采用具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性的制作方法
采用具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及材料改性，具体涉及一种采用具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性。
【背景技术】
[0002]基于离子的材料改性用于半导体制造的一种重要工艺。例如，基于离子的材料改性可被用来非晶化结晶材料、合金，使材料的多个层稠密或混合，辅助材料的去除，或者向材料引入掺杂物。在基于离子的材料改性期间，离子被加速以轰击工件表面(例如，半导体衬底)。离子可以是正离子或负离子，包括相对于工件表面在化学上活跃或惰性的物质或元素。因此，离子可改变工件表面的物理、化学或电特性。
[0003]当前，基于离子的材料改性主要采用束线离子注入系统执行。在束线离子注入系统中，离子束由离子源导出并在朝着工件加速之前通过磁分析器按照质量、电荷和电能进行过滤。然而，如刘维定理所述，离子束的传递效率随着离子能量的减小而下降。因此，对于低能量处理，束线离子注入系统承受低束流，因此要求较长的处理时间来实现期望的剂量。而且，离子束的截面显著地小于工件面积，其中在任意给定时刻仅仅可以处理工件表面的一部分。因此，离子束或衬底必须被扫描以均匀地处理工件的整个表面。结果，束线离子注入系统存在针对高剂量的低吞吐量、低能量注入工艺的不足。
[0004]基于等离子体的材料改性系统是束线离子注入系统的替代方案。图1描绘了示例性基于等离子体的材料改性系统100。基于等离子体的材料改性系统100包括与处理腔104耦接的等离子体源腔102。等离子体源腔102中产生包含离子、不带电物质和电子的等离子体106。工件118被支撑结构116支撑在处理腔104中。在该示例中，基于等离子体的材料改性系统100具有布置在等离子体106和工件118之间的一个或多个偏置栅格120以从等离子体106提取离子束112并使得离子束112向工件118加速。然而，在其它示例中，基于等离子体的材料改性系统100可以不包括栅格120。相反，工件118可在电势下偏置并通过支撑结构116沉入等离子体106中。因此，离子从等离子体106经由等离子体106和工件118之间形成的等离子壳层向工件118加速。在一些情况下，工件118可由来自等离子体106的离子和中性物质处理。当前，大部分传统的基于等离子体的材料改性系统不具有栅格。
[0005]不同于束线离子注入系统，基于等离子体的材料改性系统不采用磁分析器来按照质量或能量来过滤离子。相反，工件由直接来自很近的等离子体的离子处理。因此，基于等离子体的材料改性系统可在比束线离子注入系统显著更高的离子流下处理工件。此外，基于等离子体的材料改性系统的等离子体源可具有比工件面积大的截面面积。这就使得工件的大部分或整个表面能够被同时处理，而无需扫描工件。因此，基于等离子体的材料改性系统针对高剂量、低流的处理提供了显著更高的生产能力。
[0006]然而，传统的基于等离子体的材料改性系统存在较差的系统可靠性和工艺控制。由于等离子体靠近处理腔，来自等离子体的中性物质流入处理腔，并碰到工件。中性物质产生了诸如处理腔的壁上的以及工件表面上的刻蚀、氧化和膜沉积之类的不期望的寄生效果。在传统基于等离子体的材料改性系统中，这种寄生效果是严重的而且会导致频繁的工艺偏移以及低产率。
【发明内容】
[0007]在一个示例性实施例中，一种用于利用离子处理工件的基于等离子体的材料改性系统包括耦接至等离子体源腔的处理腔。配置成支撑工件的支撑结构布置在工艺腔内。等离子体源腔包括布置在等离子体源腔的第一端的端壁、以及至少一个侧壁，至少一个侧壁定义了等离子体源腔的第一端与第二端之间的腔体内部，第二端与第一端相对。等离子体源腔还包括布置在端壁上的第一多个磁体、布置在至少一个侧壁上并围绕腔体内部的第二多个磁体、以及延伸穿过腔体内部的第三多个磁体。端壁、至少一个侧壁、和第三多个磁体定义了腔体内部内的等离子体产生区域。等离子体源腔被配置成在等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体。第三多个磁体被配置成限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子同时允许来自等离子体的离子穿过第三多个磁体而进入处理腔以用于工件的材料改性。
【附图说明】
[0008]图1图示出示例性基于等离子体的材料改性系统。
[0009]图2图示出示例性包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统的截面图。
[0010]图3图示出示例性等离子体源腔的截面图。
[0011]图4A和图4B分别图不出不例性等尚子体源腔的透视图和截面透视图。
[0012]图5A和图5B分别图不出不例性等尚子体源腔的透视图和截面透视图。
[0013]图6图示出基于等离子体的材料改性系统的示例性吸收器。
[0014]图7A图示出示流经例性没有吸收器的基于等离子体的材料改性系统的漂移区的离子在各种操作压力下的电流密度分布。
[0015]图7B图示出离开示例性基于等离子体的材料改性系统的漂移区中的吸收器的离子在各种操作压力下的电流密度分布。
[0016]图8图示出采用包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统的基于等离子体的材料改性的示例性处理。
【具体实施方式】
[0017]下述说明被呈现一使得本领域普通技术人员能够实现并使用各种实施例。具体系统、装置、方法和应用的描述被提供仅仅作为示例。对在此描述的示例的各种修改是本领域技术人员容易想到的，而且在此限定的总原理可应用至其它示例和应用而不脱离各种实施例的精神和范围。因此，各种实施例并非旨在限制成此处描述的示例，而是遵循与权利要求一直的范围。
[0018]在下文所述的示例性基于等离子体的材料改性系统中，等离子体源腔被耦接至工艺腔。配置成支撑工件的支撑结构处于工艺腔内。等离子体源腔被配置成在等离子体源腔的等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体。等离子体源腔包括磁体，磁体围绕等离子体产生区域并且将等离子体的电子限制在等离子体产生区域内。例如，磁体可限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子。通过限制高能电子，磁体使得等离子体能够被稳定地产生并且保持在0.1Pa以下的压力下。期望更低的操作压力来降低中性物质相对于离子在等离子体源腔和工艺腔内的聚集。中性物质的更少的聚集导致了工件表面上的更少的寄生刻蚀、氧化、和膜沉积，因此导致较好的工艺控制、更少的装置损耗和更高的装置产率。此外，中性物质的更少的聚集导致了等离子体源腔和工艺腔的壁上的更少的膜沉积，这就降低了微粒污染并增大了工艺可重复性。由此，下文描述的基于等离子体的材料改性系统和处理可被用于半导体制造以实现更低的制造成本和更高的装置产率。
[0019]1、包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统。
[0020]图2描绘了包含具有磁约束的等离子体源的示例性基于等离子体的材料改性系统200。如图2所示，基于等离子体的材料改性系统200包括耦接至处理腔204的等离子体源腔202。等离子体源腔202被配置成在等离子体产生区域232内产生包含离子的等离子体220。支撑结构208被布置在处理腔204内并被配置成支撑工件206。一系列可选的栅格224被布置在等离子体源腔202和支撑结构208之间以从等离子体220提取离子束234并使得离子束234朝着工件206加速，从而造成工件206的材料改性。
[0021]在当前实施例中，等离子体源腔202包括处于等离子体源腔202的一端217的端壁216、以及定义了端壁216与等离子体源腔202的相对端之间的等离子体源腔202的内部的至少一个侧壁218。在该示例中，侧壁218是圆柱形的而且具有圆形截面。然而，在其它情况下，侧壁218可具有矩形截面。
[0022]如图2所示，等离子体源腔202具有内径236。内径236定义了等离子体源腔202的截面面积，因此至少部分地确定了等离子体220的截面面积以及离子束234的截面面积。由于离子向侧壁218的漂移或扩散损失，入射至栅格234的离子的电流密度可在外部区域处相当地低，该外部区域与离子束234的中心轴远离而相对于与离子束234的中心轴更靠近的中心区域更靠近腔壁。因此，期望仅仅利用与离子束234的中心轴更接近的离子束234的中心区域(此处电流密度更均匀)来注入工件206的整体区域。在当前示例中，等离子体源腔202的内径236大于工件206的直径。此外，栅格224的抽取面积大于工件206的面积。因此，离子束234被产生具有比工件206的面积大的截面面积。在一个示例中，内径236可大于45cm。在另一示例中，内径236可介于45和60cm之间。在具体示例中，内径236可以壁工件206的直径大50 %至100 %。
[0023]等离子体源腔202包括布置在端壁216上的第一组磁体210、布置在侧壁218上的第二组磁体212、以及延伸穿过腔202的内部的第三组磁体214。第三组磁体214中的每个磁体可被装在保护管中。端壁216、侧壁218和第三组磁体214定义了等离子体源腔202内部中的等离子体产生区域232。在该示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214被配置成将等离子体220的高能电子限制在等离子体产生区域232中。高能电子可被定义为能量大于1eV的电子。具体地，第三组磁体214被配置成限制等离子体产生区域232内能量大于1eV的等离子体220的大多数电子同时允许来自等离子体220的离子穿过第三组磁体214而进入处理腔204以用于工件206的材料改性。
[0024]如图2所示，基于等离子体的材料改性系统200可以可选地包括布置在第三组磁体214和支撑结构208之间的一系列栅格224。栅格224中的一个或多个栅格可耦接至一个或多个偏置电源248以便将偏压施加至栅格224。例如，偏置电源248可以是DC电源、脉冲式DC电源、RF电源或其组合。在该示例中，栅格224被配置成从等离子体220抽取离子束234并使得离子束234朝着工件206加速至期望能量水平。此外，栅格224可被配置成聚集离子束234并因此校准离子束234。应该理解的是，栅格224可被配置成从等离子体220抽取多个离子射束，离子束234因此可包括多个离子射束。
[0025]栅格224与第三组磁体214之间的距离影响了离子束234上的电流密度均匀性，因此影响了利用离子处理工件206的均匀性。将栅格224布置得太靠近第三组磁体214，将由于第三组磁体214的显著的离子遮蔽效应而导致离子束234上的较差的电流密度均匀性。然而，将栅格224布置得太远离第三组磁体214，则由于朝着腔壁的离子漂移或扩散损失随着离子在漂移区226上行进的距离增大而变得更明显，从而也将导致离子束234上的较差的电流密度均匀性。在当前示例中，栅格224被布置成与第三组磁体214相距一个优化距离228，从而最小化第三组磁体214的离子阴影和朝向腔壁的离子漂移或扩散损失的净效果。在一个示例中，距离228介于0.1OD和0.33D之间，其中D是等离子体源腔202的内径236。在另一示例中，距离228介于0.2D和0.3D之间。在又一示例中，距离228介于6cm和18cm之间。
[0026]如图2所示，基于等离子体的材料改性系统200可以可选地包括吸收器250，用于调节离子束234的电流密度分布。吸收器250被配置成吸收从等离子体220流向吸收器250的一小部分离子同时允许未被吸收的离子通过以接近支撑结构208。具体地，吸收器250被配置成使得吸收器250的离子透明度在吸收器250上变化。离子透明度被定义为入射至吸收器250的离子中允许通过吸收器250的离子的百分比。因此，与吸收 器250中具有更低离子透明度的区域相比而言，吸收器250中具有更高离子透明度的区域允许更大百分比的离子通过。吸收器250可被配置成包含具有更低离子透明度的区域以及具有更高离子透明度的区域。在当前示例中，具有更低离子透明度的区域可处于漂移区226中具有更高电流密度的区域中，同时具有更高离子透明度的区域可可处于漂移区226中具有更低电流密度的区域中。因此，吸收器250可被配置成使得离开吸收器250的离子的电流密度分布比从等离子体220流向吸收器250的离子的电流密度分布更均匀。在一个示例中，吸收器250被配置成具有从吸收器250的中心向外部边缘增大的离子透明度。
[0027]在一些示例中，吸收器250可大致平行于端壁216并与侧壁218同心。在该示例中，等离子体220的截面中心可与等离子体源腔202的中心轴对齐。在另一示例中，吸收器250的中心可大致与等离子体220的截面中心以及工件206的中心对齐。在该示例中，吸收器250的直径可小于或等于等离子体源腔202的内径236。例如，吸收器250的直径可介于0.3D和1.0D之间，其中D是等离子体源腔202的内径236。在一个示例中，吸收器250的直径可介于0.5D和0.8D之间，其中D是等离子体源腔202的内径236。
[0028]吸收器250可处于等离子体220的中心与支撑结构208之间。在其中基于等离子体的材料改性系统200包括栅格224的情况下，吸收器250可要么处于等离子体220的中心与第三组磁体214之间，要么处于第三组磁体214和栅格224之间。在其它情况下，其中基于等离子体的材料改性系统200不具有栅格224，吸收器250可要么处于等离子体220的中心与第三组磁体214之间，要么处于第三组磁体214和支撑结构208之间。在一些情况下，吸收器250可布置成与支撑结构208相距不小于5cm。应该理解的是，在一些示例中，基于等离子体的材料改性系统200可具有多于一个吸收器。
[0029]在一个示例中，吸收器250可耦接至接地电势或偏压源(未示出)。偏压源可以是例如DC、脉冲DC或RF电源。偏压源可用于将偏置电势施加至吸收器250从而使得离子吸引至吸收器250或者使得离子被排斥而远离吸收器250。在另一示例中，吸收器250可被配置成具有悬浮电势。例如，吸收器250可与任意电源或能量槽电隔离，因此吸收器250的电势决定性地取决于来自等离子体220的充电。在一些情况下，吸收器250可包括两个或更多区域，而且该两个或更多区域可被配置成被独立偏置。独立地偏置吸收器250的多个区域在实现离开吸收器250的离子的更均匀的电流密度分布方面可能是有利的。
