DE3317967C2 - Vorrichtung zum Erzielen von Wärmeübergang zwischen einem Halbleiterplättchen und einer Aufspannplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzielen von Wärmeübergang zwischen einem Halbleiterplättchen und einer Aufspannplatte, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Weiterverarbeitung von Halbleiterplättchen, beispielsweise für die Herstellung integrierter Schaltungen, kommt es manchmal vor, daß die Halbleiterplättchen 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 Halbleiterplättchen auf erhöhten Temperaturen zu lassen, da beispielsweise die zusätzliche Diffusion über vorgeschriebene Grenzwerte oder das Abscheiden von Verunreinigungen an epitaxialen Grenzflächen unerwünscht sind. Außerdem können bei diesen erhöhten Temperaturen Photoresistschichten beeinträchtigt werden. Diese Schwierigkeit wird bei der Herstellung von hochintegrierten und sehr hoch integrierten Vorrichtungen (LSI bzw. VLSI) noch verschärft, 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 der jeweils vorgesehenen Stelle vorhanden, und es ist unerwünscht, diese physikalischen Merkmale durch Wärmebehandlung zu stören. In diesen Fällen sollten die Halbleiterplättchen auf gesteuerte, gleichmäßige Weise gekühlt werden. Es ist also wünschenswert, die Halbleiterplättchen auf erhöhte Temperaturen zu bringen, wenn ein Verfahrensschritt dieses gerade erfordert, und sie im Gegensatz abzukühlen, um zu verhindern, daß hohe Temperaturen erreicht werden, wenn unerwünschte Wärme entsteht.

Bei früheren Lösungsansätzen zum Erzielen von Wärmeübergang von bzw. zu einem Halbleiterplättchen sind auf Strahlung, Konvektion und Konduktion beruhende Einrichtungen vorhanden gewesen. Halbleiterplättchen sind durch Infrarotbestrahlung der freiliegenden Oberseite erwärmt worden, und man hat Halbleiterplättchen durch eigene Strahlung sich abkühlen lassen. Halbleiterplättchen sind durch Ströme von erwärmtem Gas auf erhöhte Temperaturen gebracht worden. Halbleiterplättchen sind auch induktiv erwärmt worden, während sie auf Probeaufnehmern ruhen. Auch sind Halbleiterplättchen dadurch kühl gehalten worden, daß der Ionenstrahl mit Unterbrechungen geführt und/oder das Halbleiterplättchen zwischenzeitlich auf eine aktiv gekühlte Metallplatte bewegt wurde, was den Durchsatz begrenzt. Die Metallplatte war mit Schmierfett oder Öl beschichtet, auf der das Halbleiterplättchen ruhte, oder es wurde eine elektrostatische Kraft angelegt, die das Halbleiterplättchen gegen eine leicht zusammenpreßbare Oberfläche an der 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 bekannten Verfahren und Vorrichtungen haben sich beim Kühlen von Halbleiterplättchen nicht als sehr wirksam erwiesen, wenn hohe Ionenflüsse oder hohe Energiepegel auftreten.

Eine konvex gekrümmte Aufspannplatte, an der ein Halbleiterplättchen festgeklemmt wird, geht aus US-A-4 282 924 hervor, die den Ausgangspunkt bei der Bildung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bildet. Die Kühlleistung dieser Vorrichtung ist durch das Ausmaß der tatsächlichen Berührung der Rückseite des Plättchens mit der wärmeleitenden Oberfläche begrenzt, da auf mikroskopischem Niveau nur kleine Bereiche der beiden Oberflächen (typischerweise weniger als 5%) tatsächlich miteinander in Berührung gelangen.

