JP2023539381A - イオンビームエッチング機及びその昇降回転テーブル装置 - Google Patents

イオンビームエッチング機及びその昇降回転テーブル装置 Download PDF

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Abstract

本発明はイオンビームエッチング機及びその昇降回転テーブル装置を開示する。昇降回転テーブル装置は、上部ハウジングと、下部ハウジングと、上端が上部ハウジングに密封接続され、下端が下部ハウジングに密封接続される中央部ベローズとを含む密閉ハウジングと、上部ハウジングの上端の軸孔を貫通して配置され、軸孔との間に可動シールが設けられ、密閉ハウジングの外部に位置する上端にウエハ載置台が設けられる回転軸と、上部ハウジング内に取り付けられ、回転軸を駆動して軸孔に沿って回転させることに用いられる回転駆動ユニットと、下部ハウジング内に取り付けられ、回転軸を駆動して軸方向に沿って昇降させることに用いられる昇降駆動ユニットと、を含む。回転軸、上部ハウジング及び回転駆動ユニットは同期して昇降する。本発明はグリッドからのウエハの距離を調整することができ、ウエハの各直径による範囲のエッチング量をできる限り一致させ、ウエハ全体の均一性を最適化する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体エッチングの技術分野に属し、特にイオンビームエッチング機及びその昇降回転テーブル装置に関する。
イオンビームエッチング機はグリッドでイオンビームを引き出し、グリッドは、スクリーングリッド、加速グリッド及び減速グリッドで構成され、グリッド構造は一定であり、また、イオン源グリッドからのウエハ載置台の距離は一定である。また、イオンビームエッチング機のグリッドのスクリーングリッド電圧は必要に応じて５０Ｖから８００Ｖの範囲内で選択し、異なるスクリーングリッド電圧でエッチングされたウエハエッチングレートの分布及び均一性は大きく異なる。
グリッドのスクリーングリッド電圧が高くなるにつれて、イオン源から引き出されたイオンビームのエネルギーが高くなり、エッチングレートが高くなり、またグリッドから引き出されたイオンビームの発散角が大きくなり、図３に示す高電圧でのウエハエッチング図のように、エッジのエッチングレートが中心エッチングレートよりも高く、図５に示すように均一性が悪くなることが分かる。同様に、グリッドのスクリーングリッド電圧が低下することに伴い、イオン源から引き出されたイオンビームのエネルギーが低下し、エッチングレートが低下し、またグリッドから引き出されたイオンビームの発散角が減少し、図４に示す低電圧でのウエハエッチング図のように、エッジのエッチングレートが中心エッチングレートよりも低く、図６に示すように均一性が悪くなることが分かる。
従来技術において、ウエハ載置台は、その中心軸のみを回って回転することができ、エッチング過程においてウエハの同一半径を有する円周の良好な均一性を保証するが、径方向の均一性が悪いという上記した問題を解決することができない。
上記問題を解決するために、本発明は、プロセスに応じてグリッドからのウエハの距離を組み合わせて調整することができ、ウエハの各直径による範囲のエッチング量をできる限り一致させ、ウエハ全体の均一性を最適化し、特にプロセスの条件に関わらずチャンバ部材を交換することなく優れた均一性を得ることができ、部品のコストを大幅に節約し、生産効率を向上させるイオンビームエッチング機及びその昇降回転テーブル装置を提供する。
技術的解決手段は以下のとおりである。本発明は、
上部ハウジングと、下部ハウジングと、中央部ベローズとを含み、前記上部ハウジングは下部ハウジングの上方に位置し、上端に軸孔が設けられ、前記中央部ベローズは上端が上部ハウジングに密封接続され、下端が下部ハウジングに密封接続される密閉ハウジングと、
軸孔を貫通して配置され、軸孔との間に可動シールが設けられ、密閉ハウジングの外部に位置する上端にウエハを載置するためのウエハ載置台が設けられ、上部ハウジングとの間に第１軸方向ストッパ機構がさらに設けられる回転軸と、
上部ハウジング内に取り付けられ、回転軸を駆動して軸孔に沿って回転させることに用いられる回転駆動ユニットと、
下部ハウジング内に取り付けられ、回転軸を駆動して軸方向に沿って昇降させることに用いられる昇降駆動ユニットと、を含み、
前記回転軸と上部ハウジングは第１軸方向ストッパ機構によって同期昇降し、前記回転駆動ユニットは上部ハウジングに追従して同期昇降する真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置を提供する。
