(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温イオン注入のための装置において、
イオン注入中にウェハを支持し、少なくとも１次元内のウェハの運動を容易にするためのウェハ支持機構と、
前記ウェハ支持機構に結合された冷却機構とを備え、
前記冷却機構が、
冷却ユニットと、
少なくとも１つの冷却媒体を前記冷却ユニットから前記ウェハ支持機構へ循環させるための剛性パイプの閉ループと、
前記少なくとも1次元内の前記ウェハの運動を許容するように前記剛性パイプを結合するための１つ以上の回転ベアリングと、を備え、
前記少なくとも１つの冷却媒体が少なくとも１つのガス状冷却媒体を含み、かつ、前記少なくとも１つの冷却媒体が窒素、アルゴン、清浄乾燥空気から成るグループから選択され、
前記装置は、さらに、前記剛性パイプの閉ループの少なくとも一部を、イオン注入中に前記ウェハが保持される第１の真空空間から分離するケーシングを備えることを特徴とする低温イオン注入用装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つのガス状冷却媒体が所望の熱伝達速度のために前記剛性パイプ内を乱流で循環することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ケーシングが、前記剛性パイプの閉ループの前記少なくとも一部を熱的に絶縁するために、第２の真空空間を供与することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
さらに、前記ケーシング内に、開いた場合、前記第１の真空空間と前記第２の真空空間との間の連通を許可する弁を備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ケーシングがエンドステーションの壁を貫く空気軸受シャフトを備え、前記エンドステーションが前記第１の真空空間を取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
各々の回転ベアリングが２本の入口パイプおよび２本の出口パイプと結合するように構成され、前記２本の入口パイプの回転が前記２本の出口パイプを回転させないように、第１入口パイプが環状チャネルを介して第１出口パイプと連通し、第２入口パイプが軸チャネルを介して第２出口パイプと連通していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記冷却ユニットが、前記剛性パイプの閉ループの一部を、液体窒素、固体二酸化炭素、液体アンモニア、および混合冷媒から成る第１グループから選択される１つ以上の冷却媒体で冷却する第１の熱交換器を備え、前記第1の熱交換器が前記ウェハを第１の温度範囲内にすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
さらに、前記ウェハを前記第１の温度範囲とは異なる第２の温度範囲内にする第２の熱交換器を備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
さらに、前記剛性パイプの閉ループの一部を加熱し、前記ウェハ支持機構により保持された前記ウェハを所望の温度範囲内にするトリムヒーターを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの冷却媒体が２つの冷却媒体を含み、さらに、所望のウェハ温度範囲を達成するために前記２つの冷却媒体のうち１つを選択する選択機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記２つの冷却媒体が、室温イオン注入のために前記ウェハを冷却する水および室温よりも低い温度に前記ウェハを冷却するガス状冷却媒体を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記２つの冷却媒体が２つの液状冷却媒体を有し、前記２つの冷却媒体間を切り替える際に、前記剛性パイプの閉ループをガスでパージすることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記ウェハ支持機構が、対向流パターンを生じるように配置した複数の冷却チャネルを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記ウェハ支持機構が、多数のインターデジタル電極セグメントを有する静電クランプを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記静電クランプが多相電源により付勢されることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
低温イオン注入のための方法において、
ウェハを少なくとも１次元内で動かすように構成されたプラテン上にウェハを設置する
ステップと、
剛性パイプの閉ループの少なくとも２つの部分が前記少なくとも1次元内の前記ウェハ
