TWI712068B - 高產量之冷卻離子佈植系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種離子佈植系統具備具有一處理環境之一處理腔室，及經組態以將離子佈植至由該處理腔室內之一夾盤所支撐之一工件中的一離子佈植裝備。一負載鎖定腔室使該處理(真空)環境與一大氣環境隔離，其中一負載鎖定工件支撐件支撐其中之該工件。一隔離腔室耦接至具有定義於其中之一預佈植冷卻環境的該處理腔室。一隔離閘閥選擇性地使該預佈植冷卻環境與該處理環境隔離，其中該隔離腔室包含用於支撐該工件且使該工件冷卻的一預佈植冷卻工件支撐件。該隔離閘閥為該工件進入及離開該隔離腔室之唯一進入路徑。一加壓氣體選擇性地將該預佈植冷卻環境加壓至大於用於使該工件迅速冷卻之該處理壓力的一預佈植冷卻壓力。一工件轉移臂在該負載鎖定腔室、該隔離腔室與該夾盤之間轉移該工件。一控制器經由對該隔離閘閥、該預佈植冷卻工件支撐件及該加壓氣體源之一控制而控制該工件轉移臂，以選擇性地使該工件在該隔離腔室中在該預佈植冷卻壓力下冷卻至一預佈植冷卻溫度。

Description

高產量之冷卻離子佈植系統及方法
本發明大體上係關於離子佈植系統，且更具體言之係關於用於在低於環境溫度下在高產量之離子佈植系統中佈植工件之系統及方法。
對於用於半導體製造之大批量生產的某些離子佈植處理(諸如，冷的、低溫或低於環境溫度離子佈植處理)，越來越需要達成高工件產量，該產量近似典型地與室溫離子佈植處理相關聯的產量。冷離子佈植處理典型地使工件冷卻至-70℃至-100℃範圍內之溫度，其中工件之冷卻可經由靜電夾具或夾盤(ESC)之冷卻來實現，工件在離子佈植處理期間滯留於該靜電夾具或夾盤上。
習知技術的基本問題係為了執行冷離子佈植處理，工件典型地在離子佈植處理開始之前的初始時段內進行冷卻。此冷卻時段(常常被稱作「停留時間」)為在開始佈植處理之前允許工件達到所要穩態溫度的時段。與預佈植冷卻相關聯之停留時間與其他工件處理步驟串行執行，且由此增加了整體每工件處理時間。
存在兩種根本不同的方法使工件冷卻，該等方法主要由與預佈植冷卻相關聯之熱瞬變期間的工件環境定義。在第一方法中，可將工件 置放於封閉於與離子佈植處理環境相關聯之真空空間內之所謂的預佈植冷凍站處。在預冷凍站處，工件置放於經冷卻晶圓固持器上，藉此使該工件冷卻至所要處理溫度。隨後將工件轉移至待在離子束前方進行掃描從而經歷離子佈植處理之離子佈植處理環境中的靜電夾盤(ESC)。
在第二方法中，可使用與用於離子佈植處理之ESC類似的ESC或夾盤使工件在高真空離子佈植處理環境中預先冷卻。使用此方法，ESC可經組態以使工件在離子佈植之前冷卻(例如，預佈植冷卻)，且亦可經組態以在離子佈植處理期間提供對工件之主動原位冷卻。
通常，利用ESC之預佈植冷卻將採用後側氣體作為用於使工件冷卻之熱介質。根據此原位冷卻方法，由於可在位於離子佈植位置時，且甚至可能在佈植處理開始期間使工件達到處理溫度，因此可典型地減少停留時間。然而，將真空內ESC用於並行工件預佈植冷卻、原位冷卻及離子佈植可為成本極高的，此係由於與對靜電夾盤裝備之技術修改相關聯的成本，所述靜電夾盤裝備典型地必須提供充分的工件冷卻同時在離子佈植處理期間掃描工件時維持足以將工件固持於固定位置中之靜電力。
此等兩種習知方法皆遭受這樣的事實，即當工件置於用於冷卻之預佈植真空環境中，或置於亦為真空環境之處理環境中時，工件與ESC之間的熱傳遞受工件冷卻壓板或夾盤介面之熱導率限制，該熱導率由後側間隙大小、工件與夾盤之間的接觸品質及後側氣體壓力決定。
本發明瞭解到，將有利的係在高於與離子佈植環境相關聯之真空壓力的高壓下之環境中提供工件冷卻，藉此減少使工件達到所要冷卻 處理溫度所必要之時間。舉例而言，大氣壓力介面層可維持於工件之後以使得可提高熱傳遞速率。
本發明進一步瞭解到，在環境大氣環境中使工件冷卻至適合於低溫或冷離子佈植處理之預定溫度範圍可在工件之表面上引起非所要及不可接受的冷凝。因此，本發明提供可克服上文所提及缺點之低溫離子佈植的解決方案。特定言之，本發明提供與大氣環境完全隔絕之隔離腔室，其又可經組態以用於在大於離子佈植環境中之彼等壓力的壓力下之非真空環境或與其相關聯的其他真空環境中之預佈植冷卻。
因此，本發明藉由提供用於低溫或「冷」離子佈植及用於在低於大氣溫度離子佈植系統中維持合理處理產量之系統、裝備及方法而克服先前技術之侷限性。因此，下文呈現本發明之簡化概述，以便提供對本發明之一些態樣的基本理解。此概述並非本發明之詳盡綜述。其既不意欲識別本發明之關鍵或重要要素，亦不意欲敍述本發明之範圍。其目的在於以簡化形式呈現本發明之一些概念以作為隨後呈現之更詳細描述的序言。
