等離子休輔助摻雜的制作方法

專利名稱：等離子休輔助摻雜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體輔助摻雜的方法和裝置，尤其涉及在等離子體催化劑存在的情況下使用電磁輻射激發(fā)的等離子體摻雜一種或多種襯底。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的摻雜工藝通常是將一種雜質(zhì)材料(如，摻雜劑)引到半導(dǎo)體襯底的表面上。這種摻雜材料通常被沉積或注入到襯底的表面，然后，通過通常被稱為“驅(qū)入擴散”的工藝使其在襯底中擴散預(yù)定深度。根據(jù)使用的摻雜材料的種類，可以將摻雜襯底制成n-型(使用施主雜質(zhì))或p-型(使用受主雜質(zhì))。
在某些情況下，摻雜材料的注入，如通過離子束注入，可能會不希望地破壞半導(dǎo)體襯底表面區(qū)域中的晶體結(jié)構(gòu)。相反我們希望襯底表面上沉積一薄層(幾埃)摻雜材料，然后加熱襯底使摻雜材料擴散。這種加熱工藝要求在高溫的爐子中將整個襯底加熱固定長的時間。但是，因為半導(dǎo)體裝置的尺寸越來越小，因此就需要適應(yīng)性更強的替代物，以達到理想的襯底摻雜，不會因為注入或高溫體加熱和擴散處理對襯底造成潛在的破壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于等離子體輔助摻雜的方法和裝置。在一實施例中，在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到一定量的電磁輻射、在等離子體中加入至少一種摻雜劑、允許至少一種摻雜劑在一段浸入時期內(nèi)浸入襯底的表面以下，可以在腔中形成催化的摻雜等離子體。
在本發(fā)明的實施例中，摻雜方法可以包括使含有摻雜材料的氣體流入處理腔(如，多模腔)，以及在包括至少是半導(dǎo)電的材料的至少一種惰性等離子體催化劑存在的情況下，通過使腔中的氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射來激發(fā)等離子體。
在另一實施例中，提供了一種用于摻雜襯底的等離子體輔助摻雜系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括在其中形成有腔的容器，與所述腔相連的電磁輻射源從而在摻雜過程中電磁輻射源可以將電磁輻射引入所述腔，與所述腔連接的氣源從而在摻雜過程中運送摻雜材料的氣體可以流入所述腔，以及在所述輻射中存在的至少一種等離子體催化劑(如在腔中或在腔附近)。
本發(fā)明還提供了用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的等離子體催化劑。根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可以是惰性的或活性的。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括通過使局部電場(例如電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需施加附加的能量?；钚缘入x子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量以使該氣態(tài)原子或分子失去至少一個電子的任何粒子或高能波包。在惰性和活性這兩種情況下，等離子體催化劑可以改善或放寬激發(fā)涂層等離子體所需的環(huán)境條件。
本發(fā)明還提供了用于摻雜襯底的用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的其它等離子體催化劑、方法和裝置。


本發(fā)明的其它特征將通過下面結(jié)合附圖的詳細描述變得明顯，其中相同的標(biāo)號表示相同的部件，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助摻雜系統(tǒng)的示意圖；圖1A表示根據(jù)本發(fā)明的部分等離子體輔助摻雜系統(tǒng)的實施例，該系統(tǒng)通過向等離子體腔加入粉末等離子體催化劑來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持腔中的等離子體；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的至少一種成分沿其長度方向具有濃度梯度；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的多種成分沿其長度按比率變化；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的另一個等離子體催化劑纖維，該纖維包括內(nèi)層核芯和涂層；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的圖4所示的等離子體催化劑纖維沿圖4的線5-5的截面圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的另一個部分的實施例，該等離子體系統(tǒng)包括延伸通過激發(fā)口的伸長型等離子體催化劑；圖7表示根據(jù)本發(fā)明在圖6的系統(tǒng)中使用的伸長型等離子體催化劑的
具體實施例方式
本發(fā)明涉及用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的方法和裝置，用于各種摻雜應(yīng)用，包括例如摻雜半導(dǎo)體和其它材料。因此，本發(fā)明可以用于可控等離子體輔助摻雜，其能夠降低能耗并提高摻雜多功能性和生產(chǎn)靈活性。
根據(jù)本發(fā)明的一種摻雜方法可以包括向腔內(nèi)加入氣體、等離子體催化劑和電磁輻射，用于催化的摻雜等離子體。在此所用的用于摻雜一個或多個物體的具有等離子體催化劑的等離子體是一種“催化的摻雜等離子體”或者簡稱“摻雜等離子體”。
催化劑可以是惰性或者活性的。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括通過使局部電場(例如電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，如施加電壓引起瞬間放電。另一方面，活性等離子體催化劑可以是任何粒子或高能波包，其能夠在電磁輻射存在的情況下向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量以使該氣態(tài)原子或分子失去至少一個電子。
在此引入下列共同擁有并同時申請的美國專利申請的全部內(nèi)容作為參考美國專利申請No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0008)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0009)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0011)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0012)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0013)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0015)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0016)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0017)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0021)，
No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0023)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0024)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0027)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0033)。
