具有附加热能耗散表面区域的能量过滤器的离子注入装置的制作方法

具有附加热能耗散表面区域的能量过滤器的离子注入装置
1.本技术要求于2020年5月15日提交的卢森堡专利申请lu 101807的优先权和权益。卢森堡专利申请lu 101807通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
2.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，以及一种注入方法。


背景技术：

3.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。这种半导体材料的实例包括但不限于硅、碳化硅、氮化镓。这种光学材料的实例包括但不限于linbo3、玻璃和pmma。
4.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。已知的用于产生深度分布的现有技术方法中，使用结构化能量过滤器，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)或美国专利申请号:us2019/122850a1中就对此进行了描述。
5.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撞击结构化能量过滤器25。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/核之间。在一个具体方面，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与50mev之间，在一个优选的方面，在4与40mev之间，在优选的方面，在8与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。
6.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
min
，其是能量过滤器25的膜中的最小厚度，因此上离子束10-1通过能量过滤器25时能量几乎没有减少。换句话说，如果上离子束10-1在左侧的能量为e1，则上离子束10-1在右侧的能量将具有实质上相同的值e1(即仅由于膜的阻止功率，导致离子束10在膜中仅有少许的能量损失)。
7.另一方面，下离子束10-2穿过能量过滤器25的区域25
max
，其是能量过滤器25的膜中的最厚处。在左侧的下离子束10-2的能量e2基本上被能量过滤器25吸收，因此在右侧的下离子束10-2能量会减小，并且低于上离子束的能量，即e1＞e2。如此一来，与能量较低的下离子束10-2相比，能量较高的上离子束10-1能够穿透衬底材料30，并达到更大的深度，从
而导致作为晶圆一部分的衬底材料30会有不同的深度分布。
8.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。
9.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，描述了一种能量过滤器，由具有不同离子束能量降低特性的材料层制成。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。
10.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。
11.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％。
12.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。
13.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 cm2和35x35 cm2之间，并可对应于晶圆的尺寸。膜和框架27之间几乎没有热传导。因此，整体框架27不会在膜的冷却方面有贡献，膜的唯一相关冷却机制是来自膜的热辐射。
14.除了在形成能量过滤器25的膜的与框架的受热部分之间的热应力之外，对能量过滤器25中的膜的局部加热也会产生热应力。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，并可能导致膜25的机械变形或损坏。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，甚至会导致材料的意外改质(此是由于将物种注入而导致)。
15.在过去，通过规定在合规的最大离子剂量下使用的安全操作条件，已经克服了缺陷或材料修改的问题，在该条件下不会出现该问题。然而，机械变形和膜损坏的长期影响没有得到解决。如果忽略长期影响，这将导致芯片材料的轮廓发生变化，从而导致必须抛弃的芯片。
16.因此，需要对能量过滤器的冷却机制以及过滤器和框架的温度均匀化进行改进。


