JP2014165283A - イオンビーム照射装置及び基板冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を用いた基板の冷却を行いつつも例えば−６０℃〜−１００℃等の極低温に基板を冷却することを可能にし、冷媒が流通する樹脂製配管の柔軟性を損なうことがなく、イオンビーム照射時に自由に基板を移動させることができるイオンビーム照射装置を提供する。
【解決手段】基板Ｗと冷媒との間で熱交換が行われる熱交換部５Ａと、前記熱交換部Ａに冷媒を流通させるための柔軟性を有した樹脂製配管５Ｂとを具備する第１冷却機構５と、熱移送によって前記基板Ｗを冷却する第２冷却機構６と、少なくとも前記基板Ｗの目標基板冷却温度が前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度以下の場合に、前記樹脂製配管５Ｂに耐寒限界温度より高い温度の冷媒を流通させつつ、前記第２冷却機構６により前記基板Ｗを冷却させる冷却機構制御部７とを備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷却された基板に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射装置に関するものである。

例えばイオン注入によりシリコン基板に急峻で極浅の接合を形成する場合、基板表面をアモルファス化する事が望ましい。そして、シリコン基板をアモルファス化するには、イオン注入時において基板温度を低温に保つ必要ある。

基板冷却機構を備えたイオン注入装置１００Ａの一例としては特許文献１に示されるようなものがある。具体的にこのものは、基板Ｗが所定位置に固定された状態でイオンビーム自体を走査することによりイオン注入が行われるものであって、図６に示すように真空室ＶＲの側壁に固定されて真空室ＶＲ内に突出するよう設けられており、外部から供給される冷媒が内部を循環する冷却体９Ａと、前記冷却体９Ａに固定された放熱板９Ｂと、放熱板９Ｂに対して放熱面が固定され、吸熱面が基板Ｗをチャックする静電チャック９Ｄの裏面に固定されたペルチェ素子９Ｃとを備えたものである。そして、このペルチェ素子９Ｃにより放熱面と吸熱面との間に温度差を形成して、基板Ｗの熱を静電チャック９Ｄ、ペルチェ素子９Ｃ、放熱板９Ｂ、冷却体９Ａ、の順番で移動させて基板Ｗをマイナス数十℃程度に冷却するよう構成されている。

また、逆にイオンビームの照射位置が固定されており、基板搬送機構により基板を搬送することで基板表面に対してイオンビームが走査されるように構成されているイオン注入装置もある。このものは真空室を形成する壁体から真空室内の基板搬送機構において基板をチャックしている静電チャックまでの間に柔軟性を有した樹脂製配管を設け、その樹脂製配管により冷却用の冷媒を静電チャックに対して供給することで基板を冷却するように構成されている。このような柔軟性を有した樹脂製配管を用いているのは、基板搬送機構により基板が移動してもその位置に合わせて配管が変形又は移動するようにし、基板移動時に冷媒用の配管が破損するのを防ぐためである。

ところで、特許文献２に示されるようにイオン注入時に基板表面をアモルファス化する場合には、例えば−４０℃〜−１００℃といった極低温まで基板を冷却する事が求められつつある。

しかしながら、上述したような従来の基板冷却機構ではこのような極低温に基板を冷却する事は難しい。例えば特許文献１に記載のイオン注入装置は、ペルチェ素子単体でその放熱面と吸熱面との間に室温から極低温までの温度差を形成しようとして大電流を流すと、それに伴ってジュール熱の発生量も大きくなってしまい、基板の冷却効率が大きく低下してしまう。そして、ペルチェ素子に流す電流が大きくなりすぎるとこれ以上基板の温度を低下させられない点に到達するため、ペルチェ素子単体では特許文献１に記載されているように−２０〜−３０℃程度までにしか冷却できない。

一方、ペルチェ素子を用いるのではなく、極低温まで冷却した冷媒を基板がチャックされている静電チャックまで供給することにより基板を極低温まで冷却する事も考えられる。

しかしながら、このような極低温の冷媒を前記樹脂製配管に流すと、樹脂の耐寒限界温度を下回ることになり、樹脂製配管は脆化して柔軟性が失われてしまう。このため、極低温の冷媒を流通させながら基板搬送機構により基板を移動させると、前記樹脂製配管は破損してしまうことになる。かといって、極低温の冷媒でもその特性に変化がほとんど生じない金属製の配管を用いると、配管の柔軟性や自由度はほとんどないため、配管を破損させないようにするためには基板の位置を固定せざるを得ない。そして、基板の位置が固定されてしまうと、基板表面に対してイオンビームを照射できる領域が限定されるなどイオン注入時の自由度が損なわれてしまう。

