JP5607153B2 - イオン注入装置および方法 - Google Patents

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Description

本発明は、平面状のワークピースにイオンを注入するためのイオン注入装置に関する。イオン注入装置の具体的な用途として、シリコン等の結晶質半導体材料の薄膜の製造が挙げられる。そのようなシリコン薄膜は、光電池の製造のために使用される場合がある。
関連文献
本出願は、Rydingらの米国特許出願第12/494,268号「Ion Implantation Apparatus and Method for Fluid Cooling」、Glavishらの米国特許出願第12/494,270号「Ion Implantation Apparatus and Method」、Glavishらの米国特許出願第12/494,272号「Ion Source Assembly For an Ion Implantation Apparatus and Method of Generating Ions Therein」、Rydingらの米国特許出願第12/494,269号「Ion Implantation Apparatus」に関連し、各々が、本出願とともに同日付で出願され、本出願の譲受人によって所有され、参照により本明細書に組み込まれる。
再生可能な資源に基づく再生可能なエネルギーに対する需要が増加するにつれ、近年、光起電技術の実装が飛躍的に拡大している。それでも、光電池のために最適化された結晶質シリコン体の形成法は、解明されないままである。
光電池の製造に適した結晶質シリコンウエハは、従来、シリコン塊を薄切することによって取得される。この工程は、典型的には150μmより厚いシリコンウエハが得られ、切断損失においてシリコン体の50%までを消耗し、有用な光起電デバイスに必要とされるよりもはるかに大きい厚さを提供することによって、相当量のシリコンが無駄になる。
より薄いシリコン薄膜は、大量のイオン注入後に加熱することによって、膜を剥離して作製されてきた。この方式で生産された膜は、SOI(シリコン・オン・インシュレーター)構造の形成に応用されているが、太陽電池には法外な費用がかかっている。また、1μmを十分に下回る厚さでは、膜は非常に薄いので、効率的な光捕捉が困難になる場合がある。イオン注入のエネルギーを上げると、膜の厚さを増加できるが、この適合によって膜がさらに高価になり、光電池のコストがさらに上昇することになる。
したがって、光起電用途のために最適化されたシリコン体を形成する費用効果の高い方式に対する必要性が存在する。
既知の種類のイオン注入ツールは、注入されるイオンを含有するビームを生成する、イオン源を有する。イオンビームは、運動量と電荷(mv/e)の異なる比率を有するビーム中のイオン間に空間的分離を提供するように、イオンフィルタ中の均一磁場の領域を通過させられる。質量選別器のスリットは、あらゆる不要なイオンを阻止し、所望のイオンが、任意選択的に静電加速器を通って、半導体基板またはウエハへの注入のための工程チャンバまで通過することを可能にする。生産性を向上するために、大量のウエハが、ホイール上のウエハがイオンビームを相次いで通過するように、軸の周囲で回転するために装着されるプロセスホイールの外周の周囲にそれらを装着することによって、同時に処理される場合がある。プロセスホイールの軸は、イオンビームが、ウエハに当たる際に、ウエハ面積よりも小さい断面面積を有する場合であっても、ウエハの全部分が注入されることを確実にするよう、イオンビームを通してウエハの2次元の機械的走査を提供するように、ビームに向かって、およびビームから遠ざかって平行移動する。
1つの既知の大量注入器は、上記の汎用型の変形であり、固定された縦方向軸および横方向に走査されるイオンビームを備える大型のプロセスホイールを有する。
さらなる既知の種類の注入ツールは、イオンのいわゆるリボンビームを生成し、単一のウエハ全体にちょうど延在するに十分な主要寸法を有する。この種類のリボンビーム配置では、ウエハが、リボンビーム平面を横断する、1つの次元のみで機械的に走査されることが必要である。これは通常、ウエハが1つずつ順次に注入されるように、単一のウエハを運搬する並進走査ホルダを用いて達成される。リボンビーム平面に平行に延在する比較的狭いスリットによって、リボンビームから所望のイオンが選択できるように、リボンビームの平面に対してリボンビームを横方向に屈曲するよう、磁気質量選択イオンフィルタが使用される。代替として、イオンビームがリボンの平面内で屈曲される場合、リボンは、再び拡大して、平行なリボンビームになる前に、狭い質量選択スリットを通過するように、x方向(リボン平面)の中の焦点に導かれる。
本発明の一態様は、真空チャンバと、前記真空チャンバ内のアークチャンバであって、該アークチャンバは、長さ寸法および該長さ寸法に沿って延在する前面壁を含む壁を有し、イオン源の中でイオン化される種を含有する気体の源は、注入のために必要なイオンを提供し、アークチャンバ内の少なくとも1つの電極は、電気的にバイアスされる時に、該種をイオン化するための電子の源を提供するために適し、該前面壁のイオン抽出スリットは、該長さ寸法と整合され、該抽出スリットは、長さが少なくとも100mmである、アークチャンバと、該アークチャンバの該長さ寸法に沿って磁場を提供して電子を該チャンバ内の該場に沿ってらせん運動をするように制約するための磁場デバイスであって、該磁場は、該抽出スリットの長さ全体で該長さ寸法に沿って5%未満の非均一性を有する磁束密度を有する、磁場デバイスと、を備える、イオン注入装置のためのイオン源組立部を提供する。
一実施形態において、該磁束密度は、抽出スリットの長さにわたって、1%未満である非均一性を有する。
さらなる実施形態において、抽出スリットの長さ全体での該磁場の該磁束密度は、500ガウス以下である。そして、この磁束密度は、200ガウスと300ガウスとの間の場合がある。
またさらなる実施形態において、該磁場デバイスは、コアレスの電磁鞍型コイルを備える。該鞍型コイルは、該真空チャンバの外部に装着される場合がある。
またさらなる実施形態において、真空チャンバは、非強磁性金属で作製される第1の管状部と、電気的に絶縁され、該金属製の第1の管状部に終端と終端が接続される第2の管状部と、を備え、該アークチャンバは、前記金属製の第1の管状部内に位置付けられ、電気的に絶縁されるように、該金属製の第1の環状部から遠隔の、該第2の管状部の終端上に装着され、該鞍型電磁コイルは、該金属製の第1の管状部周囲に装着される。該気体源は、注入用Hイオンを生成するための水素気体の源を提供する場合がある。
またさらなる実施形態において、該イオン抽出スリットの全長にわたって延在する、それらの間にプラズマ空間を提供する、該長さ寸法に沿って相互に直面して位置付けられる2つの該電極が存在する。
本発明のさらなる態様は、少なくとも100mmのスリット長を有する抽出スリットを通して、リボンビームとして抽出するためのイオン源のアークチャンバの中でイオンを生成する方法を提供し、注入のために必要なイオンを提供するようにイオン化される種を含有する気体をアークチャンバに導入するステップと、電子の源を提供して、必要な該イオンを含有するアークチャンバの中でプラズマを生成するよう、アークチャンバの中で電極をバイアスするステップと、該スリットの前面に該スリットの長さにわたって延在するアークチャンバ内の領域に生成される該プラズマを閉じ込めるように、抽出スリットと整合される、アークチャンバ内の磁場を印加するステップであって、該磁場は、スリットの長さにわたって5%未満の非均一性を有する磁束密度を有する、ステップを含む。
アークチャンバ内の閉じ込め磁場の磁束密度が抽出スリットの長さにわたって均一であることを確保することによって、スリットの長さに延在する、均一のプラズマを生成できるので、リボンのより大きい断面寸法にわたって均一の密度を有する、リボンビームが抽出できる。
本発明の例は、次の添付の図面を参照して以下に説明される。
