CN111433882A - 工件加工用的低粒子电容性耦合构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于在将粒子的产生减至最低程度的同时将离子植入到工件中的系统。所述系统包括离子源，所述离子源具有抽取板，所述抽取板具有抽取开孔。所述抽取板被施加电偏压且还可涂布有介电材料。所述工件设置在台板上且由被施加电偏压的屏蔽件环绕。所述屏蔽件也可涂布有介电材料。在操作中，对所述屏蔽件及所述台板施加脉冲式直流电压，且在此脉冲期间从离子源吸引离子。由于使用了脉冲式电压，因此薄介电涂层的阻抗减小，从而使得所述系统能够恰当运行。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及包括低粒子构件的用于晶片加工的系统，且更具体来说，涉及包括具有介电涂层的被施加电偏压的构件的系统。
背景技术
半导体装置的制作涉及多个离散且复杂的工艺。一种这样的工艺可利用可从离子源抽取的离子束。在离子源中，对馈入气体进行激励，以形成离子。然后，经由设置在抽取板上的抽取开孔从离子源抽取那些离子。所述离子被吸引到相对于抽取开孔进行扫描的工件。这些离子可用于在工件中植入掺杂剂、对工件进行刻蚀、在工件上沉积涂层或将工件非晶化(amorphization)。
为吸引离子，可以不同的电压对抽取板及工件施加偏压。举例来说，如果工件是以比抽取板更负的电压被施加偏压，则来自离子源内的正离子将被吸引到工件。
在许多实施例中，抽取板由导电材料(例如金属)形成。相似地，工件设置在通常被称为台板(platen)的第二导电材料上。通常被称为屏蔽件(shield)或护环(halo)的另一导电元件可被配置成使得其环绕工件以保护相邻的区域不受离子束撞击的负面影响(例如粒子及金属被沉积到工件上)。所述屏蔽件或护环还提供与工件非常相似的电势表面及电流路径，以使工件被均匀地加工。
与此种配置相关联的一个问题是会产生粒子、尤其是最终被设置在工件上的粒子。具体来说，在离子从离子源射出时，离子的能量可使抽取板发射出粒子。另外，撞击屏蔽件的离子也可使屏蔽件发射出粒子。这些粒子可被设置在工件上且可使工件的性能降级。
因此，如果存在一种会减少所产生的粒子量的用于将离子植入到工件中的系统，则将为有益的。此外，如果系统的操作参数不受负面影响，则将为有利的。
发明内容
本发明公开一种用于在将粒子的产生减至最低程度的同时将离子植入到工件中的系统。所述系统包括离子源，所述离子源具有抽取板，所述抽取板具有抽取开孔。所述抽取板被施加电偏压且还可涂布有介电材料。所述工件设置在台板上且由被施加电偏压的屏蔽件环绕。所述屏蔽件也可涂布有介电材料。在操作中，对所述屏蔽件及所述台板施加脉冲式直流(direct current，DC)电压，且在此脉冲期间从离子源吸引离子。由于使用了脉冲式电压，因此薄介电涂层的阻抗减小，从而使得所述系统能够恰当运行。
根据第一实施例，公开一种工件加工系统。所述工件加工系统包括：离子源，包括多个腔室壁及抽取板，所述抽取板具有抽取开孔；以及工件夹具，靠近所述抽取开孔而设置，所述工件夹具包括：台板，用以固持工件；以及屏蔽件，环绕所述工件；其中对所述屏蔽件施加脉冲式DC电压以从所述离子源吸引离子，且其中所述屏蔽件及所述抽取板由导电材料构造而成，且所述屏蔽件及所述抽取板中的至少一者涂布有介电材料。在某些实施例中，所述屏蔽件及所述抽取板均涂布有所述介电材料。在某些实施例中，所述介电材料包括稀土氧化物(rare earth oxide)，所述稀土氧化物可包括氧化钇(yttria)。在一些实施例中，涂布有所述介电材料的导电材料的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)与所述介电材料的CTE相差30％以内。在某些实施例中，所述导电材料包括钽(tantalum)或钼(molybdenum)。在某些实施例中，所述DC电压以介于5kHz与50kHz之间的频率为脉冲式。
