CN109417010B - 加热或冷却晶片的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离子注入系统，其包括第一腔室以及具有加热夹盘的处理腔室。控制器在加热夹盘与第一腔室之间转移工件并选择性激励加热夹盘的第一模式和第二模式。在第一模式和第二模式下，分别将加热夹盘加热到第一温度和第二温度。第一温度是预定温度。第二温度是可变温度，由此控制器基于第一腔室中的热预算、注入能量和/或工件初始温度来确定第二温度，并且在第二模式下大体上维持第二温度。将工件从加热夹盘转移至第一腔室在第二模式下从处理腔室移除注入能量。通过在加热夹盘与冷却板之间转移工件，可以进一步将热量从加热夹盘传递至冷却板，继而冷却加热夹盘。

Description

加热或冷却晶片的设备及方法
相关申请的引用
本申请要求名称为“WAFER COOLING METHOD”、申请日为2016年6月2日、申请号为62/344,483的美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明大体上涉及工件处理系统以及处理工件的方法，更具体涉及在离子注入期间均匀控制加热夹盘上工件的温度的系统和方法。
背景技术
在半导体处理中，可以对工件或半导体晶片执行诸如离子注入等许多操作。随着离子注入处理技术的进步，可以实施各种工件的离子注入温度，从而实现各种工件中的注入特征。举例而言，在常规的离子注入处理中，通常考虑三种温度状态：冷注入，其中工件的处理温度保持在低于室温的温度；热注入，其中工件的处理温度维持在通常高达300℃至600℃的高温；以及所谓的准室温注入，其中工件的处理温度维持在略高于室温但低于高温注入中所用温度的温度，准室温注入的温度范围通常为50℃至100℃。
例如热注入日益普遍，其中实现工艺温度通常经由专用的高温静电夹盘(ESC)，也称为加热夹盘。在注入期间，加热夹盘将工件保持或夹持到其表面上。常规的高温ESC例如包括嵌入夹持表面下方的一组加热器，用于将ESC和工件加热到工艺温度(例如300℃至600℃)，由此气体界面通常提供从夹持表面到工件背面的热界面。通常，高温ESC通过向背景中的腔室表面辐射能量来冷却。
冷淬离子注入工艺也十分常见，其中常规上将室温工件放置在冷淬夹盘上，并将冷淬夹盘冷却到冷淬温度(例如低于室温的温度)，从而冷却工件。冷却冷淬夹盘从离子注入中移除传递到工件中的热能，同时在注入期间经由从冷淬夹盘移除热量进一步使夹盘和工件维持在冷淬温度。
离子注入工艺也可在所谓的“准室温”下进行(例如温度略高于室温，诸如50℃至60℃，但不及热离子注入工艺)，由此在注入期间通常使用低热夹盘(例如配置成加热到100℃以下温度的夹盘)来控制工件的温度。然而，使用这种低热夹盘时，将相对较冷(例如室温，约20℃)的工件放置到低热夹盘上，由此背气与低热夹盘和工件热耦合，从而使能量从低热夹盘传递到工件中，直至达到平衡温度，之后进行离子注入。
然而，这样通过低热夹盘对工件进行加热可能导致工件与工件间的注入温度发生变化，因为不仅在注入之前从低热夹盘向工件传递能量，注入本身也产生热量，由此低热夹盘的温度可能在一段时间内波动。这种波动会对工件与工件间的注入均匀性产生不利影响，尚未达到稳态运行时，启动注入系统过程中还会加剧这种变化。
通常，高温ESC(例如加热夹盘)仅用于热注入，若期望处理过程从高温处理(例如300℃至600℃)变为准室温处理(例如低于100℃)，则会至少部分由于其中加热器的配置以及用于控制注入温度的控制机制而产生问题。因此，从高温注入变为准室温注入时，将使用低热夹盘取代加热夹盘，由此针对额定处理温度，加热夹盘和低热夹盘具有不同的传热能力。
发明内容
本发明克服现有技术局限性的解决方案为提供一种用于在高温静电夹盘上的工件进行注入的系统和方法，由此该系统和方法提供一种既可用于高温注入又可用于准室温注入的配置。
据此，下文介绍本发明的简要概述，以便对本发明的某些方面具有基本了解。本发明内容并不是本发明的广泛概述。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。
本发明大体上涉及一种具有离子注入设备的离子注入系统以及一种用于控制加热其中工件的方法。举例而言，所述离子注入系统包括离子注入设备，该离子注入设备配置成引导离子束指向处理腔室。第一腔室可操作地耦接至处理腔室，并且加热夹盘定位于处理腔室内。举例而言，所述加热夹盘配置成选择性将工件夹持至其夹持表面，其中该加热夹盘包括与其相关联的一个或多个加热器。举例而言，所述一个或多个加热器嵌入加热夹盘内并配置成选择性加热夹持表面。作为替代方案，所述一个或多个加热器包括指向加热夹盘的夹持表面的一个或多个辐射热源。工件转移设备进一步配置成在加热夹盘与第一腔室之间转移工件。
根据另一方面，提供控制器，并且该控制器配置成经由工件转移设备选择性在加热夹盘与第一腔室之间转移工件。所述控制器进一步配置成选择性激励一个或多个加热器以第一模式和第二模式中的每一模式操作加热夹盘。在第一模式下，一个或多个加热器将夹持表面加热到与高温离子注入相关联的第一温度。在第二模式下，一个或多个加热器将夹持表面加热到与准室温离子注入相关联的第二温度。
