CN107851546A - 高产量的冷却离子注入系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将离子注入处理腔室(122)内的工件(118)的离子注入系统(100)，其进一步包括耦接至处理腔室的装载锁定腔室(136)及隔离腔室(146)，其中限定预注入冷却环境。隔离闸阀(150)选择性使预注入冷却环境与处理环境隔离，其中隔离腔室包括用于支撑并冷却工件的工件支撑件(152)。隔离闸阀是工件进入和离开隔离腔室的唯一进入路径。加压气体源(159)选择性将预注入冷却环境加压至大于处理压力的预注入冷却压，以使工件迅速冷却。工件转移臂(164)在各个腔室之间转移工件。控制器(166)经由对隔离闸阀、预注入冷却工件支撑件及加压气体源的控制而控制工件转移臂，并选择性使工件在隔离腔室中在预注入冷却压力下冷却至预注入冷却温度。

Description

高产量的冷却离子注入系统及方法

技术领域

本发明大体上涉及离子注入系统，更具体涉及一种用于在低于环境温度下在高产量的离子注入系统中注入工件的系统及方法。

背景技术

针对用于半导体制造的大批量生产的某些离子注入过程，诸如冰冷、低温或低于环境温度离子注入过程，人们日益需要达成高工件产量，该产量接近通常与室温离子注入处理相关联的产量。冷离子注入过程通常使工件冷却至-70℃至-100℃范围内的温度，其中对工件的冷却可以经由对静电夹钳或夹盘(ESC)的冷却来实现，工件在离子注入处理期间驻留于该静电夹钳或夹盘上。

公知技术的基本问题在于，通常在离子注入过程开始之前的初始时段内对工件进行冷却，才能执行冷离子注入过程。该冷却时段(常称作“停留时间”)是在开始注入过程之前允许工件达到预期稳态温度的时段。预注入冷却相关联的停留时间与其他工件处理步骤串行执行，这样就会增加整体的每工件处理时间。

存在两种根本上不同的方法来冷却工件，这两种方法主要由预注入冷却相关联的热瞬变期间的工件环境限定。在第一种方法中，能够将工件置于封闭在与离子注入处理环境相关联的真空空间内的所谓预注入冷冻站处。在该预冷冻站处，工件置于经冷却的晶片固持器上，由此使工件冷却至预期的处理温度。此后，将工件转移至待在离子束前进行扫描以经历离子注入过程的离子注入处理环境中的静电夹盘(ESC)。

在第二种方法中，使用与用于离子注入过程的ESC类似的ESC或夹盘，能够在高真空离子注入处理环境中将工件预冷。使用该方法，ESC能够被配置成在离子注入之前冷却工件(例如，预注入冷却)，并且也能够被配置成在离子注入过程期间提供对工件的主动原位冷却。

照例，利用ESC的预注入冷却会采用后侧气体作为用于冷却工件的热介质。根据这种原位冷却方法，在位于离子注入位置时，甚至可能在注入过程开始的过程中，能够使工件达到处理温度，因此通常能够减少停留时间。然而，将真空内ESC用于并行工件预注入冷却、原位冷却及离子注入可能因对静电夹盘设备的技术修改相关联的支出而成本极高，所述静电夹盘设备通常须提供充分的工件冷却，同时在离子注入过程期间扫描工件时须维持足以将工件固持于固定位置的静电力。

这两种常规方法皆遭遇这样的事实，即当工件置于用于冷却的预注入真空环境中或者置于也是真空环境的处理环境中时，工件与ESC之间的热传递受工件冷却板或夹盘界面的热导率限制，该热导率由后侧间隙大小、工件与夹盘之间的接触质量及后侧气体压力决定。

发明内容

本发明领会到，有利地，在高于与离子注入环境相关联的真空压力的高压下的环境中提供工件冷却，由此减少使工件达到预期冷却处理温度所需的时间。举例而言，大气压力界面层能够保持在工件之后，以便能够提高热传递速率。

本发明进一步领会到，在周围大气环境中使工件冷却至适于低温或冷离子注入过程的预定温度范围能够在工件的表面上引起不理想而无法接受的冷凝。于是，本发明提供一种能够克服上述缺点的低温离子注入的解决方案。特别而言，本发明提供与大气环境完全隔绝的隔离腔室，其又能够被配置用于在大于离子注入环境中的那些压力的压力下的非真空环境或与其相关联的其他真空环境中的预注入冷却。

因而，本发明通过提供一种用于低温或“冷”离子注入及用于在低于大气温度的离子注入系统中保持合理处理产量的系统、设备及方法来克服先前技术的局限性。于是，下文呈现本发明的简要概述，以提供对本发明的某些方面的基本理解。本发明内容部分并非本发明的详尽综述。其既非旨在确定本发明的关键元件或主要元件，亦非限定本发明的范围。其目的在于，以简化形式呈现本发明的某些构思，作为下文具体实施方式的引言。