在另一实施例中，公开一种工件加工系统。所述工件加工系统包括离子源及可移动工件夹具，所述离子源包括：多个腔室壁；抽取板，具有抽取开孔；以及阻挡器(blocker)，设置在所述离子源内且靠近所述抽取开孔，所述可移动工件夹具靠近所述抽取开孔而设置，所述可移动工件夹具包括：台板，用以固持工件；以及屏蔽件，环绕所述工件；其中来自所述离子源的内部的离子是以由所述阻挡器界定的角度被朝所述台板吸引，并且其中所述屏蔽件及所述抽取板由导电材料构造而成，且所述屏蔽件及所述抽取板中的至少一者涂布有介电材料。在某些实施例中，对所述屏蔽件及所述台板施加可介于5kHz与50kHz之间的脉冲式DC电压。
根据另一实施例，公开一种工件加工系统。所述工件加工系统包括：离子源，包括多个腔室壁及抽取板，所述抽取板具有抽取开孔；以及可移动工件夹具，靠近所述抽取开孔而设置，所述可移动工件夹具包括：台板，用以固持工件；以及屏蔽件，环绕所述工件；其中所述屏蔽件及所述抽取板由导电材料构造而成且各自涂布有介电材料，其中所述导电材料的热膨胀系数(CTE)与所述介电材料的CTE相差30％以内。在某些实施例中，所述介电材料包括钇(yttrium)，且所述导电材料包括钽或钼。
附图说明
为更好地理解本发明，参照并入本文中供参考的附图，附图中：
图1是根据一个实施例的离子源的视图。
图2是图1所示抽取板的前视图。
图3是图1所示屏蔽件的前视图。
图4示出用于说明在手动清洗工艺之后通过许多次刻蚀来实现粒子减少的曲线图。
图5示出说明从离子源发射的离子束的电流随束角而变化的曲线图。
具体实施方式
如上所述，在从离子源抽取离子时，高能离子可能会撞击各种构件，从而使金属构件发射出粒子且使所述粒子被设置在工件上。图1示出克服此种问题的系统的实施例。
系统1包括离子源2。离子源2包括由多个腔室壁101构成的离子源腔室100。在某些实施例中，这些腔室壁101中的一者或多者可由例如石英等介电材料构造而成。RF天线110可设置在第一介电壁102的外表面上。RF天线110可由RF电源120供电。递送到RF天线110的能量在离子源腔室100内辐射，以将经由气体入口130引入的馈入气体电离。
被称为抽取板140的一个腔室壁包括抽取开孔145，离子可经由抽取开孔145从离子源腔室100射出。抽取板140可由导电材料(例如钛、钽或另一金属)构造而成。图2中示出抽取板140的前视图。抽取板140可在宽度上超过300毫米。此外，抽取开孔145可比工件10的直径宽。可例如通过使用抽取电压电源141来以抽取电压对此抽取板140施加偏压。在其他实施例中，抽取板140可被接地。
设置在离子源腔室100内的可为阻挡器150。阻挡器150可为用于在抽取开孔145附近影响等离子鞘(plasma sheath)的介电材料。举例来说，在某些实施例中，阻挡器150被设置成使得离子以不与工件10垂直的抽取角从抽取开孔145射出。在某些实施例中，离子可以两种不同的抽取角被抽取，例如图1中所示。在此实施例中，第一子束190及第二子束191被朝工件10引导。在其他实施例中，离子以单个抽取角被抽取。阻挡器150在离子源腔室100内相对于抽取开孔145的放置界定离子冲击工件10的角度。
可移动工件夹具155靠近抽取开孔145而设置。可移动工件夹具155包括上面设置有工件10的台板160。使用扫描马达170来对台板160进行扫描，扫描马达170使台板160在方向171上移动。在其他实施例中，工件夹具可能为不可移动的。举例来说，工件夹具可为固定的，同时离子源腔室100被移动。在另一实施例中，工件夹具及离子源腔室100均可为固定的。
环绕工件10的是屏蔽件165，屏蔽件165也可被称为护环。图3中示出屏蔽件165的前视图。屏蔽件165环绕工件10且在其与工件10的位置对应的中心具有开口166。屏蔽件165由例如金属等导电材料构造而成。
可使用工件偏压电源180对屏蔽件165及台板160施加偏压。在某些实施例中，来自工件偏压电源180的输出是频率介于5kHz与50kHz之间且振幅为100伏至5,000伏的脉冲式DC电压。
尽管以上公开内容将来自工件偏压电源180的输出阐述为脉冲式DC电压，然而应理解，工件偏压电源180可为恒定的，同时抽取电压电源141提供脉冲式DC输出。
