CN104937691A - 具有多个等离子源体的离子注入机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及—种离子注入机，具有壳体ENV，在壳体ENV中安置有通过高压电通道PET连接到基底电源ALT的基底支撑PPS，所述壳体ENV设置有泵进失置PP，PS，所述壳体ENV还具有没有任何阻碍物且被安置在基底支撑对面的至少两个圆柱形源体CS1，CS2。所述注入机的特征在于其每个源体CS1，CS2具有至少一个约束线圈BCI1-BCS1，BCI2-BCS2。

Description

具有多个等离子源体的离子注入机

技术领域

本发明涉及具有多个等离子源体的离子注入机。

本发明的领域为以五种等离子体浸入模式操作的离子注入机。而且，基底离子注入在于浸入在等离子体中并以负电压极化，从几十伏到几万伏(通常小于100kV)，以便形成能够加速等离子体离子的朝向基底的电场。

背景技术

离子穿透的深度由它们的加速能量确定。深度一方面取决于施加于基底的电压和另一方面取决于离子和基底各自的属性。注入的原子浓度取决于以每平方厘米离子数量表达的剂量和注入深度。

在安置于基底支撑对面的源体中生成等离子体。该源体呈现的圆柱体段未设置有任何对内部阻碍；其在注入机的壳体中开口。围绕源体设置有用于生成等离子体的射频天线。通常，源体上支撑有圆柱体，圆柱体为旋转圆柱体。

由于等离子体密度随着远离天线而渐渐减小，需要限制源体直径。为了将等离子体密度保持集中在源体中心，该直径因此通常被包括在100和200mm之间。

等离子体沿双曲面轮廓自源体向基底支撑延伸。接下来如果希望注入在全部面积上，应相对基底支撑较远地安置大尺寸基底。

该远离造成基底位置处的等离子密度被显著减小。接下来对于给定剂量，注入持续时间被显著增加。

而且，文件EP 0 480 688揭示了一种用于注入离子的等离体源的布置。注入机具有壳体，在壳体中安置有基底支撑，通过高压电气通道将基底支撑连接到基底电源，壳体设置有泵送装置，壳体还具有没有任何阻碍物且被安置在基底支撑对面的圆柱形源体，该壳体具有至少一个附加圆柱源体，同样没有任何阻碍物且被安置在基底支撑对面。

还引用文件US 6,300,227，其描述了通过与上面提及的相似的通过等离子浸入的离子注入系统。

在这些情况下，磁约束装置被设置在壳体位置处。然而，该配置对于等离子体的均匀性不是最佳的。

发明内容

本发明的目的在于提供适用于大尺寸基底的离子注入机，还能够处理配置在大尺寸基底支撑上的多个小尺寸基底，该注入机提供增加的等离子体均匀性。

根据本发明的种离子注入机具有壳体，在壳体中安置有通过高压电气通道连接到基底电源的基底支撑，所述壳体设置有泵送装置，所述壳体还具有没有任何阻碍物且被安置在基底支撑对面的至少两个圆柱形源体；所述离子注入机的特征在于，其每个源体具有至少一个约束线圈。

根据所述配置，磁场在形成等离子体的地方最强。磁力线在壳体中扩大，引起等离子体扩展，并在基底支撑处的较大表面上导致良好的均匀性。而且，还可能调节由各个约束线圈产生的磁场，这实现了补充调节以改善待处理表面的均匀性。

有利地，所述源体的每一个没置有外部射频天线。

根据本发明的附加特征，所述离子注入机具有用于所有所述天线的共用射频发生器。

根据第一实施方式，所述离子注入机具有安置在所述射频发生器和所述天线之间的单调谐盒。

根据第二实施方式，所述离子注入机在所述射频发生器的下游具有调谐盒，调谐盒后接有分离器。

根据第三实施方式，所述离子注入机在所述射频发生器的下游具有分离器，分离器后接有数量与源体相等的调谐盒。

附图说明

参照附图，本发明在以示意性方式给出的实施例的详细描述中将变得明显，其中：

-图1表示出根据本发明离子注入机的竖直剖面示意图，

-图2表示出注入机的俯视示意图，

-图3表示出基底电源的第一实施方式，

-图4表示出基底电源的第二实施方式，

-图5表示出基底电源的第三实施方式，

-图6表示出离子注入方法的时序图，

-图7表示出源体电源的第一实施方式，

-图8表示出源体电源的第二实施方式，

-图9表示出源体电源的第三实施方式。

具体实施方式

用唯一且相同的参考标号指示多个附图上呈现的元件。

如图1所示，离子注入机具有安置在空壳体ENV内部和外部的多个元件。对于微电子应用，如果希望限制对如铁、铬、镍和钴的金属元件的污染，建议使用铝合金壳体(或由铝合金板保护的不锈钢壳体)。还可使用硅或碳化硅涂层。

