CN219575558U - 一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，所述离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构适用于离子喷枪，所述离子喷枪包括基座部分、起弧腔以及线路连接部分；离子喷枪以离子注入机工艺腔体为基座装配在离子注入机上，用于承载了离子喷枪本体；离子喷枪有两个独立相同的弧腔，分别是上弧腔和下弧腔。本实用新型离子喷枪弧腔石墨双孔喷口结构设计成本低，维护成本低，能够使等离子体更容易的从弧腔发射出来，提高束流的均匀性，提高了晶片的质量，增强了离子喷枪消除晶片表面电荷能力，减少晶片表面电荷积累，提高晶片的良率。

Description

一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构

技术领域

本实用新型属于半导体设备技术领域，具体涉及一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构。

背景技术

集成电路制造工艺中，离子注入是一种重要的掺杂技术，也是控制MOSFET阈值电压的一个重要手段。当代制造大规模集成电路中，离子注入是一种必不可少的工序。离子注入的原理是，将原子或分子经过离子化后形成离子或等离子体；等离子体带有一定量的电荷，可通过电场对离子或等离子体进行加速，并利用磁场使其运动方向改变，从而控制离子或等离子体以一定的能量进入晶圆内部，以达到掺杂的目的。

氙气离子喷枪(等离子体Flood Gun-Xe:离子喷枪-Xe)的出现或发展，其使得为低能大束流离子注入机提供充分的电子束流成为可能。氙气离子喷枪为离子束创造了一个低能(-1ev)电子库，通过低能电子库，离子束通过提取尽可能多的电子以保持空间电荷中性。具体地，氙气离子喷枪设计将氙气送入电起弧室，在电起弧室中灯丝发射的电子使氙原子电离并点燃等离子体。当离子束的电势大于电起弧室的电势时，电子束通过电起弧室的开口从氙气离子喷枪等离子体中提取低能电子。在电起弧室和离子束之间的区域，被提取的电子和离子束相互作用产生一个低密度等离子体，称为等离子体桥。等离子体电桥是离子束和电起弧室中等离子体之间的低阻抗连接。即使当离子束的电势只有轻微的正时，离子束也能从氙气离子喷枪中吸收尽可能多的低能电子，以保持空间电荷的中性。

然而，由于利用离子注入工艺掺入的离子带有电荷，而在注入晶片后这些电荷会累积在晶片的表面，大量积累在晶片表面的电荷，可能通过已经制作在晶片表面上的电容结构形成电流，从而造成晶片的栅极、栅极与半导体间的栅极氧化层的伤害。更为严重地是，由于瞬间高电流的通过，容易造成栅极结构的永久损坏。因此，在离子注入过程中，防止由于离子注入过程中在晶片表面累积电荷对晶片造成的损坏是半导体制备工艺亟待解决的技术问题。

另外地，现有技术的等离子枪，尤其是离子喷枪安装上设备，等离子枪的起弧腔发射口为单孔发射，发射出来的等离子体强度不够，并且等离子体波束不均匀导致束流均匀性较差，影响了离子注入的产品质量；并且使用强度差的等离子体的注入，其消除晶片表面电荷能力不足，使的晶片表面电荷累较多，经常造成晶片损伤。

实用新型内容

基于现有技术存在的问题，本实用新型提供一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构。

依据本实用新型的技术方案，本实用新型提供了一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，所述离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构适用于离子喷枪，所述离子喷枪包括基座部分、起弧腔以及线路连接部分；离子喷枪有两个独立相同的弧腔，分别是上弧腔和下弧腔。

优选地，两个矩形喷口结构的相对上下排列，两个矩形喷口结构覆盖在上弧腔和下弧腔上。进一步地，束流到达离子注入腔体形成有效束流，晶圆的离子注入工艺在离子注入腔体内完成，离子喷枪安装在离子注入腔体上，离子喷枪产生的等离子体吸附在有效的束流周围到到晶圆表面，完成了晶圆注入工艺

