JPS62274625A - ガスを利用して真空中でウェーハを冷却するための装置 - Google Patents

ガスを利用して真空中でウェーハを冷却するための装置

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JPS62274625A
JPS62274625A JP62109060A JP10906087A JPS62274625A JP S62274625 A JPS62274625 A JP S62274625A JP 62109060 A JP62109060 A JP 62109060A JP 10906087 A JP10906087 A JP 10906087A JP S62274625 A JPS62274625 A JP S62274625A
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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】 λ発明の詳細な説明 本発明は真空チェンバで被加工物を処理することに関す
るもので、特に、ガスを伝達媒体として利用した半導体
ウェーハを処理する装置における熱伝達装置に関するも
のである。
発明の背景 集積回路製造における多くの処理において、真空中で高
エネルギビームを半導体ウェーハに適用することが行な
われている。これらの処理は、イオン注入イオンビーム
ミリング(milling) 及ヒ反応イオンエツチン
グを含む。このような処理において、イオンビームが発
生源で生成され、いろいろに加速されてターゲットに向
けられる。イオン注入は半導体ウェーハの中に不純物を
注入するための積率的な技術である。不純物はその不純
物を半導体材料の結晶格子の中に埋め込む手段として、
運動するイオンのモーメントを利用して半導体の塊の中
に導入される。
イオンが半導体に衝突し、その塊の中に移動するので、
原子管突による熱が発生する。この熱が重要となるのけ
、イオンビームのエネルギレベル、又はvLiレベルが
増大し、所望の限界を越えて制御できない不純物の拡散
が生じてしまうからである。ディバイスは非常に小さい
ので、この制御できない拡散は許容できないものである
。さらに。
熱による問題は、処理前の半導体ウェーハに適用され、
比較的低い融解点をもつパターン化きれたフォトレジス
ト層の質を低下させることである。
商業的な半導体処理における主目的は、単位時間当りの
ウェーハの処理能力を高めることである。
イオンビーム装置において高い生産量を成し遂げる方法
の1つは、比較的高いilE流ビームを使用することで
ある。しかし、ウェーハの中に多量の熱が発生すること
になる。したがって、温度の上昇を防止するためにウェ
ーハを冷却する必要がある。
ウェーハ温度を所望限度以下に保つための技術にはバッ
チ処理がある。バッチ処理とは、複数のウェーハ全体に
対して時間分割した走査を行って注入し、ウェーハと熱
シンクとの間を固体同上の直接接触で冷却を行う本ので
ある(米国特許第4.282,924号参照)、固体同
士の接触を利用した装置の冷却効率は、ミクロなレベル
では両表面の非常に僅かな領域のみ(典型的には5チ以
下)しか実際に接触していないので限界がある。
ガス伝導の技術が対面する表面の間の熱結合をなすもの
として知られ、臭望中で半導体処理に利用されている。
1つのアプローチとして、ウェークと支持プレートの間
にガスが導入されるものである(米国特許第4,264
,762号参照)。しかし。
この熱伝達において、比較的低いガス圧力でウェーハが
弓状に変形する。
ガスも利用した固体同士のaK<による半導体ウェーハ
の熱伝達は、本出願人にθ渡された米国特許fd 4.
