JPH09510582A - クランプのない真空熱移動ステーション - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 市販の不活性ガスを使用して、2Torrから30Torrの圧力をもつ真空チャンバーにおいて使用される半導体ウエーハ（5）のための、クランプのない熱交換ステーションである。熱交換チャック（1）は、ウェーハ（1）の両面にそって等しい圧力を与えるために、小型ガスプレナムとして機能するように、ウェーハが取り付けられる領域を貫通する穴を有する。この形状は、破損やパーティクルの付着を防止し、改良した熱移動およびウェーハ温度の一様性を与える。

Description

【発明の詳細な説明】 クランプのない真空熱移動ステーション技術分野 半導体ウェーハの真空処理、特に、たとえば真空環境下での前記ウェーハの加 熱または冷却のような熱処理に関する。発明の背景 真空環境下での半導体ウェーハの加熱、冷却は、集積回路の製造における種々 の処理に関連して、頻繁に必要となるものである。これら処理中におけるクリー ン性に対する非常に厳格な条件から、ウェーハ上への不純物の導入およびパーテ ィクルの導入を避けるために、これら熱移動操作のほとんどすべてが排気チェン バーにおいて実行されることが最新の集積回路の製造において必須となってきて いる。従前においては、ウェーハとその環境との間の熱移動機構は放射、ウェー ハとその支持体との間の接触点における伝導、およびウェーハと支持体との間の ガスによる伝導によっている。放射は、関連する温度範囲において非常に僅かな 寄与でしかない。さらに、真空圧での熱の移動は、実施される真空圧に非常に依 存する複雑な現象である。 そこで、従来技術において、ウェーハとその支持 チャックとの間の真空において、熱移動率を高めるために種々のアプローチが使 用された。接触熱伝導を高めるために大きな締め付け圧を適用することは成功し たが、そのことはウェーハの端部での接触を必要とする。このことは常に、パー ティクルの形成およびウェーハの端部の締め付けを意味する。また、頻繁に、柔 軟な熱伝導材が実際の面接触領域を改良するためにチャックとウェーハと間に利 用されている。この柔軟な材料は、ウェーハに張り付く傾向があり、ウェーハの 扱い方および移動を複雑にする。 今日、半導体製造において使用されている最も一般的な冷却アプローチは、「 背面」(backside)冷却と言われるもので、それはウェーハの端部をチャックに締 め付けることを利用し、加圧されたガスのみをウェーハの下部に適用し、その結 果加熱/冷却率は、ガス分子がウェーハとチャックとの間で前後にぶつかりあっ て、熱を冷却部材に移動するより高圧の分子に熱が移動することにより非常に影 響を受ける。この形状は極めて一般的に、多少高圧の熱移動ガスを、低圧の真空 圧に排気されたチャンバーに入り込まないようにする部材としてウェーハを利用 する。この構成は、付着、エッチ、注入のような処理が実行されるウェーハの低 圧面のおいてクリーン性を維持するために必要となる。 従来技術の「背面冷却(backside cooling)」におい て、ガス分子の衝突の頻度を改良するために、可能な限りウェーハとチャックと の間にガスを小さく維持することが良いことであると理解されていた。しかし、 より高い背面ガス圧はウェーハをドーム形にさせ、このことはウェーハの直径方 向にわたって間隙空間を異なる寸法にする。この問題に対する保証を行うために 、チャック表面がドーム形に作られた。また、背面圧は真空チャンバー圧または ウェーハが破られる以上の10Torrより高くすることができない。約10Torr以下に 限定される最大の背面圧において、熱移動率は非常に圧力に敏感である。したが って、ウェーハと支持体との間の間隙空間の局部的な差異、および圧力依存性の ために、ウェーハ全体にわたって熱移動率に空間的な変化が存在する。このこと により、ウェーハ全体にわたって温度非一様性が生じる。 アントニー等の米国特許第3,894,967号は本発明に外見上似た装置を開示する 。特に、背面ウェーハ加熱が真空装置において、ヒータープレートとウェーハと の間で、広い間隙にわってガス伝導加熱により行われる。臨界的な特徴としては 、アンソニー装置では一気圧を使用するように形状付けられていることである。 市販のHeを使用して一気圧とすると、アンソニーにより教示されているように、 Heにより導入される不純物の濃度は、不純物がウェーハに拡散することからその 処理が実施で きなくなるほど高い。アンソニーは改良された熱移動率のためにより高い圧力方 式を採用する。