TW201941240A - 用於離子束蝕刻之電漿橋引式中和器 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種作為一離子束(蝕刻)系統之部分之離子束中和系統，通常指稱一電漿橋引式中和器(PBN)。該系統利用一改良絲極熱電子發射器PBN設計，其在用於一特定操作方法中時極大地延長絲極壽命且最小化中和器操作參數在長期操作中之變動。該PBN包含在該PBN內產生一軸向磁場之一螺線管電磁體及促進該磁場對準且抑制雜散場之一磁性集中器。該PBN可易於提供至少500小時之一絲極壽命。
Description
本發明係關於一種用於離子束蝕刻之電漿橋引式中和器。
離子束蝕刻係自諸如一晶圓之一基板移除少量(例如奈米級)材料之一方法。通常，將諸如一光阻劑或一硬遮罩之一圖案化遮罩施加於表面，接著使用離子束蝕刻來移除未遮罩材料以留下遮罩材料。
用於此蝕刻之離子束固有地具有一正電荷。為了較佳處理，藉由加入電子來中和正電離子束。
本發明係關於一種作為一離子束(蝕刻)系統之部分之離子束中和系統，通常指稱一電漿橋引式中和器(PBN)。該系統利用一絲極熱電子發射器PBN設計，其在用於一特定操作方法中時極大地延長絲極壽命且最小化中和器操作參數在長期操作中之變動。一般而言，操作期間之參數變化係不受歡迎的，因為其會影響程序效能或良率。
該絲極熱電子發射器設計提供跨尺寸高達300 mm直徑(其包含(但不限於) 100 mm、150 mm及300 mm直徑)之曝露基板之用於有效中和離子束(例如超過100 mA束電流)之一高通量低能量電子。跨基板之面積之中和均勻性與基板上之任何給定位置處之中和程度一樣重要(若非更重要)。中和程度之顯著差異(其可(例如)由處理空間中之雜散及/或非均勻磁場引起)可歸因於蝕刻結果之偏差而降低最終良率或可引起電荷損害。該PBN設計實現離子及/或基板表面之「全」中和且在一些實施方案中，提供負表面充電。
在一些實施方案中，該PBN包含用於產生一軸向磁場之一螺線管電磁體、及一磁場集中器。因此所產生之該磁場藉由引導電子自該PBN經由一射出口而到達該離子束系統之處理室來極大地提高低能量電子自該PBN之放電效率。該磁場集中器亦抑制該磁場洩漏至該處理室及周圍空間中；該磁場之洩漏會干擾該室內及/或基板位置處之離子束之中和程度及均勻性。
本文所描述之該離子束系統及該PBN可在一定條件下操作以抑制歸因於(例如)濺射及蒸發之任何絲極實體尺寸變化。因為絲極變化極小(若有的話)，所以不僅絲極壽命變長，且利用絲極之離子束系統之操作參數亦可長時間基本上恆定。
在一特定實施方案中，本發明提供一種寬離子束系統，其具有提供低能量離子之一寬離子束之一離子束產生器及用於提供或產生用於中和該等低能量離子之低能量電子之一絲極發射器PBN。該PBN包括：一室，其內具有用於產生電子之一絲極；一中心放電口，其用於自該室發射該等電子作為低能量電子；一磁場產生器，其經組態以在該室內產生平行於該PBN之一軸線之一磁場；及一磁性集中器，其環繞該PBN且具有與該中心放電口對準之一孔隙，該磁性集中器抑制該磁場離開該PBN。
在另一特定實施方案中，本發明提供一種寬離子束系統，其具有用於產生低能量電子之一電漿橋引式中和器(PBN)。該PBN包括：一電漿產生室，其可操作地連接至一室電源，該室具有由一壁結構及具有一中心放電口之一底板結構界定之一內部容積；一惰性氣體源，其可操作地連接至該內部容積；一絲極，其位於該內部容積內且可操作地連接至一絲極電源；一螺線管電磁體，其緊密接近該室之該壁結構以在該內部容積內產生一軸向磁場；及一磁性集中器，其環繞該內部容積之至少一部分且具有與該中心放電口對準之一孔隙。
在另一特定實施方案中，本發明提供一種提供一離子束蝕刻系統之低能量電子之方法。該方法包括：在一處理室中產生一離子束，該離子束具有電流及至少100 mm之一直徑；自一電漿橋引式中和器(PBN)之一絲極產生電子；在該PBN內產生與該絲極軸向對準之一磁場；自該PBN提取低能量電子，該等低能量電子具有大於該離子束電流之一電流；使用圍繞該PBN之一磁場集中器來使該磁場留在該PBN內，使得該集中器外之該處理室中之該磁場小於2高斯。
在又一特定實施方案中，本發明提供一種寬離子束系統，其具有：一電漿橋引式中和器(PBN)及一離子源，該離子源提供低能量離子之一寬離子束；一絲極發射器，其提供電子；一螺線管電磁體，其產生平行於該PBN之一軸線之一磁場；及一磁性集中器，其環繞該PBN之大部分內部容積且具有與用於自該PBN發射低能量電子之一中心放電口對準之一孔隙。該內部容積內之該磁場歸因於該集中器而不離開PBN以容許低能量電子自由移動至該離子束中且此運動不受任何磁性干擾。
