JPS6384026A - 半導体基板のベ−キング装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置の製造過程において、高温に保たれ
た保持台に半導体基板を置いてベークする装置に係り、
特に半導体基板に流体の噴出力と吸引力とを作用させて
、非接触状態で半導体基板をベークする装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体製造過程においては、半導体基板（以下ウェハと
言う）に感光液を塗布した後、あるいはウェハを洗浄し
た後、ウェハを２００℃〜３５０℃程度に加熱するベー
キングという作業を行う。

現在このベーキングは、ヒータにより一定の温度に加熱
された黄銅あるいはアルミニウム製の保持台の保持面に
ウェハ裏面を密着させて行っているが、密着させるがゆ
えに、このベーク工程がウェハを汚す大きな原因となっ
ている。そこでウェハを非接触状態に保って加熱する装
置として、例えば特開昭５９−２１５７１８号公報に示
されるように、装置を複数のガス噴出口を設けかつ赤外
線を透過するウェハ保持板と、この保持板の上下双方に
配した赤外線照射装置とにより構成し、ガス噴出孔から
気体を噴出させることによってウェハを保持板の上に非
接触に浮揚させて加熱するものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術の装置はベーキング装置ではなく、アニーリン
グと言ってイオン注入されたウェハを８５０℃〜１２０
０℃、４時間程度加熱し、イオン注入によってウェハの
組織に生じた格子欠陥をならして消滅させるための装置
である。この装置をベーキングに応用するとき、次のよ
うな問題点が生じる。まずアニーリングでは、ウェハ加
熱の条件は設定温度のまわりに１０℃程度の変動２分布
のばらつきが許されるのに対し、ベーキングでは許容さ
れる変動１分布は０．１℃以下と厳しい。

本従来技術ではウェハの加熱に輻射方式を用いているの
で、ウェハの温度を制御するためにはウェハの温度を直
接測定することが必要となるが、温度測定をも非接触で
行おうとすれば、現状技術では、測定対象温度がベーク
温度２００℃〜３５０℃と低いことから、高々１〜２℃
の測定精度しか得られない、すなわち、赤外線照射方式
を用いる本従来技術では、ベーキングの温度設定の要求
を達成することが粱しい。また次の問題点として、アル
ミ蒸着などによって表面に回路パターンを形成したウェ
ハをベークするとき、本従来技術では幅対加熱方式を用
いているので、アルミニウムの表面と他の表面との光の
反射率の差によって、ウェハ面に加熱状態のバラツキが
生じる可能性がある。また次の問題点として、幅対加熱
方式の場合、ウェハ表面を一様に照射しようとするとウ
ェハ面と比較して比較的広い面積の照射部が必要となり
、したがって装置が大型化することは避けられない。

アニーリング装置と異なり、他の製造工程の装置と組み
合わせて使用され、かつ通常そのシステム装置に複数使
用されるベーキング装置では、装置が大がかりになるこ
とはスペース効率、コストの面で好ましくない。

本発明はウェハを非接触の状態に保って加熱することが
でき、かつ加熱されたウェハの温度を精密に制御するこ
とができる半導体基板のベーキング装置を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の上記の目的は、ヒータによって一定の高温に保
たれたウェハ保持台にウェハを置いてこれをベークする
装置において、保持台の保持面に、保持面とウェハとの
間に流体膜を形成するために、この保持面に対向するウ
ェハに対して大気圧以上の圧力を発生する絞りを備えた
流体噴出部と、この流体噴出部の周囲に位置するように
設けられ、保持面に対向するウェハに対して大気圧以下
の圧力を発生する流体吸引部とを備え、流体噴出部は流
体供給源に接続し、流体吸引部は流体吸引源に接続する
ことにより達成される。