本発明を具現化するイオン注入器の正面および部分的切り取り模式図である。 図1のイオン注入器の注入ホイールの平面図である。 注入ホイールのハブの部分的断面の拡大斜視図である。 注入ホイールのリムならびにその上に装着される基板ホルダの正面および断面図である。 図4の線Y−Yに沿って切断された、ホイールリムの部分的拡大斜視図である。 基板ホルダを装着するよう、ホイールリムの中で使用される装着台の装着面の平面図である。 図6aの線B−Bに沿って切断された装着台の断面図である。 注入器のイオン源の斜視図である。 図7のイオン源の模式断面図である。 源の抽出スリットの平面におけるイオン源のアークチャンバの中心線からの距離に対する磁場強度のグラフである。 イオン注入器のリボンビームを屈曲するために使用される電磁石構造体の模式図である。 イオン注入器の偏向電磁石内の均一磁場領域の縁の効果を示す模式図である。 イオン注入器の偏向電磁石内の均一磁場領域の縁の効果を示す模式図である。 イオン注入器の偏向電磁石内の均一磁場領域の縁の効果を示す模式図である。 典型的な偏向電磁石の場合の共役像距離対源/物体距離のグラフである。 イオン注入器の電磁石構造体の斜視図である。 図15の電磁石構造体のさらなる図であるが、明確化のために1組の磁極が除かれている。
図1は、本発明の実施形態である、イオン注入装置の模式図である。イオン注入は、真空環境において実施され、実施形態の重要な動作特徴は、真空チャンバ内に含有される。図1に図示される実施形態において、真空チャンバは、3つの相互接続された部分に示される。第1の部分は、図1の上部から、矢印11の方向に沿って視認される場合、円形輪郭を有する、工程チャンバ10である。工程チャンバ10は、部分的に楕円形の下壁区分12と対立した部分的に楕円形の上壁区分13とを備え、円板の中心で厚くなる円板形状の真空筐体を形成する。この工程チャンバ10は、円板の中心と実質的に整合される縦軸周囲で回転するために、円板チャンバ10の平面の中で延在するプロセスホイール14を含有する。処理するための基板は、詳細を後述し、図示するように、工程チャンバ10内でホイール14の外周の周囲を運搬される。
真空チャンバの第2の部分は、高電圧筐体15内に含有され、イオン源構造16と質量選択電磁石構造体17によって構成される。注入のために所望されるイオンのビーム(一実施形態においては、Hイオン)は、イオン源構造16の中で生成され、電磁石構造体17に方向付けられる。電磁石構造体17は、イオンビームを屈曲する効果があり、ビーム内の不要なイオンが、工程チャンバ10に向かって方向付けられる連続ビームからフィルタされることを可能にする。イオン源および質量選択構造16および17は、本明細書に詳細を後述する。
真空チャンバの第3の部分は、高電圧筐体15内の真空チャンバの高圧部分および工程チャンバ10を相互接続する加速器管18によって構成される。加速器管18は、イオン源構造および質量選択構造16および17が、工程チャンバ10に相対的に非常に高電圧で保たれることを可能にするように、電気絶縁要素を備える。加速器管内に含有される電極は、質量選択構造17から方向付けられるイオンビームを工程チャンバ10へ供給するために必要な注入エネルギーまで加速するよう、静電的にバイアスされる。真空チャンバの全ての部分は、これらのうちの1つが図1の21に模式的に示される、1つ以上の真空ポンプによって減圧される。
ここで図2を参照すると、プロセスホイール14の平面図が示される。プロセスホイールは、ハブ20と、複数のスポーク24を介してハブ20に接続されるリム22とを備える。リム22は、複数(本実施形態においては12)の弧22a、22b、・・・、22lとして形成され、これらの各々は、図2の実施形態においては、リムの30°の弧を形成する。
リム22の各弧は、こうして、複数の等距離間隔に配置される基板支持体26を運搬し、リムの弧から半径方向に外向きに延在する。図2のプロセスホイール14は、このように、リム22周囲に60の基板支持体26を運搬する。支持体26の各々は、処理されるウエハに一致するよう、形状およびサイズが決定されるウエハ支持面を提供する。重要な点は、処理されるウエハが150mmの円形ウエハである場合、支持体26の支持面は、プロセスホイールの直径は、少なくとも60×150cmの外周を提供するように、類似の大きさおよび形状で作製されるので、60の支持体(および支持体上の60のウエハ)は、重なり合うことなく、ホイールの外周の周囲に収容される。150cmの円形支持体の代わりに、他のウエハ形状および大きさを収容するように他の形状および大きさが提供される場合があるが、それぞれの場合において、プロセスホイールは、少なくともN×aの外周で形成され、Nは、ウエハ支持体の数、aは、処理されるウエハの最小幅である。ウエハが円形である場合、aは直径である。
実施形態の重要な特徴は、プロセスホイール上に少なくとも50(この例においては60)のウエハ支持体26が存在し、イオン源構造および質量選択電磁石構造体16および17は、加速器管18と組み合わされて、少なくとも200keVのエネルギーおよび少なくとも50mAのイオン電流を有する、プロセスホイールの支持面26上のウエハに方向付けられるイオンビームを提供することである。そして、ビームによってウエハに供給されるエネルギーは、少なくとも10kWである。プロセスホイールが同時に少なくとも50のウエハを収容できることを確保することによって、ウエハを過熱し、損傷することなく、放散または除去できるに十分な出力だけを各ウエハが受容するように、処理中にホイールを回転させることで、このビーム出力がホイール上のウエハ間で共有されることを可能にする。
図2を再び参照すると、スポーク24は、二重の目的を有する場合がある。第1に、それらは、ハブ20とリム22との間を引張状態(この引張は、以下に説明するように、自転車の車輪の様式で調整される場合がある)の下で延在する。スポーク24を引張状態に保つことによって、リム22の12の弧22a〜22lは、ハブ20に向かって引き寄せられ、円周方向に共に圧迫する。このため、リム22は、スポーク24の引張によって回転剛性が得られる。実施形態において、スポーク24は、ハブ20およびリム22両方の周囲に等間隔に配置され、半径方向に整合されることに注意されたい。ハブとリムとの間の軸方向の剛性は、以下に説明する図4において最もよく確認されるように、プロセスホイール14の平面に対して鋭角を形成する線に沿ってスポーク24を引張することによって提供される。プロセスホイール14の回転剛性を増加することが所望される場合、補強板が採用される場合がある。その代わりに、ハブ20とリム22との間で非半径方向に延在する支え棒が提供される場合がある。6つのこのような棒の対称的な配置は、両方の回転方向にねじり剛性を提供するように、引張状態にできる。別の実施形態において、ねじり剛性は、自転車のワイヤースポークホイールの様式で交絡パターンを形成するように、スポーク24の非半径方向の整合によって提供される。
スポークの第2の可能な目的は、円板形状の真空筐体の外側から、ハブ20を介して、リム22へ冷却流体を導くことである。リムにある冷却流体は、次いで、各基板支持体26へ導かれるので、これによって、注入の間、基板支持体26上に装着されるウエハのための冷却を提供する。
図3は、部分的に切り取られた、ハブ20を詳細に示す第3の角度の投影を示す。ハブは、概して直円柱を形成するよう、ウェブ34によって分離され、支持される、上部穴付円板30と下部アニュラス32とを備える。ウェブ34の上部縁は、上部フランジ36を備えて形成され、上部マニホールド38は、ウェブ34の上部フランジ36と上部穴付円板30の全面座との間に挟まれる。同様に、ウェブ34の下部縁は、下部フランジ40を備えて形成され、下部マニホールド42は、下部フランジ40と下部アニュラス32との間に挟まれる。
上部マニホールド38の表面周囲で円周方向に延在するのは、第1および第2の環状上部溝44、46で、この例では各々断面が「U」形状である。両方の円の中心は各々、ハブ20の中心を通過するプロセスホイール14の回転の軸と重なるが、第1の上部溝44は、第2の上部溝46から半径方向に間隔を置いて配置される(異なる円の直径を有する)。両方の溝44、46は、上部マニホールドの外縁に隣接して形成される。これらの溝の開口面は、上部穴付円板30内に形成される対応する内部通路48、50に一致する。内部通路48はこのため、ハブ20の外周壁内の開口を通して挿入する、各スポーク24の開口端に一致する。
