JPH077658B2 - イオン注入装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、イオンビームを電気的に走査すると共に、
ターゲットをそれと実質的に直交する方向に機械的に走
査する。いわゆるハイブリッドスキャン方式のイオン注
入装置に関する。

〔従来の技術〕

この種のイオン注入装置の従来例を第６図に示す。

このイオン注入装置においては、イオン源から引き出さ
れ、かつ必要に応じて質量分析、加速等が行われたスポ
ット状のイオンビーム２を、走査手段によって、即ちこ
の例では走査電源206から走査電圧（例えば1000Hz程度
の三角波電圧）が供給される一組の走査電極204によっ
て、Ｘ方向（例えば水平方向。以下同じ）に静電的に走
査して、Ｘ方向に広がる面状のビームになるようにして
いる。

一方、ターゲット（例えばウェーハ）４をホルダ８によ
ってイオンビーム２の照射領域内に保持すると共に、そ
れらを駆動装置212によって前記Ｘ方向と実質的に直交
するＹ方向（例えば垂直方向。以下同じ）に機械的に走
査し、これとイオンビーム２の前記走査との協働によっ
て、ターゲット４の全面に均一にイオン注入を行うよう
にしている。

より具体的には、イオンビーム２のＸ方向の走査領域の
一端部に、イオンビーム２を受けてそのビーム電流を計
測するビーム電流計測器（例えばファラデーカップ）21
4を設けており、これによって計測したビーム電流Ｉを
この例では変換器216によってパルス信号に変換して制
御装置218に与える。そして制御装置218は、この計測デ
ータに基づいてターゲット４の機械的走査速度を演算し
てそれになるように駆動装置212を制御する。具体的に
は、ビーム電流Ｉに比例した速度でターゲット４のＹ方
向の走査が行われるように制御する。

なお、駆動装置212には、例えば直線駆動モータや、回
転モータとボールねじを組み合わせた機構等を用いるこ
とができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記装置において、ビーム電流計測器214で計測される
ビーム電流Ｉは第７図に示すようなものになる。同図中
の点ａ、ｂは第６図中の点ａ、ｂとそれぞれ対応してい
る。

従って、制御装置218は、現在どれだけのビーム電流Ｉ
が来ているのかを検知し、それから次の一往復走査時に
どれだけの速度でターゲット４を駆動すれば良いかを演
算し、かつ駆動装置212に対して駆動信号DSを出力する
という処理を、直前のビーム電流Ｉを計測した直後から
次の一往復走査が始めるまでの時間T₁内で行わなければ
ならない。

ところが、現在一般的に存在するイオン注入装置におい
ては、一往復走査に要する時間は1msec程度であり、前
記時間T₁は数百μsec程度となり、制御装置218はこれ位
の時間内で上記のような演算処理を行う能力が要求され
る。しかも通常は、ビーム電流Ｉの大小等によって演算
処理に要する時間が変化する（例えばビーム電流Ｉが大
きくなるほど、制御装置218における処理ステップが増
大する）。

仮に制御装置218における演算処理時間が前記時間T₁を
越えてしまうと、それ以降のターゲット４の走査速度の
制御が狂ってしまい、ひいてはそれ以降の全てのイオン
注入が正しくなくなってしまう。

従って、制御装置218としては、最も長くかかる処理に
要する時間が前記時間T₁以下になるようなものを用いな
ければならないが、そのように処理速度の高い制御装置
218は非常に高価なものになる。あるいは製作するのが
困難な場合もある。

そこでこの発明は、前記のような制御装置として処理速
度の遅いものでも使用することができるようなイオン注
入装置を提供することを主たる目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、この発明のイオン注入装置
は、前記制御装置を、ターゲットの走査速度の演算処理
が終了するたびにトリガ信号を一つずつ出力するものと
し、かつ前記走査電源を、制御装置からトリガ信号が一
つ与えられるごとにイオンビームの一往復走査分の走査
出力を出力するものとしたことを特徴とする。

