TWI882473B - 反應性斜角離子束蝕刻系統以及處理基板的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一種反應性斜角離子束蝕刻系統以及處理基板的方
法。所述系統可包括被配置成支撐基板的基板台,其中所述基板的主表面界定基板平面。所述系統可包括離子源,所述離子源包括提取元件,所述提取元件取向成沿著相對於所述基板平面的垂線界定非零入射角的軌跡將離子束導向所述基板。所述系統可包括自由基源,所述自由基源取向成沿著相對於所述基板平面的垂線界定所述非零入射角的軌跡將自由基束導向所述基板。所述基板台還可被配置成沿著第一方向掃描所述基板,所述第一方向位於所述基板平面上,同時所述基板的所述主表面在所述基板平面內取向。
Description
本申請主張在2018年12月17日提出申請、且標題為“具有共線反應性自由基及能量離子的分開的帶狀通量的掃描斜角蝕刻裝置”(SCANNED ANGLED ETCHING APPARATUS HAVING SEPARATE RIBBON FLUXES OF CO-LINEAR REACTIVE RADICALS AND ENERGETIC IONS)的美國臨時專利申請第62/780,729號的優先權,所述美國臨時專利申請全文併入本文供參考。
本發明有關用於產生包括光學元件的斜角結構的基板處理,且更具體來說,有關用於形成例如光柵等斜角結構的方法。
在基板內形成包括斜角特徵(例如,光柵)的器件可能需要使用包括反應離子束蝕刻及相關技術的反應性蝕刻。通常,將離子及自由基兩者導向基板以執行蝕刻。為在宏觀表面上(例如,在大的晶圓上)蝕刻斜角結構,可在使基板相對於掃描方向
以及離子束及自由基傾斜的同時相對於離子源或自由基源掃描或旋轉基板。應注意,此種配置會導致以下情況:其中與基板中最遠離通量源(flux source)傾斜的部分相比,基板中最靠近通量源的部分在較小的束包絡(beam envelope)下暴露於較高的通量密度。因此,可能導致不均勻的蝕刻製程。
關於這些及其他考慮,提供了本實施例。
在一個實施例中,提供一種系統,所述系統包括被配置成支撐基板的基板台,其中所述基板的主表面界定基板平面。所述系統可包括離子源,所述離子源包括提取元件,所述提取元件取向成沿著相對於所述基板平面的垂線界定非零入射角的軌跡將離子束導向所述基板。所述系統可包括自由基源,所述自由基源取向成沿著相對於所述基板平面的垂線界定所述非零入射角的軌跡將自由基束導向所述基板。所述基板台還可被配置成沿著第一方向掃描所述基板,所述第一方向位於所述基板平面上,同時所述基板的所述主表面在所述基板平面內取向。
在額外的實施例中,一種處理基板的方法包括在基板臺上提供所述基板。所述基板可由所述基板的界定基板平面的主表面表徵。所述方法可包括沿著相對於所述基板平面的垂線界定非零入射角的軌跡將離子束導向所述基板。所述方法還可包括:沿著相對於所述基板平面的所述垂線界定所述非零入射角的軌跡將
自由基束導向所述基板;以及沿著第一方向掃描所述基板,所述第一方向位於所述基板平面上,同時所述基板的所述主表面在所述基板平面內取向。
在又一實施例中,提供一種反應性斜角離子束蝕刻系統,所述系統包括基板台,所述基板台被配置成支撐基板並沿著第一方向掃描所述基板,所述第一方向位於由所述基板的主表面界定的基板平面內。所述反應性斜角離子束蝕刻系統可包括電漿室,所述電漿室包括沿著所述電漿室的一側設置並面向所述基板台的提取元件。所述提取元件可包括多個提取電極,所述多個提取電極被取向成提取離子束並沿著相對於所述基板平面的垂線的非零入射角對所述離子束進行導向。所述反應性斜角離子束蝕刻系統可包括自由基源,所述自由基源被取向成沿著相對於所述基板平面的所述垂線界定所述非零入射角的軌跡對自由基束進行導向。因此,當沿所述第一方向掃描所述基板時,所述基板的給定區域以依序方式暴露於所述離子束及所述自由基束。
100:系統
