KR20050018978A - 이온빔 주입기용 조정가능한 주입각 작업재 지지 구조체 - Google Patents

이온빔 주입기용 조정가능한 주입각 작업재 지지 구조체

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KR20050018978A
KR20050018978A KR10-2005-7000463A KR20057000463A KR20050018978A KR 20050018978 A KR20050018978 A KR 20050018978A KR 20057000463 A KR20057000463 A KR 20057000463A KR 20050018978 A KR20050018978 A KR 20050018978A
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페르라라요셉
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액셀리스 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

이온빔 주입기는 이온빔 소스를 포함하여 빔 라인 및 진공 또는 주입실(22)을 따라서 이동하는 이온빔(14)을 발생시키는데, 작업재(24)는 이온빔을 교차하도록 위치되어, 상기 이온빔에 의해 작업재의 표면(25)에 이온 주입시킨다. 이온빔 주입기는 주입실에 결합되고 작업재를 지지하는 작업재 지지 구조체(100)를 더 포함한다. 작업재 지지 구조체는 주입실에 회전가능하게 부착된 회전 부재(110)를 포함한다. 주입실에 대해서 회전 부재가 회전하면, 주입실내의 이온빔 빔라인 부분에 대해서 작업재의 회전각(A)을 변경시킨다. 작업재 지지 구조체는 회전 부재에 이동가능하게 결합되고 주행 경로를 따라서 선형 이동하는 작업재를 지지하는 병진 부재(translation member)(150)를 포함한다. 병진 부재는 이동 방향에 따라서 이동함으로써, 주입실을 통해서 이온빔이 이동하는 거리가 주행 경로를 따라서 작업재가 이동하는 동안 일정하게 유지되도록 한다.

Description

이온빔 주입기용 조정가능한 주입각 작업재 지지 구조체{ADJUSTABLE IMPLANTATION ANGLE WORKPIECE SUPPORT STRUCTURE FOR AN ION BEAM IMPLANTER}
본 발명은 이온빔 주입기의 주입실에 결합되는 조정가능한 주입각 작업재 지지 어셈블리 또는 구조체에 관한 것이며, 특히, 이온빔에 대해서 작업재를 회전 및 선형 이동시켜 작업재의 주입각을 선택하고 선택된 주입 각도에서 선형 경로를 따라서 작업재를 병진(translate)시키는 작업재 지지 어셈블리 또는 구조체에 관한 것인데, 여기서 이온빔의 교차부(intersection) 및 작업재의 주입 표면에 대해 이온빔 입구로부터 주입실까지의 거리는 작업재의 병진 동안 일정하게 된다.
이온빔 주입기는 반도체 웨이퍼의 도핑 공정에서 폭넓게 사용된다. 이온빔 주입기는 원하는 종(species)의 + 대전된 이온으로 이루어진 이온빔을 발생시킨다. 이온빔은 반도체 웨이퍼, 기판 또는 평활 패널(flat panels)과 같은 작업재의 노출 표면상에 충돌함으로써, 원하는 이온으로 작업재 표면을 도핑 또는 주입한다. 일부 이온 주입기는 연속 주입을 사용하는데, 여기서 상대적으로 큰 단일 웨이퍼 작업재는 주입실 내의 지지체상에 위치되어 주입된다. 이 주입은 한번에 한 작업재에서 발생된다. 작업재가 이온빔 빔라인에 있도록 하고 이온빔이 작업재에 걸쳐서 반복적으로 스캔닝되도록 하여 원하는 이온 조사량을 주입하도록, 지지체가 지향된다. 주입이 완료될 때, 작업재는 지지체로부터 제거되고 또 다른 작업재가 주입을 위하여 지지체상에 위치된다.
최근에, 반도체 산업 경향은 상당히 큰 웨이퍼 작업재, 예를 들어 300mm 직경의 웨이퍼를 사용하고 있다. 큰 웨이퍼 작업재 또는 다른 작업재, 가령 평활 패널에 주입하는 성능을 갖는 것이 매우 바람직하게 되었다. 연속적으로 작업재에 주입하는 한 가지 방식은 스캔닝되며, 패닝(fan)되거나 리본 이온빔의 앞으로 이 작업재를 이동시키는 것이다. 이와 같은 이온빔은 충분히 넓게되어 작업재의 전체 폭을 균일하게 주입시킨다. 전체 작업재를 주입하기 위하여, 이온빔의 방향 또는 범위를 가로지르는 제2 모션이 요구된다. 게다가, 종종 주입되는 특정 작업자에 대한 주입각을 변경시킬 수 있는 것이 바람직하다. 주입각은 작업재의 처리 표면 및 이온빔간에 형성된 입사각이다. 0°의 주입각은 작업재의 주입 표면이 이온빔 빔라인에 대해 수직이라는 것을 의미한다.
종래 기술의 이온빔 주입기의 작업재 지지체의 한 가지 단점은, 0°의 주입각이 아니라, 이온빔 빔라인에 수직한 주행 경로를 따라 작업재가 이동하면 작업재 주입 표면에 충돌하기전 주입실 내에서 빔이 주행하는 거리가 변경된다는 것이다. 다른 방식으로 설명하면, 주입각이 0°가 아닌 경우, 작업재는 이온빔 빔라인에 대해서 경사져 있는 것으로 관찰될 수 있다. 이와 같이 경사진 작업재가 이온빔 빔라인에 대해서 수직하여 이동되면, 이온빔을 향하여 경사진 작업재 부분이 주입될 때, 주입 표면에 충돌하기 전 주입실에서 이온빔이 주행하는 경로는 작업재 주입 표면의 중심에서의 빔 거리와 비교하여 감소될 것이다. 다른 한편으로, 이온빔으로부터 벗어나서 경사져 있는 작업재의 부분이 주입될 때, 주입 표면에 충돌하기 전 주입실에서 이동빔이 주행하는 거리는 작업재 주입 표면의 중심에서 빔 거리와 비교하여 크게될 것이다.
