JP2507302B2 - 半導体ウエハをイオンインプランテ−シヨンする装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般に、予め選択された化学種のイオンを
半導体ウェハにインプランテーションする装置及び方法
に係り、特に、イオンビームに対して半導体ウェハを位
置設定すると共にイオンビームで半導体ウェハを走査さ
せるような装置及び方法に係る。より詳細には、本発明
は、例えば、10ミリアンペア以上のホウ素イオンビーム
及び35ミリアンペア以上の砒素イオンビームといった高
いビーム電流を発生することのできるイオンインプラン
テーション装置においてウェハを処理する技術について
の３つの相互に関係のある特徴に係る。これら３つの特
徴とは、ウェハをヒートシンクに取付けるかもしくはク
ランプすること、ウェハをイオンビームで走査するこ
と、及びこの走査中にイオンビームに対してウェハの向
きを定めることに関するものである。

従来の技術 大規模集積回路（LSIC）チップの製造は、最近の10な
いし15年間にわたり世界中で最も重要な産業の１つとな
った。この技術により、メインフレーム及びミニコンピ
ュータシステムと、マイクロコンピュータシステムとの
両方においてその性能／コストが著しく改善され、これ
らのシステムは、家庭用のコンピュータ及び専用のオフ
ィスコンピュータの分野で益々増え続けている。又、LS
IC技術により、工業用プロセス及び装置のための通信及
び実時間制御システムにおいてその性能が相当に進歩す
ると共に、そのコストが低下した。LSIC分野における本
発明の要点を理解するため、集積回路（IC）製造に関す
る幾つかの背景情報について述べるのが有用であろう。

半導体プロセスでのイオンインプランテーションの利用 ICチップに対する半導体装置の集積の規模及びこのよ
うな装置の作動速度は、過去数年間にわたって著しく改
善された。これらの改善は、IC製造装置における幾多の
進歩や、バージン半導体ウェハをICチップへと処理する
際に用いられる材料及び方法の改良によって可能とされ
ている。製造装置の最も著しい進歩は、集積回路製作用
エッチング装置の改良と、導電率を変える不純物のイオ
ンを半導体ウェハにインプランテーションする装置の改
良である。

集積回路の密度及びそれらの作動速度は、主として、
半導体ウェハ上のマスク層に回路素子のパターンを形成
するのに用いられる集積回路製作用エッチング装置の精
度及び分解能によって左右される。然し乍ら、密度及び
作動速度は、又、ウェハ内のドープ領域、即ち、導電率
を変える不純物が相当の濃度で追加される領域、のプロ
ファイルをいかに厳密に制御するかによっても左右され
る。ウェハのドーピングの厳密な制御は、イオンインプ
ランテーション技術及び装置を用いて最良に達成するこ
とができる。イオンインプランテーションのみによって
得られるドーピングの均一性は、幾何学的に小さい装置
を製造する上で重要である。イオンインプランテーショ
ンによって得られる個々のウェハについてのドーピング
の均一性、ドーピングレベルの再現性、及びウェハごと
の均一性は、高密度装置の製造収率を著しく向上させ
る。

イオンインプランテーション装置に望まれる特徴 イオンインプランテーションの技術を用いてLSIC装置
を製造する分野で強く望まれることの１つは、インプラ
ンテーションを実施する経費、特に、LSIC製造工程にお
いてより一般的となってきている分量の多いインプラン
テーションを実施する経費、を著しく増加することな
く、イオンインプランテーション装置のウェハ処理容量
を改善することである。特に、分量の多いインプランテ
ーションサイクルにおいて、イオンインプランテーショ
ン装置のウェハ処理容量を決める主たるパラメータは、
イオンビーム電流である。現在製造されているイオンイ
ンプランテーション装置は、イオンビーム電流発生容量
が非常にまちまちな多数の色々な装置であって、このよ
うな装置は、一般に、低電流装置、中電流装置及び大電
流装置に分類される。

本発明は、特に、大電流イオンインプランテーション
装置の性能要求を満たすことに向けられる。現状におけ
る大電流のイオンインプランテーション装置は、２ない
し３ミリアンペア（mA）の有用なホウ素イオンビーム電
流及び約10ないし12mAの砒素イオンビーム電流を発生す
る装置である。10mA以上のビーム電流は、ビームエネル
ギーが150キロボルト程度であり、上記の全ての領域で
のウェハ処理技術に対して特殊な問題を招く。

より高い製造効率を得るために、半導体製造業界で
は、分量の多いインプランテーションに対しウェハの処
理容量を高めるようなビーム電流の更に大きいイオンイ
ンプランテーション装置の開発が待たれている。1984年
８月15日に出願されたデレク・エイトケン（Derek Aitk
en）氏の「イオンインプランテーション装置及び方法
（APPARATUS AND METHODS FOR ION IMPLANTATION）」と
題する米国特許出願第641,027号には、現状の技術の場
合よりも数倍も大きな有用なイオンビーム電流を発生す
ることのできるイオンビームライン技術が開示されてい
る。より詳細には、エイトケン氏の特許出願に開示され
た新規なイオン光学技術及びイオンビームライン成分技
術を用いると、10mA以上のホウ素イオンビーム電流及び
30mA以上の砒素イオンビーム電流を得ることができる。
この技術は、エイトケン氏の大電流ビーム技術としてこ
こで取り上げる。

これらのレベルのイオンビーム電流により、ウェハの
処理容量を著しく改善する新規なイオンインプランテー
ション装置が形成される。これらイオンビーム電流は、
約150キロボルト（KV）までのイオンビームエネルギー
において発生することができる。これらの電流レベル及
びエネルギーレベルを有するイオンビームは、４キロワ
ット以上の全ビーム出力を含む。このように出力の高い
イオンビームでは、イオンインプランテーション工程中
のウェハの走査、取り付け、方向付け、及び冷却に対し
て特定の追加要求が生じる。特に、このように出力が高
いビームの場合は、完全バッチ式のイオンインプランテ
ーション装置におけるウェハの処理及び走査に対して厳
しい条件が課せられ、半導体業界の高度な要求を満たす
ためには次のような仕様に合致しなければならない。

１）直径６インチ（15cm）の半導体ウェハ25個より成る
１つのバッチを同時に走査する。

２）ウェハ全域の分量の均一性及びバッチごとの分量の
均一性を、約0.75％未満の変化に維持する。

３）ホトレジストパターンがゆがまないように、最大ウ
ェハ温度を80℃未満に維持する。

４）ウェハの一方の縁から他方の縁まで又はその中心か
ら縁までのインプランテーション角度の変動を回避す
る。

５）収率の低下を招くようなウェハの汚染や他の種との
交配汚染を回避する。

６）ウェハへの機械的又は熱ストレスによる損傷を回避
する。

７）ウェハ走査系統のウェハ装填及び取外し走査の完全
自動化を容易にする。

発明が解決しようとする問題点 イオンインプランテーション装置においてウェハを処
理及び操作する現状の技術は、その能力に限度がある。
これらは、今日の大電流イオンインプランテーション装
置の性能要求に合致することが困難である。更に、これ
らは、エイトケン氏の大電流ビーム技術によって形成さ
れる形式のイオンビーム出力レベルを有する次の時代の
イオンインプランテーション装置の設計及び性能要求に
合致するに不充分である。

これまで、ウェハをイオンビームで走査すると共に、
走査機構に組み合わされたヒートシンク素子にウェハを
取付ける装置及び方法について種々様々な技術が知られ
ている。

ビーム電流が大きく且つビーム出力が高い場合には、
或る方向、即ち、高速走査方向に比較的速度の速いビー
ムでウェハを機械的に走査するのが重要であると分かっ
ている。他の走査方向については、ゆっくりとしたウェ
ハの機械的走査を用いるか或いはビーム自体の静電もし
くは電磁走査を用いるかの両方が知られている。

走査ホイール又はドラムにウェハを取付けて保持する
と共に、効率よいヒートシンクを取付けてウェハとヒー
トシンクとを良好に熱接触することによってウェハに必
要とされる冷却を果たすために、色々な装置及び方法が
用いられている。公知装置の多くは、ウェハの縁でウェ
ハをヒートシンクにクランプするようなクランプ機構を
用いている。遠心力を利用してウェハをヒートシンクに
押しつけウェハの全面をヒートシンクに対して良好な熱
接触状態に維持することも知られている。

或る装置においては、ウェハの汚染を防ぐためにベア
リング及び潤滑剤を真空室から取り除くように配慮され
ているが、このプロセスでは、全プロセスチャンバのよ
うな装置の大部分を動かすための高価で且つ複雑な機構
が用いられている。

インプランテーションの角度を約７度のオフ角度から
０度のインプランテーション角度まで変えるために、交
換可能なホイール及び交換可能なヒートシンク素子が示
唆され或いは使用されている。一般に、これらの解決策
は、複雑な取り付け機構を伴い、１つの機会において別
々のインプランテーション角度を用いる場合、インプラ
ンテーションの経費が高くなると共に機械の使用が難か
しくなる。

