CN106233422A - 离子注入设备 - Google Patents

Abstract

一种离子注入设备，其包括：在该真空制程腔中移动的承载框架，该承载框架包括边框部和由该边框部围成的中空部，该边框部用于通过支撑晶片的边缘来承载晶片；位于晶片表面一侧的至少一个第一离子注入装置，用于将离子从晶片的表面注入至晶片中；位于晶片背面一侧的至少一个第二离子注入装置，用于将离子从晶片的背面注入至晶片中，离子束所在平面与该承载框架的运动方向垂直，该承载框架用于承载晶片经过每个第一离子注入装置和每个第二离子注入装置的离子束的作用区域。所述离子注入设备通过在同一真空制程腔中在晶片的两侧设置离子注入装置来实现对晶片两个表面的离子注入，提高了加工效率，且无需设置额外的支撑装置，精简了结构。

Description

离子注入设备 技术领域

本发明涉及一种离子注入设备，特别是涉及一种能够同时加工晶片的两 个表面的离子注入设备。

背景技术

在半导体工艺中，例如太阳能电池的制作或者电子元器件的制作中，将 晶片加工为所需的掺杂晶片需要经过多个工艺制程，而该多个工艺制程中又 有许多是需要在真空环境中完成的，例如生成P型半导体的离子注入制程、 生成N型半导体的离子注入制程以及退火处理制程等等。在目前广为采用的 掺杂制造技术中，通常在每个真空制程腔中仅执行一个单一制程。如要完成 多个制程，则必须进出多个执行不同制程的真空制程腔。

而且，拿离子注入这一掺杂工艺来说，目前的离子注入装置一般只能执 行某一种特定的离子注入，也就是说，现有注入装置的针对性很强，当需要 执行多道掺杂工序时，必须依次将晶片置入不同的注入装置中来完成掺杂。 例如在需要两个表面的三次掺杂(背面的P型重掺杂、P型轻掺杂和表面的 N型掺杂)的制程中，现有的注入设备就只能先在N型注入设备完成N型 掺杂，之后将晶片取出，置入P型注入设备中翻转至晶片背面完成第一次P 型离子注入，之后再取出形成掩膜，再次置入P型注入设备中，完成重掺杂。

很明显，上述的半导体制造技术中存在着以下缺陷：一，在需要多次掺 杂时，晶片需要在多个离子注入装置的真空制程腔之间多次进出真空才能够 完成所有掺杂，而多次进出真空的动作不但会降低太阳能晶片的加工效率， 还会因工艺步骤增多而降低产品的良品率；二，在每个真空制程腔中只能够 完成对晶片的一个表面的离子注入，这将进一步降低太阳能晶片的加工效 率，而且，当需要在两个表面均形成掺杂时，必须有翻转晶片的机构，以将 待注入表面暴露于束流头下；三，需要多次或者多种类离子注入时，必须购 买多套用于执行不同制程的离子注入设备，生产成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中需要多次离子注入加 工晶片时必须使晶片多次进出真空制程腔逐次完成各次离子注入、加工效率 低下、购置执行不同类型离子注入的设备成本高昂的缺陷，提供一种能够同 时加工晶片的两个表面且在一个真空制程腔中能完成多次离子注入的离子 注入设备。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种离子注入设备，其包括真空制程腔，其特点在于，该离子注入设备 还包括：

在该真空制程腔中移动的承载框架，该承载框架包括边框部和由该边框 部围成的中空部，该边框部用于通过支撑晶片的边缘来承载晶片，该承载框 架与水平面平行；

位于晶片表面一侧的至少一个第一离子注入装置，用于将离子从晶片的 表面注入至晶片中；

位于晶片背面一侧的至少一个第二离子注入装置，用于将离子从晶片的 背面注入至晶片中，

其中，离子束所在平面与该承载框架的运动方向垂直，该承载框架用于 承载晶片经过每个第一离子注入装置的离子束的作用区域和每个第二离子 注入装置的离子束的作用区域。该第一离子注入装置和该第二离子注入装置 将引出离子束，离子束可以在垂直于该承载框架的运动方向的平面内形成一 定分布，即离子的运动轨迹之间平行间隔，也可以说离子束在晶片上的投影 是长条状(或者说是带状)的。

