JP4416940B2 - 真空チャンバ内でワークピースを制御する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエハあるいはフラットパネル表示装置等の個々のワークピースに、処理ビームに対して予め選択された方向を与えるための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フロントエンドステージの半導体製造は、入射イオンビーム、プラズマ、分子線その他の照射要素(irradiating element)にシリコンウエハが処理されるプロセス段階を多数有している。空間的に一様な照射をもたらすために照射要素がシリコンウエハの表面を走査しこの時間がドーピングレベルを決定する場合がある。他にも、照射要素の静止ビームの端から端までをウエハが移動する場合もある。機械のみにより走査されるワークピースホルダーを有する大電流イオン注入装置は、静止ビームによりウエハを走査するシステムの例であり、平均して一様な空間的ドーピングをもたらす。測定されたドーピングレートを使用して、他の機械的軸を一定の速度に制御しながら、１つの機械的軸の速度と継続時間を変えて、ドーピングの均一性をサーボ制御する。ドーピングレベルは、全体のドーズが走査通過(scan pass)の回数で等しく割り切れるように、サーボ制御された方向における完了走査通過の数を調整することにより制御される。この技術は当業者に公知であり、これ以上の説明を必要としない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
今や半導体産業は３００ｍｍウエハ径に移行しつつあり、真空チャンバ及び機械的動作の範囲は、２方向機械的スキャンシステムの実用上の限界を越える増加を招いている。さらに、３００ｍｍウエハのコストは現在非常に高価であり、コスト及びウエハハンドリングのリスクの理由から、バッチ処理よりも個別にウエハを処理することが望ましい。最後に、ウエハのティルト角を現在の７度から６０度程度まで増加させる最近の要求は、ウエハ全体にわたる注入角及びツイストの変化のために、機械的スキャンバッチシステムの使用を妨げている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１方向について高速のサーボ制御された機械的走査（メカニカルスキャン）と、これと直交する方向について高速の磁気的走査（マグネチックスキャン）とを有する、シリコンウエハのための高角度傾斜イオン注入の技術を提供する。本発明のいくつかの特徴を次に示す。
（１）機械的走査構造用の、Ｙ方向に直線運動する差動ポンプ一体型空気軸受真空シール；
（２）Ｘ軸の周りに回転運動する差動ポンプ一体型空気軸受真空シール；
（３）回転シールの中心を合わせかつ支え、またＹスキャンリニアシールの中心を合わせかつ支える機械的走査構造を支える空気軸受；
（４）注入状態の間の移行期におけるイオンビームの同期ゲート。
【０００５】
換言すれば、ビームの損失が検出された時、あるいはシステムが注入中の状態から注入保留状態へ移行することを他の必要条件が指示する時には、イオンビームはウエハから離される。これは、セットアップあるいはチューニングのためにフラグファラデーがビーム経路の中に挿入される時に、行うことができる。
【０００６】
本システムの幾何学的関係を説明する目的で、機械的走査システムは直交座標Ｘ、Ｙ及びＺを使用し、一方、磁気的走査ビームは直交座標Ｘ’、Ｙ’及びＺ’を使用する。すべての場合にＸとＸ’は同一である。イオンビームはＸ’Ｙ’平面に垂直であり、Ｘ方向に磁気的に走査される。
【０００７】
本発明の一態様において、各プレート上のシール表面とシール表面の間の物理的接触を防止するために、固定プレートから間隔を置いて配置された一体型の差動ポンプ真空シールを有するガス軸受を使用した２つの移動可能な軸受プレートがある。最外側のプレートのためのガス軸受と真空シールの組み合わせは、Ｙ方向における摩擦の無い運動を提供する。内側のプレートのためのガス軸受と真空シールの組み合わせは、Ｘ軸の周りの摩擦の無い回転を提供する。２つの移動可能な軸受プレートの組み合わせは、シリコンウエハ中のイオン注入に対して０度から６０度の間の任意の角度で、また水平なウエハハンドリングに対して９０度で、ワークピースホルダーの傾斜を可能にする。傾斜は２つの移動可能な軸受プレートをＸ軸の周りに回転させることにより行われ、Ｚ及びＺ’方向とＹ及びＹ’方向の間に角度を作り出す。Ｚ’の方向は入射イオンビームに平行であり、Ｚはワークピースホルダーの表面に垂直である。ワークピースホルダーの傾斜は、最新技術の半導体製造にとって望ましい特徴であるシリコンウエハの表面上に位置する深いトレンチとゲート構造の側面への注入を可能にする。水平方向のウエハハンドリングは、移動中のウエハを保持するために重力を使用し、ウエハに損傷をもたらす恐れのあるウエハ上のエッジクランピングを不要にする望ましい特徴である。付加されたガス軸受は回転する軸受プレートを、Ｘ軸を中心に位置決めし、また最外側の軸受プレートのＺ方向に沿った横方向の動きを防止する。
【０００８】
