导管1240设置在受保护的上电极组件1400中以允许气体通过。

如前所提及的，在本文中设想到的是，在各种实施例中，施加到边缘电极、或中心电极、或这两者的dc偏置(无论是连续的还是脉冲的)都可以仅在等离子体工艺之前或期间的选定时间施加。例如，可以在以下情况下施加dc偏置：仅在等离子体工艺的早期阶段、仅在多步骤工艺的一个步骤期间、仅在偶尔抵消对诸如刻蚀掩模等特征的腐蚀时、仅在对诸如刻蚀掩模等特征的腐蚀达到关注水平时、以周期性方式等。同样，可以例如通过在等离子体工艺之前或期间的选定时间改变dc偏置的大小、或改变脉冲偏置的脉冲宽度和脉冲频率、或限制供应给电极的电流来调制这些偏置。此外，可以在一个或多个rf偏置接通的同时或与一个或多个rf偏置交替地将dc偏置施加到边缘电极或中心电极。例如，可以断开一个或多个rf偏置、施加dc脉冲、接通(多个)所述rf偏置并重复该序列。

如上所提及的，在上电极组件的一些实施例中，可以不存在中心电极。在本文中设想到的是，在这种情况下，上电极组件可以是环形形状，并且不活动的中心部分的至少一部分是不存在的。

在以上披露的实施例中，供应有脉冲的或连续的dc偏置的边缘电极用于生成主要由二次电子组成的电子束，并将该电子束朝向衬底的最边缘区域引导。在其他实施例中，可以采用可能在传统等离子体加工装置的关键元件外部的其他电子源来形成该束。

图15是包括在主等离子体室1515(例如，真空室)外部的电子源1510的等离子体系统1500的实施例的示意性图示。

在该实施例中，rf偏置被施加到主线圈1520，从而保持主室1515的区域1525中的等离子体以用于等离子体加工。在实施例中，电子源1510包括可以是环形圆柱体的源室1550。可以通过各种技术(包括电感耦合、电子-回旋共振(ecr)、中空阴极等)在源室1550的内部区域1553中创建与主等离子体不同的电子源等离子体。

在图15所展示的实施例中，rf供应源线圈1557保持区域1553中的源等离子体。dc电源1559向源室1550的一些内表面提供dc偏置。在各种实施例中，dc偏置可以是连续的或脉冲的。在实施例中，出口1560接地。二次电子是通过源等离子体中的离子与源室1550的内表面的碰撞而生成的，并且在源室1550的dc偏置表面与接地出口1560之间的电场的影响下被驱使朝向出口1560并通过该出口。出口1560可以是环形形状，从而产生环形截面的电子束。在各种实施例中，面向主等离子体的表面1565也接地。

这里总结了本发明的示例实施例。从说明书的整体以及本文提出的权利要求中也可以理解其他实施例。

示例1.一种等离子体加工系统，包括：真空室；衬底固持器，该衬底固持器被配置为对要加工的衬底进行固持并且设置在该真空室中；以及设置在该衬底固持器的外围区域上方的电子源，该电子源被配置为朝向该衬底固持器的外围区域生成电子束。

示例2.如示例1所述的系统，其中，该电子源包括耦合到直流(dc)供应节点的边缘电极。

示例3.如示例2所述的系统，其中，该边缘电极的内半径与该边缘电极的宽度之比在10:1到150:1之间变化。

示例4.如示例2至3之一所述的系统，其中，该边缘电极被电介质材料覆盖。

示例5.如示例2至4之一所述的系统，进一步包括设置在该衬底固持器的中心区域上方的中心电极，该中心电极设置在该边缘电极内。

示例6.如示例5所述的系统，进一步包括通过该中心电极的、用于将气体提供到该室中的气体入口。

示例7.如示例5至6之一所述的系统，其中，该中心电极包括掺杂的半导体材料。

示例8.如示例1至7之一所述的系统，其中，该系统被配置为使用电感工艺或电容工艺在该真空室内生成等离子体。

示例9.如示例1至8之一所述的系统，其中，该电子源包括被配置为耦合到外部电子源的出口。

示例10.一种使用如权利要求1所述的系统对半导体衬底进行加工的方法，其中，该方法包括将该半导体衬底放置在该衬底固持器上方；以及在该真空室中对该半导体衬底进行加工。

