JP4470199B2

JP4470199B2 - 半導体基板の温度調節装置

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Publication number: JP4470199B2
Application number: JP2003333559A
Authority: JP
Inventors: 正生財賀; 貴弘小野
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: KR20050030561A; CN1601732A; JP2005101310A; CN100466239C; KR100603239B1

Description

本発明は、半導体基板の温度調節装置に関し、更に詳しくは、半導体基板を加熱・冷却するため熱伝導板を備えた温度調節装置に関する。

従来から、半導体基板を所定温度に加熱・冷却するための温度調節装置は広く利用されている。
この種の温度調節装置は、半導体基板を載置する熱伝導性に優れたアルミニウムないしは銅系の材料からなる熱伝導板と、その裏面にペルチェ素子等を組み込んだ熱源部とからなっている（例えば、特許文献1参照）。

ところで、近年、半導体を安価に製造するために、半導体チップを切り取る半導体基板を可及的に大径にして、１枚の半導体基板から少しでも多くのチップを切り取ろうとしている。また、近年では、その製造過程において、半導体基板をより高温に加熱し、また、高温度に加熱された半導体基板を高速且つ高精度に冷却する要求が高まっている。その対策としては、高温の半導体基板を所定温度に調温された温度調節装置の熱伝導板上に載置する際のプロキシミティギャップを低くすることも考えられるが、その場合には、冷却速度の高速化により基板の厚み方向の温度変化速度の違いに基づいて、半導体基板の下面と上面との間に大きな温度差が生じ、それに起因して該基板に反りが発生し、この反りのために温度分布の均一性が低下するとともに、半導体基板の冷却が遅くなると云う問題がある。特にこの反りは大径の半導体基板で著しく、半導体基板が大径化する最近の製造工程においては大きな問題となる。

また、上述したように半導体基板が大きくなると同時にそれを載置する熱伝導板との間の間隙を小さくすると、該熱伝導板上に半導体基板を載置する際に、該基板と熱伝導板との間の空気の逃げがスムースでなくなり、その結果、熱伝導板上に載置した半導体基板が回転したり横方向に滑るようにずれ動いた入りするという問題が発生し、この問題に対しても対策が必要になる。
特開２０００−３０６９８４

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その基本的な技術的課題は、半導体基板の加熱・冷却時における厚み方向の温度変化速度の違いに基づく反りを可及的に抑制できるようにし、結果的に、プロキシミティギャップを低くして半導体基板の加熱・冷却を迅速化・高精度化できるようにした温度調節装置を提供することにある。
本発明の他の技術的課題は、半導体基板を載置する際に、該基板と熱伝導板との間の空気の逃げをスムースにするという問題を解決し、熱伝導板上に載置した半導体基板が回転したり横方向に滑ってずれ動いた入りすることのない半導体基板の温度調節装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の半導体基板の温度調節装置は、半導体基板を載置して加熱または冷却する温度調節装置における熱伝導板の上面に、上記半導体基板を支持する複数のプロキシミティギャップを複数の同心円に沿って配設すると共に、一部のプロキシミティギャップを放射方向を向く直線上に配置し、上記熱伝導板における少なくとも一部のプロキシミティギャップに隣接する位置に、該熱伝導板内の流路により真空源に接続されて上記半導体基板を吸着する吸着孔を形成したことを特徴とするものである。
上記吸着孔はプロキシミティギャップの周りに複数形成することができる。

本発明においては、上記熱伝導板の上面に、上記プロキシミティギャップの配列に沿って同心円状に開口する複数の吸着用溝を設け、該熱伝導板内の上記流路を、上記放射方向を向く直線上に配置された複数のプロキシミティギャップに沿って放射方向に形成し、該流路を通じて上記吸着用溝を真空源に接続することが望ましい。

また、本発明の温度調節装置は、半導体基板を載置して加熱または冷却する温度調節装置における熱伝導板の上面に、上記半導体基板を支持する複数のプロキシミティギャップを複数の同心円に沿って配設すると共に、一部のプロキシミティギャップを放射方向を向く直線上に配置し、少なくとも一部のプロキシミティギャップの頂部に、上記熱伝導板内の流路により真空源に接続されて上記半導体基板を吸着する吸着孔を形成し、上記熱伝導板の上面に、上記プロキシミティギャップの配列に沿って同心円状に開口する複数の吸着用溝を設け、該熱伝導板内の上記流路を、上記放射方向を向く直線上に配置された複数のプロキシミティギャップに沿って放射方向に形成し、該流路を通じて上記吸着用溝を真空源に接続したことを特徴とするものである。

