專利名稱：等離子體收縮系統(tǒng)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體收縮系統(tǒng)，特別涉及一種用于半導(dǎo)體電路的退火和腐蝕工藝的等離子體收縮系統(tǒng)。
本發(fā)明根據(jù)海軍研究局交辦的合同No.N00014-85-K-0598得到政府的資助。因此，政府對(duì)本發(fā)明有一定的權(quán)利。
過(guò)去，在集成電路和半導(dǎo)體芯片的制造工藝中存在若干問(wèn)題。例如，已證明半導(dǎo)體基片退火中通常所使用的激光束是一種比較昂貴而又復(fù)雜的工藝，而且結(jié)果也不盡滿意。對(duì)此，則要求訓(xùn)練有素的人員去操作這種昂貴的激光設(shè)備。更嚴(yán)重的問(wèn)題是退火工藝中重疊激光束的使用。這些技術(shù)勢(shì)必導(dǎo)致基片的非均勻退火。因此，基片的某些區(qū)域上會(huì)接收到相對(duì)過(guò)量的能量流。
一般來(lái)說(shuō)，使用相干光束，如常規(guī)的激光束會(huì)發(fā)生衍射，進(jìn)而會(huì)降低退火工藝的效能。此外，過(guò)多地延長(zhǎng)激光束輻照時(shí)間，可引起基片的微龜裂或微結(jié)晶損傷。因而，常規(guī)的退火工藝，對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生的效果不十分滿意。在此點(diǎn)上，最終產(chǎn)品常有缺陷，而且總是頻繁地出現(xiàn)不希望有的高淘汰率。因而，已知的工藝往往不但產(chǎn)生有害的副作用，而且相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間。淘汰率大，成本也高。
為此，需要一種能防止、至少能大量減小有害副作用的工藝和設(shè)備。這種新技術(shù)應(yīng)當(dāng)是效能比較高的，而且是便利的。
常規(guī)的半導(dǎo)體腐蝕技術(shù)一般包括將涂敷了光致抗蝕劑的基片對(duì)光束曝光。然而隨著對(duì)半導(dǎo)體集成電路小型化的要求越來(lái)越高，電路元件尺寸日趨縮小，以致元件尺寸小到了照射光束本身波長(zhǎng)的量級(jí)。因此，照射的光變成衍射光，使得最終產(chǎn)品出現(xiàn)參差不齊。
而且，由于照射光的非激光源的強(qiáng)度比較低，為達(dá)到腐蝕工藝用的必要能量，則要求延長(zhǎng)曝光時(shí)間，這不僅延長(zhǎng)了腐蝕工藝過(guò)程，而且顯著地增加了滲入雜質(zhì)的可能性。
為此，需要一種非相干光源及其使用方法，它不僅可以改進(jìn)退火操作，而且會(huì)進(jìn)一步使半導(dǎo)體腐蝕工藝與現(xiàn)代技術(shù)兼容。就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，相干光束輻照引起的不希望的衍射，如果不全部消除，也應(yīng)當(dāng)大大減小。
人們?cè)M(jìn)行過(guò)若干種采用非相干光源裝置給半導(dǎo)體元件退火和腐蝕的嘗試。如，曾用表面火花技術(shù)作為一種非相干光源，但效果不均勻仍是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。還有，該光源由于存在最終等離子體的膨脹等問(wèn)題，而達(dá)不到足夠高的溫度不能有效發(fā)光，所以，限制了這種技術(shù)在現(xiàn)代半導(dǎo)體生產(chǎn)中的實(shí)用性。
另一種先有的非相干光源技術(shù)的嘗試是采用爆炸金屬絲。該技術(shù)利用導(dǎo)體內(nèi)的大電流引起爆炸，以此提供非相干光。爆炸金屬絲技術(shù)的嚴(yán)重缺點(diǎn)是其重復(fù)率較低。因?yàn)?，每次點(diǎn)火后，必須更換金屬絲。另外，該系統(tǒng)也產(chǎn)生不了均勻的效果。
用于半導(dǎo)體工業(yè)的再一種產(chǎn)生光源的嘗試是一種稱之為等離子體聚焦系統(tǒng)的途徑。該系統(tǒng)采用一個(gè)等離子體，讓它在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生等離子體束，發(fā)射非相干光。然而，此種技術(shù)不總是令人滿意的。因?yàn)檫@種裝置也達(dá)不到半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝要求的充分高的溫度。此外，所產(chǎn)生的紫外光的量也不適宜用于半導(dǎo)體的腐蝕和退火。
為此，最希望有一種新型的改進(jìn)的可用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的非相干光源，特別是非常需要有一種新的適合作非相干源用的、光能穩(wěn)定的等離子體系統(tǒng)。該等離子體系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能產(chǎn)生在半導(dǎo)體工業(yè)的腐蝕和退火工藝所要求的充分的能量。該系統(tǒng)還應(yīng)適合于在半導(dǎo)體電路的現(xiàn)代批量生產(chǎn)工序中成本的有效利用。該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能在較低電壓，即安全電壓下工作。它必須是適當(dāng)聚焦的，還必須能以充分高的、對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)有用的速率發(fā)出脈沖。
