KR101525020B1

KR101525020B1 - 이온빔 조사 장치 및 기판 냉각 방법

Info

Publication number: KR101525020B1
Application number: KR1020130129875A
Authority: KR
Inventors: 코헤이 타나카
Original assignee: 닛신 이온기기 가부시기가이샤
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-06-02
Also published as: US20140238637A1; KR20140105361A; TWI506680B; TW201434075A

Abstract

냉매를 이용하여 기판을 냉각하면서도 예를 들면 -60℃~-100℃ 등의 극저온으로 기판을 냉각할 수 있도록 하고, 또 이온빔이 기판에 조사되고 있는 동안의 기판의 온도 상승을 억제하여, 이온빔 조사중에도 항상 기판의 온도를 소정 온도에서 일정하게 유지할 수 있도록 하고, 냉매가 유통하는 수지제 배관의 유연성을 해치는 일이 없어서 이온빔 조사시에 자유롭게 기판을 이동시킬 수 있는 이온빔 조사 장치를 제공한다.
기판(W)과 냉매 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환부(5A)와, 상기 열 교환부(A)에 냉매를 유통시키기 위한 유연성을 가진 수지제 배관(5B)을 구비하는 제1 냉각기구(5)와, 열 이송에 의해 상기 기판(W)을 냉각하는 제2 냉각기구(6)와, 적어도 상기 기판(W)의 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관(5B)의 내한한계온도 이하인 경우에, 상기 수지제 배관(5B)에 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매를 유통시키면서 상기 제2 냉각기구(6)에 의해 상기 기판(W)을 냉각시키는 냉각기구 제어부(7)를 구비했다. 또 상기 기판(W)의 온도를 측정하는 온도 센서(TS)와, 상기 제1 냉각기구의 냉매의 온도를 목표 냉매온도로 일정하게 유지하도록 제어함과 아울러 기판(W)의 목표 기판냉각온도와 상기 온도 센서(TS)에서 측정되는 기판측정온도의 편차가 작아지도록 상기 제2 냉각기구를 제어하도록 구성되어 있는 냉각기구 제어부를 구비했다.

Description

이온빔 조사 장치 및 기판 냉각 방법{ION BEAM IRRADIATION APPARATUS AND SUBSTRATE COOLING METHOD}

본 발명은 냉각된 기판에 대해 이온빔을 조사하는 이온빔 조사 장치에 관한 것이다.

예를 들어 이온 주입에 의해 실리콘 기판에 가파르고 매우 얕은 접합을 형성하는 경우, 기판 표면을 비정질화(amorphousness)하는 것이 바람직하다. 그리고 실리콘 기판을 비정질화하려면 이온 주입시에 기판 온도를 저온으로 유지할 필요가 있다.

기판 냉각기구를 구비한 이온 주입 장치(100A)의 일례로는 특허문헌 1에 나타나는 바와 같은 것이 있다. 구체적으로 이것은 기판(W)이 소정 위치에 고정된 상태에서 이온빔 자체를 주사(走査)함으로써 이온 주입이 이루어지는 것으로서, 도 6에 도시하는 바와 같이 진공실(VR)의 측벽에 고정되어 진공실(VR) 내에 돌출되도록 마련되어 있고, 외부로부터 공급되는 냉매가 내부를 순환하는 냉각체(9A)와, 상기 냉각체(9A)에 고정된 방열판(9B)과, 방열판(9B)에 대해서 방열면이 고정되고, 흡열면이 기판(W)을 척(chuck)하는 정전 척(9D)의 이면(裏面)에 고정된 펠티어 소자(9C)를 구비한 것이다. 그리고 이 펠티어 소자(9C)에 의해 방열면과 흡열면 사이에 온도차를 형성하여 기판(W)의 열을 정전 척(9D), 펠티어 소자(9C), 방열판(9B), 냉각체(9A)의 순서로 이동시켜서 기판(W)을 마이너스 수십℃ 정도로 냉각하도록 구성되어 있다.

또 반대로 이온빔의 조사 위치가 고정되어 있고, 기판반송기구에 의해 기판을 반송함으로써 기판 표면에 대해 이온빔이 주사되도록 구성되어 있는 이온 주입 장치도 있다. 이것은 진공실을 형성하는 벽체에서부터, 진공실 내의 기판반송기구에 있어서 기판을 척하고 있는 정전 척까지의 사이에 유연성을 가진 수지제 배관을 마련하고, 그 수지제 배관에 의해 냉각용 냉매를 정전 척에 공급함으로써 기판을 냉각하도록 구성되어 있다. 이러한 유연성을 가진 수지제 배관을 이용하고 있는 것은 기판반송기구에 의해 기판이 이동해도 그 위치에 맞춰서 배관이 변형 또는 이동하도록 하고, 기판 이동시에 냉매용 배관이 파손되는 것을 방지하기 위해서이다.

그런데 특허문헌 2에 나타나는 바와 같이 이온 주입시에 기판 표면을 비정질화하는 경우에는, 예를 들면 -40℃~-100℃와 같은 극저온까지 기판을 냉각하는 것이 요구되고 있다.

그러나 상술한 바와 같은 종래의 기판 냉각기구는 이러한 극저온으로 기판을 냉각하기가 어렵다. 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 이온 주입 장치는 펠티어 소자 단체(單體)로 그 방열면과 흡열면 사이에 실온에서 극저온까지의 온도차를 형성하려고 큰 전류를 흘리면, 이에 따라 줄 열(Joule heat)의 발생량도 커져서 기판의 냉각 효율이 크게 저하된다. 그리고 펠티어 소자에 흘리는 전류가 너무 커지면 그 이상 기판의 온도를 저하시킬 수 없는 점에 도달하기 때문에, 펠티어 소자 단체로는 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이 -20~-30℃ 정도까지 밖에 냉각할 수 없다.

한편 펠티어 소자를 이용하는 것이 아니라, 극저온까지 냉각한 냉매를 기판이 척되어 있는 정전 척까지 공급함으로써 기판을 극저온까지 냉각하는 것도 생각할 수 있다.

그러나 이러한 극저온 냉매를 상기 수지제 배관에 흘리면, 수지의 내한(耐寒)한계 온도를 밑돌게 되어 수지제 배관은 취화(脆化)하여 유연성을 잃어버린다. 이렇게 때문에 극저온 냉매를 유통시키면서 기판반송기구에 의해 기판을 이동시키면, 상기 수지제 배관은 파손되게 된다. 그렇다고 해서 극저온 냉매여도 그 특성에 변화가 거의 생기지 않는 금속제 배관을 이용하면 배관의 유연성이나 자유도는 거의 없기 때문에 배관을 파손시키지 않게 하기 위해서는 기판의 위치를 고정시킬 수 밖에 없다. 그리고 기판의 위치가 고정되어 버리면 기판 표면에 대해 이온빔을 조사할 수 있는 영역이 제한되는 등 이온 주입시의 자유도가 손상된다.

또 특허문헌 2에 기재된 이온 주입 장치에 있어서는 이온 주입실에 인접하여 마련되어 있는 기판 대기실에서 미리 기판을 소정 온도까지 냉각하고 있다. 그리고 이 미리 냉각된 기판을 이온 주입실에 반입하여 이온빔을 조사하고 있는 동안은 기판을 냉각하지 않고 이온 주입을 시행하도록 구성되어 있다.