さらに、前記回転駆動ユニットは中空リング型モータであり、前記中空リング型モータの回転子は回転軸に固定接続され、前記中空リング型モータの固定子は上部ハウジングに固定接続され、前記中空リング型モータは回転軸と上部ハウジングとの間の第１軸方向ストッパ機構となる。
さらに、前記昇降駆動ユニットは、回転軸の昇降方向に沿って配置される親ねじと、下部ハウジングに取り付けられ、親ねじを回転駆動することに用いられる回転駆動モータと、親ねじの外に螺合されるナットスライダとを含み、親ねじが回転すると、ナットスライダは親ねじに沿って昇降し、前記ナットスライダと回転軸との間に第２軸方向ストッパ機構が設けられ、前記ナットスライダと回転軸は第２軸方向ストッパ機構によって同期昇降する。
さらに、前記回転軸の下端に軸心に沿ってガイド円孔が開けられ、前記第２軸方向ストッパ機構は転がり軸受を含み、前記転がり軸受の外輪はガイド円孔の内壁に固定接続され、前記転がり軸受の内輪は回転軸に固定接続される。
さらに、前記昇降駆動ユニットは、下部ハウジングに固定され、回転軸の昇降方向に沿って配置される第１ガイドスライドバーをさらに含み、前記ナットスライダは第１ガイドスライドバーの外にスライド可能に嵌着される。
さらに、前記昇降駆動ユニットはリニアアクチュエータであり、前記リニアアクチュエータの主軸は回転軸の昇降方向に沿って運動すると、上部ハウジング又は主軸に接続され、上部ハウジング、回転軸及び回転駆動ユニットを駆動して同期昇降させる。
さらに、前記密閉ハウジングは、下部ハウジングに固定され、回転軸の昇降方向に沿って配置される複数の第２ガイドスライドバーをさらに含み、前記上部ハウジングは、第２ガイドスライドバーの外にスライド可能に嵌着される。
さらに、前記可動シールは磁性流体シール構造である。
真空エッチングチャンバ、イオン源及びグリッドを含み、前記イオン源によって生成されたイオンはグリッドによって加速され、真空エッチングチャンバに入ってウエハに衝突するイオンビームエッチング機であって、
上記の昇降回転テーブル装置をさらに含むイオンビームエッチング機である。
さらに、前記イオン源は、石英筒と、ＲＦコイルと、中和器とを含み、前記石英筒は、一端が真空エッチングチャンバに連通し、他端がプロセスガスに連通して吸気し、前記グリッドは石英筒の一端と真空エッチングチャンバとの間に位置し、前記ＲＦコイルは石英筒の外周に位置し、プロセスガスは石英筒の他端から入り、ＲＦコイルは石英筒内で励起して正電荷プラズマを生成し、正電荷プラズマはグリッドによって加速され、中和器は電子を放出し、グリッドを経た正電荷プラズマは電子と中和して中性イオンとなり、中性イオンは昇降回転テーブル装置上のウエハに衝突する。
本発明を使用する際には、回転駆動ユニットによって回転軸を駆動して中心軸を中心に円周運動させることにより、ウエハ載置台が円周運動を行う。ウエハ載置台が円周運動を行うとともに、昇降駆動ユニットは、上部ハウジング、回転軸及び回転駆動ユニットを駆動して同期昇降させる。上部ハウジングの昇降過程において、中央部ベローズの弾性力が克服される。中央部ベローズによって上部ハウジングと下部ハウジングを接続し、密閉ハウジングを形成することにより、回転駆動ユニットと昇降駆動ユニットは真空エッチングチャンバから隔離され、真空エッチングチャンバ内の真空度が保証される。
本発明の昇降回転テーブル装置は、プロセスに応じてグリッドからのウエハの距離を組み合わせて調整することができ、ウエハの各直径による範囲のエッチング量をできる限り一致させ、ウエハ全体の均一性を最適化し、特にプロセスの条件に関わらずチャンバ部材を交換することなく優れた均一性を得ることができ、部品のコストを大幅に節約し、生産効率を向上させる。
本発明の真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置の構造概略図である。 本発明のイオンビームエッチング機の構造概略図である。 従来技術における高電圧でのウエハエッチング図である。 従来技術における低電圧でのウエハエッチング図である。 従来技術における高電圧でのウエハエッチング量の分布の座標図である。 従来技術における低電圧でのウエハエッチング量の分布の座標図である。 本発明のイオンビームエッチング機でエッチングされたウエハエッチング量の分布の座標図である。
図１に示すように、本発明は、密閉ハウジングと、回転軸２と、回転駆動ユニットと、昇降駆動ユニットとを含む、真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置を提供する。
