CN106868467B - 一种离子注入或注入且沉积系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种离子注入或注入且沉积系统，包括：注入或注入且沉积工作室，其内部在处理工件时处于真空状态；阴极靶台，将待处理的工件支撑于所述注入或注入且沉积工作室内；粒子馈送源，用于给所述注入或注入且沉积工作室供应粒子；粒子馈送管道，与粒子馈送源连接，用于将粒子送向所述注入或注入且沉积工作室；等离子体增强放电装置，其为内壁与电子碰撞能发出二次电子的绝缘管，一端连接所述粒子馈送管道，另一端连接所述注入或注入且沉积工作室，使粒子能通过该绝缘管从所述粒子馈送管道进入所述注入或注入且沉积工作室。本发明可以有效提高粒子离化率，提高注入或注入且沉积的质量和效率。

Description

一种离子注入或注入且沉积系统
技术领域
本发明涉及离子注入或注入且沉积系统。
背景技术
目前离子注入或注入且沉积技术已在金属材料表面改性、生物高分子材料表面改性以及集成电路制备等众多领域得到了广泛的应用。离子注入在半导体上的应用主要在绝缘体上的硅(Silicon on Insulator，SOI)材料的制备和沟槽掺杂方面。目前使用比较广泛且比较有发展前途的SOI制备技术主要有注氧隔离SIMOX(Separation by ImplantedOxygen)技术和Smart Cut技术等。
SIMOX技术是在高温条件下，将高剂量氧离子注入到单晶硅中形成隔离层，在超高温退火条件下形成顶层硅、石英埋层、体硅三层结构的新型半导体材料。智能剥离技术是利用氢离子注入到硅片中，形成具有气泡层的注氢片，与支撑硅片键合(两个硅片中至少有一片的表面带有热氧化的SiO2覆盖层)，经适当的热处理使注氢片从气泡层处完整裂开，形成SOI结构。
但是这两种方式都需要昂贵的专用离子注入机，成本较高，并且均匀性难以控制。
全方位离子注入技术是一种低成本且设备简易的离子注入技术，是在工件上施加一个脉冲偏压，在工件周围形成正离子鞘层，鞘层中的离子在鞘层电场作用下从各个方向同时注入到工件表面。
为了保证复杂形状工件的注入均匀性，国内外学者提出了“保形”或“共形”离子注入技术，即通过控制注入时离子鞘层的形状，使之与工件形状相似，使工件周围的电场与工件表面垂直，从而使鞘层中的粒子可以垂直、均匀的注入到工件上。
提高注入或注入且沉积的粒子的离化率是“保形”或“共形”离子注入技术的一个重要手段。但是对难离化的粒子进行离子注入时，由于粒子的离化率低，工件表面的离子鞘层的厚度变大，在非圆球形的工件，其表面的鞘层曲率可能普遍小于工件本身的曲率，使得在孔隙、狭缝、棱角、边缘等地方的注入剂量不均匀，导致粒子的注入质量并不理想，从而严重限制了全方位离子注入技术的应用。
发明内容
本发明之目的在于针对现有技术的不足和缺陷，提供一种离子注入或注入且沉积系统，以提高离子注入的注入剂量、注入均匀性、以及注入或注入且沉积效率。
为实现上述目的，本发明提供一种离子注入或注入且沉积系统，包括：注入或注入且沉积工作室，该注入或注入且沉积工作室的内部在处理工件时处于真空状态；阴极靶台，将待处理的工件支撑于所述注入或注入且沉积工作室内；粒子馈送源，用于给所述注入或注入且沉积工作室供应粒子；粒子馈送管道，与所述粒子馈送源连接，用于将粒子送向所述注入或注入且沉积工作室；等离子体增强放电装置，该等离子体增强放电装置为内壁与电子碰撞能发出二次电子的绝缘管，该绝缘管一端连接所述粒子馈送管道，另一端连接所述注入或注入且沉积工作室，使粒子能通过该绝缘管从所述粒子馈送管道进入所述注入或注入且沉积工作室。
作为优选方式，所述绝缘管为直管、弯管或异型管。