그러나 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같은 기판 냉각 방법으로는 상술한 바와 같이 이온빔이 조사되고 있는 동안의 기판 온도 변화에 대해서는 고려하고 있지 않아서, 이온빔 조사 중에 기판의 온도가 비정질화에 적합한 온도에서 벗어난 상태로 되어 있을 가능성이 있다. 따라서 이온 주입 후의 기판의 특성이 원하는 것이 되지 않을 우려가 있다.

바꿔말하면, 이온빔이 조사됨으로써 기판에 대해 열이 가해짐으로써 생기는 온도 상승을 모니터링하고, 이 이온 주입시의 온도 상승을 가능한 한 억제하여 기판의 온도를 일정하게 유지해 나가기 위한 기판 온도 제어는 종래 이루어지고 있지 않았다. 또 이러한 기술 과제는 종래 엄밀하게는 검토되고 있지 않았기 때문에, 기판에 온도 변화가 생겼을 경우에 기판을 목표 온도까지 신속하게 냉각하고, 그 온도에서 일정하게 유지하는데에 적합한 구체적인 구성이나 기판의 냉각 방법에 대해서는 알려져 있지 않다.

일본국 공개특허공보 2001-68427호 US7935942 공보

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 냉매를 이용한 기판의 냉각을 시행하면서도, 예를 들면 -60℃~-100℃ 등의 극저온으로 기판을 냉각하는 것을 가능하게 하고, 냉매가 유통하는 수지제 배관의 유연성을 해치는 일 없이 이온빔 조사시에 자유롭게 기판을 이동시킬 수 있으며, 또 이온빔이 기판에 조사되고 있는 동안 기판의 온도 상승을 억제하고, 이온빔 조사 중에도 항상 기판의 온도를 소정 온도에서 일정하게 유지할 수 있는 이온빔 조사 장치 및 기판 냉각 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 이온빔 조사 장치는 기판반송기구의 기판 유지부에 유지되고 있는 기판을 냉각하도록 구성된 이온빔 조사 장치로서, 기판과 냉매 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환부와, 상기 열 교환부에 냉매를 유통시키기 위한 유연성을 가진 수지제 배관을 구비하는 제1 냉각기구와, 열 이송에 의해 상기 기판을 냉각하는 제2 냉각기구와, 적어도 상기 기판의 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관의 내한한계온도 이하인 경우, 상기 수지제 배관에 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매를 유통시키면서, 상기 제2 냉각기구에 의해 상기 기판을 냉각시키는 냉각기구 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

또 본 발명의 기판 냉각 방법은 기판과 냉매 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환부와, 상기 열 교환부에 냉매를 유통시키기 위한 유연성을 가진 수지제 배관을 구비하는 제1 냉각기구와, 열 이송에 의해 상기 기판을 냉각하는 제2 냉각기구를 구비하고, 기판반송기구의 기판 유지부에 유지되고 있는 기판을 냉각하도록 구성된 이온빔 조사 장치에 이용되는 기판 냉각 방법으로서, 적어도 상기 기판의 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관의 내한한계온도 이하인 경우에, 상기 수지제 배관에 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매를 유통시키면서 상기 제2 냉각기구에 의해 상기 기판을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

이러한 것이라면 기판의 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관의 내한한계온도 이하인 경우에는 상기 제1 냉각기구의 상기 열 교환부에서 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매를 흘려서 상기 기판을 1차 냉각함과 아울러 상기 제1 냉각기구에 의해 목표 기판냉각온도까지 냉각할 수 없는 분에 대해서는 상기 제2 냉각기구의 열 이송에 의한 2차 냉각에 의해서 냉각하므로, 상기 기판의 온도를 목표 기판냉각온도까지 저하시킬 수 있다.

이때, 상기 수지제 배관에는 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매 밖에 유통하고 있지 않기 때문에 상기 수지제 배관의 유연성이 손상되는 일이 없어서, 극저온으로 기판을 냉각하면서 상기 기판반송기구에 의해 기판의 위치를 변경해도 수지제 배관이 파손되는 일은 없다. 따라서 기판을 냉각하면서 상기 기판반송기구에 의해 기판을 자유롭게 움직일 수 있고, 기판 표면에 이온빔을 다양한 양태로 조사할 수 있게 된다.

또 상기 제1 냉각기구에 의해 상기 기판을 1차 냉각하여 기판의 온도를 어느 정도 저하시키고 있으므로, 상기 제2 냉각기구는 기판으로부터 그렇게까지 큰 열량을 열 이송하지 않아도 목표 기판냉각온도까지 상기 기판을 냉각할 수 있다. 즉, 제2 냉각기구가 그렇게까지 큰 열 이송 작업을 하지 않아도 되고, 과대한 냉각 능력을 요구받고 있지 않기 때문에 예를 들면 현재의 펠티어 소자 등을 이용하여 목표 기판냉각온도까지 기판을 냉각할 수 있게 된다.

예를 들면 이온 주입 등에 있어서 기판 표면을 비정질화하고, 매우 얕은 접합이 형성되도록 하여 고품질의 이온 주입이 이루어지도록 하려면 목표 기판냉각온도가 -60℃ 이하면 된다.

상기 제2 냉각기구에 의해 기판에서 이송되는 열을 외부에 효율적으로 배출하여 기판을 적합하게 냉각할 수 있도록 하기 위한 구체적인 구성으로는, 상기 제2 냉각기구가, 흡열면이 상기 기판 유지부와 접촉하고 방열면이 상기 열 교환부와 접촉하는 펠티어 소자인 것을 들 수 있다.

상기 열 교환부와 상기 기판 유지부에 유지되고 있는 기판의 직접 또는 간접적인 접촉 면적을 보다 증가시켜서 냉매와 기판 사이의 열 교환이 효율적으로 이루어짐으로써 제1 냉각기구에 의한 기판의 냉각 능력을 보다 크게 하려면 상기 열 교환부가, 상기 기판 유지부와 유지되고 있는 기판 사이의 공간이며, 기판 냉각시에 가스가 저류(貯留)되는 가스 저류부와, 상기 가스 저류부에 가스를 공급하거나 또는 상기 가스 저류부로부터 가스를 배출하기 위한 가스 경로와, 상기 가스 경로의 적어도 일부와 접촉하고, 냉매가 유통하는 냉매 유통부로 구성되어 있으면 된다. 이러한 것이라면 상기 기판 유지부를 통해서 뿐만 아니라, 상기 가스 저류부 및 가스 경로에 있는 가스를 통해서 냉매는 기판과 열 교환을 시행할 수 있기 때문에 제1 냉각기구만으로도 보다 효율적으로 기판을 냉각할 수 있다.

상기 펠티어 소자의 열 이송에 의해 기판으로부터 빼앗긴 열을 효율적으로 외부에 배출할 수 있도록 하고, 상기 펠티어 소자의 냉각 효율을 높은 상태로 유지할 수 있도록 하려면 상기 펠티어 소자의 방열면이 상기 냉매 유통부와 접촉하고 있으면 된다.

