专利名称：用于扫描工件的往复驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及平移扫描系统，更特别地，涉及一种用于控制工件往复运送从而精确扫描工件的系统、装置和方法。
背景技术：
在半导体工业中，通常是在工件(例如半导体晶片)上进行各种制造处理，从而在其上获得不同的结果。比如，可以进行例如离子注入的处理，通过注入特殊类型的离子从而在工件上或者工件内获得特别的性能。通常，离子注入处理是分批处理，即同时处理多个工件，或者是顺次处理，即单独地处理单个元件。例如，可以进行传统的高能量或者强电流分批离子注入从而获得离子射束线，其中可以将大量的晶片放在轮或盘上，该轮自旋并且径向平移穿过离子射束，从而在整个处理的过程中将工件的所有表面区域都不定次地暴露在射束中。然而，以这种方式分批处理工件常常增加系统的成本，使得离子注入器的尺寸很大，并且降低了系统的适应性。
另一方面，在一种典型的顺次处理中，离子射束二维地扫描过固定的晶片，或者晶片在一个方向上相对于通常固定的扇状离子射束进行平移。然而，扫描或者形成均匀离子射束的处理通常需要复杂的射束线，这对于低能耗是不理想的。另外，需要离子射束或者晶片的均匀平移或者扫描，从而提供均匀的离子注入越过晶片。然而，难以获得这样均匀的平移和/或旋转，至少部分地是由于在处理过程中实际与常规装置和扫描机构相关的惯性力。
可选地，在一种已知的扫描装置中，如美国专利申请公开号No.2003/0192474所公开的，晶片在正交的二维方向上相对于固定“点”离子射束被扫描，其中晶片在所谓的“快速扫描”方向上被快速扫描并且随后在正交的“慢速扫描”方向上被慢速扫描，从而通过锯齿状方式“涂抹”晶片。然而，这种二维扫描装置使用直接驱动致动器从而在快速扫描方向上线性平移晶片，其中实际上限制了晶片在快速扫描方向上的平移速度，至少部分地是由于当快速扫描平移周期性反转时在晶片加速和减速的过程中遇到的相当大的惯性力。因此常规装置中的大惯性力与直接驱动致动器的大反作用力相关，其中大的反作用力最终会导致装置的相当大的振动，从而在离子注入处理上产生有害的冲击。振动还会对附近的装置产生问题，例如易于受振动损坏的光刻装置。另外，当限制快速扫描方向上的平移速度从而避免出现振动的时候，会有害地影响处理量。
因此，需要一种在二维方向上相对于离子射束以高速往复扫描工件的系统和装置，其中减轻大惯性力产生的振动，并且控制工件的扫描从而均匀地处理工件。
发明内容
本发明通过提供一种系统和装置，通常将与往复扫描工件相关的力限制在沿着单一轴线对准的不同部件中，因此实际上限制了振动从而可以增加处理的速度，从而克服了现有工艺的局限。因此，下面提出了本发明的简化的概述，从而提供本发明一些方面的基本理解。这种概述本发明的广泛的总览。它既不是本发明识别的关键或者决定性的元素，也不是对本发明范围的限定。它的目的是以简单的方式提供本发明的一些概念，接下来根据详细的叙述的前序。
本发明总的涉及一种用于往复扫描工件的系统，装置和方法。根据本发明的一个示例性方面，提供了与离子射束相关的处理室，其中电动机可操作耦接在处理室上。电动机包括转子和定子，其中转子和定子都动态地彼此相对地绕着第一轴线安装，从而使得转子和定子可操作绕着第一轴线单独地旋转和反向旋转。在典型的电动机具有转子和定子的情况下，转子和定子之间的电磁力通常确定了转子绕着第一轴线的旋转位置。然而，考虑到定子相对于转子的动态耦接，定子可操作作为对应于转子旋转的反作用质量，特别是在转子旋转方向反转的过程中。
根据本发明的一个示例性实施例，轴固定地耦接着转子，其中该轴沿着第一轴线延伸进入处理室内。通常停留在处理室内的扫描臂可操作地以径向构造的方式耦接在轴上，其中该扫描臂包括末端执行器或其他工件支撑元件，用于将工件接受和约束在扫描臂的末端上。这样，轴的旋转使得通常固定耦接在其上的扫描臂相应地绕着第一轴线旋转。轴的旋转可选择地反转，从而产生扫描臂的摆锤形式的摆动运动，其中工件沿着通常为曲线的第一扫描路径往复传送，并且转子的旋转位置通常去定了工件沿着第一扫描路径的相对于离子射束的位置。根据另一实施例，提供了控制器，其中可操作该控制器通过控制转子和定子之间的电磁力而控制工件沿着第一扫描路径的位置。
根据本发明的另一示例性方面，可以在预定的运动范围内沿着第一扫描路径保持末端执行器的通常恒定的速度，其中控制了末端执行器相对于通常固定基准的平移速度，并且其中在末端执行器运动的预定范围之外进行末端执行器的加速和减速。
根据本发明的另一个示例性方面，惯性质量耦接着定子，其中惯性质量绕着第一轴线旋转并且通常提供了扫描臂旋转方向的反转，并且由此，提供了工件沿着第一扫描路径方向的反转。惯性质量还相对于第一轴线平衡，其中使得相对于第一轴线的扭距最小。因此，可操作转子和定子之间的电磁力使得定子根据转子加速或减速而旋转，从而通常将惯性力限制在第一轴线中。
根据另一实施例，转子、定子以及扫描臂通常都相对于第一轴线平衡，其中与第一轴线相关的扭距通常最小。一个或多个配重可以与定子和扫描臂相关联，其中一个或多个配重通常相对于第一轴线平衡了相应的部件。另外，根据本发明的另一示例性方面，定子包括耦接在其上的惯性质量，其中该惯性质量明显大于扫描臂，并且其中由于扫描臂振荡而产生的定子上的力通常被惯性质量和定子的旋转所吸收。另外，通过控制转子和定子之间的电磁力而控制扫描臂绕着第一轴线的旋转，可操作精确地控制转子的旋转。
