CN1275938A - 应用等离子体密度梯度来产生粒子流的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种装置和方法,其应用具有密度梯度的等离子体来加速离子,由此产生高能离子流和中性粒子流。通过给等离子体施加非均匀磁场或通过给等离子体提供非均匀RF功率来产生等离子体梯度。由于在等离子体内的电压(即,等离子体电势)取决于等离子体密度,等离子体梯度在等离子体内产生电场,该电场可以用于比如朝基片加速离子。这种技术产生的加速粒子比常规系统产生的加速粒子的能量低,由此对要处理的工件的损坏更小。此外,由于通过该装置加速的离子速度比通过常规系统加速的离子的速度低,因此大部分离子在撞击到正在处理的工件上之前有足够的时间来与自由电子复合。由于中性粒子比离子产生的损坏更小,因此进一步减少加速粒子束引起的损坏量。因此,提高了产量,降低了生产成本,并且能够提高印刷电路的分辨率,由此改善了性能并降低在基片上制造的电路的成本。

Description

应用等离子体密度梯度来产生粒子流的装置和方法
本申请涉及1997年10月15日申请、申请号为60/061,857的美国临时申请，并要求该申请作为本申请的优先权。在此以引用的方式将该临时申请的内容结合在本申请中。
本发明涉及一种在等离子体处理室中提供粒子流的系统，具体地说涉及一种提供用于处理基片的活性粒子流和/或高能粒子流的系统。本方法和系统优选用于多重(poly)蚀刻或金属蚀刻。
在许多电子设备和固态制造方法中，应用电能或非电能的气体粒子来处理基片，比如半导体晶片。在一种实施方案中，通过在粒子源中的一种气体中产生的等离子体输送粒子，该粒子源是由电感性的或电容性的耦合元件提供能量。附图1所示为等离子体处理系统的一种实例，其包括电感性等离子体耦合元件，即螺旋射频(RF)线圈104。在美国专利US 5,234,529(授予给Wayne L.Johnson，即本申请的发明人)中公开了一种公知的电感等离子体产生系统。在此以引用的方式将该专利的内容结合在本申请中。
如附图1所示，通过气体入口112将气体输送到处理室102中。具有输出阻抗Rs的RF电源110给等离子体耦合元件(即，RF线圈104)输送RF功率，在处理室102的特定区域(等离子体产生区108)中等离子体耦合元件依次将气体电离并将其激发到等离子态。另外可以有选择性地通过阻抗匹配网落(MN)将RF能量耦合到等离子体耦合元件。所得的等离子体产生带电粒子(即，离子和电子)和中性粒子(中性原子或分子)。在一些结构中，通过对安装有基片(例如，晶片106)的吸盘施加电压来加速粒子。在粒子源114的出口120处发射出经过加速的粒子。应用这些粒子处理基片106或使基片106便于处理。例如，该粒子可用于离子辅助淀积(IAD)或活性离子蚀刻(RIE)。
附图2示意地表示一种淀积系统实例，在该系统中，通过从膜淀积源202(即，蒸发源或溅射源)中提供“加原子”206(即，为形成膜被淀积或“增加”的原子)。在基片比如晶片106上淀积膜304。在淀积过程中来自粒子源114的高能粒子流208直接流向基片106，粒子208与加原子206碰撞，由此给加原子供应能量。高能离子208增加了加原子206的能量，因此加原子206在基片106的表面上具有更高的流动性。因此，加原子206更可能沉积并附着在低能量的区域(即，在薄膜304中的固体材料中的有空隙的位置)。增加加原子206的能量有利于生产更高质量的薄膜。例如，薄膜具有更高的密度、更大的晶粒和更少的缺陷。更高的密度的膜具有如下的优点：(a)更高的传导性(如果是导体材料)，和(b)相对于时间传导率更稳定。通过这种方法生产的电介质薄膜具有更接近于固体密度电介质常数的电介质常数，并增加了电介质材料的强度。
虽然能够通过提高基片的温度来增加加原子的能量，但提高基片的温度对于IAD法并不是很需要的。实际上，离子轰击(其给每加原子平均增加1电子伏特(eV)的能量)具有的效果相当于增加基片的温度大约200℃所达到的效果。通过对加原子供应附加的能量还能够进一步增加IAD的效果。
然而，增加太多的能量可能在处理的基片上带来严重的缺陷。如果应用很高能量的原子，可能损坏薄膜。例如，常规的IAD离子源提供具有几千电子伏特的离子。应用这种高能离子的缺点是它能够引起在薄膜内注入离子。离子的注入使处理气体(例如，应用氩气来提供离子)吸收，这就使膜的质量变差。有如下原因使膜的质量变差：(1)降低了膜的密度，(2)降低了在薄膜中的材料的颗粒大小，或(3)在膜中引入了其它缺陷。此外，增加深深地注入的粒子对所需的流动性并没有贡献。
活化离子蚀刻能够用作制造电子电路的平版印刷工艺的一部分。在微芯片制造-半导体加工实用指导(Microchip Fabrication-APractical Guide to Semiconductor Processing，由Peter Van Zant著，McGraw-Hill，Inc.出版)中描述了一种RIE方法。这里以引用的方式将Van Zant的第二和第三版中的内容结合在本申请中。由于穿过基片的水平面(即，在x和y方向)的结构变得更加紧密，并且结构变得复杂，增加附加的金属层(即，在z方向)。这种变化就要求处理触点间隙，以及需要改变高度并要求更大的深宽比。涉及这些问题的描述在题为“互相连通孔的挑战：填充小且纵横比高的接触孔”的文章(“The Interconnect Challenge：Filling Small，High Aspect RatioContact Holes”，Semiconductor International杂志，1994年8月出版)中讨论过。这里以引用的方式将该文章的内容结合在本申请中。
