TW201029559A - Condensible gas cooling system - Google Patents

Description

201029559 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種半導體製造，且特別是有關於一 種用於冷卻工件(workpiece)的冷卻系統。 【先前技術】 離子植入機普遍用於半導體晶圓的製造。離子源用以 產生離子束，且離子束接著被引導朝向晶圓。當離子揞擊 (strike)晶圓時，其對晶圓的特定區域進行掺雜。摻雜區的 組態（configuration)界定其功能，且經由導體内連線 (conductive interconnect)的使用，這些晶圓可以被轉變為複 雜的電路。 圖1為典型的離子植入機100的方塊示意圖。離子源 110產生所需的離子種類(species)。在一些實施例中’這些 種類為原子離子(atomic ion)，其最適於高植入能量。在其 他實施例中’這些種類為分子離子(m〇leculari〇n)，其較適 於低植入能量。這些離子形成束線(beam)，其接著通過源 濾波器（source filter)120。源濾波器較佳地位於離子源附 近。離子束中的離子在圓柱體(c〇lumn)13〇中被加速/減速 至想要的能階(energy level)。使用具有開孔(aperture)145 的質量分析器磁鐵(mass analyzer magnet) 140以從離子束 中移除不需要的成分，使得具有所需的能量與質量特性的 離子束150穿過解析孔145。 在某些實施例中’離子束150是點束(Sp〇t beam)。在 此例中，離子束穿過掃描器160。掃描器160可以是靜電 201029559 掃描器或磁掃描器。掃描器160使離子束150發生偏轉， 以產生掃描束155〜157。在某些實施例中，掃描器16〇包 括，、知如產生器（scan generator)進行通訊(communication) 的分離的掃描板(scan plate)。掃描產生器產生掃描電壓波 形，諸如具有振幅與頻率分量的正弦波形、鋸齒波形或三 角波形。這些掃描電壓波形被施加在掃描板上。在一較佳 實施例中，掃描波形通常很接近三角波（固定斜率），使得 掃描束在每個位置上停留近乎相同的時間。從三角形的偏 離可用來使離子束達到均勻。所產生的電場造成離子束分 又’如圖1所示。 在另一實施例中，離子束15〇是帶狀束(ribb〇n ' beam)。在此實施例中，不需要掃描器，帶狀束已經按照適 當的方式成形。 角度修正器(angle corrector)170是用來將分叉的離子 束155〜157偏轉成一組具有實質上平行軌道㈣_ries) 的離子束。較佳的是，角度修正器17〇包括磁線圈(magnet ❹ cml)與多個磁極片（magneticp〇lepieces)，這些磁線圈與磁 極片相互之間隔開以形成間隙，而離子束從間隙中穿過。 磁線圈被賦予能量，以在間隙内產生磁場，而離子束根據 所施加的磁場的強度與方向來發生偏轉。透過改變流經磁 線圈的電流可_磁場。可選擇的是，諸如平行化透鏡 (parallelizing lens)的其他結構也可用來執行此功能。 經過角度修正器170之後，掃描束對準工件175。工 件附著在工件支座h工件支座提供多種移動角度。 201029559 工件支座用來將晶圓保持在適當位置以及對晶圓進 行定向，以將離子束適當地植入晶圓。為了將晶圓有效地 保持在適當位置，大部分的工件支座（亦稱為平台）通常使 用旋轉力（circular force)而使工件靜止於工件支座上。通 常，平台使用靜電力來將工件保持在適當位置。藉由在平 〇上產生強靜電力（亦稱為靜電吸座(chuck)),無需任何機 械固疋裝置就能將工件或晶圓保持在適當位置。如此一 來，污染被降到最低，而且循環時間(cycletime)得以改善， 因為完成植入之後晶圓無需拆卸。這些吸座通常使用兩種 力之一來將晶圓保持在適當位置：庫侖引力（c〇ul〇mbie force)或詹森·拉貝克力(J〇hns〇n_Rahbeck f〇rce)。 工件支座一般可在一個或多個方向上移動工件。舉例 來說，在離子植入中，離子束一般為掃描束或帶狀束，其 具有大於，度的寬度。假設離子束的寬度定義為χ轴，而 離子束的高度定義為y轴’且離子束的移動路徑定義為ζ 軸。離子束的寬度-般寬;^工件，使得工件不需在χ方向 移動。然而，沿著y軸移動工件以將整個工件暴露於離子 束則是常見的。 ^支座的另一個重要功能為對工件提供散熱(_ s )。、舉例來說，在離子植入的過程中，大量的能量(以熱 的形式)被傳送至工件。雜亂無序的熱可能對待植入工件的 特性造成’。因此，較佳是賴傳送離開工件且傳送至 工件支座。然後，讀支座將熱排除。在某些實施例中， 流體流經工件支座巾的導管，這些導管使得無轉移至流 201029559 其它冷卻工件支座的方法也為本領域 在某些實施例中，熱簡單地經由兩個元件之間的物理 接觸而自工件傳送至卫件支座。“，測試顯示，由於鄰 接表面的祕絲糙，即使I件與功支絲理接觸，在 微觀程度上，_元件之間财㈣少的實際接觸。