の運動を許容するために１つ以上の回転ベアリングを介して連結されている前記剛性パイ
プの閉ループを前記プラテンに結合するステップと、
前記ウェハへのイオン注入中に前記ウェハを所定の温度範囲内に維持するために、少な
くとも１つのガス状冷却媒体を、前記剛性パイプの閉ループを介して前記プラテンへ循環
させるステップと、
前記少なくとも１つのガス状冷却媒体を、所望の熱伝達速度のために前記剛性パイプ内を乱流で循環させるステップと、
を備え、
前記少なくとも１つのガス状冷却媒体が窒素、アルゴン、清浄乾燥空気から成るグループから選択されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
さらに、前記剛性パイプの閉ループの少なくとも一部を、イオン注入中に前記ウェハが
保持される第１の真空空間から分離するステップを具えることを特徴とする請求項１６に
記載の方法。
【請求項１８】
さらに、前記剛性パイプの閉ループの少なくとも一部を熱的絶縁するために、第２の真空空間を供与するステップを備えることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
さらに、弁により前記第１の真空空間と前記第２の真空空間との間の連通を許可するステップを備えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
さらに、前記剛性パイプの閉ループの一部を加熱して、前記ウェハ支持機構により保持された前記ウェハを所望の温度範囲内にするステップを備えることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
さらに、異なるウェハ温度範囲を達成するための、前記少なくとも１つのガス状冷却媒体とは異なる第２の冷却媒体を選択するステップを備えることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２の冷却媒体が室温イオン注入のために前記ウェハを冷却する水を含み、前記少なくとも１つのガス状冷却媒体が室温よりも低い温度でのイオン注入のために前記ウェハを冷却するステップを備えることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には半導体製造、より詳しくは低温イオン注入のための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
継続する半導体デバイスの小型化にともない、極浅接合の需要が増してきている。例えば、現代の相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ:complementary metal-oxide-semiconductor）デバイスの要求を満たすために、より活性化した、より浅く、そしてより急峻なソース‐ドレイン延長接合の作製に多大な努力が払われている。
【０００３】
結晶性シリコンウェハに急峻な極浅接合を作製するためには、例えば、ウェハ表面のアモルファス化が望ましい。一般に、イオン注入による格子間原子は、ポスト・インプラント・アニールの一部としての固相エピタキシャル成長後、ほとんどそこにとどまらないので、比較的厚いアモルファスシリコン層が好適である。薄いアモルファス層は、アモルファス‐結晶質界面を越えてエンドオブレンジ領域内に存在するより多くの格子間原子につながる可能性がある。これらの格子間原子は、イオン注入したドーパントの過渡増速拡散（ＴＥＤ:Transient Enhanced Diffusion）につながり、得られえるドーパントプロファイル（例えばＰ−ＮまたはＮ−Ｐ接合）を深くする、および／または、所望の急峻性を失わせる可能性がある。その結果、より薄いアモルファス層は、逆に電子デバイスにおいてショートチャネル效果を増やすことになり得る。格子間原子は、特にホウ素の場合ドーパント活性化を低減する可能性がある不活性なクラスターの形成にもつながる可能性がある。活性化アニール中に除去されなかったアモルファス‐結晶質界面を越えた格子間原子は、結合して複雑なエンドオブレンジ損傷を形成する可能性がある。この損傷は、接合リークにつながり、損失機構を生ずる可能性がある。損傷は、後の熱処理中に、さらなるドーパント拡散およびドーパント非活性化につながる可能生のある格子間原子が発生することにより生じる可能性がある。
【０００４】
イオン注入中の比較的低いウェハ温度はシリコンウェハのアモルファス化に有利であることが分かっている。現在のイオン注入の適用において、一般的に、ウェハを注入処理中に水冷器を用いたガスアシストプロセスにより冷却する。多くの場合、そのような冷却技術は、ウェハ温度を冷却機温度（例えば１５℃）とフォトレジストの完全性を保つために課された上限の高温度（例えば１００℃）との間にする。そのような高温度は、自己アニール効果、すなわち、（注入中の）フレンケル対（イオンビーム照射により生成した空孔‐格子間原子対）の消滅を増進する可能性がある。シリコンのアモルファス化は、十分な数のシリコン原子がビームイオンにより変位された場合にのみ起こるので、高温におけるフレンケル対消滅の増加は切望していたアモルファス化処理に対して不利に働き、アモルファス化のためのドーズしきい値が高くなり、よって理想的に浅い接合は得られない。
