JP4851449B2 - 熱回路を有するウェーハ及びその電気供給システム - Google Patents
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Description
本発明は、熱回路を有するウェーハ及びその電気供給システムに係り、特に別途の加熱装置や冷却装置なしにウェーハ自体加熱または冷却を可能にする熱回路を有するウェーハ及びその電気供給システムに関する。
一般的に、半導体素子は、イオン注入工程、膜蒸着工程、拡散工程、写真工程のような多数の工程を経て製造される。かかる工程のうち、所望のパターンを形成するための写真工程は、半導体素子の製造に必須的に要求される工程である。
かかる写真工程は、イオンが注入される部位と保護される部位とを選択的に定義するために、マスクやレティクルのパターンを素子上に形成することであって、素子上にフォトレジストを落とした後に高速で回転させて素子上に所望の厚さにコーティングする塗布工程、フォトレジストが塗布された素子と所定のマスクとを互いに整列させた後、紫外線のような光を前記マスクを通じて素子上のフォトレジストに照射させて、マスクまたはレティクルのパターンを素子に移す露光工程、及び前記露光工程が完了した素子のフォトレジストを現像して所望のフォトレジストパターンを形成する現像工程からなる。
また、前記写真工程には、半導体素子を所定の温度下で焼くべーク工程が含まれる。すなわち、前記べーク工程は、フォトレジストを塗布する前に素子に吸着された水分を除去するためのべーク、所定の有機溶剤及びフォトレジストの塗布後にソフトべーク、露光時に紫外線の散乱による露光部位の化学的構造の不安定を回復させるための露光後のべークなどがある。
前記のように、半導体素子をベーキングするためには、実質的にべークチャンバ内でウェーハのべーク工程を進める半導体製造工程の設備のうち一つの形態であるウェーハ加熱装置を使用する。
かかる従来のウェーハ加熱装置は、前述した写真工程以外にも各種の工程でウェーハを加熱させるときに広く使われる装置であって、通常的にウェーハに熱を伝達するようにウェーハに近接して設置される平坦なヒーティングプレート、及び前記ヒーティングプレートの下面や内部に設置されて前記ヒーティングプレートを加熱できるヒータなどを備える構成であった。
一方、加熱されたウェーハを冷却させるための従来のウェーハ冷却装置は、ウェーハと熱交換が行われるようにウェーハに近接して設置される平坦な冷却プレート、及び前記冷却プレートの下面や内部に設置されて前記冷却プレートを冷却させる冷却水ラインなどを備える。
しかし、かかる従来のウェーハ加熱装置や冷却装置は、ウェーハがヒーティングプレートや冷却プレート上に載置され、再びヒータや冷却水ラインが前記ヒーティングプレートや冷却プレートを加熱または冷却させて、ウェーハの背面の空気を加熱または冷却させるなど、前記ウェーハを直接加熱または直接冷却させず、間接的にヒータ（冷却水ライン）からヒーティング（冷却）プレートに１次熱交換が行われ、再びヒーティング（冷却）プレートからウェーハの背面の空気層に２次熱交換が行われ、再びウェーハの背面の空気層からウェーハに３次熱交換が行われるなど熱交換の過程が多段階でなされ、その過程で多段階の制御が難しい熱伝導過程はいうまでもなく、空気層での不安定した熱対流により実際のウェーハの上面に位置する半導体素子を所望の温度に合わせて温度を制御し難く、これにより消耗される加熱及び冷却エネルギーの浪費がはなはだしくて装置が効率的でなく、ウェーハとは別途に設置される従来のウェーハ加熱装置や冷却装置の構造が非常に複雑であるので、これを製作して設置するのに高コスト及び長時間がかかるなど色々な深刻な問題点があった。
また、従来のかかるウェーハ加熱装置や冷却装置は、ヒータが不要に肥大になり、冷却水などの冷媒が使われるなど装置が非常に高価である上で、使用時に各種の汚染物質が生成されて環境を悪化させるという問題点があった。
一方、従来のウェーハ温度測定装置も、別途のテストウェーハなどを使用するか、またはウェーハの近辺にセンサーを付けて温度を測定するなど実際の加工時にウェーハと離隔されて設置されており、実際の半導体素子に作用する熱エネルギーの量や実際の温度をリアルタイムで正確に測定することが不可能であった。
本発明の目的は、ウェーハの内部に直接加熱が可能な熱回路が備えられて、半導体素子を所望の温度に合わせて精密に温度を制御でき、直接熱交換方式で加熱及び冷却エネルギーを大きく低減して高効率を達成でき、ウェーハに直接設置されて構造が非常に簡単であり、製作コスト及び設置コストを大きく低減できる熱回路を有するウェーハ及びその電気供給システムを提供することである。
