JP4060356B2 - 不活性ガス基板温度調節装置及びその方法 - Google Patents

Description

関連出願に対するクロスリファレンス
これは、１９９３年１２月１７日付にて出願されたアメリカ合衆国特許出願第０８／１６９，４３２号の一部継続出願である。
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、基板を加熱する装置及び方法に関し、特に半導体ウエハやフラットパネルなどの平面物体とともに使用する装置及び方法に関する。
２．先行技術
アメリカ合衆国特許第５，０６０，３５４号、同５，２５２，８０７号及び同第４，５９７，７３６号は、半導体ウエハの熱処理を開示する。アメリカ合衆国特許第４，５３４，８１６号は、単一ウエハプラズマエッチリアクタを開示する。アメリカ合衆国特許第５，０１３，３８５号は、多重単一ウエハプラズマリアクタを備えたシステムを開示する。
発明の概要
本発明の一実施例により、基板の温度を変える装置が提供される。装置は、チャンバと、プレートと、ガスをチャンバに導入する手段と、プレートを加熱する手段とからなる。プレートは、チャンバ内に配置される。プレートは、表面に沿って溝が形成された上面を有する。熱は、ガス伝導によって上面のスタンドオフに配置された基板とプレートとの間に移動される。
本発明の他の実施例により、基板収容チャンバと伝熱面を有するチャンバ内に配置されたプレートとプレートの温度を制御する手段とを有して平面状の基板の温度を変える装置において、プレートの伝熱面は、表面に沿って溝を有して、プレートに配置された基板とプレートとの間にガスを高速で供給することを特徴とする。
本発明の方法により、温度調節装置において平面状の基板とプレートとから熱を移動させる方法が提供される。この方法は、装置のチャンバにおいて、表面に沿って溝が形成された伝熱面を有するプレートに基板を配置する行程と、チャンバ内にガスを導入する行程と、ガス伝導によってプレートと基板との間で熱を移動せしめる行程とからなる。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記概念及びその他の特徴は、添付図面に基づいて以下の記載において説明される。
図１は、本発明の特徴を取り入れた温度調節装置の部分断面図である。
図２は、図１に示す装置の加熱・冷却プレートの平面図である。
図３は、図２に示すプレートの他の実施例の部分平面図である。
図４は、伝導度と圧力との関係を示すグラフである。
図５は、本発明の他の実施例の部分断面図である。
発明の詳細な説明
図１は、本発明の特徴を取り入れた温度調節装置１０の部分断面図を示す。この装置１０は、上昇した、すなわち開放した状態で示されている。なお、本発明を、図示した実施例を参照しながら説明するが、本発明は、様々な異なるタイプや種類の他の実施例においても実施され得るものである。さらに、適宜の大きさ、形状、種類の部品や材料を使用することができるものである。
装置１０は、チャンバ１２と、ガス供給源１４と、真空源１６とからなる。同様な熱処理装置が、本発明の引例として取り入れられているアメリカ合衆国特許出願第０８／１６９，４３２号に開示されている。チャンバ１２は、本発明に引例として取り入れられているアメリカ合衆国特許第５，０１３，３８５号に開示されるような基板処理システムに接続されるようになっている。しかし、装置１０は、適宜のタイプの基板処理システムにおいて使用することができる。
上方プレート２２は、２つの柱２６，２７によって下方プレート２４に接続されている。上方プレート２２は、基板Ｓがチャンバの収容領域２０に対して出し入れされる時に基板Ｓを保持するサポート１８を含む。サポート１８は、上方プレート２２から下方に延在する。熱アセンブリ２８は、チャンバ１２の底部を形成する。熱アセンブリ２８は、伝熱素子３０と伝熱プレート３２とを含む。伝熱素子３０は、２つの孔４，３５を有し、その内部に柱２６，２７が配置される。伝熱素子３０は、加熱ランプや加熱コイル等を備えたヒータとして、または冷却導管が内部を通過する冷却器として設けられている。鉛直駆動機構３６が、下方プレート２４に接続されている。駆動機構３６は、チャンバ１２及び伝熱プレート３２に対して下方プレート２４を上下動せしめるようになっている。柱２６，２７は下方プレート２４に接続されているので、柱２６，２７は下方プレート２４とともに上下動する。上方プレート２２は柱２６，２７に接続されているので、上方プレート２２は、下方プレート２４とともに上下動する。上方プレート２２も、ヒータまたは冷却器を含む。伸張自在シール３８，３９が、下方プレート２４とチャンバ１２との間の柱２６，２７を取り囲んでいる。
