GSD200E2离子注入机

目 录 第一章 离子注入原理 第二章 离子注入机简介 第三章 GSD 200 E2离子注入机的组成及工作原理 第一节 GSD 200 E2离子注入机的技术指标 第二节 GSD 200 E2离子注入机的机械结构 1.离子源部分 source component 2.束线部分 beam line component 3.靶盘及终端台部分 end station component 第四章 安全注意事项 １ 第一章 离子注入原理 半导体是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质.为了使半导 体材料能够在半导体器件中制成 p-n 结,电阻器,欧姆接触以及互连线,需要 对半导体进行掺杂以改变材料的电学性质,从而制成真正的半导体器件. 掺杂就是将所需的杂质按所要求的浓度与分布掺入到半导体材料中,掺 入杂质的种类,数量及其分布对器件的影响极大,必须加以精确控制,因此掺 杂是半导体制造中的一道重要 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 . 在集成电路制造中,掺杂主要采用两种方法:扩散法和离子注入法. 扩散法就是利用高温将杂质掺入到半导体材料中,因为在一定的温度条 件下,杂质原子具有一定的能量,它能够克服某种阻力进入到半导体中,并在 其中作缓慢的迁移运动,这些杂质原子不是代替硅原子的位置就是处在晶体 的间隙中.扩散运动只是从浓度高的地方向浓度低的地方移动,移动的快慢 与温度,浓度梯度有关. 一般讲高浓度深结掺杂采用热扩散,而浅结高精度掺杂采用离子注入.由 于离子注入可以严格地控制掺杂量及其分布,而且具有掺杂温度低,横向扩 散小,可掺杂的元素多,可对各种材料进行掺杂,杂质浓度不受材料固溶度的 限制,所以离子注入目前己被广泛地采用.尤其是对于 MOSVLSI 器件,需要严 格控制开启电压,负载电阻等,一般的热扩散技术已不适用,必须采用离子注 入. 所谓离子注入就是先使待掺杂的原子(或分子)电离,再加速到一定的能 量,使之注入到晶体中,然后经过退火使杂质激活,达到掺杂的目的. 当高能量的离子进入晶体后,不断地与原子核及核外电子碰撞,然后逐渐 损失能量,最后停止下来. 离子进入单晶后的运动,可分为两种情况.一种是沿着晶轴的方向运动, 在晶格空隙中穿行, 好象在“沟道”中运动一样,它和核外电子作用,使原 子电离或激发,由于离子质量比电子大很多,每次碰撞离子能量损失很少,且 都是小角度散射,散射的方向是随机的,多次散射的结果离子运动方向基本 不变.这种离子可以走得很远,称沟道离子.另一种是离子的运动方向远离晶 轴,因此它们与原子核相碰撞,因两者质量往往是一个量级,一次碰撞可以损 失较多的能量,且可能发生大角度散射,使靶原子核离开原来的晶格位置,它 变成一个新离子,它可以继续碰撞另外一个原子核,由于原子核的碰撞损耗 较多能量,所以它们走的路径也较短.这段从进入晶体后与原子核碰撞而停 止的距离就是结深.不同能量的离子,行走的距离也就不同,所以我们就可以 通过调节离子能量的大小来控制制品的结深. 在实际的注入掺杂工艺中,为了提高注入的重复性,应尽量避免发生沟道 注入,而使注入离子尽可能停留在晶格上,(事实上注入离子的很大部分并不 正好处于晶格点阵上)这就必须控制好离子束与晶体主轴的角度.由于两者 间的夹角比较难控制,所以注入时一般使离子束与晶体主轴方向偏 7o-10o,使 大多数离子停留在晶格上. 离子对原子核的碰撞,会使一部分原子核离开晶格位置,形成一个碰撞与 位移的级连,在靶中形成无数空位与间隙原子,这些缺陷的存在将使半导体 ２ 中的载流子的迁移率下降,少子寿命缩短,从而影响器仲的性能.当注入剂量 很大时(剂量单位:注入的离子数/每平方厘米)可使单晶硅严重损伤以至于 变成无定形硅.因此离子注入后往往需要通过退火使靶材料恢复晶体状态, 并且使注入的离子激活---即把不在晶格位置上的离子运动到晶格点阵上, 起到电活性掺杂作用. ３ 第二章 离子注入机简介 根据不同的工艺,对离子注入有不同的要求,比如结深,剂量,均匀性,重 复性等等,但是其中最基本的要求是结深和剂量.为了满足这两个要求,人们 就 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了各种不同的注入机. 我们知道结深与离子的能量有关,为了获得不同的结深可以通过调节注 入离子的能量来实现,由此就出现了高能注入机,低能注入机.比如 axcelis 生产的 GSD/VHE 高能注入机的能量为 P＋ 10-1400KeV,B＋ 10-1600KeV.而 axcelis生产的 GSDIII/LED低能注入机的能量为 0.2KeV-80KeV.所以仅这两 种注入机就复盖了从 0.2KeV-1600KeV全部能量范围. 但仅有结深要求还是不够的,我们还需对掺杂离子的剂量有所要求,一般 情况下掺杂离子的剂量与注入机输出的离子束束流有关,为了获得不同的剂 量就可通过调整束流来实现,由此就出现了高电流注入机,中电流注入机.比 如 axcelis 生产的 GSD/200E2高电流注入机,在 30KeV-160KeV 情况下都能提 供 20mA 束流(P＋和 As＋).axcelis 的 8250HT 中电流注入机,在 3KeV-750KeV 情况下其束流在 0.12mA-3.0mA可调(P＋). 