この一気圧範囲において、ガス熱移動が圧力変化に鈍感であるこ とから、アンソニーにより使用されたように、ウェーハとプレートとの間の広い 間隙の効果は許容できる。発明の目的 本発明の目的は、10Torr以上でウェーハの破損の危険性のない30Torr以下の圧 力を使用できる、真空処理の高率熱移動装置および方法を提供することである。 本発明の他の目的は、ウェーハへのパーティクルの形成/移動またはウェーハ の縁の破損をなくすためにウェーハに止め付けの接触をなくすことである。図面の簡単な説明 図１は本発明に使用されるウェーハとチャックの略示断面図である。 図２は図１のA-A断面であってウェーハの背面およびチャックの頂面の微視的 な凹凸を示し、それら面の間の領域での熱の移動を図示する。 図３は本発明の熱移動チャンバーおよびチャックの実施例の平面図である。 図４は本発明のチャンバーおよびチャックの側面を示す。 図５Ａは他の熱移動プレートの頂面の平面図である。 図５Ｂは図５Ａの他のプレートの側面図である。発明の詳細な説明 真空チャンバーでの半導体ウェーハの熱処理中に、二つの分離しかつ平行なプ レートの間の熱伝導が中間のガスの圧力およびプレート間の距離に依存すること は知られている。高圧下において、ほとんどのガス分子は、平均自由路が小さい ことから他のガス分子と衝突する。これはいわゆる粘性領域で、この領域におい て、熱の移動率は一般的に圧力に独立していると理解されている。その逆の極端 な場合は、いわゆる「自由分子領域」で、ガス分子のほとんどがウェーハおよび プレートにまず衝突する。しかし、この低圧下では、熱移動率は、分子キャリア がほとんどないために低い。この方式では、熱移動率は非常に圧力に依存する。 ウェーハの止め付けおよびウェーハの弓なり問題のために、いわゆる「背面」熱 移動機構は、熱移動率が実質的に圧力に敏感な低圧領域に必然的に眼定された。 このことは、背面ガス熱交換技術を使用する加熱または冷却の間、熱移動率およ びウェーハの温度非一様性において、マクロ的な違いをもたらす。 本発明は10Torr背面圧以下の圧力領域における動作に限定されないウェーハガ ス抜き(degassing)装置を提供することによりこれら問題を解決する。このこと はウェーハの両側に同じ圧力のガスを提供することにより可能となる。この構成 によりいかなる圧力でも動作可能 となる。しかし、30Torr以上の圧力では、ガス中の微量な不純物が深刻な問題と なる。より高い圧力では、不純物の濃度は熱移動処理の間に不純物の拡散をもた らす。さらに、熱移動率が粘性領域において顕著に増加しないことから約30Torr 以上の圧力を使用しても利点はない。 本発明の装置は、止め付けのために重力のみを利用し、移動プレートの直接の 接触圧を増加させるクランプを使用しない。また、この構成は意図して、ウェー ハと熱移動プレートとの間の背面空間においていかなる固定した間隙を排除する 。熱移動プレートを機械削りして、ウェーハを受け入れるのに十分大きい領域に おいて良好な平坦面とすることは、分子の飛びはね率を増加させ、熱移動を改良 する。良好な結果は、0.010インチのプレート平坦さ、好適には0.005インチの平 坦さでもって成し遂げられる。この平坦な領域は、125ミクロンインチ以下の粗 さをもつウェーハの背面と協力し合う。 図１において、処理される半導体ウェーハ5は、ウェーハを水平移動させ続け る熱移動プレート1の面内の凹所7内に配置される。ウェーハは熱移動プレート1 の表面6に位置し、クリップ、その他いかなる手段もウェーハと熱移動プレート1 との間の圧縮圧をそのウェーハ5の重量以上に増加させるために使用されていな い。熱移動プレートは、ウェーハの水平移動を維持するために、図４Ａのように タブ7'を上昇させることができる。許容で きる直径をもつ複数の穴2が、好適に等間隔で、熱移動プレート1を貫通してウェ ーハを支承する領域にいたるように設けられ、ウェーハ5の上面および下面を横 切って等しいガス圧を与えるためのガスプレナムを提供する。図２に示されてい るように、微視的にみると、ガスは穴2に入り、接触領域6'を通過して流れ、凹 所7の近くのウェーハ領域から領域6'に入るガスと自由に交換される。熱移動プ レートは、プレートの背面に埋め込まれ、または固定されたニクロム巻き線3に より加熱されることで、ヒータープレートとして機能するが、プレートはグラフ ァイトのような抵抗のある部材から作られてもよい。穴2は好適にプレートに対 して固定した直径をもつように選択され、好適には1/16ないし1/18インチの範囲 の直径が望ましい。