根据又一示例性实施例，电动机和相关的扫描臂还可操作沿着第二扫描路径平移，通常称为慢速扫描轴线，其中第二扫描路径例如通常垂直于至少部分第一扫描路径。
为了完成前述的和相关的目的，本发明包括所有特征将在权利要求中完全叙述并特别指出。随后的叙述和附图特别详细地示出本发明的实施例。然而，这些实施例是可以采用本发明原理的各种方式中的代表。联系附图理解下面的本发明的详细叙述，本发明的其他目的、优点和新颖的特征将会变得很清楚。
图1是根据本发明一个方面的示例性往复驱动装置的简化的透视图。
图2是根据本发明另一方面的示例性往复驱动系统的截面侧视图。
图3是根据本发明另一示例性方面的示例性扫描臂的部分侧视图。
图4是根据本发明另一方面的另一往复驱动装置的简化的透视图。
图5是根据本发明另一示例性方面的用于使得工件往复的一种方法的框图。
图6-8示出了根据本发明又一示例性方面的示例性往复驱动装置的几个视图。
具体实施例方式
本发明主要是关于一种用于沿着一维或多维往复平移工件的往复驱动系统、装置和方法。更特别地，可以操作该往复驱动装置使得工件相对于离子射束分别沿着第一和第二扫描路径沿着两个基本正交的维度平移，其中在受到离子射束作用时，工件可以以通常恒定的平移或线性速度进行平移。另外，作为术语“往复驱动装置”的含义，本发明的装置和方法提供了一种使得工件沿着第一扫描路径往复的和选择返回的运送，并且优点在于可以操作成限制振动，并且可以优化工件沿着第一扫描方向的往复的或者振荡的运送运动。特别地，本发明的往复驱动装置包括反作用质量，其中该反作用质量通过绕着单个轴线旋转而限制了往复驱动装置施加给装置本身的力。
更详细地，往复驱动装置包括具有转子和定子的电动机，其中转子和定子都彼此相对地绕着单个轴线动态地安装，并且可以被操作单独地绕着那个单个的轴线旋转。这种动态安装的构造和锭子与转子之间的关系使得工件在扫描路径的相反端可以迅速加速和减速，其中工件可以获得在预定范围内的大致相同的平移(例如恒定的加速/减速或者速度)，并且其中与平移运动相关的惯性力，特别是与装置往复运动相关与扫描方向反转相关的力，基本上限制在旋转轴内。因此，现在将参考附图叙述本发明，其中使用相同的数字标记表示其中的相同元件。应当理解，这些方面的叙述只是示意性的，它们不应当被认为具有限定意义。在下面的叙述中，为了进行说明，阐述了许多特别的细节从而使得本发明更加易于理解。然而很明显，熟悉本领域可以不要这些细节而实现本发明。
现在参考附图，根据本发明的一个示例方面，图1示出了作为示例的往复驱动装置100的简化的透视图，可以操作它使得工件102沿着预定的第一扫描路径104进行往复的平移或者振荡。应当注意的是，图1示出的往复驱动装置100只是提供上位的理解，因此没必要按照比例绘制。因此，为了清楚的目的，可能示出或者不示出各种部件。应当理解，示出的各种特征可以是任何的形状和尺寸，或者全都排除，并且所有这些形状、尺寸和排除都希望落在本发明的范围之内。
在一个示例中，使用术语“往复驱动装置”表示的含义是，可以操作本发明的驱动装置使得工件102沿着第一扫描路径104以反转的运动进行平移或振荡，从而使得工件相对于基本固定的离子射束105交替地来回进行平移，其中该装置可以用于离子注入处理，在后面将会更为详细地叙述。可选地，往复驱动装置100可以与其它各种处理系统一起使用，包括其它的半导体制造处理，例如分步重复光刻系统(未示出)。在另一个可选实施例中，装置100可以用于与半导体制造技术不相关的各种处理系统中，并且所有这些系统和实施方式都希望落在本发明的范围之内。
根据本发明的一个方面，往复驱动装置100包括可以操作耦接在扫描臂108上的电动机106，其中操作扫描臂将工件102支撑在其上。电动机106例如包括转子110和定子112，其中转子和定子动态耦接并且可以操作绕着第一轴线114单独旋转。转子110还可操作地耦接着轴116，其中该轴通常沿着第一轴线114延伸并且可操作地耦接着扫描臂108。在本实施例中，转子110、轴116和扫描臂108通常都彼此固定地耦接，其中转子绕着第一轴线114的旋转通常驱动该轴和该扫描臂绕着该轴线旋转，从而通常使得工件102沿着第一扫描路径104平移。可选地，转子110、轴116和扫描臂108也可以彼此耦接，其中转子和/或轴的旋转会驱动扫描臂相对于第一轴线114线性平移，如下文将会进一步叙述的。
现在参考图2和6-8，以截面的方式示出了示例的往复驱动系统200，包括往复驱动装置201，例如图1所示的往复驱动装置100，其中该往复驱动装置还可用于离子注入过程。应当理解，可以操作图2的示例往复驱动系统200扫描工件202在二维上通过离子射束205，如后面将想象叙述的。根据本发明的一个方面，往复驱动系统200包括电动机206，例如图1的电动机106，其中图2的电动机可操作的耦接在处理室208上，并且其中处理室还与离子射束205相关。离子射束205例如可以包括一组离子，沿着闭合的，基本平行的，采用点形式的轨迹或者所谓的“锐方向性射束”传播，就像本领域已知的任何适合的离子注入系统(未示出)会形成的一样，在这里将不再详细地讨论。
