CN102203905A - 半导体晶片的温度控制装置及温度控制方法 - Google Patents

半导体晶片的温度控制装置及温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体晶片的温度控制装置，其通过使硅晶片等半导体晶片的基底温度高速上升至目标温度或下降至目标温度，由此使半导体设备的制造时间缩短，且使半导体晶片的面内的温度分布精度良好地为所期望的温度分布(使面内均匀或使面内温度分布在各部分不同)，从而能够高品质地制造半导体设备，进而能量效率优秀，从而能够简易地构成装置。控制机构在使半导体晶片的温度上升而控制为目标温度时，切换到使比高温槽内的目标温度高的温度的高温循环液向工作台内的流路供给，并使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制各多个区域的热电元件。

Description

半导体晶片的温度控制装置及温度控制方法
技术领域
本发明涉及半导体晶片的温度控制装置及温度控制方法，尤其是干式工序等中的、将载置于工作台上的半导体晶片的温度控制为目标温度且将半导体晶片的面内的温度分布控制为所期望的温度分布时使用的优良的装置及方法。
背景技术
在对硅晶片等半导体晶片实施处理的工序中，存在必须将硅晶片的温度控制为目标温度且将硅晶片(或硅晶片上的堆积物)的面内的温度分布控制为所期望的温度分布的工序。例如在干式工序时，需要使硅晶片(或硅晶片的堆积层)的面在真空腔室内均匀地通过等离子进行蚀刻。由此，必须控制使硅晶片的面内的温度分布均匀。不过，存在蚀刻处理中的反应生成物再附着在蚀刻面上而使蚀刻比率降低的情况。反应生成物在与硅晶片面的外周部相比的内周部更容易较多地分布。由此，寻求使等离子体蚀刻中的硅晶片的温度在面内均匀地控制，但基于反应生成物的生成，以使反应生成物的分布相抵消的方式在硅晶片的面内的外周部和内周部发生温度不同的方式来调整温度分布。即，寻求以消除外部干扰的方式来对硅晶片的面内温度分布进行精度良好地调整。另外，在使半导体设备的品质为高品质方面，也寻求使硅晶片的面内的温度分布精度良好地成为所期望的温度分布(使面内均匀或使面内温度分布在各部分不同)。
另外，为了在硅晶片蚀刻不同材质的膜，在当前，在控制为各自的温度的腔室中进行蚀刻，不过，为了在同一腔室中蚀刻不同的膜，需要进行使硅晶片的整体的基底温度上升至各膜的目标温度或下降至目标温度的控制。
因此，在这样的工序执行时，为了使半导体设备制造时间缩短，而寻求使硅晶片的基底温度高速上升为目标温度或下降为目标温度。
例举出将硅晶片等的半导体晶片载置在工作台上并进行温度调整的装置相关的现有技术如下所述。
(专利文献1记载的现有技术)
在专利文献1记载有这样的发明：使设于工作台内的热电元件工作，从而控制使载置于工作台上的硅晶片的面内温度分布均匀或使面内温度在内周部和外周部处温度分布不同。
(专利文献2记载的现有技术)
在专利文献2记载有这样的发明：通过向工作台内的各流路供给不同温度的循环液，由此控制使被载置在工作台上的硅晶片的面内温度分布均匀或使面内温度在内周部和外周部处温度分布不同。
(专利文献3记载的现有技术)
在专利文献3中记载有这样的发明：通过对工作台内的流路有选择地供给低温的循环液或高温的循环液，由此将硅晶片的基底温度控制为低温的目标温度或高温的目标温度。
(现有的实施技术)
在工作台内设有加热用的加热器和流路且将积存有冷却用的循环液的低温槽设置在工作台外，当对工作台上的硅晶片加热时，从低温槽向流路供给低温循环液同时对加热器供给电力，当对工作台上的硅晶片冷却时，将对加热器供给的电力切断，而进行从低温槽向流路供给低温循环液的控制。
专利文献1：特表2000-508119号公报
专利文献2：特开2003-243371号公报
专利文献3：特开平07-240486号公报
根据上述专利文献1记载的发明，能够以至少使被载置于工作台上的硅晶片的面内温度分布均匀或使面内温度在内周部与外周部产生温度分布不同的方式控制。不过，仅仅通过设于工作台内的热电元件，无法高速地使硅晶片的基底温度上升至目标温度或下降至目标温度。
同样地，根据专利文献2记载的发明，能够以至少使被载置于工作台上的硅晶片的面内温度分布均匀或使面内温度在内周部与外周部处温度分布不同的方式控制。不过，仅仅通过向工作台内的各流路供给不同温度的循环液，无法精度良好地调整为所期望的温度分布。另外，也不可能高速地使硅晶片的基底温度上升至目标温度或下降至目标温度。
另外，根据专利文献3记载的发明，能够至少将硅晶片的基底温度控制为低温的目标温度或高温的目标温度。不过，仅仅通过向工作台内的流路有选择地供给低温的循环液或高温的循环液，无法以成为任意的目标温度的方式来进行高速调整。另外，也不可能使硅晶片的面内的温度分布精度良好地成为所期望的温度分布。