本発明の他の目的は、装置を最適化、小型化、簡素化し、副産物のない親環境的に製作できる熱回路を有するウェーハ及びその電気供給システムを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、ウェーハの背面に温度測定回路などを設置して、実際の半導体素子に作用する熱エネルギー量や実際の温度をリアルタイムで正確に測定できる熱回路を有するウェーハ及びその電気供給システムを提供することである。
前記目的を達成するための本発明の熱回路を有するウェーハは、ウェーハの構成において、ウェーハの表面に形成された半導体素子の加熱工程や冷却工程を行うために、ウェーハの自体加熱や自体冷却が可能にウェーハの一側に設置されて半導体素子と熱交換する熱回路を備えることを特徴とする。
また、望ましくは、前記熱回路は、ウェーハの前面に形成された少なくとも一つ以上の半導体素子チップと対応するように、ウェーハの背面に複数個のブロックにマルチゾーン化して形成されるか、またはウェーハの背面の中心からエッジ部分まで複数個のブロックにマルチゾーン化して形成され、各ブロックとブロックとの間にブロック間の熱干渉を減らすための断熱溝が形成されることが可能である。
また、前記熱回路は、イオン注入工程によりウェーハの背面に酸化シリコン処理や炭素、必要な金属など異質物を注入して伝熱性材質に変化させるか、または接着工程で接着させたパターン型熱線と、前記熱線の両端部に接続針の選択的な接触により電気を供給されるように形成される接続部と、を備えるか、またはウェーハの背面に接着やイオン注入工程で広く形成される伝熱性材質の伝熱板と、前記伝熱板の電極に接続針の選択的な接触により電気を供給されるように形成される接続部と、を備えるか、または前記熱回路は、イオン注入工程によりウェーハの背面に形成されるか、または接着工程で接着させたペルティエ素子と、前記ペルティエ素子の電極に接続針の選択的な接触により前記ペルティエ素子が電気を供給されるように形成される接続部と、を備える。
また、本発明の熱回路を有するウェーハは、ウェーハの他側に形成されてウェーハの表面に形成される半導体素子の温度を測定する温度測定回路をさらに備えることが可能である。
一方、前記目的を達成するための本発明の熱回路を有するウェーハの電気供給システムは、ウェーハの表面に形成された半導体素子の加熱工程や冷却工程を行うために、ウェーハの自体加熱や冷却が可能にウェーハの一側に熱回路が設置される熱回路を有するウェーハの電気供給システムの構成において、載置台上に載置されたウェーハの熱回路と接続される接続針と、前記接続針を通じて前記熱回路に電気を供給する電源装置と、前記電源装置の電流及び電圧を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
本発明の熱回路を有するウェーハ及びその電気供給システムによれば、ウェーハの内部に直接加熱が可能な熱回路が備えられて、半導体素子を所望の温度に合わせて精密に温度を制御でき、直接熱交換方式で加熱及び冷却エネルギーを大きく低減して高効率を達成でき、ウェーハに直接設置されて構造が非常に簡単であり、製作コスト及び設置コストを大きく低減でき、装置を最適化、小型化、簡素化し、副産物のない親環境的に製作でき、ウェーハの背面に温度測定回路などを設置して実際の半導体素子に作用する熱エネルギー量や実際の温度をリアルタイムで正確に測定できる。
以下、本発明の望ましい色々な実施形態による熱回路を有するウェーハ及びその電気供給システムを、図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１に示したように、本発明の望ましい一実施形態による熱回路を有するウェーハは、ウェーハ１の表面に形成された半導体素子２の加熱工程や冷却工程を行うために、ウェーハ１の自体加熱や自体冷却が可能にウェーハ１の背面に設置されて半導体素子２と熱交換する熱回路３を備えるものであって、前記ウェーハ１の上面に形成された半導体素子２と直接的な熱交換が可能な構成である。
したがって、前記熱回路３は、前記半導体素子２と最小の距離に近接して設置されるため、少ないエネルギーでも前記半導体素子２の温度を容易に上昇または下降させ、伝導によってのみ熱伝達がなされるため、非常に精密な熱制御が可能になる。
特に、前記熱回路３は、ウェーハ１の内面や上面に形成されることも可能であるが、半導体素子２が形成されていない不要なウェーハ１の背面に形成されることが望ましい。
