JP2681056B2 - 真空内の半導体ウエーハの熱移動装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は半導体ウエーハを真空室内で処理することに
関し、より具体的には、多数の小プレートから成る、滑
らかで非粘着性表面被膜をもつ、柔軟で熱伝導性のシリ
コーンゴム層を利用して真空内で半導体ウエーハに（又
はウエーハから）熱エネルギーを移動させるための装置
及び方法に関するものである。

発明の背景 集積回路の製作においては、多数の確立した方法がイ
オンビームを半導体ウエーハに真空内で適用することを
行なっている。これらの方法には、イオン注入、イオン
ビーム・ミリング（milling）、及び反応性イオンエッ
ッチングがある。各場合において、イオンのビームが源
泉で発生され、種々の加速の程度でターゲット・ウエー
ハに送られる。イオン注入が半導体ウエーハに不純物を
導入するための標準的技術になっている。

半導体ウエーハに適用されるイオンビーム中のエネル
ギーイオンはウエーハ内で熱を生じる。この熱はイオン
ビームのエネルギー水準及び電流水準に応じて大きなも
のとなることがあり、予定された限界を越えてウエーハ
内に制限できない不純物の拡散を起こしかねない。加熱
によるもっと厳しい問題は、しばしば処理前に半導体ウ
エーハに適用され、比較的低い融点をもつフォトレジス
ト層のパターンの劣化である。

その他の半導体ウエーハ処理法、例えばイオンエッチ
ング、スパッタデポジション及びエッチング、イオンビ
ームデポジション、真空蒸着、プラズマエッチング、及
びケミカルベーパデポジションは真空内で行なわれ、望
ましくないウエーハの加熱を生じることがある。また或
る場合には、熱をウエーハへ移動することを要する方法
もある。

商業的な半導体処理において、主たる目的は単位時間
当たり処理されるウエーハに関し高い処理量を達成する
ことである。これを達成する１つの方法は、速度を上
げ、ウエーハを人間が取り扱うことを減少し、より均質
で粒状物のないデバイスとするため工程を自動化するこ
とである。イオビームシステムの場合に高処理量を達成
する他の方法は、比較的高電流ビームを使って所望の工
程がより短時間で完了するようにすることである。しか
し、多量の熱が処理中のウエーハにどうしても生じやす
い。従って、蒸気のような昇温の致命的影響を避けるた
めにはウエーハの冷却を行なう必要がある。

真空内での熱移動を行なう際の重大な困難は、熱エネ
ルギーの真空内を通じる伝導が遮断されるということで
ある。

放射による半導体ウエーハからの熱移動速さは、大多
数の方法にとって不適切である。従って、伝導による適
切な速さ熱移動を実現するために、ヒートシンク（吸熱
部）に接続した熱伝導性媒体にウエーハを物理的に接触
させることが必要である。このような装置は原理的に単
純であるけれども、自動化したイオン注入システムにと
って効果的なウエーハ冷却はいろいろな理由でこれまで
困難とされてきた。

ウエーハの正面はイオンビーム処理のため露出されな
ければならないから、何らかのクランプ手段は遠心力に
よるか、周縁で掴むかしなければならない。ウエーハと
平たい金属製ヒートシンクとの固体−固体直接接触は比
較的効果がない。なぜなら、ウエーハ裏面の凹凸や不規
則性でウエーハがヒートシンク表面に接触しない領域が
できるからである。さらに、接触が生じたところで、ウ
エーハとヒートシンクにおける顕微鏡的なボイドがある
と、現実的な接触は２表面のわずか約５％で生じる結果
になる。その結果、熱移動は貧弱になる。ウエーハとヒ
ートシンクの間の伝導的な熱移動を最適化するための形
状づけしたヒートシンク表面が米国特許第4,535,835号
（1985年８月20日、ホールデン）に開示されている。こ
のヒートシンク表面は、均一な接触圧分布と、周縁をク
ランプしたウエーハにその弾性限界に達する応力とを生
じる荷重をかけるように形状づけられている。

処理中のウエーハ温度を制限するその他の技術にはバ
ッチ処理法があり、これは入射イオンビームを多数のウ
エーハについて時分割して、どれか特定のウエーハ上の
過熱を制限するようにしたものである。熱伝導性流体を
ウエーハ裏面に接触する柔軟性ダイアンフラムに閉じ込
め得ることが米国特許第4,580,619号（1986年４月８
日、エイッケン）及び同第4,682,566号（19877年７月28
日、エイッケン）に開示されている。

