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多 喷嘴 气体团簇离子束系统和方法

阅读：636发布：2020-05-11

专利汇可以提供多喷嘴气体团簇离子束系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种用于将工艺气体混合物或多种工艺气体混合物引入到气体团簇离子束 (GCIB)系统(100、100’、100”)中的多喷嘴和分离器组件以及在衬底(152、252)上生长、改性、沉积或掺杂层的相关操作方法。多喷嘴和分离器组件包括至少两个喷嘴(116、1016、2110、2120、4110、4120、7010、7020)，这些喷嘴被布置成相互紧靠以将从喷嘴喷射出的气体团簇束至少部分地合并成单一气体团簇束(118)和/或被倾斜以将每一束朝向单一相交点(420)而会合以形成一组相交的气体团簇束，以及将单一和/或相交的气体团簇束引导到气体分离器中。，下面是多喷嘴气体团簇离子束系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于气体团簇离子束系统的喷嘴和分离器组件，其包括：
气体分离器，
至少两个喷嘴的组，其用于形成和喷射气体团簇束，所述至少两个喷嘴的组被设置成相互紧靠，从而将从所述至少两个喷嘴的组喷射出的气体团簇束至少部分地合并成单一气体团簇束，并将所述单一气体团簇束引导到所述气体分离器中，
第一气体供应器，其与第一喷嘴子组流体连通，所述第一喷嘴子组包括所述至少两个喷嘴的组中的至少一个喷嘴，
第二气体供应器，其与第二喷嘴子组流体连通，所述第二喷嘴子组不同于所述第一喷嘴子组，且包括所述至少两个喷嘴的组中的至少一个喷嘴，
其中所述第一气体供应器被配置成供应第一气体混合物，所述第二气体供应器被配置成供应第二气体混合物，且所述第一气体混合物和所述第二气体混合物是不同的。
2.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其中所述第一气体混合物和所述第二气体混合物是不相容的。
3.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其中所述第一气体混合物和所述第二气体混合物中的至少一个是引火性的。
4.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其中所述第一气体混合物和所述第二气体混合物的每一个包括选自以下组中的至少一种气体：SiH4、Si2H6、C4H12Si、C3H10Si、H3C-SiH3、H3C-SiH2-CH3、(CH3)3-SiH、(CH3)4-Si、SiH2Cl2、SiCl3H、SiCl4、SiF4、O2、CO、CO2、N2、NO、NO2、N2O、NH3、NF3、B2H6、GeH4、Ge2H6、GeH2Cl2、GeCl3H、甲基锗烷、二甲基锗烷、三甲基锗烷、四甲基锗烷、乙基锗烷、二乙基锗烷、三乙基锗烷、四乙基锗烷、GeCl4、GeF4、BF3、AsH3、AsF5、PH3、PF3、PCl3或PF5、烷基硅烷、烷烃硅烷、烯烃硅烷、炔烃硅烷以及CxHy，其中x≥1，y≥4；以及任选的稀释气体，所述稀释气体选自He、Ne、Ar、Kr、Xe和Rn。
5.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其中所述第一气体混合物包括选自以下组中的至少一种含硅气体：SiH4、Si2H6、C4H12Si、C3H10Si、H3C-SiH3、H3C-SiH2-CH3、(CH3)3-SiH、(CH3)4-Si、SiH2Cl2、SiCl3H、SiCl4、SiF4、烷基硅烷、烷烃硅烷、烯烃硅烷、炔烃硅烷；以及任选的稀释气体，所述稀释气体选自He、Ne、Ar、Kr、Xe和Rn。
6.如权利要求5所述的喷嘴和分离器组件，其中所述第二气体混合物包括选自以下组中的至少一种含氧气体：O2、CO、CO2、NO、NO2、N2O；以及任选的稀释气体，所述稀释气体选自He、Ne、Ar、Kr、Xe和Rn。
7.如权利要求6所述的喷嘴和分离器组件，其中所述第一气体混合物包括SiH4和He
且所述第二气体混合物包括O2。
8.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其中所述气体分离器具有圆形、椭圆形或卵形的横截面。
9.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其中所述气体分离器具有叶片形横截面，且叶片的数目等于所述至少两个喷嘴的组中的喷嘴的数目。
10.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其还包括：
至少一个操纵器，其机械连接至所述至少两个喷嘴的组中的一个喷嘴，所述至少一个操纵器被配置成相对于所述气体分离器定位所连接的喷嘴，独立于所述至少两个喷嘴的组中的其他喷嘴。
11.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其还包括：
操纵器，其机械连接至所述至少两个喷嘴的组中的每一个喷嘴，所述操纵器被配置成统一相对于所述气体分离器定位所述至少两个喷嘴的组。
12.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其中所述第一气体供应器和第二气体供
应器被配置成独立控制所述第一气体混合物和所述第二气体混合物的停滞压力。
13.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其中所述第一气体供应器和第二气体供
应器的每一个还包括温度控制系统，以独立控制所述第一气体混合物和所述第二气体混合物的温度。
14.如权利要求1所述的喷嘴和分离器组件，其中每一个喷嘴被配置用于形成和喷射
具有束轴的气体团簇束，所述至少两个喷嘴的组被倾斜以将每一束轴朝向单一相交点而会合，以形成单一的气体团簇束。
15.一种气体团簇离子束处理系统，所述处理系统用于用气体团簇离子束辐射衬底，其包括：
如权利要求1-14中任一项所述的喷嘴和分离器组件，
离子化器，其被定位在所述气体分离器的下游且被配置成使所述气体团簇束离子化以形成气体团簇离子束，以及
衬底载台，以接纳待用所述气体团簇离子束辐射的衬底。
16.如权利要求15所述的气体团簇离子束处理系统，其中所述至少两个喷嘴的组被倾斜，以将每一个束轴朝向位于所述至少两个喷嘴的组与所述气体分离器之间的单一相交点而会合。
17.如权利要求15所述的气体团簇离子束处理系统，其中所述至少两个喷嘴的组被倾斜，以将每一个束轴朝向位于所述气体分离器的输入与输出之间的单一相交点而会合。
18.一种使用如权利要求15-17之一所述的气体团簇离子束处理系统的方法，所述方
法用于用气体团簇离子束来辐射衬底，所述方法包括：
将待用所述气体团簇离子束辐射的衬底装载到所述衬底载台上；
使来自所述第一气体供应器的第一气体混合物流过至少第一喷嘴子组，且使来自所述第二气体供应器的第二气体混合物流过至少所述第二喷嘴子组以形成所述单一气体团簇束，其中所述第一气体混合物与所述第二气体混合物是不同的；
将所述单一气体团簇束引导通过所述气体分离器，然后通过所述离子化器以将所述单一气体团簇束离子化以形成所述气体团簇离子束；
加速所述气体团簇离子束；以及
用所述气体团簇离子束辐射所述衬底的至少一个区域，以掺杂、生长、沉积或改性所述衬底上的层。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述衬底被用所述气体团簇离子束辐射，以通过在所述衬底的至少一个区域内生长或沉积层来形成浅沟槽隔离结构。
20.如权利要求19所述的方法，其还包括：
退火所述浅沟槽隔离结构。
21.如权利要求19所述的方法，其还包括：
在存储设备中使用所述浅沟槽隔离结构。

