CN101563751B - 低温离子植入技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温离子植入技术。在一特殊实施例中，此技术可体现为低温离子植入装置。此低温离子植入装置可包括晶圆支撑机构，晶圆支撑机构在离子植入过程中支撑着晶圆且帮助晶圆在至少一维空间里移动。此低温离子植入装置也可包括冷却机构，其耦接到晶圆支撑机构。此冷却机构可包括：制冷单元；闭环刚性管，让至少一种冷却剂从制冷单元循环流动到晶圆支撑机构；以及一个或多个旋转式轴承，耦接刚性管，以帮助晶圆在至少一维空间里移动。

Description

低温离子植入技术
技术领域
本发明是关于半导体制造，特别是关于低温离子植入技术。 
背景技术
随着半导体元件逐渐小型化(miniaturization)，半导体工业对于超浅型接面(ultra-shallow junction)的需求也逐渐增加。例如，人们付出了大量的努力来创造更具活性的、更浅的且更陡峭的源极-漏极(source-drain)延伸接面(extension junction)，以满足目前互补金氧半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)元件的要求。 
例如，要在结晶(crystalline)硅晶圆(silicon wafer)中产生陡峭的超浅型接面，就需要将晶圆表面非晶化(amorphization)。通常，较佳的是比较厚的非晶硅层，因为执行完固相晶膜生长(solid-phase epitaxialgrowth)之后，因离子植入(ion implant)而产生的格隙(interstitial)中，有少部分会剩下而成为后期植入退火(post-implant anneal)的一部分。薄的非晶层会导致有较多的格隙留在非晶-结晶界面(interface)之外的末端区域(end-of-range area)。这些格隙会导致离子植入掺质(dopant)的瞬间增强扩散(transient enhanced diffusion，TED)，使得到的掺杂轮廓(dopant profile)(例如，P-N或N-P接面)加深与/或失去想要的陡峭度。因此，较薄的非晶层会使得电子元件的短通道效应(short channel effect)较为严重。格隙也可能会导致非活性团簇(inactive cluster)形成，这种非活性团簇(尤其是硼(boron))可降低掺质的活性。在活化退火过程中，没有被清除掉的非晶-结晶界面之外的格隙可结合起来形成复合的末端损伤 (end-of-range damage)。这种末端损伤可导致接面漏电(junction leakage)与良率下降(yield loss)。在后面的热工艺(thermal process)中，可通过释放可能促使掺质扩散与掺质反活化(deactivation)的格隙来挽救上述的末端损伤。 
目前已发现，在离子植入过程中，较低的晶圆温度有利于硅晶圆的非晶化。在目前的离子植入应用中，典型地是通过气体辅助工艺，在植入工艺中，以晶圆冷却器(chiller)来冷却晶圆。多数情况下，这种冷却技术可使晶圆温度介于冷却器温度(例如，15℃)与较高温度之间，为了保护光阻(photoresist)的完好无损，此较高温度具有上限(例如，100℃)。此较高温度可增强自退火效应(self-annealing effect)，而使Frenkel对(因离子束轰击(ion beam bombardment)而产生的空位-格隙对)消失(annihilation)(在植入过程中的)。因为只有当离子束置换足够量的硅原子时才会发生硅非晶化，而在高温下Frenkel对消失的程度会增加，这将不利于非晶化工艺，使得非晶化的剂量临界值(dose threshold)偏高，因而无法得到理想的浅接面。 
在其他参数相同的情形下，如果自退火效应减弱，那么非晶硅层的厚度可随着植入温度的降低而增大。如此一来，元件性能可得到较好的工艺式控制与预测。 
