一种双真空舱室晶圆质子辐照装置及辐照方法与流程

1.本发明属于功率芯片制造领域，特别涉及一种双真空舱室晶圆质子辐照装置及辐照方法。


背景技术：

2.目前，随着电动汽车、高速轨道交通、特高压柔性直流输电、新能源发电等领域的快速发展，对高端功率芯片的需求量越来越大，据统计2020年中国所需的以igbt为代表的高端功率芯片93%需要进口。而随着移动智能终端、5g网络、物联网等新兴行业的发展，新型半导体分立器件不断涌现，在替代原有市场应用的同时，将持续开拓新兴应用领域。同时，为了使现有半导体分立器件能适应市场需求的快速变化，需要采用新技术、开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等，提高器件的性能。此外，下游电子信息产品小型化、智能化发展趋势，必然要求内嵌其中的半导体分立器件等关键零部件尽可能小型化、微型化以及多功能化。为适应整机装配效率和提高整机性能可靠性、稳定性的要求，半导体分立器件将趋于体积小型化、组装模块化、功能系统化。
3.但是，国产绝缘栅双极晶体管（igbt）等功率芯片因缺乏深层质子辐照生产工艺，致使其性能无法与进口芯片相比。此外，目前国内生产的快恢复二极管（frd）芯片也因为缺乏深层质子辐照工艺，而无法实现软度因子2以上的性能，在电动汽车等领域，无法与igbt芯片配套使用。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种双真空舱室晶圆质子辐照装置及辐照方法。
5.本发明的一种双真空舱室晶圆质子辐照装置，包括：晶圆辐照真空舱和换片真空舱，所述晶圆辐照真空舱和换片真空舱通过连接真空段连通；所述连接真空段外设有屏蔽墙；所述晶圆辐照真空舱设置于辐照厅，所述换片真空舱设置于辐照前厅，所述屏蔽墙把所述辐照厅和辐照前厅密封隔离开。
6.进一步，所述屏蔽墙为实心混凝土墙。
7.进一步，所述屏蔽墙厚度大于50cm。
8.进一步，所述屏蔽墙厚度为70cm。
9.进一步，所述真空段连通上设有双舱间真空闸板阀。
10.进一步，
所述晶圆辐照真空舱底部设有冷泵，所述换片真空舱设有换片舱真空泵。
11.进一步，所述冷泵为一台；所述换片舱真空泵为分子泵，所述换片舱真空泵为四台。
12.进一步，所述分子泵的抽速大于3500 l/s。
13.进一步，所述分子泵的抽速为4200 l/s。
14.进一步，所述晶圆辐照真空舱内部设有移动平台，所述移动平台包括上下相邻的x向移动平台和y向移动平台；所述移动平台位于束流路径上。
15.进一步，所述换片真空舱内部设有储片阵列格架，所述储片阵列格架中设有储片阵列。
16.进一步，所述真空段连通中设有芯片托盘传送滚轮组，用于在所述储片阵列和移动平台间传送晶圆托盘。
17.本发明还提供一种双真空舱室晶圆质子辐照方法，采用上述的双真空舱室晶圆质子辐照装置辐照晶圆。
18.本发明的双真空舱室晶圆质子辐照装置采用晶圆辐照真空舱和换片真空舱双真空舱布局的结构，可以在工作人员换片时，屏蔽住辐照舱的残余辐射剂量，使得换片时辐照舱内没有质子束流，只有辐照仓内部件被活化后产生的残余剂量，非常适合于高能质子辐照，有利于大幅减轻工作人员所受到的射线伤害。
19.本发明采用的双舱式布局既保证了辐照舱内一直处于较高的真空状态，又实现了快速从大气达到真空状态。
20.本发明的双真空舱室晶圆质子辐照装置可以实现晶圆的均匀化辐照，提高辐照质量；采用格架式储片阵列方式，容量大，提高生产效率；保证了晶圆托盘平稳传输，有效到位。