本发明提供呈其中结合具有冷却系统或冷却元件的独立控制隔离腔室形式的用于工件冷却的分离且隔离的环境，其中该隔离腔室被配置成在相对高压或控压环境中提供工件冷却。举例而言，隔离腔室远离周围大气环境及其湿度条件并与其隔离。因此，由于其相对高压环境，隔离腔室大幅提高工件与用于冷却工件的热元件之间的热连通，同时消除或缓解周围环境中原本可能在工件表面上产生冷凝并结冰的冷湿空气及相对湿度的影响。这种高压热界面显著增加传热速率，因而大幅改进在所需工件处理温度下到达热平衡的时间。此外，举例而言，与隔离高压环境的预冷冻系统相关联的成本会明显优于常规ESC预注入冷却和/或原位ESC冷却系统及其他常用方法。

此外，为提高工件产量，低温离子注入过程中的工件冷却能够被分段且配置成贯穿整个离子注入过程，对连带其他区段的工件移动的并行路径提供一定温降。因此，预注入冷却的工件能够准备好用于低温离子注入处理，同时用离子注入另一工件。于是，能够从离子注入过程关键路径部分或完全除去工件停留时间，即使工件达到处理温度所花费的时间量，亦称作“达到温度时间”，由此提高工件产量。

因此，根据本发明，提供一种用于将离子注入冷工件或低于环境温度工件的离子注入系统。举例而言，所述离子注入系统包括处理腔室，该处理腔室具有与其相关联的处理环境。离子注入设备被进一步配置成向位于处理腔室中的工件提供多个离子。诸如静电夹盘(ESC)等夹盘被配置成在工件暴露于多个离子期间支撑处理腔室内的工件。在一个示例中，夹盘被进一步配置成使工件冷却至低于环境温度的处理温度。

装载锁定腔室进一步可操作地耦接至处理腔室，其中该装载锁定腔室被配置成选择性使处理环境与大气环境分离。举例而言，大气环境是处于大气压力、温度及相对湿度水平，而处理环境是处于实质上低于大气环境的压力及相对湿度的处理压力及相对湿度水平(例如真空)。举例而言，装载锁定腔室包括一对可选择性操作的装载锁定闸阀及装载锁定工件支撑件，该装载锁定工件支撑件被配置成在工件自周围大气环境到处理环境及随后自处理环境返回到周围大气环境的交换及转移期间支撑该工件。

根据一个示例性方面，隔离腔室可操作地耦接至处理腔室，其中该隔离腔室具有预注入冷却系统和/或与其相关联的可选择性控制的压力环境。举例而言，隔离腔室包括隔离闸阀，其被配置成选择性使隔离腔室的预注入冷却环境与处理环境相隔离且选择性准许工件进入预注入冷却环境。隔离闸阀限定允许工件进入和离开隔离腔室的唯一进入路径。举例而言，隔离腔室进一步包括预注入冷却工件支撑件，其被配置成支撑并冷却隔离环境内的工件。更具体而言，隔离腔室及隔离闸阀被配置以操作成能够在独立控制的选择压力下进行预注入冷却，同时远离环境大气条件并且连续不断地与其隔离。

举例而言，预注入冷却工件支撑件包括冷冻板，其被配置成接触工件的底表面，由此支撑并冷却预注入冷却环境内的工件。举例而言，预注入冷却工件支撑件包括珀尔帖(Peltier)冷却器、膨胀腔室、低温头及循环制冷回路中的一个或多个部件。举例而言，冷冻板能够包括限定于其中的一个或多个冷却剂通道，其中该冷冻板被配置成经由冷却剂流体通过冷却剂通道的循环而使工件冷却。在另一实例中，夹盘进一步包括限定于其中的夹盘冷却剂通道，其中冷却剂流体进一步循环通过这些夹盘冷却剂通道，以便在离子注入过程期间提供额外的工件冷却，以进一步降低转移至此的工件的温度，或维持转移至此的工件的降低温度。

举例而言，隔离腔室能够进一步包括销升降机构，其被配置成相对于预注入冷却工件支撑件选择性升高及降低工件，或者该工件能够在升高冷冻板以便冷却该工件时保持固定在独立的支撑件上。

举例而言，加压气体源可操作地耦接至隔离腔室，其中该加压气体源被配置成在隔离腔室的隔离闸阀关闭时利用基本上干燥的气体选择性将预注入冷却环境加压至预注入冷却压力。在一个示例中，预注入冷却压力大于处理压力(例如真空压力)，并且选自从处理压力延伸至大气压力的压力范围。在另一示例中，预注入冷却压力大于大气压力。举例而言，干燥气体包括干化空气、干燥氮气、干燥氦气或其他合适干燥气体中的一个或多个气体。

