JP5000842B2 - サセプタの駆動温度制御のための方法並びに装置 - Google Patents

Description

本発明は、１９９９年９月２９日に出願された先願Ｎｏ．６０／１５６，５９５、並びに２０００年ム９月１８日に出願された国際出願Ｎｏ．PCT／US／２５５０３に関し、これらは、参照としてここで入れられている。

本発明は、半導体製造の間の基板の熱処理に一般的に関する。

半導体技術での精度が高くなり、最小ライン幅の留まることのない縮小のために、半導体集積回路を製造するために使用される設備での能力を高くすることがプロセス技術者により要求されている。これらの要求は、特に、集積回路プロセスの蓄積熱量を最小にする必要性に結びついている。この熱量は、プロセス(処理)中にウエハにより吸収される熱の蓄積量（度／分）である。

前記熱量のソースは、拡散炉、エッチング並びに堆積処理、急速熱処理、およびアニール工程等である。代表的には、ウエハの温度は、安定した状態温度となるように処理工程の間に上昇し、所定の時間の間、この安定な状態温度で維持され、そして、室温に戻るように低くなる。かくして、各処理工程は、全体の処理の熱量に加わる。所望の処理工程でのピーク温度は、熱量での増分に非常に影響を与えるけれども、低いピーク温度を要求するプロセスの必要性は、温度傾斜付工程を増加した数の場合での熱量に実質的な影響を与えている。ある場合には、安定状態温度は本質的には生じない。処理工程の間、ウエハの温度を制御するために使用される設備の重要なものの1つにサセプタがある。各ウエハは、順次サセプタの上に載置され、ウエハの温度がサセプタを介して制御される。

一般的に熱量を最小にし、特に、ウエハの温度制御を精密にすることは、集積回路を作るために使用される主な設備の製造者への挑戦である。主な半導体設備の末端の使用者の要求を最大限に満たすことの可能なこれら設備の製造者は、マーケットシアーを大きくする立場にある。

本発明の発明者達は、本発明により取り扱われているウエハ処理に関連した重要なことと問題とを認識した。例えば、発明者達は、処理の間に半導体ウエハにかかる熱負荷を減じるために、処理の間に１もしくは複数の所定の温度でウエハを安定にさせるためには、加熱と冷却とによりウエハの急速な温度制御をすることが有効であることを決定した。熱伝達液の温度を制御し、この液をウエハ支持構造体内に形成されたチャンネルを通して循環させることによるウエハの簡単な加熱と冷却とでは、最適な結果を得ることができないであろう。このような方法は、熱伝達液をある温度から別の温度に変更するのに必要な時間とエネルギとに対して悪影響を及ぼす。発明者達は、必要なことは、ウエハの加熱の制御と冷却の制御との両者を可能にする方法であることを決定した。

半導体構造内でのドーパントの拡散は、所望のデバイス構造を形成するのに利用される処理である。このような拡散は、熱力学のプロセスであり、比較的高い温度が、道理にかなった時間で所望のブロファイルを達成するように、使用される。しかし、サンプルのプロファイルは、低温が長時間に渡って維持されるのであれば、このような低温で得られ得る。半導体集積回路の製造工程の間の熱処理の累積した効果は、高温を使用した処理と同様となり得る。不幸にも、処理の累積熱付加は、過度の拡散を生じさせ得る。処理の熱負荷に対する２つの貢献するファクターハ、ウエハを加熱するのに必要な時間と、ウエハを冷却するのに必要な時間とである。発明者達は、ウエハの温度が所望の温度に設定され、単一の処理の間に異なる温度に変更され得るように、熱源の温度を急速に切り替える効果を認識した。

本発明者達は、ウエハは、均一な初期の温度プロファイルから所望の温度に均一に加熱もしくは冷却される必要があることを、決定した。しかし、フラッシュランプを基本とするヒータのような既存のシステムは、ウエハの周部よりもウエハの中心部をより加熱するので、不均一な加熱となる。この問題に対する妥協は、ウエハの内外への熱の流れを妨げる、ウエハの周囲の空気の絶縁効果である。かくして、本発明者達は、必要なことは、均一な熱伝導を与える方法であることを決定した。

加熱もしくは冷却構造態が熱をウエハの内外に伝達できる程度は、ウエハの温度の変更が必要になるのに従って重要になってきている。既存のシステムは、構造体を形成するのに使用される材料の関数である純粋な伝導に基づいている。また、別の構造体は、熱交換流体を循環させることにより、補則された伝導に基づいている。しかし、このようなシステムは、流体の内外に熱を伝達する構造体の能力により制限される。このようなシステムは、大量の熱を伝達することが可能ではあるが、これらシステムは、このためには、大容量の熱交換設備の助けがなくてはならない。半導体製造環境のもとでは、スペース、特に、床スペースは、高価であり、大型の加熱並びに冷却システムを避けることが必要である。代わって、既存のスペースに制限されたシステムの動作を改良することが注目されるようになっている。本発明者達は、必要とされることは、加熱もしくは冷却構造体の熱伝導を高める方法であることを決定した。

ウエハの周囲は、ウエハのバルクとは異なる程度で温度を変化させる。このような相違は、装置の動作に悪影響を与えるエッジ効果を生じさせる。従って、発明者達は、必要とされることは、ウエハを加熱もしくは冷却するために使用される構造体の熱伝導を空間的に変更することであることを決定した。

さらに、本発明者達は、ウエハを加熱もしくは冷却するために使用される構造体の熱伝導を時間的に変更することが重要であることを決定した。発明者達は、ウエハが所望の温度とはかなり異なる温度であるときに、ウエハが可能な限り早く所望の温度に達するように、ウエハの内外への熱の伝達を果たし得るような非常に高い熱伝導を有することが望ましいことであることを決定した。しかし、ウエハが所望の温度、もしくはその近くにある場合には、低い熱伝導を有することが有効である。

