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TWI506680B - Substrate cooling means and irradiating ion beam - Google Patents

Substrate cooling means and irradiating ion beam Download PDF

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TWI506680B
TWI506680B TW102132785A TW102132785A TWI506680B TW I506680 B TWI506680 B TW I506680B TW 102132785 A TW102132785 A TW 102132785A TW 102132785 A TW102132785 A TW 102132785A TW I506680 B TWI506680 B TW I506680B
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cooling
refrigerant
ion beam
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TW102132785A
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Inventor
Kohei Tanaka
Original Assignee
Nissin Ion Equipment Co Ltd
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Priority claimed from JP2013033798A external-priority patent/JP2014164891A/ja
Application filed by Nissin Ion Equipment Co Ltd filed Critical Nissin Ion Equipment Co Ltd
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Description

離子束照射裝置和基板冷卻方法
本發明涉及向被冷卻了的基板照射離子束的離子束照射裝置。
例如通過離子注入在矽基板上形成陡峭且極淺的接合時，優選的是使基板表面非晶化。此外，為了使矽基板非晶化，需要在離子注入時將基板溫度保持為低溫。
專利文獻1公開了作為具備基板冷卻機構的離子注入裝置100A的一個例子。具體而言，離子注入裝置100A通過在基板W固定於規定位置的狀態下使離子束自身進行掃描來注入離子，如圖6所示，離子注入裝置100A包括：冷卻體9A，固定在真空室VR的側壁上，以向真空室VR內突出的方式設置，在內部循環有從外部供給的冷媒；散熱板9B，固定在所述冷卻體9A上；以及珀爾帖元件9C，其散熱面固定於散熱板9B，吸熱面固定於靜電卡盤9D的背面，靜電卡盤9D吸附基板W。通過所述珀爾帖元件9C在散熱面和吸熱面之間形成溫度差，使基板W的熱量按照靜電卡盤9D、珀爾帖元件9C、散熱板9B、冷卻體9A的順序移動，從而將基板W冷卻到攝氏零下數十度左右。
此外，還有的離子注入裝置反過來將離子束的照射位置固定，通過由基板輸送機構輸送基板，對基板表面掃描離子束。該離子注入裝置在從形成真空室的壁體到在真空室內的基板輸送機構上吸附基板的靜電卡盤之間，設置具有柔軟性的樹脂製配管，通過由所述樹脂製配管向靜電卡盤供給冷卻用的冷媒來冷卻基板。之所以使用所述的具有柔軟性的樹脂製配管，是因為即使通 過基板輸送機構移動基板，也能使配管配合基板的位置變形或移動，由此能防止基板移動時冷媒用的配管破損。
可是，如專利文獻2所示，在當離子注入時使基板表面非晶化的情况下，正在要求將基板冷卻到例如-40℃~-100℃這樣的極低溫度。
但是，按照所述現有的基板冷卻機構，難以將基板冷卻到所述的極低溫。例如，專利文獻1所述的離子注入裝置，如果為了用珀爾帖元件單體在散熱面和吸熱面之間形成從室溫到極低溫的溫度差而流過大電流，則隨之產生的焦耳熱也增大，從而使基板的冷卻效率大幅下降。此外，如果向珀爾帖元件流過的電流過大，則會到達不能使基板的溫度再降低的極限點，所以用珀爾帖元件單體只能冷卻到專利文獻1所述的-20℃~-30℃左右。
另一方面，可以考慮不使用珀爾帖元件，通過將冷卻到了極低溫的冷媒供給到吸附基板的靜電卡盤來使基板冷卻到極低溫。
