JPH0670897B2 - Device for removing heat from thin and flexible articles - Google Patents

Device for removing heat from thin and flexible articles

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JPH0670897B2
JPH0670897B2 JP58090839A JP9083983A JPH0670897B2 JP H0670897 B2 JPH0670897 B2 JP H0670897B2 JP 58090839 A JP58090839 A JP 58090839A JP 9083983 A JP9083983 A JP 9083983A JP H0670897 B2 JPH0670897 B2 JP H0670897B2
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platen
heat
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contact
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スコツト・シ−・ホ−ルデン
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バリアン・アソシエイツ・インコ−ポレイテッド
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は目的物及び熱貯蔵器を含む熱移送装置に関する
もので、特に、イオン注入、スパツタリング等によつて
処理される半導体ウエーハの冷却に関するものである。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a heat transfer device including an object and a heat storage device, and more particularly to cooling a semiconductor wafer processed by ion implantation, sputtering or the like.

発明の背景 加工品が高放射流束を受ける処理工程において、その加
工品内に出る熱はその処理に対して限界を与える因子と
なるものであろう。特に、半導体材料のイオン注入に対
して、加工品の温度に上限があることがいくつかの理由
のために認められている。ウエーハがリングラフ処理の
一部としてレジスト層でコートされるところでは、その
層は、100℃をかなり越えて上昇した温度では劣化又は
変質するであろう。前に形成された半導体ウエーハ内
の、明確に変化した特性を有する領域は、そのウエーハ
が長く放射線を受けると不所望の拡散受けか、又は前に
注入などを受けた領域は焼なましを早く受けることにな
るであろう。
BACKGROUND OF THE INVENTION In process steps where a work piece undergoes high radiant flux, the heat generated within the work piece may be the limiting factor for the process. In particular, for ion implantation of semiconductor materials, it has been recognized for several reasons that the workpiece temperature has an upper limit. Where the wafer is coated with a resist layer as part of the lingraph process, the layer will degrade or deteriorate at elevated temperatures well above 100 ° C. Areas of a previously formed semiconductor wafer that have distinctly changed properties are subject to unwanted diffusion when the wafer is exposed to long radiation, or areas that have been previously implanted, etc., anneal faster. You will receive it.

従つて、イオン注入処理等の結果によつて中に発生する
熱を半導体ウエーハから除去することが重要なことであ
る。
Therefore, it is important to remove from the semiconductor wafer the heat generated therein as a result of the ion implantation process and the like.

イオン注入の間、半導体ウエーハを凸状に曲がつたプラ
テンに締め付けることによつて半導体ウエーハを能動的
に冷却することは、従来技術において知られている。そ
のプラテンは、その表面上に柔軟な熱伝導性材料のコー
テイングを有している。そのプラテンと協働する締付け
リングが、凸状に曲つたプラテンの適合的(complian
t)な表面に対して半導体ウエーハをしつかりと押し付
けるように配置され、その締付けで、ウエーハからプラ
テン内に設けられた能動的冷却手段への熱エネルギーの
移動が一段とおこなわれる。このような装置は、本発明
と共に譲渡された米国特許第4,282,924号明細書に記載
されている。
It is known in the prior art to actively cool a semiconductor wafer by clamping it onto a convexly curved platen during ion implantation. The platen has a flexible thermally conductive material coating on its surface. A clamping ring that cooperates with the platen provides a compliment of the convexly curved platen.
t) is arranged so that the semiconductor wafer is tightly pressed against the surface, and the clamping further transfers thermal energy from the wafer to the active cooling means provided in the platen. Such a device is described in U.S. Pat. No. 4,282,924, assigned with the present invention.

