JPS605540A - 半導体ウエ−フアの真空処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体ウエーファに対して真空処理を行なう
ための装置に関し、特にその半導体ウエーファの冷却手
段に関するものである。

例えば集積回路を作るだめの処理などのような半導体ウ
エーファの処理においては、ウエーファを高温に曝すこ
とが必要な時がある。不純物の拡散、エピタキシャル層
の生長、金属半導体接触部の焼きなまし等のためには、
このような高温が望ましい。然しなから、規定された限
界を越えた不必要な拡散やエピタキシャル境界面におけ
る不純物の偏析は望ましくないものであるから、処理中
の多くの時点において、ウエーファを高温に曝すことは
望ましくない。またこのような高温においては、中間の
フォトレジスト層も影響を受ける。

この問題は、大規模集積回路（ＬＳＩ）や超大規模集積
回路（ＶＬＳ　Ｉ　）の製造においては、多数の処理段
階が順次使用されなければならないので、大きな問題と
なシ、特に処理系列の終りの近くでは多数の不純物や導
電層や絶縁層が配置されており、熱処理によってこれら
の物理的特色を撹乱することは望ましくないので、大き
な問題となる。

従って、処理段階が積極的に高温を必要とする時にのみ
半導体ウェー７アを高温に曝し、そうでないときには、
高温度になることを防止するために半導体ウエーファを
冷却できることが望ましい。

例えば、イオンΦインプランテーションは、半導体ウエ
ーファの中へ不純物を導入するだめの標準技術となって
いる。例えば、ビー・ディー・タウンゼント（Ｐ、Ｄ、
　Ｔｏｗｎｇｏｎｄ　）等著の「イオン・インプランテ
ーション、スノやツタリング及びそれらの応用（Ｉｏｎ
　Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ、　Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ
　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　）　」
第２６２−２６３頁（１９７６年）を参照されたい。不
純物は、それらを半導体物質の結晶格子の中に埋込む手
段として加速されたイオンの運動量を利用して、半導体
ウエーファの容積の中に導入される。衝突するイオンの
運動エネルギーが滲透の深さを決定する。その滲透の深
さは、通常、不純物が永久的に固定される適切な深さと
彦るように選ばれる。然しなから、低エネルギー事前被
着機などにおけるように、必要により熱拡散がイオン・
インプランテーションに附随して使用されることがある
が、この場合にはそれに続く熱拡散は既知の時間温度特
性を持った特殊な処理段階となる。

加速されたイオンが半導体ウエーファに衝突しその容積
中へ進行するにつれて、原子衝突によシ熱が発生される
。この熱は、エネルギー・レベルが増大されるにつれて
著しくなる。又高い材料処理量を持つことが商業上の応
用において経済的理由により望ましい事があり、その結
果として、ウエーファの半導体物質の構造に物理的損傷
を与えない限シで出来るだけ高いイオン束が使用される
。

このようにして大量の熱が発生される。上に記したよう
に、この熱は望ましくないものである。

イオンやインプランテーションを行われている半導体ウ
エーファを冷却するための従来の試みには・、イオンビ
ーム又はウエーファの倒れか一方或いはそれら両方を走
査することによって断続的露出を行うこと（それにより
材料処理量を制限すること）、半導体ウエーファがその
上に乗るようにグリース又は油を被着された積極的に冷
却される金属板を設けること、並びに、積極的に冷却さ
れる板の上の僅かに圧縮可能な表面に対してウエーファ
を押しつけて保持するために静電気力を加えることなど
が含まれる〔エル・ディー拳ボリンジャ著「半導体製造
過程のためのイオン・フライス削ｐ　（Ｉｏｎ　Ｍｉｌ
ｌｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｐｒ
ｏｄｕｃｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｅｓ　）　」ソリッド
・ステイト・テクノロジ（５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｔ
ｅｃｋｎｏｌｏｇｙ　）　１９７７年１１月号を参照さ
れたい〕。これらの従来の技術及び装置は、高イオン束
又は高エネルギー・レベルに当面する時には全面的に有
効ではないという事が解った。

