JPH0578841A - イオン打込装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】イオン打込装置の回転円板制御において、回転
軸に直接モータとエンコーダを取付けたことにより、専
用の原点検出センサを使用せずとも回転円板の位置決め
動作を容易に出来、駆動伝達時のバックラッシュ誤差の
低減や停止精度の向上を目的とする。 【構成】回転円板２はＤＤモータ，エンコーダの付いた
ターンテーブルの全面に取り付けられている。ＤＤモー
タはロータ３，ステータ４に分かれており、ロータはタ
ーンテーブルに固定されており、ステータはメインフラ
ンジに固定されている。ターンテーブルを取り付けた回
転軸１に固定されたＤＤモータとエンコーダは、ＤＤモ
ータの制御用フィードバック信号の１つで１回転に１回
しかエンコーダより検出されない信号を使用し、回転円
板の位置決め動作をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はウェハ交換時の位置決め
動作時に専用のセンサーを使用せずモータのフィードバ
ック信号を使用するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のイオン打込装置は、ウェハを装着
した回転円板を回転させる為の構成として、一般的に回
転円板の軸とモータの軸を個別に持ちそれぞれの軸に歯
車付プーリを取付けタイミングベルトによるベルト駆動
方式が取られている。その理由として回転円板上のウェ
ハ表面に照射するイオンビームの物理量を計測し、ウェ
ハ単位面積当たりのイオンの数（以下ドーズ量と称す）
を制御することが半導体製造上不可欠であり、そのドー
ズ量を計測する手段としてイオンビーム電流を計測する
方法が取られている。

【０００３】ドーズ量Ｄとビーム電流ｉの関係式は、ス
キャン回数Ｎ，送り定数Ａ，原子価Ｚより数１の通りに
なる。

【０００４】

【数１】

【０００５】数１のビーム電流ｉを計測するのに回転し
ているウェハから直接計測するのはむずかしく、回転円
板に流れる電流を計測するのが最良の方法となってい
る。この為には回転円板を筐体等の金属構造体より電気
的に絶縁しておく必要があり、絶縁状態での回転駆動伝
達にはベルトが使用されていた。又、イオンビームのウ
ェハ表面に照射されたエネルギーは熱エネルギーに変換
され、ウェハの温度上昇につながる。この温度上昇も半
導体製造プロセス上問題であり、一定温度以下にする為
冷却する必要があり真空中のウェハを冷却する手段とし
て、回転円板の内面に水を通す手法が取られており回転
円板軸に穴をあけ入水口と出水口を設けている。この為
回転円板軸の軸径が大きくなり、モータ軸径と太さがあ
わず直接軸を接続できず、歯車プーリを使用したベルト
駆動となっていた。

【０００６】一方ウェハ交換においては、回転円板の円
周上の一ヶ所にウェハ交換位置を設け、ウェハ交換機構
を備えている。この場所と回転円板上のウェハ位置が一
定の関係となるよう回転円板の位置決めを行う必要があ
る。その手段として回転円板上に回転円板の円周上の一
点を検出するセンサを取付け、センサの検出点とウェハ
のウェハ交換位置が一定角度の関係となるようセンサを
調整する事により、回転円板の原点が決定される。次に
回転円板を瞬時停止可能な一定速度で回転させ、センサ
が原点を検出した所で停止させる。その後一定角度毎回
転させ順次ウェハ交換を行う。この時ウェハ１枚毎のモ
ータの回転角度θは、回転円板上のウェハ枚数をＮ，回
転円板軸のギア比をｍ１，モータ軸のギア比をｍ２とし
た時の関係式は数２となる。

【０００７】

【数２】

【０００８】近年、ウェハの大型化，処理能力向上等の
市場の要求から、イオンビーム量、つまりイオンビーム
電流を増大したり、回転円板を大型化し１回の処理枚数
を増やす傾向にあり、モータの慣性負荷が大きくなって
いる。更には、イオンビーム量の変動等の影響によるド
ーズ量の均一誤差を少なくする為、単位時間当たりに同
一ウェハがイオンビームをよぎる回数を増やす方向にあ
り、回転円板の回転数を上げる必要が生じてくる。これ
らに対して、ウェハ交換時の動作は、回転円板の大型化
により回転円板軸中心からウェハ中心位置までの回転半
径は大きくなりウェハ交換位置での停止精度は停止誤差
角が一定の場合増大する事になり、停止精度を向上させ
る必要性が生じる。このとき回転円板軸中心からウェハ
中心までをｒ，回転円板の停止誤差角をθ′とした時、
ウェハ中心での回転円板の円弧方向の誤差Ａは数３とな
る。