然而，以等離子體作半導(dǎo)體生產(chǎn)的非相干光源，還存在若干其它由電離的等離子體的性質(zhì)決定的難以克服的問(wèn)題。與金屬或電解質(zhì)不同，不受外界作用的氣體中不含有作為電流載體的自由電荷。但是，一般說(shuō)，氣體分子的一個(gè)或更多的外層電子的脫離，會(huì)引起某些分子離子化，從而氣體也可能導(dǎo)電。某些游離的電子則會(huì)與中性原子相碰撞，形成負(fù)離子，所以，在電離的氣體中一般存在著正離子、負(fù)離子以及自由電子。當(dāng)正離子和負(fù)離子的濃度變得相當(dāng)大的時(shí)候，一般稱這種離化的氣體為“等離子體”。
在大多數(shù)的應(yīng)用中，采用高溫等離子體，如在熱核聚變反應(yīng)堆內(nèi)，等離子體要被約束在一個(gè)合適的容器或腔體內(nèi)，遠(yuǎn)離其壁。人們采用各種技術(shù)獲得對(duì)等離子體的約束，一般通稱為“等離子體收縮”。
等離子體收縮系統(tǒng)已有各種應(yīng)用。例如，美國(guó)專利US-4，042，848，描述一個(gè)園內(nèi)旋輪線收縮裝置，用來(lái)在熱核聚變溫度下產(chǎn)生密集的等離子體。US-4，406，952描述一個(gè)用等離子體聚焦裝置切斷電流的開(kāi)關(guān)。
在US-4，450，568中公開(kāi)了一等離子體收縮預(yù)處理的激光，它發(fā)射真空紫外輻射，用以電離被約束在一腔體內(nèi)的光解激光器介質(zhì)的分子。該預(yù)處理激光束激發(fā)腔體軸線附近的氣體粒子，用以限定形成等離子體收縮的預(yù)處理通道。
US-4，543，231描述一個(gè)用于聚變裝置中產(chǎn)生環(huán)形等離子體的等離子體收縮。US-4，621，577公開(kāi)了一個(gè)由電極間放電形成的、用以引爆易爆物的等離子體收縮。
另一個(gè)等離子體收縮的主要用途是將它用在X-射線制版印刷中。如US-4，424，102公開(kāi)了一個(gè)用于半導(dǎo)體基片活性離子腐蝕的等離子體，其腐蝕工藝包括與等離子體收縮有關(guān)的磁場(chǎng)。US-4，504，964、US-4，536，884、US-4，618，971、US-4，633，492以及US-4，635，282也公開(kāi)了幾種可用于X-射線制版印刷的等離子體收縮，使大電流流經(jīng)等離子體而產(chǎn)生X-射線。
然而，沒(méi)有一個(gè)先有的已知等離子體收縮系統(tǒng)在半導(dǎo)體腐蝕和退火的使用中是完全滿意的。
所以，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新的改進(jìn)的等離子體收縮系統(tǒng)，用于半導(dǎo)體工業(yè)的腐蝕和退火工藝。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種新的改進(jìn)的等離子體收縮系統(tǒng)，它應(yīng)適合于半導(dǎo)體電路的現(xiàn)代批量生產(chǎn)工序中成本的有效使用。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一個(gè)新的改進(jìn)的等離子收縮裝置，它可在比較低的電壓下工作，而且能按半導(dǎo)體生產(chǎn)所需的脈沖形式工作。
簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明的前述的和進(jìn)一步的目的和特點(diǎn)，可由提供一種新的改進(jìn)的等離子體收縮系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)包括一臺(tái)流體束等離子體收縮裝置，這一裝置備有等離子體源，該等離子體源是由中心狹窄的受壓(underpresure)流體蒸氣細(xì)流、周圍環(huán)繞著稀薄汽相預(yù)處理云組成的。將一放電裝置與流體束收縮裝置做電連接，以形成流過(guò)夾在兩金屬電極之間的流體束的電流。從而在兩電極間產(chǎn)生等離子體。用等離子體收縮系統(tǒng)作退火和腐蝕操作的方法包括將半導(dǎo)體片子在高能輻照下曝光。該輻照是由收縮的等離子體發(fā)射出來(lái)的，然后由透鏡和/或反射鏡系統(tǒng)收集。
其周圍有一層為形成等離子收縮的預(yù)處理汽相包層的受壓流體蒸汽可產(chǎn)生一高穩(wěn)定的適用于半導(dǎo)體退火和腐蝕工藝的等離子體。
采用本發(fā)明汽相包層的流體蒸汽技術(shù)所得到的等離子體是均勻的、穩(wěn)定的。其輻照的能量密度足夠現(xiàn)代半導(dǎo)體退火和腐蝕工藝所用。此外，由本系統(tǒng)輻射的光束是非相干的，因此，提高了半導(dǎo)體退火和腐蝕工藝的效率，從而消除了或大大減少了衍射問(wèn)題。另外，發(fā)射光的能量密度較高，使半導(dǎo)體片子的曝光時(shí)間縮短，因而大大減小或盡量減小了雜質(zhì)污染的可能性。本發(fā)明的等離子體收縮系統(tǒng)可在比較低的電壓和高輻照效率下工作，因而擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍。由于減少了絕緣體的劣化，也就降低了其使用的危險(xiǎn)性。
