阅读说明：本技术 一种可控温的离子注入机及其控温方法 (temperature-controllable ion implanter and temperature control method thereof ) 是由 孙永武 嵇群群 于 2019-09-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可控温的离子注入机及其控温方法,通过设置离子源装置生成离子束,通过靶盘的旋转及摆动,使各靶片的正面被离子束全方位注入,辅助处理模块用于对靶片辅助加热或冷却,温度传感器用以测量靶片背面不同位置的温度,处理器,接收各温度传感器的温度信号,截得一个温度最大值,运算同时间剩余的各温度信号得到一个温度均值,运算温度最大值和温度均值相减得到一个温度差值,由于靶片温度来自离子束照射的自加热以及辅助处理模块的加热或冷却,通过运算温度差值和第一预设值比值,温度均值和第二预设值比值,以此可准确控制离子束能量导致的温度偏差以及辅助处理模块带来的温度偏差,实现对离子注入机靶片温度的准确控制。(The invention discloses a temperature-controllable ion implanter and a temperature control method thereof, wherein an ion source device is arranged to generate ion beams, the front surface of each target plate is implanted in all directions by the ion beams through the rotation and the swing of a target plate, an auxiliary processing module is used for auxiliary heating or cooling of the target plate, a temperature sensor is used for measuring the temperature of different positions on the back surface of the target plate, a processor is used for receiving the temperature signal of each temperature sensor, cutting a maximum temperature value, calculating the remaining temperature signals in the same time to obtain a temperature mean value, subtracting the calculated maximum temperature value from the temperature mean value to obtain a temperature difference value, and the temperature of the target plate is from the self-heating of the ion beam irradiation and the heating or cooling of the auxiliary processing module, and the temperature deviation caused by the ion beam energy and the temperature deviation caused by the auxiliary processing module can be accurately controlled through calculating the temperature difference value and the first preset value ratio, the temperature mean value and, the temperature of the target wafer of the ion implanter can be accurately controlled.)

一种可控温的离子注入机及其控温方法

技术领域

本发明涉及一种离子注入技术领域，特别是指一种可控温的离子注入机及其控温方法。

背景技术

离子注入是广泛应用于半导体制造的常见工艺，离子注入技术就是将某种元素的原子进行电离，并使其离子在电场中加速，形成离子束，获得较高的速度后植入靶片材料的表面，以改变这种材料表面的物理或者化学性能的一种技术，由于离子束从离子源引出来为一个点状束斑，通过束斑和靶片相对运动，将离子束均匀地洒落覆盖到整个靶片表面，注入离子由于动能很大，轰击靶片表面的位置会带来温度的升高，离子束能量越高，离子动能越大，注入位置的温度升高越多，同时，在不同的离子注入工艺中，有时对离子注入时的温度有特殊要求，需对靶片进行额外的辅助加热或冷却以使靶片稳定在一定的温度内进行离子注入，由此靶片的温度通常来自离子束轰击的自加热以及额外的辅助加热或冷却。

现有技术中，通常在离子注入前，单纯通过设置额外的辅助加热或冷却装置的功率，以期达到不同的需求温度，另也有现有技术，通过测量注入时靶片的温度，实时控制额外的辅助加热或冷却装置的功率，但考虑到靶片温度的来源包括离子束轰击的自加热以及额外的辅助加热或冷却，针对离子束能量的偏差以及额外辅助加热或冷却导致的温度偏差，现有技术中亦无法实现分开检测以控制，从而无法对注入靶片的温度实现准确控制，造成偏离工艺的指标，从而影响产出的品质和一致性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于设计一种可控温的离子注入机，以实现对注入靶片温度的准确控制。

基于上述目的本发明设计的一种可控温的离子注入机，包括：

离子源装置，用于生成离子束；

注入腔，通过管道与离子源装置连接，以引入离子束；

靶盘，通过机械臂连接固定在注入腔内，机械臂内设置有旋转电机，可带动靶盘轴向旋转，机械臂与注入腔连接处通过摆动电机可带动机械臂，使机械臂在平行靶盘平面方向上来回摆动；