ガス伝導の技術も真空内でのウエーハ冷却に利用され
てきた。ガスは半導体ウエーハの背後のキャビティに導
入され、ウエーハとシンクとの間の熱的連結をもたら
す。ガスを補助とした半導体ウエーハとの固体−固体熱
移動が米国特許第4,457,359号（1984年７月３日、ホー
ルデン）に開示されている。半導体ウエーハはその周縁
で、成形プラテン上にクランプされる。加圧されたガス
がプラテンとウエーハの間の顕微鏡的ボイド領域に導入
される。ガス圧は、ウエーハ対プラテン間隔を著しく増
加させることなく予荷重クランプ圧に届くので、それに
より熱抵抗を減少させる。ガス伝導冷却を利用する時に
は、ガスをウエーハ背後の領域に閉じ込めることと、ガ
スが真空室内へ逃げるのを防止することが必要である。
なぜなら、ガスの真空室内への逃散は今なされつつある
処理に致命的結果をもたらしかねないからである。

真空内での熱移動のためのその他の従来技術に、半導
体ウエーハとヒートシンクとの間に熱伝導性ポリマーを
使用することがある。ウエーハとヒートシンクの間の熱
的接触をもたらす、粘性ある夫活性ポリマー薄膜が米国
特許第4,139,051号（1979年２月13日、ジョーンズほ
か）に開示されている。ここに開示されたポリマー薄膜
は、ウエーハを処理中に定位置に保持するのに有利に使
用される粘性表面をもっている。しかし、かような粘性
表面は自動化した処理、すなわちウエーハがイオンビー
ム処理後容易に除去できなければならないような工程で
は受容されない。自動化機器における粘性表面の使用
は、しばしばウエーハの除去中にウエーハ破壊を生じ、
又はウエーハを粘性表面から全く除去不能ならしめるこ
とがある。さらに、粒子、塵、その他の望ましくない物
質が粘性ポリマー表面に付着して、次のウエーハを汚染
する傾向がある。その上、異物を粘性表面から清掃する
ことは困難である。

半導体ウエーハとヒートシンクの間に、しなやかな熱
伝導性層を利用する自動化ウエーハクランプ機構が米国
特許第4,282,924号（1981年８月11日、ファレットラ）
に開示されている。ウエーハはその周縁で、表面に熱伝
導性シリコーンゴムの層を有する凸面状プラテンにクラ
ンプされる。この装置は多様な条件下で満足な熱移動を
もたらしてきた。しかし、時としてシリコーンゴム表面
が粘着することが問題であった。このような粘着を制限
するため比較的固いシリコーンゴムが利用されてきた。
しかしながら、比較的固いシリコーンゴムは熱移動に関
しては効果が少なく、ウエーハと凸面状シリコーンゴム
表面との密な接触がいつも実現されるとは限らない。

選択されたイオンによるイオン注入を利用するポリマ
ー材料の表面を改良する技術が英国特許出願第2,071,67
3A号（1981年９月23日公開）に開示されている。しか
し、この英国特許公開はポリマー表面への粘着を防止す
る技術の開示を含んでいない。

シリコーンゴム又はその他のポリマー層中のキズや気
泡は熱移動性能を深刻に劣化させることがある。成形工
程中に存在する気泡がシリコーンゴム層の表面にボイド
を残すと、熱移動はボイドの領域で減少する。気泡がシ
リコーンゴム層の厚みの中にある時は、そこから真空工
程中に徐々に脱ガスして真空室内に事実上漏出を起こさ
せる。均質で気泡のないシリコーンゴム層を実現するこ
とは困難とされている 米国特許第4,535,835号及び第4,282,924号に開示され
ている弯曲プラテンはウエーハと熱伝導性表面の間の接
触面積を増加させはするが、入射イオンビームとウエー
ハ表面間の角度の場所的変動を生じさせる。イオン注入
などのような或る方法で、入射角変動は深刻な問題とな
り得る。入射イオンの浸透深さは、周知のチャンネル効
果により入射角の関数である。従ってイオン注入におい
ては半導体ウエーハの表面積全体にわたりイオンビーム
ウエーハ表面間に一定した入射角とすることが望まし
い。

発明の目的 本発明の全体的目的は真空内のワークピースについて
熱移動を行なうための改良された装置を提供することで
ある。

本発明の他の目的は半導体ウエーハとヒートシンク
（又は熱源）との間に高度に効率的な熱移動を行なうた
めの熱伝導性ポリマー層を設けることである。

本発明の別の目的は半導体ウエーハについての熱移動
のための非粘着性表面を有する熱伝導性ポリマー層を設
けることである。

本発明のさらに他の目的は、ウエーハが処理中実質的
に平らに維持されている、半導体ウエーハについての熱
移動のための装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、ウエーハの粘着を実質的
に防止する薄い表面被膜を有する熱伝導性ポリマー層を
含む、半導体ウエーハについての熱移動のための装置を
提供することである。

本発明の別の目的は、比較的高水準の入射エネルギー
を許容するように真空処理中の半導体ウエーハを効果的
に冷却する装置を提供することである。

本発明の他の目的は構造が簡単で低価格である半導体
ウエーハの熱移動装置を提供することである。

本発明のその他の目的は、熱異同を強化するためきわ
めて滑らかな表面をもった熱伝導性ポリマー層を含む半
導体ウエーハの熱移動装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、半導体ウエーハの表面凹
凸に合致するように非常に軟らかい熱伝導性ポリマー層
を含む半導体ウエーハの熱移動装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的は真空中のワークピースにつき熱移
動を行なうための改良方法を提供することである。