【０００９】

【数３】

【００１０】しかしながら歯車プーリとタイミングベル
トによる駆動伝達方式では、歯車プーリとベルト間のす
きまから生じるいわゆるバックラッシュ誤差，タイミン
グベルトの張力とたわみによる伝達遅れから生じる停止
時の振動から停止時間がかかり、ウェハ交換動作に問題
があった。

【００１１】本発明は、ウェハを装着する回転円板の回
転軸上にＤＤモータとエンコーダを配置し、イオンビー
ムの注入とウェハ交換時の回転円板の位置決め動作を備
えるイオン打込装置に関するものである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように前記従来技
術は回転円板軸とモータ軸を個別に持っており、ウェハ
交換動作時の位置決めには回転円板軸上にウェハ位置を
検出するため少なくとも一つの位置検出センサを具備す
る必要があった。また、回転円板軸上に直接モータを取
付ること及び、モータの制御用フィードバック信号であ
るエンコーダの信号の変化をとらえ、そこからの相対移
動によりウェハ交換のための回転円板の位置決めを行う
ことについては配慮されていなかった。

【００１３】本発明は上記従来技術の欠点を解決する
為、回転円板軸上に直接モータとエンコーダを取付け、
回転円板軸上を介してウェハ冷却用冷却水の入水，出水
を行い、イオンビームの電流計測も支障なく行え、更に
はウェハ交換時の回転円板位置決め動作に専用の原点検
出センサーを使用せず、モータの制御用フィードバック
信号の一信号を使用して実現したことである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的は、ウェハを装
着する回転円板の回転軸にその軸方向に穴を設け、ウェ
ハ冷却用冷却水の送水パイプを前記回転軸内を通す。
又、送水パイプと穴の間に冷却後の水を引き出すよう回
転円板と回転軸を構成する。次に、中空型ＤＤモータと
エンコーダを前記回転軸に取付ける。中空型のＤＤモー
タは、回転円板の回転軸外周上で固定される回転体であ
るロータと、ロータ外周に磁場変化を与えてロータを回
転させるステータより構成しており、ロータとステータ
は電気的に絶縁状態にある。又、エンコーダは回転軸に
取付けられた円形ガラス材の円周上に規則的に描かれた
二値化模様を回転外周固定部に取付けられた三対の光学
式センサにより回転角移動量，回転方向，回転原点を検
出する構成となっており、回転円板とは絶縁状態にあ
る。このように回転円板及び回転軸を回転軸上で電気的
絶縁された軸受を取付けた外部金属構造体から電気的絶
縁状態で回転駆動し、更にその位置を検出することによ
り達成される。

【００１５】

【作用】すなわち、ウェハを装着した回転円板及び回転
軸が筐体等の外部金属構造体から電気的絶縁状態とし、
前記回転軸より引出した電気信号線よりアース電位に流
れる電流計測を行うことにより、ウェハに照射されたイ
オンビーム電流は計測される。これよりウェハ表面に注
入するドーズ量が正常に制御することができる。この時
回転円板を駆動するＤＤモータ及び回転制御用のエンコ
ーダが回転軸より電気的に絶縁されているのは、前記の
とおりである。

【００１６】更に、ウェハの冷却水による冷却について
も同様に前記のとおりであり、問題がない。

【００１７】

【実施例】以下本発明の一実施例を図１，図２，図３，
図４により説明する。

【００１８】図１は、本発明の回転円板部の機構構成図
である。図において１は回転軸、２は回転円板、３はＤ
Ｄモータのロータ、４はＤＤモータのステータ、５は光
学式エンコーダの円周上に二値化模様を施したガラス円
板、６は光学式エンコーダの光学センサ、７は回転軸を
受ける絶縁リング、８はウェハ冷却用冷却水を通す送水
パイプ、９は真空中の回転円板と大気中のＤＤモータと
を遮蔽する金属構造体、１０は回転円板上の送水パイプ
９を固定軸方向に引き出す水カプラ、１１は水カプラに
取り付けられたイオンビーム電流計測用の引出線であ
る。

【００１９】回転円板２は回転軸１に取り付けられ、絶
縁リング７に支持され、金属構造体に取り付けられる。
回転軸１にはロータ３が取り付けられ、金属構造体に支
持され、取り付けられたＤＤモータのステータ４により
ロータ外周上に磁場変化を与え、ロータ３を回転させ
る。更に回転軸１には二値化模様を施したガラス円板５
が取り付けられ、金属構造体９より支持された三対の光
学式センサ７により、回転軸１つまり回転円板の回転移
動量，回転方向，回転原点を検出するよう動作する。

【００２０】又、回転軸１にはその軸方向に穴があけら
れており、その中を送水パイプ８が取り付けられ、回転
円板内に接続されている。この送水パイプより冷却用冷
却水が送られ、回転円板内に入り、回転円板表面に装着
されたウェハを冷却する。

