CN1052112C - 控制半导体圆片的离子植入方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种圆片位置和夹持传感器。电路(114)监测圆片支架内的二电极(22，24)。圆片不在支架上时，电容值在某一范围内；圆片就位但不夹上时，电容值在第二范围内；圆片借静电力固定就位时，电容值在第三范围内。测出的电容值先转换成某一频率，再转换成易检测的直流电平，再用此电平先后进一步确定圆片的位置和夹紧情况。圆片经处理卸下后再处理下一圆片。释放圆片时以一受控频率倒转将圆片夹持在支架上的夹持电压极性以消除圆片与支架间的吸力。

Description

控制半导体圆片的离子植入方法和设备
本发明是Blake等人在1993年1月15日向美国专利局申请的题为″圆片检测和夹持监示器″的专利申请08/005,030的部分继续(CIP)中请。
本发明涉及一种用以将半导体圆片夹持在圆片支架上的静电式夹持器，更具体地说，涉及控制这种夹持器工作过程的一种方法和装置。
标题为″应用交流电场激磁的静电式夹具″的美国专利5,103,367涉及一种半导体圆片固定机构，用以在圆片处理过程中固定与支架接触的圆片。这种静电式夹具有三个电极，其中两个电极形成基本上为平面的表面，且埋置在一个绝缘薄膜中。该两电极由低频(约200赫)交流电源激励，产生幅值和相位受控的信号波场(sign wave fileds)。第三个电极采用屏蔽电极，用作其它两个电极的参考点。通过控制电压的施加和消除频率，可以在圆片支架上得出低电压梯度。这样做可以使绝缘介质与圆片之间没有保持力(retentive forces)。用低幅值的交流电激励夹具可以通过容性电流检测出圆片和绝缘薄膜的相对位置，从而可以简化施加到电极上的电压的控制过程。静电式夹持法常见的问题是切断加到夹具上的保持电压时，圆片不能从夹具中释放出来。有若干因素是造成这种残留夹持力的原因。
首先，大多数绝缘体曝露在强电场中之后显示出一定程度的半永久性极化现象。这种极化现象即使在电压消除之后也具有保持夹持力的作用。高介电常数的物质特别容易受到这种作用，而制造圆片支架最经常使用的绝缘材料正是这种物质，因为它们的高介电常数提高了上述夹持力。
其次，即使介绝体是没有任何残留极化现象的完美物质，存储在夹具中的弹性能量也会引起残留夹持力。举例说，在夹具结构的一部分是由弹性体制成的情况下，夹具的电容就变得与电压有关。这样单凭短接电压源是不能使构成夹具的串联电容器放电的。更确切地说，必须将所存储的能量散发到外部电路中。由于夹具的电路不是简单的直流源而是含有电容和电感电路，因而单靠经外部电路的短接不能引出所存储的能量。
本发明涉及半导体圆片在离子束处理工序前、后对圆片的处理方法和装置。处理之前，在半导体圆片与支架之间产生静电吸力，使圆片固定到支架上。接着，圆片通常运送到处理站，再送回到装料站，然后从支架上卸下来。
在圆片处理的过程中，圆片与圆片支架因相互的静电吸力彼此相互吸引。这最好是通过激励圆片支架中的电极而进行。这些电极是通过电源加过来的偏压产生静电吸力的。
圆片业已处理之后，以受控的频率转换电源的输出极性以减小圆片与圆片支架之间的吸引力。这样就可以借助现有技术所周知的圆片机械处理装置从支架上卸下圆片。有节制进行转换的同时，还可以逐步减小加在支架电极两端的电位差的幅值。通过减小圆片与支架之间的吸力可以完好无损地卸下圆片，从而提高了离子注入器的效率。
