CN113228225A - 低发射覆层以及离子植入器 - Google Patents
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Abstract
公开一种离子植入器。所述离子植入器可包括束线，所述束线限定围绕空腔的内壁，所述空腔被布置成传导离子束。所述离子植入器也可包括低发射嵌件，所述低发射嵌件设置在所述内壁上并且还包括12C层，所述12C层具有面向所述空腔的外表面。
Description
相关申请
本申请是部分接续申请，并主张在2019年1月18日提出申请且标题为“低发射覆层及离子植入器(LOW EMISSION CLADDING AND ION IMPLANTER)”的美国非临时专利申请第16/251,814号的优先权，所述美国非临时专利申请全文并入本文供参考。
技术领域
本公开大体来说涉及离子植入设备，且更具体来说，涉及高能束线离子植入器。
背景技术
离子植入是通过轰击将掺杂剂或杂质引入衬底的工艺。离子植入系统可包括离子源及一系列束线部件。离子源可包括产生离子的室。离子源还可包括电源及靠近室设置的提取电极组件。束线部件可包括例如质量分析器、第一加速或减速级(acceleration ordeceleration stage)、准直器(collimator)及第二加速或减速级。与一系列用于操纵光束的光学透镜非常类似，束线部件可对具有特定种类、形状、能量及/或其他特性的离子或离子束进行过滤、聚焦及操纵。离子束穿过束线部件，并且可被朝安装在压板(platen)或夹具(clamp)上的衬底引导。
能够产生大约1MeV或大于1MeV离子能量的植入设备常常被称为高能离子植入器或高能离子植入系统。一种类型的高能离子植入器采用所谓的串联加速架构，其中离子通过第一列被加速到高能量，经历电荷交换以改变极性，且然后被加速到第二能量，所述第二能量在第二列中大约是第一能量的两倍。另一种类型的高能离子植入器被称为线性加速器(linear accelerator)或LINAC，其中排列成管的一系列电极将离子束沿着所述一系列管传导并加速到越来越高的能量，其中电极接收射频下的射频(RF)电压信号。
当高能离子撞击束线内的表面时，可能发生材料从表面的溅射，以及包括伽马射线、x射线及中子等在内的高能物种的发射。为了防止从束线溅射材料(所述材料可能作为污染物结合到要植入的衬底中)，束线可衬有例如石墨等材料，所述材料的溅射产物包括碳或挥发性碳气体。为了防止来自束线的过量辐射发射，可在植入器中使用覆层(例如，铅覆层)来吸收X射线及伽马射线。应注意，当离子能量超过1MeV、且尤其是超过3MeV时，在此种离子撞击石墨覆层或衬层时，中子的发射可急剧增加。出现此种情况是因为离子能量超过1MeV左右的离子可能导致从碳13同位素(13C)放射性发射中子，碳13同位素在碳材料中以超过1％的浓度天然存在。为了吸收在此种放射性工艺中发射的中子，可能必需具有非常厚的覆层(例如，铅)。因此，建造用于在3MeV或大于3MeV范围内操作的商业离子植入器的成本可能过高而负担不起(取决于离子种类、束流、能量及允许的中子辐射水平)。
发明内容
在一个实施例中，一种离子植入器可包括：束线，所述束线限定围绕空腔的内壁，所述空腔被布置成传导离子束；以及低发射嵌件，设置在所述内壁上，并且还包括12C层，所述12C层具有面向所述空腔的外表面。
在又一实施例中，一种在离子植入器中处理离子束的方法可包括从所述离子植入器中的离子源提取所述离子束。所述方法还可包括：沿着所述离子植入器的束线将所述离子束加速至高离子能量，在所述束线的下游部分，所述高离子能量包括至少3MeV的能量。所述方法还可包括：在所述下游部分的至少一个区域中使用位于所述束线的空腔的内壁上的低发射嵌件拦截所述离子束，其中所述低发射嵌件包括12C层，所述12C层具有面向所述空腔的外表面。
