CN112176306A

CN112176306A - 一种气体团簇离子束在衬底中形成非晶层的方法

Info

Publication number: CN112176306A
Application number: CN202010961530.8A
Authority: CN
Inventors: 曹路; 刘翊; 张同庆
Original assignee: Jiangsu Jichuang Atomic Cluster Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Jiangsu Jichuang Atomic Cluster Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2021-01-05

Abstract

一种气体团簇离子束在衬底中形成非晶层的方法，用于使衬底的一部分非晶化的方法，设置具有第一部分和第二部分的衬底在气体团簇离子束处理系统中的一部分；至少用所述衬底处理装置处理所述衬底；气体团簇离子束在衬底中形成非晶层的方法，衬底在气体团簇离子束处理系统中；第一GCIB使用第一束能量，该第一束能量在所述衬底上第一部分区域产生所需厚度的非晶子层，所述衬底第二部分区域为晶体子层，并且用所述第一GCIB进行处理产生了非晶态的第一粗糙度界面位于所述衬底所述非晶子层和所述晶体子层之间的‑晶体界面；然后使用小于所述第一束能量的第二束能量用第二GCIB处理所述衬底的至少第一部分区域，将所述第一粗糙度界面减小到第二粗糙度界面。

Description

一种气体团簇离子束在衬底中形成非晶层的方法

技术领域

本发明涉及在衬底中形成非晶层的方法。尤其是气体团簇离子束在衬底中形成非晶层的方法。

背景技术

诸如硅，锗和砷化镓之类的半导体材料以及其他半导体的有用特性取决于半导体材料的纯度和晶体结构。通常通过常规的离子注入将掺入半导体材料中以改变电性能，形成电子PN结等目的的掺杂原子引入半导体表面。

在常规的离子注入过程中，电离的掺杂物原子物理上沉积在晶体半导体材料中，但是众所周知，这样做时，半导体的晶格会因注入过程而损坏。为了使注入的掺杂剂原子在半导体内变得具有电活性并恢复半导体的所需结晶度，必须恢复半导体晶体的晶格结构，并且通过取代，注入的掺杂剂原子必须占据恢复的晶格内的晶格位置。通常用于产生晶格恢复和注入的掺杂剂原子的电活化的工艺包括高温热退火，脉冲激束退火和脉冲电子束退火。

对于某些半导体产品，将掺杂剂引入半导体表面的一项重要要求是，必须在完成晶格重结晶和掺杂剂激活过程后将掺杂剂渗透的最大深度保持非常浅，通常只有几百埃或更少。通过使用非常低能量的常规离子注入，通过使用小于1000eV或在某些情况下甚至小于200eV的非常低的注入能量，可以如此浅地引入掺杂剂。然而，在如此低的能量下，常规的离子注入经常遭受能量污染的问题。注入某些掺杂剂(例如硼(B))时，除非在掺杂剂注入之前将硅(Si)晶格预先非晶化，否则不可避免地会产生沟道效应。在常规的离子注入中，该技术称为预非晶化注入(PAI)。高能量锗(Ge)通常用于此目的。Ge PAI不仅有助于防止沟道形成，而且还有助于减少退火过程中的B扩散。但是，Ge PAI会造成植入物损坏，通常称为射程范围损坏，无法通过退火进行矫正。这种范围末端损坏会导致高漏电流和对器件的其他负面影响。

气体簇离子束(GCIB)用于蚀刻，清洁，平滑和形成薄膜。为了便于讨论，气体团簇是在典型的离子注入工艺中使用的低压，超高真空(UHV)条件下呈气态的材料的纳米级聚集体。这种气体团簇可以由聚集体组成，这些聚集体包括几至数千个分子或更多，这些分子通过范德华相互作用而松散地结合在一起。气体团簇通过电子轰击被电离，从而使气体团簇形成可控能量的定向束。这些簇离子通常各自携带正电荷，该正电荷是由电荷的大小与表示簇离子的电荷状态的整数之和以上的整数所给出的。

较大尺寸的簇离子通常是最有用的，因为它们能够携带每个簇离子大量的能量，而每个分子只具有适度的能量。离子簇在与基底碰撞时崩解。特定的分解离子簇中的每个分子仅携带总簇能量的一小部分。因此，大型离子簇的影响很大，但仅限于非常浅的表面区域。这使气体团簇离子可用于多种表面改性工艺，但不会产生传统离子束加工所特有的更深的亚表面损伤。

但是，常规的GCIB工艺仍然存在各种缺陷。即使具有上述有利的结果，GCIB工艺也会在GCIB处理的表面层和下面的未处理层之间产生不均匀的凹坑界面。因此，需要改进使用GCIB处理来使半导体材料预非晶化以减少界面缺陷。

发明内容

本发明目的是，提出了一种用于使衬底的上层非晶化的方法。在一个实施例中，该方法包括使用第一气体团簇离子束(GCIB)使用第一束能量处理衬底，该第一束能量被选择为在衬底内产生期望厚度的非晶子层，这产生非晶的第一界面粗糙度。衬底的非晶子层和晶体子层之间的-晶界面。该方法还包括使用小于第一束能量的第二束能量用第二气体团簇离子束GCIB处理衬底，以将非晶晶体界面的第一界面粗糙度减小到第二界面粗糙度。

本发明的技术方案是，气体团簇离子束在衬底中形成非晶层的方法，衬底在气体团簇离子束(GCIB)处理系统中；第一GCIB使用第一束能量，该第一束能量在所述衬底上第一部分区域产生所需厚度的非晶子层，所述衬底第二部分区域为晶体子层，并且用所述第一GCIB进行处理产生了非晶态的第一粗糙度界面位于所述衬底所述非晶子层和所述晶体子层之间的-晶体界面；然后使用小于所述第一束能量的第二束能量用第二GCIB处理所述衬底的至少第一部分区域，以将所述第一粗糙度界面减小到第二粗糙度界面；然后使用小于所述第二束能量的第三束能量用第三GCIB处理所述衬底第一部分区域，以减小所述非晶子层的暴露表面的表面粗糙度，其中所述方法还包括：

在所述衬底上形成图案化的掩模层之前，使用所述第一GCIB处理所述衬底的所述第一部分以引起所述衬底的图案化；去除所述图案化掩模层。

所述衬底的所述第一和第二部分区域包含硅、尤其是晶体硅，并且其中所述第一GCIB从所述第一部分区域的所述晶体硅上产生非晶硅子层。所述第一束能量等于或大于10keV；所述第二束能量小于10keV。

用所述第一GCIB进行的所述过程还包括：选择第一束能量分布，第一束聚焦，第一束剂量或其两个或多个的任意组合；变化所述第一束能量分布以减小所述第一界面粗糙度。

所述修改所述第一束能量分布的步骤包括：沿着GCIB路径引导所述第一GCIB通过增加的压力区域，使得所述GCIB路径的至少一部分横穿所述增加的压力区域。

用所述第二GCIB进行的所述处理进一步包括：选择第二束能量分布，第二束焦点，或第二束剂量，或其两个或多个的任意组合；还包括：修改所述第二束能量分布以减小所述第二界面粗糙度。

所述改变所述第二束能量分布的步骤包括：沿着GCIB路径引导所述第二GCIB穿过增加的压力区域，使得所述GCIB路径的至少一部分横穿所述增加的压力区域。

所述第一与第二GCIB包含GCIB包含选自He，Ne，Ar，Xe，Kr，B，C，Si，Ge，N，P，As，O，S，F、Cl和Br的元素。所述第一与第二GCIB包含至少一种稀有气体和分子，所述分子包括选自由B，C，Si，Ge，N，P，As，O，S，F，CI和Br组成的组中的一种或多种元素。用所述第二GCIB处理所述衬底的所述部分还包括掺杂所述非晶子层；所述用第二GCIB处理所述衬底的所述部分还包括引入选自B，C，Si，Ge，N，P，As，O，S中的一种或多种元素，F，C1和Br连接至所述非晶子层。

