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KR102720325B1 - 인-시튜 웨이퍼 온도 측정 및 제어 - Google Patents

인-시튜 웨이퍼 온도 측정 및 제어 Download PDF

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KR102720325B1
KR102720325B1 KR1020207029010A KR20207029010A KR102720325B1 KR 102720325 B1 KR102720325 B1 KR 102720325B1 KR 1020207029010 A KR1020207029010 A KR 1020207029010A KR 20207029010 A KR20207029010 A KR 20207029010A KR 102720325 B1 KR102720325 B1 KR 102720325B1
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KR
South Korea
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workpiece
thermal
temperature
chuck
heaters
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Application number
KR1020207029010A
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KR20200138265A (ko
Inventor
존 바게트
로날드 리스
페트로스 코팔리디스
Original Assignee
액셀리스 테크놀러지스, 인크.
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Filing date
Publication date
Application filed by 액셀리스 테크놀러지스, 인크. filed Critical 액셀리스 테크놀러지스, 인크.
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Abstract

열 척은 클램핑 표면 상에 공작물을 선택적으로 유지한다. 상기 열 척은 상기 클램핑 표면과 공작물을 선택적으로 가열하기 위한 하나 이상의 히터들을 포함한다. 열 모니터링 장치는 공작물이 상기 클램핑 표면 상에 상주할 때 상기 공작물의 표면의 온도를 판단하여, 하나 이상의 측정된 온도들을 정의한다. 제어기는 상기 하나 이상의 측정된 온도들에 기초하여 상기 하나 이상의 히터들에 선택적으로 에너지를 공급한다. 상기 열 모니터링 장치는 상기 공작물의 상기 표면과 선택적으로 접촉하는 열전대 또는 RTD 중 하나일 수 있고, 상기 표면과 접촉하지 않는 방사율 센서 또는 파이로미터일 수 있다. 상기 열 척은 상기 공작물로 이온들을 주입하도록 구성된 이온 주입 시스템의 일부일 수 있다. 상기 제어기는 상기 측정된 온도들에 따라 상기 히터들을 제어하도록 추가 구성될 수 있다.

Description

인-시튜 웨이퍼 온도 측정 및 제어
본 발명은 통상적으로 공작물 공정 시스템들(workpiece processing systems) 및 공작물 공정 방법들(methods for processing workpieces)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온 주입 시스템(ion implantation system)의 열 척(thermal chuck) 상의 공작물 온도를 정밀하고 정확하게 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2018년 3월 30일에 "인-시튜 웨이퍼 온도 측정 및 제어(IN-SITU WAFER TEMPERATURE MEASUREMENT AND CONTROL)"라는 제목으로 출원된 미국 가출원 제62/650,832호의 이익을 주장하는 미국 정규출원이며, 그 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
반도체 공정(semiconductor processing)에서, 이온 주입(ion implantation)과 같은 많은 작업들이 공작물(workpiece) 또는 반도체 웨이퍼(semiconductor wafer)에서 수행될 수 있다. 이온 주입 공정 기술이 발전함에 따라, 상기 공작물에서 다양한 이온 주입 온도들(ion implantation temperatures)을 구현하여 상기 공작물에서 다양한 주입 특성들(implantation characteristics)을 달성할 수 있다. 예를 들어, 종래의 이온 주입 공정에서, 3가지 온도 체제들이 일반적으로 고려된다: 상기 공작물에서의 공정 온도들이 실온 이하의 온도들로 유지되는 냉간 주입들(cold implants), 상기 공작물에서의 공정 온도들이 일반적으로 100°C 내지 600°C 범위의 고온들에서 유지되는 고온 주입들(hot implants), 및 상기 공작물의 공정 온도들이 실온보다 약간 높지만 고온 주입들에 사용되는 온도들보다 낮은 온도, 일반적으로 주입 온도들이 50°C 내지 100°C 범위의 온도들로 유지되는 소위 준-실온 주입들(quasi-room temperature implants).
예를 들어, 고온 주입들이 점점 보편화되는데, 이에 의해 상기 공정 온도는 일반적으로 가열 척(heated chuck)이라고도 하는 전용 고온 정전 척(ESC)을 통해 달성된다. 상기 가열 척은 주입하는 동안 상기 공작물을 그 표면에 홀딩(hold)하거나 클램핑(clamp)한다. 예를 들어, 종래의 고온 ESC는 상기 클램핑 표면 아래에 내장되어 ESC 및 공작물을 공정 온도(가령, 100℃ 내지 600℃)로 가열하기 위한 히터 세트를 포함하고, 가스 인터페이스(gas interface)는 통상적으로 상기 클램핑 표면으로부터 상기 공작물의 상기 백사이드로 열 인터페이스(thermal interface)를 제공한다. 일반적으로, 고온 ESC는 상기 백그라운드의 상기 챔버 표면들에 에너지를 복사하여 냉각된다.
냉각 이온 주입 공정들(chilled ion implantation processes) 또한 일반적이며, 종래에는 실온 공작물을 냉각 척에 놓고 냉각 척을 냉각 온도로(가령, 실온보다 낮은 온도) 냉각하여, 상기 공작물을 냉각시킨다. 상기 냉각 척을 냉각하면 상기 이온 주입에서 상기 공작물로 부여된 열 에너지를 제거하는 동시에, 상기 냉각된 척을 통한 열 제거를 통해 상기 주입 동안 상기 냉각된 온도에서 상기 척과 공작물을 추가 유지한다.
이온 주입 공정들은 또한 이른바 "준-실온(quasi-room temperature)"(가령, 50-60°C와 같이 실온보다 약간 높은 온도이지만 고온 이온 주입 공정만큼 높지는 않음)에서 수행되며, 저열-척(low-heat chuck)(가령, 100°C 미만의 온도로 가열하도록 구성된 척)을 사용하여 주입 동안 상기 공작물의 상기 온도를 제어한다.
다음은 본 발명의 일부 측면들의 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 발명의 단순화된 요약을 제공한다. 이러한 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니다. 본 발명의 핵심 또는 중요한 요소들을 식별하거나 본 발명의 범위를 설명하려는 것이 아니다. 본 발명의 목적은 후술하는 보다 상세한 설명의 서두로서 본 발명의 일부 개념을 단순화된 형태로 제시하는 것이다. 본 발명의 다양한 예시적인 측면들은 이온들을 공작물로 주입하기 위한 이온 주입 공정들을 용이하게 한다. 일 예시적인 측면에 따르면, 이온 빔을 형성하도록 구성되는 이온 소스(ion source), 이온 빔을 선택적으로 이송하도록 구성되는 빔 라인 조립체(beamline assembly), 및 상기 알루미늄 이온들을 공작물로 주입하기 위해 상기 이온 빔을 수용하도록 구성되는 엔드 스테이션(end station)을 가지는 이온 주입 시스템(ion implantation system)이 제공된다. 예시된 일 측면에 따르면, 그 클램핑 표면(clamping surface) 상에 공작물(workpiece)을 선택적으로 유지하도록(selectively retain) 구성되는 열 척 기기(thermal chuck apparatus)를 포함하는 열 척 시스템이 제공된다. 예를 들면, 상기 열 척 기기는 상기 클램핑 표면을 선택적으로 가열하도록(selectively heat) 구성되는 하나 이상의 히터들(heaters)을 포함하고, 이로써 상기 공작물을 선택적으로 가열한다. 열 모니터링 장치(thermal monitoring device)는 상기 공작물이 상기 클램핑 표면 상에 상주할 때 상기 공작물의 표면의 온도를 판단하도록 추가 구성되어 측정된 온도를 정의한다. 일 예에서, 상기 공작물의 표면은 상기 열 척 장치를 향하는 공작물의 백사이드를 포함한다. 제어기(controller)는 상기 측정된 온도에 기초하여 상기 하나 이상의 히터들에 선택적으로 에너지를 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 제어기에 의한 상기 하나 이상의 히터들의 상기 선택적 에너지 공급(selective energizing)은 상기 측정된 온도에 기초하여 상기 하나 이상의 히터들의 열 출력을 선택적으로 제어한다. 일 예에 따르면, 상기 열 모니터링 장치는 상기 공작물의 표면에 직접 접촉하도록 구성되고, 열전대(TC) 및 저항 온도 검출기(RTD) 중 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(one or more direct contact thermal devices)을 포함한다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들 각각은 리던던트 열 장치들의 각 쌍을 포함한다. 또 다른 예에서, 각각의 리던던트 열 장치들의 각 쌍은 상기 공작물의 상기 표면의 1차 온도(primary temperature)를 측정하도록 구성되는 1차 열 장치(primary thermal device) 및 상기 공작물의 상기 표면의 2차 온도(secondary temperature)를 측정하도록 구성되는 2차 열 장치(secondary thermal device)를 포함한다. 예를 들어, 상기 제어기는 1 차 온도와 2 차 온도의 비교에 기초하여 상기 측정된 온도의 정확도를 판단하도록 추가 구성되고, 상기 제어기는 상기 측정된 온도의 상기 정확도가 미리 결정된 임계 값을 초과할 때 신호를 제공하도록 추가 구성된다. 예를 들어, 각각의 리던던트 열 장치들의 각 쌍은 상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 각각의 위치에서 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도를 판단하도록 구성된다.