根据另一示例性方面，工件转移臂被配置成在装载锁定腔室、隔离腔室及处理腔室中的两个或两个以上腔室之间选择性转移工件。进一步提供控制器，其被配置成经由对工件转移臂的控制而在装载锁定工件支撑件、预注入冷却工件支撑件与夹盘之间选择性转移工件。举例而言，控制器被进一步配置成经由对隔离闸阀、预注入冷却工件支撑件及加压气体源的控制而选择性使工件在隔离腔室内在预注入冷却压力下冷却至预注入冷却温度。控制器可以被进一步配置成至少部分基于所需的处理产量来确定预注入冷却温度及压力。另外，可以提供温度监测系统，其被配置成测量工件在隔离腔室处或其中的温度，其中控制器被进一步配置成至少部分基于所测得的工件温度而对使工件冷却至预注入冷却温度进行控制。

举例而言，真空源能够进一步可操作地耦接至隔离腔室，其中控制器被进一步配置成经由对真空源及隔离闸阀的控制而选择性将隔离腔室抽空至大致处理压力。举例而言，控制器被配置成在工件在预注入冷却压力下冷却至预注入冷却温度之后选择性抽空隔离腔室，以便允许经冷却的工件转移至处理腔室及其中的夹盘，以供离子注入。

根据又一示例，可以提供后注入加热站，其可操作地耦接至处理腔室，其中该后注入加热站包括经加热工件支撑件，该经加热工件支撑件被配置成将工件加热至大于大气环境的露点温度的后注入温度，以消除或减少在经冷却工件上形成冷凝的可能性。举例而言，后注入加热站可以限定于装载锁定腔室内，或者可以替选地附接至处理腔室或甚至可以驻留于处理腔室内。

根据另一示例性方面，提供一种用于在低于环境温度下将离子注入工件的方法。根据一个示例，该方法包括使工件设置于大气温度及大气压力下的大气环境中的始初步骤。使工件从大气环境转移至离子注入系统的装载锁定腔室，并且将装载锁定腔室内的压力降低至与处理腔室的处理环境相关联的处理压力。

然后，使处理压力下的工件自装载锁定腔室通过处理腔室转移至隔离腔室中的预注入冷却工件支撑件上。随后，诸如通过上述的隔离闸阀，进一步使工件与隔离腔室内的处理腔室的处理压力隔离。然后，使干燥气体(例如干化空气、氮气及氦气中的一个或多个气体)分配或漏泄到隔离腔室中，由此使隔离腔室中的压力升高至高于处理压力的预注入冷却压力，以便经由所引入的气体的热导率提高预注入冷却站与工件之间的热连通。经由预注入冷却工件支撑件，使工件在隔离腔室中在预注入冷却压力下冷却至预注入冷却温度。此后，泵吸隔离腔室，使得隔离腔室内的压力再次降低至处理压力。应当指出，举例而言，预注入冷却工件支撑件能够在不同于预注入冷却压力的压力下冷冻工件，诸如在升高和/或降低隔离腔室内压力的同时冷冻工件。

根据一个示例，在压力降低至处理压力的预定范围内之后，使工件从隔离腔室转移至居于处理腔室的处理环境中的夹盘，并且将离子注入工件。举例而言，利用后侧气体作为热介质，能够使夹盘(例如静电夹盘)进一步冷却至预定的处理温度，以在离子注入期间使工件进一步降低至处理温度或维持在处理温度。替选地，选择预注入冷却温度，使得工件在注入期间的任何加热保持在可接受的范围内，其中并不提供借由夹盘的额外冷却。

一旦完成离子注入，便使工件从夹盘转移至装载锁定腔室，并且使装载锁定腔室压力提高至大气压力，以允许使工件转移回到周围环境。装载锁定可以结合加热支撑结构，以便将工件加热至超过露点温度的温度，以使其能够进一步从装载锁定腔室转移至大气环境，而无需顾虑其上的冷凝问题。虽然描述为单一装载锁定腔室，但所述装载锁定腔室能够替选地包括多个装载锁定腔室，其中工件被配置成转移至多个装载锁定腔室中的任一装载锁定腔室。

根据另一示例，使工件从夹盘转移至装载锁定腔室能够进一步包括使工件从夹盘转移至后注入加热站。举例而言，在后注入加热站中使工件加热至高于大气环境的露点温度的后注入加热温度，其中随后使该工件从后热站转移至装载锁定腔室并且再转移至大气环境。因此，与冷注入相关联的冷凝问题得以缓解。

上述发明内容的目的仅在于对本发明某些实施方案的某些特征予以简要概述，其他实施方案可以包括附加和/或与前述内容不同的特征，特别而言，该概述不应理解为限制本申请的范围。因此，为达成前述相关目标，本发明包括下文所述且特别在权利要求中指出的特征。下文内容及附图详细阐明本发明的某些说明性实施方案。

然而，这些实施方案仅表明采用本发明原理的多种不同方式中的少数几种。在结合附图考虑的情况下，由下文对本发明的详细描述会更清楚理解本发明的其他目的、优点及新颖性特征。

