CN101681781B - 离子源 - Google Patents

Abstract

离子源和操作离子源的电磁体的方法，所述方法用于产生具有可控的离子电流密度分布。所述离子源(10)包括放电室(16)和适于生成用于改变所述放电室(16)中的等离子体密度分布的磁场的电磁体(42；42a-d)。所述方法可以包括在所述放电室(16)中生成等离子体(17)，通过向电磁体(42；42a-d)施加电流在所述放电空间(24)中生成并使磁场(75)成形，所述磁场对限定等离子体密度分布是有效的，从所述等离子体(17)中提取离子束(15)，针对所述离子束密度测量分布轮廓，以及针对所述离子束密度，将实际的分布轮廓与期望的分布轮廓进行比较。基于所述比较，可以调整施加到所述电磁体(42；42a-d)的电流以改变所述放电空间中的磁场(75)，并且从而改变所述等离子体密度分布。

Description

离子源

相关申请的交叉参考 

本申请是2007年2月26日提交的美国专利申请No.11/678,979的部分继续，该申请是2004年2月4日提交的美国专利No.10/772,132，现在的美国专利No.7,183,716的部分继续，在此通过引用将每一个的公开内容全部并入本文。本申请要求2007年2月26日提交的美国临时申请Np.60/891,669的优先权，在此通过参考将其公开内容并入本文。 

技术领域

本发明涉及离子源和用于操作离子源的电磁体以产生具有定制的操作特性的离子束的方法。 

背景技术

离子束处理系统用于各种在诸如半导体和数据存储器件的薄膜器件的制造期间调整衬底的性能的应用。具体而言，蚀刻步骤可用于去除和成形衬底上的材料层。常规的蚀刻程序涉及在低压下(即，在压力少于大约1mTorr)被电离成等离子状态的工作气体的使用，在该状态下离子通过离子光学装置被提取和加速用于晶圆材料的离子束蚀刻(IBE)。 

随着器件的临界尺寸缩小，改进的处理均匀性而不牺牲束的方向性的需求已经推动寻找改进的离子源。IBE的均匀性与束传输期间在电荷交换离子-原子碰撞过程中带电离子转变为中性粒子产生的离子和高能中性粒子的束密度分布直接相关。积分束粒子通量(integrated beam particle flux)应该不取决于衬底上的作用位置。在衬底带电和中性束粒子的角分布与通过源的透镜从等离子中提取的离子的轨迹的角性质直接相关。为了优化处理均匀性，经过衬底的入射粒子轨迹应该大致平行。 

常规的离子源通常利用螺旋形或者线圈天线，利用诸如射频(RF)电磁能的高频电磁场能，所述天线被围绕放电管缠绕以产生感应耦合等离子体(ICP)。当承载振荡高频电流时，离子源的天线在放电管中产生随时间改变的磁场。根据法拉第定律，随时间改变的磁场产生螺旋管高频电场，这在放电管中在方位方向加速电子并且保持ICP。因为低压ICP是受控制的扩散，因此常规宽离子源的等离子体密度，并且从而离子光学装置平面处的径向等离子体离子通量分布是恒定凸起的，即，在源中心最高且随距源的中心距离的增加径向减少。这在由这种常规离子源产生的宽离子束的离子电流密度分布中引入不均匀性。 

典型的宽束离子源利用用于形成和加速离子形成束的多电极加速器系统。该系统中的电极是平的或者碟状的多孔径的板，通常被称为栅格。常规的补偿上述等离子体不均匀性的离子密度轮廓的影响的方法是径向改变栅格的透明度以便减小在中心的束电流密度。然而，这种补偿方法具有一些限制。离子光学装置的透明度的变化不能补偿针对不同的离子源操作状态(即，RF功率、束电压和束电流、气体类型和压力)在等离子体密度轮廓方面的变化，在系统维修期之间这些因素的任何时间依赖性，或者在源和离子光学装置中的变化。因为由于离子源或者栅格结构的差异引起的质量和热负荷、或者模块到模块的变化的影响，在源和离子光学装置中的变化可以是特定蚀刻模块中的短和/或长期操作状态变化。而且，凹或凸的束离子密度分布有时预期用于特殊工艺来补偿在衬底处理的其它方面的变化，例如向晶圆运输期间的束扩展、在衬底的周围处的夹持影响、被蚀刻的材料层的厚度变化，或者蚀刻掩模构件宽度方面的变化。 

另外，在等离子体径向和/或方位密度分布方面的局限性变化通常限制了IBE工艺的均匀性。这些变化的位置和形状依赖操作状态。不容易改变栅格透镜的透明度以补偿对操作状态的依赖。 

离子源可以具有帮助降低离子束轮廓中的不均匀性的物理结构。然而，可以要求调整离子源来消除在离子束密度中观察到的不均匀性。当离子源被最初使用时，离子源用于延长的时间段之后，如果工艺条件被改变，或者随后的源维修，可以要求调整。这些事件之后进行有效的调整能力可以增加从离子源操作中产生的有用装置的产率并且可降低浪费。 

因此，需要用于产生高能粒子束，例如对离子电流密度分布的离子具有增强的控制的改善离子源，以及用于改变和/或优化离子源的性能以产生 具有定制的操作特性的离子束的方法。 

发明内容

本发明的实施例总体涉及离子源和用于改变离子源的性能以便产生具有定制的操作特性的离子束的方法。通常，离子源可以包括等离子体放电腔，突出到等离子体放电腔中的杯形凹腔，至少一个电磁体以及至少可以一个管状磁极片。所述电磁体和管状磁极片可以共轴地设置在所述凹腔中。每个电磁体适于感应用于改变等离子体放电腔里面的等离子体形状的磁场。 

根据一个实施例，用于等离子处理装置的离子源包括放电室，所述放电室包括封闭端、开口端以及在所述封闭端和开口端之间延伸的管状侧壁。天线适于由所述放电室中的工作气体产生等离子体。将所述电磁体设置成与所述放电室邻接。所述电磁体包括由永磁材料形成的第一磁极片和第一线圈。将所述第一线圈设置成与第一磁极片的管状侧壁邻接。所述第一线圈被配置成通电以在管状侧壁内部以及所述封闭端和开口端之间径向产生磁场。所述第一磁极片被配置成形成有效用于改变放电空间内部等离子体的分布的磁场。 

根据另一实施例，提供一种用于改变包括放电空间和电磁体的射频离子源的性能的方法。所述方法包括从所述放电空间中的工作气体生成具有特定等离子体密度分布的等离子体，向所述电磁体施加电流以便在所述放电空间中生成磁场，所述磁场对于改变所述等离子体密度分布是有效的，以及从所述等离子体中提取离子束。所述方法还包括确定与晶圆处理位置邻接的离子束密度的实际的分布轮廓，并且针对所述离子束密度，将所述离子束密度的实际的分布轮廓与期望的分布轮廓进行比较。基于所述比较，手动或自动调整施加到所述电磁体的电流以便改变磁场，并且因而改变等离子体密度分布。 

参考随后的图和详细描述，这些和其它优点将是明显的。 

附图说明

并入本文并构成说明书一部分的附图，与本发明的上述一般说明和下 面给出的详细说明一起，说明本发明的实施例，并用于解释本发明的原理。 

图1是与离子源结合的具有电磁体组件的实例的高真空处理系统的一部分的截面图。 

图2是图1的离子源的电磁体组件和电磁体组件的放大图。 

图3A是等离子体离子通量为相对图1和2的离子源和电磁体组件的方位轴的径向位置的函数的示意图，其中离子通量在离子源的方位轴附近相对更高。 

图3B是图1和2的离子源和电磁体组件的等离子体离子通量的示意图，其中离子通量在离子源的方位轴附近相对更低。 

图4是根据替代实施例类似于图2的离子源和电磁体组件以及处理系统的一部分的放大图。 

图5是根据替代实施例的类似于图2的磁体组件的放大图。 

图6是根据替代实施例的类似于图2和5的电磁体组件的放大图。 

图7是根据替代实施例的类似于图2、5和6的电磁体组件的放大图。 

图8是根据替代实施例的类似于图2和5-7的电磁体组件的放大图。 

图9是示出通过本发明实施例的离子源产生的磁场对归一化离子束蚀刻速率轮廓的影响的示意图。 

图10是根据本发明的实施例的用于优化具有电磁体的离子源的电磁体电流的处理流程图。 

图11是示出作为磁体电流函数的归一化离子束刻蚀轮廓的凸度和凹度的图示。 

图12是根据本发明的实施例用于离子束蚀刻速率轮廓不在期望的限制内的离子源的再次优化电磁体电流的处理流程图。 

图13A是针对基本平的离子束蚀刻轮廓，作为相对于所述离子源的方位轴的位置的函数的归一化蚀刻速率的示意图，所述基本平的离子束蚀刻轮廓由本发明的实施例的离子源在实际的操作参数和电磁体电流设置为零来产生。 