在公知的活化离子蚀刻系统中，首先在基片上使要蚀刻的薄膜材料生长(例如，通过氧化)或淀积(例如，通过溅射或蒸发)。在薄膜上淀积抗蚀剂层，并显影成所需的结构图案以形成一种蚀刻掩模，即得到如附图3A所示的结构。然后应用在粒子源内的等离子体产生的离子1602A对基片(例如，晶片)进行处理，以腐蚀薄膜。在腐蚀发生的区域中的晶片暴露出来，由此在基片上形成了带有结构图案的薄膜。然后除去抗蚀剂308(例如，通过应用一种氧化物等离子体)，脱离出一光秃的、构造有结构图案的薄膜。附图3A描述了在基片本体302上包括膜304的基片的处理过程。通过来自常规的粒子源的加速离子流1602A对薄膜302进行蚀刻，以形成窄的小孔或狭槽1606。当在进行蚀刻时，电子1604被吸引并附着到抗蚀剂层308，由此使离子束1602A散开，而侧面的腐蚀引起小孔1606不希望地加宽。此外，上述的侧面腐蚀还能够造成实心特征比如导电性迹线变窄。
由于常规的活化粒子源生产具有能量为几千eV离子，能够减少蚀刻方法的蚀刻选择性(即，在生长的或淀积的膜的蚀刻过程中蚀刻工序对抗蚀剂产生的不希望的腐蚀)。在严重的情况下，高能粒子能够侵蚀抗蚀剂到足够使其暴露，并对薄膜的不希望腐蚀部分进行不希望的腐蚀。经常地侵蚀在部件特征边沿附近的抗蚀剂，造成特征的尺寸相对于其预定尺寸减小了。因此，这就降低了包含有较小特征的高分辨率的图案的可制造性。此外，高能粒子还能够被注入到基片本体中或在蚀刻的薄膜之下的更低层的膜中，由此降低了基片本体或更低层的膜的电特性。
虽然本发明的优选用于多重和金属蚀刻方法中，当在电介质材料比如二氧化硅中要腐蚀出较大的纵横比的孔时，存在类似的问题。在如下的专利中都进一步讨论了腐蚀较大的纵横比的孔的方法：Gupta等人的题为“等离子体蚀刻方法”(Plasma Etch Process)的美国专利US5,468,339(在该专利中描述了孔的纵横比为10∶1)，Gupta等人的题为“较大选择性的高纵横比氧化蚀刻方法及其应用该方法生产的产品”(Highly Selective High Aspect Ratio Oxide Etch Method andProducts Made by the Process)的美国专利US5,468,340，Wylie的题为“具有自动调准且高浓度搀杂的集电极区和基极连接区的双极晶体管”(Bipolar Transistor with a Self-Aligned Heavily Doped CollectorRegion and Base Link Regions)的美国专利US5,428,243(在该专利中描述了同时蚀刻不同深度的孔)以及在Cox等人的题为“在半导体中形成深的竖直沟槽的活性离子蚀刻化学处理”(Reactive Ion EtchChemistry for Providing Deep Vertical Trenches in SemiconductorSubstrates)的美国专利US4,717,448中。所有这些专利的内容都以引用的方式结合在本申请中。
关于离子源的相对更近一些的进一步信息来源是专业期刊Reviewof Scientific Instruments(Vol.61 No.1，Part II，1990年1月)。此外，Kaufman(美国专利US3,156,090)描述了一种用作离子火箭发动机的双栅极离子源，其包括中和器细丝。Ikeda等人(美国专利US4,243,1981)描述了一种平行平面蚀刻装置，在该装置中第一电极包括一金属网，而第二电极是一金属板。目标物放在网状电极的外面。某些等离子体“从网状电极的网孔中漏下来”，并与目标物相接触。Harper和Kaufman(美国专利US4,259,145)描述了一种单引出栅(single extraction grid)，以形成离子能量在10至100eV范围内的离子束。Cuomo和Harper(美国专利US4,351,712)描述了一种与Harper和Kaufman所描述的离子源类似的离子源，该离子束的离子能量范围在30和180eV之间。Ono和Mastsuo(美国专利US4,450,032)描述了一种类似于喷淋头的离子源。其加速电压范围为200至1000伏特。Mastsuo和Ono(美国专利US4,492,620)描述了一种描述在美国专利US4,450,031中所述的装置的改进装置，该改进装置经改进后其加速电压可低至100V。Keller和Coultas(美国专利US5,206,516)应用三电极减速器透镜以从极大的能量束中得到25eV的离子束。
