JP2006310862A - 半導体工程に用いる熱電加熱冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電ウェハチャックは、ウェハに対して迅速かつ動的に多領域の温度制御を行う半導体工程に適用する熱電ウェハチャックを提供する。
【解決手段】熱電ウェハチャック２２は、チャックベースおよびウェハ支持面を含む。チャックベースに貫通された流体流路により冷却液または加熱液を散布させる。そして、熱電モジュールによりウェハ支持面との熱的接触を行う。熱電モジュール２２が、ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーへ変換すると、熱電ウェハチャックは、ウェハ支持面に置かれたウェハを加熱することができる。ウェハの冷却は、熱電モジュールにより電流を逆流させたり、冷却流路により冷却流体を分布させたり、或いはそれら両方により行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体工程におけるウェハの加熱装置に関し、特に半導体工程でウェハを選択的に加熱または冷却するのに適用し、迅速かつ動的に温度制御を行う能力および多領域の温度制御を行う能力を備えることを特徴とする熱電加熱冷却装置に関する。

半導体集積回路の製作では、半導体ウェハ上にあるデバイス回路の複数の要素を互いに接続するために金属導体線路を使用する。金属導体線路パターンの堆積に使用される一般の工程には、シリコンウェハ基板上へ導電層を堆積するステップと、標準的なリソグラフィ技術を使用して所望の金属導体線路パターンの形状で、酸化チタンまたは酸化ケイ素などのフォトレジストやその他のマスクを形成するステップと、ウェハ基板に対してドライエッチング工程を行い、マスクでカバーされていない領域から導電層を除去することにより、残された金属層の形状をマスクでカバーされた導体線路パターンに形成するステップと、一般に反応性プラズマおよび塩素ガスを利用して金属導体線路の上面を露出させてマスク層を除去するステップとを含む。一般に、導電材料および絶縁材料からなる複数の交互層がウェハ基板上に順次堆積され、ウェハ上にある異なったレベルの導電層が絶縁層のエッチングビアまたは開口部により互いに電気的に接続され、ビアにアルミニウム、タングステンまたはその他の金属を充填して導電層の間を電気的に接続してもよい。

ウェハ基板上へ導電層を堆積したり層をエッチングしたりする場合、工程の必要に応じ、ウェハの加熱および／または冷却が必要となることがよくあった。従来、ウェハの加熱および／または冷却が必要な半導体工程チャンバ内にあるウェハチャックは、伝導により加熱または冷却された液体や気体を分布させ、チャック上に置かれたウェハを加熱または冷却する内側コイルを備えていた。しかし、従来のウェハチャックは、ウェハ熱反応および制御が低く、冷却機能が全く無いか僅かしかなく、ウェハ温度制御の精度が低いといった様々な欠点があった。そのため、半導体工程においてウェハを選択的に加熱および／または冷却することができる新しくて改良された装置が求められていた。

本発明の目的は、半導体工程でウェハを選択的に加熱または冷却するのに適用し、迅速かつ動的に温度制御を行う能力および多領域の温度制御を行う能力を備える熱電ウェハチャックを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の熱電ウェハチャックは、チャックベースおよびウェハ支持面を含む。チャックベースに貫通させた流体流路により、冷却液または加熱液を散布させる。そして、ウェハ支持面との熱的接触を行う熱電モジュールを提供する。使用する時、熱電モジュールがペルチェ効果を利用して電気エネルギーを熱エネルギーへ変換すると、熱電ウェハチャックは、ウェハ支持面に置かれたウェハを加熱することができる。或いはチャックベース内の流体流路により加熱流体を分布させてウェハを加熱してもよい。ウェハの冷却は、熱電モジュールにより電流を逆流させたり、冷却流路により冷却流体を分布させたり、或いはそれら両方により冷却を行ってもよい。