在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，流體蒸汽是一定的流體，如癸烷。本發(fā)明的另一種形式中的流體是正戊烷。再一種形式的流體蒸汽是水。
下面，結(jié)合附圖，參照本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明的前述的和其它的目的和特點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)方法將會(huì)更明顯，發(fā)明本身也將會(huì)易于理解。


圖1是本發(fā)明半導(dǎo)體制造工藝部分意示圖，它采用依本發(fā)明構(gòu)成的等離子體收縮系統(tǒng)。
圖2是本發(fā)明的氣埋收縮結(jié)構(gòu)的數(shù)字解的圖解表示。
圖3是本發(fā)明的動(dòng)態(tài)收縮模型的簡(jiǎn)單電路框圖。
圖4是計(jì)算出的在大約1大氣壓的氬中，3mm等離子體收縮效應(yīng)的工作情況的圖解表示。
圖5是計(jì)算出的在大約0.1大氣壓的氬中，1mm等離子體收縮效應(yīng)的工作情況的圖解表示。
圖6是計(jì)算出的在大約0.1大氣壓的氬中，0.5mm等離子體收縮效應(yīng)的工作情況的圖解表示。
圖7是計(jì)算出的在大約0.2大氣壓的氬中，1mm等離子體收縮效應(yīng)的工作情況的圖解表示。
圖8是計(jì)算出的在大約1大氣壓的氬中，1mm等離子體收縮效應(yīng)的工作情況的圖解表示。
圖9，為更好地理解本發(fā)明的系統(tǒng)，給出一個(gè)20，000K黑體的典型功率譜的圖解表示。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1說(shuō)明依本發(fā)明構(gòu)成的等離子體收縮系統(tǒng)10，它適用于本發(fā)明的半導(dǎo)體片子的生產(chǎn)工藝，如傳送帶13攜帶片子W通過(guò)系統(tǒng)10。本說(shuō)明和描述的工藝是一個(gè)腐蝕工藝，它采用一系列的具有預(yù)定電路圖形的常規(guī)腐蝕掩模M，置于系統(tǒng)10與傳送帶13之間。在這一點(diǎn)上，等離子體系統(tǒng)10發(fā)射光L(特別是紫外光)，此光直接射在片子W和置于等離子體系統(tǒng)10和各個(gè)片子W之間的掩模M上，以作為在半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)中造成對(duì)片子W實(shí)行腐蝕的腐蝕工藝的一部分。腐蝕工藝的其余部分為常規(guī)工藝，此處不再贅述。
采用發(fā)射紫外光的等離子體系統(tǒng)10的本發(fā)明的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝還可用在半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的退火步驟(未示出)。對(duì)此，其工藝類似于圖1所示的腐蝕工藝，但不再采用掩模M，而是將系統(tǒng)10發(fā)射的光直接投向待退火的片子W。所以，本發(fā)明的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝采用光發(fā)射等離子體系統(tǒng)10，既可用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的退火部分，又可用于其腐蝕部分。
就等離子體系統(tǒng)10而論，它一般包括一個(gè)等離子體源流體束收縮裝置12，以建立一個(gè)中心狹窄的預(yù)處理流體通道(通常它由虛線14所示)，使等離子體形成并沿此通道收縮。而且被限制在封閉腔體16的一個(gè)有限體積內(nèi)。流體在受壓下流過(guò)被真空泵(未示出)保持真空的腔體16，流體腔體14起初呈流體蒸汽狀態(tài)。汽相云23包圍著流體蒸汽，云與汽相結(jié)合形成等離子體系統(tǒng)10的主預(yù)電離激發(fā)級(jí)。放電裝置25包括一對(duì)相隔一定間隔在腔體16相對(duì)著的兩端的電極組合體35和36，引導(dǎo)流體蒸汽通過(guò)腔體16，形成通過(guò)預(yù)處理沿通道14的流體汽相云23的電流，以此建立等離子體。
在運(yùn)行中，微細(xì)的受壓流體蒸汽在腔體16內(nèi)的電極組合體35和36之間流動(dòng)。然后使放電系統(tǒng)工作，以釋放電極35和36兩端的近30000V的電勢(shì)，產(chǎn)生通過(guò)汽相云23的初始電流。蒸汽吸收非密集等離子體23發(fā)出的能量，并依次被輻射加熱。然后，流體蒸汽轉(zhuǎn)變成離化態(tài)，并成為一種高Z密集等離子體。接著，所產(chǎn)生的等離子體傳導(dǎo)連續(xù)放電電流，并產(chǎn)生高強(qiáng)度紫外光。所產(chǎn)生的密集的收縮等離子體使大多數(shù)的放電電流脫離周圍的非密集等離子體，而沿著腔體16的通道14導(dǎo)通，最終的等離子體基本上是穩(wěn)定的，在其長(zhǎng)軸截面上是均勻的。
收縮等離子體產(chǎn)生紫外光，其密度足夠半導(dǎo)體片子W的退火和腐蝕工藝需要。為此目的，要求裝置25以大約1-10次/秒的速率產(chǎn)生重復(fù)放電脈沖。因而，等離子體熄滅，然后再由裝置25重新形成。在這方面，前述工藝的步驟一次一次地重復(fù)，以循環(huán)的方式形成等離子體收縮。