根据本发明，处理室208可包括通常封闭的真空室210，其中可以操作处理室中的内部环境212从而与处理室外的外部环境214通常隔离开。例如，可以构造和装备真空室210从而使得内部环境212基本保持为低压(例如真空)。处理室208还可以耦接一个或多个负载锁闭室(未示出)，其中工件可以在处理室的内部环境212和外部环境214之间平移，而不会损失处理室中的真空。处理室208也可以包括通常非封闭的处理空间(未示出)，其中处理空间通常与外部环境214相连。
在一个实施例中，处理室208作为通常的固定基准216，其中处理室通常相对于外部环境214固定。在另一个实施例中，处理介质218、例如离子射束205，作为通常的固定基准216，其中可以操作处理室208相对于处理介质移动。处理介质218例如可选地可以与其它半导体处理技术相关。例如处理介质218可以包括与光刻处理相关的光源(未示出)。因此，本发明考虑了任何可以操作用于处理工件202的处理室208和处理介质218，无论该处理室是封闭的、非封闭的、固定的或者暂时的，并且希望所有这些处理腔和处理介质都可以落在本发明的范围之内。
根据本发明的另一个示例性的方面，电动机206包括转子220和定子222，其中可以操作转子和定子绕着第一轴线224单独旋转，并且其中转子和定子之间的电磁力(未示出)通常会驱动转子绕着第一轴线旋转。例如，可操作控制转子220和定子222之间的电磁力选择驱动转子220绕着第一轴线224顺时针或者逆时针方向旋转，如下文将会叙述的。在另一个实施例中，电动机206还包括电动机外壳226，其中电动机外壳通常相对于第一轴线224固定。本实施例中的电动机外壳226通常包着转子220和定子222，并且通常还作为转子和定子旋转的通常的固定基准216。至少一部分转子220和定子222位于电动机外壳226之内，然而电动机外壳不需要封闭转子和定子。因此，可以操作转子220和定子222相对于电动机外壳226单独旋转，其中还可以操作电动机外壳通常将转子和定子支撑在其中。应当注意的是，在本发明叙述将电动机外壳226作为通常的固定基准216的同时，也可以限定其它的通常固定的基准。
在一个实施例中，电动机206包括DC电动机，例如三相的不带电刷的DC伺服电动机。电动机206的尺寸例如使得电动机的实际上大的直径(例如定子222和/或转子220的相应直径)提供实际上大的扭距，同时保持可操作的惯性矩，从而快速地控制转子的旋转。往复驱动系统200还包括可操作地耦接在电动机206上的轴228，其中在一个实施例中，该轴固定地耦接在转子220上并且通常沿着第一轴线224延伸进入到处理室208中。优选的是，转子220直接耦接到轴228上，这与通过一个或多个齿轮进行耦接相反(未示出)，其中这样直接耦接保持了与转子相关的基本很低的惯性矩，同时也使得与一个或多个齿轮相关的磨损和/或振动最小化。
根据另一个实施例，处理室208包括穿过其中孔229，其中轴228通常从外部环境214延伸通过该孔进入到内部环境212中，并且其中电动机206通常留在外部环境中。因此，可操作轴228与转子220的旋转相连地绕着第一轴线224旋转，其中该轴通常由转子交替、反向地旋转驱动。在本实施例中，轴228实际上可以是中空的，从而提供基本很低的惯性质量。同样的，转子220实际上也可以是中空的，也提供了基本很低的惯性质量。
一个或多个低摩擦轴承230例如也与电动机206和轴228相关，其中该一个或多个低摩擦轴承可旋转地将一个或多个转子220、定子222和轴耦接在通常固定的基准上，例如外壳226或者处理室208。该一个或多个低摩擦轴承230例如通常在相应的转子220、定子222、轴228和电动机外壳226之间提供低的摩擦系数。在另一个实施例中，至少一个或多个低摩擦轴承230的至少一个可以包括空气轴承(未示出)、液相环境、或者其它的现有技术中已知的轴承。
根据本发明的另一个示例方面，往复驱动装置201从处理室208中分隔出来，从而使得内部环境212中产生的磨损和污染最小化。例如，轴228通常靠与轴和处理室相关的旋转密封装置在处理室208和外部环境214之间进行密封，其中处理室中的内部环境212通常与外部环境分隔开。
往复驱动系统200还包括可操作耦接在轴228上的扫描臂232，其中扫描臂可操作将工件支撑在其上。根据另一个实施例，扫描臂232包括从第一轴线224径向延伸的延长臂234，其中延长臂通常固定地耦接在轴228上，其中轴绕着第一轴线的旋转通常使得工件202相对于第一轴线平移。在一个实施例中，扫描臂232在扫描臂的重心处耦接在轴228上，其中扫描臂基本上相对于第一轴线224旋转平衡。在另一实施例中，扫描臂232包括轻质材料，例如镁或者铝。
扫描臂232还可以包括可操作耦接在其上的末端执行器236，其中工件202通常被支撑在其上。末端执行器236例如包括静电夹盘(ESC)或者其它工件夹持装置，可操作选择相对于末端执行器夹持或者保持工件202。末端执行器236可以包括其它各种装置用于保持工件202夹紧，例如现有技术中已知的机械夹持或者各种其它保持机构(未示出)，并且希望所有这些装置都落在本发明的范围之内。
在另一实施例中，扫描臂232还包括可操作耦接在其上的配重238，其中该配重通常相对于第一轴线224平衡了扫描臂、末端执行器236和工件202的重量。这样的配重238可以有益地有助于使得扫描臂232的惯性矩以第一轴线224为中心，从而动态地相对于第一轴线平衡了扫描臂。因此，扫描臂232、轴228、转子220和定子222通常相对于第一轴线224动态平衡，从而通常消除了除重力外的其它侧面负载力。配重238例如可以包括比扫描臂更重的金属，例如钢。
