专利名称：等离子体收缩系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及等离子体收缩系统，特别涉及一种用于半导体电路的退火和腐蚀工艺的等离子体收缩系统。
本发明根据海军研究局交办的合同No.N00014-85-K-0598得到政府的资助。因此，政府对本发明有一定的权利。
过去，在集成电路和半导体芯片的制造工艺中存在若干问题。例如，已证明半导体基片退火中通常所使用的激光束是一种比较昂贵而又复杂的工艺，而且结果也不尽满意。对此，则要求训练有素的人员去操作这种昂贵的激光设备。更严重的问题是退火工艺中重叠激光束的使用。这些技术势必导致基片的非均匀退火。因此，基片的某些区域上会接收到相对过量的能量流。
一般来说，使用相干光束，如常规的激光束会发生衍射，进而会降低退火工艺的效能。此外，过多地延长激光束辐照时间，可引起基片的微龟裂或微结晶损伤。因而，常规的退火工艺，对某些应用来说，产生的效果不十分满意。在此点上，最终产品常有缺陷，而且总是频繁地出现不希望有的高淘汰率。因而，已知的工艺往往不但产生有害的副作用，而且相当耗费时间。淘汰率大，成本也高。
为此，需要一种能防止、至少能大量减小有害副作用的工艺和设备。这种新技术应当是效能比较高的，而且是便利的。
常规的半导体腐蚀技术一般包括将涂敷了光致抗蚀剂的基片对光束曝光。然而随着对半导体集成电路小型化的要求越来越高，电路元件尺寸日趋缩小，以致元件尺寸小到了照射光束本身波长的量级。因此，照射的光变成衍射光，使得最终产品出现参差不齐。
而且，由于照射光的非激光源的强度比较低，为达到腐蚀工艺用的必要能量，则要求延长曝光时间，这不仅延长了腐蚀工艺过程，而且显著地增加了渗入杂质的可能性。
为此，需要一种非相干光源及其使用方法，它不仅可以改进退火操作，而且会进一步使半导体腐蚀工艺与现代技术兼容。就这一点来说，相干光束辐照引起的不希望的衍射，如果不全部消除，也应当大大减小。
人们曾进行过若干种采用非相干光源装置给半导体元件退火和腐蚀的尝试。如，曾用表面火花技术作为一种非相干光源，但效果不均匀仍是一个严重问题。还有，该光源由于存在最终等离子体的膨胀等问题，而达不到足够高的温度不能有效发光，所以，限制了这种技术在现代半导体生产中的实用性。
另一种先有的非相干光源技术的尝试是采用爆炸金属丝。该技术利用导体内的大电流引起爆炸，以此提供非相干光。爆炸金属丝技术的严重缺点是其重复率较低。因为，每次点火后，必须更换金属丝。另外，该系统也产生不了均匀的效果。
用于半导体工业的再一种产生光源的尝试是一种称之为等离子体聚焦系统的途径。该系统采用一个等离子体，让它在磁场作用下产生等离子体束，发射非相干光。然而，此种技术不总是令人满意的。因为这种装置也达不到半导体生产工艺要求的充分高的温度。此外，所产生的紫外光的量也不适宜用于半导体的腐蚀和退火。
为此，最希望有一种新型的改进的可用于半导体生产的非相干光源，特别是非常需要有一种新的适合作非相干源用的、光能稳定的等离子体系统。该等离子体系统应当能产生在半导体工业的腐蚀和退火工艺所要求的充分的能量。该系统还应适合于在半导体电路的现代批量生产工序中成本的有效利用。该系统应当能在较低电压，即安全电压下工作。它必须是适当聚焦的，还必须能以充分高的、对半导体工业有用的速率发出脉冲。
然而，以等离子体作半导体生产的非相干光源，还存在若干其它由电离的等离子体的性质决定的难以克服的问题。与金属或电解质不同，不受外界作用的气体中不含有作为电流载体的自由电荷。但是，一般说，气体分子的一个或更多的外层电子的脱离，会引起某些分子离子化，从而气体也可能导电。某些游离的电子则会与中性原子相碰撞，形成负离子，所以，在电离的气体中一般存在着正离子、负离子以及自由电子。当正离子和负离子的浓度变得相当大的时候，一般称这种离化的气体为“等离子体”。
