KR101817170B1 - 냉각식 이온 주입 시스템의 가열식 로터리 시일 및 베어링 - Google Patents

Abstract

제 1 축선을 중심으로 회전하는 스캔 아암(202) 및 피가공재를 선택적으로 고정하기 위해 제 2 축선을 중심으로 상기 스캔 아암에 회전 가능하게 결합된 냉각식 엔드 이펙터(206)를 갖는 피가공재 스캐닝 시스템이 제공된다. 상기 냉각식 엔드 이펙터는 클램핑 플레이트(212) 및 상기 클램핑 플레이트를 냉각하는 하나 또는 그 초과의 냉각 기구를 갖는다. 베어링은 상기 제 2 축선을 따라 배치되며 상기 엔드 이펙터를 상기 스캔 아암에 회전 가능하게 결합하고, 시일은 외부 환경과 내부 환경 사이에 압력 배리어를 제공하기 위해 상기 제 2 축선을 따라 배치된다. 하나 또는 그 초과의 상기 베어링 및 시일은 거기에 연관된 자성유체를 가질 수 있다. 히터 조립체는 상기 베어링 및 시일 부근에 배치되고, 상기 히터 조립체는 소정량의 열을 상기 베어링 및 시일에 선택적으로 제공하고, 그에 따라 상기 제 2 축선을 중심으로 한 상기 엔드 이펙터의 회전 성향이 증가한다.

Description

냉각식 이온 주입 시스템의 가열식 로터리 시일 및 베어링 {HEATED ROTARY SEAL AND BEARING FOR CHILLED ION IMPLANTATION SYSTEM}

(관련 출원 참조)

본원은, 이로써 전체가 여기에 완전히 기술된 것처럼 참조로 포함되는, 발명의 명칭이 "HEATED ROTARY SEAL AND BEARING FOR CHILLED ION IMPLANTATION SYSTEM"인 2010년 5월 28일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/349,571호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장한다.

(기술 분야)

본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템(ion implantation systems)에 관한 것으로, 특히 하나 또는 그 초과의 냉각된 부품을 갖는 이온 주입 시스템에서 사용되는 가열식 시일 및/또는 베어링(heated seal and/or bearing)을 가온(warming)하는 기술에 관한 것이다.

반도체 디바이스 및 다른 제품의 제조에 있어서, 이온 주입 시스템은 피가공재(예컨대, 반도체 웨이퍼, 디스플레이 패널, 유리 기판)에 도펀트(dopant) 요소를 주입하는데 사용된다. 이러한 이온 주입 시스템을 통상 "이온 주입기(ion implanters)"라고 한다.

이온 주입 프로세스 동안, 대전된 이온이 피가공재에 충돌함에 따라 상기 피가공재에는 에너지가 대책 없이 열의 형태로 축적될 수 있다. 이 열은 피가공재를 휘게 하거나 또는 균열을 발생시킬 수 있고, 이는 일부 실시에 있어서는 피가공재를 쓸모없게 만들 수 있다(또는 가치를 현저하게 떨어뜨린다).

또한, 상기 피가공재가 쓸모없어지지 않더라도, 이 원치 않는 가열은 이온의 도스(dose)를 원하는 선량(dosage)과는 다르게 전달되게 할 수 있어, 기능을 원하는 것과는 다르게 바꿀 수 있다. 예컨대, 피가공재의 외표면 바로 아래의 초박형 구역에서 1×10¹⁷ atoms/㎤의 도스가 주입되는 것이 바람직한 경우, 예기치 않은 가열은 상기 전달된 이온이 이 초박형 구역으로부터 확산하게 할 수 있어, 실제로 달성된 선량이 1×10¹⁷ atoms/㎤보다 적다. 실제로, 상기 원치 않는 가열은 원하는 것보다 넓은 구역에 걸쳐 상기 주입된 전하를 "손상(smear)"시킬 수 있고, 그에 따라 유효 선량이 원하는 것보다 적게 감소된다. 다른 바람직하지 않은 영향이 또한 발생할 수 있다.

다른 예에 있어서는, 향상된 CMOS 집적 회로 디바이스의 제조시에 실리콘 웨이퍼 표면의 바람직한 비정질화(amorphization)가 매우 얕은 접합부 형성(ultra shallow junction formation)을 가능하게 하도록, 주위 온도보다 낮은 온도에서 주입하는 것이 바람직할 것이다.

이들 및 다른 이유로, 척(chuck)이 매우 저온까지 냉각될 수 있게 하기 위해 냉각 시스템이 개발되고 있다. 플라즈마 처리 장치와 같은 몇몇 대상에 대해서는 냉각 시스템이 공지되어 있기는 하지만, 피가공재 부근의 부품들의 기계적인 밀도로 인해, 증발 냉각 시스템(vapor cooling system)을 이온 주입기에 통합하는 것은 매우 곤란하다. 예컨대, 이온 주입기의 정전 척(electrostatic chuck)은 덜 복잡한 플라즈마 처리 장치에서 사용되는 것들보다 종종 상당히 더 복잡해진다. 본 발명자들은 주입 도중의 피가공재의 원치 않는 가열을 감소시킬 수 있는 이온 주입 시스템에서의 정전 척을 냉각하기 위한 기술 및 시스템을 개발하고 있다. 정전 척을 냉각하기 위한 다른 방법들은 거의 주입에 적합한 온도로, 또는 그보다 약간 낮은 온도로 냉각된 유체를 척을 통해 순환시키는 단계를 포함할 수 있었다.

