JP2003526217A - 基板熱管理の方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ウェーハの迅速かつ一様な加熱と冷却に関する。
に依存するため、多くの集積回路製作段階における重要な要素である。特定の処
理においては、熱的な非一様性は、回路素子の臨界寸法の大きさを設計目標に対
して拡大し、悪影響を及ぼす可能性がある。すなわち、より小さな集積回路臨界
寸法への傾向が続くので、ウェーハ熱管理システムに対する温度の一様性の要求
は、ますます厳しくなることになる。
の0.1℃の温度一様性要件は、温度一様性の50%の増加を表している。ウェ
ーハの加熱及び冷却ユニットは、通常約20℃から摂氏数百度までの広範な処理
作動温度に亘り、ウェーハ間で一貫した方法でそのような温度一様性の性能指数
を達成する必要がある。作動温度範囲に亘る迅速な熱の管理はまた、処理の経済
性からも必要である。
、及び、一様な熱管理に対する厳しい要件は、集積装置において十分に満たされ
ていない。密接に関連する技術の例においては、別々の装置が加熱と冷却の機能
を実行するが、それは、互いに対して反対側に置かれた別々の加熱ユニット及び
冷却ユニットの単なる組合せである。これらの装置では、ウェーハは、加熱素子
と冷却素子との間に挿入され、素子間で移動される。
、加熱表面120、及び、冷却面130が示されている。ウェーハと相互作用す
る高温の熱源及び低温の熱シンクは一体化されていない。それらは、むしろ、物
理的に分離されるか、又は、それ以外の方法で互いに熱的に隔離されている。半
導体ウェーハを加熱又は冷却するために、ウェーハは、目標とする機能に応じて
加熱表面及び冷却面の間の空間に機械的に移動される。これは、加熱及び冷却の
両方の機能を実行する一体型熱管理装置と比べて、製造工程の流れ及びクリーン
ルームの床スペースの利用にとって非効率的である。 すなわち、関連技術の限界のために、広範な温度範囲に亘る効率的、迅速、制
御可能、及び、一様な熱管理の方法に対する必要性が存在する。更に、定常状態
条件及び過渡的条件の両方の間に高性能をもたらし、製造環境内での容易な使用
に非常に適した装置に対する必要性が存在する。
理のための基板熱管理の方法である。 本熱管理方法の1つの目的は、熱源、熱シンク、及び、熱拡散器を統合するこ
とである。本発明によれば、熱拡散器は、ウェーハ表面に対して静止して置かれ
、ウェーハ表面に対して同様に静止している熱源及び熱シンクに結合される。熱
シンクは、温度制御可能な熱搬送媒体を含む。ウェーハは、加熱時間間隔の間、
第1の処理温度から第2の処理温度まで加熱され、次に、冷却時間間隔の間、第
2の処理温度から第1の処理温度まで冷却される。この処理の間、ウェーハは、
固定位置で常に保持される。 本熱管理方法の別の目的は、加熱素子からの熱を熱伝導性材料で作られた熱拡
散器を通してウェーハに向く加熱表面に拡散させることによってウェーハ表面に
亘る熱の非一様性を最小にし、それにより熱源の温度勾配を平滑化することであ
る。
ハ表面に亘る熱の非一様性を最小にすることである。本発明によれば、熱源は、
異なる熱量を供給して熱拡散器に隣接する表面に亘って制御可能な温度場を形成
するようになっている複数の区域を含む。熱拡散器は、熱勾配を拡散し、ウェー
ハ表面に対して静止して置かれ、ウェーハ表面に対して同様に静止している熱源
及び熱シンクと結合される。ウェーハは、温度制御可能な熱搬送媒体を含む熱シ
ンクによって冷却される。 本熱管理方法の更に別の目的は、温度制御可能な熱シンク材料を熱リザーバの
通路を通して一様でない方法で流すことにより、ウェーハ表面に亘る熱の非一様
