JPH03192644A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体製造装置および製造方法に係り、とくに
イオン打ち込み、エツチング用等の半導体ウェハを低温
で処理する装置に関わる。

［従来技術］ 従来のイオン打ち込みの半導体製造装置は原理的に第２
図に示すような構造になっていた。イオン源１から放出
されるイオンは同図では省略されたフォーカス、および
加速装置等によりイオンビーム４に収束され、電磁石３
により偏向されて質量分離される。その後、スリット６
により所要の質量のイオンが選択され分析室８内のウェ
ハ７に打ち込まれるようになっていた。

上記イオン打ち込み装置において半導体ウェハを冷却す
る方法の一例が、例えば時開昭和６３−１３３４４２号
公報に開示されている。同公報によれば、ウェハを保持
するウェハホルダを例えば室温の水により冷却して、と
くに上記ウェハとウェハホルダ間の熱適接触を向上せし
めて上記冷却効率を向上するようにしていた。しかし、
上記従来技術ではウェハの温度上昇を抑えることを目的
としていたため、室温以下にまで冷却することができな
かった。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術において、ウェハホルダを冷却する冷媒に
室温の水を用いる場合には、ウェハとウェハホルダ間の
接触熱抵抗が過大であるため、ウェハ温度は室温よりも
可成高くなっていた。

また、最近のウェハプロセスの低温化要求に対応するた
めに液体窒素等を用いるようにすると、液体窒素は通常
、使い捨てされるため不経済であるばかりでなく、同ボ
ンベ交換、補充等作業性が著しく悪くなると同時に、液
体窒素の配管、同締結部が氷結したりするので十分な断
熱対策が必要となる。さらに、液体窒素を液体のまま冷
却部に接触せしめて冷却するようにするので、温度を精
度良く制御することも困難である。

本発明の目的は、上記従来装置の難点を解消し、室温か
らマイナス数１０度、さらにはマイナス２００度程度ま
での広範な範囲を精度良く制御でき、さらに、冷媒の補
充を必要としない経済的な半導体製造装置を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記課題を解決するため、半導体ウェハをウェ
ハホルダに搭載し加工する半導体製造装置において、上
記ウェハホルダ内空洞部に、液化冷媒を導入してその蒸
発冷却を制御して上記半導体ウェハを冷却するようにす
る。

さらに、上記ウェハホルダを回転円板状に形成し、その
外周部表面に上記半導体ウェハを搭載し、上記半導体ウ
ェハの搭載面に近接して設けた上記空洞部内に、上記冷
媒を複数のノズルより放出するようにする。

さらに、上記空洞部内に放熱フィンを設け、熱交換の効
率を高めるようにする。

また、上記ウェハホルダの回転軸内中空部を介して、上
記液化冷媒を供給し、また、上記気化冷媒を排気するよ
うにする。

さらに、上記気化冷媒を圧縮機により圧縮して熱交換に
より冷却して液化し、循環させ再利用するようにする。

さらに、上記半導体ウェハの温度を検出して上配圧縮機
の運転を制御し、上記半導体ウェハの温度を制御するよ
うにする。

さらに、上記半導体ウェハにイオンビームを照射する加
工時間内は上記ノズルからの上記冷媒の放出を断続しな
いようにし、上記半導体ウェハの温度変動を低減する。

［作用］ 以上のように構成した本発明の半導体製造装置は、ウェ
ハホルダの半導体ウェハ搭載面に近接して設けた空洞部
に液化冷媒を導入し、その気化冷却により上記半導体ウ
ェハを冷却する。

さらに、上記空洞部内に上記液化液化冷媒の導入孔を複
数設けて上記半導体ウェハの温度分布を均一化し、さら
に、上記空洞部内に放熱フィンを設けて、上記半導体ウ
ェハと上記冷媒間の熱交換効率を改善する。

さらに、上記冷媒の気化速度を制御して上記半導体ウェ
ハの温度を制御する。

さらに、上記気化冷媒を冷却、圧縮して液化し、これを
上記ウェハホルダの回転軸内の空洞部を介して循環させ
再利用する。

［実施例］ 第１図は半導体イオン打ち込み装置における本発明の原
理的構成を示す図である。第１図は打ち込み室８の断面
とウェハの冷却に必要な主要装置とを示している。