温度センサ（例えば、サーモカップル）の存在は、測定位置での温度の精度の良い測定を与えることができる。ある場合には、このようなセンサは、流される冷媒の量と消費されるエネルギの量とを制御するように、バルブが開成されるべきか閉成されるべきかを決定するために使用される。しかし、サーモカップルは、サーモカップルのある場所での温度測定を与えるのみである。さらに、サーモカップルは、熱サイクルによって破損し、また、サーモカップルとこれに関連した設備との間に電気絶縁体を含む電気的接続を必要とする。さらに、加熱並びに冷却の増加したレートを与えるシステムにおいて、熱サイクルの反対の影響は、良くない。従って、本発明者達は、必要とされることは、コントローラがバルブとヒータとを適当に調節できるように温度を感知するようにすることであることを決定した。

発明者達に認識され、活上述した重要なことに向ける努力において、発明者達は、以下に詳述されるような装置と方法とを構築した。従って、本発明は、処理の間のウエハへの熱負荷を減じるための装置と方法とを効果的に提供する。

本発明は、加熱機構を使用して必要とされるときにウエハを所定の温度に加熱する工程と、熱伝導領域を前記加熱機構との間に設けるように配置された冷却機構を使用して必要とされるときにウエハを所定の温度に冷却する工程と、ウエハの加熱並びに冷却を助けるように、前記熱伝導領域の熱伝導を調節する工程とを具備する方法を効果的に提供する。この方法は、ウエハを支持する加熱体に装着された電気抵抗体を利用することによりウエハを好ましくは加熱する。

本発明の方法の好ましい実施の形態は、熱伝導領域内に本体を設けることにより、熱伝導領域の熱伝導を調節する。この本体は、作動流体を受けるチャンバの少なくとも一部を規定するように形成された凹所を有する。前記チャンバ内の作動流体の密度もしくは圧力は、調節され得る。チャンバ内の作動流体の密度もしくは圧力の調節は、（１）前記ウエハを加熱する工程の間に、チャンバから作動流体を排出すると共に、（２）前記ウエハを冷却する工程の間に、チャンバ内に作動流体を供給することを含む。代わって、チャンバ内の作動流体の密度もしくは圧力の調節は、（１）前記ウエハを加熱する工程の間に、チャンバ内に第１の作動流体を供給すると共に、（２）前記ウエハを冷却する工程の間に、チャンバ内に第２の作動流体を供給することを含む。

本発明の一実施の形態において、前記本体は、中に膜を備えた凹所を有する。この膜は、供給される作動流体を分けることができると共に、チャンバの分かれたセクションの各々内を調節することが可能である。他の実施の形態において、本体は、側壁とベースとを有する。この側壁は、加熱機構と側壁とベースとが前記チャンバを規定するように、加熱機構と当接する。

本発明の方法の異なる実施の形態は、加熱機構と冷却機構との間の空間的関係を調節することにより、熱伝導領域の熱伝導を調節する工程を有する。

本発明は、加熱機構と、熱伝導領域を前記加熱機構との間に設けるように配置された冷却機構と、前記熱伝導領域の熱伝導を調節するように構成された装置とを具備する熱処理装置を効果的に提供する。この加熱機構は、ウエハを支持するように構成された加熱体と、この加熱体に装着された電気抵抗体とを好ましくは有する。前記冷却機構は、冷却体と、この冷却体内の流路と、この流路に沿って冷却流体を供給するように構成された供給装置とを好ましくは有する。

本発明の装置の好ましい実施の形態は、（１）作動流体を受けるように構成されたチャンバの少なくとも一部を規定するように形成された凹所を有する本体を備えた装置と、（２）前記チャンバ内に作動流体を供給するように構成された流体供給システムとを有する。この装置は、さらに好ましくは、前記チャンバ内の作動流体の所定の密度もしくは所定の圧力を前記流体供給システムが果たすように制御するように構成された制御システムを有する。さらに好ましくは、この装置は、圧力レギュレータを有し、また、前記制御システムは、この圧力レギュレータを制御する。前記供給システムは、作動流体としてヘリウムガスを前記チャンバ内に供給するように構成されたガス供給源を有するか、代わって、作動流体として第２のガスを前記チャンバ内に供給する付加のガス供給源を、好ましくは有する。さらに好ましくは、この装置は、前記チャンバを排気するように構成された真空ポンプを有する。

好ましくは、前記凹所は、前記チャンバを規定するように加熱機構に当接した開口を有する。また、この凹所は、好ましくは、プラチナのコーテングと、前記チャンバ内に分かれた複数のセクションを規定する膜を中に有する。この膜は、蜂の巣形状をしているか、代わって、リブの形状をしている。凹所は、側壁とベースとを有し、この側壁は、加熱機構と側壁とベースとがチャンバを規定するように、加熱機構と当接している。このベースは、ベースに沿って変化するギャップ距離だけ、加熱機構から離間されている。

好ましい実施の形態は、前記加熱機構と冷却機構とは、複数の導管を有する基台に設けられるように規定されている。第１の導管は、基台を貫通し、電気抵抗体のための電力供給ワイヤを入れるように構成されている。第２の導管は、前記流路のための供給ラインとして機能するように構成されている。第３の導管は、前記流路のための排出ラインとして機能するように構成され、また、第４の導管は、前記チャンバのための供給ラインとして機能するように構成されている。

本発明の装置の異なる実施の形態は、装置が加熱機構と冷却機構との間の距離を調節するように構成された駆動装置を有するように規定されている。

本発明は、図に示された好ましい実施の形態を参照して説明される。本発明は、サセプタの温度を動的に制御するための方法並びに装置に、一般的に関する。この装置は、加熱機構でウエハを支持する。この加熱機構の下側には、熱伝導が規制される熱伝導領域が位置している。さらに、この熱伝導領域の下側には、冷却機構が、設けられている。更に、本発明は、装置を動作させるための幾つかの方法を含んでいる。

