利用低压源形成气体团簇离子束的装置和方法与流程

本发明总体上涉及半导体集成电路制造领域，并且更具体地但非排他地涉及形成具有多个气体源的气体团簇离子束的设备和方法。

背景技术：

气体团簇离子束(gcib)用于蚀刻，清洁和平滑表面的使用在本领域中是已知的。gcib也已被用于辅助从汽化含碳材料中沉积膜。为了便于讨论，气体团簇是在标准温度和压力条件下呈气态的纳米级材料聚集体。这样的簇可以由松散结合形成簇的几至数千个分子或更多的聚集体组成。团簇可以通过电子轰击而电离，从而使其形成可控能量的定向束。这些离子通常各自带有qe的正电荷(其中e是电子电荷的大小，q是表示簇离子的电荷状态的从1到几的整数)。较大尺寸的簇离子通常是最有用的，因为它们能够携带每个簇离子大量的能量，而每个分子却只有适度的能量。团簇在碰撞时会分解，每个分子仅携带总团簇能量的一小部分。因此，大型簇的冲击效果很大，但仅限于非常浅的表面区域。这使得气体团簇离子可有效用于多种表面改性工艺，而不会产生更深的地下损伤，这是常规离子束加工的特征。

目前可用的簇离子源产生的簇离子具有宽的尺寸分布，高达几千的n(其中，n＝每个簇中的分子数)。高压气体从喷嘴到真空的绝热膨胀过程中，单个气体原子(或分子)的缩合可形成原子团簇。带有小孔的撇渣器从不断膨胀的气流的中心剥离发散的气流，以产生准直的簇束。通过称为范德华力的弱原子间力产生并保持各种大小的中性簇。该方法已用于从多种气体(例如氩气，氧气，氮气，三氟化氮，六氟化硫，乙硼烷，三氟化硼和锗烷)中产生簇束。

在工业规模上对工件进行gcib处理的几种新兴应用是在半导体领域。尽管使用多种气体簇源气体对工件进行gcib处理，其中许多是惰性气体，但在许多半导体处理应用中，理想的是在gcib的形成中使用反应性气体，有时与惰性气体组合或混合使用或稀有气体。当使用多种原料气时，将从原料罐，气瓶或系统中输送的所有原料气都在单个高压下混合后进入喷嘴。使用活塞，旋片，罗茨鼓风机或涡旋式机械泵等将低压源压缩至等于高压源的压力可能会导致成核问题，例如由于低压源的最大压力，成核和冷凝而导致结垢或堵塞在机械压缩期间或压缩之后但在进入喷嘴之前。

技术实现要素：

本发明目的是，提出一种用于使用包括至少一个低压源的多个气体源形成气体团簇离子束的设备和方法。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下，或者在具有其他替换和/或附加方法，材料或组件的情况下实践各种实施例。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构，材料或操作，以避免使本发明的各个实施例的各方面不清楚。类似地，出于解释的目的，阐述了具体的数字，材料和配置，以便提供对本发明的透彻理解。然而，可以在没有具体细节的情况下实践本发明。此外，应当理解，附图中所示的各种实施例是说明性表示，不一定按比例绘制。

在整个说明书中，对“一个实施例”或“一个实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征，结构，材料或特性包括在本发明的至少一个实施例中，但并不表示它们。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一个实施例中”不一定是指本发明的同一实施例。在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合材料或特性，在其他实施例中，可以包括各种附加的层和/或结构和/或可以省略所描述的特征。

本发明技术方案是，一种形成具有多个气体源的气体团簇离子束的方法，包括：提供减压外壳；使用静态泵将低压过程源和高压稀释剂源混合以形成混合源，其中低压过程源到静态泵的输送压力大于约5托而小于约5托高压稀释气体至静态泵的输送压力大于约5巴且小于约30巴。使用混合源产生气体团簇射流，该混合源包括在减压外壳内的多个气体团簇；