ハブ20に対する各スポーク24のための流体シールを作成し、各スポーク24が引張状態になることを可能にするために、各スポークは、スポーク24の終端周囲に対の放射状リブを備える、1対のU字断面の「O」リング台座51a、51bを備えて形成される。使用中、エラストマ製「O」リングは、各対のリブ51aと51bとの間に置かれる場合があるが、これらは、明確化のために図面では省略される。これらのそれぞれの台座の中の「O」リングは、スポークと、スポークの終端を受容するハブの開口の内部円柱面との間に、直列の1対のピストンシールを形成する。
スポークの終端から最も遠くに形成される「O」リング台座リブのその面は、対応する張力調整器突起56の半径方向に内向きの座54と係合する座面を有するスポークフランジ52として機能する。張力調整器突起56は、そのシャンク上に形成されるねじ山(図3では視認不可能)を有する。各張力調整器突起56のシャンク上のねじ山は、ハブ20の外周壁のそれぞれの開口の内側上に形成される対応するねじ山と協調する。
使用中、スポーク24を引張状態に置くように、各張力調整器突起56は、ハブ20の中の対応するねじ山付開口にねじ込まれるように、右回りに回転される。これによって、張力調整器突起56の背面54を、「O」リング台座51bの外面によって形成されるスポークフランジ52に係合させ、スポーク24の終端をハブ20に引き込ませる。複数のスポーク24の引張の調整は、リム22の周囲の円周上の圧迫の均一性を確保するように既知の様式で実行される場合がある。
中間チャンバ53は、台座51a、51bによって形成される2つの「O」リングシールの間に形成される。チャンバ53は、第2の内部通路50を介して、第2の「U」形状の上部溝46に接続される。この溝46は、これによって、中間チャンバ53の中に真空を作成するように、真空チャンバ(このポンプは図1の57で模式的に示される)の外部の補助真空ポンプによって減圧される。この目的は、約40psi(275kPa)で工程チャンバ10の周囲でポンプ圧送される冷却水が、台座51a、51bの「O」リングを越えて、約10−4パスカルの真空状態に保たれる場合がある工程チャンバ10へ漏れることを回避するように、別個に減圧することによって、安全な筐体配置を提供することである。
類似の配置は、ハブ20の下部アニュラス32内部のスポークを捕捉し、引張するために採用され、各スポークは、1対の「O」リング台座を有し、スポークの終端から最も遠い「O」リング台座の外面は、対応する張力調整器突起56の背面を係合する座面52を提供する。これは、下部アニュラス32の外壁に形成される開口部の中のねじ山と係合するように、外部ねじ切りを有する。
上部穴付円板30内に挿入するスポーク24は、ハブとリムとの間で、第1の方向(例えば、ハブからリムへ)に冷却流体を運搬し、一方で、下部アニュラス32内に挿入するスポークは、ハブ20とリム22との間で、逆方向(例えば、リムからハブへ)に冷却流体を運搬する。以下に詳細を説明するように、これによって、冷却された流体が、工程チャンバ10の外側から、ハブ20を介して、リムへ(例えば、上部スポークに沿って)、さらにそこから基板支持体26へ導かれることを可能にし、そこで基板支持体上のウエハへのイオン注入によって生じる熱が冷却流体に伝達される。次いで、(加熱された)冷却流体は、除去されて(下部)スポーク(この例においては)を経由して、ハブに戻され、次いで、工程チャンバ10から除去され、再利用または廃棄される。
(固定)冷却流体供給および返却ライン(図面には図示せず)が、もちろん使用中に回転する、ハブ20に接続される様式は、本発明の一部を形成せず、したがって、説明されない。固定物体と回転物体との間で流体を通過させるためのそのような技法は、当技術分野で周知である。上部および下部マニホールド38、42の溝44、46は、全ての60のスポーク24に共通な流体溝を形成するように、ハブ20の円周の周囲で延在する。
図4を参照すると、図2の線X−Xに沿ったプロセスホイール14の断面部分が示される。これは、プロセスホイール14のリム22および基板支持体26の拡大断面を表す。
リム22は、図2で最もよくわかるように、アニュラスの弧22a・・・22lとして形成され、スポーク24のための機械的支持を提供する。リム22の円周の周囲で延在するのは、複数の装着台60である。各装着台60は、リム22に対して上部および下部の表面に固定される。これは、図5で最もよく理解することができ、図4の線Y−Yによって示される中央平面に沿って切り取られた装着台60の斜視図を示す。各装着台60は概して直線で構成され、主軸は、リム22の円周方向に延在する。しかしながら、各装着台60は、隣接した装着台から円周方向に間隔を置いて配置され、すなわち、各台60の主軸は360/Nよりも短く、Nは、基板支持体の数である(図2の例では60)。図4で確認されるように、各装着台60は、ネジ62a、62bを使用して、リム22の弧22a・・・22lのうちの1つ(または図5のように2つにわたって)に固定される。代替として、装着台60は、リムの弧22a・・・22lに溶接できる。
各装着台60は、いくつかの目的を果たす。第1に、それは、第1の半径方向に内向き方向面上に、対応する張力調整器突起64が使用中にねじ込まれる、1対のねじ山付開口部を提供する。スポーク24をハブ20に引張状態に保つ張力調整器突起56と同様に、装着台60に挿入される張力調整器突起64は各々、スポーク24の終端を受容するように、それらの中心を通って軸方向に延在する穴を有する。さらにスポークのハブ終端と同様に、スポーク24のリム終端は、スポークの周辺の周囲に対の放射状リブとして形成される第1および第2の「O」リングシール台座66a、66bを備えて形成される。これらの台座66a、66b(ここでも明確化のために図面では省略される)の中の「O」リングは、ピストンシールの形式において、スポーク24と装着台60との間に流体シールを提供する。
「O」リング台座66bの半径方向に内側のリブの半径方向の内面68は、張力調整器突起64の半径方向に外向き方向面で終端する。このため、張力調整器突起64を右回りにネジをしめると、張力調整器突起64は、それが置かれているねじ山付開口部の中に入り、これによって、面68に係合し、ハブ20から半径方向に外向きに離れて押下することによって、スポーク24上の引張を増加する。
台座66a、66bの「O」リングは、使用中それらの間に、各装着台を通って円周方向に走るプレナム溝70に接続される、それぞれの中間チャンバ67を形成する。図5で最もよく確認されるように、これらのプレナム溝は、パイプ区分78によって、リムの円周周囲で隣接した台60の間で相互接続される。
各装着台60の半径方向に外向き方向面は、図6aの平面図で示される、基板支持装着面72を形成する。それぞれの基板支持体26は、それぞれの装着台60の装着面72に重なり、適切なボルト(例えば)によって固定される、半径方向に内向きの平面状装着面を有するアーム82を備える。
装着台60から遠位の、基板支持体26のアーム82の終端は、使用中、ウエハ86を支持する、ウエハホルダ84を運搬する。アーム82は、ここでも図4で最も確認される場合があるように、プロセスホイール14の平面に対して約10°の角度を成してウエハホルダ84を傾斜する。実施形態において、プロセスホイールは、水平面内で回転し、前述の傾斜角度のために、求心力がウエハホルダ84上にウエハ86を押圧する。
ウエハ86が使用中に装着される、各ウエハホルダ84の上部表面は、エラストマ系熱伝導材88に覆われる。ウエハホルダの表面下には、複数の冷却溝90が形成される。これらの溝90は、基板支持体26のアーム82の中の内部流体通路を介して、支持体26の半径方向に内向きの装着面に連通する。アーム82の中のこれらの冷却通路は、台60の支持装着面72のそれぞれの通路92aおよび92bに重なる。基板支持体26のアーム82内の内部通路は、図5において、94aおよび94bで確認でき、そこでアーム82の分岐した指82aおよび82bの図5の区分を通過する。それらが装着台60の通路92aおよび92bと重なる場所である、アーム82の通路の終端は、図4では、93aおよび93bで確認できる。