前述の技術は伝導機構に基づいて熱移送をおこなうもの
である。熱エネルギーは、ウエーハに吸収される入射ビ
ームの運動エネルギーによつてウエーハの外表面の近傍
で生じる。従つて、熱移送をウエーハ材料を介しておこ
なう必要があるので、ウエーハ材料の熱伝導特性の中に
潜在的に熱伝導性の第1成分が存在する。(簡単化のた
めに熱がウエーハの厚さを通して通過すると仮定してい
る。)同様に、ウエーハとウエーハ接触するプラテン表
面の間で、次に循環冷却流体用の冷却チヤネルが配置さ
れたプラテンの内部領域を通つて熱移動をおこなわせる
ために、プラテンは熱伝導特性の特徴を有する材料から
成る。ウエーハとプラテンとの間の中間接触領域におい
て、熱移動特性への明確な寄与が存在する。この領域の
熱伝導は、ウエーハとプラテンとの間の実際の接触面積
にほぼ比例し、2つの材料の平均熱伝導率に反比例す
る。微視的なスケールでは、それらの表面は、完全に平
らではなく、不規則な方向を有している。材料の硬度及
び各々の接触表面の表面地形分布における仮定に基づく
ことにより、接触面積は微視的測定で計算することがで
きるが、しかし、実際には巨視的な面積のほんの一部に
すぎない。真空中における固体間の伝導熱移動理論はク
ーパー、マイキツク及びヤバノビツクによつて展開され
ている(Int.J,Heat and Mass Transfer.12巻、279−30
0頁(1969))。そこでは、接触熱伝導が、伝導性及び
実際の接触面積に依存することが示されている。その実
際の接触面積は、接合しあう表面における平らでない部
分の表面密度及びその材料の弾性又可塑性適合性(comp
liance)に順に依存するものである。上に働く押し付け
られた力により、不規則性はまず相互に接触するよう
に、又はほぼ合致するように変形され、より多くの接触
面積が生成されるであろう。より多くの接触面積による
所望の効果は、ウエーハによつて支え得る最大応力によ
つて限定される。米国特許第4,282,924号明細書におい
て、プラテンは、高熱容量金属体で構成され、特に特定
しないが凸状に曲がつている、ウエーハと接触する熱伝
導適合(compliant)材料外層が接合されている。従つ
て、ウエーハの小さな不規則性のある部を収容すべく変
形する表面層を備えている。この例では、その適合(co
mpliant)材料を通過する熱通路の長さにおいて更に幾
何学的な属性が存在する。その長さは、接触圧力の増加
とともに比例して短くなるものである。この効果は最初
に現れるが、しかし、通常生ずる僅かな変形では全く小
さなものである。
The above-mentioned technology is based on a conduction mechanism to transfer heat. Thermal energy is generated near the outer surface of the wafer due to the kinetic energy of the incident beam that is absorbed by the wafer. Therefore, there is a potentially thermally conductive first component in the heat transfer properties of the wafer material because heat transfer must occur through the wafer material. (For simplicity, it is assumed that heat will pass through the thickness of the wafer.) Similarly, between the wafer and the platen surface in contact with the wafer, a platen with a cooling channel for the circulating cooling fluid is then placed. The platen is made of a material that is characterized by heat transfer characteristics to effect heat transfer through the interior region. There is a definite contribution to the heat transfer properties in the intermediate contact area between the wafer and the platen. Heat transfer in this region is approximately proportional to the actual contact area between the wafer and platen and inversely proportional to the average thermal conductivity of the two materials. On a microscopic scale, their surfaces are not perfectly flat and have irregular orientations. Based on material hardness and assumptions in the surface topographical distribution of each contact surface, the contact area can be calculated by microscopic measurements, but in reality it is only a fraction of the macroscopic area. . The theory of conduction heat transfer between solids in a vacuum has been developed by Cooper, Mickick and Yabanowick (Int. J, Heat and Mass Transfer. Volume 12, 279-30).
Page 0 (1969)). It is shown therein that the contact heat conduction depends on the conductivity and the actual contact area. The actual contact area depends on the surface density of the uneven surfaces of the mating surfaces and the elastic or plastic compatibility of the material.
liance) in turn. Due to the pressing force exerted on it, the irregularities will first be deformed into contact with each other, or in close conformity, creating more contact area. The desired effect of more contact area is limited by the maximum stress that can be supported by the wafer. In U.S. Pat. No. 4,282,924, the platen is composed of a high heat capacity metal body bonded to an outer layer of heat conductive compliant material in contact with the wafer, which is curved, though not otherwise specified, in a convex shape. Therefore, it is provided with a surface layer that is deformed to accommodate the small irregularities of the wafer. In this example, the match (co
There is a more geometrical attribute in the length of the heat path through the material. Its length decreases proportionally with increasing contact pressure. This effect first appears, but is quite small with the slight deformations that normally occur.

境界面の熱インピーダンスに影響を与えるいろいろな効
果は、熱シンクに関して所定のウエーハ温度を保つこと
が望ましい所で選択的に制御可能な熱インピーダンスを
与えることで認められた。この属性の例が、これと共に
譲渡され、出願された米国特許第4,453,080号明細書で
議論されている。
Various effects that affect the thermal impedance of the interface have been observed by providing a selectively controllable thermal impedance where it is desirable to maintain a given wafer temperature with respect to the heat sink. An example of this attribute is discussed in commonly assigned and filed US Pat. No. 4,453,080.

発明の目的 従って、本発明の目的は、イオン注入の間、半導体ウエ
ーハを効果的に冷却するための改質された装置、特に一
様にこのような冷却をおこなう装置を提供することであ
る。
OBJECTS OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a modified apparatus for effectively cooling a semiconductor wafer during ion implantation, and in particular an apparatus for providing such cooling in a uniform manner.

発明の概要 放射流束を受ける半導体ウエーハ用の改良された熱移動
装置は、ウエーハをその周囲で好適に締め付けるプラテ
ンを含んでいる。そのプラテンは、ウエーハの表面上の
場所に依存しないで、熱をウエーハを通してプラテンに
移動させることを最適にする輪郭を有している。ウエー
ハとプラテンとの間の接触圧力分布が、ウエーハをプラ
テンに締め付ける締付け手段によつて限定された境界条
件に対して、ウエーハの残りの表面全体にわたつて一様
であるところの表面に対応するように、ウエーハと合致
する輪郭が計算される。接触圧力の大きさは、ウエーハ
が後で割れることなく許容し得る大きさまで最大化され
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An improved heat transfer device for a semiconductor wafer that is subject to radiant flux includes a platen that preferably clamps the wafer about its circumference. The platen has a profile that optimizes the transfer of heat through the wafer to the platen independent of location on the surface of the wafer. The contact pressure distribution between the wafer and the platen corresponds to a surface that is uniform over the rest of the wafer for boundary conditions limited by the clamping means that clamp the wafer to the platen. Thus, the contours that match the wafer are calculated. The magnitude of the contact pressure is maximized to an acceptable magnitude without the wafer subsequently cracking.

