JP5051572B2 - 直線走査モータを用いて注入角度を調整可能にするイオンビーム注入装置用の加工物支持構造体 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビーム注入装置の注入チャンバーに連結され、注入角度を調整可能にする加工物支持アセンブリまたは構造体に関し、特に、イオンビームに対して加工物の回転及び直線移動を与えるとともに、加工物の注入角度を選択でき、かつ加工物を選択された注入角度で直線軌道に沿って加工物を移動させ、イオンビームが注入チャンバーに入る位置からイオンビームと加工物の注入表面の交点までの距離が、加工物の移動中一定に保たれるような加工物支持アセンブリまたは構造体に関する。

イオンビーム注入装置は、半導体ウエハ内に不純物を添加するのに広く用いられる。イオンビーム注入装置は、正に帯電したイオンの所望種からなるイオンビームを発生させる。このイオンビームは、半導体、基板、またはフラットパネル等の加工物の露出表面上に衝突し、これによって所望のイオンを加工物の表面にドーピング即ち注入を行う。

いくつかのイオン注入装置は、単一の、比較的大きなウエハ加工物を注入チャンバー内に支持するように配置して注入を行うシリアル型注入方式を用いる。この注入は、一度に１つの加工物に対して行われる。加工物がビームライン上にあり、そして、所望量のイオンを注入するためにイオンビームが加工物上を反復して走査されるように、支持体が指向される。この注入が完了すると、加工物は、支持体から取り除かれ、別の加工物が注入のために支持体上に配置される。

最近では、半導体産業の傾向として、より大きなウエハ加工物、例えば、直径３００ｍｍのウエハが用いられるようになってきた。フラットパネル等の大きなウエハ加工物または他の加工物を注入する能力がますます望まれるようになってきた。加工物を連続的に注入する１つの方法は、扇形に広がったまたはリボン型の走査されるイオンビームの前に加工物を移動させることである。このようなイオンビームは、加工物の全幅に対して均一に注入ができるように十分広くなっている。加工物全体を注入するために、イオンビームの方向すなわち長さ方向を横切る第２の動きが必要とされる。さらに、特定の加工物に対して注入角度を変えて注入できることが望ましい。この注入角度は、イオンビームと加工物の処理表面との間に形成される入射角度である。注入角度０°は、加工物の注入表面がイオンビームラインに直交することを意味する。

従来のイオンビーム注入装置における加工物支持構造体の１つの欠点は、注入角度０°以外で、イオンビームラインに垂直な移動経路に沿って加工物を移動させると、イオンビームが加工物の注入表面に衝突する前に注入チャンバー内をイオンビームが移動する距離が変わることである。別の方法で述べると、注入角度が０°でない場合、加工物は、イオンビームラインに対して傾斜しているように見える。このように傾斜した加工物が、イオンビームラインに対して垂直に移動する場合において、イオンビームに対して傾斜した加工物の一部分がイオン注入されるとき、注入表面に衝突する前に注入チャンバー内をイオンビームが移動する距離は、加工物の注入表面の中心位置におけるビーム距離と比較して減少することになる。一方、イオンビームから離れて傾斜した加工物の一部分が注入されると、注入表面に衝突する前に注入チャンバー内を移動する距離は、加工物の注入表面の中央でのビーム距離と比較してより大きくなるであろう。

明らかに、加工物の注入表面の一端から注入表面の他端へ注入が移動するとき、加工物が大きくなるほどかつ注入角度が０°よりも大きくなるほど、注入チャンバー内のイオンビームが横切るビーム距離における差が益々大きくなる。イオンビームはビーム経路上を拡散する傾向にあるので、一定ではないビーム距離は、加工物の注入表面の全体にわたり均一なイオン注入量を達成できなくなる。こうして、より大きなウエハを用いることにより、この一定でないビーム距離の問題を悪化させることになる。

加工物の注入表面を均一に注入するために、加工物の注入表面に衝突する前に注入チャンバー内のイオンビームが横切る距離がほぼ一定に保たれることが望ましい。ここで望まれることは、所望の注入角度を選択する能力と、さらに、注入処理中に加工物がイオンビームラインに対して移動しながらイオンビームが入来する注入チャンバーの入口から注入表面に衝突する位置までのビーム距離をほぼ一定に維持する能力と、を備える加工物支持構造体である。

本発明の例示的な実施形態の１つは、真空、即ち注入チャンバー内の加工物を支持するための加工物支持構造体を有するイオンビーム注入装置に関する。

このイオンビーム注入装置は、移動経路に沿って移動し、そして１つの軸線に沿って走査されるイオンビームを発生させるイオン源を含んでいる。加工物は、注入チャンバー内の加工物支持構造体によって支持され、加工物がイオンビームによって加工物の注入表面に注入させるために、走査されたイオンビームの移動経路に交差するように配置される。有利なことに、加工物支持構造体は、次の特徴、
(a)所望の注入角度を選択すること、
(b)注入チャンバー内へのイオンビームの入来位置と注入表面に衝突する位置との間のビーム距離をほぼ一定に維持しながら、イオンビームを注入表面に注入するために加工物を移動すること、を有する。

加工物支持構造体は、注入チャンバーに連結され、加工物を支持する。加工物支持構造体は、注入チャンバーに回転可能に連結される単一の回転部材を含み、この回転部材は、イオンビームの経路に垂直な回転軸を有し、さらに、注入チャンバーに対する回転部材の回転は、注入チャンバー内のイオンビームの経路に関して加工物の注入角度を変える。加工物支持体は、更に、回転部材に移動可能に連結され、かつ選択された注入角度を維持しながら、イオンビームを横断する方向に移動経路に沿って直線移動するために加工物を支持する単一の並進移動部材を含んでいる。この並進移動部材は、注入チャンバー内に配置されるリニアモータである。

