CN1158494A - 从离子注入器的内部区域中俘获和清除不纯粒子的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

俘获和清除在抽真空的离子注入器内部运动的不纯粒子的方法包括步骤：提供具有不纯粒子容易粘附的表面的粒子收集器；把粒子收集器固定到注入器，使粒子粘附表面处在与在内部区域运动的不纯粒子的流体交流中；在预定时间周期以后，把粒子收集器从注入器中取出。在与粒子收集器结合的离子注入器中，收集器包括不纯粒子容易粘附的表面和固定件，后者把粒子收集器可拆卸地固定到注入器，使粒子粘附表面处在与注入器的抽真空的内部的流体交流中。

Description

从离子注入器的内部区域中俘获和 清除不纯粒子的方法和装置
本发明涉及俘获和清除在离子注入器的内部区域中运动的不纯粒子的方法和装置，更具体地说，涉及通过保证具有不纯粒子粘附表面的粒子收集器处在与注入器的内部区域的流体交流中来俘获不纯粒子。
离子注入器用于用杂质注入或“掺杂”硅晶片，以产生n型或p型非本征材料。n型和p型非本征材料用于生产半导体集成电路。正如其名称的含义，离子注入器用经选择的离子种类掺杂到硅晶片中，以生产所希望的非本征材料。由源材料如锑、砷或磷产生的注入离子产生n型非本征材料晶片。如果希望得到P型非本征材料晶片，则应该注入用源材料如硼、镓、铟生成的离子。
离子注入器包括从可电离的源材料中产生正电荷离子的离子源。生成的离子形成离子束，沿预定的束路径加速进入到注入站。离子注入器包括在离子源和注入站之间延伸的束生成和成形结构。束生成和成形结构维持离子束并限定一个延伸的内部腔体或区域，束在到达注入站的途中穿过该区域。当注入器工作时，内部区域必须抽真空，以减小由于与空气分子碰撞而使离子偏离预定的束路径的可能性。
对于高电流离子注入器而言，注入站的晶片安放在旋转支架面上。当支架旋转时，晶片穿过离子束。沿束路程行进的离子与旋转的晶片相碰撞并注入到旋转的晶片中。自动装置臂从晶片盒中取出待处理的晶片，并把晶片定位在晶片支持架面上。经处理后，自动装置臂把晶片从晶片支持面上移开，并把处理后的晶片再存放到晶片盒内。
离子注入器的工作会引起生成某种不纯粒子。一种不纯粒子是在离子源中产生的不希望的离子种类。对于指定的某种注入工艺而言，不纯粒子起因于存在来自先前的、注入不同离子的注入工艺的残留离子。例如，在对一定数量的晶片注入硼离子以后，可能希望改变注入器，注入砷离子。很可能某些残留的硼原子保留在注入器的内部区域中。
另一种不纯粒子源是光敏抗蚀材料。光敏抗蚀材料在注入之前已涂复在晶片上，并且要求这种光敏抗蚀材料划定成品的集成电路上的电路系统的界限。当离子打到晶片表面上时，光敏抗蚀剂涂层的粒子被从晶片撞出。
在离子处理过程中，不纯粒子与晶片相碰撞并粘附在晶片上是制造半导体和其他器件中产量降低的主要原因，该半导体和其他器件要求在待处理的晶片上确定亚微观图案。
另外，在制造集成电路中为了再生不合预定目的要求的已注入或已处理过的晶片，粘附在离子注入器内表面的不纯粒子降低了离子注入元件的效率。例如，在离子束中和装置的性能将显著地受到在装置的铝延伸管上积聚的光敏抗蚀剂粒子的影响。
注入器内部的真空环境使浮获和清除不纯粒子成为疑难的问题。在真空条件下，亚微观粒子的运动极难于控制，粒子的运动很大程度上受电场力的控制。随着粒子尺寸的减小，重力影响变的不重要。
