TW201805995A - 離子源以及用於在大處理區域上產生具有可控離子電流密度分佈之離子束的方法 - Google Patents

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Abstract

本揭示之離子源包括用於改變離子源之排放空間內之電漿之分佈的一或多個電磁體。該電磁體中之至少一個定向成圍繞該離子源之管狀側壁的外周並且改變該排放空間之邊緣區域中之電漿之分佈。

Description

離子源以及用於在大處理區域上產生具有可控離子電流密度分佈之離子束的方法
離子束處理系統被應用於各種應用中，以在製造薄膜裝置(例如，半導體及資料儲存裝置)期間改變基板之性質。特別地，可以使用一種或多種蝕刻製程來去除及形成基板上之材料層。一種習用之蝕刻工序涉及在低壓下(即，在低於約1mTorr之壓力下)使用離子化成電漿狀態之工作氣體。自電漿中引出(extract)離子並藉由用於材料層之離子束蝕刻(「IBE」)之離子光學器件使離子朝著基板加速。 隨著器件臨界尺寸縮小，在不犧牲束方向性之情況下提高製程均勻度之需求推動了對改良之離子源之尋求。IBE均勻度與束電流密度(beam current density)以及離子及能量中性粒子之分佈直接相關，其中，帶電離子在束傳輸期間藉由電荷交換離子-原子碰撞轉換為中性粒子。整體之束粒子通量應與基板上之撞擊位置無關。基板上之帶電及中性束粒子之角度分佈直接關係到藉由源之光學器件自電漿引出之離子之軌跡之角度特性。為了優化製程均勻度，入射粒子軌跡應該大致平行地穿過基板之表面。 近來設計之習用之離子源利用圍繞排放容器纏繞之螺旋或線圈天線，使用包括例如射頻(「RF」)電磁能之高頻電磁場能來產生電感耦合電漿(「ICP」)。當攜帶振盪之高頻電流時，離子源之天線在排放容器內引起時變磁場。根據法拉第定律，時變磁場引起螺線管型高頻電場，其在排放容器內沿方位方向加速電子並維持ICP。以此種方式，RF-ICP源可以產生相對較高之電漿密度，例如，在1011 cm-3 之數量級。為了提供點燃(ignite)RF-ICP源所需之初始「種子」電子，在啟動期間可以藉由吸入由處理室中之電子源產生之電子來點燃電漿。或者，可以在電漿發生器內設置點火器。該點火器可以為附接至火花發生器之一對電極。 由於低壓ICP主導擴散，離子光學器件平面上之電漿密度及徑向電漿離子通量分佈總係凸的，即，在離子源之中心處最大並且自離子源之中心徑向向外減小。此導致由此種習用離子源產生之寬離子束之非均勻離子電流密度分佈。 典型之寬束離子源利用多電極加速器系統來形成離子並將離子加速成束。該系統中之電極為穿有對齊之孔之陣列之平坦的或下凹的多孔板，通常稱為柵格，藉由對齊之孔引出離子子束(beamlet)。此等子束之重疊導致單個寬離子束。補償上述電漿不均勻度對電漿密度分布(profile)之影響之一種已知方法為徑向地改變柵格之透明度，從而降低中心之束電流密度。然而，此種補償方法有幾個限制。離子光學器件之透明度之變化不能補償不同離子源操作條件(例如，射頻功率、束電壓及電流、氣體類型及壓力)之電漿密度分布的變化，此等因素在系統維護週期之間的任何時間依賴性，或源及離子光學器件的變化。源和離子光學器件的變化可能為由於品質及熱負載之影響引起之給定蝕刻模組中之短期及/或長期使用情況變化，或者由於離子源或柵格結構之差異引起之模組至模組的變化。在一些情況下，凹的或凸的束離子密度分佈可能係期望的，以便補償基板處理之其他方面的變化，包括，例如，在傳輸至基板期間之束擴散，在基板邊緣(periphery)之夾緊效應(clamp effect)，被蝕刻之材料層之厚度變化或蝕刻遮罩特徵的寬度變化。 電漿之徑向及/或方位密度分佈的局部變化通常限制了IBE製程之均勻度。此等變化之位置及形狀取決於操作條件。不能輕易地修改柵格光學器件之透明度來補償此種對工作條件之依賴。 已知之習用器件亦可以包括用於調整基於柵格之RF感應耦合離子源內之離子通量均勻度之特徵。此類特徵可以使用位於距柵格組件之篩網預定距離之重入容器。藉由減小預定距離，可以抑制離子源中心內之離子通量。此外，可以包括擴展件以微調離子通量分佈的徑向變化，以平坦化電漿分佈之任何不對稱峰。另一種已知之裝置採用可移動之「電漿整形器」，其自重入容器延伸並進入至電漿排放室中，以提供離子通量分佈之擴展之調節範圍。 因此，需要具有改良之離子通量分佈控制之離子源，特別係在直徑大於8英吋之空間處理尺寸上。更具體地，需要可修正以控制離子通量密度分佈之外周處之離子束電流密度分佈之裝置及方法。此外，需要具有改良之束分布調節範圍及改良之離子通量分佈中方位變化之控制之離子源。
本發明克服了現有技術之離子源之前述問題以及其他缺點與不足。雖然將結合某些實施例或實施方式描述本發明，但是應當理解，本發明不限於此等實施例或實施方式。相反，本發明包括可以包括在本發明之範圍內之所有替代方式、修改及等同物。 本發明涉及用於操作離子源之多個電磁體以產生具有定製操作特性之離子束之裝置及方法。 本揭示之技術的一種實施方式包括一種離子源，該離子源包括：排放(discharge)室，該排放室具有適合於容納工作氣體之排放空間，該排放室包括封閉端、開口端及在該封閉端與該開口端之間延伸的管狀側壁；天線，該天線適合於自該排放空間內之該工作氣體產生電漿；以及第一電磁體，該第一電磁體設置在該排放室之該管狀側壁之外周，用於改變該排放空間內之該電漿之分佈，其中，該第一電磁體被設置為並且適合於主要(primarily)改變該排放空間之邊緣區域中之電漿之分佈。 本揭示之技術的另一種實施方式包括一種操作離子源的方法，該方法包括：在該離子源之排放室內產生電漿，該排放室包括填充有工作氣體之排放空間，該排放室包括封閉端、開口端以及在該封閉端與該開口端之間延伸的管狀側壁；以及控制設置在該排放室之管狀側壁之外周之第一電磁體，以主要改變該排放空間之邊緣區域中之電漿之分佈。 本揭示之技術的又另一種實施方式包括一種離子源，該離子源包括：排放室，該排放室具有適合於容納工作氣體之排放空間，該排放室包括封閉端、開口端及在該封閉端與該開口端之間延伸的管狀側壁；天線，該天線適合於自該排放空間內之該工作氣體產生電漿；第一獨立控制之電磁體，該第一獨立控制之電磁體設置在該排放室之該封閉端內，並且適合於主要改變該排放空間之中心區域中之電漿之分佈；第二獨立控制之電磁體，該第二獨立控制之電磁體設置在該排放室之該管狀側壁之外周，並且適合於主要改變該排放空間之邊緣區域中之電漿之分佈。 根據另外之實施方式，一種用於電漿處理設備之離子源包括排放室，該排放室具有排放空間以容納工作氣體，該排放室包括封閉端、開口端及在該封閉端與該開口端之間延伸的管狀側壁。天線適合於自該排放室內之工作氣體產生電漿。至少兩個電磁體靠近該排放室設置，用於使用產生之磁場改變該排放空間內之電漿之分佈。至少一個電磁體被包含在該排放室之該封閉端內，並且被設計為主要改變該排放空間之中心區域中之電漿之分佈。該電磁體包括第一線圈及第一磁通量集中器(magnetic flux concentrator)，後者由導磁材料形成。該第一線圈靠近該第一集中器之管狀側壁設置。該第一線圈被組態為通電以產生磁場。該第一集中器被組態為使由該第一線圈產生之磁通量成形，並將其集中至靠近該封閉端與該開口端之間的該排放室之中心軸線之該排放空間之中心區域。至少一個其他電磁體設置在該排放室之該管狀側壁之外周，其被設計成主要改變該排放空間之邊緣區域中之電漿之分佈。它包括第二線圈以及由導磁材料形成之第二磁通量集中器。該第二線圈被組態為通電以產生磁場。該第二集中器被組態為使由該第二線圈產生之磁通量成形，並將其集中至靠近該排放空間之邊緣區域並且靠近該排放室之開口端。 在其他實施方式中，分別藉由獨立地控制通過該第一及第二電磁體之線圈之電流來調節中心及邊緣區域中之磁場強度。此在該排放室之開口端處改變自源之軸線至邊緣之電漿分佈。該第一及第二電磁體被組態為在方位上各向同性，並且該排放室中之電漿分佈之調節為徑向的。 在又另外之實施方式中，該第一及第二電磁體為多段的，並且提供該排放室中之電漿分佈之徑向及方位(azimuthal)調節。 本文亦描述並敍述了其他實施方式。
