專利名稱：離子注入機中的靶盤角度控制與掃描運動機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體設備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
離子注入機是制造半導體硅片的重要設備。為了保證注入到硅片離子劑量的均勻性，必須很好地控制靶盤的掃描運動。靶盤的掃描運動方法是離子束流不動，靶盤既要作勻速旋轉(zhuǎn)以調(diào)整注入傾斜角度，又要作上下往復平移運動。
從已檢索的文獻來看，美國Varian公司申請的專利WO02/43104“Hybrid scanningsystem and methods for ion implantation”(申請日2002年5月30日)提出了一種有代表性的方法，如圖1所示。
在圖1中，機構(gòu)604可以繞軸605旋轉(zhuǎn)以調(diào)整離子束404注入到硅片416表面418的傾斜角度，同時，硅片416及靶盤414等可以沿圖中Y方向602作往復平移運動。
下面進一步分析這種方法當離子束2沿如圖2所示方向1注入時，如果離子束的平行度控制得不好，就會出現(xiàn)圖2中所示的離子束沿注入方向呈錐形分布的情況。這樣，當硅片被調(diào)整到圖中注入角度α后沿箭頭所示方向3作上下往復平移運動時，在位置4處與離子束相交的區(qū)域為Z1，而在位置5處與離子束相交的區(qū)域為Z2，顯然Z2小于Z1，也就是說，在這種情況下當硅片運動到不同位置時，離子注入到硅片表面的劑量是不同的。因此，這種方法對離子束的平行度的控制提出了更高的要求。只有充分保證離子束之間相互平行，才能保證離子注入劑量的均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
通過上述分析，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)已有的靶盤掃描運動機構(gòu)采取了串聯(lián)運動機構(gòu)。這種串聯(lián)機構(gòu)屬懸臂結(jié)構(gòu)，剛度較低，且層迭嵌套，如果將驅(qū)動電機布置在腔室外的機座上，則所控制的終端構(gòu)件必須由始端構(gòu)件和中間構(gòu)件來帶動和加速，致使傳動鏈長，傳動系統(tǒng)復雜，積累誤差大而精度低；如果直接將驅(qū)動電機布置在終端構(gòu)件的臂上，則電機的磁場會干擾離子的注入，使得離子束流偏離原來的方向。
因此，為了解決上述問題，本發(fā)明提出了取代上述串聯(lián)機構(gòu)的平面并聯(lián)機構(gòu)，實現(xiàn)大角度離子注入的靶盤垂直往復掃描運動。
本發(fā)明提供了一種離子注入機中靶盤角度控制與掃描運動機構(gòu)，其特征在于所述角度控制與掃描運動機構(gòu)為PR-PRR型雙支鏈2自由度平面并聯(lián)機構(gòu)，包括靶盤、第一支鏈和第二支鏈；所述第一支鏈屬于PR型支鏈形式，包含第一固定構(gòu)件、第一運動構(gòu)件、第一移動副和第一轉(zhuǎn)動副，所述的第一固定構(gòu)件的一端與離子注入機腔室壁剛性連接，另一端通過第一移動副與第一運動構(gòu)件相連，所述的第一運動構(gòu)件通過第一轉(zhuǎn)動副與靶盤連接；所述第二支鏈屬于PRR支鏈形式，包含第二運動構(gòu)件、第三運動構(gòu)件、第二固定構(gòu)件、第二移動副、第二轉(zhuǎn)動副和第三轉(zhuǎn)動副，所述的第二固定構(gòu)件的一端與離子注入機腔室剛性連接，另一端通過第二移動副與第三運動構(gòu)件相連，所述的第三運動構(gòu)件與第二運動構(gòu)件通過第二轉(zhuǎn)動副相連，所述第二運動構(gòu)件通過第三轉(zhuǎn)動副與靶盤相連。
本發(fā)明所述的第一固定構(gòu)件與第二固定構(gòu)件分別剛性固定于所述離子注入機注入腔室底部的不同安裝點上。
