具有内嵌流体导管的半导体制造装置的制作方法

本发明大体涉及半导体装置制作领域，且尤其涉及一种其中形成有复杂内嵌流体通道的半导体制造装置。

背景技术：

在半导体制造中，离子植入是用于在各种基于半导体的产品的生产期间改变半导体晶片特性的常用技术。离子植入可用于引入用来改变导电性的杂质(例如，掺杂剂植入)，使晶体表面改性(例如，预先非晶化(pre-amorphization))，生成隐埋层(例如，晕圈植入(haloimplant))，生成污染物的吸收部位，及生成扩散屏障(例如，氟与碳共同植入)。此外，离子植入可用于非晶体管应用(例如用于对金属接触区域进行合金化)，用于平板显示器制造，及用于其他表面处理。所有这些离子植入应用可一般被归类为用于形成材料改性(materialpropertymodification)区。

在诸多掺杂工艺中，将所期望杂质材料离子化，所得离子被加速以形成具有规定能量的离子束，且所述离子束被引导于目标基板(例如基于半导体的晶片)的表面。离子束中的高能离子(energeticion)穿透至所述晶片的主体半导体材料中并内嵌至半导体材料的晶格(crystallinelattice)中以形成具有所期望导电性的区。

离子植入机通常包括用于产生离子的离子源。离子源在操作期间产生大量的热。所述热是工作气体(workinggas)离子化的产物，这会在离子源中造成高温等离子体。为对工作气体进行离子化，配置磁性电路以在离子源的离子化区中产生磁场。所述磁场与其中存在工作气体的离子化区中的强电场相互作用。所述电场建立于阴极与带正电荷的阳极之间，其中所述阴极发射电子。磁性电路是使用磁铁及由导磁性材料制成的磁极件(polepiece)来建立。离子源的侧面及基座是所述磁性电路的其他组件。在操作中，等离子体的离子形成于离子化区中并接着通过感应电场来加速而远离所述离子化区。

应注意，磁铁是热敏组件，对许多离子源的操作温度范围尤其敏感。举例而言，在许多仅通过热辐射来冷却的端部霍尔离子源(end-hallionsource)中，放电功率(dischargepower)可被限制为近似1000瓦特且离子电流可被限制为近似1.0安培，以防止特别是对磁铁的热损坏。为设法实现更高的放电功率并继而实现更高的离子电流，已开发出直接阳极冷却系统(directanodecoolingsystem)来降低到达磁铁及离子源的其他组件的热量。

一个此种阳极冷却系统包括敷设至空心阳极(hollowanode)并通过所述空心阳极来泵送冷却剂的冷却剂管线。具体而言，来自离子源的材料被移除(例如，使用减性制造工艺(subtractivemanufacturingprocess))以沿离子源的侧壁的长度形成两个轴向导管，其中所述轴向导管可间隔开180度。令人遗憾的是，此轴向导管构形会限制对整个离子源提供均匀冷却的能力。

技术实现要素：

根据本发明的一种示例性方法可包括使用增材制造(additivemanufacturing，am)工艺形成内嵌于半导体制造装置的组件内的导管，所述导管包括形成于所述导管的内表面上的一组凸起特征。

根据本发明的一种示例性方法可包括使用增材制造工艺形成内嵌于半导体制造装置的组件内的导管，所述导管包括形成于所述导管的内表面上的一组凸起表面特征，所述一组凸起表面特征可延伸至所述导管的内部区域中。

根据本发明的示例性半导体制造装置可包括：导管，内嵌于所述半导体制造装置的组件内，所述导管形成有多个波纹部。离子植入机可还包括形成于所述导管的内表面上的一组凸起表面特征，所述一组凸起表面特征延伸至所述导管的内部区域中。