In US-A-3 566 960 wird die Schwierigkeit einer unzureichenden Berührung zwischen Festkörperoberflächen erwähnt (siehe Spalte 3, Zeile 2 ff.), und es wird ein zirkulierendes gasförmiges oder flüssiges Medium zum Kühlen des Werkstücks in der Vakuumkammer offenbart. Auf der gleichen Linie liegt die Kühlung eines Werkstücks, vorzugsweise eines Halbleiterplättchens durch Gaswärmeleitung in einem Vakuum, wie von M. King und P.H. Rose beschrieben, und zwar in einem Aufsatz "Experiments on Gas Cooling of Wafers", in: Nuclear Instruments and Methods, Bd. 189, 1981, S. 169 bis 173 sowie in US-A-4 261 762. Bei dieser Vorrichtung wird Gas in die Mitte eines Hohlraums hinter ein Halbleiterplättchen eingeführt. Durch das Gas wird eine Wärmekopplung zwischen einer Stützplatte und dem Halbleiterplättchen erreicht, wie das typischerweise bei der Technik der Gaswärmeleitung 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 Halbleiterplättchen. Bei gewissen Verfahren, beispielsweise der Metallbeschichtung, führt dies Temperaturgefälle zu einer ungleichmäßigen Verarbeitung, die unter Umständen 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 Halbleiterplättchen eingeführt wird. Durch die Bewegung des als Membran wirkenden Halbleiterplättchens nach außen wird der Spalt vergrößert, so daß die Wärmeübertragung abnimmt, was jeglichen Gewinn bei der Übertragung aufgrund erhöhten Gasdrucks wieder aufhebt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art mit verbesserter Wirkungsweise zu schaffen.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und durch die weiteren Merkmale der Unteransprüche ausgestaltet und weiterentwickelt.

Bei der Erfindung wird der Wärmeübergang von Festkörper (Halbleiterplättchen) zu Festkörper (Aufspannplatte) mit Gaswärmeleitung unterstützt.

Um den Anteil der Gaswärmeleitung zu optimieren, wird der Gasdruck möglichst hoch gemacht, jedoch ohne das Halbleiterplättchen zu verwölben. Dies gelingt durch Einspannen des Halbleiterplättchens an einer Formplatte mit konvexer Oberfläche.

Mit der Erfindung wird also ein Wärmeübergang von bzw. zu einem Halbleiterplättchen durch Gasunterstützung bei Festkörperberührung erreicht. Hierzu wird das Halbleiterplättchen längs eines Umfangs gegen die Form- oder Aufspannplatte gepreßt. Durch dieses Anpressen wird ein ausreichend starker Anlagedruck über die gesamte Unterseite des Halbleiterplättchens erzeugt, so daß der Gasdruck bis zur Größe dieses Anlagedrucks auf die Unterseite des Halbleiterplättchens aufgebracht werden kann, ohne daß sich das Halbleiterplättchen von der Aufspannplatte abhebt. Gas unter beträchtlichem Druck wird in die mikroskopischen Hohlräume zwischen dem Halbleiterplättchen und der Aufspannplatte eingeführt, während der Spalt nahezu unverändert bleibt. Da der Spalt selbst bei hohen Gasdrücken bis zum Niveau der Vorbelastung infolge des Aufspannens schmal bleibt, wird der Wärmewiderstand reduziert und der Wärmeübergang gefördert.

Im Folgenden wird die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung aus der eingangs erwähnten US-A-4 282 924, die eine Vorrichtung für den Wärmeübergang durch Festkörperberührung bei Halbleiterplättchen zeigt;

Fig. 2 eine Darstellung aus der eingangs erwähnten US-A-4 261 762, die eine Vorrichtung zum Abkühlen infolge Gaswärmeleitung zeigt;

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 ein Diagramm des Abhebens eines Siliziumplättchens an dessen Mittelpunkt als Funktion des Gasdrucks;

Fig. 7 ein Diagramm des Wärmeübergangs von Stickstoffgas als Funktion des Gasdrucks bei einem typischen Halbleiterplättchen, das sich unter dem Einfluß des Gasdrucks abheben kann;

Fig. 8 ein Diagramin zur Erläuterung des Wärmeübergangs bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Funktion des Gasdrucks;

Fig. 9 ein Diagramm des Gesamtwärmeübergangs bei einem Halbleiterplättchen mit einem Beitrag durch Festkörperkontakt und einem Beitrag durch Gaswärmeleitung.