举例而言，所述控制器配置成基于与工件相关联的热预算、与离子束撞击工件相关联的注入能量以及工件居于第一腔室中时的工件初始温度中的一个或多个来确定第二温度。所述控制器进一步配置成在第二模式下使加热夹盘上大体上维持第二温度，其中加热夹盘以第二模式操作时，将工件从加热夹盘转移到第一腔室大体上从处理腔室移除注入能量。
为实现前述及有关目的，本发明包括下文完整描述且特别在权利要求书中所指出的特征。下列说明及附图详细提出于本发明的某些说明性实施例。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说明根据本发明某一方面的示例性加热离子注入系统的框图；
图2为说明根据本发明另一示例性方面的用于加热离子注入工件的示例性方法的框图；
图3为说明根据本发明另一示例性方面的用于加热离子注入工件的示例性方法的框图；
图4为说明根据另一方面的示例性控制系统的框图。
具体实施方式
本发明大体上涉及离子注入系统，更具体涉及一种配置用于高温注入和准室温注入的离子注入系统。据此，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指相同的元件。应当理解到，对这些方面的描述仅供说明，而不得解释为限定目的。在以下的说明的中，基于解释的目的，许多具体细节被加以阐述，以提供对本发明的全盘了解。然而，本领域技术人员会显而易知，本发明可在不具备这些具体细节的情况下实施。
根据本发明某一方面，图1说明示例性离子注入系统100。本实例中的离子注入系统100包括示例性离子注入设备101，但亦涵盖其他各类型基于真空的半导体处理系统，如等离子处理系统或其他半导体处理系统。离子注入设备101例如包括终端102、束线总成104及终端站106。
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且形成离子束112。在本实施例中，引导离子束112穿过质量分析设备114且穿出穿孔116射向终端站106。在终端站106中，离子束112轰击工件118(例如硅晶片、显示面板等衬底)，该工件118被选择性夹持至或安装至夹盘120(例如静电夹盘或ESC)。一旦注入的离子嵌入工件118的晶格时，则其改变工件的物理和/或化学性质。鉴此，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中。
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、扫描束或引导离子指向终端站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。
根据一典型方面，终端站106包括处理腔室122，如真空腔室124，其中处理环境126与该处理腔室关联。处理环境126一般存在于处理腔室122内，在某个实例中，处理环境126包括由耦接至处理腔室并配置成大体上将该处理腔室抽成真空的真空源128(例如真空泵)所产生的真空。
在某个实例中，离子注入设备101配置成提供高温离子注入，其中工件118被加热到处理温度(例如约300℃至600℃)。因此，在本实例中，夹盘120包括加热夹盘130，其中该加热夹盘配置成将工件118支撑并保持在其夹持表面131上，同时还允许在工件暴露于离子束112之前、期间和/或之后在处理腔室122内加热工件118。
加热夹盘130例如包括配置成支持工件118并同时将工件加热到处理温度的静电夹盘(ESC)，该处理温度显著高于周围或外部环境132(例如也称作“大气环境”)的环境或大气温度。举例而言，可以进一步提供加热系统134，其中该加热系统配置成加热加热夹盘130(例如夹持表面131)，进而将居于其上的工件118加热到期望的处理温度。加热系统134例如配置成经由布置于加热夹盘130内的一个或多个加热器136选择性加热工件118。作为替代方案，加热系统134的一个或多个加热器136可包括辐射热源(未示出)，诸如位于加热夹盘130外部的卤素灯、发光二极管和红外放热装置中的一个或多个。
对于某些高温注入而言，工件118能够在处理环境126的真空内“浸泡”在加热夹盘130上，直至达到期望温度。作为替代方案，为延长通过离子注入系统100的循环时间，可在一个或多个腔室138A、138B(例如一个或多个装载锁定腔室)中预热工件，这些腔室经由预热设备152可操作地耦接至处理腔室122。
根据工具架构、工艺和额定产量，工件118可经由预热设备152预热到第一温度，其中该第一温度等于或低于工艺温度，从而实现真空腔室124内的加热夹盘130上的最终热均衡。这种情况导致工件118在转移到处理腔室122期间损失一些热量，其中在加热夹盘130上执行最终加热到处理温度。作为替代方案，工件118可经由预热设备152预热到高于处理温度的第一温度。据此，第一温度将得到优化，以便工件118在转移到处理腔室122期间的冷却恰好足以使工件处于其夹持到加热夹盘130上时期望的处理温度。
与一个或多个腔室相关联的预热设备152(例如图1中的腔室138A)能够有利地在外部环境132的大气压力下加热工件118，之后将工件带入处理腔室122的处理环境126的真空。举例而言，主要由辐射主导在高度真空环境中(如在处理腔室122内)将热量传递到工件118中。结晶硅在300至500℃的温度下的总半球发射率例如约在0.2至0.6的范围内，因此由于工件118的低辐射热吸收率而无法良好适应快速的热瞬变。
