CN110268505B - 用于控制抑制电极的热变形及控制离子束的均匀度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于控制抑制电极的热变形及一种用于控制离子束的均匀度的装置。装置包含加热位于离抑制孔口最远处的抑制电极的边缘的加热元件。在操作中，最接近抑制电极的抑制电极的边缘可通过离子束加热。这一加热可导致抑制电极变形，从而影响离子束的均匀度。通过加热抑制电极的远端边缘，可控制抑制电极的热变形。在其它实施例中，加热抑制电极的远端边缘以产生更均匀的离子束。通过监测抑制电极下游处的离子束的均匀度，如通过使用射束均匀度测绘仪，控制器可调节施加到远端边缘的热量以实现期望的离子束均匀度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制抑制电极的热变形及控制离子束的均匀度的装置，具体而言，实施例涉及一种用于使接近离子源的电极的热变形最小化的装置以及方法，且更确切地说，一种用于加热电极的部分以补偿由所提取的离子束所产生的热量的装置。
背景技术
离子用于多种半导体工艺中，如注入、非晶化、沉积以及蚀刻工艺。这些离子可在离子源室内产生并通过离子源室中的提取孔口来提取。
离子可由设置在离子源室外部且接近离子源室的光学系统通过提取孔口来吸引。用于离子源的典型光学元件包含提取电极，所述提取电极可以是包含提取孔口的离子源室的壁。其它光学元件包含抑制电极和接地电极。抑制电极可电性地偏压以吸引在离子源室内所产生的离子。举例来说，抑制电极可负偏压以从离子源室内吸引正离子。在某些实施例中，在添加聚焦透镜和额外接地电极的情况下，可存在多达五个电极。
电极可各为其中设置有孔口的单个导电组件。替代地，每一电极可包括间隔开的两个组件以便在两个组件之间形成孔口。在两个实施例中，离子束穿过每一电极中的孔口。接近孔口设置的电极的部分可称为光学边缘。离孔口最远处的电极的部分可称为远端边缘。
从离子源室所提取的离子束中的某一部分撞击抑制电极，导致其沿光学边缘加热的情况并不罕见。然而，并非抑制电极的所有部分都受到所提取离子的同等影响。因此，抑制电极可由这些所提取的离子不均匀地加热。
在某些实施例中，抑制电极的不均匀加热可能是难以解决的。这一问题可随着抑制电极的长度增大而加剧。因此，如果存在用以补偿或控制由这一不均匀加热所导致的热变形的装置以及方法，那么将是有利的。
发明内容
公开一种用于改良离子束的均匀度的装置。装置包含加热位于离抑制孔口最远处的抑制电极的边缘的加热元件。在操作中，最接近抑制电极的抑制电极的边缘可通过离子束加热。这一加热可导致抑制电极变形，从而影响离子束的均匀度。通过加热抑制电极的远端边缘，可控制抑制电极的热变形。在其它实施例中，加热抑制电极的远端边缘以产生更均匀的离子束。通过监测抑制电极下游处的离子束的均匀度，如通过使用射束均匀度测绘仪，控制器可调节施加到远端边缘的热量以实现期望的离子束均匀度。
根据一个实施例，公开一种用于控制抑制电极的热变形的装置。装置包括：离子源，其具有限定离子源室的多个腔室壁且具有提取孔口；抑制电极，其设置在离子源室外部且具有抑制孔口、接近抑制孔口设置的光学边缘以及设置在离抑制孔口最远处的远端边缘；加热元件，其用以加热抑制电极的远端边缘；加热器电源，其用以向加热元件提供电力；以及控制器，其与加热器电源连通以便控制抑制电极的远端边缘的温度。在某些实施例中，控制器利用开环控制来控制抑制电极的远端边缘的温度。在某些实施例中，加热元件设置在抑制电极上。在其它实施例中，加热元件并不与抑制电极直接接触。在一些实施例中，加热元件包括LED或加热灯。在某些实施例中，装置包括与控制器连通以测量抑制电极中的至少一部分的温度的热传感器。在一些实施例中，热传感器可用于测量光学边缘的温度且控制器基于光学边缘的温度来控制远端边缘的温度。在一些实施例中，热传感器用于测量光学边缘和远端边缘的温度，且控制器基于光学边缘与远端边缘的温度差来控制远端边缘的温度。在某些实施例中，热传感器设置在抑制电极上。在其它实施例中，热传感器并不与抑制电极直接接触。
