CN103748970A - 具有剖面式电子束析取网格以产生均匀等离子体的电子束等离子体源 - Google Patents

Abstract

依赖电子束作为等离子体源的等离子体反应器在电子束源中使用剖面式电子束析取网格以改良均匀性。

Description

具有剖面式电子束析取网格以产生均匀等离子体的电子束等离子体源

技术领域

本发明关于用于产生均匀等离子体的电子束等离子体源。

背景技术

用于处理工作件的等离子体反应器可使用电子束作为等离子体源。此等离子体反应器可展现归因于电子束内的电子密度及/或动能的不均匀分布的处理结果的不均匀分布（例如，横跨工作件表面的蚀刻速率的分布）。此不均匀性可沿与束传播方向垂直的方向分布。

发明内容

用于处理工作件的等离子体反应器包括工作件处理腔室，该工作件处理腔室具有处理腔室外壳及在处理腔室中的工作件支撑基座，该处理腔室外壳包含顶板和侧壁及在侧壁中的电子束开口，该工作件支撑基座具有工作件支撑表面，该工作件支撑表面面向顶板并界定在工作件支撑表面与顶板之间的工作件处理区域，电子束开口面向工作件处理区域。此外，提供电子束源腔室，该电子束源腔室包含电子束源腔室外壳及发射开口，该发射开口在电子束源腔室与面向电子束开口的工作件处理腔室之间，及剖面式析取网格布置在发射开口中并包含各自延伸穿过析取网格的多个网格开口，该等网格开口具有沿与工作件支撑表面的平面平行的轴的每一单位长度的一定数量个网格开口的不均匀分布。

在一个实施例中，网格开口的不均匀分布是网格开口沿轴与剖面式析取网格的边缘的靠近程度的递减函数。在另一实施例中，网格开口的不均匀分布是网格开口沿轴与剖面式析取网格的边缘的靠近程度的递增函数。视情况地，可以规则的行与列布置网格开口，列沿轴分布，行平行于轴而延伸，其中每一列中的网格开口的数目随每一列沿轴的位置而变化。

一个实施例中的反应器进一步包含耦接至析取网格的电压源，析取网格包含导电材料。

一个实施例中的每一单位长度的网格开口的数目的不均匀分布相对于沿电子束源腔室中的轴的等离子体分布中的不均匀性是互补的。

一个实施例中的等离子体反应器进一步包含：耦接至电子束源腔室的电子束源气体供应、耦接至工作件处理腔室的工作件处理气体供应、耦接至电子束源腔室的等离子体源功率供应以及耦接至析取网格的电子束析取电压供应。

一个实施例中的等离子体反应器进一步包含加速网格，该加速网格在发射开口中并位于析取网格与工作件处理腔室之间。加速网格包含多个加速网格开口，该等加速网格开口具有沿与工作件支撑表面的平面平行的轴的每一单位长度的一定数量个网格开口的不均匀分布。在一个实施例中，加速网格开口的不均匀分布与析取网格开口的不均匀分布一致。

在一个实施例中，发射开口位于工作件处理腔室的一侧上，且束收集器布置在工作件处理腔室的与所述一侧相对的侧上，束收集器包含导体，该导体电耦接至吸引电子束的电位。在一个实施例中，束收集器电耦接至处理腔室外壳。

在某些实施例中的剖面式析取网格包含(a)导电片材，该导电片材具有穿过该导电片材形成的网格开口，或(b)导电网。

附图说明

为了可以详细理解获得本发明的示范性实施例的方式，可参照图示于附图中的实施例更加具体地描述简要概述于上的本发明。应理解本文不论述某些熟知工艺以免模糊本发明。

图1A、图1B及图1C描绘根据第一实施例具有电子束等离子体源的等离子体反应器，该电子束等离子体源具有剖面式电子束析取网格，其中图1A是侧视图，图1B是图1A的一部分的放大视图，且图1C是图1B沿线1C－1C的剖视图。

