CN112176304A - 一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法 - Google Patents

一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，包括以下步骤：在减压环境中提供衬底；在减压环境中从加压气体混合物中产生气体团簇离子束(GCIB)；建立第一、第二数据集，基于第一和第二数据集选择用于生长过程的束加速电势和束剂量；根据选择的束加速电势来加速GCIB；基于第一和第二数据集调节生长过程中加速后GCIB的束能量分布；将加速后的GCIB照射到衬底的至少一部分上；通过生长工艺在衬底的至少一部分上生长含硅薄膜，以实现具有目标厚度和目标表面粗糙度的含硅薄膜。

Description

一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种使用气体团簇离子束(GCIB)生长薄膜的方法。
背景技术
气体团簇离子束(GCIB)用于蚀刻，清洁，平滑和形成薄膜。为了便于讨论，气体团簇是在标准温度和压力条件下呈气态的纳米材料聚集体。这样的气体团簇可以由聚集体组成，聚集体包括松散地结合在一起的几至数千个分子或更多。可以通过电子轰击使气体团簇电离，这允许将气体团簇形成为可控能量的定向束。这样的团簇离子通常各自携带由电子电荷的大小与表示团簇离子的电荷状态的整数以上的整数乘积而得到的正电荷。
较大尺寸的团簇离子通常是最有用的，因为它们能够携带每个团簇离子大量的能量，而每个分子只具有适度的能量。离子团簇在与衬底碰撞时崩解。特定的分解离子团簇中的每个分子仅携带总团簇能量的一小部分。因此，大的离子团簇的冲击效果很大，但仅限于非常浅的表面区域。这使气体团簇离子对多种表面改性过程均有效，但不会产生传统离子束加工所特有的更深的次表面损伤。
常规的团簇离子源产生的团簇离子具有宽的尺寸分布，该团簇离子随每个团簇中的分子数目达到数千个分子。高压气体从喷嘴到真空的绝热膨胀过程中，单个气体原子(或分子)的缩合可形成原子团簇。带有小孔的撇渣器从不断膨胀的气流的中心剥离发散的气流，以产生准直的团簇束。各种不同大小的中性团簇通过称为范德华力的弱一原子间力产生并保持在一起。该方法已被用来从多种气体中产生团簇束，例如氦气，氖气，氩气，氪气，氙气，氮气，氧气，二氧化碳，六氟化硫，一氧化氮和一氧化二氮及其混合物这些气体。
在工业规模上对衬底进行GCIB处理的几种新兴应用是在半导体领域。尽管对基材进行GCIB处理的过程多种多样，但许多过程无法提供，并且需要对经受GCIB处理的表面，结构和/或膜的关键特性和尺寸的进行适当控制。
发明内容
本发明的目的在于提出一种使用气体团簇离子束(GCIB)生长薄膜的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，包括以下步骤：
在减压环境中提供衬底；在减压环境中从加压气体混合物中产生气体团簇离子束(GCIB)；建立第一数据集，该第一数据集与生长过程生长的含硅薄膜的厚度有关，所述厚度是束加速电势和束剂量的函数，该厚度随着所述束加速电势或束剂量的增加而增加；建立第二数据集，该第二数据集与所述生长过程生长的含硅薄膜的上表面的表面粗糙度有关，所述表面粗糙度随着所述束加速电势的减小而减小，并且所述厚度和表面粗糙度与所述GCIB的束能量分布相关；基于所述第一和第二数据集，选择用于所述生长过程的束加速电势和束剂量，以实现所述生长的含硅薄膜的目标厚度和所述生长的含硅薄膜的上表面的目标表面粗糙度；根据选择的束加速电势来加速GCIB；基于所述第一和第二数据集调节所述生长过程中加速后GCIB的束能量分布，以实现所述生长的含硅薄膜的目标厚度和所述生长的含硅薄膜的上表面的目标表面粗糙度，其中改变所述束能量分布的过程伴随着束加速电势的增加；将加速后的GCIB照射到衬底的至少一部分上；通过生长工艺在衬底的至少一部分上生长含硅薄膜，以实现具有目标厚度和目标表面粗糙度的含硅薄膜。
进一步的，所述步骤(2)中加压气体混合物包括含氧气体，含氮气体，含碳气体，含氢气体，含硅气体，含锗气体中的一种或多种。
进一步的，所述步骤(2)中加压气体混合物还包括可选的惰性气体，可选的惰性气体包括稀有气体。
进一步的，所述步骤(5)中调节束能量分布包括加宽所述束能量分布以减小所述含硅薄膜的表面粗糙度，或减窄所述束能量分布以增加所述含硅薄膜的表面粗糙度。
进一步的，所述步骤(5)中调节所述束能量分布包括调节所述GCIB的电荷状态。
进一步的，通过沿着GCIB路径引导所述GCIB穿过增加的压力区域，使得所述GCIB路径的至少一部分横越所述增加的压力区域，来实现所述调整后的束能量分布。
进一步的，所述步骤(7)中衬底上生长的含硅薄膜为SiOx、SiNx、SiCx、SiOxNx、SiCxNx、SiGe中的一种。
进一步的，所述步骤(7)中薄膜的目标厚度最大为300埃，目标表面粗糙度小于20埃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过对GCIB处理的关键特性和尺寸的进行适当控制；该第一数据集与生长过程生长的含硅薄膜的厚度有关，所述厚度是束加速电势和束剂量的函数，该厚度随着所述束加速电势或束剂量的增加而增加；建立第二数据集，该第二数据集与所述生长过程生长的含硅薄膜的上表面的表面粗糙度有关，所述表面粗糙度随着所述束加速电势的减小而减小，并且所述厚度和表面粗糙度与所述GCIB的束能量分布相关；基于所述第一和第二数据集，选择用于所述生长过程的束加速电势和束剂量，以实现所述生长的含硅薄膜的目标厚度和所述生长的含硅薄膜的上表面的目标表面粗糙度。
附图说明
图1是GCIB处理系统的示意图；
图2是GCIB处理系统的另一示意图；
图3是GCIB处理系统的又一示意图；
图4是用于GCIB处理系统的电离源的示意图；
图5-10是分别提供使用GCIB进行薄膜生长的示例性数据的图；
图11是示出根据一个实施例的使用GCIB形成薄膜的方法的流程图；
图12是示出根据另一实施例的使用GCIB形成薄膜的方法的流程图；
图13是示出根据又一实施例的使用GCIB形成薄膜的方法的流程图；
图14是示出根据再一实施例的使用GCIB形成薄膜的方法的流程图；
图15A和15B以示意性截面图示出了根据实施例的在衬底上生长薄膜的方法。
具体实施方式
在各种实施例中公开了一种用于使用气体团簇离子束(GCIB)在衬底上形成薄膜的方法。
贯穿本说明书中对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着结合实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中，并且不表示它们存在于每个实施方式中。因此，贯穿本说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定涉及本发明的相同实施方式。此外，在一个或更多个实施方式中，特定特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式结合。可以包括各种另外的层和/或结构，以及/或者在另外的实施方式中省略已描述的特征。