예를 들면 이온빔이 조사되어서 기판에 열이 부여됨으로써 기판의 온도가 목표 기판냉각온도로부터 상승했다고 하더라도 즉시 목표 기판냉각온도까지 피드백 제어되어 항상 그 온도에서 유지되도록 하려면 상기 기판 유지부에 유지되고 있는 기판과 접촉하여 상기 기판의 온도를 측정하는 접촉식 온도 센서를 더 구비하고, 상기 냉각기구 제어부가 상기 제1 냉각기구의 냉매의 온도를 목표 냉매온도에서 일정하게 유지하도록 제어함과 아울러 상기 접촉식 온도 센서에서 측정되는 기판측정온도와 목표 기판냉각온도의 편차가 작아지도록 상기 제2 냉각기구를 제어하도록 구성되어 있으면 된다.

또 본 발명의 이온빔 조사 장치는 기판반송기구의 기판 유지부에 유지되고 있는 기판을 냉각하도록 구성된 이온빔 조사 장치로서, 기판과 냉매 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환부를 구비하는 제1 냉각기구와, 열 이송에 의해 상기 기판을 냉각하는 제2 냉각기구와, 상기 기판의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 제1 냉각기구에서의 냉매온도를 목표 냉매온도에서 일정하게 유지하도록 제어함과 아울러 기판의 목표 기판냉각온도와 상기 온도 센서에서 측정되는 기판측정온도의 편차가 작아지도록 상기 제2 냉각기구를 제어하도록 구성되어 있는 냉각기구 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

또 본 발명의 기판 냉각 방법은 기판과 냉매 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환부를 구비하는 제1 냉각기구와, 열 이송에 의해 상기 기판을 냉각하는 제2 냉각기구와, 상기 기판의 온도를 측정하는 온도 센서를 구비하고, 기판반송기구의 기판 유지부에 유지되고 있는 기판을 냉각하도록 구성된 이온빔 조사 장치에 이용되는 기판 냉각 방법으로서, 상기 제1 냉각기구의 냉매의 온도를 목표 냉매온도에서 일정하게 유지하도록 제어함과 아울러 기판의 목표 기판냉각온도와 상기 온도 센서에서 측정된 기판측정온도의 편차가 작아지도록 상기 제2 냉각기구를 제어하는 것을 특징으로 한다.

이러한 것이라면 상기 제1 냉각기구에 의해 기판을 1차 냉각하여 기판을 목표 냉매온도까지 냉각해서 목표 기판냉각온도에 가까운 온도에서 일정하게 유지한 상태로 하고 있으므로, 상기 제2 냉각기구는 상기 제1 냉각기구에 의해 유지되고 있는 기판 온도로부터의 변동분만을 2차 냉각에 의해 제어하게 된다.

따라서 상기 제2 냉각기구는 작은 온도 변화만을 제어하면 되고, 그 온도 제어 범위를 크게 잡을 필요가 없기 때문에 응답성을 높게 설정하기 쉽다. 이것으로부터 예를 들면 기판에 대해 이온빔이 조사됨으로써 기판의 온도 상승이 생겼다고 하더라도 즉시 그 온도 상승을 억제하도록 상기 제2 냉각기구가 동작할 수 있고, 항상 기판의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.

또 기판의 온도를 항상 일정하게 유지할 수 있기 때문에, 종래보다 이온빔 조사시의 기판 표면의 상태를 원하는 상태로 유지할 수 있고, 보다 바람직한 특성을 가진 기판으로 할 수 있게 된다.

기판의 온도 변화에 대해 즉시 대응할 수 있도록 하기 위해서는 상기 제2 냉각기구가, 흡열면이 상기 기판 유지부와 접촉하고, 방열면이 상기 열 교환부와 접촉하는 펠티어 소자면 된다.

상기 열 교환부와 상기 기판 유지부에 유지되고 있는 기판의 직접 또는 간접적인 접촉 면적을 보다 증가시켜서, 냉매와 기판 사이의 열 교환이 효율적으로 이루어짐으로써 제1 냉각기구에 의한 기판의 온도 저하량을 보다 크게 할 수 있도록 하기 위해서는 상기 열 교환부가 상기 기판 유지부와 유지되고 있는 기판 사이의 공간이며, 기판 냉각시에 가스가 저류되는 가스 저류부와, 상기 가스 저류부에 가스를 공급하거나 또는 상기 가스 저류부로부터 가스를 배출하기 위한 가스 경로와, 상기 가스 경로의 적어도 일부와 접촉하고 냉매가 유통하는 냉매 유통부로 구성되어 있으면 된다.

상기 제2 냉각기구에 의해 기판으로부터 이송되는 열을 외부에 효율적으로 배출하여 기판을 적합하게 냉각할 수 있도록 하기 위한 구체적인 구성으로는 상기 펠티어 소자의 방열면이 상기 냉매 유통부와 접촉하는 것을 들 수 있다.

예를 들면 이온빔이 조사되어서 기판에 열이 부여됨으로써 기판의 온도가 목표 기판냉각온도로부터 상승했다고 하더라도 즉시 목표 기판냉각온도까지 피드백 제어되어 항상 그 온도에서 유지되도록 하려면 상기 온도 센서가 상기 기판 유지부에 유지되고 있는 기판과 접촉하여 상기 기판의 온도를 측정하는 접촉식 온도 센서 인 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명의 이온빔 조사 장치 및 기판 냉각 방법에 따르면 극저온으로 기판을 냉각하는 경우에는 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매를 상기 수지제 배관에 흘려서 상기 제1 냉각기구에 의한 기판의 1차 냉각을 시행하고, 나머지 기판의 냉각을 제2 냉각기구의 열 이송에 의해 실현하도록 구성되어 있기 때문에 냉매가 유통하는 수지제 배관이 취화되는 것을 방지하면서 목표 기판냉각온도까지 기판을 냉각할 수 있게 된다.

또 제1 냉각기구에 의해 목표 기판냉각온도에 가까운 온도에서 일정하게 유지한 상태에서 제2 냉각기구에 의해 기판측정온도의 변화분을 피드백 제어하도록 구성되어 있기 때문에, 제2 냉각기구가 제어 대상으로 하는 범위를 좁힐 수 있으며, 온도 제어의 응답성을 높이기 쉽다. 따라서 이온빔이 기판에 조사됨으로써 기판의 온도가 상승했다고 하더라도 즉시 목표 기판냉각온도까지 기판을 냉각하고 그 온도에서 일정하게 유지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 이온 주입 장치의 이온 주입실의 구성을 나타내는 모식적 사시도이다.
도 2는 상기 실시형태에서 기판반송기구의 정전 척 주변의 구조를 나타내는 모식적 단면 확대도이다.
도 3은 상기 실시형태에서 접촉식 센서의 부착 구조를 나타내는 모식적 단면 확대도이다.
도 4는 상기 실시형태에서 기판 냉각기구 제어부 등의 구성을 나타내는 기능 블록도이다.
도 5는 상기 실시형태에서 기판의 온도 제어 개념을 나타내는 모식적 그래프이다.
도 6은 종래의 기판 냉각기구를 구비한 이온 주입 장치를 나타내는 모식도이다.

본 발명의 일실시형태에 대해서 도 1 내지 5를 참조하면서 설명한다.

본 실시형태의 이온빔 조사 장치는 예를 들면 비소나 인, 붕소 등을 이온종으로서 포함하는 이온빔을 반도체 기판에 대해 조사하여 그 이온종을 주입하는 이온 주입 장치(100)이다. 그리고 이 이온 주입 장치(100)는 이온 주입시에 기판 표면을 비정질화하고, 매우 얕은 접합이 형성되도록 기판(W)을 소정 극저온으로 냉각한 상태에서 저온 이온 주입을 할 수 있도록 구성하고 있다.