现有技术圆片处理系统中，圆片与圆片支架之间的残留吸力可能是由存储在圆片支架中的电荷引起的。回顾一下静电式夹具的结构和制造过程，支架可以看成多个串联的电容器。电容器不同，表明其各不同材料层的介电常数不同。仅仅短接圆片支架并不能使所有的电容器都彻底放电，因为一旦内部达到某种平衡状态，放电电流就会停止流通(在此过程中，一个电容器成了另一个电容器的充电源)。本发明的作法是使足量的放电电流保持下去，直到剩余的电荷可以忽略不计为止。
偏压中衰减的幅值可用施加从低到高的可变频率而进行的频率调制来近似，即转换(跨过两支架电极两端的)电源电压的极性。这个方法是以这样的事实为依据的，即这些电容器都不是理想的电容器，其介电常数由于圆片支架的弹性体材料而实际上″有损耗″。这样来″训练″电容器，使得可将存储的能量加以散发。
从上述内容可知，本发明的一个目的是提供一种便于对圆片进行处理但又能始终控制圆片的离子注入装置和方法。这最好是用按这里所公开和要求保护的本发明构制的圆片释放器和按本发明进行的圆片释放法付诸实施。
根据本发明的一个方面，提供一种控制半导体圆片(12)的离子植入的方法，该半导体圆片在植入前静电吸附在圆片支架上，包括步骤：a)通过提供与连接至支架的两个电极(22，24)之间的电容的相关的电容信号，检测半导体圆片(12)在圆片支架(14，16，18，20)上的放置，并确定该电容信号是否表明圆片已放置在该支架上；b)当与两个电极之间的电容相关的电容信号达到一个表明圆片已放置在支架上的值时，通过在两个电极间给予电压在圆片与支架之间产生静电吸力将圆片固定在支架上；c)当为保证圆片由静电吸力已正确固定在支架上而产生静电吸力时，监视两个电极之间与电容相关的电容信号的变化；和d)在电容信号未达到表明圆片已正确固定在支架上的值的情况下，暂停圆片的离子植入。
根据本发明的另一方面，提供一种半导体圆片固定在圆片支架的离子植入设备，包括：a)圆片支架，圆片支架包括两个电极用于通过静电吸附的方法将圆片固定在圆片支架上；电容检测电路)耦合至该电极，用于产生相应于两个电极间的电容的指示信号；电源耦合至该两个电极，为两个电极提供电压信号；和控制器耦合至电源，使该电源为两个电极提供能量，从而在圆片置于圆片支架之上时，将圆片吸附在圆片支架上；所述控制器包括一个耦合至电容检测电路的输入端，以接收相应于检测到的电容的指示信号，从而确定圆片位于支架上和圆片是否正确固定到支架上和进一步包括在指示信号表明圆片已正确固定在圆片支架上后开始圆片离子植入的装置。
从结合附图说明的最佳实施例的详细说明可以更好地理解本发明的上述和其它目的、优点和特点。
图1是电源、静电式夹持装置和电容测定电路的原理图。
图2是离子注入器中使用的圆片支架的平面图。
图3是从图2的平面3-3看上去的视图。
图4和4A是电容检测电路的原理图。
图5是用来供电给图4和4A的检测电路的电源电路。
图6是应用图4和4A电容检测电路的输出来控制离子注入器的控制系统的原理图。
图7和8是用以控制图1中所示的电源的输出极性的电路原理图。
各附图示出了用以支撑和固定半导体圆片12(图3)以便进行处理的夹持装置10。夹持装置10包括最好由氧化铝或钼制成的支撑板14、也是由氧化铝制成的底板构件16、玻璃绝缘层18和氧化铝绝缘层20。电极22、24置于玻璃层18与绝缘层20之间，加热元件26置于玻璃层与底板构件16之间。
如美国专利4,261,762中所述的那样，气体管件28通过夹具装置孔延伸入圆片与层20之间的界面，起冷却在圆片与夹具之间流通的气体的作用。层20上部表面开有气体分配槽29，协助气体的分配工作。
底板构件16形成有一个冷却流体流通通道30的管道。在最佳实施例中，通道呈螺旋形，但也可以是曲曲折折的通路，也可以是一系列相互连接的通道。各通道借助于支撑板14封闭起来，形成密闭的一条或多条导管，支撑板14紧挨管道而密封着。支板上开有冷却剂入口管件32和冷却剂出管件34用的孔。鉴于本夹具装置是准备在很宽范围的温度条件下工作的，因而流过管道的冷却介质可以是液体或气体，视具体应用情况而定。
