专利名称：离子注入设备及离子注入方法
技术领域：
本发明涉及一种离子注入设备和离子注入方法，其通过用离子束辐照衬底(例如说明书的以下描述中的半导体衬底)来注入离子。更具体地，本发明涉及一种离子注入设备和离子注入方法，其能减小运行该离子注入设备所需的能量。
背景技术：
在现有技术的离子注入设备中，在未对衬底进行离子注入的时候，例如在从已经对某组衬底完成离子注入时到对下一组衬底开始离子注入时的时期中，设备的运行状态为以下的状态(a)或(b)。即，运行状态(a)为除了没有用离子束辐照衬底外，保持与注入过程相同的状态，并且产生了所需离子类型的离子束。运行状态(b)为处于构成离子注入设备的几乎所有装置均停止的状态。
近年来，作为环境保护措施的一部分，已经要求离子注入设备实现节能，该能量节约包括减小功耗。更宽泛地说，要求离子注入设备不仅实现功耗的降低，还要实现COO(设备所有人的耗费有关设备运行和维护的总的维护成本)的减小，例如原料气体消耗、装置耗费、维护花费等。
然而，由于(a)运行状态连续产生所需离子类型的离子束，所以，不仅消耗浪费的功率或离子源原料气体，还耗费/劣化离子源，加速用于去除废气和其它装置中包含的有害物质的除气设备寿命缩短。因此，不能实现COO的降低。
另一方面，虽然(b)运行状态可以实现COO的降低，但是几乎所有的装置被停止。因此，此方法的缺点在于，恢复离子注入时离子注入设备的启动非常缓慢。
发明内容
本发明的目的是提供一种离子注入设备和一种离子注入方法，其能实现COO的降低，且在恢复注入时快速启动。
为了实现以上目的，采用以下措施。根据本发明，提供第一种离子注入设备，其包括一离子源，用于电离原料气体以产生等离子体，并从该等离子体中引出离子束；气体供给装置，用于向离子源供给原料气体；一等离子体发生电源，用于向离子源提供产生等离子体的功率；一能量分离磁体，用于从自离子源引出的离子束中选择性地导出具有特定能量的离子；一能量分离磁体电源，用于向能量分离磁体提供能量分离所需的功率；一扫描磁体，用于使由能量分离磁体导出的离子束扫描；一扫描磁体电源，用于向扫描磁体提供扫描所需的功率；一束平行化磁体，用于平行地扫描来自扫描磁体的离子束，使得其与参考轴平行；一束平行化磁体电源，用于向束平行化磁体提供束平行所需的功率；一注入腔室，在该腔室内，用由束平行化磁体导出的离子束辐照衬底，以将离子注入到衬底中；以及一控制装置，用于在未对衬底进行离子注入的过程中控制离子注入设备的运行状态处于选自以下模式的任意模式中的状态，该模式为(a)待机(twilight mode)模式，其中，从气体供给装置供给至离子源的原料气体的流速、以及从等离子体发生电源供给至离子源的功率降低到某数值，该数值比对衬底实施离子注入时的值小，并且能保持离子源内等离子体的产生；(b)磁体关闭模式，其中，从气体供给装置供给至离子源的原料气体的流速、以及从等离子体发生电源供给至离子源的功率降低到某数值，该数值比对衬底实施离子注入时的值小，并且能保持离子源内等离子体的产生，且自能量分离磁体电源、扫描磁体电源和束平行化磁体电源的输出停止；以及(c)停机模式，其中，从气体供给装置到离子源的原料气体供给终止，且自电源的输出终止。
优选地，上述第一种离子注入设备还包括一离子束引出电源，用于向离子源施加引出离子束所需的电压；一质量分离磁体，用于从自离子源引出的离子束中选择性地导出具有特定质量数和化合价的离子；一质量分离磁体电源，用于向质量分离磁体提供质量分离功率；一加速管，用于使由质量分离磁体导出的离子束加速或减速；以及加速电源，用于向加速管施加加速或减速所需的电压，其中，在停机模式(c)中，自离子束引出电源、质量分离磁体电源和加速电源的输出停止。
根据以上结构，未对衬底实施离子注入的时期中，离子注入设备的运行状态可控制在选自以上(a)待机模式、(b)磁体关闭模式和(c)停机模式的任意模式的状态中。
