JP2012513092A - 凝縮性ガス冷却システム - Google Patents

Abstract

ワークピース冷却システム及び方法を開示する。イオン注入中の半導体ウエハのようなワークピースから熱を逃がして伝達することは必須である。一般に、この熱はワークピース支持体又はプラテンに伝達される。一実施態様では、所望の動作温度を決定する。これに基づいて、１０〜５０Torrのような所望の範囲内の蒸気圧を有するガスを選択する。この範囲は、クランプ力より小さくなるように、十分低い必要がある。ワークピースとワークピース支持体との間の空間を満たすために、この凝縮性ガスを用いる。吸着及び脱着に基づいて熱伝達が生じて、それにより、ヘリウム、水素、窒素、アルゴン及び空気のような従来採用されたガスより改善された伝達特性を提供する。

Description

本発明は、半導体製造に関し、特に、ワークピースを冷却するための冷却システムに関する。

イオン注入装置は、半導体ウエハの製造によく使用される。イオン源を用いてイオンビームを生成し、それからイオンビームをウエハに向ける。イオンがウエハに当たると、イオンはウエハの特定の領域をドープする。ドープした領域の構成が、これらの領域の機能を規定し、導電性相互接続の使用により、これらのウエハを複合回路に変換することができる。

代表的なイオン注入装置１００のブロック図を図１に示す。イオン源１１０は、所望の種のイオンを発生する。いくつかの具体例では、これらの種は原子イオンであり、高い注入エネルギーに最も良く適している。他の具体例では、これらの種は分子イオンであり、低い注入エネルギーにより良く適している。これらのイオンは、ビームを形成し、その後、ソースフィルタ１２０を通過する。ソースフィルタはイオン源に近く配置することが好適である。ビーム内のイオンをコラム１３０内で所望のエネルギーレベルまで加速／減速する。アパーチャ１４５を有する質量分析器磁石１４０を用いて、イオンビームから不所望の成分を取り除き、分解アパーチャ１４５を通過する所望のエネルギー及び質量特性を有するイオンビーム１５０を生じさせる。

ある具体例では、イオンビーム１５０はスポットビームである。このシナリオでは、イオンビームがスキャナー１６０を通過し、スキャナー１６０は、イオンビーム１５０を偏向させて走査ビーム１５５〜１５７を生成する、静電スキャナー又は磁気スキャナーのいずれかにすることができる。ある具体例では、スキャナー１６０は、走査装置と通信する分離型スキャンプレートを備える。走査装置は、スキャンプレートに印加される、正弦波、鋸歯状波又は三角波のような振幅及び周波数成分を有するスキャン電圧波形を生成する。好ましい具体例では、走査ビームを、すべての位置でほとんど同じ時間、そのままにするために、スキャン電圧波形は、一般に三角波（一定勾配）に非常に近い。三角波からの偏差を用いて、ビームを均一にする。得られる電界により、図１に示すように、イオンビームを発散させる。

代案の具体例では、イオンビーム１５０はリボンビームである。そのような具体例では、リボンビームは、すでに適切な形状をしているので、スキャナーの必要はない。

角度補正器１７０は、発散イオンビームレット１５５〜１５７を偏向させて、ほぼ平行な軌跡を有する一組のビームレットにするように構成されている。角度補正器１７０は、イオンビームレットが通過するギャップを形成するように離間した電磁コイル及び磁極片を備えることが好ましい。電磁コイルにエネルギーを与えて、ギャップ内に磁界を生成し、この磁界は、加えられた磁界の強度及び方向に応じて、イオンビームレットを偏向させる。電磁コイルを通る電流を変化させることによって磁界を調整する。あるいは、平行化レンズのような他の構造も、この機能を果たすために利用することができる。

角度補正器１７０に続いて、走査ビームは、ワークピース１７５をターゲットにする。ワークピースをワークピース支持体に取り付ける。ワークピース支持体は様々な動きの度合いを与える。

イオンビームが適切に注入されるように、ウエハを適切な位置に保つと共に、ウエハを配向させるために、ワークピース支持体を用いる。ウエハを適切な位置に効果的に保つために、大抵のワークピース支持体は、一般に、プラテンとして知られる、ワークピースがその上に載る円形面を用いる。プラテンが、ワークピースを適切な位置に保つために、静電力を用いることがよくある。静電チャックとしても知られる、強い静電力をプラテンに生成することにより、ワークピース又はウエハを、何らかの機械的固定具を用いずに、適切な位置に保つことができる。ウエハがイオン注入された後に、ウエハの固定を解く必要はないため、これにより、汚染を最小にし、サイクル時間も改善する。これらのチャックは、ウエハを適切な位置に保つために、一般に、クーロンカ又はジョンソン・ラーベック力の２種類の力の内の１つを用いる。