또 이온 주입시에 기판 표면의 포토 레지스트의 열에 의한 변형을 일으키지 않을 정도의 온도로 냉각하는 상온 이온 주입에도 대응할 수 있도록 구성하고 있다.

도 1에 도시하는 바와 같이 상기 이온 주입 장치(100)는 내부가 진공으로 유지된 진공실(VR)이 칸막이벽(4)에 의해 상하로 분리되어 있다. 그리고 기판반송기구(3)의 상부구조(3U)와 하부구조(3B)를 각각의 방에 걸쳐 배치하고 있으며, 상기 칸막이벽(4)에 형성된 연결 슬릿(41)을 통해 상기 상부구조(3U)와 하부구조(3B)를 연결하고 있다.

보다 구체적으로는 상기 이온 주입 장치(100)는 기판(W)을 기판 유지부(31)에 유지하고, 그 기판(W)의 이온빔에 대한 위치나 자세를 적절하게 변경하는 상기 기판반송기구(3)와, 상기 기판반송기구(3)의 상부구조(3U)가 수용되는 상기 진공실(VR)의 상측의 방이며, 기판(W)에 이온빔이 조사되는 이온 주입실(1)과, 상기 진공실(VR)의 하측의 방이며, 상기 기판반송기구(3)의 하부구조(3B) 및 각종 급전용 코드나 냉매 공급용 수지제 배관(5B)의 일부가 수용되는 직동기구 수용실(2)과, 상기 기판 유지부(31)에 유지되고 있는 기판(W)을 냉각하기 위한 냉각 시스템(FS)을 구비하고 있다.

각 부분에 대해서 설명한다.

상기 기판반송기구(3)는 상부구조(3U)가 주로 유지되고 있는 기판(W)의 자세 제어를 시행하는 것이며, 하부구조(3B)가 유지되고 있는 기판(W)을 이온빔에 대해 가로지르게 하기 위해 수평방향으로 이동하기 위한 것이다. 즉, 상기 상부구조(3U)는 수직축둘레의 회전을 위한 수직축둘레 회전기구(3R)와, 기판(W)을 착탈 가능하게 유지하는 상기 기판 유지부(31)로 구성되어 있다. 상기 기판 유지부(31)는 유지되고 있는 기판(W)의 표면에 대해 수직인 축 둘레로 회전 가능하게 구성되어 있는 정전 척이다. 이 기판 유지부(31)의 근방에는 유지되고 있는 기판(W)을 냉각하기 위해 상기 냉각 시스템(FS)의 일부가 구성되어 있다.

상기 하부구조(3B)는 모터(32), 볼스크류(33), 너트(34), 안내(미도시)로 이루어지는 직동기구이며, 이온빔의 짧은 변 방향을 가로지르도록 상기 상부구조(3U)를 이동시키는 것이다.

상기 상부구조(3U) 및 상기 하부구조(3B)는 상기 칸막이벽(4)에 형성된 연결 슬릿(41)을 통해 연결 부재에 의해 연결되어 있고, 상기 하부구조(3B)의 수평 방향에 대한 직동 운동에 의해 상기 상부구조(3U) 전체도 이동함으로써 상기 기판 유지부(31)에 유지되고 있는 기판(W)도 이동한다. 그리고 상기 연결 부재는, 상부구조(3U)는 하부구조(3B)와는 독립적으로 회전 운동할 수 있도록 연결하고 있다.

상기 이온 주입실(1)은 대략 중공(中空) 직방체형상을 이루는 방이며 그 측면 중앙부에 이온빔이 도입되는 이온빔 도입구(11)가 형성되어 있고, 상하 방향으로 연장되는 리본 형상의 이온빔이 내부에 도입되도록 되어 있다. 이 이온 주입실(1)에는 인접하여 마련된 기판 대기실(미도시)이 마련되어 있어서, 상기 기판 대기실에서 상기 기판반송기구(3)가 기판(W)을 받아서 이온빔 조사 위치로 기판(W)을 반송하고 기판 표면에 대해 이온 주입이 이루어진다. 이온 주입이 끝난 기판(W)은 이온 주입실(1)에 인접하여 마련된 기판 반출실(미도시)로 반출된다.

상기 직동기구 수용실(2)은 상기 기판반송기구(3)의 하부구조(3B)의 일부를 수용하는 것으로서, 보다 구체적으로는 상기 모터(32)는 상기 직동기구 수용실(2)의 바깥쪽, 즉 대기측에 마련되어 있고, 그 외의 볼스크류(33), 너트(34), 안내에 관해서는 상기 직동기구 수용실(2)의 내부에 수용하고 있다. 또 상기 이온 주입실(1)보다 상기 직동기구 수용실(2) 쪽이 진공도를 높게 하도록 구성되어 있다.

상기 냉각 시스템(FS)은 유지되고 있는 기판(W)과 냉매의 열 교환에 의해 기판(W)을 냉각하는 제1 냉각기구(5)와, 기판(W)의 열 이송에 의해 기판(W)을 냉각하는 제2 냉각기구인 펠티어 소자(6)와, 상기 제1 냉각기구(5) 및 제2 냉각기구의 동작을 제어하는 냉각기구 제어부(7)로 구성되어 있다. 하기의 설명에서는 도 1의 사시도 및 도 2의 기판 유지부(31)의 주변 확대 단면도를 참조하면서 설명한다.

상기 제1 냉각기구(5)는 이른바 냉동 사이클을 운영하는 것이며, 진공실(VR) 밖에 배치된 칠러(chiller)(54)(도 1에서는 도시하지 않음)와 진공실(VR) 내의 상기 기판 유지부(31)에 마련되어 있으며, 기판(W)과 냉매의 열 교환이 이루어지는 열 교환부(5A) 사이에서 냉매가 순환하도록 냉매 회로를 구성하고 있다. 또한 상기 제1 냉각기구(5)는 도 1에 도시하는 바와 같이 상기 칠러(54)와 상기 열 교환부(5A) 사이를 연결하는 배관 중 적어도 진공실(VR) 내에서 상기 열 교환부(5A)까지 연장하는 배관에 대해서는 수지제 배관(5B)을 이용하고 있다. 이 수지제 배관(5B)은 유연성을 가진 것으로서, 상기 기판반송기구(3)의 이동에 의해 상기 열 교환부(5A)의 위치가 이동해도 그 이동에 맞춰서 어느 정도 추종하고, 기판반송기구(3)의 이동을 방해하지 않도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로는 상기 직동기구 수용실(2) 내부를 지나는 상기 수지제 배관(5B)은 상기 기판반송기구(3)에 대해 외부에서 전력을 공급하기 위한 전력 케이블(미도시), 제어용 신호선(미도시)과 함께 주름상자 형상의 케이블 가이드(35) 내에 수용되어 있으며 소정 범위 내에서 기판반송기구(3)의 움직임에 맞춰서 이동하도록 되어 있다. 그리고 이 수지제 배관(5B)은 수지의 특성상, 내한한계온도 이하의 온도가 되면 취화가 진행되어 유연성을 잃어버려서 기판반송기구(3)의 이동에 추종할 때에 파손될 우려가 있으므로 본 실시형태에서는 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매만 흐르도록 구성되어 있다. 또한 여기서 말하는 내한한계온도란 예를 들면 제조업체에 의한 이용 권장 온도, 혹은 유연성이 저하되어 기판반송기구(3)의 움직임에 의해 수지제 배관(5B)이 파손될 우려가 있는 온도를 말하며, 본 실시형태에서는 내한한계온도를 -60℃로 설정하고 있다.