说明书全文

多喷嘴 气体团簇离子束系统和方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 根据一个实施方案，提供了操作多喷嘴GCIB系统来辐射衬底的方法，该方法包括下述步骤：提供包括具有多喷嘴、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与第二气体供应器的多喷嘴组件，装载衬底，使来自第一气体供应器和第二气体供应器的第一气体混合物和第二气体混合物分别流过第一喷嘴子组和第二喷嘴子组以形成单一团簇束，将此束引导通过气体分离器并使气体团簇束离子化以形成GCIB，加速GCIB，以及辐射衬底以在衬底上掺杂、生长、沉积或改性层。第一气体混合物与第二气体混合物是不同的，且多喷嘴被设置成相互紧靠以将自其喷射的气体团簇束至少部分地合并成单一气体团簇束。根据进一步的实施方案，用GCIB辐射衬底以通过在衬底的至少一个区域内生长或沉积层来形成浅沟槽隔离(STI)结构。根据又进一步实施方案，该方法包括使来自第一气体供应器的含硅气体混合物流动以及使来自第二气体供应器的含氧气体混合物流动，其中所形成的层是SiO2 STI结构。

[0008] 根据另一个实施方案，提供了操作多喷嘴GCIB系统来辐射衬底的方法，该方法包括下述步骤：提供包括具有多喷嘴、单一气体分离器和与喷嘴流体连通的至少一个气体供应器的多喷嘴组件。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。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。该方法还包括下述步骤：装载衬底，使来自第一气体供应器的第一气体混合物流过第一喷嘴子组和使分别来自第一气体供应器和第二气体供应器的第一气体混合物或第二气体混合物流过第二喷嘴子组以形成相交的束，使相交的束离子化以形成GCIB，加速GCIB，以及辐射衬底以在衬底上掺杂、生长、沉积或改性层。根据进一步的实施方案，用GCIB辐射衬底以通过在衬底的至少一个区域内生长或沉积层来形成浅沟槽隔离(STI)结构。根据又进一步的实施方案，该方法包括使来自第一气体供应器的含硅气体混合物流动以及使来自第二气体供应器的含氧气体混合物流动，其中所形成的层是SiO2 STI结构。附图说明

[0009] 参考下面的具体实施方式，尤其是当结合附图考虑时，对本发明的更全面的理解以及其附带的许多优势将变得易于明显。

[0010] 图1是根据本发明实施方案的多喷嘴GCIB系统的示意图。

[0011] 图2是根据本发明的另一个实施方案的多喷嘴GCIB系统的示意图。

[0012] 图3是根据本发明的又一个实施方案的多喷嘴GCIB系统的示意图。

[0013] 图4是用于使用在GCIB系统中的离子化器的实施方案的示意图。

[0014] 图5-9是包括多喷嘴、单一或多个气体供应器以及其间设置有气体流动互连的多喷嘴组件的多个实施方案的示意图。

[0015] 图10A-12B是多喷嘴组件的多个实施方案的横截面图，该图描绘了多喷嘴的不同布置，且具有各种气体分离器横截面形状以适应不同的喷嘴布置。

[0016] 图13A-D是具有以向内指向的角度安装的喷嘴使得气体团簇束沿着主GCIB轴的点相交的多喷嘴组件的多个实施方案的示意图。

[0017] 图14是用于操作具有多喷嘴的GCIB系统的方法的实施方案的流程图。

[0018] 图15是使用具有多喷嘴的GCIB系统来形成浅沟槽隔离(STI)结构的方法的实施方案的流程图。

具体实施方式

[0019] 在以下说明中，为了促进对本发明的彻底了解并且为了解释且非限制的目的，将提出具体的细节，例如测量系统的特定几何形状以及各种部件与处理的说明。然而，应理解在背离这些具体细节的其它实施方案中，仍可实施本发明。

[0020] 现在参考图1，描绘了根据实施方案的用于改性、沉积、生长、或掺杂层的GCIB处理系统100。GCIB处理系统100包括真空容器102；衬底载台150，待处理的衬底152被固定至该衬底载台150；以及真空泵送系统170A、170B和170C。衬底152可为半导体衬底、晶片、平板显示器(FPD)、液晶显示器(LCD)或任何其它工件。GCIB处理系统100被配置成产生用于处理衬底152的GCIB。

[0021] 仍参考图1的GCIB处理系统100，真空容器102包括三个连通室，即，来源室104、离子化/加速室106、以及处理室108，以提供减压密闭。此三个室分别通过真空泵送系统170A、170B和170C而被排空至适当的操作压力。在此三个连通室104、106、108中，气体团簇束可形成在第一室(来源室104)内，而GCIB可形成在第二室(离子化/加速室106)内，其中气体团簇束被离子化并且加速。然后，在第三室(处理室108)中，已加速的GCIB可用于处理衬底152。

[0022] 在图1的示例性实施方案中，GCIB处理系统100包括两个气体供应器115、1015以及两个喷嘴110、1010。稍后将说明额外的实施方案，其具有不同于2的喷嘴数量以及不同于2的气体供应器数量，这些实施方案皆落入本发明的范围。此两气体供应器115与1015中的每一个分别被连接至两停滞室116与1016(以及喷嘴110与1010)其中之一。第一气体供应器115包括第一气体源111、第二气体源112、第一气体控制阀113A、第二气体控制阀113B以及气体计量阀113。例如，储存在第一气体源111内的第一气体组合物在压力下通过第一气体控制阀113A而供给至气体计量阀113。此外，例如，储存在第二气体源112内的第二气体组合物在压力下通过第二气体控制阀113B而供给至气体计量阀113。另外，例如，第一气体供应器115的第一气体组合物或第二气体组合物或两者能够包括可冷凝的惰性气体、载气或稀释气体。例如，此惰性气体、载气或稀释气体可包括稀有气体，即，He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn。

[0023] 类似地，第二气体供应器1015包括第一气体源1011、第二气体源1012、第一气体控制阀1013A、第二气体控制阀1013B、以及气体计量阀1013。例如，储存在第一气体源1011内的第一气体组合物在压力下通过第一气体控制阀1013A而供给至气体计量阀1013。
此外，例如，储存在第二气体源1012内的第二气体组合物在压力下通过第二气体控制阀
1013B而供给至气体计量阀1013。另外，例如，第二气体供应器1015的第一气体组合物或第二气体组合物或两者能够包括可冷凝的惰性气体、载气或稀释气体。例如，此惰性气体、载气或稀释气体可包括稀有气体，即，He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn。

[0024] 再者，第一气体源111与1011、以及第二气体源112与1012各自用于产生离子化团簇。第一气体源111、1011与第二气体源112、1012的材料组合物包括主要原子(或分子)物质，即，被期望引入以进行掺杂、沉积、改性、或生长层的第一与第二原子组分。

[0025] 包括第一气体组合物和/或第二气体组合物的高压、可冷凝的气体通过气体供给管114，而从第一气体供应器115被引入到停滞室116内，并且通过适当成型的喷嘴110而喷射到实质上较低压的真空内。由于高压、可冷凝的气体从停滞室116到来源室104的较低压区域所产生的膨胀，所以气体速度会加速至超音速，并且从喷嘴110放射出气体团簇束。

[0026] 类似地，包括第一气体组合物和/或第二气体组合物的高压、可冷凝的气体通过气体供给管1014，而从第二气体供应器1015被引入到停滞室1016内，并且通过适当成型的喷嘴1010而喷射到实质上较低压的真空内。由于高压、可冷凝的气体从停滞室1016到来源室104的较低压区域所产生的膨胀，所以气体速度会加速至超音速，并且从喷嘴1010放射出气体团簇束。

[0027] 喷嘴110与1010是以下列紧邻方式而安装：由喷嘴110、1010所产生的个别气体团簇束在来源室104的真空环境中，在到达气体分离器120之前实质上合并成单一气体团簇束118。气体团簇束118的化学组合物表示由第一气体供应器115与第二气体供应器1015所提供并且经由喷嘴110与1010所注入的组合物的混合物。