在本发明的往复驱动装置用于离子注入系统的情况下，往复驱动装置201还可以包括与处理室208相关的负载锁闭室(未示出)，其中扫描臂232还可以操作使得末端执行器236旋转和/或平移到负载锁闭室，从而将工件插入到处理室或者从处理室移走工件。另外，在处理室208中提供了法拉第圆筒237并且定位在离子射束205的路径之内，其中该法拉第圆筒可以操作感测与离子射束相关的射束电流。因此，感测到的射束电流可以用于随后的处理控制。
根据另一示例性方面，末端执行器236绕着第二轴线240可旋转地耦接在扫描臂232上，其中末端执行器可操作绕着第二轴线旋转。末端执行器致动器242可操作地耦接在扫描臂232和末端执行器236上，其中末端执行器致动器可操作使得末端执行器绕着第二轴线240旋转。第二轴线例如通常平行于第一轴线224，其中末端执行器致动器242可以操作选择地使得工件相对于离子射束旋转，从而改变注入的所谓“扭转角”，这对于熟悉离子注入领域的人员来说是易于理解的。可选的，末端执行器236旋转耦接到扫描臂232上可以用于通过连续控制末端执行器236绕第二轴线240的旋转而保持工件202相对于例子射束205的旋转定向(例如图3的旋转定向250)。图2的末端执行器致动器242可以包括与扫描臂232相关的电动机(未示出)或者机械连杆(未示出)从而操作保持工件202相对于离子射束205的旋转定向。可选的，末端执行器致动器可以包括与第二轴线240相关的枢轴安装装置(未示出)，其中可操作与工件202相关的惯性力以保持工件202的相对于离子射束205的旋转定位。当离子射束以非正交的角度(未示出)撞击到工件上的时候，和/或当与工件(例如半导体基底、或者其上形成有结构的基底)相关的晶体或其他结构在离子注入的均匀性中具有作用的时候，保持工件202相对于离子射束205的旋转定位是有益的。
现在参考图3，示出了轴228绕图2第一轴线224的示例性旋转244，其中扫描臂232、末端执行器236以及工件202也绕着第一轴线旋转。因此，工件可以沿着第一扫描路径246相对于离子射束205进行往复的平移(例如通过轴228绕第一轴线224的一个或多个圆柱形反向旋转)，其中示出了图2的离子射束进入图3那页的时候。可以有益地控制轴228绕着第一轴线224的旋转244(以及反向旋转)，从而使得末端执行器236以均匀的方式沿着第一扫描路径振荡或往复，如后面将会讨论的。图3还示出了如上所述的末端执行器236绕着第二轴线240的旋转248，其中可以进一步控制末端执行器的，以及由此的工件202的绕着第二轴线的旋转，从而保持工件相对于第一轴线224或离子射束205的旋转定向205(例如工件相对于离子射束的旋转定向表示为相对于工件固定的三角形252)。
为了均匀地处理工件202，例如从离子射束205提供均匀的注入进入工件，重要的是当工件受到沿着第一扫描路径246运行的离子射束205作用的时候，保持末端执行器236的通常恒定的平移速度。在工件202通过离子射束205的同时保持末端执行器236的通常恒定的速度，例如向工件提供了通常均匀的离子用量，从而在它以摆锤型运动方式沿着第一扫描路径246运行的时候均匀地处理工件。
因此，在一个实施例中，对于与工件202运动通过离子射束205相关的预定的扫描范围254，希望有通常恒定的速度。预定的扫描范围通常与工件202的物理尺寸有关(例如，大于工件的直径D)。在本实施例中，确定预定的扫描范围254通常是将工件202运行的大于工件直径D的距离加上离子射束205的宽度，其中工件运行沿着第一扫描路径246通过离子射束，并且其中离子射束在工件相反的端部256之间进行相对扫描。
根据另一实施例，可以限定出工件202在预定扫描范围254中的理想的速度曲线，其中理想的速度曲线通常取决于往复驱动装置201的构造。例如，取决于工件202是相对于扫描臂232固定还是可旋转，从而可以想象相应的扫描臂的通常恒定的速度或是可变的速度(以及由此的，相应的工件沿着第一扫描路径246的通常恒定的或者可变的速度)。如果例如工件202相对于扫描臂232旋转从而保持沿着第一扫描路径246的旋转定向250，当离子射束205靠近预定扫描范围254的端部255时，扫描臂绕着第一轴线224的旋转速度可以变化(例如在预定扫描范围的端部附近速度增加大约10％)，从而沿着曲线路径向工件提供通常均匀的离子用量。作为另一个可选例，或者除了改变扫描臂232的速度，也可以改变离子射束205的性能，例如离子射束的电流，从而产生到工件202的通常均匀的离子用量。
如上述实施例中的一个所述，通常对于工件202理想的是，保持在预定扫描范围254内的沿着第一扫描路径246的基本恒定的速度，从而通常使得工件202均匀地暴露在离子射束205中。然而，由于工件202沿着第一扫描路径的往复、交替反向、移动，工件的加速和减速不可避免的，例如在轴228绕着第一轴线224的顺时针和逆时针旋转(例如反向旋转)之间。因此，为了调节扫描臂232、末端执行器236以及工件202的加速和减速，还可以进一步限定沿着第一扫描路径246的最大位置260和262之间的工件202相反端部运行的最大扫描距离258，其中当离子射束205不接触工件的时候，或者当至少部分离子射束不接触工件的时候。加速和减速可以发生在过冲区域264中。