상기 열 교환부(5A)는 기능적으로 설명하면 도 2에 도시하는 바와 같이 상기 기판 유지부(31)와 유지되고 있는 기판(W) 사이의 공간이며, 기판(W) 냉각시에 가스가 저류되는 가스 저류부(51)와, 상기 가스 저류부(51)에 가스를 공급하거나 또는 상기 가스 저류부(51)로부터 가스를 배출하기 위한 가스 경로(52)와, 상기 가스 경로(52)의 적어도 일부와 접촉하고 냉매가 유통하는 냉매 유통부(53)로 구성되어 있다. 각 부재의 배치에 대해서 설명하면 기판(W), 상기 가스 저류부(51), 기판 유지부(31), 제2 냉각기구, 냉매 유통부(53)의 순서로 배치되어 있다.

보다 구체적으로는 상기 기판 유지부(31)의 선단면(先端面)은 대략 얇은 원환상의 돌조(突條)(311)를 가지고 있으며, 그 돌조(311)의 평면에 기판(W)의 이면을 정전 척하도록 구성되어 있다. 따라서 상기 돌조(311)의 내부 둘레측은 기판(W)이 유지되고 있는 상태에서 공간이 형성되게 되어 이 공간을 기판(W) 냉각시에 가스가 저류되는 가스 저류부(51)로 하고 있다.

상기 가스 경로(52)는 본 실시형태에서는 상기 가스 저류부(51)에 가스를 공급하는 가스 공급관과, 상기 가스 저류부(51)로부터 가스를 배출하기 위한 가스 배출관으로 이루어지는 것으로, 상기 가스 공급관 및 상기 가스 배출관은 상기 냉매 유통부(53)의 내부를 지나서 가스와 냉매 사이에서 열 교환이 생기도록 구성되어 있다.

상기 냉매 유통부(53)는 대략 중공 평원통(平圓筒)형상으로 형성한 것으로서, 상기 칠러(54)에 의해 냉각된 냉매가 상기 수지제 배관(5B)을 통해 유입되고, 그 내부에서 냉매가 일시적으로 체류하여 가스와의 사이에서 열 교환이 이루어진 후 다시 상기 수지제 배관(5B)을 통해 칠러(54)에 냉매가 되돌아가도록 하고 있다.

이러한 제1 냉각기구(5)의 냉각 작용에 대해서 설명한다. 기판(W)의 냉각시에 상기 가스 저류부(51)에 가스가 저류되면 진공 분위기 중에 배치되어 있는 기판(W) 대해 그 이면의 극소한 요철 형상과도 빈틈없이 접촉하는 열 전도체가 배치되게 되어 기판(W)으로부터의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 상기 가스 경로(52)를 통해 상기 냉매 유통부(53)의 냉매는 상기 기판(W)과 직접 열 교환할 수 있기 때문에, 가령 상기 제2 냉각기구가 없었다고 하더라도 열전도가 생겨 기판(W)을 냉각할 수 있다. 바꿔 말하면, 상기 제1 냉각기구(5)는 단체에서도 기판(W)과의 열 교환이 생길 수 있도록 구성되어 있다. 또한 본 실시형태에서는 상기 냉매 유통부(53)는 양호한 열 전도체인 상기 펠티어 소자(6)를 통해 상기 기판 유지부(3)와도 접촉하고 있으므로 이 열 경로를 통해도 열 교환에 의해 상기 기판(W)을 냉각할 수 있도록 되어 있다.

다음으로 제2 냉각기구에 대해서 설명한다.

상기 제2 냉각기구는 제1 냉각기구(5)와 달리 열 교환에 의한 기판(W)의 냉각이 아니라, 기판(W)에서 기판(W) 밖에 대한 열 이송에 의해 기판(W)을 냉각하도록 구성되어 있다. 여기서 열 이송에 의한 냉각이란, 예를 들면 냉매를 이용하지 않고 저온측의 물체로부터 고온측의 물체에 열을 이송함으로써 저온측의 물체의 온도를 더 저하시킬 수 있는 냉각 방법을 포함한다. 또한 제1 냉각기구(5)와 같은 열 교환에 의한 냉각에서는 기판(W)보다 냉매가 저온인 경우에만 기판(W)이 냉각되기 때문에 기판(W)의 온도는 냉매온도보다 낮은 온도가 되는 경우는 없다.

보다 구체적으로는 상기 제2 냉각기구는 흡열면(61)이 상기 기판 유지부(31)와 접촉하고, 방열면(62)이 상기 냉매 유통부(53)와 접촉하도록 마련된 펠티어 소자(6)이며, 전자의 흐름에 의해 기판(W)에서 상기 기판 유지부(31)를 통해 열을 빼앗아 그 빼앗은 열을 상기 냉매 유통부(53)로 방출하도록 구성되어 있다.

상기 냉각기구 제어부(7)는 CPU, 메모리, AC/DC 컨버터, 입출력 수단 등을 구비하는 이른바 컴퓨터에 있어서, 상기 메모리에 저장되어 있는 프로그램이 실행됨으로써 그 기능이 실현되는 것이다. 그리고 이 냉각기구 제어부(7)는 적어도 기판(W)의 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관(5B)의 내한한계온도 이하인 경우에, 상기 수지제 배관(5B)에 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매를 유통시키면서 상기 제2 냉각기구에 의해 상기 기판(W)을 냉각시키도록 구성되어 있다.

또 도 3에 도시하는 바와 같이 상기 기판 유지부(31)에 유지되고 있는 기판(W)에 대해 이면측으로부터 직접 접촉하여 상기 기판(W)의 온도를 측정하는 접촉식 온도 센서(TS)를 마련하고 있다. 상기 접촉식 온도 센서(TS)는 도 2에 도시하는 바와 같이 기판(W)의 복수 부위의 온도를 측정할 수 있도록 복수 부위에 마련하고 있고, 기판 유지부(31)측으로부터 상기 가스 저류부(51)를 지나서 기판(W)의 이면에 접촉하도록 되어 있다. 상기 냉각기구 제어부(7)는 그 접촉식 온도 센서(TS)에서 얻어지는 기판측정온도를 이용하여 상기 제1 냉각기구(5) 및 상기 제2 냉각기구를 제어한다.

보다 구체적으로는 도 4의 기능 블록도에 도시하는 바와 같이 본 실시형태에서는 상기 냉각기구 제어부(7)는 상기 제1 냉각기구(5)를 제어하는 제1 냉각기구 제어부(71)와, 상기 제2 냉각기구의 냉각 능력을 제어하는 제2 냉각기구 제어부(72)로 이루어진다. 그리고 상기 제1 냉각기구 제어부(71)에 의한 냉매온도의 제어에서는, 상기 접촉식 온도 센서(TS)에서 측정되는 기판측정온도는 수지제 배관(5B)의 내한한계온도보다 높은 온도에서 목표 냉매온도를 목표값으로서 몇℃로 설정할지를 결정하기 위해 이용된다. 한편 상기 제2 냉각기구 제어부(72)에서는 상기 접촉식 온도 센서(TS)의 기판측정온도가 상시 피드백되며, 목표 기판냉각온도와 기판측정온도의 편차가 작아지도록 상기 펠티어 소자(6)에 인가하는 전압에 대해서 피드백 제어를 시행하도록 구성되어 있다.