进一步地，上弧腔和下弧腔独立产生等离子体，吸附在束流周围，中和晶圆表面的电荷。

更优选地，两个矩形喷口结构的每个的两个小孔上下排列，安装在离子喷枪弧腔上，两个小孔之间距离16mm。两个小孔均匀分布在矩形石墨喷口四分之一中心上，使得等离子体更加均匀的分布在束流周围。螺丝将法兰铝板固定在离子注入设备工艺腔体上端，螺丝与离子喷枪本体不等电位，螺丝与离子注入设备工艺腔体等电位。

进一步地，法兰铝板下方有绝缘板隔离开离子喷枪本体与离子注入设备工艺腔体，螺丝穿过法兰铝板与绝缘板固定在离子注入设备工艺腔体上，螺丝与法兰铝板之间有绝缘套筒隔离开，安装好之后必须测量螺丝与本体绝缘性。

优选地，电源通过第一灯丝电源端子、第二灯丝电源端子、第三灯丝电源端子、第四灯丝电源端子给离子喷枪灯丝供电，其中上灯丝正极电源线固定在第一灯丝电源端子，上灯丝负极电源线固定在第二灯丝电源端子，下灯丝正极电源线固定在第三灯丝电源端子，下灯丝负极电源线固定在第四灯丝电源端子，第一灯丝电源端子连接第一灯丝电极，第二灯丝电源端子连接第二灯丝电极，第三灯丝电源端子连接第三灯丝电极，第四灯丝电源端子连接第四灯丝电极。

更优选地，氙气管接口通过氙气管将氙气通入起弧室中。

与现有技术相比，本实用新型的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构的有益技术效果如下：

1、本实用新型的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构为离子注入机提供稳定均匀的散射电流。

2、本实用新型离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构设计成本低，维护成本低，能够使等离子体更容易的从起弧腔发射出来，提高束流的均匀性，提高了晶片的质量，增强了离子喷枪消除晶片表面电荷能力，减少晶片表面电荷积累，提高晶片的良率。

附图说明

图1是本实用新型离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构的立体结构示意图，主要反映了离子喷枪整体结构和外貌特征，起弧腔石墨双孔喷口形状和在离子喷枪上的位置。

图2是图1中部分A的放大示意图；

图3是图1中离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构的爆炸结构示意图，主要反映了离子喷枪各部件的结构装配示意图，体现各部分的连接关系：

图4是图1中起弧腔石墨双孔喷口平面图，清晰的展现了起弧腔石墨双孔喷本体的技术参数。

图5是离子喷枪安装在离子注入机的结构框图，反映出离子喷枪与离子注入机的连接关系。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关实用新型相关的部分。在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要注意，本实用新型中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本实用新型中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本实用新型提供一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，本实用新型解决了现有技术中等离子体发散的问题，提高束流的均匀性，提高离子喷枪消除晶片表面电荷能力。本实用新型的一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构所应用的离子喷枪包括基座部分、起弧腔以及线路连接部分；束流到达离子注入腔体形成有效束流，晶圆的离子注入工艺在离子注入腔体内完成，离子喷枪安装在离子注入腔体上，离子喷枪产生的等离子体吸附在有效的束流周围到到晶圆表面，完成了晶圆注入工艺。

起弧腔内有灯丝.灯丝通电被加热后就会发射电子,由于起弧腔内存有一定浓度的氙气气体粒子，灯丝发射的电子就会撞击这些粒子,使粒子外层的电子脱离原来的运行轨道成为自由电子，而粒子则变成带正电的离子.这就是电离的简单过程，在这个过程中产生弧流，弧流的大小，决定等离子体的大小；灯丝电源通过电源线给上下两个起弧腔内的灯丝供电，灯丝通电后产生灯丝电子，轰击起弧腔内的氙气，故而起弧形成等离子体。起弧供电线从弧电源直接连在离子喷枪本体上，为起弧提供了电压15V，散射电流采集线直接从离子喷枪控制器上连在离子喷枪石墨笼子上，用于采集等离子体强度信号。

其中，离子喷枪以离子注入机工艺腔体为基座装配在离子注入机上，束流到达离子注入腔体才是有效束流，晶圆的离子注入工艺在离子注入腔体内完成，离子喷枪安装在离子注入腔体上，离子喷枪产生的等离子体吸附在有效的束流周围到到晶圆表面，完成了晶圆注入工艺。

