CN114141616A - 一种超低温晶圆注入工艺及注入平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超低温晶圆注入工艺及注入平台，所述注入工艺使用超低温晶圆注入平台在超低温真空环境下对晶圆进行离子注入，所述注入工艺包括步骤：晶圆装载步骤、抽真空步骤、待处理的晶圆转送步骤、晶圆冷却步骤、晶圆离子注入步骤、晶圆升温步骤、晶圆回送步骤、晶圆卸载步骤和晶圆产品标记入库步骤。超低温晶圆注入工艺及注入平台实现了超低温离子注入，形成了完整的非晶层，完整非晶层使得后续离子束落在非晶层，进而使得后续晶圆造成的损伤分布在非晶态区域；完整的非晶层为高质量的非晶层。

Description

一种超低温晶圆注入工艺及注入平台
技术领域
本发明属于半导体制造加工领域，涉及一种超低温晶圆注入工艺及注入平台。
背景技术
半导体器件在很长的一段时间内一直向着小型化发展，根据摩尔定律，集成电路芯片单位面积上所集成的半导体器件数目每隔18个月就将翻一倍，而伴随着半导体器件的小型化，半导体器件内部大部分结构势必要等比例缩小，目前半导体器件的关键尺寸业已达到纳米或深纳米级。如何制造半导体器件内的超浅结、突变结，如何更完整地修复半导体器件制造过程的离子注入射程末端缺陷(EOR Damage)，成为提高互补金属氧化物半导体性能的关键。现有理论研究表明，为了解决上述技术难题，一般需要对晶圆表面进行非晶化处理。
非晶化处理技术一般为使用碳、锗等不显电性的原子打乱晶圆表面单晶硅的原有晶体结构，使单晶硅变成非晶态(α-Si)。离子注入是近年来半导体制造中使单晶硅变成非晶态获得广泛应用的技术之一，其原理是将某电中性的原子或者分子电离，再以一定能量和剂量将所需离子束沿一定角度入射到衬底材料(如晶圆)之中，入射离子会与衬底发生一系列的物理或化学反应，从而引起衬底表面成分、结构和性质的变化，进而使单晶硅变成非晶态。
目前公开的离子注入技术大多数采用的是常温离子注入技术，注入时的环境温度一般为20℃左右，常温离子注入技术不能在晶圆表面很好的形成所需要的非晶层。根据理论研究表明，采用温度为-50℃以下的超低温离子注入能够明显提升注入效果。而采用超低温离子注入工艺的工艺，尤其是超低温晶圆注入工艺，原有常温注入技术中使用的离子注入部件将无法正常使用；即使常温离子注入部件使用于-20℃以上的浅低温注入工艺，但该离子注入部件的故障率也是非常高，经常停机调整和维修，这也是2021年度芯片缺货且产能不足的重要原因之一。
此外，常温离子注入技术或浅低温离子注入技术中，随着离子注入的进行，注入离子会与晶圆表面的硅原子发生碰撞，破坏晶圆表面硅原有的晶体结构，造成晶体结构损伤。但由于碰撞导致衬底温度升高，大部分损伤会随着离子注入的进行被修复，这类似离子注入后的快速退火现象，但它是一个动态进行的过程，因而被可以称为动态退火。因为常温离子注入或浅低温离子注入时存在着动态退火现象，所以常温离子注入或浅低温离子注入并不能在晶圆表面很好的形成所需要的非晶层。
为了在晶圆表面获得所需要的良好非晶层或得到良好非晶态，必须寻找一种合适的离子注入技术。
发明内容
基于现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种超低温晶圆注入平台，其利用超低温离子注入技术制造超浅结、突变结，并且更加完整地修复了离子注入射程末端缺陷。
依据本发明技术方案的第一方面，提供一种超低温晶圆注入工艺，其用于使用超低温晶圆注入平台在超低温真空环境下对晶圆进行离子注入，超低温晶圆注入工艺包括以下步骤：
步骤S1，晶圆装载步骤
步骤S2，抽真空步骤；
步骤S3，待处理的晶圆转送步骤；
步骤S4，晶圆冷却步骤；
步骤S5，晶圆离子注入步骤；
步骤S6，晶圆升温步骤；
步骤S7，晶圆回送步骤；
步骤S8，晶圆卸载步骤；
步骤S9，晶圆产品标记入库步骤。
其中，步骤S1的晶圆装载步骤中，将承载有晶圆的晶圆传送盒放置于前端晶圆传送模块中的容纳台上，前端晶圆传送模块中的机械手抓取一片或多片晶圆依次将一片或多片晶圆传送至装载模块的装载平台(11)，直至将容纳台上的晶圆全部传送至装载模块的装载平台(11)。
在步骤S2的抽真空步骤中，将前端晶圆传送模块和装载模块之间的门阀关闭，对装载模块的腔室进行抽真空，使其中的气压降至与真空传送模块接近的高真空度。
在步骤S3的待处理的晶圆转送步骤中，装载模块和真空传送模块之间的闸板阀打开，前真空传送机械手(21)抓取晶圆并将其传送至对准平台(22)，对准平台(22)对晶圆的角度位置进行校准。
在步骤S4的晶圆冷却步骤中，后真空传送机械手23抓取校准后的晶圆并将其传送至真空冷却平台(31)，使晶圆温度降低至所需的超低温。
在步骤S5的晶圆离子注入步骤中，后真空传送机械手23抓取冷却后的晶圆并将其传送至晶圆注入承载盘(42)，通过晶圆扫描机械手(41)将晶圆翻转、移动，来回横穿离子束，完成离子的注入。
