JP4207030B2

JP4207030B2 - ウェハ温度調整装置

Info

Publication number: JP4207030B2
Application number: JP2005249451A
Authority: JP
Inventors: 潤一寺木; 浩一原田; 三博田中
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP2007067070A

Description

この発明は温度調整技術に関し、特にウェハ（例えば半導体ウェハ）を加熱、冷却する技術に関する。

半導体ウェハの処理の一工程であるリソグラフィー工程において、薬液の塗布、加熱、温度調整が繰り返される。そしてこれら加熱、冷却工程では温度管理が厳しく要求される。また、生産性向上のため、冷却、加熱に要する時間を短縮することも要求されている。

半導体ウェハの温度を調整する際、温度調整された平面を有する温調プレートに接触させると、半導体ウェハの微少な破片が発生したり、温調プレート上のゴミが半導体ウェハに付着したりする。あるいは更に、半導体ウェハのゴミが温調プレートに付着して他の半導体ウェハに付着して汚染が拡大する可能性がある。

また、半導体ウェハは極く僅かながら歪んでいるので、温調プレートと接触する部分と接触しない部分との間で温度むらが発生する。

またウェハを温調プレートの上方から搬送して特定の位置に支持する速度は、ギャップが小さいほど遅くなる。両者の間の空気が排出されにくくなるためである。これは結果的にウェハの温度調節にかかる時間を不要に長くしてしまうし、ウェハが横滑りしてしまう可能性を高める。

かかる問題を回避するため、温調プレート上に突起を設けつつ、空気を吸引する吸い込み口を設け、ウェハの変形を抑制し、温調プレートと半導体ウェハとの間のギャップを均一化する技術が提案されている（例えば特許文献１，２）。このように支持する技術により、温調プレートと半導体ウェハとの間に僅かな、例えば１００μｍ程度の隙間を設け、半導体ウェハの温度調整を行っていた。

特開平１１−２１４４８６号公報特開２００５−１０１３１０号公報

しかし上記の技術では突起を必要とするため、下記の種々の問題がある。温調プレート上に突起を設け、これで半導体ウェハを支持する場合、半導体ウェハの歪みや突起の高さの精度を考慮すると、ギャップを顕著に低くすることはできない。温調プレートと半導体ウェハとの接触はできるだけ回避されなければならないからである。しかし突起の高さを高くすると、温調プレートと半導体ウェハとの間のギャップを大きくしてしまい、温調プレートによる半導体ウェハの温度調整を迅速に行うことが困難となる。

突起がウェハに接触していると突起の摩耗が発生する。突起の摩耗はウェハへ付着するゴミの発生を招来する。また突起の高さが変動することで再調整を必要とする。特にウェハを吸引する場合にはウェハが突起と接触する圧力が、吸引しない場合と比較して数倍〜数十倍に高まるため、この問題は顕著となる。

またウェハが突起と接触する圧力が高まれば、ウェハにもダメージを与える可能性が高まってしまう。また突起と接触する位置でウェハが直接に冷却／加熱されることとなり、ウェハの温度を均一にする妨げとなる。これはウェハの反りを招来し、ウェハの温度の均一を一層妨げる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、突起を採用する必要が無く、所定の温度に設定される平面とウェハとの接触を回避しつつ、平面とウェハとの間の距離を安定して小さく保ち、以てウェハの温度調整効率を高め、温度調整に必要な時間を短縮し、ウェハの温度むらを抑制し、ウェハの変形を抑えることを目的とする。

この発明にかかるウェハ温度調整装置の第１の態様（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）は、平面（３ｃ）と、前記平面を所定の温度に設定する温度設定部（１，２）と、前記平面において設けられて流体を供給する少なくとも一つの吹き出し口（３ａ）と、前記平面において前記流体を排出する少なくとも一つの吸い込み口（３ｂ）とを備え、前記平面の上方でウェハ（Ｗ）を前記流体によって支持する。そして前記吹き出し口の半径（Ｒａ）の４乗を、当該半径（Ｒａ）が前記吹き出し口で維持される長さ（Ｌａ）で除した第１値は、前記吸い込み口の半径（Ｒｂ）の４乗を、当該半径（Ｒｂ）が前記吸い込み口で維持される長さ（Ｌｂ）で除した第２値よりも小さい。そして前記吹き出し口から前記流体が第１の差圧で吹き出され、前記吸い込み口から前記第１の差圧よりも小さな第２の差圧で前記流体が吸い込まれる。

