提纯装置和方法

专利名称：提纯装置和方法
技术领域：
本发明一般涉及从半导体、金属以及介电材料中清除化学杂质的装置和方法，尤其涉及使用电场的这类装置和方法。
微电子工业大量使用半导体、金属以及介电材料并要求这些材料尽可能不含杂质。因而，提出了许多方法来从这些材料清除化学杂质。所有这些方法都利用大多数杂质均为正离子的事实。一些方法利用各种带负电荷的化学物质通过化学反应拉出材料中的杂质。另一些方法则利用电场做这项工作。
有许多利用电场的装置，在所有这些装置中被提纯的材料置于连接到直流(DC)电压的两个电极之间。现在参照

图1说明这一点。被提纯的材料标为10，正电极标为12并且负电极标为14。
材料首先加热到一个温度，使离子在材料中动来动去。电极12和14之间的电位差促使正离子朝着靠近负电极14的表面(标为16)移动。这一点用箭头18指示。但是，正如箭头20所示，当靠近表面16的杂质原子浓度很高时，杂质原子会反过来扩散到材料之中。这样一来，图1的装置便得不到高等级的纯度。
图1的装置可通过使用化学活性材料例如Cl2、HCl、J2等等吸收杂质和/或通过化学腐蚀或化学抛光表面16而改善。但是，这些额外的步骤使提纯工艺复杂化并且增加生产成本。
现在参照图2说明本发明的发明人于1956年9月15日在俄国提出的专利申请中叙述过的另一个现有技术装置，在装置中使用离子发射从表面16清除正离子。在这一装置中，一个收集器电极21放在距材料10一定距离的地方，并且一个栅状的第二电极22与材料10的表面16相接触。电极12也与材料10接触。整个的电极—材料装置被放进一个真空容室24中并加热到一个出现离子发射的适当温度。由于收集极21位于距栅极22的一定距离处，所以在两个电极之间有一个真空间隙26。
一个电压U1加到电极12和22之间，目的是使得正离子加速移向栅极22，如箭头18所示。一个电压U2加到电极22和21之间，因而使栅极22附近的正离子加速穿过真空间隙26移向收集器电极21。穿过真空间隙26的离子电流(标为30)被叫做“离子发射”，其大小正比于栅极22附近的杂质浓度，而浓度本身又是电压U1大小的一个函数。
电压U1和U2越高，离子发射电流越高，正离子向收集极21的“跃迁”越快。但是，如果正离子运动太快，则它们在被收集极21吸收的同时将会撞出收集极的原子。这一“阴极溅射”用箭头32指示。撞出的原子将朝栅极22和材料10反向扩散，从而被吸收到材料10中。可以使用较低的电压，不过低电压又会招致更少的正离子脱离材料10。
图2的装置还有别的缺点。栅极21要遮盖表面16的一个百分数(7％和10％之间)，因而表面处在栅极22之下的部分得不到提纯。此外，由于它不可能避免对晶片工作面的机械损伤，因此两个接触电极不能被用于提纯硅晶片。
因而，本发明的一个目的是提供一种从被提纯的材料中清除杂质的改进型提纯装置。
本发明的装置包括两个电极，一个在一侧靠近或者接触被提纯材料的正电极(“阳极”)和一个位于距材料的第二侧面一定距离的负的收集器电路(“阴极”)。材料和两个电极均被放进一个真空容室内。装置还包括一个导电介质，导电介质在处于阳极和阴极之间的电压之下时，产生或为电子或为负离子的负电荷流。容室可以是真空容室或者是充满一种惰性气体或其他负电性气体的容室。
负电荷流在靠近材料的第二表面处提供一个负电荷层，促使正的杂质离子朝表面运动。由于不存在栅极，杂质离子被不受阻碍地从被提纯的材料中清除掉。
此外，负电荷层提供一个比没有这个导电介质的电压所提供的电场更强大的电场。这样，对于同样的电压，本发明能从材料中清除更多的正离子。由于电场更高，因而被提纯材料与收集器电极之间的电压不需要那么高。使用较低电压的结果，阴极溅射和收集极杂质对材料的污染都比现有技术中的少得多。
再者，可以增加一个加热系统将被提纯的材料加热以激励材料中的正离子运动。
可以用许多方法提供导电介质。在一个实施例中，收集极被加热到足够高的温度也使负电极发射的电子射向被提纯的材料。在第二个实施例中，间隙中包括一个加热时就发射电子的灯丝。在第三个实施例中，在负电极与被提纯的材料之间的间隙中提供一个等离子区。由于等离子区具有电子和正负两种离子，它提供一个由负电极流向被加热材料的负电荷流。