附图说明

图1是根据本发明若干方面的包括隔离的低温腔室的示例性离子注入系统的框图。

图2图示出根据本发明的诸多方面的用于在低于环境温度下将离子注入工件的方法。

具体实施方式

本发明大体上针对一种在冷冻温度或低于环境温度的离子注入系统中冷却工件及提供高处理产量的系统、设备及方法。于是，现将参照附图对本发明予以阐述，其中相同的附图标记通篇可用于指代相同的元素。应当理解，本文提供的描述仅供说明，而这种具体描述不得解释为限定目的。在下文的描述中，出于解释目的对诸多具体细节加以阐述，以便提供对本发明的全面理解。然而，本领域技术人员显然可知，这类具体细节中的某一些对实践本发明并非必要。再者，本发明的范围并非旨在受下文参照附图所述的实施方案或示例限制，而旨在仅受所附权利要求及其等同物限制。

亦应指出，所提供的附图对本发明的实施方案的某些方面予以说明，因此仅视为示意性说明。特别地，根据本发明的实施方案，附图中所示的元素并非必然互成比例绘制，附图中各元素的布局选为可清楚理解相应的实施方案，不得理解为必然表示实施方案中各组件的实际相对位置。另外，若非特别注明，本文所述的各实施方案及实施例的特征可以彼此结合。

还应理解，在下文描述中，图中所示或文中所述的功能模块、装置、组件、电路元件或其他实体部件或功能部件之间的任何直接连接或耦接亦可通过间接连接或耦接来实施。另外，还应领会，图中所示的功能模块或部件在一个实施方案中可作为单独特征或电路形式实施，而在另一实施方案中亦可或替选作为共同特征或电路来全部或部分实施。举例而言，几个功能模块可作为在共同处理器(如信号处理器)上运行的软件形式实施。进一步理解到，在以下说明书中描述成有线(wire-based)的任何连接亦可经由无线通信来实施，除非另作注明。

根据本发明的一方面，图1图示出示例性离子注入系统100。举例而言，离子注入系统100包括终端102、束线总成104及终端站106。应当理解，在本发明的范围内亦涵盖各种其他类型的基于真空的半导体处理及制造系统，特别而言，诸如等离子体处理系统。此外，虽然说明并描述为单一晶片处理系统，但本发明可同等应用于批量或多晶片处理系统。

一般而言，终端102中的离子源108耦接至电源110，以使掺杂剂气体离子化成多个离子，以形成离子束112。在本示例中，引导离子束112穿过质量分析设备114，其滤出朝向终端站106传递通过孔隙116的适当离子种类。在终端站106中，离子束112轰击工件118(例如半导体衬底，诸如硅晶片、显示面板等)，将该工件118选择性夹至或安装至夹盘120(例如静电夹盘或ESC)。一旦注入的离子嵌入工件118的晶格，其便改变工件的物理、电气和/或化学性质。离子注入用于半导体装置的制造和金属表面处理以及材料科学研究中的各种应用。

本发明的离子束112可采取任何形式，如笔形束或点束、带状束、扫描束或使离子指向终端站106的任何其他形式，并且所有这些形式均属本发明的范围内。此外，如前所述，应当理解，本发明能够结合到等离子体处理系统中，这样术语“离子注入”就应理解为包括等离子体处理系统及等离子体浸没离子注入(PIII)系统。

根据一示例性方面，终端站106包括处理腔室122，诸如真空腔室124，其中处理环境126与该处理腔室相关联。处理环境126大体上存在于处理腔室122内，在一个示例中，该处理环境126包括由耦接至处理腔室并配置成大体上抽空该处理腔室的真空源128(例如真空泵)所产生的真空。

在利用离子注入系统100进行离子注入期间，随着带电离子与工件发生碰撞，能够在工件118上以热量形式积聚能量。倘若缺乏防范措施，这种热量可能会使工件118翘曲或破裂，这在某些实施方案中会致使工件无用(或可用性显著降低)。该热量还会造成传递至工件118的离子量与所需量不同，这会改变所需的功能性。另外，在某些情况下，不仅需要在注入期间冷却工件118以防热量积聚，而且还需要在低于或高于环境温度的温度下注入离子。就低于环境温度或低温的离子注入而言，公知注入期间需要低工件温度来实现工件118的表面的非晶化，由此尤其实现在高级CMOS集成电路装置制造中形成超浅接面。

因此，根据另一示例，夹盘120可以包括低于环境温度的夹盘130，其中低于环境温度的夹盘被配置成在工件暴露于离子束112期间在处理腔室122内支撑并冷却工件118或以其他方式使工件118保持预定温度。应当指出，尽管在本示例中将夹盘120称作低于环境温度的夹盘130，但夹盘120同样可包括高于环境温度的夹盘(图中未示)，其中高于环境温度的夹盘被配置成在处理腔室122内支撑并加热工件118。在又一替选方案中，夹盘120可能不提供加热或冷却；相反，夹盘可以与工件118隔热，以减少或抑制工件的温升。