다른 예에서, 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들은 상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 하나 이상의 각각의 위치들에서 상기 공작물의 상기 표면과 직접 접촉하도록 구성되고, 상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 상기 하나 이상의 각각의 위치들은 적어도 상기 공작물의 중앙 영역 및 상기 공작물의 주변 영역을 포함한다. 대안으로, 상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 상기 하나 이상의 위치들은 상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 복수의 원주 방향으로 이격된 위치들(circumferentially-spaced locations)을 포함한다.
다른 예에 따르면, 상기 열 모니터링 장치는 상기 공작물의 상기 표면과 접촉하지 않고 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도를 판단하도록 구성되는 하나 이상의 비-접촉 열 장치들(non-contact thermal devices)을 포함한다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 비-접촉 열 장치들은 방사율 검출기(emissivity detector) 및 파이로미터(pyrometer) 중 하나 이상을 포함한다.
또 다른 예시적인 측면에 따르면, 이온 주입 기기(ion implantation apparatus)는 상기 공작물로 이온들을 주입하도록 추가 구성되고, 이로써 상기 공작물로 선택적으로 열을 입력하고 상기 이온들이 주입되는 위치에서 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도를 증가시킨다.
상기 각각의 하나 이상의 히터들 중 하나 이상은 상기 위치와 연관되고, 상기 열 모니터링 장치는 상기 위치에 근접한 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도를 모니터링하도록 추가 구성되고, 상기 제어기는 상기 위치에서 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도에 기초하여 상기 각각의 하나 이상의 히터들 중 하나 이상의 출력을 선택적으로 제어하도록 추가 구성된다.
상기 요약은 단지 본 발명의 일부 실시 예의 일부 특징들에 대한 간략한 개요를 제공하기 위한 것이며, 다른 실시 예들은 위에서 언급한 것과 추가적인 및/또는 상이한 특징들을 포함할 수 있다. 특히, 본 요약은 본 출원의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 따라서, 전술한 목적 및 관련된 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하에서 설명되고 특히 청구 범위에서 지적되는 특징을 포함한다. 다음의 설명 및 첨부된 도면들은 본 발명의 특정 예시적인 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나, 이들 실시 예들은 본 발명의 원리들이 이용될 수 있는 다양한 방식들 중 몇 가지를 나타낸다. 본 발명의 다른 목적들, 이점들 및 신규한 특징들은 도면과 함께 고려될 때 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 예시적인 가열 이온 주입 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 열 척의 클램핑 표면의 상부의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 열 척의 하부의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 열 척의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 측면에 따른 다른 열 척의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 공작물의 온도 제어를 위한 예시적인 방법을 도시하는 블록도이다.
도 7은 다른 측면에 따른 예시적인 제어 시스템을 도시하는 블록도이다.
본 발명은 일반적으로 공작물 공정 시스템들(workpiece processing systems) 및 기기들(apparatuses)에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 공작물의 온도를 제어하도록 구성되는 이온 주입 시스템(ion implantation system)에서의 열 척(thermal chuck)에 대한 것이다. 따라서, 본 발명은 이제 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 동일한 참조 번호들은 전체에 걸쳐 동일한 요소들을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 측면들의 설명은 단지 예시일 뿐이며 제한적인 의미로 해석되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 다음의 설명에서, 설명의 목적으로, 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 세부 사항들이 제시된다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정 세부 사항들 없이 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
온도 정밀도(temperature precision) 및 제어(control)는 반도체 웨이퍼 공정(semiconductor wafer processing)에서 점점 더 중요해지고 있다. 상기 공작물이 상주하는 상기 지지대(support)의 온도(가령, 정전 척의 온도)를 측정하고 제어하는 시스템들이 제공되어, 상기 지지대의 상기 온도의 특성화 및 분석들은 상기 공작물(workpiece)의 온도를 간접적으로 추정하는데 사용되었다. 그러나, 본 발명은 상기 공작물 지지대의 온도에 대한 그러한 의존성이 상기 공작물 처리 중에 온도 에러들(temperature errors)을 초래할 수 있음을 현재 인식한다.
가열 이온 주입 공정들은 공작물을 가열하여, 100℃ - 600℃ 이상의 범위의 온도를 처리할 수 있다. 예를 들어, 상기 공정 온도는 부분적으로 주입 중에 상기 공작물을 지지하는 정전 척(electrostatic chuck)에서 달성되고 유지된다. 본 발명의 다양한 측면들에 따라, 도 1은 예시적인 이온 주입 시스템(ion implantation system)(100)을 도시한다. 본 예에서의 상기 이온 주입 시스템(100)은 예시적인 이온 주입 기기(ion implantation apparatus)(101)를 포함하지만, 플라즈마 공정 시스템들 또는 다른 반도체 공정 시스템들과 같은 다양한 다른 유형들의 진공-기반 반도체 공정 시스템들(vacuum-based semiconductor processing systems)이 또한 고려된다. 예를 들어, 상기 이온 주입 기기(101)는 터미널(terminal)(102), 빔 라인 조립체(beamline assembly)(104) 및 엔드 스테이션(end station)(106)을 포함한다.
일반적으로 말하자면, 상기 터미널(102) 내의 이온 소스(ion source)(108)는 전력 공급원(power supply)(110)에 연결되어, 도펀트 가스(dopant gas)를 다수의 이온들로 이온화하고, 이온 빔(112)을 형성한다. 본 예에서, 상기 이온 빔(112)은 질량 분석 기기(mass analysis apparatus)(114)를 통해 상기 엔드 스테이션(106)을 향한 개구(116) 밖으로 지향된다. 상기 엔드 스테이션(106)에서, 상기 이온 빔(112)은 척(120)(예들 들어, 정전 척 또는 ESC)에 선택적으로 클램프되거나 탑재되는 공작물(118)(예를 들어, 실리콘 웨이퍼와 같은 기판, 디스플레이 패널 등)을 타격한다(bombard). 예를 들어, 상기 척(120)은 정전 척(ESC) 또는 기계식 클램프 척을 포함할 수 있고, 상기 척은 공작물(118)의 온도를 선택적으로 제어하도록 구성된다. 상기 주입된 이온들이 상기 공작물(118)의 상기 격자(lattice)로 삽입되면, 상기 공작물의 상기 물리적 및/또는 화학적 특성들을 변화시킨다. 이로 인해, 이온 주입은 반도체 장치 제조(semiconductor device fabrication) 및 금속 마감(metal finishing)은 물론이고 재료 과학 연구의 다양한 응용 분야에 사용된다.
본 발명의 상기 이온 빔(112)은 연필 또는 스폿 빔, 리본 빔, 스캔 빔 같은, 임의의 형태이거나, 또는 이온들이 엔드 스테이션(106)을 향하는 임의의 다른 형태를 취할 수 있으며, 이러한 모든 형태들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
일 예시적인 측면에 따르면, 상기 엔드 스테이션(106)은 진공 챔버(vacuum chamber)(124)와 같은 공정 챔버(process chamber)(122)를 포함하며, 공정 환경(process environment)(126)은 상기 공정 챔버와 연관된다. 상기 공정 환경(126)은 일반적으로 공정 챔버(122) 내에 존재하며, 일 예에서, 상기 공정 챔버와 결합되고 상기 공정 챔버를 실질적으로 배기시킬 수 있도록 구성된 진공 소스(vacuum source)(128)(가령, 진공 펌프)에 의해 생성된 진공을 포함한다.
일 예에서, 상기 이온 주입 기기(101)는 고온 이온 주입을 제공하도록 구성되며, 상기 공작물(118)은 공정 온도(예를 들어, 대략 100℃ - 600℃ 이상)로 가열된다. 따라서, 본 예에서, 상기 척(120)은 열 척(thermal chuck)(130)을 포함하고, 상기 열 척은 상기 공작물을 상기 이온 빔(112)에 노출시키기 전, 동안 및/또는 후에 상기 공정 챔버(122) 내에서 상기 공작물(118)을 추가로 가열하면서 상기 공작물(118)을 지지하고 유지하도록 구성된다.
