包括能量过滤器和附加加热元件的离子注入装置

本申请要求于2020年5月15日提交的卢森堡专利申请LU 101808的优先权和权益。卢森堡专利申请LU 101808通过引用将其全部内容并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于离子注入装置的设备，该设备包括用于离子注入的能量过滤器(注入过滤器)及其用途，以及其注入方法。

背景技术

离子注入是一种在材料(如半导体材料或光学材料)中掺杂或产生缺陷分布的方法，其可将深度分布预定义在几纳米至几十微米的深度范围内。此类半导体材料的实例包括但不限于硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、碲化镉、硒化锌。这种光学材料的实例包括但不限于LiNbO

当前所面临的需求包括为离子注入生成深度分布，其深度分布要比通过单能离子辐射可获得的掺杂浓度峰值或缺陷浓度峰值的深度分布更宽，或者需求包括生成掺杂或缺陷深度分布，且这些掺杂或缺陷深度分布不能由一个或几个简单的单能注入就生成。已知的现有技术方法中，可使用结构化能量过滤器产生深度分布，其中当单能离子束穿过微结构能量过滤器部件时，单能离子束的能量會被修改。由此生成的能量分布将导致对于材料的离子深度分布的生成。例如，在欧洲专利号:Nr.0014516B1(Bartko)中就对此进行了描述。

如图1所示，其为这种离子注入装置20的示例，其中离子束10撞击真空殼體中的结构化能量过滤器25。离子束源5例如可以是产生能量为0.3至3.0MeV/离子的离子的高频线性加速器，但这并不限制本发明。离子束源5也可以是回旋加速器、串联加速器或单端静电加速器。在其他方面，离子束源5的能量在0.5和3.0MeV/核子之间，或者优选在1.0和2.0MeV/核子之间。在一个具体实施例中，离子束源产生能量在1.3和1.7MeV/核子之间的离子束10。离子束10的总能量在1和50MeV之间，在一个优选的方面，在4和40MeV之间，在优选的方面在8和30MeV之间。离子束10的频率可以在1Hz和2kH之间，例如在3Hz和500Hz之间，在一个方面，在7Hz和200Hz之间。离子束10也可以是连续的离子束10。离子束10中的离子的实例包括但不限于铝、氮、氢、氦、硼、磷、碳、砷和钒。

在图1中，可以看出，能量过滤器25由右侧具有三角形横截面形状的膜制成，但这种类型的形式并不限制本发明，也可以使用其他横截面形式。由于上离子束10-1通过能量过滤器25的区域25

另一方面，下离子束10-2穿过能量过滤器25的区域25

如图1的右侧所示，其为所述深度分布。散列三角形区域显示在d1和d2之间的深度处的离子穿透衬底材料。高斯曲线显示了不使用能量滤波器25的深度分布，并且在d3深度处具有最大值。应当理解，深度d3大于深度d2，此是因为离子束10-1的一些能量被能量过滤器25吸收。

在现有技术中，有许多已知的原理可用来制造能量过滤器25。通常，能量过滤器25由块状材料制成，能量过滤器25的表面可被刻蚀以产生所需的图案，例如图1中所示的三角形截面图案。在德国专利DE 102016106119 B4(Csato/Krippendorf)中，描述了一种由具有不同离子束能量降低特性的材料层制造的能量过滤器。在Csato/Krippendorf的专利申请中，其描述能量滤波器所产生的深度轮廓将取决于材料层的结构以及表面的结构。

在申请人的共同未决申请DE 102019120623.5中，显示了另一种结构原理，其细节通过引用并入本文，其中能量过滤器包括间隔开的微结构层，其通过垂直壁连接在一起。

对于可通过能量过滤器25吸收的离子束10来说，其最大功率取决于三个因素：能量过滤器25的有效冷却机制；制备能量过滤器25的膜的热机械性能以及制备能量滤波器25的材料选择，其也是有相关的。在典型的工艺中，大约50％的功率被能量过滤器25吸收，但这可以根据工艺条件上升到80％。

图2中显示了能量过滤器的一个示例，其中能量过滤器25由安装在框架27中的三角形结构膜制成。在一个非限制性示例中，能量过滤器25可以由单片材料制成，例如绝缘体上的硅，其包括绝缘层二氧化硅层22，其例如夹在硅层21(其典型厚度为2至20微米，但也可高达200微米)和块状硅23(约400微米厚)之间，且绝缘层二氧化硅层22包括0.2-1微米的厚度。结构化的膜例如可由硅制成，但也可以由碳化硅或其他碳基材料或陶瓷制成。

为了针对离子束10的给定离子电流，欲进行对离子注入工艺中的晶圆吞吐量的优化，从而达到有效地使用离子束10，优选地，可以仅照射能量过滤器25的膜，而不照射框架27，其中膜是处在固定位置。实际上，框架27的至少一部分也可能受到离子束10的照射，并因此被加热。框架27也确实有可能完全地被照射到。用来形成能量过滤器25的膜会被加热，但由于膜很薄(即在2微米和20微米之间，但也可高达200微米)，因此具有非常低的导热性。膜的尺寸会在2x2 cm