有益效果：本发明涉及在衬底的一部分内形成非晶子层。具体地，在各种实施例中描述了使用气体团簇离子束(GCIB)处理在衬底上使包括含硅膜的层非晶化的方法。更具体地，本发明涉及使用第一GCIB形成非晶子层。根据一个实施例，该方法还包括使用第二GCIB来减小在使用第一GCIB形成的非晶子层和该非晶子层下面的晶体子层之间的界面粗糙度。通过GCIB的工作流程，可在预磁化后降低界面粗糙度。

附图说明

图1示出根据实施例的用于使衬底的上层非晶化的方法的流程图；

图2A至图2D以示意图示出根据另一实施例的用于使衬底的上层非晶化的方法。

图3以图形方式描绘了用于使衬底的上层非晶化的示例性数据。

图4A和图4B是描绘根据实施例的形成在衬底上的非晶子层和随后的界面处理的显微照片。

图5是GCIB处理系统的说明图。

图6是GCIB处理系统的另一说明图。

图7是GCIB处理系统的另一例的说明图。

图8是用于GCIB处理系统的电离源的图示。

图9是用于GCIB处理系统的另一种电离源的图示。

具体实施方式

操作步骤通过几个实施例的详细描述，在各种实施例中描述了使用气体团簇离子束(GCIB)处理在衬底上使包括含硅膜的层非晶化的方法。相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下，或者在具有其他替换和/或附加方法，材料或组件的情况下实施各种实施例。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构，材料或操作，以避免使本发明的各个实施例的各方面不清楚。类似地，出于解释的目的，阐述了具体的数字，材料和配置，以便提供对本发明的透彻理解。然而，可以在没有具体细节的情况下实施本发明。此外，应当理解，图中所示的各种实施例是说明性表示，不一定按比例绘制。

在整个说明书中，对“一个实施例”或“一个实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征，结构，材料或特性包括在本发明的至少一个实施例中，但并不表示它们是存在于每个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一个实施例中”不一定是指本发明的相同实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式组合。在其他实施例中，可以包括各种附加层和/或结构，和/或可以省略所描述的特征。

如本发明所述，“基材”通常是指根据本发明被处理的物体。衬底可以包括任何材料部分或结构，尤其是半导体或其他电子材料，并且可以例如是基础衬底结构，例如半导体晶片，或者是在基础衬底结构之上或之的上层，例如半导体晶片、薄膜。因此，衬底不限于图案化或未图案化的任何特定的基础结构，下层或上覆层，而是设想包括任何这样的层或基础结构，以及层和/或基础结构的任何组合。下面的描述可以参考特定类型的衬底衬底，但是这仅出于说明的目的，而不是限制。

如上所述，当在衬底上或衬底的一部分上处理衬底或层时，GCIB工艺可在GCIB处理的表面层或部分与下面的未处理的层或部分之间产生不均匀的凹坑界面。例如，当使用GCIB处理在衬底衬底产生非晶子层时，在使用GCIB处理产生的非晶子层与衬底衬底的晶体子层之间形成的非晶-晶体界面的最终界面粗糙度即非晶子层的底层可能是不可接受的。在某些情况下，可以观察到具有严重点蚀的不均匀非晶-晶体界面。

因此，根据各种实施例，公开了一种用于使衬底上或衬底的一部分的的上层非晶化，同时减小非晶子层和下面的晶体子层之间的界面粗糙度的方法。现在参考附图，其中在几个视图中相似的附图标记表示相应的部分，图1提供了流程图1，示出了根据一个实施例的用于使衬底的的上层非晶化的方法。此外，在图2A至2D中描述了用于使衬底的的上层非晶化的方法。

流程图1中所示的方法始于10，其在GCIB处理系统中布置衬底衬底50。衬底50的至少第一部分50a被布置成暴露于一种或多种GCIB处理，而位于第一部分50a下面的第二部分50b保持未被处理。衬底50可以包括导电材料，半导电材料或电介质材料，或者其两种或更多种的任意组合。例如，衬底50可以包括诸如硅或锗或其组合的半导体材料。尤其是，例如，衬底50可以包括晶体硅。

在图2中，如图2A和图2B所示，使用第一GCIB 70并利用第一GCIB 70处理衬底50的第一部分50a，该第一束能量被选择为从衬底50的衬底50内的第一部分50a产生非晶子层52，所需的厚度62；而第二部分50b仍未作为晶体子层55进行处理。用第一GCIB 70处理衬底50会在非晶子层52之间产生非晶晶体界面60的第一界面粗糙度64；衬底50的晶体子层55可以包括晶体硅，非晶子层52可以包括非晶硅。

在一个实施例中，衬底50的第一和第二部分50a、50b可以包括晶体硅，然后通过GCIB处理使第一部分50a非晶化，以产生作为非晶子层52的非晶硅，同时保留硅的第二部分50b。晶体硅作为晶体子层55。

在图2中，如图2C和2D所示，使用小于第一束能量的第二束能量的第二GCIB，用第二GCIB 80处理衬底50的第一部分50a，以减小非晶态的第一界面粗糙度64。产生非晶晶体界面60至第二界面粗糙度64'，从而形成改性的非晶-晶体界面60“。用第二GCIB 80对衬底50进行GCIB处理可以产生与所需非晶子层厚度62基本相同的最终厚度62'。GCIB 70可以是与第二GCIB 80基本相同的GCIB束，其中GCIB束能量以连续或逐步的方式从第一束能量调整为第二束能量。第二GCIB 80以逐步方式将束能量从第一束能量调节到第二束能量。

另外，第二GCIB 80可以有效地将非晶子层52的暴露表面65的第一表面粗糙度66减小到第二表面粗糙度66'。替代地，或另外地，可以使用小于第一束能量的第三束能量用第三GCIB(未示出)处理衬底50的第一部分50a，以获得第二表面粗糙度66'或什至进一步减小的表面粗糙度。此外，第三束能量可以小于第二束能量。

界面粗糙度和/或表面粗糙度的程度可以是界面和/或表面不均匀度的量度。例如，界面粗糙度和/或表面粗糙度可以在数学上表征为最大粗糙度(R_max)，平均粗糙度(R_a)或均方根(rms)粗糙度(R_q)。

第一GCIB 70或第二GCIB 80可以在GCIB处理系统中形成，例如以下在图5、6或7中描述的任何GCIB处理系统(100、100'或100“)。其中，可以在减压环境中设置并保持衬底50，可以将衬底50放置在衬底支架上，并且可以将其牢固地保持在衬底支架上，可以或者可以不控制衬底50的温度。在GCIB处理过程中也可以加热或冷却衬底50。

第一GCIB 70和/或第二GCIB 80可以由包括稀有气体(即He，Ne，Ar，Kr，Xe)的加压气体混合物产生。另外，第一GCIB 70和/或第二GCIB 80可以由包含至少一种稀有气体和包含选自由B，C，Se，Te，Si组成的组中的一种或多种元素的分子的加压气体混合物产生：Ge，N，P，As，O，S，F，Cl和Br。此外，第一GCIB 70和/或第二GCIB 80可以由加压气体混合物产生，该加压气体混合物包括至少一种用于沉积或生长薄膜的掺杂剂，蚀刻剂或成膜成分，或其两种或更多种的任意组合。