本發(fā)明所述的各轉(zhuǎn)動副均為轉(zhuǎn)動鉸鏈，它們的轉(zhuǎn)軸相互平行，且垂直于該機構(gòu)所在的平面，構(gòu)成平面并聯(lián)機構(gòu)。
雙支鏈中的第一運動構(gòu)件和第三運動構(gòu)件受豎直方向驅(qū)動力作用，使第一運動構(gòu)件和第三運動構(gòu)件分別在第一移動副和第二移動副的限制下沿豎直方向上、下運動，從而改變靶盤的角度和實現(xiàn)靶盤的掃描運動。
本發(fā)明所述的并聯(lián)機構(gòu)與現(xiàn)有串聯(lián)機構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)簡單，剛度大，傳動鏈極短，末端執(zhí)行件速度快，沒有誤差的積累和放大，精度高，驅(qū)動電機可以非常自然地布置在腔室外的機座上，避免了磁場的干擾。


圖1是專利WO02/43104公開的一種靶盤掃描運動機構(gòu)。
圖2是靶盤沿垂直方向作往復運動時離子注入劑量均勻性分析示意圖。
圖3是本發(fā)明所述的靶盤沿垂直方向作往復運動的并聯(lián)機構(gòu)簡圖。
圖4是本發(fā)明在上、下載硅片時的姿態(tài)示意圖。
圖5是本發(fā)明在注入角為0°時的運動姿態(tài)示意圖。
圖6是本發(fā)明在注入角為30°時的運動姿態(tài)示意圖。
圖7是本發(fā)明在注入角為60°時的運動姿態(tài)示意圖。
圖8是本發(fā)明所述的兩主動移動副通過旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲桿方式實現(xiàn)的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖來進一步說明本發(fā)明所述的離子注入機中的靶盤掃描運動機構(gòu)。
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)大角度離子注入的靶盤角度控制與掃描運動機構(gòu)，見圖3。所述角度控制與掃描運動機構(gòu)為PR-PRR型雙支鏈2自由度平面并聯(lián)機構(gòu)，包括靶盤、第一支鏈和第二支鏈；靶盤23由兩個并聯(lián)的運動支鏈支撐。
所述第一支鏈屬于PR型支鏈形式，包含第一固定構(gòu)件29、第一運動構(gòu)件30、第一移動副21和第一轉(zhuǎn)動副22，所述的第一固定構(gòu)件29的一端與離子注入機腔室壁28剛性連接，另一端通過第一移動副21與第一運動構(gòu)件30相連，所述的第一運動構(gòu)件30通過第一轉(zhuǎn)動副22與靶盤23連接；所述第二支鏈屬于PRR支鏈形式，包含第二運動構(gòu)件31、第三運動構(gòu)件32、第二固定構(gòu)件33、第二移動副24、第二轉(zhuǎn)動副25和第三轉(zhuǎn)動副26，所述的第二固定構(gòu)件33的一端與離子注入機腔室28剛性連接，另一端通過第二移動副24與第三運動構(gòu)件32相連，所述的第三運動構(gòu)件32與第二運動構(gòu)件31通過第二轉(zhuǎn)動副25相連，所述第二運動構(gòu)件31通過第三轉(zhuǎn)動副26與靶盤23相連。
所述第一固定構(gòu)件29與第二固定構(gòu)件33分別剛性固定于所述離子注入機注入腔室底部的不同安裝點上。
3個轉(zhuǎn)動副的軸線相互平行，在圖3中都是垂直于紙面。第一移動副21和第二移動副24的軸線均在垂直于轉(zhuǎn)動副軸線的平面內(nèi)。因此該機構(gòu)本靶盤運動機構(gòu)屬于二自由度平面并聯(lián)機構(gòu)。兩條支鏈中，第一移動副21和第二移動副24為主動移動副，通過主動移動副的運動輸入改變兩條支鏈的長度，可以實現(xiàn)靶盤23的平面二自由度運動(其中的一個平移運動和旋轉(zhuǎn)運動是互相約束的)。當?shù)谝灰苿痈?1和第二移動副24按照同樣的速度同時伸縮時，靶盤23即可在保持固定注入角度的情況下作上下往復掃描運動。若要調(diào)節(jié)靶盤的傾斜角度，即調(diào)節(jié)離子注入角α，則只要第一移動副21和第二移動副24在離子注入過程開始之前，按照運動學解算的結(jié)果進行伸縮時，即可控制特定的注入角度。