명백하게, 작업재가 크면 클수록 그리고 주입각이 0°로부터 크게되면 될수록, 작업재 주입 표면의 한 단부로부터 주입 표면의 대향 단부로 주입이 이동할 때 주입실 내에서 이온빔에 의해 가로질러진 빔 거리의 차가 크게된다. 이온빔이 자신의 빔 경로에 걸쳐서 확산되는 경향이 있기 때문에, 일정하지 않은 빔 거리는 작업재 주입 표면의 전체에 걸쳐서 균일한 이온 조사량 주입을 성취하는데 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
작업재 주입 표면의 균일한 주입을 하도록 하기 위하여, 작업재의 주입 표면에 충돌하기 전 주입실 내에서 이온빔에 의해 가로질러진 빔 거리를 실질적으로 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다. 원하는 주입각을 선택하고 나서, 작업재가 주입 절차중 이온빔 빔라인에 대해서 이동하는 동안 주입실로의 이온빔의 입구 간의 빔 거리를 실질적으로 일정하게 유지시켜 주입 표면에 충돌하도록 하는 성능을 지닌 작업재 지지 구조체가 필요로 된다.
도1은 본 발명의 이온빔 주입기를 개요적으로 도시한 평면도.
도2는 로딩 및 언로딩 위치에서 웨이퍼 지지 구조체를 지닌 도1의 이온빔 주입기의 작업재 지지 구조체 및 주입실을 개요적으로 도시한 상부 평면도.
도2A는 도2에서 점선으로 도시된 주입실 및 작업재 지지 구조체의 일부분을 개요적으로 도시한 도면.
도3은 주입 위치에서 작업재 지지 구조체를 지닌 도2의 웨이퍼 지지 구조체 및 주입실을 개요적으로 도시한 상부 평면도.
도4는 도2의 주입실 및 작업재 지지 구조체를 개요적으로 도시한 측정면도.
본 발명의 한 가지 전형적인 실시예는 진공 또는 주입실 내에서 작업재를 지지하는 작업재 지지 구조체를 갖는 이온빔 주입기에 관한 것이다. 이온빔 주입기는 이온빔 소스를 포함하여, 주온빔 경로를 따라서 이동하고 축을 따라서 스캔닝되는 이온빔을 발생시킨다. 작업재는 주입실 내의 작업재 지지 구조체에 의해 지지되어, 이온빔에 의해 작업재의 주입 표면의 주입을 위하여 스캔닝된 이온빔의 주행 경로를 교차하도록 작업재를 위치시킨다. 작업재 지지 구조체는, a) 원하는 주입각을 선택하고; b) 주입실로의 이온빔의 입구 간의 빔 거리를 실질적으로 일정하게 유지시켜 주입 표면에 충돌시키면서 이온빔에 의한 주입 표면의 주입을 위하여 작업재를 이동시키는 것이 바람직하다.
작업재 지지 구조체는 주입실에 결합되어 작업재를 지지한다. 작업재 지지 구조체는 주입실에 회전가능하게 결합되는 회전 부재를 포함하는데, 상기 회전 부재는 주입실 내의 이온빔의 경로에 수직한 회전축을 가지며, 여기서 주입실에 대해 회전 부재가 회전하면 주입실에서 이온빔의 경로에 대해서 작업재의 주입각을 변경시킨다. 작업재 지지 구조체는 선택된 주입각을 유지하면서, 회전 부재에 회전가능하게 결합되고 이온빔에 대해 가로지르는 방향에서 주행 경로를 따라서 선형 이동하는 작업재를 지지하는 병진 부재(translation member)를 더 포함한다.
주입실로 입사되는 이온빔 및 이온빔과 작업재 표면의 교차부간의 거리는 주행 경로를 따라서 작업재가 이동하는 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명의 전형적인 실시예의 이들 및 그외 다른 목적들, 장점들 및 특징들이 첨부 도면과 관련하여 상세히 설명된다.
전체 도면을 참조하면, 이온빔 주입기는 도1에서 (10)으로 도시되어 있다. 이 주입기는 이온 소스(12)를 포함하여 빔경로(16)를 가로질러 단부 또는 주입 스테이션(20)으로 향하는 이온빔(14)을 형성하는 이온을 발생시킨다. 주입 스테이션은 내부 영역(22e)을 한정하는 진공 또는 주입실(22)을 포함하는데, 반도체 웨이퍼 또는 평활 패널 또는 기판과 같은 작업재(24)는 이온빔(16)에 의한 주입을 위하여 이 영역에 위치된다. 제어 전자장치들(26으로 개요적으로 도시됨)은 작업재(24)가 받아들이는 이온 조사량을 감시하여 제어하기 위하여 제공된다. 제어 전자장치(26)로의 운영자 입력은 사용자 콘솔(27)을 통해서 수행된다.
이온 소스(12)는 작업재(24)에 충돌하는 이온빔(14)을 발생시킨다. 이온빔(14)에서의 이온은 빔이 이온 소스(12) 및 주입실(22)간의 빔 경로(16)를 따라 어떤 거리를 가로지를 때 발산하는 경향이 있다. 이온 소스(12)는 소스 재료가 주입되는 내부 영역을 한정하는 플라즈마실(28)을 포함한다. 소스 재료는 이온화가능한 가스 또는 증발된 소스 재료를 포함할 수 있다.
