一种离子注入方法与流程

本发明涉及一种离子注入方法，利用离子注入机实现离子注入，属于半导体行业。

背景技术：

离子注入机是半导体生产过程中所使用的一种设备，其基本结构包括离子源、为离子源提供待离子化的气体箱、用于将离子从离子源内的等离子体中抽出并加速的萃取系统、设置于萃取系统下游用于精确选择所需的离子并排除不需要的离子质量分析器、位于质量分析器下游的加速系统、设置于加速系统下游的电子淋浴器和设置于电子淋浴器下游的硅片放置驱动装置。然目前的离子注入机的注入方法还是存在以下的缺点：1.而目前一般的离子注入机在硅片注入时是通过离子束的水平移动来改变离子注入的位置，同时硅片上下移动，这种扫描的方式需要控制离子束的移动速度，难度比较大。2.在硅片分批注入时，当新的硅片放入后，其离子注入所需的参数是始终按照预设注入的参数来进行确定的，而在硅片更换的这个过程中，从离子源到加速系统这一过程中可能出现一些参数上的波动，例如气体箱中气体供应量的波动，离子源产生离子量的波动等，这些波动都可能造成最终从电子淋浴器射出的离子束强度上存在误差，而此时若再依据理论值硅片注入参数，那么可能就会导致这一误差发生在硅片上，比如离子注入量和注入深度就可能发生变化，从而最终影响硅片注入质量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种离子注入方法，该离子注入方法利用硅片的自转、公转和直线移动来实现离子注入的扫描动作，同时利用法拉第杯对注入过程中离子束的束流值进行实时检测并将检测结果发给控制器，控制器根据离子束的实时束流值进行智能控制硅片的运动，提高离子注入过程中的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种离子注入方法，该离子注入方法依托于离子注入机，其具体包括以下步骤：

s1、对离子注入机进行工作前的调试，将硅片放入到硅片放置驱动装置内的自转盘架上，硅片放置驱动装置处于注入工位；

s2、气体箱内的气体进入离子源中电离产生离子；

s3、利用萃取系统对离子进行萃取，使离子从离子源内抽出并加速，整个萃取过程处于真空环境下进行；

s4、利用离子质量分析器对萃取的离子进行精确筛选；

s5、利用加速系统对萃取后得到的离子束进行加速；

s6、利用电子淋浴器产生的电子中和离子束的正电荷；

s7、高速运行的离子束通过硅片放置驱动装置的离子注入窗口注入到硅片内，在离子注入的过程中，硅片放置驱动装置带动硅片绕x1轴公转、绕x2轴自转并沿z轴方向上下移动，而同时利用法拉第杯对注入过程中离子束的束流值进行实时检测并将检测结果发给控制器，控制器根据离子束的实时束流值进行智能控制硅片的运动。

其中优选的，步骤s7中所述控制器智能控制硅片的运动的具体方式为：

s71、根据工艺要求设定硅片注入的理论深度h0、对应的离子束的理论束流值i0、理论扫描次数n0、硅片沿z轴方向移动的vz0、硅片的公转速度r公0、硅片的自转速度r自0，其中硅片沿z轴方向移动一个行程设定为一次扫描；

s72、法拉第杯检测到实时束流值in，其中，第一次扫描周期检测到的束流值为i1、第二次扫描周期检测到的束流值为i2、以此类推，第n次扫描周期检测到的束流值为in，n≤n0，对比in与i0的大小并按照以下驱动方式驱动；

方式a、在每一次扫描周期中，若1.02i0≥in≥0.98i0，则硅片放置驱动装置按照理论参数运行；

方式b、当进行第n次扫描时，若1.2i0＞in＞1.02i0，或0.8i0≤in＜0.98i0，则第n次扫描时依旧按照理论参数运行，而在剩下的(n0-n)次的任意一次n’扫描过程中，硅片沿z轴方向移动的速度vzn’＝vz0×in’/i0，而硅片的公转速度和自转速度始终保持不变；

