KR102356531B1 - 웨이퍼를 가열 또는 냉각하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

이온 주입 시스템은 제1챔버와 가열 척이 있는 프로세스 챔버를 구비한다. 제어기는 가열 척과 제1챔버 사이에서 워크피스를 이송하고 가열 척의 제1 및 제2 모드를 선택적으로 작동시킨다. 제1 및 제2 모드에서, 가열 척은 각각 제1 및 제2 온도로 가열된다. 제1온도는 미리 정해진다. 제2온도는 가변적이며, 이에 따라 제어기는 열 버짓(thermal budget), 주입 에너지 및/또는 제1챔버 내의 워크피스의 초기 온도에 기초하여 제2온도를 결정하고, 대체적으로 제2모드에서 제2온도를 유지한다. 가열 척에서 제1챔버로 워크피스를 이송하는 것은 제2모드에서 프로세스 챔버로부터 주입 에너지를 제거한다. 가열 척을 순차적으로 냉각시키기 위해 워크피스를 이송함으로써 가열 척으로부터 냉각 압반으로 열이 더 전달될 수 있다.

Description

웨이퍼를 가열 또는 냉각하기 위한 장치 및 방법
본 출원은 2016년 6월 2일자로 출원된 "웨이퍼 냉각 방법"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/344,483호의 이익을 주장하며, 그 내용은 전체가 본원에 참고로 인용된다.
본 발명은 일반적으로 워크피스(workpiece)를 처리하기 위한 워크피스 처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온 주입 중에 가열된 척(chuck)상의 워크피스의 온도를 균일하게 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 프로세스에서, 이온 주입과 같은 많은 작업이 워크피스 또는 반도체 웨이퍼에서 수행될 수 있다. 이온 주입 프로세스 기술이 진보함에 따라, 워크피스에 다양한 이온 주입 온도가 구현되어 워크피스 내에 다양한 주입 특성을 달성할 수 있다. 예를 들어, 종래의 이온 주입 프로세스에서, 3가지 온도 영역이 전형적으로 고려된다: 저온 주입(cold implants)은, 워크피스에서의 프로세스 온도가 실온(room temperature) 이하의 온도에서 유지되고, 고온 주입(hot implants)은, 워크피스에서의 프로세스 온도가 일반적으로 300~600℃ 의 고온에서 유지되며, 소위 준 실내 온도 주입(quasi-room implants)은, 일반적으로 5~100℃ 범위의 준 실내 온도 주입 온도를 갖고, 워크피스에서의 프로세스 온도는 실온보다 약간 높지만 고온 주입에서 사용되는 온도보다 낮게 유지된다.
예를 들어, 고온 주입이 보편화되고 있어, 프로세스 온도는 가열 척이라고도 불리는 전용 고온 정전 척(ESC)을 통해 전형적으로 달성된다. 가열 척은 주입 중 워크피스를 그 표면에 유지 또는 클램핑 한다. 종래의 고온 ESC는 예를 들어, ESC 및 워크피스를 프로세스 온도(예를 들어, 300℃~600℃)로 가열하기 위해 클램핑 표면 아래에 매립된 히터 세트를 포함하여, 가스 계면은 통상적으로 클램핑 표면으로부터 워크피스의 후면으로 열 계면을 제공한다. 전형적으로, 고온 ESC는 후면의 챔버 표면으로 에너지의 방사를 통해 냉각된다.
냉각 이온 주입 프로세스는 또한 통상적으로, 통상적으로 실온 워크피스가 냉각 척 상에 위치되고, 냉각 척은 냉각 온도(예를 들어, 실온 이하의 온도)로 냉각되어, 워크피스를 냉각시킨다. 냉각 척을 냉각시키는 것은 이온 주입으로부터 워크피스에 부여된 열 에너지를 제거하는 한편, 냉각 척을 통한 열의 제거를 통해 주입 동안 냉각 온도에서 척 및 워크피스를 유지시킨다.
이온 주입 프로세스는 소위 "준 실내 온도"(예를 들면, 50~60℃와 같이, 실온보다 약간 높은 온도이지만 고온 이온 주입 프로세스만큼 높지 않은 온도)에서 수행되므로 종래에는 저열 척(예를 들어, 100℃ 미만의 온도로 가열하도록 구성된 척)이 주입 중에 워크피스의 온도를 제어하기 위해 사용되었다. 그러나, 이러한 저열 척의 사용에 있어서, 상대적으로 저온(예를 들어, 실온, 대략 20℃)의 워크피스가 저열 척 상에 배치 됨으로써, 이면 가스는 저열 척 및 워크피스를 열적으로 결합시켜, 이온 주입을 수행하기 전에 평형 온도에 도달 할 때까지 저열 척으로부터의 에너지를 워크피스로 전달한다.
그러나 저열 척에 의한 워크피스의 이와 같은 가열은 주입 전에 저열 척에서 워크피스로 에너지가 전달될 뿐만 아니라 열이 또한 주입 자체에서 생성되면서 워크피스에서 워크피스로 주입 온도 변화를 초래할 수 있어, 저열 척의 온도는 일정 시간 동안 변동 할 수 있다. 이러한 변동은 워크피스에서 워크피스로 주입의 균질성에 해로운 영향을 미칠 수 있으며, 정상 상태 작동에 아직 도달하지 않았을 때, 주입 시스템의 가동 개시 중에 변동이 악화 될 수 있다.
일반적으로 고온 ESC(예를 들면, 가열 척)는 적어도 부분적으로 그 히터의 구성 및 주입의 온도를 제어하기 위한 제어 메커니즘으로 인해 요구되는 프로세스가 고온 프로세스(예를 들면, 300℃~600℃)에서 준 실내 온도 프로세스(예를 들면, <100℃)로 변경될 경우 문제가 될 수 있어 고온 주입에만 사용된다. 따라서, 고온 주입에서 준 실내 온도 주입으로 변경될 때, 가열 척은 저열 척으로 대체되므로, 가열 척 및 저열 척은 요구되는 프로세스 온도를 위해 특별히 설계된 상이한 열 전달 능력을 갖는다.
본 발명은 고온 정전 척 상에 워크피스를 주입하기 위한 시스템 및 방법을 제공함으로써 종래 기술의 한계를 극복하여, 상기 시스템 및 방법은 고온 및 준 실내 온도 주입 모두를 위한 구성을 제공한다.
따라서, 다음은 본 발명의 일부 측면의 기초적인 이해를 제공하기 위해 본 발명의 단순화된 요약을 제공한다. 이 요약은 발명의 광범위한 개관이 아니다. 본 발명의 핵심 또는 중요한 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 기술하지 않는다. 그 목적은 후술되는 보다 상세한 설명의 서두로서 본 발명의 일부 개념을 단순화된 형태로 제시하는 것이다.
본 발명은 일반적으로 이온 주입 장치 및 그 내부의 워크피스의 가열을 제어하는 방법을 구비하는 이온 주입 시스템에 관한 것이다. 예를 들어, 이온 주입 시스템은 이온 빔을 프로세스 챔버를 향해 지향시키도록 구성된 이온 주입 장치를 포함한다. 제1챔버는 상기 프로세스 챔버에 작동 가능하게 결합되고, 가열 척은 상기 프로세스 챔버 내에 위치된다. 상기 가열 척은 예를 들어, 워크피스를 그 클램핑 표면에 선택적으로 클램핑하도록 구성되며, 상기 가열 척은 이와 관련된 하나 이상의 히터를 포함한다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 히터는 상기 가열 척 내에 내장되고 상기 클램핑 표면을 선택적으로 가열하도록 구성된다. 대안적으로, 상기 하나 이상의 히터는 상기 가열 척의 클램핑 표면을 향하는 하나 이상의 복사열 소스를 포함한다. 워크피스 이송 장치는 또한 상기 가열 척과 상기 제1챔버 사이에서 상기 워크피스를 이송하도록 구성된다.
또 다른 측면에 따르면, 제어기가 제공되며 상기 제어기는 상기 워크피스 이송 장치를 통해 상기 가열 척 및 상기 제1챔버 사이에서 상기 워크피스를 선택적으로 이송하도록 구성된다. 상기 제어기는 또한 제1모드 및 제2모드 각각에서 상기 가열 척을 작동하기 위해 상기 하나 이상의 히터를 선택적으로 활성화하도록 구성된다. 상기 제1모드에서, 상기 하나 이상의 히터는 고온 이온 주입과 관련된 제1온도로 상기 클램핑 표면을 가열한다. 상기 제2모드에서, 상기 하나 이상의 히터는 준 실내 온도 이온 주입과 관련된 제2온도로 상기 클램핑 표면을 가열한다.