이온빔(14)을 구부려 빔 셔터(22)로 통과시키는 분석 자석(analyzing magnet)(300)이 빔경로(16)를 따라서 위치되어 있다. 빔 셔터(32) 다음에, 빔(14)을 집속하는 4중 렌즈 시스템(quadruple lens system)(36)을 상기 빔(14)이 통과한다. 빔 경로(16)는 편향 전극(38, 40)을 통해서 확장되는데, 이 전극에서 이온빔(14)은 반복적으로 편향되고 스캔닝되어 리본 이온빔을 발생시킴으로써, 주입실(22) 내의 이온빔(14)의 일부가 리본 이온빔(14a)이 되도록 한다. 리본 이온빔(14a)은 주입실(22)의 전벽(front wall)(22b)내의 개구(22a)를 통해서 주입실(22)로 입사된다. 리본 이온빔(14a)은 근본적으로 매우 협소한 직사각형의 형상을 갖는 이온빔인데, 즉 한 방향으로 확장되는 빔인데, 예를 들어, 가령 수직 또는 y 방향과 같은 직교 방향에서 매우 제한된 범위의 수평 또는 x 방향 범위(도2 및 도3에 W로 도시됨)를 갖는 빔이다.
일반적으로, 리본 이온빔(14a)의 범위는 전체 작업재(24)의 치수에 상응하여 주입할 정도로 충분하게 되는데, 즉 주입실(22)을 가로지르는 리본 이온빔(14a)은 수평 또는 x 방향(도1)으로 확장되고 작업재(24)는 300mm(또는 300mm의 직경)의 수평 치수를 갖는다. 제어 전자장치(26)는 전극(38)을 적절하게 작동시켜, 주입실(22) 내의 작업재(24)에 충돌시 리본 이온빔(14a)의 수평 범위(W)가 적어도 300mm가 되도록 한다. 전극(38)은 빔(14)을 편향시키고 평행 렌즈(parallelizing lens)(40)는 빔 라인(16)을 따라서 위치되어 전극(38)에 의해 야기되는 빔 편향각을 보정함으로써, 리본 이온빔(14a)이 작업재(24)에 주입될 때 평행하게 되도록 한다.
후술되는 바와 같이, 작업재 지지 구조체(100)는 주입 동안 리본 이온빔(14)에 대해서 작업재(24)를 지지하고 이동시켜, 작업재(24)의 전체 주입 표면(25)이 이온으로 균일하게 주입되도록 한다. 상술된 스캔닝 기술 이외에도, 당업자는 주입실(22) 내의 리본 이온빔(14a)의 리본 형상이 여러가지 방식으로 생성될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예를 들어, 발생된 이온빔이 처음부터 리본 형상을 갖도록 플라즈마실(28)의 아크 슬릿(arc slit)이 형상화될 수 있다. 본 발명은 이온빔을 형상화하거나 형성하기 위하여 어떤 특정한 기술 또는 구조를 사용하는 것으로 제한되지 않는다.
작업재에 연속 주입하도록 적응되는 이온 주입기의 보다 상세한 설명은 1990년 12월 4일에 Ray 등에게 허여된 미국 특허 4,975,586호 및 1988년 8월 2일에 Myron에게 허여된 미국 특허 4,761,559호에 개시되어 있다. 이 4,975,586 및 4,761,559 특허는 본 발명의 양수인에게 양도되어 그 내용이 전반적으로 본원에 참조되어 있다.
주입실 내부 영역(22e)은 진공으로 된다. 주입실(22) 내에 설치된 2개의 로봇 팔(42, 44)은 웨이퍼 작업재를 작업재 지지 어셈블리 또는 구조체(100)로 및 이로부터 자동적으로 로딩 및 언로딩한다. 작업재(24)가 도1의 수평 로딩 위치에 도시되어 있다. 주입전, 작업재 지지 구조체(100)는 주입을 위하여 작업재(24)를 수직 또는 거의 수직 위치로 회전시킨다. 작업재(24)가 수직이면, 즉 이온빔(14)에 대해서 수직이면, 주입각 또는 입사각은 0°가 된다. 바람직한 채널링 효과를 최소화하기 위하여, 통상적으로 작지만 비제로 주입각이 선택된다는 것이 발견되었다.
전형적인 주입 동작에서, 도핑되지 않은 작업재는 작업재(24)를 로봇 팔(54)의 근처로 이동시키는 셔틀(52)에 의해 제1 카세트(50)로부터 회수되는데, 이 로봇 팔은 상기 작업재를 지향기(orienter)(56)로 이동시키며, 이 지향기에서 작업재(24)는 특정 결정 방향으로 회전된다. 이 로봇 팔(54)은 지향된 작업재(24)를 회수하여 이를 주입실(22)에 인접한 로딩 스테이션(58)으로 이동시킨다. 로딩 스테이션(58)은 닫혀지며, 펌프 다운되어 원하는 진공상태로 되고 나서, 주입실(22)로 개방된다. 주입 스테이션(22) 내의 제1 팔(42)은 작업재(24)를 붙잡아 이를 주입실(22) 내로 이동시켜 이를 작업재 지지 구조체(100)의 정전 클램프 또는 척(electrostatic clamp or chuck)(102)상에 배치한다. 정전 클램프(102)는 작동되어 주입동안 적절하게 작업재(24)를 유지시킨다. 적절한 정전 클램프가 1995년 7월 25일에 Blake 등에게 허여된 미국 특허 제5,436,790호 및 1995년 8월 22일에 Blake 등에게 허여된 미국 특허 제5,444,597호에 개시되어 있으며, 이 특허 둘 다는 본 발명의 양수인에게 양도되었다. 5,436,790 및 5,444,790 둘 다는 그 내용이 본원에 전반적으로 참조되어 있다.