在一个示例中，低于环境温度的夹盘130包括配置成使工件118冷却或冷冻至低于环境处理温度的静电夹盘(ESC)，该低于环境处理温度显著低于周围环境或者外部或大气环境132的环境温度或大气温度，或者显著低于终端站106内的处理环境126的温度。可以进一步提供冷却系统134，在另一示例中，该冷却系统被配置成冷却或冷冻低于环境温度的夹盘130，由此将居于其上的工件118冷却或冷冻至处理温度。在另一示例中，就高于环境温度的夹盘而言，可以通过类似的方式提供加热系统(图中未示)，其中加热系统被配置成加热高于环境温度的夹盘并将居于其上的工件118加热至处理温度。

根据另一方面，装载锁定腔室136进一步可操作地耦接至终端站106的处理腔室122，其中该装载锁定腔室被配置成使通常接近真空压力的处理环境126与通常处于大气压力138(例如约760托)的大气环境132隔离，同时允许工件118往返于大气环境及处理腔室的转移。举例而言，处理环境126一般维持在实质上低于大气压力138的处理压力140，诸如约5至7托的处理压力。举例而言，装载锁定腔室136进一步包括装载锁定工件支撑件142，其被配置成在工件118从大气环境132的大气压力138转移到处理腔室122中的处理环境126的处理压力和/或从处理腔室122的处理环境126转移到大气环境132的大气压力138期间支撑该工件。举例而言，多个装载锁定门或所谓的闸阀144A、144B将装载锁定腔室136可操作地耦接至相应的处理腔室122及大气环境132。亦提供泵及清洗阀系统(图中未示)，以实现装载锁定腔室136内必要的压力变化，以便使工件118能够在相应的大气环境132与处理环境126之间转移。

在离子注入系统100的某些示例性操作中，处理温度低于大气环境132的环境露点(亦称作露点温度)，诸如约-40℃至-100℃的处理温度。在这种操作中，处理温度显著低于大气环境132的露点温度，因此亦可在工件118回到暴露于大气环境之前使该工件升温，以防在该工件上形成冷凝，如下详述。

本发明人领会到，公知的工件冷却可能不利地影响通过常规离子注入系统的循环时间，其中该循环时间转化成工件产量，这是半导体设备制造及半导体制造程序领域中的重要产品规格。照例，在依赖于经由冷却夹盘的工件冷却的系统中，允许工件在冷却夹盘上静置或“浸渍”一段时间(例如“停留时间”)，直至该工件达到所需温度。这种常规冷却会增加循环时间，由此降低离子注入过程的产量。

为提高处理产量，本发明有利地提供可操作地耦接至处理腔室122的隔离腔室146。举例而言，隔离腔室146可以邻近于或可操作地耦接至装载锁定腔室136。举例而言，隔离腔室146具有限定于其中的预注入冷却环境148，其中该隔离腔室包括隔离闸阀150，其被配置成选择性使预注入冷却环境与处理环境126隔离且选择性准许工件118进入预注入冷却环境，同时进一步使预注入冷却环境与大气环境132隔离且限定工件进入和离开隔离腔室和/或处理腔室122的唯一进入路径。换言之，使工件118从处理腔室122转移至隔离腔室146或从隔离腔室146转移出处理腔室122的唯一进入路径通过隔离闸阀150。举例而言，隔离腔室146进一步包括预注入冷却工件支撑件152，其被配置成支撑并冷却预注入冷却环境148内的工件118。

举例而言，预注入冷却工件支撑件152可以包括冷冻板154，其被配置成接触工件118的底表面，由此支撑并冷却预注入冷却环境148内的工件。举例而言，冷冻板154可以包括限定于其中的一个或多个冷却剂通道，其中冷冻板被配置成经由冷却剂流体156经由冷却系统158通过冷却剂通道的循环而冷却工件。在一个示例中，夹盘120进一步包括限定于其中的夹盘冷却剂通道(图中未示)，其中冷却剂流体156经由冷却系统158进一步循环通过夹盘冷却剂通道。替选地，针对夹盘120及预注入冷却压板154，可以分别实施单独的冷却系统及冷却剂流体(图中未示)。预注入冷却工件支撑件152(和/或低于环境温度的夹盘130)可以替选地包括帕尔贴冷却器、膨胀腔室、低温头及循环制冷回路中的一个或多个部件。

