JP2820880B2 - Holding device with cooling function - Google Patents

Holding device with cooling function

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JP2820880B2
JP2820880B2 JP545494A JP545494A JP2820880B2 JP 2820880 B2 JP2820880 B2 JP 2820880B2 JP 545494 A JP545494 A JP 545494A JP 545494 A JP545494 A JP 545494A JP 2820880 B2 JP2820880 B2 JP 2820880B2
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隆介 牛越
鍠一 梅本
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  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエハー等の急
速冷却に好適に使用できる、冷却機能付き保持装置に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a holding device having a cooling function which can be suitably used for rapid cooling of a semiconductor wafer or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、16DRAMの半導体の量産工場
では、設備費が増大しつつあり、半導体ウエハー処理装
置には、スループット(ウエハーの処理速度を示す。)
の向上と装置のメンテナンスに必要なダウンタイムの削
減とが要求されている。特に、熱CVD、エピタキシャ
ル、スパッタ、エッチング、ラピッドサーマルアニール
装置では、容器内にサセプターを設置し、このサセプタ
ーに半導体ウエハーを設置し、ウエハーを加熱する。装
置をメンテナンスする際には、サセプターがハンドリン
グ可能な温度まで冷えるのを待つ必要がある。この冷却
時間、冷却後に行う作業の時間及び加熱に必要な時間の
総和が、ダウンタイムであり、できるだけ短くすること
が要求される。
2. Description of the Related Art Conventionally, equipment costs are increasing in a mass production factory of 16 DRAM semiconductors, and the throughput (indicating the wafer processing speed) is required for a semiconductor wafer processing apparatus.
There is a demand for improvement of the performance and reduction of downtime required for maintenance of the apparatus. In particular, in a thermal CVD, epitaxial, sputtering, etching, or rapid thermal annealing apparatus, a susceptor is installed in a container, a semiconductor wafer is installed on the susceptor, and the wafer is heated. When maintaining the device, it is necessary to wait for the susceptor to cool down to a temperature that can be handled. The total of the cooling time, the time of the work performed after the cooling, and the time required for the heating is a downtime, and it is required to be as short as possible.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、例えばサセプ
ターを1000℃に加熱し、半導体ウエハーを処理した
後、80℃以下の温度にまで降温するのには、通常1時
間以上の長時間が必要であり、加熱及び冷却に要する装
置の休止時間(ダウンタイム)が長くなっていた。
However, it takes a long time, usually one hour or more, to heat the susceptor to 1000.degree. C. and process the semiconductor wafer and then lower the temperature to 80.degree. C. or less. In some cases, the downtime of the apparatus required for heating and cooling was long.

【0004】また、アルミニウム等の合金の溶融物を放
冷して固化させる際や、ガラスの溶融物を放冷して固化
させる際には、試料保持部材に設けた試料設置部の中に
溶融物を入れ、これを放冷して固化させて合金やガラス
の固化物を製造している。しかし、合金やガラスの放冷
工程に時間がかかっており、特に高温で安定な相からな
る合金やセラミックスを、高い生産性で製造することは
できなかった。また、ガラスの場合には、結晶化を防止
するために、急冷する必要がある。
[0004] Further, when the molten material of an alloy such as aluminum is allowed to cool and solidify, or when the molten material of glass is allowed to cool and solidify, the molten material is placed in a sample setting portion provided on a sample holding member. The product is put into the furnace and allowed to cool to solidify to produce a solidified alloy or glass. However, it takes a long time to cool the alloy or glass, and it has not been possible to produce alloys and ceramics having a stable phase at high temperature with high productivity. In the case of glass, quenching is required to prevent crystallization.