457,359号に開示されている。半導体ウェーハが
プラテン上にその周囲をもって締め付けられ、加圧ガス
がプラテンとウェーハの間のミクロなレベルの亜領域に
導入される。ガス圧は、ウェーハとプラテンの間の苗量
において明確な増加ではないが予め作用させる締め付は
圧に近づく。ウェーハとプラテンとの間隔が増加せずに
ガス圧が著しく増加するので、熱抵抗は低下し、ガスを
利用した固体同士の熱伝達は最適なものとなる。これら
のアプローチのいずれの場合も、ガスは、ウェーハの背
後の熱伝導領域の圧力を破面する手段を含むガス源から
供給される。
ウェーハを支持するプラテンの形と無関係に。
熱伝導領域から真空処理チェンバの中1へのガスの流れ
を限定する必要がある。真空チェンバの中への制御でき
ないリークは、正確に測定ができない中性化衝突やイオ
ンビームの散乱分生じさせる。
熱伝導からのガス流を防止する1つの方法はプラテン表
面の溝に弾性Q IJソング配置することである。その
溝は半導体ウェーハの周囲の近傍にある。
ウェーハがプラテン表面に対して締め付けられると Q
 IJソング圧縮され、熱伝達領域のまわりが気密にな
る。
弾性01Jングと半導体との間のシールは十分であるが
、欠点もある。ウェーハをプラテン表面へと締め付ける
締付はリングは、典型的に、ウェーハの周囲に位置して
いる。そのため、利用可能なウェーハ領域が締付はリン
グによってブロックされない1.Oリングは、ウェーハ
のフラットとの重なり合いを避けるために、締付はリン
グのみならず、ウェーハの縁よりも半径方向内側に位置
している。したがって、ウェーハが所定の位置に締め付
けらrたとき、0リングは、ウェーハに締付は力の方向
と反対方向で、締付は力から半径方向内側のところに力
を作用する。その結果、ウェーハの中心部分は上昇傾向
にあり、熱伝達領域におけるウェーハとプラテン表面と
の間の圧力が減少する。その上昇が生ずると、ウェーハ
とプラテン表面との間の熱伝達率は実質的に減少する。
さらに、向きが反対の締付は力とQ IJソング力は半
導体に応力を作用し、多くの場合に、ウェーハの破損を
引き起こす限界であるs、o o o pst (s 
615Ky/vrrl)を越えた過度の応力をウェーハ
に作用する。さらにまた、そのウェーハが従来の0リン
グに刺さシ、ウェーハの処理において不要な中断を引き
起す。
イオン注入装置ておいて、半導体材料の中にイオンが浸
透する深さは、半導体材料の結晶格子とイオンビームと
のなす角度にも幾分依存する。ある角度に対して、チャ
ネリングとして知られる望ましくない効果が過度のイオ
ン浸透をもたらすことになる。ウェーハが曲面又はドー
ム状のプラテンに締め付けられると、イオンビームの入
射角はウェーハ表面全体にわたって変化し、そのため、
空間的にいろいろに変化したチャネリングを生じさせる
。ウェーハとイオンビームとのなす入射角と一定に維持
することによ〕、このよう表空間的に変化するチャネリ
ングを避けることが必要である。しかし、上述したOリ
ングの力はウェーハをドーム状に変形し、そのためチャ
ネリングの間隔を悪化させる。
ウェーハに過度の応力を作用させることなく、熱伝達の
特性に悪い影響を与えることなく、ウェーハとプラテン
表面との間の熱伝達領域をシーリングする手段を提供す
ることが望ましい。水出原人に譲渡された米国特許第4
,544298号は、熱伝達領域からガスが逃げるのを
防止する技術を開示する。ウェーハの周囲の中間領域が
熱伝達領域のガス圧以下の圧力に真空排気される。この
ような装置は、ウェーハの表面の周囲と真空チェンバと
の間をシールする必要があり、そのため、ウェーハ処理
ステーションの構成を複雑にするという欠点がある。
本発明の目的は、真空チェンバ内で薄く可撓性の被加工
物の熱伝達を行う改良された装Wを提供することである
本発明の他の目的は、熱伝達ガスが真空領域に至らない
ようにし、真空チェンバ内で薄く可撓性の被加工物の熱
伝達を行う改良された装置を提供することである。
更に1本発明の他の目的は、薄く可撓性の被加工物に過
度の応力を作用させないようにして、真空チェンバ内で
被加工物の熱伝達を行う装置を提供することである。
発明の概要 これら及び他の目的並びに利点は、真空チェンバに露出
した表面で被加工物を処理位置に支持するプラテン表面
を有するプラテン手段と、被加工物をプラテン表面に締
