專利名稱：離子束中和方法及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工件的來處理所用的離子束中和方法及設備。
離子束注入機用來采用離子束處理硅晶片。這種處理在集成電路制造期間可以產生n或P型非本征材料摻雜或者用來形成鈍化層。
用于摻雜半導時，離子注入機注入選擇的離子產物，產生期望的非本征材料。注入從源材料例如銻、砷或磷產生的離子形成“n型”非本征材料晶片。如果需要“P型”非本征材料晶片，則注入從源材料例如硼、鎵或銦產生的離子。
離子束注入機包括離子源，用于從可離子化源材料產生帶正電離子。產生的離子形成束并加速，沿預定束通路到達注入臺。離子束注入機包括在離子源與注入臺之間延伸的束形成和整形結構。束形成和成形結構保持離子束并限定一個細長內腔或區(qū)域，束通過該區(qū)域經一條路線到達注入臺。注入機工作時，此內區(qū)域必須抽真空，減少因與空氣分子碰撞而引起的離子子偏離預定束路徑的可能性。
本發(fā)明的受讓人Eaton公司目前銷售強電流注入機，產品牌號為NV10，NV-GSD/200，NV-GSD/160和NV-GSD/80。這些已有的注入機的一個問題是晶片帶電。離子束與晶片接觸時，帶正電的離子撞擊晶片表面時晶片被充電。充電往往是非均勻的并能在晶片表面產生大電場，從而損壞晶片，使其無法用做半導體材料。
在某些已有的注入系統(tǒng)中，采用電子簇射裝置束中和離子束的空間電荷。現有的電子簇射裝置利用高能電子撞擊金屬表面時產生的二次電子發(fā)射。從金屬表面發(fā)射的低能電子或者被俘獲在離子束中，或者與晶片表面碰撞，從而使直接中和晶片。
通過來自金屬表面的二次發(fā)射而獲得的電子的電流密度受到離子束與發(fā)射表面之間電位差的限制。現有的離子注入機中和器依靠電場把來自離子束之外的電子遷移至束內，電子在那里被離子束俘獲。一旦被離子束俘獲，電子便可以隨束自由移動，到達抵消正電離子束流的目標。
使電子遷移至離子束的電場還令人遺憾地使束離子向外偏離其聚焦的束路徑。為了使電子被束俘獲，需要在電子與束等離子體顆粒(中性和離子化的)之間的碰撞。如果不發(fā)生這種碰撞，則電子以彈道式運動在束之中及周圍振蕩。離子與電子之間的碰撞率受到決定碰撞可能性的電子密度的限制。通常，電子與離子之間的碰撞率導致不完全中和，保留明顯的帶正電離子束的剩余空間電荷效應。
一種稱為“等離子體橋”的電子流尤其涉及這些制約。在與離子束相鄰的空腔產生離子和電子的等離子體。空腔通常與離子束分開，以使在空腔內使用的高密度氣體促使等離子體的發(fā)生。允許等離子體經過小孔從空腔“漏出”。大電子流從該孔流向離子束等離子體。由于在等離子體橋中的適當電荷中和，大電子流從空腔流向束。
即使使用等離子體橋，也需要沿橋的電場來保持電流。當等離子體橋從產生等離子體的空腔的孔擴展時，電子擴散被作為電子遷移的主要模式的彈道運動所代替。
就現有的離子束中和系統(tǒng)而言，采用從產生電子的區(qū)域到電子注入束的區(qū)域的電場，這些電場也提高了電子的動能，因而促使電子碰撞，避免被俘獲在離子束之內。
本發(fā)明涉及離子注入機，用于對一個或多個工件采用帶正電的離子進行處理。
根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，離子注入機包括離子源，束形成結構，離子束中和器，和離子處理臺。離子源發(fā)射帶正電離子，由束形成結構將其形成為離子束。離子處理臺將一個或多個工件定位，當工件進入離子處理臺時截取來自離子束的離子。
離子束中和器沿離子束路徑位于離子處理臺的上游。根據本發(fā)明，離子中和器包括密封結構，限定離子束路徑。該結構限定入口板和出口板，以使離子束在處理臺撞擊一個或多個工件之前穿過中和區(qū)。等離子體源位于密封結構內，在中和區(qū)內提供電子。密封體還支承磁體陣列，在中和區(qū)產生磁場對從電子源發(fā)射的電子進行約束，從而增強電子在中和區(qū)內的聚集。
