JP2005294331A - ウエハスキャン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スキャン速度の制御に関する応答性を向上させスキャン速度の均一性を高めるとともに、モータ等の配置を適切化し、さらにはウエハのチルトを最も好ましい態様で実現するウエハスキャン装置を提供する。
【解決手段】 真空中でウエハをスキャンさせる装置である。ウエハを取り付けるホルダー１０と、ホルダー１０をスキャン動作させるためのボールねじ２０と、ボールねじ２０を駆動するモータ５０と、それらを保持する一体の支持フレーム６０とを有する。ホルダー１０とボールねじ２０とを真空中に設ける一方、ボールねじ２０の移動直線上にない伝動手段およびモータ５０を大気部分に設ける。
【選択図】 図１

Description

請求項に係る発明は、イオン注入のためイオンビームに対して半導体ウエハを直線移動させるなど、真空室中でウエハ（または他の被加工物）を直線的にスキャンさせるウエハスキャン装置に関するものである。

イオン注入装置においては、ウエハ上のすべての部分に均一にイオンを注入するよう、ウエハを特定の直線方向に往復スキャン（移動）させるのが通常である。

そのような往復スキャンを行う従来の一般的なウエハスキャン装置について、ウエハホルダー等を配置した真空室の内部の構成を図１３に示す。図示の装置では、駆動軸８１ａに対して２本のアーム８１・８２を連結しており、それらを用いてウエハホルダー８５を往復に直線運動させる。

装置の詳細はつぎのとおりである。まず、２本のアーム８１・８２のうち第１アーム８１は、駆動軸８１ａとともに従動軸８１ｂを内部に有する中空型のアームであって、それら２軸８１ａ・８１ｂをベルト８１ｃにより連結している。一方、第２アーム８２は、第１アーム８１における従動軸８１ｂに基部を連結した棒状のものである。第１アーム８１の駆動軸８１ａをモータ等の駆動源（図示省略）により回転させると、従動軸８１ｂは、第１アーム８１とともに旋回しながら自転をして、第２アーム８２の位置と角度とを変える。第２アーム８２の先にはスライド部材８３を連結してそれを案内部材８４に沿わせ、そうしたスライド部材８３に対してウエハホルダー８５を取り付けている。したがって、駆動軸８１ａを回転させることにより、ウエハホルダー８５を直線的に移動させることができる。

同様のウエハスキャン装置は、たとえば下記の特許文献１に記載がある（当該公報の図４を参照）。
特開平１０−３２６５９０号公報

図１３に示すウエハスキャン装置では、第１アーム８１から第２アーム８２への動力の伝達にベルト８１ｃを使用しており、それに関連して応答性が必ずしも十分であるとはいえなかった。すなわち、ベルト８１ｃが伸縮しやすいことと、スキャンに関するアーム８１・８２の慣性モーメントが大きいことから、スキャン速度によっては的確な制御が行えない場合がある。また、ベルト８１ｃに起因してスキャン方向の剛性を確保し難いため、低い周波数で固有振動が発生しがちであり、その影響でスキャン速度の均一性が保てない場合もある。

なお、上記の特許文献１には、図１３のような装置に代わるものとして、ベルトを使用しない別の形式のウエハスキャン装置が提案されている。しかし、提案された装置も、予想される技術上の課題をすべて解決するものではない。つまり、半導体ウエハ等を扱う真空室内に、パーティクル（発塵）やアウトガス（分子状汚染物質）を極めて発生しやすいモータや伝動用機器等を配置するうえでの課題や、イオン注入の角度を変更するためのウエハのチルト（傾斜）をいかにして好ましい態様で行うかという課題について、適切な解決手段が示されていない。

さらに、真空中に配置される伝動または駆動用の機器については、潤滑や放熱（冷却）等についても課題がある。すなわち、真空中に伝動・駆動のための機器を配置する場合、従来は、潤滑については固体潤滑や特殊潤滑を、放熱や冷却については循環式冷却装置などを必要としていたが、潤滑材や装置のコスト、装置スペース等に関して課題があり、解決への努力がなされてきた。

本願請求項に係る発明は、上記のような課題を解決すべくなしたもので、スキャン速度の制御に関する応答性を向上させスキャン速度の均一性を高めるとともに、モータ等の配置を適切化し、さらにはウエハのチルトを適切な態様で実現し、潤滑や放熱に関しても問題のないウエハスキャン装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載したウエハスキャン装置は、つぎの特徴をもつものである。すなわち、
・ 真空室中でウエハ（または他の被加工物）をスキャンさせる装置であって、
・ ウエハを取り付けるホルダーと、ホルダーをスキャン動作させる直線移動手段と、直線移動手段を駆動するための伝動手段およびモータと、それら（ホルダー、直線移動手段、モータ）を保持する一体の支持フレーム（組立てられて一体化されたものを含む）とを有し、
・ 上記のホルダーと直線移動手段とが真空室中に設けられる一方、
・ 上記の伝動手段が、直線移動手段の移動直線上にあるものと当該移動直線上にないものとにより構成されていて、当該移動直線上にない伝動手段および上記のモータが大気部分に設けられている。
なお、上記において「直線移動手段」には、ボールねじ、滑りねじ、遊星ローラねじ、ラックアンドピニオン等を含む。また、「直線移動手段の移動直線」とは、同手段による直線移動の方向に沿った直線をさす。
図５に示す装置は、この請求項のウエハスキャン装置の一例である。真空室の壁２を支持フレーム６０と一体のものとし、その壁２の内側の真空部分にホルダー１０やボールねじ２０を配置し、壁２の外側の大気部分にモータ５０を配置している。また、図１〜図４に示した装置は、この請求項の装置であるとともに下記請求項の装置にも該当する例である。

この請求項に係るウエハスキャン装置には、つぎのような作用的特徴がある。まず、ウエハのホルダーをボールねじ等の直線移動手段で直線移動させるため、スキャン速度制御に関する応答性が高く、スキャン速度の均一性にもすぐれる。ボールねじ等の直線移動手段は、図１３の例に示すベルト８１ｃとは違って大きく伸縮する部分がなく、また、剛性が高いため低周波数域では固有振動を発生させないからである。