め付ける手段と、被加工物とプラテン表面との間の熱伝
達領域に所期の圧力をもったガスを導入する手段と、熱
伝達領域から真空チェンバへのガス流を防止する手段と
から成る。真空チェンバ内で処理中に薄く可撓な被加工
物の熱伝達を行う装置によ)成し遂げられる。ガス流防
止手段は、細長い断面を有する弾性リング。
及びウェーハの周囲の近傍で、ウェーハ熱伝達領域f:
取υ囲むようにプラテン表面に設けられたシーリング溝
とから成る。その溝は、リングの可動な端部分がプラテ
ン表面の上に伸び、被加工物と接触するように、リング
の固定端部分を確実に握持する第1の溝部分を有する。
細長い断面はプラテン表面に対して鋭角となる方向に伸
長している。
シーリング溝は、被加工物がプラテン表面に締め付けら
れたとき1曲って変形したリンクの可動端部分を収納す
る第2の溝部分を有する。
断面が細長い弾性リングが平行四辺形で、そのリングが
被加工物と接触する所に向ってテーパーが付けられてい
ることが望ましい。さらに、第1の溝部分がリングの固
定端部分の向い合った側面を確実に握持するように間隔
があけられ平行な側面を有し、その側面がプラテン表面
と鋭角をなすようになっていることが望ましい。
実施例 本発明に従つ九ガスで強化された半導体ウェーハの熱伝
達装置が第1図に略示的に示されている。
この装置は、パリアン・アソシエイツ・イン;−ボレイ
テツド社によシ製造・販売されたMode1350D 
イオン注入装置と同様のイオン注入装置に利用すること
ができる。イオン注入装置のターゲット領域は第1図に
示されている。プラテン10カ、真空チェンバ14に露
出したその表面で半導体ウェーハ12を所定の位置に支
持する。プラテン10は典型的に、アルミニウムのよう
な金属から成り、米国特許第4,282,924号及び
第4,535,835号に説明されているようにドーム
状又は湾曲状とすることができるプラテン表面16を有
する。また、プラテン表面16は平坦なものでもよい。
第1図においてプラテン表面は平坦に見えるが、僅かに
湾曲しているとみなしてもよい。ウェーハ12が湾曲し
たプラテン表面16に対して締め付けられると、それは
表面16にそって湾曲する。プラテン表面16は、ウェ
ーハ12と表面16との間を確実に密着するように選択
される。プラテン16は、チェンバドア18に取シ付け
られてもよく。
またその一部であってもよい。チェンバドア18上のQ
IJング20がプラテン10と真空チェンバ14との間
をシールする。
処理中に、イオンビーム22はウェーハ12に衝突し、
それに熱を生じさせる。ウェーハ12Fi。
その熱を伝導によシ除去するために湾曲した表面16と
接触する。しかし、上述したように、ウェーハ12とプ
ラテン16は、ミクロなレベルでは不規則き面となって
いることから、全表面の5チ以下しか接触することがな
い。接触点の間には非常に多数のミクロな空間が存在す
る。これら空間は、熱伝導を非常に悪くする。この問題
を解決するために、所定圧に加圧された空気のようなガ
スが、通路26に連結した表面内にある環状溝24によ
)ミクロな空間に導入される。その通路26は、典型的
に1−50 torrの範囲にある所定圧をもったガス
源30に仕切シ弁28を介して連結されている。ガスで
満されたミクロな空間は、ウェーハ12とプラテン10
0間の熱伝導を行う熱伝達領域から成る。ガスを利用し
た熱伝達の詳細は米国特許第4,457,359号に説
明されている。プラテン10には、水のような冷却液の
循環のための通路が設けられている。
バネ偏倚された締付はリング40が、真空14を囲むハ
ウジング44の一部となる7ランジ42にM設されてい
る。プラテン10が処理位置にあると、締付はリング4
0はプラテン表面16に対してウェーハ12を締め付け
る。典型的には、真菟チェンバ14とプラテン10は真
空ゲート弁46によシ分離されるので、真空チェンバ1
4と通気することなく、ウェーハを交換できる空気ロッ
クが画成される。チェンバドア18及びプラテン1゜は
、ドア18をウェーハ処理装置からウェーハの交換を行
うウェーハ交換位置へと開放するための位置制御手段5
0に連結されている。たとえば、制御手段50は空気シ
リンダでもよい。
第1図の装置は1本発明に従った熱伝達領域と真空チェ
ンバ14との間のシールを有スる。シールは溝62に位
置する弾性リング60から成る。
シールは、ウェーハに過度の応力を作用することなく熱