【0005】本発明の課題は、半導体ウエハー、合金の
インゴット等を高温で保持して熱処理するための試料保
持部材において、試料保持部材の応答性を高めることに
よって、試料保持部材の温度を自在に、迅速に変更でき
るようにすることであり、これによって、試料の処理効
率を向上させることである。
An object of the present invention is to provide a sample holding member for holding a semiconductor wafer, an alloy ingot, or the like at a high temperature for heat treatment, thereby improving the response of the sample holding member to freely control the temperature of the sample holding member. To change the sample quickly, thereby improving the processing efficiency of the sample.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の保持装置は、試
料を設置する設置部を備えているセラミックス製の試料
保持部材であって、最高1200℃まで加熱される試料
保持部材と、この試料保持部材を冷却することによって
前記試料を冷却するための冷却手段とを備えていること
を特徴としている。
A holding device according to the present invention is a ceramic sample holding member provided with a mounting portion for mounting a sample, wherein the sample holding member is heated to a maximum of 1200 ° C. A cooling unit for cooling the sample by cooling the holding member.

【0007】[0007]

【作用】本発明によれば、最高1200℃まで加熱され
る試料保持部材に試料を設置し、熱処理することがで
き、しかも、この試料保持部材を冷却する冷却手段を備
えることによって、試料保持部材を自在に加熱、冷却す
ることができ、その温度を迅速に、高い応答性で、変化
させることができる。従って、試料の処理効率を向上さ
せることができる。
According to the present invention, a sample can be placed on a sample holding member heated to a maximum of 1200 ° C. and subjected to a heat treatment, and the cooling means for cooling the sample holding member provides a sample holding member. Can be freely heated and cooled, and the temperature can be changed quickly, with high responsiveness. Therefore, the processing efficiency of the sample can be improved.

【0008】[0008]

【実施例】本発明において、試料が半導体ウエハーであ
る場合には、装置をメンテナンスする際には、半導体ウ
エハー保持部材を冷却手段によって冷却することによっ
て、例えば800℃等の高温に保たれていた半導体ウエ
ハー保持部材を急速に、ハンドリング可能な温度、例え
ば80℃にまで冷却することができる。従って、従来に
比べて、冷却に要するダウンタイムが大きく減少し、半
導体のスループットが向上する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, when a sample is a semiconductor wafer, the semiconductor wafer holding member is kept at a high temperature, for example, 800.degree. The semiconductor wafer holding member can be rapidly cooled to a temperature at which it can be handled, for example, 80 ° C. Therefore, the downtime required for cooling is greatly reduced as compared with the related art, and the throughput of the semiconductor is improved.

【0009】また、本発明において、試料が合金やガラ
スの固化物である場合には、合金やガラスを高温で熱処
理した直後に、試料保持部材を冷却手段によって急速に
冷却することによって、高温で安定な相からなる合金や
ガラスを生産することが可能になった。
In the present invention, when the sample is a solidified product of an alloy or glass, the sample holding member is rapidly cooled by cooling means immediately after the alloy or glass is heat-treated at a high temperature. It has become possible to produce alloys and glasses consisting of stable phases.

【0010】特に、アルミリフローの分野では、ウエハ
ー上にスパッタしたAl膜を溶融温度以上に加熱し、ト
レンチへアルミニウムを流し込み、その後にアルミニウ
ムを冷却する必要があるため、この試料を保持しつつ急
速冷却をすることで、ウエハー処理の生産性を向上させ
ることができ、試料の均熱性を良くすることで、製品の
品質を高めることができる。
Particularly, in the field of aluminum reflow, it is necessary to heat an Al film sputtered on a wafer to a melting temperature or higher, pour aluminum into a trench, and then cool the aluminum. By cooling, the productivity of the wafer processing can be improved, and by improving the uniformity of the sample, the quality of the product can be improved.

【0011】また、本発明の熱処理装置は、特に、試料
が、精密な温度スケジュールに従った熱処理を要求され
る場合に有用である。なぜなら、試料の保持部材は、迅
速な加熱と、迅速な冷却とが可能であるからである。
Further, the heat treatment apparatus of the present invention is particularly useful when a sample is required to be subjected to a heat treatment according to a precise temperature schedule. This is because the sample holding member can be quickly heated and quickly cooled.

