JP2022128752A - ウェハ温度調整装置、ウェハ処理装置およびウェハ温度調整方法 - Google Patents

ウェハ温度調整装置、ウェハ処理装置およびウェハ温度調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ウェハの温度を均一かつ迅速に調整する。【解決手段】ウェハ温度調整装置１００は、上面１１２と、上面１１２とウェハＷの間隔ｄを所定範囲内に維持し、上面１１２とウェハＷの間の第１空間１１８がウェハＷの上方の第２空間１２０と連通した状態で、上面１１２の上方でウェハＷを支持するウェハ支持機構１１４と、上面１１２の温度を調整するステージ１０４と、第１空間１１８および第２空間１２０に熱伝達ガスを供給するガス供給部１０６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ウェハ温度を調整する装置および方法に関する。
半導体製造工程においてウェハを処理する場合、処理前、処理中および処理後の少なくとも一つにおいて、ウェハを加熱または冷却することがある。例えば、ウェハの表面または裏面に対向してヒータを配置し、ヒータからの熱輻射によりウェハを加熱する方法がある。その他、ウェハを静電チャックに固定した状態で、ウェハの裏面に熱交換用のガスを供給することにより、ウェハの温度を調整する静電吸着機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２－７６１０５号公報
ウェハの加熱に熱輻射を利用する場合、輻射系の熱応答性が低いために加熱に時間がかかり、また、ウェハ面内の加熱を均一にしにくいという問題がある。また、ウェハを静電チャックで固定した状態でウェハの裏面に熱交換用のガスを供給する場合、静電チャックの吸着力を低下させる際にウェハの裏面に存在する熱交換用のガスの圧力によって静電チャック上でウェハが跳ね上がることがある。ウェハの跳ね上げを防止するためには、吸着力を全て解除する前にウェハの裏面のガスを十分に排出する必要があり、ガスの排出のために時間がかかる。ウェハの温度調整に時間がかかると、半導体製造工程の生産性が低下してしまう。
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ウェハの温度を均一かつ迅速に調整する技術を提供することにある。
本発明のある態様のウェハ温度調整装置は、上面と、上面とウェハの間隔を所定範囲内に維持し、上面とウェハの間の第１空間がウェハの上方の第２空間と連通した状態で、上面の上方でウェハを支持するウェハ支持機構と、上面の温度を調整するステージと、第１空間および第２空間に熱伝達ガスを供給するガス供給部と、を備える。
本発明の別の態様は、ウェハ処理装置である。この装置は、ウェハに対する処理がなされる真空処理室と、真空処理室内での処理の前および後の少なくとも一方において、ウェハの温度を調整する上記態様のウェハ温度調整装置と、ウェハ温度調整装置が設けられる温度調整室と、真空処理室と温度調整室の間を密閉可能なゲートバルブと、温度調整室内の圧力を低下させる真空排気装置と、を備える。
本発明のさらに別の態様は、ウェハ温度調整方法である。この方法は、上面の温度を調整することと、上面とウェハの間隔を所定範囲内に維持し、上面とウェハの間の第１空間がウェハの上方の第２空間と連通した状態で、上面の上方でウェハを支持することと、第１空間および第２空間に熱伝達ガスを供給することと、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明のある態様によれば、ウェハの温度を均一かつ迅速に調整できる。
実施の形態に係るウェハ温度調整装置の概略構成を示す断面図である。 図１のウェハ温度調整装置の概略構成を示す上面図である。 ウェハ温度の調整時間を模式的に示すグラフである。 実施の形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す上面図である。 図４のイオン注入装置の概略構成を示す側面図である。 実施の形態に係るウェハ搬送装置の概略構成を示す上面図である。 ウェハ搬送装置の動作の一例を示すフローチャートである。 別の実施の形態に係るウェハ温度調整装置の概略構成を示す断面図である。 さらに別の実施の形態に係るウェハ温度調整装置の概略構成を示す断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
実施の形態を詳述する前に概要を説明する。本実施の形態は、ウェハ温度調整装置である。ウェハ温度調整装置は、真空処理室内で処理されるウェハの温度を処理前、処理中および処理後の少なくとも一つにおいて調整する。ウェハ温度調整装置は、例えば、真空処理室内でウェハを高温状態または低温状態で処理するために、処理の前にウェハを加熱または冷却するために用いられる。ウェハ温度調整装置は、高温状態または低温状態で処理されたウェハを室温または室温に近い温度に戻すために、処理の後にウェハを冷却または加熱するために用いられる。ここで、高温状態とは、室温よりも２０℃以上、５０℃以上または１００℃以上高い状態をいい、低温状態とは、室温よりも２０℃以上、５０℃以上または１００℃以上低い状態をいう。真空処理室内で処理されるウェハの温度は、例えば、－２００℃～５００℃の範囲で設定される。
本実施の形態に係るウェハ温度調整装置は、従来に比べてシンプルな構造により、均一で迅速な温度調整を可能にする。ウェハ温度調整装置は、上面と、上面とウェハの間隔を所定範囲内に維持した状態でウェハを支持するウェハ支持機構と、上面の温度を調整するステージと、上面とウェハの間の空間に熱伝達ガスを供給するガス供給部とを備える。例えば、上面とウェハの間の間隔を所定範囲内（例えば１０μｍ～３０μｍ）に維持した状態で、上面とウェハの間の空間に５ｔｏｒｒ以上の熱伝達ガスを供給することにより、ステージとウェハの間の熱伝達を促進することができ、ウェハの温度を数秒程度の短時間で調整できる。
本実施の形態では、ステージの上面とウェハの間だけではなく、ウェハの上方にも熱伝達ガスが供給されるため、ウェハの下側（裏面側）と上側（表面側）の間でガスの圧力差がない。その結果、ステージの上面とウェハを密着させて熱伝達ガスを閉じ込める必要がなく、ステージの上面とウェハを密着させるための静電チャックなどのウェハ固定装置が不要となる。つまり、ステージの上方にウェハを単純に配置した状態で、ウェハの温度を均一かつ迅速に調整できる。したがって、本実施の形態によれば、ウェハを固定するための複雑な構成が不要となり、ステージの上面にウェハを密着させることによりウェハが擦れるなどして生じる裏面パーティクルの増加も抑制できる。
図１は、実施の形態に係るウェハ温度調整装置１００の概略構成を示す断面図である。ウェハ温度調整装置１００は、温度調整室９８の内部に設けられる。ウェハ温度調整装置１００は、支持プレート１０２と、ステージ１０４と、ガス供給部１０６と、ガス排出部１０８と、リフトアップ機構１１０とを備える。
支持プレート１０２は、ステージ１０４の上に設けられる。支持プレート１０２は、上面１１２と、ウェハ支持機構１１４とを有する。ウェハ支持機構１１４は、上面１１２の上方でウェハＷを支持し、上面１１２とウェハＷの間隔ｄが所定範囲内に維持されるようにする。ウェハ支持機構１１４は、上面１１２とウェハＷの間の第１空間１１８と、ウェハＷの上方の第２空間１２０とが連通した状態でウェハＷを支持する。
上面１１２とウェハＷの間の第１空間１１８には、ガス供給部１０６を通じて熱伝達ガスが供給される。第１空間１１８に存在する熱伝達ガスは、上面１１２とウェハＷの間の熱伝達を促進する。例えば、ウェハＷよりも上面１１２の温度が高い場合、ウェハＷは、第１空間１１８に存在する熱伝達ガスを介して上面１１２から熱エネルギーを受け取る。これにより、ウェハＷが加熱される。逆に、ウェハＷよりも上面１１２の温度が低い場合、上面１１２は、第１空間１１８に存在する熱伝達ガスを介してウェハＷから熱エネルギーを受け取る。これにより、ウェハＷが冷却される。
ウェハ支持機構１１４は、上面１１２から突出する複数の凸部１１６を有する。複数の凸部１１６のそれぞれの高さは、上面１１２とウェハＷの間隔ｄに対応する。複数の凸部１１６のそれぞれの高さは、同じであることが好ましく、ウェハＷの全面において上面１１２とウェハＷの間隔ｄが一定となるように構成されることが好ましい。上面１１２とウェハＷの間隔ｄは、０．１μｍ以上１，０００μｍ以下であり、好ましくは、５μｍ以上１００μｍ以下である。上面１１２とウェハＷの間隔ｄは、例えば１０μｍ～３０μｍ程度である。上面１１２とウェハＷの間隔ｄを適切に設定することで、ウェハＷの温度をより短い時間で調整できる。具体的には、上面１１２とウェハＷの間隔ｄを１，０００μｍ以下に小さくすることで、対流が支配的な熱伝達ではなく、熱伝導が支配的な熱伝達とすることができ、熱伝達率を大幅に高めることができる。