在一些實施方案中，該寬離子束具有至少300 mm (在一些實施方案中，500 mm)之一直徑，且該等低能量離子具有不大於300 eV之一能量。在一些實施方案中，該PBN提供具有不大於5 eV之一能量之低能量電子。在一些實施方案中，該磁場在該PBN外不大於2高斯。在一些實施方案中，該系統之該室內(該PBN外)之電子運動完全取決於非來自該PBN之電場。
在又一特定實施方案中，本發明提供另一種提供一離子束蝕刻系統之低能量電子之方法。該方法包含：藉由將一電壓施加於柵極來自一室中之一柵極離子源產生一離子束，該所得離子束具有至少100 mm之一直徑；自一電漿橋引式中和器(PBN)提取低能量電子(例如，具有不大於5 eV之一能量)，其中來自該PBN之電子電流高於來自該離子源之離子電流。為在該PBN中產生該等低能量電子，產生與該PBN中之該絲極軸向對準之一磁場；歸因於環繞該PBN之一集中器，此磁場完全定位於該PBN內。因為該集中器，該磁場在該PBN外之處理室中不大於2高斯；因此，在該等電子離開PBN之後，該磁場對其影響很小或無影響，且該處理室中之該等電子之運動取決於該處理室中之電場。在一些實施方案中，施加於該柵極之該電壓不大於300 V且在不小於50 mA之一電流處。
本發明之PBN之設計特別適合於用於束撞擊之基板之束幾何及表面中和兩者之低能量離子束系統。本發明之PBN之設計亦有益於高能量離子束之基板表面中和。
提供[發明內容]以依一簡化形式引入下文將在[實施方式]中進一步描述之一系列概念。[發明內容]不意欲識別主張標的之關鍵或基本特徵，且亦不意欲用於限制主張標的之範疇。將自閱讀以下[實施方式]明白此等及各種其他特徵及優點。
交叉參考
本申請案主張2018年2月20日申請之美國臨時申請案62/632,984之優先權，該案之全部揭示內容出於所有目的以引用方式併入本文中。
本申請案主張2018年2月20日申請之美國臨時申請案62/632,984之優先權，該案之全部揭示內容出於所有目的以引用方式併入本文中。
本發明係關於一離子束中和系統(通常指稱一電漿橋引式中和器(PBN))、其內併入有該PBN之一離子束(蝕刻)系統及操作該PBN及該離子束系統之方法。歸因於絲極在其壽命內之尺寸變化極小，該PBN (其包含用於產生一磁場之一螺線管電磁體及一磁場集中器)具有一延長絲極壽命。另外，絲極壽命內之極小尺寸變化容許該離子束系統之基本上恆定操作參數。
以下描述提供具體實施方案。應瞭解，可考量其他實施方案，且可在不背離本發明之範疇或精神之情況下進行其他實施方案。因此，以下詳細描述不應被視為意在限制。儘管本發明不受限於此，但將透過討論下文將提供之實例來瞭解本發明之各種態樣。
離子束蝕刻係利用一惰性氣體電漿(例如氖氣、氬氣、氪氣及氙氣)以使用離子來轟擊一基板且因此移除基板材料之一程序。離子束蝕刻系統自感應耦合電漿(ICP，亦指稱感應耦合放電電漿)提取正電離子且將其作為離子束提供至基板。一些離子束蝕刻系統包含一電漿橋引式中和器(PBN)，其將電子傳遞至離子束之正離子以因此中和離子束及離子轟擊之基板。中和正離子亦抑制離子束發散至基板上且消耗基板上之電荷累積。
在本文所描述之系統及方法之前，需要一改良寬離子束中和系統，其能夠滿足及超過100 mA及更高束電流處之離子束之臨界離子束中和要求(例如，在-4 V至+1 V平均充電電位之間)，同時維持長絲極壽命(例如至少300小時、至少500小時)且在此操作期間中和器操作參數之變化實際上可忽略。本文所呈現之系統滿足所要需求。
存在兩種主要類型之寬離子束處理：離子束蝕刻(IBE)及離子束濺射沈積(IBSD)或離子束沈積(IBD)。在IBE中，將一基板(例如晶圓)直接曝露於惰性或反應性氣體原子或分子之至少一離子束，且離子自基板移除材料。束與基板之間的角度可介於0°至90°之間。在直接IBD系統中，將基板曝露於待沈積於基板上之材料之至少一離子束。在IBSD中，一離子束入射於一濺射靶上且其係沈積於基板上之靶材料。IBE及IBSD/IBD兩者可利用一離子束中和系統，例如一磁性增強中和器。