一般来说，利用快速热退火来活化(activate)植入的掺质，在快速热退火过程中，晶圆在5秒钟内被加热至(例如)1000℃。非扩散式退火(diffusion-less anneal)则为较佳的后期植入工艺，在这种非扩散式退火过程中，利用(例如)激光(laser)或闪光灯(flash lamp)作为热源使晶圆的温度快速上升(例如，在5毫秒内上升至1000℃)。这些极快的速热工艺使得掺质无法有效地扩散，而植入损伤也没有充足的时间来进行修复。而低温离子植入可提高这种非扩散式退火过程中的植入损伤修复的程度。 
此外，还有其他采用低温离子植入的原因。 
虽然目前已采用低温离子植入，不过现有的方法中存在着许多缺点。例如，目前的低温离子植入技术的发展着重在批量晶圆式(batch-wafer)离子植入机，但半导体工业的当前趋势较倾向于单晶圆式(single-wafer)离子植入机。批量晶圆式离子植入机通常是处理装在一个真空室(vacuumchamber)里的多个晶圆(批量)。如果要使同一真空室里同时存在着多个冷却的晶圆(通常持续较长时间)，就需要有特殊的原地(in-situ)冷却性能。预先冷却整批晶圆并不容易，因为每个晶圆在进行植入过程前会经历不同的温升。此外，曝露于真空室的低温晶圆可导致残留水份结冰(icing)。在研究中，已有在单晶圆式离子植入机中执行低温离子植入，但通常是在由样品操作装置所机械支撑的小基板上执行。再者，这种研究性的植入不须考虑大基板的生产价值、产能以及金属及微粒污染低的问题。 
鉴于以上所述，本发明提供一种能够克服上述缺点与不足，而能应用于单晶圆式高处理量离子植入机的低温离子植入方法。 
发明内容
本发明公开了一种低温离子植入技术。在一实施例中，低温离子植入技术可以一种低温离子植入装置来执行。这种低温离子植入装置可包括晶圆支撑机构，在离子植入过程中支撑着晶圆，且帮助晶圆在至少一维(onedimension)空间里移动。此低温离子植入装置也可包括冷却机构(cooling mechanism)，耦接到晶圆支撑机构。此冷却机构可包括：制冷单元(refrigeration unit)；闭环(closed loop)刚性管(rigid pipe)，让至少一种冷却剂(coolant)从制冷单元循环流动到晶圆支撑机构；以及一个或多个旋转式轴承(rotary bearing)，耦接刚性管，以帮助晶圆在至少一维空间里移动。该低温离子植入装置还包括护罩，所述护罩在离子植入过程中，将所述闭环刚性管的至少一部分与支撑着所述晶圆的第一真空空间隔开。 
在另一实施例中，低温离子植入技术可以一种低温离子植入方法来执行。这种低温离子植入方法可包括将晶圆放置在台板(platen)上，此台板配置成可至少在一维空间里移动晶圆。此低温离子植入方法也可包括将闭环刚性 管耦接到台板，此闭环的至少两部分经由一个或多个旋转式轴承来连接，以帮助晶圆在至少一维空间里移动。此低温离子植入方法还可包括提供护罩，在离子植入过程中，所述护罩将所述闭环刚性管的至少一部分与支撑着所述晶圆的第一真空空间隔开。此低温离子植入方法可更包括：经由闭环刚性管，让至少一种气态冷却剂循环流到台板，以在晶圆的离子植入过程中使晶圆保持在预定温度范围内。 
下面将参照附图所示实施例来详细描述本发明。虽然以下是参照实施例来描述本发明的，不过应当明白的是，本发明并不局限于实施例。对此技术具有通常知识且已了解了本文的教导的本领域技术人员将会认可本文所述的本发明范围内的额外实施方法、改动及实施例以及其他的应用领域，本发明也非常适用于这些额外的实施方法、改动、实施例以及其他应用领域。 
为让本发明上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。 
附图说明
图1所示为传统的离子植入机； 
图2所示为依据本发明一实施例的可改装为低温离子植入的晶圆支撑组装的截面图； 
图3所示为依据本发明一实施例的用于低温离子植入的晶圆支撑组装的立体图； 
图4所示为依据本发明一实施例的旋转式轴承的设计图； 
图5所示为依据本发明一实施例的用于低温离子植入的热交换系统的方块图； 
