TWI404108B - 離子植入器 - Google Patents

Description

離子植入器

本發明一般而言係有關半導體製程設備，特別係有關離子植入器與此等植入器所用之離子源。

離子植入器係已知用於處理諸如矽晶圓之工件。當以離子束衝擊此等矽晶圓時，該矽晶圓被選擇性地摻雜離子雜質，以自原本晶圓之矽材料產生一半導體材料。一般得知，可利用此等晶圓產生複雜之積體電路。透過光罩技術，選擇性地限制來自離子源之離子衝擊矽之暴露範圍，藉而產生小型之電路部件。

離子植入器一般係基於其用途而有不同種類。有一類植入器有一種功能，可提供多重晶圓，同時被移動通過一適當形狀之離子束。其他植入器一次僅處理一片晶圓。在此等所謂序列植入器中，該單一晶圓被裝設於一支撐物上，而該支撐物前後移動，通過來自一離子源之一薄帶狀束線。

兩種離子植入器皆包括一離子源，其典型地係將諸如以氣態或固態存在之硼的源材料游離化，且選擇性地將產生之各種類離子加速與過濾，以形成具受控制之濃度與能量之一束線帶或束線錐。典型之離子源對於一離子植入器係更換頻率很高之物品。該來源包括一弧光反應腔，在其內，源材料藉固定於該弧光反應腔內之燈絲而被游離化。在使用氣態源材料之反應腔中，該氣體必須從處於一大氣壓反應腔內之來源，被導引至處於次大氣壓之弧光反應腔中。在習用技術中，當該弧光反應腔要更換時，介於該氣態來源與該弧光反應腔間之氣壓密封會需被破除。

本發明所揭露的係關於一離子源，最佳係應用於半導體製程設備，該裝置具一工件支撐，設置於相關於該離子源及一用以自該來源傳送離子至該工件支撐之一傳輸系統的位置。

該離子源包括一弧光反應腔，以將導引至該弧光反應腔內之一源材料游離化；該弧光反應腔包括固定至該弧光反應腔之弧光反應腔本體；且包括一氣體入口，其係自一來源接受氣體；及一氣體出口，其係開至該弧光反應腔內。該離子源尚包括一弧光反應腔支撐，其係於該氣體入口之一區域與該弧光反應腔本體密封接合；且該弧光反應腔支撐包括一氣體供應管線，以將氣體自一氣體源導引至該氣體入口。

所揭露之離子源使該來源之更替更簡單，且因此避免離子植入器冗長之停機期間。此等與其他之優點、及所揭露實施例之特徵以下係與搭配之圖式說明。

第1圖係一典型離子植入系統10之示意圖，其係具備一端點12、一束線組件14、及一終端站16。該端點12包括一離子源18，其產生一離子束30並將之導引至該束線組件14。該離子源18係固定於一來源外殼22上。適當之源材料係氣體，由一氣體來源31透過一氣體供應管線26輸送。

該束線組件14包括一束線導管32及一質量分析器28，在該質量分析器28中，一磁場被建立，使得僅有適當電荷對質量比之離子可通過一分離孔洞34，到達位於該終端站16中之一工件40(例如一半導體晶圓、顯示面板等等)。該離子源18從該氣體來源31萃取，產生帶電離子，並形成該離子束30。此離子束30被導引，在該束線組件14中沿著一束線路徑到達該終端站16。該束線路徑典型地係被抽真空的，以減少離子透過與空氣分子碰撞而偏離該束線路徑之機率。

低能量植入器典型地係設計成提供數千電子伏特(keV)至約80-100 keV之離子束；而高能量植入器可在該質量分析器28與該終端站16之間採用線性加速器(linac)裝置(圖中未示)，以將經質量分析之離子束30加速至典型地為數百keV之較高能量，其中DC加速亦可行。高能量離子植入通常應用於對該工件40植入較深；相反地，高電流、低能量離子束30則典型地應用於高劑量、淺深度之離子植入。

在植入機中可找到不同形式之終端站16。「批次型」終端站可在一旋轉之支撐結構上同時處理多件工件40，其 中該工件40係在離子束的路徑上旋轉經過，直到所有之工件40皆被植入。另一方面，「序列型」終端站則可在束線路徑上植入單一工件40，藉此，多件工件40係以序列方式一次植入一件，每件工件40皆係植入完成之後，下一件工件40之植入才開始。