附图说明

图1a是说明根据本发明的半导体制造装置的组件的半透明等轴视图。

图1b是说明图1a中所示离子植入机的组件的侧视图。

图2a是说明图1a中所示离子植入机的组件内的导管的剖视图。

图2b是说明图1a中所示离子植入机的组件内的导管的侧视图。

图3a至图3-d是说明沿图1a中所示离子植入机的组件内的导管的表面形成的各种凸起表面特征的等轴视图。

图4a是根据本发明的半导体制造装置的另一组件的等轴视图。

图4b是说明图4a中所示离子植入机的组件的半透明等轴视图。

图5a是说明根据本发明的半导体制造装置的另一组件的等轴视图。

图5b是说明图5a中所示离子植入机的组件的半透明等轴视图。

图5c是说明图5b中所示离子植入机的组件的侧视图。

图6a是说明根据本发明的半导体制造装置的另一组件的等轴视图。

图6b是说明图6a中所示离子植入机的组件的半透明等轴视图。

图7a是说明根据本发明的半导体制造装置的另一组件的半透明等轴视图。

图7b是说明图7a中所示离子植入机的组件的侧视图。

图8a是说明根据本发明的半导体制造装置的另一组件的等轴视图。

图8b是说明图8a中所示离子植入机的组件的半透明等轴视图。

图9是说明根据本发明的示例性方法的流程图。

附图未必按比例绘制。所述附图仅为示意图，而并非旨在绘制本发明的特定参数。附图旨在示出本发明的示例性实施例，且因此不应被视为用于限制范围。在附图中，相同的编号表示相同的元件。

具体实施方式

现在将参照其中示出装置及方法的实施例的附图在下文中更充分地阐述根据本发明的所述装置及方法。所述装置及方法可实施为许多不同形式且不应被视为仅限于本文所述实施例。提供这些实施例是为了使此公开内容将透彻及完整，并将向所属领域中的技术人员充分地传达系统及方法的范围。

为方便及清晰起见，本文中将使用例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“垂直”、“水平”、“侧向”、及“纵向”等用语来阐述这些组件及其构成部件相对于图中所出现的半导体制造装置的组件的几何结构及取向的相对位置及取向。所述术语将包括所具体提及的词语、其派生词、及具有类似含义的词语。

除非清楚地另外指明，否则本文中以单数形式并利用词语“一”来叙述的元件或操作应被理解为不排除多个元件或操作。此外，所提及的本发明的“一个实施例”并非旨在被解释为排除同样包含所述特征的其他实施例的存在。

综上所述，本文所提供的各种实施例涉及用于使用增材制造工艺(例如，3-d打印)形成内嵌于半导体制造装置(例如，离子植入机)的组件内的导管的方式，其中所述导管被配置成将流体递送至整个组件以对其提供加热、冷却及气体分配。在一种方式中，导管包括形成于所述导管的内表面上的一组凸起表面特征以改变导管内的流体流动特性。

本文中所公开的离子植入机可包括使用增材制造工艺(例如，3-d打印)形成的一个或多个组件。具体而言，本发明涉及一种用于使用一种或多种增材制造技术而自3-d组件的数字表示形式(例如，增材制造文件格式(additivemanufacturingfileformat，amf)及立体光刻(stereolithography，stl)文件格式)以逐层方式打印3-d特征的系统及工艺。增材制造技术的实例包括以挤出为基础的技术、喷射、选择性激光烧结(selectivelasersintering，sls)、粉末/黏合剂喷射、电子束熔化(electronbeammelting)及立体光刻工艺。对于这些技术，3-d部件的数字表示形式最初被分切成多个水平的层。对于给定的分切层，接着产生工具路径来为特定增材制造系统提供指令以打印所述给定层。

在一个实例中，本发明的组件可使用以挤出为基础的增材制造系统而形成，在所述以挤出为基础的增材制造系统中，可通过挤出可流动部件材料而以逐层方式自3-d组件的数字表示形式打印3-d组件。所述部件材料经由由所述系统的打印头携带的挤出尖端而挤出，并在台板上以平面层形式沉积成一系列路线。所挤出的部件材料融合至之前所沉积的部件材料，并在温度降低时固化。打印头相对于基板的位置随即增大，且所述工艺被重复进行以形成与数字表示形式相像的3-d部件。

