(57)【要約】  基板に対するマルチ領域温度制御の方法およびシステムが示される。温度制御システムは、基板を支持するように構成された基板ホルダ内の2または3以上の流体チャネルと結合された熱交換器を有する。熱交換器は、前記2または3以上の流体チャネルを介して流れる、熱輸送流体の温度を調整するように構成される。温度制御システムは、さらに、熱輸送ユニットを有し、このユニットは、バルク流体温度で、熱交換器からの熱輸送流体を受容するように構成された入口を有する。また、熱輸送ユニットは、第1の出口を有し、この出口は、バルク温度よりも低い第1の温度で、熱輸送流体の一部を、2または3以上の流体チャネルの第1の流体チャネルと結合するように構成される。また、熱輸送ユニットは、第2の出口を有し、この出口は、バルク流体温度よりも高い第2の温度で、熱輸送流体の残りの部分を、2または3以上の流体チャネルの第2の流体チャネルに結合するように構成される。
2009531867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理システム内の処理素子の第1の熱領域に結合され、第1の流体温度で熱輸送流体の第1の流れを受容するように構成された第1の流体チャネルと、
前記処理システム内の前記処理素子の第2の熱領域に結合され、第2の流体温度で熱輸送流体の第2の流れを受容するように構成された第2の流体チャネルと、
バルク流体温度で熱輸送流体のバルク流を提供するように構成された熱交換器ユニットであって、前記熱輸送流体の前記バルク流は、前記熱輸送流体の前記第1の流れ、および前記熱輸送流体の前記第2の流れを供給する、熱交換器ユニットと、
前記熱交換器に結合され、熱輸送流体の前記バルク流を受容するように構成された熱輸送ユニットと、
を有する温度制御システムであって、
前記熱輸送ユニットは、前記第1の流れが通る第1の熱輸送領域と、前記第2の流れが通る第2の熱輸送領域の間の熱輸送により、前記第1の流体温度で、熱輸送流体の前記第1の流れを提供し、前記第2の流体温度で、熱輸送流体の前記第2の流れを提供するように構成される、温度制御システム。
【請求項２】
前記熱輸送ユニットは、熱輸送流体の前記第1の流れから、熱輸送流体の前記第2の流れに熱を輸送し、前記第1の流体温度は、前記バルク流温度よりも低く、前記第2の流体温度は、前記バルク流温度よりも高くなることを特徴とする請求項1に記載の温度制御システム。
【請求項３】
前記熱輸送ユニットは、1または2以上の熱電装置を有し、該熱電装置は、前記第1の熱輸送領域に結合された第1の表面と、前記第2の熱輸送領域に結合された第2の表面とを有し、
前記1または2以上の熱電装置は、電源に結合され、前記第1の表面と前記第2の表面の間に、温度差が形成されることを特徴とする請求項1に記載の温度制御システム。
【請求項４】
前記1または2以上の熱電装置の前記第1の表面と前記第2の表面の間の前記温度差の大きさは、前記電源から、前記1または2以上の熱電装置に結合される電流を調整することにより変化することを特徴とする請求項3に記載の温度制御システム。
【請求項５】
熱輸送領域の前記第1の流れと熱輸送領域の前記第2の流れの間の熱輸送の方向は、前記電源から、前記1または2以上の熱電装置に結合された電圧の極性を調整することにより変化することを特徴とする請求項3に記載の温度制御システム。
【請求項６】
前記熱輸送ユニットは、前記第1の熱輸送領域に結合された第1の入口と、前記第2の熱輸送領域に結合された第2の入口とを有し、
前記第1の入口および前記第2の入口は、前記熱交換器の出口に結合され、熱輸送流体の前記バルク流が分割され、前記第1の流れおよび前記第2の流れが構成されることを特徴とする請求項1に記載の温度制御システム。
【請求項７】
前記熱輸送ユニットは、前記第1の熱輸送領域および前記第1の流体チャネルの入口に結合された第1の出口と、前記第2の熱輸送領域および前記第2の流体チャネルの入口に結合された第2の出口とを有することを特徴とする請求項1に記載の温度制御システム。
【請求項８】
前記熱交換器は、前記第1の流体チャネルの出口、および前記第2の流体チャネルの出口に結合され、
前記熱交換器は、前記第1の流体チャネルおよび前記第2の流体チャネルからの前記熱輸送流体を受容するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の温度制御システム。
【請求項９】
前記処理素子は、前記処理システム内に基板ホルダを有することを特徴とする請求項1に記載の温度制御システム。
【請求項１０】
前記第1の熱領域は、前記基板の中央部に近接しており、前記第2の熱領域は、前記基板の端部に近接していることを特徴とする請求項9に記載の温度制御システム。
【請求項１１】
前記基板は、半導体ウェハを有することを特徴とする請求項9に記載の温度制御システム。
【請求項１２】
前記基板は、前記基板ホルダにクランプ固定されることを特徴とする請求項9に記載の温度制御システム。
【請求項１３】
前記基板の後側表面と前記基板ホルダの上部表面の間の空間に、熱輸送ガスが提供されることを特徴とする請求項9に記載の温度制御システム。
【請求項１４】
さらに、
前記熱交換器に結合された制御器を有し、
該制御器は、熱輸送流体の前記バルク流の流速、前記バルク流体温度、またはその両方を調整するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の温度制御システム。
【請求項１５】
さらに、
前記熱輸送ユニットに結合された制御器を有し、