根据本发明的另一示例性方面，加压气体源159可操作地耦接至隔离腔室146。举例而言，加压气体源159被配置成在隔离闸阀150关闭时选择性利用预注入冷却气体160将预注入冷却环境148加压至预注入冷却压力162，其中该预注入冷却压力大于处理压力140。举例而言，预注入冷却压力162选自从处理压力140延伸至大气压力138的压力范围。替选地，预注入冷却压力162大于大气压力138。举例而言，预注入冷却气体160可以包括干燥气体(例如干化空气、氮气、氦气或其混合物)，该干燥气体随后被输入或馈入隔离腔室146中，以使压力增大至高于处理压力140的所需预注入冷却压力162，由此经由所引入的预注入冷却气体在相对于处理腔室122的真空压力的高压下的热导率，提高隔离腔室与工件118之间的热连通。

根据另一示例，提供工件转移臂164，其被配置成在装载锁定腔室136、隔离腔室146及处理腔室122中的两个或两个以上腔室之间选择性转移工件118。进一步提供控制器166，其被配置成经由对工件转移臂164的控制而在装载锁定工件支撑件142、预注入冷却工件支撑件152与夹盘120之间选择性转移工件118。控制器166被进一步配置成经由对隔离闸阀150、预注入冷却工件支撑件152及加压气体源159的控制而在预注入冷却压力162下在隔离腔室146内选择性使工件118冷却至预注入冷却温度。举例而言，控制器166被进一步配置成在预注入冷却压力162下将工件118冷却至预注入冷却温度之后选择性抽空隔离腔室146。举例而言，预注入冷却真空源168可操作地耦接至隔离腔室146，其中控制器166被进一步配置成经由对真空源及隔离闸阀150的控制而选择性将隔离腔室146抽空至约等于处理压力140的压力。应当指出，预注入冷却真空源168可以与真空源128相同、整合或分离。另外，隔离腔室146亦可以包括销升降机构(图中未示)，其被配置成相对于预注入冷却工件支撑件152选择性升高及降低工件118，从而促进转移臂164接近工件，其中控制器166可进一步操作成控制销升降机构以并协调转移臂164的移动。

根据另一示例，进一步提供温度监测系统(图中未示)，其被配置成测量隔离腔室146处的工件118的温度。举例而言，控制器166被进一步配置成至少部分基于所测得的工件温度而将工件118的冷却控制于预注入冷却温度。控制器166可以被进一步配置成至少部分基于所需的处理产量而确定预注入冷却温度及压力。在又一示例中，处理温度可以低于或高于预注入冷却温度，以允许从隔离腔室146转移到夹盘120期间的温升，或允许在工件118递送至夹盘后该工件的进一步温降，其中该夹盘被进一步配置成冷冻工件，如上所述。

在另一示例中，后注入加热站170可以可操作地耦接至处理腔室122，其中该后注入加热站包括经加热工件支撑件172，其配置成将工件118加热至大于与大气环境132相关联的露点温度的后注入温度。举例而言，后注入加热站170可以附接至处理腔室122，定位于处理腔室内，或者可以限定于装载锁定腔室136内。

根据本发明的另一示例性方面，图2图示出提供一种在低于环境温度下处理工件的示例性方法300。应当指出，尽管在本文中以一系列动作或事件阐述示例性方法，但应当领会，本发明不仅限于这类动作或事件的所示次序，根据本发明，某些步骤会以不同顺序执行且/或与除本文所示及所述外的其他步骤同时进行。此外，并非所述各步骤均必须用于实现根据本发明的方法。此外，应领会到，所述方法可结合本文所述的系统以及结合文中未示的其他系统来实施。

图2的方法300始于动作302，其中将工件设置于处于大气温度及大气压力的大气环境中或递送至离子注入系统。在动作304，将第一工件自大气环境转移至装载锁定腔室，在动作306，基本上抽空装载锁定腔室以使装载锁定腔室内的压力达到处理压力(例如，处理腔室或终端站的基本真空压力)。一旦装载锁定腔室与处理腔室的压力基本上相等，便在动作308，自装载锁定腔室转移工件(在处理压力下)且将其转移至隔离腔室中的预注入冷却工件支撑件上。在动作310，借由关闭隔离闸阀使隔离腔室中的工件与隔离腔室内的处理腔室的处理压力隔离，并且将隔离腔室内的压力升高至大于处理压力的预注入冷却压力。

在动作312，经由预注入冷却工件支撑件使工件在隔离腔室中在预注入冷却压力下冷却至预注入冷却温度，如上参照图1所述。在一个示例中，预注入冷却压力包括自处理压力延伸至大气压力的压力范围。在另一示例中，预注入冷却压力包括自处理压力延伸至大于大气压力的高压的压力范围。应领会到，这种增压会增强预注入冷却工件支撑件与工件之间的热传导，从而相对于真空环境中的冷冻，能够更快地冷冻工件。在一个示例性实施方案中，冷冻隔离腔室中的工件能够进一步借由将干燥高压气体递送到隔离腔室中而增强，从而例如微调浸渍时间，以便优化工件产量。另外，举例而言，能够控制干燥气体的湿度水平，以使冷凝降至最小程度。