モータを大気部分に配置することから、真空中とは違って摺動部等からのパーティクルやアウトガスの発生が問題とならず、一般的な形式の（したがって低価格の）モータを使用することが可能になる。モータの摺動部分等に必要な潤滑についても、コストのかかる特殊な形態のものは不要である。
上記した伝動手段のうち直線移動手段の移動直線上にないものもモータとともに大気部分に配置するので、真空室内に配置される機器は、直線移動手段とその移動直線上にあるわずかなもののみになる。そのためこの装置には、パーティクルやアウトガスの発生について配慮すべき機器・部品が少なく、したがって低コストで構成され潤滑等も行いやすいという利点がある。

また、ウエハのホルダーを、その直線移動（スキャン）のための直線移動手段とともに真空中に配置するので、ホルダーと直線移動手段との位置関係を適切にしたうえ直線移動手段に適切な傾斜手段を付設することにより、好ましい態様でウエハをチルトさせることができる。すなわち、たとえば図７（ｂ）のようにスキャンの方向ｓを一定に保ちながらホルダー１０のみを傾斜させてウエハＡのチルトを行う場合には、そのウエハＡ中の個所によってイオンビームの照射源からの距離が異なるのに対し、図７（ａ）のように、直線移動手段が定めるスキャンの方向ｓ（つまりホルダー１０の移動経路）とともにホルダー１０を傾斜させてウエハＡ等をチルトさせる場合には、ウエハＡ内にそのような距離の分布を発生させないようにする（もってビーム密度の均一化をはかる）ことができる。後者（図７（ａ））のようなチルトを実現するには、上記のとおりウエハのホルダーを、スキャンの経路を決める直線移動手段とともに真空中に配置することが必要条件である。
なお、ウエハのホルダーと直線移動手段およびモータを一体の支持フレームに保持させるので、上記のようにウエハをチルトさせることが容易である。図５の例では支持フレーム６０と一体である真空室の壁２が動かないのでチルトは難しいが、たとえば図６のように壁２の一部２ａを回転可能にして支持フレーム６０と一体にするなら、上記した好ましいチルトは容易に行える。

請求項２に記載のウエハスキャン装置は、さらに、
・ 上記の支持フレームが、真空室内で一軸を中心に回転し得るよう、真空室の一側部に支持されていることを特徴とする。
たとえば図２や図６に示す装置は、この請求項のウエハスキャン装置の一例である。

この装置では、ウエハのホルダーと直線移動手段およびモータを保持する支持フレームが一軸を中心に回転し得るので、上記のとおり、たとえば図７（ａ）に示す好ましい態様でウエハをチルトさせることができる。

請求項３に記載のウエハスキャン装置は、上記に加えてつぎの特徴をもたせたものである。すなわち、
・ 上記の支持フレームが、ホルダー、直線移動手段、伝動手段およびモータとともに真空室の内側に配置され、
・ 通気筒を介して真空室の外側（大気部分）に通じるとともに直線移動手段の移動直線に沿った部分に真空室中と大気部分との隔絶用シール部を有する気密カバーを、その支持フレームが保持していて、
・ 大気部分となる気密カバーの内部に、伝動手段のうち直線移動手段の移動直線上にないもの（のすべて）および上記のモータが配置されている。
前記した図１〜図４の装置は、この請求項に係る装置の一例でもある。図２のように、支持フレーム６０を真空室の壁２の内側に配置し、気密カバー７０（図２中で斜線を付けた部分）は、通気筒７１を介して真空室の外側に通じさせるとともにモータ５０とボールねじ２０との間にシール部７２を設けて配置し、そうした気密カバー７０の内部にモータ５０を収容している。

この請求項のウエハスキャン装置によれば、まず、モータを含むスキャン駆動部の全体を真空室内に配置するので、スキャン駆動部の構成および配置について有利である。つまり、スキャン駆動部をコンパクトにまとめることができ、同駆動部の、装置への取付けをも容易にすることができる。

またモータは、真空室内に設けるとはいえ、上記のような気密カバーを使用してその内部に配置するため、真空中ではなく大気圧下で使用することができる。気密カバーは、気密構造であるうえに上記のシール部で真空・大気間を隔絶し、通気筒を介して大気部分に通じるからである。モータを大気圧下で使用できると、パーティクルやアウトガスの発生が問題とならないため一般的仕様のモータが使用可能になる。

請求項４に記載のウエハスキャン装置は、
・ 上記の支持フレームが、上記の通気筒を内部に有する中空回転軸によって（したがって回転も可能なように）真空室の壁に支持されており、当該回転軸を回転させることにより角度変更（チルトのための角度変更）することを特徴とする。

前記した請求項３の装置については、この請求項４の記載にしたがって構成するのがとくに好ましい。請求項３の装置では、ホルダー、直線移動手段、モータ等とともに支持フレームを真空室内に配置し、かつ、モータを大気部分に通じさせるため通気筒を含む気密カバーを使用する。その際、支持フレームを回転可能にする一方、通気筒を、気密カバー内から真空室外に通じるフレキシブルホース等で構成するのもよいが、そうすれば、長めのホースが必要になるほか、支持フレームの角度変更を妨げないようにホースを配置するなど種々の制約が生じて装置構成が複雑化・大型化するおそれもある。その点、この請求項４の装置なら、通気筒を内部に有する中空回転軸を介して支持フレームを取り付けるので、当該回転軸内に通気筒がコンパクトに収まるとともに、支持フレームの角度変更を妨げるおそれもなくなる。つまり当該回転軸の回転によって支持フレームがつねに円滑に角度変更し、通気筒はその間も当該回転軸内にあり、垂れ下がったり曲がったりすることがない。

請求項５に記載のウエハスキャン装置は、さらに、
・ 上記の伝動手段のうちに、直線移動手段の移動直線上にあるものと当該移動直線上にないものとを連結伝動する伝動ベルトが含まれ、
・ 当該伝動ベルトが、上記気密カバーの内部（つまり大気部分）に設けられている
ことを特徴とする。

