CN118156106A - 一种离子束刻蚀中的离子栅网结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种离子束刻蚀中的离子栅网结构，该离子栅网结构包括：屏栅和位于屏栅远离放电腔室的一侧的至少一个栅网；屏栅面对放电腔室的一侧设置有倒角。从而通过改变屏栅的形貌改变等离子体鞘层的形貌，可以起到减小屏栅等效栅厚的目的，从而在兼顾屏栅机械强度，保证屏栅厚度的情况下，实现了增加离子栅网结构的离子束流引出能力的目的。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种离子束刻蚀中的离子栅网结构。
背景技术
在半导体行业，目前很多半导体器件，如传感器、存储器件等的制造工艺中越来越多开始采用离子束刻蚀(IBE，Ion Beam Etching)系统，甚至有些工艺制造依赖于IBE。
IBE的工作原理是离子源腔室内工作气体在低压条件下利用射频电磁波等方式激发产生等离子体，其中的离子被离子栅网引出和加速，并通过中和器产生的电子和离子束中的离子复合形成中性粒子，最后粒子束到达衬底表面，利用加速后粒子的轰击达到物理刻蚀的目的。
如何提高经栅网引出的离子束强度，以提高离子束刻蚀的效率，是本领域需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，提供该发明内容部分以便以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。该发明内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。
本申请的目的在于提供一种离子束刻蚀中的离子栅网结构，可以提高经栅网引出的离子束强度，提高离子束刻蚀的效率。
为实现上述目的，本申请有如下技术方案：
本申请实施例提供了一种离子束刻蚀中的离子栅网结构，包括：
屏栅和位于所述屏栅远离放电腔室的一侧的至少一个栅网；
所述屏栅面对所述放电腔室的一侧设置有倒角。
在一种可能的实现方式中，所述栅网包括：
位于所述屏栅远离所述放电腔室的一侧的加速栅。
在一种可能的实现方式中，所述栅网包括：
位于所述加速栅远离所述屏栅一侧的减速栅。
在一种可能的实现方式中，所述栅网包括：
位于所述屏栅和所述加速栅之间的引出栅。
在一种可能的实现方式中，所述栅网包括：
位于所述引出栅和所述加速栅之间的聚焦栅。
在一种可能的实现方式中，所述倒角的角度范围为大于0°，且小于或等于70°。
在一种可能的实现方式中，所述倒角深度小于所述屏栅的栅厚。
在一种可能的实现方式中，所述离子栅网结构单孔引出的离子束流强度包括：
其中，所述I2为所述离子栅网结构单孔引出的离子束流强度，所述ε0为真空中的介电常数，所述e为所述离子束所带电荷数，所述M为所述离子束原子质量，所述V为引出电压，所述lg为所述屏栅和所述加速栅之间距离，所述ts为所述屏栅的栅厚，所述td为所述倒角深度，所述ds为所述屏栅孔径。
在一种可能的实现方式中，所述屏栅和所述栅网由导电材料制成。
在一种可能的实现方式中，所述屏栅和所述栅网的导电性能大于第一预设值。
在一种可能的实现方式中，所述屏栅和所述栅网的硬度大于第二预设值。
在一种可能的实现方式中，所述屏栅和所述栅网的热膨胀系数小于第三预设值。
在一种可能的实现方式中，所述屏栅的材料包括钼或石墨。
在一种可能的实现方式中，所述屏栅接正电压；所述加速栅接负电压。
在一种可能的实现方式中，所述减速栅接地。
在一种可能的实现方式中，所述引出栅的电压小于所述屏栅的电压，且大于所述加速栅的电压。
在一种可能的实现方式中，所述聚焦栅的电压小于所述引出栅的电压，且大于所述加速栅的电压。
在一种可能的实现方式中，所述倒角深度为0.3mm，所述倒角角度为45°，所述屏栅的栅厚为1mm。
在一种可能的实现方式中，所述屏栅的栅厚大于0.1mm。
在一种可能的实现方式中，所述倒角的数量为至少一个。
在一种可能的实现方式中，所述倒角包括平直倒角、内凹倒角和/或圆倒角。
与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：
本申请实施例提供了一种离子束刻蚀中的离子栅网结构，该离子栅网结构包括：屏栅和位于屏栅远离放电腔室的一侧的至少一个栅网；屏栅面对放电腔室的一侧设置有倒角。从而通过改变屏栅的形貌改变等离子体鞘层的形貌，可以起到减小屏栅等效栅厚的目的，从而在兼顾屏栅机械强度，保证屏栅厚度的情况下，实现了增加离子栅网结构的离子束流引出能力的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
结合附图并参考以下具体实施方式，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，原件和元素不一定按照比例绘制。
