KR20180036986A - 높은 처리량을 갖는 저온의 이온 주입 시스템 및 이온 주입 방법 - Google Patents

높은 처리량을 갖는 저온의 이온 주입 시스템 및 이온 주입 방법 Download PDF

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Abstract

이온 주입 시스템은 프로세스 환경을 갖는 프로세스 챔버, 및 프로세스 챔버 내의 척에 의해 지지되는 작업물 내로 이온을 주입하도록 형성된 이온 주입 장치를 갖는다. 로드 락 챔버는 프로세스(진공) 공간을 대기 환경으로부터 격리시키고, 로드 락 작업물 지지대는 그 내부의 작업물을 지지한다. 격리 챔버는 내부에 사전 냉각 환경이 정의된 프로세스 챔버에 결합된다. 격리 게이트 밸브는 사전 냉각 환경을 프로세스 환경으로부터 선택적으로 격리시키는데, 격리 챔버는 작업 물을 지지하고 냉각하기 위한 사전 냉각 작업물 지지대를 포함한다. 격리 게이트 밸브는 작업물이 격리 챔버를 출입하는 유일한 통로이다. 압축 가스는 작업물의 신속한 냉각을 위해, 프로세스 압력보다 큰 사전 냉각 압력으로 사전 냉각 환경을 선택적으로 가압한다. 작업물 이송 암은 로드 락 챔버, 격리 챔버 및 척 사이에서 작업물을 이송한다. 제어기는 격리 게이트 밸브, 사전 냉각 작업물 지지대 및 압축 가스 소스의 제어를 통해 사전 냉각 압력에서 사전 냉각 온도로 격리 챔버 내의 작업물을 선택적으로 냉각한다.

Description

높은 처리량을 갖는 저온의 이온 주입 시스템 및 이온 주입 방법
본 발명은 이온 주입 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주위 온도 이하의 온도(sub-ambienttemperature) 또는 저온에서 이루어지되, 높은 처리량을 갖도록 하는 이온 주입 시스템 및 이온 주입 방법에 관한 것이다.
반도체 대량 생산에 사용되는 주위 온도 이하의 온도(sub-ambienttemperature) 또는 저온의 이온 주입 공정의 경우, 일반적으로 상온에서 이루어지는 이온 주입 공정의 처리량에 근접하는 높은 작업 처리량을 달성해야 할 필요성이 증가하고 있다. 저온의 이온 주입 공정은 일반적으로 작업물을 -70℃에서 -100℃의 온도 범위로 냉각시킨다. 이 때, 이온 주입 공정 중에 작업물이 위치하는 정전기 클램프(ESC)의 냉각을 통해 상기 작업물을 냉각할 수 있다.
종래 기술의 근본적인 문제점은 저온의 이온 주입 공정을 수행하기 위해, 이온 주입 공정의 개시 이전에 일정 시간 동안 작업물이 전형적 방법으로 냉각된다는 것이다. '체류 시간(dwell time)' 이라고하는 이러한 냉각 시간은 이온 주입 공정을 시작하기 전에 작업물이 원하는 정상 상태 온도에 도달하기까지 소요되는 시간을 말한다. 이와 같은 사전 냉각과 관련된 체류 시간은 작업물에 대한 다른 가공 단계와 직렬적으로 수행되므로 전체 공정의 처리 시간이 증가하게 된다.
작업물의 냉각에는 근본적으로 다른 두 가지 접근 방식이 있으며, 이들은 주로 이온 주입 공정 전 사전 냉각에 있어서 열적 천이(thermal transient)가 일어나는 동안의 작업물 환경(workpiece environment)에 의해 규정된다.
첫 번째 방식에서, 작업물은 이온 주입 프로세스 환경의 진공 상태로 둘러싸인 소위 주입 전 냉각 스테이션(pre-implant chill station)에 위치할 수 있다. 주입 전 냉각 스테이션에서, 작업물은 냉각된 웨이퍼 홀더 상에 배치되고, 이에 따라 작업물은 원하는 프로세스 온도로 냉각된다. 그 후, 작업물은 이온 주입 공정 공간에서 정전기 척(ESC)으로 이송되고, 이온 주입 공정을 통해 이온 빔이 조사된다.
두 번째 방식에서, 작업물은 이온 주입 공정에 사용되는 ESC 또는 ESC와 유사한 척을 사용하여 고진공(high-vacuum) 이온 주입 공정 환경에서 사전 냉각 될 수 있다. 이러한 방식을 사용하여, ESC는 전처리 과정(예를 들어, 사전 냉각 작업)에서 작업물을 냉각시키도록 형성될 수도 있고, 또는 이온 주입 공정을 진행하는 동안 그 위치에서 동시에 작업물의 냉각(in-situ cooling)을 제공하도록 형성될 수도 있다.
통상적으로, ESC를 이용하는 사전 냉각은 작업물의 냉각을 위한 열 매체로서 후면 가스(a back side gas)를 채용 할 것이다. 이 원위치 냉각 방식(in-situ cooling)에 따라, 작업물에 대한 이온 주입 공정의 진행 중에도 냉각이 진행될 수 있기 때문에 전형적으로 체류 시간이 감소 될 수 있다. 그러나, 병렬적 냉각(즉, 원위치 냉각)을 위한 진공 내 ESC(in-vacuum ECS)의 사용은 일반적으로 정전기 척(ESC) 장치에 대한 기술적 수정과 관련된 비용으로 인해 매우 비싸다. 즉, 이온 주입 공정에서 작업물을 충분히 냉각시키는 것과 동시에 다수의 이온이 조사되는 동안 작업물의 위치가 이동되지 않도록 충분한 정전기력을 유지해야 하는 기술적 수정이 필요하기 때문이다.
이러한 종래의 방식 모두는 작업물이 사전 냉각을 위한 별도의 진공 환경에 배치되거나 역시 진공 상태인 프로세스 환경에 배치 될 때, 작업물과 ECS 사이의 열 전달이 작업물-냉각판 또는 작업물-척 접점의 열 전도율(heat conductivity)에 의해 제한된다. 이때의 열 전도율은 후면 갭 크기, 작업물과 척 사이의 접촉 상태 및 후면 가스 압력에 의해 결정된다.
본 발명은 이온 주입 공간의 압력인 진공 압력보다 높은 압력 환경에서 작업물을 냉각시킴으로써 상기 작업물을 원하는 프로세스 온도로 냉각시키기 위해 소요되는 시간을 줄일 수 있는 이점이 있다는 것을 보여준다. 예를 들어, 대기압 인터페이스 층은 상기 작업물 뒤에 유지되어 열전달률을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 작업물을 주변 대기 환경에서 저온의 이온 주입 공정에 적합하도록 미리 설정된 온도로 냉각시키는 것이 상기 작업물 상에 바람직하지도 않고 받아들일 수 없는 결로(condensation) 현상을 일으킬 수 있음을 보여준다. 따라서, 본 발명은 전술한 결점을 극복할 수 있는 저온에서의 이온 주입을 위한 해결방안을 제공한다. 특히, 본 발명은 대기 환경으로부터 완전히 고립된 격리 챔버를 제공한다. 또한, 상기 격리 챔버는 이온 주입 공간 또는 이와 관련된 진공 환경 보다 높은 압력을 갖는 비진공 환경에서 이온 주입 전 사전 냉각을 위해 형성된다.
따라서, 본 발명은 저온 또는 "냉온" 이온 주입을 위한 시스템, 장치 및 방법을 제공하고 대기온도 이하의 이온 주입 시스템에서 합리적인 공정 처리량을 유지함으로써 종래 기술의 한계를 극복한다.