21.本发明的双真空舱室晶圆质子辐照装置可以在真空环境下实现对功率芯片晶圆的质子辐照，在辐照过程中质子束流不穿过大气，没有束流能量损失，也没有束流散射，不会对大气造成活化。本发明的双真空舱室晶圆质子辐照装置使用双舱式结构在真空下进行质子辐照，有助于从两个方面提高辐照精度：一是质子束不受大气散射，能散度较小，辐照深度的精确度高达
±
1um，非常适用于igbt晶圆的背面缓冲层辐照。本发明采用双舱式结构，在生产过程中，辐照舱一直保持真空状态，储片舱用于晶圆的进出缓冲，可以有效地提高辐照生产效率，从而有更好的经济效益。本发明可用于制造高性能功率芯片，尤其能够实现高性能igbt芯片的生产和软度因子大于2的快软恢复快软恢复二极管（frd）的制造。
22.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1示出了根据本发明实施例的双真空舱室晶圆质子辐照装置侧视图；图2示出了根据本发明实施例的双真空舱室晶圆质子辐照装置换片真空舱的截面图，图中：a、辐照前厅；b、屏蔽墙；c、辐照厅；1、晶圆辐照真空舱、2、真空规；3、前置束流测量器；4、束流光阑；5、束流入口真空闸板阀；6、x向移动平台；7、y向移动平台；8、冷泵；9、后置束流监测器；10、再生分子泵；11、辐照舱支座；12、双舱间真空闸板阀；13、芯片托盘传送滚轮组；14、连接真空段；15、换片真空舱；16、高低真空规；17、储片格架位置监视器；18、换片舱舱门；19、观察窗；20、托盘推杆；21、托盘位置监视器；22、储片舱支架；23、格架升降驱动电机；24、储片阵列格架；25、储片阵列；26、换片舱真空泵；27、束流注入真空管道；28、粗抽真空泵组。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.图1所示为本发明的双真空舱室晶圆质子辐照装置侧视图。图2所示为本发明的双真空舱室晶圆质子辐照装置换片真空舱的截面图。
27.参见图1。本发明的双真空舱室晶圆质子辐照装置包括两个真空舱：晶圆辐照真空舱1和换片真空舱15（简称换片舱）。晶圆辐照真空舱1和换片真空舱15通过连接真空段14连通。晶圆辐照真空舱1设置于辐照厅c，换片真空舱15设置于辐照前厅a。连接真空段14外设有屏蔽墙b，屏蔽墙b把辐照厅c和辐照前厅a密封隔离开，屏蔽墙b屏蔽墙厚度大于50cm，优选为70cm，为实心混凝土墙。连接真空段14外设有芯片托盘传送滚轮组13。连接真空段14上在晶圆辐照真空舱侧设有双舱间真空闸板阀12。
28.晶圆辐照真空舱1上设有真空规2。晶圆辐照真空舱1顶部设有束流注入真空管道27，束流注入真空管道27通过束流入口真空闸板阀5后连通晶圆辐照真空舱1。晶圆辐照真空舱1内部设有移动平台，移动平台包括上下相邻的x向移动平台6和y向移动平台7，晶圆辐照真空舱1顶部束流注入真空管道27的入口和所述移动平台相对，所述移动平台位于由束流注入真空管道27注入的束流路径上；在晶圆辐照真空舱1顶部束流注入真空管道27的入口和所述移动平台之间，靠近所述移动平台设有束流光阑4。在束流光阑4和晶圆辐照真空舱1顶部束流注入真空管道27的入口间的束流路径上，靠近所述束流光阑4设有前置束流测量器3。晶圆辐照真空舱1底部设有冷泵8，后置束流监测器9，再生分子泵10和辐照舱支座11。
29.换片真空舱15顶部设有储片格架位置监视器17。换片真空舱15侧壁上部设有高低
真空规16，换片舱舱门18和观察窗19，观察窗19位于换片舱舱门18下方。换片真空舱15侧壁中部设有托盘推杆20，托盘推杆20位于观察窗19下方。换片真空舱15侧壁下部设有托盘位置监视器21，托盘位置监视器21位于托盘推杆20下方。换片真空舱15底部设有储片舱支架22和粗抽真空泵组28。
