高溫離子注入靶盤設(shè)計(jì)

顏秀文，賈京英，劉咸成，王慧勇

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

離子注入是半導(dǎo)體制造中的常用工藝，是器件有源層制備的主要手段之一[1]。在碳化硅注入摻雜、離子注入SOI材料(SIMOX)等工藝中，對(duì)離子注入有著高溫注入技術(shù)的特殊要求。碳化硅摻雜，由于碳化硅材料本身的高密度和低雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，無法采用體硅工藝中成熟的擴(kuò)散工藝，而常溫離子注入又存在雜質(zhì)激活率低、注入缺陷無法恢復(fù)等問題。以Al+注入摻雜為例：注入的Al+經(jīng)1600℃退火后，激活率只有4%，遠(yuǎn)不能滿足碳化硅器件工藝要求。切實(shí)可行的方法是在500℃～800℃下進(jìn)行高溫離子注入[2]。在SIMOX SOI材料制備工藝中，要求在500℃～650℃高溫條件下進(jìn)行大劑量注入形成一定厚度的二氧化硅層，是控制注入缺陷、保證二氧化硅埋層厚度均勻的關(guān)鍵因素[3]。可見，無論是碳化硅材料摻雜還是SIMOX SOI材料制備，高溫離子注入靶技術(shù)已成為制約碳化硅和SIMOX SOI材料發(fā)展的最核心技術(shù)之一。國外也只有美國IBIS、日本Hitachi和日本Ulvac等少數(shù)幾家公司掌握了高溫靶室技術(shù)。美國IBIS公司先后推出了IBIS-i1000、IBIS-i2000 產(chǎn)品[4][5]，日本 HITACHI已開發(fā)出UI-5000、UI-6000型高溫旋轉(zhuǎn)掃描靶[6]，日本Ulvac已投產(chǎn)碳化硅高溫離子注入設(shè)備IH-860DSIC[7]。國內(nèi)只有中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所進(jìn)行跟蹤研究[8～10]。

高溫離子注入機(jī)靶室研究的最終目的是實(shí)現(xiàn)單個(gè)晶片、每批晶片和批與批晶片之間的均勻注入，主要技術(shù)難點(diǎn)在于真空下500℃～600℃高溫靶室的實(shí)現(xiàn)及晶片表面溫度均勻性控制。注入環(huán)境為1×10-4Pa以上的高真空，注入溫度要求500℃以上。因此設(shè)計(jì)高溫靶室時(shí)，熱源的選用、高溫區(qū)的材料選取、熱量的傳遞方式、熱屏蔽設(shè)計(jì)、離子束濺射污染的防范、發(fā)熱體的揮發(fā)污染、運(yùn)動(dòng)部件熱變形問題都是要考慮的因素。實(shí)踐證明，在離子注入機(jī)腔體的真空環(huán)境下加熱襯底相當(dāng)困難，許多材料和部件在高溫下壽命很短，可靠性沒法保障。除材料因素外，靶盤設(shè)計(jì)、加熱裝置設(shè)計(jì)和熱場均勻性分析是急需解決的主要問題。本文以高溫離子注入靶室為研究對(duì)象，通過靶盤設(shè)計(jì)、加熱裝置設(shè)計(jì)和熱場均勻性分析等研究，提出靶室設(shè)計(jì)的措施與解決方案，為碳化硅高溫離子注入靶室研制打下技術(shù)基礎(chǔ)。

1 高溫靶盤設(shè)計(jì)

靶盤由晶片爪、支撐桿、靶盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)、晶片爪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、水冷結(jié)構(gòu)等組成。處在受熱面、高溫端的零部件全部采用高純Si(硅)和高純Mo(鉬)材料制作而成。處在背熱面、驅(qū)動(dòng)區(qū)域的部件采用水冷結(jié)構(gòu)。靶盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)在XY二維平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)掃描保證批次內(nèi)晶片的注入均勻性。靶盤在XY的平面作變速擺動(dòng)，保證每個(gè)晶片片內(nèi)的注入均勻性。其機(jī)構(gòu)見圖1所示。

圖1 高溫靶盤結(jié)構(gòu)示意圖

晶片爪由A、B、C三點(diǎn)以夾卡方式固定晶片，晶片取放采用三根晶片頂桿的上下移動(dòng)進(jìn)行裝卸片操作(見圖2)。A、B、C三點(diǎn)由高純硅材料做成硅銷，盡可能減少與晶片的接觸面積，盡量降低因熱傳導(dǎo)導(dǎo)致晶片表面溫度的不均勻。硅銷再通過輔助結(jié)構(gòu)固定在鉬支架上。用銅作為安裝底座固定晶片爪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，銅安裝底座固定在鉬支架背面，銅安裝底座內(nèi)部通水冷卻。這樣在晶片爪的正面形成高溫區(qū)，背面形成水冷低溫區(qū)，實(shí)現(xiàn)了高低溫區(qū)分離。彈簧、電機(jī)等位于低溫區(qū)，從而提高了電動(dòng)部件的可靠性，降低了高溫雜質(zhì)元素的揮發(fā)污染。

