用於均勻等離子體產生的切換式電子束等離子體源陣列的製作方法

2023-06-02 01:09:56

用於均勻等離子體產生的切換式電子束等離子體源陣列的製作方法
【專利摘要】周期性地切換環繞等離子體反應器的處理區域的電子束源陣列以改變電子束傳播方向並消除或降低不均勻性。
【專利說明】用於均勻等離子體產生的切換式電子束等離子體源陣列
發明領域
[0001]本發明的實施例是關於用於均勻等離子體產生的切換式電子束等離子體源陣列。
[0002]背景
[0003]用於處理工件的等離子體反應器可使用電子束作為等離子體源。此類等離子體反應器可展現歸因於電子束內的電子密度及/或動能的不均勻分布的處理結果的不均勻分布(例如，橫跨工件表面的蝕刻速率的分布)。此類不均勻性可沿束傳播的方向分布且此類不均勻性亦可在垂直於束傳播方向的方向上分布。
[0004]概述
[0005]等離子體反應器包含處理腔室及在所述腔室內的工件支撐基座，所述處理腔室包含側壁、底板及頂板，且所述工件支撐基座具有工件支撐平面並且所述工件支撐基座界定所述工件支撐平面與所述頂板之間的處理區域。提供具有面向所述處理區域的相應束髮射軸的電子束源陣列，所述電子束源陣列在所述腔室外部，所述側壁包含與所述束髮射軸中的相應束髮射軸對齊的相應孔。進一步提供與所述電子束源陣列對準的束收集器(電子電流收集器)陣列及耦合至所述束收集器中的相應束收集器的相應伺服系統，所述束收集器中的每一個在束阻隔位置及未阻隔位置之間單獨地可移動。控制器耦合至所述相應伺服系統。
[0006]在進一步方面中，提供與所述束髮射軸中的相應束髮射軸對準的束圍磁場源及耦合至所述束圍磁場源中的相應束圍磁場源並具有可反向電流極性的各個電流源。控制器進一步耦合至所述相應電流源。在一個實施例中，相對的所述電子束源對共享所述束髮射軸中的相應束髮射軸，且控制器被編程為周期性地引起沿所述束髮射軸中的相應束髮射軸的電子束傳播方向的反向。
[0007]附圖簡述
[0008]為了獲得且可詳細理解本發明的示例性實施例的方式，可參照圖示於附圖中的本發明的實施例來理解上文簡要概述的本發明的更特定描述。應理解，本文未論述某些熟知過程以免混淆本發明。
[0009]圖1A、圖1B及圖1C是具有一對相對束源的等離子體反應器的正視圖，在所述等離子體反應器中，沿束髮射軸的束傳播方向在所需速率下是可反向的。在第一實施例中，束源使用直流放電作為等離子體源。
[0010]圖2及圖3是具有圍繞等離子體反應器腔室外部的電子束源陣列的等離子體反應器的平面圖，在所述等離子體反應器中，束傳播方向在二維空間中是可改變的。
[0011]圖4A至圖4E是描繪用於操作圖2及圖3的等離子體反應器的模式的示例的同期時序圖。
[0012]圖5A及圖5B描繪使用環形等離子體源的用於圖1A或圖2的等離子體反應器的電子束源。
[0013]圖6描繪使用電容耦合的等離子體源的用於圖1A或圖2的等離子體反應器的電子束源。[0014]圖7A及圖7B分別是使用感應耦合的等離子體源的用於圖1A或圖2的等離子體反應器的電子束源的側視圖及端視圖。
[0015]為了促進理解，在可能的情況下，已使用相同的附圖標記指定諸圖所共享的相同元件。可以預期，一個實施例的元件及特徵結構可有利地併入其它實施例而無需進一步詳述。然而，應注意的是，附圖僅圖示本發明的示例性實施例並因此不將附圖視為限制本發明的範疇，因為本發明可允許其它等效實施例。
[0016]詳細描述