为加速热升温并实现热传递的附加机制，工件118的背面与加热夹盘130导通。通过加热夹盘130与工件118之间的压控气体界面(也称为“背面气体”)实现这种导通。背面气体的压力例如通常受加热夹盘130的静电力限制，并且通常可能保持在5至20Torr的范围内。在某个实例中，背面气体界面的厚度(例如工件118与加热夹盘130之间的距离)以微米量级(通常为5至20μm)来控制，照此分子平均自由路径在这种压力状态下使得界面厚度的大小足以将系统推入过渡和分子气体状态。
作为替代方案，预热设备152可在处理环境126的真空压力下加热工件118。在又一替代方案中，预热设备152可在与一个或多个腔室138A、138B被抽气以从大气压力转变为真空压力相同的时间帧内加热工件118。
预热设备152例如包括定位于腔室138A内的热板154。热板154例如包括电阻加热器，其能够包括嵌入热板中的加热元件、热泵或用于将热能从热板传递到工件118的其他加热机制。作为替代方案，预热设备152包括辐射热源，诸如卤素灯、发光二极管和红外放热装置中的一个或多个。
根据本发明的另一方面，腔室138B包括冷却设备160，该冷却设备配置成在离子注入期间继离子注入之后将工件118布置在腔室138B内时冷却工件。冷却设备160例如可包括冷淬工件支撑件162，其中该冷淬工件支撑件配置成经由热传导主动冷却居于其上的工件118。冷淬工件支撑件162例如包括冷板，该冷板具有贯穿其中的一个或多个冷却通道，其中经过冷却通道的冷却流体大致冷却居于冷板表面上的工件118。冷淬工件支撑件162可包括其他冷却机制，诸如珀尔帖冷却器或本领域普通技术人员公知的其他冷却机制。
根据另一示例性方面，进一步提供控制器170并且该控制器配置成选择性启动加热系统134、预热设备152和冷却设备，以选择性加热或冷却相应位于其上的工件118。控制器170例如可配置成经由预热设备152加热腔室138A中的工件118，以在处理腔室122中经由加热夹盘130和加热系统134将工件加热到预定温度，经由离子注入设备101将离子注入工件，选择性经由冷却设备160冷却腔室138B中的工件，并经由控制泵和排气口172、相应腔室138A、138B的相应大气门174A、174B和真空门176A、176B以及工件转移设备178A、178B在外部环境132(例如大气)与处理环境126(例如真空环境)之间转移工件。
在某个实例中，可进一步往返于处理腔室122递送工件118，以便经由工件转移设备178A在所选的前开式统集盒(Front Opening Unified Pod，FOUP)180A、180B与腔室138A、138B之间转移工件，并经由工件转移设备178B在腔室138A、138B与加热夹盘130之间转移工件。控制器170例如进一步配置成经由控制工件转移设备178A、178B选择性在FOUP180A、180B、腔室138A、138B与加热夹盘130之间转移工件。
如前所述，常规离子注入系统通常使用各种不同配置的静电夹盘，由此在不同温度范围内执行的注入分别使用具有不同传热能力的不同静电夹盘。然而，本发明图1中的系统100有利地配置成执行高温注入(例如在300℃至600℃的范围内)以及准室温注入(例如在20℃至100℃的范围内)，同时使用相同的加热夹盘130。这种配置在简便性和生产率方面均优于常规系统，因为图1中的系统100可用于各种注入方案，其配置变化最小，同时缓解常规离子注入系统的常规启动操作中常见的各种缺陷。
根据本发明，加热夹盘130的热质例如有利地用作能量吸收物以在离子注入期间存储注入能量，其中从离子注入设备101移取工件118后可从中移除所存储的注入能量。据此，本发明有利地以创新方式在离子注入的同时管理热能。
举例而言，加热夹盘130包括直径约300mm的夹板，该夹板的热质约为3372J/K。另一方面，直径为300mm的工件118(例如硅晶片)的热质为80.7J/K。因此，如参阅本发明前述实例可理解，加热夹盘130的热质可以充当能量吸收物以在离子注入期间存储注入能量，由此从离子注入设备101移取工件118后可从中移除所存储的注入能量。
在一般性实例中，工件118在约20℃(例如大约室温)的温度下装载到加热夹盘130上。如果在加热夹盘130上能使工件118的温度上升并且其存储的能量等于离子注入结束时的注入能量，则平均而言，加热夹盘的温度将恒定，并且从系统100移取工件时，工件将尽可能从离子注入系统中带走离子注入期间沉积的能量。
本发明有利地管理与加热夹盘130相关联的这种能量平衡。举例而言，提供最大热预算Tbudget(例如处理期间工件表面的预定最大温度，如Tbudget＝100℃)，并且在20℃下提供工件的初始温度T0。因此，在本实例中，80℃的温差Tdiff(例如Tbudget-T0)可用于其他变量，诸如工件118中存储的能量以及通过工件与加热夹盘130之间热阻的热流。本发明有利地约束注入结束时工件118的能量变化约等于注入期间沉积的注入能量。这例如通过将加热夹盘130预热到某个约等于工件118的最终预定温度的温度来完成。通过这种方式，加热夹盘130的平均温度大体上恒定，并且工件118的温度变化进一步在随后的注入步骤中保持大体上恒定。
为获得更好的理解，总热预算Tbudget(例如工件的最大表面温度)可定义为：
Tbudget＝T0+Pd/kg+{[EDe]/[ρtCP]}/n (1)
