(57)【要約】  シリコンウェーハなどの半導体ウェーハのベース温度を高速に目標温度に上昇させたり、目標温度まで下降させたりすることで、半導体デバイスの製造時間を短縮させるようにするとともに、半導体ウェーハの面内の温度分布を、精度よく所望する温度分布に（面内を均一にしたり、面内温度分布を各部で異ならせたり）することにより、半導体デバイスを高品質に製造できるようにし、更にエネルギー効率に優れ、装置を簡易に構成できるようにする。制御手段は、半導体ウェーハの温度を上昇させて目標温度に制御する場合には、高温槽内の目標温度よりも高い温度の高温循環液がステージ内の流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように複数のゾーンごとの熱電素子を制御する。
2010053173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージ上に載置された半導体ウェーハの温度を目標温度に制御するとともに、半導体ウェーハの面内の温度分布を所望する温度分布に制御する半導体ウェーハの温度制御装置において、
循環液が目標温度よりも低温に維持されて貯留される低温槽と、
循環液が目標温度よりも高温に維持されて貯留される高温槽と、
ステージ内の各部に形成され、独立して温度調整可能な複数のゾーンであって、それぞれに熱電素子が配置された複数のゾーンと、
ステージ内に形成され、循環液が流れるステージ内流路と、
低温槽内の低温循環液と高温槽内の高温循環液とを選択的に切り替えてステージ内流路に供給する切換手段と、
半導体ウェーハの温度を上昇させて目標温度に制御する場合には、高温槽内の高温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子を制御するとともに、
半導体ウェーハの温度を下降させて目標温度に制御する場合には、低温槽内の低温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする半導体ウェーハの温度制御装置。
【請求項２】
複数のゾーンそれぞれには、さらにヒータが配置され、
制御手段は、
半導体ウェーハの温度を上昇させて目標温度に制御する場合には、高温槽内の高温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子およびヒータを制御するとともに、
半導体ウェーハの温度を下降させて目標温度に制御する場合には、低温槽内の低温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子およびヒータを制御する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハの温度制御装置。
【請求項３】
各ゾーンには、温度センサが配置されており、温度センサの検出温度に基づいてゾーンの温度を制御すること
を特徴とする請求項１または２記載の半導体ウェーハの温度制御装置。
【請求項４】
ステージ上に載置された半導体ウェーハの温度を目標温度に制御するとともに、半導体ウェーハの面内の温度分布を所望する温度分布に制御する半導体ウェーハの温度制御方法において、
半導体ウェーハの温度を上昇させて目標温度に制御する場合には、高温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子を制御するとともに、
半導体ウェーハの温度を下降させて目標温度に制御する場合には、低温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子を制御することを特徴とする半導体ウェーハの温度制御方法。
【請求項５】
半導体ウェーハの温度を上昇させて目標温度に制御する場合には、高温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子およびヒータを制御するとともに、
半導体ウェーハの温度を下降させて目標温度に制御する場合には、低温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子およびヒータを制御することを特徴とする請求項４記載の半導体ウェーハの温度制御方法。
【請求項６】
複数のゾーンは、半導体ウェーハを同心円状の線により分割された４つのゾーンからなることを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハの温度制御装置。
【請求項７】
制御手段は、
４つのゾーンのうち最外周のゾーンの熱電素子を発熱作用させるように動作させ、前記最外周ゾーンに対して内側で隣接するゾーンと当該ゾーンに更に内側で隣接するゾーンの熱電素子を吸熱作用させるように動作させることを特徴とする請求項６記載の半導体ウェーハの温度制御装置。
【請求項８】
制御手段は、
４つのゾーンのうち最外周のゾーンと当該最外周ゾーンに内側で隣接するゾーンの熱電素子を吸熱作用させるように動作させ、前記最外周ゾーンに内側で隣接するゾーンに更に内側で隣接するゾーンの熱電素子を発熱作用させるように動作させることを特徴とする請求項６記載の半導体ウェーハの温度制御装置。
【請求項９】
複数のゾーンは、半導体ウェーハを同心円状の線により分割された４つのゾーンからなることを特徴とする請求項４記載の半導体ウェーハの温度制御方法。
【請求項１０】
４つのゾーンのうち最外周のゾーンの熱電素子を発熱作用させるように動作させ、前記最外周ゾーンに対して内側で隣接するゾーンと当該ゾーンに更に内側で隣接するゾーンの熱電素子を吸熱作用させるように動作させることを特徴とする請求項９記載の半導体ウェーハの温度制御方法。
【請求項１１】
