TWI524420B - 利用氣體團簇離子束進行薄膜成長之方法與系統 - Google Patents

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Description

利用氣體團簇離子束進行薄膜成長之方法與系統
本申請案係關於申請日與本案相同之共同申請案美國專利申請案第12/145,156號，其發明名稱為「METHOD AND SYSTEM FOR DIRECTINAL GROWTH USING A GAS CLUSTER ION BEAM」(EP-122)。將這些申請案的全部內容以參考文獻的方式合併於此。
本發明係關於利用氣體團簇離子束(GCIB，gas cluster ion beam)進行薄膜成長的方法。
氣體團簇離子束(GCIB)被使用於薄膜的蝕刻、清潔、平坦化以及形成。為了討論的目的，氣體團簇係在標準溫度和壓力條件下為氣態的材料之奈米尺寸聚集體。這樣的氣體團簇可由包括數個到數千個(或更多)鬆散地結合在一起的分子之聚集體所構成。利用電子撞擊可使氣體團簇游離，因此使得氣體團簇形成可控制能量的定向射束。一般來說，這樣的團簇離子各帶有正電荷，其大小係電子電荷的強度與大於或等於1、且代表著團簇離子的電荷狀態之一整數的乘積。
較大尺寸的團簇離子通常是最有用的，因為每個團簇離子能夠帶有許多能量，儘管每一個別分子僅具有中等能量。在撞擊到基板時，離子團簇會碎裂。在已碎裂的特定離子團簇中之每一個別分子只帶有總團簇能量其中的一小部份。因此，雖然大離子團簇的撞擊影響是很大的，但被限制在非常淺的表面區域。這使得氣體團簇離子有效地用於各種的表面修飾處理，而不容易產生較深層的次表面損傷；次表面損傷則是習知離子束處理的特性。
習知的團簇離子源所產生的團簇離子具有寬廣的尺寸分佈，在每一個團簇中，分子的數目可能達到數千個分子。在高壓氣體從噴嘴進入到真空的絕熱膨脹期間，個別氣體原子(或分子)的凝聚可形成原子團簇。小孔徑的分離器將偏離膨脹氣流中心的射束加以去除，以產生準直的團簇射束。因此，各種尺寸的中性團簇被產生，且藉由微弱的原子間力(已知如凡得瓦力)連結在一起。這種方法已經被使用來從各種氣體產生團簇射束，例如氦、氖、氬、氪、氙、氮氣、氧氣、二氧化碳、六氟化硫、一氧化氮、氧化亞氮、以及這些氣體的混合物。
基板的GCIB處理之具有工業規模的幾個新興應用是在半導體領域。僅管基板的GCIB處理被施行在多種製程中，然而許多製程仍無法提供關鍵性質及/或歷經GCIB處理之表面、結構、及/或薄膜之尺寸的適當控制。
本發明係關於利用氣體團簇離子束(GCIB)來成長薄膜的方法。
本發明更關於利用GCIB，藉由在基板上施行氧化處理而成長薄膜的方法。
本發明更關於利用GCIB，藉由在基板上施行氮化處理而成長薄膜的方法。
根據一實施例，說明一種在基板上形成薄膜的方法。該方法包含：在減壓環境中提供基板；自具有氧氣及非必須之惰性氣體之加壓之氣體混合物，在減壓環境中產生GCIB；選擇射束加速電位及射束劑量，以達成薄膜之一厚度，及達成薄膜之上表面的一表面粗糙度；根據射束加速電位而加速GCIB；根據射束劑量，照射加速之GCIB至基板之至少一部分上；在基板之至少一部分上成長薄膜，以達成該厚度及該表面粗糙度。
根據另一實施例，說明一種在基板上形成薄膜的方法。該方法包含：提供基板在減壓環境中；自加壓之氣體混合物，在減壓環境中產生GCIB；選擇射束加速電位及射束劑量，以達成薄膜之一厚度，及達成薄膜之上表面的一表面粗糙度；根據射束加速電位而加速GCIB；修改GCIB之射束能量分佈；根據射束劑量，照射修改的、加速的GCIB至基板之至少一部分上；及在基板之至少一部分上成長薄膜，以達成該厚度及該表面粗糙度。
根據又另一實施例，說明一種在基板上形成薄膜的方法。該方法包含：非必須地處理基板之表面，以移除殘餘物或其他汙染物；藉由以形成自加壓氣體混合物之GCIB照射基板，以成長薄膜在基板之表面的至少一部分上；及將薄膜退火。
在數個實施例中，揭露一種利用氣體團簇離子束(GCIB)在基板上形成薄膜之方法與系統。然而，熟悉此相關技藝者應當了解，即使缺少一個以上的特定細節、或利用其它替代物及/或額外的方法、材料、或構件，這些各種實施例仍然可以實施。在其它情況中，並未詳細地描述或顯示熟知的結構、材料、或操作，以避免混淆了本發明的數個實施例之觀點。類似地，為解釋的目的，提出了特定的數目、材料、或結構以提供對於本發明的徹底了解。然而，即使缺少這些特定細節，本發明仍然可以實施。此外，應當了解，圖式中所顯示的數個實施例係說明性的圖像，其並未按照比例繪製。
在發明說明及申請專利範圍中，使用了用語「耦合」、「連接」、及其衍生的用語。應當了解，這些用語彼此間並非當做同義字。確切地說，在特定實施例中，「連接」可能被用於表示兩個以上的元件彼此之間是直接的物理或電接觸，而「耦合」則可能進一步地表示兩個以上的元件彼此之間並非直接接觸，但彼此之間仍然有合作或互相作用。
在整個說明書中所提到的「一實施例」或「實施例」，表示與實施例有關之所述特定的特徵、結構、材料、或性質是包含在本發明的至少一實施例中，但並不表示它們存在於每一個實施例中。因此，在整個說明書中不同地方所出現的「在一實施例中」或「在實施例中」詞組並不必然表示本發明的相同實施例。此外，特定的特徵、結構、材料、或性質可能以任何合適的方式、在一個以上的實施例中加以結合。在其它實施例中，可能包含各種額外的層及/或結構、及/或可能省略所述的特徵。
如上述，利用GCIB在基板的表面上形成材料的薄膜有其普遍的需求。尤其是，有需要在基板上成長薄膜，同時提供關鍵性質及/或歷經GCIB處理之表面、結構、及/或薄膜之尺寸的適當控制。
此外，如上述，有需要利用GCIB而選擇性地將材料只沉積在基板的選定表面上。藉由調整基板相對於GCIB的方向，可以在與入射GCIB大致垂直的表面上進行材料成長，而在與入射GCIB大致平行的表面上避免或減少材料成長。
在此，係以可區別用語「沉積」之方式來定義及使用用語「成長」。在成長過程中，將薄膜形成在基板上，其中，只有薄膜之原子組成之一部分被導入GCIB，而剩餘的部分係由薄膜在其上成長之基板加以提供。例如，當在基板上成長SiOx時，基板可包含矽表面，其被含氧之GCIB照射。相反地，在沉積過程中，將薄膜形成在基板上，其中，實質上所有之薄膜的原子組成被導入GCIB中。例如，當沉積SiCx時，基板被同時含有矽及碳的GCIB照射。
因此，根據一實施例，說明在基板上形成薄膜的方法。此方法包含：在減壓環境中提供一基板；並在減壓環境中自加壓之氣體混合物產生GCIB。選擇射束的加速位能及射束劑量，使能達成薄膜的厚度範圍上達約300埃，且能達到薄膜的上表面之粗糙度可以小於約20埃。GCIB根據射束的加速位能而加速，且加速之GCIB根據射束劑量而照射於至少基板的一部份上。如此，薄膜成長在基板的照射部分上，以達成所需厚度及表面粗糙度。
在此，射束的劑量是以單位面積之團簇數目為單位而給出，然而，射束劑量亦可包含射束電流及/或時間(例如，GCIB照射(dwell)時間)。例如，射束電流可被量測及維持為常數，而藉由變化時間來改變射束劑量。或者，例如，單位面積團簇照射表面的速率(即單位時間單位面積之團簇數目)可以保持常數，而藉由變化時間來改變射束劑量。
此外，可變化其他GCIB性質來調整膜厚及/或薄膜之表面粗糙度，這些性質包含但不限於：氣體流率、停滯壓力(stagnation pressure)、團簇尺寸、或氣體噴嘴設計(例如噴嘴入口直徑、噴嘴長度、及/或噴嘴分歧部半角度(nozzle divergent section half-angle))。此外，可藉由調整GCIB性質來變化包含但不限於膜密度、膜品質等之膜性質。
根據另一實施例，說明在基板上形成薄膜的方法。此方法包含：在減壓環境中提供一基板；並在減壓環境中自加壓之氣體混合物產生GCIB。選擇射束的加速位能及射束劑量使能達成薄膜的一厚度及/或能達到薄膜的上表面之一粗糙度。GCIB根據射束的加速位能而加速，關於GCIB的射束能量分佈被修改，而被修改及加速之GCIB根據射束劑量而照射在至少基板的一部份上。藉以，薄膜成長在基板的照射部分上，以達成所需厚度及表面粗糙度。
