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，政府對本發(fā)明有一定的權(quán)利。
過去，在集成電路和半導(dǎo)體芯片的制造工藝中存在若干問題。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)重的問題是退火工藝中重疊激光束的使用。這些技術(shù)勢必導(dǎo)致基片的非均勻退火。因此，基片的某些區(qū)域上會接收到相對過量的能量流。
一般來說，使用相干光束，如常規(guī)的激光束會發(fā)生衍射，進(jìn)而會降低退火工藝的效能。此外，過多地延長激光束輻照時間，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，對某些應(yīng)用來說，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光束曝光。然而隨著對半導(dǎo)體集成電路小型化的要求越來越高，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的量級。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，則要求延長曝光時間，這不僅延長了腐蝕工藝過程，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)來說，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。
人們曾進(jìn)行過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嚴(yán)重問題。還有，該光源由于存在最終等離子體的膨脹等問題，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。因為，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)采用一個等離子體，讓它在磁場作用下產(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。因為這種裝置也達(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，氣體分子的一個或更多的外層電子的脫離，會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，美國專利US-4，042，848，描述一個園內(nèi)旋輪線收縮裝置，用來在熱核聚變溫度下產(chǎn)生密集的等離子體。US-4，406，952描述一個用等離子體聚焦裝置切斷電流的開關(guān)。
在US-4，450，568中公開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公開了一個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公開了一個用于半導(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。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，沒有一個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)明的再一個目的是提供一個新的改進(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)得以實現(xiàn)。該系統(tǒng)包括一臺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)及其實現(xiàn)方法將會更明顯，發(fā)明本身也將會易于理解。


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)明的動態(tài)收縮模型的簡單電路框圖。
圖4是計算出的在大約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20，000K黑體的典型功率譜的圖解表示。
現(xiàn)在參照圖1說明依本發(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通過系統(tǒng)10。本說明和描述的工藝是一個腐蝕工藝，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)中造成對片子W實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，它一般包括一個等離子體源流體束收縮裝置12，以建立一個中心狹窄的預(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的一個有限體積內(nèi)。流體在受壓下流過被真空泵(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。放電裝置25包括一對相隔一定間隔在腔體16相對著的兩端的電極組合體35和36，引導(dǎo)流體蒸汽通過腔體16，形成通過預(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。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，產(chǎn)生通過汽相云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，一般包括一個細(xì)長的管狀殼體或外殼40，它整個長軸是中空的，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的兩端由兩個端壁41和42基本封閉，每個壁各有一中心孔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)，那就無需采用窗口，按此方法，可以完全避免窗口對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。一個金屬電極管35A與塑料傳遞管35B同軸對準(zhǔn)，以便與電極37的一凹槽相適配，形成一個流入噴口，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，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，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，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。