在中和區(qū)內，電場通常較弱，電子主要通過擴散從高密度區(qū)向低密度區(qū)位移。如此在離子束本身之內產生自由電子或者不依靠任何電場從周圍區(qū)域擴散進來。一旦電子被束俘獲，大電子流沿離子束流向離子處理臺的一個成多個工件，而對離子束軌跡無電場負效應。
離子束中和器所具有的等離子體密度必須實際大于擴散處理所用的離子束的等離子體密度，以便支配電子運動。離子束中和器還必須在低氣壓下工作，以避免離子束的過度衰減。
根據本發(fā)明的另一特征，離子束中和器包括具有多根軸延伸的金屬過濾桿的過濾桿組合，在密封結構內支承多個磁體。過濾桿構成過濾磁場，整體約束離子束并沿離子束路徑延伸。過濾桿組合約束來自現有的離子束的更高能量，并使低能電子隨離子束等離本漂移。過濾桿細合有利于離子束中和。過濾桿限制了一個或多個目標工件的最大可能的負帶電。此外，過濾桿組合使靠近離子束中和器的上游部位的離子束等離子體的發(fā)熱減至最小。
電子流的性能測量是在絕緣目標的離子束上游中心的電壓。低電壓對應于因不完全中和引起的離子束中較低的剩余空間電荷。已經發(fā)現，本優(yōu)選實施例所公開的離子束中和器產生約5～7伏的束電壓，而采用相同離子束的其它傳統(tǒng)電子流則具有約15～60伏的束電壓。


圖1是離子注入機的示意圖，用于例如安裝在旋轉支架上的硅晶片的工件的離子束處理。
圖2是根據本發(fā)明優(yōu)選實施例構成的離子束中和器的分解透視圖。
圖3是根據本發(fā)明優(yōu)選實施例構成的密封體的正視圖。
圖4是由圖3中的線4-4所確定的平面圖。
圖5是由圖3中的線5-5所確定的剖面圖。
圖6是根據本發(fā)明優(yōu)選實施例構成的密封體第一蓋板的前視圖。
圖7是圖6蓋板的后視圖。
圖8是圖6中的線8-8所確定的平面圖。
圖9是圖6中的線9-9所確定的剖面圖。
圖10是圖6中的線10-10所確定的剖面圖。
圖11是根據本發(fā)明優(yōu)選實施例構成的密封體第二蓋板的后視圖。
圖12是圖11的蓋板的前視圖。
圖13是圖11中的線13-13所確定的平面圖。
圖14是圖11中的線14-14所確定的剖面圖。
圖15是圖11中的線15-15所確定的剖面圖。
圖16是安裝在密封體上的磁體的透視圖。
圖17是安裝在第一和第二蓋板的磁體的透視圖。
圖18是根據本發(fā)明優(yōu)選實施例構成的包括多個磁過濾桿的過濾桿組合的正視圖。
圖19是圖18中的線19-19所確定的平面圖。
圖20是從圖19中的線20-20所確定的平面來看的一個過濾桿的剖面圖。
圖21是用于把磁體保持在密封體上的護桿。
圖22是出口法蘭的后視圖。
圖23A-23B是展示約束磁場和磁場過濾器的離子束中和器的實施例的示意圖。
圖23C-23D是展示約束磁場的離子束中和器的另一實施例的示意圖。
參看圖1，該圖展示了離子束入機，整體用10表示，其包括安裝在“L”狀支架15的離子源12，用于提供形成經過束通路到達注入臺16的離子束14的離子。在注入臺16設置控制電子儀器(未示出)，監(jiān)視及控制在注入室17內的晶片(未示出)所接收的離子劑量。離子束中的離子流過預定的期望束通路，當束經過離子源12與注入臺16之間的距離時趨于發(fā)散。
離子源12包括等離子體室18，限定出源材料注入其中的內部區(qū)域。源材料可包括離子化氣體或者汽化源材料。固態(tài)源材料淀積進汽化器，然后注入等離子體室18。如果期望n型非本征晶片材料，則將使用硼、鎵或銦。鎵和銦是固態(tài)源材料，而把硼注入等離子體室18作為氣體時，通常是指氟化硼或乙硼烷，這是因硼的汽化壓強過低，以致通過對其簡單加熱即可產生適用的壓強。如果準備生產P型非本征材料，則將選取銻、砷或磷作為固態(tài)材料。對源材料施加能量，在等離子體室18內產生帶正電荷的離子。帶正電的離子經過在覆蓋等離子體室18的開口側的蓋板中的橢圓弧形狹縫脫離等離子體室。
