CN100334678C - 离子注入机中多方向机械扫描 - Google Patents

Abstract

离子注入机的一个终端站具有用于接收离子束(19)的一个真空室(18)。晶片固定器(22)被安装在扫描臂(24)的远端(23)上，扫描臂的近端(25)安装在壁面(26)上。扫描臂具有提供臂(24)的铰接的至少两个旋转接头(27、28)，以使晶片固定器可以在扫描平面内的两个正交扫描方向上运动，扫描方向与穿过真空室的射束路径(21)相切。扫描臂驱动器在扫描平面内以所希望的二维扫描模式相对于射束路径移动衬底固定器。

Description

离子注入机中多方向机械扫描

技术领域

本发明关于离子注入机和有关的终端站合成的装置，用于对要进行注入的半导体片或其它衬底的多方向机械扫描。本发明还关于在离子注入机中进行注入的衬底的多方向机械扫描的一种方法。

背景技术

在典型的离子注入机中，相对于硅片或其它衬底的较小横截面的搀杂剂离子束被扫描。这可以以下面三种方式中的一种来做到：以相对于固定晶片的两个方向扫描该离子束；以相对于固定的离子束的两个方向扫描晶片；或以一种混合的方法，其中在一个方向上扫描离子束，而在另一个方向、典型为正交方向上机械扫描晶片。

为在一台注入机的终端站中对一批晶片同时进行注入所设计的批注入机(batch implanter)，典型地具有一个旋转的轮子，轮子的外周围承载着大量的晶片。轮子旋转，以使每个晶片依次通过离子束，然后，互换轮子的旋转轴，以平移轮子上基本上径向横切离子束的晶片的圆周路径，确保晶片的所有部分被均匀地进行注入。这样的扫描轮子类型的批注入机的示例公开在美国专利US 5389793中。

相对于固定的晶片在两个方向上扫描离子束的系统公开在美国专利US 4736107中，利用在一个方向上扫描离子束和在其正交方向上机械地扫描晶片的混合方法公开在美国专利US 5898179、US 5003183、US 5229615和US 5406088专利中。

二维离子束扫描系统和混合扫描系统通常适合于一次对单个晶片进行注入。但是，包括扫描离子束的装置对成功的注入机的设计提出了一定的挑战。以变化的磁场扫描离子束比静电束扫描更受欢迎，因为电场的存在从等离子体束中除去了中和了的电子，引起空间电荷导致离子束控制的问题。在低能和高束流的情况下这一问题优为严重。但是，束扫描系统，尤其是磁扫描系统体积大、价格较贵，需要扩展的射束线，这很大程度上增加了半导体制造设备中离子注入机的整体覆盖面积(fbotprint)。

发明内容

本发明通过为注入机提供一个终端站，寻求避免在单个晶片注入机中束扫描装置所产生的问题，该注入机具有横切(across)基本静止的离子束对晶片进行二维扫描的机构。

因此，本发明为离子注入机提供一个终端站，离子注入机包括一个真空室，用以接收在所述室中沿一个预定的射束路径延伸的离子束，真空室具有一个室壁，用于在晶片平面内固定晶片的一个晶片固定器，一个扫描臂，它具有在真空室内支撑晶片固定器的一个远端和连接在室壁上的一个近端，所述扫描臂具有提供了臂的铰接的至少第一和第二旋转接头，以允许所述衬底固定器在与所述射束路径相切的扫描平面内的两个正交扫描方向上的运动；和一个扫描臂驱动器，可操作以相对于所述射束路径以所希望的二维扫描模式在所述扫描平面内移动所述衬底固定器。

这一构造只利用旋转接头，即可使期望的二维扫描模式机械地应用到晶片固定器上，这些接头包括在扫描系统中提供的两个旋转接头。

优选，提供第三个旋转接头把所述衬底固定器安装在扫描臂的所述远端上，并具有垂直于所述晶片平面的一个旋转轴。然后，该第三个旋转接头可以在扫描过程中被操作，以维持晶片固定器上的晶片的方向相对于与晶片平面垂直的所述旋转轴，在晶片固定器的扫描过程中，保持不变。