但是注入机按能量与束流的分类并非十分严格,但就一般而言,高能机的 束流就小一些,高电流机的能量就低一点. 虽然注入机的种类较多,但它们的工作原理还是基本相同的,尽管在结构 上各有所异.离子注入机就是一个对所需的杂质分子进行电离,从而产生所 需的离子,通过高压电场和磁场的作用,使离子获得足够的能量,均匀地注入 到硅片上的一种专用设备. 注入机本体可分为三大部分:离子源,束线部分,靶室及终端台. 离子源. 自由电子在电磁场的作用下,获得足够的能量后撞击掺杂气体分子或原 子,使之电离成离子,再经吸极吸出,通过聚焦成为离子束,然后进入束线部 分.所以离子源就是产生有能量的离子束的地方. 束线部分. 当离子进入束线部分后它将经过多道处理,以使我们得到所需要的离子. 主要经过磁分析器,聚焦透镜,旗法拉弟,电子浴发生器等.事实上不同注入 机的最大区别就在束线部分.我们可以在磁分析器后加上后加,减速电极,使 离子能量增加或减少.可以在磁分析器后加上线性加速器使之变成高能注入 机.也可以在磁分析器后加上离子水平和垂直扫描装置,实现电子扫描(非机 械扫描).还可以在束线加速未端加上能量分析器,从而筛选出我们所需要的 能量的离子.由于机台的不同,实现这些功能的结构或设备也有所不同. 靶室及终端台 从束线部分出来的被加速的离子最终到达靶室的硅片上实现离子注入. 根据不同的机械结构,处于靶室中的硅片有的处于静止状态,有的处于垂直 方向往复运动,也有的同时做垂直和旋转运动.另外处于靶室中的硅片为了 ４ 工艺需要,常常将硅片平面调整到与束流成某一角度的位置. 靶室与终端台的另一个作用就是实现硅片的装载与卸载.这是一套复杂 的机械系统,为了适应程序化,自动化的需要,各注入机的终端台硅片传送系 统也有很大不同. 以上就是离子注入机的基本结构和工作原理. ５ 第三章 GSD / 200 E2 离子注入机的组成及工作原理 GSD / 200E 2是美国 axcelis公司生产的高电流离子注入机.经过多次改进, 设备的性能有了很大提高.我们公司有两台 GSD / 200E2，下面就主要参照 GSD / 200E 2来介绍离子注入机的组成及工作原理。 第一节 GSD / 200 E2离子注入机的技术指标 1.离子束能量. 80KeV 形式:2 – 80KeV (也可选 90KeV) 160KeV形式:5 – 160KeV (也可选 180KeV) 2.80KeV注入机的最大束流 能量(KeV) 11B ( mA ) BF2＋ ( mA ) 75AS ( mA ) 31P ( mA ) 2 1.0 - - - 5 4.5 3.5 2 2 10 10 8 7 6 20 10 8 12 10 30 10 8.5 20 20 40-80 10 9 20 20 90 10 9 20 20 注:此束流从靶盘法拉弟测得. 3.160KeV注入机的最大束流 能量 (KeV) 11B ( mA ) BF2 ( mA ) 75AS ( mA ) 31P ( mA ) 5 3.5 2 1.5 1.5 10 8.5 7 5 6 20 9 8 10 10 30 9 8.5 20 20 40-80 9 9 20 20 90-160(180) 9 9 20 20 注:此束流从靶盘法拉弟测得. 4.最小束流 10uA 5.注入剂量 ６ 5E11 – 1E16 原子数/平方厘米 6.机械流片量 硅片直经 (mm) 批处理数 ( 片 ) 流片量 ( 片 ) 最 长 注 入 时 间 (秒) 200 13 220 73 150 17 239 96 125 20 248 111 7.靶盘角度转换 │α│+│β│≤11,α或 B≥10±0.50 (GSD 设定) 8.设备真空 部 位 真空泵形式 真空值 离子源部分 source housing SEIKOA2203C(2000 L/S) Turbo-Molecular pump ≤5E-7 束线部分 (分析磁铁及后加速) beamline ( 160KeV) Leybold TMP (1000 L/S )≤5E-7 束线部分(不含靶盘腔) beamline/resolving housing CTI-8 On-Board Fast Regen ≤5E-7 束线部分(不含分析磁铁及后加速) resolving housing/process chamber CTI-10 On-Board Fast Regen ≤5E-7 9.硅片温度控制 硅片的最高温度不可超过 100C0,因此要控制注入离子的剂量不能超 过 1E16.因为 1E16剂量就相当于 2700瓦的束流功率. 10.颗粒度 颗粒大小 (um ) 硅片正面颗粒累计值 ( cm2 ) ≥0.30 ≤0.05 ≥0.20 ≤0.11 ≥0.16 ≤0.18 11.ELS离子源的使用寿命 ７ 离子种类 束流状况 使用时间(小时) 11 B和 BF2 最大束流 ≥80 75 AS 和 31P (50% 混合 ) 最大束流 ≥125 最大束流 X 80% ≥168 12.自动引束 源的状态 引束时间 ( 分 ) 冷固态源 45 冷气态源 15 气体-固体 15 固体-气体 15 气体-气体 5 能量变化 5 第二节 GSD / 200 E2离子注入机的机械结构 GSD / 200E 2离子注入机由离子源,束线部分和靶盘终端台组成.其基本结 构如图. 下面是两种不同机台的结构组成图.