이에 따라, 다음은 본 발명의 일부 양태의 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 개시물의 단순화된 요약을 제공한다. 이 요약은 발명의 광범위한 개관이 아니다. 본 발명의 주요 요소 또는 중요한 요소를 정의하거나 본 발명의 범위를 기술하지 않는다. 본 발명의 목적은 후술되는 보다 상세한 설명의 서두로서 본 발명의 일부 개념을 단순화된 형태로 제시하는 것이다.
본 발명은 냉각 시스템 또는 냉각 요소가 내장된 독립적으로 제어되는 격리 챔버의 형태로 작업물 냉각을 위한 분리되고 격리된 환경을 제공하며, 상기 격리 챔버는 상대적으로 고압에서 또는 제어된 압력에서 작업물의 냉각을 제공하도록 형성된다. 예를 들어, 격리 챔버는 원격이며 주위 대기 환경 및 습도 조건으로부터 격리된다. 따라서, 격리 챔버는 상대적으로 높은 압력 환경 때문에 작업물을 냉각시키기 위해 사용되는 열 요소와 작업물 사이의 열 전달을 크게 향상시킨다. 이와 동시에 주위 환경의 습하고 찬 공기 및 상대 습도의 영향을 제거하거나 완화할 수 있다. 그렇지 않은 경우, 응축(결로) 및 작업물 표면에 얼음이 형성될 수 있다. 이러한 고압의 열 계면(interface)은 열전달 속도를 현저히 증가시키고, 따라서 원하는 작업물의 프로세스 온도에서 열 평형에 도달하는 시간을 크게 향상시킨다. 또한, 예를 들어 격리된 고압 환경의 사전 냉각 시스템과 관련된 비용은 기존의 ESC 사전 냉각 또는 현장(in-situ) ESC 냉각 시스템 및 기타 기존에 사용된 방법보다 크게 더 우수할 수 있다.
또한, 작업물 처리량을 개선하기 위해, 저온 이온 주입 공정에서의 작업물 냉각을 별도로 처리할 수 있고, 이에 따라 이온 주입 공정 전반에 걸쳐 다른 작업물의 이동과 평행한 경로 상에 일부 냉각이 제공될 수 있도록 형성될 수 있다. 결과적으로, 사전 냉각된 작업물은 저온 이온 주입 처리를 위해 준비될 수 있고 동시에 다른 작업물은 이온이 주입된다. 따라서, 작업물 체류 시간 - 작업물이 프로세스 온도를 갖도록 하기 위해 소요되는 시간("time-to-temperature"라고도 함)- 은 부분적으로 또는 전체적으로 이온 주입 공정 임계 경로(critical path)에서 추출될 수 있으므로 작업물 처리량이 향상된다.
본 발명에 따르면, 저온 또는 주위 온도 이하의 작업물에 이온을 주입하기 위한 이온 주입 시스템이 제공된다. 예를 들어, 이온 주입 시스템은 이와 관련된 프로세스 환경을 갖는 프로세스 챔버를 포함한다. 이온 주입 장치는 또한 프로세스 챔버 내에 위치된 작업물에 복수의 이온을 제공하도록 형성된다. 정전기 척 (ESC)과 같은 척은 작업물이 복수의 이온에 노출되는 동안 프로세스 챔버 내에서 작업물을 지지하도록 형성된다. 일 예시에서, 척은 주위 온도 이하의 프로세스 온도로 작업물을 냉각시키도록 추가적으로 형성된다.
추가적으로 로드 락 챔버가 프로세스 챔버에 작동 가능하게 결합되며, 로드 락 챔버는 프로세스 환경을 대기 환경으로부터 선택적으로 분리하도록 형성된다. 예를 들어, 대기 환경은 대기압, 온도 및 상대 습도 레벨이고, 프로세스 환경은 압력 및 상대 습도가 상당히 더 낮은 (예, 진공) 프로세스 압력 및 상대 습도 레벨에 있다. 예를 들어, 상기 로드 락 챔버가 한 쌍의 선택적으로 작동 가능한 로드 락 게이트 밸브와, 주위 대기 환경으로부터 프로세스 환경으로의, 그리고 다시 프로세스 환경으로부터 주위 대기 환경으로의 작업물의 교환 및 이송 중에 작업물을 지지하도록 형성된 로드 락 작업물 지지대를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 격리 챔버가 프로세스 챔버에 작동 가능하게 결합되며, 격리 챔버는 사전 냉각 시스템 또는 이와 관련된 선택적으로 제어 가능한 압력 환경을 갖는다. 예를 들어, 상기 격리 챔버는, 상기 격리 챔버의 상기 사전 냉각 환경을 상기 프로세스 환경으로부터 선택적으로 격리시키고, 상기 사전 냉각 환경으로의 상기 작업물의 접근을 선택적으로 허용하도록 형성된 격리 게이트 밸브를 포함한다. 격리 게이트 밸브는 작업물이 격리 챔버로 출입할 수 있게 하는 유일한 경로를 규정한다. 상기 격리 챔버는, 예를 들어, 격리 환경 내에서 작업물을 지지 및 냉각하도록 형성된 사전 냉각 작업물 지지대를 더 포함한다. 보다 구체적으로, 격리 챔버 및 격리 게이트 밸브는 사전 냉각이 주위 독립적으로 제어되어 선택된 압력에서 이루어지고, 원격으로 연속적으로 그리고 지속적으로 주위 대기 조건으로부터 격리되면서 수행될 수 있도록 형성된다.
사전 냉각 작업물 지지대는 예를 들어, 작업물의 바닥면과 접촉하도록 형성된 냉각판(chilled platen)을 포함하여 사전 냉각 환경 내에서 작업물을 지지 및 냉각한다. 사전 냉각 작업물 지지대는 예를 들어, 펠티어 냉각기, 팽창 챔버, 극저온 헤드 및 순환 냉각 루프 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 냉각판은 그 내부에 규정된 하나 이상의 냉각제 통로를 포함할 수 있으며, 냉각판은 냉각제 통로를 통해 냉각유체의 순환을 통해 작업물을 냉각시키도록 형성된다. 다른 실시 예에서, 척은 그 안에 규정된 척 냉각제 통로를 더 포함하며, 냉각유체는 척 냉각제 통로를 통해 추가로 순환하여, 이온 주입 공정 중에 추가적인 작업물 냉각을 제공하여, 전달된 작업물의 온도를 더 감소시키거나, 거기에 전달된 작업물의 감소된 온도를 유지한다. 상기 격리 챔버는 예를 들어, 상기 사전 냉각 작업물 지지대에 대해 작업물을 선택적으로 상승 및 하강시키도록 형성된 핀 승강 메커니즘을 더 포함할 수 있거나, 냉각판이 냉각을 위해 상승되는 동안 작업물이 독립적인 지지대 상에 정지 상태로 남아있을 수 있다.