本発明の他の態様において、ワークピースがＹ方向に往復運動されるときに、イオンビームはワークピース（たとえば、ウエハ）の表面上の各点をＺ’軸に沿って等距離で遮る。制御された動きの３つの軸のみを使用して、これは達成される。もし１つの単位ベクトルを結晶格子に対して向けられたウエハ表面に割り当て、他の単位ベクトルを入射イオンビームに割り当てれば、イオンビーム注入プロセス中にウエハがイオンビームの正面を前後に往復運動するときに、これらの２つのベクトルの間の関係は一定である。さらに、ウエハがビームを貫通して往復運動するときにウエハ表面上のすべての点へのＺ’軸に沿った距離は、ウエハ表面上の各点が正確に同じイオンフラックス及び軌道となるように、同一である。したがって、注入の間は結晶格子を介するイオンチャネリングに対する正確な制御を可能にし、注入された表面の体積を通じて注入の均一性に対するすぐれた制御を導いている。
【０００９】
本発明の他の態様において、ワークピース全体にわたるドーピングレベルにおける微細構造（すなわち、不均一性）を防止するために、アップストリームファラデーが挿入あるいは格納される間イオンビームをオーバースキャン領域内に短時間の間保持するために、磁気的スキャナが使用される。ドーピングにおける不均一性を避けるために、イオンビームがウエハのエッジから離れて走査される時イオンビームは標本化され、ビーム損失が検出されれば機械的及び磁気的走査制御は共に停止される。注入は同様な方法で開始され、ファラデーが格納される前にビームはウエハ経路から離れて屈折され、走査は中断された正確な場所で開始する。この方法は、必要とみなされる任意の理由により一時的に注入を中断するためにも使用される。
【００１０】
本発明の他の態様において、チャンバ壁を有する真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置され前記チャンバ壁を貫通して延びているワークピースホルダーと、前記ワークピースホルダーを受ける往復運動部材と、前記往復運動部材と前記チャンバ壁の間に配置された回転部材を有する装置が提供される。
【００１１】
本発明のさらに他の態様において、第一のＸＹ平面に垂直なイオンビームを生成する段階と、前記第一のＸＹ平面に関連する第二のＸＹ平面に前記ワークピースを傾けさせる段階と、前記第一のＸＹ平面の前記Ｘ軸に沿って前記ワークピースを横切って前記イオンビームを走査する段階と、前記ワークピースの面上のすべての点が前記イオンビームの前記供給源から等距離である前記第二のＸＹ平面の前記Ｙ軸に沿って前記ワークピースを平行移動させる段階を有するワークピースにイオン注入を行う方法が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、２００ｍｍあるいは３００ｍｍシリコンウエハを、ウエハの加熱及びチャージ効果を減少させるのに十分な速度で、イオンビームを貫通して機械的に走査するために使用することができる。本発明はイオン注入に関連して本明細書において説明されるが、本発明による装置がフラットパネル表示装置用のフラットパネルの処理のような他の走査動作にも使用できることに注目することが重要である。イオンビームは、展開されるか（すなわち、大きい矩形の断面）、あるいは高速で（たとえば、約１５０Ｈｚの範囲内で）機械的走査方向（たとえば、Ｙ方向）に直交する方向（たとえば、Ｘ方向）に走査される（すなわち、小さいビームを前後に掃引して、大きな矩形走査領域を形成する）。本明細書において使用される用語「走査」（スキャン）は、磁気的あるいは静電的な展開及び磁気的あるいは静電的な走査を含む。Ｙ方向における機械的走査（すなわち、往復運動）は、ビーム電流の測定値に比例する速度で、イオンビームの中でウエハを高速で（たとえば、０．５から１Ｈｚの範囲内で）前後に移動させる。このように、機械的走査通過ごとのドーピングレベルは制御され、全体のドーズは走査通過ごとのドーズと走査通過の回数の積に比例する。真空チャンバ２４の中において長摩耗寿命とパーティクルの発生が無く摩擦の無い動作を高速で行う機械的走査を実現するために、本発明は真空チャンバ２４の外部の（Ｘ軸に関して無摩擦回転のための）差動ポンプ真空シール(differentially pumped vacuum seal)を有する回転運動軸受の上に搭載された（Ｙ方向における無摩擦運動のための）差動ポンプ真空シールを有する直線運動軸受の新規な組み合わせを使用している。直線運動軸受はワークピースホルダー１０を末端に有するシャフト１１を有し、シャフト１１は真空チャンバ２４の中に真空シールのそれぞれを通して延びている。シャフト１１及びワークピースホルダー１０は、軸受及びシール部材あるいはプレート１２を往復運動させることにより、Ｙ方向に平行移動させられる。シャフト１１及びワークピースホルダー１０は、軸受及びシール組立体１７を回転することにより、軸受及びシール部材１２に沿って傾けられる。
【００１３】