作为优选方式，所述绝缘管的内壁轮廓为圆形、椭圆形或多边形。
作为优选方式，所述绝缘管的内壁轮廓的横向尺寸的范围是0.5mm～20mm。
作为优选方式，所述绝缘管的长度范围是0.5cm～500cm。
作为优选方式，所述等离子体增强放电装置的材料为氧化铝陶瓷或石英玻璃。
作为优选方式，所述粒子馈送源用于提供气体粒子，包括气瓶以及流量控制装置。
作为进一步的优选方式，所述离子注入或注入且沉积系统还包括真空室，该真空室容纳所述注入或注入且沉积工作室和所述等离子体增强放电装置，并具有与所述粒子馈送管道的外表面密封地连接的开口。
作为优选方式，所述粒子馈送源用于提供气态或汽态粒子，气态或汽态粒子可由馈送源中的固态或液态粒子蒸发或升华得到，包括：气瓶和安装于该气瓶口处的流量控制装置；加热腔体，该加热腔体具有安装于该加热腔体上的加热装置、加热腔体外屏蔽装置、流量控制装置和加热装置阀门，并且，该加热腔体的出口与所述粒子馈送管道连接，该加热腔体的入口通过气体传输管道与所述气瓶的流量控制装置连接；并且，所述粒子馈送管道的至少一部分的外表面围绕有绝热装置，以给所述粒子馈送管道保温。
作为进一步的优选方式，所述离入或注入且沉积系统还包括真空室，该真空室容纳所述注入或注入且沉积工作室和所述等离子体增强放电装置，并具有与所述绝热装置的一端密封地连接的开口。
在本发明离子注入或注入且沉积系统中，在聚焦电场作用下，一方面在保持较高粒子密度的等离子体增强放电装置内，电子与注入用的粒子碰撞频率升高，电子与注入用的粒子发生碰撞产生强的辉光放电，注入用的粒子的离化率得到提高。另一方面在等离子体增强放电装置内，电子与等离子体增强放电装置内壁碰撞产生二次电子，使等离子体增强放电装置内的电子增多，电子与注入用的粒子发生碰撞的频率进一步升高，使得注入用的粒子的离化率得到显著提高，离化的粒子通过鞘层被加速，注入到待处理工件上，完成材料表面改性。
本发明特点是方法简单，只需要增设等离子体增强放电装置和外加电源，不需要额外的离子源，成本低。
并且，等离子体增强放电装置的使用可以显著提高注入用的粒子的离化率，提高离子注入的注入剂量、注入均匀性以及注入或注入且沉积的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅用于解释本发明的构思。
图1是本发明的离子注入或注入且沉积系统所用粒子是由固态或液体依靠蒸发或升华得到时的结构示意图。
图2是本发明的离子注入或注入且沉积系统所用粒子是气体时的结构示意图。
图3是本发明的离子注入或注入且沉积系统所用粒子是由固态或液体依靠蒸发或升华得到时的结构示意图，其具有真空室。
图4是本发明的离子注入或注入且沉积系统所用粒子是气体时的结构示意图，其具有真空室。
图5是分别选氧化铝陶瓷直管和石英玻璃直管作为等离子体增强放电装置，单晶硅表面离子注入氢离子的注入电流示意图。
图6是分别选氧化铝陶瓷直管和石英玻璃直管作为等离子体增强放电装置，单晶硅表面离子注入氧离子的注入电流示意图。
附图标记汇总：
1、气体钢瓶 2、流量控制装置 3、气体传输管道
4、加热腔体 5、加热装置 6、加热腔体外屏蔽罩
7、加热装置阀门 8、流量控制装置 9、粒子馈送管道绝热装置
10、粒子馈送管道 11、等离子体增强放电装置
12、注入或注入且沉积工作室 13、阴极靶台 14、工作台支架
15、绝缘陶瓷 16、排气口 17、等离子体增强放电装置出口
18、点状阳极 19、真空室 20、法兰盘