[0030]处理腔204中的支撑结构208被配置成将工件206布置在针对材料改性的离子束234的路径中。工件206可以是制造IC芯片和太阳能电池时使用的半导体衬底(例如，硅晶圆)。在其它情况下，工件206可以是用于制造平板显示器或薄膜太阳能电池的具有薄膜半导体层的玻璃基片。支撑结构208被配置成将工件206布置成与栅格224相距距离242。将工件206布置得太靠近栅格224，由于栅格224的离子阴影效应，可导致离子束234的较差的电流密度均匀性。将工件206布置得太远离栅格224，由于离子会聚或分散损失的影响，也可导致离子束234的较差的电流密度均匀性。在一个示例中，距离242介于1cm和10cm之间。在另一示例中，距离242介于30cm和40cm之间。
[0031]在一些实施例中，支撑结构208可被配置成使得工件206旋转。在基于等离子体的材料改性期间使得工件206旋转，可有利于改进利用离子处理工件206的均匀性。此外，支撑结构208可被配置成使得工件206倾斜以控制离子束234相对于工件206的垂线的入射角度。应该理解的是，支撑结构208可被配置成使得工件206旋转同时使得工件206倾斜一个给定角度。
[0032]虽然在该示例中，基于等离子体的材料改性系统200被示出为具有可选的栅格224，在其它情况下，基于等离子体的材料改性系统200可不包括栅格224。在这样的情况下，支撑结构208可被配置成将偏压施加在工件206上。例如，支撑结构可耦接至偏置电源254以便将偏压施加至工件206。对工件206进行偏置的功能用于使得离子从等离子体220向工件206加速，从而利用离子处理工件206。此外，支撑结构208可被配置成将工件206布置在与第三组磁体214相距优化距离，从而最小化第三组磁体214的离子阴影效应以及针对腔壁的离子损失。在一个示例中，支撑结构208可被配置成将工件206布置成与第三组磁体214相距一个介于0.1OD至0.33D的距离，其中D是等离子体源腔202的内径236。在另一示例中，支撑结构208可被配置成将工件206布置成与第三组磁体214相距一个介于0.2?至0.30D的距离。
[0033]如上所述，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214被配置成将等离子体220的高能电子限制在等离子体产生区域232内。限制等离子体220的高能电子是有利的，这是因为这导致了更高的电离速度，因此导致了基于等离子体的材料改性系统200的更低操作压力。在更低操作压力下，由于与背景气体的碰撞，离子束234存在较少的角散射，这就导致离子束234具有更紧密的入射角分布。此外，在更低操作压力下，电子温度更大，使得等离子体220中的电离速度更快，这就降低了中性物质相对于离子的集中度。中性物质的更低集中度总体上导致了等离子体源腔202和处理腔204的壁上的更少的膜沉积，因此导致了更高的气体效率。由于从腔壁剥落的膜沉积导致的微粒污染也减少，这改进了系统可靠性、针对制造的系统可用性以及器件产率。而且，中性物质的更低集中度降低了工件206上的寄生刻蚀、氧化和沉积，因此导致更少的装置损耗和更高器件产率。
[0034]在当前示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214被配置成使得基于等离子体的材料改性系统200能够操作在低于0.1Pa的压力下。具体地，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214可被配置成使得等离子体220能够被稳定地产生并保持在低于0.1Pa的压力下。在另一示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214可被配置成使得等离子体220能够被稳定地产生并保持在低于0.02Pa的压力下。在又一示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214被配置成使得等离子体220能够被稳定地产生并保持在低于0.1Pa的压力下而无需使用附加的气体(例如，氢气、氩气、氙气)来协助保持等离子体。传统的基于等离子体的材料改性系统通常操作在大约IPa的压力下。在低于0.1Pa的压力下，传统的基于等离子体的材料改性系统可能不能够产生并保持稳定的等离子体，因此不能稳定地执行材料改性。“稳定的等离子体”或“稳定地产生并保持的等离子体”被定义为其中在材料改性处理期间平均电流密度的改变不超过±5% (在一些情况下，不超过±3%)的等离子体。此外，“稳定的等离子体”或“稳定地产生并保持的等离子体”中原子或分子的质量大于20AMU的离子的集中度不会变化超过10%。
[0035]图3描绘了示例性等离子体源腔202的截面图。如图3所示，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214以交替的极性布置以产生围绕等离子体产生区域232的多会切磁场(如磁场线302所示)。多会切磁场通过从端壁216、侧壁218和第三组磁体214排斥高能电子，将等离子体220大多数高能电子限制在等离子体产生区域232内。更具体地，多会切磁场用于从端壁216、侧壁218和第三组磁体反射等离子体220的高能电子，从而使得大多数高能电子能够在最终损耗至端壁216或侧壁218之前，至少多次穿越等离子体产生区域232的长度和/或直径。通过增大高能电子在等离子体产生区域232内行进的路径长度，使得原子或分子电离的可能性增大。因此，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体实现了与不具有磁约束或仅仅具有部分磁约束的传统的等离子体源所产生的等离子体相比的等离子体220中的更高电离速度。
[0036]虽然图3描绘了第二组磁体212和第三组磁体214之间的磁场线310，应该理解的是，磁场线310表示的磁场可仅仅施加在限定位置中，在限定位置中，第二组磁体212中的与第三组磁体214相邻的磁体大致平行于第三组磁体214中的与第二组磁体212相邻的线性磁体。在其它位置，第二组磁体212和第三组磁体214之间的磁场线的几何形状可更复杂以及可以是三维的。因此，总体上，靠近端壁216和侧壁218的磁场可以是线会切，同时第二组磁体212和第三组磁体214之间的磁场可具有更复杂的几何形状。
[0037]第一组磁体210和第二组磁体212产生的磁场的强度影响了等离子体源腔202的操作和可靠性，因此影响了基于等离子体的材料改性系统200的所有者的生产力和成本。端壁216或侧壁218的内表面处的太高的磁场强度(例如，大于IkG)可导致入射至尖端区域304 (即，直接处于磁极面前面的区域)处的端壁216或侧壁218的内表面的等离子体220的过度的功率密度。这可导致端壁216和侧壁218的内表面上的不均匀的膜沉积，这可使得膜沉积剥离并污染工件206。此外，等离子体220的过度的功率密度可使得来自端壁216和侧壁218的材料溅射出去，这也可能污染工件206。因此，在当前示例中，第一组磁体210和第二组磁体212未被配置成在端壁216和侧壁218的内表面产生大于IkG的磁场强度。应该理解的是，诸如钐钴、钕铁或铁镍硼之类的磁体可能是不期望的，因为这种磁体更有可能在端壁216和侧壁218的内表面产生大于IkG的磁场强度。在一个示例中，第一组磁体210和第二组磁体212被配置成使得端壁216和侧壁218的内表面处的磁场强度介于0.1kG和IkG之间。在另一示例中，第一组磁体210和第二组磁体212被配置成使得端壁216和侧壁218的内表面处的磁场强度介于0.3kG和0.7kG之间。在具体示例中，第一组磁体210和第二组磁体212包括陶瓷永磁体(例如，铁磁体)并且被配置成使得端壁216和侧壁218的内表面处的磁场强度介于0.1kG和IkG之间。
[0038]如图3所示，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214中的每个磁体具有宽度306。在一个示例中，宽度306介于2mm和15mm之间。在另一示例中，宽度306可介于4_和8_之间。第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214的磁体可以间隔308均匀隔开。在一个示例中，相邻磁体之间的间隔308介于2cm和15cm之间。在另一示例中，间隔308介于4cm和8cm之间。
[0039]第三组磁体214可具有与第一组磁体210和第二组磁体212的磁场强度相似的磁场强度。例如，第三组磁体214可被配置成使得第三组磁体214的保护管的外表面处的磁场强度介于0.2kG和2kG之间。第三组磁体214的磁场强度可至少部分地取决于第三组磁体214的宽度和间隔。在一些情况下，第三组磁体214可具有更小的宽度(例如，2至6_)和更大的间隔(例如，7至15cm)以减小第三组磁体214导致的离子阴影。在这样的情况下，第三组磁体214可具有比第一组磁体210和第二组磁体212的磁场强度大的磁场强度。在一个示例中，第三组磁体214可被配置成具有介于4和6mm之间的宽度、介于7和15cm之间的间隔，并且被配置成使得第三组磁体214的保护管的外表面处的磁场强度介于IkG和2kG之间。
[0040]虽然在当前示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214可包括永磁体，应该理解的是，在其它情况下，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214中的任意一个或全部可包括 被配置成产生与以上结合图3描述的多会切磁场类似的多会切磁场的电磁体。电磁体可包铁磁结构，其使得电磁体具有与图3的第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214的有效极面类似的有效极面。在一个示例中，第一组磁体210和第二组磁体212可包括电磁体，其被配置成在端壁216和侧壁218的内表面处产生介于0.1kG和IkG之间的磁场强度。第三组磁体214可包括电磁体，其被配置成在第三组磁体214的保护管的外表面处产生介于0.2kG和3kG之间的磁场强度。
[0041]图4A和图4B分别描绘了等离子体源腔202的透视图和截面透视图。在当前实施例中，如图4A和4B所示，第一组磁体210和第二组磁体212具有圆形结构，同时第三组磁体214具有线性结构。参见图4A，第一组磁体210包括沿端壁216分布的永磁体同心环。第二组磁体212包括围绕侧壁218的外周延伸的多列永磁体。参见图4B，第三组磁体214包括线性磁体，其在等离子体源腔202的内部延伸的并且基本均匀地分布在等离子体源腔202的内部截面面积上。第三组磁体214的线性磁体可对齐至与端壁216大致平行的平面。此外，第三组磁体214的线性磁体可能或者可能不对齐至第一组磁体210和第二组磁体212的磁体。如上所述，第三组磁体214的每个磁体可装在保护管中以防止由于等离子体220的直接暴露导致的损害。此外，等离子体源腔202可被配置成使得冷却液(例如，水、甘醇等)流通每个磁体和相应保护管的内表面之间的内部通道，以保持第三组磁体214冷却。
[0042]在当前示例中，如以上参考图3所述，第三组磁体214的线性磁体被配置成具有交替极性，由此每个线性磁体的极面场方向大致垂直于端壁216。然而，在其它示例中，第三组磁体214的线性磁体可被配置成具有交替极性，由此每个线性磁体的极面场方向大致平行于端壁216。
[0043]虽然在当前示例中，第一组磁体210和第二组磁体212每个都具有圆形结构，同时第三组磁体214具有线性结构，应该理解的是，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214可具有替换结构。例如，在一些情况下第一组磁体210和/或第二组磁体212可具有线性结构。此外，第三组磁体214可具有圆形结构。
[0044]图5A和5B描绘了具有第一组磁体、第二组磁体和第三组磁体的替换结构的等离子体源腔500的透视图和截面透视图。如图5A和5B所示，第一组磁体502和第二组磁体504具有线性结构，同时第三组磁体506具有圆形结构。参考图5A，第一组磁体502和第二组磁体504包括线性磁体，其以交替极性布置并且分别沿端壁508和侧壁510分布。第二组磁体504的线性磁体可布置成平行于等离子体源腔500的长度512。参考图5B，第三组磁体506包括以交替极性布置的永磁体同心环。类似于图3的第三组磁体214，第三组磁体506的每个磁体的极面场方向可平行于或垂直于端壁216。此外，第一组磁体502和第二组磁体504可被配置成使得端壁和侧壁的内表面处的磁场强度类似于或等同于如以上参考图3所述的第一组磁体210和第二组磁体212的磁场强度。第三组磁体506可被配置成使得容纳第三组磁体506的保护管的外表面处的磁场强度类似于或等同于如以上参考图3所述的第三组磁体214的磁场强度。
[0045]图6描绘了示例性吸收器250的正视图，示例性吸收器250可用于图2的基于等离子体的材料改性系统200以调节离子束234的电流密度分布。如图6所示，吸收器250包括离子吸收材料图案。开口 606布置在离子吸收材料之间。离子吸收材料可以是导电材料，例如金属。在一些情况下，吸收器250可包括外涂层(例如，半导体材料)以防止杂质溅射出去并污染工件206。
[0046]在当前示例中，离子吸收材料的图案包括附接至线性杆604的同心环602图案。线性杆604相对于吸收器250的中心对称布置。线性杆604中的两个形成了吸收器250的中心环中的交叉图案。同心环602和线性杆604被配置成吸收入射至同心环602和线性杆604的离子，同时允许离子通过同心环602和线性杆之间的开口 606。应该理解的是，吸收器250可包括更少或者附加的同心环602或线性杆604以增大或减小离子透明度。
[0047]如图6所示，相邻环602之间的间隔以及因此开口 606的尺寸随着与吸收器250的中心相距的距离而增大。由此，吸收器250的离子透明度从吸收器250的中心至吸收器250的边缘增大，其中与吸收器250的中心更近的区域比与吸收器250的中心更远的区域具有更低离子透明度。参考图2，吸收器250可用于补偿从等离子体220流出的离子的电流密度分布的非均匀性。由于至腔壁的离子损失，从等离子体220流出的离子在更接近等离子体源腔202的中心轴的中心区域处，比在更远离等离子体源腔202的中心轴并更接近腔壁的外部区域处，可具有更高电流密度。因此，吸收器250可用来相对于外部区域降低中心区域处的电流密度，以实现更均匀的电流密度分布。因此，相对于从等离子体220流向吸收器250的离子的电流密度分布，离开吸收器250的离子的电流密度分布可更均匀。