图2A、图2B及图2C描绘在替代性实施例中的剖面式电子束析取网格。

图3A、图3B及图3C描绘根据不同的实施例在剖面式析取网格中的各别网格开口形状。

图4A及图4B是边缘密集的剖面式析取网格与中心密集的电子束源的相互作用的图解描述。

图5A及图5B是中心密集的剖面式析取网格与边缘密集的电子束源的相互作用的图解描述。

为了促进理解，在可能的地方已使用相同的附图标记指示诸图所共有的相同元件。考虑一个实施例的元件及特征可有利地并入其他实施例而无需进一步赘述。然而应注意的是，附图仅图示本发明的示范性实施例并因此不应视为限制本发明的范畴，因为本发明可许可其他等效实施例。

具体实施方式

参照图1A至图1C，等离子体反应器包括由圆柱形侧壁102、底板104及顶板106包封的处理腔室100。工作件支撑基座108支撑工作件110（诸如半导体晶圆），基座108在轴向的（例如，垂直的）方向上为可移动的。气体分配板112与顶板106整合或安装在顶板106上，并接收来自处理气体供应114的处理气体。真空泵116经由底板104抽空腔室。处理区域118界定在工作件110与气体分配板112之间。在处理区域118内，离子化处理气体以产生用于处理工作件110的等离子体。

通过来自电子束源120的电子束在处理区域118中产生等离子体。电子束源120包括等离子体产生腔室122，该等离子体产生腔室122在处理腔室100外部并具有导电外壳124。导电外壳124具有气体入口125。电子束源气体供应127耦接至气体入口125。导电外壳124具有开口124a，该开口124a经由处理腔室100的侧壁102中的开口102a面向处理区域118。

电子束源120包括开口124a与等离子体产生腔室122之间的剖面式析取网格126（在图1C中是最佳可见），以及析取网格126与处理区域118之间的加速网格128。例如，剖面式析取网格126及加速网格128可形成作为具有穿过其中成形的孔或洞的独立导电片材，或形成作为网。析取网格126及加速网格128分别安装有绝缘体130、132，以使该析取网格126及该加速网格128彼此电绝缘并与导电外壳124电绝缘。尽管如此，加速网格128与腔室100的侧壁102电接触。开口124a及102a与析取网格126及加速网格128大体是互相一致的，并界定电子束进入处理区域118的薄宽流道。流道的宽度约为工作件110的直径（例如，100mm至500mm），而流道的高度小于约两英寸。

电子束源120进一步包括一对电磁体134-1及134-2，该对电磁体134-1及134-2与电子束源120对准并产生与电子束方向平行的磁场。电子束流经工作件110上的处理区域118，并在处理区域118的相对侧上被束收集器136吸收。束收集器136是具有适于捕获宽薄电子束的形状的导电体。束收集器可保持在经选择的电位处，如地面电位。

等离子体直流放电电压供应140的负端子耦接至导电外壳124，且电压供应140的正端子耦接至析取网格126。转而，电子束加速电压供应142的负端子连接至析取网格126，且电压供应142的正端子连接至处理腔室100的接地的侧壁102。线圈电流供应146耦接至电磁体134-1及134-2。在电子束源120的腔室122内通过来自电压供应140的功率产生的直流气体放电生成等离子体，以产生遍及整个腔室122的等离子体。此直流气体放电是电子束源120的主要等离子体源。自腔室122中的等离子体经由析取网格126及加速网格128析取电子以产生流入处理腔室100中的电子束。加速电子至与由加速电压供应142提供的电压相等的能量。参照图1C，析取网格126包括框架126-1及具有网格开口126-3的网格126-2。框架126-1界定狭孔，该狭孔的高度H为相对小的（例如，2cm至4cm）且该狭孔的宽度W（例如，约为工作件直径，或在300mm或以上）大体与基座108的工作件支撑平面平行，以产生相应的薄宽电子束。

等离子体离子密度及等离子体电子密度横跨腔室122的分布影响被引入至处理腔室100的处理区域118中的电子束的均匀性。因此，腔室122中的等离子体分布中的不均匀性引起传播通过处理区域118的电子束的不均匀性。电子密度横跨束的宽度（亦即，沿在图1C中标记为“X”的轴）的分布易于展现不均匀性。X轴平行于基座108的工作件支撑表面并垂直于电子束的传播方向。举例而言，沿此轴的电子密度分布可为中心高的（中心密集）或边缘高的（边缘密集）。此情况是因为电子束源120的腔室122内的等离子体密度可自身展现沿X轴的不均匀分布，例如，此不均匀分布可为边缘密集的或中心密集的。剖面式析取网格126经配置以通过具有网格开口126-3沿X轴的分布来抵消此类不均匀性，该网格开口126-3沿该X轴的该分布与电子束源腔室122中的等离子体沿X轴的等离子体电子（或离子）分布互补。举例而言，穿过图1C的剖面式析取网格的网格开口126-3经分布以使沿图1C的X轴的每一单位长度的网格开口126-3的数目在剖面式析取网格的中心处较低且在剖面式析取网格的每一末端处较高。在此实例中，网格开口126-3沿X轴的分布具有边缘高的及中心低的剖面，此情况可称为边缘密集的剖面。在析取网格126的开口126-3的分布中的此边缘密集的剖面适于降低或补偿沿腔室122中的等离子体密度的X轴的中心密集的或中心高的不均匀分布。此情况是因为边缘密集的网格开口剖面与腔室122中的中心密集的等离子体分布互补（或成反函数）。

图2A描绘剖面式析取网格126的替代实施例，其中网格开口126-3沿X轴的分布具有中心密集的剖面。此中心密集的剖面式析取网格有助于计算电子束源腔室122中的等离子体电子（或离子）分布中的边缘密集的不均匀性。图2B及图2C描绘剖面式析取网格126的其他可能的配置，其中网格开口的线性密度的剖面具有两个间隔开的密度峰值（图2B）或具有平滑变化的边缘峰值剖面（图2C）。

在图1C、2A、2B及2C的实施例中，通过以与中心线（在图1C及2A中标记为“中心”）平行延伸的连续并行列及与X轴平行延伸的连续并行行布置开口126-3，来实现沿X轴的每单位长度的网格开口126-3的数目的剖面或分布。网格开口126-3的数目根据要求的剖面在列与列之间变化。要求的剖面经选择以补偿沿电子束源腔室122内的X轴的等离子体分布中先前确定的不均匀性。具体而言，在腔室122中的中心密集的等离子体分布的实例中，要求诸如图1C中图示的边缘密集的剖面式析取网格。在此实例中，每列的网格开口126-3的数目在析取网格126的中心处最小的且在每一边缘处最大。每一列中网格开口126-3的数目是该列与沿X轴的框架126-1的任一边缘的靠近程度的递增函数或是该列与沿X轴的框架126-1的中心的靠近程度的递减函数。可关于框架126-1的中心线对称地排列各个列。

在腔室122中的边缘密集的等离子体分布的实例中，要求诸如图2A中图示的中心密集的剖面式析取网格。在此实例中，每列网格开口126-3的数目在析取网格126的边缘处是最小的。每一列中网格开口126-3的数目是该列与沿X轴的框架126-1的中心的靠近程度的递增函数或该列与沿X轴的框架126-1的边缘的靠近程度的递减函数。

虽然图示的实施例涉及沿X轴布置的规则的行与列中网格开口126-3的有序分布，但是可在不一定以规则的行与列布置网格开口126-3的情况下实现沿X轴的每一单位长度的网格开口的数目的剖面造型。反而可不规则地布置网格开口126-3而仍实现沿X轴的每一单位长度的网格开口数目的要求的剖面造型（如中心密集或边缘密集或任一其他要求的剖面）。

图3A、3B及3C描绘一个网格开口126-3的不同的实施例，这些实施例包括矩形形状（图3A）、椭圆形状（图3B）及环形形状（图3C）。析取网格126可形成为具有穿过片材形成的开口126-3的金属片材。在其他实施例中，可使用例如金属丝网结构形成网格126及网格开口126-3。