再び図6aおよび6bを参照すると、基板支持体26のアーム82の通路93a、93bと、台60の通路92aおよび92bとの間の接続は、順に、管状スポーク24の終端に接続し、縦1列の1対のシールを備えて提供される。内側のシールは、装着台60の中の円形「O」リング台座76aおよび76bに収容される「O」リングを備える。台60での溝92a、92b両方に対する接続のための外側のシールは、レース場形状の台座74の中に単一のより大型の「O」リングを備える。台座76a、76bの内側の「O」リングシールと、レース場形状の台座74の単一の外側のシールとの間に、台60の装着面72が、縦1列のシールの間に中間チャンバを形成する陥没96(図6bの断面図で最もよく確認される)を備えて形成される。陥没96によって形成されたこの中間チャンバは、台60内で、穴98a、98bによって中央のプレナムチャンバ70に接続される(ここでも、図6bの断面図で最もよく確認される)。
注入器の動作中、プレナム溝70は、各スポーク24と装着台60との間の直列シール間の中間チャンバ67、および装着台60と基板支持体26のアーム82との間の接続のための縦1列になったシールの間の中間チャンバ96に対して、差別的減圧された真空を提供するために、独立的に空気が抜かれる。パイプ区分78によって相互接続される、円周上のプレナム溝70は、ホイールのリムとハブ20との間を延在する3つの放射状真空パイプ80(図2で最もよく確認される)を介して、独立した真空ポンプ57(図1)に接続される。1つのそのような放射状の真空パイプ80は、図4にも示され、このパイプ80は、隣接した装着台60の間のパイプ区分78のうちの1つに相互接続する、T接合部81の中のホイールリムで終了する。図4において、T接合部81は、明確化のために、その近接する装着台とは分離して示される。真空パイプ80の半径方向に内側の終端は、ハブ20で、前述のハブ内部の真空減圧溝に接続される。ハブ20内部の真空溝は、当技術分野で周知の手段によって、回転シールを通して、工程チャンバ13の外部へ、さらに補助真空ポンプ57(図1)へ接続される。重要な点は、工程チャンバ内の冷却流体シールの差別的に減圧するためのポンプ57は、注入器の多様なチャンバを空気抜きするための真空ポンプ(図1のポンプ21を含む)とは別である点である。
より一般的に、構造は、注入器の真空チャンバ、具体的には工程チャンバ10内部に、いくつかの取り外し可能な冷却流体接続を提供する。そのような取り外し可能な冷却流体接続は、(i)冷却パイプとして機能する、各スポーク24の半径方向の内側終端と、ハブ20の冷却流体通路48との間、(ii)各スポーク24の半径方向の外側終端と、装着台60内の冷却流体通路92a、92bとの間、および(iii)各該装着台60の通路92a、92bと、関連の基板支持体26のアーム82内の冷却流体通路93a、93bとの間、に提供される。
ハブ20の冷却流体通路48、スポーク24、装着台60の通路92a、92b、および基板支持体アーム82の通路93a、93bは、基板支持体26の冷却流体溝90に、または冷却流体溝90から冷却流体を供給する流体導管を提供するように相互接続される。したがって、これらの冷却流体導管は、スポーク24および装着台60を含む、直列に接続された流体伝導部材を備えることが確認できる。
前述の取り外し可能な冷却流体接続の各々は、それらの間に中間チャンバを形成する、縦1列の第1および第2のシールを備える。スポーク24とハブ20との間の接続の各々に対して、縦1列のシールは、中間チャンバ53を形成する「O」リング台座51a、51bの中の「O」リングである。スポーク24と装着台60との間の接続の各々に対して、縦1列のシールは、中間チャンバ67を形成する「O」リング台座66a、66bの中の「O」リングである。装着台60の通路92a、92bと基板支持アーム82の通路93a、93bとの間の接続の各々に対して、縦1列のシールは、中間チャンバ(陥没)96を形成する、それぞれの内側の中の「O」リング台座76a、76bの「O」リング、および外側のレース場形状の「O」リング台座74の中のより大型の「O」リングである。
中間チャンバは、通気導管によって、真空チャンバ壁を通して、外部へ接続される。ハブの中で、この通気導管は、通路50を介して、中間チャンバ53に連通する溝46を備える。
リムの中で、この通気導管は、中間チャンバ67、および(通路98a、98bを介して)中間チャンバ(陥没)96に接続される、台60の円周プレナム溝70を備える。通気導管は、ハブで、ハブの溝を介して、回転シールを通って真空チャンバの外部に接続されることになる、リムからハブ20へ半径方向に延在する相互接続パイプ区分78および真空パイプ80をさらに備える。
上記の実施形態において、通気導管は、縦1列のシールの中間チャンバの真空を維持するように、独立した真空ポンプ57に接続され、真空チャンバの工程チャンバ10内に漏れる可能性がある前に、一切の冷却流体の漏れを除去することを確実にする。中間チャンバを真空減圧する必要がない場合があり、いくつかの実施形態において、中間チャンバを大気に通気するように、通気導管を使用するだけで十分な場合がある。別の実施形態において、乾燥パージガスが中間チャンバを通ってポンプ送出されることを可能にするように、二重の通気導管が提供される場合があり、それによって、冷却流体(典型的に水)が、工程チャンバ10の内部に漏れるリスクを削減する。
図4を再び参照すると、ホイールの外周の周囲のそれらのそれぞれの装着台60上に装着される基板支持体26の後方には、連続環状調節板99が存在する。この環状調節板は、注入工程中にホイールが回転すると、ウエハホルダ84を迂回するあらゆるイオンビームを収集する。このように、ビームの比較的高い電流および高いエネルギーの組み合わせである、相当な出力が、環状調節板周囲で分散される結果、吸収されたビームからの熱エネルギーが分散される。
前述のように、本発明の本実施形態の重要な点は、固定された軸の周囲で走査ホイール14が回転することで、ホイールが回転すると注入位置を通って移動するウエハを注入するように、ホイール外周上に投影されるビームは、ホイール軸に対して半径方向に整合される主要寸法を有するリボンビームであり、ホイール外周にあるウエハ支持体上に装着されるウエハの半径範囲以上である長さを有する。このリボンビームは、ビームが基板全体の注入範囲を拡大するように走査されないという意味で、固定されていると考えることができる。しかしながら、リボン全体のビームの中の一切の比率の小さい非均一性を取り除くために、リボンビームの平面にわずかな位置の変動が導入される場合がある。そのような変動は、注入全体の時間に比較すると短い期間で周期的な場合があり、変動の空間的振幅は、リボンビームの断面の長さに比較すると小さい。
実際的な目的のために、所望される工程で有用である可能性が高い最小のウエハサイズは、少なくとも直径が100mmである(円形ウエハを想定)。非円形状のウエハも検討され、これらは、概して、正方形あるいは丸いまたは角を落とした隅を有する正方形の形状で利用可能である。いずれの場合も、ホイール外周に装着されるウエハの最大半径が100mmである場合、リボンビームの半径方向の主要寸法は、100mmを超えなければならない。さらに、Hイオンがウエハ領域全体で均一にウエハに注入されることを確実にすることが望ましいので、10%未満である、ウエハ全体のドーズ量変動が存在することが好ましい。工程の効率を上げ、剥離層に対する損傷のリスクを最小限にするために、より大きい均一性も望ましい可能性がある。
100mmを超える主要断面寸法を有する、工程チャンバ10内のウエハ上に投影されるリボンビームを提供するために、イオン源16から抽出されるビームもまた、同等なサイズの主要寸法を有するリボンとして形成されることを確実にすることが都合が良い。
図7および8は、本明細書に説明されるイオン注入器のイオン源16を形成する場合がある、イオン源の実施形態を示す。図8は、図7のイオン源の断面図であり、イオン源のビーム軸に沿って、抽出されたリボンビームの平面内で切断されている。重要な点は、図1において、イオン源16から抽出されるビーム100は、紙の平面内にリボンとして形成されるので、図1の磁気フィルタ構造17は、このビームを実質的に直角まで、ここでも紙の平面内で、すなわち、リボンビーム平面内で、屈曲することである。そして、磁石フィルタ17から出現する、得られるリボンビーム101は、これで所望のHイオンのみを含有し、所望に応じてホイール14の回転軸に対して半径方向に整合される、その主要寸法を有する。
