包括高角度提取光学器件的装置以及系统

[技术领域]

本申请主张优先于在2020年6月16日提出申请且名称为“包括高角度提取光学器件的装置以及系统(APPARATUS AND SYSTEM INCLUDING HIGH ANGLE EXTRACTIONOPTICS)”的美国临时专利申请第63/039,760号，且所述美国临时专利申请全文并入本申请供参考。

技术领域

本实施例涉及一种处理装置，且更具体来说涉及一种能够以衬底上高入射角度从等离子体进行离子提取的装置。

背景技术

用于使用离子处置衬底的已知装置包括束线离子植入机及等离子体浸没离子植入工具(plasma immersion ion implantation tool)。这些方法对于使用一定能量范围内的离子来处置衬底是有用的。在束线离子植入机中，从源提取离子，对离子进行质量分析且接着将离子传输到衬底表面。在等离子体浸没离子植入装置中，衬底位于同一腔室中，同时等离子体与等离子体相邻地产生。衬底相对于等离子体而被设定为负电位，且穿过衬底前面的等离子体鞘套(plasma sheath)的离子可以垂直入射角度撞击到衬底上。

此类方法中的许多方法在衬底或晶片上采用垂直入射，而其他应用则采用斜角刻蚀，例如对沟槽侧壁的受控刻蚀、孔伸长、光刻胶收缩以及磁性随机存储器结构刻蚀，其中离子束由非零平均入射角度相对于衬底的垂线来界定。控制此类工艺可比控制垂直入射(normal incidence)的离子束处理困难。

针对这些及其他考虑因素而提供本公开。

发明内容

在一个实施例中，提供一种处理系统。所述处理系统可包括：等离子体腔室，能够操作以产生等离子体；以及提取总成，沿着所述等离子体腔室的一侧布置。所述提取总成可包括：提取板，包括提取开孔，所述提取板具有非平面形状且当衬底的平面与所述等离子体腔室的所述侧平行地布置时相对于所述衬底的所述平面的垂线以高入射角度产生提取离子束。

在另一实施例中，提供一种用于将斜角离子束引导到衬底的提取总成。所述提取总成可包括提取板，所述提取板包括外围部分以及中心部分，所述外围部分耦合到等离子体腔室的一侧。所述中心部分可具有非平面形状，且可包括伸长的提取开孔，所述伸长的提取开孔被布置成当所述衬底的平面与所述等离子体腔室的所述侧平行地布置时相对于所述衬底的所述平面的垂线以高入射角度产生提取离子束。

附图说明

附图示出目前为止针对所公开实施例的原理的实际应用而设计的所公开实施例的示例性方法。

图1示出根据本公开各种实施例的包括高角度提取总成的处理装置的方块图。

图1A示出根据本公开各种实施例的图1所示处理装置的提取总成的变型的平面图。

图2示出根据本公开各种实施例的包括另一高角度提取总成的另一处理装置的方块图。

图2A示出根据本公开各种实施例的图2所示处理装置的提取总成的变型的平面图。

图3示出根据本公开各种实施例的包括又一高角度提取总成的又一处理装置的方块图。

图3A示出根据本公开各种实施例的图3所示处理装置的提取总成的变型的平面图。

图4示出根据本公开各种实施例的包括附加高角度提取总成的附加处理装置的方块图。

图4A示出根据本公开各种实施例的图14所示处理装置的提取总成的变型的平面图。

图5示出根据本公开各种实施例的包括高角度提取总成的再一处理装置的方块图。

图6示出根据本公开各种实施例的包括另一高角度提取总成的一个附加处理装置的方块图。

图7示出根据本公开各种实施例的包括另一高角度提取总成的一个附加处理装置的方块图。

图8示出通过离子束对表面特征进行高入射角度处置的几何形状。

附图未必是按比例绘制。附图仅为代表图，而非旨在描绘本公开的具体参数。附图旨在示出本公开的示例性实施例，且因此不被视为在范围上具有限制性。在附图中，相同的编号表示相同的元件。

此外，为使例示清晰起见，一些图中的某些元件可被省略或不按比例示出。为使例示清晰起见，剖视图可呈“切片(slices)”或“近视(near-sighted)”剖视图的形式，且省略在“真实(true)”剖视图中以其他方式可见的某些背景线。此外，为清晰起见，可在某些附图中省略一些参考编号。