上述的離子植人系統較佳裝置於接近真空狀態的環 境中。實際上’此環境中的壓力-般小於1〇-5 Torr。由於 週遭環境接近絕對真空，因此沒有其他可傳送熱的媒介。 因此，熱傳送遠少於所預期的。 _改善從工件至工件支座的熱傳送的一種技術為使用 後端(back side)氣體”。圖2為此技術的示意圖。簡單地

體且離開工件支座。 所熟知。 說’工件200使用機械或靜電裝置而固定於工件支座。然 後’工件支座210中的導管22〇將氣體25〇傳送至工件2〇〇 與工件支座210之間的空間，亦即晶圓/平台界面。 圖3為熱傳送機制的示意圖。當氣體分子碰撞工件2〇〇 時發生熱傳送’以吸收來自工件2〇〇的熱。接著，氣體分 子碰撞工件支座210，以將熱傳送至工件支座。工件支座 做為散熱器且維持可接受的溫度。在一些實施例中，工件 支座藉由使流經冷卻導管230的流體通過來冷卻。後端氣 體的$今可藉由質流控制器（mass flow controller， MFC)250來控制。 由於這些傳送熱的氣體分子數量的增加(例如藉由增 加壓力），因此改善了熱傳送。然而，後端氣體的壓力具有 7 201029559 上限值’且隨著後端氣體壓力的增加，其開始克服固定力 (clamping forces)，因此使得工件被推離工件支座〇此減少 了兩個表面之間的實際物理接觸，―上斯截烽I了熱傳送= 此減少的現象發生在非常低的壓力下，例如離子植人環产 中的壓力小於50 Torr。過大的壓力也會導致對工件造 害。此外’為了增加分子之間的碰撞而增加分子的數量也 會導致固體之間的熱傳送減少。 如上所述，隨著氣體分子接受來自工件的熱且將熱傳 送至工件支座，後端氣體有助於熱傳送。如所熟知的，在 〇 氣體-固體界面具有熱傳送的效果，其依據氣體分子的類型 與固體的類型。此效果由調節係數（acc〇mm〇dati〇n coefficient)表示，其值介於〇(無熱傳送)與丨(最佳熱傳送） 之間。調節係數(α)—般定義為： μ ~ α = (Tr - Ti)/(TS -1\)

Tr為反射分子(即，反射離開固體表面後的氣體分子） 的溫度；

Ti為入射分子（即，撞擊固體表面前的氣體分子)的溫 Θ 度；

Ts為固體表面的溫度。 與較重的亂體(例如氮氣、氬氣和空氣)相比，較輕的 氣體(例如氦氣與氫氣)一般具有較低的調節係數。此外， 由於一些固體與其他相比提供較佳的熱傳送，固體表面有 利於調節係數。請參照圖3，假設在氣體分子與工件200 之間的調節係數為％，而在氣嫌與工件支座21〇之間的調 8 201029559