각 제어부에 대해서 상세하게 기술한다. 상기 제1 냉각기구 제어부(71)는 상기 냉매 유통부(53)에 공급되는 냉매의 온도를 목표 냉매온도가 되도록 제어하는 냉매온도 제어부(73)와, 상기 가스 저류부(51)에 대한 가스 공급 및 배출을 제어하는 가스 제어부(74)를 구비한다.

상기 냉매온도 제어부(73)는 목표 기판냉각온도에 따라 그 동작이 전환되도록 구성되어 있어서 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관(5B)의 내한한계온도 이하인 경우에는 그 내한한계온도보다 미리 정한 온도분만큼 높은 온도로 목표 냉매온도를 설정하고, 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관(5B)의 내한한계온도보다 높은 경우에는 목표 냉매온도를 목표 기판냉각온도와 같은 온도로 설정하도록 구성되어 있다. 그리고 상기 냉매온도 제어부(73)는 예를 들면 상기 칠러(54) 등으로 이루어지는 냉동 사이클 내에 마련된 온도 센서에서 측정되는 냉매온도가 설정한 목표 냉매온도에서 유지되도록 냉동 사이클의 각 기기를 제어한다.

상기 가스 제어부(74)는 상기 기판 유지부(31)에 의해 기판(W)이 유지되면 상기 가스 저류부(51)에 대해 미리 정한 소정량의 가스를 상기 가스 경로(52)에 의해 공급하고, 상기 기판 유지부(31)로부터 기판(W)이 분리되기 전, 즉 정전 척에 인가되는 전압을 해제하기 전에 상기 가스 저류부(51)로부터 가스를 배출시켜서 상기 진공실(VR) 내와 대략 같은 압력이 되도록 하여 정전 척이 해제되었을 때에 기판(W)이 압력차에 의해 진공실(VR) 내부로 튀어나오지 않도록 제어한다.

상기 제2 냉각기구 제어부(72)는 상기 펠티어 소자(6)에 인가되는 전압을 목표 기판냉각온도와 상기 접촉식 온도 센서(TS)에 의해 측정되는 기판측정온도의 편차에 기초하여 제어하는 것이다. 여기서 상기 냉매온도 제어부(73)는 목표 냉매온도로 냉매온도를 일정하게 유지하도록 제어하고 있으므로, 상기 제2 냉각기구 제어부(72)는 목표 기판냉각온도와 목표 냉매온도의 차분에 상당하는 열량과, 이온빔이 기판(W)에 조사됨으로써 발생하는 열량을 기판(W)에서 상기 냉매 유통부(53)로 열 이송하도록 펠티어 소자(6)에 인가하는 전압을 제어하게 된다.

이와 같이 구성된 이온 주입 장치(100)에 의한 기판 냉각시의 동작에 대해서 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관(5B)의 내한한계온도보다 낮은 경우와 높은 경우에 대해 각각 도 5의 온도 변화 그래프를 참조하면서 설명한다.

목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관(5B)의 내한한계온도인 -60℃보다 낮은 -100℃로 설정되어 있는 경우, 상기 냉매온도 제어부(73)는 목표 냉매온도를 내한한계온도보다 높은 온도인 예를 들면 -55℃로 설정하고, 냉매온도를 이 온도에서 일정하게 유지하도록 상기 칠러(54) 등을 제어한다. 그리고 목표 기판냉각온도인 -100℃와 목표 냉매온도인 -55℃의 차분 온도에 상당하는 분의 열에 관해서는 상기 펠티어 소자(6)에 의해 기판(W)에서 열 이송되도록 상기 제2 냉각기구 제어부(72)는 상기 펠티어 소자(6)에 대해 전압을 인가한다. 예를 들면 상기 제2 냉각기구 제어부(72)는 흡열면(61)과 방열면(62) 사이에 설정해야할 온도차에 비례 또는 상관한 전압을 펠티어 소자(6)에 인가한다.

도 5(a)에 도시하는 바와 같이 이온빔이 기판(W)에 대해 조사되어 있지 않은 이온빔 비조사 기간에는 제1 냉각기구(5)와 제2 냉각기구의 작용에 의해 약 -100℃에서 기판(W)의 온도는 유지되지만, 이온빔이 기판(W)에 대해 조사되면 그 만큼 기판(W)에 대해 열량이 부여되기 때문에 도 5(a)의 이온빔 조사 기간에 나타나는 바와 같이 상기 접촉식 온도 센서(TS)에 의해 측정되는 기판측정온도는 -100℃에서 상승한다. 이 경우 목표 기판냉각온도와 기판측정온도 사이에 생기는 편차의 크기가 변동하기 때문에 상기 제2 냉각기구 제어부(72)는 그 편차의 변동에 따라 상기 펠티어 소자(6)에 인가하는 전압을 변경하고, -100℃에서 유지되도록 피드백을 하게 된다.

즉, 도 5(a)의 이온빔 비조사 기간에는 목표 냉매온도와 목표 기판냉각온도의 설정 온도 차분에 대해 상기 펠티어 소자(6)는 냉각을 계속하고 있는 것에 비해, 이온빔 조사 기간에 상기 펠티어 소자(6)는 전술한 설정 온도 차분뿐만 아니라 온도 상승으로 인한 변동분도 포함하여 냉각해서 목표 기판냉각온도가 기판(W)에서 유지되도록 동작한다. 또 이온빔 조사 기간에는 상기 제1 냉각기구(5)는 목표 냉매온도를 변경하지 않고 이온빔 비조사 기간과 동일한 온도로 일정하게 유지하도록 하고, 기판(W) 근처에 마련되어 있어서 인가 전압이 변경되면 즉시 냉각량을 변경할 수 있는 펠티어 소자(6)만 측정 기판 온도에 의한 피드백을 하도록 하고 있으므로, 온도 변화가 생기더라도 시간 지연을 거의 발생시키지 않고 기판(W)의 온도를 -100℃에서 대략 일정하게 유지할 수 있다.

다음으로 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관(5B)의 내한한계온도보다 높은 온도인 경우의 동작에 대해서 도 5(b)를 참조하면서 설명한다. 여기에서는 구체적인 예로서 목표 기판냉각온도가 -40℃, 내한한계온도가 -60℃인 경우를 생각하고 있다.

이 경우, 상기 냉매온도 제어부(73)는 목표 냉매온도를 목표 기판냉각온도와 같은 온도인 -40℃로 설정한다. 여기서 도 5(b)의 이온빔 비조사 기간에는 외부에서 진공중에 있는 기판(W)으로 유입되는 열은 거의 존재하지 않기 때문에 실질적으로 제1 냉각기구(5)의 동작만으로 기판(W)의 온도가 -40℃로 유지된다. 한편 이온빔 조사 기간에는 기판(W)에 이온빔이 조사되면 기판 온도가 상승하기 때문에 목표 기판냉각온도와 상기 접촉식 온도 센서(TS)에 의해 측정되는 기판측정온도 사이에 편차가 생긴다. 따라서 도 5(b)의 이온빔 조사 기간에는 상기 펠티어 소자(6)에 그 편차에 따른 전압이 인가되어 냉각 동작을 실시하게 된다. 즉, 상기 제1 냉각기구(5)는 기판측정온도와 관계없이 -40℃의 냉매에 의한 기판(W)의 냉각을 계속하고 있는 것에 비해, 상기 펠티어 소자(6)는 이온빔 비조사 기간에는 거의 냉각하는 경우는 없고, 이온빔 조사 기간에 기판측정온도가 -40℃에서 변동하고 있는 경우에만 동작하게 된다.