其中T0是工件118的初始温度，Pd是离子束112的功率密度(例如，与热预算Tbudget相关联的计算参数)，kg是从工件表面通过气体界面到夹盘130的导热率(例如，使用N2气体，在5Torr的背气压力下，kg＝0.083w/cm2/℃)，E是注入能量(例如，以电子伏特表示)，D是注入剂量(例如，以离子/cm2表示)，e是电子电荷(例如，e＝1.602×10-19库仑)，ρ是工件密度(例如，对于常规硅晶片，ρ＝2.33g/cm3)，t是工件厚度(例如，对于常规硅晶片，t＝0.07cm)，CP是工件在恒压下的比热容(例如，对于常规硅晶片，CP＝0.7J/gm/°K)。注入步数n表示处理特定工件118以便在工件上获得额定离子剂量的次数。
现在讨论离子注入工件118(例如常规硅晶片)的实例，其中公知能量E＝40000eV，剂量D＝1×1015离子/cm2，并且ρtCP＝0.114J/cm2/°K。用于完全注入工件的工件118的总温度变化(ΔTmax)如下表示为剂量能量积(EDe)除以比热：
ΔTmax＝[EDe]/[ρtCP] (2)
其中，根据本实例，ΔTmax＝56.2℃。
为确定在不超过工艺边界的情况下充分注入工件118所应采取的注入步数n，基于注入工艺配方提供预定预算值Trecipe。预定预算值Trecipe例如基于与特定离子注入系统100相关联的各种因素，诸如最大容许束电流、额定能量损失、安全因素和其他因素。在本实例中，预定预算值Trecipe＝30℃，但应当指出，预定预算值可能基于上述因素而变化。因此，通过总温度变化ΔTmax除以预定预算值Trecipe，确定注入步数n，并且将其结果四舍五入为最近整数。在上述实例中，56.2/30＝1.873，故注入步数n＝2。
据此，针对每个注入步骤，预定温差{Tbudget-(ΔTw+T0)}仍计为从工件118到加热夹盘130的温升，其中ΔTw是每个注入步骤中工件的温升。根据上述实例的示例性热预算Tbudget＝100℃和初始工件温度T0＝20℃，预定温差{Tbudget-(ΔTw+T0)}等于23.8℃仍在热预算内。然后可以确定在注入之前应将加热夹盘130加热到的预热温度Tpreheat，其中
Tpreheat＝ΔTw+T0 (3)
通过使用上述例图，在开始注入顺序之前应将加热夹盘130加热到的预热温度Tpreheat为76.2℃。
束功率密度Pd的预算为
Pd＝kg{Tmax–(ΔTw+T0)} (4)
其等于1.97W/cm2。
在利用示例性离子注入系统100(例如马萨诸塞州比佛利Axcelis Technologies公司制造的Purion M型或Purion H型离子注入系统)的示例性离子注入中，将直径为300mm的硅工件118暴露于直径为100mm(例如面积为78.5cm2)、最大功率为155W、束电流上限为3.86mA的离子束112。本实例中的注入面积为1720cm2，因此在上述实例中形成72.5秒的注入时间。因此，这种示例性注入过程的产量将是每小时46.4个工件。据此，在本实例中，工件118的额定最终温度为Tbudget＝100℃，为使加热夹盘130的温度在每个后续注入中维持平衡，本发明提出在开始注入之前，将加热夹盘预热到初始预热温度Tpreheat＝76.2℃。
据此，本发明提出，当从离子注入系统100移取工件时，工件118能够移除与注入相关联的能量。应当指出，在本实例中，当工件放置在加热夹盘130上并且加热工件时，大部分能量输入工件118中，因此利用工件118移除总注入能量的一小部分。同样，根据本发明，伴随注入过程，工件118和加热夹盘130的平均温度将少量上升，但当从离子注入设备101中移取工件时，有利地移除与注入相关的能量。
如上所述，如果确定所计算的工件温升ΔTw过高，则例如可以在多个步骤n中进行注入，由此每个步骤将工件温升维持在预定操作范围内。因此，在每个注入步骤期间得出总注入能量除以步数n，由此在每个注入步骤之后将工件冷却回T0(例如20℃)。在另一实例中，也可以通过腔室138B内的预冷站降低初始工件温度T0，由此可以有效增加热预算。
因此，本发明提供一种用于维持加热夹盘130温度的系统和方法，其中考虑到与离子注入同时添加到工件118的注入能量。因此，本发明提供一种比常规静电夹盘系统和方法更通用的静电夹盘系统和方法，由此本发明揭示的加热夹盘配置成执行加热注入以及所谓的“室温”注入(例如低于100℃的温度)。
根据本发明的示例性方面，工件118被装载到加热夹盘130上，以便进行所谓的“准室温”注入(例如工件温度范围为60℃至100℃的离子注入)。经由注入将预定量的能量引入工件118，由此从系统中移取工件时，有利地从设备101中移除所述预定量的能量。换言之，从设备101中移除与离子注入工件118相关联的能量，而不会使系统的温度持续升高。常规上，工件温度和夹盘温度从注入到后续注入持续攀升，特别是在这种常规系统的启动期间，并且从注入到注入的这种温度变化尚存在问题。
因此，本发明在离子注入设备101内维持加热夹盘130相对均匀的温度。举例而言，气体界面提供工件118(例如相对较小质量)与加热夹盘130(例如相对较大质量)之间的导热界面。据此，当工件118被装载到加热夹盘130上时，工件从加热夹盘吸收少量的能量。当从离子束112将离子注入工件118时，向工件添加预定量的能量(例如设备101中总能量的几个百分点)。然而，根据本发明，当从系统移取工件时，从设备101移除这样预定量的能量。据此，工件118本身通过从系统中移除离子束112施加的能量而执行对设备101的冷却功能。举例而言，工件118可以在相对较高的温度下移取，放置在腔室138B中(并且可选择在此冷却)，由此另一个工件可以经由腔室138A返回到设备101，从而重复该循环。