４つのゾーンのうち最外周のゾーンと当該最外周ゾーンに内側で隣接するゾーンの熱電素子を吸熱作用させるように動作させ、前記最外周ゾーンに内側で隣接するゾーンに更に内側で隣接するゾーンの熱電素子を発熱作用させるように動作させることを特徴とする請求項９記載の半導体ウェーハの温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハの温度制御装置および温度制御方法に関し、特にドライプロセスなど、ステージ上に載置された半導体ウェーハの温度を目標温度に制御するとともに、半導体ウェーハの面内の温度分布を所望する温度分布に制御する際に使用して好適な装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウェーハなどの半導体ウェーハに処理を施す工程には、シリコンウェーハの温度を目標温度に制御するとともに、シリコンウェーハ（もしくはシリコンウェーハ上の堆積物）の面内の温度分布を所望する温度分布に制御しなければならない工程がある。たとえばドライプロセス時には、シリコンウェーハ（もしくはシリコンウェーハの堆積層）の面を真空チャンバ内で均一にプラズマでエッチングする必要がある。このためには、シリコンウェーハの面内の温度分布が均一になるように制御しなければならない。しかし、エッチング処理中の反応生成物がエッチング面に再付着しエッチングレートを低下させる場合がある。反応生成物はシリコンウェーハ面の外周部よりも内周部で多くなる分布となり易い。このためプラズマエッチング中のシリコンウェーハの温度は、面内で均一になるように制御するが、反応生成物の生成に応じて、反応生成物の分布を相殺するようにシリコンウェーハの面内の外周部と内周部で温度が異なるように温度分布を調整することが求められる。すなわち外乱を打ち消すようにシリコンウェーハの面内温度分布を精度よく調整することが求められる。また、シリコンウェーハの面内の温度分布を、精度よく所望する温度分布に（面内を均一にしたり、面内温度分布を各部で異ならせたり）することが、半導体デバイスの品質を高品質にする上で、求められている。【０００３】
また、シリコンウェーハに材質の異なる膜をエッチングするために、現在では、別々の温度に制御されたチャンバでエッチングを行っているが、同一チャンバで異なる膜をエッチングするためには、シリコンウェーハの全体のベース温度を膜ごとの目標温度まで上昇させたり、目標温度まで下降させたりする制御が行なわれる必要がある。【０００４】
したがって、このようなプロセス実行時には、シリコンウェーハのベース温度を高速に目標温度に上昇させたり、目標温度まで下降させたりすることが、半導体デバイス製造時間を短縮するために、求められている。【０００５】
シリコンウェーハ等の半導体ウェーハをステージ上に載置して温調する装置に関する従来技術を挙げると、以下のとおりとなる。【０００６】
（特許文献１に記載の従来技術）
特許文献１には、ステージ内に設けられた熱電素子を作動させて、ステージ上に載置されたシリコンウェーハの面内温度分布を均一にしたり、面内温度が内周部と外周部で温度分布が異なるように制御するという発明が記載されている。【０００７】
（特許文献２に記載の従来技術）
特許文献２には、ステージ内の各流路に異なる温度の循環液を供給することで、ステージ上に載置されたシリコンウェーハの面内温度分布を均一にしたり、面内温度が内周部と外周部で温度分布が異なるように制御するという発明が記載されている。【０００８】
（特許文献３に記載の従来技術）
特許文献３には、ステージ内の流路に低温の循環液あるいは高温の循環液を選択的に供給することで、シリコンウェーハのベース温度を低温の目標温度あるいは高温の目標温度に制御するという発明が記載されている。【０００９】
（従来の実施技術）
ステージ内に加熱用のヒータと流路を設けるとともに、冷却用の循環液が貯留された低温槽をステージ外に設け、ステージ上のシリコンウェーハを加熱するときには、流路に低温槽から低温循環液を供給しつつヒータに電力を供給し、ステージ上のシリコンウェーハを冷却するときには、ヒータに供給される電力をオフにして流路に低温槽から低温循環液を供給する制御が行なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２０００-５０８１１９号公報
【特許文献２】特開２００３-２４３３７１号公報
【特許文献３】特開平０７−２４０４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記特許文献１記載の発明によれば、少なくともステージ上に載置されたシリコンウェーハの面内温度分布を均一にしたり、面内温度が内周部と外周部で温度分布が異なるように制御することができる。しかし、ステージ内に設けられた熱電素子だけでは、高速に、シリコンウェーハのベース温度を目標温度に上昇させたり、目標温度まで下降させたりすることはできない。【００１２】
同様に特許文献２記載の発明によれば、少なくともステージ上に載置されたシリコンウェーハの面内温度分布を均一にしたり、面内温度が内周部と外周部で温度分布が異なるように制御することができる。しかし、ステージ内の各流路に異なる温度の循環液を供給するだけでは、精度よく所望する温度分布に調整することができない。また、高速に、シリコンウェーハのベース温度を目標温度に上昇させたり、目標温度まで下降させたりすることは不可能である。【００１３】
また特許文献３記載の発明によれば、少なくともシリコンウェーハのベース温度を低温の目標温度あるいは高温の目標温度に制御することができる。しかし、ステージ内の流路に低温の循環液あるいは高温の循環液を選択的に供給するだけでは、任意の目標温度になるように高速に調整することはできない。また、シリコンウェーハの面内の温度分布を、精度よく所望する温度分布にすることは不可能である。【００１４】