有利なことに、注入チャンバー内へのイオンビームの入来位置と、イオンビームが加工物表面に衝突する位置との間の距離が、ビームの移動経路に沿って加工物が移動する間、ほぼ一定に維持される。

これら及び他の目的、利点、及び本発明の例示的な実施形態の特徴は、添付する図面と共に詳細に説明される。

図面を参照すると、図１において、イオン注入装置１０が示されている。この注入装置は、イオンを作り出すイオン源１２を含み、イオン源は、エンドステーションまたは注入ステーション２０へのビーム経路１６を横切るイオンビームを形成する。注入ステーションは、内部領域２２ｅを形成する真空室すなわち注入チャンバー２２を含み、その内部領域内には、イオンビーム１６によってイオン注入するための半導体ウエハまたはフラットパネルまたは基板等の加工物２４が配置される。電子制御装置（概略２６で示される）は、加工物２４によって受けいれられるイオン注入量を監視しかつ制御するために設けられている。電子制御装置２６へのオペレータ入力は、ユーザー操作盤２７を介して行われる。

イオン源１２は、加工物２４に衝突するイオンビーム１４を発生させる。イオンビーム１４内のイオンは、イオン源１２と注入チャンバー２２の間のビーム経路に沿って所定の距離をイオンビームが横切るように拡散する傾向にある。このイオン源１２は、イオン源材料が噴射される内部領域を形成するプラズマチャンバー２８を含んでいる。イオン源材料は、イオン化ガスまたは気化したイオン源材料を含むことができる。

ビーム経路１６に沿って分析磁石３０が配置されており、この分析磁石は、イオンビーム１４を偏向させ、ビームシャッタ３２を介してイオンビームを指向させる。イオンビーム１４は、ビームシャッタ３２に続いて、ビームを焦点調整する四極子レンズシステム３６を通過する。ビーム経路１６が偏向電極３８,４０を通過して伸びており、イオンビーム１４は、注入チャンバー２２内のイオンビーム１４の一部分がリボンイオンビーム１４aとなるようなリボン型イオンビームを発生させるために、反復的に偏向されまたは走査される。このリボン型イオンビーム１４aは、注入チャンバー２２の前壁２２ｂに設けた開口２２aを通って注入チャンバー２２内に入る。リボン型イオンビーム１４aは、非常に狭い略矩形状、即ち１つの方向、例えば、水平方向、即ち、ｘ方向（図２では、Ｗで示される）に伸び、直交する方向、即ち、鉛直方向であるｙ方向に非常に制限された長さを有するイオンビームである。

注入チャンバー２２内を移動するリボン型イオンビーム１４ａは、水平方向、即ち、ｘ方向（図１）に伸びており、そして、加工物２４が水平寸法で３００ｍｍ（または直径３００ｍｍ）を有する場合、一般的に、リボン型イオンビーム１４ａの長さは、加工物２４の全注入表面２５を注入するのに十分である。電子制御装置２６は、注入チャンバー内で加工物２４の注入表面に衝突する時、リボン型イオンビーム１４ａの水平長さＷが、少なくとも３００ｍｍとなるように電極３８を適切に励起させる。電極３８は、イオンビーム１４を偏向させ、また、ビーム平行用レンズ４０は、電極３８によって生じるビームの角度偏向を補正するために、イオンビームが加工物２４を注入する時、リボンビーム１４ａは平行となるように、ビームライン１６に沿って配置されている。

以下で説明するように、加工物支持構造体１００は、リボン型イオンビーム１４に対して加工物２４を支持しかつ移動させ、注入動作時に、加工物２４の全体の注入表面２５がイオンで均一に注入されるようにする。上述した走査技術に加えて、従来の技術において、注入チャンバー２２内のリボン型イオンビーム１４ａのリボン形状が複数の方法で作り出せることがわかっている。例えば、プラズマ室２８のアーク状スリットは、作り出されるイオンビームが最初からリボン形状を有するように形作られる。本発明は、イオンビームを形作るために特別の技術または構造を用いることに限定されない。

加工物を連続的にイオン注入するためのイオン注入装置についての詳細は、１９９０年１２月４日にレイ(Ray)等に付与された特許文献１及び１９８８年８月２日にマイロン(Myron)に付与された特許文献２に記載されている。これらの２つの特許は、本発明の譲受人に譲渡されており、ここに参考としてそれぞれの全体が包含される。
米国特許第４，９７５，５８６号明細書 米国特許第４，７６１，５５９号明細書

注入チャンバーの内部領域２２ｅは排気される。２つのロボットアーム４２,４４が注入チャンバー内に取り付けられ、加工物支持アセンブリまたは支持構造体１００に対して自動的にウエハ等の加工物をロード及びアンロードする。図１では、加工物２４は水平ロード位置に置かれている。従来のイオン注入では、加工物支持構造体１００は、加工物２４を注入するために垂直またはほぼ垂直位置に回転する。加工物２４が垂直位置にあると、即ち、加工物がイオンビーム１４に対して直交していると、注入角度、すなわち入射角度は、０°である。望ましくないチャネル効果を最小にするために、一般的に、ゼロではないが小さな注入角度がこれまで選択されてきた。