支持プレート１０２は、熱伝導性の高い材料で構成される。支持プレート１０２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などのセラミック材料や、セラミックと金属を含む複合材料などで構成される。支持プレート１０２は、ＳｉＣのセラミック多孔体に金属シリコンを含浸させた複合材料で構成されてもよい。
支持プレート１０２の上面１１２を構成する材料は、複数の凸部１１６を構成する材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、上面１１２および複数の凸部１１６のそれぞれが熱伝導性の高いセラミック材料や、セラミックを含む複合材料などで構成されてもよい。なお、上面１１２のみが熱伝導性の高い材料で構成され、複数の凸部１１６が上面１１２よりも熱伝導性の低い材料で構成されてもよい。例えば、複数の凸部１１６は、ポリイミドやポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの合成樹脂材料で構成されてもよい。
ステージ１０４は、支持プレート１０２を支持する。ステージ１０４は、支持プレート１０２と物理的に接触することで、支持プレート１０２の温度を調整し、支持プレート１０２の上面１１２が所望の温度となるようにする。ステージ１０４は、上面１１２の温度を調整するための温度調整流体が流れる流路１２２を有する。流路１２２に供給する温度調整流体の温度を調整することにより、ステージ１０４の温度を調整し、支持プレート１０２の上面１１２の温度を調整できる。ステージ１０４は、流路１２２に加えて、または代えて、温度調整用のヒータを含んでもよい。
ステージ１０４は、熱伝導性の高い材料で構成される。ステージ１０４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などのセラミック材料、アルミニウムやステンレスなどの金属材料、または、セラミックと金属を含む複合材料などで構成される。ステージ１０４は、支持プレート１０２と同じ材料で構成されてもよいし、支持プレート１０２とは異なる材料で構成されてもよい。
支持プレート１０２は、ステージ１０４に着脱可能に取り付けられてもよい。つまり、ウェハ支持機構１１４および複数の凸部１１６は、ステージ１０４に着脱可能に取り付けられてもよい。支持プレート１０２は、ステージ１０４と一体的に形成されてもよい。例えば、ステージ１０４が上面１１２を有し、ステージ１０４の上面１１２から複数の凸部１１６が突出するよう構成されてもよい。この場合、複数の凸部１１６の少なくとも一つは、ステージ１０４の上面１１２に着脱可能に取り付けられてもよい。例えば、複数の凸部１１６の一部が上面１１２に着脱可能に取り付けられ、複数の凸部１１６の残りの一部が上面１１２と一体的に形成されてもよい。また、複数の凸部１１６の全てがステージ１０４の上面１１２に着脱可能に取り付けられてもよい。
ガス供給部１０６は、温度調整室９８の内部に熱伝達ガスを供給することにより、上面１１２とウェハＷの間の第１空間１１８と、ウェハＷの上方の第２空間１２０とに熱伝達ガスを供給する。ガス供給部１０６の取付位置は特に限られないが、例えば、温度調整室９８を区画する壁に設けられる。ガス供給部１０６は、熱伝達ガスとして、乾燥空気、窒素ガス、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの希ガス、または、これらの混合物を供給する。
ガス供給部１０６は、１ｔｏｒｒ以上、好ましくは５ｔｏｒｒ以上の圧力を有する熱伝達ガスを供給する。ガス供給部１０６は、第１空間１１８における上面１１２とウェハＷの間隔ｄよりも、熱伝達ガスの平均自由行程λが小さくなる（つまり、ｄ＞λ）ような圧力の熱伝達ガスを供給する。熱伝達ガスの平均自由行程λは、λ＝ｋＢＴ／（√２πσ２Ｐ）と表される。ここで、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、σは熱伝達ガスを構成する分子の直径であり、Ｐは熱伝達ガスの圧力である。
例えば、室温（２７℃）の窒素ガス（Ｎ２）の平均自由行程λは、圧力Ｐ＝１ｔｏｒｒの場合に約５０μｍであり、圧力が５０ｔｏｒｒの場合に約１μｍである。上面１１２とウェハＷの間隔ｄが１μｍの場合、ｄ＞λの条件を満たす窒素ガスの圧力Ｐは５０ｔｏｒｒ以上である。上面１１２とウェハＷの間隔ｄが１０μｍの場合、ｄ＞λの条件を満たす窒素ガスの圧力Ｐは５ｔｏｒｒ以上である。ｄ＞λの条件を満たす熱伝達ガスを供給することにより、第１空間１１８において熱伝達ガスを構成する気体分子同士の衝突による熱伝導が支配的となるため、第１空間１１８における熱伝導を促進することができる。これにより、ｄ＞λの条件が満たされない場合に比べて、ウェハＷの温度調整にかかる時間を短縮できる。
熱伝達ガスの圧力Ｐについて、ｄ＞λの条件が満たされる場合、ウェハ温度調整装置１００の上面１１２とウェハＷの間の熱伝達は、上面１１２とウェハＷの間隔ｄに応じて、熱伝導または対流が支配的となる。上面１１２とウェハＷの間隔ｄが十分に大きい場合、例えばｄ＞１０，０００μｍとなる場合、上面１１２とウェハＷの間の熱伝達は、対流が支配的となる。対流が支配的である場合、熱伝達率を高めるためには熱伝達ガスの流れを十分に速くしなければならない。しかしながら、熱伝達ガスの流れを高速化するためには熱伝達ガスを強制対流させる装置が必要となり、また、ウェハＷが動かないようにウェハＷを静電チャックなどで固定する必要があり、装置構成が複雑になる。一方、上面１１２とウェハＷの間隔ｄが十分に小さい場合、例えばｄ≦１，０００μｍとなる場合、熱伝導が支配的な熱伝達となる。この場合、間隔ｄに反比例して上面１１２とウェハＷの間の熱伝達率が上がるため、間隔ｄを小さくすることで熱伝達率を高めることができる。この場合、熱伝達率を高めるために熱伝達ガスを強制対流させる必要がない。
例えば、上面１１２とウェハＷの間隔ｄが１０μｍであり、熱伝達ガスとして供給される窒素ガスの圧力Ｐが５ｔｏｒｒであり、上面１１２の温度が室温（２７℃）であり、ウェハＷの温度が２００℃である場合、ウェハＷの温度が２００℃から室温になるまでにかかる時間は約１０秒である。なお、熱伝達ガスの圧力Ｐを上げて平均自由行程λをさらに小さくすることで、ウェハＷの温度調整にかかる時間をさらに短くすることができる。例えば、上面１１２とウェハＷの間隔ｄを１０μｍとし、窒素ガスの圧力Ｐを１０倍の５０ｔｏｒｒにした場合、つまり、ｄ＞１０λの条件が満たされる場合、ウェハＷの温度が２００℃から室温になるまでにかかる時間は約１秒である。
なお、熱伝達ガスの圧力Ｐは、クヌーセン数Ｋｎ＝λ／ｄが０．０１以下（つまり、ｄ≧１００λ）の条件を満たす粘性流領域に該当するように定められてもよい。また、間隔ｄおよび熱伝達ガスの圧力Ｐは、クヌーセン数Ｋｎが０．０１～０．３（つまり、３．３３λ＜ｄ＜１００λ）となる中間流領域に該当するように定められてもよい。間隔ｄおよび熱伝達ガスの圧力Ｐは、クヌーセン数Ｋｎが０．３以上（つまり、ｄ≦３．３３λ）となる分子流領域に該当するように定められてもよい。
ガス供給部１０６は、大気圧（つまり、約７６０ｔｏｒｒ）の熱伝達ガスを供給してもよい。温度調整室９８は、真空処理室と大気雰囲気の間でウェハを搬送するためのロードロック室であってもよい。温度調整室９８がロードロック室である場合、ガス供給部１０６は、大気圧の熱伝達ガスを供給することにより、ロードロック室内の圧力が大気圧となるようにしてもよい。つまり、ガス供給部１０６は、ロードロック室を大気開放するための準備工程として大気圧の熱伝達ガスを供給してもよい。大気圧の熱伝達ガスは、ｄ＞１０λの条件を満たすため、ウェハＷの温度を極めて短い時間（例えば、１秒以下）で調整できる。ガス供給部１０６は、大気圧を超える圧力を有する熱伝達ガスを供給してもよい。
ガス排出部１０８は、温度調整室９８の内部の熱伝達ガスを外部に排出し、温度調整室９８を真空引きする。ガス排出部１０８には、例えば、油回転真空ポンプやドライ真空ポンプなどの粗引きポンプが接続される。ガス排出部１０８を通じて排出される熱伝達ガスは、ガスボンベ（図示せず）などに回収されてもよい。ガスボンベなどに回収された熱伝達ガスは、ガス供給部１０６から供給される熱伝達ガスとして再利用されてもよい。
リフトアップ機構１１０は、ウェハＷを下方から持ち上げることにより、ウェハＷを複数の凸部１１６から離間させて支持する。リフトアップ機構１１０は、ウェハＷを持ち上げることにより、ウェハ搬送用のロボットアームの先端に取り付けられるウェハハンドラが入る隙間をウェハＷと複数の凸部１１６の間に形成する。リフトアップ機構１１０は、例えば、ウェハＷと複数の凸部１１６の間の距離が１０ｍｍ（つまり、１０，０００μｍ）以上となるようウェハＷを持ち上げる。リフトアップ機構１１０は、複数のリフトピン１２６と、複数のリフトピン１２６を上下方向（矢印Ｃの方向）に駆動する駆動機構１２８とを有する。複数のリフトピン１２６のそれぞれは、支持プレート１０２およびステージ１０４を貫通する複数の貫通孔１２４に設けられる。リフトピン１２６の先端１３０は、ウェハＷを汚染しにくい材料で構成され、例えば石英（ＳｉＯ２）やＰＥＥＫで構成される。