예를 들어, 압축 가스 소스는 격리 챔버에 작동적으로 결합되고, 상기 압축 가스 소스는 상기 격리 게이트 밸브가 차단된 상태에서, 충분히 건조한 가스로 사전 냉각 환경을 사전 냉각 압력으로 선택적으로 가압하도록 형성된다. 일 실시 예에서, 사전 냉각 압력은 프로세스 압력(예를 들어, 진공 압력) 보다 크며, 프로세스 압력으로부터 대기압까지의 범위의 압력으로부터 선택된다. 또 다른 예에서, 사전 냉각 압력은 대기압보다 크다. 예를 들어, 건조 가스는 건조된 공기, 건조 질소, 건조 헬륨 또는 다른 적절한 건조 가스 중 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 작업물 이송 암은 로드 락 챔버, 격리 챔버 및 프로세스 챔버 중 어느 둘 이상의 사이에서 작업물을 선택적으로 이송하도록 형성된다. 제어기가 더 제공되고, 상기 제어기는 작업물 이송 암의 제어를 통해 로드 락 작업물 지지대, 사전 냉각 작업물 지지대 및 척 사이에서 작업물을 선택적으로 이송하도록 형성된다. 상기 제어기는 예를 들어, 격리 게이트 밸브, 사전 냉각 작업물 지지대, 및 압축 가스 소스의 제어를 통해 사전 냉각 압력에서 격리 챔버 내의 사전 냉각 온도로 작업물을 선택적으로 냉각하도록 추가로 형성된다. 상기 제어기는 원하는 프로세스 처리량에 적어도 부분적으로 기초하여 사전 냉각 온도 및 압력을 결정하도록 추가로 형성될 수 있다. 또한, 온도 모니터링 시스템이 제공되어 격리 챔버에서 또는 그 내부에서 작업물의 온도를 측정하도록 형성 될 수 있다. 이때, 상기 제어기는 적어도 부분적으로 작업물의 측정된 온도에 기초하여 사전 냉각 온도로 작업물에 대한 선택적 냉각을 제어하도록 추가로 형성된다.
예를 들어, 진공 소스가 추가로 작동적으로 상기 격리 챔버에 결합될 수 있다. 이때, 상기 제어기는 또한 상기 진공 소스 및 상기 격리 게이트 밸브의 제어를 통해 상기 격리 챔버를 대략 상기 프로세스 압력에 이르도록 기체를 배출하도록 추가로 형성된다. 예를 들어, 제어기는 냉각된 작업물이 프로세스 챔버와 그 안의 척으로 이송되기 위해 작업물이 사전 냉각 압력에서 사전 냉각 온도로 냉각된 후에, 선택적으로 격리 챔버의 기체를 배출하도록 형성된다.
또 다른 예에 따르면, 프로세스 챔버에 작동적으로 결합되는 주입 후 가열 스테이션이 제공될 수 있다. 이때, 주입 후 가열 스테이션은 대기 환경의 이슬점 온도보다 큰 주입 후 온도로 상기 작업물을 가열하도록 형성된 가열된 작업물 지지대를 포함하여 상기 냉각된 작업물에 형성되는 응축의 가능성을 제거하거나 완화시킨다. 예를 들어, 주입 후 가열 스테이션은 로드 락 챔버 내에 규정되거나, 대안적으로 프로세스 챔버에 부가되거나 프로세스 챔버 내에 위치 할 수도 있다.
또 다른 예시적인 양상에 따라, 주위 온도 이하의 온도에서 작업물 내로 이온을 주입하는 방법이 제공된다. 일 예시에 따르면, 상기 방법은 대기 온도 및 대기압의 대기 환경에서 작업물을 제공하는 초기 단계를 포함한다. 작업물은 대기 환경으로부터 이온 주입 시스템의 로드 락 챔버로 이송되고, 로드 락 챔버 내의 압력은 프로세스 챔버의 프로세스 환경과 관련된 프로세스 압력으로 낮아진다.
이후, 작업물은 프로세스 압력에서 로드 락 챔버로부터 프로세스 챔버를 통해 격리 챔버의 사전 냉각 작업물 지지대로 이송된다. 그 후, 상기 격리 챔버 내의 상기 작업물은 상술한 것과 같이 상기 격리 게이트 밸브에 의해, 프로세스 챔버 내의 프로세스 압력으로부터 격리된다. 그런 다음 건조 가스(예: 건조된 공기, 질소 및 헬륨 중 하나 이상)가 격리 챔버로 분배되거나 누출되어 격리 챔버의 압력을 사전 냉각 압력으로 상승시킨다. 이때, 사전 냉각 압력은 분배된 가스의 열전도도를 통해 사전 냉각 스테이션과 작업물 간의 열 전달을 향상시킬 수 있도록 프로세스 압력보다 높은 압력을 가진다. 작업물은 격리 챔버 내에서 사전 냉각 작업물 지지대를 통해 사전 냉각 압력하에서 사전 냉각 온도로 냉각된다. 그 후, 펌프로 기체를 빼내어 격리 챔버 내의 압력이 다시 프로세스 압력까지 낮아진다. 사전 냉각 작업물 지지대는 예를 들어, 격리 챔버 내의 압력 상승 및/또는 하강에 대응하는 사전 냉각 압력과 다른 압력으로 작업물을 냉각시킬 수 있음이 설명된다.
일 예시에 따르면, 상기 압력이 프로세스 압력의 미리 설정된 범위 내로 낮아진 후에, 작업물은 격리 챔버로부터 프로세스 챔버의 프로세스 환경에 존재하는 척으로 이송되고, 이온이 작업물에 주입된다. 예를 들어, 척 (예를 들어, 정전기 척)은 열 매체로서 후면 가스를 이용하여 소정의 프로세스 온도로 추가 냉각되어 이온 주입 동안 작업물의 온도를 프로세스 온도에서 더 감소시키거나 유지할 수 있다. 대안적으로, 척에 의한 추가 냉각이 제공되지 않는 상태에서 이온이 주입되는 동안의 어떠한 열도 허용 범위 내에서 유지되도록 사전 냉각 온도가 선택된다.
이온 주입이 완료되면 작업물을 척에서 로드 락 챔버로 이송하고 로드 락 챔버 압력을 대기압으로 상승시켜 작업물을 대기 환경으로 다시 옮길 수 있게 한다. 상기 로드 락은 이슬점 온도보다 높은 온도로 작업물을 가열하기 위한 가열 지지 구조를 포함할 수 있어서, 작업물 상의 응축을 우려하지 않고 로드 락 챔버로부터 대기 환경으로 더 이송될 수 있다. 로드 락 챔버는 단일 로드 락 챔버로 설명되지만, 선택적으로 복수의 로드 락 챔버를 포함할 수 있으며, 상기 작업물은 복수의 로드 락 챔버 중 임의의 것으로 로드될 수 있다.
또 다른 예에 따라, 작업물을 척으로부터 로드 락 챔버로 이송하는 단계는 작업물을 척으로부터 주입 후 가열 스테이션으로 이송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 작업물은 예를 들어, 주입 후 가열 스테이션에서 대기 환경의 이슬점 온도보다 높은 주입 후 가열 온도까지 가열되며, 작업물은 주입 후 가열 스테이션으로부터 로드 락 챔버로, 로드 락 챔버에서 대기 환경으로 연속적으로 전달된다. 따라서, 저온에서의 주입과 관련된 응축 우려가 완화된다.