本発明の他の目的は、ポリマー層にウエーハが接着す
るのを防ぐように、半導体ウエーハの熱移動に使用する
熱伝導性ポリマー層を処理する方法を提供することであ
る。

さらに他の本発明の目的は、多数小プレートから成る
薄い表面被膜をもつ熱伝導性ポリマー層を含む半導体ウ
エーハの熱移動を行なう装置を提供することである。

発明の概要 本発明によれば、これらの目的及び他の目的並びに利
点は、半導体ウエーハなどのような真空中におけるワー
クピースにつき熱移動を行なうための装置であって、熱
移動表面と、この熱移動表面に添着されたワークピース
の表めの形状一致させるための第１の熱伝導性層と、こ
の第１の層に添着されワークピースに接着することなく
接触するための滑らかな表面を有する、第１の層に比し
て薄い第２の熱伝導性層とを含む熱伝導性プラテンから
成る装置によって達成される。

上記第１の層は典型的に熱伝導性ポリマー層であっ
て、好適に熱伝導性粒子を分散させてあり、ショアＡ硬
度約20以下であることにより特徴づけられる硬さをもつ
シリコーンゴムである。第２の層は好適にシリコーンゴ
ム層の酸素プラズマ処理により形成された酸化物表面被
膜である。

第１の層と第２の層は半導体ウエーハの背面の不規則
性に一致してウエーハと第２の層との間の優れた接触を
もたらす。第２の層は半導体ウエーハの面全体で均一な
接触をもたらすようにきわめて滑らかであって、ウエー
ハに接着する傾向はほとんど、又は全くないから、自動
化ウエーハ処理及び取扱いを容易ならしめる。好適に、
第２の層は、ウエーハの背面に個々に合致して密な接触
をさらに強めるような多数小プレート状部分に破砕され
る。

本発明の他の特徴によれば、半導体ウエーハのような
ワークピースにつき熱移動を行なわせる方法が実現され
る。この方法は、熱移動表面をもつ熱伝導性プラテンを
用意すること、この熱移動表面に軟らかい熱伝導性ポリ
マー層を付着させること、このポリマー層の上にワーク
ピースと接着することなく接触する薄い表面皮膜を形成
すること、そしてワークピースをこの表面皮膜に接触さ
せるように圧縮させること、から成るものである。好適
に、表面皮膜の成形工程は、0.1〜5.0μの範囲の厚さの
酸化皮膜を生じるのに十分なポリマー層の酸素プラズマ
処理工程を含む。

本発明の他の特徴によれば、半導体ウエーハのポリマ
ー層への接着を避けるため半導体ウエーハの熱移動に使
用される熱伝導性ポリマー層を処理する方法が実現され
る。この方法は、ポリマー層の上にこれより硬い薄い表
面皮膜を形成する工程から成る。好適に、ポリマー層
は、熱伝導性粒子を分散させてあるシリコーンゴムから
成り、そして表面皮膜を形成する工程は酸化表面皮膜を
形成させるようにシリコーンゴムを酸化プラズマ処理す
る工程を含む。

発明の実施例 本発明の熱移動装置を利用する真空処理システムのブ
ロック図が第1A図に示されている。半導体ウエーハ10が
熱移動装置12の上に載置されている。ウエーハ10と熱移
動装置12は、真空ポンプシステム16により特定圧範囲に
まで減圧された真空室14内に置かれている。イオンビー
ム源18はイオンビーム20をウエーハ10に送向して不純物
ドーパントの注入、エッチング、又はその他所望の機能
を行なわせるが、望ましくない加熱を起こさせる不利が
ある。第1A図のシステムはイオン注入システム、反応性
イオンエッチングシステム又はその他イオンビームで半
導体ウエーハ10を処理する処理システムであり得る。

このシステムがイオン注入システムである時は、イオ
ン源18からのイオンビーム20は、質量分析され収束され
て、所望のイオン種のよく限定されたビームを生じる。
ビーム20の電界偏向若しくは磁界偏向により、又はウエ
ーハ10の機械的運動により、又はそれらの組合せによ
り、イオンビーム20とウエーハ10が相対運動すると、ウ
エーハ表面全体にわたり均一なイオン量分布を生じる。
多くのイオン注入システムは大きな２つのカテゴリー、
すなわち（１）電界ビーム偏向を利用し、一時に１〜２
枚のウエーハを処理する逐次型システムと、（２）回転
ディスクの上に25枚までのウエーハを乗せて、ビームの
磁界偏向により回転ディスク上にビームを走査するバッ
チ型システムとに分けられる。いずれのタイプにおいて
も、イオンビーム20によりウエーハに与えられる熱エネ
ルギーは相当なものになることがあり、注意深く設計し
たウエーハ冷却装置によりこの熱を除去しなければなら
ない。