前記密閉ハウジングは、上部ハウジング１０１と、下部ハウジングと、中央部ベローズ１０３とを含み、前記上部ハウジング１０１は下部ハウジングの上方に位置し、前記中央部ベローズ１０３は、上端が上部ハウジング１０１に密封接続され、下端が下部ハウジングに密封接続され、前記上部ハウジング１０１の上端には軸孔１０１ａが設けられ、軸孔はＺ軸に沿って配置される。
前記回転軸２は、軸孔１０１ａを貫通して配置され、軸孔１０１ａとの間に可動シールが設けられ、具体的には、前記可動シールは磁性流体シール構造である。磁性流体シール構造では、磁性流体が磁界の隙間に注入されると、隙間全体を満たすことができ、これにより、「液体のＯ型シールリング」が形成され、チャンバ内部の高真空環境が保証される。
前記回転軸２の密閉ハウジングの外部に位置する上端に、ウエハを載置するためのウエハ載置台２０４が設けられ、前記回転軸２と上部ハウジング１０１との間に第１軸方向ストッパ機構がさらに設けられる。
前記回転駆動ユニットは、上部ハウジング１０１内に取り付けられ、回転軸２を駆動して軸孔１０１ａに沿って回転させることに用いられる。具体的には、前記回転駆動ユニットは中空リング型モータであり、前記中空リング型モータの回転子３０１は回転軸２に固定接続され、前記中空リング型モータの固定子３０２は上部ハウジング１０１に固定接続され、前記中空リング型モータは回転軸２と上部ハウジング１０１との間の第１軸方向ストッパ機構として機能し、このように回転軸２と上部ハウジング１０１との間の軸方向の位置決めが実現される。
前記回転駆動ユニットは一般的なモータを用いてもよく、歯車等の伝動機構により、回転軸２を回転駆動する。
回転軸２にエンコーダ２０５が設けられ、ウエハ載置台２０４の回転数と位置を正確に監視することができ、ウエハ同士の位置精度が保証される。
前記昇降駆動ユニットは、下部ハウジング内に取り付けられ、回転軸２を駆動してＺ軸に沿って昇降させることに用いられる。前記回転軸２と上部ハウジング１０１は、第１軸方向ストッパ機構によって同期昇降し、前記回転駆動ユニットは、上部ハウジング１０１に追従して同期昇降する。
上部ハウジング１０１の昇降過程において、中央部ベローズ１０３の弾性力が克服される。中央部ベローズ１０３によって上部ハウジング１０１と下部ハウジングを接続し、密閉ハウジングを形成することにより、回転駆動ユニットと昇降駆動ユニットは真空エッチングチャンバ６から隔離され、真空エッチングチャンバ６内の真空度が保証される。
前記密閉ハウジングは、下部ハウジングに固定され、回転軸２の昇降方向に沿って配置される複数の第２ガイドスライドバー１０４をさらに含み、前記上部ハウジング１０１は第２ガイドスライドバー１０４の外にスライド可能に嵌着される。第２ガイドスライドバー１０４は上部ハウジング１０１に対する昇降ガイド機能を果たす。
前記昇降駆動ユニットは以下の２種類の実施形態を含む。
実施形態１として、前記昇降駆動ユニットは、回転駆動モータ４０１と、親ねじ４０２と、ナットスライダ４０３とを含む。前記親ねじ４０２は回転軸２の昇降方向に沿って配置され、前記ナットスライダ４０３は親ねじ４０２の外に螺合され、前記回転駆動モータ４０１は、下部ハウジングに取り付けられ、カップリング４０５を介して親ねじ４０２に接続され、親ねじ４０２を回転駆動することに用いられる。親ねじ４０２が回転すると、ナットスライダ４０３は親ねじ４０２に沿って昇降し、前記ナットスライダ４０３と回転軸２との間に第２軸方向ストッパ機構が設けられ、前記ナットスライダ４０３と回転軸２は第２軸方向ストッパ機構によって同期昇降する。前記下部ハウジングには、親ねじ４０２を支持するための軸受４０６が設けられる。
前記回転軸２の下端に軸心に沿ってガイド円孔２０２が開けられ、前記第２軸方向ストッパ機構は転がり軸受２０３を含み、前記転がり軸受２０３の外輪はガイド円孔２０２の内壁に固定接続され、前記転がり軸受２０３の内輪は回転軸２に固定接続される。前記転がり軸受２０３は、ナットスライダ４０３と回転軸２に対する軸方向の位置決め作用を果たし、これにより、ナットスライダ４０３と回転軸２は同期昇降し、また、回転軸２の回転運動において余分なトルクが加えることはない。
前記昇降駆動ユニットは、下部ハウジングに固定され、回転軸２の昇降方向に沿って配置される第１ガイドスライドバー４０４をさらに含み、前記ナットスライダ４０３は第１ガイドスライドバー４０４の外側にスライド可能に嵌着される。前記第１ガイドスライドバー４０４はナットスライダ４０３の回転を防止することができ、ナットスライダ４０３を親ねじ４０２に沿って昇降させる。