性を最小にすることである。本発明によれば、そのような非一様流は、制御可能
かつ分配された実質的に一様な熱シンク温度場を確立するであろう。
を一体化する。基板と相互作用する加熱ユニット及び冷却ユニットの一体化は、
広い温度範囲に亘る効率的、迅速、制御可能、及び、一様な温度管理を可能にす
るという、単なる熱源及び熱シンクの組合せ以上の付帯的な利点を有する。この
目標とする高い性能は、定常状態及び過渡期の両方の条件中で達成され、本シス
テムの装置は、製造環境内で容易に使用するのに極めて好適である。
、図2に示したもの、又は、大気圧以下のエンクロージャや大気圧以上のエンク
ロージャのような複数の装置を更に含むシステム構成要素であってもよい。しか
し、典型的な実施形態は、室内条件で作動するようになっている。 図2には、ウェーハ200、ウェーハ表面210、熱リザーバ220、熱拡散
器230、加熱表面235、熱源240、熱シンク245、電源250、制御装
置260、及び、オプションの断熱材270及び275が示されている。好まし
い実施形態は、Cu又はAlなどの等方性熱伝導率を有する材料で作られた熱拡
散器と、実質的にKapton(登録商標)で作られた断熱材270とを含む。
代替の実施形態は、非等方性熱伝導率を有する材料で作られた熱拡散器を含む。
一般に、ウェーハ表面に垂直な熱拡散器の厚さは、約0.100インチ未満であ
る。
間に亘って加熱される。隙間は、一般に幅が数百ミクロンであり、室内空気、窒
素、ヘリウム、又は、他の目標とする物理特性を有する気体が充填される。代替
実施形態では、隙間の幅が異なり、熱伝導率が空気よりも比較的大きな気体を有
する。熱リザーバ220、熱拡散器230、熱源240、及び、熱シンク245
は、各々、付随する熱質量Mr、Md、Ms、及び、Mskを有する。加熱表面と、
熱拡散器に隣接する熱源の表面とは、各々、付随する温度場Td及びTsを有する
。熱源、熱リザーバ、及び、熱拡散器は一体化され、熱伝導によって不可分に連
通している。一般に、熱シンク245は、一定温度であり得る制御可能な温度を
有する多量の流れる流体材料である。すなわち、熱シンク及び熱リザーバは、一
般に伝導及び対流熱伝達によって不可分に連通している。熱シンクの他の実施形
態は流れる流体に限定されず、例えば静止流体又は固体などである。
ンクの熱質量Mskは、他の構成要素の熱質量よりもかなり大きくてもよい。異な
る実施形態では、Mskは、Mdよりも少なくとも10倍、又は、少なくとも102 倍、又は、少なくとも103倍、又は、少なくとも104倍大きい。好ましい実施
形態では、熱シンクは、工場の冷却水供給によってもたらされる一定温度の熱シ
ンクである。熱シンクの比較的大きな熱質量の熱リザーバ220への連続した結
合のために、熱リザーバは、実質的に一定かつ実質的に一様な温度の熱リザーバ
であり得る。熱リザーバの特定の実施形態では、温度の一様性を更に向上させる
機能である「infra」を含んでもよい。
10、加熱区域320、温度センサ325、カバー材料330、熱源表面340
、電源350、及び、制御装置360が示されている。図2に示すように、熱源
240は、熱リザーバ220と熱拡散器230とに結合される。熱源の特定実施
形態は、熱源の過熱を防ぐために、熱リザーバ及び熱シンクへの作動中の連続し
た熱結合を必要とするであろう。カバー材料330は、一般に絶縁体である。特
定実施形態は、Kapton(登録商標)などの熱抵抗性カバー材料を含む。好
ましい実施形態では、熱源と熱リザーバとの熱結合は不可分である。
さな熱質量Msを有する電気抵抗ヒータである。異なる実施形態では、比(Ms/
Md)は、約10-1未満、又は、約10-2未満、又は、約10-3未満、又は、約
