专利名称：主动露点感测和载荷锁定排气以避免在工件上凝结的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种离子植入系统(ion implantation system),并且更具体地涉及一种用于避免在离子植入系统中的工件上形成凝结的系统、装置和方法。
背景技术：
静电夹持装置或夹具(ESC)通常应用在半导体工业中，用于在例如离子植入、蚀亥IJ、化学气相沉积(CVD)等等的基于等离子体或基于真空半导体处理过程中夹持工件或基底。ESC的夹持能力以及工件温度控制已被证实在处理半导体基底或例如硅芯片的芯片中是相当有用的。例如，典型的ESC包括位于导电电极之上的介质层，其中半导体芯片放置在ESC的表面上(例如，芯片放置在介质层的表面上)。在半导体处理(例如是离子植入)期间，夹持电压典型地施加在芯片及电极之间，其中芯片通过静电作用力夹持抵靠夹具表面。对于某些离子植入过程而言，需要通过冷却ESC来冷却工件。然而，在较冷的温度下，凝结可能形成在工件上，或者，当工件被从过程环境(例如，真空环境)中的冷的ESC转移到外界环境(例如，较高压力、温度和湿度的环境)时，大气中的水甚至可能在工件表面上发生冻结。例如，在离子植入工件之后，工件通常被转移进入载荷锁定室(load lockchamber)，并且载荷锁定室随后进行排气。当载荷锁定室被打开以自其中移出工件的时，工件通常暴露至周边大气中(例如，在大气压力下的温暖、“潮湿”空气)，其中工件上可能发生凝结。凝结可能使得微粒沉积在工件上，和/或在工件上留下可能对正面颗粒(例如，对作用区域)有不利影响的残余物。因此，在本领域中需要一种当工件从冷环境转移至较温暖环境时用于消除在工件上的凝结的系统、装置和方法。
发明内容
本发明通过提供用于消除在离子植入系统中的工件上的凝结的系统、装置和方法来克服现有技术的限制。因此，以下提出本发明的简化摘要以便提供本发明的某些方面的基本理解。这个摘要并非是本发明的广泛概要。本摘要既不打算要确定本发明的关键或重要元件，也不划出本发明的范围。其目的是于以简化形式提出本发明的某些概念，作为随后提出的更详细的说明的前言。本发明大致涉及一种用于避免在离子植入系统中的工件上凝结的系统、装置和方法。系统包括配置成形成离子束的源(source)、配置成对离子束进行质量分析的射束线组件(beamline assembly)、具有与其相关联的第一环境的端部站(end station)(其中端部站包括冰冻静电夹具，冰冻静电夹具配置成在来自离子束的离子的植入期间夹住和冷却工件)和分别地与端部站和第二环境选择性地流体连通的载荷锁定室。载荷锁定室包括配置成接受工件的平台，其中平台包括工件温度监测装置，工件温度监测装置配置成测量工件的温度，并且其中第二环境具有比第一环境较高的露点。辅助监测装置配置成测量温度和相对湿度，并且因而测量和/或计算在第二环境中的露点，并且控制器配置成确定在工件从载荷锁定室转移至第二环境时工件上不会形成凝结的工件的温度。所述确定根据来自工件温度监测装置和外部温度监测装置的数据做出，诸如在第二环境中的露点。因此，为了实现前述及相关结果，本发明包括以下完全描述和在权利要求中特定指出的特征。以下说明及随附附图详细提出本发明的几个说明性的实施例。然而，这些实施例指示其中可以采用本发明的原理的一些不同方式。在结合附图考虑时，从以下本发明的详细说明中，本发明的其他目的、优点及新颖特征将变得明显。
图I图示根据本发明的一个示例的包括离子植入系统的真空系统的示意图。·图2图示根据本发明的另一个方面的示例性载荷锁定室。图3是图示根据另一个示例的使用气体加温工件的温度相对于时间的图表。图4是图示根据本发明的另一个示例性方面的用于避免在工件上凝结的示例性方法。