Pigache在“电离层等离子体的实验室模拟技术”(A LaboratorySimulation of the Ionospheric Plasma，发表于AIAA，Journ.11(2)，pp.129-30(1973))中描述一种等离子体风洞，其包括单栅极20eV的离子源。在Aston等人的“双栅极加速器系统的离子束的发散特性”(Ion Beam Divergence Characteristics of Two-Grid AcceleratorSystem，AIAA，Journ.16(5)，pp.516-24(1978))的文章报道了关于“双栅极加速器系统的综合研究”。Bollinger在“用于半导体制造方法的离子铣削”(Ion Milling for Semiconductor Production Process，发表于Solid State Tchnology，pp.66-70，(1977))中讨论了在早期通常物件中的半导体处理中的离子铣削。Harper等人在“低能量的离子束蚀刻”(Low Energy Ion Beam Etching，发表于J Electrochem Soc：Solid State，128(5)，pp.1077-83，(1981))中描述了离子束能量小于100eV的单栅极离子源。Kaufman等人在“用于离子研磨工序的离子源”(Ion Sources for Ion Machining Operations，发表于AIAA，Journ.15(6)，pp.843-47(1977))中描述将离子源用于工业碾磨。Kauman在“在溅射中应用的离子束源技术”(Technology of Ion BeamSources Used in Sputtering发表于J.Vac.Sci.Technology，15(2)，pp.272-6，(1978))中将离子束用于溅射。Kaufman在“宽束粒子源”(Broad-Beam Ion Sources，发表于Rev.Sci.Instrum.，61(1)，pp.，230-5，(1990))中讨论了宽束离子源技术。不管带有栅极还是没有栅极的离子源都已经考虑过。
Tsuchimoto(美国专利US4,123,316)公开了一种等离子体处理器，在该等离子体处理器中经过等离子体输出口从等离子体产生室扩散进等离子体处理室中。从等离子体输出口到目标晶片的距离小于残留在处理室中的气体的平均自由路径。在淀积过程中，在等离子体发生室中的等离子体和目标晶片之间的电压差仅有几伏特。Tsuchimoto在“Plasma Stream Transport Method…”(J.Vac.Sci.Technology，15(1)，pp.70-3，(1978))中描述了一种等离子源，具有热速度的等离子体从该等离子源中流出到目标上。并且通过同轴磁场对等离子体流进行限制。Tsuchimoto在后来的题为“Plasma Stream TransportMethod…”(15(5)，pp.1730-3，(1978))的文章中进一步考虑了在前一篇文章(15(1))中所描述的等离子体流的中和。Tsuchimoto又在题为“Operation Modes and Its Optical Measurements of PlasmaStream Transport…”(17(6)，pp.1336-40，(1980))的文章中进一步给出了补充的细节内容。Cuomo and Kaufman(美国专利US4,451,890)描述了一种霍尔(Hall)离子发生器，其能够产生自中和的低能量、高强度离子束。阳极-阴极间的电压差在30至50伏特之间。
Lee等人(美国专利US4,652,795)公开了通过较大的孔径使等离子体传出到等离子体发生室的外面。阳极和阴极的电压可以单独变化。Sekiguchi和Mito(美国专利US4,664,747)描述了一种RF或微波等离子体发生器，在该发生器中将来自等离子体的辐射和/或活性品类的等离子体施加到设置在等离子体放电空间的外面的目标上。可以应用网状引出电极，但也可以考虑应用没有引出电极的结构。Zarowin和Bollinger(美国专利US5,290,382)描述了一种电感应地激发的RF或微波耦合等离子体发生器，该发生器具有一个出口通道，等离子体从等离子体室通过该出口通道朝下流到晶片。一种“交互式凸缘”提供一与晶片分离的表面以消耗活性种类的等离子体，由此控制离子束有效的横截面。
Chen等人(美国专利US5,469,955)公开了一种多腔室装置，通过该装置可以产生中性粒子束。在RF等离子体发生室中产生等离子体，在其下游，通过较大的孔径散射进静止的等离子体室。在第三室中产生伪中性束。可能产生这样的粒子能量：“在该粒子能量以下能够使在半导体材料中晶格损坏”。Moslehi在“Formation of MOS Gates byRapid Thermal/Microwave Remote Plasma Process…”(IEEEElectron Letters，EDL 8(9)，pp.421-4，(1987))中描述了一种系统，在该系统中在微波腔中产生等离子体。远微波等离子体允许有选择性地、可控制地产生特定种类的等离子体。
Rogoff(美国专利US4,090,856)首先通过有选择地在部分有界域中电离一种同位素来分离同位素。带电的同位素朝外壳壁进行双极扩散。在边界附近富集在所需的同位素上的气体基本在壁处被中和，然后从剩余的混合物中分离出来。Chen(美国专利US4,297,191)和Bridges(美国专利US4,545,878和US4,563,258)所述的类似。
因此，人们一直需要一种能够提供具有较低的能量的离子和中性的粒子的装置和方法。具体地说，为了在处理基片时既不损坏晶片本身而且也不损坏在晶片上的薄膜，人们需要一种能够提供能量远小于1000eV的粒子流的装置和方法。