在额外的实施例中，一种用于离子植入器的低发射嵌件可包括：碳层，所述碳层包括同位素混合碳材料，具有1mm至5mm的第一厚度；以及12C层，设置在所述碳层上，所述12C层具有10μm至5mm的第二厚度。
附图说明
图1示出根据本公开的实施例展示离子植入器的示例性实施例。
图2示出根据本公开的又一些实施例展示另一离子植入器的示例性实施例。
图3及图4呈现低发射嵌件的不同实施例。
图5示出根据本公开的一些实施例的示例性工艺流程。
所述附图未必按比例绘制。所述附图仅为示意图，并非旨在描绘本公开内容的具体参数。所述附图旨在示出本公开内容的示例性实施例，且因此不应被视为对范围进行限制。在所述附图中，相同的编号表示相同的元件。
具体实施方式
在下文中，现将参照附图来更充分地阐述根据本公开的设备、系统及方法，所述附图示出所述系统及方法的实施例。所述系统及方法可实施为许多不同的形式且不应被视为仅限于本文所述实施例。确切来说，提供这些实施例是为了使本公开将透彻及完整，并将向所属领域中的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，在本文中将使用例如“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)”等用语来阐述图中所示的这些部件及其构成零件相对于半导体制造装置的部件的几何形状及取向而言的相对放置及取向。所述用语将包括具体提及的词、其派生词及具有相似意义的词。
本文中所用的以单数形式描述且前面带有词“一(a或an)”的元件或操作被理解为也潜在地包括多个元件或多个操作。另外，在提及本公开的“一个实施例”时并非旨在被解释为排除也包括所述特征的其他实施例的存在。
本文中提供了基于束线架构改善高能离子植入系统的方法。为简洁起见，离子植入系统在本文中也可被称为“离子植入器”。各种实施例提供用于提供产生高能离子的能力的新型配置，其中传送到衬底的最终离子能量可为1MeV或大于1MeV。本公开实施例的一个方面是两种不同加速子系统的新型组合，从而提供优于已知束线架构的各种优点。在示例性实施例中，DC加速器列(DC accelerator column)与新型线性加速器串联设置，以在紧凑的束线架构中产生高能离子束。
图1示出根据本公开实施例布置的离子植入系统100。离子植入系统100可包括离子源104、以及能够产生离子束190的提取组件108。离子植入系统100还可包括已知的部件，所述已知的部件包括质量分析器120，用于通过偏转及过滤离子束190来提供经质量分析的束。如图1所示，离子植入系统可包括静电透镜130及串联加速器140。串联加速器140可为已知的串联加速器，所述已知的串联加速器被布置成接收离子束190并输出加速离子束192，例如质子束、磷束、硼束或其他加速离子束。这样一来，离子束190的能量可如在已知的串联加速器中一样被增加。离子植入系统还可包括扫描仪145、准直器150(所述部件可包括校正器磁体)、终端站170及衬底压板180。
因此，离子植入系统100可将离子束加速到超过1MeV、例如至少3MeV、至少5MeV、至少7MeV的能量。已知除了将离子束190与周围环境隔离的壳体之外，离子植入系统100的从离子源104到衬底压板180的各种部件可被视为构成束线。束线可被视为构成上游部分196以及下游部分194，其中至少在一些操作条件下，在离子植入系统100的操作期间上游部分中的离子束190的能量可小于1MeV，而下游部分中的能量可大于1MeV。换句话说，上游部分196中的部件可在大多数或所有操作条件下共同将离子束190加速到小于1MeV的能量，而上游部分196中的部件连同下游部分中的部件可至少在某些操作条件下能够将加速离子束192加速到大于1MeV的能量。如在所属领域中已知，上游部分196及下游部分194可界定将离子束190及加速离子束192传导到衬底压板180的一个或一系列空腔。所述一个或一系列空腔可被一系列壁包围，所述一系列壁在本文中被统称为束线的内壁。随着离子束190被沿着束线传导，离子束190的能量可至少通过串联加速器140继续增加。因此，当撞击下游部分194中的束线的内壁的表面时离开串联加速器140的加速离子束192可产生比离子束190撞击上游部分196处的束线的内壁时更高的能量种类。
