CN113169009B - 离子植入设备、离子植入机及静电过滤器模块 - Google Patents
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Abstract
提供一种离子植入设备、离子植入机及静电过滤器模块。所述离子植入设备可包括：主腔室，所述主腔室包括多个电极；入口隧道，所述入口隧道具有沿第一方向延伸至所述主腔室中的入口轴线；以及出口隧道，连接至所述主腔室且界定出口轴线，其中所述入口轴线及所述出口轴线在所述入口轴线与所述出口轴线之间界定为至少30度的束弯曲。
Description
技术领域
本发明大体而言涉及用于对基板进行植入的设备及技术，且更具体而言涉及改进的离子束能量过滤器、离子植入设备、离子植入机及静电过滤器模块。
背景技术
离子植入是通过轰击(bombardment)将掺杂剂或杂质引入基板中的制程。在半导体制造中，引入掺杂剂来改变电学性质、光学性质或机械性质。
离子植入系统可包括离子源及一系列束线组件。离子源可包括产生离子的腔室。离子源可亦包括电源(power source)及设置于腔室附近的提取电极总成。所述束线组件可包括例如质量分析器、第一加速或减速级(acceleration or deceleration stage)、准直器及第二加速或减速级。与用于操纵光束的一系列光学透镜非常类似，束线组件可对具有特定物质种类、形状、能量和/或其他特征的离子或离子束进行过滤、聚焦及操纵。离子束穿过束线组件，且可被朝安装于台板(platen)或夹具上的基板引导。基板可通过有时被称为多轴旋转手臂(roplat)的设备在一或多个维度上移动(例如，平移、旋转以及倾斜)。
在诸多离子植入机中，下游静电模块可用作静电透镜来控制离子束能量、离子束形状及离子束尺寸。静电模块可将离子束加速或减速至最终能量，同时改变离子束的方向。通过改变离子束的方向，高能中性粒子可被筛选出来，从而得到能量受到良好界定的最终束。
已知的静电模块可采用例如多对电极，例如成对布置的七个上部电极及下部电极，其中电极约束并引导从中行进的离子束。电极可布置为与离子束等距间隔的棒(rod)。棒/电极电位被设定为在静电模块中形成电场，从而使离子束减速、偏转并聚焦所述离子束。
静电模块的操作期间的主要关切点之一是在由离子束处理的基板上维持低的粒子计数(particle count)。
由于静电模块被定位成靠近基板，因此自基板无意中喷射出的材料可能无意中返回至静电模块内的表面，例如电极上。相反，积聚于静电模块的电极上的异物可能自静电模块上蚀刻掉或剥落，并落于基板上。为使粒子在基底上的积聚最小化，可能安排频繁且昂贵的预防性维护操作来清洁或更换电极。
针对该些及其他考量，提供本发明。
发明内容
在一个实施例中，一种设备可包括主腔室，所述主腔室包括多个电极。所述设备可包括入口隧道，所述入口隧道具有延伸至所述主腔室中的入口轴线。所述设备可包括出口隧道，所述出口隧道连接至所述主腔室且界定出口轴线，其中所述入口轴线及所述出口轴线界定束弯曲(beam bend)，所述束弯曲在所述入口轴线与所述出口轴线之间为至少30度。
在又一实施例中，一种离子植入机可包括离子源及静电过滤器模块，所述离子源用于产生离子束，所述静电过滤器模块被设置成接收所述离子束。所述静电过滤器模块可包括主腔室及入口隧道，所述主腔室包括多个电极，所述入口隧道具有沿第一方向延伸至所述主腔室中的入口轴线。所述静电过滤器模块可包括出口隧道，所述出口隧道连接至所述主腔室且界定出口轴线，其中所述入口轴线及所述出口轴线界定束弯曲，所述束弯曲在所述入口轴线与所述出口轴线之间为至少30度。