伝熱プレート３２が、伝熱素子３０の上部に接続されている。図２も参照すると、伝熱プレート３２には、３つのスタンドオフ（standoff）４１を備えた上面４０が設けられている。このスタンドオフ４１は、基板Ｓと接続して自身の上に基板を保持するようになっている。スタンドオフ４１は、基板Ｓとの接触を制限するために非常に小さい。スタンドオフ４１は、上面４０の上方約０．１mmの距離、すなわち間隙のところに基板Ｓを保持するようになっている。しかし、スタンドオフの個数やタイプを適宜のものとすることができる。さらに、間隙を適宜のものとすることもできるが、しかし、間隙は、基板のサイズに応じて、およそ０．０５mmから０．５mmまでと非常に小さいことが好ましく、加熱や冷却中に間隙中に存在するガスの粘性を形成する。上面４０は、表面に沿って溝４２が形成されている。図示した実施例において、溝４２は、互いに平行な細長いスロットである。溝４２は、およそ３mmの幅Ｗと、およそ２mmの深さとを有する。しかし、他の寸法にすることもできる。溝４２は、互いに約１５mmの距離Ｘを介して配置されている。しかし、他の間隔で設けることもできる。プレート３２も、上方プレート２２が下方の位置に向けて移動するときに上方プレート２２に接しているサポート２２を収容するシート１９を有する。上面４０の周縁部の周囲には、上方プレート２２がその下方位置に移動したときに上方プレート２２と接触して上方プレート２２と伝熱プレート３２との間にシールを形成するシール４３が存在する。図３に、伝熱プレート３２ａの他の実施例の部分平面図を示す。プレート３２ａは、２組の溝、すなわち第１組の円形溝４２ａと、第２組の直線溝４２ｂとを有する。２組の溝４２ａ，４２ｂは、互いにほぼ直角に交差する。中心の円形溝の直径Ｄは、およそ５０mmである。中心の円形溝から次の円形溝までの半径Ｒ₁，Ｒ₂の増分は、およそ２５mmである。直線溝は、互いにおよそ３０°の角度Ａをなしている。両方の組の溝４２ａ，４２ｂの溝の幅Ｗは、およそ３mmであり、深さはおよそ２mmである。他の実施例において、溝の種類や形状を適宜のものとすることができる。
装置１０は、基板Ｓを加熱及び冷却のいずれか一方を行うようになっている。基板Ｓは、適切な基板搬送装置（図示せず）によって収容領域２０へと挿入されてサポート１８上に載せられる。搬送装置がチャンバ１２を出るとき、チャンバ１２への入り口は閉じられる。次に、駆動装置３６は、上方プレート２２を伝熱プレート３２に向けて下降せしめる。スタンドオフ４１は、基板Ｓの底部と接触し、基板Ｓをサポート１８から持ち上げる。サポート１８の底部は、プレート３２内のシート１９に収容される。上方プレート２２は、シール４３に接触して、上方プレート２２と電熱プレート３２との間に基板Ｓを封入する。これによって、収容領域２０内にサブエンクロージャ（sub-enclosure）が形成される。アルゴンなどの不活性ガスが、ガス供給源１４から収容領域２０内のサブエンクロージャに供給される。伝熱素子３０は、熱をプレート３２に供給したり、或いは熱をプレート３２から除いたりする。
伝熱素子３０がヒータである実施例において、熱は、ヒータによって生成されてプレート３２に直接伝えられる。プレート３２は、熱を基板にガス伝導によって移動させる。特に、上面４０と基板Ｓとの間の非常に小なる間隙と低いガス圧とによって、液体と類似したガスの粘性動作が可能になる。このガス伝導伝熱原理は、本発明に引例として取り入れられているアメリカ合衆国特許出願第０８／１４５，３４３号に記載されている。基板Ｓが所望の温度に加熱された後、不活性ガスはチャンバ１２から真空源１６によって排気され、駆動機構３６は、上方プレート２２を上昇させる。上方プレートが上昇したとき、基板Ｓはサポート１８に戻される。次に、チャンバ１２への入り口が開かれ、搬送装置（図示せぬ）は、チャンバ１２から基板Ｓを取り出す。ガス雰囲気は、伝熱を促進するために使用される。真空雰囲気は、基板をその温度に維持させるために使用される。真空雰囲気は、収容領域２０のサブエンクロージャのガスによる充填を加速するためにも有効である。
伝熱素子３０が冷却器である実施例において、伝熱プロセスは単に逆になり、熱は、基板Ｓから直接プレート３２に表面４０でガス伝導によって移動される。素子３０内の冷却液チャネルは、チャンバ１２の外側に位置する適宜の熱交換器や圧縮機、ヒートポンプ（図示せず）に接続させることもできる。
