CH665058A5 - Vorrichtung zur waermebehandlung von halbleiterplaettchen durch waermeuebertragung mittels gas. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur gleichmässigen Wärmebehandlung eines Halbleiterplättchens durch Wärmeübertragung mittels Gas gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der Behandlung von Halbleiterplättchen, z.B. zur Herstellung integrierter Schaltkreise, werden die Plättchen gelegentlich erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Für die Diffusion von Verunreinigungen, das Wachstum epitaxialer Schichten, die Aufbringung hochwertiger Metallfilme, das Glühen metallischer Halbleiterkontakte und dergl. sind solche erhöhten Temperaturen erwünscht. In diesen Fällen ist es wünschenswert, Wärmeenergie in geregelter und gleichmässiger Weise anzuwenden. Bei anderen Vorgängen, z.B. bei der Ionenimplantation und beim

Ätzen, ist Wärmeenergie ein lästiges Nebenprodukt. Bei diesen Vorgängen kann es unerwünscht sein, das Plättchen erhöhten Temperaturen auszusetzen, da beispielsweise eine unkontrollierte Diffusion über vorbestimmte Grenzen hinaus sowie die Ab-scheidung von Verunreinigungen an epitaxialen Grenzflächen nicht erwünscht sind. Ausserdem können erhöhte Temperaturen zwischenzeitlich verwendete Photowiderstandsschichten ungünstig beeinflussen. Dieses Problem vergrössert sich bei der Herstellung von Vorrichtungen zur Grossgruppenintegration (LSI) und zur Integration sehr hohen Grades (VLSI), da eine grosse Anzahl von Verfahrensschritten nacheinander durchgeführt werden muss; insbesondere kurz vor dem Ende der Verfahrensfolge befinden sich grosse Mengen von Verunreinigungen, leitenden oder isolierenden Schichten an Ort und Stelle, und es ist nicht erwünscht, diese physikalischen Merkmale durch Wärmebehandlung zu stören. In solchen Fällen möchte man die Halbleiterplättchen in geregelter und gleichmässiger Weise kühlen. Es bestehet somit der Wunsch, Halbleiterplättchen auf erhöhte Temperaturen zu bringen, wenn ein Verfahrensschritt dies zwingend erforderlich macht, und andererseits Halbleiterplättchen zu kühlen, um das Auftreten erhöhter Temperaturen zu verhindern, wenn unerwünschte Wärme erzeugt wird.

Zu den bisher bekannten Verfahren zur Erwärmung von Halbleiterplättchen gehören die Widerstandserwärmung von Platten, auf die die Plättchen aufgebracht werden, die Infraroterwärmung der freien Oberfläche der Plättchen, die induktive Erwärmung von Plättchen auf Aufnahmeeinrichtungen oder die Konvektionserwärmung durch einen vorgeheizten Gasstrom. Diese Lösungen stellen nicht voll zufrieden, da die Erwärmung oft zu langsam vor sich geht, die Wärmeverteilung über das Plättchen hinweg oft höchst ungleichmässig ist und da eine Regelung der Gleichgewichtstemperatur des Plättchens in der Produktion oft nicht durchführbar ist.

Zu den bisherigen Versuchen, Halbleiterplättchen beim Ätzen oder bei der Ionenimplantation zu kühlen, gehören das Herbeiführen einer unterbrochenen Exponentierung durch periodisches Bewegen des Ionenstrahls oder des Plättchens oder beider (wodurch der Durchsatz begrenzt wird), das Bereitstellen einer mit Fett oder Öl überzogenen aktiv gekühlten Metallplatte, auf der das Halbleiterplättchen ruht, oder die Aufbringung einer elektrostatischen Kraft, um ein Plättchen an einer leicht zusammendrückbaren Fläche auf einer aktiv gekühlten Platte zur Anlage zu bringen. Siehe hierzu z.B. L.D. Bollinger, «Ion Milling for Semiconductor Production Processes», Solid State Technology, November 1977. Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen haben sich als nicht voll wirksam erwiesen, um Halbleiterplättchen zu kühlen, wenn starke Ionenflüsse oder hohe Leistungspegel auftreten. In der US-PS 4 282 924 wird eine konvex gekrümmte Platte beschrieben, an der ein Halbleiterplättchen festgeklemmt wird. Die Kühlwirkung dieser Vorrichtung ist durch das Ausmass beschränkt, in dem die Rückseite des Plättchens tatsächlich in Berührung mit der wärmeleitfähi-gen Fläche steht, da auf atomarer Ebene nur kleine Bereiche der beiden Flächen (gewöhnlich weniger als 50%) tatsächlich miteinander in Berührung kommen.

