离子束系统以及在该系统中减少衬底的外来物质污染的方法

摘要

一种在离子束系统中减少衬底的杂质污染的方法以及一种离子束系统。所述系统包括：真空室，其具有离子束轴；衬底室，其关于倾斜轴自由倾斜，倾斜轴与离子束轴垂直并相交；可伸缩的风箱，其连接衬底室内的一个开口和真空室内的一个开口，两个开口都与离子束轴同轴排列，风箱在衬底室和真空室之间提供真空密封；以及中空的外来物质护罩，其开口于接近真空室的顶部以及接近衬底室的底部，外来物质护罩位于离子束轴和可伸缩的风箱之间，外来物质护罩的顶部和底部与离子束轴同轴排列。

说明书

技术领域

本发明涉及离子束加工领域，更具体地说，其涉及一种用于在衬底内轰击或注入离子的设备。

背景技术

现代半导体制造利用向衬底中进行带电物质的离子束轰击，以一种非常精确和可控的方式将杂质引入衬底。然而，离子束轰击工具会产生如微粒或薄膜的外来物质，它们会在离子轰击时污染正在制造的衬底。这会导致质量较差的产品或产量的损失，或二者兼而有之。因此，在离子束系统中，有必要减少衬底的外来物质污染。

发明内容

本发明的第一方面是一种离子束系统，包括：真空室，其具有离子束轴；衬底室，其关于倾斜轴自由倾斜，倾斜轴与离子束轴垂直并相交；可伸缩的风箱，其连接衬底室内的一个开口和真空室内的一个开口，两个开口都与离子束轴同轴排列，风箱在衬底室和真空室之间提供真空密封；以及中空的外来物质护罩，其开口于接近真空室的顶部以及接近衬底室的底部，外来物质护罩位于离子束轴和可伸缩的风箱之间，外来物质护罩的顶部和底部与离子束轴同轴排列。

本发明的第二方面是一种在离子束系统中减少衬底的外来物质污染的方法，包括：提供真空室，其具有离子束轴；提供衬底室，其关于倾斜轴自由倾斜，倾斜轴与离子束轴垂直并相交；提供可伸缩的风箱，其连接与离子束轴同轴排列的衬底室内的一个开口和与离子束轴同轴排列的真空室内的一个开口，风箱在衬底室和真空室之间提供真空密封；以及提供中空的外来物质护罩，其开口于接近真空室的顶部以及接近衬底室的底部，外来物质护罩位于离子束轴和可伸缩的风箱之间，外来物质护罩的顶部和底部与离子束轴同轴排列。

附图说明

所附权利要求中阐明了本发明的特征。然而，当结合附图进行阅读时，通过参照说明性实施例的下列详细说明，将会更好地理解发明本身，其中：

图1A是根据本发明的第一实施例的离子束系统的示意性侧视图；

图1B是说明载入到图1A的离子束系统内的衬底的自由度的示图；

图2A是图1A的离子束工具的风箱区域的详细的截面视图；

图2B是图1A的离子束工具的电子工具的详细的截面视图；

图3A是根据本发明的第一外来物质护罩的俯视图，并且图3B和3C是沿着图3A中的线3B/3C-3B/3C截取的该护罩的侧视图；

图4A是根据本发明的第二FM(外来物质)护罩的俯视图，并且图4B是沿着图4A的线4B-4B截取的该护罩的侧视图；

图5A是根据本发明的第三FM护罩的俯视图，并且图5B是沿着图5A的线5B-5B截取的该护罩的侧视图；

图6A是根据本发明的第四FM护罩的俯视图，并且图6B是沿着图6A的线6B-6B截取的该护罩的侧视图；

图7A是根据本发明的第五FM护罩的俯视图，并且图7B是沿着图7A的线7B-7B截取的该护罩的侧视图；

图8A是根据本发明的第六FM护罩的俯视图，并且图8B是沿着图8A的线8B-8B截取的该护罩的侧视图；

图9A是根据本发明的第七FM护罩的俯视图，并且图9B是沿着图9A的线9B-9B截取的该护罩的侧视图；以及

图10是根据本发明的第二实施例的离子束工具的风箱区域的详细的截面视图。

具体实施方式

将术语“离子束系统”定义为产生一束带电原子或分子并将这些带电物质导向衬底的表面或衬底的主体内的任何工具。离子束系统的例子包括但不局限于离子注入工具和离子碾磨(ion milling)工具。