예를 들면, 상기 열 척(130)은 상기 공작물(118)을 상기 주변들 또는 외부 환경(132)(가령, '대기 환경'이라고도 함)의 주변 또는 대기 온도보다 상당히 큰 공정 온도로 공작물(118)을 가열하도록 구성된 정전 척을 포함한다. 가열 시스템(heating system)(134)이 추가로 제공될 수 있으며, 상기 가열 시스템은 상기 열 척(130)을 가열하도록 구성되고, 상기 공작물(118)은 상기 희망 공정 온도로 그 위에 교대로 상주한다. 상기 가열 시스템(136)은, 예를 들어, 상기 열 척(130) 내에 배치된 하나 이상의 히터들(138)을 통해 상기 공작물(118)을 선택적으로 가열하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 히터들(136)은 하나 이상의 저항 가열 요소들(resistive heating elements)을 포함할 수 있다. 한 가지 대안으로, 상기 가열 시스템 (134)은 복사 열원을 포함하고, 이에 의해 상기 하나 이상의 히터들(136)은 상기 공작물(118)를 선택적으로 가열하도록 구성된 하나 이상의 할로겐 램프(halogen lamp), 발광 다이오드(light emitting diode) 및 적외선 열 장치(infrared thermal device)를 포함한다.
일부 고온 주입들의 경우, 상기 공작물(118)은 상기 희망 온도에 도달할 때까지 상기 공정 환경(126)의 상기 진공 내에서 상기 열 척(130)에 "소킹(soak)"할 수 있다. 대안으로, 상기 이온 주입 시스템(100)을 통한 사이클 시간을 증가시키기 위하여, 상기 공작물은 예열 기기(pre-heat apparatus)(140)를 통해 상기 공정 챔버(122)에 작동 가능하게 결합된 하나 이상의 챔버들(138A, 138B)(가령, 하나 이상의 로드 락 챔버들)에서 예열될(pre-heated) 수 있다. 예를 들어, 상기 예열 기기(140)는 상기 열 척(130)과 유사하게 구성된 예열 지지대(142)를 포함할 수 있다.
상기 툴 아키텍처(tool architecture), 공정(process) 및 희망 처리량(desired throughput)에 따라, 상기 공작물(118)은 상기 예열 기기(140)를 통해 상기 제1온도로 예열될 수 있고, 상기 제1온도는 상기 공정 온도 이하이므로, 상기 진공 챔버(124) 내부의 상기 열 척(130) 상에서 최종 열 균등화(final thermal equalization)가 가능하다. 이러한 시나리오는 상기 처리 챔버(122)로의 이송 동안 상기 공작물(118)이 약간의 열을 잃게 하고, 상기 공정 온도로의 최종 가열은 상기 열 척(130) 상에서 수행된다. 대안으로, 상기 공작물(118)은 상기 예열 기기(140)를 통해 상기 공정 온도보다 높은 제1온도로 예열될 수 있다. 따라서, 상기 제1온도는 상기 공정 챔버(122)로 이송되는 동안 상기 공작물(118)의 냉각이 상기 열 척(130) 상에 클램핑되어 상기 공작물이 상기 원하는 공정 온도에 도달하기에 충분하도록 최적화될 것이다.
상기 열 반응을 정확하게 제어 및/또는 가속화하고, 열 전달(heat transfer)을 위한 추가 메커니즘을 활성화하려면, 상기 공작물(118)의 상기 백사이드는 상기 열 척(130)과 전도성 연통(conductive communication)을 하게 된다. 예를 들면, 이러한 전도성 연통은 상기 열 척(130)과 상기 공작물(118) 사이의 압력 조절 가스 인터페이스(pressure controlled gas interface)(가령, "백사이드 가스(backside gas)"라고도 함)를 통해 달성된다. 상기 백사이드 가스(144)의 압력은, 예를 들어, 상기 열 척(130)의 상기 정전기력(electrostatic force)에 의해 일반적으로 제한되며, 일반적으로 5-20 Torr의 범위로 유지될 수 있다. 일 예로, 상기 백사이드 가스 인터페이스 두께(가령, 상기 공작물(118)과 상기 열 척(130) 사이의 상기 거리)는 미크론(일반적으로 5-20㎛)의 체제로 제어되며, 따라서, 이러한 압력 영역에서의 상기 분자 평균 자유 경로(molecular mean free path)는 상기 인터페이스 두께가 상기 시스템을 상기 전이 및 분자 가스 영역(transitional and molecular gas regime)으로 푸시하기에 충분히 커진다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 챔버(138B)는 상기 공작물(118)이 이온 주입 중에 이온들을 주입한 후 상기 챔버(138B) 내에 배치될 때, 상기 공작물을 냉각하도록 구성되는 냉각 기기(cooling apparatus)(144)를 포함한다. 예를 들어, 상기 냉각 기기(144)는 냉각된 공작물 지지대(chilled workpiece support)(146)를 포함할 수 있고, 상기 냉각된 공작물 지지대는 열 전도(thermal conduction)를 통해 그 위에 상주하는 상기 공작물(118)을 능동적으로 냉각하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 냉각된 공작물 지지대(146)는 통과하는 하나 이상의 냉각 채널들(cooling channels)을 가지는 냉각 플레이트(cold plate)를 포함하고, 상기 냉각 채널을 통과하는 냉각 유체(cooling fluid)는 상기 냉각 플레이트의 표면 상에 상주하는 상기 공작물(118)을 실질적으로 냉각시킨다. 상기 냉각된 공작물 지지대(146)는 펠티에 쿨러(Peltier coolers) 또는 당업자에게 공지된 다른 냉각 메커니즘들과 같은 다른 냉각 메커니즘들을 포함할 수 있다.
또 다른 예시적인 측면에 따르면, 제어기(controller)(148)가 상기 가열 시스템(134), 상기 예열 기기(140) 및 상기 냉각 기기 중 하나 이상을 선택적으로 활성화하도록 추가로 제공되고, 그 위에 각각 상주하는 상기 공작물(118)을 선택적으로 가열 또는 냉각하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 제어기(148)는, 상기 예열 기기(140)를 통해 챔버(138A) 내의 상기 공작물(118)을 가열하고, 상기 열 척(130) 및 가열 시스템(134)을 통해 상기 공정 챔버(122) 내의 상기 공작물을 미리 결정된 온도로 가열하며, 상기 이온 주입 장치(101)를 통해 상기 공작물로 이온들을 주입하며, 상기 냉각 장치(144)를 통해 상기 챔버(138B) 내의 상기 공작물을 냉각하며, 하나 이상의 공작물 이송 장치(150A, 150B)를 통해 상기 외부 환경(132) 및 공정 환경(126) 사이에서 상기 공작물을 선택적으로 이송하도록, 구성될 수 있다.
일 예에서, 상기 공작물이 공작물 이송 기기(150B)를 통해 선택된 전방 개방 통합 포드(front opening unified pod: FOUP)(152A, 152B) 및 챔버들(138A, 138B) 사이에서 이송되고, 공작물 이송 장치(150A)를 통해 상기 챔버들(138A, 138B) 및 상기 열 척(130) 사이에서 추가로 이송되도록, 상기 공작물(118)은 상기 공정 챔버(122)로 그리고 공정 챔버(122)로부터 추가 전달될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어기(148)는 상기 공작물 이송 기기들(150A, 150B)의 제어를 통해 상기 FOUPs(152A, 152B), 챔버들(138A, 138B) 및 열 척들(130) 사이에서 상기 공작물을 선택적으로 이송하도록 추가 구성된다.
예를 들어, 본 발명의 도 1의 상기 시스템(100)은 동일한 열 척(130)을 이용하면서 고온 주입들(가령, 100℃ - 600℃ 범위) 및 준-실온 주입들(가령, 20℃ - 100℃ 범위) 모두를 수행하도록 유리하게 구성될 수 있다. 이러한 구성은, 종래의 이온 주입 시스템들의 기존 스타트 업 동작들(startup operations)에서 흔히 볼 수 있는 다양한 결함을 완화시키면서, 구성의 최소 변경들로 다양한 주입 기법들에 도 1의 상기 시스템(100)이 활용될 수 있기 때문에, 생산성(productivity)뿐만 아니라 단순성(simplicity) 측면에서도 종래의 시스템에 비해 유리하다.
