CN1291445C - 离子注入机中的靶盘角度控制与扫描运动机构 - Google Patents

离子注入机中的靶盘角度控制与扫描运动机构 Download PDF

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Abstract

一种离子注入机中靶盘角度控制与扫描运动机构，属于半导体设备技术领域。本发明提供了一种离子注入机中靶盘角度控制与扫描运动机构，其特征在于：所述角度控制与扫描运动机构为PR-PRR型双支链2自由度平面并联机构，包括靶盘、第一支链和第二支链。本发明解决了现有串联型靶盘角度控制与扫描机构的刚度低、与腔室连接的底层构件负荷过大等问题，同时，有利于将靶盘扫描运动机构的驱动电动机布置于注入腔室的外部，克服了驱动电动机布置于腔室内部而带来的对注入腔室环境的不利影响。

Description

离子注入机中的靶盘角度控制与扫描运动机构
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，美国Varian公司申请的专利WO02/43104“Hybrid scanningsystem and methods for ion implantation”(申请日：2002年5月30日)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2沿如图2所示方向1注入时，如果离子束的平行度控制得不好，就会出现图2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3作上下往复平移运动时，在位置4处与离子束相交的区域为Z1，而在位置5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，发明人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，实现大角度离子注入的靶盘垂直往复扫描运动。
本发明提供了一种离子注入机中靶盘角度控制与扫描运动机构，其特征在于：所述角度控制与扫描运动机构为移动副转动副—移动副转动副转动副型双支链二自由度平面并联机构，包括靶盘、第一支链和第二支链；
所述第一支链属于移动副转动副型支链形式，包含第一固定构件、第一运动构件、第一移动副和第一转动副，所述的第一固定构件的一端与离子注入机腔室壁刚性连接，另一端通过第一移动副与第一运动构件相连，所述的第一运动构件通过第一转动副与靶盘连接；
所述第二支链属于移动副转动副转动副支链形式，包含第二运动构件、第三运动构件、第二固定构件、第二移动副、第二转动副和第三转动副，所述的第二固定构件的一端与离子注入机腔室刚性连接，另一端通过第二移动副与第三运动构件相连，所述的第三运动构件与第二运动构件通过第二转动副相连，所述第二运动构件通过第三转动副与靶盘相连。
本发明所述的第一固定构件与第二固定构件分别刚性固定于所述离子注入机注入腔室底部的不同安装点上。
本发明所述的各转动副均为转动铰链，它们的转轴相互平行，且垂直于该机构所在的平面，构成平面并联机构。
双支链中的第一运动构件和第三运动构件受竖直方向驱动力作用，使第一运动构件和第三运动构件分别在第一移动副和第二移动副的限制下沿竖直方向上、下运动，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简图。
图4是本发明在上、下载硅片时的姿态示意图。
图5是本发明在注入角为0°时的运动姿态示意图。
图6是本发明在注入角为30°时的运动姿态示意图。
图7是本发明在注入角为60°时的运动姿态示意图。
图8是本发明所述的两主动移动副通过旋转电机+滚珠丝杆方式实现的示意图。
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。
本发明公开了一种实现大角度离子注入的靶盘角度控制与扫描运动机构，见图3。所述角度控制与扫描运动机构为PR-PRR型双支链2自由度平面并联机构，包括靶盘、第一支链和第二支链；靶盘23由两个并联的运动支链支撑。
所述第一支链属于PR型支链形式，包含第一固定构件29、第一运动构件30、第一移动副21和第一转动副22，所述的第一固定构件29的一端与离子注入机腔室壁28刚性连接，另一端通过第一移动副21与第一运动构件30相连，所述的第一运动构件30通过第一转动副22与靶盘23连接；
所述第二支链属于PRR支链形式，包含第二运动构件31、第三运动构件32、第二固定构件33、第二移动副24、第二转动副25和第三转动副26，所述的第二固定构件33的一端与离子注入机腔室28刚性连接，另一端通过第二移动副24与第三运动构件32相连，所述的第三运动构件32与第二运动构件31通过第二转动副25相连，所述第二运动构件31通过第三转动副26与靶盘23相连。
所述第一固定构件29与第二固定构件33分别刚性固定于所述离子注入机注入腔室底部的不同安装点上。
3个转动副的轴线相互平行，在图3中都是垂直于纸面。第一移动副21和第二移动副24的轴线均在垂直于转动副轴线的平面内。因此该机构本靶盘运动机构属于二自由度平面并联机构。两条支链中，第一移动副21和第二移动副24为主动移动副，通过主动移动副的运动输入改变两条支链的长度，可以实现靶盘23的平面二自由度运动(其中的一个平移运动和旋转运动是互相约束的)。当第一移动副21和第二移动副24按照同样的速度同时伸缩时，靶盘23即可在保持固定注入角度的情况下作上下往复扫描运动。若要调节靶盘的倾斜角度，即调节离子注入角α，则只要第一移动副21和第二移动副24在离子注入过程开始之前，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。
为了完成一批硅片的顺序加工，一般需要靶盘扫描运动机构与输片机械手配合实现硅片在靶盘上的自动上、下料过程，此时，靶盘一般处于水平位置，如图4所示。图5至图7表示的是实现0°、30°、60°三种不同注入角度时，并联扫描机构的位姿和运动副的运动情况。
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，两条支链中分别包含主动型的第一移动副21和第二移动副24。主动型的第一移动副21和第二移动副24及第一运动构件30和第二运动构件32的驱动可以采用多种方式实现。
第一种采用“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的结构实现，如图8所示，电机81与丝杆83直接相连，丝杆83旋转时带动螺母82沿轴向直线往复运动，而螺母82与伸缩杆85刚性相连，于是，伸缩杆85沿丝杆83的轴线方向做往复运动，图8中的轴承84起引导伸缩杆85做直线运动的作用。将图8与图3的运动简图对照，则图8中的伸缩杆85与图3中的第一运动构件30对应，图8中的轴承84和支座86构成一体，共同与图3中的第一固定构件29对应。而图8中的旋转电机81、丝杆83与螺母82构成伸缩杆85的驱动部件，由于机构运动简图的限制，该驱动部件在图3的运动简图中未直接表示出，仅根据目前机构简图的规范表示法，以双箭头P表示第一运动构件30和第三运动构件32受到驱动力的作用，即第一运动构件30和第三运动构件32为并联机构中的主动构件。
第二种采用“旋转电机+直线导轨+滚珠丝杆”，其中，直线导轨是第一移动副21或第二移动副24的实现形式，它可以采用圆柱导轨、燕尾型导轨等，而旋转电机和滚珠丝杆构成主动型移动副的驱动结构。
第三种采用“直线电机+直线导轨”的结构来实现。与第二种方式一样，直线导轨是第一移动副21或第二移动副24的实现形式，它可以采用圆柱导轨、燕尾型导轨等，而与第二种方式不同的是，直线电机直接将驱动力施加与第一运动构件30或第三运动构件32上。
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。
本方案所提出的平面并联机构中包含的第一转动副22、第二转动副25、第三转动副26可以采用相关的提供一维转动运动的圆柱铰链来实现。它们的转轴相互平行，且垂直于该机构所在的平面，构成平面并联机构。
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。
本方案中的机构与美国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 (4)

