CN111063599A - 一种离子注入装置 - Google Patents

Abstract

一种离子注入装置，包括屏蔽房、依次设置的离子源、引出电极、分析器、分析光栏、聚焦透镜、加速管、对称静电扫描电极以及均匀磁场平行透镜，屏蔽房内设有相互隔离的第一腔室和第二腔室，第一腔室内设有高压仓，第二腔室内设有靶室，离子源、引出电极、分析器、及分析光栏设于高压仓内，加速管设于第一腔室内，高压仓上设有供离子束进入加速管的第一出口，第一腔室上设有供离子束进入对称静电扫描电极的第二出口，对称静电扫描电极和均匀磁场平行透镜设于第二腔室内，靶室内设有靶台、定向台、片库以及至少一个用于传递晶圆的机械手，靶室上设有供离子束注入靶台上晶圆的注入口。本发明具有结构简单、成本低、便于实现高能高精度注入等优点。

Description

一种离子注入装置

技术领域

本发明涉及半导体集成电路设备，尤其涉及离子注入装置。

背景技术

第三代宽禁带半导体材料与器件，是发展大功率、高频高温、抗强辐射、蓝光激光器和紫外探测器等技术的核心技术。SiC材料具有高热导率、高电子饱和速度和大的临界击穿电场，是电力电子功率半导体领域Si材料的首选继承者。由于SiC的原子密度比硅大，要达到相同的注入深度，SiC离子注入工艺需要离子具有更高的注入能量，一般要达到350～700KeV，且SiC晶圆向大尺寸发展，对注入工艺的均匀性和角度一致性都提出了更高的要求，已有的几种在硅注入工艺中得到应用的离子注入机由于光路受到局限，不能完全满足SiC注入工艺的要求和发展需求。附图1示出了一种在4寸硅片以下注入工艺中较常应用的光路，其优点是采用先分析后加速布局结构，分析器分辨能力高、成本低，设备易得到高能量束流，双静电扫描方式实现成本较低，具有水平偏转过滤功能，可克服束流能量污染，但由于扫描电极采用双静电扫描结构，离子束在注入到晶圆表面的不同位置时，受扫描角度影响，具有较大的角度差异，不再适合应用到6寸及更大尺寸晶圆的注入。附图2示出了一种在6寸～8寸硅片注入工艺中较常应用的光路，优点是采用先分析后加速布局结构，分析器分辨能力高、成本低，采用平行透镜获得扫描平行离子束，具有较好的角度一致性，但由于扫描电极采用单向扫描结构，需要大的扫描角度来满足大尺寸晶圆的注入，束流在扫描过程中存在较大的畸变和均匀性变化，同时由于加速管靠近晶圆，加速之后没有过滤单元，存在较大的束流能量污染风险，不能满足更大尺寸和高精度注入工艺的要求。附图3示出了一种在8寸～12寸硅片注入工艺中较常应用的光路，在均匀性和束流能量污染控制方面都有很好的性能，优点在于，束流纯度高、污染低，采用对称扫描，束流畸变小，采用均匀磁场平行透镜获得扫描平行束，束流平行度高，均匀性好，但由于加速管位于分析之前，且采用三电极加速结构，在满足SiC注入所需的高能方面存在能量提升困难、成本高的不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低、便于实现高能高精度注入的离子注入装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种离子注入装置，包括离子束传输光路及屏蔽房，所述离子束传输光路包括依次设置的离子源、引出电极、分析器、分析光栏、聚焦透镜、加速管、对称静电扫描电极、以及均匀磁场平行透镜，所述屏蔽房内设有相互隔离的第一腔室和第二腔室，所述第一腔室内设有高压仓，所述第二腔室内设有靶室，所述离子源、引出电极、分析器、及分析光栏设于所述高压仓内，所述加速管设于所述第一腔室内，所述高压仓上设有供离子束进入所述加速管的第一出口，所述第一腔室上设有供离子束进入所述对称静电扫描电极的第二出口，所述对称静电扫描电极和所述均匀磁场平行透镜设于所述第二腔室内，所述靶室内设有用于放置晶圆的靶台、用于对晶圆定向的定向台、至少一个用于存储晶圆的片库、以及至少一个用于传递晶圆的机械手，所述靶室上设有供离子束注入靶台上晶圆的注入口。