重要的是要注意在常规的二维扫描系统中，基本上限定了在工件方向反转的过程中加速和减速的允许量，从而使得传送到常规扫描系统剩余部分的惯性力和相关的反应力最小化。然而，本发明排除了这种限制，从而使得惯性力通常被限制在第一轴线224内，现在将更详细地进行讨论。
根据本发明，通常通过将与末端执行器236、扫描臂232、轴228、转子220和定子222中的一个或多个工件有关的惯性力限定在第一轴线224之内而获得工件202在过冲区域264中的快速加速和减速。根据本发明的一个示例性方面，图2的定子222可操作绕着第一轴向224旋转，还可操作作为图3所示扫描臂232的旋转244的反作用质量266。例如，图2的反作用质量266通常可操作提供转子220、轴228、扫描臂232、末端执行器236和工件202的快速加速和减速，其中与转子、轴、扫描臂、末端执行器和工件的旋转和/或平移相关的惯性力通常通过转子和定子之间的电磁力传送到定子222绕着第一轴线224的旋转中，并且其中惯性力通常平衡并限定在第一轴线中。因此，与定子222旋转相关的转矩通常限定在第一轴线224中，从而振动地隔离或去耦与工件202从固定基准216沿着第一扫描路径246往复相关的力。
这样将惯性力限定在第一轴线中基本上减小了常规扫描系统中可见的振动。因此，作为反作用质量266的定子222可操作使得扫描臂232在图3的过冲区域264中加速和减速，其中在电动机206的定子和转子220之间的电磁力通常确定了相应的转子和定子绕第一轴线的旋转位置。因此，转子220绕着第一轴线224的旋转位置通常确定了轴228、扫描臂232、末端执行器236以及工件202绕第一轴的旋转位置，其中转子的旋转位置可以通过控制转子和定子之间的电磁力进行有效的控制。
根据本发明的另一个示例方面，定子222(例如其中定子作为反作用质量266)具有实际上比转子220、扫描臂232、末端执行器236以及工件202的一个或多个都更大的惯性质量矩。根据另一实施例，惯性质量268惯性质量268(例如“飞轮”)还可以操作作为反作用质量266，从而根据转子220、扫描臂232、末端执行器236以及工件202绕着第一轴线224旋转进一步限制定子的旋转(例如抵消)。惯性质量268例如通常大于或等于转子220、扫描臂232、末端执行器236以及工件202的一个或多个的总惯性质量矩。在一个实施例中，与反作用质量266相关的惯性质量矩大致比转子220、扫描臂232(以及配重238)、末端执行器236以及工件202的总惯性质量矩大十倍，其中转子每旋转十度，定子222只需要绕第一轴线224旋转一度。提供实际上很大的惯性质量268，例如还有益地降低了与转子220相对于定子222的速度相关的反电动势，从而降低了驱动电动机206所需要的能量。
根据本发明的又一示例性方面，可操作图2的电动机206例如根据转子220相对于定子222的旋转位置而改变轴228的旋转速度(以及由此改变工件的平移速度)。根据另一实施例，往复驱动装置201还包括一个或多个传感元件270，其中可以进一步确定工件202沿着第一扫描路径246的旋转位置244。例如，可操作图2的一个或多个传感元件270感测扫描臂232、轴228、转子220和定子222的一个或多个绕着第一轴线224的旋转位置，其中感测到的旋转位置可以用于反馈控制工件202的平移位置，如下文将会叙述的。例如，该一个或多个传感元件270可以包括一个或多个高分辨率编码器，可操作连续或重复地提供绕着第一轴线的相应旋转位置的反馈控制。在另一个实施例中，该一个或多个传感器270包括可操作感测转子220相对于定子222旋转定位的第一编码器272，以及可操作感测转子相对于固定基准216旋转定位的第二编码器274，例如处理室208、电动机外壳226、离子射束205或者其他相对于转子的固定基准。
根据另一示例性方面，往复驱动装置201还包括一个或多个止块276，其中该一个或多个止块通常限制定子222相对于电动机外壳226的旋转。该一个或多个止块276通常提供定子222的不同的旋转量，从而通常防止了其中定子变得无法控制的“逸走”事件。该一个或多个止块276例如包括一个或多个可操作地耦接在电动机外壳226上的可调的机械或电子的限制(未示出)，其中定子222的旋转量通常被约束在止块之间。
在本发明的另一方面中，还可操作复驱动装置201使得工件202沿着第二扫描路径278平移，其中第二扫描路径基本上垂直于图3的至少部分第一扫描路径246。例如，第二扫描路径278基本上垂直于图3所示第一扫描路径246的中点。第二扫描路径278可以借助于慢速扫描致动器280获得，它也可操作地耦接在电动机206上，其中可操作该慢速扫描致动器使得电动机和处理室208的一个或多个相对于固定基准216沿着第三扫描轴线282平移。第三轴线282例如通常垂直于第一轴线224，并且通常平行于工件202相对于离子射束205的第二扫描路径278。
因此，可以理解，根据本发明的一个示例性方面，第一扫描路径246与工件202的“快速扫描”相关，而第二扫描路径278与工件的“慢速扫描”相关，其中工件可以沿着第二扫描路径连续传送，同时工件沿着第一扫描路径往复运行。可选的，每次工件沿着第一扫描路径246在最大位置260和262之间平移(例如，如图3所示)，工件202可以连续地沿着第二扫描路径278改变预定长度的增量。例如，对于工件202沿着第一扫描路径246的完全的往复振荡循环或者往复运动，慢速扫描致动器280将使得工件沿着第二扫描路径278平移两段预定长度的增量。电动机206沿着第二扫描路径278的总平移，例如接近图3中工件直径D加上离子射束205的高度。
