JP4016279B2 - ウエハの受け台傾斜機構及び冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、半導体ウエハを処理するためのイオン注入装置に関し、特に、イオン注入装置のためのウエハ支持受け台(ペデスタル）及びウエハ冷却システムに関するものである。

イオン注入装置は、半導体ウエハ内に導電率を変える不純物を注入するために用いられる。このために、所望の不純物材料がイオン源を介してイオン化され、さらに加速されて規定エネルギーのイオンビームに形成される。イオンビームは、半導体の表面に向けられ、ビーム内のイオンが半導体材料内に注入され、結晶構造内に埋め込まれる。これにより、所望の導電率の領域が形成される。

半導体ウエハの処理において、効果的なイオン注入を達成するために考慮すべきいくつかの重要な問題がある。１つの重要なファクタは、処理能力、即ち、単位時間に処理されるウエハの数量である。さらに、ウエハ移送時間、イオン注入時間、及び動作不能時間が、次に重要な点である。別の重要なファクタは、大きな傾斜度で注入する能力である。一般的に約２０〜６０度の範囲の大きな傾斜角であれば、ビームへの妨害を受けてもシリコン構造へのドーピングを可能にする。また別の重要な点は、処理中にウエハを冷却する能力である。

シリアルイオン注入装置は、１度に１つのシリコンウエハを処理する。バッチ式イオン注入装置では、複数のウエハ、即ち、一群のウエハを同時に処理する。一般的にバッチ式イオン注入装置は、回転ディスクを用いて、このディスク上の受け台に処理される複数のウエハが取り付けられる。バッチ式イオン注入装置では、不均衡な回転状態を生じないで、ウエハを傾斜させかつ冷却することが重要である。この不均衡な状態は、例えば、不均衡な負荷を作り出す冷却液によって全ての受け台が正しい位置に移動しないときに起こる。

このようなことから、高い処理能力を有し、大きい注入傾斜角を有して均一な注入を行うことができるイオン注入装置が望ましい。また、本発明は、イオン注入装置に用いられ、ウエハを取り付けかつ冷却するためのウエハパッドアセンブリ100を提供することを目的としている。

本発明は、イオン注入装置内に配置され、ウエハを取り付けかつ冷却するための、少なくとも１つのウエハパッドアセンブリを提供する。このウエハパッドアセンブリは、ウエハを取り付けるための上部表面と、冷却通路に接続されている下部表面とを有するウエハ支持パッドを含み、前記冷却通路は、入口部分と出口部分の２つの部分を備え、前記入口部分と出口部分は、前記ウエハ支持パッド内において対称形状で対向配置され、前記入口部分の冷媒の質量が、出口部分の冷媒の質量と釣り合っており、このウエハ支持パッドの前記下部表面が外側湾曲面を有するフレームに接続され、前記外側湾曲面がハウジングに設けられた補完形状の支持面に噛み合って、前記ウエハが１つの軸回りに回転可能となり、前記支持面は、さらに、冷却用のシステムラインの供給ラインと戻りラインのそれぞれと流体連通する前記冷却通路への供給通路及び戻り通路を含むことを特徴としている。

本発明の他の構成によれば、イオン注入装置内に配置されて、ウエハを取り付けるためのウエハパッドアセンブリを提供する。このウエハパッドアセンブリは、ウエハを取り付ける上部表面と、外側湾曲面を有するフレームに接続され、前記外側湾曲面がハウジングに設けられた補完形状の支持面に噛み合う下部表面とを有し、かつ前記ウエハが１つの軸回りに回転可能なウエハ支持パッドを含んでいる。支持面は、さらに、供給ラインと戻りラインのそれぞれと流体連通する供給通路及び戻り通路を含む。これにより、ウエハは、パッド上に取り付けられたウエハの中心軸線の回りに回転することができる。

これら及び他の構成、さらに本発明の利点は、添付の図面を参照して本発明を実施するための最適なモードと考えられる好ましい実施形態について、以下に記載する詳細な説明から当業者であれば容易に理解できるであろう。

図面を参照すると、図１は、イオン注入装置１０を開示しており、この注入装置１０は、ターミナル１２、ビームラインアセンブリ１４、及びエンドステーション１６から構成される。一般的に、ターミナル１２は、イオンビームを出力し、ビームラインアセンブリ１４は、イオンビームの焦点、イオン種及びエネルギーレベルを調整し、イオンビームをエンドステーション１６に配置されたウエハＷに向かわせる。