為了完成一批硅片的順序加工，一般需要靶盤掃描運動機構(gòu)與輸片機械手配合實現(xiàn)硅片在靶盤上的自動上、下料過程，此時，靶盤一般處于水平位置，如圖4所示。圖5至圖7表示的是實現(xiàn)0°、30°、60°三種不同注入角度時，并聯(lián)掃描機構(gòu)的位姿和運動副的運動情況。
本發(fā)明所提出的平面并聯(lián)機構(gòu)，能實現(xiàn)大角度離子注入的靶盤垂直往復掃描運動，兩條支鏈中分別包含主動型的第一移動副21和第二移動副24。主動型的第一移動副21和第二移動副24及第一運動構(gòu)件30和第二運動構(gòu)件32的驅(qū)動可以采用多種方式實現(xiàn)。
第一種采用“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，如圖8所示，電機81與絲桿83直接相連，絲桿83旋轉(zhuǎn)時帶動螺母82沿軸向直線往復運動，而螺母82與伸縮桿85剛性相連，于是，伸縮桿85沿絲桿83的軸線方向做往復運動，圖8中的軸承84起引導伸縮桿85做直線運動的作用。將圖8與圖3的運動簡圖對照，則圖8中的伸縮桿85與圖3中的第一運動構(gòu)件30對應，圖8中的軸承84和支座86構(gòu)成一體，共同與圖3中的第一固定構(gòu)件29對應。而圖8中的旋轉(zhuǎn)電機81、絲桿83與螺母82構(gòu)成伸縮桿85的驅(qū)動部件，由于機構(gòu)運動簡圖的限制，該驅(qū)動部件在圖3的運動簡圖中未直接表示出，僅根據(jù)目前機構(gòu)簡圖的規(guī)范表示法，以雙箭頭P表示第一運動構(gòu)件30和第三運動構(gòu)件32受到驅(qū)動力的作用，即第一運動構(gòu)件30和第三運動構(gòu)件32為并聯(lián)機構(gòu)中的主動構(gòu)件。
第二種采用“旋轉(zhuǎn)電機+直線導軌+滾珠絲桿”，其中，直線導軌是第一移動副21或第二移動副24的實現(xiàn)形式，它可以采用圓柱導軌、燕尾型導軌等，而旋轉(zhuǎn)電機和滾珠絲桿構(gòu)成主動型移動副的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。
第三種采用“直線電機+直線導軌”的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。與第二種方式一樣，直線導軌是第一移動副21或第二移動副24的實現(xiàn)形式，它可以采用圓柱導軌、燕尾型導軌等，而與第二種方式不同的是，直線電機直接將驅(qū)動力施加與第一運動構(gòu)件30或第三運動構(gòu)件32上。
以上方法所使用的電機均可相應地采用碼盤、直線光柵尺進行閉環(huán)檢測控制。
本方案所提出的平面并聯(lián)機構(gòu)中包含的第一轉(zhuǎn)動副22、第二轉(zhuǎn)動副25、第三轉(zhuǎn)動副26可以采用相關(guān)的提供一維轉(zhuǎn)動運動的圓柱鉸鏈來實現(xiàn)。它們的轉(zhuǎn)軸相互平行，且垂直于該機構(gòu)所在的平面，構(gòu)成平面并聯(lián)機構(gòu)。
并聯(lián)機構(gòu)的控制技術(shù)已經(jīng)較為成熟，尤其是本專利的并聯(lián)機構(gòu)為2自由度平面并聯(lián)機構(gòu)，可以根據(jù)所需的靶盤傾斜角度和掃描運動的速度、位置軌跡實現(xiàn)良好的控制。