現(xiàn)在把腔體設(shè)想更詳細(xì)些，如圖1所示，一般包括一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的管狀殼體或外殼40，它整個(gè)長(zhǎng)軸是中空的，而且其截面形狀基本上是均勻的。截面形狀可以是園的或橢園的。
外殼40的兩端由兩個(gè)端壁41和42基本封閉，每個(gè)壁各有一中心孔41A和42A，以收納焊在中心孔的電極組合體35和36的前部。外殼40包括底壁部件40A，它最好由石英、藍(lán)寶石、玻璃或其它適合的允許光通過(guò)的透明材料制成。然而，應(yīng)當(dāng)了解，底壁部件另外還可用其它合適的透明材料制作。兩端壁41和42以及余下的上壁部件40B可包括不透明的或反射光的內(nèi)表面。片子若放在腔體40的腔內(nèi)，那就無(wú)需采用窗口，按此方法，可以完全避免窗口對(duì)真空紫外輻射的吸收。
現(xiàn)在設(shè)想由較多另外組成的流體束裝置12，一般它包括一個(gè)預(yù)處理的受壓流體源46，用以向腔體內(nèi)部供給流體蒸汽。一個(gè)塑料管35B裝在電極組合體35的電極37的中心孔內(nèi)，并與受壓流體源46作流體傳遞。一個(gè)金屬電極管35A與塑料傳遞管35B同軸對(duì)準(zhǔn)，以便與電極37的一凹槽相適配，形成一個(gè)流入噴口，以使流體在管35B和腔體16的內(nèi)部進(jìn)行輸運(yùn)。管35A與放電裝置25的一個(gè)放電電容器73作電連接。受壓流體蒸汽在腔體16內(nèi)軸向流動(dòng)，形成一微細(xì)(φ100μm)、極其狹窄、直的聚焦的蒸汽，并導(dǎo)致在其附近形成環(huán)繞汽相云23的環(huán)狀物。
在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，流體最好是癸烷。然而，很明顯，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，流體也可以用正戊烷或水代替，也可以采用流體金屬，如汞或鎵。
流體蒸汽通過(guò)電極組合體36，穿過(guò)安裝在電極組合體36的電極49的中心孔的金屬管36A存在于腔體16中，其安裝方法與電極組合體35的金屬管35A和塑料管35B的裝法相同。塑料的出口管36B與金屬管36A同軸對(duì)準(zhǔn)，以使接收的蒸汽流體流向排氣泵。金屬管36A通過(guò)開(kāi)關(guān)74與電容器73的另一端子作電連接，開(kāi)關(guān)74為一周期性通/斷開(kāi)關(guān)。或者，流體束本身也起開(kāi)關(guān)作用，每當(dāng)蒸汽跨越電極組合體35和36的整個(gè)間隙時(shí)，電流就流通。因而，流體束可以是周期脈沖的。在這方面，金屬管35A和36A面對(duì)面相互對(duì)準(zhǔn)，而且相互分開(kāi)同軸對(duì)準(zhǔn)，使蒸汽22的大多數(shù)流體粒子充分地被電極36收集。
為使流體蒸汽能以充分的速度進(jìn)入腔體16，流體呈微細(xì)、窄線的蒸汽流動(dòng)使它在受壓下流經(jīng)腔體16。
電極組合體36一般包括一個(gè)漏斗形錐形進(jìn)口70，與電極49組成一個(gè)出口收集器，以利于把流體蒸汽引入電極組合體36的金屬管36A的入口端。
放電裝置25通過(guò)電極組合體35和36與流體收縮裝置12相連。為此，電極組合體35和36具有雙重作用，既作流體流動(dòng)的通道，又作為放電裝置。電極組合體35和36的電極37和49由合適的無(wú)腐蝕性的導(dǎo)電材料、諸如紫銅、不銹鋼、無(wú)錫高強(qiáng)度青銅或其混合物制成。
放電裝置25一般包括電容73，用于貯存能量，并通過(guò)常開(kāi)開(kāi)關(guān)74，為電極35和36提供電壓脈沖。圖中所示僅為單個(gè)電容73，顯然，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，它可以是更多的電容和電感(未示出)，以組成電容組或脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)。電源76一般與電容器73并聯(lián)，經(jīng)過(guò)常開(kāi)開(kāi)關(guān)80為電容充電。
閉合開(kāi)關(guān)80，使電源76給電容器73充電。在開(kāi)關(guān)80閉合期間，開(kāi)關(guān)74是斷開(kāi)的，電極組合體35和36之間沒(méi)有電流，同時(shí)電容器73被充電。一俟電容器73充滿電，開(kāi)關(guān)80斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)74閉合，電容器73通過(guò)汽相云23和流體蒸汽在電極35和36兩端放電，形成等離子體，在磁作用下收縮并被約束成一相當(dāng)窄的沿通道14的線形穩(wěn)定的狀態(tài)。
雖然，上面以簡(jiǎn)單的方式介紹了兩個(gè)開(kāi)關(guān)74和80，以協(xié)調(diào)裝置12和25的點(diǎn)火，但應(yīng)當(dāng)了解，計(jì)算機(jī)化的開(kāi)關(guān)器件，如發(fā)火裝置、閘流管、或火花隙等均可代替使用，它們?nèi)园催m當(dāng)?shù)闹貜?fù)方式斷開(kāi)和閉合。