根据另一实施例，公开一种用于控制离子束的均匀度的装置。装置包括：离子源，其具有限定离子源室的多个腔室壁且具有提取离子束的提取孔口；抑制电极，其设置在离子源室外部且具有抑制孔口、接近抑制孔口设置的光学边缘以及设置在离抑制孔口最远处的远端边缘；加热元件，其用以加热抑制电极的远端边缘；加热器电源，其用以向加热元件提供电力；射束均匀度测绘仪，其设置在抑制电极下游处；以及控制器，其与加热器电源连通，其中所述控制器利用来自射束均匀度测绘仪的信息以通过加热抑制电极的远端边缘来控制离子束的均匀度。在某些实施例中，射束均匀度测绘仪包括布置成将离子束的电流或电荷确定为X-Y位置的函数的多个电流或电荷收集器。
根据另一实施例，公开一种用于控制离子束的均匀度的装置。装置包括：抑制电极，其设置在离子源室外部且具有抑制孔口、接近抑制孔口设置的光学边缘以及设置在离抑制孔口最远处的远端边缘，从而使得来自离子源的离子穿过抑制孔口；加热元件，其用以加热抑制电极的远端边缘；以及加热器电源，其向加热元件提供电力。在某些实施例中，加热元件包括电阻性元件。在其它实施例中，加热元件包括LED或加热灯。
附图说明
为了更好地理解本公开，参看随附附图，其以引用的方式并入本文中且其中：
图1示出根据一个实施例的用于控制热变形的装置。
图2A示出在提取之前的抑制电极，且图2B示出在受到所提取离子束的影响之后的抑制电极。
图3示出根据另一实施例的用于控制热变形的装置。
图4示出根据第三实施例的用于控制热变形的装置。
图5示出根据第四实施例的用于控制热变形的装置。
具体实施方式
图1示出了可用于控制抑制电极200的热变形的装置的第一实施例。在这个实施例中，说明RF离子源100。RF离子源100包括限定离子源室110的多个腔室壁111。RF天线120可设置在离子源室110内。RF天线120可包括导电材料，如铜。RF天线120可包覆在中空管125中，所述中空管125可由如石英的电介质材料制成。RF电源130与RF天线120电连通。RF电源130可向RF天线120供应RF电压。由RF电源130所供应的电力可介于0.5kW与60kW之间且可以是任何合适的频率，如5MHz与15MHz之间。此外，由RF电源130所供应的电力可以是脉冲式的。
尽管所述附图示出包覆在离子源室110内的中空管125中的RF天线120，然而其它实施例也是有可能的。举例来说，腔室壁111中的一个可由电介质材料制成且RF天线120可设置在离子源室110外部，接近电介质壁。在又其它实施例中，等离子以不同方式产生，如通过伯纳斯(Bernas)离子源或旁热式阴极(indirectly heated cathode，IHC)。等离子产生的方式并不受限于本公开。
在某些实施例中，腔室壁111可以是导电的，且可由金属构成。在某些实施例中，这些腔室壁111可电性地偏压。在某些实施例中，腔室壁111可接地。在其它实施例中，可通过偏压电源140将腔室壁111偏压于一电压。在某些实施例中，偏置电压可以是恒定(DC)电压。在其它实施例中，偏置电压可以是脉冲式的。施加到腔室壁111的偏置电压建立离子源室110内的等离子的电位。等离子的电位与抑制电极200的电位之间的差值可确定所提取离子具有的能量。
称为提取电极112的一个腔室壁包含提取孔口115。提取孔口115可以是产生于离子源室110中的离子朝向工件10提取且引导的开口。提取孔口115可以是任何合适的形状。在某些实施例中，提取孔口115可以是椭圆形状或矩形形状的，具有称为长度的一个尺寸，所述长度可远大于称为高度的第二尺寸。在某些实施例中，提取孔口115的长度可长达两米或大于两米。在某些实施例中，仅提取电极112是导电的且与偏压电源140连通。其余腔室壁111可由电介质材料制成。在其它实施例中，提取电极112和全部腔室壁111可以是导电的。偏压电源140可使提取电极112偏压于1kV与5kV之间的电压，但其它电压也在本公开的范围内。