30.参见图2。换片真空舱15顶部还设有束流注入真空管道27和格架升降驱动电机23。换片真空舱15内部设有储片阵列格架24，储片阵列格架24中设有储片阵列25，储片阵列25用于盛放芯片托盘，即芯片或晶圆放在所述芯片托盘中，芯片托盘则放入储片阵列，储片阵列格架24用于支撑、固定储片阵列，储片阵列25可为立方体多层框架结构，也可为其它多层框架结构，其中，每层框架均均设有阵列式芯片托盘位，每个芯片托盘位用于安置一个芯片托盘，本发明中，储片阵列25用于一次放入至少480片4英寸晶圆。换片真空舱15外部设有换片舱真空泵26。
31.本发明考虑到在质子束辐照过程中，会产生较强的伽马射线和中子射线，需要对辐照过程中产生的电离辐射进行屏蔽，因此将晶圆辐照真空舱1设置于屏蔽室内的辐照厅a中，与换片真空舱15之间有屏蔽墙b隔离，在质子辐照晶圆的工作过程中，次级射线不会对换片真空舱15的设备和储存在换片真空舱15内等待辐照的晶圆产生损伤。晶圆辐照真空舱1和换片真空舱15之间则通过连接真空段14连通。晶圆辐照真空舱1工作在高真空状态下，真空度不低于5
×
10e-7 mbarr，并且晶圆辐照真空舱1一直保持真空状态。晶圆辐照真空舱1通过束流入口真空闸板阀5与上方的束流注入真空管道27连接，当工作时打开束流入口真空闸板阀5，将束流注入晶圆辐照真空舱1内。束流进入晶圆辐照真空舱1内，首先经过前置束流测量器3，由前置束流测量器3测量出质子束流强度，然后束流经过束流光阑4，由束流光阑4将束流形状调整成辐照所需的剖面形状，之后束流照射到位于x向移动平台6的晶圆上，x向移动平台6位于y向移动平台7额上面，因此，处于辐照位置的晶圆既可通过x向移动平台6实现x向方向移动，又可通过y向移动平台7实现y向方向移动。
32.由于换片真空舱15装载辐照的晶圆时，需要频繁开启换片舱舱门18，真空舱内部频繁暴露在大气中，因而每次放入晶圆后，需要快速把换片真空舱15从大气状态抽真空转换到高真空状态，使得换片真空舱15内的真空度一般应达到5
×
10e-7 mbarr。从提高生产效率的角度，换片真空舱15从大气状态抽真空，达到5
×
10e-7 mbarr的高真空状态的时间，应控制在45分钟以内，因此换片真空舱15需要强大的抽气能力，在双真空舱晶圆质子辐照装置中，换片真空舱15采用了4台换片舱真空泵26，换片舱真空泵26优选大抽速分子泵，所述大抽速分子泵的抽速为4200 l/s（升/秒）,可在45分钟以内将换片真空舱从大气状态抽至高真空态。
33.本发明还提供双真空舱晶圆质子辐照方法，所述方法采用上述双真空舱晶圆质子辐照装置进行晶圆辐照。
34.采用本发明的双真空舱晶圆质子辐照装置的辐照方法包括如下步骤：1、关闭双舱间真空闸板阀12，确保晶圆辐照真空舱1和换片真空舱15这两个舱室真空隔离；2、停止换片真空舱15的换片舱真空泵26，并向换片真空舱15中通入干燥氮气；3、确认换片真空舱15内氮气压力与大气压持平；4、手动解锁并开启换片舱舱门18，将换片舱舱门18开启至120度位置，并锁定换片
舱舱门18，防止其摆动；5、人工向储片阵列格架24里的储片阵列25中，逐一放入盛有晶圆的托盘，并锁止托盘，防止托盘窜动；6、全部托盘放入储片阵列25后，启动格架升降驱动电机23，上下移动储片阵列格架24，检查托盘放置位置是否合适，如确认托盘放入无误，则将储片阵列25的上下位置归零位；7、关闭并锁定换片舱舱门18；8、再次启动格架升降驱动电机23，透过观察窗19，检查储片阵列格架24上下使用是否正常，如可正常移动，则将上下移动储片阵列格架24使其位置归零；9、确认换片舱舱门18关闭好后，启动粗抽真空泵组28，开始抽真空；10、 换片真空舱15内真空度达到10-1 mbarr量级后，启动4台换片舱真空泵26；11、 换片真空舱15内的真空度达到5
