用发射光谱法对等离子体成分的监控 本发明涉及一种用正离子处理工件的工件处理系统。此系统中，将一片或多片硅片放入含有正离子的等离子体中，正离子向着硅片表面方向加速并向硅片内注入给定浓度的离子。
市场上的离子注入系统采用包括离子源室的离子源，离子源室与注入室分隔开，在注入室中，由离子源产生的离子可对一个或多个工件进行处理。离子源室中有一出口，可让离子离开离子源，这样就能对它们进行成型、分析和加速形成离子束。离子束沿着真空离子束轨道引入离子注入室，并在离子注入室内撞击一个或多个工件，通常为环形的晶片。离子束的能量足够使得撞击晶片的离子渗透到位于离子注入室中的晶片内。这种系统常用的晶片为硅片，离子则用来给晶片“掺杂质”，以生成半导体材料。用屏蔽和钝化层进行有选择的离子注入，则可生产集成电路。
授予Conrad，名称为“等离子源离子注入的方法和设备”的美国专利4764394披露了一种用离子轰击的方法对目标工件进行处理的离子注入系统。将离子注入三维目标工件的表面是通过在封闭室内的目标工件的周围形成离子化的等离子体来实现的。当等离子体在目标工件地周围区域形成后，等离子体中的离子由各个侧面打入到目标工件中，而不需要对目标工件进行操作。通过使用高电压，通常为2万伏或更高，的反复脉冲，可将离子打入到目标工件的暴露表面内，完成离子注入。专利文件394中产生等离子体的技术方案为将中性气体引入目标区域，然后通过离子化辐射将气体电离。
授予Conrad的专利文件394所披露的离子注入系统用离子源在工件周围区域产生等离子体，然后在支持工件的电极上有选择的产生脉冲，以便将等离子体中的正离子吸引到工件上。
授予Shao等人的美国专利5654043也涉及一种使离子撞击工件表面以对工件表面进行处理的系统。气体被注入离子注入室，这样，在工件表面的近距离区域内有可电离的气体。通过用一定顺序的脉冲反复对导体电极加偏压，在离子注入室内部区域产生作为注入材料的等离子体，而这一脉冲既能电离注入室内的气体分子，也能使离子化了的气体分子向一个或多个工件的注入表面加速。这是Shao等人的专利′043所披露的技术内容，以供参考。
授予Blake，名称为“从离子束注入器的内表面就地清除杂质”的美国专利文献5554854披露一种用于平面显示板的离子注入器。在一个实施例中，离子源室产生等离子体，等离子体由离子源室的小孔离开离子源室，并形成离子束，对处理室内的平板件进行处理。这是Blake的专利′043所披露的技术内容，以供参考。
授予Angell等人的美国专利5658423涉及一种在蚀刻处理过程中对室内的等离子体的状态进行监控的方法。光谱分析数据在蚀刻的同时被采集，而光谱数据体现了等离子体中的某种物质蚀刻时所发射的光的特性。
本发明涉及一种离子注入系统，特别是对用于离子注入的等离子体的参数进行控制的系统。本发明的一典型实施例是用于对离子注入过程的标定，它包括在离子源室内产生一定浓度的离子，对离子浓度进行质量分析以及记录质量分析数据等步骤。标定过程还包括对离子源室内的离子浓度进行光谱分析和记录光谱分析数据等步骤。根据标定时采集的数据建立的记录数据库储存在一存储器中，以给出离子源室内的离子浓度。
更典型的是，离子源室内的等离子体是通过将离子化的气体注入离子源室生成的。在这一实施例中，可对不同浓度的离子化气体进行质量分析和光谱分析两步骤。本发明的一种申请是用于无法对等离子体的组分进行质量分析但可以对其进行光谱分析的系统。在这一系统中，等离子体的光谱分析数据能被采集，然后根据数据库中储存的数据关系将采集到的数据用于对系统操作参数的调节上。
一个稍微不同的光谱分析数据的使用方法并不要参照它与质量分析数据间的相互关系而得到使用。而是通过将不同时间所得的光谱分析数据相比较，对等离子体室内的组成成分进行监控。例如，本发明这一用途可在转换等离子源材料时确定什么时候应当开始用第二种材料作为注入离子。本发明这一用途的另一使用模式是用光谱分析探测离子源室内的杂质，以调节对离子源室进行清洁的时间。
