JP4741562B2 - 基板熱管理の方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にウェーハ処理の分野に関し、特に集積回路製造の間の半導体ウェーハの迅速かつ一様な加熱と冷却に関する。

ウェーハ表面に亘る温度の一様性は、製作に使用される評価工程が一般に温度に依存するため、多くの集積回路製作段階における重要な要素である。特定の処理においては、熱的な非一様性は、回路素子の臨界寸法の大きさを設計目標に対して拡大し、悪影響を及ぼす可能性がある。すなわち、より小さな集積回路臨界寸法への傾向が続くので、ウェーハ熱管理システムに対する温度の一様性の要求は、ますます厳しくなることになる。

例えば、以前の規格と比較して、直径数百ミリメートルのウェーハに亘る現在の０．１℃の温度一様性要件は、温度一様性の５０％の増加を表している。ウェーハの加熱及び冷却ユニットは、通常約２０℃から摂氏数百度までの広範な処理作動温度に亘り、ウェーハ間で一貫した方法でそのような温度一様性の性能指数を達成する必要がある。作動温度範囲に亘る迅速な熱の管理はまた、処理の経済性からも必要である。

ウェーハ処理技術においては、広範な温度範囲に亘る効率的、迅速、制御可能、及び、一様な熱管理に対する厳しい要件は、集積装置において十分に満たされていない。密接に関連する技術の例においては、別々の装置が加熱と冷却の機能を実行するが、それは、互いに対して反対側に置かれた別々の加熱ユニット及び冷却ユニットの単なる組合せである。これらの装置では、ウェーハは、加熱素子と冷却素子との間に挿入され、素子間で移動される。

そのような装置の例が図１に示されている。図１には、半導体ウェーハ１１０、加熱表面１２０、及び、冷却面１３０が示されている。ウェーハと相互作用する高温の熱源及び低温の熱シンクは一体化されていない。それらは、むしろ、物理的に分離されるか、又は、それ以外の方法で互いに熱的に隔離されている。半導体ウェーハを加熱又は冷却するために、ウェーハは、目標とする機能に応じて加熱表面及び冷却面の間の空間に機械的に移動される。これは、加熱及び冷却の両方の機能を実行する一体型熱管理装置と比べて、製造工程の流れ及びクリーンルームの床スペースの利用にとって非効率的である。
すなわち、関連技術の限界のために、広範な温度範囲に亘る効率的、迅速、制御可能、及び、一様な熱管理の方法に対する必要性が存在する。更に、定常状態条件及び過渡的条件の両方の間に高性能をもたらし、製造環境内での容易な使用に非常に適した装置に対する必要性が存在する。

本発明は、広範な温度範囲に亘る効率的、迅速、制御可能、及び、一様な熱管理のための基板熱管理の方法である。

本熱管理方法の１つの目的は、熱源、熱シンク、及び、熱拡散器を統合することである。本発明によれば、熱拡散器は、ウェーハ表面に対して静止して置かれ、ウェーハ表面に対して同様に静止している熱源及び熱シンクに結合される。熱シンクは、温度制御可能な熱搬送媒体を含む。ウェーハは、加熱時間間隔の間、第１の処理温度から第２の処理温度まで加熱され、次に、冷却時間間隔の間、第２の処理温度から第１の処理温度まで冷却される。この処理の間、ウェーハは、固定位置で常に保持される。
本熱管理方法の別の目的は、加熱素子からの熱を熱伝導性材料で作られた熱拡散器を通してウェーハに向く加熱表面に拡散させることによってウェーハ表面に亘る熱の非一様性を最小にし、それにより熱源の温度勾配を平滑化することである。

