DE790641T1 - Kühlvorrichtung für ein Wafer - Google Patents

Kühlvorrichtung für ein Wafer

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DE790641T1 DE0790641T DE97200338T DE790641T1 DE 790641 T1 DE790641 T1 DE 790641T1 DE 0790641 T DE0790641 T DE 0790641T DE 97200338 T DE97200338 T DE 97200338T DE 790641 T1 DE790641 T1 DE 790641T1
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James Wing
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Novellus Systems Inc
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Claims (70)

DE/EP O 7SO 641JI (97200338.8) 23. Dezember 1997 Novellus Systems, Inc. Patentansprüche
1. SubstratkühlVorrichtung zum Abführen von Wärme von einem Substrat, aufweisend:
Eine Substratkontaktplatte, wobei die Substratkontaktplatte aufweist:
Einen erhöhten Randbereich,
einen zentralen Bereich, wobei der zentrale Bereich eine Gruppierung von Ausstülpungen und einen vertieften Bereich aufweist, wobei der vertiefte Bereich einen Hohlraum bildet, wobei jede der Ausstülpungen in einer Kontaktoberfläche endet, wobei eine Oberfläche eines erhöhten Randbereichs und die Kontaktoberflächen im wesentlichen koplanar sind, und
zumindest einen Gaseinlaßkanal zum Zuführen eines Gases in den Hohlraum, und
eine Kühlplatte, welche mit der Substratkontaktplatte thermisch gekoppelt ist, wobei die Kühlplatte einen Kanal zum Durchleiten eines flüssigen Kühlmittels aufweist .
2. SubstratkühlVorrichtung nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Tragplatte, die zumindest entweder an der Substratkontaktplatte oder der Kühlplatte angebracht ist.
3. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Tragplatte zwischen der Substratkontaktplatte und der Kühlplatte angeordnet ist.
4. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 3, außerdem aufweisend:
Eine erste Schicht einer wärmeleitenden Paste zwischen einer Rückseite der Substratkontaktplatte und einer ersten Oberfläche der Tragplatte, und eine zweite Schicht einer wärmeleitende Paste zwischen einer zweiten Oberfläche der Tragplatte und der Kühlplatte.
5. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 4, außerdem aufweisend eine erste Dichtung zum Schützen der ersten Schicht der wärmeleitenden Paste vor einer Vakuumumgebung, welche die Substratkühlvorrichtung umgibt.
6. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 5, außerdem aufweisend eine zweite Dichtung zum Schützen der ersten Schicht der wärmeleitenden Paste vor der Vakuumumgebung innerhalb zumindest des einen Gaseinlaßkanals.
7. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 3, außerdem aufweisend mehrere Bolzen zum Anbringen der Tragplatte an der Substratkontaktplatte.
8. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei ein Belville-Dichtring für jeden der Bolzen verwendet ist, um Flexibilität bereitzustellen und dadurch eine Differenz zwischen den jeweiligen Wärmeausdehnungseigenschaften der Tragplatte und der Substratkontaktplatte auszugleichen.
DE/EP O 780641 Tl
9. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Substratkontaktplatte aus einem Keramikmaterial gebildet ist.
10. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kühlplatte zwischen der Substratkontaktplatte und der Tragplatte angeordnet ist.
11. Substratkühl vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Substratkonktaktplatte an die Kühlplatte gelotet oder geschweißt ist.
12. Substratkühl vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Fläche des vertieften Bereichs 80% bis 98% einer Fläche des zentralen Bereichs einnimmt.
13. Substratkühl vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erhöhte Randbereich einen ringförmigen Dichtring aufweist.
14. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 13, wobei der zumindest eine Gaseinlaßkanal in den Hohlraum an einer Gaseinlaßöffnung mündet, die am Zentrum des zentralen Bereichs oder in dessen Nähe angeordnet ist.
15. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 13, außerdem aufweisend einen ringförmigen Gasverteilungsring, der benachbart zu einem Innenrand des ringförmigen Dichtrings angeordnet ist.
16. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der zentrale Bereich außerdem ein Muster von Gasverteilungskanälen aufweist, die sich ausgehend von der zu-
DE/EP O 730 641 T1
mindest einen Gaseinlaßöffnung zu dem ringförmigen Gasverteilungsring erstrecken.
17. SubstratkühlVorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Gasverteilungskanäle eine Tiefe im Bereich von 0,2 bis 2,0 mm und eine Breite im Bereich von 0,5 bis 2,5 mm aufweisen.
18. SubstratkühlVorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Gasverteilungskanäle eine Tiefe von ungefähr 0,7 mm und eine Breite von ungefähr 1,5 mm aufweisen.
19. SubstratkühlVorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Muster einen Zwischenkanal in Form einer die zumindest eine Gaseinlaßöffnung umgebenden geschlossenen Figur aufweist, eine erste Gruppe von Kanälen, die sich ausgehend von der Gaseinlaßöffnung zu dem Zwischenkanal erstrecken und eine zweite Gruppe von Kanälen, die sich ausgehend von dem Zwischenkanal zu dem ringförmigen Gasverteilungsring erstrecken, wobei die zweite Gruppe von Kanälen in größerer Anzahl vorhanden ist als die erste Gruppe von Kanälen.
20. SubstratkühlVorrichtung nach Anspruch 19, wobei die geschlossene Figur ein Sechseck ist und die erste Gruppe aus sechs Kanälen besteht und die zweite Gruppe aus achtzehn Kanälen besteht, wobei jeder der Kanäle der ersten und zweiten Gruppen eine Ecke des Sechsecks schneidet.
21. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Gasverteilungskanäle ausgehend von der Gaseinlaßöffnung in Auswärtsrichtung in einem Speichenmuster ausstrahlen.
DE/EP O 730 641 T1
22. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Substratkühlvorrichtung zumindest sechs Gasverteilungskanäle aufweist.
23. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Substratkühlvorrichtung zumindest zwölf Gasverteilungskanale aufwe ist.
24. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Gasverteilungskanäle in einem dreieckigen Muster angeordnet sind.
25. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Gasverteilungskanäle in Kreuzschraffurmuster angeordnet sind.
26. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Einrichtung zum Klemmen eines Substrats an die Substratkontaktplatte.
27. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Substratkontaktplatte außerdem zumindest eine Elektrode zum Klemmen eines Substrats an die Substratkontaktplatte aufweist.
28. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Substratkontaktplatte ein Paar von kammartig ineinandergreifenden Elektroden aufweist.
29. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 27, wobei die zumindest eine Elektrode von 15 &mgr;&tgr;&agr; bis 45 &mgr;&pgr;&igr; dick ist.
DE/EP O 730 641 &Tgr;&Lgr;
30. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 27, außerdem aufweisend eine Spannungsquelle, die mit zumindest einer Elektrode verbunden ist, um eine elektrostatische Kraft zum Klemmen des Substrats an die Substratkontaktplatte bereit zustellen.
31. Substratkühl vorrichtung nach Anspruch 27, außerdem aufweisend eine Hochfrequenzenergiequelle, die mit der zumindest einer Elektrode verbunden ist.
32. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 27, außerdem aufweisend eine Hochfrequenzenergiequelle und eine metallische Tragplatte, die zumindest entweder an der Substratkontaktplatte oder der Kühlplatte angebracht ist, wobei die Hochfrequenzenergiequelle mit zumindest einer Elektrode und der Metalltragplatte verbunden ist.
33. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Tiefe der Vertiefung geringer als oder gleich als 40 Mikrometer (&mgr;&idiagr;&eegr;) ist und mit einer Toleranz von ± 10% eines gewählten Werts hergestellt ist.
34. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abweichung von einer mittleren Ebene der Oberfläche des erhöhten Randbereichs und den Kontaktoberflächen geringer als 0,1 mm ist.
35. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche des erhöhten Randbereichs und der Kontaktoberflächen auf einen vorbestimmten Rauhigkeitspegel poliert oder geschliffen sind.
36. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 35, wobei der vorbestimmte Rauhigkeitspegel als mittlere Rauhigkeit
DE/EP O 7SO 641 T1
(Ra) festgelegt ist, die geringer oder gleich ungefähr 3,0 &mgr;&tgr;&agr; ist.
37. Substratkühl Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei Rj13x geringer oder gleich 200% von Ra ist.
38. Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 35, wobei eine Textur der Oberfläche des erhöhten Randbereichs und der Kontaktoberflächen ungeordnet ist.
39. Kombination aus der Substratkühlvorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Substrat, das auf der Substratkontaktplatte getragen ist, wobei eine Oberfläche des Substrats sich im Kontakt mit dem erhöhten Bereich und den Kontaktoberflächen befindet, wobei Gas in den Hohlraum durch den zumindest einen Gaseinlaßkanal zugeführt wird.
40. Kombination nach Anspruch 39, wobei das Gas aus der Gruppe gewählt ist, die aus Wasserstoff, Helium, Stickstoff und Argon besteht.
41. Kombination nach Anspruch 39, wobei der Druck des Gases in dem Hohlraum bei ungefähr 20 Torr oder darunter liegt.
42. Kombination nach Anspruch 39, wobei das Substrat Energie von einer externen Quelle zu der Substratkühlvorrichtung empfängt, wobei eine Temperatur des Substrats durch den Gasdruck gesteuert ist.
43. Kombination nach Anspruch 42, wobei weniger als ungefähr 2 0% der von dem Substrat abgeleiteten Wärme durch die Ausstülpungen abgeleitet ist.