上記構成を有する温度調節装置においては、熱伝導板に離散的に設けられたプロキシミティギャップ自体に、あるいはその近辺に吸着孔を設け、それを熱伝導板内の流路を通して真空源に接続しているので、上記吸着孔を通じた真空吸引により半導体基板が多数のプロキシミティギャップ上に保持され、該半導体基板の加熱・冷却時における厚み方向の温度変化速度の違いに基づく反りが抑制される。
また、上記吸着孔を通じて半導体基板と熱伝導板との間の空気を吸引するので、熱伝導板上に半導体基板を載置する際に、それらの間の空気の逃げをスムースにして、熱伝導板上に載置した半導体基板が回転したり横方向に滑ってずれ動いた入りするのを抑制することができる。
上記吸着孔に加えて、熱伝導板におけるプロキシミティギャップの列設方向に沿う吸着用溝を設けると、上記反りの抑制及び半導体基板の回転や横ずれの抑制がより効果的に行われる。

このような本発明の温度調節装置によれば、半導体基板の加熱・冷却時における厚み方向の温度変化速度の違いに基づく反りを可及的に抑制できると共に、半導体基板の回転や横ずれを抑制でき、結果的に、プロキシミティギャップを低くして半導体基板の加熱・冷却を迅速化・高精度化することができる。

以下に、図面を参照して本発明の温度調節装置の実施例について詳細に説明する。
図１乃至図３は、本発明をシリコンウエハの温調に用いる温度調節装置に適用した第１実施例を模式的に示すものである。この温度調節装置における熱伝導板１は、図２及び図３に示すように、その上にシリコンウエハ２を載置し、所定温度に加熱・冷却するためのもので、熱の良導体であるアルミニウムないしは銅系の材料からなる表面板の裏面側にペルチェ素子等を組み込んだ温調部を備えることにより構成されている。

上記熱伝導板１の表面には、上記シリコンウエハ２にパーティクルが付着するのを防止するため、頂部が半球状をなす小ブロック状のセラミックスからなる多数のプロキシミティギャップ３を離散的に設けている。このプロキシミティギャップ３は、熱伝導板１の表面に設けた小孔７に嵌着することにより、その頂面が熱伝導板１の表面から若干突出し、その上にシリコンウエハ２が熱伝導板１の表面から所定の間隙ｔを介して載置されるようにして取付けたもので、図１の実施例では、このプロキシミティギャップ３を、熱伝導板１の中心部と、その周囲に同心円状に多数配置し、その一部は中心から放射方向に向く直線上に配置している。
そして、この熱伝導板１における一部のプロキシミティギャップ３の近辺における熱伝導板１に、真空源に接続されてその上に載置したシリコンウエハ２を吸着する吸着孔５を備えている。全部のプロキシミティギャップ３の近辺に吸着孔５を設けることもできる。

図２は、図１のＡ‐Ａ断面図を、図３は同Ｂ‐Ｂ断面図を示し、この場合には、上記吸着孔５をプロキシミティギャップ３の周囲の近接位置における熱伝導板１に、具体的には、プロキシミティギャップ３における放射方向の両側に設け、該熱伝導板１内に放射方向に向けて形成した真空圧の流路１１、及び熱伝導板１の周辺において該流路１１に接続された真空用可撓チューブ１５を通して真空源に接続している。
上記吸着孔５は、上記プロキシミティギャップ３を中心にして、その周囲の対称位置に設けるのが望ましいが、上記図１及び図２に示すような対称の２位置に限るものではなく、例えば図４に示すようなプロキシミティギャップ３の周囲の対称の４位置に設けることもできる。この場合にも、それぞれの吸着孔５を熱伝導板１内において真空源につながる流路に連通させる必要があるのは勿論である。