在动作314，一旦达到所需的预注入冷却温度，便使隔离腔室内的压力降回处理压力。应当指出，所需的预注入冷却温度可以是执行离子注入的处理温度或者可以是高于处理温度的温度，其中将在处理环境中的夹盘上将工件进一步冷却至更低温度。亦应指出，动作312的冷却可以与动作310及314中的任一或二者同时执行，由此工件的冷却能够在将工件递送至隔离腔室中之后和/或将工件置放于预注入冷却工件支撑件上之后立即开始。举例而言，在隔离腔室处于或不处于预注入冷却压力的情况下，工件可以在压力转变期间受到冷却。

转至动作316，打开隔离闸阀且将工件自隔离腔室转移至驻留于处理腔室的处理环境中的夹盘。在将工件牢固地定位于夹盘上之后，在动作318，将离子注入该工件中。在一个示例中，动作318可以进一步包括使夹盘冷却至处理温度以便在离子注入期间维持工件的温度。在另一示例中，夹盘可以被冷却以使定位于其上的工件能够进一步冷却至低于递送至其的工件的温度的温度。

一旦完成离子注入，则在动作320，将工件自夹盘转移至装载锁定腔室。在一个示例中，装载锁定腔室可以包括加热板或其他热源，用以充当如上所述的加热站，由此将工件加热至大于与大气环境相关联的露点温度的后加热温度。这样，随后能够将工件自后热站转移至大气环境，而并未因其温度降低而在工件上发生冷凝。替选地，在动作320中将工件自夹盘转移至装载锁定腔室可以进一步包括将工件转移至单独的后热站，由此将该工件加热至大于大气环境的露点温度的后加热温度，然后将工件自后热站转移至装载锁定腔室。

在动作322，将装载锁定腔室内的压力提高至大气压力，随后在动作324，能够自装载锁定腔室移除工件。

总而言之，本发明提供用于低温离子注入的改进技术，这是通过提供使工件冷却的动作与大气环境及处理环境皆隔离以便能够在大于与离子注入处理腔室相关联的真空压力的压力下、同时在工件不易因冷工件暴露于环境大气环境的相对湿度而冷凝的受控环境中执行冷却动作的设备及方法。

尽管本发明已就某一或某些实施方案予以表示及叙述，但应当指出，上述实施方案仅作本发明某些实施方案的实施示例，本发明的应用不受这些实施方案的局限。特别是关于上述构件(组件、装置、电路等)所执行的各种功能，除非另作说明，否则用来描述这些构件的术语(包括引用“手段”)旨在对应于执行上述构件的具体功能的任意构件(即在功能上等效)，即使在结构上并未等效于在本发明示例性实施方案中所示的执行本文所述功能的所述结构。此外，虽然仅就若干实施方案中的一种方案公开本发明的特定特征，如若适于或利于任何指定或特定应用，则这一特征可结合其他实施方案的一个或多个其他特征。相应地，本发明不限于上述实施方案，但旨在仅受所附权利要求书及其等同变化的限制。

Claims (28)

1.一种离子注入系统，其包括：

离子源，其被配置成向位于处理腔室中的工件提供多个离子，其中该处理腔室具有与其相关联的处理环境；

夹盘，其被配置成在工件暴露于多个离子期间支撑处理腔室内的工件；

装载锁定腔室，其可操作地耦接至处理腔室，所述装载锁定腔室被配置成实现工件往返于大气环境和处理环境的转移，所述装载锁定腔室包括配置成在工件的转移期间支撑工件的装载锁定工件支撑件；

隔离腔室，其可操作地耦接至处理腔室且具有限定于其中的预注入冷却环境，其中该隔离腔室包括配置成选择性使预注入冷却环境与处理环境隔离且选择性准许工件进入预注入冷却环境的隔离闸阀，其中该隔离腔室包括配置成支撑并冷却预注入冷却环境内的工件的预注入冷却工件支撑件，以及其中该隔离闸阀限定工件自处理腔室进入隔离腔室以及离开隔离腔室到处理腔室的唯一进入路径；

加压气体源，其可操作地耦接至隔离腔室，其中该加压气体源被配置成在隔离闸阀关闭时选择性将预注入冷却环境加压至预注入冷却压力，以及其中该预注入冷却压力大于处理环境的处理压力；

工件转移臂，其被配置成在装载锁定腔室、隔离腔室及处理腔室中的两个或两个以上腔室之间选择性转移工件；以及

控制器，其被配置成经由对工件转移臂的控制而在装载锁定工件支撑件、预注入冷却工件支撑件与夹盘之间选择性转移工件，以及其中该控制器被进一步配置成经由对隔离闸阀、预注入冷却工件支撑件及加压气体源的控制而选择性使工件在隔离腔室内在预注入冷却压力下冷却至预注入冷却温度。

2.如权利要求1所述的离子注入系统，进一步包括可操作地耦接至隔离腔室的真空源，其中所述控制器被进一步配置成经由对真空源及预冷冻闸阀的控制而选择性将隔离腔室抽空至大致处理压力。