图6所示为依据本发明一实施例的台板中的冷却通道； 
图7所示为依据本发明一实施例的静电夹的示范性电极模式。 
具体实施方式
本发明的实施例通过改良的晶圆支撑及冷却系统设计，以在低温离子植入过程中进行直接晶圆冷却。在离子植入机中，冷却剂刚性管可经由一个或多个旋转式轴承来互连，且耦接到台板，其中此冷却剂刚性管在相对高压下可调节冷却剂循环，且旋转式轴承帮助台板移动。可用真空罩(casing)来隔离冷却剂刚性管，以避免热损耗与冷凝(condensation)。较佳的使用气态冷却剂，因为少量的气态冷却剂渗漏不会污染离子植入机。为了精确地控制晶圆温度，冷却系统可包括加热元件。 
本文所公开的技术并不局限于束线(beam-line)离子植入机，其也可应用于其他类型的离子植入机，例如可执行电浆掺杂(plasma doping，PLAD)或浸没式电浆离子植入(plasma immersion ion implantation，PIII)的离子植入机。 
图1所示为一种传统的离子植入系统100，在此离子植入系统100中，可根据本发明的一实施例来实施低温离子植入技术。像大多数离子植入系统一样，系统100是位于高度真空环境中。离子植入系统100可包括：离子源(ion source)102，电源101对其施加偏压到某一电位(potential)；以及一系列复合的束线元件，离子束10会穿过这些束线元件。这一系列束线元件可包括(例如)提取电极(extraction electrode)104、90°磁分析器(magnet analyzer)106、第一减速(D1)台108、70°磁准直器(magnetcollimator)110以及第二减速(D2)台112。跟操纵光束的一系列光学透镜(optical lenses)一样，这些束线元件在将离子束10转向(steer)目标晶圆之前可先过滤且聚焦(focus)离子束10。在离子植入过程中，目标晶圆通常被放置在台板114(有时称为“roplat”)上，此台板114可通过一种装置而在一维或多维空间里移动(例如，移动、旋转以及倾斜)。 
图2所示为依据本发明一实施例的可改装成低温离子植入的晶圆支撑组装(assembly)200的截面图。此晶圆支撑组装200可通过或在内部保持高度真空的终端台(end-station)26中实施。此终端台26的外部可处于大气 压下或接近大气压。晶圆支撑组装200可包括台板28、上面部件70、下面部件65以及气浮式承轴(air bearing shaft)50，这些元件经由一个或多个轴承与/或接合面(joint)而耦接在一起。晶圆27可放置在台板28上，而离子束12可对晶圆27进行离子植入。 
气浮式承轴50穿过终端台26的墙壁，且可帮助晶圆27进行垂直扫描式移动(如双箭头52所指示)。在此移动过程中，空气轴承55可使终端台26的墙壁与气浮式承轴50之间保持真空密封状态。气浮式承轴50也可绕着纵轴60旋转到(例如)±2°，以补正离子束12的转向误差。为了清楚起见，图2中没有示出气浮式承轴50的元件，例如为此技术领域中众所周知的线性驱动马达(linear drive motor)、线性编码器(linear encoder)与角编码器(angular encoder)、差动真空泵浦(differential vacuum pump)、移动控制系统以及其他元件。 
晶圆支撑组装200的下面部件65可安装在气浮式承轴50的顶端。晶圆支撑组装200的上面部件70可沿着倾斜轴80而连在下面部件65上。这两个部件65与70可以流体方式(fluid)相通以及与气浮式承轴50相通，使这些元件内部可处于大气压或接近大气压下，这跟终端台26内的高度真空相反。晶圆27可以相对于水平面(例如)±60°而绕着倾斜轴80倾斜，以便于执行有角度的离子植入。晶圆27也可绕着轴90旋转，以便于执行(例如)具有高处理量的双极模式(bi-mode)或四极模式(quad-mode)植入。此技术领域里众所周知的轴承、真空密封、马达、编码器以及其他部件没有示于图2中。 