具体实施方式

根据本公开且参照示出实施例的附图而公开包括高角度提取光学器件的方法、装置及系统。所述实施例可以许多不同的形式来实施且不被视为仅限于本文中陈述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使公开内容将全面及完整，并将向所属领域中的技术人员充分传达所述方法、系统及器件的范围。

在各种实施例中，提供提取光学器件(也被称为提取总成)，以从等离子体型离子源产生高入射角度(“高角度”)离子束。此种提取总成适合在紧凑的离子束处理装置中使用，在所述紧凑的离子束处理装置中衬底保持紧密接近等离子体腔室，离子束从所述腔室被提取。衬底可位于壳体或与等离子体腔室相邻的处理腔室中且经由提取总成与等离子体腔室中的等离子体进行连通。

图1示出根据本公开实施例的系统或处理装置100。处理装置100包括由等离子体腔室102构成的等离子体源，以在等离子体腔室102中产生等离子体103。等离子体腔室102可用作例如以下等离子体源的一部分：射频(radio frequency，RF)感应耦合等离子体(inductively-coupled plasma，ICP)源、电容耦合等离子体(capacitively coupledplasma，CCP)源、螺旋波源(helicon source)、电子回旋共振(electron cyclotronresonance，ECR)源)、间热式阴极(indirectly heated cathode，IHC)源、辉光放电源(glowdischarge source)或所述领域中的技术人员已知的其他等离子体源。在此特定实施例中，等离子体源是ICP源，其中功率经由与网络汇接匹配的射频产生器(未示出)耦合到等离子体中。射频功率从射频产生器到气体原子和/或分子的传送经由天线及介电窗口(未示出)进行。

如所属领域中已知的是，气体歧管(gas manifold)(未示出)可经由适当的气体管线及气体入口连接到等离子体腔室102。等离子体腔室102或处理装置100的其他组件还可连接到真空系统(未示出)，例如由旋转泵(rotary pump)或隔膜泵(membrane pump)支持的涡轮分子泵(turbo molecular pump)。等离子体腔室102由腔室壁界定且可与工艺腔室105相邻地布置，工艺腔室105与等离子体腔室102电绝缘。工艺腔室105可包括衬底保持器20及晶片或衬底10。

在一些实施例中，可使用偏置电压供应器107相对于工艺腔室105对等离子体腔室102进行偏置。举例来说，等离子体腔室102可保持在升高的电压(例如+1000V)，而衬底10、衬底保持器20及工艺腔室105接地。作为另一选择，衬底10、衬底保持器20可保持在负电位，而等离子体腔室102及处理腔室105接地。处理装置100可包括提取总成104，提取总成104具有被示出为提取开孔106的一对提取开孔。提取总成104可沿着等离子体腔室102的一侧布置，所述侧在所示的笛卡尔坐标系(Cartesian coordinate system)中与X-Y平面平行地布置。提取开孔106以及随后的提取开孔的其他实施例可形成伸长的开孔，所述伸长的开孔具有沿着第一方向(在此种情形中沿着X轴)延伸的长轴。换句话说，提取开孔106可在沿着第二方向伸长(例如以几十厘米的数量级)的同时沿着一个方向变窄(例如以几毫米、若干毫米左右的数量级)。在这些情况下，可从等离子体103提取正离子并以与等离子体腔室102和工艺腔室105之间(或者在替代电偏置配置中，在等离子体和衬底-保持器总成(衬底10与衬底保持器20)之间)的电压差成比例的离子能量将所述正离子引导到衬底10。

提取总成104布置有提取板，所述提取板具有非平面形状且包括用于耦合到等离子体腔室102的一个或多个外围部分109。在此实施例中以及在随后的实施例中，提取总成104的提取板的中心部分101具有非平面形状，所述非平面形状被布置成产生高角度离子束或一组高角度离子束。具体来说，提取总成104被布置为具有“凸的双模(convex bimodal)”构形的提取板，所述提取板包括提取开孔106，从而产生一组离子束，其中离子束108远离彼此进行指向。提取开孔106在凸的板上被布置在使得离子束108相对于衬底10的平面的垂线界定高入射角度(θ)的位置处。根据各种非限制性实施例，适合θ的值的实例是可被称为高入射角度的值，例如高于45度且具体来说介于50度与85度之间。在图1所示实例中，以两个不同离子束(被示出为离子束108)的角度(由+/-θ界定)提供离子的双模入射，以适合例如处置表面特征的两个相对的侧壁。还从等离子体腔室102的中心区提取离子束108，其中离子密度可较高，如等离子体腔室102内的表示等离子体密度垂直分布的虚线曲线所指示，所述分布可具有抛物线状形状。由于离子束108远离彼此进行指向，因此不同的离子束108将在彼此相隔远的两个不同位置处立即撞击在衬底10上，因此衬底10可能需要较大的行程(travel)来拦截穿过整个衬底10的两个离子束108。