本熱管理方法の更に別の目的は、熱源内の区域の非一様な制御によってウェーハ表面に亘る熱の非一様性を最小にすることである。本発明によれば、熱源は、異なる熱量を供給して熱拡散器に隣接する表面に亘って制御可能な温度場を形成するようになっている複数の区域を含む。熱拡散器は、熱勾配を拡散し、ウェーハ表面に対して静止して置かれ、ウェーハ表面に対して同様に静止している熱源及び熱シンクと結合される。ウェーハは、温度制御可能な熱搬送媒体を含む熱シンクによって冷却される。
本熱管理方法の更に別の目的は、温度制御可能な熱シンク材料を熱リザーバの通路を通して一様でない方法で流すことにより、ウェーハ表面に亘る熱の非一様性を最小にすることである。本発明によれば、そのような非一様流は、制御可能かつ分配された実質的に一様な熱シンク温度場を確立するであろう。

他の特許の教示と異なり、本発明は、基板熱管理システムの熱源及び熱シンクを一体化する。基板と相互作用する加熱ユニット及び冷却ユニットの一体化は、広い温度範囲に亘る効率的、迅速、制御可能、及び、一様な温度管理を可能にするという、単なる熱源及び熱シンクの組合せ以上の付帯的な利点を有する。この目標とする高い性能は、定常状態及び過渡期の両方の条件中で達成され、本システムの装置は、製造環境内で容易に使用するのに極めて好適である。

図２は、本発明の一実施形態による組立体を示す分解図である。この組立体は、図２に示したもの、又は、大気圧以下のエンクロージャや大気圧以上のエンクロージャのような複数の装置を更に含むシステム構成要素であってもよい。しかし、典型的な実施形態は、室内条件で作動するようになっている。
図２には、ウェーハ２００、ウェーハ表面２１０、熱リザーバ２２０、熱拡散器２３０、加熱表面２３５、熱源２４０、熱シンク２４５、電源２５０、制御装置２６０、及び、オプションの断熱材２７０及び２７５が示されている。好ましい実施形態は、Ｃｕ又はＡｌなどの等方性熱伝導率を有する材料で作られた熱拡散器と、実質的にＫａｐｔｏｎ（登録商標）で作られた断熱材２７０とを含む。代替の実施形態は、非等方性熱伝導率を有する材料で作られた熱拡散器を含む。一般に、ウェーハ表面に垂直な熱拡散器の厚さは、約０．１００インチ未満である。

図２において、ウェーハは、ウェーハ表面２１０と加熱表面２３５との間の隙間に亘って加熱される。隙間は、一般に幅が数百ミクロンであり、室内空気、窒素、ヘリウム、又は、他の目標とする物理特性を有する気体が充填される。代替実施形態では、隙間の幅が異なり、熱伝導率が空気よりも比較的大きな気体を有する。熱リザーバ２２０、熱拡散器２３０、熱源２４０、及び、熱シンク２４５は、各々、付随する熱質量Ｍr、Ｍd、Ｍs、及び、Ｍskを有する。加熱表面と、熱拡散器に隣接する熱源の表面とは、各々、付随する温度場Ｔd及びＴsを有する。熱源、熱リザーバ、及び、熱拡散器は一体化され、熱伝導によって不可分に連通している。一般に、熱シンク２４５は、一定温度であり得る制御可能な温度を有する多量の流れる流体材料である。すなわち、熱シンク及び熱リザーバは、一般に伝導及び対流熱伝達によって不可分に連通している。熱シンクの他の実施形態は流れる流体に限定されず、例えば静止流体又は固体などである。

図２において、熱シンク２４５は、熱管理システムの下限温度を決める。熱シンクの熱質量Ｍskは、他の構成要素の熱質量よりもかなり大きくてもよい。異なる実施形態では、Ｍskは、Ｍdよりも少なくとも１０倍、又は、少なくとも１０²倍、又は、少なくとも１０^３倍、又は、少なくとも１０^４倍大きい。好ましい実施形態では、熱シンクは、工場の冷却水供給によってもたらされる一定温度の熱シンクである。熱シンクの比較的大きな熱質量の熱リザーバ２２０への連続した結合のために、熱リザーバは、実質的に一定かつ実質的に一様な温度の熱リザーバであり得る。熱リザーバの特定の実施形態では、温度の一様性を更に向上させる機能である「ｉｎｆｒａ」を含んでもよい。