ターミナル１２は、ガスボックス２０からドーパントガスが放出されるチャンバーを有するイオン源１８を含む。イオン化可能なドーパントガスにエネルギーを与えて、イオン源室内に正のイオンを発生させる。高電圧源２４によって電圧供給を受けた引き出し電極２２は、イオン源室から正のイオンビーム２６を引き出し、この引き出されたイオンを質量分析磁石２８によって加速する。質量分析磁石２８は、適当な電荷質量比のイオンだけをビームラインアセンブリ１４内を通過させる役割を果たす。質量分析磁石２８によって与えられるビーム通路２９の排気は、真空ポンプ３０によって行われる。

ビームラインアセンブリ１４は、四極子レンズ３２、フラグファラデー３４、電子シャワー３６、及びオプションとして、イオンビーム加速／減速電極(図示略)を備えている。四極子レンズ３２は、ターミナル１２によって出力されるイオンビームの焦点を合わせ、また、フラグファラデー３４は、システムのセットアップ時にイオンビーム特性を測定する。オプションとしての加速／減速電極は、集中させたイオンビームを加速または減速して、エンドステーション１６においてウエハにイオンを注入する前に所望のエネルギーレベルにするために用いられる。ビームラインアセンブリ１４に設けられたビーム経路の排気は、真空ポンプ３８によって与えられる。

エンドステーション１６は、回転ディスク４０等のウエハプラットフォームを含み、この回転ディスクの回りに配置される受け台に、複数のウエハＷが取り付けられる。回転ディスク駆動機構４２は、ディスクに回転運動を与え、また、リニア駆動機構４４がディスクに直線運動を与える。ロボットアーム４６が、ロードロック室４８を介してディスク４０上にウエハＷを載置する。この装置の動作は、エンドステーション１６の端部に配置されたオペレータ制御ステーション５０によって制御される。

回転可能なディスク４０上の受け台は、上部にウエハを取り付けるために、本発明では、図２に示すように、ウエハパッドアセンブリ１００を備えている。このウエハパッドアセンブリ１００は、高傾斜角を与えるために約０°〜約４５°の範囲でウエハを取り付けることができる。この傾斜角は、ここでは、図６に示すように、ウエハパッドアセンブリ１００の座標軸x,y.zのｚ軸回りにウエハを回転するように定められている。好ましくは、各ウエハＷの幾何学的中心は、ｚ軸上にあり、各ウエハは、この中心軸に対して傾斜する。

各ウエハＷは、機械式または静電式のクランプ、または他の従来公知の手段等により、１つまたは複数のクランプ１０４を介してウエハ支持パッド１０２に取り付けられる。ウエハ支持パッド１０２は、ほぼ平らな上部表面１０１を有する円形プレートで構成され、このプレート上にウエハＷを取り付ける。ウエハ支持パッド１０２の下部表面には、冷却パッド１０２さらにウエハを冷却するために、冷媒を循環させる１つ又は複数の冷却通路１０３（以後、冷却通路という。）が取り付けられている。冷却通路１０３は、ディップろう付け、機械的な固定具、又は従来公知の他の通常の手段によって、ウエハ支持パッド１０２の下側に取り付けることができる。冷却通路１０３は、好ましくは、円形断面を有し、アルミニウム等の高い熱伝導性を有する材料からなる。冷却通路の内面は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）または、パッドベース材料の劣化を防止する他のハードコート形式の耐磨耗性コーティング材で被覆されることが望ましい。

図３及び図５に示すように、冷却通路１０３は、ウエハ支持パッド１０２の中心近くに配置された入口端１０６と出口端１０８を有する。さらに、入口端１０６と出口端１０８の各幾何学的中心は、ウエハ支持パッド１０２の幾何学的中心（このパッドに取り付けられるウエハＷの中心に対応する。）から等距離にあって対向配置されている。蛇行した形で配置される冷却通路は、ウエハ支持パッド１０２の軸線ｘに対して対称である。

説明用の図３に示すように、冷却通路は、２つの部分１０３ａと１０３ｂとして示され、部分１０３ａは、冷却通路の入口部分を表わし、部分１０３ｂは、冷却通路の出口部分を表わす。さらに、図３に示すように、部分１０３ａ、１０３ｂは、ｘ軸に対して対称である。この対称関係により、冷却通路の入口部分１０３ａに位置する冷媒の量(mass)が、１０３ｂで示す冷却通路の出口部分に位置する冷媒の量に釣り合うことになる。冷却通路の入口部分１０３ａの出口端部１１０は、冷却通路の出口部分１０３ｂの入口端部１１２に通じる。また、入口側及び出口側の冷却部分１０３ａ、１０３ｂは、冷却通路１０３ａの入口部分に位置する冷媒の量が、冷却通路の出口部分に位置する冷媒の量に釣り合うように、他の形態(図示略)で配置することができる。