图13B是凹的平离子束蚀刻轮廓的示意图，所述轮廓通过图13A的离子源的一个实施例在调整离子光学装置栅格的径向透明度时电磁体电流设置为零的实际操作参数来产生。 

图13C是示出了基本平离子束蚀刻轮廓的示意图，所述轮廓通过图13B的离子源的一个实施例在电磁体电流设置为低值的实际操作参数来产生。 

图14A是示出了从图13B所示的初始条件到其中轮廓相对于离子源的方位轴极度凸的条件下，在使用期间随着离子源的老化，离子束蚀刻轮廓恶化的示意图。 

图14B是示出了调整的示意图，所述调整可以由减小电磁体电流以便修复从图14A的老化条件到像初始状态的操作条件的离子束蚀刻轮廓。 

图14C是示出了从图13B所示的初始条件到其中轮廓相对于离子源的方位轴极度凹的条件下，在使用期间随着离子源的老化，离子束蚀刻轮廓恶化的示意图。 

图14D是示出调整的示意图，所述调整可以由减小电磁体电流以便修复从图14C的老化条件到像初始状态的操作条件的离子束蚀刻轮廓。 

具体实施方式

参照图1和2，用于真空处理系统12的离子源10适于产生工作气体离子的离子束，由单向箭头15图解表示，离子束直接指向至少一个晶圆或者衬底11。真空处理系统12包括具有包围处理空间14的室壁的处理室12a和被配置为通过处理室12a的室壁与处理空间14连通的高真空泵13。离子束15可以包括由离子源10从可电离的工作气体产生的等离子体17中提取且通过处理室12a直接指向衬底11的工作气体离子。离子束15对衬底11的轰击处理衬底11以实现期望的有利效果。在其他有利的结果中，通过离子束蚀刻工艺，离子束15可用于从衬底11的顶表面去除材料。 

离子源10包括由管状侧壁18限定的放电室16，所述放电室16通常以方位轴19为中心。管状侧壁18具有由开口端31限定的开口，以及封闭管状侧壁18的另一端的背面凸缘20。管状侧壁18至少部分由诸如石英或者氧化铝的电介质材料形成。高频电磁能，尤其射频电磁能，可以在所述材料内低损耗地穿过管状侧壁18的电介质材料部分。离子源10包括提供密封的各种高真空密封件(未示出)用于真空隔离。穿过背面凸缘20延伸的空气入口22与放电室16里面包围的放电空间24相通。空气入口22允许受控流量的工作气体从测量的气体源23引入到放电空间24。通过与被抽空的 处理室12a相通的流体，将真空压力通常在0.05个mTorr到5mTorr范围内的子大气环境保持在放电空间24中。 

线圈天线26围绕放电室16的外部的一部分缠绕。电源28通过阻抗匹配网络30与线圈天线26电耦合。电源28可以以大约500kHz到大约15MHz的范围内的频率为线圈天线26供电。可选的法拉第屏蔽25设置在线圈天线26和管状侧壁18之间。 

高频电磁能，例如射频(RF)电磁能，从线圈天线26传送到用于产生和维持等离子体17的放电空间24中的工作气体。更具体地说，电流在线圈天线26中高频振荡，这产生通过可选法拉第屏蔽25及随后通过管状侧壁18传送到放电空间24的时变磁场。时变磁场在与线圈天线26有同轴的场线的放电空间24内感应方位电场。所感应的方位电场使得放电空间24内的电子加速沿圆形轨迹运行。高能电子和工作气体的中性原子之间的碰撞使气体原子电离并且产生在方位电场中被加速的额外电子。这在放电空间24中产生并且维持等离子体17。 

位于管状侧壁18的开口端31的多孔径的离子光学装置或者栅格组件32，用来从放电空间24中产生的等离子体17中提取工作气体离子，并且将工作气体离子形成传播到处理室12a的衬底11的离子束15。栅格组件32包括多个在离子源10的开口端31横跨管状侧壁18的栅格34、36、38。在适当地施加偏压时，栅格34、36、38基本包含放电空间24内的等离子体17，并且控制来自放电空间24的离子束15的提取。栅格34、36、38中的每一个通过孔径阵列77进行冲孔，孔径77允许带电粒子通过栅格组件32。通常，栅格34、36、38的孔径77是圆形的并且彼此严格对准。 

衬底11被支持在与栅格组件32成间隔关系的处理室12a的处理空间14内部。衬底11还可以是倾斜、偏移、和/或围绕或者相对于其方位轴旋转。可以处于工作气体压力下的子大气环境通常在0.05mTorr到1mTorr的范围内，通过流体或者通过栅格组件32和管状侧壁18的开口端31与被抽空的处理室12a相通的泵被保持在放电空间24中。 

栅格电源40与栅格34、36、38电耦合。在具有利用正离子束进行操作的操作要求的实施例中，提取或者“丝网”栅格38可以被一个栅格电源40中的一个施加具有可调整的正电势的偏压以允许由放电形成正离子束并 且增加离子能量。“加速器”或者“抑制器”栅格36可以被一个栅格电源40施加具有可调整的负电势的偏压以增加有效的离子束提取电压并且抑制束等离子体电子穿过“减速器”栅格34的栅格孔径，所述“减速器”栅格34通常处于地电势。 

杯形凹腔44从背面凸缘20朝着栅格组件32突出到放电空间24。可以由诸如铝的导体组成的凹腔44包括端壁56和侧壁62，所述侧壁62从端壁56沿轴向延伸到背面凸缘20。凹腔44的侧壁62和放电室16的管状侧壁18可以是同轴并且以方位轴19同轴对准。衬底11被接收并且保持在衬底支撑21上，所述衬底支撑21被设置在处理室12a中使得衬底11的顶表面面对开口端31。 

参照图1和2，离子源10包括至少部分安装在凹腔44中的电磁体42，并且所述电磁体42包括至少管状磁极片46、48的代表性磁极片。在该代表性实施例中，磁极片46、48的几何形状为直圆柱，并且相对于方位轴19同心设置。在替代实施例中，磁极片46、48可以具有任何适当的管状几何形状，包括但不限于椭圆柱、圆锥台或者棱锥台，每个磁极片具有围绕中心孔延伸的侧壁。 

在代表性实施例中，将磁极片46沿径向设置在磁极片48中，使得磁极片46的外凹面对着磁极片48的内凸面。磁极片46包括通过沿着方位轴19的高度隔开的相对开口端52、53，并且磁极片48在也被所述高度隔开的相对开口端49、51之间延伸。开口空间或者间隙50隔开磁极片46、48。 

可以优化电磁体42相对于栅格组件32的轴向位置和/或相对于方位轴19的横向位置，以调整等离子体密度分布的轮廓，从而通过控制放电空间24中电磁体42的电磁场的分布来调整栅格34、36、38处的等离子体离子通量的密度分布。具体而言，可以将电磁体42横向不对称地设置于方位轴19以补偿等离子体密度分布中的任何系统不对称，在不存在电磁体42的影响的情况下，所述系统不对称可能固有地存在。调整等离子体离子通量分布允许对从等离子体17中提取的离子束15的当前密度分布进行优化。 

磁极片46的开口端52和磁极片48的开口端49采用传统的紧固件(未示出)安装到电磁体42的环状的磁芯元件54。磁极片46、磁极片48、以及芯元件54由诸如低碳钢、铁或者任何其它合适的铁磁性材料的永磁材料形 成，并且被电气接地。在替代实施例中，芯元件54可以由非磁材料制成。 

利用常规紧固件将电磁体42固定在芯元件54和非传导安装板58之间，所述非传导安装板58外围覆盖背面凸缘20。通过常规紧固件(未示出)可以将所述安装板58固定到背面凸缘20。安装板58的电气绝缘强度允许芯元件54和磁极片46、48电气接地而不用短路至背面凸缘20，这可以被允许相对于等离子体的电势电气浮置(float)。电磁体42和凹腔44的最佳位置和尺寸可以取决于等离子体的特性和应用，例如所要求的均匀区、RF功率和束参数。 