上述の従来実施技術によれば、少なくともシリコンウェーハのベース温度を低温の目標温度あるいは高温の目標温度に制御することができる。しかし、ヒータによる加熱と低温の循環液との組み合わせでは、任意の目標温度に高速に変更することはできない。また、シリコンウェーハの面内の温度分布を、精度よく所望する温度分布にすることは、不可能である。更に低温の循環液を流路に供給しつつヒータによる加熱を行うため、ヒータおよび低温槽（チラー）の容量を大きくする必要があり、装置コストが嵩むとともに、熱エネルギーを無駄に消費しておりエネルギー効率が良くない。【００１５】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、シリコンウェーハなどの半導体ウェーハのベース温度を高速に目標温度に上昇させたり、目標温度まで下降させたりすることで、半導体デバイスの製造時間を短縮させるようにするとともに、半導体ウェーハの面内の温度分布を、精度よく所望する温度分布に（面内を均一にしたり、面内温度分布を各部で異ならせたり）することにより、半導体デバイスを高品質に製造できるようにし、更にエネルギー効率に優れ、装置を簡易に構成できるようにすることを解決課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
そこで、第１発明は、
ステージ上に載置された半導体ウェーハの温度を目標温度に制御するとともに、半導体ウェーハの面内の温度分布を所望する温度分布に制御する半導体ウェーハの温度制御装置において、
循環液が目標温度よりも低温に維持されて貯留される低温槽と、
循環液が目標温度よりも高温に維持されて貯留される高温槽と、
ステージ内の各部に形成され、独立して温度調整可能な複数のゾーンであって、それぞれに熱電素子が配置された複数のゾーンと、
ステージ内に形成され、循環液が流れるステージ内流路と、
低温槽内の低温循環液と高温槽内の高温循環液とを選択的に切り替えてステージ内流路に供給する切換手段と、
半導体ウェーハの温度を上昇させて目標温度に制御する場合には、高温槽内の高温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子を制御するとともに、
半導体ウェーハの温度を下降させて目標温度に制御する場合には、低温槽内の低温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。【００１７】
第２発明は、第１発明において、
複数のゾーンそれぞれには、さらにヒータが配置され、
制御手段は、
半導体ウェーハの温度を上昇させて目標温度に制御する場合には、高温槽内の高温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子およびヒータを制御するとともに、
半導体ウェーハの温度を下降させて目標温度に制御する場合には、低温槽内の低温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子およびヒータを制御する
ことを特徴とする。【００１８】
第３発明は、第１発明または第２発明において、
各ゾーンには、温度センサが配置されており、温度センサの検出温度に基づいてゾーンの温度を制御すること
を特徴とする。【００１９】
第４発明は、
ステージ上に載置された半導体ウェーハの温度を目標温度に制御するとともに、半導体ウェーハの面内の温度分布を所望する温度分布に制御する半導体ウェーハの温度制御方法において、
半導体ウェーハの温度を上昇させて目標温度に制御する場合には、高温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子を制御するとともに、
半導体ウェーハの温度を下降させて目標温度に制御する場合には、低温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子を制御することを特徴とする。【００２０】
第５発明は、第４発明において、
半導体ウェーハの温度を上昇させて目標温度に制御する場合には、高温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子およびヒータを制御するとともに、
半導体ウェーハの温度を下降させて目標温度に制御する場合には、低温循環液がステージ内流路に供給されるように切り換えて、半導体ウェーハの温度が目標温度に一致し半導体ウェーハの面内温度分布が所望温度分布になるように熱電素子およびヒータを制御することを特徴とする。【００２１】
第６発明は、第１発明において、
複数のゾーンは、半導体ウェーハを同心円状の線により分割された４つのゾーンからなることを特徴とする。【００２２】
第７発明は、第６発明において、
制御手段は、
４つのゾーンのうち最外周のゾーンの熱電素子を発熱作用させるように動作させ、前記最外周ゾーンに対して内側で隣接するゾーンと当該ゾーンに更に内側で隣接するゾーンの熱電素子を吸熱作用させるように動作させることを特徴とする。【００２３】
第８発明は、第６発明において、
制御手段は、
４つのゾーンのうち最外周のゾーンと当該最外周ゾーンに内側で隣接するゾーンの熱電素子を吸熱作用させるように動作させ、前記最外周ゾーンに内側で隣接するゾーンに更に内側で隣接するゾーンの熱電素子を発熱作用させるように動作させることを特徴とする。【００２４】
第９発明は、第４発明において、
複数のゾーンは、半導体ウェーハを同心円状の線により分割された４つのゾーンからなることを特徴とする。【００２５】
第１０発明は、第９発明において、
４つのゾーンのうち最外周のゾーンの熱電素子を発熱作用させるように動作させ、前記最外周ゾーンに対して内側で隣接するゾーンと当該ゾーンに更に内側で隣接するゾーンの熱電素子を吸熱作用させるように動作させることを特徴とする。【００２６】
第１１発明は、第９発明において、
４つのゾーンのうち最外周のゾーンと当該最外周ゾーンに内側で隣接するゾーンの熱電素子を吸熱作用させるように動作させ、前記最外周ゾーンに内側で隣接するゾーンに更に内側で隣接するゾーンの熱電素子を発熱作用させるように動作させることを特徴とする。【００２７】
上記のごとく、第１発明、第４発明では、ステージ内へ高温循環液、低温循環液を供給することに加えて、熱電素子による加熱、吸熱を併用することで、半導体ウェーハの温度を目標温度に一致させる制御、半導体ウェーハの面内温度分布を所望温度分布にする制御が行なわれる。【００２８】
第２発明、第５発明では、ステージ内へ高温循環液、低温循環液を供給することに加えて、熱電素子による吸熱（あるいは熱電素子による吸熱および加熱）と、ヒータによる加熱を併用することで、半導体ウェーハの温度を目標温度に一致させる制御、半導体ウェーハの面内温度分布を所望温度分布にする制御が行なわれる。【００２９】