等離子體系統(tǒng)的說明圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面的等離子體輔助摻雜系統(tǒng)10。在該實施例中，在位于電磁輻射腔(即輻射器(applicator))14內(nèi)部的容器中形成腔12。在另一個實施例中(未示出)，容器12和電磁輻射腔14是同一個，從而不需要兩個獨立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一個或多個電磁輻射透射隔板，以改善其熱絕緣性能使腔12無需顯著地屏蔽電磁輻射。
在一個實施例中，腔12在由陶瓷制成的容器內(nèi)形成。由于根據(jù)本發(fā)明的等離子體可以達到非常高的溫度，處理的溫度上限只受用來制造容器的陶瓷的熔點限制。例如在一個實驗中，所用的材料(例如陶瓷)能夠承受大約3000華氏度。例如，陶瓷材料可以包括重量百分比為29.8％的硅，68.2％的鋁，0.4％的氧化鐵，1％的鈦，0.1％的氧化鈣，0.1％的氧化鎂，0.4％的堿金屬，該陶瓷材料為Model No.LW-30，由Pennsylvania，NewCastle的New Castle Refractories公司出售。然而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知，根據(jù)本發(fā)明也可以使用其它材料，例如石英以及那些與上述陶瓷材料不同的材料(如那些具有較高或較低熔化溫度的材料)。
在一個成功的實驗中，等離子體形成在部分開口的腔中，該腔在第一磚狀物內(nèi)并以第二磚狀物封頂。腔的尺寸為約2英寸×約2英寸×約1.5英寸。在磚狀物中至少具有兩個與腔連通的孔一個用來觀察等離子體，并且至少一個用來供給氣體。腔的尺寸取決于需要進行的等離子體處理。此外，腔至少應(yīng)該設(shè)置成能夠防止等離子體上升/漂移從而離開主要處理區(qū)，即使等離子體可能沒有接觸到襯底。
腔12可以通過管線20和控制閥22與一個或多個氣體源24(例如氬氣、氮氣、氫氣、氙氣、氪氣等氣體源)相連，由電源28提供能量。管線20可以是管狀(例如在大約1/16英寸和大約1/4英寸之間，如大約1/8英寸)，但也可以是能夠供氣的任何裝置。而且，如果需要，真空泵可以與腔相連來抽走在等離子體處理中產(chǎn)生的任何不需要的氣體。
一個輻射泄漏探測器(未示出)安裝在源26和波導(dǎo)管30附近，并與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)相連，如果檢測到泄漏量超過預(yù)定安全值時，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)規(guī)定的值，就自動關(guān)閉電磁幅射電源。
由電源28提供能量的電磁輻射源26通過一個或多個波導(dǎo)管30將電磁輻射引入腔14。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解電磁輻射源26可以直接連到腔14或腔12，從而取消波導(dǎo)管30。進入腔14或腔12的電磁輻射可以用來激發(fā)腔內(nèi)的等離子體。通過將附加的電磁輻射與催化劑相結(jié)合可以充分調(diào)節(jié)或維持該催化的等離子體并將其限制在腔內(nèi)。
通過循環(huán)器32和調(diào)諧器34(例如，3通短線(3-stub)調(diào)諧器)提供電磁輻射。調(diào)諧器34用來使作為改變激發(fā)或處理條件的函數(shù)的反射能減至最少，特別是在催化的等離子體形成之前，因為電磁輻射將被等離子體強烈吸收。
如下面更詳細的說明，如果腔14支持多模，尤其當(dāng)這些?？沙掷m(xù)或周期性地混合時，腔14內(nèi)的電磁輻射透射腔12的位置并不重要。并如下面更詳細的說明，馬達36可以與模混合器38相連，使時間平均的電磁輻射能量分布在腔14內(nèi)大致均勻。而且，窗口40(例如石英窗)可以設(shè)置在鄰近腔12的腔14的一個壁上，使能用溫度傳感器42(例如光學(xué)高溫計)來觀察腔12內(nèi)的處理。在一個實施例中，光學(xué)高溫計輸出值可以在溫度升高時從0伏增加到追蹤范圍值之內(nèi)。高溫計可以用于探測兩個或多個波長的輻射強度，并使用普朗克定律擬合這些強度值來測定工件溫度。高溫計也能通過監(jiān)測在兩個不連續(xù)躍遷中輻射強度激發(fā)態(tài)數(shù)量分布來建立存在于等離子體中物體的溫度。
傳感器42能夠產(chǎn)生作為腔12中相關(guān)工件(未示出)的溫度或者任意其它可監(jiān)測的條件的函數(shù)的輸出信號，并將該信號供給控制器44。也可采用雙重溫度感應(yīng)和加熱，以及自動冷卻速度和氣流控制。該控制器44又用來控制電源28的運行，其具有一個與上述電磁輻射源26相連的輸出端和另一個與控制氣流進入腔12的閥22相連的輸出端。
盡管可以使用任何小于約333GHz頻率的輻射，本發(fā)明采用由通訊和能源工業(yè)(CPI)提供的915MHz和2.45GHz電磁輻射源。2.45GHz系統(tǒng)持續(xù)提供從大約0.5千瓦到大約5.0千瓦的可變電磁輻射能。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在摻雜期間的電磁輻射能量密度可以在大約0.05W/cm3和大約100W/cm3之間，例如，大約在2.5W/cm3。3通短線調(diào)諧器使得阻抗與最大能量傳遞相匹配，并且采用了測量入射和反射能量的雙向連接器。還采用了光學(xué)高溫計來遙感工件溫度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明可以使用任何小于大約333GHz頻率的輻射。例如，可采用諸如能量線頻率(大約50Hz至60Hz)這樣的頻率，盡管形成等離子體的氣體壓力可能降低以便有助于等離子體激發(fā)。此外，根據(jù)本發(fā)明，任何無線電頻率或微波頻率可以使用包括大于約100kHz的頻率。在大多數(shù)情況下，用于這些相對高頻的氣體壓力不需要為了激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體而降低，因而在大氣壓和大氣壓之上能夠?qū)崿F(xiàn)多種等離子體處理。
該裝置用采用LabVIEW6i軟件的計算機控制，它能提供實時溫度監(jiān)測和電磁輻射能量控制。LabVIEW圖形開發(fā)環(huán)境用于自動獲取數(shù)據(jù)、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示。LabVIEW來自于Austin，Texas的國家儀器公司(National Instruments Corporation)。
通過利用適當(dāng)數(shù)量數(shù)據(jù)點的平均值平滑處理來降低噪音。并且，為了提高速度和計算效率，在緩沖區(qū)陣列中儲存的數(shù)據(jù)點數(shù)目用移位寄存器和緩存區(qū)大小調(diào)整來限制。高溫計測量大約1cm2的敏感區(qū)域溫度，用于計算平均溫度。高溫計用于探測兩個波長的輻射強度，并利用普朗克定律擬合這些強度值以測定溫度。然而，應(yīng)知道也存在并可使用符合本發(fā)明的用于監(jiān)測和控制溫度的其它裝置和方法。例如，在共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿，＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中說明了根據(jù)本發(fā)明可以使用的控制軟件，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。
腔14具有幾個具有電磁輻射屏蔽的玻璃蓋觀察口和一個用于插入高溫計的石英窗。盡管不是必須使用，還具有幾個與真空泵和氣體源相連的口。
系統(tǒng)10還包括一個帶有用自來水冷卻的外部熱交換器的封閉循環(huán)去離子水冷卻系統(tǒng)(未示出)。在操作中，去離子水先冷卻磁電管，接著冷卻循環(huán)器(用于保護磁電管)中的裝卸處，最后流過焊接在腔的外表面上的水通道冷卻電磁輻射腔。