在步骤S6的晶圆升温步骤中，前真空传送机械手(21)抓取步骤S5中加工之后的晶圆并将其传送至真空升温平台(51)，使晶圆温度升高至室温附近；在步骤S7的晶圆回送步骤中，前真空传送机械手(21)抓取晶圆并将其传送至装载平台(11)。
在步骤S8的晶圆卸载步骤中，装载模块和真空传送模块之间的闸板阀关闭，将装载模块腔室的气压升高至约一个大气压，装载模块和前端晶圆传送模块之间的门阀打开，前端晶圆传送模块中的机械手将晶圆传送至晶圆传送盒。
在步骤S9的晶圆产品标记入库步骤中，将步骤S8中传送卸载过来的晶圆进行标识，并按照一定入库规则，整理入库。
依据本发明技术方案的第二方面，提供一种使用上述超低温晶圆注入工艺的超低温晶圆注入平台，所述超低温晶圆注入平台至少包括前端晶圆传送模块、装载模块、真空传送模块、真空冷却模块、真空注入模块和真空升温模块，前端晶圆传送模块、装载模块、真空传送模块、真空冷却模块、真空注入模块和真空升温模块相互配合且形成一个有机整体，该有机整体实现超低温晶圆离子注入；前端晶圆传送模块、装载模块、真空传送模块、真空冷却模块、真空注入模块和真空升温模块均单独设有对应结构的腔室；在晶圆离子注入过程中，真空传送模块、真空冷却模块和真空注入模块形成一个超低温工作环境，并实现晶圆在超低温环境下的加工和传送。
与现有技术相比，本发明超低温晶圆注入工艺及注入平台的有益技术效果如下：
1、本发明超低温晶圆注入工艺及注入平台采用超低温晶圆注入，有效抑制了离子注入过程中的动态退火，使得间隙位置原子无法再回到晶格替代位置，使得非晶包数目变多、非晶包范围逐步扩大，最后所有非晶包的边界连接在一起形成完整的非晶层。
2、超低温晶圆注入工艺及注入平台实现了超低温离子注入，形成了完整的非晶层，完整非晶层使得后续离子束落在非晶层，进而使得后续晶圆造成的损伤分布在非晶态区域；完整的非晶层为高质量的非晶层；相对现有技术而言，其非晶层较厚。
3、使用本发明的超低温晶圆注入工艺及注入平台，在低温条件下生成的非晶态的硅不仅可以抑制后续离子注入时的沟道效应(Channelling Effect)，并且利于超浅结、突变结的形成，还可以将后续离子注入时造成的损伤限制在非晶层以内，故而使其容易被修复。
4、使用本发明的超低温晶圆注入工艺及注入平台，低温离子注入的碳、锗、氟等元素可以有效抑制硼掺杂原子的瞬时增强扩散效应(TED)。
5、实验结果表明，离子注入时的温度越低其动态退火被抑制的程度越大，本发明的超低温晶圆注入工艺及注入平台实现了：离子注入时的温度可以由室温逐渐减低至-100℃时，在加工的晶圆中可以明显发现非晶硅层的厚度逐渐增加，非晶态-晶态界面粗糙度明显减低，非晶层内残留的团絮状孤岛随着温度的降低逐渐消失。
附图说明
图1为依据本发明的超低温晶圆注入平台的整体结构示意图。
图2为图1中的静电吸盘的剖面结构示意图。
图3为图1中的静电吸盘的俯视结构示意图。
图4为图1中的晶圆机械辅助夹具部分的结构示意图。
图5为图4的局部放大图。
图6为图4中晶圆机械辅助夹具部分的俯视结构示意图。
图7为图1中真空冷却平台及其上的静电吸盘部分的第一结构示意图。
图8为图1中真空升温平台及其上的静电吸盘部分的第二结构示意图。
图9为再一实施例中静电吸盘的剖面结构示意图。
图10为又一实施例中静电吸盘的剖面结构示意图。
图11为另一实施例中静电吸盘的剖面结构示意图。
附图中的附图标记说明：A：装载模块；11：装载平台；B：真空传送模块；21：前真空传送机械手；22：对准平台；23：后真空传送机械手；C：真空冷却模块；31：真空冷却平台；D：真空注入模块；41：晶圆扫描机械手；42：晶圆注入承载盘；43：离子束入口；44：束流收集法拉第；E：真空升温模块；51：真空升温平台；F：前端晶圆传送模块；
S：晶圆；311：静电吸盘主体；312：第一印刷电极柔性层；313：电极排列；314：粘接填充层；315：第二印刷电极柔性层；316：间隙；317：冷却管道结构；318：灯丝；319：导热填充层；
J：静电吸盘；4201：夹子；4202：滑杆；4203：套筒；4204：第一复位弹簧；4205：牵引绳；4206：滑轮；4207：升降杆；4208：升降滑块；4209：丝杆；4210：安装柔性层；4211：第二复位弹簧；4212：导轨；4213：驱动部件。
具体实施方式
下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
本发明提供一种超低温晶圆注入工艺，其用于使用超低温晶圆注入平台在超低温真空环境下对晶圆进行离子注入，超低温晶圆注入工艺包括以下步骤：
步骤S1，晶圆装载步骤
步骤S2，抽真空步骤；
步骤S3，待处理的晶圆转送步骤；
步骤S4，晶圆冷却步骤；
步骤S5，晶圆离子注入步骤；
步骤S6，晶圆升温步骤；
步骤S7，晶圆回送步骤；
步骤S8，晶圆卸载步骤；
步骤S9，晶圆产品标记入库步骤。
