低温热传递系统

技术领域

本公开的实施例一般来说涉及半导体处理设备的领域，且更具体来说，涉及一种用于使离子植入工艺(ion implantation process)中所使用的可旋转台板(rotatableplaten)冷却的低温热传递系统(cryogenic heat transfer system)。

背景技术

离子植入是一种将性质改变的杂质引入到衬底中的标准技术。在离子植入工艺期间，在源腔室(source chamber)中将期望的杂质材料(“掺杂剂”)电离且引导离子通过提取开孔(extraction aperture)。使离子加速以形成规定能量的离子束且将离子束引导到衬底的表面上，所述衬底设置在工艺腔室中的可旋转台板上。离子束中的高能离子穿透衬底材料的次表面并被嵌入到衬底材料的晶格中，以形成具有期望导电性或材料性质的区。

在一些离子植入工艺中，通过在低温(例如，介于-100摄氏度与-200摄氏度之间)下将离子植入到目标衬底中来实现期望的植入轮廓。在离子植入工艺期间，可通过将衬底支撑在冷却的台板上来实现将目标衬底冷却到此种温度。通常，通过使冷却流体(例如，氦或氮)在高压下围绕台板的轴且与所述轴直接接触而进行循环来冷却台板。在可旋转台板的情况下，在允许轴旋转的同时围绕轴实施动态流体密封件(dynamic fluid seal)，以防止冷却流体泄漏到衬底的工艺环境中。此种密封件通常非常复杂、难以实施、且当在高压下面对流体时容易泄漏。因此，此种密封件实际上将冷却流体的选项限制到那些适于被密封且具有最小泄漏风险或没有显著泄漏风险的流体。举例来说，虽然流体及某些气体(例如氦气)可能是用作冷却流体的最佳选择，但常常会选择效率较低的气体(例如氮气)，因为在高压下效率较低的气体更容易密封。

针对这些及其他考虑，当前的改善可能是有用的。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一系列概念。本发明内容不旨在标识所主张主题的关键特征或必要特征，本发明内容也不旨在帮助确定所主张主题的范围。

根据本公开的低温热传递系统的实施例可包括台板、壳体，所述台板由可旋转轴支撑，所述壳体环绕所述可旋转轴的一部分，所述壳体包括：环形的热汇(heat sink)，环绕所述可旋转轴且在所述热汇与所述可旋转轴之间界定热传递间隙，所述热汇包括延伸穿过所述热汇的流体管道以使第一冷却流体经过所述热汇循环；第一动态密封配置，从所述热汇的第一轴向端部延伸且环绕所述可旋转轴；以及第二动态密封配置，从所述热汇的与所述第一轴向端部相对的第二轴向端部延伸且在径向上环绕所述可旋转轴，其中所述热汇以及所述第一动态密封配置及所述第二动态密封配置界定环绕所述可旋转轴的流体密封体积，所述流体密封体积容纳第二冷却流体。

根据本公开的低温热传递系统的另一实施例可包括台板、驱动机构、壳体，所述台板由可旋转轴支撑，所述驱动机构耦合到所述可旋转轴以使所述可旋转轴旋转，所述壳体环绕所述可旋转轴的一部分，所述壳体包括环形的热汇，所述环形的热汇环绕所述可旋转轴且在所述热汇与所述可旋转轴之间界定热传递间隙，所述热汇包括延伸穿过所述热汇的流体管道以使第一冷却流体经过所述热汇循环。所述壳体可还包括：第一动态密封配置，从所述热汇的第一轴向端部延伸且环绕所述可旋转轴，所述第一动态密封配置包括第一旋转支承构件及第一静止支承构件，所述第一旋转支承构件被固定到所述可旋转轴，所述第一静止支承构件环绕所述第一旋转支承构件且被固定到所述热汇，其中所述第一旋转支承构件与所述第一静止支承构件相互配合形成流体密封性密封件，所述流体密封性密封件在允许所述可旋转轴旋转的同时环绕可旋转轴；以及第二动态密封配置，从所述热汇的与所述第一轴向端部相对的第二轴向端部延伸且在径向上环绕所述可旋转轴，所述第二动态密封配置包括第二旋转支承构件及第二静止支承构件，所述第二旋转支承构件被固定到所述可旋转轴，所述第二静止支承构件环绕所述第二旋转支承构件且被固定到所述热汇，其中所述第二旋转支承构件与所述第二静止支承构件相互配合形成流体密封性密封件，所述流体密封性密封件在允许所述可旋转轴旋转的同时环绕可旋转轴。所述热汇以及所述第一动态密封配置及所述第二动态密封配置界定环绕所述可旋转轴的流体密封体积，所述流体密封体积容纳第二冷却流体，且其中所述第一冷却流体的流体压力大于所述第二冷却流体的流体压力。

