JPH0670897B2

JPH0670897B2 - 薄く柔軟な物品から熱を除去する装置

Info

Publication number: JPH0670897B2
Application number: JP58090839A
Authority: JP
Inventors: スコツト・シ−・ホ−ルデン
Original assignee: バリアン・アソシエイツ・インコ−ポレイテッド
Priority date: 1982-05-25
Filing date: 1983-05-25
Publication date: 1994-09-07
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: JPS58213440A

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は目的物及び熱貯蔵器を含む熱移送装置に関する
もので、特に、イオン注入、スパツタリング等によつて
処理される半導体ウエーハの冷却に関するものである。

発明の背景加工品が高放射流束を受ける処理工程において、その加
工品内に出る熱はその処理に対して限界を与える因子と
なるものであろう。特に、半導体材料のイオン注入に対
して、加工品の温度に上限があることがいくつかの理由
のために認められている。ウエーハがリングラフ処理の
一部としてレジスト層でコートされるところでは、その
層は、100℃をかなり越えて上昇した温度では劣化又は
変質するであろう。前に形成された半導体ウエーハ内
の、明確に変化した特性を有する領域は、そのウエーハ
が長く放射線を受けると不所望の拡散受けか、又は前に
注入などを受けた領域は焼なましを早く受けることにな
るであろう。

従つて、イオン注入処理等の結果によつて中に発生する
熱を半導体ウエーハから除去することが重要なことであ
る。

イオン注入の間、半導体ウエーハを凸状に曲がつたプラ
テンに締め付けることによつて半導体ウエーハを能動的
に冷却することは、従来技術において知られている。そ
のプラテンは、その表面上に柔軟な熱伝導性材料のコー
テイングを有している。そのプラテンと協働する締付け
リングが、凸状に曲つたプラテンの適合的（complian
t）な表面に対して半導体ウエーハをしつかりと押し付
けるように配置され、その締付けで、ウエーハからプラ
テン内に設けられた能動的冷却手段への熱エネルギーの
移動が一段とおこなわれる。このような装置は、本発明
と共に譲渡された米国特許第4,282,924号明細書に記載
されている。

前述の技術は伝導機構に基づいて熱移送をおこなうもの
である。熱エネルギーは、ウエーハに吸収される入射ビ
ームの運動エネルギーによつてウエーハの外表面の近傍
で生じる。従つて、熱移送をウエーハ材料を介しておこ
なう必要があるので、ウエーハ材料の熱伝導特性の中に
潜在的に熱伝導性の第１成分が存在する。（簡単化のた
めに熱がウエーハの厚さを通して通過すると仮定してい
る。）同様に、ウエーハとウエーハ接触するプラテン表
面の間で、次に循環冷却流体用の冷却チヤネルが配置さ
れたプラテンの内部領域を通つて熱移動をおこなわせる
ために、プラテンは熱伝導特性の特徴を有する材料から
成る。ウエーハとプラテンとの間の中間接触領域におい
て、熱移動特性への明確な寄与が存在する。この領域の
熱伝導は、ウエーハとプラテンとの間の実際の接触面積
にほぼ比例し、２つの材料の平均熱伝導率に反比例す
る。微視的なスケールでは、それらの表面は、完全に平
らではなく、不規則な方向を有している。材料の硬度及
び各々の接触表面の表面地形分布における仮定に基づく
ことにより、接触面積は微視的測定で計算することがで
きるが、しかし、実際には巨視的な面積のほんの一部に
すぎない。真空中における固体間の伝導熱移動理論はク
ーパー、マイキツク及びヤバノビツクによつて展開され
ている（Int.J,Heat and Mass Transfer.12巻、279−30
0頁（1969））。そこでは、接触熱伝導が、伝導性及び
実際の接触面積に依存することが示されている。その実
際の接触面積は、接合しあう表面における平らでない部
分の表面密度及びその材料の弾性又可塑性適合性（comp
liance）に順に依存するものである。上に働く押し付け
られた力により、不規則性はまず相互に接触するよう
に、又はほぼ合致するように変形され、より多くの接触
面積が生成されるであろう。より多くの接触面積による
所望の効果は、ウエーハによつて支え得る最大応力によ
つて限定される。米国特許第4,282,924号明細書におい
て、プラテンは、高熱容量金属体で構成され、特に特定
しないが凸状に曲がつている、ウエーハと接触する熱伝
導適合（compliant）材料外層が接合されている。従つ
て、ウエーハの小さな不規則性のある部を収容すべく変
形する表面層を備えている。この例では、その適合（co
mpliant）材料を通過する熱通路の長さにおいて更に幾
何学的な属性が存在する。その長さは、接触圧力の増加
とともに比例して短くなるものである。この効果は最初
に現れるが、しかし、通常生ずる僅かな変形では全く小
さなものである。