根据上述的现有实施技术，能够至少将硅晶片的基底温度控制为低温的目标温度或高温的目标温度。不过，在基于加热器的加热和低温的循环液的组合中，无法高速地变更为任意的目标温度。另外，使硅晶片的面内的温度分布精度良好地成为所期望的温度分布也不可能。进而，为了使低温的循环液向流路供给同时进行基于加热器的加热，需要增大加热器及低温槽(冷机)的容量，装置成本提高且热能无端消耗，能量效率差。
发明内容
本发明就是鉴于这样的实际情况而作出的，其想要解决的课题在于，通过使硅晶片等半导体晶片的基底温度高速地上升至目标温度或下降至目标温度，而使半导体设备的制造时间缩短，且使半导体晶片的面内的温度分布精度良好地成为所期望的温度分布(使面内均匀或使面内温度分布在各部分不同)，由此能够高品质地制造半导体设备，进而能量效率优秀，从而能够使装置简易构成。
为此，第一方面为一种半导体晶片的温度控制装置，其将载置于工作台上的半导体晶片的温度控制为目标温度，且将半导体晶片的面内的温度分布控制为所期望的温度分布，其特征在于，具有：
低温槽，其积存有循环液，该循环液被维持在比目标温度低的低温；
高温槽，其积存有循环液，该循环液被维持在比目标温度高的高温；
多个区域，该多个区域为形成在工作台内的各部分且能够独立地进行温度调整的多个区域，并分别配置有热电元件；
工作台内流路，其形成在工作台内并流有循环液；
切换机构，其有选择地切换低温槽内的低温循环液和高温槽内的高温循环液并向工作台内流路供给；
控制机构，其在使半导体晶片的温度上升而控制为目标温度的情况下，切换到使高温槽内的高温循环液向工作台内流路供，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件，并且在使半导体晶片的温度下降而控制为目标温度的情况下，切换到使低温槽内的低温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件。
第二方面为第一方面的发明，其特征在于，
在多个区域还分别配置有加热器，
控制机构在使半导体晶片的温度上升而控制为目标温度的情况下，切换到使高温槽内的高温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件及加热器，并且
在使半导体晶片的温度下降而控制为目标温度的情况下，切换到使低温槽内的低温循环液向工作台内流路，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件及加热器。
第三方面为第一方面或第二方面的发明，其特征在于，
在各区域中配置有温度传感器，并基于温度传感器的检测温度来控制区域的温度。
第四方面为一种半导体晶片的温度控制方法，该方法将载置于工作台上的半导体晶片的温度控制为目标温度，且将半导体晶片的面内的温度分布控制为所期望的温度分布，其特征在于，
在使半导体晶片的温度上升而控制为目标温度的情况下，切换到使高温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件，并且
在使半导体晶片的温度下降而控制为目标温度的情况下，切换到使低温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件。
第五方面为第四方面的发明，其特征在于，
在使半导体晶片的温度上升而控制为目标温度的情况下，切换到使高温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件及加热器，并且
在使半导体晶片的温度下降而控制为目标温度的情况下，切换到使低温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件及加热器。
第六方面为第一方面的发明，其特征在于，
多个区域包括将半导体晶片由同心圆状的线分割而成的4个区域。
第七方面为第六方面的发明，其特征在于，
控制机构以使4个区域之中最外周的区域的热电元件发生放热作用的方式工作，并以使相对于所述最外周区域在内侧相邻的区域和与该区域在更内侧相邻的区域的热电元件发生吸热作用的方式工作。
第八方面为第六方面的发明，其特征在于，
控制机构以使4个区域之中最外周的区域和与该最外周区域在内侧相邻的区域的热电元件发生吸热作用的方式工作，并以使和与所述最外周区域在内侧相邻的区域在更内侧相邻的区域的热电元件发生放热作用的方式工作。
第九方面为第四方面的发明，其特征在于，
多个区域包括将半导体晶片由同心圆状的线分割而成的4个区域。
第十方面为第九方面的发明，其特征在于，