1つの実施例において、プラテンは剛直な金属部材及び
その上に接合される適合(compliant)層から成る。そ
の適合層の特性及び接合表面でのその部材の内側輪郭に
よつて、上述した必要条件を満す外側輪郭は制御され
る。
In one embodiment, the platen comprises a rigid metal member and a compliant layer bonded thereon. Due to the properties of the conforming layer and the inner contour of the part at the joining surface, the outer contour which meets the requirements mentioned above is controlled.

どちらのアプローチにおいても、プラテンは、そこから
熱を効果的に除去するための能動的な冷却手段を好適に
含んでいる。
In either approach, the platen preferably includes active cooling means to effectively remove heat from it.

好適実施例 本発明の概要は、典型的なイオン注入装置を図示してい
る第1図に良く示されている。高電圧ターミナル2が、
アースに関して典型的に+10kevから+20kevまでの選択
可能な電圧に保たれている。ターミナル2内に、イオン
源8及びそれと組み合う電源10が配置され、本発明の目
的に関して詳説する必要のない抽出、プローブ及び集束
電圧が備えられている。典型的に、イオン源はガス状原
料を必要とするガス取扱装置で作動し、その装置はいく
つかのガスシリンダの間で選択するため及び選択された
ガスを制御して漏出することによりイオン源に供給する
ために使用されてもよいものである。イオン源8から発
散する高流束イオンビーム18が分析磁石20で運動量分析
され、その磁石から流出し、穴22によつて成形され、更
に可変なスリツトシステム24によつて限定される。その
ビームは次に、加速管26内のアース電位へ加速される。
四重極子二重レンズのような光学的要素28は、空間集束
をターゲツト面56又は58に生じさせるためにビームに作
用する。第1図の典型的な装置は静電偏向装置を利用し
ている。その静電偏向装置は、選択されたターゲツト面
全体にビーム18を向けるためのy偏向板40及びx偏向板
42を含んでいる。所望の走査パターンを形成するために
板40及び42に印加される波形が走査装置で形成される。
二重チヤネルターゲツトチエンバ46は、処理される製品
を覆うために備えられている。各々の処理チヤネルに対
してビーム形成スリツト48及び49が、そして電荷収集及
び集成に対してフアラデイケージ50及び51が、そのター
ゲツトチエンバの中に含まれている。供給チヤネル52及
び54を含む自動ウエーハ取扱装置が作動すると、2つの
処理チヤネルには、時間をずらしてターゲツトチエンバ
内に導入するための2つの真空ロツクの各々通つて1度
に1つ半導体ウエーハが導入される。そのウエーハ取扱
装置は、処理の間にウエーハを適切に位置付けし、揃
え、冷却し、処理終了後にチエンバから処理されたウエ
ーハを取り除く。そのウエーハ取扱装置は、これと一緒
におこなつた一連の出願の中に記載されている。
Preferred Embodiment An overview of the present invention is best shown in FIG. 1, which illustrates a typical ion implanter. High voltage terminal 2
It is typically kept at a selectable voltage from +10 kev to +20 kev with respect to ground. Within the terminal 2 an ion source 8 and its associated power supply 10 are arranged, which are provided with extractions, probes and focusing voltages which need not be detailed for the purposes of the invention. Typically, the ion source operates in a gas handling device that requires a gaseous feed, which device selects between several gas cylinders and by controlled leakage of the selected gas. May be used to supply A high flux ion beam 18 diverging from the ion source 8 is momentum analyzed at an analysis magnet 20, exits the magnet, is shaped by a hole 22, and is further defined by a variable slit system 24. The beam is then accelerated to earth potential in the accelerating tube 26.
An optical element 28, such as a quadrupole double lens, acts on the beam to produce spatial focusing at the target surface 56 or 58. The typical device of FIG. 1 utilizes an electrostatic deflection device. The electrostatic deflector comprises a y-deflector 40 and an x-deflector 40 for directing the beam 18 over the selected target plane.
Contains 42. The corrugation applied to plates 40 and 42 to form the desired scan pattern is formed in the scanning device.
A dual channel targeting chamber 46 is provided to cover the product being processed. Beam forming slits 48 and 49 are included for each processing channel, and Faraday cages 50 and 51 for charge collection and assembly are included in the target chamber. When the automated wafer handling equipment, including supply channels 52 and 54, is activated, the two processing channels will have one semiconductor wafer through each of the two vacuum locks for staggered introduction into the target chamber. Will be introduced. The wafer handling equipment properly positions, aligns, and cools the wafer during processing and removes the processed wafer from the chamber after processing is complete. The wafer handling equipment is described in the series of applications filed therewith.