在该离子注入设备中，采用了具有中空部的承载框架，离子束可以穿过 该中空部。而当该承载框架上承载晶片时，第一离子注入装置和第二离子注 入装置产生的离子束可以对晶片的表面和背面(即晶片的两个面)进行掺杂， 即随着该承载框架的移动，晶片的表面和背面将通过位于表面一侧的第一离 子注入装置和位于背面一侧的第二离子注入装置，在移动过程中完成表面和 背面的掺杂，由此提高了加工效率。

再者，由于离子束所在平面与该承载框架的运动方向垂直，若离子束在 晶片上的投影是带状(或者说是长条状)的，那么与该运动方向相垂直的方 向上，离子束已经能在晶片上形成带状覆盖，随着承载框架的移动，晶片的 全部区域均能实现较为均匀的注入。

优选地，该离子束为带状离子束，即离子束在该晶片上的投影为带状。

优选地，该承载框架包括掩膜部，该掩膜部连接该框架部且遮挡部分该 中空部，该掩膜部用于阻挡部分自晶片背面注入的离子以在晶片背面形成局 部掺杂。

当需要在晶片背面形成局部掺杂时，可以通过掩膜部的设置来实现，在 掩膜部的遮挡下，并非背面的所有区域都会被掺杂，合理地设置掩膜部的图 样就能获得理想的局部掺杂图样。

优选地，该掩膜部为掩膜板，该掩膜板与该边框部为可拆卸连接。这样， 用户可以便捷地更换掩膜板，从而形成不同的局部掺杂图样。

优选地，该边框部包括用于支撑晶片边缘的凸缘。

较佳地，该边框部的与该凸缘相连的面为斜面。

优选地，该第一离子注入装置包括束流传输系统，其中，该束流传输系 统包括离子源和引出电极，该引出电极用于引出离子源中的离子以形成离子 束；

或者，该第二离子注入装置包括束流传输系统，其中，该束流传输系统 包括离子源和引出电极，该引出电极用于引出离子源中的离子以形成离子 束。

优选地，该束流传输系统还包括质量分析磁铁，该质量分析磁铁用于选 择出预设荷质比的离子束。

在该质量分析磁铁的作用下，荷质比不符合要求的离子不会穿过质量分 析磁铁，那么即使该第一离子注入装置的离子束的作用区域和该第二离子注 入装置的离子束的作用区域有重叠，位于晶片两侧离子束也不会对冲(即当 晶片不在离子束作用区域内时第一离子注入装置和第二离子注入装置的离 子束相对运动)致使离子注入装置受到损坏。

优选地，该第二离子注入装置所注入的离子的掺杂类型与晶片的本底掺 杂类型一致。

优选地，当该第一离子注入装置的离子束的作用区域与该第二离子注入 装置的离子束的作用区域不相重叠时，该离子注入设备还包括与每个第一离 子注入装置相对应的第一检测装置和与每个第二离子注入装置相对应的第 二检测装置，该第一检测装置用于检测该第一离子注入装置的离子束的流 量，该第二检测装置用于检测该第二离子注入装置的离子束的流量，较佳地， 该第一检测装置和该第二检测装置各自独立地为法拉第杯。

优选地，当该第一离子注入装置的离子束的作用区域与该第二离子注入 装置的离子束的作用区域至少部分重叠时，

该离子注入设备还包括可移动的旋转检测装置，该旋转检测装置用于检 测离子束的流量，该旋转检测装置包括移动机构、旋转机构和检测机构，其 中该移动机构用于在该承载框架的运动方向上移动该检测机构，该旋转机构 用于旋转该检测机构以使该检测机构得以接受离子束；较佳地，该检测机构 为法拉第杯；

或者，该离子注入设备还包括与每个第一离子注入装置相对应的第一检 测装置和与每个第二离子注入装置相对应的第二检测装置，以及分别用于移 动该第一检测装置和该第二检测装置的第一移动装置和第二移动装置，该第 一检测装置用于检测该第一离子注入装置的离子束的流量，该第二检测装置 用于检测该第二离子注入装置的离子束的流量，该第一移动装置用于在开始 离子注入前将该第一检测装置移出该第一离子注入装置的离子束的作用区 域，该第二移动装置用于在开始离子注入前将该第二检测装置移出该第二离 子注入装置的离子束的作用区域，较佳地，该第一检测装置和该第二检测装 置各自独立地为法拉第杯。