特開２００１−６８４２７号公報 特表２０１０−５００７３４号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、冷媒を用いた基板の冷却を行いつつも例えば−６０℃〜−１００℃等の極低温に基板を冷却することを可能にし、冷媒が流通する樹脂製配管の柔軟性を損なうことがなく、イオンビーム照射時に自由に基板を移動させることができるイオンビーム照射装置及び基板冷却方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のイオンビーム照射装置は、基板搬送機構の基板保持部に保持されている基板を冷却するよう構成されたイオンビーム照射装置であって、基板と冷媒との間で熱交換が行われる熱交換部と、前記熱交換部に冷媒を流通させるための柔軟性を有した樹脂製配管とを具備する第１冷却機構と、熱移送によって前記基板を冷却する第２冷却機構と、少なくとも前記基板の目標基板冷却温度が前記樹脂製配管の耐寒限界温度以下の場合に、前記樹脂製配管に耐寒限界温度より高い温度の冷媒を流通させつつ、前記第２冷却機構により前記基板を冷却させる冷却機構制御部とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の基板冷却方法は、基板と冷媒との間で熱交換が行われる熱交換部と、前記熱交換部に冷媒を流通させるための柔軟性を有した樹脂製配管とを具備する第１冷却機構と、熱移送によって前記基板を冷却する第２冷却機構とを備え、基板搬送機構の基板保持部に保持されている基板を冷却するよう構成されたイオンビーム照射装置に用いられる基板冷却方法であって、少なくとも前記基板の目標基板冷却温度が前記樹脂製配管の耐寒限界温度以下の場合に、前記樹脂製配管に耐寒限界温度より高い温度の冷媒を流通させつつ、前記第２冷却機構により前記基板を冷却させることを特徴とする。

このようなものであれば、基板の目標基板冷却温度が前記樹脂製配管の耐寒限界温度以下の場合には、前記第１冷却機構の前記熱交換部において耐寒冷却温度よりも高い温度の冷媒を流して前記基板を一次冷却するとともに、前記第１冷却機構により目標基板冷却温度まで冷却しきれない分については前記第２冷却機構の熱移送による二次冷却によって冷却するので、前記基板の温度を目標基板冷却温度まで低下させることができる。

この際、前記樹脂製配管には耐寒限界温度よりも高い温度の冷媒しか流通していないので、当該樹脂製配管の柔軟性は損なわれることがなく、極低温に基板を冷却しながら前記基板搬送機構により基板の位置を変更しても、樹脂製配管が破損することはない。したがって、基板を冷却しながら前記基板搬送機構により基板を自由に動かすことができ、基板表面にイオンビームを様々な態様で照射する事が可能となる。

さらに、前記第１冷却機構により前記基板を一次冷却して、基板の温度をある程度低下させているので、前記第２冷却機構は基板からそれほど大きな熱量を熱移送しなくても、目標基板冷却温度まで前記基板を冷却することができる。すなわち、第２冷却機構がそれほど大きな熱移送の仕事をしなくてもよく、過大な冷却能力を要求されていないので、例えば現状のペルチェ素子等を用いて目標基板冷却温度まで基板を冷却する事が可能となる。

例えばイオン注入等において基板表面をアモルファス化し、極浅の接合が形成されるようにして高品質のイオン注入が行えるようにするには、目標基板冷却温度が−６０℃以下であればよい。

前記第２冷却機構により基板から移送される熱を外部へ効率よく排出して、基板を好適に冷却できるようにするための具体的な構成としては、前記第２冷却機構が、吸熱面が前記基板保持部と接触し、放熱面が前記熱交換部と接触するペルチェ素子であるものが挙げられる。

前記熱交換部と前記基板保持部に保持されている基板との直接又は間接的な接触面積をより増加させ、冷媒と基板との間の熱交換が効率よく行われることにより第１冷却機構による基板の冷却能力をより大きくするには、前記熱交換部が、前記基板保持部と保持されている基板との間の空間であり、基板冷却時にガスが貯留されるガス貯留部と、前記ガス貯留部へのガスの供給又は当該ガス貯留部からのガスの排出を行うためのガス経路と、前記ガス経路の少なくとも一部と接触し、冷媒が流通する冷媒流通部とから構成されていればよい。このようなものであれば、前記基板保持部を介してだけでなく、前記ガス貯留部及びガス経路にあるガスを介して冷媒は基板との熱交換を行うことができるので、第１冷却機構だけでもより効率よく基板を冷却することができる。

前記ペルチェ素子の熱移送により基板から奪われた熱を効率よく外部へと排出できるようにし、当該ペルチェ素子の冷却効率を高い状態に保てるようにするには、前記ペルチェ素子の放熱面が前記冷媒流通部と接触していればよい。

例えばイオンビームが照射されて基板に熱が与えられることにより基板の温度が目標基板冷却温度から上昇したとしてもすぐに目標基板冷却温度までフィードバック制御され常時その温度で保たれるようにするには、前記基板保持部に保持されている基板と接触して、当該基板の温度を測定する接触式温度センサをさらに備え、前記冷却機構制御部が、前記第１冷却機構における冷媒の温度を目標冷媒温度で一定に保つように制御するとともに、前記接触式温度センサで測定される基板測定温度と目標基板冷却温度との偏差が小さくなるように前記第２冷却機構を制御するよう構成されていればよい。