離子束14經過真空通道從離子源12行進至注入室17，注入室也是真空的。由真空泵21提供束通道的真空。根據本發(fā)明構成的離子源12的一種應用是用于“低”能量注入機。此種注入機的離子束14趨于在其通道上擴散，因而已經把注入機設計成具有從源12至注入室17的相當“短”的通道。
等離子體室18中的離子經過等離子體室蓋板中的弧形狹縫被引出，并被靠近等離子體室的一組電極24加速，朝向固定子支架15的質譜分析磁體22。此組電極24把離子從等離子體室內引出，并加速離子使其進入由質譜分析或解析磁體22界定的區(qū)域。經過磁體的離子束通道由鋁制束波導26限定。
構成離子束14的離子從離子源12運動進入由質譜分析磁體22建立的磁場。由磁體22產生的磁場的強度和取向由與磁體連接器P0耦合的控制電子儀器80所控制，調節(jié)經過磁體的場繞組的電流。
質譜分析磁體22僅使那些具有適于荷質比的離子到達離子注入臺16。在等離子體室18中的源材料的離子化產生具有期望的原子質量的帶正電離子的產物。但是，除了期望的離子產物之外，離子化過程還會產生適宜的原子質量之外的部分離子。原子質量超過或低于適宜原子質量的離子不適用于注入。
由質譜分析磁體22產生的磁場使得離子束中的離子以曲線軌跡運動。由控制電子儀器80建立的磁場，僅使原子質量等于期望的離子產物的原子質量的那些離子沿曲線的束通道行進至注入臺室17。
位于磁體下游的是解析板40。解析板40由透明石墨構成并限定出離子束14中的離子通過的細長通孔。在解析板40處，離子束的分散、束包線寬度最小。
解析板40的作用是與質譜分析磁體22一起從離子束14中消除其原子質量接近但不等于所需離子產物的不期望的離子產物。如上所述，質譜分析磁體的磁場強度和取向由控制電子儀器80建立，以使僅有那些其原子質量等于所需產物的原子質量的離子會沿預定的期望束通道行進至注入臺16。原子質量比所需離子的原子質量大得多或小得多的那些不期望的離子產物被急劇地偏轉并撞擊在束波導26或者由解析板40確定的狹縫邊界。
可調節(jié)的解析狹縫41和法拉第遮光器42位于解析孔40和離子束中和器44之間。法拉弟遮光器42可移動地連接于同束來路線的盒50上。法拉弟遮光器42可以線性地移至橫切離子束14的位置，測量束特性，當測量滿足條件時，遮光器從束路線搖擺開，從而對注入室17內的晶片注入無影響。
束形成結構還包括束中和器44，通常稱為電子簇射。1992年11月17日授予Denveniste的美國專利5164599公開了一種離子束注入機中的電子簇射設備，這里將其整體引作參考。從等離子體室18引出的離子帶電。如果在晶片注入之前來使離子的正電荷中和，則摻雜后的晶片將帶負電。如美國專利5164599所述，這種在晶片上的凈負電荷具有不期望的特性。
中和器44的下游端與其中晶片被注入離子的注入室17相鄰。一個盤狀晶片支架60支承在注入室之內。待處理的晶片位于靠近晶片支架的外邊緣之處，支架由電機62旋轉。電機62的輸出軸通過皮帶66與支架驅動軸64耦合。離子束14在晶片在環(huán)形通道旋轉時撞擊晶片。注入臺16可相對于中和器44轉動，并通過柔性波紋管70與盒50連接(圖1)。
圖2-23展示了根據本發(fā)明構成的離子束中和器44的優(yōu)選實施例。圖2是束中和器44的分解透視圖。束中和器44包括第一金屬蓋板100，金屬密封體120，和在圖1所示位置與注入機10連成一體并安裝于其上的第二金屬蓋板140，以使束140通過密封體120。密封體120支承一個圍繞其圓周按均勻間距相隔的細長外磁體陣列124。蓋板100、140分別包括通常為拉長的矩形開口105、145，可使離子束14通過蓋板100、140和密封體120。蓋板100、140支承多個均勻間隔的外磁體164、密封體120、蓋板100、140和磁體124、164構成約束磁場，把電子約束在由蓋板100、140和密封體120界定的區(qū)域內運動，使得這些電子可被離子束的電位所俘獲。