如图1中所示，处理装置100可包括被示出为衬底台20的衬底保持器，衬底台20可沿着与等离子体腔室102的所述侧(X-Y平面)平行的第一方向移动。在所示出的实例中，衬底保持器20可沿着Y轴移动。这样一来，可沿着Y轴扫描衬底10以拦截离子束108，使得衬底10的大部分或所有部分被所述两个离子束108处置。

图8示出通过离子束对表面特征进行高入射角度处置的几何形状。此图示出在高入射角度(在此实例中被示出为70度下，离子束400在掩模402的侧壁上的离子通量(其中通量可指示每单位时间每单位面积到达表面的离子数目)远高于掩模402的顶表面之上的通量。因此，此种几何形状可适合于其中对特征的侧壁的离子处置(例如对侧壁的刻蚀)比对顶表面的处置有利的应用。更定量地说，沿着垂直表面的剂量率是沿着水平表面的剂量率的tanθ倍，此种关系意指当θ超过45度时，随着刻蚀工艺的进行，沿着水平方向的刻蚀深度(Δh)超过沿着垂直方向的刻蚀深度(Δv)。tanθ值的实例在表I中提供。

表I

图2示出根据本公开各种实施例的包括另一高角度提取总成的另一处理装置的方块图。在此实例中，处理装置110与处理装置100共享相似的组件，其中相同的组件被标有相同的编号。处理装置110与处理装置100的不同之处在于提取总成114。提取总成114由具有“凹的双模”构形的提取板形成，所述提取板包括提取开孔116，从而产生一组离子束，其中离子束118指向彼此。提取开孔116在凸的板上被布置在使得离子束118也相对于衬底10的平面的垂线界定高入射角度(θ)的位置处。根据各种非限制性实施例，适合θ的值的实例介于50度与85度之间。在图2所示实例中，以两个不同离子束(二者均被示出为离子束118)的角度(由+/-θ界定)提供离子的双模入射。还从等离子体腔室102的中心区提取离子束118，其中离子密度可较高，如等离子体腔室102内的虚线曲线所指示，所述曲线示出抛物线状等离子体密度垂直轮廓。由于离子束118指向彼此，因此不同的离子束118将在其撞击在衬底10上之前彼此交叉。

图3示出根据本公开各种实施例的包括又一高角度提取总成的又一处理装置的方块图。在此实例中，处理装置120与处理装置100共享相似的组件，其中相同的组件被标有相同的编号。处理装置120与处理装置100的不同之处在于提取总成124。提取总成124由包括开孔126的“单模”提取板形成，从而产生单个离子束，其中离子束128由提取开孔126形成，提取开孔126布置在S形提取板的斜角部分处，使得离子束128也相对于衬底10的平面的垂线界定高入射角度(θ)。根据各种非限制性实施例，适合θ的值的实例介于50度与85度之间。

此种设计尤其适用于仅处置表面特征的一个侧壁或侧。然而，假设具有衬底旋转，则可通过在衬底10的垂直扫描之间旋转衬底10来处置表面特征的多个侧。

图4示出根据本公开各种实施例的包括附加高角度提取总成的附加处理装置的方块图。在此实例中，处理装置130与处理装置100共享相似的组件，其中相同的组件被标有相同的编号。处理装置130与处理装置100的不同之处在于提取总成134。提取总成134由包括提取开孔136的“多束向上(multibeam up)”提取板形成，从而产生多个离子束，其中离子束138由提取开孔136形成且布置在多个S形提取板的斜角部分处，使得离子束138也相对于衬底10的平面的垂线界定高入射角度(θ)。根据各种非限制性实施例，适合θ的值的实例介于50度与85度之间。