具体实施例方式本发明一般地涉及利用冰冻静电夹具避免在离子植入系统中的工件上凝结。在没有监测工件温度或区域露点的情况下传统加温工件可能导致长的排气时间，并且因而对工件生产量具有负面的影响。本发明将描述一种用于主动地测量工件温度和载荷锁定室外部的区域露点并且利用这个信息以最小化等待时间从而使生产量最大化的系统、装置和方法。以下将参照图式描述本发明，其中相同参考编号在本文各处均用于表示相同元件。应理解，这些方面的说明仅仅是图示说明，并且它们不应被解读为有限制的意义。在以下的说明中，为了说明的目的，许多具体细节被提出，以提供对本发明的全部理解。然而，本领域技术人员显然可知，在没有这些具体细节的情况下可以实施本发明。根据本公开的特色，图I图示示例性真空系统100。本示例中的真空系统100包括离子植入系统101，然而也可以涵盖许多其他类型的真空系统，诸如等离子处理系统或其他半导体处理系统。举例而言，离子植入系统101包括终端102、射束线组件104和端部站106。一般而言，终端102中的离子源108连接至电源110，以离子化掺杂气体并且形成离子束112。离子束112被引导穿过射束操控装置114，并且朝向端部站106离开穿孔116。在端部站106中，离子束112撞击工件118 (例如，半导体芯片、显示面板等)，工件118被选择性地夹住或固定至关联端部站的第一环境122中的静电夹具(ESC) 120。举例而言，第一环境122包括由真空系统123所产生的真空。一旦被嵌入工件118的晶格中之后，植入的离子改变工件的物理和/或化学特性。因此，离子植入被运用在半导体组件制造和金属表面处理，和材料科学研究中的许多应用。在无任何对策时，使用离子植入系统101的离子植入期间，能量可以在带电离子碰撞工件时以热的形式增生在工件118上。这个热量可以使工件118翘曲或破裂，其使得工件在一些执行过程毫无价值(或价值大幅降低)。热量可能进一步致使投送至工件118的离子剂量与预定的剂量相异，而使得预定的机能产生改变。例如，如果预定将I X IO17原子数/立方厘米的剂量植入位于工件118外部表面正下方的极薄区域，则意外的加热可能致使投送的离子扩散到这个极薄区域以外，使得实际施用的剂量小于I X IO17原子数/立方厘米。实际上，意外的加热可能将植入的电荷“涂散”在比预期大的区域之上，从而降低实际剂量到小于预定的值。还可能产生其他的不期望的效果。在一些情况中，需要在低于周边温度的温度下植入离子，诸如允许工件118 (例如，诸如娃芯片的半导体工件)的表面的需要的非晶化(amorphization),能够在高阶CMOS集成电路装置生产中达成超浅接面(ultra shallow junction)结构。因此,提供冷却系统124，其中冷却系统配置成冷却或冷冻静电夹具120，并且因而使得位于其上的工件118的温度大幅低于周围或第二环境126(例如，还称为“外部环境”或“大气环境”)周边温度或 大气温度。根据本公开的另一个特点，载荷锁定室128还进一步提供与端部站106的第一环境122和第二环境126的选择性流体连通，其中载荷锁定室配置成允许工件118转移进入和离开真空系统100 (例如，离子植入系统101)而没有损害真空系统内的真空质量(即第一环境)。发明者理解到在冰冻温度处(例如，任何在第二环境126的露点温度以下的温度)执行离子植入，举例而言，如果从在离子植入系统101内的第一环境122转移至外部环境，在工件比第二环境的露点温度更冷时，可能造成在工件118上形成凝结。例如，如果工件118的温度低于水的结冰点，则工件在被暴露至在第二环境126的周边空气中的周边水气(例如，湿度)时可能起雾(例如，沉积凝结的水汽)。因此，载荷锁定室128被连接至与端部站106相关联的处理室130以维持真空系统100内的第一环境122 (例如，干燥的真空环境)。载荷锁定室128内的载荷锁定室的环境132和本示例中的第二环境126被称为“在空气环境中”，诸如在工件118在工件运送容纳器134 (例如，FOUP (芯片载卸模块))与载荷锁定室之间移转时，其中在空气环境中被设计针对最小化扰动和微粒的特定气体/空气流。例如，工件运送容纳器134通常在可能具有相对高露点的大气中(例如，第二环境126)。举例而言，多数空气中工件处理将工件118暴露至大气环境。工件118经由转移机械135A从工件运送容纳器134移出，并且通过第二环境126行进，而且随后经由载荷锁定室的第一闸门136被放入载荷锁定室128。载荷锁定室128的第一闸门136选择性地使载荷锁定室环境132与第二环境126隔离。载荷锁定室128的第二闸门138进一步选择性地使载荷锁定室环境132从真空系统100的端部站130内的第一环境122隔离。