JP7735202B2 - イオン照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン照射方法に関する。

半導体装置が形成された半導体基板に水素やヘリウムなどの軽イオンを照射して半導体基板内に欠陥を形成し、半導体装置の特性を向上させる技術が知られている。半導体基板の一部領域のみに欠陥を形成するため、一部領域に開口が形成されたマスクが用いられる。例えば、半導体基板を保持するウェハホルダに対し、マスクを保持するマスクホルダを磁石で固定することにより、半導体基板に対してマスクが位置決めされる。

特許第６９１４６００号公報

ウェハホルダとマスクホルダの間を磁石で固定する場合、固定される直前に半導体基板の表面に沿った面内方向に磁力が働くことで、ウェハホルダに対してマスクホルダが面内方向にずれてしまうことがあった。半導体基板に対してマスクが面内方向にずれて固定されると、所望の領域に欠陥を形成することができず、イオン照射工程の歩留まりの低下につながる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、半導体基板に対するマスクの位置ずれを抑制する技術を提供することにある。

本発明のある態様のイオン照射方法は、半導体基板とマスクプレートが重なるように位置合わせすることと、半導体基板とマスクプレートが重なる方向に第１固定力を加えて、半導体基板とマスクプレートを仮固定することと、第１固定力を加えた状態で、半導体基板とマスクプレートが重なる方向に第１固定力よりも小さい第２固定力を固定治具を用いて加えることと、第１固定力を解除し、第２固定力を加える固定治具によって半導体基板とマスクプレートを固定することと、固定治具によって固定されたマスクプレートを介して半導体基板に向けてイオンを照射することと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、半導体基板に対するマスクの位置ずれを抑制できる。

イオン照射システムの概略構成を模式的に示す図である。 マスク付きウェハを支持する搬送プレートの一例を示す図である。 実施の形態に係るマスク付きウェハを概略的に示す平面図である。 実施の形態に係るマスク付きウェハを概略的に示す断面図である。 ウェハホルダを概略的に示す平面図である。 固定治具を概略的に示す斜視図である。 突出部材を含む固定治具の拡大部分を概略的に示す断面図である。 アライメント装置を模式的に示す外観図である。 マスクホルダの下面の構成を模式的に示す平面図である。 アライメント装置を用いる仮固定工程を模式的に示す図である。 固定治具の取付工程を模式的に示す図である。 搬送プレートを概略的に示す平面図である。 搬送プレートの一部を概略的に示す側面図である。 ウェハホルダのピン穴を概略的に示す平面図である。 搬送プレートに取り付けたマスク付きウェハを概略的に示す平面図である。 実施の形態に係るイオン照射方法の一例を示すフローチャートである。 別の実施の形態に係るマスク付きウェハを概略的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

図１は、イオン照射システム１０の概略構成を模式的に示す図である。イオン照射システム１０は、加速器１２と、ウェハ搬送装置１４と、ビーム輸送ダクト１６と、を備える。イオン照射システム１０は、半導体基板であるウェハ２６にイオンを照射するよう構成される。

加速器１２は、イオンビームを加速して外部に出射する。加速器１２として、例えば、サイクロトロン方式やバンデグラフ方式の装置を用いることができる。ウェハ搬送装置１４は、複数の搬送プレート１８を収容する収容部（不図示）と、収容部から搬出される一つの搬送プレート１８にイオンビームが照射される照射チャンバ２０と、収容部と照射チャンバ２０の間で搬送プレート１８を移動する移動機構２２と、を備える。搬送プレート１８は複数枚のウェハ２６を搭載することができる。照射チャンバ２０において、搬送プレート１８に搭載される複数枚のウェハ２６にイオンビームが順次照射される。ビーム輸送ダクト１６は、加速器１２から出射されたイオンビームをウェハ搬送装置１４まで導く。ビーム輸送ダクト１６は、イオンビームが輸送されるダクトの内部を真空に維持する真空ポンプと、イオンビームの照射方向を補正するための電磁コイルと、を備える。

イオン照射システム１０は、イオンビームに関する様々なパラメータ、例えば、イオン種、加速エネルギー、イオン照射量（ビーム電流、照射時間）、イオン照射方向を調整できるように構成される。イオン照射に用いられるイオン種は、Ｈ、Ｈｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｎｅ、Ｓｉ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅからなる群より選択される少なくとも１種の原子がイオン化されたものが挙げられる。具体的には、例えば、^１Ｈ^＋、^２Ｈ^＋、^３Ｈｅ^２＋、^４Ｈｅ^２＋などが挙げられる。イオン照射システム１０は、０．００１ＭｅＶ以上または０．１ＭｅＶ以上の加速エネルギーでイオン照射してもよい。イオン照射システム１０は、１００ＭｅＶ以下または３０ＭｅＶ以下の加速エネルギーでイオン照射してもよい。

イオンが照射されるウェハ２６は典型的には、円形のシリコンウェハであるが、ウェハ２６の形状および材質はこれに限定されない。ウェハ２６は、例えば３００ｍｍ以内の直径を有し、例えば３００ｍｍまたは２５０ｍｍまたは２００ｍｍまたは１５０ｍｍの直径を有してもよい。ウェハ２６は、例えば０．０５ｍｍから１．５０ｍｍの厚みを有してもよい。

ウェハ２６にイオン照射が行われると、ウェハ内部のある深さにまでイオンが到達する。その際、到達した領域を含む近傍では格子欠陥が形成され、結晶の規則性（周期性）が乱れた状態となる。このような格子欠陥が多い領域では電子が散乱されやすくなり、電子の移動が阻害される。つまり、イオン照射により局所的な格子欠陥が生じた領域では、抵抗率が上昇することになる。イオン照射システム１０において上述のパラメータを調整することにより、ウェハ内部の欠陥層の面内位置、深さ位置、深さ方向の幅、抵抗率の大きさを適宜設定できる。なお、イオン照射により得られる欠陥層は、高抵抗領域を形成する目的の他に、キャリアのライフタイム制御層を形成する目的など、様々な用途に用いることができる。