在大多数的应用中，采用高温等离子体，如在热核聚变反应堆内，等离子体要被约束在一个合适的容器或腔体内，远离其壁。人们采用各种技术获得对等离子体的约束，一般通称为“等离子体收缩”。
等离子体收缩系统已有各种应用。例如，美国专利US-4，042，848，描述一个园内旋轮线收缩装置，用来在热核聚变温度下产生密集的等离子体。US-4，406，952描述一个用等离子体聚焦装置切断电流的开关。
在US-4，450，568中公开了一等离子体收缩预处理的激光，它发射真空紫外辐射，用以电离被约束在一腔体内的光解激光器介质的分子。该预处理激光束激发腔体轴线附近的气体粒子，用以限定形成等离子体收缩的预处理通道。
US-4，543，231描述一个用于聚变装置中产生环形等离子体的等离子体收缩。US-4，621，577公开了一个由电极间放电形成的、用以引爆易爆物的等离子体收缩。
另一个等离子体收缩的主要用途是将它用在X-射线制版印刷中。如US-4，424，102公开了一个用于半导体基片活性离子腐蚀的等离子体，其腐蚀工艺包括与等离子体收缩有关的磁场。US-4，504，964、US-4，536，884、US-4，618，971、US-4，633，492以及US-4，635，282也公开了几种可用于X-射线制版印刷的等离子体收缩，使大电流流经等离子体而产生X-射线。
然而，没有一个先有的已知等离子体收缩系统在半导体腐蚀和退火的使用中是完全满意的。
所以，本发明的一个目的是提供一种新的改进的等离子体收缩系统，用于半导体工业的腐蚀和退火工艺。
本发明的另一个目的是提供一种新的改进的等离子体收缩系统，它应适合于半导体电路的现代批量生产工序中成本的有效使用。
本发明的再一个目的是提供一个新的改进的等离子收缩装置，它可在比较低的电压下工作，而且能按半导体生产所需的脉冲形式工作。
简而言之，本发明的前述的和进一步的目的和特点，可由提供一种新的改进的等离子体收缩系统得以实现。该系统包括一台流体束等离子体收缩装置，这一装置备有等离子体源，该等离子体源是由中心狭窄的受压(underpresure)流体蒸气细流、周围环绕着稀薄汽相预处理云组成的。将一放电装置与流体束收缩装置做电连接，以形成流过夹在两金属电极之间的流体束的电流。从而在两电极间产生等离子体。用等离子体收缩系统作退火和腐蚀操作的方法包括将半导体片子在高能辐照下曝光。该辐照是由收缩的等离子体发射出来的，然后由透镜和/或反射镜系统收集。
其周围有一层为形成等离子收缩的预处理汽相包层的受压流体蒸汽可产生一高稳定的适用于半导体退火和腐蚀工艺的等离子体。
采用本发明汽相包层的流体蒸汽技术所得到的等离子体是均匀的、稳定的。其辐照的能量密度足够现代半导体退火和腐蚀工艺所用。此外，由本系统辐射的光束是非相干的，因此，提高了半导体退火和腐蚀工艺的效率，从而消除了或大大减少了衍射问题。另外，发射光的能量密度较高，使半导体片子的曝光时间缩短，因而大大减小或尽量减小了杂质污染的可能性。本发明的等离子体收缩系统可在比较低的电压和高辐照效率下工作，因而扩大了它的应用范围。由于减少了绝缘体的劣化，也就降低了其使用的危险性。
在本发明的优选形式中，流体蒸汽是一定的流体，如癸烷。本发明的另一种形式中的流体是正戊烷。再一种形式的流体蒸汽是水。
下面，结合附图，参照本发明实施例的描述，本发明的前述的和其它的目的和特点及其实现方法将会更明显，发明本身也将会易于理解。