예시적인 열 척(130)이 도 2에 도시되어 있으며, 이에 의해 예를 들어 상기 열 척은 주로 두 가지 기능들을 제공한다: 즉, 도 1의 상기 공작물(118)을 선택적으로 고정(clamp)하고, 상기 공작물을 가열(heat) 및/또는 냉각(cool)하는 것이다. 예를 들어, 도 2에 도시된 하나 이상의 접지 핀들(ground pins)(154)이 상기 공작물의 전기적 접지를 위해 제공되며, 도 1의 상기 공작물(118)과의 접촉을 최소화하고 입자 오염을 완화하기 위해 상기 열 척(130)의 클램핑 표면(158) 상에 복수의 메사들(mesas)(156)이 제공된다.
본 발명의 하나의 예시적인 측면에 따르면, 하나 이상의 열 모니터링 장치들(thermal monitoring devices)(160A-160C)이 추가 제공되고, 예를 들어, 상기 공작물이 도 2의 상기 클램핑 표면(158) 상에 상주할 때, 아래에서 더 상세히 논의되겠지만 그 내부에 측정된 온도가 정의되는 도 1의 상기 공작물(118)의 온도를 결정하도록 구성된다. 주목할 점은, 3개의 열 모니터링 장치들(160)이 도시되어 있지만, 임의의 수의 열 모니터링 장치 및 그 구성이 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다.
예를 들어, 도 3은 상기 열 척(130)(가령, ESC)의 백사이드(162)를 도시하고, 복수의 인터페이스들(164A-164C)(가령, 기계적 및/또는 전기적 인터페이스들)이 상기 열 척을 위해 제공된다. 예를 들어, 상기 공작물을 상기 열 척(130)으로 정전기적으로 끌어당기도록 구성되는 고전압 정전기 전극들(high voltage electrostatic electrodes)(도시되지 않음)을 위한 제1인터페이스(first interface)(164A)가 제공된다. 하나 이상의 히터들(166A, 166B)에 전력을 공급하기 위한 제2인터페이스(second interface)(164B)가 제공되며, 도 1의 상기 제어기(148)는 도 2의 상기 하나 이상의 열 모니터링 장치들(160A-160C)로부터 상기 측정된 온도에 기초하여 도 3의 상기 하나 이상의 히터들에 선택적으로 에너지를 공급하도록(selectively energize) 추가 구성된다. 본 예에서, 도 3의 상기 하나 이상의 히터들(136)은 상기 열 척(130)에 내장되고, 상기 하나 이상의 히터들과 각각 연관되는 하나 이상의 위치들(168A, 168B)을 선택적으로 가열하도록 구성되는 다중 구역 히터(multi-zone heater)(가령, 저항 가열 요소들(resistive heating elements)(166A, 166B)로 예시됨)를 포함한다. 예를 들어, 상기 제어기(148)는 상기 각각의 하나 이상의 열 모니터링 장치들(160)로부터 상기 측정된 온도에 기초하여 상기 하나 이상의 히터들의 열 출력을 선택적으로 제어하기 위해 상기 하나 이상의 히터들(136)에 선택적으로 에너지를 공급하도록 구성된다.
일 예에서, 도 1의 상기 이온 주입 기기(101)에 의한 상기 공작물(118)로의 상기 이온들의 주입은 상기 공작물에 선택적으로 열을 입력함으로써, 상기 이온들이 주입되는 위치에 근접한 위치(가령, 상기 공작물에 부딪히는 상기 이온 빔(112)의 위치)에서 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도를 증가시킨다. 예를 들어, 도 3의 상기 각각의 하나 이상의 히터들(136) 중 하나 이상은 상기 위치와 관련되고, 상기 열 모니터링 장치(160)는 아래에서 논의되는 바와 같이 상기 위치에 근접한 상기 공작물(118)의 표면의 상기 온도를 모니터링하도록 추가 구성된다. 따라서, 도 1의 상기 제어기(148)는 상기 위치에서 상기 공작물(118)의 상기 표면의 상기 온도에 기초하여, 상기 하나 이상의 히터들(166)의 출력을 각각 선택적으로 제어하도록 추가 구성된다.
도 3에 도시된 도면에 명시적으로 설명되어 있지는 않지만, 예를 들어, 상기 하나 이상의 히터들(136)은 상기 열 척의 중심 영역(center region) 및 주변 영역(peripheral region) 중 하나 이상과 같은 상기 열 척의 상기 하나 이상의 위치들(168A, 168B)을 가열하기 위해 상기 열 척(130) 내에 배치될 수 있으며, 상기 공작물의 원하는 가열을 위해 축 방향(axially) 및/또는 반경 방향(radially)으로 위치할 수 있다. 예를 들어, 정밀하고 정확한 온도 제어를 위해 도 2의 상기 열 척(130)과 관련되는 상기 하나 이상의 열 모니터링 장치들(160A-160C)로부터 도 1의 상기 제어기(148)로의 온도 피드백(temperature feedback)을 위한 제3인터페이스(third interface)(164C)가 추가 제공된다.
본 발명의 다른 예시된 측면에 따라, 도 4는 상기 열 척(130)의 일부(200)를 도시한다. 예를 들어, 캐리어 플레이트(carrier plate)(202)가 예시되고, 이에 의해 상기 공작물(118)이 상기 열 척(130)의 상기 클램핑 표면(158)에 선택적으로 클램핑된다. 일 예에서, 상기 캐리어 플레이트(202)는 하나 이상의 고전압 전극들(high voltage electrodes)(204)이 내장되거나 그와 다른 방식으로 결합된 세라믹 재료(ceramic material)로 구성되고, 이에 의해 상기 하나 이상의 고전압 전극들(204)은 일반적으로 정전기 척(ESC)으로 정의되는 상기 열 척(130)으로 상기 공작물(118)을 정전기적으로 끌어당기도록 구성된다. 대안으로 또는 추가로, 상기 열 척(130)은 상기 공작물(118)을 상기 캐리어 플레이트(202)에 선택적으로 기계적으로 클램핑하도록 구성되는 하나 이상의 기계식 클램핑 부재들(mechanical clamping members)(205)을 포함할 수 있고, 이에 의해 상기 열 척은 일반적으로 기계식 척(mechanical chuck)을 정의한다.
예를 들어, 상기 캐리어 플레이트(202)는 그와 연관된 하나 이상의 히터들(heaters)(136)(가령, 하나 이상의 저항 가열 요소들(166A, 166B))을 가지는 히터 플레이트(heater plate)(206)에 결합되거나 그와 통합될 수 있다. 예를 들어, 상기 히터 플레이트(206)는 세라믹 재료(ceramic material)로 구성될 수 있고, 이에 의해 상기 하나 이상의 히터들(136)이 상기 히터 플레이트 내에 내장된다. 상기 히터 플레이트(206) 및 상기 캐리어 플레이트(202)는 별개의 플레이트들이거나 하나의 플레이트에 통합될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 히터들(136)은 이온 공정들 동안 도 1의 상기 공작물(118)의 상기 온도를 능동적으로 가열하거나 유지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4의 상기 하나 이상의 히터들(136)은 200-500C 또는 다양한 다른 상승 온도들에서 원하는 대로 상기 공작물 온도를 가열하거나 다른 방법으로 유지할 수 있고, 저항 가열 요소들(166A, 166B), 복사 히터들(도시되지 않음), 또는 상기 공작물(118)을 가열하도록 구성되는 임의의 다른 가열 기기들의 임의의 수 또는 조합을 포함할 수 있다. 본 예에서, 상기 공작물(118)은 상기 캐리어 플레이트(202)를 통해 상기 공작물로의 상기 열 전달을 통해 가열될 수 있다.
다른 예에 따르면, 백사이드 가스(backside gas)(도시되지 않음)는 상기 공작물로 또는 상기 공작물로부터 유리하게 열을 전달하기 위해 상기 캐리어 플레이트(202)의 상기 클램핑 표면(158)과 그 위에 상주하는 공작물(118) 사이의 백사이드 갭(backside gap)(208)에 제공된다. 예를 들어, 백사이드 가스 층(backside gas layer)(210)은 상기 백사이드 갭(208)(가령, 대략 10 미크론)에 제공되어, 온도를 유리하게 제공하거나 유지하기 위해 상기 하나 이상의 히터들(136)로부터 상기 공작물(118)로 열을 전도한다. 대안으로, 다른 예에서, 상기 백사이드 가스 층(210)은 냉각 모드에서 상기 공작물(118)로부터 상기 열 척(130)까지 열을 전도할 수 있다.