本发明一个目的是提供一种系统和方法，其能够提供用于处理晶片的低能量的粒子束。
依据本发明的一个方面，应用具有密度梯度的等离子体来加速离子。具体地说，依据本发明将粒子源构造成能够产生具有所需能量以及所需的速度和/或选择性的离子。如果所选择的离子的速度足够低，并且在所处理的基片和粒子源之间的距离足够大，则在离子撞击到基片之前离子有足够的时间与自由电子(即，不受原子约束的电子)复合，因此，产生了加速的(即带有能量的)中性粒子。这种复合过程发生在处理系统的电荷交换区域中。
依据本发明的优点，通过将非均匀磁场施加到等离子体上产生等离子体密度梯度。由于等离子体密度np取决于所施加到等离子体的磁场，因此可以应用具有梯度的磁场来产生具有密度梯度的等离子体。等离子体的密度梯度产生电场，由此在如下之间产生电压：(1)离子产生的地方和(2)离子源的离子出口。反过来这种电压又加速离子。离子的能量取决于由等离子体密度梯度产生的电场所感应的电压。当带电离子与中性离子碰撞时，在电荷交换过程中传递能量。
依据本发明的另一个优点，给等离子体施加非均匀RF功率，由此产生非均匀的等离子体密度np，其反过来又产生电场(和与电场相联系的电压)以加速离子。
本发明的另一个目的为降低在RF源和在等离子体中的离子之间的耦合效应。通过RF屏蔽降低耦合，离子更容易直接被引导到处理区域中。这就使得能够均匀地处理更大的晶片。同样地，通过产生一种密度梯度也能够产生粒子加速度而不必应用偏压吸盘。这种改变简化了系统，即减少了在施加到RF线圈上的第一RF源和施加到吸盘上的第二RF源之间的协同控制量。这种简化降低了整个系统的成本。
本发明应用等离子体的密度梯度来提供一种能够用于处理基片的粒子流。该系统应用一种低能量、高密度(即，每体积单元的粒子数目很大)的粒子流处理基片与应用高能量、低密度的粒子流处理基片具有相同的效果。此外，高密度流比高能量低密度粒子流产生更小的损坏。因此，本发明克服了在常规系统中的缺陷，并且十分有利，即，提高了淀积膜的质量。更具体地说，(1)改善了表面波度形态(即，形成更少的小丘)，(2)在导电层中能够得到更高且更稳定的导电率，和(3)能够降低电迁移效应。此外，在蚀刻薄膜过程中能够减小对基片的损坏，由此产生更少的设备缺陷。因此能够提高生产量，并减低生产成本。
结合附图下面进行更详细的描述，对于本领域的熟练技术人员来说，将会对本发明的有更完整的理解，并对本发明的许多优点将会更清楚。
图1所示为一种电感驱动的等离子体系统实例的示意图；
图2一种离子辅助淀积(IAD)系统的示意图；
图3A和3B所示分别为应用高能离子和中性高能粒子形成薄膜结构图案的蚀刻过程的示意图；
图4所示为依据本发明的等离子体处理系统的第一实施例的示意图，该系统包括产生磁场梯度的磁场电感线圈；
图5所示为依据本发明的一种设备示意图，该设备产生具有密度梯度的等离子体以加速粒子；
图6A所示为依据本发明的单磁场线圈的磁场模式示意图；
图6B所示为由具有相反方向流动的电流的双线圈产生的磁场模式示意图；
图6C所示为由两对线圈产生的磁场模式的示意图，其中在一对线圈中的电流方向与在第二对中的方向相反；
图6D所示为依据本发明的永磁体的磁场模式的示意图，其包括一调整线圈；
图7所示为等离子体电压相对于等离子体的密度实例曲线图；
图8说明依据本发明的等离子体处理系统的第二实施例的示意图，该系统包括产生密度梯度的导电屏蔽元件；
图9所示为在导电屏蔽元件中的等离子体密度相对于槽的宽度曲线；
图10A说明了依据本发明具有用于产生等离子体密度梯度的锥形槽的导电屏蔽元件的实例的示意图；
图10B说明了依据本发明具有用于产生等离子体密度梯度的非线性锥形槽的导电屏蔽元件的实例的示意图；
图10C说明了依据本发明具有用于产生等离子体密度梯度的可调锥形槽的导电屏蔽元件的实例的示意图；
图11A为沿着导电屏蔽元件的均匀宽度的槽等离子体密度相对于位置的实例曲线；
图11B为沿着导电屏蔽元件的槽等离子体密度相对于位置的实例曲线图，其中槽非线性逐渐变小以产生均匀的等离子体密度；和
图11C为依据本发明的沿着导电屏蔽元件的逐渐变小的槽等离子体密度相对于位置的实例曲线图，其导电屏蔽元件产生在一个方向上产生等离子体密度梯度。
现在参考附图，在视图中相同的参考标号表示在几幅视图中相同或相应的部件。附图4为说明依据本发明的处理等离子体的处理系统的示意图。该系统与参考附图1所描述的常规系统类似，其包括气体入口112、被RF线圈104围绕的处理室102和RF源110。该系统进一步包括一控制器802，其用于控制两个电流源808A和808B以将可控制的电流施加到DC线圈504A和504B。处理室总体上包括两个区域：等离子体产生区108和电荷交换区109。在等离子体产生区108中产生的离子与在电荷交换区109中的自由电子复合以产生中性的粒子。在一种变型实例中，电荷交换区109能够使带电的离子与中性原子(通常为相同元素的中性原子)交换电荷。为产生高能粒子流，激发等离子体并建立压力梯度以迫使高能粒子朝要处理的晶片或基片运动。然而，大多数的粒子加速度是由DC线圈504A和504B产生的磁场生产的。通过使处理室102更长些，能够产生更高能量的粒子，因为高能粒子流能够被加速更长的一段距离(并由此被加速更长的时间)。为满足不同的处理要求可以改变等离子体产生区108和电荷交换区109的长度以提供不同能量的高能粒子。