Es ist bekannt, dass das Verfahren der Wärmeübertragung mittels Gas eine wirksame Wärmeverbindung zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen gestattet. Das Verfahren ist vielfach angewendet worden. Gemäss der US-PS 3 062 507 wird z.B. ein Gas (oder eine Flüssigkeit) zwischen Schichten eines Behälters vorgesehen, um eine optimale Wärmeübertragung zu erzielen. Die Wärmeübertragungsschaltung bei Kryopumpen wird beispielsweise in den UP-PSen 3 525 229, 3 717 201, 3 430 455 und 3 421 331 behandelt. In allen Fällen wird die Wärmeübertragung zwischen einander gegenüberliegenden Flächen durch Wärmeübertragung mittels Gas erzielt. In der US-PS 3 566 960 wird das Problem des unzureichenden

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Kontakts zwischen festen Flächen diskutiert (s. Spalte 3, Zeile 2 ff.), und es wird ein gasförmiges Medium zum Kühlen des Werkstücks in der Vakuumkammer beschrieben. In ähnlicher Weise wird die Kühlung eines Werkstücks im Vakuum durch M. King und P.H. Rose in der Veröffentlichung «Experiments on Gas Cooling of Wafers», Proceedings, Third Internationel Conference on Ion Implantation Equipment and Techniques, Queens University, Kingston, Ontario (Mai 1980), sowie in der US-PS 4 264 762 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung wird Gas in die Mitte eines Hohlraums hinter einem Halbleiterplättchen eingeleitet. Über das Gas wird die thermische Verbindung zum Hauptkörper der Vorrichtung in der in der Wärmeübertragungstechnik mittels Gas typischen Art erreicht. In der Praxis gibt es jedoch eine begrenzte Undichtigkeitsrate infolge unvollkommener Abdichtungen, so dass zwischen der Mitte des Hohlraums und seinem Umfang ein Druckgefälle vorhanden ist. Da die Wärmeleitfähigkeit in einem Gas proportional zum Druck ist, wird in der Mitte, wo ein höherer Druck herrscht, mehr Wärme übetragen, so dass über das Plättchen hinweg ein Temperaturgradient vorhanden ist. Bei bestimmten Verfahren, z.B. bei der Aufbringung von Metallüberzügen, führt dieser Temperaturgradient zu Ungleichmässigkeiten, die sich als unerwünscht erweisen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Festhalten und zur gleichmässigen Wärmebehandlung von Halbleiterplättchen zu schaffen, gemäss den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmalen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teilschnitt der erfindungsgemässen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht der erfindungsgemässen Vorrichtung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Gasdruckes hinter dem Plättchen bei einer Kühlvorrichtung durch Wärmeübertragung mittels Gas bekannter Art;

Fig. 4 eine Kurve, die den Gasdruck hinter dem Plättchen bei der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt; und

Fig. 5 eine Kurve zur Veranschaulichung der Wärmeleitung zwischen der Platte und dem Halbleiterplättchen nach Fig. 2.

Bei einer Vorrichtung zur gleichmässigen Wärmebehandlung von Halbleiterplättchen durch Wärmeübertragung mittels Gas wird das Plättchen über einem gasgefüllten Hohlraum gegenüber einem Körper mit einer Wärmekapazität festgehalten, die auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird. Hinter dem Halbleiterplättchen wird in der Nähe seines Umfangs Gas zugeführt. Auf diese Weise wird über die Rückseite des Plättchens hinweg ein nahezu konstanter Gasdruck aufrechterhalten, da ausser in der Nähe des Umfangs keine Zu- oder Ableitungen vorhanden sind. Infolgedessen ist die Wärmeleitung gleichmäs-sig, die Temperatur ist gleichmässig, und es wird eine gleichmäs-sige Behandlung über das ganze Plättchen hinweg ermöglicht.