第１図において、打込室８内のウェハホルダ１０上に配
置されたウェハ７に上方よりイオンビームが照射される
。打込室８内は排気装置１２により所要の真空度に排気
される。ウェハホルダ１０の内の空洞部１１には、配管
１３により液化冷媒が導入され、ノズル１５より放出さ
れる。このとき冷媒は気化し、その気化の潜熱によりウ
ェハホルダ１０を冷却し、ウェハ７を冷却する。気化し
た冷媒は配管１４を介して真空ポンプ１７により吸引さ
れ、圧縮機１６により圧縮され、熱交換器１５により冷
却、液化されて、再び配管１３を通ってウェハホルダ１
０内に送られる。なお、１９．２０は熱交換器１５用冷
却水の配管である。

上記真空ポンプ１７は空洞部１１内を液化冷媒の気化を
効率良く行なう為に用いられる。しかし、圧縮機１６も
液化冷媒を吸引する力があり、この力で十分な場合には
真空ポンプ１７を省略することができる。また、ノズル
１８の口径は上記液化冷媒の放出量に合わせて設定され
る。

また、配管１４内を通る気化冷媒には冷気が残っている
ので、これを利用して配管１３と１４間に熱交換器２３
を設け、配管１３を通過する液化冷媒を冷却するように
する。

打込室８内には温度検出器２１が設けられ、ウェハ７が
放射する赤外線を検出し、その信号は制御装置２２に入
力され、温度指令値と比較されて圧縮機１６の運転を制
御する。同図では省略されている上記温度指令値を変更
することにより、ウニハフ温度を任意に設定することが
できる。

空洞部１１内の温度は上記冷媒の沸点に相当し、空洞部
１１内の圧力を低めると上記沸点も低下する。

例えば、空洞部１１内の圧力を１気圧とすると、上記冷
媒が窒素の場合、その沸点は略−１９５℃なので、空洞
部内の温度を一１９０℃程度にまで下げることができ、
同様に、フレオン２２を用いると空洞部内の温度を一４
０℃程度にまで下げることができる。また、上記圧力を
０．１気圧とすると、上記冷媒が窒素の場合、空洞部内
の温度を一２００℃以下にまで下げることができる。゛
第３図は、上記冷却サイクルにおける液化温度とエント
ロピの関係を示す図である。圧縮機１６および熱交換器
１５により、冷媒のエントロピは同図のａからす、ａの
ように低下し、さらに熱交換器２３によりｄまで低下す
る。次に、空洞部１１内で断熱膨張してｅに移り、場合
によってはここで一部が液化しくｅからｆの部分）、ウ
ェハ７の熱により加熱されａまで増加し、上記サイクル
を閉じる。

第４図は第１図に示した本発明の原理装置を実際の半導
体イオン打ち込み装置に適用した本発明の１実施例を示
す図であ番。第１図は打込室８の断面とウェハの冷却に
必要な主要装置を示している。

第４図において、イオンビーム４は真空の打込室８内に
導入され、ウェハ７に照射される。ウェハ７は回転円板
状のウェハホルダ１０の周辺部に複数配置され、モータ
２４により回転されて順次イオン打ち込みを受けるよう
になっている。ウェハホルダ１０の周辺部の内部には空
洞部１１が設けられ、その中で冷媒が気化される。この
ため、ウェハホルダ１０の内部には冷媒導入部材２５が
設けられる。冷媒導入部材内には熱交換器１５から配管
１３を介して液化冷媒が導入され、その端部に設けられ
たノズル１８より空洞部１１に向けて放出される。この
とき冷媒は気化し、その気化の潜熱によりウェハホルダ
１０を冷却する。気化した冷媒は配管１４を介して圧縮
機１６内に入り圧縮され、熱交換器１５により冷却され
、配管工３を通って再びホルダ１０内に送られる。

ウェハホルダ１０に送られる液化冷媒とこれより出てく
る気化冷媒はウェハホルダ１０の回転軸内を通過する際
に、相互に隣接して熱交換を行うので、上記回転軸が第
１図の熱交換器２３に相当する。また、第１図の真空ポ
ンプ１７は省略されている。