상기 제어기는 예를 들어, 상기 워크피스와 관련된 열 버짓(thermal budget), 상기 워크피스에 충돌하는 이온 빔과 관련된 주입 에너지 및 상기 워크피스가 상기 제1챔버에 있을 때 상기 워크피스의 초기 온도 중 하나 이상에 기초하여 제2온도를 결정하도록 구성된다. 상기 제어기는 또한 상기 제2모드에서 일반적으로 상기 제2온도를 상기 가열 척 상에 유지시키도록 구성되며, 상기 가열 척에서 상기 제1챔버로 상기 워크피스를 이송하는 것은 상기 가열 척이 상기 제2모드로 작동될 때 일반적으로 상기 프로세스 챔버로부터 상기 주입 에너지를 제거한다.
전술된 목적 및 관련된 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하에서 충분히 설명되고 특히 청구 범위에서 지시되는 특징을 포함한다. 다음의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 특정 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명의 원리가 채택될 수 있는 다양한 방식 중 몇 가지를 나타낸다. 본 발명의 다른 목적, 이점 및 신규한 특징은 도면과 관련하여 고려될 때 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시의 일 측면에 따른 예시적인 가열 이온 주입 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 예시적인 측면에 따른 워크피스의 가열 이온 주입을 위한 예시적인 방법을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 예시적인 측면에 따른 워크피스의 가열 이온 주입을 위한 예시적인 방법을 예시하는 블록도이다.
도 4는 다른 측면에 따른 예시적인 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 및 준 실내 온도 주입을 위해 구성된 이온 주입 시스템에 관한 것이다. 이에 따라, 본 발명은 도면을 참조하여 설명될 것이며, 도면 전체에 걸쳐서 동일한 참조 부호가 동일한 요소를 나타내기 위해 사용될 수 있다. 이들 측면들의 설명은 단지 예시적인 것이며, 제한된 의미로 해석되어서는 안된다는 것이 이해되어야 한다. 이하의 설명에서, 설명의 목적으로, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나, 통상의 기술자에게는 본 발명이 이러한 특정 세부 사항들 없이 실시될 수 있음이 명백할 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 도 1은 예시적인 이온 주입 시스템(100)을 도시한다. 본 실시예의 이온 주입 시스템(100)은 예시적인 이온 주입 장치(101)를 포함하지만, 플라즈마 프로세싱 시스템 또는 다른 반도체 프로세싱 시스템과 같은 다양한 다른 유형의 진공 기반 반도체 프로세싱 시스템이 또한 고려될 수 있다. 예를 들어, 이온 주입 장치(101)는 터미널(102), 빔라인 어셈블리(104) 및 엔드 스테이션(106)을 포함한다.
일반적으로 말하면, 터미널(102)의 이온 소스(108)는 전원(110)에 연결되어 도펀트 가스를 다수의 이온으로 이온화하고 이온 빔(112)을 형성한다. 본 실시예에서의 이온 빔(112)은 질량 분석 장치(114)를 통해 지향되고 엔드 스테이션(106)을 향한 애퍼처(116) 밖으로 나온다. 엔드 스테이션(106)에서, 이온 빔(112)은 척(예를 들어, 정전기 척 또는 ESC, 120)에 선택적으로 클램프 되거나 장착되는 워크피스(예를 들어, 실리콘 웨이퍼, 디스플레이 패널 등과 같은 기판, 118)에 충돌한다. 일단 워크피스(118)의 격자 내에 삽입되면, 주입된 이온은 워크피스의 물리적 및/또는 화학적 특성을 변화시킨다. 이 때문에, 이온 주입은 반도체 장치 제조 및 금속 마감뿐만 아니라 재료 과학 연구의 다양한 응용 분야에도 사용된다.
본 개시의 이온 빔(112)은 펜슬 또는 스폿 빔(pencil or spot beam), 리본 빔(ribbon beam), 주사 빔(scanned beam) 또는 이온들이 엔드 스테이션(106)을 향하는 임의의 다른 형태와 같은 임의의 형태를 취할 수 있으며, 이러한 모든 형태는 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.
하나의 예시적인 측면에 따르면, 엔드 스테이션(106)은 진공 챔버(124)와 같은 프로세스 챔버(122)를 포함하며, 프로세스 환경(128)은 프로세스 챔버와 관련된다. 프로세스 환경(126)은 일반적으로 프로세스 챔버(122) 내에 존재하며, 일례에서, 상기 프로세스 챔버에 결합되고 상기 프로세스 챔버를 실질적으로 배기시키도록 구성된 진공 소스(예를 들어, 진공 펌프, 128)에 의해 생성된 진공을 포함한다.
일 실시예에서, 이온 주입 장치(101)는 고온 이온 주입을 제공하도록 구성되며, 워크피스(118)은 공정 온도(예를 들어, 약 300~600℃)로 가열된다. 따라서, 본 실시예에서, 척(120)은 가열 척(130)을 포함하며, 상기 가열 척은 그 클램핑 표면(131) 상에 워크피스(118)을 지지 및 유지하되, 이온 빔(112)에 대한 상기 워크피스의 노출 전, 중, 및/또는 후에 프로세스 챔버(122) 내에서 워크피스(118)의 가열을 허용할 수 있다.
예를 들어, 가열 척(130)은 상기 워크피스가 주변 또는 외부 환경(예를 들어, "대기 환경"이라고도 함, 132)의 주변 또는 대기 온도보다 상당히 높은 프로세싱 온도로 가열되는 동안 워크피스(118)을 지지하도록 구성된 정전 척(ESC)을 포함한다. 예를 들어, 가열 시스템(134)이 추가로 제공될 수 있으며, 가열 시스템은 가열 척(예를 들어, 클램핑 표면(131), 130)을 가열하고, 그 위에 위치한 워크피스(118)를 원하는 프로세싱 온도까지 가열하도록 구성된다. 가열 시스템(134)은 예를 들어, 가열 척(130) 내에 배치된 하나 이상의 히터(136)를 통해 워크피스(118)를 선택적으로 가열하도록 구성된다. 대안적으로, 가열 시스템(134)의 하나 이상의 히터(136)는 가열 척(130)의 외부에 있는 하나 이상의 할로겐 램프, 발광 다이오드 및 적외선 열 장치와 같은 복사열 소스(미도시)를 포함할 수 있다.
몇몇 고온 주입의 경우, 워크피스(118)는 원하는 온도에 도달할 때까지 프로세스 환경(126)의 진공 내에서 가열 척(130) 상에 "흡수"된다. 선택적으로, 이온 주입 시스템(100)을 통한 주기를 증가시키기 위해, 워크피스는 예열 장치(152)를 통해 프로세스 챔버(122)에 작동 가능하게 결합된 하나 이상의 챔버(138A, 138B, 예를 들어, 하나 이상의 로드 락 챔버)에서 예열될 수 있다.
툴(tool) 구조, 프로세스 및 원하는 처리량에 따라, 워크피스(118)는 예열 장치(152)를 통해 제1온도로 예열될 수 있으며, 여기서 제1온도는 프로세스 온도와 같거나 낮기 때문에, 이는 진공 챔버(124) 내부의 가열 척(130) 상의 최종 열적 평형을 허용한다. 이러한 시나리오는 프로세스 챔버(122)로 이송되는 동안 워크 피스(118)가 약간의 열을 잃는 것을 허용하고, 프로세스 온도로의 최종 가열은 가열 척(130)상에서 수행된다. 대안적으로, 워크피스(118)는 예열 장치(152)를 통해 프로세스 온도보다 높은 제1온도로 예열될 수 있다. 따라서, 제1온도는 프로세스 챔버(122)로의 이송 중에 워크 피스(118)의 냉각이 워크피스가 가열 척(130) 상에 클램핑 되면서 원하는 프로세스 온도가 되기에 충분하도록 최적화된다.
하나 이상의 챔버(예를 들어, 도 1의 챔버(138A)에 도시된)와 관련된 예열 장치(152)는 프로세스 챔버(122)의 프로세스 환경(126)의 진공에 워크피스를 가져 오기 전에 외부 환경(132)의 대기압에서 워크피스(118)를 유리하게 가열할 수 있다. 예를 들어, 프로세스 챔버(122)와 같은 고진공 환경에서 워크피스(118)로의 열 전달은 대부분 복사가 차지한다. 예를 들어, 300~500℃ 사이의 온도에서 결정 실리콘의 총 반구 방사율은 약 0.2와 0.6 사이의 범위를 가지므로 워크피스(118)의 낮은 조사 열 흡수율로 인해 빠른 열 과도 현상에 잘 부응하지 못한다.
