TWI649775B

TWI649775B - 離子佈植機及離子佈植機腔室的製造方法

Info

Publication number: TWI649775B
Application number: TW107100101A
Authority: TW
Inventors: 林宜靜; 陳其賢; 吳欣賢; 張鈞琳
Original assignee: 台灣積體電路製造股份有限公司
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2019-02-01
Also published as: TW201931417A

Abstract

一種離子佈植機，此離子佈植機包含腔室。腔室包含至少一第一腔壁及第一類金剛石碳層。所述至少一第一腔壁定義出製程空間。第一類金剛石碳層配置於所述至少一第一腔壁上。第一類金剛石碳層包含經修飾之第一表面，經修飾之第一表面面向製程空間。

Description

離子佈植機及離子佈植機腔室的製造方法

本揭露內容實施例係有關一種離子佈植機及離子佈植機腔室的製造方法，特別是關於一種具有類金剛石碳層的離子佈植機，此類金剛石碳層配置於腔室的內側表面上。

離子佈植(ion implantation)製程已廣泛地應用於積體電路、發光二極體、及太陽能電池等產業中。離子佈植製程可以選擇性地將離子以特定的條件摻雜至工件中的特定區域。一般來說，在進行離子佈植製程時，包含一或多種材料會先在離子源中被解離成為電漿，然後離子會自此電漿中持續被引出而形成離子束。離子束會陸續地被過濾、加減速、調整方向、及調整橫截面輪廓，最後被引導至欲摻雜之工件之特定區域。

在離子佈植製程中，離子或其他材料可能會沉積在離子佈植機的組件或內壁上，形成塗層。這些塗層可能形成製程中的污染來源或產生不預期之導電路徑。雖然在預防性維護(preventive maintenance,PM)過程中能清潔組件或內壁，但某些塗層仍可能殘留在組件或內壁上，而且維護過程也會降低機台的使用率。因此，需要改善離子或其他材料附著至組件或內壁的情況。

根據本揭露內容之多個實施方式，係提供一種離子佈植機，此離子佈植機包含腔室。腔室包含至少一第一腔壁及第一類金剛石碳層(Diamond-like carbon,DLC)。所述至少一第一腔壁定義出製程空間。第一類金剛石碳層配置於所述至少一第一腔壁上。第一類金剛石碳層包含經修飾之第一表面，經修飾之第一表面面向製程空間。

根據本揭露內容之多個實施方式，係提供一種離子佈植機，此離子佈植機包含腔室。腔室包含腔壁及塗層。塗層配置於腔壁的內側表面上，其中塗層暴露的表面的鍵解離能介於400至500kJ/mol。

根據本揭露內容之多個實施方式，係提供一種製造離子佈植機的腔室的方法，此方法包含提供腔室，此腔室具有腔壁。之後形成類金剛石碳層於腔壁之內側表面上。再通入前驅氣體於腔室內以進行化學氣相沈積反應，使類金剛石碳層暴露的表面形成C-X鍵結，其中X包含F、H或Si。

為使本揭露內容之上述及其他目的、特徵和優點更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式詳細說明如下。

100‧‧‧離子佈植機

110‧‧‧腔室

112‧‧‧第一腔壁

1122‧‧‧基材

1124‧‧‧內襯層

114‧‧‧類金剛石碳層

1142‧‧‧類金剛石碳分層

1144‧‧‧第一矽摻雜類金剛石碳層

114a‧‧‧經修飾之第一表面

116‧‧‧製程空間

120‧‧‧離子源室

121、122、123‧‧‧第二腔壁

124‧‧‧類金剛石碳層

124a‧‧‧經修飾之第二表面

125‧‧‧開口

130‧‧‧電極

132‧‧‧萃取電極

134‧‧‧抑制電極

135‧‧‧絕緣組件

140、140”‧‧‧離子束

150‧‧‧質量分析器

160‧‧‧加速/減速裝置

170‧‧‧載台

180‧‧‧工件

300‧‧‧方法

S302、S304‧‧‧步驟

M‧‧‧虛線區域

A-A”‧‧‧線段

第1圖為根據某些實施方式之離子佈植機的剖面示意圖。

第2A圖為根據某些實施方式之第1圖中沿A-A”線段的剖面示意圖。

第2B-C圖為根據某些實施方式之第2A圖中虛線區域M的放大示意圖。

第2D圖為根據某些實施方式之第1圖中沿A-A”線段的剖面示意圖。

第3圖為根據某些實施方式之離子佈植機的腔室的製造方法的流程圖。

以下將詳細討論本實施例的製造與使用，然而，應瞭解到，本揭露內容提供實務的創新概念，其中可以用廣泛的各種特定內容呈現。下文敘述的實施方式或實施例僅為說明，並不能限制本揭露內容的範圍。