【００２１】ウェハを冷却した冷却水は、回転軸１の穴
と送水パイプ８の間を通して出水される。送水パイプ８
と回転軸１には水カプラ１０が取り付けられ、固定軸上
の冷却水の入水・取水を回転軸上に交換する。水カプラ
１０には回転円板上のウェハに注入されたドーズ量を計
測するためのイオンビーム電流計測用の引出線が取り付
けられている。

【００２２】このようにして、ウェハを装着した回転円
板２は金属構造体９より電気的に絶縁された状態で回転
することが出来ると共に、ウェハ位置検出が可能な構成
と成っており、更に冷却水によるウェハ冷却，イオンビ
ーム電流計測が行なわれる。図２は、本発明の制御系統
図を表すものである。

【００２３】図２において１２は回転円板２の回転制御
を行なうＭＰＵ（マイクロプロセシングユニット）、１
３は指令パルスを出力するパルス発生部、１４は回転円
板２の移動量を検出するエンコーダ、１５はエンコーダ
の出力値を計測するパルスカウンタ、１６はパルス発生
部１３より出力される指令パルスと、エンコーダ１５か
らの回転円板２の移動パルスの偏差量を計測する偏差カ
ウンタ、１７は偏差カウンタ１６の偏差量をアナログ値
に変換するＤ／Ａコンバータ、１８はＤ／Ａコンバータ
１７のアナログ出力値によりＤＤモータを回転駆動させ
るモータドライバ、１９はモータドライバ１８の駆動信
号により回転円板を駆動するＤＤモータである。この制
御系統図における回転円板の回転動作は、ＭＰＵ１２が
パルス発生部１３を制御して指令パルスを出力する。こ
の指令パルスは偏差カウンタ１６に入力され偏差量が変
化する。もしエンコーダからの移動量パルスが入力され
なければ偏差量が増大する。偏差量は、Ｄ／Ａコンバー
タ１７に入力され偏差量に比例してアナログ出力され、
このアナログ量に応じてＤＤモータドライバ１８よりＤ
Ｄモータ１９に駆動信号が出力される。この結果ＤＤモ
ータ１９は回転しエンコーダ１４より移動パルスとな
り、前記偏差カウンタ１６の偏差量を減少させる。指令
パルスが一定であれば、移動パルスが一定になったとき
偏差カウンタが一定量となり平衡状態となる。このよう
に指令パルスの周波数に対応した回転数となり、回転円
板の回転数Ｖrpm は指令パルス周波数Ｖ_HZと、エンコー
ダの１回転当たりのパルス数ｎの関係式は数４と成る。

【００２４】

【数４】

【００２５】更に、パルス発生部１３より出力した指令
パルス数は偏差カウンタに偏差量としてカウントされそ
の結果、回転円板が回転動作してエンコーダ１４より移
動パルスとして偏差カウンタに戻ることから、指令パル
ス数と移動パルス数と結果的に残った偏差カウンタの残
りの偏差量の和は等しいこととなり、偏差カウンタがゼ
ロであれば指令パルス数と移動パルス数は等しい。従っ
て、指令パルス数により回転円板の回転角は制御するこ
とが出来、回転角度θと指令パルス数Ｎとの関係式は数
５と成る。

【００２６】

【数５】

【００２７】図３は、本発明の一実施例における回転円
板のイオン注入時の定速回転動作を説明するものであ
る。図中縦軸方向は回転円板の回転数を、横軸方向は時
間を表す。回転円板はその構造上、大型化にともなう慣
性負荷が増大しており、一定速度への起動・停止を瞬時
に行なうことはできず、起動・停止時ＤＤモータの立上
げ・立下げを行なう。これは図２においてＭＰＵ１２、
及びパルス発生部１３により制御するもので、立ち上げ
・立ち下げ時間を共にｔ，定低速速度Ｖ数４より単位時
間当たりの指令パルスの周波数変化Δｆは数６となる。

【００２８】

【数６】

【００２９】図４は、本発明の一実施例における回転円
板のウェハ交換時の回転角制御動作を説明するものであ
る。図中、各軸方向は図３と同一である。

【００３０】ウェハ交換動作では、回転円板を回転円周
上の一点に他数枚のウェハを装着しているウェハの中心
を順次位置決めをする必要。その動作として、図２にお
いてＭＰＵ１２は、パルスカウンタ１５にエンコーダ１
４の１回転当たり１パルス出力するＺ相の変化点より第
１枚目のウェハ装着点までの回転角度、つまりエンコー
ダのパルス数を設定する。この値は前もってＺ相の変化
点とウェハの位相角を調整時に測定して、ＭＰＵ１２に
入力しておくことにより認識する。