本發明提供用於工件冷卻之呈其內併入有冷卻系統或冷卻元件之獨立受控隔離腔室形式的分離且隔離之環境，其中該隔離腔室經組態以在相對高壓或受控壓力環境中提供工件冷卻。舉例而言，隔離腔室遠離環境大氣環境及其濕度條件並且與其隔離。因此，由於其相對高壓環境，隔離腔室實質上改良工件與用於使該工件冷卻之熱元件之間的熱連通，同時消除或緩解周圍環境中原本會在工件表面上產生冷凝並形成冰之冷濕空氣及相對濕度的影響。此類高壓熱介面顯著增加了熱傳遞速率且因此實質上改良在所要工件處理溫度下到達熱平衡之時間。另外，舉例而言，與隔 離之高壓環境預冷凍系統相關聯之成本可實質上比習知ESC預佈植冷卻及/或原位ESC冷卻系統及其他慣常使用方法更好。
另外，為了改良工件產量，低溫離子佈植處理中之工件冷卻可經分段且經組態以使得可在與貫穿離子佈植處理之工件移動的其他區段一起之並行路徑上提供一些溫度降低。因此，預佈植冷卻之工件可準備好用於低溫離子佈植處理，同時正在用離子佈植另一工件。因此，可自離子佈植處理要徑部分或完全除去工件停留時間(使工件達到處理溫度所花費之時間量，亦稱作「達到溫度時間」)，藉此改良工件產量。
因此，根據本發明，提供用於將離子佈植至冷工件或低於環境溫度工件中之離子佈植系統。舉例而言，離子佈植系統包含具有與其相關聯之處理環境的處理腔室。離子佈植裝備經進一步組態以將複數個離子提供至定位於處理腔室中之工件。諸如靜電夾盤(ESC)之夾盤經組態以在工件曝露於複數個離子期間支撐處理腔室內之工件。在一個實例中，夾盤經進一步組態以使工件冷卻至低於環境處理溫度。
負載鎖定腔室進一步以可操作方式耦接至處理腔室，其中該負載鎖定腔室經組態以選擇性地使處理環境與大氣環境分隔開。舉例而言，大氣環境係處於大氣壓力、溫度及相對濕度位準，且處理環境係處於實質上比大氣環境之壓力及相對濕度更低(例如，真空)的處理壓力及相對濕度位準。舉例而言，負載鎖定腔室包含一對選擇性可操作負載鎖定閘閥及負載鎖定工件支撐件，該負載鎖定工件支撐件經組態以在工件自環境大氣環境至處理環境，及隨後自處理環境返回至環境大氣環境之交換及轉移期間支撐該工件。
根據一個例示性態樣，隔離腔室以可操作方式耦接至處理腔室，其中該隔離腔室具有預佈植冷卻系統及/或與其相關聯之選擇性可控制壓力環境。舉例而言，隔離腔室包含隔離閘閥，該隔離閘閥經組態以選擇性地使隔離腔室之預佈植冷卻環境與處理環境相隔離且選擇性地准許工件進入預佈植冷卻環境。隔離閘閥定義允許工件進入及離開隔離腔室的唯一進入路徑。舉例而言，隔離腔室進一步包含經組態以支撐隔離環境內之工件且使該工件冷卻之預佈植冷卻工件支撐件。更具體言之，隔離腔室及隔離閘閥經組態以操作使得預佈植冷卻可在獨立受控之經選擇壓力進行，同時遠離環境大氣條件並且連續且不變地與環境大氣條件隔離。
舉例而言，預佈植冷卻工件支撐件包含冷凍壓板，該冷凍壓板經組態以接觸工件之底表面，從而支撐預佈植冷卻環境內之工件且使該工件冷卻。舉例而言，預佈植冷卻工件支撐件可包括帕爾貼(Peltier)冷卻器、膨脹腔室、低溫頭部及循環製冷迴路中之一或多者。舉例而言，冷凍壓板可包含定義於其中之一或多個冷卻劑通道，其中該冷凍壓板經組態以經由冷卻劑流體通過該等冷卻劑通道之循環而使工件冷卻。在另一實例中，夾盤進一步包含定義於其中之夾盤冷卻劑通道，其中冷卻劑流體進一步循環通過夾盤冷卻劑通道以在離子佈植處理期間提供額外工件冷卻，從而進一步降低轉移至其之工件的溫度，或維持轉移至其之工件的經降低溫度。舉例而言，隔離腔室可進一步包含銷升降機構，該銷升降機構經組態以相對於預佈植冷卻工件支撐件選擇性地升高及降低工件，或該工件可在冷凍壓板經升高以用於使該工件冷卻時在獨立支撐件上保持靜止。
舉例而言，加壓氣體源以可操作方式耦接至隔離腔室，其中 該加壓氣體源經組態以在隔離腔室之隔離閘閥關閉時用實質上乾燥氣體選擇性地將預佈植冷卻環境加壓至預佈植冷卻壓力。在一個實例中，預佈植冷卻壓力大於處理壓力(例如，真空壓力)，並且係選自自處理壓力延伸至大氣壓力的壓力範圍。在另一實例中，預佈植冷卻壓力大於大氣壓力。舉例而言，乾燥氣體包含乾化空氣、乾燥氮氣、乾燥氦氣或其他合適的乾燥氣體中之一或多者。
根據另一例示性態樣，工件轉移臂經組態以在負載鎖定腔室、隔離腔室及處理腔室中之兩個或更多個之間選擇性地轉移工件。進一步提供控制器，且該控制器經組態以經由對工件轉移臂之控制而在負載鎖定工件支撐件、預佈植冷卻工件支撐件與夾盤之間選擇性地轉移工件。舉例而言，該控制器經進一步組態以經由對隔離閘閥、預佈植冷卻工件支撐件及加壓氣體源之控制而選擇性地使工件在隔離腔室內在預佈植冷卻壓力下冷卻至預佈植冷卻溫度。該控制器可經進一步組態以至少部分基於所要處理產量決定預佈植冷卻溫度及壓力。此外，可提供溫度監測系統，且該溫度監測系統經組態以量測隔離腔室處或隔離腔室中之工件的溫度，其中該控制器經進一步組態以至少部分基於該工件之經量測溫度而對工件之選擇性冷卻至預佈植冷卻溫度進行控制。
舉例而言，真空源可進一步以可操作方式耦接至隔離腔室，其中該控制器經進一步組態以經由對真空源及隔離閘閥之控制而選擇性地將隔離腔室抽空至大約處理壓力。舉例而言，該控制器經組態以在工件在預佈植冷卻壓力下冷卻至預佈植冷卻溫度之後選擇性地抽空隔離腔室，以便允許將經冷卻之工件轉移至處理腔室及其中之夾盤以用於離子佈植。