上記第４図の装置によるイオン打ち込み条件の一例を挙
げると以下のようになる。ウェハホルダ１０の外周部上
に直径路２００ｍｍの半導体ウェハ７が複数枚並べられ
、直径が４０〜５０ｍｍのイオンビーム４が５〜１０分
間照射される。この間、ウェハホルダ１０は略７２０ｒ
ｐｍで回転し、さらに、イオンビーム４の直径がウェハ
７の直径よりも小さいので、イオンビーム４をウェハ７
の全域に均等に照射する為に、同図では省略された機構
により、ウェハホルダ１０の回転軸を半径方向に毎秒数
１０ｍｍ程度の速度で移動させる６上記イオンビーム４
のエネルギは略２ｋＷである。

したがって、上記複数のウェハ７とウェハホルダ１０の
表面で上記略２ｋＷのエネルギが熱に変換されることに
なり、この熱エネルギを上記冷媒の気化潜熱により排除
して各ウェハ７の温度を所定の値に保つのである。

このように、排除する熱エネルギの量が膨大であるため
、装置の運転効率を高める必要上、圧縮機１６、及び熱
交換器１５等により冷媒を再利用すること極めて効果的
なのである。　また、例えば、直径が２００ｍｍのウェ
ハ７をウェハホルダ１０上に１０枚並べると、ウェハホ
ルダ１０の外径は略８００ｍｍ以上となり、アルミニウ
ムで製作してもその重量、回転モーメント等は相当に太
きのちのとなり、起動時の回転立ち上げに時間を要し、
その駆動装置を大型化する。

したがって、ウェハホルダ１０を出来るだけ薄肉化して
軽くする必要がある。しかし、薄肉化すると熱容量が減
るので、温度が不均一になりやすいため、気化した冷媒
をウェハホルダ１ｏのウェハ搭載面上の背面に均一に照
射する必要が生じる。

第５図ないし第７図は上記の目的を達成するため、ノズ
ル１８を複数配置する本発明の実施例を示す図である。

第５図ないし第７図はウェハホルダ１０のウェハ搭載面
の内部を平面的に示している。

第５図は、冷媒導入部材２５を３本設け、それぞれの先
端にノズル１８を設けた場合である。配管１３より送ら
れてきた液化冷媒は接続部１３１より各冷媒導入部材２
５を経て各ノズル１８より放出される。このとき、各冷
媒導入部材２５のり長さを変えることによりウェハ搭載
面の下部を一様に冷却することができる。また、冷媒導
入部材２５の数を増やせばさらに一様に冷却することが
できる。。

第６図は、第５図における各冷媒導入部材２５間をノズ
ル管２５１で接続し、その上に複数のノズル１８を配置
した場合である。ノズル１８の数を必要に応じて増やせ
るため、ウェハ搭載面の下部を一様に冷却することがで
きる。

第７図は、第６図に置けるノズル管を２５２のように蛇
行させて、各ノズル１８からの冷媒放出がウェハの直径
の全域に広がり、ウェハ搭載面の下部を広く一様に冷却
するようにしたものである。

また、第１図、第４図ないし第７図に示した本発明実施
例において、各ウェハホルダ１０の空洞部１１の表面上
に、放熱フィン状の突起を設けることにより、気化した
冷媒とウェハホルダ１０との接触面積を増やせるので、
冷却効率をさらに高めることができる。上記放熱フィン
状の突起は空洞部１１の大きさや回転数等に応じ、ウェ
ハホルダ１０の回転軸と同軸状、あるいは同直径方向に
放射状、その他の形状にすることができる。

また、上記各ウェハ７の温度は上記各ノズル１８からの
冷媒放出量を調節して行なわれる。このとき、冷媒の放
出を断続して上記調節を行なうと、ウェハ温度にリップ
ルが伴う。通常のイオン打ち込みに要求されるウェハの
温度変動は１０℃程度であり、この程度は上記冷媒を断
続する方法により達成することができる。しかし、冷媒
放出量を連続的に制御すれば、上記温度リップルをさら
に少なくすることができる。