图1示出了一种传统的离子源放电结构的示意图；
图2示出了一种传统的引出离子束密度分布的示意图；
图3示出了一种传统的离子束刻蚀中的离子栅网结构的示意图；
图4示出了一种传统的离子束刻蚀中的离子栅网结构关键参数的示意图；
图5示出了本申请实施例提供的一种离子束刻蚀中的离子栅网结构关键参数的示意图；
图6示出了本申请实施例提供的一种离子栅网结构与传统的离子栅网结构上引出束流和损失束流曲线的示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术中的描述，在半导体行业，目前很多半导体器件，如传感器、存储器件等的制造工艺中越来越多开始采用离子束刻蚀(IBE，Ion Beam Etching)系统，甚至有些工艺制造依赖于IBE。
IBE的工作原理是离子源腔室内工作气体在低压条件下利用射频电磁波等方式激发产生等离子体，其中的离子被离子栅网引出和加速，并通过中和器产生的电子和离子束中的离子复合形成中性粒子，最后粒子束到达衬底表面，利用加速后粒子的轰击达到物理刻蚀的目的。
如何提高经栅网引出的离子束强度，以提高离子束刻蚀的效率，是本领域需要解决的技术问题。
为了解决以上技术问题，本申请实施例提供了一种离子束刻蚀中的离子栅网结构，该离子栅网结构包括：屏栅和位于屏栅远离放电腔室的一侧的至少一个栅网；屏栅面对放电腔室的一侧设置有倒角。从而通过改变屏栅的形貌改变等离子体鞘层的形貌，可以起到减小屏栅等效栅厚的目的，从而在兼顾屏栅机械强度，保证屏栅厚度的情况下，实现了增加离子栅网结构的离子束流引出能力的目的。
随着半导体器件关键尺寸的缩小以及器件制作工艺复杂性的增加，对IBE刻蚀工艺的要求也越来越高。同时，半导体器件的稳定性和良品率直接与硅片样品尺寸内IBE刻蚀的均匀性直接相关，而IBE刻蚀工艺的均匀性则是由IBE离子源的性能决定，更具体说主要是与IBE栅网设计的结构参数相关。
目前常见的离子源结构(参考图1)是通过在放电腔体上的螺旋结构的天线上加载射频(RF，Radio Frequency)电流，产生电感耦合等离子体(ICP，Inductive CoupledPlasma)，其初期产生的等离子体主要分布在图1所示的椭圆形区域。在低气压条件下离子源腔室中等离子体的运动近似满足双极扩散方程，等离子体密度沿径向的分布总体呈现高斯分布(参考图2)，即在线圈中心处的等离子体密度最高，并且随着与中心距离的增加而沿径向减小。这将给IBE刻蚀工艺要求的均匀性带来较大挑战。离子栅网的主要作用除了引出离子室内的离子外还承担着如何引出均匀的离子束任务，是实现IBE刻蚀以及保证刻蚀工艺均匀性的关键部件。
参见图3所示，为一种传统的离子束刻蚀中的离子栅网结构的示意图，离子栅网结构可以分为屏栅和加速栅，其中，加速栅位于屏栅远离放电腔室的一侧，为了保证刻蚀工艺的均匀性，可以将与线圈中心处对应的栅网的孔径设置的较小，将远离线圈中心处对应的栅网的孔径设置的较大，从而实现引出均匀的离子束的任务。
其中，屏栅是距腔室内等离子体最近的栅网层，一般是工作在正电位；而加速栅则一般工作在负电位，其设定的主要目的有两个：1)提供正离子的引出电压；2)产生较大的静电势垒，阻挡中和器产生的电子回流进入离子室。
一般IBE的离子源栅网工作在较低的电压，主要考虑到离子对晶圆可能造成电离损伤；但需要较大的离子束流密度来保障刻蚀速率；均匀的离子束分布来保证刻蚀的均匀性等要求。目前的理论研究表明单孔能引出的最大离子束流强度为：
其中，参见图4所示，图4示出了一种传统的离子束刻蚀中的离子栅网结构关键参数的示意图，1是屏栅，2是加速栅。
I1为栅网结构单孔引出的离子束流强度，ε0为真空中的介电常数，e为离子束所带电荷数，M为离子束原子质量，V为引出电压，即屏栅和加速栅间的电压差，lg为屏栅和加速栅之间距离，ts为屏栅的栅厚，ds为屏栅孔径。
通过分析理论公式(1)可知，可以通过增加引出电压和屏栅孔径以及减小栅距和屏栅栅厚来增加离子束流强度。
若要通过增加引出电压来增加离子束流强度，对于刻蚀工艺而言，屏栅的电压一般是固定值，其值决定粒子最终轰击在晶圆表面的能量；而加速栅电压的负值越大其受到的离子轰击能量也越大，无论是为保护加速栅网，还是为减少杂质粒子方面，都决定了其值都不会太大；因此，通过增加引出电压无法明显增加离子束流强度。
若要通过减小栅距来增加离子束流强度，虽然减小栅距可以有效的增加引出离子束流，但是最小栅距受空气的击穿电压限制，因此，通过减小栅距无法明显增加离子束流强度。
若要通过减小屏栅栅厚来增加离子束流强度，栅厚决定栅网的机械强度，从而影响栅网工作的稳定性，尤其是特殊材质的栅网，如石墨栅网，因为材质属性很难制作太薄；因此，这种不能缩减屏栅厚度增加引出电流情况下一般会选择采用三层栅网模式来增加引出电流。