図３は、熱源２４０の特定実施形態を示す略図である。図３には、加熱素子３１０、加熱区域３２０、温度センサ３２５、カバー材料３３０、熱源表面３４０、電源３５０、及び、制御装置３６０が示されている。図２に示すように、熱源２４０は、熱リザーバ２２０と熱拡散器２３０とに結合される。熱源の特定実施形態は、熱源の過熱を防ぐために、熱リザーバ及び熱シンクへの作動中の連続した熱結合を必要とするであろう。カバー材料３３０は、一般に絶縁体である。特定実施形態は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）などの熱抵抗性カバー材料を含む。好ましい実施形態では、熱源と熱リザーバとの熱結合は不可分である。

一般的に、熱源２４０は、図２に示す他の構成要素の熱質量と比べて比較的小さな熱質量Ｍsを有する電気抵抗ヒータである。異なる実施形態では、比（Ｍs／Ｍd）は、約１０^-1未満、又は、約１０^-２未満、又は、約１０^-３未満、又は、約１０^-４未満である。熱源の特定実施形態は、熱源表面３４０上に表面温度場Ｔsを生成するために少なくとも１つのヒータ区域３２０に包含された大きさがミリメートルよりも小さい金属電気抵抗加熱素子３１０を有するヒータである。そのような抵抗ヒータの例としては、米国ミネソタ州ミネアポリス所在のミンコ・プロダクツ・インコーポレーテッド製のＴｈｅｒｍｏｆｏｉｌ（登録商標）ヒータがある。一般に、熱源は、定格が１００ワット／平方インチ未満であり、ポリマーカバー材料を含んでもよい。ウェーハ２００と垂直な方向の熱源の厚さ（図２参照）は、一般に０．０５インチ未満である。熱源の熱質量は、一般に熱拡散器の熱質量の約１／１０未満である。

加熱区域３２０内の加熱素子３１０の特定の形態及び分布、及び、独立に制御可能な加熱区域の数及び配置により、制御装置３６０が熱源２４０の表面上の表面温度場Ｔsを調節することが可能になる。更に、熱源の電気抵抗加熱素子に供給される電力量を制御することにより、カバー材料３３０と熱源が結合された別の素子との間のインタフェースに亘って滑らかに変化し得る制御可能なエネルギ束がもたらされる（図２参照）。熱源に埋め込まれた少なくとも１つの温度センサ３２５を使用して、Ｔsのフィードバック制御が達成される。特定の実施形態では、センサ及び区域の数は同じでもよい。典型的な実施形態では、Ｔｓを１℃未満の範囲で一様であるように制御することができる。代替実施形態は、制御可能に非一様なＴsを有してもよい。一般に、熱源と熱シンクとの間の温度差は約２００〜３００℃であるが、この数値は限定ではない。

図２に示すように、熱源２４０は、ウェーハ２００に面する熱拡散器２３０に結合される。好ましい実施形態では、熱源及び拡散器は直接接触している。熱拡散器は、受動的に作用し、熱が拡散器を通過する時にＴs勾配のマグニチュードを低減して加熱表面２３５に実質的に一様な温度場をもたらす。Ｔsの勾配は、熱源２４０の構造に固有の長さのスケールから生じ、ウェーハの非一様な加熱をもたらす可能性がある。加熱表面上の実質的に一様な温度場Ｔdは、次に、一般に数百ミクロンの非常に狭い隙間に亘ってウェーハ表面２１０を加熱するように作用する。

図４は、本発明の一実施形態に対する熱の時間応答曲線を表すグラフである。ウェーハ温度４１０と加熱表面２３５（図２参照）の温度との両方が示されている。本実施形態は、８℃の一定温度での熱シンク、４５ワット／平方インチのエネルギ束を供給する熱源、及び、０．０６０インチ厚のアルミニウム熱拡散器を含む。０．００６インチの空隙が、温度拡散器とウェーハとの間にある。一般的に、好ましい実施形態は、ウェーハを約６０秒を超えない時間間隔で加熱又は冷却する設計温度範囲に及んでいる。熱速度は、通常、０．５℃／秒よりも大きい。図４では、ウェーハは、室温から１５０℃まで６０秒未満の時間で加熱され、１５０℃から室温まで約６０秒間で冷却されている。典型的な実施形態では、冷却時間は、同じ温度範囲に亘り約２５％以内の範囲で加熱時間に相当する。