図２は、マスク付きウェハ２３を支持する搬送プレート１８の一例を示す図である。搬送プレート１８は、イオン照射のために複数のマスク付きウェハ２３を立てて搬送するよう構成される。複数のマスク付きウェハ２３は、横に一列に並んで搬送プレート１８上のそれぞれの所定位置に保持される。

マスク付きウェハ２３は、ウェハホルダ２４、マスクプレート２５およびウェハ２６により形成される。ウェハホルダ２４は、マスクプレート２５およびウェハ２６を支持する。マスクプレート２５は、ウェハ２６と重なるように配置される。ウェハ２６は、ウェハホルダ２４とマスクプレート２５の間に配置される。マスクプレート２５およびウェハ２６は、後述する固定治具（図２には不図示）によってウェハホルダ２４に固定される。ウェハホルダ２４は、固定治具によって固定されるマスクプレート２５とウェハ２６を支持してマスク付きウェハ２３を形成する。一つの搬送プレート１８には、複数のマスク付きウェハ２３を搭載できる。

マスクプレート２５は、ウェハ２６を覆うことのできる大きさを有する円盤形状の部材である。マスクプレート２５は、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）およびこれらの合金を含む金属や、シリコン（Ｓｉ）、その他樹脂などで構成される。ただし、マスクプレート２５の形状および材質はこれに限定されない。例えば、ウェハ２６が矩形その他の平面形状をもつ場合には、マスクプレート２５もこれに合わせた平面形状を有してもよい。

マスクプレート２５は、照射されるイオンをウェハ２６に向けて通過させる開口パターンと、ウェハ２６との位置合わせに用いられるアライメント開口とを有する。ウェハ２６の前面（イオンが照射される照射面）にはアライメントマークが設けられる。マスクプレート２５とウェハ２６の位置合わせは、ウェハ２６のアライメントマークと、マスクプレート２５のアライメント開口の位置を合わせるように行われる。位置合わせされたマスクプレート２５とウェハ２６は、位置合わせされた状態を維持したままウェハホルダ２４に固定される。

移動機構２２は、搬送プレート１８を少なくとも水平方向に移動させるよう構成される。移動機構２２は、搬送プレート１８に搭載される全てのウェハ２６に順次イオンビームが照射されるように、搬送プレート１８を移動させることができる。イオン照射処理が終了すると、移動機構２２は、搬送用軸３２の軸端部３２ａを搬送プレート１８の端部に設けられる被係合部３０に係合させ、搬送プレート１８を収容部に戻す。そして、移動機構２２は、次の搬送プレート１８を照射チャンバ２０へ搬入する。

ウェハホルダ２４は水平面に対して垂直に立つように搬送プレート１８に支持される。ウェハホルダ２４に固定されたマスクプレート２５およびウェハ２６もまた、水平面に対し垂直に立てた状態で搬送プレート１８に支持される。イオンビームは、水平面に沿ってマスクプレート２５に入射し、マスクプレート２５を介してウェハ２６に照射される。なお必要とされる場合には、搬送プレート１８は、ウェハホルダ２４、マスクプレート２５およびウェハ２６を、水平面に対し斜めに立てて搬送するよう構成されてもよい。

図３は、実施の形態に係るマスク付きウェハ２３を概略的に示す平面図である。マスク付きウェハ２３は、ウェハホルダ２４と、マスクプレート２５と、ウェハ２６と、複数の固定治具２８とを備える。図示する例では、二つの固定治具２８が設けられ、二つの固定治具２８がウェハホルダ２４の中心Ｃを挟んで両側に取り付けられる。一方の固定治具２８は、ウェハホルダ２４を立てたときの上辺２４ａにあり、他方の固定治具２８は下辺２４ｂにある。二つの固定治具２８は、マスクプレート２５およびウェハ２６の直径の両端に位置する。

固定治具２８は、ウェハホルダ２４、マスクプレート２５およびウェハ２６を挟み込むことによって、マスクプレート２５およびウェハ２６をウェハホルダ２４に固定する。固定治具２８は、マスクプレート２５に向けて突出可能な突出部材３５を有し、突出部材３５がマスクプレート２５に突き当たることによって、固定治具２８の間にウェハホルダ２４、マスクプレート２５およびウェハ２６が挟み込まれる。固定治具２８による固定力の大きさは、例えば、突出部材３５の突出量によって制御される。

ウェハホルダ２４は、マスクプレート２５の外側に拡張部分３６を備える。拡張部分３６はウェハホルダ２４の左右に広がっており、固定治具２８の配置場所を境界として左側領域３６ａと右側領域３６ｂに分かれる。左側領域３６ａにおいて上辺２４ａの近くには開口部３８が設けられる。左側領域３６ａは、開口部３８より径方向に外側（ウェハホルダ２４の左上部）に延びる細長部分４０を有する。細長部分４０は、作業者がウェハホルダ２４を持つときの持ち手として利用可能である。

ウェハホルダ２４には、複数のピン穴４２が設けられる。二つのピン穴４２のうち一方が右側領域３６ｂにおいて上辺２４ａの近傍に形成され、他方のピン穴４２が左側領域３６ａにおいて下辺２４ｂの近傍に形成される。二つのピン穴は４２はウェハホルダ２４の中心Ｃから等距離に位置する。このようにして、ピン穴４２は、ウェハホルダ２４の拡張部分３６において対角状に配置される。