この装置では、モータ等と同様にパーティクルやアウトガスの発生源になりやすい伝動ベルトが気密カバー内に配置されて、真空室内でのパーティクル等の発生が防止されるので、ウエハをスキャンさせる真空環境を好ましいものにすることができる。

請求項６のウエハスキャン装置はさらに、
・ 上記のホルダーが保持するウエハの表面と、直線移動手段が定めるホルダーの移動経路（たとえばボールねじの軸心の方向）とが平行であり、
・ その状態（つまり、ウエハの表面とホルダーの移動経路とを平行にした状態）を保ったままホルダーをチルトさせ得る（たとえば図７（ａ）のようにチルトできる）よう、上記の支持フレームが角度変更可能に（つまり傾斜ないし回転するように）配置されているとともに、
・ 支持フレームの角度変更の中心線が、ホルダーに保持されるウエハの表面の（またはそれに極めて近い）面内にある
ことを特徴とする。

この装置では、直線移動手段に対するホルダーの姿勢を適切に定めるとともに直線移動手段を適切に傾斜させることから、請求項１の装置に関して述べた好ましい態様でのウエハのチルトが実現される。つまり、スキャンする間、イオンビーム等の照射源からの距離をウエハ内の位置によらずつねに一定に保てるという好ましいチルトが行え、結果としてウエハ内でのビーム密度等の均一化をはかることができる。

またこの装置では、支持フレームの角度変更の中心線がウエハ表面の面内にあるため、支持フレームを角度変更させてホルダーおよびウエハをチルトさせるとき、ビームの照射源等からウエハ表面までの距離がチルトにともなって変化することがない。たとえば図７（ｃ）のように支持フレームの角度変更の中心線（つまりチルトの中心）Ｏtをウエハの表面から離れた個所におけば、ビームの照射方向におけるウエハの位置がチルトによって変化するのに対し、図７（ａ）のように角度変更の中心線Ｏtをウエハの表面面内に設けると、そのような変化が生じないからである。ビーム等の照射源からウエハ表面までの距離が変化しないということは、イオン注入の密度を均一化しやすいというメリットにつながる。

請求項７に記載のウエハスキャン装置は、とくに、
・ 上記の支持フレームに、直線移動手段にモータの駆動力を伝達するベルトおよびプーリと、さらにホルダーの移動の案内をなす直線案内部材（直線軌道とそれに沿って滑らかに移動するスライド部品を含むもの）とが設けられていることを特徴とする。

この装置では、直線案内部材を使用するので、ウエハをスキャンさせるためのホルダーの直線的な移動をとくにスムーズに行うことができる。また、ボールねじなど直線移動手段に対するモータ出力軸の接続を、直結等の状態にするのでなくベルトおよびプーリを使用して行うので、直線移動手段に対するモータの位置を自由に設定できる。そのため、この装置は、たとえば大気部分にモータを配置するなど配置上の制約を満たしながらもコンパクトに、しかも機能の円滑性が高いよう構成することが可能である。なお、直線移動手段（ボールねじ等）の回転に関する慣性モーメントは、図１３の例におけるアームのそれに比べて十分に小さいので、ベルトの伸縮可能性がスキャン速度の制御を妨げる恐れはない。ただし、ベルトを短くすること等により当該ベルトの剛性を高くするのは、スキャン速度の制御上このましいことである。

請求項８に記載のウエハスキャン装置は、とくに、
・ 真空中と大気部分とを隔絶するシール部として、上記の直線移動手段と直結する回転軸部に磁性流体シールが設けられていることを特徴とする。
直線移動手段に直結する回転軸部とは、たとえばボールねじにあってはそのボルトの端部付近（ねじ溝のない円柱状の部分）または当該ボルトに近い位置に配置してそれと同心に連結した他の軸をいう。

この装置では、真空・大気の隔絶シール部として磁性流体シールを使用するので、他のシール手段を使用する場合よりもパーティクルの発生が少なく、したがって、イオン注入など真空中での処理・作業に不都合が生じがたい。また、そのようなシール部を直線移動手段に極めて近い部分に設けることから、真空中に配置する機器・部品を少なくできる。真空中に設ける機器等は、パーティクルやアウトガスの発生が少ないように構成する必要があるため、摺動部等に特殊な潤滑を施したり密閉構造にしたりするなど特別仕様の高価なものになりがちであるため、真空配置の機器等が少ないことは、ウエハスキャン装置がそれだけ低コストの、使いやすいものになることを意味する。なお、磁性流体シールは回転軸部に設けるのであるから、流体が途切れがたく、シール機能が安定的に発揮される。

請求項９に記載のウエハスキャン装置は、さらに、
・ 上記の直線移動手段と、転動面または摺動面を有していて真空室中に設けられる他の部品とが、一体のユニットとして交換され得るように組み付けられていることを特徴とする。
なお、たとえば請求項７等のように直線案内部材を付設した装置に関しては、当該直線案内部材（やはり転動面または摺動面を有する）をもその一体のユニットに含めて組み付けるのが好ましい。

ボールねじのように転動面や摺動面を有していて真空中に設けられる機器・部品類は、その転動面や摺動面からの発塵等が問題となるため通常の潤滑手段が使えない。そうした事情により、直線移動手段等には潤滑等のために特殊な手段が必要になり、その保守のためにも特殊な作業が必要になりがちである。
この請求項の装置では、真空中において特殊な取扱いをする必要のある部品類を、一体のユニットとして交換され得るよう組み付けているので、潤滑機能の維持等のための保守作業を極めて行いやすい。そのようなユニットを装置から取り出したうえ、保守作業の完了した（または新規の）ユニットを装置に組み付ければ、スキャン駆動部を含むこの装置の機能は円滑に維持されることになる。装置から取り出したユニットについてボールねじなどの部品を新品に交換し、または再処理を施しておけば、次回の保守作業の際に便宜である。

請求項１０に記載のウエハスキャン装置は、
・ ホルダーに取り付けたウエハを、直線移動手段によってスキャン動作させるとともに、そのウエハに対してイオンビームを照射するものであることを特徴とする。