[0048]图7A图示出离子在各种操作压力下流经不具有吸收器的示例性基于等离子体的材料改性系统的漂移区的电流密度分布702。图7B图示出离子在各种操作压力下离开示例性基于等离子体的材料改性系统的漂移区中的吸收器的电流密度分布704。当不使用吸收器时，电流密度分布702 (图7A)是不均匀的，其中漂移区截面中心处的离子的电流密度大于边缘处。然而，当使用吸收器时，电流密度分布704(图7B)更均匀，其中漂移区截面中心处的离开吸收器的离子的电流密度更可比于边缘处。由此，操作具有吸收器的基于等离子体的材料改性系统有利于实现处理工件的离子的更均匀的电流密度分布。
[0049]应该理解的是，吸收器250可具有其它结构用于以各种方式调节电流密度分布。总体上，吸收器250可被配置成使得吸收器250的一个区域的离子透明度不同于吸收器250的另一区域的离子透明度。区域的离子透明度至少部分地取决于区域中的开口所占的面积与区域中离子吸收材料图案所占的面积之间的比值。因此，吸收器250的具有更高比值的区域比吸收器250的具有更高低值的区域对于离子更透明。例如，吸收器250的区域的离子透明度可通过增大区域中开口 606的尺寸和密度而增大。
[0050]不同于栅格224，吸收器250中的开口占据的总面积与吸收器250中的离子吸收材料图案占据的总面积之间的比值大于2:1。使得比值小于2:1，将是不期望的，因为吸收器250会吸收从等离子体220流出的太大比例的离子，从而导致工件206处的低离子电流密度。在一个示例中，吸收器250的开口所占的总面积与离子吸收材料所占的总面积之比可介于2:1和20:1之间。在另一示例中，比值可介于5:1和15:1之间。
[0051]虽然结合基于等离子体的材料改性系统200描述了吸收器250，但是应该理解的是，吸收器250可被用于调节任意基于等离子体的材料改性系统的电流密度分布。例如，吸收器250可实现在不包含具有磁约束的等离子体源的传统的基于等离子体的材料改性系统中。
[0052]在当前示例中，返过来参考图2，栅格224包括一系列的五个栅格224。栅格224中的每个栅格被布置成平行于其它每个栅格。在该示例中，栅格224被布置成基本平行于端壁216。然而，在其它情况下，栅格224可相对于端壁216倾斜一个角度。栅格224可占据区域的处于等离子体源腔202和处理腔204之间的内部截面面积。在该示例中，栅格224具有的直径大致等于等离子体源腔202的内径236。然而，在其它情况下，栅格224具有的直径可不同于等离子体源腔202的内径236。例如，等离子体源腔202和处理腔204之间的区域可具有比等离子体源腔202的内部截面面积大的内部截面面积。在该示例中，栅格224的直径可大于内径236。在等离子体源腔202和处理腔204之间的区域具有更大的内部截面面积，可有利于减小朝向侧壁的离子损失，因此改进离开栅格224的离子束234的电流密度分布的均匀性。
[0053]栅格224的每个栅格包括孔阵列以允许离子通过。每个栅格的孔基本上对齐至其它每个栅格的孔。离子束234可因此以多个小直径离子束(即射束)的形式通过栅格224的这些对齐孔。在一些情况下，射束可在离开栅格224之后发散并且在碰到工件206之前会聚以形成单个均匀离子束。离开栅格224的离子束234的轮廓至少部分地取决于离开栅格224中的每个栅格的射束的轮廓。离开每个栅格的射束的轮廓至少部分地取决于每个栅格的孔的尺寸和对齐、每个栅格的间隔和厚度以及提供给每个栅格的偏置。应该理解的是，这些变量中的每个都可被调节来实现离子束234的期望轮廓。在当前示例中，每个栅格的孔可具有介于Imm和1mm之间的直径，相邻栅格224之间的间隔可介于2mm和1mm之间，而且每个栅格的厚度可介于Imm和1mm之间。
[0054]虽然在该示例中，栅格224包括五个栅格，但是应该理解的是，在其它示例中，栅格224可包括更多或更少的栅格以实现期望的离子束电流、能量和轮廓。例如，栅格224可包括介于2个至6个之间的栅格。在一些示例中，栅格224可包括3个或4个栅格。具有4个或5个栅格可比具有3个或更少栅格更有利，因为为聚集及调节离子束234的轮廓实现了更大的灵活性。
[0055]如前面结合图2所描述的那样，等离子体源腔202被配置成在等离子体产生区域232内产生具有离子的等离子体220。通过将工艺气体提供至等离子体源腔202中并从电源(例如，电源或AC电源)将能量(例如，电能或AC电能)引入等离子体源腔202，从而使得工艺气体电离并分离，可以产生等离子体220。工艺气体可包含一个或多个元件用于改变工件206的物理特性、化学特性或电特性。在该示例中，等离子体源腔202被耦接至气体源244以将工艺气体提供至等离子体源腔202中。电源246通过阻抗匹配网络(未示出)耦接至一个或多个天线230以便经由一个或多个天线230将LF、RF或VHF能量引入等离子体源腔202。引入的LF、RF或VHF能量激励了等离子体产生区域232中的电子，其继而使得工艺气体电离并分离，从而形成等离子体产生区域232中的等离子体220。天线230被布置在等离子体源腔202中并被配置成使得等离子体220能够被稳定地产生并被保持在0.1Pa以下的压力下，而无需使用附加的气体(例如，氢气、氩气等)。
[0056]虽然在该示例中，等离子体源腔202被配置成通过天线230提供LF、RF或VHF能量以形成等离子体220，应该理解的是，其它结构可用于将能量提供给等离子体源腔202。例如，代替天线230，感应线圈可布置成围绕等离子体源腔202的外部。在该示例中，电源246可耦接至感应线圈以提供能量(例如，电量或AC电量)至等离子体源腔202中。在另一示例中，等离子体源腔202可被配置成将UHF或微波能量提供至等离子体源腔202中以形成等离子体220。在又一示例中，等离子体源腔202可被配置成在等离子体产生区域232中产生高能热电子以形成等离子体220。例如，钨丝可在等离子体产生区域232中被加热以广生尚能热电子。
[0057]处理腔204可经由节流阀238耦接至高速真空泵240。例如，高速真空泵240可被配置成在至少每秒几百公升的速率用泵抽取。节流阀238和高速真空泵240可被配置成在等离子体源腔202和处理腔204中保持0.1Pa以下的操作压力(而且在一些情况下0.02Pa以下)。此外，基于等离子体的材料改性系统可包括布置在工艺腔中的一个或多个冷冻板。一个或多个冷冻板可用于捕获剩余气体或有机物蒸气以实现超低操作压力。在一个示例中，一个或多个 冷冻板可被配置成在等离子体源腔202和处理腔204中保持0.02Pa以下的压力。
[0058]此外，电子源252可耦接至处理腔204以在栅格224和工件206之间提供低能电子，由此中和离子束234的空间电荷。在一个示例中，电子源252是用于产生低能电子的等离子体源。在另一示例中，电子源252可以是电子流枪。中和离子束234的空间电荷被期望用来降低由于空间电荷效应而产生的离子束234的速度。此外，电子源252可用于防止工件206上过度集中的充电(例如，>10V)，这种过度集中的充电可能不期望地导致工件206上的器件的诸如阈值电压偏移或栅极电介质损伤之类的损伤，。
[0059]2、基于等离子体的材料改性处理
[0060]图8描绘了示例性基于等离子体的材料改性处理800。可采用包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统来执行处理800。在当前示例中，参见图2，采用基于等离子体的材料改性系统200来执行处理800。然而，应该理解的是，处理800可利用其它基于等离子体的材料改性系统来执行。下面同时参考图2和图8来描述处理800。
[0061]处理800可在低压下执行，其中等离子体源腔202、漂移区226和处理腔204中的压力被调整成低于0.1Pa或低于0.02Pa。可通过节流阀238和高速真空泵240来调整压力。如上所述，期望低操作压力来实现更高系统可靠性、高级工艺控制和更高器件产率。
[0062]在处理800的块802，工件206被布置在支撑结构208上。在一个示例中，工件206可以是半导体衬底(例如，硅、锗、砷化镓等)，其中半导体器件至少部分地形成在其上。在另一示例中，工件206可以是其中薄膜半导体器件至少部分地形成在其上的玻璃基片。
[0063]在处理800的块804，在等离子体源腔202的等离子体产生区域232中产生等离子体220。等离子体220包含离子、中性物质和电子。在一个示例中，等离子体220的能量大于1eV的一部分电子可多于不具有磁约束或者仅仅具有部分磁约束的等离子体源所产生的等离子体的电子。通过将工艺气体从气体源244提供至等离子体源腔202中并将能量从电源引入等离子体源腔202以电离并分离工艺气体，可产生等离子体220。应该理解的是，多个工艺气体可被提供至等离子体源腔202中以产生等离子体220。
[0064]工艺气体可以是任意前驱气体，包含一个或多个元素用于改变工件206的物理特性、化学特性或电特性。例如，工艺气体可以是包含硼、磷或砷的气体(例如，三氢砷化、三氢化磷、乙硼烷、砷或磷蒸气、三氟化硼等)，以将电荷载流子(例如，空穴或电子)引入工件206。而且，工艺气体可包括诸如氦气之类的惰性气体或诸如氢气的附加气体。在一些示例中，工艺气体可包含诸如碳、氮气、稀有气体或卤素之类的元素用以改变工件206的表面的本征应力或其它机械或化学特性。这种工艺气体还可用于改变工件206上的器件结构的层表面处的功函数。在其它示例中，工艺气体可包含诸如硅、锗、铝和硫族元素、或镧系元素之类的元素用于改变工件206上的器件结构的层表面处的肖特基势皇高度。
[0065]通过经由天线230将能量(例如，电能或AC电能)从电源246 (例如，电源orAC电源)提供至等离子体源腔202中，可电离并分离工艺气体。在该示例中，经由天线230将LF,RF或VHF能量从电源236提供至等离子体源腔202中以在等离子体产生区域232中产生高能电子。高能电子使得工艺气体电离并分离以形成等离子体220。在一个示例中，电源246可经由天线230在介于10kHz和10MHz之间的频率下提供200W至1kW的RF能量，使得等离子体源腔202中的工艺气体电离并分离。应该理解的是，其它形式的能量也可被提供来使得工艺气体电离并分离。例如，如上所述，UHF或微波能量可被提供以取代LF、RF或VHF能量。在另一示例中，等离子体产生区域232中的加热薄膜可被用来使得工艺气体电离并分离。
[0066]在一个示例中，等离子体220可在0.1Pa以下的压力下在等离子体源腔202中产生。在另一示例中，等离子体220可在0.02Pa以下的压力下产生。在更低压力下产生等离子体220是有利的，因为这增大了等离子体220中的电子的的平均能量(即，电子温度)，这在能量范围内以指数方式增大了等离子体220中的每电子的电离率。更大的电离率导致了等离子体220中的离子的更高集中度以及中性物质的更低集中度。例如，相对于当在IPa的压力下产生等离子体220时，当在相同的能量密度下在低于0.1Pa的压力下产生等离子体220时，等离子体220中中性物质与离子之比可至少处于更低的幅度级。等离子体220中的中性物质的更低集中度有利于降低中性物质至工件206的流量。而且，更大的电离率使得处理800能够更有效，因为需要更少的工艺气体来产生离子束234以及处理工件206。
[0067]等离子体220是在等离子体源腔202的等离子体产生区域232中产生的，其中能量大于1eV的大多数电子被第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214限制。如以上结合图3所述，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214产生围绕等离子体产生区域232的磁场。多会切磁场从端壁216、侧壁218和第三组磁体214排斥高能电子，从而增大在与端壁216和侧壁218相距距离超过5cm的等离子体产生区域232内产生等离子体220的效率。通过将高能电子限制在等离子体220中，等离子体220可被稳定地产生并被保持在0.1Pa或0.02Pa以下的压力下。没有第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214时，等离子体220可变得不稳定或者不可保持在0.1Pa以下的压力下，因此可能不适合用于针对批量生产执行材料改性。
[0068]可在截面面积显著地大于工件206的面积的等离子体源腔202中产生等离子体220。在一个示例中，等离子体源腔202的内径236可大于45cm。在另一示例中，内径236可比工件206的直径大50%至100%。如上所述，更大的内径236有利于实现仅仅利用来自电流密度分布更均匀的离子束234中心区域的离子处理工件206。
[0069]在处理800的块806，使得离子从等离子体220向工件206加速，以利用离子处理工件206。在一个示例中，可通过将一个或多个偏压提供至栅格224中的一个或多个栅格以使得离子从等离子体220向工件206加速来执行块806。一个或多个偏压可以是DC、脉冲DC,RF偏压、或其组合。在该示例中，基于等离子体的材料改性系统200包括布置在第三组磁体214和支撑结构208之间的栅格224。如上所述，栅格224被布置成与第三组磁体214相距最佳距离228，以实现更均匀的电流密度分布来处理工件206。在一个示例中，距离228介于0.1OD和0.33D之间，其中D是等离子体源腔202的内径236。在另一示例中，距离228介于0.2D和0.30D之间。在又一不例中，距离228介于6cm和18cm之间。
[0070]一个或多个偏压可利用一个或多个偏置电源248而施加至栅格224中的一个或多个栅格。偏置电源248可以是DC电源、脉冲DC电源或RF电源。将一个或多个偏压提供给栅格224中的一个或多个栅格，可从等离子体220提取离子束234并通过栅格224使得离子束234向工件206加速。此外，栅格224可聚集或校准离子束234。例如，离子束234可包括穿过栅格224的多个射束。将一个或多个偏压施加在栅格224上可聚集并校准离子束234的射束。
[0071]在当前示例中，栅格224包括5个栅格。方便起见，将按先后顺序称呼栅格，其中最靠近等离子体源腔202的栅格被称为“第一栅格”，最靠近处理腔204的栅格被称为“第五栅格”。在一个示例中，第一栅格可用作提取栅格并相对于等离子体源腔202的端壁216和侧壁218的电势偏置在大约±100V下。第二栅格可以是加速栅格，其被偏压至相对于第一栅格的高达_20kV的负提取电压，以从等离子体220提取离子束234。应该理解的是，施加至第二栅格的相对于第一栅格的提取电压必须大致遵循Child-Langmuir定律，其中所提取的电流密度是栅格之间的电势差以及栅格之间的距离的函数。第五栅格可偏压成大致接地，同时第四栅格可偏压在相对于第五栅格的负电压(例如，-200V至OV)下，以抑制电子倒退加速至等离子体源腔202中。施加至第三和第四栅格的偏压可被选择成实现离子束234的期望能量和轮廓。
[0072]应该理解的是，任意数量的栅格可被用来提取、加速和聚集离子束234。此外，应该理解的是，使用四个或更多栅格提供了更大的灵活性来实现离子束234的期望能量和分布。