第６発明〜第１１発明では、複数のゾーンは、半導体ウェーハを同心円状の線により分割された４つのゾーンからなり、これら４つのゾーンの熱電素子を独立して制御することにより、半導体ウェーハの面内温度を所望の面内温度分布にする制御が行われる。【００３０】
（発明の効果）
本発明によれば、高温循環液、低温循環液をステージ内に供給して半導体ウェーハの温度を制御するようにしているので、高速に半導体ウェーハのベース温度を上昇あるいは下降させることが可能となり、半導体デバイスの製造時間を短縮することができる。【００３１】
本発明によれば、ステージ内へ高温循環液、低温循環液を供給することに加えて、熱電素子による加熱、吸熱を併用することで（第２発明、第５発明の場合は、更にヒータによる加熱を併用することで）、半導体ウェーハの温度を目標温度に一致させる制御、半導体ウェーハの面内温度分布を所望温度分布にする制御を行なうようにしたので、ステージのゾーン各部を精密かつ高速に任意の温度に微調整することができる。このため半導体ウェーハの面内の温度分布を、精度よく所望する温度分布に（面内を均一にしたり、面内温度分布を各部で異ならせたり）することができる。これにより、半導体デバイスを高品質に製造できるようになる。【００３２】
また、熱電素子の加熱能力および冷却能力（第２発明、第５発明の場合は、更にヒータによる加熱能力）がチラーの加熱能力および冷却能力に付加されて加熱および冷却が行われるため、チラーの容量を小さくでき、装置を簡易に構成することができる。【００３３】
また、半導体ウェーハを同心円状の線により４つのゾーンに分割し、これら４つのゾーンの熱電素子を独立して制御するようにしたので、半導体ウェーハの面内温度を非常に精度よく所望の面内温度分布にすることができる（第６発明〜第１１発明）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明に係る半導体ウェーハの温調装置の実施の形態について説明する。【００３５】
図１は、実施形態の温調装置１００の構成を示している。【００３６】
実施形態の温調装置１００は、ステージ３０上に載置されたシリコンウェーハ１の温度を目標温度に制御するとともに、シリコンウェーハ１の面内の温度分布を所望する温度分布に制御するための装置である。この温調装置１００は、たとえばドライプロセスに使用される。【００３７】
温調装置１００は、大きくは、ステージ３０と、チラー装置３とから構成されている。【００３８】
ステージ３０とチラー装置３との間には、流路５１、５２が接続されている。【００３９】
ステージ３０は、真空チャンバ４内に配置されている。【００４０】
ステージ３０上には、半導体ウェーハ、たとえばシリコンウェーハ１が載置される。シリコンウェーハ１は、静電気によってステージ３０上に保持される。ただし、ステージ３０とシリコンウェーハ１との間の熱伝達の効率を高めるためにステージ３０とシリコンウェーハ１の間にヘリウムガスを流してもよい。【００４１】
ドライプロセス時には、真空チャンバ４内は真空引きされており、所定の低圧に維持される。【００４２】
ステージ３０内には、ステージ３０上に載置されたシリコンウェーハ１の面内温度分布を調整可能に複数の熱電素子３２およびヒータ３３が配置されている。【００４３】
図４（ａ）、（ｂ）は、ステージ３０の断面図で、ステージ３０の断面における熱電素子３２およびヒータ３３の２種類の実施例を示す。【００４４】
図４（ａ）では、熱電素子３２の上方にヒータ３３が配置され、更にその上方にシリコンウェーハ１を戴置するプレートが配置されている。プレート内には、温度センサ２３０が配置されている。【００４５】
図４（ｂ）では、ステージ３０の周方向に熱電素子３２が配置されるとともに、周方向にヒータ３３が配置されている。熱電素子３２とヒータ３３は、ステージ３０の半径方向に沿って互いに隣り合うように配列されている。熱電素子３２とヒータ３３の上方には、シリコンウェーハ１を戴置するプレートが配置されている。プレート内には、温度センサ２３０が配置されている。【００４６】
これら２つの実施例では、ステージ３０内の各部に、独立して温度調整可能な複数のゾーンを形成している。複数のゾーンそれぞれには熱電素子３２とヒータ３３と温度センサ２３０が配置されている。【００４７】
図４（ｃ）、（ｄ）は、ステージ３０を上面からみた図である。図４（ｃ）は、ステージ３０を３分割して、各ゾーン１３１、１３２、１３３ごとに、熱電素子３２、ヒータ３３、温度センサ２３０を配置した場合を例示している。図４（ｄ）は、ステージ３０を５分割して、各ゾーン１３１、１３２、１３３、１３４、１３５ごとに、熱電素子３２、ヒータ３３、温度センサ２３０を配置した場合を例示している。なお、図４（ｃ）、（ｄ）では、斜線部以外の熱電素子３２の図示を省略している。【００４８】
熱電素子３２に通電すると、その通電方向に応じて当該熱電素子３２に対応するステージ面で吸熱作用あるいは発熱作用が行われる。つまり各熱電素子３２は、ステージ３０の各ゾーンを個別に温度調整することができる。よって、各熱電素子３２への通電を調整し各熱電素子３２の吸熱作用および発熱作用を制御することにより、ステージ３０上のシリコンウェーハ１の面内に所望する温度勾配をつけることができ、シリコンウェーハ１の面内温度分布を所望する温度分布にすることができる。【００４９】
また、各ゾーン１３１、１３２、１３３…には加熱用ヒータ３３を設けており、加熱はヒータ３３でも行うことができるようになっている。加熱を行う場合は、ヒータ３３を単独動作させてもよく、ヒータ３３を動作させることに加えて、熱電素子３２を発熱作用させるように動作させてもよい。【００５０】
図１に戻って説明する。【００５１】
ステージ３０内には、後述する高温循環液１２、低温循環液２２が流れるステージ内流路３１が形成されている。ここで、高温循環液１２、低温循環液２２には、温度調整用の熱伝達媒体としての流体、たとえばエチレングリコールと水の混合物が使用される。たとえば商品名としてガルデン、フロリナートと呼ばれるものを使用することができる。【００５２】