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 1 "Conduction of Heat in Solids", 1961. Idealerweise stehen die beiden Oberflächen der jeweiligen sich berührenden Festkörper lückenlos in vollständigem Kontakt. In der Praxis jedoch, beispielsweise bei einem gegen die Oberfläche einer Aufspannplatte gepreßten Halbleiterplättchen, bestehen Unregelmäßigkeiten an den beiden Oberflächen in mikroskopischem Ausmaß. Selbst wenn ein Halbleiterplättchen fest gegen die Aufspannplatte gepreßt wird, ist folglich der tatsächliche Berührungsbereich in mikroskopischem Maßstab deutlich weniger als 10% des Gesamtoberflächenbereichs auf dem Gebiet der Halbleiterproduktion. Das macht den Wärmeübergang von Festkörper zu Festkörper alles andere als den größtmöglichen, insbesondere bei Halbleiterplättchen, die typischerweise im Vakuum weiterverarbeitet werden, wo es keine Beiträge durch Konvektion oder Konduktion 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, Band 12, Seite 279, 1969, beschrieben.

Die Fig. 1A bis 1C zeigen eine Halbleiterkühlvorrichtung 10, die innerhalb einer Ionenimplantationskammer angeordnet ist. In der nicht arretierten Stellung befindet sich die Halbleiterplättchen- Kühlvorrichtung 10 in einer Stellung, um ein Halbleiterplättchen 13 aufzunehmen, wie Fig. 1 zeigt, das durch Schwerkraft in einen Schlitz 11 eingeführt wird. Die Vorrichtung 10 wird dann, wie durch einen Pfeil gezeigt, um eine Lagerachse 10 in die senkrechte Stellung nach Fig. 1B gedreht, und zwar senkrecht zur Bahn eines Ionenstrahls. Während des Positionierungsvorganges wird das Plättchen in seiner Stellung durch einen Klemmring gehalten und unter Spannung gegen eine konvex gewölbte Aufspannplatte gebogen. Nachdem die Implantation abgeschlossen ist, wird die Halbleiterplättchen-Kühlvorrichtung, wie es der Pfeil zeigt, um die Lagerachse 12 in die in Fig. 1C dargestellte Position gedreht, um das Halbleiterplättchen 13 entweder durch Schwerkraft oder durch einen Auswerferstift auszustoßen.

Als Beispiel für die Technik der Gaswärmeleitung in Anwendung bei Halbleiterplättchen sei noch einmal auf die schon erwähnte Veröffentlichung von M. King und P. H. Rose sowie auf US-PS 4 261 762 verwiesen. Wie Fig. 2 zeigt, wird ein Halbleiterplättchen 21 oberhalb einer Stützplatte 23 angeordnet, wobei zwischen diesen ein Spalt besteht, in dem ein Gas durch einen Gaskanal 22 mit Hilfe der Einrichtungen 25, 26 und 27 eingeführt wird. Wärme wird durch das Gas zwischen dem Halbleiterplättchen 21 und der Stützplatte 23 übertragen. Der Druck des Gases liegt notwendigerweise unterhalb desjenigen Drucks, der das Halbleiterplättchen 21 von der Stützplatte 23 abheben würde, was den grundlegenden Zweck des Wärmeübergangs aufheben würde. Selbst wenn das Halbleiterplättchen 21 fest gegen die Stützplatte 23 geklemmt wird, ist der maximal erlaubte Gasdruck derjenige Druck, bei dem das Halbleiterplättchen 21, das einer dünnen Membrane gleicht, sich im wesentlichen von der Stützplatte 23 weg zu verformen beginnen würde.