此种设计尤其适用于仅处置表面特征的一个侧壁或侧。然而，假设具有衬底旋转，则可通过在衬底10的扫描之间旋转衬底10来处置表面特征的多个侧。此种设计的优点在于通过提供多个开孔来实现更高的离子通量。尽管仅示出两个开孔，然而在其他实施例中，可使用三个或更多个开孔。

图1A示出根据本公开各种实施例的图1所示处理装置的提取总成的变型的平面图。图2A示出根据本公开各种实施例的图2所示处理装置的提取总成的变型的平面图。图3A示出根据本公开各种实施例的图3所示处理装置的提取总成的变型的平面图。图4A示出根据本公开各种实施例的图14所示处理装置的提取总成的变型的平面图。在这些实施例中的每一实施例中，上述相关提取开孔沿着X轴伸长，以延伸穿过整个衬底10。以此种方式，由如图1A到图4A中所示的提取开孔产生的离子束或一组离子束可界定带状束，所述带状束的宽度延伸到沿着X方向的束宽度，所述束宽度足以暴露出衬底10的整个宽度，甚至是沿着X方向的最宽部分。这些实施例的示例性提取开孔宽度可介于10cm、20cm、30cm、45cm或更大的范围内，而沿着Y方向的示例性束长度可介于3mm、5mm、10mm或20mm的范围内。所述实施例并不仅限于此上下文。

在本公开的各种附加实施例中，可通过修改金属提取板以使得提取板的一部分是绝缘体来修改图1到图4所示装置的前述提取总成设计。在本公开的其他实施例中，可通过除提取电极之外还添加一个或多个转向电极来修改图1到图4所示装置的前述提取总成设计。在本公开的再一实施例中，可通过添加在形状上与第一提取电极相似的附加电极来修改图1到图4所示装置的前述提取总成设计。

图5示出根据本公开实施例的系统或处理装置200。处理装置200包括由等离子体腔室102构成的等离子体源，以在等离子体腔室102中产生等离子体103。等离子体腔室102可如前面所论述般发挥作用。在此实例中，提供提取总成204，提取总成204具有与图3所示S形提取电极相似的一般性形状。提取总成204与提取总成124的不同之处在于，提取板由被示出为S形绝缘体本体206的介电质(例如陶瓷)形成，S形绝缘体本体206面对等离子体腔室102。S形绝缘体本体206涂覆有面对衬底10的导电层208，可在制作S形绝缘体本体206之后将所述层施加到S形绝缘体本体206。提供提取电压供应器224以相对于导电层208对等离子体腔室102进行偏置，或者相对于等离子体腔室102对导电层208进行偏置。举例来说，导电层208以及衬底10及衬底保持器20可接地，而对等离子体腔室102施加+1000V，或者在替代电配置中，可将导电层208及衬底-衬底保持器总成(10，20)偏置-1000V，而等离子体腔室102及处理腔室105接地。因此，跨S形绝缘体本体206的厚度产生强电场，所述厚度可处于若干毫米、一厘米左右的数量级。更重要的是，此电场在提取狭缝(extraction slit)216的区域中延伸。以此种方式，此场可更精确地控制经由设置在提取总成204中的开孔提取的高角度离子束210。

提取总成204还可包括例如布置在S形绝缘体本体206的外表面上或外表面附近的一个或多个转向电极。出于例示目的示出转向电极212及转向电极214。在其中导电层接地而等离子体腔室102保持在+1000V的实例中，转向电极可被偏置处于接近地但不同于地的电位，例如介于+/-100V、+/-200V之间，以提供对提取离子束(例如高角度离子束210)的额外控制。如图5中所示，可独立偏置转向电极，其中转向电压供应器220耦合到转向电极214，且转向电压供应器222耦合到转向电极212。此种精细控制对于控制高角度离子束210的聚焦及准直可尤其有用，其中需要精确控制确切的入射角度。举例来说，如表I中所示，对于75度的标称入射角度，5度+/-的角度变化可能会导致tanθ在值2.7与5.7之间变化，且因此垂直表面上的离子通量与水平表面上的离子通量的比率成比例变化。然而，在具有由涂覆有导电层的绝缘体形成的提取电极的一些实施例中，可省略转向电极。图6提供处理装置300的实例，其中提取总成304由涂覆有导电层208的S形绝缘体本体206形成而无转向电极，以提取离子束310。

应注意，在其他实施例中，提取总成可被形成为具有涂覆导电层的绝缘体，所述涂覆导电层的绝缘体在具有或不具有转向电极的情况下具有图2到图4所示提取总成的形状，其中相同的一般性原理及操作适用于针对图5所论述的情形。