本揭示之技術提供了來自由柵格電漿驅動離子源之離子光學器件結構形成之低發散性帶電粒子子束陣列之寬準直的均勻離子束。可以由位於電漿排放之不同區域中之兩個電磁體藉由電磁修改離子源中之電漿密度分佈來調節束離子電流密度分佈。 圖1A為包含例示性雙電磁體離子源110之高真空處理系統的剖視圖。在各種實施方式中，離子源110位於真空處理室中並且產生指向至少一個基板111之工作氣體離子之離子束115(在此示出為箭頭)。此等離子轟擊基板111以實現預期之有益結果，其可以包括例如藉由離子束蝕刻製程自基板111之頂面去除材料。 離子源110包括由管狀側壁118限定之排放室116。管狀側壁118具有由開口端131限定之開口以及封閉管狀側壁118之相反端之後凸緣(flange)120。管狀側壁118可以至少部分地由電介質材料形成，例如石英或氧化鋁。高頻電磁能，特別係射頻(「RF」)電磁能可以在材料內以低損耗穿透管狀側壁118之電介質材料部分。 離子源110亦包括提供用於真空隔離之氣密密封之各種高真空密封構件(未示出)。延伸穿過後凸緣120之氣體入口122與排放空間124連通並允許來自計量氣體源123並進入排放空間124之工作氣體之調節流量。藉由與排空之處理室之流體連通，可以在排放空間124中維持亞大氣環境，其真空壓力範圍可以為約0.05mTorr至約5mTorr。 線圈天線126圍繞排放室116之外部之一部分纏繞，電源(未示出)藉由阻抗匹配網路(未示出)與其電耦合。電源可以以約500kHz至約15MHz之頻率向線圈天線126提供電力。可以在線圈天線126與管狀側壁118之間設置可選之法拉第屏蔽(未示出)。 諸如RF電磁能之高頻電磁能自線圈天線126傳送至排放空間124中之工作氣體，用於點燃並維持排放室116中之電漿。更具體地，電流在線圈天線126中以高頻率振盪，此產生了時間依賴性之磁場，該磁場藉由可選之法拉第屏蔽並且隨後藉由管狀側壁118傳遞至排放空間124。時間依賴性之磁場在排放空間124內產生方位電場(azimuthal electric field)，其具有與線圈天線126同心之場線。產生之方位電場使排放空間124內之電子加速沿著圓形軌跡行進。能量電子及工作氣體之中性原子之間的碰撞使工作氣體原子離子化並產生在方位電場內亦被加速之附加電子。 多孔離子光學器件或柵格組件132可以定位在管狀側壁118之開口端131處，並且可操作地自排放空間124中之電漿引出工作氣體離子至傳播至基板111之離子束115。柵格組件132可以包括橫跨離子源110之開口端131處之管狀側壁118之多個柵格。當適當偏置時，柵格基本上容納排放空間124內之電漿並且控制自排放空間124之離子束115的引出。每個柵格可以由孔177之陣列穿孔，使得帶電粒子(電子及/或離子)可以在引出條件下通過柵格組件132。柵格之孔177可以為圓形的並且彼此緊密對準。此等孔位於距離離子源中心軸線119之各種徑向及方位位置處。標記為177p之孔，在本文中稱為邊緣柵格孔，位於離中心軸線119最遠之位置。它們限定離子引出區域之範圍，其通常小於電漿排放室116之總尺寸，以避免對引出之離子密度及軌跡之「壁效應」。 基板111可以被支撐在處理空間內並與柵格組件132隔開，並且保持在設置在處理室內之基板支撐件121上，使得基板111之頂面面向開口端131。在一些實施例中，基板111可以傾斜、偏移及/或圍繞或相對於其自身之方位軸線旋轉。 杯形之重入容器(re-entrant vessel)144自後凸緣120朝著柵格組件132向排放空間124突出。可以由諸如鋁之導體形成之重入容器144包括端壁156及側壁162，該側壁162自端壁156軸向並且朝向後凸緣120延伸。重入容器144之側壁162可以與排放室116之中心軸線119同心地並同軸地對準。 離子源110包括至少部分地安裝在重入容器144中之第一電磁體142。第一電磁體142包括一片或多片之磁通量集中器，示出為具有基本上圓柱形之幾何形狀並且圍繞中心軸線119同心設置之管狀極片146、148。一或多個電線線圈172被容納在第一電磁體142之管狀極片146、148之間的空間內。電線線圈172與電源186電耦合，電源186又與控制器187電耦合。 第二電磁體200設置在排放室116外周外側，接近排放室116之開口端131，位於開口端131與線圈天線126之間。第二電磁體200與電源286電耦合，電源286又與控制器187電耦合。可以在電源286中設置開關裝置(未示出)，以將電流之方向自順時針方向轉向逆時針方向。電源286可以為直流(「DC」)電源，或者可以包括脈衝DC電源或交流(AC)電源。電源設置由控制器187進行調整，控制器187可以為手動操作的或為自動化系統之一部分。在各種實施方式中，第二電磁體200在本文中可以被稱為第一電磁體，並且第一電磁體142可以被稱為第二電磁體。 控制器187協調離子源110之操作，並且特別地，關於電磁體142、200對束特性或基板處理過程之可觀察的影響之電磁體142、200之操作。控制器187可以包括可程式化邏輯控制器(「PLC」)、數位信號處理器(「DSP」)或具有中央處理單元之另外的基於微處理器之控制器，該中央處理單元能夠執行儲存在儲存器中之軟件並且執行本文所描述之功能，如熟習此項技術者將理解。人機界面(「HMI」)裝置(未示出)可操作地連接至控制器187。HMI裝置可以包括輸出裝置，例如字母數位顯示器、觸摸屏及其他視覺指示器，以及輸入裝置及控制裝置，例如能夠接收來自操作員之命令或輸入並將輸入之輸入發送至控制器187之中央處理單元之字母數字鍵盤、定點裝置、鍵盤、按鈕、控制旋鈕等。控制器187可以設置有與生產線中使用之其他自動化設備相容之準則通信匯流排。 控制器187可以包括一種或多種算法來調節提供給電磁體142、200中之一個或兩個之電流。在一種實施方式中，算法可以基於電磁體142、200之徑向效應、根據電磁體電流設定獲取之效能資料及/或對電磁體142、200之先前電流設定來確定電磁體電流調節之量。在另一種實施方式中，自實驗矩陣(例如，查找表)導出算法。在再另一種實施方式中，電磁體142、200由使用根據電磁體電流設定獲取之模糊邏輯以及效能資料之人造智能電路進行調節。在又一種實施方式中，控制器187直接連接至量測蝕刻深度或離子束電流密度分佈之設備(例如，法拉第探針陣列)，此允許控制器187響應於檢測到不期望之蝕刻深度或離子束電流密度分佈而自動調節電流。 電磁體142、200係在方位上各向同性的，用於徑向地調節排放室中之電漿之分佈。電磁體200之磁通量集中器及極片為內直徑大於排放室118之外直徑的環形環。它們由單片材料製成或由獨立之段(section)組裝而成。在一種實施方式中，下面參考圖1B及1C描述之分流片(shunt piece)及附加極片亦係在方位上各向同性的環形環。 以下討論提供了關於由電磁體142及200產生之磁場分佈及其對離子源110中之電漿密度分佈的影響、自排放空間124至離子引出柵格132之平面之電漿離子通量以及離子束電流密度之進一步細節。在忽略來自環形電磁體200之存在的任何影響之情況下，中心電磁體142產生具有與提供給電線線圈172之電流乘以線圈匝數幾乎成比例之磁場強度之磁場。電磁體142產生之磁場(在所示之實施方式中圍繞方位軸線119對稱)主要改變排放空間124之中心區域中之電漿密度分佈，繼而主要改變離子束115中心之離子電流密度均勻度。該磁場不均勻，在極片146、148之相應之開口端(極尖)151、153之間的區域中具有最大場強，並且隨著距離開口端151、153之距離增大而減小，使得最小場強靠近柵格組件132中之柵格及線圈天線126。磁場線可以圍繞方位軸線119集中，此表明磁場強度在排放空間124之該區域中增大。在沒有外部施加之磁場之情況下，由RF線圈附近之RF放電產生之電漿電子將容易地擴散至排放室之中心。由電磁體142產生之磁場可以作用於此等電子以使離子源110中之電漿密度分佈重新分佈，特別係在排放空間124之中心區域，並且因此使自電漿指向由柵格組件132限定之柵格平面之中心區域之電漿離子通量分佈重新分佈。 圖1B為設置在圖1A之離子源110之外周之第一例示性環形電磁體200之放大的局部剖視圖。以下未具體描述之圖1B之圖示態樣已在以上參照圖1A進行了描述。電磁體200包括至少一個電線線圈260、磁通量集中器組件210及極片組件240。集中器組件210包括一對間隔開之環形板(即，頂部集中器板210A及底部集中器板210B)及磁場封閉環(closure ring)210C。集中器板210A、210B基本上垂直於離子源之中心軸線(例如，參見圖1A之中心軸線119)。集中器板210A、210B之尺寸可以基本上相等。集中器板210A具有內端215A及外端217A。集中器板210B具有內端215B及外端217B。集中器板210A、210B之外端217A、217B分別可以藉由習用之緊固件(未示出)安裝至磁場封閉環210C。集中器板210A、210B之間的間距可以由環形間隔環270維持，該環形間隔環由非磁性材料(例如鋁)製成，插入在集中器板210A、210B之間，並藉由例如習用之緊固件(未示出)固定至板210A、210B。