境界面の熱インピーダンスに影響を与えるいろいろな効
果は、熱シンクに関して所定のウエーハ温度を保つこと
が望ましい所で選択的に制御可能な熱インピーダンスを
与えることで認められた。この属性の例が、これと共に
譲渡され、出願された米国特許第4,453,080号明細書で
議論されている。

発明の目的従って、本発明の目的は、イオン注入の間、半導体ウエ
ーハを効果的に冷却するための改質された装置、特に一
様にこのような冷却をおこなう装置を提供することであ
る。

発明の概要放射流束を受ける半導体ウエーハ用の改良された熱移動
装置は、ウエーハをその周囲で好適に締め付けるプラテ
ンを含んでいる。そのプラテンは、ウエーハの表面上の
場所に依存しないで、熱をウエーハを通してプラテンに
移動させることを最適にする輪郭を有している。ウエー
ハとプラテンとの間の接触圧力分布が、ウエーハをプラ
テンに締め付ける締付け手段によつて限定された境界条
件に対して、ウエーハの残りの表面全体にわたつて一様
であるところの表面に対応するように、ウエーハと合致
する輪郭が計算される。接触圧力の大きさは、ウエーハ
が後で割れることなく許容し得る大きさまで最大化され
る。

１つの実施例において、プラテンは剛直な金属部材及び
その上に接合される適合（compliant）層から成る。そ
の適合層の特性及び接合表面でのその部材の内側輪郭に
よつて、上述した必要条件を満す外側輪郭は制御され
る。

どちらのアプローチにおいても、プラテンは、そこから
熱を効果的に除去するための能動的な冷却手段を好適に
含んでいる。

好適実施例本発明の概要は、典型的なイオン注入装置を図示してい
る第１図に良く示されている。高電圧ターミナル２が、
アースに関して典型的に＋10kevから＋20kevまでの選択
可能な電圧に保たれている。ターミナル２内に、イオン
源８及びそれと組み合う電源10が配置され、本発明の目
的に関して詳説する必要のない抽出、プローブ及び集束
電圧が備えられている。典型的に、イオン源はガス状原
料を必要とするガス取扱装置で作動し、その装置はいく
つかのガスシリンダの間で選択するため及び選択された
ガスを制御して漏出することによりイオン源に供給する
ために使用されてもよいものである。イオン源８から発
散する高流束イオンビーム18が分析磁石20で運動量分析
され、その磁石から流出し、穴22によつて成形され、更
に可変なスリツトシステム24によつて限定される。その
ビームは次に、加速管26内のアース電位へ加速される。
四重極子二重レンズのような光学的要素28は、空間集束
をターゲツト面56又は58に生じさせるためにビームに作
用する。第１図の典型的な装置は静電偏向装置を利用し
ている。その静電偏向装置は、選択されたターゲツト面
全体にビーム18を向けるためのｙ偏向板40及びｘ偏向板
42を含んでいる。所望の走査パターンを形成するために
板40及び42に印加される波形が走査装置で形成される。
二重チヤネルターゲツトチエンバ46は、処理される製品
を覆うために備えられている。各々の処理チヤネルに対
してビーム形成スリツト48及び49が、そして電荷収集及
び集成に対してフアラデイケージ50及び51が、そのター
ゲツトチエンバの中に含まれている。供給チヤネル52及
び54を含む自動ウエーハ取扱装置が作動すると、２つの
処理チヤネルには、時間をずらしてターゲツトチエンバ
内に導入するための２つの真空ロツクの各々通つて１度
に１つ半導体ウエーハが導入される。そのウエーハ取扱
装置は、処理の間にウエーハを適切に位置付けし、揃
え、冷却し、処理終了後にチエンバから処理されたウエ
ーハを取り除く。そのウエーハ取扱装置は、これと一緒
におこなつた一連の出願の中に記載されている。