流體蒸汽通過電極組合體36，穿過安裝在電極組合體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同軸對準(zhǔn)，以使接收的蒸汽流體流向排氣泵。金屬管36A通過開關(guān)74與電容器73的另一端子作電連接，開關(guān)74為一周期性通/斷開關(guān)?；蛘?，流體束本身也起開關(guān)作用，每當(dāng)蒸汽跨越電極組合體35和36的整個間隙時，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面對面相互對準(zhǔn)，而且相互分開同軸對準(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)、窄線的蒸汽流動使它在受壓下流經(jīng)腔體16。
電極組合體36一般包括一個漏斗形錐形進(jìn)口70，與電極49組成一個出口收集器，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由合適的無腐蝕性的導(dǎo)電材料、諸如紫銅、不銹鋼、無錫高強(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，并通過常開開關(guān)74，為電極35和36提供電壓脈沖。圖中所示僅為單個電容73，顯然，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，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)過常開開關(guān)80為電容充電。
閉合開關(guān)80，使電源76給電容器73充電。在開關(guān)80閉合期間，開關(guān)74是斷開的，電極組合體35和36之間沒有電流，同時電容器73被充電。一俟電容器73充滿電，開關(guān)80斷開，開關(guān)74閉合，電容器73通過汽相云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，上面以簡單的方式介紹了兩個開關(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，計算機(jī)化的開關(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)方式斷開和閉合。
在一個或更多個電子逸出或從高能級返回后，由于電離的氣體分子返回其常態(tài)，等離子體會發(fā)出強(qiáng)烈的紫外輻射。由于電容器73完全放電，開關(guān)74被斷開，同時閉合開關(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，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)，可做為一個有效的真空紫外輻射源。做為一種“無窗口”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)來實現(xiàn)。為達(dá)到此種進(jìn)步，需要有效地開發(fā)一種重復(fù)率(repetition-rate)打開開關(guān)的技術(shù)，以便能從貯能電感器獲得能量。
電感性開關(guān)問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。如果電場和氣體動力學(xué)對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。通過源和/或通過漂移和附著動力學(xué)降低電離度完成開關(guān)的動作。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)工序中的每個獨(dú)立的工藝都有效地完成時，一般可使基于前述技術(shù)的開關(guān)動作得以實現(xiàn)。一個基本上可維持下去工序是外控產(chǎn)生電離。一般來說，激光束、X-射線和電子束源實質(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，對彌散-放電起動開關(guān)來說，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關(guān)帶來幾種合意的特點(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)開關(guān)的控制，另一是激光器的光解激勵。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穩(wěn)定的紫外輻射源的最佳條件。
彌散-放電動力學(xué)在斷開開關(guān)的概念和放電激勵激光器方面是有顯著的意義的。耦合可通過光解工藝構(gòu)成，還可以利用磁場力避開中間的容器。下面的說明將描述一個穩(wěn)定的或平衡的氣埋等離子體收縮模型、再下是動力收縮模型和一個無色波模型。
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，放電電流沿預(yù)定的途徑流動，而不是沿腔體16的外緣流動。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。一個假定是，當(dāng)電導(dǎo)和直線輻射的作用相對最低時，聚變收縮效應(yīng)中的能量增長率等于電阻發(fā)熱和韌致輻射損耗之差。另一個假定是，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似是而非。介質(zhì)本身不是類氫的，即使電離，這種介質(zhì)會含有大量的高吸收譜線。而且，在下述的描述中，會明顯地看到這種應(yīng)用的最佳收縮半徑比聚變收縮半徑大一個量級。
假定單位收縮長度的能量加上經(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)假定溫度對這種應(yīng)用是比較低的，電離電荷Z≈l。
確實可以假定方程式(1)左邊的有效等離子體的溫度對離子和電子相同，因為在本條件下，均勻分布的時間與放電持續(xù)時間相比是很短的。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。
由動量守恒和徑向準(zhǔn)平衡的假定(忽略內(nèi)力)產(chǎn)生一個等離子體和磁壓力之間平衡的方程式(B2θ)/(2μO) = nkT。 (4)因為Bθ＝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。
對光解的應(yīng)用，首先半徑勢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)所要求的時間。雖然說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量轉(zhuǎn)成外部沖擊波產(chǎn)生的，該波對氣體介質(zhì)有不良作用。因而，非阻尼彎曲生長率，在要求的輻射時間內(nèi)，不應(yīng)被比其自身半徑大的柱來代替。