起弧腔内有灯丝.灯丝通电被加热后就会发射电子,由于起弧腔内存有一定浓度的氙气气体粒子，灯丝发射的电子就会撞击这些粒子,使粒子外层的电子脱离原来的运行轨道成为自由电子，而粒子则变成带正电的离子.这就是电离的简单过程，在这个过程中产生弧流，弧流的大小，决定等离子体的大小；灯丝电源通过电源线给上下两个起弧腔内的灯丝供电，灯丝通电后产生灯丝电子，轰击起弧腔内的氙气，故而起弧形成等离子体。本实用新型通过改进起弧腔，将原来的起弧腔单孔石墨改为双孔石墨，使等离子体从石墨双孔中发射出来。

本实用新型的一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构所应用的离子喷枪有两个独立相同的起弧腔，分别是上起弧腔和下起弧腔，两个矩形喷口结构的相对上下排列，两个矩形喷口结构覆盖在上起弧腔和下起弧腔上；在喷射等离子体时，条件相同，两个起弧腔喷射离子体密度、强度相同，喷射离子体密度、强度体现在中和电子的能力上，用一个散射电流体现，下表是各参数的设置关系，设置好产生等离子体的参数，上下起弧腔独立产生等离子体，吸附在束流周围，中和晶圆表面的电荷。

两个矩形喷口结构的每个的两个小孔上下排列，安装在离子喷枪起弧腔上，两个小孔之间距离16mm，两个小孔均匀分布在矩形石墨喷口四分之一中心上，使得等离子体更加均匀的分布在束流周围。

矩形石墨双孔喷口边长32mm，每个小孔的直径1mm，小孔喷口倒角60度，倒角深度2.5mm，小孔深度3.2mm，1mm的喷口有力的喷出等离子体，在60度斜面喷口散开，使得等离子体更加均匀。

下面结合附图来说明本实用新型的结构，图1是本实用新型离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构的立体结构示意图，主要反映了离子喷枪整体结构和外貌特征，起弧腔石墨双孔喷口形状和在离子喷枪上的位置。起弧腔产生的等离子体，通过起弧腔石墨双孔喷口24散射出均匀的等离子体。吸附在束流周围，有效中和电子。

图1是本实用新型离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构的立体结构示意图，主要反映了离子喷枪整体结构和外貌特征，起弧腔石墨双孔喷口形状和在离子喷枪上的位置；图2是图1中部分A的放大示意图；图3是图1中离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构的爆炸结构示意图，主要反映了离子喷枪各部件的结构装配示意图。本实用新型优选在“离子喷枪”组件中灯丝支架与“离子喷枪”本体之间增加了绝缘子45及相应的螺钉、绝缘垫36，通过增加绝缘垫，对灯丝支架起支撑作用，避免其因发生形变与“离子喷枪”本体发生直接接触，从而发生短路，从根本上解决短路问题。