在附图4的系统中可以应用附图2的粒子源114，以将其构造为一种高能粒子加速淀积(EPAD)系统。在这种系统中，薄膜淀积源202供应“加原子”206(即，被淀积或被“加”到基片比如晶片106上的原子)以生产膜304。当膜304增长时粒子源114给它供应高能粒子208，以提供具有附加能量的加原子206，由此增加它们在晶片106和/或薄膜304上的表面迁移率。增加加原子的表面迁移率就提高了膜304的质量。高能粒子208可以是加速的离子、加速的中性粒子或这两种类型的粒子的结合。此外，在某些情况下，依据处理要求如果优选的高能粒子不与加原子206和/或膜304反应，则对于提供给粒子源114的气体混合物优选包含非活性(即，惰性)气体(例如，氩气)。
对于EPAD系统，产生低能量中性粒子的粒子源114优于常规的粒子源，因为它能够提供比由常规的粒子源产生的粒子能量更低的粒子。因此这种低能量的粒子源能够减少可能由注入的高能量的离子和/或中性粒子引起的损坏程度。由于本发明的粒子源114能够提供十分低的能量的粒子(例如，每加原子低于100eV)，因此本发明的加速粒子208比高能粒子更不易于注入到薄膜304中。低能量的粒子源114有利于EPAD和/或IAD(例如，更高的密度、更大的粒度和更小的缺陷)，而同时避免了将大量的离子注入到薄膜中。此外，一些公知的系统要求用于给基片夹具施加偏压以加速粒子的附加RF源，而本发明的粒子源应用密度梯度加速粒子，因此可以省去如下两项：(1)附加RF源和(2)用于将RF源耦合到基片夹具的匹配网络电路。此外，通过应用具有低能量的粒子，离子在到达被处理的基片之前有更多的时间来与自由电子复合。因此，被加速的离子的绝大部分为中性粒子，这些中性粒子与离子相比，对薄膜或基片产生的损坏更小。
附图2的粒子源114可以用于在附图3A中所示的活性蚀刻方法。依据本发明，通过将薄膜304暴露在由粒子源114产生的高能中性粒子流1602C中进行腐蚀，以露出部分基片本体302。将气体混合物输送给粒子源114，该气体混合物优选包含活性气体(例如，Cl)。这种方法兼具有离子束蚀刻和等离子体蚀刻的优点，并且能够提供一种具有较好的选择比的活性离子蚀刻系统。
与一些公知的粒子源相比，由于本发明的离子源产生更低能量的粒子，因此其对膜304、基片本体302以及抗蚀剂308造成更小的损坏。通过将加原子的能量保持在越低，电路性能老化越慢，因此提高了高分辨率的图案的可制造性。此外，依据本发明，如附图3B所示，中性粒子1602C尤其对提高平版印刷工艺的蚀刻步骤的分辩率很有利。被抗蚀剂所吸引的电子1604并不能使中性粒子束(即，中性原子和/或中性分子)散开。因此，在膜304上蚀刻的结构图案更接近于对应的抗蚀剂308的结构图案。这就使得能够蚀刻比在常规系统中能够蚀刻的特征更小的特征，同时侧面腐蚀更少。这对于增加电路密度和降低设备尺寸很有利。增加密度能够在每晶片上提供更多的电路，因此降低了电路成本。
附图5所示为附图4中的粒子源114的详细图。依据本发明的一个实施例应用加速粒子源520提供处理基片106的粒子。在本实施例中，通过连接到一个或多个气体箱的一个或多个管道输送气体混合物(活性气体或惰性气体)，并通过在注入极板506上的孔514输入进源520。通过电感等离子体耦合元件104将来自RF发生器(未示)的RF功率耦合到源520中，在本实施例中电感等离子体耦合元件104为螺旋形线圈。RF功率在等离子体产生区108中产生等离子体。DC电磁线圈504(即，电磁体)产生DC磁场，该DC磁场在靠近注入极板506附近很强，而在靠近输出口120附近很弱。更具体地说，DC电磁线圈504中通过电流I，产生的磁场模式与在附图6所示的模式类似。
如图6A所示，在越靠近线圈504附近的区域磁场越强。由于用这种强度分布趋势的磁场来俘获电子，因此在磁场越强的区域等离子体越密。因此，由于DC电磁线圈产生的磁场具有梯度(即，从附图5中的注入极板506到出口120磁场强度不断下降)，等离子体在靠近注入极板506附近聚集更多，而在靠近输出口120附近聚集很少(即，从注入极板506到出口120等离子体密度梯度为负梯度)。
在等离子体内的电势(即，电压)取决于等离子体中等离子体的状况，比如等离子体密度np(即，每单元体积中的离子-电子对的数量)、用于产生等离子体的特定气体混合物、所施加的磁场和所施加的电场。通过公知的双极性扩散过程等离子体与容纳它的室的壁相互作用，在该室中电子被吸引到壁的表面并附着在表面上，反过来，又将离子吸引到该表面上。离子一旦到达表面就与可得到的电子复合而形成中性粒子(即，中性原子或中性分子)。例如，取决于是否有更多的电子或更多的正离子附着在表面上，该表面具有尽负或正表面电荷。因此，在附图5的源520的内表面上产生了电场，由此产生了电压，例如，该电压取决于局部的等离子体密度。结果，在源520内和在其附近的等离子体密度梯度在注入极板506和基片106之间产生了电压差，由此在基片106的方向上加速离子。
附图7直观地说明了一种等离子体电压V和等离子体密度np的关系的实例曲线。在该图中，当等离子体密度增加时，等离子体电压V首先随着等离子体密度np的增加而减小，直到达到一最小值，然后在一个较高的等离子体密度值时开始增加。由于电压V取决于np，所以等离子体密度梯度产生的电场能够用于加速离子。