等离子区可以通过放在容室外面的高频感应器用气体形成。气体可以是氢气、氮气、氧气、一种惰性气体、其他负电性的气体或者是任何这些气体的一种混合气体。
气体可以通过如像特斯拉变压器这样的高频高压变压器或者通过至少一对引燃电极引燃。
另外，提纯装置可以包括一个放置在距第一电极一定距离的第三电极，其中第一和第三电极能够在电极之间确定一个电压，从而能促使阳离子由被提纯的材料向带电更负的电极发射。
电压可以通过一个变压器产生并且可在变压器和第一电极之间连接一个电阻器以避免经由等离子区短路。
再者，被提纯的材料可以是一种或者由半导体、导体或者由介电材料组成的材料。第一电极可以是一个平板、网筛、栅格或者环形电极。
此外，提供一种用于从被提纯材料中清除杂质的提纯装置，装置包括两个距被提纯材料的第一表面一定距离的电极，规定每一电极和被提纯的材料之间的间隙。两个电极放在一个容室之内并且在间隙内生成导电介质提供一个流向更正电极的带负电粒子流。装置还包括至少一对用于引燃气体产生等离子区的引燃电极。
此外，提供一种用于使材料表面氧化的装置，装置包括一个位于靠近材料第一表面的第一电极。装置还包括一个第二电极，该电极位于距材料第二表面一定距离并由此确定第二电极与材料之间的一个间隙。第二表面是要氧化的表面。两个电极和材料均放在一个可以是真空容室的容室内，氧离子的等离子区可在容室中产生，并且当处于两电极的之间电压之下时，产生一个氧离子流流向要氧化的表向。
由下面联系附图所作的详细叙述，本发明将受到更全面的理解和评价，在附图中图1是第一种现有技术提纯装置的示意图；图2是利用离子发射的第二种现有技术提纯装置的示意图；图3是根据本发明的一个优选实施例建造和工作的“导电介质”提纯装置的示意图；图4是用来理解图3装置的工作的示意图；图5是计算图3装置中电场的示意图；图6是图3的提纯装置的一个实施例的示意图，利用灯丝产生出导电介质；图7是图3的提纯装置的第二实施例的示意图，利用等离子体产生导电介质；图8是用来理解图7实施例的示意图；图9是图3的提纯装置的又一个实施例的示意图，利用一个变压器使气体被燃成等离子体；图10是图3提纯装置的再一个实施例的示意图，利用一对电极引燃气体；图11是图3提纯装置的再又一个实施例的示意图，利用一个附加的收集器电极；图12是图11的实施例的示意图，利用一个变压器使气体被燃成等离子体；图13是图11的提纯装置的又一个实施例的示意图，利用一对电极引燃气体；
图14是图3的提纯装置的又一个实施例的示意图，利用引燃的气体提供一个电路；以及图15是图3的提纯装置的一个实施例的示意图，利用高频感应器产生出导电介质。
现在参照图3说明根据本发明的一个优选实施例建造和工作的“导电介质”提纯装置，并参照图4说明其工作。
本发明的提纯装置包括一个置于靠近或接触被提纯材料42的一个表面41的正电极(阳极)40，一个位于距材料42的第二表面43一定距离的负性收集器电极(阴极)44，一个在其内放置电极40、44与材料42的容室46，一个加热元件47以及一个可产生的导电介质48。导电介质是在工作期间产生的，可以是任何的负电荷源并可以用下文中详述的若干方法的任何一种方法形成。容室可以是真空容室或者是一个充满一种惰性气体或一种负电性气体的容室。
在工作时，电极40和44以及材料42被置于容室46中，介质48在容室中产生并且整个容室或电极40和材料42被加热到一个足够的温度，使得材料中的杂质开始在材料中运动(用箭头49指示)。一个典型的温度为900-1000℃。
在电极40和44之间提供典型值为150-200伏的电极U2，促使负电荷流50流向材料42(它由于靠近正电极40而带正电荷)。负电荷在表面43的附近聚积成层52并促使正离子流54流出材料42。由于收集器电极44带电比负电荷层52更负，故正离子继续向收集器电极44移动，如箭头56所示。
层52起隔离电极的作用，提供一个横贯材料42的电场。由于层52是均匀的，因此电场是均匀的，从而材料42的提纯也是均匀的。150-200伏的电压U2和使用导电介质相配合的结果使得阳离子向阴极移动相对慢些。几乎没有阴极溅射。从而更有效地进行材料提纯。