イオンビームが横切る全領域が高真空に、例えば、典型
的には10^-6mm.hgのオーダの圧力に保たれることは理解
されよう。

第2A図に示されているように、ウエーハ62の周囲に加え
られる締付け力Ｌがウエーハ表面全体にわたつて不一様
な分布の接触力となることがわかるであろう。このこと
はウエーハに不一様な荷重を生じさせる。そこにおける
不一様な荷重は、任意の凸面外形65を有するプラテン64
によつて形成される。局部の応力は、ベクトル成分66に
より記号にして示されている。ウエーハ62とプラテン64
との境界の熱伝導性は、プラテンに向けてウエーハ上に
加えられる接触力、並びにその材料の熱的及び機械的特
性の関数である。上述したように、このことは一部には
ウエーハとプラテンの両方の微視的な材料の特徴である
微視的な表面の荒さ及び圧縮率並びに印加力に比例して
変化し得る各々の材料における接触面積のためである。
第2A図のような、典型的に周囲で締め付けられたウエー
ハを冷却する凸状の球面形のプラテンにおいて、比較的
温度上昇した領域が、局部的な接触圧力の減少のため
に、処理の間ウエーハの中心領域において広く進んでい
くことがわかつている。

最適なプラテンの輪郭は、周囲にそつて支持されている
一様に荷重された薄いデイスクを記述する微分方程式に
よつて一義的に描ける。この問題は、マルガリーとウオ
ールンル（MarguerreとWoernle）によつて議論されてい
る（‘弾性板’第11章．ブライスデル出版社、ウオルサ
ム．マサチユーセツツ州.1969）。これを参照すると、
一様に荷重された周囲で支持されている薄い柔軟なデイ
スクに対する偏差（deflection）ｙ（ｒ）はである。ここでｒ＝動径位置Ｄ＝2r₀（ウエーハ直径）ｔ＝ウエーハの厚さｐ＝ウエーハに印加される力Ｅ＝弾性係数 ν＝ポアソン比上記式（１）によつて記述される偏差は、処理中に感知
される最適な接触冷却に対する規準、例えば、ウエーハ
に印加される一様な接触圧力分布を満たす。このよう
に、ウェーハをプラテンにウェーハの周囲に沿って締め
付けるとき、プラテンの表面が式（１）により表される
形状を採りさえすれば、ウェーハとプラテンとの接触圧
力は一様になるのである。ウエーハからプラテンへの熱
移動を最大にするために、ウエーハとプラテンの間の接
触力を最大にすることが更に望ましい。最大の接触力に
は、そのウエーハ材料の特性によつて制限を受ける。ウ
エーハが凸状面のために変形されるので、応力の接線方
向成分（法線方向の接触力に関して接線方向成分）は、
曲げが強制され、それによりウエーハの内側面近傍を圧
縮し、その外側（凸状）面近傍を緊張させる。各々の表
面における応力の接線方向成分は、設計上のパラメータ
に範囲を与える大きさ（特に、外側面における緊張応
力）を表している。

一様に荷重された薄い柔軟なデイスクに対して、このよ
うに形成された偏差から生ずる最大の表面圧力は、で与えられ、その最大圧力は、以下の式のようにウエー
ハが安全である最大緊張応力によつて制限を受ける。

ここで、ｐ＝接触力 ν＝ポアソン比 σ＝外側面における緊張応力 σ_max＝r₀,tを与えたときに耐え得る最大緊張圧力式（２）に従う一様に荷重された薄い柔軟なデイスクに
対して、最大偏差が以下のように与えられる。

σ_maxを使うと、となる。

デイメンジヨンをなくした式が、プラテンに対する所望
の外形を記述する式（３）で式（１）を割ることによつ
て与えられる。

従つて、式（４）は、ウエーハの表面全面にわたつて一
様な熱移動をおこない且つウエーハからの最大熱移動を
おこなう共同条件を表している。このように、ウェーハ
の周囲に沿って、すなわちウェーハの周囲を押さえ付け
る締付手段によりウェーハをプラテンに締め付けると
き、ウェーハとプラテンの接触圧を一様にするために
は、プラテンの接触面は式（４）により表される形状を
もたなけらばならず、すなわちその接触面は一義的に決
定されるのである。式（４）がヤング率に依存しないこ
と、ポアソン比がいろいろな材料にほとんど変化しない
ことに注意すべきである。式（４）は提唱した目的に対
して一律に応用可能な輪郭を表わしている。実際の使用
において、y_maxの値は曲線の大きさ（amplitude）又は
スケールに拘束を与えるが、しかし、いろいろ異なつた
ウエーハ材が熱移動特性に実質的な犠牲を強いることな
く収納し得ることも注意すべきである。

