DE3317967A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzielen eines waermeuebergangs zwischen einem halbleiterplaettchen und einer aufspannplatte - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzielen eines waermeuebergangs zwischen einem halbleiterplaettchen und einer aufspannplatte

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Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der von bzw. zu einem Halbleiterplattchen ein Wärmeübergang bewirkt wird und bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zum Erzielen eines Wärmeübergangs von Festkörper zu Festkörper bei einem Halbleiterplattchen, bei der ein Gas in mikroskopisch kleine Hohlräume zwischen dem Halbleiterplattchen und einer Stützplatte eingeführt wird, um die Wärmeübertragung zu fördern.
Bei der Weiterverarbeitung von Halbleiterplattchen beispielsweise für die Herstellung integrierter Schaltungen kommt es manchmal vor, daß die Halbleiterplattchen erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden. Diese erhöhten Temperaturen sind wünschenswert für die Diffusion von Verunreinigungen, das Wachstum epitaxialer Schichten, das Auftragen von Metallfilmen hoher Qualität oder das Glühen von metallischen Halbleiterkontakten und dgl.. Hierbei ist es erwünscht, Wärmeenergie in gesteuerter und gleichmäßiger Weise aufzubringen. Bei anderen Anwendungsfällen, beispielsweise der Ionenimplantation und dem Ätzen ist Wärmeenergie ein unerwünschtes Nebenprodukt. In diesen zuletzt genannten Fällen kann es unerwünscht sein, die Halbleiterplattchen auf erhöhten Temperaturen zu lassen, da beispielsweise eine zusätzliche Diffusion über vorgeschriebene Grenzen hinaus oder ein Abscheiden von Verunreinigungen an epitaxialen Grenzflächen unerwünscht ist. Außerdem können bei diesen erhöhten Temperaturen Photoresistschichten beeinträchtigt werden. Diese Schwierigkeit wird noch verschärft bei der Herstellung von hochintegrierten und sehr hoch integrierten Vorrichtungen (LSI bzw. VLSI), da eine große Anzahl von Verarbeitungsschritten nacheinander durchgeführt werden muß. Dabei ist insbesondere gegen Ende der Verarbeitungsfolge eine große Anzahl von dotierten Bereichen, leitfähigen Schichten oder Isolierschichten an dor jeweils vorgesehenen Stelle, und es ist unerwünscht, diese physikalischen Merkmale durch Wärmebehandlung zu stören. In diesen Fällen sollten die Halbleiterplattchen auf gesteuerte, gleichmäßige Weise gekühlt werden. Es ist also wünschenswert,
die Halbleiterplattchen auf erhöhte Temperaturen zu "bringen, wenn ein Verfahrensschritt das absolut erfordert, und sie im Gegensatz abzukühlen, um zu verhindern, daß hohe Temperaturen erreicht werden, wenn unerwünschte Wärme entsteht.
Bei früheren Versuchen zum Erzielen eines Wänneübergangs von bzw. zu einem Halbleiterplattchen sind Strahlungsmittel, konvektive und konduktive Mittel vorgesehen worden. Halbleiterplattchen sind durch Infrarotbestrahlung der freiliegenden Oberseite erwärmt worden, und man hat Halbleiterplattchen durch Strahlung sich abkühlen lassen. Halbleiterplattchen sind durch Ströme von erwärmtem Gas auf erhöhte Temperaturen gebracht worden, und Halbleiterplattchen sind induktiv erwärmt worden, während sie auf Suszeptoren ruhen. Auch sind Halbleiterplattchen dadurch kühl gehalten worden, daß mit Unterbrechungen entweder der Ionenstrahl oder das Halbleiterplattchen oder beide abgetastet wurden (wodurch der Durchsatz begrenzt wurde), wobei eine aktiv gekühlte Metallplatte vorgesehen war, die mit Schmierfett oder Öl beschichtet war und auf der das Halbleiterplattchen ruhte, oder eine elektrostatische Kraft angelegt wurde, die ein Halbleiterplattchen gegen eine leicht zusammenpreßbare Oberfläche an einer aktiv gekühlten Platte hielt. Hierzu sei z.B. auf die Veröffentlichung von L.D. Bollinger "Ion Milling for Semiconductor Production Processes", Solid State Technology, November 1977 hingewiesen. Diese bekennten Verfahren und Vorrichtungen haben sich nicht als vollkommen wirksam beim Abkühlen von Halbleiterplattchen erwiesen, wenn hohe Ionenflüsse oder hohe Energiepegel auftreten. Eine konvex gekrümmte Aufspannplatte, an der ein Halbleiterplattchen festgeklemmt ist, geht aus US-PS k- 282 92^· hervor. Die Kühlleistung dieser Vorrichtung ist durch das Ausmaß, in welchem die Rückseite des Plättchens tatsächlich mit der wärmeleitenden Oberfläche in Berührung steht, begrenzt, da auf mikroskopischem Niveau nur kleine Bereiche der beiden Oberflächen (typischerweise weniger als 5?°) tatsächlich miteinander in Berührung gelangen.
