TWI413168B - 低溫離子植入技術 - Google Patents

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Description

低溫離子植入技術
本發明是有關於半導體製造，以及特別是有關於低溫離子植入技術。
隨著半導體元件逐漸小型化(miniaturization)，半導體工業對於超淺型接面(ultra-shallow junction)的需求也逐漸增加。例如，人們付出了大量的努力來創造更具活性的、更淺的且更陡峭的源極-汲極(source-drain)延伸接面(extension junction)，以滿足目前互補金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)元件的要求。
例如，要在結晶(crystalline)矽晶圓(silicon wafer)中產生陡峭的超淺型接面，就需要將晶圓表面非晶化(amorphization)。通常，較佳的是比較厚的非晶矽層，因為執行完固相晶膜生長(solid-phase epitaxial growth)之後，因離子植入(ion implant)而產生的格隙(interstitial)中，有少部分會剩下而成為後期植入退火(post-implant anneal)的一部分。薄的非晶層會導致有較多的格隙留在非晶-結晶介面(interface)之外的末端區域(end-of-range area)。這些格隙會導致離子植入摻質(dopant)的瞬間增強擴散(transient enhanced diffusion,TED)，使得到的摻雜輪廓(dopant profile)(例如，P-N或N-P接面)加深與/或失去想要的陡峭度。因此，較薄的非晶層會使得電子 元件的短通道效應(short channel effect)較為嚴重。格隙也可能會導致非活性團簇(inactive cluster)形成，這種非活性團簇(尤其是硼(boron))可降低摻質的活性。在活化退火過程中，沒有被清除掉的非晶-結晶介面之外的格隙可結合起來形成複合的末端損傷(end-of-range damage)。這種末端損傷可導致接面漏電(junction leakage)與良率下降(yield loss)。在後面的熱製程(thermal process)中，可藉由釋放可能促使摻質擴散與摻質反活化(deactivation)的格隙來挽救上述的末端損傷。
目前已發現，在離子植入過程中，較低的晶圓溫度有利於矽晶圓的非晶化。在目前的離子植入應用中，典型地是藉由氣體輔助製程，在植入製程中，以晶圓冷卻器(chiller)來冷卻晶圓。多數情況下，這種冷卻技術可使晶圓溫度介於冷卻器溫度(例如，15℃)與較高溫度之間，為了保護光阻(photoresist)的完好無損，此較高溫度具有上限(例如，100℃)。此較高溫度可增強自退火效應(self-annealing effect)，而使Frenkel對(因離子束轟擊(ion beam bombardment)而產生的空位-格隙對)消失(annihilation)(在植入過程中的)。因為只有當離子束置換足夠量的矽原子時才會發生矽非晶化，而在高溫下Frenkel對消失的程度會增加，這將不利於非晶化製程，使得非晶化的劑量臨界值(dose threshold)偏高，因而無法得到理想的淺接面。
在其他參數相同的情形下，如果自退火效應減弱，那 麼非晶矽層的厚度可隨著植入溫度的降低而增大。如此一來，元件性能可得到較好的製程式控制與預測。
一般來說，利用快速熱退火來活化(activate)植入的摻質，在快速熱退火過程中，晶圓在5秒鐘內被加熱至(例如)1000℃。非擴散式退火(diffusion-less anneal)則為較佳的後期植入製程，在這種非擴散式退火過程中，利用(例如)雷射(laser)或閃光燈(flash lamp)作為熱源使晶圓的溫度快速上升(例如，在5毫秒內上升至1000℃)。這些極快的速熱製程使得摻質無法有效地擴散，而植入損傷也沒有充足的時間來進行修復。而低溫離子植入可提高這種非擴散式退火過程中的植入損傷修復的程度。
此外，還有其他採用低溫離子植入的原因。