それ故、本発明の一目的は、真空処理がなされている半
導体ウエーファの有効な冷却を行い得るようにするため
の装置を提供することである。

本発明の他の一目的は、熱エネルギーの急速な消散を行
わせるために凸面状プラテンに被着された熱伝導性の柔
軟な物質に対して半導体ウエーファを機械的に押しつけ
る装置を提供することでちる。

本発明の更に別の一目的は、半導体ウェーファの如何ガ
る表面の凹凸にも影響されることなく良好な熱の移送を
行う処の、半導体ウェーファを冷却する装置を提供する
ことである。

イオン・インプランテーション室又はエツチング室など
の真空処理室の中において真空処理の間、半導体ウエー
ファに対して積極的な冷却を行うための装置は、熱伝導
性物質の層が表面に設けられている凸面状プラテンを具
備する。さらに具体的には、柔軟で熱伝導性の物質の被
膜をその表面に被着された凸面状プラテンを組込んだハ
ウジング、並びに、凸面状プラテンに対して摺動可能な
関係を保ってそのハウジング内に取付けられた押しつけ
リングであって、その押しつけリングの移動が、押しつ
けリングと凸面状シラテンとが半導体ウエーファを受入
れるためのスロットを設定する受入れ位置と、押しつけ
リングがその円周上の縁端で半導体ウエーファに接触す
ることにより半導体ウエーファが凸面状プラテンに対し
てしっかりと押しつけられる固定位置との間で行われる
押しっけリング、を具備する。固定位置においては、ウ
ェーファはその後側が凸面状プラテンの輪郭と同形とな
る。熱エネルギーを前記プラテンから移送して除くため
に、積極的冷却機構が設けられている。

高エネルギー・レベル又は高イオン束密度でのイオン・
ボンバードは熱を発生するようになシ、それは積極的冷
却を必要とすることが解った。前に述べたように、冷却
の必要性は、フォト−レジストを保護して分解しないよ
うにする必要性と、不必要な拡散を避けたいという要望
から生じた。

このような積極的冷却は、良好な熱移送特性を持つ接触
がウエーファの後側に対してなされる場合にのみ可能で
あシ、ウエーファの前側は必然的に衝突スるイオン・ビ
ーム又はエツチングに曝されたま＼にしておかねばなら
ず、またウエーファの周縁からは適切な熱の移送は行わ
れない。半導体表面に存在する、時には「弓形的ｐ　（
ｂｏｗｉｎｇ　）　ｊとも呼ばれる、表面の凹凸のため
に、良好な熱移送特性を持つ平面状接触を得ることは困
難であるという事が認められている。弓形曲シ即ち表面
の凹みは１インチ（２５，４箇）の１０００分の５の程
度の深さになることがある。その結果、剛性を持った平
板状接触部材は弓形に曲った領域の周囲部分とのみ接触
し、伝導ではなく放射と対流のみによる熱の移送が生ず
る。柔軟な接触物質を用いても、平板状の形態が弓形に
曲った領域の全輪郭と完全に一致して接触することは最
も困難であることが解った。

本発明の装置は、柔軟な熱伝導性の層で被覆された凸面
状プラテンの上にウエーファを置き、それから押しつけ
リングとグラテンとの間でウエーファをその外周縁部で
機械的に押しつけることによって、半導体ウエーファの
後側と；良好な熱移−送特性を持つ接触を実現する。半
導体ウエーファは２００ミクロン乃至４００ミクロンの
程度の厚さを持つ薄いものであり、その弾性限界まで曲
げることが出来る。従って半導体ウエーファは曲面状グ
ラテンと同形になるように彎曲する。グラテンの曲率半
径は、ウエーファの中に張力を発生することにより自然
に生じた弓形の曲シを滑らかにするために充分な程小さ
い値に選ばれ、これはこのようにして滑らかになった輪
郭と柔軟な物質との間の完全に一致した接触を可能にす
る。又その曲率半径は、衝突するイオン・ビームの入射
角が、典型的なものでは２＋度である特定された量よυ
多く垂直入射から外れないために充分な程大きい値に選
ばれている。３インチ（７６，２ｉｎ　）ウエーファに
ついては、中心から縁端までの間で１インチ（２５，４
Ｗａ）の１０００分の１５即ち０．３８１ｍｍの偏差を
生ずるような変形が満足すべき曲率を生ずるものと認め
られた。