該制御器は、熱輸送流体の前記第1の流れの流速、前記第1の流体温度、熱輸送流体の前記第2の流れの流速、前記第2の流体温度、またはこれらの2以上の組み合わせを調整するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の温度制御システム。
【請求項１６】
請求項1に記載の温度制御システムを用いて、基板ホルダに保持された基板の温度を制御する方法であって、
前記第1の流体チャネルに、第1の熱輸流体を提供するステップと、
前記第2の流体チャネルに、第2の熱輸送流体を提供するステップと、
前記熱輸送ユニットを用いて、前記第1の熱輸送流体の第1の流体温度を、前記第2の熱輸送流体の第2の流体温度に対して制御するステップと、
を有する方法。
【請求項１７】
コンピュータシステムで実施されるプログラム指令を収容するコンピュータ可読媒体であって、
前記コンピュータシステムにより実行された際に、前記コンピュータシステムにより、請求項1に記載の前記温度制御システムが制御され、
前記第1の流体チャネルに、第1の熱輸送流体を提供するステップと、
前記第2の流体チャネルに、第2の熱輸送流体を提供するステップと、
前記熱輸送ユニットを用いて、前記第1の熱輸送流体の第1の流体温度を、前記第2の熱輸送流体の第2の流体温度に対して制御するステップと、
が実施されるコンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
第1の流体温度で、熱輸送流体の第1の流れを受容するように構成された、処理システム内の処理素子の第1の熱領域と、
第2の流体温度で、熱輸送流体の第2の流れを受容するように構成された、前記処理システム内の前記処理素子の第2の熱領域と、
熱輸送流体の前記第1の流れと熱輸送流体の前記第2の流れの間で、熱を輸送する熱輸送ユニットであって、前記第1の温度は、前記第2の流体温度とは異なる熱輸送ユニットと、
を有する温度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、2006年3月28日に出願された、米国特許出願第11／390,471号の出願日の利益に基づくものである。本出願は、2004年8月6日に出願された「基板温度プロファイル制御用の方法およびシステム」という題目の米国特許出願第10／912,182号（ES-005）；2003年11月26日に出願された「熱領域基板ホルダ組立体」という題目の米国特許出願第10／721,500号（PC0204A）；2003年3月28日に出願された「基板温度制御用の方法およびシステム」という題目の米国特許出願第60／458,043号（PC0262A）；2001年1月5日に出願された「透過スペクトル方を用いたウェハバンド端測定の方法、およびウェハの温度均一性を制御する処理」という題目の米国特許出願第10／168,544号（PC0003B）；に関し、これらの出願の前内容は、本願の参照として取り入れられている。
【０００２】
本発明は、基板の温度制御の方法およびシステムに関し、特に基板の温度を制御する基板ホルダに関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体製造および処理技術において、例えば、エッチングや成膜処理を含む各種処理プロセスが基板の温度に大きく依存することは、良く知られている。基板の温度は、多くの処理プロセスに影響を受け、例えば、イオン衝突を含むプラズマ処理プロセス、放射、対流および伝導を含む熱処理、ならびに基板表面で生じる化学反応を含む化学処理プロセスの影響を受ける。基板の上部表面に適当な温度を提供するため、ホルダを用いて基板の温度が制御される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明では、処理システム内の処理素子の第1の熱領域に結合され、第1の流体温度で熱輸送流体の第1の流れを受容するように構成された第1の流体チャネルと、
前記処理システム内の前記処理素子の第2の熱領域に結合され、第2の流体温度で熱輸送流体の第2の流れを受容するように構成された第2の流体チャネルと、
バルク流体温度で熱輸送流体のバルク流を提供するように構成された熱交換器ユニットであって、前記熱輸送流体の前記バルク流は、前記熱輸送流体の前記第1の流れ、および前記熱輸送流体の前記第2の流れを供給する、熱交換器ユニットと、
前記熱交換器に結合され、熱輸送流体の前記バルク流を受容するように構成された熱輸送ユニットと、
を有する温度制御システムであって、
前記熱輸送ユニットは、前記第1の流れが通る第1の熱輸送領域と、前記第2の流れが通る第2の熱輸送領域の間の熱輸送により、前記第1の流体温度で、熱輸送流体の前記第1の流れを提供し、前記第2の流体温度で、熱輸送流体の前記第2の流れを提供するように構成される、温度制御システムが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ある実施例では、温度制御システムは、処理システム内の処理素子の第1の熱領域に結合され、第1の流体温度で熱輸送流体の第1の流れを受容するように構成された第1の流体チャネルを有する。第2の流体チャネルは、前記処理システム内の前記処理素子の第2の熱領域に結合され、第2の流体温度で熱輸送流体の第2の流れを受容するように構成される。熱交換器ユニットは、バルク流体温度で熱輸送流体のバルク流を提供するように構成され、前記熱輸送流体の前記バルク流は、前記熱輸送流体の前記第1の流れ、および前記熱輸送流体の前記第2の流れを供給する。熱輸送ユニットは、前記熱交換器に結合され、熱輸送流体の前記バルク流を受容するように構成され、前記熱輸送ユニットは、前記第1の流れが通る第1の熱輸送領域と、前記第2の流れが通る第2の熱輸送領域の間の熱輸送により、前記第1の流体温度で、熱輸送流体の前記第1の流れを提供し、前記第2の流体温度で、熱輸送流体の前記第2の流れを提供するように構成される。
