TW202107503A

TW202107503A - 離子束處理設備、系統及產生離子束的方法

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Publication number: TW202107503A
Application number: TW109122600A
Authority: TW
Inventors: 科斯特爾拜洛; 愛普納文湯瑪斯; 泰勒洛克威爾; 法蘭克辛克萊; 克里斯多夫坎貝爾
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2021-02-16
Also published as: WO2021021345A1; JP2022543748A; US20210035779A1; KR20220038411A; CN114080658A; US11056319B2; JP7330361B2; TWI753478B

Abstract

一種離子束處理設備可包括等離子體腔室及設置在所述等離子體腔室旁邊的等離子體板，其中所述等離子體板界定第一抽取開孔。所述設備可包括設置在所述等離子體腔室內並面向所述抽取開孔的束阻擋器。所述設備可還包括：非平面電極，鄰近所述束阻擋器並在所述等離子體腔室的外部設置；以及抽取板，設置在所述等離子體板的外部，並界定與所述第一抽取開孔對齊的第二抽取開孔。

Description

用於廣角離子束之具有抽取組合件之系統以及裝置

本發明實施例涉及一種等離子體處理設備，且更具體來說，涉及使用新穎的離子抽取光學器件從等離子體源抽取的成角度離子束。

複雜三維（three dimensional，3D）半導體結構的製作通常採用離子輔助等離子體製程。許多這樣的製程使用相對於襯底平面的法線具有零或小入射角的離子束。然而，存在例如對溝槽側壁的受控蝕刻等的製程，其中要求離子束具有以相對於法線的高平均角度（＞50°）為特徵的離子角分佈（ion angular distribution，IAD）。可通過（當晶片以默認的「水平」取向被定向時，相對於晶片法線）以零度抽取束並使晶片以所期望角度傾斜來獲得此種高入射角。例如，可引導橫截面比待處理襯底的面積小的離子束大致沿著水平平面的法線取向撞擊，同時沿著水平方向對（相對於水平平面）傾斜的襯底進行掃描，以將整個襯底以循序方式暴露於離子束。此種方法的缺點是製程在晶片表面上的不均勻性：鑒於固有的束髮散度，當在束前面對晶片（襯底）進行掃描時，離子束劑量將存在變化。

正是基於這些及其他考慮，提供了本發明。

提供本發明內容是為了以簡化的形式介紹一系列概念，所述一系列概念在以下在具體實施方式中進一步闡述。本發明內容並不旨在識別所主張主題的關鍵特徵或本質特徵，本發明內容也並非旨在用於幫助確定所主張主題的範圍。

在一個實施例中，提供一種離子束處理設備。所述設備可包括等離子體腔室及設置在所述等離子體腔室旁邊的等離子體板，其中所述等離子體板界定第一抽取開孔。所述設備可包括設置在所述等離子體腔室內並面向所述抽取開孔的束阻擋器。所述設備可還包括：非平面電極，鄰近所述束阻擋器並在所述等離子體腔室的外部設置；以及抽取板，設置在所述等離子體板的外部，並界定與所述第一抽取開孔對齊的第二抽取開孔。

在另一實施例中，一種離子束處理系統可包括等離子體腔室及沿著所述等離子體腔室的一側設置的抽取組合件。所述抽取組合件可包括設置在所述等離子體腔室旁邊的等離子體板，其中所述等離子體板界定第一抽取開孔。所述抽取組合件可包括：束阻擋器，設置在所述等離子體腔室內並面向所述抽取開孔；非平面電極，鄰近所述束阻擋器並在所述等離子體腔室的外部設置；以及抽取板，設置在所述等離子體板的外部，並界定與所述第一抽取開孔對齊的第二抽取開孔。所述處理系統還可包括抽取電壓系統，所述抽取電壓系統電耦合到所述等離子體腔室及所述抽取板，以在所述抽取板與所述等離子體腔室之間產生偏壓電壓。

在再一實施例中，一種方法可包括：在等離子體腔室中產生等離子體；以及沿著所述等離子體腔室的一側設置抽取組合件。所述抽取組合件可包括設置在所述等離子體腔室旁邊的等離子體板，所述等離子體板界定第一抽取開孔。所述抽取組合件還可包括：束阻擋器，設置在所述等離子體腔室內並面向所述抽取開孔；非平面電極，鄰近所述束阻擋器並在所述等離子體腔室的外部設置；以及抽取板，設置在所述等離子體板的外部，並界定與所述第一抽取開孔對齊的第二抽取開孔。所述方法可還包括施加偏壓電壓以抽取所述離子束，其中所述離子束是通過由所述等離子體板、所述束阻擋器、所述非平面電極及所述抽取板界定的一對開孔被抽取為一對子束。如此，所述施加所述偏壓電壓可涉及向所述等離子體腔室施加第一電壓，並向所述抽取板及設置在所述等離子體腔室外部的襯底施加第二電壓。