본 발명자들은, 정전 척의 냉각시에, 시일(seal) 및/또는 베어링을 냉각하는 냉각에 의해 상기 정전 척의 회전 또는 "트위스트(twist)"가 악영향을 받을 수 있고, 여기에 수반되는 유체의 점도가 유해하게 증가된다는 점을 발견했다. 그러므로, 여기서는 이온 주입 시스템의 냉각된 부품 내의 시일 및/또는 베어링을 가열하는 기구가 제공되고, 그 점에서 상기 시일 및/또는 베어링은 원하는 회전 성향을 유지한다.

따라서, 본원은 반도체 처리 시스템 내의 시일 및/또는 베어링에 열을 제공하기 위한 시스템, 장치 및 방법을 제공함으로써, 종래기술의 한계를 극복한다. 결국, 하기의 내용은 본 발명의 몇 가지 양태에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 발명을 요약해서 나타낸다. 이 요약은 본 발명의 상세한 개요는 아니다. 본 발명의 핵심 또는 결정적인 요소를 밝히거나 본 발명의 범위를 기술하는 것도 아니다. 그 목적은 후에 나타내는 상세한 설명에 대한 서막으로서 본 발명의 몇 가지 개념을 간략화된 형태로 나타내는 것이다.

본원은 일반적으로 이온 주입 시스템의 가열식 시일 및/또는 베어링, 특히 일례로서 이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템(ion implantation workpiece scanning system)의 시일 및/또는 베어링에 관한 것이다. 상기 이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템은, 예컨대 제 1 축선을 중심으로 회전하도록 구성된 스캔 아암(scan arm) 및 상기 스캔 아암에 회전 가능하게 결합되며 피가공재를 선택적으로 고정하도록 구성되는 엔드 이펙터(end effector)를 포함한다. 상기 엔드 이펙터는 저온 이온 주입이 가능하도록 임의대로 냉각될 수 있다. 상기 엔드 이펙터는 제 2 축선을 중심으로 회전하도록 구성되고, 상기 제 1 축선과 제 2 축선은 미리정해진 거리로 이격되어 배치되며, 상기 엔드 이펙터는 정전 척과 같은 클램핑 플레이트를 포함한다. 상기 클램핑 플레이트를 냉각하기 위해 하나 또는 그 초과의 냉각 기구가 제공될 수 있다.

상기 제 2 축선을 따라 베어링이 배치되며, 상기 베어링은 상기 엔드 이펙터를 상기 스캔 아암에 회전 가능하게 결합하고, 상기 제 2 축선을 따라 시일이 배치되며, 상기 시일은 일반적으로 외부 환경과, 하나 또는 그 초과의 상기 스캔 아암 및 엔드 이펙터의 내부 구역과 연관된 내부 환경과의 사이에 압력 배리어(pressure barrier)를 제공한다. 하나 또는 그 초과의 상기 베어링 및 시일은 자성유체 시일(ferrofluidic seal)을 포함할 수 있다. 상기 베어링 및 시일에 근접하여 히터 조립체가 배치되고, 상기 히터 조립체는, 소정량의 열을 상기 베어링 및 시일에 선택적으로 제공해서, 유체의 점도를 감소시키고, 그에 따라 상기 제 2 축선을 중심으로 한 상기 엔드 이펙터의 회전 성향을 증가시키도록 구성된다.

따라서, 전술한 및 관련된 목적의 달성을 위해, 본 발명은 이하에 충분히 기재된, 특히 청구범위에 기술된 특징들을 포함한다. 하기의 기재 및 첨부한 도면은 본 발명의 임의의 예시적인 실시예들을 상세히 기술한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명의 원리를 채용할 수 있는 다양한 방식의 일부를 나타내는 것이다. 본 발명의 다른 목적, 장점 및 신규한 특징은 도면과 함께 고려될 때 하기의 발명의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1은 예시적인 이온 주입 시스템의 블럭도.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 예시적인 피가공재 스캐닝 시스템을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 다른 양태에 따른 예시적인 스캔 아암의 단부의 단면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 양태에 따른 예시적인 엔드 이펙터의 부분 단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 예시적인 양태에 따른 시일 및/또는 베어링을 가열하는 방법을 설명하는 도면.

본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템의 스캔 아암에 관한 것으로, 특히 상기 스캔 아암상의 축선을 중심으로 회전하도록 구성된 엔드 이펙터 상의 하나 또는 그 초과의 시일 및 베어링을 가열하는 가열 기구에 관한 것이다. 이러한 가열은 저온 주입을 제공하도록 되어 있는 이온 주입 시스템에서 특히 바람직하며, 상기 저온 적응으로 인해, 내부에서의 가동성을 유지하기 위해 시일 및 베어링의 온도를 증가시킬 필요가 생기지만, 본 발명은 저온 주입을 제공하도록 되어 있지 않은 이온 주입 시스템에도 동등하게 적응할 수 있다. 따라서, 이제 도면을 참조하여 본 발명을 기술하며, 명세서 전반에서 유사한 참조번호는 유사한 요소를 나타내는데 사용될 수 있다. 이들 양태의 기재는 단순히 예시적인 것이며, 제한하려는 것으로 해석되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 하기의 기재에서는, 설명의 목적상, 본 발명의 전반적인 이해를 제공하기 위해 다수의 특정한 상세를 기술한다. 그러나, 본 발명이 이들 특정한 상세 없이도 실시될 수 있음은 당업자에게는 명백할 것이다.