【０００５】
他のパラメータが同じ状態で、アモルファスシリコン層の厚さを、自己アニール効果の低減による注入温度の低下と共に増大させることができる。したがって、より良いプロセス制御およびデバイス性能の予測を達成することができる。
【０００６】
ウェハを例えば５秒で１０００℃まで熱する急速熱アニールが、注入したドーパントを活性化するために一般に用いられてきた。無拡散アニール（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ‐ｌｅｓｓ  ａｎｎｅａｌ）は好適なポスト・インプラント・プロセスとなっており、このプロセスではウェハの温度を、例えばレーザーまたはフラッシュランプを熱源として用いて、ずっと速く（例えば５ミリ秒で１０００℃まで）上昇させる。これらの非常に急速な熱処理はとても速く実行されるので、ドーパントが有意に拡散する時間がないが、注入損傷を修復する時間も少ない。低温イオン注入は、このような無拡散アニール中の注入損傷の修復度合いを改善する可能性があると信じられている。
【０００７】
低温イオン注入には他の理由も存在する。
【０００８】
低温イオン注入が試みられてきたが、既存の方法は多くの欠陥に悩まされている。例えば、現在の半導体産業における動向はシングルウェハ・イオン注入機を好むが、低温イオン注入技術は、バッチウェハ・イオン注入機のために開発されてきた。バッチウェハ・イオン注入機は、一般的に、単一真空チャンバ内に収容された複数のウェハ（バッチ）を加工処理する。しばしば長時間にわたる、同一の真空チャンバにおけるいくつかの冷却したウェハの同時存在は、並外れた現場冷却能力を必要とする。ウェハの全バッチを予冷却することは、各々のウェハが注入される順番を待つ間に異なる温度上昇を経験するので容易な選択肢ではない。さらに、低温のウェハに対する真空チャンバの長期間の露出は、残留水分による着氷に結びつく可能性がある。研究環境において、しばしば機械的にサンプルマニピュレータに保持した小さな基板上で、若干の低温イオン注入がシングルウェハ・イオン注入機において実行されてきた。しかし、このような研究のための実施は、大きな基板の高い生産−価値（ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ−ｗｏｒｔｈｙ）スループットを低い金属および粒子汚染で達成することを考慮する必要がない。
【０００９】
前記の観点から、低温イオン注入をシングルウェハ・高スループット・イオン注入機に用い、上記の欠点および欠陥を克服する解決方法をもたらすことが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７１１１４６７号明細書
【発明の概要】
【００１１】
低温イオン注入のための技術を開示する。一つの模範的な特定の実施形態において、この技術は低温イオン注入のための装置として実現することができる。この装置は、イオン注入の間ウェハを支持し、少なくとも１次元内のウェハの運動を容易にするためのウェハ支持機構を備えることができる。この装置は、前記ウェハ支持機構と結合した冷却機構も備えることができる。この冷却機構は、冷却ユニット、少なくとも１つの冷却媒体を該冷却ユニットから前記ウェハ支持機構へ循環するための剛性パイプの閉ループ、および、前記少なくとも1次元内のウェハの運動を許容するように前記剛性パイプを結合する１つ以上の回転ベアリングを備えることができる。
【００１２】
別の模範的な特定の実施形態において、この技術は低温イオン注入のための方法として実現することができる。この方法は、ウェハを少なくとも１次元内で運かすように構成されたプラテン上にウェハを置くステップを備えることができる。この方法は、剛性パイプの閉ループをプラテンに結合するステップを備えることもでき、この閉ループの少なくとも２つの部分が、前記少なくとも1次元内のウェハの運動を許容するために１つ以上の回転ベアリングを介して連結されている。この方法は、さらに、ウェハへのイオン注入中にウェハを所定の温度範囲内に維持するために前記剛性パイプの閉ループを介して少なくとも１つのガス状冷却媒体をプラテンに循環させるステップを備えることができる。
【００１３】
本発明は、これから、添付の図に示されるその模範的な実施形態に関してより詳細に説明される。本発明は模範的な実施形態に関して以下に説明されるが、本発明はそれに限定されないことを理解すべきである。本明細書に開示されている教えを入手できる当業者は、追加の実施、変形および具体化、ならびに、他の使用分野を認識されよう。それらは本発明の範囲内にあり、それらに対して本発明はきわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のイオン注入機を示す。