作为上述技术方案的进一步改进：所述加速管与所述对称静电扫描电极之间设有聚焦光栏，所述聚焦光栏位于所述第二腔室内，聚焦光栏上设有光栏孔。

作为上述技术方案的进一步改进：所述对称静电扫描电极靠近所述均匀磁场平行透镜的一侧设有可伸缩的聚焦法拉第，聚焦法拉第当需要检测通过聚焦光栏的束流值时伸出进入检测位置，不检测时缩回停留在旁侧位置。

作为上述技术方案的进一步改进：所述分析光栏靠近所述聚焦透镜的一侧设有可伸缩的分析法拉第，分析法拉第上设有光栏孔，且当需要检测通过分析光栏的束流值时伸出进入检测位置，不检测时缩回停留在旁侧位置。

作为上述技术方案的进一步改进：所述分析器的入口处设有入口光栏，所述入口光栏上设有光栏孔。

作为上述技术方案的进一步改进：所述引出电极可沿X轴、Y轴及Z轴运动。

作为上述技术方案的进一步改进：所述聚焦透镜为具有Y轴方向和Z轴方向双聚焦功能的透镜。

作为上述技术方案的进一步改进：所述加速管为多级等梯度加速结构。

作为上述技术方案的进一步改进：还包括隔离输电组件，所述隔离输电组件包括设于所述高压仓内的发电机、设于所述第二腔室内的电动机、以及用于连接电动机和发电机的绝缘传动轴。

作为上述技术方案的进一步改进：所述靶室内设有用于检测达到靶台位置的离子束束流的水平方向均匀性的移动法拉第、以及用于实时检测离子束注入晶圆时的状态的闭环法拉第，所述移动法拉第可沿水平方向移动，所述闭环法拉第固定安装于离子束束流的一侧。

作为上述技术方案的进一步改进：所述片库和所述机械手均设有两组并一一对应布置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的离子注入装置，其离子束传输光路采用先分析后加速结构，分析器分辨能力高、成本低，也便于加速管对离子束进行多级加速，实现高能注入；在分析光栏和加速管之间设置聚焦透镜，方便调整束流进入加速管的参数，提升束流的传输效率，改善加速管工作的稳定性；采用静电对称扫描电极和均匀磁场平行透镜获得扫描平行束，使得束流具有小的扫描畸变及高的平行度和均匀性。

附图说明

图1是现有的第一种离子注入装置的结构示意图。

图2是现有的第二种离子注入装置的结构示意图。

图3是现有的第三种离子注入装置的结构示意图。

图4是本发明的离子注入装置中的离子束传输光路的结构示意图。

图5是本发明离子注入装置的结构示意图。

图中各标号表示：1、离子源；2、引出电极；3、分析器；4、分析光栏；5、加速管；6、聚焦透镜；71、双静电扫描电极；72、单向静电扫描电极；73、对称静电扫描电极；8、平行透镜；81、均匀磁场平行透镜；9、晶圆；10、离子束；11、聚焦光栏；12、聚焦法拉第；13、分析法拉第；14、入口光栏；15、预过滤器；16、第一腔室；17、第二腔室；18、高压仓；19、靶室；20、第一出口；21、第二出口；22、靶台；23、定向台；24、片库；25、机械手；26、注入口；27、移动法拉第；28、固定法拉第；29、离子源气箱；30、离子源磁场；31、发电机；32、电动机；33、绝缘传动轴。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图4至图5示出了本发明离子注入装置的一种实施例，其中离子束传输光路包括依次设置的离子源1、引出电极2、入口光栏14、分析器3、分析光栏4、分析法拉第13、聚焦透镜6、加速管5、聚焦光栏11、对称静电扫描电极73、聚焦法拉第12、以及均匀磁场平行透镜81。