根据本发明的另一实例，工件118的剂量能量积除以热质例如将使工件的温度维持约在预定温度以下上升(例如约5℃至10℃)。因此，当注入结束时从加热夹盘130移取工件118时，工件本身将经历预定温升，但与预定温升相关联的能量存储在工件中，随后从系统中移取工件后，从设备101中移除这种能量。据此，将另一个工件118装载到加热夹盘130上时能够重新开始该过程，由此在注入的同时，工件以预定温升提升温度(再次重申，例如约5℃至10℃)，然后从设备101中移取该工件，由此利用补充的工件再次从系统中移除与预定温升相关联的能量。
据此，本发明伴随处理每个工件118从离子注入设备101中移除平均注入能量，从而为后续注入维持大体上恒定的温度。工件118与加热夹盘130之间的气体界面和加热夹盘相对较大的热质有利地减缓与跨工件扫描离子束112相关联的很大瞬时峰值，由此通过维持加热夹盘的预定温度来减小提供给工件的注入能量的平均功率。
在明显要求更长注入(例如高剂量注入)的工艺配方中，例如，一旦工件118的温度上升到预定最大值，便可以从加热夹盘130移取工件并将其放置在腔室138B中，例如以便冷却预定量，然后再将其放置在加热夹盘130上，由此重复该过程。但应当指出，从设备101移取工件118时，同样又从系统中移除注入能量，因此不会导致系统温度升高。
在另一实例中，工件118与加热夹盘130之间的热界面大体上防止加热夹盘的温度显著升高，因此大体上维持加热夹盘的恒定温度。尽管本发明试图维持加热夹盘130的大体上恒定的温度，但也考虑到微小温度变化(例如，对于工件118的温度升高10℃，加热夹盘的温度升高0.5℃)。但可由嵌入加热夹盘中的一个或多个加热器136来解决加热夹盘130的微小温度变化，其中一个或多个加热器的功耗高于离子束112提供的功率。
本发明进一步考虑将系统100用于所谓的“高温注入”，由此将加热夹盘130加热到约300℃至600℃的高注入温度。在这样的高温注入中，可以将工件118进一步大致预热到高注入温度，之后将其放置在加热夹盘130上，由此将经预热的工件118装载到加热夹盘上并且执行高温注入。因此，本发明提供一种系统和方法，用于利用相同的加热夹盘130来执行准室温注入以及高温注入，从而提供常规系统中前所未见的通用性。
剂量能量积表示工件118每单位表面积的存储能量。举例而言，剂量定义为离子束112的电流随时间的积分。举例而言，工件118每平方厘米表面沉积的总能量可以定义为剂量(例如以原子/cm2为单位)乘以电子电荷乘以离子束112的能量。热质是所述表面到其深度(例如工件118的厚度)的热质。但工件118的厚度通常相对较小。举例而言，诸如直径为300mm的硅晶片的工件118将每摄氏度吸收约90焦耳的能量。因此，300mm硅晶片的热响应为90焦耳能量，产生1℃的温升。本发明有利地管理工件118和加热夹盘130的热响应，从而缓解能量变化。
举例而言，为更好地理解本发明，提供一种常规注入的实例。当启动常规离子注入系统时，将第一晶片装载到冷温或环境温度的夹盘上，随后向晶片注入离子。据此，伴随注入，晶片温度会升高，并且夹盘温度也会升高。在移取第一个晶片并将下一个晶片装载到夹盘上之后，夹盘温度通常在后续注入期间再次升高。常规上，将大约30至40个晶片装载到夹盘上并进行注入，之后夹盘上才会达到平衡温度。在一批晶片中，不希望晶片和夹盘的温度出现这种变化。
因此，根据本发明，确定平衡温度，并且有利地将加热夹盘130预热到平衡温度，之后再将工件118放置于其上。通过确定平衡温度并将加热夹盘130加热到平衡温度，解决设备101中的热流问题，从而有利地优化对加热夹盘130的温度控制。但在某些情况下，需要一些热流使控制系统稳定。然而，本发明有利地控制从工件到工件注入的平均温度。
因此，本发明的系统和方法在开始注入之前确定平衡温度，从而在向工件118注入离子的同时管理热系统，其中工件被视为热系统的组成部分。本方法在从系统中移取工件时从系统中移除预定量的能量，其中预定量的能量等于沉积在工件中的总注入能量。
举例而言，本发明的方法确定加热夹盘130的平衡温度，从而对于初批工件118，大体上防止热夹盘的初步温升。在某个实例中，当工件处于初始温度T0时(例如工件未经预热)，将工件118装载到加热夹盘130上。照此，当经由导电气体在工件与加热夹盘130之间开始热传导时，工件118的温度将从初始温度T0升高到处理温度。因此，工件118从加热夹盘130吸收一些能量。当执行注入时，预定量的能量经由离子束112放回工件118中，但这样预定量的能量通常保留在工件中并且在从加热夹盘卸载工件并从系统中移取工件时从设备101中移除。举例而言，与加热夹盘130相比具有低热质的工件118在放置于该加热夹盘上时从其迅速拉动能量(以热形式)，因此对加热夹盘影响不大。
应当理解，在开始注入之前，来自注入的大部分能量经由气体界面传递到加热夹盘130。举例而言，在开始注入之前，通过加热夹盘130和工件，注入中的大部分能量传递到工件118。热量最初从加热夹盘130流到工件118，然后在注入过程中通过工件流到加热夹盘，在此热量传递回加热夹盘。在注入期间，大部分注入能量流过工件，流过气体界面，并进入加热夹盘130。