在一個(gè)或更多個(gè)電子逸出或從高能級(jí)返回后，由于電離的氣體分子返回其常態(tài)，等離子體會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的紫外輻射。由于電容器73完全放電，開(kāi)關(guān)74被斷開(kāi)，同時(shí)閉合開(kāi)關(guān)80，使電容器73再充電。處于隨后形成等離子體工作的準(zhǔn)備狀態(tài)。
盡管在本發(fā)明中，等離子體收縮不是埋在一種氣體介質(zhì)中，但應(yīng)當(dāng)了解，在氣埋狀態(tài)中，一種冷的氣相復(fù)蓋層環(huán)繞著并且穩(wěn)定著等離子體的收縮，使等離子體與外殼40的內(nèi)壁隔離。當(dāng)這種收縮在高Z氣體中形成時(shí)，其大量的紫外線產(chǎn)物在周圍的氣體復(fù)蓋層中由于光解激發(fā)而引起導(dǎo)電性。所以，一種導(dǎo)電的包層可在收縮線的周圍形成，并且可降低其歐姆發(fā)熱率。任何一種高密度材料均可變成光學(xué)上的致密材料，因而，輻射基本上可作為黑體輻射。
導(dǎo)引等離子體收縮的流體蒸汽對(duì)探討彌散-放電現(xiàn)象是一種方便的、一般是性能良好的工具。高Z氣體在壓力范圍為0.02～2.00大氣壓下一般可使等離子體收縮處于一種熱平衡狀態(tài)，可做為一個(gè)有效的真空紫外輻射源。做為一種“無(wú)窗口”的紫外輻照源，高-Z氣埋等離子體收縮變成了一種光解周圍氣體的有效手段。因而，等離子體收縮系統(tǒng)10可被用做一種開(kāi)關(guān)，去控制在等離子體收縮線周圍形成的包層的導(dǎo)電性，就象熱核聚變裝置和光解激光器的控制一樣。
現(xiàn)已著手制定電感性電能存貯方案，以代替高能系統(tǒng)的常規(guī)電容器組。一般，為使其貯能密度增加10～100倍，則要由電感性電存貯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為達(dá)到此種進(jìn)步，需要有效地開(kāi)發(fā)一種重復(fù)率(repetition-rate)打開(kāi)開(kāi)關(guān)的技術(shù)，以便能從貯能電感器獲得能量。
電感性開(kāi)關(guān)問(wèn)題的分析已把彌散帶電氣體放電視為似乎合理的電流控制介質(zhì)。導(dǎo)電性可由外部輻射源的感應(yīng)電離而產(chǎn)生。如果電場(chǎng)和氣體動(dòng)力學(xué)對(duì)抑制電弧的形成是合適的話，那么電流應(yīng)被外部致電離源控制。通過(guò)源和/或通過(guò)漂移和附著動(dòng)力學(xué)降低電離度完成開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。以新鮮的氣體為下一周充滿電流控制介質(zhì)有利于脈沖的重復(fù)工作。
當(dāng)工序中的每個(gè)獨(dú)立的工藝都有效地完成時(shí)，一般可使基于前述技術(shù)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作得以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)基本上可維持下去工序是外控產(chǎn)生電離。一般來(lái)說(shuō)，激光束、X-射線和電子束源實(shí)質(zhì)上在效能上是受限制的。再有，許多基于這些發(fā)生器的開(kāi)關(guān)的具體裝置是被窗口的透射、壽命極限、以及重復(fù)冷卻問(wèn)題等所阻礙。
一種高密度、高-Z氣埋等離子體收縮可做為一種真空紫外輻射強(qiáng)源。而且，等離子收縮效應(yīng)通過(guò)光解導(dǎo)致在等離子線柱周圍分布的環(huán)狀包層物的導(dǎo)電性。因此，對(duì)彌散-放電起動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，氣埋收縮是有吸引力的另一種光致電離源。
用這種等離子體收縮作開(kāi)關(guān)帶來(lái)幾種合意的特點(diǎn)。因氣埋收縮輻射大體上與黑體相同，因而它可以成為有效的真空紫外能量源。而且，等離子體收縮被蒸汽所限定并引導(dǎo)，不要求一具體窗口。等離子體收縮簡(jiǎn)單地是光解容積的一部分。
前面的設(shè)想暗示著高-Z氣埋等離子體收縮可有兩類應(yīng)用，一是引信-放電(fuse-discharge)開(kāi)關(guān)的控制，另一是激光器的光解激勵(lì)。冷氣體包層環(huán)繞著的等離子體收縮緩沖了不穩(wěn)定性，而且，必然使等離子體收縮裝置的使用選至作為一個(gè)穩(wěn)定的紫外輻射源的最佳條件。
彌散-放電動(dòng)力學(xué)在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的概念和放電激勵(lì)激光器方面是有顯著的意義的。耦合可通過(guò)光解工藝構(gòu)成，還可以利用磁場(chǎng)力避開(kāi)中間的容器。下面的說(shuō)明將描述一個(gè)穩(wěn)定的或平衡的氣埋等離子體收縮模型、再下是動(dòng)力收縮模型和一個(gè)無(wú)色波模型。
平衡氣埋等離子體收縮效應(yīng)與常規(guī)收縮效應(yīng)不同，這里，一個(gè)高壓擊穿在園筒腔體的外絕緣壁附近形成初始電流，然后繼續(xù)進(jìn)行電離并把其余的氣體向腔體軸壓縮，本發(fā)明的氣埋收縮效應(yīng)利用了一個(gè)分離的預(yù)離化微細(xì)流體束(大約100μm)以在腔體軸線附近，在施加30000V放電電壓之前形成一個(gè)中心狹窄的導(dǎo)電蒸汽22。