10-4未満である。熱源の特定実施形態は、熱源表面340上に表面温度場Ts
を生成するために少なくとも1つのヒータ区域320に包含された大きさがミリ
メートルよりも小さい金属電気抵抗加熱素子310を有するヒータである。その
ような抵抗ヒータの例としては、米国ミネソタ州ミネアポリス所在のミンコ・プ
ロダクツ・インコーポレーテッド製のThermofoil(登録商標)ヒータ
がある。一般に、熱源は、定格が100ワット/平方インチ未満であり、ポリマ
ーカバー材料を含んでもよい。ウェーハ200と垂直な方向の熱源の厚さ(図2
参照)は、一般に0.05インチ未満である。熱源の熱質量は、一般に熱拡散器
の熱質量の約1/10未満である。
可能な加熱区域の数及び配置により、制御装置360が熱源240の表面上の表
面温度場Tsを調節することが可能になる。更に、熱源の電気抵抗加熱素子に供
給される電力量を制御することにより、カバー材料330と熱源が結合された別
の素子との間のインタフェースに亘って滑らかに変化し得る制御可能なエネルギ
束がもたらされる(図2参照)。熱源に埋め込まれた少なくとも1つの温度セン
サ325を使用して、Tsのフィードバック制御が達成される。特定の実施形態
では、センサ及び区域の数は同じでもよい。典型的な実施形態では、Tsを1℃
未満の範囲で一様であるように制御することができる。代替実施形態は、制御可
能に非一様なTsを有してもよい。一般に、熱源と熱シンクとの間の温度差は約
200〜300℃であるが、この数値は限定ではない。
結合される。好ましい実施形態では、熱源及び拡散器は直接接触している。熱拡
散器は、受動的に作用し、熱が拡散器を通過する時にTs勾配のマグニチュード
を低減して加熱表面235に実質的に一様な温度場をもたらす。Tsの勾配は、
熱源240の構造に固有の長さのスケールから生じ、ウェーハの非一様な加熱を
もたらす可能性がある。加熱表面上の実質的に一様な温度場Tdは、次に、一般
に数百ミクロンの非常に狭い隙間に亘ってウェーハ表面210を加熱するように
作用する。
ウェーハ温度410と加熱表面235(図2参照)の温度との両方が示されてい
る。本実施形態は、8℃の一定温度での熱シンク、45ワット/平方インチのエ
ネルギ束を供給する熱源、及び、0.060インチ厚のアルミニウム熱拡散器を
含む。0.006インチの空隙が、温度拡散器とウェーハとの間にある。一般的
に、好ましい実施形態は、ウェーハを約60秒を超えない時間間隔で加熱又は冷
却する設計温度範囲に及んでいる。熱速度は、通常、0.5℃/秒よりも大きい
。図4では、ウェーハは、室温から150℃まで60秒未満の時間で加熱され、
150℃から室温まで約60秒間で冷却されている。典型的な実施形態では、冷
却時間は、同じ温度範囲に亘り約25%以内の範囲で加熱時間に相当する。
勾配の平滑化を示すグラフである。図5は、一群の温度プロフィールを含んでい
る。温度プロフィールは、熱拡散器材料内の様々な深さに対して円形熱拡散器の
半径に沿ったものである。熱源240から近位及び遠位のプロフィールが、それ
ぞれ510及び520で示されている。この実施形態では、熱源は、0.030
インチ〜0.060インチの間隔で配置された0.040インチ幅の電気抵抗ス
トリップで構成されている。熱拡散器は、0.040インチ厚のAlである。熱
拡散器とウェーハとの間には、0.006インチの空隙がある。図5に示すよう
に、加熱表面235での温度プロフィールは、約0.15℃以内の範囲で一様で
ある。
器230(図2参照)による温度勾配の平滑化を示すグラフである。図6は、一
群の温度プロフィールを含む。温度プロフィールは、25ミリ秒の時間間隔に亘
り、熱拡散器材料内の様々な深さに対して円形熱拡散器の半径に沿ったものであ