但是，如果向所述樹脂製配管流過所述極低溫的冷媒，則會變成低於樹脂的耐寒極限溫度，樹脂製配管會脆化而喪失柔軟性。因此，在邊流通極低溫的冷媒邊由基板輸送機構移動基板時，所述樹脂製配管會破損。而如果使用即使在極低溫的冷媒條件下也幾乎不會改變其特性的金屬製的配管，則由於配管基本沒有柔軟性和自由度，為了不使配管破損就不得不將基板的位置固定。如果基板的位置被固定，則會限制向基板表面能照射離子束的區域等，從而損害離子注入時的自由度。
此外，在專利文獻2所述的離子注入裝置中，在鄰接離子注入室設置的基板待機室中預先將基板冷卻到規定溫度。而後，將所述預先冷卻後的基板送入離子注入室，在照射離子束期間不冷卻基板而進行離子注入。
但是，在專利文獻2所述的基板冷卻方法中，沒有考慮如上所述地照射離子束期間的基板的溫度變化，離子束照射期間的基 板的溫度可能會成為從適於非晶化的溫度離開的狀態。因此，存在離子注入後的基板特性達不到需要的特性的問題。
換言之，以往的技術並沒有進行下述的基板溫度控制：該基板溫度控制用於監測因照射離子束而對基板給予的熱量由此導致產生的溫度上升，盡可能抑制所述離子注入時的溫度上升，並將基板的溫度持續保持為固定。此外，由於以往沒有嚴密地研究過所述技術問題，所以沒有公開適於在基板發生溫度變化時迅速將基板冷卻到目標溫度並將基板的溫度固定保持在目標溫度的具體結構和基板的冷卻方法。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利公開公報特開2001-68427號
專利文獻2：美國專利公報US7935942
鑒於所述的問題，本發明目的是提供一種離子束照射裝置和基板冷卻方法，在使用了冷媒對基板進行冷卻的情况下也能將基板冷卻到例如-60℃~-100℃等極低溫，不會損害流通冷媒的樹脂製配管的柔軟性，在離子束照射時能自由移動基板，此外能抑制向基板照射離子束期間的基板的溫度上升，在離子束照射期間也能總是將基板的溫度固定保持在規定溫度。
即，本發明提供一種離子束照射裝置，對保持於基板輸送機構的基板保持部的基板進行冷卻，所述離子束照射裝置包括：第一冷卻機構，具備：熱交換部，在所述基板和冷媒之間進行熱交換；以及樹脂製配管，用於使所述冷媒在所述熱交換部中流通，具有柔軟性；第二冷卻機構，通過熱轉移冷卻所述基板；以及冷卻機構控制部，至少當所述基板的目標基板冷卻溫度為所述樹脂製配管的耐寒極限溫度以下時，邊向所述樹脂製配管流通溫度高於所述耐寒極限溫度的所述冷媒，邊通過所述第二冷卻機構冷卻 所述基板。
此外，本發明還提供一種基板冷卻方法，用於離子束照射裝置，所述離子束照射裝置對保持於基板輸送機構的基板保持部的基板進行冷卻，所述離子束照射裝置包括：第一冷卻機構，具備：熱交換部，在所述基板和冷媒之間進行熱交換；以及樹脂製配管，用於使所述冷媒在所述熱交換部中流通，具有柔軟性；以及第二冷卻機構，通過熱轉移冷卻所述基板，所述基板冷卻方法，至少當所述基板的目標基板冷卻溫度為所述樹脂製配管的耐寒極限溫度以下時，邊使溫度高於所述耐寒極限溫度的所述冷媒在所述樹脂製配管中流通，邊通過所述第二冷卻機構冷卻所述基板。
按照所述的技術方案，當基板的目標基板冷卻溫度為所述樹脂製配管的耐寒極限溫度以下時，在所述第一冷卻機構的所述熱交換部中流過溫度高於耐寒極限溫度的冷媒，對所述基板進行一次冷卻，並且針對通過所述第一冷卻機構不能冷卻到目標基板冷卻溫度的部分，通過所述第二冷卻機構的熱轉移進行二次冷卻，所以能夠使所述基板的溫度降低到目標基板冷卻溫度。
此時，由於所述樹脂製配管中僅流通了溫度高於耐寒極限溫度的冷媒，所以不會損害所述樹脂製配管的柔軟性，即使邊將基板冷卻到極低溫邊由所述基板輸送機構改變基板的位置，樹脂製配管也不會破損。因此，可以邊冷卻基板邊由所述基板輸送機構自由移動基板，能夠以各種方式向基板表面照射離子束。
此外，由於通過所述第一冷卻機構一次冷卻所述基板後，使基板的溫度降低到某種程度，所以即使所述第二冷卻機構沒有使很多熱量從基板熱轉移，也可以將所述基板冷卻到目標基板冷卻溫度。即，由於第二冷卻機構無需做出很多的熱轉移的工作，沒有被要求過大的冷卻能力，所以使用例如現有的珀爾帖元件等就可以將基板冷卻到目標基板冷卻溫度。
為了在例如離子注入等時使基板表面非晶化，形成極淺的接 合以便能夠進行高質量的離子注入，優選的是，所述目標基板冷卻溫度為-60℃以下。
作為用於通過所述第二冷卻機構將從基板轉移的熱量向外部高效排出，從而能很好地冷卻基板的具體結構，可以舉出下述結構：所述第二冷卻機構是珀爾帖元件，所述珀爾帖元件的吸熱面與所述基板保持部接觸，並且散熱面與所述熱交換部接觸。