夹具结构
绝缘层20最好由高纯度(99.5％)的薄氧化铝层(约0.25毫米厚)制成。然后将电极22和24敷到绝缘层的底表面(如图2中所示)上，最好是用丝网印刷法将铜铝粉或银钯粉以及玻璃料粉组成的糊剂印制到绝缘层上，然后在大约700℃下烧制。如图1中所示，各电极在平面图中基本上呈半圆形。
加热元件26是用丝网印刷法将钨粉和玻璃料粉组成的糊剂印制到管道上形成连续弯弯曲曲的通路制成的，通路的几何结构最好如图3所示的那种，使外边缘的加热功率密度更高一些，从而使夹具整个表面上的温度均匀性达到最佳状态。
电极22、24和加热元件26一经烧制到绝缘层上，绝缘层20就固定到管道上。上述装配过程完毕之后，支撑板14就在炉中借助于密封玻璃而钎焊或密封到管道16的底部。
如图3的示意图所示，供接电极22的第一导线40和接电极24的第二导线42用的通孔36、38都穿过支撑板14、管道16和绝缘层18。导线40、42用钎焊或其它适当的方法(例如可与电极接合的弹性触点)连接到各电极上，并连接到电源44(图1)，由电源44提供约3千伏的直流信号，以产生作用到安置在绝缘层20表面的半导体圆片12上的静电夹持力。电源44有两个模件44a、44b，两者连接在一起形成双极的输出端。
第三导线50也是用钎焊等方法连接到加热元件的一个端子上，第四导线52同样连接到加热元件26的另一个端子上以便将加热元件接到工作电压一般为120伏的第二电源54上，供第三和第四导线用的通孔46、48也穿过支撑板14和管道16开设。通孔36、38和供气体管件28用的孔最好开设成通入结构中，孔36、38用密封玻璃加以密封，管件用密封玻璃连接到孔中。
电容检测电路
从图1中可以看到，来自电极22、24的输入110、112耦合到电容检测电路114上。该两输入端110、112两端之间的电容与电极22、24之间的电容相当，它不仅受加到电极上的电压的影响，也受圆片是否存在的影响。这两个输入耦合到集成电路122中的运算放大器120上。集成电路是市售的LF356集成电路，可从美国国家半导体公司购得。
运算放大器120产生的输出信号具有直接与输入端110、112之间的电容有关的振荡频率。
运算放大器120的输出振荡信号在0伏与5伏之间变化。该信号经过整形加到比较放大器130上，该放大器的参考输入端132的电压由齐纳二极管134限定到5伏左右。比较放大器130产生的方波信号输出，其占空因数为50％，其作用时间(ON period)随检测出的电容值而变化。圆片的直径为4英寸，这个作用时间当圆片未就位时约为20微秒，圆片在层20上就位时约为30微秒，圆片就位且电极上有电源44加的夹持电压(约3千伏)时约为40微秒。
比较放大器130的输出便发光二极管140、142导通和截止，该两发光二极管在光路上与相应的光检测器隔离开来。上部光检测器144供判断用，其输出148可耦合到例如一个示波器上，供监测频率随电容值而产生的变化。
第二光检测器146产生与模拟开关152(图4A)连接的、用以使晶体管150导通和截止的信号。模拟开关152的输入端(IN)接晶体管150的集电极。该晶体管导通及截止时，开关152的输出端(S1，S2)依次根据来自比较器130的方波频率输出从地改变到8伏的状态。