以使4个区域之中最外周的区域的热电元件发生放热作用的方式工作，并以使相对于所述最外周区域在内侧相邻的区域和与该区域在更内侧相邻的区域的热电元件发生吸热作用的方式工作。
第十一方面为第九方面的发明，其特征在于，
以使4个区域之中最外周的区域和与该最外周区域在内侧相邻的区域的热电元件发生吸热作用的方式工作，并以使和与所述最外周区域在内侧相邻的区域在更内侧相邻的区域的热电元件发生放热作用的方式工作。
如上所述，在第一方面、第四方面中，除向工作台内供给高温循环液、低温循环液以外，还同时使用基于热电元件的加热、吸热，由此进行使半导体晶片的温度与目标温度一致的控制，并进行使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的控制。
在第二方面、第五方面中，除了向工作台内供给高温循环液、低温循环液以外，还同时使用基于热电元件的吸热(或基于热电元件的吸热及加热)和基于加热器的加热，由此进行使半导体晶片的温度与目标温度一致的控制，并进行使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的控制。
在第六方面～第十一方面中，多个区域包括将半导体晶片由同心圆状的线分割而成的4个区域，并对这4个区域的热电元件进行独立地控制，由此进行将半导体晶片的面内温度设为所期望的面内温度分布的控制。
(发明的効果)
根据本发明，使高温循环液、低温循环液向工作台内供给而控制半导体晶片的温度，因此，能够高速地使半导体晶片的基底温度上升或下降，从而能够缩短半导体设备的制造时间。
根据本发明，除向工作台内供给高温循环液、低温循环液以外，通过同时使用基于热电元件的加热、吸热(第二方面、第五方面时，还同时使用基于加热器的加热)，从而进行使半导体晶片的温度与目标温度一致的控制，并进行使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的控制，因此，能够将工作台的区域各部分精密且高速地调整为任意的温度。由此，能够将半导体晶片的面内的温度分布精度良好地设为所期望的温度分布(使面内均匀或使面内温度分布在各部分不同)。由此，能够高品质地制造半导体设备。
另外，热电元件的加热能力及冷却能力(第二方面、第五方面时还基于加热器的加热能力)被附加冷机的加热能力及冷却能力而进行加热及冷却，因此，能够减小冷机的容量，从而使装置简易构成。
另外，使半导体晶片由同心圆状的线分割为4个区域，并对这4个区域的热电元件进行独立控制，因此，能够使半导体晶片的面内温度非常精度良好地设为所期望的面内温度分布(第六方面～第十一方面)。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明所涉及的半导体晶片的温度调整装置的实施方式进行说明。
图1示出了实施方式的温度调整装置100的结构。
实施方式的温度调整装置100为用于将载置于工作台30上的硅晶片1的温度控制为目标温度且将硅晶片1的面内的温度分布控制为所期望的温度分布的装置。该温度调整装置100例如在干式工序中使用。
温度调整装置100大致由工作台30和冷机装置3构成。
在工作台30与冷机装置3之间连接有流路51、52。
工作台30被配置在真空腔室4内。
在工作台30上载置有半导体晶片、例如硅晶片1。硅晶片1借助静电而被保持在工作台30上。其中，为了提高工作台30与硅晶片1之间的导热的效率，也可以在工作台30与硅晶片1之间流有氦气。
在干式工序时，真空腔室4内被真空抽引，而维持在规定的低压。
在工作台30内配置有能够对被载置于工作台30上的硅晶片1的面内温度分布进行调整的多个热电元件32及加热器33。
图4(a)、(b)为工作台30的剖面图，示出了工作台30的剖面中的热电元件32及加热器33的两种实施例。
在图4(a)中，在热电元件32的上方配置加热器33，进而在其上方配置有载置硅晶片1的平板。在平板内配置有温度传感器230。
在图4(b)中，在工作台30的周向上配置有热电元件32且在周向上配置有加热器33。热电元件32和加热器33以沿着工作台30的半径方向互相相邻的方式排列。在热电元件32和加热器33的上方配置有载置硅晶片1的平板。在平板内配置有温度传感器230。
在这两个实施例中，在工作台30内的各部分独立地形成能够调整温度的多个区域。在多个区域中分别配置有热电元件32、加热器33和温度传感器230。
图4(c)、(d)为从上面观察工作台30的图。图4(c)例示出将工作台30进行三分割，并在各区域131、132、133配置了热电元件32、加热器33、温度传感器230的情况。图4(d)例示出将工作台30进行五分割，并在各区域131、132、133、134、135配置了热电元件32、加热器33、温度传感器230的情况。而且，在图4(c)、(d)中，省略了斜线部以外的热电元件32的图示。