［発明の効果］ 本発明の半導体製造装置は、冷媒の蒸発冷却によりウェ
ハホルダ上の半導体ウェハを効率良く冷却する。

また、圧縮機、熱交換器等により上記蒸発した冷媒を液
化し、効率良く経済的に再利用する。

さらに、半導体ウェハの温度を検出して上記圧縮機を制
御し、上記半導体ウェハの温度を、高精度に制御する。

たとえば、上記ウェハホルダ内の空洞部の圧力を１気圧
に設定した場合、冷媒として窒素を用いると一１９０℃
程度まで、また、フレオンを用いると一４０℃程度まで
上記半導体ウェハの温度を設定することができる。

さらに、上記液化冷媒の導入孔を複数設け、これらを分
散配置することにより、上記半導体ウェハの温度分布を
均一化する。

さらに、上記空洞部内に放熱フィンを設け、上記半導体
ウェハと上記冷媒間の熱交換効率を改善する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的構成を示す図、第２図は従来の
イオン打ち込み装置の原理図、第３図は本発明装置の冷
却サイクル図、第４図は本発明実施例の部分断面図、第
５図ないし第７図は本発明実施例のウェハホルダの内部
を示す図である。 １・・・イオン室、３・・・電磁石、４・・・イオンビ
ーム。 ５・・・分析管、７・・・ウェハ、８・・・打込室、１
０・・・ウェハホルダ、１１・・・空洞部、１３・・・
配管、１５・・・熱交換器、１６・・・圧縮機、１８・
・・ノズル、２１・・・温度検出器、２２・・・制御装
置、２４・・・モータ、２５・・・ノズル管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体ウェハをウェハホルダに搭載し加工する半導
   体製造装置において、上記ウェハホルダの内部に空洞部
   を設け、上記ウェハホルダ内部の空洞部に、ノズルを備
   えた液化冷媒の導入部材と、上記ノズルより放出され気
   化された上記冷媒を排気する排気部材とを備えるように
   したことを特徴とする半導体製造装置。 ２、請求項１において、上記液化冷媒の導入部材は、複
   数の上記ノズルを備えたものであることを特徴とする半
   導体製造装置。 ３、請求項１および２において、上記ウェハホルダを管
   状の回転軸に接続し、上記回転軸の内部に、上記液化冷
   媒を導入する冷媒配管と、上記気化された冷媒を排気す
   る排気管とを設けたことを特徴とする半導体製造装置。 ４、請求項１および３において、上記ウェハホルダを回
   転円板状に形成し、上記円板状のウェハホルダ表面の外
   周部に上記半導体ウェハの搭載面を設け、上記空洞部を
   上記半導体ウェハの搭載面に近接して設けるようにした
   ことを特徴とする半導体製造装置。 ５、請求項４において、複数の上記ノズルを備えた上記
   冷媒導入部材を、上記空洞部内に、上記ウェハホルダ外
   周部に沿うように配置したことを特徴とする半導体製造
   装置。 ６、請求項５において、上記ウェハホルダ外周部に沿っ
   て配置された上記冷媒導入部材に上記液化冷媒を上記冷
   媒配管から供給する複数の分配管を備えるようにしたこ
   とを特徴とする半導体製造装置。 ７、請求項１ないし６において、上記ウェハホルダの上
   記空洞部内に放熱フィンを備えるようにしたことを特徴
   とする半導体製造装置。 ８、請求項１ないし７において、上記排気管が排気する
   気化冷媒を圧縮する圧縮機と、上記圧縮機が排気する冷
   媒を冷却し液化する熱交換器を備え、上記熱交換器より
   得られる液化冷媒を上記冷媒配管に供給するようにした
   ことを特徴とする半導体製造装置。 ９、請求項１ないし８において、上記ウェハホルダ上の
   半導体エウハ温度を検出する温度検出器と、上記圧縮機
   の制御装置とを備え、上記温度検出器の出力を上記制御
   装置に印加して上記半導体ウェハの温度を制御するよう
   にしたことを特徴とする半導体製造装置。 １０、請求項９において、上記温度検出器を非接触型の
   温度検出器としたことを特徴とする半導体製造装置。 １１、請求項１ないし１０において、上記半導体製造装
   置が上記半導体ウェハにイオンビームを照射する加工時
   間内には、上記ノズルより送出される上記冷媒を断続し
   ないようにしたことを特徴とする半導体製造装置。