模拟开关152的输出由电阻电容电路154进行积分，从而使加到运算放大器162的不倒相输入端160上的输入的电压电平直接与电路114检测到的电容有关。运算放大器162作为电压跟随器工作，从而使命名为FVOU的输出164是一个直接与所检测的电容值有关的直流输出信号。注入器控制系统250(图6)即用该直流输出信号来监测系统的性能。用以将圆片放置到夹具上的圆片输送机是根据检测到的适当的无圆片情况而启动的。一旦检测出有圆片存在，控制电路250就促使电源44供电给电极22、24，使夹具与圆片之间产生静电吸力。
现在转到图5，图中示出了用以产生适用于电容监测电路114的电压的电源电路200。图5左侧的两个输入端210、212提供激励发光二极管213的电压。该电压根据齐纳二极管214的箝位操作产生12伏信号。接着，12伏信号加到集成电路调压器216、218以产生+8伏和-5伏的电压。直流/直流变流器220提供±15伏信号。这些电压加到图4、4A中的电路，使本发明具备监测电容值的能力。
圆片释放
图6的注入器控制系统250与图7和8中画出的圆片释放电路300相连接，由该电路触发具有双极输出结构的电源44。电路300包括逻辑驱动电路310，电路310的两个输出端OUT1、OUT2接两个电源模件44a、44b。电源模件最好是市售的MC-30电源模件，可从美国佛罗里达州奥蒙德比奇的伽马高电压公司购得。两个输入IN1、IN2控制输出OUT1、OUT2。当IN1为正时，来自逻辑电路310的输出OUT1为正并起电流源的作用，从而启动第一电源模件44a。发生这种情况时，装在圆片支架上的两个电极两端的电压处于第一极性。当IN2为正时，逻辑电路310的输出OUT2为正，并起电流源的作用，且第二开关电源模件44b起作用，从而倒转跨在电极两端电压的极性。电路310在市面上有出售，可从SGS汤姆公司购得，物品名称为L6202。
圆片放置到支撑层20上之后，在圆片注入离子之前，启动电源44的一个模件，使圆片与支架之间保持静电吸力。为达到此目的，电路310的ENABLE(启动)输入端312处于高电平，其中一个或其它输入端IN1、IN2在注入离子过程中仍然为正。这使电极22、24上加有固定电压，保持圆片与支架之间的静电吸力。
要从支架上释放圆片时，电路310的启动输入端ENABLE仍然处于高电平，但两个输入端IN1、IN2借助于触发器320的Q和Q非输出端交替导通和截止。电源极性的切换频率由触发器320的输入322控制。触发器系构制成除2计数器，使得输入端信号的频为f，其输出按f/2的频率而改变状态。Q和Q非输出切换时，模件44a、44b中不同的一个启动，切换圆片支架内各电极两端的极性。
现在转到图7，加到触发器320的输入322是来自于有两个输入端332、334的″与″门330。加到″与″门330的一个输入332与来自控制器250加到光频隔离器(optoisolator)344的两个输入端340、342的控制信号有关。当输入端340相对于输入端342为正时，电流流经光频隔离器内的发光二极管344a，使光敏传感器344b启动。于是便产生加到输入端332的低输出。当控制器250检测出支架上有圆片时就把电压加到两输入端340、342两端，并根据该检测出的情况使圆片与支架之间的吸力起作用。
当控制器250将夹持启动电压加到输入端340、342上时，″与″门330的输入端332上的信号转入低电平，促使来自″与″门330的输出转入低电平，并保持触发器320处于一个状态(该状态在夹持过程中不重要)。从图7中可以看到，来自光频隔离器344的低输出信号也加到一个其输出端通过倒相器352接″与″门354(图8)的负″或门″350上。来自光频隔离器344的低输出促使″与″门354的输出转入高电平，从而促使逻辑驱动电路310的输入端312能接收启动信号。两个输入端IN1、IN2的状态促使模件44a或44b起作用，从而使一个电压差加到圆片支架内的电极上。这使圆片支架与圆片之间的吸力起作用。从″与″门354来的倒相器353的第二输入端接收从FVOUT信号164导出的、由硬件产生的圆片检测信号。