現在將在下文中參照其中示出一些實施例的附圖更全面地闡述本發明實施例。然而，本發明的主題可實施為許多不同的形式，且不應被解釋為僅限於本文中所述的實施例。相反，提供這些實施例是為了使本發明將徹底及完整起見，且將向所屬領域中的技術人員充分傳達本主題的範圍。在圖式中，相同的編號始終指代相同的元件。

本文中所述的實施例提供用於使用隱藏式偏轉電極來控制被引導到襯底的離子的角分佈的設備、系統及方法。在一些實施例中，公開一種便利於在緊湊的離子束源中產生具有大的晶片上入射角的離子束的設備。除抽取具有高入射角的離子束以外，還可在化學反應性等離子體（原料氣體：C_x F_y 、SF₆ 、H₂ 、O₂ 、Cl₂ 、I₂ 、Br₂ 及/或其混合物）的情形中使用本發明實施例，以產生離子及高反應性自由基。具體來說，可抽取範圍從幾百eV至幾keV、具有高的晶片上入射角（＞50°）且束電流為幾十mA的離子束。作為裝置處理的實例，使用由本發明實施例提供的對稱帶狀子束抽取使得能夠隨著平行於抽取組合件對襯底進行掃描而同時處理複雜半導體結構中的各豎直溝槽壁。

在以下的實施例中，一種離子束處理設備可包括等離子體腔室及抽取組合件。抽取組合件可包括沿著等離子體腔室的一側設置的等離子體板，其中所述等離子體板包括第一抽取開孔。根據本發明的各種實施例，等離子體板可由絕緣體材料形成。抽取組合件可包括設置在等離子體腔室內同時面向所述抽取開孔的束阻擋器。如此，束阻擋器可用於將所述抽取開孔劃分成兩個單獨的子開孔。抽取組合件可包括非平面電極以及抽取板，所述非平面電極鄰近束阻擋器並在等離子體腔室的外部設置，所述抽取板設置在等離子體板的外部並界定與第一抽取開孔對齊的第二抽取開孔。如在以下的實施例中所述，此種佈置便利於通過子開孔產生高角度離子束，其中高角度離子束相對於等離子體板的平面的垂線界定大的入射角，例如30度或更大。

如下所詳述，各種實施例中的抽取組合件可包括具有電絕緣體本體的等離子體板及具有電絕緣體本體的束阻擋器。同時，非平面電極可包括導電的內電極，且抽取板可包括導電的內板部分。在特定實施例中，非平面電極包括環繞導電的內電極的第一介電塗層，且抽取板包括設置在導電的內板部分上的第二介電塗層。

有利地，非平面電極在沿著第一方向的橫截面中可具有三角形形狀，其中第一方向垂直於等離子體板的平面。在以下所詳述的再一些實施例中，抽取組合件可包括可沿著一個或多個方向相對於等離子體板移動的可移動抽取板。例如，等離子體板的第一抽取開孔及抽取板的第二抽取開孔可各自具有伸長的形狀，從而便利於抽取一對帶狀離子束或帶狀離子子束並以相對於襯底的廣角引導帶狀離子子束，所述襯底是平行於等離子體板的平面對齊。例如，非限制性地，本文所使用的用語「相對於襯底的廣角」可為相對於襯底平面的法線（垂線）大於30度、相對於法線大於40度或者相對於法線大於50度。在特定實施例中，抽取板可包括第一部分及第二部分，所述第一部分及所述第二部分可沿著掃描方向相對於彼此相互移動，以改變第二抽取開孔的大小。

現在轉到圖1，示出與本發明實施例一致的處理系統的豎直橫截面。處理系統100包括等離子體腔室102、製程腔室103及以下更詳細闡述的抽取組合件130。處理系統100還包括被電耦合以在抽取板114與等離子體腔室102之間產生偏壓電壓的抽取電壓系統124。如此，處理系統100充當離子束處理系統，以產生離子束來處理靠近抽取板114佈置的襯底122。等離子體腔室102可充當等離子體源，以通過任何合適的方法在等離子體腔室102中產生等離子體132。例如，等離子體腔室102可通過導電壁134而以接地電勢為參考。通過將由射頻（radio frequency，rf）功率源（未單獨示出）產生的射頻功率經由介電窗口104從射頻天線136感應地耦合到工作氣體，可在等離子體132中生成感興趣的離子性（離子）物質。然而，也存在產生等離子體的其他已知手段。