通过环60可以将电磁体42设置于(例如，居中)60凹腔44内部。出于相同的原因，环60由电绝缘材料制成并且具有与安装板58相同的安装需求。适当的电绝缘材料包括，但不限于玻璃环氧层压材料或者酚醛树脂。将环60设置于磁极片48和侧壁62之间。环60具有与凹腔44的侧壁62的内直径大致相等的外直径以建立具有紧密尺寸公差的滑动配合，所述环60还具有比磁极片48的外径略大的内直径。利用常规紧固件将环60固定到磁极片48。 

将绝缘材料板64插入凹腔44的端壁56和电磁体42的磁极片46、48之间。构成板64的绝缘材料可以是氟碳聚合材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)，四氟乙烯的均聚物可购买自杜邦公司的商标名为 

的产品。 

电磁体42包括卷线轴或者线轴66、线圈72，74、以及磁极片46，48。每一个引线线圈72，74包括绝缘导线的连续绕组，所述连续绕组是以适当的螺线管绕制方式围绕卷轴66进行缠绕。在具体示范性实施例中，线圈72、74中的卷绕的匝数可以从300匝到3000匝。 

可以由聚合物树脂或者其它非磁性材料形成的线轴66位于磁极片46、48之间的间隙50中。线轴66的高度短于磁极片46、48的高度。磁极片46包括接收固定螺钉67的定尺寸的孔68，所述固定螺钉67被拧紧到沿着方位轴19固定线轴66的轴向位置。当固定螺钉67被松开时，线轴66的轴向位置可以朝着凹腔44的端壁56并且与朝着芯元件54相反的方向移动。仅出于示例目的，将图1和2中的线轴66示出为被移动至向着远离芯元件54并且邻接端壁56的轴向位置。位于线轴66的相对端的是径向延伸凸缘76、78。 

在替代实施例中，通过在适当的机械强度的安装板58上选择安装机构(未示出)，可以从电磁体42的结构中省略芯元件54。在另一替代实施例中，可以采用不同的方式来调整线轴66的轴向位置，例如销被接收在相对于端壁56的不同位置处确定的适当尺寸的一列开口中的一个。在又一替代实施例中，可以相对于端壁56将线轴66的轴向位置固定某一轴向位置，使得线轴66的轴向位置是受控变量。 

在替代实施例中，背面凸缘20的形状可以是任何实际形状，包括盘状或者圆顶(凹的或者不凹的)。在该替代实施例中，在其中由电磁组件在放电空间内产生的电磁场的幅值很大(即，至少达到地球磁场强度的量级)的操作距离内，可以将电磁体42设置在相对于栅格组件32的背面凸缘20外侧。通常，电磁体42的磁极片46和48的确切形状可以以与背面凸缘20的形状相符和/或优化凹腔44中的磁场分布的方式来成形。 

继续参考图1和2，将电磁体42的线圈72、74设置于凸缘76、78之间，并且相对于方位轴19沿径向居中设置(即，同轴)。第一磁性线圈72的连续绝缘导线在第一末端端子或分接头80和第二的末端端子或分接头82之间延伸。第二磁性线圈72的连续绝缘导线在线圈74上的第三末端端子或分接头84和第二末端分接头82之间延伸，所述第二末端分接头82被磁性线圈72共用。 

电磁体42的线圈72、74与电源86电耦合，所述电源86与控制器87电耦合。电源86的正电压极性端子和负电压极性端子可以与分接头80、82电耦合以提供第一操作范围，所述第一操作范围仅包括线圈72的连续导线，电源86的正电压极性端子和负电压极性端子可以与分接头80、84电耦合以提供第二操作范围，在所述第二操作范围中线圈72、74的连续导线被串联连接，或者电源86的正电压极性端子和负电压极性端子与分接头82、84电耦合以提供第三操作范围，所述第三操作范围仅包括线圈74的连续导线。可以在电源86中设置开关设备(未示出)以调整具有线圈72，74的闭合电路，并且从而选择性地建立所述三个范围中的每一个。在线轴66的凸缘76中设置孔88，以便在分接头80、82、84和电源86之间提供建立闭合电路的导线的接入。通过在芯元件54和安装板58中限定的导管96对导线进行布线。导向柱92用作将导线布线到电源86的馈送。 

在替代实施例中，电磁体42可以省略两个线圈72，74中的一个，使得仅存在单个操作范围。在闭合电路中线圈72、74中所剩下的一个的分接头与电源86耦合，并且通过来自电源86的电流通电。电源86是直流(DC)电源或者，替代地，可以包括脉冲DC电源或者交流(AC)电源。电源装置由控制器87进行控制，所述控制器可以是手动操作或者自动系统的一部分。 

控制器87协调离子源10的操作，尤其是相对于电磁体42对束属性或者衬底处理工艺的可观测到的影响的电磁体42的操作。如本领域技术人员所知，所述控制器87可以包括可编程逻辑控制器(PLC)、数字信号处理器(DSP)，或者具有能够执行存储在存储器中的软件并且执行这里所描述的功能的中央处理单元的其它基于微处理器的控制器。人机器接口(HMI)设备(未示出)以已知的方式可操作地连接到所述控制器87。HMI设备可以包括输出装置，例如字母数字显示器、触控屏和其它可视指示器，以及输入装置和控制键，例如字母数字键盘、指示设备、小键盘、按钮、控制旋钮等，所述输入装置和控制键能够接收来自操作者的命令或者输入并且传送输入信息到控制器87的中央处理器。控制器87可以设置有与生产线中使用的其它自动设备兼容的标准通讯总线。 

控制器87可以包含用于调整一个或者两个线圈72、74的电流的算法。在一个实施例中，算法可以确定电磁体电流调整的量，并且可以基于诸如电磁体42的径向效应、所获取的作为电磁体电流设置的函数的性能数据，和/或对线圈72、74先前的电磁体电流设置。在另一实施例中，算法可以由如下述示例中所描述的实验模型(例如，查询表)得到。在又一实施例中，电磁体42可以由利用模糊逻辑的人工智能电路和所获得的作为电磁体电流设置的函数的性能数据进行调整。在一个替代实施例中，控制器87可以直接连接到测量离子束的蚀刻深度或者离子束电流密度分布的设备(即，法拉第探针阵列)，允许控制器87响应于检测到非期望的蚀刻深度或者束电流密度分布来自动调整来自电源86的电流。 

电磁体42产生磁场75，所述磁场75包括如图1所示的磁感应线，所述磁感应线具有与提供到线圈72、74的电流大致成正比的磁场强度。相对于方位轴19幅角对称的磁场75改变放电空间24中的等离子体密度分布，这又改变了离子束15的离子电流密度均匀性。磁场75非常不均匀，在磁 极片46和48的各自开口端51和53之间的区域中具有最大场强度，随着与开口端51和53距离的增加场强度逐渐减少，并且在接近栅格38和线圈天线26处具有最小场强度。磁场线相对于方位轴19居中，这表明磁场强度在放电空间24的区域增加，并且因此75可以对到达外周区域的等离子体电子起作用，如同磁镜。这种磁场结构可以允许等离子体密度分布随最小RF电离效率的降低(即，接近线圈天线26以低场强度为特征的放电空间24区域)和离子光学装置操作变形的最小化(即，接近栅格组件32以低场强度为特征的放电空间24区域)而变化。 

磁场75直接影响离子源10中的等离子体密度分布，并且因此影响从等离子体17指向由栅格组件32限定的栅格平面的等离子体离子通量分布。通过这种方式，由电磁体42产生的磁场75影响衬底11上的离子束蚀刻深度或者电流密度分布的特性。离子束蚀刻轮廓是通过从离子源10提取的离子束15蚀刻之后作为衬底11上位置坐标(例如，半径)函数的蚀刻深度(例如，厚度的变化)的测量结果。在刻蚀工艺完成之后(或者，可选择地，在刻蚀工艺部分完成之后)，相对于方位轴19，在此被简称为“蚀刻轮廓”的代表性离子束蚀刻深度分布可以由作为衬底11的位置坐标(例如，沿着衬底直径)的函数的被蚀刻材料中的厚度改变的测量结果或材料的蚀刻速率产生。或者，在上述蚀刻间隔之后，平均厚度改变分布可以基于在相同衬底和/或一个以上的衬底上测量的单独厚度改变的统计平均值来估算。 