在附加实施例中，一种静电过滤器模块可包括主腔室，所述主腔室包括以不对称配置布置的多个电极。所述静电过滤器模块可包括：入口隧道，具有沿第一方向延伸至所述主腔室中的入口轴线；等离子体泛射式电子枪(plasma flood gun)，所述等离子体泛射式电子枪界定出口隧道，所述出口隧道连接至所述主腔室且界定出口轴线，其中所述入口轴线及所述出口轴线界定在所述入口轴线与所述出口轴线之间为至少30度的束弯曲。
附图说明
所述附图未必按比例绘制。所述附图仅为表示形式，而并非旨在描绘本发明的具体参数。所述附图旨在示出本发明的示例性实施例，且因此不被视为对范围进行限制。在所述附图中，相同的编号代表相同的元件。
图1示出展示根据本发明实施例的离子植入系统的示例性实施例。
图2示出根据本发明示例性实施例的静电过滤器的结构。
图3示出根据本发明示例性实施例的图2所示静电过滤器中离子及中性粒子的轨迹。
图4示出图2所示静电过滤器的电极总成及出口隧道的几何形状的一个实例。
图5A示出在经由根据本发明实施例的静电过滤器输送时，3千电子伏特(keV)磷束的形状。
图5B示出被施加用以在图5A所示静电过滤器中产生离子束的静电位。
图6示出根据本发明实施例的在静电过滤器内自基板重新溅镀的粒子的轨迹。
图7示出根据本发明实施例的自静电过滤器的电极发射的负粒子的轨迹。
具体实施方式
现将参照附图在下文更充分地阐述根据本发明的系统及方法，在所述附图中示出所述系统及方法的实施例。所述系统及方法可实施为诸多不同的形式而不应被视为仅限于本文所述的实施例。而是，提供该些实施例是为了使此揭示内容将透彻及完整，且将向本领域技术人员充分传达所述系统及方法的范围。
为方便及清晰起见，本文中将使用例如“顶部(top)”、“底部(bottom)”、“上部(upper)”、“下部(lower)”、“垂直(vertical)”、“水平(horizontal)”、“侧向(lateral)”及“纵向(longitudinal)”等用语来阐述该些组件及其构成部件相对于图中所示半导体制造装置的组件的几何形状及定向的相对放置及定向。术语将包括具体提及的词、其派生词及具有相似意义的词。
本文所使用的以单数形式陈述且前面带有词“一(a或an)”的元件或操作被理解为亦潜在地包括多个元件或多个操作。此外，在提及本发明的“一个实施例”时并非旨在被解释为排除亦包括所陈述特征的附加实施例的存在。
本文中提供例如用于改进用作静电过滤器的静电模块的操作及可靠性的方式。在示例性实施例中，揭示一种具有新颖架构的静电过滤器，所述新颖架构包括在静电模块的主腔室中电极总成的新颖布置。
现参照图1，示出展示系统10的示例性实施例，其中根据本发明，系统10可用于离子植入。除其他组件以外，系统10亦包括离子源14及一系列束线组件，离子源14用于产生例如带状束(ribbon beam)或点状束(spot beam)等离子束18。离子源14可包括用于接收气流以产生离子的腔室。离子源14亦可包括电源及设置于腔室附近的提取电极总成。自离子源14延伸至静电过滤器40的束线可被认为是上游束线12。在一些非限制性实施例中，上游束线的束线组件16可包括例如设置于静电过滤器40上游的质量分析器、第一加速或减速级36及准直器38，所述过滤器可为离子束18提供减速和/或加速。
在示例性实施例中，束线组件16可对具有物质种类、形状、能量和/或其他特征的离子或离子束18进行过滤、聚焦及操纵。穿过束线组件16的离子束18可被朝安装于处理腔室46内的台板或夹具上的基板15引导。基板可在一或多个维度上移动(例如，平移、旋转及倾斜)。