本揭露內容中可使用諸如「下方(beneath)」、「以下(below)」、「下部(lower)」、「上方(above)」、「上部(upper)」等等之空間相對術語在以便於描述，以描述一個元件或特徵與另一或更多個元件或特徵之關係，如圖式中所圖示。空間相對術語意欲包含在使用或操作中之裝置除圖式中繪示之定向以外的不同定向。或者，設備可經轉向(旋轉90度或其他方向)，及本案中使用之空間相對描述詞同樣可相應地進行解釋。

此外，本文所使用的用語僅是為描述特定實施例的目的，且並非想要限制本揭露內容。譬如在說明書中所使用，除非本文另外有明確指示，否則單數形式“一”以及“所述”也包括複數(plurality)的形式。

本揭露內容提供一種離子佈植機及離子佈植機的腔室的製造方法。在本揭露內容中，術語“腔室”用於指離子佈植機內離子束通過的任何空間。類金剛石碳層配置於腔室的腔壁內側表面上。類金剛石碳層具有暴露之經修飾表面，可避免離子或其他材料黏附於腔壁內側表面上形成製程中的汙染源。

第1圖為根據本揭露內容某些實施方式之離子佈植機之剖面示意圖。如第1圖所示，在某些實施方式中，離子佈植機100包含腔室110、離子源室(或稱電弧室)120、電極130、絕緣組件135、質量分析器150、加速/減速裝置160、及載台170。腔室110包含第一腔壁112及類金剛石碳(Diamond-like carbon,DLC)層114。第一腔壁112定義出離子佈植製程的製程空間116，且第一腔壁112具有面向製程空間116的內側表面。類金剛石碳層114配置於第一腔壁112的內側表面上。類金剛石碳層114包含經修飾之第一表面114a，經修飾之第一表面114a暴露於製程空間116中。在一實施例中，類金剛石碳層114可僅配置於第一腔壁112的部分內側表面上。

在某些實施例中，經修飾之第一表面114a的鍵解離能(bond dissociation energy)介於400至500kJ/mol，例如420kJ/mol、450kJ/mol、或480kJ/mol。舉例來說，碳-氟之間的鍵解離能為約485kJ/mol，碳-氫之間的鍵解離能為約415kJ/mol。因經修飾之第一表面114a的鍵解離能大於碳-碳之間的鍵解離能約357kJ/mol，因此經修飾之第一表面114a較能抵擋離子轟擊(ion bombardment)。

第2A圖為根據本揭露內容某些實施方式之第1圖中沿線段A-A”的剖面示意圖。第一腔壁112包含基材1122及內襯層1124，內襯層1124包含石墨材料層或金屬層。類金剛石碳層114配置於第一腔壁112的內襯層1124上。類金剛石碳層114包含經修飾之第一表面114a。第2B圖及第2C圖為根據本揭露內容某些實施方式之第2A圖中虛線區域M的放大示意圖。如第2B圖所示，經修飾之第一表面114a包含碳-氟鍵結。在一實施例中，碳-氟鍵結僅存在於經修飾之第一表面114a，類金剛石碳層114並無摻雜或鍵結其他元素，避免類金剛石碳層114的硬度降低。如第2C圖所示，經修飾之第一表面114a包含碳-氫鍵結。在另一實施例中，碳-氫鍵結僅存在於經修飾之第一表面114a，類金剛石碳層層114並無摻雜或鍵結其他元素。