直線運動軸受と、ワークピースホルダーを有するシール部材と、回転運動軸受とシール部材の上に搭載され取り付けられたシャフトの新規な組み合わせが、可能な最少数（すなわち、３）の動作軸を使用してワークピースの等心走査を実現する。ワークピースの表面とのイオンビームのすべての交差点がコリメーターマグネット９８の出口境界及びイオンビームの角方向から同じ距離である等心走査手段、及びワークピースの角方向は注入の間一定のままである。必要とされる３つの動作軸は、（１）Ｘ’方向に前後にイオンビームを磁気的に走査し、（２）ワークピース１８と直線運動軸受とシール部材１２をＸ軸について傾斜させ、（３）ワークピース１８と直線運動軸受とシール部材１２を傾斜したＹ軸に沿って往復運動させる（すなわち、ワークピースの表面の平面内でワークピース１８と直線運動軸受とシールプレート１２を往復運動させる）。
【００１４】
図１において、ワークピースホルダー１０は直線的に移動可能な軸受及びシール部材あるいはプレート１２に接続された空洞シャフト１１に取り付けらている。軸受プレート１２はＹ方向に往復運動し、平行な磁気的に走査されたイオンビーム１３を貫通して、ワークピース（たとえば、シリコンウエハ）１８の機械的走査を提供している。イオンビーム１３はＺ’方向に指向されており、またＸ’Ｙ’平面に垂直にＸ’方向に前後に磁気的に走査されていて、平行に走査されたイオンビーム１３を創出している。空洞シャフト１１は、軸受プレート１２及び真空チャンバ２４の壁の突起した部分２１と回転する軸受組立体１７の中のスロット３２（図３）を貫通して延びている。本明細書において、部分２１は真空チャンバの壁の突起した部分として説明されているが、部分２１が突起している必要はないことは理解されるべきである。同様に、部分２１は真空チャンバの壁に取り付けられた固定されたプレートでもよいことは理解されるべきである。
【００１５】
移動可能な軸受部材１２及び１７の組み合わせは、シリコンウエハ中のイオン注入に対しては垂直から０度から６０度の間の、またウエハハンドリングに対しては０度から９０度の間の任意の角度で、ワークピースホルダー１０（図５参照）の傾斜を可能にする。傾斜は移動可能な軸受部材１２及び１７をＸ軸の周りに回転させることにより行われ、Ｚ及びＺ’軸とＹ及びＹ’軸の間に角度を作り出す。Ｚ’の方向は入射イオンビームに平行であると規定され、Ｚはワークピースホルダー１０の表面に垂直であると規定される。ワークピースホルダー１０の傾斜は、シリコンウエハの表面上に位置する深いトレンチとゲート構造の側面への注入を可能にする。本発明による水平方向のウエハハンドリング（すなわち、ワークピースホルダーを垂直から９０度傾斜させる）は、ワークピースホルダー上のウエハを移動中に保持するために重力を使用し、ウエハに損傷をもたらす恐れのあるウエハ上のエッジクランピングを不要にする。真空チャンバ壁２１の外側にあるガス軸受２８（図２Ｂ）は、回転する軸受とシール組立体１７をＸ軸を中心に位置決めする。長方形の軸受プレート１９上に搭載されたガス軸受３０は、軸受部材１２のＺ方向に沿った横方向の動きを防止する。
【００１６】
軸受部材あるいはプレート１２（図１）は、コンピュータ１５により制御される駆動モータ１４に接続されている。コンピュータ１５は、ダウンストリームファラデー１６に到達するイオンフラックスを電流積分器７３との組み合わせでモニタする。モータ１４により軸受プレート１２に与えられるＹ方向の速度は、均一な平均フラックス密度をワークピース１８の表面の全体にわたって生じるように、制御コンピュータ１５により測定されたイオンフラックスに比例して変化する。イオンビーム１３を貫通してワークピース１８がリニア駆動モータ１４により前後に平行移動されるにつれて、サポートアーム９７により回転する軸受部材あるいは組立体１７に接続された横方向に移動可能な軸受プレート１２を使用して、ワークピース１８によるイオンビーム１３の遮断はＺ’軸に沿って一定の距離に維持される。当該技術分野において公知のように、回転する軸受組立体１７の回転運動は、リニア駆動モータ（図示せず）及び関連する連動機構（図示せず）により行われる。
【００１７】
軸受プレート１２が最も上に位置しているとき、軸受組立体１７をＸ軸の周りに垂直から９０度回転させると、ウエハハンドラ９９からウエハをロード及びアンロードする間のワークピース１８の水平方向のハンドリングを可能にする。ワークピースホルダー１０の表面は、空洞シャフト１１を介して接続された駆動システム（図示せず）により０度から３６０度の間の任意の回転角度でＺ軸を中心に回転できる。これは注入に先だってウエハのフラットあるいはノッチオリエンテーションを可能にし、またワークピースホルダー１０がロード位置から注入位置へ動いている間に行うこともでき、ウエハのフラットオリエンテーションのために通常浪費される時間を節約する。本発明は、ハンドラーが動いている間の各ウエハのロード／アンロードロボット９９及びワークピースホルダー１０に対する位置と方向を定めるために、ビデオカメラ及び処理ソフトウェアを使用する。これは、ワークピースホルダー１０の上にウエハを正確にロードすることを可能にし、また正しいフラットあるいはノッチオリエンテーションを可能にする。このビデオ画像は、材料の追跡管理のために、ウエハ表面にスクライブされた部品コードあるいは番号を収集するためにも使用できる。ワークピースホルダーの表面のＺ軸をまわる回転は、深いトレンチ及びゲート構造の側面への注入を可能にする機能でもある。
【００１８】
