CN103620729A - 用于半导体处理的电子束增强解耦源 - Google Patents

用于半导体处理的电子束增强解耦源 Download PDF

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Abstract

半导体衬底处理系统包括处理室和限定为在所述处理室中支撑衬底的衬底支撑件。该系统还包括限定为与所述处理室分隔的等离子体室。所述等离子体室被限定来产生等离子体。该系统还包括流体连接所述等离子体室和所述处理室的多个流体传输通路。所述多个流体传输通路被限定来将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体室供应到所述处理室。该系统进一步包括用于将电子注入到所述处理室中的电子注入设备以控制所述处理室内的电子能量分布以便进而控制所述处理室内的离子对自由基的密度比例。在一实施方式中，电子束源被限定来在所述衬底支撑件之上且跨越所述衬底支撑件传送电子束穿过所述处理室。

Description

用于半导体处理的电子束增强解耦源
背景技术
由于不能分别控制等离子体中的离子和自由基的浓度，用于半导体器件制造中薄膜处理的等离子体源往往不能达到用于干法蚀刻的最理想条件。例如，在一些应用中，用于等离子体蚀刻的理想条件可通过增加等离子体中的离子浓度同时使自由基浓度维持在恒定水平而达到。但是，这种自由基浓度与离子浓度的独立控制不能使用通常用于薄膜处理的常规等离子体源达到。在这种背景下，提出了本发明。
发明内容
在一实施方式中，公开了一种半导体衬底处理系统。该系统包括处理室和限定为在所述处理室中支撑衬底的衬底支撑件。该系统还包括限定为与所述处理室分隔的等离子体室。所述等离子体室被限定来产生等离子体。该系统还包括流体连接所述等离子体室和所述处理室的多个流体传输通路。所述多个流体传输通路被限定来将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体室供应到所述处理室。该系统进一步包括电子束源，该电子束源被限定来产生电子束并在所述衬底支撑件之上且跨越所述衬底支撑件传送所述电子束穿过所述处理室。
在一实施方式中，公开了一种用于处理半导体衬底的方法。该方法包括用于将衬底放置在暴露于处理区域的衬底支撑件上的操作。该方法还包括用于在与所述处理区域分隔的等离子体产生区域中产生等离子体的操作。该方法还包括用于将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体产生区域供应到所述处理区域的操作。该方法进一步包括用于将电子注入到所述衬底之上的所述处理区域中的操作，其中所注入的所述电子修改所述处理区域中的离子密度从而影响所述衬底的处理。
在一实施方式中，公开了一种半导体衬底处理系统。该系统包括处理室和限定为在所述处理室中支撑衬底的衬底支撑件。该系统还包括限定为与所述处理室分隔的等离子体室。所述等离子体室被限定来产生等离子体。该系统还包括流体连接所述等离子体室和所述处理室的多个流体传输通路。所述多个流体传输通路被限定来将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体室供应到所述处理室。该系统进一步包括设置在所述处理室内与所述衬底支撑件分开的电极。电源被电连接到所述电极。所述电源被限定来供应电功率给所述电极以便从所述电极释放电子到所述处理室中。
在一实施方式中，公开了一种根据本发明一实施方式的用于处理半导体衬底的方法。该方法包括用于将衬底放置在暴露于处理区域的衬底支撑件上的操作。该方法还包括用于在与所述处理区域分隔的等离子体产生区域中产生等离子体的操作。该方法还包括用于将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体产生区域供应到所述处理区域的操作。该方法进一步包括用于将功率供应到设置在所述处理区域内与所述衬底支撑件分开的一或多个电极的操作。供应到所述一或多个电极的所述功率将电子从所述一或多个电极注入到所述处理区域中以便修改所述处理区域中的离子密度从而影响所述衬底的处理。
在一实施方式中，公开了一种半导体衬底处理系统。该系统包括处理室和限定为在所述处理室中支撑衬底的衬底支撑件。该系统还包括限定为与所述处理室分隔的等离子体室。所述等离子体室被限定来产生等离子体。该系统还包括流体连接所述等离子体室和所述处理室的多个流体传输通路。所述多个流体传输通路被限定来将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体室供应到所述处理室。该系统进一步包括限定来传送功率给所述多个流体传输通路的多个功率传送部件，以便在所述多个流体传输通路内产生补充性等离子体。所述多个流体传输通路被限定来将所述补充性等离子体的反应性成分供应到所述处理室。
在一实施方式中，公开了一种用于处理半导体衬底的方法。该方法包括用于将衬底放置在暴露于处理区域的衬底支撑件上的操作。该方法还包括用于在与所述处理区域分隔的等离子体产生区域中产生等离子体的操作。该方法还包括用于将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体产生区域通过多个流体传输通路供应到所述处理区域中的操作，其中所述等离子体的所述反应性成分影响所述衬底的处理。该方法进一步包括用于在所述多个流体传输通路中产生补充性等离子体的操作。该方法还包括用于将所述补充性等离子体的反应性成分从所述多个流体传输通路供应到所述处理区域中的操作，其中所述补充性等离子体的所述反应性成分影响所述衬底的处理。
从下面结合附图进行的以示例方式阐述本发明的详细描述中，本发明的其它方面和优点会变得更加显而易见。
附图说明
图1根据本发明一实施方式示出了使用被限定为与衬底处理室分隔的等离子体室的半导体衬底处理系统的简化视图。
图2根据本发明一实施方式示出了作为管孔直径的函数的为在衬底处理室中获得1.0E11cc-1的离子密度所需的离子源区域中的离子密度的图形，其中管子代表离子源区域和衬底处理室之间的运送装置。
图3A根据本发明一实施方式示出了等离子体驱动的衬底处理系统的垂直截面。
图3B根据本发明一实施方式示出了图3A中涉及的A-A水平截面视图。
图3C根据本发明一实施方式示出了图3B的水平截面视图的变化例，其中整个顶板上流体传输通路之间的间隔减小。
图3D根据本发明一实施方式示出了图3B的水平截面视图的变化例，其中整个顶板上流体传输通路之间的间隔增加。
图3E根据本发明一实施方式示出了图3B的水平截面视图的变化例，其中整个顶板上流体传输通路之间的间隔不一致。
图3F根据本发明一实施方式示出了系统的构造中的衬底支撑件的俯视图，其中电子束源被限定为在共同的方向上、在衬底支撑件之上并跨越衬底支撑件输送多个在空间上分开的电子束穿过衬底处理区域。
图3G根据本发明一实施方式示出了系统的构造中的衬底支撑件的俯视图，其中多个电子束源被限定为在各自的多个方向上、在衬底支撑件之上并跨越衬底支撑件输送多个在空间上分开的电子束穿过衬底处理区域。
图3H根据本发明一实施方式示出了针对图3G的多个电子束源的操作的离散的（rasterized）时间序列。
图4A根据本发明一实施方式示出了限定作为中空阴极设备的示例性电子束源。
图4B根据本发明一实施方式示出了导电网格的正视图。
图5A根据本发明一实施方式示出了等离子体驱动衬底处理系统的变化例，其设置有DC偏置表面电子束源。
图5B根据本发明一实施方式示出了电极的特写示图。
图6A根据本发明一实施方式示出了等离子体驱动衬底处理系统的变化例，其设置有平面DC偏置表面电子束源。
图6B根据本发明一实施方式示出了平面电极的特写示图。
图7根据本发明一实施方式示出了等离子体驱动衬底处理系统的变化例，其利用流体传输通路作为补充性离子产生区域。
图8根据本发明一实施方式示出了用于处理半导体衬底的方法的流程图。
图9根据本发明一实施方式示出了用于处理半导体衬底的方法的流程图。
图10根据本发明一实施方式示出了用于处理半导体衬底的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，许多具体细节被阐述以便提供对本发明的透彻理解。但显而易见的是，对本领域技术人员来说，本发明可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下被实施。另一方面，公知的工艺操作没有被详细描述以免不必要地模糊本发明。
由于不能分别调节等离子体中的离子和自由基的浓度，用于薄膜半导体处理的等离子体源往往不能达到用于干法蚀刻的最理想条件。在许多应用中，用于等离子体蚀刻的理想条件可通过增加离子浓度同时使自由基浓度维持在大体上恒定的水平而达到。然而，通过用于薄膜处理的常规等离子体源实现这种调节在最好的情况下也是困难的。
提供对半导体处理等离子体中的离子浓度和自由基浓度的分开控制的构思在本文中是指提供解耦的离子/自由基等离子体源。一种用于提供解耦的离子/自由基等离子体源的构思是从分开的等离子体源注入自由基和离子。在各种实施方式中，这些分开的等离子体源可以是在空间上分离的或者是在时间上分离的，即限定为在不同的时间主要产生离子或主要产生自由基。利用空间分离、时间分离、或它们的组合的解耦离子/自由基等离子体源的示例在2011年5月10日提交的、名称为“Semiconductor Processing System Having Multiple DecoupledPlasma Sources”的共同待决的美国专利申请No.13/104,923中有记载。