通过对本发明实施例的详细说明，再参考附图，将会更好地理解本发明的这些及其他的目的，优点和特征。
图1和图2是描述本发明实施例的离子注入系统的剖面示意图和立体示意图；
图3是表示在工件的离子注入表面发生的物理过程的示意图；
图4和图5是标定如图1和图2所示的离子注入系统的各步骤的流程图；
图6是用于标定如图1和图2所示离子注入系统的质谱仪的示意图。
图7是表示离子源等离子体中的不同离子和分子的发射光谱强度作为波长的函数的曲线图。
图8是表示原子质量峰值作为等离子源中不同离子发射的强度的函数的曲线图。
图9是表示等离子体组分的预言百分率与实际测得的百分率的比较图。
图10是低能离子注入器的示意图。
图11是表示用于监控离子源室内的粒子组成成分的发射光谱分析数据图。
图12是在离子注入器的离子源室中转换离子成分时的对比数据图。
图1和图2描述的是一离子注入系统10，它通常包括一圆柱形的等离子体室12，室内放有一个或多个通常为平面形的工件14，以便对工件进行离子处理。离子注入系统10包括一用以将工件放入等离子体室12的载荷锁20。当工件通过阀门21的开和关移入和退出等离子体室12时，载荷锁20能使等离子体室12内保持低压(相对于大气压)。真空泵22使等离子体室内保持低压，并由位于等离子体室12和泵22间的阀23对压力进行调节。
图1所示的等离子体室12的内壁确定了等离子体室的内部空间24，工件14放入其中。工件14放在通常为平面的导体滑块或支承块30上并能从其上移开。滑块30可根据它所支承的工件大小作成各种合适的尺寸。
能量源40位于通常为圆柱形的处理室12的一端面上。能量源40向等离子体室12内注入能量，以便在等离子体室12内的能量源40和晶片支承块30之间的区域42处生成等离子体。一种合适的能量源40的实例为在13.5兆赫发射的射频线圈，它通过联接在等离子体室12一端面上的石英盘43传递射频能量。其它的线圈供能频率也可采用，例如，可包括2兆赫周围的频率。射频能量进入等离子体室12，将由外部供气装置44送入等离子体室内的气体分子转化成等离子体。等离子体室12内的气体压力保持在0.2到5.0毫乇(1乇相当于1毫米汞柱)。例如，氮气能被导入等离子体室并通过由射频线圈发射进入等离子体室的射频能量将其离子化。这种能量能用于离子化气体分子。在实现本发明的过程中，也可采用其它已知的用于在等离子体室生成等离子体的技术。
当支承块30和石英盘43间的区域42处形成等离子体后，离子向着与工件14相接触的方向加速。在本发明的一个优选实施例中，工件是一硅片，通常为圆形，放在支承块30上。工件支承块30由导电材料作成。离子带正电荷，因此在等离子体区域加上大小和方向合适的电场，即可使得等离子体内的离子向着硅片表面加速并与硅片表面相撞。如图1所示，调节器50提供电压脉冲52，电压脉冲给导电支承块30加上相对于等离子体室12的导电内壁的偏压，以便在区域42处形成合适的电场。
晶片14处理以后，将被移出等离子体室12，并放到其它的用于对处理过的晶片进行深加工以形成集成电路的加工站。这一离子处理方式被用于处理均匀度很好的直径为八英寸的硅片。用类似于图1所示结构的离子注入器也可用于处理更大的表面，以生产平面显示板。
图3所示为等离子体区域42中的离子撞击表面14a时，在工件14的处理表面14a处发生的反应。图3所示的碰撞既产生非弹性反应(生成光子，X-射线，二次电子以及离子注入)，也产生弹性反应(贱射和发射粒子)。入射离子也能在工件14的固体晶格中被捕获。这是发生在表面部分的反应，是离子注入工件的结果。离子的能量直接影响离子注入发生的可能性，离子能量又主要取决于等离子体的外壳电压，而外壳电压又取决于调节器50所提供的脉冲电压。气体压力对捕获能力也有影响，这是因为离子在到达表面14a前会由于与气体分子相撞而损失部分能量。