集中器部件210A、210B、210C可以由諸如低碳鋼、鐵或任何其他合適的鐵磁材料之導磁材料製成，並且被電接地。 電線線圈260為具有合適的螺線管繞組模式之絕緣導體之連續繞組。例如，電線線圈260中之匝數可以自約300匝至約3000匝。電線線圈260(可以圍繞由聚合物樹脂或其他非磁性材料形成之線軸件纏繞)位於集中器板210A、210B之間的空間內。 磁通量集中器組件210安裝在凸緣140與環形安裝板113之間，作為離子源殼體組件之一部分。在集中器板210A之頂面與凸緣140之底面之間，集中器板210B之底面與安裝板113之頂面之間，以及在間隔環270之頂部及底部與集中器板210A、210B之間分別設置諸如O形環之真空密封件。 電磁體200具有單獨之極片組件240，以將集中在集中器板210A、210B中之磁通量引導至排放空間124。此允許相關聯之離子源快速且容易地與不同之極片組件裝配，此對於優化排放空間124中之磁場分佈或者針對不同應用快速重新組態離子源可能係期望的。在適於產生方位對稱磁場分佈之實施方式中，極片組件240包括一對間隔開之環形環(上極片環240A及下極片環240B)，其可以具有與磁通量集中器板210A、210B相同之板厚度及板間距。極片環240A、240B在徑向上位於磁通量集中器組件210之內徑(由磁通量集中器板210A、210B之端部215A、215B表示)與排放室之外壁118之間，並且與磁通量集中器組件210軸向對準，使得極片環240A、240B之相反端247A、247B分別與集中器板210A、210B之端部215A、215B對準。因此，極片環240A、240B分別為環形集中器板210A、210B之徑向向內延伸。 極片環240A、240B安裝在類似於集中器間隔物270之環形間隔環280上，使得它們彼此間隔開與板210A、210B彼此間隔開之距離大致相同之名義距離。極片環240A、240B可以由與集中器件210A、210B相同之導磁材料製成，並且被電接地。間隔環280可以由諸如鋁之非磁性材料製成。極片環240A、240B之外徑之精確尺寸可以分別參照集中器板210A、210B之內徑來定義，以便允許容易地移除極片組件240，同時分別使極片環240A、240B之端部247A、247B及集中器板210A、210B之端部215A、215B之間的間隙222最小化。若間隙222沒有被最小化，則其可能為潛在之重要的磁通量洩漏源。間隙222可以小於0.25英吋或約0.0625英吋。極片組件240可以藉由多個螺釘(例如，螺釘299)附接至集中器組件210，此等螺釘在集中器組件240環形周圍之多個位置將間隔環280接合至間隔環270。 極片環240A、240B之端部245A、245B分別位於非常靠近排放室壁118之外表面，通常在約0.1英吋內。由環形電磁體200產生之磁場將集中在極片組件240之端部245A、245B(極尖)之間，特別係集中在排放空間124之邊緣，如下面進一步詳細描述的。極片環240A、240B及極尖245A、245B之設計可以與圖1B所示的不同，以優化排放空間124內之磁場分佈，及/或減少對離子束引出、中和、基板磁性或其他離子束處理過程之磁干擾。 在一些實施方式中，極片環240A、240B製造成使得它們在極尖附近更厚，此減小了鄰近室壁118之極片環240A、240B之間的間隙，有效地集中極尖之間，特別係排放空間124之邊緣，由電磁體200產生之電磁場。在其他實施方式中，電磁體200包括極片組件外部之導磁材料之附加極片環(未示出)。更具體地講，附加極片環在軸向上位於電磁體200之極片組件之上方及/或下方並與之緊鄰，並且可以用於進一步將來自電磁體200之磁場限制至排放空間124之邊緣區域。附加極片環可以附連至電磁體200上。 在其他實施方式中，環形電磁體200之磁場強度可以在特定方位位置局部增強，以便改變方位電漿密度分佈(例如，補償在基板(未示出)之離子束處理中存在之方位電漿不均勻度或其他下游源之方位變化)。 在一個此類實施方式中，電磁體200之磁場強度可以藉由在方位上改變最靠近室壁118及排放空間124之端部(極尖)245A、245B附近之極片環240A、240B之厚度而在方位上變化。在另一種實施方式中，使用多段極片結構，其中極片組件240被分成離散之部分環形段，並且離散之極片段可以在極片或極尖厚度或形狀、磁性組成或環形寬度上彼此不同，包括留下一些沒有此類極片之扇區(sector)。 用於在方位上改變電磁體200之磁場強度之又另一個實施方式為在極片組件240之軸向上方及/或下方並且緊鄰極片組件之位置處在電磁體200外部設置多段附加極片。多段外部極片中之單個極片可以在厚度、形狀、磁性組成或環形寬度上彼此不同，包括留下一些沒有此類極片之扇區。 圖1C為具有用於將磁場進一步聚集至圖1A之離子源110之排放空間之邊緣之改良之極片組件之第二例示性環形電磁體200之放大的局部剖視圖。以下未具體描述之圖1C之圖示態樣已在以上參照圖1A及圖1B進行了描述。電磁體200包括由導磁材料(例如低碳鋼、鐵或插在極片240A、240B之間的任何其他合適的鐵磁材料)製成之在方位上各向同性之環形分流片(例如，分流環)290A、290B。分流環290A、290B附接至緊鄰室壁118及排放空間124之彼此面對之極片240A、240B之表面上。 在局部集中電磁體200之極尖之間的排放區域中之磁場之實施方式中，圖1C之改良之極片組件將分流環290A、290B放置在極片240A、240B之間。分流環可以附接至極片環240A、240B。 在另一種實施方式中，為了在方位上改變來自電磁體200之磁場，分流環之厚度在方位上變化。此外，可以使用「多段」分流片而非在方位上各向同性之環形分流環290A、290B。多段分流片包括佈置在排放空間124周圍之電磁體200之極片240A、240B之間的不同厚度、形狀或磁性成分之單獨之分流段之陣列。例如，一對分流片可以選擇性地放置在特定方位扇區中，同時留下沒有分流片之其他扇區。不同扇區之數量及扇區之間的分流片之差異將取決於扇區之間的磁場強度的期望變化，此又將取決於方位電漿密度或離子束密度分佈的期望變化。 圖1D為第三例示性環形電磁體400之放大的局部剖視圖，其中極片為整合式磁通量集中器板組件之一部分。以下未具體描述之圖1D之圖示態樣已在以上參照圖1A及圖1B進行了描述。電磁體400包括至少一個電線線圈460以及磁通量集中器/極片組件410。組件410包括一對間隔開之環形板(即，頂板410A及底板410B)及磁場封閉環410C。磁通量集中器板410A及410B之內徑與電漿排放側壁相鄰，並且此等板之面基本上垂直於離子源之中心軸線(例如，參見圖1A之中心軸線119)。電線線圈460設置在磁通量集中器板410A、410B之間。集中器板410A具有內端445A及外端417A。集中器板410B具有內端445B及外端417B。內端445A、445B為極尖。集中器板410A、410B之外端417A、417B分別可以藉由習用之緊固件(未示出)安裝至磁場封閉環410C。例如，集中器板410A、410B之間的間距可以由環形間隔環470維持，該環形間隔環由非磁性材料(例如鋁)製成，插入在集中器板410A、410B之間，並藉由例如習用之緊固件(未示出)固定至板410A、410B。集中器部件410A、410B、410C可以由諸如低碳鋼、鐵或任何其他合適的鐵磁材料之導磁材料製成，並且被電接地。磁通量集中器/極片組件410引導集中在集中器板410A、410B中之磁通量通過極尖445A、44B至排放空間124。 進一步集中排放室內部之磁場之電磁體400之其他實施方式包括如上所述在極尖445A、445B處之極板410A、420B之增加的厚度、外部極片環之使用及/或分流環之使用。電磁體400之磁場分佈之方位變化可以藉由在方位上改變極尖445A、445B處之集中器板之厚度、使用多段分流板及/或使用多段外部極片來實現。 圖2A為限定環形電磁體之例示性多段電磁體組件300的局部透視圖，其中單個電磁體(例如，圖1A-D之電磁體200)被替換成設置在離子源之外周之多段電磁體(例如，電磁體370a、370b、370c)之陣列。 上述參照圖1A-C之用於在方位上改變電磁體之磁場強度之多段分流片及替代方式可能無法實時地進行調節。引起方位磁場強度分佈之變化可能需要關閉處理系統並對離子源進行機械修改。替代之「多段」環形電磁體組件300包括單獨之電磁體(例如，電磁體370a、370b、370c)之陣列，其可以替代圖1A-C中所示之方位對稱之環形電磁體200。