[发明专利]多喷嘴气体团簇离子束系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用气体团簇离子束(GCIB)来辐射衬底的具有多喷嘴的系统，以及一种使用此多喷嘴GCIB系统来辐射衬底以在衬底上掺杂、生长、沉积、或改性层的方法。

背景技术

气体团簇离子束(GCIB)用于在衬底上掺杂、蚀刻、清洁、平滑、以及生长或沉积层。为了此讨论的目的，气体团簇是在标准温度与压力条件下为气态的材料的纳米尺寸的聚集体。此种气体团簇可由包括数个到数千个或更多的分子的聚集体所组成，这些聚集体松散地结合在一起。气体团簇通过电子轰击而离子化，此允许气体团簇形成可控制能量的引导束。此种团簇离子的每一个通常携带正电荷，该正电荷由电荷的数值与表示团簇离子的电荷状态的大于或等于一的整数的乘积给定。较大尺寸的团簇离子通常最为有用，因为其每个团簇离子携带大量能量的能力，而每个单独分子仅具有适度能量。离子团簇在与衬底撞击时产生崩解。特定崩解的离子团簇中的每一个单独分子仅携带总团簇能量的一小部分。因此，大离子团簇的撞击效果是显著的，但受限于极浅的表面区域。这使气体团簇离子对多种表面修改处理是有效的，但不具有产生较深的次表面损伤的倾向，该倾向是常规离子束处理的特征。

常规的团簇离子源产生具有每一团簇中存在可达到数千个分子的分子数目的宽尺寸分布尺度的团簇离子。原子的团簇可通过在高压气体从喷嘴进入真空而产生绝热膨胀期间，单个气体原子(或分子)的冷凝而形成。具有小孔的气体分离器(gas skimmer)除去与膨胀气体流的核心偏离的流，以产生团簇的准直束。具有各种尺寸的中性团簇通过弱原子间力(称为范德华力)而产生并且固定在一起。此方法已用于从例如氦、氖、氩、氪、氙、氮、氧、二氧化碳、六氟化硫、一氧化氮、一氧化二氮、以及这些气体的混合物的多种气体产生团簇的束。数个用于以工业规模进行的衬底的GCIB处理的新兴应用是在半导体领域方面。虽然衬底的GCIB处理是使用多种气体团簇来源气体(其中许多为惰性气体)加以执行，但许多半导体处理应用可使用反应性来源气体(有时与惰性气体或稀有气体结合或混合)，以形成GCIB。某种气体或气体组合会因为其反应性而是不相容的，因此存在对克服不相容问题的GCIB系统的需求。

发明内容

本发明涉及一种使用气体团簇离子束(GCIB)来辐射衬底的具有多喷嘴的组件与系统，以及使用多喷嘴GCIB系统来辐射衬底以在衬底上掺杂、生长、沉积、或改性层的相关方法。

根据一个实施方案，提供一种用于使用在GCIB系统中的喷嘴与分离器组件。此组件包括多喷嘴、单一气体分离器以及分别与第一喷嘴子组和第二喷嘴子组流体连通的第一气体供应器(gas supply)与第二气体供应器。第一气体供应器与第二气体供应器被配置成将不同的气体混合物输送至各第一喷嘴子组和第二喷嘴子组。多喷嘴以相互紧靠的方式被设置，以将自其所喷射的气体团簇束至少部分地合并成单一气体团簇束并且将此束引导到气体分离器内。根据进一步的实施方案，提供一种GCIB系统，其包括此喷嘴与分离器组件、离子化器以及衬底载台。

根据另一个实施方案，提供一种用于使用在GCIB系统中的喷嘴与分离器组件，此组件包括多喷嘴、单一气体分离器以及与此喷嘴流体连通的至少一个气体供应器。此喷嘴被倾斜以使每一束轴朝向单一相交点而会合，以形成一组相交的气体团簇束，并且将此束引导到气体分离器内。此至少一个气体供应器包括：第一气体供应器，其与第一喷嘴子组流体连通以对其供应第一气体混合物，和任选地，第二气体供应器，用于供应第二气体混合物，其中第二喷嘴子组被配置成接纳第一气体混合物或第二气体混合物。根据进一步的实施方案，提供一种GCIB系统，其包括此喷嘴与分离器组件、离子化器和衬底载台。