1.引言

经过四十多年的发展，国内的注入工艺也发展到了一个相对较高的程度，到今天已经能生产7纳米制程的集成电路。然而随着时代的发展，必然要求生产制程更小的集成电路，制程的降低使得集成电路内部飞线的间距变小，颗粒对晶圆方块电路、均匀性的影响更大。因此离子注入工艺对颗粒的要求越来越高。特别是500纳米以下颗粒的减少是制程降低的核心问题之一，全球半导体企业都在攻克该问题^[1]。

但是国内相关研究甚少，偏重于研究颗粒产生的原因，关于如何减少颗粒，以及颗粒源怎么查找的相关文献几乎没有，因此本文就8英寸集成电路大束流离子注入机怎么减少颗粒，以及颗粒长时间偏高后怎么查找颗粒源进行了深入的讨论。根据气体动理论^[5]、离子在高压下运动特征^[7]、高真空环境下粒子运动特性^[8]、Ar轰击石墨表面损伤研究^[9]等理论研究，推导出高能离子的空间分布，粒子在高真空的受力以及运动特性，提出本文的气体传导率限制缝和锯齿石墨的两种颗粒减少措施。主要是通过在光滑石墨上增加了锯齿来捕捉颗粒，并在此基础上进行改进，通过控制气体传导率来进一步减少颗粒。为了验证本文提出的结构,在Applied Materials设计的一款大束流离子注入机上进行了传片分步实验、EDX（energy dispersive X-Ray spectroscopy）和单片注入实验进行实验验证。最后本文依据现代科学技术手段和长时间的第一线工作经验总结了几种颗粒源查找的方法。

2.颗粒产生的原因

在半导体的生产过程中，颗粒污染主要有三个来源：生产环境，不正规的晶圆移动方式，离子注入机。而由离子注入机产生的颗粒污染是成品率损失的最主要原因，根据气体动理论和高能粒子和低能粒子的特性，注入机产生颗粒的原因主要有以下几个方面：

（1） 动态密封结构的移动、真空阀的开闭以及气缸等机械装置的移动会导致颗粒的产生。比如loadlock chamber隔离阀的开闭，wheel chamber冷泵高阀的开闭，moving clip气缸的运动都会导致颗粒的产生。其中大于0.5um颗粒形成的主要原因是生产环境和不正规的晶圆移动方式造成的（如晶圆片夹的夹持，晶圆与晶圆片盒的刮擦，无尘环境中的颗粒等），对于这种颗粒只需要清洁loadlock chamber即可。

（2） 离子束离子之间的互斥造成发散性，导致部分束流轰击在束道石墨上造成主要成分为碳的颗粒。经过extraction electrode或者post-analysis的离子带有很高的能量，而束流都是带相同电荷的正离子，离子束垂直或者水平方向没有经过高压聚焦的话，正离子之间的互斥力，导致束流垂直或者水平的发散。发散方向的离子束轰击在束道表面的石墨上，使石墨脱皮或者磨损造成主要成分为碳的颗粒^[7]。

（3） 真空度不好。真空越好，气体分子呈现克努森流^[4]的特征就越明显，颗粒在腔体真空环境中就几乎不受摩擦力，而所受的静电力又小于万有引力，从而颗粒会自然积淀，腔体悬浮的颗粒就越少。同时由于静电力的减少，悬浮的颗粒不会吸附在晶圆表面对晶圆产生污染，进一步减少了颗粒。因此真空不好会导致悬浮颗粒增多，颗粒所受静电力增加，吸附在wheel或者晶圆表面，引起颗粒的增加^[5]。

（4） PFG（plasma flood gun）磁铁受热后，如果冷却不好会产生粉末，同时PFG距离靶盘极近，十分容易造成晶圆颗粒增多。

（5） 离子束中所需离子种类不纯，造成元素颗粒玷污。主要造成晶圆内部方块电阻（RS）不合格，有以下两种原因：

a) 离子注入机长时间注入某种元素（比如P）后需要转源做另外一种元素(比如BF₂)时，最终注入到晶圆里的主要离子会呈现出两种。一种是工艺所需的相对原子质量为49的BF₂⁺离子，另外一种是工艺不需要的相对原子质量为50的PF⁺离子。造成这种情况的原因是离子注入机Mass Resolution能力差，长时间连续加工磷制品会形成Coating层，产生PF+污染BF2+。

b) 离子束中所携带的电子和中性离子会轰击到晶圆上造成RS不合格。离子源产生的离子在高压加速的情况下，会撞击气体分子，然后会从分子中撞击出一个电子，该电子会被束流吸引，然后高频震荡束流，电子不会随着束流移动，他们只是改变了束流中离子空间分布。但是在PFG（plasma flood gun）处，由于PFG guiding tube电压的吸引，部分电子会随着束流漂移到晶圆表面，中和部分正电荷，同时产生的二次电子会发生溅射，产生颗粒^[6]。

3.大束流离子注入机颗粒改善设计

    根据上述颗粒产生的原因，结合能离子的空间分布，粒子在高真空的受力以及运动特性提出以下设计来减少注入机的颗粒。

3.1将普通石墨改成带锯齿状的石墨

离子注入机的真空可以达到10^-7torr，此时气体流动呈现克努森流^[4]，流体空间的特征尺度小于或等于平均自由程，分子气体的内摩擦已经不存在，分子间的碰撞可以忽略，而分子与管壁之间的碰撞频繁，气体分子速度会发生突变，出现“滑动”现象。普通石墨表面光滑，颗粒不容易附着和沉淀，若光滑石墨改成带锯齿状的石墨，则更容易从束流表面剥离各种大小的颗粒。改进后的石墨可应用于arc chamber的侧板以及反射极、AMU的全部石墨和MRS vanes等地方。