當(dāng)施加主激發(fā)物，如快速流體蒸汽時(shí)，放電電流沿預(yù)定的途徑流動(dòng)，而不是沿腔體16的外緣流動(dòng)。致密的包層，與熱蒸汽22接觸的冷氣體，為轉(zhuǎn)折點(diǎn)不穩(wěn)定生長(zhǎng)提供有效的慣性阻尼，并使從等離子體收縮到其周圍的熱導(dǎo)損耗保持適當(dāng)?shù)牡汀?br> 分析等離子體壓力同密度、收縮半徑和電流形貌之間的關(guān)系，可能涉及某些有關(guān)能量和質(zhì)量轉(zhuǎn)換的假定。一個(gè)假定是，當(dāng)電導(dǎo)和直線輻射的作用相對(duì)最低時(shí)，聚變收縮效應(yīng)中的能量增長(zhǎng)率等于電阻發(fā)熱和韌致輻射損耗之差。另一個(gè)假定是，等離子體收縮是光學(xué)薄。如果不做這些假定，韌致輻射損耗率必須對(duì)自-吸收進(jìn)行修正，在極限情況下，它將演變成黑體輻射。
在分析一種高-Z彌散放電收縮效應(yīng)中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員一般要受到參數(shù)的制約，使得等離子體收縮的光學(xué)厚度的假定變得相對(duì)似是而非。介質(zhì)本身不是類氫的，即使電離，這種介質(zhì)會(huì)含有大量的高吸收譜線。而且，在下述的描述中，會(huì)明顯地看到這種應(yīng)用的最佳收縮半徑比聚變收縮半徑大一個(gè)量級(jí)。
假定單位收縮長(zhǎng)度的能量加上經(jīng)典的焦耳熱、減去發(fā)射率為ε的表面灰體輻射，我們得到下列等離子體參數(shù)、電參數(shù)和系統(tǒng)尺寸之間的定量關(guān)系式(d)/(dt) (πr2nkT)＝I2R-2πrσT4ε (1)其中，R是單位長(zhǎng)度電阻，假定R是經(jīng)典Spitzer電阻率除以柱截面，那么R≈125／πr2T3/2 (2)假定溫度對(duì)這種應(yīng)用是比較低的，電離電荷Z≈l。
確實(shí)可以假定方程式(1)左邊的有效等離子體的溫度對(duì)離子和電子相同，因?yàn)樵诒緱l件下，均勻分布的時(shí)間與放電持續(xù)時(shí)間相比是很短的。密度n是電子和離子密度之和，并假定是冷氣充氣密度的2倍。如果取半徑為一常數(shù)，方程式(1)變?yōu)?br> (dT)/(dt) = C1(I2T-3 / 2)/(nr4) - C2(T4)/(nr) ε (3)這里采用米·千克·秒單位制，T采用KC1＝9×1023，C2＝8×1015。
由動(dòng)量守恒和徑向準(zhǔn)平衡的假定(忽略內(nèi)力)產(chǎn)生一個(gè)等離子體和磁壓力之間平衡的方程式(B2θ)/(2μO) = nkT。 (4)因?yàn)锽θ＝μoI/2πr方程式(4)變成眾所周知的收縮效應(yīng)的Bennett關(guān)系式I2＝C3nr2T (5)這里采用米·千克·秒單位制C3＝9×10-16。
方程式(3)和(5)仍允許T變化，r是常數(shù)。如果假定是定態(tài)條件，那么方程式(3)變成
I2= (εC2)/(C1) · r3T11/2(6)與方程式(5)結(jié)合，消去I2，變成T9/2= (C1C3)/(εC2) · (n)/(r) 。 (7)假定n不是變量，得到T～r-2/9。 (8)使方程式(5)和(6)中的T值具體化，I變成I～r8/9。 (9)放電電阻R和半徑r之間的關(guān)系可從方程式(2)、(8)和(9)得到，如下R～r-13/9。 (10)功率P變?yōu)镻～r1/3， (11)而軸向電場(chǎng)變?yōu)镋～r-5/9。 (12)因而，收縮得越厚，將導(dǎo)致溫度越低、總功率稍高、電阻越小以及電壓越低。
對(duì)光解的應(yīng)用，首先半徑勢(shì)必還受除前述換算之外的因素的限制。最重要的是達(dá)到毀壞(等離子體)柱的不穩(wěn)定性轉(zhuǎn)折點(diǎn)所要求的時(shí)間。雖然說(shuō)它有賴于周圍的氣體提供的阻尼似乎是合理的，這種阻尼一部分是由彎曲柱的動(dòng)量轉(zhuǎn)成外部沖擊波產(chǎn)生的，該波對(duì)氣體介質(zhì)有不良作用。因而，非阻尼彎曲生長(zhǎng)率，在要求的輻射時(shí)間內(nèi)，不應(yīng)被比其自身半徑大的柱來(lái)代替。
很容易說(shuō)明此生長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)高-β等離子體收縮，恰恰是離子聲波穿過(guò)半徑的渡越時(shí)間。因而，生長(zhǎng)時(shí)間r ～r /T]]>由方程式(8)，它又變成r～r10/9。 (13)很明顯，半徑大是有益處的。
定態(tài)的假定不能用于等離子體收縮的發(fā)熱階段，所以T(t)和I(t)將由方程式(3)和(5)的結(jié)合來(lái)解析。消去I，我們得到(dT)/(dt) = (C1C3T-1/2)/(r2) - (εC2T4)/(nr) ， (14)或(dT)/(dt) = FT-1/2- GT4， (15)
其中半徑是常數(shù)，并且，F(xiàn)＝C1C3/r2，G＝εC2/nr對(duì)常半徑收縮效應(yīng)F和G也是常數(shù)。對(duì)下列參數(shù)r＝3×10-3m，n＝6×1024m-3，and ε～1，F(xiàn)＝9×1013，andG＝4×10-7，引用方程(5)的Bennett關(guān)系式，得到方程式(15)T(t)和I(t)的數(shù)字解示于圖2。對(duì)T(t)和I(t)，當(dāng)T接近零時(shí)，要求一個(gè)接近無(wú)限大的上升率，但這個(gè)理想解不可能滿足，因?yàn)樵趖＝0時(shí)有dI/dt＝VoL的條件限制，其中Vo是線電壓，而L是放電電感量。然而，讓實(shí)際電流上升時(shí)間L/(Zo+R)等于大約20ns，可獲得近似理想的情況，它是理想化I(t)的上升時(shí)間。