現參照圖式，其中，相似參考標號表示遍及數個圖式的對應零件，根據實施例，如上述之形成薄膜的GCIB處理系統100描述在圖1中。GCIB處理系統100包含：真空容器102；基板支座150，待處理之基板152被固定在其上；及真空幫浦系統170A、170B、及170C。基板152可為：半導體基板、晶圓、平板顯示器(FPD)、液晶顯示器(LCD)、或任何其他工作部件。GCIB處理系統100用以產生處理基板152的GCIB。
繼續參照圖1中之GCIB處理系統100，真空容器102包含三個交流之腔室，名為：來源室104、游離/加速室106、及處理室108，以提供一封閉的減壓環境。此三個腔室分別以真空幫浦系統170A、170B、及170C來排空至適當之操作壓力。在此三個交流之腔室104、106、108中，氣體團簇束可形成在第一腔室中(來源室104)，同時氣體團簇離子束可形成在第二腔室中(游離/加速室106)，其中，氣體團簇束被游離及加速。然後，在第三腔室中(處理室108)，加速之氣體團簇離子束可被用來處理基板152。
如圖1所示，GCIB處理系統100可包含一個以上之氣體源，用以導引一個以上之氣體或氣體之混合物至真空容器102。例如，儲存在第一氣體源111的第一氣體組成允許在壓力下經第一氣體控制閥113A流至氣體計量閥或閥113。此外，例如，儲存在第二氣體源112的第二氣體組成允許在壓力下經第二氣體控制閥113B流至氣體計量閥或閥113。再者，例如，第一氣體閥或第二氣體閥或兩者可包含膜形成氣體組成。更進一步地，例如，第一氣體組成或第二氣體組成或兩者可包含可凝惰性氣體、攜帶氣體或稀釋氣體。例如，惰性氣體、攜帶氣體或稀釋氣體可包括鈍氣，即He、Ne、Ar、Kr、Xe、或Rn。
再者，第一氣體組成111及第二氣體組成112可單獨使用或者與彼此結合使用，而產生游離團簇。膜形成組成可包含膜前驅物(precursor)或包含期望產生或成長在基板上之膜的主要原子或分子物種的前驅物。
當進行薄膜成長時，來自第一氣體源111及/或第二氣體源112之加壓的氣體混合物可包含：含氧氣體、含氮氣體、含碳氣體、含氫氣體、含矽氣體、含鍺氣體、或非必須之惰性氣體、或其兩個以上之組合。例如，當成長氧化物或施行氧化處理時，加壓之氣體混合物可包含例如O2之含氧氣體。此外或或者，例如，加壓之氣體混合物可包含O2、N2、NO、NO2、N2O、CO、或CO2、或其兩個以上之任意組合。此外，例如，非必須之惰性氣體可包含鈍氣。
包含第一氣體組成或第二氣體組成或兩者之高壓的可凝氣體，經由氣體饋入管114引入停滯室116，並經由恰當形狀的噴嘴110而注入實質上較低壓真空。由於自停滯室116流至來源室104之高壓可凝氣體的膨脹，氣體速度加速至超音速且氣體團簇束118自噴嘴110射出。
由於靜力焓(static enthalpy)被轉換成動能，噴出物的膨脹所造成的內在冷卻使得氣體噴出物其中一部分凝聚，並且形成具有團簇的氣體團簇束118，每一個團簇是由數個到數千個弱鍵結的原子或分子所組成。氣體分離器(skimmer)120係配置在噴嘴110出口的下游處，並且位於來源室104與游離/加速室106之間；氣體分離器120將氣體團簇束118周邊的氣體分子(其可能未凝聚成團簇)與氣體團簇束118中心的氣體分子(其可能已形成團簇)部分地加以分離。選擇氣體團簇束118其中一部分的原因之一為，其能夠減少下游區域的壓力；在下游區域(例如游離器122、及處理室108)中，較高壓力可能是有害的。此外，氣體分離器120界定了進入游離/加速室106的氣體團簇束之初始尺寸。
在來源室104內已形成氣體團簇束118之後，利用游離器122將氣體團簇束118之中的組成氣體團簇加以游離，以形成GCIB 128。游離器122可能包括電子衝擊游離器，其從一個以上之燈絲124產生電子，電子被加速及導向，以與在游離/加速室106內部之氣體團簇束118中的氣體團簇碰撞。具有足夠能量的電子與氣體團簇碰撞之後，從氣體團簇中的分子彈射出電子，因而產生游離的分子。氣體團簇的游離可產生一群帶電的氣體團簇離子，其通常具有淨正電荷。
如圖1所示，射束電子器(beam electronics)130係用來進行GCIB 128的游離、擷取、加速、及聚焦。射束電子器130包括燈絲電源供應器136，其提供電壓VF以加熱游離器燈絲124。
此外，射束電子器130包括一組施加適當偏壓的高壓電極126，其位於游離/加速室106中，並且從游離器122擷取團簇離子。接著，高壓電極126使擷取出的團簇離子加速到期望的能量，並且使其聚焦，以界定GCIB 128。GCIB 128中的團簇離子之動能，通常落在約1000電子伏特(1 keV)到數十keV的範圍之間。例如，GCIB 128可能被加速到1至100 keV。
如圖1所示，射束電子器130更包括陽極電源供應器134，其提供電壓VA給游離器122的陽極，用來加速從燈絲124射出的電子，並且使電子撞擊氣體團簇束118之中的氣體團簇，因而產生團簇離子。
此外，如圖1所示，射束電子器130包括擷取電源供應器138，其提供電壓VE，以施加偏壓於高壓電極126其中至少一者，以從游離器122的游離區域中擷取離子，並且形成GCIB 128。例如，擷取電源供應器138提供電壓給高壓電極126的第一電極，該電壓係小於或等於游離器122的陽極電壓。
此外，射束電子器130可包括加速器電源供應器140，其提供電壓VAcc，以對高壓電極126其中一者施以相對於游離器122之偏壓，以產生一個大約等於VAcc電子伏特(eV)的整體GCIB加速能量。例如，加速器電源供應器140提供一電壓給高壓電極126的第二電極，該電壓係小於或等於游離器122的陽極電壓以及第一電極的擷取電壓。
再者，射束電子器130可包括透鏡電源供應器142、144，其可用來對某些高壓電極126施加偏壓(例如VL1及VL2)以使GCIB 128聚焦。例如，透鏡電源供應器142可提供一電壓給高壓電極126的第三電極，該電壓係小於或等於游離器122的陽極電壓、第一電極的擷取電壓、以及第二電極的加速器電壓；透鏡電源供應器144可提供一電壓給高壓電極126的第四電極，該電壓係小於或等於游離器122的陽極電壓、第一電極的擷取電壓、第二電極的加速器電壓、以及第三電極的第一透鏡電壓。
應當注意，在游離和擷取的設計上，有許多變化可以採用。雖然本文中所述的設計有助於講解之目的，另一個擷取的設計則需要將游離器及擷取電極(或擷取光學元件)的第一元件配置在Vacc。這通常需要游離器電源供應器的控制電壓之光纖程式設計，但可產生較簡單的整體光學元件串列。不管游離器及擷取透鏡偏壓的細節，本文中所述的發明是有用的。
在游離/加速室106中、位於高壓電極126下游處的射束過濾器146，係用來將來自GCIB 128的單體、或單體與重量輕的團簇離子予以排除，以界定進入處理室108之經過濾的處理GCIB 128A。在一實施例中，射束過濾器146大致上係減少具有100個或更少個原子或分子或兩者之團簇的數目。射束過濾器146可能包含磁體組件，用來施加穿過GCIB 128的磁場，以協助過濾處理。
持續參考圖1，射束閘148係配置於游離/加速室106中的GCIB 128之路徑上。射束閘148有打開狀態及關閉狀態，在打開狀態時，允許GCIB 128通過游離/加速室106到達處理室108以界定處理GCIB 128A；在關閉狀態時，則阻止GCIB 128進入處理室108。控制電纜將控制訊號從控制系統190傳送到射束閘148。控制訊號以可控制的方式切換射束閘148為打開或關閉狀態。
基板152，其可能是晶圓或半導體晶圓、平板顯示器(FPD)、液晶顯示器(LCD)、或其它以GCIB步驟進行處理的基板被放置在處理室108中的處理GCIB 128A之路徑上。因為大部分的應用期望在處理大型基板時獲得空間上均勻的結果，所以希望能有掃瞄系統，使處理GCIB 128A均勻地掃瞄大面積的各處，以產生空間上均勻的結果。
X掃描致動器(X-scan actuator)160讓基板支架150在X掃描移動(進入或離開紙張平面)的方向上線性移動。Y掃描致動器162讓基板支座150在Y掃描移動164(通常垂直於X掃描移動)的方向上線性移動。X掃描和Y掃描移動的結合，以一種像光柵掃描移動的方式使基板152(由基板支座150所支托的)移動通過處理GCIB 128A，使得處理GCIB 128A均勻地(或程式化地)照射於基板152的表面，以進行基板152的處理。