【図２】本発明の一実施例に従って低温イオン注入のために変更することが可能なウェハ支持アセンブリの断面図を示す。
【図３】本発明の一実施例に従う低温イオン注入のための模範的なウェハ支持アセンブリの斜視図を示す。
【図４】本発明の一実施例に従う回転ベアリングの模範的な設計の種々の図を示す。
【図５】本発明の一実施例に従う低温イオン注入のための模範的な熱交換システムを説明するブロック図を示す。
【図６】本発明の一実施例に従う冷却チャネルの模範的なパターンを示す。
【図７】本発明の一実施例に従う静電クランプの模範的な電極パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の完全な理解を容易にするために、同じ素子は同じ数字で示されている添付図面を参照して説明する。これらの図は本発明を限定するものでなく、一例にすぎない。
【００１６】
本発明の実施例は、改善された設計のウェハ支持および冷却システムによって低温イオン注入中の直接のウェハ冷却を容易にする。イオン注入機において、剛性冷却媒体パイプを１つ以上の回転ベアリングを介して相互連結し、プラテンに結合することができ、剛性冷却媒体パイプが比較的高い圧力での冷却媒体の循環を許容し、回転ベアリングがプラテンの運動を許容する。剛性冷却媒体パイプは、熱損失および凝結を防ぐために真空ケーシングにより断熱することができる。軽度の漏出がイオン注入機を汚染しないので、ガス状冷却媒体を好適とし得る。ウェハ温度のより精密な制御を、冷却システムに加熱素子を組み込むことにより達成することができる。
【００１７】
本明細書に記載した技術は、ビームラインイオン注入機に限定されず、プラズマドーピング（ＰＬＡＤ:plasma doping）またはプラズマ雰囲気イオン注入（ＰＩＩＩ:plasma immersion ion implantation）に用いられるイオン注入機のような他のタイプのイオン注入機にも適用できる。
【００１８】
図１は、低温イオン注入のための技術を本発明の実施例に従って実施することができる従来のイオン注入機システム１００を表す。ほとんどのイオン注入機システムによくあるように、システム１００は高真空環境内に収容される。イオン注入機システム１００は、電源１０１により所定の電位にバイアスされるイオン源１０２、および、イオンビーム１０が通過する複雑な一連のビームラインコンポーネントを備えることができる。一連のビームラインコンポーネントは、例えば、抽出電極１０４、９０°マグネットアナライザー１０６、第１減速（Ｄ１）ステージ１０８、７０°マグネットコリメータ１１０、および第２減速（Ｄ２）ステージ１１２を含むことができる。光ビームを操作する一連の光学レンズと非常に類似して、ビームラインコンポーネントは、イオンビーム１０をターゲットウェハに向かわせる前にフィルタリングし、フォーカシングすることができる。イオン注入中、ターゲットウェハは、一般的に、「ロプラット（roplat）」と称されることもある装置により、１次元以上（例えば並進、回転、および傾斜）において運動し得るプラテン１１４上に装着される。
【００１９】
図２は、本発明の一実施例に従って低温イオン注入用に変更できるウェハ支持アセンブリ２００の断面図を示す。ウェハ支持アセンブリ２００は、内部を高真空に維持したエンドステーション２６の中およびその中を通って、実装することができる。エンドステーション２６の外側は、大気圧またはその近くであることができる。ウェハ支持アセンブリ２００は、１つ以上のベアリングおよび／または継ぎ手を介して互いに結合されたプラテン２８、上側部分７０、下側部分６５、および空気軸受シャフト５０を備えることができる。ウェハ２７は、イオンビーム１２によりイオン注入を受けるためにプラテン２８上に装着することができる。
【００２０】
空気軸受シャフト５０は、エンドステーション２６の壁を貫き、（二重矢印５２に示されるように）ウェハ２７の垂直スキャン動作を容易にすることができる。この動作中、空気軸受５５は、エンドステーション２６の壁と空気軸受シャフト５０との間の真空シールを保持することができる。空気軸受シャフト５０は、さらに垂直軸６０を中心に例えば±２°まで回転し、イオンビーム１２に関する操作誤差を補正することができる。明確にするため、当技術分野において周知である、リニアドライブモーター、リニアエンコーダおよびアングルエンコーダ、差動式真空ポンプ、移動制御システムおよびその他のコンポーネントのような、空気軸受シャフト５０に関するコンポーネントは、図２に示さない。
【００２１】
ウェハ支持アセンブリ２００の下側部分６５は、空気軸受シャフト５０の上に装着することができる。ウェハ支持アセンブリ２００の上側部分７０は、傾動軸８０に沿って下側部分６５に取り付けることができる。これらのコンポーネントの内部をエンドステーション２６における高真空とは対照的に大気圧またはその近くにできるように、２つの部分６５と７０は互いにおよび空気軸受シャフト５０と流体連通にすることができる。ウェハ２７は、軸８０を中心に、水平面に対して例えば±６０°傾けて傾斜イオン注入に適応することができる。ウェハ２７は、さらに、軸９０を中心にねじり運動し、例えば高スループットのバイモード注入またはクワッドモード注入に適応することができる。当技術分野において周知である、ベアリング、真空シール、モーター、エンコーダおよびその他の部分は図２に示さない。