アルゴンまたはHeは非常に小さな直径の穴を容易に通過する ので、これら穴の直径は、初期の流れを減速することなく非常に小さいものとす ることができる。 これとは別に、プレートは冷却ガスまたは液体媒体の、外部ポンプおよび熱交 換機への流れを維持するための導管チャネルを含むことにより冷却ステーション となる。また、熱移動プレートはヒーターとクーラーの能力を合わせ持て、二つ の機能を果たし、同時に冷却剤を流し、熱を適用してより急速な温度補正を行え る。 特に、熱移動プレートの穴2は図３に示されているよ うに、熱移動プレート1の円形凹所の中心2、および第1の半径12と第2の半径13の 周囲に間隔をあけて位置する。小型のプレナム穴の配置は特に重要ではないが、 穴は、特に使用されるガスがヘリウムであるとき、Heの分子は非常に小さいこと から、ほとんど等間隔に位置されるべきである。最も共通した境界面に対して、 アルゴンおよびHeの両方とも、領域6'の微視的な隙間において殆ど自由な流れの 特徴を示す。 移動プレート支持管14が移動プレート1を真空チャンバー壁10の底壁の上方で 支持するために使用されている。穴18が、図４に示されているように、熱移動プ レートの中央開口2'への自由なガスの流れを与えるために管14の側壁に設けられ ている。 重要なことは、高熱移動率の達成が、ウェーハの裏側に対して真向かいにある 、プレートの平坦な熱移動頂面領域の熱移動プレートの固体表面面積を最大にす る本発明により行えることである。このことは、境界領域の不活性ガスの分子と 相互作用をするための固体材を最大にすることである。この条件は、必然的に、 排出口の一部である平坦な熱移動頂面領域の面積が、熱移動プレートの両面で圧 力を急速に均等化することを可能にするのに十分な値に最小化されなければなら ないことを意味する。このことは、以下の場合に達成できると考えられる。 ここで、Anは穴の断面積であり、Aは全ウェーハの直径であり、Nは熱移動プレー トの穴または排出面の数である。 ガスは排気チャンバー10へ、アルゴンガス源17から弁21および質量流量制御器 15を介して供給される。チャンバーへおよびそこからのウェーハの移動は、面22 をシールするチャンバードア11を通して行われる。真空ポンプ20はチャンバー内 の必要な基礎圧を維持するためにチャンバー10に連結されている。これとは別に 、真空ポンプは弁24と通してリサイクルできるが、一般に弁24は閉じ、弁23は開 放されて真空あら引きポンプへとポンプを排気し、その結果あら引きポンプのオ イル不純物はチャンバー10に入ることがない。 ヒーターとした実施例において、本発明にしたがったウェーハ加熱テストは、 従来技術と比較して非常に優れた熱移動率を示した。従来技術での温度上昇にお ける最高の率は7.5℃/secであるのに対して、本発明では12℃/secであった。 本発明において、移動プレート1とウェーハとの温度差が因子4だけ減ずるとい うことが、本発明の改良点として示される。特に従来技術において550℃のプレ ートに対して、ウェーハは440℃という安定状態の温度になり、その温度差は110 ℃である。本発明においては、温 度差は同じ550℃のプレートに対して25℃である。 さらに、締め付けがないことから、6インチのウェーハに対して安定状態の温 度の一様性は±3％から1.5±％に改良された。 本発明を図示の実施例を参照して説明してきたが、これらは実施例として示し たもので、本発明がこれら実施例により限定されるべきではなく、本発明の範囲 は請求の範囲により決定されるべきものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体ウェーハの第1の広い表面面積Ｗと熱交換を行う熱移動装置であって 、 (ａ)真空チャンバーであって、ベースおよびドア開口を有す壁、ならびに該真 空チャンバーから半導体ウェーハを導入し、除去するためのゲート手段を含み、 さらに、前記真空チャンバーの圧力を真空圧に引くための手段を含み、前記ゲー ト手段が、該ゲート手段が前記ドア開口部に対して力を作用させたとき、前記ゲ ート手段を前記ドア開口部に真空シールする手段を含む、ところの真空チャンバ ーと、 (ｂ)前記真空チャンバー内に取り付けられる、第1および第2の対置する面を有 する熱移動プレートであって、前記半導体ウェーハの前記第1の表面を受け入れ 、支持するための、面積Ａの平坦な領域を有し、該平坦な領域が0.010インチ内 の平坦さであり、前記面積Ａが半導体ウェーハの前記面積Ｗよりも大きく、前記 半導体ウェーハを受け入れ、支持する前記平坦な領域がその中に排出手段を有し 