基板支座150以相對於處理GCIB 128A軸的一個角度放置基板152，使得處理GCIB 128A具有一個相對於基板152表面的射束入射角166。射束入射角166可以是90度或某些其它角度，但一般是90度或接近90度。在Y掃描期間，基板152和基板支座150從顯示的位置移動到另一個位置“A”，其分別以符號152A和150A來表示。須注意在兩位置之間移動時，基板152以掃描的方式通過處理GCIB 128A；在兩極端的位置時，基板152被移動而完全脫離處理GCIB 128A的路徑(過掃描，over-scanned)。雖然在圖1中未清楚地顯示，一般為垂直的X掃描移動方向(進入或離開紙張平面)也執行類似的掃描和過掃描。
射束電流感測器180可能位於處理GCIB 128A的路徑上，但在基板支座150的更遠處；因此當基板支座150的掃描脫離處理GCIB 128A的路徑時，可截取處理GCIB 128A的樣本。射束電流感測器180一般是法拉第杯或其類似物，其除了射束進入開口外是封閉的，且通常利用電絕緣底座182固定在真空容器102的內壁上。
如圖1所示，控制系統190經由電纜連接到X掃描致動器160及Y掃描致動器162，並控制X掃描致動器160及Y掃描致動器162，以便將基板152放置在處理GCIB 128A中或從處理GCIB 128A中移開，並且相對於處理GCIB 128A均勻地掃描基板152以利用處理GCIB 128A完成基板152的預期處理。控制系統190利用電纜接收由射束電流感測器180所收集到的採樣射束電流，因此監控GCIB，並且當預定劑量已經被傳送時，將基板152從處理GCIB 128A移開，因而控制基板152所接收到的GCIB劑量。
在圖2所示的實施例中，GCIB處理系統100’可能類似於圖1的實施例，並且更包括X-Y定位載台253，用來在兩個軸上支托及移動基板252，使得基板252能夠相對於處理GCIB 128A而有效地掃瞄。例如，X移動可能包括進入及離開紙張平面的移動，Y移動可能包括沿著方向264的移動。
處理GCIB 128A以一個相對於基板252表面的射束入射角266，在基板252表面上的投射撞擊區域286上撞擊基板252。藉著X-Y移動，X-Y定位載台253將基板252表面的每一部分放置在處理GCIB 128A的路徑上，因此，該表面的每一區域可以與投射撞擊區域286重疊，而以處理GCIB 128A進行處理。X-Y控制器262經由電纜將電訊號提供給X-Y定位載台253，用來在X軸及Y軸方向其中每一個方向上控制位置及速度。X-Y控制器262經由電纜從系統控制器190接收控制訊號，並且被系統控制器190所操控。根據習知的X-Y載台(X-Y table)定位技術，X-Y定位載台253藉著連續或步進的方式移動，以將基板252的不同區域放置在投射撞擊區域286內。在一實施例中，利用控制系統190，X-Y定位載台253是可程式操作的，以利用可程式的速度使基板252的任何部分掃瞄通過投射撞擊區域286，而以處理GCIB 128A進行GCIB處理。
定位載台253的基板支托表面254是導電的，並且連接到由控制系統190所操控的劑量測定處理器。定位載台253的電絕緣層255將基板252及基板支托表面254與定位載台253的基底部分260隔離開。基板252被處理GCIB 128A照射後所產生的電荷，係經由基板252及基板支托表面254而加以傳導，且一訊號經由定位載台253耦合到控制系統190，以用於劑量量測。劑量量測具有積分裝置，用來對GCIB電流進行積分，以決定GCIB的處理劑量。在某些情況下，電子的標靶中和源(未顯示)，有時稱作電子潮(electron flood)，可用來將處理GCIB 128A加以中和。在此例中，不論電荷的添加來源為何，可使用法拉第杯(未顯示，但其可能與圖1中之射束電流感測器180類似)來確保準確的劑量，因為典型的法拉第杯只允許高能的正離子進入及接受量測。
在操作中，控制系統190發出打開射束閘148的訊號，以利用處理GCIB 128A照射基板252。控制系統190監控基板252所收集到的GCIB電流，以計算基板252所接收的累積劑量。當基板252所接收的劑量到達預定的劑量時，控制系統190關閉射束閘148，而完成了基板252的處理。根據基板252上的特定區域所接收到的GCIB劑量之量測結果，控制系統190可以調整掃瞄速度，以在處理基板252的不同區域實施合適的射束照射時間。
另外，處理GCIB 128A可以固定的速度、固定的態樣在基板252表面的各處掃瞄；然而，對GCIB的強度加以調變(可以稱之為Z軸調變)，故意地將不均勻的劑量傳遞給樣品。在GCIB處理系統100’中，GCIB強度可以利用各種方法其中的任何一種加以調變，包括：改變來自GCIB來源供應的氣體流量；藉著改變燈絲電壓VF或改變陽極電壓VA而調變游離器122；藉著改變透鏡電壓VL1及/或VL2而調變透鏡聚焦；或利用可變的射束擋片、可調的斷續器(shutter)、或可變的孔徑而以機械的方式阻擋掉一部分氣體團簇離子束。調變的變動可能是連續的類比變動，或者可能是時間調整的開關或閘。
處理室108可更包括原位(in-situ)量測系統。例如，原位量測系統可包括光學診斷系統，光學診斷系統則具有光發射器280及光接收器282，分別用來以入射光信號284照射基板252、以及從基板252接收散射的光信號288。光學診斷系統包含光學窗，其允許入射光信號284及散射光信號288的通過，以進入及離開處理室108。此外，光發射器280及光接收器282可能分別地包含發射及接收光學元件。光發射器280接收、並且回應於來自控制系統190的控制電信號。光接收器282將量測信號送回給控制系統190。
原位量測系統可包含任何用來監控GCIB處理進度的儀器。根據一實施例，原位量測系統可能構成光散射術(scatterometry)系統。散射術系統可包括市售之由Therma-Wave,Inc.(1250 Reliance Way,Fremont,CA 94539)或Nanometrics,Inc.(1550 Buckeye Drive,Milpitas,CA 95035)所製造的散射計，其包含射束輪廓橢圓偏極術(橢圓儀)及射束輪廓反射量測術(反射儀)。
例如，原位量測系統可包括整合式光學數位輪廓(iODP，integrated Optical Digital Profilometry)散射術模組，對於在GCIB處理系統100，中執行的處理程序所產生的處理效能數據進行量測。例如，該量測系統測量或監控由處理程序所產生的量測數據。例如，利用該量測數據可以決定呈現出該處理程序的特徵之處理效能數據，例如處理速率、相對處理速率、特徵部輪廓角度、臨界尺寸、特徵部厚度或深度、特徵部形狀等等。例如，在一個將材料定向地沉積於基板的處理之中，處理效能數據可包括臨界尺寸(CD)，例如在特徵部(亦即通孔、線等等)的頂部、中間或底部的CD、特徵部深度、材料厚度、側壁角度、側壁形狀、沉積速率、相對沉積速率、其任何參數的空間分佈、呈現出其任何空間分佈的均勻性之特徵的參數等等。利用來自控制系統190的控制信號以操作X-Y定位載台253，原位量測系統可以對於基板252的一個以上之特性加以繪圖。
在圖3所顯示的實施例中，GCIB處理系統100”相似於圖1中的實施例，且更包含壓力單元室350，此壓力單元室，例如，設置在游離/加速室106之出口區域上或附近。壓力單元室350包含惰性氣體源352及壓力感測器354，其中，惰性氣體源352用以供應背景氣體至壓力單元室350，以升高壓力單元室350中的壓力，而壓力感測器354用以量測壓力單元室350中的升高壓力。