本発明の熱電加熱冷却装置は、半導体工程でウェハを選択的に加熱または冷却し、迅速かつ動的に多領域の温度制御を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明は、半導体工程においてウェハを加熱および／または冷却する熱電ウェハチャックを提供する。この熱電ウェハチャックは、チャックベースおよびウェハ支持面を含む。シングルループまたはマルチループで構成された流体流路を貫通させ、チャックベースに冷却液または加熱液を散布させる。そして、熱電モジュールをウェハチャックへ提供してウェハ支持面との熱的接触を行う。この熱電モジュールは、隣接されたもの同士が導電天板および導電底板を介して交互に接続された複数のＰ型半導体コネクタおよび複数のＮ型半導体コネクタを含む。熱電モジュールは、ペルチェ効果を使用して電気エネルギーを熱エネルギーへ変換し、ウェハ支持面に置かれたウェハを加熱することができる。またウェハは、チャックベースの流体流路で加熱流体を分布させ、ウェハを加熱してもよい。また熱電モジュールにより電流を逆流させて冷却したり、チャックベース内にある冷却流路により冷却流体を分布させたりする方法の少なくとも一つを用いて冷却してもよい。この熱電モジュールは、熱電ウェハチャックへ迅速かつ動的に多領域の温度制御を行うことができる。

ペルチェ効果は、電位差から温度差を発生させる。電流が二つの接点で接続されているＰ型およびＮ型の半導体からなるコネクタを通るとき、この電流は一方の接点から他方の接点へ熱を伝導させる。これにより、各コネクタの一方の接点が冷却される一方、他方の接点は加熱される。一般に、Ｐ型シリコンはポジ型ペルチェ係数（５５０Ｋを超えない）を有し、Ｎ型シリコンのペルチェ係数は一般にネガ型である。

コネクタに電流を通すと、コネクタの半導体材料は電流を印加する前の電子平衡の状態へ戻る傾向がある。これは一方の接点におけるエネルギー吸収と他方の接点におけるエネルギー放出とを促進させる。なおコネクタの結合対は、直列に接続して熱電効果を強化してもよい。熱伝導の方向は電流極性により決定されるため、電流の極性が反転されると接点の熱極性も反転される。

先ず図４を参照する。図４の符号１０は、本発明の一実施形態による熱電ウェハチャックを示す斜視図である。熱電ウェハチャック１０は、一般に円形であるチャックベース１２を含む。このチャックベース１２には複数の流体流路１４が貫通されている。なお、このチャックベース１２に直接延伸されている流体流路１４にはコイルが使用されず、熱電ウェハチャック１０にはコイルが含まれていないことが好ましい。流体流路１４は、シングルループまたはマルチループの方式でチャックベース１２に貫通され、チャック１０に少なくとも一つの冷却および／または加熱領域１７ａが定義される。加熱流体または冷却流体の供給（図示せず）は、流体流路１４を含む流体連通により行う。以下、熱電ウェハチャック１０を使用する時に、加熱または冷却されたガスや液体（図示せず）を冷却流路１４へ分布させる実施形態を説明する。

環状チャック壁１３は、チャックベース１２の縁から上方へ延伸されている。ウェハ支持面１７を有するウェハ支持板１６は、チャック壁１３により支持され、チャックベース１２と離間した関係である。続いてチャックベース１２の上面とウェハ支持板１６の底面との間に定義されているチャック内部１８について説明する。チャック内部１８には少なくとも一つの熱電モジュール２２が配置されている。以下で説明するように、このチャック内部１８には、二つ以上の単体の熱電モジュール２２を含む積層熱電モジュール２２ａが配置されていることが好ましい。

図１〜図３は、単体の熱電モジュール２２の一部を示す。各熱電モジュール２２は、それぞれ一般にセラミックからなる絶縁底板２４および絶縁天板２８を含む。複数の導電底板２６は絶縁底板２４の上面に配置され、複数の導電天板３０は絶縁天板２８の底面に配置されている。導電底板２６および導電天板３０は、一般に銅である導電材料である。図２に示すように、導電底板２６は、隣接する一組の導電天板３０と重畳する。なお、この導電底板２６は、熱電モジュール２２の各側において、絶縁底板２４の上面にある端子板２６ａ、２６ｂとしても示されている。