在排放室外側周圍之不同方位位置處安裝之多個獨立控制並組態之電磁體之使用允許電漿密度分佈之實時方位可變之變化(例如，補償基板之離子束處理中存在之方位電漿不均勻度或其他下游源之方位變化)。 電磁體370a、370b、370c封閉在集中器組件中，該集中器組件包括頂部集中器板310A、底部集中器板310B及磁通量封閉板。可以包括水冷盤管302以耗散來自電磁體370a、370b、370c之熱量。多段電磁體300可以安裝至離子源組件上，如上參照圖1A-C所述，並且可以包括參考圖1A-C之極片組件240所描述之單獨之極片組件(未示出)。圖2B中示出並且以下詳細描述了磁通量集中器組件之磁性封閉環及電磁體370a之單獨電線線圈，但為了清楚起見，在圖2A中省略。 多段環形電磁體組件300中之單獨電磁體之數量可以為低至2個至高達24個或更多，此取決於所需之單獨控制之程度，以及在額定電流下產生足夠之磁場強度所需之電線線圈之尺寸。此外，磁體電線線圈及線筒之形狀可以與圖2A所示之圓形形狀不同。特別地，每個線筒之形狀可以為彎曲的，以匹配上面安裝該線筒之環面之部分的曲率。 在多段電磁體300之另一種實施方式中，磁通量集中器及極片組件亦被分成用於每個單獨之電磁體之單獨之段，以便進一步在方位上集中各個電磁體的影響。在多段電磁體300之又一種實施方式中，單個方位電磁體段之極片以不同的方式構造(例如成形或增強)，以便改變來自電磁體300之方位磁場分佈，並且因此改變電磁體300對產生之電漿密度分佈的影響。 圖2B為圖2A之多段電磁體組件300之例示性單獨電磁體370a的代表性剖視圖。電磁體370a包括圍繞排放室環狀設置之專用線圈360a。線圈360a可以纏繞在具有頂板375a及底板380a之線筒371a上。線筒371a經由螺釘385a緊固至環形磁通量集中器底板310B上。所得之線圈組件封閉在集中器組件中，該集中器組件包括頂部集中器板310A、底部集中器板310B及磁通量封閉板310C。間隔物372包括自線圈360a散熱之水冷盤管302。線筒371a、線筒頂板375及線筒底板380可以由諸如鋁之非磁性材料製成。板310A、310B及310C可以由諸如低碳鋼、鐵或任何其他合適的鐵磁材料之導磁材料製成。 線圈360a藉由一對電引線(未示出)耦合至單獨之電源(未示出，參見例如圖1A之電源286)，此允許獨立於電磁體中之任何其他線圈控制通過線圈360a之電流。此外，來自多個線圈之單獨之引線可以連接至電網路，其藉由一些可控機構(例如，可變電阻器)將電流自一個或選擇數量之電源分至各個線圈。電源及電網(若存在)耦合至控制器(未示出，參見例如圖1A之控制器187)。 圖3A為例示性環形尖形場電磁體500的俯視圖。藉由使用電磁組件500，利用組件500圍繞離子源(未示出)之邊緣產生「尖形場」磁分佈。圍繞電漿排放室邊緣之尖形場磁分佈可以藉由防止電子與排放室壁碰撞而提高電漿之離子化效率，並且亦可改善電漿密度分佈。 尖形場環形電磁體500可以被描述為多個尖形場單位單元(例如，單元501、502、503)之陣列。電磁體單元502主要在極片結構上與圖1A-C之環形電磁體200不同。在環形集中器板510A之內徑處形成相間切口(例如，切口513A)之方位對稱圖案，從而在頂板510A上留下極突起(例如，突起515A)，如同一組齒輪上之齒。在電磁體500之底板(未示出)上形成類似之相間切口。 圖3B為圖3A之環形電磁體之例示性單位電磁體單元502的透視圖，其中磁極被製造成以便產生尖形磁場(ring cusp magnetic field)組態。磁體電線線圈560對應於圖2中之線圈260，並且環形圍繞排放室纏繞並容納在磁通量集中器組件510內，磁通量集中器組件510包括頂部環形集中器板510A、底部環形集中器板510B及磁場封閉環510C。間隔物570可以插入在頂部及底部集中器板510A與510B之間。 切口513A及513B分別形成在環形集中器板510A、510B之內徑處，在頂板510A上形成極突起515A並且在底板510上形成極突起515B，如同一組齒輪上之齒。自頂部觀察，在板510B之切口513B上方居中之板510A上之「齒」515A在方位上與在板510A之切口513A下方居中之「齒」515B交替。齒515A、515B具有穿過其尖端之孔以及分別附接至齒515A、515B之尖端之金屬極片522A、522B。極片被安裝成使得它們位於集中器板510A、510B之間的空間中。自頂部觀察，極片522A安裝在齒515A之下方，極片522B安裝在齒515B之頂部。切口及極片之形狀可以與圖3A及3B所示之形狀不同，並且可以被優化以產生尖形磁場圖案。 在圖3A及3B所示之尖形磁場電磁體500中沒有單獨之極片組件。因此，磁通量集中器板510A、510B亦用作極片。在其他實施方式中，集中器板510A、510B可以為簡單之環形環(參見例如圖1B之板210A、210B)。包括加工有切口513A、513B之頂部及底部極片(例如參見圖1B之極片240A、240B)並且設置有附加之極片522A、522B之單獨之極片組件(例如參見圖1B之極片組件240)可以包含在簡單之環形集中器板510A、510B內。 可以製造圖1A之中心電磁體142之極片146、148之其他實施方式以優化排放空間124內之磁場分佈及/或減少來自電磁體142對離子束處理之磁干擾，如上面對於環形電磁體200所述。在電磁體142之另一種實施方式中，整個極片組件被重新設計以採用參考圖1B描述之用於電磁體200之單獨之極片及集中器設計。類似地，圖1A之中心電磁體142之極片146、148之其他實施方式(如參照圖1B-2B所述)可以改變圖1A之離子源110之中心區域中之局部磁場集中或方位磁場分佈。 圖4A為包括具有相關聯之極片(例如極片648A)之多個單獨電磁體642A、642B、642C、642D之例示性中心電磁組件642之俯視剖視圖。在各種實施方式中，電磁組件642可代替圖1A之電磁體142。電磁體642A、642B、642C、642D整合在離子源排放室之封閉端內，每個電磁體包括磁通量集中器及線圈，該磁通量集中器包括外管狀側壁，並且各個線圈設置在外側壁內。單獨控制電磁體642A、642B、642C、642D允許在方位上改變排放室中心之電漿密度分佈，以補償下游離子束基板處理結果中存在之電漿不均勻度或方位變化。 圖4B為圖4A之例示性中心電磁組件642的側剖視圖。更具體地，圖4B示出了垂直取向之電磁體642A、642B、642C、642D。下面討論電磁體642A作為所有電磁體642A、642B、642C、642D之構造之代表。磁通量集中器/極片組件包括由管狀磁極片648A包圍之圓柱形磁芯部646A。磁通量封閉板633A防止通過離子源背面之磁場損耗。磁體電線線圈672A纏繞芯部646A(例如，在線軸件上)。電磁體642A及組合組件642例如經由螺紋孔688A、通孔699A及相應之螺紋緊固件(未示出)緊固在一起。儘管此描繪之實施方式示出了四個中心電磁體，但是根據例如所需之單獨控制之程度以及在額定電流下產生足夠之磁場強度所需之電線線圈之尺寸，可以使用更多或更少之電磁體。此外，電磁體642A、642B、642C、642D之形狀可以不同，例如電磁體642A、642B、642C、642D可以具有矩形或六邊形剖面。 每個電磁體642A、642B、642C、642D之電線線圈可以藉由一對電引線(未示出)耦合至單獨之電源(未示出，例如，參見圖1A之電源186)，此允許獨立地控制通過每個線圈之電流。在另一種實施方式中，來自若干個線圈之單獨之引線可以連接至電網，其藉由特定機構(例如，一組可變電阻器)將電流自一個或選擇數量之電源分至各個線圈。電源及電網(若存在)耦合至控制器(未示出，參見例如圖1A之控制器187)。 圖5示出了例示性離子源110之中心電磁體142及環形電磁體200之例示性磁場等高線圖的剖視圖。圖5之離子源110具有與圖1之離子源110類似之特徵，並且圖1之離子源110之特徵之描述可以類似地應用於圖5之離子源110之特徵。為了清楚起見，僅在圖5之左側示出包括排放室壁118及重入容器壁162之電漿排放區域之邊界。 RF線圈126表示為單匝帶，排放室124被圖示為半透明的，使得可以看到排放室124後面之RF線圈126及環形電磁體200之部分。此外，為了清楚起見，電磁體200被描繪為沒有如參照圖1B及圖1C詳細描述之單獨之極片組件。電磁體142可以在離子源110之中心區域中產生磁場等高線810，並且電磁體200可以在離子源110之邊緣區域中產生磁場等高線820。圖5示出了可以調節提供給中心電磁體142之電流以改變排放區域中心處之電漿密度分佈並優化正在處理之基板之中心處之離子電流密度分佈的實施方式。