CN111199859A - 一种扫描宽带离子束注入机 - Google Patents

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CN111199859A CN201811381277.8A CN201811381277A CN111199859A CN 111199859 A CN111199859 A CN 111199859A CN 201811381277 A CN201811381277 A CN 201811381277A CN 111199859 A CN111199859 A CN 111199859A
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Abstract

本发明公开了一种扫描宽带离子束注入机，包括旋转靶盘以及用于形成扫描宽带离子束的扫描宽带离子束形成组件，所述旋转靶盘上设有与旋转靶盘中心重合的环形注入区域，所述环形注入区域内均匀布置有多个晶圆装载区，扫描宽带离子束形成组件形成的扫描宽带离子束的宽度为a、所述环形注入区域的半径为b，则a≥b。本发明具有能够降低在大剂量注入、高产能的应用场景下的晶片表面的温升，满足一些对温度敏感的特殊材料的注入工艺要求的优点。

Description

一种扫描宽带离子束注入机
技术领域
本发明涉及半导体集成电路，尤其涉及一种扫描宽带离子束注入机。
背景技术
目前常见的离子注入模式主要有全电扫描注入、电扫描注入和机械扫描组合注入。全电扫描注入如附图1所示，离子束在X、Y两组扫描电极驱动下分两个方向扫描，分别为X扫描、Y扫描，其中一个扫描频率高(例如X扫描)，一个扫描频率低(如Y扫描)，从而形成覆盖完整晶圆表面的注入。电扫描注入和机械扫描组合注入如附图2所示，离子束在一组X扫描电极驱动下高速扫描，形成覆盖超过晶圆直径的扫描宽带束，晶圆在机械扫描驱动装置的驱动下进行低速Y机械扫描，每次Y机械扫描上下跨越扫描宽带束，从而形成覆盖整个晶圆表面的注入。
现有的离子注入机在硅器件制造中的不同掺杂工艺得到应用，满足应用需求，但在一些特殊材料的晶圆注入中遇到困难，主要原因在于离子束注入晶圆时功率过于集中，容易导致晶圆表面温度过高，尤其是一些对温度敏感的半导体材料，需要严格控制晶圆表面的温度，在大剂量注入、高产能的应用场景更加无法满足需求。
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，提供一种能够降低在大剂量注入、高产能的应用场景下的晶片表面的温升，满足一些对温度敏感的特殊材料的注入工艺要求的扫描宽带离子束注入机。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种扫描宽带离子束注入机，包括旋转靶盘以及用于形成扫描宽带离子束的扫描宽带离子束形成组件，所述扫描宽带离子束形成组件包括依次布置的离子源、引出电极、分析器、带分析缝的分析光栏、双向对称扫描电极、以及平行透镜；或所述扫描宽带离子束形成组件包括依次布置的离子源、引出电极、分析器、带分析缝的分析光栏、四极透镜、多级等梯度加速管以及单向扫描电极；或所述述扫描宽带离子束形成组件包括依次布置的离子源、引出电极、分析器、带分析缝的分析光栏、四极透镜、多级等梯度加速管、带聚焦孔的聚焦光栏、双向对称扫描电极、以及平行透镜，所述旋转靶盘上设有与旋转靶盘中心重合的环形注入区域，所述环形注入区域内均匀布置有多个晶圆装载区，扫描宽带离子束形成组件形成的扫描宽带离子束的宽度为a、所述环形注入区域的半径为b，则a≥b。
作为上述技术方案的进一步改进：所述扫描宽带离子束剖面沿所述旋转靶盘半径方向的束流线密度满足公式I＝k*r，其中k＞0。
作为上述技术方案的进一步改进：所述环形注入区域内设有用于检测扫描宽带离子束束流参数的束流检测孔，所述束流检测孔位于相邻的两个晶圆装载区之间并沿所述旋转靶盘的径向布置，所述束流检测孔远离所述扫描宽带离子束的一侧设有束流检测法拉第。