图1A是根据本发明的第一实施例的离子束系统的示意性侧视图。在图1A中，离子束系统100包括离子源105、提取器110(其包括一个提取孔)、第一射束聚焦器115、出口孔120、射束分析器125(在一个例子中是电磁体)、第一限制孔130、泵送室135、第二限制孔140、射束采样部分145(其包括一个标记孔)、第二射束聚焦器150、电磁反射器(EMR)孔155、二次发射控制组件160(其包括一个电子簇射孔165)、电子簇射管170、衬底室175以及Yθ平台180。将第二限制孔140、射束采样部分145、第二射束聚焦器150、EMR孔155以及二次发射控制组件160容纳在真空室185内。通过风箱190将衬底室175连接到真空室185。外来物质(FM)护罩195位于电子簇射管170和风箱190之间。电子簇射管170是负电性的。

在运行中，在离子源105内产生等离子体，并且由提取器110从该离子源中提取离子以产生离子束200(虚线)。在由第一射束聚焦器115聚焦后，离子束200通过射束分析器125，在此只有具有预定的电荷/质量比的离子才能经由第一限制孔130出去。这时，离子束200与离子束系统100的离子束轴205同轴排列。在通过泵送室135、第二限制孔140、射束采样部分145、第二射束聚焦器150、EMR孔155、二次发射控制组件160、电子簇射孔165以及电子簇射管170之后，离子束200在Yθ平台180上撞击衬底210。

在一个示例中，离子束200包括含有磷、硼、砷、锗、碳、氮、氦或其化合物的带电物质。

转到图1B，图1B是说明载入到图1A的离子束系统内的衬底的自由度的示图。离子束轴205定义了Z方向。将Y方向定义为与Z方向垂直的方向，并将X方向定义为与Z方向和Y方向都垂直的方向。Y方向定义了水平方向，并且Z方向定义了竖直方向。Z方向和Y方向在该图所在的平面内，X方向指向该图所在的平面并延伸至该平面之外。衬底室175可以同时关于α轴和β轴倾斜。关于α轴和β轴倾斜的度数都可以是正的或负的，但受到该系统的机械约束，尤其是风箱190、FM护罩195和电子簇射管170的限制。α轴平行于X方向、同时垂直于Z方向和Y方向，并与离子束轴205相交。β轴平行于Y方向、同时垂直于Z方向和X方向，并与离子束轴205相交。Yθ平台180(参见图1A)可以沿Y方向移动并绕着θ轴旋转。θ轴平行于Z方向，并同时垂直于Y方向和X方向。

转到图1A，FM护罩195固定于衬底室175，由此当衬底室倾斜时该护罩也倾斜；并且电子簇射管170固定于真空室185，而且当真空室倾斜时该护罩不倾斜。在离子束系统100的运行期间，离子束200的整个路径必须保持在高度真空下。因此，当衬底室175倾斜时，如果要维持离子束系统的完全真空，对风箱190的需要就会变得明显。如下所述，风箱190可伸缩的事实导致产生了外来物质。

