CN102246276B - 自工件将热传送离开的方法与*** - Google Patents
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Abstract
一种工件冷却***与方法。将热自工件(离子植入过程中的半导体晶圆)传送离开是不可或缺的。典型地，热被传送至工件支座或平台。在一实施例中，所需的操作温度被决定。基于此，选择具有在所需范围中的蒸汽压(例如10torr至50torr)的气体。此范围必须足够低，以致低于固定力。此可冷凝气体用以填入工件与工件支座之间的空间。基于吸附与去吸附，发生热传送，与传统使用的气体(例如氦气、氢气、氮气、氩气和空气)相比，藉此来提供改进的传送特性。
Description
技术领域
本发明是有关于一种半导体制造，且特别是有关于一种用于冷却工件(workpiece)的冷却***。
背景技术
离子植入机普遍用于半导体晶圆的制造。离子源用以产生离子束，且离子束接着被引导朝向晶圆。当离子撞击(strike)晶圆时，其对晶圆的特定区域进行掺杂。掺杂区的组态(configuration)界定其功能，且经由导体内连线(conductive interconnect)的使用，这些晶圆可以被转变为复杂的电路。
图1为典型的离子植入机100的方块示意图。离子源110产生所需的离子种类(species)。在一些实施例中，这些种类为原子离子(atomic ion)，其最适于高植入能量。在其他实施例中，这些种类为分子离子(molecular ion)，其较适于低植入能量。这些离子形成束线(beam)，其接着通过源滤波器(sourcefilter)120。源滤波器较佳地位于离子源附近。离子束中的离子在圆柱体(column)130中被加速/减速至想要的能阶(energy level)。使用具有解析孔(aperture)145的质量分析器磁铁(mass analyzer magnet)140以从离子束中移除不需要的成分，使得具有所需的能量与质量特性的离子束150穿过解析孔145。
在某些实施例中，离子束150是点束(spot beam)。在此例中，离子束穿过扫描器160。扫描器160可以是静电扫描器或磁扫描器。扫描器160使离子束150发生偏转，以产生扫描束155～157。在某些实施例中，扫描器160包括与扫描产生器(scan generator)进行通讯(communication)的分离的扫描板(scan plate)。扫描产生器产生扫描电压波形，诸如具有振幅与频率分量的正弦波形、锯齿波形或三角波形。这些扫描电压波形被施加在扫描板上。在一较佳实施例中，扫描波形通常很接近三角波(固定斜率)，使得扫描束在每个位置上停留近乎相同的时间。从三角形的偏离可用来使离子束达到均匀。所产生的电场造成离子束分叉，如图1所示。
在另一实施例中，离子束150是带状束(ribbon beam)。在此实施例中，不需要扫描器，带状束已经按照适当的方式成形。
角度修正器(angle corrector)170是用来将分叉的离子束155～157偏转成一组具有实质上平行轨道(trajectories)的离子束。较佳的是，角度修正器170包括磁线圈(magnet coil)与多个磁极片(magnetic pole pieces)，这些磁线圈与磁极片相互之间隔开以形成间隙，而离子束从间隙中穿过。磁线圈被赋予能量，以在间隙内产生磁场，而离子束根据所施加的磁场的强度与方向来发生偏转。透过改变流经磁线圈的电流可调节磁场。可选择的是，诸如平行化透镜(parallelizing lens)的其他结构也可用来执行此功能。
经过角度修正器170之后，扫描束对准工件175。工件附着在工件支座上。工件支座提供多种移动角度。
工件支座用来将晶圆保持在适当位置以及对晶圆进行定向，以将离子束适当地植入晶圆。为了将晶圆有效地保持在适当位置，大部分的工件支座(亦称为平台)通常使用旋转力(circular force)而使工件静止于工件支座上。通常，平台使用静电力来将工件保持在适当位置。藉由在平台上产生强静电力(亦称为静电吸盘(chuck))，无需任何机械固定装置就能将工件或晶圆保持在适当位置。如此一来，污染被降到最低，而且循环时间(cycle time)得以改善，因为完成植入之后晶圆无需拆卸。这些吸盘通常使用两种力之一来将晶圆保持在适当位置：库仑引力(coulombic force)或詹森-拉贝克力(Johnson-Rahbeckforce)。