このように本発明のイオンビーム照射装置及び基板冷却方法によれば、極低温に基板を冷却する場合には、耐寒限界温度よりも高い温度の冷媒を前記樹脂製配管に流して前記第１冷却機構による基板の一次冷却を行い、残りの基板の冷却を第２冷却機構の熱移送により実現するように構成されているので、冷媒の流通する樹脂製配管が脆化するのを防ぎつつ、目標基板冷却温度まで基板を冷却する事が可能となる。

本発明の一実施形態に係るイオン注入装置のイオン注入室の構成を示す模式的斜視図。 同実施形態における基板搬送機構の静電チャック周辺の構造を示す模式的断面拡大図。 同実施形態における接触式センサの取り付け構造を示す模式的断面拡大図。 同実施形態における基板冷却機構制御部等の構成を示す機能ブロック図。 同実施形態における基板の温度制御の概念について示す模式的グラフ。 従来の基板冷却機構を備えたイオン注入装置を示す模式図。

本発明の一実施形態について図１乃至５を参照しながら説明する。

本実施形態のイオンビーム照射装置は、例えばヒ素やリン、ボロン等をイオン種として含むイオンビームを半導体基板に対して照射し、そのイオン種を注入するイオン注入装置１００である。そして、このイオン注入装置１００は、イオン注入時において基板表面をアモルファス化し、極浅の接合が形成されるように基板Ｗを所定の極低温に冷却した状態で低温イオン注入ができるように構成してある。

図１に示すように前記イオン注入装置１００は、内部が真空に保たれた真空室ＶＲが隔壁４によって上下に仕切ってある。そして、基板搬送機構３の上部構造３Ｕと下部構造３Ｂをそれぞれの部屋にまたがって配置しており、前記隔壁４に形成された連結スリット４１を介して前記上部構造３Ｕと下部構造３Ｂを連結してある。

より具体的には、前記イオン注入装置１００は、基板Ｗを基板保持部３１に保持し、その基板Ｗのイオンビームに対する位置や姿勢を適宜変更する前記基板搬送機構３と、前記基板搬送機構３の上部構造３Ｕが収容される前記真空室ＶＲの上側の部屋であり、基板Ｗにイオンビームが照射されるイオン注入室１と、前記真空室ＶＲの下側の部屋であり、前記基板搬送機構３の下部構造３Ｂ及び各種給電用コードや冷媒供給用の樹脂製配管５Ｂの一部が収容される直動機構収容室２と、前記基板保持部３１に保持されている基板Ｗを冷却するための冷却システムＦＳとを備えている。

各部について説明する。
前記基板搬送機構３は、上部構造３Ｕが主として保持されている基板Ｗの姿勢制御を行うものであり、下部構造３Ｂが保持されている基板Ｗをイオンビームに対して横切らせるための水平方向への移動を行うためのものである。すなわち、前記上部構造３Ｕは、垂直軸回りの回転を行うための垂直軸回り回転機構３Ｒと、基板Ｗを着脱可能に保持する前記基板保持部３１とから構成してある。前記基板保持部３１は、保持されている基板Ｗの表面に対して垂直な軸回りに回転可能に構成してある静電チャックである。この基板保持部３１の近傍には、保持されている基板Ｗを冷却するために前記冷却システムＦＳの一部が構成してある。

前記下部構造３Ｂはモータ３２、ボールネジ３３、ナット３４、案内（図示しない）からなる直動機構であり、イオンビームの短辺方向を横切るように前記上部構造３Ｕを移動させるものである。

前記上部構造３Ｕ及び前記下部構造３Ｂは、前記隔壁４に形成された連結スリット４１を介して連結部材により連結されており、前記下部構造３Ｂの水平方向への直動運動により前記上部構造３Ｕ全体も移動することにより前記基板保持部３１に保持されている基板Ｗも移動する。そして、前記連結部材は、上部構造３Ｕは下部構造３Ｂとは独立して回転運動を行えるように連結している。

前記イオン注入室１は、概略中空直方体形状をなす部屋であり、その側面中央部にイオンビームが導入されるイオンビーム導入口１１が形成してあり、上下方向に延びるリボン状のイオンビームが内部に導入されるようにしてある。このイオン注入室１には、隣接して設けられた基板待機室（図示しない）が設けられており、前記基板待機室から前記基板搬送機構３が基板Ｗを受け取り、イオンビーム照射位置へと基板Ｗを搬送し、基板表面に対してイオン注入が行われる。イオン注入が終わった基板Ｗはイオン注入室１に隣接して設けられた基板搬出室（図示しない）へと搬出される。

前記直動機構収容室２は、前記基板搬送機構３の下部構造３Ｂの一部を収容するものであって、より具体的には前記モータ３２は前記直動機構収容室２の外側、つまり、大気側に設けてあり、それ以外のボールネジ３３、ナット３４、案内に関しては前記直動機構収容室２の内部に収容してある。また、前記イオン注入室１よりも前記直動機構収容室２の方が真空度を高くするようにも構成してある。

