(57)【要約】【課題】半導体ウェハー及び同様の加工物の温度をほぼ均一に維持する装置及び方法を提供する。【解決手段】この方法及び装置は、ほぼ閉じたチャンバを成す加工物ホルダを利用し、ホルダは、チャンバと熱が伝わる加工物係合壁を含む壁構造体を含む。加工物ホルダは、チャンバとつながっている凝縮器と、チャンバを加熱する加熱器も含む。加熱器は、チャンバ内の流体を加熱し、これによって、流体がチャンバ内で蒸発すると、凝縮器は流体から熱を取出す。これによって、蒸気がチャンバ内で連続的に循環するので、温度が均一に維持されることになる。１つ以上の温度センサに接続されているフィードバック制御システムは、加熱器もしくは凝縮器又はその両方を制御することができ、これによって、所定の設定温度がチャンバ内で維持される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物ホルダであって、
（ａ）ほぼ閉じたチャンバを形成しており、前記チャンバと熱が伝わる加工物係合壁を含む壁構造体と、
（ｂ）前記チャンバとつながっており、前記加工物係合壁から分離している凝縮表面を有する凝縮器と、
（ｃ）前記チャンバと熱を交換し、前記加工物係合壁から分離している加熱器と、
（ｄ）前記チャンバ内の流体であって、前記加熱器は前記流体を加熱して、前記流体が前記チャンバ内で蒸発し、ひいては前記流体が前記加工物係合壁を加熱するようにし、前記凝縮器は、前記凝縮表面で前記流体から熱を取出し、前記チャンバ内全体にわたり前記流体は、前記チャンバ内で支配的な圧力で蒸発温度に対応する温度にほぼ維持され、前記流体は、ほぼ均一な温度に前記チャンバ及び前記加工物係合壁を維持する流体とを備えている加工物ホルダ。
【請求項２】
前記凝縮器は、前記チャンバに凝縮液を戻す還流凝縮器である請求項１に記載のホルダ。
【請求項３】
前記凝縮器に取付けられ、前記凝縮器と熱を交換する熱放射構造体をさらに備えている請求項１に記載のホルダ。
【請求項４】
前記凝縮器と熱を交換する冷媒ジャケットと、前記ジャケットとつながっており前記ほぼ均一の温度より低い温度にある冷媒源とをさらに備えている請求項１に記載のホルダ。
【請求項５】
前記加工物係合壁は、前記チャンバの境界を成す壁である請求項１に記載のホルダ。
【請求項６】
前記加工物係合壁は、ほぼ水平に延びており、前記チャンバの頂部壁を形成している請求項５に記載のホルダ。
【請求項７】
前記構造体は、前記頂部壁に略平行に延びている底部壁をさらに含む請求項６に記載のホルダ。
【請求項８】
前記構造体は、前記頂部壁と前記底部壁との間で前記チャンバの周辺を巡って延びているリング状側壁をさらに含む請求項７に記載のホルダ。
【請求項９】
前記チャンバ内に配置されている構造的強化部材をさらに備えている請求項８に記載のホルダ。
【請求項１０】
前記頂部壁及び前記底部壁を貫通して延びており前記頂部壁及び前記底部壁に密封状態で接続されている１つ以上の貫通管をさらに備え、各前記貫通管は、前記チャンバを貫通して延びているが前記チャンバとつながっていない開口部を形成している請求項７に記載のホルダ。
【請求項１１】
前記壁構造体を貫通して延びている真空ポートと、前記真空ポートとつながっている真空接続管とをさらに備えている請求項１に記載のホルダ。
【請求項１２】
前記加工物係合表面から突出している複数の互いに間隔を置いて位置する隔離部をさらに備えている請求項１１に記載のホルダ。
【請求項１３】
前記隔離部は約１００ミクロン以下の高さである請求項１２に記載のホルダ。
【請求項１４】
前記チャンバと熱が伝わる１つ以上の温度センサをさらに備えている請求項１に記載のホルダ。
【請求項１５】
前記１つ以上の温度センサに接続され、かつ前記加熱器若しくは前記凝縮器又は両方に接続されているフィードバック制御システムをさらに備え、前記フィードバック制御システムは、前記チャンバ内の前記温度を所定の設定温度に維持するために、前記１つ以上の温度センサからの信号に応答して前記加熱器若しくは前記凝縮器又は両方を制御するようになっている請求項１４に記載のホルダ。
【請求項１６】
前記チャンバと熱が伝わる１つ以上の圧力センサをさらに備えている請求項１に記載のホルダ。
【請求項１７】