根據又一實例，可提供後佈植加熱站，該後佈植加熱站以可操作方式耦接至處理腔室，其中該後佈植加熱站包含經加熱工件支撐件，該經加熱工件支撐件經組態以將工件加熱至大於大氣環境之露點溫度的後佈植溫度，從而消除或減少在經冷卻工件上形成冷凝之可能性。舉例而言，後佈植加熱站台可定義於負載鎖定腔室內，或可替代地附接至處理腔室或甚至可滯留於處理腔室內。
根據另一例示性態樣，提供一種用於在低於環境溫度下將離子佈植至工件中之方法。根據一個實例，該方法包含提供在大氣環境中、處於大氣溫度及大氣壓力下之工件的始初步驟。將工件大氣環境轉移至離子佈植系統之負載鎖定腔室，並且將該負載鎖定腔室內之壓力降低至與處理腔室之處理環境相關聯之處理壓力。
隨後在處理壓力下將工件自負載鎖定腔室轉移通過處理腔室，且將其轉移至隔離腔室中之預佈植冷卻工件支撐件上。隨後(諸如)經由上文所描述之隔離閘閥進一步使工件與隔離腔室內之處理腔室之處理壓力隔離。接著將乾燥氣體(例如，乾化空氣、氮氣及氦氣中之一或多者)分配或漏泄至隔離腔室中，由此將隔離腔室中之壓力升高至高於處理壓力之預佈植冷卻壓力，以經由所引入氣體之熱導率改良預佈植冷卻站與工件之間的熱連通。工件經由預佈植冷卻工件支撐件在隔離腔室中在預佈植冷卻壓力下冷卻至預佈植冷卻溫度。此後，泵取隔離腔室使得隔離腔室內之壓力再次降低至處理壓力。應注意，舉例而言，預佈植冷卻工件支撐件可在與預佈植冷卻壓力不同之壓力下冷凍工件，諸如在升高及/或降低隔離腔室內之壓力的同時冷凍工件。
根據一個實例，在壓力降低至處理壓力之預定範圍內之後，將工件自隔離腔室轉移至滯留於處理腔室之處理環境中之夾盤，且將離子佈植至工件中。舉例而言，可利用後側氣體作為熱介質將夾盤(例如，靜電夾盤)進一步冷卻至預定處理溫度，從而在離子佈植期間將工件進一步降低至處理溫度或維持於處理溫度。替代地，選擇預佈植冷卻溫度使得工件在佈植期間之任何加熱維持於可接受範圍內，其中不提供藉由夾盤之額外冷卻。
在完成離子佈植之後，將工件自夾盤轉移至負載鎖定腔室，並且將負載鎖定腔室壓力提高至大氣壓力以允許將工件轉移回至周圍環境。負載鎖定可併入加熱支撐結構以用於將工件加熱至超過露點溫度之溫度以使得可進一步將其自負載鎖定腔室轉移至大氣環境而不用顧慮其上之冷凝問題。雖然描述為單一負載鎖定腔室，但負載鎖定腔室可替代地包含複數個負載鎖定腔室，其中工件經組態以經轉移至複數個負載鎖定腔室中之任一者。
根據另一實例，將工件自夾盤轉移至負載鎖定腔室可進一步包含將該工件自夾盤轉移至後佈植加熱站。舉例而言，工件在後佈植加熱站中經加熱至大於大氣環境之露點溫度的後佈植加熱溫度，其中該工件隨後自後加熱站轉移至負載鎖定腔室且接著轉移至大氣環境。因此，與冷佈植相關聯之冷凝問題得以減輕。
以上概述僅意欲給出本發明一些具體實例之一些特徵的簡要綜述，且其他具體實例可包含其他特徵及/或與上文所提及之特徵不同的特徵。特定言之，此概述不應理解為限制本申請案之範圍。因此，為實現 前述及相關目的，本發明包含在下文中所描述且在申請專利範圍中特別指出之特徵。以下描述及隨附圖式詳細闡述本發明之某些說明性具體實例。然而，此等具體實例指示可採用本發明原理之各種方式中之一些。當結合圖式考慮時，本發明之其他目標、優點及新穎特徵將自本發明之以下詳細描述而變得顯而易見。
100:離子佈植系統
102:終端
104:光束線總成
106:終端站
108:離子源
110:電力供應器
112:離子束
114:質量分析裝備
116:孔隙
118:工件
120:夾盤
122:處理腔室
124:真空腔室
126:處理環境
128:真空源
130:低於環境溫度夾盤
132:大氣環境
134:冷卻系統
136:負載鎖定腔室
138:大氣壓力
140:處理壓力
142:負載鎖定工件支撐件
144A:負載鎖定門/閘閥
144B:負載鎖定門/閘閥
146:隔離腔室
148:預佈植冷卻環境
150:隔離閘閥
152:預佈植冷卻工件支撐件
154:冷凍壓板
156:冷卻劑流體
158:冷卻系統
159:加壓氣體源
160:預佈植冷卻氣體
162:預佈植冷卻壓力
164:工件轉移臂
166:控制器
168:預佈植冷卻真空源
170:後佈植加熱站
172:經加熱工件支撐件
300:方法
302:動作
304:動作
306:動作
308:動作
310:動作
312:動作
314:動作
316:動作
318:動作
320:動作
322:動作
324:動作
圖1為根據本發明之若干態樣的包含隔離之低溫腔室之例示性離子佈植系統的方塊圖。
圖2說明根據本發明之態樣的用於在低於環境溫度下將離子佈植至工件中的方法。
本發明大體上係針對用於使工件冷卻及在冷凍溫度或低於環境溫度離子佈植系統中提供提高之處理產量的系統、裝備及方法。因此，現將參考圖式描述本發明，其中通篇中之類似參考數字可用於指代類似元件。將理解，本文中所提供之描述僅為說明性的，且此詳細描述不應以限制意義加以解譯。在以下描述中，出於解釋之目的，闡述眾多具體細節以便提供對本發明之透徹理解。然而，對於熟習此項技術者將顯而易見的係，可在沒有某些此等特定細節的情況下實踐本發明。另外，本發明之範圍並不意欲受下文參考隨附圖式所描述之具體實例或實例限制，而是意欲僅受所附申請專利範圍及其實質性等效物限制。
