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JP6652255B2 - イオン注入システム - Google Patents

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JP6652255B2
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Description

本開示の実施形態は、基板処理システムの部品を内張りおよびテクスチャ化するための装置に関する。
半導体、太陽電池、または他のタイプの基板は、イオン注入システム、堆積システムおよびエッチングシステム等、様々な基板処理システム内で処理され得る。いくつかのイオン注入システムは、イオン源、複数の引出し電極、質量分析器、コリメート磁石、１もしくは複数の加速もしくは減速段、および基板を保持する処理チャンバを備え得る。堆積システムは、イオン源、ならびに処理チャンバに配置された標的および基板を備え得る。内壁部、電極、絶縁体および他の機器等、これらのシステム内に配置された複数のコンポーネントが劣化の兆候を示し、またはコーティングされるのは通常のことである。これは、２つの異なる原因による場合がある。例えば、複数のイオンまたは他の材料がこれらのコンポーネント上に堆積され得る。更に、複数のコンポーネント自体は、複数のエネルギーイオンにより衝突されると複数の微粒子を生成し、下流側で汚染を生じさせることがある。例えば、質量分析器の内壁部は、複数のエネルギーイオンにより衝突され、質量分析器を構成するべく用いられる材料にスパッタリングさせ得る。更に、イオン源内等、上流側で更に放出される複数の材料は、質量分析器の複数の壁部上に堆積され、壁部をコーティングし得る。十分な厚さの層が形成された後、このコーティングは剥がれ落ち、下流側で汚染を生じさせる場合がある。複数の他の実施形態において、基板付近の複数の領域で、フォトレジストの薄膜がこれらのコンポーネント上に形成され得る。
現在、通常はグラファイト製のライナが用いられ、これらの問題に対処する。グラファイトは炭素系である。従って、たとえライナがスパッタリングを受けても、炭素の放出は下流側に配置された複数のコンポーネントおよび基板に最小の影響のみを有し得る。更に、グラファイトは、機械的にテクスチャ化され、粗い内側表面を形成し得る。テクスチャ化グラファイトは、約０．３ｍｍの深さの特徴を有し得る。ライナをコーティングする複数の堆積材料は、このテクスチャ化表面に良好に付着し、それにより剥離の可能性を低減する。
しかし、グラファイトの１つの難点は、複数のエネルギーイオンにより衝突されると微粒子を生じさせる傾向があることである。これは、非結晶炭素マトリックスに互いに保持される小さな炭素粒子の集合体である、グラファイトの微小構造によるものである。従って、粒子発生に耐性があり、堆積コーティングを剥離させないイオン注入システムにおいて用いられ得るライナおよびテクスチャ化の方法があれば、有利であろう。
複数のテクスチャ化シリコンライナを有する複数のイオン注入システム、堆積システムおよびエッチングシステム等の複数の基板処理システムが開示される。２０マイクロメートル未満の高さになり得る、マイクロピラミッドと呼ばれる小さな形体を生成する化学的処理を用いて、複数のシリコンライナがテクスチャ化される。これらのマイクロピラミッドが、グラファイトライナにおいて一般に見られるテクスチャ入りの特徴よりもはるかに小さいという事実にも拘わらず、テクスチャ化シリコンは、堆積コーティングを保持することができ、剥離に耐性がある。
一実施形態によれば、基板が配置される複数のチャンバ壁部を有する処理チャンバと、処理チャンバと連通するガス供給源と、ガス供給からプラズマを生成するプラズマ生成器と、処理チャンバの複数のチャンバ壁部のうちの少なくとも１つの表面に配置されたシリコンライナとを備え、処理チャンバの内部に面するシリコンライナの表面は、テクスチャ化される、基板処理システムが開示される。テクスチャ化シリコンライナは、２０マイクロメートル未満の高さを有する複数のマイクロピラミッドを有し得る。