进一步更优选，提供第四个旋转接头把所述扫描臂的所述近端安装在所述室壁上。第四个旋转接头可以具有平行于所述扫描平面的一个旋转轴，由此在所述第四个旋转接头的扫描臂的旋转相对于束路径旋转所述扫描平面。这注入的角度可调节。优选，第四个旋转接头的轴位于晶片平面内，并优选，通过真空室交切(intercept)射束路径。然后，对注入角度进行调节，而不改变沿扫描平面的中心的射束路径的距离。

本发明还提供了以所希望的二维扫描模式移动加工件的方法，该方法包括，在扫描臂的远端，在加工件固定器上，以至少两个旋转接头安装加工件，旋转接头提供与臂的连接，以使所述固定器可以在扫描平面内的两个正交扫描方向上移动；和驱动扫描臂在所述扫描平面内，以所述希望的二维扫描模式，移动所述固定器。

附图说明

现在将参照下文中的附图描述本发明的示例。

图1是一个示意图，表示一个包含体现本发明的一个终端站的一台注入机，其中局部以剖面显示。

图2是图1中的注入机终端站的机械晶片扫描系统的一个透视图。

图3是图1和2中的机械扫描系统的操作的示意图，说明光栅扫描模式的产生。

图4是扫描系统的一个不同的操作的示意图。

图5是本发明的另外一个实施例的示意图。

图6是图5中的实施例的一个变换的视图，其中局部以剖面显示。

具体实施方式

图1提供一台离子注入机的示意图。一个离子源10包括一个等离子体室11，其中可以形成要注入的一个种类的离子。通过在等离子体室11的前表面上的缝隙12，借助牵引电极13控制的一个电场抽取这些离子，以形成一个离子束14。离子束14进入质量分析仪15，其中垂直于图表中的纸张平面的定向磁场引起离子以弯曲路径16移动，弯曲半径取决于进入质量分析仪的离子的动量和电荷状态。因为进入质量分析仪的离子将具有同样的能量，这是由等离子体室11和质量分析仪15的结构之间的电势差所确定的，因此，在质量分析仪中的离子的弯曲半径实际上是取决于离子的质荷比(mass to charge ratio)。

结果，不同质荷比的离子的轨迹当离子离开质量分析仪15时，分散在图表的纸张平面内，布置一个质量分辨窄缝(mass resolving slit)17，只允许一个具有选择的质荷比的离子通过前进，进入到离子注入机的一个端室(end chamber)18。所属技术领域的技术人员可以了解迄今为止所描述的离子注入机的详细操作和结构，进一步的信息可以从美国专利US 5389793或美国专利US 5969366的示例中获得。

在端室18中，具有选择的质荷比的离子的离子束19(通常是特定质量的单电荷的离子)被引导到半导体片20，如一个预定的半导体制造工艺所规定的那样将离子注入到晶片中。在晶片的前面，离子束19通过现有类型的(参见美国专利US 5399871)电子充溢系统32，为在注入过程中中和累积在晶片表面的任何正电荷提供电子。

离子束19撞击晶片20的直径是在10到40mm之间，但是，晶片20典型地具有200mm的直径，或近来是300mm。在离子注入程序中十分重要的是，确保输送到半导体片20的单位面积的离子的剂量在晶片20的整个表面区域是均匀的。因此，由于在本实施例中，在端室18的离子束19不被扫描，但具有基本不变的射束轴21，因此重要的是，保证半导体片20被机械平移，以使离子束19按照预定的扫描模式在晶片20上扫描，保证在整个晶片表面剂量的均匀分布。

现在将更详细地描述用于在端室18中固定半导体片20和如所需要的用于横切(across)离子束19扫描晶片的装置。该装置表示在图1的平面图中，并进一步在图2的透视图中进行说明。

如可以理解的那样，离子注入机的端室18构成一个真空室，用于接收沿预定的射束轴21延伸的离子束19。半导体片20被固定在晶片固定器22上，固定器22本身安装在扫描臂24的外部或远端23上。扫描臂的近处或近端25安装在端室18的一个壁26上。

扫描臂24通过在扫描臂的近端的第一旋转接头27，以及沿扫描臂24的长度的大约中间的第二旋转接头28被连接。接头27和28的旋转轴29和30彼此平行，也平行于包含射束轴21的平面，射束轴21垂直于图1中的纸面，即是在图2中表示的方向的一个垂直平面。