イオンビームが横切る全領域が高真空に、例えば、典型
的には10-6mm.hgのオーダの圧力に保たれることは理解
されよう。
It will be appreciated that the entire area traversed by the ion beam is kept in a high vacuum, eg at a pressure typically on the order of 10 −6 mm.hg.

第2A図に示されているように、ウエーハ62の周囲に加え
られる締付け力Lがウエーハ表面全体にわたつて不一様
な分布の接触力となることがわかるであろう。このこと
はウエーハに不一様な荷重を生じさせる。そこにおける
不一様な荷重は、任意の凸面外形65を有するプラテン64
によつて形成される。局部の応力は、ベクトル成分66に
より記号にして示されている。ウエーハ62とプラテン64
との境界の熱伝導性は、プラテンに向けてウエーハ上に
加えられる接触力、並びにその材料の熱的及び機械的特
性の関数である。上述したように、このことは一部には
ウエーハとプラテンの両方の微視的な材料の特徴である
微視的な表面の荒さ及び圧縮率並びに印加力に比例して
変化し得る各々の材料における接触面積のためである。
第2A図のような、典型的に周囲で締め付けられたウエー
ハを冷却する凸状の球面形のプラテンにおいて、比較的
温度上昇した領域が、局部的な接触圧力の減少のため
に、処理の間ウエーハの中心領域において広く進んでい
くことがわかつている。
As shown in FIG. 2A, it will be seen that the clamping force L applied around the wafer 62 results in a non-uniform distribution of contact forces across the entire wafer surface. This causes uneven loading on the wafer. The uneven load there is due to the platen 64 having an arbitrary convex outline 65.
Is formed by. The local stress is symbolically indicated by the vector component 66. Waha 62 and Platen 64
The thermal conductivity of the boundary between and is a function of the contact force exerted on the wafer towards the platen and the thermal and mechanical properties of the material. As noted above, this is in part a feature of both the wafer and platen microscopic materials, and the microscopic surface roughness and compressibility as well as each material that can vary in proportion to the applied force. This is due to the contact area at.
In a convex spherical platen that typically cools a wafer clamped at its periphery, such as in FIG. 2A, the relatively elevated temperature regions cause a local decrease in contact pressure during processing. We know that it will be widespread in the central region of Waha.

最適なプラテンの輪郭は、周囲にそつて支持されている
一様に荷重された薄いデイスクを記述する微分方程式に
よつて一義的に描ける。この問題は、マルガリーとウオ
ールンル(MarguerreとWoernle)によつて議論されてい
る(‘弾性板’第11章.ブライスデル出版社、ウオルサ
ム.マサチユーセツツ州.1969)。これを参照すると、
一様に荷重された周囲で支持されている薄い柔軟なデイ
スクに対する偏差(deflection)y(r)は である。ここで r=動径位置 D=2r0(ウエーハ直径) t=ウエーハの厚さ p=ウエーハに印加される力 E=弾性係数 ν=ポアソン比 上記式(1)によつて記述される偏差は、処理中に感知
される最適な接触冷却に対する規準、例えば、ウエーハ
に印加される一様な接触圧力分布を満たす。このよう
に、ウェーハをプラテンにウェーハの周囲に沿って締め
付けるとき、プラテンの表面が式(1)により表される
形状を採りさえすれば、ウェーハとプラテンとの接触圧
力は一様になるのである。ウエーハからプラテンへの熱
移動を最大にするために、ウエーハとプラテンの間の接
触力を最大にすることが更に望ましい。最大の接触力に
は、そのウエーハ材料の特性によつて制限を受ける。ウ
エーハが凸状面のために変形されるので、応力の接線方
向成分(法線方向の接触力に関して接線方向成分)は、
曲げが強制され、それによりウエーハの内側面近傍を圧
縮し、その外側(凸状)面近傍を緊張させる。各々の表
面における応力の接線方向成分は、設計上のパラメータ
に範囲を与える大きさ(特に、外側面における緊張応
力)を表している。
The optimum platen contour can be unequivocally described by a differential equation describing a uniformly loaded thin disk supported around it. This issue is discussed by Marguerre and Woernle ('Elastic Plate', Chapter 11, Blythedell Publishing Company, Waltham, Massachusetts, 1969). With reference to this,
The deflection y (r) for a thin flexible disk supported in a uniformly loaded environment is Is. Where r = radial position D = 2r 0 (wafer diameter) t = wafer thickness p = force applied to the wafer E = elastic coefficient ν = Poisson's ratio The deviation described by the above equation (1) is , Meet the criteria for optimal contact cooling sensed during processing, eg, uniform contact pressure distribution applied to the wafer. Thus, when the wafer is clamped to the platen along the periphery of the wafer, the contact pressure between the wafer and the platen becomes uniform as long as the surface of the platen has the shape represented by the formula (1). . It is further desirable to maximize the contact force between the wafer and the platen in order to maximize heat transfer from the wafer to the platen. Maximum contact force is limited by the properties of the wafer material. Since the wafer is deformed due to the convex surface, the tangential component of stress (tangential component with respect to the normal contact force) is
Bending is forced, thereby compressing near the inner surface of the wafer and tensioning near its outer (convex) surface. The tangential component of the stress on each surface represents the magnitude that gives a range to the design parameter (in particular, the tensile stress on the outer surface).