ウェハガイド１３２は、支持プレート１０２およびステージ１０４の外周に設けられる。ウェハガイド１３２は、複数の凸部１１６の上に配置されるウェハＷの外周と対向するように設けられる。ウェハガイド１３２は、ウェハＷの径方向の変位を規制する。ウェハガイド１３２は、ウェハＷを複数の凸部１１６の上に配置するときや、熱伝達ガスを供給するときにウェハＷの位置が大きくずれることを防止する。
図２は、図１のウェハ温度調整装置１００の概略構成を示す上面図である。図１は、図２のＢ－Ｂ線断面に対応する。図２は、支持プレート１０２の上面１１２に設けられる複数の凸部１１６の配置を示す。図示されるように、複数の凸部１１６は、支持プレート１０２の上面１１２において二次元アレイ状に配置される。複数の凸部１１６は、互いに離間して設けられるため、複数の凸部１１６の上に配置されるウェハＷと上面１１２の間の第１空間１１８は、密閉されずに開放された空間となる。その結果、ガス供給部１０６から熱伝達ガスを供給すると、ウェハＷの外周や貫通孔１２４を通じて第１空間１１８に熱伝達ガスが供給される。
複数の凸部１１６の形成面積は、上面１１２の面積の５０％以下であり、好ましくは、２０％以下または１０％以下である。複数の凸部１１６の形成面積を小さくすることで、ウェハＷと上面１１２が対向する面積を増やすことができ、ウェハＷと上面１１２の間の熱伝達をより促進できる。
複数の凸部１１６の個数は、上面１１２の１ｃｍ２の面積あたり０．０１個以上１０，０００個以下であり、好ましくは０．１個以上１０個以下である。複数の凸部１１６の個数を下限値以上とすることで、ウェハＷと上面１１２の間隔ｄをウェハ全体において均一にすることができ、ウェハＷの全体の温度を効率的に調整して温度ムラを抑制できる。複数の凸部１１６の個数を上限値以下とすることで、ウェハＷと上面１１２が対向する面積を増やすことができ、ウェハＷと上面１１２の間の熱伝達をより促進できる。
図３は、ウェハ温度の調整時間を模式的に示すグラフである。図３は、上面１１２とウェハＷの間隔ｄを２０μｍ（曲線Ｃ１）、３８０μｍ（曲線Ｃ２）および１２，５００μｍ（曲線Ｃ３）に設定した場合にウェハＷの温度が１２０℃から５０℃以下に冷却されるのにかかる時間を示す。ウェハＷは、直径３００ｍｍのシリコン基板である。上面１１２の温度は、室温（２４℃）に調整されている。ウェハＷと上面１１２の間に供給される熱伝達ガスは、大気圧の窒素ガスである。間隔ｄ＝２０μｍの場合、約２秒でウェハＷを５０℃以下に冷却することができ、約１０秒でウェハＷを上面１１２と同等の温度に冷却できる。間隔ｄ＝３８０μｍの場合、約２０秒でウェハＷを５０℃以下に冷却することができ、約１００秒でウェハＷを上面１１２と同等の温度に冷却できる。間隔ｄ＝１２，５００μｍの場合、ウェハＷを５０℃以下に冷却するには１００秒を超える時間が必要である。間隔ｄ＝１２，５００μｍの場合、対流による熱伝達が支配的となり、熱伝達率が大幅に低下することが原因と考えられる。
つづいて、ウェハ温度調整装置１００の動作例を説明する。まず、温度調整室９８にウェハＷを搬入し、ウェハＷをウェハ支持機構１１４の上に配置する。ウェハＷを配置する際は、リフトピン１２６の先端１３０をウェハ支持機構１１４の上方に位置させることにより、最初にウェハＷをリフトピン１２６の上に配置してもよい。その後にリフトピン１２６を下方に移動させることにより、ウェハＷをウェハ支持機構１１４の上に配置してもよい。これにより、上面１１２とウェハＷの間隔ｄが所定範囲内に維持され、上面１１２とウェハＷの間の第１空間１１８がウェハＷの上方の第２空間１２０と連通した状態で、上面１１２の上方でウェハＷが支持される。次に、ガス供給部１０６を通じて温度調整室９８の内部に熱伝達ガスを供給する。熱伝達ガスは、第２空間１２０に供給されるとともに、第１空間１１８にも供給される。熱伝達ガスの供給は、ウェハＷをリフトピン１２６の上に配置した状態、つまり、ウェハＷが複数の凸部１１６から離れた状態で開始されてもよい。熱伝達ガスの供給は、ウェハＷをリフトピン１２６の上に配置した状態、つまり、ウェハＷが複数の凸部１１６から離れた状態でのみ実行されてもよく、ウェハＷがウェハ支持機構１１４の上に配置される前に完了してもよい。熱伝達ガスの供給は、ウェハＷが複数の凸部１１６から離れた状態で開始され、ウェハＷがウェハ支持機構１１４の上に配置された状態において継続されてもよい。
第１空間１１８に供給される熱伝達ガスは、上面１１２とウェハＷの間の熱伝達を促進する。その結果、ウェハＷの温度は、所定時間の経過後に上面１１２と同等の温度に調整される。ウェハＷの温度調整は、ウェハＷの温度が上面１１２と同等の温度になる前に完了してもよい。この場合、ウェハＷの調整後の温度は、上面１１２の温度と異なっていてもよい。ウェハＷの温度調整が完了した後、ウェハＷを温度調整室９８の外に搬出する。ウェハＷを搬出する場合、ウェハＷをリフトピン１２６で上方に持ち上げることにより、ウェハＷとウェハ支持機構１１４の間にウェハハンドラを挿入するための隙間を形成してもよい。
温度調整室９８がロードロック室である場合、ウェハ温度調整装置１００は、ウェハＷを真空処理室から大気雰囲気に搬出する際にウェハＷの温度を調整してもよい。例えば、温度調整室９８に大気圧の熱伝達ガスを供給することで、温度調整室９８の大気開放とウェハＷの温度調整を同時に実行できる。ウェハ温度調整装置１００は、ウェハＷの温度が室温または室温に近い温度となるように調整してもよい。例えば、室温よりも高い温度のウェハＷを大気雰囲気に搬出すると、大気に含まれる酸素、窒素、水分などがウェハＷと反応してウェハＷの特性が変化する可能性がある。また、室温よりも低い温度のウェハＷを大気雰囲気に搬出すると、大気に含まれる水分がウェハＷに結露したり、ウェハＷに霜が付着したりする可能性がある。ウェハ温度調整装置１００によりウェハＷの温度を室温または室温に近い温度に戻してから大気雰囲気に搬出することで、ウェハＷを大気雰囲気下で適切に取り扱うことができる。
温度調整室９８がロードロック室である場合、ウェハ温度調整装置１００は、ウェハＷを大気雰囲気から真空処理室に搬入する際にウェハＷの温度を調整してもよい。例えば、温度調整室９８を真空引きし、１～５００ｔｏｒｒ程度の熱伝達ガスを供給することにより、温度調整室９８の内部のガスを熱伝達ガスに置換しつつ、温度調整室９８の内部の圧力を下げてもよい。これにより、温度調整室９８の真空引きとウェハＷの温度調整を同時に実行できる。ウェハＷの温度調整中は、温度調整室９８の真空引きを一時的に停止してもよいし、熱伝達ガスの供給と真空引きを同時に行ってもよい。ウェハＷの温度調整が完了した後に、温度調整室９８を真空引きすることで温度調整室９８の圧力を１ｔｏｒｒ未満にしてもよい。ウェハ温度調整装置１００は、ウェハＷの温度が高温状態または低温状態となるように調整してもよい。ウェハＷの温度を真空処理室内での処理前に調整することで、真空処理室内でのウェハＷの温度調整にかかる時間を短縮することができ、生産性を高めることができる。
上述のウェハ温度調整装置１００は、真空処理室内でウェハを処理するためのウェハ処理装置に使用できる。例えば、ウェハ処理装置は、ウェハに対する処理がなされる真空処理室と、ウェハ温度調整装置１００と、温度調整室９８と、真空処理室と温度調整室の間を密閉可能なゲートバルブと、温度調整室内の圧力を低下させる真空排気装置とを備えてもよい。ウェハ処理装置は、以下に詳述されるイオン注入装置であってもよい。
図４は、実施の形態に係るイオン注入装置１０を概略的に示す上面図であり、図５は、イオン注入装置１０の概略構成を示す側面図である。イオン注入装置１０は、被処理物Ｗの表面にイオン注入処理を施すよう構成される。被処理物Ｗは、例えば基板であり、例えば半導体ウェハである。説明の便宜のため、本明細書において被処理物ＷをウェハＷと呼ぶことがあるが、これは注入処理の対象を特定の物体に限定することを意図しない。
イオン注入装置１０は、ビームを一方向に往復走査させ、ウェハＷを走査方向と直交する方向に往復運動させることによりウェハＷの処理面全体にわたってイオンビームを照射するよう構成される。本書では説明の便宜上、設計上のビームラインＡに沿って進むイオンビームの進行方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。イオンビームを被処理物Ｗに対し走査する場合において、ビームの走査方向をｘ方向とし、ｚ方向及びｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。したがって、ビームの往復走査はｘ方向に行われ、ウェハＷの往復運動はｙ方向に行われる。