図５は、本発明の一実施形態に対する熱拡散器２３０（図２参照）による温度勾配の平滑化を示すグラフである。図５は、一群の温度プロフィールを含んでいる。温度プロフィールは、熱拡散器材料内の様々な深さに対して円形熱拡散器の半径に沿ったものである。熱源２４０から近位及び遠位のプロフィールが、それぞれ５１０及び５２０で示されている。この実施形態では、熱源は、０．０３０インチ〜０．０６０インチの間隔で配置された０．０４０インチ幅の電気抵抗ストリップで構成されている。熱拡散器は、０．０４０インチ厚のＡｌである。熱拡散器とウェーハとの間には、０．００６インチの空隙がある。図５に示すように、加熱表面２３５での温度プロフィールは、約０．１５℃以内の範囲で一様である。

図６は、過渡的作動の間の時間間隔に亘る本発明の一実施形態に対する熱拡散器２３０（図２参照）による温度勾配の平滑化を示すグラフである。図６は、一群の温度プロフィールを含む。温度プロフィールは、２５ミリ秒の時間間隔に亘り、熱拡散器材料内の様々な深さに対して円形熱拡散器の半径に沿ったものである。熱源２４０から近位及び遠位のプロフィールは、それぞれ６１０及び６２０で示されている。すなわち、図６における熱源から遠位のプロフィールは、加熱表面２３５（図２参照）上の温度プロフィールである。図６の実施形態では、熱源は、０．０２０インチの間隔で配置された０．０２０インチ幅の電気抵抗ストリップで構成されている。熱拡散器は、０．０４０インチ厚のＡｌである。熱拡散器とウェーハとの間には、０．００６インチの空隙がある。図６に示すように、加熱表面２３５での温度プロフィール６２０は、過渡的な時間間隔に亘って極めて一様である。

図７Ａ〜図７Ｄは、対流熱伝達を使用することによって熱リザーバと熱源とのインタフェース（図２参照）での一様な温度場を形成するのに適する本発明の特定の態様を示す略図である。熱シンクは、通常、液体の水のような流れている単相流体である。代替実施形態では、静止している固体熱シンク又は気体熱シンクが使用されてもよい。熱シンクの温度は、通常、約−４０℃を超える。図７Ａは、関連技術分野からの装置の上面概略図である。図７Ａには、熱リザーバ７００、流体入口７０１、及び、流体出口７０２が示されている。流体は、入口７０１から入り出口７０２から出るが、異なる流体要素は、熱リザーバ内で異なる滞留時間を経過する。この異なる滞留時間は、流体の有限熱伝導率に起因する熱リザーバ内の流体の小さな温度勾配をもたらすことができる。流体の温度勾配は、熱リザーバ表面上の有害な温度勾配を導く場合がある。

本発明によると、熱リザーバの内部構造は、その内部の流体要素の滞留時間を等しくする。更に、熱リザーバ構造は、内部流体の流れ場を加速するように設計されており、熱リザーバ内の実質的に一様な流体温度と、残りの熱管理装置（図２参照）に面する熱リザーバ表面上の対応する実質的に一様な温度場とを達成する。
一様な温度の流体は、熱リザーバを通る流体質量流量と流体速度とを変化させることによって形成される。熱リザーバの内部構造は、一様な流体温度をもたらすために流体要素の中への一様な有効熱流束を確立する方法で流体速度を変化させる。上記において、有効熱流束は、伝導及び対流からの寄与で構成される。熱リザーバ内の一様温度流体により、残りの熱管理装置に面する熱リザーバ表面上に実質的に一様な温度場がもたらされる。