在附图5所示的实施例中，线圈504产生的DC磁场能够在等离子体产生区108中的靠近注入极板506附近的区域中产生的等离子体密度更高(例如，附图7的np2)，而在等离子体产生区108中的靠近阴极508(其接地)附近的区域中产生等离子体密度更低(例如，附图7的npc)，因此在注入极板506处存在较高的电压(例如，附图7的V2)，而在阴极508上存在较低的电压(例如，在附图7中的VC，其为0)。因此，注入极板506成为具有与阴极508的电压相比为正电压的自偏压(即，实现了环绕其周围的等离子体电压)。因此注入极板506具有阳极的作用。此外，由于在等离子体产生区108外的点上等离子体密度进一步降低，在基片106附近的等离子体密度(例如，np1)低于在阴极508附近的等离子体密度(例如，npc)。因此，依据这种实施例，相对于阴极508基片106为负自偏压(例如，在附图7中V＝V1)。从而，正离子在从等离子体区域108到基片106被加速，以处理基片(例如，蚀刻在基片上薄膜或促进IAD处理)。在本实施例中，虽然在靠近基片106附近的等离子体密度np1在基片附近产生的电压V1低于在阴极508和注入极板/阳极506附近的产生的电压(Vc，V2)，但可以理解的是，在其它情况下，事实上仍然很低的等离子体密度(例如，在附图7中的np3)也能够产生很高的电压(例如，V3)，这一电压能够用于朝基片加速负离子。
通过提供附加DC线圈(即，电磁铁)能够增强由单个DC线圈比如附图5的线圈504产生的磁场梯度，在该附加DC线圈中电流流动的方位角方向与在第一个线圈中的电流的方位角方向相反。在附图6B中说明了这种结构的一种实施例，其包括具有在一个方位角方向上流动的电流I1的第一线圈504A和具有在相反方位角方向上流动的电流I2的第二线圈504B。这两个线圈504A和504B彼此同轴地设置，并间隔距离d。这种结构(通常称为“补偿线圈”)采用相反方向流动的电流。在附图6B所示的这种实施例中，在比较靠近线圈504A的区域中的磁场B的方向朝上，而在比较靠近线圈504B的区域中的磁场B的方向朝下。大致在线圈504A和504B之间的中间，尤其是在I和I接近相等的情况下，在最小磁场幅值区域602中磁场被抵消。在一种变型实施例中，可以应用赫姆霍兹(Helmholtz)线圈(在其两个线圈中的电流以相同的方向流动)来产生一种交替的磁场结构。
在附图6C中说明了依据本发明的补偿线圈的一种实施例。这种结构包括调整线圈(trimming coil)606A和606B以及线圈504A和504B。调整线圈606A和606B可以用到由补偿线圈产生的微调磁场B中。例如，由于四个线圈606A、606B、504A和504B的磁场在最小磁场幅值区域602中磁场被相互抵消，可以通过改变流经一个或多个线圈中的电流来移动最小磁场幅值区域的位置。更具体地说，可以改变输送到调整线圈606A和606B中的一个或两个线圈中电流，而同时保持在每个线圈504A和504B中的电流恒定。
依据本发明的这种特征的其它优点，如在附图6D中所示，通过永磁体610产生磁场B，这种永磁体610可以替代在附图6A中的线圈504或在附图6B中的线圈504A和504B中的至少一个线圈。此外，如在附图6D中所示，应用一个或多个永磁体产生磁场梯度的结构可以进一步包括一个调整线圈606以允许调整由至少一个永磁体610产生的磁场。附图6D所示的永磁体610有一北极N和南极S。在这种实施例中，设置北极使其近似地朝着调整线圈606。可替换地，设置南极使其近似地朝着调整线圈606。
附图8所示为依据本发明的等离子体处理系统的一变型实施例的示意图。这种实施例将附图4所示的实施例中的DC线圈504A和504B替换为导电屏蔽元件(或静电屏蔽)804。导电屏蔽元件804屏蔽了等离子体产生区108的部分区域，由此降低了由导电屏蔽元件804包围的区域中的等离子体的密度。在本实施例中，导电屏蔽元件804为在顶端和底端开口的中空圆柱体。导电屏蔽元件804的高度由对晶片106的进行的处理类型决定。通过降低耦合到等离子体产生区108的底部部分中RF功率大小，而同时不大幅度地改变耦合到等离子体产生区的上部部分中的RF功率值，导电屏蔽元件804在等离子体中产生密度梯度。如图所示，在等离子体产生区108的上部产生的密度比在等离子体产生区108的下部产生的密度更高。因此，从等离子体产生区108的顶部到底部产生了电压，由此朝粒子源114的出口120加速离子。将加速的离子以及加速的离子经复合而产生的加速中性粒子用于处理基片106，该基片106通过基片夹具814(例如，一种静电夹具)保持住或固定到其上。虽然附图8所示的导电屏蔽元件804包围了等离子体产生区108的底部部分，可替换的是，依据本发明导电屏蔽元件804也可以包围等离子体产生区108的顶部部分，由此使在等离子体产生区的下部部分的产生的等离子体密度更高，而在等离子体产生区的上部部分的产生的等离子体密度更低。如果在等离子体的上部部分或下部部分中产生了较高密度，则从上部到下部要么存在正极性电压要么存在负极性电压。例如，如附图7所示，下部等离子体密度(例如，np3)能够产生比由更高的等离子体密度(例如，np1)产生的电压(例如，V1)更高的电压(例如，V3)。作为一种变型，更高的等离子体密度(例如，np2)也能够产生比由更低的等离子体密度(例如，np1)产生的电压(例如，V1)更高的电压(例如，V2)。