一般的な注入作業において、加工物２４をロボットアーム５４の近くに運ぶシャトル５２によって、ドーピングされていない加工物が第１カセット５０から引き出され、ロボットアームがこの加工物をオリエンター５６に移動し、このオリエンター上で加工物２４が特定の結晶方向に回転される。ロボットアーム５４は、指向された加工物２４を受け取ってこれを注入チャンバー２２に隣接する載置ステーション５８に移動する。載置ステーション５８は、閉じられて、所望の真空度に減圧され、そして、注入チャンバー２２を開く。注入チャンバー２２内の第１ロボットアーム４２は、加工物２４を掴み、加工物を注入チャンバー２２内に運んで、加工物支持構造体１００の静電クランプまたは静電チャック１０２上に載置する。静電クランプ１０２は、注入中、加工物を適所に保持するために励磁される。適当な静電クランプ１０２は、１９９５年７月２５日にブレイク(Blake)等に付与された特許文献３および１９９５年８月２２日にブレイク(Blake)等に付与された特許文献４に記載されている。これらの２つの特許は、本発明の譲受人に譲渡されており、ここに参考としてそれぞれの全体が包含される。
米国特許第５，４３６，７９０号明細書 米国特許第５，４４４，５９７号明細書

加工物２４のイオン注入の後で、加工物支持構造体１００は、水平位置に加工物を戻し、そして、静電クランプ１０２が加工物を解放するために消勢される。注入ステーション２２の第２ロボットアーム４４は、注入済み加工物２４を掴み、そして、これを注入チャンバー２２から荷降ろしステーション６０に移動する。荷降ろしステーション６０からロボットアーム６２が第２カセット６６に加工物を載置するシャトル６４に、注入済み加工物２４を移動する。

加工物支持構造体１００は、電子制御装置２６によって操作される。注入中、加工物支持構造体１００は、加工物２４を支持するとともに、有利なことに、注入チャンバー２２内のリボン型イオンビーム１４ａに対して加工物２４の回転及び並進移動の両方を可能にする。この回転能力によって、加工物支持構造体１００は、加工物２４の注入表面２５とイオンビーム１４との間の所望の注入角度、即ち入射角度を選択することができる。

この並進移動または直線移動の能力によって、加工物支持構造体１００は、注入中、所望の注入角度に一致する平面に沿って加工物２４の注入表面を移動させることができる。これにより、所望の注入角度を維持するとともに、付加的に、リボン型イオンビーム１４ａが注入チャンバーの内部領域２２ｅへの入口位置からイオンビームが加工物２４の注入表面２５に衝突する交点（実際にはイオンビームは、リボンイオンビームなのでライン）までのほぼ一定の距離ｄ（図２参照）を保持する。このほぼ一定の距離は、注入表面２５の全体の注入中の間、維持される。すなわち、注入表面２５の一端２５aから他端２５ｂ（図２）までの注入表面全体がに注入されるように、所望の注入角度（ＩＡ）に一致する平面において、リボン型イオンビーム１４ａに対して横切って加工物２４が移動する場合に、ほぼ一定の距離が維持される。

注入チャンバー２２内を通過して、加工物２４上にイオンビーム１４ａが衝突するまでの間におけるイオンビーム１４ａのほぼ一定の距離の維持、すなわちイオンビームの移動経路を維持することは、加工物２４の注入表面２５全体にわたって均一なイオン注入特性を得るために大いに好ましいことである。加工物支持構造体１００を見る別の方法は、イオン源１２から、イオンビームが加工物の注入表面２５に衝突する交点までのイオンビームの移動経路をほぼ一定にすることである。

産業界において通例のように、イオンビーム１４が加工物２４の注入表面２５に対して垂直に注入されると、注入角度ＩＡは、０°であると定義される。図２に示すリボンイオンビーム１４ａに対して加工物２４の位置が、０°に等しい注入角度ＩＡを有する場合、加工物２４の注入表面２５は、イオンビームの方向に対して直交する。有害なチャンネリング効果を最小化するために、加工物２４の注入に対して０°でない注入角度を選択することができる。ゼロでない２つの注入角度は、図２において、破線でＩＡ1，ＩＡ2として概略的に図示されている。加工物２４が注入角度ＩＡ1に沿って指向されていると、加工物２４の上側部分は、イオンビーム１４から離れて傾斜し、また、加工物２４が注入角度ＩＡ2に沿って指向されていると、加工物２４の下側部分は、イオンビーム１４から離れて傾斜する。

生産作業中、半導体ウエハの加工物または平面パネルの加工物が連続的に注入される。すなわち、１つの加工物の注入が完了すると、静電クランプ２０２が消勢して加工物を解放する。そして、注入済み加工物が自動的に注入チャンバー２２から取り除かれ、他の加工物が静電クランプ２０２の支持表面２０４に配置され、そして、この静電クランプが適切に励磁されて支持表面２０４上に加工物を強固に保持する。

加工物支持構造体１００は、図２〜図４に最も良く示されている。図１は、静電クランプ２０２が加工物のローディング位置及びアンローディング位置にあるときの頂部平面図である。加工物２４が静電クランプ２０２の支持表面２０４上に載置された後で、加工物支持構造体１００が、図２（ＩＡ＝０°）において図示された位置等の注入位置に加工物２４を回転させる。図２は、1つの注入位置にある加工物２４を支持する静電クランプ２０２を示す頂部平面図である。図１は、破線で注入位置にある加工物２４の位置にある加工物２４を示している。