壓力單元室350可用以修改GCIB 128之射束能量分佈，以產生修改之處理GCIB 128A’。藉由沿GCIB路徑導引GCIB 128，經壓力單元室350內之加壓區域，使得GCIB的至少一部分穿過加壓區域，而達成此射束能量分佈的修改。射束能量分佈的修改程度可沿GCIB路徑的至少一部分，藉由壓力距離積分而特徵化，當中，距離(或壓力單元室350的長度)係以路徑長度(d)表示。當壓力距離積分的數值增加時(增加壓力及/或路徑長度(d))，射束能量分佈變寬且尖峰能量降低。當壓力距離積分的數值減少時(減少壓力及/或路徑長度(d))，射束能量分佈變窄且尖峰能量增加。更細部的壓力單元設計可由美國專利第7,060,989號中確定，其發明名稱為「Method and apparatus for improved processing with a gas-cluster ion beam」，其全部內容以參考文獻的方式合併於此。
控制系統190包括微處理器、記憶體、以及能夠產生控制電壓的數位輸入輸出埠，該控制電壓足以傳送及啟動到達GCIB處理系統100(或100’、100”)的輸入，也足以監控來自GCIB處理系統100(或100’、100”)的輸出。此外，控制系統190可以耦合至真空幫浦系統170A、170B、及170C、第一氣體源111、第二氣體源112、第一氣體控制閥113A、第二氣體控制閥113B、射束電子器130、射束過濾器146、射束閘148、X掃瞄致動器160、Y掃瞄致動器162、及射束電流感測器180，並且與其交換訊息。例如，為了在基板152上實施GCIB處理，可以使用儲存在記憶體中的程式，以根據處理處方啟動到達GCIB處理系統100之前述元件的輸入。
然而，控制系統190可實施做為一通用電腦系統，其回應處理器(處理器係執行記憶體內的一或多個指令之一或多個序列)以實施本發明之部分或所有基於微處理器之處理步驟，此等指令可能從另一個電腦可讀取媒體(例如硬碟或可移動式媒體驅動裝置)被讀進控制器記憶體中。也可以使用多處理裝置中的一或多個處理器做為控制器微處理器，以執行主記憶體內的指令之序列。在另一個實施例中，可以使用硬佈線電路以取代軟體指令、或與軟體指令相結合。因此，實施例並未侷限於硬體電路及軟體的任何特定組合。
如上所述，控制系統190可用來配置任何數目的處理元件，且控制系統190可以收集、提供、處理、儲存、及顯示來自處理元件的資料。控制系統190可包括許多應用程式及許多控制器，用來控制一個以上的處理元件。例如，控制系統190可能包括圖形使用者介面(GUI)元件(未顯示)，其所提供的介面讓使用者能夠監控及/或控制一個以上的處理元件。
相對於GCIB處理系統100(或100’、100”)，控制系統190可以被設置於本地，或被設置於遠端。例如，控制系統190可使用直接連接、內部網路、及/或網際網路與GCIB處理系統100交換資料。控制系統190可能耦合至，例如，客戶位置(亦即裝置製造商等)的內部網路；或耦合至，例如，販售商位置(亦即設備製造商)的內部網路。擇一或額外地，控制系統190可能耦合至網際網路。此外，另一部電腦(亦即控制器、伺服器等)可以經由直接連接、內部網路、及/或網際網路存取控制系統190，以交換資料。
藉由夾持系統(未顯示)，例如機械夾持系統或電夾持系統(例如靜電夾持系統)，可以將基板152(或252)固定於基板支座150(或基板支座250)。此外，基板支座150(或250)可包括加熱系統(未顯示)或冷卻系統(未顯示)，其用來調整及/或控制基板支座150(或250)及基板152(或252)的溫度。
真空幫浦系統170A、170B、及170C可包括抽氣速率能夠上達約每秒5000公升(或更高)的渦輪分子真空泵(TMP，turbo-molecular vacuum pump)，以及調節腔室壓力的閘閥。在習知的真空處理裝置中，可能採用每秒1000至3000公升的TMP。TMP對於低壓處理(通常低於約50 mTorr)是有用的。雖然未顯示，吾人可瞭解壓力單元室350亦可包括真空幫浦系統。此外，用來監控腔室壓力的裝置(未顯示)可能被耦合至真空容器102、或三個真空室104、106、108其中任何一者。壓力量測裝置可能是，例如，電容式壓力計或游離真空計。
現在參考圖4，其顯示用來使氣體團簇噴出物(氣體團簇束118，圖1、2及3)游離的氣體團簇游離器(122，圖1、2及3)之剖面圖300。剖面圖300係與GCIB 128的軸垂直。對於典型的氣體團簇大小(2000至15000個原子)，通過分離器孔徑(120，圖1、2及3)及進入游離器(122，圖1、2及3)的團簇將帶著約130至1000電子伏特(eV)的動能移動。在此等低能量下，任何游離器122內空間電荷中性的偏離將會造成噴出物的快速離散，而大量損失射束電流。圖4說明一種自中和游離器。如同其它游離器，電子衝擊使氣體團簇游離。在此設計中，熱電子(如310所示的七個例子)由多重線性熱離子燈絲302a、302b；及302C(通常是鎢)放射出、並且被擷取；以及藉著適當的電場作用加以聚焦，該電場由電子斥拒極(electron-repellef electrode)306a、306b、及306c和射束形成極304a、304b、及304c產生。熱電子310通過氣體團簇噴出物及噴出物軸線，然後撞擊到對面的射束形成極304b，而產生低能量的二次電子(如312、314、和316的例子所示)。
雖然為了簡化而未顯示，但線性熱離子燈絲302b和302c也會產生熱電子，隨後產生低能量二次電子。藉由提供低能量電子(當需要維持空間電荷中性時，低能量電子可能被吸入正電性的游離氣體團簇噴出物中)，所有的二次電子協助確保游離團簇噴出物保持空間電荷中性。射束形成極304a、304b、及304c被施以相對於線性熱離子燈絲302a、302b、及302c之正偏壓；而電子斥拒極306a、306b、及306c被施以相對於線性熱離子燈絲302a、302b、及302c之負偏壓。絕緣體308a、308b、308c、308d、308e、及308f支托電極304a、304b、304c、306a、306b、及306c並使其電性絕緣。例如，這種自中和游離器是有效的，並且可實現超過1000微安培的氬氣GCIB。
另外，游離器可以使用由電漿所擷取的電子，以將團簇游離。這種游離器的幾何形狀與本文中所描述的三燈絲游離器是相當不一樣的，但操作原理及游離器控制則非常類似。例如，此游離器設計與美國專利第7,173,252號中所述者類似，該專利案之標題為「Ionizer and method for gas-cluster ion-beam formation」，其全部內容以參考文獻的方式合併於此。
氣體團簇游離器(122，圖1、2及3)可藉由改變GCIB 128之電荷狀態，而用以修改GCIB 128之射束能量分佈。例如，可藉由調整電子流、電子能量、或用在氣體團簇之電子碰撞誘發游離中之電子的電子能量分佈來修改電荷狀態。
根據一實施例，使用GCIB在基板表面上成長薄膜。例如，可利用圖1、2及3中所描述之GCIB處理系統(100、100’、或100”，或其組合)之任一者，來產生GCIB。薄膜的形成可包含基板或基板上之膜層的氧化、氮化、或氧氮化。此外，薄膜的形成可包含在基板上或基板上之膜層上成長SiOx、SiNx、SiCx、SiOxNy、或SiCxNy。更此外，薄膜的形成可包含成長鍺化物。根據本發明之實施例，加壓之氣體混合物可因此包含：含氧氣體、含氮氣體、含碳氣體、含氫氣體、含矽氣體、含鍺氣體、或其兩個以上之組合。
當形成例如SiOx之氧化物時，包含矽或含矽材料之基板可以GCIB照射，此GCIB係由具有含氧氣體的加壓氣體混合物所形成。例如，加壓氣體混合物可包含O2。在另一實施例中，加壓氣體混合物可包含：O2、NO、NO2、N2O、CO、或CO2、或其兩個以上之任意組合。
當形成例如SiNx之氮化物時，包含矽或含矽材料之基板可以GCIB照射，此GCIB係由具有含氮氣體的加壓氣體混合物所形成。例如，加壓氣體混合物可包含N2。在另一實施例中，加壓氣體混合物可包含：N2、NO、NO2、N2O、或NH3、或其兩個以上之任意組合。
當形成例如SiCx之碳化物時，包含矽或含矽材料之基板可以GCIB照射，此GCIB係由具有含碳氣體的加壓氣體混合物所形成。例如，加壓氣體混合物可包含CH4。在另一實施例中，加壓氣體混合物可包含：CH4(或更廣泛，一碳氫氣體，即CxHy)、CO、或CO2、或其兩個以上之任意組合。
當形成例如SiOxNy之氮氧化物時，包含矽或含矽材料之基板可以GCIB照射，此GCIB係由具有含氧氣體及含氮氣體的加壓氣體混合物所形成。例如，加壓氣體混合物可包含O2及N2、NO、NO2、或N2O、或其兩個以上之任意組合。