為了進一步增加所述熱交換部與保持在所述基板保持部上的基板的直接性或間接性的接觸面積，從而通過高效地進行冷媒與基板之間的熱交換而進一步加大第一冷卻機構對基板的冷卻能力，優選的是，所述熱交換部包括：氣體儲存部，是所述基板保持部與所保持的所述基板之間的空間，冷卻所述基板時儲存氣體；氣體通道，用於向所述氣體儲存部供給氣體或從所述氣體儲存部排出氣體；以及冷媒流通部，與所述氣體通道的至少一部分接觸，所述冷媒在該冷媒流通部中流通。按照該技術方案，由於可以不僅通過所述基板保持部，而且通過所述氣體儲存部和氣體通道中的氣體，進行冷媒與基板的熱交換，所以即使只有第一冷卻機構也能夠更高效地冷卻基板。
為了能將通過所述珀爾帖元件的熱轉移從基板奪取的熱量高效地向外部排出，將所述珀爾帖元件的冷卻效率保持在高的狀態，優選的是，所述珀爾帖元件的散熱面與所述冷媒流通部接觸。
為了即使在例如因照射離子束而對基板給予熱量造成基板的溫度從目標基板冷卻溫度上升時，也能立刻反饋控制到目標基板冷卻溫度，總是保持在所述的溫度，優選的是，所述離子束照射裝置還包括接觸式溫度傳感器，所述接觸式溫度傳感器與保持於所述基板保持部的基板接觸，測量所述基板的溫度，所述冷卻機構控制部，進行控制，使得所述第一冷卻機構中的所述冷媒的溫度固定保持在目標冷媒溫度，並且控制所述第二冷卻機構，使得由所述接觸式溫度傳感器測量到的基板測量溫度與所述目標基板 冷卻溫度的偏差變小。
此外，本發明還提供一種離子束照射裝置，對保持於基板輸送機構的基板保持部的基板進行冷卻，所述離子束照射裝置包括：第一冷卻機構，具備在所述基板和冷媒之間進行熱交換的熱交換部；第二冷卻機構，通過熱轉移冷卻所述基板；溫度傳感器，測量所述基板的溫度；以及冷卻機構控制部，進行控制，使得所述第一冷卻機構中的所述冷媒的溫度固定保持在目標冷媒溫度，並且控制所述第二冷卻機構，使得由所述溫度傳感器測量到的基板測量溫度與所述基板的目標基板冷卻溫度的偏差變小。
此外，本發明還提供一種基板冷卻方法，用於離子束照射裝置，所述離子束照射裝置對保持於基板輸送機構的基板保持部的基板進行冷卻，所述離子束照射裝置包括：第一冷卻機構，具備在所述基板和冷媒之間進行熱交換的熱交換部；第二冷卻機構，通過熱轉移冷卻所述基板；以及溫度傳感器，測量所述基板的溫度，所述基板冷卻方法使所述離子束照射裝置進行控制，使得所述第一冷卻機構中的所述冷媒的溫度固定保持在目標冷媒溫度，並且所述基板冷卻方法使所述離子束照射裝置控制所述第二冷卻機構，使得由所述溫度傳感器測量到的基板測量溫度與所述基板的目標基板冷卻溫度的偏差變小。
按照所述的技術方案，由於通過所述第一冷卻機構將基板一次冷卻後，將基板冷卻到目標冷媒溫度並使基板處於固定保持在目標基板冷卻溫度附近的溫度的狀態，所以所述第二冷卻機構通過二次冷卻，僅控制從由所述第一冷卻機構保持的基板溫度變動的變動部分。
因此，由於所述第二冷卻機構只要控制較小的溫度變化即可，無需加大其溫度控制範圍，所以容易將響應性設定得較高。因此，即使例如因對基板照射離子束而使基板的溫度上升，也可以立刻使所述第二冷卻機構動作以抑制溫度上升，能總是將基板 的溫度保持固定。
此外，由於能總是將基板的溫度保持固定，因此與以往的技術相比，可以將離子束照射時的基板表面的狀態保持在所希望的狀態，能成為具有更佳特性的基板。
為了能夠立刻應對基板的溫度變化，優選的是，所述第二冷卻機構是珀爾帖元件，所述珀爾帖元件的吸熱面與所述基板保持部接觸，並且散熱面與所述熱交換部接觸。
為了進一步增加所述熱交換部與保持在所述基板保持部上的基板的直接性或間接性的接觸面積，從而可以通過高效地進行冷媒和基板之間的熱交換而加大通過第一冷卻機構使基板的溫度降低的量，優選的是，所述熱交換部包括：氣體儲存部，是所述基板保持部與所保持的所述基板之間的空間，冷卻所述基板時儲存氣體；氣體通道，用於向所述氣體儲存部供給氣體或從所述氣體儲存部排出氣體；以及冷媒流通部，與所述氣體通道的至少一部分接觸，所述冷媒在該冷媒流通部中流通。
作為將通過所述第二冷卻機構從基板轉移的熱量向外部高效排出，能很好地冷卻基板的具體結構，優選的是，所述珀爾帖元件的散熱面與所述冷媒流通部接觸。
為了即使在例如因照射離子束而對基板給予熱量造成基板的溫度從目標基板冷卻溫度上升時，也能立刻將基板溫度反饋控制到目標基板冷卻溫度，使基板總是保持在目標基板冷卻溫度，優選的是，所述溫度傳感器是接觸式溫度傳感器，所述接觸式溫度傳感器與保持於所述基板保持部的所述基板接觸，測量所述基板的溫度。
按照所述的本發明的離子束照射裝置和基板冷卻方法，在將基板冷卻到極低溫時，通過使溫度高於耐寒極限溫度的冷媒流過所述樹脂製配管，通過所述第一冷卻機構對基板進行一次冷卻，並通過第二冷卻機構的熱轉移實現基板的剩餘的冷卻，所以不僅 能夠防止流通冷媒的樹脂製配管發生脆化，而且能夠將基板冷卻到目標基板冷卻溫度。