自動化システムにおいて、１枚又は複数枚のウエーハ
は、急速真空ポンプを容易にするため主ビームラインか
ら分離され得るターゲット室内に配置される。自動ウエ
ーハ移送システムを有する最終ステーションで半導体ウ
エーハをターゲット室内のターゲット位置に導入し、ウ
エーハをターゲット平面に整合させて、注入中にウエー
ハの冷却を行ない、そして注入が完了した後ウエーハを
ターゲット室から取り出す。各ターゲット位置において
は、注入中の位置にウエーハを保持するためと、ウエー
ハを冷却するための手段を設けなければならない。逐次
型システムは１つ又は２つのターゲット位置をもち、バ
ッチ型は多数のターゲット位置をもつ。

各ターゲット位置における熱移動装置12は、プラテン
34の熱移動表面32に付着された熱伝導性層30を有する。
熱伝導性層30は適当な熱伝導性材料でよいが、典型的に
ポリマー層である。ポリマー層30は、エラストマーなど
のような柔軟性物質で形成され、ウエーハ10の表面の不
規則性に一致するが、ウエーハ10を除去すればもとの形
に戻る。ポリマー層30は別個に形成され得るが、典型的
には熱移動表面32上にその場で成形される。ポリマー層
30は熱の移動を強めるため軟質であり、そしてウエーハ
10への粘着を防止するためポリマー層30より硬くて薄い
小プレート状表面層又は皮膜50を有している（後に詳述
する）。半導体ウエーハ10は表面皮膜50の上面38に好適
には最大化した力40によって密な接触をするように押し
つけられる。以下に述べる遠心力クランプについて、力
40は典型的に約0.02ld/cm²である。イオンビーム20によ
ってウエーハ10に与えられる熱エネルギーは伝導により
表面皮膜50とポリマー層30とを経てプラテン34へ移動さ
れ、適当な冷却手段によって除去される。

好適に、ウエーハ40を表面皮膜50との接触に押しつけ
る力40は、熱移動装置12の所定軸線周囲の回転から生じ
る遠心力である。熱移動装置12は、第1B図に示すよう
に、モータ44により回転されるディスク42に取付けられ
ている。ディスク42の周縁には、ウエーハ取付けサイト
（site）46が配置されていて、各サイト毎に熱移動装置
12が設けられている。各ウエーハサイト46（熱移動装置
12を含めて）は回転軸線48に対して傾けられているか
ら、ウエーハ10を表面皮膜50に圧接しようとする遠心力
が生じる。第1B図のような装置は、ウエーハ全表面がイ
オンビーム20による処理に対し露出されていて、周縁を
リングでクランプすることによりウエーハ面積のロスが
ないという利点を有する。その上、ウエーハは平面であ
るからイオンビーム20の入射角はウエーハ表面全体にわ
たり一定である。

これと異なり、従来技術で公知のウエーハの周縁クラ
ンプも利用可能である。その場合は、米国特許第4,282,
924号、同第4,457,359号に記載されているような形状づ
けた表面を用意して、ウエーハの表面積全体にわたりウ
エーハと表面皮膜50との接触を確保することが通常望ま
しい。

プラテン34は典型的にアルミニウム又はその他の熱伝
導性材料製で、好適には熱移動速さを増加させるため冷
却式とする。液体冷却は、プラテン34の体部内の冷媒通
路（図示せず）か、又はプラテン34の背面に取付けた冷
却循環用の管路（図示せず）か、又はその他在来の冷却
手段によって行なうことができる。

第２図には熱移動装置12の部分拡大断面図を示す。ポ
リマー層30の背面36は、後述する成形工程の間にプラテ
ン34の熱移動表面32に接着される。ポリマー層30は、表
面皮膜50とポリマー層30とが両方ともウエーハ10の背面
の不規則性や、ウエーハ10と表面皮膜50との間の望まし
くまい異物に追随した形をとれるようにきわめて軟質で
ある。好適な一例において、ポリマー層30は、酸化アル
ミニウム、グラファイト若しくはカーボン、又はその他
の適当な熱伝導性材料であり得る熱伝導性粒子52を含有
するシリコーンゴムである。好適に、熱伝導性粒子52は
40μ又はそれ以下の大きさの断面形状をもつ。上述のよ
うに、シリコーンゴムはきわめて軟質であって、好適に
ショアＡ硬度20又はそれ以下の硬さをもつ。