根据本公开的离子植入系统的实施例可包括工艺腔室、台板、壳体，所述工艺腔室界定封闭的工艺环境，所述台板由设置在所述工艺腔室内的可旋转轴支撑，所述壳体环绕所述可旋转轴的一部分，所述壳体包括：环形的热汇，环绕所述可旋转轴且在所述热汇与所述可旋转轴之间界定热传递间隙，所述热汇包括延伸穿过所述热汇的流体管道以使第一冷却流体经过所述热汇循环；第一动态密封配置，从所述热汇的第一轴向端部延伸且环绕所述可旋转轴；以及第二动态密封配置，从所述热汇的与所述第一轴向端部相对的第二轴向端部延伸且在径向上环绕所述可旋转轴。所述热汇以及所述第一动态密封配置及所述第二动态密封配置界定环绕所述可旋转轴的流体密封体积，所述流体密封体积容纳第二冷却流体。所述离子植入系统可还包括激冷单元，所述激冷单元通过流体管线连接到所述流体管道且适于冷却所述第一冷却流体，其中所述激冷单元、所述流体管线及所述流体管道界定相对于所述工艺环境进行流体密封的静止的(stationary)闭环流体回路。

附图说明

举例来说，现将参照附图阐述所公开的系统的各种实施例，其中：

图1是示出根据本公开非限制性实施例的低温热传递系统的示意性剖视侧视图。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地阐述本实施例，其中示出一些实施例。本公开的主题可以许多不同的形式来体现且不应被解释为仅限于本文中提出的实施例。提供这些实施例是为了使本公开将透彻及完整，并将向所属领域中的技术人员充分传达主题的范围。在所有附图中，相同的数字指代相同的元件。

根据本公开，提供一种低温热传递系统并将在以下详细阐述所述低温热传递系统。本公开的低温热传递系统可在消除或大大降低高压冷却流体泄漏到离子植入系统的工艺环境中的风险的同时有利于离子植入系统中的可旋转台板的冷却。所提供的低温热传递系统的动态流体密封件仅需要容纳保持在低压下的冷却流体，因此相对于通常在传统冷却的可旋转台板中实施的动态流体密封件而言，降低了与实施动态流体密封件相关联的难度及复杂性。

参照图1，图1示出根据本公开非限制性示例性实施例的低温热传递系统10(下文中为“系统10”)的剖视侧视图。为了方便及清楚起见，以下可使用例如“顶部(top)”、“底部(bottom)”、“位于…上方(above)”、“位于…下方(below)”、“下部的(lower)”、“上部的(upper)”、“向下(downward)”、“向上(upward)”、“垂直的(vertical)”、“轴向的(axial)”及“径向的(radial)”等用语来阐述系统10的各种组件的相对放置及取向，所有这些用语都是针对图1中所绘示的系统10的几何形状及取向。所述术语将包括特别提及的词语、其派生词以及类似含义的词语。