如圖1所示，抽取組合件130可包括沿著等離子體腔室102的一側設置的等離子體板106，其中等離子體板106可由電絕緣體（例如Al₂ O₃ （氧化鋁）、石英、AlN或其他合適的電絕緣材料）形成。等離子體板106可界定第一抽取開孔138，所述開孔可沿著所示笛卡爾坐標系的X軸伸長（注意，X軸大致垂直延伸到頁面的平面中，但出於說明目的是以一定角度示出）。如此，第一抽取開孔138可界定空間，來自等離子體腔室102的離子可穿過所述空間。抽取組合件130可還包括設置在等離子體腔室102的外部且由導電材料形成的抽取板114。抽取組合件130還可包括例如由絕緣材料形成的束阻擋器108。在圖1所示佈置中，當相對於等離子體腔室102向襯底122（或向襯底板120）施加負電壓時，在等離子體132存在的情況下，在抽取開孔138與束阻擋器108之間形成的狹縫（子開孔）中形成等離子體彎月面。在各種實施例中，束阻擋器108可對稱地佈置在抽取開孔138上方，以使得能夠形成並抽取被示為離子束112的兩個對稱離子子束。對襯底122的離子束處理是通過在Y方向上對襯底122進行掃描來進行，且還可包括通過圍繞Z軸旋轉襯底來進行。在各種非限制性實施例中，視襯底122（厚或薄氧化物）的導電率而定，離子束112可被抽取為脈衝式離子束，其中脈衝頻率及工作循環可被分別調整成10 kHz至50 kHz範圍及10%至100%範圍內的目標值，使得襯底不充電。有利地，對抽取板114及束阻擋器108使用介電材料會便利於在用於產生離子性及自由基物質的高反應性等離子體中使用。

抽取組合件130還可包括被示為非平面電極110的可偏壓阻擋器電極。如圖1所示，非平面電極110在等離子體腔室102的外部附接到束阻擋器108。如圖1大致所示，雖然不共面，束阻擋器108及等離子體板106可被視為在等離子體腔室102的下側上界定等離子體腔室102的內部與等離子體腔室102的外部之間的邊界。因此，非平面電極110，無論是否設置在等離子體板106上方，均可被視為位於等離子體腔室102的外部上。在一些非限制性實施例中，當沿著Z方向（平行於Z軸）觀看時，非平面電極110的橫截面可具有三角形形狀或拋物線形形狀。由於是導電的，電極形狀具有對等電勢場線分佈進行成型且因此調整所抽取離子子束的角分佈（平均角度及角展度）的作用。更具體來說，由於電場的等電勢線遵循導電電極的形狀，因此可通過這些電極形狀實現場線的更佳分佈。值得注意的是，三角形或拋物線形狀用於對抽取區域中的場線進行成形，使得在等離子體邊緣處形成的等離子體彎月面將具有更小的半徑，從而使得所抽取離子子束更佳地聚焦。

根據本發明的一些實施例，抽取板114可界定第二抽取開孔140，如圖所示。抽取板114及第二抽取開孔140因此設置在等離子體板106與襯底122之間。在一些非限制性實施例中，第二抽取開孔140在Y方向上可具有30 mm至50 mm的高度。當然，在以下所論述的特定實施例中，抽取開孔沿著Y方向的高度可為可變的。在本發明的各種實施例中，等離子體板106、抽取板114及襯底122可彼此相互平行，且可平行於X-Y平面。因此，等離子體板106的平面可被視為與X-Y平面平行且與襯底122的掃描方向（Y方向）大致平行的平面。

第一抽取開孔138及第二抽取開孔140可相對於非平面電極110及束阻擋器108以完全對稱的方式對齊，以便建立從束阻擋器108與等離子體板106之間的狹縫抽取的兩個離子子束（離子束112）的對稱性。在一些實施例中，束阻擋器108、非平面電極110、第一抽取開孔138及第二抽取開孔140可為伸長的，以在X方向上延伸350 mm至400 mm，以便可抽取300 mm寬度（在X方向上）的均勻帶狀子束。

根據各種非限制性實施例，可將抽取組合件130的可偏壓元件（例如非平面電極110及抽取板114）設定成處於與襯底122相同的電勢，此種配置意味著襯底有利地不是抽取光學器件的一部分。具體來說，由於襯底122處於與非平面電極130及抽取板114相同的電勢，因此在襯底122與抽取板114或非平面電極110之間不存在電勢差且因此不存在電場。

因此，襯底122相對於抽取光學器件（例如抽取板114及等離子體板106）的相對位置不影響通過抽取組合件130抽取的離子束的離子角分佈。在此種條件下，沿著Z軸的襯底位置可從5 mm至大於20 mm而變化，使得可顯著減弱從襯底濺射的材料對等離子體腔室的污染。換句話說，當需要時，襯底可位於沿著Z軸與抽取組合件更大的間隔處以減少污染，因為隨著間隔增加，污染會隨著抽取開孔「看到」晶片的立體角變小而減少。

為了使得可電偏壓，非平面電極110及抽取板114可由導電材料構成（例如，在一些非限制性實施例中，可對這些組件使用金屬（例如鋁、鈦或銅）、石墨、經摻雜Si、經摻雜SiC），如上所述。由於這些部件不暴露於離子束轟擊，因此如下所詳述，減少了金屬及/或碳污染。然而，根據一些實施例，為了更充分地防止污染，可電偏壓部件可塗布有環繞導電的內本體或內部分的薄介電膜。在一個非限制性實施例中，合適的介電塗層由氧化釔、氧化鋁及氧化鋯的混合物製成，且具有100微米的厚度。已知此種介電材料提供抗蝕刻性。在其他實施例中，可使用Al₂ O₃ 、AlFO、氧化釔（Y₂ O₃ ）或氧化鋯（ZrO₂ ）作為介電塗層。例如，在其中非平面電極110及抽取板114由矽或碳化矽材料形成的實施例中，可視需要省略介電塗層，因為Si或碳可不被認為是基於矽的半導體裝置的電污染物。

