多孔碳质真空腔室衬垫的制作方法

1.本发明涉及用于真空腔室中的多孔保护衬垫，所述衬垫由无机碳质材料制成且具有多孔表面，优选地其中孔隙具有开孔结构。


背景技术：

2.真空腔室用于在真空中处理材料及装置。涉及真空腔室的一种工艺是离子植入，通过离子植入，工件的表面暴露于离子，致使离子穿透所述表面。
3.在真空腔室内的处理期间，真空腔室的内部空间及气氛必须处于低压下且将含有对所要处理步骤有用的离子。离子植入工艺要求处理气氛中存在的很高纯度的有用材料。气氛应尽可能不含任何杂质或污染物，所述杂质或污染物既不是能够植入到衬底中的离子，也不是对所述工艺有用或必需的相关材料。
4.不幸的是，在使用真空腔室进行处理期间，通常会将污染物及杂质引入到真空腔室中或在真空腔室内产生。例如，在植入工艺期间，可产生颗粒大小的污染物且其可在真空腔室内积聚。为减少或合意地消除此效应，将不同类型的惰性保护衬垫放置在真空腔室内以减少或最小化植入工艺期间的颗粒产生。


技术实现要素：

5.本描述涉及用于保护真空腔室的侧壁或其它内表面的衬垫，及相关方法。可任选地可移动及可替换的衬垫位于所述真空腔室的内部处以覆盖侧壁的表面，以减少在使用期间所述真空腔室内的颗粒污染物的产生。所述衬垫具有表面，所述表面暴露于所述真空腔室的内部空间且由优选包含开放孔室结构的多孔无机碳质材料制成。为减少所述真空腔室内的颗粒污染，可将所述衬垫放置在所述真空腔室的暴露于工件或离子(例如离子束)的内表面处。所述衬垫可包含表面，所述表面由某一材料制成且具有结构以：i)在使用所述真空腔室期间在离子与所述衬垫的表面碰撞的情况下，抵抗颗粒污染物的形成或释放；ii)例如通过捕获在真空腔室的操作期间接触所述衬垫的颗粒污染物，从所述真空腔室的整体气氛移除颗粒污染物；或iii)优选地两者都进行。
6.一方面，本发明涉及一种设备，其包含：真空腔室；及衬垫，其具有暴露于所述真空腔室的内部的表面，其中所述表面由多孔无机碳质材料制成。
7.另一方面，本发明涉及一种真空腔室，其包含内部及在所述内部处的衬垫。所述衬垫具有暴露于所述内部的表面且所述表面由多孔无机碳质材料制成。
8.另一方面，本发明涉及一种使用具有包含衬垫的真空腔室的设备的方法。所述方法包含：在所述真空腔室内产生离子束，或在所述真空腔室内产生碎屑颗粒，或在所述真空腔室内产生离子束及碎屑颗粒。所述衬垫具有暴露于所述真空腔室的内部空间的表面且所述表面由多孔无机碳质材料制成。在使用所述设备的所述方法期间，所述离子束或所述碎屑颗粒接触所述衬垫的所述表面。
附图说明
9.图1a及1b是如所描述的多孔表面的照片。
10.图2a及2b是如所描述的多孔表面的照片。
11.图3a及3b是如所描述的多孔表面的照片。
12.图3c是如所描述的多孔表面的纤维的照片。
13.图4是如所描述的设备的图，所述设备包含具有本描述的衬垫的真空腔室。
具体实施方式
14.以下描述涉及真空腔室，所述真空腔室含有用于在高真空环境中处理工件的低压(“抽空”)内部。所述描述还涉及使用如所描述的真空腔室的方法。
15.真空腔室可用于处理作为半导体材料(例如半导体晶片)、微电子装置或微电子装置前驱物的工件，(例如)以将材料沉积在工件的表面处或将材料植入于工件的表面处。真空腔室可经包含作为较大设备(例如离子植入装置)的部分，所述离子植入装置包含由用于植入的离子源(例如呈指向真空腔室的离子束的形式)供应的真空腔室。作为较大装置或系统的部分的真空腔室的一个非限制性实例是用于将离子(例如作为掺杂剂)植入到半导体衬底的表面处的材料中的离子植入装置。