加工物２４の注入中、加工物支持構造体１００は、注入表面２５全体に所望のイオンが衝突して注入されるように、リボン型イオンビーム１４ａを横切る方向に加工物２４を移動する。図２の概略図で見られるように、加工物２４に衝突する交点でのリボン型イオンビーム１４ａは、加工物２４の直径よりも大きい水平方向もしくはＸ方向における幅Ｗを有している。それゆえ、加工物の完全な注入に対して、このＸ方向における加工物の並進移動を必要としない。

図２,３で最も良く見られるように、加工物支持構造体１００は、注入チャンバー２２の側壁２２ｃに固定され、注入チャンバーの側壁２２ｃに設けた開口２２ｄを通って、注入チャンバー２２の内部領域２２ｅ内に伸びている。この加工物支持構造体１００は、回転部材１１０と統合された並進部材１５０とを含んでいる。この加工物支持構造体の回転部材１１０は、注入チャンバー２２に固定された回転可能なロータリーアセンブリを構成する。１つの好ましい実施形態では、この回転部材１１０は、注入チャンバー２２に固定されるスピンドル軸受支持ハウジング１１２と、支持ハウジング１１２に回転可能に固定される回転駆動機構１２０を含む。支持ハウジング１１２は、注入チャンバー２２に固定され、かつ好ましくは、注入チャンバーの側壁２２ｃの開口２２ｄ内に伸びている。

回転駆動機構１２０は、電子制御装置２６からの制御信号に応答して、イオンビーム１４に対して±８９度の間の所望の注入角度(ＩＡ)に加工物２４を正確に回転させる。回転部材１１０の中心線Ｃ−Ｃ（図２において破線で示される）は、加工物の注入表面２５の前面に一致している。

回転部材１１０は、さらに、スピンドル軸受支持ハウジング１１２内に配置されたスピンドル軸受システム１１６を含み、この軸受システムによって、中空の傾斜軸シャフト１２３が回転可能に支持されている。図２に見られるように、傾斜軸シャフト１２３は、注入チャンバーの内部領域２２e内に伸びている。また、回転部材１１０は、スピンドル軸受システムの離間配置された軸受セット１１６ａ,１１６ｂ間に配置された強磁性流体による回転真空シールシステム１３０を含んでいる。

回転駆動機構１２０は、回転サーボモータ１２２を含み、このモータは、電子制御装置２６からの制御信号に応答して、傾斜軸シャフト１２３を正確に回転させ、これにより、加工物２４を所望の注入角度（ＩＡ）に回転させる。軸シャフト１２３の角度位置は、傾斜軸回転エンコーダー１２６により監視されて電子制御装置２６に送られる。サーボモータ１２２は、従来の設計のものでよく、例えば、ダイレクト駆動のサーボモータまたはギア減速型のサーボモータである。中央開口即ちボア１２４は、傾斜軸シャフト１２３を貫通し、並進部材１５０に導かれる電線等を許容する。この中心ボア１２４は、真空にされた注入チャンバーの内部領域２２e内とは異なり大気圧になっている。

傾斜軸シャフト１２３は、軸受アセンブリ１１６により支持ハウジング１１２内に回転可能に支持されている。軸受アセンブリは、２つの離間した軸受セット１１６ａ, １１６ｂを含み、これらの各軸受は、通常の機械的な軸受アセンブリであって、軸受ケージ内に支持されかつ内側レースおよび外側レース間に配置されたボール軸受またはローラ軸受等からなる。

代わりに、軸受アセンブリ１１６は、異なる形式のものでもよく、例えば、当業者により認識される、非接触ガス軸受アセンブリまたは他の形式の軸受アセンブリを用いることができる。

注入チャンバーの内部領域２２eと外部雰囲気（大気圧は、磁気流体（強磁性流体）のシールシステム１３０によって注入チャンバー（内部領域２２ｅ）内に伸びている軸シャフト１２３の中央ボア１２４内に存在する。）との間に真空が維持される。磁気流体シールシステム１３０は、円筒形状であり、傾斜軸シャフトが延びている貫通孔またはフィードスルーを形成する。

磁気流体シールシステム１３０は、リング形状の永久磁石を支持するハウジングと、この永久磁石の両側に配置される２つのリング形状の磁極片と、該磁極片の軸方向内側対向表面と傾斜軸シャフト１２３との間の放射状ギャップ内に配置される磁性流体とを含んでいる。この磁性流体は、キャリア流体内の超顕微鏡の磁性粒子のコロイド状懸濁液で、磁極片または軸シャフト１２３のいずれかに加工された軸方向溝内に配置されている。磁性流体シールシステム１３０が適切に働くと、傾斜軸シャフト１２３は、磁気透過性のものでなければならない。

磁気流体シールシステム１３０において、磁気回路は、固定磁極片と軸シャフト１２３によって完成される。この磁気回路は、各磁極片と軸シャフト１２３との間のそれぞれの放射状ギャップ内を磁力線が貫く。各放射状ギャップ内の磁性流体は、液体Ｏリングとして考えられ、リング形状の磁極片と軸シャフト１２３との間の密封シールを形成する。必要ならば、リング形状の永久磁石およびリング形状の磁極片の多重ステージを用いて、磁性流体シールシステム１３０の圧力能力を増加させることができる。

磁性流体システム１３０の強磁性シールは、ガス、蒸気および他の汚染粒子に対して静的および動的な状態下での密封シールを与える。さらに、シール媒体が流体であるので、回転可能な軸シャフト１２３とシールシステム１３０の固定部分との間に実際的な摩擦がない。磁性流体システム１３０のための適切な、中空軸のカートリッジマウント型の真空フィードスルーと中空軸のフランジマウント型の真空フィードスルーは、ニューハンプシャー 03060−3075 ナシュラ サイモンストリート 40（ウエブサイト：http:/www.fero.com/usa/sealing)にあるフェロテックコーポレーション（USA)から市販されている。磁性流体システム１３０は、エゼキール(Ezekiel)氏に１９８１年１０月６日に付与された米国特許第４,２９３,１３７号に開示されている。この特許の開示内容は、参考文献として本明細書に組み入れられている。