図面を参照すると、図１は、半導体ウエハを処理するために使用されるサセプタを加熱並びに冷却する、例えば、新規な熱スイッチとして本質的に機能する急速熱処理アッセンブリ、即ち、装置１００の好ましい実施の形態の全体を示す。この装置１００は、加熱機構１０２と、冷却機構１０６と、ギャップアッセンブリ１０４とを概略的に有する。このギャップアッセンブリ１０４は、加熱機構１０２と冷却機構１０６との間の熱伝導領域内に設けられている。また、このギャップアッセンブリ１０４は、以下に詳細に説明されるように、熱伝導領域の熱伝導を調節するように、構成されている。基板１０８（例えば、半導体ウエハもしくはＬＣＤパネル）が、処理アッセンブリ１００の最上面の上に載置されている。より一般的には、この基板は、実質的に平坦な一面を有し（１）、好ましくは、プロセスアッセンブリ１００と同じか小さいサイズのワークピースである。

前記加熱機構１０２は、例えば、処理するための基板１０８を予備加熱（プレヒート）のために、製造プロセスの初期に、所望の温度に基板１０８の温度を上げるために使用される。前記冷却機構１０６は、製造プロセスの間に所望のように基板１０８の温度に下げるために使用される。これら加熱機構１０２と冷却機構１０６とは、製造プロセスの間、必要に応じて温度レベルを上下させることができる。前記ギャップアッセンブリ１０４は、冷却機構１０６と実質的にアラインメントされ、かつこれに固定もしくは着脱可能に接続され得る。最上面は、図１に示されるように加熱機構１０２により規定されるか、冷却機構１０６の順序は、冷却機構１０６が最上面を規定するように変更され得る。アッセンブリ１００を“スパイク（ｓｐｉｋｅ）”アニール（即ち、所定温度への急速な加熱と急速な冷却）のために使用するときには、基板の近くに加熱要素を配置することが望ましい。このようにデザインする理由の１つは、加熱要素が冷却要素よりも小さい熱慣性（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｅｒｔｉａ）を有するように製造できるからである。さらに、上昇された温度での主冷却メカニズムは、少なくとも最初は放射伝達（これは、冷却要素に対して熱遅れ（ｔｈｅｒｍａｌ ｌａｇ）をときどき与える）である。

以下に詳細に説明される他の部材は、基板１０８が所望の設定された温度への温度での急速な変化をすることを確実にすることが必要とされるように、ギャップアッセンブリ１０４の熱伝導を変化させるように機能する。前記加熱機構１０２と冷却機構１０６との間にギャップアッセンブリ１０４が位置することにより、ギャップアッセンブリ１０４が冷却機構１０６から基板１０８を絶縁することを可能にするか、冷却機構１０６から基板１０８への熱伝達を促進させることに、注意するべきである。同様に、ギャップアッセンブリ１０４は、加熱機構１０２から基板１０８を絶縁することができるか、加熱機構１０２から基板１０８への熱伝達を促進する。

前記加熱機構１０２は、ギャップアッセンブリ１０４に接続可能である。また、このギャップアッセンブリ１０４は、冷却機構１０６に接続可能である。基板１０８は、例えば、チャック機構により加熱機構１０２に着脱可能に装着される。動作時には、加熱機構１０２は、基板１０８の温度を所望の温度に上げるために使用され、また、冷却機構１０６は、基板１０８の温度を所望の温度に下げるために使用される。しかし、基板１０８の温度を制御する冷却機構１０６の有効性は、基板１０８と冷却機構１０６との間にギャップアッセンブリ１０４が存在することによって、ギャップアッセンブリ１０４の熱伝導性に依存している。このために、基板１０８が加熱され得る速度（ｒａｔｅ）を早くするためには、ギャップアッセンブリ１０４は、ギャップアッセンブリ１０４を横切る熱伝達の程度（ｒａｔｅ）を減じる（即ち、ギャップアッセンブリ１０４の熱伝導を低くする）ように調節される。同様に、基板１０８の急速な冷却が要求される場合には、ギャップアッセンブリ１０４の熱伝導は、ギャップアッセンブリ１０４を横切る熱伝達の程度（レート）が増すように（即ち、ギャップアッセンブリ１０４の熱伝導が増すように）調節される。

図２は、急速熱処理アッセンブリ、即ち、装置１００の詳細図である。この装置１００は、好ましくは、加熱機構１０２と、ギャップアッセンブリ、即ち装置１０４と、冷却機構１０６と、ヘリウムガス供給源１３６と、第１のバルブ１２８と、第２のバルブ１３０と、真空ポンプ１２６と、圧力レギュレータ１３４と、冷却チャンネル供給ライン１２０と、冷却チャンネル戻しライン１２２と、基台１１８と、真空供給ライン１３８と、第１の真空ライン１２４と、ガスライン１３２と、コントローラ１５６と、電線の供給ライン１１４と、第２の真空ライン１２５と、膜１１３と、ヒータのワイヤ１９４と、電力源１５７とを有する。装置１００のこれら部材の相互接続関係は、図２に示され、また以下に詳述される。

前記加熱機構１０２は、加熱体１９６と、この加熱体１９６に取着された少なくとも１つの電気抵抗体１１０とを有する。この電気抵抗体１１０は、例えば、加熱体１９６の中に埋め込まれている。この加熱体１９６は、好ましくは石英により形成されているけれども、代わって、サファイヤやアルミナのような他の材料によっても形成され得る。前記電気抵抗体１１０は、好ましくはＫａｎｔｈａｌ（商標名）により形成され得るけれども、代わって、Ｎｉｋｒｏｔｈａｌやタングステンのような他の材料によっても形成され得る。電気抵抗体１１０を形成するためにＫａｎｔｈａｌ（商標名）を使用する効果は、これが高抵抗であることである。しかし、Ｋａｎｔｈａｌ（商標名）の熱膨張率は、石英よりも１オーダ大きく、このことは、加熱機構が、石英の囲み内でＫａｎｔｈａｌ（商標名）が膨張するスペースを有するように形成されなければならないことを意味する。更なる詳細のために、加熱機構１０２の例示的デザインと製造とは、２０００年９月２８日に出願された国際出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ００／２５５０３（米国出願ＮＯ．６０／１５６，５９５）に記載されている。