【0012】冷却手段が、冷却用流体供給装置である場
合には、流体の流動によって、保持部材及び試料の熱量
を迅速に放熱することができる。この冷却用流体として
は、圧縮空気、冷却水、熱電素子等を例示することがで
きる。保持部材が小さい場合には、冷却用流体を用いず
とも熱電素子によっても充分に急速に保持部材を冷却す
ることができる。
When the cooling means is a cooling fluid supply device, the heat of the holding member and the sample can be quickly radiated by the flow of the fluid. Examples of the cooling fluid include compressed air, cooling water, and thermoelectric elements. When the holding member is small, the holding member can be cooled sufficiently and quickly by the thermoelectric element without using a cooling fluid.

【0013】冷却用流体として圧縮空気を使用した場合
には、ノズルから圧縮空気が噴射するときに、空気の膨
張に伴う冷却によって、更に冷却が促進される。また、
冷却水は、特に大容量の保持部材に対しても有用であ
る。
When compressed air is used as the cooling fluid, when the compressed air is injected from the nozzle, the cooling accompanying the expansion of the air further promotes the cooling. Also,
Cooling water is particularly useful for large-capacity holding members.

【0014】試料保持部材の冷却面は、好ましくは、試
料の設置面以外の面である。この面としては、試料の設
置面の反対側の面あるいは側面がある。また、試料保持
部材の中に凹部又は貫通孔を形成し、この凹部又は貫通
孔内へと冷却用流体を送り込んで、保持部材を冷却する
こともできる。
The cooling surface of the sample holding member is preferably a surface other than the surface on which the sample is placed. As this surface, there is a surface or a side surface opposite to the mounting surface of the sample. Further, a concave portion or a through hole may be formed in the sample holding member, and a cooling fluid may be fed into the concave portion or the through hole to cool the holding member.

【0015】この際、凹部又は貫通孔の壁面にテーパー
部を形成することができる。この場合には、試料の外形
にも、このテーパー部と同様の形状のテーパー部を形成
する。これにより、凹部又は貫通孔の壁面が垂直である
場合と比較して、凹部又は貫通孔の壁面と試料との密着
性が向上し、熱伝導特性が向上する。
At this time, a tapered portion can be formed on the wall surface of the concave portion or the through hole. In this case, a tapered portion having the same shape as the tapered portion is also formed on the outer shape of the sample. Thereby, compared with the case where the wall surface of the concave portion or the through hole is vertical, the adhesion between the wall surface of the concave portion or the through hole and the sample is improved, and the heat conduction characteristics are improved.

【0016】図1は、バッチ式熱CVD装置用のサセプ
ター(保持部材)1を示す平面図であり、図2は、図1
のサセプターをII─II線に沿って切ってみた断面図
である。サセプター1の基体2はセラミックスからな
り、本例では略円盤形状である。基体2の表面2a側
に、それぞれ円形の設置用凹部3が成形されている。本
例では、凹部3の数は6個である。
FIG. 1 is a plan view showing a susceptor (holding member) 1 for a batch type thermal CVD apparatus, and FIG.
2 is a cross-sectional view of the susceptor taken along the line II-II. The base 2 of the susceptor 1 is made of ceramics and has a substantially disk shape in this example. On the surface 2a side of the base 2, circular installation recesses 3 are formed, respectively. In this example, the number of the concave portions 3 is six.

【0017】基体2の底面2bには、放熱部として放熱
用フィン5を設置した。各凹部3にそれぞれ半導体ウエ
ハー4を設置した。基体2の材質は、表1に示すよう
に、SiO2 、Al2 3 、AlN、Si3 4 、Si
Cを選択した。それぞれのサセプター1について、冷却
テストの比較評価を行った。各サセプター1を1000
℃にまで昇温させた。
On the bottom surface 2b of the base 2, radiating fins 5 are provided as radiating portions. A semiconductor wafer 4 was placed in each recess 3. As shown in Table 1, the material of the base 2 is SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, Si 3 N 4 , Si 3
C was selected. For each susceptor 1, a cooling test was comparatively evaluated. 1000 each susceptor
The temperature was raised to ° C.