[0028] 当静焓(static enthalpy)被转换为动能时的喷射流的自然冷却(此是由喷射流的膨胀所引起)，可使一部分气体喷射流冷凝并且形成具有团簇的气体团簇束118，每一个团簇是由数个到数千个弱键结合的原子或分子所组成。位于喷嘴110与1010的出口下游并且位于来源室104与离子化/加速室106之间的气体分离器120，可部分地将位于气体团簇束118的周缘上的气体分子(尚未冷凝成团簇)与位于气体团簇束118的核心的气体分子(已形成团簇)加以分离。在其它理由中，选择一部分的气体团簇束118可导致下游区域(例如离子化器122以及处理室108，此处，较高的压力可能是有害的)内的压力降低。另外，气体分离器120界定了气体团簇束在进入离子化/加速室106时的初始尺寸。

[0029] 第一气体供应器115与第二气体供应器1015可被配置成独立控制被引入到停滞室116与1016中的气体混合物的停滞压力和停滞温度。可通过在每一个气体供应器中使用适当的温度控制系统(例如加热器和/或冷却器，未显示)而达到温度控制。此外，操纵器117可例如经由停滞室116而机械地连接至喷嘴110，操纵器117被配置成使连接的喷嘴110相对于气体分离器120进行定位，而独立于喷嘴1010。类似地，操纵器1017可例如经由停滞室1016而机械地连接至喷嘴1010，操纵器1017被配置成使连接的喷嘴1010相对于气体分离器120进行定位，而独立于喷嘴110。因而，为了相对于单一气体分离器120而进行适当定位，多喷嘴组件中的每一个喷嘴可被单独操纵。

[0030] 在气体团簇束118已形成于来源室104内之后，气体团簇束118中的组成气体团簇会被离子化器122离子化而形成GCIB 128。离子化器122可包括电子冲击离子化器，其可从一或多个丝极124产生电子，这些电子被加速并且引导而与离子化/加速室106内部的气体团簇束118中的气体团簇碰撞。在与气体团簇撞击时，具有充足能量的电子可将电子轰出气体团簇中的分子，而产生离子化分子。气体团簇的离子化能够造成带电的气体团簇离子的群体，一般具有净正电荷。

[0031] 如图1所示，束电子件130用于离子化、提取、加速、以及集中GCIB 128。束电子件130包括丝极电源136，其可提供电压VF以加热离子化器丝极124。

[0032] 此外，束电子件130包括离子化/加速室106内的一组适当偏压的高压电极126，其可提取来自离子化器122的团簇离子。然后高压电极126可将所提取的团簇离子加速至期望的能量，并且将其集中来界定GCIB 128。GCIB 128中的团簇离子的动能的范围一般从约1000电子伏特(1keV)至数十keV。举例来说，GCIB 128可被加速至1到100keV。

[0033] 如图1所示，束电子件130还包括阳极电源134，其可将电压VA提供至离子化器122的阳极，以便加速自离子化器丝极124所发射的电子，并且使这些电子轰击气体团簇束
118中的气体团簇，此可产生团簇离子。

[0034] 此外，如图1所示，束电子件130包括提取电源138，其可提供电压VE，以对至少一个高压电极126进行偏压，而提取来自离子化器122的离子化区域中的离子，并且形成GCIB128。例如，提取电源138将电压提供至高压电极126的第一电极，此电压是小于或等于离子化器122的阳极电压。

[0035] 此外，束电子件130可包括加速器电源140，其提供电压VAcc以相对于离子化器122而对其中一个高压电极126进行偏压，以便能产生约等于VAcc电子伏特(eV)的总GCIB加速能量。举例来说，加速器电源140可将电压提供至高压电极126的第二电极，此电压是小于或等于离子化器122的阳极电压以及第一电极的提取电压。

[0036] 另外，束电子件130可包括透镜电源142、144，其可被提供电位(例如VL1与VL2)以对其中一些高压电极126进行偏压而集中GCIB 128。例如，透镜电源142可将电压提供至高压电极126的第三电极，此电压是小于或等于离子化器122的阳极电压、第一电极的提取电压、以及第二电极的加速器电压；而透镜电源144可将电压提供至高压电极126的第四电极，此电压是小于或等于离子化器122的阳极电压、第一电极的提取电压、第二电极的加速器电压以及第三电极的第一透镜电压。

[0037] 应注意到离子化与提取方案两者的许多变化体皆可被使用。虽然本文所述的方案是有助于指示的目的，但类似的提取方案可涉及在VAcc下，安置离子化器以及提取电极(或提取光学器件)的第一元件。此一般需要针对离子化器电源的控制电压的光纤程序化，而产生较简易的整个光学器件列。不论离子化器与提取透镜偏压的细节，在此所述的本发明是有用的。

[0038] 离子化/加速室106内的高压电极126下游的束过滤器146，可用于消除来自GCIB128的单体或单体与轻团簇离子，以界定已过滤的处理GCIB 128A(其可进入处理室108)。
在一个实施方案中，束过滤器146实质上可减少具有100或100以下的原子或分子或两者的团簇的数量。束过滤器146可包括磁体组件，以便将磁场加于整个GCIB 128而促进过滤处理。

[0039] 依然参考图1，束闸148被设置在离子化/加速室106内的GCIB 128的路径中。束闸148具有：开启状态，此时GCIB 128被允许从离子化/加速室106到处理室108以界定处理GCIB 128A；以及关闭状态，此时GCIB 128被阻挡进入处理室108。控制缆线可将控制信号从控制系统190传导至束闸148。控制信号可控制地将束闸148在开启或关闭状态之间进行切换。

[0040] 在处理室108内的处理GCIB 128A的路径中设置衬底152，其可以是待通过GCIB处理进行处理的晶片或半导体晶片、平板显示器(FPD)、液晶显示器(LCD)或其它衬底。由于大多数应用皆考虑到具有空间均匀结果的大型衬底处理，所以可以期望扫描系统均匀扫描过处理GCIB 128A的大的区域，以产生空间均匀结果。

[0041] X扫描致动器160可在X扫描运动方向(进入与离开纸面)上提供衬底载台150的线性运动。Y扫描致动器162可在Y扫描运动方向164(一般是正交于X扫描运动)上提供衬底载台150的线性运动。X扫描与Y扫描运动的结合可使被衬底载台150所固定的衬底152以似逐行扫描(raster-like)的扫描运动方式移动通过处理GCIB 128A，而使衬底
152的表面被处GCIB 128A均匀(或以其它程序化方式)辐射，以进行衬底152的处理。

[0042] 衬底载台150以相对于处理GCIB 128A的轴的一角度来设置衬底152，使得处GCIB 128A具有相对于衬底152的表面的束入射角166。束入射角166可为90度或一些其它角度，但一般为90度或近90度。在Y扫描期间，衬底152与衬底载台150可分别从所显示的位置移动到由标号152A与150A所标示的另一个位置“A”。应注意到在两个位置之间进行移动时，衬底152可通过处理GCIB 128A被扫描，并且在两末端位置上，可被完全移出处理GCIB 128A的路径(超出扫描)。虽然没有明确地显示在图1中，但类似的扫描以及超出扫描可在(典型的)正交X扫描运动方向(进入与离开纸面)上被执行。

[0043] 束电流传感器180可设置在处理GCIB 128A的路径中的衬底载台150外，使得当扫描衬底载台150超出处理GCIB 128A的路径时，截取处理GCIB 128A的样品。束电流传感器180一般为法拉第杯或类似物(其除了束进入开口以外，均为密闭)，并且一般以电绝缘座182固定于真空容器102的壁上。

[0044] 如图1所示，控制系统190通过电缆连接至X扫描致动器160和Y扫描致动器162，并且控制X扫描致动器160与Y扫描致动器162，以将衬底152置入或置出处理GCIB 128A，以及相对于处GCIB 128A均匀扫描衬底152，以通过处理GCIB 128A来实现衬底152的期望处理。控制系统190通过电缆来接收由束电流传感器180所收集的取样束电流，由此监测GCIB，并且在已供应预定剂量时，通过将衬底152从处理GCIB 128A移开而控制衬底152所接受的GCIB剂量。