〔作用〕

上記構成によれば、制御装置における演算処理が必ず終
わってから、イオンビームの次の一往復走査が行われる
ことになる。従って、当該制御装置として処理速度の遅
いものでも使用することができるようになる。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例に係るイオン注入装置を
部分的に示す図である。第６図の例と同等部分には同一
符号を付し、以下においては従来例との相違点を主に説
明する。

この実施例においては、前述した制御装置218に対応す
る制御装置228が、ターゲット４の機械的走査速度の演
算処理が終了するたびにトリガ信号TS（第４図参照）を
一つずつ出力する。

より具体例を示すと、制御装置228は、例えば第２図に
示すように、ビーム電流計測器214で計測したビーム電
流Ｉ（具体的には変換器216によって変換されたパルス
信号）を取り込み（ステップ231）、それに基づいて次
の一往復走査時にどれだけの速度でターゲット４を駆動
（走査）すれば良いかを演算し（ステップ232）、かつ
駆動装置212に対して駆動信号DSを出力し（ステップ23
3）、その後トリガ信号TSを一つ出力する（ステップ23
4）。そして以上のような処理を、所定の注入が完了す
るまで順次続ける。

更にこの実施例においては、前述した走査電源206に対
応する走査電源226を、前記制御装置228からトリガ信号
TSが一つ与えられるごとにイオンビーム２の一往復走査
分の走査電圧を走査電極204に対して出力するものとし
ている。

より具体例を示すと、走査電源226は、例えば第３図に
示すように、三角波の走査信号VSを発生させる信号発生
器226a、それからの走査信号VSを昇圧して互いに逆極性
の走査電圧VXおよび−VXをそれぞれ出力する高圧増幅器
226bおよび226cを備えている。しかもこの信号発生器22
6aは、第４図に示すように、制御装置228からトリガ信
号TSが一つ与えられるごとに、三角波を一つ出力するも
のであり、これには例えば公知の任意波形発生器を使用
することができる。なお、第４図中の点ａ、ｂは、第１
図および第５図中の点ａ、ｂにそれぞれ対応している。

上記構成によれば、制御装置228における上記のような
演算処理が必ず終わってからトリガ信号TSが出力され、
それに応答してイオンビーム２の次の一往復走査が行わ
れることになる。従って、制御装置228として処理速度
の遅いものでも使用することができるようになる。

より具体的には、第５図に示すように、制御装置228に
おける演算処理時間をT₂とすると、直前のビーム電流Ｉ
を計測した直後から時間T₂後に、イオンビーム２の次の
走査が開始されることになる。従って、この時間T₂が第
７図で説明した時間T₁を越えたとしても、従来のように
注入制御が狂うというような致命的なエラーは何ら発生
しない。単に無駄時間T₃（＝T₂−T₁）が発生するだけで
ある。

ちなみに、この無駄時間T₃の間は、ターゲット４に対す
る注入動作が行われないことになるが、この時間T₃は通
常μsecオーダーであり、従って無駄時間T₃が発生して
も、所定のドーズ量を注入するのに要する時間が従来よ
りごく僅かに長くなるだけであり何ら支障はない。

なお、上記各例では、イオンビーム２の走査手段として
走査電極204を用いているが、それの代わりに偏向マグ
ネットを用いてイオンビーム２を磁界によって前記のよ
うに走査するようにしても良い。その場合は、走査電源
から走査出力として、前記のような三角波の走査電流を
供給するものとする。

また、ターゲット４をイオンビーム２の走査方向である
Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向に機械的に走査する手
段としては、前述したような直線的な運動に変えて、揺
動運動により実質的に直交するように駆動しても良い。
そのようにしたイオン注入装置の例をそのホルダ駆動装
置周りを主体にして以下に説明する。

第８図は、この発明の他の実施例に係るイオン注入装置
を部分的に示す水平断面図である。この例では、イオン
ビーム２のビームラインの左右に同じ機構がほぼ左右対
称に設けられているので、以下においては主に右側（図
の右側）を例に説明する。