前記１つ以上の圧力センサに接続され、かつ加熱器若しくは前記凝縮器又は両方に接続されているフィードバック制御システムをさらに備え、前記フィードバック制御システムは、前記チャンバ内の圧力を所定の設定圧力に維持し、ひいては前記チャンバ内の温度を所定値に維持するために、前記１つ以上の圧力センサからの信号に応答して前記加熱器若しくは前記凝縮器又は両方を制御するようになっている請求項１６に記載のホルダ。
【請求項１８】
前記ホルダの前記加工物係合壁が、互いに向き合いかつ互いに間隔を置いて位置し、これによって、加工物受入れスペースが、前記加工物係合壁と前記加工物係合壁との間に形成されている、請求項１に記載の１対のホルダを備えている加工物処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
［関連出願へのクロスリファレンス］
本発明は、１９９９年１１月１９日出願の米国仮特許出願番号第６０／１６６５５７号の利益を受けるものとする。この仮出願明細書の開示は、引用することにより本明細書の一部を成すものとする。
【０００２】
本発明は、基板の温度の制御に関する。より詳細には、本発明は、処理の間に半導体ウェハー及び類似の加工物の温度の均一性を制御する装置及び方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
半導体装置を製造する通常のプロセスでは、「ウェハー」と呼ばれる、半導体材料から成る薄く平たいディスクが、例えば化学的蒸着、エッチング、コーティング、写真式パターン形成（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ  ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ）、及びウェハー上に所望の形状構造を形成するその他のプロセスなどのプロセスにかけられる。これらのプロセスの多くでは、ウェハー全体を均一の温度に維持することが重要である。フォトレジストをいわゆる「後露光ベークする」間、ウェハーを均一の温度に維持することが特に重要である。ある半導体処理プロセスでは、ウェハー上のフォトレジストは、あるパターン（模様）で露光され、次いでベークされ、これによってレジストが形成される。使用されるレジストのタイプに依存して、レジストにおける露光された領域には、容易にキュアされるものもあり、容易にはキュアされないものもある。露光後の後露光ベーキングステップにより、キュアされた領域とキュアされない領域とが織り成すパターンが得られる。
【０００４】
今まで使用されてきた、半導体ウェハー内の温度を均一に維持する１つの方法では、高い熱伝導率の金属の大きい塊をウェハーに接触させる。この塊は、例えば電気加熱素子などにより加熱されることもある。この塊は高い熱伝導率を有するので、ウェハーにおける複数の個所の間の温度差が制限される。しかしながら、このようなタイプのシステムでさえも、温度の非均一性はかなりのものである。別の１つの方法では、複数の領域を個別に制御する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半導体ウェハー及びその他の加工物の温度を維持するのに用いることができる簡単で効果的な装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様は、加工物ホルダを提供する。本発明のこの態様に係る加工物ホルダは、ほぼ閉じたチャンバを形成する壁構造体を含む。壁構造体は、チャンバと熱が伝わる加工物係合壁を含む。加工物ホルダは、チャンバとつながっている凝縮器と、チャンバを加熱する加熱器も含む。ホルダを作動するには、加熱器がチャンバ内の流体を加熱するようにし、これによって流体はチャンバ内で蒸発する。流体が蒸発すると、凝縮器は流体から熱を取出して、流体を凝縮する。チャンバ全体の流体は、同一の温度にほぼ維持される。この温度は、チャンバ及び凝縮器内で支配的な圧力での流体の蒸発温度に相応する。本発明は、作動に関するいかなる理論にも制限されないが、凝縮器及び加熱器により蒸気が、チャンバ内部全体にわたり連続的に循環し、これによって、温度の均一性が維持されるものと思われる。