除了在形成能量过滤器25的膜与框架27的受热部分之间的热应力之外，对能量过滤器25中的膜的加热也会产生热应力。这在图3B中进行了说明，图3B出示由于膜和框架27的热容量不同，较小的膜的升温速度比较大的框架快得多。这种差异导致膜和过滤器之间的热应力，这可能导致机械变形。

此外，由于仅在膜的部分有吸收来自离子束10的能量，对膜的局部加热也会导致膜内产生热应力，并可能导致能量过滤器25中的膜发生机械变形或损坏。膜的加热也会在很短的时间内发生，即不到一秒，通常在毫秒量级。膜的未辐射部分产生的冷却效应将导致能量过滤器25内的温度梯度。这种冷却效应对于脉冲离子束10和扫描离子束10尤其明显。这些温度梯度可导致缺陷，并且在制成能量过滤器25的膜的材料内形成分离相，甚至导致材料的意外改性(由于注入物种)。

还发现，如图3A所示，当能量过滤器的温度低于200℃-400℃时，能量过滤器25基于离子束10的加热速度更快。图3A显示了在吸收不同能量离子的连续辐照过程中，以℃表示的温度与粒子电流密度的关系示例。连续的线显示了2MeV能量的离子的仿真，而最顶的线显示了8MeV能量离子的仿真。如图3A所指出的，中间线可用于出示4MeV和6MeV的离子。图3A所示的示例仅是示例性的，其将取决于过滤器的设计和工艺条件。

发明内容

本文件教导了一种包括能量过滤器的离子注入装置，其中能量过滤器是在能量过滤器上添加附加加热元件。附加加热元件的添加是为了预热能量过滤器，以减少离子束通过能量过滤器所产生的温度梯度。

在一个方面，附加加热元件可以是通过电触点连接到电导体的电阻组件。电流流过形成能量过滤器框架的块状硅和/或流过能量过滤器的膜，并加热材料。

在另一方面，附加加热元件能量是外部加热元件，例如但不限于安装在框架中的可加热卡盘或外部光源。

本文件还描述了在具有离子深度分布的衬底材料中注入离子的方法。本文件中概述的方法包括将能量过滤器预热至至少预定温度，将离子束通过能量过滤器引导至衬底材料达预定时间长度，然后冷却能量过滤器。

能量过滤器的预热可包括分别对能量过滤器中的至少一部分膜或能量过滤器的框架的一部分进行预热，并通过使用附加加热元件进行预热，像是使用电阻组件、外部灯泡或安装有衬底材料的可加热卡盘。

附图说明

图1显示了现有技术中已知的带有能量过滤器的离子注入装置的原理。

图2带有能量过滤器的离子注入装置的结构。

图3A显示了随着离子电流密度的增加，过滤器的温度依赖性。

图3B显示了以时间函数表示的膜和过滤器之间的温升差异。

图4A-4E显示了带有加热元件的能量过滤器的五个实施例。

图5显示了离子注入的方法。

具体实施方式

以下将根据附图描述本发明。应当理解，这里描述的本发明的方面仅仅是示例，并且不以任何方式限制权利要求的保护范围。本发明由权利要求及其等同物限定。应当理解，本发明的一个方面或实施例的特征可以与本发明的不同方面或方面和/或实施例相结合。

图4A-D显示了带有加热元件的殼體中的能量过滤器25的三个示例。所示的能量过滤器25使用相同的参考数字来表示与图1中相同的组件。可在使用能量过滤器25进行离子注入之前、期间和之后，利用加热元件加热能量过滤器25。从图3A中可以看出，在能量过滤器25中因离子注入束10而耗散的額外能量，其在较高温度下(例如高于约200至400°C)会小得多。这意味着能量过滤器25的辐射部分和能量过滤器25未辐射部分之间的温度差通常小于50-200℃，这导致能量过滤器25中较低的热应力。

图4A说明了加热元件的一个示例。在该示例中，能量过滤器25以及膜安装在框架27中，而加热元件是由于框架27的电阻来加热。在该示例中，可安装触点50a和50c，並使其连接到块状硅层23，并且电流从电导体55a通过框架27流向电导体55c(反之亦然)，再由于框架27中材料的电阻，框架27变热，即块状硅23变热，其中触点50b和50d连接到对应的电导体55b和55d，如图所示。电流通过由硅层21形成的膜从电触点50b流向电触点50d(或反之亦然)，并且膜由于硅层21中的材料的电阻而升温。

在图4B所示的示例中，电阻加热也用于加热框架27。在这种情况下，硅层21上没有电触点50b或50d。块状硅23的电阻加热与图4A的示例相同。在本例中，没有电流通过膜。图3B显示，框架27的加热速度比膜慢，因此可能不需要单独加热膜。

