CN107408480B - 离子注入机 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种离子注入机，离子注入机包含至少一个由群组W、W合金、Mo和Mo合金的难熔金属构成的组件。组件的表面至少区域性地具有涂层，涂层至少区域性地由至少一种化合物形成，化合物具有选自C、B及N组成的群组的至少一种元素和选自W及Mo组成的群组的至少一种元素。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子注入机，离子注入机包含至少一个由难熔金属(RM)制成的组件，难熔金属(RM)选自钨(W)、W合金、钼(Mo)及Mo合金组成的群组。本发明进一步涉及一种RM组件，并且还涉及一种用于制造此类组件的方法。
背景技术
离子注入机例如用于制造半导体组件、平板屏幕及太阳能电池。此外，应用于材料的加工及表面改质。在离子注入机中，离子束借助离子源产生。离子束在波束路径中偏转至半导体晶圆上，导致晶圆的掺杂并且从而更改半导体晶圆的电气的、结晶的和/或结构的性质。在离子源中，由于等离子体，离子注入机的组件经受化学的及机械的腐蚀并且经受高热的负荷。此等负荷也发生在波束路径中的组件上。波束路径表示从源至晶圆或基板的整个路径。
离子注入机具有多个组件，组件用于波束的制造、形成、引导及用于容纳等离子体，以及用于保护装置免受等离子体和/或离子束的损害。离子源通常包含腔室，在腔室中制造含有所要物质的离子的等离子体。这些物质能够是原子，也能够是分子并且等离子体通常呈气体形态供应。用于制造等离子体的灯丝直接穿过等离子体或者在具有或不具有封装的情况下，位于等离子体的外部。
借助于萃取的电弧狭缝，离子自离子源导引出并且作为离子束在质量分析器的方向上自此处偏转至基板或晶圆。对于注入，通常仅需要特定的掺杂。为此，在质量分析器中，根据离子的电荷及质量进行过滤。只有具有所要荷质比的离子能够穿过质量分析器(英文：质量分析器/飞行套管)。在用于制动及再加速的其他组件之后以及在电子簇射之后，所要离子撞击在基板或晶圆上，在此发生注入或材料的改变。
如上所述，离子注入机的组件能够根据其功能性的应用而细分。在此情况下，区分为
(a)离子制造和/或电子制造的组件；
(b)波束成形及波束引导的组件(英文：射束成形装置/射束引导装置)；
(c)用于等离子体容纳的组件以及用于保护装置免受等离子体或离子束的损害的组件。
当波束成形及波束引导中的组件承受离子束的负荷的情况下，尤其是源中的离子注入机的组件以及灯丝在经受等离子体的严酷条件。部件由于热负荷以及由于化学及机械腐蚀而受到损坏。由此引起部件的表面处的材料剥蚀，并且能够导致基板或晶圆的污染。剥蚀的材料还能够引起在等离子体或波束路径外部产生的不希望的沉积物。此等沉积物同样能够导致基板或晶圆的污染。
根据现有技术，离子注入机的内部中的组件由耐温材料，如钨、钼、石墨及硅组成。操作离子注入机的挑战在于减少组件的耗损及基板或晶圆的污染。因此，改良和研究的目标在于，减少或完全消除基板或晶圆的污染以及增大组件对存在条件的耐受性，以获得更长的使用寿命。此外，增大使用寿命亦具有降低离子注入机的应用成本的效果。
在相关文献中已经描述了用于延长组件的使用期限的一些可能性，其中基本上集中于延长波束引导或波束成形中的组件的使用期限。
举例而言，US 2010/0140508 A1揭示一种通过化学气相沉积(CVD)方法以Si、SiC或DLC涂覆石墨组件的方法。其描述了在可替换的石墨衬套上产生厚度小于1μm的涂层。
US 2009/0166565 A1描述一种由石墨组成并且具备比石墨更耐剥蚀的涂层的离子注入机的组件。此石墨组件具有引导离子束穿过的开口，其中涂层由钨、碳化钨、碳化钽、碳化钛或碳化硅组成。
类似的方案在WO 2009/053678 A1中实行，其中将钨或碳化钽涂层涂覆至石墨基体上。