離子植入電漿(亦指稱離子植入電漿泛射)及其變動係亦利用一磁性增強中和器之一程序。Ito等人之美國專利5,399,871中提供此一系統之一實例。Ito等人描述一種用於離子植入之中和系統(例如參閱Ito等人之圖4)，其包含一「電漿及低能量電子產生器12」及一「負偏壓電子侷限或導管10」。電子產生器包含一絲極發射器電漿源22，其具有環繞中和器壁以產生磁場之一軸向對準磁體陣列，該軸向對準磁體陣列根據Ito等人來「增大電漿之密度以增加室中所產生之電子之數目且降低電子之平均能量位準。該等磁體亦提高電子透過孔隙38提取至導管10中之速率。」(Ito等人之第4欄第38至44行)。
然而，離子植入技術(諸如Ito等人之離子植入技術)完全不同於IBE及IBSD/IBD且具有不同於IBE之特定要求(參閱下表1)，且對離子植入有用之內容無法用於IBE。例如，離子植入系統使用在基板上掃描之一小尺寸束，且在非常低壓力處操作，而IBE利用覆蓋整個基板之一大束。表1中概述其他差異。
表1
表1
返回至Ito等人，Itoh等人之負偏壓導管10 (其勝過Ito等人之離子植入程序)係難題且對IBE無效或不實用。由Ito等人之系統獲得之中和之程度、面積及均勻性將在應用於IBE時存在不足，因為大面積中和(例如整個基板)會被由系統產生之磁場擾亂。
如上文所指示，PBN離子束中和系統併入一改良絲極熱電子發射器PBN設計且在用於一特定操作方法中時極大地延長絲極壽命及最小化中和器操作參數在長期操作中之變動，同時提供用於有效中和超過(例如) 100 mA束電流之離子束之一高通量低能量電子。低能量電子在一給定條件下比高能量電子更有效中和一離子束。已跨尺寸高達300 mm直徑及更大之曝露基板達成此等結果。系統亦提供基板之「全」中和且在一些實施方案中，提供實際長壽命操作條件下之負表面充電。
在以下描述中，參考構成其之一部分之附圖且在附圖中依繪示方式展示至少一特定實施方案。在圖式中，所有若干圖中之相同元件符號可用於指代類似組件。
圖1示意性地繪示一般離子束蝕刻系統100。系統100具有一室102，其具有用於支撐諸如一晶圓101 (例如一矽(Si)晶圓、一半導體晶圓、一藍寶石晶圓等等)之一基板之一壓板104。壓板104及晶圓101可經組態以圍繞壓板104之一中心軸線旋轉。一離子源106亦位於室102內，離子源106經組態以發射負電離子。離子自離子源106通過一系列柵極108 (其等將離子準直成至少一離子束110中且視情況使(若干)束110轉向)而朝向壓板104及晶圓101。用於自一氣體(圖中未展示，例如一惰性氣體或一反應性氣體)產生電漿之一RF電源116及用於準直及轉向離子之一束電源118可操作地連接至離子源106。RF電源116及束電源118兩者連接至一處理模組控制器120以調整、維持及依其他方式控制自RF電源116及束電源118分別至離子源106及柵極108之電壓及/或電流。一電漿橋引式中和器(PBN) 130亦位於室102內。PBN 130提供用於在(若干)束110到達晶圓101之前中和(若干)正電離子束110之一低能量電子(e-
)流。
參考圖1及圖1A兩者，PBN 130包含其內具有一絲極陰極134之一封閉室132。絲極134之一絲極電源114連接至處理模組控制器120；絲極電源114藉由提供通過絲極134之一電流來加熱絲極134，使得絲極134發射電子。發射電子與來自一入口138之惰性氣體原子之間的電離碰撞產生離子及低能量電子之一電漿。低能量電子經由一放電孔隙135來離開室132而進入收容晶圓101之系統室102。此等低能量電子與來自離子源106之正電離子混合以因此中和離子束。
PBN 130之室體132上之一負電偏壓(體電壓)透過孔隙135來提取電子。為獲得室體132上之負電偏壓，一陽極136 (在此實施方案中，PBN體132)連接至一體電源112，體電源112連接至處理模組控制器120。處理模組控制器120設定PBN體電壓且藉由調整PBN絲極電流來控制PBN體電流。來自絲極134之電子由PBN放電電壓加速。
應瞭解，儘管在此實例中將一單一處理模組控制器120提供給體電源112、絲極電源114、RF電源116及束電源118之全部，但在其他系統組態中，可利用多個控制器。例如，Hansen等人之美國專利8,755,165中提供關於用於一電漿橋引式中和器之各種電源之實例性配置之額外細節。另外，PBN 130可具有其他特徵，例如圍繞室132來控制溫度之一冷卻套。
如上文所指示，圖1係一離子束系統之一般示意圖，且一工作離子束系統包含圖1中未繪示之其他特徵，諸如進氣及排氣系統、一真空泵及一般見於一離子束系統中之其他設備。圖1僅繪示促進電漿橋引式中和器之描述之一般元件。