イオン注入装置１０は、イオン生成装置１２と、ビームライン装置１４と、注入処理室１６と、ウェハ搬送装置１８とを備える。イオン生成装置１２は、イオンビームをビームライン装置１４に与えるよう構成される。ビームライン装置１４は、イオン生成装置１２から注入処理室１６へイオンビームを輸送するよう構成される。注入処理室１６には、注入対象となるウェハＷが収容され、ビームライン装置１４から与えられるイオンビームをウェハＷに照射する注入処理がなされる。ウェハ搬送装置１８は、注入処理前の未処理ウェハを注入処理室１６に搬入し、注入処理後の処理済ウェハを注入処理室１６から搬出するよう構成される。イオン注入装置１０は、イオン生成装置１２、ビームライン装置１４、注入処理室１６およびウェハ搬送装置１８に所望の真空環境を提供するための真空排気系（図示せず）を備える。
ビームライン装置１４は、ビームラインＡの上流側から順に、質量分析部２０、ビームパーク装置２４、ビーム整形部３０、ビーム走査部３２、ビーム平行化部３４および角度エネルギーフィルタ（ＡＥＦ；Angular Energy Filter）３６を備える。なお、ビームラインＡの上流とは、イオン生成装置１２に近い側のことをいい、ビームラインＡの下流とは注入処理室１６（またはビームストッパ４６）に近い側のことをいう。
質量分析部２０は、イオン生成装置１２の下流に設けられ、イオン生成装置１２から引き出されたイオンビームから必要なイオン種を質量分析により選択するよう構成される。質量分析部２０は、質量分析磁石２１と、質量分析レンズ２２と、質量分析スリット２３とを有する。
質量分析磁石２１は、イオン生成装置１２から引き出されたイオンビームに磁場を印加し、イオンの質量電荷比Ｍ＝ｍ／ｑ（ｍは質量、ｑは電荷）の値に応じて異なる経路でイオンビームを偏向させる。質量分析磁石２１は、例えばイオンビームにｙ方向（図４および図５では－ｙ方向）の磁場を印加してイオンビームをｘ方向に偏向させる。質量分析磁石２１の磁場強度は、所望の質量電荷比Ｍを有するイオン種が質量分析スリット２３を通過するように調整される。
質量分析レンズ２２は、質量分析磁石２１の下流に設けられ、イオンビームに対する収束／発散力を調整するよう構成される。質量分析レンズ２２は、質量分析スリット２３を通過するイオンビームのビーム進行方向（ｚ方向）の収束位置を調整し、質量分析部２０の質量分解能Ｍ／ｄＭを調整する。なお、質量分析レンズ２２は必須の構成ではなく、質量分析部２０に質量分析レンズ２２が設けられなくてもよい。
質量分析スリット２３は、質量分析レンズ２２の下流に設けられ、質量分析レンズ２２から離れた位置に設けられる。質量分析スリット２３は、質量分析磁石２１によるビーム偏向方向（ｘ方向）がスリット幅方向と一致するように構成され、ｘ方向が相対的に短く、ｙ方向が相対的に長い形状の開口２３ａを有する。
質量分析スリット２３は、質量分解能の調整のためにスリット幅が可変となるように構成されてもよい。質量分析スリット２３は、スリット幅方向に移動可能な二枚の遮蔽体により構成され、二枚の遮蔽体の間隔を変化させることによりスリット幅が調整可能となるように構成されてもよい。質量分析スリット２３は、スリット幅の異なる複数のスリットのいずれか一つに切り替えることによりスリット幅が可変となるよう構成されてもよい。
ビームパーク装置２４は、ビームラインＡからイオンビームを一時的に退避し、下流の注入処理室１６（またはウェハＷ）に向かうイオンビームを遮蔽するよう構成される。ビームパーク装置２４は、ビームラインＡの途中の任意の位置に配置することができるが、例えば、質量分析レンズ２２と質量分析スリット２３の間に配置できる。質量分析レンズ２２と質量分析スリット２３の間には一定の距離が必要であるため、その間にビームパーク装置２４を配置することで、他の位置に配置する場合よりもビームラインＡの長さを短くすることができ、イオン注入装置１０の全体を小型化できる。
ビームパーク装置２４は、一対のパーク電極２５（２５ａ，２５ｂ）と、ビームダンプ２６と、を備える。一対のパーク電極２５ａ，２５ｂは、ビームラインＡを挟んで対向し、質量分析磁石２１のビーム偏向方向（ｘ方向）と直交する方向（ｙ方向）に対向する。ビームダンプ２６は、パーク電極２５ａ，２５ｂよりもビームラインＡの下流側に設けられ、ビームラインＡからパーク電極２５ａ，２５ｂの対向方向に離れて設けられる。
第１パーク電極２５ａはビームラインＡよりも重力方向上側に配置され、第２パーク電極２５ｂはビームラインＡよりも重力方向下側に配置される。ビームダンプ２６は、ビームラインＡよりも重力方向下側に離れた位置に設けられ、質量分析スリット２３の開口２３ａの重力方向下側に配置される。ビームダンプ２６は、例えば、質量分析スリット２３の開口２３ａが形成されていない部分で構成される。ビームダンプ２６は、質量分析スリット２３とは別体として構成されてもよい。
ビームパーク装置２４は、一対のパーク電極２５ａ，２５ｂの間に印加される電場を利用してイオンビームを偏向させ、ビームラインＡからイオンビームを退避させる。例えば、第１パーク電極２５ａの電位を基準として第２パーク電極２５ｂに負電圧を印加することにより、イオンビームをビームラインＡから重力方向下方に偏向させてビームダンプ２６に入射させる。図５において、ビームダンプ２６に向かうイオンビームの軌跡を破線で示している。また、ビームパーク装置２４は、一対のパーク電極２５ａ，２５ｂを同電位とすることにより、イオンビームをビームラインＡに沿って下流側に通過させる。ビームパーク装置２４は、イオンビームを下流側に通過させる第１モードと、イオンビームをビームダンプ２６に入射させる第２モードとを切り替えて動作可能となるよう構成される。
質量分析スリット２３の下流にはインジェクタファラデーカップ２８が設けられる。インジェクタファラデーカップ２８は、インジェクタ駆動部２９の動作によりビームラインＡに出し入れ可能となるよう構成される。インジェクタ駆動部２９は、インジェクタファラデーカップ２８をビームラインＡの延びる方向と直交する方向（例えばｙ方向）に移動させる。インジェクタファラデーカップ２８は、図５の破線で示すようにビームラインＡ上に配置された場合、下流側に向かうイオンビームを遮断する。一方、図５の実線で示すように、インジェクタファラデーカップ２８がビームラインＡ上から外された場合、下流側に向かうイオンビームの遮断が解除される。
インジェクタファラデーカップ２８は、質量分析部２０により質量分析されたイオンビームのビーム電流を計測するよう構成される。インジェクタファラデーカップ２８は、質量分析磁石２１の磁場強度を変化させながらビーム電流を測定することにより、イオンビームの質量分析スペクトラムを計測できる。計測した質量分析スペクトラムを用いて、質量分析部２０の質量分解能を算出することができる。
ビーム整形部３０は、収束／発散四重極レンズ（Ｑレンズ）などの収束／発散装置を備えており、質量分析部２０を通過したイオンビームを所望の断面形状に整形するよう構成されている。ビーム整形部３０は、例えば、電場式の三段四重極レンズ（トリプレットＱレンズともいう）で構成され、三つの四重極レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃを有する。ビーム整形部３０は、三つのレンズ装置３０ａ～３０ｃを用いることにより、イオンビームの収束または発散をｘ方向およびｙ方向のそれぞれについて独立に調整しうる。ビーム整形部３０は、磁場式のレンズ装置を含んでもよく、電場と磁場の双方を利用してビームを整形するレンズ装置を含んでもよい。
ビーム走査部３２は、ビームの往復走査を提供するよう構成され、整形されたイオンビームをｘ方向に走査するビーム偏向装置である。ビーム走査部３２は、ビーム走査方向（ｘ方向）に対向する走査電極対を有する。走査電極対は可変電圧電源（図示せず）に接続されており、走査電極対の間に印加される電圧を周期的に変化させることにより、電極間に生じる電界を変化させてイオンビームをさまざまな角度に偏向させる。その結果、イオンビームがｘ方向の走査範囲全体にわたって走査される。図４において、矢印Ｘによりビームの走査方向及び走査範囲を例示し、走査範囲でのイオンビームの複数の軌跡を一点鎖線で示している。
ビーム平行化部３４は、走査されたイオンビームの進行方向を設計上のビームラインＡの軌道と平行にするよう構成される。ビーム平行化部３４は、ｙ方向の中央部にイオンビームの通過スリットが設けられた円弧形状の複数の平行化レンズ電極を有する。平行化レンズ電極は、高圧電源（図示せず）に接続されており、電圧印加により生じる電界をイオンビームに作用させて、イオンビームの進行方向を平行に揃える。なお、ビーム平行化部３４は他のビーム平行化装置で置き換えられてもよく、ビーム平行化装置は磁界を利用する磁石装置として構成されてもよい。
ビーム平行化部３４の下流には、イオンビームを加速または減速させるためのＡＤ（Accel／Decel）コラム（図示せず）が設けられてもよい。