前記コントローラ１５６は、Ｐｅｎｔｉｕｍ（商標名）プロセッサーのようなマイクロプロセッサーと、データとプロセスレシピとの記憶のためのメモリと、メモリから並びにメモリーのデータの伝送のためのデータバスとを好ましくは有する。また、このコントローラ１５６は、前記真空ポンプ１２６と、第１のバルブ１２８と、第２のバルブ゛１３０と、圧力レギュレータ１３４と、電力源１５７と、冷却流体供給並びにポンプ１７３とに電気的に接続されて、これらの動作を制御するようになっている。このような電気的接続は、この分野の者にとって容易に理解し得るであろう。

図３を参照すると、基台１１８は、石英、もしくは、例えば、アルミナやサファイアのような他の同様の材料により、好ましくは形成されている。また、基台１１８は、下側の第１の端面と上側の第２の端面とを有する。第２の端面は、第１の端面の反対側に位置しており、冷却機構１０６に接続されている。基台１１８は、好ましくは円柱形状を有するが、代わって、他の形状が利用され得る。前記冷却チャンネル供給ライン１２０と冷却チャンネル戻しライン１２２とは、例えば、基台１１８の一端面から基台１１８の他端面へと円柱形の基台の主、即ち、中心軸とは平行ではあるがこれからずれた軸に沿って貫通路を穿孔することにより、基台１１８内に形成されている。また、これら冷却チャンネル供給ライン１２０と冷却チャンネル戻しライン１２２とは、これらライン１２０，１２２が基台１１８の主軸の両側に位置し、これらの間にガス供給ライン１１６が位置するように形成されている。ガス供給ライン１１６は、基台１１８の主軸と同軸的に延びている。基台１１８の直径は、冷却チャンネル供給ライン１２０と冷却チャンネル戻しライン１２２とガス供給ライン１１６とが基台１１８の構造上の一体性を損なうことがなく、またオーバラップすることがなく、基台内に形成できるのに充分な大きさである。

前記真空供給ライン１３８は、例えば、通常の穿孔方法（ｍｉｌｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）により形成されたガス供給ライン１１６内に設けられており、下側の第１の端面と上側の第２の端面とを有する。この真空供給ラインの下側の第１の端面は、ガスや真空が真空供給ライン１３８から逃げることができないのを確実にするように、シールキャツプに固定的に取着されている。また、真空供給ライン１３８の前記上側の第２の端面は、開口しており、ギャップ凹所１１１に露出されている（図２参照）。この真空供給ライン１３８は、基台１１８の主軸に沿って形成されている。

図２に示されるように、前記電線の供給ライン１１４は、導管１４２に固定的に取着されている。この導管は、基台１１８の主軸に沿って真空供給ライン１３８の全長に渡って延びた中空のシリンダーである。また、この電線の供給ライン１１４は、リークが生じないように、真空供給ライン１３８と真空シールを形成している。電線の供給ライン１１４は、真空供給ライン１３８の下側の第１の端面を貫通している。前記導管１４２は、基台１１８の主軸に対して同軸で平行であり、抵抗体１１０への電気接続線が導管１４２を自由に通るように充分に大きい。

図２並びに４に示されるように、前記冷却機構１０６は、基台１１８に固定的に取着されており、冷却体１０７と冷媒用チャンネル、即ち、流路１１２とを有する。そして、この冷却機構１０６は、好ましくは、基台１１８と同じ材料で形成されているけれども、代わって、他の同様の材料が利用され得る。前記冷媒用チャンネル１１２は、ギャップアッセンブリ１０４が取着された冷却機構１０６の上面全体に渡って均一な冷却を可能にするようにデザインされた蛇行路へと続いている。冷媒用のチャンネル１１２の別の形態は、この分野の者にとって容易に判るであろう。冷媒用チャンネル１１２は、前記冷却チャンネル供給ライン１２０に流体接続された第１の端部と、前記冷却チャンネル戻しライン１２２に流体接続された第２の端部とを有する。

図４は、前記冷媒用チャンネル１１２と、冷却チャンネル戻しライン１２２と、冷却チャンネル供給ライン１２０と、導管１４２と、真空供給ライン１３８とを示す、図２のIV−IV線に沿った断面図である。冷媒用チャンネル１１２は、一般的な技術を使用して冷却体１０７内に形成されており、冷却体内を流れる冷却用流体のための流路を提供するように形成されている。

図２，５並びに６に示されるように、熱伝導領域を占めるギャップアッセンブリ、即ち、装置１０４は、ギャップ凹所１１１を備えたギャップ体１８４を有する。このギャップアッセンブリ１０４は、好ましくは、前記基台１１８と同じ材料により形成されているけれども、代わって、他の同様の材料が使用され得る。図５は、ギャップ体１８４と、真空供給ライン１３８と、導管１４２とを有するギャップアッセンブリ１０４の平面図である。前記ギャップ凹所１１１と加熱体１９６の下面とは、後で詳述されるように、作動流体を受けるようにそれたチャンバを規定している。構成を簡単に判らせるために、前記ギャップ体１８４と、真空供給ライン１３８と、導管１４２とは、好ましくは、断面が円環形であり、互いに同軸的に配置されているけれども、代わって、他の形状や配置が利用され得る。

図６は、例えば、プラチナのような金属のオプションのコーテング１１５と、床、即ちベース１２７と、ギャップ凹所１１１と、真空供給ライン１３８と、導管１４２とを示す、ギャップアッセンブリ１０４の図５でのVI−VI線に沿った断面図である。これら部材の相互関係は、図６に示されてており、後で詳述される。オプションの前記金属コーテング１１５は、例えば、ギャップ体１８４の床１２７上に厚さが約１μｍの層をスパッタリングで堆積させることにより形成されている。ギャップ体１８４は、好ましくは、石英もしくはこれと同等の材料特性を有する他の材料により形成されている。