代わりに、差動式ポンプの接触型真空シールシステムを用いて真空を維持することもでき、これは、本発明の技術的思想の範囲内にある。差動式ポンプの接触型真空シールシステムの記載は、２００２年７月１０日に出願され、本発明の譲受人に譲渡されたフェララ(Ferrara)氏による米国特許出願番号10／192,344号で見ることができる。この出願も、参考文献として、ここに組み入れられている。

加工物支持構造体１００は、回転部材１１０と統合されかつ注入チャンバーの内部領域２２eに配置されている並進部材または往復移動部材１５０を更に含む。図２〜図４によく見られるように、並進部材１５０は、回転可能な傾斜軸シャフト１２３に固定される支持フレーム１５２と、この支持フレーム１５２に対して直線移動するためのリニア軸受アセンブリ１６０を介して、支持フレーム１５２に機械的に連結されたカートリッジ１５４を含んでいる。並進部材１５０は、選択された注入角度（IA)に一致した平面に沿って加工物２４の直線並進移動を与える。

図２に最もよく見られるように、カートリッジ１５４は、加工物保持アセンブリ２００を支持するフランジ１５５を含む。この加工物保持アセンブリ２００は、カートリッジ１５４のフランジ１５５(図２）に一端部が取り付けられる支持アーム２０６を含んでいる。他端部では、支持アーム２０６が加工物保持アセンブリ２００の加工物ホルダー２０８を支持する。加工物ホルダー２０８は、静電クランプ２０２を支持し、このクランプは、リボンイオンビーム１４aの前側で移動する加工物を支持する。

カートリッジ１５４は、リニア軸受アセンブリ１６０によって支持フレーム１５２に対して直線移動するように支持されている。この軸受アセンブリ１６０（図２Ａおよび図４に最もよく見られる）は、好ましくは、固定支持体１５２の外面１６６に固定される、一対の離間しかつ平行な直線レール支持体１６２と、カートリッジ１５４の内面１７６に固定される４つの軸受案内面１６８，１７０，１７２，１７４(図４）を含む。複数のボール軸受またはローラ軸受が、４つの軸受案内面のそれぞれに配置されている。２つの離間した案内面１６８,１７０の軸受は、レール支持体１６２に沿って支持されかつ転動する。他方の離間した案内面１７２,１７４は、固定支持体１５２と注入チャンバー２２に対してカートリッジ１５４を直線移動させるために、レール支持体１６４に沿って支持されかつ転動する。

代わりに、軸受アセンブリ１６０は、軸受ケージ内に支持されるバール軸受またはローラー軸受等の通常のリニア軸受アセンブリの異なる形式であってもよく、当業者によって認められるような内側レースと外側レースとの間に配置されている。さらに、当業者によって認められるように適切に使用されるならば、軸受アセンブリ１６０は、非接触のガス軸受アセンブリであってもよい。非接触ガス軸受アセンブリは、上述の米国出願'344号に開示されている。これら全ての形式の軸受アセンブリは、本発明の技術的範囲内にある。

支持フレーム１５２に対するカートリッジ１５４の直線移動は、リニアモータアセンブリによって、図３、図４における走査方向としてＳＤで示された垂直方向すなわちＹ方向に与えられる。リニアモータアセンブリは、カートリッジ１５４の内面に面する段部１８２と支持フレーム１５２との間に配置されるリニアサーボモータ１８０を含んでいる。

好ましくは、リニアブラシレスサーボモータ１８０は、非磁性体コイルから成り、スムーズな速度制御と優秀な位置精度を与える。代わりに、リニアサーボモータとして、鉄心ブラシレス型式のものを用いることができるが、この形式のサーボモータは、一般的に、非磁性体形式に比べて速度制御がスムーズでなくかつ位置精度も劣っている。

図２Ａおよび図４によく見られるように、サーボモータ１８０は、細長い電磁モータコイル１８４と、２組の平行な永久磁石１８６，１８８とを含んでいる。これらの永久磁石は、この電磁コイル１８４の両側に配置されたそれぞれの磁気軌道１８６ａ、１８８ａ上に配置されている。磁気軌道１８６ａ、１８８ａは、支持フレーム１５２によって支持される。電磁コイル１８４は、電子制御装置２６によって操作され、支持フレーム１５２に対するカートリッジ１５４の正確な直線移動を制御する。

並進部材１５０は、さらに、リニアブレーキアセンブリ１９０と、真空互換リニアリードバック式エンコーダ１９２を含む。これらの部材１９０，１９２は、カートリッジ１５４の内側対向面１７６に固定され、カートリッジ１５４の位置を正確に制御し、これにより、イオンビーム１４ａに対する加工物２４の位置を制御できる。リニアブレーキアセンブリ１９０は、空気圧作動の移動可能なピストンアセンブリまたはピストンが支持フレーム１５２に接触するソレノイドを含み、これにより、固定されるピストンにカードリッジ１５４を保持する手段を与える。

リニアモータアセンブリ１８０は、電位差によりその位置付けがなされ、このため、カートリッジ１５４の移動経路が、重力加速の方向に対して必ずしも平均しておらず、リニアモータ１８０が減速されると、ブレーキアセンブリ１９０が作動して、カートリッジ１５４がその電流に基づく所定位置に留まり、その移動経路に沿って加速されないように、リニアブレーキアセンブリ１９０はフェイルセーフ機構として作動させることができる。

