(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン注入装置であって、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内でイオンビームを発生するイオンビーム発生器と、
前記真空チャンバ内の注入ホイールであって、前記注入ホイールは円周上に分布する複数のウエハ支持エレメントを有し、前記ウエハ支持エレメントの各々は、前記注入ホイールの中心に向かって内側に傾斜したウエハ支持面を有する、前記注入ホイールと、
スキャンアームであって、前記スキャンアームは、スキャン軸周りの往復運動のために取付けられ、およびホイール軸周りの回転のために前記注入ホイールを支持する自由端を有し、よって前記ホイール軸周りを前記注入ホイールが回転することにより前記ウエハ支持エレメントが連続してイオンビームを遮り、そして前記スキャン軸周りに前記スキャンアームが往復運動することにより前記イオンビームが前記ウエハ支持エレメントを端から端までスキャンする、前記スキャンアームとを備え、
前記ホイールは、実質的に前記ホイール軸と前記イオンビームとに交叉する傾斜軸の周りで前記アームに関して回転可能で、注入方向を変え、また前記スキャン軸は実質的に前記イオンビームの方向に平行であり、さらに前記ホイール軸方向は前記スキャン軸方向とずれているので、前記注入ホイールが傾斜しない時前記イオンビームは実質的に前記ウエハ支持面に直角となるイオン注入装置。
【請求項２】
前記ホイール軸に実質的に垂直である方向と、前記イオンビームによってスキャンされる前記基板用の前記基板支持平面を実質的に通過する方向との間に前記傾斜軸が向けられる、請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記傾斜軸は実質的に前記ホイール軸に垂直である、請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記傾斜軸は、前記イオンビームによってスキャンされる前記基板用の前記基板支持平面を実質的に通過する、請求項１に記載のイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入装置に関する。この装置は、所望の半導体電子デバイスを製造する半導体ウエハにあらかじめ選ばれた化学的核種のイオンを注入するために使用される。本発明は、特に、ウエハ全パーツへ均一量のイオン送達を確実にするイオンビームに関する処理の下で半導体ウエハをスキャンするための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置の一形態において、処理用ウエハは注入ホイール周辺の多数の個別位置に装着される。ホイールはスキャンアームの自由端に装着されるが、スキャンアームは、スキャン軸周りの往復運動のためにその他方の端に装着される。スキャンアームと注入ホイールは、真空チャンバ内に配置されているが、その真空チャンバへはイオンソースから所望のイオンビームが導かれる。スキャンアーム端にあるホイール軸周りにホイールが回転するとホイール周辺に装着された様々なウエハが、連続してビームの前に運ばれる。同時にスキャンアームは、よりゆっくりとホイールの回転軸を前後に動かすので、イオンビームは次第にウエハ全表面にスキャンされる。
【０００３】
この種の装置は米国特許第４，７３３，０９１号および米国特許第５，６４１，９６９号で知られる。
【０００４】
米国特許第４，７３３，０９１号では、装置のスキャンアームは、スキャンアームのスキャン軸上で回転真空シールにより往復運動をするように装着される。注入ホイールは、三機の真空チャンバの外側からの駆動軸と駆動ベルトにより駆動されるが、ここで駆動ベルトは、スキャンアーム長を伸ばしたままでスキャンアームの自由端に回転できるように装着された注入ホイールの軸を駆動する。
【０００５】