16.根据本描述，真空腔室包含界定真空腔室的内部的侧壁。可任选地可移动及可替换的一或多个衬垫位于真空腔室的内部处，以覆盖侧壁中的一或多者。一或多个衬垫具有衬垫表面，所述衬垫表面暴露于真空腔室的内部空间，例如暴露于工件、离子或两者。衬垫表面可由具有开放孔室结构的多孔无机碳质材料制成。
17.在本发明的实施例中，在真空腔室各处将所述真空腔室保持在低压下，例如低于25托、低于5托、1托或0.1托。真空腔室包含用于容纳及支撑工件(例如，“半导体晶片”或其它衬底，例如，微电子装置或其前驱物)的空间，以促进真空腔室内的工件的处理。真空腔室还可包含用于将材料(例如离子束)供应到真空腔室用于处理所必需的相邻空间。作为实例，离子植入装置可包含终端站，所述终端站是用于在将离子植入到工件(例如半导体晶片)中期间放置及支撑工件的位置。离子植入装置还包含用于产生或供应离子束并将离子束引导到终端站中的空间。这些空间在使用期间保持于低压下，例如作为离子植入装置的真空腔室的部分。
18.离子植入是用于将改变导电性的杂质引入到工件(例如半导体晶片)中的标准技术。使用包含真空腔室的离子植入装置执行所述工艺，所述真空腔室包含终端站及离子束源。真空腔室处于非常低压下。但即使在非常低压下，真空腔室也将含有微量非所要污染物。污染物可以多种不同方式中的任何者在真空腔室内产生或出现在真空腔室，其物理形式(例如，微粒、纳米粒、化学(分子)蒸气)可变化，且可具有变化的化学成份。
19.在真空腔室中存在污染物颗粒不利于加工工件。在真空腔室中执行的工艺期间可产生一些类型的污染物(例如颗粒污染物)。例如，在半导体晶片的离子掺杂(即“离子植入”)期间，来自撞击工件上的光致抗蚀剂材料的表面的离子束(输入)的离子可与光致抗蚀剂材料反应并导致碎屑颗粒从光致抗蚀剂释放并进入真空腔室的气氛中。颗粒可潜在地放置在工件的开放表面上，在所述位置处，所述颗粒是污染物。作为另一实例，可由高能颗粒(例如，撞击真空腔室的内表面(例如，侧壁或其它功能结构)的材料的离子束的离子)在真
空腔室内产生颗粒污染物。此颗粒污染物源有时指称“离子溅射”。经产生的离子作为污染物释放到真空腔室的气氛中。撞击真空腔室的其它内表面的离子也可产生颗粒污染物。
20.为减少真空腔室中的污染物量，可在真空腔室的暴露于工件或离子(例如离子束)的内表面处放置衬垫。衬垫可包含表面，所述表面由某一材料制成且具有结构，其有效地：i)在使用真空腔室期间在离子撞击衬垫的表面的情况下，抵抗颗粒污染物的形成或释放；ii)例如通过捕获在真空腔室的操作期间接触衬垫的颗粒污染物，从真空腔室的整体气氛移除颗粒污染物；或iii)优选地两者都进行。
21.术语“衬垫”是指具有两个相对主表面的大体上二维片或膜，每一主表面在长度方向及宽度方向两者上延伸，在两个相对表面之间具有厚度尺寸。厚度尺寸的量值大体上小于长度及宽度两者。衬垫可为柔性的或刚性的，此取决于例如衬垫的材料的类型及衬垫的物理特征(例如构造(例如，织造或“海绵”))、厚度、孔隙率及孔隙大小的因子。
22.如所描述的衬垫可包含至少一个表面，所述表面由具有开放孔室结构的多孔无机碳质材料制成。实例衬垫可为致使衬垫在真空腔室条件下具有化学抗性的材料及结构，例如，当与真空腔室内执行的工艺的工艺材料接触时对化学变化或材料颗粒的释放具有抗性。实例衬垫由相对惰性多孔无机碳质材料(例如无定形碳、石墨或碳化硅)制成，其可使衬垫对溅射具有抗性，即，对可在真空腔室的内部处成为颗粒污染物的材料颗粒的释放具有抗性。除使其具有化学抗性及对溅射具有抗性之外，如所描述的衬垫还可具有包含开口的表面，所述开口能够在真空腔室的气氛中捕获污染物颗粒，以从气氛移除颗粒。而且，优选地，当暴露于离子束时，多孔表面可具有接收经减少正交束冲击数量的额外优点。