公知技術で教示もしくは示唆されているウェハ取り付
け、冷却及び走査のための装置の中で、大電流のインプ
ランテーション装置、特に、エイトケン氏の大電流ビー
ム技術によって可能とされるビーム出力のインプランテ
ーション装置に対し上記した全ての設計要求を首尾よく
満たすものは皆無である。

問題点を解決するための手段 そこで、本発明の主たる目的は、半導体ウェハをイオ
ンインプランテーションするための改良された装置及び
方法を提供することである。

本発明の別の目的は、半導体ウェハを大電流高出力の
イオンビームで走査する改良された装置及び方法を提供
することである。

本発明の特定の目的は、直径６インチ（15cm）の半導
体ウェハ25個より成りバッチ全部を走査することのでき
る改良されたウェハ走査装置を提供することである。

本発明の更に別の目的は、半導体ウェハに悪影響を与
えることなく少なくとも4KWのイオンビーム出力を取り
扱うことのできる改良されたウェハ走査及び冷却装置を
提供することである。

本発明の更に別の目的は、ウェハの前面に接触するよ
うなクランプ機構を用いることなく走査中にヒートシン
クにウェハを保持することができる改良されたウェハ取
付け及び走査装置を提供することである。

本発明の更に別の目的は、イオンビームに対して色々
な向きのインプランテーション角度でウェハ走査機構の
ヒートシンク素子にウェハを取付ける改良された装置を
提供することである。

本発明の更に別の目的は、イオンビームに対してウェ
ハの二重の機械的走査を実行する簡単で且つコストの低
い改良された装置及び方法を提供することである。

本発明の１つの特徴は、半導体ウェハを二重走査移動
においてイオンビームで走査する装置にある。この装置
は、イオンビームを発生するイオンビーム線装置を含ん
でいる。走査ホイール組立体は、複数の半導体ウェハを
支持し、ホイールの中心軸に対して回転することができ
る。駆動構成体は、一方向にウェハをビームで走査する
ように走査ホイール組立体をその中心軸に対して回転さ
せる。走査構成体は、走査ホイールとイオンビームを前
記の一方向と直交する方向に相対的に走査移動させる。
走査ホイール組立体は、中心ハブと、このハブに取付け
られていてそこから半径方向外方に延びた複数の別々の
スポークアームと、各スポークアームの外端に各々形成
された複数の円筒状のヒートシンク素子とを備え、これ
らのヒートシンク素子は、これに半導体ウェハを取付け
る構成体を含んでいる。各スポークアームの巾は、ヒー
トシンク素子の最大巾より実質的に小さい。走査構成体
は、ヒートシンク素子及びこれに関連したスポークアー
ムが走査移動の一端においてはイオンビームから完全に
外れそして走査移動の他端においてはスポークアームの
一部分のみがイオンビーム内に入るように、或る距離の
走査移動を生じさせる。

各々のヒートシンク素子は、これを通して延びる冷却
物体チャンネルを形成しているのが好ましい。走査ホイ
ール組立体は、ヒートシンク組立体の冷却液体チャンネ
ルの各々と冷却流体をやり取りしてイオンビームにより
発生した熱をそこから運び去るような配管構成体を備え
ている。各ヒートシンク挿入体は、導電性の金属本体を
備えていて、これは、ヒートシンク組立体に隣接する第
１取付面と、イオンビームに対向する第２取付面とを形
成している。熱伝導性弾力性材料の第１の層が第１取付
面に取り付けられ、熱伝導性弾力性材料の第２の層が第
２取次面に取り付けられて、ウェハ取付面として働く。
ヒートシンク挿入体は、冷却されたヒートシンク組立体
に取り付けられたウェハの全面にわたりこのヒートシン
ク組立体に対して良好な熱伝導性を与える。

本発明のこの特徴により、ウェハ走査装置は、個々の
ヒートシンク素子上の25個のウェハより成るバッチ全部
を取り扱うことができると共に、４キロワット以上のビ
ーム出力負荷を取り扱うことができる。走査ホイールの
組立体の構造は、この組立体及びこれに取付けられたウ
ェハにほんの一部分の時間だけイオンビームが当たるよ
うな構造とされる。これにより、走査ホイール組立体に
かゝる積算熱負荷が相当に減少されると共に、比較的簡
単で然も効率のよい水冷系統によりウェハの温度を損傷
限界レベル以下に維持するに充分なウェハ冷却を果たす
ことができる。

本発明の別の特徴は、走査ホイール組立体を高い角速
度で回転する時にクランプ機構を使用せずに遠心力を利
用して走査中にウェハをヒートシンクに容易に保持でき
るような走査ホイール組立体及び取付駆動構成体にあ
る。この構成体は、ウェハに対するビームのインプラン
テーション角度が０度である時にもこのような遠心力に
よる保持を果たすことができる。

本発明のこの特徴に用いられる駆動構成体は、走査ホ
イール組立体を取り付けると共にこの走査ホイール組立
体を回転する取付駆動構成体を備え、即ち、この取付駆
動構成体は、中心軸がイオンビームの方向にイオンビー
ムの発生源に向かって僅かな角度で傾斜されるような状
態で走査ホイール組立体を取り付け、そしてウェハを一
方向にビームで走査するように中心軸に対して走査ホイ
ール組立体を高い回転速度で回転させる。ヒートシンク
素子の各々は、取付面領域を画成し、予め決められた距
離だけ中心軸から離間される。各々のウェハ取付構成体
は、ヒートシンク素子に取付けられてウェハ取付面を画
成するヒートシンク挿入体を備え、ウェハ取付面は、こ
れに支持される予め決められたサイズの半導体ウェハと
少なくとも同等の大きさの直径を有しそしてイオンビー
ムの方向に対して０度となるか、又はイオンビームの方
向に対して僅かに傾斜した角度となるように配向される
ことができる。いずれにせよ、ウェハに直角な線は、中
心軸と交差して、大きな鋭角を定める。ウェハと走査ホ
イール組立体の回転軸とのこの向きにより、走査ホイー
ル組立体を高い回転速度で回転すると、ウェハ取付面に
直角に実質的な遠心力成分が発生し、ウェハは取付面に
ぴったりと保持される。

各々のヒートシンク素子は、走査ホイール組立体が回
転中である時にウェハをウェハ取付面に拘束するよう
に、ヒートシンク挿入体に隣接してその半径方向最外点
にウェハ停止面を形成するのが好ましい。走査ホイール
組立体が高い回転速度で回転されていない時にウェハを
ウェハ停止面に一時的に押しつけるためにウェハクラン
プ構成体がヒートシンク素子に取り付けられる。このウ
ェハクランプ構成体は、ウェハ取付面と反対側でヒート
シンク素子に取り付けられた一対のクランプフィンガを
備えているのが好ましく、このクランプフィンガはバネ
偏位構成体によってウェハの縁に押しつけられるが、走
査ホイール組立体が高い速度で回転する時には、慣性構
成体がバネ偏位力に対抗し、クランプフィンガをウェハ
の縁から引っ込める。このようにして、ウェハは、イン
プランテーションプロセス中にウェハに対して直角な遠
心力成分のみによってウェハ取付面に保持される。

遠心力でウェハを保持する本発明の特徴により、ウェ
ハとヒートシンクとの間に良好な熱伝導性が与えられる
という効果が発揮され、然も、ウェハの縁部分を取り巻
くクランプ構成体の材料がスパッタリング汚染の原因と
なったり或いは既にインプランテーションされた種がク
ランプの材料中に入り込んだりすることはない。又、ク
ランプがウェハ表面の縁部分に接触するところでホトレ
ジストが剥げることによって生じる汚染の原因も排除さ
れる。

本発明の別の特徴は、空気中と真空中との間に移動式
のシール構成体を必要としないような真空室において半
導体ウェハをイオンビームで走査する装置にある。イオ
ンビーム装置は、イオンビームを発生し、これを、真空
室に向ける。中心軸を有していて複数の半導体ウェハを
支持した走査ホイール組立体が設けられる。取付駆動構
成体は、走査ホイール組立体を、その中心軸がイオンビ
ームの方向にほゞ平行な向きとなるようにして真空室内
に取り付け、中心軸のまわりで走査ホイール組立体を回
転し、イオンビームに対して走査ホイール組立体をイオ
ンビームの方向に直交する方法にさせ、半導体ウェハを
イオンビームで２次元的に走査するようにする。

取付駆動構成体は、真空室内に配置された走査アーム
と、この走査アームの一端に走査ホイール組立体を取り
付けて中心軸の周りで回転させるような回転取付構成体
とを備えている。第１の駆動構成体は、走査ホイール組
立体を回転させる。第２の取付構成体は、イオンビーム
方向にほぼ平行な軸の周りで回転するように走査アーム
をその他端に取り付ける。この第２の取付構成体は、一
端が走査アームに取付けられたシャフトを備え、このシ
ャフトは、真空室の壁を貫通して延びている。真空室の
外部のベアリング構成体は、シャフト構成体を回転する
ようにジャーナル軸受する。第２の駆動構成体は、ベア
リングにおいてシャフトを回転する。真空室の壁とシャ
フト構成体との間に協働するように取付けられた真空シ
ール構成体は、真空中対空気中の回転式のシャフトシー
ル構成体をなす。