一電漿橋引式中和器(例如PBN 130)提供在(若干)離子束撞擊基板(例如晶圓101)之前中和(若干)束(例如(若干)離子束110)中之正電離子之低能量電子。此防止(若干)離子束發散且消耗基板上之電荷累積。可基於電子電流(In
)與離子束電流(Ib
)之比率(特定言之，K=In
/Ib
，其指稱K因數)來控制來自PBN之電子通量或電子流量。
一般而言，當K≥1時，離子束被認為「經中和」，但PBN具有不同中和效率，如圖2之曲線圖200中所展示。離子束中和效率取決於諸如束發散度及基板充電電位(例如一「浮動」(電隔離)探針之電位)(標示為Vp
(伏特))之離子束參數。一般而言，Vp
越低越好；尤其期望Vp
＜1。
曲線圖200之曲線202展示依據一典型無絲極PBN (諸如具有一輝光放電中空陰極設計之一PBN)之K因數而變化之基板充電電位(Vp
)；此一PBN具有約4 V至約5 V之一實際最小充電電位。充電電位係歸因於電漿產生之固有性質，且可用於常規中和需求。曲線204展示依據一典型絲極發射器PBN (諸如圖1A之PBN)之K因數而變化之基板充電電位(Vp
)，其已被最佳用於高效率中和。此等PBN可用於(例如)ESD敏感及其他臨界中和程序。如圖2中所見，曲線204提供基本上所有展示K (特定言之，其等之大部分係K＜1.5)之Vp
＜3 V及甚至Vp
＜1 V；此等充電電位一般無法使用一無絲極中和器來獲得。
圖3展示根據本發明之各種特徵之一實例性絲極發射器PBN 300。PBN 300具有一外體301，其具有一內體302，內體302形成自一氣體入口(圖3中未展示)接收一惰性氣體之一室304。一絲極陰極305亦位於室304內，絲極陰極305在加熱之後發射由放電電壓加速且與惰性氣體原子碰撞以因此產生電漿之電子；此一絲極305可指稱一熱發射絲極或一熱發射陰極絲極。室304包含低能量電子透過其來離開室304之一放電口306。
低能量電子在一給定條件下比高能量電子更有效中和一正電離子荷(在系統之處理室中)。然而，低能量電子之高效率形成需要一低PBN體電壓(Vn
)。圖3之PBN 300及其變型利用不大於5 V之一體電壓(Vn
)來產生低能量電子。
一磁場源(諸如一螺線管電磁體(例如一電磁線圈) 308)，纏繞於內體302之周邊上以在室304內產生與電子跡線相互作用之一軸向磁場。電磁體308提高低能量電子產生效率，減小放電及絲極電流，及/或使電子密度集中於軸線處以促進自室放電口306引導提取出電子。在一些實施方案中，電磁體308可包含(例如)至少30匝，在一些實施方案中，約300匝，但可使用更多或更少匝。
由一高磁導率磁性材料形成之一磁性集中器310圍繞至少周邊及底部環繞內體302。磁性集中器310具有一厚度(例如約0.2英寸)以防止來自電磁體308之磁場及來自絲極305之任何場飽和。磁性集中器310包含一出口316，其與室體302中之放電口306對準以容許低能量電子離開PBN 300而前進至離子束系統之處理空間以中和(若干)離子束。出口316可(例如)呈圓形、定向(例如橢圓形或卵形)等等。
磁性集中器310沿PBN之縱軸線(沿絲極305之方向)集中所產生之磁場，且抑制及/或防止磁場線離開PBN 300而穿透離子束系統之處理空間且因此干擾離子束中和之程度及均勻性。圖4中繪示此效應，其中觀察到，併入磁性集中器310時之跨束直徑之基板充電電位之變動比無磁性集中器時均勻得多。具有出口316之此磁性集中器310提供跨被中和之整個離子束及因此整個基板之一致中和。
圖4之曲線圖400展示跨一300 mm束之電位。無磁性集中器之曲線402展示電位(電壓)基本上僅在一半束寬度內及因此僅在一半基板內恆定(水平)，而具有一磁性集中器之曲線404展示跨整個束直徑之一基本上恆定及一致電位。曲線404展示跨整個基板之充電電位小於1 V。在一些實施方案中，跨基板之充電電位相差不超過+/-0.7 V。在一些實例中，跨整個基板之充電電位小於1 V+/-0.7 V。
返回至圖3，磁性集中器310有助於磁場產生器(例如螺線管電磁體308)引導電子透過口306及出口316離開，同時抑制且較佳地防止雜散磁場進入處理室，此可引起基板非均勻中和。另外，據信，磁性集中器310及電磁體308之組合藉由使室304中之磁場沿軸線定向及與絲極305對準來促進絲極耗損減少以因此減少PBN體上之電子損耗、減小所需放電電流及降低絲極305之濺射。