〔作用〕

流体噴出部は絞りを通して加圧流体を保持面とウェハと
の間のすきまに供給し、保持面とウェハとの間に流体膜
を形成する。絞りを通して流体を供給することにより、
すきま内の圧力はすきま間隔が大きくなれば減少し、す
きま間隔が小さくなれば増加する。このため、ウェハは
保持面に対して一定のすきま間隔を保って浮揚する。−
力流体噴出部の周囲に位置する流体吸引部は、流体の吸
引により保持面とウェハとの間の圧力を減少させ、ウェ
ハを保持面側に引きつける。これにより保持面とウェハ
との間のすきま間隔は減少し、また−力流体吸引部によ
るウェハの吸引に打ち勝つように流体噴出部に供給する
加圧流体の圧力を大きく設定することにより、保持剛性
、すなわち一定のすきま間かくを保つようウェハに働く
流体力が増大する１以上すなわち、流体噴出部によって
得られる浮上刃と流体吸引部によって得られる負圧力と
の相互作用により、ウェハは保持面に対して、強い保持
剛性をもって一定の微少なすきま間隔を保って非接触で
浮上保持される。この状態において、いま保持台が２ｏ
Ｏ℃〜３５０℃程度のある一定の温度に保たれているこ
とから、保持台の熱が保持面から保持面とウェハとの間
の流体膜に伝達され、流体膜中を伝導により伝わった後
、ウェハに伝達され、ウェハが加熱される。微少な厚さ
の流体膜を介して伝導によって熱を伝えることから、後
述するように、ウェハ温度はほぼ保持台の温度にまで達
する。また流体膜の厚さ、すなわち保持面とウェハとの
すきま間かくが変化するとウェハの到達温度も変化する
が、本発明ではウェハに対して強い保持剛性が働きすき
ま間隔は一定に保たれる。したがってウェハの到達温度
は変化しないため、保持台の温度を調節することにより
、容易にウェハの加熱温度を精密に制御することができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図および第２図は本発明の半導体基板（ウェハ）の
ベーキング装置の一実施例を示すもので、これらの図に
おいて１は非接触に保持すべきウェハを示す、２はある
一定の温度に保たれる保持台である。ウェハ１は保持台
２の保持面２Ａに対して間隔りを有するすきま３を介し
て非接触状態で保持され、この状態で加熱される。保持
台２の保持面２Ａには、すきま３へ加圧流体を導入する
流体噴出部とすきま３内の気体を吸引してすきま３内の
圧力を減する流体吸引部との組が３組設けられている。

前記流体噴出部は、保持面２Ａに開口する開口部４およ
び絞り５を備えており、絞り５は保持台２内の流体供給
通路６および管路７を通して予加熱装置８．さらに流体
供給源９に連結している。また前記流体吸引部は、前記
開口部４を取り囲む環状の溝１０を備え、この環状の溝
１０は保持台２内の流体吸引通路１１および管路１２を
通して流体吸引ｇ１３に連結している。また本実施例に
おいては、前記流体噴出部および流体吸引部のさらに外
側の保持面２Ａに、大気圧を導入する大気導入部を設け
ている。この大気導入部は、前記環状の溝１０を取り囲
む環状の溝１４を備えており、この環状の溝１４は保持
台２内の大気導入通路１５および管路１６を通して予加
熱装置１７に連結し、またこの予加熱装置１７は大気に
開放された管路１８に連結している。また保持台２には
、ヒータ１９と温度センサ２０が備えられており、ヒー
タ１９と温度センサ２０とは、センサ２０からの信号に
基づいてヒータ１９の発熱量を制御する制御器２１を介
して接続している。

次に、上述した本発明の装置の一実施例の動作を説明す
る。

動作の説明に先立って、ウェハ１を保持面２Ａに対して
微少なすきま間隔を介して非接触に保持し、かつ強い保
持剛性によってこの微少なすきま間隔を一定に保つこと
の原理を説明する。

第３図において、流体供給源９を駆動すると、加圧流体
が予加熱装置８．管路７、通路６から絞り５を通してす
きま３へ流入し、ウェハ１と保持面２Ａとの間は流体潤
滑状態になる。−力流体吸引源１３は、管路１２、通路
１１を通して溝１０から流体を吸引し、溝１０内の圧力
を外気圧以下に減圧する。また今の場合溝１０の外側に
溝１４が設けられており、通路１５、管路１６．予加熱
装置１７、管路１８を通して大気が溝１４に流入し、こ
れにより溝１４内の圧力および溝１４より外側のすきま
３内の圧力は大気圧となっている。

このとき、すきま３内の圧力、またこの圧力から計算さ
れるウェハ１に働く力は、理論的に以下のようになる。

いま、すきま３内の流れは、すきま３の間隔りを十分小
さくとるとき、等温９層流で、慣性力と比較して粘性力
が支配的な流れであると仮定できる。このとき、すきま
３内の流れに対し、第４図に示す座標系および記号を用
いて、次の方程式および境界条件が成立する。