图 1 是 GSD-160KeV.图 2 是 GSD-80KeV. ８ 图 1 GSD-160KeV机械结构 ９ 图 2 GSD-80KeV机械结构 两种机台的不同之处在于 160KeV的注入机多了后加速这部分. 下面介绍 这三大组成部分. 1.离子源 SOURCE 离子源是产生离子的地方,我们知道产生离子的方法有许多种,比如高 压电离等.但在离子注入机中常用的离子源是采用电子撞击气体分子或原子 产生离子.当气体进入起弧室后将进行气体电离.起弧室内有灯丝,阴极,反 射板.灯丝被加热后就会发射电子,由于起弧室内存有一定浓度的气体粒子, １０ 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. 起弧室内产生了离子后,怎样把离子引出来呢? 假如在起弧室外的某一位置放一个电极,在起弧室与电极之间施加一定 的电压,而且电压的极性是放电腔端接正,电极端接负,在此电场的作用下, 带正电的离子就会向电源负极的电极运动,从而把离子引出来. 离子源的工作过程就是先产生离子然后把离子吸引出来并给予其一定的 能量通过聚焦等一系列过程进入到下面的磁分析器.但是为了进行更好的电 离,减少 X射线,使离子束聚焦,事实上还有很多辅助环节.下面将对离子源部 分进行分解. 离子源的组成 离子源由四大部分组成,分别是气体箱 gas box,离子源头 source head, 吸极 extraction electrode和离子源腔 source housing.如图 3. 图 3 source部分机械结构 1).离子源头 SOURCE HEAD 离子源头结构 离子源头中包括起弧室 arc chamber,蒸发器 vaporizer,灯丝 filament, 反射板 repeller. １１ 图 4 source head结构 离子源头的功能和工作原理 起弧室和蒸发器都安装在离子源头的壳体上. 蒸发器就是一个园筒型的坩埚,坩埚外层缠绕加热线圈.因为我们所用的 离子源材料可以是固体也可以是气体,对于固体源一定要先转换成气体源才 能电离.所以必须把固体源放入蒸发器内加热使其气化,然后把蒸气导入起 弧室电离.在使用固体源时需要注意几点:第一,加装时要注意安全,对于有 毒,易燃源要做好相应的防护措施.第二,加装源要适度,加得太满反而不易 产生蒸气.加得太少要频繁停机加源,影响生产.第三,不同固体源有不同的 气化温度,所以要正确地设定加热温度.第四,停机要注意离子源的降温,氮 气冷却要保持一定的时间.为了保持离子浓度,我们要求连续地供入气体,但 对固体源束说,一旦固体用完就没有蒸气了,所以我们需留意,适时地加入固 体源. 灯丝,阴极和反射板装在起弧室内.起弧室是用钼材料制成的腔体,其盖 板上的狭缝供通过束流.axcelis 注入机,对于不同型号的机器其盖板的材料 和形状也不同,所以不能混淆.灯丝,阴极和反射板通过绝缘子与起弧室固定. 灯丝供发射电子用,随着使用时间增加,灯丝会变细,此时的灯丝电流就会变 小,影响束流,因此要及时更换灯丝.在大束流中换灯丝的频率可能会更高些, 这对于连续生产就会有影响.为此 axcelis 作了改进,推出了长寿命离子源 ELS(Extended Life Source).ELS就是在灯丝上面加装了一个金属罩作阴极. 当灯丝通电后发热,此热量传递给阴极,使阴极发射出电子.由于阴极罩的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面积远比灯丝大,它发射的电子更多更均匀寿命也更长. 反射板是为了增加 电子与气体分子碰撞的机会,使气体分子充分电离,产生更多的离子. 为了使离子源正常工作,需对各部件提供必要的电源.其线路如下. １２ 由图中可以看到供给灯丝的 10V 电压用以加热电丝,所以电流比较大.灯 丝紧靠阴极罩,但不接触,阴极受到灯丝的热辐射发射电子.在灯丝与阴极间 的 600V 电压,是为了形成阴极电流使阴极能稳定发射的电子.要注意电源的 极性,正极接阴极,负极接灯丝.一般情况下电丝电压和阴极电压是不变的. 我们知道阴极发射的电子是用来撞击气体分子的,但往往能量较小电离效果 不好,所以在阴极与起弧室间加了 150V电压,在此电压的作用下,阴极发射的 电子被加速,具有一定的动能而向起弧室四壁作定向运动,在运动过程中它 就会撞击到气体分子进行电离.我们同样要注意到电源的极性,负极接阴极, 正极接起弧室用以吸收电子. 在这三个电源中经常调整的是起弧电源,这是因为我们经常要调整束流 的大小.一般情况下调整起弧电流就能达到此目的,增加起弧电流就会使电 离所需的电子增加,电离效果更好,因此就能产生更多的离子. 2).高压吸极 EXTRANTION ELECTRODE 高压吸极的结构 图 5 extrantion electrode结构 １３ 图 6 extrantion electrode 结构分解 高压电极分为吸极和伺服机构两大部分.吸极包括抑制电极,高压吸极, 绝缘子以及电极支架.伺服机构包括直流伺服电机,伺服机构支架. 高压吸极的功能和工作原理 为了把起弧室内的离子吸出,我们在起弧室盖板的前面安装了一块极板, 并在这两者间施加 5 – 90kv的直流高压,高压的正端接起弧室,负端接电极, 那么起弧室内的正离子就处于高压电场的作用下而向负端电极作加速运动. 吸极是一块园形金属板,它中间装有一块石墨槽,离子穿过石墨槽到达了磁 分析器. 