別の実施形態によれば、イオン源と、基板が配置される処理チャンバと、システム内に配置されたシリコンライナとを備え、シリコンライナの表面は、テクスチャ化される、イオン注入システムが開示される。テクスチャ化シリコンライナは、２０マイクロメートル未満の高さを有する複数のマイクロピラミッドを有し得る。
別の実施形態によれば、イオン源と、イオン源の外側に配置され、イオン源内で生成される複数のイオンを引き付けてイオンビームを形成する電極と、イオンビームが通過する質量分析器と、所望の電荷／質量比の複数のイオンが通過することを可能にする質量分析器の出力部における分析スリットと、イオンビームを集束するイオンビームの経路における集束素子と、基板が配置される処理チャンバと、分析スリットの周囲のシールド上または集束素子上に配置されたシリコンライナとを備え、イオンビームの方を向くシリコンライナの表面は、テクスチャ化された表面が２０マイクロメートル未満の高さを有する複数のマイクロピラミッドを含むように、化学的にテクスチャ化される、ビームラインイオン注入システムが開示される。
本開示のより良い理解のために、添付の図面を参照する。これらの図面は参照により本明細書に組み込まれる。
一実施形態による、代表的なイオン注入システムを示す。
シリコンライナ表面の拡大図を示す。
別の実施形態による、代表的なイオン注入システムを示す。
代表的な堆積およびエッチングのシステムを示す。
図１は、一実施形態により用いられ得る、代表的なイオン注入システムを示す。本システムにおいては、ガス供給源１０５と連通するイオン源１１０が存在する。供給ガスは、ガス供給源１０５からイオン源１１０に供給される。供給ガスは、任意の好適なガスであり得る。例えば、いくつかの実施形態において、ＢＦ３またはジボラン等のホウ素含有ガスが用いられ得る。複数の他の実施形態において、ＰＨ３等のリン含有ガスが用いられ得る。
一実施形態において、イオン源１１０は、タングステンチャンバ内に収納された間接加熱陰極（ＩＨＣ）を含み得る。このイオン源１１０は、より大きな筐体１００内に含まれてもよい。通常、イオン源１１０はかなりの電圧でバイアスされるので、イオン源１１０を筐体１００から電気的に絶縁することが必要となる場合がある。これは、複数のソースブッシング１１５を用いることにより実現され得る。
イオン源１１０の外側には、１または複数の電極１２０が存在し、適切にバイアスされ、イオン源１１０において生成される複数のイオンを引き付ける。複数の電極１２０は、電極１２０に対してこれらのイオンを引き寄せ、次に中に通す。いくつかの実施形態において、引出し電極１２１および抑制電極１２２等、複数の電極１２０が存在し得る。これらの電極１２０は、異なる電圧にあり得、従って互いに電気的に絶縁されなければならない。これらは、絶縁されたマニピュレータアセンブリ１２５を用いることにより実現することができ、これにより電極１２０を定位置に保持する。
次に、引き出されたイオンビーム１３０は、質量分析器１４０に入り得る。イオンビームは、案内管（図示せず）を通って質量分析器へと流れる。いくつかの実施形態において、イオンビームを集束するべく、四極子レンズ１４４またはアインゼルレンズ等の集束素子が用いられ得る。分析スリット１４５は、所望の電荷／質量比を有する複数のイオンのみを引き出す質量分析器１４０の出力部に配置される。ここで対象となる複数のイオンのみを含む分析済みのイオンビーム１５０は、次に、基板支持体１８０に装着され得る基板１９０に注入される。いくつかの実施形態において、１もしくは複数の加速もしくは減速段１７０が利用され、分析済みのイオンビーム１５０の速度を調整し得る。これらの加速または減速段１７０は、処理チャンバ１８５に近接して配置され得る。基板１９０および基板支持体１８０は、処理チャンバ１８５内に配置され得る。