方式c、而当第n次扫描时in≥1.2i0，或in＜0.8i0，则控制器在后续的三次扫描周期内先调整加速系统的加速电压，以使in满足方式b，然后检测离子产生量和离子质量分析器参数是否波动，最终调节波动的参数使其向预设参数靠拢；而当不足三次扫描周期作为调整时间时，通过摆动结构摆动法拉第检测板阻挡离子束并检测离子束的束流值，然后人工参与检测和调整离子注入机的性能参数，调整完成后法拉第检测板复位，离子束继续以预设参数注入硅片；

s73、当离子束注入完成后，法拉第检测板阻挡离子束并检测离子束的束流值；将硅片从硅片放置驱动装置中取出；

s74、重新将新的硅片放入到硅片放置驱动装置内，并使硅片处于注入工位；

s75、法拉第检测板摆动避让出离子束的运动空间，并以避让时检测的束流值作为下一批硅片注入的理论束流值i0。

其中优选的，步骤s4中，离子质量分析器的离子筛选管内部利用石墨吸附被筛出的离子。

采用了上述技术方案后，本发明的效果是：该离子注入方法产生高速的离子束之后通过硅片放置驱动装置的离子注入窗口注入到硅片内，在离子注入的过程中，硅片放置驱动装置带动硅片绕x1轴公转、绕x2轴自转并沿z轴方向上下移动，而同时利用法拉第杯对注入过程中离子束的束流值进行实时检测并将检测结果发给控制器，控制器根据离子束的实时束流值进行智能控制硅片的运动，这样，当离子束的束流值出现波动时，控制器可以智能控制硅片的运动，继而确保硅片的离子注入量稳定。

又由于步骤s7中所述控制器智能控制硅片的运动的具体方式为：

s71、根据工艺要求设定硅片注入的理论深度h0、对应的离子束的理论束流值i0、理论扫描次数n0、硅片沿z轴方向移动的vz0、硅片的公转速度r公0、硅片的自转速度r自0，其中硅片沿z轴方向移动一个行程设定为一次扫描；

s72、法拉第杯检测到实时束流值in，其中，第一次扫描周期检测到的束流值为i1、第二次扫描周期检测到的束流值为i2、以此类推，第n次扫描周期检测到的束流值为in，n≤n0，对比in与i0的大小并按照以下驱动方式驱动；

方式a、在每一次扫描周期中，若1.02i0≥in≥0.98i0，则硅片放置驱动装置按照理论参数运行；

方式b、当进行第n次扫描时，若1.2i0＞in＞1.02i0，或0.8i0≤in＜0.98i0，则第n次扫描时依旧按照理论参数运行，而在剩下的(n0-n)次的任意一次n’扫描过程中，硅片沿z轴方向移动的速度vzn’＝vz0×in’/i0，而硅片的公转速度和自转速度始终保持不变；

方式c、而当第n次扫描时in≥1.2i0，或in＜0.8i0，则控制器在后续的三次扫描周期内先调整加速系统的加速电压，以使in满足方式b，然后检测离子产生量和离子质量分析器参数是否波动，最终调节波动的参数使其向预设参数靠拢；而当不足三次扫描周期作为调整时间时，通过摆动结构摆动法拉第检测板阻挡离子束并检测离子束的束流值，然后人工参与检测和调整离子注入机的性能参数，调整完成后法拉第检测板复位，离子束继续以预设参数注入硅片；

s73、当离子束注入完成后，法拉第检测板阻挡离子束并检测离子束的束流值；将硅片从硅片放置驱动装置中取出；

s74、重新将新的硅片放入到硅片放置驱动装置内，并使硅片处于注入工位；

s75、法拉第检测板摆动避让出离子束的运动空间，并以避让时检测的束流值作为下一批硅片注入的理论束流值i0，通过上述的智能控制方式，可以调整硅片放置驱动装置的运动，使硅片根据束流值的波动范围来合理的调整硅片的运动速度，从而确保硅片的离子注入量的稳定性。

步骤s4中，离子质量分析器的离子筛选管内部利用石墨吸附被筛出的离子，这样可以避免离子筛选管被击穿。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的离子注入机的结构示意图；