图1示出，本发明提供的一种超低温晶圆注入工艺所使用的一种超低温晶圆注入平台，超低温晶圆注入平台至少包括前端晶圆传送模块F、装载模块A、真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E，前端晶圆传送模块F、装载模块A、真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E相互配合且形成一个有机整体，该有机整体实现超低温晶圆离子注入；前端晶圆传送模块F、装载模块A、真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E均单独设有对应结构的腔室。在晶圆离子注入过程中，真空传送模块B、真空冷却模块C和真空注入模块D形成一个超低温工作环境，并实现晶圆在超低温环境下的加工和传送。所述超低温为零下50摄氏度以下，优选为零下160摄氏度至零下100摄氏度的低温。
其中，前端晶圆传送模块F用于移动传送待处理的晶圆或离子注入完成之后的晶圆；装载模块A用于真空环境与常温大气环境的转换且加载待处理的晶圆或卸载离子注入完成之后的晶圆；真空传送模块B用于在真空环境下将待处理的晶圆传送到真空冷却模块C，或者将来自于真空注入模块D的处理后的晶圆传送到真空升温模块E；真空冷却模块C用于将待处理的晶圆进行降温，确保待处理的晶圆处于一个低温状态；真空注入模块D用于对晶圆进行离子注入；真空升温模块E用于加工或离子注入的晶圆进行升温，所述加工或离子注入的晶圆为自真空注入模块D经由真空传送模块B传送过来的加工或离子注入的晶圆。在工作时，相连通的真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E的腔室始终有至少一台抽真空设备(如真空泵)进行抽吸，使上述真空腔室保持在所需的高真空度；以及至少一台与上述真空腔室相连的真空度测量设备(如真空计)对气压进行监测。
前端晶圆传送模块F中至少包括一个用于移动传送晶圆的机械手和用于容纳、承载待处理的晶圆的容纳台，可选择地，所述容纳台用于容纳、承载待处理的晶圆传送盒。前端晶圆传送模块F与装载模块A的一侧相连接，二者相连处设置有可控制的门阀，装载模块A的腔室能够容纳至少一片晶圆，装载模块A的腔室中设置有用于放置晶圆的装载平台11。门阀优选通过气缸操作驱动的门阀，所述门阀通过在由气缸操作的驱动底座和固定在与阀板一体的阀轴上的杆部件之间夹装使将该驱动底座和杆部件可位移地连结的连结机构和使杆部件倾斜转动的凸轮机构，同时，设置使杆部件在阀板的相向位置或全开位置停止的止动部件机构，在由止动部件机构使杆部件停止在相向位置或全开位置后，通过由凸轮机构使杆部件倾斜转动，使阀板倾斜，将阀密封件向开口的周围的阀座部或壁面推压。
装载模块A还包括与其腔室相连的真空设备，真空设备优选真空泵，真空设备能够将装载模块A抽气至高真空以及将高真空充气至常压。高真空的真空度优选量级为10— 6torr或10—7torr。
装载模块A用于真空环境与常温大气环境的转换且加载待处理的晶圆或卸载离子注入完成之后的晶圆，具体操作过程如下：
装载模块A在常温大气环境中加载待处理的晶圆，加载待处理的晶圆之后装载模块A成为高真空状态，继而在高真空下将待处理的晶圆向后级设备转运。装载模块A在高真空下接收离子注入完成之后的晶圆，此后装载模块A成为常温大气状态；在常温大气状态转送到前端晶圆传送模块F。
装载模块A的另一侧与真空传送模块B相连接，二者相连处设置有可控制的封闭门阀，封闭门阀优选闸板阀。将装载模块A上的门阀和闸板阀均关闭后，该腔室能够形成密封。真空传送模块B为真空腔室，其中至少包括一个用于传送晶圆的机械手。在一实施例中，真空传送模块B中设有前真空传送机械手21和后真空传送机械手23，前真空传送机械手21和后真空传送机械手23的末端均具有能够承载晶圆的固持部，例如为金属板、夹子或吸盘等。优选的，前真空传送机械手21位置靠近装载平台11。真空传送模块B中还包括对准平台22，用于确定、校准晶圆的缺口位置，以确保晶圆在正确的角度、位置进行注入。对准平台22采用的方式例如机械对位或光学对位等。优选的，对准平台22位于前真空传送机械手21和后真空传送机械手23之间的位置。
真空传送模块B的另一侧与真空冷却模块C连接并连通，真空冷却模块C使晶圆在注入前冷却到低于注入工艺条件设定的温度，所述温度为零下50摄氏度以下。真空冷却模块C包括冷却装置，冷却装置优选真空冷却平台31，真空冷却平台31连接有冷却系统，真空冷却平台31上设置有晶圆固持部，晶圆固持部优选为耐低温的静电吸盘。冷却系统通过真空冷却平台31将其上的晶圆固持部的温度降低至某一明显低于室温的温度，例如为-60摄氏度以下。优选的，后真空传送机械手23位置与真空冷却平台31位置相靠近。进一步地，在晶圆固持部和待降温的晶圆之间填充氮气，这样使得晶圆降温更快，就能够在极短时间内使得晶圆降温至指定温度。