待机模式提供三种模式中最小的COO减少量，但依然能使有关至少原料气体和等离子体发生电源的功率的耗费的COO降低。此外，此模式可保持离子源中的等离子体发生状态，因此在恢复注入时最快速地启动该设备。
原料气体和几乎所有主要电源的供给被停止的停机模式在三种模式中在恢复注入时的设备启动中是最慢的，但是在COO减少方面是最有利的。
在COO减少量和设备启动速度方面，作为待机模式和停机模式之间的中间模式的磁体关闭模式居于两个模式之间。
如上所述，根据此离子注入设备，该设备在未对衬底施行离子注入期间的运行状态可根据用户需要而控制在从以上三种模式中选出的任意模式的状态下。因此，可获得COO的降低，且设备的启动可加快。
此外，根据本发明，还提供第二种离子注入设备，该设备包括一离子源，用于电离原料气体以产生等离子体，并从该等离子体中引出离子束；气体供给装置，用于向离子源供给原料气体；一主泵和一初级泵，用于对连接离子源且离子束经过其中的束路线真空室(beam line vacuum chamber)内部抽真空；一注入腔室，在该腔室内，以自离子源引出的离子束辐照衬底，以将离子注入到衬底中；一真空预备室，在注入腔室和外界大气之间，衬底放入其中或从其中取出；一真空预备室泵，用于对真空预备室的内部抽真空；以及一控制装置，用于实施以下模式中的至少一种，该模式为(a)初级泵低速模式，其中，控制初级泵以一旋转速度运行，该速度比束路线真空室内部处于预定高真空状态、且原料气体未从气体供给装置供给到离子源的条件下的稳定旋转速度低；以及(b)真空预备室泵低速模式，其中，控制真空预备室泵以一旋转速度运行，该速度比真空预备室内部达到预定真空度时的稳定旋转速度低。
由于在此离子注入设备中，通过使初级泵和真空预备室泵中的至少一个以比预定条件下的稳定旋转速度低的旋转速度运行，可以降低主要与运行真空泵所需的功率耗费相关的COO。此外，真空泵的运行不停止，使得需要时，泵可快速恢复至稳定旋转速度。因此，可以加速注入过程恢复时设备的启动。
可以提供一具有第一和第二离子注入设备的上述两种功能的控制装置。
图1是一平面图，示出了本发明的离子注入设备的一个示例；以及图2是示出图1中离子源及其电源的细节的视图。
具体实施例方式
图1是本发明离子注入设备的一个实施例的平面图。这种离子注入设备在例如JP-A-8-115701和JP-A-2001-143651中得以公开，其中的不同在于通过控制装置58进行如下所述对能量节省运行模式的控制。
图1所示的离子注入设备是“混合扫描系统”的一个实施例。即，自离子源2输出的离子束在电场或磁场作用下在X方向(例如水平方向，在说明书的以下描述中也这样)上往复扫描。此外，作为注入目标的衬底48在基本正交于X方向的Y方向(垂直方向，在说明书的以下描述中也这样)上往复地机械式扫描。更具体地，图1示出了混合平行扫描系统的一个实施例，其中离子束4沿参考轴43平行地扫描。
所示的离子注入设备包括离子源2、气体供给装置12和等离子体发生电源14、离子束引出电源16。离子源2电离原料气体6以形成等离子体72(图2)并从等离子体72中引出离子束。气体供给装置12将原料气体6供给至离子源2。等离子体发生电源14向离子源2提供产生等离子体的功率。离子束引出电源16向离子源2施加引出离子束4的电压。
在此实施例中，气体供给装置12包括提供原料气体6的气体源10和控制原料气体6的流速的流速控制器8。气体供给装置12可以是一种系统，在该系统中，固体材料蒸发，且该蒸气作为原料气体6供给。
于是图2示出了离子源2和电源的细节。离子源2是例如JP-A-9-35648中公开的“贝纳斯(Bernas)”型离子源，且包括具有离子引出孔67的等离子体发生室66。