设置在提取孔口115外部且接近所述提取孔口115的是抑制电极200。抑制电极200可以是其中设置有抑制孔口205的单个导电组件。替代地，抑制电极200可包括间隔开的两个导电组件以便在两个组件之间形成抑制孔口205。抑制电极200可以是金属，如钛。抑制电极200可使用抑制电源220来电性地偏压。可将抑制电极200偏压以使得比提取电极112更负。在某些实施例中，通过抑制电源220将抑制电极200负偏压如于-3kV与-15kV之间的电压。
接近抑制电极200设置的可以是接地电极210。类似于抑制电极200，接地电极210可以是其中设置有接地孔口215的单个导电组件，或可包括间隔开的两个组件以便在两个组件之间形成接地孔口215。接地电极210可电连接以接地。当然，在其它实施例中，接地电极210可使用独立电源来偏压。提取孔口115、抑制孔口205以及接地孔口215全部对准。
工件10位于接地电极210下游处。在某些实施例中，如图1、图3、图4以及图5中所示，工件10位于紧接在接地电极210之后。在其它实施例中，如质量分析仪、准直磁体、加速台以及减速台(acceleration and deceleration stages)的额外组件可设置在接地电极210与工件10之间。
在操作中，通过进气口151将来自储气容器150的馈入气体引入到离子源室110中。RF天线120通过RF电源130来供给能量。这一能量激发馈入气体，从而导致等离子的产生。所述等离子中的离子通常带正电。因为抑制电极200比提取电极112更负偏压，所以离子以离子束1的形式通过提取孔口115射出。离子束1穿过提取孔口115、抑制孔口205以及接地孔口215，且朝向工件10行进。
在高度尺寸上接近抑制孔口205设置的抑制电极200的部分可称为光学边缘。在高度尺寸上离抑制孔口205最远的抑制电极200的部分可称为远端边缘。
来自通过提取孔115提取的离子束1的离子可撞击通常接近光学边缘的抑制电极200。随着抑制电极200的光学边缘由于离子的撞击而加热，抑制电极200的长度可增加。这一长度的增加可基于用于形成抑制电极200的材料的热膨胀系数来确定。然而，长度的增加在整个抑制电极200上可能不相等。举例来说，由于用于构成抑制电极200的材料的热阻率，并不受离子直接撞击的抑制电极200的远端边缘可能并不与抑制电极200的光学边缘一样热。这导致抑制电极200的光学边缘膨胀超过远端边缘，从而导致抑制电极200扭曲或变形。
图2A示出由两个组件(组件201a、组件201b)组成的抑制电极200。两个组件(组件201a、组件201b)之间的间隙限定抑制孔口205。在提取离子束1之前，这两个组件(组件201a、组件201b)不变形，从而使得两个组件(组件201a、组件201b)的光学边缘(光学边缘202a、光学边缘202b)分别彼此平行。
随着提取离子束1，离子撞击组件(组件201a、组件201b)的光学边缘(光学边缘202a、光学边缘202b)，这导致这些光学边缘膨胀。然而，如上文所描述，组件(组件201a、组件201b)的远端边缘(远端边缘203a、远端边缘203b)可由于温度的差异而并不以相同程度膨胀。因此，抑制电极200变形，如图2B中所示。出于说明的目的而将这一变形放大。在这个附图中，光学边缘(光学边缘202a、光学边缘202b)已膨胀从而导致每一组件(组件201a、组件201b)扭曲。在某些实施例中，每一光学边缘(光学边缘202a、光学边缘202b)的中间部分在长度尺寸上朝向另一光学边缘(光学边缘202a、光学边缘202b)弯曲。这导致抑制孔口205的形状变得不规则，从而使得抑制孔口205可在长度尺寸上在中间部分比外部部分处更窄。因此，离子束1的束电流作为长度的函数变得不均匀，这可能是难以解决的。此外，随着抑制电极200的长度增加，由热膨胀所导致的变形可加剧。
为了补偿这种非所需变形，加热元件310可用于加热抑制电极200的远端边缘。