對(duì)于一個(gè)30cm長(zhǎng)的收縮效應(yīng)，r＝3mm，外電流返回半徑5cm，L＝170nH，則R+Zo＝8.5Ω。對(duì)有效激發(fā)，脈沖-線電激發(fā)物還有大約8Ω的阻抗。脈沖-線電壓則應(yīng)是320KV，使放電電流逐漸接近30KA。
動(dòng)力收縮模型前面的產(chǎn)生放電的解析解附屬于一個(gè)特殊情況集合。這對(duì)指導(dǎo)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)以及給一個(gè)更完整的、更通用的模型列出一個(gè)方程式是有用的。為探討這種可變半徑的模型，還要再考慮到一個(gè)與能量守恒相關(guān)的方程式dE＝d[pV/(γ-1)]＝d[nkT/(γ-1)]，(16)其中n是粒子數(shù)目。在磁化的等離子體中的B場(chǎng)降低了自由度的數(shù)目，比熱γ近似2，而不是通常的5/3。所以，將方程式(16)兩邊對(duì)時(shí)間微分，我們得到(dE)/(dt) = (d)/(dt) (πr2nkT) = I2R - 2πrσT4ε。 (17)現(xiàn)在開(kāi)始進(jìn)入要求引用動(dòng)量平衡的動(dòng)力模型。
首先，我們注意，有一個(gè)向外的壓力nkT傾向于使收縮等離子體膨脹。而電流I引起的磁壓力向內(nèi)作用，壓縮該柱體。所以(d2r)/(dt2) = (2kT)/(mir) - (μOI2)/(4πr) · 1/(Nmi) ， (18)此處，mi是離子質(zhì)量，N＝πr2n是線密度，重寫方程式(17)和(18)，得到下列方程式(dT)/(dt) = 125/(2πK) · (I2T-3/2)/(Nr2) - (πσε)/(K) · (T4)/(N) - (2T)/(r) (dr)/(dt,) ，(19)(d2r)/(dt2) = (kT)/(mir) - (μOI2)/(2πr) 1/(Nmi) 。 (20)如圖3所示，我們用計(jì)算機(jī)代碼分析了具有一負(fù)載102的電流源100的特征。其瞬時(shí)關(guān)系式假定是I(t)＝Io(1-et/r)。(21)方程組(19)、(20)和(21)用一種顯一和半步積分技術(shù)來(lái)解。在此計(jì)算中，在每一步和每一個(gè)半步，對(duì)每一步作兩次求導(dǎo)，以便得到一個(gè)高精度。
T1、r1和V1是溫度、半徑和速度的初值。用方程rn+1＝Vn+1/2·(△t)+rn，Vn+1＝Vn+1/2·(△t)+Vn，andt＝(n-1)·△t，n＝1，2，3，……對(duì)每個(gè)間隔△t，做1，000步積分。
一旦產(chǎn)生溫度隨時(shí)間的變化，把它存入文件，用另一種代碼檢索，從給定的作為時(shí)間函數(shù)的譜帶計(jì)算功率密度。每個(gè)溫度，在用Simpson定則來(lái)積分Plank輻射定律中都作為常數(shù)。每一個(gè)結(jié)果作為收縮效應(yīng)功率隨時(shí)間變化的部分存貯起來(lái)，最后繪圖。
圖4、5、6和7表明初始條件范圍的計(jì)算結(jié)果。數(shù)萬(wàn)度的溫度預(yù)示出高-Z等離子體收縮電勢(shì)可作為強(qiáng)烈的真空紫外源?！啊痢贝黼娏鳎啊鳌贝頊囟?。
圖8還加進(jìn)了一個(gè)由LANLGlobalMHD模型計(jì)算出的指示溫度的附加波折曲線。該模型中假定了等離子體通道為光學(xué)薄。從而，即使它是一個(gè)更非常精細(xì)的代碼，其結(jié)果也不可能比高-Z氣體氬所作的現(xiàn)在的預(yù)測(cè)更正確，這一點(diǎn)使我們有把握使用本簡(jiǎn)單代碼指導(dǎo)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)濟(jì)地、快速地觀測(cè)高-Z氣體寬范圍的彌散放電現(xiàn)象。
在公開(kāi)本發(fā)明的具體實(shí)施例的同時(shí)，應(yīng)該了解到，各種不同的改形都是可能的并都屬于附屬的權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)。所以，決無(wú)限制本文表達(dá)的說(shuō)明書和摘要的意圖。
權(quán)利要求