在现有的低温离子植入机的设计中，冷却系统可并入或耦接于晶圆支撑组装200。此冷却系统通常包括：冷却剂软管95，供应液态冷却剂于台板28；冷却剂盘管(coolant coil)105，帮助台板28旋转移动；以及冷却剂环路(coolant loop)101，使液态冷却剂在台板28内循环。晶圆27在离子植入过程中可被冷却以抵消沉积在晶圆27中的射束能量(beam energy)的热效 应。晶圆27可以静电方式(electrostatically)固定在台板28上，且晶圆27与台板28之间通常有8微米的间隙，以便能够引入背面气体(backside gas)来改善晶圆27与台板28之间的热传导(thermal conduction)。为了清楚起见，关于背面气体的循环没有示于图2中。晶圆27可通过背面气体将热量传递到台板28上，然后流经冷却剂环路101的液态冷却剂可将这些多余的热量带走。 
举例来说，60keV射束能量与20mA射束电流(beam current)下的砷(As)植入，可沉积大约1200W能量到终端台26中。在此离子植入工艺中，晶圆27与台板28之间的温度差可能是40℃。外部的水冷式(water-cooled)热交换器(heat exchanger)(没有示出)可将水流冷却至20℃，而水流可通过内直径为0.188英寸的薄壁软塑胶管，而以0.6gpm(加仑/分钟)的速率循环流到台板28。此水流可确保晶圆温度不超过上限(例如100℃，已知超过此温度，遮盖晶圆的光阻就会被破坏)。 
图3所示为依据本发明一实施例的用于低温离子植入的晶圆支撑组装300的立体图。与图2所示的晶圆支撑组装200相比，可用一系列与旋转式轴承120、122与124互连的冷却剂刚性管(例如，金属管)126、127与128来取代冷却剂软管(95、101与105)，使得台板28可分别绕着轴60、80以及90移动。旋转式轴承120、122与124在设计上可相同，也可不同。下面将参照图4来描述旋转式轴承的一种示范性设计。冷却剂刚性管126可经由界面盒(interface box)130而进一步耦接到制冷系统145，且与绝缘软线135相连。 
晶圆支撑组装300的两部件65与70是以流体方式相通以及与气浮式承轴50相通，使得这些元件的内部形成真空空间，此真空空间与终端台真空空间(没有示出)是隔开的。此真空空间不仅可为冷却剂管道(126、127及128)与旋转式轴承(120、122及124)提供热绝缘，而且也可避免发生冷凝。真空帮泵系统140(例如旋转式泵浦(rotary pump)或旋转式泵浦与涡轮式泵 浦(turbo pump)相结合)可将气体抽离界面盒130，借此来达到气浮式承轴50内的真空程度。也可利用界面盒130来关闭气浮式承轴50的末端，且使内腔能够与终端台26(图3中没有示出)内的高度真空空间相通，藉此来达到真空程度。这种相通可用阀(valve)(没有示出)来控制，如此一来，可以在不影响终端台的情况下，维持气浮式承轴50内的真空。除了维持气浮式承轴50内部的真空环境外，也可以用干燥的惰性气体(inert gas)来填充或清理气浮式承轴50的内腔。另外，可能需要对冷却剂管道(126、127及128)与旋转式轴承(120、122及124)进行绝缘。 
图4所示为依据本发明一实施例的旋转式轴承400的设计图。此旋转式轴承400可包括内毂(hub)205与外毂200，其经由轴承245与盖板250来耦接。内毂205可在外毂200中绕着轴255旋转。此外，在内毂205保持静止不动的情形下，外毂200也可绕着轴255旋转。 
第一导入管(ingress pipe)210可经由环形通道214而与第一导出管(egress pipe)220相通，从而形成第一流路(flow path)。第二导入管212可经由轴通道216而与第二导出管222相通，从而形成第二流路。请注意，名称“导入管”与“导出管”只是为了便于描述，任一流路中的冷却剂流都可具有两种流向中的一种。例如，冷却剂可沿着第一流路进入，经过台板(没有示出)中的冷却通道之后经由第二流路返回，或者冷却剂也可沿着第二流路进入，然后经由第一流路返回。 