前記冷却システムＦＳは、保持されている基板Ｗと冷媒との熱交換により基板Ｗを冷却する第１冷却機構５と、基板Ｗからの熱移送により基板Ｗを冷却する第２冷却機構であるペルチェ素子６と、前記第１冷却機構５及び第２冷却機構の動作を制御する冷却機構制御部７と、から構成してある。以下の説明では図１の斜視図及び図２の基板保持部３１の周辺拡大断面図を参照しながら説明する。

前記第１冷却機構５は、いわゆる冷凍サイクルを営むものであり、真空室ＶＲの外に配置されたチラー５４（図１においては図示しない）と、真空室ＶＲ内の前記基板保持部３１に設けられており、基板Ｗと冷媒との熱交換が行われる熱交換部５Ａとの間で冷媒が循環するように冷媒回路を構成してある。さらに、前記第１冷却機構５は、図１に示すように前記チラー５４と前記熱交換部５Ａとの間をつなぐ配管のうち、少なくとも真空室ＶＲ内において前記熱交換部５Ａまで伸びる配管については樹脂製配管５Ｂを用いている。この樹脂製配管５Ｂは、柔軟性を有したものであり、前記基板搬送機構３の移動により前記熱交換部５Ａの位置が移動しても、その移動に合わせてある程度追従し、基板搬送機構３の移動を妨げないように構成してある。より具体的には、前記直動機構収容室２内を通る前記樹脂製配管５Ｂは、前記基板搬送機構３に対して外部から電力を供給するための電力ケーブル（図示しない）、制御用の信号線（図示しない）とともに蛇腹状のケーブルガイド３５内に収容してあり、所定の範囲内で基板搬送機構３の動きに合わせて移動するようにしてある。そして、この樹脂製配管５Ｂは樹脂の特性上、耐寒限界温度以下の温度になると脆化が進み柔軟性が失われて、基板搬送機構３の移動に追従する際に破損する恐れがあるため、本実施形態では耐寒限界温度よりも高い温度の冷媒しか流れないように構成してある。なお、ここでいう耐寒限界温度とは例えばメーカによる使用推奨温度、あるいは、柔軟性が低下し基板搬送機構３の動きによって樹脂製配管５Ｂが破損する恐れがある温度のことをいい、本実施形態では耐寒限界温度を−６０℃に設定している。

前記熱交換部５Ａは、機能的に説明すると図２に示すように前記基板保持部３１と保持されている基板Ｗとの間の空間であり、基板Ｗ冷却時にガスが貯留されるガス貯留部５１と、前記ガス貯留部５１へのガスの供給又は当該ガス貯留部５１からのガスの排出を行うためのガス経路５２と、前記ガス経路５２の少なくとも一部と接触し、冷媒が流通する冷媒流通部５３とから構成してある。各部材の配置について説明すると、基板Ｗ、前記ガス貯留部５１、基板保持部３１、第２冷却機構、冷媒流通部５３の順番で配置してある。

より具体的には、前記基板保持部３１の先端面は概略薄円環状の突条３１１を有しており、その突条３１１の平面に基板Ｗの裏面を静電チャックするように構成してある。したがって、前記突条３１１の内周側は基板Ｗが保持されている状態において空間が形成されることになり、この空間を基板Ｗ冷却時にガスが貯留されるガス貯留部５１としている。

前記ガス経路５２は、本実施形態では前記ガス貯留部５１にガスを供給するガス供給管と、当該ガス貯留部５１からガスを排出するためのガス排出管とからなるものであり、前記ガス供給管及び前記ガス排出管は、前記冷媒流通部５３の内部を通り、ガスと冷媒との間で熱交換が生じるように構成してある。

前記冷媒流通部５３は、概略中空平円筒状に形成したものであり、前記チラー５４により冷却された冷媒が前記樹脂製配管５Ｂを介して流入し、その内部において冷媒が一時的に滞留してガスとの間で熱交換が行われた後に、再び前記樹脂製配管５Ｂを介してチラー５４へ冷媒が戻っていくようにしてある。

このような第１冷却機構５の冷却作用について説明する。基板Ｗの冷却時において前記ガス貯留部５１にガスが貯留されると、真空雰囲気中に配置されている基板Ｗに対してその裏面の微小な凹凸形状とも隙間なく接触する熱伝導体が配置されることになり、基板Ｗからの熱伝達効率を向上させることができる。したがって、前記ガス経路５２を介して前記冷媒流通部５３の冷媒は前記基板Ｗと直接熱交換を行うことができるので、仮に前記第２冷却機構がなかったとしても熱伝導が生じ、基板Ｗを冷却することができる。言い換えると、前記第１冷却機構５は単体でも基板Ｗとの熱交換が生じ得るように構成してある。なお、本実施形態では前記冷媒流通部５３は、良好な熱伝導体である前記ペルチェ素子６を介して前記基板保持部３とも接触しているので、この熱経路を通じても熱交換によって前記基板Ｗを冷却できるようにしてある。