雖然目前已採用低溫離子植入，不過現有的方法中存在著許多缺點。例如，目前的低溫離子植入技術的發展著重在批量晶圓式(batch-wafer)離子植入機，但半導體工業的當前趨勢較傾向於單晶圓式(single-wafer)離子植入機。批量晶圓式離子植入機通常是處理裝在一個真空室(vacuum chamber)裡的多個晶圓(批量)。如果要使同一真空室裡同時存在著多個冷卻的晶圓(通常持續較長時間)，就需要有特殊的原地(in-situ)冷卻性能。預先冷卻整批晶圓並不容易，因為每個晶圓在進行植入過程前會經歷不同的溫升。此外，曝露於真空室的低溫晶圓可導致殘留水份結冰(icing)。在研究中，已有在單晶圓式離子植入機中執行低溫離子植入，但通常是在由樣品操作裝置 所機械支撐的小基板上執行。再者，這種研究性的植入不須考慮大基板的生產價值、產能以及金屬及微粒污染低的問題。
鑒於以上所述，本發明提供一種能夠克服上述缺點與不足，而能應用於單晶圓式高處理量離子植入機的低溫離子植入方法。
揭露低溫離子植入技術。在一實施例中，低溫離子植入技術可以一種低溫離子植入裝置來執行。這種低溫離子植入裝置可包括晶圓支撐機構，在離子植入過程中支撐著晶圓，且幫助晶圓在至少一維(one dimension)空間裡移動。此低溫離子植入裝置也可包括冷卻機構(cooling mechanism)，耦接到晶圓支撐機構。此冷卻機構可包括：製冷單元(refrigeration unit)；閉環(closed loop)剛性管(rigid pipe)，讓至少一種冷卻劑(coolant)從製冷單元到晶圓支撐機構循環流動；以及一個或多個旋轉式軸承(rotary bearing)，耦接剛性管，以幫助晶圓在至少一維空間裡移動。
在另一實施例中，低溫離子植入技術可以一種低溫離子植入方法來執行。這種低溫離子植入方法可包括將晶圓放置在台板(platen)上，此台板配置成可至少在一維空間裡移動晶圓。此低溫離子植入方法也可包括將閉環剛性管耦接到台板，此閉環的至少兩部分經由一個或多個旋轉式軸承來連接，以幫助晶圓在至少一維空間裡移動。此低溫 離子植入方法可更包括：經由閉環剛性管，讓至少一種氣態冷卻劑循環流到台板，以在晶圓的離子植入過程中使晶圓保持在預定溫度範圍內。
下面將參照附圖所繪示之實施例來詳細描述本發明。雖然以下是參照實施例來描述本發明的，不過應當明白的是，本發明並不局限於實施例。對此技藝具有通常知識且已接觸了本文之教示者將會認可本文所述之本發明範圍內的額外實施方法、改動及實施例以及其他的應用領域，本發明也非常適用於這些額外的實施方法、改動、實施例以及其他應用領域。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明之實施例藉由改良的晶圓支撐及冷卻系統設計，以在低溫離子植入過程中進行直接晶圓冷卻。在離子植入機中，冷卻劑剛性管可經由一個或多個旋轉式軸承來互連，且耦接到台板，其中此冷卻劑剛性管在相對高壓下可調節冷卻劑循環，且旋轉式軸承幫助台板移動。可用真空護罩(casing)來隔離冷卻劑剛性管，以避免熱損耗與冷凝(condensation)。較佳的使用氣態冷卻劑，因為少量的氣態冷卻劑滲漏不會污染離子植入機。為了精確地控制晶圓溫度，冷卻系統可包括加熱元件。
本文所揭露的技術並不局限於束線(beam-line)離子 植入機，其也可應用於其他類型的離子植入機，例如可執行電漿摻雜(plasma doping,PLAD)或浸沒式電漿離子植入(plasma immersion ion implantation,PIII)的離子植入機。
圖1繪示為一種傳統的離子植入系統100，在此離子植入系統100中，可根據本發明的一實施例來實施低溫離子植入技術。像大多數離子植入系統一樣，系統100是位於高度真空環境中。離子植入系統100可包括：離子源(ion source)102，電源101對其施加偏壓到某一電位(potential)；以及一系列複合的束線元件，離子束10會穿過這些束線元件。這一系列束線元件可包括(例如)提取電極(extraction electrode)104、90°磁分析器(magnet analyzer)106、第一減速(D1)台108、70°磁準直器(magnet collimator)110以及第二減速(D2)台112。跟操縱光束的一系列光學透鏡(optical lenses)一樣，這些束線元件在將離子束10轉向(steer)目標晶圓之前可先過濾且聚焦(focus)離子束10。在離子植入過程中，目標晶圓通常被放置在台板114(有時稱為“roplat”)上，此台板114可藉由一種裝置而在一維或多維空間裡移動(例如，移動、旋轉以及傾斜)。