[0017]圖1A描繪具有電子束等離子體源的等離子體反應器。反應器包括處理腔室100，所述處理腔室100由圓柱形側壁102、底板104及頂板106封閉。工件支撐基座108支撐工件110(諸如半導體晶圓)，基座108在軸向(例如，垂直)方向上可移動。氣體分配板112與頂板106整合或安裝在所述頂板106上，並且所述氣體分配板112接收來自處理氣體供應114的處理氣體。真空泵116經由底板104將腔室抽空。處理區域118被界定在工件110與氣體分配板112之間。在處理區域118內，將處理氣體離子化以產生用於處理工件110的等離子體。
[0018]等離子體是由電子束在處理區域118中產生。在圖1A中，第一電子束源120-1包括等離子體產生腔室122，所述等離子體產生腔室122在處理腔室100外部並具有導電外殼124。第一電子束源120-1最佳可見於圖1B的放大視圖中。導電外殼124具有頸部或氣體入口 125。電子束源氣體供應127耦合至氣體入口 125。導電外殼124具有開口 124a，所述開口 124a經由處理腔室100的側壁102中的開口 102a面向處理區域118。
[0019]第一電子束源120-1包括在開口 124a與等離子體產生腔室122之間的析取網格126，以及在析取網格126與處理區域118之間的加速網格128。析取網格126及加速網格128可形成為例如獨立的導電篩網(mesh)。析取網格126及加速網格128分別安裝有絕緣體130、132，以使所述析取網格126與所述加速網格128彼此電絕緣並與導電外殼124電絕緣。然而，加速網格128與腔室100的側壁102電接觸。開口 124a及102a與析取網格126及加速網格128 —般是互相一致的，並界定電子束進入處理區域118中的薄寬流道。流道的寬度約為工件110的直徑(例如，IOOmm至500mm)，如圖2中所描繪，而流道的高度小於約兩英寸。經由析取網格126自腔室122內的等離子體析取電子，並且由於加速網格與析取網格之間的電壓差經由加速網格128而加速所述電子以產生流入處理腔室100的電子束。
[0020]第一電子束源120-1進一步包括第一對電磁體134-1及134_2，所述第一對電磁體134-1及134-2與第一電子束源120-1對準並產生與電子束方向平行的磁場。電子束流經工件110上的處理區域118，並且電子束在處理區域118的相對側上被第一束收集器136-1吸收。第一束收集器136-1是具有適於捕捉寬薄電子束的形狀的導電體。
[0021]等離子體直流放電電壓供應140-1的負端子耦合至導電外殼124，且電壓供應140-1的正端子耦合至析取網格126。進而，電子束加速電壓供應142-1的負端子連接至析取網格126，且電壓供應142-1的正端子連接至處理腔室100的接地側壁102。第一對線圈電流供應146-1及146-2耦合至第一對電磁體134-1及134-2。
[0022]圖1A的反應器能夠將通過處理區域118的電子束流的方向反向。優點在於，此特徵可降低或校正電子束密度的分布沿傳播方向(縱向)的不均勻性。為此目的，提供與如圖IB所描繪的第一電子束源120-1結構相同、但面向相反方向且位於腔室100的相對側上的第二電子束源120-2。第二電子束源120-2包括對應於上文關於第一電子束源120-1所描述的那些元件的元件，所述元件包括第一對電磁體134-1及134-2、直流放電電壓供應140-2、加速電壓供應142-2及線圈電流供應146-1及146-2。亦提供在與第一束收集器136-1相對的側上的第二束收集器136-2，以及用於獨立地提升及降低第一及第二束收集器136-1、136-2的軸向位置的各個伺服系統152。
[0023]可控制線圈電流供應146-1及146-2以使電磁體134_1及134_2在相同方向上產生磁場。控制器150管理各個伺服系統152以根據所需束方向定位束收集器136-1、136-2。具體而言，對於圖1A中從右至左的電子束傳播，將第一束收集器136-1提升進入來自第一電子束源120-1的電子束的路徑，而降低第二束收集器136-2至電子束路徑之下。