晶片爪，固定于靶盘侧周围，用于夹紧靶片，使离子束可照射于靶片正面，通过靶盘的旋转及摆动，用于对靶片正面全方位注入；

辅助处理模块，固定在机械臂上，离子注入时，可用于对靶片正面辅助加热或冷却；

温度传感器，固定在晶片爪上，温度传感器至少有两个，以测量靶片背面不同位置的温度，且测量位置间的最小距离大于离子束照射到靶片的束斑的最大径；

处理器，处理器输入端电连接有温度传感器，输出端电连接有离子源装置及辅助处理模块，可接收一个全方位注入周期内各温度传感器的温度信号，截得一个温度最大值，并运算同时间剩余的各温度信号得到一个温度均值，运算温度最大值和温度均值相减得到一个温度差值，运算温度差值和第一预设值比值，以同比例控制离子源装置的功率，运算温度均值和第二预设值比值，以同比例控制辅助处理模块的功率。

优选地，温度传感器至少有3个。

优选地，处理器的输出端电连接有一个报警器，处理器运算温度均值的同时，还运算得到相应的均值方差，处理器集成有报警模块，用于判断温度差值超过第一阈值或温度均值超过第二阈值或均值方差超过第三阈值时，触发报警器报警。

优选地，处理器的输入端电连接有一个控制面板，用于提供用户输入靶片的材质和厚度，处理器集成有修正模块，用于运算材质的热导率和靶片的厚度得出一个修正系数，用于补偿修正各温度信号。

优选地，温度传感器的测量位置间的最小距离大于束斑最大径的2倍。

优选地，温度传感器的测温方式为非接触式测温。

基于本发明目的，本发明还设计的一种可控温的离子注入机的控温方法，应用于离子注入机的处理器，离子注入机还包括：离子源装置、靶片、辅助处理模块和温度传感器；一种可控温的离子注入机的控温方法包括：

接收对靶片的一个全方位离子注入周期内各温度传感器测得靶片背面不同位置的温度信号，截取得到一个温度最大值；

运算同时间剩余的各温度信号得到一个温度均值；

运算温度最大值和温度均值相减得到一个温度差值；

运算温度差值和第一预设值比值，以同比例控制离子源装置生成离子束的功率，运算温度均值和第二预设值比值，以同比例控制辅助处理模块辅助加热或冷却靶片正面的功率。

优选地，离子注入机还包括一个报警器；方法还包括：

运算温度均值的同时，还运算得到相应的均值方差；

通过报警模块判断温度差值超过第一阈值或温度均值超过第二阈值或均值方差超过第三阈值时，触发报警器报警。

优选地，离子注入机还包括一个控制面板；方法还包括：

接收通过控制面板传输的靶片的材质和厚度信息；

通过修正模块运算材质的热导率和靶片的厚度得出一个修正系数，对接收到的各温度信号进行补偿修正。

从上面所述可以看出，本发明设计的一种可控温的离子注入机，通过设置离子源装置，用于生成离子束，注入腔，通过管道与离子源装置连接，以引入离子束，同时设置有靶盘，通过机械臂连接固定在注入腔内，机械臂内设置有旋转电机，可带动靶盘轴向旋转，机械臂与注入腔连接处通过摆动电机可带动机械臂，使机械臂在平行靶盘平面方向上来回摆动，靶盘侧周围固定有晶片爪，用于夹紧靶片，使离子束可照射于靶片正面，通过靶盘的旋转及摆动，带动靶片同步的旋转和往复摆动，以使各靶片的整个正面被离子束全方位的扫描和离子注入，也避免靶片上同一位置长时间被离子束照射而造成损伤，机械臂上固定有辅助处理模块，离子注入时，可用于对靶片正面辅助加热或冷却，以满足不同离子注入工艺的需求，晶片爪上固定有温度传感器，温度传感器至少有两个，以测量靶片背面不同位置的温度，且测量位置间的最小距离大于离子束照射到靶片的束斑的最大径，同时设置有处理器，处理器输入端电连接有温度传感器，输出端电连接有离子源装置及辅助处理模块，可接收一个全方位注入周期内各温度传感器的温度信号，截得一个温度最大值，由于靶片的温度来自离子束照射位置的温度升高以及辅助处理模块的加热或冷却，且各靶片的整个正面被离子束全方位的离子注入，因此温度最大值是靶片上被离子束照射的点测得的温度，并运算同时间剩余的各温度信号得到一个温度均值，由于各测量位置间的最小距离大于离子束照射到靶片束斑的最大径，则该温度均值不受离子束照射时温度的影响，同时由于辅助处理模块随机械臂同步摆动，可避免各靶片间受辅助处理模块加热或冷却的温度有偏差，运算温度最大值和温度均值相减得到一个温度差值，则该温度差值为仅受离子束照射带来的温度，通过运算温度差值和第一预设值比值，以同比例控制离子源装置生成离子束的功率，运算温度均值和第二预设值比值，以同比例控制辅助处理模块加热或冷却的功率，以此可准确控制离子束能量导致的温度偏差以及辅助处理模块带来的温度偏差，实现对离子注入机的靶片温度的准确控制。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的A处的放大示意图；