伝達領域と真空チェンバ14との間を効率的にシールす
るというユニークな特性をもつ。弾性リング及び溝62
の特性は以下で詳述する。溝62は、ウェーハ12の周
囲の内側のプラテン表面16の周りに伸び、熱伝達領域
’tfMiむ閉路を形成する。したがって、熱伝達領域
はウエーノ・12の裏面、プラテン表面及び本発明のシ
ールにより画成される。溝62は、環状溝24の半径方
向外側に位置し、好適にはウェーハ12の周囲に近接し
ている。環状弾性リング60が利用されると。
漏出防止のためウェーハのフラットの内側に蒋62を配
管する必要がある。ウエーノ・のフラットに対応したフ
ラットを有する特別設計の弾性リングが利用されると、
溝62はウェーハの周囲近傍に配置することができる。
第2図は、締付はリング40及び弾性リング60により
ウェーハ12に作用する力の略示図を示す。
通常、締付は力F0はシーリングするリング力F0の外
側にある。答方は、ウェーハの外端を押しつけ中央部を
上昇させようとする環状の力となる。
従来の装置において、環状の断面を有する在来のOリン
グが利用されると、ウェーハの破損をもたらす限度の8
00 psi (56λ46 Kp /art )を越
える応力となる過匿の力がウェーハ12に作用する。
従来の環状0リングによる線応力は、70デユプロメー
タOリングが13.5%だけ圧縮されたときに1インチ
轟り6ポンド(1,07Kplon ) ノオータとな
ることが測定され人。これら力によって生ずる応力に加
えて、ウェーハの中央部分の上昇は熱伝達特性を集貨的
に減少させる。
本発明に従うと1弾性リングによる力F は実質的に減
少するが、ガスの熱伝達領域から真空チャンバ14への
漏出は防止される。第1図かられかるように、ウェーハ
12とプラテン表面16との間で半径方向外側へのガス
の漏れは真空チェンバ14へと直接流れ、前述した装置
の性能を悪化する。
ウェーハのない本発明のシーリング手段の拡大i折面が
第3A図に示されている。第3B図は、これと似ている
がウェーハ12がプラテン表面16に締め付けられてい
る。弾性リング60は細長い断面を有し、この例では平
行四辺形の断面を有する。第3A図の断面はリング60
のまわりで一様である。好適実施例として、リング60
は70デユ(1メータビイトン(durometet 
viton)でaの寸法が0.127 cm (0,0
51nch ) 、 bの寸法が0.318cm (0
,1251nch)でちる。
溝62は、リング60の可動端部分70が、ウェーハが
締め付けられていないときにプラテン表面16の上に伸
長するように、リング60の固定端部分68を握持する
第1の#部分66を有する。
好適に、リング60は、ウェーハがないときに0.05
8crn(0,0231nch)だけプラテン表面16
の上に伸張する。細長い断面のリング60は、その断面
の長辺がプラテン表面16に対して鋭角となるように第
1の溝部分により配置されている。この例において、角
度mは22である。第1の溝部分66ti平行で且つプ
ラテン表面16に対して鋭角となる側面66m、66b
を有し、それら側面は裏面66cと連結している。側面
66a及び66bFi、IJソング0の固定端部分68
を確実に握持するような間隔があけられている。リング
60の可動端部分70は、ウェーハがプラテン表面16
に締め付けられていないときに、点72へと広がるよう
なテーパーが付けられている。
さらK、溝62は、ウェーハが第3B図に示されている
ようにウェーハ12がプラテン表面16に締め付けられ
たときに1曲って変形するリング60の可動端部分を収
納する第2の溝部分を有している。第2の溝部分74i
、第1の溝部分66の開部端に隣接して配置され、側面
74a、74b及び底面74cを有している。
第1の溝部分66及び第2の溝部分74は、適当な道具
とともに旋盤によシ比較的容易に製作することができる
。プラテン表面16の傾斜部分78は本発明の必須要件
ではなく、第1の溝部分66を機械削シしている間に形
成されるもので、装置の性能に何らの影響を与えること
のないものである。
第3B図から解るように、ウエーノ・12がプラテン表
面16に締め付けられると、リング60の可動端部分7
0は第2の溝部分74の中に押し込められ、一方固定端
部分68は実質的に定位置に固定されている。可動部分
70がウェーハ12によシ押しつけられると、熱伝達領