본 발명은, 다양한 가동 부품이 얼어붙어서 잠재적으로 고장나거나, 또는 적어도 적절히 수행되지 못할 수 있는, 주위 온도보다 낮은 온도에서 작동하도록 이온 주입 시스템을 구성함에 있어서 발생한 문제점에 대한 해법을 제공한다. 특히, 오일, 탄화수소, 플루오르카본, 또는 다른 타입의 그리스(grease)를 함유하는 베어링 및 시일은 냉각시의 점도의 증가를 극복하기 위해 상당한 크기의 토오크를 필요로 할 수 있다. 본 발명은 상기 시일 및/또는 베어링의 온도를 유지하기 위해 가열원을 제공함으로써 이 문제점을 극복한다.

다시 한번, 상기 저온 적응으로 인해, 내부에서의 가동성(mobility)을 유지하기 위해 시일 및 베어링의 온도를 증가시킬 필요가 생기는, 저온 주입을 제공하도록 되어 있는 이온 주입 시스템에서는 상기와 같은 가열이 특히 바람직할 수 있지만, 본 발명은 특별히 저온 주입을 제공하도록 되어 있지 않은 이온 주입 시스템에도 동등하게 적응할 수 있다는 점을 이해할 것이다.

이제, 도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 양태에 따라, 도 1은 예시적인 이온 주입 시스템(100)을 도시하고, 상기 이온 주입 시스템은 이온 빔(104)에 관하여 피가공재(102)(예컨대, 반도체 기판 또는 웨이퍼)를 스캔하도록 작동 가능하며, 그 안에서 상기 피가공재에 이온을 주입한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 양태가 도 1의 예시적인 시스템(100)을 포함하여 임의의 타입의 이온 주입 장치와 관련해서 구현될 수 있지만, 그것에 제한되는 것은 아니다. 예시적인 이온 주입 시스템(100)은 단말(106), 빔라인(beamline) 조립체(108), 및 일반적으로 프로세스 챔버(112)를 형성하는 엔드 스테이션(110)을 포함하고, 상기 이온 빔(104)은 일반적으로, 피가공재 로케이션(114)에 배치된 피가공재(102)에 지향된다. 상기 단말(106)에 있는 이온 공급원(116)은 추출된 이온 빔(120)(예컨대, 미분화 이온빔(undifferentiated ion beam))을 상기 빔라인 조립체(108)에 제공하기 위해 전원(118)에 의해 급전되고, 상기 이온 공급원은 공급원 챔버로부터 이온을 추출하고, 그에 따라 추출된 이온 빔을 상기 빔라인 조립체(108)를 향해 지향시키기 위해 하나 또는 그 초과의 추출 전극(122)을 포함한다.

상기 빔라인 조립체(108)는, 예컨대 상기 공급원(116)에 근접하여 입구(126)를, 그리고 상기 엔드 스테이션(110)에 근접하여 출구(128)를 갖는 빔가이드(beamguide)(124)를 포함한다. 상기 빔가이드(124)는, 예컨대 상기 추출된 이온 빔(120)을 수용하고 다이폴 자기장(dipole magnetic field)을 생성해서 그 적정한 에너지-대-질량비 또는 범위의 이온만을 분해 개구(resolving aperture)(132)를 통해 상기 피가공재(102)까지 통과시키는 질량 분석기(130)(예컨대, 질량 분석 자석)를 포함한다. 상기 질량 분석기(130)를 통과해서 상기 분해 개구(132)를 나간 이온은, 일반적으로 그 원하는 에너지-대-질량비 또는 범위의 이온을 갖는 질량 분석된 또는 바람직한 이온 빔(134)을 규정한다. 상기 이온 빔이 바람직한 빔 경로(136)를 따라 상기 피가공재(102)에 반송될 때, 상기 이온 빔(104)을 유지하여 경계를 이루도록 상기 빔라인 조립체(108)와 연관된 다양한 빔 형성 및 성형 구조체(도시되지 않음)가 더 제공될 수 있다.

일례에 있어서, 상기 바람직한 이온 빔(134)은 상기 피가공재(102)를 향해 지향되고, 상기 피가공재는 일반적으로 상기 엔드 스테이션(110)과 연관된 피가공재 스캐닝 시스템(138)을 경유하여 위치된다. 도 1에 도시된 상기 엔드 스테이션(110)은, 예컨대 진공 프로세스 챔버(112) 내부에서 상기 피가공재의 기계식 스캐닝을 제공하는 "직렬(serial)" 타입의 엔드 스테이션을 포함할 수 있고, 상기 챔버 내에서는 상기 피가공재(102)(예컨대, 반도체 웨이퍼, 디스플레이 패널, 또는 다른 피가공재)가 피가공재 스캐닝 시스템(138)을 경유하여 상기 빔 경로(136)를 통해 하나 또는 그 초과의 방향으로 기계식으로 이동된다. 본 발명의 예시적인 일 양태에 따르면, 상기 이온 주입 시스템(100)은 일반적으로 고정형으로 되는 바람직한 이온 빔(134)(예컨대, "스폿 빔(spot beam)" 또는 "펜슬 빔(pencil beam)"이라고도 함)을 제공하고, 상기 피가공재 스캐닝 시스템(138)은 일반적으로 상기 고정형 이온 빔에 대하여 통상 2개의 직교 축선에서 상기 피가공재(102)를 이동시킨다. 그러나, 배치(batch)식 또는 다른 타입의 엔드 스테이션이 선택적으로 채용될 수 있으며, 이 경우에는 다수의 피가공재(102)가 동시에 스캔될 수 있고, 이러한 엔드 스테이션들은 본 발명의 범위 내의 것으로 고려될 수 있음에 유의해야 한다.