【０００６】
別の実施例では、方法およびコンピュータ可読媒体のプログラム指令によって、温度制御システムを用いて、基板ホルダに保持された基板の温度が制御される。第1の流体チャネルには、第1の熱輸送流体が提供される。第2の流体チャネルには、第2の熱輸送流体が提供される。第1の熱輸送流体の第1の流体温度は、熱輸送ユニットを用いて、第2の熱輸送流体の第2の流体温度に対して制御される。
【０００７】
さらに別の実施例では、温度制御システムは、第1の流体温度で、熱輸送流体の第1の流れを受容するように構成された、処理システム内の処理素子の第1の熱領域を有する。前記処理システム内の前記処理素子の第2の熱領域は、第2の流体温度で、熱輸送流体の第2の流れを受容するように構成される。熱輸送ユニットは、前記第1の温度が前記第2の流体温度とは異なるように、熱輸送流体の前記第1の流れと熱輸送流体の前記第2の流れの間に、熱を輸送する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下の図面において、本発明の理解を容易にするため、および限定ではなく説明のため、処理素子の特定の形状、および処理素子内の温度制御素子の各種形状などの、特定の詳細が示されている。しかしながら、本発明は、これらの特定の図面とは異なる、他の実施例でも実施され得ることに留意する必要がある。
【０００９】
ただし、記載の範囲に含まれる特徴は、本発明の性質が一般的な概念で説明されていたとしても、本発明の性質を有することは明らかである。
【００１０】
本発明の実施例において、図1には、材料処理システム100が示されており、これは、基板ホルダ120と、その上に支持された基板135とを含む処理ツール110を有する。基板ホルダ120は、基板ホルダ120内に配置された、少なくとも2つの熱領域を提供するように構成され、これにより、材料処理システム100内の基板温度の温度プロファイルの制御および／または迅速な調整が可能となる。熱領域の各々は、例えば、流体チャネルを有し、このチャネル内を、所定の流速および温度で、熱輸送流体が循環する。抵抗加熱素子もしくは冷却素子のような追加の温度制御素子、および／またはいくつかの熱電子装置等は、使用されてもされなくても良い。説明を明確にするため、各基板ホルダの流体チャネルは、熱領域を示し、例えば、図1、図5、図6、図7、および図8に一例を示す。
【００１１】
図1に示す実施例では、材料処理システム100は、半導体処理システムにより、集積回路（IC）を製作することを容易にする。例えば、材料処理システム100は、乾式（プラズマまたは非プラズマ）エッチングシステムを有する。または、材料処理システム100は、フォトレジストスピンコーティングシステム内に、後密着加熱（PAB）または後暴露加熱（PEB）に利用され得る、加熱／冷却モジュールのような、フォトレジストコーティングチャンバ、紫外線（UV）リソグラフィシステムのようなフォトレジストパターン化チャンバ、スピンオンガラス（SOG）システムのような誘電体コーティングチャンバ、スピンオン誘電体（SOD）システム、化学気相成膜（CVD）システムとしての成膜チャンバ、物理気相成膜（PVD）システム、プラズマ加速化学気相成膜（PECVD）システム、原子層成膜（ALD）システム、プラズマ加速ALD（PEALD）システム、または熱処理用RTPシステムのような急速熱処理（RTP）チャンバを有する。
【００１２】
図1に示す実施例では、材料処理システム100は、処理空間115、および上部に被処理基板が固定される基板ホルダ120を有する処理ツール110と、ガス注入システム118と、真空排気システム130とを有する。基板135は、半導体ウェハ、または液晶ディスプレイ（LCD）である。
【００１３】
基板ホルダ120は、基板135を支持し、その温度を制御するように構成される。基板ホルダ120の温度制御システムは、熱交換器と、熱輸送ユニットとを有し、これは、基板ホルダ120内で2以上の流体チャネルに結合され、一つの流体チャネルを通る流体流から、別の流体チャネを通る流体流に熱を輸送することにより、一つのチャネルに流れる熱輸送流体の温度を、別の流体チャネルに流れる熱輸送流体の温度に対して調整するように構成される。
【００１４】
図1に示すように、基板ホルダ120は、実質的に環状で、基板ホルダ120の中央熱領域に配置された、第1の流体チャネル140と、基板ホルダ120の周囲（または端部）熱領域の第2の流体チャネル145とを有し、第2の流体チャネル145は、第1の流体チャネル140の周りに同心円状に配置される。第1の流体チャネル140は、対応する入口141に提供された熱輸送流体を、基板ホルダ120に循環して、基板ホルダ120の対応する出口142に戻すように構成される。第2の流体チャネル145は、対応する入口146に提供された熱輸送流体を、基板ホルダ120に循環して、基板ホルダ120の対応する出口147に戻すように構成される。
【００１５】