可以獨立地調節提供給環形電磁體200之電流，以改變在排放區域邊緣處之電漿密度分佈，從而改變基板邊緣附近之離子電流密度分佈。因此，與僅具有兩個電磁體中之一個的其他離子源相比，離子源110可以允許更大之基板之控制處理。 圖5省略了來自環形電磁體200及中心電磁體142之較弱的磁場線。根據此等較弱的外場之相對場強及向量方向，每個電磁體200、142對排放中之電漿分佈的影響可以為相對獨立的。在其他實施方式中，若電磁體200、142中之任一個或兩個被充分激勵(energize)，則兩個磁場分佈之重疊可以對電漿密度分佈引起顯著之相互作用，其將取決於電磁體200、142之相對極性。在下文圖11A至12B之討論中參照附圖更詳細地描述了離子源110在此等重疊之磁場條件下之操作。 圖6示出了由圖1B之環形電磁體200產生之例示性磁向量場分佈(由向量場圖775示出)。圖6進一步為圖1A之軸對稱離子源110的代表性局部剖視圖。更具體地，環形電磁體200與RF線圈126一起可以在無來自圖1A之電磁體142的任何顯著影響之情況下產生由向量場圖775示出之磁場分佈。在電磁體200附近，磁場強度大致與供給電線線圈260之電流乘以線圈之匝數成比例。在該實施方式中圍繞方位軸線119方位對稱之由電磁體200產生之磁場影響離子源110中，特別係排放空間之邊緣區域中之電漿密度分佈。該磁場不均勻，在極片240A、240B之相應之開口端245A、245B之間的區域中具有最大之場強，並且隨著與開口端245A、245B之距離增大而減小。最強之磁場線，例如沿著標記為725之向量路徑之彼等磁場線，集中在排放室之壁118附近，並且主要與離子源軸線119平行。由電磁體200產生之磁場可以作為磁鏡作用於電漿電子，以抑制向離子源之壁之電子擴散。此可能直接影響離子源110中特別係在排放室之邊緣區域中之電漿密度分佈，並且因此影響自電漿引導至由圖1A之柵格組件132限定之離子引出平面之邊緣區域之電漿離子通量分佈。 在圖6之實施方式中，藉由其中之線圈260之電流為逆時針的。若該電流反轉，則將反轉磁場向量之方向。然而，此在沒有其他重要之磁場源之情況下可能不影響電子軌跡或電漿密度分佈。 圖7A示出了在圖3A及3B之尖形磁場環形電磁體之頂部及底部之平面中建模之例示性磁向量場分佈圖920、930的透視圖。分佈圖920、930由單位單元902及RF線圈126產生，其在結構上與圖3A及3B所示的類似。在接近磁場最強之磁極922A及922B的附近，例如沿著代表性場向量950，磁場沿著自兩個外「頂部」極922A至內「底部」極922B之彎曲路徑(「尖形(cusps)」)定向。對稱之每個單位單元可以具有相同之磁場分佈。最終之結果為在水平面上與排放室壁118相鄰之尖形之方位環中之磁場的集中。 圖7B示出了圖3A及3B之尖形磁場環形電磁體之建模之例示性磁向量場分佈圖910的剖視平面圖。向量磁場圖910位於穿過圖7A之磁極片922A、922B之中心之水平面上，自單位單元902之頂視圖中觀察。 圖8示出了受到由圖1B之環形電磁體200產生之磁場之電漿中之磁化電子軌跡之兩個建模實例以及臨界磁場等高線，其圖示出電磁體對離子源中電漿密度分佈之影響效力的準則。在磁場「B」中移動之電子受到使其繞磁場方向運行之力，迴轉磁(迴旋(gyro))半徑rg 與E½ /eB成比例，其中B為磁場之大小，E為垂直(transverse)於磁場之電子之能量。與磁場平行之電子運動不受磁場的影響。最終結果(忽略對於典型之低壓離子源操作之此等路徑長度不常見之碰撞)為電子傾向於以迴旋半徑在磁場線之方向上螺旋。此種電子被稱為「磁化的」。因此，若磁場強度相對較高或電子能量相對較低，則會產生強電子限制(小迴旋半徑)。由於電漿中之靜電力之最小化，電漿擴散將跟隨電子之路徑。 對於由圖6之環形電磁體200(及RF線圈126)產生之特定磁場分佈之兩組不同之電子軌跡1010及1020，示出了上述電子磁化效應，假設電子能量為10eV，代表典型之RF低壓電漿。每組電子軌跡係藉由在RF線圈附近之電漿排放705之主要電漿產生區域中之特定點處注入具有各種初始軌跡之多個電子產生的。儘管初始方向不同，此等電子傾向於彙聚並沿著局部磁場線圍繞運動之公共中心螺旋。 用於確定對排放室中之電漿密度分佈有影響所需之最小磁場強度之準則係與總體室尺寸「D」(例如，圖1A之排放室116之直徑)相比的電子迴旋半徑之大小。在一些實施方式中，臨界最大迴旋半徑約為直徑D的十分之一。對於該例示之10eV電子能量及磁場圖，電子軌跡組1010之平均迴旋半徑對應於該臨界迴旋半徑。所示之磁場等高線1050表示對應之臨界磁場強度。由於磁場強度在靠近電磁體200之極片之排放室壁118之方向上增加，其中磁場強度足以影響電漿密度之區域由該壁118及磁場線1050限定。對於由磁場線1050限定之臨界半徑內之區域，迴旋半徑大於臨界迴旋半徑，並且磁場對電漿中之電子的影響可能太分散，無法實際應用。此例如藉助電子軌跡組1020來說明。 圖9A示出了離子源之電漿排放空間中之三個不同區域，其中來自圖1B之環形電磁體之產生之磁場的作用影響電漿密度分佈。圖9A亦示出了與圖8之離子源110相似的部分剖視圖。更具體地，在主要離子化區域705中產生之電漿擴散至排放空間124(柵格組件132之離子光學器件自排放空間引出離子束流)，或擴散至例如電漿可能熄滅之排放室壁118或重入容器壁162、156之表面。 為了簡化以下討論，排放室內之電漿密度分佈或基板上之離子束電流密度分佈之分布變化可以被描述為使分布更「凹」或更「凸」。電漿分布之形狀變化傾向於導致基板上之離子束電流密度分佈的類似變化，儘管不一定程度相同。若邊緣的電漿密度或離子束電流密度之值高於分布中心之值，則分布為「凹的」。在相反之情況下(即，中心之值大於邊緣之值)，分布為「凸的」。關於電漿密度分布特別關注之區域係自電漿中引出離子束之區域，即柵格組件132之離子光學器件之圖案化區域；因此「邊緣」係指邊緣柵格孔177p的位置。對於離子束電流密度分佈，「邊緣」係指待處理之基板之外徑。 可以就三個不同區域(由圖9A之區域#1、#2及#3所示)之磁場對電漿密度分佈之影響來描述環形電磁體200之磁場根據磁場強度對離子源110之RF功率消耗及電漿密度分佈之影響。每個區域包括離子源軸線119與排放室壁表面118之間的排放空間之一部分，特別係與電磁體200之磁極端部245a、245b相鄰之區域118a。區域#1為最靠近壁表面118a之區域，並且由圖9A之標記為1101之虛線表示之包絡線(envelope)界定；區域#2圍繞區域#1，並且由圖9A之標記為1102之虛線表示之包絡線限定；區域#3位於區域#2與離子源軸線119之間。對於不同之總磁場強度(即，磁體線圈260電流)，包絡線1101及1102各自表示對應於圖8中之線1050之臨界磁場強度等高線，其中電漿電子被充分磁化以在臨界迴旋半徑內運動，並且局部地影響電漿分佈。區域#1對應於總磁場強度之低範圍(即，磁體線圈260中之電磁體電流之低範圍)R1；區域#2對應於中等之總磁場強度及磁體電流範圍R2；並且區域#3對應於高之總磁場強度及磁體電流範圍R3。 圖9B示出了由圖1B之環形電磁體產生之電磁場對離子源之RF功率消耗的影響。磁體電流範圍R1、R2及R3在下面詳細討論之圖9B中圖示。 當磁體電流在範圍R1內時，有效之磁化電子軌跡在壁118及離子光學柵格組件132之外周上終止，在由邊緣柵格孔177p限定之離子引出之邊界之外。因此，電漿損耗以及因此消耗之RF功率可以隨著磁場強度最初提高而增加。此外，邊緣之電漿密度之降低可以降低基板邊緣之離子電流密度，使得離子束電流密度分布更凸。 當磁體電流在範圍R2內時，電子可以被強烈地磁化至包絡線1102之邊緣外，使得在區域705中產生而非擴散至壁118之電漿可以被驅離，並且被引導至邊緣柵格孔177p內側之離子引出區域。此可以降低壁處之電漿損耗，並且因此隨著電磁體200之磁場強度的增加而降低RF功率消耗。其亦可以增加邊緣柵格孔177p附近之電漿密度，此又可以增加基板邊緣之離子電流密度，使得離子電流密度分布更凹。 當磁體電流在範圍R3內時，外周電磁體200引起之電子磁化有效深入排放中心；隨著磁場強度在該範圍內增大，重入凸起144可能越來越成為電漿流動之瓶頸，導致壁162及156上之電漿損耗，並導致RF功率再次增大。由於至離子源之中心區域之電漿擴散被抑制，所以離子電流密度分布可能變得更凹。 圖9C示出了當電磁體在低至中等磁場強度範圍內操作時由圖1B之環形電磁體產生之電磁場對離子束電流密度分佈的影響。 參考圖9B及圖9C描述環形電磁體200操作之例示性結果。