好ましくは、膜１１３が、前記凹所１１１内に位置されている。この膜１１３は、好ましくは、石英の厚い片に機械加工された石英の蜂の巣体もしくは均一に分散して分布された複数の石英リブ（図６に蜂の巣状の壁／リブ１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ，１１３Ｄで示されている）により形成されている。このような膜は、プラチナコーテング１１５の堆積もしくはプラチナシートの挿入前に、加熱機構１０２の下面と凹所１１１の床１２７とに接着されている。石英の接着フリットの粘性の性質により、前記蜂の巣体もしくはリブは、フリットの薄い層の中に少し浸され（“ｄｉｐｐｅｄ”）得る。この後に、溶媒が焼成され、石英片が組立てられ、そして組立てられた製品が高温炉内で接着され得る。この石英の蜂の巣体もしくはリブは、ギャップが大気圧（もしくはこれ以上の圧力）のガス並びに真空である処理アッセンブリの外側の環境に晒されたときに、薄く大径の石英の加熱機構１０２の後側にかかる負荷を分散する機能を有する。反対に、この石英の蜂の巣体もしくはリブは、ギャップが排気され、外側の雰囲気環境が大気圧の場合には、圧縮負荷を支持するように使用され得る。

図２に示されるように、電力源１５７は、ヒータワイヤ１９４を介して電気抵抗体１１０に電力を供給する。かくして、この電力源１５７は、例えば、２５ｋＷにまで大きい充分な電力を供給することができることが必要である。電力源１５７は、如何なる所望の出力電力（即ち、電流並びに電圧セッテング）が、電気抵抗体１１０による既知の熱出力に対応して、電気抵抗体１１０により加熱される基板１０８の温度を決定するように、電気抵抗体１１０に対して実験的に見積もられている。代わって、この電力源１５７は、高温計を使用して見積もられる。知られた熱出力を与える所定の電力の出力に基づく温度の制御により、本発明は、基板１０８の温度を検出するサーモカップルの使用の必要性をなくしている。しかし、代わって、温度センサーが、基板１０８の温度レベルを精度良く測定することが望まれるのであれば、本発明で利用され得る。このような温度センサーは、基板に対向して（例えば、基板の上方）構造物内に配置され、Ｓｅｋｉｄｅｎｋｏから商業的に入手可能なような高温計（Ｍｏｄｅｌ２０００の光ファイバーサーモメータ）、Ｓｅｋｉｄｅｎｋｏから商業的に入手できるようなエミッソメータ（Ｍｏｄｅｌ２０００のエミッソメータ（ｅｍｉｓｓｏｍｅｔｅｒ））、もしくは、米国出願６０／１７４，５９３並びに６０／１８９，０４３に記載されているようなバンドエッジ温度測定器を含む。後者の装置は、基板の後ろ側へのブロードバンドＩＲ放射を、伝送バンドエッジの動き（温度の関数として）をモニターする照明とは反対側の基板側に、ハァイバー光学系を介して光学にカップリングさせることが必要である。加熱部材の温度をモニターするための更なる既知の技術は、部材にかかる既知の電圧と、電流から部材の抵抗を測定し、これの既知の抵抗−温度依存性から温度を算出することを含む。この試みは、加熱部材の材料が抵抗に対して大きい温度係数を有している場合には、最も有用である。

再び図２を参照すると、熱処理アッセンブリ１００は、例えば、処理の間か前にウエハを最適温度に予備加熱するために、望まれるのであれば、処理の間か処理の前にウエハを効率良く加熱する装置を提供する。基板１０８が急速熱処理アッセンブリ１００の加熱機構１０２の上に位置した作動時に、コントローラ１５６からの指令により、第２のバルブ１３０は真空ポンプ側に設定されてライン１３２を閉鎖し、かつ、第１のバルブ１２８は開かれる。この結果、ガス供給ライン１１６とギャップ凹所１１１内の残留ガスがポンプにより排出される。コントローラ１５６は、電力を、所望の温度設定に対応したレベルで、電気抵抗体１１０にヒータワイヤ１９４を介して供給するように電力源１５７に信号を送る。

ウエハの温度を減じることが望まれる場合には、真空ポンプに対して第１のバルブ１２８が閉じられている間に、第２のバルブ１３０がガス供給源１３６に対して開かれ（即ち、第２のバルブ１３０は真空ポンプ１２６に対しては閉じられる）、圧力レギュレータ１３４は、所望量の動作”流体“（例えば、気体もしくは液体の状態でのヘリウムもしくは他の同様の導体）がガス供給ライン１３２を通って真空供給ライン１２５に、そして、ガス供給ライン１１６を通ってギャップ凹所１１１へと流れることを可能にする。この圧力レギュレータ１３４は，ギャップ凹所１１１内のガス圧力を設定する。ギャップ凹所１１１内の動作流体によって、ギャップアッセンブリ１０４の熱伝導は急に高くなる。同様に、所定の温度の冷却流体は、冷却チャンネル供給ライン１２０に圧送され、冷媒用チャンネル１１２を介して基板１０８を所望の温度に冷却し、そして、冷却チャンネル戻しライン１２２を通ってクーラに戻される。加熱動作の間でさえも、冷媒は、ヒータが真空状態のギャップアッセンブリ１０４によりクーラから熱的（伝導）に絶縁されているので、冷媒用チャンネルを介して圧送され得る。かくして、ヘリウムガス供給源１３６からのガスと、冷媒用チャンネル１１２（そして、電気抵抗体１１０に与えられる電力をオフにする）を通る圧送された冷却流体とが、排気されたギャップ凹所１１１を満たす同時の作用は、装置を熱スイッチとして機能させる。ギャップ凹所１１１は低いので、このギャップ凹所１１１に対応した容積もまた小さい。従って、上記処理を逆にすることは，また、本発明の装置を熱スイッチとして機能させる。かくして、本発明は、双方向性熱スイッチとして機能する。

異なる形態において、ヘリウムガス源１３６と、圧力レギュレータ１３４とは、複数の動作流体源と、各動作流体源のための各圧力レギュレータとに代えられている。この形態での動作において、コントローラ１５６から指令により、１つの動作流体の供給を遮断し、別の１つの動作流体の供給を開始する。この結果、ギャップ凹所１１１内の作動流体は、加熱の間（低い熱伝導）の所定の伝導性の作動流体から、冷却の間（高い熱伝導）の異なる伝導性の他の作動流体に代わる。