このような装置なら、半導体ウエハに対するイオンビームの照射を好ましい態様で行うことができ、当該ウエハに対するイオン注入を適切に実施できる。

請求項１１に記載のウエハスキャン装置はとくに、
・ 直線移動手段を駆動するための上記の伝動手段とモータとの間に、伝動用カップリングが接続されていることを特徴とする。

上記のように伝動用カップリングを用いるため、この装置では、伝動手段やモータに関する配置の自由度が高く、また組み立てや分解が容易である。すなわち、伝動手段とモータとの間を直結する場合とは違って、たとえば軸間の位置的関係を自由に設定しやすく、また軸間に多少の誤差（軸心の不一致）があっても円滑に組み立てを行える。

請求項１２に記載のウエハスキャン装置はさらに、
・ ホルダーをスキャン動作させる上記の直線移動手段として、ボールねじが真空室中に配置されていることを特徴とする。

直線移動手段として一般的には、前記したように滑りねじや遊星ローラねじ、ラックアンドピニオン等を使用することもできる。しかし、ボールねじは、動作が円滑であって機械損失も少なく、また汎用品を使用できる点でコスト的にも有利である。速度制御に関する応答性にもすぐれる。したがって、直線移動手段としてボールねじを配置し使用するこの請求項の装置では、ホルダーのスキャン動作を効率的かつスムーズに行えるほか、正確なスキャン動作を実現できる等の効果がもたらされる。

請求項１３に記載したウエハスキャン装置はさらに、
・ 上記のボールねじが、転動面（ころがり動く面）および摺動面（擦り動く面）に、ダイアモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）を形成されたうえフッ素油の焼付け被膜（ＤＦＯ被膜）を有することを特徴とする。
なお、前記した請求項６等のように直線案内部材を含む装置に関しては、直線案内部材（の転動面および摺動面）についても、同様にダイアモンド状炭素膜とフッ素油の焼付け被膜とを有するものとするのが好ましい。

この請求項の装置では、真空中に配置するボールねじとして上記のとおりダイアモンド状炭素膜とフッ素油の焼付け被膜とを有するものを使用するので、パーティクルやアウトガスの発生が極めて少ないうえ、長期間にわたり安定した潤滑性が維持される。なお、ダイアモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）とは、イオンプレーティング法などにより成膜されるダイアモンドに類似した高硬度のカーボン薄膜であり、ダイアモンド結合やグラファイト結合をもつ非晶質（アモルファス）構造であるため平滑な平面をもち、低摩擦・低摩耗の特性にすぐれる。また、フッ素油の焼付け被膜（ＤＦＯ被膜）は、フッ素油を焼き付けることにより形成される、ドライとウェットの中間的な性質をもつ粘ちょう状の潤滑薄膜で、発塵性が低く耐久性に富むものである。

請求項１４に記載のウエハスキャン装置は、とくに、
・ 上記のボールねじがボールリテーナ付きのものであることを特徴とする。

ボールねじでは、ボール（鋼球）同士の衝突を防ぐ手段として小径のスペーサボールを使用することもあるが、その場合には負荷を担うボールの数が少なくなって耐久性が低下する場合がある。その点、ボールリテーナ付きのボールねじは、同様にボール同士の衝突を防止する機能をもちながら、負荷ボールの数を多くすることができ、耐久性に関して有利である。ボールねじの耐久性がすぐれるという点は、摩耗の進行が少なくて長期間にわたりパーティクルやアウトガスの発生が少ないことに直結するので、真空中でウエハをスキャンさせるうえではとくに好ましい。

請求項１５に記載のウエハスキャン装置は、
・ 上記のボールねじが伝動用カップリングを介して伝動手段に接続されていることを特徴とする。

伝動用カップリングを用いるために、この装置では、ボールねじや伝動手段に関する配置の自由度が高く、また組み立てや分解が容易である。すなわち、ボールねじと伝動手段との間を直結する場合とは違って、たとえば軸間の位置的関係を自由に設定しやすく、また軸間に多少の誤差（軸心の不一致）があっても円滑に組み立てを行える。

請求項１６に記載のウエハスキャン装置は、
・ 上記のボールねじが、両端付近においてラジアル軸受を介し支持フレームに支持されているとともに、伝動手段に近い側の端部付近において、予圧されたスラスト軸受（精密軸受。たとえばアンギュラ玉軸受を組み合わせて予圧したもの）を介し、支持フレームに支持されていることを特徴とする。

こうしたウエハスキャン装置では、上記のスラスト軸受の作用によりボールねじの軸方向への遊び（ガタ）がなくなるので、ウエハのスキャン動作を正確に行ううえで有利である。スラスト軸受は、上記のとおり、ボールねじのうち伝動手段に近い側の端部付近に配置されるので、熱膨張等による長さ変化がボールねじに発生した場合にも、伝動手段との接続に支障が生じる恐れがない。

請求項１７に記載のウエハスキャン装置は、
・ ボールねじを冷却するための流体（冷却水など）の通路が、支持フレームのうち上記スラスト軸受の近傍を通るよう形成されていることを特徴とする。

この装置では、上記の流体によってボールねじが冷却されるほか、その流体が上記スラスト軸受の付近を通るため、スラスト軸受にも冷却効果が及ぶ。ボールねじとそのスラスト軸受には、ウエハのスキャン動作の際、ボールの転動等にともなう発熱があるが、このように冷却通路が形成されていると、真空中という断熱環境にあるにもかかわらずそのような発熱による不都合が回避される。すなわち、流体による適切な冷却が行われることにより、各部品の耐用寿命が向上するとともに、パーティクルやアウトガスの発生も抑制される。

請求項１に記載したウエハスキャン装置にはつぎの効果がある。
・ ウエハのホルダーをボールねじ等の直線移動手段によって直線移動させるため、スキャン速度制御に関する応答性が高く、スキャン速度の均一性にもすぐれる。
・ モータを大気部分に配置するほか、真空室内に露出する機器・部品が少ないので、潤滑の容易性やコストに関して有利である。
・ ウエハのホルダーを直線移動手段とともに真空中に配置するので、好ましい態様でウエハをチルトさせることも可能になる。
請求項２に記載の装置にも、チルト性能等に関する同様の効果がある。