다른 예에 있어서, 상기 시스템(100)은 상기 피가공재(102)에 관하여 하나 또는 그 초과의 스캔 평면을 따라 상기 이온 빔(104)을 스캔하도록 작동 가능한 정전식 빔 스캐닝 시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 결국, 본 발명은 임의의 스캔 또는 비-스캔 이온 빔(104)을 본 발명의 범위 내의 것으로서 더 고려한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 도 1의 피가공재 스캐닝 시스템(138)은 스캔 아암(140)을 포함하고, 상기 스캔 아암은 상기 이온 빔(104)에 대하여 상기 피가공재(102)를 왕복식으로 스캔하도록 구성된다. 상기 이온 주입 시스템(100)은, 예컨대 컨트롤러(150)에 의해 더 제어되고, 이 경우에 상기 이온 주입 시스템 및 피가공재 스캐닝 시스템(138)의 기능은 상기 컨트롤러에 의해 제어된다.

도 2는 이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템(200)을 도시하고, 상기 스캐닝 시스템은 본 발명의 다른 양태에 따라 제 1 축선(204)을 중심으로 회전하도록 구성된 예시적인 스캔 아암(202)을 포함한다. 상기 스캐닝 시스템(200)은 상기 스캔 아암(202)의 단부(208)에 회전 가능하게 결합되며 피가공재(도시되지 않음)를 선택적으로 고정하도록 구성된 냉각식 엔드 이펙터(206)를 더 포함하고, 상기 냉각식 엔드 이펙터는 제 2 축선(210)을 중심으로 회전하도록 더 구성되며, 이 경우에 상기 제 1 축선(204)과 제 2 축선은 소정 거리로 이격되어 배치된다. 상기 냉각식 엔드 이펙터(206)는 클램핑 플레이트(212)(예컨대, 정전 척) 및 상기 클램핑 플레이트를 냉각하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 냉각 기구(214)를 포함한다. 본 발명이 도 2의 이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템(200)과 관련하여 기술되고 있고, 이 경우에 상기 예시적인 스캐닝 시스템은 도 1의 피가공재(102)를 이온 빔(104)을 거쳐 이동시키기 위해 상기 제 1 축선(204)을 중심으로 회전하도록 구성된 예시적인 스캔 아암(202)을 포함하고 있지만, 본 발명은 피가공재를 이온 빔을 거쳐 측방향으로 및/또는 아치형으로 이동시키도록 구성된 임의의 이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템에도 동등하게 적용 가능하다는 점을 이해할 것이고, 이러한 모든 스캐닝 시스템은 본 발명의 범위 내의 것으로 고려된다. 상기 스캔 아암(202) 및 냉각식 엔드 이펙터(206)의 몇 가지 예시적인 양태는, "Workpiece Handling Scan Arm for Ion Implantation System"이라는 명칭의 공동 소유한 미국 특허 제7,560,705호 및 "Vapor Compression Refrigeration Chuck for Ion Implanters"이라는 명칭의 미국 정규 특허출원 제12/725,508호에 기술되며, 그 내용들은 전체적으로 여기에 참조로 포함된다.

도 3은 도 2의 스캔 아암(202)의 단부(208)를 확대하여 도시하고, 본 예의 다양한 특징을 보다 상세하게 도시한다. 예컨대, 상기 스캔 아암(202)은 상기 클램핑 플레이트(212)의 냉각 및 선택적으로 상기 제 2 축선(210)을 중심으로 한 상기 클램핑 플레이트의 회전을 제공하도록 구성된 트위스트 헤드(216)를 포함한다. 상기 트위스트 헤드(216)는, 예컨대 일반적으로 상기 스캔 아암(202)에 대하여 고정되는 엔클로저(enclosure)(218)를 포함한다. 쐐기형 탑재부(wedge mount)(220)가 더 제공되며, 여기서 상기 쐐기형 탑재부는 상기 엔드 이펙터(206)를 상기 트위스트 헤드(216)의 회전 가능한 샤프트(222)에 작동 가능하게 결합한다. 상기 회전 가능한 샤프트(222)는 상기 트위스트 헤드(216)의 엔클로저(218)에 대하여 상기 제 2 축선(208)을 중심으로 회전하도록 작동하며, 그에 따라 상기 쐐기형 탑재부(220) 및 연관된 클램핑 플레이트(212)에 회전을 제공한다.