基底支撑台PPS呈现在水平面上圆盘形状，任选地围绕竖直轴AXT移动，在进行离子注入之前接纳基底SUB。

安置在壳体ENV底部的高压电气通道PET将台架竖直轴AXT和由此的基底支撑架PPS电连接到基底电源ALT。

参照图3，根据第一实施方式，所述基底电源ALT具有直流电压发生器SOU，直流电压发生器SOU的正极接地。并联在发生器上的旁通支路由串联的电容CDS和电阻RES形成，所述电阻被连接到发生器SOU的负极。基底支撑台PPS被连接到电容CDS和电阻RES之间的公共点。

电容CDS呈现较小的电容值，以在其放电阶段渐渐将基底电势降到接近零。

参照图4，根据第二实施方式，所述基底电源ALT具有直流电压发生器SOU，直流电压发生器SOU的正极接地。电容CDD被与发生器并联地安装。开关SW被连接在发生器SOU的负极和基底支撑台PPS之间。用《MOS》(英文为Métal Oxyde Semiconductor，金属氧化物半导体)技术或《IGBT》(英文为Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)技术实施该开关SW。

参照图5，根据与文件WO 01/15200中所描述相似的第三实施方式，所述基底电源ALT具有：

-直流电压发生器SOU，其正极接地，

-并联于发生器GEN的电容Ct，

-第一开关1T1，其第一极接在发生器GEN的负极，第二极接在所述电源输出端，和

-第二开关1T2，其第一极接到该输出端，第二极接到中性端；所述中性端或者被接地，或者通过放电电阻接到低正电压(几十伏)。

另外，泵送装置也被安置在壳体ENV的底部。通过没置有阈VAk的管道将第一泵PP的输入端联接到壳体ENV，和通过排气管EXG将输出端联接到壳外。通过没置有阈VAi的管道将第二泵PS的输入端联接到壳体ENV，通过设置有阈VAj的管道将输出端联接到第一泵PP的输入端。管道未被标号。

离子注入机于此处具有四个相同的源体，图1仅示出其中的两个。源体呈现如圆柱体的剖面，其底部在壳体ENV中开通且其顶部被板体阻塞。源体中没有任何阻碍物，以使等离子体可自由扩散。

参照图1和2，壳体ENV的上部因此接纳面对基底支撑台PPS的四个等离子源体CS1，CS2，CS3，CS4。所述源体的材料为石英。每个源体的外部被基本位于其中部的视频天线ANT1，ANT2，ANT3，ANT4围绕。每个源体上安置有定中心于顶部板体上的等离子气体输入端ING1，ING2，1NG3，ING4。

有利地，四个等离子源体CS1，CS2，CS3，CS4还被位于天线ANT1，ANT2，ANT3，ANT4和壳体ENV之间的低磁约束线圈围绕。优选地采用源体线圈。而且，在图1中可见，第一约束线圈BCI1用于第一源体CS1，和第二约束线圈BCI2用于第二源体CS2。

优选地，四个源体CS1，CS2，CS3，CS4还被高磁约束线圈BOCs围绕，为了清楚的原因，在图2中省略高磁约束线圈BOCs。该高磁约束线圈位于天线ANT1，ANT2，ANT3，ANT4和源体顶部之间。仍于此处，设置第一线圈BCS1用于第一源体CS1，和第二线圈用于第二源体CS2。

使用所有类型的等离子体脉冲源是可能的：放电、ICP(英文为“InductivelyCoupled Plasma”，电感耦合等离子体)、Helicon、微波、电弧。这些源应在足够低的压力下运行，以使产生于高压台PPS和接地壳体OENV之间的电场不激活可干扰电源脉冲功能的放电等离子体。

所选择的源应该能够使等离子电势小于20伏特。事实上，离子加速能量在等离子电势与基底电势之间是不同的。仅通过施加在基底上的电压控制加速能量。在微电子应用的情况下，如果希望加速能量较小且小于500eV，上述这点应该是占主导性的。

