CN111986974A - 电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统及方法，包括：主电子束等离子体源，通过真空法兰连接到辅助等离子体源；所述辅助等离子体源包括一个介质真空腔、射频天线、磁体支撑机构、以及一个或多个磁体；所述辅助等离子体源通过射频加热激发产生等离子体；所述介质真空腔外围包裹着射频天线，用于加热激发等离子体；所述的介质真空腔外围还设置有磁体支撑机构，其上设置有所述磁体，用于制造磁场对激发等离子体加以约束，磁体支撑机构通过垂直调节机构对磁体与磁体之间及磁体与腔体之间的距离的调节；使磁力线不进入主电子束等离子体源范围，从而在实现辅助等离子体源补充自由基的同时，不影响主电子束等离子体源的整体电势。

Description

电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统及方法

技术领域

本发明涉及利用电子束产生极低温、非射频等离子体源作刻蚀、沉积等工艺时，为了补充极低温等离子体自由基生产不足而用于补充自由基的辅助等离子体源。具体是一种适用于电子束等离子体刻蚀、沉积源时一种将与主腔室等离子体参数大幅度脱耦的辅助等离子体源原理及实现方法。

背景技术

自1979年Cohurn&Winters验证了等离子体离子撞击与化学刻蚀的共同作用之后，低温等离子体刻蚀逐渐变成半导电路生产工艺的主流方法。等离子体刻蚀工艺利用圆晶经过光阻或者其他刻蚀罩面经过光刻的图片转移，使得预定被刻蚀的部分圆晶以导体形式暴露在等离子体中，进而通过对圆晶整体施加负偏压的手段，使得离子倾向往负偏压彰显的部分轰击，从而获得刻蚀的选择性效果。

随着集成电路的小型化及纳米制程的提升，对于刻蚀机精确控制离子动能的需求也变得日益重要，这个需求集中体现于离子最终抵达圆晶表面时的垂直动能的可控性、横向动能的最小化、以及离子到达被遮盖面与不被遮盖面时动能的选择性所表现。其中，横向动能的最小化体现于离子温度的最小化，而垂直动能的可控性和离子动能的选择性则体现于鞘层电势降的最小化。等离子体鞘层电势降物理上决定于几个不同的因素：1.等离子体的电子温度、 2.局部损失面(靶材或圆晶)相对等离子体的偏压、3.等离子体自身的电势扰动。这里，等离子体自身的电势扰动对于鞘层电势降源自电子于离子的质量差导致电子远比离子快速损失，从而促使鞘层电势降加深排斥更多的电子损失恢复离子-电子损失平衡，是等离子体准中性电荷平衡的体现。

目前的主流刻蚀机等离子体源为电容耦合放电CCP源及电感耦合放电ICP源为主。选用这两种源的根本原因主要在于CCP源的结构相对简单以及ICP源可以比较容易获得高密度等离子体、从而增加刻蚀速度(刻蚀率)的缘故。然而，由于两者本质上都是射频放电，它们分别都会产生射频鞘，即由于射频耦合到等离子体的过程中使得等离子体中心电势随射频扰动，导致靶材表面相对于等离子体中心按前述原理产生了相应的电势降，而这种电势降可以达到数十伏以上。由于射频等离子体的产生依赖于射频通过电势变动对电子供能完成加热，射频鞘在射频等离子体源从物理角度来说无可避免，在很大程度上依赖鞘层本身加热电子的容性耦合源中更是如此。

进一步而言，由于电子收到供能以后停留在等离子体中心，继续成为等离子体中心电子分布的一部分，因此射频等离子体源的电子温度普遍偏高，一般可达到1伏甚至数伏以上。由于等离子体中的电子约束受玻尔兹曼关系控制，这代表等离子体与所有的壁和靶材之间必然有数伏的鞘层。

近年的研究发现，哪怕是数eV不可控的离子轰击能量，都可以对靶材造成不可控的离子刻蚀，从而影响蚀刻工艺的精度，这代表着传统刻蚀机等离子体源无论是因为自身电子温度偏高造成的鞘层还是因为射频鞘的形成，都将导致等离子体无法控制离子能量到如此精确的水平。即便是目前使用脉冲放电、占空刻蚀的手段，也只能确保靶材在占空期中不受破坏，无法从根本解决问题。