この装置の改良は、米国特許第５，６４１，９６９号に開示されている。この発明では、モータをスキャンアームの自由端に装着することで、ホイール軸周りに注入ホイールを直接回転できる。スキャンアームは、回転真空シールを介し真空チャンバの外側に装着された独立のモータで駆動される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この先行技術の装置において、スキャンアームはリードスクリューにより駆動され、リードスクリューの速度がビームに関してホイールの中心速度に比例するようにスキャンアームが配置される。従ってカスタムエレクトロニクスは、ビームのホイール半径の関数として変動する、リードスクリューのコントロール速度を提供する。この配置は極めて高レベルのプロセス均一性を提供する。この配置では、全体のスキャンシステムはイオンビームに対し一般に７°の角度で取付けられるので、ホイール軸方向に７°内側に傾いたホイールに装着されたウエハに対しイオンビームは直角となる。ホイールがスキャンされると、この装着によりイオンビームの線に沿ったウエハ移動が起こる。なぜならビームは完全な平行ビームではなくため、この動きが注入操作に不均一性をもたらす。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、真空チャンバと、真空チャンバ内でイオンビームを発生するイオンビーム発生器と、真空チャンバ内の注入ホイール、これは円周上に分布する複数のウエハ指示エレメントを有し、この各エレメントが注入ホイールの中心に向かって内側に傾斜したウエハ支持面をもつ注入ホイールと、スキャンアーム、これはスキャン軸周りの往復運動のために装着されかつホイール軸周りの回転のために注入ホイールを支持する自由端を有しており、ホイール軸周りを注入ホイールが回転することによりウエハ支持エレメントが連続してイオンビームを遮り、またスキャン軸周りをスキャンアームが往復運動することによりイオンビームはウエハ支持エレメントの端から端までをスキャンするスキャンアームとを備え、その中でホイールは実質的にホイール軸とイオンビームとを横切る傾斜軸周りでアームに対し回転することができ注入方向を変え、またそのスキャン軸は実質的にイオンビーム方向に平行であり、さらにホイール軸方向はスキャン軸方向とずれているので、注入ホイールが傾斜しない時イオンビームは実質的にウエハ支持面に直角となる、イオン注入装置を提供する。
【０００８】
ウエハは常にイオンビームに対し一定の距離が保たれることがこの配置で確実となり、これにより均一な注入が達成できる。ホイールを傾け注入する角度を変える時も、イオンビームに対しウエハの距離は例えあってもほとんど変化がないことが傾斜軸位置により確証される。
【０００９】
傾斜軸は実質的にホイール軸に直角である事が好ましく、これはホイール傾斜時イオンビームに対し基板の移動がほとんどない簡単な構造を提供するからである。しかしこのわずかな動きすら許容できないなら、基板をイオンビームがスキャンしている間傾斜軸は実質的に基板支持面を通過でき、これにより基板とイオンビーム間の相対的移動を回避する。また、この二つの個々の例の間にあるどの位置でも良好な結果を与えるであろう。
【００１０】
本発明の配置では、スキャン軸とホイール軸はもはや平行でないから,ウエハのスキャン位置とリードスクリュー間の直線関係は失われる。
【００１１】
従って本発明の関連側面によると、以下を有するイオン注入装置が提供される：真空チャンバ；真空チャンバ内でイオンビームを発生するイオンビーム発生器；円周上に分布する複数のウエハ支持エレメントを有する、真空チャンバ内注入ホイール；スキャンアーム、これはスキャン軸周りの往復運動のために装着されおよびホイール軸周りの回転のために注入ホイールを支持する自由端を有しており、ホイール軸周りを注入ホイールが回転することによりウエハ支持エレメントが連続してイオンビームを遮り、スキャン軸周りをスキャンアームが往復運動することによりイオンビームはウエハ支持エレメントの端から端までをスキャンする；およびスキャンアームを駆動するモータ、このモータはスキャンアームを駆動する出力軸を備えた動力伝達装置を介してつながった駆動軸を有するが、ここでは、第１回転位置検出器が駆動軸上にまた第２回転位置検出器が出力軸に備わる。
【００１２】
この配置は、ウエハのスキャン位置を決める正確な方法を提供する。動力伝達装置の割合が等しいことで駆動軸が出力軸より速く回転する（一般には１７０：１）ので、動力伝達装置の両側で回転位置検出器を使用することにより極めて正確な測定が可能となる。
【００１３】