従来技術の熱伝導性シリコーンゴム層は、ウエーハの
シリコーンゴム層への粘着又は接着を制限するため典型
的にショアＡ硬度50から70の範囲の硬度で製作されてい
た。というのは、軟質シリコーンゴム層は硬質のものよ
り粘性であると知られていたからである。本発明によれ
ば、粘性シリコーンゴム表面の問題は、ポリマー層30の
上面にポリマー層30より硬くて薄い表面皮膜50を設ける
ことにより克服される。表面皮膜50はきわめて滑らかな
表面であって、ウエーハ10の背面に接着することがな
く、且つウエーハ10の背面と非常に均一で密な接触をも
たらす。好適な実施例において、表面皮膜50は後述する
ようにシリコーンゴムの酸素プラズマ処理によって生成
した酸化物である。酸化皮膜はおそらくSiO₂（又は石
英）の組成をもち、これはシリコーンゴム層の肉厚と連
読一体をなしている。表面皮膜50は、一続きのフィルム
であってもよいが、通常は平たい小プレート多数の形を
取り、例えばプレート50a,50b,50c,50dが熱移動装置の
製造中又は製造後に皮膜50の受ける機械的応力又は熱応
力に応じて約５〜1000μの寸法をとる。平たい小プレー
ト50a,50b,50c及び50dの各々は滑らかな上面を有する。
この実施例で、表面皮膜50の選択された厚さは0.1〜５
μの範囲であり、他方ポリマー層30の選択された厚さは
0.01インチから0.020インチ（約0.025〜0.5mm）の範囲
である。好適に、表面皮膜50はポリマー層30より少なく
とも10倍硬いものとし、またポリマー層30は表面皮膜50
より少なくとも50倍厚いものとする。

表面皮膜50はウエーハ10の背面に接触してウエーハと
合致する。小プレート50a,50b,50c等々の各々がウエー
ハの下で、軟質で可撓性あるポリマー層30の上に自由に
浮動するからである。硬い表面皮膜50は、石英に固有の
硬さと強度をもつから、機械的な摩耗と損傷に耐える。
石英表面が粘性あるシリコーンゴムをウエーハ10から隔
てるから、ウエーハの粘着も防止される。軟質ポリマー
層は固有の弱い引張り強さを呈するから、きわめて容易
に粒子にまとまってしまう。硬い表面皮膜50は軟らかい
ポリマー層を保護し、粒状化の傾向を減少させる。軟ら
かいポリマー層の清掃は、通常粒状化の傾向や、その他
の汚染物が表面に付着したり軟質ポリマー中に埋没する
ために困難である。この問題も硬質表面皮膜50が存在す
ることによって克服される。その上、表面皮膜50は、ウ
エーハが装置上にない時に軟質ポリマー層がイオンビー
ムにより損傷されることから保護する。こうして、本発
明は軟質エラストマーの冷却効果と、硬質物質の剥離容
易、清掃性及び耐久性と結合させたものである。

以上、熱移動装置12をウエーハの冷却と関連して、す
なわちイオンビーム20又はその他のエネルギー源から半
導体ウエーハ10に与えられた熱エネルギーの除去につい
て説明した。しかし、熱移動装置12はウエーハの加熱に
もウエーハ冷却と同様に利用し得るものである。半導体
ウエーハを処理中に時に加熱することが望まれる真空処
理の例として、スパッタコーチングがある。加熱が望ま
れる時プラテン34の温度を上げると、熱エネルギーはポ
リマー層30と表面皮膜50を通って半導体ウエーハ10に移
動される。

上述のように、半導体ウエーハから従来のポリマー層
への熱移動速さは限られていた。この限定は一部では、
第３図（理解を容易にするため、非常に大きく拡大して
ある）に示すように、ウエーハと従来のポリマー層表面
との間の接触の欠如に起因する。従来のポリマー層54は
熱伝導性粒子56を含んでいる。この粒子56の少なくとも
或るものはポリマー層54の上表面54aより上へ突出す
る。その結果、ウエーハ58をポリマー層54の上に置く
と、突出粒子56が上表面54aへの良好な接触を妨げ、伝
導による熱移動率を制限するのである。

従来のポリマー層54はまたボイド又は気泡57をも含有
し、これが熱移動率を減少させ、真空処理中に気体漏出
を起こさせる。また表面の凹み59はウエーハ58と上表面
54aとの接触面積を減少させて熱移動率を低下させる。

熱伝導性粒子の突出の問題は、本発明により、ポリマ
ー層をモールド内で製造し、その際ポリマー層上表面
（ウエーハと接触する面）を形成するモールド表面に注
意深い考慮を払うことによって解消し得ることが認めら
れた。このモールド表面には、きわめて滑らかで、好適
には光学的に平らな、そして熱伝導性粒子が成形中にポ
リマー層のウエーハ接触面から突出するのを防止するの
に十分硬い離型材が与えられる。従来の成形技術では比
較的軟らかい離型材、例えばグリース、オイル又はワッ
クスが使用された。第４図に示すように、ポリマー層60
は熱伝導性粒子62を含んでいる。表面60aに近い粒子62
は成形工程中にポリマー層60の肉厚の中へ押し込まれ、
効果が完了すると粒子62を突出させることのない滑らか
な表面がもたらされるのである。その結果、ポリマー層
60上に置かれたウエーハ64は実質的にその全背面で表面
60aと接触し、従って伝導による熱移動率は従来に比べ
て大いに増加する。第４図においてウエーハ64は、粒子
62がポリマー層60の表面より上へは突出しないことを明
示するため、ポリマー層60の上へ少し離して図示してあ
る。後述するように、モールドの離型表面はガラス、硬
質ステンレス鋼、ポリエステルフィルム、又はその他滑
らかな表面を形成することができ、成形中にポリマーに
接着せず、成形中に熱伝導性粒子の突出を防止するに十
分硬いその他の材料であり得る。

