快克智能申请控制氧含量的密封转移仓及半导体封装系统专利，实现半导体产品能够低氧甚至无氧转移进入烧结腔

金融界2024年6月28日消息，天眼查知识产权信息显示，快克智能装备股份有限公司申请一项名为“控制氧含量的密封转移仓及半导体封装系统“，公开号CN202410380547.2，申请日期为2024年3月。

专利摘要显示，本发明涉及半导体封装技术领域，尤其是一种控制氧含量的密封转移仓及半导体封装系统，包括机箱、闸门机构、输送线、风帘组件以及抽气盒，机箱内部具有腔体，机箱的一端设有第一转移口，另一端为设有第二转移口，风帘组件具有若干间隔分布的风帘，抽气盒配置于腔体的腔底下方，风帘组件形成多道阻碍气流流动的屏障，以使第一转移口进入腔体内的空气大部分会被限制在第一转移口的附近，第一转移口的下方配置的下气腔，则使第一转移口附近的空气有一个较大的积聚空间，使氧气积聚于下气腔，并有助于在短时间内抽取更多的气体，从而能够显著提高腔体的氧气控制效果，进而实现半导体产品能够低氧甚至无氧转移进入烧结腔。

本文源自金融界

半导体掺杂工艺中“离子注入”和“扩散”的详解；

前面我们聊了半导体的“光刻工艺”，今天我们来聊聊半导体器件的掺杂。就像做饭一样，需要放入各种调料才能做出色香味俱全，放多了会咸，放少了不入味儿；掺杂就相当于半导体中“添油加醋”的过程和目的。

掺杂，是将一定数量的杂质掺入到半导体材料的工艺，是为了改变半导体材料的电学特性，从而得到所需的电学参数。我们也经常会听到通过改善哪儿哪儿的掺杂浓度来优化某些性能的说法。

掺杂的方法主要有扩散和离子注入，两种方法在分立器件或集成电路中都有用得到，并且两者可以说是互补的，比如说，扩散可应用于形成深结，离子注入可形成浅结。下面的示意图是扩散和离子注入，主要是掺杂浓度的分布有些不同：

首先，离子注入对于中国半导体来说是卡脖子环节，全球主要的离子注入设备被美国的AMAT, Axcelis两家垄断。离子注入是半导体掺杂的一种方法，是半导体制造的主要工艺之一。

一、 为什么要掺杂？

纯硅/本征硅其内部没有自由载流子（电子或空穴），导电性差。在半导体工艺中，掺杂（Doping）是向本征硅中有意地加入极微量的杂质原子， 来改变硅的电学性质，使其具有更好的导电性，从而能够用于制造各种半导体器件。掺杂可以是n型掺杂或p型掺杂， n型掺杂：通过向硅中掺入五价元素（如磷、砷等）来实现；p型掺杂：通过向硅中掺入三价元素（如硼、铝等）来实现。掺杂方法通常包括热扩散法和离子注入法。下面我们就分别来聊聊扩散和离子注入这两种掺杂方式。

二、掺杂方式之一——扩散

杂质扩散一般是将半导体晶片放入精确控制的高温石英管炉中，通过带有需扩散杂质的混合气体而完成，扩散进入半导体的杂质原子数目和混合气体的杂质分压有关。对于硅的扩散而言，常用的温度范围一般在800℃~1200℃，硼是最常用的p型杂质，砷和磷是最常用的n型杂质。这三种元素在硅中的固溶度都比较高，采用的掺入形式有：固相源(如BN、As2O3、P2O5)、液相源(BBr3、AsAl和POCl3)以及汽相源(B2H6、AsH3和PH3)，这三种形式之中，液相源使用得最为广泛，下图是液相源石英管炉的结构图：

通过氧化反应将磷还原出来并扩散到硅中，而生成的Cl2则被排出。涉及到的反应方程式如下：

4POCl3+3O2→2P2O3+6Cl2

2P2O5+5Si→4P+5SiO3

杂质在半导体中扩散我们可以看成是杂质原子在晶格中以空位或间隙原子形式进行移动。下面我们介绍两种扩散机制：替代式扩散机制和填隙式扩散机制。

■替代式扩散机制

空心圆表示在晶格平衡位置的基质原子，红色实心圆表示杂质原子。在高温下，晶格原子在格点平衡位置附近震动，基质原子有一定的几率获得足够的能量从而脱离格点成为间隙原子，产生一个空位，此时邻近的杂质原子就可以占据这个空位，这就是替代式扩散，也叫空位扩散。

■填隙式扩散机制

如图，如果间隙杂质原子从一个位置运动到另一个位置而且还不占据格点，我们叫这种为填隙式扩散，一般在杂质原子相对于基质原子较小时采用这种运动。杂质原子的扩散分布和它初始的条件及边界有关。这里简单介绍两种扩散方法，一种是恒定源扩散，从名字我们就知道整个扩散过程杂质源的表面浓度都是保持恒定的；另一种叫有限源扩散，即将一定量的杂质淀积在半导体的表面，接着向半导体内扩散，过程中不再施加任何杂质源。

一般我们在集成电路工艺中采用两步扩散方法：首先在恒定源扩散条件下形成预淀积扩散层，然后再在有限源扩散的条件下进行主扩散，能够更好更精确地得到扩散分布。扩散工艺结果我们一般会通过特殊的测试方法来评估，有下面三种：结深法、薄层电阻法(四探针方法测)和扩散层的杂质分布(电容电压法，二次离子质谱法SIMS)。