작업재(24)에 이온 주입한 후, 작업재 지지 구조체(100)는 작업재(24)를 수평 위치로 복귀시키고, 정전 클램프(102)는 작동하지 않아 작업재를 떼어낸다. 주입 스테이션(22)의 제2 팔(42)은 주입된 작업재(24)를 붙잡아 이를 주입실(22)로부터 언로드 스테이션(60)으로 이동시킨다. 이 언로드 스테이션(60)으로부터, 로봇 팔(62)은 주입된 작업재(24)를 셔틀(64)로 이동시키며, 이 셔틀은 이 작업재를 제2 카세트(66)내로 배치시킨다.
작업재 지지 구조체(100)는 제어 전자장치(24)에 의해 동작되며, 주입동안 작업재(24)를 지지하고, 주입실(22) 내에서 리본 이온빔(14a)에 대해 작업재(24)를 유용하게 회전 및 병진 이동시킨다. 회전 성능으로 인해, 작업재 지지 구조체(100)는 작업재(24)의 이온빔(14) 및 주입 표면(25)간의 원하는 주입각(IA) 또는 입사각을 유용하게 선택하도록 한다.
병진 또는 선형 이동 성능으로 인해, 작업재 지지 구조체(100)는 주입동안 작업재(24)의 주입 표면이 원하는 주입각(IA)과 일치한 평면을 따라서 이동되도록 함음로써, 원하는 주입각을 유지시키고 또한 리본 이온빔(14a)이 주입실 내부 영역(22e)으로 입사되는 리본 이온빔(14a)이 주입실로의 입사로부터 작업재(24)의 주입 표면(25)에 충돌하는 지점까지(이온빔이 리본 이온빔이기 때문에 실제론 직선) 주행하는 거리(d)(도3 및 도4)를 실질적으로 일정하게 유지시킨다. 이 실질적으로 일정한 거리는 작업재 표면(25)의 전체 주입 동안 유지된다. 즉, 실질적으로 일정한 거리는 원하는 주입각(IA)과 일치하는 평면에서, 작업재(25)가 리본 이온빔(14a)에 대해서 가로질러 이동할 때 유지됨으로써, 전체 주입 표면이 주입 표면(25)의 한 단부로부터 대향 단부(25b)로 주입되도록 한다(도4).
주입실(22)과 작업재(24)상의 이온빔(14a)의 충돌 간에서 이온빔(14a)에 대한 실질적으로 일정한 거리 또는 주행 경로의 유지는, 작업재(24)의 전체 주입 표면(25)에 걸쳐서 균일한 이온 주입 특성을 위하여 매우 바람직하다. 작업재 지지 구조체(100)를 고려하는 또 다른 방식은, 이온 소스(12)로부터 작업재 주입 표면(25)에 충돌하는 지점까지의 이온빔(14)의 주행 경로를 실질적으로 일정하게 하는 것이다.
산업체에서 통상적인 것과 같이, 이온빔(14)이 작업재(24)의 주입 표면(250에 수직일 때, 주입각(IA)은 0°로 규정된다. 2개의 비제로 주입각이 도4에서 점선(IA1 및 IA2)으로 도시되어 있다. IA1에 도시된 위치에서, 작업재(24)는 경사져, 작업재의 최상부 표면이 리본 이온빔(14a)을 향하여 경사지도록 된다. IA2에 도시된 위치에서, 작업재(24)는 경사져, 작업재의 최하부 표면이 리본 이온빔(14a)을 향하여 경사지도록 된다. 도3 및 도4에서 실선으로 도시된 리본 이온빔(14a)에 대해서 작업재(24)의 위치는 0°와 동일한 주입각(IA)을 갖는데, 즉 작업재(24)의 주입 표면은 이온빔 방향에 대해서 수직이다. 이롭지 않는 채널링 효과를 최소화하기 위하여, 여러번 비제로 주입각이 작업재(24)의 주입을 위하여 선택된다.
제조 중에, 반도체 웨이퍼 작업재 또는 평활 패널 작업재는 연속적으로 주입된다. 즉, 하나의 작업재 = s 주입이 완료될 때, 정전 클램프(102)는 비작동되어 작업재를 떼어내고 주입된 작업재는 주입실(22)로부터 자동적으로 제공되고 또 다른 작업재가 정전 클램프(102)의 지지 표면(104)상에 위치되고 이 클램프는 적절하게 작동되어 지지 표면(104)상에 작업재를 확고하게 유지시킨다.
작업제 지지 구조체(100)가 도2 내지 도4에 최적으로 도시되어 있다. 도1 및 도2는 작업재 로딩 및 언로딩 위치에서 정전 클램프(102)를 도시한 상부 평면도이다. 작업재(24)가 정전 클램프(102)의 지지 표면(104)상에 로딩된 후, 작업재 지지 구조체(100)는 작업재를 도3에 도시된 위치(IA=0°)와 같은 주입 위치로 회전시킨다. 도3은 주입 위치에서 작업재(24)를 지지하는 정전 클램프(102)를 도시한 상부 평면도이다. 도1은 주입 위치내의 작업재(24)를 점선으로 도시한다.
작업재(24)의 주입 동안, 작업재 지지 구조체(100)는 리본 이온빔(14a)에 대해 가로지르는 방향으로 작업재(24)를 이동시켜, 전체 주입 표면(25)이 적절하게 충돌되고 원하는 이온으로 주입되도록 한다. 도2 및 도3에 개요적으로 도시된 바와 같이, 작업재(24)와의 충돌 지점에서의 리본 이온빔(14a)은 작업재(24)의 직경보다 큰 X 방향에서 폭(W)을 갖는데, 이로 인해, X 방향에서의 작업재의 병진은 작업재의 전체 주입을 위하여 필요로 되지 않는다.