PBN 300包含可操作地連接至體302之一體(陽極)電源312、可操作地連接至絲極305之一絲極電源315、一放電電源316及可操作地連接至螺線管電磁體308之一電磁體電源318。
在PBN 300之一操作方法中，絲極電源315提供約45 A至約90 A之一電流(If
)，放電電源316提供約2 A至約4.5 A之一電流(Id
)處之約15 V至約30 V之一電壓(Vd
)，且體電源312提供約0.25 A至約2.0 A之一電流(In
)處之約0 V至約5 V之一電壓(Vn
)。此等操作參數特別適合於一鎢絲305。
圖5A及圖5B繪示在一永久磁體上具有PBN中之一電磁體之益處。
圖5A中所展示之一螺線管電磁體500在線圈內產生平行於螺線管軸線之一強磁場。電磁體500具有兩個極，其等位於螺線管之各端面處。磁場線平行於螺線管之軸線穿過螺線管且離開端面，繞過電磁體而返回至對置端面。
可藉由圍繞電磁體500放置一集中器510來截斷及/或移除圍繞螺線管之磁場，如圖5B中展示。可使用磁性集中器來使磁場留在螺線管內，其中磁場線與螺線管軸線保持平行。
一螺線管之一替代選項係一軸向磁化環，圖6中展示為磁體600。磁體600係經軸向磁化之一環形永久磁體。磁體600產生類似於5A中所展示之螺線管電磁體場之一磁場。然而，此類型之磁體600一般無法與一集中器一起使用，因為磁場將透過集中器被截斷且磁體600內之所得磁場將顯著減少(在一些實施方案中，幾乎減至零)，其不足以用於一PBN中。
返回至PBN，在圖3之PBN 300之一類似替代實施方案中，圖7展示根據本發明之各種特徵之一實例性絲極發射器PBN 700。圖中繪示相對於圖3之PBN 300旋轉180° (垂直翻轉)之PBN 700。PBN 700具有一外體701，其具有形成接收一惰性氣體之一室704之一內體702。一絲極陰極705亦位於室704內，絲極陰極在加熱之後發射由放電電壓加速且與惰性氣體原子碰撞以因此產生電子(產生電漿)之電子。室704包含低能量電子透過其來離開室704之一室放電口706。
如同PBN 300，圍繞室704提供一磁場源。在此實施方案中，磁場源係纏繞於室704之周邊上之一螺線管電磁體(例如一電磁線圈) 708及與放電口706對置之端處之一永久磁體710。電磁體708在室704內產生一磁場，提高低能量電子產生效率，且減小放電及絲極電流。永久磁體710經配置使得其極性與電磁體708之極性對準(例如相同)。儘管圖7中未標註，但PBN 700包含圍繞室704之一磁性集中器。
此一配置增大PBN 700內磁場線之密度(如圖7中所展示)以因此產生一鏡像效應，亦指稱一磁鏡。靠近PBN 700之端(接近絲極705且與放電口706對置)之粒子經歷一增加力，此最終引起粒子反轉方向且返回至放電口706。
電磁體708及永久磁體710之組合顯著減少PBN室704內(尤其是絲極端接近處)之電子損耗。電磁體708產生防止PBN室704之壁上之電子損耗且引導電子朝向口706之一場。永久磁體710減少PBN室704之底部(底板)上之電子損耗。
在本文所描述之PBN之設計(例如PBN 300、PBN 700及其變型)之前，離子束系統中之絲極陰極之一缺點係有限絲極壽命。絲極壽命指示離子束系統之平均維護間隔時間(MTBM)，且係基於在使用PBN期間絲極發生之實體變化。在半導體產業中，期望300小時至500小時之一MTBM；然而，諸多絲極低於此期望壽命。具有一螺線管電磁體及磁性集中器之PBN 300、PBN 700及其變型可易於提供至少500小時之一絲極壽命。在一些實施方案中，此絲極壽命大於離子束處理系統之任何其他組件之MTBM。
當操作PBN時，歸因於電漿上之溫度及電荷，絲極曝露於惰性氣體電漿至絲極上之有害濺射及/或絲極材料之蒸發，該兩者產生絲極實體尺寸之變化。隨著絲極改變尺寸，絲極電流(If
)及電壓(Vf
)改變以歸因於經更改絲極電流而更改PBN內之磁場。絲極之一尺寸之小於10%變化抑制供應至處理室之中和電子之實體及能量分佈之改變；然而，大於10%之實體變化改變低能量中和電子之實體及能量分佈。
在一些實施方案中，絲極之橫截面積之一10%變化被認為絲極壽命之終結。因此，具有一較大直徑之絲極比具有較小直徑之絲極持續更長時間。用於半導體及相關處理之習知電漿源使用具有1 mm至1.5 mm之間的直徑之絲極。大於1.5 mm之絲極直徑一般不現實，因為達成操作溫度所需之電流隨絲極橫截面積增大。增加絲極長度線性增加電子發射以容許較低絲極溫度，然而，其亦增大跨絲極之電壓降Vf