回転位置検出器によるデータはスキャンアームに関する十分な位置情報を提供するのに使用でき、故にこれは安全回路および他の関連機器のために使用が可能であり、よって先行技術で備えられた光センサーの必要性を除くことができる。
【００１４】
二機の回転位置検出器の使用により、装置に機械的欠陥がないことを以下の段階を有する方法を使って簡単に確認することができる。その段階は、第２回転位置検出器からの読み取り；第２回転位置検出器からの読み取り値と動力伝達装置割合からモータの理論的位置の計算；第１回転位置検出器からモータの実際位置の測定；そしてモータの実際位置とモータの理論的位置との比較；をすることである。
【００１５】
更に回転位置検出器の非直線性を考慮して、装置の速度プロファイルを容易に較正できる。この場合、以下の段階を含む方法を用いる。その段階は、移動範囲の端から端までスキャンアームを駆動する；および各位置の両方の回転位置検出器からの読み取り値に注目し；第１回転位置検出器の各読み取り値と動力伝達装置割合から、各位置の理論的第２回転位置検出器読み取り値を計算し；各位置の実際の第２回転位置検出器読み取り値から理論的第２回転位置検出器読み取り値を引き；第２回転位置検出器の非直線性以外の発生源より生ずる誤差を除くため発生データをフィルタにかけ第２回転位置検出器の非直線性のみを示すデータを得；速度誤差を示すデータを作るためこのデータを微分し；およびこの速度誤差を所望の速度プロファイルの参照テーブルに適用する；ことである。
【００１６】
本発明のさらに他の側面によると、所定の速度プロファイルを通じて部材を駆動する方法を提供する。その方法には、速度プロファイルに関し速度と位置用の数値表をまとめ；最初の位置から部材の移動を指示するために数値表の値を使用し（この最初の位置では第１速度で第２の位置に移動し、この第２の位置には加速して第２速度で移動し、部材は第２位置に達する前に第２速度に達し、第２位置に達するまでに加速を止める）；さらに制御システム内の固有の遅れが速度プロファイル全体に渡りアームのスムーズな加速をするほど十分速く、数値表から読み取り値を選ぶこと；がある。
【００１７】
この場合、駆動される部材は上記参照のスキャンアームであることができる。
【００１８】
本発明の更なる側面によると、以下を有するイオン注入装置が提供される。それは、真空チャンバ；真空チャンバ内でイオンビームを発生するイオンビーム発生器；円周上に分布する複数のウエハ支持エレメントを有する、真空チャンバ内注入ホイール；スキャンアーム、これはスキャン軸周りの往復運動のために装着されおよびホイール軸周りの回転のために注入ホイールを支持する自由端を有しており、前記ホイール軸周りを注入ホイールが回転することによりウエハ支持エレメントが連続してイオンビームを遮り、スキャン軸周りをスキャンアームが往復運動することによりイオンビームはウエハ支持エレメントの端から端までをスキャンするスキャンアーム；およびスキャンアームを駆動するモータ、このモータはサイクロイド型動力伝達装置に直接つながった駆動軸を有し、そのサイクロイド型動力伝達装置の出力が直接スキャンアームを駆動するモータ；を備える。
【００１９】
スキャンアームはそれを駆動するには、比較的低パワーのモータと低トルクの動力伝達装置しか必要としない。極めて大きなトルクを発生可能なサイクロイド型の動力伝達装置の使用は驚くべき選択といえる。しかしこの配置は故障の場合極めて高い保持トルクに耐えうるので有効である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明を応用した基本的イオン注入装置は、参照資料としてここに取り入れられた米国特許第５，６４１，９６９号に例示されたものである。以下に記載の実施例は米国特許第５，６４１，９６９号の注入装置に応用できる改善と修正に関する。
【００２１】