提供通过射束轴21的晶片20的所希望的二维扫描模式的扫描臂24的操作在图3的示意图得到最好的说明。在该图中，与图1和2中共同的那些组件使用相同的附图标记。图3中的图是直接沿射束轴21观察的，即在图1和2中箭头31的方向。因此，被铰接的扫描臂24包括一个内部部分40和一个外部部分41，它们通过旋转接头28铰接在一起。内部部分40自身通过旋转接头27连接到壁面26。

晶片20的平行线光栅模式由线42表示，当晶片20由旋转接头27和28的适当操作通过离子束19而被扫描时，线42是固定在晶片固定器22上的晶片20的中心点的轨迹。在图3中，沿中心扫描线43在图3中从左到右的扫描模式的单次穿过，由代表扫描臂部分40、41的实线和虚线以及晶片20被特别地表示出。

由每个电动机44和45驱动的每个旋转接头27和28在图1和图2中得到最好说明。

扫描臂24是由中空的长元件组成的，其提供臂的部分40和41，并且旋转接头27和28是真空密封接头，使扫描臂的内部处于大气压力下，而臂在端室18内的真空环境中操作。在真空技术中旋转真空密封是容易建立的，用于接头27和28的密封装置例如可以是含铁液式(ferrofluidic)真空密封装置，但可以使用任何其它类型的旋转真空密封装置。旋转接头27和28被设计为允许通过各种设备的接头进行连接，例如包括用于供给电动机的电导体，而且，如果需要的话，包括冷却液线路。在许多应用中，在固定器22上的晶片20在注入过程中必须是冷却的，并提供沿扫描臂24延伸的和通过旋转接头27和28的冷却液供应线路。

为了进行图3中表示的光栅扫描42，电动机44和45由扫描臂控制器46(图1)提供的驱动电压来控制。扫描臂控制器46根据预定的控制算法同时控制电动机44和45的转动速度，这样，晶片20根据设计的扫描模式横切(across)离子束移动。例如，需要扫描臂的部分40围绕旋转接头27的逆时针运动，以及，同时相对于部分40，扫描臂的部分41围绕旋转接头28的顺时针运动，以产生沿图3中表示的扫描线43的半导体片20的线扫描运动。扫描臂控制器根据预定的算法控制电动机44和45的速度，以提供沿线43的晶片的不变扫描速度。扫描臂控制器连同电动机44和45一起构成了一个扫描臂驱动器，它可以控制端室18内的晶片的位置，并产生任何所希望的二维扫描模式。

在图3所示的装置中，扫描臂24的轴27和28垂直于纸张平面，以使该连接的扫描臂所产生的二维的扫描模式是在平行于纸张平面的一个扫描平面内。

在一个优选的装置中，通过另一个旋转接头47，扫描臂24安装在端室的壁面26上，它具有平行于由扫描臂24的连接所限定的扫描平面的一个旋转轴48。全部的扫描臂装置24可以围绕轴48借助电动机49旋转。扫描臂24围绕轴48的旋转产生扫描平面相对于离子束轴21的相应的旋转。以这种方式，扫描平面可以被转动一个角度，使在晶片固定器22上的半导体片的以所希望的角度被进行注入。

重要的是，在描述的示例中，扫描臂的旋转轴48位于在晶片固定器22上的晶片20所占据的平面内，也可以交切(intercept)射束轴21，这在图2和3中得到最佳说明。该形状可以保证晶片20的注入角度可以由扫描臂24围绕轴48旋转而被调节，不需要产生沿射束轴21的扫描模式中心的任何移动，这一般被称为同中心注入角度调节(isocentricimplant angle adjustment)。

晶片固定器22可以进一步地借助旋转接头50可旋转地安装在扫描臂24的远端上，以使之围绕旋转轴51旋转。轴51被配置为平行于轴29和30。晶片固定器22围绕轴51的旋转可以由另外的电动机52来控制，其也受到扫描臂控制器46的控制。在一个优选布置中，随着晶片固定器沿扫描线43(图3)平移，扫描臂控制器46引起电动机52逆时针旋转晶片固定器22，以维持晶片20(和晶片固定器22)的方向关于轴51不变。在扫描模式42的其它元件中，电动机52产生相应的旋转，这样，晶片的方向始终维持不变。