상기 개요(summary)는 단지 본 발명의 일부 실시예의 몇몇 특징의 간략한 개요를 제공하기 위한 것이며, 다른 실시 예는 전술한 것 이외의 추가 및/또는 상이한 특징을 포함할 수 있다. 특히, 이 개요는 본 출원의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 따라서, 전술한 목적 및 관련된 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이후에 설명되고 특히 청구 범위에서 지적된 특징을 포함한다. 다음의 설명 및 첨부 된 도면은 본 발명의 특정 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명의 원리가 채용될 수 있는 다양한 방식 중 몇 가지를 나타낸다. 본 발명의 다른 목적, 이점 및 신규한 특징은 도면과 함께 고려될 때 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 저온 또는 "냉온" 이온 주입을 위한 시스템, 장치 및 방법을 제공하고 대기온도 이하의 이온 주입 시스템에서 합리적인 공정 처리량을 유지함으로써 종래 기술의 한계를 극복한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 사전 냉각을 위한 격리 챔버를 포함하는 이온 주입 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주위 온도 이하의 온도(sub-ambienttemperatures) 또는 저온에서 작업물에 이온을 주입하는 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장하거나 생략하여 도시된 부분도 있다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 설명은 전체시스템 또는 각 장치의 구성, 그리고 작업물(a workpiece)을 냉각시키는 방법, 및 저온의 이온 주입 시스템에서 처리량을 증가시키는 방법에 관한 것이다. 이에 따라, 본 발명은 도면을 참조하여 설명될 것이며, 도면 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호가 동일한 요소를 나타내기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에 제공된 설명은 단지 예시적인 것이며, 이 상세한 설명은 제한된 의미로 해석되어서는 안 된다. 이하의 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나, 당업자에게는 본 발명이 이들 특정 세부 사항 없이도 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 또한, 본 발명의 범위는 첨부 된 도면을 참조하여 이하에 설명되는 실시예에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허 청구범위 및 그 실질적 균등물에 의해서만 제한될 수 있을 것이다.
또한, 도면은 본 발명의 실시예의 일부 양상을 설명하기 위해 제공되며 따라서 단지 개략도로 간주되어야 함을 유의해야 한다. 특히, 도면들에 도시된 구성 요소들은 반드시 도면상의 크기 비 대로 제한될 필요는 없으며, 구성 요소들의 배치 역시 각각의 실시 예를 명확하게 이해하도록 제공될 뿐 반드시 그와 같은 배치로만 제한될 것은 아니다. 또한, 여기에 기술된 다양한 실시예의 특징들은 특별히 언급되지 않는 한, 서로 결합 될 수 있다.
다음의 설명에서, 기능 블록들, 디바이스들, 컴포넌트들, 회로 소자들 또는 본 명세서에 도시되거나 설명된 다른 물리적, 기능적 요소들 간의 임의의 직접적인 접속 또는 결합은, 직접적인 것뿐만 아니라 간접적인 접속 또는 결합에 의해서도 구현 될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 기능 블록들 또는 요소들은 일 실시예에서 특정한 하나의 특성 또는 배치를 갖도록 구현될 수 있고, 또 다른 실시예에서는 일반적인 특성 또는 배치를 갖도록 완전하거나 부분적으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 기능 블록들은 신호 프로세서와 같은 일반적인 프로세서상에서 실행되는 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 유선 기반으로 설명되는 임의의 접속은 달리 언급되지 않는 한 무선 통신 방식으로도 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1은 하나의 예시적인 이온 주입 시스템(100)을 도시한다. 예를 들어, 이온 주입 시스템(100)은 터미널(102), 빔라인 조립체(104) 및 엔드 스테이션(106)을 포함한다. 다양한 다른 유형의 진공 기반 반도체 처리 및 제조 시스템, 특히 플라즈마 처리 시스템과 같은 기술분야는 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 고려된다. 또한, 단일-웨이퍼 처리 시스템이 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 배치(batch) 또는 다중-웨이퍼 처리 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다.
일반적으로, 터미널(102) 내의 이온 공급원(108)는 도펀트 가스(dopant gas)를 복수의 이온으로 이온화하여 이온빔(112)을 형성하기 위한 전원 공급부(110)에 연결된다. 본 실시 예에서의 이온빔(112)은 질량 분석 장치(114)를 통과하여 적절한 이온 종들로 걸러지고, 조리개(116)를 통해 엔드 스테이션(106)을 향하여 조사될 수 있다. 따라서, 엔드 스테이션(106) 상에서 척(120)에 클램핑 고정되거나 장착되는 작업물(118)을 향해 이온빔(112)이 조사(照射)될 수 있다. 이때, 척(120)은 정전기 척(Electrostatic chuck. 이하, ESC)로 제공될 수 있고, 작업물(118)을 올려두고 고정할 수 있는 모든 수단이 포함될 수 있으며 상술한 예로 제한되지 않는다. 이때, 작업물(118)은 실리콘 웨이퍼, 디스플레이 패널 등과 같은 반도체 기판 등이 사용될 수 있으며, 상술한 예로 제한되지 않고 본 발명과 같이 이온 주입이 필요한 다양한 재료, 소자들이 사용될 수 있다. 이온빔(112)이 작업물(118)의 원자격자(lattice) 내에 삽입되면, 주입된 이온은 작업물의 물리적, 전기적 또는 화학적 특성을 변화시킨다. 이온 주입은 반도체 장치 제조 및 금속 후처리, 재료 과학 연구의 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다.
본 발명의 이온빔(112)은 연필, 스폿 빔, 리본 빔, 주사 빔 또는 이온이 엔드 스테이션(106)을 향하는 임의의 다른 형태를 취할 수 있다. 또한, 앞서 언급 한 바와 같이, 본 발명은 플라즈마 처리 시스템을 포함하는 것으로서 이해되어야 하며, "이온 주입"이라는 용어는 플라즈마 이온 주입 이멀전(PIII, Plasma Ion Implant Immersion) 시스템을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔드 스테이션(106)은 진공 챔버(124)로 이루어질 수 있는 프로세스 챔버(122)를 포함할 수 있다. 프로세스 환경(126)은 일반적으로 프로세스 챔버(122) 내에 형성되는 공간을 의미할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세스 챔버(122)에 결합된 진공 소스(128)에 의해 프로세스 챔버(122) 내부를 진공 상태로 만들 수 있다.
이온 주입 시스템(100)을 이용하여 이온을 주입하는 공정 과정에서 대전된 이온이 작업물과 충돌할 때 열의 형태로 에너지가 작업물(118) 상에 축적될 수 있다. 이에 대한 해결책이 없으면, 그러한 열은 잠재적으로 작업물(118)을 휘게하거나 작업물(118)에 크랙을 발생시킬 수 있으며, 이는 작업물의 제품가치를 현저히 손상시킬 수 있다. 또한, 열은 작업물(118)에 전달된 이온의 양을 원하는 주입량과 상이하게 할 수 있으며, 최종 작업물에 요구되는 특성을 변경할 수 있다. 또한, 일부 공정조건에서는, 열 축적을 방지하기 위해 이온 주입 중에 작업물(118)을 냉각시키는 것이 바람직하고, 주위 온도 이하의 온도(sub-ambienttemperature) 또는 그 이상의 온도에서 이온을 주입하는 것이 더 바람직할 수 있다. 주위 온도 이하의 온도 또는 저온에서의 이온 주입의 경우, 이온 주입 공정 중 작업물(118)의 낮은 온도는 작업물(118) 표면의 비정질 화를 가능하게 함이 알려져 있다. 이는, 무엇보다도 고급 CMOS 집적 회로 소자 제조에 있어서 초박(ultra-shallow) 접합 형성을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 척(120)은 주위 온도 이하의 온도의 척(130)을 포함 할 수 있다. 주위 온도 이하의 온도의 척(130)은 이온빔(11)을 작업물(118)에 조사하는 동안, 프로세스 챔버(122) 내의 작업물(118)을 지지하고 작업물(118)의 온도를 기 설정된 온도로 냉각하거나 유지하는 기능을 한다.