冷却通路の入口部分及び出口部分に供給される冷媒は、水、不凍液、フレオン、又はそれらの混合物等の冷媒、又は当業者に知られた他の適当な冷媒とすることができる。

図２に戻って、ウエハ支持パッド１０２の下部表面は、固定のカバープレート１３０で保護されている。このカバープレート１３０は、平らな円形板であり、好ましくはアルミニウム材料から作られ、冷却通路を覆う機能を果たし、そして、半径フレーム２００に取り付けられる。このカバープレートは、入口供給孔１３２と出口戻り孔１３４を含み、入口側及び出口側の冷却通路の各端部１０６,１０８に通じる。

ウエハ支持パッド用の半径フレーム２００が、カバープレート１３０の下部表面に取り付けられる。この半径フレーム２００は、取り付けられたウエハの上面の幾何学的中心線であるｚ軸（図６参照）回りにウエハパッドアセンブリの回転、即ち傾き（チルト）動作を可能にするために、外側湾曲面を有する外側磨耗面を有する。外側磨耗面２０２は、凸面を有し、カムハウジング３００の補完的形状を有する支持面３０２との間で摺動可能になっている。

外側磨耗面２０２が支持面３０２に摺動可能に係合するので、ウエハは、その幾何学的中心の回りに回転する。外側磨耗面の半径形状によって、ウエハは、０°〜４５°の範囲で傾斜することができる。この外側磨耗面は、高クロム、ニッケルメッキされたスチール又はアルミ材料等の低摩擦率を有する材料から作られる。

図４に示すように、半径フレーム２００は、矩形断面の対向した側壁２０１を有する。１つまたは複数の湾曲したカムフォロア用のレースウエイ（軌道）が、側壁２０１内に取り付けられる。好ましくは、２つの対向する軌道２０４が用いられる。カムフォロア用軌道２０４は、外側磨耗面２０２と同一の湾曲を有する。半径フレーム２００をカムハウジング３００に固定する機能を備える１つ以上のカムフォロア２０５が、各軌道２０４内に受け入れられる。一方、半径フレーム２００の外側磨耗面（外側湾曲面）２０２がカム支持面（支持面）３０２に摺動可能に係合するので、ウエハを傾斜させることができる（図２参照）。さらに、カムフォロア２０５は、以下で詳細に説明するように、冷却通路１０３の入口側及び出口側の端部１０６、１０８と、固定通路、即ち固定ライン２０６,２０８との間に配置されるシールギャップを維持するとともに、回転ディスク４０の遠心力を伝える機能を有する。

カムハウジング３００は、ほぼ矩形状で、対向する平行な側壁３０４、カム支持面３０２、及び内部空間３０６を有する。好ましくは、側壁３０４の一方は、内部空間の内側部分に近づくために、部分的に取外しプレート３０９で形成されている。側壁３０４は、好ましくは、截頭形の内側角部３０５を有し、そのため、半径フレーム２００は、妨害なく回転することができる。

内部空間３０６内に設けられた供給用及び戻り用の冷却ライン（供給通路及び戻り通路）２０６,２０８は、カム支持面３０２に接続され、かつこの湾曲した下面に沿って配置されている。供給用及び戻り用の冷却ライン２０６,２０８は、冷却通路１０３の各端部１０６,１０８と流体連通する。この冷却通路１０３の端部１０６,１０８は、半球形状の半径フレーム２００とともに回転、即ち、傾斜し、さらに、回転中、非回転の戻り用及び供給用の冷却ライン２０６,２０８と流体連通を維持することが重要である。

さらに、半球形状の半径フレーム２００が回転すると、フレームの外側磨耗面２０２と、支持面３０２との境界面は、シールとして機能し、湾曲した支持面３０２の通路３１０から冷媒が漏れることを防いでいる。好ましくは、１つ以上の溝３１４（図２参照）がカム支持面３０２の通路３１０の周囲を取り囲み、これらの溝に、１つ以上のシール３２０、好ましくは、Ｏリングが設けられることにより、冷媒が内部空間から漏れるのを防止している。選択的な第２の溝及びシールの組を、カムハウジング３００からの冷媒の漏れを示す指示器として用いることができる。