图2的慢速扫描致动器280例如包括伺服电动机、滚珠螺杆或其他系统(未示出)，其中电动机外壳226和相关电动机206，以及工件202，可以沿着第二扫描路径278平稳地平移。可操作这种慢速扫描致动器280，通过使得工件通过离子射束205同时末端执行器236也以圆柱形反向旋转的方式(例如振荡)沿着拱形扫描路径运行，例如可以使得固定离子射束205“涂抹”放在末端执行器236上的工件202，从而使得离子均匀地注入整个工件。
往复驱动装置201还可以包括动态滑动式密封284(例如滑动轴承密封)，其中该滑动密封基本上相对于外部环境214(例如大气)密封了处理室208的内部环境212。例如，处理室208可以限定出穿过其中的槽形孔286，并且通常平行于第三轴线282延伸，其中轴228通常延伸穿过该槽。一个或多个线性轴承288，例如可以用于将电动机外壳226滑动耦接到处理室208上。因此，可操作轴228与电动机206沿着第三轴线282的平移一起在槽286内进行平移。该滑动密封284还围绕着槽形孔282并且通常在处理室208中将内部环境212与外部环境214隔离开。这种滑动密封284例如通常还隔离了扫描臂232和末端执行器236，并且使得端部执行器可以在处理室208内沿着第二扫描路径278平移，同时限制了与电动机206相关的部件移动所造成的势能的有害影响。可选的，任何或所有往复驱动装置201可以留在处理室208中。
根据本发明另一个示例性方面，提供了框架290，其中该框架通常相对于离子射束205固定。例如，框架290还可以作为固定基准216。在本实施例中，处理室208可枢轴旋转地耦接到框架290上，绕着通常垂直于离子射束205的第四轴线292，其中处理室绕着第四轴线的旋转位置通常还限定出了离子射束和工件202表面294之间的倾斜角(未示出)。在另一实施例中，扫描臂232通过毂295可旋转地耦接到轴228上，其中该扫描臂还可操作绕着第五轴线296旋转。第五轴线296通常垂直于第一轴线224，其中扫描臂232绕着第五轴线的旋转替代地提供了上述的倾斜角(未示出)。使用第四轴线292定位处理室208结合工件绕着第二轴线240旋转以及同时扫描臂232绕着第一轴线224旋转的净效应是，通常使得工件扫过离子射束205同时保持工件相对于离子射束的固定的倾斜和扭转角度。另外，这种结合通常在空间上大致固定地保持了离子射束205与工件202的撞击点，从而通常确保了工件上的所有点都被射束以相同的角度和相同的射束尺寸进行注入。
根据本发明另一个示例性方面，主要的驱动致动器(未示出)可操作地耦接在轴228上，其中主要的驱动致动器可操作地为轴提供了主要的旋转力。该主要驱动致动器例如可操作改变轴228以及电动机206的旋转速度，其中可以进一步控制工件沿着第一扫描路径246的位置。因此，电动机206通常可以作为轴228旋转的加速器或减速器，同时实际上不会将工件202的平移控制在图3的预定扫描范围之内。
根据本发明另一方面，提供了控制器298，其中通过控制转子220和定子222之间的电磁力可操作控制器控制工件202沿着第一扫描路径246的位置。控制器298通过控制末端执行器致动器242，例如还可操作控制工件202绕着第二轴线240的旋转。另外，控制器298通过控制慢速扫描致动器280可操作控制电动机206沿着第三轴线282的位置。控制器298例如可操作控制工件202沿着第一扫描路径和第二扫描路径的旋转和/或平移位置，其中该控制是至少部分地基于从一个或多个传感元件270的反馈。
另外，根据本发明的另一示例性方面，控制器298(例如运动控制器)可操作地耦接在一个或多个与往复扫描装置201相关的电源、驱动器和/或放大器(未示出)上，例如电动机201，一个或多个传感元件270、末端执行器致动器242以及慢速扫描致动器280，其中控制器有效地控制着往复扫描装置。
根据本发明的另一个示例性方面，本发明中公开的移动控制的通常方案通常提供了末端执行器236运动的平稳(例如，在图3的预定扫描范围254内恒定的速度)，并且可以使得与其相关的速度错误最小化。根据另一实施例，图2的控制器298包括控制器可以使用的比例积分导数(PID)控制装置，其中一个或多个传感元件270提供了反馈控制。
图1-3公开了与摆锤型运动相关的结构和系统，本发明也考虑了线性运动系统，其中工件沿着第一扫描路径线性平移。例如，图4示出了另一往复驱动装置300的简化视图，可操作使得工件302沿着线性第一扫描路径304往复平移或者振荡。在一个实施例中，可操作往复驱动装置300使得工件302相对于通常固定的离子射束305沿着线性第一扫描路径304往复平移或者振荡，其中该装置可以用于离子注入处理。可选地，往复驱动装置300可以与其他不同的半导体处理系统共同使用，例如分步重复光刻系统(未示出)。在另一个可选实施例中，装置300可以用于与半导体技术不相关的处理系统中，并且所有这些系统和实施方式都希望落在本发明的范围之内。