この発明にかかるウェハ温度調整装置の第２の態様（１０Ｂ，１０Ｃ）は、その第１の態様であって、前記吸い込み口（３ｂ）と連通して前記吸い込み口の上方に設けられた溝（３ｄ）を更に備える。

この発明にかかるウェハ温度調整装置の第３の態様（１０Ｃ）は、その第２の態様であって、前記溝（３ｄ）は、前記吹き出し口を避けた円周に沿って設けられる。

この発明にかかるウェハ温度調整装置の第４の態様（１０Ｃ）は、その第１の態様乃至第３の態様のいずれかであって、前記吹き出し口（３ａ）は複数設けられ、一の前記吹き出し口を中心とした円周上に他の前記吹き出し口が配置される。

この発明にかかるウェハ温度調整装置の第５の態様は、その第１の態様乃至第３の態様のいずれかであって、前記吹き出し口（３ａ）は複数設けられ、前記吹き出し口は複数の同心円上に配置される。

この発明にかかるウェハ温度調整装置の第１の態様によれば、平面とウェハとの接触を回避しつつ、平面とウェハとの間の距離を安定して小さく保つことができる。これによりウェハの温度調整効率を高め、温度調整に必要な時間を短縮できる。またウェハの温度むらを抑制し、ウェハの変形を抑えることができる。

この発明にかかるウェハ温度調整装置の第２の態様によれば、流体は溝に一旦は吸い込まれた後に吸い込み口に流入する。よって溝が無い場合と比較して圧力損失が低減し、流体の流出速度が速く、ギャップ内部の流体を早期に排気することが可能となる。

この発明にかかるウェハ温度調整装置の第３の態様によれば、ウェハの周方向の変形を抑制することができる。

この発明にかかるウェハ温度調整装置の第４の態様又は第５の態様によれば、ウェハの半径方向の温度差を矯正し、その変形を抑制することができる。

第１の実施の形態
図１はこの発明の第１の実施の形態にかかるウェハ温度調整装置１０Ａの構成を、温度調整の対象となる半導体ウェハＷと共に例示する、概念的な断面図である。図２はウェハ温度調整装置１０Ａの平面図であり、ウェハＷは一点鎖線で仮想的に示されている。図２の位置Ｉ−Ｉにおける断面が図１に示された断面と対応する。

ウェハ温度調整装置１０は、冷却部１、熱電素子群２、温調プレート３を備えており、この順に積層されている。

熱電素子群２は少なくとも一つの熱電素子を有しており、ここでは４個の熱電素子２１，２２，２３，２４で構成されている場合が例示されている。熱電素子２１〜２４は図示されない電源に接続されており、その冷却部１側の面を放熱面とし、温調プレート３側の面を吸熱面として機能する。

冷却部１は熱電素子群２の放熱面を冷却する機能を果たす。冷却部１は冷媒の供給口１ａと、排出口１ｂとを有している。冷媒としては例えば水が採用され、供給口１ａには矢印Ｍ１で示されるように入水し、排出口１ｂからは矢印Ｍ２で示されるように出水する。

温調プレート３は熱伝導性の良好な材料、例えば金属で形成されており、平面３ｃと反対側から熱電素子群２によって吸熱される。上述のように熱電素子群２の放熱面は冷却部１によって冷却される。従って、冷却部１と熱電素子群２とを温度設定部として把握して、当該温度設定部によって温調プレート３の平面３ｃが、所定の温度に設定されると把握することができる。

温度センサ７は温度調整プレート３の温度を測定する。温度センサ７によって測定された温度に基づき、図示されない制御装置によって熱電素子群２に与えられる電圧が制御される。これにより温度調整プレート３の、特に平面３ｃの温度を所定の温度に設定することができる。