域を実質的にシールし、真空チェンバ14へとガスが漏
出するのを防止する接触領域が形成される。可動端部分
70は押しつけられるため、弾性リング60は主にその
断面が曲シあるいは変形するだけで、はとんど圧縮され
ない。このことによシ、リング60によりウェーハ12
に作用する力は減少する一方で。
熱伝達領域の効率的なシーリングは維持される。
本発明のシーリングは、ウェーハ12をプラテン表面1
6に締め付ける際にリング60i十分に変形させること
から、いかなる不規則、変形、誤差に対しても対処でき
、熱伝達領域を確実にシールできる。しかし、リング6
0は多少な圧縮を伴って曲り、変形するので、ウェーハ
に作用する力は最小化され、上記の望ましくない効果は
緩和される。上記の例において当付長さ当’) 0.0
33Ky/cm(0,185ボンド/Inch)の応力
が生じることが解った。したがって、ウェーハへの応力
は従来のシーリング技術と比較して非常に減少する。
弾性リング60の断面がこの例のように平行四辺形であ
ることを必ずしも要しないことは理解されよう。その断
面には上述したように容易に曲って変形することが要求
される。さらに、第1の溝部分が必ずしもここで説明し
てきたような形状である必要はない。第1の溝部分は1
弾性リングの一端部分を確実に握持し、ウェーハが締め
付けられていないときにプラテン表面16の上に伸長さ
せるとともに、プラテン表面16に対して鋭角に配置す
る形状となっていることが要求される。さらにまた、第
2の溝部分は必ずしもここで説明してきた形状である必
要もない。第2の溝部分は、リングの可動端部分が最小
の圧縮でもって曲って変形できる空間であることが要求
される。
動作するときは、チェンバドア18が開放され。
ウェーハ12がプラテン表面16に配置され、ドア18
が閉じるまで真欝チャック(図示せず)により一時的に
そこに保持される。ドアが閉じると。
締付はリング40はウェーハの外周を支え、ウェーハを
プラテン表面16に確実に締め付ける。ドア18がシー
ルされた後は、真空ゲート弁46によシ画成されるエア
ーロックは真空排気さね、ゲート弁46は開放される。
仕切弁28は開放され。
これにより、ウェーハとプラテン表面16との間の熱伝
達領域に所定圧力に加圧されたガスを導入することがで
きる。ここで、ウェーハ12のイオン注入処理がウェー
ハの表面全体にわたるイオンビーム22の走査により行
われる。イオンビーム22によりウェーハ12に生じた
熱は、熱伝達領埴内のガス及び物理的な接触による直接
伝導によυ、プラテンに伝達される。熱は通路32を通
って循環する冷却剤知よりプラテン10から除去される
。締付はリング40はウェーハ12をプラテン表面16
に締め付けられていることから、第3図に示されている
ように、弾性リング60が変形し、熱伝達領域から真空
チェンバ14への熱伝達ガスの流れが限定される。
本発明は、連続処理イオン注入装置、すなわち1つのウ
ェーハが静電走査によって処理されるイオン注入装置に
関連して説明されてきた。本発明のシーリング手段が、
複数のウェーハが処理のための回転ディスク上に取シ付
けられるバッチ型イオン注入装置に利用できることは理
解されよう。
また、シーリング手段は、熱伝達を必要とする真空中で
ウェーハを処理するいかなるタイプのものにも利用でき
る。また1本装置は主に水冷のものについて説明されて
いる。しかし、スパッタリングのような処理ではウエー
ノ・の加熱全必要とする6本発明のシーリング手段は、
冷却されるプラテンを加熱要素で置換することでウエー
ノ・の加熱を要する処理にも利用できる。さらに1本発
明は半導体ウェーハに関連して説明されている。本発明
の装置が真空中で薄い被加工物を処理するものに利用し
得ることも理解されよう。
今まで、本発明の好適実施例を説明してきたけれども、
特許請求の範囲で限定される本発明の技術思懇から逸脱
することなくいろいろと変形、変更をなし得ることは明
らかである。
【図面の簡単な説明】
第1図は1本発明を実施した。半導体ウェーハの熱伝達
をガスにより強化した装置の断面図である。 第2図は、第1図の装置でウエーノ・に作用する力を図
示した図である。 第3A図は1本発明を実施した。ウエーノ・が設置され
る前のシールの拡大部分断面図である。 第3B図は1本発明を実施した。ウエーノ・がプラテン