また、上記熱伝導板１には、上記吸着孔５に加えて、熱伝導板におけるプロキシミティギャップ３の列設方向である同心円状に沿う吸着用溝８を設けている。この吸着用溝８も、上記流路１１及び熱伝導板１の周辺において該流路１１に接続された真空用可撓チューブ１５を通して、真空源に接続している。上記吸着用溝８による吸引力は、その溝幅の調整により、適切に設定することができる。
この吸着用溝８は、熱伝導板１の中心の周りに同心円状に設けるのが望ましいが、必ずしもその必要がなく、部分的に円弧状に設けたり、また任意の方向に任意長に設けることもできる。

上記熱伝導板１内の流路１１は、図１に示すように、前記チューブ１５により、外部に設けられた真空エジェクタ２０に圧力計（または流量計）２１を介して接続されており、該真空エジェクタ２０で発生した真空圧により吸着孔５及び吸着用溝８を通して熱伝導板上の空気が吸引される。
また、上記真空エジェクタ２０には、減圧弁２３を介して真空発生用の圧力流体が供給され、その圧力によって真空圧を調整できるようにしている。図中、２４は圧力計である。
なお、真空源は、上記構成に限るものではない。

図５乃至図７は、本発明に係る熱伝導板１の第２実施例を示すもので、この第２実施例では、吸着孔６をプロキシミティギャップ４自体に、その中心を貫通させて頂部に開口するように設けている。この吸着孔６は、熱伝導板１に設けたプロキシミティギャップ４を収容する小孔７の内部に開口する通孔１２を通して、該熱伝導板１内の流路１１に連通させ、第１実施例の場合と同様に真空源に接続される。流路１１の開設方向については明確に図示していないが、熱伝導板１に放射方向に設けるとか、その他の適宜方向に向けて設けることができる。

この吸着孔６も、必要数あるいは全部のプロキシミティギャップ４に、シリコンウエハ２を吸着するように設けるものである。また、図５では単に一つの円上に配置した多数のプロキシミティギャップ４に吸着孔６設けた状態を示しているが、第１実施例と同様に、同心円状にプロキシミティギャップ４を配置することができる。
また、この第２実施例の場合にも、前記第１実施例と同様に吸着用溝８を設けることができる（図５参照）。この吸着用溝８も流路１１を介して真空源に接続されるのは勿論である。

上記構成を有する第１及び第２実施例の温度調節装置においては、熱伝導板１に離散的に設けられたプロキシミティギャップの近辺あるいはそのギャップ自体に吸着孔５，６を設け、それを熱伝導板１内の流路１１を通して真空源に接続しているので、上記吸着孔５，６を通じた真空吸引によりシリコンウエハ２が多数のプロキシミティギャップ３，４上に保持され、該シリコンウエハ２の加熱・冷却時における厚み方向の温度変化速度の違いに基づく反りが抑制される。そのため、シリコンウエハ２は全面的に熱伝導板１との間の隙間が均一になり、それにより均一に冷却される。しかも、シリコンウエハ２と熱伝導板１との間の空気が絶えず吸着孔５，６や吸着用溝８を通じた吸引により外部に排出されるので、シリコンウエハ２はより効率良く冷却される。

また、上記吸着孔５，６や吸着用溝８を通じてシリコンウエハ２と熱伝導板１との間の空気を吸引するので、熱伝導板１上にシリコンウエハ２を載置する際に、それらの間の空気の逃げをスムースにして、熱伝導板１上に載置したシリコンウエハ２が回転したり横方向に滑ってずれ動いた入りするのが効果的に抑制される。
更に、上記吸着孔５，６に加えて、熱伝導板１におけるプロキシミティギャップ２の列設方向に沿う吸着用溝８を設けると、上記反りの抑制及びシリコンウエハの回転や横ずれの抑制がより効果的に行われる。
なお、シリコンウエハ２を冷却する場合には、それが表裏面側の温度差に起因して上方に凸となるように反るので、反り量の大きい中心部近傍における吸着孔５，６と吸引用溝８とで周辺部より強い吸引力が作用するようにするのが、より適切である。

なお、以上の説明及び以下に示す実験例では、熱伝導板によりシリコンウエハを冷却する場合を主体として説明しているが、該熱伝導板によりシリコンウエハを加熱する場合についても、加熱と冷却に起因する一部作用が逆になるが、上記冷却の場合とほぼ同様に、本発明の課題を達成し、効果を期待することができる。