Gemäss Fig. 1 und 2 gehört zu der Vorrichtung 10 zum Kühlen durch Wärmeübertragung mittels Gas ein Körper 13, der durch ein Kühlmittel aktiv gekühlt wird, das dadurch ein inneres Netzwerk von Kühlkanälen in dem Flansch 22 fliesst, welches mit einem von aussen zugänglichen Ein- und Auslass 14 bzw. 15 versehen ist. Der Körper 13 kann mit Hilfe der Heizeinrichtung 6 auch aktiv erwärmt werden. Der Körper 13, der vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl gefertigt ist, besitzt eine Zuleitung 16 für ein Gas in die Arbeitszone, wo ein Halbleiterplättchen in seiner Lage gehalten wird. Diese Zuleitung ist in zentraler Lage innerhalb des Körpers 13 dargestellt, obwohl bei der erfindungsgemässen Vorrichtung eine zentrale Anordnung nicht erforderlich ist. Das Ende des Körpers 13 wird durch die Platte 11 gebildet, an der in einem geringen Abstand die Platte 12 befestigt ist; beide Platten bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium. Die Platten 11 und 12 sind durch Hartlöten innig miteinander und mit dem Körper 13 verbunden, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit und gleichmässige Temperatur Verteilung zu gewährleisten. Der Zwischenraum zwischen den Platten 11 und 12 bildet einen Hohlraum 17, in den durch den Kanal 16 Gas eingeführt wird. In der Schnittansicht nach Fig. 1 ist der Hohlraum völlig offen dargestellt. Um die Schaffung einer Wärmesperre zwischen dem Körper 13 und der Platte 12 durch den Hohlraum 17 zu vermeiden, erstrecken sich jedoch bei einer Ausführungsform radiale Kanäle von seinem zentralen Kanal 16 aus zu einem ringförmigen Hohlraum unterhalb der Öffnung 19. Auf diese Weise ist ein grosser Teil des Raumes zwischen der Platte 11 des Körpers 13 und der Platte 12 durch einen Fortsatz der Platte 11 ausgefüllt, um die Wärmeübertragung zu erleichtern. Die radialen Kanäle und der Ringraum sind gross genug bemessen, um eine ausreichende Gasleitung zu ermöglichen, und klein genug, um eine ausreichende Wärmeübertragung zu gestatten.

Die Platte 12 weist entlang ihrem Umfang eine Lippe 18 auf, an der ein Halbleiterplättchen durch eine nicht gezeigte Niederhaltevorrichtung zur Anlage gebracht wird, z.B. durch die in Fig. 2 und 3 der US-PS 4 306 731 gezeigte Klemmvorrichtung. An der Innenseite der Lippe 18 ist eine Reihe von Öffnungen 19 zum Einführen von Gas in den Bereich 21 unmittelbar hinter einem Halbleiterplättchen 20 vorgesehen. Wegen der nahen Nachbarschaft zwischen den Öffnungen 19 und der Lippe 18 wird das Gas zwangsläufig in der Nähe der einzigen Stelle des Systems zugeführt, wo Gasleckverluste auftreten können, wo also Gas beispielsweise ungewollt in ein Vakuumsystem entweichen kann oder wo es absichtlich in ein Zerstäubungssystem eingeführt wird, um einen Teil des Zerstäubungsgas es zu bilden. Im letzteren Fall wird Gas durch mikroskopische Durchlässe zwischen dem Plättchen und der Lippe geleitet. Solche Durchlässe sind zwischen zwei aneinander anliegenden harten Flächen immer vorhanden, wenn nicht spezifische Mittel zur Abdichtung wie in der Ventil- oder Flanschtechnik vorgesehen sind. Da im Inneren der Platte 12 keine Leckstellen und keine weiteren inneren Gasquellen vorhanden sind, ist der Gasdruck hinter der Platte 12 gleichmässig und fällt über die Lippe 18 gemäss Fig. 4 ab, deren Daten ebenso wie die von Fig. 3 und 5 in Ausrichtung auf die Teile der Vorrichtung gezeigt sind, welche diese Daten liefern.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch den Kanal 16 und somit durch die Öffnungen 19 der Platte 12 wird durch ein nicht gezeigtes aussenliegendes Ventil geregelt. Der gleichmässige Druck, der gemäss Fig. 4 durch die erfindungsgemässe Vorrichtung über die Rückseite des Plättchens 20 hinweg erzeugt wird, steht in scharfem Gegensatz zu dem Druckprofil bei bekannten Vorrichtungen mit Wärmeübertragung mittels Gas gemäss Fig. 3, bei denen das Gas zentral zugeführt wird.

Das Ergebnis der Gaszuführung am Umfang und des gleichmässigen Druckes gemäss der Erfindung ist die in Fig. 5 veranschaulichte Wärmeübertragung durch das Gas zwischen der Platte 12 und dem Plättchen 20. Die Erzielung dieses Ergebnisses beruht auf der Beziehung zwischen Gasdruck und Wärmeleitfähigkeit, wie sie in Abschnitt 1.10, «Thermal Conductivity at Low Pressures», der Veröffentlichung von S. Dushman u.a. mit dem Titel «Scientific Foundations of Vacuum Technique», S. 43-53 (1962), behandelt ist. Die Wärmeübertragungsrate ist über den mittleren Bereich des Plättchens hinweg gleichmässig; in der Praxis sind Temperaturprofile erzielt worden, die bis auf wenige Prozent gleichmässig waren. Die Wärmeübertragungsrate steigt in der Mitte der Lippe 18 an, da durch den stark verkleinerten Zwischenraum zwischen dem Halbleiterplättchen und der Platte 12 ein zusätzlicher Beitrag geleistet wird. Schliesslich fällt die Wärmeübertragungsrate bei der Annäherung an die Aussenkante der Lippe 18 auf Null ab, da der Gasdruck auf Null zurückgeht.