在US 2002/0069824 A1中描述一种离子注入系统，其中电弧腔室(离子源)内衬有由氮化硼或氧化铝组成的陶瓷涂层。
为了减小污染对基板或晶圆的负面效果，离子注入机的组件涂覆有与基板材料相同的材料，例如硅。在WO 2009/008626 A1中描述一种针对于此的方法。此处，硅借助于热喷涂涂覆到相关的组件上。
沉积物主要产生于靠近离子束的位置处。若沉积材料的厚度增大，则能够导致较大部件或颗粒的脱落，它又传递至离子束中并且因此能够在基板或晶圆上产生大面积的污染。为了减小污染的可能性，要有规律地对离子注入机进行清洁操作。此步骤在操作中显示了决定性的成本因素。因此，有益于延长所需维护间隔并且从而提高离子注入机的效率。
在涉及了沉积于石墨上的涂层的上述解决方案中，尽管提高了抗蚀性，但存在很高的、整个涂层区域脱落的风险。这点同样导致基板或晶圆的污染。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种能够避免上文所描绘的缺点的解决方案。本发明的特定目的在于，提供一种解决方案，其中离子注入机的组件对上述负荷具有较大的耐受性，并且借此提高组件的使用期限和离子注入机的使用期限。特别是，本发明减少在离子注入机中的组件的材料剥蚀，从而不仅避免了沉积物的形成而且也避免了由初始粒子造成的污染。
此目标借助独立权利要求实现。在从属权利要求中给出了优选的实施例。
离子注入机在此情况下优选包含用于波束制造、波束成形及波束引导，用于等离子体容纳及用于保护装置免受等离子体或离子束的损害的组件。至少一个组件由难熔金属制造，难熔金属选自钨(W)、W合金、钼(Mo)及Mo合金组成的群组。W、W合金、Mo及Mo合金在后续文字中亦简称为RM。RM组件因此为由W、W合金、Mo或Mo合金制造的组件。
至少一个RM组件的表面至少区域性地具有涂层，涂层至少区域性地由至少一种化合物形成，化合物具有选自碳(C)、硼(B)及氮(N)组成的群组的至少一种元素和选自W及Mo组成的群组的至少一种元素
在根据本发明的解决方案中，基体及涂层两者具有RM。结合本发明，基体是指组件的不具有/或尚不具有任何涂层的组件的区域。
现在已经显现，借助于根据本发明的实施方案，在现有技术中的可观测的涂层黏着性的问题并未出现。此外，与W、W合金、Mo、Mo合金或石墨的未涂覆的组件相比较，根据本发明的组件在广泛范围的使用条件下也具有更显著的耐受性。
作为特别有利的化合物，碳化物、硼化物及氮化物是值得一提的。然而，除了W和/或Mo以外，包含有C、B和N组成的群组的至少两个元素的优异的化合物也是非常合适的。因此，举例而言，极佳的使用寿命能够借助包括C及B两者的化合物达成。
相位判定在此处借助于EBSD(电子背散射衍射)完成并且衍射分析和元素分析借助于WDX(波长分散型X射线光谱)完成。EBSD允许空间拆分地判定晶体结构及个别的微晶的最可能的定向。对此，使用配备有EBSD侦测器的扫描电子显微镜来完成。样本以70°的角度安装并且经受初级电子束照射。通过电子在样本处的部分的衍射产生所谓的衍射图或衍射图像。此等衍射图像能够使用数据库与结晶数据相关。以此方式，对于样本上每一量测点，可判定结晶相位及最可能的定向。
在以下条件下进行测量：
-120μm电子束孔径
-高电流模式，20kV加速电压
-扫描区域57×24μm2
-放大倍率1500x
-步幅0.05μm
-格化储存4×4
-摄影机增益17.06
-摄影机曝光4.50
-背景校正：静态背景差分与标准化强度直方图合并
-系统：具有EDAX Trident XM4分析封装体的FEG-REM Zeiss Ultra plus 55、Hikari EBSD摄影机
结晶数据从Pauling档案获得，并且可参考如下：
-W2C:T.Epicier et al.,Acta Met.36(1988),1903-1921
-WC:A.D.Krawitz et al.,J.Am.Ceram.Soc.,72(1989),515-517