本方案中的機構(gòu)與美國Varian公司的專利相比，由串聯(lián)機構(gòu)變?yōu)椴⒙?lián)機構(gòu)，從根本上改變機構(gòu)的類型，而功能完全相同，而且發(fā)揮了并聯(lián)機構(gòu)剛度大、電機布局合理的技術(shù)優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種離子注入機中靶盤角度控制與掃描運動機構(gòu)，其特征在于所述角度控制與掃描運動機構(gòu)為PR-PRR型雙支鏈2自由度平面并聯(lián)機構(gòu)，包括靶盤、第一支鏈和第二支鏈；所述第一支鏈屬于PR型支鏈形式，包含第一固定構(gòu)件(29)、第一運動構(gòu)件(30)、第一移動副(21)和第一轉(zhuǎn)動副(22)，所述的第一固定構(gòu)件(29)的一端與離子注入機腔室壁(28)剛性連接，另一端通過第一移動副(21)與第一運動構(gòu)件(30)相連，所述的第一運動構(gòu)件(30)通過第一轉(zhuǎn)動副(22)與靶盤(23)連接；所述第二支鏈屬于PRR支鏈形式，包含第二運動構(gòu)件(31)、第三運動構(gòu)件(32)、第二固定構(gòu)件(33)、第二移動副(24)、第二轉(zhuǎn)動副(25)和第三轉(zhuǎn)動副(26)，所述的第二固定構(gòu)件(33)的一端與離子注入機腔室(28)剛性連接，另一端通過第二移動副(24)與第三運動構(gòu)件(32)相連，所述的第三運動構(gòu)件(32)與第二運動構(gòu)件(31)通過第二轉(zhuǎn)動副(25)相連，所述第二運動構(gòu)件(31)通過第三轉(zhuǎn)動副(26)與靶盤(23)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶盤角度控制與掃描運動機構(gòu)，其特征在于所述第一固定構(gòu)件(29)與第二固定構(gòu)件(33)分別剛性固定于所述離子注入機注入腔室底部的不同安裝點上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶盤角度控制與掃描運動機構(gòu)，其特征在于所述的各轉(zhuǎn)動副均為轉(zhuǎn)動鉸鏈，它們的轉(zhuǎn)軸相互平行，且垂直于該機構(gòu)所在的平面，構(gòu)成平面并聯(lián)機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶盤角度控制與掃描運動機構(gòu)，其特征在于雙支鏈中的第一運動構(gòu)件(30)和第三運動構(gòu)件(32)受豎直方向驅(qū)動力作用，使第一運動構(gòu)件(30)和第三運動構(gòu)件(32)分別在第一移動副(21)和第二移動副(24)的限制下沿豎直方向上、下運動，從而改變靶盤的角度和實現(xiàn)靶盤的掃描運動。
全文摘要
一種離子注入機中靶盤角度控制與掃描運動機構(gòu)，屬于半導體設備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種離子注入機中靶盤角度控制與掃描運動機構(gòu)，其特征在于所述角度控制與掃描運動機構(gòu)為PR－PRR型雙支鏈2自由度平面并聯(lián)機構(gòu)，包括靶盤、第一支鏈和第二支鏈。本發(fā)明解決了現(xiàn)有串聯(lián)型靶盤角度控制與掃描機構(gòu)的剛度低、與腔室連接的底層構(gòu)件負荷過大等問題，同時，有利于將靶盤掃描運動機構(gòu)的驅(qū)動電動機布置于注入腔室的外部，克服了驅(qū)動電動機布置于腔室內(nèi)部而帶來的對注入腔室環(huán)境的不利影響。
文檔編號H01L21/00GK1595599SQ20041000922
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者汪勁松, 朱煜, 于暉, 曹家勇, 尹文生, 段廣洪, 陳濤 申請人:清華大學