当業者は、図１に示されない他の複数のコンポーネントもイオン注入システムの一部となり得ることを理解する。また、当業者は、質量分析器１４０、または加速もしくは減速段１７０等、図１の様々なコンポーネントが一定のイオン注入システムにおいて用いられない場合があることを理解する。
質量分析器１４０の壁部等、スパッタリングおよびコーティングの影響を特に受けやすい複数の領域は、内張りされ得る。他の影響を受けやすい複数の領域としては、四極子およびアインゼルレンズ１４４等の集束コンポーネントのライナ、ならびにイオンビームがライナ材料の近くを進む加速もしくは減速電極アセンブリが挙げられ得る。一実施形態によれば、ライナ１９５は、グラファイトではなくシリコンであり得る。シリコンはいくつかの利点を有する。まず、シリコンはあまり高価でなく、容易に入手可能であり、非常に高い純度で利用可能である。更に、シリコンは、処理される基板と同一の材料であり得る。従って、ライナ１９５により生成される任意の微粒子は、最小の汚染のみを生じさせる。更に、シリコンは、グラファイトよりも少ない微粒子を生成する傾向がある。
これらの利点全てにも拘わらず、遺憾なことに研磨シリコンは、堆積材料を良好に維持または保持しない。更に、シリコンはグラファイトと異なり、機械的にテクスチャ化するのが非常に困難である。従って、複数の研磨シリコンライナからコーティング材料を剥離することは、問題である場合がある。
従来のグラファイトライナと異なり、本開示の複数のシリコンライナ１９５は、化学的処理を用いてテクスチャ化される。本開示において用いられるテクスチャ化は、表面積を増大させるべく、ライナ表面に対する不完全性の導入として特徴付けられる。従って、テクスチャ化はライナ表面を粗くするべく用いられる。この表面積の増大により、ライナが複数のコーティング材料を保持する能力を改善する。更に、不完全性は、コーティング材料が付着し得るいくつかの構造体を提供する。例えば、コーティング材料は、隣接する複数のマイクロピラミッド間に生成される凹みに、より容易に付着し得る。テクスチャ化は、機械的手段または化学的手段を用いて実行され得る。このテクスチャ化された、または粗い表面は、システムの内部に面するように、システム内に配置される。
一実施形態において、内張りされるイオン注入システムの区域または領域に合わせて寸法取りされ得る、複数のシリコンシートが提供される。別の実施形態において、複数のシリコンシートは知られているか、または特定のサイズを有し、所望の領域を内張りするために用いられる所望のサイズのライナを生成するべく、複数のシートが用いられる。
複数のシリコンライナ１９５は、注入システムの複数のコンポーネント上に配置される。上述したように、これらのライナは、質量分析器１４０、分析スリット１４５を囲繞するシールド、処理チャンバの複数の壁部、複数の集束コンポーネント、複数の電極または他の区域に配置され得る。いくつかの実施形態において、これらのシリコンライナは、重いか、または強度のイオンビーム衝突に曝露されるイオン注入システムの複数の領域に配置され得る。シリコンは、微粒子を生じさせる可能性がより小さいからである。いくつかの実施形態において、複数のシリコンライナ１９５は、電力供給されない電極等、電気的にバイアスされない複数のコンポーネント上に配置される。
しかし、複数の他の実施形態において、内張りされるコンポーネントは、質量分析器１４０等の電圧でバイアスされ得る。換言すれば、シリコンライナは、電気的にバイアスされた表面に配置され得る。シリコンは当然に非導電性であるので、シリコンライナは、ライナを電気的に導電性にするべくドープされ得る。例えば、シリコンライナをホウ素またはリンでドープすると、バルク抵抗を１０ｏｈｍ−ｃｍ未満に低減し得る。