Von der Technik der Gasleitung ist bekannt, daß sie eine Wärmekopplung zwischen zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen ermöglicht. Dies Verfahren findet weite Anwendung. So ist z.B. in US-PS 3 062.507 offenbart, daß ein Gas (oder Flüssigkeit) zwischen zwei Schichten eines Gefässes angeordnet wird, um den optimalen Wärmeübergang zu erhalten. Ein Wärmeübergang im Wege der Gasleitung zur Erzeugung von Schaltvorgängen in Kryogenpumpen geht z.B. aus US-PS 3 525 229, US-PS 3 717 2 01, US-PS 3 ^30 h55 und US-PS 3 4-21 331 hervor. In jedem Fall wird der Wärmeübergang zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen durch Gasleitung erhalten.
In US-PS 3 566 960 wird die Schwierigkeit einer unzureichenden Berührung zwischen Festkörperoberflächen erwähnt (siehe Spalte 3i Zeile 2 ff.), und es wird ein zirkulierendes gasformiges oder flüssiges Medium zum Kühlen des Werkstücks in der Vakuumkammer offenbart. Auf der gleichen Linie liegt die Kühlung eines Werkstücks, vorzugsweise eines Halbleiterplättchens durch Gasleitung in einem Vakuum, wie von M. King und P.H. Rose beschrieben in "Experiments on Gas Cooling of Wafers", Proceedings, Third International Conference on Ion Implantation Equipment and Techniques, Queens University, Kingston, Ontario, Mai I98O sowie in US-PS 4 264 762. Bei dieser Vorrichtung wird Gas in die Mitte eines Hohlraums hinter ein Halbleiterplattchen eingeführt. Durch ein Gas wird eine Wärmekopplung zwischen einer Stützplatte und dem Halbleiterplattchen erreicht, wie das typischerweise bei der Technik der Gasleitung erfolgt. In der Praxis kommt es jedoch zu endlichen Leckverlusten aufgrund unvollkommener Dichtungen, so daß ein Druckgefälle zwischen der Mitte des Hohlraums und dem Umfang besteht. Da die Wärmeleitfähigkeit in einem Gas proportional zum Druck ist, wird mehr Wärme in der Mitte übertragen wo höherer Druck besteht, und es ergibt sich ein Temperaturgefälle über das Halbleiterplattchen. Bei gewissen Verfahren, beispielsweise der Metallbeschichtung führt dies Temperaturgefälle zu einer ungleichmäßigen Verarbeitung, die unter Um-
ständen unerwünscht ist. Da außerdem das Halbleiterplättchen nicht gegen eine Aufspannplatte gepreßt wird, kann es sich wie eine Membran frei bewegen, sobald nennenswerter Druck in den Spalt zwischen der Stützplatte und dem Kalbleiterplättchen eingeführt wird. Durch die Bewegung des als Membran wirkenden Halbleiterplattchens nach außen wird der Spalt vergrößert, so daß die Wärmeübertragung abnimmt, was jeglichen Gewinn bei der Übertragung aufgrund erhöhten Gasdrucks wieder aufhebt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzielen eines Wärmeübergangs von Festkörper zu Festkörper mit Gasunterstützung von bzw. zu einem Halbleiterplättchen zu schaffen- Insbesondere sollen die Vorteile des Wärmeübergangs durch Festkörperkontakt mit den Vorteilen des Wärmeübergangs durch Gasleitung zu kombinieren.
Ferner soll durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung verfügbar gemacht werden, unit dem Wärmeübergang Festkörper-Festkörper mit Gasunterstützung von bzw. zu einem Halbleiterplättchen erfolgt, bei dem bzw. der das Halbleiterplättchen an eine Formplatte vorbelastet wird, so daß hoher Gasdruck verwendet werden kann, ohne das Halbleiterplättchen zu verwölben, so daß der Gasunterstützungs—Anteil des Wärmeübergangs optimiert wird.