等離子體催化劑如前面所述，根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可包括一種或多種不同的物質(zhì)并且可以是惰性或者活性的。在氣體壓力低于、等于或大于大氣壓力的情況下，等離子體催化劑可以在其它物質(zhì)中激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持摻雜等離子體。也可以用來將腔材料引入等離子體中。
根據(jù)本發(fā)明的一種形成等離子體的方法可包括使腔內(nèi)氣體在惰性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑包括通過使根據(jù)本發(fā)明的局部電場(例如電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，例如通過施加電壓引起瞬間放電。
本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以是納米粒子或納米管。這里所使用的術(shù)語“納米粒子”包括最大物理尺寸小于約100nm的至少是半導(dǎo)電的任何粒子。并且，摻雜和不摻雜的、單層壁和多層壁的碳納米管由于它們異常的導(dǎo)電性和伸長形狀對本發(fā)明的激發(fā)等離子體尤其有效。該納米管可以有任意合適的長度并且能夠以粉末狀固定在基板上。如果固定的話，當(dāng)?shù)入x子體激發(fā)或維持時，該納米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些預(yù)定方向)。
本發(fā)明的惰性等離子體也可以是粉末，而不必制成納米粒子或納米管。例如它可以形成為纖維、粉塵粒子、薄片、薄板等。在粉末態(tài)時，催化劑可以至少暫時地懸浮于氣體中。如果需要的話，通過將粉末懸浮于氣體中，粉末就可以迅速分散到整個腔并且更容易被消耗。
在一個實施例中，粉末催化劑可以加載到腔內(nèi)并至少暫時地懸浮于載氣中。載氣可以與形成摻雜等離子體的氣體相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入氣體中。例如，如圖1A所示，電磁輻射源52可以對設(shè)置有等離子體腔60的電磁輻射腔55施加輻射。粉末源65將催化劑粉末70供給氣流75。在一個可選實施例中，粉末70可以先以大塊(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意種方式分布在腔內(nèi)，包括氣體流動穿過或越過該塊狀粉末。此外，可以通過移動、搬運、撒下、噴灑、吹或以其它方式將粉末送入或分布于腔內(nèi)，將粉末加到氣體中用來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持摻雜等離子體。
在一個實驗中，通過在伸入腔的銅管中設(shè)置一堆碳纖維粉末來使摻雜等離子體在腔內(nèi)激發(fā)。盡管有足夠的電磁(微波)輻射被引入腔內(nèi)，銅管屏蔽粉末受到的輻射而不發(fā)生等離子體激發(fā)。然而，一旦載氣開始流入銅管，促使粉末流出銅管并進入腔內(nèi)，從而使粉末受到電磁輻射，腔內(nèi)等離子體幾乎瞬間激發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的粉末催化劑基本上是不燃的，這樣它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情況下燃燒。如上所述，該催化劑可以包括金屬、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合物納米復(fù)合物、有機無機復(fù)合物和其任意組合。
而且，粉末催化劑可以在等離子體腔內(nèi)基本均勻的分布(例如懸浮于氣體中)，并且等離子體激發(fā)可以在腔內(nèi)精確地控制。均勻激發(fā)在一些應(yīng)用中是很重要的，包括在要求等離子體暴露時間短暫的應(yīng)用中，例如以一個或多個爆發(fā)的形式。還需要有一定的時間來使粉末催化劑本身均勻分布在整個腔內(nèi)，尤其在復(fù)雜的多腔的腔內(nèi)。因而，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，粉末等離子體可以通過多個激發(fā)口引入腔內(nèi)以便在其中更快地形成更均勻的催化劑分布(如下)。
除了粉末，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括，例如，一個或多個微觀或宏觀的纖維、薄片、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須或其任意混合物。在這些情況下，等離子體催化劑可以至少具有一部分，該部分的一個物理尺寸基本上大于另一個物理尺寸。例如，在至少兩個垂直尺寸之間的比率至少為約1∶2，也可大于約1∶5或者甚至大于約1∶10。
因此，惰性等離子體催化劑可以包括至少一部分與其長度相比相對細的材料。也可以使用催化劑束(例如纖維)，其包括例如一段石墨帶。在一個實驗中，成功使用了一段具有大約三萬股石墨纖維的、每股直徑約為2-3微米的帶。內(nèi)部纖維數(shù)量和束長對激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體來說并不重要。例如，用大約1/4英寸長的一段石墨帶得到滿意的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明成功使用了一種碳纖維是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商標(biāo)為Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，還成功地使用了碳化硅纖維。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面的惰性等離子體催化劑可以包括一個或多個如基本為球形、環(huán)形、錐形、立方體、平面體、圓柱形、矩形或伸長形的部分。
上述惰性等離子體催化劑包括至少一種至少是半導(dǎo)電的材料。在一個實施例中，該材料具有強導(dǎo)電性。例如，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物、有機無機復(fù)合物或其任意組合?？梢园ㄔ诘入x子體催化劑中的一些可能的無機材料包括碳、碳化硅、鉬、鉑、鉭、鎢、氮化碳和鋁，雖然相信也可以使用其它導(dǎo)電無機材料。
除了一種或多種導(dǎo)電材料以外，本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括一種或多種添加劑(不要求導(dǎo)電性)。如這里所用的，該添加劑可以包括使用者想要加入等離子體的任何材料。例如，如下面更詳細的說明，可以通過催化劑將一種或多種摻雜劑加入等離子體，用于摻雜半導(dǎo)體和其它材料。催化劑可以包括摻雜劑本身或者，它可以包括分解后能產(chǎn)生摻雜劑的前體材料。因此，根據(jù)最終期望的等離子體復(fù)合物和使用等離子體處理，等離子體催化劑可以以任意期望的比率包括一種或多種添加劑和一種或多種導(dǎo)電材料。
惰性等離子體催化劑中的導(dǎo)電成分與添加劑的比率隨著其被消耗的時間變化。例如，在激發(fā)期間，等離子體催化劑可以要求包括較大百分比的導(dǎo)電成分來改善激發(fā)條件。另一方面，如果在維持摻雜等離子體時使用，催化劑可以包括較大百分比的添加劑或摻雜材料。本領(lǐng)域普的通技術(shù)人員可知用于激發(fā)和維持等離子體的等離子體催化劑的成分比率可以是相同的，并且該比率可以被制定為形成任意需要的摻雜成分。
預(yù)定的比率分布可以用于簡化許多等離子體輔助摻雜處理。在許多常規(guī)的處理中，等離子體中的成分是根據(jù)需要來增加的，但是這樣的增加一般要求可編程裝置根據(jù)預(yù)定計劃來添加成分。然而，根據(jù)本發(fā)明，催化劑中的成分比率是可變的，因而等離子體本身的成分比率可以自動變化。這就是說，在任一特定時間等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前被等離子體消耗的催化劑部分。因此，在催化劑內(nèi)的不同位置的催化劑成分比率可以不同。并且，當(dāng)前等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前和/或在消耗前的催化劑部分，尤其在流過等離子體腔內(nèi)的氣體流速較慢時。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以是均勻的、不均勻的或漸變的。而且，整個催化劑中等離子體催化劑成分比率可以連續(xù)或者不連續(xù)改變。例如在圖2中，比率可以平穩(wěn)改變形成沿催化劑100長度方向的梯度。催化劑100可包括一股在段105含有較低濃度成分并向段110連續(xù)增大濃度的材料。