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的一种离子注入或注入且沉积系统和提高粒子离化率的方法的实施例。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括对在此记载的实施例做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部分的结构，各附图之间不一定按照相同的比例绘制。相同或相似的参考标记用于表示相同或相似的部分。
图1是本发明的离子注入或注入且沉积系统所用粒子是固态或液体时的结构示意图。如图1所示，在本实施例中，本发明提供一种离子注入或注入且沉积系统，包括注入或注入且沉积工作室12、等离子体增强放电装置11、阴极靶台13、粒子馈送管道10、以及气体钢瓶1。另外，气体钢瓶1流量控制装置2、气体传输管道3、加热腔体4、加热装置5、加热腔体外屏蔽罩6、加热装置阀门7和流量控制装置8组成粒子馈送源。
注入或注入且沉积工作室12端面中心开孔，放置在由工作台支架14支撑的阴极靶台13上，在工作台支架14与注入或注入且沉积工作室12之间设有绝缘陶瓷15。等离子体增强放电装置11为内壁与电子碰撞能发出二次电子的绝缘管，其一端与注入或注入且沉积工作室12相连，另一端与接地的粒子馈送管道10连接，用于提高粒子离化率。
阴极靶台13与外加电源的负极连接，点状阳极18与外加电源的正极连接，其中，点状阳极18位于粒子馈送管道10与等离子体增强放电装置11相连的一端。
粒子馈送管道10另一端与加热腔体4连接，加热腔体4通过气体传输管道3与气体钢瓶1连接，以形成粒子通道。
加热腔体4上端与流量控制装置8相连，加热腔体4外层设置上端装有加热装置阀门7的加热装置5，在加热装置5的外层设置加热腔体外屏蔽罩6并且，该加热腔体外屏蔽罩6与设置于粒子馈送管道10外侧的子馈送管道绝热装置9相连。
图2是本发明的离子注入或注入且沉积系统所用粒子是气体时的结构示意图。该装置没有加热腔体4以及与它们相关的一系列装置，而是气体钢瓶1通过粒子馈送管道10直接与等离子体增强放电装置11相连，其中，气体流量通过流量控制器2控制。气体钢瓶1和流量控制装置2组成粒子馈送源。其它结构与图1相同。
图3和4与图1和2的区别是将粒子馈送管道10、等离子体增强放电装置11、注入或注入且沉积工作室12以及其内部的装置放到真空室19内，其中，粒子馈送管道10与真空室19之间通过法兰盘20连接。
工作时通过机械泵及分子泵使真空室19达到真空状态，气体钢瓶1中气体粒子通过粒子馈送管道10通入真空室19，气体流量由流量控制器2控制，完成工件表面性改后气体通过真空泵排气口16排出。
当注入用粒子为固态或液体时，通过气体传输管道3通入加热腔体4，然后通过粒子馈送管道10进入等离子体增强放电装置11，经离化后进入到注入或注入且沉积工作室12，流量由流量控制器8控制。
对于沉积用的粒子为气体时，真空室19内的部分与上述一致，在真空室19外，沉积用的气体在气体钢瓶1中通过粒子馈送管道10进入等离子体增强放电装置11，经离化后进而进入到注入或注入且沉积工作室12，流量由流量控制器2控制。
本发明中的等离子体增强放电装置11为内壁与电子碰撞能发出二次电子的绝缘管。离子注入或者注入且沉积系统工作时，通过外加电源给阴极靶台13提供负脉冲电压，阴阳两极之间形成聚焦电场，因为聚焦电场穿过等离子体增强放电装置11，所以阴极电子会向点状阳极18运动且获得足够能量，并进入等离子体增强放电装置11。
一方面在保持较高粒子密度的等离子体增强放电装置11内，电子与注入用的粒子碰撞频率升高，电子与注入用的粒子发生碰撞产生强的辉光放电，注入用的粒子的离化率得到提高。另一方面在等离子体增强放电装置11内，电子与等离子体增强放电装置11内壁碰撞产生二次电子，使等离子体增强放电装置11内的电子增多，电子与注入用的粒子发生碰撞的频率进一步升高，使得注入用的粒子的离化率得到显著提高。