如在所属领域中已知，束线的上游部分196可包括位于束线的内壁上的衬层(未单独示出)，例如碳、石墨、碳化硅或类似材料。当离子束190的一些部分撞击内壁时，所述衬层可用于吸收给定能量的离子。当离子撞击衬层的材料、从而产生例如挥发性碳物种或挥发性硅物种等溅射产物时，衬层可能被腐蚀。此类物种即使在被朝向束线的下游部分传导时也可能相对无害，并且往往不会到达衬底压板180。应注意，在离子束190与上游部分196的内壁发生束撞击期间产生的例如X射线或伽马射线等任何能量辐射可通过沿着束线提供的进一步屏蔽(例如，铅屏蔽)而被吸收。应注意，在上游部分196中，用于嵌件或衬层的含碳材料(例如，碳、热解石墨、碳化硅)可由具有1％或大于1％的13C的同位素不纯的碳形成。此种类型的碳嵌件被视为是高发射嵌件，因为与中子发射可能为零的纯12C碳嵌件相比，如果此种碳嵌件受到高能离子的冲击，那么中子发射将相对较高。然而，因为实际上上游部分196中的离子能量可保持在相对较低的能量(例如，低于1MeV)，所以当高发射嵌件发生离子撞击时，中子发射可能仍然非常低(如果存在的话)。因此，与在整个束线中采用低发射嵌件相比，在上游部分196中不需要使用低发射嵌件，从而潜在地限制了嵌件成本。
根据本公开的实施例，束线的下游部分194可包括设置在内壁上的低发射嵌件200。低发射嵌件200可由特殊材料及层压或分层结构形成，如以下详细所述。简而言之，低发射嵌件200可由含碳材料形成，并且可适于减少或消除中子的发射，否则当高能离子撞击碳时会产生中子。低发射嵌件200至少在被加速离子束192冲击的部分中提供不含13C的材料。因此，低发射嵌件200可替代在已知离子植入器中使用的已知碳、石墨或碳化硅衬层。因为低发射嵌件200可防止中子的发射，因此在各种非限制性实施例中，离子植入系统100可以安全的方式在相对高的能量下操作，其中加速离子束192可达到1MeV到8MeV范围内的离子能量。
在各种实施例中，低发射嵌件200可由无定形碳、类金刚石碳、热解石墨、碳化硅(SiC)、无定形SiC或其他含碳材料或上述材料的组合形成。热解石墨及/或无定形碳化硅可尤其适合用作低发射嵌件200的材料，因为这些材料的同位素不纯变体(所述不纯变体包括13C)已经作为嵌件部署在离子植入器中。
现在参照图2，以方块形式示出了另一系统。系统110可代表束线离子植入器，为了清楚解释，一些元件未示出。系统110可包括与离子植入系统100的部件相似的部件，其中相似的部件被标记为相同。离子源104可包括提取部件及过滤器(图中未示出)，以在束线的上游部分128中产生第一能量的离子束106。第一离子能量的合适离子能量的实例介于5keV到100keV的范围，而实施例并不仅限于此上下文。为了形成高能离子束，系统110包括用于加速离子束106的各种额外部件。系统110可包括质量分析器120，质量分析器120用于通过改变离子束106的轨迹来如在已知设备中般分析离子束106，如图所示。系统110还可包括设置在离子源104的下游的线性加速器114(以虚线示出)，其中线性加速器114被布置成加速离子束106以形成高能离子束。在各种实施例中，系统110可包括额外的部件，例如过滤磁体116、扫描仪118、准直器150(所述部件可包括磁体)，其中扫描仪118及准直器150的一般功能是众所周知的，且在本文中将不再进行赘述。因此，由高能离子束115表示的高能离子束可被递送到终端站122用于处理衬底124。