複数のＮ型コネクタ３２およびＰ型コネクタ３４は、導電底板２６および導電天板３０を介して互いに直列に接続されている。各Ｎ型コネクタ３２は、導電底板２６と導電天板３０に亘って配置され、それに隣接するＰ型コネクタ３４は、同一の導電天板３０と隣接する導電底板２６とに亘って配置されている。同一回路中の次のＮ型コネクタ３２は、前のＰ型コネクタ３４と同一の導電底板２６で接続されているが、このＮ型コネクタ３２が接続されている導電天板３０は、前のＰ型コネクタ３４に接続されている導電天板３０とは異なる。図２の左から右に示すように、導電底板２６の隣接する各組は、それぞれＮ型コネクタ３２およびＰ型コネクタ３４を介して接続され、導電天板３０の隣接する各組は、それぞれＰ型コネクタ３４およびＮ型コネクタ３２を介して接続されている。前述の方式により、熱電モジュール２２にあるＮ型コネクタ３２およびＰ型コネクタ３４の全ては、導電底板２６および導電天板３０を介して互いに直列に接続されている。負極リード３６（熱電モジュール２２に必要な熱極性に応じ、負極リードまたは正極リードにしてもよい）は、端子板２６ａへ電気的に接続され、正極リード３８（正極または負極でもよい）は端子板２６ｂへ電気的に接続されている。

図３に示すように、熱電ウェハチャック１０（図４に示す）内にある少なくとも二つの単体の熱電モジュール２２は、互いに直列になるように電気的に接続して積層熱電モジュール２２ａに形成されることが好ましい。図３に示すように、負極リード３６は積層熱電モジュール２２ａの下部熱電モジュール２２へ接続され、正極リード３８は上部熱電モジュール２２へ接続されている。積層熱電モジュール２２ａの上部および下部の熱電モジュール２２は、導線４０を介して互いに直列となるように電気的に接続されている。

図４に示すように、熱電ウェハチャック１０のチャック内部１８には、積層熱電モジュール２２ａを配置したり、単体の熱電モジュール２２を配置したりしてもよい。前述の実施例において、積層熱電モジュール２２ａ内にある底部熱電モジュール２２の絶縁底板２４（図３に示す）は、チャックベース１２の上面に位置し、積層熱電モジュール２２ａ内にある上部熱電モジュール２２の絶縁天板２８は、ウェハ支持板１６の底面に熱的接触されている。熱電チャック１０内において、複数で独立して制御できる単体の熱電モジュール２２または積層熱電モジュール２２ａは、互いに隣接関係または同心関係でチャック内部１８に配置したり、熱電ウェハチャック１０を動作するときに、ウェハ支持面１７上に複数で独立して制御できるように配置した加熱領域１７ａを形成したりしてもよい。図４に示す加熱領域１７ａは、同心形式で配列されているが、この加熱領域１７ａは、必要に応じてウェハ支持面１７上へ様々な構成で配列されてもよい。

図５および図６に示すように、処理チャンバ４４には熱電ウェハチャック１０が配置され、この処理チャンバ４４は、リソグラフィスキャナおよびトラック、エッチングチャンバ、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）チャンバ、ＰＶＤ（physical vapor deposition）チャンバまたはウェハに対し加熱および／または冷却を行うその他の処理チャンバでもよい。この処理チャンバ４４は、チャンバ内部４８を定義するチャンバ壁４６と、チャンバ４８の上に設けられ、処理ガス５４をチャンバ内部４８内へ導入するガス入口５０とを含む。図６に示すように、一般に処理チャンバ４４の底部には複数のガス出口５２が設けられている。以下で詳細に説明するように、図６は、熱電ウェハチャック１０の一部を示し、Ｎ型コネクタ３２およびＰ型コネクタ３４は、ウェハ上に半導体を製作する時に、熱電ウェハチャック１０のウェハ支持面１７上に置かれたウェハ（図示せず）に対して加熱および／または冷却を行うヒートセルとして示されている。