可選擇地，如圖3所示，在催化劑120的每一部分比率可以不連續(xù)變化，例如包括濃度不同的交替段125和130。應(yīng)該知道催化劑120可以具有多于兩段的形式。因此，被等離子體消耗的催化劑成分比率可以以任意預(yù)定的形式改變。在一個實施例中，當(dāng)?shù)入x子體被監(jiān)測并且已檢測到特殊的添加劑時，可以自動開始或結(jié)束進一步的處理。
改變被維持的等離子體中的成分比率的另一種方法是通過在不同時間以不同速率引入具有不同成分比率的多種催化劑。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多種催化劑。在不同位置引入時，在腔內(nèi)形成的等離子體會有由不同催化劑位置決定的成分濃度梯度。因此，自動化系統(tǒng)可包括用于在等離子體激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持以前和/或期間機械插入可消耗等離子體催化劑的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以被涂覆。在一個實施例中，催化劑可以包括沉積在基本導(dǎo)電材料表面的基本不導(dǎo)電涂層?；蛘撸呋瘎┛砂ǔ练e在基本不導(dǎo)電材料表面的基本導(dǎo)電涂層。例如圖4和5表示了包括內(nèi)層145和涂層150的纖維140。在一個實施例中，為了防止碳的氧化，等離子體催化劑包括涂覆鎳的碳芯。
一種等離子體催化劑也可以包括多層涂層。如果涂層在接觸等離子體期間被消耗，該涂層可以從外涂層到最里面的涂層連續(xù)引入等離子體，從而形成限時釋放(time-release)機制。因此，涂覆等離子體催化劑可以包括任意數(shù)量的材料，只要部分催化劑至少是半導(dǎo)電的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，為了基本上減少或防止電磁輻射能泄漏，等離子體催化劑可以完全位于電磁輻射腔內(nèi)。這樣，等離子體催化劑不會電或磁連接于包括腔的容器、或腔外的任何導(dǎo)電物體。這可以防止在激發(fā)口的瞬間放電，并防止在激發(fā)期間和如果等離子體被維持可能在隨后電磁輻射泄漏出腔。在一個實施例中，催化劑可以位于伸入激發(fā)口的基本不導(dǎo)電的延伸物末端。
例如，圖6表示在其中可以設(shè)置有等離子體腔165的電磁輻射腔160。等離子體催化劑170可以延長并伸入激發(fā)口175。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的催化劑170可包括導(dǎo)電的末梢部分180(設(shè)置于腔160內(nèi))和不導(dǎo)電部分185(基本上設(shè)置于腔160外)。該結(jié)構(gòu)防止了末梢部分180和腔160之間的電氣連接(例如瞬間放電)。
在如圖8所示的另一個實施例中，催化劑由多個導(dǎo)電片段190形成，所述多個導(dǎo)電片段190被多個不導(dǎo)電片段195隔開并與之機械相連。在這個實施例中，催化劑能延伸通過在腔中的一個點和腔外的另一個點之間的激發(fā)口，但是其電氣不連續(xù)的分布有效地防止了產(chǎn)生瞬間放電和能量泄漏。
根據(jù)本發(fā)明的形成摻雜等離子體的另一種方法包括使腔內(nèi)氣體在活性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射，產(chǎn)生或包括至少一個電離粒子。
根據(jù)本發(fā)明的活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量來使氣態(tài)原子或分子失去至少一個電子的任何粒子或者高能波包。利用源，電離粒子可以以聚焦或準(zhǔn)直射束的形式直接引入腔，或者它們可以被噴射、噴出、濺射或者其它方式引入。
例如，圖9表示電磁輻射源200將輻射引入電磁輻射腔205。等離子體腔210可以設(shè)置于腔205內(nèi)并允許氣體流過口215和216。源220可以將電離粒子225引入腔210。源220可以用電離粒子可以穿過的金屬屏蔽來保護，但也屏蔽了對源220的電磁輻射。如果需要，源220可以水冷。
根據(jù)本發(fā)明的電離粒子的實例可包括x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質(zhì)子及其任意組合。因此，電離粒子催化劑可以是帶電荷(例如來自離子源的離子)或者不帶電荷并且可以是放射性裂變過程的產(chǎn)物。在一個實施例中，在其中形成有等離子體腔的容器可以全部或部分地透過電離粒子催化劑。因此，當(dāng)放射性裂變源位于腔外時，該源可以引導(dǎo)裂變產(chǎn)物穿過容器來激發(fā)等離子體。為了基本防止裂變產(chǎn)物(如電離粒子催化劑)引起安全危害，放射性裂變源可以位于電磁輻射腔內(nèi)。
在另一個實施例中，電離粒子可以是自由電子，但它不必是在放射性衰變過程中發(fā)射。例如，電子可以通過激發(fā)電子源(如金屬)來引入腔內(nèi)，這樣電子有足夠的能量從該源中逸出。電子源可以位于腔內(nèi)、鄰近腔或者甚至在腔壁上。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知可用任意組合的電子源。產(chǎn)生電子的常用方法是加熱金屬，并且這些電子通過施加電場能進一步加速。
除電子以外，自由能質(zhì)子也能用于催化等離子體。在一個實施例中，自由質(zhì)子可通過電離氫產(chǎn)生，并且選擇性地由電場加速。
多模電磁輻射腔電磁輻射波導(dǎo)管、腔和室被設(shè)置成支持或便于至少一種電磁輻射模的傳播。如這里所使用，術(shù)語“模”表示滿足Maxwell方程和可應(yīng)用的邊界條件(如腔的)的任何停滯或傳播的電磁波的特殊形式。在波導(dǎo)管或腔內(nèi)，該模可以是傳播或停滯電磁場的各種可能形式中的任何一種。每種模由其電場和/或磁場矢量的頻率和極化表征。模的電磁場形式依賴于頻率、折射率或介電常數(shù)以及波導(dǎo)管或腔的幾何形狀。
橫電(TE)模是電場矢量垂直于傳播方向的模。類似地，橫磁(TM)模是磁場矢量垂直于傳播方向的模。橫電磁(TEM)模是電場和磁場矢量均垂直于傳播方向的模。中空金屬波導(dǎo)管一般不支持電磁輻射傳播的標(biāo)準(zhǔn)TEM模。盡管電磁輻射似乎沿著波導(dǎo)管的長度方向傳播，它之所以這樣只是通過波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。因此，根據(jù)傳播模，電磁輻射沿著波導(dǎo)管軸線(通常指z軸)具有一些電場成分或者一些磁場成分。
在腔或者波導(dǎo)管中的實際場分布是其中模的疊加。每種?？梢杂靡粋€或多個下標(biāo)(如TE10(“Tee ee one zero”))表示。下標(biāo)一般說明在x和y方向上含有多少在導(dǎo)管波長的“半波”。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知波導(dǎo)管波長與自由空間的波長不同，因為波導(dǎo)管內(nèi)的電磁輻射傳播是通過波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。在一些情況下，可以增加第三下標(biāo)來定義沿著z軸在駐波形式中的半波數(shù)量。
對于給定的電磁輻射頻率，波導(dǎo)管的尺寸可選擇得足夠小以便它能支持一種傳播模。在這種情況下，系統(tǒng)被稱為單模系統(tǒng)(如單模輻射器)。在矩形單模波導(dǎo)管中TE10模通常占主導(dǎo)。