일 예에 따르면, 예를 들어, 도 2의 상기 하나 이상의 열 모니터링 장치들(160A-160C)은 도 4에 도시된 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(direct contact thermal devices)(212)을 포함하고, 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들은 상기 공작물(118)의 백사이드 표면(214)과 직접 접촉하도록 구성된다. 예를 들어, 도 4의 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(212)은, 예를 들어, 열전대(thermocouple: TC) 및 저항 온도 검출기(resistance temperature detector: RTD) 중 하나 이상을 포함한다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(212) 각각은 상기 공작물(118)의 작은 접촉 영역과 접촉하기 위한 실질적으로 매끄러운 표면(substantially smooth surface)을 가질 수 있고, 그 사이의 열 싱크들 또는 열 전달을 제거하기 위해 상기 공작물과 실질적으로 일치하도록 구성되는 열 질량(thermal mass)을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(212)은 스프링-장착 TC와 같은 하나 이상의 스프링-장착 장치들(spring-loaded devices)(도시되지 않음)을 포함할 수 있고, 그에 의해 상기 하나 이상의 스프링-장착 장치들은 상기 공작물(118)이 상기 열 척(130) 상에 배치될 때 상기 하나 이상의 스프링-장착 장치들에 압력을 가하지만 최소한의 접촉 압력을 가지도록 유연하다.
일 예에서, 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(212) 각각은 한 쌍의 리던던트 열 장치들(216A, 216B)을 포함하고, 리던던트 열 장치들의 각 쌍은 상기 공작물(118)의 상기 백사이드 표면(214)의 1차 온도를 측정하도록 구성되는 1차 열 장치(primary thermal device)(216A) 및 상기 공작물의 상기 백사이드 표면의 2차 온도를 측정하도록 구성되는 2차 열 장치(secondary thermal device)(216B)를 포함한다. 따라서, 도 1의 상기 제어기(148)는 1차 온도와 2차 온도의 비교에 기초하여 상기 측정된 온도의 정확도를 판단하도록 추가 구성된다. 예를 들어, 상기 제어기(148)는 상기 측정된 온도의 정확도가 미리 결정된 임계 값을 초과할 때 상기 공작물(118)의 처리를 중단하도록 추가 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4의 리던던트 열 장치들(216A, 216B) 각 쌍은 상기 공작물의 상기 백사이드 표면 상의 각각의 위치(218A, 218B)(가령, 상기 열 척(130)의 상기 하나 이상의 위치들(168A, 168B)과 관련됨)에서 상기 공작물(118)의 상기 백사이드 표면(214)의 상기 온도를 판단하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에서, 도 5는 상기 공작물의 상기 표면과 접촉하지 않고 상기 공작물(118)의 상기 표면(가령, 상부 표면(222))의 상기 온도를 판단하도록 구성되는 하나 이상의 비-접촉 열 장치들(non-contact thermal devices)(220)을 포함하는 예시적인 열 모니터링 장치들(thermal monitoring devices)(160D)을 도시한다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 비-접촉 열 장치들(220)은 상기 공작물과 물리적으로 접촉하지 않고 상기 공작물(118)의 상기 온도를 판단하도록 구성되는 방사율 검출기(emissivity detector) 및 파이로미터(pyrometer) 중 하나 이상을 포함한다. 상기 하나 이상의 비-접촉 열 장치들(220)은 상기 공작물(118)의 상기 공정에 방해가 되지 않으면서 상기 열 척(130)에 근접하게 위치될 수 있다. 일 예에서, 공작물 이동 기기(workpiece translation apparatus)(224)는 상기 열 척(130)(및 공작물(118))을 하나 이상의 방향들로 선택적으로 이동하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 공작물 이동 기기(224)는 이온 주입을 위해 도 1의 상기 이온 빔(112)을 통해 상기 공작물(118)를 선택적으로 통과시키고/또는 상기 온도를 판단하기 위해 상기 하나 이상의 비-접촉 열 장치들(220)에 근접하게 상기 공작물을 이동시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 공작물 이동 기기(224)는 상기 공작물(118)을 3차원으로 선택적으로 이동 및/또는 회전시키도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 1의 상기 제어기(148)는 도 5의 상기 공작물 이동 기기(224)의 제어를 통해 상기 열 척(130) 및 공작물(118)을 하나 이상의 온도 측정 위치들로 이동하도록 추가 구성되고, 상기 하나 이상의 비-접촉 열 장치들(220)은 상기 공작물이 상기 하나 이상의 측정 위치들에 있을 때 상기 공작물(118)의 상기 표면의 상기 온도를 판단하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 비-접촉 열 장치들(220)은 공간에 고정될 수 있고, 상기 하나 이상의 측정 위치들은 하나 이상의 비-접촉 열 장치들에 대한 상기 공작물(118)의 하나 이상의 개별 위치들 및/또는 각도 방향들을 포함한다. 대안으로, 도면에 도시되어 있지 않지만, 상기 하나 이상의 비-접촉 열 장치들(220)은 상기 공작물(118)에 대한 상기 하나 이상의 온도 측정 위치들로 이동될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 도 6은 공작물의 온도를 제어하기 위한 방법(300)을 도시한다. 유의해야 할 점은, 예시된 방법들은 본 명세서에서 일련의 행위들 또는 사건들로 예시되고 설명되지만, 일부 단계는 본 발명에 따라 본 명세서에 도시되고 설명된 것과 별개로 상이한 순서로 및/또는 다른 단계로 발생할 수 있기 때문에, 본 발명은 그러한 행위들 또는 사건들의 예시된 순서에 의해 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명에 따른 방법론을 구현하기 위해 예시된 모든 단계들이 필요한 것은 아니다. 더욱이, 상기 방법들은 여기에 예시되고 설명된 시스템과 관련하여 그리고 예시되지 않은 다른 시스템과 관련하여 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
예를 들어, 도 6에 도시된 상기 방법(300)은 열 척 상에 배치된 공작물의 상기 온도를 제어한다. 예를 들어, 동작(302)에서, 상기 공작물은 상기 열 척의 클램핑 표면 상에 선택적으로 유지된다. 동작(304)에서, 상기 열 척과 관련된 하나 이상의 히터들에 선택적으로 에너지를 공급함으로써 상기 열 척의 상기 클램핑 표면은 선택적으로 가열되고, 이에 의해 상기 공작물 상의 하나 이상의 위치들을 선택적으로 가열한다. 동작(306)에서, 상기 공작물의 표면의 온도는 상기 공작물이 열 모니터링 장치를 통해 상기 열 척의 상기 클램핑 표면에 상주할 때 판단되고, 이로써 측정된 온도를 정의한다. 상기 공작물의 상기 온도는, 비-접촉 열 장치에 의해 상기 공작물의 상기 방사율 또는 온도를 측정하거나 또는 둘의 조합으로 측정함으로써, 상기 공작물의 표면을 온도 측정 장치와 직접 접촉하여 판단할 수 있다. 동작(308)에서, 상기 하나 이상의 히터들이 상기 측정된 온도에 기초하여 선택적으로 에너지가 공급되고, 상기 공작물 자체의 정밀하고 정확한 온도 제어가 유리하게 달성된다.
또 다른 측면에 따르면, 전술한 방법론은 제어기, 범용 컴퓨터 또는 프로세서 기반 시스템 중 하나 이상에서 컴퓨터 프로그램 코드를 사용하여 구현될 수 있다. 도 7을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 프로세서 기반 시스템(processor based system)(400)의 블록도가 제공된다. 상기 프로세서 기반 시스템(400)은 범용 컴퓨터 플랫폼이며, 본 명세서에서 논의되는 프로세스들을 구현하는데 사용될 수 있다. 상기 프로세서 기반 시스템(400)은 데스크톱 컴퓨터, 워크 스테이션, 랩톱 컴퓨터, 또는 특정 애플리케이션을 위해 맞춤화된 전용 유닛과 같은 처리 유닛(processing unit)(402)을 포함할 수 있다. 상기 프로세서 기반 시스템(400)은 디스플레이(display)(404) 및 마우스, 키보드 또는 프린터와 같은 하나 이상의 입력/출력 장치들(input/output devices)(406)을 구비할 수 있다. 상기 처리 유닛(402)은 버스(bus)(418)에 연결된 중앙 처리 유닛(central processing unit)(CPU)(408), 메모리(memory)(410), 대용량 저장 장치(mass storage device)(412), 비디오 어댑터(video adapter)(414) 및 I/O 인터페이스(416)를 포함할 수 있다.
상기 버스(418)는 메모리 버스 또는 메모리 컨트롤러, 주변 버스 또는 비디오 버스를 포함하는 임의의 유형의 여러 버스 아키텍처들 중 하나 이상일 수 있다. 상기 CPU(408)는 임의의 유형의 전자 데이터 프로세서(electronic data processor)를 포함할 수 있고, 상기 메모리(410)는 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM), 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM), 또는 읽기 전용 메모리(ROM)와 같은 임의의 유형의 시스템 메모리를 포함할 수 있다.