プラテンについて柔軟な熱伝導性の被覆を使用すること
は、ウエーファが張力を作用されている時にウエーファ
の中になお残っている弓形の曲シを吸収するために望ま
しい。ウエーファの隣接する領域にそれぞれ加えられる
力が急激でなく徐々に変化してこのような隣接する領域
の間の境界において弾性限界を越える可能性を少くする
ように、例えば、成る程度ウェーファと形の一致する表
面によって、ウエーファの種々の部分に異る力を加えれ
ば最も良い。被覆の厚さは緩衝作用が得られる程度に充
分厚くすべきであるが、熱の移送に対する著しい障壁と
なる程に厚くすべきではない。

エマーンン・アンド・カミング・インコーホレイテッド
（Ｅｍｅｒａｏｎ　＆　ＣＣｕｍｍ１ｎ、Ｉｎｃ、　）
から発売されているエコシル（Ｅｃｃｏｓｉｌ　）　４
９５２　（米国登録商標）などのような熱伝導性シリコ
ン・ゴムを使用する場合には、最適の厚みは１インチ（
２５，４叫）の１０００分の９即ち０．２２９ｍｍであ
ると判定された。その物質は発売元にょシ明らかにされ
ている標準の技術によシ被着される。

動作順序の全体が第１Ａ図、第１Ｂ図及び第１Ｃ図を参
照することによシ解る。これらの図はイオン・インプラ
ンテーション室の内部に装備されたウエーファ冷却装置
１ｏを例示する。非固定位置では、ウエーファ冷却装置
１０は第１Ａ図に示されているように入って来る半導体
ウェーファ１３を受入れる位置に置かれ、そのウェーフ
ァ１３は典型的な方法としては重力作用にょシスロッ）
１１の中へ導入される。装置１０は、典型的な位置とし
ては第１Ｂ図の垂直位置である処の、作用イオン・ビー
ムの入射路に対して垂直な位置まで、支持ロッド１２に
よって矢印により示されるように回転される。位置ぎめ
過程の間では、第２図について後に説明されるように、
ウェーファ１３は押しつけリングによって位置を固定さ
れ、凸面状り０ラテンに向って張力を掛けられながら曲
げられる。

ウエーファはそれから、インプランテーション又はエツ
チングが行われる間、積極的に冷却される。

イア７’ランチ−ジョン等が完了した後、ウェーフア冷
却装置１０は第１Ｃ図に示された位置まで支持ロッド１
２によって矢印にょシ示されるように回転されて、ウエ
ーファが重力作用によるか又は後に説明するような排出
ピン機構によって、排出されることが出来るようにする
。装置１ｏが排出位置まで回転される時に、押しつけリ
ングとフラナンとは保合状態を解かれ、ウエーファ１３
はスロット１１から自由に滑シ出すことが出来る。

このウエーファ冷却装置の機械的特色は、第３図の線２
−２に沿って画かれた第２図の断面図と、第３図ハび第
４図と釦詳細に図示されている。ハウジング部材４０は
、可動ロッド３４を収容するように孔をあけられている
。可動ロッド３４は底板３５と押しつけリング３６との
間に取付けられている。スプリング２７がハウジング４
０の底面と底板３５との間に圧縮状態で保持されている
。