隨著波導(dǎo)管(或波導(dǎo)管所連接的腔)的尺寸增加，波導(dǎo)管或輻射器有時能支持附加的高階模，形成多模系統(tǒng)。當(dāng)能夠同時支持多個模時，系統(tǒng)往往表示為被高度模化(highly moded)。
一個簡單的單模系統(tǒng)具有包括至少一個最大和/或最小的場分布。最大的量級很大程度上依賴于施加于系統(tǒng)的電磁輻射的量。因此，單模系統(tǒng)的場分布是劇烈變化和基本上不均勻的。
與單模腔不同，多模腔可以同時支持幾個傳播模，在疊加時其形成混合場分布形式。在這種形式中，場在空間上變得模糊，并因此場分布通常不顯示出腔內(nèi)最小和最大場值的相同強度類型。此外，如下的詳細說明，可以用一個?；旌掀鱽怼盎旌稀被颉爸匦路植肌蹦?如利用電磁輻射反射器的機械運動)。這種重新分布有望提供腔內(nèi)更均勻的時間平均場分布。
根據(jù)本發(fā)明的多模腔可以支持至少兩個模，并且可以支持多于兩個的多個模。每個模有最大電場矢量。雖然可以有兩個或多個模，但是只有一個模占主導(dǎo)并具有比其它模大的最大電場矢量量級。如這里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量級之間的比率小于約1∶10，或者小于約1∶5，或者甚至小于約1∶2。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知比率越小，模之間的電場能量越分散，從而使腔內(nèi)的電磁輻射能越分散。
腔內(nèi)摻雜等離子體的分布非常依賴于所施加的電磁輻射的分布。例如，在一個純單模系統(tǒng)中只可以有一個電場最大值的位置。因此，強等離子體只能在這一個位置產(chǎn)生。在許多應(yīng)用中，這樣一個強局部化的等離子體會不合需要的引起不均勻等離子體處理或加熱(即局部過熱和加熱不足)。
根據(jù)本發(fā)明無論使用單或多模腔來摻雜，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知在其中形成等離子體的腔可以完全封閉或者半封閉。然而，在其它應(yīng)用中，可能需要將氣體流過腔，從而腔必須一定程度地打開。這樣，流動氣體的流量、類型和壓力可以隨時間而改變。這是令人滿意的，因為具有較低電離勢的如氬氣的特定氣體更容易激發(fā)，但在隨后的等離子體處理中具有其它不需要的特征。
模混合在許多摻雜應(yīng)用中，需要腔內(nèi)包括均勻的等離子體。然而，由于電磁輻射可以有較長波長(如在微波輻射下有幾十厘米)，很難獲得均勻分布。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，多模腔內(nèi)的輻射模在在一段時間內(nèi)可以混合或重新分布。因為腔內(nèi)的場分布必須滿足由腔的內(nèi)表面設(shè)定的所有邊界條件，可以通過改變內(nèi)表面的任一部分的位置來改變這些場分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，可移動的反射表面位于電磁輻射腔內(nèi)。反射表面的形狀和移動在移動期間將聯(lián)合改變腔的內(nèi)表面。例如，一個“L”型金屬物體(即“?；旌掀鳌?在圍繞任意軸旋轉(zhuǎn)時將改變腔內(nèi)的反射表面的位置或方向，從而改變其中的電磁輻射分布。任何其它不對稱形狀的物體也可使用(在旋轉(zhuǎn)時)，但是對稱形狀的物體也能工作，只要相對移動(如旋轉(zhuǎn)、平移或兩者結(jié)合)引起反射表面的位置和方向上的一些變化。在一個實施例中，?；旌掀骺梢允菄@非圓柱體縱軸的軸旋轉(zhuǎn)的圓柱體。
多模腔中的每個模都具有至少一個最大電場矢量，但是每個矢量會周期性出現(xiàn)在腔內(nèi)。通常，假設(shè)電磁輻射的頻率不變，該最大值是固定的。然而，通過移動?；旌掀魇顾c電磁輻射相作用，就可能移動最大值的位置。例如，?；旌掀?8可用于優(yōu)化腔12內(nèi)的場分布以便于優(yōu)化等離子體激發(fā)條件和/或等離子體維持條件。因此，一旦激活等離子體，為了均勻的時間平均等離子體處理(如加熱)，可以改變?；旌掀鞯奈恢脕硪苿幼畲笾档奈恢?。
因此根據(jù)本發(fā)明，在摻雜等離子體激發(fā)期間可以使用?；旌稀＠纾?dāng)把導(dǎo)電纖維用作等離子體催化劑時，已經(jīng)知道纖維的方向能夠強烈影響最小等離子體激發(fā)條件。例如據(jù)報道說，當(dāng)這樣的纖維取向于與電場成大于60°的角度時，催化劑很少能改善或放松這些條件。然而通過移動反射表面進入或接近腔，電場分布能顯著地改變。
通過例如安裝在輻射器腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)管接頭將輻射射入輻射器腔，也能實現(xiàn)模混合。為了在輻射腔內(nèi)在不同方向上有效地發(fā)射輻射，該旋轉(zhuǎn)接頭可以機械地運動(如旋轉(zhuǎn))。結(jié)果，在輻射器腔內(nèi)可產(chǎn)生變化的場形式。
通過柔性波導(dǎo)管將輻射射入輻射腔，也能實現(xiàn)?；旌?。在一個實施例中，波導(dǎo)管可固定在腔內(nèi)。在另一個實施例中，波導(dǎo)管可伸入腔中。為了在不同方向和/或位置將輻射(如微波輻射)射入腔，該柔性波導(dǎo)管末端的位置可以以任何合適的方式連續(xù)或周期性移動(如彎曲)。這種移動也能引起模混合并有助于在時間平均基礎(chǔ)上更均勻的等離子體處理(如加熱)?？蛇x擇地，這種移動可用于優(yōu)化激發(fā)的等離子體的位置或者其它的等離子體輔助處理，例如摻雜。
如果柔性波導(dǎo)管是矩形的，例如，波導(dǎo)管的開口末端的簡單扭曲將使輻射器腔內(nèi)的輻射的電場和磁場矢量的方向旋轉(zhuǎn)。因而，波導(dǎo)管周期性的扭曲可引起?；旌弦约半妶龅男D(zhuǎn)，這可用于輔助激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體。
因此，即使催化劑的初始方向垂直于電場，電場矢量的重新定向能將無效方向變?yōu)楦行У姆较?。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知模混合可以是連續(xù)的、周期性的或預(yù)編程的。
除了等離子體激發(fā)以外，在隨后的等離子體處理例如摻雜期間模混合可用來減少或產(chǎn)生(如調(diào)整)腔內(nèi)的“熱點”。當(dāng)電磁輻射腔只支持少數(shù)模時(如少于5)，一個或多個局部電場最大值可產(chǎn)生“熱點”(如在腔12內(nèi))。在一個實施例中，這些熱點可設(shè)置成與一個或多個分開但同時的等離子體激發(fā)或摻雜處理相一致。因此，在一個實施例中，等離子體催化劑可放在一個或多個這些激發(fā)或摻雜位置上。
多位置等離子體激發(fā)可使用不同位置的多種等離子體催化劑來激發(fā)摻雜等離子體。在一個實施例中，可用多纖維在腔內(nèi)的不同點處激發(fā)等離子體。這種多點激發(fā)在要求均勻等離子體激發(fā)時尤其有益。例如，當(dāng)摻雜等離子體在高頻(即數(shù)十赫茲或更高)下調(diào)節(jié)，或在較大空間中激發(fā)，或兩者都有時，可以改善等離子體的基本均勻的瞬態(tài)撞擊和再撞擊?？蛇x地，當(dāng)在多個點使用等離子體催化劑時，可以通過將催化劑選擇性引入這些不同位置，使用等離子體催化劑在等離子體腔內(nèi)的不同位置連續(xù)激發(fā)等離子體。這樣，如果需要，在腔內(nèi)可以可控地形成等離子體激發(fā)梯度。
而且，在多模腔中，腔中多個位置的催化劑的隨機分布增加了如下可能性根據(jù)本發(fā)明的至少一種纖維或任何其它惰性等離子體催化劑優(yōu)化沿電力線取向。但是，即使催化劑沒有優(yōu)化取向(基本上沒有與電力線對準(zhǔn))，也改善了激發(fā)條件。
而且，由于催化劑粉末可以懸浮在氣體中，可認為具有每個粉末粒子具有位于腔內(nèi)不同物理位置的效果，從而改善了腔內(nèi)的激發(fā)均勻性。
雙腔等離子體激發(fā)/維持根據(jù)本發(fā)明的雙腔排列可用于激發(fā)和維持等離子體。在一個實施例中，如圖1B所示，系統(tǒng)包括至少互相流體連通的激發(fā)腔280和等離子體處理(例如摻雜)腔285。如圖1所示，腔280和285可設(shè)置在，例如電磁輻射腔(即輻射器)14內(nèi)。