図２Ａから３Ｃを参照すると、直線往復運動軸受とシールプレート１２と回転軸受とシール組立体１７の細部が示されている。回転軸受及びシール組立体１７は、軸受とシールプレート１９と円形の軸受とセンタープレート３１の両側に取り付けられたシールプレート２０で構成されている。まずガス軸受について説明する。軸受及びシール組立体１７のシールプレート２０は、軸受プレート２０の表面５９の上に位置するガスノズル２５（図３Ｃ）の配列により形成されたガス軸受により壁部分２１から分離されている。ガス軸受にガスを安定して供給するために、高圧ガスマニホルド５８（図２Ｄ）がガスノズル２５のそれぞれに接続されている。外部及び内部のガスノズル２５の間の表面５９上の圧力は、ノズル２５内の流量制限器とシールと軸受プレート２０の間の間隔と壁部分２１により一定圧力に維持される。円形のシールプレートである壁部分２１は真空チャンバ２４全体に対して所定の位置に固定されている。壁部分２１は、センタープレート３１の側面に対して半径方向に指向されたガス力を印加することにより、回転するシール組立体１７を固定されたシールプレート２１の中心に位置決めする一組の空気軸受２８を含んでいる（図２Ｂ）。軸受及びシール組立体１７のシールプレート１９は、軸受プレート１９の表面９０の上に位置するガスノズル２６（図２Ｂ及び３Ａ）の配列により形成されたガス軸受により、軸受及びシールプレート１２から分離されている。高圧ガスマニホルド（図示せず）がガス軸受にガスを安定して供給する。外部及び内部のガスノズル２６の間の表面９０上の圧力は、ノズル２６内の流量制限器とシールと軸受プレート１９の間の間隔とシールと軸受プレート１２により一定圧力に維持される。軸受プレート１９に取り付けられた一組のガス軸受３０が、シールプレート１２の両側にガス力を印加することにより、シールプレート１２のＺ方向の動きを防止する。
【００１９】
ガス軸受について説明したが、次に真空シールについて説明する。軸受の表面内のポンピンググルーブ３７、４０及び４１（図３Ｂ及び３Ｃ）とシールプレート２０が、軸受とシールプレート２０と真空チャンバ２４の壁部分２１の間に差動ポンプ真空シールを形成する。軸受の表面内のポンピンググルーブ３３、３８及び３９（図３Ａ及び３Ｂ）とシールプレート１９は、軸受とシールプレート１９と軸受とシールプレート１２の間に差動ポンプ真空シールを形成する。グルーブ３３、３８及び３９は、往復運動シールプレート１２の長方形の形状に適応するために楕円形の形状を有する。軸受及びシールは相互に非接触であり、したがって、往復運動シャフト１１は、摩擦が無く、パーティクルを発生せず、高速で回転し、直線運動をする真空貫通孔を提供する。
【００２０】
真空シール組立体の各要素の力のバランスは次の通りである。真空チャンバ２４の内部の真空に対して作用する大気圧は軸受とシールプレート１２の間のガス軸受により作られるエアクッションに対して釣り合う外力を加え、シールプレート１２のＸ方向における動きを防止しながら、軸受とシールプレート１９はプレート１２とプレート１９の間にわずかな隔離距離を作り出す。シールプレート１２の両側に位置し、回転するシール組立体１７に取り付けられた空気軸受３０の一組は、正のＺ方向及び負のＺ方向に等しい力を加え、シールプレート１２と軸受プレート１９の間の接触と相対的なＺ方向の動きを防止する。このように、シールプレート１２はＸあるいはＺ方向のいずれへの移動も防止されるが、Ｙ方向には摩擦の無い平行移動が可能となる。真空チャンバ２４の内部の真空に対して作用する大気圧は、軸受とシールプレート２０の間のガス軸受により作られるエアクッションに対しても釣り合う外力を加え、壁部分２１と軸受とシールプレート２０の間の接触と相対的なＸ方向における動きを防止しながら、壁部分２１はプレート２０と壁部分２１の間にわずかな隔離距離を作り出す。壁部分２１に取り付けられた空気軸受２８の一組は、センタープレート３１に均一な放射状の力を加え、シール組立体１７と壁部分プレート２１の間の接触と相対的な半径方向の運動を防止する。シールプレートである壁部分２１は真空チャンバ２４に取り付けられており、シールプレート２１の位置を固定している。シールプレート２１はシール組立体１７の位置を固定している。シール組立体１７は真空チャンバ２４に対してシールプレート１２の位置を固定している。回転シール組立体１７はＸ、Ｙ及びＺ方向に拘束されているが、Ｘ軸の周囲には摩擦の無い回転運動が可能である。空気軸受領域５９及び９０の内部の圧力は、高圧マニホルドの内部の圧力のわずかに自動調節される。軸受とシールプレートの間のギャップがシールプレートの外部に加えられた大気圧によってのみ制約されるために、この自動調節が生じ、その結果軸受領域からの空気のリーク量を制御する。高圧マニホルド内の圧力を調整することにより、シールと軸受プレートの間のギャップを変えることができる。シールと軸受プレートの間のギャップは０．００１インチ以下であることが望ましい。
【００２１】