본 실시 예에서는 척(120)이 주위 온도 이하의 온도의 척(130)으로 지칭되지만, 척(120)은 주위 온도 보다 높은(super-ambient) 온도의 척(미도시)을 포함 할 수 있으며, 여기서 주위 온도 보다 높은 온도의 척 또한 프로세스 챔버(122) 내에서 작업물(118)을 지지하고 가열하는 기능을 한다. 또는 다른 실시예로서, 척(120)은 가열 또는 냉각 기능 없이, 오히려 작업물의 온도 변화를 방지하기 위해 작업물(118)로부터 열적으로 절연 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주위 온도 이하의 온도의 척(130)은 주위 온도, 대기 온도, 대기 온도보다 상당히 낮은 온도, 또는 대기 환경(132)이나 엔드 스테이션(106) 내의 프로세스 환경(126)의 온도로 작업물(118)을 냉각시키도록 형성된 ESC를 포함한다. 이때, 냉각 시스템(134)이 추가로 제공 될 수 있으며, 다른 실시예에서, 냉각 시스템(134)은 주위 온도 이하의 온도의 척(130)을 냉각시켜 그 위에 위치하는 작업물(118)을 원하는 대기 온도보다 낮은 온도로 냉각 시키도록 형성된다. 다른 예에서, 유사한 방식으로 가열 시스템(도시되지 않음)이 주위 온도 보다 높은 온도의 척(super ambient temperature chuck)에 추가로 제공 될 수 있다. 상기 가열 시스템은 주위 온도 보다 높은 온도의 척 및 그 위에 위치하는 작업물(118)을 원하는 처리 온도로 가열하도록 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 로드 락 챔버(136)는 엔드 스테이션(106) 내에 위치한 프로세스 챔버(122)의 일측과 연결된다. 로드 락 챔버(136)는 작업물(118)의 이동 과정에서 프로세스 환경(126)을 외부의 대기압 환경과 분리시켜 진공상태로 유지하기 위해 제공된다. 작업물(118)을 대기압(138)(약 760torr) 상태의 외부 공간으로부터 로드 락 챔버(136)를 거쳐 프로세스 챔버(122)로 이동 시킬 수 있다. 또한, 다시 작업물(118)을 프로세스 챔버(122)에서 외부 공간으로 이송하기 위해서도 로드 락 챔버(136)를 거치게 된다. 프로세스 환경(126)은 일반적으로 약 5-7 torr 정도의 대기압(138)보다 낮은 프로세스 압력(140)으로 유지된다. 로드 락 챔버(136)는 그 내부에 로드 락 작업물 지지대(142)를 더 포함할 수 있다. 로드 락 작업물 지지대(142)는 로드 락 챔버(136) 내에서 작업물(118)을 대기압(138) 상태의 대기 환경(132)으로, 또는 프로세스 챔버(122) 내의 프로세스 환경(126)으로 이송하는 동안 작업물(118)을 올려두고 지지하는 받침대 역할을 제공한다.
로드 락 챔버(136)의 일면 중, 프로세스 챔버(122)와 맞닿은 일면에는 하나의 게이트 밸브(144B)가 구비될 수 있으며, 상기 게이트 밸브(144B)의 맞은편, 또는 로드 락 챔버(136)의 일면 중 대기 환경(132) 측의 일면에는 또 다른 게이트 밸브(144A)가 구비될 수 있다. 복수의 게이트 밸브(144A, 144B)가 로드 락 챔버(136)를 각각 프로세스 챔버(122) 또는 대기 환경(132)의 압력에 맞추어 작동적으로 결합된다. 또한, 펌프 및 퍼지 밸브(purge valve) 시스템(미도시)이 더 구비될 수 있으며, 대기 환경(132)과 프로세스 환경(126)을 오가며 작업물(118)을 이송 하기위해 로드 락 챔버(136) 내에서 필요한 압력 변화가 이루어지게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온 주입 시스템(100)의 프로세스 온도는 약 -40 ℃ 내지 -100 ℃로서, 대기 환경(132)의 주위 이슬점(이슬점 온도라고도 함)보다 낮은 온도일 수 있다. 이러한 과정에서, 프로세스 온도가 대기 환경(132)의 이슬점 온도보다 상당히 낮기 때문에, 작업물(118)을 대기 환경(132)으로 회수할 때, 작업물(118) 상에 결로현상이 발생할 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해, 대기 환경으로 회수하기 전에 작업물(118)을 가열하는 과정이 제공될 수 있다. 이에 관하여는 이후 더 상세히 논의 될 것이다.
본 출원인은 종래의 이온 주입 시스템에서 사용되는 작업물의 냉각이 전체 공정의 사이클 시간을 지연시킬 수 있음을 인식하였다. 이 사이클 시간은 반도체 장비의 제조 및 반도체의 제조 공정의 분야에서 중요한 제품 사양인 작업물 처리량과 직결된다. 일반적으로 냉각된 척을 통한 작업물의 냉각 방식의 시스템에서는 작업물이 원하는 온도에 도달 할 때까지 일정시간(예를들어, "체류 시간") 동안 냉각된 척에 작업물을 올려 두거나 담그어둔다. 이러한 종래의 냉각 방식은 사이클 시간을 증가시키고, 따라서 이온 주입 공정의 처리량을 감소시킨다.
공정의 처리량을 증가시키기 위해, 본 발명은 프로세스 챔버(122)에 작동적으로 결합된 격리 챔버(146)를 제공한다. 예를 들어, 격리 챔버(146)는 로드 락 챔버(136)에 인접하거나 작동적으로 결합 될 수 있다. 예를 들어, 격리 챔버(146)는 그 안에 규정된 사전 냉각 환경(148)을 가지며, 상기 격리 챔버(146)는 사전 냉각 환경(148)을 프로세스 환경(126)으로부터 선택적으로 격리시키고, 사전 냉각 환경을 대기 환경(132)으로부터 추가로 차단하면서, 작업물이 격리 챔버 또는 프로세스 챔버(122)로 들어가고 나가기 위한 유일한 접근 통로를 규정하는 단계를 포함한다. 즉, 프로세스 챔버(122)로 또는 프로세스 챔버(122)에서 또는 프로세스 챔버(122)로부터 격리 챔버(146) 내외로 전달되는 작업물(118)에 대한 유일한 접근 경로는 격리 게이트 밸브(150)를 통하는 경로이다. 예를 들어, 격리 챔버(146) 사전 냉각 환경(148) 내에서 작업물(118)을 지지 및 냉각하도록 형성된 사전 냉각 작업물 지지대(152)를 포함한다.