、前記排出手段が、前記真空チャンバー内のガスが該排出手段を通して自由に拡 散できる通路であり、これにより前記熱移動プレートの前記第1および第2の対置 する表面近くのガスは、前記半導体ウェーハが前記半導体ウェーハの前記第1の 表面を受け 入れ、支持する前記平坦な領域に配置されたときも含めていつでも自由な薄層の ガス流れとなる、ところの熱移動プレートと、 (ｃ)不活性ガスの圧力源、Ｐ＞2Torrとなるチャンバー圧Pを与えるべき、前記 不活性ガスの測定された流量を前記真空チャンバーに与えるために前記不活性ガ スの圧力源および前記真空チャンバーに連結される導管手段と、 (ｄ)前記ウェーハの温度を上昇させるべく熱エネルギーを与え、または前記ウ ェーハの温度を下降させるべく熱エネルギーを吸収するために、前記熱移動プレ ートに連結される手段と、 から成る熱移動装置。 ２．前記熱移動プレートの前記第1の表面の前記平坦な領域の前記排出手段がＮ 個の分布した穴であり、各穴が断面積Anを有し、Ｎが1またはそれ以上の整数で あり、 の比をもつ、請求項1に記載の熱移動装置。 ３．前記半導体ウェーハの前記第1の表面を受け入れる前記熱移動プレート領域 が、前記熱移動プレートの前記第1の表面に横向き移動保持器を有する、請求項2 に記載の熱移動装置。 ４．前記横向き移動保持器が、前記平坦な領域の上に伸長する、前記平坦な領域 の縁の周りにある傾斜部であ る、熱請求項3に記載の熱移動装置。 ５．前記横向き移動保持器が前記平坦な領域の上に伸長する複数のタブである、 請求項3に記載の熱移動装置。 ６．前記Ｎが1に等しい、請求項2に記載の熱移動装置。 ７．前記熱移動プレートが、前記熱移動プレートの前記第2の表面に取り付けら れる支持手段により前記真空チャンバーのベースから支持される、請求項1に記 載の熱移動装置。 ８．前記熱移動プレートが熱源を有し、該熱源がニクロム巻き線加熱コイルを有 する、請求項2に記載の熱移動装置。 ９．前記熱移動プレートが冷却チャネルを含み、該冷却チャネルが流動液体冷却 流体を流す導管である、請求項7に記載の熱移動。 10．真空チャンバーにおいて、頂面および底面を有する熱移動プレートと、広い 頂面および底面を有し、その底面が125マイクロインチの粗さをもつ半導体ウェ ーハとの間で熱エネルギーの交換を行う方法であって、 前記熱移動プレートの前記頂面に平坦さが0.010インチの平坦な機械削りされ た表面領域を与え、さらに、前記平坦な領域に排出口を設け、その排出口を通じ て、体積の境界をなす前記熱移動プレートの前記底面と前記頂面との間で自由に ガスを流し、 外部締め付け力を用いずに、背面の粗さによる隙間以 外に間に間隙がないように、前記排出口を有する前記熱移動プレートの前記平坦 な機械削りされた領域に直に、前記半導体ウェーハの前記底面を配置して、前記 半導体ウェーハが前記熱移動プレートの頂面上の前記平坦な領域上に配置された ときでさえ、前記半導体ウェーハと前記機械削りされた面との間の領域が前記熱 移動プレートの前記底面とガス伝導し、 30Torr＞Ｐ＞2Torrとなる圧力Pの不活性ガスで前記真空チャンバーを加圧し、 前記不活性ガスの前記ガス分子が前記接触領域内の前記半導体ウェーハおよび 前記熱移動プレートに衝突することで、前記熱移動プレートから前記半導体ウェ ーハにまたはその逆に熱を移動させる、 ところの方法。 11．真空チャンバーにおいて、頂面および底面を有する熱移動プレートと、広い 面積頂面および底面を有する半導体ウェーハとの間で熱エネルギーの交換を行う 方法であって、 前記熱移動プレートに、該熱移動プレートを貫通する、複数の制御された直径 をもつ個別の開口部を有する領域を与えて、前記開口部を通して、前記熱移動プ レートの前記底面から前記頂面へとガスを通過できるようにし、 前記半導体ウェーハの重量以上の外部締め付け力を作 用させないで、背面の粗さによる隙間以外に間に間隙がないようにして、前記熱 移動プレートの前記開口部の領域で前記熱移動プレートの前記頂面上に直に、前 記半導体ウェーハの前記底面を配置し、これにより前記チャンバー内で、ガスが 自由に流れる接触領域を前記半導体ウェーハと前記開口部面との間に設け、 30Torr＞Ｐ＞2Torrとなる圧力Pの不活性ガスで前記真空チャンバーを加圧し、 前記熱移動プレートに埋め込まれた導管に冷却流体を流すことで前記熱移動プ レートを冷却し、前記接触領域において、前記半導体ウェーハおよび前記熱移動 プレートに前記ガス分子が衝突することで、前記半導体ウェーハから前記熱移動 プレートへ熱を移動させて前記半導体ウェーハを冷却する、 ところの方法。