等离子体发生室66结合有灯丝68和反射器70。灯丝68发射热电子，以在其自身和该室之间产生电弧放电，并将引入的原料气体电离，以形成等离子体72。反射器70反射自灯丝68发射的电子。灯丝68和反射器70彼此相对定位。在连接灯丝和反射器70的直线的方向上，通过等离子体发生室66外部的源磁体74向等离子体发生室66内部施加磁场75。磁场75和反射器70用于提高原料气体6的电离效率，以产生高密度等离子体72。
在此实施例中，等离子体电源14包括加热以上灯丝68的灯丝电源80、产生以上电弧放电的电弧电源82、以及启动源磁体74的源磁体电源84。
在此实施例中，通过电场在引出电极76和接地电极78之间的作用，离子束4从等离子体发生室66中的等离子体72中引出。为此目的，正的高电压(例如约几十千伏)由引出电源86施加到等离子体发生室66上。为了减少下游侧的反向电子，自抑制电源(reducing power source)88向引出电极76施加以负电压(例如约几千伏)。接地电极78接地。在此实施例中，引出电源86和抑制电源88构成离子束引出电源16。
再参见图1，离子注入设备还包括质量分离磁体26、质量分离磁体电源28、加速管30、加速电源32、能量分离磁体34、能量分离磁体电源36、扫描磁体38、扫描磁体电源40、束平行化磁体42、束平行化磁体电源44和注入腔室46。质量分离磁体26从自离子源2引出的离子束4中选择性地导出具有特定质量数和化合价的离子。质量分离磁体电源28向质量分离磁体26供给质量分离所需的功率。加速管30加速(在加速模式中)或减速(在减速模式中)来自质量分离磁体26的离子束4。加速电源32向加速管30施加高电压(例如几十千伏到几百千伏)以加速或减速。能量分离磁体34从来自加速管30的离子束4中选择性导出具有特定能量的离子。能量分离磁体电源36向能量分离磁体34提供能量分离所需的功率。通过磁场在包括X方向的平面上的作用，扫描磁体38使来自能量分离磁体34的离子束4以往复的方式扫描。扫描磁体电源40向扫描磁体38提供扫描所需的功率。通过使来自扫描磁体38的离子束折回，使得离子束平行于参考轴43，束平行化磁体42和扫描磁体38一起平行地扫描离子束4。束平行化磁体电源44向束平行化磁体42供给束平行化所需的功率。在注入腔室46中，以来自束平行化磁体42的离子束4辐照衬底48，以将离子注入衬底48。
此外，注入腔室46包括一个扫描机构52，用于在离子束4的辐照区域内在Y方向上以往复的方式扫描衬底48。衬底48由扫描机构52中的夹具50夹持。
注入腔室46内部通过真空泵(未示出)抽真空至高真空(例如约10-3Pa至10-4Pa)。注入腔室46通过真空阀(未示出)而与注入腔室46和外界大气之间的真空预备室(也称为空气封闭室(air locking chamber))相邻，衬底48装入该真空预备室中，或从其中取出。在此实施例中，设置有两个真空预备腔室54，以提高吞吐量。可以设置一个真空预备腔室。在例如JP-7-70298中公开了扫描机构52和真空预备室54的一个例子。
每个真空预备室54连接真空预备室泵56，通过该泵，真空预备腔室54被抽真空至比注入腔室46中的低的真空(例如约1Pa～10-1Pa)，该泵也被称为初级泵。真空预备室泵56可以是例如干式泵。
离子源2的出口连接至束路线真空室18，离子束4经过该真空室。束路线真空室18和连接其上的离子源2的内部通过主泵20和初级泵22抽到预定的高真空，这些泵连接到束路线真空室18。例如，它们在原料气体6引入前的一个状态中被抽到约10-3Pa至10-4Pa的高真空。主泵20可以是例如涡轮分子泵(turbo molecular bump)，初级泵22可以是例如抽吸主泵20出口侧的干式泵。