作为上述技术方案的进一步改进：所述环形注入区域内设有多个用于检测束流均匀性的束流均匀性检测孔，多个所述束流均匀性检测孔呈渐开线布置于晶圆装载区之间的间隙区域。
作为上述技术方案的进一步改进：所述分析光栏靠近所述平行透镜的一侧设有可伸缩的分析法拉第，所述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：所述旋转靶盘朝向扫描宽带离子束的一侧还设有移动法拉第，所述移动法拉第具有水平运动功能，通过水平扫描的方式检测经过平行透镜后的扫描宽带离子束水平方向的束流密度分布。
作为上述技术方案的进一步改进：当所述扫描宽带离子束形成组件包括依次布置的离子源、引出电极、分析器、带分析缝的分析光栏、四极透镜、多级等梯度加速管以及单向非对称扫描电极时，所述旋转靶盘朝向扫描宽带离子束的一侧还设有聚焦法拉第，且聚焦法拉第位于所述多级等梯度加速管的中心线上。
作为上述技术方案的进一步改进：当所述述扫描宽带离子束形成组件包括依次布置的离子源、引出电极、分析器、带分析缝的分析光栏、四极透镜、多级等梯度加速管、双向对称扫描电极、以及平行透镜时，所述双向对称扫描电极靠近所述平行透镜的一侧还设有聚焦法拉第。
作为上述技术方案的进一步改进：还包括靶腔体盖板，所述靶腔体盖板上设有靶盘旋转密封组件以及靶盘旋转驱动件，所述靶腔体盖板与所述旋转靶盘同轴布置、且靶腔体盖板直径大于旋转靶盘的直径，所述靶盘旋转驱动件通过所述靶盘旋转密封组件与所述旋转靶盘相连。
作为上述技术方案的进一步改进：所述靶盘旋转密封组件为磁流体密封组件，所述靶盘旋转驱动件为电机。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的扫描宽带离子束注入机，利用旋转靶盘装载晶圆，旋转靶盘上设置与旋转靶盘中心重合的环形注入区域，晶圆均匀布置于环形注入区域内的晶片装载区，利用扫描宽带离子束形成组件产生扫描宽带离子束进行注入，扫描宽带离子束的宽度能够覆盖环形注入区域的半径，注入时旋转靶盘旋转，形成对所有晶圆的注入，与常规的注入模式相比，本发明注入过程中功率更分散，有利于最大程度地降低晶圆表面温升，尤其是一些对温度敏感的半导体材料，满足大剂量注入、高产能的应用场景的需求。
附图说明
图1是现有的全电扫描注入的原理示意图。
图2是现有的电扫描注入和机械扫描组合注入的原理示意图。
图3是本发明中的旋转把盘的结构示意图。
图4是本发明中的旋转把盘注入时的结构示意图。
图5是本发明中的旋转靶盘的结构示意图。
图6是本发明涉及的扫描宽带离子束的原理示意图。
图7是本发明扫描宽带离子束注入机实施例一的结构示意图。
图8是本发明扫描宽带离子束注入机实施例二的结构示意图。
图9是实施例二中的聚焦法拉第的结构示意图。
图10是本发明扫描宽带离子束注入机实施例三的结构示意图。
图11是实施例三中的分析光栏的结构示意图。
图12是实施例三中的聚焦光栏的结构示意图。
图中各标号表示：1、旋转靶盘；11、环形注入区域；12、束流检测孔；13、束流均匀性检测孔；2、扫描宽带离子束；3、晶圆装载区；4、束流检测法拉第；5、靶腔体盖板；6、靶盘旋转密封组件；7、靶盘旋转驱动件；8、晶圆；9、扫描宽带离子束形成组件；91、离子源；92、引出电极；93、分析器；94、分析光栏；95、平行透镜；96、分析法拉第；97、移动法拉第；101、双向对称扫描电极；102、四极透镜；103、多级等梯度加速管；104、单向扫描电极；105、聚焦法拉第；106、聚焦光栏。
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。
实施例一
如图3至图7所示，本实施例的扫描宽带离子束注入机，包括旋转靶盘1以及用于形成扫描宽带离子束2的扫描宽带离子束形成组件9，扫描宽带离子束形成组件9包括依次布置的离子源91、引出电极92、分析器93、带分析缝的分析光栏94、双向对称扫描电极101、以及平行透镜95。其中：
离子源91用于产生包含所需离子的普通高斯束；
引出电极92从离子源91引出离子束；
离子束进入分析器93的磁场，进行质谱分析，筛选所需要的离子；