図４は、実施の形態に係るマスク付きウェハを概略的に示す断面図である。図４は、図３のＡ－Ａ断面に相当する。図５は、ウェハホルダ２４の概略平面図である。図５は、マスクプレート２５、ウェハ２６および固定治具２８を外した状態のウェハホルダ２４を示す。

ウェハホルダ２４は、図４に示されるように、底部２４ｃおよび外枠部２４ｄを有する。ウェハホルダ２４の外周部は、図５に示されるように、外枠部２４ｄおよび拡張部分３６により形成される。ウェハホルダ２４は、底部２４ｃ、外枠部２４ｄおよび拡張部分３６が一体的に形成されたプレート状の部材である。拡張部分３６は、固定治具２８によってマスクプレート２５がウェハホルダ２４に固定されたとき平面視でマスクプレート２５の外側にある部分であり、マスクプレート２５と重ならない部分である。外枠部２４ｄは、マスクプレート２５または固定治具２８と重なる部分であり、図４において外部から見えない部分である。図５に示されるように、拡張部分３６の左側領域３６ａおよび右側領域３６ｂは、外枠部２４ｄによって接続される。

マスクプレート２５は、マスク前面２５ａと、マスク背面２５ｂと、マスク側面２５ｃとを有する。マスク前面２５ａは、イオンビームが入射する面であり、ウェハホルダ２４とは反対側に位置する。マスク背面２５ｂは、マスク前面２５ａに背向する面であり、ウェハ２６と対向する。マスク側面２５ｃは、マスク前面２５ａとマスク背面２５ｂの間を接続し、マスクプレート２５の外形を定める。

ウェハ２６は、ウェハ前面２６ａと、ウェハ背面２６ｂと、ウェハ側面２６ｃとを有する。ウェハ前面２６ａは、イオンビームが入射する面であり、マスク背面２５ｂと対向する。ウェハ前面２６ａには、トランジスタやダイオードなどの半導体素子を含む半導体装置（例えば、集積回路）が形成される。ウェハ背面２６ｂは、ウェハ前面２６ａに背向する面であり、ウェハホルダ２４の底部２４ｃと対向する。ウェハ側面２６ｃは、ウェハ前面２６ａとウェハ背面２６ｂの間を接続し、ウェハ２６の外形を定める。

ウェハホルダ２４には、ウェハ２６を収容可能なウェハホルダ凹部４６が底部２４ｃおよび外枠部２４ｄにより形成される。ウェハホルダ凹部４６は、ウェハ２６の外径に対応する大きさの開口を有し、ウェハ側面２６ｃは、外枠部２４ｄに接するか、または、外枠部２４ｄからわずかな隙間を空けて囲まれる。ウェハホルダ凹部４６の深さは、例えば１ｍｍ～５ｍｍ程度である。

ウェハホルダ凹部４６には、ウェハホルダ２４の底部２４ｃおよび外枠部２４ｄに隣接して一体的に形成されたウェハホルダ凸部４８が設けられる。ウェハホルダ凸部４８は、ウェハ２６の外径に対応したリング状に形成される。ウェハホルダ凸部４８は、ウェハ背面２６ｂの外周領域に接触する。ウェハホルダ凸部４８は、ウェハ背面２６ｂとウェハホルダ２４の底部２４ｃの間を離間させ、ウェハ背面２６ｂとウェハホルダ２４の底部２４ｃが接触しないようにする。ウェハホルダ凸部４８の高さは、例えば０．５ｍｍ～２ｍｍ程度である。

マスク付きウェハ２３は、ウェハ２６の外周領域とマスクプレート２５の間に配置されるスペーサ部材４４をさらに備える。スペーサ部材４４は、ウェハ２６の外径に対応したリング状の部材である。スペーサ部材４４の内径は、ウェハ２６の外径よりも小さい。スペーサ部材４４の外径は、ウェハ２６の外径と同じか、ウェハ２６の外径よりも大きい。スペーサ部材４４の径方向の幅は、例えば２ｍｍ～６ｍｍ程度である。この場合、スペーサ部材４４の内径は、ウェハ２６の外径よりも２ｍｍ～６ｍｍ程度小さく、スペーサ部材４４の外径は、ウェハ２６の外径よりも２ｍｍ～６ｍｍ程度大きい。

スペーサ部材４４は、ウェハ前面２６ａの外周領域に接触し、マスク背面２５ｂの外周領域に接触する。スペーサ部材４４は、マスク背面２５ｂとウェハ前面２６ａの間を離間させ、マスク背面２５ｂとウェハ前面２６ａが接触しないようにする。マスク背面２５ｂと接するスペーサ部材４４の上面は、ウェハホルダ２４の外枠部２４ｄよりもわずかに高い。スペーサ部材４４は、例えば０．５ｍｍ～２ｍｍ程度の厚さを有する。

ここで、ウェハ２６の外周領域とは、ウェハ側面２６ｃから１ｍｍ～３ｍｍ程度の領域であり、半導体装置が形成されない領域である。そのため、スペーサ部材４４またはウェハホルダ凸部４８がウェハ外周領域においてウェハ２６に接触したとしても、ウェハ２６に形成される半導体装置への影響は少ない。また、スペーサ部材４４およびウェハホルダ凸部４８を設けることで、半導体装置が形成されるウェハ内側領域にウェハホルダ２４およびマスクプレート２５が接触し、ウェハ内側領域が損傷することを防止できる。