このリニアブレーキアセンブリ１９０の構造は、リニアモータ１８０が減速されて、動作がフェイルセーフにあるとき、すなわち、出力低下時にカートリッジ１５４の動きが妨げられるとき、カードリッジ１５４の動きを防げるならば従来の形式のものでよい。

並進部材１５０は、さらに、リニア動作ハーネスシステム１９４を有する。このハーネスシステム１９４の一端部は、カートリッジ１５４に取り付けられ、カードリッジと共に移動し、一方、ハーネスシステムの他端部は、支持フレーム１５２に固定されて静止する。このハーネスシステム１９４は、リニアモータの出力ライン、リニア動作の転換情報ライン、水冷ライン、ブレーキ制御ライン（空気圧または電気式）、エンコーダーリードバック信号ライン、静電クランプ制御ライン、加工物回転モータ出力と制御信号ライン、および加工物支持アーム２０６の内部領域１９６が大気圧に維持されるための加工物支持アームの圧力伝達などの各種の電気ラインおよび冷却ラインを支える。

ハーネスシステム１９４の水冷ラインは、静電チャック２０２に取り付けた加工物２４とリニアサーボモータ１８０の電磁コイル１８４との冷却を与える。有利なことに、支持アーム２０６の内部領域１９６は大気圧であるので、静電クランプ２０２および加工物２４を回転する加工物保持アセンブリ２００のダイレクト駆動モータ２１０は、内部領域内に４つまたは８つのインプラント用として配置されており、ダイレクト駆動モータ２１０は、水冷を必要としない。さらに、駆動モータ２１０は、大気圧中にあるので、標準のブラシレス型のサーボモータおよび標準エンコーダを用いることができる。

ハーネスシステム１９４の端部には、支持フレーム１５２が取り付けられ、ハーネスシステム１９４の電気ラインおよび水冷ラインは、大気圧にある支持フレーム１５２の内部領域１９８（図２Ａ）に、傾斜軸シャフト１２３の中央ボア（図２および図３の破線で示された）を介して真空を供給する。ハーネスシステムの移動端部は、カードリッジ１５４とリニアモータ１８０に連結される。静電クランプ２０２に接続されるハーネスシステムの接続部、ダイレクト駆動モータ２１０、およびリニアブレーキアセンブリ１９０には、加工物支持アーム２０６の内部領域１９６に通じる真空用の貫通孔が形成されている。

注入中に、カートリッジ１５４の往復直線移動は、加工物注入表面２５の通常経路に対して垂直である。言い換えると、カートリッジ１５４の直線移動により、選択された注入角度（ＩＡ）に一致する平面内に加工物を移動させる。回転部材１１０に対する並進部材１５０の往復直線移動の組み合せによって多数の注入角度が得られるという利点がある。これは、イオンビーム１４の前側にある加工物２４の一定の焦点長さの走査を可能にする。言い換えると、加工物の注入表面２５上のイオンビームの衝突点から注入チャンバー２２内に入るイオンビームの入口までの距離が、回転部材１１０の全ての回転角、すなわち全ての注入角度（ＩＡ）に対して常に一定である。

加工物２４は、静電クランプすなわちチャック２０２によって加工物保持アセンブリ２００上に保持される。静電チャック２０２は、注入中、加工物２４から運ばれるエネルギーすなわち熱を取り除くために冷却される。４つまたは８つの注入を可能にするために、好ましくは、加工物ホルダー２０８および静電クランプ２０２が連結され、支持アーム２０６に対して回転する。加工物ホルダー２０８は、ダイレクト駆動モータ２１０に連結されて作動し、その結果、加工物ホルダー２０８およびクランプ２０２の加工物支持表面２０２は、３６０°まで回転することができる。静電クランプ２０２の回転中心線は、加工物２４の中心線に一致しており、図２において破線Ｄとして示されている。代わりに、駆動モータ２１０は、ベルトおよびケーブルを介して間接的に加工物ホルダーを回転させることができる。

加工物ホルダー２０８は、軸受アセンブリ２２０によって支持アーム２０６に取り付けられている。この軸受アセンブリ２２０は、好ましくは、ボールまたはローラの軸受アセンブリであり、この軸受アセンブリは、加工物ホルダー２０８および支持アーム２０６の対応する各表面に固定または形成された弓形の内側および外側レース間に配置され、軸受ケージ内に支持されるボール軸受またはローラ軸受を有する。代わりに軸受アセンブリ２２０は、非接触型のガス軸受でもよい。

好ましい実施形態の一例において、駆動モータ２１０は、支持アーム２０６と加工物ホルダー２０８との間の統合ロータリー真空シールシステムを含む。この真空シールシステム２３０は、上述したように、加工物支持アセンブリの支持アーム２０６の内部領域１９６（図２）が、大気圧にあることが必要である。真空シールシステム２３０は、好ましくは、磁性流体（強磁性流体）のシールシステムであり、上述したシールシステム１３０と類似している。

代わりに、差動ポンプ型のラジアル真空シールシステムをシールシステムとして用いることもできる。これらのシールシステムの両方は、他のシステムと同様に設計され、例えば、当業者に知られた非接触型の真空シールシステムと同様にリップシール形または他のポリマー材料の接触型シールとして設計することができ、真空シールシステム２３０に最適であり、本発明の技術的思想の範囲内のものである。