一様に荷重された薄い柔軟なデイスクに対して、このよ
うに形成された偏差から生ずる最大の表面圧力は、 で与えられ、その最大圧力は、以下の式のようにウエー
ハが安全である最大緊張応力によつて制限を受ける。
For uniformly loaded thin flexible disks, the maximum surface pressure resulting from the deviation thus formed is: And its maximum pressure is limited by the maximum tension stress at which the wafer is safe, as in the equation below.

ここで、 p=接触力 ν=ポアソン比 σ=外側面における緊張応力 σmax=r0,tを与えたときに耐え得る最大緊張圧力 式(2)に従う一様に荷重された薄い柔軟なデイスクに
対して、最大偏差が以下のように与えられる。
Where p = contact force ν = Poisson's ratio σ = stress stress on the outer surface σ max = r 0 , t, the maximum tension pressure that can be tolerated when given a uniformly thin flexible disk according to equation (2) , The maximum deviation is given by

σmaxを使うと、 となる。 Using σ max , Becomes

デイメンジヨンをなくした式が、プラテンに対する所望
の外形を記述する式(3)で式(1)を割ることによつ
て与えられる。
The equation without dimension is given by dividing equation (1) by equation (3) which describes the desired contour for the platen.

従つて、式(4)は、ウエーハの表面全面にわたつて一
様な熱移動をおこない且つウエーハからの最大熱移動を
おこなう共同条件を表している。このように、ウェーハ
の周囲に沿って、すなわちウェーハの周囲を押さえ付け
る締付手段によりウェーハをプラテンに締め付けると
き、ウェーハとプラテンの接触圧を一様にするために
は、プラテンの接触面は式(4)により表される形状を
もたなけらばならず、すなわちその接触面は一義的に決
定されるのである。式(4)がヤング率に依存しないこ
と、ポアソン比がいろいろな材料にほとんど変化しない
ことに注意すべきである。式(4)は提唱した目的に対
して一律に応用可能な輪郭を表わしている。実際の使用
において、ymaxの値は曲線の大きさ(amplitude)又は
スケールに拘束を与えるが、しかし、いろいろ異なつた
ウエーハ材が熱移動特性に実質的な犠牲を強いることな
く収納し得ることも注意すべきである。
Therefore, the equation (4) expresses the joint condition that the uniform heat transfer is carried out over the entire surface of the wafer and the maximum heat transfer from the wafer is carried out. Thus, when the wafer is clamped to the platen along the periphery of the wafer, that is, by the clamping means for pressing the periphery of the wafer, in order to make the contact pressure between the wafer and the platen uniform, the contact surface of the platen is It must have the shape represented by (4), that is, its contact surface is uniquely determined. It should be noted that equation (4) does not depend on Young's modulus, and Poisson's ratio hardly changes in various materials. Expression (4) represents a contour that can be uniformly applied to the proposed purpose. In actual use, the value of y max imposes a constraint on the magnitude or scale of the curve, but it is also possible that different wafer materials can be accommodated without substantially sacrificing heat transfer properties. You should be careful.

従つて、第2B図において、本発明のプラテン70は、式
(4)によつて記述される表面の輪郭を有する。ウエー
ハ72は、周囲の締付けリング74によつて締付け力Lをも
つてプラテン70に押し付けられている。冷却チヤネル76
は、熱を一層除去するためにプラテンに備えられてい
る。ベクトル成分78によつて象徴的に表わされた応力分
布は、周囲の締付けの境界条件及びウエーハ72と輪郭71
とを合致させることによつて課せられる一様な一定力の
荷重のために、ウエーハ全体にわたつて一様であること
がわかる。全ウエーハ表面全体にわたつて接触をおこな
うための一定力L0の大きさに対して、接触圧力は、Lの
更なる増加に対して変化しない値と仮定している。接触
力の更なる増加ΔLは、荷重分布に影響を与えることな
くウエーハを通過して基板に単に移される。
Thus, in FIG. 2B, the platen 70 of the present invention has the surface contour described by equation (4). The wafer 72 is pressed against the platen 70 with a clamping force L by a peripheral clamping ring 74. Cooling channel 76
Are provided on the platen to further remove heat. The stress distribution symbolically represented by the vector component 78 is the boundary condition of the surrounding tightening and the wafer 72 and the contour 71.
It can be seen that it is uniform across the wafer because of the uniform constant force load imposed by matching and. It is assumed that the contact pressure is a value that does not change with a further increase in L, with respect to the magnitude of the constant force L 0 for making contact over the entire wafer surface. The further increase in contact force ΔL is simply transferred to the substrate through the wafer without affecting the load distribution.