在另一实例中，本发明的组件可通过融合沉积成型(fuseddepositionmodeling，fdm)而形成，融合沉积成型是一种用于以层的形式放置材料成迭层的技术。可将塑料细丝或金属线自线圈退绕并按次序放置以生产组件。融合沉积成型还涉及用于处理组件的立体光刻文件的计算机。在操作期间，融合沉积成型采用喷嘴来挤出材料珠粒。所述喷嘴可被加热以熔化材料或以其他方式使所述材料更具塑性。可将挤出头耦合至喷嘴以沉积所述珠粒。喷嘴可在水平方向及垂直方向上移动。喷嘴可由例如具有直线设计或并联机器人(deltarobot)的机器人机构等机器人机构控制。挤出头可通过步进马达、伺服马达、或其他类型的马达来移动。喷嘴及挤出头可由计算机控制，其中所述计算机可例如向机器人机构及马达发送控制指示。

在又一实例中，本发明的组件是使用选择性激光烧结工艺而形成。选择性激光烧结可涉及使用激光(例如，二氧化碳激光)而将材料的颗粒融合成所期望的三维形状。实例性材料可包括塑料、金属及陶瓷。选择性激光烧结可使用若干材料(例如，使用由不同材料形成的层或通过将不同材料混合在一起)来应用。材料可包括：聚合物，例如尼龙(纯尼龙、经玻璃填充的尼龙或具有其他填充物的尼龙)或聚苯乙烯；金属，包括钢、钛、合金混合物、及复合物；以及湿砂(greensand)。所述材料可呈粉末形式。

选择性激光烧结可涉及通过对自粉末床(powderbed)的表面上的组件的3-d数字描述(例如，自cad文件)产生的横截面进行扫描而使用激光来选择性地融合材料。在扫描横截面之后，可基于预定层厚度而将粉末床降低，可对顶部施加新的材料层并重复进行所述工艺。此可继续进行直至完全制作出组件为止。

在通过沉积部件材料的层来制作3-d部件的过程中，可在悬伸部分之下或在正在构建的3-d部件的腔中建造支撑层或支撑结构，且可不由部件材料本身来支撑。可利用与用于沉积部件材料的相同沉积技术来建造支撑结构。主计算机产生用于为正在形成的3-d部件的悬伸段或自由空间段充当支撑结构的附加几何结构。可接着在打印过程期间依照所产生的几何结构来沉积支撑材料。支撑材料在制作期间黏合至部件材料，且可在打印过程完成时自所完成的3-d部件移除。

现在参照图1a至图1b，其示出展示根据本发明的半导体制造装置(例如，离子植入机10)的一部分的示例性实施例。离子植入机10包括内嵌于离子植入机10的组件18(例如，离子源)内的导管14，本文所述导管14用于对整个组件18分布液体和/或气体，以对组件18提供加热、冷却或气体分配。

如图所示，导管14定位于组件18的侧壁30的内部表面22与外部表面26之间，且代表例如离子源的内嵌冷却通道。导管14可沿侧壁30延伸，以自定位于基座区段42内的入口40取出气体或液体并将所述气体或液体递送至组件18的远端44。导管14可接着将气体或液体带至定位于组件18的近端52处的出口48。如图所示，导管14可以螺旋构形形成，且可绕组件18进行360°延伸。将导管14形成为螺旋状使得流体能够更均匀地分布于整个组件18，进而减少迥异的温度变量的出现。在其他实施例中，导管14可形成有多个波纹部、曲线等、或几乎任何其他可想象的构形。在各种实施例中，可使用气体或液体作为冷却剂，所述冷却剂的实例包括氙气(xe)、氩气(ar)、油或水。

如上所述，组件18可使用增材制造工艺(例如，3-d打印)而形成，所述增材制造工艺能够使导管几何结构内嵌至利用传统减性制造技术(例如，钻制)所无法融合的固体组件中。3-d打印能够实现并非仅简单的、笔直的、圆形的通道。3-d打印还能够以任意材料实现复杂的路径及轮廓，进而能够制作出理想的几何结构。