これらの実施形態のいずれかにおいて、ライナ１９５は、（１００）結晶の表面がイオンビームに曝露されるように付加される。曝露表面と呼ばれるこの表面は、水酸化ナトリウムまたは水酸化バリウム等の水酸化物を用いて処理される。この処理により、シリコンライナ１９５の曝露表面上に複数のマイクロピラミッドが生成される。この処理表面の拡大表示が図２に示される。この図にみられる複数のマイクロピラミッドは、約５マイクロメートルの高さになり得る。複数の他の実施形態において、これらのマイクロピラミッドは、約１０マイクロメートルの高さになり得る。複数の他の実施形態において、これらのマイクロピラミッドは、２０マイクロメートルの高さになり得る。更に、図２に見られるように、これらのマイクロピラミッドの高さおよび間隔は不規則であり、従ってマイクロピラミッドの高さは変化する。同様に、これらのマイクロピラミッド間の間隔も変化する場合がある。換言すれば、シリコンの化学的テクスチャ化は、テクスチャ化グラファイトライナに従来見られる特徴よりも５０倍超小さい複数の特徴を生成する。驚くべきことに、このテクスチャ化表面は、切断または研磨されたシリコンよりも強固に堆積材料上に保持され得、堆積材料ならびにより深くテクスチャ化されたグラファイトライナ上に保持され得る。
従って、一実施形態において、イオン注入システムは、少なくとも１つの表面を備え、表面は、粗い曝露表面を生成するように化学的に処理されたシリコンライナを用いて内張りされる。化学的処理は、高温の水酸化物溶液等の水酸化物に対して曝露することにより実行され得る。
図１および上記の開示はビームラインによるイオン注入システムを説明するが、テクスチャ化シリコンライナは、複数の他のタイプのイオン注入システムにおいて利用され得る。例えば、図３は、基板処理システム２００を示す。一実施形態において、この基板処理システム２００は、ＰＬＡＤ注入システムであってもよい。本実施形態において、ＰＬＡＤ注入システム２００は、いくつかの壁部２０７により画定されたチャンバ２０５を含み、壁部２０７は、グラファイト、シリコン、シリコンケイ素または別の好適な材料から構成され得る。このチャンバ２０５には供給ガスが供給され得、ガスインレット２１０を介してガス供給源２１１に格納される。この供給ガスは、プラズマ生成器によりエネルギーを与えられ得る。いくつかの実施形態において、プラズマ２５０を生成するべく、ＲＦアンテナ２２０または別の機構が用いられる。ＲＦアンテナ２２０は、ＲＦアンテナ２２０に電力を供給するＲＦ電源（図示せず）と電気的に通信する。石英またはアルミナ窓等の誘電体窓２２５は、ＲＦアンテナ２２０と注入チャンバ２０５の内部との間に配置され得る。システム２００は、コントローラ２７５も含む。コントローラ２７５は、様々なシステムおよびコンポーネントから入力信号を受信し、出力信号を各々に提供してそれらを制御し得る。
プラズマ２５０における複数の正帯電イオン２５５は、チャンバ２０５（プラズマ２５０の電位を規定する）と基板２６０との間の電位差により基板２６０に引き付けられる。いくつかの実施形態において、複数の壁部２０７は、基板２６０よりも正にバイアスされる場合がある。例えば、複数の壁部２０７は、正にバイアスされるチャンバ電源２８０と電気的に連通し得る。本実施形態において、基板２６０はプラテン２３０と通信し、プラテン２３０はバイアス電源２８１と通信し、バイアス電源２８１は、チャンバ電源２８０により印加されるものよりも低い電圧でバイアスされる。一定の実施形態において、バイアス電源２８１は、接地電位に維持され得る。第２の実施形態において、チャンバ電源２８０は、接地され得るが、バイアス電源２８１は、負の電圧でバイアスされ得る。これら２つの実施形態は、接地電位にある基板２６０または複数の壁部２０７のいずれかを説明するが、これは必要とされない。プラズマ２５０からの複数のイオン２５５は、複数の壁部２０７がプラテン２３０に印加されるものよりも大きい任意の電圧でバイアスされる限り、基板２６０に引き付けられる。
複数のライナ２９０は、複数の壁部２０７の内側表面に沿うなどして、チャンバ２０５内に配置され得る。ライナの（１００）結晶表面がチャンバ２０５の内部に面するように、ライナ２９０は、複数のチャンバ壁部２０７に接着され、またはそうでなければ付着され得る。換言すれば、この（１００）結晶表面は、チャンバ２０５内で生成された複数のコーティング材料に曝露される。上述したように、電気的にバイアスされたチャンバ壁部に用いられる場合、シリコンライナ２９０はドーパントを用いてドープされ、取り付けられる前にバルク抵抗を低減し得る。