상기 대용량 저장 장치(412)는 데이터, 프로그램들 및 기타 정보를 저장하고, 상기 데이터, 프로그램들 및 기타 정보를 상기 버스(418)를 통해 액세스 가능하게 하도록 구성된 임의의 유형의 저장 장치를 포함할 수 있다. 상기 대용량 저장 장치(412)는, 예를 들어, 하드 디스크 드라이브, 자기 디스크 드라이브 또는 광 디스크 드라이브 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 비디오 어댑터(414) 및 상기 I/O 인터페이스(416)는 외부 입력 및 출력 장치들을 상기 처리 유닛(402)에 연결하기 위한 인터페이스들을 제공한다. 입력 및 출력 장치들의 예들은 상기 비디오 어댑터(414)에 결합된 상기 디스플레이(404) 및 상기 I/O 인터페이스(416)에 연결된 마우스, 키보드, 프린터 등과 같은 상기 I/O 장치(406)를 포함한다. 다른 장치들이 상기 처리 유닛(402)에 연결될 수 있고, 추가적으로 또는 더 적은 인터페이스 카드들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 직렬 인터페이스 카드(도시되지 않음)는 프린터에 직렬 인터페이스를 제공하는데 사용될 수 있다. 상기 처리 유닛(402)은 또한 근거리 네트워크(LAN) 또는 광역 네트워크(WAN)(422) 및/또는 무선 링크에 대한 유선 링크일 수 있는 네트워크 인터페이스(network interface)(420)를 포함할 수 있다.
상기 프로세서 기반 시스템(400)은 다른 구성요소들을 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 상기 프로세서 기반 시스템(400)은 전원 공급 장치들, 케이블, 마더 보드, 이동식 저장 매체, 케이스 등을 포함할 수 있다. 이들 다른 구성요소들은 도시되지 않았지만 상기 프로세서 기반 시스템(400)의 일부로 간주된다.
본 발명의 실시 예들은 상기 CPU(408)에 의해 실행되는 프로그램 코드에 의해 상기 프로세서 기반 시스템(400) 상에서 구현될 수 있다. 상술한 실시 예들에 따른 다양한 방법들은 프로그램 코드로 구현될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 명시적인 논의는 생략된다.
또한, 도 1 내지 도 5의 다양한 모듈들 및 장치들은 하나 이상의 프로세서 기반 시스템들(400) 상에서 구현되고 제어될 수 있음에 주목해야 한다. 상기 다른 모듈들과 장치들 간의 통신은 상기 모듈들이 구현되는 방법에 따라 달라질 수 있다. 상기 모듈들이 하나의 프로세서 기반 시스템(400)에서 구현되는 경우, 데이터는 상기 CPU(408)에 의한 상이한 단계들에 대한 프로그램 코드의 실행 사이에 메모리(410) 또는 대용량 저장 장치(412)에 저장될 수 있다. 그 다음, 상기 데이터는 각각의 단계의 실행 동안 버스(418)를 통해 상기 메모리(410) 또는 대용량 저장 장치(412)에 액세스하는 상기 CPU(408)에 의해 제공될 수 있다. 모듈들이 상이한 프로세서 기반 시스템들(400)에서 구현되거나 데이터가 별도의 데이터베이스와 같은 다른 저장 시스템에서 제공되는 경우, 데이터는 I/O 인터페이스(416) 또는 네트워크 인터페이스(420)를 통해 상기 시스템들(400) 사이에 제공될 수 있다. 마찬가지로, 상기 장치들 또는 스테이지들에 의해 제공된 데이터는 I/O 인터페이스(416) 또는 네트워크 인터페이스(420)에 의해 하나 이상의 프로세서 기반 시스템(400)에 입력될 수 있다. 당업자는 다양한 실시 예들의 상기 범위 내에서 고려되는 시스템들 및 방법들을 구현함에 있어 다른 변형들 및 수정들을 쉽게 이해할 것이다.
따라서, 본 발명은 고온 이온 주입(high temperature ion implantation)을 겪는 도 1의 상기 공작물(118)과 같은 열 공정(thermal process)을 겪는 공작물의 정확한 온도 제어를 제공하며, 이는 이후 더 상세히 논의될 것이다. 온도 센서 또는 열 모니터링 장치(160)(가령, 파이로미터, 방사율 센서, TC, RTD 또는 유사한 장치 중 하나 이상)는, 공정 또는 주입과 동시에 상기 공작물의 온도를 보다 정밀하고 정확하게 제어하기 위하여, 상기 공작물(118)의 상기 온도를 모니터링하고, 상기 열 척(130)(가령, 가열 플래튼(heated platen))을 제어하도록 구현된다. 예를 들어, 상기 열 모니터링 장치(160)는 상기 공작물(118)의 실시간 온도 모니터링을 제공하고 이러한 정보를 상기 제어 시스템(148, 400)에 공급하여 상기 열 척(130)의 상기 온도를 동적으로 제어하여 상기 공작물의 특정 온도를 달성한다.
예를 들어, 상기 열 모니터링 장치(160)는 도 5에 도시된 상기 예에 도시된 바와 같이, 비-접촉 열 장치(220)(가령, 방사율 센서)를 포함할 수 있고, 이에 의해 상기 센서는 상기 공작물의 공정 전반에 걸쳐 상기 공작물(118)의 상기 방사율의 정확한 측정을 제공하기 위해 도 1의 상기 시스템(100)에 통합된다. 예를 들어, 상기 공작물(118)의 상기 방사율은 공정 조건들(가령, 주입 공정 조건들), 상기 공작물의 상기 재료 구성, 온도, 및/또는 상기 공작물 상의 임의의 코팅들의 함수로서 변경될 수 있다. 예를 들어, 본 발명 내용의 상기 방사율 측정은 상기 공작물(118)의 보다 정확하고 안정적인 온도를 유지하기 위해 다른 온도 측정들에 공급하는데 이용될 수 있다. 상기 공작물(118)의 상기 온도가 (가령, 주입 전력, 백사이드 가스 흐름, 냉각수 흐름, 히터 전력 등으로 인해) 변화함에 따라 상기 온도 센서는 상기 제어 시스템(148, 400)을 통해 그러한 온도 변화에 반응하도록 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 열 모니터링 장치(160)와 같은 파이로미터(pyrometer)는 비-접촉 온도 측정 및 제어를 제공하기 위한 폐쇄-루프 시스템에서 제어 피드백으로 사용될 수 있다. 상기 파이로미터로부터의 온도 데이터는 상기 열 척(130)의 상기 하나 이상의 히터들(136)에 입력되는 전력을 제어하기 위해 상기 제어 시스템(148, 400)으로 피드백될 수 있고, 이에 의해 상기 제어는 상기 공작물(118)의 상기 측정된 온도에 기초한다. 따라서, 상기 공작물(118)의 온도 변화를 측정하면, 상기 열 척(130)과 관련된 상기 하나 이상의 히터들(136)의 다양한 히터들을 제어하여 이러한 온도 변화를 보상할 수 있다. 이와 같이, 상기 척의 상기 온도에 대한 종래의 측정들과는 달리, 상기 공작물(118)의 상기 실제 온도를 이용함으로써 정확한 시스템 제어가 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 상기 비-접촉 열 장치(220)와 같은 파이로미터는 상기 열 척(130)을 향하지 않는 상류측(가령, 상기 공작물의 상기 상부 표면(222))으로부터 상기 공작물(118)의 상기 온도를 측정하도록 위치될 수 있다. 상기 비-접촉 열 장치(220)는 상기 공작물(118)의 상기 백사이드 표면(214) 상에 가시선이 제공되도록 상기 열 척(130) 상에 대안으로 통합될 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 RTD 및/또는 열전대와 같은 상기 공작물(118)과 접촉하는 열 모니터링 장치(160)를 사용하는 경우, 상기 공작물의 백사이드 표면(214)이 접촉될 수 있다. 그러나, 상기 공작물(118)의 상기 상류측 또는 상부 표면(222)이 상기 RTD 또는 TC에 의해 접촉될 수 있거나, 또는 상부 표면(222)과 백사이드 표면(214) 모두가 접촉될 수 있다는 것이 또한 고려된다. 파이로미터 또는 방사율 센서들과 같은 도 5의 비-접촉 열 장치들(220)은 도 1의 상기 공정 챔버(122)의 상기 측면 상에 (가령, 공작물(118)에서 1 ~ 2 피트 떨어져) 장착될 수 있다. 예를 들어, 도 4의 직접 접촉 열 장치들(212)의 경우, 그러한 장치들은 훨씬 더 작은 센서를 포함하기 때문에, 상기 공작물(118)의 상기 백사이드 표면(214)과의 접촉이 상기 상부 표면(222)과의 접촉보다 바람직할 수 있지만, 어느 위치 든 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
상기 공작물(118) 상의 상기 온도 측정을 위한 다수의 위치들이 추가 고려된다. 예를 들어, 균일성을 위해 상기 공작물 주변 여러 위치들에서 온도들을 모니터링할 수 있다(가령, 더 나은 균일성을 위해 내부 및 외부 구역들을 조정하고 제어할 수 있다). 따라서, 다수의 위치들에 다수의 열 모니터링 장치들(160)을 가지는 것은 유리하게 균일성 및 온도 정확도를 개선한다.