通常，在离子源的操作期间，在此简称为“束密度分布”或者“束轮廓”的束离子通量分布可以使用多个可操作地(未示出)直接测量离子束电流密度的法拉第探针(未示出)确定(为了简化，这里假定单离子电荷态，因此离子通量和电流密度分布是相等的，然而用适当装置变化来解决单离子电荷态的当前电流密度分布，可以将相同方法用于多电荷态离子束)。在接近衬底处理位置的地方将法拉第探针插入到离子束15的路径，所述法拉第探针具有允许确定相对于方位轴的离子束电流密度的相对空间布置，由每个法拉第探针持续一定时间间隔积累电荷并计算电流测量结果。法拉第探针可以与控制器87耦合，控制器87监督法拉第探测器插入离子束15的路径和电流测量结果的获取。 

当栅格组件32中栅格间隔和孔径77的尺寸和分布相对均匀时，离子 源10中的凹的或者凸的等离子体离子通量分布将导致离子源10和衬底11之间凹的或者凸的离子束轮廓。然而，所述束轮廓可以倾向比由于各个束(beamlet)的分散和重叠引起的离子源中的等离子体离子通量分布更均匀(不那么凹或者凸)。理想的凹的束离子电流密度轮廓在这里被限定为在离子源10的边缘处(即，离方位轴19更远)具有最大离子电流密度，并且随距离子源10的中心减小的半径而大大减小；理想的凸的束轮廓恰好以相反的方式限定(即，在方位轴19处离子电流密度最大)。 

所测量的离子束电流密度分布可以比这些理想的情况更复杂，但是对我们来说一般将其中在感兴趣的光束直径的中心一半之外具有更大的离子束电流平均密度定义为“凹的束轮廓”，以及将其中感兴趣的束直径的中心一半之内具有更大的平均电流平均密度定义为“凸的束轮廓”。当将离子束垂直入射到衬底，并且假设衬底11的表面相对光滑和平整时(即，任何表面不平与蚀刻深度相比是可以忽略的)，由离子束的离子腐蚀在衬底11中获得的最终蚀刻轮廓与离子束轮廓相似，并且利用离子束处理系统的用户可得到的常用设备易于测量预期精度的蚀刻轮廓。 

图3A是示出了可以由图1和2的离子源10产生的离子束15在栅格平面32处的等离子体离子通量分布180的示意图。离子通量轮廓180相对于方位轴19(即，在与标有“0”的轴垂直的位置开始)具有凸的径向分布。尽管并非理论限制，确信通过电磁体42引入的容积(volumetric)不均匀磁场75，可以对离子通量的径向分布具有两种不同的影响，对应于影响蚀刻轮廓中的两种不同趋势。在低的磁场强度(即，在电磁体的线圈中低的电磁体电流)，认为磁场75吸引主要接近方位轴19的等离子体电子。认为将等离子体电子限制到围绕磁感应线的长螺旋轨迹，并且因此增加该区域中的工作气体电离效率。这导致轮廓180的凸的分布，其中在方位轴19处或方位轴19附近离子通量更高，并且随着与方位轴19径向距离的增加而减小。虽然本发明没有限制，但是离子通量轮廓180中最终的凸的分布可以集中在方位轴19上并且还可以相对于方位轴19对称。 

在一个实施例中，可以将离子源10配置成在低电平电流产生线圈72、74的离子通量轮廓180。在这种模式的离子源操作中，到达栅格组件32的栅格平面的等离子体离子通量的径向分布是凸的。 

图3B是可以由图1和2的离子源10产生的离子束15在栅格平面32处的等离子体离子通量轮廓190的示意图。离子通量轮廓190相对于轴19具有凹的径向分布。在较高磁场75强度(即，在线圈72，74中更大的电流循环)，认为到达线圈附近的一些热等离子体电子将从等离子体发生器镜像磁场区域反射，例如接近方位轴19和朝着放电空间24外周的开口端51、53(即，磁极)。结果，认为工作气体电离效率在等离子体发生器中心(即，邻近离子源10的方位轴19)降低，并且在外周处增加，并且与原先没有磁场分布相比，到达栅格34、36、38的等离子体离子通量的径向分布可以变得不那么凸。这导致通过轮廓190显示的凹的分布，其中等离子体离子通量在方位轴19处或接近方位轴19处更低，并且随与方位轴19径向距离的增加而增加。尽管本发明没有限制，但是离子通量轮廓190中的凸的分布可以被集中到方位轴19上并且还可以相对于方位轴19对称。 

重新参考图1和2，可以调整离子源10中的电磁体42的线圈72、74的磁体电流以产生足够提供期望的蚀刻轮廓的磁场75。电磁体42的有用操作范围可以取决于离子源10的设计的其它方面，也取决于具体的蚀刻工艺条件和期望的蚀刻轮廓。可以将在代表性实施例中提供离子光学装置的栅格组件32设计为具有可变透明度以最优地利用电磁调整能力。例如，可以通过改变栅格组件32中的孔径77的密度和/或改变穿过栅格组件32的孔径77的大小来实现栅格组件32的可调透明度。操作与孔径77有关的这些变量中的任意一个可以调整跨过栅格组件32的宽度发射的束轮廓，并且最终调整衬底11处的束轮廓的形状和蚀刻深度轮廓。 

在单个衬底或者由一个衬底到下一个衬底的衬底处理期间，为了维持期望的衬底蚀刻速率或蚀刻深度分布，可以变化电磁体42的磁场75以控制离子束电流密度分布。这种变化可以通过监控离子束电流密度分布(束轮廓)或者衬底蚀刻速率或即时或非即时(ex-situ)的蚀刻深度分布(蚀刻轮廓)来执行，然后调整或者改变磁场75以在衬底11处实现目标束电流密度分布和/或蚀刻轮廓。对于即时监控，将监控衬底蚀刻轮廓的硬件或者监控束轮廓的硬件设置在处理室12a中，所述即时监控提供连续监测的选项和实时调整。在替代实施例中，该特征可以由监控衬底蚀刻轮廓“半即时”来执行，即离子源保持在在真空下，同时从并入作为真空蚀刻设备的机构的 一部分的测量点获得衬底蚀刻轮廓。在“半即时”监控中，将监控系统设置在与离子源10相同的处理室中，但是位于经由真空运输系统与处理室12a连接的单独模块中，使得衬底11可以被转移而不破坏真空和所测量的蚀刻轮廓。 

为了改变磁场75，从电源86到线圈72、74的电流可以是可变的，以选择性地控制电磁体42的场强并且进一步选择性地改变放电空间24中的等离子体密度分布。衬底处理设备或者真空蚀刻设备的结构可以包括自动电磁体电源控制器和蚀刻轮廓测量系统(无论即时、非即时、或“半即时”)，使得整个操作可以无需用户的任何行动来执行。 

与源电磁场操作的期望范围相比，在该结构中，通过磁极片46、48代表的软磁片的残留或者剩余磁化引起的滞后效应是不可忽视的。滞后可以引起净磁场强度的再现，因而对蚀刻轮廓产生负作用。虽然可以通过仔细限定材料的成分可以将这种效应最小化，还可以规定使不同设置之间线圈72、74中的电流反向以对电磁体去磁并且取消剩余磁场。在一个实施例中，将线圈72、74中的电流设置为零，并测量离子束蚀刻轮廓。如果离子束蚀刻轮廓被确定显示滞后效应，则将处于与正常使用的电流相反幅值的电流发送通过线圈72，74。过一段时间，切断反向电流，并且测量另一离子束蚀刻轮廓。该过程可以额外的重复而继续，直到滞后不可识别。 

具体参考图2，在一个实施例中，可以在凹腔44内邻接于磁极片46放置磁场探针或者传感器89，例如在测量垂直于方位轴19的磁场强度的方向。传感器89可以在凹腔44内被重新定位，只要测定值是读数的至少大部分(例如，大于大约50％)，并且在期望的磁电流范围与读数大致成正比。当改变磁体电流设置时，或者，在消除滞后过程期间，首先切断到线圈72、74的电流，并且可以根据磁场传感器89测量剩余场强大小。 