ワークピース支持体は、一般的に、ワークピースを１つ以上の方向に動かすことができる。例えば、イオン注入では、イオンビームは、一般に、高さより幅の方がずっと大きい走査ビーム又はリボンビームである。ビームの幅をｘ軸方向として定義し、ビームの高さをｙ軸方向として定義し、ビームの進行路をｚ軸方向として定義すると仮定する。ワークピースをｘ方向に動かす必要がないように、ビームの幅は、一般に、ワークピースより幅広である。しかしながら、ワークピースの全体をビームで露光するために、ワークピースをｙ軸に沿って動かすことが一般的である。

ワークピース支持体の別の重要な機能は、ワークピース用の放熱板を与えることである。例えば、イオン注入中に、熱の形でのかなりの量のエネルギーがワークピースに与えられる。この無規制の熱は、イオン注入されるワークピースの特性に影響を与え得る。従って、この熱をワークピースから逃がしてワークピース支持体へ伝達することが好ましい。ワークピース支持体は、その後に熱を消散させる。ある具体例では、流体をワークピース支持体内の導管に通し、これにより熱を、流体に伝達して、ワークピース支持体から逃がすことができる。ワークピース支持体を冷却する他の方法もよく知られた技術である。

ある具体例では、単に２つの構成部品間の物理的接触により、熱をワークピースからワークピース支持体へ伝達する。しかしながら、ワークピース及びワークピース支持体は物理的に接触するように見えても、顕微鏡レベルでは、隣接する表面の欠陥及び粗さにより、２つの構成部品間は、相対的にほとんど実際に接触しないことが、テストにより示されている。

上記のイオン注入システムは、真空状態に近い環境に収容することが好ましい。実際には、その環境内の圧力は、一般に、１０^−５Torrより小さい。周囲環境は絶対真空に近いため、熱を伝達することができる他の媒体は存在しない。それ故に、熱伝達は、所望のものよりはるかに効率が悪い。

ワークピースからワークピース支持体への熱の伝達を改善する１つの技術は、「背面ガス」の使用である。図２は、この技術の略図を示す。手短に言えば、機械的手段又は静電気的手段を用いてワークピース２００をワークピース支持体に固定する。それから、ワークピース支持体２１０内の導管２２０は、ガス２５０を、ワークピース２００とワークピース支持体２１０との間のウエハ／プラテン接触面としても知られる空間へ移動させる。

この熱伝達機構を示す略図を図３に示す。ガス分子がワークピース２００に衝突して熱をワークピース２００から吸収する際に、熱伝達が生じる。このガス分子は、後に、ワークピース支持体２１０に衝突して、伝達された熱をワークピース支持体に伝える。ワークピース支持体はヒートシンクとして働き、許容温度を維持する。いくつかの具体例では、流体を内部冷却導管２３０に通過させることにより、ワークピース支持体を冷却する。背面ガスの流れを質量流量コントローラ２５０により制御することができる。

熱を伝達するのは、これらのガス分子であるため、圧力の増加によるようなガス分子数の増加により熱伝達が改善することになる。しかしながら、背面ガスの圧力は上限を有する。背面ガスの圧力が増加するにつれて、固定力を上回り始め、それによりワークピースをワークピース支持体から押し離す。これにより、２つの表面の間の実際の物理的接触を減少し、熱伝達を大幅に低下させる。この減少は、イオン注入の環境では、５０Torrより小さいような非常に低い圧力で生じる。過度の圧力もワークピースに損傷を与え得る。さらに、分子数の大幅な増加は、分子間の衝突を増加させる働きをし、従って、固体間の熱伝達を減少させる。

上記のように、ガス分子はワークピースから熱を受けて、その熱をワークピース支持体に伝達するので、背面ガスは、熱伝達に役立つ。よく知られているように、ガス−固体の接触面では、ガス分子の種類と固体の種類の両方に依存する、この熱伝達が生じる効率がある。この効率は、０（熱伝達なし）と１（完全な熱伝達）との間の値を有する適応係数により記述される。適応係数（α）は、一般に次式で定義される。
α＝（T_r−T_ｉ）／（T_ｓ−T_ｉ）
ここで、T_rは反射した分子（すなわち、固体の表面から反射した後のガス分子）の温度、
T_ｉは入射する分子（すなわち、固体の表面に当たる前のガス分子）の温度、及び、
T_ｓは固体の表面の温度である。