【００２２】
低温イオン注入機の従来設計において、冷却システムは、ウェハ支持アセンブリ２００内に組み込む、または、ウェハ支持アセンブリ２００と結合することができる。冷却システムは、しばしば、液状冷却媒体をプラテン２８に供給するための柔性冷却媒体パイプ９５、プラテン２８のねじれ運動を許容するための冷却媒体コイル１０５、および液状冷却媒体をプラテン２８内に循環させるための冷却媒体ループ１０１を含む。ウェハ２７を、イオン注入中、ウェハ２７内に蓄積されたビームエネルギーの発熱効果を打ち消すために冷却することができる。ウェハ２７はプラテン２８上に静電的に固定することができ、ウェハ２７とプラテン２８との間の熱伝導を改善するために背面ガスを導入できるように、一般的にウェハ２７とプラテン２８との間に８ミクロンのギャップがある。明確にするため、背面ガスのための回路を図２に示さない。ウェハ２７は、背面ガスを介して熱をプラテン２８内に伝達し、次いで冷却媒体ループ１０１内を流れる液状冷却媒体が余剰熱を運び去ることができる。
【００２３】
一例として、ビームエネルギー６０ｋｅＶおよびビーム電流２０ｍＡでのヒ素（Ａｓ）注入は、約１２００Ｗのエネルギーをエンドステーション２６内に蓄積することができる。このイオン注入処理中、ウェハ２７とプラテン２８との温度差は４０℃になり得る。外部の水冷式熱交換器（図示せず）により２０℃まで冷却した水の流れを、プラテン２８に、内径０．１８８インチの柔性薄壁プラスチックパイプを介して、０．６ガロン／分（ｇｐｍ:gallons per minute）の速さで循環させることができる。この水の流れは、ウェハ温度が上限（例えば、それを超えるとウェハをマスクしているフォトレジストが劣化することが分かっている１００℃）を超えないようにするのに十分とすることができる。
【００２４】
図３は、本発明の一実施例に従う低温イオン注入のための代表的なウェハ支持アセンブリ３００の斜視図を示す。図２に示したウェハ支持アセンブリ２００と比較して、柔性冷却媒体パイプ（９５、１０１および１０５）を、プラテン２８の軸６０、８０、９０を中心とする運動を許容するために、回転ベアリング１２０、１２２および１２４で相互接続される一連の剛性冷却媒体パイプ（例えば金属パイプ）１２６、１２７および１２８と置換することができる。回転ベアリング１２０，１２２および１２４は、同一の設計または互いに異なる設計にすることができる。回転ベアリングの一つの模範的な設計を、図４に関して後記する。剛性冷却媒体パイプ１２６は、さらに、インターフェイスボックス１３０を介して冷却機システム１４５に結合し、断熱された柔性ライン１３５に接続することができる。
【００２５】
ウェハ支持アセンブリ３００における２つの部分６５および７０は、これらのコンポーネントの内部が、エンドステーション真空（図示せず）とは異なる真空空間を形成するように、互いにおよび空気軸受シャフト５０と流体連通している。この真空空間は、冷却媒体パイプ（１２６、１２７および１２８）および回転ベアリング（１２０，１２２および１２４）のための熱的絶縁を提供するだけではなく、それらの上への凝結も防ぐことができる。空気軸受シャフト５０内の真空レベルは、ロータリーポンプまたはロータリーポンプとターボポンプの組み合わせのような、真空ポンプシステム１４０により、インターフェイスボックス１３０を介してポンピングすることで達成することができる。真空レベルは、空気軸受シャフト５０の端縁をインターフェイスボックス１３０により閉鎖し、内部空洞をエンドステーション２６（図３には示さず）内の高真空空間と連通可能にすることによって達成することもできる。この連通は、例えばメンテナンスをエンドステーション真空を妨げることなく空気軸受シャフト５０内で行えるように、弁（図示せず）により制御することができる。空気軸受シャフト５０内の真空空間を維持する代わりに、その内部空洞を乾燥不活性ガスで満たすまたはパージすることができる。さもなければ、冷却媒体パイプ（１２６、１２７および１２８）および回転ベアリング（１２０，１２２および１２４）を断熱するのが望ましいかもしれない。
【００２６】
図４は、本発明の一実施例に従う回転ベアリング４００の模範的な設計の種々の図を示す。回転ベアリング４００は、ベアリング２４５およびカバープレート２５０を介して結合された内側ハブ２０５および外側ハブ２００を備えることができる。内側ハブ２０５は、外側ハブ２００内で軸２５５のまわりを回転することができる。その代わりにまたは加えて、内側ハブ２０５が静止している時、外側ハブ２００が軸２５５のまわりを回転することができる。
【００２７】