本発明の効果の１つは、基板Ｓを引っ張る後部真空（backside vacuum）や底部真空（bottom vacuum）が存在しないことである。さらなる効果は、収納領域２０のサブエンクロージャのガス圧が減少するけれど、装置１０は、従来の装置と同一時間で同一量の伝熱を行うことである。基板に対する伝熱速度（伝導度）は、装置の加熱・冷却プレートに対する基板の圧力の増加と共に増加することが知られている。しかし、収容領域のガスから増加した圧力と加熱・冷却プレートへの真空ホールディングとの両方を基板が被ることは、望ましくないことであることが分かっている。本発明は、背圧（真空保持）及び最高圧力（top pressure：加圧ガスからの）のいずれも使用せずに、基板をプレート３２に対して付勢するものである。好ましい実施例において、収容領域２０のサブエンクロージャは、ガスが供給されて伝熱が生じたとき、およそ５０torr（およそ０．１気圧）の圧力を有する。図４を参照すると、装置１０内の伝導度は、気圧がおよそ５０torrに達したとき、７５０torr（１気圧）の伝導度のおよそ８０％で横ばいになることが分かった。この低圧によって、収容領域２０のサブエンクロージャは、比較的高速での充填されたり排気したりすることができる。
溝４２が設けられて、基板Ｓと上面４０との間の間隙へのガスの高速の搬送を可能としている。さらに、間隙はおよそ０．１mm程度と非常に小さく、且つガス圧も低い（およそ５０torr）ので、ガスが間隙内を運ばれる場合は、ガスが基板の中心に移動するまで比較的長時間を要する。基板の移動を生ぜしむるガスのポケットの発生を防止するために、ガスは、ガス伝導のために適切に分布される必要がある。故に、溝４２が設けられて、基板と上面４０との間の全領域に亘って非常に高速でガスを運ぶガスマニホルドとして機能する。ガスは、高速で間隙内に分布するので、基板の加熱を直に開始することができ、基板損傷の危険性が小さい。しかし、最適伝熱を達成するために、溝４２は、上面４０の全面積の５％またはそれ以下になることが好ましい。
加熱・冷却システムの個々の制御は困難である。何となれば、種類やサイズの異なる基板が同一装置によって調整されるからであり、基板が加熱されたり冷却されている間に各基板温度を正確に測定することは困難であるからである。基板も、過熱に対して非常に敏感である。本発明は、加熱・冷却システムを比較的一定温度に維持できるようにすることによって、より均一且つ信頼性の高い伝熱システムを可能にする。真空中の伝熱は放射に限られ、放射は、３００℃−４００℃よりも小さい温度差に対して非常に遅いので、基板とプレート３２との間の伝熱のかなりの部分は、ガスがサブエンクロージャへと導入されるまでは生じない。溝４２により、ガスは、基板と上面４０との間の全領域に高速で供給される。これは、不均衡または非一様な伝熱を防止する。このようにして、基板は一様に加熱・冷却され、基板の過熱感度による基板損傷の危険性が少ない。
図５に、本発明の他の実施例を示す。装置１１０は、チャンバ１１２と、ガス供給源１１４と、真空源１１６と、鉛直駆動機構１３６と、２つのプレート１２２，１２４と、２つの柱１２６，１２７と、２つの熱交換プレート１２１，１３２とを有する。下方プレート１２４は、駆動機構１３６に接続されている。上方プレート１２２は、柱１２６，１２７によって下方プレート１２４に接続されている。柱１２６，１２７は、チャンバ１１２内の孔を通って伸張する。伸張自在シール１３８，１３９が、下方プレート１２４とチャンバ１１２との間で柱１２６，１２７の周囲に設けられている。上方熱交換プレート１２１は、断熱マウント１２９によって上方プレート１２２の下側に取り付けられている。サポート１１８は、上方熱交換器１２１の底部から下方に伸張して基板Ｓを支持する。上方熱交換プレート１２１に、ライン１３３を介して熱または冷却剤が供給される。
下方プレート１２４は、図２に示すプレート２４とほぼ同一である。しかし、本実施例において、下方プレート１２４を包囲するエンクロージャ１３３が設けられている。エンクロージャ１３３は、チャンバ１１２に接続される下方端部と、シール１４３を有する上端部とを有する。下方プレート１３２は、下方伝熱素子１３０の上部に取り付けられている。下方素子１３０は、ライン１３１によって適宜の加熱源や冷却源に接続されている。下方素子１３０は、断熱マウント１２９によってチャンバ１１２に保持されている。