如果基于试验结果或历史性能，剩余磁场强度超过可接受的阈值，以降低剩余磁场强度为目标向线圈72、74施加小的反向电流。线圈72、74中的小的磁体电流是最后施加的电流的一部分并且极性相反。然后切断电磁体42的磁体电流，并且使用磁场传感器89重新测量剩余磁场强度大小。当剩余磁场强度大小保持在可接受的阈值之上时，重复所述修正过程，并且调整反向电流直到剩余场强度大小降低到可接受的阈值之下。当修正处 理由于过补偿修正过程导致反极性的剩余场时，可以反向所述修正过程。如果磁体电流被调整到相同极性的更高大小，没有来自滞后效应的影响，并且由修正过程提供的去磁操作可以是不必的。 

磁场传感器89也可以用来提供用于改进的处理控制的磁场强度的闭环控制。在该替代实施例中，磁场传感器89与控制器87电耦合。然而，如果没有磁场传感器89并入离子源10，则可以仍然施加去磁处理。在这种情况下，固定的反向磁体电流强度大小可以用于去磁，其值由例如实验来确定，并且将其限定为通常在先前处理期间所采用的最大电流的大约10％到大约30％的范围。 

参考图4并且根据本发明的替代实施例，离子源10可以还包括单级或者多级定位器，其通常以附图标记100表示，其被配置成允许电磁体42沿平行于方位轴19的轴向移动，由端壁56限制，或者横向移动，由凹腔44的管状侧壁18的直径限制。定位器100提供相对于放电空间24中的等离子体量的电磁体42位置的可调整性。 

将电磁体42安装在背面凸缘20上的定位器100，可以包括一系列托架和调整机构，所述调整结构允许相对于离子源10在该实施例，相对于凹腔44，单独调整电磁体42的X，Y，Z位置。具体而言，定位器100包括托架102，托架102通常是圆柱形，具有凸缘103，所述凸缘103通过在螺栓圆周上等间隔的多个螺栓104安装到背凸缘20上。另一个托架106通过至少一个螺杆108和至少另外的支撑杆110被支撑在托架102上，所述支撑杆110结合柔性但是从结构上能起到支撑作用的间隔体112，例如弹簧。其中螺杆108与托架102相连，所述螺杆108由诸如滚珠轴承组件的旋转机构114支撑。这种可旋转的支撑件允许通过使用蝶形螺钉116旋转螺杆108平行于方位轴19(确定第一条定位轴线“Z”)定位托架102的位置。 

安装在托架106上的是另一个托架118，经由使用蝶形螺钉122旋转螺杆120可在垂直于轴的横向调整所述托架118的位置(限定第二条定位轴“x”，不与第一定位轴线“z”对齐)。经由螺杆125将另一托架124安装在托架118上，使得托架124的位置经由蝶形螺钉126在垂直于两个其它轴的方向上是可调的(确定第三定位轴“y”，不与第一定位轴“z”或者第二定位轴“x”对齐)。将电磁体42安装到托架124上。 

(x，y，z)定位轴可以包括具有相互正交轴的笛卡尔坐标系，该坐标系提供用于相对于背面凸缘20定位电磁体42的至少三自由度。然而，应理解可以使用各种其它参照框架来描述和实现托架102、106、118、124在相对于背面凸缘20定位电磁体42的不同参照框架中的运动方向。 

定位器10可以包括有本领域普通技术人员可理解的其它机械结构。在替代实施例中，定位器100可以是自动的，例如，通过利用与控制器87电耦合的动力驱动系统(例如步进电机、伺服电机等)取代手动操作的蝶形螺钉116、122、126。动力驱动系统通过来自例如存储在控制器87上的软件算法的所编制的指令得到的电信号来进行操作。 

参考图5，其中，相同的附图标记表示与图2中相同的零件以及根据本发明的替代实施例，电磁体42a调整电磁体42以包括与磁极片46、48电耦合且除了导管96不间断的固态盘状芯元件98。替换芯元件54的芯元件98消除在磁极片48的开口端49和磁极片46的开口端52之间的间隙。芯元件98还闭合磁极片46的开口端52径向内部的孔。芯元件98由永磁材料形成并且通过被固定到安装板58。 

参考图6，其中，相同的附图标记表示与图2中相同的零件以及根据本发明的替代实施例，与电磁体42a类似的电磁体42b包括另一磁极片130。所述磁极片130与磁极片46、48同心设置，使得磁极片48沿径向设置在磁极片46和130之间。磁极片46、48、130从环形芯元件107沿轴向延伸。所述磁极片130和芯元件107也由诸如低碳钢、铁或者任何其它适当材料的永磁材料形成。设置在磁极片48、130之间的间隙或开口空间34的是另外的线圈138和140以及卷线轴或者线轴136，所述卷线轴或者线轴136与线圈72、74以及线轴66一起限定电磁体为42a。线轴136基本与线轴66相同，并且一对线圈138、140基本与线圈72、74相同。 

线圈138、140以相对于方位轴19(图1)比电磁体42的线圈72、74更大的半径来设置。不管线圈72、74可以对线圈138、140通电，使得磁场75对等离子体17(图1)的影响可以相对于方位轴19在更大或者更小的直径上分布。径向分布可以依蚀刻要求而定。可以仅对线圈72、74通电、仅对线圈138、140通电、通过在一组线圈72、74和另一组线圈138、140之间切换或者同时对所有的线圈72、74、138、140通电同时利用独立的磁体电 流设置来提供独立的场的产生。 

在替代实施例中，电磁体42b可以省略两个线圈72、74之一和/或两个线圈138、140之一，使得对于每个线圈设置仅存在单一操作范围。在该替代实施例中，线圈72、74中剩下一个的两分接头与电源86耦合在闭合电路中并且由来自电源86的电流通电。类似地，线圈138、140中剩下一个的两分接头与电源86耦合在闭合电路中并且由来自电源86的电流通电。 

参考图7，其中，相同的附图标记表示与图2中相同的零件以及根据本发明的替代实施例，电磁体42c省略磁极片48，使得线圈72、74沿径向设置在磁极片46外侧。结果，线圈72、74(相对于方位轴19(图1))通过成形和集中由通电的线圈72、74发射的磁场的永磁材料仅径向侧面与其内径相接。 

参考图8，其中，相同的附图标记表示与图2中相同的零件以及根据本发明的替代实施例，电磁体42d省略磁极片46，使得线圈72、74沿径向设置在磁极片48里面。结果，线圈72、74(相对于方位轴19)由有效形成、指向和集中由通电的线圈72、74发射的磁场的永磁材料仅径向侧面与其外径相接。 

本发明的进一步细节和实施例将通过如下示例来描述。 

示例1

具有电磁体组件的离子源，否则基本与电磁体42b(图6)相同，但具有包括970匝的单线圈的内和外线圈中的每一个，为了测量提供到该电磁体42b的径向最外侧线圈的电流，在径向最内侧电磁体的线圈和电源之间装备有安培计。径向最外侧电磁体的线圈从电源断开，使得仅电磁体42b的最内侧线圈通电。将电探针插入束中并且设置于垂直于束入射方向的衬底平面中。测量电探针电压，所述电探针在衬底处理条件下充电。该电压被认为是中和宽离子束的测量结果。 

从氩气等离子体中提取1200V、650mA的带正电的离子束。当向衬底传播时，利用等离子体桥式中和器(plasma bridge neutralizer)中和离子束。在不同的离子源电磁体电流设置I_MAG，垂直入射蚀刻涂敷有氧化硅的一系列硅晶圆。电磁体电流设置I_MAG以0.1安培(A)的增量系统地变化。来自离 子源的离子束正交入射到保持静态的衬底以蚀刻硅氧化层的一部分。计算所测量的蚀刻深度(氧化层厚度的改变)与蚀刻时间的比率作为衬底上不同位置的蚀刻速率。表1中示出的相对蚀刻速率表示被零磁体线圈电流的平均蚀刻速率整除的平均蚀刻速率。在研究所选择的工艺参数和离子源蚀刻系统结构的任何电磁体的影响之前，测量零磁体线圈电流值的蚀刻速率是有利的。通过蚀刻之前和蚀刻之后的光学分光光度测试法测量氧化层厚度的变化。针对每一个磁体电流值I_MAG，测量RF功率和探针电压，并且将RF功率和探针电压归一化至零磁体线圈电流的对应值。探针电压表示中和宽离子束的电平。 