본원의 예시적인 일 양태에 따르면, 도 4는 도 3에 도시된 것과 같은, 예시적인 다른 트위스트 헤드(302)의 부분(300)을 도시하고, 여기서는 클램핑 플레이트(212) 및 쐐기형 탑재부(220)와 같은 다양한 부품이 명료화를 위해 배제되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 축선(210)을 따라 베어링 조립체(314)가 배치되고, 상기 베어링은 도 3의 스캔 아암(202)에 엔드 이펙터(206)를 회전 가능하게 결합한다. 상기 베어링 조립체(314)는, 예컨대 베어링 리테이너(315)에 의해 유지되는 크로스 롤러-베어링(cross roller-bearing)을 포함하며, 이 경우에는 베어링의 저마찰 윤활을 유지하기 위해 내부에 윤활유 및/또는 그리스가 배치된다. 상기 제 2 축선(210)을 따라 도 4에 도시된 시일 조립체(316)가 더 배치되며, 상기 시일 조립체는 일반적으로 상기 프로세스 챔버(예컨대, 도 1의 프로세스 챔버(112))의 내부 환경(318)과 도 3의 하나 또는 그 초과의 스캔 아암(202) 및 엔드 이펙터(206)의 내부 구역과 연관된 외부 환경(320)(예컨대, 대기) 사이에 압력 배리어를 제공한다.

도 4의 시일 조립체(316)는, 예컨대 상기 외부 환경(320)과 내부 환경(318) 사이에 회전식, 기밀 시일(hermetic seal)을 제공하도록 구성된 자성 액체 로터리 시일 조립체(ferrous liquid rotary seal assembly)(322)를 포함한다. 예컨대, 상기 자성 액체 로터리 시일 조립체(322)는 도 3의 냉각식 엔드 이펙터(206)에 작동 가능하게 결합된 로터(324)를 포함하고, 도 4의 제 2 축선(210)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 스테이터(326)가 상기 제 2 축선(210)을 따라 더 배치되며, 복수의 방위각으로 배향된 자석(도시되지 않음) 등에 의해 상기 로터(324)를 회전시키도록 구성된다. 상기 로터(324)와 스테이터(328) 사이의 환형 구역(330)과 같이 하나 또는 그 초과의 통로(328)가 제공되며, 여기서, 예컨대 상기 하나 또는 그 초과의 통로(328) 내에는 자성유체(332)가 존재한다.

결국, 본 예의 스테이터(326)의 자석들은 상기 자성유체(332)를 거쳐 방사상으로 가로지르는 자기장을 제공하고, 자속(magnetic flux)은 상기 자성 액체 로터리 시일 조립체(322)의 로터(324)를 통해 상기 스테이터(326)의 자석들에 귀환한다. 상기 자성유체(332)는, 예컨대 초미세 철 입자가 내부에 배치되어 있는 타입의 오일이다. 상기 스테이터(326)의 자석들은, 예컨대 상기 자성유체를 자기장 내에 놓인 상태에서 자화로 인해 방사상으로 정렬되게 하며, 그에 따라 이 시일을 따라 상기 제 2 축선(210)을 따르는 운동에 대한 고도의 저항을 제공함으로써, 강한 시일을 제공한다.

또한, 상기 환형 구역(330)에는 다수의 챔버(도시되지 않음)가 제공되고, 예컨대 각각의 챔버는 상기 외부 환경(320)과 내부 환경(318) 사이에서 1-3psi의 압력차를 유지하도록 작동 가능하다. 결국, 복수의 챔버가 제공되면, 상기 내부 환경(318)(예컨대, 시일의 하부측에서의 대기)을 상기 외부 환경(320)(예컨대, 시일의 상부측에서의 진공)으로부터 밀폐하기에 충분한 밀봉이 제공된다. 상기 자기장은 도 3의 엔드 이펙터(206)의 회전 방향(예컨대, 방사상)으로 되기 때문에, 상기 외부 환경(320)(예컨대, 대기)으로부터의 밀봉을 유지하면서, 일반적으로 상기 내부 환경(318)(예컨대, 진공)에서 저항을 최소로 한 자유 회전이 가능하다.

그러나, 도 3의 냉각식 엔드 이펙터(206)의 온도가 저하하면, 유체의 점도가 증가한다. 상기 냉각식 엔드 이펙터(206)의 회전을 달성하기 위해, 도 4의 모터의 로터(333A, 333B)가 거기에 작동 가능하게 결합된다. 상기 모터(333)는, 예컨대 모터의 오작동 없이는 초과될 수 없는, 모터와 연관된 토크 한도(torque limit)를 갖는다. 따라서, 상기 냉각식 엔드 이펙터(206)의 온도가 저하하면(예컨대, 도시되지 않은 내부 냉각 통로 등에 의해), 상기 시일 조립체(316) 내의 자성유체 및/또는 윤활 유체의 점도가 증가하고, 회전이 악영향을 받을 수 있다.

따라서, 상기 베어링 조립체(314) 및 시일 조립체(316) 부근에는 히터 조립체(334)가 배치되고, 상기 히터 조립체는 소정량의 열을 상기 베어링 및 시일 조립체에 선택적으로 제공하도록 구성되어, 내부에서 윤활 유체의 점도가 감소하는 한편, 도 3의 냉각식 엔드 이펙터(206)의 상기 제 2 축선(210)을 중심으로 한 회전 성향이 증가한다.