열 램프 업(ramp-up)을 가속시키고 열 전달을 위한 부가적인 메커니즘을 가능하게 하기 위해, 워크피스(118)의 배면은 가열 척(130)과 전도성 소통을 하게 된다. 이 전도성 소통은 가열 척(130)과 워크피스(118) 사이의 압력 제어된 가스 인터페이스("배면 가스"로도 불림)를 통해 달성된다. 배면 가스의 압력은 예를 들어, 일반적으로 가열 척(130)의 정전기력에 의해 제한되며, 일반적으로 5~20Torr의 범위로 유지 될 수 있다. 일 실시예에서, 배면 가스 인터페이스 두께(예를 들어, 워크피스(118)와 가열 척(130) 사이의 거리)는 미크론 단위(전형적으로 5~20㎛)로 제어되고, 이에 따라 이 압력 영역에서의 분자 평균 자유 경로는 인터페이스 두께가 시스템을 전이 및 분자 가스 영역으로 밀어 넣기에 충분할 만큼 커지게 된다.
선택적으로, 예열 장치(152)는 프로세스 환경(126)의 진공 압력에서 워크 피스(118)를 가열 할 수 있다. 또 다른 대안에서, 예열 장치(152)는 하나 이상의 챔버(138A, 138B)가 대기압으로부터 진공 압력으로 전이되도록 펌프 다운되는 것과 동일한 시간 프레임 동안 워크피스(118)를 가열 할 수 있다.
예열 장치(152)는 예를 들어, 챔버(138A) 내에 위치된 고온 플레이트(154)를 포함한다. 고온 플레이트(154)는 예를 들어, 고온 플레이트에 내장된 가열 요소, 열 펌프 또는 고온 플레이트로부터의 워크피스(118)로 열 에너지를 전달하기 위한 다른 가열 메카니즘을 포함 할 수 있는 저항성 히터를 포함한다. 선택적으로, 예열 장치(152)는 할로겐 램프, 발광 다이오드 및 적외선 열 장치 중 하나 이상과 같은 복사열 소스를 포함한다.
본 개시의 다른 측면에 따르면, 챔버(138B)는 이온 주입 중에 이온이 주입된 후에 워크피스(118)가 챔버(138B) 내에 배치될 때 워크피스를 냉각 시키도록 구성된 냉각 장치(160)를 포함한다. 냉각 장치(160)는 예를 들어, 냉각 워크피스 지지부(162)를 포함할 수 있으며, 여기서 냉각 워크피스 지지부는 열 전도를 통해 그 위에 존재하는 워크피스(118)를 능동적으로 냉각하도록 구성된다. 　냉각 워크피스 지지부(162)는 예를 들어, 이를 통과하는 하나 이상의 냉각 채널을 갖는 냉각 플레이트를 포함하며, 냉각 채널을 통과하는 냉각 유체는 냉각 플레이트의 표면 상에 존재하는 워크피스(118)를 실질적으로 냉각시킨다. 냉각 워크피스 지지부(162)는 펠티어(Peltier) 냉각기 또는 통상의 기술자에게 알려진 다른 냉각 메커니즘과 같은 다른 냉각 메커니즘을 포함할 수 있다.
다른 예시적인 측면에 따르면, 제어기(170)가 추가적으로 제공되며, 제어기(170)는 가열 시스템(134), 예열 장치(152) 및 냉각 장치를 선택적으로 작동시켜 그 위에 각각 존재하는 워크피스(118)를 선택적으로 가열 또는 냉각하도록 구성된다. 제어기(170)는 예를 들어, 예열 장치(152)를 통해 챔버(138A) 내의 워크피스(118)를 가열하고, 가열 척(130) 및 가열 시스템(134)을 통해 프로세스 챔버(122)에서 워크피스를 소정 온도로 가열하고, 이온 주입 장치(101)를 통해 이온을 이온 주입하고, 냉각 장치(160)를 통해 챔버(138B) 내의 워크피스를 냉각시키고, 펌프 및 벤트(172), 각각의 대기 도어(174A, 174B)와 각 챔버(138A, 138B)의 진공 도어(176A, 176B) 및 워크피스 이송 장치(178A, 178B)의 제어를 통해 외부 환경(예를 들어, 대기, 132)과 프로세스 환경(예를 들어, 진공 환경, 126) 사이에서 선택적으로 워크피스를 이송하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 워크피스(118)는 선택된 전방 개방 통합 포드(FOUP, 180A, 180B) 및 챔버(138A, 138B) 사이에서 워크피스 이송 장치(178A)를 통해 워크피스가 이송되도록 프로세스 챔버(122)를 향하여 및 프로세스 챔버(122)로부터 전달될 수 있고, 워크피스 이송 장치(178B)를 통해 챔버(138A, 138B) 및 가열 척(130) 사이에서 이송될 수 있다. 제어기(170)는 예를 들어, 워크피스 이송 장치(178A, 178B)의 제어를 통해 FOUP(180A, 180B), 챔버(138A, 138B) 및 가열 척(130) 사이에서 워크피스를 선택적으로 이송하도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 종래의 이온 주입 시스템은 전형적으로 상이한 구성을 갖는 다양한 정전 척을 사용하며, 상이한 온도 범위에서 수행되는 주입은 상이한 열 전달 능력을 갖는 상이한 정전 척을 각각 이용한다. 그러나, 본 개시의 도 1의 시스템(100)은 고온 주입(예를 들어, 300~600℃ 범위) 및 준 실내 온도 주입(예를 들어, 20~100℃ 범위)에서 동일한 가열 척(130)을 이용하도록 유리하게 구성되어 있다. 도 1의 시스템(100)은 종래의 이온 주입 시스템의 통상적인 시동 작동에서 일반적으로 나타나는 다양한 결점을 완화시키고 형상 변화를 최소화하면서 다양한 주입 방식에 이용 될 수 있기 때문에 이러한 구성은 생산성뿐만 아니라 단순성 모두에서 종래 시스템보다 유리하다.
본 개시에 따르면, 가열 척(130)의 열 질량은 예를 들어, 이온 주입 중에 주입 에너지를 저장하기 위한 에너지 흡수재로서 유리하게 작용하며, 상기 저장된 주입 에너지는 워크 피스(118)의 제거 시 이온 주입 장치(101)로부터 제거될 수 있다. 따라서, 본 개시는 혁신적 방법으로 이온 주입과 동시에 열에너지를 유리하게 관리한다.
예를 들어, 가열 척(130)은 직경이 약 300㎜인 클램핑 플레이트를 포함하고, 클램핑 플레이트의 열 질량은 대략 3372joules/K이다. 한편, 직경이 300mm인 워크피스(예를 들어, 실리콘 웨이퍼, 118)의 열 질량은 80.7joules/K이다. 따라서, 본 개시의 상기 실시예를 보았을 때 이해되는 바와 같이, 가열 척(130)의 열 질량은 이온 주입 중에 주입 에너지를 저장하는 에너지의 흡수재로서 작용할 수 있으며, 이로써 저장된 주입 에너지는 워크 피스(118)의 제거 시 이온 주입 장치(101)로부터 제거될 수 있다.
일반적인 실시예에서, 워크피스(118)는 약 20℃의 온도(예를 들어, 대략 실온)에서 가열 척(130) 상에 적재된다. 워크 피스(118)의 온도가 가열 척(130) 상에있는 동안 상승할 수 있고 그 저장된 에너지는 이온 주입의 종료시의 주입 에너지와 동일할 경우, 그때, 평균적으로, 가열 척의 온도는 일정할 것이고 워크피스는 워크피스가 시스템(100)으로부터 제거될 때 이온 주입 중에 증착되는 이온 주입 시스템으로부터 많은 에너지를 제거할 것이다.
본 개시는 가열 척(130)과 관련된 이러한 에너지 평형을 유리하게 관리한다. 예를 들어, 최대 열 버짓(thermal budget) T budget (예를 들면, 프로세싱 중 워크피스 표면의 미리 결정된 최대 온도)이 제공되고(예들 들면, T budget = 100℃), 워크피스의 초기 온도 T 0 는 20℃로 제공된다. 따라서, 본 실시예에서, 워크피스(118)에 저장된 에너지, 워크피스와 가열 척(130) 사이의 열 저항을 통한 열 흐름과 같은 다른 변수에 대해 80℃의 온도차 T diff (예를 들어, T budget -T 0 )가 가능하다. 본 개시는 바람직하게는 주입 종료 시의 워크피스(118)의 에너지 변화가 주입 동안 증착된 주입 에너지와 대략 동일하도록 제한한다. 이것은, 예를 들어 가열 척(130)을 워크피스(118)의 최종적인 소정 온도와 대략 동일한 온도로 예열함으로써 달성된다. 이러한 방식으로, 가열 척(130)의 평균 온도는 일반적으로 일정할 것이고, 워크피스(118)의 온도 변화는 이후의 주입 단계에 대해 일반적으로 일정하게 유지될 것이다.