如上所述，通常需要使用GCIB在衬底的表面上形成材料的薄膜。特别地，需要在衬底上生长薄膜，同时对经受GCIB处理的表面，结构和/或膜的关键特性和尺寸的进行适当控制。
此外，如上所述，需要使用GCIB仅在衬底的选定表面上选择性地生长材料。通过调节衬底相对于GCIB的取向，可以在基本上垂直于入射GCIB的表面上进行材料生长，从而可以避免或减少在基本上平行于入射GCIB的表面上的材料生长。
在本文中，术语“生长”以区别于术语“沉积”的方式定义和使用。在生长过程中，在衬底上形成薄膜，其中仅薄膜的原子成分的一部分被引入。GCIB和剩余部分由在其上生长薄膜的衬底提供，例如，当在衬底上生长SiOx时，衬底可能包含硅表面，该表面被含氧的IBGCIB辐照。沉积时，在衬底上形成薄膜，其中基本上所有的原子成分都被引入到GCIB中，例如，当沉积SiCx时，用同时包含硅和碳的GCIB辐照衬底。
因此，根据一个实施例，描述了一种在衬底上形成薄膜的方法。该方法包括在减压环境中提供衬底，以及在减压环境中由加压气体混合物产生GCIB。选择束加速电势和束剂量，以使薄膜的厚度达到约300埃，并且使薄膜的上表面的表面粗糙度小于约20埃。GCIB根据束加速电势而加速，并且根据束剂量将加速后的GCIB照射到衬底的至少一部分上。通过这样做，在衬底的被照射部分上生长薄膜以实现厚度和表面粗糙度。
在此，以每单位面积的团簇数的单位给出束剂量。然而，束剂量还可以包括束电流和/或时间(例如，GCIB停留时间)。例如，当改变时间以改变束剂量时，可以测量束电流并使其保持恒定。可替代地，例如，当改变时间以改变束剂量时，可以使团簇撞击每单位面积的表面的速率(即，每单位时间每单位面积的团簇的数目)恒定。
另外，可以改变其他GCIB特性以调节薄膜的膜厚度或表面粗糙度，包括但不限于气体流速，停滞压力，团簇尺寸或气体喷嘴设计(例如喷嘴喉部直径)，喷嘴长度和/或喷嘴发散段半角)。此外，可以通过调节GCIB特性来改变其他薄膜特性，包括但不限于薄膜密度，薄膜质量等。
根据另一实施例，描述了一种在衬底上形成薄膜的方法。该方法包括在减压环境中提供衬底，以及在减压环境中由加压气体混合物产生GCIB。选择束加速电势和束剂量以实现薄膜的厚度或实现薄膜的上表面的表面粗糙度。根据光束加速电势来加速GCIB，修改GCIB的光束能量分布，并根据束剂量将修改后的加速GCIB照射到至少一部分衬底上。这样，在衬底的照射部分上生长薄膜以实现厚度和表面粗糙度。
图1中描绘了用于形成如上所述的薄膜的GCIB处理系统100。根据图1的一个实施例。GCIB处理系统100包括真空容器102，衬底保持器150，真空处理系统170A，170B和170C，其上固定有要处理的衬底152。衬底152可以是半导体衬底，晶片，平板显示器(FPD)，液晶显示器(LCD)或任何其他工件。GCIB处理系统100被配置为产生用于处理衬底152的GCIB。
仍然参考图1中的GCIB处理系统100。真空容器102包括三个连通室，即源室104，电离/加速室106和处理室108，以提供降压封闭。该三个室分别通过真空泵系统170A、170B和170C被抽吸至适当的操作压力。在所述三个连通室104、106、108中，气体团簇射束可以在第一室(源室104)中形成，同时GCIB可以在第二室(电离/加速室106)中形成，其中气体团簇射束被电离并且加速。
如图1所示，GCIB处理系统100可以被配置成将一种或更多种气体或气体的混合物引入至真空容器102的一个或更多个气体源。例如，存储在第一气体源111中的第一气体成分被容许在压力下穿过第一气体控制阀113A至一个或更多个气体计量阀113。另外，例如，存储在第二气体源112中的第二气体成分被容许在压力下穿过第二气体控制阀113B至一个或更多个气体计量阀113。此外，例如，第一气体成分或第二气体成分或两者可以包括可压缩的惰性气体、载体气体或稀释气体。例如，惰性气体、载体气体或稀释气体可以包括稀有气体，即，He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn。
此外，第一气体源111和第二气体源112可以被单独使用或彼此结合使用以产生电离团簇。所述成膜组合物可以包含一种或多种膜前体，其包括期望在基材上生产或生长的膜的主要原子或分子种类。
当生长薄膜时，来自第一气体源111或第二气体源112的加压气体混合物可包括含氧气体，含氮气体，含碳气体，含氢气体，含硅气体，含锗气体或可选的惰性气体，或两种或多种的组合。例如，当生长氧化物或进行氧化过程时，加压气体混合物可包含氧气体，例如O2。可替代地，例如，加压气体混合物可包含O2，N2，NO，NO2，N2O，CO或CO2，或其两种或更多种的任意组合。另外，例如，可选的惰性气体可以包括稀有气体。
包括第一气体成分或第二气体成分或两者的高压、可压缩的气体被引入穿过气体供给管114进入停滞室116，并且通过适当成形的喷嘴110被喷射进压力大幅降低的真空中。由于高压、可压缩的气体从停滞室116扩散至源室104的较低压力区域，因此气体速率加速至超音速并且气体团簇射束118从喷嘴110射出。
喷流由于静焓的固有冷却被交换成动能(这由喷流的膨胀产生)，导致了气体喷流的一部分压缩并且形成具有团簇的气体团簇射束118，每个团簇由数个至数千个弱束缚原子或分子组成。位于源室104与电离/加速室106之间的喷嘴110的出口的下游的气体分流器(gas skimmer)120部分地使在气体团簇射束118的周边边缘上的气体分子(其可能未被压缩成团簇)与在气体团簇射束118的核心处的气体分子(其可能已经形成团簇)分离。除其他原因以外，选择气体团簇射束118的一部分可以使较高压力可能有害的下游区域(例如，电离器122以及处理室108)中的压力降低。此外，气体分流器120限定了进入电离/加速室106的气体团簇射束的初始尺寸。
在源室104中形成气体团簇束118之后，气体团簇束118中的组成气体团簇被电离器122电离以形成GCIB128。电离器122可包括电子撞击电离器，其从一个或更多个灯丝124产生电子，所产生的电子被加速并且引导以便与在电离/加速室106内部的气体团簇射束118中的气体团簇碰撞。当与气体团簇碰撞冲击时，足够能量的电子从气体团簇内的分子中喷射出电子以生成电离的分子。气体团簇的电离可产生大量“带电”的气体团簇离子，通常具有净正电荷。
如图1所示，束电子器件130用于电离，提取，加速和聚焦GCIB128。束电子器件130包括灯丝电源136，灯丝电源136提供电压Vp以加热离子发生器灯丝124。
另外，束电子器件130包括在电离/加速室106中的从电离器122提取团簇离子的一组适当偏置的高压电极126。然后，高压电极126将提取的团簇离子加速至期望的能量并聚焦它们以限定GCIB128。GCIB128中团簇离子的动能通常在约1000电子伏特(1keV)到几十keV之间。例如，GCIB 128可以加速到1至100keV。
如图1所示，束电子器件130还包括阳极电源134，其向电离器122的阳极提供电压V，以加速从灯丝124发射的电子并使电子轰击气体团簇束118中的气体团簇，从而产生团簇离子。
另外，如图1所示，束电子器件130包括提取电源138，其提供电压V，以偏置至少一个高压电极126以从电离器122的电离区域提取离子并形成GCIB 128。例如，电源138向高压电极126的第一电极提供小于或等于离子发生器122的阳极电压的电压。
此外，束电子器件130可包括加速器电源140，该加速器电源140提供电压VACC以相对于电离器122偏置高压电极126之一，从而产生等于大约VACC电子伏特(eV)的总GCIB加速能量。例如，加速器电源140向高压电极126的第二电极提供小于或等于电离器122的阳极电压和第一电极的提取电压的电压。
此外，束电子器件130可包括透镜电源142、144，其设置成采用电势(例如，VL1和VL2)偏置一些高压电极126以聚焦GCIB 128。例如，透镜电源142可以向高压电极126的第三电极提供小于或等于电离器122的阳极电压，第一电极的提取电压和第二电极的加速器电压，并且透镜电源144可以向高压电极126的第四电极提供小于或等于离子发生器122的阳极电压，第一电极的提取电压，第二电极的加速器电压以及第三电极的第一透镜电压的电压。
注意，可以使用关于电离和提取方案的许多变型。虽然此处描述的方案对于指导很有用，但另一种提取方案涉及将电离器和提取电极(或提取光学器件)的第一个元件置于Vacc位置，这通常需要对电离器进行控制电压的光纤编程电源，但可以简化整体光学系统。无论电离器和提取透镜偏压的细节如何，本文所述的发明都是有用的。
可以利用高压电极126下游的电离/加速室106中的射束滤波器146从GCIB 128中消除单体或单体和光团簇离子，以限定进入处理室108的已过滤过程GCIB 128A。在一个实施例中，射束滤波器146基本上减少了具有100个或更少的原子或分子或两者的团簇的数量。射束滤波器可包括磁体组件，该磁体组件用于在GCIB 128上施加磁场以辅助滤波过程。
如图1所示，射束闸门148设置在电离/加速室106中的GCIB 128的路径中。射束闸门148具有：打开状态，在打开状态下GCIB 128被允许从电离/加速室106传递至处理室108以限定处理GCIB128A；以及关闭状态，在关闭状态下GCIB 128被阻挡进入处理室108。控制电缆将来自控制系统190的控制信号引导至射束闸门148。控制信号可控制地在打开状态或关闭状态之间切换射束闸门148。
衬底152可以是晶片或半导体晶片，平板显示器(FPD)，液晶显示器(LCD)或要通过GCIB处理来处理的其他衬底，该衬底152设置在处理室108中的处理GCIB 128A的路径中。由于大多数应用都希望大型衬底的处理具有在空间均匀的结果，因此可能需要一种扫描系统来在大面积上均匀地扫描工艺GCIB 128A以产生空间均匀的结果。
X扫描致动器160在X扫描运动的方向上(进入和离开纸平面)提供衬底保持器150的线性运动。Y扫描致动器162在Y扫描运动164的方向上提供衬底保持器150的线性运动，该方向通常正交于X扫描运动。X扫描和Y扫描运动的组合以光栅状扫描运动将被衬底保持器150保持的衬底152平移穿过处理GCIB 128A，以导致衬底152的表面被用于处理GCIB 128A152的均匀(或以其他方式编程的)照射。
衬底保持器150相对于工艺GCIB 128A的轴线以一定角度布置衬底152，使得工艺GCIB 128A相对于衬底152表面具有光束入射角166。光束入射角166的角度可以是90度或其他角度，但是通常是90度或接近90度。在Y扫描期间，衬底152和衬底保持器150分别从所示位置移动到由标记152A和150A指示的交替位置“A”。注意，在所述两个位置之间移动中，衬底152通过处理GCIB 128A来扫描，并且在两个极限位置中，衬底152被完全移动离开处理GCIB 128A的路径(过扫描)。虽然在图1中未明确示出，类似扫描和过扫描沿(通常)正交的X扫描运动方向(进和离开纸平面)执行。
可以在过程GCIB 128A的路径中将射束电流传感器180设置在衬底保持器150的上方，以便当衬底保持器150被从过程GCIB 128A的路径中扫描出时截取过程GCIB 128A的样本。射束电流传感器180通常是法拉第杯或类似物，除了射束进入开口以外，均是封闭的，并且通常通过电绝缘底座182来固定在真空容器102的壁上。
如图1所示，控制系统190通过电缆连接到X扫描致动器160和Y扫描致动器162，并控制X扫描致动器160和Y扫描致动器162，以便将衬底152放置在处理GCIB 128A中或者处理GCIB 128A的外部，并且相对于处理GCIB 128A均匀地扫描衬底152以通过处理GCIB 128A实现期望的衬底152的处理。控制系统190通过电缆接收由射束电流传感器180收集的采样束电流，从而监测GCIB并且当已经传送预定剂量时，通过从处理GCIB 128A移除衬底152来控制被衬底152接收的GCIB剂量。
在图2所示的实施例中，GCIB处理系统100可以类似于图1的实施例，并且还包括X-Y定位台253，该X-Y定位台253可以在两个轴上操作保持和移动衬底252，从而有效地扫描衬底。相对于过程GCIB 128A为252。例如，X动作可以包括进出纸平面的运动，而Y动作可以包括沿方向264的运动。
处理GCIB 128A在衬底252的表面上的投射冲击区域286处并且以相对于衬底252的表面的射束入射角266冲击衬底252。通过X-Y运动，X-Y定位台253可以将衬底252的表面的每个部分定位在处理GCIB 128A的路径中，使得表面的每个区域可以与被处理GCIB 128A处理的投射冲击区域286一致。X-Y控制器262通过电缆向X-Y定位台253提供电信号，以控制沿X轴和Y轴方向中的每个方向的位置和速率。X-Y控制器262通过电缆从控制系统190接收控制信号，并且X-Y控制器262能够通过电缆由控制系统190操作。X-Y定位台253根据常规X-Y台定位技术通过连续运动或通过步进式运动来移动以在投射冲击区域286内定位衬底252的不同区域。在一个实施方式中，X-Y定位台253能够以编程的方式由控制系统190操作，以便在可编程速率下经由被处理GCIB 128A处理的GCIB投射冲击区域286来扫描于衬底252的任何部分。
定位台253的衬底保持表面254导电并且连接至被控制系统190操作的剂量测定处理器。定位台253的电绝缘层255使衬底252和衬底保持表面254与定位台253的基座部260绝缘。通过冲击处理GCIB 128A而在衬底252中诱导的电荷被引导穿过衬底252和衬底保持表面254，并且信号通过定位台253耦合至控制系统190以进行剂量测量。剂量测量具有用于对GCIB电流积分的积分工具以确定GCIB处理剂量。在特定的情况下，有时被称为电子泛射的电子的目标中和源(未示出)可以用于中和处理GCIB 128A。在这样的情况下，法拉第杯(未示出，但是可以类似于图1中的射束电流传感器180)可以用于确保精确剂量测定，即使添加电荷源也是如此，原因在于典型的法拉第杯仅允许高能量正性离子进入并且被测量。
在操作中，控制系统190发出信号来打开射束闸门148，以采用处理GCIB 128A辐照衬底252。控制系统190监测被衬底252收集的GCIB电流的测量值，以便计算被衬底252接收的累积剂量。当被衬底252接收的剂量到达预定剂量时，控制系统190关闭射束闸门148，并且衬底252的处理完成。基于针对衬底252的给定区域接收的GCIB剂量的测量值，控制系统190可以调整扫描速率以便实现适当射束停延时间以处理衬底252的不同区域。
可替选地，处理GCIB 128A可以以恒定速率以固定模式跨衬底252的表面进行扫描；然而，GCIB强度被调制(可以被称为Z轴调制)以传送有意非均匀的剂量至样本。GCIB强度可以通过以下多种方法中的任何方法在GCIB处理系统100’中被调制，所述多种方法包括：改变来自GCIB供应源的气体流；通过改变灯丝电压VF或改变阳极电压VA来调制电离器122；通过改变透镜电压VL1和/或VL2来调制透镜聚焦；或者采用可变射束阻挡件、可调整快门或可变孔来机械地阻挡GCIB的一部分。调制变化可以是连续的模拟变化或可以是时间调制的开关或闸。
处理室108还可以包括现场度量系统。例如，现场度量系统可以包括光学诊断系统，光学诊断系统具有光发射器280和光接收器282，光发射器280和光接收器282分别被配置成采用入射光信号284辐照衬底252以及从衬底252接收散射的光信号288。光学诊断系统包括光学窗以允许入射光信号284和散射的光信号288进入并且离开处理室108。此外，光发射器280和光接收器282可以分别包括发送光学器件和接收光学器件。光发射器280接收并且响应于来自控制系统190的控制电信号。光接收器282将测量信号返回至控制系统190。
例如，现场度量系统可以包括配置成测量由GCIB处理系统100’执行处理过程所产生的过程性能数据的集成光学数字轮廓曲线仪(iODP)散射测量模块。度量系统例如可以测量或监测由处理过程产生的度量数据。度量数据例如可以被用于确定表征处理过程的过程性能数据，例如，处理速率、相对处理速率、特征轮廓角、临界尺寸、特征厚度或深度、特征形状等。例如，在直接在衬底上沉积材料的过程中，过程性能数据可以包括临界尺寸(CD)(例如，特征部(即，通孔、线等)中的顶CD、中间CD和底CD)、特征深度、材料厚度、侧壁角、侧壁形状、沉积速率、相对沉积速率、其任意参数的空间分布、表征其任意空间分布的一致性的参数等。经由来自控制系统190的控制信号操作X-Y定位台253，现场度量系统可以绘制衬底252的一个或更多个特性。
如图3所示，GCIB处理系统100”可以类似于图1的实施例，并且还包括例如位于电离/加速室106的出口区域处或附近的压力室350。压力室350包括惰性气体源352和压力传感器354，惰性气体源352被配置为向压力室350供应背景气体以提高压力室350中的压力，压力传感器354被配置为测量压力室350中的升高的压力。
压力室350可以被配置为修改GCIB 128的束能量分布以产生修改的处理GCIB128A'。束能量分布的这种改变是通过沿着压力容器腔室350内的增加的压力区域沿着GCIB路径引导GCIB 128来实现的，使得GCIB的至少一部分横越增加的压力区域。束能量分布的改变程度可以通过沿着GCIB路径的至少一部分的压力-距离积分来表征，其中距离(或压力室350的长度)由路径长度(d)表示。当压力-距离积分的值增加时(通过增加压力和/或路径长度(d))，射束能量分布变宽，峰值能量减小。当压力-距离积分的值减小时(通过减小压力和/或路径长度(d))，射束能量分布变窄并且峰值能量增大。可以根据标题为“Method andapparatus for improved processing with a gas-cluster ion beam”的第7,060,989号美国专利来确定压力元件的设计的另外的细节，其全部内容通过引用合并到本文中。
然而，控制系统190可以被实现为响应于处理器执行被包含在存储器中的一个或更多个指令中的一个或更多个序列来执行本发明的基于微处理器的处理步骤的一部分或全部的通用计算机系统。可以从另一计算机可读介质(例如，硬盘或可移除介质驱动器)将这样的指令读入控制器存储器中。多处理配置中的一个或更多个处理器还可以被实施为控制器微处理器以执行被包含在主存储器中的指令序列。在可替选的实施方式中，硬接线的电路可以用于替代软件指令或与软件指令结合使用。因此，实施方式不限于硬件电路和软件的任何特定组合。
控制系统190可以用于配置任意数目的处理元件，如上所述，并且控制系统190可以收集、提供、处理、存储和显示来自处理元件的数据。控制系统190可以包括许多应用程序以及许多控制器，以控制处理元件中的一个或更多个。例如，控制系统190可以包括图形用户界面(GUI)部件(未示出)，GUI部件可以提供能够使用户监视和/或控制一个或更多个处理元件的界面。
控制系统190可以相对于GCIB处理系统100(或100’、100”)被本地定位，或者其可以相对于GCIB处理系统100(或100’、100”)被远程定位。例如，控制系统190可以使用直接连接、内联网和/或因特网与GCIB处理系统100交换数据。控制系统190可以例如在客户地点(即，装置制造者等)处耦接至内联网，或者其可以例如在销售地点(即，设备制造商)处耦接至内联网。可替选地或另外地，控制系统190可以耦接至因特网。此外，另一计算机(即，控制器、服务器等)可以访问控制系统190以经由直接连接、内联网和/或因特网交换数据。
衬底152(或252)可以经由诸如机械夹持系统或电夹持系统(例如，静电夹持系统)的夹持系统(未示出)固定至衬底保持器150(或衬底保持器250)。衬底保持器150(或250)可包括加热系统(未示出)或冷却系统(未示出)，其被配置为调节和/或控制衬底保持器150(或250)和衬底152(或252)的温度。
真空泵系统170A、170B和170C可以包括能够具有高达约5000升每秒(以及更大)的泵送速度的涡轮分子真空泵(TMP)以及用于对室压力节流的闸门阀。在常规的真空处理装置中，可以采用1000升每秒至3000升每秒的TMP。TMP用于低压处理，通常小于约50mTorr。虽然未示出，但是可以理解，压力室350还可以包括真空泵送系统。此外，用于监测室压力的装置(未示出)可以耦接至真空容器102或三个真空室104、106、108中的任意真空室。压力测量装置例如可以为电容压力计或电离规。
现在参考在图4中，示出了用于使气体团簇射流(图1、2和3中的气体团簇射束118)电离的气体团簇电离器(122，图1、2和3)的部分300。该部分300与GCIB 128的轴垂直。对于典型的气体团簇尺寸(2000至15000原子)，团簇离开分离器孔(120，图1、2和3)并进入离子发生器(122，图1、2)3)将以约130至1000电子伏特(eV)的动能行进。在这些低能量下，任何脱离电离器122中的空间电荷中性的情况都将导致射流的快速分散，并显着损失电子束电流。图4示出了自中和离子发生器。与其他离子发生器一样，气体团簇通过电子撞击而离子化。在该设计中，热电子(通过310示出了七个示例)从多个线性热电子灯丝302a、302b和302c(通常为钨)发射并且通过由电子反射电极306a、306b和306c以及射束形成电极304a、304b和304c提供的适合电场的作用来提取和聚焦。热电子310穿过气体团簇喷流和喷流轴，并且然后撞击相对的射束形成电极304b以产生低能量二次电极(对于示例由312、314和316指示)。
虽然未示出(为了简单起见)，线性热电子灯丝302b和302c还产生热电子，热电子随后产生低能量二次电子。所有的二次电子通过提供低能量电子(其可以根据需要被吸引进正性电离气体团簇喷流以保持空间电荷中性)来帮助确保电离团簇喷流保持空间电荷中性。射束形成电极304a、304b和304c相对于线性热电子灯丝302a、302b和302c被正性地偏置，并且电子反射电极306a、306b和306c相对于线性热电子灯丝302a、302b和302c被负性地偏置。绝缘体308a、308b、308c、308d,308e和308f电绝缘并且支承电极304a、304b、304c、306a、306b和306c。例如，该自中和电离器是有效的，并且在1000微安氩GCIB以上实现。
或者，电离器可使用从等离子体中提取电子来使团簇电离。这些电离器的几何形状与此处介绍的三灯丝电离器有很大不同，但工作原理和电离器控制非常相似。例如，电离器设计可以类似于在标题为“Ionizer and method for gas-cluster ion-beamformation”的第7,173,252号美国专利中描述的电离器，所述专利的全部内容通过引用合并到本文中。电离器(122，图1、2和3)可被配置为通过改变GCIB 128的电荷状态来修改GCIB128的束能量分布。例如，电荷状态可以通过调整在气体团簇的电子碰撞诱导电离中使用的电子的电子通量、电子能量或电子能量分布来修改。
根据一个实施例，利用GCIB来在衬底的表面上生长薄膜。例如，可以使用图1、2和3所示的任何一种GCIB处理系统(100、100'或100”或它们的组合)来生成GCIB。薄膜的形成可以包括氧化，另外，薄膜的形成可包括在衬底或衬底上的层上生长SiOx,SiNx,SiCx,SiOxNy,或SiCxNy膜。因此，根据本发明的实施例，加压气体混合物可以包括含氧气体，含氮气体，含碳气体，含氢气体，硅。含锗的气体，或含锗的气体，或其两种或更多种的组合。
当形成诸如SiOx的氧化物时，可以通过由具有含氧气体的加压气体混合物形成的GCIB来照射包含硅或含硅材料的衬底。例如，加压气体混合物可包含O2。在另一个示例中，加压气体混合物可以包括O2,NO,NO,N2O,CO或CO2，或者其两种或更多种的任何组合。
当形成诸如SiNx的氮化物时，可以通过由具有含氮气体的加压气体混合物形成的GCIB来辐照包括硅或含硅材料的衬底。例如，加压气体混合物可包含N2。在另一个示例中，加压气体混合物可以包含N2，NO,NO,N2O或NH3或它们中的两种或更多种的任意组合。
当形成诸如SiCx之类的碳化物时，可以通过由具有含碳气体的加压气体混合物形成的GCIB来辐照包括硅或含硅材料的衬底。例如，加压气体混合物可包含CH4。在另一个示例中，加压气体混合物可以包括CH4(或更一般地，碳氢气体，即Cx Hy)，CO或CO2，或者其两种或更多种的任意组合。
当形成诸如SiOxNy的氮氧化物时，可以通过由具有含氧气体和含氮气体的加压气体混合物形成的GCIB来照射包含硅或含硅材料的衬底。例如，加压气体混合物可包含O2和N2，NO,NO,N2O或其两种或更多种的任何组合。
当形成诸如SiCxNy的碳氮化物时，可以通过由具有含碳气体和含氮气体的加压气体混合物形成的GCIB来辐照包含硅或含硅材料的衬底。例如，加压气体混合物可包含CH4和N2。
当形成诸如SiGe的锗化物时，可以通过由具有含锗气体的加压气体混合物形成的GCIB来辐照包括硅或含硅材料的衬底。例如，加压气体混合物可包含GeH4或Ge2H6或两者共存。
在以上示例中的任何一个中，加压气体混合物可以包括可选的惰性气体。任选的惰性气体可以包括稀有气体。
根据一个实例，通过用由包含O2的加压气体混合物形成的GCIB照射硅衬底，在硅衬底上生长SiO2。收集膜厚度(以埃为单位，A)和表面粗糙度(以埃为单位，A)，并在图1和图2中提供。图5和图6(图5的分解图)。图2中提供的数据被存储在存储设备100中。图5是使用具有三(3)电极束线的GCIB处理系统获得的。例如，图1和图2中所示的一组适当偏置的高压电极可包括一个或多个。参照图1至3，包括具有引出电极(正偏压)，抑制电极(负偏压)和接地电极的三电极布置。
生长的膜的膜厚是根据束加速电势(即束能量，单位为kV)和处理时间(以分钟，分钟为单位)(即束剂量)的函数提供的。在每种情况下，厚度都会随着处理时间(或束剂量)的增加而增加，直到最终饱和为止。与基本达到最大厚度有关的最大厚度和经过的处理时间取决于光束加速的可能性。随着光束加速度的增加，最大厚度增加，并且达到最大厚度的时间减少。相反，随着光束加速度的减小，最大厚度减小，并且达到最大厚度的时间增加。
此外，表面粗糙度(平均粗糙度，Ra。)取决于光束加速的潜力。随着光束加速度的增加，表面粗糙度也增加。相反，随着光束加速度的减小，表面粗糙度减小。
此外，对于给定的膜厚度，可以通过修改束能量分布函数来减小表面粗糙度。除了两个数据集以外，每个数据集都是使用GCIB处理系统获取的，而没有修改束能量分布函数，例如，没有压力容器具有增大的压力区域，GCIB通过该压力区域。在这两个例外的情况下，通过沿增加压力的GCIB路径引导GCIB，可以修改GCIB的束能量分布函数。在一种情况下，压力传感器的路径长度(d)设置为
Figure BDA0002680390230000121
并且通过以15sccm(标准立方厘米/分钟)的流速引入背景气体来提高压力传感器中的压力(“15P”)(或压力距离积分约为0.002torr-cm)。对于大约45kV的电子束加速电势，获取相应的数据集(参见虚线，图5中的实心圆)。如图5所示，束能量分布函数的修改可用于减小表面粗糙度，同时保持大约相同的膜厚度(通过增加束加速电势)。在另一种情况下，通过以40sccm(40P“)(或压力一距离积分约为0.005torr-cm)的流速引入背景气体来提高压力池中的压力。束加速电势(45kV)保持恒定，膜厚和表面粗糙度均降低。
如图6所示，将束加速电势增加到60kV，并将压力传感器中的压力设置为“40P”，所得到的膜厚随处理时间的变化几乎与3kV束加速电势下测得的膜厚一致。然而，通过使用压力盒，表面粗糙度从约4埃减小到约1埃。
根据另一示例，通过用由包含O2的加压气体混合物形成的GCIB照射硅衬底，在硅衬底上生成SiO2。收集膜厚度(以埃为单位，A)和表面粗糙度(以埃为单位，A)，并在图2中提供。但是，数据是使用具有五(5)一电极束线的GCIB处理系统获得的。例如，一组适当偏置的高压电极类似于图1和2所示的电极系统。
如图7所示，厚度随着处理时间(或束剂量)的增加而增加，直到最终饱和。与基本达到最大厚度有关的最大厚度和经过的处理时间取决于光束加速的可能性。另外，表面粗糙度(平均粗糙度，Ra)取决于光束加速度的潜力。随着光束加速度的增加，表面粗糙度也增加。相反，随着光束加速度的减小，表面粗糙度减小。
在图8中，对于没有压力盒的3电极束线(实线数据)和5电极束线(虚线数据)，将膜厚度作为处理时间的函数进行比较。在图9中，对于具有压力盒的3电极束线(实线数据)和5电极束线(虚线数据)，将膜厚度作为处理时间的函数进行比较。在这两个数据集中，使用5电极束线(即，数据向左移动)以更少的处理时间基本实现了最大膜厚。进行此观察的一个可能原因可能是使用5电极束线实现的束流增加。图10提供了5电极束线(“5EBL”，实心菱形)和3电极束线(“3EBL”，实心三角形)的束电流(以微安培为单位)作为束加速电压的函数。
参照图11，示出了根据一个实施例的使用GCIB在衬底上形成薄膜的方法。该方法包括从510开始的流程图500，该流程图500在减压环境中提供衬底。可以将衬底放置在GCIB处理系统中。衬底可以被放置在衬底支架上并且可以被衬底支架牢固地保持。衬底的温度可以控制也可以不控制。例如，可以在成膜过程中加热或冷却衬底。衬底周围的环境保持在减压下。
GCIB处理系统可以是上面在图1、2或3中描述的任何GCIB处理系统(100、100'或100“)，或它们的任意组合。衬底可以包括导电材料，非导电材料另外，衬底可以包括形成在其上的一种或多种材料结构，或者衬底可以是没有材料结构的毯状衬底。
在520中，在减压环境中产生GCIB。GCIB可以由具有氧气和可选的惰性气体的加压气体混合物产生。但是，如上所述，可以使用其他气体或气体混合物。在530中，可以选择束加速电势和束剂量。可以选择束加速电势和束剂量以使薄膜的厚度达到约300埃或更大，并且使薄膜的上表面的表面粗糙度小于约20埃。根据各种实施例，可以选择束加速电势和束剂量以实现薄膜的最小厚度。作为示例而非限制，最小厚度可以为约1nm或更大，例如约5nm或更大。
束加速电势的范围可以高达100kV，并且束剂量的范围可以高达每cm2大约1x1016个团簇。
可替代地，束加速电势的范围可以高达10kV，并且束剂量的范围可以高达每cm2大约2×1014个团簇。当生长SiO2薄膜时，大约10kV的束加速电势和每cm2大约2×1014个团簇的束剂量可以实现大约40埃的膜厚度和大约8埃或更小的表面粗糙度。
替代地，束加速电势的范围可以高达7kV，并且束剂量的范围可以高达每cm2约2×1014个团簇。当生长SiO2薄膜时，束加速电势约为7kV，束剂量约为每平方厘米2×1014团簇。可以实现约115埃的膜厚度和约7埃或更小的表面粗糙度。
备选地，束加速电势的范围可以高达5kV，并且束剂量的范围可以高达每cm2约2x1014团簇。当生长SiO2薄膜时，约5kV的束加速电势和每cm2约2×1014个团簇的束剂量可实现约80埃的膜厚度和约6埃或更小的表面粗糙度。
可选地，束加速电势的范围可以高达3kV，并且束剂量的范围可以高达每cm2约2×1014个团簇。当生长SiO2薄膜时，电子束加速势约为3kV，电子束剂量约为每cm22×1014团簇。可以实现约55埃的膜厚度和约4埃或更小的表面粗糙度。
可选地，束加速电势的范围可以高达2kV，并且束剂量的范围可以高达每cm2大约2×1014个团簇。当生长SiO2薄膜时，大约2kV的束加速电势和每cm2大约2×1014团簇的束剂量可以实现大约25埃的膜厚和大约2埃或更小的表面粗糙度。
另外，束加速电势的范围可以高达70kV，束剂量的范围可以高达每cm2约2×1014个团簇，并且压力一路径长度积分可以高达0.005torr-cm。当生长SiO2薄膜时，光束加速电势约为70kV，束剂量约为每平方厘米2×1014团簇，并且压力-路径长度积分约为0.005torr-cm，可以使薄膜厚度达到70埃，表面粗糙度约为1埃或更小。
另外，束加速电势的范围可以高达70kV，束剂量的范围可以高达每cm2有2×1014团簇，并且压力一路径长度积分(对于压力)可以达到0.002t torr-cm。当生长SiO2薄膜时，束加速电势约为70kV，束剂量约为每厘米2×1014团簇，并且压力-路径长度积分约为0.002torr-cm，可以实现高达约70埃和约2埃或更小的表面粗糙度。
在540中，根据光束加速电势来加速GCIB。
在550中，根据束剂量将加速的GCIB照射到衬底的至少一部分上。
在560，在衬底的至少一部分(即，被照射的部分)上生长薄膜。衬底的至少一部分可以包括硅，其中生长的薄膜包括SiO2。
参照图12，示出了根据另一实施例的使用GCIB在衬底上形成薄膜的方法。该方法包括从610开始的流程图600，流程图600在减压环境下提供衬底。可以将衬底放置在GCIB处理系统中。衬底可以被放置在衬底支架上并且可以被衬底支架牢固地保持。衬底的温度可以控制也可以不控制。例如，可以在成膜过程中加热或冷却衬底。衬底周围的环境保持在减压下。
GCIB处理系统可以是上面在图1、2或3中描述的任何GCIB处理系统(100、100'或100“)，或它们的任意组合。衬底可以包括导电材料，非导电材料，另外，衬底可以包括在其上形成的一种或多种材料结构，或者衬底可以是没有材料结构的毯状衬底。
在620中，在减压环境中生成GCIB。GCIB可以由具有氧气和任选的惰性气体的加压气体混合物产生，但是，根据要在衬底上生长的薄膜的组成，可以使用其他气体。
在630中，可以选择束加速电势和束剂量。以使薄膜的厚度达到约300埃，并且使薄膜的上表面的表面粗糙度小于约20埃。束加速电势的范围可以高达100kV，并且束剂量的范围可以高达每cm2大约1x1016个团簇。
在640，根据光束加速电势来加速GCIB。