角度エネルギーフィルタ（ＡＥＦ）３６は、イオンビームのエネルギーを分析し必要なエネルギーのイオンを下方に偏向して注入処理室１６に導くよう構成されている。角度エネルギーフィルタ３６は、電界偏向用のＡＥＦ電極対を有する。ＡＥＦ電極対は、高圧電源（図示せず）に接続される。図５において、上側のＡＥＦ電極に正電圧、下側のＡＥＦ電極に負電圧を印加させることにより、イオンビームを下方に偏向させる。なお、角度エネルギーフィルタ３６は、磁界偏向用の磁石装置で構成されてもよく、電界偏向用のＡＥＦ電極対と磁界偏向用の磁石装置の組み合わせで構成されてもよい。
このようにして、ビームライン装置１４は、ウェハＷに照射されるべきイオンビームを注入処理室１６に供給する。
注入処理室１６は、ビームラインＡの上流側から順に、エネルギースリット３８、プラズマシャワー装置４０、サイドカップ４２、センターカップ４４およびビームストッパ４６を備える。注入処理室１６は、図５に示されるように、１枚又は複数枚のウェハＷを保持するプラテン駆動装置５０を備える。
エネルギースリット３８は、角度エネルギーフィルタ３６の下流側に設けられ、角度エネルギーフィルタ３６とともにウェハＷに入射するイオンビームのエネルギー分析をする。エネルギースリット３８は、ビーム走査方向（ｘ方向）に横長のスリットで構成されるエネルギー制限スリット（ＥＤＳ；Energy Defining Slit）である。エネルギースリット３８は、所望のエネルギー値またはエネルギー範囲を持つイオンビームをウェハＷに向けて通過させ、それ以外のイオンビームを遮蔽する。
プラズマシャワー装置４０は、エネルギースリット３８の下流側に位置する。プラズマシャワー装置４０は、イオンビームのビーム電流量に応じてイオンビームおよびウェハＷの表面（ウェハ処理面）に低エネルギー電子を供給し、イオン注入で生じるウェハ処理面上の正電荷の蓄積によるチャージアップを抑制する。プラズマシャワー装置４０は、例えば、イオンビームが通過するシャワーチューブと、シャワーチューブ内に電子を供給するプラズマ発生装置とを含む。
サイドカップ４２（４２Ｒ，４２Ｌ）は、ウェハＷへのイオン注入処理中にイオンビームのビーム電流を測定するよう構成される。図５に示されるように、サイドカップ４２Ｒ，４２Ｌは、ビームラインＡ上に配置されるウェハＷに対して左右（ｘ方向）にずれて配置されており、イオン注入時にウェハＷに向かうイオンビームを遮らない位置に配置される。イオンビームは、ウェハＷが位置する範囲を超えてｘ方向に走査されるため、イオン注入時においても走査されるビームの一部がサイドカップ４２Ｒ、４２Ｌに入射する。これにより、イオン注入処理中のビーム電流量がサイドカップ４２Ｒ、４２Ｌにより計測される。
センターカップ４４は、ウェハ処理面におけるビーム電流を測定するよう構成される。センターカップ４４は、駆動部４５の動作によりｘ方向に可動となるよう構成され、イオン注入時にウェハＷが位置する注入位置から待避され、ウェハＷが注入位置にないときに注入位置に挿入される。センターカップ４４は、ｘ方向に移動しながらビーム電流を測定することにより、ｘ方向のビーム走査範囲の全体にわたってビーム電流を測定することができる。センターカップ４４は、ビーム走査方向（ｘ方向）の複数の位置におけるビーム電流を同時に計測可能となるように、複数のファラデーカップがｘ方向に並んだアレイ状に形成されてもよい。
サイドカップ４２およびセンターカップ４４の少なくとも一つは、ビーム電流量を測定するための単一のファラデーカップを備えてもよいし、ビームの角度情報を測定するための角度計測器を備えてもよい。角度計測器は、例えば、スリットと、スリットからビーム進行方向（ｚ方向）に離れて設けられる複数の電流検出部とを備える。角度計測器は、例えば、スリットを通過したビームをスリット幅方向に並べられる複数の電流検出部で計測することにより、スリット幅方向のビームの角度成分を測定できる。サイドカップ４２およびセンターカップ４４の少なくとも一つは、ｘ方向の角度情報を測定可能な第１角度測定器と、ｙ方向の角度情報を測定可能な第２角度測定器とを備えてもよい。
プラテン駆動装置５０は、ウェハ保持装置５２と、往復運動機構５４と、ツイスト角調整機構５６と、チルト角調整機構５８とを含む。
ウェハ保持装置５２は、ウェハＷを保持するための静電チャック等を含む。ウェハ保持装置５２は、イオン注入されるウェハＷを加熱または冷却するための温度調整装置を備えてもよい。ウェハ保持装置５２は、ウェハＷを室温よりも２０℃以上、５０℃以上または１００℃以上高い温度に加熱する加熱装置を備えてもよい。ウェハ保持装置５２は、ウェハＷを室温よりも２０℃以上、５０℃以上または１００℃以上低い温度に冷却する冷却装置を備えてもよい。ウェハＷの温度は、ウェハＷに注入されるイオンの濃度分布（注入プロファイル）やイオン注入によりウェハＷに形成される結晶欠陥（注入ダメージ）の状態に影響を与える。室温よりも高温のウェハＷにイオンビームを照射する処理は、高温注入とも呼ばれる。また、室温よりも低温のウェハＷにイオンビームを照射する処理は、低温注入とも呼ばれる。
往復運動機構５４は、ビーム走査方向（ｘ方向）と直交する往復運動方向（ｙ方向）にウェハ保持装置５２を往復運動させることにより、ウェハ保持装置５２に保持されるウェハをｙ方向に往復運動させる。図２において、矢印ＹによりウェハＷの往復運動を例示する。
ツイスト角調整機構５６は、ウェハＷの回転角を調整する機構であり、ウェハ処理面の法線を軸としてウェハＷを回転させることにより、ウェハの外周部に設けられるアライメントマークと基準位置との間のツイスト角を調整する。ここで、ウェハのアライメントマークとは、ウェハの外周部に設けられるノッチやオリフラのことをいい、ウェハの結晶軸方向やウェハの周方向の角度位置の基準となるマークをいう。ツイスト角調整機構５６は、ウェハ保持装置５２と往復運動機構５４の間に設けられ、ウェハ保持装置５２とともに往復運動される。
チルト角調整機構５８は、ウェハＷの傾きを調整する機構であり、ウェハ処理面に向かうイオンビームの進行方向とウェハ処理面の法線との間のチルト角を調整する。本実施の形態では、ウェハＷの傾斜角のうち、ｘ方向の軸を回転の中心軸とする角度をチルト角として調整する。チルト角調整機構５８は、往復運動機構５４と注入処理室１６の内壁の間に設けられており、往復運動機構５４を含むプラテン駆動装置５０全体をＲ方向に回転させることでウェハＷのチルト角を調整するように構成される。
プラテン駆動装置５０は、イオンビームがウェハＷに照射される注入位置と、ウェハ搬送装置１８との間でウェハＷが搬入または搬出される搬送位置との間でウェハＷが移動可能となるようにウェハＷを保持する。図５は、ウェハＷが注入位置にある状態を示しており、プラテン駆動装置５０は、ビームラインＡとウェハＷとが交差するようにウェハＷを保持する。ウェハＷの搬送位置は、ウェハ搬送装置１８に設けられる搬送機構または搬送ロボットにより搬送口４８を通じてウェハＷが搬入または搬出される際のウェハ保持装置５２の位置に対応する。
ビームストッパ４６は、ビームラインＡの最下流に設けられ、例えば、注入処理室１６の内壁に取り付けられる。ビームラインＡ上にウェハＷが存在しない場合、イオンビームはビームストッパ４６に入射する。ビームストッパ４６は、注入処理室１６とウェハ搬送装置１８の間を接続する搬送口４８の近くに位置しており、搬送口４８よりも鉛直下方の位置に設けられる。
イオン注入装置１０は、制御装置６０をさらに備える。制御装置６０は、イオン注入装置１０の動作全般を制御する。制御装置６０は、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や機械装置で実現され、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現される。制御装置６０により提供される各種機能は、ハードウェアおよびソフトウェアの連携によって実現されうる。
図６は、実施の形態に係るウェハ搬送装置１８の概略構成を示す上面図である。ウェハ搬送装置１８は、ロードポート６２と、大気搬送部６４と、第１ロードロック室６６ａと、第２ロードロック室６６ｂと、中間搬送室６８と、バッファ室７０とを備える。
ロードポート６２は、複数のウェハ容器７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ（総称してウェハ容器７２ともいう）を受け入れ可能である。ウェハ搬送装置１８は、ウェハ容器７２に格納されるウェハＷ１を注入処理室１６に搬入し、注入処理室１６にて注入処理がなされたウェハＷ２をウェハ容器７２に搬出するよう構成される。