因为粒子离化率的提高，使得进入注入或注入且沉积工作室12中的离子增多。在阴极靶台13上，由于负偏压的作用使阴极排斥电子，所以在待处理工件的周围会形成一个动态平衡的正离子鞘层，而注入离子的增多会使待处理工件周围的正离子鞘层会变的更均匀，从而更接近待处理工件的形状，离化的粒子通过鞘层被加速，注入到待处理工件上。这样也可以提高离子注入的注入剂量、注入均匀性以及注入或注入且沉积的效率。
需要说明的是本发明的离子注入或注入且沉积系统所用的等离子体增强放电装置11可以为直管也可以为异型管，比如C型管等。
等离子体增强放电装置11的内壁轮廓可以为圆形、椭圆形或多边形等。等离子体增强放电装置11的内壁轮廓的横向尺寸的范围为0.5mm～20mm，长度为0.5cm～500cm。
等离子体增强放电装置11的材料可以为氧化铝陶瓷或石英玻璃，也可为其它材料，满足内壁与电子碰撞能发出二次电子且是绝缘管即可。
示例1：本实施方案是通过分别选内径4mm，长度200mm的氧化铝陶瓷直管和石英玻璃直管作为等离子体增强放电装置，单晶硅表面离子注入氢离子，采取图4中的装置。
具体步骤如下：
步骤(1)：分别选用的氧化铝陶瓷直管和石英玻璃直管作为等离子体增强放电装置，搭建离子注入或注入且沉积系统。等离子体增强放电装置11的一端与端面中心开孔的注入或者注入且沉积工作室12相连，注入或者注入且沉积工作室12放置在阴极靶台13上，通过机械泵及分子泵使工作室12达到真空状态，气体通过真空泵排气口16排出，另外阴极靶台13与负脉冲电源连接。等离子体增强放电装置11的另一端与接地的粒子馈送管道10连接，气体钢瓶1中气体通过粒子馈送管道10送到等离子体增强放电装置11中，气体流量通过流量控制器2控制。
步骤(2)：完成对系统的预抽真空，使注入或者注入且沉积工作室内的真空度达到10-3Pa级别。通过粒子馈送管道10通入氢气，再通过等离子体增强放电装置11进入注入或者注入且沉积工作室12，通过流量控制装置2控制通入注入或者注入且沉积工作室12中的氢气的流量，氢气流量分别为60～130sccm。
步骤(3)：将离子注入或注入且沉积系统的点状阳极18与外加电源的正极相连，将阴极靶台13与外加电源的负极相连；
步骤(4)：通过外加电源给阴极靶台13提供负脉冲电压，并设定预定的电压值为15KV，在阴阳两极之间形成聚焦电场，电子向点状阳极18运动且获得足够能量，并进入等离子体增强放电装置11，在聚焦电场内完成对注入用的粒子的离化，离化的粒子通过鞘层被加速，注入到待处理工件上，完成材料表面改性。
步骤(5)：完成对真空室19的放气，取出试样，完成单晶硅表面的离子注入氢离子。
图5是分别选氧化铝陶瓷直管和石英玻璃直管作为等离子体增强放电装置，单晶硅表面离子注入氢离子的注入电流示意图。
图5反映了本示例的结果，图中平均电流为氢离子的注入电流，注入氢离子越多其电流越大，所以电流大小可以代表粒子的离化率。图5中示出了无等离子增强放电装置的情况下的电流与采用不同等离子增强放电装置的电流的比较。
由图5可知在相同气体流量的情况下使用现有技术氢离子的电流明显低于本发明装置的氢离子的电流。由此可知，本发明可以有效提高粒子的离化率。
示例2：本实施方案是通过分别选用内径4mm，长度200mm的氧化铝陶瓷直管和石英玻璃直管作为等离子体增强放电装置，单晶硅表面离子注入氧离子，采取图4中的装置。本实施例与第一实施例的不同点是：氧气流量为10～60sccm，完成对单晶硅表面的氧离子注入。其它步骤与示例1相同。