因等离子体室和衬底处理室的环境要求（即，压强、温度、气体组分、气体流率、电源）之间的不同，依赖等离子体的自由基种类来提供对半导体衬底的一些处理的等离子体驱动衬底处理系统可在与衬底处理室分离的等离子体室中产生等离子体。图1根据本发明一实施方式示出了使用被限定为与衬底处理室103分隔的等离子体室101的半导体衬底处理系统100的简化视图。在系统100中，等离子体产生室101通过若干流体传输通路105流体地连接到衬底处理室103。以这种方式，产生在等离子体产生室101内的等离子体的反应性组分移动穿过流体传输通路105进入衬底处理室103，如箭头107所示。在一实施方式中，流体传输通路105中的一些被限定为包括可激励区域，所述可激励区域限定来产生补充性电子（supplemental electrongeneration）以增加对等离子体产生室355的离子萃取。一经进入衬底处理室103，等离子体的反应性组分（reactive species）与衬底109相互作用以便以指定方式处理衬底109。
在一实施方式中，此处所用的术语“衬底”是指半导体晶片。但是，应当理解，在其它实施方式中，此处所用的术语“衬底”可指由蓝宝石、GaN、GaAs或SiC、或者其它衬底材料制成的衬底，且可包括玻璃板/衬底、金属箔、金属片、聚合物材料、或者类似物。此外，在各种实施方式中，此处所涉及的“衬底”在形式、形状、和/或尺寸上可以变化。例如，在一些实施方式中，此处所涉及的“衬底”可对应于200mm（毫米）半导体晶片、300mm半导体晶片、或者450mm半导体晶片。此外，在一些实施方式中，此处所涉及的“衬底”可对应于非圆形的衬底，尤其比如用于平板显示器的矩形衬底，或者类似形状。本文所涉及的“衬底”在各种示例性实施方式的附图中被表示为衬底109。
在大多数等离子体处理应用中，希望的是使用等离子体的离子组分和自由基组分二者来处理衬底109。因为自由基组分是电中性的，所以自由基组分可结合工艺气体流从等离子体产生室101移动穿过流体传输通路105到达衬底处理室103。然而，因为离子组分是带电的且可在接触材料表面时被电中和，所以难以实现离子从等离子体产生室101受控且高效地传送穿过流体传输通路105到达衬底处理室103。
应当知道，离子从远程源到衬底处理区域的注入可能是有问题的。如前所述，如果离子源与衬底处理区域在空间上是分离的，则离子必须被传输穿过离子源和衬底处理区域之间的运送装置。在不同的实施方式中，所述运送装置可以许多不同的方式限定。例如，在一实施方式中，离子源被产生在与衬底处理室物理分离的室中并由管道阵列限定运送装置。在另一实施方式中，用于产生离子源的室通过板组件与衬底处理室分离，并由若干穿过所述板组件形成的通孔来限定运送装置。应当理解，运送装置的上述实施例仅仅是以示例方式提供。在其它实施方式中，运送装置可以其它方式限定，只要运送装置提供在离子/自由基源（即，等离子体）被产生的区域和衬底处理区域之间的一或多个流体传输通路即可。
在最好的情况下，在辅助衬底处理室（secondary substrateprocessing chamber）中可达到的离子通量是离子源区域中的离子密度和博姆速率（Bohm velocity）的乘积，其中，博姆速率代表在离子源区域中的表面鞘的边缘处的离子速度。表面鞘代表与离子源等离子体接触且在电场面前的材料表面的前面的区域。然后，每单位时间衬底处理室可获得的离子总数是离子源区域中（即，等离子体产生室中）的离子通量乘以离子源区域和衬底处理室之间的运送装置（流体传输通路）的总流道面积的乘积。
存在平衡方程，其中，因从离子源区域注入的离子而导致的到等离子体处理室中的壁的额外的离子通量等于从离子源区域穿过运送装置而注入的离子能量，该平衡方程如下：
n upper = Δn ( v bohm _ upper A open v bohm _ lower A loss _ lower )    方程1
其中，nupper=离子源区域中的离子的数量密度，Δn=衬底处理室中来自离子源区域的离子的数量密度的增量，vbohm_upper=离子源区域中的离子的博姆速率，Aopen=离子源区域和衬底处理室之间的运送装置的总面积，Aloss_lower=衬底处理室的壁的总面积，且vbohm_lower=衬底处理室中的离子的博姆速率。
博姆速率由方程2给定。
v bohm = ( 9.8 E 5 T e m i ) 1 / 2 cm / sec    方程2
其中，vbohm=离子的博姆速率，Te=离子的温度（eV），且mi=离子的质量（amu）。
根据方程1，最大化衬底处理室中的离子密度可通过下列操作中的一或多个实现：1）增加离子源区域中的离子的数量密度，即，增加nupper，2）增加离子源中的电子温度，即，增加vbohm_upper，以及3）最小化在离子源和衬底处理室之间的运送装置中的离子损失。
离子源区域和衬底处理室之间的运送装置的总流道面积可以相当小。例如，小管径或少量小直径的孔会被需要以在较高压强的等离子体源区域和较低压强的衬底处理室之间维持足够的压差。因此，由于在离子源区域中会需要大的气体密度（即，高气压）以实现足够数量的电子的生产，所以简单增加离子源区域和衬底处理室之间的运送装置的流道面积会不可行。
另外，增加离子源区域中的离子数量密度和电子温度至补偿离子源区域和衬底处理室之间的运送装置的小的流道面积所需的程度会是困难的。图2根据本发明一实施方式示出了作为管孔直径的函数的为在衬底处理室中获得1.0E11cc-1的离子密度所需的离子源区域中的离子密度的图形，其中管子代表离子源区域和衬底处理室之间的运送装置。如图2中所示，如果在衬底处理室中在衬底之上需要1.0E11cc-1的离子密度，则会有必要在离子源区域中具有约1.0E12cc-1的离子密度。在具有直径小于2mm（毫米）的管子运送装置的衬底处理室中获得约1.0E11cc-1的离子密度水平在非常专业和往往不切实际的情况下有可能。
在衬底处理室中分开控制离子通量和自由基通量的附加问题是在低电子温度的情况下，尤其是当衬底处理室操作在低压下时，产生离子通量。例如，在需要通过维持暴露于衬底的超低电子温度而对衬底有最小“损害”的工艺中产生离子通量会是困难的，比如该工艺在原子层蚀刻（ALE）工艺中是在衬底上形成外延层的原子层沉积工艺。举例来说，考虑ALE工艺（在该工艺中薄膜在低电子温度被沉积），接着是处理步骤以移除单分子层材料（需要较高的电子温度）。在该实施例中，给定前述ALE工艺步骤的低电子温度，调整离子通量以完成单分子层移除工艺步骤是困难的。
应当理解，配备有控制衬底处理室中的电子能量分布函数（EEDF）的能力本身是在衬底处理室内提供离子密度相对于自由基密度的分开（解耦）控制的方法。更具体地，具有控制EEDF的能力以“选择”避免低能量离解过程、以及偏好较高能量电离或离解电离过程的电子族可在衬底处理室内相对于自由基通量增加离子通量，或者可在衬底处理室内相对于无益（unbeneficial）自由基的通量增加离子通量。
本文公开了若干等离子体驱动衬底处理系统的实施方式以在为离子和自由基控制而使用复合的离子和自由基源的等离子体源中提供充足且大的离子通量。本文所公开的等离子体驱动衬底处理系统的实施方式还实现了在可能需要大的离子通量的应用（比如ALE）中，在无损离子和电子能量的情况下获得这种大的离子通量。
通过电荷增加，注入（injection）到衬底处理室中的电子束作用来降低“大块（bulk）”电子温度和等离子体电势。因此，衬底处理室内的EEDF可通过电子束注入被修改。更具体地，到衬底处理区域中的电子束注入具有降低低能量电子轰击过程（例如，离解电子轰击过程）的速率的作用。在高于约100eV（电子伏特）的电子能量，包括带电粒子产生的电子交互过程比没有带电粒子产生的电子交互过程具有大得多的截面。因此，高能量电子族或注入的电子束可通过高能量电子交互过程维持等离子体放电。本文所公开的等离子体驱动衬底处理系统的实施方式执行各种类型的电子注入技术以最大化衬底可获得的离子通量以及在衬底处理室内提供离子和自由基通量控制的解耦。
图3A根据本发明一实施方式示出了等离子体驱动的衬底处理系统300的垂直截面。系统300包括由顶结构301B、底结构301C、以及在顶结构301B和底结构301C之间延伸的侧壁301A形成的室301。室301包围衬底处理区域302，在衬底处理区域302中，衬底109以牢固的方式被保持在衬底支撑件303上且被暴露于等离子体359的反应性成分325。衬底处理区域302通过顶板315与等离子体产生室355分开。在操作过程中，等离子体359的反应性成分325移动穿过顶板315内的若干流体传输通路316以到达衬底处理区域302，如箭头361所示。
在各种实施方式中，室壁301A、顶结构301B和底结构301C可由不同材料制成，比如，例如不锈钢或铝，只要室301的材料在结构上能够承受其在等离子体处理过程中所遇到的压差和温度，且在化学上与等离子体处理环境兼容。此外，在一实施方式中，室壁301A、顶结构301B和底结构301C由导电材料制成，且被电连接到电接地357。