监测通过图1所示的脉冲离子注入过程所传送的剂量的问题与等离子体内的离子组成成分有关。如果将三氟化硼()气体由供气装置44注入处理室12，在生成等离子体时会产生多种原子和分子物质。例如，它们可以是带一个正电荷的，或，或，或原子氟F或氟气。每个原子撞在工件的阴极表面14a上都会有一些二次电子产生并被加速。通过监测表面14a的总电流来判断给定粒子注入工件14的剂量是不可能的，这是因为二次电子的发射系数，区域42内的粒子混合比和实际阴极表面面积的不确定性。粒子混合比是等离子体室内的等离子体中电子温度或能量的函数。至今还没有有效的方法通过观测等离子体测出这一能量。
图6所示为一系统110，它包括等离子源112和生成并成型离子束，并将离子束沿着离子束轨道引导出等离子源112的装置114。离子束中的离子沿着预定的理想离子束轨道到达磁铁120，磁铁120使离子转弯，而这又取决于离子的质量和速度。一控制器(未示出)通过调节磁铁电流承载线圈内的电流反复改变磁场强度。
带电离子转弯后，撞击检测器。磁铁内产生的磁场强度作为一种管形过滤器，它是否允许特定离子物质在从等离子源到检测器时通过只取决于磁场强度。如同图1和图2中的等离子体中的离子，离开等离子源112的离子由不同的粒子组成，但是通过磁铁后，到达检测器的离子基本上是某一种粒子了。
本发明涉及一种对工件表面进行处理的系统，它利用通常储存于计算机中的信息数据库，对离子注入过程进行改进。流程图4和5表示实现本发明时所执行的过程步骤。图1和图2中的离子注入器10和图6中的等离子源112都包括一约束等离子体的真空区域。流程图4所示为图6所示系统数据采集的过程150。两个过程步骤160,170都是对等离子体实施的。第一步是对离子进行质量分析160并记录质量分析数据。这一处理步骤是通过控制磁铁和它的象法拉第筒一样用来监测磁铁下游的离子束强度的磁场输出来实现的。质量分析数据的记录这一步骤是用程序控制器来实现，例如通用计算机。目前一种应用于质量分析的更优技术为用一计算机控制能使离子沿可控的弧线或轨道弯曲并到达法拉第杯检测器180的磁铁120的工作过程。
图4所示过程的第二个步骤为对等离子体室112内的等离子体进行光谱分析170并记录这一光谱分析数据。光谱分析170是用光谱仪175来实现的，光谱仪能够观察等离子体室112内的等离子体。这两个数据采集步骤160,170对同一等离子体进行了两次观测。记录数据库185建立起来，其中等离子体浓度的质量分析数据和光谱分析数据储存在一起，有利于以后对数据的读取。采集的数据用一通用程序控制器储存，通用程序控制器包括与磁铁120相配的I/O界面和用于储存数据库185的大容量存储设备，如硬盘。计算机程序系统包括用于计算机的人工智能软件190，它的程序设计为能利用数据库185的数据并根据观测到的数据预报等离子体的参数。根据本发明的一个方面，计算机195执行同样的人工智能软件，控制至少一种图1中系统10的离子注入过程的参数，或可选为用于控制某一过程，例如下文中将联系图10所叙述的过程。
用于构造数据库185的数据如图7和图8的曲线所示。图7是由光谱仪175得出的等离子体(混合气体浓度)的光谱发射曲线图。在一些峰值处标明了产生这些峰值的粒子组分。这些峰值数据是由收集于他人的光谱信息表中并易于证实的波长数据得出的。例如，311纳米的峰值是公认的中性分子BF的光谱峰值。应当注意，图7曲线图上的数据是基于某一特定的开始气体(三氟化硼)在特定的压力和特定的等离子体输入功率的条件下的数据。改变气体的浓度将生成组分的不同特征曲线，因此图7的数据也会改变。更好的数据采集步骤170中，压力值是可变的，对于每一气体压力和激励能量，图7所示的整个波长范围的完整光谱分析数据都被储存在数据库185中。这样，通过发射光谱分析和质量分析，一系列在各种气体压力和各种射频功率下的不同数据表被建立起来。