第2D圖為根據某些實施方式之第1圖中沿A-A”線段的剖面示意圖。第一腔壁112包含基材1122及內襯層1124，內襯層1124包含石墨材料層或金屬層。類金剛石碳層114配置於第一腔壁112的內襯層1124上。類金剛石碳層114包含類金剛石碳分層1142及第一矽摻雜類金剛石碳層1144。第一矽摻雜類金剛石碳層1144配置於類金剛石碳分層1142上。在一實施例中，藉由摻雜矽於類金剛石碳層114中以形成第一矽摻雜類金剛石碳層1144，第一矽摻雜類金剛石碳層1144，下方未經摻雜的類金剛石碳層114則形成類金剛石碳分層1142。相較於第2A圖繪示的實施方式，第2D圖進一步包含第一矽摻雜類金剛石碳層1144。在一實施例中，第一矽摻雜類金剛石碳層1144的矽含量介於2至10at.%，例如3at.%、5at.%、或7at.%。相較於未摻雜矽的類金剛石碳層，摻雜矽的類金剛石碳層的表面細緻度較佳。然而，當矽的摻雜量太多，例如大於10at.%時，摻雜矽的類金剛石碳層的硬度及楊氏模數(Young’s modulus)皆會降低，因此矽含量須維持在特定的範圍內。

請再回到第1圖。在某些實施方式中，離子源室120包含第二腔壁121、第二腔壁122、第二腔壁123、類金剛石碳層124、及開口125。開口125配置於第二腔壁123上。第二腔壁121、第二腔壁122、第二腔壁123的內側表面面向產生離子源的空間。類金剛石碳層124配置於第二腔壁121及/或第二腔壁123的內側表面上。由於是在剖面示意圖中說明離子佈植機100，因此僅例示性地繪示第一腔壁112、第二腔壁121、第二腔壁122、及第二腔壁123。本技術領域中具有通常知識者應了解，實際上腔室110及離子源室120可以包含任何數量的腔壁。類金剛石碳層124類似於類金剛石碳層114。類金剛石碳層124包含經修飾之第二表面124a，經修飾之第二表面124a暴露於離子源空間中。在一實施例中，經修飾之第二表面124a包含氟-碳鍵結、或氫-碳鍵結。在另一實施例中，類金剛石碳層124包含第二矽摻雜類金剛石碳層，第二矽摻雜類金剛石碳層的頂面即為類金剛石碳層124暴露於離子源空間的經修飾之第二表面124a。第二矽摻雜類金剛石碳層的矽含量介於2至10at.%，例如3at.%、5at.%、或7at.%。在又一實施例中，經修飾之第二表面124a的鍵解離能(bond dissociation energy)介於400至500kJ/mol，例如420kJ/mol、450kJ/mol、或480kJ/mol。舉例來說，碳-氟之間的鍵解離能為約485kJ/mol，碳-氫之間的鍵解離能為約415kJ/mol。在一實施例中，第二腔壁122的組成包含介電材料。第二腔壁121及123的內側表層包含導電材料層，例如石墨材料層或金屬層。金屬層可例如為鋁層。

在某些實施例中，類金剛石碳層也可形成於絕緣部件上，相關的細節將在後續詳述。

類金剛石碳層可避免離子或金屬沉積後形成污染塗層於離子佈植機的腔壁或絕緣部件上。類金剛石碳層的經修飾之表面光滑且具疏水性，故可防止汙染塗層沾黏於腔壁或絕緣部件上。當汙染塗層附著於腔壁時，汙染塗層可能會成為製程期間的工件的污染來源。當汙染塗層附著於絕緣部件時，因汙染塗層可能具導電性，進而產生不預期之導電路徑並影響絕緣部件的絕緣性能。即便有汙染塗層形成於類金剛石碳層上時，因類金剛石碳層的硬度極佳(例如為14-18Gpa)，在預防性維護(PM)期間移除汙染塗層時也不會造成類金剛石碳層受損或剝離。

在某些實施例中，離子源室120具有電漿產生器(未繪示)，例如射頻天線(RF antenna)或間接加熱的陰極(indirectly heated cathode,ISC)。電漿產生器提供能量以於離子源室120內產生離子。在某些實施例中，離子佈植機100更包含氣體供應裝置(未繪示)，氣體供應裝置連接至離子源室120以輸送離子源氣體至離子源室120內。輸送的氣體包含適當的氣體，例如含硼、或含磷之氣體。