当对热电元件32通电时，基于其通电方向而在与该热电元件32对应的工作台面上发生吸热作用或放热作用。也就是说，各热电元件32能够对工作台30的各区域单独地进行温度调整。因而，通过调整向各热电元件32的通电来控制各热电元件32的吸热作用及放热作用，由此能够对工作台30上的硅晶片1的面内赋予所期望的温度梯度，并能够将硅晶片1的面内温度分布设为所期望的温度分布。
另外，在各区域131、132、133……设有加热用加热器33，加热也可由加热器33来进行。在进行加热的情况下，可以使加热器33单独工作，也可以除使加热器33工作以外，使热电元件32发生放热作用地工作。
返回图1进行说明。
在工作台30内形成有流有后述的高温循环液12、低温循环液22的工作台内流路31。此处，在高温循环液12、低温循环液22使用例如乙二醇与水的混合物来作为温度调整用的导热介质的流体。例如可以使用作为商品名被称为“Galden(ガルデン)、Fluorinert(フロリナ一ト)”的物质。
冷机装置3由高温冷机10、低温冷机20、作为切换机构的切换阀61、62、主泵70、各流路51、52、53构成。
高温冷机10包括高温槽11、热交换器13、热交换用的泵14。泵14使高温循环液12在热交换器13与高温槽11之间循环。热交换器13和泵14由作为控制机构的控制器40控制。控制器40以使高温槽11内的高温循环液12始终为规定的恒定的高温度T3、例如80℃的方式来控制热交换器13和泵14。该温度T3设定为比硅晶片1的目标温度T2高的高温(T3＞T2)。由此，在高温槽11中积存有被维持在比目标温度T2高的高温T3的高温循环液12。
此处，在硅晶片1的目标温度T2具有面内分布时，示出其平均温度。例如当存在硅晶片的外周部分的区域的温度的目标值T2_OUT和中央部分的区域的温度的目标值T2_Center时，其平均值为目标温度T2。
另一方面，低温冷机20包括低温槽21、热交换器23、热交换用的泵24。泵24使低温循环液22在热交换器23与低温槽21之间循环。热交换器23和泵24由作为控制机构的控制器40控制。控制器40以使低温槽21内的低温循环液22始终为规定的恒定的低温度T1(＜T3)、例如-10℃的方式来控制热交换器23和泵24。该温度T1设定为比硅晶片1的目标温度T2低温(T1＜T2)的温度。由此，在低温槽21中积存有被维持在比目标温度T2低的低温T1的低温循环液22。
高温冷机10的加热能力及低温冷机20的冷却能力设定为比埋入工作台30内的热电元件32的加热能力(或加热器33的加热能力)及冷却能力高。
作为切换机构的切换阀61、62对低温槽21内的低温循环液22和高温槽11内的高温循环液12有选择地进行切换，并向工作台内流路31供给。
即，主泵70的排出口70a经由流路53而与切换阀61的入口61a连通。切换阀61的各出口61b、61c分别与高温槽11的入口11a、低温槽21的入口21a连通。高温槽11的出口11b、低温槽21的出口21b分别与切换阀62的各入口62a、62b连通。切换阀62的出口62c经由流路51而与工作台内流路31连通。工作台内流路31经由流路52而与主泵70的吸入口70b连通。
在选择高温槽11内的高温循环液12并使其循环时，以产生从切换阀61的入口61a向一出口61b的流动，并产生从切换阀62的一入口62a向出口62c的流动的方式来切换各切换阀61、62。由此，高温槽11内的高温循环液12经由流路51而向工作台内流路31供给，并经由流路52、主泵70、流路53再次返回高温槽11，从而在各流路51、31、52、53内循环。
与其相对，在选择低温槽21内的低温循环液22并使其循环时，以产生从切换阀61的入口61a向另一出口61c的流动，并产生从切换阀62的另一入口62b向出口62c的流动的方式来切换各切换阀61、62。由此，低温槽21内的低温循环液22经由流路51而向工作台内流路31供给，并经由流路52、主泵70、流路53再次返回低温槽21，从而在各流路51、31、52、53内循环。
作为控制机构的控制器40在使硅晶片1的温度上升而控制为目标温度T2时，切换到使高温槽11内的高温循环液12向工作台30内的流路31供给，并以使硅晶片1的温度与目标温度T2一致且使硅晶片1的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制各热电元件32(或各热电元件32及各加热器33)。另外，在使硅晶片1的温度下降而控制为目标温度T2时，切换到使低温槽21内的低温循环液22向工作台30内的流路31供给，并以使硅晶片1的温度与目标温度T2一致且使硅晶片1的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制各热电元件32(各热电元件32及加热器33)。