图8为表示等离子源中不同组成成分的质量相对强度的曲线图。纵坐标所取值为离子束流的测量值，是从使得离子在此处偏离其原来轨道的磁铁120的下游处的检测器(例如法拉第杯)的输出值中采集到的。图8的数据是在固定的气体压力和激励能量条件下的数据。
整个数据库是这样获得的：先在一特定的可测量的气体浓度条件下形成等离子体，然后再考虑改变等离子体处的磁场强度。这样在图7所示的数据被采集并储存在数据库中的同时，其它数据，例如图8所示的数据，也能被采集和储存。为了采集其它数据，对注入等离子体室的源材料的气体压力进行调节，并再次进行质量分析和光谱分析。
图9所示为根据光谱分析数据并使用储存在数据库中的数据而利用数据库预测注入离子组分的浓度的结果相对如图8所示的并与通过质量分析而得出的组成成分相关的数据的曲线图。图9所示的数据表明对于给出的等离子体光谱分析结果，组分光谱的相关强度对实际组成成分的预测效果很好(20％以内)。图9中所监测的组分是，和离子。
更好的预测方法是利用与人工智能或神经网络软件有关的算法。此方法包括将光谱分析得到的数据点与先前与图8中的质量数据一起采集到的数据库的光谱分析数据进行比较。通过神经网络的练习和使用经过练习的算法，即可获得等离子源室内的等离子体组分的相对浓度。更好的进行数据分析的计算机程序采用诸如反向传送(back-propagation)，模拟退火(simulated annealing)或遗传算法(genetic algorithms)等技术进行神经网络练习。
图10揭示了一个离子注入器，它能将离子从离子源中分离出来，并撞击位于操作工位处的工件。常规设计的离子注入器210包括一离子源212，一质量分析磁铁214，离子束线部件(beamline assembly)和目标或终点注入站216。离子源212和质量分析磁铁214与他们各自的动力源一起支承在注入器管道217内。离子注入器210是一低能注入器，其工作时注入能量为0.2-90千电子伏，提供的离子束流为大约10毫安。离子束线部件215相当短，这是由于离子束由离子源212到终点注入站216的传播过程中的短焦距扩散(即爆散)趋势。
离子源212包括限定了等离子体室220的管道218和离子分离部件222。离子束线部件215包括一中和器管223和一离子束中和器。离子束中和器224的作用是延迟离子束爆散。离子束中和器的下游是终点注入站216，它包括一盘形的晶片支承座225，待处理的晶片就装在晶片支承座上。晶片支承座225在一(通常)与注入离子束的方向垂直定位的目标盘内。
离子源212装在L形的框架上。直接由压缩气体形式得到或者间接由固体气化得到的离子化掺杂气体注入到等离子体室220。典型的原始元素是硼(B)，磷(P)，镓(Ga)，铟(In)，锑(Sb)和砷(As)。这些原始元素大多数以固体形式提供，硼除外，硼通常以气态的三氟化硼或乙硼烷的形式提供。
能量传递给离子化掺杂气体，以便在等离子体室220内产生离子。虽然本发明也可用于使离子源产生负离子的系统，但是通常生成的是正离子。正离子由包含多个电极的离子分离部件222从等离子体室220的狭缝中引出。电极带负电压，其电压值随着到等离子体室的狭缝的距离增加而增大。因此，离子分离部件起着将正离子束228由等离子体室中引出并加速支承于框架226上的质量分析磁铁214中的引出离子。
质量分析磁铁214的作用是仅让电荷质量比合适的离子通过并到达中和器管223。由于离子源212除了产生电荷质量比合适的离子外，还产生比预期的电荷质量比更大或更小的离子，因此需要质量分析磁铁214。
质量分析磁铁214形成了一个由铝制离子束导向管230限定的弯曲离子束轨迹229，并由真空泵231将离子束导向管抽真空。沿着这一轨道传播的离子束228受质量分析磁铁214产生的磁场的作用。磁场的强度和方向由电子控制仪232通过磁铁接头233调节磁铁214的励磁绕组电流来控制。磁铁214对离子束的二次聚焦仅仅通过在“散射式”盘(弯曲离子束轨道229的盘)中建立磁场梯度(即“指数”)或者旋转磁铁214的入口或出口孔来实现。