도 4의 히터 조립체(334)는, 예컨대 상기 시일 조립체(314)를 국소 가열하기에 충분한 에너지(예컨대, 100-120W, 200W까지 또는 그 초과)를 제공하도록 구성되고, 그에 따라 상기 윤활 유체(예컨대, 자성유체, 베어링 그리스 등)를 상기 모터(333)로부터 허용되는 토크에 의해 점성 저항(viscous drag)을 극복할 수 있는 점도가 충분히 낮은 온도로 유지한다. 상기 베어링 조립체(314) 내의 윤활유/그리스의 점도도 마찬가지로 상기 히터 조립체(334)에 의해 낮아질 수 있다. 상기 히터 조립체(334)는, 예컨대 도 3의 냉각식 엔드 이펙터(206)를 국부적으로 가열하고, 상기 히터 조립체에 의해 제공된 열량은 상기 클램핑 플레이트(212)(예컨대, 정전 척) 및/또는 그 위에 놓인 피가공재에서 요망되는 냉각에 악영향을 주지 않으면서, 상기 윤활 유체에서 유리한 낮은 점도를 제공하도록 제어된다.

따라서, 도 3의 클램핑 플레이트(212)에 대하여 냉각 유체를 공급/귀환하는데 이용되는 몇몇 통로(도시되지 않음)가 매우 낮은 온도(예컨대, -50/-60℃)에서 작동되면, 도 4의 히터 조립체(334)는 상기 자성유체 시일(상기 시일 조립체(316))이 배치되는 반경/위치에서 용인 가능한 열량(예컨대, 100W)을 제공하면서 냉각 유체를 상대적으로 낮은 온도로 유지하도록 작동 가능하다. 따라서, 상기 엔드 이펙터(206)의 구조는 상기 냉각 유체를 적당히 절연하고, 그에 따라 자성유체 및 베어링 구역을 가온하면서, 그 낮은 온도를 유지한다. 본 발명자들은, 상기 모터의 토크 능력(torque ability)을 고려함과 함께 상기 시일 조립체 및/또는 베어링 조립체(314)의 동결을 회피하도록 상기 시일 조립체(322)에서는 임계 온도(예컨대, -20℃)가 유지된다고 생각한다.

예컨대, 상기 히터 조립체에 제공될 전력은 상기 냉각 유체와 상기 시일 표면 사이에서 2-3W/℃(Watts per degree centigrade)와 같이 상대적으로 낮다. 표 1은, 예컨대 상기 냉각 유체로부터 스테이터(326)로의 온도 변화에 대한 상기 시일 조립체(316)에의 입력 전력을 도시한다.

상기 시일 조립체(316)는, 예컨대 약 -10℃ 내지 -20℃까지 저하된 온도에서 작동하도록 구성된다. 따라서, -60℃로 될 필요가 있는 냉각 유체에 대한 본 예에서는, 상기 시일 조립체(316)를 가열하기 위한 전력 요건은 단지 100W 내지 150W이다.

따라서, 본 발명은 이온 주입 시스템 내의 냉각식 엔드 이펙터의 회전과 연관된 하나 또는 그 초과의 베어링 및 시일을 가열하는 기구를 제공한다. 상기에서 설명한 예들은 냉각식 엔드 이펙터에 관련되어 있지만, 이온 주입 시스템 내의 로터리 시일 및/또는 베어링을 가열하는 다양한 다른 구현도 본 발명의 범위 내의 것으로 고려된다는 점에 유의해야 한다.

본 발명의 다른 예시적인 양태에 따라, 도 5는 냉각식 엔드 이펙터의 회전 성능을 유지하는 예시적인 방법(400)을 도시한다. 여기서는 예시적인 방법들이 일련의 동작 또는 이벤트로서 도시 및 기술되어 있지만, 일부 단계들이 본 발명에 따라, 다른 순서로 발생하거나 및/또는 여기에 도시 및 기술된 것과는 다른 단계들과 함께 발생할 수 있기 때문에, 본 발명이 상술한 동작들 또는 이벤트들의 도시된 순서에 제한되는 것은 아니라는 것을 이해할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, 본 발명에 따른 절차를 구현하는데, 도시된 모든 단계들이 필요한 것은 아니다. 또한, 상기 방법들은 여기에 도시 및 기술된 시스템과 관련하여 뿐만 아니라 도시되지 않은 다른 시스템과 관련하여 구현될 수 있다는 점을 이해할 것이다.

도 5의 방법(400)은 냉각식 엔드 이펙터를 제공하는 동작 402에서 개시하고, 이 경우에 상기 냉각된 단부 이펙터는 축선을 중심으로 회전하도록 구성된다. 상기 냉각식 엔드 이펙터는, 예컨대 도 3의 냉각식 엔드 이펙터(206)를 포함하는 한편, 클램핑 플레이트 및 상기 클램핑 플레이트를 냉각하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 냉각 기구를 포함한다. 도 5의 동작 404에서는, 외부 환경과, 축선을 따라 배치된 베어링 및/또는 시일을 경유하여 상기 냉각식 엔드 이펙터의 내부 구역과 연관된 내부 환경 사이에서 압력 배리어가 생성된다. 동작 406에서는, 상기 엔드 이펙터의 회전과 연관된 하나 또는 그 초과의 베어링 및 시일이 가열되고, 동작 408에서는, 상기 가열이 제어되어, 소정량의 열을 상기 베어링 및 시일에 선택적으로 제공함으로써, 상기 냉각식 엔드 이펙터의 상기 축선을 중심으로 한 회전 성향이 증가된다.