請求項３に記載のウエハスキャン装置によれば、
・ モータを含むスキャン駆動部の全体を真空室内に配置するので、同駆動部をコンパクトにまとめることができ、それを装置に取り付けることも容易になる。モータを大気圧部分に配置することによるメリットも失われない。
請求項４に記載のウエハスキャン装置なら、通気筒を内部に有する中空回転軸を介して支持フレームを取り付けるので、当該回転軸内に通気筒がコンパクトに収まるうえ、支持フレームの角度変更がつねに円滑に行われる。
請求項５に記載のウエハスキャン装置なら、伝動ベルトが気密カバー内の大気部分に配置されるので、好ましい真空環境を形成できる。

請求項６のウエハスキャン装置では、スキャンする間、イオンビーム等の照射源からの距離をウエハ内の位置によらず一定に保てるという好ましいチルトが行え、ウエハ内でのビーム密度等の均一化をはかることができる。また、ビームの照射源等からウエハ表面までの距離がチルトにともなって変化することがない。

請求項７に記載のウエハスキャン装置では、直線案内部材の作用により、ホルダーの直線的な移動をとくにスムーズに行うことができる。また、ベルトおよびプーリの作用により、直線移動手段に対するモータの位置を自由に適切に設定できる。

請求項８に記載のウエハスキャン装置では、磁性流体シールの作用によりパーティクルの発生が少なく、したがって、イオン注入など真空中での処理・作業を有利に行える。真空中に配置する機器・部品を少なくできるので、使いやすい低コストの装置を構成できるという効果もある。

請求項９に記載のウエハスキャン装置はさらに、真空中において特殊な取扱いをする必要のある部品類を一体のユニットとして交換され得るよう組み付けているので、潤滑機能の維持等のための保守作業を極めて行いやすい。

請求項１０に記載のウエハスキャン装置なら、半導体ウエハに対するイオンビームの照射・注入を適切に実施できる。

請求項１１に記載のウエハスキャン装置なら、伝動用カップリングを用いることから、伝動手段やモータに関する配置の自由度が高く、組み立てや分解が容易である。

請求項１２に記載のウエハスキャン装置では、直線移動手段としてボールねじを使用するので、ホルダーのスキャン動作を効率的かつスムーズに行えるほか、正確なスキャン動作を実現できる。
請求項１３に記載したウエハスキャン装置は、ダイアモンド状炭素膜とフッ素油の焼付け被膜とを有するボールねじを使用するので、発塵等を抑制しながら長期間にわたって安定した潤滑性が維持される。
請求項１４に記載のウエハスキャン装置では、ボールリテーナ付きのボールねじを使用するので、ボールねじの耐久性がすぐれるほか、パーティクルやアウトガスの発生が少ない好ましい真空環境を形成できる。

請求項１５に記載のウエハスキャン装置は、伝動用カップリングを用いることから、ボールねじや伝動手段に関する配置の自由度が高く、また組み立てや分解が容易である。

請求項１６に記載のウエハスキャン装置では、スラスト軸受の作用によりボールねじのガタが抑えられるので、ウエハのスキャン動作が正確に行われる。

請求項１７に記載のウエハスキャン装置では、流体によってボールねじやスラスト軸受が冷却されるので、各部品の耐用寿命が向上するとともにパーティクルやアウトガスの発生が抑制され、したがって真空環境の維持に関しても好ましい。

図１〜図４および図８に、発明の実施に関する第一の形態を示す。図１は、半導体ウエハに対してイオンを注入するイオン注入装置の内部を表しており、図１（ａ）はスキャン駆動部１を示す斜視図、同（ｂ）はスキャン駆動部１の分解状態を示す斜視図である。図２は、図１のスキャン駆動部１につき駆動機構の要部を示す断面図であり、図３は、図２における矢視III−IIIを示す側面図である。図４（ａ）は、スキャン駆動部１の構成および動作を模式的に示す概念図で、同（ｂ）は、同（ａ）におけるｂ−ｂ矢視図である。また図８は、イオン注入装置における注入部分を全体的に示す縦断面図である。

スキャン駆動部１は、図８および図１（ａ）に示すように、イオン注入装置の真空室を形成する壁２の内側に配置したもので、チルト駆動部（図４（ｂ）中の符号３。モータ等の駆動源とその動力の伝達手段とを含む）などとともにウエハスキャン装置を構成している。ホルダー１０のチャックプレート１１上にウエハ（図４中の符号Ａ）を保持させ、そのホルダー１０をボールねじ２０（図１（ｂ）・図２等を参照）にて移動させることにより、イオンビーム（図４を参照）に対してウエハをスキャンさせる。一般的には、イオンビームを一定の方向（ｘ方向）に高頻度にスキャンさせながら、それとは直角の方向（ｙ方向。ボールねじ２０の長さの方向）にウエハをスキャンさせる。ボールねじ２０を使用するので、ウエハのスキャン動作が軽快であって当該動作の応答性が高く、しかもスキャン速度の均一性にもすぐれる。

スキャン駆動部の構成の詳細はつぎのとおりである。図１のとおり、まず主要な機能部分として、ウエハのホルダー１０と、それをスキャン方向（上記したｙ方向）に移動させるためのボールねじ２０、ボールねじ２０を回転駆動するためのモータ５０、およびそれらの支持フレーム６０を含めている。支持フレーム６０は、ホルダー１０やモータ５０などスキャン駆動部１の構成機器をまとめて保持するもので、上記の壁２により回転可能に支持させ、チルト駆動部（図４（ｂ）中の符号３）による回転駆動を受けてチルト変位し得るようにしている。

ボールねじ２０は、図２のように、両端付近においてラジアル軸受２０ａ・２０ｂを介し支持フレーム６０に支持させるとともに、ベルト４０など伝動手段（動力伝達の上流側）に近い側の端部付近では、精密スラスト軸受２０ｃによっても支持フレーム６０の支持を受けるようにしている。精密スラスト軸受２０ｃは、たとえばアンギュラ玉軸受を組み合わせて予圧したもので、これにより、ボールねじ２０が軸方向にガタつくことが防止される。

