一种离子注入机扫描装置及扫描方法与流程

本发明涉及半导体装备技术领域，具体为一种离子注入机扫描装置及扫描方法。

背景技术：
离子注入机是半导体工艺中的关键设备之一。为了保证离子注入剂量的均匀性，离子注入设备通常需要采用一定的扫描方式。由于硅片尺寸越来越大以及离子注入工艺要求越来越高，早期的批量式靶盘已经很难满足新的工艺要求，单片注入靶台逐步成为当前离子注入机的主流。在这类注入机系统中，一般的要求是：离子束在水平方向经过电扫描、电磁铁修正，最终是达到靶台是平行发散的，即离子束在水平方向保持稳定不变，然后通过配备的扫描装置使靶台作上下往复运动实现垂直扫描，同时通过靶台的倾斜运动实现离子注入角度的调整。满足上述要求的扫描装置的实现方法在部分专利中已有提及，比如中国专利ZL200610076035.9(公告号:CN100468606C)，是通过运动副的联动来实现垂直扫描运动。此外，还有垂直扫描机构通过直线电机直接驱动或通过直线电机结合线性动态密封原理实现扫描运动，是一种寿命更长的解决方案，主要缺点是结构复杂、成本高。近年来，随着半导体工艺的不断发展，要求离子注入工艺能够实现更加精细的离子掺杂。通过研究发现，在离子注入工艺过程中离子束的注入角度对一些工艺有非常重要的影响。而现有的扫描装置基本上仅能实现垂直方向的机械扫描和晶片倾斜角度的调整，事实上，到达靶台上晶片的平行离子束一般很难到达理想的可垂直于晶片的状态，虽然可能只有1～3度左右的偏差，但仍然会导致实际注入角度和设置注入角度出现偏差，对某些工艺而言，仍然是不能接受的。除此之外，在离子注入机靶室系统中，扫描装置所占成本最高，简化运动结构、降低成本也是非常必要的。

技术实现要素：
针对上述问题，本发明旨在提供一种用于离子注入机的扫描装置，该装置通过一个垂直扫描机构实现靶台垂直方向的扫描运动，同时通过一个水平旋转机构使靶台绕扫描轴旋转，进行角度校正，使离子注入的实际角度更接近于理想状况。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种离子注入机扫描装置，位于真空腔室内的所述扫描装置包括固定座，装在固定座上可沿着固定座竖直上下运动的垂直扫描机构，装在垂直扫描机构上可水平旋转的水平旋转机构，以及装在水平旋转机构上的扫描轴；所述扫描轴顶端装有可随扫描轴转动的用于装夹晶片的靶台，该靶台上装有调整所述晶片倾斜度的角度调整机构，以对离子注入角度进行校正。本发明所述的离子注入机垂直扫描是指“靶台作上下往复运动”，并将晶片调整、校正到合适角度，扫描装置是实现这些功能的机构的总称。以下为本发明进一步改进的技术方案：所述垂直扫描机构包括动力输出装置，与动力输出装置相联的丝杆副，装在丝杆副上的直线导轨；所述水平旋转机构与直线导轨固定相联，所述动力输出装置装在真空腔室外。所述水平旋转机构包括电机腔，装在电机腔内的电机，该电机通过齿轮副驱动扫描轴转动。所述电机腔内设有轴承座，所述扫描轴的底端通过轴承安装在轴承座上，该轴承的内圈与装在电机输出轴上的齿轮副啮合传动；所述扫描轴与电机腔通过密封组件实现旋转真空密封；所述电机腔底部装有密封穿板，该电机腔内部则通过软管与所述真空腔室外的大气相连。所述电机驱动齿轮副使扫描轴转动的角度为±10°范围，即总偏转角度为20°。所述扫描轴为空心轴，该扫描轴的内部空间构成靶台供电线、控制线和循环冷却水管的通道。