图7示出根据本公开各种实施例的包括附加高角度提取总成的一个附加处理装置250的方块图。在此图中，为清晰起见，省略等离子体腔室102及工艺腔室105。提供提取总成254，提取总成254包括内提取板256及外提取板258。这些提取板在形状上有些复杂，具有相对于到衬底10的距离(在本实施例及本公开的其他实施例中，所述距离可处于几毫米到几厘米的数量级)而彼此偏置开的凹的部分及两个平面部分。在内提取板256的陡斜角部分上布置有第一提取开孔260，而在外提取板258的陡斜角部分上布置有第二提取开孔266且第二提取开孔266对准第一提取开孔260。在内提取板256与外提取板258之间施加提取电压(例如1000V)，从而以合适的角度(例如在各种非限制性实施例中为50度到85度)提取斜角离子束268。

与针对图5论述的实施例类似，提取总成254还可包括一个或多个转向电极。在图7所示实例中，提供转向电极262，转向电极262与外提取板258相邻且面对衬底10。可使用绝缘体264将转向电极262机械锚定到外提取板258，绝缘体264组件将转向电极262与外提取板258电隔离。这样一来，提供转向电压供应器220来单独地对转向电极262进行偏置，以提供对离子束268的进一步控制，如针对图5进行的一般性论述。

应注意，在前述实施例中，所示的开孔可伸长到各图所示平面中且因此离子束可伸长到各图所示平面中，以产生可延伸穿过衬底的整个宽度或直径的带状离子束。

总之，本实施例提供新颖装置及提取总成，所述新颖装置及提取总成一般被布置有一个或多个提取板，所述提取板具有新颖的非平面几何形状，从而以高入射角度提供提取离子束。

为方便及清晰起见，本文中使用例如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“垂直”、“水平”、“侧向”及“纵向”等用语来阐述图中出现的组件及其构成部件的相对放置及取向。术语将包括特别提到的词、其派生词及相似含义的词。

除非明确叙述不包括复数元件或操作，否则如本文中所使用的以单数形式叙述且前面带有词“一(a或an)”的元件或操作将被理解为包括复数元件或操作。此外，提及本公开的“一个实施例”时并不旨在进行限制。附加实施例也可包括所叙述特征。

此外，在一些实施例中，用语“实质的”或“实质上”以及用语“近似的”或“近似地”可互换使用，且可使用所属领域中的普通技术人员可接受的任何相对度量来阐述。举例来说，这些用语可用作与参考参数的比较，以指示能够提供预期功能的偏差。尽管为非限制性的，然而与参考参数的偏差可为例如小于1％、小于3％、小于5％、小于10％、小于15％、小于20％等等的量。

再者，技术人员将理解，当例如层、区或衬底等元件被成为形成在、沉积在或设置在另一元件“上”、“之上”或“顶上”时，所述元件可直接位于所述另一元件上，或者也可存在中间元件。相反，当一元件被称为“直接”位于另一元件“上”、“直接”位于另一元件“之上”或“直接”位于另一元件“顶上”时，则不存在中间元件。

本实施例提供至少以下优点。一般被布置有一个或多个提取板的新颖装置及提取总成以高入射角度提供提取离子束，从而使得能够实现对以如此高的角度进行取向的衬底表面的优先离子处置。由具有多个提取开孔的某些实施例提供的另一优点是能够增大高角度离子的离子通量，并相应地增大衬底处理产量。由附加实施例提供的又一优点是能够使用多开孔提取总成同时处置以高角度离子进行相对取向的衬底表面，所述多开孔提取总成具有以彼此相对的方向进行取向的提取开孔。

本公开的范围不受本文中所述的具体实施例的限制。事实上，通过以上说明及附图，除本文中所述的实施例以外，本公开的其他各种实施例以及修改形式对所属领域中的普通技术人员来说也将显而易见。因此，此种其他实施例及修改形式旨在落于本公开的范围内。此外，已在本文中在特定实施方式的上下文中在特定环境下出于特定目的阐述了本公开。所属领域中的普通技术人员将认识到有用性并不仅限于此，且可在任意数目的环境下出于任意数目的目的有利地实施本公开。因此，以上陈述的权利要求将根据如在本文中阐述的本公开的整个广度及精神进行解释。