为了从根本物理原理上突破传统等离子体源的工艺限制，美国海军实验室研制出了大面积电子束等离子体源，并于2015年公开其结果。这种等离子体源由于产生等离子体的高能 (>1keV)电子束在主真空腔进行电离之后在几乎不损动量的情况下被回收到电子束靶板上，因此高能电子不停留在主等离子体中，导致其温度极低，哪怕在电子温度容易偏高的氩气放电中，也能获得0.7eV的电子温度，在实际刻蚀用的Ar-F混合气体环境中更能获得0.4eV 的极低电子温度，加上该等离子体非射频源的特性，从根本物理原理上解决了射频鞘的问题，致使其离子轰击能量可以更精确的控制，这一点已经由应用材料公司的相关团队通过实验验证。

然而，电子束等离子体源在获得极低温等离子体的同时，却制造了自由基不足的问题。这是由于将卤族气体分解为自由基的过程需要超过1.5eV能量的电子完成，而极低温的等离子体所能提供的高能电子不足，减少的自由基的生产。自由基通过与圆晶表面的化学作用增加刻蚀率，是等离子体刻蚀的重要过程。为了解决高精度刻蚀需求低等离子体温度、自由基生产需要高等离子体温度的根本矛盾，应用材料发明了增加ICP辅助等离子体源的方法，然而在本来并非射频等离子体源的电子束源里增加射频等离子体源，等于重新引入射频鞘的问题。这一点也由应用材料团队自身的实验所证明。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种不影响电子束源主等离子体中心电势的辅助等离子体源的等离子体约束方法以及实现该方法所需的等离子体源系统。本发明针对应用材料团队发明的ICP辅助等离子体源的根本问题，通过磁约束的方式将辅助等离子体源产生的等离子体约束在辅助等离子体源的腔体中，使之不与主等离子体互动。同时，中性的自由基由于不受磁场约束，自由进入主等离子体，从而获得可持续提供自由基而不制造主等离子体射频鞘的自由基补充源。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统，包括：

主电子束等离子体源，通过真空法兰连接到辅助等离子体源；

所述辅助等离子体源包括一个介质真空腔、射频天线、磁体支撑机构、以及一个或多个磁体；

所述辅助等离子体源通过射频加热激发产生等离子体；

所述介质真空腔外围包裹着射频天线，用于加热激发等离子体；

所述的介质真空腔外围还设置有磁体支撑机构，其上设置有所述磁体，用于制造磁场对激发等离子体加以约束，磁体支撑机构通过垂直调节机构对磁体与磁体之间及磁体与腔体之间的距离的调节；使磁力线不进入主电子束等离子体源范围，从而在实现辅助等离子体源补充自由基的同时，不影响主电子束等离子体源的整体电势。

进一步的，所述的介质真空腔材料是玻璃或是陶瓷，所述介质真空腔独立安装于电子束等离子体源主腔体外，并具有其独立的磁场、天线系统支撑，独立的腔体使辅助等离子体源产生的电子能够通过磁场引导到辅助等离子体源自身的壁上，因而不对主电子束等离子体源的整体电势产生影响。

进一步的，所述的磁体设置为多种位型，包括：单磁体位型、双偶极位型、线圈位型；其共同的根本运作原理为通过磁场的控制，使之扩散至辅助等离子体源本身的腔壁上，将辅助等离子体源产生的电子引导到自身的腔壁上，从而达到辅助等离子体源产生的电子不进入主电子束等离子体源的目的；同时，让磁场沿辅助等离子体源腔室轴向方向衰减大于预定幅度，从而使磁场不影响主电子束等离子体源电子束的准直性。

进一步的，所述的单磁体位型的设置方式为：磁体置于天线后，即远离电子束源主腔体方向，利用单个永磁体磁场自身随距离衰减，通过选定磁体本身与腔体之间的距离(例如在辅助等离子体腔体直径为10cm的情况中，这个距离约40cm)，从而达到将多数辅助等离子体源产生的电子引导到辅助等离子体源腔室本身的壁上。

进一步的，所述的双偶极位型的设置方式为：在磁场配置于天线后的单磁体位型的基础是，将一个直径更大的反相磁体在同一轴向高度套在一个正向磁体上，从而制造一个多偶极磁场，使磁场沿轴向方向的衰减幅度大幅增加，从而在缩短引导电子到辅助等离子体源腔室本身的壁上所需的磁体及腔体距离。