圖2繪示為依據本發明之一實施例的可改裝成低溫離子植入的晶圓支撐組裝(assembly)200的截面圖。此晶圓支撐組裝200可藉由或在內部保持高度真空的終端台(end-station)26中實施。此終端台26的外部可處於大氣壓下或接近大氣壓。晶圓支撐組裝200可包括台板28、上 面部件70、下面部件65以及氣浮式承軸(air bearing shaft)50，這些元件經由一個或多個軸承與/或接合面(joint)而耦接在一起。晶圓27可放置在台板28上，而離子束12可對晶圓27進行離子植入。
氣浮式承軸50穿過終端台26的牆壁，且可幫助晶圓27進行垂直掃描式移動(如雙箭頭52所指示)。在此移動過程中，空氣軸承55可使終端台26的牆壁與氣浮式承軸50之間保持真空密封狀態。氣浮式承軸50也可繞著縱軸60旋轉到(例如)±2°，以補正離子束12的轉向誤差。為了清楚起見，圖2中沒有繪示氣浮式承軸50的元件，例如為此技術領域中眾所周知的線性驅動馬達(linear drive motor)、線性編碼器(linear encoder)與角編碼器(angular encoder)、差動真空幫浦(differential vacuum pump)、移動控制系統以及其他元件。
晶圓支撐組裝200的下面部件65可安裝在氣浮式承軸50的頂端。晶圓支承組裝200的上面部件70可沿著傾斜軸80而連在下面部件65上。這兩個部件65與70可以流體方式(fluid)相通以及與氣浮式承軸50相通，使這些元件內部可處於大氣壓或接近大氣壓下，這跟終端台26內的高度真空相反。晶圓27可以相對於水平面(例如)±60°而繞著傾斜軸80傾斜，以便於執行有角度的離子植入。晶圓27也可繞著軸90旋轉，以便於執行(例如)具有高處理量的雙極模式(bi-mode)或四極模式(quad-mode)植入。此技術領域裡眾所周知的軸承、真空密封、馬達、編 碼器以及其他部件沒有繪示於圖2中。
在現有的低溫離子植入機的設計中，冷卻系統可併入或耦接於晶圓支撐組裝200。此冷卻系統通常包括：冷卻劑軟管95，供應液態冷卻劑於台板28；冷卻劑盤管(coolant coil)105，幫助台板28旋轉移動；以及冷卻劑環路(coolant loop)101，使液態冷卻劑在台板28內循環。晶圓27在離子植入過程中可被冷卻以抵消沈積在晶圓27中的射束能量(beam energy)的熱效應。晶圓27可以靜電方式(electrostatically)固定在台板28上，且晶圓27與台板28之間通常有8微米的間隙，以便能夠引入背面氣體(backside gas)來改善晶圓27與台板28之間的熱傳導(thermal conduction)。為了清楚起見，關於背面氣體的循環沒有繪示於圖2中。晶圓27可藉由背面氣體將熱量傳遞到台板28上，然後流經冷卻劑環路101的液態冷卻劑可將這些多餘的熱量帶走。
舉例來說，60keV射束能量與20mA射束電流(beam current)下的砷(As)植入，可沈積大約1200W能量到終端台26中。在此離子植入製程中，晶圓27與台板28之間的溫度差可能是40℃。外部的水冷式(water-cooled)熱交換器(heat exchanger)(沒有繪示)可將水流冷卻至20℃，而水流可藉由內直徑為0.188英寸的薄壁軟塑膠管，而以0.6gpm(加侖/分鐘)的速率循環流到台板28。此水流可確保晶圓溫度不超過上限(例如100℃，已知超過此溫度，遮蓋晶圓的光阻就會被破壞)。
圖3繪示為依據本發明之一實施例的用於低溫離子植入的晶圓支撐組裝300的立體圖。與圖2所示之晶圓支撐組裝200相比，可用一系列與旋轉式軸承120、122與124互連的冷卻劑剛性管(例如，金屬管)126、127與128來取代冷卻劑軟管(95、101與105)，使得台板28可分別繞著軸60、80以及90移動。旋轉式軸承120、122與124在設計上可相同，也可不同。下面將參照圖3來描述旋轉式軸承的一種示範性設計。冷卻劑剛性管126可經由介面盒(interface box)130而進一步耦接到製冷系統145，且與絕緣軟線135相連。