[0045] 在图2所示的实施方案中，GCIB处理系统100’是类似于图1的实施方案，并且更包括X-Y定位台253，此定位台能够固定衬底252并且使其在两轴移动，以相对于处GCIB128A有效地扫描衬底252。例如，X运动可包括进入与离开纸面的运动，而Y运动可包括沿着方向264的运动。

[0046] 处理GCIB 128A可在衬底252的表面上的投射冲击区域286处，以相对于衬底252的表面的束入射角266来冲击衬底252。通过X-Y运动，X-Y定位台253可将衬底252的表面的每一个部分定位在处理GCIB 128A的路径中，使得此表面的每一个区域与投射冲击区域286一致，以便通过处理GCIB 128A进行处理。X-Y控制器262可通过电缆而将电信号提供至X-Y定位台253，以控制X轴与Y轴方向中的每一个的位置与速度。X-Y控制器262可通过电缆接收来自控制系统190的控制信号，并且被控制系统190所操作。X-Y定位台253可通过根据常规的X-Y台定位技术的连续运动或步进运动而进行移动，以在投射冲击区域286内对衬底252的不同区域进行定位。在一个实施方案中，X-Y定位台253被控制系统190可编程地操作，通过投射冲击区域286以可编程的速度对衬底252的任何部分进行扫描，以便通过处理GCIB 128A来进行GCIB处理。

[0047] 定位台253的衬底固定表面254具有导电性并且被连接至由控制系统190所操作的剂量测定处理器。定位台253的电绝缘层255可使衬底252以及衬底固定表面254与定位台253的基部260隔离。通过冲击处理GCIB 128A而在衬底252中产生的电荷可通过衬底252以及衬底固定表面254进行传导，以及信号可通过定位台253而连接至控制系统190以进行剂量测定测量。剂量测定测量具有用于整合GCIB电流以确定GCIB处理剂量的整合装置。在某些情况下，电子的目标中和源(target-neutralizing source)(未显示)，有时称为电子潮(electron flood)，可用于中和处理GCIB 128A。在此种情况下，法拉第杯(未显示，但可类似于图1的束电流传感器180)可用于确保准确的剂量测定而不论增加的电荷来源，此原因为典型的法拉第杯仅允许高能量的正离子进入并且被测量。

[0048] 在操作时，控制系统190发出开启束闸148的信号，而以处理GCIB 128A辐射衬底252。控制系统190可监测由衬底252所收集的GCIB电流的测量，以计算衬底252所接受的累积剂量。当衬底252所接受的剂量到达预定剂量时，控制系统190会关闭束闸148并且完成衬底252的处理。基于对衬底252的已知区域所接受的GCIB剂量的测量，控制系统
190可调整扫描速度，以达到适当的束驻留时间来处理衬底252的不同区域。

[0049] 可选择地，处理GCIB 128A可按照横过衬底252的表面的固定图案以固定速度进行扫描；然而，GCIB强度可被调制(可称为X轴调制)而对样品供应故意非均匀的剂量。在GCIB处理系统100’中可通过多种方法的任何其中一种来调制GCIB强度，这些方法包括：改变来自GCIB供应源的气体流；通过改变丝极电压VF或改变阳极电压VA而调制离子化器122；通过改变透镜电压VL1和/或VL2来调制透镜焦点；或者以可变的束阻挡物(beam block)、可调整的快门(shutter)、或可变的孔机械地阻挡一部分的GCIB。调制变量可为连续模拟变量或者可为时间调制切换或门控。

[0050] 处理室108还可以包括原位测量系统。例如，原位测量系统可包括光学诊断系统，此光学诊断系统具有光发送器280以及光接收器282，其分别被配置成以入射光信号284辐射衬底252以及接收来自衬底252的散射光信号288。此光学诊断系统包括光学窗口，其可允许入射光信号284和散射光信号288进入和离开处理室108。此外，光发送器280以及光接收器282可分别包括发送透镜和接收透镜。光发送器280可接收来自控制系统190的控制电信号，并且响应于此控制电信号。光接收器282可将测量信号传回控制系统190。

[0051] 此原位测量系统可包括用于监测GCIB处理的进度的任何仪器。根据一个实施方案，此原位测量系统可构成光学散射测量(scatterometry)系统。此散射测量系统可包括散射计，其结合了束轮廓椭圆偏振技术(椭圆偏振仪)和束轮廓反射测量技术(反射仪)，并且可从Therma-Wave，Inc.(1250 Reliance Way，Fremont，CA 94539)或Nanometrics，Inc.(1550 Buckeye Drive，Milpitas，CA 95035)购得。

[0052] 例如，此原位测量系统可包括整体式光学数字轮廓测量(iODP)散射测量模块，其用于测量在GCIB处理系统100’中由处理程序所产生的处理性能数据。此测量系统可例如测量或监测由处理程序所产生的测量数据。此测量数据可例如用于确定以处理程序为特征的处理性能数据，例如处理速率、相对处理速率、特征部轮廓角度、临界尺寸、特征部厚度或深度、特征部形状等等。例如，在将材料定向沉积于衬底上的处理中，处理性能数据可包括临界尺寸(CD)(例如特征部(即，通孔、线等)中的顶部、中间或底部CD)、特征部深度、材料厚度、侧壁角度、侧壁形状、沉积速率、相对沉积速率、其任何参数的空间分布、以其任何空间分布的均匀性为特征的参数等等。经由来自控制系统190的控制信号来操作X-Y定位台253，原位测量系统可测绘衬底252的一或多个特性。

[0053] 在图3所示的实施方案中，GCIB处理系统100”可类似于图1的实施方案，并且还包括压力槽室350，其例如位于或靠近离子化/加速室106的出口区域。压力槽室350包括惰性气体源352和压力传感器354，此惰性气体源被配置成将背景气体供应至压力槽室350以便升高压力槽室350内的压力，而此压力传感器用于测量压力槽室350内的升高压力。

[0054] 压力槽室350可被配置成改性GCIB 128的束能量分布以产生改性的处理GCIB128’。此种束能量分布的改性可通过下列方式来实现：将沿着GCIB路径的GCIB 128引导通过压力槽室350内的增加压力的区域，以使至少一部分GCIB穿过此增加压力的区域。对束能量分布的改性程度可以沿着至少一部分GCIB路径的压力-距离积分为特征，此处的距离(或压力槽室350的长度)是以路径长度(d)加以标示。当压力-距离积分的数值
增加(通过增加压力和/或路径长度(d))时，束能量分布会变宽，而峰值能量会减少。当压力-距离积分的数值减少(通过减少压力和/或路径长度(d))时，束能量分布会变窄，而峰值能量会增加。对于压力槽设计的进一步细节，可由美国专利第7,060,989号加以确定，其标题为METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVED PROCESSING WITH A GAS-CLUSTER ION BEAM(用于由气体团簇离子束改进处理的方法和装置)。

[0055] 控制系统190包括能够产生控制电压的微处理器、存储器和数字I/O端口，此控制电压足以传达并启动通往GCIB处理系统100(或100’、100”)的输入并且监测来自GCIB处理系统100(或100’、100”)的输出。此外，控制系统190可连接至真空泵送系统170A、170B和170C、第一气体源111与1011、第二气体源112与1012、第一气体控制阀113A与1013A、第二气体控制阀113B与1013B、束电子件130、束过滤器146、束闸148、X扫描致动器160、Y扫描致动器162以及束电流传感器180，并能够与它们交换信息。例如，存储在存储器中的程序可根据处理方法而用于启动通往GCIB处理系统100的上述部件的输入，以便在衬底152上执行GCIB处理。