도2-4에 도시된 바와 같이, 작업재 지지 구조체(100)는 주입실(22)의 측벽(22c)에 부착되어 주입실 측벽(22c) 내의 개구(22d)를 통해서 주입실(22)의 내부 영역(22e)으로 확장된다. 작업재 지지 구조체(1000는 회전 부재(110) 및 일체형 병진 부재(integral translation member)(150)를 포함한다. 작업재 지지 구조체 회전 부재(110)는 고정식 평활 지지 플레이트(112)를 포함한다. 지지 플레이트(112)는 주입실(22)에 부착되고, 바람직하게는, 주입실 측벽(22c)에 부착된다. 지지 플레이트(112)는 주입실 측벽(22c)의 개구(22d)와 정렬되는 개구(114)를 포함한다.
회전 부재(110)는 또한, 주입실(22)에 회전가능하게 결합되고, 특히 회전 부재(110)의 지지 플레이트(112)에 회전가능하게 결합되는 허브(120)를 포함한다. 이 허브(120)는 베어링 어셈블리(116)에 의해 지지 플레이트(112)에 부착된다. 도2A 및 도4에 도시된 바와 같이, 베어링 어셈블리(116)는 허브(120)의 계단형 외부 부분(122)에 부착되는 원형 레일 지지체(117) 및 지지 플레이트(112)의 상부 표면(112a)에 부착된 6개의 이격된 베어링 웨이(bearing ways)(118)를 포함하는 원형 베어링 어셈블리가 바람직하다. 베어링 웨이(118)는 레일 지지체(117)에 대해서 지지되고 이를 따라서 롤링(roll)하여, 주입실(22)에 대해 허브(120)를 회전시킨다.
대안적으로, 베어링 어셈블리(116)는 당업자에게 인지된 바와 같이, 베어링 케이지 내에서 지지되고 내부 및 외부 레이스(races)간에 배치되는 볼 또는 롤러 베어링과 같은 종래의 여러 유형의 기계식 베어링 어셈블리일 수 있다. 게다가, 베어링 어셈블리(116)는 당업자에게 인지된 바와 같이 적적하게 사용될 수 있는 비접촉식 가스 베어링 어셈블리일 수 있다.
지지 플레이트(112) 및 주입실(22)에 대한 허브(110)의 회전은 원형 트랙 선형 모터(140)를 사용함으로써 성취되는 것이 바람직하다. 선형 트랙 모터(140)는 도2A에 개요적으로 도시되어 있다. 원형 트랙 선형 모터(140)는 원형 패턴으로 배치되고 지지 플레이트(112)의 상부 표면(112a)에 부착되는 전자기 코일(142)을 포함한다. 원형 트랙 선형 모터(140)는 자석 트랙 플레이트(146)상에 지지되는 상응하는 영구 자석 세트(144)를 더 포함한다. 자석 트랙 플레이트(146)는 허브(120)의 계단형 외부 부분(122)에 부착된다. 전자기 코일(142)은 제어 전자장치(26)에 의해 적절하게 작동되어, 주입실(22)에 대해서 허브(110)의 회전을 정밀하게 제어한다.
진공은 차동적으로 펌핑된 원형 진공 밀봉 시스템(130)에 의해 주입실의 내부 영역(22e) 및 외부 대기간에서 유지된다. 진공 밀봉 시스템(130)은 접촉형 진공 밀봉이다. 도2A에서 알 수 있는 바와 같이, 진공 밀봉 시스템(130)은 지지 플레이트(112)의 상부 표면(112a)에서 기계가공되거나 형성된 2개의 원형 채널(136)에 의해 분리된 3개의 원형 리세스 또는 홈(134)을 포함한다. O-링(137) 및 실질적으로 정사각형 단면을 갖는 플라스틱 밀봉부(138)가 3개의 홈(134) 각각에 배치된다. 3개의 밀봉부(138) 각각의 상부 표면은 허브(120)의 최하부 또는 하부 표면(126)에 대해서 지탱된다.
채널(136)은 지지 플레이트(112) 내의 오르피스(orfices)(도시되지 않음)를 통해서 진공 펌프(도시되지 않음)와 유체 연결되어 있다. 지지 플레이트에 부착되는 진공 펌프는 채널(136)에서 진공을 끌어당기도록 동작됨으로써, 외부 및 중간 O-링(137) 및 플라스틱 밀봉부(138) 결합들에 의해 형성된 2개의 밀봉부를 통해서 외부 대기 환경으로부터 누출된 어떠한 공기 및/또는 오염물을 제거한다. 차동 펌핑된 원형 진공 밀봉 시스템 이외에도, 립(lip) 밀봉과 같은 다른 밀봉 시스템 설계 또는 이외 다른 중합체 재료 밀봉 설계가 또한 적절하며, 이 설계는 본 발명의 범위내에 있다.
게다가, 비접촉식 진공 밀봉 시스템은 또한, 진공 밀봉 시스템으로서 적합하다. 비접촉식 진공 밀봉 시스템에서, O-링 및 플라스틱 밀봉부는 사용되지 않는다. 대신, 하나 이상의 원형 채널(가령 채널(136))이 지지 플레이트(112)의 상부 표면(112a)에서 기계가공된다. 이 채널은 지지 플레이트(112)에 결합되는 진공 펌프와 유체 연결된다. 진공 펌프는 원형 채널에서 진공을 끌어당기도록 동작된다.
회전 부재(110)는 리본 이온빔(14a)에 대해서 주입실(22) 내부의 작업재(24)의 +/-70°회전 보다 크게되도록 고려된다. 회전 부재(110)의 중앙선(C-C)(도3에서 점선으로 도시됨)은 작업재 주입 표면(25)의 프론트(front)와 정렬된다.