為了形成激發(fā)等離子體，第一激發(fā)腔280中的氣體選擇性地在等離子體催化劑存在的情況下受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射。這樣，接近的第一和第二腔可使腔280中形成的等離子體600激發(fā)腔285中的等離子體610，其可用附加的電磁輻射來維持。例如，附加的腔290和295是可選擇的，并可以與腔285通過通道605保持流體連通。例如要被摻雜的物體比如襯底250，可以放在腔285、290或295的任意一個中，并且能被任意類型的支撐裝置比如支撐物260支撐，其在摻雜過程中選擇性地移動或旋轉(zhuǎn)襯底250。
在本發(fā)明的一個實施例中，腔280可以非常小并主要或只設(shè)置用于等離子體激發(fā)。這樣，只需很少的電磁輻射能來激發(fā)等離子體600，使激發(fā)更容易，尤其在使用根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑時。還應(yīng)知道用于本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的腔可以具有不定的尺寸，并且可使用摻雜控制器來控制腔的尺寸。
在一個實施例中，腔280基本上是單模腔，腔285是多模腔。當(dāng)腔280只支持單模時腔內(nèi)的電場分布會劇烈變化，形成一個或多個精確定位的電場最大值。該最大值一般是等離子體激發(fā)的第一位置，將其作為安放等離子體催化劑的理想點。然而應(yīng)該知道，當(dāng)?shù)入x子體催化劑用于激發(fā)等離子體600時，催化劑不需要設(shè)置在電場最大值之處，而且在大多數(shù)情況下，不需要取向于特定的方向。
摻雜方法和裝置的說明圖11-14表示根據(jù)本發(fā)明的用于摻雜襯底的方法和裝置的實施例。如上所述，圖10表示如何使用雙腔系統(tǒng)在一個腔內(nèi)激發(fā)等離子體，并在另一個腔內(nèi)形成摻雜等離子體。圖10也表示如何在需要時按順序增加附加的腔。
圖11表示利用催化的摻雜等離子體的等離子體輔助摻雜方法的流程圖。根據(jù)本發(fā)明，在等離子體催化劑存在的情況下在步驟650中形成等離子體，例如在催化劑存在的情況下通過使氣體受到電磁輻射。
在655步驟中，將至少一種摻雜材料加入等離子體，摻雜材料可以是最終摻雜劑的前體，或摻雜劑本身。例如，一些摻雜材料前體，如POCl3或PH3能夠以氣體、液體或固體如粉末的形式引入等離子體中，這些前體然后在等離子體中分解，留下P，以形成n型摻雜襯底，如上例所述。同樣，Al2O3能夠以粉末狀引入等離子體中并被等離子體分解，留下Al，以形成p型摻雜襯底。
此外，摻雜材料能夠以其最終形式引入等離子體。例如B，Al甚至液態(tài)Ga可引入等離子體以在襯底250中形成p型摻雜劑。同樣，N2或As可引入等離子體以在襯底中形成n型摻雜劑。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道上述的摻雜劑和前體不是唯一可能的摻雜劑和前體。其它可用于本發(fā)明的n型和p型摻雜劑和前體為Al、AsH2、AsH3、Cl2、Ga、Ge、H2S、P、PH3、PF6、SiF4、Si、Se、Te、Sb、B、Bi、C、Zn、BCl3、BF3、B11F3、B2H6。可以使用任何方便的載氣如Ar、H2、He、N2、O2等調(diào)節(jié)或維持等離子體。
接著，在步驟655中在等離子體中加入至少一種摻雜材料后，可以在步驟660將摻雜材料從等離子體運送到襯底表面。一旦將摻雜劑運送到襯底表面，在步驟665允許摻雜劑在一段時間內(nèi)浸入襯底的表面以下。在此使用的術(shù)語“浸入時間段”指摻雜劑能夠基本上浸入襯底所需的時間段。浸入可被大量停止，例如，如果襯底的溫度被充分降低。浸入時間段開始于步驟660中將摻雜材料從等離子體運送到襯底表面的同時。
在運送步驟660或浸入步驟665之后，在步驟670中將襯底從等離子體中移去。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該知道襯底可以為，例如半導(dǎo)體(例如，元素半導(dǎo)體如C、Ge、Si、α-Sn(灰錫)、P、Se、Te等或化合物半導(dǎo)體GaAs、GaP、GaN、InP、SiGe、SiC、GaAsP、GaAlAs、InGaAs、InGaP、ZnSe、ZnO、HgTe等)。另外，襯底可是絕緣材料，或在其上形成有半導(dǎo)體層的絕緣材料(如絕緣體上硅，“SOI”)?？傊?，摻雜材料可以是用來影響襯底中的電荷濃度和/或電子/空穴遷移率的任何材料。
圖12表示根據(jù)發(fā)明的另一個等離子體輔助摻雜裝置，此裝置可用于實現(xiàn)圖11所示的方法。在此裝置中，在等離子體催化劑存在的情況下，使用單腔來激發(fā)等離子體并摻雜襯底。在等離子體催化劑240存在的情況下，通過使氣體受到一定量的電磁輻射，在腔230內(nèi)形成摻雜等離子體615，從而摻雜襯底250的第一表面區(qū)域，其中可以將等離子體催化劑放在例如支撐物245上。此外，可以使用激光器500通過光學(xué)窗口505激發(fā)(例如蒸發(fā)、升華或者濺射)坩堝515內(nèi)的摻雜材料510。應(yīng)該理解，上述任何固體或液體(如暴露在激光器500下能蒸發(fā)、升華或者濺射的任意材料)可用作摻雜材料510。還應(yīng)該理解可以使用除激光器500之外的其它能源激發(fā)摻雜材料510，包括如粒子束、載氣等。
在一個實施例中，激光器500產(chǎn)生波長為約150nm至20μm的光束，雖然也可以使用其它便于得到的波長。激光器500也可是高峰值能量的脈沖激光束，它可以連續(xù)的、周期性的或者按預(yù)定程序的方式激發(fā)摻雜材料510。載氣如氬(未示出)或者任何如前所述的其它載氣可以將已激發(fā)(例如蒸發(fā))的摻雜材料引入等離子體615中，以在襯底250上形成摻雜材料層。應(yīng)當(dāng)理解可通過使用支撐物260(如轉(zhuǎn)盤)來移動(例如旋轉(zhuǎn))襯底250，從而可以增加摻雜層的均勻性。
這樣，通過利用激光器500激發(fā)摻雜材料510來增加使用等離子體催化劑240催化氣體形成的摻雜等離子體615的能量。應(yīng)該理解，盡管圖12示出了單腔系統(tǒng)，本發(fā)明也可使用兩個或多個腔，如圖10所示。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助摻雜系統(tǒng)可以包括一些把催化劑引入等離子體腔的電子或機械裝置。如在摻雜等離子體形成之前或期間，可以機械地插入纖維。還應(yīng)該理解也可以通過引入腔230中的火化塞、脈沖激光或者甚至是燃燒的火柴棒激發(fā)等離子體615，該過程可以在電磁輻射供給之前、期間或之后。
在摻雜過程中可將摻雜材料510與等離子體615分開，以更好地控制將材料引入等離子體。為此，可在坩鍋515中的含碳材料510和等離子體615之間放置一個或多個壁或屏(未示出)。也可使用其它屏蔽電磁輻射或者等離子體的方法。
等離子體615能夠吸收適量的電磁輻射能量以達到任何預(yù)定的溫度分布(如任何選擇的溫度)。腔中的氣壓可低于、等于或者大于大氣壓。至少將一種附加的摻雜材料(未示出)加入等離子體615，從而可在襯底250的表面上形成多組分或者多層摻雜。
圖13表示本發(fā)明的另一個實施例，其中摻雜過程發(fā)生在等離子體腔外。在這個例子中，腔292具有開口410，該開口可位于或者靠近腔292的底部以便防止等離子體620從腔292中逸出。然而應(yīng)當(dāng)理解開口410可位于腔292中的任何位置。襯底250可由支撐物260支撐，并可任意轉(zhuǎn)動或者隨著開口410移動。腔292中的等離子體620可包括一種或者多種摻雜材料，它可沉積在襯底250的表面上。
腔292中的等離子體620可被維持或者調(diào)節(jié)，襯底250可保持在任何希望的溫度，例如基本上低于等離子體620的溫度以增加摻雜材料的沉積率和粘合性。然后，通過使用等離子體620作為熱源或者任何其它外部熱源(未示出)進行摻雜材料的直入式擴散，從而形成摻雜區(qū)域252。使用等離子體620作為熱源的優(yōu)點是全部襯底無需加熱，這樣可以在襯底中已經(jīng)預(yù)制了其它熱敏部件的情況下進行直入式擴散。此外，支撐物260可通過外部裝置(如熱交換器)加熱或者冷卻以保持襯底250處于希望的溫度。例如，冷卻的流體(如氣體)可用于在摻雜過程之前、期間或者之后冷卻襯底250。