-W2B:E.E.Havinga et al.,J.Less-Common Met.,27(1972),169-186
-WB:T.,Ark.Kemi,30(1969),115-127
以优选的方式，作为RM的涂层具有与形成基体的大部分的元素相同的元素。因此，有利的是，在基体例如由钨制造时，涂层同样也通过钨的化合物制成。举例而言，当组件的基体由W制造并且涂层包含W2B、WB、WC、W2C、W2N或WN时，由此能够达到优异的效果。
由于以此方式能够获得极佳的涂层黏着性，因此若在涂层的产生中，化合物借助基体的C、B及/或N和W及/或Mo的反应形成，则其为特别有利的。
涂层能够完全覆盖基体或者也能够仅涂覆最高负荷位置。此外，涂层能够实施为单层或实施为多层及/或包含可变化组份的混合相位。在Mo-W合金用作组件的基体的情况下，有利的实施例显示为，化合物包含作为金属组分的Mo及W。因此，在下文给定的有利的硼化物、碳化物及氮化物的清单中，W可部分由Mo替换，及Mo可部分由W替换，而对性质无不利的影响。
特别有利的是，二元化合物为W2B、WB、W2B5、W1-xB3、WB4、WC、W2C、WN、W2N、W3N2、Mo2B、MoB、Mo3B2、MoB4、MoC、Mo2C、MoN、Mo2N及Mo3N2。在特别有利的三元及四元化合物的情况下，上文所列的二元化合物的非金属组分部分地由一种(对于三元化合物)或由两种(对于四元化合物)来自C、B及N的群组的其他元素替换。举例而言，对于WC，产生三元化合物W(C,N)及W(C,B)，并且作为四元化合物的是W(C,B,N)。
除化合物的各别的化学计量组成之外，此化合物还能够具有另外的呈溶解形态的其他元素，例如，C、B、N、W及/或Mo。
另一有利的实施例为复合涂层。复合涂层为由至少两种相位区域构成的涂层。本发明强调的特别有利的实施例为涂层包含相位WC及/或W2C。另一特别有利的实施例为涂层包含WB及/或W2B。另外，WC及/或W2C和WB及/或W2B的组合也表示本发明的特别有利的实施例。因此，举例而言，涂层的最外层区域能够由WC及/或WB形成，挨着一个具有W2B及/或W2C相位的区域。在这种情况下，W2B及/或W2C邻近于包含W或W合金的基体。类似地，举例而言，涂层的最外层区域能够由MoC及/或MoB形成，挨着一个具有Mo2B及/或Mo2C相位的区域。在这种情况下，Mo2B及/或Mo2C邻近于包含Mo或Mo合金的基体。
在另一有利的实施例中，涂层与基体的相邻区域啮合。啮合效果以简单的方式通过基体中的C、B及/或N和Mo及/或W的反应获得。为此目的，C及/或B及/或C、B及/或N的化合物涂覆至基体的表面。由于加热，C、B及/或N随后扩散至基体中，并且在此以化合物形式出现。在这种情况下有利的是，啮合借助于涂层的颗粒(例如，有利地借助W2B、W2C、Mo2B及/或Mo2C颗粒)形成。其中C及B涂覆至钨或钼上，举例而言，碳化物形成最顶端的涂层，该碳化物特别耐受等离子体及离子束的腐蚀。将N导入至涂层中优选借助于在含N环境中的退火(反应性退火)而实现。优先考虑采用NH3或由以NH3、H2及N2组成的群组的至少两种气体的混合物，并且采用例如在700℃至1300℃范围内的退火温度。
有利的平均涂层厚度能够在广泛范围内选择，有利的范围为1至500μm，优选为3至100μm。
用于基体的有利的材料为纯W、W-0.1至3质量％稀土氧化物、纯Mo、Mo-钛(Ti)-锆(Zr)-C(惯用名称：TZM)、Mo-铪(Hf)-C(惯用名称：MHC)或Mo-W合金。值得称赞的特别合适的稀土氧化物为La2O3。W-La2O3的切削特性比纯W的切削特性明显更好，因此使得组件的生产成本显着降低。此外，也改良了抗蚀性。纯W及纯Mo分别指具有常规技术纯度的金属。
根据本发明的实施方案能够有利地使用离子注入机的以下组件：
-腔室
-灯丝