亦注意，圖式經提供以說明本發明之具體實例的一些態樣且 因此應被視為僅示意性的。特定言之，圖式中所展示之元件彼此不一定按比例繪製，且各種元件在圖式中之置放經選擇以提供對各別具體實例之清楚理解且不應理解為必定代表根據本發明之一個具體實例的實施方式中各個組件之實際相對位置。此外，除非另外特定指出，否則本文中所描述之各個具體實例及實例之特徵可彼此組合。
亦應理解，在以下描述中，圖式中所展示或本文中所描述之功能性區塊、裝置、組件、電路元件或者其他實體或功能性單元之間的任何直接連接或耦接亦可藉由間接連接或耦接來實施。此外，應瞭解，圖式中展示之功能性區塊或單元在一個具體實例中可被實施為單獨特徵或電路，且在另一具體實例中亦可或替代地完全或部分實施於共同特徵或電路中。舉例而言，若干功能性區塊可被實施為在共同處理器(諸如信號處理器)上執行之軟體。應進一步瞭解，除非相反地指出，否則在以下說明書中被描述為基於線之任何連接亦可經由無線通信實施。
根據本發明之一個態樣，圖1說明例示性離子佈植系統100。離子佈植系統100(例如)包含終端102、光束線總成104及終端站106。將理解，亦預期各種其他類型之基於真空的半導體處理及製造系統(諸如，特定言之電漿處理系統)在本發明之範圍內。另外，雖然說明並描述單一晶圓處理系統，但本發明可同等應用於批量或多晶圓處理系統。
一般而言，終端102中之離子源108耦接至電力供應器110以用於將摻雜氣體電離成複數個離子，從而形成離子束112。本實例中之離子束112經引導通過質量分析裝備114，該質量分析裝備過濾出朝向終端站106傳遞通過孔隙116之適當離子種類。在終端站106中，離子束112轟擊 工件118(例如，半導體基板，諸如矽晶圓、顯示面板等)，該工件選擇性地夾持或安裝至夾盤120(例如，靜電夾盤或ESC)。經佈植離子在嵌入工件118之晶格中後改變該工件之物理、電學及/或化學性質。離子佈植用於半導體裝置製造及金屬表面處理中，以及材料科研中之各種應用。
本發明之離子束112可採用任何形式，諸如筆形束或點束、帶束、掃描束或朝向終端站106引導離子之任何其他形式，且預期所有該等形式屬於本發明之範圍內。另外，如先前所提及，將理解，本發明可併入至電漿處理系統中，使得術語「離子佈植」應理解為包括電漿處理系統及電漿離子佈植浸沒(PIII)系統。
根據一個例示性態樣，終端站106包含處理腔室122，諸如真空腔室124，其中處理環境126係與該處理腔室相關聯。處理環境126通常存在於處理腔室122內，且在一個實例中包含由真空源128(例如，真空泵)產生之真空，該真空源耦接至處理腔室且經組態以實質上抽空該處理腔室。
在利用離子佈植系統100之離子佈植期間，當帶電離子與工件118碰撞時，能量可以熱量形式累積在該工件上。缺乏防範措施，此熱量可潛在地使工件118翹曲或破裂，此情形在一些實施中可致使工件無用(或價值顯著降低)。該熱量可進一步造成傳遞至工件118之離子量與所需用量不同，此可改變所要之功能性。此外，在某些情況下，不僅需要在佈植期間使工件118冷卻以防止熱量累積，而且可進一步需要在低於或高於環境溫度之溫度下佈植離子。在低於環境溫度離子佈植或低溫離子佈植的情況下，已知需要佈植期間之低工件溫度以實現工件118之表面的非晶化， 從而實現(除其他之外)高級CMOS積體電路裝置製造中之超淺接面形成。
因此，根據另一實例，夾盤120可包含低於環境溫度夾盤130，其中該低於環境溫度夾盤經組態以在工件曝露於離子束112期間既支撐處理腔室122內之工件118，且亦使該工件冷卻或以其他方式保持該工件上之預定溫度。應注意，雖然夾盤120在本實例中被稱為係低於環境溫度夾盤130，但夾盤120可同樣包含高於環境溫度夾盤(圖中未示)，其中該高於環境溫度夾盤亦經組態以支撐並加熱處理腔室122內之工件118。在又一替代方案中，夾盤120可不提供加熱或冷卻；相反，夾盤可與工件118熱隔絕以減少或抑制工件之溫度升高。
在一個實例中，低於環境溫度夾盤130包含經組態以使工件118冷卻或冷凍至低於環境處理溫度的靜電夾盤(ESC)，該低於環境處理溫度顯著低於周圍環境或者外部或大氣環境132之環境或大氣溫度，或終端站106內之處理環境126之溫度。可進一步提供冷卻系統134，其中在另一實例中，該冷卻系統經組態以使低於環境溫度夾盤130冷卻或冷凍至所要低於環境處理溫度，且由此使滯留於其上之工件118冷卻或冷凍至所要低於環境處理溫度。在另一實例中且以類似方式，在高於環境溫度夾盤的情況下可進一步提供加熱系統(圖中未示)，其中該加熱系統經組態以將高於環境溫度夾盤及滯留於其上之工件118加熱至所要處理溫度。