ヘリウム及び水素のようなより軽いガスは、一般に、窒素、アルゴン及び空気のようなより重いガスよりも、より低い適応係数を有する。また、一部の固体は他の固体よりもより良い熱伝達を与えるので、固体の表面は適応係数に寄与する。図３に戻り、ガス分子とワークピース２００との間の適応係数はα₁であり、ガスとワークピース支持体２１０との間の適応係数はα_２であると仮定する。ガス分子がワークピースに衝突する際に、これらのガス分子は適応係数α₁に比例してワークピースから熱を吸収する。これらのガス分子は後にワークピース支持体２１０に衝突して、適応係数α_２に比例して、これらの分子の熱を伝える。従って、ワークピースとワークピース支持体との間の実際の熱伝達は、α₁×α_２に比例する。例えば、一方の表面での特定のガスとの適応係数が０．９であり、他方の表面での特定のガスとの適応係数が０．７である場合、２つの表面間の熱伝達は６３％の効率に過ぎない。より重いガスは適応係数を増大することができるが、しかしながら、より軽いガス分子はもっと速く動いて、熱をもっと迅速に伝達する。こうした適応係数の差にもかかわらず、このことにより、より軽いガスの使用は、より重いガスよりも好ましい。

多くの環境で、ワークピースを所定の温度範囲内に保つことは重要である。従って、ワークピースからワークピース支持体への効率的な熱伝達が必須である。それ故に、ワークピース、特に、イオン注入システムにおける半導体ウエハの冷却を改善するためのシステム及び方法を開発することが有益である。

従来技術の課題は、本開示で説明するワークピース冷却システム及び方法により解決される。一般に、この熱はワークピース支持体又はプラテンに伝達される。一好適例では、所望の動作温度を決定する。これに基づいて、１０〜５０Torrのような所望の範囲内の蒸気圧を有するガスを選択する。この範囲は、クランプ力より小さくなるように、十分に低くなることを必要とする。ワークピースとワークピース支持体との間の空間を満たすために、この凝縮性ガスを用いる。吸着及び脱着に基づいて熱伝達が生じて、それにより、ヘリウム、水素、窒素、アルゴン及び空気のような従来採用されたガスより改善された伝達特性を提供する。

従来のイオン注入装置を示す図である。 一実施形態によるワークピース及びワークピース支持体の断面図である。 従来技術の熱伝達機構を示す略図である。 本開示を説明する熱伝達機構を示す略図である。 一実施形態により用いるプロセスステップを例示するフローチャートである。

上記のように、イオン注入プロセスにおける半導体ウエハのようなワークピースの温度を維持することが必須である。ワークピースの温度を維持するための最新の技術は、ワークピースから、ワークピースに物理的に接触するプラテンのようなワークピース支持体への、熱の伝達に頼る。いくつかの実施形態では、ワークピースとワークピース支持体との間の空間内に「背面ガス」を供給することにより、この熱伝達機構を補強する。これらのガス分子は、ワークピースからワークピース支持体へ熱（又は熱の一部）を伝達させるように作用する。しかしながら、上記のように、この熱伝達機構は所望通りに効率的ではない。

図２に戻り、ワークピース２００を取り付けたワークピース支持体２１０の断面を示す。ワークピース支持体は二種類の導管を有することができる。導管２２０は、ワークピースとワークピース支持体との間の空間内で、ワークピースの背面にガス２５０を供給する。ガス２５０は、タンクのような中央容器に格納することが好ましく、導管２２０を通る流れを調整するための質量流量コントローラ又は圧力調整器２４０を通過することができる。特定の実施形態では、小さいトレンチ２６０をワークピース支持体２１０の上面内に設けて、ガス２５０が空間に入るための遮るもののない通路を可能にする。質量流量コントローラ又は圧力調整器２４０は、所望のガス圧力を達成するために、ガスの流量を制御する。上述の通り、過度の圧力により、ワークピースがワークピース支持体から持ち上げられるか、ワークピースが損傷され得るため、圧力を注意深く制御することが好ましい。

いくつかの実施形態では、ワークピース支持体を冷却するために用いる流体を循環させるために、第２の導管２３０を用いる。プラテンから熱を導くように、例えば、水、空気又は適切な冷媒をワークピース支持体の内部導管２３０に通して循環させることができる。