[0073]在一些示例中，可利用没有栅格224的基于等离子体的材料改性系统200执行处理800。在这种示例中，可通过将偏压施加至工件206以使得离子从等离子体220向工件206加速来执行块806。偏压可经由支撑结构208利用偏置电源254施加至工件206。例如，偏置电源254可以是DC电源、脉冲DC电源或RF电源。将偏压施加至工件206，可使得离子从等离子体220向工件206加速。等离子壳层可形成在等离子体220和工件206之间，其中来自等离子体220的离子在等离子壳层上加速至工件206。而且，在低操作压力下，等离子壳层中存在较少的交换，因此到达工件206的离子的能量分布更紧密。
[0074]为了实现工件206上的离子的均匀处理，工件206可被支撑结构208布置成与第三组磁体214相距最佳距离。将工件206布置得太靠近第三组磁体214可由于来自第三组磁体214的离子阴影而导致工件206处的不均匀的离子电流密度。然而，将工件206布置得太远离栅格224也可由于对侧壁的离子损失而导致工件206处的不均匀的离子电流密度。在一个示例中，工件206可被支撑结构208布置成与第三组磁体214相距介于0.1OD和0.33D之间的距离，其中D是等离子体源腔202的内径236。在另一示例中，工件206可被支撑结构208布置成与第三组磁体214相距介于0.2D和0.3D之间的距离。
[0075]如上所述，等离子体220的高能电子被第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214限制，其导致更低操作压力，因此导致到达工件206的中性物质的更低集中度。到达工件206的中性物质的更低集中度导致工件206的表面上的更少的寄生刻蚀、氧化或沉积，因此导致更高的器件产率。在一个示例中，当在少于0.1Pa的操作压力下执行处理800时，对于介于IEHcnT2至lE17cm_2之间的离子剂量，工件206上的寄生沉积或刻蚀可少于2nm。在另一示例中，可利用处理800针对介于lE14cm_2至lE17cm _2之间的离子剂量实现小于I %的离子均匀性(来自平均数的一个Σ变化)。
[0076]在一些情况下，可利用具有吸收器250的基于等离子体的材料改性系统200执行处理800。在这样的情况下，吸收器250可与从等离子体220向支撑结构208流动的离子相互作用，并吸收一小部分离子。如上所述，吸收器250的一个区域可具有与吸收器250的另一区域不同的离子透明度。在当前示例中，吸收器250的离子透明度从吸收器250的中心向边缘增大。因此，离开吸收器250的离子的电流密度分布可不同于从等离子体220流向吸收器的离子的电流密度分布。具体地，相对于从等离子体220流向吸收器的离子的电流密度分布，离开吸收器250的离子可具有更均匀的电流密度分布。
[0077]吸收器250可布置在等离子体220的中心和支撑结构208之间。在其中基于等离子体的材料改性系统200包括栅格224的情况下，吸收器250可要么布置在等离子体220的 中心和第三组磁体214之间，要么布置在第三组磁体214和栅格224之间。在其中基于等离子体的材料改性系统200不具有栅格224的其它情况下，吸收器250可要么布置在等离子体220的中心和第三组磁体214，要么布置在第三组磁体214和支撑结构208之间。在一些情况下，吸收器250可布置成与支撑结构208相距不小于5cm。
[0078]不同于栅格224，吸收器250可被来自等离子体源腔202的等离子体围绕。在其中吸收器250布置在第三组磁体214和支撑结构208之间的，来自等离子体源腔202的等离子体占据漂移区226，因此吸收器250被来自等离子体源腔202的等离子体的离子和电子围绕。相反，当栅格224被偏置以提取、加速和聚集离子束234时，相邻栅格之间的区域是电子的裸露。
[0079]而且，处理800可包括利用偏压源将偏置电势施加在吸收器250上。在一个示例中，吸收器250可被偏置在不同于与吸收器250邻接的局部等离子体电势或局部悬浮电势的DC或RF电势下。在该示例中，吸收器250可被偏置在适当电势下以抽取离子。这增大了吸收器250吸收离子的速率，因此增大了通过吸收器250调节电流密度分布的程度。在另一个这样的示例中，吸收器250可被偏置在适当电势下以排斥离子。这可降低吸收器250吸收离子的速率，因此可降低通过吸收器250调节电流密度分布的程度。此外，离子撞击吸收器250的能量可降低，这可有利于防止杂质从吸收器250溅射出去并污染工件206。在又一示例中，吸收器250可具有与任意电源或能量槽电隔离的悬浮电势，因此被允许吸收相等电流的离子和电子。
[0080]在一些情况下，吸收器250可包括可独立偏置的多于一个区域。在这样的情况下，处理800可包括将一个或多个偏压施加至吸收器250的一个或多个区域。每个区域可被动态偏置以控制处理工件206的离子的电流密度的均匀性。应该理解的是，吸收器250可在处理800的任意时候偏置以实现期望的电流密度分布。
[0081]应该理解的是，将偏置施加至吸收器250，不会实质地改变通过吸收器250的离子的能量。这是由于围绕吸收器250两侧的等离子体的存在。因此，离开吸收器250的离子的平均能量大致等于从等离子体220流向吸收器250的离子的平均能量。这与其中离子被加速的栅格224相反，因此离子的能量随着离子通过栅格224而显著变化。
[0082]而且，应该理解的是，吸收器250可被用于各种其它基于等离子体的处理系统来改进处理工件的离子的电流密度分布均匀性。例如，吸收器250可用于传统的基于等离子体的材料改性系统、等离子体刻蚀机、溅射系统或等离子体增强化学气相沉积系统。由此，可利用具有吸收器的各种其它基于等离子体的处理系统按照与如上所述类似的方式执行处理800。
[0083]处理800可包倾斜和/或旋转工件206，其使用支撑结构208来改进工件206上的离子处理的均匀性。工件206的倾斜使得离子束234以相对于工件206的垂线的一个角度撞击工件206，同时旋转工件206改变了方位角以允许工件206上的3D结构的所有侧被离子处理。而且，处理800可包括利用电子源252将低能电子导引至栅格224和工件206之间以中和离子束234的空间电荷。中和离子束234的空间电荷被期望来降低空间电荷效应导致的离子束234的散布。
[0084]虽然以上提供了具体组件、结构、特征和功能，但是本领域技术人员应该理解的是，可以使用其它变型。此外，虽然特征可能看起来是结合特定实施例描述的，但是本领域技术人员应该理解的是，所述实施例的各种特征可被组合。而且，结合实施例描述的多个方面可独立。
[0085]虽然已经参考附图全面地描述了实施例，应该注意的是，各种变化和修改对于本领域技术人员是明显的。这种改变和修改应被理解为包含在所附权利要求定义的各种实施例的范围内。
【主权项】
1.一种基于等离子体的材料改性系统，用于利用离子处理工件，所述基于等离子体的材料改性系统包括: 工艺腔； 布置在工艺腔内的支撑结构，支撑结构被配置成支撑工件；以及 耦接至工艺腔的等离子体源腔，等离子体源腔包括: 端壁，布置在等离子体源腔的第一端； 至少一个侧壁，定义了等离子体源腔的第一端与第二端之间的腔体内部，第二端与第一端相对； 第一多个磁体，布置在端壁上； 第二多个磁体，布置在至少一个侧壁上并围绕腔体内部；以及 第三多个磁体，延伸穿过腔体内部，其中端壁、至少一个侧壁、和第三多个磁体定义了腔体内部内的等离子体产生区域，其中等离子体源腔被配置成在等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体，而且其中第三多个磁体被配置成限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子同时允许来自等离子体的离子穿过第三多个磁体而进入处理腔以用于工件的材料改性。2.根据权利要求1所述的系统，其中第一多个磁体、第二多个磁体和第三多个磁体被配置成产生围绕等离子体产生区域的多个多会切磁场，而且其中多个多会切磁场限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子。3.根据权利要求1所述的系统，其中第一多个磁体、第二多个磁体和第三多个磁体被配置成使得等离子体在低于0.1Pa的压力下保持在等离子体产生区域内。4.根据权利要求1所述的系统，其中端壁和侧壁的内表面处的磁场强度介于0.1kG和IkG之间。5.根据权利要求1所述的系统，其中第一多个磁体和第二多个磁体包括陶质永久磁铁。6.根据权利要求1所述的系统，其中第三多个磁体中的每个磁体的宽度介于3mm和15mm之间，而且第三多个磁体中的相邻磁体之间的间隔介于2cm和15cm之间。7.根据权利要求1所述的系统，其中第三多个磁体包括永磁体的同心环。8.根据权利要求1所述的系统，其中第三多个磁体包括线性永磁体。9.根据权利要求1所述的系统，其中等离子体源腔的内径大于45cm。10.根据权利要求1所述的系统，其中支撑结构被配置成将工件布置成与第三多个磁体的距离介于0.1OD和0.33D之间，其中D是等离子体源腔的内径，而且其中支撑结构被配置成将偏压施加至工件以使得离子从等离子体向工件加速。11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括处于第三多个磁体和支撑结构之间的多个栅格，其中多个栅格被配置成从等离子体抽取包含离子的离子束并使得离子束通过多个栅格向工件加速。12.根据权利要求11所述的系统，其中第三多个磁体和多个栅格之间的距离介于0.1OD和0.33D之间，而且其中D是等离子体源腔的内径。13.根据权利要求11所述的系统，其中多个栅格被配置成在离子束穿过多个栅格时使得离子束聚集。14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括处于等离子体的中心与支撑结构之间的吸收器，吸收器被配置成吸收从等离子体流向吸收器的离子的一部分，其中吸收器包括具有第一离子透明度的第一区域以及具有第二离子透明度的第二区域，第二离子透明度不同于第一离子透明度。15.根据权利要求14所述的系统，其中第一区域与吸收器的中心相距第一距离，第二区域与吸收器的中心相距第二距离，而且第一距离短于第二距离。16.根据权利要求14所述的系统，其中吸收器被布置在等离子体的中心与第三多个磁体之间。17.根据权利要求14所述的系统，其中吸收器包括多个开口和离子吸收材料图案，而且其中多个开口占据的总面积与离子吸收材料图案占据的总面积之比大于2:1。18.根据权利要求1所述的系统，其中等离子体源腔的直径大于工件的直径。19.一种用于利用基于等离子体的实现系统对工件进行材料改性的方法，基于等离子体的实现系统包括耦接至处理腔的等离子体源腔、以及布置在工艺腔内的支撑结构，等离子体源腔包括端壁、至少一个侧壁、第一多个磁体、第二多个磁体以及第三多个磁体；端壁处于等离子体源腔的第一端，至少一个侧壁定义了等离子体源腔的第一端与第二端之间的腔体内部，第一多个磁体布置在端壁上，第二多个磁体布置在至少一个侧壁上并围绕腔体内部，第三多个磁体延伸穿过腔体内部，其中端壁、至少一个侧壁和第三多个磁体定义了腔体内部内的等离子体产生区域，所述方法包括: 将工件布置在支撑结构上； 在等离子体源腔的等离子体产生区域中产生工艺气体的等离子体，等离子体包括离子、中性物质和电子，而且其中第一多个磁体、第二多个磁体和第三多个磁体限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子；以及 使得等离子体的离子朝着工件加速以利用离子对工件进行处理。20.根据权利要求19所述的方法，其中工件接收介于lE14cm_2和lE17cm_2之间的离子剂量，而且其中在接收离子剂量的同时沉积在工件表面上或从工件表面刻蚀掉的材料厚度小于2nm021.根据权利要求19所述的方法，其中等离子体是在低于0.1Pa的压力下产生的，而且其中在处理工件的同时在低于0.1Pa的压力下保持等离子体。22.根据权利要求19所述的方法，其中等离子体源腔的内径大于45cm。23.根据权利要求19所述的方法，其中基于等离子体的实现系统还包括处于等离子体的中心和工件之间的吸收器，其中吸收器包括具有第一离子透明度的第一区域以具有第二离子透明度的第二区域，第二离子透明度不同于第一离子透明度，而且其中吸收器吸收从等离子体流向吸收器的离子的一小部分。24.根据权利要求23所述的方法，其中第一区域与吸收器的中心相距第一距离，第二区域与吸收器的中心相距第二距离，而且第一距离短于第二距离。25.根据权利要求23所述的方法，其中离开吸收器的离子的电流密度分布不同于从等离子体流向吸收器的离子的电流密度分布。26.根据权利要求23所述的方法，其中离开吸收器的离子的电流密度分壁布比从等离子体流向吸收器的离子的电流密度分布更均匀。27.根据权利要求23所述的方法，进一步包括将一个或多个偏置电势施加在吸收器上。28.根据权利要求27所述的方法，其中吸收器的两个或更多区域被单独地偏置在不同电势下。29.根据权利要求23所述的方法，其中来自等离子体源腔的等离子体围绕吸收器，而且其中从等离子体流向吸收器的离子的平均能量大致等于离开吸收器的离子的平均能量。30.根据权利要求19所述的方法，其中通过利用偏置电源将偏压施加至工件，使得等离子体的离子朝着工件加速。31.根据权利要求30所述的方法，其中工件在支撑结构上被布置成与第三多个磁体相距0.1OD至0.33D，其中D是等离子体源腔的内径。32.根据权利要求19所述的方法，其中基于等离子体的实现系统还包括处于第三多个磁体与支撑结构之间的多个栅格，而且其中通过将偏压施加至多个栅格中的至少一个栅格使得等离子体的离子朝着工件加速。33.根据权利要求32所述的方法，其中多个栅格被布置成与第三多个磁体相距0.1OD至0.33D，其中D是等离子体源腔的内径。34.根据权利要求19所述的方法，其中等离子体源腔的直径大于工件的直径。
【专利摘要】一种用于工件的材料改性的基于等离子体的材料改性系统可包括耦接至工艺腔的等离子体源腔。被配置成支撑工件的支撑结构可布置在工艺腔内。等离子体源腔可包第一多个磁体、第二多个磁体和第三多个磁体，第三多个磁体围绕等离子体源腔内的等离子体产生区域。等离子体源腔可被配置成在等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体。第三多个磁体可被配置成限制等离子体产生区域内能量大于10eV的等离子体的大多数电子同时允许来自等离子体的离子穿过第三多个磁体而进入处理腔以用于工件的材料改性。
【IPC分类】H01J37/32
【公开号】CN104900470
【申请号】CN201510006559
【发明人】W·德维尔吉欧, S·萨瓦斯, S·费尔奇, 盛天予, 陈皞