磁场使得离子束228沿着弯曲离子束轨迹229运动，由靠近离子源212的第一或入口轨道运动到靠近中和器管223的第二或出口轨道235。离子束228的分支部分和包含了电荷质量比不合适的离子，它们从弯曲轨道中偏转出去并进入铝制离子束导向管230的管壁中。这样，只有离子束228中有着合适电荷质量比的离子通过磁铁到达中和器管223。
在弯曲的离子束轨迹229平面中的离子束228的进出口轨道234,235位于散射平面中。“非散射”平面在这里被定义为与散射平面和目标平面都垂直放置的平面。因此，磁铁214通过在散射平面中除去离子束内电荷质量比不合适的离子，将离子束方向由进口轨道234改变为出口轨道235并射向内有晶片的目标平面来实现质量分析。
根据本发明所述的结构，中和器管223包含一静电透镜236，能进行质量分析和聚焦由磁铁214输出的离子束228。静电透镜236为三电极结构(三极管)，包括端电极对237，抑制电极对238和源电极对或中和电极对239。端电极对固定安装在管217上，并采用此处的电压工作(对正电荷加速，对负电荷减速)。与源电极对的各电极一样，每个抑制电极238可以彼此相向或分开移动，以调节它们之间的间隙。工作时抑制电极237接负电压，中和电极239接地线(零电压)。
抑制和中和电极对238,239共同作为可调节的透镜组件240。中和器管223确定构成了内有静电透镜236以及剂量测量指示器，如法拉第信号发生器242的室241。室241由真空泵243抽真空。相邻的离子束中和器224确定构成了包含电子簇射器245的第二室244。该电子簇射器245中和由于正电荷离子束228注入而另外在目标晶片上积累的正电荷。
终点注入站216中的盘形晶片支承块225由马达246带动旋转。当安装在支承块上的晶片作圆周运动时，离子束撞击这些晶片。终点注入站216以通常平行于离子束轨道的轴线247为枢轴线，因此目标盘可绕轴线进行调节。这样，离子注入角可相对于正常情况稍作调整。
图10所示系统可注入多种不同的离子。将光谱分析仪175，例如位于图6所示室的侧边的光谱分析仪，与图10所示系统一起使用很有好处。光谱分析仪175用于对离子束的交叉污染进行辅助监测。当用于在该室内生成离子的离子气体组分改变而成为别的气体时，光谱分析仪的输出数据被采集。这一数据通过对等离子源室212内的等离子体的观测而得到。光谱分析仪数据中所包含的是关于等离子源的组分的重要信息。这一信息之所以有用是因为它表明从离子源中分离出来并加到离子束中的是什么物质。
作为一个如何将其用于物质转换时检测交叉污染的例子，可以考察如图11所示的两条发射光谱线。这两条谱线是将磷化氢转换为其它气体原料时在不同的时间里两次所测得的结果。T=0的光谱线是在磷化氢关闭，清洁循环开始的瞬间获得的。光谱中一些非常强的发射线是由于磷原子和离子发出的，在图中很明显。其它的线是由氮，氟，氢或它们的分子化合物产生的。如图11所示，15分钟之间的两条光谱线，所形成的磷化氢特征发射光谱线在强度上发生了显著变化。可以看出，发射强度的下降量与离子束中交叉污染P的下降量有很好的相关性。
这一相互关系如图12所示。在250纳米周围区域的发射线强度用光谱分析仪175测得，标绘为从物质转换开始起的时间的函数，并且与用质谱仪在离子束中测得的实际残余P杂质的结果相比较。两结果之间非常吻合。
结果非常吻合表明可以放心地用光谱分析仪监测离子源产生的离子束的交叉污染。类似的相关监测方法已用于砷和，其结果也相似。
同样利用光谱分析数据的其它交叉污染监测还包括监测硼(从中)，磷(从中)，砷(从中)和锗(从中)的残余量。其它杂质监测的相关应用还包括监测离子源中产生的铝或钼或镍的痕量级。在主要的痕迹线中，可以监测到其它杂质材料的量。
本发明揭示了与离子注入一起使用的光谱分析数据的多种用途。虽然只对这些不同用途作了一些特殊的描述，但是本发明还应当包括由本发明的主题思想或权利要求中所揭示的设计方案的改进和变形。