ハウジング４０に対して相対的な底板３５の移動は、第
４図に示されている直線状軸受３８を用いて行われる。

底板３５に取付けられた２つのカムの内の一方であるカ
ム２６（第４図には両方のカムが図示されている）は、
その行程の高位点において、押しつけリング３６が受入
れ又は排出位置に達するようにさせ、それらの位置では
押しつけリング３６はスロット１１の上方に持上げられ
てその中に保持されたウエーファが解放されるようにす
る。カム２６の行程の低位点においては、スプリング２
７が伸張して押しつけリング３６を、スロット１１の中
に置かれたウエーファ３２の円周上の縁端を押しつける
その固定位置まで、引き下げる。この位置では、ウエー
ファ３２の後側が、凸面状フラナン３０の表面に被着さ
れた柔軟な熱伝導性物質の被膜３１と実質的に同形にな
る。

装置１０の積極的冷却は、ハウシング４０の内部の内空
胴２８によって構成される液体溜の中へ液体フレオン２
９を流すことによって行われる。

フレオンは支持ロッド１２の内部の導入口３９を通して
供給され、ハウジング４０の内部のチャンネル４１を通
して液体溜２８に流される。やはり支持ロッド１２の内
部にある同軸の排出口（図示されていない）が、フレオ
ンに対してその装置からの排出路を提供する。液体フレ
オンの温度と流量とは、ウェーファの温度を制御するた
めに変化さ老ることが出来る。代表的な値としては、ウ
ェーファ３２の表面温度を１４０　℃より低く維持する
ことが望ましい。

第２図の点線描写と第３図の正面図とに見られるように
、一連の軌道パン・や−２４が、半導体ウエーファを装
填及び排出するためのスロット１１　′の内部の軌道を
設定する。終端パンｔ４′−４２は、押しっけの前に、
ウェーファに対して最終停止位置を定める。ウエーファ
が挿入の間に損傷しないよう忙、これらバンパーはシリ
コン・コ９ム化合物で構成されている。

第１Ａ図乃至第１ｃ図に関して先に説明したよウニ、ウ
ェーファ冷却装置１ｏの中へのウェーファの装填及び同
装置がらのウェーファの排出は、重力作用によって生ず
るよう罠なっている。半導体ウエーファと柔軟な熱伝導
性表面３１との間の摩擦を避けるため、ウェーファの装
填及び排出の間、１対の低摩擦案内レールが使用され、
これらの案内レールは金属又は低摩擦グラスチックで構
成されている。第２図に見られるように、案内レール３
３は、ウェーファが位置を固定されるようになるまで、
柔軟な熱伝導性被膜３１の上方にウエーファを保持する
。案内レール３３は可動ロッド３４に取付けられている
から、それら案内レールは可動ロッドの動きと共に上下
に動き、押しっけリング３６が固定位置に来る時には、
柔軟な熱伝導性被膜３１の表面よシ下方に行って、熱伝
導性被膜３１と凸面状シラテン自体との中に形成された
凹みの中に入る。時によっては、ウェーファは案内レー
ル３３に沿って滑らかにはすべらず、その組立体からす
ベシ出るのに必要以上に長い時間がか＼ることかある。

その場合には、排出ビン２２がウェーファを案内レール
３３に沿って押して、スロット１１から押し出す。排出
ビン２２は、停止部材４４と停止部材４５との間を車２
ｏを用いて移動する可動組立体１９に取付けられている
。

可動組立体１９がその中を移動する軌道は、遮蔽体２３
によってイオン・ビームから遮蔽されてぃる。

第１Ａ図乃至第１Ｃ図に関して先に説明したように、ウ
エーファ冷却装置１０は真空処理の間垂直位置に保持さ
れ、従って可動組立体１９は重力作用により停止部材４
５に当って保持されている。