眾所周知，等離子體彎月面的形狀及位置以及離子束抽取的機制取決於等離子體（例如等離子體132）中等離子體密度的相對值，且還取決於抽取電場。然而，當使用非導電材料（例如電介質）來製造離子抽取光學器件時，離子束抽取的物理學會顯著地改變。發生此種改變是因為等離子體鞘層（所述鞘層是等離子體132與離子抽取光學器件壁（在本發明實施例中，為束阻擋器108及等離子體板106）之間的界面）隨著壁的性質（絕緣或導電）而變。對於脈衝頻率（f）高於離子等離子體頻率（fpi）的脈衝式等離子體

（1）

其中n、e₀ 及m_i 是等離子體密度、基本電荷、真空介電常數及離子質量，我們具有所謂的基質鞘層（matrix sheath），其中離子是不動的，且電子被推離壁。在此種情形中，鞘層厚度由下式給出

（2）

其中，V₀ 、k_B 及T_e 分別代表鞘層上的電壓降、玻爾茲曼常數（Boltzmann constant）及電子溫度。由λ_D 表示的量是德拜長度（Debye length），由下式給出

（3）

視壁上的電壓值而定，在基質鞘層的情形中，鞘層厚度的範圍可為德拜長度的數十倍至百分之一。然而，對於5x10⁹ cm^-3 與5x10¹¹ cm^-3 之間的慣常等離子體密度，離子等離子體頻率在2 MHz與25 MHz之間，比抽取電壓的脈衝頻率（10 kHz至50 kHz）高得多。在此種情形中，離子有足夠的時間被鞘層中的電場加速，並且假設離子的運動是無碰撞的，鞘層厚度由蔡爾德定律（Child’s law）給出：

（4）

假設電子溫度為3.5 eV，鞘層厚度隨著電壓並隨著等離子體密度的倒數而增加，且對於感興趣的範圍，從幾分之一毫米至大約20毫米而變化。

根據各種實施例，本發明實施例的離子束可被抽取為脈衝式離子束，如上所述。抽取電壓系統可例如包括脈衝組件，例如根據目標脈衝週期及工作循環將抽取電壓脈衝式接通及關斷的電路系統。然而，在小離子束電流的情形中，脈衝工作循環可為100%，即，離子被連續抽取。具體來說，脈衝週期及工作循環可被佈置成便利於抽取成角度的離子束，如下所論述。由於束阻擋器及等離子體板組件可由介電材料形成，因此可對離子束的脈衝進行佈置以將等離子體鞘層的時間相關演變考慮在內。

轉到圖2A至圖2D，根據本發明的實施例，在X-Y空間中示出電子分佈及離子分佈隨著時間的演變。在所示的模擬中，襯底上（位置由x=2.5 cm處的豎直線表示）的電壓為脈衝式的，處於-1 kV電壓下，脈衝頻率為20 kHz，且工作循環為50%。束阻擋器及等離子體板組件被示意性地示為明亮的豎直細長矩形，其中這些組件的起點相對於圖1被旋轉90度。束阻擋器及等離子體板被建模為由介電材料（石英）製成，所述材料能夠帶靜電。圖2A及圖2B分別示出在所施加負電壓脈衝開始後1 μs時的電子分佈及離子分佈。由於石英能夠傳輸電場線，因此在脈衝開始時（1 μsec），鞘層上會出現高電壓降，此種情況因此形成厚度顯著（~6 mm）的鞘層。在此種情形中，如圖2A及圖2B所示，抽取狹縫附近的電場垂直於等離子體板及束阻擋器（沿著X方向）而定向，且因此，所抽取的離子非常少（如果有的話）（參見圖2B中的離子分佈）。

現在轉到圖2C及圖2D，隨著等離子體鞘層隨時間演變，離子繼續到達等離子體板的及等離子體阻擋器的內壁。在不存在接地路徑的情況下，離子將在等離子體密度中產生不平衡，此種情況將導致雙極電場的形成。在此種情形中，相等的電子通量及離子通量將被朝向內壁引導

（5）

其中

是在與面板及阻擋器壁垂直的方向（X方向）上等離子體密度的梯度，且D_a 是雙極擴散係數

（6）

其中μ_e,i 及D_e,i 分別是電子及離子的遷移率及擴散係數。由於雙極擴散，鞘層厚度減小（塌縮），直到在抽取狹縫中形成等離子體彎月面且離子子束開始被抽取的點為止。鞘層厚度的此種減小可在圖4C及圖4D中看到，其中示出在負電壓脈衝開始後4 μsec時電子及離子的X-Y相空間。在此種情況下，離子子束被容易地抽取，並被引導到襯底位置，如圖4D所示。