예를 들어, 사전 냉각 작업물 지지대(152)는 작업물(118)의 바닥면과 접촉하여 사전 냉각 환경(148) 내에서 가공물을 지지 및 냉각하도록 형성된 냉각판(154)을 포함 할 수 있다. 예를 들어, 냉각판(154)은 그 안에 하나 이상의 냉각제 통로가 규정될 수 있다. 이때, 상기 냉각제 통로는 냉각 시스템(158)과 연결되어 냉각유체(156)의 순환을 통해 작업물을 냉각 시키는 기능을 제공한다. 일 실시 예에서, 척(120)은 그 안에 규정된 척 냉각제 통로를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 냉각유체(156)가 냉각 시스템(158)으로부터 상기 척 냉각제 통로를 통해 순환할 수 있다. 대안적으로, 분리된 냉각 시스템 및 복수의 냉각 유체(미도시)가 척(120) 및 사전 냉각 작업물 지지대(152)(또는 주위 온도 이하의 온도의 척(130))는 펠티에 냉각기, 팽창 챔버, 극저온 헤드 및 순환 냉각 루프 중 적어도 어느 하나 이상을 포함 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 압축 가스 소스(159)는 격리 챔버 (146)에 가스를 공급할 수 있도록 연결된다. 예를 들어 압축 가스 소스(159)는 사전 냉각 환경(148)에 가스를 주입하여 사전 냉각 환경(148)의 압력을 높일 수 있다. 즉, 격리 게이트 밸브(150)가 차단된 상태에서, 사전 냉각 가스(160)를 주입하여 사전 냉각 환경(148)의 압력이 사전 냉각 압력(162)에 이르도록 할 수 있다. 여기서, 사전 냉각 압력(162)은 프로세스 압력(140)보다 높은 압력을 가진다. 예를 들어, 사전 냉각 압력(162)은 프로세스 압력(140)에서 대기압(138)까지의 압력 범위로부터 선택될 수 있다. 또는, 사전 냉각 압력(162)은 대기압(138)보다 높은 압력을 가질 수 있다. 사전 냉각 가스(160)는 건조 가스(예를 들어, 건조 공기, 질소, 헬륨 또는 이들의 혼합물)를 포함 할 수 있다. 사전 냉각 가스(160)의 주입으로 격리 챔버(146)의 내부 압력이 진공에 가까운 프로세스 챔버(122) 내부 압력 보다 높은 압력을 갖도록 함으로써, 격리 챔버(146)와 작업물(118) 사이의 열 전달을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 로드 락 챔버(136), 격리 챔버(146) 및 프로세스 챔버(122) 중 어느 둘 이상 챔버 사이에서 작업물(118)을 선택적으로 이송할 수 있도록 작업물 이송 암(164)이 제공될 수 있다. 제어기(166)는 작업물 이송 암(164)의 제어를 통해 로드 락 작업물 지지대(142), 사전 냉각 작업물 지지대(152) 및 척(120) 사이에서 작업물(118)을 선택적으로 이송하도록 제공될 수 있다. 또한, 제어기(166)는 격리 게이트 밸브(150), 사전 냉각 작업물 지지대(152), 및 압축 가스 소스(159)를 제어하여 격리 챔버(146) 내의 작업물(118)을 사전 냉각 압력(162)에서 사전 냉각 온도로 냉각 시킬 수 있다. 제어기(166)는 작업물(118)이 사전 냉각 압력(162)에서 사전 냉각 온도로 냉각된 후에 격리 챔버(146) 내부 압력을 다시 진공에 가까운 압력으로 낮출 수 있다. 예를 들어, 사전 냉각 진공 소스(168)는 격리 챔버(146)에 작동적으로 결합되고, 제어기(166)는 진공 소스(168)와 격리 게이트 밸브(150)의 제어를 통해 격리 챔버(146) 내부를 프로세스 압력(140)과 거의 동일한 압력으로 진공화할 수 있다. 사전 냉각 진공 소스(168)는 진공 소스(128)와 동일한 것으로 제공되거나, 진공 소스(128)와 일체형이거나, 진공 소스(128)와 별개로 제공될 수 있다. 또한, 격리 챔버(146)는 사전 냉각 작업물 지지대(152)로부터 작업물(118)을 선택적으로 상승 또는 하강 시키도록 형성된 핀 승강 메커니즘(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이는 이송 암(164)의 작업물에 대한 접근을 용이하게 하며, 제어기(166)는 이송 암(164)의 좌표 이동뿐만 아니라 핀 승강 메커니즘을 제어하도록 더 작동될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 온도 모니터링 시스템(미도시)이 추가로 제공될 수 있으며, 격리 챔버(146)에서 작업물(118)의 온도를 측정하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(166)는 측정된 작업물의 온도에 기초하여 작업물(118)을 사전 냉각 온도로 냉각하는 과정을 제어하도록 형성될 수 있다. 제어기(166)는 전체 이온 주입 공정의 목표 처리량에 기초하여 사전 냉각 온도 및 사전 냉각 압력을 결정하도록 추가로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 프로세스 온도는 사전 냉각 온도보다 낮거나 높을 수 있으며, 이에 따라 작업물(118)을 격리 챔버(146)로부터 척(120)으로 이송하는 동안 온도 증가 또는 온도 하강이 일어날 수 있다. 또한, 척(120)은 전술한 바와 같이 작업물을 냉각시키도록 추가적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 주입 후 가열 스테이션(170)은 프로세스 챔버(122)에서 작동적으로 결합될 수 있다. 작업물(118)에 이온 주입이 완료된 후, 주입 후 가열 스테이션(170)은 대기 환경(132)에서의 이슬점 온도보다 높은 온도인 이온주입 후 온도로 작업물 (118)을 가열하도록 형성된 가열된 작업물 지지대(172)를 포함한다. 주입 후 가열 스테이션(170)은 예를 들어 프로세스 챔버(122)에 부가되거나, 프로세스 챔버(122) 내에 위치되거나, 로드 락 챔버(136) 내에 형성 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2는 주위 온도 이하의 온도(sub-ambienttemperature)에서 작업물을 처리하기 위해 제공되는 이온 주입 방법(300)을 도시한다. 이온 주입 방법(300)이 본 명세서에서 일련의 동작 또는 이벤트로서 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 이러한 동작 또는 이벤트의 예시된 순서에 의해 제한되지 않으며, 몇몇 단계는 상이한 순서로 발생할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에 도시되고 설명된 것 이외의 다른 단계와 동시에 수행 될 수 있다. 또한, 도시된 모든 단계가 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위해 필수적으로 요구되는 것은 아니다. 또한, 본 방법들은 본 명세서에 도시되고 설명 된 시스템들과 함께 구현될 수 있을 뿐 아니라, 도시되지 않은 다른 시스템들과 함께 구현될 수 있다.
도 2의 이온 주입 방법(300)은 302 동작에서 시작하고, 대기 온도 및 대기압에서의 작업물이 이온 주입 시스템에 제공되거나 전달된다. 304 동작에서, 첫 번째 작업물은 대기 환경으로부터 로드 락 챔버로 이송되고, 306 동작에서 로드 락 챔버 내의 압력을 프로세스 압력(예를 들어, 프로세스 챔버 또는 엔드 스테이션의 실질적 진공압력)으로 낮추어 진공화 시킨다. 일단 로드 락 챔버와 프로세스 챔버의 압력이 실질적으로 동일해지면, 308 동작에서는 작업물을 로드 락 챔버로부터 격리 챔버 내의 사전 냉각 작업물 지지대 상으로 이송한다. 이는 프로세스 압력 상태에서 이루어진다. 310 동작에서, 격리 챔버 내의 작업물은 격리 게이트 밸브의 차단에 의해 프로세스 챔버의 프로세스 압력으로부터 분리된다. 그 후, 격리 챔버 내의 압력이 프로세스 압력보다 높은 압력인 사전 냉각 압력에 도달하도록 압력을 상승시킨다.
