Pcomp即Pressure Compensation(腔室压力补偿技术)或者也叫Photoresist Compensation(光刻胶补偿)。美国亚舍利(Axcelis)的GSD系列离子植入机是所有碟形载片旋转植入机(disk loaded implanter)中唯一引入了腔体压力修正的离子注入机。而腔室压力补偿技术(Pcomp)就是Axcelis在GSD这一系列机型的杀手锏。它除了测量离子束流密度、累积植入时间、和计算注入面积,还能利用回采腔体压力数据来精确估算测量离子束流密度测量的偏差,并对离子植入进行实时地补偿。Pcmop完成了离子植入剂量的闭环控制,让原先粗放性植入系统变成了带回馈的自洽的精确植入系统。
世界上很多品牌的离子注入机,他们按照同时能够处理的wafer片数,大致分为单片和多片(批量型)植入两大类,12寸以后的机器大都采用了单片植入。上世纪80年代到21世纪初6寸和8寸世代的机器,包括AMAT(美国应用材料公司)原自主设计的QuantunIII、X(量子3,X系列),Varian(美商瓦利安,后来被AMAT收购)设计的Viision III植入机,Axcelis的GSD(陀螺控制超级碟形载片机型型系列)都是多片植入的机型。多片植入机的机型之所以存在,是因为其有很高的处理效率同时能处理13到18片wafer这是单片机型的十几倍,但是它也有很大的缺陷。由于它需要建造和维护超大的真空腔室容纳用来放置wafer的铝合金碟片(半径570~850mm,直径将近1.4米至1.9米),另外由于碟形载片需要高速(512RPM~613RPM)或者超高速(1200RPM~1215RPM)旋转来满足植入的均匀度,这对真空控制水平还有高速旋转下的粉尘撞击压制都提出了极高的要求,在技术发展相对滞后的前提下,自21世纪初各国Fab逐渐地各国都放弃了碟片批量型植入机。但是随着未来控制技术的提升,和高真空领域的进步,碟片批量型植入机还是会再次回到竞争中来,这自然是后话。而目前,全球依然有不少的6寸和8寸线Fab依然保有大量的GSD,他们还在为分立器件,模拟器件,车载电子系统芯片,功率半导体设备的制造发挥余热。
Pcomp腔室压力补偿
何为Pcomp?为什么需要Pcomp?
前面已经说了Pcomp字面上的意思,Pcomp就是腔室压力补偿。怎么个补偿法呢?这要先从植入剂量的计算说起,植入剂量就是粒子被植入到晶圆的总量,这个总量其实并不是建立在三维层面的,而是建立在二维的层面的。这个说法很颠覆,但是又很务实,因为对于离子植入机来讲,垂直与晶圆表面的“深度”Xj是恒定的,因为目前植入机的注入能量都是固定的,能量固定,自然深度Xj就恒定了它不随植入时间变化而变化,而在水平方向上,植入的面积也是机器定好的一个圆环面积,这么一来随时间变化的就只有植入剂量这个离子束流密度随时间累积在晶圆的上的剂量了。时间是不随我们意志而转移的,离子束流密度的变化就是唯一的自变量了,它本来也是固定了,因为一旦设置好就是初始值不变,但是最终跑到晶圆的最终值却不见得。为什么呢?在离子束从出生到进入晶圆,它们要走过很长的一段路(断则90cm,长则379cm,相较于一个小小的离子nm级别的身躯而言,那是星辰和大海一般)这一路上有很多微粒会与它们碰撞,我们也知道碰撞有弹性的,非弹性的,能量损失了就飞不远,另外还有被”中合“掉的离子,它们被中合就是与电子碰撞,这种碰撞两者动量上差的一批,所以被中合的离子大体上能量不会损失,但是电性却变了,这个变化值致命的,因为它进入晶圆的路上都被当做”空气“了,电子剂量器法拉第杯没办法读取中合的离子,但是这些离子却货真价实的进入了晶圆。如果任由这些中合离子进入晶圆而不加以干扰,结局就只有一个:过量植入。如果没有办法排除干扰,最好的办法就是修正干扰带来的误差,在GSD上这个修正就是Pcomp,利用腔体压力的监测来实时补偿。为什么是监测腔室压力,而不是依据别的来补偿?如何补偿呢?这就是后面(二)要讲到的内容了。
补偿值的预设。
这种补偿,在很多全世界的fab都使用,工程师们多数都是采用简单的“十字交叉法”或者二元一次“矩阵”法来估算Pcomp的大小,这是因为相对于精细的测算Pcomp耗时耗力,而且普通知识背景的助理或者初级工程师们不太容易精细测算Pcomp。大部分人不见得能够理解Pcomp计算背后的统计原理,更甚谈精细测算和失效分析?但是这只是目前国内和国外的状况,虽然这已经持续了十几年,但是只要认真研究,就不会觉得太复杂。反而呢,一旦吃透了Pcomp,并看到了Pcomp在处理技术细节时的局限性,我们就能驾驭腔室压力补偿并在补偿之外,再辅以必要的控制手段,让机器的工艺水平发生质的变化。最终让一台高束流的GSD,变为更加广泛使用的成熟且优秀的离子植入机,再次焕发青春。这边是Pcomp腔室压力补偿的可持续性体现。