熱電ウェハチャック１０を作動する時は、処理チャンバ４４のチャンバ内部４８にあるチャック１０のウェハ支持面１７上へ先ずウェハ（図示せず）を置く。ウェハに行う処理タイプに応じ、処理ガス５４（図５に示す）をガス入口５０からチャンバ内部４８へ導入してもよい。また、これと同時にウェハを熱電ウェハチャック１０を作動させて加熱してもよい。そのため、電流が負極リード３６、積層モジュール２２ａおよび正極リード３８のそれぞれに通されると、積層モジュール２２ａに電流が分布される。これにより、電流が積層モジュール２２ａの導電底板２６、Ｎ型コネクタ３２、Ｐ型コネクタ３４および導電天板３０を直列に流れる。電流がＮ型コネクタ３２およびＰ型コネクタ３４へ流れると、電流のペルチェ効果により、導電底板２６から導電天板３０へ熱移動が行われる。これにより絶縁底板２４は冷却側となり、積層熱電モジュール２２ａの絶縁天板２８は熱シンク（加熱側）となる。これにより絶縁天板２８は、ウェハチャック１０のウェハ支持板１６およびウェハ支持面１７を理想的な所定の設定温度まで加熱させることができる。そして、理想的な設定温度に達した時点で、積層モジュール２２ａを通る電流を切断したり断続的に分散させたりすることにより、ウェハ支持面１７の温度を設定温度に近くなるように維持してもよい。またチャックベース１２の流体流路１４で加熱流体（図示せず）を分散させ、積層熱電モジュール２２ａおよびウェハ支持板１６で熱伝導を行ってウェハを加熱させてもよい。

その後行うウェハの冷却は、積層モジュール２２ａ内を流れる電流を切断したり、流体流路１４内を流れる加熱流体を停止したり、或いはそれら両方で行ってもよい。そして、これらを行うことにより、正極リード３８、積層モジュール２２ａおよび負極リード３６内を流れる電流を反対方向へ分布させてもよい。電流がＮ型コネクタ３２およびＰ型コネクタ３４に流れると、導電天板３０から導電底板２６への熱伝導が行われ、絶縁天板２８に冷却側を発生させ、絶縁底板２４にヒートシンク（または加熱側）を発生させる。これにより、ウェハが理想的な設定温度へ達するまで、絶縁天板２８はウェハ支持板１６およびウェハ支持面１７を介してウェハから熱を吸収することができる。そして、理想的な設定温度に達した時点で、積層モジュール２２ａを通る電流を切断したり断続的に分散させたりすることにより、ウェハ支持面１７を設定温度へなるべく近づけてもよい。またチャックベース１２の流体流路１４で冷却流体（図示せず）を分散させ、ウェハが理想の設定温度へ達するまで、ウェハ支持板１６および積層モジュール２２ａを介してウェハから熱を吸収するようにしてもよい。

当業者なら分かるように、本発明の熱電ウェハチャック１０は、ウェハに対して迅速、動的かつ安定的に加熱および冷却を行う機能を備え、工程を行う時に、必要に応じてウェハに対して加熱および／または冷却を領域毎に行うことができる。また、この熱電ウェハチャック１０は、ウェハに対して加熱および／または冷却を行うあらゆる処理チャンバまたは工程に適用することができる。この工程には、これらだけに限定されるわけではないが、リソグラフィ、エッチング、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＰＶＤ（physical vapor deposition）または半導体の製造工程において必要なウェハに対して加熱および／または冷却を行うその他の工程が含まれてもよい。