系统10可包括大致平坦的、盘形的台板12，所述台板12适于将衬底14(例如，半导体晶片)保持在离子植入系统的工艺腔室16中。台板12可包括设置在台板12上或以其他方式与台板12集成的静电夹具15，以有利于将衬底14安全地夹持到台板12。静电夹具15可为所属领域中的普通技术人员熟悉的任何种类，且与本公开内容没有密切关系。在各种替代实施例中，机械夹具可代替静电夹具15。本公开并不仅限于此。台板12可由从台板12的底表面垂直地延伸的可旋转轴18支撑。在各种实施例中，台板12与轴18可为机械地耦合在一起的独立组件，或者可为连续的整体结构(例如，由一块连续的材料形成)的构成部分。台板12及轴18可由铝、氧化铝、不锈钢或具有类似良好导热率(例如，导热率高于175瓦每米开尔文)的其他材料形成。本公开并不仅限于此。

系统10的轴18可以可旋转地安装在壳体20内，且可耦合到适于以可控方式使轴18及台板12围绕垂直轴线22旋转的驱动机构21(例如，旋转驱动马达及滑轮配置、直接驱动旋转马达等)。壳体20可适于在允许驱动机构21旋转轴18及台板12的同时冷却轴18及台板12。壳体20可包括大致环形的、或圆柱形的热汇24，所述热汇24以与轴18的紧密的间隙关系在径向上环绕轴18。热汇24的内表面与轴18的外表面可大致是同轴的，且可在热汇24的内表面与轴18的外表面之间界定热传递间隙26。在各种实施例中，热传递间隙26可具有介于25微米到150微米的范围内的宽度。本公开并不仅限于此。热汇24可由铝、氧化铝、不锈钢或具有类似良好导热率(例如，导热率高于175瓦每米开尔文)的其他材料形成。在各种实施例中，热汇与轴18可由相同的材料(或具有相同或类似的热膨胀系数的材料)形成以维持热传递间隙的宽度，而不管温度如何。

热汇24可包括延伸穿过热汇24的流体管道28以使第一冷却流体30经过热汇24循环，如以下进一步阐述。第一冷却流体30可为适于冷却热汇24的任何流体或气体。此种流体及气体包括但不限于液态或气态氮、液态或气态氦、氖等。流体管道28可具有流体入口端口32及流体出口端口34，流体入口端口32及流体出口端口34分别通过流体管线38、40连接到激冷单元36。激冷单元36可将第一冷却流体30冷却到预定温度且可在高压(例如，2,500托到10,000托)下将第一冷却流体30泵送通过流体管道28以冷却热汇24。在各种实施例中，激冷单元36可为商用激冷器(例如，克拉美科(CRYOMECH)出售的冷氦循环系统(Cold HeliumCirculation System))。激冷单元36、流体管线38、40及流体管道28可界定相对于工艺腔室16内的工艺环境42进行流体密封的静止的闭环流体回路。因此，激冷单元36可在不存在第一冷却流体30被泄漏到工艺环境42中的风险(或者具有非常小的风险)的情况下使第一冷却流体30在高压下经过热汇24循环。

尽管流体管道28在图1中绘示为大致U形，但预期存在各种替代实施例，其中流体管道28可界定穿过热汇24的曲线的、螺旋的、不规则的、或曲折的路径。另外，在一些实施例中，流体管道可完全围绕轴18延伸一次或多次。此外，尽管图1中绘示出一个流体管道28，但预期存在本公开的各种替代实施例，其中热汇24可包括延伸穿过热汇24的多个流体管道。本公开并不仅限于此。

壳体20可还包括：第一动态密封配置44及第二动态密封配置46，设置在热汇24的相对的轴向侧(即，如图1中所绘示的热汇24的顶部侧与底部侧)上且在径向上环绕轴18。第一动态密封配置44与第二动态密封配置46可大致相同、彼此镜像(即，在垂直方向上相对于彼此倒置)。因此，为了简洁起见，以下将详细阐述第一动态密封配置44，且此说明还应适用于第二动态密封配置46。分配给第一动态密封配置44的各种组件的参考编号还应指第二动态密封配置44的对应组件。

第一动态密封配置44可包括旋转支承构件48以及静止支承构件50，旋转支承构件48被固定到轴18，静止支承构件50在径向上环绕旋转支承构件48。旋转支承构件48可包括环形的第一热绝缘体52，所述环形的第一热绝缘体52直接耦合到轴18的外表面。在各种实例中，第一热绝缘体52可通过焊接、钎焊、各种热绝缘粘合剂、各种机械紧固件(例如，螺钉、螺栓等)、夹具等耦合到轴18。第一热绝缘体52可由陶瓷、塑料或具有类似差的导热率(例如，导热率低于20瓦每米开尔文)的其他材料形成。本公开并不仅限于此。