此外，由於在通過第一冷卻機構固定保持在目標基板冷卻溫度附近的溫度的狀態下，通過第二冷卻機構對基板測量溫度的變動部分進行反饋控制，所以可以使成為第二冷卻機構控制對象的範圍變窄，容易提高溫度控制的響應性。因此，即使因離子束照射基板而造成基板的溫度上升時，也可以立刻將基板冷卻到目標基板冷卻溫度，並將基板的溫度固定保持在目標基板冷卻溫度。
1‧‧‧離子注入室
2‧‧‧線性運動機構收容室
3‧‧‧基板輸送機構
4‧‧‧隔壁
5‧‧‧第一冷卻機構
6‧‧‧珀爾帖元件(第二冷卻機構)
7‧‧‧冷卻機構控制部
11‧‧‧離子束導入口
31‧‧‧基板保持部(靜電卡盤)
32‧‧‧電機
33‧‧‧滾珠絲杆
34‧‧‧螺母
35‧‧‧線纜導向件
41‧‧‧連接縫隙
51‧‧‧氣體儲存部
52‧‧‧氣體通道
53‧‧‧冷媒流通部
61‧‧‧吸熱面
62‧‧‧散熱面
71‧‧‧第一冷卻機構控制部
72‧‧‧第二冷卻機構控制部
73‧‧‧冷媒溫度控制部
74‧‧‧氣體控制部
311‧‧‧突條
100A‧‧‧離子注入裝置
3B‧‧‧下部結構
3R‧‧‧轉動機構
3U‧‧‧上部結構
5A‧‧‧熱交換部
5B‧‧‧樹脂製配管
9A‧‧‧冷卻體
9B‧‧‧散熱板
9C‧‧‧珀爾帖元件
9D‧‧‧靜電卡盤
FS‧‧‧冷卻系統
VR‧‧‧真空室
W‧‧‧基板
圖1是表示本發明的一個實施方式的離子注入裝置的離子注入室結構的立體示意圖。
圖2是表示與圖1為相同實施方式的基板輸送機構的靜電卡盤周邊結構的斷面放大示意圖。
圖3是表示與圖1為相同實施方式的接觸式傳感器的安裝結構的斷面放大示意圖。
圖4是表示與圖1為相同實施方式的基板冷卻機構控制部等結構的功能框圖。
圖5是表示與圖1為相同實施方式的基板的溫度控制的概念的示意圖。
圖6是表示以往的具備基板冷卻機構的離子注入裝置的示意圖。
參照圖1至圖5說明本發明的一個實施方式。
本實施方式的離子束照射裝置是離子注入裝置100，離子注入裝置100向半導體基板照射作為離子種類包含有例如砷、磷、硼等的離子束，從而注入所述離子種類。此外，所述離子注入裝置100能夠在將基板W冷卻到規定的極低溫的狀態下進行低溫離子注入，從而在離子注入時使基板表面非晶化，並形成極淺的接合。
此外，離子注入裝置100也可以對應常溫離子注入，所述常溫離子注入在離子注入時冷卻到基板表面的光刻膠不因熱量而產生變形程度的溫度。
如圖1所示，所述離子注入裝置100的、內部保持真空的真空室VR由隔壁4上下分隔。此外，基板輸送機構3的上部結構3U和下部結構3B跨越各自的室配置，通過形成在所述隔壁4上的連接縫隙41連接所述上部結構3U和下部結構3B。
更具體而言，所述離子注入裝置100包括：所述基板輸送機構3，將基板W保持在基板保持部31上，並適當改變基板W相對於離子束的位置和姿態；離子注入室1，是收容所述基板輸送機構3的上部結構3U的所述真空室VR的上側的室，用於向基板W照射離子束；線性運動機構收容室2，是所述真空室VR的下側的室，收容所述基板輸送機構3的下部結構3B以及各種供電用電線和冷媒供給用的樹脂製配管5B的一部分；以及冷卻系統FS，用於冷卻保持在所述基板保持部31上的基板W。
以下說明各部分。
所述基板輸送機構3的上部結構3U主要進行所保持的基板W的姿態控制，下部結構3B用於使所保持的基板W進行用於橫切離子束的水平方向的移動。即，所述上部結構3U由用於繞垂直軸轉動的繞垂直軸轉動的轉動機構3R、以及以可裝拆的方式保持基板W的所述基板保持部31構成。所述基板保持部31是靜電卡盤，該靜電卡盤能繞與所保持的基板W的表面垂直的軸轉動。所述基板保持部31的附近構成用於冷卻所保持的基板W的所述冷卻系統FS的一部分。
所述下部結構3B是由電機32、滾珠絲杆33、螺母34、引導件(未圖示)構成的線性運動機構，以橫切離子束的短邊方向的方式移動所述上部結構3U。
所述上部結構3U和所述下部結構3B通過形成在所述隔壁4 上的連接縫隙41由連接構件連接，通過所述下部結構3B沿水平方向的線性運動，所述上部結構3U也整體移動，由此使保持在所述基板保持部31上的基板W移動。此外，所述連接構件以使上部結構3U與下部結構3B獨立地進行旋轉運動的方式進行連接。
所述離子注入室1為大體呈中空長方體形狀的室，其側面中央部形成有用於導入離子束的離子束導入口11，將沿上下方向延伸的帶狀的離子束導入內部。與所述離子注入室1鄰接設置有基板待機室(未圖示)，所述基板輸送機構3從所述基板待機室接收基板W，並將基板W向離子束照射位置輸送，對基板表面進行離子注入。離子注入結束的基板W被搬出到與離子注入室1鄰接設置的基板搬出室(未圖示)。