第1圖中所示作為範例之植入系統10包括一序列型之終端站16，其中該束線組件14包括一橫向掃描器36，接受具一相對窄的外形(例如一束線錐)之離子束30，且將該離子束30在X方向來回掃瞄，以將該離子束30延展成一瘦長之帶狀外形，其有效的X方向之寬度至少係與該工件40之寬度相同。然後，該帶狀離子束30通過一平行化器38，通常係其將該帶狀束線導引成與Z方向平行而至該工件40上(例如，該平行化之離子束30通常係與該工件之表面垂直)。該工件40機械式地轉移成另一垂直方向(例如，第1圖中穿入與穿出頁面之Y方向)，其中一機械制動裝置(圖中未示)在該橫向掃描器36做X方向掃瞄時，將該工件40轉移至Y方向，藉此該離子束30撞擊該工件40之整個暴露之表面。對於有角度之植入，該離子束30與該工件40之相對方向可對應地調整。

離子源

第2至16圖揭露該離子源18額外之細節。該離子源包括一弧光反應腔110，以將傳送至該弧光反應腔之源材料游離化。在該反應腔中，一電漿藉由一燈絲(圖中未示) 或其他能量來源而被產生。該反應腔110限制出一區域112，且定義出一出口孔洞114，使得此區域中之離子得以排出，而被沿著一行進路徑加速至該終端站。一弧光反應腔凸緣120係連接於該弧光反應腔，且包括一凸緣表面122，定義出一氣體入口124，可自一氣體來源31接受一游離化氣體。接於該凸緣120上之一管路126將氣體自入口導引至開至該弧光反應腔內部區域112之一氣體出口130。該弧光反應腔110與其所連接之該凸緣120被視為一單位，在週期性之期間內更換。

對於該弧光離子源18之一來源外殼22包括一來源凸緣142，其係具備一順應表面(conforming surface)144，將該反應腔凸緣之該凸緣表面122在該氣體入口124附近之一區域密封接合。該凸緣142包括一貫穿通道146，與氣體入口對齊。一氣體供應管線26將氣體自該氣體來源31通過該貫穿通道146而導引至該弧光反應腔之氣體入口內。

該來源凸緣142係藉由一瘦長管152支撐於該來源外殼22內，該管152係環繞離開該弧光反應腔之離子的移動路徑。該瘦長管152係連結於該來源外殼22之內壁。該弧光反應腔凸緣120與該來源凸緣142延伸環繞該弧光反應腔，此二凸緣沿一周圍之密封區域彼此接合，此區域有助於在離子植入器之該瘦長管152內部保持真空。該凸緣120與142之外面在離子植入器運作時保持一大氣壓。根據範例用之實施例，該周圍之密封區域係以位於該凸緣 120上溝槽內之一O型環密封墊162實施，此O型環密封墊162係以略微凸出於該凸緣表面122之方式延伸。該氣體入口124位置徑向上係較該O型環密封墊162為內，且係為一較小直徑之O型環密封墊163所環繞，此O型環密封墊163係位於一溝槽內，亦係以略微凸出於該凸緣表面122之方式延伸。

第13圖顯示該二凸緣與固定於支撐上之弧光反應腔。定位栓154、156確保O型環密封墊162、163與支撐凸緣之正確配合。由該O型環密封墊162所達成之周圍之密封係一氣壓密封墊，隔絕高真空與大氣壓，必須有極低之漏損；由該O型環密封墊163所維持、環繞該入口124之密封墊則係一低壓密封墊，其僅需承受氣體流經該氣體供應管線26進入該弧光反應腔造成之氣壓差。此密封墊上有幾個百分比等級之漏損係可接受的，因為它僅導致製程氣體之損耗，而不會減低植入器之整體性能。由該O型環密封墊163所達成之密封墊可為中等品質。

該弧光反應腔係一高耗損之物品，故更換頻仍。在弧光反應腔更替過程中，至少一氣體管線必須中斷。根據所揭露之實施例，在O型環密封墊162與163附近之連結皆必須中斷。外部氣體管線仍維持連接於凸緣142上，故該氣體連結所需之高品質密封未被破壞。使用時，該二凸緣係藉適當之緊固物(圖中未示)保持在一起，在最初密封階段抽取真空時，緊壓該O型環密封墊162、163。當該弧光反應腔更換完成，此等緊固物便可鬆脫，而瘦長管152 內氣體則被排出，如此達成不需移除該氣體供應管線26便可移除及更換該弧光反應腔。