其中：离子源1用于产生包含工艺所需元素(例如常见的Al等)离子的等离子体，例如可以是简热式阴极、长条形引出缝结构；

离子源气箱29用于安装离子源1工作所需气体以及气体控制单元等；

离子源磁场30优选采用C形磁轭、双线圈结构，用于产生离子源1工作的磁场；

引出电极2用于为离子源1建立引出电场，以引出包含特定元素离子的离子束10，具有X轴、Y轴及Z轴运动调节功能，以便获得与离子源1的最佳匹配；

入口光栏14上设有设定尺寸的光栏孔，以限定进入分析器3的束流参数，主要是束张角，当然同时也会影响离子束10束流大小；

分析器3对进入和经过分析磁场的离子束10进行筛选，通过改变分析磁场强度，选取包含需要的元素的离子束10经过，并对准分析光栏4；

分析光栏4上设有设定尺寸的光栏缝，允许对准分析光栏4的离子束流通过，同时阻挡其它离子束10束流；

分析法拉第13用于检测通过分析光栏4的束流大小，在调节分析器3分析磁场时，通过分析法拉第13检测到的束流峰值判断束流对准分析光栏4状态，分析法拉第13优选具有伸缩运动功能，在需要检测束流值时伸出进入检测位，其它时间则收缩停留在旁侧位，避免影响束流的传输，例如可以是测束杯带运动驱动机构的结构；

聚焦透镜6采用具有Y轴方向和Z轴方向的双聚焦功能透镜，用于调节束流经过聚焦透镜6后进入加速管5时的状态；

加速管5用于对离子束10束流能量进行提升，以达到工艺要求能量值，优选采用多级等梯度加速结构，便于实现高能加速；

聚焦光栏11上设有设定尺寸的光栏孔，以限定一定束斑尺寸范围内的束流通过，控制进入对称静电扫描电极73的束流参数；

对称扫描电极73在三角波扫描电压驱动下，对束流进行对称扫描，将束流扩张形成为具有一定张角的扇形扫描离子束10；

聚焦法拉第12用于检测通过聚焦光栏11的束流值，在调节聚焦透镜6的参数时，通过束流峰值(也即以最大束流通过效率为参考)判断束流聚焦情况，聚焦法拉第12优选具有伸缩运动功能，在需要检测束流时伸出进入检测位，其它时间则收缩停留在旁侧位，避免影响束流的传输；

均匀磁场平行透镜81采用类似扇形分布的偏转校正磁场，对进入的扇形扫描离子束10进行偏转，由内向外，离子束10经过磁场的路径逐渐变长，偏转角度逐渐增加，实现对扫描离子束10的角度校正，形成平行离子束10；

在聚焦光栏11的作用下，配合加速管5的不同加速参数，通过读取聚焦法拉第12检测到的束流值，以最大的束流通过效率为参考，可方便调节聚焦透镜6的聚焦参数以及其他单元的参数，降低束流优化的技术难度，同时可以在聚焦光栏11处得到最小束斑，使得到达晶圆9的扫描离子束10具有最佳的束流平行度参数。

靶室19用于储存、传送和控制注入的晶圆9；

高压仓18用于承载处于加速管5工作的高电位部件；

隔离输电组件，用于向高压仓18内的部件输送动力电能；

屏蔽房用于隔离高压仓18的高压工作区、机械运动区、强磁场区等，并屏蔽离子束10传输过程中产生的各类辐射。

靶台22为单晶圆式靶台22，采用机械夹持方式，具有2轴运动功能和顶针机构，用于固定和控制注入晶圆9，使晶圆9具有工艺要求的空间姿态，并配合机械手I、机械手II进行装卸晶圆9；