表面に設置されたときのシールの拡大部分断面図である
。 第4図は1本発明を実施したプラテン表面上のウェーハ
の部分切欠き平面図である。 〔主要符号の説明〕 10・・・プラテン      14・・・チェンバ1
2・・・ウェーハ      16・・・プラテン表面
24、26・・・通路      2B・・・仕切弁3
0・・・ガス源       40・・・リング46・
・・ゲート弁      60・・・弾性リング62・
・・溝         66・・・第1の溝部分66
a、 66b・・・側面     6B・・・固定端部
分70・・・可動端部分     74・・・第2の溝
部分特許出願人  パリアン・アソシエイツ・インコー
ホレイテッド

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、真空チエンバ内で処理する間、薄い可撓性の被加工
    物を熱伝達させる装置であつて、前記真空チエンバに露
    出した表面で、前記被加工物を処理位置に支持するプラ
    テン表面を有するプラテン手段と、 前記被加工物を前記プラテン表面に締め付ける手段と、 前記被加工物と前記プラテン表面との間の熱伝達領域に
    、所定の圧力をもつガスを導入する手段と、 細長い断面を有す弾性リング、及び前記ウェーハの周囲
    の近傍で且つ前記熱伝導領域を囲むように前記プラテン
    表面に設けたシーリング溝から成る、前記熱伝達領域か
    ら前記真空チエンバへの前記ガスの流れを阻止する手段
    と、 から成り、 前記細長い断面の長辺が前記プラテン表面に対して鋭角
    となるように方向付けられ、 前記第1の溝部分が、前記リングの第2の可動端部分が
    前記プラテン表面上に伸長し、前記被加工物と接触する
    ように前記リングの第1の固定端部分を確実に握持し、 前記第2の溝部分が、前記被加工物が前記プラテン表面
    に締め付けられたときに、曲つて変形する前記リングの
    前記第2の可動端部分を収納する、 ところの装置。 2、特許請求の範囲第1項に記載された装置であつて、 前記リングの前記可動端部分は、前記リングが前記被加
    工物に接触する点に向つてテーパー付けされた断面を有
    する、 ところの装置。 3、特許請求の範囲第1項に記載された装置であつて、 前記リングの前記細長い断面が平行四辺形である、 ところの装置。 4、特許請求の範囲第3項に記載された装置であつて、 前記第1の溝部分が、前記リングの向い合つた辺を確実
    に握持するように間隔があけられた平行な側面を有し、 前記側面が前記プラテン表面に対して鋭角となるように
    方向付けられる、 ところの装置。 5、特許請求の範囲第4項に記載された装置であつて、 前記溝部が、前記プラテン表面にほぼ垂直で、前記第1
    の溝部分の開放端に隣接して位置する溝を有する、 ところの装置。 6、特許請求の範囲第5項に記載された装置であつて、 前記締付け手段が、前記被加工物の周囲を締め付ける締
    付けリングを有する、 ところの装置。 7、特許請求の範囲第6項に記載された装置であつて、 前記ガスを導入する手段が、前記シーリング溝の内側の
    前記表面に設けられた第2の環状溝、及び該環状溝にガ
    スを供給する手段を含む、 ところの装置。 8、特許請求の範囲第1項に記載された装置であつて、 前記プラテン表面が、前記熱伝達領域のガスの圧力を片
    寄らすように前記被加工物に応力を作用するために平坦
    でない、 ところの装置。 9、特許請求の範囲第1項に記載された装置であつて、 前記プラテン表面が、平坦であるが、所定の圧力をもつ
    ガスを導入するための中央空洞を有する、 ところの装置。 10、特許請求の範囲第1項に記載された装置であつて
    、 更に、前記被加工物から前記プラテン表面に熱エネルギ
    ーを伝達して除去する冷却手段を有する、 ところの装置。 11、特許請求の範囲第1項に記載された装置であつて
    、 前記被加工物が半導体ウェーハである、 ところの装置。 12、特許請求の範囲第1項に記載された装置であつて
    、 熱エネルギが、運動するイオンビームにより真空チエン
    バ内の前記被加工物に伝達される、 ところの装置。
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