电动机52由扫描臂控制器46根据预定的算法来控制，方式与电动机44和45的控制相同。用于扫描臂24的各种电动机的控制算法可以存储在扫描臂控制器46内的存储器中。对于所属技术领域的技术人员而言设计合适的算法不是问题。例如，各种电动机44、45和52的旋转位置与晶片固定器所希望的位置之间的关系由三角方程来确定，所属技术领域的技术人员可以容易地推导出来。

图3所示的光栅扫描模式提供平行于旋转轴48的较长距离的往复式线性运动，与短距离的横向运动相互结合(interconnect)，以产生相对于射束轴21的一系列平行扫描线。可以使用替换的扫描方向和模式。例如在图4中，图3中的扫描模式已经相对于轴48旋转了约45°。可以容易地设计一个适当的算法，并存储在扫描臂控制器46中，以执行图4中所示的扫描模式。图4中的扫描模式的优点是，以平行的扫描线60表示的晶片的长的往复式运动适应远的扫描臂部分41的相对较大的旋转运动，和近的扫描臂部分40的相对较小的角度运动。在执行扫描模式中，这可以使电动机44和45的负荷降低。可以理解的是，扫描应该是在相对高速时进行，以获得适当的剂量均匀性，或较高束流所需要的低的总剂量，以及在任何情况下最大限度提高生产率。

尽管图4的扫描模式是以图中的上左部和下右部之间对角线延伸的快速扫描线60来表示，但应该理解的是，扫描臂可以安装在端室内，以便作用在扫描臂上的重力基本垂直于箭头61指示的方向上的扫描线60。然后，晶片固定器沿扫描线60的主要的往复式运动可以是水平的，再次使扫描臂的驱动电动机44和45上的负荷最小化。

图5以示例的方式表示另外一个装置。在图5中，安装近的扫描臂的部分70，用于相对于室底板(floor)部分72围绕旋转接头71旋转，以便其在注入机的端室内基本垂直。远的扫描臂的部分73一般是水平伸展，并且离子束轴74基本是在近的和远的扫描臂部分70和73之间的旋转接头75的高度(level)上。晶片固定器76通过在扫描臂部分73的远端的旋转接头77可旋转地安装。通过适当同时控制各自的电动机，驱动旋转接头71、75和76，以希望的扫描模式横切射束轴74可以扫描晶片固定器76。

在该装置中，接头71、75和76的轴优选平行于射束轴，晶片固定器76固定要被进行注入的晶片，使晶片垂直于接头77的轴和射束轴74。图6表示可以允许调节注入角度的一个变化。

在图6中，图5中的扫描臂是沿图5中箭头80的方向来观察，相对应的部分使用相同的参考标记。但是，旋转接头75通过另一个旋转接头81安装在近的扫描臂部分75的远端，旋转接头81具有垂直于射束轴74和接头75的轴的一个旋转轴82，这样，远的扫描臂部分73连同晶片固定器76可以围绕轴82转动，以使垂直于固定器76上的晶片对离子束轴74成一个选择的角度θ。优选，如所示的，接头81的轴82是在固定器76上的晶片的平面内，这样，晶片在角度θ的扫描几乎是同中心的。

图5和6中的装置是特别有利的，因为它可以利用批式终端站的基本的机械结构，例如，如在美国专利US 5641969中描述的，具有由远的扫描臂部分73所代替的扫描轮子。

尽管图3、4、5和6表示线性平行光栅扫描模式，当应该理解的是，适当的算法可以存储在扫描臂控制器46中，以在扫描臂24的运动范围内，执行任何希望的二维扫描模式。例如，圆形的和螺旋形的扫描模式可以由适当的控制算法来提供。