102、102A:離子源
104、104A:提取元件
106:離子束
107:孔
108:基板
108A、108B:區域
110:自由基源
112:自由基束
114:噴嘴孔
116:蜂窩結構
120:溝槽
122:垂線
130:中和電漿源
132:自由基通量
134:溝槽
140:離子束
150:系統
200:參考佈置
202、204:區域
500:製程流程
502、504、506、508:方塊
d:深度
E:邊緣
F:平面/面
M:中間
P:垂線
W:寬度
X:軸
Y:方向/軸
Z:方向/軸
θ:非零入射角/入射角
附圖示出本發明的示例性方法,包括其原理的實際應用,附圖如下:圖1A及圖1B示出示例性系統的側視圖及俯視平面示意圖。
圖1C示出另一示例性系統的側視圖。
圖1D示出示例性自由基源的側視圖。
圖1E示出自由基源的示例性噴嘴的透視圖。
圖2呈現根據本發明實施例的蝕刻幾何形狀的細節。
圖3呈現參考蝕刻幾何形狀。
圖4A到圖4C示出用於掃描基板的參考佈置。
圖5呈現示例性製程流程。
圖式不一定按比例繪製。圖式僅僅是表示形式,並不旨在描繪本發明的特定參數。圖式旨在描繪本發明的示例性實施例,且因此不被認為在範圍上具有限制性。在附圖中,相同的編號代表相同的元件。
現在將在下文中參照其中示出一些實施例的附圖更充分地描述本實施例。本發明的主題可以許多不同的形式來實施,並且不應被解釋為限於在本文中闡述的實施例。提供這些實施例是為了使本發明徹底及完整,並向所屬領域的技術人員充分傳達主題的範圍。在附圖中,相同的數字始終指代相同的元件。
在各種實施例中,提供了新型電漿源,其中所述電漿源被佈置成其中產生能量離子(energetic ion)及自由基,使得電漿源的輸出孔允許自由基及離子的通量是共線的、自由基通量及離子通量兩者的平均角度是相同的、並且這兩種通量的角度擴展(angle spread)是相似的。
在一些實施例中,提供一種裝置以通過能量離子、反應性自由基及中和電子的獨立通量來實現對斜角特徵(溝槽、孔洞、側壁、斜面等)的均勻反應性自由基輔助離子束蝕刻(uniform reactive radical assisted ion beam etching)。根據各種實施例,離子通量及自由基通量具有帶狀形狀,並且相對於基板法線成一定角度被導向,同時通過這些通量掃描基板以實現均勻的等中心製程(isocentric process)。實現了離子通量及自由基通量的共線性,其中中性通量的平均角度與離子通量的平均角度相同或接近,從而使行進到基板特徵(例如,深斜角蝕刻特徵)的蝕刻前部(etch front)的反應性自由基的量最大化,以使縱橫比相關蝕刻(aspect ratio dependent etching,ARDE)最小化。產生被獨立生成及控制的離子通量及自由基通量允許更寬且最佳範圍的蝕刻製程。
因此,本實施例提供通過等中心線性掃描、共線帶狀離子及自由基通量的組合來執行斜角蝕刻的能力、以及通過利用兩個單獨的電漿源對離子通量及自由基通量進行獨立控制。在離子植入處理(ion implantation processing)中,使用術語“等中心”來指基板的機械掃描方向位於平行於被植入基板的表面的平面內。因此,在本文中所使用的術語“等中心”可指用於處理基板的類似幾何形狀,其中基板的主表面(例如,主晶圓表面)在與掃描方向的平面平行的平面中取向。
圖1A示出根據本發明實施例的系統100的總體橫截面。系統100包括離子源102,離子源102包括提取元件104,例如三
極管提取元件。在各種實施例中,離子源102包括電漿室,其中提取元件104包括大致矩形及細長的提取孔,以產生具有大致矩形橫截面的離子束106,如圖1B所示。根據各種非限制性實施例,提取孔以及離子束的縱橫比(X-維/Y-維)可以是2/1、3/1、5/1、10/1、50/1或大於50/1。在各種實施例中,離子源102可被配置為射頻(RF)電漿室,而其他類型的離子源室也是可能的。提取元件104可以是包括提取孔、抑制孔及接地孔的三極管配置。實施例並非僅限於此上下文中。