图2是本发明实施例的离子运动路径中的结构示意图；

图3是本发明实施例的加速系统、电子淋浴器、硅片放置驱动装置的结构布置图；

图4是离子筛选管的结构示意图；

图5是硅片放置驱动装置中活动盘体在竖直状态下的结构示意图；

图6是硅片放置驱动装置中活动盘体在水平状态下的结构示意图；

图7是活动盘体和公转盘的结构示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是公转盘的结构示意图；

图10是卡紧装置的结构示意图；

图11是卡紧装置的另一结构示意图；

图12是摆动机构的结构示意图；

附图中：1.气体箱；2.离子源；3.内箱体；4.萃取电极；5.萃取电源；6.第一真空泵；7.离子质量分析器；71.分析磁铁；72.离子筛选管；721.石墨加强层；8.加速管；81.筛选孔；9.第二真空泵；10.加速电极；11.法拉第检测板；12.硅片放置驱动装置；1201.机架；1202.升降台；1203.竖直导杆；1204.丝杠螺母机构；1205.竖直伺服电机；1206.通过孔；1207.导轨；1208.滑块；1209.偏摆气缸；1210.固定端盖；1211.活动盘体；1212.公转动力装置；1213.公转盘；1214.中心轴；1215.压帽；1216.离子注入窗口；1217.卡紧装置；12171.卡紧块；12172.耐磨塑料层；12173.导杆；12174.限位螺母；12175.压缩弹簧；12176.弹簧安装杆12177.调节螺杆；12178.调节螺母；12179.导向杆；1218.自转盘架；1219.自转动力装置；1220.强度检测条孔；1221.自转轴；1222.缓冲垫；1223.硅片；13.法拉第杯；14.离子束；15.绝缘管套；16.摆动机构；1601.摆动中心轴；1602.摆动电机；1603.安装套；1604.横杆；17.电子淋浴器。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种离子注入方法，该离子注入方法依托于离子注入机，其具体包括以下步骤：

s1、对离子注入机进行工作前的调试，将硅片放入到硅片放置驱动装置内的自转盘架上，硅片放置驱动装置处于注入工位；

s2、气体箱内的气体进入离子源中电离产生离子；

s3、利用萃取系统对离子进行萃取，使离子从离子源内抽出并加速，整个萃取过程处于真空环境下进行；

s4、利用离子质量分析器对萃取的离子进行精确筛选；

s5、利用加速系统对萃取后得到的离子束进行加速；

s6、利用电子淋浴器产生的电子中和离子束的正电荷；

s7、高速运行的离子束通过硅片放置驱动装置的离子注入窗口注入到硅片内，在离子注入的过程中，硅片放置驱动装置带动硅片绕x1轴公转、绕x2轴自转并沿z轴方向上下移动，而同时利用法拉第杯对注入过程中离子束的束流值进行实时检测并将检测结果发给控制器，控制器根据离子束的实时束流值进行智能控制硅片的运动。

其中优选的，步骤s7中所述控制器智能控制硅片的运动的具体方式为：

s71、根据工艺要求设定硅片注入的理论深度h0、对应的离子束的理论束流值i0、理论扫描次数n0、硅片沿z轴方向移动的vz0、硅片的公转速度r公0、硅片的自转速度r自0，其中硅片沿z轴方向移动一个行程设定为一次扫描；那么理论的离子注入量q0＝i0×t0，其中t0为离子注入的总时间，t0＝n0×l/vz0，其中l为硅片放置装置的单程移动的距离，那么注入量q0＝i0×t＝i0×n0×l/vz0；

s72、法拉第杯检测到实时束流值in，其中，第一次扫描周期检测到的束流值为i1、第二次扫描周期检测到的束流值为i2、以此类推，第n次扫描周期检测到的束流值为in，n≤n0，对比in与i0的大小并按照以下驱动方式驱动；

方式a、在每一次扫描周期中，若1.02i0≥in≥0.98i0，则硅片放置驱动装置按照理论参数运行；由于in与i0的值比较接近，同时，硅片放置驱动装置由于是采用伺服电机驱动，也是需要有一定的反应调整时间，因为，在这个可接收的误差内无需调整速度。

方式b、当进行第n次扫描时，若1.2i0＞in＞1.02i0，或0.8i0≤in＜0.98i0，则第n次扫描时依旧按照理论参数运行，而在剩下的(n0-n)次的任意一次n’扫描过程中，硅片沿z轴方向移动的速度vzn’＝vz0×in’/i0，而硅片的公转速度和自转速度始终保持不变；