圖1B及圖6所示之離子源在中心電磁體142關閉並且環形電磁體200以流過磁體線圈260之逆時針電流激勵之情況下操作。 圖9B圖示了藉由增大電磁體線圈電流「Imag」增加磁場強度之用於400 V及445 mA之氬離子束之離子源RF功率消耗「Prf」的結果。「Prf」為供應給RF線圈組件126、在RF電源286處量測並且實現445mA離子束電流所需之功率。 如上所述，可以針對三個不同之磁體電流範圍R1、R2及R3來描述RF功率消耗對磁體電流之依賴性。在低磁體電流範圍R1中，隨著磁體電流自零升高至Imag約0.2A之第一轉變點(標記為線1111)，觀察到RF功率的增大(約50 W)。轉變點1111處之磁體電流對應於由圖9A中之包絡線1101限定之臨界磁場。如在圖9A、9B之討論中詳細描述的，範圍R1中之RF功率損耗可能係由於區域#1中之電漿集中太靠近排放室邊緣。隨著磁體電流進一步增加，趨勢逆轉，隨著磁體電流之增大RF功率消耗降低(約150W)，直至在Imag約0.4A處到達第二轉變點(標記為線1112)；此限定了第二磁體電流範圍R2。轉變點1112處之磁體電流對應於由界定區域#2之圖9A中之包絡線1102限定之臨界磁場。如上所述，在此範圍內降低之RF功率消耗可能歸因於遠離排放室壁118並且亦遠離重入凸起壁之區域#2中之電漿集中。在圖9B中之線1112所示之轉變點處，趨勢再次逆轉，隨後磁體電流之增加導致在磁體電流範圍R3上增大之RF功率消耗。在對應於圖9A之區域#3中之臨界磁場之範圍內，RF功率隨場強的增加被認為係由於重入容器對電漿之阻礙以及對壁之電漿損耗所引起的。 除了示出電磁體200之不同操作範圍之外，圖9B示出了第二電磁體滿足用於離子源增強之實用準則，即當在其工作範圍上操作時，RF功率消耗保持在實際限制內。在此情況下，RF功率在自0至1A之工作範圍內自參考值(0A)起變化約25%或更小。 現在參考圖9C，對於圖9A之離子源組態示出了在低至中等之磁場強度範圍內改變環形電磁體200中之磁體電流對離子束電流密度分布的影響之例示。根據使用位於基板位置之離子束之中心軸線上以垂直入射角面向離子源之法拉第杯探針之線性陣列之已知技術量測離子束電流密度分布。每個法拉第杯中之離子電流讀數直接對應於該位置處之離子電流密度。自束及基板之中心至超過6英吋之半徑處進行量測。對於下面之討論，當表徵離子束電流密度分布為凹或凸時，將參考6''半徑內之主蝕刻區域。除非另有說明，對於在12.6英吋直徑上量測之所有點，均勻度「U」以百分比(最大-最小)/(最大+最小)進行計算。 在圖9C中，針對一組1500V束參數示出了束電流密度分布。在此情況下，當無電磁體電流時，束分布強烈下凹，如標記為1401之離子束電流密度分佈曲線所反映的一樣。最初發現增加磁場強度使得離子束分布逐漸減小下凹(更凸)。此由在分別為0.02A、0.03及0.04A之不同環形電磁體電流下獲得之離子束電流密度分佈曲線(如曲線1402、1403及1404所示)證明。在曲線1405所示之較高磁體電流0.1A下，效果已經反轉，並且分布變得更凹。高達0.4A(未示出)之磁體電流之進一步增加導致逐漸更凹之束分布。與圖9A之討論一致，在此情況下高達至少0.040A之磁體電流可以在低磁體電流範圍R1內，其中認為電磁體200之弱磁場強度將在靠近排放室壁118之區域#1中集中電漿，導致電流密度分佈中之邊緣損耗，從而使束分布更凸。過渡至約0.04A及0.1A磁體電流之間的中間磁體電流範圍R2可能導致電漿更多地被引導至束之邊緣區域，從而導致更凹之束分布。 圖9C所示之結果表現出環形電磁體200調節大之束區域(例如，與6英吋直徑相比，超過12英吋)中之束分布形狀的能力。其特別證明了自最初強烈下凹之離子束分布開始，在大面積上提高離子束電流密度均勻度的能力。參考圖中之曲線圖圖例，標記為曲線1401之強烈下凹之零磁體電流束分布之12.6英吋直徑上的均勻度為U = 8.9%。激勵磁體線圈260並使電流在範圍R1內增加使得分布更凸，最初提高均勻度。在本研究中獲得之最佳均勻度為U = 2.9%，由曲線1403(Imag = 0.03A)反映，提高3倍。 在圖10A至10C中描繪了根據本發明之一種實施方式的在操作期間被激勵之兩個電磁體(例如，圖1A之電磁體142、200)的例示結果。 圖10A示出了圖1之雙電磁體組態之例示性建模的典型磁向量場分佈圖1275及多組磁化電子軌跡。圖10A示出了與圖6相似之離子源的局部剖視圖，其中描繪了磁向量場圖1275及指示電漿流動方向之主離子化區域705中之不同點處注入之電子的幾組模擬之10eV電子軌跡。通過環形電磁體線圈260之電流方向為逆時針方向，而通過中心電磁體線圈172之電流方向為順時針方向。兩個電磁體142及200都以相對較高之磁場強度被激勵而產生磁場圖，從而可以期望各個磁體之場線之間的相當大的重疊。然而，對於上述電磁極性，結果總體上係額外增強了兩個電磁體之各個場，並且每個電磁體附近之磁場線之方向及強度與單獨通電時之磁場線之方向及強度相當。例如，電磁體200之極片245A、245B附近之向量場路徑1225與圖6中類似之向量場路徑725相當，並且例示性電子軌跡組1210，其遵循向量場路徑1250，類似於圖9A之軌跡組1010。在兩個電磁體之間的排放空間中，場向量相加以形成可以將電子自排放區域引向離子源之中心之複合場通路，如電子軌跡組1220所示。在較高之場強下增加電磁體200之磁場強度可以增加排放空間142之邊緣附近的電漿密度，並使基板上之離子電流密度分佈更凹，而在較高之場強下增加電磁體142之磁場強度可以增加排放空間124之中心附近之電漿密度，使得基板上之離子電流密度分佈更凸。 圖10B示出了圖10A之建模之典型磁向量場分佈圖1275及磁化電子軌跡對離子束電流密度分佈的影響的實例，使用法拉第杯探針陣列量測。對於如參考圖10A該組態之雙電磁體離子源，在大於6英吋之半徑上量測氬離子束電流密度分布及均勻度。在此實例中，當環形電磁體200電流「Itor」及中心電磁體142電流「Icen」皆為零(兩個電磁體關閉)時，如離子束電流密度分布曲線1501所示，離子束電流密度分布在12''直徑上相對平坦。用中等之磁體電流(Itor = 0.2A)激勵環形電磁體200增加了束邊緣之電流密度，並使離子分布顯著下凹，即使中心電磁體被激勵(Icen = 0.1A)，如曲線1502所反映的。保持通過環形電磁體之線圈260之相同之中等電流並且以較高之磁體電流逐漸地激勵中心電磁體142增加了束之中心區域中之離子束電流，使分布不太凹，或更凸，如曲線1503(Icen = 0.3A)及1504(Icen = 0.6A)所反映的。值得注意的是，在該範圍內之中心電磁場強度之變化對邊緣區域(在大約4.5英吋之半徑之外)的離子束分布沒有明顯的影響。因此，即使在來自兩個電磁體之磁場分佈不集中之相對高之磁場強度下操作之情況下，電漿之不同區域之獨立控制亦為可能的。更具體地，可以以較高之磁場方式使用環形電磁體200，以主要增強邊緣離子束電流密度並使分布更凹，而中心電磁體142可以用於增強離子束中心之電流密度並使分布更凸。該組合提供了一種具有廣泛之靈活性之簡單的方法，以針對不同條件調整大的束直徑上之均勻度。 圖10B特別證實了即使當初始離子束電流密度分布相對平坦時，亦可以使用圖10A之雙電磁體方法來提高均勻度的能力。參考圖10B中之曲線圖之圖例，兩個磁體關閉時所獲得之12.6英吋直徑上之均勻度(由曲線1501表示)為U = 3.8%。在調整電磁體電流之後，使分布變得更凹，然後變得更凸，組合導致由曲線1504反映之離子束電流密度分布，其中均勻度為3.2%，比關閉電磁體之情況提高了約20%。 圖10C示出了圖10A之建模之典型磁向量場分佈圖1275及磁化電子軌跡對不同束電壓之離子束電流密度分佈的影響。 束電流密度之均勻度首先在電磁體關閉時優化，對應於分別為100V、1200V及1500V之束電壓之習用離子源操作。圖10C示出了在開啟並優化電磁體200及142中之磁體電流之後的此等相同束電壓條件之束分布。在每種情況下，電磁體開啟時束分布比電磁體關閉時之束分布更均勻。在此等例示中，中心電磁體142用低磁體電流(例如，Icen = 0.05A)激勵，然後在非常弱之場範圍內(例如，Itor = 0.0102-0.015A)調節邊緣電磁體200電流。此使得分布不太凹(更凸)，並且在6英吋半徑內基本平坦，如分別針對100V、1200V及1500V之束電壓之標記為1101、1103及1105的曲線所示。 圖10D將在圖10C中之優化之電磁體電流設定下之每個束分布獲得之均勻度與在電磁體之線圈中沒有電流時所獲得之對應之均勻度進行了對比。