在各種非限制性實施例中,離子源電漿通常可包括稀有氣體、氮氣、氧氣、氫氣、碳氫化合物CyHx、含鹵素的分子(CxFy、NFx、SFx等)或以上的任意組合。在各種實施方式中,離子源102可在給定的提取電位下相對於基板108偏置,以向離子束106產生給定的離子能量。基板108可佈置在單獨的處理室(圖中未示出)中。在各種實施例中,提取元件104可被佈置成沿著相對於基板平面(X-Y)平面的垂線(Z-軸)形成給定的非零入射角(θ)的軌跡對離子束106進行導向,其中所述基板平面(X-Y)平面由基板的主表面(例如,晶圓表面)界定。
系統100還可包括自由基源110,其中自由基源110被佈置成產生被示出為自由基束112的自由基通量。自由基束112可包括中性粒子。自由基源可以是電漿自由基源。自由基源110可以是射頻產生的(rf-generated)電漿源,其中除了其他氣體(稀有氣體、氧氣、氮氣、氫氣、碳氫化合物CyHx等)的混合物之外,
還由含鹵素的分子氣體(CxFy、NFx、SFx等)產生反應性自由基。自由基源110可包括孔以便沿著相對於垂線(Z軸)的給定非零入射角(與離子束106的角度相同)引導自由基束。類似於離子束106,在一些實施例中,自由基束112可沿著X軸伸長,如圖1B所示。根據本發明的各種實施例,因為自由基源110可被單獨供電並被單獨供應以來自離子源102的氣體,所以自由基通量對離子通量的比率可被獨立控制,從而提供用於對共線自由基及離子進行導向的可調製程。一般而言,自由基束112可主要包括反應性中性粒子及一部分離子。舉例來說,輸入氣體可以是四氟化碳(CF4)。CF4自身是非常具有惰性的(像惰性氬或N2),但當在電漿中離解時(通過電漿能量電子),母氣CF4將被分解成子片段(daughter fragment),例如CF3、CF2、CF、F、C。現在具有開放鍵的含有氟的子片段具有化學反應性且可用於表面蝕刻製程。除了產生中性CFx自由基之外,還會有像CFx+等電離自由基,但在各種實施例中,總通量大部分是中性粒子。
在各種實施例中,可沿著所示笛卡爾坐標系的Y軸掃描基板108,其中主基板表面在掃描期間平行於X-Y平面佈置。在圖1A的圖示中,基板108垂直(沿著Y軸)掃描通過以給定非零入射角撞擊的離子及自由基通量。在其他實施例中,圖1A所示的裝置可被取向成其中基板108水平掃描,且圖1A中描繪的各種元件被佈置成彼此具有相同的相對取向。離子源102及自由基源110兩者的輸出因此被沿著相對於基板掃描方向(Y軸)的相同非
零角度共線地導向,並且因此能夠實現等中心製程(允許角度圍繞平均非零入射角擴展)。示為中和電漿源130的中和源也可設置在系統100中,以在離子束附近產生電子,從而中和離子束空間電荷及基板上的任何過量正電荷兩者。
為了相對於Z軸(垂直於基板平面或掃描平面)以非零入射角產生離子束,在一個實施例中,如圖1A所示,整個離子源可相對於掃描平面(X-Z平面)傾斜。在其他實施例中,如圖1C所示,離子源可鄰近容納基板108的處理室被佈置為電漿室,其中離子源102A包括提取元件104A,提取元件104A具有三極管配置(或四極管,或更多數量的電極)。如圖1C所示,提供了系統150,其中提取元件由“傾斜提取電極”幾何形狀界定。各種電極(在這種情況下示出了三個電極,從而界定三極管幾何形狀)被佈置為具有平行於基板的掃描平面(X-Y平面)的外部的板,同時提取元件104A的各個電極中的孔107沿著Y方向(掃描方向)彼此交錯,以相對於被示出為垂線122的法線(平行於Z軸)界定入射角θ。如此一來,當離子束106從提取元件104A出現時,離子束106可相對於垂線122沿著相同的入射角被導向。此種幾何形狀有利地便於將界定離子源102A的電漿室緊鄰基板108放置,其中基板108與離子源102A之間的間隔(沿著Z軸)可以是大約幾公分,或者小到一公分。另外,電漿室(離子源102A)不需要傾斜以產生相對於垂線122傾斜的離子束。