【０００７】
加工物ホルダは、１つ以上の温度センサに接続されているフィードバック制御システムを含むこともある。望ましくは、フィードバック制御システムは、加熱器もしくは凝縮器又はその両方に接続されている。フィードバック制御システムは、チャンバ内を設定温度に維持するために、温度センサからの信号に応答して加熱器もしくは凝縮器又はその両方を制御するように動作する。
【０００８】
本発明の別の１つの態様は、均一の温度で加工物を保持する方法を含む。望ましくは、本発明のこの態様に係る方法は、チャンバの内部と熱が伝わる状態で保持表面上に加工物を維持することと、チャンバ内部を加熱してチャンバ内の液体を蒸発させて蒸気を発生させることと、チャンバとつながっている凝縮器内の蒸気を凝縮して、ある程度の液体及びある程度の蒸気の両方がチャンバ内に同時に存在し、蒸気がチャンバ及び凝縮器内で連続的に流れるようにすることとを含む。
【０００９】
本発明のさらに別の１つの態様は、加工物ホルダの製造方法を含む。この方法は、閉じたチャンバとして実質的に形成されている加工物係合壁を収容する壁構造体を形成することを含む。この壁構造体には、使用中に壁構造体上に加わる予測圧力差に相応する、チャンバ内外の予選択圧力差が加わる。このように圧力差が加わると、加工物係合壁は変形する。最も好ましくは、加工物係合壁は、このような変形状態にある間に機械加工されて予選択形状になる。このようにして、加工物ホルダが動作する間に、加工物係合壁は、圧力差が加えられている間に機械加工プロセスにより予選択形状にされる。
【００１０】
本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の説明に記載されている。前述の一般的説明及び以下の詳細な説明の両方とも、例示的であり、請求の範囲により定められる本発明をさらに説明するためのものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、チャンバ１０は、水、共沸混合物などの水性流体、あるいは、均一な組成で蒸発及び凝縮するその他の適切な流体などの流体１２が入っている。電気加熱器１３がチャンバ１０内に熱を供給すると、流体１２は蒸発する。蒸気は凝縮器１４内で凝縮し、液体はチャンバ１０に戻る。チャンバ１０内にはかなりの質量流２１が存在するので、チャンバ１０内のすべての個所において温度は、チャンバ１０内で支配的な圧力における流体１２の平衡蒸発温度にほぼ等しいままである。いくつかの構造的サポート１６がチャンバ１０内に設けられていることもあるにもかかわらず、チャンバ１０は、流体がチャンバ１０内でほぼ邪魔されずに流れることができ、これによってチャンバ１０内の圧力差を最小化することができるように実質的に開いていなければならない。凝縮器１４は、図示のように冷媒ジャケット１５により冷却することもでき、凝縮器本体に取付けられている熱放射フィン２３（図７）により冷却することもでき、あるいは、凝縮器１４が、加熱器からの熱の供給速度にほぼ等しい速度で熱を取出すことを可能にする任意のその他の従来の冷却手段により冷却することもできる。
【００１２】
１つの実施形態では、チャンバ１０の頂部壁１８は、約３５ｃｍの直径のアルミ製ディスクであり、底部壁１９は、前記上部ディスクから約５ｃｍ下方に位置する同様のディスクであり、加熱器は、約１０００ワットの電力を供給する。頂部壁１８は、約±０．１℃の誤差で均一の温度に維持されている。勿論、本発明は、ある特定のディスクサイズあるいはディスク間隔あるいは加熱器の供給電力に限定されず、その他のサイズ及び温度も、本発明の範囲内にある。
【００１３】