當形成例如SiCxNy之碳氮化物時，包含矽或含矽材料之基板可以GCIB照射，此GCIB係由具有含碳氣體及含氮氣體的加壓氣體混合物所形成。例如，加壓氣體混合物可包含CH4或N2。
當形成例如SiGe之鍺化物時，包含矽或含矽材料之基板可以GCIB照射，此GCIB係由具有含鍺氣體的加壓氣體混合物所形成。例如，加壓氣體混合物可包含GeH4或Ge2H6或兩者。
在上述之任一實施例中，加壓氣體混合物可包含非必須之惰性氣體。此非必須之惰性氣體包含鈍氣。
根據一實施例，藉由以形成自含O2之加壓氣體混合物之GCIB照射基板，可在矽基板上成長SiO2。膜厚度(以埃量測)及表面粗糙度(以埃量測)被搜集並提供在圖5及6(圖5之擴大圖)中。圖5中提供之資料係利用具有三(3)電極射束線之GCIB處理系統所獲得。例如，例示在圖1至3中的合適偏壓高壓電極組，包含具有擷取電極(正偏壓)、抑制電極(負偏壓)及接地電極之三個電極裝置。
成長膜的膜厚度係提供為射束加速電位(亦即，射束能量，以kV量測)及處理時間(以分鐘量測，min)(亦即，射束劑量)的函數。在每一個例中，厚度以處理時間的函數增加，直到最後飽和為止。厚度最大值及關聯於實質上達到最大厚度的消耗處理時間，取決於射束加速電位。當射束加速增加時，厚度最大值增加且達到厚度最大值的時間減少。相反地，當射束加速減小時，厚度最大值減小且達到厚度最大值的時間增加。
此外，表面粗糙度(平均粗糙度，Ra)取決於射束加速電位。當射束加速增加時，表面粗糙度增加。相反地，當射束加速減小時，表面粗糙度減小。
此外，針對給定之膜厚度，表面粗糙度可藉由修改射束能量分佈功能而減小。除了兩個資料組之外，各資料組係利用沒有修改射束能量分佈功能之GCIB處理系統(例如，GCIB經過的路徑沒有具有增壓區域之壓力單元)而獲得。在兩個例外情況中，GCIB的射束能量分佈功能，係藉由透過增加的壓力沿GCIB路徑導引GCIB而修改。在一例子中，壓力單元的路徑長度被設定為d~23.3cm，且壓力單元中的壓力係藉由在15sccm(standard cubic centimeters per minute)(‘’15P”)之流速(或壓力距離積分係約0.002torr-cm)下將背景氣體導入至壓力單元內而升高。對應的資料組係就約45kV之射束加速電位而獲得(參照圖5中之虛線、實心圓)。如圖5所示，可利用射束能量分佈功能的修改來降低表面粗糙度，同時(藉由增加射束加速電位)而維持約相同之膜厚度。在其他例子中，壓力單元中的壓力係藉由導入40sccm(‘’40P”)流速之背景氣體(或壓力距離積分約0.005torr-cm)至壓力單元而升高。由於射束加速電位(45kV)維持不變，膜厚度及表面粗糙度兩者皆降低。
圖6中，射束加速電位增加至60kV，且壓力單元中的壓力設定為”40P”。為處理時間之函數的膜厚度結果，與沒有使用壓力單元之3kV射束加速電位所量測出之膜厚度近似於重疊。然而，由於使用壓力單元，表面粗糙度由約4埃降至約1埃。
根據另一實施例，藉由以形成自含O2之加壓氣體混合物之GCIB照射基板，可在矽基板上成長SiO2。膜厚度(以埃量測)及表面粗糙度(以埃量測)被搜集並提供在圖7中。圖7中提供的資料相似於圖5者，然而，此資料係利用具有五(5)電極射束線之GCIB處理系統所獲得。例如，適合之偏壓高壓電極組類似於例示在圖1 至3中的電極系統。
如圖7所示，厚度增加為處理時間(或射束劑量)的函數，直到其最終飽和為止。最大厚度及與實質上達到最大厚度相關聯的經過處理時間，取決於射束加速電位。此外，表面粗糙度(平均粗糙度，Ra)取決於射束加速電位。當射束加速度增加時，表面粗糙度增加。相反地，當射束加速度減小時，表面粗糙度減小。
圖8中，在沒有壓力單元的情況下，關於3-電極射束線(實線資料)及5-電極射束線(虛線資料)，比較作為處理時間之函數的膜厚度。圖9中，在具有壓力單元的情況下，關於3-電極射束線(實線資料)及5-電極射束線(虛線資料)，比較作為處理時間之函數的膜厚度。在兩資料組中，使用5-電極射束線可以較短的處理時間實質上達到最大膜厚度(即資料偏移至左側)。關於此觀察的一可能原因為使用5-電極射束線可達到射束電流增加。圖10關於5-電極射束線(‘’5EBL”，實心方塊)及3-電極射束線(‘’3BEL”，實心三角型)，提供射束電流(以微安培量測)為射束加速電壓之函數。
參照圖11，根據一實施例，說明使用GCIB在基板上形成薄膜的方法。此方法包含流程圖500，其開始於提供基板在減壓環境中之步驟510。該基板可被放置在GCIB處理系統中。可將基板放置在基板支座上並可被基板支座牢固地固持。基板的溫度可加以控制或不加以控制。例如，在膜形成處理過程中，基板可被加熱或冷卻。環繞基板的環境被維持在減低的壓力。
GCIB處理系統可為上述圖1、2、或3、或其任何組合中之任一GCIB處理系統(100、100’、100”)。基板可包含：導電材料、非導電材料、或半導電材料、或其兩個以上材料之組合。此外，基板可包含形成在其上之一個以上之材料結構，或基板可為不具材料結構的空白(blanket)晶圓。
在步驟520中，在減壓環境中產生GCIB。GCIB可自具有氧氣及非必須之惰性氣體之加壓氣體混合物產生。然而，如上述，可使用其他氣體或氣體混合物。
在步驟530中，可選擇射束加速電位及射束劑量。可選擇射束加速電位及射束劑量，以達到薄膜的厚度高達約300埃或更厚，及達到薄膜之上表面的表面粗糙度小於約20埃。根據不同之實施例，可選擇射束加速電位及射束劑量，以達到薄膜的最小厚度。經由實施例，但不限於此，最小的厚度可為約1 nm或更厚，例如約5 nm或更厚。
射束加速電位可高達100 kV，而射束劑量可高達每cm2約1×1016團簇。或者，射束加速電位可高達10 kV，而射束劑量可分佈上達每cm2約2×1014團簇。當SiO2薄膜成長時，約10 kV的射束加速電位，及每cm2約2×1014團簇的射束劑量，可達到約140埃的膜厚度及約8埃或更小的表面粗糙度。或者，射束加速電位可分佈上達7 kV，而射束劑量可分佈上達每cm2約2×1014團簇。當SiO2薄膜成長時，約7 kV的射束加速電位，及每cm2約2×1014團簇的射束劑量，可達到約115埃的膜厚度及約7埃或更小的表面粗糙度。或者，射束加速電位可分佈上達5kV，而射束劑量可分佈上達每cm2約2×1014團簇。當SiO2薄膜成長時，約5 kV的射束加速電位，及每cm2約2×1014團簇的射束劑量，可達到約80埃的膜厚度及約6埃或更小的表面粗糙度。又或者，射束加速電位可分佈上達3 kV，而射束劑量可分佈上達每cm2約2×1014團簇。當SiO2薄膜成長時，約3 kV的射束加速電位，及每cm2約2×1014團簇的射束劑量，可達到約55埃的膜厚度及約3埃或更小的表面粗糙度。再或者，射束加速電位可高達2 kV，而射束劑量可高達每cm2約2×1014團簇。當SiO2薄膜成長時，約2 kV的射束加速電位，及每cm2約2×1014團簇的射束劑量，可達到約25埃的膜厚度及約2埃或更小的表面粗糙度。又或者，射束加速電位可高達70 kV，而射束劑量可高達每cm2約2×1014團簇，且壓力路徑長度積分(對於壓力單元)可高達0.005 torr-cm。當SiO2薄膜成長時，約70 kV的射束加速電位，及每cm2約2×1014團簇的射束劑量，及約0.005 torr-cm之壓力路徑長度積分，可達到約70埃的膜厚度及約1埃或更小的表面粗糙度。又或者，射束加速電位可高達70 kV，而射束劑量可高達每cm2約2×1014團簇，且壓力路徑長度積分(對於壓力單元)可高達0.002 torr-cm。當SiO2薄膜成長時，約70 kV的射束加速電位，及每cm2約2×1014團簇的射束劑量，及約0.002 torr-cm之壓力路徑長度積分，可達到約70埃的膜厚度及約2埃或更小的表面粗糙度。
在步驟540中，GCIB根據射束加速電位而加速。
在步驟550中，根據射束劑量，將加速之GCIB照射在基板的至少一部分上。
在步驟560中，薄膜成長在基板的至少一部分上(即被照射的部分)。基板的至少一部分可包含矽，其中成長的薄膜包含SiO2。