已经发现，在抽真空的注入室内运动的粒子在落到或粘附在工件表面或注入室的内表面前会反跳多次或回弹多次。经验指出，这种运动粒子在落下以前要反射10到25次。
本质上，粒子收集器包括粒子粘附表面。与表面碰撞的粒子结果是被吸附在表面上，并且当收集器移开时粒子也被清除。然而，因为粒子收集器应用与离子注入器有关，所以，粒子收集器必须与真空环境相一致。普通的粒子收集器的表面，如粘附的、多孔材料、涂有油的材料等等，真空环境下会放出气体，这就使这些材料不适用于离子注入器。
不纯粒子的粒子收集器所需要的是，既要适合于真空环境条件中使用，又要显示出高的粒子粘附品质。
本发明提供一种俘获和清除不纯粒子的方法和装置。该不纯粒子通过离子注入室运动并落在离子注入室的内表面上。一个或多个粒子收集器有装配在离子注入器的内部区域的粒子粘附表面。经多次反射离开内壁的不纯粒子具有很高的被粒子收集器的一个或多个粒子粘附表面俘获的可能性。
具体地说，本发明俘获和清除在离子束注入器的内部区域内运动的不纯粒子的方法包括以下步骤：提供具有不纯粒子容易粘附其表面的粒子收集器；把粒子收集器这样固定到注入器，以致收集器的粒子粘附表面处于和注入器内部区域进行流体交流的状态下；在预定的时间周期以后，从注入器移走粒子收集器。
还公开一种与俘获和清除不纯粒子的粒子收集器结合的离子注入器，该不纯粒子在离子束通过的抽真空的注入器的内部中运动。粒子收集器包含不纯粒子容易粘附其上的表面以及用来把粒子收集器这样安装在注入器上的安装装置，以致粒子粘附表面是在注入器内由趋向于产生不纯粒子的各区域看来的净区域内。
把一个或多个粒子收集器设置在不同位置，包括分析室内和作业室内是有益的。注入器包含离子束分析室，它限定离子束通过的内部区域的一部分。分析室内部区域被抽真空。粒子收集器可以这样定位，以致粒子粘附表面处在和由分析室限定的内部区域的一部分进行流体交流的状态下。
注入器还包含晶片注入作业室，它限定内部区域的一部分。粒子收集器可以这样定位，以致粒子粘附表面处在和由作业室限定的内部区域的部分在一起。
粘子粘附表面可以额外地吸引不纯粒子。例如，永久极化的电介质纤维能够用于用静电吸引方式吸引粒子和把粒子固定在粒子收集器上。换一种方式，粒子粘附表面可以用硫化合成橡胶部分地涂复，该硫化合成橡胶通过表面张力把粒子固定在粒子收集器上。硅合成橡胶是一种最佳的合成橡胶。
从结合附图对本发明的最佳实施例进行的详细说明将很容易理解本发明的这些和另一些目的、优点和特征。
图1是部分剖面的顶视图、表示一个离子注入器，它包括离子源、束生成和成形结构和注入室；
图2是图1的离子注入器的电子指示器部分的放大的平面视图；
图3是离子束注入器部分的结构描述，表示注入器的一部分特别适合于安装一个或多个粒子收集器以俘获不纯粒子；和
图4是构成粒子收集器的离子中和管的透视图。
现在回到附图，图1描述一种总的用10表示的离子注入器，该注子器发射离子以形成离子束14的离子源12，和注入站16。设置控制电子电路11，用于监视和控制在注入室16处的作业室17内的晶片接收到的离子剂量。离子束14通过在离子源12和注入站16之间的距离。
离子源12包括等离子体室18，限定了源材料注入其中的内部区域。所述源材料可以包括可电离的气体或蒸发的源材料。把固体形式的源材料淀积到一对蒸发器19上。然后，把蒸发的源材料注入到等离子体室。
把能量加到源材料上以在等离子体室18内产生正电荷离子。正电荷离子通过盖在等离子体室18的开口侧的盖板20上的椭圆弧形槽孔离开等离子体室内部。