ガス軸受のギャップは非常に小さいので、ガス軸受を発生するために必要とされるガスの流量も非常に少ない（たとえば、毎分１〜４立方フィート）。適切な間隔を得るために、対向するシール及び軸受プレートの表面はその全幅にわたって非常に平坦でなければならない。米国マサチューセッツ州セントメドフィールドのフォームセンターレス社により実施された「ラッピング」として知られる技術が、真平面度の０．０００３インチ以内であるべき所望の平面度を実現するために使用できる。シール及び軸受プレートの表面が接触する恐れがあれば、シール及び軸受プレートの表面の損傷を防止するために、米国インディアナ州サウスベンドのニメットインダストリーズ社から入手できる商品名ＮＩＴＵＦＦとして市販されているアルミニウム合金、ニッケル、あるいは硬質クロムに対するポリテトラフルオロエチレンを浸透させたハードコート陽極処理のような、陽極処理された表面がシール表面及び軸受プレートの表面に適用できる。
【００２２】
図３及び図４を参照して、差動ポンプ真空シールシステムを次に説明する。真空チャンバ２４の高真空領域と直接連通して、楕円形のスロット３２が、プレート１９、２０及び３１を貫通して延びている。スロット３２は、ワークピースホルダー１０及びシャフト１１のＹ方向における非接触の完全な平行移動を可能にする。スロット３２に隣接して、プレート１９の表面内に楕円形のポンピンググルーブ３３がある（図３Ａ）。センタープレート３１を介して延びているポート３６は、グルーブ３３を軸受プレート２０の表面内の円形のグルーブ３７に接続している。楕円形のグルーブ３８及び３９は、それぞれポート４２及び４３を介して円形のグルーブ４０及び４１に接続されている。楕円形及び円形のグルーブの各対は、ポート（図示せず）を介して図４に示す差動ポンプ真空システムに次のように接続されている。グルーブ３３と３７及びポート３６は差動ポンプシステムの第３ステージ３４に接続されていて、それぞれシール表面２９、３５、４６及び４９により、高真空領域５２及び差動ポンプシステムの第２ステージ５３からほぼ隔離されている。グルーブ３８と４０及びポート４２は差動ポンプシステムの第２ステージ５３に接続されていて、それぞれシール表面４６、４９、４７及び５０により、差動ポンプシステムの第３ステージ３４及び第１ステージ５４からほぼ隔離されている。グルーブ３９と４０及びポート４３は差動ポンプシステムの第１ステージ５４に接続されていて、それぞれシール表面４７、５０、４８及び５１により、差動ポンプシステムの第２ステージ５３及び大気５５からほぼ隔離されている。それぞれ、他のグルーブより中心から離れて位置しているシールプレート１９及び２０内のグルーブ５６及び５７は、空気軸受組立体の内側外辺部から逃れる空気を排気するために、真空シール組立体の大気側にポートされる。シール表面から真空領域に向かって若干のガスの移動があるので、グルーブの各組は「ほぼ」隔離されていると説明されている。
【００２３】
ここで図４を参照すると、真空系統概念図は、ワークピース１８の近傍に真空を創出するための高真空クライオポンプ６０と、第３ステージの差動ポンプ領域３４内の圧力を維持するためのターボ分子機械ポンプ６１と、第１のターボ分子ポンプ６１の排気ポート６５及び第２ステージの差動ポンプ領域５３に接続された第２のターボ分子ポンプ６２と、第２のターボ分子ポンプの排気ポート６６及び第１ステージの差動ポンプ領域５４に接続され大気５５に排気される排気口を有する乾式機械ポンプ６３とを有する差動ポンプシステムを示す。連続した差動ポンプステージ５４、５３及び３４のそれぞれの圧力は、５５における大気から第３ステージ３４内の１ミリバール未満へおおよそ１桁低下する。第３ステージ３４と高真空領域５２の間のコンダクタンスは高真空ポンプ６０の排気速度より数桁低く、ワークピース１８の近傍における圧力を高真空ポンプ６０の基準圧力付近のレベルへ減少させる。
【００２４】
軸受及びシール部材１２はＹ軸に沿って往復運動するので、２つの最外端９２及び９４（図１及び図２Ｂ）はシールプレート１９の両端を越えて延ばされており、したがって両端部９２及び９４を大気に露出し、両端部は湿気をピックアップする大気に露出された端部が真空シールグルーブに露出される位置に平行移動されるにつれて、シール部材１２からの湿気は真空領域に吸い込まれ、真空ポンプの負荷を増加させる。したがって、推奨実施例においては、両端部が湿気をピックアップするのを防止するために、シールプレート１９の両端部を通り過ぎるときに両端部９２及び９４のそれぞれにシールドあるいはバッグを使用した乾性ガス（たとえば、窒素）ブランケットが適用される。
【００２５】
従来技術において公知のように、ワークピースホルダー１０は、セラミックコーティングされたプラテン表面にシリコンウエハを保持するための静電チャックと、ウエハの裏面とプラテンの表面の間の領域にガスを供給するための複数のガス冷却ポートと、静電チャックの裏面を冷却するための複数の水冷却流路と、回転軸受と、差動ポンプ回転シャフトシール組立体と、複数のウエハリフティングピンと、ワークピースホルダーの表面をワークピースに垂直の軸を中心に０度から３６０度回転するために使用される駆動組立体を有する。
【００２６】