固定治具２８は、マスクプレート２５およびウェハホルダ２４の外周部を挟み込むように取り付けられる。固定治具２８により、マスクプレート２５およびウェハ２６が面内方向に互いに変位しないようにウェハホルダ２４に固定され、マスク付きウェハ２３が形成される。固定治具２８は、コの字形または横向きのＵ字形状を有する。固定治具２８は、突出部材３５と、ウェハホルダ側アーム５０と、マスク側アーム５２と、アーム接続部５４とを備える。図６は、固定治具２８を概略的に示す斜視図である。

ウェハホルダ側アーム５０は、ウェハホルダ２４の底部２４ｃと接触する部分であり、ウェハ２６の面内方向に延びる。マスク側アーム５２は、マスクプレート２５のマスク前面２５ａから離れてウェハ２６の面内方向に延びる部分である。マスク側アーム５２にはマスクプレート２５に向けて突出する突出部材３５が設けられる。アーム接続部５４は、ウェハホルダ側アーム５０とマスク側アーム５２の間を接続する部分であり、ウェハホルダ２４、マスクプレート２５およびウェハ２６の厚み方向に延びる。

マスク付きウェハ２３は、保護プレート３４をさらに備える。保護プレート３４は、突出部材３５とマスクプレート２５の間に設けられ、マスク前面２５ａの外周領域に接触し、突出部材３５の先端部材３５ｂと接触する。保護プレート３４は、突出部材３５の先端部材３５ｂがマスク前面２５ａに接触しないようにする。保護プレート３４は、突出部材３５の先端部材３５ｂがマスク前面２５ａに突き当たることによってマスク前面２５ａに傷や凹みが生じることを防止する。保護プレート３４は、例えば０．２ｍｍ～１ｍｍ程度の厚さを有する。

突出部材３５は、マスク側アーム５２から保護プレート３４に向けて突出可能である。突出部材３５は、ウェハ２６とマスクプレート２５が重なる方向（つまり、厚み方向）に延びる軸線に沿って突出可能である。突出部材３５は、ウェハ２６の外周領域と重なる位置に設けられる。突出部材３５の突出方向に延びる軸線上において、ウェハホルダ凸部４８、ウェハ外周領域、スペーサ部材４４、マスク外周領域、保護プレート３４および突出部材３５が一列に並ぶ。これにより、固定治具２８は、ウェハホルダ２４、ウェハ２６、スペーサ部材４４、マスクプレート２５および保護プレート３４をしっかりと挟み込んで固定することができる。

図７は、突出部材３５を含む固定治具２８の拡大部分を概略的に示す断面図である。マスク側アーム５２は、ねじ穴５２ａを有する。突出部材３５は、ねじ穴５２ａと螺合するねじである本体部材３５ａと、保護プレート３４に突き当たる先端部材３５ｂとを備える。矢印６２のように突出部材３５をマスク側アーム５２に対し回転させるとき、突出部材３５はねじ穴５２ａとの螺合により保護プレート３４に向けて突き出し、逆向きに回転させるとき、突出部材３５は保護プレート３４から離れる。

本体部材３５ａの下端には、先端部材３５ｂが収容される凹部が形成される。先端部材３５ｂは、平坦な上面と、平坦な下面と、上面と下面の間を接続する凸曲面（例えば球面）となる側面とを有する。先端部材３５ｂは、いわゆる反転防止機構つきの平面ボールであり、本体部材３５ａの凹部に対し揺れ動くことが可能である。本体部材３５ａがマスク側アーム５２から突き出すとき、先端部材３５ｂの平坦な下面が保護プレート３４に突き当たる。先端部材３５ｂが保護プレート３４に接触して保護プレート３４を押圧することにより、先端部材３５ｂはウェハ２６保護プレート３４との摩擦力によって静止される。

先端部材３５ｂが本体部材３５ａに対し独立して揺動可能であるので、ねじ回転によるマスクプレート２５とウェハ２６の位置ずれを防止または軽減することができる。また、先端部材３５ｂは保護プレート３４と面接触するので、点接触の場合に比べて、突出部材３５から保護プレート３４に加わる単位面積あたりの固定力が小さくなる。また、先端部材３５ｂとマスク前面２５ａの間に保護プレート３４が挿入されるため、保護プレート３４がない場合に比べて、突出部材３５からマスク前面２５ａに加わる単位面積あたりの固定力が小さくなる。これにより、突出部材３５をマスクプレート２５に向けて突き当てることによって起こりうるマスクプレート２５の損傷を防止または軽減できる。

ウェハホルダ２４は、図５に示される切り欠き部５６を備える。切り欠き部５６は、固定治具２８がウェハホルダ２４に取り付けされるときに、固定治具２８がウェハホルダ２４に接触する一方で、マスク側面２５ｃに接触しないようする。切り欠き部５６は、マスクプレート２５がウェハホルダ２４に固定されるときのマスク側面２５ｃの設計上の位置よりも径方向に外側に位置する固定治具当接面５８を有する。固定治具当接面５８は、アーム接続部５４の内側の面と接触して、固定治具２８をウェハホルダ２４の径方向に位置決めする。図４に示されるように、固定治具２８がマスク側面２５ｃと接触しないため、アーム接続部５４とマスク側面２５ｃの間には隙間５９ａができる。そのため、固定治具２８が装着されるとき、固定治具２８がマスクプレート２５を面内方向に押してしまうことによるマスクプレート２５の位置ずれが生じない。