[0056] 然而，控制系统190可如通用计算机系统那样被执行，其为响应于执行存储器内包含的一个或多个指令的一个或多个顺序的处理器，而执行基于部分或全部本发明的微处理器的处理步骤。这样的指令可从另一个计算机可读的介质(例如硬盘或可移除介质驱动器)被读取到控制器存储器内。多重处理装置中的一个或多个处理器也可被使用作为控制器微处理器，以实行主存储器中包含的指令的顺序。在可选择的实施方案中，硬布线电路可被使用而取代软件指令，或者与其结合。因此，实施方案并不限于硬件电路与软件的任何特定的组合。

[0057] 如上所述，控制系统190可用于配置任何数量的处理元件，以及控制系统190可收集、提供、处理、存储以及显示来自处理组件的数据。控制系统190可包括许多应用程序与许多控制器，以控制一个或多个处理元件。例如，控制系统190可包括图形用户接口(GUI)部件(未显示)，其可提供能够让使用者监测和/或控制一个或多个处理元件的接口。

[0058] 控制系统190可相对于GCIB处理系统100(或100’、100”)而设置在近处，或者其可相对于GCIB处理系统100(或100’、100”)而设置在远处。例如，控制系统190可使用直接连接、内部网络、和/或因特网来与GCIB处理系统100交换数据。控制系统190可被连接至例如客户位置(即，装置制造商等等)处的内部网络，或者其可被连接至供货商位置(即，设备制造商)处的内部网络。可选择地或另外，控制系统190可被连接至因特网。此外，另一个计算机(即，控制器、服务器等等)可访问控制系统190，以经由直接连接、内部网络和/或因特网来交换数据。

[0059] 衬底152(或252)可经由例如机械夹具系统或电夹具系统(如静电夹具系统)的夹具系统(未显示)被固定于衬底载台150(或衬底载台250)。此外，衬底载台150(或
250)可包括加热系统(未显示)或冷却系统(未显示)，其被配置成调整和/或控制衬底载台150(或250)以及衬底152(或252)的温度。

[0060] 真空泵送系统170A、170B和170C可包括涡轮分子真空泵(TMP)和门阀，此涡轮分子真空泵的泵送速度可高达每秒约5000升(和更大)，而此闸阀可用于调节室压力。在常规的真空处理装置中，可使用每秒1000到3000升的涡轮分子真空泵。TMP用于低压处理，一般小于约50mTorr。虽然没有显示，但可理解压力槽室350也可包括真空泵送系统。此外，用于监测室压力的装置(未显示)可被连接至真空容器102，或此三个真空室104、106、108中的任一个。压力测量装置可例如为电容式真空计或离子真空计。

[0061] 图2和3也显示了喷嘴操纵器的可选择的实施方案。喷嘴110、1010可相互连接并且一起连接至单一操纵器117A，而不像在图1中每一个喷嘴110、1010是连接至单独操作的操纵器117、1017。于是，相对于气体分离器120的喷嘴110、1010的定位可被统一操纵，而不是独立操纵。

[0062] 现在参考图4，其显示用于离子化气体团簇喷射流(气体团簇束118，图1、2和3)的气体团簇离子化器(122，图1、2以及3)的截面300。截面300与GCIB 128的轴垂直。对于一般气体团簇尺寸(2000到15000原子)而言，离开气体分离器孔(120，图1、2和3)并且进入离子化器(122，图1、2和3)的团簇会以约130到1000电子伏特(eV)的动能进行移动。在低能量的情况下，离子化器122内的空间电中性的任何偏移会造成伴随显著束电流损失的喷射流快速分散。图4显示自中和的离子化器。与其它离子化器一样，气体团簇可通过电子冲击而离子化。在此种设计中，热电子(由310所标示的7个实施例)从多线性热离子丝极302a、302b、和302c(一般为钨)发射，并且通过电子反射极电极306a、306b、以及306c与束形成电极304a、304b、以及304c所提供的适当电场的作用而被提取与聚焦。热电子310通过气体团簇喷射流以及喷射流轴，然后打击相对的束形成电极304b，而产生低能量的二次电子(标示实施例的312、314、和316)。

[0063] 虽然没有显示(为了简化)，但线性热离子丝极302b与302c也可产生热电子，而这些热电子随后可产生低能量的二次电子。当需要维持空间电中性时，所有的二次电子可协助确保通过提供低能量电子而使离子化的团簇喷射流保持空间电中性，此低能量电子可以被吸向带正电的离子化气体团簇喷射流。束形成电极304a、304b、以及304c是相对于线性热离子丝极302a、302b和302c而被正偏压；以及电子反射极电极306a、306b和306c是相对于线性热离子丝极302a、302b和302c而被负偏压。绝缘体308a、308b、308c、308d、308e和308f电绝缘并支撑电极304a、304b、304c、306a、306b和306c。例如，此种自中和的离子化器是有效的并且可达到超出1000微安培的氩GCIB。

[0064] 可选择地，离子化器可使用来自等离子体的电子提取而对团簇进行离子化。这些离子化器的几何形状与本文所述的三个丝极离子化器极为不同，但操作原理以及离子化器控制却非常类似。例如，离子化器的设计可类似于美国专利第7,173,252号所述的离子化器，题目为IONIZER AND METHOD FOR GAS-CLUSTER ION-BEAM FORMATION(离子化器和用于气体团簇离子束形成的方法)。

[0065] 气体团簇离子化器(122，图1、2和3)可以被配置成通过改变GCIB 128的电荷状态来改性GCIB 128的束能量分布。例如，电荷状态可通过调整在进行气体团簇的电子碰撞引发离子化时所利用的电子的电子通量、电子能量或电子能量分布来进行改性。

[0066] 现在参考图5-9，分别描绘了图1、2和3的GCIB处理系统100(或100’、100”)的多喷嘴与气体供应组件的各种实施方案。图5描绘多喷嘴与气体供应组件的实施方案，其包括单一气体供应器2010以及被气体供应器2010所供给的两个喷嘴2110与2120。类似地，如图1的GCIB处理系统100的第一气体供应器115，气体供应器2010(以及图5-9的所有其它气体供应器)可包括第一气体源、第二气体源、第一气体控制阀、第二气体控制阀以及气体计量阀，以允许形成由第一与第二气体源提供的气体所构成的气体混合物，或者仅使来自第一或第二气体源的一种气体流动。图5的多喷嘴与气体供应组件是适合于需要单一气体或气体混合物的大量气流、需要使用多喷嘴的GCIB应用，故可在位于喷嘴前方的停滞室内部维持相同或类似的停滞条件(即压力与温度)，并且可如现有技术的单一气体供应器与单一喷嘴GCIB系统一样使用相同或类似尺寸制作的喷嘴。

[0067] 图6实质上分别描绘图1、2和3的GCIB处理系统100(或100’、100”)的多喷嘴与气体供应组件的实施方案。图6的组件包括两个气体供应器3010与3020、以及两个气体喷嘴3110与3120，而使其用于需要形成气体团簇束(由不相容气体和/或引火性气体的混合物所构成)的GCIB应用中。由于在单一气体供应器的零件以及管路内部的不相容气体混合物的组分间发生至少不利的化学反应，所以这样的不相容气体混合物无法轻易在经由单一或多喷嘴进行注入的单一气体供应器(例如图5的气体供应器2010)中被预混。图6的多喷嘴与气体供应组件可克服此种问题，其是通过对不相容和/或引火性气体混合物组分提供独立的气体供应器3010、3020，这些组分仅在从相互紧靠安装的喷嘴3110与3120注入时混合，以便至少部分地合并并且产生单一气体团簇束。进一步的优点在于不同的稀释气体可被用于不同的气体混合物中，例如，第一气体混合物可使用He作为稀释气体，而第二气体混合物则可使用Ar。也可配置图6的多喷嘴与气体供应系统的气体供应器3010与3020，以使相同组成的气体混合物流到喷嘴3110与3120。此外，例如，若气体混合物的最佳团簇形核条件不同并因此需要不同的停滞条件时，图6的多喷嘴与气体供应组件可允许气体混合物在不同停滞压力和/或温度下从喷嘴3110与3120注入。停滞压力控制通常可通过设定气体供应器的气体计量阀来实现，而停滞温度控制则可通过使用适当的加热器或冷却装置(未显示)来实现。