本発明は、独特のものであるが、添付する請求項の範囲内にある開示された設計から得られる全ての修正例および変更例を含むものである。

図１は、本発明のイオンビーム注入装置の概略平面図である。 図２は、図１のイオンビーム注入装置における注入チャンバーとこれに関連した加工物支持構造体であって、この加工物支持構造体がウエハ支持位置にある状態を示す概略頂部断面図である。 図２Ａは、斜線で区画された、図２の加工物支持構造体の部分を示す概略断面図である。 図３は、注入位置にある加工物支持構造体を備える図２の加工物支持構造体及び注入チャンバーの概略前側断面図である、 図４は、加工物保持アセンブリが取り除かれた状態を示す、図２の加工物支持構造体の並進移動部材の概略側部正面図である。

符号の説明

１０ イオン注入装置
１２ イオン源
１４ イオンビーム
１６ ビーム経路
２０ 注入ステーション
２２ 注入チャンバー
２４ 加工物
２５ 注入表面
２６ 電子制御装置
１００ 加工物支持構造体
１０２，２０２ 静電クランプ
１０４ 支持表面
１１０ 回転部材
１１６、１６０ 軸受アセンブリ
１３０ 真空シールシステム
１５０ 並進部材
１５２ 支持フレーム
１５４ カートリッジ
１８０ サーボモータ
１９０ リニアブレーキアセンブリ
２００ 加工物保持アセンブリ
２０８ 加工物ホルダー
２１０ 駆動モータ
２３０ 真空シールシステム

Claims (28)