節係數為％。當分子碰撞工件時，這些分子吸收來自工件 的熱(與調節係數α!成比例）。之後，這些分子碰撞工件支 座210，以傳送熱(與調節係數叱成比例）。因此，工件與 工件支座之間的實際熱傳送與％ χ %成比例。舉例來說 若調節係數在與特定氣體的一個界面為〇9,且調節係數 在與此氣體的另一個界面為〇.7,則在二個界面之間的熱 傳送僅為63%的功效。較重的氣體可以增加這些係數然 而，較輕的氣體分子移動較快，且因此較迅速地傳送熱。 此可能導致偏向使職輕的氣體而雜重的氣體， 調節係數的差異。 在許多環境中’將工件保持在預定溫度範圍是非常重 要的。因此，有效地將熱從工件傳送至工件支座是不可或 ，的。因此’發展用以增進工件(特別是離子植入系統中的 半導體晶圓）冷卻的系統與方法是有利的。 【發明内容】 j技術_題可藉由本巾請巾的工件冷卻系統與 =法來克服。典型地，熱被傳送至工件支座或平台。在一 實施例中，所需的操作溫度被決定。基於此， 的蒸汽壓(例如⑽⑽至為响氣體^範 以致低於固定力。此可冷凝氣體用以填入 附rde、、座之間的空間。基於吸附(adsorption)與去吸 氣、^傳送’與傳統使用的氣體(例如氣 送特ί 现、鼠氧和空氣)相比，藉此來提供改進的傳 201029559 【實施方式】 如上所述’轉工件⑽如離子植人製財 的。用以維持1件溫度的目前技術依‘ =Γ、 )賴傳送至工件支座（其為物理性地 ΐ觸工ί)。—些實施例藉由在工件與工件支座之間的空間 端㈣，，來增加熱料。這絲齡子用以 傳送來自工件的熱(或—部分的熱)至场支座。然而，如 上所述，此熱傳送機制並不如想像的有效。 -月參照圖2’其顯示工件支座21〇與工件細的剖面。 工件支座可以具有二種導管。導管22〇將氣體25〇導引至 工=的後端’工件與工件支座之_空間。氣鱧25〇較佳 儲存在中央储存器（咖㈣reservoir)，例如儲存槽(tank)， 且可以穿過質流控制器或壓力調節器240以調節其穿過導 管220的流動。在某些實施例中，小溝槽26〇提供於工件 支座210的上表面中’以提供無障礙路徑而使氣體2刈近 入工，MFC或壓力調節器24〇控制氣體的流動以達成所 需的氣體壓力。如上所述，由於過大的壓力可能使工件離 開工件^座或可_害轉，因㈣慎地控繼力為較佳。 在一些實施例中，第二導管230用以循環用來冷卻工 件支座的體。舉例來說，水、空氣或合適的冷卻⑶⑴㈣ 可被循環穿過工件内部的導管2，以將熱引導離開平台。 每-個離子植人製程具有預定的操作溫度範圍 。舉例 來說、’許多離子植入在〇〇c至筑的溫度範圍中進行，且 更普遍在室溫(I5 〇c至3〇〇c)下進行。其他還可以在低溫下 201029559 進行’例如在低於臂C下。其他還可以在高 ，在高於100°C下。一但決定所需的操作範；，則: 二氣:來說氣體在應^ 對於在-就的低溫植入，丙烧具有相似二=氣 (ammonia，NH3)也適·溫植人。在鐵，氨 t (gly_e)的物質’其蒸汽壓在綱。c約為術。心醇 二作區域中的氣體的蒸汽壓必須低於施加 於工件上_疋力，以使I料會遭 支座接觸。換句話說，氣體所施祕厥士^轉與件 决疋在離開工件支座的方向上施加至工件的力。與此力相 反的是，定力。為了維持工件與工件支座接觸固定力必 ^大於耽體壓力（乘上工件的面積）。由於工件的面積固 定，因此氣體麼力必須經控制以確保滿足上述條件。 ❹ 在許多實施例中，所需的蒸汽壓介於J το订至50 Torr 之間，雖然其他範圍也是可能的且在本申請的範圍中。所 選擇的氣體被傳送穿過導管22()。舉例來說，如上所述， 在室溫下’水具有介於1GTGmGTGiT的蒸汽壓。對於 發生在室溫的離子植入，水蒸汽被傳送至工件與工件支座 之間的空間。此可由使用圖2中的導管22〇來達成。