真空传送模块B的另一侧与真空注入模块D连接并连通。真空注入模块D包括真空工艺腔，半导体晶圆在真空工艺腔中按超低温的工艺条件实现离子注入，真空工艺腔内设置有晶圆扫描机械手41，扫描机械手41的末端设置有晶圆注入承载盘42，晶圆注入承载盘42优选为静电吸盘等，晶圆注入承载盘42用于承载并固持晶圆。晶圆扫描机械手41用于移动、翻转晶圆注入承载盘42。在真空注入模块D一侧壁外固定设置有离子源生成和离子束成形模块(图中未示出)，离子源生成和离子束成形模块与真空注入模块D的连接处开设有离子束入口43，在真空注入模块D的真空工艺腔与离子束入口43相对的一侧壁上设置有束流收集法拉第44。优选的，晶圆扫描机械手41位于离子束入口43和束流收集法拉第44中间位置。
真空传送模块B的另一侧与真空升温模块E相连接并连通，真空升温模块E包括具备内锁功能的温度控制器以及与其相连的升温装置，使晶圆在注入后升温到室温左右。升温装置上固定设置有晶圆固持部，晶圆固持部优选为静电吸盘，晶圆被固持于晶圆固持部上，并且，晶圆固持部对每一个晶圆实现单独升温。升温装置与其连接的晶圆固持部之间采用接触式的热传导或辐射传热等方式均可。在一具体实施方式中，升温装置为真空升温平台51，温度控制器调整其温度，使其连接的晶圆固持部的温度保持在40摄氏度至80摄氏度。
与现有技术的多片晶圆叠放在一起升温相比，本发明的真空升温模块E采用接触方式升温，增加晶圆固持部与晶圆之间的吸附力、使得晶圆固持部与晶圆贴得更紧，确保且控制了每个晶圆温升程度。本发明克服了现有技术叠放在一起通过通气升温，升温不均匀，且低温放置之间长，可能有杂质沉积在晶圆表面造成缺陷的问题。
根据附图可以看出，图1所示实施方式中的机械手包括前真空传送机械手21、后真空传送机械手23、晶圆扫描机械手41，在其他具体实施方式中，机械手的数量和位置是可以根据需要进行调整设计的，能实现传送作用的均可。所有机械手均能够提供一个以上的自由度运动，例如对晶圆进行平移、升降及旋转等。
非常巧妙的设计在于：超低温晶圆注入平台包括真空升温模块E，真空升温模块E用于把超低温注入完的晶圆单片地升温到接近室温。这是因为在高真空下，把晶圆的温度降到例如-110℃以下，再进行离子注入；然后在高真空下，把超低温注入完的晶圆单片地升温到接近室温。这样防止了在工艺过程中各类挥发物及蒸汽凝结到晶圆上。
使用上述超低温晶圆注入平台的一种超低温晶圆注入工艺如下，其包括以下步骤：
步骤S1，晶圆装载步骤
步骤S2，抽真空步骤；
步骤S3，待处理的晶圆转送步骤；
步骤S4，晶圆冷却步骤；(冷却平台)
步骤S5，晶圆离子注入步骤；
步骤S6，晶圆升温步骤；
步骤S7，晶圆回送步骤；
步骤S8，晶圆卸载步骤；
步骤S9，晶圆产品标记入库步骤。
本发明的一种超低温晶圆注入工艺具体包括以下步骤：
步骤S1，晶圆装载步骤；将承载有晶圆的晶圆传送盒放置于前端晶圆传送模块F中的容纳台上，前端晶圆传送模块F中的机械手抓取一片或多片晶圆依次将一片或多片晶圆传送至装载模块A的装载平台11，直至将容纳台上的晶圆全部传送至装载模块A的装载平台11；
步骤S2，抽真空步骤；将前端晶圆传送模块F和装载模块A之间的门阀关闭，对装载模块A的腔室进行抽真空，使其中的气压降至与真空传送模块B接近的高真空度；
步骤S3，待处理的晶圆转送步骤；装载模块A和真空传送模块B之间的闸板阀打开，前真空传送机械手21抓取晶圆并将其传送至对准平台22，对准平台22对晶圆的角度位置进行校准；
步骤S4，晶圆冷却步骤；后真空传送机械手23抓取校准后的晶圆并将其传送至真空冷却平台31，使晶圆温度降低至所需的超低温；
步骤S5，晶圆离子注入步骤；后真空传送机械手23抓取冷却后的晶圆并将其传送至晶圆注入承载盘42，通过晶圆扫描机械手41将晶圆翻转、移动，来回横穿离子束，完成离子的注入；
步骤S6，晶圆升温步骤；前真空传送机械手21抓取步骤S5中加工之后的晶圆并将其传送至真空升温平台51，使晶圆温度升高至室温附近；
步骤S7，晶圆回送步骤；前真空传送机械手21抓取晶圆并将其传送至装载平台11；
步骤S8，晶圆卸载步骤；装载模块A和真空传送模块B之间的闸板阀关闭，将装载模块A腔室的气压升高至约一个大气压，装载模块A和前端晶圆传送模块F之间的门阀打开，前端晶圆传送模块F中的机械手将晶圆传送至晶圆传送盒；
步骤S9，晶圆产品标记入库步骤；将步骤S8中传送卸载过来的晶圆进行标识，并按照一定入库规则，整理入库。
进一步的，具体过程如下：
步骤S1中，初始状态为：装载模块A腔室的门阀及闸板阀均处于关闭状态。将待注入的晶圆放置于前端晶圆传送模块F中的相应位置，优选为叠放的25片，放置于一晶圆传送盒中，在装载模块A腔室中的气压为常压(1个标准大气压或约1个标准大气压)时，打开前端晶圆传送模块F与装载模块A之间的门阀，前端晶圆传送模块F中的机械手将一片或多片晶圆移动至装载模块A中的装载平台11上。
关闭前端晶圆传送模块F与装载模块A之间的门阀，使装载模块A腔室密闭，随后进行抽真空，将装载模块A腔室的气压降低至与其余腔室(其余腔室为装载真空传送模块B、真空冷却模块C、真空注入模块D和真空升温模块E的腔室)接近的高真空度(高真空的真空度优选量级为10—6torr或10—7torr)。
打开装载模块A与真空传送模块B之间的闸板阀，前真空传送机械手21动作、抓取位于装载平台11上的晶圆，然后将晶圆移动至对准平台22，对准平台22将晶圆的缺口位置及方向进行校准。若位置不符合要求，则机械手(优选采用上述前真空传送机械手21)动作，对晶圆的位置进行调整。