또한, 리던던트 TCs/RTDs와 같은 리던던트 열 모니터링 장치들(160)은 상기 장치들의 잠재적인 높은 고장률들을 고려하기 위해 각 구역에서 구현될 수 있다. 리던던트 TCs/RTDs를 다수 제공하여, 하나가 실패하면 나머지 TCs/RTDs의 상기 출력을 서로 비교할 수 있다. 이와 같이, 1차 및 2차(가령, 리던던트) 센서들 간에 큰 온도 차이가 확인되면, 그러한 시나리오는 상기 TC 또는 RTD의 고장으로 식별될 수 있고, 상기 시스템은 상기 TC/RTD의 상기 출력과 일치하도록 상기 히터(들)(136)을 구동하려고 시도하는 대신 "유지(hold)" 모드에 놓일 수 있다. 예를 들어, 리던던트 TCs/RTDs는 이중화(redundancy)를 위해 서로 가깝게 위치될 수 있고, 균일성을 위해 TCs/RTDs 쌍들은 상기 열 척(130)에 대한 다양한 위치들에 위치될 수 있다. 예를 들어, 리던던트 TC/RTD는 상기 TC/RTD의 "건전성(health)"을 평가하기 위해 상기 1차 TC/RTD 옆에 위치될 수 있다. 일 예에서, 상기 TCs/RTDs는 균일성의 이해를 제공하기 위해 서로에 대해 120-180도에 위치할 수 있다.
도 5에 도시된 것과 같은 고온 측정 또는 비-접촉 열 감지를 위해, 상기 공작물(118)는 온도 측정을 위해 미리 결정된 위치로 이동될 수 있다. 예를 들어, 비-접촉 열 장치(220)(가령, 파이로미터)는 공간에 고정될 수 있는 반면, 상기 공작물(118)은 이동 암과 같은 상기 공작물 이동 기기(224)에 장착된 상기 열 척(130) 상에 유지될 수 있다. 이와 같이, 상기 공작물(118)은 공작물 전체의 온도 균일성을 완전히 이해하기 위해 에지, 중간, 120도 오프셋 등을 캡처하기 위해 상이한 위치들로 이동할 수 있다. 다른 예에서, 상기 공작물은 다양한 각도 위치들을 캡처하기 위해 회전될 수 있다. 어떤 경우에는, 상기 파이로미터는 공작물 평면에 수직에 가까운 것이 (가령, 상기 공작물(118)로부터 몇 인치도 떨어지지 않은) 바람직할 수 있다.
본 발명은 유리하게는 상기 공작물(118)의 상기 측정된 온도에 기초하여 상기 하나 이상의 히터들(136)을 제어하고, 이온 주입과 동시에 제어될 수 있다. 예를 들어, 파이로미터는 도 1의 상기 이온 빔(112)의 스캔 길이의 상기 상부를 향할 수 있다(가령, 상기 공작물(118)은 상기 이온 빔 앞에서 특정 스캔의 상부에서 하부로 이동된다). 예를 들어, 상기 파이로미터는 각 스캔의 상기 상부에서 온도 데이터를 검색하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 상기 공작물 (118)의 측면(가령, 좌측 또는 우측), 중간 또는 다른 영역에서의 상기 온도가 마찬가지로 측정될 수 있다.
일 예에서, 예를 들어, 도 4에 도시된 것과 같은 직접 접촉 열 장치(212)는 상기 공작물(118)의 상기 백사이드 표면(214)과 연관되고, 상기 열 척(130)에 연결될 수 있으며, 이에 의해 주입 전체에 걸쳐 연속적인 온도 모니터링이 달성될 수 있다. 예를 들어, 이온 빔 전력은 (가령, 상기 공작물의 상기 온도에 영향을 미치는 도 1의 상기 이온 빔(112)으로부터 전력/열을 추가하여) 상기 공작물(118)의 상기 온도를 변경할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 이온 빔(112)에 의해 야기된 상기 공작물(118)의 온도 변화를 캡처하고, 상기 공작물이 상주하는 상기 열 척(130)의 상기 온도를 단순히 측정하는 대신, 상기 공작물의 상기 온도를 유리하게 측정하는 기기 및 시스템을 제공한다. 상기 열 척(130)의 상기 온도는 일반적으로 상기 공작물(118)의 상기 온도로부터 분리되기 때문에, 본 발명은 열 척의 상기 온도만을 측정하는 종래의 측정 기기를 사용하여 이전에는 불가능했던 이온 빔 파워가 상기 공작물에 열을 추가하는 경우에도 정확한 온도 제어를 제공한다. 본 발명은 상기 공작물(118)의 상기 온도를 유리하게 모니터링하고, 이에 의해 상기 주입 동안 상기 열 척 내에 있는 상기 하나 이상의 히터들(136)에 대한 입력 전력의 수정들에서 공작물 온도의 변화를 고려할 수 있다.
본 발명 내용의 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(212)은 빔 타격 시 정확하고 거의 즉각적인 측정 데이터를 제공한다. 상기 하나 이상의 직접 비-접촉 열 장치들(220)은 마찬가지로 상기 공작물(118)이 예를 들어 상기 파이로미터의 관점에서 볼 때 그러한 거의 즉각적인 응답(near-instantaneous response)을 제공할 수 있다. 파이로미터를 통해 온도 모니터링을 수행하려면, 예를 들어, 각각의 느린 스캔 패스는 위에서 설명한 것처럼 온도 데이터를 얻기 위해 활용될 수 있고, 이에 의해 상기 열 척(130)이 상기 온도를 제어하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 상기 이온 빔(112)을 통한 상기 공작물(118)의 통과 횟수가 많을수록, 상기 공작물이 상기 이온 빔에 더 오래 노출되고, 온도의 더 큰 변화를 경험할 수 있다. 따라서, 상기 공작물(118)의 단일 통과만이 상기 이온 빔(112) 앞에서 만들어지면, 상기 이온 빔 앞에서 많은 시간을 소비하지 않기 때문에 열 변화가 최소화된다. 상기 공작물(118)이 상기 이온 빔(112)을 통해 더 많이 통과할수록, 획득되는 상기 온도 데이터가 클수록 상기 온도가 변할 가능성이 더 커지고, 상기 온도를 제어할 수 있는 상기 기회가 더 많이 제공된다.
따라서, 본 발명은 상기 공작물(118)의 상기 온도의 피드백에 기초하여 상기 열 척(130)에서 상기 하나 이상의 히터들(136)을 제어한다. 예를 들어, 상기 가열 제어는 백사이드 가스 흐름에 관계없이 상기 하나 이상의 히터들을 제어함으로써 추가 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명은 빔 파워, 백사이드 가스 흐름 등에 관계없이 상기 공작물(118)의 상기 온도를 제어하는데 도움이 된다.
TC 또는 RTD와 같은 직접 접촉 열 장치 및/또는 방사율 센서 또는 파이로미터와 같은 비-접촉 열 장치의 활용이 구체적으로 논의되는 동안, 상기 공작물(118)의 상기 온도를 직접 측정하도록 구성된 임의의 유형의 센서는 본 발명 내용의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.
또 다른 예에서, 본 발명은 공작물이 상기 열 척(130) 상에 존재하지 않을 때, 도 1의 상기 제어기(148)가 상기 하나 이상의 히터들(136)에 대한 일정한 전력을 유지하도록 구성될 수 있음을 고려한다. 예를 들어, 방사율 센서는 상기 공작물(118) 및 상기 열 척(130) 사이의 차이를 검출하기 위해 상기 하나 이상의 직접 비-접촉 열 장치들(220) 중 하나로 구성될 수 있고, 이러한 제어를 제공하여 상기 열 척의 상기 온도가 공작물들의 이송 동안 유지될 수 있다.