图3为本发明实施例的靶盘和机械臂的结构示意图；

其中，空心箭头表示靶盘旋转方向，实心箭头表示靶盘摆动方向；

图4为本发明实施例的靶片和晶片爪背面的结构示意图；

图5为本发明实施例可控温的离子注入机控温方法的流程图；

图中：1离子源装置、11离子束、12管道、2注入腔、3靶盘、4机械臂、41旋转电机、42摆动电机、5晶片爪、6靶片、7辅助处理模块、8温度传感器、9处理器、91报警器、92报警模块、93修正模块、10控制面板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

一种可控温的离子注入机，如图1所示，包括离子源装置1，用于生成离子束11，注入腔2，通过管道12与离子源装置1连接，以引入离子束11，靶盘3，通过机械臂4连接固定在注入腔2内，机械臂4内设置有旋转电机41，可带动靶盘3轴向旋转，机械臂4与注入腔2连接处通过摆动电机42可带动机械臂4，使机械臂4在平行靶盘3平面方向上来回摆动，晶片爪5，固定于靶盘3侧周围，用于夹紧靶片6，使离子束可照射于靶片6正面，并通过靶盘3的旋转及摆动，用于对靶片6正面全方位注入，辅助处理模块7，固定在机械臂4上，离子注入时，可用于对靶片6正面辅助加热或冷却，温度传感器8，固定在晶片爪5上，温度传感器8至少有两个，以测量靶片6背面不同位置的温度且测量位置间的最小距离大于离子束11照射到靶片6的束斑的最大径，处理器9，处理器9输入端电连接有温度传感器8，输出端电连接有离子源装置1及辅助处理模块7，可接收一个全方位注入周期内各温度传感器8的温度信号，截得一个温度最大值，并运算同时间剩余的各温度信号得到一个温度均值，运算温度最大值和温度均值相减得到一个温度差值，运算温度差值和第一预设值比值，以同比例控制离子源装置1的功率，运算温度均值和第二预设值比值，以同比例控制辅助处理模块7的功率。

本发明通过设置离子源装置1，用于生成离子束11，注入腔2，通过管道12与离子源装置1连接，以引入离子束11，设置有靶盘3，通过机械臂4连接固定在注入腔2内，机械臂4内设置有旋转电机41，可带动靶盘3轴向旋转，机械臂4与注入腔2连接处通过摆动电机42可带动机械臂4，使机械臂4在平行靶盘3平面方向上来回摆动，旋转方向如图3中空心箭头所示，摆动方向如图3中实心箭头所示，靶盘3侧周围固定有晶片爪5，用于夹紧靶片6，使离子束可照射于靶片6正面，通过靶盘3的旋转及摆动，带动靶片6同步的旋转和往复摆动，以使各靶片6的整个正面被离子束11全方位的扫描和离子注入，也避免靶片6上同一位置长时间被离子束照射而造成损伤，机械臂4上固定有辅助处理模块7，离子注入时，可用于对靶片6正面辅助加热或冷却，以满足不同离子注入工艺的需求，晶片爪5上固定有温度传感器8，温度传感器8至少有两个，以测量靶片6背面不同位置的温度且测量位置间的最小距离大于离子束11照射到靶片6的束斑的最大径，设置有处理器9，处理器9输入端电连接有温度传感器8，输出端电连接有离子源装置1及辅助处理模块7，可接收一个全方位注入周期内各温度传感器8的温度信号，截得一个温度最大值，由于靶片6的温度来自离子束11照射位置的温度升高以及辅助处理模块7的加热或冷却，且各靶片6的整个正面被离子束11全方位的离子注入，因此温度最大值是靶片6上被离子束11照射的点测得的温度，并运算同时间剩余的各温度信号得到一个温度均值，由于各测量位置间的最小距离大于离子束11照射到靶片6的束斑的最大径，则该温度均值不受离子束照射时温度的影响，同时由于辅助处理模块7随机械臂4同步摆动，可避免各靶片6间受辅助处理模块7加热或冷却的温度有偏差，运算温度最大值和温度均值相减得到一个温度差值，则该温度差值为仅为离子束11照射带来的温度，通过运算温度差值和第一预设值比值，以同比例控制离子源装置1生成离子束11的功率，运算温度均值和第二预设值比值，以同比例控制辅助处理模块7加热或冷却的功率，以此可准确控制离子束11能量导致的温度偏差以及辅助处理模块7带来的温度偏差，实现对离子注入机的靶片温度的准确控制。