23.无机碳质材料是指由大量碳制成或大体上或主要由碳以非有机形式制成的固体材料。无机碳质材料可含有(例如)至少50重量％的碳，或至少60重量％、70重量％、80重量％、90重量％、95重量％或99重量％的碳。无机碳质材料含有少量或微不足道量(例如，小于5重量％、1重量％、0.5重量％或0.1重量％)的由共价键合到氢、氧或氮原子的碳原子构成的有机化合物。
24.无机碳质材料的一些实例可主要由无定形或晶体(例如石墨)形式的碳原子制成，例如，可含有无定形或晶体形式的至少90原子％、95原子％、98原子％或99原子％的碳。
25.无机碳质材料的其它实例可主要含有碳及硅原子，包含通常指碳化硅(sic)的材料。有用或优选碳化硅材料可含有硅及碳总量的至少80原子％、90原子％、95原子％、98原子％或99原子％，且可优选含有少量或不多于微不足道量的其它材料(例如氧或氢)，例如小于总氧及氢的5原子％、3原子％、1原子％或0.5原子％。碳化硅的实例形式包含结晶形式以及区域无定形的形式。实例碳化硅材料可含有40原子％到90原子％的碳、10原子％到60原子％的硅及不多于2或1原子％的其它材料，例如，不多于0.5原子％的氧、氢或氧及氧的组合。多孔碳化硅材料可通过任何方法来制备，包含将石墨转化为碳化硅的已知方法。通过另一方法，可例如通过化学气相沉积(cvd)、化学气相渗透(cvi)或任何其它相关形式的沉积将碳化硅涂层沉积到多孔碳泡沫上，随后进行氧化步骤以移除碳。
26.在这些无机碳质材料中，关于其多孔物理形式，某些更具体实例包含：能够形成为具有包含开孔泡沫的结构的薄多孔衬垫的不同形式的结晶石墨；能够形成具有包含开孔泡沫的结构的薄多孔衬垫的无定形碳材料；呈多孔泡沫形式的碳化硅；及无定形碳及结晶石墨材料，其可形成为纤维，所述纤维可经织造、针织或依其它方式形成为多孔纤维织物的衬
垫。
27.衬垫可包含至少一个多孔表面，具有开孔结构。当在本文中描述时，具有带有开孔结构的“多孔”特征的衬垫的“表面”是指衬垫的暴露表面连同接近或非常接近于暴露表面的衬垫的三维区域。为考虑“表面”的开孔结构的孔隙率的目的，可认为表面的三维区域延伸到非常靠近表面的深度，例如，表面下方的500微米深度，替代地表面下方的700微米或1000微米的深度。
28.多孔表面的“孔隙”(或贯穿衬垫的厚度)可具有任何有效形式。实例孔隙可呈具有由碳质材料构成的侧壁(例如“基质”)界定并在所述侧壁之间的大体上圆形或弯曲孔室结构的开口的形式。替代地，多孔结构的孔隙可为存在于经织造、针织或其类似者的碳质材料的纤维之间的间隙开口(例如，通道、通路)。
29.衬垫的多孔、开孔表面可为优选的，因为在不受理论约束的情况下，相对于无孔表面或闭孔表面，多孔、开孔表面据信可有效减少真空腔室中颗粒的产生。如果暴露于离子源(例如呈离子束形式的离子)，那么具有开孔的多孔表面可接收减少量的离子，所述离子撞击与离子的移动方向正交的表面。撞击多孔(尤其是具有开孔结构的)衬垫的表面的离子在延伸于正交于(垂直于)离子的移动路径的平面中的位置处不太可能直接撞击表面。替代地，离子可撞击多孔表面的相对于离子路径成角度或弯曲的部分。在相对于离子的运动方向非正交的衬垫的位置处撞击多孔衬垫表面可减少由于碰撞而从离子转移到表面的能量，这可减小从表面的材料形成及释放颗粒(碎屑)的可能性。