參看優(yōu)選實施例的圖3，金屬(一般是鋁)密封體120是具有內區(qū)130的圓筒結構。在該優(yōu)選實施例中，密封體120圍繞其圓周限定出脊條122陣列。脊條122由設置細長磁體124的槽123隔開(如圖16所示)。如圖23A概念性地所示，磁體124的取向是使其磁極交替地圍繞密封體120的圓周。所得的約束磁場191整體由圖23A中的虛線所示。長度大致與磁體124相等的護桿127(圖21所示)與磁體124相鄰地安裝。桿127的端限定出螺紋孔129，與穿過位于蓋板100、140圓周的通孔121的緊固件128配合。緊固護桿127避免相鄰磁體124徑向向外移動。
如圖4和5所示，密封體120限定出一對開口125a、125b，容納一對電子源126(圖23C)或者電子激發(fā)源199(圖1僅示出其中之一)。電子源或激發(fā)源徑向向內伸入由金屬密封體120界定的中和區(qū)130。在優(yōu)選實施例中，電子激發(fā)源包括諧振頻率天線199，如圖23B示意性所示，和發(fā)射電磁能的電源199a，對被離子束等離子體14的電位所俘獲在中和區(qū)130內的自由電子加速。
另一實施例概念性地示于圖23C和23D，其中密封體120一般為矩形。此實施例中，電子源126包括燈絲陰極299，和電源299a，把電子注入離子束14經過的中和區(qū)130。第二電源299b連接地的中和體120與燈絲陰極299之間保持偏置電壓。如圖23D概念性所示，磁體124的取向是使其磁極交替圍繞體120的周邊。所得約束磁場291整體由圖23C和23D的虛線所示。約束磁場291約束高能電子300，并可使低能電子301沿離子束14漂移。
密封體120還限定出前后表面120a、120b，分別具有槽135，用于容納O形環(huán)136(圖2僅示出其中一個)，并具有螺紋孔139，用于容納多個緊固件138。金屬蓋板100、140分別利用插入位于蓋板100、140的直徑上的通孔131的緊固件138與密封體120的表面120a、120b連接。如圖1概括所示，密封體120的外表面和離子束中和器44的至少一個蓋板100、140暴露于空氣中。在此優(yōu)選實施例中，O形環(huán)136壓在體120與蓋板100、140之間，使大氣壓與離子束中和器44內的真空分開。
圖6-10是入口金屬蓋板100，圖11-15是出口金屬蓋板140。入口蓋板100和出口蓋板140由密封體120軸向隔開并呈同軸關系。蓋板100、140分別包括多個規(guī)則隔開的長方形孔108、148，其尺寸設計成形成與磁體164的配合關系。如圖6概括所示，根據長方形孔108在入口蓋板100上的位置和磁體164的尺寸，長方形孔108可以支承一個或多個磁體164。對于出口蓋板140與圖11所示類似。如圖23B概念性所示，磁體164的取向是使其磁極從一個磁體164到相鄰磁體164交替。長方形孔108、148和磁體164的定位，是以使由圖23B中的虛線所概括示出的約束磁“壁”201實現對電子源126發(fā)射的或者激發(fā)源199提供的高能自由電子的約束。
如圖2所示，利用插入蓋板100、140上的螺紋孔169的緊固件168，磁體約束板111安裝在入口蓋板100上，第二磁體約束板151安裝在蓋板140上。板111、151使磁體164保持在蓋板100、140內。在磁體164的外表面上安裝銅帶條165，消除或減少磁體164在長方形孔108內的移動，提供熱量從磁體164傳輸。蓋板100、140包括分別限定冷卻劑通道114、154(如圖8和13所示)的凸緣結構，圍繞蓋板100、140的圓周確定冷卻液體的路線。在優(yōu)選實施例，冷卻液體通過蓋板100、140和密封體120散發(fā)由高能離子振蕩產生的熱量。
入口蓋板100還包括支承過濾桿組合200的開口105。利用插入蓋板100的螺紋孔179的緊固件，過濾桿組合200安裝在蓋板100上。在此優(yōu)選實施例中，O形環(huán)236壓在蓋板100與過濾桿細合200之間，使大氣壓與離子束中和器44內的真空分開。如圖18、19和20所示，過濾桿組合200包括具有孔205的金屬法蘭202和位于孔205周邊附近的多根軸向延伸的金屬過濾桿208。在此優(yōu)選實施例中，法蘭202和過濾桿208由導電材料例如鋁制成。過濾桿208伸過密封體120的長度，在其下游端呈錐形并由蓋板140的鏜孔149(圖12)支承。過濾桿208從電子發(fā)射源126向內徑向隔開，通常平行于離子束通道14的方向取向。如圖20所示，對過濾桿208鉆孔，使其包括約束細長磁體124(通常由釤鉆制成)的內通道206。如23A所示，磁體224自對準，以使圍繞過濾桿組合200的周邊，一個磁體224的磁極趨向于其相鄰磁體224的相反磁極。過濾桿208中的螺紋孔229容納緊固件228(圖2所示)，使磁體224保持在桿208內?？?05和過濾桿208構成限定離子束14的過濾磁場181(由圖23A中虛線所示)。過濾磁場181約束高能電子不脫離離子束區(qū)，而使低能電子在密封體120內沿離子束14漂移。對此現象在“在磁多極電弧放電中經過橫向磁場的電子流”一文有詳細解釋，見A.J.T.Holmes，Rev.Sci.Instrum.53(10)，Oct.1982，P1517，這里引證作為參考。
過濾桿限制了一個或多個目標工件的可能的最大負帶電。此外，過濾桿組合200使靠近離子束中和器44上游部位的離子束等離子體14的發(fā)熱減至最小。高能電子通過“庫侖”碰撞與束等離子體電子碰撞，交換功能。結果，束等離子體電子具有了高的平均能量。
參看圖22，利用插入出口蓋板140上的通孔251插入出口法蘭250上的螺紋開孔259的緊固件(未示出)，把出口法蘭250安裝在出口蓋板140上。出口法蘭250(通常由透明石墨制成)限定個孔255，以使離子束14穿過出口蓋板140，同時保護蓋板140不受離子撞擊。
根據上述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本領域的技術人員可以得出各種改進、變化和變型。所有這些改進、變化和變型均被認定為落入本發(fā)明的精髓或范圍之內。
權利要求
1.一種用于離子注入機的離子束中和器(44)，包括a)金屬密封體(120)，與離子束遷移路徑相關地支承，并具有沿離子束遷移路徑的長度延伸的側壁，包括具有可使離子束進入由金屬密封體限定的中和區(qū)的入口開孔的入口蓋板(100)，還包括具有可使離子束從中和區(qū)穿過、離開密封體的出口開孔的出口蓋板(140)，使離子束撞擊一個或多個工件；b)多個磁體(124、164)，由密封體支承并相對于入口蓋板(100)、出口蓋板(140)和密封體的側壁隔開，在中和區(qū)建立起約束磁場；c)支承在中和區(qū)內的裝置(126)，用于在中和區(qū)聚集高密度中和電子，在束穿過中和區(qū)時供離子束俘獲。
2.根據權利要求1的離子束中和器，其中密封體基本上是圓筒形。
3.根據權利要求2的離子束中和器，其中至少某些磁體(124)圍繞所述基本上為圓筒形密封體的圓周軸向地設置。
4.根據權利要求1的離子束中和器，還包括安裝在各口和出口蓋板的入口板(111)和出口板(151)；所述各板具有與所述入口12和出口蓋板的開口實質上同軸的開口，具有朝內表面并使磁體(164)保持在入口和出口蓋板(100、400)的向外表面上，協助限定約束磁場。
5.根據權利要求1的離子束中和器，其中入口蓋板(100)支承過濾桿組合，包括具有開孔的金屬法蘭，和靠近所述開孔周邊設置的多個軸向延伸的金屬過濾桿(208)，該桿沿離子束路徑延伸并支承徑向朝向于由密封體的側壁支承的磁體(124)的多個磁體(224)。
6.根據權利要求5的離子束中和器，其中過濾桿被鉆孔，用以容納過濾桿磁體(224)。
7.根據權利要求6的離子束中和器，其中過濾桿(208)基本上延伸于密封體的長度。
8.根據權利要求1的中和器，其中磁體(124、164)是永久磁體。
9.根據權利要求1的離子束中和器，其中每個所述蓋板(100、140)限定冷卻劑通道，用于冷卻液體路徑，消散高能離子與蓋板和密封體碰撞所產生的熱量。
10.根據權利要求1的離子束中和器，其中密封體的壁限定至少一個開口，使電子(126)聚集在中和區(qū)內的裝置包括至少一個載流電子源，直接安裝在密封體中和區(qū)內，直接向中和區(qū)注入電子。
11.根據權利要求10的離子束中和器，其中電子源包括燈絲陰極和用于在燈絲陰極中通過電流的電源(299a)。
12.根據權利要求1的離子束中和器，其中密封體的壁限定至少一個開口，使電子聚集在中和區(qū)內的裝置包括諧振頻率天線(199)和電源(199a)，在密封體的中和區(qū)提供自由電子。
13.根據權利要求1的離子束中和器，包括a)多個軸向細長磁體(124)，按規(guī)則間隔支承在一般為圓筒形金屬體(120)的圓周上；b)一對軸向隔開的金屬蓋板(100，140)，具有通常與該體同軸的開口，其尺寸可使離子束穿過蓋板和體；c)多個由金屬蓋板支承的規(guī)則隔開的磁體(164)。d)多個約束離子束的軸向細長金屬過濾桿(208)，通常與離子束路徑方向平行地取向。
14.根據權利要求13的離子束中和器，其中過濾桿基本延伸于金屬體的長度。
15.根據權利要求13的離子束中和器，其中過濾桿被鉆孔用于密封至少一個過濾磁體(224)。
16.根據權利要求13的離子束中和器，其中金屬板限定一個確定冷卻劑通路的法蘭結構，用于散發(fā)離子與蓋板的體碰撞產生的熱量。
17.根據權利要求13的離子束中和器，其中金屬體限定一個具有徑向向內延伸的電子源的開口(125a)，在金屬體內提供高能電子。
18.一種向離子束注入中和電子的方法，在具有如下裝置的離子注入機中從源位置發(fā)射帶正電的離子的離子源(12)，從脫離源的帶正電離子形成離子束(14)的結構，和使一個或多個工件定位的離子處理臺(16)，當工件進入離子處理臺時截取離子束中的離子，該方法是沿離子束路徑在一個或多個工件的束處理位置的上游注入中和電子，包括以下步驟由密封結構(120)約束離子束路徑，所述密封結構包括入口和出口，可使離子束(14)在處理臺撞擊一個或多個工件之前穿過中和區(qū)；當離子束穿過密封結構時在中和區(qū)內提供電子；把來自電子源(126)的電子約束在密封結構內。
全文摘要
離子束中和的方法和設備。離子束中和器(44)位于離子處理臺上游,包括約束離子束路徑的密封結構(120)。電子源(126)位于密封結構內,向離子束發(fā)射電子。由密封結構支承的磁體陣列(124)產生用于把電子約束密封結構內運動的磁場。在密封結構內由多個軸向細長過濾桿(208)產生內過濾磁場,該桿具有約束離子束的封裝磁體(224)并平行于離子束路徑取向。此內磁場約束脫離離子束路徑的高能電子(300)并使低能電子(301)隨離子束漂移。
文檔編號H01L21/02GK1179003SQ97118579
公開日1998年4月15日 申請日期1997年8月2日 優(yōu)先權日1996年8月2日
發(fā)明者J·陳, V·M·奔維尼斯特 申請人:易通公司