温調プレート３は、その上側に平面３ｃを有している。温調プレート３はまた、平面３ｃにおいて設けられて流体を供給する少なくとも一つの吹き出し口３ａを有する。また上記流体を排出する少なくとも一つの吸い込み口３ｂを有する。吹き出し口３ａ及び吸い込み口３ｂよりも平面３ｃの外周側にはウェハＷの横滑りを防止するガイド４５が設けられている。ガイド４５の高さはウェハＷが保持される位置についてのギャップよりも高く選定される。

ここでは吸い込み口３ｂが平面３ｃの中央部に一つ設けられ、吸い込み口３ｂを中心とした円周上に吹き出し口３ａが３つ設けられる場合が例示されている。

吹き出し口３ａは矢印Ｆ１に示すように、流体流入口３１から流体を導入し、冷却部１及び温調プレート３を貫通して平面３ｃにおいて供給する。吸い込み口３ｂは当該流体を平面３ｃにおいて排出し、これを流体流出口３２から排出する。

このように流体を吹き出すのみならず、吸い込みも行うので、ウェハＷと平面３ｃとの間の流体を速やかに入れ替えることができ、設定されたギャップに到達するまでの時間を反収することができる。

一般に流体が管を流れる場合、その流量Ｑは管の半径の４乗を管の長さで除した値に比例することが知られている（Hagen-Poiseuilleの式）。よって本発明ではこの値を吹き出し口３ａと吸い込み口３ｂとに共通した形状パラメタとして採用し、この形状パラメタについて吹き出し口３ａと吸い込み口３ｂとの比較を行う。

図３は吹き出し口３ａと吸い込み口３ｂとの形状を示す断面図である。吹き出し口３ａは平面３ｃに露出する、半径Ｒａ、長さＬａの管を有している。当該管よりも流体流入口３１（図１参照）側は半径Ｒａよりも広くなっており、流体の吹き出しについてのコンダクタンスは当該管が支配的となっている。

同様に、吸い込み口３ｂは平面３ｃに露出する、半径Ｒｂ、長さＬｂの管を有している。当該管よりも流体流出口３２（図１参照）側は半径Ｒｂよりも広くなっており、流体の吸い込みについてのコンダクタンスは当該管が支配的となっている。

図４は、１個の吹き出し口と１個の吸い込み口を持ち、半径Ｒａ，Ｒｂがそれぞれ０．２ｍｍ，０．４ｍｍであり、長さＬａ，Ｌｂがいずれも１ｍｍの場合における、ギャップと空気力の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。形状パラメタは吹き出し口３ａの方が吸い込み口３ｂよりも小さい。

空気力とはここでは、吹き出し口３ａと吸い込み口３ｂとによって流入出する流体として空気を例に採ってウェハＷに働く力を示している。空気力が正である場合にはウェハには平面３ｃから上方に向かって力が働き、空気力が負である場合にはウェハには平面３ｃに向かって力が働く。

図４では、吹き出し口３ａにおいて流体を吹き出す差圧（平面３ｃと流体流入口３１との間の差圧）を４ｋＰａに固定し、吸い込み口３ｂにおいて流体を吸い込む差圧（平面３ｃと流体流出口３２との間の差圧）を２ｋＰａ，４ｋＰａ，６ｋＰａと変化させた場合を示している（それぞれ三角、丸、四角で示す）。

ウェハＷには重力がかかり、圧力換算で約１８Ｐａの力が働く。よってウェハＷと平面３ｃとの間の距離（ギャップ）は、グラフにおいて空気力が１８Ｐａとなる位置として横軸から求められる。

図４から、吸い込み口３ｂにおける差圧が吹き出し口３ａにおける差圧以上である場合には、空気力が１８Ｐａとなる位置は負となり、ウェハＷが平面３ｃに接触してしまうことがわかる。他方、吸い込み口３ｂにおける差圧が吹き出し口３ａにおける差圧よりも小さい場合には空気力が１８Ｐａとなる位置は約０．０７ｍｍで正となる。しかもこの位置の近傍ではギャップが減少すると空気力が増大し、ギャップが増大すると空気力が減少するので（つまりグラフの勾配が負）、ギャップは安定して維持される。