チラー装置３は、高温チラー１０と、低温チラー２０と、切換手段としての切換弁６１、６２と、メインのポンプ７０と、各流路５１、５２、５３とから構成されている。【００５３】
高温チラー１０は、高温槽１１と、熱交換器１３と、熱交換用のポンプ１４とを含んで構成される。ポンプ１４は、熱交換器１３と、高温槽１１との間で高温循環液１２を循環させる。熱交換器１３とポンプ１４は、制御手段としてのコントローラ４０によって制御される。コントローラ４０は、高温槽１１内の高温循環液１２が常に所定の一定の高温度Ｔ３、たとえば８０℃になるように熱交換器１３とポンプ１４を制御する。この温度Ｔ３は、シリコンウェーハ１の目標温度Ｔ２よりも高温（Ｔ３＞Ｔ２）に設定される。これにより高温槽１１には、目標温度Ｔ２よりも高温Ｔ３に維持された高温循環液１２が貯留される。【００５４】
ここで、シリコンウェーハ１の目標温度Ｔ２は面内分布が有る場合には、その平均温度を示す。例えばシリコンウェーハの外周部分のゾーンの温度の目標値Ｔ２＿ＯＵＴと中央部分のゾーンの温度の目標値Ｔ２＿Ｃｅｎｔｅｒとが存在する場合にはその平均値が目標温度Ｔ２となる。【００５５】
一方、低温チラー２０は、低温槽２１と、熱交換器２３と、熱交換用のポンプ２４とを含んで構成される。ポンプ２４は、熱交換器２３と、低温槽２１との間で低温循環液２２を循環させる。熱交換器２３とポンプ２４は、制御手段としてのコントローラ４０によって制御される。コントローラ４０は、低温槽２１内の低温循環液２２が常に所定の一定の低温度Ｔ１（＜Ｔ３）、たとえば−１０℃になるように熱交換器２３とポンプ２４を制御する。この温度Ｔ１は、シリコンウェーハ１の目標温度Ｔ２よりも低温（Ｔ１＜Ｔ２）の温度に設定される。これにより低温槽２１には、目標温度Ｔ２よりも低温Ｔ１に維持された低温循環液２２が貯留される。【００５６】
高温チラー１０の加熱能力および低温チラー２０の冷却能力は、ステージ３０に埋め込まれた熱電素子３２の加熱能力（またはヒータ３３の加熱能力）および冷却能力よりも高く設定されている。【００５７】
切換手段としての切換弁６１、６２は、低温槽２１内の低温循環液２２と高温槽１１内の高温循環液１２とを選択的に切り替えてステージ内流路３１に供給するものである。【００５８】
すなわち、メインポンプ７０の吐出口７０ａは、流路５３を介して切換弁６１の入口６１ａに連通している。切換弁６１の各出口６１ｂ、６１ｃはそれぞれ、高温槽１１の入口１１ａ、低温槽２１の入口２１ａに連通している。高温槽１１の出口１１ｂ、低温槽２１の出口２１ｂはそれぞれ、切換弁６２の各入口６２ａ、６２ｂに連通している。切換弁６２の出口６２ｃは、流路５１を介してステージ内流路３１に連通している。ステージ内流路３１は、流路５２を介してメインポンプ７０の吸込口７０ｂに連通している。【００５９】
高温槽１１内の高温循環液１２を選択して循環させるときは、切換弁６１の入口６１ａから一方の出口６１ｂへの流れが生じ、切換弁６２の一方の入口６２ａから出口６２ｃへの流れが生じるように各切換弁６１、６２が切り換えられる。これにより高温槽１１内の高温循環液１２が流路５１を介してステージ内流路３１に供給され、流路５２、メインポンプ７０、流路５３を経て再び高温槽１１に戻され、各流路５１、３１、５２、５３内を循環する。【００６０】
これに対して低温槽２１内の低温循環液２２を選択して循環させるときは、切換弁６１の入口６１ａから他方の出口６１ｃへの流れが生じ、切換弁６２の他方の入口６２ｂから出口６２ｃへの流れが生じるように各切換弁６１、６２が切り換えられる。これにより低温槽２１内の低温循環液２２が流路５１を介してステージ内流路３１に供給され、流路５２、メインポンプ７０、流路５３を経て再び低温槽２１に戻され、各流路５１、３１、５２、５３内を循環する。【００６１】
制御手段としてのコントローラ４０は、シリコンウェーハ１の温度を上昇させて目標温度Ｔ２に制御する場合には、高温槽１１内の高温循環液１２がステージ３０内の流路３１に供給されるように切り換えて、シリコンウェーハ１の温度が目標温度Ｔ２に一致しシリコンウェーハ１の面内温度分布が所望温度分布になるように各熱電素子３２（または各熱電素子３２および各ヒータ３３）を制御する。また、シリコンウェーハ１の温度を下降させて目標温度Ｔ２に制御する場合には、低温槽２１内の低温循環液２２がステージ３０内の流路３１に供給されるように切り換えて、シリコンウェーハ１の温度が目標温度Ｔ２に一致しシリコンウェーハ１の面内温度分布が所望温度分布になるように各熱電素子３２（各熱電素子３２およびヒータ３３）を制御する。【００６２】
以下では、熱電素子３２による冷却と、熱電素子３２による加熱またはヒータ３３による加熱が行われるものとして説明する。【００６３】
まず、最初に、ヒータ３３を動作させず熱電素子３２による冷却と加熱だけで制御する場合について説明する。【００６４】
以下、図２に示すフローチャートを参照して説明する。以下では、温度の符号につき、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３なる関係が成立するものとして説明する。【００６５】
同図２に示すように、コントローラ４０では、シリコンウェーハ１の高温の目標温度Ｔ２または低温の目標温度Ｔ２が設定される。ここで、目標温度Ｔ２は、複数のゾーン１３１、１３２、１３３…が存在する場合には全ゾーン１３１、１３２、１３３…の平均値である（ステップ１０１）。つぎに現在の各ゾーン１３１、１３２、１３３…に配置された各温度センサ２３０の平均温度Ｔ０が検出される。Ｔ0は、シリコンウェーハ１の温度の平均値を示す。【００６６】
検出温度Ｔ０と目標温度Ｔ２（複数のゾーン１３１、１３２、１３３…が存在する場合には全ゾーン１３１、１３２、１３３…の平均値）とを対比してシリコンウェーハ１の温度を上昇させるか下降させるかが判断される（ステップ１０２）。【００６７】
