CN104106124A - 等离子体浸没式离子注入机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有等离子体电源(AP)和衬底电源(PS)的离子注入机的控制方法，该衬底电源包括：发电机(HT)、在所述发电机和该衬底电源的输出端子之间连接的第一断路器(SW1)、在所述输出端子和一个中性端子之间连接的第二断路器(SW2)，所述方法包括注入阶段(A-D)和中和阶段(E-H)。该方法还包括与所述注入阶段和所述中和阶段部分重叠的释放阶段(C-F)，在该释放阶段期间所述等离子体电源为去激励状态。另外，所述中和阶段包括用于关闭第二断路器的预备步骤(E-F)，该预备步骤后跟有用于激励等离子体电源(AP)的消除步骤(F-G)。

Description

等离子体浸没式离子注入机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种等离子体浸没式离子注入机的控制方法。

背景技术

本发明的领域涉及以等离子体浸没模式工作的离子注入机。对于衬底的离子注入在于将其浸入等离子体当中并且对其偏置数十伏至数十千伏(通常少于100千伏)的负电压，这样形成了一个可以将等离子体中的离子朝向所述衬底加速使其得以注入到所述衬底中的电场。这样被注入的微粒被称为“杂质”。

所述离子的浸入深度由加速能量决定。其一方面取决于施加于所述衬底上的电压，另一方面取决于所述离子和衬底各自的性质。所注入微粒的密度取决于用每平方厘米的离子数量表示的剂量和注入深度。

出于与等离子体物理学相关的原因，在施加电压后的几纳秒内在所述衬底周围形成了离子鞘层。负责将离子朝向所述衬底加速的电势差位于该鞘层的各端子上。

该鞘层随着时间的增加符合平板直流负偏压碰撞鞘层定律(l’équatiion deChild-Langmuir定律)：

$j_c=\frac{4}{9}{\mathrm{\ϵ}}_0{\left(\frac{2e}{M}\right)}^{1/2}\frac{V_0^{3/2}}{S^2}$

其中：

j_c：电流密度

ε₀：真空介电常数

e：离子电荷

M：离子质量

V₀：穿过鞘层的电势差

s：鞘层厚度

通过明确规定所述电流密度等于每个时间单位穿过所述鞘层边界的电荷，ds/dt表示该边界的位移速度：

$\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}=\frac{2}{9}\frac{S_0^2-U_0}{S^2}$

在该式中表达式S₀应为：

$S_0={\left(\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_0{V}_0}{e{.n}_0}\right)}^{1/2}$