Mit der Erfindung wird also ein Wärmeübergang von bzw. zu einem Halbleiterplättchen durch Gasunterstützung bei Festkörper-An-Festkörperberührung erreicht. Hierzu wird ein Halbleiterplättchen längs seines Umfangs gegen eine Formplatte gepreßt. Durch dieses Anpressen wird ein ausreichend starker Berührungsdruck über das Halbleiterplättchen hinweg erzeugt, so daß ein Gasdruck bis zur Größe der Anfangsbelastung auf die Rückseite des Halbleiterplattchens aufgebracht werden kann, ohne daß sich das Halbleiterplättchen von der Formplatte abhebt. Gas unter beträchtlichem Druck wird in die.mikroskopischen Hohlräume zwischen dem Halbleiterplättchen und der Formplatte bzw. Aufspannplatte eingeführt, während der Spalt nahezu unverändert bleibt. Da der Spalt selbst bei hohen Drücken bis zum
Niveau der Vorbelastung schmal bleibt, wird der Wärmewiderstand reduziert und der Wärmeübergang gefördert.
Im Folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung für den Wärmeübergang durch Festkörperberührung bei Halbleiterplattchen;
Fig. 2 eine bekannte Vorrichtung zum Abkühlen durch Gasübertragung j
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 4· eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 3',
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Wärmeübergangs in verschiedenen Gasdruckbereichen;
Fig. 6 eine Kurve der Mittelpunktsablenkung bei einem SiIiziumplättchen als Funktion des Gasdrucks;
Fig. 7 eine Kurve des Wärmeübergangsvermögens von Stickstoffgas als Funktion des Gasdrucks bei einem typischen Halbleiterplattchen, dem es möglich ist, sich unter dem Einfluß des Gasdrucks abzubiegen;
Fig. 8 eine Kurve zur Erläuterung des Wärmeübergangs bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Funktion des Gasdrucks;
Fig. 9 eine Kurve zur Erläuterung des Beitrags der Wärmeübergangskomponente durch Festkörper-An-FestkÖrperKontakt und der Komponente durch Gasleitung . zur Nettowärmeübertragung bei einem Halbleiterplattchen.
Die Übertragung von Wärme von einem Festkörper an einen anderen ist eine grundlegende Erscheinung beim Wärmeübergang. Die angewandte Terminologie hängt vom jeweiligen Gebrauch ab; aber zur Übertragung gehört immer der Übergang in der einen oder anderen Richtung, d.h. sowohl Erwärmen als auch Abkühlen, siehe z.B. H. Grober et al. "Fundamentals of Heat Transfer",
Teil I, "Conduction of Heat in Solids", I961. Idealerweise stehen die beiden Oberflächen der jeweiligen Festkörper, die miteinander in Berührung stehen, über ihren ganzen Bereich hinweg in vollständigem Kontakt. In der Fraxis jedoch, beispielsweise bei einem gegen die Oberfläche einer Stützplatte oder Aufspannplatte gepreßten Halbleiterplattchen bestehen Unregelmäßigkeiten in den beiden Oberflächen in mikroskopischem Ausmaß. Folglich ist auf dem Gebiet von Halbleiterproduktionsanlagen, selbst wenn ein Halbleiterplattchen fest gegen eine Aufspannplatte gepreßt wird, der tatsächliche Berührungsbereich in mikroskopischem Maßstab deutlich weniger als löfo des Gesamtoberflächenbereichs. Das macht den Wärmeübergang von Festkörper zu Festkörper alles andere als optimal, insbesondere bei Halbleiterplattchen, die typischerweise im Vakuum weiterverarbeitet werden, wo es keine konvektiven oder konduktiven Beiträge zum Wärmeübergang gibt. Die Faktoren, die die Wirksamkeit des Wärmeübergangs von Festkörper zu Festkörper im Vakuum bestimmen, sind von M.G. Cooper et al., in "Thermal Contact Conductance", Int. J. Heat Mass Transfer, Bd. 12, 3. 279, I969, beschrieben.