図１は、米国特許第５，６４１，９６９号の注入装置の様々な軸の方位を示す。この配置において、スキャンホイール１はホイール軸３に向かって内側に傾けた、円周上に間隔をあけて配置した複数のウエハ支持エレメント２を備えており、ここでホイール軸３周りに回転するように注入ホイール１を配置する。図１に矢印で示すように、ホイール軸３はイオンビーム４の方向に対してある角度の傾斜を持つ。スキャンアームは、ホイール軸３の直下にあるスキャン軸５周りを回転することができかつホイール軸３と同方向で伸長する。スキャンアームが矢印６方向にホイール１を往復スキャンするとき、ホイール１はホイール軸３周りを回転する。この間、ウエハを支持するウエハ支持面７は、イオンビーム４方向に対し直角のままである。図１からわかるように、スキャンアームが矢印６方向にホイール１をスキャンすると、ウエハ支持面７は、矢印８に示すイオンビーム４方向に移動するであろう。注入方向を変えるために、ホイール１の径の延長上を伸長しイオンビーム４と相交わりながら、ホイール１はホイール軸に直角な第１傾斜軸９Ａ周りを限定角内で回転することもできる。代わりに、ホイール１は、スキャンされるべきウエハ支持面７上の基板面を通過する第２傾斜軸９Ｂ周りを限定角内で回転できる。
【００２２】
図２では、図１と同じ部分を示すために同じ参照番号が使われる。図１と図２の間の基本的違いは、図２ではスキャン軸５が今やイオンビーム４方向に平行である一方、ホイール軸３はスキャン軸５に対し角度的にずれる。この角度的なずれにより、支持面７とイオンビーム４の間で直角な関係が保持される。今、スキャンアームが矢印６の方向にホイールを移動させると、ウエハ支持面７は同じ面内に残る。言い換えれば、ウエハ支持面７はイオンビーム４方向には移動しないであろう。また、ホイールを第１傾斜軸９Ａ周りに回転し注入する角度を変えると、イオンビーム方向に支持面７がほとんど動かないことは図２から明らかである。第２傾斜軸９Ｂ周りにホイールを回転する時、このわずかな動きさえ除かれる。
【００２３】
図２の形状を備えた装置を作るために、米国特許第５，６４１，９６９号の装置を単に適用する問題であり、そのためにスキャン軸（米国特許第５，６４１，９６９号では、符号１８として例示される）はイオンビーム方向に平行である一方、スキャンアーム（米国特許第５，６４１，９６９号では、符号１２として例示される）は適当な角度でずれた取付けハブ（米国特許第５，６４１，９６９号では、符号３３として例示される）を有するようにする。取付けハブと一緒にずれる同様の傾斜機構が、第１傾斜軸９Ａを備えるために使うことが可能である。第２傾斜軸９Ｂを備えるためには、米国特許第５，６４１，９６９号の図４に示されるように軸３７の方向に必要な調整を単に行う問題である。これは、当業者なら容易に実施できる簡単な修正と思われるので、この更なる記述はここでは行わない。
【００２４】
図３は、スキャンアーム１０の駆動列を示す。スキャンアーム１０はモータ１１により駆動され、モータ１１はサイクロイド形の動力伝達装置１３に直接入力する駆動軸１２を有し、動力伝達装置１３はスキャンアーム１０を直接駆動する出力軸１４を有する。モータ１１は比較的低パワーのブラシュレスｄｃサーボモータである一方、動力伝達装置は日本の Sumitoyo Corporation 製のようなサイクロイド形動力伝達装置である。高トルクを備えるものとして動力伝達装置１３を選ぶ。ここで、高トルクはスキャンアーム操作に必要ではないが、故障の場合高トルクに耐えうるように使われる。
【００２５】
駆動軸１２上には、モーターリゾルバ１５が有あり一方、出力軸１４上には出力リゾルバ１６がある。二つのリゾルバは本質的に回転位置検出器であって、各軸１２、１４の回転変位に比例した出力を生み出す。２つのリゾルバからの読み取り値は実質的に互いに比例し、比例定数は動力伝達装置１３による比であることがわかる。
【００２６】
動力伝達装置１３のハウジングは、外側ハウジング１７を介して注入装置のハウジングプロセスチャンバに複数のボルト１８を使って装着される。出力軸１４を複数のボルト１８'で動力伝達装置に固定し、従来設計の作動ポンプシールアセンブリ１９を通じ拡張する。ケーブルガイド１４' は出力軸内に備えられ、ケーブルを出力軸１４内部へ導入する。全スキャン負荷と質量が動力伝達装置１３に伝わる。動力伝達装置外側ハウジング１７は、プロセスチャンバの内側に広がって、シールアセンブリの外側部分を支持する。
【００２７】
装置のセットアップとキャリブレーションを図４から図７に関しここに記述する。
【００２８】