晶圓支撐組裝300的兩部件65與70是以流體方式相通以及與氣浮式承軸50相通，使得這些元件的內部形成真空空間，此真空空間與終端台真空空間(沒有繪示)是隔開的。此真空空間不僅可為冷卻劑管道(126、127及128)與旋轉式軸承(120、122及124)提供熱絕緣，而且也可避免發生冷凝。真空幫浦系統140(例如旋轉式幫浦(rotary pump)或旋轉式幫浦與渦輪式幫浦(turbo pump)相結合)可將氣體抽離介面盒130，藉此來達到氣浮式承軸50內的真空程度。也可利用介面盒130來關閉氣浮式承軸50的末端，且使內腔能夠與終端台26(圖3中沒有繪示)內的高度真空空間相通，藉此來達到真空程度。這種相通可用閥(valve)(沒有繪示)來控制，如此一來，可以在不影響終端台的情況下，維持氣浮式承軸50內的真空。除了維持氣浮式承軸50內部的真空環境外，也可以用乾燥的惰性氣 體(inert gas)來填充或清理氣浮式承軸50的內腔。另外，可能需要對冷卻劑管道(126、127及128)與旋轉式軸承(120、122及124)進行絕緣。
圖4繪示為依據本發明之一實施例的旋轉式軸承400的設計圖。此旋轉式軸承400可包括內轂(hub)205與外轂200，其經由軸承245與蓋板250來耦接。內轂205可在外轂200中繞著軸255旋轉。此外，在內轂205保持靜止不動的情形下，外轂200也可繞著軸255旋轉。
第一導入管(ingress pipe)210可經由環形通道214而與第一導出管(egress pipe)220相通，從而形成第一流路(flow path)。第二導入管212可經由軸通道216而與第二導出管222相通，從而形成第二流路。請注意，名稱“導入管”與“導出管”只是為了便於描述，任一流路中的冷卻劑流都可具有兩種流向中的一種。例如，冷卻劑可沿著第一流路進入，經過台板(沒有繪示)中的冷卻通道之後經由第二流路返回，或者冷卻劑也可沿著第二流路進入，然後經由第一流路返回。
值得注意的是，內轂205的旋轉不會中斷第一流路或第二流路中的冷卻劑流。可用軸承240與242來密封環形通道214與軸通道216。軸承240與242的密封面可包括(例如)聚四氟乙烯(Teflon)，石墨(graphite)，浸漬石墨的聚四氟乙烯，如氧化鋁(alumina)、氮氧化鋁(aluminum oxy-nitride)或碳化矽(silicon carbide)之類的陶瓷材料，或者金屬。如圖所示，焊接在固定式轂200 中的伸縮囊(bellow)230與232可維持密封面之間的壓力。此外，在外轂200與伸縮囊230、232之間可能有第二組類似於軸承240與242的密封元件(沒有繪示)。
在不脫離本發明之精神的前提下，也可實施其他設計的旋轉式軸承。
圖5繪示為依據本發明之一實施例的用於低溫離子植入的熱交換系統500的方塊圖。此熱交換系統500可包括冷卻電路的主環路51與輔助環路52。
主環路51可將作為主要冷卻劑的液態氮(LN2 )(或冷卻的氣態氮)從LN2 箱502循環流動到LN2 -N2 熱交換器504，在此LN2 -N2 熱交換器504中，液態氮(LN2 )可以冷卻輔助環路52的一部分。而由液態氮(LN2 )產生的氮蒸汽(N2 )可被捕獲到汽閘(vapor trap)506中。
作為輔助冷卻劑的氮氣可在輔助環路52將中循環。藉由幫浦510，壓縮機(compressor)508可供應氮氣(N2 )至LN2 -N2 熱交換器504，在LN2 -N2 熱交換器504中，氮氣冷卻下來，然後開始進行循環，其經由真空介面盒514、氣浮式承軸516以及台板(roplat)518而循環至真空室50內的台板520。冷卻的氮氣(N2 )可預先冷卻與/或持續冷卻台板520所支撐的目標晶圓(沒有繪示)。冷卻的氮氣(N2 )在冷卻台板520後，溫度較高的氮氣可被幫浦到LN2 -N2 熱交換器504以便繼續循環。
為了更加精確地控制輔助冷卻劑氮氣(N2 )的溫度，可將調溫加熱器(trim heater)512耦接到輔助環路52。此 外，也可將加熱元件(沒有繪示)併入台板520。調溫加熱器512、LN2 -N2 熱交換器504與/或幫浦510之幫浦速度的調配，可以使輔助冷卻劑氮氣(N2 )(從而使台板520)具有恒定的溫度或保持在想要的溫度範圍內。
真空幫浦系統501可用於熱交換系統500的多種元件中，例如幫浦510、調溫加熱器512以及真空介面盒514。
依據本發明之實施例，在低溫離子植入機中使用例如氮氣的氣體來作為輔助冷卻劑有許多優點。適當的冷卻劑氣體可包括在化學上具有惰性的單一氣體或氣體混合物，例如氮氣、純淨乾空氣或氬氣(argon)。少量的冷卻劑從輔助冷卻環路滲漏到離子植入機是允許的，只要上述的滲漏率(leak rate)低於真空幫浦之抽走滲漏的冷卻劑氣體的能力即可。由於真空幫浦不易抽走氦氣(helium)或氫氣(hydrogen)，所以最好不要選用它們作為冷卻劑氣體。再者，惰性氣體的滲漏沒有腐蝕性且不會導致冷凝。