ｒ、ｈ≦ｒｓｒｏのすきまに対し、 Ｐ＝Ｐｃ　ａｔ　ｒ＝ｒｘ、　ｐ＝Ｐｖ　ａｔ　　ｒ＝
ｒｏ　　＝（２）ｒａ≦ｒ≦ｒｂのすきまに対し。

Ｐ＝Ｐｖ　ａｔ　ｒ＝ｒａ、　Ｐ＝Ｐａ　ａｔ　　ｒ＝
ｒｂ　　−（３）ここで、 ｒ：開口部４の中心からすきま３のひろがり方向に測っ
た座標 ｈ　：すきま３の間隔 Ｐ　：すきま３内の圧力 ｒｌ：開口部４の半径 ｒｏ：Ｑ状溝１０に囲まれた保持面２Ａの外半径、環状
溝１０の内半径 ｒａ：環状溝１０の外半径 ｒｂ：保持体２の保持面２Ａの半径 Ｐｃ二開開０部４内圧力 Ｐｖ：環状溝１ｏ内の圧力 Ｐａ：大気圧 このすきま３内の流れ（圧力）の式に対し、加圧流体供
給孔６に介設された絞り５を通る気体質量流量ｍＲは、 πｒｓ” ｍ　Ｒ＝　ＣＤ■７Ｐ　ｓφ（Ｐ　ｃ／　Ｐ　ｓ）　　
　−（４）ここで、 ＣＤニオリフイス絞り流量係数 （空気に対してはＣｏ二〇　、　８５　）Ｒ：ガス定数 Ｔ　：気体の絶対温度 Ｐｓ：加圧流体供給孔６に供給される気体の圧力Ｋ　：
気体の比熱比 また、ｒ１≦ｒｓｒｏのすきま３内を流れる気体質量流
量ｍｈは、 ここで、 μ　：気体の粘性係数 と表わされ、これらの気体質量流量ｍ　Ｒｌ　ｍ　ｈに
は、次の連続条件が課せられる。

ｍ　Ｒ＝ｍ　ｈ　　　　　　　　　　　　　　　・・・
・・・（６）以上、式（１）〜（６）がすきま３内の流
れに対する基礎式であり、これらを解くことにより、す
きま３内の圧力が求まる。そして求まったすきま３内の
圧力より、板状体１に働く吸引力Ｆ（上向き正）は次式
のように表わされる。

Ｆ＝−ｆ　　（Ｐ−Ｐａ）２πｒｄｒ ＝−πｒｚ”　（Ｐｃ　　Ｐａ） ｆ　　（Ｐ−Ｐａ）　２πｒｄｒ −　π（ｒａ”　　ｒｏ”）　　（ｐｖ　　ｐａ）−／
　　　（Ｐ−Ｐａ）２πｒｄｒ　　　　　・・−（７）
　ａ ここで圧力Ｐについての式（１）〜（３）の解はただし
ここでＰｃは未知であり、このＰｃは式（４）〜（６）
より定まる。

以上の式（１）〜（７）より、すきま３の間隔りを変え
てウェハ１に働く支持力Ｆを計算した結果を第５図に実
線で示す。この第５図より本発明の装置のウェハ１を非
接触に保持する動作を説明すると以下の通りである。

いま、すきま３の間隔りが間隔ｈａ、すなわち第３図に
おいてウェハ１が実線で示す位置にあるとき支持力とウ
ェハ１の重量とがつり合うように装置を設計したとする
。このとき、ウェハ１が第３図において破線で示す位置
に移動してすきま３の間隔りが間隔ｈｂに増加すると、
第５図に示すように支持力はウェハ１の重量より小さく
なる。

したがって、ウェハ１には、設計点である間隔ｈａの位
置に引きもどす方向に復元力が働く。同様にして、すき
ま３の間隔りが設計点すきま間隔ｈａより小さくなった
場合にも、ウェハ１には間隔ｈ＆の位置にもどる方向に
復元力が働く、これによりウェハ１は、保持台２の保持
面２Ａとすきま３の間隔りをへだてて非接触に安定浮上
支持されることになる。