静电过滤器40是被配置成独立控制离子束18的偏转、减速及聚焦的束线组件。在一些实施例中，静电过滤器40是垂直静电能量过滤器(vertical electrostatic energyfilter，VEEF)或静电过滤器EF。如下文将更详细地阐述，静电过滤器40可被布置为界定至少一种电极配置的电极总成。电极配置可包括沿束线串联布置的多个电极，以经由静电过滤器40处理离子束18。在一些实施例中，静电过滤器可包括设置于离子束18上方的一组上部电极及设置于离子束18下方的一组下部电极。所述一组上部电极与所述一组下部电极之间的电位差亦可沿中心离子束轨迹变化，以在沿中心射线轨迹(central ray trajectory，CRT)的各种点处偏转离子束。系统10可还包括示为电极电压总成50的电极电压源以及耦合至静电过滤器40的入口隧道52，其中下文阐述入口隧道相对于静电过滤器40的配置。如随后的实施例中所揭示，入口隧道52可形成静电过滤器40的一部分，其中入口隧道以及静电过滤器40内的电极以新颖配置布置，以改进系统10的操作。
现参照图2，示出静电过滤器40的一种变型的结构。在图2中，示出静电过滤器40、电极电压总成50及入口隧道52的侧剖视图。如所示，静电过滤器40包括主腔室102，主腔室102在静电过滤器40上方延伸并部分地包围静电过滤器40，从而留下入口孔隙54及出口孔隙56以导引离子束18从中穿过。静电过滤器40包括电极总成108，电极总成108包括电极110、电极112、电极114及电极116。如图2中所示，所述多个电极以不对称配置布置，其中所述多个电极界定图3中所示的束路径57。束路径57的第一侧上设置有第一电极(电极116)，且束路径57的第二侧上设置有至少三个电极(意指电极110、电极112及电极114)。图3中亦示出中性粒子轨迹58，中性粒子轨迹58指示由静电过滤器40捕获的高能中性粒子的可能路径。在其他实施例中，束路径57的第二侧上可设置有仅两个电极。
如图2中进一步所示，入口隧道52的特征可在于沿第一方向延伸至主腔室102中的入口轴线60。图2中亦示出出口隧道124，其中出口隧道124界定出口轴线62，其中入口轴线60及出口轴线62界定在入口轴线60与出口轴线62之间为至少30度的束弯曲。束弯曲在图2中被示为角度β。尽管在一些实施例中，束弯曲可小至30度，然而在其他实施例中，束弯曲可在40度至90度之间。
如图3中所示，电极总成108的所述多个电极可界定束路径57，举例而言，束路径57代表离子束18的平均传播方向或者离子束18的中心射线轨迹的位置。在操作中，可将确定的一组电压施加至电极总成108的不同电极，从而以使得离子束18沿循束路径57的方式使离子束18减速、偏转及聚焦。因此，在束路径57的第一侧上(意指束路径57的左侧及下方)设置第一电极(意指电极116)。在束路径57的第二侧上(意指束路径57的上方及右侧)设置其他电极(例如至少三个电极)。如图3所示，在一些实施例中，束路径57的第一侧上可以不对称配置设置有仅一个电极，其中第二侧上设置有至少三个电极。
如图3中进一步所示，束路径57可在入口孔隙54处大致平行于入口轴线60，且可在出口孔隙56处大致平行于出口轴线62(为清晰起见，图2中仅示出离子束18的部分)。因此，离子束18可偏转与由图2所示静电过滤器40界定的束弯曲对应的角度。由于此束弯曲可为30度或大于30度，因此以与离子束18相同或相似的能量进入静电过滤器40的高能中性粒子可易于被静电过滤器40的壁捕获。高能中性粒子将不会因施加至电极总成108的使离子束18沿循束路径57的电压而偏转，且因此将不会转向穿过出口隧道124。