所以正离子从起弧室吸出并被加速是吸极的笫一个功能. 吸极的第二个功能就是聚焦. 为了满足不同的能量输出,需要调节起弧室与吸极间的直流高压,对不同 的电压,为了保证离子被吸出就要调整两者的间距.对某一直流高压,如果间 距大,电场力就小,吸引离子的能力就降低,离子从起弧室出来就成发散状, 使穿过吸极的离子量减少.如果将间距调小,电场力加大,吸引离子的能力就 增加,离子从起弧室出来就集成一束,使穿过吸极的离子量增加.这就是吸极 的聚焦作用.但是,并不是两者的间距越小越好,如果间距太小将造成高压放 电,另外间距太小将使焦点后移,从吸极出来的束流将会发散.所以间距应调 整到使焦点正好在高压吸极处. 吸极的第三个功能就是使离子束中性化 离子束中含有大量的正离子,这些正离子间也存在作用力,它们要互相排 斥,体现在离子束的形状上,它是随着束流长度的增加而越加发散.显然束流 发散对离子注入将产生不利影响.为了克服束流发散,在束流中要掺入适量 的电子,使离子束整个成中性.那么这些电子从那里来?当离子束穿过高压吸 极的狭缝时,它会撞击狭缝四周的石墨件而产生二次电子,这些电子就充入 到束流中,充当了中和离子的角色. 伺服机构的功能和工作原理 １４ 因为我们要调节直流高压,所以根据电压的高低就需要调整吸极的距离, 这将通过伺服机构来完成.其中直流伺服电机和与其同轴的高精度可变电阻, 组成一位置闭环系统,不同的位置就有不同的电量输出去控制电机转动.电 机再通过齿形皮带带动丝杆和吸极前后移动. 需要强调的是,离子击打到吸极板上会产生二次电子,二次电子再逆上到 高压电源的正极就发出 X 射线,这是我们要尽量避免的.我们己经知道,随看 吸极的前后移动,束流聚焦会发生变化,如果向后移动,束流就可能打到吸极 狭缝的四周产生二次电子,如果此时将狭缝放大,束流就可能击打不到狭缝 四周边缘.所以 GSD 200E2的高压吸极,有一套机械装置,使狭缝的大小可随吸 极的前后移动而相应变动,这样就克服了离子束因击打石墨件产生的二次电 子. 3).离子源腔 SOURCE HOUSING 离子源腔的结构 图 7 source housing结构 离子源腔是一个金属架构,它上面安装了离子源头及附属安装件,离子源 磁铁,高压吸极,高真空泵,和真空腔隔离阀. 离子源头虽然安装在离子源腔上,但离子源头和离子源腔不能有电气连 接,因为在整个离子源头上要加+90KV 直流高压(假设+90KV)而离子源腔以及 与之直接相通(指电路上相通)的高压吸极是 O 电位,所以离子源头与离子源 腔之间要绝缘,在设备上我们就能看到一个很大的橙色绝缘环,通过它实现 机械连接而电气隔断.然而离子源头还需与其它相关部件联系,比如掺杂气 体,工作电源,冷却水,冷却氮气等,这些部件都必须与离子源头绝缘.为此我 们把掺杂气瓶,气体控制装置,以及起弧电源,阴极电源,灯丝电源,蒸发器加 热电源,离子源控制器都集中在一个气体箱内(gas box),然后在气体箱底部 加装绝缘子与机架等部件绝缘.由于气体箱与离子源头是同处于+90kv 的高 １５ 电位,因此必须注意到高压危险.与离子源头相连的冷却水管和氮气管采用 绝缘塑料管,冷却水是去离子水,所以这些都不会影响到 90kv的绝缘,不过需 要注意的是去离子水的绝缘度,如果水的绝缘电阻小于 40兆欧就必须更换离 子交换器. 离子源磁铁是两块电磁铁,它是两个带铁芯的线圈,位于离子源腔的上下 两端.离子源磁铁的准确位置就是要保证磁力线能穿过起弧室.那么磁力线 穿过起弧室起什么作用?下面对此进行分析. 图 8 source magnate结构 离子源磁铁的功能和工作原理 离子源起弧室中的阴极本是向四周无规则地发射电子,如果加上起弧电 压它就会向离起弧室最近的壁作定向运动,在运动过程中碰撞气体分子而产 生离子.但这里面有一个问题,电子的运动轨迹是一条最短的直线,也就是说 仅能在电子直线运动的范围内与气体分子碰撞,大部分范围内气体分子将没 有机会被碰撞,影响电离效果.为了增加电子与气体分子的碰撞机会,我们在 起弧室内加入磁场,电子在磁场的作用下将会作螺旋状的运动从而大大增加 碰撞机会,使电离效果更好. 根据电磁学的原理,磁场中的带电粒子会发生偏转,如果带电粒子以垂直 于磁场或与磁场成一角度(不能与磁场平行)的速度进入磁场,那么在洛仑磁 力的作用下,带电粒子将作园周或螺旋状的旋转运动,其运动半径为 R=mvsin θ/qB,我们会发现粒子的运动半径与粒子的运动速度成正比,与磁场强度成 反比(对于电子来讲质量与电荷量都是常量).也就是磁场越弱或运动速度越 大粒子的运动半径就越大,反之就小. 与运动速度相关的是起弧电压,与磁场相关的是磁场电流.这两个物理量 都是可控的,我们可以通过调节这两个物理量去控制电子的运动半径. 那么半径是大好呢还是小好?这没有一个固定值,但存在一个范围.在这 个范围内运动半径都是可以的.但如果超出此范围就不好了,那么会出现什 么情况呢?有二种状态. 第一,半径很大.己经不能形成螺旋状运动,电子只是作曲线运动,直接到 起弧室壁.显然这不是我们所希望的. 第二,半经很小.由于半径很小,电子的运动路程将太为缩短,当然与气体 １６ 分子碰撞的机会也减小,这也是我们不希望的. 显然能够在起弧室内,沿内壁作螺旋状运动的半径才是我们所希望的.一 般来说起弧电压也不是经常调节的,所以只有调节磁场电流.人们往往通过 调整离子源磁场电流来改善电离效果. 2.