【申请人】汉辰科技股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年1月7日
【公告号】US20150255242
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及材料改性，具体涉及一种采用具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性。
【背景技术】
[0002]基于离子的材料改性用于半导体制造的一种重要工艺。例如，基于离子的材料改性可被用来非晶化结晶材料、合金，使材料的多个层稠密或混合，辅助材料的去除，或者向材料引入掺杂物。在基于离子的材料改性期间，离子被加速以轰击工件表面(例如，半导体衬底)。离子可以是正离子或负离子，包括相对于工件表面在化学上活跃或惰性的物质或元素。因此，离子可改变工件表面的物理、化学或电特性。
[0003]当前，基于离子的材料改性主要采用束线离子注入系统执行。在束线离子注入系统中，离子束由离子源导出并在朝着工件加速之前通过磁分析器按照质量、电荷和电能进行过滤。然而，如刘维定理所述，离子束的传递效率随着离子能量的减小而下降。因此，对于低能量处理，束线离子注入系统承受低束流，因此要求较长的处理时间来实现期望的剂量。而且，离子束的截面显著地小于工件面积，其中在任意给定时刻仅仅可以处理工件表面的一部分。因此，离子束或衬底必须被扫描以均匀地处理工件的整个表面。结果，束线离子注入系统存在针对高剂量的低吞吐量、低能量注入工艺的不足。
[0004]基于等离子体的材料改性系统是束线离子注入系统的替代方案。图1描绘了示例性基于等离子体的材料改性系统100。基于等离子体的材料改性系统100包括与处理腔104耦接的等离子体源腔102。等离子体源腔102中产生包含离子、不带电物质和电子的等离子体106。工件118被支撑结构116支撑在处理腔104中。在该示例中，基于等离子体的材料改性系统100具有布置在等离子体106和工件118之间的一个或多个偏置栅格120以从等离子体106提取离子束112并使得离子束112向工件118加速。然而，在其它示例中，基于等离子体的材料改性系统100可以不包括栅格120。相反，工件118可在电势下偏置并通过支撑结构116沉入等离子体106中。因此，离子从等离子体106经由等离子体106和工件118之间形成的等离子壳层向工件118加速。在一些情况下，工件118可由来自等离子体106的离子和中性物质处理。当前，大部分传统的基于等离子体的材料改性系统不具有栅格。
[0005]不同于束线离子注入系统，基于等离子体的材料改性系统不采用磁分析器来按照质量或能量来过滤离子。相反，工件由直接来自很近的等离子体的离子处理。因此，基于等离子体的材料改性系统可在比束线离子注入系统显著更高的离子流下处理工件。此外，基于等离子体的材料改性系统的等离子体源可具有比工件面积大的截面面积。这就使得工件的大部分或整个表面能够被同时处理，而无需扫描工件。因此，基于等离子体的材料改性系统针对高剂量、低流的处理提供了显著更高的生产能力。
[0006]然而，传统的基于等离子体的材料改性系统存在较差的系统可靠性和工艺控制。由于等离子体靠近处理腔，来自等离子体的中性物质流入处理腔，并碰到工件。中性物质产生了诸如处理腔的壁上的以及工件表面上的刻蚀、氧化和膜沉积之类的不期望的寄生效果。在传统基于等离子体的材料改性系统中，这种寄生效果是严重的而且会导致频繁的工艺偏移以及低产率。
【发明内容】
[0007]在一个示例性实施例中，一种用于利用离子处理工件的基于等离子体的材料改性系统包括耦接至等离子体源腔的处理腔。配置成支撑工件的支撑结构布置在工艺腔内。等离子体源腔包括布置在等离子体源腔的第一端的端壁、以及至少一个侧壁，至少一个侧壁定义了等离子体源腔的第一端与第二端之间的腔体内部，第二端与第一端相对。等离子体源腔还包括布置在端壁上的第一多个磁体、布置在至少一个侧壁上并围绕腔体内部的第二多个磁体、以及延伸穿过腔体内部的第三多个磁体。端壁、至少一个侧壁、和第三多个磁体定义了腔体内部内的等离子体产生区域。等离子体源腔被配置成在等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体。第三多个磁体被配置成限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子同时允许来自等离子体的离子穿过第三多个磁体而进入处理腔以用于工件的材料改性。
【附图说明】
[0008]图1图示出示例性基于等离子体的材料改性系统。
[0009]图2图示出示例性包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统的截面图。
[0010]图3图示出示例性等离子体源腔的截面图。
[0011]图4A和图4B分别图不出不例性等尚子体源腔的透视图和截面透视图。
[0012]图5A和图5B分别图不出不例性等尚子体源腔的透视图和截面透视图。
[0013]图6图示出基于等离子体的材料改性系统的示例性吸收器。
[0014]图7A图示出示流经例性没有吸收器的基于等离子体的材料改性系统的漂移区的离子在各种操作压力下的电流密度分布。
[0015]图7B图示出离开示例性基于等离子体的材料改性系统的漂移区中的吸收器的离子在各种操作压力下的电流密度分布。
[0016]图8图示出采用包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统的基于等离子体的材料改性的示例性处理。
【具体实施方式】
[0017]下述说明被呈现一使得本领域普通技术人员能够实现并使用各种实施例。具体系统、装置、方法和应用的描述被提供仅仅作为示例。对在此描述的示例的各种修改是本领域技术人员容易想到的，而且在此限定的总原理可应用至其它示例和应用而不脱离各种实施例的精神和范围。因此，各种实施例并非旨在限制成此处描述的示例，而是遵循与权利要求一直的范围。
[0018]在下文所述的示例性基于等离子体的材料改性系统中，等离子体源腔被耦接至工艺腔。配置成支撑工件的支撑结构处于工艺腔内。等离子体源腔被配置成在等离子体源腔的等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体。等离子体源腔包括磁体，磁体围绕等离子体产生区域并且将等离子体的电子限制在等离子体产生区域内。例如，磁体可限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子。通过限制高能电子，磁体使得等离子体能够被稳定地产生并且保持在0.1Pa以下的压力下。期望更低的操作压力来降低中性物质相对于离子在等离子体源腔和工艺腔内的聚集。中性物质的更少的聚集导致了工件表面上的更少的寄生刻蚀、氧化、和膜沉积，因此导致较好的工艺控制、更少的装置损耗和更高的装置产率。此外，中性物质的更少的聚集导致了等离子体源腔和工艺腔的壁上的更少的膜沉积，这就降低了微粒污染并增大了工艺可重复性。由此，下文描述的基于等离子体的材料改性系统和处理可被用于半导体制造以实现更低的制造成本和更高的装置产率。
[0019]1、包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统。
[0020]图2描绘了包含具有磁约束的等离子体源的示例性基于等离子体的材料改性系统200。如图2所示，基于等离子体的材料改性系统200包括耦接至处理腔204的等离子体源腔202。等离子体源腔202被配置成在等离子体产生区域232内产生包含离子的等离子体220。支撑结构208被布置在处理腔204内并被配置成支撑工件206。一系列可选的栅格224被布置在等离子体源腔202和支撑结构208之间以从等离子体220提取离子束234并使得离子束234朝着工件206加速，从而造成工件206的材料改性。
[0021]在当前实施例中，等离子体源腔202包括处于等离子体源腔202的一端217的端壁216、以及定义了端壁216与等离子体源腔202的相对端之间的等离子体源腔202的内部的至少一个侧壁218。在该示例中，侧壁218是圆柱形的而且具有圆形截面。然而，在其它情况下，侧壁218可具有矩形截面。
[0022]如图2所示，等离子体源腔202具有内径236。内径236定义了等离子体源腔202的截面面积，因此至少部分地确定了等离子体220的截面面积以及离子束234的截面面积。由于离子向侧壁218的漂移或扩散损失，入射至栅格234的离子的电流密度可在外部区域处相当地低，该外部区域与离子束234的中心轴远离而相对于与离子束234的中心轴更靠近的中心区域更靠近腔壁。因此，期望仅仅利用与离子束234的中心轴更接近的离子束234的中心区域(此处电流密度更均匀)来注入工件206的整体区域。在当前示例中，等离子体源腔202的内径236大于工件206的直径。此外，栅格224的抽取面积大于工件206的面积。因此，离子束234被产生具有比工件206的面积大的截面面积。在一个示例中，内径236可大于45cm。在另一示例中，内径236可介于45和60cm之间。在具体示例中，内径236可以壁工件206的直径大50 %至100 %。
[0023]等离子体源腔202包括布置在端壁216上的第一组磁体210、布置在侧壁218上的第二组磁体212、以及延伸穿过腔202的内部的第三组磁体214。第三组磁体214中的每个磁体可被装在保护管中。端壁216、侧壁218和第三组磁体214定义了等离子体源腔202内部中的等离子体产生区域232。在该示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214被配置成将等离子体220的高能电子限制在等离子体产生区域232中。高能电子可被定义为能量大于1eV的电子。具体地，第三组磁体214被配置成限制等离子体产生区域232内能量大于1eV的等离子体220的大多数电子同时允许来自等离子体220的离子穿过第三组磁体214而进入处理腔204以用于工件206的材料改性。
[0024]如图2所示，基于等离子体的材料改性系统200可以可选地包括布置在第三组磁体214和支撑结构208之间的一系列栅格224。栅格224中的一个或多个栅格可耦接至一个或多个偏置电源248以便将偏压施加至栅格224。例如，偏置电源248可以是DC电源、脉冲式DC电源、RF电源或其组合。在该示例中，栅格224被配置成从等离子体220抽取离子束234并使得离子束234朝着工件206加速至期望能量水平。此外，栅格224可被配置成聚集离子束234并因此校准离子束234。应该理解的是，栅格224可被配置成从等离子体220抽取多个离子射束，离子束234因此可包括多个离子射束。
[0025]栅格224与第三组磁体214之间的距离影响了离子束234上的电流密度均匀性，因此影响了利用离子处理工件206的均匀性。将栅格224布置得太靠近第三组磁体214，将由于第三组磁体214的显著的离子遮蔽效应而导致离子束234上的较差的电流密度均匀性。然而，将栅格224布置得太远离第三组磁体214，则由于朝着腔壁的离子漂移或扩散损失随着离子在漂移区226上行进的距离增大而变得更明显，从而也将导致离子束234上的较差的电流密度均匀性。在当前示例中，栅格224被布置成与第三组磁体214相距一个优化距离228，从而最小化第三组磁体214的离子阴影和朝向腔壁的离子漂移或扩散损失的净效果。在一个示例中，距离228介于0.1OD和0.33D之间，其中D是等离子体源腔202的内径236。在另一示例中，距离228介于0.2D和0.3D之间。在又一示例中，距离228介于6cm和18cm之间。
[0026]如图2所示，基于等离子体的材料改性系统200可以可选地包括吸收器250，用于调节离子束234的电流密度分布。吸收器250被配置成吸收从等离子体220流向吸收器250的一小部分离子同时允许未被吸收的离子通过以接近支撑结构208。具体地，吸收器250被配置成使得吸收器250的离子透明度在吸收器250上变化。离子透明度被定义为入射至吸收器250的离子中允许通过吸收器250的离子的百分比。因此，与吸收 器250中具有更低离子透明度的区域相比而言，吸收器250中具有更高离子透明度的区域允许更大百分比的离子通过。吸收器250可被配置成包含具有更低离子透明度的区域以及具有更高离子透明度的区域。在当前示例中，具有更低离子透明度的区域可处于漂移区226中具有更高电流密度的区域中，同时具有更高离子透明度的区域可可处于漂移区226中具有更低电流密度的区域中。因此，吸收器250可被配置成使得离开吸收器250的离子的电流密度分布比从等离子体220流向吸收器250的离子的电流密度分布更均匀。在一个示例中，吸收器250被配置成具有从吸收器250的中心向外部边缘增大的离子透明度。
[0027]在一些示例中，吸收器250可大致平行于端壁216并与侧壁218同心。在该示例中，等离子体220的截面中心可与等离子体源腔202的中心轴对齐。在另一示例中，吸收器250的中心可大致与等离子体220的截面中心以及工件206的中心对齐。在该示例中，吸收器250的直径可小于或等于等离子体源腔202的内径236。例如，吸收器250的直径可介于0.3D和1.0D之间，其中D是等离子体源腔202的内径236。在一个示例中，吸收器250的直径可介于0.5D和0.8D之间，其中D是等离子体源腔202的内径236。
[0028]吸收器250可处于等离子体220的中心与支撑结构208之间。在其中基于等离子体的材料改性系统200包括栅格224的情况下，吸收器250可要么处于等离子体220的中心与第三组磁体214之间，要么处于第三组磁体214和栅格224之间。在其它情况下，其中基于等离子体的材料改性系统200不具有栅格224，吸收器250可要么处于等离子体220的中心与第三组磁体214之间，要么处于第三组磁体214和支撑结构208之间。在一些情况下，吸收器250可布置成与支撑结构208相距不小于5cm。应该理解的是，在一些示例中，基于等离子体的材料改性系统200可具有多于一个吸收器。
[0029]在一个示例中，吸收器250可耦接至接地电势或偏压源(未示出)。偏压源可以是例如DC、脉冲DC或RF电源。偏压源可用于将偏置电势施加至吸收器250从而使得离子吸引至吸收器250或者使得离子被排斥而远离吸收器250。在另一示例中，吸收器250可被配置成具有悬浮电势。例如，吸收器250可与任意电源或能量槽电隔离，因此吸收器250的电势决定性地取决于来自等离子体220的充电。在一些情况下，吸收器250可包括两个或更多区域，而且该两个或更多区域可被配置成被独立偏置。独立地偏置吸收器250的多个区域在实现离开吸收器250的离子的更均匀的电流密度分布方面可能是有利的。