经过分析器93筛选出来的离子束在分析光栏94中间的分析缝处聚焦并通过分析光栏94，其余的离子则被分析光栏94阻挡；
双向对称扫描电极101被加载一定频率的三角波电压，形成交变的扫描电场，驱动通过扫描电场的离子束在水平面内往复扫描，形成大张角的扫描宽带离子束2；
分析法拉第96位于分析光栏94之后，对分析器93所筛选出的离子束进行检测；分析法拉第96具有往复运动功能，工作在检测位和旁侧位两种状态，当需要检测束流时进入检测位，其它时间处于旁侧位，例如可以是测束杯带运动驱动机构的结构，通过分析法拉第96检测到的束流峰值判断束流对准分析光栏94的状态；
大张角的扫描宽带离子束2，经过一段空间漂移，进入平行透镜95，在平行透镜95磁场作用下产生偏转，沿偏转半径方向由外向内，离子束走过的路径减小，偏转角度相应减小，大张角的扫描宽带离子束2经过平行透镜95的磁场后整体产生偏转的同时，完成角度的校正，成为平行的扫描宽带离子束2；
从平行透镜95出来的扫描宽带离子束2经过一段距离的漂移到达旋转靶盘1，水平尺寸达到注入晶圆8所需尺寸，实现对装载在旋转靶盘1表面的晶圆8的注入；
旋转靶盘1前方的扫描宽带离子束2一侧有移动法拉第97，移动法拉第97具有水平运动功能，通过水平扫描的方式检测扫描宽带离子束2水平方向的束流密度分布；
本实施例的扫描宽带离子束注入机，利用旋转靶盘1装载晶圆8，旋转靶盘1上设置与旋转靶盘1中心重合的环形注入区域11，晶圆8均匀布置于环形注入区域11内的晶圆装载区3，利用扫描宽带离子束2注入，经过平行透镜95后的扫描宽带离子束2的宽度能够覆盖环形注入区域11的半径，注入时旋转靶盘1旋转，形成对所有晶圆8的注入，与常规的注入模式相比，本发明注入过程中功率更分散，有利于最大程度地降低晶圆8表面温升，尤其是一些对温度敏感的半导体材料，满足大剂量注入、高产能的应用场景的需求。
本实施例中，经过平行透镜95后的扫描宽带离子束2剖面沿旋转靶盘1半径方向的束流线密度满足公式I＝k*r，其中k＞0，也即扫描宽带离子束2剖面的束流线密度与旋转靶盘1中心的距离成正比。该种扫描宽带离子束2的分布规律有利于保持各晶圆8注入的均匀性。
本实施例中，环形注入区域11内设有用于检测经过平行透镜95后的扫描宽带离子束2束流参数的束流检测孔12，束流检测孔12位于相邻的两个晶圆装载区3之间并沿旋转靶盘1的径向布置，束流检测孔12远离扫描宽带离子束2的一侧设有束流检测法拉第4。旋转靶盘1每旋转一周，束流经过一次束流检测孔12到达束流检测法拉第4，从而可以检测晶圆8注入过程中的束流参数，并进行注入剂量的计算。
本实施例中，环形注入区域11内设有多个用于检测束流均匀性的束流均匀性检测孔13，多个束流均匀性检测孔13呈渐开线布置于晶圆装载区3之间的间隙区域。在旋转靶盘1旋转注入一周内，束流均匀性检测孔13对扫描宽带离子束2的宽度方向的束流分布进行一次检测，可实时掌握注入工艺过程中束流分布情况。
本实施例中，扫描宽带离子束注入机还包括靶腔体盖板5，靶腔体盖板5上设有靶盘旋转密封组件6以及靶盘旋转驱动件7，靶腔体盖板5与旋转靶盘1同轴布置、且靶腔体盖板5直径大于旋转靶盘1的直径，靶盘旋转驱动件7通过靶盘旋转密封组件6与旋转靶盘1相连。注入时，靶盘旋转驱动件7例如通过传动带驱动靶盘旋转密封组件6旋转，进而驱动旋转靶盘1旋转；靶腔体盖板5用于提供遮挡和防护。
作为优选的技术方案，靶盘旋转密封组件6例如可以是磁流体密封组件，靶盘旋转驱动件7例如可以是常见的电机等。
实施例二
如图8和图9所示，本实施例的扫描宽带离子束注入机与实施例一基本相同，不同之处在于扫描宽带离子束形成组件9的结构，本实施例的扫描宽带离子束形成组件9包括依次布置的离子源91、引出电极92、分析器93、带分析缝的分析光栏94、四极透镜102、多级等梯度加速管103以及单向扫描电极104，其中：
离子源91用于产生包含所需离子的普通高斯束；
引出电极92从离子源91引出离子束；
离子束进入分析器93的磁场，进行质谱分析，筛选所需要的离子；
经过分析器93筛选出来的离子束在分析光栏94中间的分析缝处聚焦并通过分析光栏94，其余的离子则被分析光栏94阻挡；
