CN1168116C - 采用接地导电栅网的直流等离子体离子注入装置 - Google Patents

Abstract

一种直流等离子体离子注入装置，包括：真空室，等离子体产生器，安装在所述真空室内的靶台和高压电源，其特征是：所述真空室呈圆盘状，具有工作气体的进气口和抽气口；一个导电栅网，配置在所述靶台的上方将真空室分成两个部分，并且所述导电栅网同所述真空室壁连接并接地；所述靶台的下部具有穿过真空室壁的引出电极；以及一个直流高压电源，所述直流高压电源的高压直流负端同所述靶台的所述引出电极连接，而正端接地。

Description

采用接地导电栅网的直流等离子体离子注入装置

本发明涉及一种直流等离子体离子注入装置，特别是，涉及一种采用接地导电栅网的直流等离子体离子注入装置。

等离子体浸没离子注入(以下，简称为：PIII)是一种多用途的材料制备和表面处理技术，这一技术可参阅例如，汤宝寅等人(汤宝寅等，材料科学与工艺1999，7(增刊))和曾照明等人(汤宝寅等，材料科学与工艺1999，7(3))发表的论文。本技术具有非视线加工的特点，使之成为大、重和不规则形状零件表面强化的一种先进技术。例如，它被用于制作适用于低能耗，高速CMOS微电子芯片的绝缘体上硅材料(SOI)，在离子剥离方法中需要向硅片注入大剂量的氢，这时PIII成为一种高效而经济的方法，因注入时间并不取决于硅片的直径而尤其适用于较大的硅片。

等离子体浸没离子注入(PIII)在许多方面有别于传统的束线离子注入，在束线离子注入中，离子被电场加速并依据荷质比进行筛选。而在PIII中，靶被浸没在等离子体内并加上一系列负脉冲。当靶处于负偏压时，电子被排斥而离开由正离子组成的鞘层(sheath)；在鞘层边界和靶之间建立起一个加速电场，使正离子向靶加速并注入靶中。为了提供不间断的离子流，在负脉冲结束之前，离子鞘层会不断膨胀。如果注入电压很高，鞘层一旦扩展到真空室壁，等离子体将会熄灭。这种情况在小真空室，低等离子体密度和高电压脉冲时容易出现。这些局限和高压脉冲调制器的限制，卡住了PIII实验的最大电压，并造成应用上的困难。比如，不适于制造较厚的SIMOX材料。此外，在PIII中，各处离子的注入角度还取决于靶台的形状。

在PIII半导体应用中采用负电压脉冲时，有几点值得考虑：当不得不采用负高压脉冲时，真空室、鞘层和电路必定产生一个作为高压脉冲调制器负载的等效电容，并引起一个位移电流；也就是说，由于电压变化，鞘层电容和电路负载导致了位移电流的出现。这个位移电流对硅片和靶台产生了额外加热，从而使有害的金属杂质从接触面和靶台扩散，并在高温下进入硅片。因此，在注入过程中常常需要冷却。在有限短的电压脉冲上、下沿中，离子的加速能量减少，必将导致注入能量分布中的低能分量。以上两个因素将不利于离子剥离和PIII-SIMOX技术。

为了减少这些影响，我们可以增加脉冲宽度至100μs或更长，甚至更为理想的运行在直流方式，也就是在稳态的Child-Langmuir定律鞘层下进行离子注入。然而，因离子鞘层会扩展至顶部放电***而熄灭等离子体，故高压直流运行需要很大的真空室。通常真空室的体积是有限的，为了维持长的脉冲或工作在稳态的直流方式，必须提高等离子体密度以减小鞘层厚度；换句话说，需要一个大功率高效率的等离子体源。但对于单能注入需要的低气压状态，离子平均自由程要大于鞘层厚度，产生这样的***有许多技术上的困难。另外，如运行在2-3mTorr相对高气压下，则高压击穿的几率增加，并且离子碰撞频率的增加也将引起大量的低能离子。进一步而言，在高气压氧气PIII形成SIMOX过程中，表面氧化也将增加。