束线部分 BEAM LINE 束线部分就象一座连接离子源与靶盘间的桥樑。在离子从离子源发出 到注入到靶盘的过程中,一方面需要对束流进行加工以满足人们对其的需要, 另一方面束流还会出现各种问题需要及时解决.比如离子种类的筛选,离子 的再加速,离子束的聚焦,离子束的中性化处理以及束流大小的测定等多道 环节.其中某一个环节出现问题,都会给束流的注入带来影响,从而影响产品 质量. 束线部分的组成 束线部分是由多种部件组成,从大的方面讲有:磁分析器 analyzer magnet,后加速器 post accel,磁聚焦透镜 QuadRupole Lens,束流测量器 flag faraday,束流中性化电子浴发生器 e-shower 等.其中磁聚焦透镜,束流测量 器和电子浴发生器都安装在 RESOLVING 腔上,磁分析器的一端与离子源相接 另一端通过后加速器与 RESOLVING腔相连,形成了束线通路. 图 9 beam line机械结构(前半部分) １７ 图 10 beam line机械结构(后半部分) 1).磁分析器 Analyzer Magnet 磁分析器结构 磁分析器是一个金属腔,在它内壁装有石墨档板以防因束流击打而产生 的金属污染.在金属腔的上下两端均有一个具有铁芯的线圈.线圈通电后在 金属腔内就产生磁场而使进入金属腔内的离子偏转. 图 11 analyzer magnet 结构 １８ 磁分析器的功能和工作原理 当带电粒子以垂直于均匀磁场的速度进入磁场后,会受到洛仑兹力的作 用而偏转,偏转角度或粒子运动半经的大小取决于粒子的质量,电荷量以及 磁场强度,洛仑兹力的大小为 Fm = qvB,由于洛仑兹力起着向心力的作用,所 以 qvB = mv2／R,得出 v = RqB/m. 因带电粒子的能量 E = mv2/2,如果以 V表示吸极电压,则 E = qV,得到 mv2/2 = qV,将 v = RqB/m 代入 mv2/2 = qV 并整理就能得到 R = √ 2mV/q ／B.由 于磁分析器的曲率半经 R在设备制造时就己决定,所以当选定一个吸极电压 V 和磁场强度 B以后,只有一种粒子的偏转半经与磁分析器的曲率半径是一致的, 它能顺利通过磁分析器,而其它种类的粒子因偏转半径不同(或大或小)而与 不能通过磁分析器的石墨件的狭缝. 在 R = √ 2mV/q ／B中 m/q通常称其为质荷比,不同的粒子具有不同的质 荷比,不同的质荷比的粒子在某一吸极电压和磁场强度的条件下其偏半径不 同,磁分析器就是利用不同质荷比的离子在磁场下运动轨迹的不同将离子分 离,选出所需的杂质离子. 对于某一给定的离子,由于注入能量要求不一样,所以吸极电压也不一样, 为了保持偏转半径不变就要调整磁场强度.所以往往对不同的注入能量就有 不同的磁场强度与之对应,磁场强度并不是一成不变的. 2).后加速器 Post Accel 离子源的吸极电压最高是 90KV,如果我们需要更高的能量就必须再添加 高压,完成此功能的就是后加速器,它位于磁分析器的输出端,把筛选出的离 子再加速以达到所需的能量.后加速器产生最高为 90KV 直流高压,它和离子 源的 90KV高压相加,就可达到 180KV. 后加速器结构 后加速器有三大部分,分别是高压发生器,绝缘环,高压吸极.离子源部分 通过在起弧室与高压吸极间的 90KV 高压将离子吸引出来.同样道理,如果我 们在磁分析器输出端的对面再设一个电极,在两者间加上一定的高压,高压 的正端接磁分析器负端接电极,那么磁分析器输出端的离子在高压电场的作 用下作进一步的加速. １９ 高压吸极也是由吸极和伺服机构组成,分解见图 图 12 post accel electrode分解 图 13 post accel electrode结构 后加速器的功能和工作原理 后加速器就是利用磁分析器与后加速电极间的高压电场,对己经过第一 次加速的离子再进行第二次加速 ,使其获得更高的能量.其工作原理与离子 源部分相同,由高压发生器产生的直流高压正端接在磁分析器上,负端接在加 速电极.这里也同样存在不同电位间的绝缘问题,假如加速电极和整个机台外 壳相接,它是 0 电位,那么磁分析器以及与磁分析器有电气连接的部分就是 +90KV 的电位(假设 90KV),也就是说这部分相关设备与整个机架间不能有任 何电气连接,否则将造成短路.所以磁分析器与安装后加速电极的 resolving ２０ housing 间也有一个橙色的绝缘环.但是由于磁分析器通过支撑架与整个机 架相连,而且它又与离子源腔相接,要使磁分析器绝缘就必须使磁分析器,离 子源腔以及与之有电气联系的相关部件都必须整个与机架绝缘,为此就把它 们全部集中到一个大的箱子 terminal 中,使之与机架实行第二级隔离(气体 箱及离子源头与大箱子实行第一级隔离).气体箱 gas box与大箱子 terminal 间的电位差最大是 90KV,大箱子 terminal 与机架间 ground的电位差最大也 是 90KV,而气体箱 gas box与机架间 ground的电位差最大则是 180KV. 图 14 前后加速的电位关系 3).磁聚焦透镜 QuadRupole Lens 安装了绝缘环以及其它机械结构的原因, 使其 聚焦透镜结构 块电磁铁组成,两块电磁铁的线圈相互串联,两块电磁 铁的 在磁分析器与后加速高压吸极间 间的距离被拉长了,束流在这一段过程中由于束流中正离子的相互排斥 而使束流发散,为此要对束流聚焦. 