作为一种实施方式，温度传感器8至少有3个，以获得靶片6背面更多位置的温度信号，从而减少误差以达到更可靠及准确的控温效果。

作为一种实施方式，处理器9的输出端电连接有一个报警器91，处理器9运算温度均值的同时，还运算得到相应的均值方差，均值方差代表靶片6上仅辅助处理模块7加热或冷却带来的不同位置的温度偏差，处理器9集成有报警模块92，用于判断温度差值超过第一阈值或温度均值超过第二阈值或均值方差超过第三阈值时，触发报警器91报警，由此，当温度差值或温度均值偏离过大，或仅辅助处理模块7带来的靶片6上不同点的温度偏差过大时，及时达到警示效果。

作为一种实施方式，处理器9的输入端电连接有一个控制面板10，用于提供用户输入靶片6的材质和厚度，处理器9集成有修正模块93，用于运算材质的热导率和靶片6的厚度得出一个修正系数，以补偿修正各温度信号，避免靶片6的不同型号带来温度的偏差，以达到更准确控温的效果。

作为一种实施方式，温度传感器8的测量位置间的最小距离大于束斑最大径的2倍，以使各测量位置更分散，从而减少误差以达到更可靠及准确的控温效果。

作为一种实施方式，温度传感器8的测温方式为非接触式测温，由于温度传感器8随靶片6同步旋转和摆动，非接触式的测温方式以避免运动中接触不好带来的温度测量误差。

在本发明公开的一种可控温的离子注入机中，通过设置离子源装置1，用于生成离子束11，注入腔2，通过管道12与离子源装置1连接，以引入离子束11，设置有靶盘3，通过机械臂4连接固定在注入腔2内，机械臂4内设置有旋转电机41，可带动靶盘3轴向旋转，机械臂4与注入腔2连接处通过摆动电机42可带动机械臂4，使机械臂4在平行靶盘3平面方向上来回摆动，靶盘3侧周围固定有晶片爪5，用于夹紧靶片6，使离子束可照射于靶片6正面，通过靶盘3带动靶片6同步的旋转及往复摆动，以使各靶片6的整个正面被离子束11全方位的扫描和离子注入，机械臂4上固定有辅助处理模块7，离子注入时，可用于对靶片6正面辅助加热或冷却，晶片爪5上固定有温度传感器8，温度传感器8数量不少于两个，以测量靶片6背面不同位置的温度且测量位置间的最小距离大于离子束11照射到靶片6的束斑的最大径，处理器9输入端电连接有温度传感器8，输出端电连接有离子源装置1及辅助处理模块7，可接收一个全方位注入周期内各温度传感器8的温度信号，截得一个温度最大值，由于靶片6的温度来自离子束11照射位置的温度升高以及辅助处理模块7的加热或冷却，且各靶片6的整个正面被离子束11全方位的离子注入，因此温度最大值是靶片6上被离子束11照射的点测得的温度，并运算同时间剩余的各温度信号得到一个温度均值，由于各测量位置间的最小距离大于离子束11照射到靶片6的束斑的最大径，则该温度均值不受离子束照射时温度的影响，同时通过辅助处理模块7随机械臂4同步摆动，使得各靶片6旋转的同时无差别的通过辅助处理模块7下方，可避免各靶片6间受辅助处理模块7加热或冷却的温度有偏差，运算温度最大值和温度均值相减得到一个温度差值，则该温度差值为仅为离子束11照射带来的温度，通过运算温度差值和第一预设值比值，以同比例控制离子源装置1生成离子束11的功率，运算温度均值和第二预设值比值，以同比例控制辅助处理模块7加热或冷却的功率，以此可准确控制离子束11能量导致的温度偏差以及辅助处理模块7带来的温度偏差，实现对离子注入机的靶片温度的准确控制，另外，温度传感器8可至少有3个，以获得靶片6背面更多位置的温度信号，从而减少温度误差，处理器9的输出端电连接有一个报警器91，处理器9运算温度均值的同时，还运算得到相应的均值方差，均值方差代表靶片6上仅辅助处理模块7加热或冷却带来的不同位置的温度偏差，处理器9集成有报警模块92，用于判断温度差值超过第一阈值或温度均值超过第二阈值或均值方差超过第三阈值时，触发报警器91报警，由此，当温度差值或温度均值偏离过大，或仅辅助处理模块7带来的靶片6上不同点的温度偏差过大时，及时达到警示效果，处理器9的输入端电连接有一个控制面板10，用于提供用户输入靶片6的材质和厚度，处理器9集成有修正模块93，用于运算材质的热导率和靶片6的厚度得出一个修正系数，且在实验中测得当靶片6材质为硅且厚度为760um时，靶片背面得温度为正面温度的94％，并以此设定第一预设值和第二预设值为需求工艺温度的94％，由此依据实验结果设定以下公式运算修正系数：

