JP2010161079A

JP2010161079A - イオン注入装置

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Publication number: JP2010161079A
Application number: JP2010036721A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tomita; 博之冨田; Kazuo Mera; 和夫米良; Isao Hashimoto; 橋本　　勲; Yasuki Nakano; 安紀中野; Takayoshi Seki; 関　　孝義
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: JP5171860B2

Abstract

【課題】注入対象を保持することに伴ってパーティクルが発生するのを抑制する。
【解決手段】ウエハ２４を保持するウエハホルダ２０をウエハホルダベース３６、ウエハ固定部３８、ホルダピン４０、４２、ベアリング、ハウジング、コイルばねで構成し、ウエハ固定部３８をウエハホルダベース３６の外周側に固定し、ホルダピン４０、４２をウエハ固定部３８に相対向して配置し、ホルダピン４０をベアリングで回転自在に支持するとともにハウジング、コイルばねによってホルダピン４０、４２をウエハホルダベース３６の径方向に沿って移動自在に支持し、ウエハ２４の側面をホルダピン４０、４２によって保持する過程で、ウエハ２４からの力がホルダピン４０、４２に作用したときにＺ軸を中心としてホルダピン４０、４２を回転させて、ホルダピン４０とウエハ２４との間に作用する摩擦力を軽減する。
【選択図】図４

Description

本発明は、イオン注入装置に係り、特に、シリコンウエハを注入対象として、シリコンウエハに酸素イオンを注入するに好適なＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｙｇｅｎ）用イオン注入装置に関する。

従来、シリコンウエハにイオンを注入するイオン注入装置として、イオン源からのイオンビームを処理室内に照射し、処理室内に配置されたシリコンウエハに酸素イオンなどを注入するものが知られている。この種のイオン注入装置においては、例えば、特許文献１に記載されているように、シリコンウエハを円盤状のウエハホルダ上に配置し、シリコンウエハの側面をホルダピンにより保持する構成が採用されている。

特開昭６１−１１６７４６号公報

従来技術においては、シリコンウエハの側面をホルダピンによって保持する構成を採用しているが、シリコンウエハをウエハホルダに搭載するときにパーティクルが発生する等、シリコンウエハの加熱時やイオン注入時において、熱振動、機械振動などに伴ってパーティクルが発生することについては十分配慮されていない。

特に、ＳＩＭＯＸ用イオン注入装置において、シリコンウエハ上にパーティクルが堆積すると、イオン注入過程における注入欠陥を作り、それが絶縁層のピンホールとなるため、シリコンウエハの絶縁特性が低下して絶縁不良となり、ウエハ品質の低下につながる。このパーティクルについては、シリコンウエハをウエハホルダに搭載するとき、加熱プロセス時、イオン注入時など種々の発生過程がある。

まず、ウエハ搭載時においては、シリコンウエハをウエハホルダにセットしたときに、シリコンウエハをウエハ保持機構で特定の位置に静止させて保持する構造となっているため、シリコンウエハを静止する過程の中で、ウエハと保持機構との間に摩擦またはこすれが発生し、この摩擦またはこすれによってパーティクルが発生する。

一方、加熱・注入プロセスにおいては、シリコンウエハは最初ヒータによって加熱され、その後、イオンビームの照射に伴ってさらに加熱された状態になる。そして後者による加熱と同時にヒータの出力を調整して一定の高温状態を保つように制御される過程で、シリコンウエハが加熱されると、シリコンウエハの熱伸びが発生すると同時に、シリコンウエハと保持機構との間で摩擦またはこすれが発生し、この摩擦またはこすれによってパーティクルが発生する。

このように、シリコンウエハを保持するに際して、シリコンウエハを単に保持するだけでは、シリコンウエハと保持機構との間の摩擦またはこすれによってパーティクルが発生することがある。

なお、特開平５−３２６６７６号公報に記載されているように、シリコンウエハを保持するに際して、シリコンウエハの側面を一対のクランパで保持するとともに、クランパを揺動自在に保持し、常に一定のクランプ力でシリコンウエハをクランプし、さらに、クランパを撓ませる構成を採用することも考えられるが、クランパとシリコンウエハとが接触した際クランパが単に撓むだけでは、各クランパとシリコンウエハとの接触の仕方あるいは接触のタイミングによっては各クランパとシリコンウエハとの間に摩擦あるいはこすれが生じ、パーティクルが発生する可能性がある。