例如，第一GCIB 70和/或第二GCIB 80可以由选自由He，Ne，Ar，Kr，Xe，SiH₄，Si₂H₆，SiH₂Cl₂，SiCl₃H组成的气体的部分列表中的加压气体混合物产生。还包括：甲基硅烷，二甲基硅烷，三甲基硅烷，四甲基硅烷，乙基硅烷，二乙基硅烷，三乙基硅烷，四乙基硅烷，SiCl₄，SiF₄，GeH₄，Ge₂H₆，GeH₂CL₂，GeCl₃H，甲基锗烷，二甲基锗烷，三甲基一乙基锗烷，四甲基锗烷，乙基锗烷，二乙基一乙基锗烷，三乙基锗烷，四乙基锗烷，GeCl₄，GeF₄，N₂，H₂，O₂，NO，NO₂，N₂O，NH₃，NF₃，HCl，SF₆，CO，CO₂，C₂H₄，CH₄，C₂H₂，C₂H₆，C₃H₄，C₃H₆，C₃H₈，C₄H₆，C₄H₈，C₄H₁₀。C₅H₈，C₅H₁₀，C₆H₆，C₆H₁₀，C₆H₁₂，BF₃，B₂H₆，AsH₃，AsF₅，PH₃，PF₃，PCL₃或PF₅或其中两种或多种的任意组合。应该重申的是，该气体列表并非完整列表，该列表中未包含的其他气体可用于生成气体团簇离子束。

如上所述，可以对两个或更多个GCIB处理进行组合以修改和/或增强衬底50。例如，可以对第一GCIB 70和第二GCIB 80进行组合以产生具有期望的厚度和可接受的非晶子层、在非晶子层和下面的晶体子层之间的非晶-晶体界面处的界面粗糙度。在这些GCIB处理的任何一种中，包括第一GCIB 70和/或第二GCIB 80，GCIB操作可以包括：建立GCIB；选择束能量，束能量分布，束焦点和束剂量中的至少一项；加速GCIB以达到束能量；聚焦GCIB以实现束聚焦；根据束剂量将部分衬底暴露于加速GCIB。

此外，除了束能量，束能量分布，束焦点和束剂量外，停滞压力，停滞温度，质量流率，簇尺寸，簇尺寸分布，束尺寸，束组成，束可以选择电极电位，也可以选择气体喷嘴设计(例如喷嘴的喉部直径，喷嘴长度和/或喷嘴的发散部分半角)。可以选择任何一种或多种上述GCIB特性以获得包括非晶子层52在内的衬底50的预定特性。例如，可以调整这些GCIB特性中的任何一种以改变衬底的特性50，即，改变衬底内子层的相(非晶或晶体)，改变衬底内子一层的厚度，改变衬底内子一层的界面粗糙度，改变表面粗糙度基底内子层的厚度，改变基底内一种或多种物质的浓度，改变基底内一种或多种物质的浓度分布，或改变基底内一种或多种物质或任何组合。

对于第一GCIB 70和/或第二GCIB 80，束加速电势的范围可以高达100kV，束能量的范围可以高达100kV，簇的大小可以高达数万个原子，并且束剂量的范围可高达每厘米约1x10 ¹⁷个簇。例如，第一GCIB 70和/或第二GCIB 80的束加速电势可以在大约1kV至大约70kV的范围内(即，假设平均簇电荷，束能量可以在大约1keV至大约70keV的范围内)。另外，例如，第一GCIB 70和/或第二GCIB 80的束剂量可以在每平方厘米约1x10 ¹²簇到每平方厘米约1x10 ¹⁴个簇的范围内。

可以建立第一GCIB 70和/或第二GCIB 80，其具有的每原子能量在0.25eV至约100eV的范围内。备选地，可以建立第一GCIB 70和/或第二GCIB 80，其具有的每原子能量比在0.25eV至10eV的范围内。替代地，可以建立第一GCIB 70和/或第二GCIB 80，其具有的每原子能量范围为每原子约1eV至每原子约10eV。

具有所需的每原子能量的第一GCIB 70和/或第二GCIB 80的建立可以包括选择束加速电势，形成第一GCIB 70和/或第二GCIB 80的停滞压力或气体流速或其任何组合。束加速电势可用于增加或减小束能量或每个离子簇的能量。例如，束加速电势的增加导致最大束能量的增加，因此，对于给定的簇尺寸，每原子能量的增加。另外，停滞压力可用于增加或减小给定簇的簇尺寸。例如，在GCIB的形成期间停滞压力的增加导致簇尺寸的增加(即，每个簇的原子数增加)，因此，对于给定的束加速电位，每原子的能量降低。

如上所述，第二束能量被选择为小于第一束能量。第一束能量可以大于约1keV(千电子伏特)。替代地，第一束能量可以大于约5keV。替代地，第一束能量可以大于约10keV。替代地，第一束能量可以大于约20keV。或者，第一束能量可以大于约30keV。第二束能量可以小于约30keV。替代地，第二束能量可以小于约20keV。替代地，第二束能量可以小于约10keV。或者，第二束能量可以小于约5keV。或者，第二束能量可以小于约1keV。

在此，束剂量以每单位面积的簇数的单位给出。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，在改变时间以改变束剂量的同时，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，可以使每单位面积上的簇撞击衬底表面的速率(即，每单位时间每单位面积上的簇的数目)保持恒定。

根据一个实施例，GCIB处理可以包括选择第一束能量和第一束剂量以实现在用第一GCIB 70辐照衬底50的一部分期间形成的非晶子层52的期望厚度62。GCIB处理还可以包括选择第二束能量和第二束剂量，以实现在用第二GCIB 80辐照衬底50的一部分时形成的非晶子层52的第二界面粗糙度64'。

现在参考图3中，无定形非晶子层52的厚度被绘制为时间(或射束剂量)的函数，其中厚度随时间增加直到其最终饱和。最大厚度和与基本达到最大厚度有关的经过时间非晶子层52的束强取决于束能量或束加速电势，即第一束能量，例如，示出了三个示例性数据集，用于低束能量(或低束加速电势)(虚线)，中等束能量(或中等束加速电位)(实线)和高束能量(或高束加速电位)(虚线)在每个数据集中，束能量(例如，高，中，低)代表峰值束能量用于相对窄的束能量分布。

另外，第一界面粗糙度64(测量为平均粗糙度，R_a)和第一表面粗糙度66(测量为平均粗糙度，R_a)取决于束加速电势或束能量，即，第一束能量。随着增加束加速度或束能量以达到期望的厚度62，第一界面粗糙度64和第一表面粗糙度66增加。相反，随着束加速度或束能量的减小以达到期望的厚度62，第一界面粗糙度64和第一表面粗糙度66减小，如图3中的箭头所示。

此外，虽然未在图3中示出，但是可以通过减小每原子能量比来减小第一界面粗糙度64和第一表面粗糙度66。替代地，可以通过增加每原子能量比来增加第一界面粗糙度64和第一表面粗糙度66。

如将在下面更详细地讨论的，用第二GCIB 80进行的GCIB处理可以用于将第一界面粗糙度64减小到第二界面粗糙度64'并获得最终厚度62'。用第二GCIB 80进行的GCIB处理可以至少部分地将第一表面粗糙度66减小到第二表面粗糙度66'。此外，可以使用附加的GCIB处理，例如用第三GCIB来减小第一表面粗糙度66。至第二表面粗糙度66'。对于第一GCIB 70，可以选择和调整相同的参数以实现第一界面/表面粗糙度64，66，并且对于第二GCIB 80，同样可以选择和调整所需的厚度62以实现第二界面/表面粗糙度64'，66'和最终厚度62'。

再次参考图。例如，在图3中，示出了用于束高能量(或束高加速电位)和束高能量分布(虚线)的第四示例性数据集。厚度以类似于相对低的束能量和窄束能量分布数据(虚线)的方式随时间变化，但是第一和第二界面粗糙度64、64'以及第一和第二表面粗糙度66、66'可以更加地减少。