30.为本描述的目的，如果衬垫的表面基于衬垫在所述表面处的孔隙率大于略微多孔，那么所述衬垫的表面被认为是“多孔的”，即包含“多孔表面”。多孔衬垫(例如其表面)可足够多孔以能够在使用期间容纳及收集在真空腔室的整体气氛内循环的颗粒。在颗粒与衬垫的表面接合的情况下，在包含衬垫的多孔、开孔表面的真空腔室的气氛中循环的颗粒可进入开孔表面的孔隙(“孔室”)中并被捕获于开放孔室结构内。颗粒与真空腔室的大部分内部空间有效隔离(从其移除)并作为潜在颗粒污染物消除，所述潜在污染物原本将位于真空腔室内正被处理的工件的表面处。
31.衬垫的“表面”处的孔隙率可被认为是包含二维表面及结构的三维体积(其接近或非常接近表面)的相邻量的衬垫的三维部分(体积)的孔隙率。例如，衬垫的“表面的孔隙率”可经测量为位于非常靠近表面的衬垫的体积(例如包含表面的体积及从表面到表面以下500微米(例如1000微米)的深度的体积)的孔隙率。
32.如所描述的三维多孔结构(例如衬垫)的“孔隙率”(有时也称“空隙分率”)是三维结构中的空隙(即“空”)空间相对于包含空隙空间及固体分率的主体的总体积的百分比的量度。孔隙率经计算为结构的空隙体积占包含结构的固体材料及结构内的空隙空间两者的结构的总体积的分率。具有零孔隙率的结构是完全固态的。
33.通过此测量，如果衬垫的表面具有以此方式测量的至少18％(例如至少20％、30％、40％、50％、60％或70％)的孔隙率，那么可认为所述表面是“多孔的”。示范性衬垫可具有在如所描述的表面处测量(例如，针对从表面延伸到表面以下500微米(例如1,000微米)的深度的衬垫的体积所测量)的在从18％、20％、30％、40％、50％或60％直到70％、80％、90％、95％或97％的范围内的孔隙率。根据其它实例，衬垫可在表面处具有多孔、开孔结构，且还延伸穿过衬垫的整个厚度。有用或优选衬垫的实例厚度可在从500微米到10,000
微米的范围内，例如从1,000微米直到5,000微米、7,000微米、9,000微米或10,000微米。
34.如本文中所使用，“开孔”(又名“开放孔室”)结构可为包含大量三维孔隙(开口、孔室、孔口、通道、通路或其类似者)的衬垫(例如，薄膜、膜、衬垫或其部分或层)的多孔结构，所述三维孔隙相对于所述结构的其它孔隙“开放”(连接)而非“闭合”(不连接)。开孔结构的每一孔隙大体上由所述结构的固体材料界定，例如呈多孔泡沫或海绵基质的固体(刚性或柔性)壁的形式，或呈织造或针织织物衬垫的纤维表面的形式。因为孔隙由固体材料(壁或纤维表面)部分但不完全包围，所以孔隙彼此互连，且流体或颗粒可从一个孔隙传递到不同孔隙。
35.开孔结构的实例包含开孔海绵以及基于纤维的织物，例如织造、非织造、针织、毛毡及由无机碳纤维材料制成的其它织物型材料。优选开孔结构可使至少大部分(至少50％)的孔隙互连，例如使至少60％、70％或80％的孔隙互连，使得流体或颗粒(如果足够小)可在孔隙之间穿过，即从一个孔隙到至少一个其它孔隙。相比之下，其它类型的多孔材料应理解为“闭合孔室”材料(例如“闭合孔室泡沫”)，其意味着大部分(或更多，例如70％、80％或90％)的孔隙(“孔室”)未连接到另一孔隙，且流体或颗粒无法在孔隙之间穿过；例如，孔隙完全由孔隙壁的结构的固体材料包围。