本発明の課題は、注入対象を保持することに伴ってパーティクルが発生するのを抑制することができるイオン注入装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、真空の雰囲気中で注入対象に対する処理空間を形成する処理室と、イオン源から出射されたイオンビームを前記処理室内に入射するイオンビーム入射手段と、前記処理室内に配置されて前記注入対象を保持する保持手段と、前記処理室内におけるイオンビームの伝播領域内を前記注入対象の通過領域として前記保持手段を移動させる搬送手段とを備え、前記保持手段のうち前記注入対象との接触部位は、前記ホルダベースの軸心と平行な軸を回転中心として回転自在に構成されてなるイオン注入装置を構成したものである。

前記イオン注入装置を構成するに際しては、イオンビームを生成して出射するイオン源を設けたり、イオンビーム入射手段として、イオン源から出射されたイオンビームから特定のイオン種を取り出し特定のイオン種によるイオンビームを処理室内に入射する機能を有するものを用いたり、搬送手段として、処理室内における特定のイオン種によるイオンビームの伝播領域内を注入対象の通過領域として保持手段を移動させる機能を有するものを用いることもできる。

さらに、前記保持手段は、前記搬送手段に固定されて前記注入対象の底部側を保持するホルダベースと、前記ホルダベースの外周側に固定されてその一部が前記ホルダベースの径方向に沿って突出された固定部材と、前記固定部材に相対向して移動自在に前記ホルダベースの外周側に配置されて前記ホルダベース上の注入対象の側面を保持する保持部材と、前記ホルダベースの径方向に沿って移動自在に前記ホルダベースの外周側に配置されて前記保持部材を回転自在に支持する支持部材とを含み、前記支持部材は、前記ホルダベースの軸心と平行な軸を回転中心として前記保持部材を回転自在に支持してなるもので構成することができる。この場合、保持手段および支持手段をそれぞれ複数の部材で構成することもできる。

前記各イオン注入装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。

（１）前記搬送手段は、駆動源により回転駆動される回転ディスクと、前記回転ディスクに連結されるとともに前記回転ディスクの外周側に放射状に配置された複数のホルダアームとから構成され、前記複数のホルダアームの先端側に前記ホルダベースが固定されてなる。

（２）前記保持部材は、前記注入対象との接触部位となる円柱状の小径部と、この小径部より径が大きく前記小径部を間にしてその両側に形成された大径部とを備え、前記小径部と前記各大径部との間には、前記小径部から各大径部に向かって漸次径が大きくなるテーパ面が形成されてなる。

（３）前記ホルダベースには前記注入対象との接触により回転する球体が回転自在に固定されてなる。

（４）前記支持部材の前記保持部材との接触部位にはベアリングが装着されてなる。

（５）前記ベアリングはセラミックで構成されてなる。

（６）前記注入対象は、円盤状のシリコンウエハである。

前記した手段によれば、保持手段のうち注入対象との接触部位は、ホルダの軸心と平行な軸を回転中心として回転自在に構成されているため、注入対象を保持手段によって保持しているときに、注入対象と保持手段との間に摩擦あるいはこすれが生じると、保持手段のうち注入対象との接触部位が回転し、摩擦あるいはこすれが回避され、パーティクルが発生するのを抑制することができる。

具体的には、注入対象としてのシリコンウエハをホルダベースに搭載するときあるいはホルダベース上に配置されたシリコンウエハの側面側を固定部材と保持部材で保持する過程で、熱振動、機械振動に伴って保持部材とシリコンウエハとの間に摩擦あるいはこすれが生じると、保持部材が回転して保持部材とシリコンウエハとの摩擦あるいはこすれが回避され、パーティクルが発生するのを抑制することができ、シリコンウエハの品質の向上に寄与することができる。