工件支座一般可在一个或多个方向上移动工件。举例来说，在离子植入中，离子束一般为扫描束或带状束，其具有大于高度的宽度。假设离子束的宽度定义为x轴，而离子束的高度定义为y轴，且离子束的移动路径定义为z轴。离子束的宽度一般宽于工件，使得工件不需在x方向移动。然而，沿着y轴移动工件以将整个工件暴露于离子束则是常见的。
工件支座的另一个重要功能为对工件提供散热(heat sink)。举例来说，在离子植入的过程中，大量的能量(以热的形式)被传送至工件。杂乱无序的热可能对待植入工件的特性造成影响。因此，较佳是将热传送离开工件且传送至工件支座。然后，工件支座将热排除。在某些实施例中，流体流经工件支座中的导管，这些导管使得热被转移至流体且离开工件支座。其它冷却工件支座的方法也为本领域所熟知。
在某些实施例中，热简单地经由两个元件之间的物理接触而自工件传送至工件支座。然而，测试显示，由于邻接表面的瑕疵与粗糙，即使工件与工件支座物理接触，在微观程度上，两个元件之间仅有相对少的实际接触。
上述的离子植入***较佳装置于接近真空状态的环境中。实际上，此环境中的压力一般小于10-5Torr。由于周遭环境接近绝对真空，因此没有其他可传送热的媒介。因此，热传送远少于所预期的。
改善从工件至工件支座的热传送的一种技术为使用“后端(back side)气体”。图2为此技术的示意图。简单地说，工件200使用机械或静电装置而固定于工件支座。然后，工件支座210中的导管220将气体250传送至工件200与工件支座210之间的空间，亦即晶圆/平台界面。
图3为热传送机制的示意图。当气体分子碰撞工件200时发生热传送，以吸收来自工件200的热。接着，气体分子碰撞工件支座210，以将热传送至工件支座。工件支座做为散热器且维持可接受的温度。在一些实施例中，工件支座藉由使流经冷却导管230的流体通过来冷却。后端气体的流动可藉由质流控制器(mass flow controller，MFC)240来控制。
由于这些传送热的气体分子数量的增加(例如藉由增加压力)，因此改善了热传送。然而，后端气体的压力具有上限值，且随着后端气体压力的增加，其开始克服固定力(clamping forces)，因此使得工件被推离工件支座。此减少了两个表面之间的实际物理接触，且明显降低了热传送。此减少的现象发生在非常低的压力下，例如离子植入环境中的压力小于50Torr。过大的压力也会导致对工件造成损害。此外，为了增加分子之间的碰撞而增加分子的数量也会导致固体之间的热传送减少。
如上所述，随着气体分子接受来自工件的热且将热传送至工件支座，后端气体有助于热传送。如所熟知的，在气体-固体界面具有热传送的效果，其依据气体分子的类型与固体的类型。此效果由调节系数(accommodationcoefficient)表示，其值界于0(无热传送)与1(最佳热传送)之间。调节系数(α)一般定义为：
α＝(Tr-Ti)/(Ts-Ti)
Tr为反射分子(即，反射离开固体表面后的气体分子)的温度；
Ti为入射分子(即，撞击固体表面前的气体分子)的温度；
Ts为固体表面的温度。
与较重的气体(例如氮气、氩气和空气)相比，较轻的气体(例如氦气与氢气)一般具有较低的调节系数。此外，由于一些固体与其他相比提供较佳的热传送，固体表面有利于调节系数。请参照图3，假设在气体分子与工件200之间的调节系数为α1，而在气体分子与工件支座210之间的调节系数为α2。当分子碰撞工件时，这些分子吸收来自工件的热(与调节系数α1成比例)。之后，这些分子碰撞工件支座210，以传送热(与调节系数α2成比例)。因此，工件与工件支座之间的实际热传送与α1×α2成比例。举例来说，若调节系数在与特定气体的一个界面为0.9，且调节系数在与此气体的另一个界面为0.7，则在二个界面之间的热传送仅为63％的功效。较重的气体可以增加这些系数，然而，较轻的气体分子移动较快，且因此较迅速地传送热。此可能导致偏向使用较轻的气体而非较重的气体，而不管调节系数的差异。
在许多环境中，将工件保持在预定温度范围是非常重要的。因此，有效地将热从工件传送至工件支座是不可或缺的。因此，发展用以增进工件(特别是离子植入***中的半导体晶圆)冷却的***与方法是有利的。
发明内容
现有技术的问题可藉由本申请中的工件冷却***与方法来克服。典型地，热被传送至工件支座或平台。在一实施例中，所需的操作温度被决定。基于此，选择具有在所需范围中的蒸汽压(例如10torr至50torr)的气体。此范围必须足够低，以致低于固定力。此可冷凝气体用以填入工件与工件支座之间的空间。基于吸附(adsorption)与去吸附(desorption)，发生热传送，与传统使用的气体(例如氦气、氢气、氮气、氩气和空气)相比，藉此来提供改进的传送特性。