已知U₀＝(2eV₀/M)是所述离子的特征速度并且n₀为等离子密度。

所述鞘层的厚度主要与所施加的电压、等离子体密度和离子质量相关。

决定注入电流的所述等离子体的等效阻抗与所述鞘的厚度的平方成正比。因此，当所述鞘层增厚时，所述注入电流很快减小。

在一定的时间段结束时，需要进行再次启动。当所述鞘层到达壳体壁令所述注入机制停止时，这种再次启动实际上是必须的。

为了将所述机制再次启动，几乎全部注入机制造商都会在保持等离子体激发的同时停止所述衬底上的高压。因此，必须设置有产生高压脉冲的脉冲发电机。

这样，参照附图1，文献WO01/15200提出通过电源来偏振所述衬底，该电源包括：

-正极接地的发电机GEN，

-与发电机GEN并联的电容器Ct，

-第一极连接至发电机GEN的负极且第二极连接至该电源的输出端子O的第一断路器IT1，以及

-第一极连接至输出端子O且第二极接地的第二断路器IT2。

所述方法包括以下阶段：

-注入阶段，在这个阶段中：

等离子体供电被激励、

第一断路器IT1被闭合、

第二断路器IT2被打开；

-中和阶段，在这个阶段中：

第一断路器IT1被打开、

第二断路器IT2被闭合。

所述等离子体持续存在于所述壳体中会带为不希望的副作用：

-生成粒子，

-向衬底输送热量，

-壳体被侵蚀，会产生被处理的部件受金属污染的风险，

-产生电荷效应，尤其是在微电子应用情况下，以及

-在施加于所述衬底的电压的升高或下降阶段以不稳定的加速电压进行注入。

另外，文献US2007/069157提出了以下一系列操作：

-激励所述衬底电源，

-经过一定时间后，在脉冲期间激励所述等离子体电源，

-去激励所述等离子体电源，

-经过一定时间段，去激励所述衬底电源。

在接下来的所述阶段持续期间，所述衬底电源被激励并且所述等离子体电源被去激励，这与释放阶段相符。

在注入阶段，所述衬底被电绝缘的区域以累积的方式装载正电荷。由于对注入的过程带来了干扰，这种情况毫无疑问是不希望出现的。因此希望能够通过提供电子来中和这些正电荷。

可以考虑使用灯丝，但其容易汽化。同样可以考虑电子枪，但这涉及到相对较重的额外设备。

发明内容

因此，本发明的目的在于使易于对正电荷的中和。

本发明旨在提出一种带有等离子体电源和衬底电源的离子注入机的控制方法，该衬底电源包括：

-正极接地的发电机，

-第一极连接至该发电机负极且第二极连接至该衬底电源输出端子的第一断路器，

-第一极连接至该输出端子且第二极连接至中性端子的第二断路器；

所述方法包括注入阶段，在该阶段中：

-等离子体电源被激励，

-第一断路器被闭合，

-第二断路器被打开，

所述方法包括中和阶段，在该阶段中：

-第一断路器打开，

-第二断路器闭合；

所述方法值得注意的在于：

-还包括与注入阶段和中和阶段部分交叠的释放阶段、在该释放阶段期间等离子体电源被去激励，

-所述中和阶段包括一个用于闭合第二断路器的预备步骤，该预备步骤之后是用于激励等离子体电源的消除步骤。

这样，在所述消除步骤中，所述衬底的正电荷被所述等离子体的电子中和。

有利地，所述消除步骤之后是用于去激励所述等离子体电源的去激励步骤。

优选地，所述去激励步骤之后是用于打开第二断路器的断路步骤。

另一方面，如果在等离子体被激励期间施加于所述衬底上的电压变化(高压或低压)，注入参数也会相应地改变。这正是所述杂质的注入深度直接取决于加速电压的情况。

这样，本发明的第二目的在于使所述注入参数得以稳定。

根据本发明，所述注入阶段包括一个用于闭合第一断路器的起始步骤，该起始步骤在经过一个稳态期后紧跟有用于激励所述等离子体电源的激励步骤。

接下来，在施加于衬底支架上的电压被稳定后，所述等离子体被激发。

根据一个优先的实施方式，所述激励步骤之后紧跟有用于去激励所述等离子体电源的中止步骤。

此外，所述中止步骤之后紧跟有用于打开第一断路器的暂停步骤。

这样，施加于所述衬底支架上的电压在所述等离子体的整个供电期间保持恒定。

本发明还旨在提出一种具有用于实施上文所描述的方法的装置的离子注入机。

附图说明

参照附图，以下本说明书中阐释性的实施例将提供更多关于本发明的细节，在这些附图中：

-附图1描绘了根据现有技术的高压电源，

-附图2描绘了具有控制模块的离子注入机，

-附图3描绘了根据本发明的高压电源，并且

-附图4描绘了以示意图形式示出的本发明方法的时序图。

所述的元件以唯一一个相同的附图标记显示于多幅附图中。

具体实施方式

参照附图2，离子注入机具有多个布置在真空壳体ENV的内部和外部的元件。对于微电子的应用，主张采用铝合金外壳以限制金属元素例如铁、铬、镍或钴的污染。同样可以使用硅或碳化硅涂覆层。

衬底支架板PPS呈水平面板的形状，可以绕其纵轴AXT移动，接纳经受离子注入的衬底SUB。

所述壳体ENV的上部接纳有以纵轴AXP为轴线的圆柱形源体CS。该源体由石英制成。其外部一方面被封闭线圈BOCi、BOCj环绕，另一方面又被外部的射频天线ANT环绕。等离子体化的气体的入口ING与所述源体CS的纵轴AXP同轴。该纵轴AXP与所述衬底支架板PPS的表面会和，在该表面上放置有待注入的衬底SUB。

可以使用任何类型的脉冲等离子体源：放电的、电感耦合等离子体(ICP-英文全称“Inductively Coupled Plasma”)、螺旋的、微波的、电弧的。这些源应当在足够低的压力水平下工作以便在高压PPS板和接地壳体ENV之间形成的电场不会激发将对所述源的脉冲功能形成干扰的放电等离子体。

所述离子注入机的控制模块主要具有三个元件：

-向所述衬底SUB提供高压的衬底电源PS，

-向射频天线ANT和封闭线圈BOCi、BOCj供电的等离子体电源AP，

-控制这两个电源的控制电路CC。

参照附图3，衬底电源PS包括：

-正极接地的高压发电机HT，

-第一极连接至发电机HT的负极且第二极连接至该电源输出端子S的第一断路器SW1，

-第二断路器SW2，其第一极连接至输出端子S，其第二极直接或通过通常为1千欧的放电电阻Rd间接连接至中性端子N，

-优选地，调节电容器Cr并联地连接在发电机HT上。

输出端子S被连接至所述注入机的衬底支架板PPS。

所述中性端子可以接地。其同样可以被连接至负极接地的电压源的正极。该正电压通常介于0伏至100伏之间，有利地被选择为基本与所述等离子体的电势相等，通常介于+10伏和+20伏之间。