移动法拉第27包括测束杯和运动驱动机构，测束杯在驱动机构控制下，在扫描束流覆盖范围内进行水平方向移动，检测到达靶台22位置的扫描束流的水平方向均匀性；

闭环法拉第28固定安装在扫描束流的一侧，在不影响晶圆9的注入的情况下实时检测晶圆9注入时的束流状态；

机械手I采用标准真空机械手，至少具有2轴自由度，在片库I、定向台23、靶台22之间传送晶圆9；

机械手II采用标准真空机械手，至少具有2轴自由度，在片库II、定向台23、靶台23之间传送晶圆9；

定向台23采用光幕动机构，光幕沿晶圆9半径方向布置，通过检测晶圆9旋转时光幕被遮挡情况的变化，确定缺口或切边的方向，从而实现对晶圆9进行定向；

片库I包括片盒和驱动电梯，驱动电梯带动片盒沿Y轴运动，配合机械手I，实现晶圆9在片盒不同片槽之间的拾取和放置，储存需注入和完成注入的晶圆9；

片库II包括片盒和驱动电梯，驱动电梯带动片盒沿Y轴运动，配合机械手II，实现晶圆9在片盒不同片槽之间的拾取和放置，储存需注入和完成注入的晶圆9；

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种离子注入装置，其特征在于：包括离子束传输光路及屏蔽房，所述离子束传输光路包括依次设置的离子源(1)、引出电极(2)、分析器(3)、分析光栏(4)、聚焦透镜(6)、加速管(5)、对称静电扫描电极(73)、以及均匀磁场平行透镜(81)，所述屏蔽房内设有相互隔离的第一腔室(16)和第二腔室(17)，所述第一腔室(16)内设有高压仓(18)，所述第二腔室(17)内设有靶室(19)，所述离子源(1)、引出电极(2)、分析器(3)、及分析光栏(4)设于所述高压仓(18)内，所述加速管(5)设于所述第一腔室(16)内，所述高压仓(18)上设有供离子束(10)进入所述加速管(5)的第一出口(20)，所述第一腔室(16)上设有供离子束(10)进入所述对称静电扫描电极(73)的第二出口(21)，所述对称静电扫描电极(73)和所述均匀磁场平行透镜(81)设于所述第二腔室(17)内，所述靶室(19)内设有用于放置晶圆(9)的靶台(22)、用于对晶圆(9)定向的定向台(23)、至少一个用于存储晶圆(9)的片库(24)、以及至少一个用于传递晶圆(9)的机械手(25)，所述靶室(19)上设有供离子束(10)注入靶台(22)上晶圆(9)的注入口(26)。

2.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于：所述加速管(5)与所述对称静电扫描电极(73)之间设有聚焦光栏(11)，所述聚焦光栏(11)位于所述第二腔室(17)内，聚焦光栏(11)上设有光栏孔。

3.根据权利要求2所述的离子注入装置，其特征在于：所述对称静电扫描电极(73)靠近所述均匀磁场平行透镜(81)的一侧设有可伸缩的聚焦法拉第(12)，聚焦法拉第(12)当需要检测通过聚焦光栏(11)的束流值时伸出进入检测位置，不检测时缩回停留在旁侧位置。

4.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于：所述分析光栏(4)靠近所述聚焦透镜(6)的一侧设有可伸缩的分析法拉第(13)，分析法拉第(13)上设有光栏孔，且当需要检测通过分析光栏(4)的束流值时伸出进入检测位置，不检测时缩回停留在旁侧位置。

5.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于：所述分析器(3)的入口处设有入口光栏(14)，所述入口光栏(14)上设有光栏孔。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的离子注入装置，其特征在于：所述引出电极(2)可沿X轴、Y轴及Z轴运动。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的离子注入装置，其特征在于：所述聚焦透镜(6)为具有Y轴方向和Z轴方向双聚焦功能的透镜。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的离子注入装置，其特征在于：还包括隔离输电组件，所述隔离输电组件包括设于所述高压仓(18)内的发电机(31)、设于所述第二腔室(17)内的电动机(32)、以及用于连接电动机(32)和发电机(31)的绝缘传动轴(33)。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的离子注入装置，其特征在于：所述靶室(19)内设有用于检测达到靶台(22)位置的离子束(10)束流的水平方向均匀性的移动法拉第(27)、以及用于实时检测离子束(10)注入晶圆(9)时的状态的闭环法拉第(28)，所述移动法拉第(27)可沿水平方向移动，所述闭环法拉第(28)固定安装于离子束(10)束流的一侧。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的离子注入装置，其特征在于：所述片库(24)和所述机械手(25)均设有两组并一一对应布置。

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