注入离子之后，控制器250通过提供控制信号使加到圆片电极上电压的极性来回变化，从而将静电能量在圆片与电极之间散发开，使静电吸力停止作用。
当控制器250使圆片夹持作用停止时，来自光频隔离器344的输出信号转入高电平，确保″与″门的输入端332也转入高电平。另两个产生输入360、362的控制器与第二光频隔离器364相耦合。输入端360处的电压比输入端362处的电压更为正时，该第二光频隔离器364起作用，于是来自光频隔离器的低输出通过倒相器366耦合，因而转入高电平。此高输入信号加到第一单稳触发器370，促使来自单稳触发器370的Q输出端372加入高电平，与此同时，Q非输出端转入低电平且与门350耦合，使驱动电路310起作用。因此，虽然去掉了来自控制器的信号340，驱动电路仍然起作用。单稳触发器370的Q输出端接到构制成振荡电路的第二单触发器380。该单稳触发器的Q输出通过一个能促使第二单稳触发器以大约20赫的预定频率振荡的外电路反馈到启动输入端。这促使加到″与″门330的输入334以该频率脉动。上面说过，″与″门330的输出端与作为除2计数器的触发器耦合。这促使电极的极性来回波动，历时相当于第一单稳触发器370的输出时间。在单稳触发器370的时间已过之后，此单触发器的Q输出使单稳触发振荡器380停止作用，并从电路310除去启动信号。
按照本发明受控释放机构的第二实施例，控制器350直接使输入340、342起作用，历时受控的通/断时间。连接点322在输入340处于高电平时处于低电平。通过以有节制或可调节的频率对输入340计时，可以控制来自电路310的转换频率，从而去控制两个电源模件44a、44b极性的转换。单稳触发器370输入端处的三个跨接线接头P1、P2、P3是根据由控制器执行转换，还是由单稳触器370与多谐振荡器380的组合来控制转换而进行设定的。跨接P1和P2的跨接线使单稳触发器370不起作用，跨接P2和P3的跨接线使单稳触器起作用。
操作情况
在操作时，将准备处理的圆片12放到层20的表面上，然后激发电源44使其往圆片与层之间施加足以使圆片在夹具上保持就位的静电吸力。接着令夹具10转动和移动，将圆片送到圆片处理站，例如离子注入室。
注入器控制系统250(图6)有许多装置接口，这些接口接收来自传感器252的输入(例如压力计测出的压力；电压表、编码器测出的机械位置和FVOUT输出164)，并将操作指令发送到机械和电气元件254(例如阀、电压、自动装置和静电夹具电源44)。
在控制系统内，一系列必须在发送操作指令之前进行的交错检查(例如，深冷泵的阀只有在离子注入室经证实已大致处于真空状态之后才能打开)已被编成程序。输出164表明支架上有圆片，以及圆片是否夹紧，并给这些交错检查提供执行圆片搬运和离子注入操作的关键性信息。例如，组件10只有在圆片被证实处于牢靠夹紧状态才能转到垂直位置。当交错检查结果不合乎要求时，控制系统250能使离子注入器转入HOLD(″暂停状态″，暂停进行以后的各项操作)以防损坏设备或产生圆片。
一系列交错检查的第二个作用是给操作人员接口260提供有关设备状态的信息。具体地说，当交错检查结果不合要求时，就有警报信息产生，显示在操作人员接口屏幕上，并记录在保存在磁盘机上的数据记录上。这个信息使操作人员可以采取使设备恢复正常操作的校正行动。