-灯丝固持器
-电弧狭缝
-终端站
-分析器
本发明的目标借助离子注入机的组件进一步实现，该组件由选自W、W合金、Mo及Mo合金组成的群组的难熔金属(RM)制造，其中至少RM组件的表面至少区域性地具有涂层，该涂层至少区域性地由一种化合物形成，该化合物具有选自C、B及N组成的群组的至少一种元素和选自W及Mo组成的群组的至少一种元素。组件优选用于制造、形成或导引波束，用于容纳等离子体及/或用于提供保护免受等离子体或离子束的损害。
组件有利地具有以下性质中的至少一个：
-化合物选自群组a或b，其中：
群组a：碳化物、硼化物及氮化物；
群组b：含有W及/或Mo和由C、B及N组成的群组的至少两种元素的化合物。
-化合物选自由以下各者组成的群组：W2B、WB、W2B5、W1-xB3、WB4、WC、W2C、WN、W2N、W3N2；Mo2B、MoB、Mo3B2、MoB4、MoC、Mo2C、MoN、Mo2N及Mo3N2。
-涂层呈复合涂层形式。
-复合涂层具有由硼化物组成的至少一个区域及由碳化物组成的至少一个区域。
-最外层涂层至少部分由WC或WB形成。
-涂层与相邻基体啮合。
-啮合藉由涂层的颗粒形成。
-RM组件在高负荷位置处具有涂层。
-至少一种化合物包含呈溶解形态的选自由B、C、N、W及Mo组成的群组的至少一种元素。
-RM组件由纯W、W-0.1至3质量％稀土氧化物、纯Mo、Mo-Ti-Zr-C(TZM)、Mo-Hf-C(MHC)或Mo-W合金制造。
-RM组件用作离子注入机的腔室、灯丝、灯丝固持器、电弧狭缝、终端站或分析器。
根据本发明的目标还借助用于制造RM组件的方法达成。
此方法至少具有以下步骤：
-借助常用方法生产RM组件的几何构型；
-优选以粉末或浆体的形态，施加至少一种元素并且/或者施加选自C、B和N组成的群组的一种元素的至少一种化合物；
-热处理以在真空、惰性气体或反应性气体中形成具有至少一种RM的化合物。
用于生产RM组件的常用方法为冲压法、具有后续机械加工的熔结法、近净成形的冲压法/熔结法、热冲压、热等静压、放电等离子熔结或金属粉末射出成形。
在几何构型的制造之后，在使用中必须具有的区域中涂覆至少一种元素或选自C、B及N组成的群组的元素的至少一种化合物。涂覆能够借助例如倾倒、刷涂、浸渍或喷涂的方式进行。如特别适合的值得提及的是浆体的应用，因为以此种方式还能够对具有复杂几何构型的部件进行简单并且有利的涂覆。在C及/或B及/或包含C、B及/或N的化合物的涂覆之后，在真空、惰性气体或反应性气体中热处理组件。
特定言之，适合的反应性气体为包含N(例如NH3或由NH3、H2及N2组成的群组的至少两种气体的混合物)、C(例如CH4)及/或B(例如BH3)的气体或气体混合物。温度在此等情况下优选为700℃至2000℃(在真空中退火)或700℃至1300℃(在反应性气体中退火)，分别的化合物的最适合的范围借助于简单试验判定。在热处理的情况下，C、B及/或N随后扩散至基底材料中，与基地材料合并以形成根据本发明的化合物。
另外，涂层还能够借助其他常用方法，例如PVD、CVD、热喷涂制程或在反应性气体中(例如在上述气体/气体混合物中)退火进行涂覆。
附图说明
在下文中，对本发明进行示范性地、更详细地描述并且将本发明与现有技术进行比较。
图1示出了涂覆在W上的单层碳化钨(样本3)。
图2示出了多层的复合涂层，其包含由碳化钨构成的区域及由硼化钨构成的区域(样本5)。
具体实施方式
实施例
基体由W、W-1Ma％La2O3(WL)和Mo制成并且借助于扩散操作设有不同的涂层。为此，将含有碳和/或硼的浆体借助于浸渍涂覆在基体的表面上。C及B的分别的比重能够从表1及表2中获得。在此之后，样本在真空中以1500℃持续退火10h。一些样本此后在NH3(20体积％)、N2(40体积％)及H2(40体积％)的混合物中以950℃持续退火5h。在热处理过程中，参与的组分C、B和/或N形成对应的化合物。对此，在图1和图2中根据表1示范性地描绘了样品3和样品5。