図５は、１個の吹き出し口と１個の吸い込み口を持ち、半径Ｒａ，Ｒｂがそれぞれ０．４ｍｍ，０．２ｍｍであり、長さＬａ，Ｌｂがいずれも１ｍｍの場合における、ギャップと空気力の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。形状パラメタは吹き出し口３ａの方が吸い込み口３ｂよりも大きい。図５においても吹き出し口３ａにおける差圧を４ｋＰａに固定し、吸い込み口３ｂにおける差圧を２ｋＰａ，４ｋＰａ，６ｋＰａと変化させた場合を示している（それぞれ三角、丸、四角で示す）。

図５から、吸い込み口３ｂにおける差圧が吹き出し口３ａにおける差圧よりも小さい場合であっても、空気力は０．０２〜０．２ｍｍの間では１８Ｐａよりも大きく、ウェハＷを上方へ持ち上げてしまう。他方、吸い込み口３ｂにおける差圧が吹き出し口３ａにおける差圧以上の場合にはギャップが約０．０６ｍｍ近傍で、ウェハＷにかかる重力（圧力換算して１８Ｐａ）と釣り合う空気力が得られる。しかしながらこの位置の近傍ではギャップが減少すると空気力も減少し、ギャップが増大すると空気力も増大するので、ギャップの維持は不安定となる。

図４と図５とを比較した結果を定性的に考察すれば、吹き出し口３ａの形状パラメタを小さくすることで、ギャップが小さい領域でのグラフの勾配を負にし、ギャップを安定して維持する効果を高める。他方、吸い込み口３ｂの形状パラメタを小さくすると、ギャップが小さい領域でのグラフの勾配が正となる。この傾向はウェハ温度調整装置１０Ａにおいても同様であると考えられる。

以上のことから、吹き出し口３ａの形状パラメタＲａ^４／Ｌａは、吸い込み口３ｂの形状パラメタＲｂ^４／Ｌｂよりも小さく、かつ吹き出し口３ａにおける差圧よりも吸い込み口３ｂにおける差圧が小さい場合、平面３ｃとウェハＷとの接触を回避しつつ、ギャップを安定して小さく保つことができる。もちろん、突起を採用する必要はない。

これによりウェハの温度調整効率を高め、温度調整に必要な時間を短縮できる。またウェハの温度むらを抑制し、ウェハの変形を抑えることができる。

第２の実施の形態．
図８はこの発明の第２の実施の形態にかかるウェハ温度調整装置１０Ｂの構成を、温度調整の対象となる半導体ウェハＷと共に例示する、概念的な断面図である。図９はウェハ温度調整装置１０Ｂの平面図であり、ウェハＷは一点鎖線で仮想的に示されている。図８の位置ＩＸ−ＩＸにおける断面が図９に示された断面と対応する。

ウェハ温度調整装置１０Ｂにおいては、平面３ｃにおいて溝３ｄが設けられる。溝３は吸い込み口３ｂと連通して吸い込み口３ｂの上方に設けられる。ここではウェハ温度調整装置１０Ａと同様にして吸い込み口３ｂが平面３ｃの中央部に一つ設けられ、吸い込み口３ｂを中心とした円周上に吹き出し口３ａが３つ設けられる場合が例示されている。そして吸い込み口３ｂから平面３ｃの周囲へとほぼ１２０度の角度を成してのびる溝３ｄが例示されている。

流体は、溝３ｄに一旦は吸い込まれた後に、吸い込み口３ｂに流入する。よって溝３ｄが無い場合と比較して圧力損失が低減し、流体の流出速度が速い。これはギャップ内部の流体を早期に排気することを可能とし、温度調節に必要な時間の短縮に資することとなる。

上記の図４、図５では吸い込み口３ｂにおける差圧が４ｋＰａと大きい場合を示したが、吸い込み口３ｂの形状パラメタＲｂ^４／Ｌｂを非常に大きくし、かつその上方に設けられた溝３ｄによって差圧が生じる面積を拡大することにより、吸い込み口３ｂにおける差圧を小さくすることもできる。例えば当該差圧を３００Ｐａ程度とすれば、これは一般のファンで発生可能な大きさである。

図６は図４と同様に、半径Ｒａ、長さＬａをそれぞれ０．２ｍｍ、１ｍｍとした場合のギャップと空気力の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。但し吸い込み口３ｂの形状パラメタＲｂ^４／Ｌｂは実質的に無限大となるように計算した。

図６では吸い込み口３ｂにおける差圧が３００Ｐａであり、吹き出し口３ａにおける差圧を３ｋＰａ，４ｋＰａ，５ｋＰａ，６ｋＰａと変化させた場合を示している（それぞれ丸、四角、三角、×で示す）。空気力が１８Ｐａとなるギャップの近傍ではグラフの勾配が負であり、ギャップが安定して維持されることがわかる。

図７は半径Ｒａ、長さＬａをそれぞれ０．１ｍｍ、１ｍｍとした場合のギャップと空気力の関係をシミュレーションした結果を示すグラフであり、形状パラメタＲａ^４／Ｌａは、図６において採用された値よりも小さい。この場合にも吸い込み口３ｂの形状パラメタＲｂ^４／Ｌｂは実質的に無限大となるように計算し、その差圧を３００Ｐａとした場合の結果が示されている。また吹き出し口３ａにおける差圧を１０ｋＰａ，２０Ｐａ，３０ｋＰａ，４０ｋＰａと変化させた場合を示している（それぞれ丸、四角、三角、×で示す）。

空気力が１８Ｐａとなるギャップの近傍ではグラフの勾配が負であり、ギャップが安定して維持されることがわかる。またその勾配は図６に示された場合よりも急峻である。よって形状パラメタＲａ^４／Ｌａが小さいほど、また吹き出し口３ａにおける差圧が大きいほど、ギャップが狭くなった場合に平面３ｃに対して反発する力は大きくなる。これはウェハＷと平面３ｃとの接触を防止する効果が高まることを示す。

図６、図７のいずれの場合も、吹き出し口３ａにおける差圧が大きいほど、得られるギャップも大きくなることがわかる。換言すれば吹き出し口３ａにおける差圧を制御することにより、ギャップの大きさを制御することができる。同様にして、吸い込み口３ｂにおける差圧を制御することにより、ギャップの大きさを制御することもできる。

但し図７に示されたように形状パラメタＲａ^４／Ｌａが小さいほど、吹き出し口３ａにおける差圧の大きさはギャップの位置に影響を与えにくくなり、よりギャップが高精度にまた安定して維持できる。

このような吹き出し口３ａにおける差圧の制御によるギャップの制御、形状パラメタＲａ^４／Ｌａの制御によるギャップの精度向上は、溝３ｄによる差圧発生領域の拡大が前提ではない。換言すればこれらの制御はウェハ温度調整装置１０Ａ，１０Ｂのいずれにおいても可能となる。

また図７に示された場合には、吹き出し口３ａにおける差圧の大きさが０．１気圧前後となるので精密圧力レギュレータの使用が可能となる。これは例えば半導体製造ラインの窒素ガスを直接に利用した吹き出しを可能とする。これはコストダウンのみならず、ウェハＷへのゴミの付着などの汚染を防止する効果を高める。

第３の実施の形態．
図１０はこの発明の第３の実施の形態にかかるウェハ温度調整装置１０Ｃの構成を、温度調整の対象となる半導体ウェハＷと共に例示する、概念的な断面図である。図１１はウェハ温度調整装置１０Ｃの平面図であり、ウェハＷは一点鎖線で仮想的に示されている。図１０の位置ＸＩ−ＸＩにおける断面が図１１に示された断面と対応する。