他の実施例(第2C図)として、プラテン組立体は、剛直
な部材であるプラテン80と適切な熱伝導コーテイング82
とから形成されてもよい。プラテン80の中間の輪郭90
は、ウエーハ86が受ける荷重及び適合材料82の特性を考
慮に入れて決定される。その荷重は、設計荷重条件の下
でのウエーハ86とプラテン80との間の境界の輪郭84を、
ウエーハをプラテンに締付けることによつて決定される
境界条件に対してプラテン−ウエーハ境界の面全体にわ
たつて一様な接触圧力分布を形成する所望の輪郭と合致
させるために課せられるものである。最も簡単なアプロ
ーチとしては、一様な厚さの適合材料の層を、境界の輪
郭84と中間の輪郭90が実質的に同一となるようにその中
間の輪郭90に接触させることである。一般的な場合にお
いて、圧縮された適合材料が、増加する周囲の荷重のた
めに径方向の厚さの分布を示すことになるであろうし、
複雑な設計上の手順を必要となるであろう。そのような
設計はコンピユータモデルで繰返し手順により容易に成
し遂げられる。そのコンピユータモデルにおいては、裸
プラテンの中間輪郭90を表す関数y1(r,θ)は、適合材
層82の偏差を考慮に入れて、所望の外面輪郭を形成する
ために変化される。連続した周囲の締付けによつて定め
られた境界条件に対して、θ依存性はなくなり、これら
の関数は放射状に対称となる。
In another embodiment (FIG. 2C), the platen assembly includes a rigid platen 80 and a suitable heat transfer coating 82.
It may be formed from Platen 80 Middle contour 90
Is determined by taking into consideration the load that the wafer 86 receives and the characteristics of the compatible material 82. The load is the boundary profile 84 between the wafer 86 and the platen 80 under design load conditions,
It is imposed to meet the boundary conditions determined by clamping the wafer to the platen to match the desired contour that creates a uniform contact pressure distribution across the entire surface of the platen-wafer interface. The simplest approach is to contact a layer of conformal material of uniform thickness to the intermediate contour 90 so that the boundary contour 84 and the intermediate contour 90 are substantially identical. In the general case, the compressed conforming material will exhibit a radial thickness distribution due to increasing ambient loads,
Complex design procedures will be required. Such a design is easily accomplished by an iterative procedure in a computer model. In that computer model, the function y 1 (r, θ), which represents the intermediate contour 90 of the bare platen, is varied to account for deviations in the compliant material layer 82 to form the desired outer surface contour. For the boundary conditions defined by the continuous tightening of the circumference, the θ dependence disappears and these functions become radially symmetrical.

加工品の大きさを有する典型的なシリコンウエーハ(直
径100mm、厚さ525ミクロン)に対して、562.46Kg/cm2
(8000psi)の緊張ボンデイング応力が許容できる。式
(4)によつて与えられる輪郭の大きさとして、最大偏
差0.134cm(0.0529inch)が取られる。0.471Kg/cm
2(0.67psi)の一定圧力がそのように輪郭付けされたア
ルミニウム(6061−T6)製の熱シンクに向けて保たれて
いる。その熱接触抵抗は真空中で約65℃/watt/cm2
あるとわかつている。1つの具体例において、アルミニ
ウム製プラテン体、適合基板及び典型的なウエーハは、
それぞれ0.31、2.11、0.33−0.074℃/watt/cm2とな
る。全熱インピーダンスへの主要な寄与は接触インピー
ダンスと予想されるが、しかし、熱接触抵抗の実際の値
は、熱シンク及びウエーハの両表面特性に完全に依存す
る。軟質なアルミニウム又はインジウムは、この目的に
対して優れた特性を有するものと信じられている。柔軟
な材料は、表面微粒子を許容し得る利点を有するという
良い特性を与える。
562.46 Kg / cm 2 for a typical silicon wafer (100 mm diameter, 525 micron thickness) with the size of a processed product
(8000psi) tension bonding stress is acceptable. A maximum deviation of 0.134 cm (0.0529 inch) is taken as the size of the contour given by equation (4). 0.471Kg / cm
A constant pressure of 2 (0.67 psi) is maintained towards the aluminum (6061-T6) heat sink so contoured. It is known that its thermal contact resistance is about 65 ° C / watt / cm 2 in vacuum. In one embodiment, the aluminum platen body, conformal substrate and typical wafer are:
It becomes 0.31, 2.11 and 0.33-0.074 ° C / watt / cm 2 , respectively. The major contributor to the total thermal impedance is expected to be the contact impedance, but the actual value of the thermal contact resistance depends entirely on both the heat sink and wafer surface properties. Soft aluminum or indium are believed to have excellent properties for this purpose. Flexible materials offer the good property of having the advantage of being able to tolerate surface particulates.

本発明の関連した態様としては、ガスがウエーハ−プラ
テン境界領域内に導入され、熱移動を強めるための接触
圧力とほぼ等しい圧力にすることである。この問題の材
料はこれと一連の出願に記載されている。
A related aspect of the invention is that gas is introduced into the wafer-platen boundary region to a pressure approximately equal to the contact pressure to enhance heat transfer. The material in question is described in this and in a series of applications.