應(yīng)當(dāng)理解穿過開口410的摻雜材料可與腔292內(nèi)部或者外部的一種或者多種其它材料或氣體(未示出)相結(jié)合，以獲得任何希望的摻雜成分或摻雜分布。
雖然根據(jù)本發(fā)明在大氣壓下(比如使用調(diào)節(jié)的載氣流)，可激發(fā)、調(diào)節(jié)或者維持等離子體，但是在任何希望的氣壓下，包括低于、等于或者高于大氣壓的情況下，在襯底250上可沉積摻雜劑。進一步，如上所述，等離子體的壓力和溫度都可按要求調(diào)節(jié)。例如，使用一個系統(tǒng)(如圖10所示)可使技術(shù)人員在大氣壓下調(diào)節(jié)或維持腔285中的摻雜等離子體610，并在高于或者低于大氣壓時，在另一腔(如285，290或295)的襯底250上沉積摻雜劑。這種靈活性會是非常有用的，比如在大規(guī)模制造過程中圖14表示腔230的內(nèi)表面可以如何包括表面特征(如一種或多種形貌(topographical)特征)以在襯底250中形成摻雜區(qū)域的圖形。
例如，通過在導(dǎo)電襯底250的表面與腔230的內(nèi)表面之間提供足夠的空隙，在所述表面上的預(yù)定位置等離子體320可得到調(diào)節(jié)或者維持。例如，當(dāng)空隙至少是約λ/4(如低于表面320)時，這里λ是施加的電磁輻射的波長，可以形成摻雜等離子體320并在摻雜等離子體320附近沉積摻雜材料(未示出)。相反，當(dāng)空隙小于λ/4(低于表面300)時，則極少或者沒有形成等離子體，因此摻雜材料不會沉積。因而，可在等離子體附近選擇性地形成摻雜區(qū)域253，但是在等離子體被抑制的地方也被選擇性地抑制。應(yīng)當(dāng)理解圖14所示的圖形不是唯一可能的圖形。
雖然圖14示出了腔230的內(nèi)表面有突起或者凹陷的表面特征，但是應(yīng)當(dāng)理解這些特征也可以位于襯底250上，而腔230的內(nèi)表面則可以相對平坦或平滑。
因此，襯底250上的表面特征可在摻雜材料沉積期間有效地發(fā)揮掩膜的作用。這個“掩膜”可以是襯底本身，或者是光刻膠，例如在半導(dǎo)體工業(yè)中使用的類似物，或者任何用于改變摻雜材料沉積過程的幾何性質(zhì)的其它材料(如設(shè)計用于阻止在例如半導(dǎo)體器件中的源區(qū)和漏區(qū)附近摻雜的犧牲膜)。例如，掩膜可以是負性或正性光刻膠、沉積金屬、氧化物或者其它以永久或者臨時方式用于形成所要摻雜區(qū)的材料。
如上所述，使用催化的等離子體過程沉積摻雜材料的優(yōu)點是在摻雜過程期間，甚至是在腔處于相對高壓狀態(tài)時，可在襯底250上根據(jù)摻雜物質(zhì)的濃度和位置的變化產(chǎn)生高選擇性的生長率。
應(yīng)當(dāng)理解根據(jù)本發(fā)明也可以形成其它上述未討論的單元素或者多元素的摻雜材料。
在前述的實施例中，為了簡化說明，各種特征被集合在單個實施例中。這種公開方法不意味著本發(fā)明權(quán)利要求書要求了比每個權(quán)利要求中明確敘述的特征更多的特征。而是，如下列權(quán)利要求所述，創(chuàng)造性方面要比前述公開的單個實施例的全部特征少。因此，下列權(quán)利要求被加入到該具體實施方式
中，每個權(quán)利要求本身作為本發(fā)明的一個單獨的優(yōu)選實施例。
權(quán)利要求
1.一種使用等離子體催化劑摻雜襯底的方法，該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射，在第一腔中形成等離子體，其中在容器中形成所述腔；將至少一種摻雜劑加入所述等離子體；將所述摻雜劑從所述等離子體運送到所述襯底的第一表面；以及允許所述至少一種摻雜劑在一段浸入時間內(nèi)浸入所述襯底的所述第一表面以下進入所述襯底。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述等離子體催化劑是惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述等離子體催化劑是惰性催化劑并包括至少一種至少是半導(dǎo)電的材料。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述材料包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物和有機無機復(fù)合物中的至少一種。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述材料的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須及其任意組合中的至少一種。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述等離子體催化劑包括碳纖維。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述材料包括至少一種納米管。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述等離子體催化劑是活性催化劑并包括至少一種電離粒子。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述粒子是x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子和質(zhì)子中的至少一種。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述至少一種電離粒子是帶電粒子。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述電離粒子包括放射性裂變的產(chǎn)物。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述運送和所述允許中至少之一的期間通過將足量的電磁輻射引入所述腔來維持所述等離子體，其中所述引入選自連續(xù)引入、周期性引入、程序化引入及其任意組合。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括根據(jù)預(yù)定溫度分布，通過改變流過所述腔的氣流和電磁輻射能量水平中的至少之一，來控制與所述等離子體和所述襯底中至少之一相關(guān)的溫度。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述容器包括選自陶瓷材料、石英及其任意組合的材料，以及其中所述形成等離子體步驟包括將所述電磁輻射傳送通過所述容器的一部分。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述容器位于輻射器內(nèi)，該輻射器包括基本上不透射電磁輻射的材料。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述容器和所述輻射器相同。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述加入步驟包括將施主原子加入所述等離子體，其中所述施主原子具有第一數(shù)量的價電子，且所述襯底包括互相鍵合在一起并具有第二數(shù)量的價電子的原子，其中所述第一數(shù)量不同于所述第二數(shù)量。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述容器具有至少具有一種表面特征的內(nèi)表面，其中所述運送步驟包括在基于所述至少一種表面特征的所述襯底上形成至少一種摻雜圖形。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述允許步驟包括選自如下的浸入方法擴散、注入及其任意組合。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述浸入方法包括這樣的注入過程通過對所述等離子體施加外場以在所述運送步驟期間將至少一種摻雜劑加速到所述襯底上。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述浸入方法包括在所述運送步驟之后加熱所述襯底的擴散過程。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述加熱步驟包括使用第二等離子體加熱所述襯底，其中所述第二等離子體與所述襯底熱接觸。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述加熱步驟包括使用第二等離子體加熱所述襯底，其中所述第一等離子體與所述第二等離子體相連。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述加熱步驟包括只加熱所述襯底的一部分。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第一等離子體和所述第二等離子體相同。