在操作中，电极总成108可被耦合用以自电极电压总成50接收不同的电压。作为实例，电极110及电极116可用作抑制电极，其中主腔室102的电极的最高负电位被施加至电极110及电极116以抑制电子。施加至该些抑制电极的此种确切电压亦可用于聚焦离子束并开始偏转离子束18。例如电极112及电极114等附加电极可继续将离子束偏转至出口隧道124，且可使离子束减速。另外，如下文所详述，主腔室102包括腔室壁120以使静电过滤器40中的静电场成形，并收集来自基板126的溅镀材料。
值得注意，出口隧道124可接地，以在基板126中进行植入之前中和离开的离子束，并为电极总成108提供屏蔽以使电极总成108免于溅镀沉积。此外，如参照随后的图进一步阐释，出口隧道124可屏蔽来自电极总成108的通电电极的粒子轨迹，以免粒子轨迹到达基板126。
此外，如图2及图3中所示，静电过滤器40可包括等离子体泛射式电子枪122，或者可邻接等离子体泛射式电子枪122作为静电过滤器模块一部分，其中等离子体泛射式电子枪122用于向离子束18提供电子。等离子体泛射式电子枪122可被布置成根据已知等离子体泛射式电子枪的原理进行操作。等离子体泛射式电子枪122可包括如所示的出口隧道124，其中离子束18离开等离子体泛射式电子枪122，以自出口隧道124出来并传播至基板126。
根据本发明的实施例，主腔室102中的电极以及包括出口隧道124的等离子体泛射式电子枪122可被布置成使得电极自等离子体泛射式电子枪122的外部不可见。图4进一步示出此特征，其中示出视线轨迹128。视线轨迹128可被视为具有经由出口隧道124的最陡角度且因此最靠近电极总成108移动的轨迹。因此，来自等离子体泛射式电子枪122外部的其他视线轨迹可在距电极总成108更远距离处以更水平的轨迹投射至主腔室102中。因此，来自等离子体泛射式电子枪122外部的视线轨迹均可不撞击电极总成108。
此种几何形状突出了图2-图4所示实施例的显著特征，乃因自基板126沿线性轨迹发射的溅镀粒子可经筛选而不会撞击及沉积于电极总成108的电极上。
如图2中进一步所示，入口隧道52被设置成沿主腔室102的第一侧进入主腔室102，其中出口隧道124沿主腔室102的与主腔室102的第一侧相邻的第二侧设置。此种配置可有利于保护电极总成108的电极免受自基板126喷射的物质所影响，乃因电极可皆布置于出口隧道124的一侧上。然而，在其他实施例中，出口隧道124可沿主腔室102的与主腔室的第一侧相对的第二侧设置，入口隧道52在主腔室的第一侧进入主腔室102。
现转至图5A，其示出模拟在经由根据本发明实施例的静电过滤器140输送时，3千电子伏特磷(P+)离子束的横截面的形状、位置及轨迹。如以上所论述，静电过滤器140可代表静电过滤器40的变型。图5B示出被施加用以在图5A所示静电过滤器中产生离子束的静电位。在所示的此种模拟中，离子束118自入口隧道52偏转，以行进至出口隧道124中。以下电位(电压)被施加至电极总成的电极：在电极110及电极116上为～50千伏特(kV)，在电极112上为～30千伏特，且在电极114上为～10千伏特。值得注意，在此实施例及其他实施例中，包括腔室壁120(设置于主腔室102的内部中)在内的各种表面以地电位耦合。举例而言，出口隧道124的壁可接地。因此，电极总成108及腔室壁120以及出口孔隙56的电位可如所示般引导离子束118。在此种配置中，磷束在撞击基板126之前被以近似50度的束弯曲输送。在所示模拟中，近似65毫安(mA)的电流被传送至基板126。