等离子体的离子引出开始是通过等离子体鞘层形成的电压来引出离子，因而改变屏栅的形貌一定程度上会改变等离子体鞘层的形貌，从而增加引出的离子束流强度。
因此，在本申请实施例中，为了进一步提高离子栅网结构的离子束流引出能力，参见图5所示，为本申请实施例提供的一种离子束刻蚀中的离子栅网结构关键参数的示意图。
本申请实施例提供的离子栅网结构，可以包括屏栅3和位于屏栅3远离放电腔室的一侧的至少一个栅网。需要说明的是，本申请实施例在此不对栅网的数量做具体限定，具体可由本领域技术人员根据实际情况进行设定。
在一种可能的实现方式中，栅网例如可以为加速栅4，以起到对离子束流加速的作用；加速栅4位于屏栅3远离放电腔室的一侧，屏栅3面对放电腔室的一侧设置有倒角5。一般来说，加速栅4的电压小于或等于100V，以避免过刻蚀。
即在本申请实施例中，可以通过设置倒角5从而通过改变屏栅的形貌改变等离子体鞘层的形貌，可以起到减小屏栅等效栅厚的目的，从而在兼顾屏栅机械强度，保证屏栅厚度的情况下，实现了增加离子栅网结构的离子束流引出能力的目的。
在一种可能的实现方式中，本申请实施例提供的栅网可以包括：
位于加速栅4远离屏栅3一侧的减速栅(图中未示出)，以起到对离子束流减速的作用，避免最终轰击在晶圆上的离子束流的能量过大。
在一种可能的实现方式中，本申请实施例提供的栅网可以包括：
位于屏栅3和加速栅4之间的引出栅(图中未示出)，以起到从放电离子腔室中引出离子束流的作用。
在一种可能的实现方式中，本申请实施例提供的栅网可以包括：
位于引出栅和加速栅4之间的聚焦栅(图中未示出)，以起到集中束流聚焦的作用，当所需要的束流的束斑较小时，可以利用聚焦栅将束流进行聚焦。
可选的，本申请实施例倒角5的角度范围为大于0°，且小于或等于70°，倒角5深度小于屏栅3的栅厚。
具体的，在本申请实施例中，在设置了倒角5后，离子栅网结构单孔引出的离子束流强度包括：
其中，I2为离子栅网结构单孔引出的离子束流强度，ε0为真空中的介电常数，e为离子束所带电荷数，M为离子束原子质量，V为引出电压，lg为屏栅和加速栅之间距离，ts为屏栅的栅厚，td为倒角深度，ds为屏栅孔径。
通过比较式(1)和式(2)表明：在相同条件下，带倒角5的屏栅3引出离子束流要明显高于不做处理的栅网。因而从理论上来讲可以通过在屏栅3上引入倒角5技术在不改变栅网其它参数的条件下增加栅网的离子束流引出能力。
通过专业的仿真软件模拟屏栅厚度为1mm，0.7mm的栅网和厚度为1mm，倒角深度为0.3mm，倒角角度为45°的栅网，其它条件完全一样情况下栅网上引出束流和损失束流曲线如图6所示，其中，横坐标为BMI(beam intensity，束流强度)，纵坐标为ACI(alternatingcurrent intensity，交流强度)，即引出电流束流和损失束流之间的关系曲线。Reference曲线为参考曲线，即屏栅厚度为1.0mm的引出电流束流和损失束流之间的关系曲线。
数值模拟结果同样表明：倒角深度为0.3mm，倒角角度为45°时离子栅网结构的离子束引出能力要明显好于同样是1.0mm厚的屏栅，而且相同条件下也要明显优于0.7mm厚的屏栅的离子束引出能力。通过在屏栅上引入倒角技术是可以在一定程度上起到减小屏栅等效栅厚的目的，此时的等效栅厚t：t＝ts-td：，因而倒角技术的使用可以在一定程度上兼顾屏栅机械强度(屏栅厚度)情况下增加离子源栅网的离子束流引出能力(减小等效栅厚)的目的。
可选的，本申请实施例提供的屏栅和加速栅由导电材料制成。
可选的，屏栅和栅网的导电性能大于第一预设值；屏栅和栅网的硬度大于第二预设值；屏栅和栅网的热膨胀系数小于第三预设值。即本申请实施例选用的栅网材料为导电性能较好，硬度较强，热膨胀系数较小的材料。
例如屏栅的材料可以包括钼或石墨，但是不对屏栅的具体材料做限定。需要说明的是，屏栅的材料不能是铜，以避免铜可能带来的污染。
屏栅接正电压，加速栅接负电压。减速栅接地。引出栅的电压小于屏栅的电压，且大于加速栅的电压。聚焦栅的电压小于引出栅的电压，且大于加速栅的电压。
在一种可能的实现方式中，倒角深度为0.3mm，倒角角度为45°，屏栅的栅厚为1mm。
本申请实施例适用于屏栅厚度超过0.1mm的栅网都可以采用倒角技术来提高离子源栅网的束引出能力，倒角的深度根据栅网设计，不会超过屏栅厚度；同时倒角技术的倒角角度一般控制在大于0°，且小于或等于70°范围内，该技术可以应用在不同材质的屏栅上。屏栅的栅厚大于0.1mm。
需要说明的是，本申请实施例在此不对倒角的数量做具体限制，倒角的数量为至少一个，从而可以通过设置倒角在一定程度上兼顾屏栅机械强度(屏栅厚度)情况下增加离子源栅网的离子束流引出能力(减小等效栅厚)的目的。
同时，本申请实施例在此不对倒角的形状做具体限制，倒角的形状可以包括平直倒角、内凹倒角和/或圆倒角，以便本领域技术人员根据实际情况进行设定。