所述線性運動機構收容室2收容所述基板輸送機構3的下部結構3B的一部分，更具體而言，所述電機32設置在所述線性運動機構收容室2的外側，即設置在大氣側，除此以外的滾珠絲杆33、螺母34、引導件收容在所述線性運動機構收容室2的內部。此外，所述線性運動機構收容室2一方比所述離子注入室1的真空度更高。
所述冷卻系統FS由下述機構構成：第一冷卻機構5，利用所保持的基板W與冷媒的熱交換冷卻基板W；作為第二冷卻機構的珀爾帖元件6，利用來自基板W的熱轉移冷卻基板W；以及冷卻機構控制部7，控制所述第一冷卻機構5和第二冷卻機構的動作。在以下的說明中，參照圖1的立體圖和圖2的基板保持部31周邊的放大斷面圖進行說明。
所述第一冷卻機構5進行所謂的製冷循環，構成冷媒回路，使得冷媒在配置於真空室VR外的冷卻器54(圖1中未圖示)、以及設置在真空室VR內的所述基板保持部31上的、進行基板W與冷媒的熱交換的熱交換部5A之間循環。此外，所述第一冷卻機構5的、如圖1所示的連接所述冷卻器54與所述熱交換部5A之 間的配管中，至少在真空室VR內延伸到所述熱交換部5A的配管使用樹脂製配管5B。所述樹脂製配管5B具有柔軟性，構成為即使因所述基板輸送機構3的移動而造成所述熱交換部5A的位置發生移動，也能在一定程度上追隨配合所述移動，而不會妨礙基板輸送機構3的移動。更具體而言，穿過所述線性運動機構收容室2內的所述樹脂製配管5B，與用於從外部向所述基板輸送機構3供給電力的電纜(未圖示)、控制用的信號線(未圖示)一起，收容在波紋管形的線纜導向件35內，在規定的範圍內能配合基板輸送機構3的動作而移動。此外，因為所述樹脂製配管5B在樹脂的特性上存在下述問題：當達到耐寒極限溫度以下的溫度時脆化加重而喪失柔軟性，在追隨基板輸送機構3的移動時會發生破損，所以在本實施方式中僅流通高於耐寒極限溫度的冷媒。另外，在此所述的耐寒極限溫度是指例如廠家的使用推薦溫度、或柔軟性降低從而存在因基板輸送機構3的動作而使樹脂製配管5B發生破損危險的溫度，本實施方式中將耐寒極限溫度設定為-60℃。
所述熱交換部5A包括：氣體儲存部51，在功能方面進行說明時，如圖2所示，是所述基板保持部31與所保持的基板W之間的空間，冷卻基板W時儲存氣體；氣體通道52，用於向所述氣體儲存部51供給氣體或從所述氣體儲存部51排出氣體；以及冷媒流通部53，與所述氣體通道52的至少一部分接觸，冷媒在冷媒流通部53中流通。關於各構件的配置，按照基板W、所述氣體儲存部51、基板保持部31、第二冷卻機構、冷媒流通部53的順序配置。
更具體而言，所述基板保持部31的前端面具有大體薄圓環狀的突條311，基板W的背面靜電吸附在所述突條311的平面上。因此，所述突條311的內周側在基板W被保持的狀態下形成空間，該空間成為冷卻基板W時儲存氣體的氣體儲存部51。
在本實施方式中，所述氣體通道52包括：氣體供給管，向所 述氣體儲存部51供給氣體；以及氣體排出管，用於從所述氣體儲存部51排出氣體，所述氣體供給管和所述氣體排出管經過所述冷媒流通部53的內部，使氣體和冷媒之間發生熱交換。
所述冷媒流通部53形成為大體中空扁平圓筒狀，被所述冷卻器54冷卻的冷媒通過所述樹脂製配管5B流入冷媒流通部53，冷媒在其內部暫時滯留且與氣體之間進行了熱交換後，再次通過所述樹脂製配管5B返回冷卻器54。
對所述第一冷卻機構5的冷卻作用進行說明。在冷卻基板W時，如果所述氣體儲存部51中儲存了氣體，則成為針對配置在真空氣氛中的基板W配置了與其背面的微小凹凸形狀無間隙接觸的熱導體，能夠提高來自基板W的傳熱效率。因此，由於通過所述氣體通道52，所述冷媒流通部53的冷媒與所述基板W能夠直接進行熱交換，所以假設即使沒有所述第二冷卻機構也會產生熱傳導，能夠冷卻基板W。換言之，所述第一冷卻機構5即使是單獨的，也能與基板W產生熱交換。另外，在本實施方式中，所述冷媒流通部53也通過作為良好熱導體的所述珀爾帖元件6與所述基板保持部3接觸，所以也能通過該熱通道利用熱交換冷卻所述基板W。
下面說明第二冷卻機構。
所述第二冷卻機構與第一冷卻機構5不同，不是通過熱交換對基板W進行冷卻，而是通過從基板W向基板W外的熱轉移來冷卻基板W。在此，通過熱轉移進行的冷卻包含下述的冷卻方法：例如不使用冷媒，而是通過從低溫側的物體向高溫側的物體轉移熱量，能使低溫側的物體的溫度進一步降低。另外，由於在第一冷卻機構5這種通過熱交換的冷卻中，只有當冷媒的溫度比基板W的溫度更低時基板W才被冷卻，所以基板W的溫度不會低於冷媒的溫度。