1994年9月26日申请的，转让给本申请的受让人的、系列号为08/312142的美国专利申请公开了一种利用微波能量电离源材料的离子源。这里把系列号No.08/312142的美国专利申请全部引入作为参考。离子束14穿过从离子源12到注入站17的抽真空的通道，该注入站17也是抽真空的。真空泵21的速通道的抽真空提供条件。
等离子体18内的离子通过等离子体室盖板20上的弧形槽孔出来并且由等离子体盖板20附近的一组电极24向质量分析磁铁22加速。形成离子束14的离子从离子源12向由质量分析磁铁22建立的磁场运动。该质量分析磁铁是离子束生成和成形结构13的一部分，并安装在磁铁外壳32内。所述磁场的强度由控制电子电路11控制。通过调节流过磁铁的磁场线圈绕组的电流来控制磁铁的磁场。质量分析磁铁22使随离子束14行进的离子以曲线轨迹运动。只有具有合适原子量的那些离子能到达离子注入站16。
沿着从质量分析磁铁22到注入站16的离子束运行通道，由于从质量分析磁铁外壳32的高电压到接地的注入室的电位差，离子束14进一步被成形，测定和加速。
离子束生成和成形结构13还包括四极组件40，可移动的法拉弟罩42和离子中和器44。四极组件40包括围绕离子束14排列取向的一组磁铁46，该组磁铁由控制电子电路(未表示出)选择性地通电，以调节离子束14的高度。四极组件40被固定在外壳50内。
连接到四级组件40的一端、面对法拉弟罩42是离子束分析板52。分析板52是由玻璃状的石墨构成，拼表示在图3中。分析板52包含细长孔56，离子束中的离子离开四极组件40时通过该孔。分析板52还包含四个具有扩孔的孔58。若干螺钉(未示出)把分析板52紧固到四极组件40上。在分析板52位置，正如包络D’、D”的宽度所定义的，离子束发散处于其最小值，这就是说，D’，D”的宽度为最小值，离子束14在该位置通过分析板孔56。
分析板52与质量分析磁铁22结合起从离子束14中消除不希望有的离子种类的作用。四极组件40由支持托架60和支持板62所支持。支持托架60连接到分析室50的内表面，而支持板62通过多个螺钉连接到分析室50的一端(在图2可看到把支持板62固定到外壳50上的二个螺钉63)。连接到支持板62的是四极组件屏蔽板64(示于图4中)。四极组件屏蔽板64由玻璃状的石墨构成，并包含矩形孔66和四个具有扩孔的孔68。具有扩孔的孔68接纳把四极组件屏蔽板64固定到支持板62上的螺钉(在图2中可以看到二个穿过二个具有扩孔的孔68而延伸、并进入支持板62的螺钉70)。四极组件屏蔽板64保护四极组件40不受具有原子质量“靠近”希望的离子种类的原子质量的不希望有的离子的撞击。当注入器10工作时，不希望有的离子撞击四极组件屏蔽板64构造板的面向上游的表面。
如在图1中能够看到的，法拉弟罩42位于四极组件40和离子中和装置44之间。法拉弟罩42可以相对于室50移动，使得它能滑到截获离子束14的位置、测量离子束的特性，并且当测量满意时，被移出束线，以便不干扰注入室17中的晶片注入。
束生成结构13还包括离子中和装置44，通常称作为电子指示器。1992年11月1 7日授于Benveniste的美国专利No.5164599，公开了离子注入器中的电子指示器装置并且这里全部引入以供参考。从等离子体室18出来的离子是带正电的。如果离子中的正电荷不在晶片表面上中和，掺杂的晶片将显示净正电荷。正如’599专利中的描述，晶片上的这种净正电荷具有不希望有的特性。