进一步地，本发明还提供了一种利用上述离子注入机扫描装置进行扫描的方法，该方法包括如下步骤：1)、根据注入工艺要求设置离子束注入角度θ，即理想离子束与晶片表面垂直方向的夹角；2)根据剂量控制要求计算离子束扫描行程s和扫描次数n；3)启动水平旋转机构使靶台旋转，靶台的旋转角度α为理想离子束与实际离子束之间的夹角，使实际离子束与晶片表面垂直；4)启动角度调整机构使靶台倾斜到实际离子束与晶片表面垂直方向的夹角为θ；5)、启动垂直扫描机构带动晶片进行扫描。籍由上述机构，本发明的离子注入机扫描装置包括垂直扫描机构，水平旋转机构，扫描轴和靶台。所述扫描装置中的垂直扫描运动机构采用电机驱动丝杆副的方式，当电机转动时，丝杆副将旋转扭力转化为直线方向的推力，经过直线导轨的精确定位，从而实现靶台在垂直方向的扫描运动。其中，丝杆副和直线导轨安装在一个垂直的固定座上。所述扫描装置将垂直扫描运动机构的丝杆副、直线导轨和固定座全部置于真空腔室中，驱动电机安装在真空腔室外，驱动电机的输出轴则通过旋转密封件与丝杆副相连接。通常在离子注入机工艺过程中，离子注入角度的设置是通过靶台倾斜运动到一定角度来实现的。在本装置中，为实现更精确的注入角度控制，所述扫描装置设计有一个水平旋转机构，其原理是通过测量到的离子束到达晶片的平行束的角度偏差值，将靶台绕扫描轴旋转相应角度来减少该角度偏差。通过角度校正后，使离子注入的实际角度更接近于理想状况，从而能够实现更精确的注入角度控制。所述扫描装置中的水平旋转机构，主要包括电机，齿轮副，电机腔，密封盖，密封组件，轴承，轴承座和密封穿板。水平旋转机构通过电机驱动齿轮副使扫描轴转动。整个水平旋转机构安装在真空腔室内，其驱动电机安装在电机腔中，该电机腔和扫描轴通过密封组件实现旋转真空密封，同时密封穿板上装有多个软管接头和密封电接头，密封穿板通过密封圈和电机腔密封，软管接头的作用有：一是使电机腔内部通过软管和真空腔室外的大气相连，二是给靶台提供循环冷却水。水平旋转机构和靶台内部的电机供电、控制等则通过密封穿板上的密封电接头连接到真空腔室外部。所述扫描装置中的扫描轴是一个空心轴，两端分别与水平旋转机构和靶台的底座密封连接，并且其内部空间构成靶台供电线、控制线和循环冷却水管的通道。所述扫描装置中的靶台作用是装载晶片并可夹持晶片倾斜到所需角度，靶台与扫描轴直接相连。与现有技术相比，本发明所述扫描装置可以实现更精确的注入角度控制，满足更苛刻的注入工艺要求，结构方面相对通过运动副的联动控制来实现各轴运动的机构而言，极大的简化了运动实现方式，使运动控制精度更高，此外该装置的各运动模块采用更加稳定、可靠的旋转密封实现真空隔离，相比机械滑动密封或气浮滑动密封而言，机构更精简、成本优势十分明显。总之，本发明实现了靶台垂直方向的扫描运动，同时通过水平旋转机构使靶台绕扫描轴旋转，进行角度校正，精度低于0.2°，能够实现更精确的注入角度控制。以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。附图说明图1是本发明一个实施例的结构原理图；图2是本发明所述水平旋转机构一种实施例的结构示意图；图3是离子束零度注入的理想状况与实际状况的对比图；图4是注入角度校正后示意图；图5是本发明典型工作流程图。具体实施方式一种用于离子注入机的扫描装置，如图1所示，主要包括垂直扫描机构1，水平旋转机构2，扫描轴3和靶台4组成，进一步的，所述扫描装置的垂直扫描机构1主要包括驱动电机101、旋转密封件102、丝杆副103、直线导轨104和固定座105。