図４に示されるシステムは、堆積またはエッチングシステムとして用いられ得る。このシステム３００は、図３に示されるものに類似する。同一の機能を有する複数の要素には、同一の参照符号が付され、再度説明されない。低い温度堆積システムは、２つの分類、物理蒸着（ＰＶＤ）またはプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）のうちの１つに属し得る。
「原子スパッタリング」とも呼ばれるＰＶＤは、堆積される材料の標的２５１を用い、負の電位を標的２５１に印加するべく電源２８２を利用する。真空処理チャンバは図４のチャンバ２０５であってもよく、標的２５１、およびコーティングを受ける基板２６０の双方を格納する。チャンバ２０５は、ガス（通常はアルゴン）で数ミリトールの圧力までバック充填される。電源２８２により標的２５１に印加される電位はガスのプラズマ２５０を生成し、プラズマ２５０内の複数の正イオンは標的２５１に引き付けられ、十分なエネルギーで標的に衝突し、複数の標的原子を除去する。これらの原子は、標的２５１から排出され、全方向、つまりコサイン分散として説明される軌道を進み、複数のチャンバ壁部２０７、複数の保護ライナ２９０および基板２６０を衝突する。従って、本実施形態において、バイアスされた標的２５１は、プラズマ生成器として機能し得る。いくつかの実施形態において、堆積処理中に複数のイオンで基板２６０を照射するべく、通常はカウフマンタイプのイオン源が導入され得る（「イオン支援堆積」）。通常、ＰＶＤは、アルミニウム、銅、ニッケルおよびチタン等の金属コーティングを塗布し、集積回路における接点および相互接続を形成するべく用いられる。
ＰＥＣＶＤは、堆積される材料を含む処理ガスを用い、従って図４に示される標的２５１および電源２８２を含まない。プラズマ２５０は、処理ガスへのＲＦ電力を誘導もしくは静電容量結合する等、プラズマ生成器により真空処理チャンバ２０５内で生成され、これはＲＦアンテナ２２０を用いて実行され得る（図３を参照されたい）。このプラズマ２５０により、処理ガスは分離し、基板２６０を含む全ての曝露表面がコーティングされる。一例は、ＳｉＨ４の分離による非結晶シリコンの堆積である。また、複数の処理ガスの混合物は、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２等の化合物を堆積させるべく利用され得る。通常、ＰＥＣＶＤは、集積回路においてバリアまたは層間誘電体として機能する誘電体コーティングを塗布するべく用いられ得る。
別の実施形態において、図４のチャンバは、エッチングステーションを生成するべく用いられ得る。プラズマまたは「ドライ」エッチングにおいて、プラズマ生成器は、チャンバ２０５に静電容量的に結合され得る。例えば、ＲＦ電力は、静電容量結合により基板２６０に供給される。真空処理チャンバ２０５は、「スパッタリングエッチング」とよばれる処理用の不活性（通常はアルゴン）ガス、または「反応性イオンエッチング」と呼ばれる処理用の反応性ガス（ＮＦ３、ＣＦ４または複数の反応性ガスの混合物）のいずれかでバック充填される。基板２６０から除去された材料は、複数のチャンバ壁部２０７およびライナ２９０上に堆積し得、反応性ガスとの揮発性化合物を形成し、吸い出され得る。
これらの実施形態の全てにおいて、最終的には全てのライナについて、コーティングが除去されなければならないライナ上に形成される。これらのテクスチャ化シリコンライナは、予防的メンテナンスが必要とされるまでにすでに可能であったときよりも長く、基板処理システムがなおも動作可能であることを可能にし得る。更に、これらのテクスチャ化シリコンライナのクリーニングはあまり煩雑ではなく、従来のグラファイトライナほど困難ではなくなり得る。一実施形態によれば、特定の膜を除去するべく用いられる、脱イオン水およびイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）の混合物等のクリーナが用いられ得る。