在650中，修改了GCIB的束能量分布函数。在一个实施例中，通过沿着增加的压力沿着GCIB路径引导GCIB来修改GCIB的束能量分布函数，使得GCIB的至少一部分横越增加的压力区域。束能量分布的改变程度可以通过沿着GCIB路径的至少一部分的压力-距离(d)积分来表征。当压力-距离积分的值增加时(通过增加压力和/或路径长度(d))，射束能量分布变宽并且峰值能量减小。当压力-距离积分的值减小时(通过减小压力和/或路径长度(d))，射束能量分布变窄并且峰值能量增大。作为示例，可以加宽束能量分布以减小薄膜的表面粗糙度，或者可以使束能量分布变窄以增加薄膜的表面粗糙度。
沿着GCIB路径的至少一部分的压力-距离积分可以等于或大于大约0.0001torr-cm。可替代地，沿着GCIB路径的至少一部分的压力-距离积分可以等于或大于大约0.001torr-cm。可选地，沿着GCIB路径的至少一部分的压力-距离积分可以等于或大于大约0.01torr-cm。
在另一个实施例中，通过修改或改变GCIB的电荷状态来修改用于GCIB的束能量分布函数。例如，可以通过调节在电子碰撞诱导的气体团簇的电离中利用的电子的电子通量，电子能量或电子能量分布来修改电荷状态。
在660中，根据束剂量将加速的GCIB照射到衬底的至少一部分上。
在670中，在衬底的至少一部分(即，被照射的部分)上生长薄膜。衬底的至少一部分可以包括硅，其中生长的薄膜包括SiO2。
参照图13，示出了根据又一实施例的使用GCIB在衬底上形成薄膜的方法。该方法包括从710开始的流程图700，该流程图700可选地处理所述衬底的表面以去除残留物或其他污染物。处理步骤可以包括清洁或预清洁步骤。另外，处理步骤可以包括干或湿处理过程。此外，处理步骤可以包括等离子体或非等离子体处理过程。此外，治疗步骤可以在随后的步骤中原位或异位进行。
在720中，通过用由加压气体混合物形成的GCIB照射衬底，在衬底的至少一部分表面上生长薄膜。薄膜可以包括薄的氧化膜，并且加压气体混合物可以包括氧气和可选的惰性气体。
在730，将薄膜退火。可以通过热处理使薄膜退火，其中将薄膜的温度在一段时间内升高到材料特定的温度。可以调节退火工艺的温度和时间以改变膜的性质。例如，可以将膜的温度升高到大于约800℃的值。另外，例如，可以将膜的温度升高到大于约850℃的值。另外，例如，可以将膜的温度升高到大于大约900摄氏度的值。此外，例如，退火过程的时间可以大于大约1毫秒。退火工艺可以在大气压或减压下进行。另外，可以在有或没有惰性气体气氛下执行退火工艺。此外，可以在快速热退火(RTP)系统，闪光灯退火系统或激光退火系统中执行退火工艺。
根据又一实施例，利用GCIB仅在衬底的选定表面上选择性地沉积材料。例如，可以使用图1，图2和图3所示的任何GCIB处理系统(100、100'或100”，或其组合)来提供GCIB。在GCIB中，材料生长可以在基本垂直于入射GCIB的一个或多个表面上进行，而在与入射GCIB基本平行的一个或多个表面上可以基本上避免或减少材料生长。
举例来说，基本平行于入射GCIB的一个或多个表面可包括与入射GCIB的方向最大约25度的角度偏差。备选地，基本平行于入射GCIB的一个或多个表面可包括与入射GCIB的方向成高达约20度的角度偏差。备选地，基本平行于入射GCIB的一个或多个表面可以包括与入射GCIB的方向最多约10度的角度偏差。仍可替代地，基本平行于入射GCIB的一个或多个表面可以包括与入射GCIB的方向成大约5度的角度偏差。因此，基本垂直于入射GCIB的一个或多个表面可包括与入射GCIB的方向大于约75度的角度偏差。可替代地，基本垂直于入射GCIB的一个或多个表面可以包括与入射GCIB的方向大于大约80度的角度偏差。替代地，基本垂直于入射GCIB的一个或多个表面可包括与入射GCIB的方向大于约85度的角度偏差。仍可替代地，基本垂直于入射GCIB的一个或多个表面可包括与入射GCIB的方向大于约90度的角度偏差。此外，由于GCIB加工设备的变化，GCIB的入射角的偏差可能在正负1-3度之间变化。
随后相对于GCIB的入射方向调整衬底的取向将允许生长在随后基本上垂直于入射GCIB取向的其他表面上进行。此外，可以调节或交替GCIB的一种或多种性质，包括射束组成，以定向地分级具有在一个或多个表面上从一个子层到相邻子层的不同性质的多层材料膜的生长。基本上垂直于入射GCIB。
参照图14、15A和15B，一种方法是使用以下方法在具有多个表面的衬底上生长材料，该多个表面包括一个或多个基本上平行于第一平面的第一表面和一个或多个第二表面基本上垂直于第一平面的表面。
参照图14，示出了根据再一实施例的使用GCIB在衬底上形成薄膜的方法。该流程图800始于810，将衬底布置在1G GCIB处理系统中。衬底可以放置在衬底支架上，并且可以由衬底支架牢固地保持。衬底的温度可以控制也可以不控制。例如，可以在成膜过程中加热或冷却衬底。衬底周围的环境保持在减压下，而GCIB由包含一种或多种成膜物质的加压气体混合物形成。GCIB处理系统可以是上面在图1、2或3中描述的任何GCIB处理系统(100、100‘或100“)，或它们的任意组合。衬底可以包括导电材料，非导电材料另外，衬底可以包括形成在其上的一种或多种材料结构，或者衬底可以是没有材料结构的毯状衬底。
例如，如图2所示，参照图15A，示出了材料结构400，其包括在衬底410上或衬底410中形成的一个或多个结构420。可以在形成一个或多个结构420之前在衬底410上形成一个或多个层，特征和/或其他结构。一个或多个结构420可以包括用于在衬底410上制备电子或机械装置或机电装置的任何结构，例如集成电路(IC)，微机电(MEM)装置或纳米机电(NEM)设备。电子设备可以包括电子设备的任何部分，包括但不限于互连结构，晶体管或电容器。机械装置可包括但不限于通道或导管，悬臂或立柱，或其任何组合。例如，一个或多个结构420可包括通孔，接触，沟槽，电容器沟槽，栅极堆叠或间隔物，或其任何组合。形成在衬底410中或衬底410上的一个或多个结构420包括一个或多个与衬底平面基本平行的水平表面430，以及一个或多个与衬底平面基本垂直的垂直表面432。
在820中，将来自前驱物源的成膜气体引入GCIB，并且如图8中所示，将气体转移至GCIB。在图15B中，示出了多个气体团簇440一起作为GCIB在朝向衬底410的方向442上一起移动。如上所述，具有前驱物源的加压气体混合物膨胀到减压环境中以形成气体团簇，气体团簇被电离，被电离的气体团簇被加速并可选地被过滤。另外，可以设置束加速电势，并且可以相应地加速GCIB。此外，可以设置束剂量，并且可以相应地照射GCIB。
在830中，将暴露于GCIB，并且如图8所示，将衬底410暴露于GCIB。如图15B所示，GCIB的入射方向442基本垂直于衬底平面。衬底可以包括一个或多个基本上平行于第一平面的第一表面和一个或多个第二表面基本上垂直于第一平面。在曝光过程中，如图所示，GCIB从前驱物源朝向薄膜朝向衬底方向入射。衬底相对于入射方向取向，使得第一平面基本上垂直于入射方向，以在一个或多个基本上垂直于入射方向取向的一个或多个第一表面上定向生长薄膜，同时基本上避免了硅的生长。在一个或多个第二表面上的薄膜基本上平行于入射方向取向。