现在参照图5说明电场强度Ea。正电极60表面的电场Ea被确定在两个平板型平行电极60和62之间，其中正电极60发射电流密度j+的正离子，负电极62以电流密度j+的反方向发射电流密度为j-的带负电荷的电子。电场的方程式为d2Udx2=-4πρ≈-4π(j+v+-j-v-)---(1)]]>其中下面的定义成立U为X平面的电位；X＝0时U＝0，并且X＝d时U＝Ua；d为两个电极60和62之间的距离；ρ为X平面内的总电荷量；V+为质量M的正电离子经过电压(Ua－U)后的速度；以及V-为质量m的电子和电荷e经过电压U后的速度。
方程1的第一积分导得下面的正电极60表面电场强度平方值Ea2的表示式Ea2=82πmej-(1-j+j-Mm)Ua---(2)]]>为使电场强度Ea具有实数值，必须满足下面的条件K=j+j-M/m<1---(3)]]>对正负电流j+和j-的公比以及对质量M和m的公比来说，k的数值远小于1。因而方程又简化为Ea2=8πj-2m/eUa---(4)]]>对于本发明的提纯装置来说，电位Ua、电流密度j-以及电极之间的距离d受兰米尔方程约束j-=19π2emUa32d2---(5)]]>将方程5代入方程4，得到下面的简单关系Ea=43Uad=43Eo]]>伏特/厘米(6)其中E0为没有负电荷时的电场强度。
方程6指出，电子流50使正电极60的表面电场强度增强1/3。因而附加电子流50使得清除给定量的杂质所需的收集极的电压下降到3/4。使用较低的电压，使正离子的速度较低，从而使得阴极溅射大为减少。
导电介质48可以用多种方法产生，在第一实施例中，电极44加热到一个足够高的温度(例如对钽为1400℃)。高温使电子发射然后被吸引向具有正电荷的材料42，所发射的电子随后形成层52，层52则在整个材料上感生一个电场。
简单参照图6，在所示的第二实施例中，给提纯装置增加一个灯丝70。加热的灯丝70相对负于电极40。其余元件均一样，由此，相同的元件具有相同的标号。
用一种类似于对加热电极44所叙述过的方法将灯丝70加热到一个适当的温度，灯丝发射出电子，随后电子被吸引向材料42。
现在参照图7说明本发明的第三实施例，图中介质48是一个电子-离子等离子体，并参照图8说明图7的提纯装置如何工作。相同的标号指的是相同的元件。
在本实施例中，提纯装置包括真空容室46中的正负电极40和44，一种惰性气体80(例如氩气但不限于氩气)、其他惰性气体，或者诸如氧气、氮气和氢气或者这些气体的混合气体。气体80输入容室46至压力至少达到1×10-4乇为止。一个足够高的电压(AC或DC)被供应来“点燃”气体80并维持电子/离子等离子区的放电。
其后，起辉器(典型地由两个电极84和86组成，电极之间有一个电压)被激活且气体转变成等离子体。
等离子区48内具有诸如电子和负离子这样的带负电粒子。当被提纯的材料42由于它接近正电极40而带正电时，负电粒子流向材料42，从而产生图4的层52。同时，在材料42的表面43有一个压差为ΔUa的“阳极压降”，此阳极压降使正的杂质离子加速移向带负电的收集器电极44。
阳极压降的幅度至少依赖于所用等离子区气体的性质、电子电流的密度j-以及电极42的表面积与等离子区的横截面之间的关系。例如，已经知道ΔUa的数值随着电流密度j-的增长而单调增长。对于惰性气体来说，阳极压降接近于气体的电离电位的数值并且材料表面43场强的数值可由方程式4确定。
在本实施例中，电极40和44可以或者接到DC电源或者接到交流电源(AC)。在后一情形，提纯装置正如上文所述，仅当收集器电极44较电极40负时才工作。当电极40为更负的电极时，如图8所示，等离子区的正离子流向材料42。正离子由表面43附近的阴极压降(与阳极压降反向)加速。于是，离子以高速接近材料42的表面43并轰击表面43，将杂质原子从表面43排出到材料之外。
如果全部或者部分气体48是负电性的，例如对于氧气的情形，介质48是一个“负离子介质”，并且阳极压降起因于等离子区中的负离子而不是起因于前面所述的电子。因而，方程4和5中的电子质量m应用一个负离子例如O-的质量Mion代替。如果气体80全部都是氧气，这一变化导致电场强度Ea的数值增加29倍。
注意，氧离子将在一个叫做“氧化”的过程中与被提纯的材料42表面的自由基相化合。因为氧离子在阳极压降区被加速，所以氧化程度比标准的氧化技术更深并且只用很少一点时间。在这一情形，要使用例如碳化砖这样的无氧化性的电极。于是，本发明可以同时用来氧化一个表面或者以之替代对材料42进行提纯。如像在标准的氧化技术中一样，如果要求仅氧化一部分表面的话，可以用光刻胶覆盖不该被氧化的那部分表面。