さらに異なる形態において、ガス供給ライン１１６は、各流路の一端側が異なる圧力レギュレータとガス供給源とに流体的に接続され、各流路の他端側がギャップ凹所１１１の、膜１１３により夫々分離された異なるセクションに流体的に接続された複数の流路に分けられている。この形態において、ギャップ凹所１１１の異なるセクションは、異なる熱伝導性を有することができて、空間的に可変の加熱並びに冷却を可能にしている。

図７並びに８は、ギャップ体１８４が異なる形状となっているギャップアッセンブリ１０４‘の異なる実施の形態を示している。図７は、第１の段部セクション１４８と、第２の段部セクション１５０と、第３の段部セクション１５２とを有するギャップアッセンブリ１０４’の異なる実施の形態を示す平面図である。図８は、ギャップセクション１１１と、真空供給ライン１３８と、導管１４２とを有するギャップアッセンブリ１０４’の異なる実施の形態のVIII−VIII線に沿って切断された断面図である。前記第１の段部セクション１４８と、第２の段部セクション１５０と、第３の段部セクション１５２とは、床の環状部分である。これら段部セクションは、ギャップ凹所１１１の高さ(即ち、段部セクションとギャップアッセンブリ１０４‘の上面との間の距離)がセクションごとに異なるように、配置されている。このようにギャップ凹所の高さが変わることにより、ギャップの熱伝導もまた変化可能である。

動作において、この実施の形態は、第１の段部セクション１４８と、第２の段部セクション１５０と、第３の段部セクション１５２とが、各段部の上方のギャップ凹所１１１の高さに応じてギャップの伝導の空間的な変化を生じさせている以外は、第１の実施の形態と全く同じである。これら段部の環状配置は、段部高さの可能な形態の１つではあるけれども、他の形態が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。また、段部高さも、図８に示されたのとは異なるように変更され得る。例えば、低い段部高さから高い段部高さへの順序は、高い方から低いほうへと逆にすることが効果的である。さらに、図８に示されたギャップ厚さは、段々であるように示されているけれども、例えば、床に凸所並びに／もしくは凹所を形成することにより、スムースに変化するように変更され得る。

本発明の更なる異なる実施の形態は、加熱機構１０２と冷却機構１０６との位置が交換されるように、構成されることは、さらに気が付くべきである。このような形態では、冷却機構が基板を支持し、加熱機構がギャップアッセンブリの下方に位置される。そして、このような形態では、図１に示された冷却チャンネル供給ライン１２０並びに／もしくは冷却チャンネル戻しライン１２２は、電力源１５７から電気抵抗体１１０へとヒータワイヤを案内するのに利用されている。

さらに、図１に示された導管１４２は、２つの平行なチューブとなるように分割もしくは区分される。この場合、一方のチューブは、冷却チャンネル供給ラインとして機能され、他方のチューブは、冷却チャンネル戻しラインとして機能され、作動流体は、冷媒流体源並びにポンプ１７３から冷媒用チャンネル１１２へと、また、この逆に供給される。このような形態は、急速熱処理アッセンブリ１００の種々の実施の形態の上記説明に基づいてこの分野の者にとって容易に理解されるであろう。

図９は、急速熱処理アッセンブリ１００の第１の実施の形態を使用し得る第１の動作方法を設定しているフローチャートである。

工程２００において、基板１０８は、サセプタ上に装填される。処理アッセンブリは、好ましくは、（１）装填（ローデング）のときにサセプタにウエハが接触するように下降させるためと、（２）排出（アンローデング）のときにサセプタからウエハを上昇させるためとに、３つのリフタピン(図示せず)の通路を有するように構成されている。処理環境が確立され、ウエハがこの環境(例えば、ガス、圧力等)に晒される。工程２１０の間、ギャップ凹所１１１は、所定の圧力になるまでか、所定の時間、排気される。実際には、工程２１０は、工程２００の間になされ得る。

工程２２０において、基板１０８は、ヒータワイヤ１９４を介して電気抵抗体１１０に電気エネルギを供給するように、電力源１５７に信号を送るコントローラ１５６により、所望の温度に加熱される。急速熱処理アッセンブリ１００の加熱機構１０２上に基板１０８がある状態で、コントローラ１５６からの指令により、第２のバルブ１３０は真空ポンプ１２６に対して開成され、また、第１のバルブ１２８は開成される。この結果、真空供給ライン１３８並びにギャップ凹所１１１内の残留ガスは、ポンプにより排出される。

工程２３０において、コントローラ１５６は、第１のバルブ１２８を閉成し、第２のバルブ１３０を作動流体側に設定し、ヘリウムガス源１３６から所望の流量の作動流体が流れるように圧力レギュレータ１３４を設定する。この圧力レギュレータ１３４は、ギャップ凹所１１１に吐出される作動流体の圧力を設定できる。異なる実施の形態において、ウエハ、もしくは加熱プレート、即ち、加熱機構の後ろ側を伝導と対流とで冷却するために、高圧(即ち、大気圧)の作動流体が、入口を通ってギャップ凹所中に流入し、出口から排出されるようになされ得る。

工程２４０において、処理状態が処理がオーバしているかどうかを決定するように問われる。そして、処理がオーバしていないように決定されると、処理は工程２３０に戻り、作動流体は、ギャップ内の特定ガス圧力となるように流し続けられるか維持される。一方、処理がオーバであると決定されると、処理は工程２５０で終了する。

本発明の装置は、ウエハを単に加熱するよりもより複雑な処理をすることができる。図１０は、複数の処理工程の各々でウエハ温度を異ならせることができる第２の動作方法を示すフローチャートである。この方法は、第１の動作方法を拡張しており、以下に説明するように変更を含む。

工程３３５において、ガス圧力レギュレータのためのセッテングは、コントローラ１５６のメモリから読み取られ、コントローラ１５６は、適当なレベルにヘリウムガス供給源から作動流体の流れを設定するように圧力レギュレータ１３４に指令を送って、所望の作動流体圧力を達成させる。もし、コントローラ１５６のメモリのレシピが、また、電気加熱部材(抵抗体)に供給される電力での変化を示すならば、コントローラ１５６は、情報を電力源１５７に送り、ヒータワイヤ１９４を介する電気抵抗ヒータ１１０に供給される電力量を調節する。さらに、必要な場合には（プロセスレシピにより示されるように）、コントローラ１５６は、圧力レギュレータ１３４をオフにすると共に、第２のバルブを真空ポンプ１２６側に切り替え、第１のバルブ１２８を開成させる。