初级泵22的废气包括引入离子源2的原料气体6。因此，如JP-A-2001-216930中所公开的那样，废气通过用于去除废气中包括的有害材料的有害气体去除装置24排放。废气排放到例如下面叙述的排气管64中。
如上所述的装置安装在机壳60内。机壳包括控制离子注入设备的控制装置58，该控制包括通过控制以上装置和下述的排气阀62来控制如下所述的能量节约运行模式。
机壳60(例如上部)通过排气阀62连接排气管64。该排气管64还连接到排气扇(未示出)。机壳60内产生的热通过排气管64排出。
在此实施例中，控制装置58具有执行能量节约模式的功能，该模式为(1)与束的形成有关的模式、(2)与真空泵的运行有关的模式、以及(3)与热排放有关的模式。各个模式将在以下详细说明。
(1)与束形成有关的模式控制装置58具有在一时期中控制离子注入设备处于自以下模式(a)到(c)中选出的任何模式的运行状态中的功能，在该时期中，在离子注入设备已经启动而处于产生所需离子类型(质量数和化合价)的离子束4的状态之后，还未对衬底48施行离子注入。各模式的状态列于表1，且将在以下说明。
表1
(a)待机模式此模式为一模式，其中，自气体供给装置12供给至离子源的原料气体6的流速和自等离子体发生电源14供给至离子源12的功率减低至一定的数值，该些值低于对衬底48实施离子注入时的值，并能保持离子源2中等离子体的形成。更具体地，自气体供给装置12供给至离子源2的原料气体6的流速和自等离子体发生电源14供给(输出)至离子源12的功率减低至较小的数值，其足以不使等离子体72消失。
减小从等离子体发生电源14输出的功率更具体地是减小自图2所示的灯丝电源80流经灯丝68的灯丝电流和自电弧电源82输出的电弧电流，以及还减小自源磁体电源84输出的源磁体电流。
除了上述的电源以外，各电源16、28、32、36、40和44保持在对衬底48进行离子注入的状态(此状态称为“注入态”)下。
此不使装置的输出停止的待机模式提供了三种模式之中最小的COO降低量，但是仍可降低有关至少原料气体和等离子体发生电源14的功率的消耗的COO。此外，此模式可保持离子源2中的等离子体发生状态，因此在恢复注入时在设备启动方面是最快的。这是因为原料气体6的流速和来自等离子体发生电源14的输出仅需要升高至预定值。
(b)磁体关闭模式此模式为一种模式，其中，自气体供给装置12供给至离子源2的原料气体6的流速和自等离子体发生电源14供给(输出)的电源被减小到某些数值，该数值比对衬底48进行离子注入时的低，且仍能保持离子源2中的等离子体形成。更具体地，自气体供给装置12供给至离子源2的原料气体6的流速和自等离子体发生电源14供给(输出)的功率被降低到较小的值，其足以不使等离子体72消失。此外，自能量分离磁体电源36、扫描磁体电源40和束平行化磁体电源48的输出被停止。
除了以上所述的电源外，各电源16、28和32保持在对衬底48进行离子注入的状态(此状态被称为“注入态”)下。
顺便提及，自离子束引出电源16和质量分离磁体28的输出在此模式下不停止的原因在于需要耗费较长的时间来设置通过质量分离磁体26对所需离子类型进行质量分离所需的电流。因此，在此模式中，离子束引出电源16不停止，且供给至质量分离磁体26的电流保持不变，从而加速设备的启动。
自加速电源32的输出不停止的原因在于，如果原料气体6的流速和自等离子体发生电源14的输出限制在足以保持离子源2中等离子体发生的数值，则离子束4几乎不从离子源2中引出。在这种状态下，负荷几乎不施加到加速电源32上，使得没有必要强行停止其输出。然而，自加速电源的输出可以停止。
作为待机模式和关闭模式之间的中间模式的此磁体关闭模式在COO减少量和设备启动速度方面介于两个模式之间。
(c)停机模式此模式是一种模式，其中原料气体6自气体供给装置12的供给停止，且自所有电源的输出均停止，该些电源包括等离子体发生电源14、离子束引出电源16、质量分离磁体电源28、加速电源32、能量分离磁体电源36、扫描磁体电源40和束平行化磁体电源44。