以下，对进行基于热电元件32的冷却、基于热电元件32的加热或基于加热器33的加热的情况进行说明。
首先，最先对不使加热器33工作而只通过由热电元件32进行的冷却和加热来控制的情况进行说明。
以下，参考图2所示的流程图进行说明。以下，对温度的标号作为T1＜T2＜T3的关系成立的情况进行说明。
如同图2所示，在控制器40中，设定硅晶片1的高温的目标温度T2或低温的目标温度T2。此处，在存在多个区域131、132、133……时，目标温度T2为全区域131、132、133……的平均值(步骤101)。接着，检测出配置在当前的各区域131、132、133……的各温度传感器230的平均温度T0。T0表示硅晶片1的温度的平均值。
将检测温度T0和目标温度T2(存在多个区域131、132、133……时，全区域131、132、133……的平均值)进行对比，来判断使硅晶片1的温度上升还是下降(步骤102)。
其结果是，在判断为使硅晶片1的温度上升而控制为高温的目标温度T2的情况下(步骤102的判断“升温”)，以产生从切换阀61的入口61a向一出口61b的流动，并产生从切换阀62的一入口62a向出口621c的流动的方式来切换各切换阀61、62。由此，高温槽11内的高温循环液12向工作台30内的流路31供给。与其同时，对埋入工作台30内的各部分的多个热电元件32通电，以在工作台30的上表面发生放热作用的方式来控制(步骤103)。由此，工作台30的上表面迅速加热，硅晶片1迅速升温，并升温至稳定值(步骤105)。在目标温度T2与当前温度T0之差T2-T0收敛在稳定幅度(例如1℃)内的情况下(T2-T0＜稳定幅度(1℃))(步骤105的判断“是”)，切换到热电元件32进行吸热作用的方式，来防止过冲(overshoot)(步骤107)。即，当工作台30的上表面达到一定温度以上时，以使硅晶片1的温度不超过目标温度T2的方式对多个热电元件32……通以反向的电流。由此，以在工作台30的上表面发生吸热作用，工作台30的上表面被冷却，硅晶片1的温度不超过目标温度T2的方式进行温度调整(步骤107)。
以后，为使硅晶片1的温度与目标温度T2一致，对多个热电元件32通电而以在工作台30的上表面发生吸热作用或放热作用的方式来控制。由此，工作台30的上表面被冷却或加热，硅晶片1的温度被维持在目标温度T2。
在稳定时为了减少能量消耗，进行设定温度T2接近T1或T3的哪一个的判断(T2-T1＞T3-T2)(步骤109)，并基于此开关阀门，进行加热(步骤110)或冷却(步骤111)。
在对多个区域131、132、133……的热电元件32通以电流之际，控制器40对目标温度T2与中央部分的区域的目标温度T2_Center进行比较(步骤112)，并适当调整对各热电元件32通电的电流的方向及大小，而对工作台30上的硅晶片1的面内赋予所期望的温度梯度，并使硅晶片1的面内温度分布为所期望的温度分布。
即，判断中央部分的区域的目标温度T2_Center是否比目标平均温度T2低(步骤112)，在低时，对于中央的区域(图4(c)时为区域133，图4(d)时为区域135)通过热电元件32进行冷却，对于外周的区域(图4(c)时为区域131、132，图4(d)时为区域131、132、133、134)通过热电元件32进行加热(步骤113)。
另外，判断中央部分的区域的目标温度T2_Center是否比目标平均温度T2低(步骤112)，在高时，中央的区域通过热电元件32进行加热，外周的区域通过热电元件32进行冷却(步骤114)。
如上述那样，硅晶片1的基底温度迅速上升到目标温度T2，硅晶片1的面内温度分布成为所期望的温度分布。在这种情况下，“所期望的温度分布”是指中央部分的区域的温度比外周部分的区域的温度变低的温度分布。
与其相对，在判断为使硅晶片1的温度下降而控制为低温的目标温度T2的情况下(步骤102的判断“降温”)，以产生从切换阀61的入口61a向另一出口61c的流动，并产生从切换阀62的另一入口62b向出口62c的流动的方式来切换各切换阀61、62。由此，低温槽21内的低温循环液22向工作台30内的流路31供给。与此同时，对埋入工作台30内的各部分的多个热电元件32通电，以在工作台30的上表面发生吸热作用的方式来控制(步骤104)。由此，工作台30的上表面迅速冷却，硅晶片1迅速降温，并降温至稳定值(步骤106)。在目标温度T2与当前温度T0之差T2-T0收敛在稳定幅度(例如1℃)内的情况下(T2-T0＜稳定幅度(1℃))(步骤106的判断“是”)，切换到热电元件32发生放热作用，来防止过冲(overshoot)(步骤108)。即，当工作台30的上表面为一定温度以下时，以使硅晶片1的温度不低于目标温度T2的方式对多个热电元件32……通以反向的电流。由此，以在工作台30的上表面发生放热作用，工作台30的上表面被加热、且硅晶片1的温度不低于目标温度T2的方式进行温度调整(步骤108)。