圆片一旦经过离子注入处理这后，组件10移动，将圆片从支架上卸下。这时控制器250或者给单稳触发器370发出将电源40极性倒过来的信息，或者直接以受控频率切换该极性。交替地改变电极的极性并减小圆片支架与圆片之间的吸力，由此将圆片释放开。
图6示出了控制设备的当前技术水平。这里增设了容性检测电路114和圆片释放电路300，这两项措施在可获取的有关夹具10上圆片状态的信息质量方面和高效处理圆片的能力方面是一个进步。
虽然本发明实施例的说明在一定程度上是具一定的特殊性，但我们的意图是，本发明包括所有在本说明书所附权利要求书的精神实质或范围内对所公开的设计进行的所有修改和更改方案。

Claims (8)

1.一种控制半导体圆片(12)的离子植入的方法，该半导体圆片在植入前静电吸附在圆片支架(14，16，18，20)上，其特征在于步骤：
a)通过提供与连接至支架的两个电极(22，24)之间的电容的相关的电容信号，检测半导体圆片(12)在圆片支架(14，16，18，20)上的放置，并确定该电容信号是否表明圆片已放置在该支架上；
b)当与两个电极之间的电容相关的电容信号达到一个表明圆片已放置在支架上的值时，通过在两个电极间给予电压在圆片与支架之间产生静电吸力将圆片固定在支架上；
c)当为保证圆片由静电吸力已正确固定在支架上而产生静电吸力时，监视两个电极之间与电容相关的电容信号的变化；和
d)在电容信号未达到表明圆片已正确固定在支架上的值的情况下，暂停圆片的离子植入。
2.如权利要求1所述的方法，其中固定圆片(12)的步骤的特征在于：在两个电极(22，24)之间施加直流电压。
3.如权利要求1所述的方法，其中监视步骤的特征在于：有一个子步骤，如果未检测到圆片正确固定到支架上，将产生一个警告信息并暂停圆片支架(14，16，18，20)向植入位置的移动。
4.如权利要求1的方法，其中产生电容信号的步骤的特征在于：产生与两个电极(22，24)之间的电容相关的直流信号。
5.一种半导体圆片(12)固定在圆片支架(14，16，18，20)的离子植入设备，其特征在于：
a)圆片支架(14，16，18，20)包括两个电极(22，24)，用于通过静电吸附的方法将圆片(12)固定在圆片支架上；
b)电容检测电路(114)耦合至该电极，用于产生相应于两个电极间的电容的指示信号；
c)电源(44)耦合至该两个电极，为两个电极提供电压信号；和
d)控制器(250)耦合至电源，使该电源为两个电极提供能量，从而在圆片置于圆片支架之上时，将圆片吸附在圆片支架上；
e)所述控制器包括一个耦合至电容检测电路的输入端，以接收相应于检测到的电容的指示信号，从而确定圆片位于支架上和圆片是否正确固定到支架上和进一步包括在指示信号表明圆片已正确固定在圆片支架上后开始圆片离子植入的装置。
6.如权利要求5的设备，其特征在于：自动装置(254)耦合到控制器(250)，将圆片支架(14，16，18，20)重新定向并将所述圆片(12)移至离子植入方向，所述控制器包括在指示信号表明圆片未正确固定在圆片支架上时使该自动装置停止的装置。
7.如权利要求5的设备，其特征在于：其中的电容检测电路(114)进一步包括振荡电路(120)，该振荡电路包括分别连接至两个电极(22，24)的第一和第二输入端，该振荡电路提供振荡输出，其频率随电极间的电容的改变而改变，和该振荡电路包括输出电路，将振荡器输出转变为所述指示信号，所述指示信号基于振荡输出的频率。
8.如权利要求5的设备，其特征在于：其中电容检测电路的输出电路进一步包括耦合至振荡电路(120)的集成电路(154)，用于将振荡器输出(152)转换为电压电平。
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