第１入口パイプ２１０は、環状チャネル２１４を介して第１出口パイプ２２０と連通しており、それにより第１流路を形成することができる。第２パイプ２１２は、軸チャネル２１６を介して第２出口パイプ２２２と連通しており、それにより第２流路を形成することができる。なお、「入口」パイプおよび「出口」パイプの意味は、単に説明目的だけである。これらの流路内の冷却媒体流はいずれの方向にも流れることができる。例えば、冷却媒体は第１流路に沿って入り、次いでプラテン（図示せず）内の冷却チャネルを通過後、第２流路を介して戻ることができ、また冷却媒体は第２流路に沿って入り、次いで第１流路を介して戻ることができる。
【００２８】
内側ハブ２０５の回転が、第１流路または第２流路内のいずれの冷却媒体流も遮断しないことを理解できる。環状チャネル２１４および軸チャネル２１６を、ベアリング２４０および２４２によりシールできる。ベアリング２４０および２４２のシール面は、例えばテフロン（登録商標）、グラファイト、グラファイト含浸テフロン、アルミナ、アルミニウム酸窒化物または炭化ケイ素のようなセラミック材料、または金属とすることができる。シール面間の圧力は、図示したように静止ハブ２００に溶接できるベローズ２３０および２３２により維持することができる。その代わりに、外側ハブ２００とベローズ２３０および２３２との間に位置する、２４０および２４２と類似の第２組のシール（図示せず）を設けることもできる。
【００２９】
回転ベアリングにおける他の設計も、本発明の趣旨から逸脱することなく実現することができる。
【００３０】
図５は、本発明の一実施例に従う低温イオン注入のための模範的な熱交換システム５００を説明するブロック図を示す。この熱交換システムは、冷却回路の第１ループ５１および第２ループ５２を備えることができる。
【００３１】
第１ループ５１は、ＬＮ２タンク５０２からＬＮ２−Ｎ２熱交換器５０４へと、第１冷却媒体として液体窒素（ＬＮ２）（または冷温の窒素ガス）を循環させることができ、熱交換器５０２において第２ループ５２の一部がＬＮ２により冷却される。ＬＮ２から発生した窒素（Ｎ２）蒸気を、蒸気トラップ５０６内に捕集することができる。
【００３２】
第２ループ５２は、第２冷却媒体としてＮ２を循環させることができる。圧縮機５０８が供給するＮ２はポンプ５１０によりＬＮ２−Ｎ２熱交換器５０４に輸送され、ここでＮ２は冷却され、真空インターフェイスボックス５１４、空気軸受シャフト５１６、およびロプラット５１８を介して、真空チャンバ５０内に位置するプラテン５２０へとさらに循環される。冷却されたＮ２は、プラテン５２０により保持したターゲットウェハ（図示せず）を、予冷却および／または連続的に冷却することができる。プラテン５２０における熱伝達後に、温かくなったＮ２をＬＮ２−Ｎ２熱交換器５０４にポンピングしてさらに循環させることができる。
【００３３】
第２冷却媒体Ｎ２のより精密な温度制御のために、トリムヒーター５１２を、第２ループ５２に結合することができる。代りに、加熱素子（図示せず）をプラテン５２０内に組み込むこともできる。トリムヒーター５１２、ＬＮ２−Ｎ２熱交換器５０４、および／またはポンプ５１０のポンピングスピードの協調的調整によって、第２冷却媒体Ｎ２（したがってプラテン５２０）を一定温度にする、または、所望の温度範囲内にとどめることができる。
【００３４】
真空ポンプシステム５０１は、ポンプ５１０、トリムヒーター５１２、および真空インターフェイスボックス５１４のような、熱交換システム５００の様々なコンポーネントのために働くことができる。
【００３５】
本発明の実施例によれば、低温イオン注入機における第２冷却媒体として、窒素のようなガスを用いるのが有利であるとし得る。適切な冷却媒体ガスは、例えば、窒素、清浄乾燥空気またはアルゴンのような、化学的に不活性な１種類または複数を混合したガスを備えるものとし得る。漏出速度が漏出した冷却媒体ガスをポンピングする真空ポンプに対して十分に小さい限り、第２冷却ループからイオン注入機への軽度な漏出は許容することができる。ヘリウムまたは水素は、真空ポンプでポンピングするのが困難であるので、良い選択ではないかもしれない。不活性ガスの漏出は、腐食性を有さず、凝結を起こさない。
【００３６】
ガス状冷却媒体は、液状冷却媒体より大きな流速を必要とする可能性がある。例えば、水の流速は、既存の水冷式プラテンにおいて、０．６ｇｐｍに達するだけでよい。より大きな流速に適応するために、ガス状冷却媒体のための冷却媒体パイプは、より大きな直径を有するかもしれない。冷却媒体流の数理モデルによれば、熱伝導を最大にするためには、冷却媒体パイプ内にガス状冷却媒体の（層流の対語としての）乱流を維持することが望ましいかもしれない。しかし、冷却媒体ガスの速度が高くなりすぎた（例えば、マッハ０．３すなわちガス内での音速の３０％を超えた）場合、理想気体仮定はもはや有効でない可能性がある。
【００３７】