在某些實施方式中，離子佈植機100更包含電極130。電極130包含萃取電極(extraction electrode)132及抑制電極(suppression electrode)134。電極130可以包含任何數量的電極或排列方式，並且不限於此實施方式。在離子佈植製程中，施加負偏壓至萃取電極132以從離子源室120吸引離子。經萃取電極132吸引的離子通過開口125形成離子束140。通常會施加不同的偏壓至抑制電極134，用於聚焦離子束140。在一實施例中，電極130的組成包含石墨。在另一實施例中，離子佈植機100包含絕緣組件135，絕緣組件135用以支撐電極130，並使萃取電極132與抑制電極134相互電性絕緣。可形成類金剛石碳層(未繪示)於絕緣組件135上。此類金剛石碳層的材質及性質相同於類金剛石碳層114或124，故在此不再贅述。

在某些實施方式中，離子佈植機100更包含質量分析器150。離子束140可以進入質量分析器150，質量分析器150會篩選出具有所需電荷/質量比的離子。因此，經質量分析器150篩選後，具有所需電荷/質量比的離子所形成的離子束140”之後會經過加速/減速裝置160，並佈植至載台170上的工件180。工件180可例如為晶圓。在某些實施例中，離子佈植機100可以省略質量分析器150，但可選用的離子源氣體種類會受到限制。

在一實施例中，離子佈植機100包含絕緣部件(未繪示)，絕緣部件包含襯套或絕緣元件。絕緣元件用於電性隔離具有不同電壓電位的兩個元件(例如電極、或加速/減速裝置160)。可形成類金剛石碳層(未繪示)於絕緣部件上。此類金剛石碳層的材質及性質相同於類金剛石碳層114或124，故在此不再贅述。

第3圖為根據某些實施方式之離子佈植機的腔室的製造方法300的流程圖。如第3圖所示，方法300包含步驟S302及步驟S304。可以理解的是，可以在方法300之前、期間或之後提供額外的步驟，而且某些下述之步驟能被取代或刪除，作為製造方法的額外實施方式。

請參照第3圖，方法300開始於步驟S302，形成類金剛石碳層於腔室的腔壁內側表面上。在某些實施方式中，提供腔室，此腔室具有腔壁。之後形成類金剛石碳層於腔壁之內側表面上。形成類金剛石碳層的步驟包含物理氣相沉積製程、化學氣相沉積製程或任何習知的製程。

方法300進行至步驟S304，通入前驅氣體於腔室內以進行化學氣相沈積反應，使類金剛石碳層暴露的表面形成C-X鍵結，其中X包含F、H或Si。在某些實施例中，當X包含F時，前驅氣體包含CF₄。當X包含H時，前驅氣體包含H₂。當X包含Si時，前驅氣體包含SiH₃CH₃。在一實施例中，腔壁包含石墨材料層或金屬層，且石墨材料層或金屬層接觸類金剛石碳層。

根據本揭露內容的一種態樣，係提供一種離子佈植機，包含腔室。腔室包含至少一第一腔壁及第一類金剛石碳層。所述至少一第一腔壁定義出製程空間。第一類金剛石碳層配置於所述至少一第一腔壁上，第一類金剛石碳層包含經修飾之第一表面，經修飾之第一表面面向製程空間。

在一實施例中，經修飾之第一表面包含氟-碳鍵結、或氫-碳鍵結。

在一實施例中，離子佈植機更包含離子源室。離子源室配置於腔室中。離子源室包含至少一第二腔壁、及第二類金剛石碳層。所述至少一第二腔壁定義出離子源空間。第二類金剛石碳層配置於第二腔壁上，第二類金剛石碳層包含經修飾之第二表面，經修飾之第二表面面向離子源空間。

在一實施例中，經修飾之第二表面包含氟-碳鍵結、或氫-碳鍵結。

在一實施例中，所述至少一第一腔壁包含石墨材料層或金屬層，第一類金剛石碳層接觸石墨材料層或金屬層。

在一實施例中，第一類金剛石碳層或第二類金剛石碳層包含矽摻雜類金剛石碳層，其中矽摻雜類金剛石碳層的矽含量介於2至10at.%。

根據本揭露內容的另一種態樣，係提供一種離子佈植機，包含腔室。腔室包含腔壁、及塗層。塗層配置於腔壁的內側表面上，其中塗層暴露的表面的鍵解離能介於400至500kJ/mol。