图1示出一个实施例，其中加热元件310可以是电阻性元件。这些电阻性元件设置在抑制电极200的远端边缘上。这些电阻性元件可与加热器电源300连通。尽管电阻性元件是加热元件310的一种类型，然而本公开并不限于这个实施例。可利用可向抑制电极200的远端边缘供应热量的任何器件。
加热器电源300也可与控制器350连通。控制器350可包含处理单元和存储元件。存储元件可以是任何合适的非暂时性存储器器件，如半导体存储器(即RAM、ROM、EEPROM、闪存RAM(FLASH RAM)、DRAM等)、磁性存储器(即磁盘驱动器)或光学存储器(即CD ROM)。存储元件可用于容纳指令，当由控制器350中的处理单元执行时，所述指令允许加热元件310控制抑制电极200的热变形。
在某些实施例中，一个加热元件310设置在抑制电极200上。在其它实施例中，多个加热元件310可设置在抑制电极200上。在利用多个加热元件310的实施例中，这些加热元件310可(如通过使用多个加热器电源)受控制器350独立控制或可共同控制。举例来说，在某些实施例中，在长度尺寸上位于接近抑制电极200的中心处的加热元件310可比在长度尺寸上接近外部边缘设置的加热元件310加热到更大程度。
控制器350可利用多种技术来控制加热元件310。在第一实施例中，收集以时间的函数映射抑制电极200的温度的经验数据。举例来说，所述数据可用于形成以时间的函数描述光学边缘的温度的图表。替代地，所述数据可用于形成以时间的函数描述光学边缘与远端边缘之间的温度差的图表。在某些实施例中，所述数据可用于形成以时间的函数限定用以供应到加热元件310的电力的量的图表。这一信息可随后存储在控制器350的存储元件中。在这个实施例中，控制器350向加热器电源300提供指令以控制施加到加热元件310的电力。从控制器350到加热器电源300的指令可随时间的函数而变化。因此，这个实施例利用开环控制来控制抑制电极200的热变形。
在另一实施例中，热传感器320可设置在抑制电极200上或接近所述抑制电极200。在某些实施例中，热传感器320设置在接近光学边缘以及远端边缘处。在其它实施例中，热传感器320仅设置在接近这两个边缘中的一个处。这些热传感器320可以是热电偶、电阻温度检测器(resistance temperature detectors，RTDs)或其它类型的热传感器。
在另一实施例中，示出于图3中，热传感器320可能并不设置在抑制电极200上。举例来说，热传感器320可以是红外摄像机，所述红外摄像机可设置在使得抑制电极200的温度可远程测量的位置中。在这些实施例中的任一个中，红外摄像机可与RTD或热电偶互换使用。
在所有这些实施例中，热传感器320可与控制器350连通，从而使得控制器350获得关于抑制电极200的实际温度的信息。在一些实施例中，控制器350利用光学边缘的温度与远端边缘的温度之间的差值来确定待提供到加热元件310的电力。在其它实施例中，控制器350使用光学边缘与远端边缘的实际温度来确定待提供到加热元件310的电力。在某些实施例中，控制器350使用用于光学边缘与远端边缘中的一个的实际温度数据来确定用以提供到加热元件310的电力。
控制器350随后使用这个实际温度数据来确定待施加到加热元件310的电力。控制器350可基于对抑制电极200的温度的连续监测来向加热器电源300连续地提供指令。在其它实施例中，控制器350对到达加热器电源300的指令进行周期性地更新，如每分钟一次或任何其它合适的时间间隔一次。此外，在某些实施例中，在特定分钟之后抑制电极200可达到稳定状态条件，且在此发生之后可不再提供由控制器350进行的更新。