圖1D及圖1E示出包括噴嘴孔(nozzled aperture)114
的自由基源110的一個實施例的細節。噴嘴孔114可具有一定的深度,以有助於沿著平均角度(示出為入射角θ)對中性自由基進行導向,並限制圍繞入射角θ的角擴展。如圖1E所示,噴嘴孔114也可沿著X軸分成多個隔板,從而形成蜂窩結構116。隔板界定了被示出為平面F的噴嘴的一個面。各個隔板限制圍繞面F的垂線P的角擴展。換句話說,如果沒有蜂窩結構116提供的隔板,那麼從自由基源110射出的通量在P-X平面中圍繞垂線P的角擴展可能為大,因為從噴嘴孔114的中間M射出的自由基在沒有碰撞的情況下可一直發散到邊緣E。蜂窩結構116基於個別隔板的寬度W及深度d來限制最大發散。
圖2及圖3示出使用根據本發明實施例佈置的裝置的斜角蝕刻的幾何形狀。具體來說,圖2示出由本實施例(例如,圖1A到圖1E的實施例)提供的蝕刻高縱橫比斜角特徵的優點。在圖2中,分開的離子通量及自由基通量沿著相對於基板掃描方向的共線或相互平行的軌跡被導向。圖2示出由本實施例提供的共線自由基及離子通量的幾何形狀。應注意,自由基束112及離子束106的尺寸可能沒有按比例繪製,其中在一些實例中,被蝕刻的溝槽120的寬度大約為數微米或數奈米,而自由基束112及離子束106的寬度大約為數公厘或數公分。因此,自由基束112及離子束106可比圖2中所示更大程度地彼此分離(沿著Y軸),使得離子束106及自由基束112不同時處理溝槽120。確切來說,當沿著Y軸掃描基板108時,溝槽120可被離子束106及自由基束
112依序處理。
圖2的幾何形狀允許自由基通量及離子通量兩者撞擊在溝槽120的蝕刻前部的底部。相比之下,在圖3中,示出了蝕刻物種的幾何形狀,其中自由基通量132以與離子束140不同的角度被導向。在這種情況下,離子束140可相對於基板平面(X-Y平面)的垂線(Z軸)形成非零入射角,從而有助於界定通過使用離子束140及自由基通量132進行蝕刻而形成的溝槽134的總體傾斜角。應注意,自由基通量被沿著垂線(Z軸)進行導向,其中溝槽134底部的蝕刻前部可能缺乏必要的反應性自由基,特別是隨著溝槽134加深,蝕刻速率將減慢。因此,圖3的幾何形狀經受較大的縱橫比相關蝕刻效應(aspect ratio dependent etch effect,ARDE)。一個結果是與圖3的幾何形狀相反,圖2的幾何形狀中的整體蝕刻速率相對較快。
作為進一步解釋,圖4A到圖4C示出用於掃描基板的參考佈置200。在此實例中,發生了非等中心掃描。非等中心掃描的特徵在於離子束或自由基束以相對於基板平面的垂線的非零入射角傾斜。然而,與其中基板沿基板平面內的方向(平行於基板平面)被掃描的等中心掃描不同,非等中心掃描中的基板沿相對於基板平面形成非零角度的方向被掃描。換句話說,在圖4A中,掃描方向是沿著Y軸,而光束是沿著Z軸導向的。如圖所示,為了在非等中心掃描中實現斜角蝕刻,基板平面相對於Z軸以非零角度傾斜,並且還相對於X-Y平面及相對於Y軸以第二非零角度傾
斜。此種幾何形狀可能以以下方式導致不均勻的處理。在許多情況下,離子或自由基束可形成發散的自由基束以及發散的離子束,即使以例如10度或小於10度的小的發散角發散。如圖所示,當沿著Z方向傳播時,即使具有小的角擴展的離子或自由基束的通量也將變得更寬。由於非等中心掃描的幾何形狀,基板的被示出為區域108A的一些部分被設置成更靠近離子源或自由基源(在圖的左側),而被示出為區域108B的其他部分被設置成更遠離離子源或自由基源,並且當沿著Y軸掃描基板時保持如此。圖4B及圖4C還示出了當以非等中心方式掃描時,在基板108的不同部分中接收的差分通量密度(意指不同水平的離子通量密度)。如其中所示,區域108A中傾斜晶圓(基板108)的底部掃描通過離子束106的被示出為區域202的最窄(更密集)部分。相比之下,區域108B中傾斜晶圓的頂部掃描通過離子束106的被示出為區域204的較高(較不密集)的部分。