因此，根據各種實施例，電壓脈衝的工作循環及頻率可被設定成為給定脈衝提供超過等離子體鞘層塌縮（等離子體鞘層塌縮週期）及離子束抽取開始所需時間的持續時間。在以上實例中，假設最小等離子體鞘層塌縮週期為4 μsec，10 μs或更大的脈衝持續時間可適合於確保對離子束的恰當抽取。在50%工作循環下，此脈衝持續時間等於20 μs或更大的脈衝週期，這意味著可將電壓脈衝頻率設定為50 kHz或更低，以在圖2A至圖2D所示情況中有效地抽取離子。

圖3繪示根據本發明附加實施例佈置的處理設備的操作場景，且示出抽取區域中的子束、形狀及靜電勢分佈。更具體來說，圖3繪示對全導電抽取組合件組件的情形進行的OPERA建模的結果。在圖3中，示出抽取組合件200，其包括束阻擋器108的導電變體（被示為束阻擋器208）以及等離子體板106的導電變體（被示為等離子體板206）。具體來說，等離子體板206具有高度為H且長度（方向垂直於紙的平面）為400 mm的矩形抽取開孔，被示為抽取開孔224。束阻擋器208具有大約等於高度H的高度D，而長度（進入頁面）可稍微長於抽取開孔224的長度，以使得能夠與等離子體板206進行機械連接。束阻擋器208及等離子體板206均保持接地（零電勢）。與等離子體板206平行且通過間隙Δz與等離子體板206分隔開的是可偏壓抽取板，被示為抽取板214。抽取板214具有高度為h且在X方向上與等離子體板206中的抽取開孔224為相同長度的矩形抽取開孔，被示為抽取開孔226。在抽取開孔226的前面放置有可偏壓阻擋器電極，被示為非平面電極212，其具有高度d（此尺寸可等於h），且足夠地延伸到頁面中（沿著X軸）以覆蓋抽取開孔226的矩形開口。抽取板214及非平面電極212均以與襯底122相同的電勢被施加偏壓，所述電勢對於所示的情形是-1 kV。

由於此種佈置，靜電場線230被成形為使得離子子束232以高抽取角通過非平面電極212與抽取板214之間的空間被抽取，其中抽取角是相對於抽取板214的平面（X-Y平面）的法線（意味著相對於Z軸）而界定。因此，此種模擬在襯底平面處為兩個不同的子束得到+/-60°（相對於襯底平面上的法線，意味著相對於Z軸）的非常高的平均角度。靜電等電勢線不延伸超過抽取板214，此結果意味著襯底122實際上不是抽取組合件200的一部分。此結果賦予大的優點，在於由對襯底122表面的離子轟擊產生的次級電子將不會朝向抽取組合件200加速。此外，鑒於可偏壓電極遮斷等離子體與襯底122之間的視線的事實，將會有較少的蝕刻副產物從襯底122擴散到等離子體腔室（圖中在左側），從而導致較少的等離子體腔室污染。以大的平均角度提供離子束便利於處理3D表面，包括襯底122上沿著Z軸定向的結構的表面。大的入射角還需要較大的襯底上束覆蓋面積或者沿著Y方向大約36 mm。此種沿著Y軸相對大的覆蓋面積意味著，為了均勻地處理300 mm晶片，Y方向上的晶片掃描範圍應為至少372 mm（300 mm + 2x36 mm），以使得晶片的頂部部分及底部部分均將暴露於束。

圖4A至圖4D繪示另一處理設備的再一些操作場景，其示出抽取板的不同配置以及抽取區域中隨之產生的子束、形狀及靜電勢分佈。如上所述，在高反應性等離子體的情形中，等離子體腔室的有用性質是與等離子體接觸的壁由介電材料製成，使得等離子體將不會被來自壁的金屬或碳污染。因此，圖4A至圖4D所示抽取組合件250設置有提供與等離子體（圖中未示出）接觸的介電材料的組件。除圖3所示前述組件以外，抽取組合件250還包括各自由介電材料形成的束阻擋器258及等離子體板256。像前述抽取板一樣，抽取板254由導電材料形成，並界定第二抽取開孔260。根據各種實施例，抽取板254可包括第一部分254A及第二部分254B，第一部分254A及第二部分254B可沿著掃描方向（Y軸）相對於彼此相互移動，以改變第二抽取開孔260的大小。另外，抽取板254可沿著Z軸相對於等離子體板256移動。