固定治具２８は、突出部材３５を除いて、マスク前面２５ａおよび保護プレート３４と接触しない。つまり、マスク側アーム５２の下面と保護プレート３４の間にも隙間５９ｂが形成される。固定治具２８の装着時に固定治具２８のウェハホルダ側アーム５０をウェハホルダ２４に当てながら固定治具２８を切り欠き部５６へと差し込むことによって、固定治具２８をマスクプレート２５および保護プレート３４と接触させずに取り付けることができる。このような取付作業を容易にするために、ウェハホルダ側アーム５０の長さは、マスク側アーム５２の長さよりも大きくなっている。アーム接続部５４からウェハホルダ側アーム５０が延びる長さは、アーム接続部５４からマスク側アーム５２が延びる長さより大きい。まず、ウェハホルダ側アーム５０の延長部分をウェハホルダ２４の底部２４ｃ側から切り欠き部５６に突き当てて、それから固定治具２８を径方向に内側に向けて差し込むことができる。

切り欠き部５６は、図５に示される一対の固定治具案内面６０をさらに有する。固定治具案内面６０は、固定治具当接面５８の両側において径方向に外側に延びる。固定治具案内面６０は、固定治具当接面５８を上辺２４ａ（または下辺２４ｂ）に接続する。固定治具案内面６０は、固定治具２８が切り欠き部５６に挿入されるとき、アーム接続部５４の両側に沿ってアーム接続部５４をウェハホルダ２４の径方向に案内する。このようにして固定治具２８の装着場所が予め設定されるので、装着作業が容易である。

ウェハホルダ２４の拡張部分３６は、固定治具当接面５８よりも径方向に外側に広がっる。ウェハホルダ２４はその全周にわたってマスクプレート２５よりも径が大きい。ウェハホルダ２４は、上述のピン穴４２や持ち手となる細長部分４０を設ける余剰の領域をマスクプレート２５の外側にもつ。作業者はこうした余剰領域を持って、ウェハホルダ２４を搬送プレート１８にセットしたり、搬送プレート１８から取り外したりする作業をすることができる。作業中にマスクプレート２５に手を触れる必要がないので、誤ってマスクプレート２５に触れて位置ずれを引き起こす可能性が小さくなる。

つづいて、ウェハホルダ２４にマスクプレート２５およびウェハ２６を固定するためのアライメント装置について説明する。図８は、アライメント装置８０を模式的に示す外観図である。アライメント装置８０は、ウェハホルダ２４を支持するステージ８２と、マスクプレート２５を保持するマスクホルダ８３と、マスクホルダ８３を支持する支柱８４と、マスクプレート２５のアライメント開口を通してウェハ２６のアライメントマークを検知するためのカメラ８５と、を備える。

ステージ８２は、ステージ上面に沿ったＸ方向およびＹ方向、ステージ上面に垂直なＺ軸まわりのθ方向に移動可能となるよう構成される。ステージ８２は、ステージ上面に載置されるウェハホルダ２４によって支持されるウェハ２６をＸＹθ方向に移動させ、マスクホルダ８３に保持されるマスクプレート２５に対するウェハ２６の面内方向の位置合わせをする。ステージ８２は、昇降装置８６によってＺ方向に移動可能となるよう構成される。ステージ８２と昇降装置８６の間には圧縮ばね８７が設けられる。圧縮ばね８７は、ステージ８２をマスクプレート２５に向けて上昇させ、ウェハ２６に載置されるスペーサ部材４４をマスクプレート２５に押しつけるときに生じる衝撃を吸収する。

マスクホルダ８３は、ステージ８２の上方に配置される。マスクホルダ８３は、左右に分割された構造を有し、左側マスクホルダ８３ａと、右側マスクホルダ８３ｂとを有する。マスクプレート２５は、左側マスクホルダ８３ａおよび右側マスクホルダ８３ｂのそれぞれの下面に設けられる吸引パッド８８による吸引力によって保持される。吸引パッド８８は、図示しない真空ポンプに接続される。

図９は、マスクホルダ８３の下面の構成を模式的に示す平面図である。マスクホルダ８３には、マスクプレート２５の外周領域を保持するための保持凹部８９が形成される。保持凹部８９は、マスクプレート２５の外径に対応して円弧状に延びる。保持凹部８９は、左側マスクホルダ８３ａに形成される左側保持凹部８９ａと、右側マスクホルダ８３ｂに形成される右側保持凹部８９ｂとにより形成される。左側保持凹部８９ａと右側保持凹部８９ｂの間には、固定治具２８を挿入するための隙間８３ｃが設けられる。吸引パッド８８は、保持凹部８９に設けられている。

つづいて、アライメント装置８０を用いたマスク固定方法について説明する。まず、図８に示されるように、アライメント装置８０の上にウェハホルダ２４が配置され、ウェハホルダ２４の上にウェハ２６が配置され、ウェハ２６の上にスペーサ部材４４が配置される。また、マスクホルダ８３にマスクプレート２５が配置され、吸引パッド８８による吸引力によってステージ８２の上方に吊り下げられた状態で保持される。マスク前面２５ａの一部箇所には保護プレート３４が貼り付けされている。保護プレート３４の貼り付け位置は、固定治具２８の取付位置に対応する。

次に、昇降装置８６を用いてステージ８２を上昇させ、マスク背面２５ｂとウェハ前面２６ａの距離ｄが所定の距離となるように近接させる。これにより、ウェハ前面２６ａに設けられるアライメントマークがカメラ８５の焦点深度内となり、マスクプレート２５に対するウェハ２６の位置合わせが可能となる。このとき、マスク背面２５ｂとスペーサ部材４４の間には隙間があり、両者は接触していない。位置合わせをするときのマスク背面２５ｂとウェハ前面２６ａの距離ｄは、１ｍｍ～３ｍｍ程度であり、スペーサ部材４４の厚さよりもわずかに大きい。この状態で、ステージ８２をＸＹθ方向に移動させることにより、マスクプレート２５とウェハ２６が位置合わせされる。