因此，在第一闸门136是在处于将载荷锁定室环境132暴露至第二环境126的打开位置时,第二闸门138在关闭位置中，使载荷锁定室环境隔离第一环境122。—旦工件118被置放在载荷锁定室128内，第一闸门136被关闭并且载荷锁定室环境132被抽吸到与处理室130内的第一环境122相关的压力，诸如由真空源140提供的真空状态。在载荷锁定室环境132与第一环境122中的压力大致相等之后，第二闸门138被打开，并且工件经由另一个转移机械135B转移进入处理室130用于随后处理(例如，离子植入)。一旦处理完成，工件118被转移回到载荷锁定室128。载荷锁定室128随后经由气体源142 (还称为排气源)进行排气，使得在载荷锁定室环境132内的压力大致上被增加至大气压力，或者第二环境126的压力。举例而言，气体源142与载荷锁定室128内的载荷锁定室环境132选择性地流体连通。在一个示例中，气体源142提供干燥氮气以将载荷锁定室环境132通风至大气压力，其中一旦在大气压力，载荷锁定室128的第一闸门136被打开以与第二环境126流体连通。在另一个示例中，气体源142包括氢气、氦气、氩气或其他惰性气体中的一种或多种。例如，气体源142配置为提供气体的混合物，诸如包括4%氢气和96%氮气的“形成气体(forming gas) ”，其中提供氢气的较高热容量的优点和氮气的低费用，和不具有易爆炸气体浓度的安全性。此外，根据另一示例，提供气体源加热器143以在进入用于加热工件118的载荷锁定室128之前对来自气体源142的气体或混合气体加热，如将在下面说明。举例而言，气体源加热器143配置成将来自气体源142的气体加热至诸 如100°C到150°C的预定温度，其中工件118的充分加热在造成损伤(例如，没有在工件上造成光阻质量降低的温度等)的情况下是有帮助的。来自气体源142的热气体将比冷气体较快速地加温。芯片的瞬时温度可以由以下等式表不T (t) = T + (Ttl-T ) exp (_ (t_tQ) / τ )(I)其中T(t)表示作为时间函数的工件118的温度、T00是需要的温度、Ttl是初始温度、t是时间、h是开始时间、而τ是与工件的加热相关的时间常数，其取决于几何结构、材料特性和气体流动速率。图3图示利用来自图I气体源142的气体将工件由_40°C的初始芯片温度加温至100°C的温度相对于时间的图表160，其中显示能量平衡162和指数曲线型态 164。根据本公开的示例，图I的载荷锁定室128的第一闸门136仅在工件118的温度高于第二环境126的露点时被打开至大气。例如，不需要工件118的温度抵达第二环境126的周边温度(例如，18°C_20°C)，而工件的温度升高至第二环境(例如，周边空气)的区域露点以上。根据一个示例，如在图2中更详细图示，载荷锁定室128包括配置成接受工件118的平台144。例如，工件118放置在平台144上。工件温度监测装置146进一步设置在载荷锁定室128内，其中工件温度监测装置配置成测量工件118的温度。举例而言，工件温度监测装置146整合进入平台144,诸如与平台的表面148相关联的热电偶(thermocouple)。例如，工件温度监测装置146可以定位在平台144上的任何位置，使得工件118的精确温度可以被确定。例如，工件温度监测装置146包括被压制到工件118的背侧的接触式热电偶。另一个示例包括接触工件的边缘的热电偶。其他代替工件温度监测装置146包括红外线(IR)测量装置、双色高温计(2-color pyrometer)其他电阻式热组件或热敏电阻(thermistor)或其他适当的温度测量装置。举例而言，遮蔽区域150进一步设置使得工件温度监测装置146在工件118驻留于平台144的上时一般屏蔽来自气体源142的被加热气体。此外，根据另一个示例，加热器152与平台144相关联，其中加热器配置成加热工件118。