參照圖12，根據另一實施例，說明使用GCIB在基板上形成薄膜的方法。此方法包含流程圖600，其開始於提供基板在減壓環境中之步驟610。該基板可被放置在GCIB處理系統中。可將基板放置在基板支座上並可被基板支座牢固地固持。基板的溫度可加以控制或不加以控制。例如，在膜形成過程中，基板可被加熱或冷卻。環繞基板的環境被維持在減低的壓力。
GCIB處理系統可為上述圖1、2、或3、或其任何組合中之任一GCIB處理系統(100、100’、100”)。基板可包含：導電材料、非導電材料、或半導電材料、或其兩個以上材料之組合。此外，基板可包含形成在其上之一個以上之材料結構，或基板可為不具材料結構的空白(blanket)晶圓。
在步驟620中，在減壓環境中產生GCIB。GCIB可自具有氧氣及非必須之惰性氣體之加壓氣體混合物產生。然而，根據待成長在基板上之薄膜的組成，可使用其他氣體。
在步驟630中，可選擇射束加速電位及射束劑量。可選擇射束加速電位及射束劑量，以達到薄膜的厚度高達約300埃，及達到薄膜之上表面的表面粗糙度小於約20埃。射束加速電位可高達100 kV，而射束劑量可高達每cm2約1×1016團簇。
在步驟640中，GCIB根據射束加速電位而加速。
在步驟650中，修改GCIB之射束能量分佈功能。在一實施例中，藉由導引GCIB沿GCIB路徑，經過增加的壓力，使得GCIB的至少一部分穿過加壓區域，而修改GCIB之射束能量分佈功能。射束能量分佈的修改程度可沿GCIB路徑的至少一部分，藉由壓力距離(d)積分而特徵化。當壓力距離積分的值增加時(增加壓力及/或路徑長度(d))，射束能量分佈變寬且尖峰能量降低。當壓力距離積分的值減少時(減少壓力及/或路徑長度(d))，射束能量分佈變窄且尖峰能量增加。舉例來說，吾人可加寬射束能量分佈以減小薄膜之表面粗糙度，或吾人可使射束能量分佈變窄而增加薄膜之表面粗糙度。
沿GCIB路徑之至少一部分的壓力距離積分可等於或大於約0.0001 torr-cm。或者，沿GCIB路徑之至少一部分的壓力距離積分可等於或大於約0.001 torr-cm。又或者，沿GCIB路徑之至少一部分的壓力距離積分可等於或大於約0.01 torr-cm。
在另一實施例中，可藉由修改或改變GCIB之電荷狀態而修改GCIB之射束能量分佈功能。例如，可藉由調整電子流、電子能量、或用在氣體團簇之電子碰撞誘發游離中之電子的電子能量分佈來修改電荷狀態。
在步驟660中，根據射束劑量，將加速之GCIB照射在基板的至少一部分上。
在步驟670中，薄膜成長在基板的至少一部分上(即被照射的部分)。基板的至少一部分可包含矽，其中成長的薄膜包含SiO2。
參照圖13，根據另一實施例，說明使用GCIB在基板上形成薄膜的方法。此方法包含流程圖700，其開始於以非必須之處理該基板之表面以移除殘餘物或其他汙染物之步驟710。處理步驟可包括清理或前清理步驟。此外，處理步驟可包括電漿或非電漿處理製程。更進一步，處理步驟可對於隨後的步驟採取原位(in-situ)或異位(ex-situ)的方式來施行。
在步驟720中，藉由以形成自加壓氣體混合物之GCIB照射基板，而在基板的至少一部分上成長薄膜。薄膜可包括薄氧化物膜，而加壓之氣體混合物可包括氧氣及非必須之惰性氣體。
在步驟730中，將薄膜加以退火。薄膜可經由熱處理加以退火，其中薄膜的溫度被升高至一材料特定溫度達一時間區間。可調整關於退火處理的溫度及時間，以改變膜性質。例如，膜的溫度被提高至大於約800度C的值。又此外，例如，膜的溫度被提高至大於約900度C的值。再者，例如，退火處理的時間可大於約1毫秒。退火處理可在大氣壓力下或減低的壓力下施行。此外，退火處理可在具有或不具有惰性氣體氛圍下施行。再者，退火處理可以在以下設備中施行：爐管、快速熱退火(RTP,rapid thermal annealing)系統、閃燈退火系統、或雷射退火系統。
根據又另一實施例，GCIB用於僅在基板的選定表面上，選擇性地沉積材料。例如，可使用圖1、2及3中所描述之GCIB處理系統(100、100’、100”、或其組合)之任一者來提供GCIB。藉由相對於GCIB的入射方向調整基板的方向，材料成長可進行在實質上垂直入射GCIB的一個以上之表面，而同時材料成長可以實質上避免或減少在實質上與入射GCIB平行之一個以上之表面上。
作為一例子，與入射GCIB實質上平行之一個以上的表面，可包含自入射GCIB的方向，上達約25度的角度偏差。或者，與入射GCIB實質上平行之一個以上的表面，可包含自入射GCIB的方向，上達約20度的角度偏差。或者，與入射GCIB實質上平行之一個以上的表面，可包含自入射GCIB的方向，上達約10度的角度偏差。又或者，與入射GCIB實質上平行之一個以上的表面，可包含自入射GCIB的方向，上達約5度的角度偏差。因此，與入射GCIB實質上垂直之一個以上的表面，可包含自入射GCIB的方向，大於75度的角度偏差。或者，與入射GCIB實質上垂直之一個以上的表面，可包含自入射GCIB的方向，大於80度的角度偏差。或者，與入射GCIB實質上垂直之一個以上的表面，可包含自入射GCIB的方向，大於85度的角度偏差。又或者，與入射GCIB實質上垂直之一個以上的表面，可包含自入射GCIB的方向，大於90度的角度偏差。再者，因為GCIB處理設備中的偏差，GCIB的入射角度偏差可變化加或減1至3度。
隨後調整基板相對於GCIB之入射方向的位向，接著將允許成長在其他隨後實質上與入射GCIB垂直之表面上繼續進行。此外，一個以上之GCIB的性質，包括射束組成，可被調整或改變，以在實質上垂直於入射GCIB的一個以上之表面上，自一子層至鄰接子層，方向性地將具有不同性質之多層材料膜的成長分級。
參照圖14、15A及15B，根據一實施例，例示在具有複數個表面之基板上利用GCIB成長材料的方法，這些表面包括一個以上之實質上置於平行第一平面的第一表面，及一個以上之實質上置於垂直第一平面的第二表面。此方法例示在圖14中，藉由流程圖800，其開始於放置基板在GCIB處理系統中之步驟810。可將基板放置在基板支座上並可被基板支座牢固地固持。基板的溫度可加以控制或不加以控制。例如，在膜形成處理過程中，基板可被加熱或冷卻。環繞基板的環境被維持在減低的壓力，而同時GCIB自包含一個以上之膜形成物種之加壓氣體混合物形成。GCIB處理系統可為上述圖1、2、或3、或其任何組合中之任一GCIB處理系統(100、100’、100”)。基板可包含：導電材料、非導電材料、或半導電材料、或其兩個以上材料之組合。此外，基板可包含形成在其上之一個以上之材料結構，或基板可為不具材料結構的空白(blanket)晶圓。
例如，如圖15A所示，顯示材料結構400包含形成在基板410上或基板410中的一個以上之結構420。在形成一個以上之結構420之前，一個以上的膜層、特徵部及/或其它結構可先形成在基板410上。一個以上之結構420可包括任何用於在基板410上製備電子或機械裝置或機電裝置之結構，例如積體電路(IC，integrated circuit)、微機電(MEM，micro-electromechanical)裝置、或奈米機電(NEM，nano-electromechanical)裝置。電子裝置可包含電子裝置之任何部分，包含但不限於：互連結構、電晶體、及電容器。機械裝置可包含但不限於：通道或導管、懸臂樑、或圓柱、或其任意組合。例如，一個以上之結構420可包括：通孔、接點、溝渠、電容溝渠、閘堆疊、或間隔件、或其任意組合。形成在基板410中或上的一個以上之結構420，包含：一個以上的水平表面430， 其實質上與基板平面平行；一個以上之垂直表面432，其實質上與基板平面垂直。
在步驟820中，將膜形成氣體自前驅物源導入GCIB，如圖15B所示，顯示複數個氣體團簇440以朝向基板410之方向442集體地一同移動而作為GCIB。如上述，具有前驅物源之加壓氣體混合物，膨脹進入減壓環境以形成氣體團簇，氣體團簇被游離，而游離之氣體團簇被加速並選擇性地被過濾。此外，可設定射束加速電位，而因此GCIB被加速。此外，可設定射束劑量，而因此GCIB可被照射。