优选地，该离子注入设备还包括一测量仪，该测量仪用于在离子束所在 平面内在垂直于离子束的方向上运动以检测离子束的流量和注入均匀性。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发 明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

1、本发明通过在同一真空制程腔中在晶片的两侧设置离子注入装置来 实现对晶片两个表面的离子注入，提高了加工效率，免去了在两次离子注入 之间将晶片从一真空制程腔中取出并且再次置入另一真空制程腔中的动作。 而且，由于位于晶片同一侧的离子注入装置也可以设置多个，那么在晶片的 同一面也需要多次离子注入的情况下，本发明的离子注入设备也可以在同一 真空制程腔中完成多次离子注入，不用进出多个真空制程腔来完成多次离子 注入，加工效率得到了很大提高。

2、由于多个离子注入装置设置于一个真空制程腔中，晶片只需一次进 出真空制程腔即可完成所需的全部掺杂加工，而不用在多个真空制程腔中多 次进出，由此降低了因多次出入真空环境而引起的次品率。

3、由于采用了具有中空部的承载框架，晶片的背面也被大面积暴露， 因此可以直接通过移动承载框架完成对晶片两个面的离子注入，而无需设置 其他的支撑装置，例如静电吸盘等，精简了离子注入设备的结构。

4、位于晶片表面一侧或者位于背面一侧的离子注入装置的数量和设置 位置可以根据实际需要来调节，灵活性更强。

5、由于承载框架是水平设置的，晶片背面是面对水平面的，在重力作 用下，晶片的背面不易受到灰尘等颗粒物的影响，由此降低了产品的次品率。

6、由于承载框架的两侧都设有离子注入装置，可以对晶片的两个面同 时加工，因而晶片的温度也会比较高，加之晶片置于真空环境下，热量相对 能保持较久的时间，所以这部分热量还能被用于离子注入之后的退火。

附图说明

图1为本发明实施例1的离子注入设备的主视图。

图2为本发明实施例1的离子束的分布示意图。

图3为本发明实施例1的承载框架的俯视图。

图4为沿图3中线A-A的剖面图。

图5为图4的视图中承载了晶片的承载框架的示意图。

图6为本发明实施例2的承载框架的俯视图。

图7为沿图6中线B-B的剖面图。

图8为图7的视图中承载了晶片的承载框架的示意图。

图9为本发明实施例3的承载框架的俯视图。

图10为沿图9中线C-C的剖面图。

图11为本发明实施例7的离子注入设备的主视图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在 所述的实施例范围之中。

实施例1

参考图1-图5，本实施例所述的离子注入设备，其包括真空制程腔，具 体来说该离子注入设备还包括：

在该真空制程腔中移动的承载框架3，该承载框架3包括边框部31和由 该边框部31围成的中空部32，该边框部31用于通过支撑晶片4的边缘来承 载晶片4，该承载框架3与水平面平行；

位于晶片表面一侧的至少一个第一离子注入装置1，用于将离子从晶片 的表面注入至晶片4中；

位于晶片背面一侧的至少一个第二离子注入装置2，用于将离子从晶片 的背面注入至晶片4中(为了图示的简洁和清楚，图1和图2中以阴影部分 表示离子注入的区域，自上而下的离子注入能够将晶片表面所有暴露的区域 全部掺杂，自下而上的离子注入能实现晶片背面未被承载框架所支承的区域 的掺杂)，

其中，离子束11和12所在平面(yz平面)与该承载框架的运动方向(图 1中所示的x方向)垂直，该承载框架用于承载晶片经过每个第一离子注入 装置的离子束的作用区域和每个第二离子注入装置的离子束的作用区域。该 第一离子注入装置和该第二离子注入装置将引出离子束，离子束可以在垂直 于该承载框架的运动方向的平面(yz平面)内形成一定分布，即离子的运动 轨迹之间平行间隔，也可以说离子束在晶片上的投影是长条状(或者说是带 状)的。

参考图3-图5，该边框部31包括用于支撑晶片边缘的凸缘311，参考图 5，晶片4被搁置于该凸缘311上。

在本实施例中，该第一离子注入装置和该第二离子注入装置均包括束流 传输系统，其中，该束流传输系统包括离子源和引出电极，该引出电极用于 引出离子源中的离子以形成带状的离子束，即在yz平面内形成相互平行间 隔地分布。