シリコーンゴム層30の製造において、突出した熱伝導
性粒子又はその他の粒子がなく、成形工程中に存在した
気泡に起因する表面凹み59がない、きわめて滑らかな表
面を形成することが必要である。このような粒子又は凹
みは、ウエーハとシリコーンゴム層との間の熱移動率を
減少させるからである。その上、シリコーンゴム層の体
部の中にも捉えられた気泡57がないことが必要である。
これは、熱移動率を減少させるだけでなく、シリコーン
ゴム層を真空に入れた時脱ガスして処理室内に漏れ出す
おそれがあるからである。従って、ポリマー層30はきわ
めて純粋で、気泡その他の異物がないものであるべきで
ある。

ポリマー層30を形成するための装置を第5A図と第5B図
にブロック図で示す。好適なモールド構造は第６図に示
してある。第5A図及び第5B図の装置はウエーハサイトが
１個又はそれ以上のポリマー層30を製造するのに利用さ
れ得る。モールド70はアルミニウムプラテン34上にポリ
マー層30を形成するのに利用される。モールド72…74は
単一成形工程で追加プラテン（図示せず）上に追加ポリ
マー層を形成するのに利用される。モールド70,72,74は
真空密にシールされている。容器76はカバー78とＯリン
グ80を利用してシールされている。管82がカバー78の通
孔84を貫通して、モールド70,72,74の各々の中のモール
ドキャビティ（第5A図には図示せず）に通じている。管
82はＯリング86によってカバー78にシールされている。
好適に、管82は可撓性であって、各成形工程ごとに使い
捨てとするのがよい。

容器76内の器87にポリマー層30を形成するためのレジ
ン液88が入っている。典型的にレジン液88は製造手続き
が開始されるまで別々に保たれる２種又はそれ以上の反
応性成分の混合物として形成される。ここで使用する
「レジン」という語はポリマー層の硬化する前に液状形
体であって、モールド内に吸入又は射出することのでき
るものを指す。レジン88は器87を使わずに容器内76に入
れてもよい。しかし、別の器87を使えば容器76をきれい
に保つことができるし、必要ならレジン88を容易に交換
することができる。

シールされた容器76は導管90により弁92を経て圧力源
94へ連結される。圧力源94は、容器76を約5lb/in²の所
望圧力水準に加圧するためのエアポンプその他の手段で
あり得る。容器76はまた導管90により弁96を経て真空ポ
ンプ98にも連結され、容器76を約１トールの圧力水準に
排気できるようにされている。

管82は１個又はそれ以上のモールド70,72,74に真空密
に連結され、容器76内の管82の端部はレジン液88の上方
に離されている。弁92を閉じ、弁96を開くと、真空ポン
プ98がシールされた容器76と、モールド70,72,74内のモ
ールドキャビティとを減圧する。容器76内の減圧はレジ
ン液88内の気泡の脱気を促進させ、それにより均質でガ
スを含まない材料をもたらす。

次に、Ｏリング86を通じて管82を滑らせることにより
容器76内の管832の端部をレジン液88の表面より下げ、
弁96を閉じ、弁92を開く。圧力源94が所定の圧を容器76
内に作用させるので、レジン液88は管82を通って、まだ
排気されているモールド70,72,74内のモールドキャビテ
ィへ第5B図に示すように圧送される。モールドキャビテ
ィは排気されており、レジン液88は脱気されているか
ら、モールドキャビティは実質的に捕捉ガスを含まない
レジン液88で満たされる。モールドキャビティ内でレジ
ン88を室温又は昇温で硬化させると、ポリマー層ができ
る。このポリマー層は高度に均質で、表面凹所や捕捉ガ
ス泡をもたないものである。

モールド70,72,74の１つの実施例の詳細を第６図に示
す。その上シリコーンゴム層を形成すべきアルミニウム
プラテン34には熱移動表面32とその反対表面との間に通
孔102が形成されている。開口106を有する可撓性柔軟性
ガスケット104が熱移動表面32上に置かれる。ガスケッ
ト104の厚さはポリマー層の所望厚さに等しく、開口106
は典型的に円形で、ポリマー層の所望直径に等しい直径
を有している。好適に、ガスケット104はポリウレタン
で形成される。ついで、モールド離型表面112を有する
上型部材110がガスケット104の上に置かれて、成形すべ
きポリマー層の大きさと形状を規定する密封されたモー
ルドキャビティ114を形成する。