示例11.一种加工方法，包括：将要加工的衬底放置在衬底固持器上，该衬底固持器设置在真空室内，该衬底包括被外围区域包围的中心区域；以及将包括弹道电子的电子束从电子源朝向该外围区域引导。

示例12.如示例11所述的方法，其中，引导该电子束包括对设置在该外围区域上方的边缘电极施加第一直流脉冲。

示例13.如示例11或12之一所述的方法，其中，该电子源包括设置在该外围区域上方的边缘电极和设置在该中心区域上方的中心电极。

示例14.如示例13所述的方法，其中，引导该电子束包括：在该边缘电极上施加直流脉冲序列、在该中心电极上施加高频偏置并在该衬底固持器上施加低频偏置；在该边缘电极上施加第一直流脉冲序列、在该中心电极上施加高频偏置和第二直流脉冲序列并在该衬底固持器上施加低频偏置；在该边缘电极上施加第一直流脉冲序列、在该中心电极上施加高频偏置和第二直流脉冲序列并在该衬底固持器上施加第三低频偏置脉冲序列；在该边缘电极上施加第一直流脉冲序列、在该中心电极上施加参考电势并在该衬底固持器上施加高频偏置和低频偏置；在该边缘电极上施加第一直流脉冲序列、在该中心电极上施加第二直流脉冲序列并在该衬底固持器上施加高频偏置和低频偏置；在该边缘电极上施加第一直流脉冲序列、在该中心电极上施加参考电势并在该衬底固持器上施加高频偏置和脉冲低频偏置；或者在该边缘电极上施加直流脉冲序列、在该中心电极上施加第二直流脉冲序列并在该衬底固持器上施加高频偏置和脉冲低频偏置。

示例15.如示例13所述的方法，其中，引导该电子束包括：在该边缘电极上施加直流脉冲序列、在该中心电极上施加射频偏置并在该衬底固持器上施加参考电势；在该边缘电极上施加射频偏置和直流脉冲序列、在该中心电极上施加射频偏置并在该衬底固持器上施加参考电势；或者在该边缘电极上施加直流脉冲序列、在该中心电极上施加参考电势并在该衬底固持器上施加射频偏置。

示例16.如示例11至15之一所述的方法，进一步包括：在真空室内生成等离子体；以及将离子从该等离子体朝向该衬底引导；以及利用这些离子和包括这些弹道电子的电子束对该衬底的表面进行加工。

示例17.如示例16所述的方法，其中，引导该电子束与引导这些离子是交替进行的。

示例18.如示例16所述的方法，其中，引导该电子束与引导这些离子是同时进行的。

示例19.一种等离子体系统的电子生成装置，该装置包括：围绕中心部分设置的边缘电极部分，该边缘电极部分包括：大于该中心部分的直径的内径、小于该内径的厚度、设置在该内径与外径之间的第一导电区域、用于将直流(dc)电源耦合到该第一导电区域的第一电耦合部件、以及被配置为暴露于该等离子体系统的等离子体并被配置为生成电子的外表面。

示例20.如示例19所述的装置，其中，该边缘电极部分被电介质材料覆盖。

示例21.如示例19或20之一所述的装置，进一步包括：设置在该中心部分中的中心电极部分，该中心电极部分包括：沿该中心电极部分分布或分布在该中心电极部分内的第二导电区域；用于直流(dc)电源或交流(ac)电源的第二电耦合部件，该第二电耦合部件耦合到该第二导电区域；以及大于该中心电极部分的厚度的直径，其中，该第二电耦合部件与该第一电耦合部件电隔离。

示例22.如示例21所述的装置，其中，该第二导电区域包括掺杂的半导体材料。

示例23.如示例21至22之一所述的装置，其中，该中心电极部分包括多个气体导管，该多个气体导管包括该中心电极部分的表面上的气体入口以及相反表面上的气体出口。

尽管已经参考说明性实施例描述了本发明，但是此描述并非旨在以限制性的意义来解释。参考描述，说明性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，以上诸如在图5和图6中讨论的上电极组件的其他实施例可以装配有可在图12的等离子体系统实施例中操作的气体导管。因此，意图是所附权利要求涵盖任何这种修改或实施例。