图1是本发明半导体制造工艺部分意示图，它采用依本发明构成的等离子体收缩系统。
图2是本发明的气埋收缩结构的数字解的图解表示。
图3是本发明的动态收缩模型的简单电路框图。
图4是计算出的在大约1大气压的氩中，3mm等离子体收缩效应的工作情况的图解表示。
图5是计算出的在大约0.1大气压的氩中，1mm等离子体收缩效应的工作情况的图解表示。
图6是计算出的在大约0.1大气压的氩中，0.5mm等离子体收缩效应的工作情况的图解表示。
图7是计算出的在大约0.2大气压的氩中，1mm等离子体收缩效应的工作情况的图解表示。
图8是计算出的在大约1大气压的氩中，1mm等离子体收缩效应的工作情况的图解表示。
图9，为更好地理解本发明的系统，给出一个20，000K黑体的典型功率谱的图解表示。
现在参照图1说明依本发明构成的等离子体收缩系统10，它适用于本发明的半导体片子的生产工艺，如传送带13携带片子W通过系统10。本说明和描述的工艺是一个腐蚀工艺，它采用一系列的具有预定电路图形的常规腐蚀掩模M，置于系统10与传送带13之间。在这一点上，等离子体系统10发射光L(特别是紫外光)，此光直接射在片子W和置于等离子体系统10和各个片子W之间的掩模M上，以作为在半导体芯片生产中造成对片子W实行腐蚀的腐蚀工艺的一部分。腐蚀工艺的其余部分为常规工艺，此处不再赘述。
采用发射紫外光的等离子体系统10的本发明的半导体生产工艺还可用在半导体芯片生产的退火步骤(未示出)。对此，其工艺类似于图1所示的腐蚀工艺，但不再采用掩模M，而是将系统10发射的光直接投向待退火的片子W。所以，本发明的半导体生产工艺采用光发射等离子体系统10，既可用于半导体生产的退火部分，又可用于其腐蚀部分。
就等离子体系统10而论，它一般包括一个等离子体源流体束收缩装置12，以建立一个中心狭窄的预处理流体通道(通常它由虚线14所示)，使等离子体形成并沿此通道收缩。而且被限制在封闭腔体16的一个有限体积内。流体在受压下流过被真空泵(未示出)保持真空的腔体16，流体腔体14起初呈流体蒸汽状态。汽相云23包围着流体蒸汽，云与汽相结合形成等离子体系统10的主预电离激发级。放电装置25包括一对相隔一定间隔在腔体16相对着的两端的电极组合体35和36，引导流体蒸汽通过腔体16，形成通过预处理沿通道14的流体汽相云23的电流，以此建立等离子体。
在运行中，微细的受压流体蒸汽在腔体16内的电极组合体35和36之间流动。然后使放电系统工作，以释放电极35和36两端的近30000V的电势，产生通过汽相云23的初始电流。蒸汽吸收非密集等离子体23发出的能量，并依次被辐射加热。然后，流体蒸汽转变成离化态，并成为一种高Z密集等离子体。接着，所产生的等离子体传导连续放电电流，并产生高强度紫外光。所产生的密集的收缩等离子体使大多数的放电电流脱离周围的非密集等离子体，而沿着腔体16的通道14导通，最终的等离子体基本上是稳定的，在其长轴截面上是均匀的。
收缩等离子体产生紫外光，其密度足够半导体片子W的退火和腐蚀工艺需要。为此目的，要求装置25以大约1-10次/秒的速率产生重复放电脉冲。因而，等离子体熄灭，然后再由装置25重新形成。在这方面，前述工艺的步骤一次一次地重复，以循环的方式形成等离子体收缩。
现在把腔体设想更详细些，如图1所示，一般包括一个细长的管状壳体或外壳40，它整个长轴是中空的，而且其截面形状基本上是均匀的。截面形状可以是园的或椭园的。