对于要求较少金属污染的应用，再次例如微电子和医疗领域中的部件处理，源不应该呈现与等离子相接触的金属污染元件。在所示实施方式中，由石英管形成的源RF被联结到如前所述的外部射频天线ANT和磁约束线圈BOCi，BOCs。可选地，源体的材料可为铝。

可注入任何等离子体物质，可来自气态前体，如N₂，O₂，H₂，He，Ar，BF₃，B₂H₆，AsH₃，PH₃，SiH₄，C₂H₄；还可采用如B₂H₆+H₂，AsH₃+H₂，PH₃+H₂等的气体混合物。还可来自液态前体，如TiCl₄，H₂O，或固态前体。在固态前体的情况下，适于使用热蒸发系统(磷)或电弧系统(英文为“hollow cathode”，空心阴极)。

根据参照图3描述的基底电源的第一实施方式，实施注入机的注入方法具有周期性重复的如下四或五个阶段：

-通过发生器SOU对电容CDS(等离子源被切断)充电直到达到放电电压的阶段，

-在基底电压达到放电电压时开始激活等离子体的阶段：等离子体阻抗不再是无穷大的，电容CDS放电以穿过等离子体，

-电容CDS放电阶段，其间实施注入并且等离子体管套延伸，和

-在前一阶段已持续了希望时间时开始的等离子体衰弱阶段：等离子阻抗再次变为无穷大并且充电阶段可被重复，

-任选的等待阶段，其间无任何事发生，从而允许调节重复周期。

充电阶段持续等离子注入的时间，由离子化气体云构成的等离子体延伸区域形成于源体CS1，CS2，CS3，CS4和基底支撑台PPS之间。粒子以带有能够穿入基底SUB内部的能量撞击待注入基底SUB。

根据参照图4描述的基底电源的第二实施方式中，实施注入机的注入方法如下面进行。

在开关SW开启时，渐渐将电容CDD充电到发生器SOU的额定电压。

在开关SW闭合时，等离子被激活，由于机器的等效电容值和等离子管套的电容值，跟着产生浪涌电流。机器的等效电容值为组成机器的所有元件，尤其是电缆、电气通道、绝缘变压器和基底支撑和壳体之间形成的电容的电容值。

开关SW通常在5μs和100μs之间保持闭合，由于正离子被向被负偏压的基底吸引，在此阶段期间产生注入。

电容呈现较大电容值(典型地在300nF和1.5μF之间)，以在注入时不使端电压下降。

在注入阶段之后，开关SW被开启，并且发生器SOU再次给电容CDD充电。

在这期间，机器的电容在等离子中完全放电并且基底返回浮置电势。接下来等离子体的电子使基底绝缘区中性化，该绝缘区在注入期间加载了正电荷。

中性化阶段中，开关SW保持开启通常持续1μs到80μs。

一旦完成中性化阶段，在衰弱阶段持续期间可熄灭等离子体，这呈现了减少等离子体/表面相互作用的优点，减少了热预算和最小化粒子的形成。该衰弱阶段典型地持续20μs到200μs，开关SW在该阶段期间保持开启。

可重复如上描述的循环：

-注入阶段，

-中性化阶段，

-衰弱阶段。

参照图6，根据参照图5描述的基底电源的第三实施方式，实施注入机的注入方法如下面进行。

初始状态：

-等离子源ALP被失活，

-第一开关IT1被开启，

-第二开关IT2被开启。

在循环开始时，采用通过图6上点A表示的初始步骤开始的注入阶段位置。

通过第一开关IT1的闭合开始该初始步骤。该步骤在值典型地在1μs和5μs之间的稳定阶段上延续。

在该初始步骤之后是激活步骤(图6上的点B)，在该步骤期间激活等离子源ALP。该激活步骤的持续时间典型地在5μs和100μs之间延续。

接下来是衰弱阶段(图6的点C)，在该阶段的初始使等离子源ALP失活。在该阶段的持续时间内，熄灭等离子体持续时间典型地在20μs到200μs之间。该阶段使注入阶段结束。

暂停阶段(图6的点D)通过开启第一开关IT1开始并在中性化阶段起始时终止。该阶段可相对较短，在第一开关IT1未完全开启和等离子未完全熄灭期间持续。因此其持续时间大于0.1μs且值曲型地在1和10μs之间。