结果如图6所示，图中平均电流为氧离子的注入电流，注入氧离子越多其电流越大，所以电流大小可以代表粒子的离化率。
由图6可知在相同气体流量的情况下使用等离子增强放电装置的能够增加氧离子的电流。由此可知，本发明可以有效提高粒子的离化率。
需要说明的是本发明的提高粒子离化率的方法的步骤(3)中，控制所述真空度为10-6Pa～10-3Pa级别。步骤(4)中，所述负脉冲电压的范围为0.5KV～100KV。
以上对本发明的离子注入或注入且沉积系统及其操作方法的实施方式进行了说明。对于本发明的离子注入或注入且沉积系统的具体特征如形状、尺寸和位置可以根据上述披露的特征的作用进行具体设计，这些设计均是本领域技术人员能够实现的。而且，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据本发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。

Claims (10)

1.一种离子注入或注入且沉积系统，包括：
注入或注入且沉积工作室，该注入或注入且沉积工作室的内部在处理工件时处于真空状态；
阴极靶台，将待处理的工件支撑于所述注入或注入且沉积工作室内；
粒子馈送源，用于给所述注入或注入且沉积工作室供应粒子；
粒子馈送管道，与所述粒子馈送源连接，用于将粒子送向所述注入或注入且沉积工作室；
等离子体增强放电装置，该等离子体增强放电装置为内壁与电子碰撞能发出二次电子的绝缘管，该绝缘管一端连接所述粒子馈送管道，另一端连接所述注入或注入且沉积工作室，使粒子能通过该绝缘管从所述粒子馈送管道进入所述注入或注入且沉积工作室。
2.如权利要求1所述的离子注入或注入且沉积系统，其中，所述绝缘管为直管、弯管或异型管。
3.如权利要求1所述的离子注入或注入且沉积系统，其中，所述绝缘管的内壁轮廓为圆形、椭圆形或多边形。
4.如权利要求1所述的离子注入或注入且沉积系统，其中，所述绝缘管的内壁轮廓的横向尺寸的范围是0.5mm～20mm。
5.如权利要求1所述的离子注入或注入且沉积系统，其中，所述绝缘管的长度范围是0.5cm～500cm。
6.如权利要求1-5中任一项所述的离子注入或注入且沉积系统，其中，所述等离子体增强放电利用了二次电子发射，装置的材料满足内壁与电子碰撞能发出二次电子且绝缘即可，如氧化铝陶瓷或石英玻璃。
7.如权利要求1-5中任一项所述的离子注入或注入且沉积系统，其中，所述粒子馈送源用于提供气体粒子，包括气瓶以及流量控制装置。
8.如权利要求7所述的离子注入或注入且沉积系统，还包括真空室，该真空室容纳所述注入或注入且沉积工作室和所述等离子体增强放电装置，并具有与所述粒子馈送管道的外表面密封地连接的开口。
9.如权利要求1-5中任一项所述的离子注入或注入且沉积系统，其中，所述粒子馈送源用于提供气态或汽态粒子，气态或汽态粒子可由馈送源中的固态或液态粒子蒸发或升华得到，包括：
气瓶和安装于该气瓶口处的流量控制装置；
加热腔体，该加热腔体具有安装于该加热腔体上的加热装置、加热腔体外屏蔽装置、流量控制装置和加热装置阀门，并且，该加热腔体的出口与所述粒子馈送管道连接，该加热腔体的入口通过气体传输管道与所述气瓶的流量控制装置连接；并且所述粒子馈送管道的至少一部分的外表面围绕有绝热装置，以给所述粒子馈送管道保温。
10.如权利要求9所述的离子注入或注入且沉积系统，还包括真空室，该真空室容纳所述注入或注入且沉积工作室和所述等离子体增强放电装置，并具有与所述绝热装置的一端密封地连接的开口。
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