当为脉冲式时，施加到台板160及屏蔽件165的电压比施加到抽取板140的电压更负。换句话说，如果抽取板140被接地，则工件偏压电源180产生负脉冲。在这些负脉冲期间，正离子从离子源腔室100的内部被吸引到工件10。如果抽取板140被施加正偏压，则工件偏压电源180产生不那么正的脉冲或负脉冲，以使得正离子在这些脉冲期间从离子源腔室100的内部被吸引到工件10。
抽取板140及屏蔽件165中的至少一者涂布有介电材料。经受离子束撞击的区域优选地被涂布，但其他表面也可被涂布以防止发生化学反应。所述介电材料可为稀土氧化物，例如氧化钇(Y2O3)。在其他实施例中，所述介电材料可为氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、碳化硅(SiC)、或其他材料及材料的组合，例如稀土氧化物与以上所列的其他材料的组合，包括例如氧化钇稳定氧化锆(yttria-stabilized zirconia)。在所有实施例中，所述材料对于高能离子或“物理刻蚀”以及化学刻蚀(例如氟与氯的反应性气体组合)具有耐刻蚀性。
图1示出设置在屏蔽件165的前表面上的涂层167。图1还示出设置在抽取板140的外表面上的涂层142及设置在抽取板140的内表面上的涂层143。抽取板140的内表面被定义为在离子源腔室100之内的表面。这些涂层的厚度可从约100纳米至约1毫米或更大。在特定实施例中，可存在这些涂层中的一者或多者。举例来说，在某些实施例中，施加涂层142及167。在另一实施例中，施加涂层142、143及167。
此外，在正常操作期间，抽取板140及屏蔽件165可能由高能离子加热，且因此可经历热膨胀。举例来说，在正常操作期间，抽取板140及屏蔽件165的温度可升高数百摄氏度。此外，由于屏蔽件165在正常操作期间移动，因此对屏蔽件165进行水冷或液冷是昂贵且困难的。
因此，可取的是，使构造这些构件所使用的金属具有与介电涂层相同或相似的热膨胀系数(CTE)。举例来说，氧化钇及氧化铝均具有约为7μm/m的热膨胀系数。钛具有约为9μm/m的CTE，此与介电涂层的CTE相差30％以内。相比之下，铝具有超过23μm/m的CTE，此为介电涂层的CTE的300％。因此，在某些实施例中，涂布有介电材料的构件是由钛或钼构造而成。当然，所述构件可由CTE与介电涂层的CTE相差50％以内的任何金属或金属合金构造而成。
意外地，当屏蔽件165以与抽取板140的电压不同的电压被施加脉冲时，不会发生电弧放电(arcing)。尽管存在这些构件中的至少一者涂布有介电材料这一事实，也是此种情况。事实上，在其中屏蔽件165与抽取板140之间的电压差为5kV的测试中，未观测到电弧放电。
在不限于特定理论的情况下，认为这些被涂布的构件被电容性耦合。具体来说，施加到屏蔽件165的脉冲式DC电压是频率渐增的一系列正弦波之和。换句话说，脉冲式DC电压实际上是具有多个不同频率的交流(alternating current，AC)电压。已知，介电材料相当于电容器，且因此，这些介电材料的阻抗随着频率的增大而减小。因此，认为不会发生电弧放电，因为介电涂层的阻抗在较高的频率下是相对低的。因此，由于脉冲式DC电压的AC性质，屏蔽件165与抽取板140被电容性耦合。
此外，测试也已表明，从抽取开孔145射出的离子的抽取角不会受到介电涂层的不利影响。
系统1可为反应性离子刻蚀器(reactive ion etcher，RIE)。在其他实施例中，系统1可用于进行沉积、植入或非晶化。
本文所述的系统及方法具有许多优点。首先，当抽取板140及屏蔽件165涂布有介电材料时，在操作期间产生的粒子的数目显著减少。图4示出所执行的实际测试。实心点表示直径大于45纳米的粒子。空心点表示直径大于30纳米的粒子。可看出，所产生的粒子的数目随着刻蚀循环次数的增加而减小。在九十次刻蚀工艺之后，所产生的粒子的数目小于50。事实上，在第七十次刻蚀循环之后，所产生的粒子的平均数目是约33。对比之下，传统的刻蚀机产生直径常常大得多的数百或数千个粒子。