值得注意的是，内毂205的旋转不会中断第一流路或第二流路中的冷却剂流。可用轴承240与242来密封环形通道214与轴通道216。轴承240与242的密封面可包括(例如)聚四氟乙烯(Teflon)，石墨(graphite)，浸渍石墨的聚四氟乙烯，如氧化铝(alumina)、氮氧化铝(aluminumoxy-nitride)或碳化硅(silicon carbide)之类的陶瓷材料，或者金属。如图所示，焊接在固定式毂200中的伸缩囊(bellow)230与232可维持密封面之间的压力。此外，在外毂200与伸缩囊230、232之间可能有第二组类 似于轴承240与242的密封元件(没有示出)。 
在不脱离本发明的精神的前提下，也可实施其他设计的旋转式轴承。 
图5所示为依据本发明一实施例的用于低温离子植入的热交换系统500的方块图。此热交换系统500可包括冷却电路的主环路51与辅助环路52。 
主环路51可将作为主要冷却剂的液态氮(LN2)(或冷却的气态氮)从LN2箱502循环流动到LN2-N2热交换器504，在此LN2-N2热交换器504中，液态氮(LN2)可以冷却辅助环路52的一部分。而由液态氮(LN2)产生的氮蒸汽(N2)可被捕获到汽闸(vapor trap)506中。 
作为辅助冷却剂的氮气可在辅助环路52将中循环。通过泵浦510，压缩机(compressor)508可供应氮气(N2)至LN2-N2热交换器504，在LN2-N2热交换器504中，氮气冷却下来，然后开始进行循环，其经由真空界面盒514、气浮式承轴516以及台板(roplat)518而循环至真空室50内的台板520。冷却的氮气(N2)可预先冷却与/或持续冷却台板520所支撑的目标晶圆(没有示出)。冷却的氮气(N2)在冷却台板520后，温度较高的氮气可被泵浦到LN2-N2热交换器504以便继续循环。 
为了更加精确地控制辅助冷却剂氮气(N2)的温度，可将调温加热器(trimheater)512耦接到辅助环路52。此外，也可将加热元件(没有示出)并入台板520。调温加热器512、LN2-N2热交换器504和/或泵浦510的泵浦速度的调配，可以使辅助冷却剂氮气(N2)(从而使台板520)具有恒定的温度或保持在想要的温度范围内。 
真空泵浦系统501可用于热交换系统500的多种元件中，例如泵浦510、调温加热器512以及真空界面盒514。 
依据本发明的实施例，在低温离子植入机中使用例如氮气的气体来作为辅助冷却剂有许多优点。适当的冷却剂气体可包括在化学上具有惰性的单一气体或气体混合物，例如氮气、纯净干空气或氩气(argon)。少量的冷却剂从辅助冷却环路渗漏到离子植入机是允许的，只要上述的渗漏率(leak rate) 低于真空泵浦的抽走渗漏的冷却剂气体的能力即可。由于真空泵浦不易抽走氦气(helium)或氢气(hydrogen)，所以最好不要选用它们作为冷却剂气体。再者，惰性气体的渗漏没有腐蚀性且不会导致冷凝。 
与液态冷却剂相比，气态冷却剂可能需要较高的流速。然而，举例来说，在现有的水冷式台板中，水的流速只需要达到0.6gpm即可。为了要达到较高的流速，气态冷却剂的冷却剂管道可具有较大的直径。根据冷却剂流动的数学模型，希望能使冷却剂管道中的气态冷却剂保持紊流(turbulent flow)的状态(而不是层流(laminar flow)状态)，以最大化热传递。不过，如果冷却剂气体的流速太快(例如，超过0.3马赫或此气体中声速的30％)，那么理想的气体假设可能不再有效。 
使用气态冷却剂作为冷却系统在商业上是可行的。Brooks Automation，Inc.(Chelmsford，MA)的 
Figure G2007800436729D00101
系统PGCL2闭环气体冷却器就是一个例子，美国专利第7,111,467号中有相关的描述。不过 
Figure G2007800436729D00102