ついで、上記第１実施例の熱伝導板を用いた試験結果について説明する。
図８は、第１実施例の吸着孔５を有する熱伝導板１を用いてシリコンウエハの冷却を行った場合の多点の温度変化データを示し、図９は、上記吸着孔５を備えない場合のシリコンウエハの冷却時の温度変化データを示している。
両図において、縦軸はシリコンウエハの温度、横軸は経過時間で、それぞれシリコンウエハの対応する多点で温度センサにより計測した温度変化データを併記している。

これらの図に示す計測は、前工程において３５０℃に加熱されたシリコンウエハを、２３℃に温調された熱伝導板上に載置して冷却したときの温度変化を測定したものであり、上記３５０℃に加熱されたシリコンウエハを約８秒に熱伝導板上に載置したとき、シリコンウエハの温度は約３１０〜３２０℃に低下している。図はこの時点を計測開始時点（０秒）にとっている。

両図の温度測定結果を比較すると、図９の吸着孔を持たない熱伝導板に載置されたシリコンウエハは、載置後間もなく上に凸の反りが発生して、約２５０℃からシリコンウエハの多点間に反りに起因した温度変化が顕著に現われ、中央近傍において熱伝導板とシリコンウエハとの離間距離が大きくなって冷却速度が低下し、その他の個所でも反りの程度によって冷却速度に差が生じ、全体が２３℃に冷却されるのに約８０秒かかっている。

これに対し、上記第１実施例の熱伝導板に載置されたシリコンウエハは、熱伝導板との間の間隔が均一に保持されるので、各個所で急速にほぼ均一に冷却され、約３０〜４０秒後には全体が２３℃に冷却されている。
これは、上記第１実施例の熱伝導板では、シリコンウエハと熱伝導板との間に付与される真空圧により、上に凸に反ろうとするシリコンウエハの反りが防止され、平面性が確保されている結果であり、また、シリコンウエハと熱伝導板との間の吸引によりその間の熱が排出されるためである。

本発明の第１実施例の構成図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。吸着孔の変形例を示す平面図である。本発明の第２実施例の熱伝導板における吸着孔の配列状態を示す部分平面図である。上記第２実施例の熱伝導板におけるプロキシミティギャップの拡大断面図である。図６のプロキシミティギャップの平面図である。第１実施例の吸着孔を有する熱伝導板を用いてシリコンウエハの冷却を行った場合の多点の温度変化データを示すグラフである。上記吸着孔を備えない場合の温度変化データを示すグラフである。

符号の説明

１熱伝導板
２シリコンウエハ（半導体基板）
３，４プロキシミティギャップ
５，６吸着孔
８吸引用溝
１１流路

Claims

半導体基板を載置して加熱または冷却する温度調節装置における熱伝導板の上面に、上記半導体基板を支持する複数のプロキシミティギャップを複数の同心円に沿って配設すると共に、一部のプロキシミティギャップを放射方向を向く直線上に配置し、上記熱伝導板における少なくとも一部のプロキシミティギャップに隣接する位置に、該熱伝導板内の流路により真空源に接続されて上記半導体基板を吸着する吸着孔を形成したことを特徴とする半導体基板の温度調節装置。
上記吸着孔をプロキシミティギャップの周りに複数形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の温度調節装置。
上記熱伝導板の上面に、上記プロキシミティギャップの配列に沿って同心円状に開口する複数の吸着用溝を設け、該熱伝導板内の上記流路を、上記放射方向を向く直線上に配置された複数のプロキシミティギャップに沿って放射方向に形成し、該流路を通じて上記吸着用溝を真空源に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体基板の温度調節装置。
半導体基板を載置して加熱または冷却する温度調節装置における熱伝導板の上面に、上記半導体基板を支持する複数のプロキシミティギャップを複数の同心円に沿って配設すると共に、一部のプロキシミティギャップを放射方向を向く直線上に配置し、少なくとも一部のプロキシミティギャップの頂部に、上記熱伝導板内の流路により真空源に接続されて上記半導体基板を吸着する吸着孔を形成し、上記熱伝導板の上面に、上記プロキシミティギャップの配列に沿って同心円状に開口する複数の吸着用溝を設け、該熱伝導板内の上記流路を、上記放射方向を向く直線上に配置された複数のプロキシミティギャップに沿って放射方向に形成し、該流路を通じて上記吸着用溝を真空源に接続したことを特徴とする半導体基板の温度調節装置。