第一GCIB70和/或第二GCIB 80的束能量分布函数可以通过沿着GCIB路径引导相应的GCIB穿过增加的压力区域来进行修改，以使GCIB的至少一部分横穿增加的压力区域。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积分的压力-距离(d)来表征。当压力-距离积分的值增加时(通过增加压力和/或束程长度(d)，射束能量分布变宽，峰值能量减小。)减小(通过减小压力和/或路径长度(d))，束能量分布变窄，峰值能量增加；例如，可以加宽束能量分布以减小界面/表面粗糙度64、64'，66'，66'或一个可以使束能量分布变窄以增加界面/表面粗糙度64、64'，66、66'，如上所述。

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0.0001托-厘米。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0.01托-厘米。

可替代地，可以通过修改或改变各个GCIB的电荷状态来修改第一GCIB 70和/或第二GCIB 80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。

如上所述，当使用第一GCIB 70选择并获得期望的厚度62时，所得的非晶子层52在非晶-晶体界面60处表现出界面粗糙度64，其代表图2中提供的示例性数据。此后，通过具有小于第一束能量的第二束能量的第二GCIB 80对非晶子层52进行处理，并且界面粗糙度64进一步减小。

现在参考图4A和4B，使用GCIB处理在晶体硅衬底中形成非晶硅子层。在图参照图4A，使用第一GCIB以10kV的束加速电势形成10nm(纳米)厚的非晶硅子层。在非晶子层上方形成5nm帽层，以提供与夹在下面的晶体硅子层(深色层)和帽层(较暗层)之间的非晶硅子层(较浅层)更大的对比度)。对非晶硅子层的检查表明非晶-晶体界面显示出严重的点蚀，并且可能具有很高的界面粗糙度。

在图4B中，以8kV的束加速电位(束加速电位和相应的束能量小于第一GCIB的束加速电位和束能量)对非晶硅子层进行第二GCIB。检查非晶硅子层表明，非晶-晶体界面的界面粗糙度大大降低。

根据另一实施例，第一GCIB 70和/或第二GCIB 80可用于在衬底50中形成混合层，其中该混合层是渐变的或非渐变的。另外，混合层可以包括使用第一GCIB 70和/或第二GCIB 80注入的一种或多种元素，掺杂剂和/或杂质。此外，混合层可以包括部分或全部延伸穿过混合层的浓度分布，通过调整第一GCIB 70和/或第二GCIB 80的一个或多个GCIB处理参数来定制“S”层。混合层可以与或可以与非晶子层52不重合。

束加速电位(或束能量，例如第一束能量)可用于修改厚度50，62，62'，或衬底50中一个或多个元素的穿透深度，即增加束加速电位。增加穿透的厚度或深度，减小射束加速电势会降低穿透的厚度或深度。另外，束剂量可用于改变衬底50中一种或多种元素的浓度，即，增加束剂量可增加非晶化或最终浓度，而减小束剂量则减小非晶化或最终浓度。。第一GCIB 70和/或第二GCIB 80可以根据束加速电势而被加速，并且衬底50根据束剂量被暴露于第一GCIB 70和/或第二GCIB 80。

此外，单位原子能量比可用于调节衬底50中存在或不存在的一种或多种元素的浓度，衬底中存在一种或多种元素的厚度62、62'或穿透深度。.例如，在降低每原子能量比的同时，可以减小穿透深度。或者，在增加每原子能量比的同时，可以增加穿透深度。

根据另一个实施例，第一GCIB 70和/或第二GCIB 80可以用于在衬底50上生长层，其中该生长的层是渐变的或非渐变的。生长过程可以例如包括氧化或氮化过程。另外，生长层可以包括使用第一GCIB 70和/或第二GCIB 80注入的一种或多种元素，掺杂剂和/或杂质。此外，生长层可以包括部分或全部延伸穿过生长层的浓度分布，通过调整第一GCIB 70和/或第二GCIB 80的一个或多个GCIB处理参数来定制。生长层可以与或可以与非晶子层52不重合。如上所述，一个或多个GCIB参数可以是进行调节以达到所需的生长层的厚度或渗透深度。

根据另一个实施例，除了用第一GCIB 70和第二GCIB80辐照衬底50之外，另一个GCIB可以用于附加的控制和/或功能。在使用第一GCIB 70和/或第二GCIB 80之前，期间或之后，可以通过诸如第三GCIB之类的另一GCIB对衬底50进行辐照。例如，可以使用另一GCIB来掺杂一部分GCIB。具有杂质的衬底50。另外，例如，另一GCIB可用于修改衬底50的一部分以改变衬底50的特性。另外，例如，另一GCIB可用于蚀刻衬底50的一部分以从衬底50去除材料。另外，例如，另一种GCIB可以用于在衬底50的一部分上生长或沉积材料。掺杂、改性、蚀刻、生长或沉积可以包括引入选自He，Ne，Ar，Xe，Kr，B，C，Se，Te，Si，Ge，N，P，As，O，S，F，Cl和Br。

根据另一实施例，可以在用第一GCIB 70和/或第二GCIB 80进行辐照之前或之后清洁经受了GCIB辐照的衬底50的第一部分50a。例如，清洁过程可以包括干洗过程和/或湿法清洁过程。另外，可以在用第一GCIB 70和/或第二GCIB 80辐照之后，对经受了GCIB辐照的衬底50的第一部分50a进行退火。

根据另一实施例，可以执行一个或多个热退火以编程，修改和/或增强衬底50中的非晶子层52和性质。对于这些热退火中的任何一个，可以使衬底50经受热。处理，其中将衬底50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衬底50的特性。例如，可以将衬底50的温度升高到大于约800℃的值。另外，例如，衬底的温度可以升高到大于大约850摄氏度的值。另外，例如，衬底的温度可以升高到大于大约900℃的值。此外，例如，时间退火过程的“时间”可以大于约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氛的情况下执行退火工艺。此外，可以在炉，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。

根据另一实施例，当准备衬底50时，可以对衬底50或非晶晶体界面60的任何部分进行校正处理。在校正处理期间，可以使用耦合到GCIB处理系统的测量系统原位或异地获取测量数据。测量系统可以包括任何种类的衬底诊断系统，包括但不限于光学诊断系统，X射线荧光光谱系统，四点探测系统，透射电子显微镜(TEM)，原子力显微镜(AFM)，扫描电子显微镜(SEM)等另外，测测量系统可以包括光学数字轮廓仪(ODP)，散射仪，椭圆仪，反射仪，干涉仪，或其两个或更多个的任意组合。

根据另一实施例，描述了一种用于使衬底的一部分非晶化的方法。在一个实施例中，该方法可以包括：使用第一GCIB，利用第一GCIB处理衬底的至少第一部分，该第一束能量被选择为从衬底内的第一部分产生具有期望厚度的非晶子层，其中第二部分衬底的第一部分是晶体子层，并且其中第一GCIB处理产生衬底的非晶子层和晶体子层之间的非晶-晶体界面的第一界面粗糙度。该方法进一步包括使用小于第一束能量的第二束能量用第二GCIB处理衬底的至少第一部分，以将非晶晶体界面的第一界面粗糙度减小到第二界面粗糙度。

例如，测量系统可以构成光学散射测量系统。散射测量系统可以包括散射仪，其结合有束轮廓椭圆仪(椭圆仪)和束轮廓反射仪(反射仪)，可从Therma-Wave，Inc。(1250Reliance Way，Fremont，CA，94539)或Nanometrics，Inc商购。(1550Buckeye Drive，Milpitas，加利福尼亚州95035)。另外，例如，原位测量系统可以包括被配置为测量衬底上的测量数据的集成光学数字轮廓测量(iODP)散射测量模块。

测量数据可以包括参数数据，例如与衬底，在衬底上形成的任何层或子层和/或在衬底上的设备的任何部分相关联的几何，机械，电和/或光学参数。例如，测量数据可以包括可由上述测量系统测量的任何参数。另外，例如，度量数据可以包括膜厚度，表面和/或界面粗糙度，表面污染，特征深度，沟槽深度，通孔深度，特征宽度，沟槽宽度，通孔宽度，临界尺寸(CD)，电阻或其两个或多个的任意组合。