此外，依据本发明，导电屏蔽元件804可以具有一个或多个的狭槽以阻断由RF功率在导电屏蔽元件中感应出的环电流，并且能够在感应等离子体耦合元件和等离子体之间产生电容耦合。狭槽可以用于调整耦合到等离子体的RF功率的大小，由此能够调整特定部分的等离子体密度np。如附图9所示，靠近狭槽附近的等离子体密度np随着狭槽的宽度增加而增加。此外，在等离子体内的等离子体密度可以不均匀，并且可以通过如附图10A-10C所示的狭槽的形状来改变这种不均匀性。
例如，如附图10A所示，宽度均匀的狭槽1002产生等离子体密度np，该密度np随着沿槽的的位置x变化。在这种情况下，在槽1002的端部附近(x＝x1和x＝x2)np较低。非均匀的宽度的槽1002在等离子体部分内部能够产生均匀的等离子体密度np，如附图10B所示，该附图描绘了相对于沿着狭槽的位置x狭槽的等离子体密度np分布。在附图10B所示的实施例中，在槽的中心附近等离子体密度np相对均匀，仅在靠近槽的边缘变得不均匀。可替换的是，为了在一个方向上产生等离子体的密度梯度，提供一种如附图10C所示的逐渐变细的槽。在该图中所示的这种实施例中，在狭槽1002的较宽的部分附近的等离子体密度np较高，而在槽的较窄的部分附近较低。
这种如附图10C所示的逐渐变细的槽可以作为导电屏蔽元件804的一个特征，如附图11A所示。在附图8所示的粒子源114中可以应用这种导电屏蔽元件804以产生等离子体密度梯度。附图11A所示的屏蔽件804要足够长以整个包围住等离子体产生区108，而同时仍然能够由狭槽1002的逐渐变细的几何形状产生等离子体密度梯度。在另一个实施例中，屏蔽件804更短。附图11B所示的导电屏蔽元件804具有狭槽1102，该槽1102具有狐线形变细部分。根据所需的等离子体密度的分布，形成各种不同的槽1102的几何形状。
例如，可以有选择性地使槽1102(附图11A和附图11B)在屏蔽件804的顶部较窄，而在屏蔽的底部较宽，以便在屏蔽件的顶部产生较低的np值，而在屏蔽件的底部产生较高的np值。根据由槽的几何形状造成的特定的等离子体的密度分布的不同，从屏蔽804的顶部到底部存在正或负电压，参考附图7能够很容易理解这一点。例如，如果在屏蔽的顶部等离子体密度为np2，在底部为np1(其小于np2)，则通过研究附图所示的V-np曲线能够很容易看出，从屏蔽的顶部到底部存在正电压。然而，如果在屏蔽的顶部等离子体密度为np1，在底部为pn3(其小于np1)，则从屏蔽的顶部到底部存在负电压。
依据本发明的这种特征的其它优点，在一种可替换实施例中，如附图11C所示，槽1102是可调整的。附图11C所示的导电屏蔽元件804包括两个独立的部件804A和804B，它们可以彼此相对旋转，由此能够调整槽1102的尺寸和/或几何形状。这种结构对于设计用于在各种不同的处理系统中的粒子源尤其有利。由于不同的处理要求不同的加速粒子密度和/或能量，而附图11C所示的导电屏蔽元件804又允许可以调整粒子源以满足特定的处理而不需要更换导电屏蔽元件804，所以它特别有优越性。
虽然上述的讨论根据朝气体流动和粒子运动的方向垂直的方向的晶片106进行的，在没有偏离本发明的范围内的其它取向也是可以的。此外，可以理解的是，虽然附图4所示的系统包括与附图6B所示的电磁铁类似的一对电磁铁504A和504B，依据本发明的处理系统也能够包括调整线圈比如附图6C所示的电磁体606A和606B。在一种变型实施例中，可以应用一个或两个线圈504A和504B替换一个或多个永磁体比如附图6D所示的磁体610。
本发明的粒子源利用非均匀的磁场和/或非均匀RF功率来产生等离子体密度梯度，应用这种等离子体密度梯度来产生比如用于处理基片的低能量的离子流和/或中性粒子流。低能量的加速粒子优于由常规的粒子源产生的高能量的加速粒子，因为低能量的加速粒子对处理的基片产生更小的损坏。此外，由于由本发明的粒子源产生的粒子速度低于由常规系统产生的粒子速度，因此在离子撞击到基片之前大部分离子有足够多的时间来与电子复合而成为被加速的中性粒子。中性粒子的优点不仅在于它比离子产生更小的损坏，还在于它更不容易被在蚀刻过程中附着在抗蚀剂层的电子分散开。这种分散效应的降低提高了较小设备和电路的分辨率和可制造性。本发明的各种特征增加了等离子体处理的产量，降低了制造成本，并且使设备尺寸更小(由此改善了制造在基片上的电路的高速性能)。
很显然，依据上述教导对本发明进行各种改进和变化是可能的。因此，可以理解的是，除了特别说明外在所附加的权利要求的范围内实施本发明。

Claims (39)

1.一种产生加速粒子的装置，其包括：
室；
在所说的室内产生等离子体的等离子体发生器；和
用于产生所说的等离子体的密度梯度从而加速粒子的装置。
2.如权利要求1所述的装置，其中用于产生所说的梯度的所说装置包括用于在所说的室内产生非均匀磁场以产生所说的梯度的磁体。
3.如权利要求2所述的装置，其中所说的磁体包括电磁体。
4.如权利要求3所述的装置，其中所说的电磁体包括第一导电线圈和与第一导电线圈同轴地设置的第二导电线圈，其中所说的第一导电线圈的第一电流在第一方位角方向流动，而所说的第二导电线圈的第二电流在与所说的第一方位角方向相反的第二方位角方向流动。
5.如权利要求2所述的装置，其中所说的磁体包括永磁体。
6.如权利要求1所述的装置，其中所说的等离子体发生器包括：
功率源；和
从所说的功率源给在所说的室内的所说的等离子体提供功率的等离子体耦合元件。
7.如权利要求1所述的装置，其中进一步包括用于夹持由所说的装置产生的加速粒子要处理的基片的基片夹具。