熱交換器150は、バルク流体温度の熱輸送流体のバルク流を、熱交換器150の出口157に、バルク流速で提供するように構成される。また、熱交換器150は、第1の流体チャネル140の出口142からの熱輸送流体、および第2の流体チャネル145の出口147の熱輸送流体を、入口156を介して受容するように構成される。出口142および147からの熱輸送流体は、熱交換器150に排出され、あるいは、別個の収集経路に排出される。例えば、熱交換器150は、モデルUBRPD5A-1T4冷却器を有し、これは、ダイキン産業株式会社から市販されている。熱交換器150は、水または誘電性流体のような熱輸送流体を作動するように構成され、例えばFluorinert、Galden HT-135、またはGalden HT-200などがある。熱輸送流体は、基板ホルダ120に熱を輸送し、あるいは基板ホルダ120から熱を輸送するように構成された、いかなる流体であっても良いことは、当業者には明らかである。
【００１６】
熱交換器150からの熱輸送流体の流れの一部は、熱輸送ユニット155の第1の入口158に入り、熱輸送ユニット155の第1の熱輸送領域を通る熱輸送流体の第1の流れを形成し、熱交換器150からの熱輸送流体の流れの別の一部は、熱輸送ユニット155の第2の入口159に入り、熱輸送ユニット155の第2の熱輸送領域を通る熱輸送流体の第2の流れを形成する。例えば、1または2以上のバルブ、および任意の1または2以上の流量測定装置を利用して、第2の入口159に入る熱輸送流体の流れの割合に対する、第1の入口158に入る熱輸送流体の流れの割合が調整される。
【００１７】
熱輸送ユニット155は、熱輸送流体の第1の流れから、熱輸送流体の第2の流れに、熱を輸送するように構成され、第1の流体チャネル140の入口141で、熱輸送ユニット155から排出される熱輸送流体の第1の流れは、バルク流体温度以下の第1の流体温度に達し、第2の流体チャネル145の入口147で、熱輸送ユニット155から排出される熱輸送流体の第2の流れは、バルク流体温度以上の第2の流体温度に達する。あるいは、熱輸送ユニット155は、熱輸送流体の第2の流れから、熱輸送流体の第1の流れに熱を輸送するように構成され、第1の流体チャネル140の入口141で、熱輸送ユニット155から排出される熱輸送流体の第1の流れが、バルク流体温度以上の第1の流体温度に達し、第2の流体チャネル145の入口147で、熱輸送ユニット155から排出される熱輸送流体の第2の流体が、バルク流体温度以下の第2の流体温度に到達しても良い。熱輸送ユニット155は、熱輸送流体の第1および第2の流れの間のいずれかの方向に、熱を輸送するように構成される。
【００１８】
ある実施例では、熱輸送ユニット155は、1または2以上の熱電装置を有する。1または2以上の熱電装置は、熱輸送流体の第1の流れの温度を、熱輸送流体の第2の流れの温度に対して調整するように構成される。各熱電装置は、熱輸送ユニット155の第1の熱輸送領域に熱的に結合された第1の表面と、第2の熱輸送領域に熱的に結合された第2の表面とを有しても良い。例えば、熱電装置は、（第1の表面と第2の表面間の）温度差を、（約）数十℃（50〜60℃）に維持し、あるいは数百度に維持する。
【００１９】
従って、この温度差は、例えば、基板ホルダの中央熱領域と基板ホルダの周囲の熱領域の間の温度差に同等に影響する。作動の際、熱電装置は、変化する電流および電圧が印加され、第1の熱輸送チャネル140および第2の熱輸送チャネル145に供給される熱輸送流体の温度制御に必要な、いかなる温度差も補償され、いかなる温度差にも維持される。また熱電装置は、例えば熱交換器150に比べて、より迅速に温度を調整することができる。
【００２０】
複数の熱電装置は、ペルティエモジュールを有しても良い。ペルティエモジュールは、小型半導体装置であり、熱ポンプとして機能する。これらのモジュールは、ある場合、2つの接合材料に電圧を印加することにより、極性に応じて、接触領域の近傍で熱放出または熱吸収が生じることに基づくものである。ある実施例によるペルティエモジュールは、図2に示されている。このモジュール190は、p型半導体材料191とn型半導体材料192とを有し、これらは導体193a〜bにより接続され、セラミック層194および195の間に取り囲まれている。作動の際、ペルティエモジュールに電力が印加されると、装置の一つの側がより低温となり、他の側がより高温となる。電圧極性を変化すると、この効果が逆転し、熱吸収の側が熱放出側となり、またその逆が生じる。これらの半導体装置を用いた場合、加熱パワーおよび冷却パワーは、電力または印加電圧とほぼ正比例する。
【００２１】
図3A乃至3Dを参照すると、ある実施例による熱輸送ユニット350が示されている。図3Aは、熱輸送ユニット350の上面図を示しており、図3Bは、熱輸送ユニット350（図3Aに示す）の断面図を示しており、図3Cおよび3Dは、熱輸送ユニット350の対向する端面を示している。熱輸送ユニット350は、第1の流体溝を有し、この溝は、熱輸送ハウジング310に形成された熱輸送セグメント320A〜Jの第1の配列と、溝エルボー324A〜Iの第1の配列とを有する。第1の流体溝は、第1の入口358から、第1の流速でバルク流体温度の熱輸送流体を受容し、第1の出口362を介して、第1の流速で第1の流体温度（バルク流体温度とは異なる）の熱輸送流体を排出する。熱は、熱輸送セグメント320A〜Jの第1の配列を介して、熱輸送流体の第1の流れから輸送され、または除去される。第1の流体溝は、10の熱輸送セグメントを有するように示されているが、これは、より多くてもより少なくても良い。
【００２２】