26.如權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)預(yù)定順序重復(fù)進行所述加入、運送和允許步驟以在所述襯底中獲得隨所述預(yù)定順序變化的摻雜濃度分布。
27.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過使所述襯底暴露于熱源熔化所述襯底的一部分，以增強所述允許至少一種摻雜劑浸入所述襯底的所述第一表面以下進入所述襯底。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中在選自如下的時間進行所述熔化步驟所述運送步驟之前、期間、之后及其任意組合。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述熱源選自第二等離子體、來自激光束的至少一個脈沖、來自離子束的至少一個脈沖及其任意組合。
30.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述允許步驟之后使用所述等離子體對所述襯底進行退火。
31.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過分解在所述等離子體中的前體材料來形成所述至少一種摻雜劑。
32.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述容器具有內(nèi)表面并且所述電磁輻射的波長為λ，所述方法還包括定位所述襯底的第一表面區(qū)域距離所述容器的內(nèi)表面的第一部分至少約λ/4；以及定位所述襯底的不應(yīng)被摻雜的第二表面區(qū)域距離所述容器的內(nèi)表面的第二部分至少約λ/4。
33.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括第二容器，在其中形成有第二腔，其中所述襯底位于所述第二腔內(nèi)，并且其中所述第一和第二腔相連，以在所述運送期間所述至少一種摻雜劑可以從所述第一腔流入所述第二腔，以在所述第二腔中進行所述允許步驟。
34.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述容器具有一個開口，并且其中所述運送步驟包括將所述至少一種摻雜劑穿過所述開口以在所述腔外進行所述允許步驟。
35.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底是半導(dǎo)體或氧化物中的至少一種。
36.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述至少一種摻雜材料包括Al、AsH2、AsH3、Cl2、Ga、Ge、H2S、P、PH3、PF6、SiF4、Si、Se、Te、Sb、B、Bi、C、Zn、BCl3、BF3、B11F3、和B2H6中的至少一種。
37.一種使用等離子體催化劑摻雜襯底的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括容器，在其中形成有第一腔并至少部分包含等離子體；電磁輻射源，設(shè)置為向所述第一腔提供電磁輻射；至少一種等離子體催化劑，位于所述電磁輻射中；氣源，與所述腔相連，用于向所述腔提供氣體，從而在等離子體催化劑存在的情況下將所述氣體暴露于所述電磁輻射時，在所述腔中形成所述等離子體；以及至少一種摻雜源，用于摻雜所述襯底，其中所述至少一種摻雜源與所述第一腔流體流通。
38.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑在所述腔內(nèi)。
39.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑是活性等離子體催化劑和惰性等離子體催化劑中的至少一種。
40.如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑是惰性催化劑并包括至少一種至少是半導(dǎo)電的材料。
41.如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其中所述材料包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物和有機無機復(fù)合物中的至少一種。
42.如權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中所述材料的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須及其任意組合中的至少一種。
43.如權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括碳纖維。
44.如權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中所述材料包括至少一種納米管。
45.如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑是活性催化劑并包括至少一種電離粒子。
46.如權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述粒子是x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子和質(zhì)子中的至少一種。
47.如權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述至少一種電離粒子是帶電粒子。
48.如權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述電離粒子包括放射性裂變的產(chǎn)物。
49.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述容器包括基本上透射電磁輻射并基本上不透氣的材料。
50.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，還包括溫度控制器，其中所述控制器根據(jù)預(yù)定溫度分布，通過改變流過所述腔的氣流和電磁輻射能量水平中的至少之一，來控制與所述襯底相關(guān)的溫度。
51.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，還包括所述氣源和所述腔之間的質(zhì)量流速控制器。
52.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述至少一種摻雜源包括Al、AsH2、AsH3、Cl2、Ga、Ge、H2S、P、PH3、PF6、SiF4、Si、Se、Te、Sb、B、Bi、C、Zn、BCl3、BF3、B11F3和B2H6中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明為各種摻雜過程提供了激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的方法和裝置。在一個實施例中，在等離子體催化劑(240)存在的情況下，通過使氣體受到一定量的電磁輻射，在腔(285)中形成等離子體(610)，并將至少一種摻雜材料加入等離子體，來摻雜襯底(250)。然后允許所述材料浸入襯底。本發(fā)明還提供了各種活性和惰性催化劑。
文檔編號H05B6/80GK1653161SQ03810271
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月8日
發(fā)明者S·庫馬爾, D·庫馬爾 申請人:達納公司