ウェハ温度調整装置１０Ｃにおいては、吹き出し口３ａが４個設けられ、一つの吹き出し口３ａを中心とした円周上に他の吹き出し口３ａが三個配置される。中心となる吹き出し口３ａの周囲には、これを中心とした円周上に吸い込み口３ｂが三個配置されており、当該円周に沿って溝３ｄが設けられている。吹き出し口３ａが設けられる円周は、吸い込み口３ｂが設けられる円周よりも大きい。

吹き出し口３ａがウェハＷの中心付近と周辺付近に配置されるので、流体の流出入によってウェハＷの中心付近と周辺付近とが平面３ｃと平行にする力が働く。これはウェハＷの半径方向の温度差を矯正し、一層その変形を抑制することとなる。かかる変形の抑制は、ウェハＷと平面３ｃとが接触しないままでギャップを小さく（例えば０．０４ｍｍ程度）することを可能とし、ウェハＷの温度調節に必要な時間を短縮することができる。

また吸い込み口３ａと連通する溝３ｄは、吹き出し口３ａを避けた円周に沿って設けられるので、ウェハＷの周方向に沿って溝３ｄと吹き出しとが交互に配置されることはない。よって周方向におけるウェハＷの変形が抑制される。

なお、中央に設けられた一つの吹き出し口３ａは、円周に沿って配置された複数の吹き出し口３ａと置換してもよい。この場合、当該円周は、溝３ｄが配置された円周よりも内側に配置される方が、ウェハＷの半径方向についての変形を抑制する観点から望ましい。

この発明の第１の実施の形態にかかるウェハ温度調整装置の構成を示す断面図である。この発明の第１の実施の形態にかかるウェハ温度調整装置の構成を示す平面図である。吹き出し口と吸い込み口との形状を示す断面図である。ギャップと空気力の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。ギャップと空気力の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。ギャップと空気力の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。ギャップと空気力の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。この発明の第２の実施の形態にかかるウェハ温度調整装置の構成を示す断面図である。この発明の第２の実施の形態にかかるウェハ温度調整装置の構成を示す平面図である。この発明の第３の実施の形態にかかるウェハ温度調整装置の構成を示す断面図である。この発明の第３の実施の形態にかかるウェハ温度調整装置の構成を示す平面図である。

符号の説明

１冷却部
２熱電素子群
３ａ吹き出し口
３ｂ吸い込み口
３ｃ平面
３ｄ溝
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃウェハ温度調整装置

Claims

平面（３ｃ）と、
前記平面を所定の温度に設定する温度設定部（１，２）と、
前記平面において設けられて流体を供給する少なくとも一つの吹き出し口（３ａ）と、
前記平面において前記流体を排出する少なくとも一つの吸い込み口（３ｂ）と
を備え、
前記吹き出し口の半径（Ｒａ）の４乗を、当該半径（Ｒａ）が前記吹き出し口で維持される長さ（Ｌａ）で除した第１値は、前記吸い込み口の半径（Ｒｂ）の４乗を、当該半径（Ｒｂ）が前記吸い込み口で維持される長さ（Ｌｂ）で除した第２値よりも小さく、
前記吹き出し口から前記流体が第１の差圧で吹き出され、前記吸い込み口から前記第１の差圧よりも小さな第２の差圧で前記流体が吸い込まれ、
前記平面の上方でウェハ（Ｗ）を前記流体によって支持するウェハ温度調整装置（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）。
前記吸い込み口（３ｂ）と連通して前記吸い込み口の上方に設けられた溝（３ｄ）
を更に備える、請求項１記載のウェハ温度調整装置（１０Ｂ，１０Ｃ）。
前記溝（３ｄ）は、前記吹き出し口を避けた円周に沿って設けられる、請求項２記載のウェハ温度調整装置（１０Ｃ）。
前記吹き出し口（３ａ）は複数設けられ、
一の前記吹き出し口を中心とした円周上に他の前記吹き出し口が配置される、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のウェハ温度調整装置（１０Ｃ）。
前記吹き出し口（３ａ）は複数設けられ、
前記吹き出し口は複数の同心円上に配置される、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のウェハ温度調整装置（１０）。