Als Beispiel für die Technik der Gasübertragung in Anwendung bei Halbleiterplattchen sei noch einmal auf die schon erwähnte Veröffentlichung von M. King und P.H. Rose sowie auf US-PS k· 26^- 762 verwiesen. Ein Halbleiterplattchen wirJ oberhalb einer Stützplatte angeordnet, wobei zwischen ihnen ein Spalt besteht, in den ein Gas eingeführt wird. Wärme wird durch das Gas zwischen dem Halbleiterplattchen und der Stützplatte übertragen. Der Druck des Gases liegt notwendigerweise unterhalb desjenigen Drucks, der das Halbleiterplattchen von der Stützplatte abstoßen würde, was den grundlegenden Zweck des Wärmeübergangs aufheben würde. Selbst wenn dabei das Halbleiterplattchen fest gegen die Stützplatte geklemmt wird, ist der maximal erlaubte Gasdruck derjenige Druck, bei dem das Halbleiterplattchen in Form einer dünnen Membran sich im wesentlichen von der Stützplatte weg zu verformen beginnen würde.
Wie Fig. 6 zeigt, wird die Verformung eines 100 mm Halbleiterplättchens bei einem Druck von 1 Torr beträchtlich. Eine solche Verformung wäre also nicht hinnehmbar, da der Wärmeübergang stark verschlechtert würde, wenn sich der Spalt zwischen der Stützplatte und dem Halbleiterplättchen vergrößert. Das ist erkennbar anhand der Kurve a in Fig. ?, wo der Wärmeübergang als Funktion des Drucks für das verformte Halbleiterplättchen gemäß Fig. 6 eingetragen ist. Wenn das Halbleiterplättchen sich in der Mitte zu verformen beginnt, wird die Wärmeleitfähigkeit für das Halbleiterplättchen rasch verschlechtert. Das Wärmeübergangsvermögen einer reinen Gasleitungstechnik ist also auf dasjenige beschränkt, welches bei Drücken unterhalb ca. 2 Torr erreichbar ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches im Querschnitt in Fig. 3 und in Draufsicht in Fig. ^ gezeigt ist, wird Gas durch eine Leitung bk in eine ringförmige Vertiefung oder einen Ringkanal 37 eingeführt, der die Oberfläche einer Formplatte 36 umschreibt. Durch den Ringkanal 37 wird Gas um den Umfang des Halbleiterplättchens herum in der Nähe derjenigen Stelle eingeführt, an der das Halbleiterplättchen an der Oberseite festgeklemmt und von unten abgedichtet ( mit45) ist. Der Kontaktdruck zwischen der Oberfläche der Formplatte 36 und der Rückseite eines Halbleiterplättchens 4l wird durch das Aufbringen einer Spannkraft von Seiten einer Klemmeinrichtung k2 erzeugt. Dieser Druck ist so gewählt, daß er unterhalb desjenigen Drucks liegt, bei dem das Halbleiterplättchen 4-1 brechen würde, ist jedoch stark genug, um hinter dem Halbleiterplättchen einen bedeutenden Gasdruck aufnehmen zu können. Wenn Gas unter Druck von einer Quelle ^3 durch ein Ventil ko und die Leitung kk in den Ringkanal· 37 eingeführt wird, füllt es die mikroskopischen Hohlräume in der Grenzfläche zwischen der Unterseite des Halbleiterplättchens ^l und der Oberseite der Formplatte 36. Wenn Gas'eingeführt wird, wird ein Teil des Drucks, der das Halbleiterplättchen in gekrümmter Gestalt hält, nunmehr von dem Gas geliefert. Wenn der Druck steigt, wird noch mehr der auf das Halbleiterplättchen wirken-
den Kraft von dem Gas innerhalb der mikroskopischen Hohlräume beigetragen, während ein geringerer Teil der Kraft von der Festkörperberührung des Halbleiterplattchens mit der Oberfläche der Formplatte beigetragen wird. Selbst bei erhöhtem Gasdruck bleibt das Halbleiterplättchen an Ort und Stelle, und zwar so lange, bis der Gasdruck dem Vorbelastungsdruck gleicht. Dann ist das Halbleiterplättchen nicht mehr vollkommen von der Formplatte abgestützt, sondern hebt sich von den Spitzen der Festkörperoberfläche ab. Das Halbleiterplättchen beginnt also sich wie eine Membran zu verhalten, die unter dem aufgebrachten Gas Biegungen unterliegt. Grundsätzlich gleicht der Gasdruck die von der Klemmeinrichtung k2 aufgebrachte Kraft aus, und das Halbleiterplättchen schwebt oberhalb der Oberfläche der Formplatte. Jede Drucksteigerung über dies Niveau hinaus ist vergleichbar mit dem Aufbringen gleicher Drucksteigerungen auf ein Halbleiterplättchen, welches nicht unter Vorbelastung steht. Wie Fig. 6 zeigt, beginnt sich also unter dem Aufbringen von nur 1 bis 2 Torr Überdruck das Halbleiterplättchen zu verformen, und die Wärmeleitfähigkeit wird stark verschlechtert. Dies ist durch den Teil c in Fig. 8 kenntlich gemacht, wo die Nettowärmeübertragung bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung rapid absinkt, wenn der Druck den Kontaktdruck der Vorbelastung übersteigt.