1.一种离子注入机中靶盘角度控制与扫描运动机构，其特征在于：所述角度控制与扫描运动机构为移动副转动副-移动副转动副转动副型双支链二自由度平面并联机构，包括靶盘、第一支链和第二支链；
所述第一支链属于移动副转动副型支链形式，包含第一固定构件(29)、第一运动构件(30)、第一移动副(21)和第一转动副(22)，所述的第一固定构件(29)的一端与离子注入机腔室壁(28)刚性连接，另一端通过第一移动副(21)与第一运动构件(30)相连，所述的第一运动构件(30)通过第一转动副(22)与靶盘(23)连接；
所述第二支链属于移动副转动副转动副支链形式，包含第二运动构件(31)、第三运动构件(32)、第二固定构件(33)、第二移动副(24)、第二转动副(25)和第三转动副(26)，所述的第二固定构件(33)的一端与离子注入机腔室壁(28)刚性连接，另一端通过第二移动副(24)与第三运动构件(32)相连，所述的第三运动构件(32)与第二运动构件(31)通过第二转动副(25)相连，所述第二运动构件(31)通过第三转动副(26)与靶盘(23)相连。
2.根据权利要求1所述的靶盘角度控制与扫描运动机构，其特征在于：所述第一固定构件(29)与第二固定构件(33)分别刚性固定于所述离子注入机注入腔室底部的不同安装点上。
3.根据权利要求1所述的靶盘角度控制与扫描运动机构，其特征在于：所述的各转动副均为转动铰链，它们的转轴相互平行，且垂直于该机构所在的平面，构成平面并联机构。
4.根据权利要求1所述的靶盘角度控制与扫描运动机构，其特征在于：双支链中的第一运动构件(30)和第三运动构件(32)受竖直方向驱动力作用，使第一运动构件(30)和第三运动构件(32)分别在第一移动副(21)和第二移动副(24)的限制下沿竖直方向上、下运动，从而改变靶盘的角度和实现靶盘的扫描运动。
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Granted publication date: 20061220