本申请实施例提供了一种离子束刻蚀中的离子栅网结构，该离子栅网结构包括：屏栅和位于屏栅远离放电腔室的一侧的至少一个栅网；屏栅面对放电腔室的一侧设置有倒角。从而通过改变屏栅的形貌改变等离子体鞘层的形貌，可以起到减小屏栅等效栅厚的目的，从而在兼顾屏栅机械强度，保证屏栅厚度的情况下，实现了增加离子栅网结构的离子束流引出能力的目的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，虽然本申请已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。
Claims (20)
1.一种离子束刻蚀中的离子栅网结构，其特征在于，包括：
屏栅和位于所述屏栅远离放电腔室的一侧的至少一个栅网；
所述屏栅面对所述放电腔室的一侧设置有倒角。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述栅网包括：
位于所述屏栅远离所述放电腔室的一侧的加速栅。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述栅网包括：
位于所述加速栅远离所述屏栅一侧的减速栅。
4.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述栅网包括：
位于所述屏栅和所述加速栅之间的引出栅。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述栅网包括：
位于所述引出栅和所述加速栅之间的聚焦栅。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的结构，其特征在于，所述倒角的角度范围为大于0°，且小于或等于70°。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的结构，其特征在于，所述倒角深度小于所述屏栅的栅厚。
8.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述离子栅网结构单孔引出的离子束流强度包括：
其中，所述I2为所述离子栅网结构单孔引出的离子束流强度，所述ε0为真空中的介电常数，所述e为所述离子束所带电荷数，所述M为所述离子束原子质量，所述V为引出电压，所述lg为所述屏栅和所述加速栅之间距离，所述ts为所述屏栅的栅厚，所述td为所述倒角深度，所述ds为所述屏栅孔径。
9.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述屏栅和所述栅网由导电材料制成。
10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述屏栅和所述栅网的导电性能大于第一预设值。
11.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述屏栅和所述栅网的硬度大于第二预设值。
12.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述屏栅和所述栅网的热膨胀系数小于第三预设值。
13.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述屏栅接正电压；所述加速栅接负电压。
14.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述减速栅接地。
15.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述引出栅的电压小于所述屏栅的电压，且大于所述加速栅的电压。
16.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，所述聚焦栅的电压小于所述引出栅的电压，且大于所述加速栅的电压。
17.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述屏栅的栅厚大于0.1mm。
18.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述倒角深度为0.3mm，所述倒角角度为45°，所述屏栅的栅厚为1mm。
19.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述倒角的数量为至少一个。
20.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述倒角包括平直倒角、内凹倒角和/或圆倒角。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |