具有减少金属污染的衬套的等离子源 具有用于减少金属污染的衬套的等离子源
此处所用的标题仅为组织上的目的而不应被解释为对本申请此处描述的内容的限制。
背景技术
现有射束线离子注入器(beam-line ion implanter)通过电场来加速离子。经加速离子根据其质荷比(mass-to-charge ratio)来过滤，以选择用于注入的所要离子。近来，已开发等离子掺杂(plasma doping)系统，以满足一些现代电子以及光学设备的掺杂要求。等离子掺杂有时称作PLAD或等离子浸没离子注入(plasma immersion ion implantation，PIII)。这些等离子掺杂系统将目标浸没于包括离子掺杂剂(dopant ion)的等离子中，且通过一系列负电压脉冲来偏压目标。等离子鞘(plasma sheath)内的电场加速离子朝向目标，其将离子注入至目标表面中。
等离子掺杂系统通常包括由铝制造的等离子腔室(plasma chamber)，其因为铝抵抗许多处理气体，且因为铝可容易形成以及加工成所要形状。许多等离子掺杂系统亦包括用于将射频(radio frequency；RF)以及微波信号自外部天线传送至等离子腔室中的氧化铝(Al2O3)介电窗(dielectricwindow)。铝以及铝基材料的存在可能导致金属污染经掺杂的基板。
【附图说明】
可通过结合附图参看以下描述来较佳理解本发明的形态，其中在各图中相同数字指示相同结构元件以及特征。图式未必按比例绘制。本领域技术人员将理解以下所描述的图式仅出于说明目的。图式并不意欲以任何方式来限制本启示的范畴。
图1说明包括根据本发明的等离子腔室衬套的射频等离子源的一个实施例。
图2说明根据本发明在腔室壁与腔室内部间提供位点线遮蔽的单件或整体等离子腔室衬套的示意图。
图3说明根据本发明在等离子腔室壁与等离子腔室内部间提供位点线遮蔽的分段等离子腔室衬套的示意图。
图4说明根据本发明提供在等离子腔室壁与等离子腔室内部间的位点线遮蔽以及对等离子腔室衬套的内表面上的温度分布的控制的温度受控等离子腔室衬套的示意图。
【具体实施方式】
尽管结合各种实施例以及实例来描述本启示，但并不意欲将本启示限于所述实施例。相反地，如本领域技术人员将了解，本启示涵盖各种替代实施例、修改以及等效物。
举例而言，尽管结合减少等离子掺杂装置中的金属污染来描述本发明的等离子腔室衬套(liner)，但可将本发明的等离子腔室衬套用以减少许多类型的处理装置中的金属污染，其包括(但不限于)各种类型的蚀刻以及沉积系统。
应理解只要本发明保持可操作，则可以任何次序及/或同时执行本发明的方法的个别步骤。此外，应理解只要本发明保持可操作，则本发明的装置可包括任何数目或全部所描述的实施例。
金属污染可能将有害杂质引入至通过等离子掺杂系统所掺杂的基板中。等离子腔室的任何金属内部均潜在地为金属污染源。此项技术中已知铝污染可能由铝等离子腔室壁的溅镀(sputtering)所导致。铝通常用作许多等离子腔室的基底金属。铝污染亦可能由通常用以形成介电窗以及等离子腔室内的其他结构的Al2O3介电材料的溅镀所导致。
溅镀由于形成等离子的射频天线以及其他电极在等离子反应器内部施加相对高的电压而发生。这些高电压使等离子中的离子加速至相对高的能量水平。所得能量离子撞击铝基材料以及Al2O3介电材料，且因此变位(dislodge)铝原子以及Al2O3分子。经变位的铝原子以及Al2O3分子撞击经掺杂的基板，从而导致基板至少聚集一些有害金属掺杂。
一般需要将等离子浸没离子注入过程中的铝以及Al2O3污染减少至小于5×1011/cm2的区域密度(areal density)。然而，使用已知等离子反应器以及使用BF3与AsH3的许多PLAD注入过程导致显著大于5×1011/cm2的铝以及Al2O3区域密度。
本发明的一方面是关于一种具有在等离子腔室壁(以及腔室内的开口)与腔室内部间提供位点线遮蔽(line-of-site shielding)的结构的等离子掺杂系统。在一个实施例中，通过向溅镀材料提供障壁(barrier)的特定设计的等离子腔室衬套来完成位点线遮蔽。使用本发明的特定设计的等离子腔室衬套可在等离子掺杂过程中防止任何显著金属污染。特定而言，使用本发明地特定设计的等离子腔室衬套可防止由具有铝腔室的等离子掺杂装置所处理的基板中的任何显著铝污染。
本发明的等离子腔室衬套可构造成可与所有已知等离子掺杂过程(其包括使用二硼烷(diborance)、BF3以及AsH3掺杂气体的等离子掺杂过程)相容。此外，本发明的腔室衬套与各种类型的放电(例如，射频以及辉光放电源(glow discharge source))协作。
图1说明包括根据本发明的等离子腔室衬套的射频等离子源100的一个实施例。等离子源100为包括平面和螺旋状的射频线圈以及传导顶部区的电感耦合等离子源。在颁予本发明受让人的于2004年12月20日申请的题为“射频Plasma Source with Conductive Top Section”的美国专利申请案第10/905,172号中描述了类似射频电感耦合等离子源。美国专利申请案第10/905,172号的完整说明书以引用方式并入本文中。等离子源100非常适合于PLAD应用，因为等离子源100可提供高度均一的离子流(ion flux)，且等离子源亦有效消散由二次电子发射所产生的热。
更特定而言，等离子源100包括等离子腔室102，其包括由外部气体源104所供应的处理气体。经由比例阀(proportional valve)106耦接至等离子腔室102的外部气体源104将处理气体供应至腔室102。在一些实施例中，使用气体挡板来将气体分散至等离子源102中。压力计108量测腔室102内部的压力。腔室102中的排气口(exhaust port)110耦接至抽空腔室102的真空泵112。排气阀114控制经由排气口110的排气传导率。
气体压力控制器116电连接至比例阀106、压力计108以及排气阀114。气体压力控制器116通过回应于压力计108而控制反馈回路中的排气传导率以及处理气体流动速率，从而维持等离子腔室102中的所要压力。通过排气阀114来控制排气传导率。通过比例阀106来控制处理气体流动速率。
在一些实施例中，通过与提供主要掺杂气体物质的处理气体直列(in-line)耦接的质量流量计来向处理气体提供微量气体种类(trace gasspecies)的比率控制。又，在一些实施例中，分离气体注入构件用于原位(in-situ)调节种类。此外，在另一些实施例中，使用多口气体注入构件来提供导致中性化学效应(其导致横穿基板的变化)的气体。
腔室102具有包括第一区120的腔室顶部118，第一区120由在大致水平方向上延伸的介电材料形成。腔室顶部118的第二区122由在大致垂直方向上自第一区120延伸一高度的介电材料所形成。本文中第一以及第二区120、122一般有时称作介电窗。应理解存在腔室顶部118的众多变化。举例而言，如在以引用方式并入本文中的美国专利申请案第10/905,172号中所描述，第一区120可由在大致弯曲方向上延伸的介电材料形成，使得第一与第二区120、122并不正交。在其他实施例中，腔室顶部118仅包括平面表面。
可选择第一以及第二区120、122的形状以及尺寸以达成某种效能。举例而言，本领域技术人员将理解可选择腔室顶部118的第一以及第二区120、122的尺寸，以改良等离子的均一性。在一个实施例中，调整在垂直方向上的第二区122的高度与在水平方向上的横穿第二区122的长度的比率，以达成较均一等离子。举例而言，在一个特定实施例中，在垂直方向上的第二区122的高度与在水平方向上的横穿第二区122的长度的比率介于1.5至5.5的范围内。
第一以及第二区120、122中的介电材料提供用于将射频功率自射频天线传输至腔室102内部的等离子的介质。在一个实施例中，用以形成第一以及第二区120、122的介电材料为对处理气体具有化学抗性(chemicalresistance)且具有优良热性质的高纯度陶瓷材料。举例而言，在一些实施例中，介电材料为99.6％的氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)。在其他实施例中，介电材料为氧化钇(Yittria)以及镱铝石榴石(yttrium aluminum garnet；YAG)。
腔室顶部118的盖124由在水平方向上延伸横穿第二区122一长度的传导材料形成。在许多实施例中，用以形成盖124的材料的传导性足够高，以消散热负载且最小化由二次电子发射所导致的充电效应。通常，用以形成盖124的传导材料对处理气体具有化学抗性。在一些实施例中，传导材料为铝或硅。
可通过由氟碳聚合物(fluoro-carbon polymer)制成的抗卤素O形环(例如，由Chemrz及/或Kalrex材料形成的O形环)来将盖124耦接至第二区122。通常，以最小化第二区122上的压缩力但提供用以将盖124密封至第二区的足够压缩力的方式来将盖124安装至第二区122。在一些操作模式中，盖124为射频以及DC接地，如图1中所示。
根据本发明的等离子源包括等离子腔室衬套125。如本文所描述，等离子腔室衬套125通过提供等离子腔室102的内部的位点线遮蔽，以遮蔽等离子中的离子撞击等离子腔室102的内部金属壁102′而溅镀的金属，来防止或大幅减少金属污染。等离子腔室衬套125可为如结合图2所描述的单件(onepiece)或整体(unitary)等离子腔室衬套，或可为如结合图3所描述的分段(segemented)等离子腔室衬套。在许多实施例中，等离子腔室衬套125由例如铝的金属基底材料形成。在这些实施例中，如本文所描述，等离子腔室衬套125的至少内表面125′包括防止等离子腔室衬套基底材料的溅镀的硬涂层材料(hard coating material)。
一些等离子掺杂过程由于二次电子发射而在等离子源100的内表面上产生大量非均一分布热。在一些实施例中，等离子腔室衬套125为如结合图4所描述的温度受控等离子腔室衬套125。此外，在一些实施例中，盖124包括调节盖124以及周围区域的温度以消散在处理期间产生的热负载的冷却系统。冷却系统可为流体冷却系统，包括在盖124中自冷却剂源循环液体冷却剂的冷却通路。
射频天线位于邻近于腔室顶部118的第一区120以及第二区122中的至少一者。图1中的等离子源100说明彼此电绝缘的两个分离射频天线。然而，在其他实施例中，电连接两个分离射频天线。在图1中所示的实施例中，邻近于腔室顶部118的第一区120来定位具有多个匝(turns)的平面线圈射频天线126(有时称作平面天线或水平天线)。此外，具有多个匝的螺旋线圈射频天线128(有时称作螺旋天线或垂直天线)围绕腔室顶部118的第二区122。
在一些实施例中，通过减少有效天线线圈电压的电容器129来终止平面线圈射频天线126以及螺旋线圈射频天线128中的至少一者。本文定义术语“有效天线线圈电压”来意谓射频天线126、128上的电压降落。换言之，有效线圈电压为“由离子所见的”电压或等效地由等离子中的离子所经历的电压。
又，在一些实施例中，平面线圈射频天线126以及螺旋线圈射频天线128中的至少一者包括具有与Al2O3介电窗材料的介电常数相比相对低的介电常数的介电层134。相对低的介电常数的介电层134有效地形成电容分压器(capacitive voltage divider)可用于减少有效天线线圈电压。此外，在一些实施例中，平面线圈射频天线126以及螺旋线圈射频天线128中的至少一者包括亦减少有效天线线圈电压的法拉第遮罩(Faraday shield)136。
射频源130(例如，射频电源)电连接至平面线圈射频天线126以及螺旋线圈射频天线128中的至少一者。在许多实施例中，通过阻抗相配网路(impedance mathcing network)132来将射频源130耦接至射频天线126、128，阻抗相配网路132使射频源130的输出阻抗与射频天线126、128的阻抗一致以最大化自射频源130传输至射频天线126、128的功率。自阻抗相配网路132的输出至平面线圈射频天线126以及螺旋线圈射频天线128的虚线，显示可进行自阻抗相配网路132的输出至平面线圈射频天线126以及螺旋线圈射频天线128中的任一者或两者的电连接。
在一些实施例中，形成可被液体冷却的平面线圈射频天线126以及螺旋线圈射频天线128中的至少一者。冷却平面线圈射频天线126以及螺旋线圈射频天线128中的至少一者将减少由传播于射频天线126、128中的射频功率所导致的温度梯度(temperature gradient)。
在一些实施例中，等离子源100包括等离子点燃器138。众多类型的等离子点燃器可与本发明的等离子源装置一起使用。在一个实施例中，等离子点燃器138包括撞击气体(strike gas)的储集器140，撞击气体为例如氩(Ar)的高度可离子化气体，其辅助点燃等离子。通过高传导率气体连接来将储集器140耦接至等离子腔室102。膜片阀(burst valve)142将储集器140与处理腔室102隔离。在另一实施例中，使用低传导率气体连接来将撞击气体源直接垂射(plumb)至膜片阀142。在一些实施例中，由在初始高流动速率爆发后提供撞击气体的稳定流动速率的有限传导率孔或计量阀(metering valve)来分离储集器140的一部分。
压板144定位于处理腔室102中低于等离子源102的顶部区118以下的高度处。压板144固持用于等离子掺杂的基板146。在许多实施例中，基板146电连接至压板144。在图1中所示的实施例中，压板144平行于等离子源102。然而，在本发明的一个实施例中，压板144相对于等离子源102倾斜。
使用压板144来支撑基板146或用于处理的其他工件。在一些实施例中，压板144机械耦接至在至少一方向上平移、扫描或振荡基板146的可移动平台。在一个实施例中，可移动平台为抖动或振荡基板146的抖动产生器(dither generator)或振荡器(oscillator)。平移、抖动及/或振荡运动可减少或消除阴影效应(shadowing effect)，且可改良碰撞基板146的表面的离子束流的均一性。
在一些实施例中，偏转栅格(deflection grid)配置于邻近于压板144的等离子腔室102中。偏转栅格的结构为形成对等离子源102中所产生的等离子的障壁，而且当栅格被适当偏压时，偏转栅格亦界定等离子中的离子经由其穿过的通路。
本领域技术人员将了解存在可与本发明的特征一起使用的等离子源100的许多不同可能变化。参见例如在2005年4月25日申请的题为“TiltedPlasma Doping”的美国专利申请案第10/908,009号中的等离子源的描述。亦参见在2005年10月13日申请的题为“Conformal Doping Apparatus andMethod”的美国专利申请案第11/163,303号中的等离子源的描述。亦参见在2005年10月13日申请的题为“Conformal Doping Apparatus and Method”的美国专利申请案第11/163,307号中的等离子源的描述。此外，参见在2006年12月4日申请的题为“Plasma Doping with Electronically ControllableImplant Angle”的美国专利申请案第11/566,418号中的等离子源的描述。美国专利申请案第10/908,009号、第11/163,303号、第11/163,307号以及第11/566,418号的完整说明书以引用方式并入本文中。
在操作中，射频源130产生传播于射频天线126以及128中的至少一者中的射频电流。亦即，平面线圈射频天线126以及螺旋线圈射频天线128中的至少一者为有源天线(active antenna)。本文将术语“有源天线”定义为由电源直接驱动的天线。射频天线126、128中的射频电流接着将射频电流引入至腔室102中。腔室102中的射频电流激发以及离子化处理气体，以便在腔室102中产生等离子。等离子腔室衬套125遮蔽由等离子中的离子所溅镀的金属以免达到基板146。等离子源100可在连续模式或脉冲模式下操作。
在一些实施例中，平面线圈天线126以及螺旋线圈天线128中的一者为寄生天线(parasitic antenna)。本文定义术语“寄生天线”来意谓与有源天线电磁通信但未直接连接至电源的天线。换言之，寄生天线未由电源直接激励而由有源天线来激励。在本发明的一些实施例中，寄生天线的一个末端电连接至接地电位，以提供天线调谐能力(tuning capability)。在此实施例中，寄生天线包括用以改变寄生天线线圈中的匝的有效数目的线圈调整器148。可使用例如金属短路的众多不同类型的线圈调整器。
图2说明根据本发明在等离子腔室壁与等离子腔室内部间提供位点线遮蔽的单件或整体等离子腔室衬套200的示意图。参看图1以及图2，整体等离子腔室衬套200定位于邻近于等离子腔室102的内壁102′的等离子腔室102内。在一个实施例中，等离子腔室衬套200由抵抗所要掺杂剂及/或其他处理气体的铝基材料或某种其他可容易成形的材料所形成。铝为工业中所广泛接受且一般为许多应用所需要的。铝亦为优良热导体。因此，使用铝将改良等离子腔室中的热消散。在一些实施例中，等离子腔室衬套200经特定成形以改良热消散。在这些实施例中，等离子腔室衬套200可包括增加热消散的结构。
整体等离子腔室衬套200可由固体原料材料(例如，固体铝片)所加工。在一些实施例中，整体等离子腔室衬套200通过扣件(fastener)实体附接至等离子腔室102。整体等离子腔室衬套200可以众多方式直接栓接(bolted)至等离子腔室200。举例而言，整体等离子腔室衬套200可直接栓接至等离子腔室102的底部。
在许多实施例中，等离子腔室衬套基底材料涂覆有硬涂层。在一些实施例中，整个等离子腔室衬套涂覆有硬涂层。在其他实施例中，仅等离子腔室衬套200的内表面202涂覆有硬涂层材料。根据本发明存在有众多适合于的等离子腔室衬套的可能硬涂层。通常被选择的硬涂层材料可以使得在等离子掺杂过程期间不存在硬涂层材料的显著溅镀。在一些实施例中，被选择的硬涂层材料用以增强热消散。
举例而言，在一些实施例中，等离子腔室衬套基底材料涂覆有类钻石涂层(diamond like coating)、Si、SiC或Y2O3涂层。在其他实施例中，阳极化等离子腔室衬套200基底材料。举例而言，可阳极化铝等离子腔室衬套以形成阳极化铝涂层。
等离子腔室通常包括用于各种目的(例如，提供诊断装备的进入)的开口(port)。在一些实施例中，将衬套插入至等离子腔室102内的至少一开口中。开口衬套提供等离子腔室的内表面的位点线遮蔽，以遮蔽等离子中的离子撞击至少一开口而溅镀的金属。开口衬套可由固体原料或由多个金属(例如，铝)区段所制造。开口衬套的至少内表面涂覆有硬涂层。可自等离子腔室102的内部或自等离子腔室102的外部来安装开口衬套。
图3说明根据本发明在等离子腔室壁与等离子腔室内部间提供位点线遮蔽的分段等离子腔室衬套300的示意图。在一个实施例中，本发明的分段等离子腔室衬套300包括多个金属区段(例如，铝或某种其他可成形材料)。可由各种构件来附接多个金属区段。举例而言，在一些实施例中，将多个区段熔接在一起。在其他实施例中，通过扣件(例如，螺钉或销)来附接多个区段。在一些商用实施例中，分段等离子腔室衬套300可较简单且较便宜地制造。