圖4A至圖4D繪示在抽取板254的四種不同配置下的模擬，其中等離子體板256及束阻擋器258由介電材料（在此種情形中為石英）製成。在圖3中以及在以下的圖5A至圖5B中，此實施例的尺寸是以mm為單位示出。值得注意的是，雖然部分地由導電組件形成，抽取板254及非平面電極252是由塗布有薄介電膜的導電內部分製成。在圖4A及圖4C中，抽取板254中的第二抽取開孔260的值為h1，而在圖4B及圖4D中，抽取板254中的第二抽取開孔260的值為h2。在圖4A及圖4B中，抽取板254與等離子體板256接觸，而在圖4C及圖4B中，抽取板254通過間隙Δz與等離子體板256分隔開。對於所有配置，非平面電極252是三角形或拋物線形的，並與束阻擋器258接觸。已針對被示為離子束262、離子束264、離子束266及離子束268的相應離子束模擬了發射率曲線，從而得到沿著Y軸為24 mm（圖4A）、38 mm（圖4B）、20 mm（圖4C）及42 mm（圖4D）的總襯底上覆蓋面積。與各圖所示配置對應的子束的對應離子角分佈（IAD）為：圖4A中：平均角度44°，角展度~14°；圖4B中：平均角度55°，角展度~10°；圖4C中：平均角度42°，角展度~13°；及圖4D中：平均角度53°，角展度11°。因此，通過改變抽取板254的配置，平均角度及覆蓋面積可實質上變化。

根據本發明的再一些實施例，偏壓電壓系統可被配置成向非平面電極單獨地施加電壓，而不向襯底或抽取板施加電壓。圖5A至圖5B繪示處理系統300的再一些操作場景，其示出獨立地對抽取組合件的非平面電極施加偏壓的效應，包括等電勢線分佈及離子束軌跡。處理系統300可包括抽取組合件250，如以上參照圖4A至圖4D大體所述。在處理系統300中，設置有偏壓電壓系統302，偏壓電壓系統302具有被佈置成相對於抽取板254、襯底122及等離子體腔室（未單獨示出）單獨地對非平面電極252施加偏壓的組件。在圖5A中，示出其中襯底122及抽取板254以等於-1 kV的電壓V2被施加偏壓而非平面電極252以高於此電勢+100 V（即，低於接地電勢-900 V）被施加偏壓的情況。在圖5B中，襯底122及抽取板254以-1 kV被施加偏壓，而非平面電極252低於此值-100 V，即，相對於地為-1.1 kV。

針對圖5A及圖5B所示配置模擬的發射率曲線及離子角分佈得到以下結果。對於圖5A所示配置，離子束304的總襯底上覆蓋面積沿著Y軸是17 mm，離子束304的平均角度是39°，且角展度是11°。對於圖4B所示配置，離子束306的襯底上總覆蓋面積為28 mm，平均角度為42°，且角展度為14°。因此，通過相對於抽取板254及襯底122獨立地對非平面電極252施加偏壓而施加的相對電壓的適度改變可實質上導致離子束性質（例如覆蓋面積以及角展度）的變化。

圖6A示出根據本發明實施例的處理系統350的一部分，包括抽取組合件330的面視圖。圖6B示出圖6A所示抽取組合件的細節，而圖6C示出圖6A所示抽取組合件的側面剖視圖。抽取組合件330佈置在等離子體腔室殼體320的一側上。抽取組合件330包括等離子體板310、束阻擋器308、抽取板314及形狀為三角形形狀的非平面電極312。值得注意的是，如圖6C所示，束阻擋器308可使用基座318固持在等離子體腔室中。

參照前述各圖的笛卡爾坐標系，抽取板314包括沿著X方向隨著側面而伸長的矩形抽取開孔316，其中可相對於等離子體板310對（可偏壓）抽取板314進行相對定位。如圖6B所示，非平面電極312放置在束阻擋器308的前面。圖6B中所繪示的擴展視圖還示出非平面電極由固定在抽取板314上的固持器318固持就位。圖6C中所繪示的剖視圖示出等離子體板310及抽取板314中的矩形開口可沿著Y軸具有相同的高度，且抽取板314及等離子體板310彼此接觸。非平面電極212沿著Y軸比束阻擋器308短，且束阻擋器308及非平面電極312彼此接觸。

圖7繪示被示為製程流程700的示例性製程流程。在框710處，在等離子體腔室中產生等離子體。如本領域中已知，可使用任何合適的激發手段、功率源及氣體組合來產生等離子體。等離子體腔室可具有至少一個導電部分來接收外部偏壓或接地電壓。

在框720處，沿著等離子體腔室的一側設置抽取組合件。在各種非限制性實施例中，等離子體腔室的所述一側可為等離子體腔室的底部（例如水平表面），或者可為等離子體腔室的豎直側。抽取組合件可包括設置在等離子體腔室旁邊的等離子體板，其中等離子體板界定第一抽取開孔。在一些實施例中，第一抽取開孔可沿著第一方向伸長。抽取組合件還可包括設置在等離子體腔室內並面向所述抽取開孔的束阻擋器。換句話說，束阻擋器可至少部分地設置在等離子體腔室內，以至少部分地將設置在等離子體腔室的外部並面向第一抽取開孔的組件阻擋在通往等離子體腔室內等離子體的視線之外。抽取組合件可還包括鄰近束阻擋器並在等離子體腔室的外部設置的非平面電極。在各種實施例中，非平面電極可包括導電本體。抽取組合件可還包括設置在等離子體板的外部並界定第二抽取開孔的抽取板。抽取板可包括導電本體。