实施例2

实施例2的基本原理与实施例1相同，不同之处在于：

参考图6-图8，该边框部的与该凸缘相连的面为斜面，如图7-图8所示， 与凸缘311相连的面为斜面312，承载框架上搁置晶片4的情形如图8所示。

其余未提及之处参照实施例1。

实施例3

实施例3的基本原理与实施例1相同，不同之处在于：

参考图9-图10，该承载框架包括掩膜5，该掩膜部5连接该框架部且遮 挡部分该中空部，该掩膜部用于阻挡部分自晶片背面注入的离子以在晶片背 面形成局部掺杂。

当需要在晶片背面形成局部掺杂时，可以通过掩膜部的设置来实现，在 掩膜部的遮挡下，并非背面的所有区域都会被掺杂，合理地设置掩膜部的图 样就能获得理想的局部掺杂图样。

在本实施例中，该掩膜部5为掩膜板，该掩膜板与该边框部为可拆卸连 接。这样，用户可以便捷地更换掩膜板，从而形成不同的局部掺杂图样。

其余未提及之处参照实施例1。

实施例4

实施例4的基本原理与实施例1相同，不同之处在于：

该束流传输系统还包括质量分析磁铁，该质量分析磁铁用于选择出预设 荷质比的离子束。

在该质量分析磁铁的作用下，荷质比不符合要求的离子不会穿过质量分 析磁铁，那么即使该第一离子注入装置的离子束的作用区域和该第二离子注 入装置的离子束的作用区域有重叠，位于晶片两侧离子束也不会对冲致使离 子注入装置受到损坏。

在本实施例中，该第二离子注入装置所注入的离子的掺杂类型与晶片的 本底掺杂类型一致，这在太阳能电池片的掺杂中是极为重要的。

其余未提及之处参照实施例1。

实施例5

实施例5的基本原理与实施例4相同，不同之处在于：

本实施例中，该第一离子注入装置的离子束的作用区域与该第二离子注 入装置的离子束的作用区域至少部分重叠，

该离子注入设备还包括可移动的旋转检测装置，该旋转检测装置用于检 测离子束的流量，该旋转检测装置包括移动机构、旋转机构和检测机构，其 中该移动机构用于在该承载框架的运动方向上移动该检测机构，该旋转机构 用于旋转该检测机构以使该检测机构得以接受离子束；其中，该检测机构为 法拉第杯。在移动机构和旋转机构的作用下，该法拉第杯可以相继被用于检 测该第一离子注入装置的离子束的流量和该第二离子注入装置的离子束的 流量。

其余未提及之处参照实施例4。

实施例6

实施例6的基本原理与实施例4相同，不同之处在于：

该离子注入设备还包括一测量仪，该测量仪用于在离子束所在平面内在 垂直于离子束的方向上运动以检测离子束的流量和注入均匀性，若参考图2， 该测量仪就是在yz平面内，在y方向上运动以扫描离子束，从而检测带状 离子束的分布是否均匀以及流量。

其余未提及之处参照实施例4。

实施例7

实施例7的基本原理与实施例1一致，不同之处在于：

参考图11，当该第一离子注入装置的离子束的作用区域与该第二离子注 入装置的离子束的作用区域不相重叠时，该离子注入设备还包括与每个第一 离子注入装置相对应的第一检测装置101和与每个第二离子注入装置相对应 的第二检测装置201(图中仅示出一个第一离子注入设备和一个第二离子注 入设备)，该第一检测装置101用于检测该第一离子注入装置的离子束的流 量，该第二检测装置201用于检测该第二离子注入装置的离子束的流量，在 本实施例中，该第一检测装置101和该第二检测装置201各自独立地为法拉 第杯。当承载框架继续沿x方向向右运动，两个检测装置101和201就可以 检测离子束的剂量了。

这里的平行也包括了几何上平行的情况以及在系统误差范围内的基本 平行的情况，所述基本平行指的是承载框架与水平面的夹角小于10°的情 况。

为了清楚地显示各个结构，附图中的各个部分的大小并非按比例描绘， 本领域技术人员应当理解附图中的比例并非对本发明的限制。另外，上述的 表面和背面是为了描述的方便(只是为了方便地描述晶片的两个面)，也不 应当理解为对本实用新型的限制。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理 解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本 领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方 式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种离子注入设备，其包括真空制程腔，其特征在于，该离子注入 设备还包括：