図7および8に図示されるイオン源の構造は、多くの点で、当業者には既知であろう。アークチャンバ102は、装着円筒103の一方の終端に装着され、つまり、絶縁ブッシング104の左側終端(図8において)に装着される。円筒形上の絶縁ブッシング104の右側終端は、円筒形要素105に接続され、デバイスの真空チャンバの一部を形成する。円筒形要素105は、その右側終端で、抽出電極107を移動可能に支持するための配置106を支持する。抽出電極107は、明確化のために図7においては明らかに「浮動」して図説される。円筒形要素105は、非強磁性金属から作製される場合がある第1の管状部を形成し、絶縁ブッシング104は、電気的に絶縁する第2の管状部を形成する。第1および第2の管状部は、終端と終端が接続され、アークチャンバ102は、該金属製の第1の管状部から遠隔にある第2の管状部の終端上に装着される。
動作中、アークチャンバ102の本体と、対立する陰極108との間にアーク電圧を印加することによって、低圧のアーク放電が、イオン源のアークチャンバ102内部に形成される。陰極108は、アークチャンバの本体に対してマイナスにバイアスされ、アークチャンバの内部に電子を放電し、次いでバイアス電圧によって加速されるように配置される。陰極108は典型的に、電子の熱放出を提供するように加熱され、加熱は、既知の技術に従い、直接または間接のいずれかの場合がある。
注入されることが所望される種の原子を含有する気体は、図8には示されない導管によって、アークチャンバ102に導入される。この実施形態において、この気体は水素である。陰極108によって発せられるエネルギー電子は、Hイオンを含有するプラズマを生成するように、水素気体の分子と相互作用する。
図8の右側の前面壁は、アークチャンバ102の線寸法に沿って延在し、該線寸法と整合される抽出スリット109を含有し、ここを通って所望のHイオンが、所望のイオンビームを形成するように、イオン源から抽出できる。陰極108は、該線寸法に沿って相互に面して位置付けられ、抽出スリット109の全長にわたって延在する、それらの間にプラズマ空間を提供する。イオン源を動作させるために、スリット109の外側のアークチャンバの前面に近似するように、結合部110を動作させることによって、図8の左側へ抽出電極107が移動される。アークチャンバ102の本体は、アークチャンバ102内部の抽出電極107とプラズマとの間に電場を提供するように、抽出電極107に対してプラスにバイアスされ、これによって、所望のイオンビームを形成するように、スリット109を通して、および電極107の対応するスリットを通して、アークチャンバから外へプラスイオンを導く。
重要な点は、この実施形態において、イオン源の抽出スリット109は、イオン源から抽出されるビームが、図8の紙の平面内で、少なくとも100mm、および注入されるウエハの全幅にわたって延在するに十分である主要寸法を有するリボンビームのような所望の形状を有するために、図8の紙の平面内で比較的長く、抽出電極107のスリット111(図7)の寸法に実質的に一致する。
説明された種類のイオン源が、抽出スリット109を含有する平面内のアークチャンバ102内部の該線寸法に沿って、図8のBで記された矢印の方向で、対立する陰極108の間に延在する磁場に印加することは通常の慣行である。電子は、磁場の磁束線周囲をらせん形に進むように強制されるので、アークチャンバ102内の磁場Bは、陰極108から加速されている電子を、2つの陰極間の線に沿った領域に限定する傾向がある。このように、所望のプラズマは、アークチャンバ102内でより効果的に生成され、また、磁場によって、チャンバの前面の抽出スリット109のすぐ前の、この線形領域に閉じ込める。
本実施形態において、アークチャンバ102内部の磁場Bは、円筒形要素105の外側かつ周囲に、アークチャンバ102を包囲して位置付けられる、1対の鞍型コイル112、113によって生成される。鞍型コイル112および113は、陰極108を結ぶ線に対して直交かつ二等分し、さらにアークチャンバ102の抽出スリット109に直交かつ二等分する平面の両側に対称に配置される。鞍型コイル112は、軸部分112cおよび112d(後者は図7では視認不可能)によって相互接続される、対立した半円部分112aおよび112bを備える。第2の鞍型コイル113は同様に、軸部分113cおよび113dによって相互接続される半円部分113aおよび113bを形成する。2つのコイル区分112、113は、図8の矢印Bの方向に整合されるアークチャンバ102にわたって均一磁場を生成するように、直列に接続される。重要な点は、鞍型コイルでは強磁性コアが使用されない点である。
この種の鞍型コイルの構造は、コイルによって包囲される空間内に磁場が均一なかなりの領域を提供することが知られている。重要な点は、鞍型コイル112、113によって生成される磁場は、磁場方向にかなりの距離にわたって均一であることができるので、アークチャンバ内の場は、対立した陰極108の間で、アークチャンバの全高にわたって非常に均一にできることである。図9は、抽出されたビームの中心線から距離D、すなわち、アークチャンバ102内部の陰極108の間の半分に対する磁場強度Bのグラフである。中心点での(ビーム軸上)125.6ガウスから、軸から75mm離れた距離での126.4ガウスまでの磁場変動が示され、1%未満の変動を成す。この非常に均一の磁場を抽出スリット109の全長にわたってアークチャンバ内に提供することによって、スリットの全長にわたっても均一のプラズマ条件を提供することができ、抽出されるリボンビームは、その主要寸法の全幅にわたって均一密度を有することができる。
より一般的には、抽出スリットの長さにわたって該線寸法に沿って5%未満の非均一性を有する磁束密度を有する、該磁場をアークチャンバ内に提供するには、磁場デバイスが要求される。
説明される実施形態において、円筒形要素105は、ステンレス鋼で作製され、磁場に対して透過性である。スリット109の長さは、その主要寸法のリボンビームを生成するように160mmの場合がある。イオン源は、円筒形要素105および抽出電極組み合わせの最終要素に対して100keVでバイアスされる場合があるので、源から磁気フィルタ17に向かって供給されるリボンビームは、100keVである。
良好な性能のためにアークチャンバ内に必要な磁場強度または磁束密度は、500ガウス以下の場合があり、実施形態においては、200から300ガウスの間の場合がある。開示される鞍型コイルを使用してそのような場を生成するために必要な電力は、約500ワットである。
本明細書において、プロセスホイール14上のウエハに到達するリボンビームは、ホイール14の回転の軸に対して半径方向に、注入されるウエハに対して均一なドーズ量を提供しなければならないことが前述された。シリコンの膜を剥離するためには、Hイオンは、例えば、5E16(5×1016/cm)のドーズ量で注入されなければならない。剥離のためのドーズ量および均一性に対する要件は、半導体デバイスの生産ほど厳密ではないが、破損なく良好な剥離実行を確実にするだけでなく、生産効率を最大限にするために、均一なドーズ量が望ましい。
プロセスホイール14上に装着されるウエハの異なる部分がリボンビームを通過する速度は、ホイールの回転軸からの半径距離(R)に比例することが理解されるであろう(図4を参照)。この結果、リボン(ホイールに対して放射状に延在する)の主要寸法にわたって完全に均一な密度を有するリボンビームを使用して、ウエハに注入されるドーズ量は、1/Rで変動する。これを補正するために、一実施形態においては、リボンビームは、Rに比例するリボンの主要寸法に沿って密度勾配を有するように修正される。実施形態において、これは、磁気フィルタ17の設計を適合させることによって実現される。