本発明の好ましい実施例は、駆動及び制御構成体を簡
単化するように走査アームを駆動する独特の解決策を用
いるもので、走査ホイールの作用半径、即ち、走査ホイ
ールの中心からイオンビームの中心までの距離に対して
逆に変化するような低い走査速度をイオンビームに対し
て得るようにする。基本的に、この解決策は、相似三角
形による位置設定及び駆動構成体の利点を利用するもの
で、これは、駆動装置を、直線駆動装置まで簡単化する
と共に、駆動装置の制御を、距離の直線的な追跡と、簡
単な回路構成による速度に対する制御まで簡単化する。

イオンビーム軸Ｉと、走査ホイール組立体の中心軸Ａ
と、第２の取付手段の軸Ｂとにより、２つの一定の辺BA
及びBI並びに第３の辺AIを有する三角形が形成され、こ
の第３の辺は、走査アームがビームに対して前後に走査
を行なう時に長さが変化する。第２の駆動構成体は、距
離AIの変化率が距離AIの大きさと逆に変化するように走
査アームを駆動し、ピボットアームがその一端において
シャフトに取付けられていると共に、直線駆動手段が軸
Ｅの周りで回転するように取付けられて点Ｄにおいてピ
ボットアームの他端に取付けられ、直線駆動手段は、ピ
ボットアームの他端を軸Ｅに向けて移動させる。軸Ｅの
位置及び取付点Ｄは、点Ｂ、Ｄ及びＥが三角形BAIと相
似の三角形BDEを形成するように予め選択される。第２
の駆動構成体は、更に、直線駆動手段がピボットアーム
を動かす時に距離DEの信号を発する追跡構成体と、この
信号で示された距離DEの逆数の関数として直線駆動手段
の駆動速度を制御して、距離DEの変化率が距離DEの大き
さと逆に変化し更に相似の三角形であることによって距
離AIの対応変化率が距離AIの大きさと逆に変化するよう
にする駆動制御構成体とを備えている。

第１の駆動構成体は、走査アーム自体に収容された電
気モータを用いることができる。或いは又、電気モータ
を真空室の外部に取り付けることができ、走査アームを
回転するシャフトを中空シャフトとして形成してその中
に駆動シャフトをジャーナル軸受しこれを外部のモータ
で回転することにより、回転駆動機構を設けることがで
きる。上記の駆動シャフトは、次いで、ベルト又はチェ
ーン伝動構成体を駆動し、下部のシャフトから、上端が
走査アームにジャーナル軸受されたシャフトへ出力を伝
達して、走査ホイール組立体が駆動される。

この構成では、回転式の真空シール手段のみが用いら
れ、これは、回転シャフトの周りに信頼性の高い密封を
確保する回転式のフェロ・フロイディングシールである
のが好ましい。全ての潤滑面は、真空室の外部にあり、
高価で且つ複雑なスライド式のシール手段は必要とされ
ない。

本発明の種々の特徴全部をウェハ走査装置に組み込ん
だ時には、前記したようにこのような装置に所望される
全ての仕様を容易に満たすことができる。この装置は、
エイトケン氏の大電流ビーム技術によって得られるビー
ム出力を取り扱うことができる。走査ホイール組立体
は、修理及び交換を容易にするように、モジュール式の
部品で形成することができる。走査ホイール組立体は、
ウェハ装填装置と容易にインターフェイスすることがで
き、このウェハ装填装置は、ウェハがヒートシンク挿入
体に接触するまで一時的なクランプフィンガを引っ込め
る機構を用いることにより、個々のヒートシンク挿入体
及びクランプ構成体にウェハを引き渡す。

本発明の他の目的、特徴及び効果は、添付図面を参照
した以下の詳細な説明より明らかとなろう。

実施例 第１図は、イオンインプランテーション装置10を示し
ており、この装置は、ウェハ処理室11を備え、スライド
式のフロントドア12がオーバーヘッド軌道13に支持され
ていると共に、シールされた点検ポートが設けられてい
る。室11上の位置へスライドされると、ドア12によって
真空室が完成する。適当な真空シール及び把持構成体
（図示せず）が処理室の側壁に対してドア12をぴったり
と保持する。真空ポンプ装置（図示せず）は、真空室11
の内部と連通し、この室を排気して、効果的なイオンイ
ンプランテーションに必要とされる真空雰囲気を形成す
る。イオンビーム発生及び分析装置は、真空室11の後壁
を経て延びる後方加速装置14を介して真空室にイオンビ
ームを送り込む。イオンビーム発生及び分析装置は、上
記のエイトケン氏の特許出願に開示されたものであるの
が好ましい。

走査ホイール組立体15は、真空室11内に取付けられ
る。走査ホイール組立体15は、中心ハブの周りに円形に
配列された25個のウェハ取付パドル15Aを備えている。
走査ホイール組立体15について、以下に詳細に述べる。
走査ホイール組立体15は、その中心軸の周りで高速度で
回転されると共に、走査アーム組立体17の底部の軸の周
りで回転歳差運動を行なうように取付けられ、走査アー
ム組立体17は、真空室の底部にあるウェフ11Aへと延び
ている。

取付け・駆動構成体16は、走査ホイール組立体15を真
空室11に取付けるものであり、走査ホイール組立体の二
重回転及び歳差走査を行なう種々の取付構成体及び駆動
構成体を備えている。取付け・駆動構成体16の主たる要
素は、走査アーム17であり、これは駆動アーム18に直結
され、この駆動アームは、モータ及び親ネジ駆動構成体
19によって駆動される。ボール型のカップラ20は、駆動
アーム18を親ネジ駆動構成体19の移動キャリッジ（図示
せず）に結合する。駆動構成体19は、ブラケット21に回
転可能に取付けられる。駆動アーム18に取付けられたモ
ータ22は、ベルト駆動伝達構成体23を駆動し、この構成
体23は、中空の走査アームハウジング17内に取付けられ
たベルト駆動手段（図示せず）を備えていて、走査ホイ
ール組立体15を迅速に回転するための駆動力を与える。

真空室11内に取付けられたストッパ支柱組立体24及び
25は、駆動アーム構成体18が親ネジ駆動構成体19から切
り離された時に走査ホイール組立体15の歳差走査位置を
制限する。

ウェハ取扱及び装填構成体は、別の室26内に設けられ
ており、この室は、半導体処理のための清潔な室の壁と
便利に接続される装填ロックドア27を備えている。ウェ
ハ装填系統は、標準ウェハカセットに対して位置28に配
置されたヒートアシンクパドルとウェハをやり取りする
構成体を備えている。ウェハ取扱及び装填構成体の好ま
しい形態が、「半導体処理装置においてウェハを取り扱
うシステム及び方法（Systems and Methods for Wafer
Handling in Semiconductor Process equipment）」と
題するストーンストリート（Stone street）氏等の米国
特許出願に開示されている。

第２図ないし第５図は、走査ホイール組立体15の幾つ
かの構造細部を示すもので、その他の構造細部は他の図
面に示して説明する。走査ホイール組立体15は、中心ハ
ブ組立体30を備え、この組立体30には、複数の別々のヒ
ートシンク組立体31及び冷却流体供給構成体32が支持さ
れる。取付構成体33は、個々のヒートシンク組立体31を
ハブ組立体30のバックプレート34に取付ける。ハブ組立
体30は、シャフト、ベアリング及びロータリ真空シール
の複合構成体40によってその中心軸Ａの周りで回転する
ように取付けられ、構成体40は、走査ホイール組立体を
走査アーム組立体17に対して回転させる。この構成体の
細部は、他の図面に示され、これについては以下で説明
する。

第４図及び第５図は、個々のヒートシンク組立体31を
ハブ組立体30のバックプレート34に取付けるための好ま
しい構成体を示している。個々のヒートシンク組立体31
を各々は、取付フランジ31Aを備え、このフランジは、
各側に半円形の欠切部39を有し、これは、バックプレー
ト34に取付けられた取付けカラー36に対し固定素子とし
て働く。このようにして、個々のヒートシンク組立体31
の各々は、バックプレート34に正確に配置され、位置保
持されて固定される。ねじ切りされたスタッド35は、位
置設定カラー36を通して延びている。このねじ切りされ
たスラッド35には平らなワッシャ37が取付けられ、スタ
ッド35に対してナット38がねじ込まれて、ワッシャ37に
締め付けられる。この取付構成では、個々のヒートシン
ク組立体31がバックプレート34に非常に正確に固定され
ると共に、保守及び修理のために容易に取外し及び交換
できるような形態でしっかりと取付けられることが明ら
かであろう。