分析法拉第96位于分析光栏94之后，对分析器93所筛选出的离子束进行检测；分析法拉第96具有往复运动功能，工作在检测位和旁侧位两种状态，当需要检测束流时进入检测位，其它时间处于旁侧位，例如可以是测束杯带运动驱动机构的结构，通过分析法拉第96检测到的束流峰值判断束流对准分析光栏94的状态；
四极透镜102位于分析法拉第96与多级等梯度加速管103之间，具有X、Y两个方向的聚焦单元，分别对通过四极透镜102的离子束进行聚焦调节；
多级等梯度加速管103位于四极透镜102之后，对离子束进行多级等梯度能量提升；
单向扫描电极104在多级等梯度加速管103与旋转靶盘1之间，非对称结构的扫描电极被加载一定频率的三角波电压，形成交变的扫描电场，驱动通过扫描电场的离子束在水平面内往复扫描，形成大张角的扫描宽带离子束2，同时通过控制三角波电压，实现扫描宽带离子束2整体向一侧的偏转，过滤掉中性束流；
聚焦法拉第105设置在旋转靶盘1前，并位于多级等梯度加速管103的中心线位置，在对束流进行扫描之前检测束流的参数，同时通过束流峰值判断，调整四极透镜102参数，提升束流传输效率，聚焦法拉第105入口根据需要可以被设计成不同的形状和尺寸，例如圆形入口、竖向的长方形入口或水平方向的长方形入口。
实施例三
如图9至图12所示，本实施例的扫描宽带离子束注入机与实施例一基本相同，不同之处在于扫描宽带离子束形成组件9的结构，本实施例的描宽带离子束形成组件9包括依次布置的离子源91、引出电极92、分析器93、带分析缝的分析光栏94、四极透镜102、多级等梯度加速管103、带聚焦孔的聚焦光栏106、双向对称扫描电极101、以及平行透镜95。其中，
离子源91用于产生包含所需离子的普通高斯束；
引出电极92从离子源91引出离子束；
离子束进入分析器93的磁场，进行质谱分析，筛选所需要的离子；
经过分析器93筛选出来的离子束在分析光栏94中间的分析缝处聚焦并通过分析光栏94，其余的离子则被分析光栏94阻挡；
分析法拉第96位于分析光栏94之后，对分析器93所筛选出的离子束进行检测；分析法拉第96具有往复运动功能，工作在检测位和旁侧位两种状态，当需要检测束流时进入检测位，其它时间处于旁侧位，例如可以是测束杯带运动驱动机构的结构，通过分析法拉第96检测到的束流峰值判断束流对准分析光栏94的状态；
四极透镜102位于分析法拉第96与多级等梯度加速管103之间，具有X、Y两个方向的聚焦单元，分别对通过四极透镜102的离子束进行聚焦调节；
多级等梯度加速管103位于四极透镜102之后，对离子束进行多级等梯度能量提升；
聚焦光栏106位于双向对称扫描电极101之前，中间有聚焦孔，配合聚焦法拉第105对束流进行检测，通过峰值判断，调节四极透镜102参数，实现束流在聚焦孔的最大通过率，同时控制离子束在双向对称扫描电极101处的束斑尺寸；
双向对称扫描电极101在多级等梯度加速管103与平行透镜95之间，对称结构的扫描电极被加载一定频率的三角波电压，形成交变的扫描电场，驱动通过扫描电场的离子束在水平面内往复扫描，形成大张角的扫描宽带离子束；
大张角的扫描宽带离子束2，经过一段空间漂移，进入平行透镜95，在平行透镜95的磁场作用下产生偏转，沿偏转半径方向由外向内，离子束走过的路径减小，偏转角度相应减小，大张角的扫描宽带离子束2经过平行透镜95的磁场后整体产生偏转的同时，完成角度的校正，成为平行的扫描宽带离子束2，水平尺寸达到注入晶圆8所需尺寸；
从平行透镜95出来的扫描宽带离子束2经过一段距离漂移，到达旋转靶盘1，实现对装载在旋转靶盘1表面的晶圆8的注入；
旋转靶盘1前方的扫描宽带离子束2一侧有移动法拉第97，移动法拉第97具有水平运动功能，通过水平扫描的方式检测扫描宽带离子束2水平方向的束流密度分布。
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)