駆動機構１３６は、上方プレート１２２を図５に示す開放位置から閉じた位置に下降させる時、シール１４３は、上方プレート１２２とエンクロージャ１３３との間に挟まれる。これは、チャンバ１１２の内部にサブエンクロージャを形成する。基板Ｓは、プレート１３２の上面と基板Ｓの底部との間におよそ０．１mmの小間隙を介して、プレート１３２のスタンドオフの上に置かれる。装置１１０は、両方の熱交換器１２１，１３２を使用して基板Ｓを加熱したり冷却したりする。この２重側面伝熱は、伝熱速度を増加できる。２重側面伝熱も、単一側面伝熱とは対照的に、基板Ｓの熱ひずみの可能性が小さい。基板Ｓの２側面間の不均一な熱ひずみによる単一側面伝熱システムの温度勾配によって、基板がたわむことがある。このように、本発明の２重側面伝熱システムは、不均一な加熱や冷却から基板Ｓの損傷の可能性を小さくする。
好ましくは、上方熱交換器１２１の底面は、基板Ｓの上面に非常に近接して、例えばおよそ０．１mmの間隙を介して配置される。このように、ガス伝導伝熱は、上方及び下方伝熱アセンブリの両方によって行われる。上方熱交換プレート１２１は、図２及び図３に示す溝と同様な溝１４２を有して、ガス搬送マニホルドとして動作する。ガス供給源１１４も、ライン１１４ａによって示すように、上方熱交換プレート１２１に接続され、基板Ｓの上方にガスを導入する。
他の実施例において、他の圧力を使用することもできる。本発明は、基板の真空保持を含むシステムにおいて使用することもできる。溝の構成を適宜のものとすることもできる。加熱・冷却システムの種類を適宜のものとすることもできる。ガス供給源や真空源の種類を適宜のものとすることもできる。駆動機構や運動機構の種類を適宜のものとすることもできる。
上記記載は、本発明の一例を記したにすぎない。当業者においては、本発明の請求項から逸脱せずに様々な変形例や応用例を考え出すことができる。従って、本発明は、従属の請求項に含まれるかかる変形例や応用例を含むものである。

Claims (11)

1. 実質的に平面状の基板の温度を変化せしめる装置であって、
   チャンバと、
   前記チャンバ内に位置し、前記基板との間の小間隙をおいて前記基板を支持する手段を有しかつ複数の溝が形成されている上面を有するプレートと、
   前記チャンバ内にガスを導入する手段と、
   前記プレートを加熱する手段と
   を有し、前記溝は前記上面と前記基板との間にマニホールドを形成し、
   熱が、ガス伝導によって前記プレートの上面と前記基板との間を伝導することを特徴とする装置。
2. 前記溝は、互いに平行な細長い溝であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
3. 前記溝は、幅が３mmで深さが２mmであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
4. 前記溝は、複数の交差する溝を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
5. 前記間隙は、０．１mmであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
6. 前記チャンバからガスを排気する手段をさらに有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
7. 基板収容チャンバと、伝熱面を有する前記チャンバに配置されるプレートと、前記プレートの温度を制御する手段とを有し、平面状の基板の温度を変化せしめる装置において、
   前記プレートの前記伝熱面は、前記伝熱面に複数の溝を有することによってマニホールドを形成し、ガス伝導のために前記プレートと近接した状態で前記プレート上に配置される基板と前記プレートとの間にガスを高速で供給することを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
8. 前記溝は、複数の細長い第１の溝を含むことを特徴とする請求の範囲第７項記載の装置。
9. 前記溝は、複数の細長い第１の溝と交差する複数の円形の第２の溝を含むことを特徴とする請求の範囲第８項記載の装置。
10. 温度調節装置において平面状の基板とプレートとの間で熱を伝達する方法であって、
    前記装置のチャンバ内にて、複数の溝が形成された伝熱面と前記伝熱面に対して０．０５mmから０．５mmの距離を介して前記基板を保持するスタンドオフとを有する前記プレートに基板を置く行程と、
    ガスを前記チャンバに導入して、前記基板と前記伝熱面との間の全領域に前記溝によって前記ガスを高速で供給する行程と、
    ガス伝導によって前記プレートと前記基板との間で熱を伝導せしめる行程と、
    からなることを特徴とする方法。
11. 前記熱を伝導せしめる行程は、前記プレートを加熱する工程を含むことを特徴とする請求の範囲第１０項記載の方法。

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