在图3A的实施方式中，等离子体产生室355被形成在顶板315之上。等离子体产生室355与工艺气体源319和穿过顶板315的流体传输通路316中的每一个流体连通。系统300还包括被设置来使等离子体产生室355内的工艺气体转变成等离子体359的线圈组件351。在系统300中，室顶板301B包括适于将RF（射频）功率从线圈组件351传输到等离子体产生室355中的窗353。在一实施方式中，窗353由石英制成。在另一实施方式中，窗353由陶瓷材料（比如碳化硅）制成。
在一实施方式中，从一或多个RF电源391A-391n将RF功率输送给线圈组件351。每一个RF电源391A-391n通过各自的匹配电路被连接以确保至线圈组件351的高效的RF功率传输。在多个RF电源391A-391n的情况下，应当理解，该多个RF电源391A-391n中的每一个就RF功率频率和/或振幅而言可被独立控制。在一实施方式中，该一或多个RF电源391A-391n被限定为供应具有2MHz、27MHz、60MHz、400kHz或其组合的频率的RF功率。
应当理解，图3A的电感功率输送系统是以示例的方式示出的。在其它实施方式中，等离子体产生室355可被限定为以不同的方式产生等离子体359。例如，在一实施方式中，等离子体产生室355可被限定为电容耦合室，其中，室355的等离子体359产生区域暴露于成对的空间间隔开的电极，所述电极被电连接到一或多个功率供应源，使得功率（直流（DC）、RF、或者它们的组合）在所述成对的电极之间传输并穿过室355，以便将由工艺气体源319输送的工艺气体转变成等离子体359。在另一实施方式中，等离子体产生室355可被限定为微波驱动的室。
不管用于产生等离子体359的特别的功率输送实施方式如何，应当理解，在系统300的操作过程中，由工艺气体源319供应的工艺气体在等离子体产生室355内被转变成等离子体359。结果，等离子体359的反应性成分325从等离子体产生室355移动穿过顶板315的若干流体传输通路316到达衬底支撑件303之上的衬底处理区域302，以及当衬底109被置于衬底支撑件303上时到达衬底109上。
在一实施方式中，工艺气体一经从顶板315的流体传输通路316进入衬底处理区域302，就流过外围通气孔327（peripheralvent），并被排气泵331通过排气口329抽出，如箭头381所示。在一实施方式中，节流设备333被提供来控制来自衬底处理区域302的工艺气体的流率。此外，在一实施方式中，节流设备333被限定为可朝着外围通气孔327和远离外围通气孔327移动（如箭头335所示）的环形结构。
在一实施方式中，等离子体产生室355被限定为在高达约一托（T）的内部压强下操作。此外，在一实施方式中，衬底处理区域302在从约1毫托（mT）延伸至约100mT的压强范围内进行操作。例如，在一实施方式中，系统300被操作来提供给衬底处理区域302约10mT的压强，工艺气体吞吐流率为约1000scc/秒（标准立方厘米每秒），且反应性成分325在衬底处理区域302内的停留时间为约10毫秒（ms）。应当理解和知道的是，上述示例性操作条件表示利用系统300可达到的实质上没有数量限制的操作条件中的一个。上述示例性操作条件不表示或不暗示对系统300的可能的操作条件的任何限制。
衬底支撑件303被设置来支撑暴露于衬底处理区域302的衬底109。衬底支撑件303被限定为在衬底109上执行等离子体处理操作的过程中将衬底109保持在衬底支撑件303上。在图3A的示例性实施方式中，衬底支撑件303由附着到室301的壁301A的悬臂305支撑。但是，在其它实施方式中，衬底支撑件303可被附着到室301的底板301C或被附着到设置在室301内的另一构件。在各种实施方式中，衬底支撑件303可由不同的材料（比如，举例来说，不锈钢、铝、或者陶瓷）制成，只要衬底支撑件303的材料在结构上能够承受其在等离子体处理过程中所遇到的压差和温度，且与等离子体处理环境化学兼容。
在一实施方式中，衬底支撑件303包括偏置电极307，其用于产生电场以吸引离子朝向衬底支撑件303从而朝向保持在衬底支撑件303上的衬底109。更具体地，衬底支撑件303内的电极307被限定为跨越在衬底支撑件303和顶板315之间的衬底处理区域302施加偏置电压。由电极307产生的偏置电压作用来将形成在等离子体产生室355内的离子牵引穿过流体传输通路316到达衬底处理区域302中并朝向衬底109。
在一实施方式中，衬底支撑件303包括若干冷却通道309，在等离子体处理操作期间，冷却流体可流过冷却通道309以维持衬底109的温度控制。此外，在一实施方式中，衬底支撑件303可包括限定来相对于衬底支撑件303抬升或降下衬底109的若干升降销311。在一实施方式中，门组件313被设置在室壁301A内以使衬底109能插入室301以及能从室301移出。另外，在一实施方式中，衬底支撑件303被限定为静电卡盘，其配备来在等离子体处理操作的过程中产生用于将衬底109牢牢保持在衬底支撑件303上的静电场。
顶板315被设置在室301内、在衬底支撑件303之上并与衬底支撑件303间隔开，以便在衬底109被放置在衬底支撑件303上时使该顶板置于衬底109之上并与衬底109间隔开。衬底处理区域302存在于顶板315和衬底支撑件303之间，以便在衬底109被放置在衬底支撑件303上时，衬底处理区域302存在于衬底109之上。
在一实施方式中，衬底支撑件303在垂直方向上是可移动的，如箭头383所示，使得穿过在顶板315和衬底支撑件303之间的衬底处理区域302垂直测得的工艺间隙距离在从约1cm延伸至约10cm的范围内可调。在一实施方式中，衬底支撑件303被调整为提供约5cm的工艺间隙距离。此外，在一实施方式中，衬底支撑件303相对于顶板315的垂直位置（反之亦然）在等离子体处理操作的执行过程中或者在等离子体处理操作之间是可调整的。
工艺间隙距离的调整提供对来自流体传输通路316的离子通量的动态范围的调整。具体地，到达衬底109的离子通量可通过增加工艺间隙距离来减少，反之亦然。在一实施方式中，当工艺间隙距离被调整来实现对衬底109处的离子通量的调整时，穿过等离子体产生室355的工艺气体流率可被相应地调整，从而提供一定程度的对衬底109处的自由基通量的控制的独立性。另外，应当知道，工艺间隙距离结合从流体传输通路316流入衬底处理区域302的离子和自由基通量被控制来在衬底109处以及跨越衬底109提供实质上均匀的离子密度和自由基密度。
应当知道，流体传输通路316穿过顶板315的构造可影响等离子体359的反应性成分325在衬底处理区域302内如何分布。在一实施方式中，流体传输通路316穿过顶板315以实质上均匀分布的方式相对于下面的衬底支撑件303形成。图3B根据本发明一实施方式示出了图3A中涉及的A-A水平截面视图。如图3B中所示，流体传输通路316穿过顶板315以实质上均匀分布的方式相对于下面的衬底支撑件303形成。
应当知道，整个顶板315上的流体传输通路316之间的间隔在不同的实施方式之间可以变化。图3C根据本发明一实施方式示出了图3B的水平截面视图的变化例，其中整个顶板315上的流体传输通路316之间的间隔减小。图3D根据本发明一实施方式示出了图3B的水平截面视图的变化例，其中整个顶板315上的流体传输通路316之间的间隔增加。图3E根据本发明一实施方式示出了图3B的水平截面视图的变化例，其中整个顶板315上的流体传输通路316之间的间隔不一致。
在一示例性实施方式中，穿过顶板315的流体传输通路316的总数在从约50延伸至约200的范围内。在一示例性实施方式中，穿过顶板315的流体传输通路316的总数是约100。但应当理解，针对穿过顶板315的流体传输通路316的数量和构造的上述示例性实施方式是以示例方式提供以便于描述本发明。在其它实施方式中，基本上可根据需要，限定和排布穿过顶板315的任何数量和构造的流体传输通路316，以在衬底处理区域302内提供反应性成分325（即，自由基和/或离子）的适当混合和分布，以便在衬底109上取得希望的等离子体处理结果的。
图3A的等离子体驱动衬底处理系统300进一步包括至少一个电子束源363，电子束源363被限定来产生电子束367并传送电子束367穿过在衬底支撑件303之上且跨越衬底支撑件303的衬底处理区域302。每一个电子束源363被电连接以从电源389接收功率，使得功率可以独立受控的方式供应给每一个电子束源363。根据电子束源363的类型，电源389可被限定为输送DC功率、RF功率、或者它们的组合给电子束源363。
在一实施方式中，每一个电子束源363被限定为沿着与限定来支撑衬底109的衬底支撑件303的表面实质上平行的轨道输送电子束367。此外，每一个电子束源363可被限定来产生并传送一或多个电子束367。在操作过程中，电子束源363被操作来在离子产生气体（比如氩）流过衬底处理区域302时输送电子束367穿过衬底处理区域302。在一实施方式中，离子产生气体是由工艺气体源319供应的工艺气体混合物的组分，并通过顶板315中的流体传输通路316流入衬底处理区域302中。
注入衬底处理区域302的电子束367（比如由电子束源363所提供的）在衬底处理区域302内在电子束367附近引起带电粒子生产量（即，离子生产量）的增加。注入衬底处理区域302的电子束367被优化，以便相较于通过工艺气体的电子轰击离解的产生的自由基，通过电子轰击电离事件产生显著更多的离子。在一实施方式中，建立这种相对于离解优先电离的方法可包括优化电子束367的源的位置、优化注入处理区域302的电子的数量、和/或优化电子束367的能量中的一或多者。因此，应当知道，注入并穿过衬底处理区域302的电子束367提供了对离子密度的增加的空间和时间控制，却不会显著影响自由基密度，从而在衬底处理区域302内提供了离子密度控制和自由基密度控制的有效解耦。
图3A的实施方式还包括位于衬底支撑件303的周界之外且在衬底支撑件303之上的若干导电网格365。导电网格365被电连接到电源387，以便以独立受控的方式将受控的电压电平施加给导电网格365中的每一个。根据具体实施方式，电源387可被限定为输送DC功率、RF功率、或者它们的组合给导电网格365。
在一实施方式中，导电网格365被设置在每一个电子束源363的电子束出口处且在该出口上。在该实施方式中，给导电网格365的功率可被控制来增强或至少不抑制来自电子束源363的电子束367的传送，导电网格365被设置在电子束源363上。而且，正电荷可被施加给位于衬底支撑件303的远离有源电子束源363的远侧上的给定导电网格365，使得给定的带正电荷的导电网格365充当用于由有源电子束源363输送的电子束367的电壑（electrical sink）。
如前所述，系统300可包括一或多个电子束源363。图3F根据本发明一实施方式示出了系统300的构造中的衬底支撑件303的俯视图，其中电子束源363被限定为在共同的方向上、在衬底支撑件303之上并跨越衬底支撑件303传送多个在空间上分开的电子束367穿过衬底处理区域302。电子束源363可被限定并操作来以连续方式或者以脉冲方式输送电子束367。此外，电子束源363可被限定并操作来以空间上分段的方式输送电子束367，使得电子束367在单一共同方向上、在衬底支撑件303的一部分之上、在给定的时间被传送。在该实施例中，电子束源363可被限定并操作来以时间上复用的方式输送在空间上分段的电子束367，使得电子束367以平均时间的实质上均匀的方式被集中传送跨越整个衬底支撑件303（以及置于其上的衬底109）。以这种方式，电子束367跨越衬底支撑件303以及置于其上的衬底109集中提供产生实质上均匀的离子的效果。
在图3F的实施方式中，第一导电网格365A被设置在电子束源363的电子束出口上。第一导电网格365A可被供电以促进/增强来自电子束源363的电子束367的传送。此外，在该实施方式中，第二导电网格365B被设置在衬底支撑件303对面的电子束源363相对的位置上。第二导电网格365B被电连接到电源387以便接收正电荷。以这种方式，第二导电网格365B充当用于来自电子束源363的在单一共同方向上跨越衬底处理区域302传送的电子束367的电壑。
图3G根据本发明一实施方式示出了系统300的构造中的衬底支撑件303的俯视图，其中多个电子束源363被限定为在各自的多个方向上、在衬底支撑件303之上并跨越衬底支撑件303输送多个在空间上分开的电子束367穿过衬底处理区域302。每一个电子束源363可被限定并操作来以连续方式或者以脉冲方式输送其电子束367。此外，电子束源363可被限定并操作来以空间上光栅式（rastered）的方式输送电子束367，使得电子束367在给定的时间从选定数量的电子束源363被输送。以这种方式，电子束源363中的一或多个可在给定的时间被操作。此外，在该实施方式中，电子束源363可被限定并操作来以时间上复用的方式输送在空间上光栅式的电子束367，使得电子束367以平均时间的实质上均匀的方式被集中传送跨越整个衬底件303（以及置于其上的衬底109）。在一实施方式中，电子束源363中的每一个被限定并操作来在衬底支撑件303的中心位置之上传送其电子束367。
另外，在图3G的实施方式中，导电网格365中的每一个被电连接到电源387，使得导电网格365中的每一个可以独立控制的方式充电（正亦或负）。在一实施方式中，设置在有源电子束源363的电子束出口上的导电网格365是带电的以增强电子束367的传送或者不抑制电子束367的传送。而且，设置为与衬底支撑件303对面的有源电子束源363相对的另一导电网格365被供给正电荷，使得该导电网格365充当用于来自有源电子束源363的跨越衬底处理区域302传送的电子束367的电壑。
图3H根据本发明一实施方式示出了针对图3G的多个电子束源363的操作的离散的（rasterized）时间序列。如图3H中所示，电子束源363被限定为循序输送多个在空间上分开的电子束367。例如，在时间点（时间点1），第一电子束源363被操作来输送其电子束367跨越衬底支撑件303。在下一时间点（时间点2），与该第一电子束源相邻的第二电子束源363被操作来输送其电子束367跨越衬底支撑件303。所述多个电子束源363的剩余电子束源以顺序方式在连续的时间被操作来输送其电子束367跨越衬底支撑件303。最后，最终的电子束源363在最终的时间点（时间点16）被操作来输送其电子束367跨越衬底支撑件303。然后，电子束源363的操作的该离散的时间序列可根据需要被重复。应当理解，在其它实施方式中，电子束源363本质上可按任意次序（例如，无顺序次序）进行激活，且本质上可持续任意时间段以便获得对衬底处理区域302内的离子密度的期望效果。
应当理解，图3G和3H中所示的电子束源363的数量是以示例方式提供的。在一实施方式中，36个分开的电子束源363围绕衬底支撑件303的外围进行布置，且彼此间隔开使得该36个电子束源363中的相邻电子束源以相对于衬底支撑件303的中心约10度的角度差（θ）输送它们各自的电子束跨越衬底支撑件303。在其它实施方式中，不同数量的电子束源363可围绕衬底支撑件303的外围以实质上均匀间隔的方式进行布置。不论围绕衬底支撑件303的外围所布置的电子束源的具体数量如何，应当理解，电子束源363可被布置并操作来以时间上复用的方式输送它们各自的在空间上光栅式的电子束367，使得电子束367以平均时间的实质上均匀的方式被集中传送跨越整个衬底件303（以及置于其上的衬底109）。以这种方式，电子束367跨越衬底支撑件303以及置于其上的衬底109集中提供实质上均匀的离子产生效果。
在各种实施方式中，电子束源363可被限定作为不同类型的电子束源。例如，在一些实施方式中，电子束源363可被限定作为中空阴极设备、电子回旋共振设备、激光驱动设备、微波驱动设备、电感耦合等离子体产生设备、以及电容耦合等离子体产生设备中的一或多种。应当理解，上述类型的电子束源363是以示例方式提供的。在其它实施方式中，本质上任何类型的电子束源363都可被用在系统300中，只要该电子束源363被限定为产生并传送所需的电子束367穿过衬底处理区域302，以便获得对衬底处理区域302内的离子密度的期望效果和衬底109上的相应的等离子体处理结果。
图4A根据本发明一实施方式示出了限定作为中空阴极设备401的示例性电子束源363。中空阴极设备401被设置在衬底支撑件303的周界之外且在衬底支撑件303之上。中空阴极设备401具有朝向在衬底支撑件303之上的衬底处理区域302的出口区域407。中空阴极设备401可被设置在系统300内以便与周边室材料电隔离和RF隔离。在一实施方式中，中空阴极设备401包括设置在中空阴极设备401的内腔的相对的两侧上的成对电极403A、403B。电极403A、403B中的一者或二者被电连接以从电子束电源389接收功率。电子束电源389可被限定为包括DC电源389A、RF电源389B、或者它们的组合。RF电源389B通过匹配电路389C连接到电极403A和/或403B以提供阻抗匹配从而最小化所输送的RF功率自电极403A和/或403B的反射。
在一实施方式中，设置电极403A、403B使得一电极403A被设置在中空阴极设备401内部与中空阴极设备401的电子束367出口相对，而另一电极403B被设置为靠近中空阴极设备401的出口。但是，应当理解，在其它实施方式中，电极403A、403B可被设置在中空阴极设备401的内腔中的其它位置和/或方向。另外，在其它实施方式中，中空阴极设备401可被限定为安装不同于电极403A、403B的功率传送部件，只要该功率传送部件能够传送功率给中空阴极设备401的内腔中的工艺气体，以便将该工艺气体转变成等离子体405即可。例如，在一实施方式中，中空阴极设备401的壁是导电的并起到功率传送部件的功能。在另一示例性实施方式中，功率传送部件被实施作为邻近中空阴极设备401设置的线圈。
中空阴极设备401还被连接到电子束气体源388，使得用于产生电子束的工艺气体可以受控方式从电子束气体源388流入中空阴极设备401的内部。一经进入中空阴极设备401的内部，该工艺气体被来自电极403A、403B、或者其它类型的功率传送部件的功率转变成等离子体405。在一实施方式中，具有2MHz、27MHz、60MHz、400kHz、或者它们的组合的频率的RF功率被输送给电极403A、403B、或者其它类型的功率传送部件以将工艺气体转变成等离子体405。
另外，在一实施方式中，中空阴极设备401被限定为设置通电的电子束367出口区域407以增强对中空阴极设备401的内腔的电子萃取。在一实施方式中，可通电的出口区域407本身可被限定作为另一中空阴极。在该实施方式的一个版本中，出口区域407被可由DC电源、RF电源、或者它们的组合供电的电极限定。当来自等离子体405的反应性成分流过可通电的出口区域407时，来自电极的功率会在出口区域407内释放快速的电子，这会增强由中空阴极设备401输送的电子束367。