在图1a至图1b中所示的实施例中，导管14的复杂轮廓螺旋构形可使用增材制造工艺而在组件的形成期间镶嵌于组件18内。导管14可具有适合于特定应用的独特横截面轮廓，所述特定应用包括但不仅限于加热、冷却及气体分配。

如图1b及图2a至图2b中所示，一个此种非限制性应用为具有五边形横截面的镶嵌式水冷却通道。在此实施例中，导管14的五边形横截面是由底面56、一组侧壁60、64、及大体为三角形的顶部部分68界定而成。导管14还界定供流体在其中流动的内部区域72。导管14的五边形横截面相对于例如具有圆形横截面的导管而言使性能最大化，其原因在于五边形导管14的侧壁60、64的扁平且薄的横截面几何结构在组件18内的等离子体与流经导管14的流体之间提供更多的热传递。在此实施例中，为便于说明，导管14被示出为五边形。应注意，导管14可具有几乎任何可想象的横截面。此包括但并非仅限于任何规则的或不规则的多边形，例如三角形、星形、新月形、梯形、王冠形、矩形、六边形等。

在另一非限制性实施例中，如图1b至图2a中所进一步示出，组件18可包括多个导管。换言之，除导管14以外，组件18可还包括形成于侧壁30中的具有圆形横截面的通道76，以将气体递送至离子源。如图所示，通道76沿循导管14的一部分且沿导管14的所述一部分延伸。在示例性实施例中，相似地，通道76是使用一个或多个增材制造工艺而形成。

现在参照图2b，其示出使用增材制造工艺沿导管14形成的一组表面特征。在示例性实施例中，可对表面特征(例如，凸起表面特征80a-n)进行选择以控制流经导管14的流体的流动性质，进而实现经冷却的或经加热的流体的热性能。如图所示，导管14包括形成于导管14的内表面(例如，侧壁60、64)上的所述一组凸起表面特征80a-n，其中所述一组凸起表面特征80a-n延伸至导管14的内部区域72中以影响在其中流动的流体的流动性质。凸起表面特征80a-n可如图所示沿侧壁60及64形成，和/或在其他实施例中沿底面56形成。

在示例性实施例中，凸起表面特征80a-n可例如使用增材制造工艺而在组件18的制作期间形成。如此一来，凸起表面特征80a-n可包括任意数目的表面特征几何结构及复杂结构以产生所期望的流体流(例如，湍流、或平滑流、层流)，其中此种表面特征几何结构及复杂结构可能无法使用减性制造技术来制成。在另一实施例中，可在制作之后对导管14的一个或多个表面进行镀覆，以改变表面粗糙度且因此改变流动。

在一个非限制性实施例中，如图2b及图3a中所示，凸起表面特征80a-n对应于形成于内侧壁60上的多个经均匀图案化的凸脊且被取向成大体平行于流经导管14的流体流。在此实施例中，所述多个凸脊延伸至导管14的内部区域72中，且具有大体为矩形的横截面。凸脊可平行于或垂直于流的方向，且可用于对流进行引导、修改所述流/方向、及改变有效表面粗糙度。改变表面粗糙度可使得形成涡流，进而生成更紊乱的流。

在另一非限制性实施例中，如图3b所示，凸起表面特征80a-n对应于形成于内表面60上的多个经均匀图案化的凸脊并以带角的或v形图案来配置。在此实施例中，所述多个凸脊延伸至导管14的内部区域72(图2b)中，且具有大体为矩形的横截面。

在其他非限制性的实施例中，如图3c至图3d所示，所述一组凸起表面特征80a-n对应于形成于导管14的内表面(例如，侧壁60)上的多个突起部。所述突起部可具有半圆形轮廓(例如，如图3c中所示)或六边形轮廓(例如，如图3-d中所示)。在这些实施例中，所述多个突起部延伸至导管14的内部区域72(图2b)中，并被设置成在导管14内的流体中产生湍流。突起部可用于对流进行引导、修改所述流/方向、及改变有效表面粗糙度。改变表面粗糙度可使得形成涡流，进而生成更湍急的流。此外，给定突起部可为用于进行化学反应的激活部位，或用于侦测流体的一个或多个状态的传感部位。