작업재 지지 구조체(100)는 회전 부재(110)와 일체로되는 병진 또는 왕복 부재(reciprocating member)(150)를 더 포함한다. 도2에 최적으로 도시된 바와 같이, 병진 부재(150)는 회전 부재(120)의 측벽(124)에 부착되는 원통형 스캔축 지지 하우징(153)에 의해 지지되는 스캔축(152)을 포함한다. 스캔축(152)은 회전 부재 내부 영역(111) 내부에서 부분적으로 확장된다. 스캔축(152)은 선택된 주입각(A)과 일치하는 평면을 따라서 작업재(24)를 선형 병진 이동시킨다. 도2에서 알 수 있는 바와 같이, 스캔축(152)의 상단부(154)로부터 직교하여 확장하는 것은 작업재 홀더(workpiece holder)(156)이다. 작업재 홀더(156)는 지지 플레이트 내의 개구(114) 및 주입실 측벽(22c) 내의 개구를 통해서 확장된다. 작업재 홀더(156)는 원형의 말단(158)에서 종료된다(도2에 최적으로 도시된다). 작업재 홀더(156)의 말단(158)은 정전 클램프(102)를 지지하고, 이 정전 클램프는 리본 이온빔(14a) 앞에서 이동하는 작업재(24)를 지지한다.
스캔축(152)은 베어링 어셈블리(160)에 의해 원통형 스캔축 지지 하우징(153) 내부에 지지된다. 베어링 어셈블리(160)(도4에 최적으로 도시됨)은 2개의 이격된 가스 베어링(162, 164)을 포함하여, 스캔축(152)의 큰 모멘트 암(moment arm)을 효율적으로 지지한다. 가스 베어링(162, 164) 각각은 스캔축 지지 하우징(153) 내에 지지되는 가스 투과성 슬리브(gas permeable sleeve) (162a, 164a)를 포함한다. 예를 들어, 질소 또는 공기와 같은 가스는 슬리브(162a, 164a)의 폭을 통해서 안쪽으로 펌핑됨으로써, 매우 얇은 층 가스상에서 스캔축(152)을 지지한다. 슬리브(162a, 164a)는 청동 또는 흑연과 같은 재료로 형성될 수 있는데, 슬리브(162a, 164a)의 폭을 통해서 적절한 개구가 뚫려지거나, 대안적으로, 슬리브(162a, 164a)는 흑연과 같은 천연 투과성 재료로 제조될 수 있다. 대안적으로, 베어링 어셈블리(160)는 당업자에게 공지된 바와 같은 베어링 어셈블리(116)에 대해서 서술된 바와 같은 기계식 베어링 시스템일 수 있다.
스캔축(152)의 선형 모션은 선형 또는 볼 스크루 시스템을 사용함으로써 성취된다. 스캔축(153)을 구동시키는 볼 스크루 드라이브 어셈블리(165)의 부분이 도4에 도시되어 있다. 이 볼 스크루 드라이브 어셈블리는 스캔축(152)의 하단(170)에 부착된 볼 너트(166)를 포함한다. 볼 스크루(168)는 볼 너트(166)를 통해서 확장된다. 허브와 결합되는 모터(도시되지 않음)는 볼 스크루(168)와 맞물려 회전하여 스캔축(152)을 선형으로 이동시킨다. 모터는 제어 전자장치(26)의 지시에 따라서 동작한다.
비접촉식 진공 방사형 밀봉 시스템 또는 어셈블리(180)는 스캔축(152)의 외부 원통형 표면(152a) 및 스캔축 하우징(153)의 내부 원통형 표면(153a) 간의 밀봉에 의해 대기로부터 내부 에리어(111)를 밀봉하도록 제공된다. 진공 밀봉 어셈블리(180)는 스캔축 하우징(153)의 내부 표면(153a)에서 기계 가공되거나 형성된 3개의 채널(도4에 최적으로 도시됨)을 포함한다. 이 채널은 오르피스(도시되지 않음)를 통해서 진공 펌프(도시되지 않음)와 유체 연결된다. 진공 펌프는 스캔축(152) 및 스캔축 하우징(153)간의 공기 및/또는 오염물이 주입실 내부 영역(22e)으로 누출되지 않도록 동작된다. 대안적으로, 밀봉 어셈블리(180)는 원형 진공 밀봉 시스템(130)에 대해서 서술된 어셈블리와 같은 차동 펌핑된 원형 진공 밀봉 시스템일 수 있다.
주입 동안 스캔축(152)의 왕복 선형 모션은 작업재 주입 표면(25)의 법선 벡터에 수직한다. 또 다른 방식으로 설명하면, 스캔축(152)의 선형 이동은 선택된 주입각(A)과 일치하는 평면 내에서 작업재(24)가 이동하도록 한다. 다수의 독립적인 자유 또는 모션이 회전 부재(110) 내의 병진 부재(150)의 왕복 선형 모션의 조합에 의해 유용하게 성취된다. 이것이 이온빔(14) 앞에서 작업재(24)의 일정한 초점 길이 스캔닝(focal length scanning)을 허용한다. 다른 말로서, 작업재 주입 표면(25)에 대한 이온빔의 충격 지점으로부터 주입실(22)로 입사되는 이온빔(14)의 거리는 모든 회전각, 즉 모든 주입각(IA)에 대해서 항상 일정하다는 것이다.