外壳40的两端由两个端壁41和42基本封闭，每个壁各有一中心孔41A和42A，以收纳焊在中心孔的电极组合体35和36的前部。外壳40包括底壁部件40A，它最好由石英、蓝宝石、玻璃或其它适合的允许光通过的透明材料制成。然而，应当了解，底壁部件另外还可用其它合适的透明材料制作。两端壁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内表面。片子若放在腔体40的腔内，那就无需采用窗口，按此方法，可以完全避免窗口对真空紫外辐射的吸收。
现在设想由较多另外组成的流体束装置12，一般它包括一个预处理的受压流体源46，用以向腔体内部供给流体蒸汽。一个塑料管35B装在电极组合体35的电极37的中心孔内，并与受压流体源46作流体传递。一个金属电极管35A与塑料传递管35B同轴对准，以便与电极37的一凹槽相适配，形成一个流入喷口，以使流体在管35B和腔体16的内部进行输运。管35A与放电装置25的一个放电电容器73作电连接。受压流体蒸汽在腔体16内轴向流动，形成一微细(φ100μm)、极其狭窄、直的聚焦的蒸汽，并导致在其附近形成环绕汽相云23的环状物。
在本发明的优选形式中，流体最好是癸烷。然而，很明显，对本领域的技术人员来说，流体也可以用正戊烷或水代替，也可以采用流体金属，如汞或镓。
流体蒸汽通过电极组合体36，穿过安装在电极组合体36的电极49的中心孔的金属管36A存在于腔体16中，其安装方法与电极组合体35的金属管35A和塑料管35B的装法相同。塑料的出口管36B与金属管36A同轴对准，以使接收的蒸汽流体流向排气泵。金属管36A通过开关74与电容器73的另一端子作电连接，开关74为一周期性通/断开关。或者，流体束本身也起开关作用，每当蒸汽跨越电极组合体35和36的整个间隙时，电流就流通。因而，流体束可以是周期脉冲的。在这方面，金属管35A和36A面对面相互对准，而且相互分开同轴对准，使蒸汽22的大多数流体粒子充分地被电极36收集。
为使流体蒸汽能以充分的速度进入腔体16，流体呈微细、窄线的蒸汽流动使它在受压下流经腔体16。
电极组合体36一般包括一个漏斗形锥形进口70，与电极49组成一个出口收集器，以利于把流体蒸汽引入电极组合体36的金属管36A的入口端。
放电装置25通过电极组合体35和36与流体收缩装置12相连。为此，电极组合体35和36具有双重作用，既作流体流动的通道，又作为放电装置。电极组合体35和36的电极37和49由合适的无腐蚀性的导电材料、诸如紫铜、不锈钢、无锡高强度青铜或其混合物制成。
放电装置25一般包括电容73，用于贮存能量，并通过常开开关74，为电极35和36提供电压脉冲。图中所示仅为单个电容73，显然，对本领域的技术人员来说，它可以是更多的电容和电感(未示出)，以组成电容组或脉冲形成网络(PFN)。电源76一般与电容器73并联，经过常开开关80为电容充电。
闭合开关80，使电源76给电容器73充电。在开关80闭合期间，开关74是断开的，电极组合体35和36之间没有电流，同时电容器73被充电。一俟电容器73充满电，开关80断开，开关74闭合，电容器73通过汽相云23和流体蒸汽在电极35和36两端放电，形成等离子体，在磁作用下收缩并被约束成一相当窄的沿通道14的线形稳定的状态。
虽然，上面以简单的方式介绍了两个开关74和80，以协调装置12和25的点火，但应当了解，计算机化的开关器件，如发火装置、闸流管、或火花隙等均可代替使用，它们仍按适当的重复方式断开和闭合。
在一个或更多个电子逸出或从高能级返回后，由于电离的气体分子返回其常态，等离子体会发出强烈的紫外辐射。由于电容器73完全放电，开关74被断开，同时闭合开关80，使电容器73再充电。处于随后形成等离子体工作的准备状态。