很容易說明此生長時間，對高-β等離子體收縮，恰恰是離子聲波穿過半徑的渡越時間。因而，生長時間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對常半徑收縮效應(yīng)F和G也是常數(shù)。對下列參數(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T(t)和I(t)，當(dāng)T接近零時，要求一個接近無限大的上升率，但這個理想解不可能滿足，因為在t＝0時有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，讓實際電流上升時間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)的上升時間。
對于一個30cm長的收縮效應(yīng)，r＝3mm，外電流返回半徑5cm，L＝170nH，則R+Zo＝8.5Ω。對有效激發(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。
動力收縮模型前面的產(chǎn)生放電的解析解附屬于一個特殊情況集合。這對指導(dǎo)試驗、設(shè)計以及給一個更完整的、更通用的模型列出一個方程式是有用的。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)兩邊對時間微分，我們得到(dE)/(dt) = (d)/(dt) (πr2nkT) = I2R - 2πrσT4ε。 (17)現(xiàn)在開始進(jìn)入要求引用動量平衡的動力模型。
首先，我們注意，有一個向外的壓力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)來解。在此計算中，在每一步和每一個半步，對每一步作兩次求導(dǎo)，以便得到一個高精度。
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，……對每個間隔△t，做1，000步積分。
一旦產(chǎn)生溫度隨時間的變化，把它存入文件，用另一種代碼檢索，從給定的作為時間函數(shù)的譜帶計算功率密度。每個溫度，在用Simpson定則來積分Plank輻射定律中都作為常數(shù)。每一個結(jié)果作為收縮效應(yīng)功率隨時間變化的部分存貯起來，最后繪圖。
圖4、5、6和7表明初始條件范圍的計算結(jié)果。數(shù)萬度的溫度預(yù)示出高-Z等離子體收縮電勢可作為強(qiáng)烈的真空紫外源?！啊痢贝黼娏?，“△”代表溫度。
圖8還加進(jìn)了一個由LANLGlobalMHD模型計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)測更正確，這一點(diǎn)使我們有把握使用本簡單代碼指導(dǎo)設(shè)計和實驗，并經(jīng)濟(jì)地、快速地觀測高-Z氣體寬范圍的彌散放電現(xiàn)象。
在公開本發(fā)明的具體實施例的同時，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，決無限制本文表達(dá)的說明書和摘要的意圖。
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，以及與所說的流體束收縮裝置電連接的放電裝置，用以提供通過流體蒸汽部分并沿此部分建立一個等離子體的電流。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所說的放電裝置包括周期地貯能和釋放電能以提供所說的電流的電容裝置。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，所說的放電裝置進(jìn)一步包括能使所說的電容器交替地充電，然后放電的開關(guān)裝置。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中，所說的放電裝置進(jìn)一步包括一對空間隔開的、在所說的流體束收縮裝置的預(yù)處理云的相對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，所說的每一個電極組合體包括能使流體蒸汽沿其通過的裝置。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中，所說的每一個電極組合體包括由不被所說的流體腐蝕的導(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，所說的流體束收縮裝置包括受壓流體源，所說的源與所說的裝置以流體輸運(yùn)方式連接，以使所說的流體蒸汽能通過該裝置。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中，所說的流體束收縮包括限制在一個腔體的裝置，所說的受壓流體蒸汽在所說的腔體內(nèi)流動，所說的電極組合體以空間隔開方式安裝在限定一個腔體的所說裝置上。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所說的能使流體蒸汽沿其通過的裝置包括進(jìn)氣噴口，以使受壓蒸汽導(dǎo)入所說的腔體的內(nèi)部，和一個漏斗形出汽收集器，以收集在腔體內(nèi)流動的流體蒸汽，并排出腔體。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，所說的流體束裝置包括集流裝置，以從所說的腔體，通過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，包括建立一個等離子體源，它是由一個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，和提供一個通過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，提供給所說的電流。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，所說的流體是選自由水、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，所說的曝光包括將掩模置于所說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，所說的片子的曝光包括將多個類似的片子相對于等離子體傳送。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，所說的片子對所說的非相干光曝光包括給片子做充足時間的曝光，使片子退火。
全文摘要
等離子體收縮系統(tǒng)包括一臺流體束收縮裝置，用以建立一個等離子體源，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。一臺放電裝置與流體束裝置作電連接，用以供給通過流體蒸汽部分的、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H01J61/72GK1043846SQ8810899
公開日1990年7月11日 申請日期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 申請人:加州大學(xué)評議會