附图说明
图1为传统的离子植入机的示意图。
图2为依照一实施例所绘示的工件与工件支座的剖面图。
图3为现有技术的热传送机制的示意图。
图4为本发明所述的热传送机制的示意图。
图5为依照一实施例所使用的制程步骤的流程图。
具体实施方式
如上所述，维持工件(例如离子植入制程中的半导体晶圆)的温度是必要的。用以维持工件温度的目前技术依赖将来自工件(例如平台)的热传送至工件支座(其为物理性地接触工件)。一些实施例藉由在工件与工件支座之间的空间中传送“后端气体”来增加热传送机制。这些气体分子用以传送来自工件的热(或一部分的热)至工件支座。然而，如上所述，此热传送机制并不如想象的有效。
请参照图2，其显示工件支座210与工件200的剖面。工件支座可以具有二种导管。导管220将气体250导引至工件的后端，工件与工件支座之间的空间。气体250较佳储存在中央存储器(central reservoir)，例如储存槽(tank)，且可以穿过质流控制器或压力调节器240以调节其穿过导管220的流动。在某些实施例中，小沟槽260提供于工件支座210的上表面中，以提供无障碍路径而使气体250近入空间。MFC或压力调节器240控制气体的流动以达成所需的气体压力。如上所述，由于过大的压力可能使工件离开工件支座或可能损害工件，因此谨慎地控制压力为较佳。
在一些实施例中，第二导管230用以循环用来冷却工件支座的流体。举例来说，水、空气或合适的冷却剂(coolant)可被循环穿过工件内部的导管230，以将热引导离开平台。
每一个离子植入制程具有预定的操作温度范围。举例来说，许多离子植入在0℃至50℃的温度范围中进行，且更普遍在室温(15℃至30℃)下进行。其他还可以在低温下进行，例如在低于-50℃下。其他还可以在高温下进行，例如在高于100℃下。一但决定所需的操作范围，则选择合适的气体。气体应在所需的操作温度下具有足够低的蒸汽压。举例来说，在室温下，水具有约20Torr的蒸汽压。对于在-100℃的低温植入，丙烷具有相似的蒸汽压。氨气(ammonia，NH3)也适于低温植入。在-80℃，氨气的蒸汽压约为30Torr。对于高温植入，可以使用例如丙三醇(glycerine)的物质，其蒸汽压在200℃约为40Torr。
如上所述，工作区域中的气体的蒸汽压必须低于施加于工件上的固定力，以使工件不会遭受损坏且维持与工件支座接触。换句话说，气体所施加的压力(乘上工件的面积)决定在离开工件支座的方向上施加至工件的力。与此力相反的是固定力。为了维持工件与工件支座接触，固定力必须大于气体压力(乘上工件的面积)。由于工件的面积固定，因此气体压力必须经控制以确保满足上述条件。
在许多实施例中，所需的蒸汽压界于1Torr至50Torr之间，虽然其他范围也是可能的且在本申请的范围中。所选择的气体被传送穿过导管220。举例来说，如上所述，在室温下，水具有界于10Torr至20Torr的蒸汽压。对于发生在室温的离子植入，水蒸汽被传送至工件与工件支座之间的空间。此可由使用图2中的导管220来达成。使用MFC或压力调节器240对水蒸汽加压，以使蒸汽相与液相达成平衡。当此现象发生时，水蒸气的薄膜205吸附在晶圆200的背面上。薄膜215也吸附在工件支座210的顶面上。藉由在每一个表面上产生气体蒸汽的膜，热传送机制可被改变。
图4为热传送机制的示意图。在此方案中，气体蒸汽分子吸附至工件表面上的薄膜205。不同的水蒸汽分子(已在高温)从薄膜205移开(displaced)和去吸附。移开的分子接着吸附至工件支座210的顶面上的薄膜215。再来，在降低的工件支座温度下，不同的分子接着被移开。由于被去吸附的分子在固体的温度下或在接近固体的温度下，(即Tr大约等于Ts)，因此可实现接近1的调节系数。
图5为前述制程步骤的流程图。如上所述，首先，决定所需的操作温度(方块400)。然后，基于此操作温度，选择合适的气体(方块410)。此气体的蒸汽压在所需的温度下较佳是足够低而不会损害工件或克服固定力。如上所述，若有需要，可以使用MFC或压力调节器240来降低在工作流体的蒸汽压下的工作压力。接着，将所选择的气体传送至工件与工件支座之间的空间(方块420)。较佳地是，提供足够的时间以允许气体在空间中达到稳定状态条件(steady-state conditions)(方块430)。当气体压力等于蒸汽压时，则符合稳定状态条件。此允许气体吸附在工件的背面上以及吸附在工件支座的顶面上。一旦达成稳定状态条件，则可开始进行离子植入制程(方块440)。