더 나은 이해를 얻기 위해, 최대 열 버짓 T budget (예를 들어, 워크피스의 최대 표면 온도)은 다음과 같이 정의 될 수 있다:
T budget = T 0 + Pd/k g + {[EDe] / [ρtC P ]} / n (1),
여기서, T 0 는 워크 피스(118)의 초기 온도이고, Pd는 이온빔(112)의 전력 밀도 (예를 들어, 열 버짓 T budget 과 관련된 계산된 파라미터)이고, kg는 워크피스의 표면으로부터 가스 인터페이스를 통한 척(130)으로의 열 전도도(예를 들어, N2 가스를 사용하여 5torr 배면 가스 압력에서 k g = .083w/cm2/℃), E 는 주입 에너지 (예를 들면, 전자 볼트로 표시), D 는 주입의 양(예를 들면, ions/cm2로 표시)이고, e는 전자 전하(예를 들면, e = 1.602 X 10-19쿨롱)이고, ρ는 워크피스의 밀도(예를 들면, 종래 실리콘 웨이퍼의 경우 ρ = 2.33g/cm3)이고, t는 워크피스의 두께(예를 들면, 종래 실리콘 웨이퍼의 경우 t = 0.07cm)이며, C P 는 일정한 압력에서 워크피스의 비열 용량(예를 들면, 종래 실리콘의 경우 C P = 0.7J/gm/°K)이다. 임플란트 단계의 개수(n)는 워크피스 상에 원하는 정량의 이온을 얻기 위해 특정 워크피스(118)가 프로세스 되는 횟수를 나타낸다.
에너지 E = 40,000 eV, 투입량(dose) D = 1 x 1015 ions/cm2, 및 ρtC P = 0.114 J/cm2/°K로 주어진 상태에서, 워크피스(예를 들어, 종래의 실리콘 웨이퍼, 118))로의 예시적인 이온 주입이 논의될 것이다. 워크피스의 완전한 주입에 대한 워크피스(118)의 전체적인 온도 변화 (ΔT max )는 도스 에너지 프로덕트(Dose Energy Product, EDe)을 비열로 나눈 값으로 아래와 같다.
ΔT max = [EDe] / [ρtC P ] (2),
여기서, 본 실시예에 따르면, ΔT max = 56.2℃이다.
프로세스 경계를 초과하지 않고 워크피스(118)를 적절하게 주입하기 위해 취해져야 하는 주입 단계 개수n을 결정하기 위해, 주입을 위한 프로세스 방안에 기초하여 소정의 예산 값 T recipe 가 제공된다. 소정의 예산 값 T recipe 는 예를 들어, 최대 허용 가능한 빔 전류, 예상되는 에너지 손실, 안전 인자 및 다른 인자와 같은 특정 이온 주입 시스템(100)과 관련된 다양한 인자에 기초한다. 본 실시예에서, 소정의 예산 값 T recipe = 30℃이지만, 상기 소정의 예산 값은 전술한 인자들에 기초하여 변할 수 있음을 알아야 한다. 따라서, 주입 단계 개수 n은 온도의 전체 변화 ΔT max 를 소정의 예산(budgetary) 값 T recipe 로 나누고 그 결과가 가장 가까운 정수로 반올림 됨으로써 결정된다. 위의 실시예에서 56.2 / 30 = 1.873이기 때문에 주입 단계 개수 n 은 2이다.
따라서, 각 주입 단계마다 워크피스(118)로부터 가열 척(130)으로의 온도 상승을 고려할 때 소정의 온도 차{T budget - (ΔT w +T 0 )}가 존재하는데, 여기서 ΔT w 는 각 주입 단계의 워크피스의 온도 상승 정도이다. 위 실시예에서 예시적인 열 버짓 T budget = 100°C 및 초기 워크피스 온도 T 0 = 20℃을 사용하면, 23.8℃와 같은 소정의 온도 차{T budget - (ΔT w +T 0 )}가 열 버짓에 남게 된다. 주입 전에 가열 척(130)이 가열되어야 하는 예열 온도 T preheat 는 아래와 같이 결정될 수 있다.
T preheat = ΔT w + T 0 (3).
상기 실시예의 수치를 사용하여, 주입 시퀀스를 시작하기 전에 가열 척(130)을 가열해야 하는 예열 온도 T preheat 는 76.2℃이다.
빔 파워 밀도의 비용(budget)은 Pd는 아래와 같고, 이는1.97watts/cm2과 같다.
Pd = kg {T max - (ΔT w +T 0 )} (4),
예시적인 이온 주입 시스템(예를 들어, 매사추세츠 주 비벌리의 Axcelis Technologies사에 의해 제조 된 Purion M 또는 Purion H 이온 주입 시스템, 100)을 사용하는 예시적인 이온 주입에서, 300mm의 직경을 갖는 실리콘 워크피스(118)는 100㎜의 직경 (예를 들어, 78.5㎠의 면적)을 가지며, 최대 전력이 155watt이고, 빔 전류 제한이 3.86㎃인 이온 빔(112)에 노출된다. 본 실시예의 주입 영역은 1720cm2이고, 따라서 위에 제공된 실시예에서 72.5초의 주입 시간이 도출된다. 이에 따라, 그러한 예시적인 주입 프로세스에 대한 처리량은 시간당 46.4워크피스가 될 것이다. 따라서, 본 실시예에서 워크피스(118)의 원하는 최종 온도가 T budget = 100℃ 인 경우, 각 후속 주입에 대해 평형 상태에서 가열 척(130)의 온도를 유지하기 위해, 본 개시는 주입을 시작하기 전에 가열 척을 T preheat = 76.2℃의 초기 예열 온도로 예열하는 것을 제공한다.
따라서, 본 개시는 워크피스가 이온 주입 시스템(100)으로부터 제거될 때 워크피스(118)가 주입와 관련된 에너지를 제거하도록 허용한다. 본 실시예에서, 워크피스가 가열 척(130) 상에 배치되고 워크피스가 가열될 때 대부분의 에너지가 워크피스(118)에 투입되기 때문에 전체 주입 에너지의 작은 부분이 워크피스(118)와 함께 제거된다. 본 개시에 따르면, 주입이 진행됨에 따라, 워크피스(118) 및 가열 척(130)의 평균 온도는 소량 상승하지만, 워크피스가 이온 주입 장치(101)로부터 제거될 때, 주입과 관련된 에너지가 또한 유리하게 제거된다.
전술된 바와 같이, 계산된 워크피스 온도 상승 ΔT w 가 예를 들어 너무 높게 결정되면, 임플란트는 다수의 단계 n으로 진행될 수 있고, 각 단계는 워크피스 온도 상승을 소정 작동 범위 내로 유지한다. 따라서, 각 주입 단계 동안 전체 주입 에너지가 단계의 개수n으로 나누어져 제거되며, 이에 따라 워크피스는 각각의 주입 단계 후에 T 0 (예를 들어, 20℃)로 냉각된다. 다른 예에서, 초기 워크피스 온도 T 0 는 챔버(138B) 내부의 사전- 냉각 스테이션을 통해 낮추어져서, 열 버짓이 효과적으로 증가될 수 있다.
본 개시는 이에 따라 이온 주입과 동시에 워크피스(118)에 부가되는 주입 에너지를 고려하여 가열 척(130)의 온도를 유지하는 시스템 및 방법을 제공한다. 따라서, 본 개시는 종래의 정전 척 시스템 및 방법보다 더 범용적인 정전 척 시스템 및 방법을 제공하고, 여기서 개시된 가열 척은 가열 주입뿐만 아니라 소위 "실온" 주입 (예를 들어, 100 ℃ 미만의 온도)를 수행하도록 구성된다.
본 발명의 예시적인 측면에 따르면, 워크피스(118)는 소위 "준 실내 온도 (quasi-room temperature)" 주입(예를 들어, 60~100℃ 범위의 워크피스 온도를 갖는 이온 주입)을 위해 가열 척(130) 상에 적재된다. 소정 양의 에너지가 주입을 통해 워크피스(118) 내로 도입되고, 소정 양의 에너지는 워크피스가 시스템으로부터 제거될 때 유리하게 장치(101)로부터 제거된다. 다시 말해, 워크피스(118)로의 이온 주입과 관련된 에너지는 시스템의 온도를 계속적으로 증가시키지 않고 장치(101)로부터 제거된다. 통상적으로, 워크피스 온도 및 척 온도는 특히 종래 시스템의 시동 중에 주입에서 후속 주입까지 계속 상승하고, 주입에서 주입으로의 이와 같은 온도 변화는 문제가 된다.