表示在图2中的离子束中的装置44包含偏孔70，靶72和延伸管74。每一个偏孔70，靶72和延伸管74是空心的并且当装配时，限定一个端部开口的圆筒形的内部区域，离子束14通过该区域并由二次电子发射所中和。中和装置44用安装凸缘76相对于室50而定位，该安装凸缘76用螺栓固定在分析室上。
从安装凸缘76延伸的是支持部件78和偏孔70。所述靶被固定到支持件78上。延伸管74连接到靶72但与靶72电绝缘。延伸管74借助于与接地端于G相连而接地。给偏孔70加负电压V。支持部件78限定一个冷却流体循环的内部通道(未示出)。
支持部件78还支持电连接到一组灯丝(未示出)的灯丝馈电线80。灯丝伸入靶72，当通以电流时，发射高能量电子，该高能量电子被加速而进入靶72的内部区域。高能量电子撞击靶72的内壁。高能量电子与靶内壁的撞击将会引起低能量电子发射，或者称为二次电子发射。
束中和器的最佳延伸管74由不纯粒子俘获材料构成，因而形成粒子收集器。更具体地说，管74由铝泡沫材料机械加工的圆筒构成。把实心的圆筒样压坯料从铸模中取出并进行机械加工，限定一个其直径适合于通过延伸管74的离子束的尺寸的直通管P。
偏离的不纯粒子能够被裹在离子束14内并随离子束进入束中和器44。使用管74会收集在束内的任何这种不纯粒子，该不纯粒子有沿束边界的行进路径。他们能与管74相碰撞，并且，不仅从束中被清除掉因而不再撞击注入室内的靶，而且它们并不跳出管74的表面而是变成所述管的成分。
管74由铝泡沫材料构成并具有高的表面面积。直通管P界限内的内表面会减小偏离的不纯粒子弹出直通管的壁的可能性。该管的内表面具有许多凹凸不平、槽、凹陷处和裂缝。这种铝材料形成由不规则编排的孔隙填充的连接起来的段构成的格状结构，偏离的不纯粒子能进入所述孔隙并被收集。
最佳的铝泡沫材料由energy Research and Generation，Inc.ofOakland，Calikomia命名为Duocel(注册商标)出售。这种材料在先有技术中已用作结构材料，那里要求高的机械强度，但又需要轻重量的结构材料。
注入站16包含抽真空的注入室17(图1和3)。圆盘形晶片支架可旋转地支撑在注入室17内(未示出)。待处理的晶片定位在晶片支架的圆周边附近，该支架由马达带动以1200周/分的速度旋转。当晶片沿着圆形的路径转动时，离子束14撞击晶片并处理晶片。
注入站16相对于外壳50是能绕枢轴回转运动的，并由柔性的波纹管92连接到外壳50。注入站16回转运动的能力允许调节离子束14在晶片注入面上的入射角。
图3示意地指示离子注入器10的元件，能够很方便地把由泡沫铝构成的材料安装到该离子注入器。这些不同的粒子收集器能够补充或者能够用来代替图4所示的管74。具有表面S1-S6的这种附加的收集器不是由现有的束中和装置支持，而是由一般的平面铝泡沫板构成，该铝泡沫板的厚度为0.25英寸，其外形尺寸根据它们在注入器内的预定的位置而变化。
折衷方案包含选择在粒子收集器中使用的材料密度。更确切地说，已经分析铝泡沫的孔密度以决定最佳材料特性。可以利用孔密度从大约每英寸10个到每英寸40个孔变化的各种各样的铝泡沫材料(注意，用每英寸的孔数目的单位来描述泡沫孔隙度源于Energy Researchand Generation，Inc.)。在选择正确的材料时考虑二个主要问题。
第一个问题是粒子收集器效率。铝泡沫的合适厚度在一定程度上受机械固定的控制，例如，受支持晶片的旋转圆盘和作业室壁之间的所需要的间距的控制。一旦指定最佳厚度0.25英寸后，就必须选择泡沫的孔隙度。
