[发明专利]采用接地导电栅网的直流等离子体离子注入装置

说明书

本发明涉及一种直流等离子体离子注入装置，特别是，涉及一种采用接地导电栅网的直流等离子体离子注入装置。

等离子体浸没离子注入(以下，简称为：PⅢ)是一种多用途的材料制备和表面处理技术，这一技术可参阅例如，汤宝寅等人(汤宝寅等，材料科学与工艺1999,7(增刊))和曾照明等人(汤宝寅等，材料科学与工艺1999,7(3))发表的论文。本技术具有非线性加工的特点，使之成为大、重和不规则形状零件表面强化的一种先进技术。例如，它被用于制作适用于低能耗，高速CMOS微电子芯片的绝缘体上硅材料(SOI)，在离子剥离方法中需要向硅片注入大剂量的氢，这时PⅢ成为一种高效而经济的方法，因注入时间并不取决于硅片的直径而尤其适用于较大的硅片。

等离子体浸没离子注入(PⅢ)在许多方面有别于传统的束线离子注入，在束线离子注入中，离子被电场加速并依据荷质比进行筛选。而在PⅢ中，靶被浸没在等离子体内并加上一系列负脉冲。当靶处于负偏压时，电子被排斥而离开由正离子组成的鞘层(sheath：包层)；在鞘层边界和靶之间建立起一个加速电场，使正离子向靶加速并注入靶中。为了提供不间断的离子流，在负脉冲结束之前，离子鞘层会不断膨胀。如果注入电压很高，鞘层一旦扩展到真空室壁，等离子体将会熄灭。这种情况在小真空室，低等离子体密度和高电压脉冲时容易出现。这些局限和高压脉冲调制器的限制，卡住了PⅢ实验的最大电压，并造成应用上的困难。比如，不适于制造较厚的SIMOX材料。此外，在PⅢ中，各处离子的注入角度还取决于靶台的形状。

在PⅢ半导体应用中采用负电压脉冲时，有几点值得考虑：当不得不采用负高压脉冲时，真空室、鞘层和电路必定产生一个作为高压脉冲调制器负载的等效电容，并引起一个位移电流；也就是说，由于电压变化，鞘层电容和电路负载导致了位移电流的出现。这个位移电流对硅片和靶台产生了额外加热，从而使有害的金属杂质从接触面和靶台扩散，并在高温下进入硅片。因此，在注入过程中常常需要冷却。在有限短的电压脉冲上、下沿中，离子的加速能量减少，必将导致注入能量分布中的低能分量。以上两个因素将不利于离子剥离和PⅢ-SIMOX技术。

为了减少这些影响，我们可以增加脉冲宽度至100μs或更长，甚至更为理想的运行在直流方式，也就是在稳态的Child-Langmuir定律鞘层下进行离子注入。然而，因离子鞘层会扩展至顶部放电系统而熄灭等离子体，故高压直流运行需要很大的真空室。通常真空室的体积是有限的，为了维持长的脉冲或工作在稳态的直流方式，必须提高等离子体密度以减小鞘层厚度；换句话说，需要一个大功率高效率的等离子体源。但对于单能注入需要的低气压状态，离子平均自由程要大于鞘层厚度，产生这样的系统有许多技术上的困难。另外，如运行在2-3mTorr相对高气压下，则高压击穿的几率增加，并且离子碰撞频率的增加也将引起大量的低能离子。进一步而言，在高气压氧气PⅢ形成SIMOX过程中，表面氧化率也将增加。

本发明就是为了克服现有技术中存在的上述问题而作出了发明创造，其目的是提供一种在低气压、稳态直流方式下进行离子注入，离子注入能量大，剂量高，且分布均匀的等离子体离子注入装置。

为了实现本发明的上述目的，一种直流等离子体离子注入装置，包括：真空室，等离子体产生器，安装在所述真空室内的靶台和高压电源，其特征是：所述真空室呈圆盘状，具有工作气体的进行口和抽气口；一个导电栅网，配置在所述靶台的上方将真空室分成两个部分，并且所述导电栅网同所述真空室壁连接并接地；所述靶台的下部具有穿过真空室壁的引出电极；以及一个直流高压电源，所述直流高压电源的高压直流负端同所述靶台的所述引出电极连接，而正端接地。

根据本发明的等离子体离子注入装置，通过硅片靶台上方设置的一个接地导电栅网，将真空室分成两个部份，在下面部份，由负偏压靶台，栅网和真空室壁形成一个强电场区，并在低气压、稳态直流方式下进行离子注入。在上面部份，由于接地栅网阻止了下面离子鞘层的扩散而形成等离子体区。因此，连续的低气压放电可以在栅网上维持，正离子通过栅网扩散至下部并被注入到硅片中。这时，离子轨迹同所加电压和离子质量无关，只是对初始扩散速度和真空室内导电栅网同靶台的放置相当敏感。

以下，边参照附图，边详细说明本发明的内容，其中：

图1是表示本发明的稳态直流方式的等离子体离子注入装置的结构示意图。

图2是直流偏压下离子从栅网到靶台的注入轨迹曲线图。