본 발명이 특정한 바람직한 실시예 또는 실시예들에 관하여 도시 및 기술되었지만, 이 명세서 및 첨부 도면을 독해 및 이해한 당업자에게는 등가의 변경 및 수정이 가능하다는 것은 명백하다. 특히, 상술한 구성요소(조립체, 디바이스, 회로 등)에 의해 수행된 다양한 기능에 관하여, 상기 구성요소를 기술하는데 사용된 용어("수단"으로 인용된 것을 포함)는, 달리 지시하는 않는 한, 여기에서 본 발명의 예시적인 실시예의 기능을 수행하는 개시한 구조와 구조적으로 동등하지 않더라도, 상술한 구성요소의 특정 기능을 수행하는(즉, 기능적으로 동등한) 임의의 구성요소에 대응하는 것이다. 또한, 본 발명의 특정한 특징을 몇 가지 실시예 중 하나에 대해서만 기술했지만, 임의의 주어진 또는 특정한 적용에 바람직하거나 유리할 때, 상기 특징은 다른 실시예들의 하나 또는 그 초과의 다른 특징과 조합될 수 있다.

Claims (22)

1. -50℃ 내지 -60℃의 온도에서 이온 주입을 수행하도록 작동 가능한 이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템(ion implantation workpiece scanning system)으로서,
   제 1 축선을 중심으로 회전하도록 구성된 스캔 아암(scan arm);
   상기 스캔 아암에 회전 가능하게 결합되고, 피가공재(workpiece)를 선택적으로 고정하도록 구성된 냉각식 엔드 이펙터(chilled end effector)로서, 상기 냉각식 엔드 이펙터는 제 2 축선을 중심으로 회전하도록 더 구성되고, 상기 제 1 축선과 제 2 축선은 미리 정해진 거리로 이격되어 위치되며, 상기 냉각식 엔드 이펙터는 클램핑 플레이트 및 상기 클램핑 플레이트를 냉각하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 냉각 기구를 포함하는 엔드 이펙터;
   상기 제 2 축선을 따라 위치되고, 상기 엔드 이펙터를 상기 스캔 아암에 회전 가능하게 결합하는 베어링(bearing);
   상기 제 2 축선을 따라 위치되고, 일반적으로 외부 환경과, 하나 또는 그 초과의 상기 스캔 아암 및 엔드 이펙터 중 하나 또는 그 초과의 내부 구역과 연관된 내부 환경과의 사이에 압력 배리어(pressure barrier)를 제공하는 시일(seal); 및
   상기 베어링 및 시일 부근에 배치되고, 상기 베어링 및 시일이 -10℃ 내지 -20℃의 온도에서 작동하는 것을 야기하기 위해 상기 베어링 및 시일에 열을 제공하여 상기 제 2 축선을 중심으로 한 상기 엔드 이펙터의 회전 성향이 증가되도록 100 내지 200W 범위의 가열 전력을 갖는 전기 요소를 포함하는 히터 조립체(heater assembly)를 포함하는,
   이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 시일은 상기 외부 환경과 내부 환경 사이에 회전식, 기밀 시일(hermetic seal)을 제공하도록 구성된 자성 액체 로터리 시일 조립체(magnetic liquid rotary seal assembly)를 포함하는,
   이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 자성 액체 로터리 시일 조립체는,
   상기 냉각식 엔드 이펙터에 작동 가능하게 결합되고, 상기 제 2 축선을 중심으로 회전하도록 구성된 로터(rotor);
   상기 제 2 축선을 따라 배치되고, 상기 로터를 회전시키도록 구성된 스테이터(stator); 및
   상기 로터와 스테이터 사이의 환형 구역에 배치된 자성유체(ferrofluid)를 더 포함하는,
   이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 히터 조립체는 가열 유체가 통과하여 순환하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 유체 통로를 포함하는,
   이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각식 엔드 이펙터는 그 클램핑 표면에 상기 피가공재를 선택적으로 정전식으로 클램핑하도록 구성된 냉각식 정전 척(chilled electrostatic chuck)을 더 포함하는,
   이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 축선 및 제 2 축선은 서로 평행한,
   이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 하나 또는 그 초과의 냉각 기구는 상기 클램핑 플레이트로 냉각 유체를 순환시키도록 구성된 하나 또는 그 초과의 유체 채널을 포함하는,
   이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
   
8. -50℃ 내지 -60℃의 온도 범위에서 기능하도록 작동 가능한 이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템으로서,
   피가공재를 이온 빔을 가로질러 이동시키도록 구성된 스캔 아암;
   상기 스캔 아암에 회전 가능하게 결합되고, 피가공재를 선택적으로 고정하도록 구성된 엔드 이펙터로서, 상기 엔드 이펙터는 트위스트 축선(twist axis)을 중심으로 회전하도록 더 구성되고, 상기 트위스트 축선을 따라 베어링이 위치되며, 상기 베어링은 상기 엔드 이펙터를 상기 스캔 아암에 회전 가능하게 결합하는 엔드 이펙터;
   상기 트위스트 축선을 따라 위치되고, 일반적으로 외부 환경과, 상기 스캔 아암 및 엔드 이펙터 중 하나 또는 그 초과의 내부 구역과 연관된 내부 환경과의 사이에 압력 배리어를 제공하는 시일; 및
   상기 베어링 및 시일 부근에 배치되고, 상기 베어링 및 시일이 -10℃ 내지 -20℃의 온도에서 작동하는 것을 야기하기 위해 상기 베어링 및 시일에 열을 제공하여 상기 트위스트 축선을 중심으로 한 상기 엔드 이펙터의 회전 성향이 증가되도록 100 내지 200W 범위의 가열 전력을 갖는 전기 요소를 포함하는 히터 조립체를 포함하는,
   이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 시일은 상기 외부 환경과 내부 환경 사이에 회전식, 기밀 시일을 제공하도록 구성된 자성 액체 로터리 시일 조립체를 포함하는,
   이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 자성 액체 로터리 시일 조립체는,
    상기 엔드 이펙터 조립체에 작동 가능하게 결합되고, 제 2 축선을 중심으로 회전하도록 구성된 로터;
    상기 트위스트 축선을 따라 위치되고, 상기 로터를 회전시키도록 구성된 스테이터; 및
    상기 로터와 스테이터 사이의 환형 구역에 배치된 자성유체를 더 포함하는,
    이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
    