本发明就是为了克服现有技术中存在的上述问题而作出了发明创造，其目的是提供一种在低气压、稳态直流方式下进行离子注入，离子注入能量大，剂量高，且分布均匀的等离子体离子注入装置。

为了实现本发明的上述目的，一种直流等离子体离子注入装置，包括：真空室，等离子体产生器，安装在所述真空室内的靶台和直流高压电源，其特征是：所述真空室呈圆盘状，具有工作气体的进气口和抽气口；一个导电栅网，配置在所述靶台的上方将真空室分成两个部分，并且所述导电栅网同所述真空室壁连接并接地；所述靶台的下部具有穿过真空室壁的引出电极；以及所述直流高压电源的高压直流负端同所述靶台的所述引出电极连接，而正端接地。

根据本发明的等离子体离子注入装置，通过硅片靶台上方设置的一个接地导电栅网，将真空室分成两个部份，在下面部份，由负偏压靶台，栅网和真空室壁形成一个强电场区，并在低气压、稳态直流方式下进行离子注入。在上面部份，由于接地栅网阻止了下面离子鞘层的扩散而形成等离子体区。因此，连续的低气压放电可以在栅网上维持，正离子通过栅网扩散至下部并被注入到硅片中。这时，离子轨迹同所加电压和离子质量无关，只是对初始扩散速度和真空室内导电栅网同靶台的放置相当敏感。

以下，边参照附图，边详细说明本发明的内容，其中：

图1是表示本发明的稳态直流方式的等离子体离子注入装置的结构示意图。

图2是直流偏压下离子从栅网到靶台的注入轨迹曲线图。

本发明的稳态直流方式的等离子体离子注入装置的结构，如图1所示。该装置包括真空室1、导电栅网2、靶台3和直流高压电源4。真空室1具有气体进口5和出气口6。进口5用于输入产生等离子体的气体。出气口6与真空泵连接，以便抽真空到规定的真空度。靶台3的引出电极穿过真空室1与高压电源4的输出的直流高压负端连接，而且真空室1接地。硅片靶台3的上方设置接地导电栅网2。导电栅网2可以具有调整与所述靶台之间距离的位置调节装置。该导电栅网2应采用适当的材料以防止污染，比如，当注入硅片时用带硅涂层的栅网。直流高压电源提供15kV到100kV的直流电压。本等离子体离子注入装置，在低气压、稳态直流方式下进行离子注入。因为导电栅网2将真空室分成两个部份，所以在下面部份，由负偏压靶台3，栅网2和真空室1侧壁之间形成一个强电场区。在上面部份，由于接地栅网2阻止了下面离子鞘层的扩散而形成等离子体区。据此，连续的低气压放电可以在栅网2上维持，正离子通过栅网2扩散至下部并被注入到靶台3上放置的工件，例如硅片中。

下面，将说明使用本发明的表面离子注入装置进行表面离子注入的运作步骤。

首先，将待进行离子注入的工件，例如硅片，放置在靶台上。启动真空泵，对真空室进行抽真空。真空室的本底真空度达到在1.0×10^-5Torr～1.0×10^-8Torr范围，最好低于9.0×10^-6Torr之后，向该真空室充入用于产生等离子体的工作气体，例如氧气。将氧气压保持在低于1mTorr范围内，采用等离子体产生器，比如，RF放电产生氧的等离子体。接着，用直流高压电源在导电栅网与硅片靶台之间施加负偏压，例如-70kV。进行一定时间离子注入后，停止施加直流偏压，关闭等离子体产生器和工作气体，打开真空室，取出工件。

本发明人通过PIC(Particle-In-Cell)数值模拟，发现离子轨迹同所加电压和离子质量无关，但对初始扩散速度和真空室内栅网同靶台的放置十分敏感。

设定栅网之上的电位是等离子体电位，栅网之下的电位受到硅片靶台所加电压的影响，并且可通过圆柱坐标系中的Laplace方程求解：

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{{\∂r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂r}+\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{{\∂z}^2}=0---\left(1\right)$