上述したように、モールド離型表面112はガラス、硬
質ステンレス鋼、ポリエステルフィルム、又はその他レ
ジン88の中の熱伝導性粒子がポリマー層の表面上へ突出
するのを防ぐに十分な硬さをもち、硬化中のポリマー層
が付着するのを防止する材料であり得る。好適に、モー
ルド離型表面112は光学的に平らにされる。必要なら、
エアロゾルスプレーの形の離型剤を表面112に適用して
もよい。好適なエアロゾルスプレーは粒径１〜５μのテ
フロンである。１つの好適実施例において、離型表面11
2ポリエステルフィルムであり、これは成形中にポリマ
ー層30に移され、成形後もあとの組立及び試験手続中に
保護のためポリマー層30の上に残される。このポリエス
テルフィルムは後にポリマー層30から剥がして除去され
る。柔軟性ガスケット104の使用はモールドキャビティ1
14をシールし、且つポリマー層30の厚さと直径を規定す
ると共に、フラッシング（モールド部材間からの漏出）
その他ポリマー層30の周縁における不規則性を防止する
ものである。

シールされた容器76からの管82は適宜真空密な取付け
具で通孔102を介してモールドキャビティ114に接続し、
上述のようにモールドキャビティ114の排気と続く充填
を行なう。モールドキャビティ内でレジンは典型的に室
温で硬化させられる。硬化の後、上型部材110とガスケ
ット104をプラテン34から除去すると、熱移動表面32に
接着した軟質のポリマー層30が残される。

次に、ポリマー層30付きのプラテン34をプラズマエッ
チング装置、例えばウエーハからフォトレジストを除去
するのに普通に使用されているドライテック（Drytek）
エッチャーに入れる。このエッチング装置の室を排気
し、酸素を約400ミクロンの圧力水準で室内に導入す
る。約１キロワットの水準の無線周波数エネルギーをエ
ッチング装置により酸素にかけて、室内に酸素プラズマ
を生成させる。プラテン34とポリマー層30はわざわざ加
熱しなくても、適用された無線周波数エネルギーで温度
は約100℃に上がる。プラテン34とポリマー層30を約30
分間酸素プラズマ内に置くと、薄くて比較的硬い表面皮
膜50がポリマー層30上に形成される。ポリマー層30の酸
素プラズマ処理は、きわめてきれいな表面を生成する。
その上、酸素はシリコーンゴム中のケイ素と反応して二
酸化ケイ素（又は石英）の層、好適に0.1〜５μ圧の層
を形成する。石英層の厚さは酸素プラズマ処理の時間に
より変わる。シリコーンゴムは水素、炭素及びケイ素か
ら成るから、酸素プラズマがシリコーンゴム層の上表面
付近から水素と炭素をH₂O及びCO₂の形で除去することに
より、ほとんど純粋なケイ素の上表面層を残すのである
と考えられる。このケイ素がプラズマ中の酸素と反応し
て酸化物層を形成する。また、ゴムの中のオイルが酸素
プラズマ処理中に泡となって吹き出し、酸素と反応して
二酸化ケイ素を生成するのであると考えられる。

酸化物（石英）表面皮膜50は、約５〜1,000μの種々
の寸法の多数小プレートに容易に破砕されることが認め
られた。これら小プレートは、機械的応力、熱的応力又
はその両者を皮膜50に加えることにより生成され得る。
石英小プレートはシリコーンゴム表面の一体的部分とし
て形成されているので、シリコーンゴム表面から剥離す
ることはない。多数小プレートの各々は独立して動くか
ら、ウエーハ裏面の不規則表面や、ウエーハとポリマー
層の間に誤って取り込まれた粒子などにもよく追随し
て、該裏面と密着することができる。その結果、冷却性
能は高められる。

ポリマー層30の製造方法は第７図に要約してある。最
初に、工程120に示すようにガスケット104と上型部材11
0をプラテン34に取付けてモールドキャビティ114を形成
し、器87に入れたレジン88を容器76に入れて、カバー78
を密封する。次に、工程122で、弁96を開いてモールド
キャビティ114と容器76を排気する。工程124に示すよう
に、管82をレジン88に漬けて弁96を閉じ、弁92を開い
て、圧力源94によりモールドキャビティ114にレジンを
圧送する。レジンは工程126で硬化させられ、上型部材1
10とガスケット104を工程128で除去する。最後に、プラ
テン34とこれに付着されたポリマー層30に工程130で酸
素プラズマ処理をして表面皮膜50を形成させる。