[0030]处理腔204中的支撑结构208被配置成将工件206布置在针对材料改性的离子束234的路径中。工件206可以是制造IC芯片和太阳能电池时使用的半导体衬底(例如，硅晶圆)。在其它情况下，工件206可以是用于制造平板显示器或薄膜太阳能电池的具有薄膜半导体层的玻璃基片。支撑结构208被配置成将工件206布置成与栅格224相距距离242。将工件206布置得太靠近栅格224，由于栅格224的离子阴影效应，可导致离子束234的较差的电流密度均匀性。将工件206布置得太远离栅格224，由于离子会聚或分散损失的影响，也可导致离子束234的较差的电流密度均匀性。在一个示例中，距离242介于1cm和10cm之间。在另一示例中，距离242介于30cm和40cm之间。
[0031]在一些实施例中，支撑结构208可被配置成使得工件206旋转。在基于等离子体的材料改性期间使得工件206旋转，可有利于改进利用离子处理工件206的均匀性。此外，支撑结构208可被配置成使得工件206倾斜以控制离子束234相对于工件206的垂线的入射角度。应该理解的是，支撑结构208可被配置成使得工件206旋转同时使得工件206倾斜一个给定角度。
[0032]虽然在该示例中，基于等离子体的材料改性系统200被示出为具有可选的栅格224，在其它情况下，基于等离子体的材料改性系统200可不包括栅格224。在这样的情况下，支撑结构208可被配置成将偏压施加在工件206上。例如，支撑结构可耦接至偏置电源254以便将偏压施加至工件206。对工件206进行偏置的功能用于使得离子从等离子体220向工件206加速，从而利用离子处理工件206。此外，支撑结构208可被配置成将工件206布置在与第三组磁体214相距优化距离，从而最小化第三组磁体214的离子阴影效应以及针对腔壁的离子损失。在一个示例中，支撑结构208可被配置成将工件206布置成与第三组磁体214相距一个介于0.1OD至0.33D的距离，其中D是等离子体源腔202的内径236。在另一示例中，支撑结构208可被配置成将工件206布置成与第三组磁体214相距一个介于0.2?至0.30D的距离。
[0033]如上所述，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214被配置成将等离子体220的高能电子限制在等离子体产生区域232内。限制等离子体220的高能电子是有利的，这是因为这导致了更高的电离速度，因此导致了基于等离子体的材料改性系统200的更低操作压力。在更低操作压力下，由于与背景气体的碰撞，离子束234存在较少的角散射，这就导致离子束234具有更紧密的入射角分布。此外，在更低操作压力下，电子温度更大，使得等离子体220中的电离速度更快，这就降低了中性物质相对于离子的集中度。中性物质的更低集中度总体上导致了等离子体源腔202和处理腔204的壁上的更少的膜沉积，因此导致了更高的气体效率。由于从腔壁剥落的膜沉积导致的微粒污染也减少，这改进了系统可靠性、针对制造的系统可用性以及器件产率。而且，中性物质的更低集中度降低了工件206上的寄生刻蚀、氧化和沉积，因此导致更少的装置损耗和更高器件产率。
[0034]在当前示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214被配置成使得基于等离子体的材料改性系统200能够操作在低于0.1Pa的压力下。具体地，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214可被配置成使得等离子体220能够被稳定地产生并保持在低于0.1Pa的压力下。在另一示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214可被配置成使得等离子体220能够被稳定地产生并保持在低于0.02Pa的压力下。在又一示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214被配置成使得等离子体220能够被稳定地产生并保持在低于0.1Pa的压力下而无需使用附加的气体(例如，氢气、氩气、氙气)来协助保持等离子体。传统的基于等离子体的材料改性系统通常操作在大约IPa的压力下。在低于0.1Pa的压力下，传统的基于等离子体的材料改性系统可能不能够产生并保持稳定的等离子体，因此不能稳定地执行材料改性。“稳定的等离子体”或“稳定地产生并保持的等离子体”被定义为其中在材料改性处理期间平均电流密度的改变不超过±5% (在一些情况下，不超过±3%)的等离子体。此外，“稳定的等离子体”或“稳定地产生并保持的等离子体”中原子或分子的质量大于20AMU的离子的集中度不会变化超过10%。
[0035]图3描绘了示例性等离子体源腔202的截面图。如图3所示，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214以交替的极性布置以产生围绕等离子体产生区域232的多会切磁场(如磁场线302所示)。多会切磁场通过从端壁216、侧壁218和第三组磁体214排斥高能电子，将等离子体220大多数高能电子限制在等离子体产生区域232内。更具体地，多会切磁场用于从端壁216、侧壁218和第三组磁体反射等离子体220的高能电子，从而使得大多数高能电子能够在最终损耗至端壁216或侧壁218之前，至少多次穿越等离子体产生区域232的长度和/或直径。通过增大高能电子在等离子体产生区域232内行进的路径长度，使得原子或分子电离的可能性增大。因此，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体实现了与不具有磁约束或仅仅具有部分磁约束的传统的等离子体源所产生的等离子体相比的等离子体220中的更高电离速度。
[0036]虽然图3描绘了第二组磁体212和第三组磁体214之间的磁场线310，应该理解的是，磁场线310表示的磁场可仅仅施加在限定位置中，在限定位置中，第二组磁体212中的与第三组磁体214相邻的磁体大致平行于第三组磁体214中的与第二组磁体212相邻的线性磁体。在其它位置，第二组磁体212和第三组磁体214之间的磁场线的几何形状可更复杂以及可以是三维的。因此，总体上，靠近端壁216和侧壁218的磁场可以是线会切，同时第二组磁体212和第三组磁体214之间的磁场可具有更复杂的几何形状。
[0037]第一组磁体210和第二组磁体212产生的磁场的强度影响了等离子体源腔202的操作和可靠性，因此影响了基于等离子体的材料改性系统200的所有者的生产力和成本。端壁216或侧壁218的内表面处的太高的磁场强度(例如，大于IkG)可导致入射至尖端区域304 (即，直接处于磁极面前面的区域)处的端壁216或侧壁218的内表面的等离子体220的过度的功率密度。这可导致端壁216和侧壁218的内表面上的不均匀的膜沉积，这可使得膜沉积剥离并污染工件206。此外，等离子体220的过度的功率密度可使得来自端壁216和侧壁218的材料溅射出去，这也可能污染工件206。因此，在当前示例中，第一组磁体210和第二组磁体212未被配置成在端壁216和侧壁218的内表面产生大于IkG的磁场强度。应该理解的是，诸如钐钴、钕铁或铁镍硼之类的磁体可能是不期望的，因为这种磁体更有可能在端壁216和侧壁218的内表面产生大于IkG的磁场强度。在一个示例中，第一组磁体210和第二组磁体212被配置成使得端壁216和侧壁218的内表面处的磁场强度介于0.1kG和IkG之间。在另一示例中，第一组磁体210和第二组磁体212被配置成使得端壁216和侧壁218的内表面处的磁场强度介于0.3kG和0.7kG之间。在具体示例中，第一组磁体210和第二组磁体212包括陶瓷永磁体(例如，铁磁体)并且被配置成使得端壁216和侧壁218的内表面处的磁场强度介于0.1kG和IkG之间。
[0038]如图3所示，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214中的每个磁体具有宽度306。在一个示例中，宽度306介于2mm和15mm之间。在另一示例中，宽度306可介于4_和8_之间。第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214的磁体可以间隔308均匀隔开。在一个示例中，相邻磁体之间的间隔308介于2cm和15cm之间。在另一示例中，间隔308介于4cm和8cm之间。
[0039]第三组磁体214可具有与第一组磁体210和第二组磁体212的磁场强度相似的磁场强度。例如，第三组磁体214可被配置成使得第三组磁体214的保护管的外表面处的磁场强度介于0.2kG和2kG之间。第三组磁体214的磁场强度可至少部分地取决于第三组磁体214的宽度和间隔。在一些情况下，第三组磁体214可具有更小的宽度(例如，2至6_)和更大的间隔(例如，7至15cm)以减小第三组磁体214导致的离子阴影。在这样的情况下，第三组磁体214可具有比第一组磁体210和第二组磁体212的磁场强度大的磁场强度。在一个示例中，第三组磁体214可被配置成具有介于4和6mm之间的宽度、介于7和15cm之间的间隔，并且被配置成使得第三组磁体214的保护管的外表面处的磁场强度介于IkG和2kG之间。
[0040]虽然在当前示例中，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214可包括永磁体，应该理解的是，在其它情况下，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214中的任意一个或全部可包括 被配置成产生与以上结合图3描述的多会切磁场类似的多会切磁场的电磁体。电磁体可包铁磁结构，其使得电磁体具有与图3的第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214的有效极面类似的有效极面。在一个示例中，第一组磁体210和第二组磁体212可包括电磁体，其被配置成在端壁216和侧壁218的内表面处产生介于0.1kG和IkG之间的磁场强度。第三组磁体214可包括电磁体，其被配置成在第三组磁体214的保护管的外表面处产生介于0.2kG和3kG之间的磁场强度。
[0041]图4A和图4B分别描绘了等离子体源腔202的透视图和截面透视图。在当前实施例中，如图4A和4B所示，第一组磁体210和第二组磁体212具有圆形结构，同时第三组磁体214具有线性结构。参见图4A，第一组磁体210包括沿端壁216分布的永磁体同心环。第二组磁体212包括围绕侧壁218的外周延伸的多列永磁体。参见图4B，第三组磁体214包括线性磁体，其在等离子体源腔202的内部延伸的并且基本均匀地分布在等离子体源腔202的内部截面面积上。第三组磁体214的线性磁体可对齐至与端壁216大致平行的平面。此外，第三组磁体214的线性磁体可能或者可能不对齐至第一组磁体210和第二组磁体212的磁体。如上所述，第三组磁体214的每个磁体可装在保护管中以防止由于等离子体220的直接暴露导致的损害。此外，等离子体源腔202可被配置成使得冷却液(例如，水、甘醇等)流通每个磁体和相应保护管的内表面之间的内部通道，以保持第三组磁体214冷却。
[0042]在当前示例中，如以上参考图3所述，第三组磁体214的线性磁体被配置成具有交替极性，由此每个线性磁体的极面场方向大致垂直于端壁216。然而，在其它示例中，第三组磁体214的线性磁体可被配置成具有交替极性，由此每个线性磁体的极面场方向大致平行于端壁216。
[0043]虽然在当前示例中，第一组磁体210和第二组磁体212每个都具有圆形结构，同时第三组磁体214具有线性结构，应该理解的是，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214可具有替换结构。例如，在一些情况下第一组磁体210和/或第二组磁体212可具有线性结构。此外，第三组磁体214可具有圆形结构。
[0044]图5A和5B描绘了具有第一组磁体、第二组磁体和第三组磁体的替换结构的等离子体源腔500的透视图和截面透视图。如图5A和5B所示，第一组磁体502和第二组磁体504具有线性结构，同时第三组磁体506具有圆形结构。参考图5A，第一组磁体502和第二组磁体504包括线性磁体，其以交替极性布置并且分别沿端壁508和侧壁510分布。第二组磁体504的线性磁体可布置成平行于等离子体源腔500的长度512。参考图5B，第三组磁体506包括以交替极性布置的永磁体同心环。类似于图3的第三组磁体214，第三组磁体506的每个磁体的极面场方向可平行于或垂直于端壁216。此外，第一组磁体502和第二组磁体504可被配置成使得端壁和侧壁的内表面处的磁场强度类似于或等同于如以上参考图3所述的第一组磁体210和第二组磁体212的磁场强度。第三组磁体506可被配置成使得容纳第三组磁体506的保护管的外表面处的磁场强度类似于或等同于如以上参考图3所述的第三组磁体214的磁场强度。
[0045]图6描绘了示例性吸收器250的正视图，示例性吸收器250可用于图2的基于等离子体的材料改性系统200以调节离子束234的电流密度分布。如图6所示，吸收器250包括离子吸收材料图案。开口 606布置在离子吸收材料之间。离子吸收材料可以是导电材料，例如金属。在一些情况下，吸收器250可包括外涂层(例如，半导体材料)以防止杂质溅射出去并污染工件206。
[0046]在当前示例中，离子吸收材料的图案包括附接至线性杆604的同心环602图案。线性杆604相对于吸收器250的中心对称布置。线性杆604中的两个形成了吸收器250的中心环中的交叉图案。同心环602和线性杆604被配置成吸收入射至同心环602和线性杆604的离子，同时允许离子通过同心环602和线性杆之间的开口 606。应该理解的是，吸收器250可包括更少或者附加的同心环602或线性杆604以增大或减小离子透明度。
[0047]如图6所示，相邻环602之间的间隔以及因此开口 606的尺寸随着与吸收器250的中心相距的距离而增大。由此，吸收器250的离子透明度从吸收器250的中心至吸收器250的边缘增大，其中与吸收器250的中心更近的区域比与吸收器250的中心更远的区域具有更低离子透明度。参考图2，吸收器250可用于补偿从等离子体220流出的离子的电流密度分布的非均匀性。由于至腔壁的离子损失，从等离子体220流出的离子在更接近等离子体源腔202的中心轴的中心区域处，比在更远离等离子体源腔202的中心轴并更接近腔壁的外部区域处，可具有更高电流密度。因此，吸收器250可用来相对于外部区域降低中心区域处的电流密度，以实现更均匀的电流密度分布。因此，相对于从等离子体220流向吸收器250的离子的电流密度分布，离开吸收器250的离子的电流密度分布可更均匀。