次に第２冷却機構について説明する。
前記第２冷却機構は、第１冷却機構５と異なり熱交換による基板Ｗの冷却ではなく、基板Ｗから基板Ｗ外への熱移送により基板Ｗを冷却するように構成してある。ここで、熱移送による冷却とは、例えば冷媒を用いずに低温側の物体から高温側の物体へ熱を移送することにより低温側の物体のさらなる温度低下が可能な冷却方法を含む。なお、第１冷却機構５のような熱交換による冷却では、基板Ｗよりも冷媒が低温の場合のみ基板Ｗが冷却されるので、基板Ｗの温度は冷媒の温度よりも低い温度となることはない。

より具体的には、前記第２冷却機構は、吸熱面６１が前記基板保持部３１と接触し、放熱面６２が前記冷媒流通部５３と接触するように設けられたペルチェ素子６であり、電子の流れにより基板Ｗから前記基板保持部３１を介して熱を奪い、その奪った熱を前記冷媒流通部５３へと放出するように構成してある。

前記冷却機構制御部７は、ＣＰＵ、メモリ、ＡＣ／ＤＣコンバータ、入出力手段等を具備するいわゆるコンピュータにおいて、前記メモリに格納されているプログラムが実行されることによりその機能が実現されるものである。そして、この冷却機構制御部７は、少なくとも基板Ｗの目標基板冷却温度が前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度以下の場合に、前記樹脂製配管５Ｂに耐寒限界温度より高い温度の冷媒を流通させつつ、前記第２冷却機構により前記基板Ｗを冷却させるように構成してある。

また、図３に示すように前記基板保持部３１に保持されている基板Ｗに対して裏面側から直接接触して、当該基板Ｗの温度を測定する接触式温度センサＴＳを設けてある。前記接触式温度センサＴＳは、図２に示すように基板Ｗの複数個所の温度を測定できるように複数個所に設けてあり、基板保持部３１側から、前記ガス貯留部５１を通って基板Ｗの裏側に接触するようにしてある。前記冷却機構制御部７はこの接触式温度センサＴＳから得られる基板測定温度を用いて前記第１冷却機構５及び前記第２冷却機構を制御する。

より具体的には、図４の機能ブロック図に示すように本実施形態では前記冷却機構制御部７は、前記第１冷却機構５を制御する第１冷却機構制御部７１と、前記第２冷却機構の冷却能力を制御する第２冷却機構制御部７２とからなる。そして、前記第１冷却機構制御部７１による冷媒の温度の制御では、前記接触式温度センサＴＳで測定される基板測定温度は、樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度よりも高い温度で目標冷媒温度を目標値として何℃に設定するのかを決定するために用いられる。一方、前記第２冷却機構制御部７２では、前記接触式温度センサＴＳの基板測定温度が常時フィードバックされて、目標基板冷却温度と基板測定温度の偏差が小さくなるように前記ペルチェ素子６に印加する電圧についてフィードバック制御を行うように構成してある。

各制御部について詳述する。前記第１冷却機構制御部７１は、前記冷媒流通部５３へ供給される冷媒の温度を目標冷媒温度となるように制御する冷媒温度制御部７３と、前記ガス貯留部５１へのガスの供給及び排出を制御するガス制御部７４とを備える。

前記冷媒温度制御部７３は、目標基板冷却温度に応じてその動作が切り替わるように構成してあり、目標基板冷却温度が前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度以下の場合にはその耐寒限界温度よりも予め定めた温度分だけ高い温度に目標冷媒温度を設定し、目標基板冷却温度が前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度よりも高い場合には、目標冷媒温度を目標基板冷却温度と同じ温度に設定するよう構成してある。そして、前記冷媒温度制御部７３は、例えば前記チラー５４等からなる冷凍サイクル内に設けられた温度センサで測定される冷媒温度が設定した目標冷媒温度で保たれるように冷凍サイクルの各機器を制御する。

前記ガス制御部７４は、前記基板保持部３１により基板Ｗが保持されると前記ガス貯留部５１に対して予め定めた所定量のガスを前記ガス経路５２により供給し、前記基板保持部３１から基板Ｗが外される前、すなわち、静電チャックに印加される電圧を解除する前に前記ガス貯留部５１からガスを排出させて前記真空室ＶＲ内と略同じ圧力となるようにして、静電チャックが解除された際に基板Ｗが圧力差によって真空室ＶＲ内へと飛び出さないように制御する。

前記第２冷却機構制御部７２は、前記ペルチェ素子６に印加される電圧を目標基板冷却温度と前記接触式温度センサＴＳにより測定される基板測定温度との偏差に基づいて制御するものである。ここで、前記冷媒温度制御部７３は、目標冷媒温度で冷媒の温度を一定に保つように制御しているので、前記第２冷却機構制御部７２は目標基板冷却温度と目標冷媒温度との差分に相当する熱量と、イオンビームが基板Ｗに照射されることにより発生する熱量を基板Ｗから前記冷媒流通部５３へと熱移送するようにペルチェ素子６に印加する電圧を制御することとなる。

このように構成されたイオン注入装置１００による基板冷却時の動作について目標基板冷却温度が前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度よりも低い場合と高い場合についてそれぞれ図５の温度変化グラフを参照しながら説明する。