이와 같이 기판(W) 근방에 마련되어 있는 상기 펠티어 소자(6)가 목표 기판냉각온도에서 변동한 온도분만을 대상으로 냉각하기 때문에 변동이 생긴 경우라도 매우 우수한 응답성으로 기판(W)의 온도를 극저온에서 일정하게 유지할 수 있다. 보다 구체적으로는 이온빔이 기판(W)에 조사됨으로 인한 온도 상승분의 냉각을 제1 냉각기구(5)에서 피드백 제어하려고 하면 진공실(VR)의 외측에 있는 기판(W)에서 멀리 떨어진 칠러(54)의 동작을 변경하여 그 결과가 나올 때까지 큰 시간 지연이 발생한다. 그렇기 때문에 제1 냉각기구(5)만으로는 온도 상승을 즉시 취소하도록 기판(W)의 온도 제어를 시행하는 것은 어렵다. 이에 비해 온도 상승분에 대해서는 진공실(VR) 내에서 기판(W) 근방에 마련되어 있는 펠티어 소자(6)에 의해 온도 제어하므로 시간 지연을 거의 발생시키지 않고 즉시 목표 기판냉각온도까지 기판(W)을 냉각하고 그 온도에서 일정하게 유지할 수 있다.

이상과 같이 상술해 온 본 실시형태의 이온 주입 장치(100)에 따르면 기판(W)의 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관(5B)의 내한한계온도 이하인 경우에는 목표 냉매온도를 내한한계온도보다 높은 온도로 설정하여 상기 제1 냉각기구(5)의 상기 열 교환부(5A)에 있어서 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매를 흘려서 상기 기판(W)을 1차 냉각함과 아울러 상기 제1 냉각기구(5)에 의해 목표 기판냉각온도까지 냉각할 수 없는 분의 기판(W)의 열량에 대해서는 상기 펠티어 소자(6)의 열 이송에 의한 2차 냉각에 의하여 냉각하기 때문에 기판(W)의 온도를 목표 기판냉각온도까지 저하시킬 수 있다.

이때, 상기 수지제 배관(5B)에는 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매 밖에 유통하고 있지 않기 때문에 상기 수지제 배관(5B)의 유연성은 손상되는 일이 없고, 극저온으로 기판(W)을 냉각하면서 상기 기판반송기구(3)에 의해 기판(W)의 위치를 변경해도 수지제 배관(5B)이 파손되는 일은 없다. 따라서 내한한계온도보다 낮은 온도로 기판(W)을 냉각하면서 상기 기판반송기구(3)에 의해 기판(W)을 자유롭게 움직일 수 있어, 기판 표면에 이온빔을 다양한 양태로 조사할 수 있게 된다.

또한 상기 제1 냉각기구(5)에 의해 상기 기판(W)을 1차 냉각하여 기판(W)의 온도를 어느 정도 저하시키고 있으므로, 상기 펠티어 소자(6)는 기판(W)에서 그렇게까지 큰 열량을 열 이송하지 않아도 목표 기판냉각온도까지 기판(W)을 냉각할 수 있고, 펠티어 소자(6)에 과대한 능력이 요구되는 일도 없다.

또 상기 접촉식 온도 센서(TS)에 의해 이온빔 조사시에도 기판(W)의 온도를 실시간으로 모니터링하고, 목표 기판냉각온도와 기판측정온도의 편차에 의해 상기 펠티어 소자(6)를 피드백 제어하도록 구성하고 있기 때문에 이온빔 조사 중에도 목표 기판냉각온도에서 대략 일정하게 유지할 수 있다.

따라서 종래보다 저온 이온 주입의 온도 제어 정밀도가 향상되게 되므로 저온 이온 주입된 기판(W)의 특성에 대해서도 종래 이상으로 할 수 있게 된다.

기타 실시형태에 대해서 설명한다.

본 발명의 이온빔 조사 장치는 이온 주입 장치(100)뿐만 아니라, 예를 들면 이온 도핑 장치, 이온빔 증착(deposition) 장치, 이온빔 에칭(etching) 장치 등 다양한 용도를 포함하는 개념이다. 또 기판(W)으로는 실리콘 웨이퍼에 한정되는 것이 아니라 유리 기판이나 반도체 기판 등에 대해서 온도 관리하면서 이온빔을 조사하는 용도로 이용할 수 있다. 또 유리 기판 등에 대해서 이온빔을 조사하는 경우에는 기판이 기판반송기구의 기판 유지부에 유지되도록 정전 척 이외의 척 방법으로 척되도록 하면 된다.

상기 실시형태에서는, 상기 제2 냉각기구는 펠티어 소자(6)를 이용했지만 그 밖에 열 이송에 의해 기판(W)을 냉각하는 것이어도 된다. 예를 들면 펠티어 소자(6)와 같이 반도체로 형성된 것이 아니라, 이종(異種) 금속을 이용하여 펠티어 효과가 발휘되도록 구성한 것이어도 무방하다.

상기 냉각기구 제어부(7)는 내한한계온도보다 목표 기판냉각온도가 더 높은 온도인 경우에는 목표 기판냉각온도와 목표 냉매온도를 일치시키고 있었지만, 목표 냉매온도를 목표 기판냉각온도보다 높은 온도로 설정하여도 무방하다. 즉, 상기 제1 냉각기구(7) 단체의 작용만으로도 기판(W)의 온도 제어가 가능한 경우여도 도 5(a)에서 도시한 바와 같이 목표 기판냉각온도에서 변동이 생기지 않는 상태에서 상기 제2 냉각기구에 의한 기판(W)의 냉각을 시행함과 아울러 변동분에 대해서도 작용하도록 구성해도 무방하다.

상기 펠티어 소자(6)는 기판(W)의 냉각을 위해서뿐만 아니라 어떠한 원인으로 상기 제1 냉각기구(5)에 의해 기판(W)이 너무 냉각되어 있는 경우에 가열하기 위해 이용해도 무방하다. 즉, 상기 제2 냉각기구 제어부(72)가 상기 펠티어 소자(6)에 인가하는 전압의 크기뿐만 아니라 그 방향까지 맞춰서 제어 가능하게 구성되어 있는 것이어도 된다. 이 경우에도 목표 기판냉각온도와 기판측정온도 사이에 편차가 발생한 경우에는 상기 실시형태에서 나타낸 제어 규칙을 이용하여 기판(W)의 온도를 제어할 수 있다.

상기 수지제 배관(5B)의 내한한계온도보다 높은 온도로 목표 기판냉각온도가 설정되어 있고, 응답성이 그렇게까지 요구되지 않는 경우에는 상기 제2 냉각기구를 전혀 동작시키지 않고, 상기 제1 냉각기구(5)에 있어서 목표 기판냉각온도와 기판측정온도의 편차에 의한 피드백 제어를 시행해도 무방하다.

상기 실시형태에서는 접촉식 온도 센서(TS)에 의해 기판(W)의 온도를 상시 모니터링하고 있었지만, 비접촉 온도 센서에 의해 기판(W)의 온도를 측정하여 온도 제어를 시행해도 무방하다.