大気搬送部６４は、第１大気搬送機構７４ａと、第２大気搬送機構７４ｂと、アライメント装置７６とを有する。第１大気搬送機構７４ａは、ロードポート６２と第１ロードロック室６６ａの間に設けられる。第１大気搬送機構７４ａは、例えば、ウェハを搬送するための二つのロボットアームを有する。第１大気搬送機構７４ａは、第１ウェハ容器７２ａおよび第２ウェハ容器７２ｂから注入処理前のウェハを搬出し、第１ウェハ容器７２ａおよび第２ウェハ容器７２ｂに注入処理済のウェハを格納する。第１大気搬送機構７４ａは、アライメント装置７６にアライメント前のウェハを搬入し、アライメント装置７６からアライメント済のウェハを搬出する。第１大気搬送機構７４ａは、第１ロードロック室６６ａにアライメント済のウェハを搬入し、第１ロードロック室６６ａから注入処理済のウェハを搬出する。
第２大気搬送機構７４ｂは、ロードポート６２と第２ロードロック室６６ｂの間に設けられる。第２大気搬送機構７４ｂは、例えば、ウェハを搬送するための二つのロボットアームを有する。第２大気搬送機構７４ｂは、第３ウェハ容器７２ｃおよび第４ウェハ容器７２ｄから注入処理前のウェハを搬出し、第３ウェハ容器７２ｃおよび第４ウェハ容器７２ｄに注入処理済のウェハを格納する。第２大気搬送機構７４ｂは、アライメント装置７６にアライメント前のウェハを搬入し、アライメント装置７６からアライメント済のウェハを搬出する。第２大気搬送機構７４ｂは、第２ロードロック室６６ｂにアライメント済のウェハを搬入し、第２ロードロック室６６ｂから注入処理済のウェハを搬出する。
アライメント装置７６は、ウェハの中心位置や回転位置を調整するための装置である。アライメント装置７６は、ウェハに設けられるノッチなどのアライメントマークを検出して、ウェハの中心位置や回転位置が所望の位置となるように調整する。ウェハ容器７２から取り出されるウェハは、ウェハの中心位置や回転位置が必ずしも揃っていないため、ロードロック室６６ａ，６６ｂに搬入する前にアライメント装置７６を用いて位置決め（アライメント）がなされる。アライメント装置７６は、第１大気搬送機構７４ａと第２大気搬送機構７４ｂの間の位置に設けられる。アライメント装置７６は、例えば、バッファ室７０の鉛直下側の位置に設けられる。
第１ロードロック室６６ａおよび第２ロードロック室６６ｂのそれぞれは、大気搬送部６４と中間搬送室６８の間に設けられる。第１ロードロック室６６ａおよび第２ロードロック室６６ｂのそれぞれは、例えば、大気搬送部６４とｚ方向に隣接し、中間搬送室６８とｘ方向に隣接する。中間搬送室６８は、注入処理室１６と隣接して設けられ、例えば、注入処理室１６とｚ方向に隣接する。バッファ室７０は、中間搬送室６８と隣接して設けられ、例えば、中間搬送室６８とｚ方向に隣接する。
中間搬送室６８は、定常状態において１０－１Ｐａ程度の中真空状態に保たれる。中間搬送室６８にはターボ分子ポンプなどで構成される真空排気装置（図示せず）が接続される。一方、大気搬送部６４は、大気圧下に設けられており、大気雰囲気においてウェハを搬送する。第１ロードロック室６６ａおよび第２ロードロック室６６ｂは、中真空状態に保たれる中間搬送室６８と大気雰囲気にある大気搬送部６４の間でのウェハ搬送を実現するために区画される部屋である。第１ロードロック室６６ａおよび第２ロードロック室６６ｂのそれぞれは、ウェハ搬送に際して真空排気および大気開放が可能となるように構成される。第１ロードロック室６６ａおよび第２ロードロック室６６ｂのそれぞれには、例えば、油回転真空ポンプやドライ真空ポンプなどの粗引きポンプが接続される。
第１ロードロック室６６ａは、大気搬送部６４との間に設けられる第１大気側ゲートバルブ７８ａと、中間搬送室６８との間に設けられる第１中間ゲートバルブ８０ａと、第１温度調整装置８２ａとを有する。同様に、第２ロードロック室６６ｂは、大気搬送部６４との間に設けられる第２大気側ゲートバルブ７８ｂと、中間搬送室６８との間に設けられる第２中間ゲートバルブ８０ｂと、第２温度調整装置８２ｂとを有する。
第１ロードロック室６６ａを真空排気または大気開放する場合、第１大気側ゲートバルブ７８ａおよび第１中間ゲートバルブ８０ａが閉鎖される。大気搬送部６４と第１ロードロック室６６ａの間でウェハを搬送する場合、第１中間ゲートバルブ８０ａが閉鎖された状態で、第１大気側ゲートバルブ７８ａが開放される。中間搬送室６８と第１ロードロック室６６ａの間でウェハを搬送する場合、第１大気側ゲートバルブ７８ａが閉鎖された状態で、第１中間ゲートバルブ８０ａが開放される。
同様に、第２ロードロック室６６ｂを真空排気または大気開放する場合、第２大気側ゲートバルブ７８ｂおよび第２中間ゲートバルブ８０ｂが閉鎖される。大気搬送部６４と第２ロードロック室６６ｂの間でウェハを搬送する場合、第２中間ゲートバルブ８０ｂが閉鎖された状態で、第２大気側ゲートバルブ７８ｂが開放される。中間搬送室６８と第２ロードロック室６６ｂの間でウェハを搬送する場合、第２大気側ゲートバルブ７８ｂが閉鎖された状態で、第２中間ゲートバルブ８０ｂが開放される。
第１温度調整装置８２ａは、第１ロードロック室６６ａに搬入されるウェハを加熱または冷却してウェハ温度を調整するよう構成される。第１温度調整装置８２ａは、注入処理前のウェハを加熱または冷却し、注入処理に適したウェハ温度に調整してもよい。第１温度調整装置８２ａは、注入処理済のウェハを冷却または加熱し、ウェハ温度を室温または室温に近い温度に調整してもよい。
第２温度調整装置８２ｂは、第２ロードロック室６６ｂに搬入されるウェハを加熱または冷却してウェハ温度を調整するよう構成される。第２温度調整装置８２ｂは、注入処理前のウェハを加熱または冷却し、注入処理に適したウェハ温度に調整してもよい。第２温度調整装置８２ｂは、注入処理済のウェハを冷却または加熱し、ウェハ温度を室温または室温に近い温度に調整してもよい。
中間搬送室６８は、中間搬送機構８４を有する。中間搬送機構８４は、例えば、ウェハを搬送するための二つのロボットアームを有する。中間搬送機構８４は、中間搬送室６８と、中間搬送室６８に隣接する部屋との間でウェハを搬送する。中間搬送機構８４は、第１ロードロック室６６ａから注入処理前のウェハを搬出し、第１ロードロック室６６ａに注入処理済のウェハを搬入する。中間搬送機構８４は、第２ロードロック室６６ｂから注入処理前のウェハを搬出し、第２ロードロック室６６ｂに注入処理済のウェハを搬入する。中間搬送機構８４は、注入処理室１６に注入処理前のウェハを搬入し、注入処理室１６から注入処理済のウェハを搬出する。中間搬送機構８４は、注入処理前または注入処理済のウェハをバッファ室７０に搬入し、注入処理前または注入処理済のウェハをバッファ室７０から搬出する。
注入処理室１６と中間搬送室６８の間には処理室ゲートバルブ８６が設けられる。処理室ゲートバルブ８６は、注入処理室１６と中間搬送室６８の間でウェハを搬送する場合に開放される。処理室ゲートバルブ８６は、注入処理室１６にてウェハへの注入処理がなされる場合に閉鎖される。
バッファ室７０は、中間搬送室６８に搬入されたウェハを一時的に保管する場所である。バッファ室７０は、バッファ室ゲートバルブ８８と、第３温度調整装置９０とを有する。バッファ室ゲートバルブ８８は、中間搬送室６８とバッファ室７０の間に設けられる。バッファ室ゲートバルブ８８は、中間搬送室６８とバッファ室７０の間でウェハを搬送する場合に開放される。バッファ室ゲートバルブ８８は、バッファ室７０にてウェハ温度を調整する場合に閉鎖される。
第３温度調整装置９０は、バッファ室７０に搬入されるウェハを加熱または冷却してウェハの温度を調整するよう構成される。第３温度調整装置９０は、注入処理前のウェハを加熱または冷却し、注入処理に適したウェハ温度に調整してもよい。第３温度調整装置９０は、注入処理済のウェハを冷却または加熱し、ウェハ温度を室温または室温に近い温度に調整してもよい。
第１温度調整装置８２ａ、第２温度調整装置８２ｂおよび第３温度調整装置９０の少なくとも一つは、図１のウェハ温度調整装置１００であってもよい。したがって、第１ロードロック室６６ａ、第２ロードロック室６６ｂおよびバッファ室７０の少なくとも一つは、図１の温度調整室９８であってもよい。
図６に示すウェハ搬送装置１８の一例において、第１温度調整装置８２ａおよび第２温度調整装置８２ｂの少なくとも一方は、図１のウェハ温度調整装置１００である。また、第３温度調整装置９０は、図１のウェハ温度調整装置１００である。この場合、第３温度調整装置９０は、注入処理前のウェハを加熱する。第１温度調整装置８２ａおよび第２温度調整装置８２ｂの少なくとも一方は、注入処理済の高温のウェハを室温または室温に近い温度まで冷却する。
図７は、ウェハ搬送装置１８の動作の一例を示すフローチャートである。図７では、ゲートバルブの詳細な動作については省略しており、ウェハの搬送を主として説明している。第１大気搬送機構７４ａまたは第２大気搬送機構７４ｂは、ウェハ容器７２に格納されるウェハＷ１をウェハ容器７２からアライメント装置７６に搬送する（Ｓ１０）。アライメント装置７６は、ウェハをアライメントする（Ｓ１２）。第１大気搬送機構７４ａまたは第２大気搬送機構７４ｂは、アライメント装置７６にてアライメントされたウェハをアライメント装置７６から第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂに搬送する（Ｓ１４）。