次に同じく第５図により、本発明の装置が、ウェハ１に
対して強い保持剛性を発生する動作を説明する。第５図
には、流体吸引部を設けず、流体噴出部のみによってウ
ェハ１を非接触に支持した場合の、すきま３の間隔りに
対するウェハ１に働く支持力Ｆの変化を破線で示す。い
ますきま３の間隔りが設計すきま間隔ｈ８からｈｂにま
で増加すると、本発明の場合ウェハ１には負の支持力、
すなわち保持面側に吸引する力が働くのに対し、流体吸
引部を設けない場合には、支持力は正の範囲でわずかに
減少するのみである。同様に、すきま３の間隔りが設計
点すきま間隔ｈａより小さくなった場合にも、流体吸引
部を設けない場合のウェハ１に働く復元力は、本発明の
場合と比較して小さい。流体吸引部を設けない場合にこ
のように保持剛性が小さいのは、ウェハ１の重量が軽い
ので、微少なすきま３の間隔を実現するためには流体噴
出部に供給する加圧流体の圧力を本発明の場合と比較し
てかなり低く設定する必要があるからである。このよう
に本発明の場合、流体吸引部の作用によって流体吸引部
がない場合と比較して、格段に強い保持剛性を発生する
ことができる。これにより、本発明の装置においては、
ウェハ重量のバラツキ、あるいは外乱力があっても、微
少なすきは３の間隔を一定に保つことができる。

次に、第１図より微少なすきまをへだてて非接触保持さ
れたウェハ１を加熱する動作について説明する。

保持台２に設けられたヒータ１９が発熱すると。

保持台２は黄銅、アルミニウム等の熱伝導性の良い材質
で作られていることから、保持台２は一様に加熱される
。この保持台２の温度は温度センサ２０により常時計測
され、温度センサ２０からの信号に基づいて温度制御器
２１がヒータ１９の発熱量を制御することにより、保持
台２の温度が一定に保たれる。この状態において、保持
台２の保持面２Ａとウェハ１との間のすきま３の間隔が
微少であることから、保持台の熱がすきま３内の流体を
介して熱伝導によってウェハ１に伝わり、ウェハがほぼ
保持台２の温度にまで加熱される。また流体膜の厚さが
一定であることから、ウェハ１の到達温度も一定となる
。このとき、すきま３内には流体噴出部および大気導入
部から流体が流入し、流入した流体が持するウェハ１の
表面の加熱状態が他と異なる状態となる可能性があるが
、流体噴出部に供給される流体は予加熱装置８によって
、また大気尋人部に流入する大気は予加熱装置１７によ
って予じめ保持台２の温度と同じ温度に加熱されるので
、ウェハ１に加熱状態のバラツキが生じることはない。

ここで第６図ないし第８図より、すきま３内の流体が空
気である場合について、微少な厚さの空気膜を介してウ
ェハ１を加熱するとき、空気膜の厚さ、すなわち保持面
２Ａとウェハ１との間の間隔が０．１＋ｍ＋以下程以下
機少で、かつ一定であることが要求されることを実験結
果に基づいて説明する。

第６図は現在のベーキング方式を示したもので、一定の
高温に保たれた保持台２の保持面２Ａにウェハ１を密着
させて置き、加熱する。また第７図は空気膜を介しての
熱伝導による加熱方式を模したもので、一定の高温に加
熱された保持台２の保持面２Ａ上に、支持ピン２２によ
ってウェハ１を０．１１Ｉｆｆｉ＋のすきま間隔をへた
てて置いた状態で加熱する。この時のウェハ１の加熱状
態を、保持台２の温度を１００℃に保った場合について
、第８図に示す、まず密着して加熱する場合、ウェハ１
の到達温度は保持台２の温度と等しく１００℃となって
いる。空気膜を介しての加熱の場合到達温度は１００℃
には達ぎず９６℃となっているが。

これはほぼ保持台２の温度にまで加熱し得ると見なせる
。このとき、ここに示す空気膜の厚さが０．１ｍと微少
な場合、空気膜の厚さが変化しなければウェハ１の到達
温度と保持台２の温度との間の温度差は外部環境に影響
を受けず一定である。

したがって、空気膜の厚さが一定であれば、ウェハ１の
温度は保持台２の温度を制御することにより精密に制御
可能である。また第８図より、加熱を開始してから一定
温度にまで達するのに要する時間が、密着して加熱する
場合５秒であるのに対し空気膜を介する場合１５秒と、
１０秒余計にかかつている。現在、例えばウェハに感光
液を塗布した後のベーキング工程では、１サイクル６０
秒で４サイクル、計２４０秒、温度立上りの遅れによる
無駄時間を除いて実ｆｆ２２０秒のベーク加熱を行って
いる。すなわち０．１１の空気膜を介する場合、２２０
秒のベーク時間に対してさらに１０秒Ｘ　４０ｃｙｃｌ
ｅ　、　４０秒の無駄時間が生じることになる。この温
度立上がりの遅れによる無駄時間は空気膜の厚さが増加
するほど大きくなるため、すきま間隔をこの０．１ａｎ
以上に広げることは半導体製造のプロセス上許められな
い。逆にさらにすきま間隔を小さくすることが必要であ
る。