以后，在步骤109至步骤114中进行与前述同样的处理。
以上，对不使加热器33工作而只通过由热电元件32进行冷却和加热来控制的情况进行说明。不过，也可以使加热器33工作来替代使热电元件32发生放热作用。在这种情况下，在图2的步骤103、108、113、114中，替代热电元件32放热作用使加热器33动作，且对应的区域被加热。
另外，也可以同时使用由热电元件32进行的加热和由加热器33进行的加热。在这种情况下，在图2的步骤103、108、113、114中，热电元件32发生放热作用且加热器33工作，使对应的区域被加热。
而且，在上述的控制中，在不使加热器33动作而仅通过热电元件32来进行加热及冷却的情况下，能够省略应配置在各区域131、132、133……的加热器33的配置本身。
接着，参看图5、图6，对将工作台30分割为4个区域的结构的装置的实施例进行说明。
图5(a)为从上面观察工作台30的图，即示出了工作台30的剖面的图。而且，在图5(a)中省略了硅晶片(半导体晶片)1的图示。
如同图5所示，工作台30由载置有硅晶片1的顶板34、形成有流有高温循环液12及低温循环液22的工作台内流路31的水冷板35、由顶板34与水冷板35夹着的热电元件32组构成。而且，高温循环液12、低温循环液22能够使用例如brine(ブライン)(商品名)。
热电元件32组将硅晶片1由同心圆状的线分割为4个区域131、132、133、134。区域131为相当于硅晶片1的最外周的最外周区域，区域132为与最外周区域131在内侧相邻的区域，区域133为与区域132在更内侧相邻的区域。区域134为与区域133在内侧相邻的区域即为相当于硅晶片1的最内侧(中央部分)的区域。区域134形成为同心圆状，区域131、132、133形成为圆环状。
图6是用于说明将硅晶片1的面内温度分布控制为所期望的温度分布的图。图6(a)、(b)是用于说明将硅晶片1的中央部分的区域的温度的目标值T2_Center设定为较低且将外周温度T2_OUT设定为较高，并控制形成使硅晶片1的中央部分的区域的温度降低且使外周部分的区域的温度升高的温度分布的图。图6(a)是顶板34的表面温度(硅晶片1的温度)的分布的示意图，图6(b)是与图5(b)对应的工作台侧面图。
图6(c)、(d)是用于说明将硅晶片1的中央部分的区域的温度的目标值T2_Center设定为较高且将外周部分的区域的温度T2_OUT设定为较低，并控制形成使硅晶片1的中央部分的区域的温度升高且使外周部分的区域的温度降低的温度分布的图。图6(c)、(d)分别是与图6(a)、(b)对应的温度分布示意图、工作台侧面图。
图6所示的硅晶片面内分布控制能够与图2说明的处理顺序同样地进行。图2之中的步骤101～111的处理与前述的说明同样故省略。以下，对于与图2的步骤112～114对应的处理进行说明。在本实施例中，代替图2的步骤113、114而进行以下的步骤113、114的处理。
(使硅晶片1的中央部分的区域的温度降低且使外周部分的区域的温度升高的温度分布的控制；图6(a)、(b))
对于形成使硅晶片1的中央部分的区域的温度降低且使外周部分的区域的温度升高的温度分布时的控制进行说明。在这种情况下，判断硅晶片1的中央部分的区域的温度的目标值T2_Center是否比目标平均温度T2(各区域131、132、133、134的平均温度)低(步骤112)，在低时，也就是说，在欲要获得图6(a)所示的温度分布的情况下，使最外周区域131的热电元件32发生放热作用地工作，并使在相对于最外周区域131在内侧相邻的区域132和与该区域132在更内侧相邻的区域133的热电元件32发生吸热作用地工作。另外，在目标平均温度T2和实际平均温度T0之间存在温度差ΔT，在温度差ΔT(T2-T0)为正而为了达成目标平均温度T2需要加热的情况下，使最内侧(中央部分)的区域134的热电元件32发生放热作用地工作。另一方面，在温度差ΔT(T2-T0)为负而为了达成目标平均温度T2需要冷却的情况下，使最内侧(中央部分)的区域134的热电元件32发生吸热作用地工作(步骤113)。
(使硅晶片1的中央部分的区域的温度升高且使外周部分的区域的温度降低的温度分布的控制；图6(c)、(d))