一方、図２に示したように、前記熱回路３は、ウェーハ１の前面に形成された少なくとも一つ以上の半導体素子チップ４と対応するように、ウェーハ１の背面に複数個の四角または十字型または階段型などのブロック５に分けてマルチゾーン化して形成されるか、または図１１ないし図１８に示したように、ウェーハ１の背面の中心からエッジ部分まで複数個の円形またはリング形または扇形などのブロック５に分けてマルチゾーン化して形成されうる。
また、図示していないが、かかる各ブロック５とブロック５との間にブロック間の熱干渉を減らすための断熱溝が形成されて、マルチゾーン化された各ブロック５とブロック５との間で発生する熱伝導を遮断することも可能である。ここで、図示していないが、かかる断熱溝の代わりに断熱溝に断熱物質を充填するか、または断熱層／断熱膜を形成するなど非常に多様な断熱方法が適用されうる。
一方、図３ないし図１８に示したように、前記ブロック５の内部の熱回路３は、非常に多様なパターンで形成されうるものであって、まず、図３及び図７に示した前記熱回路３は、ウェーハ１の背面に接着やイオン注入工程などで広く形成される伝熱性材質の伝熱板６、及び前記伝熱板６に後述する図２０の接続針１１の選択的な接触により電気を供給されるように形成される接続部７を備える構成であって、すなわち前記伝熱板６は、電気を供給されれば、加熱される面積の広い板状であることも可能である。
また、図３及び図７の前記伝熱板６の代わりに、図４、図５、図６、図８、図９及び図１０に示したように、前記熱回路３は、イオン注入工程によりウェーハ１の背面に酸化シリコン処理や炭素、必要な金属など異質物を注入して伝熱性材質に変化させるか、または接着工程で接着させたパターン型熱線８が適用され、前記熱線８の両端部に後述する図２０の接続針１１の選択的な接触により電気を供給されるように形成される接続部７が適用されうる。
ここで、前記パターン型熱線８は、その幅が非常に狭いワイヤー状であることも可能であり、図１７及び図１８に示したように、その幅が相対的に厚い面状熱線であることも可能である。
一方、前記熱回路３は、必ず伝熱板６や熱線８であること以外にも、図１９に示したように、イオン注入工程によりウェーハ１の背面に形成されるか、または接着工程で接着させて選択的に加熱及び冷却させることが可能なペルティエ素子９、及び前記ペルティエ素子９の電極に後述する図２０の接続針１１の選択的な接触により前記ペルティエ素子９が電気を供給されるように形成される接続部７を備えることも可能である。
したがって、前記ペルティエ素子９の電極方向を変えることによって、ウェーハ１の加熱はもとより、冷却までも非常に急速かつ効率的に進めうる。
ここで、前記ペルティエ素子９についての技術的な内容は、既に公知されて広く常用化された技術であり、ここでは省略する。
また、図示していないが、本発明の熱回路を有するウェーハは、ウェーハ１の他側に形成されてウェーハ１の表面に形成される半導体素子２の温度を測定する温度測定回路をさらに備えうる。
ここで、かかる温度測定回路についての技術も、既にテストウェーハなどに広く公知されて常用化された技術であって、温度測定はもとより、測定された温度データを保存する保存回路まで備えうる。
一方、図２０に示したように、本発明の熱回路を有するウェーハの電気供給システムは、前述したように、ウェーハ１の表面に形成された半導体素子２の加熱工程や冷却工程を行うために、ウェーハ１の自体加熱や冷却が可能にウェーハ１の一側に熱回路３が設置される熱回路を有するウェーハに電気を供給するものであって、載置台１０上に載置されたウェーハ１の熱回路３の接続部７と接続される接続針１１と、前記接続針１１を通じて前記熱回路３に電気を供給する電源装置１２と、前記電源装置１２の電流及び電圧を制御する制御装置１３と、を備える構成である。
したがって、本発明の熱回路を有するウェーハ１を載置台１０上に置けば、前記接続針１１により前記電源装置１２の電気がウェーハ１の背面に形成された熱回路３に供給され、前記制御装置１３により熱回路３に供給される電気の電流及び電圧が制御されて、前記熱回路３が所望の温度でウェーハ１の上面に形成された半導体素子２を加熱または冷却させうる。
一方、図２０に示したように、前記接続針１１は、前記載置台１０を基準として昇下降自在に設置され、弾性バネ１４の復元力によりその先端がウェーハ１方向に加圧されて、前記熱回路３の接続部７との接触時に密着性を向上させてウェーハの接触失敗及び過激な衝突を防止できる。