磁 磁聚焦透镜是由二 中间夹有一个长孔石墨块,束流就穿过这个石墨块而到达后加速高压吸 极.磁聚焦透镜安装在绝缘环上. 图 15 quadrupole lens结构分解 ２１ 磁聚焦透镜的功能和 兹力的作用会向一个方向偏转,如果改 变磁 4). 流测量器 Flag Faraday 功能,一是测量束流的大小,另一个是根据操 作的 流测量器结构 头和气缸运动部件,支撑部件.测量头是一个金属的杯 状物 工作原理 某带正电粒子进入磁场后受洛仑 场方向它又会向另一个方向偏转,如果将一组磁场方向相反的两块磁铁 组合在一起,那么处于不同磁场中的带电粒子会向同一个方向相向而行,从 而被压缩在两个磁场的中间.磁透镜正是运用了这样的道理实现了束流的聚 焦. 束 束流测量器实际上实施两种 需要切断和接通束流射向靶盘通路,这在终端台装片和卸片时是经常用 到的. 束 束流测量器分测量 ,内衬石墨块,在上下两端装有永久磁铁.测量头的后部是一个气缸,随 着气缸的运动,测量头前后伸缩以打开或切断束流通路.另外还有冷却水回 路,用以冷却测量头.在金属杯的底部即对着束流方向有六块石墨块,在六块 石墨块后还有一个穿透捡测器,一旦六块石墨块被击穿,捡测器捡测到电流 后束流会自动停止.所以我们要经常捡查这六块石墨块的状态,及时更换. 图 16 flag faraday结构 束流测量器的功能和工作原理 磁铁,当离子进入后受到磁场的作用而 向旁 金属杯的上下两端装有两块永久 边的石墨块偏转,如果把石墨块通过一根导线接地,导线中就有电流,因 累积在石墨块上的正离子产生了正电势,在电势的作用下,电子就通过导线 进入到石墨块去中和正离子直至正电势为零.因为一个电子基本中和一个离 子,所以只要计量出电子的数量也就知道了离子的数量.这个计量电子数量 ２２ 的装置就是剂量控制器,它串接在石墨块的接地线中. 图 17 faraday捡测电流的流向 5).束流中性化电子浴发生器 Electronics Shower 于正离子大量地注入到 硅片 电子浴发生器 electronics sho 流中性化电子浴发生器结构 是前偏压 forward biased secondary ele 压孔,电子靶环,电子枪,供气部件和石墨管 组成 我们知道束流的成份中正离子占了绝大部分, 由 上,硅片上就累积了很高的电势,这会对硅片造成很坏的影响,它将击穿 硅片内的电路而使之成为废品.另一方面,由于正离子间的相互作用而发生 了所谓“束流膨胀”,这对设备和注入工艺也都会带来不好的影响.为了控制 这种情况的发生,我们在束流的未端设置了电子浴发生器,它会产生一定数 量的电子进入到束流中,使束流对外呈中性,这样一方面它消除了硅片正电 势的累积,另一方面起到聚拢正离子的作用. 注入机中有两种束流中性化装置,一种是 wer,还有一种是等离子浴发生器 plasma shower.两种装置各有特点,根据 客户的需要进行选择. 束 电子浴发生器有两种形式,一种 ctron shower 另一种是后偏压 backward biased secondary electron shower,我们常用的是前偏压. 电子浴发生器由安装支架,偏 .偏压孔外层是一个金属套,内层是一个石墨套,-2.5kv 的直流电压就加 在石墨套上.电子靶同样是一组套件,内层石墨外层金属,在靶环的内部装有 电子枪,电子枪由灯丝,灯丝支架和石墨挡板组成.在石墨档板的上方是 Ar或 Xe 气管的喷头,使灯丝发射出的电子正好和气体分子碰撞.在电子靶环的前 方是一个石墨管.这么多的部件都装在支架上,但某些部件必须是互相绝缘 的,比如灯丝和电子靶环,电子靶环与偏压孔,电子靶环与石墨管. ２３ 图 18 e-shower 结构 束流中性化电子浴发生器的功能和工作原理 电子浴发生器的灯丝发热后向外发射电子, 而且在灯丝与电子靶间加了 +300v 电压,使电子有一定的动能,所以当上方的喷管喷出气体后,电子就会 与气体分子发生碰撞产生电子,用于中和束流中的离子.当然为达到中性化 的目的,电子数量要随着离子数量的变化而变化,比如束流增加,电子浴发出 的电子就要多.控制电子数量是通过调节气体流量来完成. 3.靶盘及终端台 END STATION 束流的最终目标是注入到硅片上去,所以我们需要把硅片安放在一个地 方,让束流能注入进去,这个地方就是靶盘 disk,根据不同的设计靶盘可做成 单片注入,也可做成多片同时注入,GSD 200E2采用的是多片同时注入靶盘,这 样可大大堤高设备的工作效率.靶盘根据硅片尺寸的不同安放的数量也不同, 比如 200mm硅片可安放 13片. 我们知道束斑的大小不及硅片大,束流打在硅片上仅是一部分,要使整个 硅片表面都能均匀地注入离子,我们需要束流对硅片进行扫描,扫描有两种 形式,或者硅片不动,束流作扫描运动(这就是我们常说的电子扫描),或者束 流不动,硅片作一定方向的运动(这就是我们常说的机械扫描),当然还有束 流和硅片都动的(即机械电子混合扫描).GSD 200E2用的是机械扫描. GSD 200E 2的机械运动包括两方面,一个是靶盘作旋转运动它完成的是 x 方向扫描,另一个是靶盘作垂直上下运动,它完成的是 y 方向扫描,通过 x,y 方向同时进行的扫描,束流就能复盖整个硅片表面. 靶盘及终端台的另一个作用就是硅片的装载和卸载,它通过多个机械手 的操作来完成. ２４ 靶盘及终端台的组成和工作原理 靶盘及终端台可分为靶盘及靶盘腔,靶盘运动驱动装置,硅片传送装置三 大部分. 