此處，離子電流密度分佈之均勻度被計算為在束之12.6英吋直徑上之量測值之範圍(最大值-最小值)除以平均值的百分比。與現有技術相比，本揭示之雙電磁體可以使均勻度在100V束條件下提高約2倍，在1200 V及1500 V束條件下提高約3倍。 下面參照圖11A及11B描述雙電磁體操作的另一種實施方式。 圖11A示出了圖1之雙電磁體組態的另一例示性建模之典型磁向量場分佈圖1375及多組磁化電子軌跡。如圖10A所示，電磁體142及200都被通電以產生足夠之磁場強度，使得在各個磁體之場線之間存在相當大之重疊。在圖10A及11A之磁場模擬中，電磁體線圈模型、通過線圈之電流大小以及通過環形電磁體線圈260之電流之方向亦分別相似。然而，在圖11A中，通過中心電磁體線圈142之電流之方向為逆時針方向，與圖10A相反。在電磁體200之極片245A、245B附近，圖11A所示之向量場圖，與圖10A所示類似，與圖6所示之只有環形電磁體之向量場圖稍有不同；此例如藉由比較圖11A、10A及6中分別標記為1325、1225及725之磁場路徑來示出。在該區域外，圖11A中之向量場圖1375與圖10A中之對應之圖1275非常不同，甚至在中心電磁體142之極點附近。值得注意的是，在圖11A中，主離子化區域705及離子源之中心之間不存在場線，並且因此不存在磁化電子之路徑。在主離子化區域705之邊緣附近產生之電漿可以沿著諸如1320或1340之電子軌跡路徑跟隨諸如1350或1370之向量場路徑被引導至離子源出口之邊緣。在離子源軸線附近產生之電漿可以例如沿著電子軌跡路徑1360跟隨場線向量路徑1390被引導至與電磁體142相鄰之重入容器144之壁。當電磁體200或142之線圈中之電流增大時，此可能導致排放室中之電漿密度分佈以及基板上之離子束電流密度及蝕刻分布越來越凹。 圖11B示出了圖11A的例示性建模之典型磁向量場分佈圖及磁化電子軌跡對離子束電流密度分佈的影響。離子束電流密度分布量測結果如圖12BA所示。在沒有電流施加至任一電磁體之線圈之情況下，離子通量在12''之蝕刻直徑內相對平坦，如離子束電流密度分布曲線1601所示。施加適度高之環形電磁體電流(例如，Itor = 0.4A)使得離子束電流密度分布明顯下凹，如曲線1602所示。保持適度高之環形磁體電流並且自低至中至高(例如，Icen = 0.2、0.4、0.6)逐漸升高中心電磁體電流分別進一步增加了離子束電流密度分布之凹度，分別如曲線1603、1604及1605所示。 該實施方式可以適用於對束分布進行大的調整，特別係增加離子束分布之凹度(例如，在激勵電磁體之前或在使用一段時間之後的分布可能強烈凸之情況下提高均勻度)。例如，圖11B中之曲線1605反映了在100mm之直徑上自無電磁體曲線1601起「凹度」增大超過10%。相比較而言，上文之現有技術之方法在相同直徑上最大約4%(蝕刻速率與離子束電流密度成正比)。另外，由於在此情況下，兩個電磁體都起著使離子束電流密度分布更凹的作用，所以可以在不在高磁場強度下操作電磁體之情況下對束分布進行大的調整，此可以有助於避免對離子束操作造成磁干擾。 本文描述之本發明之實施例在一或多個電腦系統中實施為邏輯步驟。本發明之邏輯操作實施為(1)在一或多個電腦系統中執行之處理器實現步驟的序列，以及(2)一或多個電腦系統內之互連機器或電路模組。實施方式為根據實施本發明之電腦系統之效能要求之選擇問題。因此，構成本文之本發明之實施例的邏輯操作不同地係指操作、步驟、對象或模組。此外，應當理解，邏輯操作可以按照任意順序執行，除非另有明確要求，或者申請專利範圍之語言使特定之順序內在地成為必需。 上述說明、實例及資料提供了本發明之例示性實施例之結構及用途的完整描述。由於在不脫離本發明之精神及範疇之情況下可以作出本發明之許多實施例，所以本發明屬於以下所附之申請專利範圍。此外，不同實施例之結構特徵可以在不脫離該申請專利範圍之情況下在又另一個實施例中結合。
110‧‧‧雙電磁體離子源
111‧‧‧基板
113‧‧‧環形安裝板
115‧‧‧離子束
116‧‧‧排放室
118‧‧‧管狀側壁
119‧‧‧離子源中心軸線
120‧‧‧後凸緣
121‧‧‧基板支撐件
122‧‧‧氣體入口
123‧‧‧計量氣體源
124‧‧‧排放空間
126‧‧‧線圈天線
131‧‧‧開口端
132‧‧‧柵格組件
140‧‧‧凸緣
142‧‧‧第一電磁體
144‧‧‧重入容器
146‧‧‧管狀極片
148‧‧‧管狀極片
151‧‧‧開口端
153‧‧‧開口端
156‧‧‧端壁
162‧‧‧側壁
172‧‧‧電線線圈
177‧‧‧孔
177P‧‧‧孔
186‧‧‧電源
187‧‧‧控制器
200‧‧‧第二電磁體
210‧‧‧磁通量集中器組件
210A‧‧‧頂部集中器板
210B‧‧‧底部集中器板
210C‧‧‧磁場封閉環
215A‧‧‧內端
215B‧‧‧內端
217A‧‧‧外端
217B‧‧‧外端
222‧‧‧間隙
240‧‧‧極片組件
240A‧‧‧極片環
240B‧‧‧極片環
245A‧‧‧端部
245B‧‧‧端部
247A‧‧‧端
247B‧‧‧端
260‧‧‧電線線圈
270‧‧‧環形間隔環
280‧‧‧環形間隔環
286‧‧‧電源
290A‧‧‧分流環
290B‧‧‧分流環
299‧‧‧螺釘
300‧‧‧電磁體組件
302‧‧‧水冷盤管
310A‧‧‧頂部集中器板
310B‧‧‧底部集中器板
310C‧‧‧磁通量封閉板
360a‧‧‧線圈
370a‧‧‧電磁體
370b‧‧‧電磁體
370c‧‧‧電磁體
371a‧‧‧線筒
372‧‧‧間隔物
375a‧‧‧頂板
380a‧‧‧底板
385a‧‧‧螺釘
400‧‧‧環形電磁體
410‧‧‧磁通量集中器/極片組件
410A‧‧‧頂板/極板
410B‧‧‧底板
410C‧‧‧磁場封閉環
417A‧‧‧外端
417B‧‧‧外端
445A‧‧‧內端/極尖
445B‧‧‧內端/極尖
460‧‧‧電線線圈
470‧‧‧環形間隔環
500‧‧‧環形尖形場電磁體/電磁組件
501‧‧‧單元
502‧‧‧單元/電磁體單元
503‧‧‧單元
510‧‧‧磁通量集中器組件
510A‧‧‧環形集中器板/頂板
510B‧‧‧底部環形集中器板
510C‧‧‧磁場封閉環
513A‧‧‧切口
513B‧‧‧切口
515A‧‧‧突起
515B‧‧‧極突起
522A‧‧‧金屬極片
522B‧‧‧金屬極片
570‧‧‧間隔物
633A‧‧‧磁通量封閉板
642‧‧‧中心電磁組件
642A‧‧‧電磁體
642B‧‧‧電磁體
642C‧‧‧電磁體
642D‧‧‧電磁體
646A‧‧‧圓柱形磁芯部
648A‧‧‧管狀磁極片
672A‧‧‧磁體電線線圈
688A‧‧‧螺紋孔
699A‧‧‧通孔
705‧‧‧電漿排放
725‧‧‧向量路徑
775‧‧‧向量場圖
810‧‧‧磁場等高線
820‧‧‧磁場等高線
902‧‧‧單位單元
910‧‧‧向量磁場圖/磁向量場分佈圖
920‧‧‧分佈圖
922A‧‧‧磁極
922B‧‧‧磁極
930‧‧‧分佈圖
950‧‧‧場向量
1010‧‧‧電子軌跡/電子軌跡組
1020‧‧‧電子軌跡組
1050‧‧‧磁場等高線/磁場線
1101‧‧‧包絡線/曲線
1103‧‧‧曲線
1105‧‧‧曲線
1111‧‧‧轉變點
1112‧‧‧轉變點
1210‧‧‧電子軌跡組
1220‧‧‧電子軌跡組
1225‧‧‧向量場路徑
1250‧‧‧向量場路徑
1275‧‧‧磁向量場分佈圖
1320‧‧‧電子軌跡路徑
1325‧‧‧磁場路徑
1340‧‧‧電子軌跡路徑
1350‧‧‧向量場路徑
1360‧‧‧電子軌跡路徑
1370‧‧‧向量場路徑
1375‧‧‧磁向量場分佈圖
1390‧‧‧場線向量路徑
1401‧‧‧離子束電流密度分佈曲線
1402‧‧‧曲線
1403‧‧‧曲線
1404‧‧‧曲線
1405‧‧‧曲線
1501‧‧‧離子束電流密度分布曲線
1502‧‧‧曲線
1503‧‧‧曲線
1504‧‧‧曲線
1601‧‧‧離子束電流密度分布曲線
1602‧‧‧曲線
1603‧‧‧曲線
1604‧‧‧曲線
1605‧‧‧曲線