熱輸送ユニット350は、第2の流体溝を有し、この溝は、熱輸送セグメント322A〜Jの第2の配列と、溝エルボー326A〜Iの第2の配列とを有する。第2の流体溝は、第2の入口359から、第2の流速でバルク流体温度の熱輸送流体を受容し、第2の出口363を介して、第2の流速で第2の流体温度（バルク流体温度とは異なる）の熱輸送流体を排出する。熱は、熱輸送セグメント322A〜Jの第2の配列を介して、熱輸送流体の第2の流れから輸送され、または除去される。第2の流体溝は、10の熱輸送セグメントを有するように示されているが、これは、より多くてもより少なくても良い。
【００２３】
さらに熱輸送ユニット350は、熱電装置328A〜Jの配列を有し、この配列は、熱輸送セグメント320A〜Jの第1の配列と、熱輸送セグメント322A〜Jの第2の配列の間に設置される。熱電装置328A〜Jの配列は、熱輸送流体の第1の流れと熱輸送流体の第2の流れの間で、熱を輸送するように構成される。例えば、熱電装置328A〜Jの配列の各部材は、複数のペルティエモジュールを有する。
【００２４】
図4を参照すると、この図には、熱輸送ユニットの部分断面図が示されている。熱輸送ユニットは、上部ハウジング410と、底部ハウジング412とを有し、上部ハウジング内には、1または2以上の熱輸送セグメント420の第1の配列が形成され、第2のハウジング内には、1または2以上の熱輸送セグメント422の第2の配列が形成される。1または2以上の熱電装置428は、1または2以上の熱輸送セグメント420の第1の配列と、1または2以上の熱輸送セグメント422の第2の配列の間に配置される。さらに上部ハウジング410および底部ハウジング412は、1または2以上の熱絶縁部材430により分離される。1または2以上の熱電装置428は、1または2以上の熱輸送セグメント420の第1の配列を通る熱輸送流体の第1の流れの温度を、1または2以上の熱輸送セグメント422の第2の配列を通る熱輸送流体の第2の流れの温度に対して、調整するように構成される。各熱電装置は、1または2以上の熱輸送セグメント420の第1の配列に、熱的に結合された第1の表面4281（第1の熱輸送領域）と、1または2以上の熱輸送セグメントの第2の配列に、熱的に結合された第2の表面4282（第2の熱輸送領域）とを有する。
【００２５】
ある例では、熱輸送ユニットは、図3A乃至3Dに示した構成を有するように示されている。第1の溝は、10の熱輸送セグメントを有し（図3Aに示されている）、各熱輸送セグメントの寸法は、約600mmの長さ（l）と、約50mmの幅断面（W）と、約3mmの高さ（H）とを有する。断面は、矩形状に示されているが、円形を含む、各種形状を採用することも可能である。これらの寸法により、断面積（Ah）は、1／2インチの直径の管とほぼ等しくなる（すなわち約150mm2）。例えば、第1の入口358もしくは第2の入口359、あるいは第1の出口362もしくは第2の出口363、あるいは溝エルボーの第1もしくは第2の配列（324A〜I、326A〜I）は、1／2インチ（または約12.5mm）の内径を有しても良い。例えば、入口、出口、溝エルボー、および熱輸送セグメントは、ほぼ等しい断面積となるように構成されても良い。第1の溝は、10の熱輸送セグメントを有するため、有効長さ（L）は、10*lとなり、すなわち6000mmとなる。従って、例えば、1または2以上の熱電装置の第1または第2の表面となる、熱輸送表面に直接結合される湿式表面積（Aw）は、Aw＝L*W＝3125mm2となる。
【００２６】
また、この例では、第2の溝は、10の熱輸送セグメントを有し（図3Bに示されている）、各熱輸送セグメントの直径は、第1の溝と等しくなるように構成される。熱電装置の配列（例えばペルティエモジュール）は、図3A、3Bに示すように、第1および第2の溝の間に配置される。特に、例えば、約12の配列（50mm×50mm）のペルティエモジュールが、第1および第2の溝の各熱輸送セグメントの間に配置される。
【００２７】
熱輸送ユニットの形状を得るため、表1には、各溝（すなわち第1および第2の溝）を通る体積流速（V）の関数として、第1の流体温度と第2の流体温度の間の温度差（ΔT1）5℃を得るために必要な、各ペルティエモジュールにわたる温度の変化（ΔT2）を示す。
【００２８】
【表１】
2009531867.tif 000003
表1より、体積流速（V）（リットル／分、lpm；および立方メートル／秒、m3／sec）、質量流速（m＝p*V）（GaldenHT-200熱輸送流体を使用したとき、密度ρ＝1840Kg／m3；熱伝導度k＝0.066J／m-K；動粘度ν＝2.0E-06m2／sec；比熱cp＝1047J／Kg-K；プラントル数＝58.4；20℃）、流速（u＝m／（ρAh）（メートル／秒、m/sec））が得られる。これらの流束パラメータから、レイノルド数（Re＝u*dh／ν）（水直径（dh＝√（4*Ah／π））に基づく）、およびヌセルト数（Nu＝0.023Re4/5Pr0.3）（パイプ中の乱流の経験式に基づく）が定められ、これから、熱輸送表面の湿式領域上に形成された流体境界層を通る、熱輸送の熱輸送係数（h＝Nu*ｋ／dh）が計算される。
【００２９】
ここで、所与の質量流速（m）に対して、バルク流体温度（Tb）から、第1の流体温度（T1）（または第2の流体温度（T2））に流体温度を調整するために、熱輸送流体からの熱の輸送または除去に必要なパワーは、Q1＝m*cp*（Tb−T1）（ワット）となる。また、この要求を満たすため、流体境界層を介した輸送に必要なパワーは、Q2＝h*Aw*（T−Ts）により与えられる。ここでTは、流体温度であり、Tsは、熱輸送表面の表面温度である。Q1をQ2と等しくなるように設定することにより、ペルティエモジュールにわたる必要な温度変化（ΔT2）が決定される。