リゾルバはランダムな配置で装置に固定されるが、最初のその位置は無意味である。セットアップ中スキャンアームを基準位置（例えば垂直位置）に移動し、制御器ソフトウェアに基準位置を知らせるためにボタンを押す。この時点で２つのリゾルバからの値は不揮発性メモリに蓄えられる。動力伝達装置比が正確にわかればモーターリゾルバの理論値を出力リゾルバのいかなる位置でも計算できる。これはスタートアップ時にスキャンアーム位置を確かめるために使用され、2つのリゾルバとその回路の正しい動作と、および以下に更に詳細に記載する機械システムに欠陥がないことを確認するために周期的に使用される。
【００２９】
この確認プロセスを図４に示す。ステップ３０としてスタートアップ時に出力リゾルバから読み取りをし、アームの位置決めをするためステップ３１の基準位置からこの読み取り値を引く。ステップ３２はこの読み取り値が適切な限度内にあるかどうかを明らかにし、問題があればオペレータに知らせる。動力伝達装置比がわかれば、ステップ３３でモータ位置からモータ回転数を決めたり、およびステップ３４において基準位置でモーターリゾルバの格納基準値を使ってモータの理論的位置を計算することが可能である。ステップ３５ではモーターリゾルバから読み取りをし、ステップ３６はモーターリゾルバの計算値および読み取り値間の差が許容限度内にあるかどうかを決める。もしそうでないならシステムがオペレータに知らせる。差が許容限度内であれば機械的および電子的システムに欠陥がないことを表示する。
【００３０】
動作中、出力リゾルバの周りで位置ループは閉じている。換言すれば、モーター制御器が出力リゾルバからフィードバックを受け、出力リゾルバが所望の位置に達するまでモータを駆動する。この状態では、モーターリゾルバからの出力はアームを制御するためには使用されず、モータ通信のためだけに使用される。しかしながら、出力リゾルバからのいかなる位置誤差も結果的にスキャンプロファイル上で同等の誤差となる。リゾルバ誤差は精密な機械および電子部品の使用により最小限に減らされるが、有意誤差は存在したままである。これを補償するためにシステムは図５に示すようなキャリブレーション操作を実行する。
【００３１】
アームを基準位置に移動したり、また上記およびステップ４１、４２で例示したように２つのリゾルバからの値を格納すると、装置はフィードバックモードにスイッチされ、そのモードではモーターリゾルバのみがステップ４３に示すような動きに使われる。ステップ４４ではアームをその移動の片末端に移し、またモーターリゾルバにより決まるがその移動の全範囲に渡り小刻みにアームを移動し、そして出力リゾルバの値は各場合に格納される。一旦このプロセスが完了すると、アームは、ステップ４５でその基準位置に戻される。各モータ位置に対し、出力リゾルバの理論値がステップ４６でモーターリゾルバの読み取り値と動力伝達装置比から計算される。図６Ａのグラフに示すように一連の誤差値を生ずるステップ４７で出力リゾルバの読み取り値からこの理論値を引く。
【００３２】
誤差は２つのソース、すなわち動力伝達装置リップルと出力リゾルバの非直線性から生ずる。動力伝達装置リップルは動力伝達装置メーカーによって決まる周波数を有し、図６Ｂに示す誤差プロットをステップ４８でフィルタにかけることで容易に除去できる。その誤差プロットは出力リゾルバの非直線性により発生する誤差のみを表す。ステップ４９でこのデータを微分することにより、図６Ｃに示す速度誤差を生じうる。さらにこの速度誤差データはステップ５０に示す必要な理論速度プロファイルの数値を含むルックアップテーブルに応用できる。以下に更に詳細に記載する理由として、ステップ５１に示す４００セットのデータを一般的に有す表を提供するためにこの速度プロファイルデータを更に補間する。フィードバックモードをその後ステップ５２で変え、その結果位置が通常動作に対して出力リゾルバにより制御される。
【００３３】
上記のように発生した速度プロファイルを通じて正確にスキャンアームを移動するのを確かめるため制御システムが必要である。
【００３４】