前述のように、この電磁石は、リボンの平面内でリボンビームを屈曲するように配置される。電磁石17は、源から直接所望の幅のリボンビームを受容し、実質的に同じ幅のリボンビームを供給するように設計されるが、その後の注入のために、加速器列18に向かってHイオンだけ(この実施形態において)を含有する。この機能性は、図10の模式図から確認できる。従来は、リボン形状のイオンビームは、デカルト座標x、y、zに画定され、xは、リボンビームの主要断面寸法、yは、ビームの副断面寸法、zは、ビームの方向である。図10において、xの所望の寸法のリボンビームは、イオン源120によって生成され、電磁石構造体17に入る。ビームは、x次元にわたって実質的に平行である。電磁石構造体の中で、リボンビームは、リボンの平面内で約90°まで屈曲され、イオン源から本来抽出されたビームと実質的に同じ幅(xにおいて)を有する平行なリボンビーム121として出現する。
電磁石構造体17は、y方向でリボンビームにわたって磁場の領域を提供する。磁場は、リボンのx方向にわたって全面的に均一である。当業者に既知であるように、そのような磁場を移動する荷電粒子は、運動量と荷電の関数(mv/e)である半径を有する曲線経路を示す。この一般的な種類の電磁石構造体は、イオンの所望の種を除く全てが注入用のウエハに到達することを防止するために、イオン源から抽出されるイオンビームをフィルタするように、イオン注入ツールで使用される。電子デバイスを生産するためにシリコン構造においてドーパントを注入する時、非常に類似のmv/e値を有する抽出されたビームにおいて、所望のドーパントイオンを他から区別するために、磁場に比較的高い分解能が必要とされる場合がある。そのような磁気フィルタにおいて、必要な質量分解能を提供するために、磁気フィルタの出射口で、狭い質量選択スリットが一般的に使用される。そして、磁気フィルタは、質量選択スリットが良好な分解能を提供するように位置付けできるフィルタの出射口で、磁石の屈曲平面内の焦点に、同じmv/eのイオンを効果的にもたらすように機能することが重要である。
比較すると、本実施形態の電磁石構造体17は、同じmv/eのイオンをx方向の焦点に移動させようとせず、実際にフィルタからの出射口上でリボンビームの全幅を維持する。これは、注入のための所望のイオンは典型的にHであるため、この実施形態の具体的な用途において、満足する質量選択を提供することができる。イオン源120から抽出されたビームにおける汚染イオンは全て、複数の水素イオンの質量である、はるかに高い質量を有するので、容易に区別することができる。事実、イオンビームの中の可能性が高い汚染は、電磁石構造体17によって偏向されることはほとんどない。
電磁石構造体17に対する課題は、注入のために提供されるビームから、ビームの他の水素イオン、具体的にはH 、および半分のエネルギーのHイオンを確実に排除することである。水素気体から形成されるイオン源120の中のプラズマは典型的に、HおよびH の両方のイオン(ならびにいくらかより大型の分子水素イオン)を含有する。Hイオンの2倍の質量を有するH イオンは、図10の破線122によって示されるような経路を辿る傾向がある。半分のエネルギーのHイオンは、イオン源120からの加速後、かつ電磁石構造体17に入る前または入っているときにH イオンの解離または分解によって生成される。これらの半分のエネルギーのイオンは、図10の破線123によって示されるような軌跡を辿る場合がある。
本実施形態の電磁石構造体17は、上記のように、所望されるHイオンよりも、(2)1/2倍以上、高いまたは低い、mv/eを有するイオンの間を基本的に区別するためだけに必要である。偏向電磁石は、リボンビームを保持し、リボンの平面内でビームを屈曲するように配置されるので、このレベルの分解能を確実にするように、相当量の全体的な屈曲が求められる。電磁石構造体17によってリボンビームに加えられる全体的な屈曲は、少なくとも75°でなければならず、本実施形態においては90°である。屈曲が小さくなると、電磁石構造体から出て、加速器列18に入る間にビームのためにより長い移動経路が必要となる。
ここで図11を参照すると、これは、電磁石構造体17の中の均一磁場の形状、およびリボンビームに対するその効果を模式的に表す。均一磁場の単一領域125は、リボンビーム127の入射口で線形縁126を有して示され、入力ビーム方向に対して45°に配置される。磁場領域は、入射口縁126に平行である、出射口縁128を有する。中央の入射ビームレット129が、磁場領域125の中で90°まで屈曲するように、領域125内の磁場強度が、入射ビームの所望のイオンのmv/e値に対して設定される場合、出射口縁128もまた、出射ビーム130に対して45°の角度を形成する。所望のmv/e値を有するビームイオンは、半径rを有する均一磁場領域125内部の環状経路を辿り、ビームのx次元(上記に定義されるように)において、リボンビームは、出口でも入口と同じ主要寸法を有し、入射口ビーム127のビームレットがxz平面の中で平行であると想定したとき、出射口ビーム130のリボン全体のビームレットは平行(xz平面内)であることが確認できる。また、x方向にわたるビームの密度分布は不変であることも重要である。
入射口磁場縁126の法線が、入射ビームに対して角度α(図11に示されるような45°ではなく)である場合、幅2dの入射リボンビームは、幅2d tan αを有する出射口縁128で、電磁石から出現する。例えば、入射口縁126が55°である場合、リボンの幅は、出射口で、42%拡大する。
図12は、凸面状屈曲を有する入射口縁126を形成する効果、図12の破線を示す。縁126が入射ビームの中央ビームレット129に対して依然として45°である場合、このビームは、入射口縁126の湾曲によって影響を受けない、出射口縁128を通って出現する。しかしながら、半径方向に内側のビームレット130は、量Δxだけ中央のビームレット129に向かって変位された縁128から出現し、半径方向に外側のビームレット131は、ほぼ同様な量のΔxだけ中央のビームレットから遠ざかって変位された縁128に出現する。これは、図12において、出力ビーム132の破線によって示される。出射口磁場縁128での内側および外側のビームレット130および131のわずかな変位を除けば、これらのビームレットの方向は、中央のビームレット129に対して小さい角度である。事実、内側および外側のビームレット130および131の各々は、中央のビームレット129に比較して、均一磁場領域125内でわずかにより短い距離を移動しているので、これらは90°よりわずかに小さく屈曲されることが確認できる。図13に示されるように、凸状の湾曲が出射面磁場縁128に適用される場合、内側および外側のビームレット130および131の出現角度のこの偏差を修正することができるので、出現するリボンビームのビームレットは再び平行である。しかしながら、半径方向に内側のビームレット130の中央のビームレット129に向かう変位、ならびに半径方向に外側のビームレット131の中央のビームレット129から遠ざかる変位はそのまま存在する。磁場領域125を通過するリボンビームの中のビームレットのこの変位の効果は、電磁石から出るリボンビームのx方向にわたってビーム密度の変動を適用することであり得る。図13から、出現ビーム130の中央線の左側のビームレットは、図13ではわずかに圧縮され、中央ビームの右側のビームレットはわずかに拡大する(ビームのx方向に)ので、リボンビームの内側の左側縁上のビーム密度は、出現ビームの右側縁でのビーム密度に比較して増加することが確認できる。
入力リボン軸に平行に、横方向位置xで源から出る光線は、画像空間の位置xに到達する。入射口極縁126の法線が入力ビーム方向に対し角度αで、平行な入射口および出射口極縁126および128を有する単純な屈曲の場合、xはxに比例する。ほぼ、x=x tan αである。図11に示されるように、α=45度の場合、x=xである。αの値に関わらず、密度は、xの関数として一定で、すなわち、
式中、数量dNは、空間距離dxに入る粒子の数を意味する。
屈曲磁場の調整が、画像空間の光線を新しい場所に移動させる場合、
新しい密度は、
新しい密度分布が、出力リボンビームの中央軸に平行であるが、量Rだけ変位された軸の周囲で回転するターゲット基板を補正する場合、必然的に、
数式3および4を組み合わせると、簡単な微分方程式が得られる。
境界条件
を適用すると、x=0の場合、以下が得られる。
の二次方程式の解は、
x<<Rの場合、次のように、xの指数で解を展開することが有益である。
したがって、その未調整の位置xからの光線の変位Δxは、
相対的変位
は、ほぼ
の平方根として変動する。円形状の磁場縁湾曲は、
の平方根に依存する、相対的な光線の位置