另外，在通过对屏蔽件165及/或抽取板140施加介电涂层而使粒子的数目显著减少的同时，系统的性能并未受到影响。举例来说，抽取角平均值及抽取角展度(extractionangle mean value and spread)相对不受介电涂层的并入的影响。图5示出说明图1所示系统的束流与束角之间的关系的曲线图。线500示出与从抽取开孔145抽取的第一子束190相关联的电流，而线510示出与第二子束191相关联的电流。线520示出这些电流之和。可看出，每一子束的电流在约22°下出现峰值。此外，所述两个子束的电流分布(current profile)是几乎相同的，不过是呈镜像。第一子束190及第二子束191各自具有约为19°的平均束角及约为13.5°的束角展度。这与通过传统的系统所实现的曲线图相当。
本发明的范围不受本文所述的具体实施例限制。实际上，通过阅读以上说明及附图，对所属领域中的一般技术人员来说，除本文所述实施例及润饰以外，本发明的其他各种实施例及对本发明的各种润饰也将显而易见。因此，这些其他实施例及润饰都旨在落于本发明的范围内。此外，尽管已针对特定目的而在特定环境中在特定实施方案的上下文中阐述了本发明，然而所属领域中的一般技术人员将认识到，本发明的效用并非仅限于此且可针对任何数目的目的在任何数目的环境中有益地实施本发明。因此，应考虑到本文所述本发明的全部范围及精神来理解以上提出的权利要求。
Claims (15)
1.一种工件加工系统，包括：
离子源，包括多个腔室壁及抽取板，所述抽取板具有抽取开孔；以及
工件夹具，靠近所述抽取开孔而设置，所述工件夹具包括：
台板，用以固持工件，以及
屏蔽件，环绕所述工件；
其中对所述屏蔽件施加脉冲式直流电压以从所述离子源吸引离子，且
其中所述屏蔽件及所述抽取板由导电材料构造而成，且所述屏蔽件及所述抽取板中的至少一者涂布有介电材料。
2.根据权利要求1所述的工件加工系统，其中所述屏蔽件及所述抽取板均涂布有所述介电材料。
3.根据权利要求1所述的工件加工系统，其中所述介电材料包括稀土氧化物。
4.根据权利要求3所述的工件加工系统，其中所述介电材料包括氧化钇。
5.根据权利要求1所述的工件加工系统，其中涂布有所述介电材料的导电材料的热膨胀系数与所述介电材料的热膨胀系数相差30％以内。
6.根据权利要求5所述的工件加工系统，其中被涂布的所述导电材料包括钽或钼。
7.根据权利要求1所述的工件加工系统，其中所述直流电压以介于5kHz与50kHz之间的频率为脉冲式。
8.一种工件加工系统，包括：
离子源，包括：
多个腔室壁；
抽取板，具有抽取开孔；以及
阻挡器，设置在所述离子源内且靠近所述抽取开孔；以及
可移动工件夹具，靠近所述抽取开孔而设置，所述可移动工件夹具包括：
台板，用以固持工件，以及
屏蔽件，环绕所述工件；
其中来自所述离子源的内部的离子是以由所述阻挡器界定的角度被朝所述台板吸引，且
其中所述屏蔽件及所述抽取板由导电材料构造而成，且所述屏蔽件及所述抽取板中的至少一者涂布有介电材料。
9.根据权利要求8所述的工件加工系统，其中对所述屏蔽件及所述台板施加脉冲式直流电压，且所述直流电压以介于5kHz与50kHz之间的频率为脉冲式。
10.根据权利要求8所述的工件加工系统，其中涂布有所述介电材料的导电材料的热膨胀系数与所述介电材料的热膨胀系数相差30％以内。
11.根据权利要求10所述的工件加工系统，其中被涂布的所述导电材料包括钽或钼。
12.一种工件加工系统，包括：
离子源，包括多个腔室壁及抽取板，所述抽取板具有抽取开孔；以及
可移动工件夹具，靠近所述抽取开孔而设置，所述可移动工件夹具包括：
台板，用以固持工件，以及
屏蔽件，环绕所述工件；
其中所述屏蔽件及所述抽取板由导电材料构造而成且各自涂布有介电材料，其中所述导电材料的热膨胀系数与所述介电材料的热膨胀系数相差30％以内。
13.根据权利要求12所述的工件加工系统，其中对所述屏蔽件及所述台板施加脉冲式直流电压。
14.根据权利要求13所述的工件加工系统，其中所述直流电压以介于5kHz与50kHz之间的频率为脉冲式。
15.根据权利要求14所述的工件加工系统，其中所述介电材料包括钇，且所述导电材料包括钽或钼。
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