Die Auswahl zwischen den Betriebsarten «Erwärmung»

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bzw. «Kühlung» wird dadurch getroffen, dass im ersteren Fall das Widerstands-Heizelement 6 erregt wird oder dass man im letzteren Fall das Widerstands-Heizelement zurückschaltet und die Kühlung von dem Flansch 22 her vorherrschen lässt. Bei der Betriebsart «Erwärmung» trägt der zusätzliche Beitrag nahe dem Plättchenrand dazu bei, die örtlich erhöhten Strahlungswärmeverluste durch Abstrahlung vom Rand 7 des Plättchens 20 auszugleichen. Dieser Ausgleich hält die Ungleichmässigkeit der

Temperatur am Umfang des Plättchens auf einem Mindestmass und bildet eine bedeutsame Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik. Gewöhnlich hat das Plättchen 20 einen grösseren Durchmesser als die Lippe 18, damit der Rand 7 überstehen s kann. Daher ruht selbst dann, wenn das Plättchen 20 der Wärmebehandlungsvorrichtung 10 in nicht zentraler Lage ausgesetzt wird, der Rand 7 selbst nicht auf der Lippe 18, so dass die letztere nicht der durchzuführenden Behandlung ausgesetzt wird.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Vorrichtung zur gleichmässigen Wärmebehandlung eines Halbleiterplättchens durch Wärmeübertragung mittels Gas, dadurch gekennzeichnet, dass ein Körper (13) mit einer Wärmekapazität, die als Quelle oder Senke für Wärmeenergie dient, vorhanden ist; dass zum Körper eine erste Einrichtung (16) zum Zuleiten von Gas zur Wärmebehandlung durch Wärmeübertragung mittels Gas gehört; dass der Körper ein Endstück mit einer Aussenseite besitzt, welche am äusseren Rand eine ringförmige Lippe (18), zum Anordnen eines Halbleiterplättchens (20), aufweist, dass die Lippe (18) so ausgebildet ist, dass zwischen der Aussenseite des Endstückes, der Lippe (18) und dem Halbleiterplättchen (20) ein Hohlraum (21) entsteht; dass das Endstück an seinem Umfang nahe am inneren Rand der Lippe (18) Öffnungen (19) aufweist und innerhalb des aus den genannten Öffnungen (19) gebildeten Kreises keine weiteren Öffnungen mehr vorhanden sind; dass Gas von der ersten Einrichtung (16) durch die Öffnungen (19) des Endstückes dem beim Vorhandensein eines Halbleiterplättchens (20) auf der Lippe (18) gebildeten Hohlraum (21) zuführbar ist, um Wärme von der Aussenseite des Endstückes zum Halbleiterplättchen oder vom Halbleiterplättchen zur Aussenseite des Endstückes zu übertragen und dass zum Steuern der Temperatur des Körpers (13) eine zweite Einrichtung zur Erwärmung des Körpers und eine dritte Einrichtung zur Kühlung des Körpers vorhanden und mit dem Körper wärmeleitend verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu der zweiten Einrichtung zur Erwärmung des Körpers (13) ein Widerstandsheizelement (6) gehört, das wärmeleitend mit dem Körper verbunden ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Einrichtung zur Kühlung des Körpers (13) ein Flansch (22) ist, der wärmeleitend mit dem Körper verbunden ist, wobei der Flansch einen inneren Kühlkanal aufweist, durch den ein Kühlmittel geleitet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Endstück eine erste Platte (11) aufweist an der eine zweite Platte (12) befestigt ist, die in einem Abstand von der ersten Platte (11) angeordnet ist und mit dieser wärmeleitend verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterplättchen (20) auf der Lippe (18) in seiner Lage gehalten wird, und einen grösseren Durchmesser als die Lippe aufweist, damit die Lippe vor den Behandlungen geschützt wird, denen das Halkbleiterplättchen unterzogen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen dem genannten Halbleiterplättchen (20) und der genannten Lippe (18) so ist, dass Ableitwege vorhanden sind, damit das Gas aus dem genannten Hohlraum (21) abfliessen kann.