表1

IMAG	均匀性   (3σ/Avg)	相对蚀刻率	相对RF功率	相对探   针电压
					0	2.19％	1.00	1.00	1.00
0.1A	3.13％	1.00	1.01	1.03
					0.2A	3.32％	1.01	1.03	1.04
0.3A	5.85％	1.08	1.07	1.09
					0.4A	6.11％	1.09	1.06	1.04
0.5A	4.83％	1.07	1.06	1.04
					0.6A	4.57％	1.08	1.09	1.09
0.7A	4.25％	1.07	1.12	1.09
					0.8A	3.68％	1.06	1.13	1.10
0.9A	3.21％	1.05	1.16	1.13
					1.0A	3.70％	1.05	1.17	1.10
1.2A	1.56％	1.00	1.18	1.12
					1.3A	1.30％	1.00	1.18	1.19
1.4A	1.30％	0.98	1.19	1.17

如表格1所示，当期望均匀蚀刻衬底时，合适的评估蚀刻深度轮廓的形状的一个度量是在蚀刻速率的“3σ”蚀刻速率“均匀性”(来自被除以均值的均值或平均值的三倍标准偏差)变化，表示为百分比。如表中数据表明，当磁体电流由0A增加到0.4A.时，蚀刻速率的均匀性恶化。在0.4A以上 时，当磁场使蚀刻轮廓变平时，均匀性逐渐改善。如表中数据表明，相比于0A的电磁体电流时的蚀刻均匀性，1.2A、1.3A和1.4A的磁体电流时蚀刻的均匀性得到改善。可以通过这种方法(小于3％3σ)在保持静态的衬底上获得高度的蚀刻均匀性表明当调整电磁体组件时，经由本发明电磁体引入的外部电磁场消除了等离子密度的局部变化。 

如表1所表明，所测量的蚀刻速率对电磁体电流的依赖很小。存在可被补偿的轻微影响，如果要求，例如通过蚀刻时间的适当调整。还可以采用该影响来调整离子源的蚀刻速率而不是蚀刻轮廓，例如，为了使一个模式中的蚀刻速率与另一种模式的蚀刻速率相匹配，尽管这种方法的实际应用取决于工艺对蚀刻轮廓中的最终变化的敏感度。随着场强度的增加(例如，增加电磁体电流)，来自磁体组件的磁场的存在增大RF功率。然而，所观察到的RF功率的增加可以被允许而不明显降低电磁体电流的整个范围上的源效率。 

蚀刻速率轮廓中的均匀性可能与用来产生蚀刻轮廓的离子束的形状和/或均匀性有关。结果，离子束的轮廓的变化与蚀刻速率或蚀刻深度的轮廓的形状相关。 

示例2

作为在受控条件下操作电磁体而不降低离子束方向性的证据，针对束中不同位置的最佳电磁体电流设置来评估离子的角分布的“局部发散角”，并将其与相同的工艺参数下没有电磁体而获得的相等结果进行比较。通过蚀刻在屏蔽孔径下的衬底并且测量蚀刻点的大小来确定“局部发散角”，基本如J.R.Kahn，等人在J.Vac.Sci.Technol.A14(4)，Jul/Aug 1996，第2106-2112页(参考图1)中所描述，除了将涂敷有氧化硅的硅晶圆用作衬底，以及使用具有高分辨率刻蚀深度和横向位置测量的纳米分光光度(nanospectrophometric)测量仪(Nanometrics Nanospec^TM 8000)来确定蚀刻深度轮廓。在这里将该出版物的全部公开内容通过参考并入本文。使用在1.3A的磁体电流操作下操作例1的离子源蚀刻衬底。 

如表2所示，在所蚀刻的氧化硅层上的两不同位置评估发散角，两个相对于束成直角并且在栅格板下方大约9英寸。一个位置是在束的中心轴 半径上R＝0处，并且第二位置在半径R＝2.5″，所述第二位置偏离束的中心2.5英寸。所估计的发散角测量结果的误差是大约±0.5°。如表2所示，针对所选择的操作条件，没有证据表明由电磁体操作引起束方向性显著降低。 

表2

示例3

为显示而归一化的一系列离子蚀刻轮廓，通过使用示例1的离子源和操作参数(除了施加到电磁体的电流之外)来产生，并且如图9所示。没有施加到电磁体的线圈的电流(因此没有场强)，等离子体密度分布和等离子体离子通量的分布的特征在于凸的轮廓，这反映在离子蚀刻轮廓曲线200中。在相对较低的场强B_L，等离子体密度分布和等离子体离子通量的分布的凸度随场强的增加而增加，如离子蚀刻轮廓曲线210所示。在相对较高的场强B_H，随着场强的增加，等离子体密度分布和等离子体离子通量分布改变形状以变得更凹。最后，等离子体密度分布和等离子体离子通量分布变为凹形，如离子蚀刻轮廓曲线220所示。 

在相对较低的场强B_L和相对较高的场强B_H之间的在磁场强度B，等离子体密度分布和等离子体离子通量分布基本上是平的，即不凸或不凹，如离子蚀刻轮廓曲线230所示。这种行为允许将蚀刻轮廓的整体形状，以及等离子体密度分布和等离子体离子通量分布，调整为期望的形状，并且尤其非常有利于能够产生非常均匀的蚀刻特性。与现有技术的射频离子束源操控方法实施例相比，本发明的离子源使用电磁场调整等离子体密度分 布的能力潜在地允许将其用于较宽的束参数范围、或者用于不同的栅格设计、或者实现较大范围的期望的束轮廓。 

示例4

下述的是针对给定的离子束处理结构，如何将通过电磁体产生的磁场用来“重新调整”离子束密度轮廓，以便针对操作条件的变化的影响对其进行重新优化的示例。“离子束处理结构”指的是离子束处理系统设计和操作参数。所述“离子束处理系统设计”包括离子束处理系统部件的机械结构和电气结构，包括离子源实施例10、栅格组件32设计，处理室和真空泵系统设计。这里的“操作参数”指除了电磁设置自身之外的所有设备设置，包括离子束栅格电压、束电流、蚀刻角度和气体流率、以及感兴趣的处理区域(例如，可用的衬底直径)。“操作条件”是指环境的特定设置，该设置能够影响在任何特定时间与任何特定处理工具相关的密度轮廓。例如，变化可以是具体的离子发生器单元(等离子源)以及特定的处理室的结构中的公差变化引起的，所述离子发生器单元包括特定的电磁体单元、具体的单元栅格设置，所述处理室包括具体的真空泵。或者，它们可以是由于这些部件的“老化”影响引起的，因为这些部件首先被安装且最后被维护。针对操作在一组参考操作条件下的特定离子束结构，电磁体电流I_MAG可以通过产生电磁体42的典型相对影响的知识库(knowledge base)来进行最初的优化。所述知识库可以用来选择可能在参考条件下实现期望的离子束蚀刻速率轮廓的电磁体电流I_NOM的名义值。 

图10示意性地示出了根据本发明实施例针对其他操作条件用来优化离子源10的电磁体电流I_MAG的方法400。在方框402中，以形状因子K的代表性形式将分布轮廓定义为离子束蚀刻轮廓的凸度或凹度的测量结果。该形状因子可以例如是束中特定内径“r₀”内测量点的平均离子束电流密度与在r₀和最大可用半径之间的辐射线处的测量点的平均电流密度的比率。当具有基本平的蚀刻轮廓时，可以将形状因子K定义为对应于单位1(unity)，大于1(K＞1)的增大值对应于增大的凸的蚀刻轮廓，并且小于1(K＜1)的减小值对应于增大的凹的蚀刻轮廓。对于给定的离子束处理结构和给定的一组操作参数来说，针对一组参考条件，形状因子K可以被设置作为I_MAG(即， K＝K(I_MAG))的函数。 

在方框404中，将归一化的形状因子K_N定义为在每个不同的电磁体电流I_MAG处形状因子K的值除以在参考电磁体电流I₀处的形状因子K的值。I₀可以被定义为对应于电磁体断开状态的零电流。因此可以将归一化形状因子K_N定义如下： 

K_N＝K(I_MAG)/K(I₀) 

在方框406中，相对于各种电磁体电流I_MAG值，测量参考操作条件下的离子源10的离子束蚀刻轮廓。在方框406的一个实施例中，利用离子源10在各种电磁体电流I_MAG的参考操作条件下蚀刻衬底11，测量每个衬底的最终离子束蚀刻轮廓，并且每个离子束蚀刻轮廓与其对应的电磁体电流I_MAG相关。在替代实施例中，可以使用多个法拉第探针直接测量在参考操作条件和各种电磁体电流I_MAG值下离子源10的离子束电流密度轮廓的空间分布。在方框406中，可以将一个电磁体电流值I_MAG选择为参考电磁体电流I₀。在方框408中，针对方框406中所测量的每个离子束蚀刻轮廓计算形状因子K的值和归一化形状因子K_N的值。可以使用控制器87来计算针对每个离子束蚀刻轮廓的形状因子K的值和归一化形状因子K_N的值。 