本發明係以特定實例描述。然而，本發明係包括後附申請專利範圍之精神與範疇內由所揭露之設計而來之所有修改與改變。

10．．．離子植入系統

14．．．束線組件

16．．．終端站

18．．．離子源

22．．．來源外殼

26．．．氣體供應管線

28．．．質量分析器

30．．．離子束

31．．．氣體來源

32．．．束線導管

34．．．分離孔洞

36．．．橫向掃描器

38．．．平行化器

40．．．工件

110．．．弧光反應腔

112．．．區域

114．．．出口孔洞

120．．．弧光反應腔凸緣

122．．．第一表面

124．．．氣體入口

126．．．管路

130．．．氣體出口

142‧‧‧來源凸緣

144‧‧‧順應表面

146‧‧‧貫穿通道

150‧‧‧氣體管路

152‧‧‧瘦長管

154、156‧‧‧定位栓

162‧‧‧O型環密封墊

163‧‧‧O型環密封墊

第1圖係根據本發明建造之離子植入器之整體示意圖；第2圖係一離子源弧光反應腔之側視圖；第4圖係第3圖之該離子源弧光反應腔之仰視圖；第5圖係第4圖中平面4-4所見之剖面圖；第6圖係一離子源弧光反應腔之側視圖；第7圖係該離子源弧光反應腔之俯視圖；第8圖係一弧光反應腔支撐之側視圖；第9圖係第8圖之該支撐之仰視圖；第10圖係第9圖中平面9-9所見之剖面圖；第11圖係第8圖之該支撐之側視圖；第12圖係第8圖之該固定凸緣之俯視圖；第13圖係該弧光反應腔與該支撐相接合之側視圖；第14圖係第13圖所描述之平面圖；第15圖係第14圖中平面14-14所見之剖面圖；及第16圖係顯示該弧光反應腔與該反應腔支撐於更換該弧光反應腔時被分離之剖面圖。

22‧‧‧來源外殼

26‧‧‧氣體供應管線

110‧‧‧弧光反應腔

120‧‧‧弧光反應腔凸緣

126‧‧‧管路

142‧‧‧來源凸緣

Claims (8)

1. 一種與半導體製程設備一起使用之離子植入器，該半導體製程設備係具有一來源、一工件支撐、及一將離子自該來源傳送至該工件支撐之一區域之一傳輸系統，該離子植入器係包括：一弧光反應腔，其係用於將導引至該弧光反應腔內之一源材料游離化，且包括連接至該弧光反應腔之弧光反應腔本體及一氣體入口，其係接受自該來源而來的氣體、及一氣體出口，其係開至該弧光反應腔內；及一弧光反應腔支撐，其係於該氣體入口之一區域與該弧光反應腔本體密封接合，且包括一氣體供應管線，以將氣體自一氣體源導引至該氣體入口，其中該弧光反應腔本體包括大致上為平面之一平面表面，其與該弧光反應腔支撐之一順應表面在該氣體入口之一區域接合。
2. 如申請專利範圍第1項之離子植入器，其係包括一密封元件，用以密封該弧光反應腔本體之該平面表面與該弧光反應腔支撐在該氣體入口附近之該順應表面間之接合。
3. 如申請專利範圍第1項之離子植入器，其中該弧光反應腔本體與該弧光反應腔支撐包括向外延伸之第一與第二凸緣，沿該弧光反應腔徑向向外之一周圍區域彼此接合。
4. 如申請專利範圍第3項之離子植入器，其係包括彈性材料之一密封墊，其係由該凸緣之一所支撐，當該密封墊為該平面表面與該順應表面之一所接合時會緊縮。
5. 如申請專利範圍第4項之離子植入器，其係更包括彈性材料之一密封元件，密封該第一與第二凸緣在該氣體入口之一區域附近間之接合。
6. 一種與半導體製程設備一起使用之離子植入器，該半導體製程設備係具有一來源、一工件支撐、及一將離子自該來源傳送至該工件支撐之一區域之一傳輸系統，該離子植入器係包括：一弧光反應腔，其係用於將導引至該弧光反應腔內之一源材料游離化，其係定義一出口孔洞，以將離子導引至該傳輸系統，且包括一弧光反應腔凸緣，其係連接該弧光反應腔，並包括一第一表面，其係定義自該來源接受氣體之一氣體入口，及定義開至該弧光反應腔內之一氣體出口；一弧光反應腔支撐，包括一支撐凸緣，其係具一順應表面，於該氣體入口之一區域與該弧光反應腔凸緣之第一表面密封接合，且更包括一貫穿通道，與氣體入口對齊；及一氣體供應管線，其係用於將氣體自一氣體源透過該支撐凸緣之該貫穿通道，導引至該弧光反應腔凸緣之氣體入口內，其中該弧光反應腔本體包括大致上為平面之一平面表面，其與該弧光反應腔支撐之順應表面在該氣體入口之一區域接合。
7. 如申請專利範圍第6項之離子植入器，其中該弧光反應腔支撐包括一延伸部，其係環繞離開該弧光反應腔出口 之離子，且其中該弧光反應腔凸緣與該支撐凸緣周圍延伸環繞該弧光反應腔，並沿一周圍密封區域彼此接合，此周圍密封區域維持該周圍密封區域一側之一真空區域，且維持該周圍密封區域相對一側之大氣壓力。
8. 如申請專利範圍第7項之離子植入器，其中該周圍密封區域包括位於該凸緣其中之一，其上一溝槽之一O型環密封墊。