尽管在本发明中，等离子体收缩不是埋在一种气体介质中，但应当了解，在气埋状态中，一种冷的气相复盖层环绕着并且稳定着等离子体的收缩，使等离子体与外壳40的内壁隔离。当这种收缩在高Z气体中形成时，其大量的紫外线产物在周围的气体复盖层中由于光解激发而引起导电性。所以，一种导电的包层可在收缩线的周围形成，并且可降低其欧姆发热率。任何一种高密度材料均可变成光学上的致密材料，因而，辐射基本上可作为黑体辐射。
导引等离子体收缩的流体蒸汽对探讨弥散-放电现象是一种方便的、一般是性能良好的工具。高Z气体在压力范围为0.02～2.00大气压下一般可使等离子体收缩处于一种热平衡状态，可做为一个有效的真空紫外辐射源。做为一种“无窗口”的紫外辐照源，高-Z气埋等离子体收缩变成了一种光解周围气体的有效手段。因而，等离子体收缩系统10可被用做一种开关，去控制在等离子体收缩线周围形成的包层的导电性，就象热核聚变装置和光解激光器的控制一样。
现已着手制定电感性电能存贮方案，以代替高能系统的常规电容器组。一般，为使其贮能密度增加10～100倍，则要由电感性电存贮技术来实现。为达到此种进步，需要有效地开发一种重复率(repetition-rate)打开开关的技术，以便能从贮能电感器获得能量。
电感性开关问题的分析已把弥散带电气体放电视为似乎合理的电流控制介质。导电性可由外部辐射源的感应电离而产生。如果电场和气体动力学对抑制电弧的形成是合适的话，那么电流应被外部致电离源控制。通过源和/或通过漂移和附着动力学降低电离度完成开关的动作。以新鲜的气体为下一周充满电流控制介质有利于脉冲的重复工作。
当工序中的每个独立的工艺都有效地完成时，一般可使基于前述技术的开关动作得以实现。一个基本上可维持下去工序是外控产生电离。一般来说，激光束、X-射线和电子束源实质上在效能上是受限制的。再有，许多基于这些发生器的开关的具体装置是被窗口的透射、寿命极限、以及重复冷却问题等所阻碍。
一种高密度、高-Z气埋等离子体收缩可做为一种真空紫外辐射强源。而且，等离子收缩效应通过光解导致在等离子线柱周围分布的环状包层物的导电性。因此，对弥散-放电起动开关来说，气埋收缩是有吸引力的另一种光致电离源。
用这种等离子体收缩作开关带来几种合意的特点。因气埋收缩辐射大体上与黑体相同，因而它可以成为有效的真空紫外能量源。而且，等离子体收缩被蒸汽所限定并引导，不要求一具体窗口。等离子体收缩简单地是光解容积的一部分。
前面的设想暗示着高-Z气埋等离子体收缩可有两类应用，一是引信-放电(fuse-discharge)开关的控制，另一是激光器的光解激励。冷气体包层环绕着的等离子体收缩缓冲了不稳定性，而且，必然使等离子体收缩装置的使用选至作为一个稳定的紫外辐射源的最佳条件。
弥散-放电动力学在断开开关的概念和放电激励激光器方面是有显著的意义的。耦合可通过光解工艺构成，还可以利用磁场力避开中间的容器。下面的说明将描述一个稳定的或平衡的气埋等离子体收缩模型、再下是动力收缩模型和一个无色波模型。
平衡气埋等离子体收缩效应与常规收缩效应不同，这里，一个高压击穿在园筒腔体的外绝缘壁附近形成初始电流，然后继续进行电离并把其余的气体向腔体轴压缩，本发明的气埋收缩效应利用了一个分离的预离化微细流体束(大约100μm)以在腔体轴线附近，在施加30000V放电电压之前形成一个中心狭窄的导电蒸汽22。
当施加主激发物，如快速流体蒸汽时，放电电流沿预定的途径流动，而不是沿腔体16的外缘流动。致密的包层，与热蒸汽22接触的冷气体，为转折点不稳定生长提供有效的惯性阻尼，并使从等离子体收缩到其周围的热导损耗保持适当的低。