×
10e-7 mbarr后，开启双舱间真空闸板阀12；12、 启动托盘推杆20，将第一盘晶圆从储片阵列25中推至芯片托盘传送滚轮组13上；13、 退回托盘推杆20，再启动芯片托盘传送滚轮组13，将晶圆托盘通过连接真空段14传输至x向移动平台6上；14、 通过x向移动平台6上的电磁机械手抓取晶圆托盘，将晶圆托盘移至辐照起始零位；15、 开启束流入口真空闸板阀5，将质子束流导入晶圆辐照真空舱1内，用前置束流测量器3接收束流并测量束流强度；16、 确认束流参数无误后，打开前置束流测量器3，束流通过下方的束流光阑4后，辐照在晶圆上；17、进行x向移动平台6与y向移动平台7联动，完成晶圆辐照；18、 晶圆辐照完成后，移动x向移动平台6与y向移动平台7将辐照后的晶圆托盘反向传送回芯片托盘传送滚轮组13上；19、 通过芯片托盘传送滚轮组13将晶圆托盘反向传送回到储片阵列25中；20、 伸出托盘推杆20，将晶圆托盘反向拉回到在储片阵列25内初始位置，同时将托盘推杆20也收回到初始位置；21、 启动格架升降驱动电机23，将下一盘待辐照晶圆托盘对准芯片托盘传送滚轮组13；22、 用托盘推杆20将下一盘待辐照晶圆托盘推出至芯片托盘传送滚轮组13上；23、 启动芯片托盘传送滚轮组13，将下一盘待辐照晶圆托盘传送至晶圆辐照真空舱1内；24、 重复步骤13至23，可完成所有晶圆的辐照；25、 晶圆辐照完成后，关闭双舱间真空闸板阀12；26、 停止换片舱真空泵26，关闭抽真空阀门，在换片真空舱15中，通入干燥氮气；27、 确认换片真空舱15内氮气压力与大气压持平；28、 手动解锁并开启换片舱舱门18，将换片舱舱门18开启至120度位置，并锁定换
片舱舱门18，防止其摆动；29、 将储片阵列25中所有辐照过的晶圆托盘逐一取出；30、 放入新的一批装载待辐照晶圆的托盘；31、 重复步骤5至24，可完成新一批晶圆的辐照；32、 待所有晶圆辐照完成后，关闭束流入口真空闸板阀5，关闭双舱间真空闸板阀12，关闭换片舱真空泵26，关闭辐照真空舱的冷泵8和再生分子泵10；33、 向晶圆辐照真空舱1和换片真空舱15这两个舱室内分别通入干燥氮气；34、 关闭所有控制系统设备，进入停机状态。
35.本发明的双真空舱室晶圆质子辐照装置采用双真空舱布局的结构，中间有屏蔽墙，屏蔽墙厚度约为70cm，为实心混凝土墙，可以在工作人员换片时，屏蔽住辐照舱的残余辐射剂量，使得换片时辐照舱内没有质子束流，只有辐照仓内部件被活化后产生的残余剂量，所述辐射以γ射线为主，没有中子射线，因此两舱间的屏蔽墙可有效屏蔽辐照舱的残余辐射。因此本发明的带中间屏蔽墙的双真空舱布局结构非常适合于高能质子辐照，有利于大幅减轻工作人员所受到的射线伤害。
36.本发明采用的双真空舱室时布局结构，辐照舱与换片舱之间实现真空隔离。在工作过程中，辐照舱采用冷泵抽真空，冷泵抽速大，一台即可满足需要，辐照舱内一直处于真空状态，有利于快速进入真空辐照状态；换片舱频繁开启舱门，放入待辐照晶圆，换片舱采用四台大抽速分子泵抽真空，分子泵启动快，能够有效缩短从大气至工作真空度的时间。双舱式布局既保证了辐照舱内一直处于较高的真空状态，又实现了快速从大气达到真空状态。
37.本发明的双真空舱室晶圆质子辐照装置的辐照舱内，通过x向移动平台和y向移动平台，可以实现晶圆的均匀化辐照，提高辐照质量；采用格架式储片阵列方式，可一次放入480片4英寸晶圆，容量大，提高生产效率；从阵列式储片格架至辐照平台的传输结构，保证了晶圆托盘平稳传输，有效到位。
38.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。