また、本発明の熱回路を有するウェーハの電気供給システムは、前記載置台１０を基準として昇下降自在に設置され、弾性バネ１４の復元力によりその先端がウェーハ１方向に加圧接触されて、ウェーハ１の温度を測定する接触式温度センサー１５をさらに備えて、さらに精密なリアルタイム温度測定を可能にする。
本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲内で当業者による変形も可能である。
例えば、本発明の実施形態では、熱回路の形態や種類及び載置台や接続針の形態や種類が図面に限定されたように見えるが、その他にも本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で当業者による修正及び変更が容易である。
したがって、本発明で権利を請求する範囲は、詳細な説明の範囲内に決まるものではなく、特許請求の範囲及びその技術的思想により限定される。
Claims (10)
- 半導体のウェーハの構成において、
前記ウェーハの前面または背面の何れか一方に形成された半導体素子の加熱工程や冷却工程を行うために、前記ウェーハの自体加熱や自体冷却が可能に前記ウェーハの背面に形成されて半導体素子と熱交換する熱回路を備えることを特徴とする熱回路を有するウェーハ。 - 前記熱回路は、前記ウェーハの前面に形成された少なくとも一つ以上の半導体素子チップと対応するように、前記ウェーハの背面に複数個のブロックにマルチゾーン化して形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱回路を有するウェーハ。
- 前記熱回路は、前記ウェーハの背面の中心からエッジ部分まで複数個のブロックにマルチゾーン化して形成され、各ブロックとブロックとの間にブロック間の熱干渉を減らすための断熱溝が形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱回路を有するウェーハ。
- 前記熱回路は、
接着工程などで接着させたパターン型熱線と、
前記熱線の両端部に接続針の選択的な接触により電気を供給されるように形成される接続部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱回路を有するウェーハ。 - 前記熱回路は、
前記ウェーハの背面に接着やイオン注入工程で広く形成される伝熱性材質の伝熱板と、
前記伝熱板の電極に接続針の選択的な接触により電気を供給されるように形成される接続部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱回路を有するウェーハ。 - 前記熱回路は、イオン注入工程により前記ウェーハの背面に形成されるか、または接着工程で接着させたペルティエ素子と、
前記ペルティエ素子の電極に接続針の選択的な接触により前記ペルティエ素子が電気を供給されるように形成される接続部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱回路を有するウェーハ。 - 前記ウェーハに形成されて前記ウェーハの前面または背面の何れか一方に形成される半導体素子の温度を測定する温度測定回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱回路を有するウェーハ。
- 半導体のウェーハの前面または背面の何れか一方に形成された半導体素子の加熱工程や冷却工程を行うために、前記ウェーハの自体加熱や自体冷却が可能に前記ウェーハの背面に形成される熱回路を有するウェーハの電気供給システムの構成において、
載置台上に載置された前記ウェーハの熱回路と接続される接続針と、
前記接続針を通じて前記熱回路に電気を供給する電源装置と、
前記電源装置の電流及び電圧を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする熱回路を有するウェーハの電気供給システム。 - 前記接続針は、前記載置台を基準として昇下降自在に設置され、弾性バネの復元力によりその先端が前記ウェーハの垂直面方向に加圧されることを特徴とする請求項８に記載の熱回路を有するウェーハの電気供給システム。
- 前記載置台を基準として昇下降自在に設置され、弾性バネの復元力によりその先端が前記ウェーハの垂直面方向に加圧接触されて前記ウェーハの温度を測定する温度センサーをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の熱回路を有するウェーハの電気供給システム。
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