본 개시는 이에 따라 이온 주입 장치(101) 내의 가열 척(130)의 비교적 균일 한 온도를 유지한다. 가스 인터페이스는 예를 들어, 워크피스 (예를 들어, 상대적으로 작은 질량, 118)과 가열 척(예를 들어, 비교적 큰 질량, 130) 사이에 열 전도성 인터페이스를 제공한다. 따라서, 워크 피스(118)가 가열 척(130) 상에 적재될 때, 워크 피스는 가열 척으로부터 적은 양의 에너지　(예를 들어, 장치(101) 내의 총 에너지의 수 퍼센트)를 흡수한다. 워크피스(118)에 이온 빔(112)으로부터의 이온이 주입될 때, 소정 양의 에너지가 워크피스에 추가된다. 그러나, 본 개시에 따르면, 워크피스가 시스템으로부터 제거 될 때, 이러한 소정 양의 에너지가 장치(101)로부터 제거된다. 따라서, 워크 피스(118) 자체가 시스템으로부터 이온 빔(112)에 의해 부여된 에너지를 제거함으로써 장치(101)에 대한 냉각 기능을 수행한다. 워크피스(118)는 예를 들어, 상대적으로 높은 온도에서 제거되어 챔버(138B)(및 선택적으로 그 내부에서 냉각됨)에 배치될 수 있으며, 이에 의해 다른 워크피스는 챔버(138A)를 통해 장치(101)로 복귀될 수 있어 사이클을 반복한다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 워크피스(118)의 열 질량으로 나눈 도스 에너지 프로덕트는 예를 들어, 워크피스의 온도를 대략 미리 결정된 온도 상승(예를 들어, 약 5~10℃) 아래로 유지할 것이다. 이에 따라, 워크피스(118)가 주입의 종료 시 가열 척(130)으로부터 제거될 때, 워크피스 자체는 소정의 온도 상승을 겪게 될 것이지만, 소정의 온도 상승과 관련된 에너지는 워크피스에 저장되고, 후속 적으로 시스템으로부터 워크피스를 제거할 때 장치(101)로부터 제거된다. 따라서, 프로세스는 가열 척(130) 상에 적재되는 다른 워크피스(118)로 다시 시작할 수 있으며, 이에 따라 워크피스는 주입과 동시에 소정의 온도 상승(예를 들어, 다시 약 5~10℃)에 의해 온도가 상승한 다음 장치(101)로부터 제거되고, 이로써 소정의 온도 상승과 관련된 에너지가 추가 워크피스와 함께 시스템으로부터 다시 제거된다.
따라서, 본 개시는 각각의 워크피스(118)가 프로세싱된 상태에서 이온 주입 장치(101)로부터 평균 주입 에너지를 제거하여, 이후의 주입에 대해 대체적으로 일정한 온도를 유지한다. 워크피스(118)와 가열 척(130) 사이의 가스 인터페이스 및 가열 척의 비교적 큰 열 질량은 워크피스를 가로 질러 이온 빔(112)을 스캐닝하는 것과 관련된 전력의 큰 순간 피크를 유리하게 완화시키며, 이로써 워크피스에 제공되는 주입 에너지의 평균 전력은 가열 척의 소정 온도를 유지함으로써 경감된다.
실질적으로 더 긴 주입을 요구하는 프로세스 방안(예를 들어, 높은 도스(high dose) 주입)들에서, 예를 들어, 워크피스(118)의 온도가 소정의 최대치까지 상승하면, 워크피스는 가열 척(130)으로부터 제거되어 챔버(138B)에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 소정 양만큼 냉각하기 위해, 다시 가열 척(130) 상에 배치되어, 프로세스가 반복된다. 그러나, 워크피스(118)가 장치(101)로부터 제거 될 때, 주입 에너지는 다시 시스템으로부터 마찬가지로 제거되어, 시스템의 온도 상승을 초래하지 않는다.
다른 예에서, 워크피스(118)와 가열 척(130) 사이의 열 인터페이스는 일반적으로 가열 척의 온도의 유의미한 증가를 방지하여, 일반적으로 가열 척의 일정한 온도를 유지한다. 　본 개시는 가열 척(130)의 대체로 일정한 온도를 유지하려고 시도하지만, 작은 온도 변화가 고려된다(예를 들어, 워크 피스(118)의 10℃ 상승 온도에 대해 가열 척의 온도가 0.5℃ 상승).　그러나, 가열 척(130)의 작은 온도 변화는 가열 척에 내장된 하나 이상의 히터(136)에 의해 설명되며, 하나 이상의 히터는 이온 빔(112)에 의해 제공되는 전력보다 더 높은 전력 손실을 갖는다.
본 개시는 또한 가열 척(130)이 대략 300~600℃의 높은 주입 온도로 가열되는, 소위 "고온 주입"을 위한 시스템(100)의 사용을 고려한다. 이러한 고온 주입에서, 워크 피스(118)는 가열 척(130) 상에 배치되기 전에 대략 높은 주입 온도로 추가적으로 예열될 수 있으며, 이에 의해 예열된 워크피스(118)는 가열 척 상에 적재되고 고온 주입이 수행된다. 따라서, 본 개시는 고온 주입뿐만 아니라 준 실내 온도 주입을 수행하기 위해 동일한 가열 척(130)을 사용하여 이전에 없었던 다기능성을 제공하는 시스템 및 방법을 제공한다.
도스 에너지 프로덕트는 워크피스(118)의 표면적 단위당 저장된 에너지를 나타낸다. 예를 들어, 도스는 시간에 따른 이온 빔(112)의 전류의 적분으로서 정의된다. 워크피스(118) 표면의 제곱 센티미터 당 증착되는 총 에너지는 예를 들어, 이온빔(112)의 에너지에 의해 곱해진 전자 전하를 곱한 도스(예를 들어, 원자/cm2 단위)로서 정의될 수 있다. 열 질량은 그 깊이에 대한 상기 표면의 열 질량(예를 들어, 워크피스(118)의 두께)이다. 그러나 워크피스(118)의 두께는 전형적으로 비교적 작다. 예를 들어, 직경이 300mm인 실리콘 웨이퍼와 같은 워크피스(118)는 ℃ 당 약 90줄의 에너지를 흡수할 것이다. 따라서 300mm 실리콘 웨이퍼의 열 응답은 90줄로 1℃ 상승한다. 본 개시는 워크피스(118) 및 가열 척(130)의 열 응답을 유리하게 관리하여 에너지의 변동이 완화된다.
예를 들어, 본 개시의 더 나은 이해를 얻기 위해, 종래의 주입의 예가 제공 될 것이다. 종래의 이온 주입 시스템이 시작될 때, 제1웨이퍼는 저온 또는 주위 온도의 척 상에 적재되며, 이에 따라 웨이퍼에는 이온이 주입된다. 이에 따라, 주입과 함께 웨이퍼의 온도가 상승할 것이고, 척의 온도도 상승할 것이다.　제1웨이퍼가 제거되고 다음 웨이퍼가 척 상에 적재된 후, 척의 온도는 통상적으로 후속 주입 동안 다시 상승할 것이다. 통상적으로 척 상의 평형 온도에 도달하기 전에 대략 30~40개의 웨이퍼가 척에 적재되어 주입된다. 웨이퍼 배치에 걸친 웨이퍼 및 척의 온도 변화는 바람직하지 않다.
따라서, 본 개시에 따르면, 평형 온도가 결정되고, 가열 척(130)은 워크피스(118)가 그 위에 배치되기 전에 평형 온도로 유리하게 예열된다. 평형 온도를 결정하고 가열 척(130)을 평형 온도로 가열함으로써, 가열 척(130)의 온도 제어가 유리하게 최적화되도록 열 흐름 문제가 장치(101)로부터 제거된다. 그러나 제어 시스템을 안정화시키기 위해 어떤 경우에는 일부 열 흐름이 필요하다. 그러나, 본 개시는 워크피스에서 워크피스로의 주입의 평균 온도를 유리하게 제어한다.
본 시스템 및 방법은 이에 따라 주입의 개시 전에 평형 온도를 결정함으로써, 워크피스가 열 시스템의 구성 요소로 간주되는 상태에서, 워크피스(118)에 이온을 주입하면서 열 시스템을 관리한다. 본 방법론은 워크피스가 시스템으로부터 제거될 때 소정 양의 에너지를 시스템으로부터 제거하고, 에너지의 소정 양은 워크피스에 증착된 총 주입 에너지와 동일하다.
본 개시의 방법론은 예를 들어, 가열 척(130)의 평형 온도를 결정하여, 워크 피스(118)의 초기 배치에 대한 열 척의 온도의 초기 상승을 방지한다. 일 실시예에서, 워크피스(118)는 워크피스이 초기 온도 T 0 에 있을 때(예를 들어, 워크피스가 예열되지 않을 때) 가열 척(130) 상에 적재된다. 이와 같이, 워크피스(118)는 전도성 가스를 통해 워크피스와 가열 척(130) 사이에서 열 전도가 시작될 때 초기 온도 T 0 에서 프로세싱 온도까지 온도가 상승 할 것이다. 이에 따라, 약간의 에너지가 가열 척(130)으로부터 워크피스(118)에 의해 흡수된다. 주입이 수행 될 때, 소정 양의 에너지가 이온 빔(112)을 통해 워크피스(118) 내로 다시 배치되지만, 이러한 소정 양의 에너지는 일반적으로 워크피스 내에 잔존하며 워크피스가 가열 척으로부터 제거되고 시스템으로부터 제거될 때 장치(101)로부터 제거된다. 예를 들어, 가열 척(130)에 비해 낮은 열 질량을 갖는 워크피스(118)는 그 위에 배치 될 때 가열 척으로부터 에너지를 (열의 형태로) 신속하게 끌어 당기고, 따라서 가열 척에 거의 영향을 미치지 않는다.