この結果、シリコンウェーハ１の温度を上昇させて高温の目標温度Ｔ２に制御すると判断された場合には（ステップ１０２の判断「昇温」）、切換弁６１の入口６１ａから一方の出口６１ｂへの流れが生じ、切換弁６２の一方の入口６２ａから出口６２１ｃへの流れが生じるように各切換弁６１、６２が切り換えられる。これにより高温槽１１内の高温循環液１２がステージ３０内の流路３１に供給される。これと同時に、ステージ３０内の各部に埋め込まれた複数の熱電素子３２に通電してステージ３０の上面で発熱作用が行われるように制御する（ステップ１０３）。これによりステージ３０の上面が迅速に加熱され、シリコンウェーハ１が迅速に昇温し、安定値まで昇温する（ステップ１０５）。目標温度Ｔ２と現在温度Ｔ０と差Ｔ２−Ｔ０が安定幅（例えば１℃）内に収まった場合（Ｔ２−Ｔ０＜安定幅（１℃））には(ステップ１０５の判断ＹＥＳ)、熱電素子３２が吸熱作用を行うように切り替えオーバーシュートを防止する。（ステップ１０７）。すなわち、ステージ３０の上面が一定温度以上になると、シリコンウェーハ１の温度が目標温度Ｔ２を超えないように、複数の熱電素子３２…に逆向きの電流を通電する。これによりステージ３０の上面で吸熱作用が行われ、ステージ３０の上面が冷却され、シリコンウェーハ１の温度が目標温度Ｔ２を超えないように温度調整がなされる。（ステップ１０７）。【００６８】
以後、シリコンウェーハ１の温度が目標温度Ｔ２に一致するように、複数の熱電素子３２に通電してステージ３０の上面で吸熱作用ないしは発熱作用が行われるように制御する。これによりステージ３０の上面が冷却ないしは加熱され、シリコンウェーハ１の温度が目標温度Ｔ２に維持される。【００６９】
安定時にはエネルギー消費を少なくするため、設定温度Ｔ２がＴ１あるいはＴ３のどちらに近いか判断（Ｔ２−Ｔ１＞Ｔ３−Ｔ２）を行い（ステップ１０９）、それに応じてバルブを開閉し、加熱（ステップ１１０）ないしは冷却（ステップ１１１）を行う。【００７０】
コントローラ４０は、複数のゾーン１３１、１３２、１３３…の熱電素子３２に電流を通電する際に、目標温度Ｔ２と中央部分のゾーンの目標温度Ｔ２＿Ｃｅｎｔｅｒとを比較し（ステップ１１２）、各熱電素子３２に通電される電流の方向および大きさを適宜調整して、ステージ３０上のシリコンウェーハ１の面内に所望する温度勾配をつけ、シリコンウェーハ１の面内温度分布を所望する温度分布にする。【００７１】
すなわち、中央部分のゾーンの目標温度Ｔ２＿Ｃｅｎｔｅｒが、目標平均温度Ｔ２より低いかどうか判断し（ステップ１１２）、低い場合には、中央のゾーン（図４（ｃ）の場合は、ゾーン１３３、図４（ｄ）の場合は、ゾーン１３５）については熱電素子３２により冷却を行い、外周のゾーン（図４（ｃ）の場合は、ゾーン１３１、１３２、図４（ｄ）の場合は、ゾーン１３１、１３２、１３３、１３４）については熱電素子３２により加熱を行う（ステップ１１３）。【００７２】
また、中央部分のゾーンの目標温度Ｔ２＿Ｃｅｎｔｅｒが、目標平均温度Ｔ２より低いかどうか判断し（ステップ１１２）、高い場合には、中央のゾーンは熱電素子３２により加熱をおこない、外周のゾーンは熱電素子３２により冷却を行う（ステップ１１４）。【００７３】
以上のようにしてシリコンウェーハ１のベース温度が迅速に目標温度Ｔ２まで上昇され、シリコンウェーハ１の面内温度分布が所望する温度分布にされる。この場合、所望する温度分布とは、中央部分のゾーンの温度が外周部分のゾーンの温度より低くなる温度分布のことである。【００７４】
これに対して、シリコンウェーハ１の温度を下降させて低温の目標温度Ｔ２に制御すると判断された場合には（ステップ１０２の判断「降温」）、切換弁６１の入口６１ａから他方の出口６１ｃへの流れが生じ、切換弁６２の他方の入口６２ｂから出口６２ｃへの流れが生じるように各切換弁６１、６２が切り換えられる。これにより低温槽２１内の低温循環液２２がステージ３０内の流路３１に供給される。これと同時に、ステージ３０内の各部に埋め込まれた複数の熱電素子３２…に通電してステージ３０の上面で吸熱作用が行われるように制御する（ステップ１０４）。これによりステージ３０の上面が迅速に冷却され、シリコンウェーハ１が迅速に降温し、安定値まで降温する（ステップ１０６）。目標温度Ｔ２と現在温度Ｔ０と差Ｔ２−Ｔ０が安定幅（例えば１℃）内に収まった場合（Ｔ２−Ｔ０＜安定幅（１℃））には(ステップ１０６の判断ＹＥＳ)、熱電素子３２が発熱作用するように切り替えオーバーシュートを防止する。（ステップ１０８）。すなわち、ステージ３０の上面が一定温度以下になると、シリコンウェーハ１の温度が目標温度Ｔ２を下回らないように、複数の熱電素子３２…に逆向きの電流を通電する。これによりステージ３０の上面で発熱作用が行われ、ステージ３０の上面が加熱され、シリコンウェーハ１の温度が目標温度Ｔ２を下回らないように温度調整がなされる（ステップ１０８）。【００７５】
以後、ステップ１０９ないしステップ１１４では、前述したのと同様の処理が行われる。【００７６】
以上は、ヒータ３３を動作させず熱電素子３２による冷却と加熱だけで制御する場合について説明した。しかし、熱電素子３２を発熱作用させる代わりにヒータ３３を動作させてもよい。この場合、図２のステップ１０３、１０８、１１３、１１４において、熱電素子３２が発熱作用する代わりにヒータ３３が動作して、対応するゾーンが加熱される。【００７７】
また、熱電素子３２による加熱とヒータ３３による加熱を併用してもよい。この場合、図２のステップ１０３、１０８、１１３、１１４において、熱電素子３２が発熱作用するとともに、ヒータ３３が動作して、対応するゾーンが加熱される。【００７８】
なお、上述の制御において、ヒータ３３を動作させないで熱電素子３２のみで加熱および冷却を行う場合には、各ゾーン１３１、１３２、１３３…に配置されるべきヒータ３３の配置そのものを省略することができる。【００７９】
つぎに、図５、図６を参照して、ステージ３０を４つのゾーンに分割した構成の装置の実施例について説明する。【００８０】
図５（ａ）は、ステージ３０を上面から見た図、ステージ３０の断面を示した図である。なお図５（ａ）においてはシリコンウェーハ（半導体ウェーハ）１の図示を省略している。【００８１】