さて、第６図ないし第10図を参照し、個々のヒートシ
ンク組立体31の詳細な構造及び構成について説明する。
各々のヒートシンク組立体31は、第１のスポークアーム
区分41と、このスポークアーム41に対して僅かな角度で
延びた第２のスポークアーム区分42とを備えている。こ
のスポークアーム構成体の後端には、半円形の孔44を有
する取付フランジ43があり、これは、前記したように走
査ホイールのバクプレートに取付けられる。スポークア
ーム組立体の外端には、一般的に円形のヒートシンクパ
ドル45があり、これには、ヒートシンク挿入体46が支持
されて、固定構成体47で固定され、その詳細は第９図に
示され、以下で説明する。ヒートシンクパドル45にはそ
の外端にウェハ縁拘束具48が取付けられ、これは、ヒー
トシンク挿入体46及びウェハクランプ構成体49と協働
し、走査ホイール組立体が休止しているか或いは高速運
動へと加速されている時に半導体ウェハ80をヒートシン
ク挿入体46の前面に保持する。

ウェハクランプ組立体49は、調整可能なブラケット50
を備え、これは、スポークアーム区分42に取付けられ、
そして、一対の慣性アクチュエータアーム51と、軸53の
周りで回転するように取付けられたウェハクランプ素子
52とを支持している。軸53上のバネ素子54は、クランプ
素子52をウェハ80の縁に押しつける。高速回転走査中に
発生する高い遠心力のもとでは、慣性アクチュエータ素
子51が外方へ回転し、クランプ素子52をウェハ80の縁か
ら離れさせる。アクチュエータ素子51に働く遠心力はク
ランプ素子52に働く遠心力より実質的に大きいから、慣
性アクチュエータ51は軸53の周りで回転し、クランプ素
子52をウェハの縁から離れさせる。このようにして、ク
ランプ素子52は、ウェハのイオンインプランテーション
を妨げない。ウェハは、以下で述べるように遠心力によ
ってヒートシンク挿入体46に保持される。クランプ素子
52は、実際のイオンインプランテーション中に、スパッ
タされた汚染物やそこから放出された交配汚染物がウェ
ハの前面80へとまっすぐに進まないような位置に配置さ
れる。

ウェハ縁クランプ組立体49は、第３図に示すようにウ
ェハ移行位置28に取付けられた機械的なアクチュエータ
構成体28Aと協働し、ウェハの装填中及び取外し中にウ
ェハクランプ構成体を引っ込めたり開放したりする。機
械的なアクチュエータ構成体は、適当な設計のものでも
よいが、クランプ素子52をウェハ80の縁から引っ込めそ
して開放するように慣性アクチュエータアーム51を押し
つけたり開放したりする手段を備えたものとする。

ヒートシンク冷却チャンネル60は、ヒートシンクパド
ル45内に形成され、スポークアーム区分41及び42の入力
チャンネル61及び出力チャンネル62と連通する。入力チ
ューブ63は、冷却流体を入力チャンネル61に連通し、そ
して出力チューブ64は、出力チャンネル62からの戻り流
体を結合する。入力チューブ63及び出力チューブ64は、
以下で述べるように走査ホイール組立体のハブに配置さ
れた冷却流体ヘッド組立体と流体をやり取りする。ブラ
ケット組立体65は、入力及び出力チューブ63及び64をヒ
ートシンク組立体31の後端に支持する。ブラケット65
は、入力及び出力チューブにかゝる遠心力に反作用する
ものであって、走査ホイール組立体の高速回転中に、こ
れらチューブが接合されてスポークアーム41にシールさ
れる点に生じる実質的なストレスを排除するものであ
る。

第９図は、ヒートシンク挿入体46の構造及び構成、特
に、取付構成体47の詳細を示す。ヒートシンク挿入体46
は、導電性金属で形成された円筒状ディスク状の素子で
ある。ヒートシンクパドル45の取付面70には、熱伝導性
弾力性材料の一般的に円形のシート72が取付けられ、ヒ
ートシンク挿入体46とヒートシンクパドル45との間に良
好な熱伝導性が与えられる。ヒートシンク挿入体46の背
面にはスタッド73が取付けられ、これは、ヒートシンク
パドル45の孔71に受け入れられる。スタンドオフワッシ
ャ74及びねじ切りされたボルト75は、スタッド73の内部
にねじ切りされた孔と協働し、ヒートシンク挿入体46を
ヒートシンクパドル45の前面70に取付ける。スタッド75
を締め付けると、ヒートシンク挿入体46の背面が導電性
エラストマ72に圧着され、これら表面にわたって良好な
熱伝達性が得られる。導電性エラストマのシート77がヒ
ートシンク挿入体46の前面に取付けられる。導電性エラ
ストマのこの薄いシートは、ヒートシンク挿入体46と、
エラストマシート77の前面で画成された取付面に支持さ
れた半導体ウェハとの間に良好な熱結合を与える。

冷却流体（この目的のためには、冷えた水でよい）を
ヒートシンクパドル45の冷却チャンネル60に実質的に流
すと共に、ヒートシンク挿入体46とヒートシンクパドル
45との間に良好な熱結合が得られることにより、エラス
トマパッド77の表面に取付けられた半導体ウェハが非常
に効果的に冷却される。以下で詳細に説明するように、
ヒートシンク挿入体46のウェハ取付面は、ヒートシンク
パドル46の取付面70に対して3.5度の角度で傾斜される
のが好ましい。この角度と、スポークアーム41に対する
ヒートシンクパドル45の角度と、走査ホイール組立体15
の軸Ａ−Ａの傾斜との組み合わせにより、走査アーム組
立体の高い回転速度の回転中にエラストマ取付面77にウ
ェハを押しつける実質的な遠心力成分が形成される。こ
れにより、ウェハの背面全体にわたり、ウェハとエラス
トマの表面との間に良好な熱接触が与えられ、イオンビ
ームによってウェハに発生した熱は、ヒートシンク挿入
体46、エラストマ層72及びヒートシンクパドル45を経
て、冷却チャンネル60に流れる冷却流体へと効果的に直
列に伝達される。高い伝達効率を得るためには、冷却流
体の流れが乱流であるのが好ましい。

インプランテーション中に熱伝導性エラストマ77に取
付けられたウェハを冷却する効率と、本発明の他の特徴
とによって、本発明の装置は、ウェハに当たるイオンビ
ームの出力が8KWであるような状態のもとでも、ウェハ
を80℃より低い温度に効果的に保つことができる。この
冷却効率により、半導体ウェハへの熱的な損傷も排除さ
れるし、或いは、イオンビームの化学的な種がインプラ
ンテーションされるウェハ面もしくは領域を画成するよ
うに半導体ウェハの面に形成されたホトレジストパター
ンの熱的な歪も排除される。

8KWビーム出力のもとで半導体ウェハの効果的な冷却
を達成できるのは、スポークアーム区分41及び42がヒー
トシンクパドル及び挿入体の直径よりも相当に狭くされ
たヒートシンク組立体71の設計のみによるものである。
第３図に示すように、個々のヒートシンク組立体31は、
イオンビーム14Aによりゆっくりとした走査方向に走査
され、走査サイクルの両端では行き過ぎるように走査さ
れる。走査アーム組立体15が右側へ完全に走査された時
には、ヒートシンク挿入体に取付けられたウェハがイオ
ンビームの作用から完全に外れる。同様に、走査ホイー
ル組立体15が最も左の位置にある時には、ウェハが反対
側でイオンビームから完全に外れる。第３図に示す右側
への行き過ぎ走査位置では、イオンビームが、当然、ウ
ェハに隣接したスポークアーム領域においてヒートシン
ク組立体31に当たる。然し乍ら、第１図及び第２図から
明らかなように、この行き過ぎ走査位置においてイオン
ビームに曝される走査ホイール組立体の全表面積は、走
査ホイール組立体の全円形面積のほんの一部分に過ぎな
い。大部分の時間中は、イオンビームがヒートシンク組
立体の個々のスポークアーム間を通過する。ビームがこ
の開いた領域を通過する時には、走査ホイール組立体が
加熱されない。

従って、本発明のスポークアーム及びヒートシンクパ
ドル構成体は、二重走査イオンインプランテーション工
程中に走査ホイール組立体にかゝる全熱負荷を相当に減
少する。個々にヒートシンクパドル及びヒートシンク挿
入体がイオンビームに対してウェハを支持する時には、
ウェハの面がイオンビームに曝されないような開いた領
域が個々のヒートシンクパドル間に生じることが明らか
である。これにより、イオンインプランテーション工程
中に走査ホイール組立体にかゝる全熱負荷が更に減少さ
れる。全熱負荷のこの減少により、本発明の走査ホイー
ル組立体では、ほとんどの走査移動中イオンビームが走
査ホイールの固体部分に衝突するような公知の走査ホイ
ール設計において可能であったものよりも相当に高いイ
オンビーム出力を使用することができる。

上に述べたウエハの行き過ぎ走査の結果として、もし
ウエハの外縁においてイオンビームの走査が終わってそ
こから折り返して走査が行われた場合ウエハの外縁にお
いてイオンビームが停滞しその結果生じる過剰なイオン
注入が回避されることとなり、イオン注入はウエハの外
縁までその均一性が保たれる。