본 발명은 특정 바람직한 실시예 또는 실시예들에 대해 도시되고 기술되었지만, 본 명세서 및 부가된 도면의 판독 및 이해에 따라 예술에 숙련된 다른 사람들에게 동등한 변경들 및 수정들이 발생할 것이 분명하다. 특히 전술한 컴포넌트들(조립체들, 장치들, 회로들 등)에 의해 수행되는 상기 다양한 기능들과 관련하여, 이러한 컴포넌트들을 설명하기 위해 사용된 상기 용어들("수단"에 대한 언급 포함)은, 달리 지시되지 않는 한, 본 명세서에 예시된 일 실시 예들에서 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 동일하지는 않지만, 달리 지시되지 않는 한, 설명된 컴포넌트(즉, 기능상 동등함)의 특정 기능을 수행하는 임의의 컴포넌트에 대응하도록 의도된다. 또한, 본 발명의 특정 특징은 몇몇 실시 예 중 하나에 대해서만 개시될 수 있지만, 이러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정 응용에 바람직하고 유리할 수 있는 다른 실시 예의 하나 이상의 다른 특징과 결합될 수 있다.

Claims (25)

  1. 열 척 시스템으로서,
    그 클램핑 표면(clamping surface) 상에 공작물(workpiece)을 선택적으로 유지하도록(selectively retain) 구성되는 열 척 기기(thermal chuck apparatus) - 상기 열 척 기기는 상기 클램핑 표면을 선택적으로 가열하도록(selectively heat) 구성되는 하나 이상의 히터들(heaters)을 포함하고, 이로써 상기 공작물을 선택적으로 가열함 -;
    상기 공작물이 상기 클램핑 표면 상에 상주할 때 상기 공작물의 표면의 온도를 판단하도록 구성되고, 측정된 온도를 정의하는 열 모니터링 장치(thermal monitoring device); 및
    상기 측정된 온도에 기초하여 상기 하나 이상의 히터들에 선택적으로 에너지를 공급하도록 구성되는 제어기(controller);
    를 포함하되,
    상기 열 모니터링 장치는 상기 공작물의 표면에 직접 접촉하도록 구성되는 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(one or more direct contact thermal devices)을 포함하고, 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들 각각은 리던던트 열 장치들의 각 쌍을 포함하며,
    각각의 리던던트 열 장치들의 각 쌍은 상기 공작물의 상기 표면의 1차 온도(primary temperature)를 측정하도록 구성되는 1차 열 장치(primary thermal device) 및 상기 공작물의 상기 표면의 2차 온도(secondary temperature)를 측정하도록 구성되는 2차 열 장치(secondary thermal device)를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 1차 온도와 상기 2차 온도의 비교에 기초하여 상기 측정된 온도의 정확도를 판단하고, 상기 측정된 온도의 정확도가 미리 결정된 임계 값을 초과할 때 신호를 제공하도록 추가 구성되는,
    열 척 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들은 열전대(thermocouple: TC) 및 저항 온도 검출기(resistance temperature detector: RTD) 중 하나 이상을 포함하는,
    열 척 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 리던던트 열 장치들의 각 쌍은 상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 각각의 위치에서 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도를 판단하도록 구성되는,
    열 척 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들은 상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 하나 이상의 각각의 위치들에서 상기 공작물의 상기 표면과 직접 접촉하도록 구성되는,
    열 척 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 상기 하나 이상의 각각의 위치들은 적어도 상기 공작물의 중앙 영역(central region) 및 상기 공작물의 주변 영역(peripheral region)을 포함하는,
    열 척 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 상기 하나 이상의 위치들은 상기 공작물의 상기 표면을 가로지르는 복수의 원주 방향으로 이격된 위치들(circumferentially-spaced locations)을 포함하는,
    열 척 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공작물의 상기 표면은 상기 열 척 기기를 향하는 상기 공작물의 백사이드 표면(backside surface)을 포함하는,
    열 척 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기에 의한 상기 하나 이상의 히터들의 상기 선택적 에너지 공급(selective energizing)은 상기 측정된 온도에 기초하여 상기 하나 이상의 히터들의 열 출력을 선택적으로 제어하는,
    열 척 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 공작물로 이온들을 주입하도록 구성되는 이온 주입 기기(ion implantation apparatus)를 추가 포함하고,
    이로써 상기 공작물로 선택적으로 열을 입력하고 상기 이온들이 주입되는 위치에서 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도를 증가시키고,
    상기 각각의 하나 이상의 히터들 중 하나 이상은 상기 위치와 연관되고,
    상기 열 모니터링 장치는 상기 위치에 근접한 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도를 모니터링하도록 추가 구성되고,
    상기 제어기는 상기 위치에서 상기 공작물의 상기 표면의 상기 온도에 기초하여 상기 각각의 하나 이상의 히터들 중 하나 이상의 출력을 선택적으로 제어하도록 추가 구성되는,
    열 척 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 히터들은 상기 열 척 기기 내에 내장되는,
    열 척 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 히터들은 각각 저항 히터(resistive heater) 및 복사 히터(radiative heater) 중 하나를 포함하는,
    열 척 시스템.
  12. 열 공정 시스템으로서,
    그 위에 공작물(workpiece)을 지지하도록 구성되는 클램핑 표면(clamping surface)을 가지는 열 척(thermal chuck);
    상기 클램핑 표면 상에 상주하는 상기 공작물을 선택적으로 가열하도록 구성되는 하나 이상의 히터들(heaters);
    상기 공작물이 상기 클램핑 표면 상에 상주할 때, 상기 공작물의 온도를 판단하도록 구성되어 측정된 온도를 정의하는 열 모니터링 장치(thermal monitoring device); 및
    상기 측정된 온도에 기초하여 상기 하나 이상의 히터들에 선택적으로 에너지를 공급하도록 구성되는 제어기(controller);
    를 포함하되,
    상기 열 모니터링 장치는 상기 공작물의 표면에 직접 접촉하도록 구성되는 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(one or more direct contact thermal devices)을 포함하고, 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들 각각은 리던던트 열 장치들의 각 쌍을 포함하며,
    각각의 리던던트 열 장치들의 각 쌍은 상기 공작물의 상기 표면의 1차 온도(primary temperature)를 측정하도록 구성되는 1차 열 장치(primary thermal device) 및 상기 공작물의 상기 표면의 2차 온도(secondary temperature)를 측정하도록 구성되는 2차 열 장치(secondary thermal device)를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 1차 온도와 상기 2차 온도의 비교에 기초하여 상기 측정된 온도의 정확도를 판단하고, 상기 측정된 온도의 정확도가 미리 결정된 임계 값을 초과할 때 신호를 제공하도록 추가 구성되는,
    열 공정 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들은 열전대(thermocouple: TC) 및 저항 온도 검출기(resistance temperature detector: RTD) 중 하나 이상을 포함하는,
    열 공정 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 공작물로 이온들을 선택적으로 주입하도록 구성되는 이온 주입 기기(ion implantation apparatus)를 추가 포함하는,
    열 공정 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 열 척은 정전 척(electrostatic chuck) 및 기계적 클램핑 플레이트(mechanical clamping plate) 중 하나를 포함하는,
    열 공정 시스템.
  16. 열 모니터링 시스템으로서,
    공작물을 지지하도록 구성되는 클램핑 표면을 가지는 열 척(thermal chuck);
    상기 공작물이 상기 열 척의 상기 클램핑 표면 상에 상주할 때, 상기 공작물의 백사이드 표면에 직접 접촉하도록 구성되는 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들(direct contact thermal devices) - 상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들은 상기 공작물의 온도를 측정하도록 구성되고, 하나 이상의 측정된 온도들을 정의함 -;
    상기 공작물을 선택적으로 가열하도록 구성되는 하나 이상의 히터들(heaters); 및
    상기 하나 이상의 측정된 온도들에 기초하여 상기 하나 이상의 히터들에 선택적으로 에너지를 공급하도록 구성되는 제어기(controller);
    를 포함하되,
    상기 하나 이상의 직접 접촉 열 장치들 각각은 리던던트 열 장치들의 각 쌍을 포함하며,
    각각의 리던던트 열 장치들의 각 쌍은 상기 공작물의 상기 백사이드 표면의 1차 온도(primary temperature)를 측정하도록 구성되는 1차 열 장치(primary thermal device) 및 상기 공작물의 상기 백사이드 표면의 2차 온도(secondary temperature)를 측정하도록 구성되는 2차 열 장치(secondary thermal device)를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 1차 온도와 상기 2차 온도의 비교에 기초하여 상기 측정된 온도의 정확도를 판단하고, 상기 측정된 온도의 정확도가 미리 결정된 임계 값을 초과할 때 신호를 제공하도록 추가 구성되는,
    열 모니터링 시스템.
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