根據另一態樣，負載鎖定腔室136進一步以可操作方式耦接至終端站106之處理腔室122，其中該負載鎖定腔室經組態以使典型地接近真空壓力之處理環境126與典型地處於大氣壓力138(例如，大約760托)之大氣環境132隔離，同時允許工件118至及自大氣環境及處理腔室之轉 移。舉例而言，處理環境126一般維持在實質上低於大氣壓力138之處理壓力140下，諸如大約5至7托之處理壓力。舉例而言，負載鎖定136進一步包含負載鎖定工件支撐件142，該負載鎖定工件支撐件經組態以在工件118自大氣環境132之大氣壓力138至處理腔室122中之處理環境126之處理壓力，及/或自處理腔室122之處理環境126至大氣環境132之大氣壓力138的轉移期間支撐該工件。舉例而言，複數個負載鎖定門或所謂的閘閥144A、144B以可操作方式將負載鎖定腔室136耦接至各別處理腔室122及大氣環境132。亦提供泵及沖洗閥系統(圖中未示)以實現負載鎖定腔室136內必要的壓力，以使得工件118能夠在各別大氣環境132與處理環境126之間轉移。
在離子佈植系統100之一些例示性操作中，處理溫度低於大氣環境132之環境露點(亦被稱作露點溫度)，諸如大約-40℃至-100℃之處理溫度。在此類操作中，因為處理溫度顯著低於大氣環境132之露點溫度，亦可在工件118返回曝露於大氣環境之前使該工件升溫以防止在該工件上形成冷凝，如下文將更詳細地論述。
本發明人瞭解到，工件之習知冷卻可不利地影響通過習知離子佈植系統之週期時間，其中此週期時間轉化為工件產量，半導體設備製造及半導體製造製程領域中之重要產品規格。通常，在依賴於經由經冷卻夾盤之工件冷卻的系統中，允許工件在經冷卻夾盤上靜置或「浸泡」一段時間(例如，「停留時間」)直至該工件達到所要溫度。此類習知冷卻增加週期時間，由此降低離子佈植處理之產量。
為了提高處理產量，本發明有利地提供以可操作方式耦接至 處理腔室122之隔離腔室146。舉例而言，隔離腔室146可鄰近於或以可操作方式耦接至負載鎖定腔室136。舉例而言，隔離腔室146具有定義於其中之預佈植冷卻環境148，其中該隔離腔室包含隔離閘閥150，該隔離閘閥經組態以選擇性地使該預佈植冷卻環境與處理環境126隔離且選擇性地准許工件118進入該預佈植冷卻環境，同時進一步使該預佈植冷卻環境與大氣環境132隔離且定義工件進入及離開隔離腔室及/或處理腔室122之唯一進入路徑。換言之，將工件118自處理腔室122轉移至隔離腔室146中或自隔離腔室146轉移出至處理腔室122之唯一進入路徑係經由隔離閘閥150。舉例而言，隔離腔室146進一步包含經組態以支撐預佈植冷卻環境148內之工件118且使該工件冷卻的預佈植冷卻工件支撐件152。
舉例而言，預佈植冷卻工件支撐件152可包含冷凍壓板154，該冷凍壓板經組態以接觸工件118之底表面，從而支撐預佈植冷卻環境148內之工件且使該工件冷卻。舉例而言，冷凍壓板154可包含定義於其中之一或多個冷卻劑通道，其中該冷凍壓板經組態以經由冷卻劑流體156之循環使工件冷卻，該冷卻劑流體經由冷卻系統158通過冷卻劑通道。在一個實例中，夾盤120進一步包含定義於其中之夾盤冷卻劑通道(圖中未示)，其中冷卻劑流體156經由冷卻系統158進一步循環通過夾盤冷卻劑通道。替代地，可針對夾盤120及預佈植冷卻壓板154分別實施單獨的冷卻系統及冷卻劑流體(圖中未示)。預佈植冷卻工件支撐件152(及/或低於環境溫度夾盤130)可替代地包含帕爾貼冷卻器、膨脹腔室、低溫頭部及循環製冷迴路中之一或多者。
根據本發明之另一例示性態樣，加壓氣體源159以可操作方 式耦接至隔離腔室146。舉例而言，加壓氣體源159經組態以在隔離閘閥150關閉時，選擇性地用預佈植冷卻氣體160將預佈植冷卻環境148加壓至預佈植冷卻壓力162，其中該預佈植冷卻壓力大於處理壓力140。舉例而言，自處理壓力140延伸至大氣壓力138之壓力範圍選擇預佈植冷卻壓力162。替代地，預佈植冷卻壓力162大於大氣壓力138。舉例而言，預佈植冷卻氣體160可包含乾燥氣體(例如，乾化空氣、氮氣、氦氣或其混合物)，該乾燥氣體隨後被輸入或饋入至隔離腔室146中以藉此將壓力增大至高於處理壓力140之所要預佈植冷卻壓力162，藉此經由所引入預佈植冷卻氣體在相對於處理腔室122之真空壓力的高壓下之熱導率而獲得隔離腔室與工件118之間的經改良熱連通。
根據另一實例，提供工件轉移臂164且該工件轉移臂經組態以在負載鎖定腔室136、隔離腔室146及處理腔室122中之兩個或更多個之間選擇性地轉移工件118。進一步提供控制器166且該控制器經組態以經由對工件轉移臂164之控制而在負載鎖定工件支撐件142、預佈植冷卻工件支撐件152與夾盤120之間選擇性地轉移工件118。控制器166經進一步組態以經由對隔離閘閥150、預佈植冷卻工件支撐件152及加壓氣體源159之控制而在預佈植冷卻壓力162下在隔離腔室146內選擇性地使工件118冷卻至預佈植冷卻溫度。舉例而言，控制器166經進一步組態以在工件118在預佈植冷卻壓力162下冷卻至預佈植冷卻溫度之後選擇性地抽空隔離腔室146。舉例而言，預佈植冷卻真空源168以可操作方式耦接至隔離腔室146，其中控制器166經進一步組態以經由對真空源及隔離閘閥150之控制而選擇性地將隔離腔室146抽空至大約等於處理壓力140之壓力。應注意，預佈植冷卻 真空源168可與真空源128相同、與真空源128整合或分離。此外，隔離腔室146亦可包含銷升降機構(圖中未示)，該銷升降機構經組態以相對於預佈植冷卻工件支撐件152選擇性地升高及降低工件118，從而促進轉移臂164對工件之接近，其中控制器166進一步可操作以控制銷升降機構以及協調轉移臂164之移動。