根據本揭露內容的另一種態樣，係提供一種製造離子佈植機的腔室的方法。方法包含提供腔室，腔室具有腔壁。形成類金剛石碳層於腔壁之內側表面上。通入前驅氣體於腔室內以進行化學氣相沈積反應，使類金剛石碳層暴露的表面形成C-X鍵結，其中X包含F、H或Si。

在一實施例中，當X包含F時，前驅氣體包含CF₄。

在一實施例中，當X包含Si時，前驅氣體包含SiH₃CH₃。

綜上所述，本揭露內容提供的某些實施方式可延長離子佈植機的使用壽命。此外，類金剛石碳層可避免離子或其他材料附著至腔壁上，可減少製程中的汙染源。應當理解的是，並非所有的優點都要在本文中討論，所有實施方式或實施例不需要特定的優點，且其他實施方式或實施例可提供不同的優點。

上文概述若干實施例之特徵結構，使得熟習此項技術者可更好地理解本揭露內容之態樣。熟習此項技術者應瞭解，可輕易使用本揭露內容作為設計或修改其他製程及結構的基礎，以便實施本文所介紹之實施例的相同目的及/或實現相同優勢。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效結構並未脫離本揭露內容之精神及範疇，且可在不脫離本揭露內容之精神及範疇的情況下做出對本揭露內容的各種變化、替代及更改。

Claims

一種離子佈植機，包含：一腔室，包含：至少一第一腔壁，該至少一第一腔壁定義出一製程空間；以及一第一類金剛石碳層(Diamond-like carbon,DLC)，配置於該至少一第一腔壁上，該第一類金剛石碳層包含經修飾之一第一表面，經修飾之該第一表面包含氟-碳鍵結、或氫-碳鍵結，經修飾之該第一表面的一鍵解離能(bond dissociation energy)介於400至500kJ/mol，經修飾之該第一表面面向該製程空間；其中該第一類金剛石碳層包含一第一矽摻雜類金剛石碳層，且該第一矽摻雜類金剛石碳層的矽含量介於2至10at.%。
如請求項1所述之離子佈植機，更包含：一離子源室，配置於該腔室中，該離子源室包含：至少一第二腔壁，該至少一第二腔壁定義出一離子源空間；以及一第二類金剛石碳層，配置於該些第二腔壁上，該第二類金剛石碳層包含經修飾之一第二表面，經修飾之該第二表面包含氟-碳鍵結、或氫-碳鍵結，經修飾之該第二表面的一鍵解離能(bond dissociation energy)介於400至500kJ/mol，經修飾之該第二表面面向該離子源空間。
如請求項1所述之離子佈植機，其中該至少一第一腔壁包含一石墨材料層或一金屬層，該第一類金剛石碳層接觸該石墨材料層或該金屬層。
如請求項2所述之離子佈植機，其中該第二類金剛石碳層包含一第二矽摻雜類金剛石碳層，其中該第二矽摻雜類金剛石碳層的矽含量介於2至10at.%。
一種離子佈植機，包含：一腔室，該腔室包含一腔壁；以及一類金剛石碳層，配置於該腔壁的一內側表面上，其中該類金剛石碳層暴露的一表面包含氟-碳鍵結、或氫-碳鍵結，且該表面的一鍵解離能(bond dissociation energy)介於400至500kJ/mol；其中該類金剛石碳層包含一矽摻雜類金剛石碳層，且該矽摻雜類金剛石碳層的矽含量介於2至10at.%。
一種製造離子佈植機的腔室的方法，該方法包含：提供一腔室，該腔室具有一腔壁；形成一類金剛石碳層於該腔壁之一內側表面上，其中該類金剛石碳層包含一矽摻雜類金剛石碳層，且該矽摻雜類金剛石碳層的矽含量介於2至10at.%；以及通入一前驅氣體於該腔室內以進行一化學氣相沈積反應，使該類金剛石碳層暴露的一表面形成一C-X鍵結，其中X包含F、H或Si。
如請求項6所述之方法，其中當X包含F時，該前驅氣體包含CF₄。
如請求項6所述之方法，其中當X包含Si時，該前驅氣體包含SiH₃CH₃。