以上の実験結果かられかるように、ウェハ１と保持面２
Ａとの間の空気膜を介してウェハ１を加熱する場合、ウ
ェハ１と保持面との間のすきま間隔を微少、かつ一定に
保つことが非常に重要である。

以上述べたように、本発明の一実施例においてはウェハ
１を非接触の状態に保って精密に一定の温度に加熱する
ことができるので、ウェハ１を汚すことなくウェハ１を
ベークすることができる。

次に第９図は本発明の装置の他の実施例を示すもので、
この図において第１図と同符号のものは同一部分または
相当する部分である。この実施例は、大気導入部を設け
ない場合である。大気導入部を省略したことにより流体
吸引部の溝１０の負圧が溝１０の外側のすきま３内に広
がり、溝１０の外側のすきま３においてウェハ１を保持
面２Ａ側に吸引する力が発生する。したがってこの装置
を直径の異なるウェハ１に適応した場合、溝１０の外側
の外すきま３の広がる範囲の面積が異なるため溝１０の
外側においてウェハ１に働く吸引力が変化し、すきま３
の間かくが変化する。しかし、処理ウェハのサイズを一
種類に限る。あるいはウェハサイズの変化に対応して流
体供給源、流体吸引源の圧力を調整することによって対
応することが可能であり、大気導入部を省略することに
よって構造が簡単になることは大きな利点である。また
この実施例は、流体噴出部に供給する流体を予じめ保持
台２の温度と等しい温度にまで加熱する機構として、保
持台２の熱を利用して供給流体を加熱する熱交換器８Ａ
を設けたものである。保持台２の熱を利用することによ
り、予加熱機楕の設備が不要となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ウェハを非接触
の状態に保って精密に一定の温度に加熱することができ
るので、ウェハを汚すことなくベ一りすることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例の縦断正面図。 第２図はその平面図、第３図は本発明の装置による半導
体基板の保持動作を説明するために供した保持面付近の
部分断面図、第４図はその寸法関係を示す説明図、第５
図は本発明の装置による板状体の保持動作特性図、第６
図は従来の装置の加熱方式を説明するために供した従来
装置の側面図、第７図は本発明の加熱方式の状態を模し
た装置の側面図、第８図は従来の加熱方式と本発明の加
熱方式の状態を横した方式による半導体基板の加熱状態
の実験結果を示した図、第９図は本発明の装置の他の実
施例を示す縦断正面図である。 １・・・半導体基板（ウェハ）、２・・・保持台、２Ａ
・・・保持面、４・・・開口部、５・・・絞り、９・・
・流体供給源、名　／　凹 第２凹 囁３　凹 第４巴 第５凹 第６　凹 第７侶 １　凹 力σ綿時間　（十ｒ） ′＄Ｊ　９　口 ？Ａ　然史４ｆｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一定の高温に保たれた保持台に半導体基板を置いて
   これをベークまたはアニールする装置において、前記保
   持台の保持面に、保持面と半導体基板との間に気体膜を
   形成するために、この保持面に対向する半導体基板に対
   して大気圧以上の圧力を発生する絞りを備えた流体噴出
   部と、前記流体噴出部の周囲に位置するように設けられ
   、保持面に対向する半導体基板に対して大気圧以下の圧
   力を発生する流体吸引部とを備え、流体噴出部は流体供
   給源に接続し、流体吸引部は流体吸引源に接続したこと
   を特徴とする半導体基板のベーキング装置。 ２、前記流体噴出部と流体供給源との間に、流体供給源
   から流体噴出部に供給される流体を加熱する機構を介設
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導
   体基板のベーキング装置。 ３、前記流体噴出部の周囲に位置するよう設けられた流
   体吸引部のさらに外側の保持面に、大気圧を導入するた
   めの大気導入部を設け、大気圧導入部は他端を大気に開
   放した管路に持続したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の半導体基板のベーキング装置。 ４、前記大気導入部は、流体噴出部および流体吸引部を
   取り囲むように設けた溝で構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第３項記載の半導体基板のベーキング装置
   。 ５、前記大気導入部と大気に開放された端面との間に、
   大気に開放された端面から大気導入部に流入する流体を
   加熱する機構を介設したことを特徴とする特許請求の範
   囲第３項記載の半導体基板のベーキング装置。