次に、第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂを密閉して真空引きする（Ｓ１６）。第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂにて真空引きが完了すると、中間搬送機構８４は、第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂからバッファ室７０にウェハを搬送する（Ｓ１８）。第３温度調整装置９０は、バッファ室７０を密閉してバッファ室７０に熱伝達ガスを供給することにより、バッファ室７０に搬入されたウェハを加熱または冷却し、ウェハ温度を注入処理に適した温度に調整する（Ｓ２０）。バッファ室７０に供給される熱伝達ガスの圧力は大気圧より低くてもよく、例えば、１～５００ｔｏｒｒ程度であってもよい。バッファ室７０にて温度調整が完了した後、バッファ室７０を真空引きして熱伝達ガスを排気してもよい。バッファ室７０にて温度調整が完了すると、中間搬送機構８４は、バッファ室７０から注入処理室１６にウェハを搬送する（Ｓ２２）。ウェハ保持装置５２は、ウェハＷ２を加熱または冷却し、ウェハ温度を注入処理に適した温度に調整する。ウェハ保持装置５２によりウェハ温度を調整しながら、ウェハＷ２にイオンビームを照射してイオンを注入する（Ｓ２４）。
イオン注入処理が完了すると、中間搬送機構８４は、注入処理済のウェハを注入処理室１６から第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂに搬送する（Ｓ２６）。次に、第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂを密閉して熱伝達ガスを供給することにより、第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂにてウェハ温度を調整する（Ｓ２８）。第１温度調整装置８２ａまたは第２温度調整装置８２ｂは、例えば、図１のウェハ温度調整装置１００であり、ウェハ温度が室温または室温に近い温度となるように調整する。大気圧の熱伝達ガスを供給することにより、第１温度調整装置８２ａまたは第２温度調整装置８２ｂは、第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂが大気圧となるのに必要なわずかな時間でウェハ温度の調整を完了できる。第１温度調整装置８２ａまたは第２温度調整装置８２ｂによる温度調整が完了すると、第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂが大気開放される。その後、第１大気搬送機構７４ａまたは第２大気搬送機構７４ｂは、注入処理済のウェハを第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂからウェハ容器７２に搬送する（Ｓ３０）。
本実施の形態によれば、ロードロック室６６ａ，６６ｂにウェハ温度調整装置を設けることで、ロードロック室６６ａ，６６ｂを大気圧にするために要する時間を利用してウェハＷの温度を調整できる。したがって、高温注入や低温注入を実施する場合であっても、ウェハ温度を調整するために追加される時間を最小限にすることができ、イオン注入装置１０の生産性を高めることができる。
本実施の形態によれば、ウェハＷを静電チャックなどを利用して固定する必要がないため、ウェハＷをステージなどに密着させることによりウェハＷが擦れて生じる裏面パーティクルを抑制できる。その結果、ウェハＷにパーティクルが付着することによる歩留まりの低下などを抑制できる。また、本実施の形態によれば、熱輻射を利用する加熱におけるウェハ面内の不均一性の問題を回避することができる。その結果、ウェハ面内の加熱が不均一であることによる歩留まりの低下なども抑制できる。
図７の処理フローでは、バッファ室７０にて注入処理前のウェハＷを加熱または冷却し、第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂにて注入処理済のウェハＷを冷却または加熱する場合について示した。変形例においては、バッファ室７０にて注入処理前のウェハＷを加熱または冷却し、かつ、バッファ室７０にて注入処理済のウェハＷを冷却または加熱してもよい。この場合、第１ロードロック室６６ａおよび第２ロードロック室６６ｂは、ウェハＷの加熱または冷却に用いられなくてもよい。別の変形例においては、第１ロードロック室６６ａまたは第２ロードロック室６６ｂにて注入処理前のウェハＷを加熱または冷却し、第２ロードロック室６６ｂまたは第１ロードロック室６６ａにて注入処理済のウェハＷを冷却または加熱してもよい。例えば、第１ロードロック室６６ａにて注入処理前のウェハＷを加熱または冷却し、第２ロードロック室６６ｂにて注入処理済のウェハＷを冷却または加熱してもよい。この場合、ウェハ搬送装置１８は、バッファ室７０を備えなくてもよい。
第１ロードロック室６６ａ、第２ロードロック室６６ｂまたはバッファ室７０は、ウェハ温度調整装置を一つだけ備えてもよいし、ウェハ温度調整装置を複数備えてもよい。第１ロードロック室６６ａ、第２ロードロック室６６ｂまたはバッファ室７０は、例えば、上下方向（ｙ方向）に配置される二以上のウェハ温度調整装置を備えてもよい。同じ部屋に設けられる二以上のウェハ温度調整装置のそれぞれは、ウェハＷの加熱および冷却の双方に使用可能であってもよいし、ウェハＷの加熱または冷却の一方のみに使用可能であってもよい。第１ロードロック室６６ａ、第２ロードロック室６６ｂまたはバッファ室７０は、例えば、加熱専用のウェハ温度調整装置と、冷却専用のウェハ温度調整装置とを備えてもよい。
図８は、別の実施の形態に係るウェハ温度調整装置２００の概略構成を示す断面図である。ウェハ温度調整装置２００は、温度調整室１９８の内部に設けられる。ウェハ温度調整装置２００は、ステージ２０２と、ウェハ支持機構２０４と、ガス供給部２０６と、ガス排出部２０８とを備える。ガス供給部２０６およびガス排出部２０８は、図１のガス供給部１０６およびガス排出部１０８と同様に構成される。
ステージ２０２は、上面２１２を有する。上面２１２は、平坦面で構成され、複数の凸部が形成されていない。ステージ２０２は、上面２１２の温度を調整するよう構成される。ステージ２０２は、上面２１２の温度を調整するための温度調整流体が流れる流路２２２を有する。ステージ２０２は、流路２２２に加えて、または代えて、温度調整用のヒータを含んでもよい。ステージ２０２の外周にはウェハガイド２２４が設けられる。ウェハガイド２２４は、例えば、図１のウェハガイド１３２と同様に構成される。
ウェハ支持機構２０４は、複数のリフトピン２２６と、複数のリフトピン２２６を上下方向（矢印Ｃの方向）に駆動する駆動機構２２８とを有する。複数のリフトピン２２６は、ステージ２０２を貫通する貫通孔２１６に設けられる。複数のリフトピン２２６のそれぞれの先端２３０は、石英やＰＥＥＫなどで構成される。ウェハ支持機構２０４は、ウェハＷの温度を調整する場合、ウェハＷと上面２１２の間隔ｄを所定範囲内に維持した状態でウェハＷを支持する。ウェハ支持機構２０４は、ウェハＷと上面２１２の間の第１空間２１８と、ウェハＷの上方の第２空間２２０とが連通した状態でウェハＷを支持する。ウェハ支持機構２０４は、ウェハＷを搬送する場合、ウェハＷと上面２１２の間隔ｄが所定範囲よりも大きくなるようにし、ウェハＷと上面２１２の間にウェハハンドラが挿入できるようにする。
本実施の形態では、ウェハＷを支持する複数のリフトピン２２６が図１の複数の凸部１１６に相当する。複数のリフトピン２２６は、上下方向に変位可能であり、上面２１２から先端２３０までの突出高さが可変である。つまり、ウェハＷの温度を調整するときのウェハＷと上面２１２の間隔ｄを変更可能である。ウェハＷと上面２１２の間隔ｄは、ウェハＷと上面２１２の間の熱伝達効率に影響する。例えば、間隔ｄを小さくすると熱伝達効率が上がるため、ウェハＷの温度調整にかかる時間を短くできる。一方、間隔ｄを大きくすると熱伝達効率が下がるため、ウェハＷの温度調整にかかる時間を長くできる。例えば、間隔ｄを大きくすることで、ウェハＷの温度をゆっくりと調整し、過度な温度変化が生じることを防ぐことができる。
図９は、さらに別の実施の形態に係るウェハ温度調整装置３００の概略構成を示す断面図である。ウェハ温度調整装置３００は、温度調整室２９８の内部に設けられる。ウェハ温度調整装置３００は、ステージ３０２と、ウェハ支持機構３０４と、第１ガス供給部３０６と、ガス排出部３０８と、リフトアップ機構３１０とを備える。第１ガス供給部３０６、ガス排出部３０８およびリフトアップ機構３１０は、図１のガス供給部１０６、ガス排出部１０８およびリフトアップ機構１１０と同様に構成される。