Letztendlich beruht die Bestimmung des War meüb er ,gangs Vermögens einer Aufspannplatte 35 auf der Wärmekapazität des erwärmten oder abgekühlten Fluids, welches in Rinnen 38 zirkuliert. Die Wärmemasse der Aufspannplatte 35 ist ausreichend groß, damit die Aufspannplatte 35 als große Wärmequelle oder -senke für das Halbleiterplättchen kl erscheint (typischerweise hat das Halbleiterplättchen eine Masse von ca. k g).
In der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung sind die Vorteile des Wärmeübergangs von Festkörper zu Festkörper mit der Unterstützung des Wärmeübergangs durch Gasleitung vereinigt. Die Unterstützung durch Gasleitung kann beträchtlich sein, da sehr' bedeutende Gasdrücke erzielt werden können.
Wie Fig. 8 zeigt, kann "bei einem Vorbelastungsdruck von 35 Torr der Druck hinter dem Halbleiterplattchen nahezu 35 Torr erreichen, ohne daß das Halbleiterplattchen abgehoben wird. Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird eine Berührung von Festkörper zu Festkörper zwischen dem Halbleiterplattchen und einer Aufspannplatte durch Vorbelastung des Halbleiterplattchens gegen die Aufspannplatte erreicht, um einen großen, vorzugsweise gleichmäßigen Berührungsdruck.über das Halbleiterplattchen hinweg zu erzielen. Dieser liegt typischerweise im Größenordnungsbereich von 30 bis 50 Torr, kann aber auch niedriger oder höher sein. Die Obergrenze für die Vorbelastung stellt derjenige Druck dar, bei dem einige Halbleiterplattchen brechen würden. Bei äußerer visueller Inspektion wäre das Halbleiterplattchen eng an die Aufspannplatte geklemmt zu sehen. Allerdings ist in mikroskopischem Maßstab der in Berührung stehende Bereich immer noch deutlich weniger als 10% des gesamten zur Verfügung stehenden Oberflächenbereichs. Dies ist der Fall, gleichgültig ob die Aufspannplatte eine metallische oder eine federnd nachgiebige polymere Oberfläche hat. In diese mikroskopischen Hohlräume wird Gas unter Druck eingeführt. Der Druck kann bis zum Niveau der Vorbelastung erhöht werden, da der Druck des Gases in den Hohlräumen die von den Spitzen an der Oberfläche der Aufspannplatte gelieferte Abhebekraft ersetzt. Im wesentlichen wird der Gasdruck erhöht, während der Spalt zwischen Aufspannplatte und Halbleiterplattchen nahezu unverändert bleibt, so daß ein bedeutender Gasdruck angewandt werden kann, ohne daß sich das Halbleiterplattchen biegt oder abhebt.