後で、工程２４０が、処理がオーバしていないことを決定した場合には、処理は、工程３４５で処理を変更する時かどうかを決定するように進行する。この工程３４５で、処理を変更すると時であることが決定されると、新たな処理設定が、メモリにロードされて、処理は工程３３５に戻り、上述されたように、工程３３５から進行する。そして、処理が工程２５０に達すると、処理は終了する。

この第２の動作方法で、ウエハが急速熱処理アッセンブリ１００に装填されると、コントローラ１５６は、メモリ内の処理リシピをアクセスする。このレシピは、上述されたような工程シーケンスを含んでいる。各工程に対して、第１のバルブ１２８と、第２のバルブ１３０と、圧力レギュレータ１３４と、真空ポンプ１２６と、電力源１５７とのための形態がある。各工程は、所望のセットのバルブセッテングや電力供給セッテング等がなされる時間と関連付けられている。動作において、コントローラは、各工程を順番に連続して進行させて、レシピにより指示されているような各工程での処理教授を実行させる。

バルブのセッテング並びにガス流状態の変更と同様に、加熱と冷却とのシーケンスでの変更が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。このような変更は、ウエハもしくは他の基板が所望の処理温度に達する速度を制御するように効果的に使用され得る。

一般的に、本発明の処理の間のウエハでの熱負荷を減じるための方法は、加熱機構を使用して、必要なときに所定の温度にウエハを加熱する工程と、熱伝導領域が加熱機構と冷却機構との間に設けられるように配置された冷却機構を使用して、必要なときに所定の温度にウエハを冷却する工程と、ウエハの加熱と冷却とを助ける熱伝導領域の熱伝導を調節する工程とを有する。好ましくは、コントローラ１５６は、処理を制御し、基板１０８を所望の温度にするために、上述されたようにして基板１０８の温度を調節する。

この方法は、好ましくは、基板１０８を支持するように構成された加熱体１９６に装着された電気抵抗体１１０を利用して、ウエハを加熱する工程を与えている。ウエハを冷却する工程は、好ましくは、冷却機構１０６内の冷媒用チャンネル１１２のような流路に沿って冷却流体を供給することを有している。

熱伝導領域の熱伝導を調節するための工程は、熱伝導領域内に本体を設ける工程を有している。この本体は、作動流体を受けるように構成されたチャンバの少なくとも一部を規定するようになされた凹所を有している。また、この工程は、例えば、図１ないし８に示されたような本発明の第１の実施の形態の装置を使用して、チャンバ内に存在する作動流体の圧力もしくは密度を調節することを有している。このチャンバ内に存在する作動流体の圧力もしくは密度を調節する工程は、好ましくは、ウエハを加熱する工程の間にチャンバから作動流体を排出させる工程と、ウエハを冷却する工程の間にチャンバ内に作動流体を供給する工程とを有している。代わって、前記チャンバ内に存在する作動流体の圧力もしくは密度を調節する工程は、ウエハを加熱する工程の間にチャンバ内に第１の流体を供給する工程と、ウエハを冷却する工程の間にチャンバ内に第２の流体を供給する工程とを有している。熱伝導領域内に本体を設ける前記工程は、好ましくは、チャンバ内に複数の分離したセクションを規定する膜を凹所内に設ける工程を有している。さらに、チャンバ内に存在する作動流体の圧力もしくは密度を調節する前記工程は、好ましくは、チャンバの分離したセクションの各々の中に分離した作動流体を供給する工程を有する。代わって、熱伝導領域内に本体を設ける前記工程は、側壁とベースとを有する凹所を備えた本体を設けることを有している。この側壁は、加熱気候と側壁とベースとがチャンバを規定し、ベースが加熱機構からギャップ距離だけ離間されるように、加熱機構と当接している。また、前記ベースは、前記ギャップ距離が、図７並びに８に示されるようにベースに沿って変化するように構成されている。

ここで説明された本発明の実施の形態の構造は、真空並びにガスのリークに対しては潜在的であることが判るであろう。しかし、良い構造と注意深い配管との設置は、リークのリスクを最小にするであろう。さらに、互いに取着される部品の真空に対する一体性は、本発明の有効な設備のためには重要である。しかし、組立ての間にこのような配設に注意をするとは、この潜在的な問題を最小にするであろう。

本発明に対するある動作的な配置は、ギャップ凹所の実際の高さが約く２５μｍ以下であるときには、制御が難しい。この状態は、温度制御の反復性に悪影響を与えるかもしれない。しかし、ほとんどの場合には、ギャップ凹所１１１の高さは、２５μｍ以上になっている。

ここで示されまた説明された例示の実施の形態は、本発明の好ましい実施の形態を示しており、如何なる場合でも請求項の範囲を制限することは意味されていないことが判るであろう。本発明の種々の変形と変更とが、上記技術を基にして可能である。かくして、添付請求項の範囲内で、本発明は、特にここで説明されたのとは他の方法で実現化され得る。

本発明の一実施の形態に係わる急速熱処理装置を概略的に示す図である。 本発明の一実施の形態に係わる急速熱処理装置を詳細に示す図である。 図２のIII−III線に沿って切断された基台の実施の形態を示す断面図である。 図２のIV−IV線に沿って切断された急速熱処理装置の一実施の形態の断面図である。 本発明の一実施の形態に係わるギャップアッセンブリの平面図である。 図５のVI−VI線に沿って切断されたギャップアッセンブリの断面図である。 本発明の異なる実施の形態に係わるギャップアッセンブリの平面図である。 図７のVIII−VIII線に沿って切断されたギャップアッセンブリの断面図である。 本発明の一実施の形態に係わる動作方法のフローチャートである。 本発明の異なる実施の形態に係わる動作方法のフローチャートである。

Claims (27)