本発明によれば、注入対象を保持することに伴ってパーティクルが発生するのを抑制することができるイオン注入装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を示すイオン注入装置の全体構成図である。（ａ）はウエハ搭載時におけるウエハホルダとホルダアームとの関係を示す側面図、（ｂ）はビーム入射時におけるウエハホルダとホルダアームとの関係を示す側面図である。ウエハのスキャンおよび回転方法を説明するための図である。ウエハ固定部とホルダピンとの関係を説明するための正面図である。ウエハ固定部とホルダピンとの関係を説明するための図であって、図４のＡ−Ａに沿う断面図である。ホルダピンの移動方向を説明するための正面図である。ホルダピンの移動方向を説明するための要部拡大正面図である。本発明の他の実施形態を説明するための要部断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すイオン注入装置の全体構成図である。図１において、イオン注入装置は、イオン源１０、質量分離器１２、処理室（エンドステーション）１４、回転ディスク１６、ホルダアーム１８、ウエハホルダ２０などを備えて構成されている。

イオン源１０は、質量分離器１２と真空排気されたパイプ（図示省略）を介して連結されており、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いて酸素イオンによるイオンビーム２２を生成し、生成したイオンビーム２２を質量分離器１２側へ出射するようになっている。質量分離器１２は、真空排気されたパイプ（図示省略）を介して処理室１４に接続されており、イオン源１０からのイオンビーム２２に対して電磁力を与えてイオンビーム２２を約９０度偏向させ、イオンビーム２２の中から必要な質量を有するイオン種、例えば、酸素イオンのみを分離して取り出し、特定のイオン種である酸素イオンによるイオンビーム２２を処理室１４内に入射するイオンビーム入射手段として構成されている。処理室１４は、真空排気装置（図示省略）によって真空に排気されており、真空の雰囲気中で注入対象としてのウエハ（シリコンウエハ）２４に対する処理空間を形成するようになっている。この処理室１４内には回転ディスク１６、ホルダアーム１８、ウエハホルダ２０、モータボックス２６などが収容されている。

回転ディスク１６は、特定のイオン種によるイオンビーム２２の伝播領域内を、ウエハ２４の通過領域としてウエハホルダ２０を移動させる搬送手段の一要素として、回転軸２８を介して、モータボックス２６内のモータ３０などの駆動源に接続されて回転駆動されるようになっている。この回転ディスク１６の外周側にはホルダアーム１８が複数本、例えば、１８本配置されており、各ホルダアーム１８の基端部は、その軸心を回転中心として回転自在に回転ディスク１６に連結されている。各ホルダアーム１８の先端側には、ウエハホルダ２０が鉛直軸に対して約３度傾斜した状態で固定され、ウエハホルダ２０上にウエハ２４が配置されている。すなわち、各ウエハホルダ２０は、図２（ａ）に示すように、ウエハ搭載時には（ホルダアーム１８の回転に伴ってウエハ搭載位置に達したとき）、水平面とほぼ平行（約３度傾斜した状態）になり、イオンビーム２２をウエハ２４に入射するビーム入射時には、（ａ）の位置から９０度ホルダアーム１８が軸心を回転中心として回転し、イオンビーム２２に対してほぼ直交する位置に配置されるようになっている。そして回転ディスク１６の回転に伴ってホルダアーム１８およびウエハホルダ２０が回転するに伴って各ウエハホルダ２０上のウエハ２４に対してイオンビーム２２が順次入射されるようになっている。

さらにイオンビーム２２をウエハ２４の全面に渡って入射させるために、本実施形態においては、モータボックス２６がアーム３２を介して揺動機構３４に連結され、揺動機構３４の駆動によってモータボックス２６が振り子運動するようになっている。モータボックス２６が振り子運動すると、図３に示すように、回転ディスク１６の回転に伴って各ウエハホルダ２０上のウエハ２４に対してイオンビーム２２が順次全面に渡ってスキャンされ、このスキャンによってウエハ２４全面にイオンビーム２２が入射されるようになっている。

各ホルダアーム１８はアルミニウムを用いて構成されており、各ホルダアーム１８は、その先端側が各ホルダアーム１８の回転面に対して直交する方向、すなわちイオンビーム２４の照射方向に対して直交する方向に屈曲され、この屈曲された部位の先端部にウエハホルダベース３６が固定されている。