Wie Fig. 6 zeigt, wird die Verformung eines 100 mm Halbleiter­ plättchens bei einem Druck von 1 Torr beträchtlich. Eine sol­ che Verformung wäre also nicht hinnehmbar, da der Wärmeüber­ gang stark verschlechtert würde, wenn sich der Spalt zwischen der Stützplatte und dem Halbleiterplättchen vergrößert. Das ist erkennbar anhand der Kurve a in Fig. 7, wo der Wärmeüber­ gang als Funktion des Drucks für das verformte Halbleiterplätt­ chen gemäß Fig. 6 eingetragen ist. Wenn das Halbleiterplätt­ chen sich in der Mitte zu verformen beginnt, wird die Wärme­ leitfähigkeit für das Halbleiterplättchen rasch verschlechtert. Das Wärmeübergangsvermögen einer reinen Gaswärmeleitungstech­ nik 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. 4 gezeigt ist, wird Gas durch eine Leitung 44 in eine ringförmige Vertiefung oder einen Ringkanal 37 eingeführt, der die Ober­ fläche 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 Halbleiterplätt­ chen an der Oberseite festgeklemmt und von unten abgedichtet (mit 45) ist. Der Kontaktdruck zwischen der Oberfläche der Formplatte 36 und der Rückseite eines Halbleiterplättchens 41 wird durch das Aufbringen einer Spannkraft von Seiten einer Klemmeinrichtung 42 erzeugt. Dieser Druck ist so gewählt, daß er unterhalb desjenigen Drucks liegt, bei dem das Halbleiter­ plättchen 41 brechen würde, ist jedoch stark genug, um hinter dem Halbleiterplättchen einen bedeutenden Gasdruck aufnehmen zu können. Wenn Gas unter Druck von einer Quelle 43 durch ein Ventil 40 und die Leitung 44 in den Ringkanal 37 eingeführt wird, füllt es die mikroskopischen Hohlräume in der Grenzflä­ che zwischen der Unterseite des Halbleiterplättchens 41 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 Halbleiterplättchens mit der Ober­ fläche 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 vollkom­ men 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 42 aufge­ brachte Kraft aus, und das Halbleiterplättchen schwebt ober­ halb der Oberfläche der Formplatte. Jede Drucksteigerung über dieses 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 Halb­ leiterplättchen zu verformen, und die Wärmeleitfähigkeit wird stark verschlechtert. Dies ist durch den Teil c in Fig. 8 kenntlich gemacht, wo die Nettowärmeübertragung bei der Vor­ richtung gemäß der Erfindung rapid absinkt, wenn der Druck den Kontaktdruck der Vorbelastung übersteigt.

Letztendlich beruht die Bestimmung des Wärmeübergangsvermö­ gens einer Aufspannplatte 35 auf der Wärmekapazität des er­ wärmten oder abgekühlten Fluids, welches in Rinnen 38 zirku­ liert. Die Wärmemasse der Aufspannplatte 35 ist ausreichend groß, damit die Aufspannplatte 35 als große Wärmequelle oder -senke für das Halbleiterplättchen 41 erscheint (typischerweise hat das Halbleiterplättchen eine Masse von ca. 4 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 Gaswärmeleitung vereinigt. Die Unterstützung durch Gaswärmeleitung kann beträchtlich sein, da sehr bedeutende Gasdrücke erzielt werden können.

Wie Fig. 8 zeigt, kann bei einem Vorbelasttungsdruck von 35 Torr der Druck hinter dem Halbleiterplättchen nahezu 35 Torr erreichen, ohne daß das Halbleiterplättchen abgeho­ ben wird. Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird eine Berührung von Festkörper zu Festkörper zwischen dem Halblei­ terplättchen und einer Aufspannplatte durch Vorbelastung des Halbleiterplättchens gegen die Aufspannplatte erreicht, um einen großen, vorzugsweise gleichmäßigen Berührungsdruck über das Halbleiterplättchen hinweg zu erzielen. Dieser liegt ty­ pischerweise 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 Halbleiterplättchen brechen würden. Bei äußerer visueller In­ spektion wäre das Halbleiterplättchen eng an die Aufspann­ platte geklemmt zu sehen. Allerdings ist in mikroskopischem Maßstab der in Berührung stehende Bereich immer noch deutlich weniger als 10% des gesamten zur Verfügung stehenden Oberflä­ chenbereichs. Dies ist der Fall, gleichgültig ob die Aufspann­ platte 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 Aufspann­ platte gelieferte Abhebekraft ersetzt. Im wesentlichen wird der Gasdruck erhöht, während der Spalt zwischen Aufspannplatte und Halbleiterplättchen nahezu unverändert bleibt, so daß ein bedeutender Gasdruck angewandt werden kann, ohne daß sich das Halbleiterplättchen biegt oder abhebt.