可以在衬底上的两个或更多个位置处测量度量数据。而且，可以为一个或多个衬底获取和收集该数据。一个或多个衬底可以例如包括衬底盒。在一个或多个衬底中的至少一个上的两个或多个位置处测量度量数据，并且例如可以在一个或多个衬底中的每个上的多个位置处获取度量数据。之后，可以使用数据拟合算法将多个衬底中的每个衬底上的多个位置从测量位置扩展到未测量位置。例如，数据拟合算法可以包括内插(线性或非线性)或外推(线性或非线性)或其组合。

一旦使用度量系统收集了一个或多个衬底的度量数据，就将度量数据提供给控制器以计算校正数据。测量数据可以经由物理连接(例如，电缆)，或无线连接，或它们的组合在测量系统和控制器之间传送。另外，可以经由内部网或因特网连接来传送度量数据。备选地，可以经由计算机可读介质在测量系统和控制器之间传送测量数据。

可以计算校正数据以用于衬底的特定位置的处理。给定基材的校正数据包括用于调节GCIB剂量作为基材上位置的函数的处理条件，以实现与传入的测量学数据关联的参数数据与给定基材的目标参数数据之间的变化基质。例如，给定衬底的校正数据可以包括确定用于使用GCIB校正给定衬底的参数数据的不均匀性的工艺条件。可替代地，例如，给定衬底的校正数据可以包括确定用于使用GCIB来创建给定衬底的参数数据的特别预期的不均匀性的工艺条件。

使用参数化数据的期望变化与GCIB剂量之间的既定关系以及GCIB剂量与具有一组GCIB处理参数的GCIB工艺条件之间的既定关系，控制器为每个底物确定校正数据。例如，可以采用数学算法来获取与输入的测量数据关联的参数数据，计算输入的参数数据与目标参数数据之间的差，反转GCIB处理图案(即，蚀刻图案或沉积图案)或两者兼而有之)以适应此差异，并使用参数数据变化与GCIB剂量之间的关系创建射束剂量轮廓以实现GCIB处理模式。此后，例如，可以使用束剂量和GCIB工艺条件之间的关系来确定GCIB处理参数，以影响计算出的束剂量轮廓。GCIB处理参数可以包括束剂量，束面积，束轮廓，束强度，束扫描速率或曝光时间(或束停留时间)，或其两个或多个的任意组合。

在该实施例中，可以成功地采用许多不同的数学算法选择方法。在另一个实施例中，束剂量轮廓可以选择性地沉积额外的材料，以实现参数数据的期望变化。

可以使用GCIB将校正数据应用于衬底。在校正处理期间，GCIB可以被配置为执行以下各项中的至少一项：平滑、非晶化、修饰、掺杂、蚀刻、生长或沉积，或其两种或更多种的任意组合。将校正数据施加到衬底可以促进衬底缺陷的校正，衬底表面平面度的校正，层厚度的校正或层粘附力的改善。一旦按照GCIB规范进行处理，就可以就地或异地检查衬底的均匀性或衬底的参数数据的分布，并且可以适当地完成或精制该过程。

根据又一个实施例，描述了一种用于图案化衬底50的GCIB处理的方法，包括用第一GCIB 70和第二GCIB 80进行的GCIB处理。该方法包括：在衬底50的表面上形成图案化的掩模层；使用第一GCIB 70，第二GCIB 80和/或另一个GCIB处理通过图案化的掩模层暴露的衬底50的表面；以及去除图案化的掩模层。在用第一GCIB 70，第二GCIB 80和/或另一个GCIB进行GCIB处理期间使用图案化的掩模层可以促进在整个衬底50上对GCIB处理的分布进行图案化。

可以通过在衬底50上涂覆一层辐射敏感材料(例如光刻胶)来形成图案化的掩模层。例如，可使用旋涂技术将光致抗蚀剂施加到衬底上，例如由轨道系统促进的那些工艺。另外，例如，使用光刻系统使光致抗蚀剂层暴露于图像图案，然后，在显影溶剂中使图像图案显影以在光致抗蚀剂层中形成图案。

光刻胶层可以包括248nm(纳米)抗蚀剂，193nm抗蚀剂，157nm抗蚀剂或EUV(极端紫外线)抗蚀剂。可以使用涂覆和显影系统形成光致抗蚀剂层。例如，涂覆和显影系统可以包括可从东京电子有限公司(TEL)商购的Clean Track ACT 8，ACT 12或Lithius抗蚀剂涂覆和显影系统。在旋涂抗蚀剂技术领域中的技术人员众所周知在基材上形成光刻胶膜的其他系统和方法。

通过掩模版对电磁(EM)辐射的曝光是在干式或湿式光刻系统中进行的。可以使用任何合适的常规步进式光刻系统或扫描光刻系统来形成图像图案。例如，光刻系统可以从ASML Netherlands BV(De Run 6501，5504DR Veldhoven，The Netherlands)或佳能美国公司半导体设备事业部(3300North First Street，San Jose，CA)购得。95134)。

显影过程可包括在显影系统中将基材暴露于显影溶剂中。例如，涂覆和显影系统可以包括可从东京电子有限公司(TEL)商购的Clean Track ACT 8，ACT 12或Lithius抗蚀剂涂覆和显影系统。

可以使用湿剥离工艺，干等离子体灰化工艺或干非等离子体灰化工艺来去除光致抗蚀剂层。

图案化的掩模层可以包括多层，其中可以使用湿法工艺技术，干法工艺技术或这两种技术的组合来形成在多层掩模层中形成的图案。光刻和图案蚀刻技术领域的技术人员应理解，具有单层或多层的图案化掩模层的形成。

现在参考图5，根据一个实施例描绘了一种用于如上所述地处理衬底的GCIB处理系统100。GCIB处理系统1 00包括真空容器10 2，衬底保持器1 50，要处理的衬底152固定在其上，以及真空泵送系统170A，170B和170C。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5中的GCIB处理系统100。如图5所示，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，以提供减压室。分别通过真空泵系统170A，170B和170C将三个腔室排空到合适的工作压力。在三个连通室104、106、108中，可以在第一室(源室104)中形成气体团簇束，而可以在第二室(电离/加速室106)中形成GCIB，其中气体团簇束被离子化并加速。在第三腔室(处理室108)中，加速的GCIB可用于处理衬底152。

尽管提供了用于晶体管栅极和沟槽电容器应用的特定示例，但是如上所述的蚀刻方法可以用于需要蚀刻的任何衬底处理中。

如图1所示。参照图5，GCIB处理系统100可以包括一个或多个气体源，其被配置为将一种或多种气体或气体混合物引入真空容器102。例如，存储在第一气体源111中的第一气体成分在压力下通过第一气体进入。控制阀113A连接到一个或多个气体测量阀11。另外，例如，存储在第二气体源112中的第二气体成分在压力下通过第二气体控制阀113B进入一个或多个气体测量阀113。此外，例如，第一气体成分或第二气体成分或两者可包括可冷凝的惰性气体，载气或稀释气体。例如，惰性气体，载气或稀释气体可包括稀有气体，即，He，Ne，Ar，Kr，Xe或Rn。

此外，第一气体源111和第二气体源112可以单独使用或彼此结合使用以产生电离簇。材料组成可以包括期望引入到材料层中的元素的主要原子或分子种类。

包含第一气体成分或第二气体成分或两者的高压，可冷凝气体通过供气管114进入停滞室116，并通过适当形状的喷嘴110喷射到压力较低的真空中。从停滞室116到源室104的低压区域的高压，可冷凝气体膨胀，气体速度加速到超音速，并且气体簇射束118从喷嘴110发出。