작업재(24)는 정전 클램프 또는 척(12)에 의해 작업재 홀더(156)에 대해서 유지된다. 정전 척(102)은 냉각되어, 주입동안 작업재(24)로부터 전달되는 에너지 또는 열을 제거한다. 4중 또는 8중 주입(quad or octal implants)을 위하여, 정전 클램프(102)는 모터에 동작가능하게 결합되어, 클램프(102)의 작업재 지지 표면(104)을 작업재 홀더 내에서 156° 내지 최대 360°회전시킬 수 있다. 도4에 점선(D)으로 도시된 정전 클램프(102)의 회전 중앙선은 작업재 홀더 말단(158) 내에 설치되고 벨트 또는 케이블(도시되지 않음)과 같은 적절한 구동 수단에 의해 정전 클램프(102)에 접속되는 전기 모터(도시되지 않음)에 의해 성취되는데, 대안적으로, 전기 모터는 정전 클램프(102)에 직접 결합될 수 있다. 정전 척(102)은 베어링 어셈블리(185)에 의해 작업재 홀더 말단(158) 내에 설치된다. 베어링 어셈블리(185)는 볼 또는 롤러 베어링 어셈블리가 바람직하다. 베어링 어셈블리(185)는 베어링 케이지 내에 지지되고 작업재 홀더 말단(158)의 대응 표면 및 정전 클램프(102)의 배면 측(reverse side)에 부착되거나 형성되는 아치형의 내부 및 외부 레이스 간에 배치되는 볼 또는 롤러 베어링을 포함한다. 대안적으로, 베어링 어셈블리(185)는 비접촉식 가스 베어링일 수 있다.
정전 클램프(102) 및 작업재 홀더 말단(158)간의 진공은 면 진공 밀봉 시스템 또는 어셈블리(face vacuum seal system or assembly)(190)에 의해 유지된다. 스캔축(152) 및 작업재 말단(158)의 내부 영역 둘 다가 대기압 상태에 있기 때문에 진공 밀봉 시스템(190)이 필요로 된다. 진공 밀봉 시스템(190)은 차동적으로 펌핑된 원형 진공 밀봉 어셈블리(130)와 유사한 차동적으로 펌핑된 방사 진공 밀봉 시스템인 것이 바람직하다. 도4에 최적으로 도시된 바와 같이, 진공 밀봉 어셈블리(130) 경우처럼, O-링 및 플라스틱 밀봉부는 2개의 작업재 홀더(156)의 측 원통형 벽에 배치된 각 원형 홈(194)에 배치된다. 2개의 플라스틱 밀봉부는 일반적으로 정사각형 단면을 갖고 각 밀봉부의 외부 표면은 정전 클램프(102)의 대응하는 평활한 배면에 대해서 지탱된다. 원형 채널(195)은 2개의 원형 홈(184)간에 배치되고 작업재 홀더(156)에 부착되는 진공 펌프(도시되지 않음)에 의해 펌핑된다. 채널(195)내의 진공이 O-링 및 플라스틱 밀봉부 결합에 의해 한정되는 내부 밀봉을 통해서 누출될 수 있는 공기 및/또는 오염물을 제거한다.
차동적으로 펌핑된 면 진공 밀봉 시스템(190)이외에도, 강유체성 밀봉(ferrofluidic seal) 또는 립 밀봉과 같은 다른 밀봉 시스템 설계 또는 이외 다른 중합체 재료 밀봉 설계는 진공 밀봉 시스템(190)에 적합하며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 상술된 진공 밀봉 시스템(180)과 같은 비접촉식 진공 밀봉 시스템은 또한 진공 밀봉 시스템(190)에 적합하다.
본 발명이 특정하게 설명되었지만, 본 발명은 첨부된 청구범위의 원리 또는 범위 내에 있는 개시된 설계로부터의 모든 변형 및 변경을 포함한다.

Claims (31)

  1. 이온빔 주입기로서,
    a) 빔라인을 따라서 이동하는 이온빔을 발생시키는 이온빔 소스;
    b) 상기 이온빔에 의해 작업재의 주입 표면에 이온 주입시키기 위하여 이온빔을 교차시키도록 상기 작업재가 위치되어 있는 주입실;및,
    c) 상기 주입실에 결합되고 상기 작업재를 지지하는 작업재 지지 구조체를 포함하는데, 상기 작업재 지지 구조체는:
    1) 상기 주입실에 결합되어, 상기 주입실 내에서 상기 이온빔의 일부에 대해서 상기 작업재의 주입각을 변경시키는 회전 부재; 및,
    2) 상기 회전 부재에 이동가능하게 결합되고 주행 경로를 따라서 이동하는 상기 작업재를 지지하는 병진 부재로서, 상기 병진 부재를 이동시켜 상기 작업재의 주입 표면에 충돌하기 전 상기 주입실을 통해서 상기 이온빔이 이동하는 거리를 일정하게 유지시키는, 병진 부재를 포함하는 이온빔 주입기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 상기 주입실 내에서 상기 이온빔의 일부에 수직한 회전축을 갖는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업재의 주행 경로는 선형 주행 경로인 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 병진 부재의 이동은 상기 회전 부재의 회전축에 수직하고 상기 작업재의 주입 표면에 평행한 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 병진 부재는 상기 회전 부재 내부에 설치되고 상기 회전 부재의 회전축에 교차하는 이동 방향을 갖는 병진축을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 병진 부재는 상기 주입실 내부에서 확장되고 상기 작업재를 유지시키는 정전 클램프를 포함하는 작업재 홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 정전 클램프는 상기 이온빔에 대해 회전가능한 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 베어링 어셈블리에 의해 지지 플레이트에 결합되는데, 상기 지지 플레이트는 주입 스테이션에 부착되는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    원형 진공 밀봉부에 의해 상기 주입실 및 상기 회전 부재간에서 진공이 유지되는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 병진 부재는 상기 회전 부재와 일체로 되는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  11. 이온빔 주입기로서,
    a) 빔라인을 따라서 이동하는 이온빔을 발생시키는 이온빔 소스;
    b) 상기 이온빔에 의해 작업재의 주입 표면에 이온 주입시키기 위하여 이온빔을 교차시키도록 상기 작업재가 위치되어 있는 주입실;및,
    c) 상기 주입실에 결합되고 상기 작업재를 지지하는 작업재 지지 구조체를 포함하는데, 상기 작업재 지지 구조체는:
    1) 상기 주입실에 결합되어, 상기 주입실 내에서 상기 이온빔의 일부에 대해서 상기 작업재의 주입각을 변경시키는 회전 부재; 및,