分析等离子体压力同密度、收缩半径和电流形貌之间的关系，可能涉及某些有关能量和质量转换的假定。一个假定是，当电导和直线辐射的作用相对最低时，聚变收缩效应中的能量增长率等于电阻发热和韧致辐射损耗之差。另一个假定是，等离子体收缩是光学薄。如果不做这些假定，韧致辐射损耗率必须对自-吸收进行修正，在极限情况下，它将演变成黑体辐射。
在分析一种高-Z弥散放电收缩效应中，本领域的技术人员一般要受到参数的制约，使得等离子体收缩的光学厚度的假定变得相对似是而非。介质本身不是类氢的，即使电离，这种介质会含有大量的高吸收谱线。而且，在下述的描述中，会明显地看到这种应用的最佳收缩半径比聚变收缩半径大一个量级。
假定单位收缩长度的能量加上经典的焦耳热、减去发射率为ε的表面灰体辐射，我们得到下列等离子体参数、电参数和系统尺寸之间的定量关系式(d)/(dt) (πr2nkT)＝I2R-2πrσT4ε (1)其中，R是单位长度电阻，假定R是经典Spitzer电阻率除以柱截面，那么R≈125／πr2T3/2 (2)假定温度对这种应用是比较低的，电离电荷Z≈l。
确实可以假定方程式(1)左边的有效等离子体的温度对离子和电子相同，因为在本条件下，均匀分布的时间与放电持续时间相比是很短的。密度n是电子和离子密度之和，并假定是冷气充气密度的2倍。如果取半径为一常数，方程式(1)变为
(dT)/(dt) = C1(I2T-3 / 2)/(nr4) - C2(T4)/(nr) ε (3)这里采用米·千克·秒单位制，T采用KC1＝9×1023，C2＝8×1015。
由动量守恒和径向准平衡的假定(忽略内力)产生一个等离子体和磁压力之间平衡的方程式(B2θ)/(2μO) = nkT。 (4)因为Bθ＝μoI/2πr方程式(4)变成众所周知的收缩效应的Bennett关系式I2＝C3nr2T (5)这里采用米·千克·秒单位制C3＝9×10-16。
方程式(3)和(5)仍允许T变化，r是常数。如果假定是定态条件，那么方程式(3)变成
I2= (εC2)/(C1) · r3T11/2(6)与方程式(5)结合，消去I2，变成T9/2= (C1C3)/(εC2) · (n)/(r) 。 (7)假定n不是变量，得到T～r-2/9。 (8)使方程式(5)和(6)中的T值具体化，I变成I～r8/9。 (9)放电电阻R和半径r之间的关系可从方程式(2)、(8)和(9)得到，如下R～r-13/9。 (10)功率P变为P～r1/3， (11)而轴向电场变为E～r-5/9。 (12)因而，收缩得越厚，将导致温度越低、总功率稍高、电阻越小以及电压越低。
对光解的应用，首先半径势必还受除前述换算之外的因素的限制。最重要的是达到毁坏(等离子体)柱的不稳定性转折点所要求的时间。虽然说它有赖于周围的气体提供的阻尼似乎是合理的，这种阻尼一部分是由弯曲柱的动量转成外部冲击波产生的，该波对气体介质有不良作用。因而，非阻尼弯曲生长率，在要求的辐射时间内，不应被比其自身半径大的柱来代替。
很容易说明此生长时间，对高-β等离子体收缩，恰恰是离子声波穿过半径的渡越时间。因而，生长时间r ～r /T]]>由方程式(8)，它又变成r～r10/9。 (13)很明显，半径大是有益处的。
定态的假定不能用于等离子体收缩的发热阶段，所以T(t)和I(t)将由方程式(3)和(5)的结合来解析。消去I，我们得到(dT)/(dt) = (C1C3T-1/2)/(r2) - (εC2T4)/(nr) ， (14)或(dT)/(dt) = FT-1/2- GT4， (15)