【0018】フィン5の下側にノズル6を設置してお
き、ノズル6の先端から矢印Aのように圧縮空気又はそ
の他のガスを噴射させ、圧縮空気をフィン5へと向かっ
て吹きつけることで、サセプター1を冷却した。このと
きの圧縮空気の温度(噴射前)は25℃とし、噴射量は
1m3 /分とした。サセプター1の寸法は8インチとし
た。
A nozzle 6 is installed below the fin 5, and compressed air or other gas is injected from the tip of the nozzle 6 as shown by an arrow A, and the compressed air is blown toward the fin 5. The susceptor 1 was cooled. At this time, the temperature of the compressed air (before injection) was 25 ° C., and the injection amount was 1 m 3 / min. The size of the susceptor 1 was 8 inches.

【0019】また、比較例(表1の実験番号6)とし
て、基体の材質としてSi3 4 を用い、ノズル6を設
けず、サセプター1を放冷した。ウエハー設置面2aの
温度が、1000℃から80℃にまで降温するまでの時
間を測定した結果を、表1に示す。また、基体2の材質
について、冷却後の異常の有無を調査した。
As a comparative example (Experiment No. 6 in Table 1), the susceptor 1 was allowed to cool without using the nozzle 6 using Si 3 N 4 as the material of the substrate. Table 1 shows the results of measuring the time required for the temperature of the wafer installation surface 2a to decrease from 1000 ° C. to 80 ° C. The material of the base 2 was examined for any abnormalities after cooling.

【0020】[0020]

【表1】 [Table 1]

【0021】表1から判るように、比較例(実験番号
6)によれば、熱伝導性の良いSi3 4 を基体として
使用しても、ウエハーの降温に長時間がかかっている。
また、実験番号2、4では、Al2 3 、SiCを使用
しているが、基体の破損が生じていたので、仮にこれ以
上に冷却能力を上げたとしても、サセプターとして使用
できないので、冷却の速度には限界がある。
As can be seen from Table 1, according to the comparative example (Experiment No. 6), it takes a long time to lower the temperature of the wafer even when Si 3 N 4 having good thermal conductivity is used as the substrate.
In Experiment Nos. 2 and 4, Al 2 O 3 and SiC were used. However, since the substrate was damaged, even if the cooling capacity was further increased, it could not be used as a susceptor. Has a speed limit.

【0022】一方、実験番号1では、SiO2 は熱伝導
率が悪いので、ウエハーを効果的に冷却するという観点
からは不利である。実験番号3、5では、Si34
AlNを使用しているが、他の例と同様の冷却能力であ
っても、はるかに降温の応答性が高く、しかも、基体2
の破損が生じない。この降温速度は、僅か数分で100
0℃から室温近くにまで達するものである。従って、こ
うしたサセプターであれば、非常に高い降温速度で実用
的に使用できる。
On the other hand, in Experiment No. 1, since SiO 2 has poor thermal conductivity, it is disadvantageous from the viewpoint of effectively cooling the wafer. In Experiment Nos. 3 and 5, Si 3 N 4 ,
Although AlN is used, even if the cooling capacity is the same as in the other examples, the response to the temperature drop is much higher, and
No damage occurs. This cooling rate can reach 100 in just a few minutes.
It reaches from 0 ° C. to near room temperature. Therefore, such a susceptor can be used practically at a very high temperature decreasing rate.

【0023】本発明者は、熱伝導性の高いサセプターと
してカーボン製のサセプターも検討したが、一般のカー
ボンは多孔質の組織を有しており、ガスの吸着、放出と
いう問題があり、またコンタミネーションの問題がある
ため、上記の評価実験からは除外した。また、カーボン
元素は、半導体ウエハー等のアルミニウム配線内へと取
り込まれると、重大な不良につながる可能性がある。
The present inventors have also studied a susceptor made of carbon as a susceptor having a high thermal conductivity. However, general carbon has a porous structure, has a problem of adsorbing and releasing gas, and has a problem of contamination. Due to the problem of nation, it was excluded from the above evaluation experiment. In addition, if the carbon element is taken into aluminum wiring such as a semiconductor wafer, it may lead to serious failure.