方式c、而当第n次扫描时in≥1.2i0，或in＜0.8i0，则控制器在后续的三次扫描周期内先调整加速系统的加速电压，以使in满足方式b，然后检测离子产生量和离子质量分析器参数是否波动，最终调节波动的参数使其向预设参数靠拢；而当不足三次扫描周期作为调整时间时，通过摆动结构摆动法拉第检测板阻挡离子束并检测离子束的束流值，然后人工参与检测和调整离子注入机的性能参数，调整完成后法拉第检测板复位，离子束继续以预设参数注入硅片；

s73、当离子束注入完成后，法拉第检测板阻挡离子束并检测离子束的束流值；将硅片从硅片放置驱动装置中取出；

s74、重新将新的硅片放入到硅片放置驱动装置内，并使硅片处于注入工位；

s75、法拉第检测板摆动避让出离子束的运动空间，并以避让时检测的束流值作为下一批硅片注入的理论束流值i0。

其中优选的，步骤s4中，离子质量分析器的离子筛选管内部利用石墨吸附被筛出的离子。

而这种上述的这种智能调整方法只通过改变z方向上的速度来调整离子注入量，而硅片的公转和自转速度并不改变，这样控制更加简单。

而通过在硅片更换间隙期间，法拉第检测板检测到的束流值作为下一批硅片注入时的理论束流值，从而更加精确。

如图1至图12所示，上述的注入方法使用的一种离子注入机，包括离子源2、为离子源2提供待离子化的气体箱1、用于将离子从离子源2内的等离子体中抽出并加速的萃取系统、设置于萃取系统下游用于精确选择所需的离子并排除不需要的离子质量分析器7、位于质量分析器下游的加速系统、设置于加速系统下游的电子淋浴器17和设置于电子淋浴器17下游的硅片1223放置驱动装置12。离子源2、气体箱1和萃取系统均设置于内箱体3内。

其中萃取系统包括萃取电极4和萃取电源5，该萃取系统将离子从离子源2内的等离子体中抽出并加速到～50kev。

所述离子质量分析器7包括分析磁铁71和离子筛选管72，该离子筛选管72处于分析磁铁71的磁场中，离子筛选管72的入口和出口之间的夹角为110-135°；所述离子筛选管72的内壁设置有石墨加强层721。离子源2产生的离子经过萃取电极4萃取并加速后，进入到离子质量分析器7的离子筛选管72中，由于离子筛选管72处于分析磁铁71的磁场中，带电的离子在磁场中会受到洛伦兹力而会发生偏转，不同的质荷比发生偏转的程度不同，因此通过离子质量分析器7就可以筛选出目标离子。

目标离子进入到加速系统中加速，该加速系统包括加速管8和加速电极10，加速管8的出口设置了筛选孔81，离子筛选管72和加速管8之间设置了绝缘管套15，目标离子经过加速管8的加速作用变成高速离子，从而具备注入硅片1223的能量。

所述加速系统和电子淋浴器17之间还设置有用于检测离子束14入射强度的法拉第检测板11，所述法拉第检测板11设置于一摆动机构16上，所述摆动机构16驱动法拉第检测板11在阻挡检测工位和避让工位之间切换，在阻挡检测工位处时法拉第检测板11与离子束14射出方向垂直；在避让工位时法拉第检测板11与离子束14射出方向平行。

该离子注入机通过第一真空泵6和第二真空泵9给离子提供真空环境，离子束14必须在高真空状态下减少带电离子和中性气体分子发生碰撞的概率。

如图12所示，所述摆动机构16包括摆动中心轴1601，该摆动中心轴1601由摆动电机1602驱动90°偏转，所述摆动中心轴1601上螺纹套装有安装套1603，该安装套1603上设置有两根横杆1604，所述法拉第检测板11可拆卸固定于两根横杆1604上。

所述硅片1223放置驱动装置12包括机架1201，所述机架1201上竖直滑动安装有升降台1202，该升降台1202通过竖直导杆121731203实现竖直滑动，该升降台1202由竖直伺服电机1205驱动竖直升降，该竖直伺服电机1205通过丝杠螺母机构1204来驱动升降台1202的升降。

所述升降台1202上固定有竖直设置的固定端盖1210，该固定端盖1210上设置有竖直延伸的离子注入窗口1216和用于抽真空系统连通的真空连接头，该离子注入窗口1216与电子淋浴器17的出射口位置对应；所述升降台1202上偏摆安装有活动盘体1211，所述升降台1202上安装有驱动活动盘体1211摆动的偏摆动力装置，所述偏摆动力装置驱动活动盘体1211在水平位置和竖直位置之间偏摆。

其中偏摆动力装置包括偏摆气缸1209，所述偏摆气缸1209的缸体铰接在活动盘体1211的背部，所述升降台1202上设置了导轨1207，该导轨1207上水平滑动安装有滑块1208，所述偏摆气缸1209的活塞杆的端部铰接于滑块1208上，所述升降台1202上设置有在活动盘体1211水平放倒时容纳偏摆气缸1209的容纳凹槽。