在减压外壳内提供电离区域；和引导气体团簇射流通过电离区域以使气体团簇射流中的至少一部分气体团簇电离以形成气体团簇离子束。

有益效果：本发明使用静态泵将低压过程源和高压稀释剂源混合以形成混合源，其中低压过程源到静态泵的输送压力大于约5托而小于约5托高压稀释气体至静态泵的输送压力大于约5巴且小于约30巴。使用混合源产生气体团簇射流，该混合源包括在减压外壳内的多个气体团簇。可以使用高压源在整个喷嘴上产生所需的压降，同时使用静态泵合并低压处理源。使用静态泵将低压过程源和高压稀释剂源混合以形成混合源。使用混合源产生气体簇射流，该混合源包括在减压外壳内的多个气体簇。还提供了减压外壳内的电离区域。气体团簇射流被引导通过电离区域以使气体团簇射流中的至少一部分气体团簇电离以形成气体团簇离子束。

附图说明

图1是示出现有技术gcib处理设备的基本元件的图示。

图2是用于使气体团簇射流电离的现有技术气体团簇电离器的一部分的图示。

图3是现有技术的多级真空泵或喷射器的图示。

图4是现有技术的多级真空泵或喷射器的另一个图示。

图5是使用多个处于不同压力的气体源将混合源输送到gcib喷嘴的输送系统的图示。

具体实施方式

以最有助于理解本发明的方式，将各种操作依次描述为多个离散操作。但是，描述的顺序不应解释为暗示这些操作必须与顺序相关。特别地，这些操作不需要按照呈现的顺序执行。可以以与所描述的实施例不同的顺序来执行所描述的操作。在附加实施例中，可以执行各种附加操作和/或可以省略所描述的操作。

通常需要使用包括低压处理源的多个气体源来形成气体团簇离子束。通过使用低压处理源形成气体团簇离子束，可以使用高压源在整个喷嘴上产生所需的压降，同时使用静态泵合并低压处理源。用多个气体源形成气体团簇离子束的方法的一个实施例可以包括提供减压外壳。使用静态泵将低压过程源和高压稀释剂源混合以形成混合源。使用混合源产生气体簇射流，该混合源包括在减压外壳内的多个气体簇。还提供了减压外壳内的电离区域。气体团簇射流被引导通过电离区域以使气体团簇射流中的至少一部分气体团簇电离以形成气体团簇离子束。

操作步骤：图1示出了现有技术中已知形式的gcib处理设备100的构造，其可以描述如下：真空容器102被分成三个连通室，源室104，电离/加速室106和处理室108以提供减压外壳。分别通过真空泵系统146a，146b和146c将三个腔室排空到合适的工作压力。在一实施例中，源室104的工作压力基本上在0.001和0.00001托之间。

储存在储气瓶111中的可冷凝源气体112(例如氩气或氧气)在压力下通过气体计量阀113和供气管114进入停滞腔116，并通过喷嘴110适当的压力排放到压力较低的真空中。产生超音速气体射流118。由射流的膨胀引起的冷却使气体射流118或气体束的一部分冷凝成簇，每个簇由几到几千个弱结合的原子或分子组成。气体分离器孔口120将尚未冷凝成团簇射流的气体分子与团簇射流部分地分开，以最小化下游区域的压力，在下游区域中，这种较高的压力将是有害的(例如，电离器122，抑制器电极142和处理腔室108)。合适的可冷凝源气体112包括但不限于氩气，氮气，二氧化碳，氧气，三氟化氮以及其他气体和/或气体混合物。