各ウエハホルダベース３６は、アルミ材を用いて円盤形状に形成されており、図４および図５に示すように、各ウエハホルダベース３６の外周側には固定部材としてのウエハ固定部３８が固定されているとともに、保持部材としてのホルダピン４０、４２がウエハホルダベース３６の径方向に沿って移動可能に配置されている。

ウエハ固定部３８はウエハホルダベース３６の外周側に、その一部がウエハホルダベース３６の径方向に沿って突出され、ウエハホルダベース３６上に配置されたシリコンウエハ２４外周側と接触する面が、円盤形状のウエハ２４の外形形状に合った曲率を有する円弧状に形成されている。

ホルダピン４０、４２は、円柱状に形成されており、その底部側が回転軸４０ａ、４２ａと一体となって連結されており、回転軸４０ａ、４２ａはセラミック製のベアリング４４に回転自在に支持されている。ベアリング４４はハウジング４６と、弾性体としてのコイルばね４８とともに支持部材を構成するようになっている。これら支持部材は、ウエハホルダベース３６の径方向に沿って移動自在に配置されているとともに、ホルダピン４０を、ウエハホルダベース３６の軸心と平行な軸（Ｚ軸）を回転中心、すなわち回転軸４０ａ、４２ａを回転中心としてホルダピン４０を回転自在に支持するようになっている。ハウジング４６は、ウエハホルダベース３６とピン（図示省略）を介して揺動自在に連結されているとともに、コイルばね４８を介してウエハホルダベース３６に連結されている。さらにこのハウジング４６の端部はプッシャ（図示省略）に連結されており、ウエハホルダベース３６上にウエハ２４がセットされるときに、プッシャの駆動によってハウジング４６がコイルばね４８のばね力（弾性力）に抗してウエハホルダベース３６から離れ、ウエハホルダベース３６上にウエハホルダ２４がセットされるようになっている。そしてウエハ２４がウエハホルダベース３６上にセットされた後、プッシャによる駆動が停止されると、ハウジング４６はコイルばね４８のばね力によってピンを支点として揺動して、ウエハホルダベース３６側に移動するようになっている。

すなわち、本実施形態においては、ウエハ２４を移動自在に保持する保持手段としてのウエハホルダ２０は、ウエハホルダベース３６、ウエハ固定部３８、ホルダピン４０、４２、ベアリング４４、ハウジング４６、コイルバネ４８を備え、ウエハ固定部３８と２本のホルダピン４０、４２によって３点でウエハ２４の外周側を保持するようになっている。

さらに、本実施形態においては、ウエハ２４との接触部位となるホルダピン４０、４２は回転自在に構成され、ウエハ２４の側面側を２本のホルダピン４０、４２で保持する過程で、ウエハ２４とホルダピン４０、４２との間に摩擦あるいはこすれが生じたときに、ホルダピン４０、４２の回転によって、ウエハ２４とホルダピン４０、４２との摩擦あるいはこすれを回避し、パーティクルの発生を抑制するようになっている。

具体的には、ウエハ２４をチャッキングするときには、ホルダピン４０、４２がウエハ２４の側面と接触しながら、ウエハ２４の端部がウエハ固定部３８に接触するまでウエハ２４を水平方向に移動させてチャッキングしている。このとき、ウエハ２４の移動方向は矢印Ｂとなるが、ホルダピン４０、４２の移動方向は、コイルばね４８の取り付け方によって決まる方向であって、矢印Ｃ１、Ｃ２となる。このときコイルばね４８からホルダピン４０、４２にはそれぞれ力Ｆ１、Ｆ２が働く。この力Ｆ１、Ｆ２をＸ方向と、ウエハ２４の移動方向を含むＹ方向に分けると、ＦＸ１、ＦＸ２、ＦＹ２に分けることができる。このとき、ＦＸ１とＦＸ２はＸ方向で釣り合っているため、Ｘ方向については、ウエハ２４は移動しないが、Ｙ方向については同方向の力のため、Ｙ方向にウエハ２４が移動する。したがって、図６において、ウエハ２４はＢ方向に移動することになる。

次に、ウエハ２４がホルダピン４０、４２と接触しながらＹ方向に移動すると、図７に示すように、ウエハ２４とホルダピン４０との接触点は、ＤからＤ’へ移動するが、ホルダピン４０はコイルばね４８の弾性力により、Ｃの方向に移動するので、ホルダピン４０の接触点はＤからＥに移動する。このため、Ｄ’からＥの距離において、ウエハ２４の側面とホルダピン４０との接触部がこすれることになる。