图2A是图1A的离子束工具100的风箱区域的详细的截面视图。在图2A中，可以看到风箱190通过凸缘215连接到衬底室175，并通过凸缘220连接到真空室185。风箱190与凸缘215和220物理接触、电接触以及热接触，并且凸缘215和220分别与衬底室175和真空室185物理接触、电接触以及热接触。与FM护罩195的一个底面230邻近的外表面225与凸缘215物理接触、电接触以及热接触。因此，当FM护罩195包括导电材料时，该FM护罩就是与衬底室175电接触的，并且当FM护罩195包括导热材料时，该FM护罩就是与衬底室175热接触的。FM护罩195可以包括既导热又导电的材料。用于FM护罩195的合适的材料包括但不局限于铝、不锈钢、陶瓷(其例子包括氮化硼、氧化铝、硅酸铝)、碳化硅、碳、硅以及高温聚合体。也可以使用其他非磁性材料，诸如其他金属。如果使用了磁性材料，就必须确保FM护罩195的尺寸使得在该FM护罩内感应出的磁场不会不利地影响离子束直径、离子束截面分布或离子束相对于离子束轴205的集中性。

当FM护罩195是一种导热材料时，且如果衬底室175是热导体和电导体(诸如不锈钢或铝)，则和其他组件如电子簇射管170一样，相对于内部真空的温度(更准确地说是残留在真空中的气体分子的温度，大约1500℃至大约3000℃)，该FM护罩将作为低温吸集器(在大约60°F至70°F的室温下，它是散热的)。

有两个FM护罩195可以遵守的尺寸。第一个尺寸是FM护罩195的顶面235与凸缘220之间的距离A，第二个尺寸是从与FM护罩195的顶面235邻近的内表面240到电子簇射管170的外表面250的距离B。可以调整距离A和B，使得在倾斜角α和β的最大值处(参见图1A和图1B)FM护罩195的顶面235不会与电子簇射管170的外表面250进行接触。在不能将B减小到能够达到在衬底室内维持真空的泵送效率的程度的限度内，随着A的减小，B有可能减小，并且反之亦然。C是凸缘215和220之间的距离，并且D0是电子簇射管170的直径。

转到图2B，图2B是电子簇射管170的详细的截面视图。电子簇射管170具有槽纹内表面255并由导电材料(例如石墨)构成。电子簇射管170的用途是：当离子束从真空室185跃迁到衬底室175时，在离子束200周围保持空间电荷区域260。槽纹内表面255上的每个槽纹265都包括倾斜的顶面270和水平的底面275。槽纹265的用途是使得外来物质280聚集在倾斜的顶面270上，而暴露水平的底面275，以保持空间电荷区域260。由于外来物质280积聚在电子簇射管170的内侧壁255上，因此空间电荷区域260(参见图2A)的效能会减小。

返回到图2A，可以被FM护罩195减少或消除的可能撞击到晶片210上的外来物质有两个来源。第一个来源是由撞击晶片210的离子束200中产生的蒸汽和粒子。如果衬底210是半导体晶片，则所发出的蒸汽和粒子可能包括光阻材料或其它有机材料、金属、硅以及离子注入物质。这些材料以蒸汽形式覆盖风箱190的内表面285、电子簇射管170的外表面250和内表面255。然后，这些覆层可能从风箱190的内表面285、电子簇射管170的外表面250和内表面255上剥落，并撞击在衬底210上。由于FM护罩195比电子簇射管170冷，因此这些蒸汽被吸引至FM护罩，并且这些将最终会覆盖在电子簇射管170和风箱190上的蒸汽中的许多的蒸汽会被该FM护罩吸入，并最终覆盖该FM护罩，尤其是该FM护罩的内表面240。当衬底室175倾斜时风箱会伸缩，因此FM护罩195的物理布置还基本上阻挡了从风箱190的内表面285的覆层上脱落或剥落的粒子(参见图1A和1B)。

外来物质的第二个来源是来自上述工具的内部部分的物质，离子束以作为离子束传送物质的蒸汽或粒子的形式通过这些内部部分(诸如孔之类)。在FM护罩195的外表面225和风箱190的内壁285之间捕集了大量这种物质。尺寸A和/或B越小，就能阻止越多的该第二来源的物质撞击到衬底210上。