モーターコントローラのメーカーが説明するように、この確立した方法とは３つのデータ表を使うことであり、この表は等間隔の位置で位置と速度と加速度の各々につき（例えば）５０の値を有している。これらの値は速度プロファイルに近似する一連の直線線分を表している。その１個の線分を図７Ａに示す。モータはその後指示を受け、図７Ａに示すように任意の位置に到達するまで第１速度Ｖ１から第２速度Ｖ２まで任意の割合で加速されるが、これらの値はデータ表からのものである。任意の位置に到達すると、新しい指示を表から次の数値と一緒に出す。この方法はほとんどの用途に十分であっても、この用途では欠点をもつ。全体の誤差は閉ループ制御システムの調整に大きく依存する。これは、モータが命令された加速度値をいかにすばやく想定するかを制御するが、システムの間で正確さが変わる原因となっている。第２に位置誤差が発生し、それは時間とともに増加する。言い換えれば、アームは必要な加速度まで瞬間に加速されないから、所望の位置で所望の速度に達しないであろう。
【００３５】
開発・改善された方法には、速度と位置に対して各々４００の値を一般に有す２つの広範なデータ表のみを作成することがある。ここで速度と位置を上記のように等距離を増分して計算する。モータ速度が増加するにつれより多くの頻度で新しい速度値をモータに供給することを意味する。これを図７Ｂに示す。Ｖ1およびＶ2の値は上記図７Ａと同じである。しかしながら、表における値の数が比較的大きいので、Ｖ1とＶ2間の１０個の中間速度値がアームに与えられる。図７Ｂでの矢印Ａによって示されるように最高の加速で２つの中間速度間で駆動されるので、それを必要とする前に次の中間速度に到達するであろう。その後制御システムはアームが加速を止めるべく指示を出すであろう。図７Ｂに示すように、加速度は振動を発生しやすいステップ式増加であることがわかる。しかし最新の高振動数とシステム固有の遅延ゆえにこのことは実際には問題とはならない。事実、アームの真の加速はＶ1からＶ2へ一般に滑らかな線となろう。このシステムは加速度に極めて依存することはないので（これは通常過度である）、アームが必要とされる位置に到達した時遅れて必要な速度にならないということはないであろう。この方法は閉ループ調整パラメータにさほど影響を受けないより正確な速度／位置プロファイルを与える。
【００３６】
先行技術の設計では、安全回路や他の関連機器に位置情報を提供するため光センサーが機械に付設されていた。この機能に関するケーブルや機械的部品を減らす（および、信頼性を改善する）ために、これらの位置信号を現在出力リゾルバから発生する。様々な位置信号を備える電子回路を、機械的図面データを用いて前もってプログラムする。その位置は、スキャンアームの様々な位置に対応する。その様々な位置とは、ウエハ搭載位置、スキャン行程の２末端、およびスキャンアームの移動にそれを越えると危険な２最先端位置などであり、この点ではアームへのパワーはカットされる。回路は２つの入力を持ち、１つはリゾルバから、他は、スキャンアームの基準位置でリゾルバの実際位置を定めるスイッチ群を形成する。システムに基準位置が知らされると、制御器ソフトウェアはスイッチが設定されるのに必要な値を計算しおよびこの設定を印刷する。一度スイッチが設定されると、全ての位置信号が正確に出されるであろう。制御器ソフトウェアが破壊した場合その値が壊されてしまい安全信号は間違ったものとなることを意味しているので、制御器はリゾルバオフセット値そのものを電子的に設定できない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を付帯図面に関して記載する。図１は、先行技術のイオン注入装置の様々な軸の方位を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明のイオン注入装置の様々な軸を示す概略図である。
【図３】図３は、スキャンアームのための駆動チェーンを通る断面図である。
【図４】図４は、スタートアップ時にシステムの完全性の決定過程を示すフローチャートである。
【図５】図５は、システムのキャリブレーションを示すフローチャートである。
【図６】図６Ａから６Ｃは、図５の動作のステージで発生する誤差信号を示す。
【図７】図７Ａと７Ｂは各々、先行技術に対するおよび本発明による速度制御を示すグラフである。
【符号の説明】
１…スキャンホイール、２…ウエハ支持エレメント、３…ホイール軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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