36.可用于衬垫的多孔、开孔无机碳质材料的一个具体实例是开放孔室泡沫。实例泡沫可由无定形碳、碳化硅或石墨制成。
37.图1a及1b是示范性碳质泡沫结构，具体来说是开放孔室碳质泡沫(例如石墨泡沫)的照片。如图处所展示，泡沫100包含由固体基质104的弯曲壁界定的孔隙(“孔室”)102，且包含多孔表面106。孔隙102大体上互连(例如，“开”孔)且可存在于表面106处以及跨泡沫结构的整个厚度存在。孔隙的平均大小可在从大致100微米达到1000微米(0.1毫米到1毫米)的范围内。所说明泡沫的孔隙率(包含在表面106处或在泡沫的整个厚度上测量的孔隙率)可为至少50％，例如在从50％或60％直到(或超过)80％、90％、95％或97％的范围内。
38.如图1b处所展示，在使用期间，含有离子110的离子束108可指向泡沫100的表面106，所述泡沫100用作真空腔室的内部处的衬垫。每一离子110从垂直于泡沫100的大体平坦表面的方向接近表面106。然而，在放大尺度上，多孔表面(即基质104的表面)并非是平坦的，而是包含许多弯曲、圆形及非正交位置。离子110可在不正交于离子路径(即相对于离子路径成一定角度)的表面处撞击基质104的固体部分。
39.图2a及2b是另一示范性碳质泡沫结构，具体来说是开放孔室低密度碳化硅泡沫结构的照片。泡沫由碳化硅制成且可具有低于约1克/立方厘米(例如，低于0.8克/立方厘米、0.6克/立方厘米或0.5克/立方厘米)的密度。如图处所展示，泡沫100包含由固体基质104的弯曲壁界定的孔隙(“孔室”)102，且包含多孔表面106。孔隙102大体上互连(例如，“开”孔)且可存在于表面106处以及跨泡沫结构的整个厚度存在。孔隙的平均大小可在从大致1000微米直到5000微米(1毫米到5毫米)的范围内。所说明泡沫的孔隙率(包含在表面106处或在泡沫的整个厚度上测量的孔隙率)可为至少50％，例如在从50％或60％直到90％、95％或97％的范围内。
40.如图2b处所展示，在使用期间，含有离子110的离子束108可指向泡沫100的表面106，所述泡沫100用作真空腔室的内部处的衬垫。每一离子110从垂直于泡沫100的大体平坦表面的方向接近表面106。然而，在放大尺度上，多孔表面并非是平坦的且可包含许多弯
曲、圆形及非正交表面。离子110可在不正交于离子路径(即相对于离子路径成一定角度)的位置处撞击固体基质104的表面。
41.由无机碳质材料制成的衬垫的另一实例在图3a、3b及3c中展示，它们是由碳纤维制成的织造织物型衬垫的照片。衬垫200由无机碳质材料(例如，无定形碳、石墨或其类似者)的纤维制成，且包含由纤维206的弯曲表面204界定的孔隙(“开口、通道或通路”)202，且包含多孔表面208。孔隙202大体上互连(例如，“开”孔)且可存在于表面208处以及跨织造结构的整个厚度存在。在织物的整个厚度上测量的所说明织物的孔隙率可为至少40％，例如在从40％或50％直到或超过70％、80％或90％的范围内。
42.如图3c处所展示，在使用期间，含有离子110的离子束108可指向泡沫织物衬垫200的表面208，所述衬垫200用作真空腔室的内部处的衬垫。每一离子110从垂直于织物衬垫200的大体平坦表面的方向接近表面208。然而，在放大尺度上，组成多孔及纤维表面的纤维并非是平坦的，而是包含许多弯曲、圆形及非正交表面。离子110可在表面204不正交于离子路径而是相对于离子路径成一定角度的位置处撞击表面208的纤维206的表面204。