상기 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 312 동작은 사전 냉각 압력 상태에서 격리 챔버 내의 작업물을 사전 냉각 작업물 지지대를 통해 사전 냉각 온도로 냉각한다. 일 실시예에서, 상기 사전 냉각 압력은 프로세스 압력으로부터 대기압까지의 범위의 압력을 포함한다. 다른 예에서, 상기 사전 냉각 압력은 프로세스 압력으로부터 대기압보다 큰 압력까지 확장된 범위의 압력을 포함한다. 이러한 증가된 압력은 사전 냉각 작업물 지지대와 작업물 사이의 열 전도를 향상시켜 진공 환경에서의 냉각에 비해 작업물을 더 빠르게 냉각시킬 수 있다. 하나의 예시적인 실시 예에서, 격리 챔버에서 작업물의 냉각은 격리 챔버 내로 건조된 고압 가스를 전달함으로써 더욱 향상될 수 있다. 즉, 이를 통해 작업 처리량을 최적화하기 위해 냉각 시간을 미세하게 조정할 수 있으며 냉각시간을 더욱 짧게 할 수 있다. 또한, 예를 들어 건조 가스의 습도 수준을 제어하여 응축(또는 결로)을 최소화 할 수 있다.
원하는 사전 냉각 온도가 달성되면, 314 동작에서 격리 챔버 내의 압력은 프로세스 압력까지 다시 낮아진다. 바람직한 사전 냉각 온도는 이온 주입이 수행되는 프로세스 온도 또는 프로세스 온도보다 높은 온도일 수 있다. 상기 작업물은 공정 환경내의 척 상에서 더 낮은 온도로 더 냉각 될 수 있다. 312 동작의 냉각은 310 동작 또는 314 동작 중 하나 또는 둘 모두와 동시에 수행 될 수 있으며, 이에 따라 작업물의 냉각은 작업물이 격리 챔버 내로 제공됨과 동시에 또는 사전 냉각 작업물 지지대 상에 위치함과 동시에 개시될 수 있다. 예를 들어, 격리 챔버가 사전 냉각 압력에 도달했는지 유무에 관계없이 압력이 변화되는 중에도 작업물의 냉각이 시작 될 수 있다.
316 동작으로 이동하여, 격리 게이트 밸브가 개방되고, 작업물이 격리 챔버로부터 프로세스 챔버 내의 공정 환경에 존재하는 척으로 전달된다. 일단 작업물이 척 상에 단단히 위치되면, 제8단계(318)에서 이온이 작업물에 주입된다. 일 실시 예에서, 318 동작은 이온을 주입하는 동안 작업물의 온도를 유지하기 위해 척을 프로세스 온도로 냉각시키는 단계를 더 포함 할 수 있다. 다른 실시예에서, 척은 냉각 될 수 있어서, 그 위에 위치한 작업물이 척에 이송될 때의 온도보다 낮은 온도로 더 냉각 될 수 있다.
일단 이온 주입이 완료되면, 320 동작에서 작업물은 척으로부터 로드 락 챔버로 이송된다. 일 실시 예에서, 로드 락 챔버는 전술 한 바와 같이 주입 후 가열 스테이션으로서 작용하는 가열된 판(platen) 또는 다른 열원을 포함 할 수 있으며, 이에 의해 작업물은 대기 환경에서의 이슬점 온도보다 높은 온도로 가열된다. 이와 같이, 작업물 상에 결로 발생 없이 주입 후 가열 스테이션으로부터 대기 환경으로 연속적으로 작업물이 이송 될 수 있다. 대안적으로, 320 동작에서 작업물을 척으로부터 로드 락 챔버로 이송하는 단계는 작업물을 별도의 주입 후 가열 스테이션으로 이송하는 단계를 더 포함 할 수 있으며, 이에 의해 작업물은 대기 환경의 이슬점 온도보다 높은 온도인 주입 후 가열 온도로 가열된다. 그 후, 다시 주입 후 가열 스테이션으로부터 로드 락 챔버로 이송된다.
322 동작에서, 로드 락 챔버 내의 압력은 대기압으로 상승하고, 작업 물을 324 동작에서 로드 락 챔버로부터 회수할 수 있다.
요약하면, 본 발명은 대기 환경 및 공정 환경 모두로부터 작업물을 냉각시키는 별도의 장치 및 방법을 제공함으로써 저온에서의 이온 주입을 위한 개선된 기술을 제공한다. 냉각 작용은 이온 주입 프로세스 챔버에서의 압력인 진공 압력보다 높은 압력에서 수행 될 수 있다. 또한, 주변 대기 환경의 상대적으로 높은 습도에 냉각된 작업물이 노출될 때 발생하는 결로현상이 발생하지 않도록 제어될 수 있다.
본 발명은 특정 실시예들에 관하여 도시되고 설명되었지만, 상기 설명된 실시예들은 본 발명의 일부 실시예들의 구현을 위한 예로서만 제공되며, 본 발명의 응용예들은 이들 실시예들에 한정되지 않는다. 특히, 상술한 구성 요소(어셈블리, 장치, 연결도 등)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 그러한 구성 요소를 설명하는데 사용된 용어("수단"에 대한 설명 포함)는 달리 지시되지 않는 한, 본 명세서에 기술된 본 발명의 예시적인 실시예에서 각 기능을 수행하도록 개시된 구조와 구조적으로 동등하지는 않지만 설명된 구성 요소의 특정 기능을 수행하는 임의의 구성 요소(즉, 기능적으로 동등한 구성 요소)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 특정 특징이 몇몇 실시예들 중 단지 하나와 관련하여 개시되었을지라도, 그러한 특징은 주어진 응용예 또는 특정 응용예에 대해 바람직하고 유리할 수 있는 다른 실시예의 하나 이상의 다른 특징들과 결합 될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 않으며, 첨부된 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해서만 범위가 제한될 수 있다.

Claims (28)

  1. 프로세스 환경을 가지는 프로세스 챔버 내에 위치한 작업물에 다수의 이온을 제공하도록 형성된 이온 공급원;
    상기 작업물을 상기 다수의 이온에 노출시키는 동안 상기 프로세스 챔버 내에서 상기 작업물을 지지하도록 형성된 척; 및
    상기 프로세스 챔버에 작동적으로 결합되는 로드 락 챔버로서,
    상기 작업물을 대기 환경 또는 상기 프로세스 환경을 오가며 이송할 수 있도록 형성되며, 상기 작업물을 이송하는 동안 상기 작업물을 지지하도록 형성된 로드 락 작업물 지지대를 포함하는 로드 락 챔버;
    상기 프로세스 챔버에 작동적으로 결합되고 그 내부에 사전 냉각 환경을 갖는 격리 챔버; - 상기 격리 챔버는, 상기 사전 냉각 환경을 상기 프로세스 환경으로부터 선택적으로 격리시키도록 형성되고 상기 사전 냉각 환경으로 상기 작업물의 접근을 선택적으로 허용하도록 형성되는 격리 게이트 밸브를 포함하고, 이 때, 상기 격리 챔버는 사전 냉각 환경 내에서 상기 작업물을 지지 및 냉각하도록 형성된 사전 냉각 작업물 지지대를 포함하되, 이 때, 상기 격리 게이트 밸브는 상기 작업물이 상기 프로세스 챔버와 상기 격리 챔버를 오가는 유일한 접근 경로를 규정함-
    상기 격리 챔버에 작동적으로 결합되는 압축 가스 소스로서, 상기 격리 게이트 밸브가 차단될 때 상기 사전 냉각 환경을 프로세스 환경의 프로세스 압력보다 높은 압력인 사전 냉각 압력으로 선택적으로 가압하도록 형성되는 압축 가스 소스;
    상기 로드 락 챔버, 상기 격리 챔버 및 상기 프로세스 챔버 중 어느 둘 이상 사이에서 상기 작업물을 선택적으로 이송하도록 형성된 작업물 이송 암; 및
    상기 작업물 이송 암의 제어를 통해 상기 로드 락 작업물 지지대, 상기 사전 냉각 작업물 지지대 및 상기 척 사이에서 상기 작업물을 선택적으로 이송하도록 형성된 제어기로서, 이 때, 상기 제어기는 추가로 상기 격리 게이트 밸브, 상기 사전 냉각 작업물 지지대 및 상기 압축 가스 소스의 제어를 통해 상기 격리 챔버 내에서 상기 작업물을 상기 사전 냉각 압력에서 선택적으로 냉각하도록 형성되는 제어기;