目標基板冷却温度が前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度である−６０℃よりも低い−１００℃に設定されている場合、前記冷媒温度制御部７３は目標冷媒温度を耐寒限界温度よりも高い温度である例えば−５５℃に設定し、冷媒の温度をこの温度で一定に保つように前記チラー５４等を制御する。そして、目標基板冷却温度である−１００℃と目標冷媒温度である−５５℃の差分温度に相当する分の熱に関しては前記ペルチェ素子６によって基板Ｗから熱移送されるように前記第２冷却機構制御部７２は前記ペルチェ素子６に対して電圧を印加する。例えば前記第２冷却機構制御部７２は、吸熱面６１と放熱面６２との間に設定するべき温度差に比例又は相関した電圧をペルチェ素子６に印加する。

図５（ａ）に示すようにイオンビームが基板Ｗに対して照射されていないイオンビーム非照射期間においては、第１冷却機構５と第２冷却機構の働きにより略−１００℃で基板Ｗの温度は保たれるが、イオンビームが基板Ｗに対して照射されると、その分基板Ｗに対して熱量が与えられるため、図５（ａ）のイオンビーム照射期間に示されるように前記接触式温度センサＴＳにより測定される基板測定温度は−１００℃から上昇する。この場合、目標基板冷却温度と基板測定温度との間に生じる偏差の大きさが変動するので、前記第２冷却機構制御部７２は、その偏差の変動に応じて前記ペルチェ素子６に印加する電圧を変更し、−１００℃で保たれるようにフィードバックをかけることになる。

すなわち、図５（ａ）のイオンビーム非照射期間においては目標冷媒温度と目標基板冷却温度の設定温度差分について前記ペルチェ素子６は冷却を継続しているのに対して、イオンビーム照射期間において前記ペルチェ素子６は、前述した設定温度差分だけでなく、温度上昇による変動分も含めて冷却して目標基板冷却温度が基板Ｗで維持されるように動作する。また、イオンビーム照射期間では前記第１冷却機構５は目標冷媒温度を変更せず、イオンビーム非照射期間と同じ温度で一定に保つようにし、基板Ｗの近くに設けられており印加電圧が変更されると即時に冷却量を変更できるペルチェ素子６のみ測定基板温度によるフィードバックがかかるようにしているので、温度変化が生じたとしても時間遅れをほとんど発生させることなく、測定基板温度基板Ｗの温度を−１００℃で略一定に保つことができる。

次に目標基板冷却温度が前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度よりも高い温度の場合の動作について図５（ｂ）を参照しながら説明する。ここでは具体例として目標基板冷却温度が−４０℃、耐寒限界温度が−６０℃の場合を考えている。

この場合、前記冷媒温度制御部７３は目標冷媒温度を目標基板冷却温度と同じ温度である−４０℃に設定する。ここで、図５（ｂ）のイオンビーム非照射期間においては、外部から真空中にある基板Ｗに流入する熱はほとんど存在しないため、実質的に第１冷却機構５の動作のみで基板Ｗの温度が−４０℃に保たれる。一方、イオンビーム照射期間においては、基板Ｗに対してイオンビームが照射されると基板温度が上昇するため、目標基板冷却温度と前記接触式温度センサＴＳにより測定される基板測定温度との間に偏差が生じる。したがって、図５（ｂ）のイオンビーム照射期間においては、前記ペルチェ素子６にその偏差に応じた電圧が印加されて冷却動作を実施することになる。すなわち、前記第１冷却機構５は基板測定温度にかかわらず、−４０℃の冷媒による基板Ｗの冷却を継続しているのに対して、前記ペルチェ素子６は、イオンビーム非照射期間においてはほとんど冷却することはなく、イオンビーム照射期間において基板測定温度が−４０℃から変動している場合にのみ動作することになる。

このように基板Ｗの近傍に設けられている前記ペルチェ素子６が目標基板冷却温度から変動した温度分のみを対象として冷却するので、変動が生じた場合でも非常に応答性よく基板Ｗの温度を極低温で一定に保つことができる。より具体的には、イオンビームが基板Ｗに照射されることによる温度上昇分の冷却を第１冷却機構５でフィードバック制御しようとすると、真空室ＶＲの外側にあり基板Ｗから遠く離れたチラー５４の動作を変更して、その結果が表れるまで大きな時間遅れが発生する。このため、第１冷却機構５だけでは、温度上昇を即時にキャンセルするように基板Ｗの温度制御を行うことは難しい。これに対して、温度上昇分については真空室ＶＲ内において基板Ｗの近傍に設けられているペルチェ素子６により温度制御するので、時間遅れをほとんど生じさせることなく、すぐに目標基板冷却温度まで基板Ｗを冷却し、その温度で一定に保つことができる。

以上のように詳述してきた本実施形態のイオン注入装置１００によれば、基板Ｗの目標基板冷却温度が前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度以下の場合には、目標冷媒温度を耐寒限界温度よりも高い温度に設定して前記第１冷却機構５の前記熱交換部５Ａにおいて耐寒冷却温度よりも高い温度の冷媒を流して前記基板Ｗを一次冷却するとともに、前記第１冷却機構５により目標基板冷却温度まで冷却しきれない分の基板Ｗの熱量については前記ペルチェ素子６の熱移送による二次冷却によって冷却するので、基板Ｗの温度を目標基板冷却温度まで低下させることができる。