1. 処理するウエハを支持するように構成された最上面を有し、前記最上面に支持されたウエハの温度を増加させるように構成された加熱機構と、
   熱伝導領域を前記加熱機構との間に設けるように前記加熱機構の下に配置された冷却機構と、
   前記熱伝導領域に提供され、前記加熱機構と前記冷却機構とに接続され、前記冷却機構と実質的にアラインメントされ、前記加熱機構と前記冷却機構との間で前記熱伝導領域の熱伝導を調節するためのギャップに、作動流体を受けるチャンバを規定するように構成された凹所を有する本体を含んでいるギャップアッセンブリ装置と、
   前記凹所の中に提供され、前記チャンバ内に分かれたセクションを規定する膜と、を具備し、
   前記凹所の異なるセクションは、異なる熱伝導性を有することができる、熱処理装置。
2. 前記加熱機構は、加熱体と、この加熱体に装着された電気抵抗体とを有する請求項１の熱処理装置。
3. 前記冷却機構は、冷却体と、この冷却体内の流路と、この流路に沿って冷却流体を供給する供給装置とを有する請求項１の熱処理装置。
4. 前記熱処理装置は、前記チャンバ内に作動流体を供給するように構成された流体供給システムを有する請求項１の熱処理装置。
5. 前記熱処理装置は、さらに、前記チャンバ内の作動流体の所定の密度と所定の圧力との少なくとも一方を前記流体供給システムが果たすように制御する制御システムを有する請求項４の熱処理装置。
6. 前記熱処理装置は、圧力レギュレータを有し、また、前記制御システムは、この圧力レギュレータを制御する請求項５の熱処理装置。
7. 前記供給システムは、作動流体としてヘリウムガスを前記チャンバ内に供給するガス供給源を有する請求項４の熱処理装置。
8. 前記供給システムは、作動流体として第２のガスを前記チャンバ内に供給する付加のガス供給源を有する請求項７の熱処理装置。
9. 前記熱処理装置は、さらに、前記チャンバを排気する真空ポンプを有する請求項４の熱処理装置。
10. 前記凹所は、開口を有し、この開口は、前記チャンバを規定するように加熱機構に当接している請求項４の熱処理装置。
11. 前記凹所は、プラチナのコーテングを有する請求項４の熱処理装置。
12. 前記膜は、蜂の巣形状をしている請求項１の熱処理装置。
13. 前記膜は、リブの形状をしている請求項１の熱処理装置。
14. 前記凹所は、側壁とベースとを有し、この側壁は、加熱機構と側壁とベースとがチャンバを規定し、ベースが加熱機構からギャップ距離だけ離間されるように、加熱機構と当接し、また、前記ベースは、前記ギャップ距離が、ベースに沿って変化するように構成されている請求項４の熱処理装置。
15. 前記加熱機構は、加熱体と、この加熱体に装着された電気抵抗体とを有し、
    前記冷却機構は、冷却体と、この冷却体内の流路と、この流路に沿って冷却流体を供給する供給装置とを有し、
    前記熱処理装置は、前記チャンバ内に作動流体を供給するように構成された流体供給システムを有し、また、
    前記加熱機構と冷却機構とは、基台に設けられており、この基台は、基台を貫通し、前記電気抵抗体のための電力供給ワイヤを収容するようにされた第１の導管を有し、また、この基台は、基台を貫通し、前記流路のための供給ラインとして機能するように構成された第２の導管を有し、また、この基台は、基台を貫通し、前記流路のための排出ラインとして機能するように構成された第３の導管を有し、さらに、この基台は、基台を貫通し、前記チャンバのための供給ラインとして機能するように構成された第４の導管を有する、請求項１の熱処理装置。
16. 前記加熱機構と前記冷却機構との位置が交換された請求項１の熱処理装置。
17. 前記熱処理装置は、前記チャンバ内に作動流体を供給する流体供給システムを有する請求項１６の熱処理装置。
18. 請求項１の熱処理装置を用いたウェハの処理方法であって、
    前記最上面にウェハを提供し、前記加熱機構を使用して前記ウエハを所定の温度に加熱する工程と、
    前記冷却機構を使用して前記ウエハを所定の温度に冷却する工程と、
    前記ウエハの加熱並びに冷却を助けるように、前記熱伝導領域の熱伝導を調節する工程とを具備するウエハの処理方法。
19. 前記ウエハを加熱する工程は、ウエハを支持する加熱体に装着された電気抵抗体を利用することを含む請求項１８の方法。
20. 前記ウエハを冷却する工程は、前記冷却機構内の流路に沿って冷却流体を供給することを含む請求項１８の方法。
21. 前記熱伝導領域の熱伝導を調節する工程は、
    前記チャンバ内の作動流体の密度と圧力との少なくとも一方を調節する工程とを有する請求項１８の方法。
22. 前記チャンバ内の作動流体の密度と圧力との少なくとも一方を調節する工程は、前記ウエハを加熱する工程の間に、チャンバから作動流体を排出すると共に、前記ウエハを冷却する工程の間に、チャンバ内に作動流体を供給する工程を有する請求項２１の方法。
23. 前記チャンバ内の作動流体の密度と圧力との少なくとも一方を調節する工程は、前記ウエハを加熱する工程の間に、チャンバ内に第１の作動流体を供給すると共に、前記ウエハを冷却する工程の間に、チャンバ内に第２の作動流体を供給する工程を有する請求項２１の方法。
24. 前記チャンバ内の作動流体の密度もしくは圧力を調節する工程は、チャンバの分かれたセクションの各々内に別々の作動流体を供給する工程を有する請求項２１の方法。
25. 前記ギャップアセンブリ装置は、前記ギャップの高さが空間的に変化するように配置された１つ以上の段部セクションを含む請求項１の熱処理装置。
26. 前記ギャップアセンブリ装置は、前記ギャップの高さが空間的に変化するように配置された１つ以上の段部セクションを含む請求項１６の熱処理装置。
27. 前記ギャップアセンブリ装置は、前記ギャップの高さが空間的に変化するように配置された１つ以上の段部セクションを含む請求項１８のウエハの処理方法。

Images