與液態冷卻劑相比，氣態冷卻劑可能需要較高的流速。然而，舉例來說，在現有的水冷式台板中，水的流速只需要達到0.6gpm即可。為了要達到較高的流速，氣態冷卻劑的冷卻劑管道可具有較大的直徑。根據冷卻劑流動的數學模型，希望能使冷卻劑管道中的氣態冷卻劑保持紊流(turbulent flow)的狀態(而不是層流(laminar flow)狀態)，以最大化熱傳遞。不過，如果冷卻劑氣體的流速太快(例如，超過0.3馬赫或此氣體中聲速的30%)，那麼理想的氣體假設可能不再有效。
使用氣態冷卻劑作為冷卻系統在商業上是可行的。Brooks Automation,Inc.(Chelmsford,MA)的PolyCold®系統PGCL2閉環氣體冷卻器就是一個例子，美國專利第7,111,467號中有相關的描述。不過PolyCold®系統冷卻器中使用的冷卻劑可用其他冷卻劑來代替，例如液態氮、固態二氧化碳(carbon dioxide)或氨(ammonia)。為了使冷卻劑氣體具有高流速，輔助環路較佳的是圍成圈，以再循環冷卻劑氣體。為了避免因少量的冷卻劑氣體滲漏而造成任何損耗，可使先準備好用於補充的冷卻劑氣體。不過，如果氣體的保存不是太重要的話，那麼也可使用開放式(open-ended)輔助冷卻系統，例如PolyCold®系統PGC氣體冷卻器。
根據另一實施例，與圖5所繪示之熱交換系統(系統500)相似，其可包括兩個或多個熱交換器。例如，第一熱交換器可應用於室溫離子植入。第一熱交換器可用水來與冷卻台板的輔助環路進行熱量的交換。對於低溫植入(cold implant)而言，輔助環路可藉由(例如)閥系統來改變方向，以繞過第一熱交換器，而利用第二熱交換器來將其冷卻到很低的溫度。
根據另一實施例，可使用單個熱交換器來達到所有的溫度範圍，且可根據想要的晶圓溫度來選擇不同的冷卻劑。例如，可選擇水來執行室溫植入，且可選擇其他冷卻劑來執行低溫植入。液態冷卻劑不可混合。較佳實施例可使用氣體作為低溫冷卻劑，使用水作為室溫冷卻劑。執行 完室溫植入之後，(室溫或高於室溫的)氣體可用來清理熱交換器以及與之相關的冷卻通道中的水，然後冷氣體循環到台板。用單個熱交換器來控制氣態冷卻劑與液態冷卻劑這兩種冷卻劑的流動，希望冷卻通道的截面尺寸能大到可以容納液流與氣流。因為層流可能具有較低的熱傳遞性能，所以確保冷卻劑流動為紊亂有許多優點。根據另一實施例，單個熱交換器可控制兩種不同液態冷卻劑的流動，其中當從一種液態冷卻劑轉換為另一種液態冷卻劑時，可對熱交換器執行氣體清理流程。
為了在不同晶圓溫度下的離子植入中使用靜電台板，需要對台板的設計有特殊的考量。
典型的靜電台板包括多層。首先，此台板可安裝在機械底座上，使此台板能夠附著在其餘的製程設備上。此機械底座通常是用例如鋁的金屬製造而成，其可包括冷卻通道，例如圖2所繪示之冷卻劑環路101。此機械底座層上面可有絕緣層，此絕緣層是用例如氧化鋁或氮氧化鋁的陶瓷材料製造而成。電極層可位於絕緣層上面，此電極層可以是沈積的金屬，且可由單個電極或多個電極段組成。薄介電層可位於電極層上。當DC或AC電壓施加在電極上時，可將晶圓裝載到介電層上，而以靜電方式將晶圓固定在台板上。介電層大致上會完全接觸晶圓的背面，但也可具有例如臺面式(mesa)結構，使得只有百分之幾的晶圓接觸介電層。例如，在一個台板中，接觸面積只有晶圓總面積的1%。然後，氣體可被輸送到晶圓與介電層之間， 以增加從晶圓到台板的熱傳導。
在台板的熱循環(thermal cycling)過程中，若使用黏在機械支撐底座上的絕緣層的傳統台板，其可能會產生彎曲(bow)，因為台板中的不同材料具有不同的熱收縮(thermal contraction)。絕緣層與機械支撐底座之間的黏結層的設定溫度也就是台板平坦時的溫度。任何不同於此設定溫度的溫度都可能造成台板彎曲。如果台板的上表面產生彎曲，那麼固定在其上的晶圓就可能會隨著台板表面而彎曲。這種現象會導致晶圓之上表面之不同部分的方向隨著植入離子束的變化而變化，從而造成角分佈廣以及處理不一致。因此，需要減小或消除台板中的彎曲，以適用於大範圍的製程溫度。例如，希望以相同的台板設計來實施室溫植入與低溫植入。值得熟悉此技藝者關注的是，這種台板設計並不局限於離子植入，單個台板也可應用於可能會經受明顯溫度變化的其他製程。