在方框410中，针对给定离子束处理系统和一组操作参数，生成包含电磁体电流对离子束蚀刻速率轮廓的相对影响的相关信息的知识库。所述知识库可以采用表或者图示的形式(即，例如图11所示以及稍后所描述)。所述知识库可以驻留在控制器87的存储器中。 

在方框412中，在对应于特定离子束处理单元及其感兴趣时间的特定条件的“实际”操作状态下测量参考电磁体电流值I₀处离子源10的一个或多个离子束蚀刻轮廓。在方框414中，将实际形状因子K_ACTUAL(I₀)定义为相对于实际操作条件下的参考电磁体电流I₀的形状因子K的值。在方框416中，评估实际形状因子K_ACTUAL(I₀)以确定离子束蚀刻轮廓是否在参考电流I₀的预期限制以内(即，如果实际形状因子K_ACTUAL(I₀)大约是单位1，表明离子束蚀刻轮廓基本上既不凹也不凸，是期望的均匀蚀刻工艺)。当实际形状因子K_ACTUAL(I₀)表示离子束蚀刻轮廓在参考电流I₀下是期望的，在方框418中将名义电磁体电流I_NOM设置为参考电磁体电流I₀(I_NOM＝I₀)。在方框420中，结束用于电磁体电流优化的方法400。 

可以使用控制器87来执行优化电磁体电流的处理。控制器87可以基于在控制器87的CPU上执行的适当算法来评估实际的和期望的形状因子。 

当参考电I₀的实际形状因子K_ACTUAL(I₀)表明在参考电流获得的离子束蚀刻轮廓不是预期时(即，当预期均匀的蚀刻处理时，K_ACTUAL(I₀)不是大约等于单位1)，利用由参考条件获得的知识库来确定电磁体电流I_MAG的设置，该设置导致方框422中期望的离子束蚀刻轮廓(因而避免为了优化实际操作条件的密度轮廓而需要重新评估不同磁电流下的形状因子)。可以利用知识库寻找电磁体电流值I_MAG，在所述电磁体电流值I_MAG处期望的归一化形状因子K_ND等于期望的形状因子K_DESIRED除以在参考电流K_ACTUAL(I₀)下的实际形状因子的比率。通常，当预期均匀蚀刻处理时，期望的形状因子K_DESIRED＝1，尽管本发明没有如此限制。可以将期望的归一化形状因子K_ND定义为： 

K_ND＝K_DESIRED/K_ACTUAL(I_O) 

图11是磁体电流对离子束蚀刻轮廓的相对影响的知识库的图示，并示意性地示出了电磁体电流I_MAG和归一化形状因子K_N之间的关系。可以利用该图示参考电磁体电流I_MAG值，其中期望的形状因子K_ND等于(K_DESIRED/K_ACTUAL(I₀))(即，当均匀蚀刻处理是期望的时K_DESIRED＝1)。当最终的电磁体电流I_MAG不在电磁体42或者电源86的实际操作范围之内时，可以将名义电磁体电流I_NOM设定为归一化形状因子K_N最接近于(即，像)期望的归一化形状因子K_ND的值，当具有多个电磁体电流I_MAG值或导致期望的蚀刻轮廓的归一化形状因子K_N值时，可以选择任何提供这种条件的电磁体电流I_MAG用于正交电磁体电流I_NOM。 

例如，当在I₀实际形状因子K_ACTUAL(I₀)等于0.98(例如，表明离子束蚀刻速率轮廓是凹的)以及期望的形状因子K_DESIRED等于1(当预期均匀的蚀刻处理时)时，可以参考图11所示的知识库来寻找当名义电磁体电流I_NOM。因此计算期望的归一化形状因子K_ND为K_ND＝(1)/(0.98)，或者期望的形状因子K_ND等于1.02。如图11所示，数据库中有至少两个对应于K_N＝1.02的电磁体电流I_MAG值。可以选择这些电磁体电流I_MAG(即，I_MAG可以被设定为0.345安培或者0.5安培)中的任一个作为名义电磁体电流I_NOM，并且认为该值将导致基本平的蚀刻速率轮廓，其中均匀蚀刻处理是期望的。 

再次参照图10，在方框424中，将名义电磁体电流I_NOM设置为电磁体 电流I_MAG，此时期望的形状因子K_ND等于(K_DESIRED/K_ACTUAL)以优化离子束蚀刻轮廓的平整度。在方框420中，终止用于电磁体电流优化的处理。 

示例5

在一个实施例中，可以通过在离散步骤中调整电磁体电流以产生预期的蚀刻分布(即，当预期均匀蚀刻处理时，基本是平的)来优化电磁体电流I_MAG。图12示出在离散步骤中通过增加电磁体电流和测量与增加调整相关的影响来优化电磁体电流I_MAG的程序450的图。在方框452中，设置离子源10的操作参数。操作参数可以包括电磁体电流I_MAG的初始值，该值可以由如例4所述的知识库生成。在方框454中，将离子源10用来部分蚀刻衬底11。在方框456中，测量离子束蚀刻轮廓。 

在方框462中，基于方框456中所获得的测量结果来分析离子束蚀刻轮廓，以确定刻蚀过程是否结束。优选地，通过相同时间实际蚀刻深度的测量结果来确定蚀刻轮廓，但也可以基于平均蚀刻速率和累积的蚀刻时间来确定。如果确定刻蚀过程没结束，在方框454中再次部分蚀刻衬底，并且重复上述步骤。当刻蚀过程结束时，控制从方框462传递到方框464以终止离散步骤中的电磁体电流I_MAG的调整，并且潜在地用相同的技术蚀刻另一衬底。 

如果刻蚀过程没完成，在方框458中分析离子束蚀刻轮廓以确定蚀刻是否是期望的(即，如果在预期均匀蚀刻处理时，离子束蚀刻轮廓大致是平的)。如果离子束蚀刻轮廓不是期望的，在方框460中调整操作设置。操作设置的调节可以包括增大或者减小电磁体电流I_MAG。如果离子束蚀刻轮廓是期望的，则不用改变操作设置并且继续以当前操作参数来蚀刻衬底，当前操作参数可以是初始的操作参数或者调整的操作参数。 

在方框466中，决定是否处理另一衬底。如果不处理另一衬底，则然后控制从方框468传递到程序450停止。如果需要调整或修正衬底的操作参数，则然后在框470中产生询问以确定是否调整针对程序450的下一衬底的操作设置。如果不调整设置，然后控制再次返回到方框452，并且下一衬底的操作设置恢复到初始操作设置。或者，如果设置是期望的，则控制传递到方框472并且基于当前衬底的修正的结果产生新的初始操作设置以改善离子束蚀刻轮廓的形状。控制返回到框454的入口点并且针对新衬底 重复反复的电流调整和部分蚀刻处理。 

示例6

在一个实施例中，可以设计离子源10，使得当电磁体电流由零在磁体电流“可用”范围增加时，在所选择的操作参数(除了电磁体设置)下离子束蚀刻轮廓仅变得更凸或者更凹。磁体电流的“可用”范围首先指电源和磁体设计的可调范围，但是也可以由蚀刻性能要求来限定，例如，如表1和2所述，磁场对束发散和/或束中和的影响来限制。 

为了能更全面地在这种情况下利用电磁体来微调蚀刻轮廓，这通常可以要求凹或者凸的束轮廓的补偿，在没有磁场(即，供给线圈72、74的电磁体电流I_MAG被设置为零)的情况，可以设计代表离子光学装置的栅格组件32的径向透明度，在感兴趣的操作参数(不包括电磁体电流设置)下，使得离子束蚀刻轮廓相反于磁体影响的凸度(如果磁场的影响是增加凸度，则更凹，反之亦然)。通常，可以优化这种变化的定量以允许获得针对所评估的可能操作条件和磁电流设置的最宽范围的最预期的轮廓。在最佳情况中，最期望的密度分布是在零和允许设置的最大值之间中间的一些磁体电流平均值。 