作为静态焓的射流的固有冷却被交换为动能，动能是由射流的膨胀产生的，导致一部分射流冷凝并形成具有簇的气体簇束118，每个簇由数个到数个组成一千个弱结合的原子或分子。气体分离器120位于喷嘴室110出口与电离/加速室10 6之间的喷嘴110出口的下游，该气体分离器将气体团簇束118外围边缘上的气体分子部分分离，这些气体分子可能尚未凝结成气体簇束118的核心中的气体分子中的一个簇形成了簇。在其他原因中，气体簇束118的一部分的这种选择可导致下游区域中的压力降低，在下游区域中，较高的压力可能是有害的(例如，电离器122和处理室108)。此外，气体分离器120为进入电离/加速室106的气体簇束定义初始尺寸。

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，其从一个或多个产生电子。灯丝124被加速并被引导以与电离/加速室106内的气体簇束118中的气体簇碰撞。在与气体簇碰撞时，足够能量的电子从气体簇中的分子喷射出电子以产生电离的分子。气体团簇的电离可导致大量带电的气体团簇离子，通常具有净正电荷。

如图5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，其提供电压VF以加热电离器灯丝124。

另外，束电子器件130在电离/加速室106中包括一组适当偏置的高压电极126，其从电离器122中提取簇离子。然后，高压电极126将提取的簇离子加速至期望的能量并聚焦。它们定义了GCIB128。GCIB128中簇离子的动能通常在大约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。如图4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VEE，以加速从灯丝124发射的电子并使电子轰击气体簇束118中的气体簇，从而产生簇离子。

另外，如图4所示，束电子器件130包括提取电源1 38，其提供电压V EE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，提取电源138向高压电极126的第一电极提供小于或等于离子发生器即电离器122的阳极电压的电压。

此外，射束电子器件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电子伏特的总GCIB加速能量：100(eV)。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可以包括透镜电源142、144，可以提供它们以电位(例如，VL1和VL2)偏置一些高压电极126以聚焦GCIB 128。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以及第二电极的加速器电压的电压，以及透镜电源144可以向高压电极126的第四电极提供小于或等于电离器1 22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二电极的加速器电压的电压。第三电极的第一透镜电压。

注意，可以使用电离和提取方案的许多变体。尽管此处描述的方案可用于指导目的，但另一种提取方案包括将电离器和提取电极(或提取束器件)的第一元件置有VACC。这通常需要对电离器电源的控制电压进行束流组合，但会创建更简单的整体束流系统。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中的束过滤器146从GCIB 128中消除单体或单体和轻簇离子，以定义进入处理室108的已过滤过程GCIB1 28A。在一个实施例中，束过滤器或称滤波器146基本上减少了具有100个或更少的原子或分子或两者的簇的数量。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。

仍然参照图5，在GCIB 128的路径中，在电离/加速室106中设置有束流门148。束流门148具有打开状态，其中GCIB 128被允许从电离/加速室106通过。处理腔室108以限定过程GCIB1 28A，并且处于关闭状态，在该关闭状态下，GCIB 128被阻止进入处理腔室108。控制电缆将控制信号从控制系统190传导至束门148。控制信号可控地切换束在打开或关闭状态之间的门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GCIB 128A的路径中。由于大多数应用都希望对具有空间均匀结果的大衬底进行处理，因此可能需要一种扫描系统来在大面积上均匀扫描过程GCIB 128A以产生空间均匀的结果。

X扫描致动器1 60在X扫描运动的方向上(进入和离开纸平面)提供衬底支架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扫描运动的组合通过处理GCIB 128A以光栅状扫描运动平移由衬底保持器150保持的衬底152，以引起对衬底表面的均匀(或以其他方式编程的)照射。在图152中通过工艺GCIB128A来处理衬底152。

衬底保持器150相对于工艺GCIB 28A的轴线成一定角度布置衬底152，使得工艺GCIB 128A相对于衬底152表面具有束入射角1 66。束入射角166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和衬底支架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，在两个位置之间移动时，衬底152通过过程GCIB1 28A被扫描，并且在两个极端位置中，衬底152被完全移出过程GCIB 128A的路径(过度扫描)。尽管在图5中未明确示出，但是在(通常)正交X扫描运动方向(在纸面内外)执行类似的扫描和过扫描。

可以在过程GCIB 128A的路径中将束电流传感器180设置在衬底保持器1 50的上方，以便在从衬底保持器1 50扫描出过程GCIB 128A的路径时拦截过程GCIB 128A的样本。束电流传感器180通常是法拉第杯或类似物，除了束进入开口、其它部分是封闭的，并且通常通过电绝缘底座182固定在真空容器102的壁上。

如图1所示。参照图5，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，并且控制X扫描致动器1 60和Y扫描致动器162以便将衬底152放入或放出衬底152。相对于工艺GCIB 128A，按工艺GCIB 128A需要进行扫描，并均匀地扫描衬底152，以通过工艺GCIB1 28A实现对衬底152的期望处理。控制系统190通过电缆接收由束电流传感器180收集的采样束电流，并由此在以下情况下通过从过程GCIB 1 28A中移出衬底152来监视GCIB并控制由衬底152接收的GCIB剂量。预定剂量已被递送。

在图1所示的实施例中，参照图6，GCIB处理系统100可以类似于图5的实施例，并且进一步包括XY定位台253，该XY定位台253可操作以在两个轴上保持和移动衬底252，从而相对于工艺GCIB有效地扫描衬底252。128A中，X动作可以包括进出纸平面的运动，Y动作可以包括沿方向264的运动。

工艺GCIB 128A在衬底252的表面上的突出的冲击区域286处以及相对于衬底252的表面以束入射角266的角度冲击衬底252。通过XY运动，XY定位台253可以定位衬底252的表面的每个部分在工艺GCIB 128A的路径中，使得可以使表面的每个区域与投影的冲击区域286重合，以通过工艺GCIB 128A进行处理。X-Y控制器262通过电缆将电信号提供给X-Y定位台253，以控制X-轴和Y-轴方向上的位置和速度。X-Y控制器262通过电缆从控制系统190接收控制信号，并且可由控制系统190操作。XY定位台253根据常规的XY台定位技术通过连续运动或步进运动而移动，以将衬底252的不同区域定位在投射的冲击区域286内。在一个实施例中，XY定位台253可由控制系统190可编程地操作。以可编程的速度扫描衬底252的任何部分穿过投射的冲击区域286，以通过过程GCIB128A进行GCIB处理。

定位台253的衬底保持表面254是导电的并且连接到由控制系统190操作的剂量测定处理器。定位台253的电绝缘层255将衬底252和衬底保持表面254与衬底252的基部260隔离。通过撞击过程GCIB 128A在衬底252中感应出的电荷通过衬底252和衬底保持表面254传导，并且信号通过定位表253耦合到控制系统190以进行剂量测定。剂量测定法具有用于对GCIB电流进行积分以确定GCIB处理剂量的积分装置。在某些情况下，可以使用电子的目标中和源(未显示)(有时称为电子溢流)来中和过程GCIB1 28A。在这种情况下，尽管增加了电荷源，法拉第杯(未示出，但是可能类似于图5中的束电流传感器180)仍可用于确保精确的剂量测定，原因是典型的法拉第杯仅允许使用。高能正离子进入并被测量。

在操作中，控制系统190向束门148的打开发出信号，以用工艺GCIB 128A照射衬底252。控制系统190监视由衬底252收集的GCIB电流的测量，以便计算由衬底252接收的累积剂量。当由衬底252接收的剂量达到预定剂量时，控制系统190关闭电子束门148，并且衬底252的处理完成。基于针对衬底252的给定区域接收到的GCIB剂量的测量，控制系统190可以调整扫描速度，以获得适当的束停留时间以处理衬底252的不同区域。