併入並構成本說明書之一部分之附圖示出了本發明之實施例或實施方式，並且連同上面給出之本發明之一般描述以及下面給出之實施例或實施方式之詳細描述用於解釋本發明之原理。 圖1A為包含例示性雙電磁體離子源之高真空處理系統的剖視圖。 圖1B為設置在圖1A之離子源之外周之第一例示性環形電磁體之放大的局部剖視圖。 圖1C為具有用於將磁場進一步聚集至圖1A之離子源之排放空間之邊緣之改良之極片(pole piece)組件之第二例示性環形電磁體之放大的局部剖視圖。 圖1D為第三例示性環形電磁體之放大的局部剖視圖，其中極片為整合式磁通量集中器板組件之一部分。 圖2A為限定環形電磁體之例示性多段(multi-sectional)電磁體組件的局部透視圖，其中圖1A-C之單個電磁體被替換成設置在離子源之外周之多段電磁體之陣列。 圖2B為圖2A之多段電磁體組件之例示性單獨電磁體的代表性剖視圖。 圖3A為例示性環形尖形(cusp)場電磁體的俯視圖。 圖3B為圖3A之環形電磁體之例示性單位電磁體單元的透視圖，其中磁極被製造成以便產生尖形磁場組態。 圖4A為包括具有極片之多個單獨電磁體之例示性中心電磁組件的俯視剖視圖。 圖4B為圖4A之例示性中心電磁組件的側剖視圖。 圖5示出了圖1A之中心及環形電磁體的例示性磁場等高線(contour)圖。 圖6示出了由圖1B之環形電磁體產生的例示性磁向量場分佈。 圖7A示出了在圖3A及3B之尖形磁場環形電磁體之頂部及底部之平面中建模之例示性磁向量場分佈圖的透視圖。 圖7B示出了圖3A及3B之尖形磁場環形電磁體之建模之例示性磁向量場分佈圖的剖視平面圖。 圖8示出了受到由圖1B之環形電磁體產生之磁場之電漿中之磁化電子軌跡之兩個建模實例以及臨界磁場等高線，其圖示出電磁體對離子源中電漿密度分佈之影響效力之準則(criterion)。 圖9A示出了離子源之電漿排放空間中之三個不同區域，其中來自圖1B之環形電磁體之產生之磁場之作用影響電漿密度分佈。 圖9B示出了由圖1B之環形電磁體產生之電磁場對離子源之RF功率消耗的影響。 圖9C示出了當電磁體在低至中等磁場強度範圍內操作時由圖1B之環形電磁體產生之電磁場對離子束電流密度分佈的影響。 圖10A示出了圖1之雙電磁體組態之例示性建模之典型磁向量場分佈圖及多組磁化電子軌跡。 圖10B示出了圖10A之例示性建模之典型磁向量場分佈圖及磁化電子軌跡對離子束電流密度分佈的影響之實例，使用法拉第杯探針陣列量測。 圖10C示出了圖10A之建模之典型磁向量場分佈圖及磁化電子軌跡對不同之束電壓之離子束電流密度分佈的影響之附加實例。 圖10D比較了在圖10C中之優化之電磁體電流設定下之每個束分布(profile)獲得之均勻度。 圖11A示出了圖1之雙電磁體組態之另一例示性建模之典型磁向量場分佈圖及多組磁化電子軌跡。 圖11B示出了圖11A之例示性建模之典型磁向量場分佈圖及磁化電子軌跡對離子束電流密度分佈的影響。
113‧‧‧環形安裝板
118‧‧‧管狀側壁
124‧‧‧排放空間
126‧‧‧線圈天線
131‧‧‧開口端
140‧‧‧凸緣
200‧‧‧第二電磁體
210‧‧‧磁通量集中器組件
210A‧‧‧頂部集中器板
210B‧‧‧底部集中器板
210C‧‧‧磁場封閉環
215A‧‧‧內端
215B‧‧‧內端
217A‧‧‧外端
217B‧‧‧外端
222‧‧‧間隙
240‧‧‧極片組件
240A‧‧‧極片環
240B‧‧‧極片環
245A‧‧‧端部
245B‧‧‧端部
247A‧‧‧端
247B‧‧‧端
260‧‧‧電線線圈
270‧‧‧環形間隔環
280‧‧‧環形間隔環
299‧‧‧螺釘

Claims (20)

  1. 一種離子源，包括： 排放室，該排放室具有適合於容納工作氣體之排放空間，該排放室包括封閉端、開口端及在該封閉端與該開口端之間延伸的管狀側壁； 天線，該天線適合於自該排放空間內之該工作氣體產生電漿；以及 第一電磁體，該第一電磁體設置在該排放室之該管狀側壁之外周，用於改變該排放空間內之該電漿之分佈，其中，該第一電磁體被設置為並且適合於主要改變該排放空間之邊緣區域中之電漿之分佈。
  2. 如請求項1之離子源，亦包括： 第二電磁體，設置在該排放室之該封閉端內，並且適合於主要改變該排放空間之中心區域中之電漿之分佈，其中，該第二電磁體包括第二磁通量集中器，該第二磁通量集中器包括第二線圈及一或多個極片，該一或多個極片適合於使由該第二線圈產生之磁場成形並且將由該第二線圈產生之磁場集中在靠近該排放室之該封閉端與該開口端之間的該離子源之中心軸線之該排放空間之中心區域中。
  3. 如請求項1之離子源，其中： 該第一電磁體包括第一磁通量集中器，該第一磁通量集中器包括第一線圈及一或多個極片，該一或多個極片適合於使由該第一線圈產生之磁場成形並且將由該第一線圈產生之磁場集中在靠近該排放室之該管狀側壁與該開口端之該排放空間之邊緣區域中。
  4. 如請求項2之離子源，其中，該第一電磁體及該第二電磁體被獨立地控制，並且皆被適配成在方位上各向同性。
  5. 如請求項3之離子源，其中，該第一磁通量集中器包括一對間隔開之導磁之磁通量集中器板，其中，該磁通量集中器板之內徑與該電漿排放室側壁相鄰，該磁通量集中器板之表面與該離子源之中心軸線大體垂直，並且該第一線圈設置在該磁通量集中器板之間。
  6. 如請求項5之離子源，其中，一對間隔開之該磁通量集中器板被徑向分為兩個單獨之部分，與該電漿排放室側壁相鄰之內部部分包括可選擇性移除之極片組件。
  7. 如請求項1之離子源，亦包括： 一對在方位上各向同性之導磁之環形分流片，設置在該第一電磁體之極片之間，該環形分流片附接至彼此相對並與該電漿排放空間相鄰之該極片之表面上。
  8. 如請求項7之離子源，其中，該環形分流片包括具有不同特性之單獨分流段之多段陣列，用於改變方位磁場強度分佈。
  9. 如請求項1之離子源，其中，該第一電磁體包括兩個或多於兩個獨立控制之電磁體。
  10. 如請求項9之離子源，其中，該兩個或多於兩個獨立控制之電磁體圍繞該排放室之周長在方位上設置為多段環形陣列。
  11. 如請求項3之離子源，其中，該第一電磁體之該第一磁通量集中器包括圍繞該排放室之邊緣產生環形尖形磁場之成形極片。
  12. 如請求項1之離子源，亦包括： 與該排放室之該開口端相鄰之至少一個柵格，該柵格包括孔之陣列，該柵格適合於通過該孔自該排放空間中之電漿引出離子。
  13. 一種操作離子源的方法，包括： 在該離子源之排放室內產生電漿，該排放室包括填充有工作氣體之排放空間，該排放室包括封閉端、開口端以及在該封閉端與該開口端之間延伸的管狀側壁；以及 控制設置在該排放室之管狀側壁之外周之第一電磁體，以主要改變該排放空間之邊緣區域中之電漿之分佈。
  14. 如請求項13之方法，亦包括： 控制設置在該排放室之該封閉端內之第二電磁體，以主要改變該排放空間之中心區域中之電漿之分佈。
  15. 如請求項14之方法，其中，該第一電磁體及該第二電磁體被獨立地控制。
  16. 如請求項15之方法，其中，獨立地控制該第一電磁體及該第二電磁體包括獨立地控制施加至該第一電磁體及該第二電磁體中之每一個之單獨的電磁體線圈上之電流。
  17. 如請求項14之方法，其中，通過該第一電磁體之第一線圈之電流之方向為順時針方向，並且通過該第二電磁體之第二線圈之電流之方向為逆時針方向。
  18. 如請求項14之方法，其中，通過該第一電磁體之第一線圈之電流之方向為逆時針方向，並且通過該第二電磁體之第二線圈之電流之方向為逆時針方向。
  19. 如請求項13之方法，其中，由該第一電磁體產生之磁場強度引起該排放室之內直徑之至少十分之一的電子迴旋半徑。
  20. 一種離子源，包括： 排放室，該排放室具有適合於容納工作氣體之排放空間，該排放室包括封閉端、開口端及在該封閉端與該開口端之間延伸的管狀側壁； 天線，該天線適合於自該排放空間內之該工作氣體產生電漿； 第一獨立控制之電磁體，該第一獨立控制之電磁體設置在該排放室之該封閉端內，並且適合於主要改變該排放空間之中心區域中之電漿之分佈； 第二獨立控制之電磁體，該第二獨立控制之電磁體設置在該排放室之該管狀側壁之外周，並且適合於主要改變該排放空間之邊緣區域中之電漿之分佈。
TW106114911A 2016-06-01 2017-05-05 離子源以及用於在大處理區域上產生具有可控離子電流密度分佈之離子束的方法 TWI720193B (zh)

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US15/170,570 US10128083B2 (en) 2016-06-01 2016-06-01 Ion sources and methods for generating ion beams with controllable ion current density distributions over large treatment areas
US15/170,570 2016-06-01

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