图4A及4B图解地描绘将图1C的边缘密集的剖面式析取网格用于具有沿X轴的中心密集分布的等离子体源的效果。通过剖面式析取网格补偿由等离子体源所展现的不均匀性或中心峰值，从而产生沿X轴几乎没有中心峰值或无中心峰值的电子束的电子分布。

图5A及5B图解地描绘将图2A的中心密集的剖面式析取网格用于具有沿X轴的边缘密集分布的等离子体源的效果。通过剖面式析取网格补偿由等离子体源所展现的不均匀性或每一边缘处的峰值，从而产生沿X轴的每一边缘处几乎没有峰值或无峰值的电子束的电子分布。

在一个实施例中，加速网格128具有与析取网格126的结构相同的结构。举例而言，加速网格可形成为导电片材，该导电片材具有开口，该等开口穿过该导电片材成形且以图1C、2A、2B或2C的析取网格开口126-3的方式分布。在这种情况下，图1C、2A、2B及2C表示析取网格126及加速网格128两者。在另一实施例中，加速网格128具有不同于析取网格126的开口分布的开口分布。举例而言，加速网格开口分布可为沿X轴均匀的而非剖面式的，而仅有析取网格开口分布是剖面式的。或者，可相反实施，其中仅加速网格开口分布是剖面式的而析取网格开口分布是均匀的。

尽管电子束源120中的主要等离子体源是由电压供应140产生的直流气体放电，但可替代地使用任一其他适合的等离子体源作为主要等离子体源。举例而言，电子束源120的主要等离子体源可为环形射频等离子体源、电容耦接的射频等离子体源或感应耦接的射频等离子体源。

虽然上文关于本发明的实施例，但在不偏离本发明的基本范畴的情况下可设计出本发明的其他及进一步实施例，由以下权利要求书确定本发明的范畴。

Claims (20)

1.一种用于处理工作件的等离子体反应器，所述等离子体反应器包含：

工作件处理腔室，所述工作件处理腔室具有处理腔室外壳及在所述处理腔室中的工作件支撑基座，所述处理腔室外壳包含顶板和侧壁及在所述侧壁中的电子束开口，所述工作件支撑基座具有工作件支撑表面，所述工作件支撑表面面向所述顶板并界定在所述工作件支撑表面与所述顶板之间的工作件处理区域，所述电子束开口面向所述工作件处理区域；

电子束源腔室，所述电子束源腔室包含电子束源腔室外壳及发射开口，所述发射开口在所述电子束源腔室与面向所述电子束开口的所述工作件处理腔室之间；及

剖面式网格，所述剖面式网格在所述发射开口中并包含各自延伸穿过所述剖面式网格的多个网格开口，所述多个网格开口具有沿与所述工作件支撑表面的平面平行的轴的每一单位长度的一定数量个网格开口的不均匀分布。

2.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述网格开口的所述不均匀分布是所述网格开口沿所述轴与所述剖面式网格的边缘的接近程度的递减函数。

3.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述网格开口的所述不均匀分布是所述网格开口沿所述轴与所述剖面式网格的边缘的接近程度的递增函数。

4.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，以规则的行与列布置所述网格开口，所述列沿所述轴分布，所述行平行于所述轴延伸，其中每一所述列中的网格开口的数目随每一列沿所述轴的位置而变化。

5.如权利要求1所述的等离子体反应器，所述等离子体反应器进一步包含耦接至所述剖面式网格的电压源，所述剖面式网格包含导电材料。

6.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，每一单位长度的一定数量个网格开口的不均匀分布相对于沿所述电子束源腔室中所述轴的等离子体分布中的不均匀性是互补的。