可替代地，可以以恒定的速度以固定的图案在衬底252的表面上按过程GCIB 128A扫描；或者，以恒定的速度扫描衬底252的表面。然而，GCIB强度被调制(可以称为Z轴调制)以向样品传递故意不均匀的剂量。可以通过多种方法中的任何一种在GCIB处理系统100中对GCIB强度进行调节，包括改变来自GCIB源的气体流量。通过改变灯丝电压V_F或改变阳极电压V_A来调制电离器122；通过改变透镜电压V_L1和/或V_L2来调制透镜焦点；或使用可变束流，可调百叶窗或可变光圈来机械阻挡GCIB的一部分。调制变化可以是连续的模拟变化，或者可以是时间调制的切换或门控。

处理室108可以进一步包括原位测量系统。例如，原位测量系统可以包括具有光发射器280和光接收器282的光学诊断系统，光发射器280和光接收器282被配置为用入射光信号284照射衬底252并且从衬底252接收散射光信号288。光学诊断系统包括光学窗口，以允许入射的光学信号284和散射的光学信号288进入和离开处理室108。此外，光学发射器280和光学接收器282可以分别包括发射和接收光学器件。光学发射器280接收并响应于控制来自控制系统190的电信号。光学接收器282将测量信号返回至控制系统190。

原位测量系统可以包括配置为监视GCIB处理进度的任何仪器。根据一个实施例，原位测量系统可以构成光学散射测量系统。散射测量系统可以包括散射仪，其结合有束轮廓椭圆仪(椭圆仪)和束轮廓反射仪(反射仪)，可从Therma-Wave，Inc.(1250Reliance Way，Fremont，Calif.94539)或Nanometrics，Inc.(1550)购得，七叶树驱动器，米尔皮塔斯，加利福尼亚州95035)。

例如，原位测量系统可以包括被配置为测量由GCIB处理系统100'中的处理过程的执行产生的过程性能数据的集成光学数字轮廓仪(IODP)散射测量模块。测量系统可以例如测量或监视由治疗过程产生的测量数据。度量数据例如可以用于确定表征处理过程的过程性能数据，例如过程速率，相对过程速率，特征轮廓角，临界尺寸，特征厚度或深度，特征形状例如，在用于在衬底上定向沉积材料的过程中，过程性能数据可以包括临界尺寸(CD)，例如特征(即，通孔、线等)中的顶部，中间或底部CD。特征深度，材料厚度，侧壁角度，侧壁形状，沉积速率，相对沉积速率，其任何参数的空间分布，表征其任何空间分布的均匀性的参数等。XY定位台253通过来自控制系统190的控制信号，原位测量系统可以绘制衬底252的一个或多个特征。

在图1所示的实施例中，参照图7，GCIB处理系统100”可以类似于图5的实施例，并且还包括例如位于电离/加速室1 06.1的出口区域处或附近的压力室350。包括惰性气体源352和压力传感器354，该惰性气体源352被配置成向压力室350提供背景气体以升高压力室350中的压力，压力传感器354被配置成测量压力室350中的升高的压力。

压力传感器腔室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GCIB 128A'。通过沿着GCIB路径引导GCIB 128穿过GCIB的增加压力区域部分穿过增加压力区域来实现束能量分布的这种改变。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。当减小压力一距离积分的值时(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。压力传感器设计的更多细节可以从美国专利No.美国专利No.7,060,989，标题为“利用气体簇离子束改进处理的方法和设备”；其内容通过引用整体并入本文。

控制系统190包括微处理器，存储器和数字I/O端口，所述数字I/O端口能够产生足以传达和激活到GCIB处理系统100(或100'，100”)的输入的控制电压，以及监视来自GCIB处理系统的输出。100(或100'，100“)。此外，控制系统190可以与真空泵系统170A，170B和170C，第一气体源111，第二气体源112，第一气体控制阀113A，第二气体控制阀113B，射束电子器件130，射束耦合并与之交换信息。滤波器146，束门148，X扫描致动器160，Y扫描致动器162和束电流传感器180。例如，存储在存储器中的程序可用于激活对GCIB处理的上述组件的输入。根据工艺配方的系统100以便在衬底152上执行GCIB工艺。

然而，控制系统190可以被实现为通用计算机系统，其响应于处理器执行包含在存储器中的一个或多个指令的一个或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。这样的指令可以从诸如硬盘或可移动介质驱动器的另一计算机可读介质读入控制器存储器。多处理装置中的一个或多个处理器也可以用作控制器微处理器，以执行包含在主存储器中的指令序列。在替代实施例中，可以使用硬连线电路代替软件指令或与软件指令结合使用。因此，实施例不限于硬件电路和软件的任何特定组合。

如上所述，控制系统190可以用于配置任意数量的处理元件，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可以包括用于控制一个或多个处理元件的多种应用以及多种控制器。例如，控制系统190可以包括图形用户界面(GUI)组件(未示出)，该图形用户界面(GUI)组件可以提供使用户能够监视和/或控制一个或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”)位于本地，或者可以相对于GCIB处理系统100(或100'，100”)位于远处。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可以耦合到例如客户站点(即设备制造商等)上的Intranet，也可以将其耦合到例如卖方站点(即设备)上的Intranet。替代地或附加地，控制系统190可以耦合到因特网，此外，另一台计算机(即控制器，服务器等)可以访问控制系统190以通过直接连接，内联网和/或网络来交换数据。

衬底152(或252)可通过诸如机械夹紧系统或电夹紧系统(例如，静电夹紧系统)之类的夹紧系统(未示出)固定至衬底支架150(或衬底支架250)。此外，衬底支架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/或控制衬底支架150(或250)和衬底152(或)的温度。252)。

真空泵系统170A，170B和170C可以包括涡轮分子真空泵(TMP)，该泵能够以高达每秒约5000升(或更高)的速度泵送，以及用于限制腔室压力的闸阀。在常规的真空处理设备中，可以采用每秒1000至3000升的TMP。TMP可用于低压处理，通常小于约50m Torr。尽管未示出，但是可以理解，压力传感器腔室350也可以包括真空泵系统。此外，用于监测腔室压力的装置(未示出)可以联接至真空容器10 2或三个真空腔室10 4，106，108中的任何一个。压力测量装置可以是例如电容式压力计或电离规。

现在参照图8，示出了用于使气体团簇射流(图5、6和7的气体团簇束118)电离的气体团簇电离器(122，图5、6和7)的部分300。该部分300垂直于GCIB 128的轴。对于典型的气体团簇尺寸(2000至1 5000个原子)，团簇离开分离器孔(120，图5、6和7)并进入电离器(122，图5，6和7)将以约130至1000电子伏特(eV)的动能行进。在这些低能量下，任何离离电离器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8示出了自中和离子发生器。与其他离子发生器一样，气体团簇会被电子撞击电离。在该设计中，从多个线性热电子灯丝302a，302b和302c(通常为钨)发射热电子(由310表示的七个示例)，并通过电子排斥电极306a提供的合适电场的作用将热电子提取并聚焦。306b和306c以及束形成电极304a，304b和304c。

热电子310穿过气体团簇射流和射流轴，然后撞击相对的束形成电极304b，以产生低能的二次电子(例如所示的312、314和316)。

虽然(为简单起见)未示出，但是线性热电子灯丝302b和302c也产生热电子，该热电子随后产生低能的二次电子。所有二次电子通过提供低能电子来帮助确保电离团簇射流保持空间电荷中性，这些低能电子可以根据需要被吸引到正离子化气体团簇射流中，以保持空间电荷中性。束形成电极304a，304b和304c相对于线性热电子灯丝302a，302b和302c正偏，电子排斥电极306a，306b和306c相对于线性热电子灯丝302a，302b和306c负偏。302c。绝缘体308a，308b，308c，308d，308e和308f电绝缘和支撑电极304a，304b，304c，306a，306b和306c。例如，这种自中和离子发生器是有效的，可实现超过1000微安的氩气GCIB。