在一实施方式中，导电网格365被设置在中空阴极设备401的电子束367出口区域407上。更具体地，导电网格365被设置在中空阴极设备401的出口区域407和衬底支撑件303之上的衬底处理区域302之间以促进对来自中空阴极设备401的内腔中的等离子体405的电子的萃取。图4B根据本发明一实施方式示出了导电网格365的正视图。在一实施方式中，导电网格365被电连接以从导电网格电源387接收功率。电源387可被限定为包括DC电源387A、RF电源387B、或者它们的组合。RF电源387B通过匹配电路387C连接到导电网格365以提供阻抗匹配从而最小化所输送的RF功率自导电网络365的反射。
另外，在一实施方式中，导电网格365被连接到加热器409以提供对导电网格365的独立的温度控制，这可被用来维持导电网格365的清洁状态（cleanliness state）。在一实施方式中，导电网格365作为萃取网格操作以从中空阴极设备401的内腔中的等离子体405萃取电子通量。另外，在一实施方式中，导电网格365可以脉冲方式进行操作使得导电网格365上的电荷的极性在脉冲之间在正和负之间交变。在该实施方式中，导电网格365操作来在被供给正电荷脉冲时从等离子体405萃取电子通量，而在被供给负电荷脉冲时从等离子体405萃取离子。从而，在该实施方式中，导电网格365可以以在离子萃取模式和电子萃取模式之间交变的方式被施加脉冲。此外，导电网格的这种脉冲提供周期平均化的零电流（period averaged null current）并进入（access）在衬底处理区域302中的离子驱动的电离过程。另外，设置为与衬底支撑件303对面的中空阴极设备401的出口区域407相对的另一导电网格365可被操作来具有正电荷以提供用于由中空阴极设备401输送的电子束367的电壑。
图5A根据本发明一实施方式示出了等离子体驱动衬底处理系统300的变化例，其设置有DC偏置表面电子束源503。图5A的系统300A包括替代电子束源363和导电网格365的DC偏置电子束源503。为便于描述，DC偏置电子束源503在下文中被称为电极503。电极503被设置在电绝缘构件501内，使得电极503的表面被暴露于衬底处理区域302。此外，电极503被设置在与衬底支撑件303分开的处理室301内。在一实施方式中，电极503被限定作为在处理室301的衬底处理区域302内被设置在衬底支撑件303的周界之外且在衬底支撑件303之上的导电带。在一实施方式中，电极503被限定作为围绕衬底支撑件303界定衬底处理区域302的带或条。
在系统300A中，电极503被电连接到电源505。在一实施方式中，电源505被限定为施加电功率给电极503以便吸引衬底处理区域302内的离子朝向电极503并从电极503释放电子到衬底处理区域302中。在不同的实施方式中，从电源505供应给电极503的电功率可以是DC功率、RF功率、或者DC功率和RF功率的组合。在一实施方式中，负电压被电源505施加给电极503。但是，在其它实施方式中，被电源505施加给电极503的电压可以是负的或正的。例如，在一实施方式中，电源505被限定为供应正电压给电极503，从而吸引电子并排斥带正电荷的离子。此外，在一实施方式中，电源505被限定为以脉冲方式和/或以交变极性方式施加功率给电极503。
图5B根据本发明一实施方式示出了电极503的特写示图。在一实施方式中，电极503提供DC偏置表面，从该DC偏置表面，入射离子通量（Jion）产生在朝着衬底处理区域302的方向上离开电极503的表面的电子通量（Je-），即电子束。在一实施方式中，入射到电极503上的离子通量（Jion）中的离子是非惰性的且是钝化的，比如Si离子。在该实施方式中，电极503的DC偏置表面可被用来补偿通过自由基相互作用产生的钝化物质（passivating species）。在一实施方式中，电极503可用DC电源、RF电源、或者它们的组合来供电。此外，在一实施方式中，低频RF功率被供应给电极503。
另外，在一实施方式中，电极503被设置尺寸以在衬底处理区域302内产生中空阴极效果。更具体地，如果电极503的DC偏置表面被限定为界定衬底处理区域302的足够大的带或条，使得由电极503发射的电子有足够的能量到达电极503的对面部分，则中空阴极构造可在衬底处理区域302本身之内形成，从而进一步增强衬底处理区域302内的电离。
图6A根据本发明一实施方式示出了等离子体驱动衬底处理系统300的变化例，其设置了平面DC偏置表面电子束源601。相对于图3A的系统300，图6A的系统300B包括代替电子束源363和导电网格365的平面DC偏置电子束源601。为便于描述，DC偏置电子束源601在下文中被称为平面电极601。在一实施方式中，平面电极601被限定为设置在衬底处理区域302内的衬底支撑件303之上的平面导电段601。在一实施方式中，平面电极601在系统300B内结合上面参考图5A-5B所讨论的电极503被设置。
例如，在一实施方式中，平面电极601被限定在顶板315的在面朝衬底支撑件303的方向上的底面上，以便面朝衬底处理区域302。在一实施方式中，平面电极601通过绝缘构件603与顶板315电绝缘。此外，在该实施方式中，应当理解，平面电极601和绝缘构件603中的每一个均包括形成为与存在于顶板315中的若干流体传输通路316对准的若干通孔，使平面电极601和绝缘构件603二者避免干扰反应性成分流从等离子体产生室355进入衬底处理区域302。
在系统300B中，平面电极601被电连接到电源605。在一实施方式中，电源605被限定为施加负电压给平面电极601以便吸引衬底处理区域302内的离子朝向平面电极601并从平面电极601释放电子到衬底处理区域302中。在一实施方式中，电源605被限定为以脉冲方式施加功率给平面电极601。此外，在一实施方式中，电源605被限定为供应正电压给平面电极601，从而吸引电子并排斥带正电荷的离子。
图6B根据本发明一实施方式示出了平面电极601的特写示图。在一实施方式中，平面电极601提供DC偏置表面，从该DC偏置表面，入射离子通量产生在朝着衬底处理区域302的方向上离开平面电极601的表面的电子通量（Je-），即电子束。在一实施方式中，入射到平面电极601上的离子通量（Jion）中的离子是非惰性的且是钝化的，比如Si离子。在该实施方式中，平面电极601的DC偏置表面可被用来补偿通过自由基相互作用产生的钝化物质。在一实施方式中，平面电极601可用DC电源、RF电源、或者它们的组合来供电。此外，在一实施方式中，低频RF功率被供应给电极601。
如前面所讨论的，等离子体产生室355和衬底处理区域302之间的流体传输通路316的总流道面积可以是相当小的。例如，流体传输通路316可包括小管径或少量小直径的孔以便在较高压强的等离子体产生室355和较低压强的衬底处理区域302之间维持足够的压差。因此，由于在等离子体产生室355中会需要大的气体密度（即，高气压）以达到生产足量的电子，所以简单增加流体传输通路316的流道面积以获得从等离子体产生室355到衬底处理区域302中的较高的离子通量会不可行。
为了克服对与流体传输通路316相关联的离子传送效率的几何限制，本发明的一种实施方式利用流体传输通路316作为补充性离子产生区域，即等离子体助推器（plasma booster）。图7根据本发明一实施方式示出了等离子体驱动衬底处理系统300的变化例，其利用流体传输通路316作为补充性离子产生区域。在图7的实施方式中，图3A的系统300中的顶板315被可通电顶板701取代。如同顶板315，可通电顶板701包括穿过可通电顶板701形成的若干流体传输通路316以便从等离子体产生室355延伸到衬底处理区域302。但是，可通电顶板701包括邻近所述若干流体传输通路316中的每一个设置的若干功率传送部件702。功率传送部件702被限定来输送功率给流体传输通路316以便在流体传输通路316内产生补充性等离子体704。流体传输通路316被限定来供应等离子体359和补充性等离子体704两者的反应性成分给衬底处理区域302。
系统300C还包括被限定来供应DC功率、RF功率、或者它们的组合给功率传送部件702的电源703。功率传送部件702转而作用来传输功率穿过流体传输通路316以便将流体传输通路316内的工艺气体转变成补充性等离子体704。在一实施方式中，系统300C还可包括与流体传输通路316中的每一个流体连通的工艺气体源709以便供应辅助工艺气体给流体传输通路316中的每一个。从功率传送部件702传送的功率可被用来将辅助工艺气体转变成补充性等离子体704。但是，在另一实施方式中，系统300C可以不使用辅助工艺气体源709。在该实施方式中，功率传送部件702可被限定为将来自等离子体产生室355的流过流体传输通路316的工艺气体转变成补充性等离子体704。在该实施方式中，流体传输通路316作为等离子体放大区域来操作。