   在该真空制程腔中移动的承载框架，该承载框架包括边框部和由该边框 部围成的中空部，该边框部用于通过支撑晶片的边缘来承载晶片，该承载框 架与水平面平行；

   位于晶片表面一侧的至少一个第一离子注入装置，用于将离子从晶片的 表面注入至晶片中；

   位于晶片背面一侧的至少一个第二离子注入装置，用于将离子从晶片的 背面注入至晶片中，

   其中，离子束所在平面与该承载框架的运动方向垂直，该承载框架用于 承载晶片经过每个第一离子注入装置的离子束的作用区域和每个第二离子 注入装置的离子束的作用区域。
2. 如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该离子束为带状 离子束。
3. 如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该承载框架包括 掩膜部，该掩膜部连接该框架部且遮挡部分该中空部，该掩膜部用于阻挡部 分自晶片背面注入的离子以在晶片背面形成局部掺杂；

   较佳地，该掩膜部为掩膜板，该掩膜板与该边框部为可拆卸连接。
4. 如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该边框部包括用 于支撑晶片边缘的凸缘，

   较佳地，该边框部的与该凸缘相连的面为斜面。
5. 如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该第一离子注入 装置包括束流传输系统，其中，该束流传输系统包括离子源和引出电极，该 引出电极用于引出离子源中的离子以形成离子束；

   或者，该第二离子注入装置包括束流传输系统，其中，该束流传输系统 包括离子源和引出电极，该引出电极用于引出离子源中的离子以形成离子 束。
6. 如权利要求5所述的离子注入设备，其特征在于，该束流传输系统 还包括质量分析磁铁，该质量分析磁铁用于选择出预设荷质比的离子束。
7. 如权利要求1-6中任意一项所述的离子注入设备，其特征在于，该 第二离子注入装置所注入的离子的掺杂类型与晶片的本底掺杂类型一致。
8. 如权利要求1-6中任意一项所述的离子注入设备，其特征在于，

   当该第一离子注入装置的离子束的作用区域与该第二离子注入装置的 离子束的作用区域不相重叠时，该离子注入设备还包括与每个第一离子注入 装置相对应的第一检测装置和与每个第二离子注入装置相对应的第二检测 装置，该第一检测装置用于检测该第一离子注入装置的离子束的流量，该第 二检测装置用于检测该第二离子注入装置的离子束的流量，

   较佳地，该第一检测装置和该第二检测装置各自独立地为法拉第杯。
9. 如权利要求1-6中任意一项所述的离子注入设备，其特征在于，当 该第一离子注入装置的离子束的作用区域与该第二离子注入装置的离子束 的作用区域至少部分重叠时，

   该离子注入设备还包括可移动的旋转检测装置，该旋转检测装置用于检 测离子束的流量，该旋转检测装置包括移动机构、旋转机构和检测机构，其 中该移动机构用于在该承载框架的运动方向上移动该检测机构，该旋转机构 用于旋转该检测机构以使该检测机构得以接受离子束；较佳地，该检测机构 为法拉第杯；

   或者，该离子注入设备还包括与每个第一离子注入装置相对应的第一检 测装置和与每个第二离子注入装置相对应的第二检测装置，以及分别用于移 动该第一检测装置和该第二检测装置的第一移动装置和第二移动装置，该第 一检测装置用于检测该第一离子注入装置的离子束的流量，该第二检测装置 用于检测该第二离子注入装置的离子束的流量，该第一移动装置用于在开始 离子注入前将该第一检测装置移出该第一离子注入装置的离子束的作用区 域，该第二移动装置用于在开始离子注入前将该第二检测装置移出该第二离 子注入装置的离子束的作用区域，

   较佳地，该第一检测装置和该第二检测装置各自独立地为法拉第杯。
10. 如权利要求1-6中任意一项所述的离子注入设备，其特征在于，该 离子注入设备还包括一测量仪，该测量仪用于在离子束所在平面内在垂直于 离子束的方向上运动以检测离子束的流量和注入均匀性。