活动盘体1211在竖直位置时与固定端盖1210之间密封配合，所述活动盘体1211内可拆卸转动安装有公转盘1213，该公转盘1213由固定于活动盘体1211上的公转动力装置1212驱动，所述公转盘1213上圆周均布有若干个自转盘架1218，每个自转盘架1218均可拆卸转动安装于公转盘1213上且由自转动力装置1219驱动，所述自转盘架1218上设置有用于放置硅片1223的放置区域，该自转盘架1218上设置有用于卡紧硅片1223边缘的卡紧装置1217，所述离子注入窗口1216的长度和位置均与硅片1223的直径适配，所述活动盘体1211上位自转盘架1218之间的区域设置有径向延伸的强度检测条孔1220，该强度检测条孔1220与注入窗口的长度适配，所述活动盘体1211的背面在强度检测条孔1220处设置有用于检测离子束14入射强度的法拉第杯13。

所述活动盘体1211的中心处转动安装有中心轴1214，该中心轴1214由公转动力装置1212驱动，所述公转盘1213可拆卸固定于中心轴1214上，所述升降台1202上设置有方便公转动力装置1212通过的通过孔1206。所述中心轴1214的上端由上而下设置有螺纹轴段和多边形轴段，所述公转盘1213的中心设置有与多边形轴段适配的多边形孔，所述多边形孔套装于多边形轴段，中心轴1214上的螺纹轴段上螺纹安装有用于卡紧公转盘1213的压帽1215。公转动力装置1212和自转动力装置1219均采用伺服电机驱动。

如图9和图10所示，所述卡紧装置1217包括圆周均布于放置区域外周的至少三个卡紧块12171，该卡紧块12171水平弹性滑动安装于自转盘架1218上，卡紧块12171上设置了弹簧安装杆12176，自转盘架1218上设置了弹簧安装孔，弹簧安装杆12176插入弹簧安装孔内并设置了压缩弹簧12175，所述卡紧块12171上设置有向放置区域中心径向延伸的倾斜端部，所述倾斜端部的底部与放置区域的底部之间具有与硅片1223厚度适配的间隙，所述卡紧块12171的倾斜端部的边角均为圆弧倒角，且倾斜端部的外部边缘均设置有耐磨塑料层12172，卡紧块12171上还设置了导杆12173，导杆12173上安装了限位螺母12174。该卡紧块12171通过与硅片1223的挤推作用力来克服压缩弹簧12175的弹力。

如图11所示，所述卡紧块12171包括卡紧块12171本体和设置于卡紧块12171本体上的至少两个导向杆12179，该卡紧块12171通过所述导向杆12179水平滑动安装于自转盘架1218上，所述卡紧块12171本体上水平固定有调节螺杆12177，所述自转盘架1218上转动安装有调节螺母12178，该调节螺母12178与调节螺杆12177螺纹连接。那么当需要安装硅片1223时可以通过旋转调节螺母12178就可以使卡紧块12171水平移动，这样就可以避让出放置区域，当硅片1223放置完成后又可以通过调节螺母12178使卡紧块12171反向移动从而压紧硅片1223。

在如图9所示，该公转盘1213上转动安装有自转轴1221，该自转轴1221由自转动力装置1219驱动，该自转轴1221上设置有与自转轴1221旋转方向相反的螺纹段，所述自转盘架1218螺纹安装于自转轴1221的螺纹段上。所述自转盘架1218的放置区域内设置有缓冲垫1222，该缓冲垫1222可以起到缓冲和弹性支撑硅片1223的作用。

本实施例中提到的气路系统、伺服电机等执行装置、齿轮传动机构、丝杠螺母机构1204均为目前的常规技术，在2008年4月北京第五版第二十八次印刷的《机械设计手册第五版》中详细的公开了气缸、电机以及其他传动机构的具体结构和原理和其他的设计，属于现有技术，其结构清楚明了，2008年08月01日由机械工业出版社出版的现代实用气动技术第3版smc培训教材中就详细的公开了真空元件、气体回路和程序控制，表明了本实施例中的气路结构也是现有的技术，清楚明了，在2015年07月01日由化学工业出版社出版的《电机驱动与调速》书中也详细的介绍了电机的控制以及行程开关，因此，电路、气路连接都是清楚。