그 밖에, 본 발명의 취지에 반하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이나 실시형태를 조합해도 무방하다.

100…이온 주입 장치(이온빔 조사 장치)
W…기판
VR…진공실
1…이온 주입실
2…직동기구 수용실
3…기판반송기구
3U…상부구조
3B…하부구조
3R…수직축둘레 회전기구
31…기판 유지부(정전 척)
32…모터
33…볼스크류
34…너트
35…케이블 가이드
4…칸막이벽
41…연결 슬릿
5…제1 냉각기구
5A…열 교환부
5B…수지제 배관
51…가스 저류부
52…가스 경로
53…냉매 유통부
6…펠티어 소자(제2 냉각기구)
61…흡열면
62…방열면
7…냉각기구 제어부
71…제1 냉각기구 제어부
72…제2 냉각기구 제어부
73…냉매온도 제어부
74…가스 제어부

Claims

기판반송기구의 기판 유지부에 유지되고 있는 기판을 냉각하도록 구성된 이온빔 조사 장치로서,
기판과 냉매 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환부와,
상기 열 교환부에 냉매를 유통시키기 위한 유연성을 가진 수지제 배관을 구비하는 제1 냉각기구와,
열 이송에 의해 상기 기판을 냉각하는 제2 냉각기구와,
적어도 상기 기판의 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관의 내한(耐寒)한계온도 이하인 경우에,
상기 수지제 배관에 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매를 유통시키면서, 상기 제2 냉각기구에 의해 상기 기판을 냉각시키는 냉각기구 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제1항에 있어서,
목표 기판냉각온도가 -60℃ 이하인 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 냉각기구가, 흡열면이 상기 기판 유지부와 접촉하고, 방열면이 상기 열 교환부와 접촉하는 펠티어 소자인 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 냉각기구가, 흡열면이 상기 기판 유지부와 접촉하고, 방열면이 상기 열 교환부와 접촉하는 펠티어 소자인 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제1항에 있어서,
상기 열 교환부가, 상기 기판 유지부와 유지되고 있는 기판 사이의 공간이며, 기판 냉각시에 가스가 저류되는 가스 저류부와,
상기 가스 저류부에 가스를 공급하거나 또는 상기 가스 저류부로부터 가스를 배출하기 위한 가스 경로와,
상기 가스 경로의 적어도 일부와 접촉하여 냉매가 유통하는 냉매 유통부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제2항에 있어서,
상기 열 교환부가, 상기 기판 유지부와 유지되고 있는 기판 사이의 공간이며, 기판 냉각시에 가스가 저류되는 가스 저류부와,
상기 가스 저류부에 가스를 공급하거나 또는 상기 가스 저류부로부터 가스를 배출하기 위한 가스 경로와,
상기 가스 경로의 적어도 일부와 접촉하여 냉매가 유통하는 냉매 유통부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제3항에 있어서,
상기 열 교환부가, 상기 기판 유지부와 유지되고 있는 기판 사이의 공간이며, 기판 냉각시에 가스가 저류되는 가스 저류부와,
상기 가스 저류부에 가스를 공급하거나 또는 상기 가스 저류부로부터 가스를 배출하기 위한 가스 경로와,
상기 가스 경로의 적어도 일부와 접촉하여 냉매가 유통하는 냉매 유통부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제7항에 있어서,
상기 펠티어 소자의 방열면이 상기 냉매 유통부와 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판 유지부에 유지되고 있는 기판과 접촉하여 상기 기판의 온도를 측정하는 접촉식 온도 센서를 더 구비하고,
상기 냉각기구 제어부가 상기 제1 냉각기구의 냉매의 온도를 목표 냉매온도에서 일정하게 유지하도록 제어함과 아울러 상기 접촉식 온도 센서에서 측정되는 기판측정온도와 목표 기판냉각온도의 편차가 작아지도록 상기 제2 냉각기구를 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
기판과 냉매 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환부와,
상기 열 교환부에 냉매를 유통시키기 위한 유연성을 가진 수지제 배관을 구비하는 제1 냉각기구와,
열 이송에 의해 상기 기판을 냉각하는 제2 냉각기구를 구비하고, 기판반송기구의 기판 유지부에 유지되고 있는 기판을 냉각하도록 구성된 이온빔 조사 장치에 이용되는 기판 냉각 방법으로서,
적어도 상기 기판의 목표 기판냉각온도가 상기 수지제 배관의 내한한계온도 이하인 경우에,
상기 수지제 배관에 내한한계온도보다 높은 온도의 냉매를 유통시키면서 상기 제2 냉각기구에 의해 상기 기판을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 방법.
기판반송기구의 기판 유지부에 유지되고 있는 기판을 냉각하도록 구성된 이온빔 조사 장치로서,
기판과 냉매 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환부를 구비하는 제1 냉각기구와,
열 이송에 의해 상기 기판을 냉각하는 제2 냉각기구와,
상기 기판의 온도를 측정하는 온도 센서와,
상기 제1 냉각기구의 냉매의 온도를 목표 냉매온도에서 일정하게 유지하도록 제어함과 아울러 기판의 목표 기판냉각온도와 상기 온도 센서에서 측정되는 기판측정온도의 편차가 작아지도록 상기 제2 냉각기구를 제어하도록 구성되어 있는 냉각기구 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제11항에 있어서,
상기 제2 냉각기구가, 흡열면이 상기 기판 유지부와 접촉하고, 방열면이 상기 열 교환부와 접촉하는 펠티어 소자인 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제11항에 있어서,
상기 열 교환부가, 상기 기판 유지부와 유지되고 있는 기판 사이의 공간이며,
기판 냉각시에 가스가 저류되는 가스 저류부와,
상기 가스 저류부에 가스를 공급하거나 또는 상기 가스 저류부로부터 가스를 배출하기 위한 가스 경로와,
상기 가스 경로의 적어도 일부와 접촉하고 냉매가 유통하는 냉매 유통부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제12항에 있어서,
상기 열 교환부가, 상기 기판 유지부와 유지되고 있는 기판 사이의 공간이며,
기판 냉각시에 가스가 저류되는 가스 저류부와,
상기 가스 저류부에 가스를 공급하거나 또는 상기 가스 저류부로부터 가스를 배출하기 위한 가스 경로와,
상기 가스 경로의 적어도 일부와 접촉하고 냉매가 유통하는 냉매 유통부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제14항에 있어서,
상기 펠티어 소자의 방열면이 상기 냉매 유통부와 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 온도 센서가 상기 기판 유지부에 유지되고 있는 기판과 접촉하여 상기 기판의 온도를 측정하는 접촉식 온도 센서인 것을 특징으로 하는 이온빔 조사 장치.
기판과 냉매 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환부를 구비하는 제1 냉각기구와,
열 이송에 의해 상기 기판을 냉각하는 제2 냉각기구와,
상기 기판의 온도를 측정하는 온도 센서를 구비하고, 기판반송기구의 기판 유지부에 유지되고 있는 기판을 냉각하도록 구성된 이온빔 조사 장치에 이용되는 기판 냉각 방법으로서,
상기 제1 냉각기구의 냉매의 온도를 목표 냉매온도에서 일정하게 유지하도록 제어함과 아울러 기판의 목표 기판냉각온도와 상기 온도 센서에서 측정되는 기판측정온도의 편차가 작아지도록 상기 제2 냉각기구를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 방법.