Um den ZwillingsCharakter der Erfindung (Festkörper-zu-Festkörper-Wärmeübergang im Zusammenhang mit Gasleitung) vollständig einschätzen zu können, ist es nützlich, den Mechanismus des Wärmeübergangs durch die Gasleitung näher zu betrachten. Wie Fig. 5 zeigt, steigt bei niedrigen Drücken die Rate des Wärmeübergangs durch Gasübertragung linear mit dem Druck. Hier nimmt die Dichte des Gases mit zunehmendem Druck zu, und der mittlere freie Weg bleibt lang genug, so daß die Gaskollisionen überwiegend entweder mit dem Halbleiterplätt-
-lachen oder mit der Aufspannplatte erfolgen. Im wesentlichen wandern die Gasmoleküle zwischen dem Halbleiterplättchen und der Aufspannplatte hin und her. Diese Druckbedingung wird als molekulare Strömung bezeichnet. Je höher der Druck in diesem Bereich ist, umso höher ist der Wärmeübergang zwischen dem Halbleiterplättchen und der Aufspannplatte. Bei den meisten für die Halbleiterproduktion interessierenden Gasen liegt der Bereich molekularer Strömung unterhalb ca. 1 Torr. Bei ausreichend hohen Drücken oder ausreichend großen Zwischenräumen zwischen dem Halbleiterplättchen und der Aufspannplatte beginnen die Gaskollisionen überwiegend unter Gasmolekülen aufzutreten statt mit dem Halbleiterplättchen oder mit der Aufspannplatte. Dies wird als Bereich laminarer Strömung bezeichnet. Zwischen den Bereichen der molekularen und der laminaren Strömung gibt es einen Übergangsbereich, in dem Eigenschaften beider Bereiche vorhanden sind. Dieser Bereich, in dem einige laminare Strömungscharakteristiken gegeben sind, liegt für die meisten bei der Halbleiterproduktion interessierenden Gase oberhalb ca. 5 Torr. In diesem Bereich beginnt das Gas sich mindestens teilweise wie ein Fluid zu verhalten, bei dem die wärmeleitfähigkeit vom Druck unabhängig ist. Sobald also dieser Zustand erreicht ist, bringt eine Druckerhöhung bei einem gegebenen Spalt keinen Vorteil mehr. Der Wärmewiderstand wird nur durch Reduzieren des Spaltes zwischen dem Halbleiterplättchen und der Aufspannplatte reduziert. Der Übergang von molekularer zu laminarer Strömung ist allmählich und erfolgt bei verschiedenen Werten, je nach dem Spalt zwischen Aufspannplatte und Halbleiterplättchen in der Anordnung.
Im laminaren Strömungsbereich ist der Widerstand gegen Wärmeleitfähigkeit druckunabhängig und spaltabhängig. Diese Abhängigkeit ist in Fig. 7 gezeigt. Der laminare Strömungsbereich oder der Übergangsbereich mit Komponenten laminarer Strömung erzeugt die horizontalen Kurven, wo das Wärmeübergangsvermögen vom Druck unabhängig ist. Hier ist der Übergangsbereich (siehe Fig. 5) in den reinen laminaren Strömungsbereich gefaltet. Wenn der Übergangsbereich oder der Bereich reiner
laminarer Strömung erreicht ist, wird das Wärmeübergangsvermögen bei gegebenem Abstand zwischen dem Halbleiterplättchen und der Aufspannplatte konstant. Dies Verhältnis ist auf dem Gebiet des Wärmeübergangs allgemein anerkannt, siehe z.B. H. Grober et al. "Fundamentals of Heat Transfer", Kapitel 7, "Conduction in Rarefied Gases", S. 150 ff., I961 und S. Dushman "Scientific Foundations of Vacuum Technique", 2. Auflage, S. kj, I962. Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung arbeitet unter dieser Druckbedingung, bei der laminare Strömung vorhanden ist. Um unter dieser Bedingung arbeiten zu können, wird das Halbleiterplättchen längs seines Umfangs mit einer Umfangskiemmkraft festgespannt, wie schematisch in Fig. 3 gezeigt. Dies Festklemmen ist ähnlich wie mit der bekannten Klemmvorrichtung 10 gemäß Fig. 1, hat jedoch einen zusätzlichen Zweck. Beim Stand der Technik wird ein Halbleiterplättchen I3 durch einen Umfangskiemmring 36 gegen eine konvex gekrümmte Aufspannplatte gehaiten,um über die ganze Fläche des Halbleiterplättchens eine gute Berührung von Festkörper zu Festkörper zu erreichen. Im Fall der Erfindung wird die Berührung von Festkörper zu Festkörper erzielt und zusätzlich durch die Belastung ein im Durchschnitt enger Spalt zwischen Aufspannplatte und Halbleiterplättchen erzeugt, so daß die optimale Unterstützung