因此，根据一个示意性方面，提供外部监测装置154，如图I所例示，其中外部监测装置配置成监测和/或测量在第二环境126 (例如，载荷锁定室128附近)中的温度。举例而言，外部监测装置154进一步配置以测量载荷锁定室130附近处的第二环境126的相对湿度(RH)。发明者理解外部监测装置154与真空系统100的邻近应尽可能地接近以在载荷锁定室130与工件运送容纳器134之间转移工件118，如流动路径、FOUP移动、外部建物气候控制、区域气象、季节、降雨、加热等等，可能导致温度、压力和湿度上的变异。举例而言，气体源142在载荷锁定室130的第一闸门被打开时将干燥气体引入第二环境126，因此，与距离真空系统100远更多的位置处相比，其露点可能较低，诸如操控真空系统的作业员站立处。因此，在处理室130内的工件118的处理(例如，经过冷却系统124和ESC120冷却工件)之后，工件被置放在载荷锁定室128中的平台144上。一旦载荷锁定室128的第二闸门138被关闭，气体源142配置成在工件118之上流动气体(例如，被加热的气体)，从而对工件加热，同时工件的温度由工件温度监测装置146进行测量，并且第二环境126的露点(例如，温度和相对湿度)由外部监测装置154确定。举例而言，利用在控制器156中的软件逻辑，可以做出有关载荷锁定室128内的工件118的温度是否位于第二环境126的露·点或在其上的确定。一旦工件118的温度处于第二环境的露点或在其上，则经由第一闸门136将工件118移出载荷锁定室128。在一个示例中，在打开载荷锁定室的第一闸门136之前，加入小段时间或者小温度范围(例如，2至3度)以确保整个工件118在第二环境126的露点以上。因此，控制器156配置为确定在工件从载荷锁定室128转移至第二环境126的时工件的其上将不形成凝结的工件118的温度，其中根据来自工件温度监测装置146和外部温度监测装置154的数据做出确定。举例而言，控制器156进一步配置为根据来自工件温度监测装置146和外部温度监测装置154的数据选择性地供应来自干燥气体源142的干燥气体。应注意，还涵盖用于加热载荷锁定室128内的工件118的代替方法和装置，诸如利用加热灯(heat lamp)、LED、微波、热流体或用于加热载荷锁定室内的工件的任何方法或装置进行加热。根据本发明的另一个示例性方面，图4图示用于避免在工件上发生凝结的示例性方法200。应注意，虽然示例性方法在此处是以连续动作或事件的形式加以图示和说明，但应理解，根据本发明，本发明不受限于这种动作或事件的图示顺序，由于一些步骤可以以不同的顺序进行和/或使用在此显示和描述以外的其他步骤同时进行。此外，并非所有图示的步骤对于实施根据本发明的方法是必要的。并且，应理解，方法可以配合在此图示和描述的系统实施，以及配合没有图示的其他系统实施。图4的方法200开始于动作202，其中工件在真空系统内的第一环境中被冷却，诸如前述图I的真空系统100。在图4的动作204中，工件从第一环境转移至载荷锁定室，并且载荷锁定室随后从弟一环境隔尚。在动作206中，工件在载荷锁定室内加热，而在动作208中，测量工件的温度。举例而言，加热气体在工件之上流动。此外，在动作210中，此动作可以与动作208并行进行，测量第二环境的温度与相对湿度。在动作212中，确定第二环境的露点，诸如通过在动作210中测量的温度和相对湿度。在从(TC到+60°C的温度范围和从0%到100%的相对湿度范围之中，有效露点的适当近似是
权利要求
1.一种用于避免在工件上凝结的系统，系统包括 源，配置成形成离子束； 射束线组件，配置成对离子束进行质量分析； 端部站，具有与其相关联的第一环境，其中端部站包括冰冻静电夹具，冰冻静电夹具配置成在来自离子束的离子的植入期间夹住和冷却工件； 载荷锁定室，能够操作地连接至端部站并且与第一环境和第二环境选择性地流体连通，其中载荷锁定室包括配置成接受工件的平台，其中平台包括工件温度监测装置，工件温度监测装置配置成测量工件的温度，并且其中第二环境具有比第一环境较高的露点； 外部监测装置，其中外部监测装置配置成测量在第二环境中的温度和相对湿度；和 控制器，配置成确定在工件从载荷锁定室转移至第二环境时工件上不会形成凝结的工件的温度，其中根据来自工件温度监测装置和外部温度监测装置的数据做出前述确定。
2.根据权利要求I所述的系统，进一步包括一个或多个转移机械，转移机械配置成将工件从端部站转移至载荷锁定室和从载荷锁定室转移至第二环境。
3.根据权利要求I所述的系统，其中第二环境包括在载荷锁定室和FOUP之间的空气中环境。