    2) 상기 회전 부재에 이동가능하게 결합되고 주행 경로를 따라서 이동하는 상기 작업재를 지지하는 병진 부재로서, 상기 병진 부재의 이동은 상기 작업재의 주입 표면과 평행한, 병진 부재를 포함하는 이온빔 주입기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 이온빔이 주입실로 입사되는 위치 및 상기 이온빔과 상기 작업재 표면의 교차부간의 거리는 주행 경로를 따라서 상기 작업재가 이동하는 동안 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 상기 주입실 내에서 상기 이온빔의 부분에 수직한 회전축을 갖는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 작업재의 주행 경로는 선형 주행 경로인 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 병진 부재의 이동은 상기 회전 부재의 회전축에 수직한 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 병진 부재는 상기 회전 부재의 내부에 설치되고 상기 회전 부재의 회전축과 교차하는 이동 방향을 갖는 병진축을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 병진 부재는 상기 주입실 내부에서 확장되고 상기 작업재를 유지시키는 정전 클램프를 포함하는 작업재 홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 정전 클램프는 상기 이온빔에 대해서 회전가능한 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 베어링 어셈블리에 의해 주입 스테이션에 결합되는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  20. 제 11 항에 있어서,
    원형 진공 밀봉부에 의해 상기 주입실 및 상기 회전 부재간에서 진공이 유지되는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  21. 제 11 항에 있어서,
    상기 병진 부재는 상기 회전 부재와 일체로 되는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기.
  22. 빔 라인을 따라서 이동하는 이온빔을 발생시키고 상기 이온빔에 의해 작업재의 주입 표면에 이온 주입시키기 위하여 이온빔을 교차시키도록 상기 작업재가 위치되어 있는 주입실을 포함하는 이온빔 주입기용 작업재 지지 어셈블리로서,
    a) 상기 주입실에 결합되어, 상기 주입실 내에서 상기 이온빔의 일부에 대해서 상기 작업재의 주입각을 변경시키는 회전 부재; 및,
    2) 상기 회전 부재에 이동가능하게 결합되고 주행 경로를 따라서 이동하는 상기 작업재를 지지하는 병진 부재로서, 상기 병진 부재를 이동시켜 상기 작업재의 주입 표면에 충돌하기 전 상기 주입실을 통해서 상기 이온빔이 이동하는 거리를 일정하게 유지시키는, 병진 부재를 포함하는 이온빔 주입기용 작업재 지지 어셈블리.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 회전 부재는 상기 주입실 내에서 상기 이온빔의 부분에 대해 수직한 회전축을 갖는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기용 작업재 지지 어셈블리.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 작업재의 주행 경로는 선형 주행 경로인 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기용 작업재 지지 어셈블리.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 병진 부재의 이동은 상기 회전 부재의 회전축에 수직하고 상기 작업재의 주입 표면에 평행한 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기용 작업재 지지 어셈블리.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 병진 부재는 상기 회전 부재 내부에 설치되고 상기 회전 부재의 회전축과 교차하는 이동 방향을 갖는 병진축을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기용 작업재 지지 어셈블리.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 병진 부재는 상기 주입실 내부에서 확장되고 상기 작업재를 유지시키는 정전 클램프를 포함하는 작업재 홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기용 작업재 지지 어셈블리.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 정전 클램프는 회전가능한 것을 특징으로 하는 이온빔 주입기용 작업재 지지 어셈블리.
  29. 이온빔을 발생시켜 작업재에 주입시키고 작업재의 주입 표면에 이온 주입시키기 위하여 이온빔을 교차시키도록 상기 작업재가 위치되어 있는 주입실을 갖는 빔 주입기를 사용하여 작업재에서 이온을 주입시키는 방법으로서,
    a) 상기 주입실에 결합되고 상기 작업재를 지지하는 작업재 지지 구조체를 제공하는 단계로서, 상기 작업재 지지 구조체는,
    1) 상기 주입실에 결합되어 상기 주입실 내에서 상기 이온빔의 빔라인의 일부에 대해서 상기 작업재의 주입각을 변경시키는 회전 부재; 및,
    2) 상기 회전 부재에 이동가능하게 결합되고 주행 경로를 따라서 이동하는 상기 작업재를 지지하는 병진 부재를 포함하는, 제공 단계와,
    b) 상기 병진 부재상에 상기 작업재를 위치시키는 단계;
    c) 상기 회전 부재를 회전시킴으로써 상기 작업재에 대해 원하는 주입각을 선택하는 단계;
    d) 상기 작업재로 상기 이온빔을 지향시키는 단계; 및,
    e) 상기 병진 부재를 이동시켜 상기 작업재의 주입 표면에 충돌하기 전 상기 주입실을 통해서 상기 이온빔이 이동하는 거리를 일정하게 유지시키도록, 상기 병진 부재를 이동시킴으로써 주행 경로를 따라서 상기 작업재를 이동시키는 단계를 포함하는 이온 주입 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 작업재는 선형 경로에서 이동하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 이온빔은 상기 작업재에 충돌할 때 리본 이온빔이고, 상기 작업재 주행 경로는 상기 주입실 내에서 상기 리본 이온빔의 범위 및 상기 이온빔 경로의 부분에 대해 가로지르는 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
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