図１０は、アライメント装置８０を用いる仮固定工程を模式的に示す図である。マスクプレート２５とウェハ２６の位置合わせが完了した後、ステージ８２を昇降装置８６を用いて矢印９０で示されるように上昇させ、マスク背面２５ｂの外周領域とスペーサ部材４４を接触させる。マスクプレート２５とスペーサ部材４４が接触した状態から昇降装置８６の駆動軸をさらに上昇させることにより、ステージ８２と昇降装置８６の間に設けられる圧縮ばね８７を圧縮させる。これにより、ステージ８２とマスクホルダ８３の間には圧縮ばね８７の圧縮量δに応じた第１固定力が加わる。第１固定力の大きさは、例えば６０Ｎ～１００Ｎ程度である。第１固定力は、ウェハホルダ２４、ウェハ２６、スペーサ部材４４およびマスクプレート２５が重なるウェハ外周領域に加わる。第１固定力によってこれらの部材の界面において摩擦力が生じ、ウェハ２６とマスクプレート２５が位置合わせされたまま仮固定される。

図１１は、固定治具２８の取付工程を模式的に示す図である。固定治具２８は、第１固定力によってウェハ２６とマスクプレート２５が位置決めされた状態において取り付けられる。上述したように、固定治具２８は、ウェハホルダ側アーム５０をウェハホルダ２４の下面に接触させた状態で、ウェハホルダ２４の切り欠き部５６（図５参照）に挿入される。その後、マスク側アーム５２に設けられる突出部材３５を保護プレート３４に向けて突出させることにより、突出部材３５の先端が保護プレート３４に突き当たり、固定治具２８がウェハホルダ２４に取り付けされる。

固定治具２８は、ウェハホルダ２４と突出部材３５の間に第２固定力が加わるように取り付けされる。突出部材３５の本体部材３５ａがねじである場合、例えば空転式トルクドライバーを用いて本体部材３５ａを回転させることにより、本体部材３５ａの締め付けトルクを所定値に制御することができ、締め付けトルクに応じた第２固定力を加えることができる。第２固定力の大きさは、第１固定力の大きさよりも小さい。第２固定力の大きさは、例えば、３０Ｎ～５０Ｎ程度である。第２固定力の大きさは、例えば第１固定力の５０％～８０％程度である。第２固定力を第１固定力よりも小さくすることにより、固定治具２８を取り付けするときにウェハ２６とマスクプレート２５の位置ずれが生じることを防止できる。例えば、第２固定力を第１固定力よりも大きくすると、突出部材３５が回転する方向に過度な力が加わって第１固定力による仮固定が維持できなくなり、ウェハ２６とマスクプレート２５の位置がずれる可能性がある。

固定治具２８を取り付けた後、昇降装置８６を用いてステージ８２を下降させることにより、圧縮ばね８７による第１固定力を解除する。第１固定力が解除されると、ウェハホルダ２４、ウェハ２６、スペーサ部材４４、マスクプレート２５および保護プレート３４は、第２固定力を加える固定治具２８によって固定される。第１固定力が解除されるとき、ウェハ２６とマスクプレート２５には固定治具２８によって厚み方向に第２固定力が加わっているが、ウェハ２６とマスクプレート２５の位置ずれに寄与しうる面内方向には力が加わっていない。そのため、ウェハ２６とマスクプレート２５が位置合わせされたまま固定治具２８による固定を完了し、マスク付きウェハ２３を形成できる。その後、マスク付きウェハ２３は、搬送プレート１８に取り付けされる。

図１２は、搬送プレート１８を概略的に示す平面図である。搬送プレート１８は、ウェハホルダ載置面６４と、複数のピン６６と、複数のピン台座６８と、複数の開口部７０とを備える。図１２の例では、搬送プレート１８は、三つのマスク付きウェハ２３を支持するよう構成される。

ウェハホルダ載置面６４は、ウェハホルダ２４の底部２４ｃと接触してウェハホルダ２４を定位置に支持するための平面である。複数のピン６６は、ウェハホルダ２４のピン穴と係合してウェハホルダ２４を定位置に位置決めして支持する。複数のピン６６は、ウェハホルダ２４のピン穴４２と対応する数および配置で設けられる。一つのウェハホルダ２４に設けられる二つのピン穴４２と対応して、二つのピン６６が対角状に配置される。ピン台座６８は、ウェハホルダ載置面６４上に設けられ、ピン６６の根本を固定する。開口部７０は、ウェハホルダ２４がウェハホルダ載置面６４に接触するとき固定治具２８を受け入れるために搬送プレート１８に形成される。

図１３は、搬送プレート１８の一部を概略的に示す側面図であり、ピン６６およびピン台座６８の構造を示す。ピン６６は、ピン台座６８から延びる逆円錐形状を有する。ピン６６は、ウェハホルダ載置面６４に対して垂直に設けられる。

図１４は、ウェハホルダ２４のピン穴４２を概略的に示す平面図である。ピン穴４２は、いわゆるダルマ穴の形状を有する。ピン穴４２は、第１円弧状輪郭４２ａと、第２円弧状輪郭４２ｂとを有する。第１円弧状輪郭４２ａの両端は、第２円弧状輪郭４２ｂの両端につながっている。第１円弧状輪郭４２ａは、第１中心７４および第１半径７５を有し、第２円弧状輪郭４２ｂは、第２中心７６および第２半径７７を有する。第２中心７６は、第１中心７４から下方に偏心しており、第２円弧状輪郭４２ｂは、第１円弧状輪郭４２ａから下方に外れる。ピン穴４２は、第１中心７４と第２中心７６を結ぶ直線７８に線対称である。第２半径７７は第１半径７５より大きい。第１半径７５は、ピン６６の先端の半径より小さく、ピン６６の根本の半径より大きい。第２半径７７は、ピン６６の先端の半径より大きい。