图6示出根据本发明实施例的在静电过滤器140内自基板126重新溅镀的粒子的轨迹。图6所示模拟示出自基板126喷射的溅镀材料的分布。溅镀材料代表最初设置于基板126处的材料，其中用于将离子植入至基板126中的入射离子束可重新溅镀位于基板126表面上或附近的一定量的材料。图6所示模拟示出重新溅镀材料可普遍存在于位于等离子体泛射式电子枪122与基板126之间的下游区域129中。另外，由等离子体泛射式电子枪122界定的出口隧道124充满重新溅镀粒子，此指示粒子自基板126朝静电过滤器40的主腔室102往回行进。
如图6中进一步所示，模拟重新溅镀粒子会在主腔室102内形成密集的烟流(plume)，稍微更密集的部分与出口隧道124成一直线。烟流的密度较低的部分朝上膨胀至主腔室102中。溅镀粒子的烟流可接着落于主腔室102的(接地的)腔室壁120的不同位置处。在此种模拟中，重新溅镀粒子在很少情形中会落于电极总成108的电极上，或者在任何情形中均不落于电极总成108的电极上。因此，图6所示配置至少不太可能通过自基板126直接重新溅镀而在电极总成108的电极上积聚任何重新溅镀材料。
现转至图7，其示出进一步模拟图6所示静电过滤器140的变型。具体而言，图7示出自电极总成108的电极离开的带负电粒子的轨迹。依据施加至不同电极的各别电压，带负电粒子的轨迹倾向于自给定电极引走，从而形成复杂图案。值得注意，由于出口隧道124的几何形状相对于电极总成108的电极位置提供屏蔽，因此带负电粒子轨迹均不引出至基板126。
根据各种实施例，电极总成108的电极可沿所示笛卡尔坐标系的X轴伸长。因此，电极可有助于控制横截面亦沿X轴伸长的带状束，其中带状束沿X轴可为数十厘米宽，且可具有大约若干厘米的高度。所述实施例不受限于此上下文。
图2-图7所示其中在束路径的一侧上布置一个电极且在束路径的相对侧上布置三个电极的电极具体配置可特别适宜于处理为低至中等最终离子束能量的离子束。举例而言，该些配置可适合于低于50千电子伏特的操作，其中电极上可存在相对较低的电压及静电应力，从而能够使较少的电极(例如仅三个电极)用于使离子束减速及对离子束进行导向。此种较小的电极数目使得能够达成更紧凑的主腔室设计，所述更紧凑的主腔室设计仍有效地相对于重新溅镀基板材料“隐藏”电极，且反之防止电极产生能够撞击基板的不需要的带负电粒子。
此外，尽管以上实施例示出在束路径的一侧上具有三个电极的配置，然而在其他配置中，在束路径的一侧上可布置四个电极、五个电极或更多电极。另外，尽管以上实施例在束路径的相对侧上示出仅一个电极，然而在其他实施例中，在束路径的相对侧上可布置多于一个电极。
另外，可存在电极被布置成界定更陡的束弯曲(例如60度、70度、80度或90度)或者更低的束弯曲(例如30度)的配置。在该些其他配置中，主腔室的形状、电极的位置及出口隧道的位置可被布置成使得防止或实质上减少来自基板的重新溅镀粒子撞击电极，且防止或减少带负电粒子离开电极并撞击基板。
综上所述，通过本文所揭示的实施例，达成了至少以下优点。本发明实施例提供的第一个优点在于，通过消除由过滤电极产生的带负电粒子撞击基板的能力，静电过滤器对基板的直接污染减少。另外，本发明实施例提供的另一优点是消除由来自基板的重新溅镀材料积聚于静电过滤器的电极上而导致的间接基板污染，所述间接基板污染导致形成后续溅镀的附加污染源或者导致自电极出现剥落。
本发明的范围不受限于本文所述具体实施例。实际上，除本文所述实施例及修改以外，通过阅读前述说明及附图，对此项技术中技术人员而言，本发明的其他各种实施例及对本发明的其他各种修改亦将显而易见。因此，此种其他实施例及修改旨在落于本发明的范围内。此外，本文已在用于特定目的特定环境下在特定实施方案的上下文中阐述了本发明，然而此项技术中技术人员仍将认识到有用性并非仅限于此，且本发明可有益地在用于任何数目的目的的任何数目的环境中实施。因此，下文所述申请权利要求要根据本文所述本发明的全部宽度及精神来解释。