イオンビーム軌道が常にＸ’Ｙ’平面に垂直に維持されるように、本発明では磁気的走査が行われる。前述のように、ビームの飛行経路に沿って順々に位置する２つの磁気偏向システム９５及び９８（図７）が使用される。図５及び図７を参照して、注入制御システムを説明する。ファラデー組立体１６は、Ｘ’方向に沿ってファラデー１６の動作をもたらすリニアアクチュエーター６８に搭載されている。ファラデー１６は、表面をＸ’Ｙ’平面内に配置されたアパーチャープレート６９に適合されている。薄いスリットアパーチャー７０が、その長手方向をＹ方向にしてアパーチャープレート６９を貫通して配置されている。ファラデー１６は、スリット７０がＸの方向に沿って走査されたビーム１３の横方向範囲内のどこにでも配置できるように、リニアアクチュエーター６８により動かされる。アパーチャープレート６９及びそのスリット７０は、Ｙ’の方向において、ビーム１３のＹ’の高さよりも長い。このことは、ビーム１３がアパーチャープレート６９の表面に沿って走査されることを可能にし、プレート６９の後方に位置するファラデーカップ７１の中にわずかのビーム電流を許容する。当業者には公知のように、ファラデー信号の電流−時間プロファイルは、コンピュータ制御計測システムで適当な演算を使用して１次元のビーム強度−位置プロファイルに変換できる。このことは、磁気的走査振幅とＸ’方向のビーム位置との間の相関を可能にする。
【００２７】
好適実施例において、２組の移動可能なファラデー組立体１６及び７２がある。ダウンストリームファラデー１６はワークピースホルダー１０のすぐ隣のビーム走査面内に位置し、ファラデー７２はアップストリームに位置している。両方のファラデー組立体は共に同じ運動の自由を有し、真空チャンバ２４の内部でアップストリーム及びダウンストリーム両方のイオンビーム１３の同一の測定を可能にする。ダウンストリームファラデー１６は、ビームセットアップ及び注入ドーズの測定と制御の二重の目的に使用される。アップストリーム及びダウンストリームファラデー１６及び７２は、ビームの平行度を測定するために使用される。これらのファラデーのそれぞれは、同一のＸ’位置の異なるＺ’位置においてビーム経路１３に配置される。磁気的走査波形（振幅対時間）は反復的であるから、振幅対ビーム位置は反復波形の位相角によって表現できる。２つのファラデー１６及び７２内のビーム位置の測定の間の位相角の差分は、イオンビーム１３の走査線に対する平行からの偏差を計算するために使用される。これらの位相角測定は、ワークピースホルダー１０がビーム経路の範囲外に動かされたときに行われる。
【００２８】
プレート６９’のスリット７０’を介してファラデーカップ７１に入る全イオンビーム電荷量を測定するために、ファラデーカップ７１は電位計回路（図示せず）を介して真空チャンバ２４に電気的に接続されている。ファラデーカップ７１のフィールドに入る各正イオンに対して、陰電荷がカップの表面上に誘起される。これらの電荷は正味の中立性を維持するように結合する。電位計からカップの中への陰電荷の流れは、カップに流入するイオンビームフラックスの測定単位である。イオンビームが単一荷電イオン(singlely charged ion)から成るとき、陰電荷の数はスリット７０’を介してファラデーカップ７１に流入する正イオンの数に等しい。
【００２９】
本発明の他の態様において、イオンビームの正面からフラグファラデー９３を挿入あるいは格納する時に、ワークピース全体にわたるドーピングレベルにおける微細構造（すなわち、不均一性）を防止するために、イオンビーム１３をワークピースホルダー１０のオーバースキャン領域内に短時間の間入れないように磁気的スキャナが使用される。本発明においては、ドーピングにおける不均一性を避けるために、イオンビーム１３がウエハのエッジから離れて走査されるとき、イオンビーム１３は標本化され、ビーム損失が検出されれば機械的及び磁気的走査制御は共に停止される。磁気的スキャナは、ウエハのエッジから約２００ミリセカンドの間イオンビームを離していることができ、フラグファラデー９３をイオンビーム経路の中に挿入するのに十分な時間を提供する。必要であるとみなされる任意の理由により、一時的に注入を中断するためにも、この方法は使用される。注入状態は同様な方法で起動され、フラグファラデー９３が格納される前にイオンビーム１３はオンにされ、走査は中断された正確な場所で開始する。
【００３０】
換言すれば、ビームの損失が検出された時、あるいはシステムが注入中の状態から注入保留状態へ移行することを他の必要条件が指示する時には、イオンビームはウエハから離される。フラグファラデー９３がセットアップあるいはチューニングのためにビーム経路の中に挿入される時に、これは数十ミリセカンドの間に行われる。注入を開始するプロセスも同様な方法で行われる。第一に、フラグファラデー９３が格納される時に、ウエハ経路からビームが離れて屈折するように、走査マグネットが設定される。次に、注入されたウエハのドーピングにおける構造（すなわち、不均一性）を防止するために、ウエハからビームを離して走査が開始する。
【００３１】