如同离子植入系统100，系统110可产生超过1MeV的离子能量，例如在一些实施例中范围高达8MeV的能量。更具体来说，系统110可包括几个级(图中未示出)以递增加速离子束106直到达到最终能量，如在所属领域中已知。如同离子植入系统100，系统110还可包括低发射嵌件200，低发射嵌件200位于下游部分129中的束线的内壁的至少一部分上。因此，当系统110以相对高的能量操作时，低发射嵌件200可防止发射中子，其中高能离子束115可达到1MeV到8MeV范围内的离子能量。
转向图3，示出了低发射嵌件200的一个实施例的剖视图。在此实施方式中，低发射嵌件200邻近壁206设置，其中壁206的上表面可代表束线的内壁。在一些实施例中，低发射嵌件200可紧固到壁206。根据一些实施例，低发射嵌件200可可逆地紧固到壁206。根据一些实施例，低发射嵌件200可呈现壁206的形状，并且可布置为板。
如图3中进一步所示，低发射嵌件200可包括12C层202，在各种非限制性实施例中，12C层202具有介于1mm至5mm范围内的第一厚度。低发射嵌件200还可包括碳层204，碳层204设置在12C层202下方，朝向12C层202的外侧，并且与内壁(意指壁206的表面)接触。
依据要执行的植入类型以及其他因素，碳层204可具有大于12C层202的第一厚度的第二厚度。总的来说，在各种非限制性实施例中，低发射嵌件200的厚度可介于1mm左右至5mm左右的范围内。可根据包含低发射嵌件200的植入器的用途来调整12C层202的厚度。设定低发射嵌件200的12C层202的厚度的一个考虑是离子束210的离子穿透深度。具体来说，12C层202可被布置成具有足够的厚度，以防止离子束210的离子穿透到碳层204中。因此，对于在其中离子能量不超过5MeV的专用磷植入系统中的操作来说，12C层202的厚度可小于用于植入高达8MeV的氢的离子植入系统中的12C层202的厚度。
在各种非限制性实施例中，12C层202可以是同位素纯的(isotopically pure)，此意指12C层202不包含任何13C层或者包含少于百万分之一的13C。在一些实施例中，12C层可由纯碳形成，此意指不存在其他化学元素。因此，当离子束210撞击12C层202时，碳物种可溅射到束线212中，举例来说如果所述物种被氧化以形成挥发性碳产品，那么这些物种可从系统中排出。有利地，即使当离子束210的离子能量在5MeV到8MeV的范围内时，也不会产生中子，因为12C不会与此类高能量物种反应以产生中子。作为参考，当硼离子束的离子能量从大约5MeV增加到10MeV时，观察到从天然碳(含有大约1％的13C)样品的中子发射增加了大约四个数量级。因此，通过消除将13C暴露于离子束210，低发射嵌件200可允许高达能量(10MeV)的安全操作，在所述能量下已知的碳嵌件可发射危险水平的中子。
虽然图3的实施例示出了低发射嵌件200的双层构造，但在其他实施例中，低发射嵌件200可由单层形成。图4示出了其中低发射嵌件200由12C层202形成而没有碳层204的实施例。在此实施方式中，12C层202的厚度可被布置成防止在离子束210的最高操作能量下穿透壁206。
在各种其他实施例中，12C层202可以是碳化硅层(SiC)。因此，碳化硅可含有同位素纯的12C而没有13C。视情况而定，此种SiC层也可被布置成具有一定厚度以防止离子束210撞击碳层204(在图3的实施例中)或壁206(在图4的实施例中)。