第10図と第９図を比較することによって明らかなよう
に、ヒートシンク挿入体46は、斜めのウェハ取付面77を
第９図に示すようにスポークアーム区分42に近づくよう
に傾斜させるか或いは第10図に示すようにスポークアー
ム区分42から離れるように傾斜させて配置することがで
きる。第10図に示す挿入体46の取付構成では、ウェハの
外縁の種々の部分を受け入れるように若干変更されたウ
ェハ縁拘束具48Aが設けられる。第10図に示すヒートシ
ンク挿入体46の変更された部分は、エラストマ層77の表
面に取付けられたウェハに対するイオンビームのインプ
ランテーション角度に変化を与えるものである。以下で
述べるように、第９図に示されたヒートシンク挿入体46
の向きでは、インプランテーション角度が７度とされ、
第10図に示されたヒートシンク挿入体46の向きでは、イ
ンプランテーション角度が０度とされる。第10図と第９
図とを比較すると、ヒートシンクパドル45の取付面70に
対するイオンビームの向きが不変であることが明らかで
あろう。然し乍ら、取付面が3.5度傾斜するようにヒー
トシンク素子46の向きを変えると、第９図と第10図の場
合ではインプランテーション角度が全部で７度変化す
る。

第９図に示されたヒートシンク挿入体46の構造並びに
第６図及び第７図に示されたウェハ縁クランプ構成体49
の構造から明らかなように、本発明のヒートシンク組立
体31は、色々な直径のウェハを容易に受け入れられる。
特に、第７図に示されたように、クランプ構成体49のブ
ラケット50は、色々な直径のヒートシンク挿入体46を受
け入れるようにその位置を調整することができる。縁拘
束具48の形状を簡単に変更するだけで、色々な直径のヒ
ートシンク挿入体46をヒートシンクパドル45に受け入れ
ることができる。又、ヒートシンクパドル45の全直径を
変更することにより、色々なサイズのウェハを受け入れ
るようにヒートシンク組立体31自体を変更できることも
明らかであろう。従って、本発明の装置は、３インチな
いし８インチのウェハ直径を容易に受け入れることがで
きる。然し乍ら、処理室をより大きなものにしなけれ
ば、８インチのウェハ25個を受け入れることはできな
い。

さて、第11図及び第12図を参照し、走査アーム17及び
走査ホイール組立体１の各取付及び駆動構成体について
詳細に説明する。走査駆動アーム18は、中空シャフト90
に支持され、このシャフトは、真空室の壁11Aの前壁92
に取付けられた荷重支持ベアリング及びロータリ真空シ
ール構成体にジャーナル軸受される。ベアリング91は、
シャフトを自由に回転させ、シャフト90の周りにはフェ
ロ・フロイディックの回転シール93があって、これは、
シャフトの周りの空気対真空のシールを果たし、真空室
の壁11Aをその外側の雰囲気から隔離する。中空の走査
アームハウジング94は、シャフト90に支持されて、この
シャフトと共に回転する。従って、第１図に示されたね
じ駆動構成体19は、駆動アーム18を回転駆動させる。走
査アーム組立体17の走査アームハウジング94は、軸Ｂの
周りで回転し、走査ホイール組立体15を支持する走査組
立体の上端を軸の周りの或る円弧において移動させる。

第11図は、第12図並びに第１図ないし３図に示された
走査ホイール組立体15を回転させる好ましい駆動構成体
の一部も示している。中空の駆動シャフト96は、中空シ
ャフト90の一端に取付けられたベアリング組立体97と、
中空シャフト90の他端に取付けられた第２のベアリング
組立体98とにジャーナル軸受される。これにより、中空
シャフト96は、中空シャフト90内でこれと同心的に回転
することができる。ベルト駆動ホイール99は、走査駆動
アーム18に隣接した中空シャフト96の一端に取付けられ
る。第２のベルト駆動ホイール100は、走査アームハウ
ジング94内で中空シャフト96の他端に取付けられる。ベ
ルト駆動ホイール99は、第１図に23で示された全走査ホ
イール駆動構成体の一部分を構成し、モータ22により駆
動される駆動ホイールに接続されたベルトによって図示
されたように駆動される。

ベルト駆動ホイール99、シャフト96及びベルト駆動ホ
イール100の構成体は、第12図に示された走査ホイール
組立体15の回転力を中空の走査アームハウジング94の内
部に伝達する。駆動ベルト100Aは、走査アーム組立体17
の下端にあるベルト駆動ホイール100から、第12図に示
すように走査アーム組立体17の上端にあるベルト駆動ホ
イール101へ出力を伝達する。一対の冷却流体ホース102
及び103は、中空シャフト96を経て中空の駆動アームハ
ウジング94の内部へ接続され、導入及び戻り冷却流体
を、第12図に示すように駆動アーム組立体17の上部に取
付けられた回転ヘッダ構成体104に供給する。

さて、第12図を参照し、走査ホイール組立体15の走査
駆動構成体のその他の部分について説明する。一般的
に、走査ホイール組立体15、特に、バック支持プレート
34は、中空の駆動シャフト105に支持され、この駆動シ
ャフトは、走査アームハウジング94の上方前壁に取付け
られたベアリング構成体106において軸Ａの周りで回転
するようにジャーナル軸受される。フェロ・フロイディ
ックの真空対空気シール構成体107は、真空室11と、中
空シャフト105の内部、ひいては、中空走査アームハウ
ジング94の内部との間に真空対空気の回転式シールを与
える。ベルト駆動ホイール101は、中空駆動シャフト105
に取付けられ、イオンインプランテーション工程中に高
い回転速度で走査ホイール組立体15を回転させる回転駆
動力を与える。ギア駆動装置106Aは、ホイールの回転を
追跡する絶対値デジタイザを駆動する。

冷却水供給構成体32は、中空の管110を備え、この管
は、便利なスペーサ配置構成体を用いて中空駆動シャフ
ト105内に同心的に取付けられる。上記のスペーサ配置
構成体は、管の内部領域を経て一方の方向に流体を通過
できるようにすると共に、管110と駆動シャフト105との
間の環状の外側領域を経て流体を通過できるようにす
る。中空の管110及び駆動シャフト105は、ヘッダ組立体
104の回転シール構成体と協働し、内部及び環状の冷却
剤チャンネルに流れる冷却流体に対し、水圧対空気のシ
ールを与える。

流体分配ブロック112が、走査ホイールのハブ30の前
面に取付けられており、このブロックは、複数の半径方
向に配置された放出流体チャンネル114を含み、これの
流体チャンネルは、個々のヒートシンク組立体31の流体
供給管64と連通している。結合チャンネル115の同様の
半径方向配列体が管63からの戻り流体を戻り流体チャン
ネル110Aに連通させる。114で示されたような結合シー
ル構成体が管63及び64を密封状態で分配ブロック112へ
結合する。

第11図及び第12図に関連して第１図を参照すれば、駆
動モータ22は回転数の高い駆動力をベルト駆動ホイール
99へ与え、これにより、シャフト96が回転されると共
に、ベルト駆動ホイール100が対応的に回転されること
が明らかであろう。この回転数の高い駆動力は、動力伝
達ベルトによって第12図のベルト駆動ホイール101へ結
合され、これにより、シャフト105及び全走査ホイール
組立体15が高い回転速度で回転される。

以上の説明から明らかなように、周囲の雰囲気を真空
室11内の真空から分離するための非常に簡単且つ効果的
な構成体である真空対空気の回転シャフトシールを用い
るだけで、走査ホイール組立体15のための高い回転速度
の駆動力と、走査アーム組立体17のための低速の歳差走
査駆動力との両方が与えられる。典型的に、走査ホイー
ル組立体15は、イオンインプランテーション工程中に約
1200ないし1400rpmで回転される。走査アーム組立体
は、典型的に、個々のヒートシンクパドル及びその上の
ウェハを約２ないし12サイクル／分の割合でイオンビー
ムを通して前後に送るようなサイクルで、前後に歳差運
動する。走査アーム組立体17に対して回転駆動構成体を
用いることにより、走査ホイール組立体15を低速で走査
運動させるための移動式の真空対空気シール構成体の必
要性が実際上排除される。回転式のフェロ・フロイディ
ックの真空対空気シールは、公知装置に用いられている
移動式のシール構成体よりも非常に安価であり、より効
果的で、且つ信頼性が高い。これにより、二重走査駆動
装置が全体的に非常に簡単になると共に信頼性が増す。

走査ホイール組立体15のための高い回転数の駆動力
は、別の構成体によっても与えられることを理解された
い。例えば、電気モータを中空の走査アームハウジング
94内に直接取り付け、走査アーム組立体を支持するシャ
フト15に実質的に直接的に駆動力を伝達することができ
る。然し乍ら、冷却流体はホースを通して走査アームハ
ウジング94の内部に送り込むのが好ましく且つ便利であ
るから、第11図に示した中空駆動シャフト96を用いた同
心的な駆動構成体は、走査ホイールの駆動力を中空の走
査アームハウジングの内部に結合する効果的な方法を与
える。特に、これにより、走査アーム組立体17の全重量
が減少されると共に、走査ホイール組立体及び走査アー
ムの駆動方向を逆転する際に打ち勝たねばならない軸Ａ
に対する全慣性モーメントが減少される。保守及び必要
に応じて修理を容易にするという目的については、駆動
モータを外部に取付けるのが好ましい。