[0024]為了將電子束方向反向，採用圖1C中描繪的配置，在所述配置中，降低第一束收集器136-1同時提升第二束收集器136-2。因此交替提升束收集器136-1及束收集器136-2，以一個束收集器被提升並阻隔來自最近電子束源的電子束流，同時降低相對的束收集器以允許來自相對電子束源的電子束流。
[0025]如上所述，圖1A及IC的實施例包括一對相對電子束源120-1及120_2，所述一對電子束源120-1及120-2能夠沿著一個軸將電子束傳播方向反向，如上所述。在又一實施例中，提供至少二對(或更多對)相對電子束源，所述二對(或更多對)相對電子束源沿不同軸橫跨處理區域118彼此面對。優點在於，此特徵可降低或校正沿與電子束流垂直的方向的電子束密度分布的不均勻性。
[0026]舉例而言，圖2例示實施例，在所述實施例中提供兩對相對電子束源，在所述兩對相對電子束源中，第一對相對電子束源120-1、120-2提供沿第一(「X」)軸的可反向電子束流，而第二對相對電子束源120-3及120-4提供沿正交於第一(「X」)軸的第二( 「y」)軸的可反向電子束流。所述相對電子束源對的結構與上文關於圖1A及圖1B描述的電子束源的結構相同。第一對電子束源120-1及120-2使用第一對電磁體134-1及134-2，且第二對電子束源120-3及120-4使用第二對電磁體134-3及134-4。第二對電磁體134-3及134-4由各個線圈電流供應146-3及146-4供給。此外，提供各個束收集器伺服系統，所述各個束收集器伺服系統管理束阻隔(舉升)位置與未阻隔(降低)位置之間的各個束收集器 136-1、136-2、136-3 及 136-4 的個體移動。
[0027]控制器150管理各個伺服系統152以有選擇地啟用及將沿兩個軸中的每一者的電子束流反向。
[0028]如圖2中所示，主機移送腔室400經由移送埠 410耦合至側壁102中的工件移送開口 420。移送埠 410以圖2中描繪的方式安裝在電磁體134-2內。
[0029]圖3描繪對於兩對相對束源120-1至120-4產生的磁場。在圖3中，由與「x」軸平行的第一電子束源120-1及第二電子束源120-2的電磁體134-1及134-2產生的場標記為「X場」。同樣地，由與「y」軸平行的第三電子束源120-3及第四電子束源120-4的電磁體134-3及134-4產生的場標記為「y場」。可藉由控制器150交替地(異步地)啟用沿兩個軸的電子束流。可以用戶選擇的速率周期性地反向沿每一軸的流向，且沿每一軸的方向反向的速率對於所有軸而言可能是不同的或對於所有軸而言可能是相同速率。
[0030]以異步模式操作的一種方式是將四個束收集器136-1至136-4維持在各自的提升或「阻隔」位置(以阻隔束傳播)，並將所述四個束收集器136-1至136-4的每一者一次一個地依次降低(至所述束收集器的「未阻隔」位置)。以此類異步模式的束源的操作的示例是描繪於圖4A至圖4E中。圖4A至圖4E是電子束傳播方向(圖4A)以及束收集器136-1至136-4(圖4B至圖4E)的位置的同期時序圖。圖4A至圖4E示出當束收集器136-1在「向下」位置時束方向是沿正向的X軸，且當束收集器136-2是「向下」時束方向是沿負向的X軸，且當束收集器136-3是「向下」時束方向是沿正向的y軸，且當束收集器136-4是「向下」時束方向是沿負向的y軸。
[0031]在圖4A至圖4E圖示的序列中，電子束傳播方向是沿X軸，然後反向束方向以使所述束方向沿負的X軸。此後，停止沿X軸的束流並替代地沿Y軸建立所述束流，此舉實際上為束方向的90度旋轉。然後沿負的Y軸反向束方向，並重複整個序列。上述序列由以下步驟組成:沿一個軸傳播電子束，沿一個軸反向束方向，然後旋轉束方向以與其它軸對準，且然後沿其它軸反向束流。再次旋轉束方向以與第一軸對準,並重複整個序列。