[0048]图7A图示出离子在各种操作压力下流经不具有吸收器的示例性基于等离子体的材料改性系统的漂移区的电流密度分布702。图7B图示出离子在各种操作压力下离开示例性基于等离子体的材料改性系统的漂移区中的吸收器的电流密度分布704。当不使用吸收器时，电流密度分布702 (图7A)是不均匀的，其中漂移区截面中心处的离子的电流密度大于边缘处。然而，当使用吸收器时，电流密度分布704(图7B)更均匀，其中漂移区截面中心处的离开吸收器的离子的电流密度更可比于边缘处。由此，操作具有吸收器的基于等离子体的材料改性系统有利于实现处理工件的离子的更均匀的电流密度分布。
[0049]应该理解的是，吸收器250可具有其它结构用于以各种方式调节电流密度分布。总体上，吸收器250可被配置成使得吸收器250的一个区域的离子透明度不同于吸收器250的另一区域的离子透明度。区域的离子透明度至少部分地取决于区域中的开口所占的面积与区域中离子吸收材料图案所占的面积之间的比值。因此，吸收器250的具有更高比值的区域比吸收器250的具有更高低值的区域对于离子更透明。例如，吸收器250的区域的离子透明度可通过增大区域中开口 606的尺寸和密度而增大。
[0050]不同于栅格224，吸收器250中的开口占据的总面积与吸收器250中的离子吸收材料图案占据的总面积之间的比值大于2:1。使得比值小于2:1，将是不期望的，因为吸收器250会吸收从等离子体220流出的太大比例的离子，从而导致工件206处的低离子电流密度。在一个示例中，吸收器250的开口所占的总面积与离子吸收材料所占的总面积之比可介于2:1和20:1之间。在另一示例中，比值可介于5:1和15:1之间。
[0051]虽然结合基于等离子体的材料改性系统200描述了吸收器250，但是应该理解的是，吸收器250可被用于调节任意基于等离子体的材料改性系统的电流密度分布。例如，吸收器250可实现在不包含具有磁约束的等离子体源的传统的基于等离子体的材料改性系统中。
[0052]在当前示例中，返过来参考图2，栅格224包括一系列的五个栅格224。栅格224中的每个栅格被布置成平行于其它每个栅格。在该示例中，栅格224被布置成基本平行于端壁216。然而，在其它情况下，栅格224可相对于端壁216倾斜一个角度。栅格224可占据区域的处于等离子体源腔202和处理腔204之间的内部截面面积。在该示例中，栅格224具有的直径大致等于等离子体源腔202的内径236。然而，在其它情况下，栅格224具有的直径可不同于等离子体源腔202的内径236。例如，等离子体源腔202和处理腔204之间的区域可具有比等离子体源腔202的内部截面面积大的内部截面面积。在该示例中，栅格224的直径可大于内径236。在等离子体源腔202和处理腔204之间的区域具有更大的内部截面面积，可有利于减小朝向侧壁的离子损失，因此改进离开栅格224的离子束234的电流密度分布的均匀性。
[0053]栅格224的每个栅格包括孔阵列以允许离子通过。每个栅格的孔基本上对齐至其它每个栅格的孔。离子束234可因此以多个小直径离子束(即射束)的形式通过栅格224的这些对齐孔。在一些情况下，射束可在离开栅格224之后发散并且在碰到工件206之前会聚以形成单个均匀离子束。离开栅格224的离子束234的轮廓至少部分地取决于离开栅格224中的每个栅格的射束的轮廓。离开每个栅格的射束的轮廓至少部分地取决于每个栅格的孔的尺寸和对齐、每个栅格的间隔和厚度以及提供给每个栅格的偏置。应该理解的是，这些变量中的每个都可被调节来实现离子束234的期望轮廓。在当前示例中，每个栅格的孔可具有介于Imm和1mm之间的直径，相邻栅格224之间的间隔可介于2mm和1mm之间，而且每个栅格的厚度可介于Imm和1mm之间。
[0054]虽然在该示例中，栅格224包括五个栅格，但是应该理解的是，在其它示例中，栅格224可包括更多或更少的栅格以实现期望的离子束电流、能量和轮廓。例如，栅格224可包括介于2个至6个之间的栅格。在一些示例中，栅格224可包括3个或4个栅格。具有4个或5个栅格可比具有3个或更少栅格更有利，因为为聚集及调节离子束234的轮廓实现了更大的灵活性。
[0055]如前面结合图2所描述的那样，等离子体源腔202被配置成在等离子体产生区域232内产生具有离子的等离子体220。通过将工艺气体提供至等离子体源腔202中并从电源(例如，电源或AC电源)将能量(例如，电能或AC电能)引入等离子体源腔202，从而使得工艺气体电离并分离，可以产生等离子体220。工艺气体可包含一个或多个元件用于改变工件206的物理特性、化学特性或电特性。在该示例中，等离子体源腔202被耦接至气体源244以将工艺气体提供至等离子体源腔202中。电源246通过阻抗匹配网络(未示出)耦接至一个或多个天线230以便经由一个或多个天线230将LF、RF或VHF能量引入等离子体源腔202。引入的LF、RF或VHF能量激励了等离子体产生区域232中的电子，其继而使得工艺气体电离并分离，从而形成等离子体产生区域232中的等离子体220。天线230被布置在等离子体源腔202中并被配置成使得等离子体220能够被稳定地产生并被保持在0.1Pa以下的压力下，而无需使用附加的气体(例如，氢气、氩气等)。
[0056]虽然在该示例中，等离子体源腔202被配置成通过天线230提供LF、RF或VHF能量以形成等离子体220，应该理解的是，其它结构可用于将能量提供给等离子体源腔202。例如，代替天线230，感应线圈可布置成围绕等离子体源腔202的外部。在该示例中，电源246可耦接至感应线圈以提供能量(例如，电量或AC电量)至等离子体源腔202中。在另一示例中，等离子体源腔202可被配置成将UHF或微波能量提供至等离子体源腔202中以形成等离子体220。在又一示例中，等离子体源腔202可被配置成在等离子体产生区域232中产生高能热电子以形成等离子体220。例如，钨丝可在等离子体产生区域232中被加热以广生尚能热电子。
[0057]处理腔204可经由节流阀238耦接至高速真空泵240。例如，高速真空泵240可被配置成在至少每秒几百公升的速率用泵抽取。节流阀238和高速真空泵240可被配置成在等离子体源腔202和处理腔204中保持0.1Pa以下的操作压力(而且在一些情况下0.02Pa以下)。此外，基于等离子体的材料改性系统可包括布置在工艺腔中的一个或多个冷冻板。一个或多个冷冻板可用于捕获剩余气体或有机物蒸气以实现超低操作压力。在一个示例中，一个或多个 冷冻板可被配置成在等离子体源腔202和处理腔204中保持0.02Pa以下的压力。
[0058]此外，电子源252可耦接至处理腔204以在栅格224和工件206之间提供低能电子，由此中和离子束234的空间电荷。在一个示例中，电子源252是用于产生低能电子的等离子体源。在另一示例中，电子源252可以是电子流枪。中和离子束234的空间电荷被期望用来降低由于空间电荷效应而产生的离子束234的速度。此外，电子源252可用于防止工件206上过度集中的充电(例如，>10V)，这种过度集中的充电可能不期望地导致工件206上的器件的诸如阈值电压偏移或栅极电介质损伤之类的损伤，。
[0059]2、基于等离子体的材料改性处理
[0060]图8描绘了示例性基于等离子体的材料改性处理800。可采用包含具有磁约束的等离子体源的基于等离子体的材料改性系统来执行处理800。在当前示例中，参见图2，采用基于等离子体的材料改性系统200来执行处理800。然而，应该理解的是，处理800可利用其它基于等离子体的材料改性系统来执行。下面同时参考图2和图8来描述处理800。
[0061]处理800可在低压下执行，其中等离子体源腔202、漂移区226和处理腔204中的压力被调整成低于0.1Pa或低于0.02Pa。可通过节流阀238和高速真空泵240来调整压力。如上所述，期望低操作压力来实现更高系统可靠性、高级工艺控制和更高器件产率。
[0062]在处理800的块802，工件206被布置在支撑结构208上。在一个示例中，工件206可以是半导体衬底(例如，硅、锗、砷化镓等)，其中半导体器件至少部分地形成在其上。在另一示例中，工件206可以是其中薄膜半导体器件至少部分地形成在其上的玻璃基片。
[0063]在处理800的块804，在等离子体源腔202的等离子体产生区域232中产生等离子体220。等离子体220包含离子、中性物质和电子。在一个示例中，等离子体220的能量大于1eV的一部分电子可多于不具有磁约束或者仅仅具有部分磁约束的等离子体源所产生的等离子体的电子。通过将工艺气体从气体源244提供至等离子体源腔202中并将能量从电源引入等离子体源腔202以电离并分离工艺气体，可产生等离子体220。应该理解的是，多个工艺气体可被提供至等离子体源腔202中以产生等离子体220。
[0064]工艺气体可以是任意前驱气体，包含一个或多个元素用于改变工件206的物理特性、化学特性或电特性。例如，工艺气体可以是包含硼、磷或砷的气体(例如，三氢砷化、三氢化磷、乙硼烷、砷或磷蒸气、三氟化硼等)，以将电荷载流子(例如，空穴或电子)引入工件206。而且，工艺气体可包括诸如氦气之类的惰性气体或诸如氢气的附加气体。在一些示例中，工艺气体可包含诸如碳、氮气、稀有气体或卤素之类的元素用以改变工件206的表面的本征应力或其它机械或化学特性。这种工艺气体还可用于改变工件206上的器件结构的层表面处的功函数。在其它示例中，工艺气体可包含诸如硅、锗、铝和硫族元素、或镧系元素之类的元素用于改变工件206上的器件结构的层表面处的肖特基势皇高度。
[0065]通过经由天线230将能量(例如，电能或AC电能)从电源246 (例如，电源orAC电源)提供至等离子体源腔202中，可电离并分离工艺气体。在该示例中，经由天线230将LF,RF或VHF能量从电源236提供至等离子体源腔202中以在等离子体产生区域232中产生高能电子。高能电子使得工艺气体电离并分离以形成等离子体220。在一个示例中，电源246可经由天线230在介于10kHz和10MHz之间的频率下提供200W至1kW的RF能量，使得等离子体源腔202中的工艺气体电离并分离。应该理解的是，其它形式的能量也可被提供来使得工艺气体电离并分离。例如，如上所述，UHF或微波能量可被提供以取代LF、RF或VHF能量。在另一示例中，等离子体产生区域232中的加热薄膜可被用来使得工艺气体电离并分离。
[0066]在一个示例中，等离子体220可在0.1Pa以下的压力下在等离子体源腔202中产生。在另一示例中，等离子体220可在0.02Pa以下的压力下产生。在更低压力下产生等离子体220是有利的，因为这增大了等离子体220中的电子的的平均能量(即，电子温度)，这在能量范围内以指数方式增大了等离子体220中的每电子的电离率。更大的电离率导致了等离子体220中的离子的更高集中度以及中性物质的更低集中度。例如，相对于当在IPa的压力下产生等离子体220时，当在相同的能量密度下在低于0.1Pa的压力下产生等离子体220时，等离子体220中中性物质与离子之比可至少处于更低的幅度级。等离子体220中的中性物质的更低集中度有利于降低中性物质至工件206的流量。而且，更大的电离率使得处理800能够更有效，因为需要更少的工艺气体来产生离子束234以及处理工件206。
[0067]等离子体220是在等离子体源腔202的等离子体产生区域232中产生的，其中能量大于1eV的大多数电子被第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214限制。如以上结合图3所述，第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214产生围绕等离子体产生区域232的磁场。多会切磁场从端壁216、侧壁218和第三组磁体214排斥高能电子，从而增大在与端壁216和侧壁218相距距离超过5cm的等离子体产生区域232内产生等离子体220的效率。通过将高能电子限制在等离子体220中，等离子体220可被稳定地产生并被保持在0.1Pa或0.02Pa以下的压力下。没有第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214时，等离子体220可变得不稳定或者不可保持在0.1Pa以下的压力下，因此可能不适合用于针对批量生产执行材料改性。
[0068]可在截面面积显著地大于工件206的面积的等离子体源腔202中产生等离子体220。在一个示例中，等离子体源腔202的内径236可大于45cm。在另一示例中，内径236可比工件206的直径大50%至100%。如上所述，更大的内径236有利于实现仅仅利用来自电流密度分布更均匀的离子束234中心区域的离子处理工件206。
[0069]在处理800的块806，使得离子从等离子体220向工件206加速，以利用离子处理工件206。在一个示例中，可通过将一个或多个偏压提供至栅格224中的一个或多个栅格以使得离子从等离子体220向工件206加速来执行块806。一个或多个偏压可以是DC、脉冲DC,RF偏压、或其组合。在该示例中，基于等离子体的材料改性系统200包括布置在第三组磁体214和支撑结构208之间的栅格224。如上所述，栅格224被布置成与第三组磁体214相距最佳距离228，以实现更均匀的电流密度分布来处理工件206。在一个示例中，距离228介于0.1OD和0.33D之间，其中D是等离子体源腔202的内径236。在另一示例中，距离228介于0.2D和0.30D之间。在又一不例中，距离228介于6cm和18cm之间。
[0070]一个或多个偏压可利用一个或多个偏置电源248而施加至栅格224中的一个或多个栅格。偏置电源248可以是DC电源、脉冲DC电源或RF电源。将一个或多个偏压提供给栅格224中的一个或多个栅格，可从等离子体220提取离子束234并通过栅格224使得离子束234向工件206加速。此外，栅格224可聚集或校准离子束234。例如，离子束234可包括穿过栅格224的多个射束。将一个或多个偏压施加在栅格224上可聚集并校准离子束234的射束。
[0071]在当前示例中，栅格224包括5个栅格。方便起见，将按先后顺序称呼栅格，其中最靠近等离子体源腔202的栅格被称为“第一栅格”，最靠近处理腔204的栅格被称为“第五栅格”。在一个示例中，第一栅格可用作提取栅格并相对于等离子体源腔202的端壁216和侧壁218的电势偏置在大约±100V下。第二栅格可以是加速栅格，其被偏压至相对于第一栅格的高达_20kV的负提取电压，以从等离子体220提取离子束234。应该理解的是，施加至第二栅格的相对于第一栅格的提取电压必须大致遵循Child-Langmuir定律，其中所提取的电流密度是栅格之间的电势差以及栅格之间的距离的函数。第五栅格可偏压成大致接地，同时第四栅格可偏压在相对于第五栅格的负电压(例如，-200V至OV)下，以抑制电子倒退加速至等离子体源腔202中。施加至第三和第四栅格的偏压可被选择成实现离子束234的期望能量和轮廓。
[0072]应该理解的是，任意数量的栅格可被用来提取、加速和聚集离子束234。此外，应该理解的是，使用四个或更多栅格提供了更大的灵活性来实现离子束234的期望能量和分布。