さて、第13図を参照し、走査ホイール組立体と、これ
を真空室に対して回転させるための取り付けと、イオン
ビームの方向とについての重要な幾何学的な関係を説明
する。この説明は、第13図、並びに第３図、第６図、第
９図及び第10図を用いて行なう。第３図及び第13図に示
すように、走査ホイール組立体15の回転軸Ａは、真空室
の後壁に直角な線に対して傾斜されている。特に、軸Ａ
−Ａは、イオンビームの方向に平行な線に対して約７度
傾斜している。説明上、イオンビームの方向は、第13図
に示された直角座標系XYZの１つの軸を定めるものと
し、この座標系のＹ軸が、イオンビームの方向によって
定められるものとする。この直角座標系のＸ軸は、イオ
ンビームの方向に垂直であり、XZ平面は、イオンビーム
の方向線と、走査ホイールの回転軸Ａ−Ａとの両方に交
差する。回転軸Ａ−Ａは、走査アーム組立体17が軸Ｂ−
Ｂに対して回転する時に小さな円弧を描くことを想起さ
れたい。然し乍ら、回転軸Ａ−ＡについてのＺ座標位置
のこの変化は、実際上は無視することができる。重要な
ことは、回転軸Ａ−Ａの７度の傾斜により、この軸がイ
オンビームのＹ座標方向に対して小さな鋭角となるよう
にされ、従って、軸Ａ−Ａが大きな鋭角でイオンビーム
方向と交差するということである。０度のインプランテ
ーション角度を用いた時でも、ヒートシンク挿入体上の
ウェハ面に直角に実質的な遠心力を与えることができる
のは、軸Ａ−Ａのこの傾斜によるものである。

第13図に示すように、軸Ａ−Ａの７度の傾斜により、
スポークアーム区分41が、Ｘ軸に対して、即ち、イオン
ビームに垂直な線に対して、対応的に７度傾斜される。
ヒートシンクパドル45は、ヒートシンク挿入体の取付面
がスポークアームに対して約10.5度傾斜されるように、
スポークアーム41に対して傾斜される。さて、第13図に
示されたヒートシンク挿入体46Aを参照すれば、これ
は、第９図に示されたヒートシンク挿入体の位置に対応
するものであり、ウェハ取付面77は、パドルに対して加
算的に3.5度の角度に傾斜され、スポークアーム41に対
して合計14度の角度に傾斜される。スポークアームは、
座標系のＸ軸に対して７度に傾斜されるので、ウェハ取
付面77とスポークアームとの間の14度の角度により、ウ
ェハ取付面77とXZ平面との間に７度の傾斜が生じる。こ
れにより、ウェハ取付面77上のウェハに対する７度のイ
オンインプランテーション角度として、Ｙ座標軸を定め
るイオンビーム方向とウェハ取付面77に直角な線との間
の角度が７度となる。

第13図において、46Bは、第10図に示したヒートシン
ク挿入体46の逆の向きを示している。Ｘ軸に対するヒー
トシンクパドルの取付面の角度は、3.5度であるから、
減算方向におけるウェハ取付面77の3.5度の傾斜によ
り、ウェハ取付面77がXZ平面と平行になり、従って、イ
オンビームの方向は、第13図及び第10図に示すようにウ
ェハ取付面77に対して実質的に直角となる。然し乍ら、
第13図に示すヒートシンクの向き46A及び46Bの場合に
は、ウェハ取付面77に直角な線が大きな鋭角で走査ホイ
ール組立体の回転軸Ａ−Ａに交差する。従って、軸Ａの
周りでの回転中には、ビームのインプランテーション角
度が７度であるか０度であるかに拘りなく、ウェハ取付
面に直角な遠心力成分が発生される。

第14図及び第15図は、ヒートシンク上のウェハに作用
する遠心力を示している。第14図に示す場合には、遠心
力がウェハの平面に対して７度の角度で作用し、従っ
て、ウェハをヒートシンクに押しつける実質的な力成
分、もっと詳細に言えば、ウェハをヒートシンクのエラ
ストマパッドに押しつける実質的な力成分が得られる。
大きな遠心力成分により、ウェハは縁拘束素子48Aに対
して押しつけられる。これに対応して、第15図に示され
たように、インプランテーション角度が７度の時には、
走査ホイール組立体の高速回転によりウェハに生じる遠
心力がウェハの平面に14度の角度で与えられ、遠心力の
大きな直角成分が生じて、ヒートシンクのエラストマパ
ッドにウェハを押しつける。

この点について示した図面並びに第13図に示された本
発明の実施例に用いられる幾何学的な角度は、本発明の
一般的な考え方を示す一例に過ぎない。この一般的な考
え方とは、回転軸Ａ−Ａが、一般的にイオンビームの方
向及びこの回転軸によって定められた平面内において小
さな鋭角でイオンビーム源に向かって傾斜されることで
ある。別の平面において回転軸を傾斜した場合にも、ヒ
ートシンク取付面に直角な遠心力がウェハに生じるが、
走査ホイール組立体が回転する時に一定のインプランテ
ーション角度を与えない。第13図に示す特定の幾何学形
状は、７度及び０度のインプランテーションに対する互
いに逆向きの取付方向において同じヒートシンク挿入体
を使用できるという点で好ましい。走査ホイール組立体
の回転軸を10度傾斜し、走査ホイール組立体の主後面34
に対するスポークアームの傾斜を適当に調整した場合に
も、同じ結果が得られることが分かった。軸Ａ−Ａを、
第13図に示す７度に代わって10度で傾斜させ、スポーク
アームを、第13図に示す10.5度に代わって13.5度で傾斜
させた場合にも、ヒートシンク挿入体46は、互いに対抗
する方向の７度及び０度のインプランテーションに使用
できる。この場合の唯一の相違点は、７度及び０度の両
方のインプランテーション状態において、ウェハをヒー
トシンクに押しつける遠心力の大きな垂直成分が与えら
れることである。０度のインプランテーションの場合、
ウェハにかゝる遠心力の角度が10度に増加し、そして７
度のインプランテーション状態の場合、ウェハに遠心力
のかゝる角度が17度となる。

然し乍ら、回転軸の傾斜角度を増加することによって
ウェハに直角な遠心力を増加することはできるが、走査
ホイール組立体の全寸法を同じに保つ場合には、この増
加した角度を受け入れるように真空室11の深さを増大し
なければならない。走査ホイールの軸Ａの傾斜角を或る
程度変えることはできるが、この角度を小さな鋭角に維
持し、軸Ｂ−Ｂに対する走査ホイール組立体の回転歳差
において、ウェハ取付面と後加速管14から放出されたイ
オンビームとの間の距離が一方の行き過ぎ走査位置と他
方の行き過ぎ走査位置とで著しく変化しないようにする
のが好ましい。これは、ウェハに当たるイオンビームが
一定のスポットサイズをもたない場合、即ち、ビームの
全てのイオンがＹ座標方向に実質的に平行に進まない場
合に重要となる。

第16図は、色々な幾何学形状のヒートシンク挿入体を
用いてイプランテーション角度を０度と７度との間で変
えるような走査ホイール組立体に本発明の一般的な考え
方を使用できることを示している。これは、本発明のこ
の特徴の一般性を示している。

第17図及び第18図は、小さなサイズのウェハに使用で
きる小さな真空室及び小さな走査ホイール組立体を用い
た本発明の別の実施例を示している。この別の実施例に
おいても本発明の一般的な考え方は同じであり、その一
般的な詳細について以下に説明する。

第17図は、カセットと、このカセットをトンネル181
に沿って装填ロック構成体182へ自動的に供給するウェ
ハ取扱装置（図示せず）とを備えたイオンインプランテ
ーション装置180を示している。装填ロック構成体は、
ウェハカセットをウェハ装填位置183付近に位置設定
し、ウェハを走査ホイール組立体190に直列に装填した
りここから取り外したりする。走査ホイール組立体は、
イオンビームＩに対してここに述べるように走査移動を
行なうためにイオンインプランテーション真空室184内
に取付けられ、イオンビームは、添付図面に実質的に垂
直にその面から出てくるように投射される。第17図に示
すように、真空室184は、ドア185によってシールされ、
真空ポンプ188の作動により真空室が所望の低い作動圧
力に排気される。ドア185は、スライド部材187に沿って
開閉の往復移動を行なうように支持組立体186に取り付
けられ、室184に接近できるようにする。