8.如权利要求7所述的装置，进一步包括用于淀积膜的装置，以便在所说的基片上淀积所说的膜的过程中由所说的装置产生的加速粒子与所说的膜碰撞。
9.如权利要求7所述的装置，进一步包括用于给所说的室提供活性气体的装置，以便产生对所说的基片的一部分进行活性地蚀刻的活性加速粒子。
10.如权利要求1所述的装置，其中进一步包括使加速的离子与电子复合以产生加速的中性粒子的复合部分。
11.如权利要求6所述的装置，其中所说的用于产生梯度的装置包括：
用于相对于所说的等离子体的第二部分减少由所说的等离子体的第一部分到所说的等离子体耦合元件的耦合的导体屏蔽元件。
12.如权利要求11所述的装置，其中所说的导体屏蔽元件包括至少一个槽，其用于增加所说的等离子体的第二部分到所说的等离子体耦合元件的耦合。
13.如权利要求12所述的装置，其中所说的至少一个槽包括从所说的至少一个槽的一端到所说的至少一个槽的另一端宽度变化的锥形。
14.如权利要求12所述的装置，其中所说的至少一个槽包括从所说的至少一个槽的一端到所说的至少一个槽的另一端宽度非线性地变化的曲线锥形。
15.如权利要求6所述的装置，其中所说的用于产生所说的梯度的装置包括相对于所说的等离子体的第二部分更接近所说的等离子体的第一部分地设置的导体屏蔽元件，其中所说的导体屏蔽元件与所说的第二部分相比减少了由所说的第一部分到所说的等离子体耦合元件的耦合。
16.如权利要求11所述的装置，进一步包括用于淀积膜的装置，以便在所说的基片上淀积所说的膜的过程中由所说的装置产生的加速粒子与所说的膜碰撞。
17.如权利要求11所述的装置，进一步包括用于给所说的室提供活性气体的装置，以便产生对所说的基片的一部分进行活性地蚀刻的活性加速粒子。
18.如权利要求16所述的装置，其中进一步包括使加速的离子与电子复合以产生加速的中性粒子的复合部分。
19.如权利要求17所述的装置，其中进一步包括使加速的离子与电子复合以产生加速的中性粒子的复合段。
20.一种控制等离子体的方法，该方法包括如下步骤：
提供室；
在所说的室内产生等离子体；
产生所说的等离子体的密度梯度；和
应用所说的密度梯度加速粒子。
21.如权利要求20所说的方法，其中所说的产生梯度的步骤包括在所说的室内产生非均匀磁场以产生用于加速粒子的所说的梯度。
22.如权利要求21所说的方法，其中所说的产生非均匀磁场的步骤包括：
提供电磁体；和
向所说的电磁体提供电流。
23.如权利要求22所说的方法，其中所说的提供电磁体的步骤包括：
提供一第一导电线圈；和
提供一第二导电线圈，其与所说的第一导电线圈同轴地设置；
并且其中所说的提供电流的步骤包括：
在第一方位角方向向第一导电线圈提供电流；和
在与所说的第一方位角方向相反的第二方位角方向上向所说的第二线圈提供电流。
24.如权利要求21所说的方法，其中所说的产生非均匀磁场的步骤包括提供一永磁体。
25.如权利要求20所说的方法，其中所说的产生等离子体的步骤包括：
提供等离子体耦合元件；和
应用所说的等离子体耦合元件在所说的室内给所说的等离子体提供功率。
26.如权利要求20所说的方法，进一步包括：
提供一基片；和
朝所说的基片加速粒子以处理所说的基片。
27.如权利要求26所说的方法，进一步包括在所说的基片上淀积膜，其中朝所说基片加速粒子的所说步骤与所说的淀积膜的步骤同时进行。
28.如权利要求26所说的方法，进一步包括应用所说的加速粒子来活性地蚀刻所说基片的一部分。
29.如权利要求28所说的方法，进一步包括加速离子与电子复合以产生加速的中性粒子。
30.如权利要求25所说的方法，其中所说的产生密度梯度步骤包括与所说的等离子体的第二部分相比较所说的等离子体的第一部分与所说的等离子体耦合元件的耦合被减小。
31.如权利要求30所说的方法，其中所说的减少耦合步骤包括：
提供导体屏蔽元件；和
形成穿透所说的导体屏蔽元件的至少一个槽，由此增加所说的等离子体的第二部分到所说的等离子体耦合元件的耦合。
32.如权利要求31所说的方法，其中所说的形成至少一个槽的步骤使所说的至少一个槽成锥形以从所说的至少一个槽的一端到所说的至少一个槽的另一端宽度变化。
33.如权利要求31所说的方法，其中所说的形成至少一个槽的步骤包括非线性地使所说的至少一个槽变窄，以从所说的至少一个槽的一端到所说的至少一个槽的另一端宽度非线性地变化，由此提供所说的具有曲线边缘的至少一个槽。
34.如权利要求30所说的方法，其中所说的减少耦合的步骤包括提供导体屏蔽元件，该导体屏蔽元件相对于所说的等离子体的第二部分更接近所说的等离子体的第一部分地设置；和
形成穿透所说的导体屏蔽元件的至少一个槽，以增加所说的等离子体的第二部分到所说的等离子体耦合元件的耦合。
35.如权利要求35所说的方法，进一步包括提供基片和朝所说的基片加速的粒子，由此处理所说的基片。
36.如权利要求30所说的方法，进一步包括在所说的基片上淀积膜，其中所说的朝所说的基片加速粒子的步骤与所说的淀积膜的步骤同时进行。
37.如权利要求35所说的方法，进一步包括应用所说的加速粒子来活性地蚀刻所说基片的一部分。
38.如权利要求37所说的方法，进一步包括使加速离子与电子复合以产生加速的中性粒子。
39.如权利要求20所说的方法，进一步包括使加速离子与电子复合以产生加速的中性粒子。
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