以增加絲極濺射。具有一磁性集中器及一軸向場產生器之一PBN解決關於絲極損耗之諸多問題。
在來自PBN之恆定電子發射處操作之一源之絲極電流之穩定減小表明絲極損耗；此係絲極損耗之一好理解指示。圖8用圖形展示可使用本發明之一PBN (諸如PBN 300)來獲得之延長絲極壽命。當在選定操作條件下操作時，在本發明之一PBN設計(例如PBN 300)之超過500小時操作內未觀察到顯著損耗。
圖8之曲線圖800比較兩種不同PBN組態，其中曲線802係針對缺乏一磁性集中器及一軸向場產生器之一PBN，曲線804係針對具有一磁性集中器及一軸向場產生器之一PBN。
曲線804展示具有一磁性集中器及一軸向磁場產生器之一PBN在Vd
=20 V及Vn
=3 V處操作之結果。此等條件容許減小絲極電流(If
自約80 A至約75 A)，且容許在絲極操作參數無顯著變化之情況下操作超過500小時。
為在操作參數實際上無變化之情況下達成長絲極操作時間，使一PBN具有一磁性集中器及一軸向場產生器容許磁性增強PBN之更高放電效率以在其中最小化歸因於蒸發及濺射之絲極損耗之條件下操作。為避免絲極損耗，根據組態，轟擊絲極陰極之離子(來自惰性氣體)之能量小於濺射能量臨限值且絲極之溫度小於蒸發臨限值。維持一低絲極溫度對具有電漿源之絲極電子發射器而言可能面臨挑戰，因為蒸發及電子發射兩者隨溫度指數增加且溫度臨限值相差不多。儘管不存在導致絲極蒸發之準確臨限值，但可認為一理想鎢絲在約2400 K之一溫度處操作，而電漿源通常需要更高得多之絲極溫度，例如用於實際電子發射之約2600 K至約2700 K。
針對根據本發明之具有一磁性集中器及一軸向磁場產生器之一PBN，當PBN具有以下特徵時，可易於控制低能量電子產生及中和均勻性：
口：來自室之放電口之直徑大小係2 mm至9 mm，在一些實施方案中，5 mm至8 mm。放電口可呈圓形或可呈長橢圓形(例如橢圓形或卵形)；口形狀、其定向及其相對於絲極定向、位置及形狀之位置可經設計以提高電子提取效率及/或中和均勻性。結果發現，針對具有大於或小於2 mm至9 mm之一直徑之口，低能量電子之充電電位較高。
PBN室壓力：在操作期間，PBN室內之壓力係約1 mTorr至約70 mTorr。
惰性氣體(例如Ar)：進入PBN室之惰性氣體之流量在一些實施方案中係約7 sccm，在其他實施方案中係約5 sccm至約10 sccm，以在室中提供約0.1 mTorr至約0.4 mTorr之一壓力，在一些實施方案中，約0.15 mTorr至約0.3 mTorr。在一些實施方案中，可使用一反應性氣體(例如Kr、Xe)來代替一惰性氣體。
惰性氣體壓力之計算範圍係0.001 Torr至1 Torr，其取決於氣體流速、放電口大小及/或形狀及室壓力。為進行直接量測，針對上文所指定之口大小範圍，惰性氣體之室壓力係0.1 mTorr至0.4 mTorr，在一些實施方案中，0.15 mTorr至0.3 mTorr，且惰性氣體流速係7 sccm (在一些實施方案中，5 sccm至10 sccm)。
在低流速(習知PBN之典型特點)處，充電電位較高。歸因於高處理室壓力，高流速係不受歡迎，且由於高壓力，在離子源不同於PBN氣體時發生離子散射，處理氣體亦稀釋。
磁場：絲極尖端處之一典型磁場係約100高斯(針對約300 A匝之一電磁體)。當在約10高斯至約125高斯之範圍內操作時，觀察到一放電效率提高，然而，若低於約40高斯，則此速率增加下降。
電磁體：約300匝之螺線管電磁體具有約0.5 A至約1.25 A之一電流範圍。
在一些實施方案中：
電漿離子能量低於濺射臨限值(約25 V)；
放電電壓≤30 V，在一些實施方案中，≤20 V，鎢絲及鎢合金絲尤其如此；
PBN偏壓(Vn
，「體電壓」)＜5 V，在一些實施方案中，＜3 V；
另外或替代地，相對於接地之PBN體電壓＜-5 V，在一些實施方案中，＜-3 V；
絲極電壓＜5 V，在一些實施方案中，＜3 V；
絲極蒸發速率「可忽略」；
一鎢絲之溫度＜2640 K；
針對一鎢絲或鎢合金絲，絲極電流「If
」與直徑「d」之關係係If
/d3/2
＜65 A/mm3/2
；在一實例中，d=1.25 mm (0.05英寸)，If
(max)=90 A；在其他實例中，絲極具有1 mm (0.04英寸)至1.5 mm (0.06英寸)之間的一直徑；