使用 MFC或壓力調節n⑽對水蒸汽加壓，以使蒸汽相與液相 達成平衡。當此現象發生時，水蒸氣的薄膜2〇5吸附在晶 圓200的背面上。薄膜215也吸附在工件支座21〇的頂面 11 201029559 上。藉由在每一個表面上產生氣體蒸汽的膜，熱傳送機制 可被改變。 圖4為熱傳送機制的示意圖。在此方案中，氣體蒸汽 分子吸附至工件表面上的薄膜205。不同的水蒸汽分子（已 在高溫)從薄膜205移開(displaced)和去吸附。移開的分子 接著吸附至工件支座210的頂面上的薄膜215。再來，在 降低的工件支座溫度下，不同的分子接著被移開。由於被 去吸附的分子在固體的溫度下或在接近固體的溫度下，（即 乃大約等於Ts)，因此可實現接近1的調節係數。 圖5為前述製程步驟之流程圖。如上所述，首先，決 定所需的操作溫度(方塊400)。然後’基於此操作溫度，選 擇合適的氣體(方塊410)。此氣體的蒸汽壓在所需的溫度下 較佳是足夠低而不會損害工件或克服固定力。如上所述， 若有需要’可以使用MFC或壓力調節器240來降低在工 作流體的蒸汽壓下的工作壓力。接著，將所選擇的氣體傳 送至工件與工件支座之間的空間（方塊420)。較佳地是，提 供足夠的時間以允許氣體在空間中達到穩定狀態條件 (steady-state conditions)(方塊430)。當氣體壓力等於蒸汽壓 時’則符合穩定狀態條件。此允許氣體吸附在工件的背面 上以及吸附在工件支座的頂面上。一旦達成穩定狀態條 件，則可開始進行離子植入製程(方塊440)。 如方塊430所示，較佳是在離子植入製程之前使蒸汽 達到穩定狀態條件。此可由多種方法來實現。在一實施例 中’製程循環時間(process cycle time)被降低，以允許達到 201029559Γ 穩定狀態條件。換言之，-旦新的卫件或晶圓置於平台上， 則開始蒸汽的流動。在離子植入製程開始之前，消耗大量 的時間。此時間允許蒸汽壓與所吸附的薄膜達到穩定狀態 值。此方法簡單，但可能影響生產率，其取決於達成平衡 所需的時間。 可以使用其他方法來減少蒸汽壓達職定狀態條件 所需的時間。舉例來說’工件支座上所吸附的蒸汽膜可以 冑由降低工件支座的溫度而在晶®交換期間被維持。較低 的溫度將使薄膜液化或結;東。此外，蒸汽可以導引穿過多 孔媒介(其為工件支座的一部分）。最後，在工件置於工件 支座之前，將工件披覆所選擇的氣體、液體或材料，可以 減少所需的時間。舉例來說，工件可以在置於工件支座之 刖暴露於水蒸汽’且接著被冷凍(chilled)以保留水，直到置 於工件支座上。在一實施例中，使用晶圓定位站(wafer orient station)以同時披覆水蒸汽以及冷凍晶圓(在定位過 程中）。在此完成之後，將晶圓置於工件支座上，且隨著晶 Φ 圓與工件支座溫度而建立的穩定狀態蒸汽壓被建立。 雖然本申請揭露了離子植入，但本申請並不限於此實 施例。此處描述的方法與系統可以使用於任何使用工件與 工件支座的應用，特別是在真空環境中。 【圖式簡單說明】 圖1為傳統的離子植入機之示意圖。 圖2為依照一實施例所繪示的工件與工件支座的剖面 圖。 13 201029559 圖3為先前技術的熱傳送機制之示意圖。 圖4為本發明所述的熱傳送機制之示意圖。 圖5為依照一實施例所使用的製程步驟之流程圖。 【主要元件符號說明】 100 :離子植入機 110 :離子源 120 :源濾波器 130 :圓柱體 140 :質量分析器磁鐵 145 :解析孔 150 :離子束 155〜157 :掃描束 160 :掃描器 170 :角度修正器 175、200 :工件 205、215 :薄膜 210 :工件支座 220、230 :導管 240:質流控制器或壓力調節器 250 :氣體 260 :小溝槽 400、410、420、430、440 :方塊