在840中，在衬底410上形成膜，并且如图15B所示，在一个或多个水平表面430上的多个气体团簇的冲击导致在一个或多个水平表面430上的层450的生长，同时基本上导致膜在一个或多个垂直表面432上的微不足道的生长。但是，通过调节衬底410相对于入射GCIB的取向(即，使衬底倾斜)，可以在一个或多个垂直表面432上实现膜的生长。通过定向衬底410，定向生长可以在定向成位于垂直于GCIB的入射方向的平面中的任何表面上发生。
随着气体团簇与一个或多个水平表面430碰撞，材料被注入到衬底410的表面层或形成在衬底410上的底层中，并且该材料散布在衬底材料中。随着GCIB剂量的增加，生长的薄膜的厚度可能会增加，直到对于给定的GCIB能量(或GCIB加速电势)，膜厚度达到饱和为止。随着GCIB能量的增加，生长的薄膜的厚度可能会增加。
可以生产具有各种材料组成的非晶膜，并使用GCIB可以实现各向异性(或定向)生长。此外，随着GCIB能量(或束加速电势)的增加，各向异性(或方向性)可以增加(即，更多的材料在基本水平的表面上生长，而更少的材料在基本垂直的表面上生长)，因此，通过调节光束加速电势，一个或多个第一表面上生长的薄膜量相对于另一数量在一个或多个第二表面上生长的薄膜的厚度可以变化。一旦形成非晶膜，就可以对其进行一个或多个热循环(例如，温度升高)以使该膜结晶。
虽然以上仅详细描述了本发明的特定实施方式，但是本领域技术人员将容易理解在实质上未脱离本发明的新颖教导和优点的情况下可以对实施方式进行许多修改。因此，所有这样的修改旨在被包括在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，包括以下步骤：
(1)在减压环境中提供衬底；
(2)在减压环境中从加压气体混合物中产生气体团簇离子束(GCIB)；
(3)建立第一、第二数据集，基于第一和第二数据集选择用于生长过程的束加速电势和束剂量；第一数据集与生长过程生长的含硅薄膜的厚度有关，所述厚度是束加速电势和束剂量的函数，该厚度随着所述束加速电势或束剂量的增加而增加；第二数据集与所述生长过程生长的含硅薄膜的上表面的表面粗糙度有关，所述表面粗糙度随着所述束加速电势的减小而减小，
(4)根据选择的束加速电势来加速GCIB；
(5)基于第一和第二数据集调节生长过程中加速后GCIB的束能量分布；
(6)将加速后的GCIB照射到衬底的至少一部分上；
(7)通过生长工艺在衬底的至少一部分上生长含硅薄膜，以实现具有目标厚度和目标表面粗糙度的含硅薄膜。
2.根据权利要求1所述一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(2)中加压气体混合物包括含氧气体，含氮气体，含碳气体，含氢气体，含硅气体，含锗气体中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(2)中加压气体混合物还包括可选的惰性气体，可选的惰性气体包括稀有气体。
4.根据权利要求1所述一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(5)中调节束能量分布包括加宽所述束能量分布以减小所述含硅薄膜的表面粗糙度，或减窄所述束能量分布以增加所述含硅薄膜的表面粗糙度。
5.根据权利要求1所述一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(5)中调节所述束能量分布包括调节所述GCIB的电荷状态。
6.根据权利要求1所述一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，其特征在于，通过沿着GCIB路径引导所述GCIB穿过增加的压力区域，使得所述GCIB路径的至少一部分横越所述增加的压力区域，来实现所述调整后的束能量分布。
7.根据权利要求1所述一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(7)中衬底上生长的含硅薄膜为SiOx、SiNx、SiCx、SiOxNx、SiCxNx、SiGe中的一种。
8.根据权利要求1所述一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(7)中薄膜的目标厚度最大为300埃，目标表面粗糙度小于20埃。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200901262A (en) * 2007-03-22 2009-01-01 Tokyo Electron Ltd Apparatus and methods of forming a gas cluster ion beam using a low-pressure source
TW200936798A (en) * 2007-09-29 2009-09-01 Tel Epion Inc Method for depositing films using gas cluster ion beam processing
WO2010008700A2 (en) * 2008-06-24 2010-01-21 Tel Epion Inc. Method and system for growing a thin film using a gas cluster ion beam

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200901262A (en) * 2007-03-22 2009-01-01 Tokyo Electron Ltd Apparatus and methods of forming a gas cluster ion beam using a low-pressure source
TW200936798A (en) * 2007-09-29 2009-09-01 Tel Epion Inc Method for depositing films using gas cluster ion beam processing
WO2010008700A2 (en) * 2008-06-24 2010-01-21 Tel Epion Inc. Method and system for growing a thin film using a gas cluster ion beam

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