根據另一實例，進一步提供溫度監測系統(圖中未示)，且該溫度監測系統經組態以量測隔離腔室146處之工件118的溫度。舉例而言，控制器166經進一步組態以至少部分基於工件之所量測溫度而對工件118之冷卻至預佈植冷卻溫度進行控制。控制器166可經進一步組態以至少部分基於所要處理產量而決定預佈植冷卻溫度以及壓力。在又一實例中，處理溫度可低於或高於預佈植冷卻溫度，以允許自隔離腔室146至夾盤120之轉移期間的溫度升高，或允許在工件118遞送至夾盤後該工件之進一步溫度降低，其中該夾盤經進一步組態以冷凍該工件，如上文所描述。
在另一實例中，後佈植加熱站170可以可操作方式耦接至處理腔室122，其中該後佈植加熱站包含經組態以將工件118加熱至大於與大氣環境132相關聯之露點溫度的後佈植溫度之經加熱工件支撐件172。舉例而言，後佈植加熱站170可附接至處理腔室122，定位於處理腔室內，或可定義於負載鎖定腔室136內。
根據本發明之另一例示性態樣，圖2說明提供例示性方法300以用於在低於環境溫度下處理工件。應注意，雖然例示性方法在本文中被說明及描述為一系列動作或事件，但應瞭解，本發明不受該等動作或事件之所說明次序限制，如根據本發明，一些步驟可以不同次序及/或與除本 文中展示及描述之步驟外的其他步驟同時發生。另外，可不需要所有所說明步驟以實施根據本發明之方法。此外，應瞭解，可結合本文中說明及描述之系統以及結合未說明之其他系統實施該等方法。
圖2之方法300在動作302處開始，其中將在大氣環境中、處於大氣溫度及大氣壓力下之工件提供或遞送至離子佈植系統。在動作304中，將第一工件自大氣環境轉移至負載鎖定腔室，且在動作306中，實質上抽空負載鎖定腔室以使負載鎖定腔室內之壓力達到處理壓力(例如，處理腔室或終端站之實質性真空壓力)。一旦負載鎖定腔室與處理腔室之壓力實質上相等，則在動作308中，自負載鎖定腔室轉移(在處理壓力下)工件且將其轉移至隔離腔室中之預佈植冷卻工件支撐件上。在動作310中，藉由關閉隔離閘閥使隔離腔室中之工件與隔離腔室內之處理腔室之處理壓力隔離，並且將隔離腔室內之壓力升高至大於處理壓力之預佈植冷卻壓力。
在動作312中，經由預佈植冷卻工件支撐件使工件在隔離腔室中在預佈植冷卻壓力下冷卻至預佈植冷卻溫度，如上文關於圖1之描述所描述。在一個實例中，預佈植冷卻壓力包含自處理壓力延伸至大氣壓力的壓力範圍。在另一實例中，預佈植冷卻壓力包含自處理壓力延伸至大於大氣壓力之高壓的壓力範圍。應瞭解，此增加之壓力增強預佈植冷卻工件支撐件與工件之間的熱傳導從而使得能夠相對於真空環境中之冷凍更快地冷凍工件。在一個例示性具體實例中，冷凍隔離腔室中之工件可進一步藉由將乾式高壓氣體遞送於隔離腔室中而增強，從而(例如)細微調整浸泡時間以使工件產量最佳化。此外，(例如)可控制乾燥氣體之濕度位準以使冷凝減至最少。
在動作314中，在達到所要預佈植冷卻溫度之後，使隔離腔室內之壓力降低回至處理壓力。應注意，所要預佈植冷卻溫度可為將執行離子佈植之處理溫度或可為高於處理溫度之溫度，其中工件將在處理環境中之夾盤上進一步冷卻至更低溫度。亦應注意，動作312之冷卻可與動作310及314中之一者或兩者同時執行，其中工件之冷卻可在將工件遞送至隔離腔室中之後及/或將工件置放於預佈植冷卻工件支撐件上之後立即開始。舉例而言，在隔離腔室處於或不處於預佈植冷卻壓力的情況下，工件可在壓力轉變期間冷卻。
移動至動作316，打開隔離閘閥且將工件自隔離腔室轉移至滯留於處理腔室之處理環境中的夾盤。在將工件牢固地定位於夾盤上之後，在動作318中將離子佈植至該工件中。在一個實例中，動作318可進一步包含使夾盤冷卻至處理溫度以便在離子佈植期間維持工件之溫度。在另一實例中，夾盤可經冷卻以使得定位於其上之工件可進一步冷卻至低於遞送至其之工件之溫度的溫度。
完成離子佈植之後，在動作320中將工件自夾盤轉移至負載鎖定腔室。在一個實例中，負載鎖定腔室可包含加熱壓板或其他熱源以充當如上文所描述之加熱站，藉此將工件加熱至大於與大氣環境相關聯之露點溫度的後加熱溫度。由此，隨後可將工件自後加熱站轉移至大氣環境，而沒有由於其降低之溫度在工件上之冷凝。替代地，在動作320中將工件自夾盤轉移至負載鎖定腔室可進一步包含將工件轉移至單獨的後加熱站，藉此將該工件加熱至大於大氣環境之露點溫度的後加熱溫度，且接著將工件自後加熱站轉移至負載鎖定腔室。
在動作322中，將負載鎖定腔室內之壓力提高至大氣壓力，且隨後在動作324中可自負載鎖定腔室移除工件。
總而言之，本發明提供用於低溫離子佈植之經改良技術，其藉由提供使工件冷卻之動作與大氣環境及處理環境兩者隔離，以使得冷卻動作可在大於與離子佈植處理腔室相關聯之真空壓力的壓力下執行，同時亦在工件不易由於冷工件曝露於環境大氣環境之相對濕度而冷凝的受控制環境中執行的裝備及方法。