주입으로부터의 대부분의 에너지는 주입의 시작 전에 가스 인터페이스를 통해 가열 척(130)으로 전달된다는 것을 알 수 있다. 주입 에너지의 대부분은 예를 들어, 척(130) 및 워크피스를 가열함으로써 주입을 시작하기 전에 워크피스(118)로 전달된다. 열은 초기에 가열 척(130)으로부터 워크피스(118)로 흐른 다음, 열이 가열 척으로 다시 전달되는 주입 도중에 워크피스를 통해 가열 척으로 유동한다. 주입 동안, 대부분의 주입 에너지는 워크피스를 통해, 가스 인터페이스를 통해, 그리고 가열 척(130)으로 흐른다.
가열 척(130) 자체는 그 주변으로의 열 손실을 최소화하며, 이러한 열 손실의 대부분은 가열 척과 관련된 다양한 장착 고정구를 통한 최소 전도 손실과 함께 복사 에너지이다. 따라서, 가열 척(130)은 이온 주입 장치(101) 내에서 소정의 열 손실과 함께 열적으로 고립된 것으로 간주 될 수 있다.
가열 척(130)은 예를 들어, 주로 복사에 의해 냉각되며, 복사 단독으로 주입 온도(예를 들어, 500℃)에서 실온으로 냉각하는데 수 시간이 걸릴 수 있다. 예를 들어, 가열 척(130)의 보다 빠른 냉각은 가열 척의 파손으로 이어질 수 있기 때문에, 통상적으로 분당 3℃의 초기 최대 냉각 속도가 허용된다. 고온 주입에서 준 실내 온도 주입으로 변경하는 경우, 가열 척(130)은 냉각될 때 가열 될 수 있다. 가열 된 척(130)이 약 400℃에 도달하면, 복사에 의한 열 손실이 극적으로 감소되고, 가열 척은 추가적인 가열 없이 자연적으로 냉각 될 수 있다. 이러한 냉각 프로세스는 상당히 오랜 시간이 걸릴 수 있다.
본 개시에 따르면, 냉각 속도는 가열 척(130)을 통해(이온을 주입하지 않고) 워크피스(118)를 순환시킴으로써 그대로 유지 될 수 있다. 따라서, 가열 척(130)을 냉각시키기 위해 가열 척 상에 배치되고 가열 척과 떨어지도록 "냉각된" 워크피스(118)를 순환시킴으로써 시스템으로부터 제거될 수있는 상당한 양의 저장 에너지를 제공한다.
따라서, 본 개시는 이온 주입과 관련된 전체 열 프로세스를 유리하게 제어하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 워크 피스(118)가 가열 척(130) 상에 적재될 때, 예를 들어, 워크 피스의 온도를 가열 척의 온도로 상승시키는 것과 관련된 에너지의 양을 흡수하기 위해, 워크 피스는 소정 양 만큼 가열 척을 냉각시킬 것이다. 주입이 워크피스 상에 수행 될 때, 소정 양의 에너지가 이온 빔(112)을 통해 워크피스(118) 상에 증착된다. 워크피스(118) 상에 증착된 소 정 양의 에너지는 워크피스의 온도를 소량으로 상승시키기에 충분하지만, 프로세스를 변화시키기에 충분하지 않다. 이에 따라, 워크피스(118)가 이온 주입 장치(101)로부터 제거될 때, 실질적으로 모든 주입 에너지 또한 워크피스를 통해 시스템으로부터 제거된다. 일 실시예에서, 워크 피스(118)를 제거함으로써 이온 주입 장치(101)로부터 제거된 에너지는 워크피스의 질량으로 도스 에너지 프로덕트와 대략 동일하다. 본 개시는 유리하게는 워크피스(118) 및 가열 척(130)의 소정 온도를 결정하여 상기 에너지가 가열 척에 축적되지 않도록 한다.
다른 한편, 고온 주입(예를 들어, 300~600℃의 온도)에서, 워크피스(118)는 복사에 의해 냉각되고, 여기서 가열 척(130)은 주입 동안 워크피스를 능동적으로 가열하고, 가열 척의 온도 제어가 유지된다. 이러한 고온 주입에서, 주입 전체에 걸쳐 가열 척(130)을 통해 워크피스(118)가 가열되는 그러한 복사로 인해 열 흐름이 훨씬 더 크다.
고온 주입의 경우, 열 에너지는 일반적으로 워크피스(118)로부터 가열 척(130)으로 전달되지 않으며; 오히려 모든 열 에너지가 가열 척에서 워크피스로 전달된다. 즉, 고온 주입의 경우, 에너지는 한 방향으로 전달되는 것으로 간주된다. 열 전달은 이온 빔(112)으로부터 워크피스(118) 상에 증착된 에너지로 인해 고온 주입에 대해 일정하게 유지되지 않을 수 있지만, 워크피스와 가열 척(130) 사이의 열 퍼텐셜은 변할 수 있으며, 이에 따라 가열 척으로부터 워크피스까지의 열 흐름이 변화된다. 그러나, 고온 주입에서 에너지 전달의 방향은 가열 척(130)에서 워크피스(118)를 향하는 반면, 준 실내 온도 주입의 경우, 에너지 전달 방향은 0에 가까운 에너지의 순 전달을 유지하면서 가열 척과 워크피스 사이에서 양방향이다.
따라서, 본 개시의 방법은 가열 척(130)과 관련된 소정의 주입 온도의 결정을 제공하고, 가열 척을 소정의 주입 온도까지 가열한다. 워크피스(118)는 이어서 가열 척(130) 상으로 이송되고, 배면 가스가 작동되어, 워크피스가 가열 척으로부터 소정 양의 에너지를 흡수한다. 그 다음, 워크피스(118)는 이온 주입되고, 소정 양의 주입 에너지가 가열 척(130)으로 다시 전달되며, 소정 양의 주입 에너지는 가열 척으로부터 워크피스에 의해 흡수된 에너지의 소정 양과 대략 동일하여, 가열 척의 온도를 소정 범위 내로 유지할 수 있다. 일단 주입이 완료되면, 워크피스(118)는 가열 척(130)으로부터 제거되어 이온 주입 장치(101)로부터 제거되며, 이로써 워크피스는 이온 주입 장치(101)로부터 제거 시 남아있는 주입 에너지를 시스템으로부터 제거한다. 그러므로, 가열 척(130)과 관련된 에너지의 순 변화는 대략 0이거나, 적어도 가열 척을 가열하는 것과 관련된 임의의 제어 오차의 한계 내이다.
이에 따라, 본 개시는 순차적 이온 주입을 위해 가열 척의 실질적으로 일정한 열적 특성을 유지하기 위한 도 2의 방법(200)을 추가적으로 제공한다. 예시적인 방법이 본 명세서에서 일련의 행위 또는 이벤트로서 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 이러한 행위 또는 이벤트의 예시된 순서에 의해 제한되지 않으며, 몇몇 단계는 상이한 순서로 발생할 수 있다는 점 및/또는 본 명세서에 도시되고 설명된 것 이외의 다른 단계와 동시에 수행 될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, 설명된 단계들 일부만이 본 발명에 따른 방법론을 구현하기 위해 요구될 수 있다. 또한, 본 방법들은 설명되지 않은 다른 시스템들과 관련하여 뿐만 아니라 본 명세서에 도시되고 기술된 시스템들과 관련하여 구현될 수 있음을 이해할 것이다.
도 2에 도시 된 바와 같이, 방법(200)은 주입 중에 워크피스 온도의 전체 변화(ΔT max )가 원하는 주입 온도에 대한 워크피스의 비열로 나눈 도스 에너지 프로덕트(EDe)에 기초하여 결정되는 단계(202)로부터 시작된다. 단계(204)에서, 워크피스를 적절하게 주입하기 위해 취해져야 하는 다수의 주입 단계의 개수 n이 주입을 위한 공정 방안에 대한 소정의 예산 값 T recipe 에 기초하여 결정된다. 소정의 예산 값 T recipe 는 예를 들어, 최대 허용 가능한 빔 전류, 예상되는 에너지 손실, 안전 인자 및 다른 인자와 같은 특정 이온 주입 시스템과 관련된 다양한 인자에 기초한다. 단계(204)에서 결정된 주입 단계 개수n은 온도의 전체 변화 ΔT max 를 소정의 예산 값 T recipe 으로 나누고 그 결과가 가장 가까운 정수로 반올림 됨으로써 결정된다.