図１５は、搬送プレート１８に取り付けたマスク付きウェハ２３を概略的に示す平面図である。マスク付きウェハ２３を搬送プレート１８に取り付けるとき、ピン穴４２の第２円弧状輪郭４２ｂにピン６６を挿入できる。その後、ウェハホルダ２４の自重によりピン６６が第１円弧状輪郭４２ａに嵌る。ピン６６は、先端が最も太くピン台座６８に向かって徐々に細くなっている。そのため、ウェハホルダ２４のピン穴４２をピン６６に掛けたとき、ウェハホルダ２４は自重によってピン６６の逆テーパ面（すなわち逆円錐面）に従って下方に動くとともに搬送プレート１８に近づき、最終的にはウェハホルダ載置面６４に当たる。このため、ウェハホルダ２４を搬送プレート１８に迅速に取り付けでき、マスク付きウェハ２３を定位置に確実に位置決めできる。また、ウェハホルダ２４は対角状に配置された２本のピン６６で支持されるので、搬送プレート１８による搬送中も位置が安定する。このようなピン６６およびピン穴４２の形状により、マスク付きウェハ２３の搬送中の脱落を防止し、振動を抑制できる。また、イオン照射後のマスク付きウェハ２３を搬送プレート１８から回収するときには、ウェハホルダ２４を少し上に持ち上げるだけで容易に取り外すことができる。

イオン照射後のマスク付きウェハ２３は、アライメント装置８０を用いてウェハ２６とマスクプレート２５の固定を解除してもよい。最初に、ウェハ２６とマスクプレート２５の位置合わせ（アライメント）がずれていないかをアライメント装置８０のカメラ８５を用いて確認してもよい。イオン照射後にアライメントを再確認することで、適切な位置にイオン照射を実施できたか否かを確認することができ、後工程における歩留まりを高めることができる。

アライメントを確認した後、マスク付きウェハ２３から固定治具２８を取り外すことによってウェハ２６とマスクプレート２５の固定を解除できる。このとき、第１固定力を加えた状態で固定治具２８を取り外してもよい。例えば、マスク付きウェハ２３をステージ８２の上に載せ、ステージ８２を上昇させることによってマスクプレート２５をマスクホルダ８３の保持凹部８９に収容する。マスクプレート２５がマスクホルダ８３に接触した後、ステージ８２をさらに上昇させることにより、ステージ８２とマスクホルダ８３の間に第１固定力を加える。第１固定力を加えた状態で、突出部材３５のねじを逆回転させて保護プレート３４から突出部材３５を離間させ、固定治具２８を取り外す。固定治具２８を取り外した後にステージ８２を下降させ、第１固定力を解除する。このとき、マスクプレート２５は、マスクホルダ８３の吸引パッド８８による吸着力によって保持されてもよいし、ウェハホルダ２４の上に載置されたままであってもよい。その後、ウェハホルダ２４からスペーサ部材４４およびウェハホルダ２４が取り外される。なお、第１固定力を加えていない状態で固定治具２８を取り外してもよい。

図１６は、実施の形態に係るイオン照射方法の一例を示すフローチャートである。まず、半導体基板とマスクプレートを近接させて位置合わせする（Ｓ１０）。次に、半導体基板とマスクプレートが重なる方向に第１固定力を加えて、半導体基板とマスクプレートを仮固定する（Ｓ１２）。第１固定力を加えた状態で、半導体基板とマスクプレートが重なる方向に第１固定力よりも小さい第２固定力を固定治具を用いて加える（Ｓ１４）。固定治具を取り付けた後に第１固定力を解除し、第２固定力を加える固定治具によって半導体基板とマスクプレートを固定する（Ｓ１６）。固定治具によって固定された半導体基板とマスクプレートを搬送プレートにセットして照射チャンバに搬送し、マスクプレートを介して半導体基板に向けてイオンを照射する（Ｓ１８）。イオン照射後、搬送プレートから固定治具によって固定された半導体基板とマスクプレートを回収し、半導体基板とマスクプレートの位置合わせがずれていないか確認する（Ｓ２０）。その後、固定治具による半導体基板とマスクプレートの固定を解除する（Ｓ２２）。

図１７は、別の実施の形態に係るマスク付きウェハ９３を概略的に示す断面図である。マスク付きウェハ９３は、マスクプレート２５と、ウェハ２６と、保護プレート３４と、スペーサ部材４４と、ウェハホルダ９４とを備える。ウェハホルダ９４は、マスクプレート２５とウェハ２６を固定する固定治具９６を備える。ウェハホルダ９４は、上述のウェハホルダ２４と同様に構成されるが、固定治具９６を備える点で上述の実施の形態と相違する。

ウェハホルダ９４は、底部９４ｃと、外枠部９４ｄと、固定治具支持部９４ｅとを有する。底部９４ｃおよび外枠部９４ｄは、上述の底部２４ｃおよび外枠部２４ｄと同様に構成される。底部９４ｃおよび外枠部９４ｄは、ウェハ２６を収容するウェハホルダ凹部４６を形成する。ウェハホルダ凹部４６には、底部９４ｃおよび外枠部９４ｄに隣接して一体的に形成されたウェハホルダ凸部４８が設けられる。

固定治具支持部９４ｅは、外枠部９４ｄの径方向外側に設けられる。固定治具支持部９４ｅは、ウェハホルダ９４の外周部に設けられ、例えば、図５に示される切り欠き部５６の位置に設けられる。固定治具支持部９４ｅには、固定治具９６が取り付けられている。