更具體而言，所述第二冷卻機構是以吸熱面61與所述基板保 持部31接觸、且散熱面62與所述冷媒流通部53接觸的方式設置的珀爾帖元件6，利用電子流，通過所述基板保持部31從基板W奪取熱量，再將奪取的熱量向所述冷媒流通部53放出。
所述冷卻機構控制部7在具備CPU、儲存器、AC/DC轉換器、輸入輸出裝置等的所謂的計算機中，通過執行儲存在所述儲存器中的程序實現其功能。此外，當至少基板W的目標基板冷卻溫度在所述樹脂製配管5B的耐寒極限溫度以下時，所述冷卻機構控制部7進行控制，使得邊向所述樹脂製配管5B流通高於耐寒極限溫度的冷媒，邊通過所述第二冷卻機構冷卻所述基板W。
此外，如圖3所示，設有接觸式溫度傳感器TS，該接觸式溫度傳感器TS從背面側直接接觸保持在所述基板保持部31上的基板W，測量所述基板W的溫度。如圖2所示，所述接觸式溫度傳感器TS設置在多個部位，使得能測量基板W的多個部位的溫度，從基板保持部31側，通過所述氣體儲存部51與基板W的背面接觸。所述冷卻機構控制部7使用從所述接觸式溫度傳感器TS得到的基板測量溫度，來控制所述第一冷卻機構5和所述第二冷卻機構。
更具體而言，如圖4的功能框圖所示，在本實施方式中，所述冷卻機構控制部7包括：第一冷卻機構控制部71，控制所述第一冷卻機構5；以及第二冷卻機構控制部72，控制所述第二冷卻機構的冷卻能力。此外，在通過所述第一冷卻機構控制部71進行的冷媒的溫度控制中，由所述接觸式溫度傳感器TS測量到的基板測量溫度，用於决定以高於樹脂製配管5B的耐寒極限溫度的溫度，將目標冷媒溫度作為目標值設定為攝氏多少度。另一方面，所述第二冷卻機構控制部72通過不斷反饋所述接觸式溫度傳感器TS的基板測量溫度，對所述珀爾帖元件6上施加的電壓進行反饋控制，使得目標基板冷卻溫度與基板測量溫度的偏差變小。
下面具體說明各控制部。所述第一冷卻機構控制部71包括： 冷媒溫度控制部73，進行控制，使得向所述冷媒流通部53供給的冷媒的溫度成為目標冷媒溫度；以及氣體控制部74，對向所述氣體儲存部51供給氣體或從所述氣體儲存部51排出氣體進行控制。
所述冷媒溫度控制部73根據目標基板冷卻溫度切換其動作，當目標基板冷卻溫度為所述樹脂製配管5B的耐寒極限溫度以下時，將自標冷媒溫度設定為比所述耐寒極限溫度高出預定溫度的溫度，當目標基板冷卻溫度高於所述樹脂製配管5B的耐寒極限溫度時，將目標冷媒溫度設定為與目標基板冷卻溫度相同的溫度。此外，所述冷媒溫度控制部73控制製冷循環的各設備，使得例如由設置於所述冷卻器54等構成的製冷循環內的溫度傳感器測量到的冷媒溫度，保持在設定的目標冷媒溫度。
所述氣體控制部74進行控制，使得一由所述基板保持部31保持基板W就向所述氣體儲存部51通過所述氣體通道52供給預定的規定量的氣體，在將基板W從所述基板保持部31取下前亦即在解除施加在靜電卡盤上的電壓前將氣體從所述氣體儲存部51排出，以與所述真空室VR內成為大體相同的壓力，從而防止靜電卡盤解除時基板W因壓力差而飛向真空室VR內。
所述第二冷卻機構控制部72根據目標基板冷卻溫度與由所述接觸式溫度傳感器TS測量到的基板測量溫度的偏差，控制施加在所述珀爾帖元件6上的電壓。在此，由於所述冷媒溫度控制部73以將冷媒的溫度固定保持在目標冷媒溫度的方式進行控制，所以所述第二冷卻機構控制部72控制對珀爾帖元件6施加的電壓，使得相當於目標基板冷卻溫度與目標冷媒溫度的差的熱量以及因離子束照射基板W而產生的熱量從基板W向所述冷媒流通部53熱轉移。
參照圖5的溫度變化圖說明所述結構的離子注入裝置100的基板冷卻時的動作，分別針對目標基板冷卻溫度低於或高於所述樹脂製配管5B的耐寒極限溫度時的情况進行說明。
當目標基板冷卻溫度設定為低於作為所述樹脂製配管5B的耐寒極限溫度的-60℃的-100℃時，所述冷媒溫度控制部73將目標冷媒溫度設定為作為高於耐寒極限溫度的溫度的例如-55℃，並控制所述冷卻器54等使得將冷媒的溫度固定保持在該溫度。此外，所述第二冷卻機構控制部72對所述珀爾帖元件6施加電壓，使得相當於作為目標基板冷卻溫度的-100℃與作為目標冷媒溫度的-55℃的差值溫度的熱量，通過所述珀爾帖元件6從基板W熱轉移。例如，所述第二冷卻機構控制部72，對珀爾帖元件6施加與吸熱面61和散熱面62之間應設定的溫度差成比例或相關的電壓。
如圖5的(a)所示，在對基板W未照射離子束的離子束非照射期間，通過第一冷卻機構5和第二冷卻機構的動作，基板W的溫度保持在大體-100℃，對基板W照射離子束時，由於給予基板W相應的熱量，如圖5的(a)的離子束照射期間所示，由所述接觸式溫度傳感器TS測量到的基板測量溫度從-100℃上升。此時，由於目標基板冷卻溫度和基板測量溫度之間產生的偏差的大小發生改變，所以所述第二冷卻機構控制部72對應於所述偏差的變動而改變向所述珀爾帖元件6施加的電壓，並進行反饋以將基板的溫度保持在-100℃。
