CN1282985C - 离子注入机中的靶盘垂直扫描运动机构 - Google Patents

Abstract

离子注入机中的靶盘垂直扫描运动机构，属于半导体设备技术领域。现有靶盘扫描运动机构采取了串联运动机构，为了解决这种机构刚度低、传动系统复杂、积累误差大的问题，本发明公开了一种采用伸缩腿双支链结构的2自由度平面并联机构，包括靶盘、伸缩腿第一支链和伸缩腿第二支链，靶盘上安装有接受离子注入的硅片。伸缩腿第一支链的一端通过转动铰与离子注入机注入腔室的第一安装点连接，另一端通过转动铰与靶盘的一点连接；伸缩腿第二支链的一端刚性固定在离子注入机注入腔室的第二安装点上，另一端通过转动铰与靶盘的另一点连接。本发明所述机构与现有机构相比，结构简单，刚度大，传动链极短，精度高，驱动电机可布置在腔室外，避免了磁场干扰。

Description

离子注入机中的靶盘垂直扫描运动机构

技术领域

本发明属于半导体设备技术领域。

背景技术

离子注入机是制造半导体硅片的重要设备。为了保证注入到硅片离子剂量的均匀性，必须很好地控制靶盘的扫描运动。靶盘的扫描运动方法是：离子束流不动，靶盘既要作匀速旋转以调整注入倾斜角度，又要作上下往复平移运动。

从已检索的文献来看，Varian公司申请的专利WO02/43104“Hybrid scanning system andmethods for ion implantation”(May 30，2002)提出了一种有代表性的方法，如图1所示。

在图1中，机构604可以绕轴605旋转以调整离子束404注入到硅片416表面418的倾斜角度，同时，硅片416及靶盘414等可以沿图中Y方向602作往复平移运动。

下面进一步分析这种方法：当离子束20沿如图2所示方向10注入时，如果离子束的平行度控制得不好，就会出现图中所示的离子束沿注入方向呈锥形分布的情况。这样，当硅片被调整到图中注入角度α后沿箭头所示方向30作上下往复平移运动时，在位置40处与离子束相交的区域为Z₁，而在位置50处与离子束相交的区域为Z₂，显然Z₂小于Z₁，也就是说，在这种情况下当硅片运动到不同位置时，离子注入到硅片表面的剂量是不同的。因此，这种方法对离子束的平行度的控制提出了更高的要求。只有充分保证离子束之间相互平行，才能保证离子注入剂量的均匀性。

发明内容

通过上述分析，可以发现已有的靶盘扫描运动机构采取了串联运动机构。这种串联机构属悬臂结构，刚度较低，且层迭嵌套，如果将驱动电机布置在腔室外的机座上，则所控制的终端构件必须由始端构件和中间构件来带动和加速，致使传动链长，传动系统复杂，积累误差大而精度低；如果直接将驱动电机布置在终端构件的臂上，则电机的磁场会干扰离子的注入，使得离子束流偏离原来的方向。

因此，为了解决上述问题，本发明提出了取代上述串联机构的平面并联机构，提供离子注入角度的调整和靶盘作往复扫描运动的功能，实现大角度离子注入的靶盘垂直往复扫描运动。

本发明公开了一种离子注入机中的靶盘垂直扫描运动机构，其特征在于：该运动机构是采用伸缩腿双支链结构的2自由度平面并联机构，包括靶盘、伸缩腿第一支链和伸缩腿第二支链，所述靶盘上安装有接受离子注入的硅片；所述伸缩腿第一支链的一端通过转动铰与所述离子注入机注入腔室的第一安装点连接，另一端通过转动铰与所述靶盘的一点连接；所述伸缩腿第二支链的一端刚性固定在所述离子注入机注入腔室的第二安装点上，其另一端通过转动铰与所述靶盘的另一点连接。

本发明所述各转动铰的转轴相互平行，且垂直于该运动机构所有杆件所在的平面，构成平面并联机构。

本发明所述的伸缩腿双支链结构中两条支链的长度可通过伸缩腿的驱动结构受控制加以改变，从而改变靶盘的角度和实现靶盘的扫描运动。

本发明所述的并联机构与现有串联机构相比，结构简单，刚度大，传动链极短，末端执行件速度快，没有误差的积累和放大，精度高，驱动电机可以非常自然地布置在腔室外的机座上，避免了磁场的干扰。

附图说明

图1是专利WO02/43104公开的一种靶盘扫描运动机构。

图2是靶盘沿垂直方向作往复运动时离子注入剂量均匀性分析示意图。

图3是本发明所述的靶盘沿垂直方向作往复运动的并联机构。

图4是本发明在注入角为0°时的运动姿态示意图，其中：(a)表示运动到上极限位置时的姿态，(b)表示运动到下极限位置时的姿态。

图5是本发明在注入角为30°时的运动姿态示意图，其中：(a)表示运动到上极限位置时的姿态，(b)表示运动到下极限位置时的姿态。

图6是本发明在注入角为60°时的运动姿态示意图，其中：(a)表示运动到上极限位置时的姿态，(b)表示运动到下极限位置时的姿态。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明所述的离子注入机中的靶盘扫描运动机构。