イオンビーム１３は、イオンビーム１３がワークピース１８から完全に離れて動き、イオン注入段階の間にスリット７０を通過するように、ファラデーカップ７１及びワークピース１８両方の全体にわたって一定速度Ｖｘで走査される。１次元のドーズＤｘは、ファラデーカップ７１に流入する電荷のフラックスを積分することにより測定される。この１次元のドーズＤｘは単に電荷フラックスの積分であり、走査制御コンピュータ１５により測定される。Ｙ方向におけるワークピースホルダー１０の機械的走査速度Ｖｙは、イオンビーム１３がファラデーカップ７１及びワークピース１８の全体にわたって前後に通過する各々の間に測定された１次元のドーズＤｘに比例して、走査制御コンピュータ１５により制御される。このドーズＤｘと定数Ｋの積が、走査されたイオンビーム１３を貫通してワークピース１８が１回前後に通過する間にワークピース１８が受ける単位面積当たりの全ドーズを決定する。完全な注入サイクルにおいてワークピースが受ける単位面積当たりの全ドーズは、１回通過する間のドーズと通過回数Ｎの積により決定される。通過回数Ｎ及び定数Ｋは共に、Ｎ回の通過後にワークピース１８が所望のドーズを受けるように、予め定められている。
【００３２】
ビームの平行度と走査の均一性を測定する目的で、ビームセットアップの間に、ファラデー１６のＸ’方向の動きを可能にするために、ワークピースホルダー１０はファラデー１６を妨げない位置までＹ方向に動かされる。図６は、走査制御コンピュータ１５と組み合わされた電流積分器７３（図１）の振幅時間波形を示す。波形は、イオンビーム１３がファラデースリット７０を横切って走査される結果として生じる。電流積分器７３は、電流電圧変換器部分と後続する積分器部分から成る。電流電圧変換器部分の出力波形７４は、積分波形７５を生成するために積分される。積分器出力の平坦な領域７６及び７８は、イオンビーム１３がファラデーカップ７１に流入していない期間を表す。積分器出力の立上り領域７９は、イオンビーム１３がファラデースリット７０を通過し、イオンビームの一部のファラデーカップ７１への流入を可能にする期間を表す。波形７５の急峻な立下り傾斜８０は、積分器のリセット機能を表す。期間７６、７９及び７８の間の積分器出力の振幅を測定するために、高速サンプリングＡ−Ｄ変換器（図示せず）が使用され、器具のオフセット、暗電流あるいは漂遊電流及び電流電圧変換器により再生されるビーム電流が決定される。オフセット及び暗電流は、期間７６と７８の間の振幅の傾斜により決定される。ビーム電流は期間７９の間に測定される。期間７６と７８の傾斜は全体の積分期間８１により乗算され、次に開始サンプル８２と終了サンプル８３の間の差分から減算されて、修正された積分測定を得る。半値測定８４の時間は、ビームがファラデースリット７０に中心を合わせた時間に対応し、Ｘ’方向のビーム位置を正確に規定する。ファラデー１６及び７２のそれぞれはＸ’位置の端から端まで歩進され、磁気的走査空間Ｘ’内のターンアラウンドポイントに対してビーム到着時間８４を測定する。ファラデー１６及び７２は同じＸ’位置を受け持ち、これらの測定段階の間に別々であるが平行なＸ’Ｙ’の平面を占有する。
【００３３】
サンプリングＡ−Ｄ変換器（図示せず）と組み合わされたパルス積分器（図示せず）及び小形の移動可能なファラデーカップ１６及び７２が、ビームプロファイル、磁気的走査の直線性、ビーム平行度、ドーズ率及び計測器のオフセットを測定する。この情報は、組み合わされて、オフセットあるいは暗電流、走査の非直線性、ビーム電流対Ｘ’位置の変化、及びセットアップの間と注入動作の間のビーム平行度を補償するために使用される。マグネット電流対時間の磁気的走査プロファイルは、Ｘ’方向における目標平面の全体にわたって、１次元の一様なドーピングプロファイルを生成するために修正できる。暗電流（計測器のオフセットを含むすべての望まない定電流である）の測定方法は、通過前の期間と通過後の期間を含んでビームがファラデーアパーチャーを横切って通過するにつれて、積分器出力の傾斜を標本化することにより達成される。パルス積分器は定められた正確に一定時間の間イネーブルされ、ビーム電流パルスとイオンビームに関しない漂遊電流の時間積分であるアナログ出力を生成する。漂遊電流は、器具のオフセット電流、ファラデー内の漏れ電流、ウエハにより荷電されたニュートラライザーからの電子流、イオンビームを取り囲むバックグラウンドプラズマからのイオン電流、あるいは、全体として加算され積分測定に含められた他のいかなる定電流源を含むかもしれない。寄与するオフセットが無いパルスあるいは電流を標本化する場合、積分器出力対時間の傾斜が零である時、積分器出力の特徴的な波形はパルスの通過前とパルスの通過後の２つの期間を有する。オフセット電流が真のビーム電流パルスと同時に加算されるとき、ビームパルスの通過前と通過後の傾斜は一定であり、高速のサンプリングＡ−Ｄ変換器を使用して容易に測定される。傾斜が一定であり測定可能であるから、傾斜と積分器の時間周期の積は、積分の測定から容易に減算でき、真の積分されたビーム電流パルスが得られる。
【００３４】