同図５に示すように、ステージ３０は、シリコンウェーハ１が載置される天板３４と、高温循環液１２、低温循環液２２が流れるステージ内流路３１が形成された水冷板３５と、天板３４と水冷板３５に挟まれた熱電素子３２群とからなる。なお高温循環液１２、低温循環液２２は、たとえばブライン（商品名）を使用することができる。【００８２】
熱電素子３２群は、シリコンウェーハ１を同心円状の線によって４つのゾーン１３１、１３２、１３３、１３４に分割されている。ゾーン１３１は、シリコンウェーハ１の最も外周に相当する最外周ゾーンであり、ゾーン１３２は、最外周ゾーン１３１に内側で隣接するゾーンであり、ゾーン１３３は、ゾーン１３２に更に内側に隣接するゾーンである。ゾーン１３４は、ゾーン１３３に内側で隣接するゾーンであってシリコンウェーハ１の最も内側（中央部分）に相当するゾーンである。ゾーン１３４は、同心円状に形成されており、ゾーン１３１、１３２、１３３は、円環状に形成されている。【００８３】
図６は、シリコンウェーハ１の面内温度分布を所望の温度分布にする制御を説明する図である。図６（ａ）、（ｂ）は、シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度の目標値Ｔ２＿Ｃｅｎｔｅｒを低く外周温度Ｔ２＿ＯＵＴを高く設定し、シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度を低くし外周部分のゾーンの温度を高くする温度分布にする制御を説明する図である。図６（ａ）は、天板３４の表面温度（シリコンウェーハ１の温度）の分布のイメージ図であり、図６（ｂ）は、図５（ｂ）に対応するステージ側面図である。【００８４】
図６（ｃ）、（ｄ）は、シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度の目標値Ｔ２＿Ｃｅｎｔｅｒを高く外周部分のゾーンの温度Ｔ２＿ＯＵＴを低く設定し、シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度を高くし外周部分のゾーンの温度を低くする温度分布にする制御を説明する図である。図６（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、図６（ａ）、（ｂ）に対応する温度分布イメージ図、ステージ側面図である。【００８５】
図６に示すシリコンウェーハ面内分布制御は、図２で説明した処理手順と同様にして行うことができる。図２のうちステップ１０１〜１１１の処理は、前述の説明と同様であるので省略する。以下、図２のステップ１１２〜１１４に対応する処理について説明する。本実施例では、図２のステップ１１３、１１４に代えて以下のステップ１１３、１１４の処理が行われる。【００８６】
（シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度を低くし外周部分のゾーンの温度を高くする温度分布にする制御；図６（ａ）、（ｂ））
シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度を低くし外周部分のゾーンの温度を高くする温度分布にする場合の制御について説明する。この場合、シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度の目標値Ｔ２＿Ｃｅｎｔｅｒが、目標平均温度Ｔ２（各ゾーン１３１、１３２、１３３、１３４の平均温度）よりも低いかどうかを判断し（ステップ１１２）、低い場合には、つまり図６（ａ）に示す温度分布を得ようとする場合には、最外周ゾーン１３１の熱電素子３２を発熱作用させるように動作させ、最外周ゾーン１３１に対して内側で隣接するゾーン１３２と当該ゾーン１３２に更に内側で隣接するゾーン１３３の熱電素子３２を吸熱作用させるように動作させる。また、目標平均温度Ｔ２と実際の平均温度Ｔ0との間に温度差ΔＴがあり、温度差ΔＴ（Ｔ２−Ｔ0）がプラスであり目標平均温度Ｔ２にするために加熱の必要がある場合には、最も内側（中央部分）のゾーン１３４の熱電素子３２を発熱作用させるように動作させる。一方、温度差ΔＴ（Ｔ２−Ｔ0）がマイナスであり目標平均温度Ｔ２にするために冷却の必要がある場合には、最も内側（中央部分）のゾーン１３４の熱電素子３２を吸熱作用させるように動作させる（ステップ１１３）。【００８７】
（シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度を高くし外周部分のゾーンの温度を低くする温度分布にする制御；図６（ｃ）、（ｄ））
シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度を高くし外周部分のゾーンの温度を低くする温度分布にする場合の制御について説明する。この場合、シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度の目標値Ｔ２＿Ｃｅｎｔｅｒが、目標平均温度Ｔ２（各ゾーン１３１、１３２、１３３、１３４の平均温度）よりも低いかどうかを判断し（ステップ１１２）、高い場合には、つまり図６（ｃ）に示す温度分布を得ようとする場合には、最外周のゾーン１３１と当該最外周ゾーン１３１に内側で隣接するゾーン１３２の熱電素子３２を吸熱作用させるように動作させ、最外周ゾーン１３１に内側で隣接するゾーン１３２に更に内側で隣接するゾーン１３３の熱電素子３２を発熱作用させるように動作させる。また、目標平均温度Ｔ２と実際の平均温度Ｔ0との間に温度差ΔＴがあり、温度差ΔＴ（Ｔ２−Ｔ0）がプラスであり目標平均温度Ｔ２にするために加熱の必要がある場合には、最も内側（中央部分）のゾーン１３４の熱電素子３２を発熱作用させるように動作させる。一方、温度差ΔＴ（Ｔ２−Ｔ0）がマイナスであり目標平均温度Ｔ２にするために冷却の必要がある場合には、最も内側（中央部分）のゾーン１３４の熱電素子３２を吸熱作用させるように動作させる（ステップ１１４）。【００８８】