其中半径是常数，并且，F＝C1C3/r2，G＝εC2/nr对常半径收缩效应F和G也是常数。对下列参数r＝3×10-3m，n＝6×1024m-3，and ε～1，F＝9×1013，andG＝4×10-7，引用方程(5)的Bennett关系式，得到方程式(15)T(t)和I(t)的数字解示于图2。对T(t)和I(t)，当T接近零时，要求一个接近无限大的上升率，但这个理想解不可能满足，因为在t＝0时有dI/dt＝VoL的条件限制，其中Vo是线电压，而L是放电电感量。然而，让实际电流上升时间L/(Zo+R)等于大约20ns，可获得近似理想的情况，它是理想化I(t)的上升时间。
对于一个30cm长的收缩效应，r＝3mm，外电流返回半径5cm，L＝170nH，则R+Zo＝8.5Ω。对有效激发，脉冲-线电激发物还有大约8Ω的阻抗。脉冲-线电压则应是320KV，使放电电流逐渐接近30KA。
动力收缩模型前面的产生放电的解析解附属于一个特殊情况集合。这对指导试验、设计以及给一个更完整的、更通用的模型列出一个方程式是有用的。为探讨这种可变半径的模型，还要再考虑到一个与能量守恒相关的方程式dE＝d[pV/(γ-1)]＝d[nkT/(γ-1)]，(16)其中n是粒子数目。在磁化的等离子体中的B场降低了自由度的数目，比热γ近似2，而不是通常的5/3。所以，将方程式(16)两边对时间微分，我们得到(dE)/(dt) = (d)/(dt) (πr2nkT) = I2R - 2πrσT4ε。 (17)现在开始进入要求引用动量平衡的动力模型。
首先，我们注意，有一个向外的压力nkT倾向于使收缩等离子体膨胀。而电流I引起的磁压力向内作用，压缩该柱体。所以(d2r)/(dt2) = (2kT)/(mir) - (μOI2)/(4πr) · 1/(Nmi) ， (18)此处，mi是离子质量，N＝πr2n是线密度，重写方程式(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)如图3所示，我们用计算机代码分析了具有一负载102的电流源100的特征。其瞬时关系式假定是I(t)＝Io(1-et/r)。(21)方程组(19)、(20)和(21)用一种显一和半步积分技术来解。在此计算中，在每一步和每一个半步，对每一步作两次求导，以便得到一个高精度。
T1、r1和V1是温度、半径和速度的初值。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，……对每个间隔△t，做1，000步积分。
一旦产生温度随时间的变化，把它存入文件，用另一种代码检索，从给定的作为时间函数的谱带计算功率密度。每个温度，在用Simpson定则来积分Plank辐射定律中都作为常数。每一个结果作为收缩效应功率随时间变化的部分存贮起来，最后绘图。
图4、5、6和7表明初始条件范围的计算结果。数万度的温度预示出高-Z等离子体收缩电势可作为强烈的真空紫外源。“×”代表电流，“△”代表温度。
图8还加进了一个由LANLGlobalMHD模型计算出的指示温度的附加波折曲线。该模型中假定了等离子体通道为光学薄。从而，即使它是一个更非常精细的代码，其结果也不可能比高-Z气体氩所作的现在的预测更正确，这一点使我们有把握使用本简单代码指导设计和实验，并经济地、快速地观测高-Z气体宽范围的弥散放电现象。
在公开本发明的具体实施例的同时，应该了解到，各种不同的改形都是可能的并都属于附属的权利要求书的精神和范围内。所以，决无限制本文表达的说明书和摘要的意图。
权利要求
1.一种等离子体收缩系统包括流体束收缩装置，用以产生等离子体源，该源是由中心狭窄的受压流体蒸汽细流，周围环绕着稀薄汽相预处理云组成的，以及与所说的流体束收缩装置电连接的放电装置，用以提供通过流体蒸汽部分并沿此部分建立一个等离子体的电流。