Claims (14)
1.一种离子植入设备，包括：
主腔室，所述主腔室包括多个电极；
入口隧道，所述入口隧道具有延伸至所述主腔室中的入口轴线；以及
出口隧道，连接至所述主腔室且界定出口轴线，其中所述入口轴线及所述出口轴线界定束弯曲，所述束弯曲在所述入口轴线与所述出口轴线之间为至少30度，
其中所述多个电极界定束路径，且其中所述多个电极以不对称方式布置在所述束路径的第一侧及第二侧上。
2.根据权利要求1所述的离子植入设备，其中所述束路径的所述第一侧上设置有第一电极且其中所述束路径的所述第二侧上设置有至少三个电极。
3.根据权利要求2所述的离子植入设备，其中所述束路径的所述第一侧上设置有仅一个电极。
4.根据权利要求1所述的离子植入设备，其中所述入口隧道沿所述主腔室的第一侧设置，且其中所述出口隧道沿所述主腔室的与所述主腔室的所述第一侧相邻的第二侧设置。
5.根据权利要求1所述的离子植入设备，还包括等离子体泛射式电子枪，所述等离子体泛射式电子枪包括所述出口隧道，其中所述多个电极自所述等离子体泛射式电子枪的外部不可见。
6.根据权利要求1所述的离子植入设备，其中所述入口隧道被设置成沿所述主腔室的第一侧进入所述主腔室，且其中所述出口隧道沿所述主腔室的与所述主腔室的所述第一侧相对的第二侧设置。
7.一种离子植入机，包括：
离子源，用于产生离子束；以及
静电过滤器模块，被设置成接收所述离子束，且包括：
主腔室，所述主腔室包括多个电极；
入口隧道，所述入口隧道具有沿第一方向延伸至所述主腔室中的入口轴线；以及
出口隧道，连接至所述主腔室且界定出口轴线，其中所述入口轴线及所述出口轴线界定束弯曲，所述束弯曲在所述入口轴线与所述出口轴线之间为至少30度，
其中所述多个电极界定束路径，且其中所述多个电极以不对称方式布置在所述束路径的第一侧及第二侧上。
8.根据权利要求7所述的离子植入机，其中所述束路径的所述第一侧上设置有第一电极且其中所述束路径的所述第二侧上设置有至少三个电极。
9.根据权利要求8所述的离子植入机，其中所述束路径的所述第一侧上设置有仅一个电极。
10.根据权利要求7所述的离子植入机，其中所述入口隧道沿所述主腔室的第一侧设置，且其中所述出口隧道沿所述主腔室的与所述主腔室的所述第一侧相邻的第二侧设置。
11.根据权利要求7所述的离子植入机，还包括等离子体泛射式电子枪，所述等离子体泛射式电子枪包括所述出口隧道，其中所述多个电极自所述等离子体泛射式电子枪的外部不可见。
12.根据权利要求7所述的离子植入机，其中所述束弯曲在40度至90度之间。
13.一种静电过滤器模块，包括：
主腔室，所述主腔室包括以不对称配置布置的多个电极；
入口隧道，所述入口隧道具有沿第一方向延伸至所述主腔室中的入口轴线；以及
等离子体泛射式电子枪，所述等离子体泛射式电子枪界定出口隧道，所述出口隧道连接至所述主腔室且界定出口轴线，其中所述入口轴线及所述出口轴线界定在所述入口轴线与所述出口轴线之间为至少30度的束弯曲，
其中所述多个电极界定束路径，且其中所述多个电极以不对称方式布置在所述束路径的第一侧及第二侧上。
14.根据权利要求13所述的静电过滤器模块，其中所述入口隧道沿所述主腔室的第一侧设置，且其中所述出口隧道沿所述主腔室的与所述主腔室的所述第一侧相邻的第二侧设置。
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