[0032]在可選實施例中，反向及旋轉的序列是一系列連續的束旋轉，在所述一系列連續的束旋轉，首先沿一個軸(例如，正X軸)建立束方向，且然後將束方向旋轉至沿其它軸(例如，正Y軸)，且然後再次旋轉束方向至沿第一軸但是在負方向(例如，負X軸)上，且再一次旋轉束方向至沿第二軸但是在負方向(例如，負Y軸)上。
[0033]每一電子束源120-1至120-4可具有描繪於圖1至圖3中的直流氣體放電類型。然而，可使用等離子體產生的任何適合模式而不局限於直流氣體放電。例如，電子束源可包括環形等離子體源、感應耦合的等離子體源，或電容耦合的等離子體源。
[0034]圖5A及圖5B描繪經修改以使用環形等離子體源功率施加器的圖1A的電子束源120-1，所述環形等離子體源功率施加器包括環繞耦合至氣體入口 125的凹角管125-1的鐵氧體環160、環繞環160的線圈162及經由阻抗匹配164耦合至線圈162的RF (射頻)功率產生器163。圖5B圖示凹角管125-1以環形等離子體源的方式在一對埠 125-2及125-3處耦合至腔室外殼124。
[0035]圖6描繪經修改以包括與腔室122整合的電容耦合的RF等離子體源的圖1A的電子束源120-1。電容耦合的等離子體源具有由上外殼170-1及下外殼170-2組成的導電外殼。在腔室122的一端處,上外殼170-1藉由介電間隔物171與下外殼170-2分離。在腔室122的相對端，上外殼170-1與下外殼170-2是由面向析取網格126的發射孔172分離。鄰近上外殼170-1提供RF熱源電極173，並且藉由介電層174將RF熱源電極173與上外殼170-1分離。RF冷電極411 (接地迴路)覆蓋下外殼170-2並藉由介電層413與下外殼170-2分離。RF源功率產生器175經由阻抗匹配176耦合至RF源電極173。高直流電壓供應177的負端子經由各個扼流圈電感器178-1、178-2連接至上外殼170-1及下外殼170-2。或者，高直流電壓供應177的負端子可經由扼流圈電感器連接至析取網格126。高直流電壓供應177的正端子接地連接。低直流電壓供應179的負端子連接至高直流電壓供應177的負端子。低直流電壓供應179的正端子經由扼流圈電感器178-3連接至析取網格126。RF源功率產生器175提供功率以在腔室122中產生電容耦合的等離子體。扼流圈電感器178-1、178-2及178-3啟用RF源功率產生器175以維持電容放電所需的上外殼170-1與下外殼170-2之間的RF電壓差，並且經由直流電壓供應防止產生器的RF短路。在一個示例中，RF源功率產生器175的頻率可為60MHz且扼流圈電感器178-1、178-2、178-3的電感可為一個微亨。高直流電壓供應177可提供在幾千伏特至數千伏特範圍內的電壓。低直流電壓供應179可提供在幾百伏特至數百伏特範圍內的電壓。淨電子析取電位是高直流電壓供應177與低直流電壓供應179的電壓之間的差異。在此實施例中，儘管有電子束源腔室122中的等離子體的主要來源是電容耦合的放電這個事實，但仍要求低電壓供應179消除在析取網格126的放電側的電子排斥護套，且因此確保電子可經由析取網格離開電子束放電腔室。在一個實施例中，來自圖1A的氣體供應127的電子束源氣體可被引入主腔室100，電子束源氣體自主腔室100擴散進入圖6的電子束源腔室122，因此不必需要直接連接至電子束源腔室122 (如圖6中所圖示)的氣體供給。在電子束源氣體供應127直接連接至電子束源腔室122的實施例中，如圖6中所例示的，則可能需要將與圖1A的主腔室真空泵116分離的真空泵(未圖示)連接至圖6的腔室122。