【0024】更に、サセプターを構成する基体内に発熱
体を埋設する場合には、基体の材質を絶縁性材料とする
必要があるので、導電性のSiCやカーボンは好ましく
ない。
Further, when a heating element is buried in a base constituting a susceptor, it is necessary to use an insulating material for the base, and thus conductive SiC or carbon is not preferred.

【0025】本実施例では、バッチ式の半導体製造装置
ないしウエハー処理装置を示しているが、ウエハーの大
口径化に伴って増加しつつあるロードロック室を使用
し、ウエハーを1枚ごとに処理する、枚葉式の半導体製
造装置ないしウエハー処理装置に対して本発明の冷却機
能付き保持装置を適用した場合にも、上記と同様の効果
を奏することができる。
In this embodiment, a batch type semiconductor manufacturing apparatus or wafer processing apparatus is shown. However, a load lock chamber, which is increasing as the diameter of a wafer increases, is used to process wafers one by one. The same effects as described above can also be achieved when the holding device with a cooling function of the present invention is applied to a single-wafer type semiconductor manufacturing apparatus or wafer processing apparatus.

【0026】図3は、他の実施例に係るサセプター11
を概略的に示す断面図である。基体2の構成部分につい
ては、図1、図2に示す基体2と同様である。本実施例
では、基体2の底面2b側に,冷却容器7が設置されて
おり、冷却容器7の端面と底面2bとの間が、o−リン
グ9等のメタル製シール部材によってシールされてい
る。
FIG. 3 shows a susceptor 11 according to another embodiment.
It is sectional drawing which shows schematically. The components of the base 2 are the same as those of the base 2 shown in FIGS. In the present embodiment, a cooling container 7 is provided on the bottom surface 2b side of the base 2, and the space between the end surface of the cooling container 7 and the bottom surface 2b is sealed by a metal sealing member such as an o-ring 9. .

【0027】冷却容器7と底面2bとの間には、空間8
が形成されており、冷却容器7に、供給口10と排出口
12とが設けられている。冷却用流体を、矢印Bのよう
に、供給口10から空間8内へと供給し、矢印Cのよう
に、排出口12から排出する。
A space 8 is provided between the cooling container 7 and the bottom surface 2b.
The cooling container 7 is provided with a supply port 10 and a discharge port 12. The cooling fluid is supplied from the supply port 10 into the space 8 as shown by the arrow B, and is discharged from the discharge port 12 as shown by the arrow C.

【0028】図4は、更に他の実施例に係るサセプター
21を概略的に示す断面図である。基体2の構成部分に
ついては、図1、図2に示す基体2と同様である。本実
施例では、基体2の底面2b側に,冷却手段として、熱
電素子を使用している。具体的には、底面2bに導電膜
14が形成されており、導電膜14に、P型半導体膜1
5と、N型半導体膜16とが、それぞれ接合されてい
る。直流電源17の正極がP型半導体膜15に接続され
ており、負極がN型半導体膜16に接続されている。
FIG. 4 is a sectional view schematically showing a susceptor 21 according to still another embodiment. The components of the base 2 are the same as those of the base 2 shown in FIGS. In this embodiment, a thermoelectric element is used on the bottom surface 2b side of the base 2 as a cooling means. Specifically, the conductive film 14 is formed on the bottom surface 2b, and the P-type semiconductor film 1
5 and the N-type semiconductor film 16 are respectively joined. The positive electrode of the DC power supply 17 is connected to the P-type semiconductor film 15, and the negative electrode is connected to the N-type semiconductor film 16.