しかし、本実施形態においては、ホルダピン４０、４２自身がベアリング４４に回転自在に支持された状態で自由に回転するため、Ｄ’からＥの距離をホルダピン４０がＧ方向に回転しながら、且つ、Ｄ’方向にウエハ２４を押しながら移動することになる。したがって、ウエハ２４側面とホルダピン４０との間の摩擦やこすれを防止し、ウエハ２４を静止位置まで移動させることが可能になる。

なお、ホルダピン４２についても同様の作用によって、ウエハ２４側面との間に摩擦やこすれが生じることなく、ウエハ２４を静止位置まで移動させることが可能になる。

また、ウエハ２４をウエハホルダ２０に搭載するときに限らず、加熱・注入プロセスにおいて、ウエハ２４に熱伸びが発生し、ウエハ２４からの力がホルダピン４０、４２に作用したときには、この力によってホルダピン４０、４２が回転するため、ウエハ２４とホルダピン４０、４２との間に摩擦やこすれが生じることなく、ウエハ２４の熱伸びが自由なる。これによりウエハ２４とホルダピン４０、４２との接触部位からパーティクルが発生するのを防止することが可能になり、品質の向上に寄与することができる。

次に、本発明の他の実施形態を図８にしたがって説明する。本実施形態は、ウエハホルダベース３６上にハウジング５０を固定し、このハウジング５０の上面側に球面状の凹部を形成し、この凹部内に球体５２を回転自在に装着し、球体５２の表面でウエハ２４の底部側を回転自在に保持するようにしたものであり、他の構成は前記実施形態と同様である。

本実施形態においては、ウエハ２４がウエハ固定部３８に接触して静止するまでウエハ２４が移動する過程で、ウエハ２４が球体５２の表面をこすりながら移動することになるが、ウエハ２４の移動方向に合わせて球体５２が自由に回転するので、ウエハ２４と球体５２との接触点を変えながらウエハ２４と球体５２との間に摩擦やこすれが生じることなく、ウエハ２４をウエハ固定部３８と接触する位置まで移動させることが可能になる。これにより、球体５２とウエハ２４との接触部位からパーティクルが発生するのを防止することができ、品質の向上に寄与することができる。

前記各実施形態においては、ホルダピン４０、４２として円柱状に形成したものについて述べたが、ホルダピン４０、４２としては、ホルダピン４０、４２の一部、すなわちウエハ２４との接触部位となるところに円柱状の小径部を形成し、この小径部の両側を大径部とし、小径部と各大径部との間に、小径部から各大径部に向かって漸次径が大きくなるテーパ面を形成する構成を採用することもできる。

本発明によれば、保持手段のうち注入対象との接触部位は、ホルダの軸心と平行な軸を回転中心として回転自在に構成されているため、注入対象と保持手段との間に摩擦あるいはこすれが生じても、保持手段のうち注入対象との接触部位が回転し、摩擦あるいはこすれが回避され、パーティクルが発生するのを抑制することができ、品質の向上に寄与することが可能になる。

１０イオン源
１２質量分離器
１４処理室
１６回転ディスク
１８ホルダアーム
２０ウエハホルダ
２２イオンビーム
２４ウエハ
２６モータボックス
２８回転軸
３０モータ
３２アーム
３４揺動機構
３６ウエハホルダベース
３８ウエハ固定部
４０、４２ホルダピン
４４ベアリング
４６ハウジング
４８コイルばね

Claims

真空の雰囲気中で注入対象に対する処理空間を形成する処理室と、イオン源から出射されたイオンビームを前記処理室内に入射するイオンビーム入射手段と、前記処理室内に配置されて前記注入対象を保持する保持手段と、前記処理室内におけるイオンビームの伝播領域内を前記注入対象の通過領域として前記保持手段を移動させる搬送手段とを備え、前記保持手段のうち前記注入対象との接触部位は、前記ホルダベースの軸心と平行な軸を回転中心として回転自在に構成されてなるイオン注入装置。