に対する調整を生じるため、半径方向の密度修正を提供する際に有効である。
図11は、実線の線形縁126および128を有するとして均一磁場領域を示すが、事実、これらの縁には漏れ磁場が存在する。均一磁場領域125は、極の間を通過するビームの小次元(y)に対応するように、それらの間に間隔を有してリボンビームの上方および下方に位置付けられる、対応して形状が決定される磁極によって形成されるであろう。磁極部品の入射口縁および出射口縁で、漏れ磁場は、x方向に、2つの極の間の中央平面の上方および下方に磁場成分を有し、これらの縁を成す領域の中の磁場のx成分の比率は、磁場領域に入る(または出る)ビームと、極縁の法線との間の角度αに依存することが確認できる。
電磁石の中央の対称平面の上方または下方の均一磁場領域に入るビーム粒子は、湾曲された漏れ磁力線を通過する際に、y方向に磁力を経験する。図13を参照すると、均一磁場縁の法線に対するビームの入射角は、αで、出射角はαである。それぞれの事例でαが正の値の場合、漏れ磁場を通過する粒子にかかる磁力は、集中している、すなわち、中央平面に向かう方向で粒子に作用している。この現象は、H.A.Enge(Focusing of Charged Particles,Vol II,Ed.A.Septier,Academic Press,1962,p215)によって定量的に説明される。漏れ磁場に関連するイオンの光焦点距離は、以下の式によって与えられ、
式中、rは、均一磁場の粒子の屈曲半径で、αは、図13に示されるように、入力(および出力)ビーム方向に対する回転である。電磁石の入射口磁場縁の前方、距離pでビームの中央平面から発散する粒子の場合、yの焦点効果によって、粒子はその後、磁場の出射口縁からいくらかの距離qで、中央平面を横断することになる。距離pおよびqは図11に示される。入力磁場縁の前方、距離pにある入力ビームの位置は、粒子が中央平面から発散を開始する位置にある可視光線物体として考えることができる。距離qは、出射口縁から、入力線物体の共役像までの距離として考えることができる。
図11に示されるように、αおよびαの両方が45°である90°の屈曲の場合、q/r対p/rのグラフは図14に示される。図14の縦方向の線は、源が電磁石の前約2rの距離に位置付けられる典型的な配列の場合、リボンビームの半径方向に最も内側(電磁石の屈曲半径rに対して)、中央、および半径方向に最も外側のビームレットに対する物体距離に対して左から右に対応する。これらの3つのビームレットに対する画像距離(q/r)は極めて異なり、源の画像または入力ビーム127の物体線136を表す出射リボンビームにわたる線135になることに(図11に示されるように)注意されたい。確認できるように、この画像線135は、出射ビーム130の方向に対して大きく歪曲される。
そのような大きく回転されたy画像平面は、出射ビーム130には望ましくなく、ビーム粒子は、いくらかの距離を移動し、また、ターゲット基板に到達する前に加速器を通過することが必要である。
出射ビーム130の中のy画像135の角度は、均一磁場領域の入射口縁および/または出射口縁126、128の形状を変化させることによって、変更することができる。しかしながら、上記のように、ビーム幅にわたって所望の密度変動、およびy画像角度に対する所望の修正の両方を、単一の入射口縁126および出射口縁128だけで、取得することは可能ではない。
図10を再び参照すると、電磁石構造体17は、2つの極対140および141に分離される。電磁石構造体17の構造は、図15および16から最もよく理解できる。
図15は、図10の線142に沿って、しかし図10の紙の平面をやや超えた位置から、切断された電磁石構造体を単純化した斜視図である。図16は、図10の矢印143の方向に沿って、ここでも紙の平面をやや超えて切断された図である。図16において、電磁石組立部の上半分は、構造の下半分の極面の明確な視野を提供するために除かれている。電磁石組立部は、第1の対の対立した磁極部品140aおよび140bを備える。磁極部品140aおよび140bは、相互に対応する形状の極面を表し、それらの間の間隔は、リボンビームのy次元に対応するに十分である。特に図16を参照すると、磁極部品140aおよび140bの面は、凸形状の入射口縁の輪郭145、および凹形状の出射口縁の輪郭146を提示する。電磁石構造体17はさらに、第2の対の対立した磁極部品141aおよび141bを有する。これらの第2の磁極部品もまた、リボンビームに対応するように、y方向に類似の間隔を提供するよう、対応して形状が決定される。第2の磁極部品141aおよび141bの面は、凸形状の入射口縁の輪郭147および凹形状の出射口縁の輪郭148を提示する。
電磁石構造体は、対立する磁極部品上の巻線150、151によって励磁され、磁極は、鉄製のヨーク構造152によって磁気的に相互接続される。重要な点は、巻線150,151は、それぞれ対の磁極部品140a、140bおよび141a、141bの間の磁場が、リボンビームを同じ方向に屈曲するように同じ極性を有することを確実にするように配置されることである。磁極部品140aおよび141aの両方は、共通の巻線150によって包含される場合があり、磁極部品140bおよび141bは、共通の巻線151によって包含される場合がある。しかしながら、それぞれ対の磁極部品140a、140b、141a、141bの間の磁場強度を独立的に制御することが所望される場合、個別の巻線が、共通の巻線に加えて、またはその代わりのいずれかで、各個別の磁極部品上に提供される場合がある。個別の巻線はまた、2つの磁極の間の領域の残留磁場を最小限にする。
2つの組の磁極部品を提供し、リボンビームに合計で4つの均一磁場縁の輪郭を提示することによって、出射リボンビームのx方向における密度分散、およびさらに出射ビーム130全体で所望の垂直方向に向かって、これをもたらすy角度の画像平面の修正両方の制御を同時に取得するための、追加の自由度が提供される。
実際には、第2の対の極141a、141bは、いくらかのy焦点のぼけがリボンビームの半径方向に外側のビームレットに加えられるように、均一磁場領域に湾曲縁を提供するように配置される。y方向の焦点のぼけは、入射口縁に到達しているビームレットと、その点での縁の法線との間の角度が負(図13に示される角度αおよびαは、正と考えられる)である場合に発生する。
図15および16の電磁石構造体を用いて、合計で90°のビーム屈曲が取得され、第1の60°の屈曲の後に、第2の30°の屈曲が続く。2つの極の対140a、140b、141a、141bの極縁形状は、ビームを通過するウエハの1/R速度変動を修正する所望の半径密度変動を同時に達成し、加速器スタック18の入射口での規定の場所にあり、リボンビーム方向に実質的に垂直である、電磁石構造体からの出射ビームの中の源スリットの共役像線を生成するように調整される。このように、電磁石構造体は、加速器スタック18のy焦点平面に近接して源線の画像の焦点を合わせることができる(図1を参照)。
電磁石構造体の極縁に対する正しい形状を決定するために、極縁は、四次の多項式(例えば)、または三次スプラインとして説明でき、次いで、例えば、Donald A.Pierce(Optimization Theory With Applications,Doves Publications,Inc.,1986、pp274〜322)によって説明される三次収束方法等の標準の数理最適化技法によって、多項式またはスプライン係数を決定する。
要約すると、電磁石構造体17は、次の機能性を提供することを目的とする。
a) 少なくとも100mmの主要断面寸法のリボンビームに対応し、リボンビームをリボンの平面の中で屈曲すること。
b) 所望のイオンよりも、(2)1/2倍以上、高いまたは低いmv/e値を有するイオンを、所望のビームイオンから、空間的に分解するように、ビームに対して十分な全体的屈曲を提供すること。一実施形態において、この分解能は、電磁石構造体の到達範囲、すなわち、電磁石の出射口開口板によって達成される。しかしながら、不要なイオンがターゲットの基板に到達することを回避するために、加速器スタックの出射口開口部の前でこの分解能が達成されることが重要である。