图3A是根据本发明的第一FM护罩的俯视图，并且图3B和3C是沿着图3A的线3B/3C-3B/3C截取的该护罩的侧视图。在图3A和3B中，可以看到，FM护罩195包括中空的圆柱底部部分290，中空的锥形过渡部分300将该底部部分290连接到较窄的顶部的中空的圆柱顶部部分295。将底部部分290、顶部部分295和过渡部分300集成为一个单独的单元。FM护罩195具有由顶面235限定的顶部圆形开口235A和由底面230限定的底部圆形开口230A。FM护罩195的总高度为H1，顶部部分295的高度为H2，底部部分290的高度为H3，过渡部分300的高度为H4。底部部分290的外径为D1，并且顶部部分295的外径为D2。FM护罩195的壁厚为T1。当用于对200mm的晶片衬底进行离子注入的离子束系统时，H1的范围从大约2英寸到大约4.25英寸，H2的范围从大约0.4英寸到大约1.5英寸，H3大约为0.8英寸，H4的范围从大约0.7英寸到大约1.9英寸，D1大约为6.4英寸，并且D2的范围从大约5.8英寸到大约6.0英寸(然而，D1通常大于D2)以及T1大约为八分之一英寸。当在离子束系统100中安装FM护罩195时(参见图1A)，离子束轴205交于直径D1和D2的中心。

虽然在图3B中，FM护罩的内表面240是光滑的，但是在图3C中，可以看到FM护罩195A的内表面240A是有纹理的(textured)。术语“有纹理的”被定义为包括粗磨的、有线纹的和有斑点的。否则，FM护罩195和FM护罩195A就是相同的。纹理处理是可选的，但是，纹理处理降低了淀积在表面240A上的外来物质层脱落、剥除或剥落的可能性。例如，可以通过喷砂处理、珠光处理、喷气处理来完成纹理处理。可以通过对表面240A进行打磨、刮擦或机械加工来得到纹理。下文中将讨论并示于图4B、5B、6B、7B、8B和9B的FM护罩的所有变形都可以具有有纹理的内表面。

图4A是根据本发明的第二FM护罩的俯视图，并且图4B是沿着图4A的线4B-4B截取的该护罩的侧视图。在图4A和4B中，除了将整体双锥环状部分305整体地形成到顶部部分295之外，FM护罩195B与图3A和3B的FM护罩195类似。环状部分305具有倾斜的外表面310和倾斜的内表面315(二者长度相等，并且都相对平行于离子束轴205的轴320倾斜角度ω)，并且该外表面与该内表面交会于边缘325。FM护罩195B具有由边缘325限定的顶部圆形开口325A和由底面230限定的底部圆形开口230A。环状部分305具有高度H5。继续图3A和3B的例子，H5大约为1.25英寸，并且ω大约为10°。外表面310和内表面315上的10°锥体使得，整体有效高度从H1到H1加上H5的增加不影响α和β的最大值(参见图1B)。

图5A是根据本发明的第三FM护罩的俯视图，并且图5B是沿着图5A的线5B-5B截取的该护罩的侧视图。在图5A和5B中，除了有一个额外的中空圆柱部分和一个额外的中空锥形过渡部分之外，FM护罩195C与图3A、3B和3C的FM护罩195类似。在图5A和5B中，第一中空锥形过渡部分340将具有外径D1的底部中空圆柱部分330连接到具有外径D3的中间中空圆柱部分335。第二中空锥形过渡部分350将中间中空圆柱部分335连接到具有外径D4的顶部中空圆柱部分345。顶部中空圆柱部分345具有平坦的顶部边缘355。FM护罩195C的部分330、335、340、345和350是整体形成的。FM护罩195C具有由顶面355限定的顶部圆形开口355A和由底面360限定的底部圆形开口360A。FM护罩195C的总高度为H6。D1大于D3，并且D3大于D4。当在离子束系统100中安装FM护罩195C时(参见图1A)，离子束轴205交于直径D1、D3和D4的中心。