即，相對於在圖5的(a)的離子束非照射期間，所述珀爾帖元件6持續冷卻目標冷媒溫度與目標基板冷卻溫度的設定溫度差值部分，在離子束照射期間，所述珀爾帖元件6進行動作，使得不僅冷卻前述的設定溫度差值部分，還冷卻包含溫度上升帶來的變動部分，以使基板W維持在目標基板冷卻溫度。此外，在離子束照射期間，所述第一冷卻機構5不改變目標冷媒溫度，固定保持在與離子束非照射期間相同的溫度，由於僅對設置在基板W附近、且當改變施加的電壓時能立刻改變冷卻量的珀爾帖元件6進行基板測量溫度的反饋控制，所以即使發生了溫度變化也基本不會產生延時，可以將基板W的溫度大體固定保持在-100℃。
接著，參照圖5的(b)說明目標基板冷卻溫度高於所述樹脂製配管5B的耐寒極限溫度情况下的動作。在此，作為具體的例子，考慮目標基板冷卻溫度為-40℃、耐寒極限溫度為-60℃的情况。
在該情况下，所述冷媒溫度控制部73將目標冷媒溫度設定為作為與目標基板冷卻溫度相同的溫度的-40℃。在此，在圖5的(b)的離子束非照射期間，由於基本不存在從外部流入位於真空中的基板W的熱量，所以實質上僅通過第一冷卻機構5的動作使基板W的溫度保持在-40℃。另一方面，在離子束照射期間，由於一對基板W照射離子束基板溫度就上升，所以目標基板冷卻溫度與通過所述接觸式溫度傳感器TS測量到的基板測量溫度之間發生偏差。因此，在圖5的(b)的離子束照射期間，通過向所述珀爾帖元件6施加對應於所述偏差的電壓而實施冷卻動作。即，相對於所述第一冷卻機構5用-40℃的冷媒繼續基板W的冷卻而不管基板測量溫度，所述珀爾帖元件6在離子束非照射期間基本不進行冷卻，僅在離子束照射期間基板測量溫度從-40℃產生變動時才進行動作。
由於如上所述地設置在基板W附近的所述珀爾帖元件6僅把從目標基板冷卻溫度變動產生的變動溫度部分作為進行冷卻的對象，所以即使在發生變動的情况下也能以非常好的響應性將基板W的溫度固定保持在極低溫。更具體而言，如果將因基板W照射離子束而產生的溫度上升部分的冷卻，對第一冷卻機構5進行反饋控制，則到達處於真空室VR外側的、遠離基板W的冷卻器54的動作發生改變並顯示出結果為止，會產生很大的延時。因此，僅靠第一冷卻機構5難以以立刻消除溫度上升的方式進行基板W的溫度控制。對此，針對溫度上升部分，通過對真空室VR內設置在基板W附近的珀爾帖元件6進行溫度控制，所以能夠以基本不發生延時的方式立刻將基板W冷卻到目標基板冷卻溫度並固定在該溫度。
按照以上說明的本實施方式的離子注入裝置100，由於當基板W的目標基板冷卻溫度為所述樹脂製配管5B的耐寒極限溫度以下時，將目標冷媒溫度設定為高於耐寒極限溫度的溫度，在所述第一冷卻機構5的所述熱交換部5A中流通高於耐寒極限溫度的冷媒對所述基板W進行一次冷卻，並且針對不能完全由所述第一冷卻機構5冷卻到目標基板冷卻溫度部分的基板W的熱量，通過所述珀爾帖元件6的熱轉移進行二次冷卻，所以能夠將基板W的溫度降低到目標基板冷卻溫度。
此時，由於所述樹脂製配管5B中僅流通高於耐寒極限溫度的冷媒，所以不會損害所述樹脂製配管5B的柔軟性，即使邊將基板W冷卻到極低溫邊由所述基板輸送機構3改變基板W的位置，樹脂製配管5B也不會破損。因此，可以邊將基板W冷卻到低於耐寒極限溫度的溫度邊通過所述基板輸送機構3自由移動基板W，能以各種方式向基板表面照射離子束。
另外，因為由所述第一冷卻機構5將所述基板W一次冷卻，將基板W的溫度降低到一定程度，所以所述珀爾帖元件6即使不從基板W轉移很多的熱量，也可以將基板W冷卻到目標基板冷卻溫度，不會對珀爾帖元件6要求過大的能力。
此外，由於通過所述接觸式溫度傳感器TS在離子束照射時也實時檢測基板W的溫度，並根據目標基板冷卻溫度與基板測量溫度的偏差對所述珀爾帖元件6進行反饋控制，所以在離子束照射期間也可以大體固定保持在目標基板冷卻溫度。
因此，由於比以往的裝置提高了低溫離子注入時的溫度控制精度，因此也能得到高於以往技術的低溫離子注入後的基板W的特性。
以下說明其他的實施方式。
本發明的離子束照射裝置，不限於離子注入裝置100，是也包含例如離子摻雜裝置、離子束沉積裝置、離子束蝕刻裝置等各 種用途的裝置的概念。此外，作為基板W，不限於矽晶片，本發明也能用於對玻璃基板和半導體基板等進行溫度管理的情况下照射離子束的用途。此外，對玻璃基板等照射離子束時，可以通過靜電卡盤以外的吸附方法將基板保持在基板輸送機構的基板保持部上。
在所述實施方式中，所述第二冷卻機構使用了珀爾帖元件6，但是也可以通過其他方式的熱轉移來冷卻基板W。例如，不是由珀爾帖元件6這種半導體形成的冷卻機構，而是使用非同種金屬能發揮珀爾帖效果的冷卻機構。