热扩散法

热扩散法是将杂质元素通过加热的方法迁移到硅中，这种物质的迁移是由高浓度的杂质气体向着低浓度的硅基板引起，其迁移方式由浓度差，温度，扩散系数决定。它的掺杂原理是 在高温下，硅晶片中的原子和掺杂源的原子都会获得足够的能量进行运动。掺杂源的原子首先吸附在硅晶片的表面， 然后，这些原子溶解进入硅晶片的表面层。在高温下，掺杂原子通过硅晶片的晶格间隙或替换硅原子的位置，向内部扩散。最终，掺杂原子在晶片内部达到一定的分布平衡。热扩散法的成本较低、工艺成熟。然而，它也有一些局限性，如掺杂深度和浓度的控制不如离子注入精确，且高温过程可能会引入晶格损伤等等。

以上只是简单地聊了下扩散的概念以及几种扩散机制和方法，都是比较浅的，深入的那些大家有兴趣可以去深挖一下。下面我们再来聊聊离子注入：

三、掺杂方式之二——离子注入

开篇我们给出了扩散和离子注入的两张图，如果说扩散比较温柔的话，那么离子注入则有点暴力了。从下图(C代表掺杂浓度，x是半导体距离表面的深度)中我们可以看到，掺杂分布再半导体内呈现峰值分布，分布的形状主要取决于掺杂离子的质量以及注入时离子所带有的能量。

它是指将掺杂元素电离并形成离子束，通过高压加速到一定能量（keV~MeV量级），去碰撞硅基板，掺杂离子以物理方式注入硅中，以改变材料掺杂区域的物理特性。

离子注入是将具有一定能量的带电离子掺入到硅中，注入能量再1keV到1MeV之间，对应的平均离子分布深度范围是10nm到10um之间。相对于扩散工艺，离子注入的主要好处是能够使得杂质掺入量得到较为精准的控制，保持好的重复性，同时离子注入的加工工艺温度比扩散低。

注入相关的工艺一般有下面几种：多次注入、掩蔽层、倾斜角注入、高能注入以及大电流注入等。

■离子注入的几点用途作用：

①多次注入来形成特殊分布；

②选择适当掩蔽材料和厚度，来阻挡一定比例的入射离子进入衬底；

③倾斜角度注入，来形成超浅结；

④高能注入以形成埋层；

⑤大电流注入用于扩散技术中的预淀积、阈值电压调整以及对SOI应用而言形成的绝缘层(SOI：Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层)。

■下面是一个中等能量离子注入系统的框架图：

离子源通过加热分解源气体，使其成为带电离子，加上约40KV的电压，引导这些带电离子移出离子源腔体并进入磁分析器。我们可以通过设定磁分析器的磁场强弱来使得符合要求的离子通过。被选中的离子进入加速管，离子在高压下被加速，从而获得注入时所需的能量。狭缝则是用来确保离子束不会走偏。注入系统内的气压维持在低于十的负四次方帕以下，使得由气体分子引起的离子散射降至最低，再利用静电偏转板使这些离子束扫描整个晶片表面并注入半导体衬底。

高能离子在进入半导体之后，最后会停在晶格内的一定深度。离子注入带来的负面影响主要是由于离子碰撞而导致的半导体晶格断裂或者损伤，所以必须在后续的流程中进行退火处理，来消除这种损伤。

由于高能离子注入之后带来的晶格损伤，会使得半导体的迁移率和寿命等参数受到较为严重的影响，同时，在注入时大部分的离子并不是在替位的位置，为了激活注入离子并恢复迁移率等相关参数，必须在适当的时间和温度下将半导体退火。

四、 离子注入有哪些优点？

属于低温工艺，注入量/掺杂量可以监控，杂质含量可以精准控制；对于杂质的注入深度可以精准控制；杂质均匀性好；除了硬掩膜还可以以光刻胶作为掩膜；不受共容性限制（热扩散掺杂其杂质原子在硅晶体中的溶解受到最大浓度浓度限制，有一个平衡的溶解极限，而离子注入是一个非平衡的物理过程，杂质原子以高能量被注入到硅晶体中，可以超过杂质在硅晶体中自然溶解的极限。一个是润物细无声，另一个是霸王硬上弓。）

五、离子注入的原理是什么？

首先杂质气体原子在离子源内被电子撞击产生离子，电离后的离子被吸出组件抽取出来，形成离子束，在经过磁性分析，让不同质荷比的离子发生路径偏转（因为在前面形成的离子束里面不仅仅有目标杂质的离子束，还可能有其他物质元素离子束，必须滤除掉），分离出满足要求的纯净杂质元素离子束，再经过的高压加速，增加能量，进行聚焦和电子扫描，最后打在目标位置，实现注入。

同时，我们需要知道的是：离子注入的杂质在不经处理的情况下是电气非活性的，所以离子注入后，一般要经过高温退火，激活杂质离子，以及高温能修复离子注入导致的晶格损伤。

总结一下

离子注入和扩散技术都可以添加掺杂的杂质原子以改变半导体器件的电性质，但它们的材料特性、应用范围和成本存在差异。选择适用于特定制造工艺的技术和材料是制造高性能半导体器件的关键之一。

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