然后，后真空传送机械手23从对准平台22上抓取校准后的晶圆，并将校准后的晶圆移动至真空冷却平台31上的晶圆固持部(例如静电吸盘，优选超低温静电吸盘)上。冷却系统将真空冷却平台31的温度降低并保持在第一冷却温度Qc1附近，使其上的晶圆固持部(例如静电吸盘，优选超低温静电吸盘)的温度保持在第二冷却温度Qc2附近，进而将静电吸盘的温度降低至第三冷却温度Qc3。在一些实施例中，是通过例如温度传感器等装置对真空冷却平台31上的晶圆固持部的温度，即Qc2进行监测。在另一具体实施方式中，Qc2小于等于-70摄氏度，优选的为-110摄氏度至-160摄氏度，进一步优选为-130摄氏度。晶圆放置于真空冷却平台31上的晶圆固持部的持续时间为第一时间T1，使晶圆温度快速降低至所需的超低温。
需要说明的是，从微观角度分析，晶圆和真空冷却平台31的晶圆固持部的接触面并非完全平整的面接触，而是多斑点接触，大部分面积均为真空的间隙。真空热传导效率较低，降温所需时间长，因此，优选的一种实施方式中，在将晶圆放置于真空冷却平台31后，在二者之间的细小间隙间充入约0.2-2.0％个大气压的氮气，在此情况下由于氮气分子的平均自由程大于该间隙宽度，因而可有效充当晶圆与平台之间热量传导的介质，使所需冷却时间更短。例如又一实施方式中，晶圆冷却时间(第一时间T1)为20至40秒，进一步优选为30秒±2秒。
接着，后真空传送机械手23从真空冷却平台31上抓取超低温晶圆，并将超低温晶圆移动至真空注入模块D中的晶圆注入承载盘42上，并由晶圆注入承载盘42固持。离子源生成和离子束成形模块持续产生所需的离子束，在未对晶圆进行注入操作的阶段，离子束沿图1所示箭头方向通过离子束入口43射入，无阻碍地穿过真空工艺腔，并最终由束流收集法拉第44接收、检测该离子束流大小是否符合要求。在离子束满足要求的情况下，晶圆扫描机械手41动作，使晶圆注入承载盘42及其上的晶圆在不接触离子束的情况下翻转移动至离子束一侧。如图1所示，晶圆扫描机械手41将晶圆翻转至大致垂直于附图纸面，并使晶圆朝向离子束入口43，与离子束行进方向成一定角度，例如，离子束垂直入射晶圆时，该角度为90度；离子束斜入射晶圆时，即调整为相应角度。此后，通过晶圆扫描机械手41带动晶圆来回平移，使晶圆反复横穿截面为纵向(垂直于图1纸面方向)且该方向上长度不小于晶圆直径的长条形的离子束，从而晶圆表面均被离子束反复照射，实现离子注入。
此后，晶圆扫描机械手41动作，再将晶圆移动至例如靠近真空传送模块B的一侧。前真空传送机械手21动作、抓取位于晶圆注入承载盘42上的晶圆，然后将晶圆移动至真空升温平台51上的晶圆固持部，加热持续时间为第二时间T2，使晶圆由低温快速升高至室温附近。温度控制器将真空升温平台51的温度升高并保持第一加热温度Qh1附近，使其上的晶圆固持部的温度保持在第二加热温度Qh2，进而使晶圆的温度升高至第三加热温度Qh3。在一些实施例中，是通过例如温度传感器等装置对真空升温平台51上的晶圆固持部的温度，即Qh2进行监测。进一步的一具体实施方式中，第二加热温度Qh2优选为40至80摄氏度，进一步优选为70摄氏度左右。
在一实施方式中，真空升温平台51上的晶圆固持部与晶圆之间亦采用上述填充氮气的方式，实现晶圆的快速升温。需要说明的是，设置两条氮气管道会增加结构复杂度、并可能造成输气控制混乱的问题；为了解决该问题，在另一具体实施方式中，不采用通氮气方式，真空升温平台51上的晶圆固持部(如静电吸盘，优选超低温静电吸盘)仍采用现有的上述多斑点接触的形式，可通过增加静电吸盘吸附力，使静电吸盘与晶圆贴合更紧密、接触面积更大，从而加快热传导、减少升温所需时间。同时，由于第二加热温度Qh2高于室温，升温过程的温度梯度大，故晶圆升温过程相比降温过程温度变化快，从而不需要采用填充氮气作为介质帮助传热即可实现较短的加热时间。加热时间(即第二时间T2)为30至70秒，进一步优选为60秒。
升温完成后，前真空传送机械手21动作、抓取位于真空升温平台51上的晶圆，并将其移动至装载平台11。
如此重复进行，直至放入的晶圆全部处理完毕并传回、叠放于装载平台11。最后，关闭装载模块A与真空传送模块B之间的闸板阀，将装载模块A中的气压升高至常压，再打开前端晶圆传送模块F与装载模块A之间的门阀，将晶圆通过前端晶圆传送模块F中的机械手传送至晶圆传送盒(FOUP)。