在已经形成了包含气体团簇的超音速气体射流118之后，使用电离器122将团簇电离。电离器122.包括入口端122a和出口端122b，其部分地限定了电离区域，包含气体团簇的气体射流118通过该电离区沿其轴线指向。电离器122通常是电子撞击电离器，其从一个或多个(白炽)灯丝124产生热电子并加速和引导电子，使电子与气体射流118中的气体簇碰撞，在该射流通过电离器122的情况下。带有气体团簇的电子中的一部分导致电子从团簇中喷出，从而使一部分团簇变为正离子化。一些簇可能有一个以上的电子被发射出来，并可能变得多重离子化。抑制器电极142和接地电极144从出口端122b处的离子发生器出口孔126提取簇离子，将其加速到所需的能量(通常具有几百v至几十kv的加速电势，并将其聚焦以形成gcib128。包含气体团簇的超音速气体喷嘴118的轴线129与gcib128的轴线基本相同。灯丝电源136提供灯丝电压vf来加热灯丝124。阳极电源134提供阳极电压va来加速从灯丝124发射的热电子使热电子辐照包含气体束118的团簇以产生团簇离子；抑制电源138向偏置抑制器电极142提供抑制电压vs；加速器电源140提供加速电压vacc以使电离器122偏置。相对于抑制器电极142和接地电极144的总和电位等于vacc。抑制器电极142用于从电离器122的电离器出口孔126提取离子，以防止不想要的电子从下游进入电离器122，并形成聚焦的gcib128。

工件152可以是可以通过gcib处理来处理的半导体晶片或其他工件，其被保持在工件支架150上，该工件支架可以被放置在gcib128的路径中。为了获得空间上均匀的结果，需要一种扫描系统来通过固定gcib128均匀地扫描大面积工件152，以产生空间均匀的工件处理结果。

x扫描致动器202在x扫描运动208的方向上(进入和离开纸平面)提供工件支架150的线性运动。y扫描致动器204在y扫描运动210的方向上提供工件支架150的线性运动，该方向通常正交于x扫描运动208。x扫描和y扫描运动的组合使工件运动。由工件保持器150保持的工件152，以通过gcib128的光栅状扫描运动，以通过gcib128对工件152的表面进行均匀(或以其他方式编程的)辐照，以处理工件152。工件保持器150相对于gcib128的轴线以一定角度布置工件152，使得gcib128相对于工件152表面具有光束入射角206。光束入射角206的角度可以是90度或其他角度，但是通常是90度或接近90度。在y扫描期间，工件152和工件保持器150从所示位置移动到分别由代号152a和150a表示的交替位置“a”。注意，在两个位置之间移动时，工件152通过gcib128进行扫描，并且在两个极端位置中，工件152都完全移出了gcib128的路径(过扫描)。尽管在图1中未明确示出，如图1所示，在(通常)正交x扫描运动208方向(在纸平面内和纸平面外)执行类似的扫描和过扫描。

束电流传感器218在gcib128的路径中布置在工件保持器150的上方，以便当从gcib128的路径中扫描出工件保持器150时拦截gcib128的样品。传感器218通常是法拉第杯或类似物，除了射束进入开口是封闭的，并且通常通过电绝缘底座212固定在真空容器102的壁上。

控制器220可以是基于微计算机的控制器，其通过电缆216连接到x扫描致动器202和y扫描致动器204，并且控制x扫描致动器202和y扫描致动器204以使得将工件152放入gcib128或从gcib128中取出，并相对于gcib128均匀地扫描工件152，以实现gcib128对工件152的所需处理。控制器220接收束电流传感器218收集的采样束电流当已经递送预定的期望剂量时，通过从导线214通过导线214来监测gcib，并由此通过从gcib128移除工件152来监视gcib并控制由工件152接收的gcib剂量。

图2示出了用于使气体团簇射流电离的现有技术的气体团簇电离器的部分300。截面300垂直于射流轴线129。离开撇渣器孔(120，图1)并进入电离器(122，图1)的簇将以气体的声速特性大致行进。对于典型的气体团簇尺寸(2000至15000个原子)，这相当于130至1000电子伏特(ev)的动能。在这些低能量下，任何离离电离器122中的空间电荷中性的情况都将导致射流的快速爆炸，并显着损失电子束电流。

图2示出了现有技术的自中和离子发生器。与其他现有技术的电离器一样，气体团簇通过电子撞击而被电离。在该设计中，从多个线性热电子灯丝302a，302b和302c(通常为钨)发射热电子(由310表示的七个示例)，并通过电子排斥电极306a，306b提供的适当电场的作用将热电子提取并聚焦。射束形成电极304a和304c以及波束形成电极304a，304b和304c。热电子310穿过气体团簇射流和射流轴129，然后撞击相对的束形成电极304b，以产生低能的二次电子(例如所示的312、314和316)。