根据本公开的各种实施例，12C层202可以是化学气相沉积层。在这些实施例中，12C层202可通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)沉积在给定的衬底(例如，碳层204)上。在一些实施例中，为了形成12C层202，可使用化学气相沉积工艺(化学气相沉积操作)来形成仅含有12C同位素且不含13C的热解石墨层。根据已知的配方，化学气相沉积可使用已知的化学气相沉积反应器(包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD))执行，其中12C层202可获得化学气相沉积工艺的微结构特征。在其中12C层202是纯碳层(与SiC层相反)的一个具体实施方式中，可从12CH4前驱气体沉积12C层202。应注意，含同位素纯的12C的前体(例如，甲烷或其他低分子量烃气体)易于从市场上买到，以用作形成12C层202的来源。在12C层202是SiC层的实施例中，12C层202可由SiH4及12CH4的组合形成。实施例并不仅限于此上下文。
在各种额外的实施例中，在不要求同位素纯的12C层具有1mm或大于1mm的厚度的同时，12C层202的厚度可被调整以减少从植入器中的覆层的中子发射。提供相对较薄的12C层的优点是制备较薄层的成本及时间相对较低。根据一些实施例，12C层202可形成为具有小于1mm的厚度，例如在各种非限制性实施例中，为500μm、200μm、100μm、50μm、20μm或10μm的厚度。在12C层202的厚度小于1mm的特定实施例中，12C层202可布置在碳层204的表面上，如图3所示。有利地，碳层204可布置成具有相对较大的厚度(例如，超过1mm)，以保护束线部件免受高能离子冲击，而12C层202提供直接暴露于离子束的非中子发射表面层。因此，与仅具有碳层204(包含13C)的已知覆层相比，可实现中子发射的大幅减少。
举例来说，对于能量为3MeV的质子(氢离子)来说，根据众所周知的方法计算的范围是74μm，而在5MeV时计算的范围是180μm，且在8MeV时是400μm。根据这些计算，设置在同位素不纯碳覆层上的100μm厚的12C层可吸收5MeV的质子的一部分，3MeV质子的更大的一部分，其中从覆层(即，从位于下方的不纯碳层)发射的中子剂量可减少一个数量级。
此外，对于硼离子来说，石墨在8MeV下的计算范围大约为7μm，在5MeV下为4.3μm，且在3MeV下为3μm。因此，设置在同位素不纯碳覆层上的10微米厚的12C层可吸收甚至在8MeV下的大部分硼离子，使得从覆层(即，从位于下方的不纯碳层)发射的中子剂量可减少多于一个数量级。
在低发射嵌件200将具有弯曲形状(所述弯曲形状适于适形于离子植入器的内表面或内壁)的实施例中，碳层204可被设置为弯曲衬底，而12C层202在化学气相沉积工艺中沉积在碳层204上，以在碳层上形成共形涂层。
虽然在一些实施例中碳层204可以是纯碳(或石墨)，但在其他实施例中，碳层204可以是SiC。
图5示出了根据本公开的一些实施例的示例性工艺流程500。在方块502处，从离子源产生离子束。离子源可位于离子植入器的束线中。在一些实施例中，可在5keV与100keV之间的第一能量下提取离子束。在方块504处，沿着束线将离子束加速到高能量。在各种实施例中，高能量可在高于1MeV、高于3MeV、高于5MeV、高达10MeV的范围内。作为实例，离子植入器可以是被布置成加速硼离子、氢离子或磷离子的串联加速器。实施例并不仅限于此上下文中。在额外的实施例中，离子植入器可以是能够将离子加速到1MeV到10MeV范围内的离子能量的线性加速器。因此，在通过串联加速器或线性加速器加速之后，离子束可以1MeV到10MeV范围内的高能量出现在束线的下游部分中。
在方块506处，通过设置在束线的下游部分的内壁上的低发射嵌件拦截已经获得高离子能量的离子束的离子。内壁上的低发射嵌件可位于各种区域中，包括位于例如准直器等部件内。在一些实施例中，低发射嵌件可布置有含碳材料，例如石墨、碳、碳化硅。因此，当离子被拦截时，低发射嵌件可向束线中发射例如碳、硅或碳及硅的挥发性产物等溅射颗粒，而没有其他物种。根据各种实施例，低发射嵌件可被布置成具有适当的厚度以即使在例如10MeV的最高能量下也容纳离子束。根据各种实施例，含碳材料可包含由纯12C制成而没有13C的同位素纯碳。因此，当高离子能量离子在低发射嵌件中被拦截时，不会从低发射嵌件发射中子，因为不存在13C，并且低发射嵌件的12C材料在与高能离子冲击时不能够产生中子。