図７Ｂは、一実施形態の上面の略図であり、熱リザーバ２２０、オリフィス７１５、入口７０１、出口７０２、及び、プレナム７１０が示されている。流体は、入口からプレナムへ入る。プレナムから出口までの流体の流れは、プレナムと出口との間の圧力勾配によって動かされる。流れの対称性は、各流体要素が流れの場に実質的に同じ時間滞留することを可能にする。
図７Ｃは、図７Ｂの実施形態の断面を示す略図である。図７Ｃは、熱リザーバ内の実質的に一様な流体温度を達成するために内部流体の流れ場の加速を可能にする熱リザーバ構造の態様を示している。図７Ｃには、入口７０１、出口７０２、プレナム７１０、オリフィス７１５、典型的な流線７５０及び７６０、断面積７６５、インタフェース面７９０、及び、オプションの第２熱拡散器７８０が示されている。図７Ｃにおいて、流体は、入口からプレナムに入り、オリフィスを通過して典型的な流線に沿って出口まで流れるまでプレナムに滞留する。

熱リザーバ２２０内で熱シンク２４５として働く流体が休止している場合、伝導の原動力である温度勾配が減少するので、流体の温度は、インタフェース面７９０を横切る熱流束の作用の下で上昇する傾向にあることになる。同様に、流体要素が図７Ａに示すように熱リザーバを通って移動する時、流体要素が熱リザーバに滞留する間のその温度のいかなる上昇も、伝導に起因する熱周囲から流体要素への熱の流束を減少させる傾向にあることになる。すなわち、熱リザーバへの一様な熱流束入力に対して、流体への非一様な伝導熱流束が生じる。

対流熱伝達のマグニチュードは、流速及び温度勾配に依存する。熱リザーバの流体流れの速度が一様な場合、対流に起因する熱流束は、伝導に起因する熱流束と類似の方法でスケーリングされることになる。しかし、流速が熱リザーバ内で変化する場合、対流に起因する熱流束が非一様になる可能性がある。次に組合せで作用すると、非一様な伝導熱流束及び非一様な対流熱流束は、一様な温度流体をもたらすであろう。

本発明によれば、断面積７６５の変化は、熱リザーバの流体速度の変化を引き起こす。流路断面積の変化が流体流れを加速又は減速することは公知である。流体速度が熱リザーバ内で非一様であるために、流体に対する有効熱流束は、一様な流体温度をもたらすであろう。熱リザーバ内の一様な温度を有する流体により、インタフェース面７９０での温度場もまた実質的に一様であり得る。また、熱拡散器２３０（図２参照）と類似の特性を有するオプションの第２熱拡散器７８０が熱リザーバに隣接して結合されてもよく、あらゆる残りの温度の非一様性を更に減少させるように働くであろう。

図７Ｄ〜図７Ｆは、一実施形態に対する熱リザーバ部分組立体の構成要素の図である。この実施形態においては、複数のオリフィス７１５を包含するリング７７０が、少なくとも１つの入口７０１及び出口７０２を有する本体７９２に置かれている。カバー７９１が本体にボルト締めされ、部分組立体を密封してプレナム７１０を形成する。本実施形態においては、本体表面７９３の形態が実質的に流路断面積の変化を決める。
本発明が上述の実施形態に限定されないことは当業者には直ちに明白であろう。本発明の範囲から逸脱することなく異なる構成及び実施形態を創出することができ、それらが特許請求の範囲に含まれるように意図されている。

典型的な従来技術の装置を示す図である。 本発明の組立体の一実施形態を示す分解図である。 図２に示す装置と共に使用される熱源の一実施形態を示す略図である。 本発明の特定の実施形態に対する熱の時間応答を示すグラフである。 熱拡散器による温度勾配の平滑化を示すグラフである。 過渡的作動の間の時間間隔に亘る熱拡散器による温度勾配の平滑化を示すグラフである。 対流熱伝達の使用によって熱リザーバに一様な温度場を形成するのに適する本発明の態様を示す略図である。 対流熱伝達の使用によって熱リザーバに一様な温度場を形成するのに適する本発明の態様を示す略図である。 対流熱伝達の使用によって熱リザーバに一様な温度場を形成するのに適する本発明の態様を示す略図である。 対流熱伝達の使用によって熱リザーバに一様な温度場を形成するのに適する本発明の態様を示す略図である。 対流熱伝達の使用によって熱リザーバに一様な温度場を形成するのに適する本発明の態様を示す略図である。 対流熱伝達の使用によって熱リザーバに一様な温度場を形成するのに適する本発明の態様を示す略図である。