气体放电可以用许多方法“引燃”。例如在图9所示的实施例中，一种诸如特斯拉变压器这样的高压/高频变压器可用于给出一个初始高压增压以引燃气体80。一旦发生引燃，便在两个电极40和44之间馈给足够的电压维持负电荷流向材料42。
现在参照图10说明本发明的又一个实施例，其中使用两个附加电极84和86来保证气体引燃。电极84和86放置在材料42和收集极44之间靠近材料42。一个直流或非直流电源被用来供应引燃气体所需的电压。将附加电极84和86置于材料42的收集极一侧靠近材料42处确保了气体放电均匀覆盖材料42。附加电极可以如所示出的那样成一个角度，以防止任何溅射被反射回材料42。
现在参照图11和12说明本发明的又一个实施例，其中增加一个第二收集器电极88。第二收集器电极88位于负电极44的对面距正电极40一定距离处。放置得与材料42相接触的正电极可用网筛或栅格材料40′(图11)制成，或者可由一个环形电极40″(图12)组成。使用两个负电极(在材料42的每侧各一个)，正如上文中对图4所述的一样，增加了撞击出现在材料42的两个侧面上的杂质原子的能力。一个开放的网筛、栅格或环形电极使阳离子能更自由地运动。
图12还示出了一个连接到电极44和88的变压器102。变压器102还通过一个电阻器92连接到靠近材料42的电极40。电阻器92降低加到电极40的电压，使得在正电极40和负电极88之间不致通过等离子区出现短路。
现在参照图13说明本发明的又一个实施例，其中一个第二对附加电极94和96插在邻接材料42的电极40和第二收集极88之间。附加电极94和96，与上文中对图10叙述的附加电极84和86一样，被用来引燃气体80。分别使用两对附加电极84和86以及94和96，确保了材料42的每一侧更均匀地引燃。
现在参照图14说明本发明的又一个实施例，其中借助引燃的气体80来建立材料42的正反两表面之间的电接触，而不需要使用电极40，在这一情形，材料42借助绝缘子98与真空容室46绝缘。在材料42的每一侧，分别设置一对附加电极84和86以及94和96，以保证如像在上文中对图10所述的均匀引燃。非直流电压被馈给收集器电极44和88。
现在参照图15说明本发明的又一个实施例，其中导电介质48系借助置于容室46外面的高频感应器100产生。
熟悉这一技术的人员将体会到，本发明并不限于上文中所特别示出和叙述的那些，确切地说，本发明的范围系由下面的权利要求书所决定。
权利要求
1.一种用于从被提纯的材料中清除杂质的提纯装置，装置包括；a.一个置于所述被提纯的材料的第一表面附近的第一电极；b.一个置于距所述被提纯的材料的第二表面一定距离的第二电极，由此在所述第二电极与所述被提纯的材料之间确定一个间隙；c.一个容室，所述第一和第二电极以及所述被提纯的材料均放入其中；d.一种至少可在所述间隙中产生出来的导电介质，其中所述第一和第二电极能在电极之间确定一个电压并由此促使离子从所述被提纯的材料向更负的电极发射，以及其中当存在所述电压时，所述导电介质至少提供一个流向更正的电极的负电荷粒子流。
2.根据权利要求1的提纯装置，其中所述容室是一个真空容室。
3.根据权利要求1的提纯装置，其中所述容室充满一种气体，所述气体是下面的气体群中的一种氢气、氮气、氧气、一种惰性气体、一种负电性的气体以及任何这些气体的混合气体。
4.根据权利要求1的提纯装置，还包括一个用于至少加热所述被提纯的材料的加热系统。
5.根据权利要求1的提纯装置，并且其中所述第一电极与所述被提纯的材料的第一表面接触。
6.根据权利要求1的提纯装置，并且其中所述第一和第二电极连接直流电源。
7.根据权利要求1的提纯装置，并且其中所述第一和第二电极连接交流电源。
8.根据任何一条前述权利要求的提纯装置，其中所述导电介质是当所述第二电极被加热到提供热电发射时发射的电子。
9.根据权利要求1-7的任何一条的提纯装置，并且还包括一个灯丝，其中所述导电介质是当所述灯丝被加热到提供热电发射时由所述灯丝发射的电子。
10.根据权利要求1-7的任何一条的提纯装置，其中所述导电介质是由气体形成的等离子区。