孔隙度必须这样来选择，使得粒子从泡沫材料弹出的可能性可以忽略不计。该泡沫材料必须有足够多的孔，以便能够使用泡沫材料的大部分内表面面积，保证粒子收集效率尽可能高。大多孔的泡沫铝将不能工作，因为粒子将简单地穿过它，弹出离子注入器的壁，并再次穿过泡沫。具有太小孔隙度的泡沫铝将从其前面反射许多粒子。
第二个问题是受控于机械强度和加工所述泡沫材料的简易性。比较粗糙的泡沫材料(每英寸10个孔)通常较难加工，特别在用于离子注入器的粒子收集器的几何形状的情况下更难加工。
这二个问题使得对于0.25英寸厚度的泡沫铝，选择大约每英寸20个孔的的孔密度。这归结为泡沫材料的密度为整体铝重量的6～8％。板和管74二者的另一标准是，必须能够定期地替换，以至当不纯粒子积累时，它们能够从离子注入器中移走。管74用连接器C固定到束中和器44上，该连接器C穿过与靶72构成整体的四个等间隔的安装片。
可以看到，图3的作业室17包含用来控制气压的二个排气口V3，V4，并且，这两口排气口用来当对注入器进行维修时降低作业室17的气压。通过装入闭锁装置110把晶片插入注入室17，并安放到旋转的支持架上，该支持架带着晶片穿过离子束。晶片上的光刻胶会从晶片上射出，并能够聚集在安装在作业室内的收集器板的内表面S1，S2，S3，S4上。
在作业室内安装薄板或者在分析室112内沿表面S5，S6安装薄板是用特殊的粘接方法实现的。按照本发明，把室温凝固的硫化的硅粘接剂(RTV)涂覆在离子注入器的内表面，并且把铝泡沫薄板贴在该处理后的表面上。已经发现，这种工艺适合于固定注入器内的薄板，而不会在作业室17或者分析室112内产生进一步的污染。
虽然已经相当详细地描述了本发明，但是，显然，本专业的普通技术人员可以在不脱离如所附权利要求书中所述的本发明的精神和范围的情况下，对所描述的本发明的实施例进行某些添加、修改或删除。

Claims (22)

1.俘获和清除在抽真空的离子注入器(10)的内部区域运动的不纯粒子的方法，其中，带电离子经过抽真空的内部区域中的离子行进路径14，以便处理工件，其特征在于该方法包括以下步骤：
a)提供一种具有粒子粘附表面的粒子收集器(74)，不纯粒子粘附到该粘附表面上，
b)把粒子收集器这样固定到注入器，使得收集器(74)的粒子粘附表面被置于抽真空的内部区域中离子行进路径(14)附近的位置上，
c)按周期性的时间间隔把粒子收集器从离子束注入器(10)中取出，以便从注入器的抽真空的内部区域清除粘附在收集器上的粒子。
2.如权利要求1中所述的俘获和清除不纯粒子的方法，其特征在于：粒子收集器安装到以内部区域为界的注入器的表面(S1-S6)。
3.如权利要求1中所述的俘获和清除不纯粒子的方法，其特征在于：收集器的粒子粘附表面以额外的方式吸附不纯粒子。
4.如权利要求3中所述的俘获和清除不纯粒子的方法，其特征在于：粒子粘附和吸附表面包括永久极化的电介质纤维，该电介质纤维用静电吸引的方法将不纯粒子吸引和固定在粒子收集器上。
5.如权利要求1所述的俘获和清除不纯粒子的方法，其特征在于：所述固定步骤包括以下步骤：用部分硫化的合成橡胶涂复吸附表面(S5，S6)，该合成橡胶把粒子收集器固定到离子注入器的内壁。
6.如权利要求5中所述的俘获和清除不纯粒子的方法，其特征在于：涂覆部分硫化的合成橡胶的步骤包括部分地固化硅合成橡胶的步骤。
7.如权利要求1中所述的俘获和清除不纯粒子的方法，其特征在于：所述粒子收集器的粒子粘附表面被配置在注入器(10)的容纳一个或多个工件的作业室(17)内。