表面皮膜50を形成するのに、その他の技術も本発明の
範囲内で使用できる。例えば、シリコーンゴム表面上に
シランガスと酸素を付着することも酸化物層を形成する
のに利用され得る。また、表面皮膜はその他の滑らかな
小プレート状物質、例えばグラファイトによっても形成
され得る。グラファイトを機械的に付着させ擦りつけて
シリコーンゴム層の表面に接着させると、強化された熱
移動がもたらりされ、しかもウエーハへの接着はしな
い。第１の要件は、比較的軟質で熱伝導性のポリマー層
上に、薄くて滑らかで比較的硬質の表面皮膜を生成させ
ることである。この表面皮膜は、粘着を防止し、半導体
ウエーハとの密な接触を可能にするものである。軟質の
ポリマー層とその表面皮膜は共にウエーハ裏面によく合
致し、共に高い熱伝導性を有するから、全体的な熱移動
性能は大いに改良される。熱接触抵抗は本発明の熱移動
装置について約10℃／ワット/cm²と測定された。これに
対し、ガス冷却について良好な性能のもので約40℃／ワ
ット/cm²、従来技術のポリマー層での典型的な性能で約
50〜60℃／ワット/cm²であるにすぎない。

【図面の簡単な説明】

第1A図は本発明に係る熱移動装置を利用する半導体ウエ
ーハの真空処理システムを略示するブロック図、 第1B図はイオン注入におけるウエーハの遠心力クランプ
のための回転ディスクを例示する略示図、 第２図は第1A図に示した熱移動装置と半導体ウエーハと
の一部を拡大して示す部分拡大断面図、 第３図は従来技術のポリマー層と半導体ウエーハとの部
分拡大断面図、 第４図は本発明に係るポリマー層と半導体ウエーハとの
部分拡大断面図、 第5A図は本発明に係る熱移動装置を形成する装置の排気
中の状態を示す略示ブロック図、 第5B図は同じくポリマーレジンをモールドキャビティへ
射出している状態の略示ブロック図、 第６図は本発明に係るポリマー層を成形するモールドの
断面図、 第７図は本発明のポリマー層を成形する工程を示すブロ
ック図である。 主要符号 10……ウエーハ 32……プラテン34の熱移動表面 30……第１の熱伝導性層（ポリマー層） 50……第２の熱伝導性層（表面皮膜） 50a,b,c,d……小プレート（石英表面皮膜） 52……熱伝導性粒子

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウエハに対して熱移動を行うための
   装置を組み立てるための方法であって， 熱移動体表面を有する熱伝導性プラテンを与える工程
   と， 前記熱移動体表面にモールドを形成する工程であって，
   該モールドが熱伝導性ポリマー層用のモールドキャビテ
   イを画成し，該モールドキャビテイが前記熱移動体表面
   の一部により一部分画成される，ところの工程と， 前記ポリマー層のためのレジン用の容器及び前記モール
   ドキャビテイをチュープと結合する工程と， 前記容器を真空排気し，それによって，前記チューブを
   通じて前記モールドを真空排気する工程と， 続いて，前記チューブの一端を前記ポリマー層のための
   前記レジンに浸ける工程と， 前記チューブを通じて前記レジンを真空排気された前記
   モールドキャビテイ内に強制的に入れるために，前記容
   器内の空間を前記ポリマー層のための前記レジンより上
   に与圧することにより，前記ポリマー層のためのレジン
   を前記モールドキャビテイ内に注入する工程と， 前記熱移動体表面から離れたモールド表面と接触した状
   態で，前記ポリマー層のためのレジンを前記モールドキ
   ャビテイ内で固めさせる工程であって，前記モールド表
   面は前記熱移動体表面のその部分上に半導体ウエハを接
   触させるための光学的に平坦な表面を有するポリマー層
   を形成させる，ところの工程と， から成る方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の方法であって，前記注入
   工程は，前記プラテンを通じて前記レジンを前記モール
   ドキャビテイ内に注入することから成る， ところの方法。
3. 【請求項３】請求項１に記載の方法であって，さらに前
   記熱移動体表面の前記部分を前記モールドの一部に弾力
   的にシールする工程を含む， ところの方法。
4. 【請求項４】請求項１に記載の方法であって，さらに固
   める前に熱伝導性粒子を前記レジン内に導入する段階で
   あって，前記モールド表面は前記熱伝導性粒子が前記ポ
   リマー層の表面上に突出するのを防止する， ところの方法。
5. 【請求項５】ポリマー層を形成するための方法であっ
   て， 前記ポリマー層を形成するためのモールドキャビティを
   画成するモールドを形成する工程と， 前記ポリマー層のためのレジンを容器内に配置する工程
   と， 前記容器及び前記モールドキャビティをチューブに結合
   する工程と， 前記容器を真空排気し，それによって，前記チューブを
   通じて前記モールドキャビティを真空排気する工程と， 前記チューブの一端が前記レジン内に浸かるように，前
   記チューブの一端と前記容器との間で相対運動を生じさ
   せる工程と， レジンを前記チューブを通じて真空排気された前記モー
   ルドキャビティ内に強制的に入れ前記ポリマー層を形成
   するために，前記容器内の空間を前記ポリマー層のため
   のレジンより上に与圧する工程と， から成る方法。