本发明利用图3所示的并联机构来实现大角度离子注入的靶盘垂直往复扫描运动。在图3中，靶盘2由两个并联的运动支链支撑。其中，构件3与构件4构成的伸缩腿第二支链垂直固定在注入腔室底面，且与靶盘2以转动铰R相联；构件5与构件6之间构成的伸缩腿第一支链与注入腔室底面以转动铰R相联，与靶盘2之间也是转动铰。当两个伸缩腿按照运动学解算的结果同时伸缩时，靶盘即可实现靶盘在保持固定注入角度的情况下作上下往复扫描运动。当两个伸缩腿按照运动学解算的结果进行伸缩时，即可控制特定的注入角度。经运动学初步分析，该并联机构可实现靶盘角度控制和上下扫描运动，角度转动范围可以大于90°。

图4、图5和图6显示了控制该运动机构在0°、30°、60°三种不同注入角度情况下，在极限扫描位置(±130mm)的运动姿态。

当仅需要调整靶盘上硅片的注入倾斜角度时，伸缩腿第一支链伸缩即可，因此转动仅由伸缩腿第一支链实现。当需要保持靶盘以特定角度作上下扫描运动时，伸缩腿第二支链提供与上下扫描完全对应的伸缩运动即可，伸缩腿第一支链需要同时兼顾上下扫描和角度控制，因此其中耦合了两个运动。这种运动的耦合性是并联机构的特点。本并联机构有非常简单的显式正逆解，其控制也较为简单。

本发明所提出的平面并联机构，能实现大角度离子注入的靶盘垂直往复扫描运动，采用的是伸缩腿双支链结构。该结构中支链的长度可以通过伸缩腿的驱动加以改变。实现不提供倾斜扫描功能的大角度靶盘扫描运动时(图3)，伸缩腿第二支链的一端直接固定在腔室的机座上，另一端通过转动铰与靶盘联接；伸缩腿第一支链的一端通过转动铰与腔室的机座联接，另一端通过转动铰与靶盘联接。本发明所述各转动铰的转轴相互平行，且垂直于该运动机构所有杆件所在的平面。

伸缩腿的驱动可以采用以下三种方法：

一是采用伺服电机+滚珠丝杠的结构，电机很自然地安装在腔室的机座上，可以避免电机磁场对离子束线的干扰。位置控制信号输给伺服电机后，驱动滚珠丝杆转动，实现杆件的伸缩，伸缩的位移或转动的角度可以通过测量系统或编码器反馈给位置控制系统。

二是采用直线电机+直线导轨的结构，直线电机可以封闭在伸缩腿中，同样可以实现良好的电磁屏蔽。该结构是采用沿直线导轨移动的直线电机直接驱动杆件，中间没有任何有柔度的机械传动环节，从而可以减少传动系统的惯性矩，提高系统的运动速度、加速度。与此同时，由于动态性能好，可以获得较高的运动精度。

三是采用直线电机+真空下气浮导轨的结构，除了将机械接触式的直线导轨改为气浮导轨外，该种方式与第二种结构基本相同，其气浮轴承采取可工作于真空注入腔室环境下的结构，以适应离子注入机真空注入腔室的要求，并可以同时保证电磁屏蔽。这种方式除具有第二种方式的优点外，由于采用气浮轴承技术消除了伸缩腿运动的阻尼，还可实现更高的加速度、速度以及运动精度。

以上方法所使用的电机均可相应地采用码盘、直线光栅尺进行闭环检测控制。

并联机构的控制技术已经较为成熟，尤其是本专利的并联机构为2自由度平面并联机构，可以根据所需的靶盘倾斜角度和扫描运动的速度、位置轨迹实现良好的控制。

本方案中的机构与Varian公司的专利相比，由串联机构变为并联机构，从根本上改变机构的类型，而功能完全相同，而且发挥了并联机构刚度大、电机布局合理的技术优势。

Claims (2)

1.离子注入机中的靶盘垂直扫描运动机构，其特征在于：该运动机构是采用伸缩腿双支链结构的2自由度平面并联机构，包括靶盘、伸缩腿第一支链和伸缩腿第二支链，所述靶盘上安装有接受离子注入的硅片；所述伸缩腿第一支链的一端通过转动铰与所述离子注入机注入腔室的第一安装点连接，另一端通过转动铰与所述靶盘的一点连接；所述伸缩腿第二支链的一端刚性固定在所述离子注入机注入腔室的第二安装点上，其另一端通过转动铰与所述靶盘的另一点连接；所述的伸缩腿双支链结构中两条支链的长度可通过伸缩腿的驱动结构受控制加以改变。

2.根据权利要求1所述的靶盘垂直扫描运动机构，其特征在于：所述各转动铰的转轴相互平行，且垂直于该运动机构所有杆件所在的平面，构成平面并联机构。

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