加热夹盘130本身对其周围环境仅有最小的热损失，其中大部分这种热损失是辐射能量以及通过与加热夹盘相关联的各种安装固定机构的最小传导损失。因此，加热夹盘130能够视为在离子注入设备101内隔热，伴有与其相关联的预定热损失。
举例而言，加热夹盘130主要通过辐射来冷却，并且可能单独需要几个小时经由辐射从注入温度(例如500℃)冷却到室温。举例而言，常规上允许每分钟3℃的初始最大冷却速率，因为更快地冷却加热夹盘130可能导致加热夹盘破裂。当从高温注入变为准室温注入时，可在加热夹盘130冷却时将其加热。一旦加热夹盘130达到约400℃，辐射中的热损失便急剧下降，并且无需额外的加热就能使加热夹盘自然冷却。这样的冷却过程可能需要相当长的时间。
根据本发明，通过有利地使工件118(其中尚未注入离子)循环通过加热夹盘130，冷却速率可以保持原样。据此，通过使“冷”工件118循环装载到加热夹盘上并从加热夹盘卸载以便冷却加热夹盘130，能够从系统中移除大量的储存能量。
因此，本发明提供一种有利地控制与离子注入相关联的整个热过程的系统和方法。举例而言，当工件118装载到加热夹盘130上时，工件将使加热夹盘冷却预定量，以便吸收与工件温度升高到加热夹盘温度相关量的能量。当对工件执行注入时，预定量的能量经由离子束112沉积在工件118上。沉积在工件118上的预定量的能量足以使工件的温度少量升高，但不足以改变工艺过程。因此，当从离子注入设备101移取工件118时，基本上全部注入能量也经由工件从系统中移除。在某个实例中，通过从离子注入设备101中移取工件118而从中移除的能量约等于剂量能量积除以工件的质量。因此，本发明有利地确定工件118和加热夹盘130的预定温度，以便所述能量不会累积在加热夹盘上。
另一方面，在高温注入中(例如300℃至600℃的温度)，通过辐射冷却工件118，其中加热夹盘130在注入期间主动加热工件，并维持加热夹盘的温度控制。在这样的高温注入中，由于这种辐射而形成更多的热流，其中工件118在整个注入过程中经由加热夹盘130来加热。
对于高温注入，热能通常不会从工件118传递到加热夹盘130；反之，全部热能都从加热夹盘传递到工件。也就是说，对于高温注入，能量视为单向转移。尽管由于从离子束112沉积在工件118上的能量，高温注入中热转移可能不会保持恒定，但工件与加热夹盘130之间的热势可能发生变化，从而改变从加热夹盘到工件的热流。然而，在高温注入中，能量传递的方向是从加热夹盘130到工件118，而在准室温注入中，能量传递的方向在加热夹盘与工件之间是双向传递，同时维持净能量转移接近于零。
据此，本发明的方法提出确定与加热夹盘130相关联的预定注入温度，并且将加热夹盘加热到该预定注入温度。然后将工件118转移到加热夹盘130上，并且激活背气，由此工件从加热夹盘吸收预定量的能量。然后向工件118注入离子，由此预定量的注入能量传递回加热夹盘130，其中预定量的注入能量约等于工件从加热夹盘吸收的预定量的能量，从而使加热夹盘的温度维持在预定范围内。一旦完成注入，便将工件118从加热夹盘130移取并从离子注入设备101中移取，由此工件在其从系统移取时从系统中移除任何剩余的注入能量。因此，与加热夹盘130相关联的净能量变化约为零，或者至少在与加热该加热夹盘相关联的任何控制误差限度内。
据此，本发明进一步提供一种如图2所示的方法200，用于在相继离子注入中，维持加热夹盘的基本恒定的热特性。应该注意到的是，虽然在此处以一系列的动作或事件来例示和描述示范性方法，但是将瞭解到本发明是不限于此些动作或事件的例示次序，因为根据本发明一些步骤可以不同次序及/或同时地以在此处所表示和描述的步骤不同的其他步骤发生。除此之外，并非所有被例示的步骤皆被需要以实行根据本发明的方法。此外应理解，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。
如图2所示，方法200始于动作202，其中基于剂量能量积(EDe)除以关于期望注入温度的工件比热，确定注入期间工件的总温度变化(ΔTmax)。在动作204中，基于注入工艺配方的预定预算值Trecipe，确定充分注入工件所应当采取的注入步数n。预定预算值Trecipe例如基于与特定离子注入系统相关联的各种因素，诸如最大容许束电流、额定能量损失、安全因素和其他因素。通过总温度变化ΔTmax除以预定预算值Trecipe，确定在动作204中所确定的注入步数n，并且将其结果四舍五入为最近整数。
在动作206中，确定用于加热加热夹盘的预热温度Tpreheat，并在动作208中，将加热夹盘加热到预热温度Tpreheat。在动作210中，将工件放置在第一腔室(例如装载锁定腔室)中。在动作212中，从第一腔室移取工件并将其放置在处于预热温度Tpreheat的加热夹盘上。举例而言，经由工件转移设备将工件从第一腔室转移到加热夹盘。在动作214中，经由加热夹盘加热工件。在动作216中，执行注入的注入步骤n，并在动作218中，从加热夹盘移取工件，因而利用工件从系统移除注入能量。
在本发明的另一方面，图3示出用于处理工件的另一方法300。如图3所示，离子注入系统配置成在动作302中以第一注入模式和第二注入模式中的每一模式操作。在动作304中，基于离子注入系统的操作模式和与相应的注入模式相关联的热预算来确定加热夹盘的预热温度。在动作306中，进一步将加热夹盘加热到预热温度。在动作308中，将工件转移到处理腔室中的加热夹盘上并将其加热到预热温度。