优选的一实施方式中，至少在真空冷却平台31上采用的是一种超低温静电吸盘，超低温为超低温静电吸盘能够承受零下150摄氏度低温。该超低温静电吸盘结构如图2、图3所示，为至少四层结构，其中包括静电吸盘主体311，在一实施例中，为圆盘状或板状，底面形状及厚度没有限制；材料一般为金属，例如铝、钛等。静电吸盘主体311上通过胶层(材料例如为液体胶，图中未示出)粘接固定有第一印刷电极柔性层312。第一印刷电极柔性层312上远离静电吸盘主体311的一面上设置有至少2组电极排列313，具体的，电极排列313可采用例如粘接方式连接，优选的采用电路印刷板制作方法，把金属(例如铜)按设定几何图形(如图3所示，电极排列为多条并排、不相交的波浪线)固定到第一印刷电极柔性层312上。可以理解的是，实际生产中的过程例如为，先将电极排列313印刷到第一印刷电极柔性层312上，再把该整体通过胶粘接到静电吸盘主体311上。在第一印刷电极柔性层312具有电极排列313的一面上还固定设置有粘接填充层314(采用耐低温、具有柔性、具有粘度且几乎电绝缘的材料例如耐低温树脂制成)，在粘接填充层314上还通过粘接固定有第二印刷电极柔性层315。粘接填充层314填平电极排列313间的空隙，同时用于将第二印刷电极柔性层315与第一印刷电极柔性层312以及电极排列313粘接固定在一起。具体一实施例中，第二印刷电极柔性层315与第一印刷电极柔性层312的形状、大小相同，且二者边缘相重合。
可以想到的是，粘接填充层314的作用即为将电极排列313的间隙填充，以及将第二印刷电极柔性层315、第一印刷电极柔性层312以及电极排列313三者固定，为此，若采用上述方式生产，其实际结构可能如图9所示，粘接填充层314的上方会超过电极排列313的上表面进而连接为一体，包覆于电极排列313之上，使粘接填充层314与第二印刷电极柔性层315的接触面积更大、粘接更牢固。同样的，可行的另一实施例如图10所示，等同于将图2中第一印刷电极柔性层312、电极排列313、粘接填充层314、第二印刷电极柔性层315的层叠结构倒置。再一实施例如图11所示，粘接填充层314包覆电极排列313的上下两面。
第一印刷电极柔性层312和第二印刷电极柔性层315均为聚酰亚胺(polyimide)薄膜，其膜厚一般为15至100微米。一种聚酰亚胺薄膜的物性指标例如表1所示。聚酰亚胺薄膜在静电吸盘中作为电介质膜，聚酰亚胺薄膜不导电；在聚酰亚胺薄膜一侧加载正电荷或负电荷，在聚酰亚胺薄膜另一侧形成与所加载电荷的极性相反的感应电荷。由于其柔、韧、具延展性的特性以及金属电极排列313很薄，可以吸收不同材料热胀冷缩造成应力，使得聚酰亚胺薄膜与电极排列313在零下150摄氏度下都不会发生脱离或开裂。同时，聚酰亚胺薄膜的工作温度范围例如为零下200至350摄氏度，能够满足静电吸盘超低温条件下使用的需要(例如，制造及安装时环境温度为室温，工作时环境温度为零下150摄氏度)。
表1 一种聚酰亚胺薄膜的物性指标
性能 指标
最大抗张强度，kpsi(23℃) 25.0
3％屈服点，kpsi(23℃) 9.5
拉长5％压力，kpsi(23℃) 15.0
密度，g/cc或g/ml 1.4170
线性延伸系数，ppm/C 47
比热，J/g·K 1.26
玻璃化温度(TG)，℃ 420
绝缘强度，V/mil 3500
使用时，如图2所示，微观尺度上，晶圆S与静电吸盘之间存在间隙316，通过外部电源对电极排列313施加设定的电压，使电极排列313带电，进而根据静电感应原理，放置于静电吸盘上的晶圆S产生感应电荷和电场，从而使晶圆S由于正负电荷的吸引力吸附在静电吸盘上。并且，可以通过调整施加的电压来控制吸引力的大小。
具体一实施方式中，如图7所示，真空冷却平台31固定或一体成型于静电吸盘下方，真空冷却平台31中具有冷却管道结构317，冷却管道结构317的管道中持续通入、流动有冷却介质，冷却介质例如为冷却液，冷却介质在真空冷却平台31处吸热，从而使真空冷却平台31以及其上的静电吸盘保持在所需的超低温。需要说明的是，微观尺度上，静电吸盘下表面和真空冷却平台31上表面均不是完全平整的，进而在二者为多斑点接触，大部分面积为间隙，且真空环境中不存在气体分子作为介质，热传导速度较慢；故优选的，真空冷却平台31与静电吸盘之间还具有导热填充层319，例如为柔性的金属薄片，具体材料例如为铟，优选为经退火处理后的纯铝，用于导热填充层319较软且导热系数大，能够填充静电吸盘和真空冷却平台31之间的真空间隙，从而提高热传导速度。
这样，在冷却过程中形成叠放的“真空冷却平台31-超低温静电吸盘-晶圆”三层结构，热量依次传递、温度依次升高，例如，真空冷却平台31为-160摄氏度，超低温静电吸盘为-130摄氏度，晶圆滞留一段时间后温度为-100摄氏度。
另一具体实施方式中，如图8所示，真空升温平台51中包括灯丝318，例如，真空升温平台51大体为扁平的中空盒形，其内部容纳有灯丝318，灯丝318中段形状例如为螺旋的蚊香形、波浪线形或螺旋柱形等，灯丝318的两端连接有电源，从而能够控制对灯丝318通电、使灯丝318发热。优选的，灯丝318为石墨灯丝。若灯丝318及真空升温平台51的温度较高，则不宜直接与静电吸盘接触，需要保证真空升温平台51与静电吸盘之间存在间隙，工作状态下该间隙为真空，通过辐射的方式传热。具体例如，静电吸盘侧面或底面设置有固定支撑装置，使静电吸盘固定地位于真空升温平台51上方但不相接触，或者采用绝热材料制成的垫片，固定设置于静电吸盘与真空升温平台51之间，将静电吸盘垫起，等等；能够实现此技术效果的具体结构均可。优选的，温度控制器使灯丝318温度保持在300摄氏度至700摄氏度范围内的某温度附近，且晶圆固持部(优选静电吸盘)的温度不超过80摄氏度。