现在参照图4a至图4b，其示出展示根据本发明另一方面的离子植入机100的一部分的示例性实施例。离子植入机100包括内嵌于组件118内的导管114，其中在此非限制性实施例中，组件118对应于淹没式等离子体枪(plasmafloodgun，pfg)。

淹没式等离子体枪可用于离子植入机100内，以提供用于中和束中的正离子的负电子。具体而言，淹没式等离子体枪可定位于台板附近以恰好在离子束对晶片或目标基板进行撞击之前靠近入射的离子束。淹没式等离子体枪包括等离子体室120，在等离子体室120中通过对惰性气体(例如，氩气(ar)、氙气(xe)、或氪气(kr))的原子进行离子化而产生等离子体。来自等离子体的低能电子被引入至离子束中并朝目标晶片拉动，以中和带过多正电荷的晶片。

如图4b中所示，内嵌导管114对整个组件118提供热控制及气体分配。在示例性实施例中，内嵌导管114可提供在整个组件118上更均匀的热性能、提供更理想的气体分配、更小的包络(即，更小的体积需求、更小的几何结构、更小的所占体积/空间)及更少的部件数目，进而降低成本且易于制造。内嵌导管114还可减少由将多个部件装配在一起而造成的潜在污染。与上述实施例相似，组件118及导管是使用增材制造工艺而形成。在各种实施例中，导管114可包括任意数目的横截面轮廓和/或凸起表面特征，包括以上所述及在图3a至图3-d中所示者中的任意者。

现在参照图5a至图5c，其示出展示根据本发明另一方面的离子植入机200的一部分的示例性实施例。离子植入机200包括内嵌于组件218内的多个导管214，其中在此非限制性实施例中，组件218对应于与磁铁一起使用的冷却板。

如上所述，磁铁可用于离子植入机200内，以在离子源的离子化区中产生磁场。由于磁铁是热敏组件(对已知离子源的操作温度范围尤其敏感)，因此可对其附着冷却板以降低会影响磁铁的温度。

如图5b至图5c中所示，冷却板(即，组件218)包括内嵌于所述冷却板内的多个复杂导管214以向磁铁提供更多的冷却。如图所示，一个或多个导管214环绕冷却板的内开口226，且延伸至外周边230。在此实施例中，多个平行的通路提供所期望的冷却，同时还限制冷却剂的压降(pressuredrop)及净温升(nettemperatureincrease)。由于冷却板可使用增材制造工艺而一体地形成，因此由所述冷却板的组件之间的界面所造成的欠佳热性能(suboptimalthermalperformance)被消除。此外，导管214的轮廓不受冷却管的制作及布置(这些技术会限制可行的导管构形的数目)的约束。

现在参照图6a至图6b，其示出展示根据本发明另一方面的离子植入机300的一部分的示例性实施例。离子植入机300包括内嵌于组件318内的多个导管314，其中在此非限制性实施例中，组件318对应于弧室基座(arcchamberbase)。

所述弧室基座可接触间接受热式阴极(indirectlyheatedcathode，ihc)弧室及离子化区带，所述间接受热式阴极弧室界定一组导电性(例如，钨)室壁334，在所述离子化区带中能量被施予至掺杂剂馈入气体(dopantfeedgas)以产生相关离子。不同的馈入气体经由所述多个导管314而供应至离子源室，以获得用于形成具有特定掺杂剂特性的离子束的等离子体。举例而言，在相对高的室温度下作为掺杂剂气体引入的h2、bf3、gef4、ph3及ash3被分解成具有低的、中等的及高的植入能量的单原子。这些离子被形成为束，且所述束接着穿过源过滤器(未示出)。

如图6b中所示，导管314可内嵌至弧室基座(即，组件318)中，以对其提供热控制及气体分配。因气体分配更理想，导管314提供更均匀的热性能，对使用减性制造技术所难以机械加工的材料而言尤其如此。导管314还提供小的包络并使总部件的数目减少，进而降低成本且更易于制造。与上述实施例相似，包含导管314的组件318可使用增材制造工艺而形成。在某些实施例中，导管314可包括任意数目的横截面轮廓和/或凸起表面特征，包括以上所述及在图3a至图3-d中所示者中的任意者。