应当理解，在系统300C中，流体传输通路316、功率传送部件702、以及电源703可以许多方式限定从而在流体传输通路316内形成不同类型的补充性等离子体704产生区域。例如，在各种实施方式中，流体传输通路316、功率传送部件702、以及电源703可被限定使得流体传输通路316作为穿流式（flow-through）中空阴极、穿流式电容耦合区域、穿流式电感耦合区域、穿流式磁控管驱动区域、穿流式激光驱动区域、或者它们的组合。换句话说，在各种实施方式中，每一个流体传输通路316可通过磁控管效应、或者通过另一种电离方法（比如通过用聚焦的激光辐照流体传输通路中的点）作为中空阴极、电容耦合源、或者电感源（有围住流体传输通路的电感线圈）进行操作。在一实施方式中，流体传输通路316作为中空阴极介质或者利用至流体传输通路316中的直接电子束注入进行操作以便取得足量的高能量电子从而产生大量电离。
应当理解，补充性等离子体704在流体传输通路316内的产生提供了离子从补充性等离子体704到衬底处理区域302中的视线无阻的传输，从而提供了进入衬底处理区域302的离子通量的受控增加。另外，在一实施方式中，功率传送部件702包括电子束源，该电子束源被限定来产生电子束并传送这些电子束穿过流体传输通路316，以便促进形成在流体传输通路316内的补充性等离子体704中的离子产生（ion generation）。
另外，在一实施方式中，系统300C可任选地包括设置在等离子体产生室355中的电极711以驱使带电组分从等离子体产生室355穿过流体传输通路316进入衬底处理区域302中。此外，电极711可作用来驱使带电组分从流体传输通路316内的补充性等离子体704进入衬底处理区域302中。应当理解，电极711可连接到电源以便被供给DC功率、RF功率、或者它们的组合。此外，电极711上的电荷的极性可以指定方式进行控制和变化。例如，在一实施方式中，功率可以脉冲方式供应给电极711。
另外，在一实施方式中，系统300C可以可选地包括电极503和相应的电源505，如前面参考图5A和5B所讨论的。此外，在一实施方式中，系统300C可以可选地包括电子束源363、导电网格365、电源387和389、以及电子束气体源388，如前面参考图3A至4B所讨论的。而且，在一实施方式中，系统300C可以可选地包括平面电极601和绝缘构件603，如前面参考图6A和6B所讨论的。在该实施方式中，平面电极601可作为设置在衬底处理区域302内的萃取网格来操作以吸引带电组分从流体传输通路316进入衬底处理区域302中。根据供应给平面电极601的电荷的极性，从流体传输通路316吸引到衬底处理区域302中的带电组分可包括电子或带正电荷的离子。如同电极711，应当理解，电极503和平面电极601中的每一个可被供给DC功率、RF功率、或者它们的组合。此外，如同电极711，电极503和平面电极601中的每一个可以独立受控的方式进行操作，例如，以连续通电的方式或者以脉冲的方式。
在一实施方式中，等离子体产生室355内的远程等离子体359源可被用作为电子束源以影响衬底处理区域302中离子与自由基的通量控制。如果等离子体产生室355内的远程等离子体359源在相对于衬底处理区域302负电势显著的情况下进行操作，则电子可被加速从负电势的等离子体产生室355穿过流体传输通路316到达正电势的衬底处理区域302。当高能电子移动穿过流体传输通路316并进入衬底处理区域302时，所述高能电子在能量区（energy regime）中引起电离，简单的离解过程在能量区中不起作用。此外，如果高能电子在它们移动穿过流体传输通路316时散开，则所述高能电子可产生额外的二次电子，特别是在二次电子产生系数可能非常高且往往高于与电子的相互作用过程相关联的离子产生系数的情况下。
应当理解，不同种类的远程等离子体359源可被用于从等离子体产生室355萃取进入衬底处理区域302中的电子束。例如，一些实施方式可将等离子体产生区域355作为电容耦合等离子体359源产生区域、电感耦合等离子体359源产生区域、或者结合DC偏置的微波等离子体359源产生区域来操作。此外，如果等离子体产生室355和衬底处理区域302之间的电势差对从等离子体产生室355萃取进入衬底处理区域302中的电子束而言是不够的，则电子萃取网格可被用于从等离子体产生室355萃取进入辅助等离子体源区域中（即在流体传输通路316内）的电子，其中所萃取的电子可产生更多的离子。
鉴于上述，应当知道，至衬底处理区域302中的电子束注入的空间和/或时间复用促进了衬底处理区域302内离子通量与自由基通量的调制。此外，应当知道，电子束激活的等离子体源组合主要为自由基成分的等离子体源的使用可提供任何其它方法所不能达到的离子通量和自由基通量比例控制的动态范围。
图8根据本发明一实施方式示出了用于处理半导体衬底的方法800的流程图。在一实施方式中，图3A至4B的等离子体驱动衬底处理系统300可被用于执行图8的方法。方法800包括用于将衬底放置在暴露于处理区域的衬底支撑件上的操作801。方法800还包括用于在与处理区域分隔的等离子体产生区域中产生等离子体的操作803。方法800还包括用于将等离子体的反应性成分从等离子体产生区域供应到处理区域的操作805。方法800进一步包括用于将电子注入到衬底之上的处理区域中的操作807，其中所注入的电子修改处理区域中的离子密度从而影响衬底的处理。
在方法800的一种实施方式中，将电子注入到处理区域中包括沿着与衬底的上表面实质上平行的轨道传送电子束。在该实施方式的一个实施例中，电子束的轨道以线性方式从在衬底支撑件的外围之外且在衬底支撑件之上的第一位置延伸到在衬底支撑件的外围之外且在衬底支撑件之上的第二位置。在该实施方式的另一实施例中，方法800可包括在处理区域内产生电转向场，使得电子束的轨道以非线性方式延伸穿过受电转向场控制的处理区域。此外，在一实施方式中，方法800包括用于将正电荷施加到在第二位置（即在电子束终结位置）处的导电网格的操作，使得所述导电网格充当用于沿该轨道传送的电子束的电壑。在方法800的各种实施方式中，电子可以脉冲方式或者以连续方式注入到处理区域中。
在一实施方式中，用于将电子注入到处理区域中的操作807包括在衬底的上表面之上并跨越衬底的上表面传送多个在空间上分开的电子束穿过处理室。在该实施方式的一个实施例中，该多个在空间上分开的电子束中的每一个在共同的方向上被传送，使得该多个在空间上分开的电子束以实质上平行的方式在衬底的上表面之上并跨越衬底的上表面进行传送。在该实施方式的另一实施例中，该多个在空间上分开的电子束在不同的多个方向上在衬底的上表面之上并跨越衬底的上表面且与衬底的上表面实质上平行地进行传送。此外，在一实施方式中，该多个在空间上分开的电子束中的不同电子束在不同的时间被传送使得电子遍及暴露于衬底的处理区域以平均时间的实质上均匀的方式被注入。方法800还可包括用于跨越处理区域从衬底支撑件施加偏置电压的操作以便吸引因所注入电子而产生的离子朝向衬底。
图9根据本发明一实施方式示出了用于处理半导体衬底的方法900的流程图。在一实施方式中，图5A至6B的等离子体驱动衬底处理系统300A、300B、或者它们的组合，可被用于执行图9的方法。方法900包括用于将衬底放置在暴露于处理区域的衬底支撑件上的操作901。方法900还包括用于在与处理区域分隔的等离子体产生区域中产生等离子体的操作903。方法900还包括用于将等离子体的反应性成分从等离子体产生区域供应到处理区域的操作905。方法900进一步包括用于将功率供应到设置在处理区域内与衬底支撑件分开的一或多个电极的操作907，其中供应到一或多个电极的功率使电子从该一或多个电极注入到处理区域中以便修改处理区域中的离子密度从而影响衬底的处理。
在一实施方式中，一或多个电极包括暴露于处理区域设置在衬底支撑件的周界之外且在衬底支撑件之上的导电带，比如图5A的电极503。在一实施方式中，导电带被形成为连续结构，该连续结构界定（circumscribe）衬底支撑件的周界。此外，在一实施方式中，一或多个电极包括暴露于处理区域设置在衬底支撑件之上的平面导电段，比如图6A的平面电极601。此外，在一实施方式中，一或多个电极包括暴露于处理区域设置在衬底支撑件的周界之外且在衬底支撑件之上的导电带和暴露于处理区域设置在衬底支撑件之上的平面导电段二者。
在一实施方式中，操作907中的将功率供应到一或多个电极包括将直流功率、射频功率、或者直流功率和射频功率的组合供应到该一或多个电极。此外，在一实施方式中，功率以脉冲方式被供应给一或多个电极。在另一实施方式中，功率以连续方式被供应给一或多个电极。此外，在一实施方式中，操作907中的将功率供应到一或多个电极包括使该一或多个电极上的电荷的极性交变。另外，在一实施方式中，该方法可包括用于跨越处理区域从衬底支撑件施加偏置电压的操作以便吸引因所注入电子而产生的离子朝向衬底。
图10根据本发明一实施方式示出了用于处理半导体衬底的方法1000的流程图。在一实施方式中，等离子体驱动衬底处理系统300C可被用于执行图10的方法。在一实施方式中，等离子体驱动衬底处理系统300C可以与等离子体驱动衬底处理系统300、300A和300B中的一或多者的部件组合来执行图10的方法。方法1000包括用于将衬底放置在暴露于处理区域的衬底支撑件上的操作1001。方法1000还包括用于在与处理区域分隔的等离子体产生区域中产生等离子体的操作1003。方法1000还包括用于将等离子体的反应性成分从等离子体产生区域通过多个流体传输通路供应到处理区域中的操作1005，其中等离子体的反应性成分影响衬底的处理。方法1000进一步包括用于在多个流体传输通路中产生补充性等离子体的操作1007。方法1000进一步包括用于将补充性等离子体的反应性成分从多个流体传输通路供应到处理区域中的操作1009，其中补充性等离子体的反应性成分影响衬底的处理。