る。熱源240から近位及び遠位のプロフィールは、それぞれ610及び620
で示されている。すなわち、図6における熱源から遠位のプロフィールは、加熱
表面235(図2参照)上の温度プロフィールである。図6の実施形態では、熱
源は、0.020インチの間隔で配置された0.020インチ幅の電気抵抗スト
リップで構成されている。熱拡散器は、0.040インチ厚のAlである。熱拡
散器とウェーハとの間には、0.006インチの空隙がある。図6に示すように
、加熱表面235での温度プロフィール620は、過渡的な時間間隔に亘って極
めて一様である。
インタフェース(図2参照)での一様な温度場を形成するのに適する本発明の特
定の態様を示す略図である。熱シンクは、通常、液体の水のような流れている単
相流体である。代替実施形態では、静止している固体熱シンク又は気体熱シンク
が使用されてもよい。熱シンクの温度は、通常、約−40℃を超える。図7Aは
、関連技術分野からの装置の上面概略図である。図7Aには、熱リザーバ700
、流体入口701、及び、流体出口702が示されている。流体は、入口701
から入り出口702から出るが、異なる流体要素は、熱リザーバ内で異なる滞留
時間を経過する。この異なる滞留時間は、流体の有限熱伝導率に起因する熱リザ
ーバ内の流体の小さな温度勾配をもたらすことができる。流体の温度勾配は、熱
リザーバ表面上の有害な温度勾配を導く場合がある。
等しくする。更に、熱リザーバ構造は、内部流体の流れ場を加速するように設計
されており、熱リザーバ内の実質的に一様な流体温度と、残りの熱管理装置(図
2参照)に面する熱リザーバ表面上の対応する実質的に一様な温度場とを達成す
る。 一様な温度の流体は、熱リザーバを通る流体質量流量と流体速度とを変化させ
ることによって形成される。熱リザーバの内部構造は、一様な流体温度をもたら
すために流体要素の中への一様な有効熱流束を確立する方法で流体速度を変化さ
せる。上記において、有効熱流束は、伝導及び対流からの寄与で構成される。熱
リザーバ内の一様温度流体により、残りの熱管理装置に面する熱リザーバ表面上
に実質的に一様な温度場がもたらされる。
15、入口701、出口702、及び、プレナム710が示されている。流体は
、入口からプレナムへ入る。プレナムから出口までの流体の流れは、プレナムと
出口との間の圧力勾配によって動かされる。流れの対称性は、各流体要素が流れ
の場に実質的に同じ時間滞留することを可能にする。 図7Cは、図7Bの実施形態の断面を示す略図である。図7Cは、熱リザーバ
内の実質的に一様な流体温度を達成するために内部流体の流れ場の加速を可能に
する熱リザーバ構造の態様を示している。図7Cには、入口701、出口702
、プレナム710、オリフィス715、典型的な流線750及び760、断面積
765、インタフェース面790、及び、オプションの第2熱拡散器780が示
されている。図7Cにおいて、流体は、入口からプレナムに入り、オリフィスを
通過して典型的な流線に沿って出口まで流れるまでプレナムに滞留する。
導の原動力である温度勾配が減少するので、流体の温度は、インタフェース面7
90を横切る熱流束の作用の下で上昇する傾向にあることになる。同様に、流体
要素が図7Aに示すように熱リザーバを通って移動する時、流体要素が熱リザー
バに滞留する間のその温度のいかなる上昇も、伝導に起因する熱周囲から流体要
素への熱の流束を減少させる傾向にあることになる。すなわち、熱リザーバへの
一様な熱流束入力に対して、流体への非一様な伝導熱流束が生じる。
流体流れの速度が一様な場合、対流に起因する熱流束は、伝導に起因する熱流束
と類似の方法でスケーリングされることになる。しかし、流速が熱リザーバ内で