鉴于上述情况，通过本文中公开的实施例至少实现了以下优点。第一个优点是，通过沿着束线的选定部分提供含同位素纯的12C的嵌件，能够在高于1MeV的能量范围内操作的高能植入器可被构造成不容易产生中子。第二个优点是，不需要厚的中子吸收层即可构造成高能植入器，否则需要厚的中子吸收层以确保在高于约1MeV的高能量下的安全操作，其中在所述高能量下从含碳衬垫产生中子变得显著。
尽管本文已阐述了本发明的某些实施例，但本发明并非仅限于此，这是因为本发明的范围具有所属领域所允许的及本说明书所表明的最广范围。因此，上述说明不应被视为限制性的。所属领域中的技术人员将想到在所附权利要求的范围及精神内的其他修改。
Claims (15)
1.一种离子植入器，包括：
束线，所述束线限定围绕空腔的内壁，所述空腔被布置成传导离子束；以及
低发射嵌件，设置在所述内壁上，并且还包括12C层，所述12C层具有面向所述空腔的外表面。
2.根据权利要求1所述的离子植入器，所述低发射嵌件还包括碳层，所述碳层设置在所述12C层下方并位于所述12C层的外侧，其中所述碳层被设置成与所述内壁接触。
3.根据权利要求1所述的离子植入器，所述12C层包含纯碳，所述纯碳具有类金刚石碳、无定形碳或热解石墨的形式。
4.根据权利要求1所述的离子植入器，所述12C层包含碳化硅。
5.根据权利要求1所述的离子植入器，所述12C层还包括化学气相沉积层，并且具有适于适形于所述离子植入器的内表面的形状。
6.根据权利要求1所述的离子植入器，包括线性加速器或串联加速器，其中所述离子植入器被布置成在所述离子束中产生离子能量，所述离子能量的范围高达至少1MeV。
7.根据权利要求6所述的离子植入器，其中所述离子植入器被布置成在所述束线的下游部分而不是在所述束线的上游部分产生至少1MeV的离子能量，其中所述低发射嵌件被设置在所述束线的所述下游部分中，并且其中高发射嵌件被设置在所述束线的所述上游部分中，所述高发射嵌件包含同位素混合碳材料。
8.根据权利要求1所述的离子植入器，所述12C层具有10μm至5mm的厚度。
9.根据权利要求8所述的离子植入器，所述12C层包括1mm或小于1mm的厚度，其中所述低发射嵌件还包括碳层，所述碳层设置在所述12C层下方并位于所述12C层的外侧，其中所述碳层具有1mm或大于1mm的厚度。
10.一种在离子植入器中处理离子束的方法，包括：
从所述离子植入器中的离子源提取所述离子束；
沿着所述离子植入器的束线将所述离子束加速至高离子能量，在所述束线的下游部分，所述高离子能量包括至少1MeV的能量；以及
在所述下游部分的至少一个区域中使用位于所述束线的空腔的内壁上的低发射嵌件拦截所述离子束，其中所述低发射嵌件包括12C层，所述12C层具有面向所述空腔的外表面。
11.根据权利要求10所述的在离子植入器中处理离子束的方法，所述低发射嵌件还包括碳层，所述碳层设置在所述12C层下方并位于所述12C层的外侧，其中所述碳层设置成与所述内壁接触。
12.根据权利要求10所述的在离子植入器中处理离子束的方法，所述12C层包含纯碳或碳化硅。
13.根据权利要求11所述的在离子植入器中处理离子束的方法，所述12C层具有10μm至5mm的厚度，其中所述碳层具有1mm或大于1mm的厚度。
14.一种低发射嵌件，用于离子植入器，包括：
碳层，所述碳层包含同位素混合碳材料，具有1mm至5mm的第一厚度；及
12C层，设置在所述碳层上，所述12C层具有10μm至5mm的第二厚度。
15.根据权利要求14所述的低发射嵌件，其中所述12C层包含纯碳或碳化硅。
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