8.如权利要求7中所述的俘获和清除不纯粒子的方法，其特征在于：把粒子收集器固定到面对工件处理面的作业室(17)的内表面。
9.如权利要求1所述的俘获和清除不纯粒子的方法，其特征在于：所述粒子收集器的粒子粘附表面处在所述注入器的分析室(112)视界的净区域内。
10.如权利要求9中所述的俘获和清除不纯粒子的方法，其特征在于：所述粒子收集器被固定在分析室(112)的内表面(S5，S6)上。
11.在离子注入器(10)与用来俘获和清除在离子向工件运动过程中经过的该注入器的抽真空的内部区域中运动的不纯粒子的装置的组合中，其特征在于这种组合包括：
a)收集器(74)，它具有粒子收集表面，穿过注入器的抽真空的离子内部区域运动的不纯粒子容易粘附到该收集器表面，
b)用来把收集器(74)可卸拆地安装在离子注入器(10)的抽真空的内部区域内的支撑架(76，78，S1～S6)，用来把收集器的粒子收集表面放在适当的位置，以便截获通过抽真空的注入器内部区域运动的不纯粒子。
12.如权利要求11中所述的离子注入器装置，其特征在于还包含工件支持室(17)，以及收集器的暴露的粒子收集表面通常是平面，并且收集器安装工件支持室(17)的内表面S1-S4。
13.如权利要求11中所述的离子注入器装置，其特征在于：
还包含限定注入器的抽真空的内部区域的一部分的小室，以及
注入器包括发射离子的源(12)和用来产生对一个或几个工件进行束处理的离子束生成结构(24，22，40)，
收集器(74)具有环形形状，并且所述支架包括用来把收集器圆筒形的内表面支撑在这样的位置、使得离子束在向工件运动的路径中穿过收集器的装置。
14.如权利要求13中所述的离子注入器，其特征在于还包含离子注入室，该注入室包括工件支持架，后者用来移动一个或多个工件通过离子束，以及把一个或多个附加的收集器安装在离子注入室的内表面上。
15.如权利要求11中所述的与粒子收集器相结合的离子注入器，其特征在于：粒子收集器的粒子粘附表面以额外的方式吸附不纯粒子。
16.如权利要求15中所述的离子注入器和收集器，其特征在于：粒子吸附和粘附表面还包括通过静电吸附把不纯粒子吸附和固定在粒子收集器表面的永久极化的电介质纤维。
17.如权利要求11中所述的与粒子收集器相结合的离子注入器，其特征在于：粒子收集器的粒子粘附表面包括部分硫化合成橡胶的涂层，该涂层通过表面张力把不纯粒子固定在粒子收集器表面。
18.如权利要求17中所述的与粒子收集器相结合的离子注入器，其特征在于：部分硫化合成橡胶的涂层包括硅合成橡胶。
19.如权利要求11中所述的离子注入器，其特征在于：粒子收集器是具有受控制的厚度的金属泡沫材料。
20.如权利要求19中所述的离子注入器，其特征在于：所述金属泡沫材料是由铝构成的。
21.如权利要求20中所述的离子注入器，其特征在于：金属泡沫具有根据组成泡沫材料的孔密度控制的密度。
22.如权利要求19中所述的离子注入器，其特征在于：在所述材料的平板的厚度为大约0.25英寸的情况下，把所述泡沫材料的密度控制在实体金属的6-8％。
CN96116703A 1995-12-18 1996-12-18 从离子注入器的内部区域中俘获和清除不纯粒子的方法和装置 Pending CN1158494A (zh)

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