ウエーファ冷却装置１０が排出位置まで回転される時、
排出ビン２２を備えた摺動可能な組立体１９は、ウエー
ファが実際に排出されることを一停止部材４４が確実に
するまで、その軌道に沿って移動する。通常は、ウエー
ファは重力作用によりそれ自体で排出される。カム２６
の移動は、その装置１０が取付けられている真空処理室
の内側に取付けられた突出部材（図示されていない）に
対してアーム４６が押しつけられる時に、作動される。

装置１０が支持ロッド１２によって回転される間に、ア
ーム４６は突出部材と係合し、カム２６をその高位点と
低位点との間で強制的に移動させる。

このようにして、第１Ｂ図の真空処理位置では、カム２
６はその低位置にあり、押しつけリング３６がウエーフ
ァに対して押しつけられる。第１Ａ図の受入れ位置と第
１ｃ図の排出位置では、カム２６はその高位位置にあシ
、スロット１１の間隔があけられる。カム２６の移動の
容易さは第４図に示された制動クラッチ４７の設定によ
って定められ、その制動クラッチ４７がカム２６の回転
速度を制御する。その結果として、スゲリング２７によ
って加えられる力のために押しつけリング３６が、ウエ
ーファ冷却装置１０の中の定位置で半導体ウエーファを
押しつぶすようになることはない。

本発明に使用されるウエーファ冷却組立体の利点は、第
５図及び第６図を参照することにより解るであろう。第
５図には、イオンナインプランテーションの場合の温度
とイオン・ビーム電力との関係が、標準のシラテン（８
）（それ自体の重さで休止している非冷却金属表面）に
ついて、本発明のプラテン（Ｂ）と比較して図示されて
いる。このグラフに示された温度は３インチ（７６，２
，ｍｍ　）ウエーファの平衡温度である。第６図には、
３種の異るイオン−ビーム電力について、冷却された３
インチ（７６，２ｍｍ　）ウエーファの温度上昇が時間
の関数として示されている。約１０秒後に近似的平衡温
度に達する。代表的な数値例としては、ウェーファは５
秒から約１５秒までの時間にわたってイオン・インシラ
ンチージョンを行われ、典型的な許容温度は１４０℃で
あるから、半導体ウェーファのイオン・インシランチー
ジョンにおいて許容し得る温度上昇特性が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は重力作用による供給で半導体ウェーファを受
入れる位置にある本発明実施例に用いられるプラテン部
の側面図、第１Ｂ図は半導体ウェーファを垂直入射イオ
ン・ビームに曝す位置にある本発明のプラテン部の側面
図、第１Ｃ図はイオン注入された半導体ウェーファが重
力作用にょシ、又は排出ビン機構によシ排出される位置
まで回転された処の側面図、第２図は第３図の線２−２
に沿って画かれた側断面図、第３図は本発明のプラテン
部の正面図、第４図は背面図、第５図は標準のグラテン
（Ａ）についてと、本プラテン（Ｂ）について、３イン
チ（７６，２瓢）ウェーファに対する平衡温度をイオン
・ビーム電力の関数として表わしたグラフ、第６図は本
プラテンの中に保持されながらイオン・インシランチー
ジョンを受ける３インチ（７６，２ｍ＋ｎ　）ウェーフ
ァについての温度上昇時間のグラフである。 １０・・・・・・ウェーファ冷却装置、１１・・・・・
・スロット、１２・・・・・支持ロッド、１３．３２・
・・・・ウェーファ、２２・・・・・・排出ビン、２６
・・・・・カム。 ２７・・・・・・スゲリング、２８・・・・・・空洞、
２９・・・・・・液体フレオン、３０・・・・・・凸面
状シラテン、３４・・・・・・可動ロッド、３６・・・
・・・押しっけリング。 ３８・・・・・・直線状軸受、４０・・・・・ハウジン
グ。 特許出願人　パリアン・アソシェイッ・インコーホレイ
テッド５　“−２′、−１・；

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体ウエーファに対して真空処理を行なうだめの装置
   において、凸面状プラテン上に熱伝導性の物質の層が設
   けられていることを特徴とする装置。