    를 포함하는 이온 주입 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격리 챔버에 작동적으로 결합된 진공 소스를 더 포함하며, 상기 제어기는 추가적으로 상기 진공 소스 및 상기 격리 게이트 밸브의 제어를 통해 상기 격리 챔버의 압력을 거의 상기 프로세스 압력 수준으로 낮추도록 기체를 선택적으로 배출하도록 형성되는 이온 주입 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 작업물이 상기 사전 냉각 압력에서 사전 냉각 온도로 냉각된 후에 상기 격리 챔버 내의 기체를 선택적으로 배출하도록 형성되는 이온 주입 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사전 냉각 압력은 상기 프로세스 압력으로부터 대기압까지 범위의 압력으로부터 선택되는 이온 주입 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사전 냉각 압력은 대기압 보다 큰 압력을 갖는 이온 주입 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압축 가스 소스는 건조된 공기, 질소 및 헬륨 중 하나 이상으로 구성된 건조 가스를 포함하는 이온 주입 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 사전 냉각 작업물 지지대는 상기 작업물의 바닥면과 접촉하도록 형성된 냉각판을 포함하며, 상기 냉각판은 상기 사전 냉각 환경 내에서 상기 작업물을 지지하고 냉각시키는 이온 주입 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉각판은 내부에 형성된 하나 이상의 냉각제 통로를 포함하며, 상기 냉각판은 냉각제 통로로 순환하는 냉각유체를 통해 작업물을 냉각시키도록 형성되는 이온 주입 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 척은 그 내부에 형성된 척 냉각제 통로를 더 포함하고, 냉각유체는 상기 척 냉각제 통로를 통해 추가로 순환하는 이온 주입 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 척은 작업물을 프로세스 온도로 냉각하도록 형성된 정전기 클램프(ESC)를 포함하는 이온 주입 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 척은 그 내부에 형성된 척 냉각제 통로를 더 포함하며, 냉각유체가 상기 척 냉각제 통로를 통해 순환함으로써 상기 척이 상기 작업물을 프로세스 온도까지 추가로 냉각시키도록 형성되는 이온 주입 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 프로세스 온도는 사전 냉각 온도보다 낮은 온도를 갖는 이온 주입 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 격리 챔버는 상기 로드 락 챔버와 인접하게 배치되는 이온 주입 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버와 작동적으로 결합되는 주입 후 가열 스테이션을 더 포함하며, 상기 주입 후 가열 스테이션은 상기 대기 환경의 이슬점 온도보다 높은 온도인 주입 후 가열 온도로 상기 작업물을 가열하도록 형성된 가열된 작업물 지지대를 포함하는 이온 주입 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 주입 후 가열 스테이션은 상기 로드 락 챔버 내에 규정된 이온 주입 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 사전 냉각 작업물 지지대는 펠티에 냉각기, 팽창 챔버, 극저온 헤드 및 순환 냉각 루프 중 하나 이상을 포함하는 이온 주입 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 격리 챔버는 상기 사전 냉각 작업물 지지대로부터 상기 작업물을 선택적으로 상승 또는 하강 시키도록 형성된 핀 승강 메커니즘을 더 포함하는 이온 주입 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 전체 이온 주입 공정의 목표 처리량에 기초하여 사전 냉각 온도를 결정하도록 추가로 형성되는 이온 주입 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 격리 챔버에서 상기 작업물의 온도를 측정하도록 형성된 온도 모니터링 시스템을 더 포함하며,
    상기 제어기는 측정된 작업물의 온도에 기초하여 작업물을 사전 냉각 온도로 선택적으로 냉각하는 과정을 제어하도록 추가로 형성되는 이온 주입 시스템.
  20. 주위 온도 이하의 온도에서 이온을 작업물 내로 주입하는 방법으로서,
    대기 온도 및 대기압의 대기 환경에서 상기 작업물을 제공하는 단계;
    상기 작업물을 상기 대기 환경으로부터 이온 주입 시스템의 로드 락 챔버로 이송하는 단계;
    상기 로드 락 챔버 내의 압력을 프로세스 챔버의 프로세스 환경의 압력인 프로세스 압력으로 낮추는 단계;
    상기 프로세스 압력에서 상기 로드 락 챔버로부터 상기 프로세스 챔버를 거쳐 격리 챔버 내의 사전 냉각 작업물 지지대 상으로 상기 작업물을 이송하는 단계;
    상기 격리 챔버 내에서 상기 프로세스 챔버의 상기 프로세스 압력으로부터 상기 작업물을 격리시키는 단계;
    상기 격리 챔버 내의 압력을 상기 프로세스 압력보다 큰 사전 냉각 압력으로 상승시키는 단계;
    상기 사전 냉각 작업물 지지대를 통해 상기 냉각 압력에서 상기 격리 챔버 내의 사전 냉각 온도로 상기 작업물을 냉각시키는 단계;
    상기 격리 챔버 내의 압력을 상기 프로세스 압력까지 낮추는 단계;
    상기 격리 챔버로부터 상기 프로세스 챔버의 상기 프로세스 환경에 존재하는 척으로 상기 작업물을 이송하는 단계;
    이온을 상기 작업물에 주입하는 단계;
    상기 작업물을 상기 척으로부터 로드 락 챔버로 이송하는 단계;
    상기 로드 락 챔버 내의 압력을 대기압으로 증가시키는 단계; 및
    상기 작업물을 상기 로드 락 챔버로부터 상기 대기 환경으로 이송하는 단계를 포함하는 이온 주입 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 사전 냉각 작업물 지지대 상에 상기 작업물이 이송됨과 동시에 상기 작업물을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 이온 주입 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 척을 프로세스 온도로 냉각하는 단계를 더 포함하는 이온 주입 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 로드 락 챔버는 복수의 로드 락 챔버로 제공되고, 상기 작업물은 상기 복수의 로드 락 챔버 중 임의의 것으로 이송되도록 형성되는 이온 주입 방법.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 사전 냉각 압력은 상기 프로세스 압력으로부터 대기압까지의 범위의 압력을 포함하는 이온 주입 방법.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 사전 냉각 압력은 상기 프로세스 압력으로부터 대기압보다 높은 압력까지 범위의 압력을 포함하는 이온 주입 방법.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 척으로부터 상기 로드 락 챔버로 상기 작업물을 이송하는 단계는,
    상기 척으로부터 주입 후 가열 스테이션으로 상기 작업물을 이송하는 단계;
    상기 주입 후 가열 스테이션에서 상기 작업물을 상기 대기 환경의 이슬점보다 높은 온도인 주입 후 가열 온도로 가열하는 단계; 및
    상기 주입 후 가열 스테이션으로부터 상기 로드 락 챔버로 작업물을 이송하는 단계를 더 포함하는 이온 주입 방법.
  27. 제20항에 있어서,
    상기 격리 챔버 내에서 상기 작업물을 냉각시키는 단계는 냉각유체를 상기 사전 냉각 작업물 지지대를 거쳐 흐르도록 하는 단계를 포함하는 이온 주입 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 냉각유체를 상기 척을 거쳐 흐르도록 유동시켜 상기 척을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 이온 주입 방법.
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