又一优选实施方式中，至少在晶圆注入承载盘42处采用的是一种具有晶圆机械辅助夹具的静电吸盘，其结构请参阅图4至图6。晶圆机械辅助夹具设置于静电吸盘J的背面。晶圆机械辅助夹具包括安装柔性层4210，安装柔性层4210固定设置于静电吸盘J的下表面(与晶圆S接触面相对的一面)。具体的，安装柔性层4210与静电吸盘J采用例如粘接等方式固定均可；优选的，如图4所示，采用螺栓连接方式，在静电吸盘J的背面开设一个或多个具有内螺纹的盲孔，在安装柔性层4210上开设相应的通孔，螺栓穿过通孔旋入螺纹孔中从而固定；这样螺栓可拆卸，便于调整、修理、更换。
安装柔性层4210边缘位置处设置有若干夹子4201，其数量为二个以上，优选的，其数量为单数，进一步优选的，如图6所示，为均匀分布的三个。每个夹子4201均通过夹子限位滑动机构与安装柔性层4210相连接并位于静电吸盘J的下方，而夹子4201的顶端的位置高于静电吸盘J吸附晶圆S后晶圆S的上表面(晶圆S与接触面相对的另一面)，从而保证夹子4201能够夹持到晶圆S的边缘。若干夹子4201所在位置的内接圆的圆心与静电吸盘J相同、直径大于静电吸盘J。夹子4201通过夹子限位滑动机构实现滑动，使若干夹子4201所在位置的内接圆直径增大或缩小，从而实现对晶圆S的夹紧和释放。
具体一实施例中，如图5所示，夹子限位滑动机构包括形状相匹配的滑杆4202和套筒4203。滑杆4202的外径等于或略小于套筒4203的内径，滑杆4202同轴地贯穿于套筒4203中，并能够在套筒4203的限制下沿其轴线方向顺畅滑动。套筒4203的一侧与安装柔性层4210固定连接，另一侧不超过静电吸盘J的下表面。滑杆4202上具有直径小于其余部分的一段，该端外、套筒4203内设置有第一复位弹簧4204，第一复位弹簧4204的一端与滑杆4202固定连接，另一端与套筒4203固定连接。例如图5所示实施例中，滑杆4202靠近安装柔性层4210中心位置的一侧为直径小的一段。夹子4201通过例如螺钉方式与滑杆4202固定连接，滑杆4202另一端固定设置有牵引绳4205。这样，当向内拉动牵引绳4205时，第一复位弹簧4204被挤压，夹子4201将晶圆S夹紧；当撤去拉力，第一复位弹簧4204恢复，夹子4201亦恢复至原位，将晶圆S释放。安装柔性层2410的中心位置开设有一通孔，该通孔下方固定设置有升降机构，升降机构中作升降运动的部分与牵引绳4205的末端固定连接，从而控制牵引绳4205的拉动和释放。优选的，在安装柔性层4210上还设置有滑轮2406，滑轮4206位于滑杆4202和升降机构运动方向相交处附近，牵引绳4205搭在滑轮4206上，并在各部件运动过程中始终与滑轮4206相接触，从而降低摩擦力，使夹子4201运动更顺畅。
在一实施例中，请参阅图4、图5，升降机构包括升降套筒和作升降运动的升降杆4207，升降套管沿安装柔性层4210的通孔边缘向下(背离静电吸盘J的方向)延伸设置，升降套管中设置升降杆4207，升降杆4207与牵引绳4205固定连接。例如，如图4所示，升降杆4207上端开设有数量及位置与夹子4201相对应的、贯穿的小孔，牵引绳4205穿入其中并通过粘接、绳结、卡扣等方式固定。优选的，还包括第二复位弹簧4211，套设于升降杆4207外、升降套管内，第二复位弹簧4211一端与升降套管或安装柔性层4210固定连接，另一端与升降杆4207固定连接。进行夹紧操作时，升降杆4207在外力作用下向下运动，第二复位弹簧4211被拉伸；释放时，撤去外力，升降杆4207被第二复位弹簧4211拉回至初始位置。
进一步的，如图4所示，升降机构还包括升降滑块4208、丝杆4209和马达4213，升降套管中靠下的一段为导轨4212，其内侧面形状及大小与升降滑块4208的外侧面相匹配，使升降滑块4208只能够在导轨4212的限位作用下顺畅地做升降运动。在一实施例中，马达4213为线性马达，马达4213与丝杆4209固定连接，丝杆4209与升降滑块4208通过螺纹固定连接，由马达4213直接地控制升降滑块4208上升或下降。另一实施例中，马达4213为转子马达，与丝杆4209固定连接，丝杆4209与升降滑块4208螺纹连接；升降滑块4208的截面形状为圆形以外的形状，例如为多边形或其他不规则形状，导轨4212的截面形状与之相对应，从而升降滑块4208无法在导轨4212中旋转；马达4213控制丝杆4209沿其轴线沿顺/逆时针旋转，由于螺纹的配合，升降滑块4208会在导轨4212作相应的升降运动。
可以想到的是，上述升降机构的目的为控制牵引绳4205的末端运动，以上仅以图示实施例进行说明，能实现类似功能的其他具体结构均可。
优选的，夹子4201由热固性聚酰亚胺(Vespel)材料制成，避免产生金属污染，其用于集成电路刻蚀和化学气相沉积(CVD)等真空设备中；套筒4203、升降套管等的材料例如为石英。