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 히터 조립체는 가열 유체가 통과하여 순환하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 유체 통로를 포함하는,
    이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
    
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터는 그 클램핑 표면에 상기 피가공재를 선택적으로 정전식으로 클램핑하도록 구성된 냉각식 정전 척을 더 포함하는,
    이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
    
13. -50℃ 내지 -60℃의 온도에서 이온 주입을 수행하도록 작동 가능한 이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템으로서,
    상기 스캐닝 시스템에 회전 가능하게 결합되고, 피가공재를 선택적으로 고정하도록 구성된 냉각식 엔드 이펙터로서, 상기 냉각식 엔드 이펙터는 축선을 중심으로 회전하도록 더 구성되고, 상기 냉각식 엔드 이펙터는 클램핑 플레이트 및 상기 클램핑 플레이트를 냉각하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 냉각 기구를 포함하는 엔드 이펙터;
    상기 축선을 따라 위치되고, 상기 냉각식 엔드 이펙터를 상기 스캐닝 시스템에 회전 가능하게 결합하는 베어링;
    상기 축선을 따라 위치되고, 일반적으로 외부 환경과, 스캔 아암 및 냉각식 엔드 이펙터 중 하나 또는 그 초과의 내부 구역과 연관된 내부 환경과의 사이에 압력 배리어를 제공하는 시일; 및
    상기 베어링 및 시일 부근에 배치되고, 상기 베어링 및 시일이 -10℃ 내지 -20℃의 온도에서 작동하는 것을 야기하기 위해 상기 베어링 및 시일에 열을 제공하여 상기 축선을 중심으로 한 상기 냉각식 엔드 이펙터의 회전 성향이 증가되도록 100 내지 200W 범위의 가열 전력을 갖는 전기 요소를 포함하는 히터 조립체를 포함하는,
    이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 시일은 상기 외부 환경과 내부 환경 사이에 회전식, 기밀 시일을 제공하도록 구성된 자성 액체 로터리 시일 조립체를 포함하는,
    이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 자성 액체 로터리 시일 조립체는,
    상기 냉각식 엔드 이펙터 조립체에 작동 가능하게 결합되고, 상기 축선을 중심으로 회전하도록 구성된 로터;
    상기 축선을 따라 위치되고, 상기 로터를 회전시키도록 구성된 스테이터; 및
    상기 로터와 스테이터 사이의 환형 구역에 배치된 자성유체를 더 포함하는,
    이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
    
16. 제 13 항에 있어서,
    상기 히터 조립체는 가열 유체가 통과하여 순환하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 유체 통로를 포함하는,
    이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
    
17. 제 13 항에 있어서,
    상기 냉각식 엔드 이펙터는 그 클램핑 표면에 상기 피가공재를 선택적으로 정전식으로 클램핑하도록 구성된 냉각식 정전 척을 더 포함하는,
    이온 주입 피가공재 스캐닝 시스템.
    
18. 냉각식 엔드 이펙터의 회전 성능을 유지하는 방법으로서,
    축선을 중심으로 회전하도록 구성된 냉각식 엔드 이펙터를 제공하는 단계로서, 상기 냉각식 엔드 이펙터는 클램핑 플레이트 및 상기 클램핑 플레이트를 -50℃ 내지 -60℃의 온도로 냉각하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 냉각 기구를 포함하는 단계;
    외부 환경과, 상기 축선을 따라 배치된 베어링 및 시일 중 하나 이상을 통해 상기 냉각식 엔드 이펙터의 내부 구역과 연관된 내부 환경과의 사이에 압력 배리어를 생성하는 단계;
    -10℃ 내지 -20℃의 온도에서 작동하도록, 베어링 및 시일 중 하나 이상을 가열하는 단계; 및
    상기 베어링 및 시일에 100 내지 200W의 열을 선택적으로 제공하도록 상기 가열을 제어하여 상기 축선을 중심으로 한 상기 냉각식 엔드 이펙터의 회전 성향을 증가시키는 단계를 포함하는,
    냉각식 엔드 이펙터의 회전 성능을 유지하는 방법.
    
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 압력 배리어를 생성하는 단계는 상기 외부 환경과 내부 환경 사이에 회전식, 기밀 시일을 제공하도록 구성된 자성 액체 로터리 시일 조립체를 제공하는 단계를 포함하는,
    냉각식 엔드 이펙터의 회전 성능을 유지하는 방법.
    
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