[0073]在一些示例中，可利用没有栅格224的基于等离子体的材料改性系统200执行处理800。在这种示例中，可通过将偏压施加至工件206以使得离子从等离子体220向工件206加速来执行块806。偏压可经由支撑结构208利用偏置电源254施加至工件206。例如，偏置电源254可以是DC电源、脉冲DC电源或RF电源。将偏压施加至工件206，可使得离子从等离子体220向工件206加速。等离子壳层可形成在等离子体220和工件206之间，其中来自等离子体220的离子在等离子壳层上加速至工件206。而且，在低操作压力下，等离子壳层中存在较少的交换，因此到达工件206的离子的能量分布更紧密。
[0074]为了实现工件206上的离子的均匀处理，工件206可被支撑结构208布置成与第三组磁体214相距最佳距离。将工件206布置得太靠近第三组磁体214可由于来自第三组磁体214的离子阴影而导致工件206处的不均匀的离子电流密度。然而，将工件206布置得太远离栅格224也可由于对侧壁的离子损失而导致工件206处的不均匀的离子电流密度。在一个示例中，工件206可被支撑结构208布置成与第三组磁体214相距介于0.1OD和0.33D之间的距离，其中D是等离子体源腔202的内径236。在另一示例中，工件206可被支撑结构208布置成与第三组磁体214相距介于0.2D和0.3D之间的距离。
[0075]如上所述，等离子体220的高能电子被第一组磁体210、第二组磁体212和第三组磁体214限制，其导致更低操作压力，因此导致到达工件206的中性物质的更低集中度。到达工件206的中性物质的更低集中度导致工件206的表面上的更少的寄生刻蚀、氧化或沉积，因此导致更高的器件产率。在一个示例中，当在少于0.1Pa的操作压力下执行处理800时，对于介于IEHcnT2至lE17cm_2之间的离子剂量，工件206上的寄生沉积或刻蚀可少于2nm。在另一示例中，可利用处理800针对介于lE14cm_2至lE17cm _2之间的离子剂量实现小于I %的离子均匀性(来自平均数的一个Σ变化)。
[0076]在一些情况下，可利用具有吸收器250的基于等离子体的材料改性系统200执行处理800。在这样的情况下，吸收器250可与从等离子体220向支撑结构208流动的离子相互作用，并吸收一小部分离子。如上所述，吸收器250的一个区域可具有与吸收器250的另一区域不同的离子透明度。在当前示例中，吸收器250的离子透明度从吸收器250的中心向边缘增大。因此，离开吸收器250的离子的电流密度分布可不同于从等离子体220流向吸收器的离子的电流密度分布。具体地，相对于从等离子体220流向吸收器的离子的电流密度分布，离开吸收器250的离子可具有更均匀的电流密度分布。
[0077]吸收器250可布置在等离子体220的中心和支撑结构208之间。在其中基于等离子体的材料改性系统200包括栅格224的情况下，吸收器250可要么布置在等离子体220的 中心和第三组磁体214之间，要么布置在第三组磁体214和栅格224之间。在其中基于等离子体的材料改性系统200不具有栅格224的其它情况下，吸收器250可要么布置在等离子体220的中心和第三组磁体214，要么布置在第三组磁体214和支撑结构208之间。在一些情况下，吸收器250可布置成与支撑结构208相距不小于5cm。
[0078]不同于栅格224，吸收器250可被来自等离子体源腔202的等离子体围绕。在其中吸收器250布置在第三组磁体214和支撑结构208之间的，来自等离子体源腔202的等离子体占据漂移区226，因此吸收器250被来自等离子体源腔202的等离子体的离子和电子围绕。相反，当栅格224被偏置以提取、加速和聚集离子束234时，相邻栅格之间的区域是电子的裸露。
[0079]而且，处理800可包括利用偏压源将偏置电势施加在吸收器250上。在一个示例中，吸收器250可被偏置在不同于与吸收器250邻接的局部等离子体电势或局部悬浮电势的DC或RF电势下。在该示例中，吸收器250可被偏置在适当电势下以抽取离子。这增大了吸收器250吸收离子的速率，因此增大了通过吸收器250调节电流密度分布的程度。在另一个这样的示例中，吸收器250可被偏置在适当电势下以排斥离子。这可降低吸收器250吸收离子的速率，因此可降低通过吸收器250调节电流密度分布的程度。此外，离子撞击吸收器250的能量可降低，这可有利于防止杂质从吸收器250溅射出去并污染工件206。在又一示例中，吸收器250可具有与任意电源或能量槽电隔离的悬浮电势，因此被允许吸收相等电流的离子和电子。
[0080]在一些情况下，吸收器250可包括可独立偏置的多于一个区域。在这样的情况下，处理800可包括将一个或多个偏压施加至吸收器250的一个或多个区域。每个区域可被动态偏置以控制处理工件206的离子的电流密度的均匀性。应该理解的是，吸收器250可在处理800的任意时候偏置以实现期望的电流密度分布。
[0081]应该理解的是，将偏置施加至吸收器250，不会实质地改变通过吸收器250的离子的能量。这是由于围绕吸收器250两侧的等离子体的存在。因此，离开吸收器250的离子的平均能量大致等于从等离子体220流向吸收器250的离子的平均能量。这与其中离子被加速的栅格224相反，因此离子的能量随着离子通过栅格224而显著变化。
[0082]而且，应该理解的是，吸收器250可被用于各种其它基于等离子体的处理系统来改进处理工件的离子的电流密度分布均匀性。例如，吸收器250可用于传统的基于等离子体的材料改性系统、等离子体刻蚀机、溅射系统或等离子体增强化学气相沉积系统。由此，可利用具有吸收器的各种其它基于等离子体的处理系统按照与如上所述类似的方式执行处理800。
[0083]处理800可包倾斜和/或旋转工件206，其使用支撑结构208来改进工件206上的离子处理的均匀性。工件206的倾斜使得离子束234以相对于工件206的垂线的一个角度撞击工件206，同时旋转工件206改变了方位角以允许工件206上的3D结构的所有侧被离子处理。而且，处理800可包括利用电子源252将低能电子导引至栅格224和工件206之间以中和离子束234的空间电荷。中和离子束234的空间电荷被期望来降低空间电荷效应导致的离子束234的散布。
[0084]虽然以上提供了具体组件、结构、特征和功能，但是本领域技术人员应该理解的是，可以使用其它变型。此外，虽然特征可能看起来是结合特定实施例描述的，但是本领域技术人员应该理解的是，所述实施例的各种特征可被组合。而且，结合实施例描述的多个方面可独立。
[0085]虽然已经参考附图全面地描述了实施例，应该注意的是，各种变化和修改对于本领域技术人员是明显的。这种改变和修改应被理解为包含在所附权利要求定义的各种实施例的范围内。
【主权项】
1.一种基于等离子体的材料改性系统，用于利用离子处理工件，所述基于等离子体的材料改性系统包括: 工艺腔； 布置在工艺腔内的支撑结构，支撑结构被配置成支撑工件；以及 耦接至工艺腔的等离子体源腔，等离子体源腔包括: 端壁，布置在等离子体源腔的第一端； 至少一个侧壁，定义了等离子体源腔的第一端与第二端之间的腔体内部，第二端与第一端相对； 第一多个磁体，布置在端壁上； 第二多个磁体，布置在至少一个侧壁上并围绕腔体内部；以及 第三多个磁体，延伸穿过腔体内部，其中端壁、至少一个侧壁、和第三多个磁体定义了腔体内部内的等离子体产生区域，其中等离子体源腔被配置成在等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体，而且其中第三多个磁体被配置成限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子同时允许来自等离子体的离子穿过第三多个磁体而进入处理腔以用于工件的材料改性。2.根据权利要求1所述的系统，其中第一多个磁体、第二多个磁体和第三多个磁体被配置成产生围绕等离子体产生区域的多个多会切磁场，而且其中多个多会切磁场限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子。3.根据权利要求1所述的系统，其中第一多个磁体、第二多个磁体和第三多个磁体被配置成使得等离子体在低于0.1Pa的压力下保持在等离子体产生区域内。4.根据权利要求1所述的系统，其中端壁和侧壁的内表面处的磁场强度介于0.1kG和IkG之间。5.根据权利要求1所述的系统，其中第一多个磁体和第二多个磁体包括陶质永久磁铁。6.根据权利要求1所述的系统，其中第三多个磁体中的每个磁体的宽度介于3mm和15mm之间，而且第三多个磁体中的相邻磁体之间的间隔介于2cm和15cm之间。7.根据权利要求1所述的系统，其中第三多个磁体包括永磁体的同心环。8.根据权利要求1所述的系统，其中第三多个磁体包括线性永磁体。9.根据权利要求1所述的系统，其中等离子体源腔的内径大于45cm。10.根据权利要求1所述的系统，其中支撑结构被配置成将工件布置成与第三多个磁体的距离介于0.1OD和0.33D之间，其中D是等离子体源腔的内径，而且其中支撑结构被配置成将偏压施加至工件以使得离子从等离子体向工件加速。11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括处于第三多个磁体和支撑结构之间的多个栅格，其中多个栅格被配置成从等离子体抽取包含离子的离子束并使得离子束通过多个栅格向工件加速。12.根据权利要求11所述的系统，其中第三多个磁体和多个栅格之间的距离介于0.1OD和0.33D之间，而且其中D是等离子体源腔的内径。13.根据权利要求11所述的系统，其中多个栅格被配置成在离子束穿过多个栅格时使得离子束聚集。14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括处于等离子体的中心与支撑结构之间的吸收器，吸收器被配置成吸收从等离子体流向吸收器的离子的一部分，其中吸收器包括具有第一离子透明度的第一区域以及具有第二离子透明度的第二区域，第二离子透明度不同于第一离子透明度。15.根据权利要求14所述的系统，其中第一区域与吸收器的中心相距第一距离，第二区域与吸收器的中心相距第二距离，而且第一距离短于第二距离。16.根据权利要求14所述的系统，其中吸收器被布置在等离子体的中心与第三多个磁体之间。17.根据权利要求14所述的系统，其中吸收器包括多个开口和离子吸收材料图案，而且其中多个开口占据的总面积与离子吸收材料图案占据的总面积之比大于2:1。18.根据权利要求1所述的系统，其中等离子体源腔的直径大于工件的直径。19.一种用于利用基于等离子体的实现系统对工件进行材料改性的方法，基于等离子体的实现系统包括耦接至处理腔的等离子体源腔、以及布置在工艺腔内的支撑结构，等离子体源腔包括端壁、至少一个侧壁、第一多个磁体、第二多个磁体以及第三多个磁体；端壁处于等离子体源腔的第一端，至少一个侧壁定义了等离子体源腔的第一端与第二端之间的腔体内部，第一多个磁体布置在端壁上，第二多个磁体布置在至少一个侧壁上并围绕腔体内部，第三多个磁体延伸穿过腔体内部，其中端壁、至少一个侧壁和第三多个磁体定义了腔体内部内的等离子体产生区域，所述方法包括: 将工件布置在支撑结构上； 在等离子体源腔的等离子体产生区域中产生工艺气体的等离子体，等离子体包括离子、中性物质和电子，而且其中第一多个磁体、第二多个磁体和第三多个磁体限制等离子体产生区域内能量大于1eV的等离子体的大多数电子；以及 使得等离子体的离子朝着工件加速以利用离子对工件进行处理。20.根据权利要求19所述的方法，其中工件接收介于lE14cm_2和lE17cm_2之间的离子剂量，而且其中在接收离子剂量的同时沉积在工件表面上或从工件表面刻蚀掉的材料厚度小于2nm021.根据权利要求19所述的方法，其中等离子体是在低于0.1Pa的压力下产生的，而且其中在处理工件的同时在低于0.1Pa的压力下保持等离子体。22.根据权利要求19所述的方法，其中等离子体源腔的内径大于45cm。23.根据权利要求19所述的方法，其中基于等离子体的实现系统还包括处于等离子体的中心和工件之间的吸收器，其中吸收器包括具有第一离子透明度的第一区域以具有第二离子透明度的第二区域，第二离子透明度不同于第一离子透明度，而且其中吸收器吸收从等离子体流向吸收器的离子的一小部分。24.根据权利要求23所述的方法，其中第一区域与吸收器的中心相距第一距离，第二区域与吸收器的中心相距第二距离，而且第一距离短于第二距离。25.根据权利要求23所述的方法，其中离开吸收器的离子的电流密度分布不同于从等离子体流向吸收器的离子的电流密度分布。26.根据权利要求23所述的方法，其中离开吸收器的离子的电流密度分壁布比从等离子体流向吸收器的离子的电流密度分布更均匀。27.根据权利要求23所述的方法，进一步包括将一个或多个偏置电势施加在吸收器上。28.根据权利要求27所述的方法，其中吸收器的两个或更多区域被单独地偏置在不同电势下。29.根据权利要求23所述的方法，其中来自等离子体源腔的等离子体围绕吸收器，而且其中从等离子体流向吸收器的离子的平均能量大致等于离开吸收器的离子的平均能量。30.根据权利要求19所述的方法，其中通过利用偏置电源将偏压施加至工件，使得等离子体的离子朝着工件加速。31.根据权利要求30所述的方法，其中工件在支撑结构上被布置成与第三多个磁体相距0.1OD至0.33D，其中D是等离子体源腔的内径。32.根据权利要求19所述的方法，其中基于等离子体的实现系统还包括处于第三多个磁体与支撑结构之间的多个栅格，而且其中通过将偏压施加至多个栅格中的至少一个栅格使得等离子体的离子朝着工件加速。33.根据权利要求32所述的方法，其中多个栅格被布置成与第三多个磁体相距0.1OD至0.33D，其中D是等离子体源腔的内径。34.根据权利要求19所述的方法，其中等离子体源腔的直径大于工件的直径。
【专利摘要】一种用于工件的材料改性的基于等离子体的材料改性系统可包括耦接至工艺腔的等离子体源腔。被配置成支撑工件的支撑结构可布置在工艺腔内。等离子体源腔可包第一多个磁体、第二多个磁体和第三多个磁体，第三多个磁体围绕等离子体源腔内的等离子体产生区域。等离子体源腔可被配置成在等离子体产生区域内产生具有离子的等离子体。第三多个磁体可被配置成限制等离子体产生区域内能量大于10eV的等离子体的大多数电子同时允许来自等离子体的离子穿过第三多个磁体而进入处理腔以用于工件的材料改性。
【IPC分类】H01J37/32
【公开号】CN104900470
【申请号】CN201510006559
【发明人】W·德维尔吉欧, S·萨瓦斯, S·费尔奇, 盛天予, 陈皞
【申请人】汉辰科技股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年1月7日
【公告号】US20150255242
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