4.根据权利要求I所述的系统，其中工件温度监测装置包括与平台的表面相关联的热电偶。
5.根据权利要求4所述的系统，其中平台包括与热电偶相关联的遮蔽区域，其中在工件驻留在平台上时，热电偶被大致屏蔽以防止处理气体。
6.根据权利要求I所述的系统，进一步包括与载荷锁定室流体连通的干燥气体源，其中气体源配置成将被加热的干燥气体提供到载荷锁定室。
7.根据权利要求6所述的系统，其中干燥气体源包括氢气、氦气、氩气、氮气或其他气体中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的系统，其中干燥气体源包括由4%氢气和96%氮气所构成的形成气体。
9.根据权利要求6所述的系统，其中控制器被进一步配置成根据来自工件温度监测装置和外部露点温度监测装置的数据选择性地供应来自干燥气体源的干燥气体。
10.根据权利要求I所述的系统，进一步包括与载荷锁定室流体连通的干燥气体源，其中载荷锁定室进一步包含在低温离子植入之后加热工件的机械。
11.一种用于离子植入系统的凝结消除装置，所述装置包括 载荷锁定室，选择性地流体连通第一环境和第二环境，其中载荷锁定室配置成接收来自第一环境的冰冻工件并且将工件转移至第二环境，并且其中载荷锁定室包括工件温度监测装置，工件温度监测装置配置成在工件驻留在载荷锁定室内时测量工件的温度； 与第二环境相关联的外部监测装置，其中外部监测装置配置成测量第二环境中温度和相对湿度；并且其中第二环境具有比第一环境高的露点； 控制器，配置成确定在工件从载荷锁定室转移至第二环境时工件上不会形成凝结的工件的温度，其中根据来自工件温度监测装置和外部温度监测装置的数据做出前述确定。
12.根据权利要求11所述的装置，其中载荷锁定室包括工件驻留其上的平台，并且其中工件温度监测装置包括在工件驻留在平台上时与工件的底部表面相关联的热电偶。
13.根据权利要求12所述的装置，其中平台包括与热电偶相关联的遮蔽区域，其中在工件驻留在平台上时，热电偶被大致屏蔽以防止处理气体。
14.根据权利要求11所述的装置，进一步包括与载荷锁定室流体连通的干燥气体源，其中气体源配置成将加热的干燥气体提供到载荷锁定室。
15.根据权利要求14所述的装置，其中干燥气体源包括氢气、氦气、氩气、氮气或其他气体中的一种或多种。
16.根据权利要求15所述的装置，其中干燥气体源包括由4%氢气和96%氮气所构成的形成气体。
17.根据权利要求14所述的装置，其中控制器被进一步配置成根据来自工件温度监测装置和外部监测装置的数据选择性地供应来自干燥气体源的干燥气体。
18.根据权利要求11所述的装置，进一步包括与载荷锁定室流体连通的干燥气体源，其中载荷锁定室进一步包含在低温离子植入之后加热工件的机械。
19.一种用于避免在工件上发生凝结的方法，所述方法包括以下步骤 将工件从第一环境转移至载荷锁定室； 在载荷锁定室中加温工件； 测量载荷锁定室中的工件的温度； 测量第二环境的温度和相对湿度； 计算第二环境的露点；和 在工件的温度大于第二环境的露点之后，将工件从载荷锁定室转移至第二环境。
20.根据权利要求19所述的方法，其中测量载荷锁定室中的工件的温度的步骤包括 测量工件的背侧上的一个或多个位置处的温度。
21.根据权利要求19所述的方法，其中在工件的温度比第二环境的露点大预定量之后，发生工件从载荷锁定室转移至第二环境。
22.根据权利要求19所述的方法，其中在工件的温度比第二环境的露点大预定量的预定时间期间之后，发生工件从载荷锁定室转移至第二环境。
全文摘要
本发明公开一种用于避免离子植入系统的端部站中的工件上的凝结的系统、装置和方法。工件在第一环境中被冷却，并且被转移至载荷锁定室，载荷锁定室分别地与端部站和第二环境选择性地流体连通。工件温度监测装置配置成用于测量在载荷锁定室中的工件的温度。外部监测装置测量第二环境中的温度和相对湿度，并且控制器配置成在工件从载荷锁定室转移至第二环境时工件上不会形成凝结的工件的温度。
文档编号H01J37/18GK102918621SQ201180026216
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月26日 优先权日2010年5月28日
发明者威廉·李 申请人:艾克塞利斯科技公司