1.一種等離子體收縮系統(tǒng)包括流體束收縮裝置，用以產(chǎn)生等離子體源，該源是由中心狹窄的受壓流體蒸汽細(xì)流，周圍環(huán)繞著稀薄汽相預(yù)處理云組成的，以及與所說(shuō)的流體束收縮裝置電連接的放電裝置，用以提供通過(guò)流體蒸汽部分并沿此部分建立一個(gè)等離子體的電流。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所說(shuō)的放電裝置包括周期地貯能和釋放電能以提供所說(shuō)的電流的電容裝置。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，所說(shuō)的放電裝置進(jìn)一步包括能使所說(shuō)的電容器交替地充電，然后放電的開(kāi)關(guān)裝置。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中，所說(shuō)的放電裝置進(jìn)一步包括一對(duì)空間隔開(kāi)的、在所說(shuō)的流體束收縮裝置的預(yù)處理云的相對(duì)兩端安置的電極組合體。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，所說(shuō)的每一個(gè)電極組合體包括能使流體蒸汽沿其通過(guò)的裝置。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中，所說(shuō)的每一個(gè)電極組合體包括由不被所說(shuō)的流體腐蝕的導(dǎo)電材料組成的電極。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中，所說(shuō)的流體束收縮裝置包括受壓流體源，所說(shuō)的源與所說(shuō)的裝置以流體輸運(yùn)方式連接，以使所說(shuō)的流體蒸汽能通過(guò)該裝置。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中，所說(shuō)的流體束收縮包括限制在一個(gè)腔體的裝置，所說(shuō)的受壓流體蒸汽在所說(shuō)的腔體內(nèi)流動(dòng)，所說(shuō)的電極組合體以空間隔開(kāi)方式安裝在限定一個(gè)腔體的所說(shuō)裝置上。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所說(shuō)的能使流體蒸汽沿其通過(guò)的裝置包括進(jìn)氣噴口，以使受壓蒸汽導(dǎo)入所說(shuō)的腔體的內(nèi)部，和一個(gè)漏斗形出汽收集器，以收集在腔體內(nèi)流動(dòng)的流體蒸汽，并排出腔體。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，所說(shuō)的流體束裝置包括集流裝置，以從所說(shuō)的腔體，通過(guò)流出收集器抽取流體蒸汽。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所說(shuō)的流體選自具有適當(dāng)?shù)谋砻鎻埩?、蒸汽壓力和粘度、以至合適功能的水、癸烷和正戊烷。
12.一種產(chǎn)生等離子體收縮的方法，包括建立一個(gè)等離子體源，它是由一個(gè)中心狹窄的受壓流體蒸汽微細(xì)流，以及周圍環(huán)繞著稀薄汽相預(yù)處理云組成的，和提供一個(gè)通過(guò)流體蒸汽部分并沿此部分建立等離子體的電流。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括基本上由其放電提供所說(shuō)的電流的放電電容器裝置。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，所說(shuō)的流體選自水、癸烷和正戊烷組成的組。
15.由半導(dǎo)體片子制造半導(dǎo)體芯片的工藝的一種方法包括建立等離子體源，它是由一個(gè)中心狹窄的受壓流體蒸汽微細(xì)流，以及周圍環(huán)繞著稀薄汽相預(yù)處理云組成的;提供通過(guò)流體蒸汽的電流，以沿此蒸汽建立一等離子體，以產(chǎn)生非相干光;以及將半導(dǎo)體片子對(duì)非相干光曝光。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括將電容放電的方法，提供給所說(shuō)的電流。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，所說(shuō)的流體是選自由水、癸烷和正戊烷組成的組。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，所說(shuō)的曝光包括將掩模置于所說(shuō)的等離子體和待腐蝕的片子之間。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，所說(shuō)的片子的曝光包括將多個(gè)類似的片子相對(duì)于等離子體傳送。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，所說(shuō)的片子對(duì)所說(shuō)的非相干光曝光包括給片子做充足時(shí)間的曝光，使片子退火。
全文摘要
等離子體收縮系統(tǒng)包括一臺(tái)流體束收縮裝置，用以建立一個(gè)等離子體源，該源是由一中心狹窄的受壓流體蒸汽細(xì)流、以及周圍環(huán)繞著稀薄汽相預(yù)處理云組成的。一臺(tái)放電裝置與流體束裝置作電連接，用以供給通過(guò)流體蒸汽部分的、建立發(fā)射等離子體的非相干光的電流。一個(gè)用該等離子體收縮系統(tǒng)生產(chǎn)半導(dǎo)體的方法包括將半導(dǎo)體片子對(duì)等離子體發(fā)射的非相干光曝光，完成退火和腐蝕工藝。
文檔編號(hào)H01J61/72GK1043846SQ8810899
公開(kāi)日1990年7月11日 申請(qǐng)日期1988年12月31日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月7日
發(fā)明者約翰·F·阿斯姆斯, 羅爾夫·H·洛夫堡 申請(qǐng)人:加州大學(xué)評(píng)議會(huì)