ビーム平行度及び走査の均一性の測定方法は、２つの平行なＸ’Ｙ’平面内のイオンビームのＸ’位置を測定するために、積分器７３との組み合わせで２つの別々なファラデー１６及び７２を利用する。各ファラデー１６及び７２は、正確で繰り返し可能なＸ’位置を小さい離散的な０．００１インチ刻みで提供するために、リニア駆動機構６８及び６８’と組み合わせてステッパーモータドライブ９１を使用して位置決めされる（図５）。ファラデー７２がアップストリームに位置している間、ファラデー１６はそのスリット７０が注入平面内にあるように位置決めされる。ビーム１３の幅はスリットの幅より大きいが、ひとたびビームがスリット７０及び７０’上を通過すると積分器出力がすべての積分された電流をもたらすので、これは全く重要ではない。この積分された電流は、各ファラデーのＸ’位置における１次元のドーズＤｘである。各ファラデーのＸ’位置を変化させることは、磁気的な走査空間の全体にわたる離散的な位置においてＤｘの測定を可能にする。オフセットあるいは暗電流に対して修正された後の出力波形は、この制御アルゴリズムにとって重大な３つの情報を有する。積分器出力の終了振幅(ending amplitude）から開始振幅(beginning amplitude)を減算した差がビーム電流の積分である。積分器出力が２分の１の振幅に到達する時間が、ビームの中心がファラデースリットの中心に一致する時間に対応する。これらの２つの測定、Ｄｘ及びＸ’（ｔ）は、システムの平行度及び走査すなわちドーズの均一性を較正する基礎を提供する。磁気的走査の波形は反復的であるから、各々連続した磁気的走査通過を有する連続した方法で、イオンビームはＸ’方向を横切って同じ空間を再追跡する。当然の結果として、ファラデーをＸ’走査空間の離散的な位置に位置決めすることにより、これらの位置のそれぞれにおいてＸ’及びＤｘを測定できる。Ｘ’ｉ及びＸ’ｊを、ｉ及びｊ位置がＸ’では同一であるがＺ’では同一ではないアップストリーム及びダウンストリームファラデー１６及び７２に対応する位置にそれぞれ割り当てると、Ｚ’方向からのイオンビーム軌道における角度偏差はＡｘ／Ａｚのアークタンジェントである。ここでＡｘはＸ’ｉマイナスＸ’ｊに等しい。コリメーターマグネット９８は、走査空間全体にわたって最低の角度変化を保証するように、ソフトウェア制御の下で調整される。
【００３５】
次の段階はスキャナマグネット９５を較正することである。Ｄｘｊの離散的な値が等しいことが、注入平面内の均一なドーズ制御のための必要条件である。ビーム電流が一定であるとき、均一なドーズを実現するために、走査速度Ｖｘは一定でなければならない。スキャナ９５は、Ｘｊ対Ｂｊの値を測定し、一定の走査速度に対する必要条件を満足する走査波形を見出すことにより、単純に較正される。一定速度Ｖｘを生成する波形が定められ、ドーズがチェックされると、Ｘに対するＤｘが測定され、変化は走査速度を修正するために機能を再計算するために使用される。最終結果は、ビーム強度変化及びスキャナマグネット９５の非直線性に対する訂正を含む磁気的走査波形を規定する時間Ｔの多項式である。
【００３６】
本発明が、その技術思想あるいは必要不可欠な特徴から逸脱することなく、他の形式で具体化できることは当業者により十分理解されよう。したがって、本明細書において開示された実施例は、あらゆる点で本発明を説明するものであり制限するものではないと考えられる。本発明の範囲は前述の説明よりも添付した特許請求の範囲により示され、本発明の等価物の意味及び範囲の中のすべての変更は本発明の中に含まれると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるイオン注入装置の概略図である。
【図２】 本発明の平行移動及び回転シール組立体の詳細図である。
【図３】 回転シール組立体の詳細図である。
【図４】 真空系統概念図である。
【図５】 本発明によるファラデーシステムの一部の概略図である。
【図６】 電流積分機能の説明図である。
【図７】 本発明によるファラデーシステムの概略図である。
【符号の説明】
１０…ワークピースホルダー、２４…真空チャンバ。

Claims (4)

1. ＸＹＺ直交座標系を設定した場合、Ｚ軸方向にイオンビームが延びるイオン注入装置の真空チャンバ内においてワークピースを機械的に往復運動させるとともに、回転させるワークピース走査装置であって、
   チャンバ壁を有する真空チャンバと、
   前記チャンバ壁に搭載され、前記ワークピースをＸ軸に平行な回転軸周りに回転させることによって、Ｙ軸に対して傾斜したＹ’軸を規定する回転部材と、
   前記回転部材を貫通する開口と、
   前記開口を塞ぐように前記回転部材に搭載され、前記Ｙ’軸方向に前記ワークピースを往復運動させるための往復運動部材と、
   前記往復運動部材に固定され、前記開口を通じて前記真空チャンバ内に前記Ｘ軸方向に延びる延在部材と、
   前記延在部材の先端側に設けられたワークピースホルダーと、を備え、
   前記開口は、前記往復運動部材に伴って往復運動する前記延在部材の動きに適合するように形成されている装置。
2. 前記往復運動部材と前記回転部材との間に、一体の差動ポンプ真空シールを有する第一のガス軸受を更に備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記回転部材と前記チャンバ壁との間に、一体の差動ポンプ真空シールを有する第二のガス軸受を更に備える、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ワークピースホルダーは、前記ワークピースを搭載するための面を有するものである、請求項１に記載の装置。

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