走査ホイール組立体190は、複数のウェハヒートシン
ク組立体189を備え、これらの組立体は、回転走査中に
個々のウェハを支持すると共に、ウェハのためのヒート
シンクの作用も果たす。第18図に示すように、ヒートシ
ンク組立体189は、パドル状のウェハ支持体189Aと、ア
ーム区分189Bとで構成される。ヒートシンク組立体189
は、バネ偏位ヒンジ171又はこれと同様のものを介して
ウェハ支持ベース172に取付けられ、このベースは、ハ
ブ192に取付けられる。

ベース172は、多数の色々なやり方で構成することが
できる。例えば、ベースは軽量のアルミニウムのような
金属の円形プレートで構成されるのが好ましい。或いは
又、軽量であることが重要な場合には、ベース172は、
ベースプレート172Bと、これに接合されるか或いはこれ
と一体的に形成された個々の支持アーム172Aの半径方向
配列体とによって構成され、その１つ或いはそれ以上が
ヒンジ固定のヒートシンク組立体189の各々を支持する
のが好ましい。ハブ192は、半径方向揺動アーム組立体1
93の制御のもとで孤230に沿って半径方向に走査移動す
るように取付けられる。ハブ192は、ハブ軸Ａの周りで
回転するように走査アームハウジング194内に回転可能
に取付けられる。ハウジング194自体は、点Ｂにおいて
シャフトの周りで回転するように取付けられ、駆動アー
ム96によって駆動される。

ハウジング194は、内部が大気圧に保たれた中空の走
査アームである。これにより、熱の除去が容易にされ、
走査系統に関連した粒子が真空室から分離され、駆動モ
ータ197をハブ軸Ａに任意に取付できるようにされる。
走査アーム駆動構成体、走査ホイール駆動構成体、並び
にそれらの取付構成体は、第11図に示された構成体と同
様である。

走査ホイール駆動モータ197は、隣接するピボット点
Ｂに取付けられて、はめ車ベルト198又はチェーン駆動
装置を駆動し、歯付きプーリ199（第18図）、ホイール
ハブ192及び走査ホイール組立体190を回転させる。ピボ
ットアーム196は、シャフトによってハウジング194に一
定の角度でしっかりと取付けられ、ハブ192及び走査ホ
イール組立体190をピボット点Ｂの周りで往復枢着回転
させる。直線走査アーム駆動装置200は、固定のピボッ
ト点Ｅに取付けられ、ピボット点Ｄにおいてピボットア
ーム196に取付けられる。走査アーム駆動モータ205は、
経路220の沿って走査アーム駆動装置200を往復運動さ
せ、駆動揺動アーム196を枢着回転させ、これにより、
ハブ192及び走査ホイール組立体を孤230に沿って往復走
査移動させる。

走査ホイール組立体190の他の素子が第18図に示され
ている。ホイールハブ192及びプーリ199は、室壁101に
取付けられたフェロ・フロイディック回転式真空シール
／ベアリング組立体102によって互いに協働するように
取付けられる。パドル支持ブロック203は、ホイールハ
ブ102の上部に取付けられる。水のような冷却材は、し
なやかな管状アーム91を経てウェハヒートシンク組立体
189へ循環される。１つの実施例において、各アーム91
は、一対のステンレススチール管224を備えている。各
管224の一端は、取付具206によって支持ブロック203に
固定され、そしてその他端は、取付具207によって関連
パドル189に固定される。以下に述べる可変角度のパド
ル取付構成体を用いる時には、各管224は、ループ204を
組み込むことによってしなやかなものとされる。或いは
又、ステンレススチール管に代わって可撓性の管を用い
てもよい。これらの管及びヒートシンク組立体189を通
る冷却水は、固定の冷却水供給シャフト及び戻りシャフ
ト213及び214によって流される。即ち、水は、加圧供給
源（図示せず）から固定の水供給シャフト213を経て送
られ、上部管224、チャンネル217を経て循環され、次い
で、チャンネル118、下部管224及び戻りシャフト214を
経て放出される。供給シャフト213とパドル支持ブロッ
ク203との間には環状シール216が取付けられており、供
給管と戻り管を分離すると共に、支持ブロックのための
回転シールを果たす。

ヒートシンク組立体189の枢着運動により、個々のヒ
ートシンク組立体189が回転される。この運動は、ホイ
ール組立体の平面を実質的に横切る孤即ち経路240に沿
ったもので、これは、走査ホイール組立体190の回転に
より生じた遠心力から得られる。調整可能なストップ組
立体208は、プレート209と、調整可能なストップネジ21
1とを有し、これは、螺条が切られていて、ロックナッ
ト212により予め選択された位置にロックすることがで
きる。調整可能なストップネジ211は、経路240に沿って
パドルの位置を選択するのに用いられ、ひいては、イオ
ンビームの経路Ｉに対するパドル189（支持断面189Aの
面）及びウェハの角度を選択するのに用いられる。

第１図ないし第３図に説明を戻すと、公知の二重走査
装置の場合と同様に、走査ホイール組立体15の低速走査
及び高速走査に関する幾何学的なファクタは、一方の行
き過ぎ走査位置から他方の行き過ぎ走査位置への低速走
査サイクル中に、高速走査速度又は低速走査速度の片方
又は両方を変更しなければならないようになっている。
ウェハ面にわたるインプランテーションの分量を均一に
するためには、全イオンインプランテーション工程中に
ウェハの各基本的な表面積をイオンビーム内に留める滞
留時間を均一にしなければならない。

走査ホイールの中心から一定のイオンビーム位置まで
の距離をｒとすれば、走査ホイールに対して1/rの速度
駆動関係を得るように、本発明の低速走査構成体を実施
する方法は多数にあることが明らかであろう。本発明の
好ましい実施例では、走査アームに対して相似三角形式
の取付及び駆動構成体が使用され、これにより、低速走
査駆動装置の機械的及び電気的な制御機能が大幅に簡単
化される。本発明のこの特徴は、第19図及び第１図に関
連して最もよく説明することができる。

第19図に示されたように、走査ホイール15の軸Ａ、イ
オンビームの中心Ｉ及び走査アーム16の回転軸Ｂは、三
角形BAIを形成する。本発明によれば、ピボットアーム1
8の長さと、軸Ｂに対する直線駆動構成体19の回転点Ｅ
の位置は、三角形BDEが三角形BAIと相似になるように選
択される。これは、各三角形の包含角が同じで且つ辺の
長さが比例することを意味する。

この相似の取付関係により、点Ｅに向かう点Ｄの駆動
速度を距離DEの逆数の関数として制御して、点Ｉの方向
における点Ａの対応速度を距離AIの逆数の関数として制
御することができる。位置追跡装置250は、距離DEを追
跡し、これに対応する出力信号DEを発生する。除算回路
251は、DE信号を速度制御関数信号K/DEに変換する。但
し、Ｋは、走査速度を決定する可変定数である。このK/
DE信号は、モータ制御回路252へ送られ、これは、K/DE
の制御関数に基づいてモータ19Aの速度を制御する。

相似三角形の取付／駆動関係は、ピボットアーム18を
走査アーム16と整列して移動させることに等価な相似三
角形BD′Ｅ′を考えることによって容易に理解できよ
う。この構成は、幾何学的な点からは完全に等価である
が、明白な理由から物理的なハードウェアにおいて使用
するのは不便である。図示されたように、点Ｄ′の瞬時
速度は、ベクトルVD1であり、点Ａの瞬時速度は、ベク
トルVA1である。1/r（即ち、1/AE）という関係をもたね
ばならないのは、Ｄ′Ｅ′方向及びAI方向におけるこれ
らベクトルの成分である。

長さＤ′Ｅ′を追跡し、その値に基づいてＥ′方向に
おけるＤ′の速度を制御することにより、Ｄ′Ｅ′方向
における走査速度が自動的に与えられ、これは、Ｄ′
Ｅ′の値に逆比例すると共に、相似であることにより、
距離AIの値にも逆比例する。従って、Ａ及びＤの各々が
円弧において移動し、それらの瞬時速度ベクトルの方向
が一定に変化しても、距離DEを追跡して1/DEの関数とし
て速度を制御することにより、速度ベクトルの方向の変
化が自動的に補償されると共に、いかなる走査位置にお
いても軸Ａとイオンビームの中心Ｉとの間の線に沿った
ベクトル成分に基づいて制御が行なわれる。

明らかなように、モータ及びギア構成体を用いて走査
アーム16を駆動することができると共に、複雑なコンピ
ュータ形成アルゴリズムを用いてモータの速度を制御
し、1/r走査関数を得ることができる。この構成では、
走査アームに対する取付構成対の利点が利用されるが、
これを実施するにはより経費がかゝる。