ホルダー１０は、図１（ａ）のように、上記したチャックプレート１１のほか、チャックボディ１２やスライドプレート１３を含めて構成し、そのスライドプレート１３を上記ボールねじ２０上のナット２１に結合させている。図１（ｂ）のように、ボールねじ２０をはさむ両側には、ボールねじ２０と平行に直線案内部材３０を配置し、同案内部材の軌道に沿って動くスライド部材３１にもホルダー１０のスライドプレート１３を結合させている。チャックプレート１１については、それに取り付けるウエハの表面とボールねじ２０の長さ方向とが平行になるように姿勢を定めている。モータ５０は、その出力軸（図２の符号５１ａ）をボールねじ２０のボルトと平行にやや距離をおいて配置しており、モータ５０からボールねじ２０までの動力伝達には、図１（ａ）および図３のとおり、伝動用ゴムベルト４０（歯付きのタイミングベルト）と駆動側プーリ４１、従動側プーリ４２およびテンションプーリ４３等の伝動手段を使用している。なお、これらの伝動手段のうちには、ボールねじ２０の移動直線上にあるものと当該移動直線上にないものとがある。

ボールねじ２０および直線案内部材３０等には、真空中で使用される関係から特殊仕様のものを組み込んでいる。すなわち、接触する二部品が相対運動する個所から発塵やアウトガスの問題が発生しないように、潤滑性と耐摩耗性とを向上する特殊手段であるダイアモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）とフッ素油の焼付け被膜（ＤＦＯ被膜）との形成処理を施した。接触する二部品が相対運動する個所とは、ボールねじ２０やそれに付けるナット２１のねじ部および鋼球、ボールねじ２０を支える軸受２０ａ・２０ｂ・２０ｃの溝や鋼球、さらには直線案内部材３０の軌道やスライド部材３１内の鋼球の各表面などで、転動または摺動の生じる個所をいう。そして、そのような特殊仕様のものを保守・点検しやすいよう、また被膜の摩耗・損傷時等に潤滑性・耐摩耗性を再び高めることが容易に行えるように、ボールねじ２０および直線案内部材３０など（スライドプレート１３やプーリ４２等を含む）は、図１（ｂ）のとおり一体的にスキャン駆動部１から取り出せるように構成した。つまり、それらボールねじ２０等の部品を、支持フレーム６０とは連結・分離の可能な小フレーム６３上にまとめて組み付けている。

支持フレーム６０とそれに保持させたホルダー１０やボールねじ２０、モータ５０等の機器・部品は、前記のとおり真空室の壁２の内側に配置している。しかし、図示のスキャン駆動部１においては、モータ５０を含む多くのものを大気圧部分において使用できるよう配慮した構成を採用している。大気圧部分で使用するなら、当該機器・部品からのパーティクルやアウトガスの発生が問題とならないからである。その場合、一般仕様の安価な機器・部品を使用できることにもなる。

モータ５０等を大気圧部分で使用するようにした構成の詳細はつぎのとおりである。すなわち図２（および図３）に示すように、モータ５０やベルト４０、プーリ４１・４２・４３、および短軸５３・２２などを、壁２の外側である大気圧部分に連通する気密カバー７０（図２中で斜線を付けたもの）により覆っている。気密カバー７０は、ボックス状または円筒状などの複数の中空部品をパッキン等を用いて密に連結することにより構成した中空体で、モータ５０に近い部分に設けた通気筒７１を大気圧部分に接続している。こうした気密カバー７０内の一連の気密空間に、図２のようにモータ５０と、その出力軸５１ａに接続した継手（カップリング）５２、継手５２を介して接続した短軸５３、ベルト４０（以上、ボールねじ２０の移動直線上にない伝動手段）、プーリ４１・４２・４３、さらにはプーリ４２を取り付けた短軸２２、およびそれらに付属する軸受類などを収めるとともに、短軸２２の外周面との間を磁性流体式のシール部７２により密封した。

支持フレーム６０には、スキャン駆動部１の全体をチルト可能に支えるよう、中空回転軸６１を一体化したうえその軸６１を壁２の支持孔２ａ内に回転可能に挿入・支持させ、当該挿入部分にシール部（やはり磁性流体式のもの等）２ｂを付属させている。気密カバー７０の通気筒７１は、こうした中空回転軸６１の内部に挿入する（挿入部分にもシール部を付属させる）ことにより、大気圧部分に連通させるのである。通気筒７１の内側を経由して、気密カバー７０の内部と壁２の外側との間で空気が出入りするほか、モータ５０への給電線や制御線・信号線などを通すことができる。なお、前述したチルト駆動部（図４（ｂ）中の符号３）は、中空回転軸６１に回転動力を伝達することにより、支持フレーム６０とともにスキャン駆動部１の全体をチルト回転させる。

気密カバー７０は短軸２２との間をシール部７２によって密封したので、その先にある継手（カップリング）２３やボールねじ２０、軸受２０ａ・２０ｂ・２０ｃ、ナット２１および直線案内部材３０等は真空空間内に露出することになる。この点をふまえて、前述のとおりボールねじ２０や直線案内部材３０等の転動部および摺動部にＤＬＣ膜やＤＦＯ被膜を形成したのである。なお、ボールねじ２０としては、真空中という特殊環境下でも長寿命であるよう、ボールリテーナ付きのものを採用している。