[0036]圖7A及圖7B描繪圖1A的經修改以包括感應耦合的RF等離子體源的電子束源120-1，所述電子束源120-1包括鄰近外殼124的線圈天線180及經由RF阻抗匹配184耦合至線圈天線180的RF功率產生器182。線圈180卷繞支撐杆180a，所述支撐杆180a可為鐵氧體或介電質。介電管180b環繞線圈180。
[0037]在替代實施例中，可消除可機械定位的束收集器136-1至136-4。在此替代性實施例中，用於電子束源中的特定一個的束收集器可為相對束源，所述相對束源的腔室外殼124已暫時地接地連接，同時暫時地關閉所述相對束源的等離子體源功率。舉例而言，在電子束源120-1產生電子束時，(例如，藉由禁用電子束源120-2的放電電壓供應140-2及電子束源120-2的加速電壓供應142-2)關閉相對電子束源120-2，並暫時地將相對束源120-2的等離子體源外殼124接地連接。因此，每一電子束源120-1至120-4以上文關於可機械定位的束收集器136-1至136-4所論述的周期性方式在不同時間用作束收集器。
[0038]雖然上文關於本發明的實施例，但在不偏離本發明的基本範疇的情況下可設計出本發明的其它及進一步實施例，且本發明的範圍是由以下申請專利範圍決定。
【權利要求】
1.一種等離子體反應器，包含: 處理腔室，所述處理腔室包含側壁、底板及頂板； 在所述腔室內的工件支撐基座，所述工件支撐基座具有工件支撐平面並且所述工件支撐基座界定所述工件支撐平面與所述頂板之間的處理區域； 電子束源陣列，所述電子束源陣列具有面向所述處理區域的相應束髮射軸，所述電子束源陣列在所述腔室外部，所述側壁包含與所述束髮射軸中的相應束髮射軸對齊的相應孔； 束收集器陣列，所述束收集器陣列與所述電子束源陣列以及耦合至所述束收集器中的相應束收集器的相應伺服系統對準，所述束收集器的每一個在束阻隔位置與未阻隔位置之間單獨地可移動；及 控制器，所述控制器耦合至所述相應伺服系統。
2.如權利要求1所述的等離子體反應器，其特徵在於，進一步包含: 束圍磁場源陣列，所述束圍磁場源陣列與所述束髮射軸中的相應束髮射軸對準； 相應電流源，所述相應電流源耦合至所述束圍磁場源中的相應束圍磁場源並具有可反向的電流極性； 其中所述控制器進一步 耦合至所述相應電流源。
3.如權利要求2所述的等離子體反應器，其特徵在於，相對的所述電子束源對共享所述束髮射軸中的相應束髮射軸。
4.如權利要求3所述的等離子體反應器，其特徵在於，所述控制器被編程為周期性地引起沿所述束髮射軸中的相應束髮射軸的電子束傳播方向的反向。
5.如權利要求4所述的等離子體反應器，其特徵在於，所述控制器進一步被編程為實現在不同時間沿所述束髮射軸中的不同束髮射軸的電子束傳播。
6.一種等離子體反應器，包含: 處理腔室，所述處理腔室包含側壁、底板及頂板； 在所述腔室內的工件支撐基座，所述工件支撐基座具有工件支撐平面並且所述工件支撐基座界定所述工件支撐平面與所述頂板之間的處理區域； 第一對電子束源，所述第一對電子束源在所述腔室外部並且布置在所述處理區域的相對側上且沿第一軸彼此面對，所述第一對電子束源中的每一者具有電子束髮射孔及與所述第一軸平行的電子束傳播方向，所述側壁包含面向所述第一對電子束源的所述電子束髮射孔中的相應電子束髮射孔的相應開口； 鄰近所述電子束髮射孔中的相應電子束髮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個在電子束阻隔位置與非阻隔位置之間可移動，且第一伺服系統及第二伺服系統分別耦合至所述第一束收集器及所述第二束收集器； 第一電磁體，所述第一電磁體具有與所述第一軸平行的場方向，及耦合至所述第一電磁體並具有可轉換極性的第一電流供應；以及 控制器，所述控制器耦合至所述第一伺服系統及所述第二伺服系統並耦合至所述第一電流供應。