尽管(为简单起见)未示出，但是线性热电子丝302b和302c也产生热电子，该热电子随后产生低能的二次电子。所有的二次电子通过提供低能电子来帮助确保电离团簇射流保持空间电荷中性，这些低能电子可以根据需要被吸引到正离子化气体团簇射流中，以保持空间-中性。束形成电极304a，304b和304c相对于线性热电子丝302a，302b和302c正偏，电子排斥电极306a，306b和306c相对于线性热电子丝302a，302b和306c负偏。绝缘体308a，308b，308c，308d，308e和308f电绝缘并支撑电极304a，304b，304c，306a，306b和306c。这种自中和的离子发生器非常有效，可达到1000微安以上的氩气gcib。图1的自中和电离器的主要局限性在于：从图2可以看出，在电离过程中从气体团簇中逸出的气体会产生较高的内部压力。对于腐蚀性气体，特别是氧气中的三氟化氮，这会导致各个电离器部件，特别是线性热电子丝302a，302b和302c受到侵蚀。因此，缩短了灯丝的寿命，并且在通过gcib处理的工件上产生了不可接受的金属污染。

图3是包括壳体320的现有技术喷射器的图示，其中喷射器喷嘴325，330、335和340与中间间隙串联支撑，中间间隙分别经由端口350、355，360和365分别与腔室345连通。在图3中，弹出器321被示为处于非操作模式。如图4所示，喷射器321由空气驱动，该空气被加速进入通道400，并且从图的左手侧到右手方向穿过喷嘴，从而在喷嘴之间的间隙中产生压力下降。如图4所示，通过间隙的总压力下降将腔室345中的压力降低到低于喷射器喷嘴325和330之间的间隙的压力下降的水平，从而导致瓣阀410关闭端口350。图1至图3的喷射器。图3和图4所示的装置经由排气口420连接到由喷射器321驱动的外部设备。

加压气体源连接到通道400，该通道的一端敞开，而另一端通向排气口420。加压气体被迫通过喷射器轴向安装在泵室内部的喷嘴325,330,335和340指向排气口420的方向。加压气体通过通道400进入排气口端口420在腔室345的开口端上产生吸力，使得在腔室345的开口端处形成真空，并且连接到该开口端的低压气体或蒸气将被吸入腔室345中，并且导流管与来自喷射器喷嘴325,330、335和340的气体一起进入排气口420。

如图1所示，本发明的一个实施例包括：图5中的装置基于用于输送稀薄气体的系统，该系统利用处理源，稀释剂源，用于分配处理源的气体计量装置，布置成混合处理源和稀释剂源以形成液体的静态泵。稀释的过程气体混合物，以达到稀释的过程源混合物中过程源的估计浓度，到达gcib工具中基本低压真空停滞室内的适当形状的喷嘴。产生超音速气体射流由射流的膨胀引起的冷却使气体射流的一部分冷凝成簇，每个簇由几至几千个弱结合的原子或分子组成。在另一个实施例中，可以在不测量输送系统的情况下移除气体流量计量装置，并且可以在不测量输送系统的情况下使处理源的流流向静态泵，以产生用于气体团簇离子束系统的混合源。在又一个实施例中，可以使用多个稀释剂源和/或多个低压处理源。

混合源包括高压稀释气体512和低压处理源535。高压稀释气体512可以是任何合适的类型，并且可以不同地包括单原子或双原子单组分稀释剂成分以及多组分稀释剂配方。在本发明的各种实施例中，潜在合适的高压稀释气体512的示例是氮气，氩气，氦气，空气，氪，氙，卤化氙，氢，氧，氨和气态有机金属化合物。

储气罐515中存储的可冷凝高压稀释气体512(例如氩气或氧气)在压力下通过气体调节阀517和气体进料管505或供给管输送到静态泵500。稀释气体的温度和压力。例如，储气瓶515可以可选地使用储气瓶冷却回路520(制冷单元未示出)来冷却，以降低高压稀释气体512的温度和总压力。类似地，供气管505可以可选地使用气体冷却回路510(未示出制冷单元)冷却气体，以降低气体供给管505中的高压稀释气体512的温度和总压力。