ステージ３０２は、上面３１２を有する。上面３１２は、平坦面で構成され、複数の凸部が形成されていない。ステージ３０２は、上面３１２の温度を調整するよう構成される。ステージ３０２は、上面３１２の温度を調整するための温度調整流体が流れる流路３２２を有する。ステージ３０２は、流路３２２に加えて、または代えて、温度調整用のヒータを含んでもよい。ステージ３０２の外周にはウェハガイド３３２が設けられる。ウェハガイド３３２は、図１のウェハガイド１３２と同様に構成される。
ウェハ支持機構３０４は、複数のガス供給口３１４と、第２ガス供給部３１６とを有する。複数のガス供給口３１４は、上面３１２に二次元アレイ状に設けられる。複数のガス供給口３１４は、第２ガス供給部３１６から供給されるガスの出口であり、ステージ３０２の上方に配置されるウェハＷの裏面に向けてガスを吹き付ける。ウェハＷは、複数のガス供給口３１４から吹き付けられるガスのガス圧によって浮遊し、上面３１２とウェハＷの間隔ｄが所定範囲内に維持される。したがって、ウェハ支持機構３０４は、複数のガス供給口３１４からウェハＷに吹き付けるガスの圧力によってウェハＷを支持する。ウェハ支持機構３０４は、上面３１２とウェハＷの間の第１空間３１８と、ウェハＷの上方の第２空間３２０とが連通した状態でウェハＷを支持する。
第２ガス供給部３１６から複数のガス供給口３１４に供給されるガスは、第１ガス供給部３０６によって供給される熱伝達ガスと同じであってもよいし、異なっていてもよい。第２ガス供給部３１６が供給するガスは、乾燥空気、窒素ガス、希ガス、または、これらの混合物などであってもよい。温度調整室２９８の内部に供給される熱伝達ガスは、第１ガス供給部３０６と第２ガス供給部３１６の双方から供給されてもよいし、第２ガス供給部３１６のみから供給されてもよい。なお、第２ガス供給部３１６が熱伝達ガスを供給する場合、ウェハ温度調整装置３００は、第１ガス供給部３０６を備えなくてもよい。
リフトアップ機構３１０は、複数のリフトピン３２６と、複数のリフトピン３２６を上下方向（矢印Ｃの方向）に駆動する駆動機構３２８とを有する。複数のリフトピン３２６のそれぞれは、ステージ３０２を貫通する複数の貫通孔３２４に設けられる。リフトピン３２６の先端３３０は、石英やＰＥＥＫなどで構成される。リフトアップ機構３１０は、ウェハＷがウェハ支持機構３０４によって支持されていない場合、つまり、ウェハＷがガス圧によって浮遊していない場合にウェハＷを支持する。リフトアップ機構３１０は、ウェハＷを搬送する場合、ウェハＷと上面３１２の間隔ｄが所定範囲よりも大きくなるようにし、ウェハＷと上面３１２の間にウェハハンドラが挿入できるようにする。
本実施の形態によれば、ウェハＷの裏面にガスを吹き付けることで、ウェハＷの温度をより効率的に調整できる。また、ウェハＷをガス圧で浮遊させることで、ウェハＷの温度を調整する工程において、ウェハＷの裏面とウェハ支持機構３０４の接触面積を最小化できる。これにより、ウェハＷの裏面でのパーティクルの発生をさらに抑制できる。
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組み合わせや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。
１００…ウェハ温度調整装置、１０２…支持プレート、１０４…ステージ、１０６…ガス供給部、１１２…上面、１１４…ウェハ支持機構、１１６…凸部、１１８…第１空間、１２０…第２空間、１２２…流路、１２６…リフトピン、１２８…駆動機構。

Claims (20)

  1. 上面と、
    前記上面とウェハの間隔を所定範囲内に維持し、前記上面と前記ウェハの間の第１空間が前記ウェハの上方の第２空間と連通した状態で、前記上面の上方で前記ウェハを支持するウェハ支持機構と、
    前記上面の温度を調整するステージと、
    前記第１空間および前記第２空間に熱伝達ガスを供給するガス供給部と、を備えることを特徴とするウェハ温度調整装置。
  2. 前記上面と前記ウェハの間隔は、０．１μｍ以上１，０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のウェハ温度調整装置。
  3. 前記熱伝達ガスの圧力は、１ｔｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のウェハ温度調整装置。
  4. 前記熱伝達ガスの圧力は、前記上面と前記ウェハの間隔よりも前記熱伝達ガスの平均自由行程が小さくなるように定められることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  5. 前記ウェハ支持機構は、前記上面から突出する複数の凸部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  6. 前記複数の凸部の形成面積は、前記上面の面積の５０％以下であることを特徴とする請求項５に記載のウェハ温度調整装置。
  7. 前記複数の凸部の個数は、前記上面の１ｃｍ２の面積あたり０．０１個以上１０，０００個以下であることを特徴とする請求項５または６に記載のウェハ温度調整装置。
  8. 前記複数の凸部の少なくとも一つは、前記ステージに着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  9. 前記上面および前記複数の凸部を有し、前記ステージに着脱可能な支持プレートを備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  10. 前記上面および前記複数の凸部は、前記ステージに一体的に形成されることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  11. 前記複数の凸部は、前記上面からの突出高さが可変であることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  12. 前記複数の凸部は、セラミック材料から構成されることを特徴とする請求項５から１１のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  13. 前記複数の凸部は、樹脂材料から構成され、前記ステージは、セラミック材料または金属材料から構成されることを特徴とする請求項５から１１のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  14. 前記ウェハを前記複数の凸部から離間させて支持するリフトピンと、
    前記リフトピンを上下方向に駆動する駆動機構と、をさらに備えることを特徴とする請求項５から１３のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  15. 前記ウェハ支持機構は、前記上面から前記ウェハに向けてガスを吹き付けて前記ウェハをガス圧で浮遊させるガス供給口を有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  16. 前記ステージの内部に設けられ、前記上面の温度を調整するための温度調整流体が流れる流路をさらに備えることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置。
  17. 前記ウェハに対する処理がなされる真空処理室と、
    前記真空処理室内での前記処理の前および後の少なくとも一方において、前記ウェハの温度を調整する請求項１から１６のいずれか一項に記載のウェハ温度調整装置と、
    前記ウェハ温度調整装置が設けられる温度調整室と、
    前記真空処理室と前記温度調整室の間を密閉可能なゲートバルブと、
    前記温度調整室内の圧力を低下させる真空排気装置と、を備えることを特徴とするウェハ処理装置。
  18. 前記真空処理室と前記温度調整室の間に設けられる中間搬送室をさらに備え、
    前記ゲートバルブは、前記中間搬送室と前記温度調整室の間に設けられることを特徴とする請求項１７に記載のウェハ処理装置。
  19. 前記温度調整室は、前記真空処理室に前記ウェハを搬入し、前記真空処理室から前記ウェハを搬出するためのロードロック室であり、
    前記ロードロック室と大気雰囲気の間を密閉可能な別のゲートバルブをさらに備えることを特徴とする請求項１７または１８に記載のウェハ処理装置。
  20. 上面の温度を調整することと、
    前記上面とウェハの間隔を所定範囲内に維持し、前記上面と前記ウェハの間の第１空間が前記ウェハの上方の第２空間と連通した状態で、前記上面の上方で前記ウェハを支持することと、
    前記第１空間および前記第２空間に熱伝達ガスを供給することと、を備えることを特徴するウェハ温度調整方法。
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