固定治具９６は、いわゆるトグルクランプであり、突出部材９５が設けられるアーム９６ａと、アーム９６ａを移動させるためのレバー９６ｂとを有する。アーム９６ａは、ウェハホルダ９４の外周部に取り付けられ、ウェハホルダ９４の外周部から延在する。アーム９６ａは、ウェハホルダ９４の外周部に設けられる軸９６ｃを中心に回動可能である。

突出部材９５は、本体部材９５ａと、先端部材９５ｂとを有する。先端部材９５ｂは、上述の先端部材３５ｂと同様に構成される。先端部材９５ｂは、本体部材９５ａに対して揺れ動くことが可能となるように本体部材９５ａに支持される。本体部材９５ａの下端には、先端部材９５ｂが収容される凹部が形成される。先端部材９５ｂは、平坦な上面と、平坦な下面と、上面と下面の間を接続する凸曲面（例えば球面）となる側面とを有する。

突出部材９５は、レバー９６ｂを介してアーム９６ａを動かすことにより、保護プレート３４に向けて突出可能である。アーム９６ａの先端をマスクプレート２５に向けて移動させることにより、突出部材９５は、保護プレート３４に接触して保護プレート３４を押圧する。突出部材９５は、先端部材９５ｂが保護プレート３４に突き当たることにより、ウェハホルダ９４と先端部材３５ｂの間に第２固定力を加える。アーム９６ａの先端がマスクプレート２５から上方に離れるように移動させると、突出部材９５による第２固定力が解除される。

本実施の形態に係るウェハホルダ９４を用いて、上述の実施の形態と同様の工程によりマスクプレート２５とウェハ２６を固定できる。まず、ステージ８２にウェハホルダ９４を配置し、アーム９６ａが上方に上がった状態において、ウェハホルダ９４にウェハ２６およびスペーサ部材４４を配置する。その後、マスクホルダ８３に保持されるマスクプレート２５とウェハ２６を位置合わせし、ステージ８２を上昇させることによってマスクプレート２５とウェハ２６に第１固定力を加えて仮固定する。第１固定力を加えた状態で、レバー９６ｂを介してアーム９６ａを下方に移動させることにより、突出部材９５によってマスクプレート２５とウェハ２６に第２固定力を加えることができる。その後、ステージ８２を下降させて第１固定力を解除することにより、第２固定力を加える固定治具９６によってマスクプレート２５とウェハ２６を固定できる。

さらに別の実施の形態では、マスクプレート２５とウェハ２６に第２固定力を加える固定治具として、磁石を用いてもよい。例えば、ウェハホルダ凸部４８を磁性材料で形成し、突出部材の少なくとも先端を磁石とすることにより、突出部材とウェハホルダ凸部４８の間に磁力による第２固定力を生じさせることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

１０…イオン照射システム、１８…搬送プレート、２３…マスク付きウェハ、２４…ウェハホルダ、２５…マスクプレート、２６…ウェハ、２８…固定治具、３４…保護プレート、３５…突出部材、４４…スペーサ部材、８０…アライメント装置、８２…ステージ、８３…マスクホルダ、８６…昇降装置、８７…圧縮ばね。

Claims (9)

1. 半導体基板とマスクプレートが重なるように位置合わせすることと、
   前記半導体基板と前記マスクプレートが重なる方向に第１固定力を加えて、前記半導体基板と前記マスクプレートを仮固定することと、
   前記第１固定力を加えた状態で、前記半導体基板と前記マスクプレートが重なる方向に前記第１固定力よりも小さい第２固定力を固定治具を用いて加えることと、
   前記第１固定力を解除し、前記第２固定力を加える前記固定治具によって前記半導体基板と前記マスクプレートを固定することと、
   前記固定治具によって固定された前記マスクプレートを介して前記半導体基板に向けてイオンを照射することと、を備えるイオン照射方法。
2. 前記半導体基板の外周領域と前記マスクプレートの間にスペーサ部材を配置することをさらに備え、
   前記第１固定力および前記第２固定力は、前記半導体基板、前記スペーサ部材および前記マスクプレートが重なる位置に加えられる、請求項１に記載のイオン照射方法。
3. 前記固定治具と前記マスクプレートの間に保護プレートを配置することをさらに備え、
   前記第２固定力は、前記半導体基板、前記マスクプレートおよび前記保護プレートが重なる位置に加えられる、請求項１または２に記載のイオン照射方法。
4. 前記第１固定力は、前記半導体基板、前記マスクプレートおよび前記保護プレートが重ならない位置に加えられる、請求項３に記載のイオン照射方法。
5. 前記仮固定することは、マスクホルダによって保持される前記マスクプレートに向けて、前記半導体基板を支持するステージを昇降装置を用いて移動させ、前記ステージと前記昇降装置の間に設けられる圧縮ばねの圧縮量によって前記第１固定力の大きさを制御することを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のイオン照射方法。
6. 前記マスクホルダは、前記マスクプレートの外周領域を吸引する吸引力によって、前記ステージの上方に前記マスクプレートを保持する、請求項５に記載のイオン照射方法。
7. 前記固定治具は、前記マスクプレートに向けて突出可能な突出部材を備え、
   前記第２固定力を加えることは、前記突出部材の突出量によって前記第２固定力の大きさを制御することを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のイオン照射方法。
8. 前記固定治具は、前記半導体基板を収容するウェハホルダの底部と、前記半導体基板と、前記マスクプレートとを挟み込んで固定する、請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン照射方法。
9. 前記固定治具は、前記半導体基板を収容するウェハホルダの外周部に取り付けられるアームを備え、前記ウェハホルダと前記アームの間に前記半導体基板と前記マスクプレートとを挟み込んで固定する、請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン照射方法。