在框730處，施加脈衝式偏壓電壓以抽取離子束，其中施加脈衝式偏壓電壓涉及向等離子體腔室施加第一電壓，並向抽取板及設置在等離子體腔室外部的襯底施加第二電壓。在一些實施例中，第一電壓可為施加到等離子體腔室的接地電勢，而第二電壓是被施加以從等離子體腔室抽取正離子的負電壓。在一些實施例中，第二電壓也可施加到非平面電極，而在其他實施例中，第三電壓可施加到非平面電極。根據一些實施例，脈衝式偏壓電壓可以使得脈衝持續時間超過鞘層塌縮持續時間的頻率及工作循環來施加，如上文中所定義。

在框740處，沿著掃描方向相對於離子束對襯底進行掃描，所述掃描方向可垂直於第一抽取開孔及第二抽取開孔伸長的第一方向。

本發明實施例提供至少以下優點：第一優點存在於具有新穎的絕緣-導電電極組合的抽取組合件中，所述組合件使得能夠抽取具有高晶片上入射角（＞50°）的離子子束。另一優點是，對於緊湊的離子束系統，在維持簡單的二極管靜電抽取過程的同時，將襯底從抽取光學器件配置中去除。再一優點是使用相同的電源來同時對襯底及可偏壓電極施加偏壓，從而簡化了成本及設計複雜性。本發明實施例的優點的再一實例是能夠使用在高電壓電源上浮動的簡單低電壓電源，以提供相對於抽取板及襯底對非平面電極的差分偏壓。

本發明的範圍不受本文所述的具體實施例限制。實際上，通過以上說明及附圖，對所屬領域中的普通技術人員來說，除本文所述實施例及修改以外，本發明的其他各種實施例及對本發明的各種修改也將顯而易見。因此，這些其他實施例及修改均旨在落於本發明的範圍內。此外，儘管已針對特定目的而在特定環境中在特定實施方案的上下文中闡述了本發明，然而所屬領域中的普通技術人員將認識到，本發明的效用並非僅限於此且可針對任何數目的目的在任何數目的環境中有益地實施本發明。因此，應考慮到本文所述本發明的全部範圍及精神來理解所附之發明專利申請範圍。

100、300、350:處理系統 102:等離子體腔室 103:製程腔室 104:介電窗口 106、206、256、310:等離子體板 108、208、258、308:束阻擋器 110、212、252、312:非平面電極 112、262、264、266、268、304、306:離子束 114、214、254、314:抽取板 120:襯底板 122:襯底 124:抽取電壓系統 130、200、250、330:抽取組合件 132:等離子體 134:導電壁 136:射頻天線 138:第一抽取開孔/抽取開孔 140、260:第二抽取開孔 224、226、316:抽取開孔 230:靜電場線 232:離子子束 254A:第一部分 254B:第二部分 302:偏壓電壓系統 318:固持器 320:等離子體腔室殼體 700:製程流程 710、720、730、740:步驟 d、D、h、H:高度 h1:h2:值 V2:電壓 X、Y、Z:軸/方向 ΔZ:間隙

圖1呈現與本發明實施例一致的處理設備的豎直橫截面。圖2A至圖2D共同繪示根據本發明實施例的電子分佈及離子分佈隨時間的演變。圖3繪示根據本發明實施例佈置的處理設備的操作場景，並示出抽取區域中的子束、形狀及靜電勢分佈。圖4A至圖4D繪示另一處理設備的再一些操作場景，其示出抽取板的不同配置以及抽取區域中隨之產生的子束、形狀及靜電勢分佈。圖5A至圖5B繪示處理系統的再一些操作場景，其示出獨立地對抽取組合件的非平面電極施加偏壓的效應，包括等電勢線分佈及離子束軌跡。圖6A示出根據本發明實施例的抽取組合件的面視圖。圖6B示出圖6A所示抽取組合件的細節。圖6C示出圖6A所示抽取組合件的側面剖視圖。圖7呈現示例性製程流程。