图 19 end station机械结构 图 20 end station 各部件位置示意 ２５ 1).靶盘及靶盘腔 disk and disk chamber disk 实际是由多块金属板块组装而成的一个园盘,在园盘的外圈处按等 分布置了 13 个金属园衬垫 disk pad用以装载硅片,disk pad 的边缘有三个 卡子 wafer clamp分别卡住硅片,disk pad衬垫内有冷却水管用以冷却硅片. 在 13 个 pad 间还有一个长孔,使束流通过到达背面的束流捡测器 disk faraday.整个 disk通过中心的转轴传递旋转能量并支撑园盘. disk处于 disk chamber内,为便于维护,靶盘腔门 disk door 可开启.另 外为了实现 disk的垂直运动,disk chamber的前方有一个密封滑块 sliding seal, disk就随 sliding seal 作上下运动.另外 disk chamber作为一个机 械架构,上面还安装了不少运转驱动部件,硅片传递机械手,束流捡测器等. 图 21 disk 结构 图 22 disk faraday 结构 ２６ 图 23 disk chamber 及其它附属装置 2).靶盘运动驱动装置 驱动装置提供靶盘作旋转运动 rotary drive,往复直线运动 linear drive 以及靶盘两个方向的偏转 gyro drive. 图 24 disk 驱动装置 I. 旋转驱动装置 带动 disk 作旋转运动的是一个直流伺服电机,它通过齿形皮带带动 ２７ disk,(现在工厂对此又作了改进将直流电机改为交流伺服电机,而且与 disk 的旋转轴直接连接,这样使 disk的定位精度更高). disk的旋转有两种速度, 一种是 600 rpm 它在 disk chamber自动清洁 auto clean 时使用.另一种是 1200 rpm, 它在注入时使用. 对旋转控制器我们要求,第一,转速稳定,不能波动,以保证注入的均匀性. 第二,定位准确,只有停在准确的位置才能正确无误地进行装片和卸片.为了 达到这些要求,设置了许多传感器进行捡测. 图 25 rotary drive结构 旋转传感器: 靶盘初始位置传感器 slot sensor 它用于靶盘定位计数的起始点,也表示了靶盘上测束槽的物理位置,用以 定时累计离子剂量. 靶盘腔门关闭传感器 process chamber closed sensor 捡测靶盘腔门是否关闭. 硅片电势传感器 charge monitor sensor 捡测硅片电势高低. 定位传感器(大气)in air pedestal detector 靶盘硅片衬垫位置捡测. 定位传感器(真空)in vacuum pedestal detector 靶盘硅片衬垫位置捡测. 下图是旋转控制器的信号传输,可见它并不只与电机发生联系,为了保证 靶盘安全,正常的运行,它的控制回路中有许多联琐,所以我们必须注意靶盘 旋转时的正常状态和安全位置. ２８ 图 26 rotary drive控制信号传输 旋转控制器联锁的正常状态: 终端台处的机台门必须关闭. 旋转驱动器做初始化时靶盘必须处在装片位置. 靶盘旋转时靶盘腔门必须关闭. 靶盘腔内的传片机械手 wafer transfer arm 必须处在片盒一方 cassette side. 靶盘园衬垫上的硅片卡子 wafer clamp必须处于卡紧状态. 靶盘腔内的硅片过渡机械手 wafer holder必须退回到底 back position. II.往复直线驱动装置 往复直线驱动是电机带动靶盘作上下往复运动,它的基本结构是:靶盘腔 前方装有与之密封的滑块,滑块的上下运动是通过丝杆的带动,将旋转运动 变为直线运动.带动丝杆转动的是一个交流伺服马达.为了保持滑块运动的 平稳,在滑块的下方有两个气缸支撑.滑块与靶盘腔间装有特殊的密封装置, 因为滑块既要承载靶盘作高速旋转,又要与靶盘腔作相对运动,保持靶盘腔 的真空就有一定的困难,所以在两者间有三道密封环,密封环中间还要不断 地抽真空.滑块的上下运动其行程范围,定位以及往复的次数都通过捡测传 感器来保征. ２９ 图 27 y-scan 结构 直线传感器: 转速传感器 tachometer generator 提供电机转速. 靶盘安全位置传感器 V3 safe/implant start position sensor 表明靶盘处于开始注入位置以及 V3阀可开闭的安全位置,同时这也是直线 运动的初始位置. 靶盘装卸硅片位置传感器 load/unload position sensor 表明靶盘处于可进行装片和卸片操作的位置. 过顶传感器 top overrun sensor 靶盘向上运动越限捡测. 越底传感器 bottom overrun sensor 靶盘向下运动越限捡测. 直线驱动装置的信号传输图(两种状态) ⑴静止时位置信号 ３０ 图 28 y-scan 控制信号传输 ⑵直线运动时信号 图 29 y-scan控制信号传输 往复直线运动时控制器联锁的正常状态: V3阀必须处于打开位置. 终端台处的机台门必须关闭. 靶盘腔门必须关闭. 靶盘腔内的传片机械手 wafer transfer arm 必须处在片盒一方 cassette ３１ side. 靶盘园衬垫上的硅片卡子 wafer lamp必须处于卡紧状态. 