本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

本発明の一実施形態による熱電ウェハチャックに適用される熱電モジュールを示す斜視図である。 図１の熱電モジュールを示す正面図である。 熱電モジュールの絶縁天板の一部が除去された状態を示す平面図である。 本発明の一実施形態による積層熱電モジュールを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による熱電ウェハチャックの一部を示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるチャンバ内の処理ガスの流れを示し、熱電ウェハチャックが組み込まれた処理チャンバを斜め上から見たときの状態を示す斜視図である。 熱電チャックの熱電モジュール内にある複数の加熱セルを示し、図５の処理チャンバを斜め下から見たときの状態を示す透明斜視図である。

符号の説明

１０ 熱電ウェハチャック
１２ チャックベース
１３ チャック壁
１４ 流体流路
１６ ウェハ支持板
１７ ウェハ支持面
１７ａ 加熱領域
１８ チャック内部
２２ 熱電モジュール
２２ａ 積層熱電モジュール
２４ 絶縁底板
２６ 導電底板
２６ａ 端子板
２６ｂ 端子板
２８ 絶縁天板
３０ 導電天板
３２ Ｎ型コネクタ
３４ Ｐ型コネクタ
３６ 負極リード
３８ 正極リード
４０ 導線
４４ 処理チャンバ
４６ チャンバ壁
４８ チャンバ内部
５０ ガス入口
５２ ガス出口
５４ 処理ガス

Claims (15)

1. ウェハを支持するウェハ支持面と、
   前記ウェハ支持面と熱的接触する熱電モジュールと、
   を少なくとも備えることを特徴とする熱電ウェハチャック。
2. 前記熱電モジュールは、単層の熱電モジュールを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電ウェハチャック。
3. 前記熱電モジュールは、前記ウェハ支持面上に複数の加熱領域を定義することを特徴とする請求項１に記載の熱電ウェハチャック。
4. 前記熱電モジュールは、積層熱電モジュールを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電ウェハチャック。
5. 前記ウェハ支持面を支持するチャックベースと、
   前記チャックベースに貫通されている少なくとも一つの流体流路と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱電ウェハチャック。
6. チャックベースと、
   前記チャックベースに貫通されている少なくとも一つの無コイルの流体流路と、
   前記チャックベースにより支持されているウェハ支持面と、
   を少なくとも備えることを特徴とする熱電ウェハチャック。
7. 前記無コイルの流体流路は、シングルループ方式により前記チャックベースへ貫通されていることを特徴とする請求項６に記載の熱電ウェハチャック。
8. 前記無コイルの流体流路は、マルチループ方式により前記チャックベースへ貫通されていることを特徴とする請求項６に記載の熱電ウェハチャック。
9. 前記ウェハ支持面に熱的接触される熱電モジュールをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の熱電ウェハチャック。
10. チャックベースと、
    前記チャックベースへ埋設されている少なくとも一つの流体流路と、
    ウェハ支持面を有し、前記チャックベースにより支持され、ウェハを支持するウェハ支持板と、
    前記チャックベースおよび前記ウェハ支持板を定義するチャック内部と、
    前記チャック内部に配置され、前記ウェハ支持面と熱的接触されている熱電モジュールと、
    を少なくとも備えることを特徴とする熱電ウェハチャック。
11. 前記流体流路は、シングルループ方式により前記チャックベースへ貫通されていることを特徴とする請求項１０に記載の熱電ウェハチャック。
12. 前記流体流路は、マルチループ方式により前記チャックベースへ貫通されていることを特徴とする請求項１０に記載の熱電ウェハチャック。
13. 前記熱電モジュールは、単層の熱電モジュールを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱電ウェハチャック。
14. 前記熱電モジュールは、前記ウェハ支持面上に複数の加熱領域を定義することを特徴とする請求項１０に記載の熱電ウェハチャック。
15. 前記熱電モジュールは、積層熱電モジュールを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱電ウェハチャック。
    

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