100:處理系統

102:等離子體腔室

103:製程腔室

104:介電窗口

106:等離子體板

108:束阻擋器

110:非平面電極

112:離子束

114:抽取板

120:襯底板

122:襯底

124:抽取電壓系統

130:抽取組合件

132:等離子體

134:導電壁

136:射頻天線

138:第一抽取開孔/抽取開孔

140:第二抽取開孔

X、Y、Z:軸/方向

Claims

一種離子束處理設備，包括：等離子體腔室；等離子體板，設置在所述等離子體腔室旁邊，所述等離子體板界定第一抽取開孔；束阻擋器，設置在所述等離子體腔室內並面向所述抽取開孔；非平面電極，鄰近所述束阻擋器並在所述等離子體腔室的外部設置；以及抽取板，設置在所述等離子體板的外部，並界定與所述第一抽取開孔對齊的第二抽取開孔。
如請求項1所述的離子束處理設備，其中所述等離子體板包括電絕緣體本體，且所述束阻擋器包括電絕緣體本體。
如請求項1所述的離子束處理設備，其中所述非平面電極包括環繞導電的內電極的第一介電塗層，且其中所述抽取板包括設置在導電的內板部分上的第二介電塗層。
如請求項1所述的離子束處理設備，其中所述非平面電極在沿著第一方向的橫截面中包括三角形形狀，所述第一方向垂直於所述等離子體板的平面。
如請求項1所述的離子束處理設備，其中所述抽取板能夠沿著第一方向相對於所述等離子體板移動，所述第一方向垂直於所述等離子體板的平面。
如請求項1所述的離子束處理設備，其中所述第一抽取開孔及所述第二抽取開孔包括伸長的形狀。
如請求項1所述的離子束處理設備，其中所述抽取板包括第一部分及第二部分，所述第一部分及所述第二部分能夠沿著掃描方向相對於彼此相互移動，以改變所述第二抽取開孔的大小。
如請求項1所述的離子束處理設備，其中所述束阻擋器、所述非平面電極、所述等離子體板及所述抽取板被相互設置成將離子束抽取為一對離子子束，所述一對離子子束以相對於所述等離子體板的平面的法線具有30度或更大的值的抽取角為特徵。
一種離子束處理系統，包括：等離子體腔室；抽取組合件，沿著所述等離子體腔室的一側設置，包括：等離子體板，設置在所述等離子體腔室旁邊，所述等離子體板界定第一抽取開孔；束阻擋器，設置在所述等離子體腔室內並面向所述抽取開孔；非平面電極，鄰近所述束阻擋器並在所述等離子體腔室的外部設置；以及抽取板，設置在所述等離子體板的外部，並界定與所述第一抽取開孔對齊的第二抽取開孔；以及抽取電壓系統，電耦合到所述等離子體腔室及所述抽取板，以在所述抽取板與所述等離子體腔室之間產生偏壓電壓。
如請求項9所述的離子束處理系統，其中所述抽取電壓系統具有脈衝組件，以在所述抽取板與所述等離子體腔室之間產生脈衝式偏壓電壓。
如請求項9所述的離子束處理系統，其中所述等離子體板包括電絕緣體本體，且所述束阻擋器包括電絕緣體本體。
如請求項9所述的離子束處理系統，其中所述非平面電極包括環繞導電的內電極的第一介電塗層，且其中所述抽取板包括設置在導電的內板部分上的第二介電塗層。
如請求項9所述的離子束處理系統，其中所述非平面電極在沿著第一方向的橫截面中包括三角形形狀，所述第一方向垂直於所述等離子體板的平面。
如請求項9所述的離子束處理系統，其中所述抽取板能夠沿著第一方向相對於所述等離子體板移動，所述第一方向垂直於所述等離子體板的平面。
如請求項9所述的離子束處理系統，其中所述抽取板包括第一部分及第二部分，所述第一部分及所述第二部分能夠沿著掃描方向相對於彼此相互移動，以改變所述第二抽取開孔的大小。
如請求項9所述的離子束處理系統，還包括用以容納襯底的製程腔室，所述抽取電壓系統在第一側上電耦合到所述等離子體腔室，且在第二側上電耦合到所述抽取板、所述非平面電極及所述襯底。
如請求項9所述的離子束處理系統，其中所述第一抽取開孔及所述第二抽取開孔沿著第一方向伸長，所述離子束處理系統還包括襯底載台，所述襯底載台被設置成沿著與所述第一方向垂直的掃描方向對所述襯底進行掃描。
一種產生離子束的方法，包括：在等離子體腔室中產生等離子體；沿著所述等離子體腔室的一側設置抽取組合件，所述抽取組合件包括：等離子體板，設置在所述等離子體腔室旁邊，所述等離子體板界定第一抽取開孔；束阻擋器，設置在所述等離子體腔室內並面向所述抽取開孔；非平面電極，鄰近所述束阻擋器並在所述等離子體腔室的外部設置；以及抽取板，設置在所述等離子體板的外部，並界定與所述第一抽取開孔對齊的第二抽取開孔；以及施加偏壓電壓以抽取所述離子束，其中所述離子束是通過由所述等離子體板、所述束阻擋器、所述非平面電極及所述抽取板界定的一對開孔被抽取為一對子束，其中施加所述偏壓電壓包括向所述等離子體腔室施加第一電壓，並向所述抽取板及設置在所述等離子體腔室外部的襯底施加第二電壓。
如請求項18所述的產生離子束的方法，還包括：將所述偏壓電壓施加為包括脈衝週期的脈衝式偏壓電壓，其中所述脈衝週期大於鄰近所述一對開孔所述等離子體的等離子體鞘層塌縮週期。
如請求項18所述的產生離子束的方法，還包括：向所述非平面電極施加第三電壓，所述第三電壓不同於所述第一電壓及所述第二電壓。