【００３１】次にパルス発生部１３より一定速度に立上
げ、一定速度で回転円板を回転させる。すると回転円板
２が１回転いないにエンコーダ１４よりＺ相が変化す
る。この変化時よりパルスカウンタ１５が、エンコーダ
１４の移動パルスにより減算開始すると同時に、パルス
発生部は一定回転動作から立下げ動作に入り、最終的に
は瞬時停止可能な速度まで減速する。パルスカウンタ１
５は移動パルスにより減数されゼロカウントと成ったと
き、パルス発生部１３を停止する。従って回転円板はＺ
層の変化点よりパルスカウンタ１５に設定したパルス量
に等しい移動パルス量の所で停止することになり、第１
枚目のウェハがウェハ交換位置で位置決めされる。この
時の回転円板の回転速度の動作は図４の通りである。

【００３２】次に、２枚目以降の動作を説明する。

【００３３】２枚目以降は一定の回転角度を移動するも
ので図２において、ＭＰＵ１２がパルスカウンタ１５に
回転円板の回転立上げから減速点までの移動パルス量ｎ
１及び減速点から停止点までの移動パルス量ｎ２を設定
する。この時のｎ１とｎ２の和は回転円板の回転角移動
量と等しくなるように設定する。この時の動作は図４に
示すように回転円板は、ｎ１を設定したパルスカウンタ
をエンコーダの移動パルスにより減数しながら一定速度
まで立上げその後一定速度で回転する。このパルスカウ
ンタがゼロと成った時点で回転速度を立下げ動作に入る
と同時にｎ２をセットしたパルスカウンタが減数を開始
する。その後ｎ２をセットしたカウント値がゼロに成っ
たとき指令パルスを停止する事により、回転円板がｎ１
＋ｎ２の移動パルス数の回転をしたことになる。その
後、順次同一動作を繰り返す。

【００３４】

【発明の効果】ウェハを装着する回転円板の回転軸上に
ＤＤモータとエンコーダを取り付けたことによりベルト
駆動時のバックラッシュや駆動伝達遅れが無くなり、ウ
ェハ交換動作時の停止精度向上及び動作時間が短縮さ
れ、ウェハ交換位置決め用のセンサを設けることなく回
転円板の位置決めが出来るなど、構造が簡単で安価であ
る上、ベルト切れなどが無く信頼性・保守性が高く、回
転円板のウェハ交換位置調整が位置決めを行なうエンコ
ーダのＺ相変化点とウェハ位置の相対角度で行うため、
その数値を制御部に入力すれば良いことから設定データ
を変更するだけで良く、組立・調整コストが安価になる
などの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】回転円板の機構構成図である。

【図２】回転円板の制御系統図である。

【図３】回転円板の定速回転動作を示す図である。

【図４】回転円板のウェハ交換動作を示す図である。

【符号の説明】

１…回転軸、２…回転円板、３…ＤＤモータのロータ、
４…ＤＤモータのステータ、５…インクリメントエンコ
ーダ・スリット、６…インクリメントエンコーダ・光学
センサ、７…回転軸の絶縁リング、８…送水パイプ、９
…真空中の円板とＤＤモータの遮蔽金属、１０…水カプ
ラ、１１…水カプラ取付けのイオンビーム電流計測用引
出線、１２…ＭＰＵ、１３…パルス発生部、１４…エン
コーダ、１５…パルスカウンタ、１６…偏差カウンタ、
１７…Ｄ／Ａコンバータ、１８…モータドライバ、１９
…ＤＤモータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/265 (72)発明者 西澤 幸雄 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日立 製作所計測器事業部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転円板上の円周上に配列装着した複数の
   シリコンウェハ(以下ウェハと称す)にイオンビーム化し
   た不純物を注入するイオン打込装置において、前記円板
   を回転させる為に円板及び円板用回転軸，軸受、前記回
   転軸上に取り付けたダイレクト・ドライブモータ（以下
   ＤＤモータと称す）及びインクリメンタル・エンコーダ
   （以下エンコーダと称す）と、前記ＤＤモータを回転制
   御する制御ユニットより構成し、前記回転円板の制御と
   して、イオン注入時は定位置にあるイオンビームを回転
   円板上のウェハ表面に均一に注入できるよう円板を一定
   の速度で回転させる速度制御と、イオン注入済のウェハ
   と未処理のウェハを入れ替えるウェハ交換動作時は、回
   転円板の円周上に装着したウェハを１枚毎所定の位置に
   回転移動させる位置制御を行う手段を有し、ウェハ交換
   の為の回転円板位置決め手段として前記エンコーダから
   １回転に１パルス出力される相（以下Ｚ相と称す）を使
   用し、そのＺ相が変化する変化点をとらえ、変化点から
   の相対移動角度によりウェハ交換の位置決めを行う事を
   特徴とするイオン打込装置。