7.如權利要求6所述的等離子體反應器，其特徵在於，所述控制器被編程為用於在所述第一束收集器及所述第二束收集器的相應阻隔位置與未阻隔位置之間移動所述第一束收集器及所述第二束收集器並切換所述第一電流供應中的電流極性，藉以將沿所述第一軸的電子束傳播方向反向。
8.如權利要求6所述的等離子體反應器，其特徵在於，進一步包含: 第二對電子束源，所述第二對電子束源在所述腔室外部並布置在所述處理區域的相對側上且沿與所述第一軸垂直的第二軸彼此面對，所述第二對電子束源中的每一個具有電子束髮射孔及與所述第二軸平行的電子束傳播方向，所述側壁包含面向所述第二對電子束源的所述電子束髮射孔中的相應電子束髮射孔的相應開口； 鄰近所述第二對電子束源的所述電子束髮射孔中的相應電子束髮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個在電子束阻隔位置與非阻隔位置之間可移動，且第三伺服系統及第四伺服系統分別耦合至所述第三束收集器及所述第四束收集器； 第二電磁體，所述第二電磁體具有與所述第二軸平行的場方向，及耦合至所述第二電磁體並具有可轉換極性的第二電流供應；以及 其中所述控制器進一步耦合至所述第二伺服系統及所述第三伺服系統並耦合至所述第二電流供應。
9.如權利要求6所述的等離子體反應器，其特徵在於，所述控制器被編程為用於在所述第三束收集器及所述第四束收集器的相應阻隔位置與未阻隔位置之間移動所述第三束收集器及所述第四束收集器並切換所述第二電流供應的電流極性，藉以將沿所述第二軸的電子束傳播方向反向。
10.如權利要求6所述的等離子體反應器，其特徵在於，所述第一軸及所述第二軸是彼此正交的。`
11.如權利要求6所述的等離子體反應器，其特徵在於，所述電子束源中的每一個包含以下類型之一的等離子體源:(a)環形等離子體源、(b)直流氣體放電等離子體源、(C)感應耦合的等離子體源、(d)電容耦合的等離子體源。
12.如權利要求6所述的等離子體反應器，其特徵在於，所述電子束源中的每一者包含: 源外殼，所述電子束髮射孔包含:在所述源外殼中的開口、在所述電子束髮射孔中的絕緣析取網格及在所述絕緣析取網格與所述處理腔室之間的絕緣加速網格，以及在所述源外殼中的氣體入口。
13.一種操作具有電子束源的等離子體反應器的方法，包含: 將處理氣體引入到所述等離子體反應器的處理區域中； 沿相應束髮射軸將電子束引入到所述等離子體反應器的所述處理區域中，所述相應束髮射軸沿相應徑向方向延伸；及 周期性地將沿所述束髮射軸中的相應束髮射軸的電子束傳播方向反向。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，進一步包含以下步驟:產生沿所述束髮射軸中的相應束髮射軸的相應束圍磁場，以及結合沿所述束髮射軸中的相應束髮射軸的電子束傳播方向的所述反向來將所述相應磁場的方向反向。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，進一步包含以下步驟:實現在不同時間沿所述相應束髮射軸中的不同束髮射軸的電子束傳播。
【文檔編號】H01L21/3065GK103766005SQ201280042408
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年10月15日 優先權日:2011年10月20日
【發明者】L·多爾夫, S·拉烏夫, K·S·柯林斯, N·米斯拉, J·D·卡達希, G·勒雷, K·拉馬斯瓦米 申請人:應用材料公司