进一步的，所述的线圈位型的设置方式为：将两个线圈分别配置与天线前后，通过线圈电流的控制获得扩散和衰减效率最优的磁场位型，或通过增加正向磁体的数量制造一个沿天线所在的轴向空间中相对均匀的磁场，增强射频加热的能力。

进一步的，该系统用于电子温度T_e<1eV的极低温等离子体源补充自由基的辅助等离子体源，该系统利用射频加热在辅助系统腔体中制造电子温度高于1eV的等离子体，从而制造化学自由基用于等离子体表面处理；同时，利用磁体将该等离子体约束于腔体中，导致辅助等离子体源产生的电子不与主电子束等离子体源等离子体交换，从而达到将自由基的产生与电子束等离子体源主等离子体参数脱耦的目的。

根据本发明的另一方面，提出一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束方法，利用前述的系统，包括如下步骤：

步骤1、在主电子束源腔体的边缘接上一个辅助等离子体源腔体，该辅助等离子体源腔体具备自身的射频天线、磁体以及磁体支撑机构；

步骤2、利用射频加热产生电子温度高于主电子束等离子体的等离子体，从而增加化学自由基的产生；

步骤3、利用辅助等离子体源上磁场的位型设计约束辅助等离子体源中的电子，将之引导向辅助等离子体源本身的腔壁时，使之无法进入主等离子体；

步骤4、同时，通过调节磁场的衰减幅度，降低辅助等离子体源的磁场对电子束的准直性的影响；

步骤5、辅助等离子体源产生的中性自由基由于无电荷不受电磁约束，自由进入主等离子体，从而达到电子束等离子体源的主等离子体与辅助等离子体源解耦，避免辅助等离子体影响主等离子体的等离子体电势及电子温度参数。

本发明的优点是：

本发明提供一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统及方法，是一种应用于电子束极低温等离子体源中补充自由基密度的辅助射频等离子体源，该射频等离子体源通过磁约束的方式防止射频等离子体与电子束等离子体发生电子交换，同时自由基由于不受磁场约束的关系自由进入电子束等离子体。因此，本发明所述的射频等离子体源在补充电子束等离子体自由基的同时，其所制造的高能电子与射频鞘不影响电子束等离子体，实现了射频等离子体源及电子束等离子体源在中性自由基自由交换的同时，选择性实现两者鞘层形成及等离子体参数形成的高度脱耦。

附图说明

图1为本发明的辅助等离子体源基本结构示意图；

图2(a)为本发明单磁体位型实现例构图；

图2(b)为本发明单磁体位型磁场衰减曲线图；

图3(a)为本发明多偶极位型实现例构图；

图3(b)为本发明多偶极位型磁场衰减曲线图；

图4(a)为本发明线圈位型实现例构图；

图4(b)为本发明线圈位型磁场衰减曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的辅助等离子体源通过一个真空法兰连接到电子束等离子体源的主等离子体腔体，上面包裹着射频天线用于加热激发等离子体，加上磁体制造磁场加以约束。由于射频等离子体源的电子损失绝大部分被限制在辅助等离子体源腔体中，射频等离子体的电子并不参与主等离子体的电子损失平衡，因而辅助等离子体源的射频扰动不影响主等离子体的电势及靶材偏压，同时其数eV温度的电子也不与电子束等离子体源中温度1eV以下的电子交换，从而不影响主等离子体的鞘层及中心等离子体参数。同时，中性自由基由于不受磁场约束，可以自由进入主等离子体，实现主等离子体自由基密度的补充。因此，本发明所述的辅助等离子体源就实现了利用射频放电补充电子束等离子体的自由基密度的同时，将射频等离子体源的射频鞘及高电子温度与电子束等离子体安静、无扰动的主等离子体之间的高度脱耦。值得注意的是，在辅助等离子体源受到磁化之后，射频天线与等离子体的耦合方式会逐步变为螺旋波的波耦合放电，从而进一步减少辅助等离子体源本身的射频扰动，这对于降低主等离子体的射频干扰也有额外的帮助。

根据本发明的一个实施例，所述的辅助等离子体源基础结构如图1所示，它通过一个真空法兰连接到电子束等离子体源的主等离子体腔体，上面包裹着射频天线用于加热激发等离子体，并设置有磁体，制造磁场对等离子体加以约束。通过螺杆型或者其他可垂直调节的磁体支撑机构对磁体高度及距离的调节，如图2，3，4示，使得大部分磁力线穿过辅助等离子体源自身的腔体上，从而阻止射频等离子体电子流到电子束等离子体形成交换。同时，磁体的种类、磁体的位型以及射频等离子体源的耦合需求也影响磁体高度与距离最优化的调节。