2.一种根据权利要求1的系统，其中，所说的放电装置包括周期地贮能和释放电能以提供所说的电流的电容装置。
3.一种根据权利要求2的系统，其中，所说的放电装置进一步包括能使所说的电容器交替地充电，然后放电的开关装置。
4.一种根据权利要求3的系统，其中，所说的放电装置进一步包括一对空间隔开的、在所说的流体束收缩装置的预处理云的相对两端安置的电极组合体。
5.一种根据权利要求4的系统，其中，所说的每一个电极组合体包括能使流体蒸汽沿其通过的装置。
6.一种根据权利要求5的系统，其中，所说的每一个电极组合体包括由不被所说的流体腐蚀的导电材料组成的电极。
7.一种根据权利要求6的系统，其中，所说的流体束收缩装置包括受压流体源，所说的源与所说的装置以流体输运方式连接，以使所说的流体蒸汽能通过该装置。
8.一种根据权利要求7的系统，其中，所说的流体束收缩包括限制在一个腔体的装置，所说的受压流体蒸汽在所说的腔体内流动，所说的电极组合体以空间隔开方式安装在限定一个腔体的所说装置上。
9.一种根据权利要求8的系统，其中所说的能使流体蒸汽沿其通过的装置包括进气喷口，以使受压蒸汽导入所说的腔体的内部，和一个漏斗形出汽收集器，以收集在腔体内流动的流体蒸汽，并排出腔体。
10.一种根据权利要求9的系统，其中，所说的流体束装置包括集流装置，以从所说的腔体，通过流出收集器抽取流体蒸汽。
11.一种根据权利要求1的系统，其中，所说的流体选自具有适当的表面张力、蒸汽压力和粘度、以至合适功能的水、癸烷和正戊烷。
12.一种产生等离子体收缩的方法，包括建立一个等离子体源，它是由一个中心狭窄的受压流体蒸汽微细流，以及周围环绕着稀薄汽相预处理云组成的，和提供一个通过流体蒸汽部分并沿此部分建立等离子体的电流。
13.一种根据权利要求12的方法，进一步包括基本上由其放电提供所说的电流的放电电容器装置。
14.一种根据权利要求13的方法，其中，所说的流体选自水、癸烷和正戊烷组成的组。
15.由半导体片子制造半导体芯片的工艺的一种方法包括建立等离子体源，它是由一个中心狭窄的受压流体蒸汽微细流，以及周围环绕着稀薄汽相预处理云组成的;提供通过流体蒸汽的电流，以沿此蒸汽建立一等离子体，以产生非相干光;以及将半导体片子对非相干光曝光。
16.一种根据权利要求15的方法，进一步包括将电容放电的方法，提供给所说的电流。
17.一种根据权利要求15的方法，其中，所说的流体是选自由水、癸烷和正戊烷组成的组。
18.一种根据权利要求15的方法，其中，所说的曝光包括将掩模置于所说的等离子体和待腐蚀的片子之间。
19.一种根据权利要求15的方法，其中，所说的片子的曝光包括将多个类似的片子相对于等离子体传送。
20.一种根据权利要求15的方法，其中，所说的片子对所说的非相干光曝光包括给片子做充足时间的曝光，使片子退火。
全文摘要
等离子体收缩系统包括一台流体束收缩装置，用以建立一个等离子体源，该源是由一中心狭窄的受压流体蒸汽细流、以及周围环绕着稀薄汽相预处理云组成的。一台放电装置与流体束装置作电连接，用以供给通过流体蒸汽部分的、建立发射等离子体的非相干光的电流。一个用该等离子体收缩系统生产半导体的方法包括将半导体片子对等离子体发射的非相干光曝光，完成退火和腐蚀工艺。
文档编号H01J61/72GK1043846SQ8810899
公开日1990年7月11日 申请日期1988年12月31日 优先权日1987年12月7日
发明者约翰·F·阿斯姆斯, 罗尔夫·H·洛夫堡 申请人:加州大学评议会