前記下部ハウジングは、具体的には、固定座１０２ａと、下部チャンバカバー１０２ｂと、を含む。前記固定座１０２ａの上端面は、第１ガイドスライドバー４０４、第２ガイドスライドバー１０４、中央部ベローズ１０３及び軸受４０６を取り付けることに用いられ、前記固定座１０２ａの下端面は、回転駆動モータ４０１を取り付けることに用いられる。前記下部チャンバカバー１０２ｂは、固定座１０２ａに密封接続され、回転駆動モータ４０１を密閉することに用いられる。
実施形態２として、前記昇降駆動ユニットはリニアアクチュエータであり、前記リニアアクチュエータの主軸は、回転軸２の昇降方向に沿って運動すると、上部ハウジング１０１又は主軸に接続され、上部ハウジング１０１、回転軸２及び回転駆動ユニットを駆動して同期昇降させる。好ましくは、前記リニアアクチュエータは下部ハウジングに取り付けられ、主軸は上部ハウジング１０１に接続され、上部ハウジング１０１、回転軸２及び回転駆動ユニットを駆動して同期昇降させる。
イオンビームエッチング機は、図２に示すように、真空エッチングチャンバ６、イオン源及びグリッド７を含み、上記の昇降回転テーブル装置５をさらに含む。
前記イオン源は、石英筒８０１と、ＲＦコイル８０２と、中和器８０３とを含む。前記石英筒８０１は、一端が真空エッチングチャンバ６に連通し、他端がプロセスガスに連通して吸気する。前記グリッド７は、石英筒８０１の一端と真空エッチングチャンバ６との間に位置する。前記ＲＦコイル８０２は石英筒８０１の外周に位置し、プロセスガスは石英筒８０１の他端から入り、ＲＦコイル８０２は石英筒８０１内で励起して正電荷プラズマを生成する。正電荷プラズマはグリッド７によって加速され、中和器８０３は電子を放出し、グリッド７を経た正電荷プラズマは電子と中和して中性イオンとなり、中性イオンは昇降回転テーブル装置５上のウエハに衝突する。
本発明を使用する際には、回転駆動ユニットによって回転軸２を駆動して中心軸Ｚを中心に円周運動させることにより、ウエハ載置台２０４が円周運動を行う。ウエハ載置台２０４が円周運動を行うとともに、昇降駆動ユニットは上部ハウジング１０１、回転軸２及び回転駆動ユニットを駆動して同期昇降させる。上部ハウジング１０１の昇降過程において、中央部ベローズ１０３の弾性力が克服される。中央部ベローズ１０３によって上部ハウジング１０１と下部ハウジングを接続し、密閉ハウジングを形成することにより、回転駆動ユニットと昇降駆動ユニットは真空エッチングチャンバ６から隔離され、真空エッチングチャンバ６内の真空度が保証される。
本発明の昇降回転テーブル装置は、プロセスに応じてグリッドからのウエハの距離を組み合わせて調整することができ、図７に示す、グリッドからのウエハの距離を最適化した後のエッチング量の分布図のように、ウエハの各直径による範囲のエッチング量をできる限り一致させ、ウエハ全体の均一性を最適化し、特にプロセスの条件に関わらずチャンバ部材を交換することなく優れた均一性を得ることができ、部品のコストを大幅に節約し、生産効率を向上させる。

Claims (10)

  1. 真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置であって、
    上部ハウジング（１０１）と、下部ハウジングと、中央部ベローズ（１０３）とを含み、前記上部ハウジング（１０１）は下部ハウジングの上方に位置し、上端に軸孔（１０１ａ）が設けられ、前記中央部ベローズ（１０３）は上端が上部ハウジング（１０１）に密封接続され、下端が下部ハウジングに密封接続される密閉ハウジングと、
    軸孔（１０１ａ）を貫通して配置され、軸孔（１０１ａ）との間に可動シールが設けられ、密閉ハウジングの外部に位置する上端に、ウエハを載置するためのウエハ載置台（２０４）が設けられ、上部ハウジング（１０１）との間に第１軸方向ストッパ機構がさらに設けられる回転軸（２）と、
    上部ハウジング（１０１）内に取り付けられ、回転軸（２）を駆動して軸孔（１０１ａ）に沿って回転させることに用いられる回転駆動ユニットと、
    下部ハウジング内に取り付けられ、回転軸（２）を駆動して軸方向に沿って昇降させることに用いられる昇降駆動ユニットと、を含み、
    前記回転軸（２）と上部ハウジング（１０１）は、第１軸方向ストッパ機構によって同期昇降し、前記回転駆動ユニットは、上部ハウジング（１０１）に追従して同期昇降することを特徴とする真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置。