其中k为修正系数，硅材质的热导率为150w/mk，λ1为靶片6材质的热导率，d1为靶片6的厚度，再运算乘以各温度信号以补偿修正，避免靶片6的不同型号带来温度的偏差，以达到更准确控温的效果，同时，温度传感器8的测量位置间的最小距离大于束斑最大径的2倍，以使各测量位置更分散，从而减少温度误差，温度传感器8的测温方式为非接触式测温，以避免运动中接触不好带来的温度测量误差。

本发明实施例还提供一种可控温的离子注入机的控温方法，应用于离子注入机的处理器9，离子注入机还包括：离子源装置1、靶片6、辅助处理模块7和温度传感器8；如图5所示，本方法包括以下步骤：

S501：接收对靶片6的一个全方位离子注入周期内各温度传感器8测得靶片6背面不同位置的温度信号，截取得到一个温度最大值；

各靶片6的整个正面被离子源装置1生成的离子束11全方位的离子注入，且靶片6的温度来自离子束11照射位置的温度升高以及辅助处理模块7的加热或冷却，由此温度最大值是靶片6上被离子束11照射的点测得的温度；

S502：运算同时间剩余的各温度信号得到一个温度均值；

各测量位置间的最小距离大于离子束11照射到靶片6的束斑的最大径，由此温度均值不受离子束照射时温度的影响，同时由于辅助处理模块7随机械臂4同步摆动，可避免各靶片6间受辅助处理模块7加热或冷却的温度有偏差；

S503：运算温度最大值和温度均值相减得到一个温度差值；

该温度差值为仅受离子束11照射带来的温度；

S504：运算温度差值和第一预设值比值，以同比例控制离子源装置1生成离子束11的功率，运算温度均值和第二预设值比值，以同比例控制辅助处理模块7辅助加热或冷却靶片6正面的功率，以此实现对离子注入机靶片温度的准确控制。

作为一种实施方式，离子注入机还包括一个报警器91；本方法还包括：

S505：运算温度均值的同时，还运算得到相应的均值方差；

均值方差代表靶片6上仅辅助处理模块7加热或冷却带来的不同位置的温度偏差；

S506：通过报警模块92判断温度差值超过第一阈值或温度均值超过第二阈值或均值方差超过第三阈值时，触发报警器91报警，由此，当温度差值或温度均值偏离过大，或仅辅助处理模块7带来的靶片6上不同点的温度偏差过大时，及时达到警示效果。

作为一种实施方式，离子注入机还包括一个控制面板10；本方法还包括：

S507：接收通过控制面板10传输的靶片6的材质和厚度信息；

S508：通过修正模块93运算材质的热导率和靶片6的厚度得出一个修正系数，且在实验中测得当靶片6材质为硅且厚度为760um时，靶片背面得温度为正面温度的94％，并以此设定第一预设值和第二预设值为需求工艺温度的94％，由此依据实验结果设定以下公式运算修正系数：

其中k为修正系数，硅材质的热导率为150w/mk，λ1为靶片6材质的热导率，d1为靶片6的厚度，再运算乘以各温度信号以补偿修正，避免靶片6的不同型号带来温度的偏差，以达到更准确控温的效果。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。