低压处理源535可以是任何合适的低压气体或蒸气类型，例如，低压气体存储和分配容器或容纳低压处理源535的容器以进行稀释以供使用。在一个实施例中，低压处理源535包括低于大气压的过程存储和分配，例如吸附保持的过程源，产生蒸汽的加热的安瓿过程源，或调压气体或蒸汽过程源。吸附保留的低压处理源535可以是保留在物理吸附剂上并选择性地从中解吸以分配低压处理源535的过程气体，例如包含三氟化硼，膦，四氟化锗，硒化氢，三氟化磷，五氟化砷或四氟化硅。

产生蒸汽的加热的低压处理源535可以是包含固体或液体的容器，该容器被加热以产生足够的蒸气压以用作低压处理源535。在一个实施方案中，低压处理源是含有金属的有机金属化合物。过渡金属，选自钪，钛，钒，铬，锰，铁，钴，镍，铜，锌，钇，锆，铌，钼，锝，钌，铑，钯，银，镉，镥，铪，钽，钨，铼，锇，铱，铂和金及其组合。

调节压力的气体或蒸汽压力源可以是内部调节的罐，其内部具有通过调节装置(例如多个内部放置的小直径管或放置在气缸内的调节阀，例如容器)调节的气体或蒸汽源。在将低压处理源输送到静态泵500之前在气缸外部。在一个实施例中，调压气体或蒸气压源可以是三氟化硼，三氟化氮，一氧化碳，四氟化锗或硅烷。另外，诸如机械泵(未示出)之类的压缩装置可被并入过程源535与静态泵500之间的输送管线525中，以将低压处理(低压过程源)源535压缩至刚好高于冷凝压力的压力。给定温度并增加低压过程源535向静态泵500的输送压力。

在特定实施例中，如在下文中更详细地描述的，气体流量计量装置545包括在输送管线525中的质量流量控制器，该质量流量控制器将低压处理源535和静态泵500互连。气体流量计量装置545可以是任何合适类型的阀门，包括例如质量流量控制器，可致动以从过程源供应器中分配非常低流速的过程源组件的微型阀元件，在分配管线中与流量控制阀相连的流量计，或有效提供低压过程源535的选定流速的任何其他元件或组件。低压过程源535可以可选地由源加热器540加热外套。另外，输送管线525可以由诸如热毯530之类的加热装置加热，以形成加热路径，以防止低压处理源535在输送至静态泵500之前冷凝。

布置成混合低压过程源535和高压稀释气体512以形成混合源550的静态泵500可以是任何合适的类型，由此低压过程源535和高压稀释气体512彼此混合以在低压处理源535的预期浓度下排放，例如用于流向下游的稀混合气体消耗工艺。静态泵500可以例如包括文丘里真空泵，多级喷射器，喷射器，配备有对置喷嘴的混合室，或其他实现低压过程源535和高压源535混合的装置、结构或组件。压力稀释气体512以产生混合源550，而没有低压处理源535的成核和/或冷凝。在一个实施例中，混合源550的压力也对应于静态泵500和250的出口压力。喷嘴110两端的压力基本上在1至5巴之间。在另一个实施方案中，混合源的压力基本上在5至10巴之间。在另一个实施方案中，混合源的压力为10至20巴。

根据本发明，由于高压稀释气体512通过静态泵500的膨胀，混合源550的输送压力小于高压稀释气体512的输送压力。“低压”和“高压”是指低压过程源535的压力低于高压稀释气体512的压力。仅作为示例而非限制，到静态混合器500的压力稀释气体512可以是至少约5巴，并且可以高达约30巴。静态混合器500可以为至少约5托(0.01巴)，并且可以高达约25巴，只要低压处理源535的压力小于高压稀释气体512的压力即可。在一实施例中，低压处理源535中的压力大于约5托且小于约5巴，并且高压稀释气体512的压力大于约5巴且小于约30巴。低压过程源535和高压稀释气体512的实际压力将取决于低压过程源的输送温度，高压稀释气体的输送温度，静态泵500的结构以及所需的混合气源压力。配置气体歧管以达到期望的混合源压力在本领域普通技术人员的技能范围内。