对于形成使硅晶片1的中央部分的区域的温度升高且使外周部分的区域的温度降低的温度分布时的控制进行说明。在这种情况下，判断硅晶片1的中央部分的区域的温度的目标值T2_Center是否比目标平均温度T2(各区域131、132、133、134的平均温度)低(步骤112)，在高时，也就是说，在欲要获得图6(c)所示的温度分布的情况下，使最外周的区域131和与该最外周区域131在内侧相邻的区域132的热电元件32发生吸热作用地工作，并使和与最外周区域131在内侧相邻的区域132在更内侧相邻的区域133的热电元件32发生放热作用地工作。另外，在目标平均温度T2和实际平均温度T0之间存在温度差ΔT，且在温度差ΔT(T2-T0)为正而为了达成目标平均温度T2需要加热的情况下，使最内侧(中央部分)的区域134的热电元件32发生放热作用地工作。另一方面，在温度差ΔT(T2-T0)为负而为了达成目标平均温度T2需要冷却的情况下，使最内侧(中央部分)的区域134的热电元件32发生吸热作用地工作(步骤114)。
如上所述，对4个区域131、132、133、134之中最内侧(中央部分)的区域按照与目标温度T2的温度差ΔT来加热或冷却，对剩余的外周侧的3个区域131、132、133之中的1个区域加热，2个区域进行冷却，由此，能够在硅晶片1的中央部分的区域的温度和外周部分的区域的温度之间获得设有温度梯度的面内温度分布。这是利用了通常热电元件32(珀尔贴元件)相对于冷却能力而言加热能力较高的这种特性。通过分割为4个区域，能够实现与特性相吻合的区域控制(加热、冷却)，从而能够精度良好地获得所期望的面内温度分布。
而且，根据实验可得如下结果，在硅晶片1的直径为X时，期望4个被分割的区域中最内侧的区域134的直径为0.7X～0.95X的范围，最外周区域131的直径(区域全体的直径)为0.9X～1.2X的范围(图5(b))。
根据以上说明的各实施例，可获得以下的效果。
a)根据本实施例，比目标温度T2高温的温度T3的高温冷机10内的高温循环液12向工作台30内供给，同时热电元件32(或加热器33或热电元件32及加热器33)发生放热作用而将工作台30上的硅晶片1加热。另外，比目标温度T2低温的温度T1的低温冷机20内的低温循环液22向工作台30内供给，同时热电元件32发生吸热作用而将工作台30上的硅晶片1冷却。由此，能够使硅晶片1的基底温度高速上升为目标温度T2或下降为目标温度T2，从而能够缩短半导体设备的制造时间。
b)根据本实施例，将工作台30分割为多个区域131、132、133……，且对在各区域131、132、133……配置的热电元件32(或热电元件32及加热器33)进行单独控制，因此，能够将工作台30的上表面各部更精密且高速地调整为任意的温度。由此，能够使硅晶片1的面内的温度分布精度良好地成为所期望的温度分布(使面内均匀或使面内温度分布在各部分不同)。由此，能够高品质地制造半导体设备。
c)根据本实施例，在使硅晶片1的温度上升时，高温冷机10工作且热电元件32(或加热器33或热电元件32及加热器33)在放热侧工作，仅在对温度微调整时，热电元件32基于需要而向吸热侧动作。同样地，在使硅晶片1的温度下降时，低温冷机20工作且热电元件32在吸热侧工作，仅在对温度微调整时，热电元件32(或加热器33或热电元件32及加热器33)基于需要在放热侧工作。由此，抑制加热时及冷却时热能的无益消耗，能量效率优秀。另外，热电元件32(或加热器33)的加热能力及热电元件32的冷却能力被附加到冷机的加热能力及冷却能力而进行加热及冷却，故能够减小冷机的容量，而能够使装置简易构成。
d)特别是，根据通过工作台30的热电元件32将硅晶片1由同心圆状的线分割为4个区域131、132、133、134，且对这4个区域131、132、133、134的热电元件32独立控制的实施例，能够精度非常良好地获得在硅晶片1的中央部分的区域的温度和外周部分的区域的温度之间设有温度梯度的面内温度分布。硅晶片1的中央部分的区域的温度T2_Center和外周部分的区域的温度T2_Out的温度差能够设定为10℃～30℃。
而且，在本实施例中，对根据硅晶片1的温度的检测值来控制硅晶片1的温度的情况进行了说明，但通常硅晶片1的温度无法直接测定。因而，在通常的情况下，将接近工作台30的硅晶片1的部分的温度作为代替特性来进行测定、控制。
附图说明
图1是表示实施方式的温度调整装置的结构的图。
图2是表示实施方式的处理顺序的流程图。
图3是表示硅晶片的温度分布的图。
图4(a)、图4(b)是表示从剖面方向观察到的、埋入工作台中的热电元件及加热器的图。图4(c)、图4(d)是表示从工作台上方观察到的区域配置的图。
图5是表示将工作台分割为4个区域的结构的装置的实施例的图，图5(a)是从上表面观察工作台的图，即为表示工作台的断面的图。