根据本发明的一个方面，往复驱动装置300包括可操作耦接在扫描臂308上的电动机306，其中还操作扫描臂将工件302支撑在其上。电动机306例如包括转子310和定子312，其中转子和定子可操作以与前述类似的方式绕着第一轴线314单独旋转。转子310还可操作地耦接着轴316，其中该轴通常沿着第一轴线314延伸并且可操作地耦接着扫描臂308。在本实施例中，转子310和轴316通常都彼此固定地耦接，并且其中轴和扫描臂308彼此配合啮合，其中轴的旋转可操作驱动扫描臂线性平移，其中第一扫描路径基本为线性的。根据一个实施例，扫描臂308包括啮合部分320，并且其中轴316包括驱动器部分322，并且其中扫描臂的啮合部分可操作地耦接在轴的驱动部分上。例如，啮合部分320包括齿条324而驱动部分包括齿轮326。可选的，啮合部分320可以包括基本平的表面(未示出)，其中驱动器部分包括滚轮(未示出)，可操作与啮合部分相啮合。应当理解，任何可操作使得扫描臂208线性平移的啮合部分320和驱动器部分2 33都可以使用，并且所有这些啮合和驱动部分都希望落在本发明的范围之内。
根据本发明的另一个示例性方面，往复驱动装置300还包括配重臂328，其中轴316和配重臂还彼此配合啮合。该配重臂328例如可以与扫描臂308相对于轴316沿直径相反，其中还可操作轴的旋转以驱动配重臂在通常相反于扫描臂方向上的线性平移。这种配重臂328例如还可以包括惯性质量330，并且还将惯性力限制到第一轴线314中。根据另一实施例，往复驱动装置还包括一个或多个线性平移轴承，通常将扫描臂308和配重臂328的平移限制到线性路径中。
根据本发明的又一示例性方面，图5为示例性方法400的示意框图，示出了图1-4的示例性往复驱动装置的集合和操作。在本文中示出和叙述的示例性方法是一系列的动作和事件，应当注意的是本发明并不限于所示的这些动作和事件的顺序，因为根据本发明，其中一些步骤可以与本文所示和所述不同，以不同的顺序和/或与其他步骤同时进行。另外，根据本发明，执行本方法也不是需要进行所有示出的步骤。另外，应当注意的是可以与本文所示和所述系统相关地执行本方法，也可以用没有示出的其他系统执行本方法。
如图5所示，该方法400开始是在动作305中在扫描臂上提供工件，例如图2的扫描臂232。该扫描臂可操作地耦接在包括转子和定子的电动机上，并且其中转子和定子都可操作绕着第一轴线单独旋转和反向旋转。在动作310中，在转子和定子之间应用了电磁力，其中沿着第一扫描路径平移工件通过离子射束。在动作315中，感测到了工件的位置，例如感测到轴、转子和定子的一个或多个绕第一轴线的旋转位置。在动作320中，转子和定子之间的电磁力可以沿着第一扫描路径控制或者选择变化，并且其中定子根据工件往复运动而绕着第一轴线旋转和反向旋转。在动作320中，控制例如至少部分地基于感测到的工件的位置。
根据本发明的另一个示例性方面，往复驱动装置还可以用于高真空状态的处理室(未示出)中，其中没有例如润滑轴承或者致动器等机械部件直接布置在该环境中。为了获得这种结果，装置的接头例如还具有真空密封，例如铁流体密封。应当理解，可以提供完整清洁处理的任何类型的移动真空密封都希望落在本发明的范围之内。因此，本发明还可操作产生移动，并且在清洁、真空的环境中扫描晶片。
尽管根据特定的较佳实施例示出和叙述了本发明，很明显对于熟悉本领域的人员一旦读到或理解这些叙述和附图就会产生等距变换、改变和改进。特别考虑到上述部件(组件、装置、电路等)所执行的功能，除非有其他表示，用于叙述这些部件的术语(包括参照“含义”)只是希望对应于进行所述部件特定功能的任何部件(即功能上等效的变换)，即使在机构上并不等价于本文所示的本发明示例性实施例中执行功能的所公开的结构。另外，尽管本发明的特别特征可能只是相对于几个实施例中的一个公开，但是这样的特征也可以与其他实施例的一个或多个其他特征相结合，作为任何给出的或者特别应用的理想的和有益的特征。
权利要求
1.一种往复驱动装置，包括包括转子和定子的电动机，其中转子和定子可操作绕着第一轴线单独旋转；可被转子驱动旋转的并且沿着第一轴线延伸的轴以及可操作地耦接在轴上的扫描臂，其中该扫描臂可操作成将工件支撑在其上，并且其中轴的圆柱形反向旋转可操作使得工件沿着第一扫描路径平移，其中定子可操作作为转子旋转的反作用质量。
2.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于转子和定子之间的电磁力通常确定了转子和定子绕着第一轴线的相应旋转位置。
3.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于还包括耦接在定子上的惯性质量，其中该惯性质量可操作抵消扫描臂绕第一轴线的平移。
4.如权利要求3所述的往复驱动装置，其特征在于惯性质量的惯性质量矩与扫描臂和工件总的惯性质量矩相关。
5.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于扫描臂包括末端执行器，其中工件通常由末端执行器支撑。
6.如权利要求5所述的往复驱动装置，其特征在于末端执行器包括静电夹盘。
7.如权利要求5所述的往复驱动装置，其特征在于末端执行器可枢轴旋转地安装在扫描臂上，其中末端执行器可操作绕着通常平行于第一轴线的第二轴线旋转。
8.如权利要求7所述的往复驱动装置，其特征在于还包括可操作地耦接在末端执行器和扫描臂上的末端执行器致动器，其中该末端执行器致动器可操作使得末端执行器绕着第二轴线旋转。