或者，电离器可使用从等离子体中提取电子来使簇电离。这些电离器的几何形状与上述三灯丝电离器有很大不同，但是工作原理和电离器控制非常相似。现在参考图9，示出了用于使气体团簇射流(气体团簇束118，图5、6和7)电离的气体团簇电离器(122，图5、6和7)的部分400。截面400垂直于GCIB 1 28的轴。对于典型的气体团簇尺寸(2000至1 5000个原子)，团簇离开分离器孔(120，图5、6和7)并进入电离器(122，图5和6)。5、6和7)将以约130到1000电子伏特(eV)的动能行进。在这些低能量下，任何离离电离器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9示出了电离器。与其他离子发生器一样，气体团簇通过电子撞击而离子化。

电离器包括由支撑板(未示出)支撑并电连接的细杆阳极电极452的阵列。细棒阳极电极452的阵列与气体簇束(例如，图5、6和7的气体簇束118)的轴线基本同心。电离器还包括由另一支撑板(未示出)支撑、并且电连接细杆电子排斥电极458的阵列。细杆电子排斥电极458的阵列与气体簇束(例如，图5、6和7的气体簇束118)的轴线基本同心。离子发生器还包括由另一根支撑板(未显示)支撑并电连接的细离杆子排斥电极464阵列。细杆离子排斥电极464阵列与气体簇的轴基本同心束(例如，气体簇束118，图5、6和7)。

从等离子室470将高能电子提供给束区域444。等离子室470包括在其中在等离子区域442中形成等离子体的等离子室472。等离子室470还包括热电子灯丝476，气体进入孔426和多个引出孔480。热电子灯丝476通过绝缘子477与等离子室470绝缘。作为示例，热电子灯丝476可以包括钨丝，该钨丝在尾部配置。

气体团簇电离器的部件400包括具有多个孔482的电子加速电极488。另外，气体团簇电离器的部件400包括具有多个孔口484的电子减速电极490。多个孔482，多个孔口484和多个引出孔口480都从等离子体区域442到电子束区域444对准。

诸如稀有气体之类的等离子体形成气体通过气体进入孔426进入等离子体室472。绝缘气体进料管线422将加压的等离子体形成气体提供给远程可控气体阀424，该气体阀门424调节等离子体形成气体向其中的进入。等离子体室472。

灯丝电源408提供灯丝电压(V_F)，以驱动电流通过热电子灯丝476，以激发热电子发射。灯丝电源408在3V至5V(伏特)时可控地提供约140至200A(安培)。电弧电源410可控地提供电弧电压(V_A)，以相对于热电子灯丝476将等离子体室472偏置为正。电弧电源410通常在固定电压(通常为约35V)下操作，并提供用于使等离子体室472加速的装置。等离子体室472内的电子形成等离子体。控制灯丝电流以调节由电弧电源410提供的电弧电流。电弧电源410能够向等离子弧提供高达5A的电弧电流。

电子减速电极490通过电子偏压电源412相对于等离子体室472正偏压。电子偏压电源412提供在30至400V范围内可控制地调节的偏压(V_B)。电子加速电极488电子提取电源416相对于电子减速电极490正偏置。电子提取电源416提供可控制在20至250V范围内的电子提取电压(V_EE)。加速电源420提供加速电压(V_ACC)，以使细棒阳极电极452和电子减速电极490的阵列相对于大地偏置为正。V_ACC是由部分400中所示的气体团簇电离器产生的气体团簇离子的加速电位，可在1至100kV的范围内控制和调节。电子排斥极电源414提供电子排斥极偏置电压(V_ER)，以使细棒电子排斥极电极458的阵列相对于V_ACC偏置为负。V_ER可控制在50至100V的范围内。离子排斥电源418提供离子排斥偏置电压(V_R)，以使细棒离子排斥电极464的阵列相对于V_ACC为正。VIR可在50至150V的范围内控制。

束流控制器430在电缆434上接收电控制信号，并在控制链路432上将其转换为光束信号，以使用来自接地控制系统的信号控制在高电势下工作的组件。束流控制链接432将控制信号传送到远程可控气阀424，灯丝电源408，电弧电源410，电子偏置电源412，电子排斥极电源414，电子提取功率源416和离子排斥极电源418。

例如，电离器的设计可以类似于美国专利No.4,235,038中所述的电离器。题为“用于气团簇离子束形成的离子发生器和方法”的美国专利号7,173,252。其内容通过引用整体并入本文。

气体团簇电离器(122，图5、6和7)可以被配置为通过改变GCIB 128的电荷状态来改变GCIB128的束能量分布。例如，可以通过调节电子通量来改变电荷状态。电子能量或用于电子碰撞的气体团簇电离中利用的电子的电子能量分布。

尽管以上仅详细描述了本发明的某些实施例，但是本领域技术人员将容易理解，在实质上不脱离本发明的新颖教导和优点的情况下，可以对实施例进行许多修改。因此，所有这样的修改意在包括在本发明的范围内。

Claims

1.一种气体团簇离子束在衬底中形成非晶层的方法，其特征是，用于使衬底的一部分非晶化的方法，包括：

设置具有第一部分和第二部分的衬底在气体团簇离子束(GCIB)处理系统中的一部分；至少用所述衬底处理装置处理所述衬底；

气体团簇离子束在衬底中形成非晶层的方法，衬底在气体团簇离子束(GCIB)处理系统中；第一GCIB使用第一束能量，该第一束能量在所述衬底上第一部分区域产生所需厚度的非晶子层，所述衬底第二部分区域为晶体子层，并且用所述第一GCIB进行处理产生了非晶态的第一粗糙度界面位于所述衬底所述非晶子层和所述晶体子层之间的-晶体界面；然后使用小于所述第一束能量的第二束能量用第二GCIB处理所述衬底的至少第一部分区域，以将所述第一粗糙度界面减小到第二粗糙度界面；然后使用小于所述第二束能量的第三束能量用第三GCIB处理所述衬底第一部分区域，以减小所述非晶子层的暴露表面的表面粗糙度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述衬底的所述第一和第二部分区域包含硅、尤其是晶体硅，并且其中所述第一GCIB从所述第一部分区域的所述晶体硅上产生非晶硅子层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述第一束能量等于或大于10keV；所述第二束能量小于10keV。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，用所述第一GCIB进行的所述过程还包括：选择第一束能量分布，第一束聚焦，第一束剂量或其两个或多个的任意组合；变化所述第一束能量分布以减小所述第一界面粗糙度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述修改所述第一束能量分布的步骤包括：沿着GCIB路径引导所述第一GCIB通过增加的压力区域，使得所述GCIB路径的至少一部分横穿所述增加的压力区域。

6.根据权利要求3的方法，其特征是，用所述第二GCIB进行的所述处理进一步包括：选择第二束能量分布，第二束焦点，或第二束剂量，或其两个或多个的任意组合；还包括：修改所述第二束能量分布以减小所述第二界面粗糙度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述改变所述第二束能量分布的步骤包括：沿着GCIB路径引导所述第二GCIB穿过增加的压力区域，使得所述GCIB路径的至少一部分横穿所述增加的压力区域。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述第一与第二GCIB包含GCIB包含选自He，Ne，Ar，Xe，Kr，B，C，Si，Ge，N，P，As，O，S，F、Cl和Br的元素。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述第一与第二GCIB包含至少一种稀有气体和分子，所述分子包括选自由B，C，Si，Ge，N，P，As，O，S，F，CI和Br组成的组中的一种或多种元素。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述第二GCIB处理所述衬底的所述部分还包括掺杂所述非晶子层；所述用第二GCIB处理所述衬底的所述部分还包括引入选自B，C，Si，Ge，N，P，As，O，S中的一种或多种元素。，F，C1和Br连接至所述非晶子层。