変化する場合、対流に起因する熱流束が非一様になる可能性がある。次に組合せ
で作用すると、非一様な伝導熱流束及び非一様な対流熱流束は、一様な温度流体
をもたらすであろう。
起こす。流路断面積の変化が流体流れを加速又は減速することは公知である。流
体速度が熱リザーバ内で非一様であるために、流体に対する有効熱流束は、一様
な流体温度をもたらすであろう。熱リザーバ内の一様な温度を有する流体により
、インタフェース面790での温度場もまた実質的に一様であり得る。また、熱
拡散器230(図2参照)と類似の特性を有するオプションの第2熱拡散器78
0が熱リザーバに隣接して結合されてもよく、あらゆる残りの温度の非一様性を
更に減少させるように働くであろう。
である。この実施形態においては、複数のオリフィス715を包含するリング7
70が、少なくとも1つの入口701及び出口702を有する本体792に置か
れている。カバー791が本体にボルト締めされ、部分組立体を密封してプレナ
ム710を形成する。本実施形態においては、本体表面793の形態が実質的に
流路断面積の変化を決める。 本発明が上述の実施形態に限定されないことは当業者には直ちに明白であろう
。本発明の範囲から逸脱することなく異なる構成及び実施形態を創出することが
でき、それらが特許請求の範囲に含まれるように意図されている。
フである。
発明の態様を示す略図である。
発明の態様を示す略図である。
発明の態様を示す略図である。
発明の態様を示す略図である。
発明の態様を示す略図である。
発明の態様を示す略図である。
Claims (16)
- 【請求項1】 加熱時間間隔の間、ウェーハを第1の処理温度から第2の処
理温度まで加熱する段階と、 冷却時間間隔の間、前記ウェーハを前記第2の処理温度から前記第1の処理温
度まで冷却する段階と、 を含み、 前記ウェーハは、固定位置で常に保持され、 前記冷却段階は、調節可能な熱シンクの温度によって行われる、 ことを特徴とするウェーハ処理の方法。 - 【請求項2】 制御可能な量の電力を熱源の加熱素子に供給する段階と、 前記加熱素子からの熱を熱伝導性材料で作られた熱拡散器を通してウェーハに
面する加熱表面に拡散し、それにより前記熱源の温度勾配を平滑化する段階と、 前記ウェーハの表面を前記ウェーハに面する前記加熱表面からの伝導により加
熱する段階と、 制御可能な温度を有し前記熱源及び拡散器に結合された熱シンクにより、前記
ウェーハを冷却する段階と、 を含むことを特徴とする基板熱管理の方法。 - 【請求項3】 制御可能な量の電力を熱源の加熱素子に供給する段階と、 前記加熱素子からの熱を熱伝導性材料で作られた熱拡散器を通してウェーハに
面する加熱表面に拡散し、それにより前記熱源の温度勾配を平滑化する段階と、 ウェーハの表面を前記ウェーハに面する前記加熱表面からの伝導により加熱す
る段階と、 制御可能な温度を有する熱シンク材料を熱リザーバの通路を通して非一様な方
法で流し、それにより制御可能かつ分配された実質的に一様な熱シンク温度場を
確立する段階と、 前記熱シンク材料を用いて伝導により前記ウェーハを冷却する段階と、 を含むことを特徴とする基板熱管理の方法。 - 【請求項4】 制御可能な量の電力を熱源の複数の加熱区域に供給する段階
と、 前記加熱区域からの熱を熱伝導性材料で作られた熱拡散器を通してウェーハに
面する加熱表面に拡散し、それにより前記熱源の温度勾配を平滑化する段階と、 ウェーハ表面を前記加熱表面からの伝導によって加熱する段階と、 制御可能な温度を有し前記熱源及び拡散器に結合された熱シンクを用いて、前
記ウェーハを冷却する段階と、 を含むことを特徴とする基板熱管理の方法。 - 【請求項5】 制御可能な量の電力を熱源の電気抵抗加熱素子に供給する段