以上に説明したスキャン駆動部１は、動作の要部を模式的に示すなら図４（ａ）・（ｂ）のように構成したことになり、イオン注入装置におけるウエハスキャン装置として下記a)・b)のような機能をなす。

a) ホルダー１０のチャックプレート１１にウエハＡを取り付けたうえモータ５０にてボールねじ２０を回転させると、そのボールねじ２０（ボルトの長手方向）に沿ってホルダー１０とともにウエハＡを移動（スキャン）することができる。前述のように、イオンビームを特定位置でｘ方向（図４（ａ）の紙面と直角な方向、同（ｂ）の左右方向）に繰り返しスキャンさせることとし、ウエハＡの表面における当該ビームの照射点の移動方向と直角なｙ方向にボールねじ２０を配置し、それをウエハＡのスキャン方向ｓとするのである。なお、チャックプレート１１上のウエハＡの表面は、図４（ｂ）のようにボールねじ２０の軸心に沿って見たときイオンビームの照射方向と直角になるように向きを定め、その状態を保ったままウエハＡをスキャンさせることとする。

b) ウエハＡの表面に対するイオン注入の角度（チルト角）を変更することは、支持フレーム６０を介してスキャン駆動部１の全体を傾けることにより行える。前記したように支持フレーム６０は、中空回転軸６１を介してイオン注入装置の壁２に支持させているので、壁２の外側に配置したチルト駆動部３によって当該軸６１を回転変位させると、図４（ａ）に示すチルト方向ｔにしたがい、当該軸６１の軸心を中心に角度姿勢を変更する。支持フレーム６０には、ボールねじ２０を含むスキャン駆動部１の全体を保持させているので、こうして支持フレーム６０の角度変更をすると、ホルダー１０がボールねじ２０と一体的にチルトし、したがってウエハＡの角度とともにそのスキャン方向ｓを同じだけ変更することができる。つまり、ウエハＡの表面と当該ウエハＡのスキャン方向ｓを定めるボールねじ２０の長さ方向とが、平行を保ったまま方向ｔにチルトする。しかも、中空回転軸６１の位置を適切化してそのチルトの中心をホルダー１０上のウエハＡの表面の面内に設けているので、チルトにともなってウエハＡの表面がイオンビームの照射源に専ら近づいたり専ら遠ざかったりすることがない。以上の点から、このスキャン駆動部１では、図７（ａ）に示した好ましい態様でウエハＡをチルトさせ得ることになる。つまり、ウエハＡのチルト角によらず、ウエハＡ内のどの部分においてもイオンビームの照射源からの平均距離が一定であるという好ましいチルトが実現する。

つづく図５は、発明の実施に係る他の形態を示す図で、図５（ａ）は正面図、同（ｂ）は側面図、同（ｃ）は他の方向から見た側面図である（図５の（ａ）〜（ｃ）は三角法にしたがって描いている）。図１〜図４に示した例におけるのと同等の部分については、同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

図５に例示するスキャン駆動部４では、ウエハＡ（ホルダー１０）を移動させるボールねじ２０等を保持する支持フレーム６０を、イオン注入装置の真空室の壁２と一体に接合して設けるとともに、ボールねじ２０を駆動するためのモータ５０等をその壁２の外である大気部分に配置している。モータ５０からボールねじ２０へかけての動力伝達にはゴムベルト４０とプーリ４１・４２を使用し、それらのうち真空室内に配置される部分を密閉型のカバー７５にて覆っている。さらに、従動側のプーリ４２を取り付けたボールねじ２０のボルトの端部付近では、上記カバー７０の延伸部分の内側にシール部７６を設けている。カバー７０およびシール部７６とによって、壁２の外に通じる大気部分と壁２の内側の真空部分とを隔絶するのである。シール部７６には、真空空間での発塵等を防ぐため磁性流体シールを使用するのがよい。

図５のように構成したスキャン駆動部４においても、ボールねじ２０の剛性に基づいてウエハＡのスキャンを高応答に、しかも速度安定性の高い態様で行える。また、モータ５０やベルト４０、プーリ４１・４２を大気部分に配置することから、それらの動作部分による発塵等が問題とならず、したがってそれらに真空向けの特別仕様でない一般的な形式のものを使用できるというメリットがともなう。

図６は、図５に示したスキャン駆動部４について一部を改変した他の形態（スキャン駆動部４’）を示す正面図である。図５の例では、真空室の壁２と一体であるために支持フレーム６０が回転等することはなく、したがってウエハＡをチルトさせることは困難であるが、その構成を一部改変することによりウエハＡを適切にチルトさせることが可能になる。すなわち、図６に示すスキャン駆動部４’のように、支持フレーム６０と一体にした壁２の一部２ａ（または支持フレーム６０そのもの）を、壁２の他の部分に対して回転可能に組み付けるのである。壁２と、回転可能にしたその一部２ａとの間には、軸受およびシール部（磁性流体シールなど）を含む支持環状部６６を設けておく。

この図６のようにしたスキャン駆動部４’においても、スキャンの速度や応答性、およびモータ５０等の形式に関する利点があり、さらには、上記したチルトが可能であることによる利点がともなう。すなわち、スキャン方向を定めるボールねじ２０ととともにウエハＡ（ホルダー１０）をチルトさせるので、図７（ａ）に示す好ましい態様でのチルトが可能になる。

図９は、ウェハスキャン装置について他の実施形態を示す図であって、図９（ａ）は側面図、同（ｂ）は同（ａ）におけるｂ−ｂ矢視図である。図中、図１〜図８におけるものと同一の符号を付した部分は、それら各図における同一の機能をなす部分である。この図に示すように、支持フレーム６０の角度は、モータ等によらずに留め具等を用いた手動操作で設定（変更および固定）するようにしてもよい。

図１０は、ウェハスキャン装置のスキャン駆動部１につき、他の実施形態を示す断面図である。真空室内にあって空気の熱伝達による冷却を期待できないボールねじ２０や軸受２０ｃ等を、支持フレーム６０等に設けた図示のような冷却路Ａおよび冷却路Ｂに冷却水を流すことによって冷却する。ボールねじ２０やその軸受の負荷が大きい場合には、このように冷却を行うのがよい。図中、図２と同一の部分および同一符号を付した部分は、それら各図における同一の機能をなす部分である（以下の図も同様）。

図１１は、ウェハスキャン装置のスキャン駆動部１につきさらに他の実施形態を示す断面図である。真空室の外に設けたモータが発する動力をベベルギヤ等によって伝動させる例である。

図１２は、ウェハスキャン装置のスキャン駆動部１につきさらに他の実施形態を示す断面図であり、真空室の外に設けたモータが発する動力を伝動ベルトにてボールねじ２０等に伝える例である。