Claims (1)

1. 201029559 七、申請專利範圍： 1. 一種處理工件時自工件將熱傳送離開的方法，所述 工件裝設於工件支座上，所述方法包括： a.決定用以進行處理的操作溫度範圍； b·選擇氣體，在所述操作溫度範圍下所述氣體具有在 所需範圍中的蒸汽壓；

   c·傳送所述氣體至所述工件的背面與所述工件支座 的頂面之間的空間中；以及 d.處理所述工件。 2. 如申請專利範圍第1項所述之處理工件時自工件 將熱傳送離開的方法，更包括在處理所述工件之前等待所 述氣體在所述空間中達到平衡的步驟。 3. 如申請專利範圍第2項所述之處理工件時自工件 ，熱傳送離開的方法，其中液體膜產生於所述工件的所述 者面與所述工件支座的所述頂面。 4·如申請專利範圍第1項所述之處理工件時自工件 ^傳送離_方法’其巾施加力以將所述卫件保持在所 :件支座上，且所述所需範圍的所述蒸汽壓產生小於保 、所述工件的所述力的相反力。 5·如申凊專利範圍第1項所述之處理工件時自工件 =傳送離開的方法，其情述氣·等於所述蒸汽 壓力下被傳送。 15 201029559 6·如申凊專利範圍第1項所述之處理工件時自工件 將熱傳送離開的方法，更包括在移動經處理的所述工件 前冷卻所述工件支座的步驟。 7·如申請專利範圍第1項所述之處理工件時自工件 將熱傳送離開的方法，其中所述操作溫度範圍介於0%至 50oC之間，且所選擇的所述氣體包括水蒸汽。 8. 如申請專利範圍第7項所述之處理工件時自工件 將熱傳送離開的方法，其中所述蒸汽壓介於1〇 t〇fr至5〇 torr。 9. 如申請專利範圍第1項所述之處理工件時自工件 將熱傳送離開的方法，其中所述操作溫度範圍低於_5〇0(：， 且所選擇的所述氣體包括氨氣。 10. 如申請專利範圍第1項所述之處理工件時自工件 將熱傳送離開的方法，其中所述操作溫度範圍高於 100°C ’且所選擇的所述氣體包括丙三醇。 11. 如申請專利範圍第1項所述之處理工件時自工件 將熱傳送離開的方法，其中所述處理包括離子植入。 12· —種用以自工件將熱傳送離開的系統，所述工件 在預定的操作溫度範圍下被處理，所述系統包括： a. 工件支座’所述工件位於所述工件支座上，以使所 述工件支座的頂面與所述工件的背面接觸； b. 用於將所述工件保持於所述工件支座上的裝置，所 述裝置施加力於所述工件； 201029559 c. 導管’用以提供氣體至由所述工件的所述背面與所 述工件支座的所述頂面所定義出的空間；以及 d. 儲存器，用以保持所述氣體，其中在所述操作溫度 範圍下所述氣體具有蒸汽壓，其中產生施加於所述工件的 相反力的所述蒸汽壓小於由所述裝置施加來保持所述工件 的所述力。 13.如申請專利範圍第12項所述之用以自工件將熱 傳送離開的系統，其中所述操作溫度範圍介於〇〇C至5〇0c φ 之間，且所述氣體包括水蒸汽。 14·如申請專利範圍第12項所述之用以自工件將熱 傳送離開的系統，其中所述操作溫度範圍低k_50〇c，且所 述氣艘包括氨氣。 15·如申請專利範圍第12項所述之用以自工件將熱 傳送離開的系統，其中所述操作溫度範圍高於1〇〇〇(：，且 所述氣體包括丙三醇。 16. 如申請專利範圍第12項所述之用以自工件將熱 傳送離開的系統，其中所述導管位於所述工件支座中，且 # 所述氣體穿過所述工件支座至所述空間。 17. 如申請專利範圍第12項所述之用以自工件將熱 傳送離開的系統，更包括位於所述儲存器與所述空間之間 的質流控制器或壓力調節器。 18. 如申請專利範圍第17項所述之用以自工件將熱 傳送離開的系統’其中所述質流控制器在等於所述蒸汽壓 的朦力下傳送所述氣體。 ”、 17