因為離子源或自由基源與區域108A之間的距離可保持為比離子源或自由基源與區域108B之間的距離更近,所以區域108B可在整個掃描期間繼續接收更低的通量密度,從而導致例如在基板上不同點處具有不同處理條件。更具體來說,在非等中心掃描期間,基板在區域202中比在區域204中花費更少的時間,因此儘管通量在區域202中比在區域204中更密集,但通過不同區域掃描的基板部分之間的總體製程差異可依據離子束進出圖平面的方向的擴展而減小。本實施例的等中心幾何結構(其中通量源與基板之間的投擲距離(throw distance)
在所有基板位置處可相同)避免了這些複雜問題。
圖5呈現示例性製程流程500。在方塊502處,在處理室中提供基板,其中基板的主表面在X-Y平面中取向。舉例來說,主表面可代表晶圓的表面。在一些實施例中,基板可設置在基板支架上,其中基板支架的平坦表面平行於主表面取向。在方塊504處,從離子源以相對於X-Y平面的垂線(Z軸)的非零入射角將離子束導向基板。根據各種實施例,離子源可以是電漿源。可使用提取元件(例如,三極管元件)從電漿源的電漿室提取離子束。在方塊506處,從自由基源以相同的非零入射角將自由基束導向基板。自由基源可以是與離子源分開的基於電漿的自由基源,其中自由基束可包括中性物種。在方塊508處,沿著Y軸相對於離子源及自由基源掃描基板,同時將自由基束及離子束導向基板。在一些實施例中,自由基束及離子束可包括細長的橫截面(長方向沿著X軸),從而界定所謂的帶狀束。當掃描基板時,基板的不同部分可依序暴露於自由基通量及離子通量,其中自由基通量及離子通量以等中心方式提供。
因此,本實施例提供了優於已知蝕刻系統(例如,提供非等中心自由基通量及離子通量的反應性蝕刻系統)的優點。已知的系統在掃描方向上在基板上經受不均勻的處理,其中與基板的最遠離通量源傾斜的部分相比,基板的最靠近通量源的部分在較小的束包絡下暴露於較高的通量密度。因此,由本實施例的裝置提供的第一個優點是:即使自由基通量及離子通量相對於基板
平面的垂線以非零角度被導向時,仍在被掃描基板的不同部分上提供了均勻的自由基通量(或均勻的自由基通量密度)及均勻的離子通量(或均勻的離子通量密度)。由本文中公開的裝置提供的另一個優點是能夠在基板內蝕刻斜角特徵(舉兩種結構為例:斜角溝槽或斜角通孔),此與特徵深度或縱橫比無關,因為自由基通量及離子通量可沿著平行軌跡提供。
儘管在本文中已經闡述了本發明的某些實施例,但本發明並非僅限於此,因為本發明的範圍與所屬領域所允許的範圍同樣寬泛,並且說明書可以同樣方式進行閱讀。因此,以上說明不應被解釋為限制性的。相反,以上說明僅僅是特定實施例的示例。所屬領域中的技術人員將在所附權利要求的範圍及精神內設想其他修改形式。
100:系統
102:離子源
104:提取元件
106:離子束
108:基板
110:自由基源
112:自由基束
130:中和電漿源
X:軸
Y:方向/軸
Z:方向/軸
Claims (15)
- 一種反應性斜角離子束蝕刻系統,包括:基板台,被配置成支撐基板,其中所述基板的主表面界定基板平面;離子源,所述離子源包括提取元件,所述提取元件取向成將包括離子通量的斜角離子束導向所述基板;以及自由基源,所述自由基源取向成將包括自由基通量的斜角自由基束導向所述基板,其中所述基板台還被配置成沿著第一方向掃描所述基板,所述第一方向位於所述基板平面上,同時所述基板的所述主表面在所述基板平面內取向,以經由所述斜角離子束和所述斜角自由基束實現所述基板的等中心掃描,其中所述自由基源與所述離子源被分開供電,所述自由基源與所述離子源被分開供氣,其中所述自由基通量相對於所述基板平面處的所述離子通量沿所述第一方向位移。
- 如請求項1所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,所述離子源包括第一電漿源,且所述自由基源包括第二電漿源。