11.根据权利要求1-7的任何一条的提纯装置，其中所述导电介质是通过放置在所述容室外面的高频感应器形成的等离子区。
12.根据权利要求10的提纯装置并且其中所述气体是下面气体群中的一种氢气、氮气、氧气、一种惰性气体、一种负电性气体以及任何这些气体的一种混合气体。
13.根据权利要求10-12的任何一条的提纯装置，并且还包括一个用于引燃气体以产生所述等离子区的高压、高频变压器。
14.根据权利要求13的提纯装置，其中所述变压器是一个特斯拉变压器。
15.根据权利要求10和12的任何一条的提纯装置，并且还包括至少一对引燃电极，用于引燃气体以产生所述等离子区。
16.根据任何一条前述权利要求的提纯装置，并且其中在存在从所述第一电极至所述第二电极的电压降的情况下，所述导电介质在所述被提纯的材料的第二表面附近产生一个负电荷层，从而产生一个由所述第一电极至所述负电荷层的电压降。
17.根据任何一条前述权利要求的提纯装置，并且还包括一个位于距所述第一电极一定距离的第三电极，其中所述第一和第三电极能够在电极之间确定一个电压，并由此促使离子从被提纯的材料向更负的电极发射。
18.根据前面权利要求16-17的任何一条的提纯装置，并且其中所述电压通过一个变压器产生。
19.根据权利要求17的提纯装置，并且其中一个电阻器连接在所述变压器和所述第一电极之间，用于限制流向所述第一电极的电荷粒子流。
20.根据任何一条前述权利要求的提纯装置，并且其中所述被提纯的材料由下面一群材料中的一种构成半导体、导体以及介电材料。
21.根据任何一条前述权利要求的提纯装置，并且其中所述第一电极由下面一群电极中的一种构成平板型、网筛型、栅格型或者环形电极。
22.一种用于从被提纯的材料中清除杂质的提纯装置，装置包括a.一个距所述被提纯的材料的第一表面一定距离的第一电极，由此在所述第一电极和所述被提纯的材料之间确定一个第一间隙；b.一个位于距所述被提纯的材料的第二表面一定距离的第二电极，由此在所述第二电极和所述被提纯的材料之间确定一个第二间隙；c.一个容室，所述第一和第二电极以及所述被提纯的材料均被放入其中；d.至少能在所述空隙中产生的导电介质；e.至少一对引燃电极，用于引燃气体以产生所述等离子区，其中所述第一和第二电极能在电极之间确定一个电压，并以此而促使离子从所述被提纯的材料向更负电极发射，以及当所述电压由交流电产生时，其中所述导电介质至少提供一个流向更正电极的负电荷粒子流。
23.根据权利要求22的提纯装置，还包括一个用于至少加热所述被提纯的材料的加热系统。
24.一种用于提纯并同时氧化材料表面的装置，装置包括a.一个放置在靠近所述材料的所述第一表面的第一电极；b.一个放置在距所述材料的第二表面一定距离的第二电极，由此在所述第二电极和所述材料之间确定一个间隙，所述第二表面为被氧化的表面；c.一个容室，所述第一和第二电极以及所述材料均被放入其中；以及d.其中至少一个氧离子的等离子区并且可在所述容室内产生，其中所述第一和第二电极能在电极之间确定一个电压，当所述电压存在时，其中所述等离子区至少提供一个流向所述第二表面的氧离子流。
25.根据权利要求24的提纯装置，并且其中所述第一电极与所述被提纯的材料的第一表面接触。
26.根据权利要求24的装置，其中所述第一和第二电极是不可氧化的电极。
27.根据权利要求24的装置，其中所述容室是一个真空容室。
28.根据权利要求24的装置，其中所述容室充满一种气体，所述气体系为下面一群气体中的一种氢气、氮气、氧气、一种惰性气体、一种负电性气体以及任何这些气体的混合气体。
全文摘要
提供一种用于从被提纯的材料中清除杂质的改进型提纯装置。装置包括一个在一侧靠近或接触材料的正电极和一个位于材料第二侧并距材料一定距离的负收集器电极。材料和两个电极均放入一个容室内。装置还包括一种在阳极和阴极之间的电压下产生负电荷流的导电介质。容室可以是真空的也可充入一种惰性气体或其他负电性气体。负电荷流在材料的第二表面附近提供一个负电荷层促使杂质正离子向表面运动。由于没有栅极，因而可无阻碍地从被提纯的材料中清除杂质离子。
文档编号H01L21/3065GK1148104SQ9610813
公开日1997年4月23日 申请日期1996年6月10日 优先权日1995年6月11日
发明者金曼·罗塞夫, 塞基考·阿莱斯 申请人:西扎利材料纯化公司