【００３０】
表2には、10℃の温度差（ΔT1）を得るための計算結果を示す。また表3には、20℃の温度差（ΔT1）を得るための計算結果を示す。各ペルティエモジュールにわたる温度差は、それぞれ、5℃、10℃、および20℃の流体温度差を得る場合、約10℃から約60℃まで変化する。これらの温度差は、市販の熱電装置の現在の限界以内にある。
【００３１】
【表２】
2009531867.tif 000004
【００３２】
【表３】
2009531867.tif 000005
再度図1を参照すると、制御器160は、マイクロプロセッサ、メモリ、およびデジタルI／Oポートを有し、デジタルI／Oポートは、通信可能な制御電圧を発生し、この電圧により、材料処理システム100への入力が活性化され、材料処理システム100からの出力をモニタすることができる。また、制御器160は、ガス注入システム118、真空排気システム130、熱交換器150、熱輸送ユニット155、基板135の静電クランプ固定を容易にする高電圧直流（DC）電源（図示されていない）、および背面ガス供給システム（図示されていない）に結合され、これらと情報が交換される。例えば、メモリ内に保管されたプログラムを用いて、プロセスレシピにより、材料処理システム100の前述の部材に対する入力を活性化し、基板温度を制御する方法を実施しても良い。制御器160の一例は、DELL PRECISON WORKSTATION640（登録商標）であり、これは、テキサス州オースチンのデル社から入手することができる。
【００３３】
しかしながら、制御器160は、汎用コンピュータシステムで実施されても良く、これは、本発明の処理ステップに基づいて、メモリに収容された1または2以上の指令の1または2以上のシーケンスを実行するプロセッサに応答して、マイクロプロセッサの一部または全てを実行する。そのような指令は、ハードディスクまたはリムーバブル媒体ドライブのような別のコンピュータ可読媒体から、制御器メモリで読み取られても良い。マルチ処理配列内の1または2以上のプロセッサを制御器として用いて、メインメモリに収容された一連の指令を実行しても良い。別の実施例では、ソフトウェア指令の代わりに、またはこれと組み合わせて、ハード配線回路を用いても良い。従って、実施例は、ハードウェア回路およびソフトウェアのいかなる特定の組み合わせにも限定されない。
【００３４】
制御器160は、少なくとも一つのコンピュータ可読媒体、または制御器メモリのようなメモリを有し、本発明の示唆によりプログラム化された指令が保持され、データ構造、表、記録、または本発明の実施に必要な他のデータが収容される。コンピュータ可読媒体の一例は、コンパクトディスク、ハードディスク、フロッピーディスク（登録商標）、テープ、光磁気ディスク、PROM（EPROM、EEPROM、フラッシュEPROM）、DRAM、SRAM、SDRAM、もしくは他の磁気媒体、コンパクトディスク（例えばCD-ROM）、もしくは他のあらゆる光媒体、パンチカード、紙テープ、または穴パターンを有する他の物理的媒体、担体波（以下に示す）、またはコンピュータで読み取ることのできる他の媒体である。
【００３５】
本発明は、コンピュータ可読媒体の一つまたは組み合わせに保管された、制御器160を制御するソフトウェアを含み、これにより、本発明の実施のため装置が駆動され、および／または制御器とユーザとの相互作用が可能となる。そのようなソフトウェアには、これに限られるものではないが、装置ドライバ、オペレーティングシステム、開発ツール、およびアプリケーションソフトウェアが含まれる。そのようなコンピュータ可読媒体は、さらに、本発明のコンピュータプログラム製品を含み、これにより、本発明を実施する際に行われる処理の全てまたは一部が実施される（処理が配分されている場合）。
【００３６】
本発明のコンピュータコード装置は、いかなる解釈可能なまたは実行可能なコード機構であっても良く、これに限られるものではないが、解釈可能なプログラム、ダイナミックリンクライブラリ（DLL）、ジャバクラス、および完全実行プログラムを含む。また、本発明の処理の一部は、より良い特性、信頼性、および／またはコストのため、分配されても良い。
【００３７】
本願に使用される「コンピュータ可読媒体」という用語は、実行用の制御器160のプロセッサに指令を提供する際に関与する、いかなる媒体をも意味する。コンピュータ可読媒体は、多くの形態とすることができ、これに限られるものではないが、非揮発性媒体、揮発性媒体、および伝達媒体であっても良い。非揮発性媒体には、例えば、ハードディスクまたはリムーバブル媒体ドライブのような、光ディスク、磁気ディスク、および光磁気ディスクが含まれる。揮発性媒体には、メインメモリのようなダイナミックメモリが含まれる。また、コンピュータ可読媒体の各種形態には、実行用制御器のプロセッサへの1または2以上の指令の1または2以上のシーケンスを実施することが含まれる。例えば、指令は、最初、離れた場所のコンピュータの磁気ディスクで実施されても良い。離れた場所のコンピュータは、遠隔操作で、本発明の全てまたは一部を実施するダイナミックメモリに指令をロードし、ネットワークを介して制御器160に指令を送信する。
【００３８】