c) 電磁石構造体の磁極部品は、均一磁場領域の縁に、領域を提供するように形状が決定され、これらは、ホイール軸からの半径距離Rを用いてウエハ速度の依存性に対して注入ホイール上のウエハでドーズ量補正を提供するよう、x方向に、出射リボンビームの密度を調整するように形状が決定される。
d) 上記のc)と同時に、電磁石構造体内の漏れ磁場特性は、ビームに対して実質的に垂直である出射ビームに対して横方向の平面内のy方向に、加速器スタック18の入力物体焦点に近接した場所で、出射ビームが焦点を合わせるように適合される。
上述のように、これらの目的は、リボンビームの平面にわたって同一の極性の均一磁場を提供し、所望の密度変動およびy焦点効果を提供するように湾曲されるそれぞれの入射口極縁および出射口極縁を有する電磁石構造体の中に2対の極を提供することによって、達成することができる。2つの組の極が開示されたが、同様な目的は、3つ以上の組の極を用いて、または入射口極縁と出射口極縁との間の領域に埋め込み極面を有する単一の極セットによって、実現することができる。
多様な実施形態は、明確性および完全性のために提供された。本発明の他の実施形態は、本明細書によって情報が提供される時、当業者には明らかであろう。注入の詳細方法および実装のためのシステムは本明細書に説明されるが、結果が本発明の範囲内に収まる限り、任意の他の方法およびシステムを使用することができる。
前述の詳細説明は、本発明がとることができる多数の形態のうちのいくつかのみを説明した。この理由のため、この詳細説明は、説明の目的のためであって、限定の目的を意図しない。本発明の範囲を画定することを目的とするのは、全ての均等物を含む、以下の請求項のみである。

Claims (16)

  1. 平面状のワークピースであって、各々が前記ワークピースの平面内に最小幅(a)を有するワークピースに、イオンを注入するためのイオン注入装置であって、
    真空チャンバと、
    動作中、50mA以上のビーム電流および200keV以上のビームエネルギーを有する、注入のためのイオンのビームを形成するように前記真空チャンバの中に配置されるイオンビーム発生器であって、前記ビームは、注入場所に方向付けられている、イオンビーム発生器と、
    前記真空チャンバにおいて軸の周囲を回転するために装着されるワークピース支持ホイールとを備え、
    前記ワークピース支持ホイールは、前記ワークピース支持ホイールの外周の周囲に共通半径で位置付けられる複数のワークピース支持体を有し、それによって、前記ワークピース支持ホイールが回転すると、前記ワークピース支持体上のワークピースが、前記ワークピース支持ホイール外周によって画定される円形走査経路に沿って前記注入場所を連続して通過し、
    前記ワークピース支持ホイールは、前記外周で50×a以上である円周を有し、50以上の前記ワークピース支持体を有し、
    前記ワークピース支持ホイールは、前記軸の周囲で回転するために装着されるハブを有し、
    前記ワークピース支持体を提供する連続外周アニュラスと、
    前記軸に垂直なホイールの平面内の前記ハブを中心とした、前記アニュラスのための支持を提供する複数のスポークと、をさらに備え、
    前記スポークは各々、前記アニュラスの周囲に円周方向の圧迫を加え、前記アニュラスのための前記支持を提供するように、前記ハブと前記アニュラスとの間で引張状態にあるイオン注入装置。
  2. 前記イオンビーム発生器は、Hイオンを含有する前記ビームを形成する、請求項1に記載のイオン注入装置。
  3. 前記ワークピース支持体は、その上の前記ワークピースのためにそれぞれのヒートシンクを提供するように配置され、前記支持ホイールは、前記ヒートシンクを冷却するための冷却流体を供給する冷却流体流路を含む、請求項1に記載のイオン注入装置。
  4. 各前記それぞれのヒートシンクから、少なくとも200Wのレートで熱を除去するために、前記冷却流体流路に冷却流体を供給するように接続される冷却システムを含む、請求項3に記載のイオン注入装置。
  5. 前記スポークのうちの少なくともいくつかは、前記ハブと前記アニュラスとの間で軸方向の剛性を提供するように、前記ホイールの平面に対して角度を成す線に沿って引張される、請求項に記載のイオン注入装置。
  6. 各スポークは、前記ハブと前記アニュラスとの間で前記スポークの長さを調整するための張力調整器を有する、請求項に記載のイオン注入装置。
  7. 前記ワークピース支持体は、その上のワークピースのためにそれぞれのヒートシンクを提供するように配置され、前記スポークのうちの少なくともいくつかは、前記ヒートシンクを冷却するために、前記ハブと前記外周アニュラスとの間で冷却流体を運搬するように管状である、請求項に記載のイオン注入装置。
  8. 複数の平面状ワークピースにイオンを注入するイオン注入工程を実施するためのイオン注入装置であって、
    真空チャンバと、
    前記注入工程の間、注入するためのイオンのビームを形成するように前記真空チャンバ内に配置されるイオンビーム発生器であって、前記ビームは、注入場所に方向付けられている、イオンビーム発生器と、
    前記真空チャンバにおいて軸の周囲で回転するために装着されるワークピース支持ホイールであって、前記支持ホイールは、前記ホイールの外周の周囲に位置付けられる複数のワークピース支持体を有し、それによって、前記ホイールを回転すると、前記支持体上のワークピースは前記注入場所を連続して通過し、前記ワークピース支持ホイールは、前記軸の周囲で回転するために装着されるハブと、前記ワークピース支持体を提供する連続外周アニュラスと、前記軸に対して垂直なホイールの平面内で前記ハブを中心とした前記アニュラスのために支持を提供する複数のスポークとを有し、前記スポークは各々、前記アニュラスの周囲に円周方向の圧迫を加え、前記アニュラスのための前記支持を提供するように、前記ハブと前記アニュラスとの間で引張状態にある、ワークピース支持ホイールとを備える、イオン注入装置。
  9. 前記スポークのうちの少なくともいくつかは、前記ハブと前記アニュラスとの間で軸方向の剛性を提供するように、前記ホイールの平面に対して角度を成す線に沿って引張される、請求項に記載のイオン注入装置。
  10. 各スポークは、前記ハブと前記アニュラスとの間で前記スポークの長さを調整するための張力調整器を有する、請求項に記載のイオン注入装置。
  11. 前記スポークのうちの少なくともいくつかは、前記ハブと前記外周アニュラスとの間で冷却流体を運搬するように管状である、請求項に記載のイオン注入装置。
  12. 平面状の単結晶ワークピースから半導体材料の薄膜を剥離するためのイオン注入方法であって、
    50mA以上のビーム電流を有する前記イオンのビームを使用して、200keV以上の注入エネルギーで前記ワークピースの表面に均一に低質量イオンを注入するステップを含み、
    少なくとも50の前記ワークピースが、ワークピース支持ホイールの外周の周囲に共通の半径で装着され、前記ワークピース支持ホイールは、前記平面状のワークピースの最小幅の少なくとも50倍の円周を前記外周に有し、
    前記ワークピース支持ホイールは、前記ワークピースが前記イオンの前記ビームを円形走査経路で連続して通過するように回転し、
    前記ワークピースは、連続外周アニュラスの周囲に装着され、前記連続アニュラスは、前記アニュラスの周囲に円周方向の圧迫を生じるように、前記アニュラスを前記ハブに接続するスポークに引張を加えることによって、前記ワークピース支持ホイールを形成するホイールハブ上で支持される、方法。
  13. イオンが注入される、請求項12に記載の方法。
  14. 前記ワークピースは各々、少なくとも200Wのレートで注入中に冷却される、請求項12に記載の方法。
  15. 前記スポークのうちの少なくともいくつかは、前記ハブと前記アニュラスとの間で軸方向の剛性を提供するように、前記支持ホイールの平面に対して角度を成す線に沿って前記ハブと前記アニュラスとの間で引張される、請求項12に記載の方法。
  16. 前記スポークのうちの少なくともいくつかは、管として形成され、前記ワークピースを冷却するために、冷却流体が、前記管状のスポークに沿って前記ハブと前記アニュラスとの間を通る、請求項12に記載の方法。
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