この実施例においては、図示しない真空ポンプによって
真空排気される注入室６内に、Ｘ方向に電気的に走査さ
れ、更に平行ビーム化されたイオンビーム２が導入され
る。

イオンビーム２を平行ビーム化する走査手段の一例を第
９図に示す。即ち、イオン源110から引き出され、かつ
必要に応じて質量分析、加速等が行われたイオンビーム
２を、同一の走査電源116から互いに逆極性の走査電圧
（三角波電圧）が印加される二組の走査電極112および1
14の協働によってＸ方向に走査して、走査電極114から
出射した時に平行ビームになるようにしている。もっと
も、この例と違って、例えば下流側の走査電極114の代
わりに磁場を用いる等してイオンビーム２を平行ビーム
化するようにしても良い。

第８図に戻って、上記のような注入室６の左右に、この
実施例では二つの互いに同一構造のホルダ駆動装置120
が設けられている。

各ホルダ駆動装置120においては、注入室６の側壁部に
真空シール機能を有する真空シール軸受122を設け、そ
れに主軸124を前述したＸ方向に貫通させて支持してい
る。

注入室６の外側に第１の可逆転式のダイレクトドライブ
モータ126を取り付けており、その出力軸127を、歯車の
ようなものを介さずにカップリング板128で直接、主軸1
24の注入室外側端部に結合している。

一方、主軸124の注入室内側端部には、カップリング130
を介して、第２の可逆転式のダイレクトドライブモータ
132をその出力軸133が当該主軸124とほぼ直交するよう
に取り付けている。

このダイレクトドライブモータ132は、真空中に持ち込
めるように、その内部と外部とがＯリング（図示省略）
によって真空シールされており、かつその出力軸133と
モータケース間も例えば磁性流体を含む真空シール部13
4によって真空シールされている。

そしてこのダイレクトドライブモータ132の出力軸133
に、アーム136を歯車のようなものを介さずに直接取り
付けている。

このアーム136の先端部に、第３の可逆転式のダイレク
トドライブモータ138をその出力軸139が当該アーム136
とほぼ直交するように取り付けている。

このダイレクトドライブモータ138も、真空中に持ち込
めるように、その内部と外部とがＯリング（図示省略）
によって真空シールされており、かつその出力軸139と
モータケース間も例えば磁性流体を含む真空シール部14
0によって真空シールされている。

そしてこのダイレクトドライブモータ138の出力軸139
に、それとほぼ直交するように、ターゲットの一例であ
るウェーハ４を保持するホルダ８を歯車のようなものを
介さずに直接取り付けている。従って、このホルダ８に
保持されたウェーハ４の表面を、第８図に示すように、
イオンビーム２に向けることができる。尚、ホルダ８
は、この例ではベース8aと、それとの間にウェーハ４を
挟持するウェーハ押え8bと、ウェーハ４を昇降させるウ
ェーハ受け8cとを備えている。

上記構造によれば、第１のダイレクトドライブモータ12
6によって、主軸124を矢印Ｄのように回転させて、その
先にアーム136等を介して取り付けられたホルダ８を、
所定の注入角位置（第８図中右側のホルダ８参照）と、
ウェーハ４のハンドリングのための水平位置（第８図中
左側のホルダ８参照）とに駆動することができる。

そして上記注入角位置で、第２のダイレクトドライブモ
ータ132を矢印Ｅのように正転および逆転させてアーム1
36を揺動回転させると、アーム136の先端部に取り付け
られたホルダ８は、そこに保持したウェーハ４をイオン
ビーム２に向けた状態で、円弧を描くような形で、Ｘ方
向と実質的に直交するＹ方向に機械的に走査される（第
10図も参照）。

しかもその時、第３のダイレクトドライブモータ138を
第２のダイレクトドライブモータ132と同時に同一方向
（各モータの出力軸側より見て）かつ同一角度回転させ
ると、第10図に示すように、ホルダ８が円弧を描くよう
に走査されても、当該ホルダ８の絶対回転角は０°であ
ってその姿勢は不変である。従ってこのホルダ８に装着
されたウェーハ４の姿勢も不変である（例えば第10図中
のウェーハ４のオリエンテーションフラット4aは、ホル
ダ８の走査位置に拘わらず常に上側を向いている）。