这里φ是电位，r是径向距离，z是轴向距离。

并且，假定在DC方式中，下面部分的空间电荷近似为零。在理想情况下，电场在等离子体产生之前建立。也就是说，在下部分开始时没有等离子体。由于二次电子非常轻，而且具有较高的能量，可以假定它们一经产生便被真空室壁和栅网吸收。对于吸引离子和改变电位而言，离子的扩散作用较之极强的电场来说微不足道。方程1可以用有限差分的方法来求解。这时，仅需注意如图1所示位于栅网之下小部分的离子。由于真空室此部分的轴对称性，这一部分粒子可以简化为图1所示的一个平面。粒子被电场拉出，然后跟踪其轨迹直到它们打到靶上为止。离子的运动遵守轴坐标系中的Newton运动方程。

$v_i^r\left(f\right)=v_i^r\left(I\right)-\frac{q}{M}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂r}t---\left(2a\right)$

$v_i^z\left(f\right)=v_i^z\left(I\right)-\frac{q}{M}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}t---\left(2b\right)$

$\mathrm{\Δr}=v_i^r\left(I\right)t-\frac{1}{2}\frac{q}{M}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂r}{t}^2---\left(3a\right)$

${\mathrm{\Δz}=v}_i^z\left(I\right)t-\frac{1}{2}\frac{q}{M}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}{t}^2---\left(3b\right)$

这里，M是离子质量，q是离子电荷，V_i ^r(f)，V_i ^r(I)，V_i ^z(f)，V_i ^z(I)是在时间间隔为T时离子的初始和最终速度。内部尺寸由半导体PIII设备来确定。靶台厚度为0.056m，半径为0.081m，它被一根0.3m长，半径为0.004m的细金属杆支撑并接负高压电源，真空室半径是0.381m，硅片靶台顶部与栅网之间的距离H是可调的。

假如离子的初始速度相对加速电场而言是很小的，则离子运动轨迹同所加负电压、离子质量和电荷态无关。图2a和2b示出了H＝70mm和H＝30mm的O⁺离子轨迹，所加电压为-70kV，且初始速度为零。图2a表明：一些离子将穿过中平面而注入到硅片靶台的另一半。当H＝70mm时，离子会聚焦在硅片靶台的中心部分，离子轨道随速度矢量决定，而速度矢量又随空间电场引起的加速度而逐渐变化。如方程2所示，加速度矢量可写成：

$\stackrel{\→}{a}=(-\frac{q}{M}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂r})\hat{r}+(-\frac{q}{M}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z})\hat{k}---\left(4\right)$

矢量a的方位角θ是：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}(-\frac{q}{M}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}/-\frac{q}{M}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂r})={\tan }^{-1}(\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}/\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂r})---\left(5a\right)$

这表明方位角同离子电荷态和质量无关。标量Φ沿径向和轴向偏微分的比例也同Φ值无关。因此加速力场的方位角完全取决于真空室下面部分的电场分布，当初始速度为零的离子放置于同样的起点时，它们将经历同样的加速过程。加速度的幅值将随离子电荷态、离子质量和所加电压而变化：

$A=\frac{q}{M}\sqrt{{\left(\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂r}\right)}^2+{\left(\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}\right)}^2}---\left(5b\right)$

所以，通过改变离子电荷态和所加电压，可调整离子注入能量。离子质量的变化，也会改变最终的离子速度。但是，相对所加电压产生的最大速度而言，如果离子具有较大的初始漂移速度，它们将会经历不同分布的电场区域，此时离子轨迹将随离子电荷态、离子质量和所加电压而改变。当H＝30mm，所加电压为-70kV时，带有2.4468×10⁵m/s(相当于5keV氧离子能量)初始速度的O⁺和O²⁺离子轨迹被示于图2c和2d。部分离子已经绕过硅片靶台而注入到支撑杆上。通常，在PIII中，离子处于室温，也就是0.026eV，其漂移速度相对于所加电压是非常小的，工作气压一般低于1mTorr且气体是弱电离的，其压力梯度也很小。因此，同一位置不同离子的运动轨迹是相同的。