如方块430所示，较佳是在离子植入制程之前使蒸汽达到稳定状态条件。此可由多种方法来实现。在一实施例中，制程循环时间(process cycle time)被降低，以允许达到稳定状态条件。换言之，一旦新的工件或晶圆置于平台上，则开始蒸汽的流动。在离子植入制程开始之前，消耗大量的时间。此时间允许蒸汽压与所吸附的薄膜达到稳定状态值。此方法简单，但可能影响生产率，其取决于达成平衡所需的时间。
可以使用其他方法来减少蒸汽压达到稳定状态条件所需的时间。举例来说，工件支座上所吸附的蒸汽膜可以藉由降低工件支座的温度而在晶圆交换期间被维持。较低的温度将使薄膜液化或结冻。此外，蒸汽可以导引穿过多孔媒介(其为工件支座的一部分)。最后，在工件置于工件支座之前，将工件披覆所选择的气体、液体或材料，可以减少所需的时间。举例来说，工件可以在置于工件支座之前暴露于水蒸汽，且接着被冷冻(chilled)以保留水，直到置于工件支座上。在一实施例中，使用晶圆定位站(wafer orient station)以同时披覆水蒸汽以及冷冻晶圆(在定位过程中)。在此完成之后，将晶圆置于工件支座上，且随着晶圆与工件支座温度而建立的稳定状态蒸汽压被建立。
虽然本申请揭示了离子植入，但本申请并不限于此实施例。此处描述的方法与***可以使用于任何使用工件与工件支座的应用，特别是在真空环境中。
Claims (15)
1.一种处理工件时自工件将热传送离开的方法，所述工件装设于工件支座上，所述方法包括：
a.决定用以进行处理的操作温度范围；
b.选择气体，在所述操作温度范围下所述气体具有在所需范围中的蒸汽压；
c.传送所述气体至所述工件的背面与所述工件支座的顶面之间的空间中；以及
d.处理所述工件，
其中在处理所述工件之前等待所述气体在所述空间中达到平衡，且其中液体膜产生于所述工件的所述背面与所述工件支座的所述顶面，以及施加力以将所述工件保持在所述工件支座上，且所述所需范围的所述蒸汽压产生小于保持所述工件的所述力的相反力。
2.如权利要求1所述的处理工件时自工件将热传送离开的方法，其中所述气体在等于所述蒸汽压的压力下被传送。
3.如权利要求1所述的处理工件时自工件将热传送离开的方法，还包括在移动经处理的所述工件之前冷却所述工件支座的步骤。
4.如权利要求1所述的处理工件时自工件将热传送离开的方法，其中所述操作温度范围界于0℃至50℃之间，且所选择的所述气体包括水蒸汽。
5.如权利要求4所述的处理工件时自工件将热传送离开的方法，其中所述蒸汽压界于10torr至50torr。
6.如权利要求1所述的处理工件时自工件将热传送离开的方法，其中所述操作温度范围低于-50℃，且所选择的所述气体包括氨气。
7.如权利要求1所述的处理工件时自工件将热传送离开的方法，其中所述操作温度范围高于100℃，且所选择的所述气体包括丙三醇。
8.如权利要求1所述的处理工件时自工件将热传送离开的方法，其中所述处理包括离子植入。
9.一种用以自工件将热传送离开的***，所述工件在预定的操作温度范围下被处理，所述***包括：
a.工件支座，所述工件位于所述工件支座上，以使所述工件支座的顶面与所述工件的背面接触；
b.用于将所述工件保持于所述工件支座上的装置，所述装置施加力于所述工件；
c.导管，用以提供气体至由所述工件的所述背面与所述工件支座的所述顶面所定义出的空间；以及
d.存储器，用以保持所述气体，其中在所述操作温度范围下所述气体具有蒸汽压，其中产生施加于所述工件的相反力的所述蒸汽压小于由所述装置施加来保持所述工件的所述力，
其中所述气体在所述工件被处理之前在所述空间中达到平衡，且其中液体膜产生于所述工件的所述背面与所述工件支座的所述顶面。
10.如权利要求9所述的用以自工件将热传送离开的***，其中所述操作温度范围界于0℃至50℃之间，且所述气体包括水蒸汽。
11.如权利要求9所述的用以自工件将热传送离开的***，其中所述操作温度范围低于-50℃，且所述气体包括氨气。
12.如权利要求9所述的用以自工件将热传送离开的***，其中所述操作温度范围高于100℃，且所述气体包括丙三醇。
13.如权利要求9所述的用以自工件将热传送离开的***，其中所述导管位于所述工件支座中，且所述气体穿过所述工件支座至所述空间。
14.如权利要求9所述的用以自工件将热传送离开的***，还包括位于所述存储器与所述空间之间的质流控制器或压力调节器。
15.如权利要求14所述的用以自工件将热传送离开的***，其中所述质流控制器在等于所述蒸汽压的压力下传送所述气体。
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