この際、前記樹脂製配管５Ｂには耐寒限界温度よりも高い温度の冷媒しか流通していないので、当該樹脂製配管５Ｂの柔軟性は損なわれることがなく、極低温に基板Ｗを冷却しながら前記基板搬送機構３により基板Ｗの位置を変更しても、樹脂製配管５Ｂが破損することはない。したがって、耐寒限界温度よりも低い温度に基板Ｗを冷却しながら前記基板搬送機構３により基板Ｗを自由に動かすことができ、基板表面にイオンビームを様々な態様で照射する事が可能となる。

さらに、前記第１冷却機構５により前記基板Ｗを一次冷却して、基板Ｗの温度をある程度低下させているので、前記ペルチェ素子６は基板Ｗからそれほど大きな熱量を熱移送しなくても、目標基板冷却温度まで基板Ｗを冷却することができ、ペルチェ素子６に過大な能力が要求されることもない。

また、前記接触式温度センサＴＳによりイオンビーム照射時にも基板Ｗの温度をリアルタイムでモニタリングし、目標基板冷却温度と基板測定温度との偏差によって前記ペルチェ素子６をフィードバック制御するように構成してあるので、イオンビーム照射中も目標基板冷却温度で略一定に保つことができる。

したがって、従来よりも低温イオン注入における温度制御精度が向上することになるので、低温イオン注入された基板Ｗの特性についても従来以上のものとすることが可能となる。

その他の実施形態について説明する。

本発明のイオンビーム照射装置は、イオン注入装置１００だけでなく、例えばイオンドーピング装置、イオンビームデポジション装置、イオンビームエッチング装置等様々な用途を含む概念である。また、基板Ｗとしてはシリコンウエハに限られるものではなく、ガラス基板や半導体基板等に対して温度管理をしながらイオンビームを照射する用途に用いることができる。また、ガラス基板等に対してイオンビームを照射する場合には、基板が基板搬送機構の基板保持部に保持されるように静電チャック以外のチャック方法によりチャックされるようにすればよい。

前記実施形態では、前記第２冷却機構はペルチェ素子６を用いたが、その他の熱移送により基板Ｗを冷却するものであってもよい。例えば、ペルチェ素子６のように半導体で形成されたものではなく、異種金属を用いてペルチェ効果が発揮されるように構成したものであってもかまわない。

前記冷却機構制御部７は、耐寒限界温度よりも目標基板冷却温度のほうが高い温度の場合には、目標基板冷却温度と目標冷媒温度を一致させていたが、目標冷媒温度を目標基板冷却温度よりも高い温度に設定してもかまわない。すなわち、前記第１冷却機構７単体の作用だけでも基板Ｗの温度制御が可能な場合でも、図５（ａ）において示したように目標基板冷却温度から変動が生じていない状態で前記第２冷却機構による基板Ｗの冷却を行うとともに変動分にたいしても作用するように構成してもかまわない。

前記ペルチェ素子６は、基板Ｗの冷却のためだけではなく、何らかの原因で前記第１冷却機構５により基板Ｗが冷却されすぎている場合に加熱するために用いてもかまわない。すなわち、前記第２冷却機構制御部７２が、前記ペルチェ素子６に印加する電圧の大きさだけでなく、その向きまで合わせて制御可能に構成してあるものであってもよい。この場合でも目標基板冷却温度と基板測定温度との間に偏差が発生した場合には前記実施形態で示した制御則を用いて基板Ｗの温度を制御することができる。

前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度よりも高い温度に目標基板冷却温度が設定されており、応答性がそれほど求められていない場合には、前記第２冷却機構を全く動作させず、前記第１冷却機構５において目標基板冷却温度と基板測定温度との偏差によるフィードバック制御を行ってもかまわない。

前記実施形態では接触式温度センサＴＳにより基板Ｗの温度を常時モニタリングしていたが、非接触の温度センサにより基板Ｗの温度を測定して温度制御を行ってもかまわない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行ってもかまわない。

１００・・・イオン注入装置（イオンビーム照射装置）
Ｗ ・・・基板
ＶＲ ・・・真空室
１ ・・・イオン注入室
２ ・・・直動機構収容室
３ ・・・基板搬送機構
３Ｕ ・・・上部構造
３Ｂ ・・・下部構造
３Ｒ ・・・垂直軸回り回転機構
３１ ・・・基板保持部（静電チャック）
３２ ・・・モータ
３３ ・・・ボールネジ
３４ ・・・ナット
３５ ・・・ケーブルガイド
４ ・・・隔壁
４１ ・・・連結スリット
５ ・・・第１冷却機構
５Ａ ・・・熱交換部
５Ｂ ・・・樹脂製配管
５１ ・・・ガス貯留部
５２ ・・・ガス経路
５３ ・・・冷媒流通部
６ ・・・ペルチェ素子（第２冷却機構）
６１ ・・・吸熱面
６２ ・・・放熱面
７ ・・・冷却機構制御部
７１ ・・・第１冷却機構制御部
７２ ・・・第２冷却機構制御部
７３ ・・・冷媒温度制御部
７４ ・・・ガス制御部