在三种模式中，其中原料气体的供给和几乎所有的主电源均停止的此停机模式在恢复注入时在设备启动方面是最慢的，但是其在包括原料气体和功率的消耗的COO的降低方面是最大的，因为几乎所有的装置均停止了。
顺便提及，应当注意的是，在衬底48的离子注入恢复时(例如在离子注入即将恢复前)，模式(a)到(c)中的每一种的回复通过例如控制装置58的自动控制或手动地进行。
(2)与真空泵运行有关的模式在此实施例中，此控制装置58具有执行以下的(d)和(e)运行模式的功能，该模式与真空泵的运行有关。
(d)初级泵低速模式此模式是一模式，其中，初级泵22被控制而以比以下条件下的稳定转速低的转速运行，该些条件为(A)束路线真空室18内部为如上所述的预定高真空状态；以及(B)原料气体6不从气体供给装置12供给至离子源2。这是因为，没有必要强行将初级泵22以条件(A)和(B)下的稳定转速运行。
在此情形下，如果初级泵22是与化学设备用的干式泵相同的、引入稀释用氮气的泵，则氮气的引入可以停止。在此实施例中，它被停止。这是因为，原料气体6未被供给至离子源2，使得不考虑排放原料气体6。
例如在以上条件中的任一个未被保持时，自此模式的回复是自动进行的。
通过采用此运行模式，可以实现主要涉及运行初级泵22所需的功率耗费的COO的降低。在停止稀释用氮气的引入的情形下，可以减少所用的氮气量。此外，由于初级泵22未停止，在需要时，可快速恢复到稳定转速。
(e)真空预备室泵低速模式此模式是一模式，其中，当真空预备室54的内部已经达到如上所述的预定真空度时，响应外界操作者等的指令，真空预备室泵56被控制而以比稳定转速低的转速运行。这是因为，在长期连续时，没有必要强行使真空预备室泵56以稳定转速运行，在该长时期中，真空预备室54保持关闭，且衬底没有经过真空初级室54。
例如在如上所述的、在注入腔室46和真空预备室54之间的真空阀(未示出)即将开启之前，由此模式的回复自动实现。更具体地，当具有预定剂量的离子注入到注入腔室46中的衬底48内时，真空预备室泵56在即将完成预定次数的扫描前(例如在扫描将进行两次前)恢复到稳定转速，在该腔室内，衬底48在Y方向上多次扫描。在扫描将进行两次前进行恢复的原因在于，给恢复以略微多余的时间。
采用此运行模式可以降低主要涉及运行真空预备室泵56所需的功耗的COO。此外，在需要时，由于真空预备室泵56未停止，所以它能快速恢复到稳定转速。
在此离子注入设备中，控制装置58被设计成使得(d)和(e)两种运行模式可选择性地进行。然而，仅必须进行该运行模式中的至少一种。在此情形中，如可从阐述中理解到的那样，也可降低COO。
(3)与排热有关的模式在此实施例中，控制装置58还具有进行与热排放有关的模式的功能。此模式是一种模式，其中，(A)在来路线真空室18的内部处于如上所述的预定高真空状态时，排气阀62半开启，以及(B)在产生离子束4并将其引入到注入腔室46中的时候，排气阀62全开启。状态是否处于(B)状态例如由条件AND确定，该条件为能量分离磁体34、扫描磁体38和束平行化磁体42的所有磁体电流值比预定值大。
在状态(A)中，机壳60中的发热量小，而在状态(B)中，其几乎最大。因此，通过如上所述地控制排气阀62并利用此信息以控制排气管64端部处附着的排气扇(未示出)的旋转速度，排气扇可以根据离子注入设备的运行状态在较低转速下运行。结果，主要涉及运行排气扇所需的功耗的COO可以降低。