他の締付け装置もまた考えられ得る。他の1つのこのよ
うな締付け装置は、対称的に離散した点で、すなわち第
3図の例に示されているように、ウエーハの周囲にそつ
て等しく間隔おいた3点で等しい締付け力Lをウエーハ
に加えておこなうものである。このような場合、複雑な
サドル形の輪郭が結果的に生じる。すなわち、そのウエ
ーハは、θがその周囲のまわりの方位角であるところの
表面y(r,θ)に変形されるだろう。このような表面
は、前記したマルガリーとウオールンルを参照すれば計
算できる。プラテン108は、最大偏差の条件によつて更
に強要されるこのようなサドル形輪郭に与えられる。こ
のようにプラテンの接触面に形状は、締付け装置により
ことなるが、締め付け条件により決定される方程式によ
り一義的に決定されるのである。この意味で、プラテン
の接触面の形状は締め付け装置と協働するものいう。必
要で複雑な輪郭を形成することは、多重軸機械削り技術
を用いることにより即座に得ることが可能である。他の
例としては、プラテン108を前述した実施例のような適
合材層を有するものに形成してもよく、必要とするより
複雑な計算で輪郭を望ましいものにしてもよい。この離
散した締付け実施例において得られる利点は、付加的な
ウエーハ領域がウエーハ上におけるデバイスの製造に対
して接近可能となることである。幅ωの連続した周囲の
締付け部と全表面との分数をとると、 となり、これは典型的なω(2mm)及びr0の値の数パー
セントのオーダーである。この実施例は、これと一連に
なされた出願の目的とするところである。
Other tightening devices are also conceivable. Another such clamping device has an equal clamping force L at symmetrically discrete points, ie at three points equally spaced around the circumference of the wafer, as shown in the example of FIG. In addition to the wafer. In such cases, complex saddle-shaped contours result. That is, the wafer will be transformed into a surface y (r, θ) where θ is the azimuth angle around its perimeter. Such a surface can be calculated by referring to the above-mentioned Margaree and Wohrunle. The platen 108 is provided with such a saddle-shaped profile which is further compelled by the conditions of maximum deviation. As described above, the shape of the contact surface of the platen differs depending on the tightening device, but is uniquely determined by the equation determined by the tightening condition. In this sense, the shape of the contact surface of the platen cooperates with the tightening device. Producing the necessary and complex contours can be readily obtained by using multi-axis machining techniques. As another example, the platen 108 may be formed with a layer of compliant material as in the previous embodiments, and the contours may be desired with the more complex calculations required. The advantage obtained with this discrete clamping embodiment is that the additional wafer area is accessible to the fabrication of devices on the wafer. Taking the fraction of the tightening part around the continuous width ω and the entire surface, Which is on the order of a few percent of the typical values of ω (2 mm) and r 0 . This example is the purpose of this and a series of other applications.

説明がウエーハと熱シンク部材との間の一様な接触圧力
を得ることに向けられているけれども、他の所望の分布
が同様にして得ることができることも明瞭に理解されよ
う。例えば、温度勾配が、議論された例よりも他の特別
の処理工程に対して必要となるであろうし、対応した接
触力分布は接触輪郭を適当に設計することによつて得ら
れよう。
Although the description is directed to obtaining a uniform contact pressure between the wafer and the heat sink member, it will be clearly understood that other desired distributions can be obtained as well. For example, temperature gradients may be needed for other special processing steps than the discussed example, and a corresponding contact force distribution could be obtained by a suitable design of the contact contour.

説明は、イオン注入の間に、半導体ウエーハから熱を除
去することを内容として構成されてきた。イオン注入
が、本発明が適する放射処理の単なる一例であることは
すぐにわかるであろう。更に、薄い柔軟なデイスクから
の熱伝導移動は、このような材料への熱伝導移動に密接
に関連している。従つて、薄い柔軟な加工品を加熱する
ような処理もまた、本発明による同様の利点を受けるで
あろう。
The description has consisted of removing heat from the semiconductor wafer during ion implantation. It will be readily appreciated that ion implantation is just one example of radiation treatment for which the present invention is suitable. Furthermore, heat transfer from thin flexible disks is closely related to heat transfer to such materials. Therefore, treatments such as heating thin flexible workpieces would also receive similar advantages according to the present invention.