图4示出另一实施例，其中加热元件310并不设置在抑制电极200上。举例来说，加热元件310可以是LED或加热灯。在这个实施例中，加热元件310接近抑制电极200设置，从而使得来自加热元件310的热量靶向并到达抑制电极200的远端边缘。控制器350可与加热器电源300连通以提供功率电平，所述功率电平待提供到LED或加热灯。在这些实施例中的任一个中，可使用这些LED或加热灯代替电阻性元件。举例来说，这些LED或加热灯可用于开环配置中。替代地，如图4中所示，这些LED或加热灯可与设置在抑制电极200上的热传感器320一起使用。另外，这些LED或加热灯可与并不设置在抑制电极200上的热传感器一起使用，如图3中所示的那些热传感器。因此，LED或加热灯可与图1和图3中所示的电阻性元件互换使用。
因此，图1、图3和图4示出其中热传感器320(可与抑制电极200直接接触或接近抑制电极200设置)用于测量抑制电极200的一或多个边缘的温度的实施例。来自这些热传感器320的信息随后由控制器350使用以确定施加到加热元件310的电力的量。类似于热传感器320，加热元件310可与抑制电极200直接接触或接近抑制电极200设置。因此，热传感器320、控制器350、加热器电源300以及加热元件310形成可用于控制抑制电极200的热变形的闭合控制回路。
这些附图中的实施例示出基于抑制电极200的一或多个边缘的所测量温度的对抑制电极的闭合回路控制。然而，闭合回路控制还可以其它方式实现。
图5示出另一实施例。在这个实施例中，不使用热传感器320。相反，控制器350使用关于离子束1的均匀度的信息来控制加热元件310。举例来说，射束均匀度测绘仪360(可包括多个电流或电荷收集器361)可设置在接近通常提供工件10的站台处。在某些实施例中，射束均匀度测绘仪可伸展跨越离子束1的整个长度。在其它实施例中，电流或电荷收集器361可扫描跨越离子束1的长度。
在某些时候，可移除工件10以使得离子束1撞击射束均匀度测绘仪360。电流或电荷可作为离子束的X-Y位置的函数来收集。因此，如果不存在抑制电极200的热变形，那么电流或电荷在整个离子束1的长度和高度上可以是均匀的。然而，随着抑制电极200变形，电流或电荷可能不再均匀。举例来说，使用图2B中所示的抑制电极200可在离子束1的末端产生更大的电流或电荷且在离子束1的中心处产生减小的电流或电荷。
由射束均匀度测绘仪360所收集到的电流或电荷信息可由控制器350使用以确定待施加到加热元件310的电力的量。因此，图5使用由射束均匀度测绘仪360、控制器350、加热器电源300以及加热元件310组成的闭合控制回路。在这个实施例中，热变形通过观测在抑制电极200下游的离子束1来监测。因此，这个实施例监测离子束1而非试图将抑制电极200的光学边缘与远端边缘的温度等化，如图1、图3和图4中所进行的。
为了利用射束均匀度测绘仪360，将工件10从装置中移除。因此，在测量离子束1的均匀度时，不可处理工件10，从而导致效率和处理量的降低。因此，在这个实施例中，射束均匀度测绘仪360仅可节制地利用，如每隔一定时间间隔。举例来说，可在每N个工件已被处理之后利用射束均匀度测绘仪360。在另一实施例中，可以固定的时间间隔利用射束均匀度测绘仪360。以这种方式，可控制热变形而使处理量的降低最小化。
本装置具有许多优势。首先，在一个实验中，热变形的量(通过测量抑制电极200的光学边缘的挠度来确定)减小超过85％。这一热变形的减小改良离子束均匀度。因此，抑制电极200的加热变成另一调谐机制以控制离子束均匀度。
射束均匀度测绘仪360作为向控制器350提供输入的构件使用可具有其它优势。举例来说，在某些实施例中，从提取孔口115提取的离子束1可能在长度尺寸上并不均匀。举例来说，束电流在离子束1的中心处可能更大。因此，在这个实施例中，具有一定量的热变形以减小离子束1的中心处的束电流可为有利的。因此，与加热元件310结合在一起的射束均匀度测绘仪360以及控制器350还可用于补偿由装置的其它组件所导致的离子束1的不均匀性。这一技术还可用于补偿在抑制电极200的下游处引入的不均匀性。在某些实施例中，可利用多个独立控制的加热元件310以在抑制电极200的热变形上发挥更精确的控制。