将射频等离子体与本体等离子体隔开是实现上述功能的首要条件，因此，磁场的设计需要满足两个条件：

第一：大部分磁力线不能渗透到主腔室中，这样电子沿磁力线冻结，就被限制在辅助等离子体源本身的腔室内。

第二：辅助等离子体腔体以外的磁场必须快速衰减，避免磁场干扰主等离子体的电子束。环形永磁体由于其反向磁场的现象，特别适用于本发明所需的磁场约束方式。

所述的辅助等离子体源装置有多种磁体配置方法去实现辅助等离子体与主等离子体不接触的磁约束目的，包括：

1、单磁体位型，磁体集中布置在射频天线的后方，通过调节磁体的位置控制磁场往主腔体的扩散程度，从而实现磁力线大部分穿过腔体的径向壁，不穿入主等离子体的目的。

2、多偶极位型，一个正向磁体及一个反向的磁体以同心环的方式安装，从而形成磁力线集中于主腔体边缘或以外的多偶极磁场，让绝大部分磁场不进入主等离子体，从而达到将射频等离子体磁约束于辅助等离子体源内的目的。

3、线圈位型，两个电磁圈通过安装距离与电流的控制，达到磁场同样迅速扩散、随距离迅速衰减的目的。

根据本发明的一个实施例，如图2(a)所示，所述的磁体位型为单磁体位型：利用单一磁体或者是将磁体集中布置在天线的上方，使之磁场位型在辅助等离子体源腔室连接电子束等离子体源主腔室之前扩散，从而达到电子随磁力线约束被阻隔在辅助等离子体源腔室的目的。同时，通过高度的调节(约40cm高)，就可以在与主腔体处实现约>80％的磁场衰减，如图2(b)所示。相对其他位型，单磁体位型有结构简单、容易搭建的好处，而且尤其在使用永磁体磁体的前提下，其磁力线扩散率相比其他位型更大，从而对辅助等离子体腔体长度需求较小。

根据本发明的又一个实施例，如图3(a)所示，所述的磁体位型为多偶极位型：在正向磁体外再套上一个反向安装的磁体，相对于图1所述的单磁体位型，本位型的两个相反方向的磁体产生多偶极场。由于多偶极场的作用使磁场往电子束等离子体腔室的方向快速扩散，使辅助等离子体源产生的电子被磁场引导至辅助等离子体源的壁时，同时快速扩散的磁场等效于磁场强度衰减，故进一步减低辅助等离子体源磁场对电子束等离子体的干扰。这让辅助等离子体源位型可以更加贴近主腔体，减少自由基进入主腔体需要流动的行程。同时，多偶极磁场衰减快速，从永磁体的边缘起越5-10cm之间放置射频天线，只需要再有约15cm的高度就能达到超过从最高点开始90％的磁场衰减(图3(b))，大幅有利于减少磁场对电子束的影响。

根据本发明的又一个实施例，如图4(a)所示，所述的磁体位型为线圈位型：使用线圈磁体同样可以获得本发明所需的磁场位型，通过线圈电流及线圈位置的调节，尤其是通过将接近腔体一侧的最后一个线圈的电流反向，也可以获得磁力线急速扩散、而且磁场往电子束等离子体源主腔体方向快速衰减的磁体位型。通过多个正向磁体的布置，可以简单获得均匀的轴向磁场，方便磁化ICP等离子体或螺旋波的稳定产生。但是线圈磁场不连接到磁体本身，无法像永磁体一样简单形成偶极场，所以即便可以通过反向电流衰减磁场，也容易形成波浪型的轴向磁场分布，如图4(b)所示，到零以后还有一个微小的反弹回高，磁场的控制较困难。此处的波浪型指到达电子束腔体(标识于图中)的位置以后的磁场变化，图2、3的波浪型实际是永磁自身的反场作用，但是天线在永磁于电子束源腔体之间，甚至辅助等离子体腔体不需要延伸到永磁体位置，理论上并不影响使用，因此从实际使用的空间里面，图2-3 的位型都是单向衰减的，唯独图4是到零以后还有一个微小的反弹回高。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统，其特征在于，包括：

