离子注入设备的冷却单元

摘要

本发明提供一种离子注入设备的冷却单元，用于在对半导体衬底和衬底托盘进行冷却，包括：热交换单元、第一管路、第二管路；还包括：补充液槽和中转液槽；中转液槽，用于进行冷却液的中转、将第二管路中的气体排出；第三管路和位于第三管路上的第一中转阀门；第四管路和位于第四管路上的第二中转阀门，所述第二中转阀门与第一中转阀门同步开启或同步关闭；第五管路，所述第五管路上设置有第一补充阀门；第六管路，所述第六管路上设置有第二补充阀门，所述第二补充阀门与第一补充阀门同步开启或关闭。本发明能够在离子注入过程中对半导体衬底进行有效冷却，减少了由于半导体衬底温度过高造成的射程末端缺陷，改善了半导体器件的漏电流缺陷。

权利要求

1.一种离子注入设备的冷却单元，用于在对半导体衬底和衬底托盘进行冷却，包括：热交换单元用于提供冷却液；

第一管路，与所述热交换单元相连通，所述第一管路用于将来自热交换单元的冷却液提供至衬底托盘；

第二管路，与所述第一管路相连通，所述第二管路用于将来自衬底托盘的冷却后的冷却液循环至热交换单元；

其特征在于，还包括：

补充液槽用于提供补充冷却液；

中转液槽，用于进行冷却液的中转、将第二管路中的气体排出；

第三管路，用于连接第一管路与中转液槽，所述第三管路上设置有第一中转阀门；

第四管路，用于连接第二管路与中转液槽，所述第四管路上设置有第二中转阀门，所述第四管路用于将第二管路中的气体排入中转液槽，所述第二中转阀门与第一中转阀门同步开启或同步关闭；

第五管路，用于将补充液槽的补充冷却液提供至中转液槽，所述第五管路上设置有第一补充阀门；

第六管路，用于将补充液槽中的气体排出，所述第六管路上设置有第二补充阀门，所述第二补充阀门与第一补充阀门同步开启或关闭。

2.如权利要求1所述的离子注入设备的冷却单元，其特征在于，所述第一中转阀门和第二中转阀门为常闭开关，当所述第一中转阀门和第二中转阀门在所述中转液槽中充满冷却液时才同时开启。

3.如权利要求1所述的离子注入设备的冷却单元，其特征在于，所述第一中转阀门和第二中转阀门每间隔0.5-2小时开启。

4.如权利要求1所述的离子注入设备的冷却单元，其特征在于，所述第一补充阀门和第二补充阀门在中转液槽中的冷却液下降至标准容量的1/2-3/4时，第一补充阀门和第二补充阀门开启。

5.如权利要求1所述的离子注入设备的冷却单元，其特征在于，所述第二补充阀门与第一补充阀门为定期开启阀门，每间隔20-30分钟，开启2-5min。

6.如权利要求1所述的离子注入设备的冷却单元，其特征在于，还包括：温度检测单元，用于检测衬底托盘的温度；当所述衬底托盘的温度高于零下50摄氏度时，温度检测单元发出开启指令，所述开启指令用于开启所述第二补充阀门与第一补充阀门。

7.如权利要求6所述离子注入设备的冷却单元，其特征在于，当衬底托盘的温度低于零下70摄氏度时，检测单元发出关闭指令，所述关闭指令用于关闭所述第二补充阀门与第一补充阀门。

8.如权利要求7所述的离子注入设备的冷却单元，其特征在于，还包括：泵，位于第一管路或第二管路上，用于与热交换单元配合，实现冷却液在第一管路和第二管路中的循环。

9.如权利要求8所述的离子注入设备的冷却单元，其特征在于，所述泵位于第一管路上。

10.如权利要求9所述的离子注入设备的冷却单元，其特征在于，所述第三管路和第一中转阀门与泵的进液口相连接。

说明书

离子注入设备的冷却单元

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种离子注入设备的冷却单元。

背景技术

[0002] 离子注入工艺是利用高能离子束(Ion Beam)注入半导体衬底，对半导体衬底进行掺杂的工艺步骤。离子注入工艺对最终形成的半导体器件的性能影响较大。

[0003] 在半导体衬底进行离子注入工艺过程中，为了防止托盘衬底过热，通常会利用冷却液对半导体衬底进行冷却。具体地，请参考图1所示的现有技术的离子注入设备的冷却单元结构示意图。离子注入设备包括工艺腔室1(Process Chamber)和冷却单元2，工艺腔室1中设置有衬底吸盘4(ESC Chuck Platen)和位于衬底吸盘4上的半导体衬底3，半导体衬底3的正面面对离子束，背面与衬底吸盘4接触，冷却单元2用于提供冷却液，该冷却液通过对衬底吸盘4对半导体衬底3进行冷却。上述冷却液为循环冷却液。结合图1，对半导体衬底3进行降温过程时，冷却单元2中具有热交换单元5和泵2用于实现冷却液循环。现有技术为了配合冷却液的循环冷却，在离子注入工艺进行一段时间后，第一阀门8和第二阀门9会定期开启，将来自水槽7中的补充冷却液分别通入第一管道(冷却液从冷却单元2流向静电吸盘4的管道)和第二管道(冷却液从静电吸盘4流入冷却单元2的管道)中补充新的冷却液，提高冷却效果。

[0004] 在离子注入完成后，为了消除离子注入工艺在半导体衬底造成的损伤，会进行额外的退火工艺，通过短时间的快速升温阶段、维持数秒至数分钟的高温阶段、短时间的快速降温阶段等多个步骤。

[0005] 现有技术的问题是，半导体器件存在漏电流，性能有待提高。

发明内容

[0006] 本发明解决的问题是提供了一种新的离子注入设备冷却单元，能够在离子注入过程中对半导体衬底进行有效冷却，减少了由于半导体衬底温度过高造成的射程末端缺陷，改善了半导体器件的漏电流缺陷。

[0007] 为了解决上述问题，本发明提供一种离子注入设备的冷却单元，用于在对半导体衬底和衬底托盘进行冷却，包括：

[0008] 热交换单元，用于提供冷却液；

[0009] 第一管路，与所述热交换单元相连通，所述第一管路用于将来自热交换单元的冷却液提供至衬底托盘；

[0010] 第二管路，与所述第一管路相连通，所述第二管路用于将来自衬底托盘的冷却后的冷却液循环至热交换单元；还包括：

[0011] 补充液槽(feed tank)，用于提供补充冷却液；

[0012] 中转液槽(sink)，用于进行冷却液的中转、将第二管路中的气体排出；

[0013] 第三管路，用于连接第一管路与中转液槽，所述第三管路上设置有第一中转阀门；

[0014] 第四管路，用于连接第二管路与中转液槽，所述第四管路上设置有第二中转阀门，所述第四管路用于将第二管路中的气体排入中转液槽，所述第二中转阀门与第一中转阀门同步开启或同步关闭；

[0015] 第五管路，用于将补充液槽的补充冷却液提供至中转液槽，所述第五管路上设置有第一补充阀门；

[0016] 第六管路，用于将补充液槽的气体排出至补充液槽，所述第六管路上设置有第二补充阀门，所述第二补充阀门与第一补充阀门同步开启或关闭。

[0017] 可选地，所述第一中转阀门和第二中转阀门为常闭开关，当所述第一中转阀门和第二中转阀门在所述中转液槽中充满冷却液时才同时开启。

[0018] 可选地，所述第一中转阀门和第二中转阀门每间隔0.5-2小时开启。

[0019] 可选地，所述第一补充阀门和第二补充阀门在中转液槽中的冷却液下降至标准容量的1/2-3/4时，第一补充阀门和第二补充阀门开启。

[0020] 可选地，所述第二补充阀门与第一补充阀门为定期开启阀门，每间隔20-30分钟，开启2-5min。

[0021] 可选地，还包括：温度检测单元，用于检测衬底托盘的温度；当所述衬底托盘的温度高于零下50摄氏度时，温度检测单元发出开启指令，所述开启指令用于开启所述第二补充阀门与第一补充阀门。

[0022] 可选地，当衬底托盘的温度低于零下70摄氏度时，检测单元发出关闭指令，所述关闭指令用于关闭所述第二补充阀门与第一补充阀门。

[0023] 可选地，还包括：泵，位于第一管路或第二管路上，用于与热交换单元配合，实现冷却液在第一管路和第二管路中的循环；

[0024] 可选地，所述泵位于第一管路上。

[0025] 可选地，所述第三管路和第一中转阀门与泵的进液口相连接。

[0026] 与现有技术相比，本发明有以下优点：

[0027] 本发明提供的离子注入设备的冷却单元，具有补充液槽和中转液槽，连接补充液槽和中转液槽的第二补充阀门与第一补充阀门同步开启或关闭；连接中转液槽与第一管路和第二管路的第二中转阀门与第一中转阀门同步开启或同步关闭，上述设置，使得向第一管路补充新的冷却液时，经过第二补充阀门与第一补充阀门同步开启，使得新的补充液首先经过第一补充阀门流入中转液槽中，来自外部的空气会在补充液槽中短暂停留并经过第二补充阀门被排出，去除了补充液槽中补充液的空气残留；经过第二中转阀门与第一中转阀门的同步开启，使得中转液槽中的液体经过第一中转阀门进入第一管路，而来自第二管路中的气体则通过第二中转阀门排入中转液槽。上述过程可减少第一管路和第二管路中的冷却液的气体的量，减少由于冷却液中的气体引起的降温失效现象，提高冷却效率，降低半导体衬底的温度，改善由于半导体衬底温度升高引起的射程末端缺陷，改善了半导体器件的漏电流缺陷；

[0028] 进一步优化地，所述第一中转阀门和第二中转阀门为常闭开关，当所述第一中转阀门和第二中转阀门在所述中转液槽中充满冷却液时才同时开启，向第一管路提供补充液体，更有利于将第二管路中的气体排出；

[0029] 进一步优化地，所述第一补充阀门和第二补充阀门在中转液槽中的冷却液下降至标准容量的1/2-3/4时，第一补充阀门和第二补充阀门开启，从而避免频繁启动第一补充阀门和第二补充阀门，简化对上述两个补充阀门控制；

[0030] 进一步优化地，通过温度检测单元检测衬底托盘的温度，当所述衬底托盘的温度高于零下50摄氏度时，温度检测单元发出开启指令，所述开启指令用于开启所述第二补充阀门与第一补充阀门，基于温度检测方式，能够更为精确的控制冷却单元补充新的冷却液，保证冷却效果。

附图说明

[0031] 图1是现有技术的离子注入设备的冷却单元结构示意图；

[0032] 图2是本发明一个实施例的离子注入设备的冷却单元的结构示意图。

具体实施方式

[0033] 经过发明人研究发现，造成结漏电流的原因之一退火工艺后半导体衬底中依然存在缺陷。该缺陷难以通过退火工艺进行消除。发明人对不同批次的半导体衬底的缺陷的位置及分布进行分析后，发现不同批次半导体衬底均存在的缺陷均表现为射程末端缺陷，该缺陷位于半导体衬底的硅晶格中，经过退火仍然存在。而造成射程缺陷的原因与离子注入的能量、剂量以及离子注入过程中半导体衬底的温度有关系。

[0034] 离子注入过程中半导体衬底的温度过高或者衬底温度不稳定，造成了射程缺陷。发明人发现，如果能够降低离子注入工艺过程中半导体衬底的温度，可以有效改善离子注入在半导体衬底中形成的射程缺陷。在半导体衬底的温度在-120至-200摄氏度的范围内，半导体衬底中的射程缺陷有明显改善。需要对半导体衬底进行有效冷却，使得半导体衬底维持较低的温度，改善射程缺陷，改善半导体器件的结漏电流现象。

[0035] 发明人发现，现有技术虽然有冷却单元，但是该冷却单元的冷却效果有限，虽然不断补充新的冷却液，但是冷却液温度仍然会随着时间而上升。结合图1，造成冷却液温度上升的原因之一，在第一阀门8和第二阀门9开启以向第一管道和第二管道补充新的冷却液的过程中，带入了空气，空气进入管道，造成了冷却液降温失效现象，最终造成冷却液的温度上升，半导体衬底中形成射程缺陷，最终影响器件的性能。

[0036] 发明人考虑，如果在上述过程中，手动的对冷却管道进行维护，能够进水管道和出水管道中的空气排出，但是通常手动维护的过程花费30-40分钟，效率不高。对此，发明人提出新的冷却单元，能够在离子注入过程中对半导体衬底进行有效冷却，减少了由于半导体衬底温度过高造成的射程末端缺陷，改善了半导体器件的漏电流缺陷。

[0037] 为了解决上述问题，本发明提供一种离子注入设备的冷却单元，用于在对半导体衬底和衬底托盘进行冷却，包括：

[0038] 热交换单元，用于提供冷却液；

[0039] 第一管路，与所述热交换单元相连通，所述第一管路用于将来自热交换单元的冷却液提供至衬底托盘；

[0040] 第二管路，与所述第一管路相连通，所述第二管路用于将来自衬底托盘的冷却后的冷却液循环至热交换单元；还包括：

[0041] 补充液槽(feed tank)，用于提供补充冷却液；

[0042] 中转液槽(sink)，用于进行冷却液的中转、将第二管路中的气体排出；

[0043] 第三管路，用于连接第一管路与中转液槽，所述第三管路上设置有第一中转阀门；

[0044] 第四管路，用于连接第二管路与中转液槽，所述第四管路上设置有第二中转阀门，所述第四管路用于将第二管路中的气体排入中转液槽，所述第二中转阀门与第一中转阀门同步开启或同步关闭；

[0045] 第五管路，用于将补充液槽的补充冷却液提供至中转液槽，所述第五管路上设置有第一补充阀门；

[0046] 第六管路，用于将补充液槽的气体排出至补充液槽，所述第六管路上设置有第二补充阀门，所述第二补充阀门与第一补充阀门同步开启或关闭。

[0047] 请参考图2所示的本发明一个实施例的离子注入设备的冷却单元的结构示意图。冷却单元20用于对离子注入设备10中的衬底托盘40和半导体衬底30进行冷却。冷却单元20中的热交换单元50用于提供向衬底托盘40提供冷却液。第一管路和第二管路则是分别负责向衬底托盘40提供冷却液和将使用过的冷却液循环至冷却单元中。第一管路与所述热交换单元50相连通，所述第一管路用于将来自热交换单元50的冷却液提供至衬底托盘40。第二管路，与所述第一管路相连通，所述第二管路用于将来自衬底托盘40的冷却后的冷却液循环至冷却单元20的热交换单元50中。

[0048] 作为一个实施例，所述冷却单元还包括泵60，所述泵60可以位于第一管路或第二管路上，用于与热交换单元50配合，实现冷却液在第一管路和第二管路中的循环。本实施例中，所述泵60位于第一管路上，并且所述第三管路和第一中转阀门与泵的进液口相连接。

[0049] 补充液槽(feed tank)100，用于提供补充冷却液；中转液槽(sink)70，用于进行冷却液的中转、将第二管路中的气体排出。用于连接第一管路与中转液槽70的为第三管路，所述第三管路上设置有第一中转阀门80。本发明所述第四管路用于连接第二管路与中转液槽，所述第四管路上设置有第二中转阀门90，所述第四管路用于将第二管路中的气体排入中转液槽70，所述第二中转阀门90与第一中转阀门80同步开启或同步关闭。

[0050] 参考图2，第五管路用于将补充液槽100的补充冷却液提供至中转液槽70，所述第五管路上设置有第一补充阀门110；第六管路用于将补充液槽70的气体排出至补充液槽70，所述第六管路上设置有第二补充阀门120，所述第二补充阀门120与第一补充阀门110同步开启或关闭。