階は、熱源の表面上で滑らかに変化する制御可能なエネルギ束をもたらすことを
特徴とする請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】 結合した熱源及び熱シンクとウェーハとの間に挿入された熱
拡散器に亘る伝導によってウェーハを加熱又は冷却する段階、 を含み、 前記熱拡散器の熱質量が、前記熱シンクの熱質量よりも少なく前記熱源の熱質
量よりも大きい、 ことを特徴とする基板熱管理の方法。 - 【請求項7】 ウェーハと、結合した熱源及び熱シンクと前記ウェーハとの
間に挿入された熱拡散器との間の大気圧以上の隙間に亘る伝導によってウェーハ
を加熱又は冷却する段階、 を含み、 前記熱拡散器の熱質量が、前記熱シンクの熱質量よりも少なく前記熱源の熱質
量よりも大きい、 ことを特徴とする基板熱管理の方法。 - 【請求項8】 前記冷却時間間隔の前記加熱時間間隔に対する比は、約1.
25以下であることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項9】 ウェーハを静止位置で維持する段階と、 約120秒以下の加熱時間間隔の間、前記ウェーハを伝導により約15℃以上
の第1の処理温度から約250℃以下の第2の処理温度まで加熱する段階と、 冷却時間間隔の間、前記ウェーハを伝導により前記第2の処理温度から前記第
1の処理温度まで冷却する段階と、 を含み、 前記冷却時間間隔の前記加熱時間間隔に対する比が、約1.25以下である、 ことを特徴とするウェーハ処理の方法。 - 【請求項10】 ウェーハを静止位置で維持する段階と、 約60秒以下の加熱時間間隔の間、前記ウェーハを伝導により約15℃以上の
第1の処理温度から約250℃以下の第2の処理温度まで加熱する段階と、 冷却時間間隔の間、前記ウェーハを伝導により前記第2の処理温度から前記第
1の処理温度まで冷却する段階と、 を含み、 前記冷却時間間隔の前記加熱時間間隔に対する比が、約1.25以下である、 ことを特徴とするウェーハ処理の方法。 - 【請求項11】 前記ウェーハを冷却する段階は、前記熱シンクと前記熱リ
ザーバとを単相の対流熱伝達によって結合する段階を含むことを特徴とする請求
項6から請求項10のいずれか1項に記載のウェーハ処理の方法。 - 【請求項12】 前記ウェーハを冷却する段階は、前記熱シンクの温度を制
御する段階を含むことを特徴とする請求項6から請求項10のいずれか1項に記
載のウェーハ処理の方法。 - 【請求項13】 前記対流熱伝達の熱伝達率は、前記熱リザーバの質量流量
を変化させることにより制御されることを特徴とする請求項11に記載のウェー
ハ処理の方法。 - 【請求項14】 異なる入口位置からウェーハ熱管理装置に入りその装置を
通って移動する流体要素の滞留時間は、実質的に等しいことを特徴とする請求項
11に記載のウェーハ処理の方法。 - 【請求項15】 前記ウェーハを冷却する段階は、前記熱シンク材料を加速
又は減速させることにより、前記熱リザーバの温度の一様性を制御する段階を更
に含むことを特徴とする請求項11に記載のウェーハ処理の方法。 - 【請求項16】 前記ウェーハを冷却する段階は、前記熱リザーバと前記熱
源との間の熱流束を伝導性材料を通して拡散し、それにより前記熱リザーバの温
度勾配を平滑化する段階を更に含むことを特徴とする請求項6から請求項10の
いずれか1項に記載のウェーハ処理の方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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