图4C中所示的示例不使用能量过滤器25或框架27的电阻加热，而是使用来自其上已有放置衬底材料30的可加热卡盘60的热辐射原理。来自可加热卡盘60的热辐射如箭头65所示，其朝向能量过滤器25的膜进行辐射。在该示例中，可以单独对能量过滤器25加热，或是可对能量过滤器25和框架的组合27加热。

在图4D所示的示例中采用了类似的原理。在这种情况下，光源70例如是热灯泡或激光器，光源70被放置在能量过滤器25附近，其可向能量过滤器25辐射热辐射以加热能量过滤器25。光源70也可以位于殼體外部，并通过框架中的窗口辐射。应当可以理解，虽图4D仅示出了多个光源70的其中一个，但也可以是多个光源70，以实现对能量过滤器25的均匀加热。在能量过滤器25不同侧上也可以有不同的光源70。

在另一个示例中，如图4E所示，单独的加热元件80放置在框架27周围，以单独加热框架27。

图4A-4E中所示的附加加热元件及其几何形状并不限制本发明，可以采用其他加热元件和几何形状来加热能量过滤器25，以减少能量过滤器25的膜中的局部温差。这减少了能量过滤器25中的热应力，从而增加了能量过滤器25的寿命。应当理解，可以组合两个或更多个不同的加热元件。

应当可以理解，加热能量过滤器25可能会由于缺陷退火或由于还留在能量过滤器25的膜材料中的气体颗粒扩散，导致能量过滤器25有性能的变化。退火有利于修复缺陷。可以通过非常快速地(大约几毫秒)加热能量过滤器25，然后在离子束10关闭之后冷却能量过滤器25，以可能地将性质改变最小化。在这种情况下，在能量过滤器25的膜材料中引起的任何缺陷将没有时间移动到膜材料内的能量有利位置，并且将在能量过滤器25的膜材料内被有效地“冻结”。另一方面，如果要修补缺陷，则可能需要更缓慢地加热能量过滤器25或将能量过滤器25保持在升高的温度下更长时间。图4A-4E中所示的附加加热元件能够产生用于加热能量过滤器27的温差分布。

能量过滤器25可由块状材料或通过在基底上沉积材料制成。本领域有许多已知的方法。例如，可以使用光刻、电子束光刻或激光束光刻等图案化技术，在衬底上创建掩模。掩模由光刻胶、二氧化硅、碳化硅、铬或其他材料制成。湿化学刻蚀技术使用例如氢氧化钾、TMAH(氢氧化四甲基铵)和其他各向异性刻蚀溶液、等离子体刻蚀技术和离子束刻蚀。

现在将参考图5描述，其将离子从离子束源5注入到衬底材料30中以提供类似于图1所示的沉积轮廓的方法。在第一步骤500中，将能量过滤器25预热至至少预定温度。可优选地选择预定温度，以减少由于离子束10(见图3)的通过而导致的能量过滤器25的温度升高。例如，预定温度可以在200℃至500℃(或在其他方面为400℃)的范围内，但这并不限制本发明。也可以不同地加热能量过滤器25的不同部分。

如图1所示，在步骤510中，在一段预定的时间长度内，离子束10可被引导通过能量过滤器25到达衬底材料30，以将离子注入衬底材料30。能量过滤器25也可以在此阶段期间被加热，以降低能量过滤器25内(包括膜和框架27或是在膜和框架之间)的温度梯度。最后，在步骤520中冷却能量过滤器25。预热步骤500和冷却步骤520不必均匀地进行。如上所述，如果需要，可以设计不同的温度分布。

在一个方面，通过热辐射对能量过滤器25进行冷却。还可以在能量过滤器25或离子注入装置的框架中使用冷却流体来更快速地冷却能量过滤器25。例如，在同时间提交的申请人拥有的专利申请No.xxxx中，教导了能量过滤器25的冷却方式。

在另一方面，在注入工艺完成之后，即在离子束10移除之后，可在步骤530中将能量过滤器25加热至例如500℃至1100℃之间的温度，以退火硅膜，并达到移除能量过滤器25的缺陷，此缺陷是因离子束10导致的。该注入后加热步骤530可以在离子注入装置中进行，或者可以将能量过滤器25从离子注入装置移除后进行。该注入后加热步骤530可以在每次注入运行之后、在达到每单位面积的特定剂量值之后，或是以规则的时间间隔进行。在一个方面，注入后加热步骤530是快速热处理步骤，以便最小化膜的塑性变形。

元件参考数字

5 离子束源

10 离子束

20 离子注入装置

21 硅层

22 二氧化硅层

23 块状硅

25 能量过滤器

27 过滤器框架

30 衬底材料

50 电触点

55 电导体

60 卡盘

65 热辐射

70 光源

80 加热元件