発明の効果 本発明の平坦な物品から熱を除去する装置は、平坦な物
品(ウェーハ)を処理する装置において、締付手段によ
りウェーハが、特定の方程式により表される特定の接触
面でもって熱シンク手段に締め付けられるので、それら
の間の接触圧の分布を一様にすることができて、熱の移
動を一様にすることができ、かつその特定の方程式がヤ
ング率に依存せず、ポアソン比がいろいろな材料によっ
てほとんど変化しないから、その接触面が一義的に決定
でき、いろいろ異なったウェーハ材によらず一義的にウ
ェーハをその弾性限界近くまで締め付けることができ
る。さらに、締付手段によるウェーハの弾性限界に近く
までウェーハが熱シンク手段に締め付けらるので、その
熱移動は最大とすることができて、かつウェーハを割る
ことがない。
The apparatus for removing heat from a flat article of the present invention is a device for processing a flat article (wafer), in which the wafer is heated by a clamping means with a specific contact surface represented by a specific equation. Being clamped on the sink means, the distribution of contact pressure between them can be made uniform, the heat transfer can be made uniform, and its particular equation does not depend on Young's modulus, Since the Poisson's ratio hardly changes with different materials, the contact surface can be uniquely determined, and the wafer can be uniquely clamped to its elastic limit regardless of different wafer materials. Furthermore, since the wafer is clamped in the heat sink means close to the elastic limit of the wafer by the clamping means, its heat transfer can be maximized and the wafer is not cracked.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明を含む典型的なイオン注入装置の略図
である。 第2A図は、最適でない輪郭のプラテン及びその上におけ
るウエーハ締付けの略図である。 第2B図は、本発明の効果の説明図である。 第2C図は、本発明の他の実施例の説明図である。 第3図は、他の締付けの実施例の説明図である。 〔主要符号の説明〕 62……ウエーハ、64……プラテン 65……輪郭、66……ベクトル成分 70……プラテン、71……輪郭 72……ウエーハ、74……締付けリング 76……冷却チヤネル、80……プラテン 82……適合材層、84……輪 86……ウエーハ、88……締付けリング 90……輪郭、108……プラテン
FIG. 1 is a schematic diagram of a typical ion implanter including the present invention. FIG. 2A is a schematic illustration of a non-optimal profile platen and wafer clamping thereon. FIG. 2B is an explanatory diagram of the effect of the present invention. FIG. 2C is an explanatory diagram of another embodiment of the present invention. FIG. 3 is an explanatory diagram of another embodiment of tightening. [Explanation of main symbols] 62 …… wafer, 64 …… platen 65 …… contour, 66 …… vector component 70 …… platen, 71 …… contour 72 …… wafer, 74 …… tightening ring 76 …… cooling channel, 80 …… Platen 82 …… Compatible material layer, 84 …… Wheel 86 …… Wafer, 88 …… Tightening ring 90 …… Contour, 108 …… Platen

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】放射流速の下において、平坦な物品から熱
を除去する装置であって、a)前記物品からの移動熱を
除去するための熱シンク手段であって、 非平面であり、非球面状の凸状接触面を有するところの
熱シンク手段と、 b)前記平坦な物品の周囲部分を前記接触面に締め付け
る締付手段と、 から成り、 前記物品が、半径がr0で厚さがtのディスクであり、 前記周囲部分が、前記ディスクの周囲における狭い連続
した領域であり、 前記接触面が一般的な式 で表され、ここで、α=(1+ν)/(5+ν)で、γ
=2(3+ν)/(1+ν)であって、νはポアソン比
であり、Ymaxはディスクの最大偏差であり、yは半径座
標rにおける半径座標方向平面からの前記接触面の高さ
であり、 前記締付手段が、前記ディスクの外面凸状表面でその弾
性限界に近い緊張応力を生じさせるために前記接触面と
協働する、 ことを特徴とする、平坦な物品から熱を除去する装置。
1. An apparatus for removing heat from a flat article under radiant flow velocity, comprising: a) a heat sink means for removing transfer heat from the article, which is non-planar; A heat sink means having a spherical convex contact surface; and b) a fastening means for clamping the peripheral portion of the flat article to the contact surface, wherein the article has a radius of r 0 and a thickness of r 0. Is a disk of t, the peripheral portion is a narrow continuous area around the disk, and the contact surface is of a general formula Where α = (1 + ν) / (5 + ν) and γ
= 2 (3 + ν) / (1 + ν), ν is the Poisson's ratio, Y max is the maximum deviation of the disc, and y is the height of the contact surface from the radial coordinate plane at the radial coordinate r. An apparatus for removing heat from a flat article, characterized in that the clamping means cooperate with the contact surface to create a tension stress at the outer convex surface of the disc near its elastic limit. .
【請求項2】前記ディスクが半導体ウェーハである、特
許請求の範囲第1項記載の、平坦な物品から熱を除去す
る装置。
2. An apparatus for removing heat from a flat article according to claim 1 wherein said disk is a semiconductor wafer.
【請求項3】イオン源、およびイオンビームを前記イオ
ン源から前記半導体ウェーハに向ける手段、並びに 前記イオン源、前記イオンを向ける手段、前記熱シンク
手段および前略締付手段を囲む真空チェンバーを有し、 前記熱シンク手段が、前記イオンビームで照射されてい
る間、前記半導体ウェーハから熱を除去する、特許請求
の範囲第2項記載の、平坦な物品から熱を除去する装
置。
3. An ion source, and means for directing an ion beam from the ion source to the semiconductor wafer, and a vacuum chamber surrounding the ion source, means for directing the ions, the heat sink means and the front clamping means. An apparatus for removing heat from a flat article according to claim 2, wherein the heat sink means removes heat from the semiconductor wafer while being irradiated with the ion beam.
JP58090839A 1982-05-25 1983-05-25 Device for removing heat from thin and flexible articles Expired - Lifetime JPH0670897B2 (en)

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