靶盘腔内的硅片过渡机械手 wafer holder必须退回到底 back position. 靶盘必须在注入开始的位置才能进行注入或者直线运动测试. III.靶盘偏转驱动装置 为了得到较好的注入效果,往往将硅片的平面调成与束流成一定角度的 位置.硅片的倾斜有两种,一种是垂直方向的倾斜叫 alpha,另一种是水平方 向的偏转叫 beta.靶盘腔是可以实现 X轴和 Y轴方向转动的活动部件,分别通 过两个直流伺服电机通丝杆来带动靶盘腔的转动.靶盘腔的偏转角度范围都 是+110- -110,这是通过位置捡测传感器耒实现. 靶盘偏转传感器: Alpha 偏转初始位置传感器 gyro alpha initial sensor 进行 alpha偏转初始化操作的位置. Alpha 零度位置传感器 gyro alpha 0 degree sensor 用于 alpha偏转控制器联锁. alpha 零度或伍度位置传感器 gyro alpha 0 and 5 degree sensor 用于 V3阀控制器的 0度或 5度偏转信号. Beta 偏转初始位置传感器 gyro beta initial sensor 进行 beta偏转初始化操作的位置. Beta 零度位置传感器 gyro beta 0 degree sensor 用于 beta偏转控制器联锁和 V3阀控制器的 0度偏转信号. 偏转驱动装置的信号传输图. 图 30 gyro drive控制信号传输 偏转运动控制器联锁的正常状态: 真空片盒 vacuum cassette stand必须处于垂直位置. V3阀必须打开. 终端台处的机台门必须关闭. ３２ 靶盘腔门必须关闭. 必须注意,硅片装卸完成后靶盘的 alpha和 beta都要处于零度位置. 3).硅片传送装置 当硅片盒被放到移动片盒台上后,需要通过一系烈的操作将没注入过的 硅片从片盒取出放到靶盘上,同时又要把注入好的片子从靶盘上取下送回到 空片盒上,为了提高效率,装片和卸片同时进行.为了区分各部位的操作,按 工作状况分为两类,一类在靶盘腔内也就是在真空环境下工作,称为 in vacuum,另一类在靶盘外也就是在大气环境下工作,称为 in air.在这两个部 位,硅片都要通过各自的机械手完成装卸片的操作. 我们分别从这两部分来了解各自的工作. 大气部分 in air 大气部分的组成: 移动片盒台 cassette shifter. 三轴机械手 robot. 平边捡测器 flat aligner. 假片架 dummy buffer. 装片架 load buffer. 真空片盒 vacuum cassette. 硅片的传输路经: I.移动片盒台 cassette shifter 移动片盒台有四个片盒架,可放置四个片盒,片盒台通过丝杆的传动使之 进行左,右移动,它根据操作的要求将某一片盒架对准机械手 robot(在机械 手的正前方),丝杆由一个伺服电机带动,同其他伺服电机一样,伺服电机也 带一个编码器. ３３ 图 31 cassette shifter结构 移动片盒台传感器: 初始化传感器 initial sensor 移动片盒台的初始位置,它位于最右端. 片盒传感器 cassette present micro switches 捡测片盒台上有无片盒. 移动片盒台联锁的正常位置: 终端台处的机台门必须关闭. 终端台前放置片盒的门 cassette door必须关闭. 机械手必须经过初始化. II.三轴机械手 robot 三轴机械手是该部分的关键部件,它的好坏关系到硅片的传输是否正常. 三轴分别是 R 轴,T轴和 Z 轴,它由三个直流伺服电机来驱动相关轴的运动,R 轴负责手臂的前后伸缩,T 轴负责手臂的顺时针或逆时针旋转,Z 轴负责手臂 的上下运动. 旋转轴上装有一个三节活动手臂,三节活动手臂中的后二节装有二根齿 形皮带分别带动前节手臂转动,从而完成手臂的伸缩.旋转轴的旋转和上下 运动完成手臂的旋转和上下运动. 手臂的最前面一节装有真空吸盘,通过它可以吸住硅片. ３４ 图 32 robot sensor位置 图 33 robot结构 机械手装置传感器: R轴初始化传感器 R axis initial sensor T轴初始化传感器 T axis initial sensor Z轴初始化传感器 Z axis initial sensor T轴过限传感器 T axis overrun sensor 捡测 T 轴旋转是否超过规定范围,T 轴的旋转有顺针也有逆时针,所以过限 传感器有两个,分别位于不同的位置. 真空传感器 vacuum sensor 用以捡测手臂有无硅片存在. 机械手联锁的正常位置: 终端台处的机台门必须关闭. 终端台前放置片盒的门 cassette door必须关闭. ３５ 当手臂需进行 T 轴旋转时 R 轴的动作脉冲数必须满足:手臂上有硅片时脉冲 数必须在 8000以内,没有硅片时在 12000. 手臂位于真空片盒 vacuum cassette最底下那槽时,Z轴的动作脉冲数不能低 于 100. 进行 T轴旋转时手臂要处于真空状态. 在平边捡测器 flat aligner 中只有硅片通过传感器 wafer passing sensor捡测到硅片才能进行 Z轴在平边捡测器中的动作. III.平边捡测器 flat aligener 为了确保硅片在靶盘上的位置排放一致,在装入靶盘前需对硅片进行捡 测,找出平边或缺口,然后安确定的位置放入真空片盒