图6(a)、(b)、(c)，、(d)是用于说明将硅晶片的面内温度分布控制为所期望的温度分布的图。

Claims (11)

1.一种半导体晶片的温度控制装置，其将载置于工作台上的半导体晶片的温度控制为目标温度，且将半导体晶片的面内的温度分布控制为所期望的温度分布，其特征在于，具有：
低温槽，其积存有循环液，该循环液被维持在比目标温度低的低温；
高温槽，其积存有循环液，该循环液被维持在比目标温度高的高温；
多个区域，该多个区域为形成在工作台内的各部分且能够独立地进行温度调整的多个区域，并分别配置有热电元件；
工作台内流路，其形成在工作台内并流有循环液；
切换机构，其有选择地切换低温槽内的低温循环液和高温槽内的高温循环液并向工作台内流路供给；
控制机构，其在使半导体晶片的温度上升而控制为目标温度的情况下，切换到使高温槽内的高温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件，并且在使半导体晶片的温度下降而控制为目标温度的情况下，切换到使低温槽内的低温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件。
2.如权利要求1所述的半导体晶片的温度控制装置，其特征在于，
在多个区域中还分别配置有加热器，
控制机构在使半导体晶片的温度上升而控制为目标温度的情况下，切换到使高温槽内的高温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件及加热器，并且在使半导体晶片的温度下降而控制为目标温度的情况下，切换到使低温槽内的低温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件及加热器。
3.如权利要求1或2所述的半导体晶片的温度控制装置，其特征在于，
在各区域中配置有温度传感器，并基于温度传感器的检测温度来控制区域的温度。
4.一种半导体晶片的温度控制方法，该方法将载置于工作台上的半导体晶片的温度控制为目标温度，且将半导体晶片的面内的温度分布控制为所期望的温度分布，其特征在于，
在使半导体晶片的温度上升而控制为目标温度的情况下，切换到使高温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件，并且
在使半导体晶片的温度下降而控制为目标温度的情况下，切换到使低温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件。
5.如权利要求4所述的半导体晶片的温度控制方法，其特征在于，
在使半导体晶片的温度上升而控制为目标温度的情况下，切换到使高温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件及加热器，并且
在使半导体晶片的温度下降而控制为目标温度的情况下，切换到使低温循环液向工作台内流路供给，并以使半导体晶片的温度与目标温度一致且使半导体晶片的面内温度分布成为期望温度分布的方式来控制热电元件及加热器。
6.如权利要求1所述的半导体晶片的温度控制装置，其特征在于，
多个区域包括将半导体晶片由同心圆状的线分割而成的4个区域。
7.如权利要求6所述的半导体晶片的温度控制装置，其特征在于，
控制机构以使4个区域之中最外周的区域的热电元件发生放热作用的方式工作，并以使相对于所述最外周区域在内侧相邻的区域和与该区域在更内侧相邻的区域的热电元件发生吸热作用的方式工作。
8.如权利要求6所述的半导体晶片的温度控制装置，其特征在于，
控制机构以使4个区域之中最外周的区域和与该最外周区域在内侧相邻的区域的热电元件发生吸热作用的方式工作，并以使和与所述最外周区域在内侧相邻的区域在更内侧相邻的区域的热电元件发生放热作用的方式工作。
9.如权利要求4所述的半导体晶片的温度控制方法，其特征在于，
多个区域包括将半导体晶片由同心圆状的线分割而成的4个区域。
10.如权利要求9所述的半导体晶片的温度控制方法，其特征在于，
以使4个区域之中最外周的区域的热电元件发生放热作用的方式工作，并以使相对于所述最外周区域在内侧相邻的区域和与该区域在更内侧相邻的区域的热电元件发生吸热作用的方式工作。
11.如权利要求9所述的半导体晶片的温度控制方法，其特征在于，
以使4个区域之中最外周的区域和与该最外周区域在内侧相邻的区域的热电元件发生吸热作用的方式工作，并以使和与所述最外周区域在内侧相邻的区域在更内侧相邻的区域的热电元件发生放热作用的方式工作。
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