根據一實施例，希望台板的機械底座與絕緣層是用相同材料或單片材料構成。在較佳實施例中，機械底座與絕緣層是用單片陶瓷(例如氧化鋁)製造而成。另一種方式或者另外，如果冷卻通道嵌入絕緣層中，且只有機械底座的周邊才有絕緣層，那麼台板的彎曲則可減小。減小台板彎曲的其他實施例可包括：(1)將冷卻通道放置在台板的活性陶瓷中；(2)將連接器硬焊在陶瓷上，以進入水通道；(3)將陶瓷附著在金屬底座的邊緣，藉此以最小化熱彎曲的方式將陶瓷連接到此金屬底座；(4)將電性連接區域以最小化 熱彎曲的方式連接到活性陶瓷層的中心；(5)將聚合物上表面用於上述台板；(6)將平坦硬陶瓷上表面用於上述台板；(7)將接觸面積小的台板用於上述台板；(8)使用上述台板中的加熱元件來使系統達到操作溫度；以及/或(9)使用陶瓷底座。
圖6繪示為依據本發明之一實施例的台板中之冷卻通道。在本實施例中，冷卻通道725被機械加工成單片材料700。此單片材料700可包括：第一組穿通孔(clearance hole)705，其用於晶圓升降銷(lift pin)(沒有繪示)；以及第二組穿通孔710，用於電極接觸。冷卻劑可經由入口通道720進入冷卻通道725，且經由出口通道715離開冷卻通道725(或反之)。冷卻通道725可以逆流(counter-flow)配置的方式來形成，使促使冷卻劑流向流轉回環路(flow turnaround loop)730的通道與那些促使冷卻劑反方向流動的通道為相互交叉。在圖6中，冷卻劑的一種流向是用點線來標示，而與之相反的流向則是用虛線來標示。從徑向上來看，每間隔一個冷卻通道的冷卻通道725輸送具有相同流向的冷卻劑。這種逆流模式與中心室735可使台板的溫度分佈變均勻。
圖7繪示為依據本發明之一實施例的靜電夾(electrostatic clamp,ESC)750的示範性電極模式。
以定相的AC電壓(通常為30Hz)來供電的典型靜電夾包括多個電極段(例如，六個)，因而在有些電極段被供電(energize)(以施加晶圓夾持力(clamping force))的 同時，其他電極段從正電壓變為負電壓(以減小晶圓夾持力或不施加晶圓夾持力)。在晶圓夾持力減小的過程中，背面的氣壓可遍及偏轉電極段之間的空間而使晶圓向上撓曲(deflect)。晶圓撓曲會造成晶圓背面與台板表面之間產生摩擦，從而導致微粒產生、晶圓背面微粒污染、晶圓背面損壞以及台板表面磨損。
為了解決上述的晶圓撓曲問題，可實施一種狹窄指狀(narrow-finger)之交叉指型(inter-digitated)的電極模式750，如圖7所繪示。此電極模式750可包括六個電極752、754、756、758、760、762，這六個電極752、754、756、758、760、762形成用3相或6相電壓供應器來供電的三對電極。關於實施多相夾持裝置的示範性方法，在美國專利第5,452,177號(已整個併入本文)中有相關的描述。由於電極模式750具有交叉指型，因而不論電壓相位如何，晶圓夾持力都能夠分佈於晶圓區域上。因此，晶圓可停止振動，從而可減少微粒的產生。可將電極模式750最佳化到使產生的晶圓夾持力在整個晶圓區域上均勻分佈，而不受所施加的AC電壓週期的時間影響。這種示範性電極設計可將晶圓撓曲程度減小到如同用MathCAD模型所預測的0.3微米。這種電極模式或類似的電極模式可與全背面接觸(full back-side contact)的介電層或接觸面積小的台板一起使用。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、12‧‧‧離子束
26‧‧‧終端台
27‧‧‧晶圓
28、114、520‧‧‧台板
50‧‧‧真空室
50、516‧‧‧氣浮式承軸
51、52‧‧‧冷卻電路的環路
55‧‧‧空氣軸承
60、80、90、255‧‧‧軸
65‧‧‧下面部件
70‧‧‧上面部件
95‧‧‧冷卻劑管道
100‧‧‧離子植入系統
101‧‧‧電源/冷卻劑環路
102‧‧‧離子源
104‧‧‧提取電極
105‧‧‧冷卻劑盤管
106‧‧‧90°磁分析器
108、112‧‧‧減速台
110‧‧‧70°磁準直器
120、122、124、400‧‧‧旋轉式軸承
126、127、128‧‧‧冷卻劑剛性管
130‧‧‧介面盒
135‧‧‧絕緣軟線
140‧‧‧真空幫浦系統
145‧‧‧製冷系統
200‧‧‧晶圓支撐組裝/外轂
205‧‧‧內轂
210、212‧‧‧導入管
214‧‧‧環形通道