當目標基板冷卻溫度高於耐寒極限溫度時，所述冷卻機構控制部7使目標基板冷卻溫度與目標冷媒溫度一致，但是也可以將目標冷媒溫度設定為高於目標基板冷卻溫度的溫度。即，即使在通過所述第一冷卻機構7單獨的作用也能進行基板W的溫度控制的情况下，也可以如圖5的(a)所示的那樣，在未從目標基板冷卻溫度發生變動的狀態下也通過所述第二冷卻機構進行基板W的冷卻，並且針對變動部分，所述第二冷卻機構也起作用。
所述珀爾帖元件6不僅能用於基板W的冷卻，當因某種原因造成所述第一冷卻機構5將基板W過分冷卻時，也可以用於加熱。
即，所述第二冷卻機構控制部72不僅能控制向所述珀爾帖元件6施加的電壓的大小，還可以同時控制電壓的方向。此時，當目標基板冷卻溫度與基板測量溫度之間產生偏差時，也能夠使用所述實施方式所示的控制原則控制基板W的溫度。
當目標基板冷卻溫度被設定為高於所述樹脂製配管5B的耐寒極限溫度、且響應性要求不嚴格時，也可以使所述第二冷卻機構完全不工作，對所述第一冷卻機構5進行基於目標基板冷卻溫度與基板測量溫度的偏差的反饋控制。
在所述實施方式中，通過接觸式溫度傳感器TS實時監測基板W的溫度，也可以用非接觸的溫度傳感器測量基板W的溫度並進 行溫度控制。
此外，在不脫離本發明的發明思想的範圍內可以進行各種變形和實施方式的組合。
1‧‧‧離子注入室
2‧‧‧線性運動機構收容室
3‧‧‧基板輸送機構
4‧‧‧隔壁
11‧‧‧離子束導入口
31‧‧‧基板保持部(靜電卡盤)
32‧‧‧電機
33‧‧‧滾珠絲杆
34‧‧‧螺母
35‧‧‧線纜導向件
41‧‧‧連接縫隙
3B‧‧‧下部結構
3R‧‧‧轉動機構
3U‧‧‧上部結構
5B‧‧‧樹脂製配管
VR‧‧‧真空室
W‧‧‧基板

Claims (8)

  1. 一種離子束照射裝置，其特徵在於，對保持於基板輸送機構的基板保持部的基板進行冷卻；所述離子束照射裝置包括：第一冷卻機構，具備：熱交換部，在所述基板和冷媒之間進行熱交換；以及樹脂製配管，用於使所述冷媒在所述熱交換部中流通，具有柔軟性；第二冷卻機構，通過熱轉移冷卻所述基板；以及冷卻機構控制部，至少當所述基板的目標基板冷卻溫度為所述樹脂製配管的耐寒極限溫度以下時，邊向所述樹脂製配管流通溫度高於所述耐寒極限溫度的所述冷媒，邊通過所述第二冷卻機構冷卻所述基板。
  2. 根據請求項1所述的離子束照射裝置，其中，所述目標基板冷卻溫度為-60℃以下。
  3. 根據請求項1或2所述的離子束照射裝置，其中，所述第二冷卻機構是珀爾帖元件，所述珀爾帖元件的吸熱面與所述基板保持部接觸，並且散熱面與所述熱交換部接觸。
  4. 根據請求項1或2所述的離子束照射裝置，其中，所述熱交換部包括：氣體儲存部，是所述基板保持部與所保持的所述基板之間的空間，冷卻所述基板時儲存氣體；氣體通道，用於向所述氣體儲存部供給氣體或從所述氣體儲存部排出氣體；以及冷媒流通部，與所述氣體通道的至少一部分接觸，所述冷媒在該冷媒流通部中流通。
  5. 根據請求項3所述的離子束照射裝置，其中，所述熱交換部包括：氣體儲存部，是所述基板保持部與所保持的所述基板之間的 空間，冷卻所述基板時儲存氣體；氣體通道，用於向所述氣體儲存部供給氣體或從所述氣體儲存部排出氣體；以及冷媒流通部，與所述氣體通道的至少一部分接觸，所述冷媒在該冷媒流通部中流通。
  6. 根據請求項5所述的離子束照射裝置，其中，所述珀爾帖元件的所述散熱面與所述冷媒流通部接觸。
  7. 根據請求項1或2所述的離子束照射裝置，其中，所述離子束照射裝置還包括接觸式溫度傳感器，所述接觸式溫度傳感器與保持於所述基板保持部的所述基板接觸，測量所述基板的溫度；所述冷卻機構控制部，進行控制，使得所述第一冷卻機構中的所述冷媒的溫度固定保持在目標冷媒溫度，並且控制所述第二冷卻機構，使得由所述接觸式溫度傳感器測量到的基板測量溫度與所述目標基板冷卻溫度的偏差變小。
  8. 一種基板冷卻方法，其特徵在於，用於離子束照射裝置，所述離子束照射裝置對保持於基板輸送機構的基板保持部的基板進行冷卻；所述離子束照射裝置包括：第一冷卻機構，具備：熱交換部，在所述基板和冷媒之間進行熱交換；以及樹脂製配管，用於使所述冷媒在所述熱交換部中流通，具有柔軟性；以及第二冷卻機構，通過熱轉移冷卻所述基板；所述基板冷卻方法係至少當所述基板的目標基板冷卻溫度為所述樹脂製配管的耐寒極限溫度以下時，邊使溫度高於所述耐寒極限溫度的所述冷媒在所述樹脂製配管中流通，邊通過所述第二冷卻機構冷卻所述基板。
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