旋转支承构件48可还包括旋转支承支撑件54，旋转支承支撑件54在径向上环绕第一热绝缘体52且耦合到第一热绝缘体52。旋转支承支撑件54可由例如不锈钢形成，且可通过焊接、钎焊、各种热绝缘粘合剂、各种机械紧固件等耦合到第一热绝缘体52。在替代实施例中，旋转支承支撑件54与第一热绝缘体52可为连续的整体结构(例如，由一块连续的材料形成)的构成部分。本公开并不仅限于此。

第一动态密封配置44的静止支承构件50可在轴向上从热汇24延伸，且可在径向上环绕旋转支承构件48。静止支承构件50可包括环形的第二热绝缘体58，环形的第二热绝缘体58耦合到热汇24的轴向端面60。在各种实例中，第二热绝缘体58可通过焊接、钎焊、各种热绝缘粘合剂、各种机械紧固件(例如，螺钉、螺栓等)、夹具等耦合到热汇。像第一热绝缘体52一样，第二热绝缘体58可由陶瓷、塑料或具有类似差的导热率(例如，导热率低于20瓦每米开尔文)的其他材料形成。本公开并不仅限于此。

静止支承构件50可还包括静止支承支撑件62，静止支承支撑件62在轴向上从第二热绝缘体58延伸且耦合到第二热绝缘体58。像旋转支承支撑件54一样，静止支承支撑件62可由例如不锈钢形成，且可通过焊接、钎焊、各种热绝缘粘合剂、各种机械紧固件等耦合到第二热绝缘体58。在替代实施例中，静止支承支撑件62与第二热绝缘体58可为连续的整体结构(例如，由一块连续的材料形成)的构成部分。本公开并不仅限于此。

静止支承支撑件62的在径向上面向内的表面可与旋转支承支撑件54的在径向上面向外的表面以平行的、间隔开的、面对的关系设置，以在所述静止支承支撑件62的在径向上面向内的表面与所述旋转支承支撑件54的在径向上面向外的表面之间界定间隙68。可在间隙68内设置支承件70且支承件70可啮合静止支承支撑件62的与旋转支承支撑件54的在径向上面对的表面(例如，可“夹置”在静止支承支撑件62的与旋转支承支撑件54的在径向上面对的表面之间)。在各种实施例中，支承件70可设置在形成于静止支承支撑件62的及旋转支承支撑件54的在径向上面对的表面中的互补凹槽内，如图1中所示。如所属领域中的普通技术人员将理解，支承件70可有利于旋转支承构件48及附接的轴18相对于静止支承构件50的平滑的、相对低摩擦的旋转。可在支承件70的在径向上向内(即，相对于支承件70更靠近热汇24)的间隙68内设置环形的动态流体密封件72。动态流体密封件72可在允许旋转支承构件48相对于静止支承构件50旋转的同时在静止支承支撑件62的与旋转支承支撑件54的在径向上面对的表面之间提供流体密封性密封件。在各种实施例中，动态流体密封件72可为或可包括任何类型的动态密封配置，所述任何类型的动态密封配置包括但不限于铁磁流体旋转密封件(ferrofluid rotary seal)、机械唇形密封件(mechanical lip seal)等。本公开并不仅限于此。

在各种实施例中，静止支承构件50可还包括一个或多个加热器74，所述一个或多个加热器74耦合到静止支承支撑件62。加热器74可调节第一动态密封配置44的温度，以防止来自热汇24和/或轴18的冷却干扰动态流体密封件72的操作。在各种实施例中，加热器74可为适于在工艺环境42中实施的任何类型的电阻式加热器(resistive heater)，所述任何类型的电阻式加热器包括但不限于传统的表面加热器。预期存在本公开的替代实施例，其中可省略加热器74。