通过采用一个或多个指令可进行模式的选择或改变，该指令例如是(i)来自控制装置58的主控装置的指令、(ii)来自控制装置58的操作者(具体地为显示器)的指令、以及(iii)由控制装置58的操作者(具体地为显示器)设定的计时器的时间流逝形成的指令，该模式的选择或改变即为是否应当分别进行与束产生有关的(1)模式、与真空泵的运行有关的(2)模式、以及与热排放有关的(3)模式；与束产生有关的(1)模式的(a)到(c)三种模式中的哪一种应当选择；以及是否应当执行与真空泵的运行有关的(2)模式的模式(d)和(e)中的一种或两种。
与束产生有关的(1)模式、与真空泵的运行有关的(2)模式、以及与热排放有关的(3)模式可以独立地、任意组合地、或全部地执行。在此实施例中，设计控制装置58以采取这些执行模式中的任意模式。随着更多的模式得以执行，可以提高降低COO的效果。
此外，至于与束产生有关的(1)模式的(a)待机模式、(b)磁体关闭模式和(c)停机模式，可以根据以上指令直接执行(a)到(c)中的所需模式，或者根据例如计时器的时间流逝，这些模式可以以模式(a)→模式(b)→模式(c)的过程顺序执行。
顺便提及，应当注意到，图2所示的离子源2和其电源的构造、以及图1所示的整个离子注入设备是示例性的，可采用其它任何的构造。
权利要求
1.一种离子注入设备，包括一离子源，用于电离原料气体以产生等离子体，并从该等离子体中引出离子束；气体供给装置，用于向离子源供给原料气体；一主泵和一初级泵，用于对连接于离子源且离子束经过其中的束路线真空室内部抽真空；一注入腔室，在该腔室内，以自离子源引出的离子束辐照衬底，以将离子注入到衬底中；一真空预备室，在注入腔室和外界大气之间，衬底放入其中或从其中取出；一真空预备室泵，用于对真空预备室的内部抽真空；以及一控制装置，用于实施以下模式中的至少一种，该些模式为(a)初级泵低速模式，其中，控制初级泵以一旋转速度运行，该速度比束路线真空室内部处于预定高真空状态、且原料气体未从气体供给装置供给到离子源的条件下的稳定旋转速度低；以及(b)真空预备室泵低速模式，其中，控制真空预备室泵以一旋转速度运行，该速度比真空预备室内部达到预定真空度时的稳定旋转速度低。
2.一种离子注入方法，该方法在包括离子源、气体供给装置、主泵和初级泵、注入腔室、真空预备室、真空预备室泵的离子注入设备中进行，该方法包括在离子源中离子化原料气体以产生等离子体，并从该等离子体中引出离子束；自气体供给装置向离子源供给原料气体；通过主泵和初级泵对连接于离子源且离子束经过其中的束路线真空室内部抽真空；在注入腔室中以自离子源引出的离子束辐照衬底，以将离子注入到衬底中；通过真空预备室在注入腔室和外界大气之间放入或取出衬底；通过真空预备室泵对真空预备室的内部抽真空；以及实施以下模式中的至少一种，该些模式为(a)初级泵低速模式，其中，控制初级泵以一旋转速度运行，该速度比束路线真空室内部处于预定高真空状态、且原料气体未从气体供给装置供给到离子源的条件下的稳定旋转速度低；以及(b)真空预备室泵低速模式，其中，控制真空预备室泵以一旋转速度运行，该速度比真空预备室内部达到预定真空度时的稳定旋转速度低。
全文摘要
本发明公开了一种离子注入设备及离子注入方法。该离子注入设备设置有控制装置，该装置在未对衬底进行离子注入的过程中控制其运行状态处于选自以下模式的任意模式中的状态，该模式为(a)待机模式，其中，供给至离子源的原料气体的流速以及从等离子体发生电源供给的功率降低到能保持离子源内等离子体的产生的数值；(b)磁体关闭模式，其中，除了待机模式中的状态外，自能量分离磁体电源、扫描磁体电源和束平行化磁体电源的输出也被停止；以及(c)停机模式，其中，原料气体的供给终止，且自电源的输出终止。
文档编号H01L21/265GK1794411SQ200510098029
公开日2006年6月28日 申请日期2002年12月10日 优先权日2001年12月10日
发明者松本贵雄, 织平浩一, 中尾和浩, 中村光则 申请人:日新意旺机械股份公司