別の実施形態において、コーティングを除去するべく、グリッドブラスト法が利用され得る。このグリッドブラスト法の処理は、ドライまたはウェット処理である場合がある。いくつかの実施形態において、このクリーニングプロセスは、テクスチャをシリコンライナから除去し得る。これらの実施形態において、ライナの粗さは、曝露表面を、本明細書において説明されるように高温の水酸化物溶液に曝露する等、別の化学的処理に曝露することにより回復され得る。従って、第１のクリーニング段階が実行され、これは機械的（すなわち、グリット）または化学的（すなわち、クリーニング溶液）であってもよい。この後、クリーニングされたライナは、ライナを再度テクスチャ化する化学的処理に曝露される。従って、たとえクリーニングサイクル後であっても、複数のシリコンライナのテクスチャは、迅速かつ経済的に回復され得る。
シリコンライナのテクスチャ化は、約５〜１０マイクロメートルの材料を除去する。シリコンライナは０．５〜３ミリメートル（テクスチャ化により除去された材料の深さよりも数百倍厚い）であり得、取り替える必要が生じるまで、ライナは何度でも再調整（すなわち、再度テクスチャ化）され得る。従って、シリコンライナは、使用寿命の終りに達するまで複数の予防的メンテナンスサイクルを受け得る。
本開示は、本明細書において説明される特定の複数の実施形態により範囲を限定されるものではない。実際に、本開示の他の様々な実施形態および変更形態は、本明細書において説明されるものに加えて、前述の説明および添付の図面から当業者には明らかになるであろう。従って、そのような複数の他の実施形態および変更形態は、本開示の範囲に包含されることが意図される。更に、本開示は特定の目的のための特定の環境における特定の実装という状況で本明細書において説明されてきたが、本開示の有用性はそれに限定されるものではなく、本開示は任意の数の目的のために任意の数の環境で有益に実装され得ることを当業者は理解するであろう。従って、以下の特許請求の範囲は、本明細書において説明される本開示の全範囲および趣旨を考慮して解釈されるべきである。

Claims (7)

  1. イオン注入システムであって
    イオン源と、
    基板が配置される処理チャンバと、
    前記イオン注入システム内に配置されたシリコンライナとを備え、
    前記シリコンライナの表面は、テクスチャ化され、
    前記シリコンライナは、電気的にバイアスされた表面に配置され、
    前記シリコンライナは、バルク抵抗を低減するようにドープされる、
    イオン注入システム。
  2. 前記シリコンライナは、重イオンビーム衝突に曝露される前記システムの領域に配置される、請求項１に記載のイオン注入システム。
  3. 質量分析器内に位置する案内管を更に備え、
    前記シリコンライナは、前記質量分析器の前記案内管内に配置される、請求項１または２に記載のイオン注入システム。
  4. 集束素子を更に備え、
    前記シリコンライナは、前記集束素子上に配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン注入システム。
  5. 前記処理チャンバに近接して配置された加速または減速電極アセンブリを更に備え、
    前記シリコンライナは、前記加速または減速電極アセンブリ上に配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン注入システム。
  6. 前記シリコンライナのテクスチャ化された前記表面は、２０マイクロメートル未満の高さを有する複数のマイクロピラミッドを含む、請求項１に記載のイオン注入システム。
  7. 前記シリコンライナのテクスチャ化された前記表面は、化学的に処理された表面を含む、請求項１に記載のイオン注入システム。
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