对于PIII半导体应用，硅片上注入剂量和能量的均匀性是很重要的。这里，将比较一下传统PIII和本发明的直流方式离子注入装置，如前所述，对于PIII，在每个负电压脉冲的上、下沿，将有很多低能离子注入；而对于，由于离子从栅网到靶台被直接加速，其注入能量为一常数。硅片中离子剂量均匀性取决于两个因素：注入离子流均匀性和注入角度。以前研究表明：当注入角度偏离法线方向达45°时，在靶台边沿PIII离子剂量更高，因此，尽管在边沿注入深度更浅，而离子注入剂量反而更大。在本发明的直流方式中，注入面积完全取决于硅片靶台半径r同真空室半径R的比例，硅片靶台同栅网间的距离H以及硅片靶台的厚度D。从栅网到硅片靶台的投影面积可决定硅片的注入剂量。实际上，小的H，投影面积接近于注入面积，将有更好的注入均匀性，但是，太小的H，在高能离子注入时，可能引起电击穿。改变硅片靶台的厚度可将其上的注入角度调整到几乎垂直。本发明人发现较厚的硅片靶台可以平滑其边沿的电场分布。在PIII中，从离子鞘层边界开始加速离子，且离子注入角度取决于离子鞘层的空间形状。结果显示：通过选择合适的内部尺寸，直流方式的离子注入剂量和角度都可以更为均匀。数值模拟表明其最优比例是：r∶R∶H∶D＝1∶4∶2.5∶2，也就是说，一个圆盘状的真空室优于传统的圆柱形真空室，实验结果也证明了这一点。

本发明提供的离子注入装置，借助于硅片靶台上面一个接地导电栅网来实现低气压，直流稳态方式等离子体离子注入。本发明的装置类似于达到极限的传统宽束束线装置，即靶台直接位于引出极的前面，并且取代了最终的加速栅(使等离子体接地而不是接靶台)。因此，这个装置类似于改进的束线装置或者是改进的PIII装置，也可视为介于二者之间的技术。可是，在本发明的装置中，离子束不再根据荷质比来筛选，如果有足够手段控制等离子体内的离子种类话，其通量远高于常规离子注入。

发明人的数值模拟表明：离子漂移过栅网并沿固定轨迹注入到硅片靶中。这些离子轨迹不随所加电压、离子质量和离子电荷状态而变化，前提是它们的初始速度相对于电场而言是很小的。这时因为加速度矢量方位角同离子质量和电荷态无关，且对于不同电压，标量电位沿径向和轴向的偏微分之比例是常数。离子注入剂量和能量的均匀性完全取决于硅片靶台半径、真空室半径、栅网与靶台距离，硅片靶台厚度之间的比例，根据本发明以上得到的结果，优化的比例是：r∶R∶H∶D＝1∶4∶2.5∶2。除了保留PIII的高通量和同时处理的优点之外，直流方式的注入能量可以超出PIII方式的限制，因为不再需要PIII***中既限制注入能量，又昂贵且复杂的高压脉冲调制器。

Claims (6)

1.一种直流等离子体离子注入装置，包括：真空室，等离子体产生器，安装在所述真空室内的靶台和一直流高压电源，其特征是：

所述真空室呈圆盘状，具有工作气体的进气口和抽气口；

一个导电栅网，配置在所述靶台的上方将真空室分成两个部分；所述导电栅网同所述真空室壁连接并接地；

所述靶台的下部具有穿过真空室壁的引出电极；以及

所述高压直流电源的高压负端同所述靶台的所述引出电极连接，而正端接地。

2.根据权利要求1所述的直流等离子体离子注入装置，其特征是所述导电栅网是带有硅涂层的栅网。

3.根据权利要求1或2所述的直流等离子体离子注入装置，其特征是所述导电栅网具有调整与所述靶台之间距离的位置调节装置。

4.根据权利要求1所述的直流等离子体离子注入装置，其特征是所述硅片靶台半径r、真空室半径R、栅网与靶台距离H、与硅片靶台厚度D之间的比例大体等于1∶4∶2.5∶2。

5.根据权利要求4所述的直流等离子体离子注入装置，其特征是所述直流高压电源输出15kV到100kV的直流电压。

6.根据权利要求1所述的直流等离子体离子注入装置，其特征是所述导电栅网带有涂层，且该涂层的材料根据样品而定。

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