主电子束等离子体源，通过真空法兰连接到辅助等离子体源；

所述辅助等离子体源包括一个介质真空腔、射频天线、磁体支撑机构、以及一个或多个磁体；

所述辅助等离子体源通过射频加热激发产生等离子体；

所述介质真空腔外围包裹着射频天线，用于加热激发等离子体；

所述的介质真空腔外围还设置有磁体支撑机构，其上设置有所述磁体，用于制造磁场对激发等离子体加以约束，磁体支撑机构通过垂直调节机构对磁体与磁体之间及磁体与腔体之间的距离的调节；使磁力线不进入主电子束等离子体源范围，从而在实现辅助等离子体源补充自由基的同时，不影响主电子束等离子体源的整体电势。

2.根据权利要求1所述的一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统，其特征在于：

所述的介质真空腔材料是玻璃或是陶瓷，所述介质真空腔独立安装于电子束等离子体源主腔体外，并具有其独立的磁场、天线系统支撑，独立的腔体使辅助等离子体源产生的电子能够通过磁场引导到辅助等离子体源自身的壁上，因而不对主电子束等离子体源的整体电势产生影响。

3.根据权利要求1所述的一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统，其特征在于：

所述的磁体设置为多种位型，包括：单磁体位型、双偶极位型、线圈位型；其共同的根本运作原理为通过磁场的控制，使之扩散至辅助等离子体源本身的腔壁上，将辅助等离子体源产生的电子引导到自身的腔壁上，从而达到辅助等离子体源产生的电子不进入主电子束等离子体源的目的；同时，让磁场沿辅助等离子体源腔室轴向方向衰减大于预定幅度，从而使磁场不影响主电子束等离子体源电子束的准直性。

4.根据权利要求1所述的一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统，其特征在于：

所述的单磁体位型的设置方式为：磁体置于天线后，即远离电子束源主腔体方向，利用单个永磁体磁场自身随距离衰减，通过选定磁体本身与腔体之间的距离，从而达到将多数辅助等离子体源产生的电子引导到辅助等离子体源腔室本身的壁上。

5.根据权利要求1所述的一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统，其特征在于：

所述的双偶极位型的设置方式为：在磁场配置于天线后的单磁体位型的基础是，将一个直径更大的反相磁体在同一轴向高度套在一个正向磁体上，从而制造一个多偶极磁场，使磁场沿轴向方向的衰减幅度大幅增加，从而在缩短引导电子到辅助等离子体源腔室本身的壁上所需的磁体及腔体距离。

6.根据权利要求1所述的一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统，其特征在于：

所述的线圈位型的设置方式为：将两个线圈分别配置与天线前后，通过线圈电流的控制获得扩散和衰减效率最优的磁场位型，或通过增加正向磁体的数量制造一个沿天线所在的轴向空间中相对均匀的磁场，增强射频加热的能力。

7.根据权利要求1所述的一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束系统，其特征在于：

该系统用于电子温度T_e<1eV的极低温等离子体源补充自由基的辅助等离子体源，该系统利用射频加热在辅助系统腔体中制造电子温度高于1eV的等离子体，从而制造化学自由基用于等离子体表面处理；同时，利用磁体将该等离子体约束于腔体中，导致辅助等离子体源产生的电子不与主电子束等离子体源等离子体交换，从而达到将自由基的产生与电子束等离子体源主等离子体参数脱耦的目的。

8.一种电子束等离子体源辅助等离子体源的磁约束方法，利用权利要求1-7之一所述的系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在主电子束源腔体的边缘接上一个辅助等离子体源腔体，该辅助等离子体源腔体具备自身的射频天线、磁体以及磁体支撑机构；

步骤2、利用射频加热产生电子温度高于主电子束等离子体的等离子体，从而增加化学自由基的产生；

步骤3、利用辅助等离子体源上磁场的位型设计约束辅助等离子体源中的电子，将之引导向辅助等离子体源本身的腔壁时，使之无法进入主等离子体；

步骤4、同时，通过调节磁场的衰减幅度，降低辅助等离子体源的磁场对电子束的准直性的影响；

步骤5、辅助等离子体源产生的中性自由基由于无电荷不受电磁约束，自由进入主等离子体，从而达到电子束等离子体源的主等离子体与辅助等离子体源解耦，避免辅助等离子体影响主等离子体的等离子体电势及电子温度参数。

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