技术实现要素：

17.本文教导了一种包括能量过滤器的离子注入装置，其中能量过滤器具有附加的热能耗散表面区域，以实现让能量过滤器能够更有效地冷却。
18.在离子注入装置的一个方面，能量过滤器包括膜，膜具有第一表面和与第一表面相对设置的第二表面的膜。第一结构表面或第二表面中的至少一个具有在其上的微结构，并且形成附加的热能耗散表面区域。微结构的空间尺寸在第一结构化表面上的结构的空间维度的3-5％之间。然而，这些尺寸并不限制本发明。微结构具有随机排列的结构或具有三角形横截面的结构的其中之一。
19.在离子注入装置的另一方面，能量过滤器包括多个膜，包括第一膜以及与第一膜隔开一距离设置的另一膜，其例如位在离子束源和衬底材料之间。离子注入装置可进一步包括定位元件，其用以在横向或水平方向上移动多个膜中的其之间的间隔。
20.在另一方面，离子注入装置可进一步包括准直器，其设置在第一膜或另一膜的其中之一与衬底材料之间。准直器吸收离子束中以一定角度散射的离子，使得离子到达衬底上的位置时，可具有实质相同的能量，从而有实质相同的穿透深度。
21.在离子注入装置的另一方面，离子注入装置的壳体还包括多个导管，其用于传输冷却流体，以减少对壳体的加热并能冷却壳体，从而冷却离子注入装置的框架和膜。
22.离子注入装置还可配备有与壳体热接触的多个吸收元件，以促进热辐射的吸收。这些吸收元件阻挡可见光和红外光。
附图说明
23.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运作原理。
24.图2显示了带有能量过滤器的离子注入装置的结构。
25.图3显示了具有微结构的能量过滤器。
26.图4显示了能量过滤器中的多个膜以及开放/封闭准直装置。
27.图5显示了能量过滤器的冷却系统。
具体实施方式
28.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，在本发明的一个方面中的特征可以与本发明的不同方面中的特征相结合。
29.图3显示了根据本文件的一个方面中的能量过滤器25的膜结构。图3a显示了本领域的先前技术中的具有三角形横截面的能量过滤器25的结构化膜。图3b显示了能量过滤器25中的膜25的一侧表面上的微结构，图3c显示了能量滤波器25的两侧表面上的微结构。换句话说，能量过滤器25具有膜，其除了具规则的三角形横截面外，还在一个或多个表面上具有附加的微结构。
30.在图3所示的非限制性示例中，三角形的高度h为16微米，间距s为20微米。能量过滤器25可以具有不同的尺寸，例如，高度可以在1微米和200微米之间，间距可以在1微米和
400微米之间。
31.微结构将影响穿过能量过滤器25的离子束10的能量分布。然而，假设能量分布具有3-5％的公差，那么微结构可以具有的高度可以是高度h值的3-5％(在图上标记为mh，但不按比例)，并且微结构可以具有的间距可以是间距s的距离的3-5％(在图中标记为ms，但不按照比例)。当然，应当理解，能量分布的变化将受到能量过滤器20两侧的微结构的影响。
32.通过从块状材料刻蚀能量过滤器20或通过在衬底上沉积材料来形成微结构。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。
33.也可以使用自掩模刻蚀技术，例如在强聚合工艺条件下的反应离子刻蚀，或使用氢氧化钾溶液和异丙醇等添加剂。
34.也可以使用自掩模沉积技术，例如选择性沉积模式或原子层沉积模式中的化学气相沉积。
35.没有掩模的情况下，对于层体的沉积或蚀刻顺序，也是已知的。这可使用飞秒激光烧蚀或聚焦离子束沉积或去除材料实现。
36.可以理解，微结构的形成可以通过机械粗糙化表面膜25的表面、添加附加的薄层材料，如硅或碳，或是使用其他技术来实现，如激光烧蚀。
37.能量过滤器25的膜的结构可能具有不同的结构，并且不是三角形截面的形式。例如，能量过滤器25可以由本领域已知的一系列金字塔形状形成。然后将微结构放置在金字塔形状的表面上。
38.微结构的作用是为使能量过滤器25的膜可提供更大的表面积，因为表面积更大，所以能够对能量过滤器25进行更大程度的热冷却。
39.本发明的另一个方面如图4a和4b所示，其中能量过滤器25包括多个膜400a-c，其安装在壳体410中的多个框架27中。壳体410可以由钢制成，内涂层为碳化硅或其他碳材料。内涂层用于减少或消除半导体衬底的污染。图4a显示了能量过滤器25的多个多层体，图4b显示了具有三角形横截面膜的能量过滤器25。能量过滤器25的膜还可以包括如图3所示的微结构。
40.用来形成能量过滤器25的多个膜400a-c安置在壳体410中。多个膜400a-c可在壳体410内沿离子束10的方向移动，以改变膜400a-b各自之间以及膜400a-d与衬底材30之间的间距。可以使用定位元件430，其例如像是压电元件或微电机，可在垂直方向和水平方向上改变间距。
41.图4a和4b的配置还包括(可选)准直器420，其用于在离子束10穿过多个膜400a-c后准直离子束10。准直器420的端部可以是打开或关闭的。应当理解，多个膜400a-c中的每一个均吸收通过的离子束10的部分能量，因此用来制成能量过滤器25的膜400a-c会比使用膜400a、400b或400c中的单个膜吸收更少的能量。多个膜400a-c通过热辐射冷却。
42.图4a和4b中所示的能量过滤器25的配置也能够为穿透衬底材料30的离子创造不同的深度分布。图4a和图4b中所显示的多个膜400a-c是相似的，但若是有需求，多个膜400a-c中的每一个都可以具有不同的轮廓。
43.图4中显示了三个膜400a-c，但可以理解，膜400a-c的数量可以再更多。增加膜400a-c的数量将可耗散更多的能量。为了避免损坏，假设在单个膜400a-c中可以耗散的最大能量为1.6w/cm2。如果离子束10具有10mev的能量，并且假设需要50％的能量来在衬底材料30中形成沉积图案，则离子束10中的离子电流约为0.23微安/cm2。对于使用五个膜400a-c，假设每一个膜400a-c可以吸收相同的能量，那么最大离子电流将为1.6微安/cm2。
44.本发明的另一方面如图5所示，其中能量过滤器25安装在冷却壳体500中。冷却壳体500在冷却壳体的壁520中具有一个或多个导管510，且冷却流体530通过导管510。冷却流体530例如是水。从能量过滤器25辐射的热辐射可被壁520吸收，然后热量通过冷却流体520消散。
45.在另一方面，壁520的内部可以具有吸收元件540，其例如可以是硅或碳基材料，并且具有微米至毫米范围内的厚度。吸收元件540吸收来自能量过滤器25的辐射热能。元件参考数字5 离子束源10 离子束20 离子实施装置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400a-c 膜410 壳体420 准直器430 定位元件500 冷却壳体510 导管520 墙530 冷却流体540 吸收元件