如上所述，第二动态密封配置46可与第一动态密封配置44大致相同(但是相对于第一动态密封配置44在垂直方向上倒置)。因此，第一动态密封配置44、热汇24及第二动态密封配置46可一起界定环绕轴18的流体密封体积80。体积80可容纳第二冷却流体82，第二冷却流体82保持在与经过热汇24循环的第一冷却流体30的流体压力相比相对较低的流体压力下。举例来说，第二冷却流体82可保持在介于20托到60托的范围内的流体压力下。本公开不限于此。第二冷却流体82可与第一冷却流体30相同或不同，且可为适于提供用于将热量从轴18传递到热汇24的有效导热介质的任何液体或气体。在各种实施例中，第二冷却流体82可为液态或气态氮、液态或气态氦、氖等。本公开并不仅限于此。

在系统10的正常运行期间，激冷单元36可通过流体管道28泵送第一冷却流体30，以如上所述冷却热汇24。在各种实施例中，可将热汇24可冷却到-150摄氏度或低于-150摄氏度的温度。本公开并不仅限于此。冷却的热汇24可继而冷却环绕轴18的相邻体积80中的第二冷却流体82，且冷却的第二冷却流体82可继而冷却轴18及台板12，继而冷却设置在台板12上的衬底14。具体来说，可将热量从衬底14传送到台板12及轴18，然后从轴18经过狭窄的热传递间隙26中的第二冷却流体82传送到热汇24，在热汇24中，第一冷却流体30然后将热量带到激冷单元36。同时，壳体20且具体来说是第一动态密封配置44及第二动态密封配置46可允许驱动机构21自由地旋转轴18及台板。由于第二冷却流体82的压力相对低，因此第一动态密封配置44及第二动态密封配置46的动态流体密封件72可在不存在第二冷却流体82泄漏到工艺环境42中的风险(或风险非常小)的情况下有效地将第二冷却流体82保留在体积80内。

在各种实施例中，系统10可还包括：温度传感器86(例如，热电偶、热敏电阻等)，用于测量衬底14的温度。可将测量的温度传送到控制器88(例如，可编程逻辑控制器、微控制器等)，控制器88可操作地连接到激冷单元36。控制器88可基于测量的温度来指定激冷单元36的各种操作参数，以控制激冷单元36所提供的冷却，从而在衬底14中实现预定温度。此些参数可包括但不限于激冷单元36的冷却温度及流速。

鉴于以上说明，本公开的低温热传递系统通过在消除或大大减轻高压冷却流体被泄漏到离子植入系统的工艺环境中的风险的同时有利于离子植入系统中的可旋转台板的冷却而在所属领域中提供优势。本公开的低温热传递系统通过允许选择多种不同的冷却流体来围绕可旋转台板的轴循环而提供又一优点，因为这种冷却流体维持在低流体压力下且因此可使用动态流体密封件容易且有效地将所述冷却流体从工艺环境密封。作为又一优点，且还由于环绕轴的冷却流体维持在低流体压力下，因此相对于通常在传统的冷却的、可旋转台板中实施的动态流体密封件而言，与实施动态流体密封件相关联的困难及复杂性降低。

如本文所使用的以单数形式叙述且跟在词语“一(a或an)”后面的元件或步骤将被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确叙述了这种排除的情形。此外，参照本公开的“一个实施例”并非旨在解释为排除囊括所叙述特征的附加实施例的存在。

本公开的范围不受本文所述特定实施例限制。实际上，通过阅读前述说明及附图，对于所属领域中的普通技术人员而言，除本文所述实施例及修改以外的本公开的其他各种实施例及对本公开的各种修改将显而易见。因此，这些其他实施例及修改旨在落于本公开的范围内。此外，本文中已在用于特定目的的特定环境中的特定实施方案的上下文中阐述了本公开，但所属领域中的普通技术人员将认识到，其适用性并非仅限于此。本公开的实施例可出于任意数目的目的而有益地实施于任意数目的环境中。因此，以上陈述的权利要求应根据本文所述本公开的全部广度及精神来加以解释。