在动作310中，根据相应第一注入模式或第二注入模式中的工艺配方，注入工件。在动作312中，从加热夹盘移取工件并进一步从处理腔室移取工件，由此工件进一步从其中移除与离子注入相关联的热量。
根据另一方面，可在一个或多个控制器、通用计算机或基于处理器的系统中利用计算机程序代码实施前述方法。如图4所示，根据另一实施方案提供基于处理器的系统400的框图。基于处理器的系统400是通用型计算机平台并可用于实施本文所述的方法流程。基于处理器的系统400可包括处理单元402，诸如台式计算机、工作站、笔记本电脑或为特定应用程序定制的专用单元。基于处理器的系统400可配备显示器418以及一个或多个输入/输出装置420，诸如鼠标、键盘或打印机。处理单元402可包括中央处理单元(CPU)404、存储器406、大容量存储器408、视频适配器412和/或连接至总线410的I/O接口414。
总线410可以是任意类型的诸多种总线体系结构中的一个或多个，包含存储器总线或存储控制器、外围总线或视频总线。CPU404可包括任意类型的电子数据处理器，存储器406可包括任意类型的系统存储器，诸如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)或只读存储器(ROM)。
大容量存储器408可包括任意类型的配置用于存储数据、程序及其他信息且可经由总线410访问这些数据、程序及其他信息的存储装置。大容量存储器408可包括例如硬盘驱动器、磁盘驱动器或光盘驱动器中的一个或多个。
视频适配器412及I/O接口414为将外部输入及输出装置连接至处理单元402提供接口。输入及输出装置的实施例包含连接至视频适配器412的显示器418以及连接至I/O接口414的I/O装置420，诸如鼠标、键盘、打印机等。其他装置也可连接至处理单元402并可使用或多或少的接口卡。举例而言，串行接口卡(图中未示)可用于为打印机提供串行接口。处理单元402还可包括网络接口416，该网络接口可有线连接至局域网(LAN)或广域网(WAN)422和/或无线线路。
应当指出，基于处理器的系统400可包括其他部件。举例而言，基于处理器的系统400可包含电源、连接线、主板、移动储存媒介、机箱等。这些其他部件尽管在图中并未示出，但均视作所述基于处理器的系统400的组成部分。
本发明的实施方案可在基于处理器的系统400上实施，如通过CPU 404执行的程序代码实施。根据上述实施方案所述的各种方法均可通过程序代码实施而成。据此，此处省略详尽说明。
此外，还应指出，图1中的各种模块及装置均可在一个或多个图4的基于处理器的系统400上实施并受其控制。不同模块及装置间的通讯可根据模块实施的方式而有所差异。倘若模块是在一个基于处理器的系统400上实施，则数据可在由CPU 404执行用于不同步骤的程序代码之间存储于存储器406或大容量存储器408。而后在各步骤执行期间，可由CPU404通过总线410访问存储器406或大容量存储器408而提供数据。倘若模块是在不同的基于处理器的系统400上实施或预计由其他存储系统(如独立数据库)提供数据，则可通过I/O接口414或网络接口416在系统400之间提供数据。类似地，由装置或存储器提供的数据可由I/O接口414或网络接口416输入一个或多个基于处理器的系统400。本领域的普通技术人员容易理解实施落入不同实施方案范围内的系统及方法的其他变化方案及改进方案。
尽管本发明的内容已就某一或某些优选实施方式得以阐明，但基于对本发明说明书及附图的阅读和理解，等同变化及修改对于本领域的技术人员而言显而易见。特别是关于由上文所述构件(组件、元件、电路等等)所实行的各种功能，除非另外指出，否则用来叙述这些构件的术语(包含言及手段)倾向对应于用以实行上述构件的具体功能的任何构件(即在功能上等效)，即使在结构上并未等效于在本发明示范性实施例中所例示的用以实行本文中的功能的所记载结构。另外，虽然仅就多个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它实施方案的一个或多个其他特征。

Claims (20)

1.一种离子注入系统，其包括：
离子注入设备，所述离子注入设备配置成引导离子束指向处理腔室；
第一腔室，所述第一腔室可操作地耦接至所述处理腔室；
加热夹盘，所述加热夹盘定位于所述处理腔室内，其中所述加热夹盘配置成选择性将工件夹持至其夹持表面；
加热设备，所述加热设备配置成选择性加热所述加热夹盘的夹持表面；
工件转移设备，所述工件转移设备配置成在所述加热夹盘与所述第一腔室之间转移工件；以及
控制器，所述控制器配置成经由所述工件转移设备选择性在所述加热夹盘与所述第一腔室之间转移工件，且其中所述控制器配置成选择性激励所述加热设备以第一模式和第二模式中的每一模式操作所述加热夹盘，其中在所述第一模式下，所述加热设备将所述夹持表面加热到第一温度，且其中在所述第二模式下，所述加热设备将所述夹持表面加热到第二温度，且其中所述第一温度是预定温度并与高温离子注入相关联，且其中所述第二温度与准室温离子注入相关联，其中所述控制器配置成基于与工件相关联的热预算、与离子束撞击工件相关联的注入能量以及工件居于所述第一腔室中时的工件初始温度中的一个或多个来确定所述第二温度，其中所述控制器配置成在所述第二模式下使所述加热夹盘上大体上维持所述第二温度，且其中所述加热夹盘以第二模式操作时，将工件从所述加热夹盘转移到所述第一腔室大体上从所述处理腔室移除注入能量。