以上のように、４つのゾーン１３１、１３２、１３３、１３４のうち最も内側（中央部分）のゾーンを目標温度Ｔ２との温度差ΔＴに応じて加熱または冷却し、残りの外周側の３つのゾーン１３１、１３２、１３３のうち１つのゾーンを加熱し、２つのゾーンを冷却することで、シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度と外周部分のゾーンの温度との間に温度勾配を設けた面内温度分布を得ることができる。これは一般に熱電素子３２（ペルチェ素子）は冷却能力よりも加熱能力が高いという特性を利用したものである。４つのゾーンに分割することで特性に合わせたゾーン制御（加熱、冷却）が可能となり、精度よく所望する面内温度分布を得ることができる。【００８９】
なお、実験によれば、シリコンウェーハ１の直径をＸとしたとき、４つの分割されたゾーンの最も内側のゾーン１３４の直径は、０．７Ｘ〜０．９５Ｘの範囲、最外周ゾーン１３１の直径（ゾーン全体の直径）は、０．９Ｘ〜１．２Ｘの範囲が望ましいという結果が得られた（図５（ｂ））。【００９０】
以上説明した各実施例によれば、つぎのような効果が得られる。【００９１】
ａ）本実施例によれば、目標温度Ｔ２よりも高温の温度Ｔ３の高温チラー１０内の高温循環液１２がステージ３０内に供給されると同時に熱電素子３２（あるいはヒータ３３あるいは熱電素子３２およびヒータ３３）が発熱作用されてステージ３０上のシリコンウェーハ１が加熱される。また目標温度Ｔ２よりも低温の温度Ｔ１の低温チラー２０内の低温循環液２２がステージ３０内に供給されると同時に熱電素子３２が吸熱作用されてステージ３０上のシリコンウェーハ１が冷却される。このため、シリコンウェーハ１のベース温度を高速に目標温度Ｔ２に上昇させたり、目標温度Ｔ２まで下降させたりすることができるようになり、半導体デバイスの製造時間を短縮させることができる。【００９２】
ｂ）本実施例によれば、ステージ３０を複数のゾーン１３１、１３２、１３３…に分割し、各ゾーン１３１、１３２、１３３…ごとに配置された熱電素子３２（あるいは熱電素子３２およびヒータ３３）を個別に制御するようにしたので、ステージ３０の上面各部が更に精密且つ高速に任意の温度に調整される。このためシリコンウェーハ１の面内の温度分布を、精度よく所望する温度分布に（面内を均一にしたり、面内温度分布を各部で異ならせたり）することができる。これにより、半導体デバイスを高品質に製造できるようになる。【００９３】
ｃ）本実施例によれば、シリコンウェーハ１の温度を上昇させるときには、高温チラー１０が動作するとともに熱電素子３２（あるいはヒータ３３あるいは熱電素子３２およびヒータ３３）が発熱側に動作され、温度を微調整するときのみ熱電素子３２が必要に応じて吸熱側に動作される。同様にシリコンウェーハ１の温度を下降させるときには、低温チラー２０が動作するとともに熱電素子３２が吸熱側に動作され、温度を微調整するときのみ熱電素子３２（あるいはヒータ３３あるいは熱電素子３２およびヒータ３３）が必要に応じて発熱側に動作される。このため加熱時および冷却時に熱エネルギーの無駄な消費が抑制され、エネルギー効率に優れている。また、熱電素子３２（あるいはヒータ３３）の加熱能力および熱電素子３２の冷却能力がチラーの加熱能力および冷却能力に付加されて加熱および冷却が行われるため、チラーの容量を小さくでき、装置を簡易に構成することができる。【００９４】
ｄ）とりわけ、ステージ３０の熱電素子３２を、シリコンウェーハ１を同心円状の線によって４つのゾーン１３１、１３２、１３３、１３４に分割し、これら４つのゾーン１３１、１３２、１３３、１３４の熱電素子３２を独立して制御する実施例によれば、シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度と外周部分のゾーンの温度との間に温度勾配を設けた面内温度分布を非常に精度よく得ることができる。シリコンウェーハ１の中央部分のゾーンの温度Ｔ２＿Ｃｅｎｔｅｒと外周部分のゾーンの温度Ｔ２＿Ｏｕｔとの温度差を１０℃〜３０℃に設定することが可能になる。【００９５】
なお、本実施例においては、シリコンウェーハ１の温度の検出値に基づいてシリコンウェーハ１の温度を制御する場合について説明したが、通常は、シリコンウェーハ１の温度は直接測定することはできない。よって、通常の場合、ステージ３０のシリコンウェーハ１に近い部分の温度を代替特性として、測定し、制御を行うことになる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】図１は、実施形態の温調装置の構成を示した図である。
【図２】図２は、実施形態の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、シリコンウェーハの温度分布を示す図である。
【図４】図４(a)、図４(b)は、断面方向から見たステージに埋め込まれた熱電素子およびヒータを示す図である。図4(c)、図４(c)はステージ上方から見たゾーン配置を示す図である。
【図５】図５は、ステージを４つのゾーンに分割した構成の装置の実施例を示す図で、図５（ａ）は、ステージを上面から見た図、ステージの断面を示した図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、シリコンウェーハの面内温度分布を所望の温度分布にする制御を説明する図である。
【図１】
2010053173.tif 000003
【図２】
2010053173.tif 000004
【図３】
2010053173.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010053173.tif 000007
【図６】
2010053173.tif 000008
【国際調査報告】
2010053173.tif 000009
2010053173.tif 000010
2010053173.tif 000011
2010053173.tif 000012
2010053173.tif 000013
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