단계(206)에서, 가열 척을 가열하기 위한 예열 온도 T preheat 가 결정되고, 가열 척이 단계 (208)에서 예열 온도 T preheat 로 가열된다. 단계(210)에서, 워크피스가 제1챔버(예를 들어, 로드 락 챔버)에 배치된다. 단계(212)에서, 워크피스는 제1챔버로부터 제거되고 예열 온도 T preheat 의 가열 척 상에 위치된다. 예를 들어, 워크피스는 워크피스 이송 장치를 통해 제1챔버로부터 가열 척으로 이송된다. 단계(214)에서, 워크피스는 가열 척을 통해 가열된다. 단계(216)에서, n개의 주입 단계가 수행되고, 단계(218)에서, 워크피스는 가열 척으로부터 제거되어, 워크피스를 가지고 시스템으로부터 주입 에너지를 제거한다.
본 개시의 다른 측면에서, 도 3은 워크피스를 프로세싱 하기 위한 다른 방법(300)을 도시한다. 도 3에 도시 된 바와 같이, 이온 주입 시스템은 단계(302)에서 제1주입 모드 및 제2주입 모드 각각에서 작동하도록 구성된다. 단계(304)에서, 가열 척의 예열 온도는 이온 주입 시스템의 작동 모드 및 각각의 주입 모드와 관련된 열 버짓에 기초하여 결정된다. 가열 척은 단계(306)에서 예열 온도로 추가 가열된다. 단계(308)에서, 워크피스는 프로세스 챔버 내의 가열 척 상으로 이송되어 예열 온도로 가열된다.
단계(310)에서, 워크피스는 각각의 제1주입 모드 또는 제2주입 모드에서 프로세스 방안에 따라 주입된다. 단계(312)에서, 워크피스는 가열 척으로부터 제거되고 또한 프로세스 챔버로부터 제거되며, 이에 따라 워크피스는 그로부터 이온 주입과 관련된 열을 제거한다.
다른 측면에 따르면, 전술한 방법론은 제어기, 범용 컴퓨터 또는 프로세서 기반 시스템 중 하나 이상에서 컴퓨터 프로그램 코드를 사용하여 구현될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 프로세서 기반 시스템(400)의 블록도가 제공된다. 프로세서 기반 시스템(400)은 범용 컴퓨터 플랫폼이며 본 명세서에서 논의된 프로세스들을 구현하는데 사용될 수 있다. 프로세서 기반 시스템(400)은 데스크탑 컴퓨터, 워크 스테이션, 랩톱 컴퓨터 또는 특정 애플리케이션을 위해 맞춤화된 전용 유닛과 같은 프로세싱 유닛(402)을 포함할 수있다. 프로세서 기반 시스템(400)은 디스플레이(418) 및 마우스, 키보드 또는 프린터와 같은 하나 이상의 입/출력 컴포넌트(420)를 구비할 수 있다. 프로세싱 유닛(402)은 버스(410)에 접속된 CPU(404), 메모리(406), 대용량 스토리지(408), 비디오 어댑터(412) 및 입/출력 인터페이스 (414)를 포함할 수 있다.
버스(410)는 메모리 버스 또는 메모리 컨트롤러, 주변 버스 또는 비디오 버스를 포함하는 임의 유형의 여러 버스 아키텍처 중 하나 이상일 수 있다. CPU(404)는 임의의 유형의 전자 데이터 프로세서를 포함할 수 있으며, 메모리(406)는 SRAM(static random access memory), DRAM(dynamic random access memory) 또는 ROM(read-only memory)과 같은 임의의 유형의 시스템 메모리를 포함할 수 있다.
대용량 스토리지(408)는 데이터, 프로그램 및 다른 정보를 저장하고 버스(410)를 통해 액세스 가능한 데이터, 프로그램 및 다른 정보를 생성하도록 구성된 임의의 유형의 저장 장치를 포함 할 수 있다. 대용량 스토리지(408)는 예를 들어, 하드 디스크 드라이브, 자기 디스크 드라이브 또는 광 디스크 드라이브 중 하나 이상을 포함 할 수 있다.
비디오 어댑터(412) 및 입/출력 인터페이스(414)는 외부 입력 및 출력 장치를 프로세싱 장치(402)에 연결하기 위한 인터페이스를 제공한다. 입력 및 출력 장치의 예는 비디오 어댑터(412)에 연결된 디스플레이(418) 및 입/출력 인터페이스(414)에 결합된 마우스, 키보드, 프린터 및 기타 등과 같은 입/출력 컴포넌트(420)를 포함한다. 다른 장치들이 프로세싱 유닛(402)에 결합될 수 있고, 추가 또는 더 적은 인터페이스 카드가 사용될 수 있다. 예를 들어, 직렬 인터페이스 카드(미도시)는 프린터에 직렬 인터페이스를 제공하는데 사용될 수 있다. 또한, 포로세싱 유닛(402)은 근거리 통신망(LAN) 또는 광역 통신망(WAN)(422) 및/또는 무선 링크에 대한 유선 링크 일 수 있는 네트워크 인터페이스(416)를 포함할 수 있다.
프로세서 기반 시스템(400)은 다른 컴포넌트들을 포함 할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, 프로세서 기반 시스템(400)은 전원 공급 장치, 케이블, 마더 보드, 착탈식 저장 매체, 케이스 등을 포함 할 수 있다. 이들 다른 컴포넌트는, 도시되지는 않았지만, 프로세서 기반 시스템(400)의 일부로 간주된다.
본 개시의 실시예들은 CPU(404)에 의해 실행되는 프로그램 코드에 의해 프로세서 기반 시스템 (400)상에서 구현 될 수 있다. 전술한 실시예들에 따른 다양한 방법들은 프로그램 코드에 의해 구현 될 수 있다. 따라서, 여기서의 자세한 설명은 생략한다.
또한, 도 1의 다양한 모듈들 및 장치들은 도 4의 하나 이상의 프로세서 기반 시스템(400)들에 의해 구현되고 제어될 수 있다. 서로 다른 모듈 및 장치 간의 통신은 모듈 구현 방법에 따라 다를 수 있다. 모듈들이 하나의 프로세서 기반 시스템(400) 상에 구현되면, CPU(404)에 의한 상이한 단계들을 위한 프로그램 코드의 실행 사이에 데이터가 메모리(406) 또는 대용량 스토리지(408)에 저장될 수 있다. 데이터는 각각의 단계의 실행 동안 버스(410)를 통해 메모리(406) 또는 대용량 스토리지(408)를 액세스하는 CPU(404)에 의해 제공될 수 있다. 모듈이 상이한 프로세서 기반 시스템(400) 상에 구현되거나, 데이터가 별도의 데이터베이스와 같은 다른 저장 시스템으로부터 제공되는 경우, 데이터는 입/출력 인터페이스(414) 또는 네트워크 인터페이스(416)를 통해 시스템(400)간에 제공될 수 있다. 유사하게, 장치 또는 스토리지에 의해 제공된 데이터는 입/출력 인터페이스(414) 또는 네트워크 인터페이스(416)에 의해 하나 이상의 프로세서 기반 시스템(400)에 입력될 수 있다. 통상의 기술자는 다양한 실시예의 범위 내에서 고려되는 시스템 및 방법을 구현함에 있어서 다른 변형 및 수정을 용이하게 이해할 것이다.
본 발명은 소정의 바람직한 실시예 또는 실시예들과 관련하여 도시되고 설명되었지만, 본 명세서 및 첨부된 도면을 읽고 이해할 때 통상의 기술자에게 균등한 변경 및 수정이 이루어질 것이다. 특히, 상술한 구성 요소(어셈블리, 장치, 회로 등)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 그러한 구성 요소를 설명하는데 사용된 용어( "수단"에 대한 참조 포함)는 달리 지시되지 않는 한, 본 명세서에 기술된 본 발명의 예시적인 실시예에서 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 동등하지는 않지만 설명된 구성 요소의 특정 기능을 수행하는 임의의 구성 요소(즉, 기능적으로 동등 함)에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 특정 특징이 몇몇 실시예들 중 단지 하나와 관련하여 개시되었을지라도, 그러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정 애플리케이션에 대해 바람직하고 유리할 수 있는 바와 같이 다른 실시 예의 하나 이상의 다른 특징들과 결합될 수 있다.