1.一种扫描宽带离子束注入机，其特征在于：包括旋转靶盘(1)以及用于形成扫描宽带离子束(2)的扫描宽带离子束形成组件(9)，所述扫描宽带离子束形成组件(9)包括依次布置的离子源(91)、引出电极(92)、分析器(93)、带分析缝的分析光栏(94)、双向对称扫描电极(101)、以及平行透镜(95)；或所述扫描宽带离子束形成组件(9)包括依次布置的离子源(91)、引出电极(92)、分析器(93)、带分析缝的分析光栏(94)、四极透镜(102)、多级等梯度加速管(103)以及单向扫描电极(104)；或所述述扫描宽带离子束形成组件(9)包括依次布置的离子源(91)、引出电极(92)、分析器(93)、带分析缝的分析光栏(94)、四极透镜(102)、多级等梯度加速管(103)、带聚焦孔的聚焦光栏(106)、双向对称扫描电极(101)、以及平行透镜(95)，所述旋转靶盘(1)上设有与旋转靶盘(1)中心重合的环形注入区域(11)，所述环形注入区域(11)内均匀布置有多个晶圆装载区(3)，扫描宽带离子束形成组件(9)形成的扫描宽带离子束(2)的宽度为a、所述环形注入区域(11)的半径为b，则a≥b。
2.根据权利要求1所述的扫描宽带离子束注入机，其特征在于：所述扫描宽带离子束(2)剖面沿所述旋转靶盘(1)半径方向的束流线密度满足公式I＝k*r，其中k＞0。
3.根据权利要求2所述的扫描宽带离子束注入机，其特征在于：所述环形注入区域(11)内设有用于检测扫描宽带离子束(2)束流参数的束流检测孔(12)，所述束流检测孔(12)位于相邻的两个晶圆装载区(3)之间并沿所述旋转靶盘(1)的径向布置，所述束流检测孔(12)远离所述扫描宽带离子束(2)的一侧设有束流检测法拉第(4)。
4.根据权利要求2所述的扫描宽带离子束注入机，其特征在于：所述环形注入区域(11)内设有多个用于检测束流均匀性的束流均匀性检测孔(13)，多个所述束流均匀性检测孔(13)呈渐开线布置于晶圆装载区(3)之间的间隙区域。
5.根据权利要求1所述的扫描宽带离子束注入机，其特征在于：所述分析光栏(94)靠近所述平行透镜(95)的一侧设有可伸缩的分析法拉第(96)，所述分析法拉第(96)上设有光栏孔，且当需要检测通过分析光栏(94)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。
6.根据权利要求5所述的扫描宽带离子束注入机，其特征在于：所述旋转靶盘(1)朝向扫描宽带离子束(2)的一侧还设有移动法拉第(97)，所述移动法拉第(97)具有水平运动功能，通过水平扫描的方式检测经过平行透镜(95)后的扫描宽带离子束(2)水平方向的束流密度分布。
7.根据权利要求1所述的扫描宽带离子束注入机，其特征在于：当所述扫描宽带离子束形成组件(9)包括依次布置的离子源(91)、引出电极(92)、分析器(93)、带分析缝的分析光栏(94)、四极透镜(102)、多级等梯度加速管(103)以及单向非对称扫描电极(104)时，所述旋转靶盘(1)朝向扫描宽带离子束(2)的一侧还设有聚焦法拉第(105)，且聚焦法拉第(105)位于所述多级等梯度加速管(103)的中心线上。
8.根据权利要求1所述的扫描宽带离子束注入机，其特征在于：当所述述扫描宽带离子束形成组件(9)包括依次布置的离子源(91)、引出电极(92)、分析器(93)、带分析缝的分析光栏(94)、四极透镜(102)、多级等梯度加速管(103)、双向对称扫描电极(101)、以及平行透镜(95)时，所述双向对称扫描电极(101)靠近所述平行透镜(95)的一侧还设有聚焦法拉第(105)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的扫描宽带离子束注入机，其特征在于：还包括靶腔体盖板(5)，所述靶腔体盖板(5)上设有靶盘旋转密封组件(6)以及靶盘旋转驱动件(7)，所述靶腔体盖板(5)与所述旋转靶盘(1)同轴布置、且靶腔体盖板(5)直径大于旋转靶盘(1)的直径，所述靶盘旋转驱动件(7)通过所述靶盘旋转密封组件(6)与所述旋转靶盘(1)相连。
10.根据权利要求9所述的扫描宽带离子束注入机，其特征在于：所述靶盘旋转密封组件(6)为磁流体密封组件，所述靶盘旋转驱动件(7)为电机。
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