Claims (10)

1. 加熱時間間隔の間、ウェーハを第１の処理温度から第２の処理温度まで加熱する段階と、
   冷却時間間隔の間、前記ウェーハを前記第２の処理温度から前記第１の処理温度まで冷却する段階と、
   を含み、
   前記ウェーハの加熱は、熱源の複数の加熱区域によって制御され、
   前記熱源は、前記熱源の前記複数の加熱区域の制御に用いられる複数の温度センサを有し、
   前記ウェーハは、固定位置で常に保持され、
   前記冷却段階は、制御可能な温度を有する熱シンク材料を熱リザーバ内の通路を通して当該熱シンク材料の流速が一様でない方法で流すことによって行われ、それにより制御可能かつ分配されたほぼ一様な熱シンク温度場を確立し、
   前記熱リザーバの内部構造は、前記熱シンク材料を加速するように設計されていることを特徴とするウェーハ処理の方法。
2. 電力を熱源の複数の加熱区域に供給する段階であって、前記複数の加熱区域のそれぞれへの前記電力が個別に制御される段階と、
   前記加熱区域からの熱を熱伝導性材料で作られた熱拡散器を通してウェーハに面する加熱表面に拡散し、それにより前記熱源の温度勾配を平滑化する段階と、
   前記ウェーハの表面を前記加熱表面からの伝導によって加熱する段階と、
   制御可能な温度を有し前記熱源及び拡散器に結合された熱シンクを用いて、前記ウェーハを冷却する段階と、
   を含み、
   前記冷却する段階は、制御可能な温度を有する熱シンク材料を熱リザーバ内の通路を通して当該熱シンク材料の流速が一様でない方法で流すことによって行われ、それにより制御可能かつ分配されたほぼ一様な熱シンク温度場を確立し、
   前記熱リザーバの内部構造は、前記熱シンク材料を加速するように設計されていることを特徴とする基板熱管理の方法。
3. 前記加熱区域は電気抵抗加熱素子を有しており、
   電力を前記熱源の各加熱区域に個別に供給する段階は、前記熱源の表面上で滑らかに変化する制御可能なエネルギ束をもたらすことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記冷却時間間隔は、同じ温度範囲にわたり前記加熱時間間隔の２５％以内の範囲で当該加熱時間間隔に等しいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記ウェーハを冷却する段階は、前記熱シンクと熱リザーバとを単相の対流熱伝達によって結合する段階を含むことを特徴とする請求項４に記載のウェーハ処理の方法。
6. 前記ウェーハを冷却する段階は、前記熱シンクの温度を制御する段階を含むことを特徴とする請求項４に記載のウェーハ処理の方法。
7. 前記対流熱伝達の熱伝達率は、前記熱リザーバの質量流量を変化させることにより制御されることを特徴とする請求項５に記載のウェーハ処理の方法。
8. 入口から前記熱リザーバに入り且つ異なるオリフィス位置を通って当該熱リザーバ内で移動する流体要素の滞留時間は、等しいことを特徴とする請求項５に記載のウェーハ処理の方法。
9. 前記ウェーハを冷却する段階は、前記熱シンク材料を加速させることにより、前記熱リザーバの温度の一様性を制御する段階を更に含むことを特徴とする請求項５に記載のウェーハ処理の方法。
10. 前記ウェーハを冷却する段階は、前記熱リザーバと前記熱源との間の熱流束を熱伝導性材料を通して拡散し、それにより前記熱リザーバの温度勾配を平滑化する段階を更に含むことを特徴とする請求項４に記載のウェーハ処理の方法。

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