[0068] 图7描绘类似于图5与6的结合的多喷嘴与气体供应组件，其包括气体供应器4010与4020、以及三个喷嘴4110、4120和4130，其中气体供应器4010可分别供应两个喷嘴
4110与4120以提供较高流速的一种气体混合物，而气体供应器4020可仅供应喷嘴4130。
此种构造是适合于需要高流速的一种气体混合物组分的应用，而同时保留处理不相容和/或引火性气体的能力。图8描绘类似于图6的实施方案，其延伸包括三个气体供应器5010、
5020和5030、以及三个喷嘴5110、5120和5130，以允许三种不同的气体混合物单独引入到喷嘴，若GCIB处理如此要求时。图9描绘类似于图5与8的结合的组件，其包括三个气体供应器6010、6020和6030、以及四个喷嘴6110、6120、6130和6140，其中气体供应器6010被连接至喷嘴6110与6120，以通过其而提供高气体混合物流速，并且具有单独提供额外的两种气体混合物组分的能力。

[0069] 虽然图5-9的实施方案在处理条件要求时可被设定同时使多气体或气体混合物流到个别喷嘴，但也可以按顺序方式来操作多气体供应器与喷嘴，其中在处理步骤的顺序中，使用至少一个涉及使多气体或气体混合物同时流动的步骤。例如，在图6的实施方案中，第一GCIB处理步骤可涉及仅流动单一气体或气体混合物，此单一气体或气体混合物是由气体供应器3010所产生并且经由喷嘴3110而引入；而第二处理步骤可涉及第一与第二气体或气体混合物，此第一与第二气体或气体混合物分别是由气体供应器3010与3020所产生并且经由喷嘴3110与3120而引入。

[0070] 直接理解多喷嘴与气体供应组件的其它实施方案是可行的，其包括不同数量的喷嘴(例如高于四)以及不同数量的气体供应器(例如高于三)，其中一些气体供应器可被连接至多喷嘴以适应高流速，所有这些实施方案均落入本发明的范围。

[0071] 图10A-12B是描绘多喷嘴的各种空间排列以及与特定喷嘴排列一起使用的单一气体分离器的各种横截面形状的横截面示意图。组件内的喷嘴相互紧靠可确保离开喷嘴的个别气体团簇束在到达气体分离器之前，可实质上或至少部分地合并成单一气体团簇束。若气体团簇束在到达气体分离器之前合并成单一气体团簇束，可使用与本领域的单一气体供应器以及单一喷嘴GCIB系统中相同的位于气体分离器下游的GCIB系统部件。假定这些下游部件可以是相同的，则设想现有的GCIB系统能够被转换成多喷嘴系统，其主要在GCIB系统的来源室区域内具有多气体供应器以及相当小的改性和/或零件替代。

[0072] 图10A描绘包括两个喷嘴7010与7020的多喷嘴组件的横截面图，这些喷嘴以并排方式加以安装(或可选择地，以一个在另一上的方式垂直定向)，以形成通过实质上圆形横截面的气体分离器7000的气体团簇束。图10B描绘具有卵形或椭圆形的气体分离器7100的类似的双喷嘴组件，此气体分离器与喷嘴7110以及7120对准。图10C描绘具有双叶片气体分离器7200的双喷嘴组件，此双叶片气体分离器与喷嘴7210以及7220对准。图
10A-C的实施方案可轻易延伸至具有较大数量的喷嘴的组件。例如，图11A描绘具有三个喷嘴7310、7320和7330的组件，其用于将气体团簇束注入而通过实质上圆形的气体分离器
7300。图11B描绘类似的三喷嘴组件，但具有三叶片气体分离器7400，此三叶片气体分离器与喷嘴7410、7420和7430对准。以类似的风格，图12A-B可将此观念延伸至分别具有四个喷嘴7510、7520、7530和7540与四个喷嘴7610、7620、7630和7640的组件，其分别用于将气体团簇束注入而通过实质上圆形的气体分离器7500以及四叶片气体分离器7600。可轻易设想其它实施方案，所有这些实施方案均落入本发明的范围。

[0073] 此外，如图13A-13D的部分示意图所描绘，为了促进气体团簇束合并，可以微小角度来安装喷嘴(显示三个喷嘴410、412和414，但本发明并非被如此限制)，此角度是指向沿着图1、2和3的气体团簇束118的束轴119的单一相交点420。例如，如图13A所描绘，单个喷嘴410、412、414的气体团簇束轴411、413、415可在沿着束轴119而位于(例如图1的GCIB处理系统100的)离子化器122内部的单一相交点420相交。可选择地，如图13B所描绘，单个喷嘴410、412、414的气体团簇束轴411、413、415可在沿着束轴119而位于气体分离器120下游但位于离子化器122上游的单一相交点420相交。在另一个可选择方式中，如图13C所描绘，单个喷嘴410、412、414的气体团簇束轴411、413、415可在沿着束轴119而位于气体分离器120的输入与输出之间的单一相交点420相交。又可选择地，如图
13D所描绘，单个喷嘴410、412、414的气体团簇束轴411、413、415可在沿着束轴119而位于喷嘴410、412、414的输出与气体分离器120的输入之间的单一相交点420相交。内倾角度(即，自平行方位偏斜)可在0.5到10度的范围，或0.5到5度的范围，或1到2度的范围。

[0074] 现在参考图14，阐释了根据一个实施方案的使用GCIB辐射衬底的方法。此方法包括流程图8000，其开始于8010，提供具有至少两个喷嘴的组和第一气体供应器的GCIB处理系统，这些喷嘴以相互紧靠的方式被布置以确保单个气体团簇束在到达单一气体分离器之前合并，或者以便具有相交的束轴的方式被布置，而此第一气体供应器可以被配置成以气体混合物来供应整组喷嘴的至少子组(例如子组的单一喷嘴、或多喷嘴)。此GCIB处理系统可为以上图1、2或3所述的GCIB处理系统(100、100’或100”)的任一个或其任何组合，其具有图5-13D所示的喷嘴以及气体供应器的任何布置。

[0075] 在步骤8020中，将衬底装载到此GCIB处理系统内。此衬底可包括导电性材料、非导电性材料、或半导电性材料、或其两种或更多种的组合。此外，此衬底可包括形成于其上的一种或多种材料结构，或者此衬底可为不具有材料结构的覆盖式(blanket)衬底。此衬底可被安置在GCIB处理系统内的衬底载台上，并且可被衬底载台稳固地固定。衬底的温度可受或可不受控制。例如，此衬底可在膜形成处理期间被加热或冷却。衬底周围的环境被维持在减压。

[0076] 在步骤8030中，从第一气体供应器启动第一气体混合物流。通过连接至第一气体供应器的喷嘴、所有喷嘴、或喷嘴子组的气体流，可形成气体团簇束或合并和/或相交的气体团簇束，其中单一束可通过单一气体分离器而进入到GCIB处理系统的离子化室内。