durch die Gasübertragung gewonnen wird. Es ist also nicht nur die Wärmeübergangskomponente von Festkörper zu Festkörper vorhanden, sondern auch die Komponente durch Gasunterstützung. Die Vereinigung dieser beiden Komponenten geht aus Fig. 9 hervor, in der die Kurve a die Übertragungskomponente aufgrund des Kontaktes zwischen Aufspannplatte und Halbleiterplättchen wiedergibt, während die Kurve b den Beitrag der Gasleitung und die Kurve c die Nettoübertragung wiedergibt. Wenn der Druck bis zum Vorbelastungsdruck angehoben wird, wird die Festkörperkontaktkomponente verringert, bis sich das Halbleiterplättchen abhebt oder der Kontakt mit dem Halbleiterplättchen verlorengeht. Die Gaslei tungskoHtponente gemäß Kurve b nimmt mit steigendem Druck zu, bis der Bereich reiner laminarer Strömung erreicht ist, und
bleibt dann im wesentlichen konstant mit dem Druck.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat sich erwiesen, daß Berührungsdrücke durch Vorbelastung von 35 Torr oder mehr ohne weiteres erreichbar sind, so daß entsprechende Gasdrücke erzielbar sind, während der enge Spalt erhalten bleibt. Diese Drücke sind ohne weiteres hoch genug, um einige laminare Strömungscharakteristiken zu bieten (siehe Fig. 5)· Die Belastung ermöglicht nicht nur ausreichend hohe Gasdrücke sondern reduziert gleichzeitig den Abstand zwischen dem Halbleiterplättchen und der Aufspannplatte auf ein Minimum, wodurch das Wärmeübergangsvermögen des Gases innerhalb der mikroskopischen Hohlräume zwischen der Aufspannplatte und dem Halbleiterplättchen erhöht wird. Insgesamt hat die Aufspannplatte konvexe Gestalt. Vorzugsweise hat sie eine glatt feingeschlichtete Metalloberfläche, z.B. aus weichem Aluminium. Es hat sich gezeigt, daß eine solche fe.ste Metalloberfläche den bevorzugten Wärmekontakt von Festkörper zu Festkörper liefert, d.h. besser geeignet ist als eine federnd nachgiebige polymere Beschichtung. Die Qualität des Wärmekontaktes ist direkt proportional zur Leitfähigkeit des Metalls, umgekehrt proportional zur Härte und proportional zur Häufigkeit der Spitzen, die über die Rauheiten in der Oberfläche hinausstehen, siehe M. G. Cooper, o.a.O.. Es können biegsame, wärmeleitfähige Polymerisate benutzt werden; aber sie sind insgesamt nicht so hoch zu bewerten. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Krümmung der Aufspannplatte so gewählt, daß sich über das Halbleiterplättchen hinweg bei seiner Vorbelastung ein gleichförmiger Berührungsdruck ergibt.
Die Betriebsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung im Gegensatz zur reinen Gasübertragung für den Wärmeübergang gemäß dem Stand der Technik ist aus Fig. 8 zu entnehmen. Wie Fig. 2 zeigt, hat die bekannte Kühlvorrichtung durch Gasleitung einen endlichen Spalt 21 zwischen einem Halbleiterplättchen 2 0 und einer Stützplatte 23. Da es keine Vorspannung gegen eine Formplatte gibt, beginnt bei einigen Torr
das Halbleiterplättchen sich zu verformen, was den Spalt vergrößert. Die Wärmeleitfähigkeit fällt scharf ab, wie Kurve b zeigt. Im Gegensatz dazu steigt die Wärmeleitfähigkeit für die erfindungsgemäße Vorrichtung an, wie Kurve zeigt, bis der Bereich laminarer Strömung erreicht ist. Wird der Vorbelastungsdruck von 35 Torr überschritten, beginnt sich das Halbleiterplättchen zu verformen, und auch hier nimmt die Wärmeleitfähigkeit abrupt ab, wie die Kurve c zeigt.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Leistung zeigte sich beim Implantieren eines.3-Zoll Siliziumhalbleiterplättchens mit Beschichtung aus Photoresistmaterial mit einem 2 mA As+ Ionenstrahl bei 180 keV. Das Siliziumhalbleiterplättchen war an die Vorrichtung gemäß der Erfindung angeklemmt. Luft mit einem Druck von weniger als 30 Torr wurde zwischen die Aufspannplatte und das Halbleiterplättchen ein-
geführt. Es wurde ein Oberflächenbereich von 51 cm implantiert. Die auftretende Energiedichte lag höher als 6 Watt/cm . Es wurde auf der ganzen Oberfläche des Halbleiterplättchens keine Verschlechterung des Photoresistmaterials festgestellt.

Claims (1)