第１図に示されたイオンインプランテーション装置で
は、これに用いられるイオンビーム線上の部品やウェハ
取扱及びウェハ走査組立体に対し高度で精巧なコンピュ
ータ制御が使用される。従って、監視及びその他の信号
ラインを走査アーム組立体17に接続することができ、高
速走査モータ22と、低速走査親ネジ駆動構成体19のモー
タの両方をコンピュータで制御して、半導体ウェハのバ
ッチを完全に自動制御処理し、走査ホイール組立体上の
25個の各ウェハに規定のインプランテーション分量の予
め選択されたイオン種を与えることができる。この完全
なコンピュータ制御は、分量監視構成体と一体化され、
これらの構成体は、装置の実質的に全部の二重走査サイ
クルにわたってイオンビーム電流レベルを監視できるよ
うな走査ホイール組立体の設計によって容易なものとさ
れる。整数回の低速走査サイクルに最終的な目標分量が
ウェハに均一にインプランテーションされるように、必
要に応じて、低速走査サイクルの数及び走査サイクルの
速度をインプランテーション工程中に変更することがで
きる。従って、低速走査駆動についての全コンピュータ
アルゴリズムは、多数の複雑なファクタを含むことにな
るが、これらのファクタは、電子技術及びコンピュータ
に精通した技術者であれば、容易に理解して加味するこ
とができ、この高度な能力は、前記した本発明の設計概
念によって可能とされる。

本発明の実施例の以上の説明から、電流が非常に大き
いイオンインプランテーション装置においてウェハ取扱
及び走査装置に必要とされる全ての特徴が得られること
が明らかであろう。

１）直径６インチまでのウェハ25個より成る全バッチの
走査が、本発明により走査ホイール組立体に設けられた
25個の個々のヒートシンク組立体によって行なわれる。

２）変動率0.75％未満の均一な分量が、本発明による二
重走査駆動構成体の高速及び低速走査運動の正確な制御
によって容易に達成される。上記の構成体は、慣性が小
さく且つ摩擦が低い簡単で且つ信頼性の高い装置であ
る。走査ホイール組立体の開放領域特徴により、正確な
実時間電流測定、累積分量の正確な測定及び走査サイク
ルの確実な制御が容易に行なわれ、インプランテーショ
ンの最終的な目標分量を得るための精度及び均一性が得
られる。

３）4KWのビーム出力において80℃未満のウェハ温度を
維持することができる。これは、スポークアームとウェ
ハヒートシンクパドル及び挿入体との間で走査ホイール
組立体が開放形態とされると共に、ヒートシンクパドル
に水冷チャンネルが設けられ、ウェハと冷却流体との間
に効果的な熱伝達機構が与えられ、更に、ウェハの面に
直角な遠心力成分を効果的に用いて、インプランテーシ
ョン中の機械的なウェハクランプ作用を回避することに
より達成される。

４）平らなウェハ取付面を有するヒートシンク組立体の
設計及びウェハ走査装置の走査移動によってインプラン
テーション角度の変動が回避される。

５）ウェハ縁クランプを排除すると共に、従来の真空対
空気のシール構成体を回避することによって汚染源が相
当に減少される。全ての潤滑面は、真空室の外部にあ
る。スパッタ汚染を減少するため、走査中にイオンをさ
えぎる走査ホイールの表面積が最小とされる。

６）冷却が困難なウェハ縁クランプや、機械的なストレ
スを招くドーム状のウェハ取付面を回避することによ
り、ウェハに対する機械的及び熱的なストレスによる損
傷が実質上なくされる。

７）走査ホイール組立体及び個々のヒートシンクパドル
が真空室の片側付近のウェハ移送ステーションに容易に
配置されるので、ウェハの装填及び取外しの完全な自動
化が容易に達成される。本発明による走査ホイール組立
体の設計特徴及びその駆動構成体により、全インプラン
テーション工程のコンピュータ制御により自動化も容易
に達成される。

本発明によるウェハ走査装置の設計及び作動上の特
徴、エイトケン氏の大電流ビーム電流技術、ストーンス
トリート氏の特許出願に開示された自動ウェハ取扱及び
装填装置、及び高度なコンピュータ制御式の自動化機能
の組み合わせにより、半導体産業の高度な要求に合致す
るように性能が著しく改善されたイオンインプランテー
ション装置が提供される。

本発明の種々の実施例の以上の説明から明らかなよう
に、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱
せずに多数の色々な修正及び変更がなされ得ることが当
業者に明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるウェハ走査装置を組み込んだイ
オンインプランテーション装置の斜視図、 第２図は、本発明による走査ホイール組立体の前面図、 第３図は、本発明によるウェハ走査装置の部分破断上面
図、 第４図及び第５図は、本発明によるウェハ走査装置のヒ
ートシンク組立体に対する取付構成体を示す部分平面図
及び断面図、 第６図ないし第８図は、本発明による走査ホイール組立
体のためのヒートシンク組立体の上面、背面及び前面
図、 第９図及び第10図は、本発明によるヒートシンク組立体
の部分断面図、 第11図及び第12図は、本発明による走査ホイール組立体
のための取付及び駆動構成体を示す断面図、 第13図ないし第16図は、本発明によるウェハ走査装置の
作動原理を説明するのに有用な図、 第17図及び第18図は、本発明によるウェハ走査装置の別
の実施例を示す前面図及び部分断面図、そして 第19図は、本発明による合同三角形式の取付及び駆動構
成体を示す低速走査制御構成体の概略図である。 10……イオンインプランテーション装置 11……ウェハ処理室（真空室） 12……フロントドア 14……後加速系統 15……走査ホイール組立体 15A……取付パドル 16……取付及び駆動構成体 17……走査アーム組立体 18……駆動アーム 19……モータ及び親ネジ駆動構成体 22……モータ 23……ベルト駆動の伝達構成体 24、25……ストップ支柱組立体 26……個別の室、27……装填ロックドア 30……中心ハブ組立体 31……ヒートシンク組立体 32……冷却流体供給構成体 33……取付構成体 34……バックプレート 40……ベアリング及びロータリ真空シール構成体 41……スポークアーム 43……取付フランジ 44……半導体取付孔 45……ヒートシンクパドル 46……ヒートシンク挿入体 48……ウェハ縁拘束具 49……ウェハクランプ構成体 51……アクチュエータアーム 52……クランプ素子 60……ヒートシンク冷却チャンネル 80……半導体ウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル テイ ウオーク ザ セカン ド 英国 ウエスト サセツクス ＲＨ16 １ＸＰ ヘイワーズ ヒース ボード ヒル レーン バンチングヒル（番地な し) (56)参考文献 特開 昭54−78091（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−82771（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−123174（ＪＰ，Ａ) 特公 昭51−35346（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高電流のイオンビームを発生し、投射する
   手段、 中心ハブから半径方向外方にのび、半導体ウエハを取り
   付けるヒートシンクをそれぞれの外端に設け、前記のヒ
   ートシンクより巾の狭い複数のスポークアームを備え
   た、半導体ウエハを支持する走査ホイール組立体、 イオンビームを横切って一方向にウエハを走査するよう
   前記の走査ホイール組立体を回転する駆動手段、及び 前記の一方向と交差する方向でウエハを走査し、そして
   この走査運動の端位置でウエハをイオンビームから外す
   位置に置くように走査ホイール組立体を前後の動かす手
   段 を備えたことを特徴とする半導体ウエハをイオンビーム
   で走査する装置。
2. 【請求項２】走査ホイール組立体を前後に動かす手段
   は、走査ホイール組立体の中心からイオンビームまでの
   瞬時距離に逆比例する速さで走査ホイール組立体を動か
   す請求項１に記載の半導体ウエハをイオンビームで走査
   する装置。
3. 【請求項３】走査ホイール組立体を前後に動かす手段
   は、走査ホイール組立体の中心Ａへ接続された走査アー
   ム、この走査アームの端へ所定の角度で接続され、走査
   アームの回転の軸Ｂをつくっているピボットアーム、及
   び間接点Ｄとなっているピボットアームの端へ往復ロッ
   ドを接続した直線駆動機構を備え、この直線駆動機構は
   間接点Ｄと直線駆動機構の回転点Ｅとの間の瞬時距離Ｄ
   −Ｅと逆比例する速度で往復ロッドを駆動するようにな
   っており、ピボットアームの長さと軸Ｂに対する回転点
   Ｅの位置とは三角形BDEが三角形BAI（Ｉはイオンビーム
   の投射点）と相似となるように選択されている請求項１
   に記載の半導体ウエハをイオンビームで走査する装置。
4. 【請求項４】ヒートシンクは冷却流体チャンネルとヒー
   トシンク挿入体とを備え、走査ホイール組立体はイオン
   ビームが発生した熱を運び出すため冷却流体チャンネル
   へ、そして冷却流体チャンネルから冷却流体を流すパイ
   ピングを含み、ヒートシンク挿入体は第１の取付面とイ
   オンビームに面する第２の取付面を形成している金属
   体、第１の取付面に取り付けた伝導性エラストマー材料
   の第１の層、及びウエハ取付面として働く第２の取付面
   上に取り付けた伝導性エラストマー材料の第２の層を備
   え、それにより走査ホイール組立体が高速回転して遠心
   力成分でウエハを前記の第２の層に押しつけるときヒー
   トシンク挿入体がウエハの全面を横切って良好な熱伝導
   性を与えるようにした請求項１に記載の半導体ウエハを
   イオンビームで走査する装置。