下面结合附图，对本实用新型的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构做出详细说明。图1是本实用新型离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构的立体结构示意图，其使用在离子喷枪上。如图1至图3所示，螺丝1将法兰铝板18固定在离子注入设备工艺腔体上端，需要特别注意的是螺丝与离子喷枪本体不等电位，螺丝与离子注入设备工艺腔体等电位，铝板下方有绝缘板25隔离开离子喷枪本体与离子注入设备工艺腔体，螺丝穿过法兰铝板与绝缘板25固定在离子注入设备工艺腔体上，螺丝1与法兰铝板之间有绝缘套筒23隔离开，安装好之后必须测量螺丝与本体绝缘性；电源通过第一灯丝电源端子40、第二灯丝电源端子41、第三灯丝电源端子42、第四灯丝电源端子43给离子喷枪灯丝3供电，其中上灯丝正极电源线固定在第一灯丝电源端子40，上灯丝负极电源线固定在第二灯丝电源端子41，下灯丝正极电源线固定在第三灯丝电源端子42，下灯丝负极电源线固定在第四灯丝电源端子43，第一灯丝电源端子40连接第一灯丝电极19，第二灯丝电源端子41连接第二灯丝电极20，第三灯丝电源端子42连接第三灯丝电极21，第四灯丝电源端子43连接第四灯丝电极22。氙气管接口33通过氙气管13将氙气通入起弧室中,另外需要注意的是氙气管接口处每次必须使用全新的VCR垫片确保其密封，避免发生工艺气体泄漏造成真空不良和经济损失。密封圈32嵌入法兰绝缘板25的凹槽中，二者的作用是将靶室工艺腔与大气绝缘密封，确保靶室工艺腔具有较好且稳定的真空，为注入提供良好的条件。优选地，灯丝支架包括上灯丝正极支架、上灯丝负极支架、下灯丝正极支架和下灯丝负极支架，上灯丝正极支架采用上灯丝正极支架银质连带，上灯丝负极支架采用上灯丝负极支架银质连带，下灯丝正极支架采用下灯丝正极支架银质连带，下灯丝负极支架采用下灯丝负极支架银质连带，电压通过银质连带加到灯丝上，以确保良好的导电性。灯丝连接块7的一端用来固定连接螺母6，灯丝连接块7的另一端连在灯丝支架上，安装时上面的螺丝要固定好，防止松动。连接螺母的垫片2，灯丝绝缘子5使离子喷枪灯丝3与离子喷枪基座31绝缘，灯丝连接带9连接灯丝连接块7与灯丝支架。离子喷枪灯丝3插入灯丝连接杆4，安装时要使离子喷枪灯丝插入到灯丝连接杆4的底部。离子喷枪引出石墨24固定在石墨支撑板11上，永磁铁10固定磁铁支撑板12上。

本实用新型电子枪起弧腔石墨双孔喷口中，离子喷枪装置为双起弧室、双石墨结构，两根离子喷枪灯丝分别对应两个电源模块灯丝电源模块通过灯丝电源端子部件给离子喷枪灯丝3供电，灯丝电源端子部件分别为第一灯丝电源端子40、第二灯丝电源端子41、第三灯丝电源端子42、第四灯丝电源端子43。

另外，离子喷枪工作时需要弧压电源模块提供弧压电场，从而起弧形成弧流。外部氙气管道中的气体通过氙气管接口33，离子喷枪内部氙气管13将氙气通入起弧室；在高真空条件下，加上一定的电流使离子喷枪灯丝加热，当加热温度达到电子的溢出功，离子喷枪灯丝发射电子，溢出的电子在弧压电场作用下，放电室由高真空变为低真空，离子喷枪灯丝发射的电子与放电室中的气体发生碰撞而产生电离，形成等离子体。为了提高电子与气体的碰撞几率从而提高电离效率，在放电室中加上永磁铁，在磁场中电子作螺旋运动有效地提高了电子的运动路程。

如图3所示，氙气通过氙气气管13进入到起弧室。

在另外实施例中，第一弧室电源接线柱37穿过离子喷枪本体法兰连接在离子喷枪石墨笼子上采集信号，第二弧室电源接线柱38为起弧供电，离子喷枪本体的灭弧板39将离子喷枪与外围设备隔离开。离子喷枪安装在工艺腔中，灯丝电源模块给离子喷枪灯丝3供电，氙气瓶通过氙气管接口33及氙气管13将氙气通入起弧室。

在另一实施例中，如图4所示，离子喷枪引出石墨24的两个喷口孔间距为16毫米，喷头倒角为60度，倒角深度2.5毫米，起弧腔石墨双孔喷口本体厚度为3.2毫米；上述设计经过实验证明是最佳设计，等离子体从起弧腔石墨双孔喷口发射出来，双孔喷口发射的等离子体更加均匀吸附在束流周围，发射的等离子体更稳定。

如图5所示，电子枪安装在离子注入机工艺腔50，电子枪石墨笼子52连接在离子喷枪本体上。晶圆在离子注入机工艺腔体50内完成离子注入，束流通过离子过滤模块53进行能量过滤后，到达安装电子枪51本体上的电子枪石墨笼子52，电子枪石墨笼子52笼罩在电子枪51枪双孔石墨喷口24上，束流通过电子枪石墨笼子52时，电子枪产生的等离子体吸附在束流周围到达离子注入机工艺腔体50内的晶圆，完成晶圆的电子中和。