Um den Charakter der Erfindung (Festkörper-zu-Fest­ körper-Wärmeübergang im Zusammenhang mit Gaswärmeleitung) voll­ ständig einschätzen zu können, ist es nützlich, den Mechanis­ mus des Wärmeüberganngs durch die Gaswärmeleitung näher zu be­ trachten. 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 chen 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 mei­ sten für die Halbleiterproduktion interessierenden Gasen liegt der Bereich molekularer Strömung unterhalb ca. 1 Torr. Bei ausreichend hohen Drücken oder ausreichend großen Zwischen­ räumen zwischen dem Halbleiterplättchen und der Aufspannplatte beginnen die Gaskollisionen überwiegend unter Gasmolekülen auf­ zutreten statt mit dem Halbleiterplättchen oder mit der Auf­ spannplatte. Dies wird als Bereich laminarer Strömung bezeich­ net. Zwischen den Bereichen der molekularen und der laminaren Strömung gibt es einen Übergangsbereich, in dem Eigen­ schaften beider Bereiche vorhanden sind. Dieser Bereich, in dem einige laminare Strömungscharakteristiken gegeben sind, liegt für die meisten bei der Halbleiterproduktion interessie­ renden 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 Wärme­ widerstand wird nur durch Reduzieren des Spaltes zwischen dem Halbleiterplättchen und der Aufspannplatte reduziert. Der Über­ gang 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 Wärme­ leitfähigkeit druckunabhängig und spaltabhängig. Diese Ab­ hängigkeit ist in Fig. 7 gezeigt. Der laminare Strömungsbe­ reich oder der Übergangsbereich mit Komponenten laminarer Strö­ mung erzeugt die horizontalen Kurven, wo das Wärmeübergangs­ vermögen vom Druck unabhängig ist. Hier ist der Übergangsbe­ reich (siehe Fig. 5) in den reinen laminaren Strömungsbereich gefaltet. Wenn der Übergangsbereich oder der Bereich reiner laminarer Strömung erreicht ist, wird das Wärmeübergangsver­ mögen 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., 1961 und S. Dushman "Scientific Foundations of Vacuum Technique", 2. Auflage, S. 43, 1962. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung arbeitet unter dieser Druckbedingung, bei der laminare Strömung vorhanden ist. Um unter dieser Bedin­ gung arbeiten zu können, wird das Halbleiterplättchen längs seines Umfangs mit einer Umfangsklemmkraft 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 13 durch einen Umfangsklemmring ge­ gen eine konvex gekrümmte Aufspannplatte gehalten, um über die ganze Fläche des Halbleiterplättchens eine gute Berührung von Festkörper zu Festkörper zu erreichen. Im Fall der Erfin­ dung 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 ge­ wonnen 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 Auf­ spannplatte und Halbleiterplättchen wiedergibt, während die Kurve b den Beitrag der Gaswärmeleitung und die Kurve c die Nettoübertragung wiedergibt. Wenn der Druck bis zum Vorbela­ stungsdruck angehoben wird, wird die Festkörperkontaktkomponente verringert, bis sich das Halbleiterplättchen abhebt oder der Kontakt mit dem Halbleiterplättchen verlorengeht. Die Gaswärme­ leitungskomponente 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 er­ zielbar sind, während der enge Spalt erhalten bleibt. Diese Drücke sind ohne weiteres hoch genug, um so etwas wie laminare Strömungscharakteristiken zu bieten (siehe Fig. 5). Die Be­ lastung ermöglicht nicht nur ausreichend hohe Gasdrücke son­ dern reduziert gleichzeitig den Abstand zwischen dem Halblei­ terplättchen und der Aufspannplatte auf ein Minimum, wodurch das Wärmeübergangsvermögen des Gases innerhalb der mikroskopi­ schen Hohlräume zwischen der Aufspannplatte und dem Halblei­ terplättchen erhöht wird. Insgesamt hat die Aufspannplatte konvexe Gestalt. Vorzugsweise hat sie eine glatt feingeschlich­ tete Metalloberfläche, z. B. aus weichem Aluminium. Es hat sich gezeigt, daß eine solche feste Metalloberfläche den be­ vorzugten 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 propor­ tional 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 Poly­ merisate 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 Ge­ gensatz 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 Gaslei­ tung einen endlichen Spalt 21 zwischen einem Halbleiter­ plättchen 20 und einer Stützplatte 23. Da es keine Vorspan­ nung gegen eine Formplatte gibt, beginnt bei einigen Torr das Halbleiterplättchen sich zu verformen, was den Spalt vergrößert. Die Wärmeleitfähigkeit fällt dann früh ab, wie Kurve b zeigt. Im Gegensatz dazu steigt die Wärmeleitfähig­ keit für die erfindungsgemäße Vorrichtung noch an, wie Kurve a 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 der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare Leistung zeigte sich beim Implantieren eines 3-Zoll-Siliziumhalblei­ terplättchens mit Beschichtung aus Photoresistmaterial mit einem 2 mA As + Ionenstrahl bei 180 keV. Das Siliziumhalblei­ terplättchen war an die Vorrichtung gemäß der Erfindung ange­ klemmt. Luft mit einem Druck von weniger als 30 Torr wurde zwischen die Aufspannplatte und das Halbleiterplättchen ein­ geführt. Es wurde ein Oberflächenbereich von 51 cm² implan­ tiert. Die auftretende Energiedichte lag höher als 6 Watt/cm². Es wurde auf der ganzen Oberfläche des Halblei­ terplättchens keine Verschlechterung des Photoresistmaterials festgehalten.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Erzielen von Wärmeübergang zwischen einem Halbleiterplättchen (41) und einer Aufspannplatte (35) in einer Vakuumbearbeitungskammer mit folgenden Merkmalen:

• a) die Aufspannplatte (35) ist mit einer konvexen Oberfläche zur Aufnahme des Halbleiterplättchens (41) unter Bildung eines Festkörperkontaktes mit der Rückseite des Halbleiterplättchens versehen;
• b) eine Festspanneinrichtung (42) ist zum Festklemmen des Halbleiterplättchens (41) an seinem Umfang gegen die Aufspannplatte (35) vorgesehen, um einen Vorspannungs-Anlagedruck zwischen Aufspannplatte (35) und Halbleiterplättchen (41) zu erzeugen,
  gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
• c) eine Gaszufuhreinrichtung (37, 40, 43, 44) ist zur Einführung von Gas in mikroskopische Hohlräume zwischen der Oberfläche der Aufspannplatte (35) und dem Halbleiterplättchen (41) vorgesehen, wobei der Gasdruck einerseits in einem solchen Bereich liegt, in dem die Wärmeleitfähigkeit unabhängig vom Gasdruck ist, und andererseits geringer ist als der Vor­ spannungs-Anlagedruck zwischen der Aufspannplatte (35) und dem Halbleiterplättchen (41), so daß der Festkörperkontakt des Halbleiterplättchens (41) an der Aufspannplatte (35) im wesentlichen aufrechterhalten bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Oberfläche der Aufspannplatte (35) eine Kontur aufweist, die einen gleichförmigen Anlagedruck über dem Oberflächenbereich des Halbleiterplättchens (41) erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festspanneinrichtung (42) auf das Halbleiterplättchen (41) eine Vorspannungskraft aufbringt und damit einen solchen Anlagedruck erzeugt, daß der Gasdruck im Bereich von 0,0066 bis 0,133 bar (5 bis 100 Torr) liegen kann, ohne daß das Halbleiterplättchen abgehoben oder verbogen wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführeinrichtung (37, 40, 43, 44) einen Kanal (44) innerhalb der Aufspannplatte (35) umfaßt, der außen mit einer Gasquelle (43) verbunden ist und in einen offenen, ringförmigen Kanal (37) in der Oberfläche der Aufspannplatte (35) bei einem Radius mündet, der kleiner ist als der des eingespannten Halbleiterplättchens.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Aufspannplatte (35) außerhalb des offenen, ringförmigen Kanals (37) in eine Dichtungseinrichtung (45) eingebettet ist, die Gas gegenüber der Vakuumbearbeitungskammer abdichtet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspannplatte (35) in ihrem Inneren Kanäle (38) zur Zirkulation eines Wärmeübertragungsmediums aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Oberfläche der Aufspannplatte (35) metallisch und fein geschlichtet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche aus Aluminium besteht.