[0077] 在步骤8040中，从任选的第二气体供应器将任选的第二气体混合物引入到所有剩余喷嘴(即，不是由步骤8010的第一气体供应器以步骤8030的第一气体混合物所供应的喷嘴)内或剩余喷嘴的子组内。任选的第二气体混合物可以与第一气体混合物是相同的或不同的，如果是不同的，这些气体混合物可以是不相容的。另外，气体混合物中的一种可以具有引火性。任选的第二气体混合物也可形成气体团簇束，其可与来自第一喷嘴或喷嘴子组的束合并和/或相交而形成单一气体团簇束。

[0078] 在步骤8050中，在离子化器(例如图4的离子化器300)中将单一气体团簇束离子化，而形成气体团簇离子束(GCIB)。在步骤8060中，通过对此GCIB施加束加速电位而加速此GCIB。

[0079] 在步骤8070中，将由第一气体混合物与任选的第二气体混合物所构成的GCIB来辐射装载在GCIB处理系统内的衬底。

[0080] 束加速电位以及束剂量可被选择，以在衬底上获得通过GCIB辐射而影响的层的期望特性。例如，束加速电位以及束剂量可被选择，以控制所沉积或生长的层的期望厚度，或者达到衬底顶面上的上层的期望的表面粗糙度或其它改性，或控制渗透到衬底内的掺杂物的浓度与深度。在本文中，束剂量被赋予每单位面积的团簇数量的单位。然而，束剂量也可包括束电流和/或时间(例如GCIB辐射目标时间)。例如，束电流可被测量并且维持固定，而时间可被变更以改变束剂量。可选择地，例如，每单位面积团簇辐射衬底表面的速率(即，每单位面积每单位时间的团簇数量)可被保持固定，而时间可被变更以改变束剂量。

[0081] 另外，可变更其它GCIB特性，其包括但不限于气体流动速率、停滞压力、团簇尺寸、或气体喷嘴设计(例如喷嘴喉道直径、喷嘴长度、和/或喷嘴分岔部分半角(divergent section half-angle))。

[0082] 用于第一与任选的第二气体混合物的气体组合的选择可取决于衬底待接受的处理。材料层的沉积或生长可包括在衬底上或在衬底上的既有层之上沉积或生长SiOx、SiNx、SiCx、SiCxOy、SiCxNy、BNx、BSixNy、Ge、SiGe(B)、或SiC(P)层。于是，根据本发明的实施方案，第一或任选的第二气体混合物可包括：含氮气体、含碳气体、含硼气体、含硅气体、含磷气体、含硫气体、含氢气体、含硅气体、或含锗气体、或其两种或更多种的组合。可用于形成第一与任选的第二气体混合物的气体的实例为：He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn、SiH4、Si2H6、C4H12Si、C3H10Si、H3C-SiH3、H3C-SiH2-CH3、(CH3)3-SiH、(CH3)4-Si、SiH2Cl2、SiCl3H、SiCl4、SiF4、O2、CO、CO2、N2、NO、NO2、N2O、NH3、NF3、B2H6、烷基硅烷、烷烃硅烷、烯烃硅烷、炔烃硅烷、以及CxHy，其中x≥1，y≥4，以及其两种或更多种的组合。第一与任选的第二气体混合物可通过GCIB处理系统的第一与任选的第二气体供应器来形成。

[0083] 当沉积硅时，衬底可被由具有含硅气体的第一或任选的第二气体混合物所形成的GCIB加以辐射。例如，气体混合物可包括硅烷(SiH4)。在另一个实施例中，气体混合物可包括二硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiCl3H)、二乙基硅烷(C4H12Si)、三甲基硅烷(C3H10Si)、四氯化硅(SiCl4)、四氟化硅(SiF4)、或其两种或更多种的组合。

[0084] 当沉积或生长例如SiOx的氧化物时，衬底可被由分别具有含硅气体和含氧气体的第一与任选的第二气体混合物所形成的GCIB加以辐射。例如，第一气体混合物可包括硅烷(SiH4)，而第二气体混合物可包括O2。在另一个实施例中，第二气体混合物可包括O2、CO、CO2、NO、NO2、或N2O、或其两种或更多种的任意组合。

[0085] 当沉积或生长例如SiNx的氮化物时，衬底可被由分别具有含硅气体和含氮气体的第一与任选的第二气体混合物所形成的GCIB加以辐射。例如，第一气体混合物可包括硅烷(SiH4)，而第二气体混合物可包括N2。在另一个实施例中，第二气体混合物可包括N2、NO、NO2、N2O、或NH3、或其两种或更多种的任意组合。

[0086] 当沉积或生长例如SiCx的碳化物时，衬底可被由具有含硅气体和含碳气体的加压气体混合物所形成的GCIB加以辐射。例如，第一气体混合物可包括硅烷(SiH4)和CH4。可选择地，第一气体混合物可仅包括硅烷(SiH4)，而任选的第二气体混合物可包括CH4。另外，例如，第一气体混合物可包括硅烷(SiH4)，而任选的第二气体混合物可包括甲基硅烷(H3C-SiH3)。此外，例如，第一气体混合物可包括含硅气体和CH4(或更通常为烃气体，即CxHy)，而任选的第二气体混合物可包括CO、或CO2。此外，第一气体混合物与任选的第二气体混合物中的一个可包括例如烷基硅烷、烷烃硅烷、烯烃硅烷或炔烃硅烷、或其两种或更多种的任意组合。另外，例如，第一气体混合物可包括硅烷、甲基硅烷(H3C-SiH3)、二甲基硅烷(H3C-SiH2-CH3)、三甲基硅烷((CH3)3-SiH)、或四甲基硅烷((CH3)4-Si)、或其两种或更多种的任意组合。当生长或沉积例如SiCxNy的碳氮化物时，任选的第二气体混合物还可以包括含氮气体。例如，此含氮气体可包括N2、NH3、NF3、NO、N2O、或NO2、或其两种或更多种的组合。
含氮气体的加入可允许形成碳氮化硅膜(SiCN)。

[0087] 当生长或沉积例如BNx的氮化物时，衬底可被由具有含硼气体的第一气体混合物和具有含氮气体的任选的第二气体混合物所形成的GCIB加以辐射。例如，第一气体混合物可包括二硼烷(B2H6)，而任选的第二气体混合物可包括N2。在另一个实施例中，任选的第二气体混合物可包括N2、NO、NO2、N2O、或NH3、或其两种或更多种的任意组合。

[0088] 当生长或沉积例如BSixNy的氮化物时，衬底可被由具有含硅气体的第一气体混合物和具有含硼气体与含氮气体的任选的第二气体混合物所形成的GCIB加以辐射。例如，第一气体混合物可包括硅烷(SiH4)，而任选的第二气体混合物可包括二硼烷(B2H6)和N2。在另一个实施例中，任选的第二气体混合物可包括B2H6、N2、NO、NO2、N2O、或NH3、或其两种或更多种的任意组合。

[0089] 在例如浸渍、掺杂和层表面改性的其它处理中，除了层生长与沉积以外，另外的添加气体可用于在GCIB处理系统的气体供应器中形成气体混合物。这些气体包括含锗、含磷、以及含砷气体，例如GeH4、Ge2H6、GeH2Cl2、GeCl3H、甲基锗烷、二甲基锗烷、三甲基锗烷、四甲基锗烷、乙基锗烷、二乙基锗烷、三乙基锗烷、四乙基锗烷、GeCl4、GeF4、BF3、AsH3、AsF5、PH3、PF3、PCl3或PF5、或其两种或更多种的任意组合。

[0090] 在上述实施例的任何一个中，第一和/或第二气体混合物可包括任选的惰性稀释气体。此稀释气体可包括稀有气体，例如He、Ne、Ar、Kr、Xe、或Rn，其对于第一与第二气体混合物而言可以是不同的。