在一实施方式中，操作1007中的产生补充性等离子体包括使多个流体传输通路作为穿流式中空阴极、穿流式电容耦合区域、穿流式电感耦合区域、穿流式磁控管驱动区域、穿流式激光驱动区域、或者它们的组合操作。此外，在一实施方式中，操作1007中的在多个流体传输通路中产生补充性等离子体包括传输直流功率、射频功率、或者直流功率和射频功率的组合穿过该多个流体传输通路。在一实施方式中，功率以脉冲方式被传输穿过多个流体传输通路。在另一实施方式中，功率以连续方式被传输穿过多个流体传输通路。另外，在一实施方式中，操作1007中的在多个流体传输通路中产生补充性等离子体包括将工艺气体供应到该多个流体传输通路中的每一个的内部。
在一实施方式中，操作1005中的将等离子体的反应性成分从等离子体产生区域通过多个流体传输通路供应到处理区域中包括操作设置在等离子体产生区域中的电极以驱使带电组分从等离子体产生区域穿过多个流体传输通路进入处理区域中。此外，在一实施方式中，操作1009中的将补充性等离子体的反应性成分从多个流体传输通路供应到处理区域中包括操作设置在处理室内的萃取网格以吸引带电组分从多个流体传输通路进入处理区域中。
在一实施方式中，方法1000可进一步包括用于将电子注入到衬底之上的处理区域中的操作，其中所注入的电子修改处理区域中的离子密度从而影响衬底的处理。此外，在一实施方式中，方法1000可包括用于将功率供应到设置在处理区域内与衬底支撑件分开的一或多个电极，其中供应到一或多个电极的功率使电子从该一或多个电极注入到处理区域中以便修改处理区域中的离子密度从而影响衬底的处理。
虽然已经以若干实施方式的形式对本发明进行了描述，但要知道的是，本领域技术人员在阅读前面的说明书和研究附图的基础上会想到本发明的各种变化方式、附加方式、置换方式和等同方式。本发明包括落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的变化方式、附加方式、置换方式和等同方式。

Claims (60)

1.一种半导体衬底处理系统，其包括：
处理室；
限定为在所述处理室中支撑衬底的衬底支撑件；
限定为与所述处理室分隔的等离子体室，所述等离子体室被限定来产生等离子体；
流体连接所述等离子体室和所述处理室的多个流体传输通路，所述多个流体传输通路被限定来将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体室供应到所述处理室；以及
电子束源，其被限定来产生电子束并在所述衬底支撑件之上且跨越所述衬底支撑件传送所述电子束穿过所述处理室。
2.如权利要求1所述的半导体衬底处理系统，其中所述电子束源被限定为沿着与限定来支撑所述衬底的所述衬底支撑件的表面实质上平行的轨道输送所述电子束。
3.如权利要求1所述的半导体衬底处理系统，其中所述电子束源被限定为在共同的方向上、在所述衬底支撑件之上并跨越所述衬底支撑件输送多个在空间上分开的电子束穿过所述处理室。
4.如权利要求1所述的半导体衬底处理系统，其中所述电子束源被限定为在各自的多个方向上、在所述衬底支撑件之上并跨越所述衬底支撑件输送多个在空间上分开的电子束穿过所述处理室。
5.如权利要求4所述的半导体衬底处理系统，其中所述电子束源被限定为循序输送所述多个在空间上分开的电子束。
6.如权利要求1所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
设置在所述衬底支撑件的周界之外且在所述衬底支撑件之上的多个导电网格，所述多个导电网格被电连接到电源以便以独立受控的方式将受控的电压电平施加给所述多个导电网格中的每一个。
7.如权利要求6所述的半导体衬底处理系统，其中所述电子束源被限定作为设置在所述衬底支撑件的周界之外且在所述衬底支撑件之上的中空阴极，所述中空阴极具有朝向所述衬底支撑件之上的所述处理室的区域的出口，且
其中所述多个导电网格中的给定的一个被设置在所述中空阴极的所述出口和所述衬底支撑件之上的所述处理室的所述区域之间以促进从所述中空阴极萃取电子。
8.如权利要求7所述的半导体衬底处理系统，其中所述多个导电网格中的另一个被设置为与在所述衬底支撑件对面的所述中空阴极的所述出口相对以提供用于待由所述中空阴极输送的所述电子束的电壑。
9.如权利要求7所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
连接到所述多个导电网格的加热器以控制所述多个导电网格的温度。
10.如权利要求7所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
与所述中空阴极的内部区域流体连通的气体源，所述气体源被限定来供应工艺气体到所述中空阴极的所述内部区域；以及
与所述中空阴极的所述内部区域中的一或多个功率传送部件电连接的电源，所述电源被限定来供应直流功率、射频功率、或者直流功率和射频功率的组合到所述中空阴极的所述内部区域中的所述一或多个功率传送部件以实现在所述中空阴极的所述内部区域中所述工艺气体至等离子体的转变。
11.一种用于处理半导体衬底的方法，其包括：
将衬底放置在暴露于处理区域的衬底支撑件上；
在与所述处理区域分隔的等离子体产生区域中产生等离子体；
将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体产生区域供应到所述处理区域；以及
将电子注入到所述衬底之上的所述处理区域中，其中所注入的所述电子修改所述处理区域中的离子密度从而影响所述衬底的处理。
12.如权利要求11所述的用于处理半导体衬底的方法，其中将电子注入到所述处理区域中包括沿着与所述衬底的上表面实质上平行的轨道传送电子束。
13.如权利要求12所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述电子束的所述轨道以线性方式从在所述衬底支撑件的外围之外且在所述衬底支撑件之上的第一位置延伸到在所述衬底支撑件的所述外围之外且在所述衬底支撑件之上的第二位置。
14.如权利要求13所述的用于处理半导体衬底的方法，其进一步包括：
将正电荷施加到在第二位置处的导电网格使得所述导电网格充当用于沿着所述轨道传送的所述电子束的电壑。
15.如权利要求11所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述电子以脉冲方式注入到所述处理区域中。
16.如权利要求11所述的用于处理半导体衬底的方法，其中将电子注入到所述处理区域中包括在所述衬底的上表面之上并跨越所述衬底的上表面传送多个在空间上分开的电子束穿过所述处理室。
17.如权利要求16所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述多个在空间上分开的电子束中的每一个在共同的方向上被传送使得所述多个在空间上分开的电子束以实质上平行的方式在所述衬底的所述上表面之上并跨越所述衬底的所述上表面进行传送。
18.如权利要求16所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述多个在空间上分开的电子束中的不同电子束在不同的时间被传送使得电子遍及暴露于所述衬底的所述处理区域以平均时间的实质上均匀的方式被注入。
19.如权利要求16所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述多个在空间上分开的电子束在不同的多个方向上在所述衬底的所述上表面之上并跨越所述衬底的所述上表面且与所述衬底的所述上表面实质上平行地进行传送。
20.如权利要求11所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述多个在空间上分开的电子束中的不同电子束在不同的时间被传送使得电子遍及暴露于所述衬底的所述处理区域以平均时间的实质上均匀的方式被注入。
21.一种半导体衬底处理系统，其包括：
处理室；
限定为在所述处理室中支撑衬底的衬底支撑件；
限定为与所述处理室分隔的等离子体室，所述等离子体室被限定来产生等离子体；
流体连接所述等离子体室和所述处理室的多个流体传输通路，所述多个流体传输通路被限定来将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体室供应到所述处理室；
设置在所述处理室内与所述衬底支撑件分开的电极；以及
电连接到所述电极的电源，所述电源被限定来供应电功率给所述电极以便从所述电极释放电子到所述处理室中。
22.如权利要求21所述的半导体衬底处理系统，其中所述电极被限定作为在所述处理室内被设置所述衬底支撑件的周界之外且在所述衬底支撑件之上的导电带。
23.如权利要求22所述的半导体衬底处理系统，其中所述导电带被形成为界定所述衬底支撑件的所述周界的连续结构。
24.如权利要求23所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
绝缘构件，其被形成和设置在所述电极周围以使所述电极与所述处理室的周边结构电绝缘。
25.如权利要求21所述的半导体衬底处理系统，其中所述电极被限定为在所述处理室内被设置在所述衬底支撑件之上的平面导电段。