用于利用超压产生真空的静态泵500在本领域中是已知的。预期类型的喷射器，即所谓的多级喷射器，通常包括两个或更多个串联布置在房屋内的喷嘴，其中，诸如腔室的周围空间与每个相应的喷嘴相关联，其延伸穿过相邻腔室之间的分隔喷嘴具有通孔，该通道具有逐渐增大的截面开口面积，高速气流通过该通孔输送，以通过位于喷嘴之间的缝隙带动周围腔室中的空气或其他介质，并在其中产生下降的压力。

当三个或更多个喷嘴串联连接时，相应的腔室通常与公共空间或外部空间流体连通，该公共空间或外部空间具有用于将真空泵连接到外部设备的耦合装置。止回阀的形式例如在流动路径中布置有柔性舌片，以防止外部空间与该腔室之间的泄漏，在一定的压力差下，该腔室不再起作用以进一步降低压力。这种已知构造的喷射器可以形成有串联连接的喷嘴，这些喷嘴具有不同的效率特性，以便在一个喷射器中既提供高真空流又提供低真空度。

在本发明的一个实施方式的稀气体供给系统中，低压处理源535可以是任何适当的类型，取决于要为其提供稀释处理源混合物的特定的稀释处理源混合物使用过程。该气体可以是作为用于蚀刻或处理表面，或者替代地用于在表面中形成薄膜或使掺杂剂熔融的源材料的气体。稀释的过程源混合物的使用过程可以相应地变化，并且可以不同地包括工业过程(例如化学气相沉积)，医学诊断，研究调查，农业测定，用稀释的放射治疗剂对人体的治疗等。

流程以描述使用低压处理源535形成气体团簇离子束的方法的一个实施例。该方法流程：包括提供减压外壳；该方法包括使用静态泵500将低压过程源535与高压稀释剂源512混合以形成混合源550；该方法包括在减压外壳内产生气体簇射流118。使用混合源550，其中气体簇射流118包括多个气体簇。例如，可以将混合源550引导通过减压外壳内的喷嘴110；该方法包括在减压外壳内提供电离区域。例如，电离区域可以由电离器122的入口端122a和出口端122b部分地限定，其中入口端122a通过喷嘴110流体地连接至静态泵500，以接收从混合源550产生的气体团簇射流118。可以包括诸如灯丝124或灯丝302a，302b和302c之类的源，用于将电子提供给电离区域；该方法包括引导气体簇射流118通过电离区域以使至少一部分气体簇电离以形成气体簇离子束128。

已经描述了使用包括低压处理源的多个气体源形成气体团簇离子束的多个实施例。为了说明和描述的目的，已经给出了本发明实施例的前述描述。并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。以下描述和权利要求包括仅用于描述目的的术语，例如左，右，顶部，底部，上方，下方，上方，下方，第一，第二等，这些术语仅用于描述目的，不应解释为限制性的。。例如，指定相对垂直位置的术语是指基板或集成电路的器件侧(或有源表面)是该基板的“顶”表面的情况；基板实际上可以处于任何取向，使得基板的“顶”侧可以低于标准地面参考系中的“底”侧，并且仍然落入术语“顶”的含义内。除非特别说明，否则本文中(包括权利要求中)使用的“在...上”并不表示在第二层“上”的第一层直接在第二层上并与之直接接触；可以有第三层或其他结构本文描述的装置或制品的实施方式可以在许多位置和方向上制造，使用或运输。

相关领域的技术人员可以理解，根据以上教导，许多修改和变化是可能的。本领域技术人员将认识到图中所示的各种组件的各种等效组合和替代。因此，意图是本发明的范围不由该详细描述限制，而是由所附的权利要求书限制。