ガス状冷却媒体を用いた冷却システムは市販されている。一例として、（マサチューセッツ州チェルムスフォードの）Ｂｒｏｏｋｓ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ社から入手できる、商標名ＰｏｌｙＣｏｌｄシステムＰＧＣＬ２という閉ループガス冷却機があり、特許文献１において記載されている。しかし、ＰｏｌｙＣｏｌｄシステムの冷却機に使用される冷却媒体は、例えば、液体窒素、固体二酸化炭素、またはアンモニアのような、他の冷却媒体に置換することができる。大きな流速が冷却媒体ガスにとって望ましいので、第２ループは、冷却媒体ガスを循環させるために閉じるのが好ましい。軽度の漏出により失われたいかなる冷却媒体ガスも置換するために、供給を行うことができる。しかし、ガスの保存が関係ない場合、ＰｏｌｙＣｏｌｄシステムのＰＧＣガス冷却機のような、開口型の第２冷却システムも用いることができる。
【００３８】
代替実施例によれば、図５に示したシステム（システム５００）のような、熱交換システムは、２つ以上の熱交換器を含むことができる。例えば、第１熱交換器を、室温イオン注入に対して用いることができる。第１熱交換器は、プラテンを冷却する第２ループと熱を交換するために、水を用いることができる。冷イオン注入のために、第２ループを、例えば弁システムにより、第１熱交換器をバイパスするようにリディレクトし、第２熱交換器により十分低い温度まで冷却することができる。
【００３９】
別の実施例によれば、単一熱交換器を全温度範囲に対して使用することができ、異なる冷却媒体を所望のウェハ温度に従って選択することができる。例えば、室温イオン注入に対して水を選択することができ、異なる冷却媒体を低温イオン注入に対して選択することができる。液状冷却媒体は、混合を許容することができない。好適な実施例は、低温冷却媒体としてガスを、室温冷却媒体として水を用いることができるものとする。室温イオン注入後、冷たいガスをプラテンに循環させる前に、（室温または室温以上の）ガスを用いて熱交換器および関連する冷却チャネルから水をパージすることができる。ガス状冷却媒体と液状冷却媒体の両方を流す単一熱交換器に対しては、十分な液体およびガス流を収容するように冷却チャネル断面積の大きさを設定することが望ましいかもしれない。層流は低い熱伝導能力を有するので、冷却媒体流は乱流とするのが有利である可能性がある。代替実施例によれば、単一熱交換器は２つの異なる液状冷却媒体を流すことができ、この例においては、ある液状冷却媒体から別の液状冷却媒体に切り替える場合、ガスパージシーケンスを熱交換器のために実行することができる。
【００４０】
イオン注入のために静電プラテンを異なるウェハ温度で用いるために、プラテン設計に対して特別の配慮を払う必要があるかもしれない。
【００４１】
典型的な静電プラテンは、多重層を備える。第１に、プラテンは、プラテンをプロセス装置の残部に取り付けできるようにする、機械的ベース上に構築することができる。しばしばアルミニウムのような金属で形成された機械的ベースは、図２に示した冷却媒体ループ１０１のような冷却チャネルを含むことができる。機械的ベース層上に、アルミナまたはアルミニウム酸窒化物のようなセラミック材料で形成した絶縁層を設けることができる。電極層は、絶縁層上に位置することができる。電極層は、蒸着した金属とすることができ、単一の電極または複数の電極セグメントのいずれかとすることができる。薄い誘電体層を、電極層上に配置することができる。ウェハをプラテン上に静電的に固定するために、直流または交流電圧を電極に印加した場合、ウェハを誘電体層上に装着することができる。誘電体層は、巨視的に見て、ウェハの背面に完全に接触させることができ、またウェハの少しの割合のみが誘電体と接触するようにメサのような構造にすることができる。例えば、一つのプラテンにおいて、接触面積は、全ウェハ面積のたった１％にすぎない。この場合には、ウェハからプラテンへの熱伝導を増大させるために、ガスをウェハと誘電体との間に導入することができる。
【００４２】
機械的支持ベースに結合された絶縁層を用いる従来のプラテンは、プラテン内の異なる材料が異なる熱収縮を有するので、プラテンの熱サイクル中に湾曲する可能性がある。絶縁層と機械的支持ベースとの間のボンド層のセットアップ温度は、プラテンが平坦である温度である。セットアップ温度と異なるいかなる温度も湾曲を引き起こす可能性がある。何らかの理由でプラテン上面が湾曲する場合、その上に装着されたウェハは、プラテン面に追従し、湾曲にも追従するする可能性がある。この現象により、ウェハ上面の種々の部分の向きが注入イオンビームに対して変化し、広い角度分布が生じるため、プロセスの不均一性が生じる可能性がある。したがって、広い範囲のプロセス温度を意図したプラテンにおける湾曲を低減または除去する必要があるかもしれない。例えば、同一のプラテン設計で室温注入と低温注入の両方を行うことが望ましいかもしれない。このようなプラテン設計はイオン注入に限定されず、単一プラテンが有意な温度変化を経験するかもしれない他のプロセスにおいても用いることができる、ということは当業者により認識されよう。
【００４３】