26.如权利要求25所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
设置在所述衬底支撑件之上的顶板组件以便将所述等离子体室与所述处理室分开，其中所述多个流体传输通路被限定在所述顶板组件内，其中所述平面导电段被限定在所述顶板组件的在面朝所述衬底支撑件的方向上的底面上。
27.如权利要求26所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
绝缘构件，其被形成和设置在所述平面导电段和所述顶板组件之间以使所述平面导电段与所述顶板组件以及所述处理室的周边结构电绝缘。
28.如权利要求21所述的半导体衬底处理系统，其中所述电源被限定来供应直流功率、射频功率、或者直流功率和射频功率的组合给所述电极。
29.如权利要求21所述的半导体衬底处理系统，其中所述电源被限定来以脉冲方式或者连续方式供应功率给所述电极。
30.如权利要求21所述的半导体衬底处理系统，其中所述电极包括在所述处理室内被设置在所述支撑件的周界之外且在所述衬底支撑件之上的导电带和在所述处理室内被设置在所述衬底支撑件之上的平面导电段二者。
31.一种用于处理半导体衬底的方法，其包括：
将衬底放置在暴露于处理区域的衬底支撑件上；
在与所述处理区域分隔的等离子体产生区域中产生等离子体；
将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体产生区域供应到所述处理区域；以及
将功率供应到设置在所述处理区域内与所述衬底支撑件分开的一或多个电极，其中供应到所述一或多个电极的所述功率将电子从所述一或多个电极注入到所述处理区域中以便修改所述处理区域中的离子密度从而影响所述衬底的处理。
32.如权利要求31所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述一或多个电极包括暴露于所述处理区域设置在所述衬底支撑件的周界之外且在所述衬底支撑件之上的导电带。
33.如权利要求32所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述导电带被形成为界定所述衬底支撑件的所述周界的连续结构。
34.如权利要求31所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述一或多个电极包括暴露于所述处理区域设置在所述衬底支撑件之上的平面导电段。
35.如权利要求31所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述一或多个电极包括暴露于所述处理区域设置在所述衬底支撑件的周界之外且在所述衬底支撑件之上的导电带和暴露于所述处理区域设置在所述衬底支撑件之上的平面导电段二者。
36.如权利要求31所述的用于处理半导体衬底的方法，其中将功率供应到一或多个电极包括将直流功率、射频功率、或者直流功率和射频功率的组合供应到所述一或多个电极。
37.如权利要求31所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述功率以脉冲方式供应到一或多个电极。
38.如权利要求31所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述功率以连续方式供应到一或多个电极。
39.如权利要求31所述的用于处理半导体衬底的方法，其中将功率供应到一或多个电极包括使所述一或多个电极上的电荷的极性交变。
40.如权利要求31所述的用于处理半导体衬底的方法，其进一步包括：
跨越所述处理区域从所述衬底支撑件施加偏置电压以便吸引因所注入的所述电子而产生的离子朝向所述衬底支撑件上的所述衬底。
41.一种半导体衬底处理系统，其包括：
处理室；
限定为在所述处理室中支撑衬底的衬底支撑件；
限定为与所述处理室分隔的等离子体室，所述等离子体室被限定来产生等离子体；
流体连接所述等离子体室和所述处理室的多个流体传输通路，所述多个流体传输通路被限定来将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体室供应到所述处理室；以及
多个功率传送部件，其被限定来传送功率给所述多个流体传输通路以便在所述多个流体传输通路内产生补充性等离子体，所述多个流体传输通路被限定来将所述补充性等离子体的反应性成分供应到所述处理室。
42.如权利要求41所述的半导体衬底处理系统，其中所述多个功率传送部件包括被设置的暴露于所述多个流体传输通路中的每一个的内部的一或多个电极。
43.如权利要求41所述的半导体衬底处理系统，其中所述多个功率传送部件包括设置来在所述多个流体传输通路中的每一个的内部中感生电流的一或多个线圈。
44.如权利要求41所述的半导体衬底处理系统，其中所述多个功率传送部件包括设置来将激光能量引导到所述多个流体传输通路中的每一个的内部中的一或多个激光器。
45.如权利要求41所述的半导体衬底处理系统，其中所述多个功率传送部件包括限定来产生电子束并传送所述电子束穿过所述多个流体传输通路的电子束源。
46.如权利要求41所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
与所述多个功率传送部件中的每一个电连接的电源，所述电源被限定来供应直流功率、射频功率、或者直流功率和射频功率的组合到所述多个功率传送部件中的每一个。
47.如权利要求41所述的半导体衬底处理系统，其中所述多个流体传输通路被限定作为穿流式中空阴极、穿流式电容耦合区域、穿流式电感耦合区域、穿流式磁控管驱动区域、穿流式激光驱动区域、或者它们的组合。
48.如权利要求41所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
与所述多个流体传输通路中的每一个的内部流体连通的工艺气体源，所述工艺气体源被限定来供应工艺气体到所述多个流体传输通路中的每一个的所述内部，用于产生所述补充性等离子体。
49.如权利要求41所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
电极，其被设置在所述等离子体室中以驱使带电组分从所述等离子体室穿过多个流体传输通路到达所述处理室。
50.如权利要求41所述的半导体衬底处理系统，其进一步包括：
萃取网格，其被设置在所述处理室中以吸引带电组分从所述流体传输通路进入所述处理室中。
51.一种用于处理半导体衬底的方法，其包括：
将衬底放置在暴露于处理区域的衬底支撑件上；
在与所述处理区域分隔的等离子体产生区域中产生等离子体；
将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体产生区域通过多个流体传输通路供应到所述处理区域中，其中所述等离子体的所述反应性成分影响所述衬底的处理；
在所述多个流体传输通路中产生补充性等离子体；以及
将所述补充性等离子体的反应性成分从所述多个流体传输通路供应到所述处理区域中，其中所述补充性等离子体的所述反应性成分影响所述衬底的处理。
52.如权利要求51所述的用于处理半导体衬底的方法，其中产生所述补充性等离子体包括使所述多个流体传输通路作为穿流式中空阴极、穿流式电容耦合区域、穿流式电感耦合区域、穿流式磁控管驱动区域、穿流式激光驱动区域、或者它们的组合操作。
53.如权利要求51所述的用于处理半导体衬底的方法，其中将所述补充性等离子体的反应性成分从所述多个流体传输通路供应到所述处理区域中包括操作设置在所述处理室内的萃取网格以吸引带电组分从所述多个流体传输通路进入所述处理区域中。
54.如权利要求51所述的用于处理半导体衬底的方法，其中将所述等离子体的反应性成分从所述等离子体产生区域通过所述多个流体传输通路供应到所述处理区域中包括操作设置在所述等离子体产生区域中的电极以驱使带电组分从所述等离子体产生区域穿过所述多个流体传输通路进入所述处理区域中。
55.如权利要求51所述的用于处理半导体衬底的方法，其中在所述多个流体传输通路中产生所述补充性等离子体包括传输直流功率、射频功率、或者直流功率和射频功率的组合穿过所述多个流体传输通路。
56.如权利要求55所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述功率以脉冲方式被传输穿过所述多个流体传输通路。
57.如权利要求55所述的用于处理半导体衬底的方法，其中所述功率以连续方式被传输穿过所述多个流体传输通路。
58.如权利要求51所述的用于处理半导体衬底的方法，其中在所述多个流体传输通路中产生所述补充性等离子体包括将工艺气体供应到所述多个流体传输通路中的每一个的所述内部。
59.如权利要求51所述的用于处理半导体衬底的方法，其进一步包括：
将电子注入到所述衬底之上的所述处理区域中，其中所注入的所述电子修改所述处理区域中的离子密度从而影响所述衬底的处理。
60.如权利要求51所述的用于处理半导体衬底的方法，其进一步包括：
将功率供应到设置在所述处理区域内与所述衬底支撑件分开的一或多个电极，其中供应到所述一或多个电极的所述功率将电子从所述一或多个电极注入到所述处理区域中以便修改所述处理区域中的离子密度从而影响所述衬底的处理。
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