このようなものであれば、基板の目標基板冷却温度が前記樹脂製配管の耐寒限界温度以下の場合には、前記第１冷却機構の前記熱交換部において耐寒限界温度よりも高い温度の冷媒を流して前記基板を一次冷却するとともに、前記第１冷却機構により目標基板冷却温度まで冷却しきれない分については前記第２冷却機構の熱移送による二次冷却によって冷却するので、前記基板の温度を目標基板冷却温度まで低下させることができる。

すなわち、図５（ａ）のイオンビーム非照射期間においては目標冷媒温度と目標基板冷却温度の設定温度差分について前記ペルチェ素子６は冷却を継続しているのに対して、イオンビーム照射期間において前記ペルチェ素子６は、前述した設定温度差分だけでなく、温度上昇による変動分も含めて冷却して目標基板冷却温度が基板Ｗで維持されるように動作する。また、イオンビーム照射期間では前記第１冷却機構５は目標冷媒温度を変更せず、イオンビーム非照射期間と同じ温度で一定に保つようにし、基板Ｗの近くに設けられており印加電圧が変更されると即時に冷却量を変更できるペルチェ素子６のみ測定基板温度によるフィードバックがかかるようにしているので、温度変化が生じたとしても時間遅れをほとんど発生させることなく、基板Ｗの温度を−１００℃で略一定に保つことができる。

以上のように詳述してきた本実施形態のイオン注入装置１００によれば、基板Ｗの目標基板冷却温度が前記樹脂製配管５Ｂの耐寒限界温度以下の場合には、目標冷媒温度を耐寒限界温度よりも高い温度に設定して前記第１冷却機構５の前記熱交換部５Ａにおいて耐寒限界温度よりも高い温度の冷媒を流して前記基板Ｗを一次冷却するとともに、前記第１冷却機構５により目標基板冷却温度まで冷却しきれない分の基板Ｗの熱量については前記ペルチェ素子６の熱移送による二次冷却によって冷却するので、基板Ｗの温度を目標基板冷却温度まで低下させることができる。

Claims (7)

1. 基板搬送機構の基板保持部に保持されている基板を冷却するよう構成されたイオンビーム照射装置であって、
   基板と冷媒との間で熱交換が行われる熱交換部と、前記熱交換部に冷媒を流通させるための柔軟性を有した樹脂製配管とを具備する第１冷却機構と、
   熱移送によって前記基板を冷却する第２冷却機構と、
   少なくとも前記基板の目標基板冷却温度が前記樹脂製配管の耐寒限界温度以下の場合に、前記樹脂製配管に耐寒限界温度より高い温度の冷媒を流通させつつ、前記第２冷却機構により前記基板を冷却させる冷却機構制御部とを備えたことを特徴とするイオンビーム照射装置。
2. 目標基板冷却温度が−６０℃以下である請求項１記載のイオンビーム照射装置。
3. 前記第２冷却機構が、吸熱面が前記基板保持部と接触し、放熱面が前記熱交換部と接触するペルチェ素子である請求項１又は２記載のイオンビーム照射装置。
4. 前記熱交換部が、前記基板保持部と保持されている基板との間の空間であり、基板冷却時にガスが貯留されるガス貯留部と、前記ガス貯留部へのガスの供給又は当該ガス貯留部からのガスの排出を行うためのガス経路と、前記ガス経路の少なくとも一部と接触し、冷媒が流通する冷媒流通部とから構成されている請求項１乃至３いずれかに記載のイオンビーム照射装置。
5. 前記ペルチェ素子の放熱面が前記冷媒流通部と接触している請求項４記載のイオンビーム照射装置。
6. 前記基板保持部に保持されている基板と接触して、当該基板の温度を測定する接触式温度センサをさらに備え、
   前記冷却機構制御部が、前記第１冷却機構における冷媒の温度を目標冷媒温度で一定に保つように制御するとともに、前記接触式温度センサで測定される基板測定温度と目標基板冷却温度との偏差が小さくなるように前記第２冷却機構を制御するよう構成されている請求項１乃至５いずれかに記載のイオンビーム照射装置。
7. 基板と冷媒との間で熱交換が行われる熱交換部と、前記熱交換部に冷媒を流通させるための柔軟性を有した樹脂製配管とを具備する第１冷却機構と、熱移送によって前記基板を冷却する第２冷却機構とを備え、基板搬送機構の基板保持部に保持されている基板を冷却するよう構成されたイオンビーム照射装置に用いられる基板冷却方法であって、
   少なくとも前記基板の目標基板冷却温度が前記樹脂製配管の耐寒限界温度以下の場合に、前記樹脂製配管に耐寒限界温度より高い温度の冷媒を流通させつつ、前記第２冷却機構により前記基板を冷却させることを特徴とする基板冷却方法。