2.如权利要求1所述的离子注入系统，其中所述第一温度高于300℃，且其中所述第二温度低于100℃。
3.如权利要求2所述的离子注入系统，其中所述第一温度在300℃至600℃的范围内，且其中所述第二温度在20℃至100℃的范围内。
4.如权利要求1所述的离子注入系统，其中所述加热设备包括与所述加热夹盘的夹持表面相关联的一个或多个加热器。
5.如权利要求4所述的离子注入系统，其中所述一个或多个加热器包括嵌入所述加热夹盘内的一个或多个电阻加热器。
6.如权利要求1所述的离子注入系统，其中所述加热设备包括配置成选择性加热所述加热夹盘的夹持表面的辐射热源。
7.如权利要求6所述的离子注入系统，其中所述辐射热源包括卤素灯、发光二极管和红外放热装置中的一个或多个。
8.如权利要求1所述的离子注入系统，其中所述控制器配置成基于全部与工件相关联的热预算、与离子束撞击工件相关联的注入能量以及工件居于所述第一腔室中时的工件初始温度来确定所述第二温度。
9.如权利要求1所述的离子注入系统，其进一步包括配置成支持并冷却工件的冷却板。
10.如权利要求9所述的离子注入系统，其中所述控制器进一步配置成经由控制所述工件转移设备未经将离子注入工件便在所述加热夹盘与所述冷却板之间转移工件，由此所述工件将热量从所述加热夹盘传递到所述冷却板，从而将所述加热夹盘冷却到与所述第二温度相关联的冷却温度。
11.一种在离子注入系统中维持温度一致的方法，该方法包括：
确定以第一模式和第二模式之一操作加热夹盘，其中所述第一模式与第一温度下对工件的高温离子注入相关联，其中所述第一温度是预定温度，且其中所述第二模式与第二温度下对工件的准室温离子注入相关联；
基于与工件相关联的热预算、与离子束撞击工件相关联的注入能量以及工件居于第一腔室中时的工件初始温度中的一个或多个来确定所述第二温度；
所述离子注入系统处于所述第一模式时，将所述加热夹盘加热到所述第一温度；
所述离子注入系统的操作处于所述第二模式时，将所述加热夹盘加热到所述第二温度；
将工件从所述第一腔室转移至所述加热夹盘；
向所述加热夹盘上的工件注入离子；以及
将工件从所述加热夹盘转移至所述第一腔室，其中以所述第二模式操作所述加热夹盘时，从所述加热夹盘移除与将离子注入工件相关联的注入能量。
12.如权利要求11所述的方法，该方法进一步包括：
以所述第一模式操作所述加热夹盘；以及
将所述加热夹盘的操作从所述第一模式更改为所述第二模式，其中将所述加热夹盘的操作从所述第一模式更改为所述第二模式进一步包括：
提供处于与所述第二温度相关联的冷却温度的冷却板；以及
未经将离子注入一个或多个工件，使所述一个或多个工件在所述加热夹盘与所述冷却板之间循环，由此所述一个或多个工件将热量从所述加热夹盘传递到所述冷却板，从而冷却所述加热夹盘。
13.如权利要求11所述的方法，其中加热所述加热夹盘包括选择性激励嵌入所述加热夹盘内的一个或多个加热器。
14.如权利要求11所述的方法，其中加热所述加热夹盘包括以辐射方式加热所述加热夹盘的夹持表面。
15.如权利要求14所述的方法，其中以辐射方式加热所述加热夹盘的夹持表面包括使卤素灯、发光二极管和红外放热装置中的一个或多个指向所述夹持表面。
16.一种离子注入系统，其包括：
离子注入设备，所述离子注入设备配置成引导离子束指向处理腔室；
第一腔室，所述第一腔室可操作地耦接至所述处理腔室；
加热夹盘，所述加热夹盘定位于所述处理腔室内，其中所述加热夹盘配置成选择性将工件夹持至其夹持表面，其中所述加热夹盘包括配置成选择性加热所述加热夹盘的夹持表面的加热设备；
工件转移设备，所述工件转移设备配置成在所述加热夹盘与所述第一腔室之间转移工件；以及
控制器，所述控制器配置成经由所述工件转移设备选择性在所述加热夹盘与所述第一腔室之间转移工件，且其中所述控制器配置成选择性激励所述加热设备以第一模式和第二模式中的每一模式操作所述加热夹盘，其中在所述第一模式下，所述加热设备将所述夹持表面加热到第一温度，且其中在所述第二模式下，所述加热设备将所述夹持表面加热到第二温度，且其中所述第一温度是预定温度并与高温离子注入相关联，且其中所述第二温度与准室温离子注入相关联，其中所述控制器配置成基于与工件相关联的热预算、与离子束撞击工件相关联的注入能量以及工件居于所述第一腔室中时的工件初始温度来确定所述第二温度，其中所述控制器配置成在所述第二模式下使所述加热夹盘上大体上维持所述第二温度，且其中所述加热夹盘以第二模式操作时，将工件从所述加热夹盘转移到所述第一腔室大体上从所述处理腔室移除注入能量。
17.如权利要求16所述的离子注入系统，其中所述第一温度在300℃至600℃的范围内，且其中所述第二温度在20℃至100℃的范围内。
18.如权利要求16所述的离子注入系统，其中所述加热设备包括嵌入所述加热夹盘内并与所述加热夹盘的夹持表面相关联的一个或多个电阻加热器。
19.如权利要求16所述的离子注入系统，其进一步包括配置成支持并冷却工件的冷却板。
20.如权利要求19所述的离子注入系统，其中所述控制器进一步配置成经由控制所述工件转移设备未经将离子注入工件便在所述加热夹盘与所述冷却板之间转移工件，由此所述工件将热量从所述加热夹盘传递到所述冷却板，从而将所述加热夹盘冷却到与所述第二温度相关联的冷却温度。
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