在步驟830中，將基板410暴露於GCIB，且如圖15B所示，GCIB之入射方向442係實質上垂直於基板平面。基板可包括一個以上之實質上平行於第一平面的第一表面，及一個以上之實質上垂直於第一平面的第二表面。在暴露期間，GCIB以所示之入射方向，自前驅物源朝向基板而被導向薄膜。將基板相對於入射方向而定位，使得第一平面實質上垂直於入射方向，以在實質上垂直於入射方向之一個以上之第一表面上方向性地成長薄膜，同時在實質上平行於入射方向之一個以上之第二表面上，實質上避免薄膜的成長。
在步驟840中，膜形成在基板410上，且如圖15B所示，多重氣體團簇在一個以上之水平表面430上的碰撞，造成在一個以上之水平表面430上之膜層450的成長，同時造成在一個以上之垂直表面432上實質上微小的膜成長。然而，藉由調整基板410相對於入射GCIB410的方向(即傾斜基板)，可在一個以上之垂直表面432上達成膜成長。藉由定位基板410，方向性的成長可以發生於位在垂直於GCIB之入射方向的平面中的任何表面上。
因為氣體團簇與一個以上之水平表面430碰撞，材料注入基板410的表面層中或形成在基板410上的下伏層中，並且此材料變成散置於基板材料中。當GCIB劑量增加時，成長薄膜的厚度可能增加，直到就給定GCIB能量(或GCIB加速電位)而言膜厚度飽和為止。當GCIB能量增加時，可增加成長薄膜的厚度。
可產生具有多樣材料組成之非晶型膜，且利用GCIB，可達到非等向性(或方向性的)成長。再者，當GCIB能量(或射束加速電位)增加時，非等向性(或方向性)可以增加(即較多的材料成長在實質上水平的表面中，而較少的材料成長在實質上垂直的表面中)。因此，藉由調整射束加速電位，成長在一個以上之第一表面上之薄膜總量，相對於另一成長在一個以上之第二表面上之薄膜總量，可以變化。一旦非晶型膜形成，可將其施以一個以上之熱循環(例如，升溫)以使薄膜結晶化。
雖然在上述細節中僅僅描述了本發明的某些實施例，熟悉此技藝者應當很容易了解，在未實質偏離本發明的新穎教示及優點下，實施例可能有許多的變化。因此，所有此類的變化應當包含於本發明的範圍內。
100．．．GCIB處理系統
100’．．．GCIB處理系統
100”．．．GCIB處理系統
102．．．真空容器
104．．．來源室
106．．．游離/加速室
108．．．處理室
110．．．噴嘴
111．．．第一氣體源
112．．．第二氣體源
113．．．氣體計量閥
113A．．．第一氣體控制閥
113B．．．第二氣體控制閥
114．．．氣體饋入管
116．．．停滯室
118．．．氣體團簇束
120．．．氣體分離器
122．．．游離器
124．．．燈絲
126．．．高壓電極
128．．．氣體團簇離子束(GCIB)
128A．．．處理氣體團簇離子束
128A’．．．處理氣體團簇離子束
130．．．射束電子器
134．．．陽極電源供應器
136．．．燈絲電源供應器
138．．．擷取電源供應器
140．．．加速器電源供應器
142,144．．．透鏡電源供應器
146．．．射束過濾器
148．．．射束閘
150,150A．．．基板支座
152,152A．．．基板
160．．．X掃描致動器
162．．．Y掃描致動器
164．．．Y掃描移動
166．．．射束入射角
170A,170B,170C．．．真空幫浦系統
180．．．射束電流感測器
182．．．電絕緣底座
190．．．控制系統
250．．．基板支座
252．．．基板
253．．．X-Y定位載台
254．．．基板支托表面
255．．．電絕緣層
260．．．基底部分
262．．．X-Y控制器
264．．．移動方向
266．．．射束入射角
280．．．光發射器
282．．．光接收器
284．．．入射光信號
286．．．投射撞擊區域
288．．．散射光信號
300．．．氣體團簇游離器的剖面圖
302a,302b,302c．．．線性熱離子燈絲
304a,304b,304c．．．射束形成極
306a,306b,306c．．．電子斥拒極
308a,308b,308c,308d,308e,308f．．．絕緣體
310．．．熱電子
312,314,316．．．二次電子
350．．．壓力單元室
352．．．惰性氣體源
354．．．壓力感測器
500．．．流程圖
510．．．提供基板在減壓環境中
520．．．在減壓環境中產生氣體團簇離子束
530．．．選擇射束加速電位及射束劑量
540．．．根據射束加速電位而加速氣體團簇離子束
550．．．根據射束劑量，將加速之氣體團簇離子束照射在基板的至少一部分上
560．．．在基板的至少一部分上成長薄膜
600．．．流程圖
610．．．提供基板在減壓環境中
620．．．在減壓環境中產生氣體團簇離子束
630．．．選擇射束加速電位及射束劑量
640．．．根據射束加速電位而加速氣體團簇離子束
650．．．修改氣體團簇離子束之射束能量分佈
660．．．根據射束劑量，將修改的、加速的氣體團簇離子束照射在基板的至少一部分上
670．．．在基板的至少一部分上成長薄膜
700．．．流程圖
710．．．處理該基板之表面以移除殘餘物或其他汙染物
720．．．藉由以GCIB照射基板，而在基板的至少一部分上成長薄膜
730．．．將薄膜加以退火
800．．．流程圖
810‧‧‧放置基板在GCIB處理系統中
820‧‧‧將膜形成氣體導入GCIB
830‧‧‧將基板暴露於GCIB
840‧‧‧在基板上成長膜
400‧‧‧材料結構
410‧‧‧基板
420‧‧‧一個以上之結構
430‧‧‧一個以上的水平表面
432‧‧‧一個以上之垂直表面
440‧‧‧氣體團簇
442‧‧‧GCIB之入射方向
450‧‧‧膜層
在隨附之圖式中：圖1為GCIB處理系統之一圖式；圖2為GCIB處理系統之另一圖式；圖3為GCIB處理系統之又另一圖式；圖4為關於GCIB處理系統之游離源之圖式；圖5-10為提供各關於利用GCIB成長薄膜之例示資料的圖表；圖11為根據一實施例，說明利用GCIB形成薄膜的方法的流程圖；圖12為根據另一實施例，說明利用GCIB形成薄膜的方法的流程圖；圖13為根據另一實施例，說明利用GCIB形成薄膜的方法的流程圖；圖14為根據又另一實施例，說明利用GCIB形成薄膜的方法的流程圖；及圖15A及15B，以概略橫剖面圖，根據一實施例，說明在基板上成長薄膜的方法。
510‧‧‧在減壓環境中設置基板
520‧‧‧在減壓環境中產生氣體團簇離子束
530‧‧‧選擇射束加速電位及射束劑量
540‧‧‧根據射束加速電位而加速氣體團簇離子束
550‧‧‧根據射束劑量，將加速之氣體團簇離子束照射在基板的至少一部分上
560‧‧‧在基板的至少一部分上成長薄膜

Claims (21)

  1. 一種在基板上形成薄膜的方法，包含以下步驟：在一減壓環境中提供一基板；自一加壓之氣體混合物，在該減壓環境中產生一氣體團簇離子束(GCIB，gas cluster ion beam)；建立第一資料組，其使該薄膜之一厚度為射束加速電位與射束劑量之函數而相互關聯，其中該厚度隨著該射束加速電位及/或該射束劑量的增加而提升；建立第二資料組，其使該薄膜之一上表面的一表面粗糙度為該射束加速電位之函數而相互關聯，其中該表面粗糙度隨著該射束加速電位的減少而降低，且其中建立該第一及第二資料組的步驟包括使該厚度與該表面粗糙度和該GCIB的射束能量分佈相關聯；根據該第一與第二資料組，選擇該射束加速電位及該射束劑量，以達成該薄膜之目標厚度，及達成該薄膜之該上表面的目標表面粗糙度；根據該射束加速電位而加速該GCIB；根據該射束劑量，照射該加速之GCIB至該基板之至少一部分上；根據該第一與第二資料組，修改該加速之GCIB之該射束能量分佈，以達成該薄膜之該目標厚度、或該薄膜之該上表面的該目標表面粗糙度、或兩者，其中修改該射束能量分佈之步驟係藉由增加該射束加速電位來達成；以及在該基板之該至少一部分上成長該薄膜，以達成具備該目標厚度及該目標表面粗糙度的該薄膜。
  2. 如申請專利範圍第1項之在基板上形成薄膜的方法，其中該薄膜之該目標厚度高達300埃，且該目標表面粗糙度小於20埃。
  3. 如申請專利範圍第1項之在基板上形成薄膜的方法，其中該 加壓之氣體混合物包含氧氣及一非必須之惰性氣體，且其中該基板之該至少一部分包含矽，且其中該薄膜包含SiO2。
  4. 如申請專利範圍第3項之在基板上形成薄膜的方法，其中該射束加速電位高達100kV，及其中該射束劑量高達每cm21×1016團簇。