E/EP 07S0S4IT1
44. Kombination nach Anspruch 39, wobei die Rauhigkeit der Oberfläche des erhöhten Randbereichs und der Kontaktoberflächen größer oder gleich einer die Rauhigkeit einer Oberfläche des Substrats in Kontakt mit der Substratkühlvorrichtung ist.
45. Kombination nach Anspruch 39, außerdem aufweisend:
Ein Drucksteuerventil zum Steuern des Drucks eines Gases in dem zumindest einen Gaseinlaßkanal, einen Drucksensor zum Erfassen des Drucks des Gases in dem zumindest einen Gaseinlaßkanal, eine Steuereinrichtung, die mit dem Drucksteuerventil und dem Drucksensor verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung ein Signal von dem Drucksensor empfängt und ansprechend darauf ein Signal zu dem Drucksteuerventil liefert, um den Druck in dem zumindest einen Gaseinlaßkanal auf einem vorbestimmten Pegel zu halten.
46. Kombination nach Anspruch 39, außerdem aufweisend:
Ein Drucksteuerventil zum Steuern des Drucks eines Gases in dem zumindest einen Gaseinlaßkanal, einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Substrats in dem zumindest einen Gaseinlaßkanal, eine Steuereinrichtung, die mit dem Drucksteuerventil und dem Temperatursensor verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung ein Signal von dem Temperatursensor empfängt und ansprechend darauf ein Signal zu dem Drucksteuerventil liefert, um die Temperatur des Substrats auf einem vorbestimmten Pegel zu halten.
47. Chemisches Dampfreaktionssystem mit einer Reaktionskammer und einer Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
DE/EP 07S0 641 T1
wobei die Wafer-Kühlvorrichtung positioniert ist, einen Wafer in der Reaktionskammer zu tragen.
48. Chemisches Dampfreaktionssystem nach Anspruch 47, wobei das chemisches Dampfreaktionssystem ein chemisches Dampfabscheidungssystem aufweist.
49. Chemisches Dampfreaktionssystem nach Anspruch 47, wobei das chemische Dampfreaktionssystem ein plasmaunterstütztes chemisches Dampfabscheidungssystem aufweist.
50. Chemisches Dampfreaktionssystem nach Anspruch 47, wobei das chemische Dampfreaktionssystem ein Plasmaätzsystem aufweist.
51. Chemisches Dampfreaktionssystem nach Anspruch 47, wobei das chemische Dampfreaktionssystem ein Zerstäubungsätzsystem aufweist.
52. Chemisches Dampfreaktionssystem nach Anspruch 47, wobei das chemische Dampfreaktionssystem ein physikalisches Dampfabscheidungssystem aufweist.
53. Wafer-Kühlvorrichtung aufweisend:
Eine Keramikplatte, wobei die Keramikplatte eine Oberseite aufweist, die einen ringförmig vorstehenden Ring aufweist, der entlang ihrem Umfang bzw. Rand vorläuft, und einen zentralen Bereich innerhalb des ringförmig vorstehenden Rings, wobei der zentrale Bereich eine vertiefte Fläche und eine Gruppierung aus Punkten aufweist, wobei jeder der Punkte in einer Kontaktoberfläche endet, wobei eine Oberfläche des ringförmig vorstehenden Rings und der Kontaktoberflächen im wesentlichen
IG
koplanar ist, und wobei der zentrale Bereich außerdem eine Gaseinlaßöffnung aufweist,
ein Paar von kammartig ineinandergreifenden Elektroden, die in der Keramikplatte eingekapselt sind, um eine elektrostatische Kraft bereitzustellen, um einen Wafer an die Keramikplatte zu klemmen,
eine metallische Tragplatte, die an einer Rückseite der Keramikplatte angebracht ist,
eine Kühlplatte die an einer Rückseite der metallischen Tragplatte angeordnet ist, wobei in der Kühlplatte ein Kanal zum Durchleiten eines flüssigen Kühlmittels gebildet ist, und
einen Gaseinlaßkanal, der sich durch die Kühlplatte und die metallische Tragplatte zu der Gaseinlaßöffnung erstreckt .
54. Waf er-Kühlvorrichtung nach Anspruch 53, wobei eine erste Schicht aus wärmeleitender Paste die Keramikplatte mit der metallischen Tragplatte verbindet und eine zweite Platte aus wärmeleitender Paste die metallische Tragplatte mit der Kühlplatte verbindet.
55. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 54, außerdem aufweisend einen ersten O-Ring zum Schützen der ersten Schicht aus wärmeleitender Paste vor einer Vakuumumgebung, welche die Wafer-Kühlvorrichtung umgibt, und einen zweiten O-Ring zum Schützen der ersten Schicht aus wärmeleitender Paste vor einer Vakuumumgebung in dem Gaseinlaßkanal.
56. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 53, außerdem aufweisend mehrere Bolzen zum Anbringen der metallischen Tragplatte an der Keramikplatte.
DE/EP O 730 641 T1
57. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 56, wobei ein Belville-Dichtring für jeden der Bolzen verwendet wird, um Flexibilität bereitzustellen und dadurch eine Differenz zwischen den jeweiligen Wärmeausdehnungseigenschaften der metallischen Tragplatte und der Keramikplatte auszugleichen.
58. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 53, außerdem aufweisend einen ringförmigen Gasverteilungsring, der benachbart zu einem Innenrand des ringförmig vorstehenden Rings angeordnet ist.
59. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 58, wobei der zentrale Bereich mehrere Gasverteilungskanäle aufweist, die sich ausgehend von der Gaseinlaßöffnung zu dem ringförmigen Gasverteilungsring erstrecken.
60. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 53, wobei eine Oberfläche des ringförmig vorstehenden Rings dazu ausgelegt ist, eine teilweise Dichtung mit der Oberfläche des Wafers zu bilden, der auf der Keramikplatte getragen ist.
61. Wafer-Kühlvorrichtung aufweisend:
Eine Keramikplatte, wobei die Keramikplatte eine Oberseite aufweist, die einen ringförmig vorstehenden Ring aufweist, der entlang ihrem Umfang bzw. Rand vorläuft, und einen zentralen Bereich innerhalb des ringförmig vorstehenden Rings, wobei der zentrale Bereich eine vertiefte Fläche und eine Gruppierung aus Punkten aufweist, wobei jeder der Punkte in einer Kontaktoberfläche endet, wobei eine Oberfläche des ringförmig vorstehenden Rings und der Kontaktoberflächen im wesentlichen
OE/EP ö 730 64&iacgr; Tf
koplanar ist, und wobei der zentrale Bereich außerdem eine Gaseinlaßöffnung aufweist,
ein Paar von kammartig ineinandergreifenden Elektroden, die in der Keramikplatte eingekapselt sind, um eine elektrostatische Kraft bereitzustellen, um einen Wafer an die Keramikplatte zu klemmen,
eine Kühlplatte, die an der Rückseite der Keramikplatte angebracht ist, wobei in der Kühlplatte ein Kanal zum Durchleiten eines flüssigen Kühlmittels gebildet ist, eine metallische Tragplatte, die an der Rückseite der Kühlplatte angebracht ist, und
einen Gaseinlaßkanal, der sich durch die metallische Tragplatte und die Kühlplatte zu der Gaseinlaßöffnung erstreckt.
62. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 61, wobei die Kühlplatte an die Rückseite der Keramikplatte gelötet oder geschweißt ist.
63. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 62, wobei das Material, das verwendet wird, um die Kühlplatte an der Rückseite der Keramikplatte zu löten oder zu schweißen ausreichend flexibel ist, um eine Differenz der jeweiligen Wärmeausdehnungseigenschaften der Kühlplatte und der Keramikplatte aufzunehmen.
64. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 62, wobei die Kühlplatte an der Rückseite der Keramikplatte mit Indium-Lötmittel angebracht ist.
65. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 61, wobei die Kühlplatte in einem Hohlraum fixiert ist, der in der mechanischen metallischen Tragplatte gebildet ist.
DE/EP O 7BO 641 Tl
66. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 65, wobei die Kühlplatte in dem Hohlraum mit Bolzen fixiert ist.
67. Wafer-Kühlvorrichtung nach Anspruch 66, außerdem aufweisend einen ersten O-Ring zum Abdichten des Hohlraums gegenüber einer Vakuumumgebung, welche die Wafer-Kühlvorrichtung umgibt, und einen zweiten O-Ring zum Abdichten des Hohlraums gegenüber einer Vakuumumgebung in dem Gaseinlaßkanal.
68. Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Substrats, welches Wärmeenergie von einer externen Quelle empfängt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Substratkühlvorrichtung, welche eine Substratkühlplatte mit einem ringförmig vorstehenden Ring aufweist, der am Rand bzw. Umfang von ihr gebildet ist, und einen Hohlraum innerhalb des ringförmig vorstehenden Rings,
Klemmen des Substrats an eine Oberfläche des ringförmig vorstehenden Rings,
Zuführen von Gas zu dem Hohlraum,
Aufbauen des Drucks des Gases innerhalb des Raums derart, daß eine Temperaturdifferenz zwischen dem Substrat und der Substratkontaktplatte vorbestimmt ist, wodurch die Temperatur des Substrats gesteuert wird.
69. Verfahren nach Anspruch 68, außerdem aufweisend den Schritt, die Substratkontaktplatte zu kühlen.
70. Verfahren nach Anspruch 68, wobei zwischen dem Substrat und der Oberfläche des ringförmig vorstehenden Rings entwichenes Gas strömt.
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