3.2气体传导率限制缝

根据气体动理论^[5]可得知以下三个推论：

（1） 相互连接的两个不同体积之间的气体压力的传导不是瞬发的。如果A腔的气体压力改变，变化后的压力想要填充到B腔，就必须从A腔通过A到B的路径传递到B腔，路径越长，传递压力变化所需的时间就越长。

（2） 气体种类的能量流动性将影响气体的传导。具有低能量的高质量分子或者原子（低动量的分子或者原子）不能像低质量高能量的原子分子（高动量）那样传导的迅速。

（3） 两腔体连接体积的大小以及连接区域的复杂性将影响气体的传导。扭转、弯曲的地方会导致气体分子或者原子的角度和速度的变化，从而导致原子或者分子的总动量减少，因此连接区域越复杂则气体传导的越慢。另一方面，连接体积越大压力变化传导的效率越高，传导的快。^[2]

根据以上结论，如果在小体积腔体和大体积腔体连接的地方，放置一种复杂结构的装置，此时由于小体积腔变成大体积腔体，气体压力会呈现一个数量级变化。在复杂结构的连接处，该区域的气体传导率会变得特别低，导致了低能颗粒，中性颗粒，大质量颗粒很难越过这个结构，从而降低了腔体的颗粒数目，使设备腔体中晶圆颗粒更少。本文提出的这种结构采用石墨材料，在束道的上方和下方各放置一块锯齿状石墨，锯齿状结构朝向束流源头方向，上下方石墨的间距设置为6-8CM，该结构可安装在后极等腔体体积变化较大的地方。结构图如图3.1所示，实验数据如表3.1和表3.2所示。实验结果显示，安装此结构后可显著降低产品的颗粒，提高产品良率和产能。

图3.1气体传导率限制缝

表3.2 未装限制缝前的颗粒

表3.3 装限制缝后的颗粒

4.颗粒源的确定方法

如果腔体颗粒已经不好，则需要查找设备颗粒高的原因，主要采用四种方法进行颗粒源的确定。所有实验的前提是保证腔体颗粒少，如果腔体颗粒多，应该静置三个小时确保颗粒沉淀再进行相关实验，实验方法如下：

（1） 首先排除是否是真空不好导致的颗粒变差。方法是对腔体进行外接真空规测量腔体真空，确定腔体真空是否达到10^-6torr标准。

（2） 其次确保purge的氮气是纯净的，dummy wafer颗粒在3000颗以下。然后进行传片的分步实验，分析实验数据后确定是否是注入机传片导致的颗粒增多，分步实验所需步骤及实验数据标准如表4.1所示^[3]。如果其中某一项动作超出标准太多，则可判定该传片动作有问题，需要仔细检查该动作的机械结构是否有问题，机械结构交互时是否有划伤，然后进行相应的校准和部件更换。

表4.1 传片分步实验各动作颗粒标准

（3） 对实验的颗粒片进行EDX（energy dispersive X-Ray spectroscopy）分析,测定颗粒片所含有的元素。如果含有氢元素或者氧元素则是有机物颗粒，可能是真空脂等引起的；如果含有氮元素和硼元素，则可能是氮化硼引起的，氮化硼材料主要是clip气缸位置传感器挡片夹，PFG绝缘子等。含有少量的碳、钛、铝一般为正常现象。

（4） 静置三小时后，添加Job将整批颗粒片放置于离子注入机中注入，注入完毕后，对整批的颗粒片进行颗粒测试，观察整批颗粒片是否出现差异性。如果出现差异性则颗粒增多和腔体无关，如果没有出现差异性，则颗粒增多和腔体本身有关。如果和腔体本身有关，则需要对腔体进行彻底的清洁，并对设备内部的部分石墨进行更换。

（5） 如果整批颗粒片出现差异性，则可对颗粒片进行数据分析，对腔体以及传片机构进行检查，看看哪些东西的动作和实验数据的规律相匹配，得出结论进行校准等措施。比如说实验发现先卸片的晶圆颗粒少，后卸片的晶圆颗粒多，则可能是moving clip气缸导致的，因为每次卸片该气缸产生一些颗粒，卸片次数多了，周围环境颗粒增多，导致后卸片的晶圆颗粒增多，与实验数据相匹配。

（6） 做一片与步骤五条件相同，但是不开PFG（plasma flood gun）的颗粒片，确认结果是否相同，如果差异过大则可怀疑是PFG部位引起的颗粒增多。

5.结论

本文详细论述了大束流离子注入机颗粒产生的原因，颗粒源查找的方法，并且为减少大束流离子注入机的颗粒，提出了一种新型结构。通过实验数据得知，该结构能够显著降低设备的颗粒。本文初略设计了一种注入机减少颗粒的可行结构，并没有对该结构进行自动化控制方面的构想。

6.参考文献

[1] 王迪平，孙勇.大角度离子注入机中的颗粒污染[J].电子工业专用设备,2010,39(7):5-8.

[2] Applied Materials.VIISta 1500H Equipment Reference Manual[M].varian semiconductor equipment,2016.

[3] Applied Materials.Particle Reduction Guidelines[M].varian semiconductor equipment,2016.

[4] 许艳芝,朱惠人,郑杰.克努森数在微尺度相似流动特性研究中的作用[J].航空动力学报，2013,28(8):1752-1758.

[5] 籍延坤.气体动理论的基本统计规律的建立[J].大连交通大学学报, 2005,26(3):4-7.

[6] 陈允平.长间隙放电中各种粒子运动规律的数字仿真[J].武汉大学学报（工学版）,1988(2):14-24.

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