在本发明描述的和图所示的这些示例中，扫描臂驱动器包括共轴安装在每个旋转接头上的各个的电动机。替代的，一个或多个的电动机可以远离各自旋转接头的轴安装，并且依靠齿轮连接或传动带和滑轮彼此连接以驱动接头。同样，驱动器的一个或多个电动机可以在或临近主轮彀被提供，主轮彀把扫描臂连接到端室壁面上，依靠沿扫描臂的部分40和41伸展的传动带和连接，提供对各自接头28和50的驱动。

包括在所描述示例中的扫描臂驱动器中的电动机是精密电动机，典型地是伺服电动机，可以对扫描臂控制器进行位置反馈。扫描臂控制器利用顺序电动机位置的存储表可以进行操作，在全部的扫描模式过程中，使之一起符合所希望的晶片固定器22的顺序位置。可替代地，数学算法可以在包含方程的扫描臂控制器中提供，该方程把在扫描模式过程中的晶片描述固定器22的位置和运动的数据，转换为需要得到的规定的扫描模式的扫描臂驱动器的电动机的相应的位置和运动。

在参考附图描述的本发明的示例中，扫描臂24的两个部分40和41的长度相似。所束技术领域技术人员可以理解的是，一个部分实际上可以短于另一个部分，只要它们之间扫描臂的两个部分是在整个扫描平面的晶片固定器22的位移的要求范围内。

总之，与上述特定的描述不同的其它布置，对于所属技术领域的技术人员而言是显而易见的。

Claims (11)

1、一种用于离子注入机的终端站，包括：

真空室，其被布置用以接收在所述室中沿预定的射束路径伸展的离子束，真空室具有室壁，

晶片固定器，其用于在晶片平面内固定晶片，

扫描臂，其具有在所述真空室内支撑所述晶片固定器的远端和连接在所述室壁上的近端，

所述扫描臂具有提供所述臂的铰接的至少第一和第二旋转接头，以使所述晶片固定器可以在与所述射束路径横切的扫描平面内的两个正交的扫描方向上运动，和

扫描臂驱动器，其可操作以相对于所述射束路径，以  二维扫描模式，在所述扫描平面内，移动所述晶片固定器。

2、根据权利要求1所述的终端站，包括第三旋转接头，其把所述晶片固定器安装在所述扫描臂的所述远端上，并具有垂直于所述晶片平面的旋转轴。

3、根据权利要求1或2所述的终端站，包括第四旋转接头，其把所述扫描臂的所述近端安装在所述室壁上，并具有平行于所述扫描平面的旋转轴，由此在所述第四旋转接头的所述扫描臂的旋转，相对于所述离子束路径，旋转所述扫描平面。

4、根据权利要求1所述的终端站，其中所述第一和第二旋转接头具有垂直于所述晶片平面的轴，由此所述扫描平面平行于所述晶片平面。

5、根据权利要求3所述的终端站，其中所述第一和第二旋转接头具有垂直于所述晶片平面的轴，所述第四旋转接头的轴位于所述晶片平面内。

6、根据权利要求5所述的终端站，其中所述第四旋转接头的所述轴横切所述射束路径。

7、根据权利要求5所述的终端站，其中所述第四旋转接头的所述轴垂直于所述射束路径。

8、根据权利要求2所述的终端站，其中所述第一和第二旋转接头具有垂直于所述晶片平面的轴，所述扫描臂驱动器可以操作以驱动所述第三旋转接头，以便在所述扫描模式中保持所述晶片固定器的方向不变。

9、根据权利要求1所述的终端站，其中所述扫描臂驱动器可以操作以提供相对于所述射束路径的所述衬底固定器的线性正交光栅扫描模式，包括横切由预定的扫描间距所分开的所述射束路径的所述晶片固定器的平行线扫描。

10、根据权利要求1所述的终端站，其中所述扫描臂驱动器包括驱动所述第一和第二旋转接头的各自的第一和第二电动机，以及电动机控制器，以控制所述第一和第二电动机提供所述扫描模式。

11、一种在离子注入机的终端站中移动晶片的方法，该方法包括：

在扫描臂的远端，在晶片固定器上，以至少两个旋转接头，安装所述晶片，所述旋转接头提供所述臂的铰接，以使所述固定器可以在扫描平面内的两个正交扫描方向上移动，

和驱动所述扫描臂在所述扫描平面内以所述二维扫描模式移动所述晶片固定器。

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