図７に示すように、ウエハ受け台アセンブリ（ウエハパッドアセンブリ）１００は、さらに、アクチュエータに連結するためのフランジ４００を備えている。このアクチュエータは、リンク機構、ケーブル、電気アクチュエータ、又は適当な手段を含んで、ウエハパッドの移動可能な部分に運動を伝える。図７では、本発明に係る１つ以上のウエハ受け台アセンブリを有するイオン注入装置のディスクの斜視図を示している。このウエハ受け台アセンブリ１００は、ｚ軸回りに、（ｘ軸に対して）４５°傾斜した状態が示されている。冷媒（この場合、水）の分配用ハブ５００が、ディスク４０の中心部近くに配置され、冷却用のマニホールドシステムライン５０２、５０４とともに図示されており、このシステムラインは、半径方向外側に延びて、受け台アセンブリの戻り及び供給用ライン２０６，２０８と流体連通している。

ウエハ冷却システムは、ウエハを傾斜させるためのアセンブリと関連して示されかつ記載されており、この関連した冷却システムは、このような用途に限定されるものではない。例えば、ウエハ冷却システムは、従来のバッチ式またはシリアル式イオン注入装置システムに用いることもできる。さらに、ウエハ受け台傾斜機構は、主に、バッチ式イオン注入装置に用いられるが、本発明では、シリアル式イオン注入装置と関連して用いることもできる。そして、ウエハ受け台傾斜機構は、他の冷却システムと共に用いることもできる。

図８は、単一のウエハ受け台アセンブリ１００の実装を示し、このアセンブリは、シリアル式のイオン注入装置の処理室５０６内に取り付けられる。ウエハ受け台アセンブリは、伸縮自在のアームアセンブリ５０８によって固定位置にあるイオンビームの前面に配置され、このアームアセンブリは、外側スリーブ５１２内に配置されたインナーアーム５１０を含んでいる。ウエハ受け台アセンブリ１００は、インナーアーム５１０に直接取り付けられている。

ウエハ受け台アセンブリ上のウエハは、固定位置のイオンビーム２６の前面で、同時にｘ軸及びｚ軸に沿って走査される。ｘスキャンは、リニアトランスレータ５１４によってｘ軸に沿って伸縮自在のアームアセンブリ５０８を移動することにより行われる。摺動シール５１６は、リニアトランスレータ５１４と処理室５０６の間に設けられ、処理室内の真空度を維持する。処理室の壁に設けたスロット５１８は、伸縮自在のアームアセンブリのｘ軸に沿うリニア動作を可能にする。冷却通路５２０は、インナーアーム内に設けられ、外部供給源(図示略)から伸縮自在なアームアセンブリを介して冷媒を供給し、ウエハ受け台アセンブリ１００の戻りライン２０６及び供給ライン２０８と流体連通する。

ｚ走査は、インナーアーム５１０を伸縮自在のアームアセンブリ５０８の外側スリーブ５１２に出し入れすることによって行われる。ｘスキャン及びｚスキャンの直線移動は、を行うアクチュエータ機構(図示略)は、従来技術において公知である。このｘスキャン及びｚスキャンの動きは、図示するようにウエハが傾斜するときでさえ、イオンビームと注入されるウエハ表面との関係が固定された状態に留まって、ウエハ全面を横切るようになる。

即ち、注入されるウエハ表面とビーム経路に沿う特定点との間の距離は、イオン注入処理の全体にわたり一定である。図８の本実施形態では、ウエハ受け台アセンブリ１００は、ｙ軸に対して傾斜する。

以上、本発明を詳細に特定の実施形態を用いて説明してきたが、これは、本発明の説明のためであり、ここに示す特定の実施形態に制限、及び他の変更及び修正ではなく、当業者であれば、本発明は、添付する請求項及び等価物の範囲内で与えられる本発明の技術的思想および特許請求の範囲から逸脱しないでなされることが明らかとなるであろう。

図１は、イオン注入装置の平面図である。 図２は、本発明のウエハ受け台アセンブリ及び冷却装置の側面図である。 図２Ａは、本発明のカムハウジングの形状を示す図である。 図３は、図２に示すウエハ受け台アセンブリの上面図である。 図４は、図２に示す本発明のウエハ受け台アセンブリ及び冷却装置の前面図である。 図５は、図４に示すウエハ受け台アセンブリの冷却通路を示す上面図である。 図６は、傾斜した位置を示す、本発明のウエハ受け台アセンブリ及び冷却装置の側面図である。 図７は、バッチ式イオン注入装置のディスク上に取り付けられた複数のウエハ受け台アセンブリの透視側面図である。 図８は、シリアル式イオン注入装置の処理室内に取り付けた単一ウエハ受け台アセンブリの透視側面図である。