儘管已關於某一具體實例或若干具體實例展示及描述本發明，但應注意，上文所描述之具體實例僅充當本發明一些具體實例之實施方式的實例，且本發明之應用不受此等具體實例限制。特別就藉由上文所描述之組件(總成、裝置、電路等)執行之各種功能而言，除非另外指示，否則用於描述此類組件之術語(包括對「構件」之提及)意欲對應於執行所描述組件之指定功能(亦即，功能上等效)之任何組件，即使其在結構上不等效於執行本文中本發明之例示性具體實例所說明之功能的所揭示結構。另外，雖然可能已關於若干具體實例中之僅一者揭示本發明之特定特徵，但在需要且對任何給定或特定應用有利時，該特徵可與其他具體實例之一或多個其他特徵組合。因此，本發明不限於上文所描述之具體實例，而是意欲僅受所附申請專利範圍及其等效物限制。
100:離子佈植系統
102:終端
104:光束線總成
106:終端站
108:離子源
110:電力供應器
112:離子束
114:質量分析裝備
116:孔隙
118:工件
120:夾盤
122:處理腔室
124:真空腔室
126:處理環境
128:真空源
130:低於環境溫度夾盤
132:大氣環境
134:冷卻系統
136:負載鎖定腔室
138:大氣壓力
140:處理壓力
142:負載鎖定工件支撐件
144A:負載鎖定門/閘閥
144B:負載鎖定門/閘閥
146:隔離腔室
148:預佈植冷卻環境
150:隔離閘閥
152:預佈植冷卻工件支撐件
154:冷凍壓板
156:冷卻劑流體
158:冷卻系統
159:加壓氣體源
160:預佈植冷卻氣體
162:預佈植冷卻壓力
164:工件轉移臂
166:控制器
168:預佈植冷卻真空源
170:後佈植加熱站
172:經加熱工件支撐件

Claims (28)

  1. 一種離子佈植系統，其包含：一離子源，其經組態以將複數個離子提供至定位於一處理腔室中之一工件，其中該處理腔室具有與其相關聯之一處理環境；一夾盤，其經組態以在該工件曝露於所述複數個離子的期間支撐該處理腔室內之該工件；一負載鎖定腔室，其以可操作方式耦接至該處理腔室，該負載鎖定腔室經組態以實現該工件至及自一大氣環境及該處理環境之轉移，該負載鎖定腔室包括經組態以在該工件之該轉移的期間支撐該工件的一負載鎖定工件支撐件；一隔離腔室，其以可操作方式耦接至該處理腔室且具有定義於其中之一預佈植冷卻環境，其中該隔離腔室包含經組態以選擇性地使該預佈植冷卻環境與該處理環境隔離且選擇性地准許該工件進入該預佈植冷卻環境之一隔離閘閥，其中該隔離腔室包含經組態以支撐該預佈植冷卻環境內之該工件且使該工件冷卻的一預佈植冷卻工件支撐件，且其中該隔離閘閥定義該工件自該處理腔室進入該隔離腔室及離開該隔離腔室至該處理腔室的唯一進入路徑；一加壓氣體源，其以可操作方式耦接至該隔離腔室，其中該加壓氣體源經組態以在該隔離閘閥關閉時選擇性地將該預佈植冷卻環境加壓至一預佈植冷卻壓力，且其中該預佈植冷卻壓力大於該處理環境之一處理壓力；一工件轉移臂，其經組態以在該負載鎖定腔室、該隔離腔室及該處理腔 室中之兩個或更多個之間選擇性地轉移該工件；及一控制器，其經組態以經由對該工件轉移臂之一控制而在該負載鎖定工件支撐件、該預佈植冷卻工件支撐件與該夾盤之間選擇性地轉移該工件，且其中該控制器經進一步組態以經由對該隔離閘閥、該預佈植冷卻工件支撐件及該加壓氣體源之一控制而選擇性地使該工件在該隔離腔室內在該預佈植冷卻壓力下冷卻至一預佈植冷卻溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其進一步包含以可操作方式耦接至該隔離腔室之一真空源，其中該控制器經進一步組態以經由對該真空源及預冷凍閘閥之一控制而選擇性地將該隔離腔室抽空至該處理壓力。
  3. 如申請專利範圍第2項之離子佈植系統，其中該控制器經組態以在該工件在該預佈植冷卻壓力下冷卻至該預佈植冷卻溫度之後選擇性地抽空該隔離腔室。
  4. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其中該預佈植冷卻壓力係選自由該處理壓力延伸至大氣壓力的一壓力範圍。
  5. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其中該預佈植冷卻壓力大於大氣壓力。
  6. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其中該加壓氣體源包含由乾化空氣、氮氣及氦氣中之一或多者組成之一乾燥氣體。
  7. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其中該預佈植冷卻工件支撐件包含一冷凍壓板，該冷凍壓板經組態以接觸該工件之一底表面，從而支撐該預佈植冷卻環境內之該工件且使該工件冷卻。
  8. 如申請專利範圍第7項之離子佈植系統，其中該冷凍壓板包含定義於其中之一或多個冷卻劑通道，其中該冷凍壓板經組態以經由一冷卻劑流體通過所述冷卻劑通道之一循環而使該工件冷卻。