各イオン注入プロセスは、好ましい動作温度の範囲を有する。例えば、多くのイオン注入は、０℃から５０℃の温度範囲内、もっと一般的には室温で（１５℃から３０℃）、行われる。他のイオン注入は、−５０℃より低いような極低温で行われることもある。他のイオン注入は、１００℃より高いような高温で行われることもある。一旦、所望の動作範囲を決定すると、適切なガスを選択する。ガスは、所望の動作温度で十分に低い蒸気圧を有するものにすべきである。例えば、室温で、水は約２０Torrの蒸気圧を有する。−１００℃での極低温のイオン注入では、プロパンが同様の蒸気圧を有する。アンモニア（NH₃）も低温のイオン注入に適している。−８０℃でのその蒸気圧は約３０Torrである。より高温のイオン注入では、グリセリンのような物質は、２００℃でのその蒸気圧は約４０Torrであるので、用いることができる。

上記のように、ワークピースが、損傷されないままで、ワークピース支持体に接触するように、動作領域でのガスの蒸気圧は、ワークピースに加わるクランプ力より小さくなければならない。言い換えれば、ガスにより加わる圧力にワークピースの面積を乗じた値が、ワークピース支持体から離す方向に、ワークピースに加わる力を決定する。この力に対抗するのはクランプ力である。ワークピースがワークピース支持体に接触したままであるために、クランプ力は、ガスの圧力にワークピースの面積を乗じた値より大きくなければならない。ワークピースの面積は一定であるので、この条件を満足することを確実にするために、ガスの圧力を制御しなければならない。

他の範囲が、可能であり、本発明の範囲内であるけれども、多くの実施形態では、所望の蒸気圧は１〜５０Torrである。選択したガスは導管２２０を通して供給する。例えば、上述の通り、室温で、水は１０〜２０Torrの間の蒸気圧を有する。室温で生じるイオン注入のために、ワークピースとワークピース支持体との間の空間へ水蒸気を供給する。このことは、図２に示す導管２２０を用いて行うことができる。蒸気相と液相とが平衡であるように、質量流量コントローラ又は圧力調整器２４０を用いて、水蒸気を加圧する。このことが起こる際、水蒸気の薄膜２０５は、ウエハ２００の背面に吸着する。薄膜２１５も、ワークピース支持体２１０の上面に吸着する。各表面上にガス蒸気の膜を生成することにより、熱伝達機構を変更する。

図４は、熱伝達機構の略図を示す。このシナリオでは、ガス蒸気の分子は、ワークピースの表面上の膜２０５に吸着する。既に昇温した別な水蒸気分子が、膜２０５から変位して脱着する。この変位した水蒸気の分子は、それから、ワークピース支持体２１０の上面上の膜２１５に吸着する。ここでも、ワークピース支持体の低温になった別な水蒸気分子が変位する。脱着する水蒸気分子は、固体の温度に等しいか、又は、ほぼ等しい（すなわち、T_rはT_ｓに大体等しい）ため、ほぼ１の適応係数を実現することができる。

図５は、前述したプロセスステップのフローチャートを示す。上述のように、ボックス４００で示すように、まず、所望の動作温度を決定する。次に、ボックス４１０で示すように、この動作温度に基づいて、適切なガスを選択する。ここでも、所望の動作温度でのこのガスの蒸気圧は、ワークピースを損傷させるかクランプ力を超えないように、十分に低いことが望ましい。上述のように、必要に応じて、作動圧力を作動流体の蒸気圧より低くするために、質量流量コントローラ又は圧力調整器２４０を用いることができる。次に、ボックス４２０で示すように、選択したガスをワークピースとワークピース支持体との間の空間へ供給する。ボックス４３０で示すように、ガスがこの空間内で定常状態条件に達することを可能にするための十分な時間を与えることが望ましい。ガスの圧力が蒸気圧に等しい際に、定常状態条件を満たす。このことは、ガスが、ワークピースの背面に、及び、ワークピース支持体の上面に吸着することを可能にする。ボックス４４０で示すように、一旦、定常状態条件に達すると、イオン注入プロセスを開始することができる。

ボックス４３０で示すように、イオン注入プロセスを開始する前に、蒸気が定常状態条件に達することを可能にするのが好ましい。これは多くの方法で達成することができる。一実施形態では、定常状態条件に達することを可能にするために、プロセスサイクル時間を遅くする。言い換えれば、一旦、新しいワークピース又はウエハがプラテン上に置かれると、蒸気の流れが始まる。イオン注入プロセスが始まる前に、十分な時間が経過する。この時間は、蒸気圧及び吸着膜が定常状態値に達することを可能にする。この方法は、直接的であるが、平衡状態に達するために必要な時間次第では、スループットに影響を与え得る。