符号の説明

１０ イオン注入装置 １００ ウエハパッドアセンブリ
１０１ 上部表面 １０２ ウエハ支持パッド
１０３ 冷却通路 １０３a 入口部分
１０３ｂ 出口部分 １３０ カバープレート
２００ 半径フレーム ２０５ カムフォロア
２０６ 戻り用の冷却ライン ２０８ 供給用の冷却ライン
３００ カムハウジング

Claims (15)

1. イオン注入装置内に配置され、かつウエハを取り付け及び冷却する、少なくとも１つのウエハパッドアセンブリを含んでいるウエハプラットフォームであって、前記ウエハパッドアセンブリが、
   前記ウエハを取り付ける上部表面と、冷却通路に接続されている下部表面とを有するウエハ支持パッドを含み、前記冷却通路は、入口部分と出口部分の２つの部分を備え、前記入口部分と出口部分は、前記ウエハ支持パッド内において対称形状で対向配置され、前記入口部分の冷媒の質量が、出口部分の冷媒の質量と釣り合っており、
   前記ウエハ支持パッドの前記下部表面が外側湾曲面を有するフレームに接続され、前記外側湾曲面がハウジングに設けられた補完形状の支持面に噛み合って、前記ウエハが１つの軸回りに回転可能となり、
   前記支持面は、さらに、冷却用システムラインの供給ラインと戻りラインのそれぞれと流体連通する前記冷却通路への供給通路及び戻り通路を含むことを特徴とするウエハプラットフォーム。
2. 前記入口部分の入口端及び前記出口部分の出口端は、前記上部表面の中心近くに配置されていることを特徴とする請求項１記載のウエハプラットフォーム。
3. 前記冷却通路は、蛇行した形状に配置されていることを特徴とする請求項１記載のウエハプラットフォーム。
4. 前記供給ライン及び戻りラインは、それぞれ冷却通路の入口及び出口と流体連通することを特徴とする請求項１記載のウエハプラットフォーム。
5. 前記フレームは、さらに、１つまたは複数のカムフォロアを介してハウジングに固定された湾曲した軌道を含むことを特徴とする請求項１記載のウエハプラットフォーム。
6. 前記フレームの外側湾曲面は、前記支持面の供給通路及び戻り通路を密閉する機能を有することを特徴とする請求項１記載のウエハプラットフォーム。
7. 前記少なくとも１つのウエハパッドアセンブリは、複数のウエハパッドアセンブリがウエハプラットフォームに配置されていることを特徴とする請求項１記載のウエハプラットフォーム。
8. ウエハを取り付け、かつイオン注入装置内に配置されるウエハパッドアセンブリであって、
   前記ウエハを取り付ける上部表面と、外側湾曲面を有するフレームに接続される下部表面と、この下部表面に接続される冷却通路とを有しているウエハ支持パッドを含み、
   前記フレームの前記外側湾曲面がハウジングに設けられた補完形状の支持面に噛み合あって、前記ウエハが１つの軸回りに回転可能となり、
   前記支持面は、さらに、冷却用システムラインの供給ラインと戻りラインのそれぞれと流体連通する前記冷却通路への供給通路及び戻り通路を含むことを特徴とするウエハパッドアセンブリ。
9. 前記外側湾曲面は、凸面であることを特徴とする請求項８記載のウエハパッドアセンブリ。
10. 前記フレームは、さらに、１つまたは複数のカムフォロアを介してハウジングに固定された湾曲した軌道を含むことを特徴とする請求項８記載のウエハパッドアセンブリ。
11. 前記ウエハは、０°〜４５°の範囲に、１つの軸回りに傾斜可能であることを特徴とする請求項８記載のウエハパッドアセンブリ。
12. 前記フレームは、さらに、複数のカムフォロアを介して前記ハウジングに固定される対向軌道を含むことを特徴とする請求項８記載のウエハパッドアセンブリ。
13. 前記冷却通路は、ウエハ支持パッド内において対称形状で対向配置された入口部分と出口部分の２つの部分を備え、前記入口部分の冷媒の質量が、出口部分の冷媒の質量と釣り合っていることを特徴とする請求項８記載のウエハパッドアセンブリ。
14. 前記戻り通路は、前記冷却通路の出口と前記戻りラインとに流体連通し、前記供給通路は、前記冷却通路の入口と前記供給ラインと流体連通することを特徴とする請求項１３記載のウエハパッドアセンブリ。
15. 前記支持面は、前記戻り通路と前記供給通路を密閉することを特徴とする請求項１３記載のウエハパッドアセンブリ。

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