216‧‧‧軸通道
220、222‧‧‧導出管
230、232‧‧‧伸縮囊
240、242、245‧‧‧軸承
250‧‧‧蓋板
300‧‧‧晶圓支撐組裝
500‧‧‧熱交換系統
501‧‧‧真空幫浦系統
502‧‧‧液態氮箱
504‧‧‧LN2 -N2 熱交換器
506‧‧‧汽閘
508‧‧‧壓縮機
510‧‧‧幫浦
512‧‧‧調溫加熱器
514‧‧‧真空介面盒
518‧‧‧台板(roplat)
700‧‧‧單片材料
705、710‧‧‧穿通孔
715‧‧‧出口通道
720‧‧‧入口通道
725‧‧‧冷卻通道
730‧‧‧冷卻劑流轉回環路
735‧‧‧中心室
750‧‧‧靜電夾
752、754、756、758、760、762‧‧‧電極
圖1繪示為傳統的離子植入機。
圖2繪示為依據本發明之一實施例的可改裝為低溫離子植入的晶圓支撐組裝的截面圖。
圖3繪示為依據本發明之一實施例的用於低溫離子植入的晶圓支撐組裝的立體圖。
圖4繪示為依據本發明之一實施例的旋轉式軸承的設計圖。
圖5繪示為依據本發明之一實施例的用於低溫離子植入的熱交換系統的方塊圖。
圖6繪示為依據本發明之一實施例的台板中之冷卻通道。
圖7繪示為依據本發明之一實施例的靜電夾的示範性電極模式。
28‧‧‧台板
50‧‧‧氣浮式承軸
52‧‧‧雙箭頭
55‧‧‧空氧軸承
60、80、90‧‧‧軸
65‧‧‧下面部件
70‧‧‧上面部件
120、122、124‧‧‧旋轉式軸承
126、127、128‧‧‧冷卻劑剛性管
130‧‧‧介面盒
135‧‧‧絕緣軟線
140‧‧‧真空幫浦系統
145‧‧‧製冷系統
300‧‧‧晶圓支撐組裝

Claims (27)

  1. 一種低溫離子植入裝置，包括：晶圓支撐機構，在離子植入過程中支撐著晶圓，且幫助所述晶圓在至少一維空間裡移動；以及冷卻機構，耦接到所述晶圓支撐機構，所述冷卻機構包括：製冷單元；閉環剛性管，讓至少一種冷卻劑從所述製冷單元循環流動到所述晶圓支撐機構；以及一個或多個旋轉式軸承，與所述剛性管直接連接，以幫助所述晶圓在所述至少一維空間裡移動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之低溫離子植入裝置，其中至少一種所述冷卻劑包括至少一種氣態冷卻劑。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之低溫離子植入裝置，其中至少一種所述冷卻劑是選自氮氣、氬氣與純淨乾空氣所組成的族群。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之低溫離子植入裝置，其中至少一種所述氣態冷卻劑包括一種或多種乾的化學惰性氣體。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之低溫離子植入裝置，其中至少一種所述氣態冷卻劑是以紊流方式在所述剛性管中循環，以達到想要的熱傳遞率。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之低溫離子植入裝置，更包括： 護罩，在離子植入過程中，將所述閉環剛性管的至少一部分與支撐著所述晶圓的第一真空空間隔開。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之低溫離子植入裝置，其中所述護罩提供第二真空空間，以對所述閉環剛性管的所述至少一部分進行熱絕緣。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之低溫離子植入裝置，更包括：閥，位於所述護罩中，當所述閥打開時，所述第一真空空間與所述第二真空空間之間能夠相通。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之低溫離子植入裝置，其中所述護罩包括氣浮式承軸，所述氣浮式承軸穿過終端台的壁，所述終端台包圍著所述第一真空空間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之低溫離子植入裝置，其中每個旋轉式軸承經配置以耦接兩個導入管與兩個導出管，且其中第一導入管經由環形通道與第一導出管相通，第二導入管經由軸通道與第二導出管相通，使得兩個所述導入管的旋轉不會帶動兩個所述導出管旋轉。