本公开将并不受限于本文所描述的特定实施例的范围。实际上，所属领域的一般技术人员根据以上描述和随附附图将明白除本文中所描述的那些实施例和修改之外，本公开的其它各种实施例和对本公开的修改。因此，这类其它实施例以及修改意图落入本公开的范围内。此外，尽管已出于特定目的在特定环境下于特定实施方案的上下文中描述了本公开，然而所属领域的一般技术人员将认识到其有用性不限于此，并且本公开可出于多种目的在多种环境下有利地实施。相应地，应鉴于如本文中所描述的本公开的整个广度和精神来解释上文所阐述的权利要求。
Claims (15)
1.一种用于控制抑制电极的热变形的装置，包括：
离子源，具有限定离子源室的多个腔室壁且具有提取孔口；
抑制电极，设置在所述离子源室外部且具有抑制孔口、接近所述抑制孔口设置的光学边缘以及设置在离所述抑制孔口最远处的远端边缘；
加热元件，用以加热所述抑制电极的所述远端边缘；
加热器电源，用以向所述加热元件提供电力；以及
控制器，与所述加热器电源连通以便控制所述抑制电极的所述远端边缘的温度以控制所述抑制电极的热变形。
2.根据权利要求1所述的用于控制抑制电极的热变形的装置，其中所述控制器利用开环控制来控制所述抑制电极的所述远端边缘的所述温度。
3.根据权利要求1所述的用于控制抑制电极的热变形的装置，其中所述加热元件设置在所述抑制电极上。
4.根据权利要求1所述的用于控制抑制电极的热变形的装置，其中所述加热元件并不与所述抑制电极直接接触。
5.根据权利要求1所述的用于控制抑制电极的热变形的装置，还包括与所述控制器连通以测量所述抑制电极的至少一部分的温度的热传感器。
6.根据权利要求5所述的用于控制抑制电极的热变形的装置，其中所述热传感器用于测量所述光学边缘的温度且所述控制器基于所述光学边缘的所述温度来控制所述远端边缘的所述温度。
7.根据权利要求5所述的用于控制抑制电极的热变形的装置，其中所述热传感器用于测量所述光学边缘以及所述远端边缘的温度，且所述控制器基于所述光学边缘与所述远端边缘的温度差来控制所述远端边缘的所述温度。
8.根据权利要求5所述的用于控制抑制电极的热变形的装置，其中所述热传感器设置在所述抑制电极上。
9.根据权利要求5所述的用于控制抑制电极的热变形的装置，其中所述热传感器并不与所述抑制电极直接接触。
10.一种用于控制离子束的均匀度的装置，包括：
离子源，具有限定离子源室的多个腔室壁且具有提取离子束的提取孔口；
抑制电极，设置在所述离子源室外部且具有抑制孔口、接近所述抑制孔口设置的光学边缘以及设置在离所述抑制孔口最远处的远端边缘；
加热元件，用以加热所述抑制电极的所述远端边缘；
加热器电源，用以向所述加热元件提供电力；
射束均匀度测绘仪，设置在所述抑制电极的下游处；以及
控制器，与所述加热器电源连通，其中所述控制器利用来自所述射束均匀度测绘仪的信息以通过加热所述抑制电极的所述远端边缘来控制所述离子束的均匀度。
11.根据权利要求10所述的用于控制离子束的均匀度的装置，其中所述加热元件设置在所述抑制电极上。
12.根据权利要求10所述的用于控制离子束的均匀度的装置，其中所述加热元件并不与所述抑制电极直接接触。
13.根据权利要求10所述的用于控制离子束的均匀度的装置，其中所述射束均匀度测绘仪包括布置成将所述离子束的电流或电荷确定为X-Y位置的函数的多个电流或电荷收集器。
14.一种用于控制离子束的均匀度的装置，包括：
抑制电极，设置在离子源室外部且具有抑制孔口、接近所述抑制孔口设置的光学边缘以及设置在离所述抑制孔口最远处的远端边缘，从而使得来自所述离子源的离子穿过所述抑制孔口；
加热元件，用以加热所述抑制电极的所述远端边缘；
加热器电源，用以向所述加热元件提供电力；以及
控制器，与所述加热器电源连通，其中所述控制器至少基于所述光学边缘的温度来确定待提供的所述电力以控制所述抑制电极的热变形。
15.根据权利要求14所述的用于控制离子束的均匀度的装置，还包括用以测量所述抑制电极的所述光学边缘的温度的热传感器。
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