图5A和5B所示的以及之前描述的类型的FM护罩可以包括任意数目的中空圆柱部分和中空锥形过渡部分。

图6A是根据本发明的第四FM护罩的俯视图，并且图6B是沿着图6A的线6B-6B截取的该护罩的侧视图。在图6A和6B中，除了将整体双锥环状部分365整体地形成到顶部部分345之外，FM护罩195D与图5A和5B的FM护罩195C类似。环状部分365具有倾斜的外表面370和倾斜的内表面375(二者长度相等，并且都相对平行于离子束轴205的轴380倾斜角度ω)，并且该外表面与该内表面交会于边缘385。FM护罩195D具有由边缘385限定的顶部圆形开口385A和由底面360限定的底部圆形开口360A。环状部分365具有高度H7。ω大约为10°。外表面370和内表面375上的10°锥体使得，整体有效高度从H6到H6加上H7的增加不影响α和β的最大值(参见图1B)。

图7A是根据本发明的第五FM护罩的俯视图，并且图7B是沿着图7A的线7B-7B截取的该护罩的侧视图。在图7A和7B中，FM护罩195E包括具有顶面395的中空截圆锥形部分390和具有底面405的底部整体环状部分400。在圆锥形部分390的壁415上成形多排(图中示出两排)可选的开槽410。FM护罩195E具有由顶面395限定的顶部圆形开口395A和由底面405限定的底部圆形开口405A。该FM护罩具有底部外径D1、顶部外径D5和高度H8。当在离子束系统100中安装FM护罩195E时(参见图1A)，离子束轴205交于直径D1和D5的中心。

图8A是根据本发明的第六FM护罩的俯视图，并且图8B是沿着图8A的线8B-8B截取的该护罩的侧视图。在图8A和8B中，FM护罩195F包括具有底面425和顶面430的中空圆柱420。FM护罩195F具有由顶面430限定的顶部圆形开口430A和由底面425限定的底部圆形开口425A。该FM护罩具有直径D1和高度H9。当在离子束系统100中安装FM护罩195F时(参见图1A)，离子束轴205交于直径D1的中心。

图9A是根据本发明的第七FM护罩的俯视图，并且图9B是沿着图9A的线9B-9B截取的该护罩的侧视图。在图9A和9B中，除了将整体双锥形环状部分435与圆柱体420整体的形成之外，FM护罩195G与图8A和8B的FM护罩195F类似。环状部分435具有倾斜的外表面440和倾斜的内表面445(二者长度相等，并且都相对平行于离子束轴205的轴450倾斜角度ω)，并且该外表面与该内表面交会于边缘455。FM护罩195G具有由边缘455限定的顶部圆形开口445A和由底面425限定的底部圆形开口425A。环状部分435具有高度H10。ω大约为10°。外表面440和内表面445上的10°锥度使得，从H9到H9加上H10的整体有效高度的增加不影响α和β的最大值(参见图1B)。

图10是根据本发明的第二实施例的离子束工具的风箱区域的详细的截面视图。除了加入了上部FM护罩460之外，图10与图2类似。上部FM护罩460包括卡箍(collar)465，其连接到电子簇射管170的外表面250并位于真空室185和FM护罩195以及凸缘470之间。凸缘470从真空室185朝着FM护罩195向外并向下延伸。可选地，凸缘470可以只向外延伸。凸缘470延伸至越过FM护罩195的顶面235。在上部FM护罩460和FM护罩195之间，留出了足够大的空间，以便不影响该工具的泵送效率。用于上部FM护罩460的合适材料包括但不局限于铝、不锈钢、陶瓷(其例子包括氮化硼、氧化铝、硅酸铝)、碳化硅、碳、硅以及高温聚合体。上部FM护罩可以和上述FM护罩195A、195B、195C、195D、195E、195F和195G中的任何一个FM护罩一起使用。

因此，本发明减少了离子束系统中衬底的外来物质污染。

为了理解本发明，上面给出了本发明实施例的描述。应当理解本发明并不局限于此处所述的特殊实施例，而是能够进行目前对于本领域的普通技术人员来说将变得明显的多种修改、调整和替代，且没有超出本发明的范围。因此，下面的权利要求旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这类修改和变形。