所述垂直扫描机构1的驱动电机101和旋转密封件102置于真空腔室5外，其余部分全部置于真空腔室5内。真空腔室5内部是离子注入工艺所需的密闭高真空环境。垂直扫描机构1的作用是推动水平旋转机构2、扫描轴3和靶台4整体作垂直方向的扫描运动。当驱动电机101转动时，丝杆副103将旋转扭力转化为直线方向的推力，经过直线导轨104的精确定位，从而实现靶台4在垂直方向的扫描运动。其中，丝杆副103和直线导轨104安装在一个垂直的固定座105上，旋转密封件102实现真空隔离及动力传输，由于该处传输扭矩较大，旋转密封件102一般采用磁流体密封件。本发明所述扫描装置的水平旋转机构2的结构示意图，如图2所示，水平旋转机构2主要包括电机201，齿轮副202，电机腔203，密封盖204，密封组件205，轴承206，轴承座207和密封穿板208，整个水平旋转机构2安装在真空腔室5内，其驱动电机201安装在电机腔203中，该电机腔203和扫描轴3通过密封组件205实现旋转真空密封，同时电机腔203内部则通过软管和真空腔室5外的大气相连，旋转运动的实现方式是通过电机201驱动齿轮副202使轴承206内圈和扫描轴3转动。所述水平旋转机构2的密封穿板208上装有多个软管接头209和密封电接头210，密封穿板208通过密封圈和电机腔203密封，密封穿板208通过密封圈和电机腔203密封，软管接头209和密封穿板208是管螺纹直接密封的，通过软管接头209可以使电机腔203内部和真空腔室5外的大气相连，还可以给靶台4提供循环冷却水。具体实现方式是：在真空腔室5外也装有一个密封穿板，上面装有多个软管接头，软管连接在两处密封穿板的软管接头之间，形成密闭的大气或循环冷却水通道。水平旋转机构2和靶台4内部的电机供电、控制等则通过密封穿板208上的密封电接头210连接到真空腔室外部，原理与循环冷却水相似。所述水平旋转机构2的最终目的是通过扫描轴3旋转运动，使靶台4绕扫描轴3旋转，进行角度校正，旋转角度可调整范围一般是±10度。所述扫描装置的扫描轴3是一个空心轴，两端分别与水平旋转机构和靶台4的底座密封连接，并且其内部空间301构成靶台供电线、控制线和循环冷却水管的通道。所述扫描装置的靶台4为单片注入靶台，一次只能装夹一片晶片10进行离子注入。靶台4可以装载晶片10并可夹持晶片10倾斜运动到所需的注入角度为θ，靶台4与扫描轴3直接相连。离子束零度注入的理想状况与实际状况的对比，如图2所示，图中实际离子束12的传输路径与理想离子束11一般是有一定偏差的，二者存在一定的角度偏差值α，在本实施例中可以很明显看出，本来应在零度注入情况下，注入角度变成非零度注入了，于是产生了注入角度偏差。注入角度校正后示意图，如图4所示，在离子束有角度偏差的情况下，为了校正实际离子束12与与理想离子束11的偏差角度α，通过所述扫描装置的水平旋转机构2使靶台4旋转同样角度α，可以进行角度校正，使离子注入的实际角度更接近于理想状况。通常情况下，平行束的角度偏差值α可以通过离子注入机靶室配备的角度测量法拉第测量得到。本发明典型工作流程图，如图5所示。典型工作流程是：先根据注入工艺要求设置注入角度θ，根据剂量控制要求计算扫描行程s和扫描次数n，然后通过扫描装置的水平旋转机构2使靶台4旋转角度α进行角度校正，靶台4倾斜到注入角度θ，最后通过扫描装置的垂直扫描机构1完成扫描。上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。