制御器160は、材料処理システム100に対してローカルに配置されても良く、あるいは材料処理システム100から離れた位置に配置されても良い。例えば、制御器160は、直接接続、イントラネット、およびインターネットの少なくとも一つを用いて、材料処理システム100との間でデータ交換する。制御器160は、例えば、顧客サイト側（すなわち装置メーカ等）でイントラネットに結合され、あるいはこれは、例えば、ベンダー側（すなわち装置製造者）でイントラネットに結合される。また、例えば、制御器160は、インターネットに結合されても良い。また、例えば別のコンピュータ（すなわち制御器、サーバ等）により、制御器160にアクセスし、直接接続、イントラネットおよびインターネットのうちの少なくとも一つを経由して、データを交換しても良い。
【００３９】
図5に示す処理システム200の別の実施例では、基板ホルダ120は、さらに、2または3以上の温度センサ170および175を有し、これらは、それぞれ、第1の（中央）熱領域および第2の（周囲または端部）熱領域の近傍に配置される。温度センサは、熱電対（例えばKタイプの熱電対）を含む。あるいは、温度センサは、市販の光ファイバ温度計を有し、これは、OR2000Fとしてアドバンストエナジー社（1625  Sharp Point Drive Fort Collions CO 80525）から入手することができ、50℃から2000℃までの温度を測定することができ、精度は、±1.5℃である。または温度センサには、2002年7月2日に出願された、「透過スペクトル法およびウェハの温度均一性を制御するプロセッサを用いたウェハバンド端測定の方法、」という題目の同時係属の米国特許出願第10／168,544号に示されているような、バンド端温度測定システムがある。この出願の内容は、本願の参照として取り入れられている。2または3以上の温度センサ170および175により、目的温度分布を得るために実施される制御アルゴリズムに対するフィードバックとして、制御器160に温度測定結果を提供することが可能となる。
【００４０】
例えば、制御器160は、1もしくは2以上の熱電装置に対する電流または電圧極性のいずれかを調整し、熱輸送流体の第2の流体温度に対して、熱輸送流体の第1の流体温度が調整される。また、制御器160は、バルク流体温度、バルク流速、第1の流速、または第2の流速を調整しても良い。
【００４１】
図6に示す別の実施例では、材料処理システム300は、図1および図5の実施例と同様であり、基板ホルダ220を有し、さらに、第1の流体チャネル140と第2の流体チャネル145の間に配置された熱絶縁体225を有する。熱絶縁体225は、第1の流体チャネル140および第2の流体チャネル145と実質的に同心円状になっている。熱絶縁体225は、第1の流体チャネル140と第2の流体チャネル145の間に挿入され、基板ホルダ220の制御可能な熱領域を横方向に絶縁する。熱絶縁体225は、熱伝導度の低い（基板ホルダ220の熱伝導性に比べて低い）、いかなる材料または材料の組み合わせであっても良い。あるいは、熱絶縁体225は、圧力が可変のガスギャップのような、調整可能な熱伝導度を有する絶縁体を含む。追加の詳細は、2003年11月26日に出願された、「基板温度プロファイル制御の方法およびシステム」という題目の同時係属中の米コック特許出願第10／721,500号に示されており、これは、本願の参照として取り入れられている。
【００４２】
図7に示す別の実施例では、材料処理システム400は、図1、図5および図6と同様であり、基板ホルダ320を有するが、さらに、2または3以上の温度制御素子331および332を有する。各温度制御素子331および332は、例えば、熱輸送流体を流すための別の流体チャネル、抵抗加熱素子、または熱電装置（またはそれらの配列）を有する。また、基板ホルダ320は、必要な場合、熱絶縁体325を有しても良い。第1および第2の流体チャネル140および145上に配置された、2または3以上の温度制御素子の使用により、基板135を加熱および冷却する、追加の制御が可能となる。
【００４３】
図8に示す別の実施例では、材料処理システム500は、図1、図5、図6および図7の実施例と同様であり、基板ホルダ420を有するが、さらに、2または3以上の制御可能な絶縁素子441および442を有する。各制御可能な絶縁素子441および442は、圧力が可変のガス隙間を有し、基板ホルダ420内の鉛直方向の熱の流れが制御される。追加の詳細は、2003年3月28日に出願された、「基板の温度制御用の方法およびシステム」という題目の米国特許出願第60／458,053号に記載されており、この出願は、本願の参照として取り入れられている。
【００４４】
図9に示す別の実施例では、基板ホルダは、例えば、図6の実施例と同様であるが、この例は、さらに、2つの分離熱領域を有する基板ホルダ620を有する。中央熱領域635は、基板ホルダ620の中央部の温度制御部を提供する。外側の熱領域630は、基板ホルダ620の周囲部分の温度制御部を提供する。任意の熱絶縁体625は、熱領域635と熱領域630とを分離する。
【００４５】
中央熱領域635は、流体チャネル640で構成され、これらの流体チャネルは、同心環状経路636、637、638および639により、分けて形成される。同心環状経路636、637、638および639は、各連結脚641、642および643により接続される。環状形状は、連結脚の領域における隣接する環境経路の間の一つの位置でのみ中断されるため、この形状では、最大限の方位対称性が得られる。熱輸送流体は、中央熱領域635を介して循環され、位置621Bに入り、位置622に戻る。
【００４６】