従つて、第2B図において、本発明のプラテン70は、式
（４）によつて記述される表面の輪郭を有する。ウエー
ハ72は、周囲の締付けリング74によつて締付け力Ｌをも
つてプラテン70に押し付けられている。冷却チヤネル76
は、熱を一層除去するためにプラテンに備えられてい
る。ベクトル成分78によつて象徴的に表わされた応力分
布は、周囲の締付けの境界条件及びウエーハ72と輪郭71
とを合致させることによつて課せられる一様な一定力の
荷重のために、ウエーハ全体にわたつて一様であること
がわかる。全ウエーハ表面全体にわたつて接触をおこな
うための一定力L₀の大きさに対して、接触圧力は、Ｌの
更なる増加に対して変化しない値と仮定している。接触
力の更なる増加ΔＬは、荷重分布に影響を与えることな
くウエーハを通過して基板に単に移される。

他の実施例（第2C図）として、プラテン組立体は、剛直
な部材であるプラテン80と適切な熱伝導コーテイング82
とから形成されてもよい。プラテン80の中間の輪郭90
は、ウエーハ86が受ける荷重及び適合材料82の特性を考
慮に入れて決定される。その荷重は、設計荷重条件の下
でのウエーハ86とプラテン80との間の境界の輪郭84を、
ウエーハをプラテンに締付けることによつて決定される
境界条件に対してプラテン−ウエーハ境界の面全体にわ
たつて一様な接触圧力分布を形成する所望の輪郭と合致
させるために課せられるものである。最も簡単なアプロ
ーチとしては、一様な厚さの適合材料の層を、境界の輪
郭84と中間の輪郭90が実質的に同一となるようにその中
間の輪郭90に接触させることである。一般的な場合にお
いて、圧縮された適合材料が、増加する周囲の荷重のた
めに径方向の厚さの分布を示すことになるであろうし、
複雑な設計上の手順を必要となるであろう。そのような
設計はコンピユータモデルで繰返し手順により容易に成
し遂げられる。そのコンピユータモデルにおいては、裸
プラテンの中間輪郭90を表す関数y₁（r,θ）は、適合材
層82の偏差を考慮に入れて、所望の外面輪郭を形成する
ために変化される。連続した周囲の締付けによつて定め
られた境界条件に対して、θ依存性はなくなり、これら
の関数は放射状に対称となる。

加工品の大きさを有する典型的なシリコンウエーハ（直
径100mm、厚さ525ミクロン）に対して、562.46Kg／cm²
（8000psi）の緊張ボンデイング応力が許容できる。式
（４）によつて与えられる輪郭の大きさとして、最大偏
差0.134cm（0.0529inch）が取られる。0.471Kg／cm
²（0.67psi）の一定圧力がそのように輪郭付けされたア
ルミニウム（6061−T6）製の熱シンクに向けて保たれて
いる。その熱接触抵抗は真空中で約65℃／watt／cm²で
あるとわかつている。１つの具体例において、アルミニ
ウム製プラテン体、適合基板及び典型的なウエーハは、
それぞれ0.31、2.11、0.33−0.074℃／watt／cm²とな
る。全熱インピーダンスへの主要な寄与は接触インピー
ダンスと予想されるが、しかし、熱接触抵抗の実際の値
は、熱シンク及びウエーハの両表面特性に完全に依存す
る。軟質なアルミニウム又はインジウムは、この目的に
対して優れた特性を有するものと信じられている。柔軟
な材料は、表面微粒子を許容し得る利点を有するという
良い特性を与える。

本発明の関連した態様としては、ガスがウエーハ−プラ
テン境界領域内に導入され、熱移動を強めるための接触
圧力とほぼ等しい圧力にすることである。この問題の材
料はこれと一連の出願に記載されている。

他の締付け装置もまた考えられ得る。他の１つのこのよ
うな締付け装置は、対称的に離散した点で、すなわち第
３図の例に示されているように、ウエーハの周囲にそつ
て等しく間隔おいた３点で等しい締付け力Ｌをウエーハ
に加えておこなうものである。このような場合、複雑な
サドル形の輪郭が結果的に生じる。すなわち、そのウエ
ーハは、θがその周囲のまわりの方位角であるところの
表面ｙ（r,θ）に変形されるだろう。このような表面
は、前記したマルガリーとウオールンルを参照すれば計
算できる。プラテン108は、最大偏差の条件によつて更
に強要されるこのようなサドル形輪郭に与えられる。こ
のようにプラテンの接触面に形状は、締付け装置により
ことなるが、締め付け条件により決定される方程式によ
り一義的に決定されるのである。この意味で、プラテン
の接触面の形状は締め付け装置と協働するものいう。必
要で複雑な輪郭を形成することは、多重軸機械削り技術
を用いることにより即座に得ることが可能である。他の
例としては、プラテン108を前述した実施例のような適
合材層を有するものに形成してもよく、必要とするより
複雑な計算で輪郭を望ましいものにしてもよい。この離
散した締付け実施例において得られる利点は、付加的な
ウエーハ領域がウエーハ上におけるデバイスの製造に対
して接近可能となることである。幅ωの連続した周囲の
締付け部と全表面との分数をとると、となり、これは典型的なω（2mm）及びr₀の値の数パー
セントのオーダーである。この実施例は、これと一連に
なされた出願の目的とするところである。