存在跨具有至少150 mm之一直徑之一基板之一中和均勻性；且
全中和具有一充電電位0 V+/-0.7 V。
因此，本發明提供離子蝕刻系統、離子束中和系統(PBN)及各種方法之各種實施方案。除上述所有之外，本發明亦提供系統，其中：
在一些實施方案中，絲極操作特性之一變化由在恆定發射及/或放電電流處操作PBN時之PBN絲極電流之一變化指示。一「絲極電流之有效變化」係＞10%之一變化。在一些實施方案中，PBN絲極之實體尺寸基本上無變化。在一些實施方案中，此發生於轟擊絲極之離子之最大能量等於或低於絲極材料之濺射臨限值且絲極之最大溫度等於或低於該絲極材料之蒸發臨限值時。
在一些實施方案中，PBN內之壓力係介於2 mTorr至1 Torr之間(含2 mTorr及1 Torr)，PBN具有2 mm至9 mm之間(含2 mm及9 mm)(在其他實施方案中，5 mm至8 mm之間(含5 mm及8 mm))的一放電口直徑，其中離子束系統具有0.1 mTorr至0.4 mTorr (在一些實施方案中，0.15 mTorr至0.3 mTorr)之一處理室壓力及約5 sccm至約10 sccm之惰性氣體(例如Ar)至PBN之一質量流速。在一些實施方案中，來自PBN之低能量電子之平均能量＜5.5 eV且在一些實施方案中＜3 eV。
如上文所指示，在操作中，PBN內具有一軸向磁場及一磁性集中器。在一些實施方案中，由電磁體在PBN絲極處產生之軸向磁場係至少10高斯，且在一些實施方案中約100高斯。
本文進一步提供用於寬離子束高真空處理設備之一PBN系統，該PBN系統用於控制束發散、束轉向及基板表面中和。該PBN系統具有一絲極熱電子發射驅動電漿產生器及用於調整PBN絲極電流、放電電壓及體電壓及PBN之一氣體輸入之一構件。用於調整PBN絲極電流、放電電壓及體電壓之該構件可為一或多個控制器。電漿容納室具有一中心軸線，其一端上定位絲極且對置端上定位容許氣體流出及電子發射至離子束處理室之一口。在一些實施方案中，PBN具有一水冷卻電漿容納室。
在一些實施方案中，該PBN系統包含用於沿PBN之該軸線產生一磁場之一構件及用於使該磁場集中於該PBN體內之一構件。用於產生該磁場之該構件可為與PBN室之軸線同軸之一螺線管電磁線圈，其中該線圈之匝數及額定電流足以在電子放電口處產生至少10高斯且在一些實施方案中至少100高斯之一磁場。用於集中該磁場之該構件(其亦可指稱一磁場集中器)係封閉PBN之體或室(除體口區域及其中安裝絲極之端之外)之一磁導材料之一護罩。
本文亦提供一寬離子束材料處理系統中之一基板之離子束中和之一方法，該方法利用大於100 mA之一離子束及利用能夠達成跨基板之面積之小於-0 V且在一些實施方案中＜-3 V之一平面基板充電電位且可在此條件下操作至少300小時之一絲極發射器驅動電漿橋引式中和器(PBN)電子源。
本文所提供之另一方法係一寬離子束材料處理系統中之一基板之離子束中和之一方法，其利用一絲極驅動電漿橋引式中和器(PBN)電子源，該PBN電子源經操作以在至少300小時之一平均累積操作時間內藉由至少等於離子束電流之一電子電流來中和至少100 mA之一離子束電流，其中PBN絲極不會在操作時間內有效改變其操作特性。
以上說明及實例提供本發明之例示性實施方案之程序及使用之一完整描述。以上描述提供具體實施方案。應瞭解，可考量其他實施方案，且可在不背離本發明之範疇或精神之情況下進行其他實施方案。因此，以上詳細描述不應被視為意在限制。儘管本發明不限於此，但將透過討論所提供之實例來瞭解本發明之各種態樣。
除非另有指示，否則表達特徵大小、數量及實體性質之所有數字應被理解為由術語「約」修飾。因此，除非相反指示，否則所闡述之數值參數係近似值，其可取決於熟習技術者試圖利用本文所揭示之教示來獲得之所要性質而變動。
如本文所使用，單數形式「一」及「該」涵蓋具有複數個指涉物之實施方案，除非內文另有明確指示。如本說明書及附隨發明申請專利範圍中所使用，術語「或」一般用於意指包含「及/或」，除非內文另有明確指示。
為便於描述，本文所使用之空間相關術語(其包含(但不限於)「下」、「上」、「下方」、「下面」、「上方」、「頂上」等等)用於描述一(若干)元件與另一元件之空間關係。此等空間相關術語除涵蓋圖中所描繪及本文所描述之特定定向之外，亦涵蓋裝置之不同定向。例如，若顛倒或翻轉圖中所描繪之一結構，則先前描述為在其他元件下面或其他元件下方之部分將在該等其他元件上方或該等其他元件上面。