系统冷却器中使用的冷却剂可用其他冷却剂来代替，例如液态氮、固态二氧化碳(carbon dioxide)或氨(ammonia)。为了使冷却剂气体具有高流速，辅助环路较佳的是围成圈，以再循环冷却剂气体。为了避免因少量的冷却剂气体渗漏而造成任何损耗，可使先准备好用于补充的冷却剂气体。不过，如果气体的保存不是太重要的话，那么也可使用开放式(open-ended)辅助冷却系统，例如 
Figure G2007800436729D00103
系统PGC气体冷却器。 
根据另一实施例，与图5所示的热交换系统(系统500)相似，其可包括两个或多个热交换器。例如，第一热交换器可应用于室温离子植入。第一热交换器可用水来与冷却台板的辅助环路进行热量的交换。对于冷植入(coldimplant)而言，辅助环路可通过(例如)阀系统来改变方向，以绕过第一热交换器，而利用第二热交换器来将其冷却到很低的温度。 
根据另一实施例，可使用单个热交换器来达到所有的温度范围，且可根据想要的晶圆温度来选择不同的冷却剂。例如，可选择水来执行室温植入， 且可选择其他冷却剂来执行低温植入。液态冷却剂不可混合。较佳实施例可使用气体作为低温冷却剂，使用水作为室温冷却剂。执行完室温植入之后，(室温或高于室温的)气体可用来清理热交换器以及与之相关的冷却通道中的水，然后冷气体循环到台板。用单个热交换器来控制气态冷却剂与液态冷却剂这两种冷却剂的流动，希望冷却通道的截面尺寸能大到可以容纳液流与气流。因为层流可能具有较低的热传递性能，所以确保冷却剂流动为紊乱有许多优点。根据另一实施例，单个热交换器可控制两种不同液态冷却剂的流动，其中当从一种液态冷却剂转换为另一种液态冷却剂时，可对热交换器执行气体清理流程。 
为了在不同晶圆温度下的离子植入中使用静电台板，需要对台板的设计有特殊的思考和考虑。 
典型的静电台板包括多层。首先，此台板可安装在机械底座上，使此台板能够附着在其余的工艺设备上。此机械底座通常是用例如铝的金属制造而成，其可包括冷却通道，例如图2所示的冷却剂环路101。此机械底座层上面可有绝缘层，此绝缘层是用例如氧化铝或氮氧化铝的陶瓷材料制造而成。电极层可位于绝缘层上面，此电极层可以是沉积的金属，且可由单个电极或多个电极段组成。薄介电层可位于电极层上。当DC或AC电压施加在电极上时，可将晶圆装载到介电层上，而以静电方式将晶圆固定在台板上。介电层大致上会完全接触晶圆的背面，但也可具有例如台面式(mesa)结构，使得只有百分之几的晶圆接触介电层。例如，在一个台板中，接触面积只有晶圆总面积的1％。然后，气体可被输送到晶圆与介电层之间，以增加从晶圆到台板的热传导。 
在台板的热循环(thermal cycling)过程中，若使用粘在机械支撑底座上的绝缘层的传统台板，其可能会产生弯曲(bow)，因为台板中的不同材料具有不同的热收缩(thermal contraction)。绝缘层与机械支撑底座之间的黏结层的设定温度也就是台板平坦时的温度。任何不同于此设定温度的温度 都可能造成台板弯曲。如果台板的上表面产生弯曲，那么固定在其上的晶圆就可能会随着台板表面而弯曲。这种现象会导致晶圆之上表面的不同部分的方向随着植入离子束的变化而变化，从而造成角分布广以及处理不一致。因此，需要减小或消除台板中的弯曲，以适用于大范围的工艺温度。例如，希望以相同的台板设计来实施室温植入与低温植入。值得熟悉此技艺者关注的是，这种台板设计并不局限于离子植入，单个台板也可应用于可能会经受明显温度变化的其他工艺。 
根据一实施例，希望台板的机械底座与绝缘层是用相同材料或单片材料构成。在较佳实施例中，机械底座与绝缘层是用单片陶瓷(例如氧化铝)制造而成。另一种方式或者另外，如果冷却通道嵌入绝缘层中，且只有机械底座的周边才有绝缘层，那么台板的弯曲则可减小。减小台板弯曲的其他实施例可包括：(1)将冷却通道放置在台板的活性陶瓷中；(2)将连接器硬焊在陶瓷上，以进入水通道；(3)将陶瓷附着在金属底座的边缘，借此以最小化热弯曲的方式将陶瓷连接到此金属底座；(4)将电性连接区域以最小化热弯曲的方式连接到活性陶瓷层的中心；(5)将聚合物上表面用于上述台板；(6)将平坦硬陶瓷上表面用于上述台板；(7)将接触面积小的台板用于上述台板；(8)使用上述台板中的加热元件来使系统达到操作温度；以及/或(9)使用陶瓷底座。 