その結果、このことと前述したようにイオンビーム２が
Ｘ方向に平行ビーム化されていることとが相俟って、例
えばホルダ８の垂直速度成分がイオンビーム２のビーム
電流に比例するようにアーム136の角速度を制御すれ
ば、ウェーハ４の面内においてドーズ量の均一なイオン
注入が可能になる。

尚、両ダイレクトドライブモータ132および138を上記の
ように駆動するには、例えば両者に同一パルス信号を供
給すれば良い。

ホルダ８を第８図中左側に示すようにウェーハ４のハン
ドリング位置に移動させるには、ダイレクトドライブモ
ータ126によってホルダ８を水平状態にすると共に、ダ
イレクトドライブモータ132によってホルダ８を壁側に
移動させれば良い。

尚、ホルダ８上のウェーハ４を冷却するためにホルダ８
に冷媒を流す場合は、次のようにすれば良い。

即ち、各ダイレクトドライブモータ126、132および138
の中心部には貫通穴があいているので、ホルダ８の中心
部に冷媒通路を有するホルダ軸を取り付け、そのホルダ
軸をダイレクトドライブモータ138の中心穴を貫通さ
せ、アーム136に設けた回転継手で回転するホルダ軸に
冷媒の供給および回収を行うようにすれば良い。

かつ、この回転継手に可撓性のあるチューブを接続して
それをダイレクトドライブモータ132の中心穴を通すと
共に、ダイレクトドライブモータ126の中心穴を貫通す
る主軸124を中空にして同チューブをその中を通して大
気側に引出し、これによって大気側から冷媒の供給およ
び回収を行うようにすれば良い。

ところで、この実施例においては、注入室６の後方部左
右の底部に、ウェーハ４を注入室６内と大気側との間で
１枚ずつ出し入れ（アンロードおよびロード）するため
の真空予備室80がそれぞれ隣接されている。

この真空予備室80の部分の断面図を第11図および第12図
に示す。第11図は真空予備室80の真空側弁88が閉じかつ
大気側弁90が開いた状態を、第12図は真空側弁88が開き
かつ大気側弁90が閉じた状態を示す。但し、第12図に
は、後述するウェーハ搬送装置60の一部分をも便宜上示
している。

詳述すると、注入室６の底部に、真空ポンプ92によって
真空排気される真空予備室80が設けられており、その上
部には注入室６との間を仕切る真空側弁88が、下部には
大気側との間を仕切る大気側弁90が、それぞれ設けられ
ている。

真空側弁88は注入室６上に設けたエアシリンダ86によっ
て、大気側弁90は下側のエアシリンダ102によってガイ
ド軸98を介して、それぞれ昇降され開閉される。尚、エ
アシリンダ86の上部に設けたレバー88およびエアシリン
ダ82は、エアシリンダ86をロックするためのものであ
る。

大気側弁90の上部には、ウェーハ４を載せる回転台94が
設けられており、この回転台94は、モータ96によってウ
ェーハ４のオリエンテーションフラット合わせ等のため
に回転させられると共に、デュアルストロークシリンダ
100によってウェーハ４のハンドリング等のために２段
階に昇降させられる。

再び第８図に戻って、上記のような各真空予備室80から
水平状態にある各ホルダ８にかけての部分に、次のよう
な構造のウェーハ搬送装置60がそれぞれ設けられてい
る。

即ち、第13図も参照して、真空予備室80と水平状態にあ
るホルダ８との間のウェーハ４の搬送経路に沿って、二
つの溝付きのプーリー70および72間にタイミングベルト
68がループ状に懸け渡されている。一方のプーリー70に
は、正転および逆転可能なモータ74が連結されている。
そして、このタイミングベルト68の上側および下側の部
分には、それぞれ連結金具66を介して、それぞれウェー
ハ４を載置可能なロード側の搬送アーム61aおよびアン
ロード側の搬送アーム装置61bがそれぞれ取り付けられ
ている。