现在参照图7a至图7b，其示出展示根据本发明另一方面的离子植入机400的一部分的示例性实施例。离子植入机400包括内嵌于组件418内的多个导管414，其中在此非限制性实施例中，组件418对应于用于保持晶片的台板。

如图所示，导管414可形成于组件418的内部表面438上，且代表例如内嵌冷却通道。导管414可自入口440取出气体或液体并经由组件418而将所述液体或气体递送至出口448。如在此非限制性实施例中所示，导管414可大体被形成为线圈。以此种构形形成导管14使得流体能够更均匀地分布于整个组件418，进而提供增强式热管理。

与上述实施例相似，组件418可使用增材制造工艺而形成。在图7a至图7b中所示的实施例中，导管414的复杂线圈构形可与组件418同时形成，例如一体地形成。在某些实施例中，导管414可包括任意数目的横截面轮廓和/或凸起表面特征，包括以上所述及在图3a至图3-d中所示者中的任意者。

现在参照图8a至图8b，其示出展示根据本发明另一方面的离子植入机500的一部分的示例性实施例。离子植入机500包括内嵌于组件518内的多个导管514a-514d，其中在此非限制性实施例中，组件518对应于臂或连接元件。

如图所示，复杂轮廓导管514a-514d可内嵌至机构的部件或件中，以使得能够在移动组件中对复杂轮廓导管514a-514d进行热管理、气体分配或缆线管理，同时无需敷设额外的管道。在此实例中，导管514-a可代表自组件518的近端546延伸至组件518的远端552的缆线导管。导管514-b可代表同样自组件518的近端546延伸至组件518的远端552的气体或热管理导管。同时，导管514c-514d可代表部分地沿组件518自远端552延伸至穿过侧壁558的各自出口的气体或热管理导管。与上述实施例相似，包含导管514a-514d的组件518可使用增材制造工艺而形成。在某些实施例中，导管514a-514d可包括任意数目的横截面轮廓和/或凸起表面特征，包括以上所述及在图3a至图3-d中所示者中的任意者。

现在参照图9，其示出说明一种用于形成内嵌于根据本发明的半导体制造装置的组件内的导管的示例性方法600的流程图。将结合图1至图8中所示示意图来阐述方法600。

方法600包括使用增材制造工艺形成内嵌于半导体制造装置(例如，离子植入机)的组件内的导管，如方块601中所示。在某些实施例中，导管可通过以下中的一者而内嵌于组件内：融合沉积成型、以挤出为基础的工艺、喷射、选择性激光烧结、粉末/黏合剂喷射、电子束熔化及立体光刻工艺。在某些实施例中，导管可例如以螺旋构形而形成有多个波纹部。在某些实施例中，导管可形成有多边形横截面。在某些实施例中，导管可形成有五边形横截面。在某些实施例中，多个导管可形成于组件内，其中所述多个导管中的至少一者可具有圆形横截面。如方块603中所示，方法600还包括使用增材制造工艺在导管的内表面上形成一组凸起表面特征。在某些实施例中，所述一组凸起表面特征可延伸至导管的内部区域中。在某些实施例中，所述一组凸起特征可包括多个突起部和/或多个凸脊中的至少一者。

综上所述，本文所公开的实施例会实现至少以下优点。第一，本文所公开的导管是使用增材制造工艺而形成于固体物体中。如此一来，导管可形成有利用传统减性制造技术(例如，钻制)所无法实现的复杂形状、轮廓及横截面。因此，组件可被设计成更接近于理想几何结构，进而增强流体系统的热性能。第二，本文中所公开的对导管的增材制造能够更显著地控制其表面光洁度(surfacefinish)及特征，进而影响在其中流动的流体的流动性质。根据所公开的实施例，导管的内部表面特征可在组件的制作期间形成。这些表面特征可进行变化以实现所期望的流动特性(例如，紊流)，且这些表面特征无法利用减性制造技术来实现。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。