  2. 前記回転駆動ユニットは中空リング型モータであり、前記中空リング型モータの回転子（３０１）は回転軸（２）に固定接続され、前記中空リング型モータの固定子（３０２）は上部ハウジング（１０１）に固定接続され、前記中空リング型モータは回転軸（２）と上部ハウジング（１０１）との間の第１軸方向ストッパ機構となることを特徴とする請求項１に記載の真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置。
  3. 前記昇降駆動ユニットは、回転軸（２）の昇降方向に沿って配置される親ねじ（４０２）と、下部ハウジングに取り付けられ、親ねじ（４０２）を回転駆動することに用いられる回転駆動モータ（４０１）と、親ねじ（４０２）の外側に螺合されるナットスライダ（４０３）とを含み、親ねじ（４０２）が回転すると、ナットスライダ（４０３）は親ねじ（４０２）に沿って昇降し、前記ナットスライダ（４０３）と回転軸（２）との間に第２軸方向ストッパ機構が設けられ、前記ナットスライダ（４０３）と回転軸（２）は第２軸方向ストッパ機構によって同期昇降することを特徴とする請求項１又は２に記載の真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置。
  4. 前記回転軸（２）の下端に軸心に沿ってガイド円孔（２０２）が開けられ、前記第２軸方向ストッパ機構は転がり軸受（２０３）を含み、前記転がり軸受（２０３）の外輪はガイド円孔（２０２）の内壁に固定接続され、前記転がり軸受（２０３）の内輪は回転軸（２）に固定接続されることを特徴とする請求項３に記載の真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置。
  5. 前記昇降駆動ユニットは、下部ハウジングに固定され、回転軸（２）の昇降方向に沿って配置される第１ガイドスライドバー（４０４）をさらに含み、前記ナットスライダ（４０３）は第１ガイドスライドバー（４０４）の外側にスライド可能に嵌着されることを特徴とする請求項４に記載の真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置。
  6. 前記昇降駆動ユニットはリニアアクチュエータであり、前記リニアアクチュエータの主軸は回転軸（２）の昇降方向に沿って運動すると、上部ハウジング（１０１）又は主軸に接続され、上部ハウジング（１０１）、回転軸（２）及び回転駆動ユニットを駆動して同期昇降させることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置。
  7. 前記密閉ハウジングは、下部ハウジングに固定され、回転軸（２）の昇降方向に沿って配置される複数の第２ガイドスライドバー（１０４）をさらに含み、前記上部ハウジング（１０１）は、第２ガイドスライドバー（１０４）の外側にスライド可能に嵌着されることを特徴とする請求項１に記載の真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置。
  8. 前記可動シールは磁性流体シール構造であることを特徴とする請求項１に記載の真空エッチングチャンバ内に用いられる昇降回転テーブル装置。
  9. 真空エッチングチャンバ（６）、イオン源及びグリッド（７）を含み、前記イオン源によって生成されたイオンはグリッド（７）によって加速され、真空エッチングチャンバ（６）に入ってウエハに衝突するイオンビームエッチング機であって、
    請求項１～８のいずれかに記載の昇降回転テーブル装置をさらに含むことを特徴とするイオンビームエッチング機。
  10. 前記イオン源は石英筒（８０１）と、ＲＦコイル（８０２）と、中和器（８０３）とを含み、前記石英筒（８０１）は、一端が真空エッチングチャンバ（６）に連通し、他端がプロセスガスに連通して吸気し、前記グリッド（７）は石英筒（８０１）の一端と真空エッチングチャンバ（６）との間に位置し、前記ＲＦコイル（８０２）は石英筒（８０１）の外周に位置し、プロセスガスは石英筒（８０１）の他端から入り、ＲＦコイル（８０２）は石英筒（８０１）内で励起して正電荷プラズマを生成し、正電荷プラズマはグリッド（７）によって加速され、中和器（８０３）は電子を放出し、グリッド（７）を経た正電荷プラズマは電子と中和して中性イオンとなり、中性イオンは昇降回転テーブル装置（５）上のウエハに衝突することを特徴とする請求項９記載のイオンビームエッチング機。
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