圖2 晶片爪結(jié)構(gòu)示意圖

晶片爪三點(diǎn)接觸固定晶片的方式還有兩個(gè)方面好處：(1)減少了晶片和晶片爪之間的摩擦，降低了摩擦產(chǎn)生顆粒的可能性。三點(diǎn)接觸的接觸面積已經(jīng)最小，離子注入時(shí)使得晶片在垂直方向的運(yùn)動(dòng)有限，最大限度地降低了摩擦接觸面積，從而限制了顆粒的產(chǎn)生。(2)晶片爪C點(diǎn)的硅銷正安裝在彈簧結(jié)構(gòu)上，不僅可滿足裝卸片的需要，而且可以實(shí)時(shí)調(diào)整晶片的夾持力，緩減晶片在高溫下熱膨脹的影響。

2 加熱裝置設(shè)計(jì)

高溫注入時(shí)，晶片的熱量來源有二，其一是來自注入時(shí)離子束功率的自加熱，其二是來自輔助加熱裝置的輻射加熱。一般情況下，注入時(shí)離子束功率在6～10 kW，可使晶片表面溫度自加熱到150℃～350℃。要達(dá)到500℃以上高溫，需輔助加熱裝置提供10～30 kW的功率。

圖3 晶片加熱裝置結(jié)構(gòu)

輔助加熱裝置包括加熱燈、基座、電極、發(fā)射板、透射窗和冷卻部分。紅外加熱燈管外購：燈管長300mm，功率6.8 kW，光加熱效率可達(dá)90%，加熱溫度可達(dá)1000℃。基座由導(dǎo)熱性能良好的銅合金整體加工，減少密封圈的使用?；鶅?nèi)部需通孔傳輸冷卻液進(jìn)行冷卻。紅外透射窗采用高純石英加工，紅外燈管通過透射窗將熱量輻射到晶片表面實(shí)現(xiàn)晶片加熱。燈管背面設(shè)計(jì)鍍金紅外反射板，提高紅外熱源熱效率，減少反射板的寄生加熱作用。紅外加熱裝置單根燈管的功率6.8 kW，因此設(shè)計(jì)五根加熱燈管可達(dá)到30 kW，滿足500℃以上高溫加熱的需要。

3 熱場均勻性分析

靶室內(nèi)存在高溫區(qū)和低溫區(qū)。其中，高溫區(qū)僅位于輔助加熱裝置和離子束注入靶盤位置。因此，在輔助加熱裝置和離子束流穩(wěn)定可靠的條件下，保證運(yùn)動(dòng)均勻即可確保晶片表面受熱均勻。見圖4所示。

圖4 晶片離子注入加熱示意圖

對(duì)片間而言，通過靶盤電機(jī)的勻速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)晶片的全機(jī)械掃描。掃描圖形得到的是一個(gè)環(huán)形區(qū)域。R1為加熱裝置下端的內(nèi)圓半徑，R2為加熱裝置上端的外圓半徑。陰影部分的面積S=π()。這個(gè)面積比實(shí)際要求注入的面積要大一些。在1×10-4Pa真空環(huán)境下，靶室內(nèi)分子濃度降低到2.41×1010分子/cm3，使得導(dǎo)熱和對(duì)流失去了工作介質(zhì)，輻射是主要加熱方式。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律：

在注入能量、束流和加熱功率一定的前提下，勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)晶片的旋轉(zhuǎn)速度已由注入能量、輻射功率等因素決定。

對(duì)片內(nèi)而言，晶片表面的溫度均勻性與離子束內(nèi)部均勻性、輔助加熱裝置輻射加熱均勻性密切相關(guān)。一般而言，離子束聚焦后呈條形束，在縱向方向的均勻性分布較好，橫向方向的均勻性分布較差。同時(shí)，輔助加熱裝置的五根紅外燈管也是沿縱向布置。因此，晶片除了圍繞靶盤圓心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)外，還需要在XY平面內(nèi)作變速擺動(dòng)，確保晶片表面溫度的均勻性。

4 結(jié)束語

總的說來，高溫靶室的設(shè)計(jì)要掌握4個(gè)原則：(1)絕熱設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。絕熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是高低溫分區(qū)，高溫區(qū)的空間盡可能小，保持高的熱效率。同時(shí)要避免局部過熱。(2)材料選擇有講究。高溫區(qū)采用高熔點(diǎn)、低真空率、低污染的高純導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體材料，特別要注意材料的高溫穩(wěn)定性。高溫區(qū)與低溫區(qū)的連接采用高溫高強(qiáng)度材料，導(dǎo)熱截面盡可能小。(3)加熱裝置需可靠。加熱裝置的可靠性設(shè)計(jì)主要從材料和結(jié)構(gòu)上保證。在材料和部件方面，如采用鉬、銅、99絕緣瓷、長壽命石英加熱燈管等。在結(jié)構(gòu)上，如透射窗、反射板和水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。(4)熱場均勻要保障。熱場均勻性通過兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)保證。圍繞靶盤中心的旋轉(zhuǎn)保證片與片之間的溫度均勻性。靶盤在XY平面內(nèi)作變速擺動(dòng)，保證晶片片內(nèi)的溫度均勻性。

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