  9. 如申請專利範圍第8項之離子佈植系統，其中該夾盤進一步包含定義於其中之夾盤冷卻劑通道，且其中該冷卻劑流體進一步循環通過所述夾盤冷卻劑通道。
  10. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其中該夾盤包含經組態以使該工件冷卻至一處理溫度的一靜電夾具。
  11. 如申請專利範圍第10項之離子佈植系統，其中該夾盤包含定義於其中之夾盤冷卻劑通道，其中該夾盤經進一步組態以經由一冷卻劑流體通過所述夾盤冷卻劑通道之一循環而使該工件冷卻至該處理溫度。
  12. 如申請專利範圍第10項之離子佈植系統，其中該處理溫度低於該預佈植冷卻溫度。
  13. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其中該隔離腔室鄰近於該負載鎖定腔室。
  14. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其進一步包含以可操作方式耦接至該處理腔室之一後加熱站，其中該後加熱站包含經組態以將該工件加熱至高於該大氣環境之一露點之一後加熱溫度的一經加熱工件支撐件。
  15. 如申請專利範圍第14項之離子佈植系統，其中該後加熱站定義於該負載鎖定腔室內。
  16. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其中該預佈植冷卻工件支撐 件包含一帕爾貼冷卻器、一膨脹腔室、一低溫頭部及一循環製冷迴路中之一或多者。
  17. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其中該隔離腔室進一步包含經組態以相對於該預佈植冷卻工件支撐件而選擇性地升高及降低該工件之一銷升降機構。
  18. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其中該控制器經進一步組態以至少部分基於一所要處理產量而決定該預佈植冷卻溫度。
  19. 如申請專利範圍第1項之離子佈植系統，其進一步包含經組態以量測該隔離腔室處之該工件之一溫度的一溫度監測系統，其中該控制器經進一步組態以至少部分基於該工件之所量測溫度而對該工件之選擇性冷卻至該預佈植冷卻溫度進行控制。
  20. 一種用於在低於環境溫度下將離子佈植至一工件中的方法，該方法包含：提供在一大氣環境中處於一大氣溫度及大氣壓力下之一工件；將該工件自該大氣環境轉移至一離子佈植系統之一負載鎖定腔室；將該負載鎖定腔室內之壓力降低至與一處理腔室之一處理環境相關聯的一處理壓力；將該處理壓力下之該工件自該負載鎖定腔室轉移通過該處理腔室，且將其轉移至一隔離腔室中之一預佈植冷卻工件支撐件上；使該工件與該隔離腔室內之該處理腔室之該處理壓力隔離；將該隔離腔室內之壓力增大至大於該處理壓力之一預佈植冷卻壓力；經由該預佈植冷卻工件支撐件使該工件在該隔離腔室中在該預佈植冷 卻壓力下冷卻至一預佈植冷卻溫度；將該隔離腔室內之壓力降低至該處理壓力；將該工件自該隔離腔室轉移至滯留於該處理腔室之該處理環境中的一夾盤；將離子佈植至該工件中；將該工件自該夾盤轉移至該負載鎖定腔室；將該負載鎖定腔室內之壓力增大至該大氣壓力；及將該工件自該負載鎖定腔室轉移至該大氣環境。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其進一步包含在該工件滯留於該預佈植冷卻工件支撐件上的同時使該工件冷卻。
  22. 如申請專利範圍第20項之方法，其進一步包含使該夾盤冷卻至一處理溫度。
  23. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該負載鎖定腔室包含複數個負載鎖定腔室，且其中該工件經組態以轉移至所述複數個負載鎖定腔室中之任一者。
  24. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該預佈植冷卻壓力包含自該處理壓力延伸至該大氣壓力的一壓力範圍。
  25. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該預佈植冷卻壓力包含自該處理壓力延伸至大於該大氣壓力之一高壓的一壓力範圍。
  26. 如申請專利範圍第20項之方法，其中將該工件自該夾盤轉移至該負載鎖定腔室進一步包含：將該工件自該夾盤轉移至一後加熱站； 將該後加熱站中之該工件加熱至高於該大氣環境之一露點的一後加熱溫度；及將該工件自該後加熱站轉移至該負載鎖定腔室。
  27. 如申請專利範圍第20項之方法，其中使該隔離腔室中之該工件冷卻包含使一冷卻流體流動通過該預佈植冷卻工件支撐件。
  28. 如申請專利範圍第27項之方法，其進一步包含使該冷卻流體流動通過該夾盤，在其中使該夾盤冷卻。
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