本发明的晶圆机械辅助夹具可直接安装在现有离子注入机上的静电吸盘上，且不会造成注入金属污染。具有晶圆机械辅助夹具的静电吸盘实现了对晶圆吸紧及松开过程中的辅助固定，当电荷残留导致晶圆不能被顺利抬起，而不得不在晶圆及静电吸盘之间的间隙通入气体时，晶圆由于被夹具固定而不再偏移或掉落。所有的夹具机构都位于静电吸盘的背面，不会被离子束打到；所有的运动部件都被限制在石英套管内，从而保证颗粒不会迁移到晶圆上。
利用现有技术只能得到较薄的非晶层，较薄的非晶层无法为后续离子注入提供足够的阻挡，从而产生较严重的沟道效应，无法保证结深的有效控制，亦无法保证结深处掺杂浓度的突变性，且离子注入所带来的损伤在后续快速热退火工艺后无法完美恢复，残留缺陷导致了器件漏电增大。而利用本发明的超低温晶圆注入平台，在实际生产中在晶圆中形成了较厚且完整的非晶层；当非晶层较厚且完整时，减少了离子束尾部窜流，造成的损伤也更多地分布在非晶态区域，在非晶态-晶态界面之外的晶体区域引入的损伤更少。
需要说明的是，本发明优选实施方式中的超低温晶圆注入平台，在工作过程中，处于超低温的部分仅为真空冷却平台31、真空冷却平台31上的超低温静电吸盘，以及晶圆。这样，设备整体基本上保持在常温下，运营稳定。在注入过程中，可以只有晶圆是超低温的(与晶圆接触的晶圆注入承载盘42若具有本发明的晶圆机械辅助夹具，则晶圆注入承载盘42不会达到超低温；当然，晶圆注入承载盘42也可以采用本发明的超低温静电吸盘。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超低温晶圆注入工艺，其特征在于，其用于使用超低温晶圆注入平台在超低温真空环境下对晶圆进行离子注入，其包括以下步骤：
步骤S1，晶圆装载步骤
步骤S2，抽真空步骤；
步骤S3，待处理的晶圆转送步骤；
步骤S4，晶圆冷却步骤；
步骤S5，晶圆离子注入步骤；
步骤S6，晶圆升温步骤；
步骤S7，晶圆回送步骤；
步骤S8，晶圆卸载步骤；
步骤S9，晶圆产品标记入库步骤。
2.根据权利要求1所述的超低温晶圆注入工艺，其特征在于，步骤S1的晶圆装载步骤中，将承载有晶圆的晶圆传送盒放置于前端晶圆传送模块中的容纳台上，前端晶圆传送模块中的机械手抓取一片或多片晶圆依次将一片或多片晶圆传送至装载模块的装载平台(11)，直至将容纳台上的晶圆全部传送至装载模块的装载平台(11)。
3.根据权利要求2所述的超低温晶圆注入工艺，其特征在于，步骤S2的抽真空步骤中，将前端晶圆传送模块和装载模块之间的门阀关闭，对装载模块的腔室进行抽真空，使其中的气压降至与真空传送模块接近的高真空度。
4.根据权利要求3所述的超低温晶圆注入工艺，其特征在于，步骤S3的待处理的晶圆转送步骤中，装载模块和真空传送模块之间的闸板阀打开，前真空传送机械手(21)抓取晶圆并将其传送至对准平台(22)，对准平台(22)对晶圆的角度位置进行校准。
5.根据权利要求4所述的超低温晶圆注入工艺，其特征在于，步骤S4的晶圆冷却步骤中，后真空传送机械手23抓取校准后的晶圆并将其传送至真空冷却平台(31)，使晶圆温度降低至所需的超低温。
6.根据权利要求5所述的超低温晶圆注入工艺，其特征在于，步骤S5的晶圆离子注入步骤中，后真空传送机械手23抓取冷却后的晶圆并将其传送至晶圆注入承载盘(42)，通过晶圆扫描机械手(41)将晶圆翻转、移动，来回横穿离子束，完成离子的注入。
7.根据权利要求6所述的超低温晶圆注入工艺，其特征在于，步骤S6的晶圆升温步骤中，前真空传送机械手(21)抓取步骤S5中加工之后的晶圆并将其传送至真空升温平台(51)，使晶圆温度升高至室温附近；
步骤S7的晶圆回送步骤中，前真空传送机械手(21)抓取晶圆并将其传送至装载平台(11)。
8.根据权利要求7所述的超低温晶圆注入工艺，其特征在于，步骤S8的晶圆卸载步骤中，装载模块和真空传送模块之间的闸板阀关闭，将装载模块腔室的气压升高至约一个大气压，装载模块和前端晶圆传送模块之间的门阀打开，前端晶圆传送模块中的机械手将晶圆传送至晶圆传送盒。
9.根据权利要求8所述的超低温晶圆注入工艺，其特征在于，步骤S9的晶圆产品标记入库步骤中，将步骤S8中传送卸载过来的晶圆进行标识，并按照一定入库规则，整理入库。
10.一种使用上述权利要求1-9之任一超低温晶圆注入工艺的超低温晶圆注入平台，其特征在于，所述超低温晶圆注入平台至少包括前端晶圆传送模块、装载模块、真空传送模块、真空冷却模块、真空注入模块和真空升温模块，前端晶圆传送模块、装载模块、真空传送模块、真空冷却模块、真空注入模块和真空升温模块相互配合且形成一个有机整体，该有机整体实现超低温晶圆离子注入；前端晶圆传送模块、装载模块、真空传送模块、真空冷却模块、真空注入模块和真空升温模块均单独设有对应结构的腔室；在晶圆离子注入过程中，真空传送模块、真空冷却模块和真空注入模块形成一个超低温工作环境，并实现晶圆在超低温环境下的加工和传送。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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