  1. VARIAN ASSOCIATES, INC. Palo Alto, CaI., U.S.A.
    Verfahren und Vorrichtung zum Erzielen eines Wärmeübergangs zwischen einem Halbleiterplättchen und einer Aufspannplatte
    Priorität: 25. Mai 1982 -USA- Serial No. 381 669
    ANSPRÜCHE
    Vorrichtung zum Erzielen eines Wärmeübergangs von bzw. zu einem Halbleiterplättchen,
    gekennzeichnet durch
    - eine Aufspannplatte zur Aufnahme des Halbleiterplättchens in einer Festkörper-An-Festkörper-Berührung mit der Rückseite des Halbleiterplättchens,
    - eine Einrichtung zum Belasten des Halbleiterplättchens längs seines Umfanges gegen die Aufspannplatte mit ausreichend großer Kraft zur Schaffung eines Vorbelastungs-Kontaktdrucks zwischen Aufspannplatte und Halbleiterplättchen in einer solchen Größe, daß bei einem beträchtlichen Ersatz derselben durch Druck von Gas in den mikroskopischen Hohlräumen zwischen der Aufspannplatte und dem Halbleiterplättchen das Gas im Ergebnis mindestens teilweise einen laminaren Strömungscharakter hat,
    - eine Quelle eines unter Druck stehenden Gases,
    - eine zwischen der Gasdruckquelle und dem Berührungsbereich zwischen Aufspannplatte und Halbleiterplättchen angeordnete Einrichtung, durch die Gas in die mikroskopischen Hohlräume zwischen der Aufspannplatte und dem Halbleiterplättchen einführbar ist, welches mindestens teilweise einen laminaren
    StrömungsCharakter hat.
    -z-
    2. Vorrichtung nach Anspruch I1
    dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspannplatte eine konvex gekrümmte Oberfläche hat.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,, daß die konvex gekrümmte Plattenoberfläche eine feirigeschlichtete metallische Oberfläche für die Aufnahme des Halbleiterplättchens hat.
    I*. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die feingeschlichtete metallische Oberfläche aus Aluminium besteht.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennz ei c hnet, daß die konvex gekrümmte Aufspannplatte eine federnd nachgiebige, wärmeleitfähige, polymere Oberfläche hat, die zur Aufnahme des Halbleiterplättchens an der Aufspannplatte befestigt ist.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen die Gasdruckquelle und den Bereich mikroskopischer Hohlräume mit Berührung von Festkörper zu Festkörper geschaltete Einrichtung eine Rinne innerhalb der Aufspannplatte aufweist, die außen an die Gasdruckquelle angeschlossen ist und in einem offenen, kreisförmigen Kanal in der Oberfläche der Aufspannplatte endet und einen Radius hat, der etwas kleiner ist als der des auf die Aufspannplatte geklemmten Halbleiterplättchens.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberfläche der Aufspannplatte außerhalb des offenen, kreisförmigen Kanals eine Dichtungseinrichtung eingebettet ist, die verhindert, daß Gas in die Verarbeitungskammer eintritt.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspannplatte mit einem zweiten Netz Rinnen versehen ist, durch die ein Wärmeübergabefluid zirkuliert.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufspannen des Halbleiterplattchens eine Vorbelastungskraft aufbringt, die es dem Halbleiterplattchen ermöglicht, an seiner Rückseite Gasdruck im Bereich von 5 Torr bis 100 Torr aufzunehmen, ohne sich abzuheben oder zu biegen.
    10. Verfahren zum Erzielen eines Wärmeübergangs zwischen einem Halbleiterplattchen und einer Aufspannplatte, dadurch gekennzeichnet,
    - daß eine Aufspannplatte mit konvex gestaltetem Umriß vorgesehen wird,
    - daß der Umfang des Halbleiterplattchens gegen die Aufspannplatte gepreßt wird, um einen Berührungsdruck zwischen Aufspannplatte und Halbleiterplattchen in einer Größe zu erzeugen, die, wenn sie im wesentlichen durch Druck von Gas in den mikroskopischen Hohlräumen zwischen .der Aufspannplatte und dem Halbleiterplattchen ersetzt ist, dazu führt, daß das Gas mindestens teilweise einen laminaren StrömungsCharakter hat,
    - Gas unter Druck erzeugt wird,
    - das Gas unter Druck in den mikroskopischen Hohlraumbereich zwischen der Aufspannplatte und dem Halbleiterplattchen eingeführt wird, wobei das Gas mindestens teilweise einen laminaren Strömungscharakter hat.
    11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Gas dadurch in den mikroskopischen Hohlraumbereich eingeführt wird, daß es durch eine Rinne in der Aufspannplatte zur Oberfläche der Aufspannplatte geleitet wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennz ei chne t, daß das Gas dadurch durch die Rinne in der Aufspannplatte zur Oberfläche derselben geleitet wird, daß es durch eine Rinne in der Aufspannplatte zu einer ringförmigen Öffnung in der Oberfläche der Aufspannplatte geleitet wird, wobei die ringförmige öffnung einen Radius hat, der etwas kleiner ist als der Radius des Halbleiterplättchens.
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