  5. 如申請專利範圍第3項之在基板上形成薄膜的方法，其中該射束加速電位高達10kV，及其中該射束劑量高達每cm22×1014團簇，且其中該目標厚度高達140埃及該目標表面粗糙度高達8埃。
  6. 如申請專利範圍第3項之在基板上形成薄膜的方法，其中該射束加速電位高達7kV，及其中該射束劑量高達每cm22×1014團簇，且其中該目標厚度高達115埃及該目標表面粗糙度高達7埃。
  7. 如申請專利範圍第3項之在基板上形成薄膜的方法，其中該射束加速電位高達5kV，及其中該射束劑量高達每cm22×1014團簇，且其中該目標厚度高達80埃及該目標表面粗糙度高達6埃。
  8. 如申請專利範圍第3項之在基板上形成薄膜的方法，其中該射束加速電位高達3kV，及其中該射束劑量高達每cm22×1014團簇，且其中該目標厚度高達55埃及該目標表面粗糙度高達3埃。
  9. 如申請專利範圍第3項之在基板上形成薄膜的方法，其中該射束加速電位達2kV，及其中該射束劑量高達每cm22×1014團簇，且其中該目標厚度高達25埃及該目標表面粗糙度高達2埃。
  10. 如申請專利範圍第1項之在基板上形成薄膜的方法，其中該修改該射束能量分佈包含加寬該射束能量分佈，以減小該薄膜之該表面粗糙度，或使該射束能量分佈變窄，以增加該薄膜之該 表面粗糙度。
  11. 如申請專利範圍第1項之在基板上形成薄膜的方法，其中該修改該射束能量分佈包含沿一GCIB路徑導引該GCIB經過一增壓區域，使得該GCIB路徑之至少一部分穿過該增壓區域。
  12. 如申請專利範圍第11項之在基板上形成薄膜的方法，其中沿該GCIB路徑之該至少一部分的一壓力距離積分等於或大於0.005torr-cm，該射束加速電位高達70kV，及該射束劑量高達每cm22×1014團簇，且其中該目標厚度高達70埃及該目標表面粗糙度高達1埃。
  13. 如申請專利範圍第11項之在基板上形成薄膜的方法，其中沿該GCIB路徑之該至少一部分的一壓力距離積分等於或大於0.002torr-cm，該射束加速電位高達70kV，及該射束劑量高達每cm22×1014團簇，且其中該目標厚度高達70埃及該目標表面粗糙度高達2埃。
  14. 如申請專利範圍第1項之在基板上形成薄膜的方法，其中該加壓之氣體混合物包含：一含氧氣體、一含氮氣體、一含碳氣體、一含氫氣體、一含矽氣體、或一含鍺氣體、或其二者以上之一組合。
  15. 如申請專利範圍第1項之在基板上形成薄膜的方法，其中該加壓之氣體混合物包含：O2、N2、NO、NO2、N2O、CO、或CO2、或其二者以上之任意組合。
  16. 如申請專利範圍第11項之在基板上形成薄膜的方法，其中沿該GCIB路徑之該至少一部分的一壓力距離積分係等於或大於0.0001torr-cm。
  17. 如申請專利範圍第1項之在基板上形成薄膜的方法，其中該修改該射束能量分佈包含修改該GCIB之一電荷狀態。
  18. 一種在基板上形成薄膜的方法，該方法包含：在一減壓環境中提供一基板；自一加壓之氣體混合物，在該減壓環境中產生一氣體團簇離子束(GCIB，gas cluster ion beam)；建立第一資料組，其使該薄膜之一厚度為射束加速電位、射束劑量、與射束能量分佈之函數而相互關聯，其中該厚度隨著該射束加速電位及/或該射束劑量的增加而提升；建立第二資料組，其使該薄膜之一上表面的一表面粗糙度為該射束加速電位與該射束能量分佈之函數而相互關聯，其中該表面粗糙度隨著該射束加速電位的減少與該射束能量分佈的變寬而降低；根據該第一與第二資料組，選擇該射束加速電位、該射束劑量、及該射束能量分佈，以達成該薄膜之目標厚度，及達成該薄膜之該上表面的目標表面粗糙度；使該目標表面粗糙度降低至一第二目標表面粗糙度，同時藉由增加該射束加速電位及進一步調整該射束能量分佈以在該射束劑量下實質達成該目標厚度；根據該射束加速電位而加速該GCIB；根據該射束劑量，照射該加速之GCIB至該基板之至少一部分上；以及在該基板之該至少一部分上成長該薄膜，以達成具備該目標厚度及該目標表面粗糙度的該薄膜。
  19. 如申請專利範圍第18項之在基板上形成薄膜的方法，其中所選擇之該射束能量分佈係藉由以下方式來達成：使該GCIB沿一GCIB路徑加速通過一加壓區域，以使該GCIB路徑之至少一部 分穿過該加壓區域。
  20. 如申請專利範圍第19項之在基板上形成薄膜的方法，其中沿該GCIB路徑之該至少一部分的壓力距離積分係等於或大於0.005torr-cm，該射束加速電位高達70kV，以及該射束劑量高達每cm22×1014團簇；且其中該目標厚度高達70埃，以及該目標表面粗糙度高達1埃。
  21. 如申請專利範圍第19項之在基板上形成薄膜的方法，其中沿該GCIB路徑之該至少一部分的壓力距離積分係等於或大於0.002torr-cm，該射束加速電位高達70kV，以及該射束劑量高達每cm22×1014團簇；且其中該目標厚度高達70埃，以及該目標表面粗糙度高達2埃。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2458507A (en) * 2008-03-20 2009-09-23 Tecvac Ltd Oxidation of non ferrous metal components
US8338806B2 (en) * 2010-05-05 2012-12-25 Tel Epion Inc. Gas cluster ion beam system with rapid gas switching apparatus
JP2012204591A (ja) * 2011-03-25 2012-10-22 Toshiba Corp 膜形成方法および不揮発性記憶装置
KR20130101351A (ko) 2012-03-05 2013-09-13 에스케이하이닉스 주식회사 저항성 메모리 소자 및 그 제조 방법
CN112176304A (zh) * 2020-09-14 2021-01-05 江苏集创原子团簇科技研究院有限公司 一种用气体团簇离子束生长薄膜的方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3795423B2 (ja) * 1994-09-06 2006-07-12 独立行政法人科学技術振興機構 ガスクラスターイオンビームによる薄膜形成方法
JP3352842B2 (ja) * 1994-09-06 2002-12-03 科学技術振興事業団 ガスクラスターイオンビームによる薄膜形成方法
WO2002005315A2 (en) * 2000-07-10 2002-01-17 Epion Corporation System and method for improving thin films by gas cluster ion be am processing
JP4449064B2 (ja) * 2003-01-27 2010-04-14 ティーイーエル エピオン インク． ガスクラスタ・イオン・ビームを測定しかつ制御する方法とそのための装置
FR2850400B1 (fr) * 2003-01-29 2005-03-11 Soitec Silicon On Insulator Carburation de surfaces de silicium au moyen d'un faisceau d'ions d'amas gazeux
US7405394B2 (en) * 2004-08-24 2008-07-29 Hitachi, Ltd. Gas cluster-ion irradiation apparatus
US7749849B2 (en) * 2007-12-18 2010-07-06 Micron Technology, Inc. Methods of selectively oxidizing semiconductor structures, and structures resulting therefrom

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