参照附图4，控制电路CC控制等离子体电源AP和衬底电源PS的两个断路器SW1、SW2如下。

在起始状态下，这三个元件以如下方式配置：

-等离子体电源去激励，

-第一断路器SW1打开，

-第二断路器SW2打开。

在一个周期开始时，此时的注入阶段以附图4中A点所示出的起始步骤作为开端。

该起始步骤从闭合第一断路器SW1开始。其在一个稳态期间上持续，该期间通常介于1微秒和5微秒之间。

在该起始步骤之后是激励阶段(附图4中的B点)，在该步骤中所述等离子体电源AP被激励。该激励步骤的时长通常持续5微秒至100微秒。

接下来是中止步骤(附图4中的C点)，在其起始处所述等离子体电源AP为去激励状态。在通常持续20微秒至200微秒的该步骤中，所述等离子体熄灭。所述步骤与所述注入阶段一起结束。

暂停步骤(附图4中的D点)通过第一断路器SW1的打开而开始并在所述中和阶段开始时结束。所述步骤相对短暂，但是只要第一断路器SW1未完全打开并且等离子体未完全熄灭，该步骤就会持续。其时长因此大于0.1微秒并且通常需要介于1至10微秒之间。

所述中和阶段以一个预备步骤开始(附图4中的E点)，在该步骤开始时第二断路器SW2被闭合。只要所述衬底支架板的电压未回到施加于中性端子N的电压，该预备步骤就会持续。其时长通常介于1微秒至40微秒之间。

接下来是消除步骤(附图4中的F点)，在该步骤期间，等离子体电源AP被激励。所述等离子体的电子被吸引向装载有正电荷并且即将被中和的衬底区域。该消除步骤的时长通常介于1微秒至80微秒之间。

接下来是去激励步骤(附图4的G点)，在该步骤开始时所述等离子体电源被去激励。该步骤的时长通常需要数十微秒。

所述周期以一个断路步骤结束(附图4中的H点)，该步骤开始时第二断路器SW2打开。只要该第二断路器未完全打开并且只要所述等离子体未完全熄灭以回到初始状态，该断路步骤就会持续。

在这之后，可以开始一个新的周期。

所述释放阶段(附图4中的C点和F点之间)与所述注入阶段和所述中和阶段部分重叠，而在该阶段，等离子体电源AP被去激励。

上文所描述的本发明的实施例是鉴于其具体的特征进行选择的。而要详细地列举出覆盖本发明的所有实施方式是不可能的。尤其是，在不超出本发明的范畴内，所描述的任何实施方式都可以被一种等效的方式所替代。

Claims (7)

1.一种离子注入机的控制方法，所述离子注入机包括等离子体电源(AP)和衬底电源(PS)，所述衬底电源包括：

-发电机(HT)，所述发电机(HT)的正极接地，

-第一断路器(SW1)，所述第一断路器的第一极连接至所述发电机(HT)的负极，并且所述第一断路器的第二极连接至所述衬底电源的输出端子(S)，

-第二断路器(SW2)，所述第二断路器的第一极连接至所述输出端子(S)，并且所述第二断路器的第二极连接至中性端子(N)，

所述方法包括注入阶段(A-D)，在该注入阶段期间：

-所述等离子体电源被激励，

-所述第一断路器(SW2)被闭合，

-所述第二断路器(SW2)被打开，

所述方法还包括中和阶段(E-H)，在该中和阶段期间：

-所述第一断路器(SW1)被打开，

-所述第二断路器(SW2)被闭合，

所述方法的特征在于：

-还包括与所述注入阶段和所述中和阶段部分重叠的释放阶段(C-F)，在该释放阶段持续期间所述等离子体电源(AP)为去激励状态，

-所述中和阶段包括用于闭合所述第二断路器(SW2)的预备步骤(E-F)，该预备步骤之后是用于激励所述等离子体电源(AP)的消除步骤(F-G)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述消除步骤(F-G)之后是用于去激励所述等离子电源(AP)的去激励步骤(G-H)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述去激励步骤(G-H)之后是用于打开所述第二断路器(SW2)的断路步骤。

4.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于所述注入阶段包括用于闭合所述第一断路器的起始步骤(A-B)，该起始步骤后跟有一个稳态期之后的用于激励所述等离子体电源的激励步骤(B-C)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述激励阶段(B-C)之后是用于去激励所述等离子体电源(AP)的中止步骤(C-D)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述中止步骤(C-D)之后是用于打开所述第一断路器(SW1)的暂停步骤(D-E)。

7.一种离子注入机，其特征在于包括用于实施如上述权利要求中任一项所述的方法的装置。