また、各搬送アーム61a、61bが回転せずにタイミングベ
ルト68に沿って移動するのをガイドするガイド手段とし
て、この実施例ではボールスプラインを採用している。
即ち、各搬送アーム61a、61bの根元部にスプライン軸受
64aおよび64bを取り付けると共に、それらをそれぞれ貫
通する上下２本のスプライン軸62aおよび62bをタイミン
グベルト68に平行に配置している。

このようなボールスプラインの代わりに、通常のガイド
軸を２本ずつ用いても良いが、ボールスプラインを用い
れば、１本のスプライン軸で、搬送アームが回転せずに
水平に安定して走行するのをガイドすることができる。

尚、各スプライン軸62a、62bは、簡略化のために丸棒で
図示しているが、実際は、複数のボールの転動溝を有す
る丸棒状あるいは異形状のものである。

次に、上記のようなイオン注入装置の全体的な動作例を
第８図の右側の機構を中心に説明する。

ホルダ駆動装置120によってホルダ８を水平位置に移動
させ（この状態は、第８図中の左側のホルダ８参照）、
ウェーハ受け8cおよびウェーハ押え8bを図示しない駆動
装置によって駆動して、先に装着していたウェーハ４を
下段のアンロード用の搬送アーム61bに受け渡しする位
置まで上昇させる。

一方、真空予備室80側では、第12図を参照して、デュア
ルストロークシリンダ100の上下両方のシリンダを動作
させて回転台94を大きく上昇させて２点鎖線で示すよう
に上段のロード側の搬送アーム61aの位置まで未注入の
ウェーハ４を持ち上げ、その状態でウェーハ搬送装置60
のモータ74によってタイミングベルト68を駆動して、搬
送アーム61aを真空予備室80上の位置に、かつ搬送アー
ム61bをホルダ８上の位置に同時に移動させ、そしてホ
ルダ８のウェーハ受け8cを降下させて先に注入済のウェ
ーハ４を搬送アーム61bに載せ、一方真空予備室80側で
も回転台94を降下させて未注入のウェーハ４を搬送アー
ム61aに載せる。

次に、ウェーハ搬送装置60のモータ74を先とは逆転さ
せ、注入済のウェーハ４を載せた搬送アーム61bを真空
予備室80上へ、未注入のウェーハ４を載せた搬送アーム
61aをホルダ８上へ移動させ、そして真空予備室80側で
はデュアルストロークシリンダ100の上側のシリンダの
みを動作させて回転台64によって搬送アーム61bよりウ
ェーハ４を受け取り（第12図中の実線の状態）、ホルダ
８側ではウェーハ受け8cによって搬送アーム61aよりウ
ェーハ４を受け取る。

次いで、ウェーハ搬送装置60のモータ74を再び逆転させ
て両搬送アーム61aおよび61bを中間の待機位置まで移動
させ（第８図の状態）、ホルダ８側ではウェーハ受け8c
およびウェーハ押え8bを降下させてウェーハ４を保持
し、ホルダ駆動装置120によってホルダ８を第８図中に
示すような注入状態まで移動させて注入準備は完了す
る。

一方、真空予備室80側では、回転台94を降下させ、かつ
真空側弁88を閉じた後、当該真空予備室80内を大気圧状
態に戻して大気側弁90を開き（第11図の状態）、図示し
ない大気側の搬送アーム装置によって注入済のウェーハ
４の搬出および次の未注入のウェーハ４の搬入を行う。
このとき並行して、注入室６内では、ホルダ駆動装置12
0によってホルダ８を前述したようにＹ方向に機械的に
走査しながら、当該ホルダ８上のウェーハ４にイオンビ
ーム２を照射してイオン注入が行われる。