Claims (20)

  1. 이온 빔을 프로세스 챔버로 지향시키도록 구성된 이온 주입 장치;
    상기 프로세스 챔버에 작동 가능하게 결합된 제1챔버;
    상기 프로세스 챔버 내에 위치하고, 그 클램핑 표면에 워크피스를 선택적으로 클램핑 하도록 구성되는 가열 척;
    상기 가열 척의 클램핑 표면을 선택적으로 가열하도록 구성된 가열 장치;
    상기 가열 척과 상기 제1챔버 사이에서 상기 워크피스를 이송하도록 구성된 워크피스 이송 장치; 및
    상기 워크피스 이송 장치를 통해 상기 가열 척 및 상기 제1챔버 사이에서 상기 워크피스를 선택적으로 이송하도록 구성된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 제1모드 및 제2모드 각각에서 상기 가열 척을 작동하기 위해 상기 가열 장치를 선택적으로 활성화하도록 구성되고, 상기 제1모드에서, 상기 가열 장치는 상기 클램핑 표면을 제1온도로 가열하고, 상기 제2모드에서, 상기 가열 장치는 상기 클램핑 표면을 제2온도로 가열하며, 상기 제1온도는 사전 결정되고 고온 이온 주입과 관련되고, 상기 제2온도는 준 실내 온도 이온 주입과 관련되며, 상기 제어기는 상기 워크피스와 관련된 열 버짓(thermal budget), 상기 워크피스에 충돌하는 이온 빔과 관련된 주입 에너지 및 상기 워크피스가 상기 제1챔버에 있을 때 상기 워크피스의 초기 온도 중 하나 이상에 기초하여 제2온도를 결정하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 제2모드에서 상기 제2온도를 상기 가열 척 상에 유지시키도록 구성되며, 상기 가열 척에서 상기 제1챔버로 상기 워크피스를 이송하는 것은 상기 가열 척이 상기 제2모드로 작동될 때 상기 프로세스 챔버로부터 상기 주입 에너지를 제거하는 이온 주입 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1온도는 300℃보다 크고, 상기 제2온도는 100℃ 보다 작은 이온 주입 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1온도는 300℃ 에서 600℃ 범위이고, 상기 제2온도는 20℃ 에서 100℃ 범위인 이온 주입 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가열 장치는 상기 가열 척의 클램핑 표면과 관련된 하나 이상의 히터를 가열하는 이온 주입 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 히터는 상기 가열 척 내에 내장된 하나 이상의 저항 히터를 포함하는 이온 주입 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가열 장치는 상기 가열 척의 클램핑 표면을 선택적으로 가열하도록 구성된 복사열 소스를 포함하는 이온 주입 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복사열 소스는 할로겐 램프, 발광 다이오드 및 적외선 열 장치 중 하나 이상을 포함하는 이온 주입 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 워크피스와 관련된 열 버짓, 상기 워크피스에 충돌하는 이온 빔과 관련된 주입 에너지 및 상기 워크피스가 상기 제1챔버에 있을 때 상기 워크피스의 초기 온도 모두에 기초하여 상기 제2온도를 결정하도록 구성된 이온 주입 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 워크피스를 지지 및 냉각하도록 구성된 냉각 압반을 더 포함하는 이온 주입 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 워크피스 이송 장치의 제어를 통해 상기 워크피스에 이온을 주입하지 않고 상기 가열 척과 상기 냉각 압반 사이에서 상기 워크피스를 이송하도록 구성되어, 상기 워크피스는 상기 가열 척에서 상기 냉각 압반으로 열을 전달하여 상기 가열 척을 상기 제2온도와 관련된 저온으로 냉각시키는 이온 주입 시스템.
  11. 이온 주입 시스템에서 온도 일관성을 유지하기 위한 방법으로서,
    제1모드 및 제2모드 중 하나로 가열 척의 작동을 결정하는 단계로서, 상기 제1모드는 미리 결정된 제1온도에서 워크피스로의 고온 이온 주입과 관련되고, 상기 제2모드는 제2온도에서 상기 워크피스로의 준 실내 온도 이온 주입과 관련되는 단계;
    상기 워크피스와 관련된 열 버짓, 상기 워크피스에 충돌하는 이온 빔과 관련된 주입 에너지 및 상기 워크피스가 제1챔버에 있을 때 상기 워크피스의 초기 온도 중 하나 이상에 기초하여 제2온도를 결정하는 단계;
    상기 이온 주입 시스템이 상기 제1모드에 있을 때 상기 가열 척을 상기 제1온도로 가열하는 단계;
    상기 이온 주입 시스템의 작동이 상기 제2모드에 있을 때 상기 가열 척을 상기 제2온도로 가열하는 단계;
    상기 워크피스를 상기 제1챔버에서 상기 가열 척으로 이송하는 단계;
    상기 가열 척 상의 워크피스에 이온을 주입하는 단계; 및
    상기 가열 척이 상기 제2모드에서 작동될 때 상기 상기 가열 척에서 상기 제1챔버로 상기 워크피스를 이송하여, 상기 가열 척이 상기 제2모드에서 작동될 때 상기 가열 척으로부터 상기 워크피스로의 이온의 주입과 관련된 주입 에너지를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1모드로 상기 가열 척을 작동하는 단계; 및
    상기 제1모드에서 상기 제2모드로 상기 가열 척의 작동을 변경하는 단계를 더 포함하되, 상기 제1모드에서 상기 제2모드로 상기 가열 척의 작동을 변경하는 단계는,
    상기 제2온도와 관련된 저온에서 냉각 압반을 제공하는 단계; 및
    하나 이상의 워크피스에 이온을 주입하지 않고 상기 가열 척과 상기 냉각 압반 사이에서 상기 하나 이상의 워크피스를 순환시켜, 상기 하나 이상의 워크피스가 상기 가열 척에서 상기 냉각 압반으로 열을 전달함으로써 상기 가열 척을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 가열 척을 가열하는 단계는 상기 가열 척 내에 내장된 하나 이상의 히터를 선택적으로 활성화시키는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 가열 척을 가열하는 단계는 상기 가열 척의 클램핑 표면을 복사 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 가열 척의 클램핑 표면을 복사 가열하는 단계는 할로겐 램프, 발광 다이오드 및 적외선 열 장치 중 하나 이상을 상기 클램핑 표면을 향하도록 하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 이온 빔을 프로세스 챔버로 지향시키도록 구성된 이온 주입 장치;
    상기 프로세스 챔버에 작동 가능하게 결합된 제1챔버;
    상기 프로세스 챔버 내에 위치하고, 그 클램핑 표면에 워크피스를 선택적으로 클램핑 하도록 구성되고, 상기 클램핑 표면을 선택적으로 가열하도록 구성된 가열 장치를 포함하는 가열 척;
    상기 가열 척과 상기 제1챔버 사이에서 상기 워크피스를 이송하도록 구성된 워크피스 이송 장치; 및
    상기 워크피스 이송 장치를 통해 상기 가열 척 및 상기 제1챔버 사이에서 상기 워크피스를 선택적으로 이송하도록 구성된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 제1모드 및 제2모드 각각에서 상기 가열 척을 작동하기 위해 상기 가열 장치를 선택적으로 활성화하도록 구성되고, 상기 제1모드에서, 상기 가열 장치는 상기 클램핑 표면을 제1온도로 가열하고, 상기 제2모드에서, 상기 가열 장치는 상기 클램핑 표면을 제2온도로 가열하며, 상기 제1온도는 사전 결정되고 고온 이온 주입과 관련되고, 상기 제2온도는 준 실내 온도 이온 주입과 관련되며, 상기 제어기는 상기 워크피스와 관련된 열 버짓, 상기 워크피스에 충돌하는 이온 빔과 관련된 주입 에너지 및 상기 워크피스가 상기 제1챔버에 있을 때 상기 워크피스의 초기 온도에 기초하여 제2온도를 결정하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 제2모드에서 상기 제2온도를 상기 가열 척 상에 유지시키도록 구성되며, 상기 가열 척에서 상기 제1챔버로 상기 워크피스를 이송하는 것은 상기 가열 척이 상기 제2모드로 작동될 때 상기 프로세스 챔버로부터 상기 주입 에너지를 제거하는 이온 주입 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1온도는 300℃ 에서 600℃ 범위이고, 상기 제2온도는 20℃ 에서 100℃ 범위인 이온 주입 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 가열 장치는 상기 가열 척 내부에 내장되고 상기 가열 척의 클램핑 표면과 관련된 하나 이상의 저항 히터를 포함하는 이온 주입 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 워크피스를 지지 및 냉각하도록 구성된 냉각 압반을 더 포함하는 이온 주입 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 워크피스 이송 장치의 제어를 통해 상기 워크피스에 이온을 주입하지 않고 상기 가열 척과 상기 냉각 압반 사이에서 상기 워크피스를 이송하도록 구성되어, 상기 워크피스는 상기 가열 척에서 상기 냉각 압반으로 열을 전달하여 상기 가열 척을 상기 제2온도와 관련된 저온으로 냉각시키는 이온 주입 시스템.
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