同様に、外側熱領域630は、流体チャネル645からなり、これらの流体チャネル645は、同心環状経路648および649により、分けて形成される。同心環状経路648および649は、それぞれの連結脚646により接続される。前述のように、環状形状は、連結脚の領域における隣接する環境経路の間の一つの位置でのみ中断されるため、この形状では、最大限の方位対称性が得られる。熱輸送流体は、外側熱領域630を介して循環され、位置623に入り、位置621Aに戻る。
【００４７】
図10には、処理システム内で、基板ホルダ上の基板の温度プロファイルを制御する方法900を示したフローチャートを示す。温度プロファイルは、処理システム内での複数の処理ステップに関係する。基板ホルダは、図1、図5、図6、図7または図8に示すいずれかを有する。方法900は、ステップ905において、基板の温度プロファイル制御用の制御パラメータを初期化することから始まる。ここで「温度プロファイルの制御」とは、基板ホルダの異なる空間領域を独立して制御し、均一または非均一な基板温度を得ることを意味する。制御パラメータは、第1の熱領域の入力パラメータと、第2の熱領域の入力パラメータとを有する。制御パラメータは、さらに、これに限られるものではないが、熱電装置の電流および電圧の極性用の入力パラメータ、静電クランプHV DC電源電圧用の入力パラメータ、静電クランプHV DC電源電流用の入力パラメータ、背面ガス供給システム用の入力パラメータ、ガス注入システム用の入力パラメータ、真空排気システム用の入力パラメータ等を含む。第1および第2の熱領域用の入力パラメータは、例えば、流体流速（または速度）、流体温度、またはその両方を有する。静電クランプHV DC電源電圧用の入力パラメータは、例えば、制限電圧（clamping voltage）を有する。静電クランプHV DC電源電流用の入力パラメータは、例えば、制限電流（clamping current）を有する。背面ガス供給システム用の入力パラメータは、例えば、背面流速、背面圧力、または背面ガス種を有する。ガス注入システム用の入力パラメータは、例えば、ガス注入流速、ガス注入圧力、またはガス注入ガス種を有する。
【００４８】
ステップ910では、ステップ905で得られた制御パラメータが設定され、基板、基板ホルダ、処理システム、またはこれらの2以上の組み合わせの予備処理が実施される。基板の予備処理には、例えば、基板のクランプ固定、所定の背面圧力の形成、基板の温度の所定値への調整等が含まれる。
【００４９】
ステップ915では、処理システム内で、基板処理用のプロセスが開始され、ステップ920では、制御パラメータが制御され、および／または調整される。制御パラメータは、所定のプロセスレシピにより、制御されおよび／または調整される。あるいは、制御パラメータは、温度検知装置（温度センサ）を用いた温度測定結果を、プロセスレシピに示された処理条件と比較することにより、制御されおよび／または調整される。あるいは、制御パラメータは、所定のプロセスレシピと、温度検知装置による温度測定結果とプロセスレシピに示された処理条件との比較との組み合わせにより、制御されおよび／または調整される。
【００５０】
ステップ925では、処理が完了し、その後、制御パラメータは、必要に応じて、制御されおよび／または調整され、基板、基板ホルダ、または処理システムの少なくとも一つに、後処理が行われる。
【００５１】
以上、本発明のある一例としての実施例のみについて、詳しく説明したが、一例としての実施例において、本発明の新規な示唆および利点から逸脱しないで、多くの変更が可能であることは、当業者には容易に理解できる。従って、全てのそのような修正は、本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施例による基板ホルダを有する処理システムの単純化されたブロック図である。
【図２】本発明の実施例によるペルティエモジュールの概略図である。
【図３Ａ】本発明の実施例による熱輸送ユニットの上面図である。
【図３Ｂ】図3Aに示した熱輸送ユニットの断面図である。
【図３Ｃ】図3Aに示した熱輸送ユニットの端面図である。
【図３Ｄ】図3Aおよび図3Cに示した熱輸送ユニットの反対側の端面図である。
【図４】本発明の別の実施例による熱輸送ユニットの部分断面図である。
【図５】本発明の別の実施例による基板ホルダを有する処理システムの単純化されたブロック図である。
【図６】本発明の別の実施例による基板ホルダを有する処理システムの単純化されたブロック図である。
【図７】本発明の別の実施例による基板ホルダを有する処理システムの単純化されたブロック図である。
【図８】本発明の別の実施例による基板ホルダを有する処理システムの単純化されたブロック図である。
【図９】第1および第2の熱領域を含む、第1および第2の流体チャネルの一形態を示した図である。
【図１０】本発明の実施例による温度制御システムを作動する方法を示した図である。
【図１】
2009531867.tif 000006
【図２】
2009531867.tif 000007
【図３Ａ】
2009531867.tif 000008
【図３Ｂ】
2009531867.tif 000009
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009531867.tif 000015
【図８】
2009531867.tif 000016
【図９】
2009531867.tif 000017
【図１０】
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【国際調査報告】
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