EBSD的测量如下执行：
-120μm电子束孔径
-高电流模式，20kV加速电压
-扫描区域57×24μm2
-放大倍率1500x
-步幅0.05μm
-格化储存4×4
-摄影机增益17.06
-摄影机曝光4.50
-背景校正：静态背景差分与标准化强度直方图合并
-系统：具有EDAX Trident XM4分析封装体的FEG-REM Zeiss Ultra plus 55、Hikari EBSD摄影机
元素阐明借助于WDX进行。
对于样本3，仅能够侦测到W2C(参见图1)。
样本5，除了WC外，亦具有W2C及W2B(参见图2)。
对于所研究的样本，涂层厚度在8至40μm的范围内变化。所使用的参考样本为分别的无涂层的材料。
接着针对样本对于含有F或含有F和O的等离子体的稳定性进行检测。
测试条件：
等离子体发生器频率：40kHz
压力：0.3mbar
气体：对于含有F的等离子体使用CF4
或对于含有F及O的等离子体使用NF3/O2(NF3：30体积％，O2：70体积％)
持续时间：30分钟
表1及表2示出了在等离子体中的样本及其剥蚀的一览表。在W或Mo上的标准化的剥蚀率明确地表明，根据本发明的样本对于含有F或含有F和O的等离子体具有优良的耐受性。
表1
表2
Claims (11)
1.一种离子注入机，所述离子注入机包含至少一个由难熔金属制成的组件，所述难熔金属选自钨、钨合金、钼及钼合金组成的群组，
其中，至少一个难熔金属组件的表面至少区域性地具有涂层，该涂层至少区域性地由至少一种化合物形成，该化合物具有选自碳、硼及氮组成的群组的至少一种元素和选自钨及钼组成的群组的至少一种元素，
其特征在于，
该涂层为具有由硼化物构成的至少一个区域和由碳化物构成的至少一个区域的复合涂层。
2.根据权利要求1所述的离子注入机，其特征在于，该化合物选自群组a或b，其中：
群组a：碳化物、硼化物及氮化物；
群组b：含有W和/或Mo及由C、B及N组成的群组的至少两种元素的化合物。
3.根据权利要求1所述的离子注入机，其特征在于，该化合物选自W2B、WB、W2B5、W1-xB3、WB4、WC、W2C、WN、W2N、W3N2、Mo2B、MoB、Mo3B2、MoB4、MoC、Mo2C、MoN、Mo2N及Mo3N2组成的群组。
4.根据权利要求1所述的离子注入机，其特征在于，WC或WB至少部分地形成最外层涂层。
5.根据权利要求1所述的离子注入机，其特征在于，该涂层与由难熔金属构成的相邻区域啮合。
6.根据权利要求5所述的离子注入机，其特征在于，所述啮合借助该涂层的颗粒形成。
7.根据权利要求1所述的离子注入机，其特征在于，该难熔金属组件在高负荷的位置上具有该涂层。
8.根据权利要求1所述的离子注入机，其特征在于，至少一种化合物包含选自B、C、N、W及Mo组成的群组的至少一种呈溶解形态的元素。
9.根据权利要求1所述的离子注入机，其特征在于，该难熔金属组件由纯W、W-0.1至3质量％的稀土氧化物、纯Mo、Mo-钛(Ti)-锆(Zr)-C合金(TZM)、Mo-铪(Hf)-C合金(MHC)或Mo-W合金制造。
10.根据上述权利要求中任一项所述的离子注入机，其特征在于，选自腔室、灯丝、灯丝固持器、电弧狭缝、终端站及分析器组成的群组的至少一个难熔金属组件至少区域性地具有该涂层。
11.一种离子注入机的组件，该组件包含选自W、W合金、Mo及Mo合金组成的群组的难熔金属，
其中，至少一个难熔金属组件的表面至少区域性地具有涂层，该涂层至少区域性地由一种化合物形成，该化合物具有选自C、B及N组成的群组的至少一种元素和选自W及Mo组成的群组的至少一种元素，
其特征在于，
该涂层为具有由硼化物构成的至少一个区域和由碳化物构成的至少一个区域的复合涂层。
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