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之低溫離子植入裝置，其中所述製冷單元包括第一熱交換器，利用選自液態氮、固態二氧化碳、液態氨以及混合冷卻劑所組成之第一族群的一種或多種冷卻劑來冷卻所述閉環剛性管的一部分，所述第一熱交換器使所述晶圓保持在第一溫度範圍內。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之低溫離子植入裝置，更包括： 第二熱交換器，使所述晶圓保持在不同於所述第一溫度範圍的第二溫度範圍內。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之低溫離子植入裝置，更包括：調溫加熱器，加熱所述閉環剛性管的一部分，從而使所述晶圓支撐機構所支撐著的所述晶圓保持在想要的溫度範圍內。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之低溫離子植入裝置，其中至少一種所述冷卻劑包括兩種冷卻劑，且所述低溫離子植入裝置更包括：選擇機構，選擇兩種所述冷卻劑之一來達成想要的晶圓溫度範圍。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之低溫離子植入裝置，其中兩種所述冷卻劑包括：水，在室溫離子植入中冷卻所述晶圓；以及氣態冷卻劑，將所述晶圓冷卻到實質上低於室溫的溫度。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之低溫離子植入裝置，其中兩種所述冷卻劑包括兩種液態冷卻劑，且其中當兩種所述液態冷卻劑之間進行交換時，用氣體來清理所述閉環剛性管。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之低溫離子植入裝置，其中所述晶圓支撐機構包括多個冷卻通道，經配置以形成逆流模式。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之低溫離子植入裝 置，其中所述晶圓支撐機構包括靜電夾，所述靜電夾具有多個交叉指型電極段。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之低溫離子植入裝置，其中所述靜電夾是用多相電壓供應器來供電。
  20. 一種低溫離子植入方法，包括：將晶圓放置在台板上，所述台板經配置以在至少一維空間裡移動所述晶圓；將閉環剛性管耦接到所述台板，所述閉環的至少兩部分經由與一個或多個旋轉式軸承直接連接而使得所述至少兩部分彼此連接，以幫助所述晶圓在所述至少一維空間裡移動；以及經由所述閉環剛性管，讓至少一種氣態冷卻劑循環流到所述台板，以在所述晶圓的離子植入過程中使所述晶圓保持在預定溫度範圍內。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之低溫離子植入方法，更包括：在離子植入過程中，將所述閉環剛性管的至少一部分與支撐著所述晶圓的第一真空空間隔開。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之低溫離子植入方法，更包括：提供第二真空空間，以對所述閉環剛性管的所述至少一部分進行熱絕緣。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之低溫離子植入方法，更包括： 允許所述第一真空空間與所述第二真空空間之間經由閥來相通。
  24. 如申請專利範圍第20項所述之低溫離子植入方法，其中至少一種所述氣態冷卻劑是以紊流方式在所述剛性管中循環，以達到想要的熱傳遞率。
  25. 如申請專利範圍第20項所述之低溫離子植入方法，更包括：加熱所述閉環剛性管的一部分，從而使所述晶圓支撐機構所支撐著的所述晶圓保持在想要的溫度範圍內。
  26. 如申請專利範圍第20項所述之低溫離子植入方法，更包括：選擇不同於至少一種所述氣態冷卻劑的第二種冷卻劑，以達成不同的晶圓溫度範圍。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之低溫離子植入方法，其中所述第二種冷卻劑包括水，在室溫離子植入中用來冷卻所述晶圓，且其中至少一種所述氣態冷卻劑是在實質上低於室溫的溫度下的離子植入中用來冷卻所述晶圓。
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