1. (a)ビームラインに沿って移動するイオンビームを発生させるためのイオンビーム源と、
   (b)加工物がイオンビームに交差するように配置されて、前記イオンビームによって加工物の注入表面にイオンを注入するための注入チャンバーと、
   (c)この注入チャンバーに連結されて加工物を支持する加工物支持構造体と、を有するイオンビーム注入装置であって、
   前記加工物支持構造体が、
   1）前記注入チャンバーに連結され、かつ前記注入チャンバー内のイオンビームの一部分に対して前記加工物の注入角度を変化させるための単一の回転部材と、
   2）前記注入チャンバー内に配置され、前記単一の回転部材に対して移動可能に連結され、前記加工物を支持して直線軌道に沿って移動させるための単一の並進部材とを備えており、
   前記単一の並進部材は、前記単一の回転部材に固定された支持フレームと、前記加工物を支持する移動可能なカートリッジとの間に配置されたリニアサーボモータを含み、イオンビームが前記注入チャンバーに入る地点と、前記イオンビームと前記加工物の表面との交差点との間の距離が、前記軌道に沿って加工物が移動する間、一定であることを特徴とするイオンビーム注入装置。
2. 前記単一の回転部材は、前記注入チャンバー内のイオンビームの一部分に対して垂直な回転軸を有することを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入装置。
3. 前記単一の並進部材における移動は、前記単一の回転部材の回転軸に垂直かつ前記加工物の注入表面に対して平行な移動であることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入装置。
4. 前記単一の並進部材は、前記単一の回転部材に固定される支持フレームと、直線軌道に沿って前記支持フレームに対して移動可能なカートリッジと、直線軌道に沿って前記カートリッジを駆動するリニアモータと、を含むことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入装置。
5. 前記単一の並進部材は、さらに、前記注入チャンバー内に伸び、かつ前記加工物を保持するために静電クランプを備えている加工物保持アセンブリを含んでいることを特徴とすることを特徴とする請求項４記載のイオンビーム注入装置。
6. 前記静電クランプは、イオンビームに対して回転可能であることを特徴とする請求項５記載のイオンビーム注入装置。
7. 前記注入チャンバーと前記単一の回転部材との間の真空が円形真空シールによって維持されていることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入装置。
8. 前記円形真空シールは、強磁性流体の真空シールであることを特徴とする請求項７記載のイオンビーム注入装置。
9. 前記単一の並進部材は、前記単一の回転部材に固定される支持フレームと、直線軌道に沿って前記支持フレームに対して移動可能なカートリッジと、前記支持フレームと前記カートリッジとの間に配置されるリニア軸受と、を含むことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入装置。
10. (a)ビームラインに沿って移動するイオンビームを発生させるためのイオンビーム源と、
    (b)加工物がイオンビームに交差するように配置されて、前記イオンビームによって加工物の注入表面にイオンを注入するための注入チャンバーと、
    (c)この注入チャンバーに連結されて加工物を支持する加工物支持構造体と、を有するイオンビーム注入装置であって、
    前記加工物支持構造体が、
    1）前記注入チャンバーに連結され、かつ前記注入チャンバー内のイオンビームの一部分に対して前記加工物の注入角度を変化させるための単一の回転部材と、
    2）前記注入チャンバー内に配置され、前記単一の回転部材に対して移動可能に連結され、前記加工物を支持して１つの軌道に沿って直線移動させるための単一の並進部材とを備え、該単一の並進部材における移動は、加工物の注入表面に平行な移動であり、
    前記単一の並進部材は、前記単一の回転部材に固定された支持フレームと、前記加工物を支持する移動可能なカートリッジとの間に配置されたリニアサーボモータを含み、イオンビームが前記注入チャンバーに入る地点と、前記イオンビームと前記加工物の表面との交差点との間の距離が、前記軌道に沿って加工物が移動する間、一定であることを特徴とするイオンビーム注入装置。
11. 前記単一の回転部材は、前記注入チャンバー内のイオンビームの一部分に対して垂直な回転軸を有することを特徴とする請求項１０記載のイオンビーム注入装置。
12. 前記単一の並進部材における移動の方向は、前記単一の回転部材の回転軸に垂直な方向であることを特徴とする請求項１０記載のイオンビーム注入装置。
13. 前記単一の並進部材は、前記単一の回転部材内に取り付けた並進軸を含み、かつ前記単一の回転部材の回転軸に交差する移動方向を有することを特徴とする請求項１０記載のイオンビーム注入装置。
14. 前記単一の並進部材は、前記注入チャンバー内に伸び、かつ前記加工物を保持するための静電クランプを備える加工物保持アセンブリを更に含んでいることを特徴とする請求項１３記載のイオンビーム注入装置。
15. 前記静電クランプは、イオンビームに対して回転可能であることを特徴とする請求項１３記載のイオンビーム注入装置。
16. 前記注入チャンバーと前記単一の回転部材との間の真空は、円形真空シールによって維持されていることを特徴とする請求項１０記載のイオンビーム注入装置。
17. 前記円形真空シールは、強磁性流体の真空シールであることを特徴とする請求項１６記載のイオンビーム注入装置。
18. 前記単一の並進部材は、前記単一の回転部材に固定される支持フレームと、直線軌道に沿って前記支持フレームに対して移動可能なカートリッジと、前記支持フレームと前記カートリッジとの間に配置されるリニア軸受と、を含むことを特徴とする請求項１０記載のイオンビーム注入装置。
19. ビームラインに沿って移動するイオンビームを発生させ、加工物がイオンビームに交差するように配置されて、前記イオンビームによって加工物の注入表面にイオンを注入するための注入チャンバーを含むイオンビーム注入装置のための、加工物支持アセンブリであって、
    a）前記注入チャンバーに連結され、かつ前記注入チャンバー内のイオンビームの一部分に対して前記加工物の注入角度を変化させるための単一の回転部材と、
    b）前記注入チャンバー内に配置され、前記単一の回転部材に対して移動可能に連結され、前記加工物を支持して直線軌道に沿って移動させるための単一の並進部材とを含んでおり、
    前記単一の並進部材は、前記単一の回転部材に固定された支持フレームと、前記加工物を支持する移動可能なカートリッジとの間に配置されたリニアサーボモータを含み、イオンビームが前記注入チャンバーに入る地点と、前記イオンビームと前記加工物の表面との交差点との間の距離が、前記軌道に沿って加工物が移動する間、一定であることを特徴とする加工物支持アセンブリ。
20. 前記単一の回転部材は、前記注入チャンバー内のイオンビームの一部分に対して垂直な回転軸を有することを特徴とする請求項１９記載の加工物支持アセンブリ。
21. 前記単一の並進部材における移動は、前記単一の回転部材の回転軸に垂直かつ前記加工物の注入表面に対して平行な移動であることを特徴とする請求項１９記載の加工物支持アセンブリ。
22. 前記単一の並進部材は、前記注入チャンバー内に伸び、かつ前記加工物を保持するための静電クランプを備える加工物保持アセンブリを更に含んでいることを特徴とする請求項１９記載の加工物支持アセンブリ。
23. 前記静電クランプは、回転可能であることを特徴とする請求項２２記載の加工物支持アセンブリ。
24. 前記注入チャンバーと前記単一の回転部材との間の真空は、円形真空シールによって維持されていることを特徴とする請求項１９記載の加工物支持アセンブリ。
25. 前記円形真空シールは、強磁性流体の真空シールであることを特徴とする請求項２４記載の加工物支持アセンブリ。
26. 前記単一の並進部材は、前記単一の回転部材に固定される支持フレームと、直線軌道に沿って前記支持フレームに対して移動可能なカートリッジと、前記支持フレームと前記カートリッジとの間に配置されるリニア軸受と、を含むことを特徴とする請求項１９記載の加工物支持アセンブリ。
27. 加工物にイオン注入するためのイオンビームを発生させ、加工物がイオンビームに交差するように配置されて、加工物の注入表面にイオンを注入するための注入チャンバーを有するイオンビーム注入装置に用いて、加工物にイオンを注入するための方法であって、
    a)注入チャンバーに連結されて加工物を支持し、かつ、
    1）前記注入チャンバーに連結されて、この注入チャンバー内のイオンビームのビームラインの一部分に対して前記加工物の注入角度を変化させるための単一の回転部材と、
    2）前記注入チャンバー内に配置され、前記単一の回転部材に対して移動可能に連結され、前記加工物を支持して直線軌道に沿って移動させるための単一の並進部材とを備えた、加工物支持構造体を設け、
    b)前記単一の並進部材上に前記加工物を配置し、
    c)前記単一の回転部材を回転することによって前記加工物に対して所望の注入角度を選択し、
    d)前記加工物に向けてイオンビームを指向させ、
    e)前記並進部材における移動により、前記直線軌道に沿って加工物を移動させる、各ステップを有しており、
    前記単一の並進部材は、前記単一の回転部材に固定された支持フレームと、前記加工物を支持する移動可能なカートリッジとの間に配置されたリニアサーボモータを含み、イオンビームが前記注入チャンバーに入る地点と、前記イオンビームと前記加工物の表面との交差点との間の距離が、前記軌道に沿って加工物が移動する間、一定であることを特徴とする方法。
28. 前記イオンビームは、リボンイオンビームであって、前記加工物に衝突するとき、加工物の移動経路が前記リボンイオンビームの長さ方向および前記注入チャンバー内のビーム経路の一部分を横切っていることを特徴とする請求項２７記載の方法。

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