【0029】本発明において、更に、試料保持部材中
に、例えばタングステン、モリブデン等の抵抗発熱体を
埋設し、抵抗発熱体に電力を供給して発熱させることに
より、更に試料保持部材の温度を容易かつ迅速に変更で
きるようにしてもよい。この場合、基体2内に抵抗発熱
体を埋設したものとすれば、抵抗発熱体の端子を、基体
2の側面に露出させることもできる。
In the present invention, a resistance heating element such as tungsten or molybdenum is buried in the sample holding member, and power is supplied to the resistance heating element to generate heat, thereby further facilitating the temperature of the sample holding member. It may also be possible to change quickly. In this case, if the resistance heating element is embedded in the base 2, the terminals of the resistance heating element can be exposed on the side surface of the base 2.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明によれば、最高1200℃まで加
熱される試料保持部材に試料を設置し、熱処理すること
ができ、しかも、試料保持部材を自在に加熱、冷却する
ことができ、その温度を迅速に、高い応答性で、変化さ
せることができる。従って、試料の処理効率を向上させ
ることができる。
According to the present invention, a sample can be placed on a sample holding member heated to a maximum of 1200 ° C. and heat-treated, and the sample holding member can be freely heated and cooled. The temperature can be changed quickly, with high responsiveness. Therefore, the processing efficiency of the sample can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】バッチ式熱CVD装置用のサセプター(保持部
材)1を示す平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a susceptor (holding member) 1 for a batch type thermal CVD apparatus.

【図2】図1のサセプターをII─II線に沿って切っ
てみた断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the susceptor of FIG. 1 taken along line II-II.

【図3】他の実施例に係るサセプター11を概略的に示
す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view schematically showing a susceptor 11 according to another embodiment.

【図4】更に他の実施例に係る、熱電素子を使用したサ
セプター21を概略的に示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a susceptor 21 using a thermoelectric element according to still another embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、11、21 サセプター 2 基体 2a 基体の
表面(半導体ウエハーの設置面) 2b 基体の底面
(半導体ウエハーの設置面2aの反対側の面) 2c
側面 3 凹部 4 半導体ウエハー 5 放熱フィン
6圧縮空気の噴射ノズル 7 冷却容器 9 シール
部材 10冷却用流体の供給口 12 排出口 14
導電膜 15 P型半導体膜 16 N型半導体膜17
直流電源
1, 11, 21 Susceptor 2 Base 2a Surface of base (mounting surface of semiconductor wafer) 2b Bottom of base (surface opposite to mounting surface 2a of semiconductor wafer) 2c
Side surface 3 Recess 4 Semiconductor wafer 5 Radiation fin 6 Compressed air injection nozzle 7 Cooling container 9 Seal member 10 Cooling fluid supply port 12 Discharge port 14
Conductive film 15 P-type semiconductor film 16 N-type semiconductor film 17
DC power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/02 H01L 21/68──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 21/02 H01L 21/68

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】試料を設置する設置部を備えているセラミ
ックス製の試料保持部材であって、最高1200℃まで
加熱される試料保持部材と、この試料保持部材を冷却す
ることによって前記試料を冷却するための冷却手段とを
備えている、冷却機能付き保持装置。
1. A ceramic sample holding member provided with a mounting portion for mounting a sample, wherein the sample holding member is heated to a maximum of 1200 ° C., and the sample is cooled by cooling the sample holding member. And a cooling means for performing the cooling operation.
【請求項2】前記冷却手段が、冷却用流体の供給によっ
て前記試料を冷却する装置である、請求項1記載の冷却
機能付き保持装置。
2. The holding device with a cooling function according to claim 1, wherein said cooling means is a device for cooling said sample by supplying a cooling fluid.
【請求項3】前記試料保持部材の冷却面に、放熱面積を
増大させるための放熱部が設けられている、請求項1又
は2記載の冷却機能付き保持装置。
3. The holding device with a cooling function according to claim 1, wherein a heat radiating portion for increasing a heat radiating area is provided on a cooling surface of the sample holding member.
【請求項4】前記試料保持部材の冷却速度が60℃/分
以上である、請求項1〜3のいずれか一つの項に記載の
冷却機能付き保持装置。
4. The holding device with a cooling function according to claim 1, wherein a cooling rate of the sample holding member is 60 ° C./min or more.
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