例如，图11示意性示出了电磁体电流对归一化形状轮廓K_N的影响，使得在低电磁场中当电磁体电流I_MAG从0增加到0.3A时，离子束蚀刻轮廓变得更凸。 

图13A预示针对给定操作参数设置的稍微凸的离子束轮廓510，其通过图1和2中的离子源的先前实施例产生，其中电磁体电流I_MAG被设置为零。由于磁体电流的小量增加仅使得轮廓更凹，所以该轮廓不能通过操作在低磁场强度下的电磁体变得更均匀。图13B预示了由相同的离子源在相同的操作参数下产生的离子束蚀刻轮廓520，其中电磁体电流I_MAG被设置为零并且调整设计中的栅格组件32的径向透明度以降低凸度，使得最终的轮廓更凹。 

如图13C所预示，在这种情况下线圈72、74的电磁体电流I_MAG可以被稍微增加到相对低的值，以减小离子束蚀刻轮廓520(图13B)的凹度并且导致更均匀的离子束蚀刻轮廓530。在图11的情况下，利用该方法可以有 效限制电磁体操作到低磁场范围，这可以预期地使磁场对离子光学装置的干涉(即，由于栅格38附近的场等离子体畸变，更大的磁场可以增加离子束15的分散)和/或在向下传播至衬底11中离子束15的中和最小化。 

对电磁体电流I_MAG的调整可以类似地被用来控制当离子源10老化时离子束蚀刻轮廓的恶化。图14A预示了图13C所获得的离子束蚀刻轮廓的恶化(在均匀蚀刻处理是期望的情况下)，所述恶化导致离子源10老化时平的轮廓530(图13C)的凸度增加。具体而言，当离子源10随使用老化时可以观察到具有增加凸度的离子束蚀刻轮廓600。图14B预示可以通过减小供给电磁体的电磁体电流I_MAG以使离子束蚀刻轮廓变平整所作的调整的影响。随后，电磁体电流I_MAG的减少使离子通量的分布变平整，以便产生离子束蚀刻轮廓610(图14B)，该轮廓具有更少的凸度并且更接近轮廓530(图13C)。 

反之亦然，图14C、D预示在图13C中平整分布的恶化，这种恶化使形状轮廓530(图13C)随离子源10的老化凸度增加并且通过增加电磁体电流I_MAG以使离子束蚀刻变平整进行的调整。具体而言，当离子源10随操作老化时，相对于时间离子束蚀刻轮廓650凸度增加。随后，电磁体电流I_MAG的增加使得离子通量的分布变平整，以便产生离子束蚀刻轮廓660(图14D)，该轮廓具有更小的凹度并且更接近轮廓530(图13C)。 

如果针对待处理的不同衬底期望对磁场75进行不同的优化，可以将线圈72、74的磁体电流设置作为处理方案中的变量。该值由控制器87通信至电磁体电源86。如上所述为了调整磁体电流以补偿变化，可以使用方案控制软件以自动重写处理方案。 

离子束蚀刻轮廓中来自相对于方位轴19垂直于离子源10的方位不对称的任何不均匀性可以被忽略或者至少小于径向不均匀性。然而，如果由垂直于离子源10的方位轴19的方位不对称引起的离子束蚀刻轮廓中的不均匀性不能被忽略，在使用上述方法之前可以对电磁体42的位置的进行其它调整。 

尽管本发明已经通过各种实施例和示例进行了描述，并且尽管已经对这些实施例进行了相当详细的描述，然而本申请人不是旨在将所附权利要求的范围限制或者以任何方式限定在这些细节。对本领域技术人员来说其他的优点和修改是显然的。因而，在更广泛的方面本发明因此不局限于具 体的细节、代表性装置和方法、以及所描述的和所示出的示意性示例。因此，在不偏离本发明人的总体发明构思的精神和范围的情况下，可以偏离这些具体细节。 

Claims (23)

1.一种用于等离子体处理装置的离子源，所述离子源包括：

具有放电空间的放电室，所述放电空间适于包含工作气体；

适于从所述放电空间里面的所述工作气体生成等离子体的天线；以及

设置成与所述放电室邻接的电磁体，所述电磁体包括由永磁材料形成的第一磁极片和第一线圈，所述第一磁极片包括管状侧壁并且所述第一线圈设置成与所述第一磁极片的所述管状侧壁邻接，所述第一线圈用于通电以在所述放电空间中生成磁场，并且所述第一磁极片用于使所述磁场成形，所述磁场用于有效地改变所述放电空间里面的所述等离子体的分布。

2.根据权利要求1所述的离子源，其中，将所述第一线圈设置成相对于所述第一磁极片的所述管状侧壁具有径向间距关系。

3.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电磁体还包括由所述永磁材料形成的第二磁极片，所述第二磁极片具有管状侧壁，并且将所述第一线圈沿径向设置在所述第一磁极片的所述管状侧壁和所述第二磁极片的所述管状侧壁之间。

4.根据权利要求3所述的离子源，其中，所述第一线圈在所述第一磁极片的所述管状侧壁和所述第二磁极片的所述管状侧壁之间的环形空间里面是可移动的，以便改变所述第一线圈相对于栅格组件的轴向位置。

5.根据权利要求3所述的离子源，其中，所述电磁体还包括由所述永磁材料形成的芯元件，所述芯元件连接所述第一磁极片的所述管状侧壁和所述第二磁极片的所述管状侧壁。

6.根据权利要求3所述的离子源，其中，将所述第一磁极片和所述第二磁极片共轴设置。

7.根据权利要求3所述的离子源，其中，所述电磁体还包括由所述永磁材料形成的第三磁极片和第二线圈。

8.根据权利要求7所述的离子源，其中，所述第三磁极片具有管状侧壁，并且所述第二线圈沿径向设置在所述第二磁极片的所述管状侧壁和所述第三磁极片的所述管状侧壁之间。

9.根据权利要求8所述的离子源，还包括：

由所述永磁材料形成的芯元件，所述芯元件连接所述第一磁极片的所述管状侧壁和所述第二磁极片的所述管状侧壁，所述芯元件连接所述第二磁极片的所述管状侧壁和所述第三磁极片的所述管状侧壁。

10.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一线圈是可以移动的，以便改变所述线圈相对于所述第一磁极片的位置。

11.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电磁体还包括第二线圈，所述第一线圈包括第一分接头，所述第二线圈包括第二分接头，所述第一和第二线圈在所述第一和第二分接头中间的第三分接头处串联耦合。

12.根据权利要求11所述的离子源，还包括：

电源，所述电源包括与所述第一分接头耦合的第一极性的第一端子和适于选择性地与所述第二分接头或所述第三分接头耦合的第二极性的第二端子。

13.根据权利要求1所述的离子源，还包括：

定位器，所述定位器用于调整所述电磁体相对于所述放电空间的位置。

14.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述放电室包括封闭端、开口端和具有管状侧壁的杯形凹腔，所述管状侧壁从所述封闭端突出至所述放电空间中，并且将所述电磁体至少部分设置于所述凹腔中。

15.根据权利要求14所述的离子源，还包括：

与所述凹腔的所述管状侧壁的所述开口端邻接的至少一个栅格组件，所述至少一个栅格组件适于从所述放电空间中的等离子体提取离子。

16.根据权利要求15所述的离子源，其中，所述凹腔的所述管状侧壁从所述放电室的所述封闭端向所述栅格组件突出。

17.根据权利要求15所述的离子源，其中，所述栅格组件包括被设置和定径成与所述放电空间里面的等离子体的分布匹配的孔径，使得通过所述栅格组件中的所述孔径从等离子体中提取的离子束具有基本的空间均匀性的离子电流。

18.根据权利要求14所述的离子源，还包括：

定位器，所述定位器用于调整所述凹腔里面的所述电磁体相对于所述凹腔的所述管状侧壁的位置。

19.根据权利要求18所述的离子源，其中，所述定位器用于调整所述电磁体相对于所述凹腔的所述管状侧壁的横向位置。

20.根据权利要求18所述的离子源，其中，所述定位器用于调整所述电磁体相对于所述凹腔的所述开口端的轴向位置。

21.根据权利要求14所述的离子源，其中，将所述第一磁极片沿径向设置在所述第一线圈和所述凹腔的所述管状侧壁之间。

22.根据权利要求14所述的离子源，其中，将所述第一线圈设置在所述第一磁极片和所述凹腔的所述管状侧壁之间。

23.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述放电室包括开口，并且还包括：

与所述放电室的所述开口邻接的至少一个栅格，所述至少一个栅格适于通过所述放电室中的所述开口从所述放电空间里面的等离子体提取离子。

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