图6所示为依据本发明一实施例的台板中的冷却通道。在本实施例中，冷却通道725被机械加工成单片材料700。此单片材料700可包括：第一组穿通孔(clearance hole)705，其用于晶圆升降销(lift pin)(没有示出)；以及第二组穿通孔710，用于电极接触。冷却剂可经由入口通道720进入冷却通道725，且经由出口通道715离开冷却通道725(或反之)。冷却通道725可以逆流(counter-flow)配置的方式来形成，使促使冷却剂流向流转回环路(flow turnaround loop)730的通道与那些促使冷却剂反方向流动的通道为相互交叉。在图6中，冷却剂的一种流向是用点线来标示，而与之相反的流向则是用虚线来标示。从径向上来看，每间隔一个冷却通道的冷却 通道725输送具有相同流向的冷却剂。这种逆流模式与中心室735可使台板的温度分布变均匀。 
图7所示为依据本发明一实施例的静电夹(electrostatic clamp，ESC)750的示范性电极模式。 
以定相的AC电压(通常为30Hz)来供电的典型静电夹包括多个电极段(例如，六个)，因而在有些电极段被供电(energize)(以施加晶圆夹持力(clamping force))的同时，其他电极段从正电压变为负电压(以减小晶圆夹持力或不施加晶圆夹持力)。在晶圆夹持力减小的过程中，背面的气压可遍及偏转电极段之间的空间而使晶圆向上挠曲(deflect)。晶圆挠曲会造成晶圆背面与台板表面之间产生摩擦，从而导致微粒产生、晶圆背面微粒污染、晶圆背面损坏以及台板表面磨损。 
为了解决上述的晶圆挠曲问题，可实施一种狭窄指状(narrow-finger)的交叉指型(inter-digitated)的电极模式750，如图7所示。此电极模式750可包括六个电极752～762，这六个电极752～762形成用3相或6相电压供应器来供电的三对电极。关于实施多相夹持装置的示范性方法，在美国专利第5,452,177号(已整个并入本文)中有相关的描述。由于电极模式750具有交叉指型，因而不论电压相位如何，晶圆夹持力都能够分布于晶圆区域上。因此，晶圆可停止振动，从而可减少微粒的产生。可将电极模式750最佳化到使产生的晶圆夹持力在整个晶圆区域上均匀分布，而不受所施加的AC电压周期的时间影响。这种示范性电极设计可将晶圆挠曲程度减小到如同用MathCAD模型所预测的0.3微米。这种电极模式或类似的电极模式可与全背面接触(full back-side contact)的介电层或接触面积小的台板一起使用。 
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作一些的修改与修饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定的范围为准。 

Claims (26)

1.一种低温离子植入装置，包括：
晶圆支撑机构，在离子植入过程中支撑着晶圆，且帮助所述晶圆在至少一维空间里移动；
冷却机构，耦接到所述晶圆支撑机构，所述冷却机构包括：
制冷单元；
闭环刚性管，让至少一种冷却剂从所述制冷单元循环流动到所述晶圆支撑机构；以及
一个或多个旋转式轴承，耦接所述刚性管，以帮助所述晶圆在所述至少一维空间里移动；以及
护罩，在离子植入过程中，将所述闭环刚性管的至少一部分与支撑着所述晶圆的第一真空空间隔开。
2.根据权利要求1所述的低温离子植入装置，其中至少一种所述冷却剂包括至少一种气态冷却剂。
3.根据权利要求2所述的低温离子植入装置，其中至少一种所述冷却剂是选自氮气、氩气与纯净干空气所组成的族群。
4.根据权利要求2所述的低温离子植入装置，其中至少一种所述气态冷却剂包括一种或多种干的化学惰性气体。
5.根据权利要求2所述的低温离子植入装置，其中至少一种所述气态冷却剂是以紊流方式在所述刚性管中循环，以达到所需的热传递率。