[0051] 本发明通过补充液槽100、中转液槽70、与补充液槽100和中转液槽70相连通的若干阀门的配合，使得在冷却液补充过程中第二管路中的气体通过第二中转阀门、补充液槽和第一中转阀门被配出，而补充液通过第一补充阀门120、中转液槽70和第一中转阀门80进入第一管道。在向第一管路补充新的冷却液时，第二补充阀门120与第一补充阀门110同步开启，使得新的补充液首先经过第一补充阀门110流入中转液槽70中，来自外部的空气会在补充液槽70中短暂停留并经过第二补充阀门120被排出，从而去除了补充液槽70中补充液的空气残留；在中转液槽70的补充液补充的同时或者在中转液槽70的补充液补充完成后，经过第二中转阀门90与第一中转阀门80的同步开启，使得中转液槽中的液体经过第一中转阀门90进入第一管路，而来自第二管路中的气体则通过第二中转阀门80排入中转液槽，并最终经过第二补充阀门80被排出。上述过程可减少第一管路和第二管路中的冷却液的气体的量，减少由于冷却液中存在的气体引起的降温失效现象，提高冷却效率，降低半导体衬底的温度，改善由于半导体衬底温度升高引起的射程末端缺陷，改善了半导体器件的漏电流缺陷。

[0052] 作为优选的实施例，所述第一中转阀门80和第二中转阀门90为常闭开关，当所述第一中转阀门80和第二中转阀门90在所述中转液槽70中充满冷却液时才同时开启。作为优选实施例，所述第一中转阀门80和第二中转阀门90每间隔0.5-2小时开启，更有利于将第二管路中的气体排出。

[0053] 本发明所述第一补充阀门110和第二补充阀门120在中转液槽中的冷却液下降至标准容量的1/2-3/4时，第一补充阀门110和第二补充阀门120开启，从而避免频繁启动第一补充阀门和第二补充阀门，简化对上述两个补充阀门控制。所述第二补充阀门120与第一补充阀门110为定期开启阀门，每间隔20-30分钟，开启2-5min。

[0054] 为了更好的控制阀门的开启和关闭，进一步提高对衬底托盘40的温度控制的精度，还可以设置：温度检测单元，利用温度检测单元检测衬底托盘40的温度。当所述衬底托盘的温度高于零下50摄氏度时，温度检测单元发出开启指令，所述开启指令用于开启所述第二补充阀门与第一补充阀门。所述温度检测单元可以利用接触式的热电偶测温，也可以用非接触时的红外线测温。在衬底托盘40的温度低于零下70摄氏度时，无需继续补充冷却液，则检测单元发出关闭指令，所述关闭指令用于关闭所述第二补充阀门120与第一补充阀门110。

[0055] 综上，本发明提供的离子注入设备的冷却单元，具有补充液槽和中转液槽，连接补充液槽和中转液槽的第二补充阀门与第一补充阀门同步开启或关闭；连接中转液槽与第一管路和第二管路的第二中转阀门与第一中转阀门同步开启或同步关闭，上述设置，使得向第一管路补充新的冷却液时，经过第二补充阀门与第一补充阀门同步开启，使得新的补充液首先经过第一补充阀门流入中转液槽中，来自外部的空气会在补充液槽中短暂停留并经过第二补充阀门被排出，去除了补充液槽中补充液的空气残留；经过第二中转阀门与第一中转阀门的同步开启，使得中转液槽中的液体经过第一中转阀门进入第一管路，而来自第二管路中的气体则通过第二中转阀门排入中转液槽。上述过程可减少第一管路和第二管路中的冷却液的气体的量，减少由于冷却液中的气体引起的降温失效现象，提高冷却效率，降低半导体衬底的温度，改善由于半导体衬底温度升高引起的射程末端缺陷，改善了半导体器件的漏电流缺陷；

[0056] 进一步优化地，所述第一中转阀门和第二中转阀门为常闭开关，当所述第一中转阀门和第二中转阀门在所述中转液槽中充满冷却液时才同时开启，向第一管路提供补充液体，更有利于将第二管路中的气体排出；

[0057] 进一步优化地，所述第一补充阀门和第二补充阀门在中转液槽中的冷却液下降至标准容量的1/2-3/4时，第一补充阀门和第二补充阀门开启，从而避免频繁启动第一补充阀门和第二补充阀门，简化对上述两个补充阀门控制；

[0058] 进一步优化地，通过温度检测单元检测衬底托盘的温度，当所述衬底托盘的温度高于零下50摄氏度时，温度检测单元发出开启指令，所述开启指令用于开启所述第二补充阀门与第一补充阀门，基于温度检测方式，能够更为精确的控制冷却单元补充新的冷却液，保证冷却效果。

[0059] 因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。