一実施例によれば、プラテンの機械的ベースおよび絶縁層を、同一材料または単一の材料片により構築することが望ましいかもしれない。好適な実施例において、機械的ベースおよび絶縁層を、アルミナのような単一セラミックにより形成するものとする。代わりに、または、加えて、冷却チャネルを絶縁層内に埋め込み、絶縁層を周縁においてのみ機械的ベースに装着すれば、プラテンの湾曲を低減することができる。プラテンの湾曲を低減するための他の具体例は、
（１）  プラテンの活性セラミック内に冷却チャネルを設置すること、
（２）  水チャネルに通ずるようにセラミック上にコネクタをろう付けすること、
（３）  熱湾曲が最小になるようにセラミックを金属ベースの端縁への付着によって金属ベースに接続すること、
（４）  熱湾曲が最小になるように活性セラミック層の中央に電気接続領域を付着すること、
（５）  上記のプラテンと一緒にポリマー上面を使用すること、
（６）  上記のプラテンと一緒に硬く平坦なセラミック上面を使用すること、
（７）  上記のプラテンと一緒に低接触面積プラテンを使用すること、
（８）  システムを操作温度にするために上記のプラテン内において加熱素子を使用すること、および／または、
（９）    セラミックベースを使用すること、
を含むことができる。
【００４４】
図６は、本発明の一実施例に従うプラテン内の冷却チャネルの模範的なパターンを示す。この好適な実施例において、冷却チャネル７２５は単一材料７００内に機械加工される。単一材料７００は、ウェハリフトピン（図示せず）のための第１ばか穴セット７０５および電極接点のための第２ばか穴セット７１０を含むことができる。冷却媒体は、入口チャネル７２０を介して冷却チャネル７２５に入り、出口チャネル７１５を介して冷却チャネル７２５から出る（またはその逆である）ことができる。冷却チャネル７２５は、冷却媒体を流れ方向転換ループ７３０へ案内するチャネルが冷却媒体を逆方向へ案内するチャネルと交互に配置され、向流構造に形成される。図６において、冷却媒体の一流れ方向を点線で示し、反対の流れ方向を破線で示す。半径方向に数えた一つ置きの冷却チャネル７２５は、冷却媒体流を同一方向に流す。この対向流パターンおよび中央チャンバ７３５は、パターン内における温度分布を均等にすることができる。
【００４５】
図７は、本発明の一実施例に従う静電クランプ（ＥＳＣ）７５０の模範的な電極パターンを示す。
【００４６】
位相交流電圧（一般に３０Ｈｚ）により付勢される典型的なＥＳＣは、複数（例えば６つ）の電極セグメントを含み、（ウェハ固定力を供給するために）いくつかのセグメントを付勢するとともに、（ウェハ固定力を低減または供給させないために）他の電極セグメントを正電圧から負電圧に遷移させることができる。ウェハ固定力の損失中、背面ガス圧がウェハを電極セグメント間の空間にわたって上方へ偏向する可能性がある。このウェハ偏向は、次いで、ウェハ背面とプラテン表面との間の摩擦を引き起こし、粒子生成、ウェハ背面の粒子汚染、ウェハ背面の損傷、およびプラテン表面の摩耗を生じる可能性がある。
【００４７】
図７に示すように、上記のウェハ歪み問題を緩和するために、幅狭フィンガのインターデジタル電極パターン７５０を実装することができる。電極パターン７５０は、３位相または６位相の電源により付勢される３組の対を形成する６つの電極７５２−７６２を含むことができる。多相クランプ装置を実現する模範的な方法は、参照によって完全に本明細書に組み込まれる特許文献１に記載されている。電極パターン７５０は、電圧位相に関係なくウェハ固定力がウェハ領域上に分散されるように、インターデジタル構造である。その結果、ウェハ振動が止まり、したがって粒子生成を低減することができる。電極パターン７５０を、得られるウェハ固定力が、印加交流電圧のサイクル内の時刻と無関係に、ウェハ全域にわたって均一になるように、最適化することができる。この模範的な電極設計は、ＭａｔｈＣＡＤモデルにより予測されたように、ウェハ偏向を０．３ミクロンに低減することができる。この電極パターンまたは類似の電極パターンは、全背面接触誘電体層と共に、または低接触面積を有するプラテンと共に、用いることができる。
【００４８】
本発明の範囲は、本明細書に記載した特定の実施例によって限定されない。実際、本明細書に記載した実施例に加えて、他の様々な実施例および本発明の変更例が前記明細書および添付の図から当業者に明らかである。したがって、このような他の実施例および変更例は、本開示の範囲内にあることを担保する。さらに、本発明を特定の環境における特定目的のための特定の実施例に関連して本明細書に記載してきたが、その有用性はこの実施例に限定されず、本発明は任意の数の環境における任意の数の目的のために有利に実施できることを当業者は認識されよう。したがって、以下に記載した請求項は、本明細書に記載した本発明の全範囲および精神を考慮して解釈すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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