43.衬垫通常呈薄片或薄膜的形式，具有两个相对侧，每一侧具有暴露表面，所述膜具有宽度、长度及大体上小于长度及宽度的厚度，且多孔碳材料位于暴露表面上。衬垫可单独用作单一材料，作为放置在真空腔室的侧壁上的保护衬垫。替代地，衬垫可为放置成覆盖侧壁的多层衬垫的一个层。多层衬垫的一或多个额外层可为基底层(例如石墨层)，其具有并非是多孔、开放孔室材料的形式，例如无孔石墨片。
44.如所描述的衬垫在与离子植入机，特别是束线植入机的真空腔室结合时特别有用。然而，如所描述的衬垫也可用于其它系统及工艺的真空腔室，例如其它类型的离子植入装置，其在半导体制造中涉及且在真空腔室内产生离子或微粒碎屑，例如涉及在真空腔室中执行的等离子体处置、加速离子或其它工艺的其它系统及工艺。因此，本发明不限于本文中所描述及说明的特定实施例。
45.参考图4，所说明是束线离子植入机200的示意图，所述束线离子植入机200可提供用于处置(例如“掺杂”)工件(例如半导体晶片)的离子。束线离子植入机200是可提供用于掺杂选定材料(“工件”或“衬底”)的离子的各种束线离子植入机的一个实例。束线离子植入机200包含产生形成离子束281的离子的离子源280。植入机200还包含终端站211及相关离子束处理功能(例如，磁体、透镜等)，如所说明。所有这些是在真空或“真空腔室”内操作。
46.离子源280包含离子腔室283及含有要离子化的气体的气体箱。气体经供应到其中气体经离子化的离子腔室283。在一些实施例中，此气体可为或可包含as、b、p、h，n、o、he、碳硼烷c2b
10h12
、另一大分子化合物、另一稀有气体或掺杂剂离子的任何其它前驱物。从离子腔室283提取经形成离子以形成离子束281，在解析磁体282的磁极之间引导离子束281。电源连接到离子源280的提取电极。离子束281穿过抑制电极284及接地电极285到质量分析器286。质量分析器286包含解析磁体282及具有解析孔隙289的屏蔽电极288。解析磁体282使离子束281中的离子偏转，使得所要离子种类的离子穿过解析孔隙289。非所要离子种类不穿过解析孔隙289，而由屏蔽电极288阻挡。
47.所要离子种类的离子穿过解析孔隙289到角度校正器磁体。角度校正器磁体使所要离子种类的离子偏转，并将离子束从发散离子束转换为带状离子束212，所述带状离子束212具有大体上平行离子轨迹。
48.终端站211由多个侧壁、顶部、底部界定，且包含侧壁292上的束开口290，离子束212从其中穿过。终端站211支撑带状离子束212的路径中一或多个工件(例如工件138)，使得将所要种类的离子植入到工件138中。终端站211可包含压板295以支撑工件138。终端站211还可包含扫描仪(未展示)用于使工件138垂直于带状离子束212横截面的长尺寸移动，借此将离子分布在工件138的整个表面上。尽管说明带状离子束212，然其它实施例可提供点光束。
49.根据本描述，终端站211包含本文中所描述的由具有开放孔室结构的多孔无机碳质材料制成的一或多个衬垫。如所说明，衬垫300位于侧壁292的相邻于束开口290的上游(面向离子源)侧上。衬垫320位于侧壁292的相邻于束开口290的下游(面向衬底)侧上。端衬垫330超过工件138及压板295而位于终端站211的端壁上。侧衬垫332位于终端站211的横向侧壁上，横向于工件138及压板295。额外衬垫(未展示)也可位于终端站211的顶部或底部侧壁处。