7.如权利要求1所述的等离子体反应器，所述等离子体反应器进一步包含：

电子束源气体供应，所述电子束源气体供应耦接至所述电子束源腔室；

工作件处理气体供应，所述工作件处理气体供应耦接至所述工作件处理腔室；

等离子体源功率供应，所述等离子体源功率供应耦接至所述电子束源腔室；及

电子束析取电压供应，所述电子束析取电压供应耦接至所述剖面式网格。

8.如权利要求7所述的等离子体反应器，其特征在于，所述剖面式网格包含析取网格且所述网格开口包含析取网格开口，所述等离子体反应器进一步包含加速网格，所述加速网格在所述发射开口中并位于所述析取网格与所述工作件处理腔室之间。

9.如权利要求8所述的等离子体反应器，其特征在于，所述加速网格包含多个加速网格开口，所述加速网格开口具有沿与所述工作件支撑表面的平面平行的所述轴的每一单位长度的一定数量个网格开口的不均匀分布。

10.如权利要求9所述的等离子体反应器，其特征在于，所述加速网格开口的所述不均匀分布与所述析取网格开口的所述不均匀分布一致。

11.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述发射开口位于所述工作件处理腔室的一侧上，所述等离子体反应器进一步包含：

束收集器，所述束收集器在与所述工作件处理腔室的与所述一侧相对的一侧上，所述束收集器包含导体，所述导体电耦接至吸引电子束的电位。

12.如权利要求11所述的等离子体反应器，其特征在于，所述束收集器电耦接至所述处理腔室外壳。

13.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述剖面式析取网格包含以下之一：

(a)导电片材，所述导电片材具有穿过所述导电片材成形的所述网格开口；或

(b)导电网。

14.一种电子束源腔室，所述电子束源腔室经由腔室至腔室的开口耦接至工作件处理腔室，所述电子束源腔室用于等离子体反应器，所述等离子体反应器包括所述工作件处理腔室，所述工作件处理腔室具有在所述处理腔室中的工作件支撑基座，所述工作件支撑基座具有工作件支撑表面：

剖面式析取网格，所述剖面式析取网格适于放置在所述腔室至腔室的开口中并包含多个网格开口，所述网格开口的每一个延伸穿过所述剖面式析取网格，所述网格开口具有沿与所述工作件支撑表面的平面平行的轴的每一单位长度的一定数量个网格开口的不均匀分布。

15.如权利要求14所述的剖面式析取网格，其特征在于，所述网格开口的所述不均匀分布是所述网格开口沿所述轴与所述剖面式析取网格的边缘的靠近程度的递减函数。

16.如权利要求14所述的剖面式析取网格，其特征在于，所述网格开口的所述不均匀分布是所述网格开口沿所述轴与所述剖面式析取网格的边缘的靠近程度的递增函数。

17.如权利要求14所述的剖面式析取网格，其特征在于，以规则的行与列布置所述网格开口，所述列沿所述轴分布，所述行平行于所述轴延伸，其中每一列中的网格开口的数目随每一列沿所述轴的位置而变化。

18.一种等离子体反应器，所述等离子体反应器包含：

工作件处理腔室，所述工作件处理腔室具有在所述处理腔室中的工作件支撑基座，所述工作件支撑基座具有工作件支撑表面；

电子束源腔室及耦接至所述电子束源腔室的等离子体源功率供应；

腔室至腔室开口，所述腔室至腔室开口位于所述工作件处理腔室与所述电子束源腔室之间；及

剖面式析取网格，所述剖面式析取网格在所述腔室至腔室的开口中并包含多个网格开口，所述网格开口的每一个延伸穿过所述剖面式析取网格，所述网格开口具有沿与所述工作件支撑表面的平面平行的轴的每一单位长度的一定数量个网格开口的不均匀分布；及

束析取电压供应，所述束析取电压供应耦接至所述剖面式析取网格。

19.如权利要求18所述的等离子体反应器，其特征在于，所述网格开口的所述不均匀分布是所述网格开口沿所述轴与所述剖面式析取网格的边缘的靠近程度的递减函数。

20.如权利要求18所述的等离子体反应器，其特征在于，所述网格开口的所述不均匀分布是所述网格开口沿所述轴与所述剖面式析取网格的边缘的靠近程度的递增函数。

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