进一步地，本实用新型的离子喷枪弧腔石墨双孔喷口结构的工作方法包括以下步骤：步骤S1，用百洁布对石墨双孔喷口本体表面干擦刮干净去釉处理，用气枪吹干，用强光灯检查确保没有石墨粉墨遗落在新石墨表面或起弧腔内部；

步骤S2，将石墨双孔喷口贴在离子喷枪起弧腔出口上，注意双孔上下结构放置，无倒角的面贴在起弧腔上；

步骤S3，用石墨螺丝将石墨双孔喷口本体固定在离子喷枪起弧腔上，注意螺丝的扭矩为0.2N.M(牛*米)。

本实用新型中，硅片注入所使用的离子，是一种带正电荷的粒子。当这些离子对硅片表面进行注入之后，部分离子所具备的电荷将布满在硅片的表面，使晶片表面带上正电，这使得同样为正电荷的注入离子，在注入硅片之前，运动方向受到影响，造成注入均匀性变差。另外，太高的硅片表面电荷量，也极易使栅极氧化层退化甚至发生击穿现象。利用离子喷枪所产生的等离子体来中和硅片表面的正电荷，如此便可抑制晶片在执行离子注入时所累积的正电荷数量，从而防止上述问题的发生。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，所述离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构适用于离子喷枪，所述离子喷枪包括基座部分、起弧腔以及线路连接部分；离子喷枪以离子注入机工艺腔体为基座装配在离子注入机上，用于承载了离子喷枪本体；离子喷枪有两个独立相同的弧腔，分别是上弧腔和下弧腔。

2.如权利要求1所述的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，两个矩形喷口结构的相对上下排列，两个矩形喷口结构覆盖在上弧腔和下弧腔上。

3.如权利要求2所述的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，；离子束流到达离子注入腔体形成有效束流，晶圆的离子注入工艺在离子注入腔体内完成，离子喷枪安装在离子注入腔体上，离子喷枪产生的等离子体吸附在有效的束流周围到到晶圆表面，完成了晶圆注入工艺。

4.如权利要求2所述的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，上弧腔和下弧腔独立产生等离子体，吸附在束流周围，中和晶圆表面的电荷。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，两个矩形喷口结构的每个的两个小孔上下排列，安装在离子喷枪弧腔上，两个小孔之间距离16mm。

6.如权利要求5所述的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，两个小孔均匀分布在矩形石墨喷口四分之一中心上，使得等离子体更加均匀的分布在束流周围。

7.如权利要求6所述的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，螺丝将法兰铝板固定在离子注入设备工艺腔体上端，螺丝与离子喷枪本体不等电位，螺丝与离子注入设备工艺腔体等电位。

8.如权利要求7所述的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，法兰铝板下方有绝缘板隔离开离子喷枪本体与离子注入设备工艺腔体，螺丝穿过法兰铝板与绝缘板固定在离子注入设备工艺腔体上，螺丝与法兰铝板之间有绝缘套筒隔离开，安装好之后必须测量螺丝与本体绝缘性。

9.如权利要求8所述的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，电源通过第一灯丝电源端子、第二灯丝电源端子、第三灯丝电源端子、第四灯丝电源端子给离子喷枪灯丝供电，其中上灯丝正极电源线固定在第一灯丝电源端子，上灯丝负极电源线固定在第二灯丝电源端子，下灯丝正极电源线固定在第三灯丝电源端子，下灯丝负极电源线固定在第四灯丝电源端子，第一灯丝电源端子连接第一灯丝电极，第二灯丝电源端子连接第二灯丝电极，第三灯丝电源端子连接第三灯丝电极，第四灯丝电源端子连接第四灯丝电极。

10.如权利要求9所述的离子喷枪起弧腔石墨双孔喷口结构，其特征在于，氙气管接口通过氙气管将氙气通入起弧室中。