参看图1以及图3，在一个实施例中，由整合成分隔板(spacer plate)302的多个加工组件来制造多个区段。将分隔板302附接至等离子腔室衬套300的顶部。分隔板302允许等离子腔室衬套300容易定位于等离子腔室102中。分隔板302可经设计以使等离子腔室衬套300位于等离子腔室102中心。举例而言，分隔板300可包括相配于等离子腔室102中的特征的特征，以便将等离子腔室衬套300自对准(self-align)至等离子腔室102。
在许多实施例中，分段等离子腔室衬套300中的区段中的至少一者涂覆有硬涂层。在一些实施例中，仅分段等离子腔室衬套300的内表面涂覆有硬涂层材料。在其他实施例中，多个区段中的每一者的所有表面涂覆有硬涂层。根据本发明存在有众多适合于分段等离子腔室衬套的可能硬涂层。举例而言，在一些实施例中，分段等离子腔室衬套基底材料涂覆有类钻石涂层、Si、SiC或Y2O3涂层。在其他实施例中，阳极化分段等离子腔室衬套300基底材料。举例而言，可阳极化铝等离子腔室衬套的基底材料以形成阳极化铝涂层。
图4说明根据本发明提供在等离子腔室壁与等离子腔室内部间的位点线遮蔽以及对衬套的内表面上的温度分布的控制的温度受控等离子腔室衬套的示意图。本发明的等离子腔室衬套的一个特征为其可包括控制暴露于等离子中的等离子腔室衬套400的内表面402的温度分布的冷却通路。温度受控等离子腔室衬套400可为如结合图2所描述的整体等离子腔室衬套，或可为如结合图3所描述的分段腔室衬套。亦即，温度受控等离子腔室衬套400可由一件材料形成，或可由多个区段形成。
在许多实施例中，温度受控等离子腔室衬套400涂覆有硬涂层。在一些实施例中，仅温度受控等离子腔室衬套400的内表面402涂覆有硬涂层材料。在其他实施例中，整个温度受控等离子腔室衬套400涂覆有硬涂层。根据本发明存在有众多适合于如本文所描述的温度受控腔室衬套的可能硬涂层。举例而言，在一些实施例中，温度受控等离子腔室衬套基底材料涂覆有类钻石涂层、Si、SiC或Y2O3涂层。在其他实施例中，可阳极化温度受控等离子腔室衬套400的基底材料。
此外，温度受控等离子腔室衬套400包括为形成于温度受控等离子腔室衬套400内部的管道的内部冷却通路404。这些冷却通路404可直接加工至衬套400中。本领域技术人员将了解存在形成这些内部冷却通路的许多方式(例如，加工、钻孔以及蚀刻)。
在一个特定实施例中，以一螺旋图案来加工内部冷却通路404。在此实施例中，可变化螺旋的螺距(pitch)以补偿热输入中的某些不规则性。举例而言，当需要自邻近于相对较高热输入的区域吸取热时，可使用较短螺距。当需要自邻近于相对较低热输入的区域吸取热时，可使用较高螺距。可在多个区段中形成温度受控等离子腔室衬套400，以简化形成内部通路。
在一个实施例中，冷却通路404控制温度控制等离子腔室衬套400的内表面402的温度分布，使得衬套400的内表面402具有大致均一的温度分布。一般而言，自等离子至衬套400的内表面402的热流并非为均一的。然而，一些应用需要在衬套400的内表面402上具有均一温度分布。举例而言，衬套400的内表面402上的均一温度分布可改良等离子的均一性，从而可改良等离子掺杂过程或其他过程的均一性。在一个特定实施例中，冷却通路404控制衬套400的内表面402的温度分布，使得将衬套400的内表面402维持在特定所要的温度。
在另一实施例中，冷却通路404控制温度受控等离子腔室衬套400的内表面402的温度分布，使得衬套400的内表面402具有预定非均一的温度分布。根据本发明存在有衬套400需要在某一局部区域中具有非均一温度分布的一些应用。举例而言，可选择衬套400的温度分布，以达成某一非均一温度分布，其经选择以将衬套400的内表面402的某一局部区域冷却至相对低的温度。具有相对低温度的内表面402的这些局部区域可补偿某些等离子非均一性，以改良等离子的总均一性。
等效物
尽管结合各种实施例以及实例来描述本启示，但并不意欲将本启示限于所述实施例。相反地，本领域技术人员将了解，本启示涵盖各种替代实施例、修改以及等效物，其可在不脱离如由随附权利要求所界定的本发明的精神以及范畴的情况下实施。