説明がウエーハと熱シンク部材との間の一様な接触圧力
を得ることに向けられているけれども、他の所望の分布
が同様にして得ることができることも明瞭に理解されよ
う。例えば、温度勾配が、議論された例よりも他の特別
の処理工程に対して必要となるであろうし、対応した接
触力分布は接触輪郭を適当に設計することによつて得ら
れよう。

説明は、イオン注入の間に、半導体ウエーハから熱を除
去することを内容として構成されてきた。イオン注入
が、本発明が適する放射処理の単なる一例であることは
すぐにわかるであろう。更に、薄い柔軟なデイスクから
の熱伝導移動は、このような材料への熱伝導移動に密接
に関連している。従つて、薄い柔軟な加工品を加熱する
ような処理もまた、本発明による同様の利点を受けるで
あろう。

発明の効果本発明の平坦な物品から熱を除去する装置は、平坦な物
品（ウェーハ）を処理する装置において、締付手段によ
りウェーハが、特定の方程式により表される特定の接触
面でもって熱シンク手段に締め付けられるので、それら
の間の接触圧の分布を一様にすることができて、熱の移
動を一様にすることができ、かつその特定の方程式がヤ
ング率に依存せず、ポアソン比がいろいろな材料によっ
てほとんど変化しないから、その接触面が一義的に決定
でき、いろいろ異なったウェーハ材によらず一義的にウ
ェーハをその弾性限界近くまで締め付けることができ
る。さらに、締付手段によるウェーハの弾性限界に近く
までウェーハが熱シンク手段に締め付けらるので、その
熱移動は最大とすることができて、かつウェーハを割る
ことがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を含む典型的なイオン注入装置の略図
である。第2A図は、最適でない輪郭のプラテン及びその上におけ
るウエーハ締付けの略図である。第2B図は、本発明の効果の説明図である。第2C図は、本発明の他の実施例の説明図である。第３図は、他の締付けの実施例の説明図である。〔主要符号の説明〕 62……ウエーハ、64……プラテン 65……輪郭、66……ベクトル成分 70……プラテン、71……輪郭 72……ウエーハ、74……締付けリング 76……冷却チヤネル、80……プラテン 82……適合材層、84……輪 86……ウエーハ、88……締付けリング 90……輪郭、108……プラテン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射流速の下において、平坦な物品から熱
を除去する装置であって、ａ）前記物品からの移動熱を
除去するための熱シンク手段であって、非平面であり、非球面状の凸状接触面を有するところの
熱シンク手段と、ｂ）前記平坦な物品の周囲部分を前記接触面に締め付け
る締付手段と、から成り、前記物品が、半径がr₀で厚さがｔのディスクであり、前記周囲部分が、前記ディスクの周囲における狭い連続
した領域であり、前記接触面が一般的な式で表され、ここで、α＝（１＋ν）／（５＋ν）で、γ
＝２（３＋ν）／（１＋ν）であって、νはポアソン比
であり、Y_maxはディスクの最大偏差であり、ｙは半径座
標ｒにおける半径座標方向平面からの前記接触面の高さ
であり、前記締付手段が、前記ディスクの外面凸状表面でその弾
性限界に近い緊張応力を生じさせるために前記接触面と
協働する、ことを特徴とする、平坦な物品から熱を除去する装置。
【請求項２】前記ディスクが半導体ウェーハである、特
許請求の範囲第１項記載の、平坦な物品から熱を除去す
る装置。
【請求項３】イオン源、およびイオンビームを前記イオ
ン源から前記半導体ウェーハに向ける手段、並びに前記イオン源、前記イオンを向ける手段、前記熱シンク
手段および前略締付手段を囲む真空チェンバーを有し、前記熱シンク手段が、前記イオンビームで照射されてい
る間、前記半導体ウェーハから熱を除去する、特許請求
の範囲第２項記載の、平坦な物品から熱を除去する装
置。