6.根据权利要求1所述的低温离子植入装置，其中所述护罩提供第二真空空间，以对所述闭环刚性管的所述至少一部分进行热绝缘。
7.根据权利要求6所述的低温离子植入装置，还包括：
阀，位于所述护罩中，当所述阀打开时，所述第一真空空间与所述第二真空空间之间能够相通。
8.根据权利要求1所述的低温离子植入装置，其中所述护罩包括气浮式承轴，所述气浮式承轴穿过终端台的壁，所述终端台包围着所述第一真空空间。
9.根据权利要求1所述的低温离子植入装置，其中每个旋转式轴承经配置以耦接两个导入管与两个导出管，且其中第一导入管经由环形通道与第一导出管相通，第二导入管经由轴通道与第二导出管相通，使得两个所述导入管的旋转不会带动两个所述导出管旋转。
10.根据权利要求1所述的低温离子植入装置，其中所述制冷单元包括第一热交换器，利用选自液态氮、固态二氧化碳、液态氨以及混合冷却剂所组成的第一族群的一种或多种冷却剂来冷却所述闭环刚性管的一部分，所述第一热交换器使所述晶圆保持在第一温度范围内。
11.根据权利要求10所述的低温离子植入装置，还包括：
第二热交换器，使所述晶圆保持在不同于所述第一温度范围的第二温度范围内。
12.根据权利要求1所述的低温离子植入装置，还包括：
调温加热器，加热所述闭环刚性管的一部分，从而使所述晶圆支撑机构所支撑着的所述晶圆保持在所需的温度范围内。
13.根据权利要求1所述的低温离子植入装置，其中至少一种所述冷却剂包括两种冷却剂，且所述低温离子植入装置还包括：
选择机构，选择两种所述冷却剂之一来达成所需的晶圆温度范围。
14.根据权利要求13所述的低温离子植入装置，其中两种所述冷却剂包括：水，在室温离子植入中冷却所述晶圆；以及气态冷却剂，将所述晶圆冷却到低于室温的温度。
15.根据权利要求13所述的低温离子植入装置，其中两种所述冷却剂包括两种液态冷却剂，且其中当两种所述液态冷却剂之间进行交换时，用气体来清理所述闭环刚性管。
16.根据权利要求1所述的低温离子植入装置，其中所述晶圆支撑机构包括多个冷却通道，经配置以形成逆流模式。
17.根据权利要求1所述的低温离子植入装置，其中所述晶圆支撑机构包括静电夹，所述静电夹具有多个交叉指型电极段。
18.根据权利要求17所述的低温离子植入装置，其中所述静电夹是用多相电压供应器来供电。
19.一种低温离子植入方法，包括：
将晶圆放置在台板上，所述台板经配置以在至少一维空间里移动所述晶圆；
将闭环刚性管耦接到所述台板，所述闭环的至少两部分经由一个或多个旋转式轴承来连接，以帮助所述晶圆在所述至少一维空间里移动；
提供护罩，在离子植入过程中，所述护罩将所述闭环刚性管的至少一部分与支撑着所述晶圆的第一真空空间隔开；以及
经由所述闭环刚性管，让至少一种气态冷却剂循环流到所述台板，以在所述晶圆的离子植入过程中使所述晶圆保持在预先确定的温度范围内。
20.根据权利要求19所述的低温离子植入方法，还包括：
在离子植入过程中，将所述闭环刚性管的至少一部分与支撑着所述晶圆的第一真空空间隔开。
21.根据权利要求20所述的低温离子植入方法，还包括：
提供第二真空空间，以对所述闭环刚性管的所述至少一部分进行热绝缘。
22.根据权利要求21所述的低温离子植入方法，还包括：
允许所述第一真空空间与所述第二真空空间之间经由阀来相通。
23.根据权利要求19所述的低温离子植入方法，其中至少一种所述气态冷却剂是以紊流方式在所述刚性管中循环，以达到所需的热传递率。
24.根据权利要求19所述的低温离子植入方法，还包括：
加热所述闭环刚性管的一部分，从而使所述晶圆支撑机构所支撑着的所述晶圆保持在所需的温度范围内。
25.根据权利要求19所述的低温离子植入方法，更包括：
选择不同于至少一种所述气态冷却剂的第二种冷却剂，以达成不同的晶圆温度范围。
26.根据权利要求25所述的低温离子植入方法，其中所述第二种冷却剂包括水，在室温离子植入中用来冷却所述晶圆，且其中至少一种所述气态冷却剂是在低于室温的温度下的离子植入中用来冷却所述晶圆。
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