9.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于还包括可操作地耦接在电动机上的慢速扫描致动器，其中该慢速扫描致动器可操作使得电动机沿着通常垂直于第一轴线的第三轴线进行线性平移，其中扫描是沿着第二扫描路径。
10.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于电动机包括不带电刷的DC电动机。
11.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于电动机可操作成驱动轴以基本恒定的速度进行反向旋转。
12.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于定子可操作作为转子旋转以及扫描臂和工件平移的反作用质量。
13.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于还包括处理室，其中该轴延伸通过处理室中的孔，其中扫描臂通常留在处理室中并且电动机通常留在处理室外面，并且其中在轴和孔之间的界面上提供了旋转密封。
14.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于还包括一个或多个传感元件，其可操作成感测轴、转子和定子绕着第一轴线的旋转位置。
15.如权利要求14所述的往复驱动装置，其特征在于该一个或多个传感元件包括可操作感测转子相对于定子旋转定位的第一编码器，以及可操作感测转子相对于通常固定基准旋转定位的第二编码器。
16.如权利要求14所述的往复驱动装置，其特征在于该一个或多个传感元件包括与轴、转子和定子的一个或多个相关的高分辨率编码器。
17.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于该轴基本为中空的。
18.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于该扫描臂固定在耦接在该轴上，并且其中该第一扫描路径为曲线的。
19.如权利要求1所述的往复驱动装置，其特征在于该轴和扫描臂彼此配合啮合，其中轴的旋转可操作驱动扫描臂的线性平移，并且其中第一扫描路径基本为线性的。
20.如权利要求19所述的往复驱动装置，其特征在于该扫描臂包括啮合部分，并且其中该轴包括驱动器部分，其中扫描臂的啮合部分可操作地耦接在轴的驱动器部分上，并且其中轴的旋转驱动扫描臂的线性平移。
21.如权利要求20所述的往复驱动装置，其特征在于啮合部分包括齿条而驱动部分包括齿轮。
22.如权利要求20所述的往复驱动装置，其特征在于啮合部分包括基本平的表面，并且其中驱动器部分包括滚轮。
23.如权利要求19所述的往复驱动装置，其特征在于还包括配重臂，其中轴和配重臂还彼此配合啮合，其中该配重臂与扫描臂相对于该轴沿直径相反，并且其中还可操作轴的旋转以驱动配重臂在通常相反于扫描臂方向上线性平移。
24.如权利要求23所述的往复驱动装置，其特征在于还包括一个或多个线性平移轴承，该一个或多个线性平移轴承通常将扫描臂和配重臂的平移限制到线性路径中。
25.如权利要求19所述的往复驱动装置，其特征在于还包括一个或多个线性平移轴承，该一个或多个线性平移轴承通常将扫描臂平移限制到线性路径中。
26.一种用于使得工件往复运动的方法，该方法包括在扫描臂上提供工件，其中该扫描臂可操作地耦接在包括转子和定子的电动机上，并且其中该转子和定子可操作绕着第一轴线单独地旋转和反向旋转；以及在转子和定子之间使用电磁力，其中沿着第一扫描路径平移工件。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于还包括感测工件的位置；以及控制转子和定子之间的电磁力，从而使得工件沿着第一扫描路径往复，其中该控制至少部分基于感测到的工件位置，并且其中根据工件往复运动，定子绕着第一轴线旋转和反向旋转。
28.一种用于使得工件往复运动的方法，该方法包括绕着第一轴线旋转电动机的转子，其中沿着第一扫描路径平移工件；以及根据转子旋转，绕着第一轴线旋转电动机的定子。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于还包括感测转子和定子的旋转位置；以及控制转子的旋转，其中该控制至少部分基于感测到的转子和定子的旋转位置。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于还包括沿着第二扫描路径平移工件，其中第二扫描路径通常垂直于至少部分第一扫描路径。
全文摘要
本发明提供了一种用于扫描工件的往复驱动系统、方法和装置，其中包括带有可操作绕着第一轴线单独旋转的转子和定子的电动机，可操作使得工件相对于固定基准往复平移。可被转子驱动旋转的轴沿着第一轴线延伸，并且扫描臂可操作地耦接在轴上，其中该扫描臂可操作将工件支撑在其上。轴依靠电动机的圆柱形反向旋转可操作使得工件旋转，其中定子作为转子旋转的反作用质量。控制器还可操作控制转子和定子之间的电磁力，其中通常确定了转子和定子的旋转位置。
文档编号H02K5/24GK1947326SQ200580012131
公开日2007年4月11日 申请日期2005年4月5日 优先权日2004年4月5日
发明者J·范德波特, J·波莱克, D·伯里安 申请人:艾克塞利斯技术公司