以降は、必要に応じて上記と同様の動作が繰り返され
る。

また、右側の機構と左側との機構との関係を説明する
と、この実施例においては、一方の（例えば第８図中の
右側の）ホルダ８を上記のように走査しながらそこに装
着したウェーハ４にイオン注入を行うことと並行して、
他方のホルダ８を水平状態にしてウェーハ４のハンドリ
ング（即ち注入済のウェーハ４の取出しおよび未注入の
ウェーハ４の装着）を行うことができる。即ち、二つの
ホルダ８において交互にイオン注入およびウェーハ４の
ハンドリングを行うことができ、イオン注入およびハン
ドリングのロス時間が殆どなくなるのでスループットが
向上する。

しかも、各アーム136およびホルダ８が円弧状に動くた
め、それらが互いに機械的に干渉するのを避けながら二
つのホルダ駆動装置120を互いに近づけて配置すること
ができ、従って当該イオン注入装置の小型化を図ること
ができる。

また、両ホルダ８に対するウェーハ４のハンドリングが
互いに同一条件で、即ちこの例では互いに同一高さでし
かもどちらもウェーハ４の表面を上にして可能になるた
め、ウェーハ４のハンドリングが容易になる。

更にこの実施例のイオン注入装置では、各ホルダ駆動装
置120にダイレクトドライブモータ126、132、138を採用
していて、それらによって必要な個所を直接駆動するよ
うにしているので、タイミングベルト、そのためのプー
リー、歯車等を用いる場合に比べて、ホルダ駆動装置12
0の構造が大幅に単純化されている。

尚、この明細書においてＸ方向およびＹ方向は、直交す
る２方向を現すだけであり、従って例えば、Ｘ方向を水
平方向と見ても、垂直方向と見ても、更にはそれらから
傾いた方向と見ても良い。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、制御装置における所定
の演算処理が必ず終わってから、イオンビームの次の一
往復走査が行われるようになるので、当該制御装置とし
て処理速度の遅いものでも使用することができるように
なる。

その結果例えば、当該制御装置のコストを下げることが
できると共に、それを製作するのが困難になることもな
くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係るイオン注入装置を
部分的に示す図である。第２図は、第１図の制御装置に
おける制御の大まかな流れを示すフローチャートであ
る。第３図は、第２図の走査電源のより具体例を示すブ
ロック図である。第４図は、トリガ信号および走査信号
の例を示す図である。第５図は、第１図の装置において
ビーム走査時に計測されるビーム電流の例を示す図であ
る。第６図は、従来のイオン注入装置の一例を部分的に
示す図である。第７図は、第６図の装置においてビーム
走査時に計測されるビーム電流の例を示す図である。第
８図は、この発明の他の実施例に係るイオン注入装置を
部分的に示す水平断面図である。第９図は、イオンビー
ムの電気的な走査手段の一例を示す概略平面図である。
第10図は、第８図中のホルダ駆動装置による走査時のホ
ルダの姿勢を説明するための図である。第11図および第
12図は、共に、第８図の線Ｉ−Ｉに沿う断面図である
が、互いに動作状態を異にしている。第13図は、第８図
中のウェーハ搬送装置を示す斜視図である。 ２…イオンビーム、４…ターゲット、204…走査電極
（走査手段）、212…駆動装置、214…ビーム電流計測
器、226…走査電源、228…制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオンビームをＸ方向に電気的に走査する
   走査手段およびそれに走査出力を供給する走査電源と、
   ターゲットをＸ方向と実質的に直交するＹ方向に機械的
   に走査する駆動装置と、イオンビームの走査領域の一端
   部に設けられていてイオンビームのビーム電流を計測す
   るビーム電流計測器と、このビーム電流計測器で計測し
   たビーム電流値に基づいてターゲットの走査速度を演算
   してそれになるように前記駆動装置を制御する制御装置
   とを備えるイオン注入装置において、前記制御装置を、
   ターゲットの走査速度の演算処理が終了するたびにトリ
   ガ信号を一つずつ出力するものとし、かつ前記走査電源
   を、制御装置からトリガ信号が一つ与えられるごとにイ
   オンビームの一往復走査分の走査出力を出力するものと
   したことを特徴とするイオン注入装置。