中性化阶段开始于预备步骤(图6的点E)，在其开始时闭合第二开关SW2。该预备步骤在基底支撑台的电压未返回施加在中性化端N上的电压期间持续。其持续时间典型地在1μs和40μs之间。

接下来为取消步骤(图6的点F)，其间激活等离子源ALP。等离子电子被向基底区域吸引，基底区域被加载正电荷和与电荷中和。该取消步骤的持续时间典型地在1μs和80μs之间。

接下来为失活步骤(图6的点G)，在该步骤的开始使等离子源失活。该步骤的持续时间值典型地为几十μs。

该循环终结于中断步骤(图6的点H)，其开始于第二开关SW2的开启。该步骤在第二开关没有完全开启和等离子没有完全熄灭期间持续，以返回初始状态。

然后，可开始新循环。

还具有弛豫阶段(在图6的点C和F之间)，在此期间等离子源ALP被失效，且与注入阶段和中性化阶段相交叠。

参照图7，示出了源体CS1，CS2，CS3，CS4的等离子源ALP的第一实施方式。射频发生器RF后接有向四个天线ANT1，ANT2，ANT3，ANT4供电的调谐盒BA。该实施方式的优点在于结构简单且成本低。然而，需要具有在各个源体处的等离子的极好平衡性。

参照图8，根据第二实施方式来改善这种情况。射频发生器RF总是接有调谐盒BA，但是调谐盒BA连接到四路径分离器SEP上，每条路径分别连接到天线ANT1，ANT2，ANT3，ANT4，此处，还可使各个源体CS1，CS2，CS3，CS4平均分配功率。然而有时很难进行协调，尤其在等离子体点火阶段。

参照图9，根据第三实施方式来改善所述解决方案。此处，射频发生器RF接有四路径分离器SEP。第一路径通向为第一天线ANT1供电的第一谐调盒BA1。第二路径通向为第二天线ANT2供电的第二谐调盒BA2。第三路径通向为第三天线ANT3供电的第三谐调盒BA3。最后，第四路径通向为第四天线ANT4供电的第四谐调盒BA4。

当然，优化的解决方法本身的可能设置在于提供用于各个源体CS1，CS2，CS3，CS4的电源和调谐盒，但是该解决方法成本高且所需设备繁锁。而且，需要同步不同的电源。

鉴于上面呈现的本发明实施例的具体特征而选择进行描述。然而，不可能以排他方式列出涵盖本发明的所有实施例。更具体地，可用等同装置代替所描述的任何装置而不脱离本发明的范围。

Claims (6)

1.一种离子注入机，具有壳体(ENV)，在壳体(ENV)中布置有通过高压电通道(PET)连接到基底电源(ALT)的基底支撑(PPS)，所述壳体(ENV)设有泵送装置(PP，PS)，所述壳体(ENV)还具有没有任何阻碍物且被安置在所述基底支撑(PPS)对面的至少两个圆柱形源体(CS1，CS2，CS3，CS4)，其特征在于，所述注入机的每个源体(CS1，CS2，CS3，CS4)具有至少一个约束线圈(BCI1-BCS1，BCI2-BCS2)。

2.根据权利要求1所述的离子注入机，其特征在于，所述源体(CS1，CS2，CS3，CS4)中的每一个设置有外部射频天线(ANT1，ANT2，ANT3，ANT4)。

3.根据权利要求1或2中任意一项所述的离子注入机，其特征在于，所述离子注入机具有用于所有所述天线(ANT1，ANT2，ANT3，ANT4)的共用射频发生器(RF)。

4.根据权利要求3所述的离子注入机，其特征在于，所述离子注入机具有布置在所述射频发生器(RF)和所述天线(ANT1，ANT2，ANT3，ANT4)之间的单调谐盒(BA)。

5.根据权利要求3所述的离子注入机，其特征在于，所述离子注入机在所述射频发生器(RF)的下游具有调谐盒(BA)，所述调谐盒(BA)后接有分离器(SEP)。

6.根据权利要求3所述的离子注入机，其特征在于，所述离子注入机在所述射频发生器(RF)的下游具有分离器(SEP)，所述分离器(SEP)后接有数量与源体(CS1，CS2，CS3，CS4)相等的调谐盒(BA1，BA2，BA3，BA4)。