3.如权利要求2所述的离子注入系统，其中，所述控制器被配置成在工件在预注入冷却压力下冷却至预注入冷却温度之后选择性抽空隔离腔室。

4.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，所述预注入冷却压力是选自由处理压力延伸至大气压力的压力范围。

5.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，所述预注入冷却压力大于大气压力。

6.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，所述加压气体源包括由干化空气、氮气及氦气中的一个或多个气体组成的干燥气体。

7.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，所述预注入冷却工件支撑件包括冷冻板，其被配置成接触工件的底表面，由此支撑并冷却预注入冷却环境内的工件。

8.如权利要求7所述的离子注入系统，其中，所述冷冻板包括限定于其中的一个或多个冷却剂通道，其中所述冷冻板被配置成经由冷却剂流体通过该冷却剂通道循环而冷却工件。

9.如权利要求8所述的离子注入系统，其中，所述夹盘进一步包括限定于其中的夹盘冷却剂通道，以及其中冷却剂流体进一步循环通过该夹盘冷却剂通道。

10.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，所述夹盘包括配置成使工件冷却至处理温度的静电夹钳。

11.如权利要求10所述的离子注入系统，其中，所述夹盘包括限定于其中的夹盘冷却剂通道，其中所述夹盘被进一步配置成经由冷却剂流体通过该夹盘冷却剂通道循环而使工件冷却至处理温度。

12.如权利要求10所述的离子注入系统，其中，所述处理温度低于预注入冷却温度。

13.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，所述隔离腔室邻近于装载锁定腔室。

14.如权利要求1所述的离子注入系统，进一步包括可操作地耦接至处理腔室的后热站，其中该后热站包括经加热工件支撑件，其被配置成使工件加热至高于大气环境露点的后热温度。

15.如权利要求14所述的离子注入系统，其中，所述后热站被限定于装载锁定腔室内。

16.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，所述预注入冷却工件支撑件包括珀尔帖冷却器、膨胀腔室、低温头及循环制冷回路中的一个或多个部件。

17.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，所述隔离腔室进一步包括配置成相对于预注入冷却工件支撑件选择性升高和降低工件的销升降机构。

18.如权利要求1所述的离子注入系统，其中，所述控制器被进一步配置成至少部分基于所需的处理产量来确定预注入冷却温度。

19.如权利要求1所述的离子注入系统，进一步包括温度监测系统，其被配置成测量工件在隔离腔室处的温度，其中所述控制器被进一步配置成至少部分基于所测得的工件温度而对使工件冷却至预注入冷却温度进行控制。

20.一种用于在低于环境温度的温度下将离子注入工件的方法，该方法包括：

使工件设置于处于大气温度及大气压力的大气环境中；

使工件自大气环境转移至离子注入系统的装载锁定腔室；

使所述装载锁定腔室内的压力降低至与处理腔室的处理环境相关联的处理压力；

使处理压力下的工件自装载锁定腔室通过处理腔室转移至隔离腔室中的预注入冷却工件支撑件上；

在隔离腔室内，使工件与处理腔室的处理压力隔离；

使隔离腔室内的压力增大至大于处理压力的预注入冷却压力；

经由所述预注入冷却工件支撑件，使工件在隔离腔室中在预注入冷却压力下冷却至预注入冷却温度；

使隔离腔室内的压力降低至处理压力；

使工件自隔离腔室转移至居于处理腔室的处理环境中的夹盘；

将离子注入工件；

使工件自夹盘转移至装载锁定腔室；

使装载锁定腔室内的压力增大至大气压力；以及

使工件自装载锁定腔室转移至大气环境。

21.如权利要求20所述的方法，进一步包括：在工件居于预注入冷却工件支撑件上的同时，使工件冷却。

22.如权利要求20所述的方法，进一步包括：使所述夹盘冷却至处理温度。

23.如权利要求20所述的方法，其中，所述装载锁定腔室包括多个装载锁定腔室，以及其中所述工件被配置成转移至所述多个装载锁定腔室中的任一装载锁定腔室。

24.如权利要求20所述的方法，其中，所述预注入冷却压力包括自所述处理压力延伸至大气压力的压力范围。

25.如权利要求20所述的方法，其中，所述预注入冷却压力包括自所述处理压力延伸至大于大气压力的高压的压力范围。

26.如权利要求20所述的方法，其中，使工件自夹盘转移至装载锁定腔室进一步包括：

使工件自夹盘转移至后热站；

将后热站中的工件加热至高于大气环境的露点的后热温度；以及

使工件自后热站转移至装载锁定腔室。

27.如权利要求20所述的方法，其中，使隔离腔室中的工件冷却包括使冷却流体流经预注入冷却工件支撑件。

28.如权利要求27所述的方法，进一步包括：使冷却流体流经夹盘，在该冷却流体中冷却所述夹盘。