蒸気が定常状態条件に達するのに必要な時間を減少するために、他の方法を用いることができる。例えば、ワークピース支持体の温度を減少することにより、ワークピース支持体上に吸着した蒸気膜を、ウエハの交換中に維持することができる。より低い温度により、この蒸気膜を、液化するか、恐らくは凍結させる。あるいは、蒸気を、ワークピース支持体の一部分である多孔質媒体を通して導入することができる。最後に、ワークピースをワークピース支持体の上に置く前に、ワークピースを選択したガス、液体又は物質でコーティングすることにより、その必要な時間を減少させることができる。例えば、ワークピースをワークピース支持体の上に置く前に、ワークピースを、水蒸気にさらし、次に、ワークピース支持体の上に置くまで、冷やして水分を保持することができる。一実施形態では、（配向中に）水蒸気を当てると同時にウエハを冷やすために、ウエハ配向ステーションを用いる。これが完了した後に、ウエハをワークピース支持体の上に置き、ウエハとワークピース支持体との温度が等しくなるとともに、定常状態の蒸気圧が確立される。

本開示はイオン注入を説明しているが、本発明はこの実施形態に限定されない。本明細書で説明する方法及びシステムは、特に、真空環境において、ワークピース及びワークピース支持体を利用する任意の応用で用いることができる。

Claims (18)

1. ワークピースを処理する間に、該ワークピースから熱を伝達する方法であって、前記ワークピースはワークピース支持体上に載置され、
   前記方法は、
   ａ．前記処理のための動作温度範囲を決定するステップと、
   ｂ．該動作温度範囲で所望の範囲内の蒸気圧を有するガスを選択するステップと、
   ｃ．前記ワークピースの背面と前記ワークピース支持体の上面との間の空間内に前記ガスを供給するステップと、
   ｄ．前記ワークピースを処理するステップと、を有する、熱を伝達する方法。
2. 前記ワークピースを処理する前に、前記ガスが前記ボリューム内で平衡状態に達するのを待つステップを、さらに有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ワークピースの前記背面上及び前記ワークピース支持体の前記上面上に、液体の膜を生成する、請求項２に記載の方法。
4. 前記ワークピース支持体上に前記ワークピースを保持するために力を加え、前記所望の範囲の前記蒸気圧は、前記ワークピースを保持する前記力より小さい対抗力を生成する、請求項１に記載の方法。
5. 前記ガスを前記蒸気圧に等しい圧力で供給する、請求項１に記載の方法。
6. 前記処理したワークピースを除去する前に、前記ワークピース支持体を冷却するステップを、さらに有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記動作温度範囲は０℃と５０℃との間であり、前記選択したガスは水蒸気を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記蒸気圧は１０Torrと５０Torrとの間である、請求項７に記載の方法。
9. 前記動作温度範囲は−５０℃より低く、前記選択したガスはアンモニアを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記動作温度範囲は１００℃より高く、前記選択したガスはグリセリンを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記処理はイオン注入を含む、請求項１に記載の方法。
12. 所定の動作温度範囲でワークピースを処理する間に、該ワークピースから熱を逃がして伝達するシステムであって、
    前記システムは、
    ａ．ワークピース支持体であって、該ワークピース支持体の上面が前記ワークピースの背面に接触するように、該ワークピース支持体上に前記ワークピースを置くためのワークピース支持体と、
    ｂ．前記ワークピースに力を加えて、前記ワークピースを前記ワークピース支持体上に保持する手段と、
    ｃ．前記ワークピースの前記背面及び前記ワークピース支持体の前記上面により規定される空間にガスを供給する導管と、
    ｄ．前記動作温度範囲で蒸気圧を有する前記ガスを保持する容器と、を備え、
    前記蒸気圧は、前記ワークピースを保持する手段により加えられる前記力より小さい対抗力を、前記ワークピースに対して生成する、熱を伝達するシステム。
13. 前記動作温度範囲は０℃と５０℃との間であり、前記ガスは水蒸気を含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記動作温度範囲は−５０℃より低く、前記ガスはアンモニアを含む、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記動作温度範囲は１００℃より高く、前記ガスはグリセリンを含む、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記導管は前記ワークピース支持体内に配置され、前記ガスは前記ワークピース支持体を通過して前記空間に到達する、請求項１２に記載のシステム。
17. 前記容器と前記空間との間に配置された質量流量コントローラ又は圧力調整器を、さらに備える、請求項１２に記載のシステム。
18. 前記質量流量コントローラは、前記蒸気圧に等しい圧力で前記ガスを供給する、請求項１７に記載のシステム。

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