因為可在不背離本發明之精神及範疇之情況下進行本發明之諸多實施方案，所以本發明歸於下文所附之發明申請專利範圍。此外，可在不背離所述發明申請專利範圍之情況下在又一實施方案中組合不同實施方案之結構特徵。
100‧‧‧離子束蝕刻系統
101‧‧‧晶圓
102‧‧‧室
104‧‧‧壓板
106‧‧‧離子源
108‧‧‧柵極
110‧‧‧離子束
112‧‧‧體電源
114‧‧‧絲極電源
116‧‧‧RF電源
118‧‧‧束電源
120‧‧‧處理模組控制器
130‧‧‧電漿橋引式中和器(PBN)
132‧‧‧封閉室/室體/PBN體
134‧‧‧絲極陰極/絲極
135‧‧‧放電孔隙
136‧‧‧陽極
138‧‧‧入口
200‧‧‧曲線圖
202‧‧‧曲線
204‧‧‧曲線
300‧‧‧絲極發射器PBN
301‧‧‧外體
302‧‧‧內體/室體
304‧‧‧室
305‧‧‧絲極陰極/絲極
306‧‧‧放電口
308‧‧‧電磁體
310‧‧‧磁性集中器
312‧‧‧體電源
315‧‧‧絲極電源
316‧‧‧出口/放電電源
318‧‧‧電磁體電源
400‧‧‧曲線圖
402‧‧‧曲線
404‧‧‧曲線
500‧‧‧電磁體
510‧‧‧集中器
600‧‧‧磁體
700‧‧‧絲極發射器PBN
701‧‧‧外體
702‧‧‧內體
704‧‧‧室
705‧‧‧絲極陰極
706‧‧‧放電口
708‧‧‧電磁體
710‧‧‧永久磁體
800‧‧‧曲線圖
802‧‧‧曲線
804‧‧‧曲線
圖1係具有一般電漿橋引式中和器之一實例性離子束蝕刻系統之一示意性橫截面側視圖；圖1A係該一般電漿橋引式中和器之一放大示意性橫截面側視圖。
圖2係電漿橋引式中和器之中和性能之一圖形表示。
圖3係一電漿橋引式中和器之一示意性橫截面側視圖。
圖4係一電漿橋引式中和器中之一磁性集中器之充電電位之一圖形表示。
圖5A係展示磁場線的一螺線管之一示意圖，且圖5B係展示磁場線的一螺線管及一磁性集中器之一示意圖。
圖6係一軸向磁化環形磁體之一示意圖。
圖7係另一電漿橋引式中和器之一示意性橫截面側視圖。
圖8係一電漿橋引式中和器中之一絲極之壽命性能之一圖形表示。
Claims (10)
- 一種寬離子束系統，其包括： 一離子束產生器，其用於提供具有不大於300 eV之一電壓之一低能量離子束；及 一電漿橋引式中和器(PBN)，其用於產生具有小於3 eV之一電壓之低能量電子，該PBN包括： 一電漿產生室，其可操作地連接至一室電源，該室具有由一壁結構及一底板結構界定之一內部容積，該底板結構具有用於自該PBN室提取該等電子之一中心室放電口； 一惰性氣體源，其可操作地連接至該內部容積； 一熱發射陰極絲極，其位於該內部容積內且可操作地連接至一絲極電源； 一磁場產生器，其經組態以在該室內產生平行於該PBN之一軸線且視情況平行於該絲極之一磁場；及 一磁性集中器，其環繞該室且具有與該室放電口對準之一孔隙，該磁性集中器抑制該磁場離開該PBN。
- 如請求項1之寬離子束系統，其中該磁場產生器係一螺線管電磁體。
- 如請求項2之寬離子束系統，其中該螺線管電磁體具有至少30匝。
- 如請求項1之寬離子束系統，其中該磁性集中器位於該壁結構及該底板結構外。
- 如請求項1之寬離子束系統，其中該磁性集中器圍繞該壁結構連續。
- 一種提供一離子束蝕刻系統之低能量電子之方法，該方法包括： 在一處理室中產生具有不大於300 eV之一電壓之一低能量離子束，該離子束具有一電流及至少100 mm之一直徑； 自具有一絲極之一電漿橋引式中和器(PBN)提取低能量電子，該等低能量電子具有大於該離子束電流之一電流及小於3 eV之一電壓； 在該PBN內產生與該絲極軸向對準之一磁場；及 使用圍繞該PBN之一磁場集中器來使該磁場留在該PBN內，使得該集中器外之該處理室中之該磁場小於2高斯。
- 如請求項6之方法，其中產生該離子束包括：自一柵極離子源產生該離子束。
- 如請求項7之方法，其中自一柵極離子源產生該離子束包括：藉由在不小於50 mA之一電流處將不大於300 V之一電壓施加於一柵極來產生該離子束。
- 如請求項6之方法，其進一步包括：自該PBN透過與該磁場對準之一室口來發射該等低能量電子。
- 如請求項9之方法，其中發射該等低能量電子作為具有至少100 mm之一直徑之一束。
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