[0091] 进一步扩展上述处理，当此处理可能需要时，并且如果安装在GCIB系统中的可用的气体供应器以及喷嘴的数量允许的话，可引入任选的第三、第四等气体混合物(未显示)。

[0092] 本发明人已在SiO2沉积处理中测试过多喷嘴GCIB系统，其可用于覆盖式SiO2沉积、或沟槽填充，例如浅沟槽隔离(STI)结构填充。类似的处理也可用于SiO2膜的生长。构成双喷嘴GCIB系统的硬件可设有如图3的压力槽室以及两个气体供应器。此GCIB系统的气体供应器的构型可为图6的构型。每一个气体供应器设有两个气体源：第一气体源为处理气体，而第二气体源为稀释气体。所使用的喷嘴构型可为图10A所描绘的构型，其具有按一个在另一个之上的方式安装的喷嘴，以及具有圆形横截面的气体分离器。此GCIB系统的所有其它部件可为单一喷嘴、单一气体供应GCIB系统的部件。

[0093] 为了在衬底上沉积SiO2，第一气体供应器可被配置成使为含硅气体的SiH4流动，其被用He稀释而形成供给到第一喷嘴内的第一气体混合物。通过第一喷嘴的总流速被设定在300到700sccm的范围内，一般为600sccm，但生产过程中的流速可高于或低于上述范围，例如200到1000sccm。在第一气体混合物中，SiH4在He中的百分比一般被设定在10％，但在生产过程中，其可被设定高于或低于10％，例如2到20％。第二气体供应器用于使为含O气体的O2以从200至500sccm范围的流速流过第二喷嘴，其任选地被800至1100sccm范围内的额外He气流稀释以形成第二气体混合物。在实际生产过程中，O2与任选的稀释气体的流速可以是不同的。上述对于两气体混合物的流速范围可转换成3.3至16.7范围内的O2/SiH4比，这在某种程度上可确定SiO2膜的化学计量。

[0094] 以上述两气体混合物以及从10至50kV范围内的加速电位VAcc来执行沉积处理。进入压力槽室内的气体流速为零(即，关闭)或者设定在20sccm(“20P”)，其转换成约
0.003Torr-cm的压力-距离积分。这些条件下的GCIB束电流在15至49μA的范围。

[0095] 随着增大的O2/SiH4的比，所沉积的SiO2膜的颜色在棕色至略带颜色或无色的范围。所有的膜均可在所获得的FTIR光谱上显示压缩应力的迹象，这是大多数沉积态(as-deposited)GCIB膜的共同特征。例如，可以在600℃至1000℃范围的温度下并历时15至60min来使用后沉积退火处理降低或消除此压缩应力。此退火处理也可使膜粗糙度Ra由的沉积态值降低至这微弱地取决于GCIB处理条件，约还进行了间隙填充实验，其中在沟槽夹止(pinch-off)之前，以SiO2顺利地填充沟槽。

[0096] 图15中的流程图显示程序9000的步骤，其是使用具有多喷嘴和气体供应器的GCIB系统来形成浅沟槽隔离(STI)结构。使用常规的单一喷嘴GCIB处理系统来形成STI的过程被讨论于美国临时专利申请第61/149,917号，标题为“METHOD FOR FORMING TRENCH ISOLATION USING GAS CLUSTER ION BEAM PROCESSING(用于使用气体团簇离子束处理形成沟槽隔离的方法)”(Ref.No.EP-169PROV)。

[0097] 此方法开始于步骤9010，提供了具有至少两个喷嘴的组、第一气体供应器和第二气体供应器的GCIB处理系统，这些喷嘴是以相互紧靠的方式被布置以确保单个气体团簇束在到达单一气体分离器之前合并，或者以便具有相交的束轴的方式被布置，此第一气体供应器可以气体混合物来供应整组喷嘴的子组(例如子组的单一喷嘴、或多喷嘴)，此第二气体供应器可供应剩余的喷嘴(即，不是由第一气体供应器所供应的喷嘴)。此GCIB处理系统可为以上图1、2或3所述的GCIB处理系统(100、100’或100”)的任何一个，其具有图5-13D所示的喷嘴以及气体供应器的任何布置。

[0098] 在步骤9020中，将衬底装载到此GCIB处理系统内。此衬底可包括导电性材料、非导电性材料或半导电性材料、或其两种或更多种的组合。此外，此衬底可包括形成于其上的一种或多种材料结构，或者此衬底可为不具有材料结构的覆盖式衬底。此衬底可被安置在GCIB处理系统内的衬底载台上，并且可被衬底载台稳固地固定住。衬底的温度可受或可不受控制。例如，此衬底可在膜形成处理期间被加热或冷却。衬底周围的环境被维持在减压。

[0099] 在步骤9030中，从第一气体供应器启动第一气体混合物流。通过连接至第一气体供应器的喷嘴、或喷嘴子组的气体流来形成气体团簇束，此气体团簇束可通过单一气体分离器而进入到GCIB处理系统的离子化室内。

[0100] 在步骤9040中，从第二气体供应器将第二气体混合物引入到所有剩余喷嘴(即，不是由第一气体供应器所供应的喷嘴)内或剩余喷嘴的子组内，以形成气体团簇束，其可与来自第一喷嘴或喷嘴子组的束合并和/或相交而形成单一气体团簇束。

[0101] 在步骤9050中，于离子化器(例如图4的离子化器300)中将单一气体团簇束离子化以形成气体团簇离子束(GCIB)。在步骤9060中，通过对此GCIB施加束加速电位而加速此GCIB。

[0102] 在步骤9070中，将由第一气体混合物与第二气体混合物所构成的GCIB来辐射装载在GCIB处理系统内的衬底，以在衬底上或在衬底之上的层上形成STI结构。此STI结构可被用于例如存储装置。

[0103] 为了形成SiO2的STI结构(即，为了以SiO2来填充STI沟槽)，第一气体混合物可包括含硅气体。例如，第一气体混合物可包括SiH4、Si2H6、C4H12Si、C3H10Si、H3C-SiH3、H3C-SiH2-CH3、(CH3)3-SiH、(CH3)4-Si、SiH2 Cl2、SiCl3H、SiCl4、SiF4、烷基硅烷、烷烃硅烷、烯烃硅烷、炔烃硅烷、或其两种或更多种的任意组合。任选地，第一气体混合物还可以包括惰性稀释气体。此稀释气体可包括稀有气体，诸如，如He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn。为了形成STI结构，第二气体混合物可包括含氧气体。例如，第二气体混合物可包括O2、CO、CO2、NO、NO2、N2O或其两种或更多种的任意组合。任选地，第二气体混合物还可以包括惰性稀释气体。此稀释气体可包括稀有气体，诸如，如He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn、或其两种或更多种的任意组合。

[0104] 在整个说明书中所提及的“一个实施方案”或“实施方案”是指结合此实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中，但并不表示其存在于每一个实施方案中。因此，出现在整个说明书中各处的短语“一个实施方案”或“实施方案”不必涉及本发明的同一实施方案。此外，这些特定的特征、结构、材料或特性可以与一个或多个实施方案以任何适当的方式相结合。

[0105] 已利用最有助于了解本发明的方式将各种操作依序描述成多个分离操作。然而，说明的顺序不应被视为暗指这些操作必须顺序相依。具体地，这些操作不必以描述的顺序来执行。所描述的操作可以不同于所述实施方案的顺序来执行。各种额外的操作可被执行和/或在额外的实施方案中可省略所描述的操作。

[0106] 本领域的技术人员可以理解，鉴于上述教导可进行许多的修改与变化。本领域的技术人员认识到附图中所示各部件的等效组合物与替代物。因此，意指本发明的范围并不受此详细说明的限制，而是受所附权利要求的限制。

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