- 如請求項1所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,還包括設置在所述離子源與所述基板台之間的中和源,所述中和源被佈置成將電子引導到所述斜角離子束。
- 如請求項1所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,所述離子源包括提取元件,其中所述提取元件還包括多個提取電極。
- 如請求項4所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,其中所述多個提取電極沿著所述第一方向彼此交錯。
- 如請求項4所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,其中所述多個提取電極沿著垂直於所述第一方向的第二方向伸長。
- 如請求項1所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,其中所述自由基源包括噴嘴,所述噴嘴沿著垂直於所述第一方向的第二方向伸長。
- 如請求項7所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,其中所述噴嘴包括沿著所述第二方向的多個隔板。
- 如請求項1所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,其中所述斜角離子束包括發散離子束,並且所述斜角自由基束包括發散自由基束,其中所述發散離子束的離子通量密度及所述發散自由基束的自由基通量密度在整個所述基板上是均勻的。
- 一種處理基板的方法,包括:在基板臺上提供所述基板,其中所述基板的主表面界定基板平面;自離子源將包括離子通量的斜角離子束導向所述基板;自自由基源將包括自由基通量的斜角自由基束導向所述基板,其中所述自由基源與所述離子源被分開供電;以及 沿著第一方向掃描所述基板,所述第一方向位於所述基板平面上,同時所述基板的所述主表面在所述基板平面內取向,其中經由所述斜角離子束和所述斜角自由基束等中心掃描所述基板,其中所述自由基通量相對於所述基板平面處的所述離子通量沿所述第一方向位移。
- 如請求項10所述的處理基板的方法,其中對所述斜角離子束進行導向包括通過所述離子源的提取元件來提取所述斜角離子束,其中所述提取元件還包括多個提取電極,並且其中所述多個提取電極沿著所述第一方向彼此交錯。
- 如請求項10所述的處理基板的方法,其中所述斜角離子束包括發散離子束,並且所述斜角自由基束包括發散自由基束,其中所述發散離子束的離子通量密度及所述發散自由基束的自由基通量密度在整個所述基板上是均勻的。
- 一種反應性斜角離子束蝕刻系統,包括:基板台,被配置成支撐基板;電漿室,所述電漿室包括提取元件,所述提取元件包括多個提取電極,所述多個提取電極被取向成將包括離子通量的斜角離子束導向所述基板;以及自由基源,被取向成將包括自由基通量的斜角自由基束導向所述基板,其中所述自由基源與離子源被分開供電,其中: 所述基板台被配置成沿著第一方向掃描所述基板,所述第一方向位於由所述基板的主表面界定的基板平面內,同時所述基板的所述主表面在所述基板平面內取向,其中經由所述斜角離子束和所述斜角自由基束等中心掃描所述基板,其中所述基板的給定區域以依序方式暴露於所述斜角離子束及所述斜角自由基束,且其中所述自由基通量相對於所述基板平面處的所述離子通量沿所述第一方向位移。
- 如請求項13所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,還包括設置在所述電漿室與所述基板台之間的中和源,所述中和源被配置成將電子導向所述斜角離子束。
- 如請求項13所述的反應性斜角離子束蝕刻系統,其中所述多個提取電極沿著所述第一方向彼此交錯。
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