発明の実施に関する第一の形態を示すべくイオン注入装置の内部を表している。図１（ａ）はスキャン駆動部１を示す斜視図、同（ｂ）はスキャン駆動部１の分解状態を示す斜視図である。 図１のスキャン駆動部１につき、駆動機構の要部を示す断面図である。 図２における矢視III−IIIを示す側面図である。 図４（ａ）は、スキャン駆動部１の構成および動作を模式的に示す概念図であり、同（ｂ）は、同（ａ）におけるｂ−ｂ矢視図である。 発明の実施に係る他の形態を示す図であって、図５（ａ）はスキャン駆動部４の正面図、同（ｂ）は側面図、同（ｃ）は他の方向から見た側面図である 図５に示したスキャン駆動部４について一部を改変したスキャン駆動部４’を示す正面図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、ウエハＡのスキャン方向ｓと、そのチルト、およびイオンビームの方向との関係を説明するための概念図である。 イオン注入装置における注入部分を全体的に示す縦断面図である。 ウェハスキャン装置について他の実施形態を示す図であって、図９（ａ）は側面図、同（ｂ）は同（ａ）におけるｂ−ｂ矢視図である。 ウェハスキャン装置のスキャン駆動部１につき、他の実施形態を示す断面図である。 ウェハスキャン装置のスキャン駆動部１につきさらに他の実施形態を示す断面図である。 図１２は、ウェハスキャン装置のスキャン駆動部１につきさらに他の実施形態を示す断面図である。 従来の一般的なスキャン駆動部の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１・４・４’ スキャン駆動部
１０ ホルダー
２０ ボールねじ（直線移動手段）
２０ａ・２０ｂ・２０ｃ 軸受
３０ 直線案内部材
４０ ベルト
５０ モータ
６０ 支持フレーム
６１ 中空回転軸
７０ 気密カバー
７１ 通気筒
７２・７６ シール部
Ａ ウエハ
ｓ スキャン方向
ｔ チルト方向

Claims (17)

1. 真空室中でウエハをスキャンさせる装置であって、
   ウエハを取り付けるホルダーと、ホルダーをスキャン動作させる直線移動手段と、直線移動手段を駆動するための伝動手段およびモータと、それらを保持する一体の支持フレームとを有し、
   上記のホルダーと直線移動手段とが真空室中に設けられる一方、
   上記の伝動手段が、直線移動手段の移動直線上にあるものと当該移動直線上にないものとにより構成されていて、当該移動直線上にない伝動手段および上記のモータが大気部分に設けられている
   ことを特徴とするウエハスキャン装置。
2. 上記の支持フレームが、真空室内で一軸を中心に回転し得るよう、真空室の一側部に支持されていることを特徴とする請求項１に記載のウエハスキャン装置。
3. 上記の支持フレームが、ホルダー、直線移動手段、伝動手段およびモータとともに真空室の内側に配置され、
   通気筒を介して真空室の外側に通じるとともに直線移動手段の移動直線に沿った部分に真空室中と大気部分との隔絶用シール部を有する気密カバーをその支持フレームが保持していて、
   大気部分となる気密カバーの内部に、伝動手段のうち直線移動手段の移動直線上にないものおよび上記のモータが配置されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のウエハスキャン装置。
4. 上記の支持フレームが、上記の通気筒を内部に有する中空回転軸によって真空室の壁に支持されており、当該回転軸を回転させることにより角度変更することを特徴とする請求項３に記載のウエハスキャン装置。
5. 上記の伝動手段のうちに、直線移動手段の移動直線上にあるものと当該移動直線上にないものとを連結伝動する伝動ベルトが含まれ、当該伝動ベルトが上記気密カバーの内部に設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載のウエハスキャン装置。
6. 上記のホルダーが保持するウエハの表面と、直線移動手段が定めるホルダーの移動経路とが平行であり、その状態を保ったままホルダーをチルトさせ得るよう、上記の支持フレームが角度変更可能に配置されているとともに、
   支持フレームの角度変更の中心線が、ホルダーに保持されるウエハの表面の面内にある
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のウエハスキャン装置。
7. 上記の支持フレームに、直線移動手段にモータの駆動力を伝達するベルトおよびプーリと、さらにホルダーの移動の案内をなす直線案内部材とが設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のウエハスキャン装置。
8. 真空室中と大気部分とを隔絶するためのシール部として、直線移動手段と直結する回転軸部に磁性流体シールが設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のウエハスキャン装置。
9. 上記の直線移動手段と、転動面または摺動面を有していて真空室中に設けられる他の部品とが、一体のユニットとして交換され得るように組み付けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のウエハスキャン装置。
10. ホルダーに取り付けたウエハを直線移動手段によってスキャン動作させるとともに、そのウエハに対してイオンビームを照射することを特徴とする請求項１〜９に記載のウエハスキャン装置。
11. 直線移動手段を駆動するための上記の伝動手段とモータとの間に、伝動用カップリングが接続されていることを特徴とする請求項１〜１０に記載のウエハスキャン装置。
12. ホルダーをスキャン動作させる上記の直線移動手段として、ボールねじが真空室中に配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のウエハスキャン装置。
13. 上記したボールねじが、転動面および摺動面に、ダイアモンド状炭素膜を形成されたうえフッ素油の焼付け被膜を有することを特徴とする請求項１２に記載のウエハスキャン装置。
14. 上記のボールねじがボールリテーナ付きのものであることを特徴とする請求項１２または１３に記載のウエハスキャン装置。
15. 上記のボールねじが伝動用カップリングを介して伝動手段に接続されていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載のウエハスキャン装置。
16. 上記のボールねじが、両端付近においてラジアル軸受を介し支持フレームに支持されているとともに、伝動手段に近い側の端部付近において、予圧されたスラスト軸受を介し支持フレームに支持されていることを特徴とする請求項１２〜１５に記載のウエハスキャン装置。
17. ボールねじを冷却するための流体の通路が、支持フレームのうち上記スラスト軸受の近傍を通るよう形成されていることを特徴とする請求項１６に記載のウエハスキャン装置。
    

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