チャンバ１０内の温度と、ひいては加工物係合壁１８の温度とは、加熱器１３からの熱の供給速度又は凝縮器１４からの熱の除去速度又は両方を調整することにより制御することができる。望ましくは、サーモカップル、サーモレジスタ、あるいは任意のその他の感温変換器などの温度センサ１７が、チャンバ１０内に取付けられているか、又はチャンバ１０の壁内に取付けられているか、又はセンサ１７がチャンバ１０と熱が伝わるその他の個所、すなわちセンサ１７の温度がチャンバ１０内の温度を密接に追跡することができるその他の個所に取付けられている。温度センサ１７はフィードバック制御回路２２に接続されており、フィードバック制御回路２２は加熱器１３に接続されている。このシステムの１つの変形では、凝縮器１４は制御可能であり、フィードバック制御回路２２は、凝縮器１４の制御入力側に接続されている。例えば、凝縮器１４が循環冷媒により冷却される場合、フィードバック制御回路２２は、冷媒の循環速度を制御するように接続することができる。フィードバック制御回路２２は、従来のアナログ又はディジタル制御回路であることもあり、当技術分野において設定値を維持するためのものであることが知られている比例積分微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムを含むこともある。さらに別の１つの変形では、センサ１７は、チャンバ１０内の圧力を検出及び監視するためにチャンバ１０の内部に接続されている。圧力は温度に直接に比例して変化するので、圧力測定の代りに温度測定を行うこともできる。１つのさらなる変形では、凝縮器１４の頂部端は開いたままにされるか、又は管を介して大気又はその他の定圧源につながっており、これによって本システムは自身を調整して、このような圧力での蒸発温度に相応する温度になる。
【００１４】
チャンバ１０上の加工物係合表面１８の温度を正確に均一にすることに加えて、望ましくは、加工物係合表面１８とウェハー２０との間で熱が均一に伝わるようにし、これによって、ウェハー２０の温度が、加工物係合表面１８の温度に密接に追従するようにする。図２に示すように、ほぼ前述通りの１対のチャンバ１０ａ、１０ｂを設けて、ウェハー２０の両側の表面の温度を均一にし、これによって、ウェハー２０の温度制御をより正確にすることも可能である。この配置では、２つのチャンバ１０ａ、１０ｂの加工物係合表面１８ａ、１８ｂは、互いに向き合っている。２つのチャンバ１０ａ、１０ｂの内部は、互いから分離しているか、又は管及び導管を介して互いにつながっており、これによって２つのチャンバ１０ａ、１０ｂは、単一のチャンバを事実上形成している。
【００１５】
この方法の１つの変形（図３）では、チャンバ１０ｃは、孔３１を包囲する環状体として形成されており、これによって環状体の内面は、加工物係合表面１８ｃを成している。
【００１６】
環状体の孔３１は、平たい表面を有し、これによって、ウェハー２０などの平たい加工物の周りにより密接に嵌まるようになっていることもある。図４に示すように、Ｃ形チャンバ１０ｄでは、互いに対向して位置する加工物係合表面１８ｄ、１８ｅが設けられていることもある。図４〜図６に示すような互いに対向して位置する表面が設けられている場合、ウェハー２０の温度は、ウェハー２０が１つの平面内に収まらない場合でさえも、ほぼ均一である。
【００１７】
図２に最も良く示されているように、高所４は、一方の加工物係合表面１８ａに近く、一方、低所５は、他方の加工物係合表面１８ｂに近く、これによって、すべてのウェハー２０の個所で熱はほぼ均一に伝わる。互いに対向して位置する加工物係合表面１８ａ、１８ｂは互いに近く、ウェハー２０がこれらの表面１８ａと１８ｂと間に配置されているので、ウェハー２０とその周囲との間で熱はほとんど伝わらない。ウェハー２０上のすべての個所は、各個所における熱伝達速度と無関係に加工物係合表面１８ａ、１８ｂの温度で平衡状態に達する。
【００１８】
図５に示すように、ホルダは、加工物係合表面１８を通過して延びている真空ポート３４を備え、真空ポート３４は、例えばポンプなどの真空源４０に接続されている。このようにして、ウェハー２０は、加工物係合表面１８に密に近く保持され、ウェハー２０の、加工物係合表面１８から背く方向に向いて位置する側では周囲の大気の気圧はより高いので、ウェハー２０は、加工物係合表面１８に押付けられて平たくなる。同様に図５に示すように、隔離部３５が、加工物係合表面１８から僅かに突出している。隔離部３５の高さは、分かりやすくするために図５では誇張されている。実際には、望ましくは、隔離部３５は、１００μｍ前後である。隔離部３５により、ウェハー２０と加工物係合表面１８との間に小さいスペースが得られる。これによって、ウェハー２０が加工物係合表面１８に直接に当接している場合に比して、熱がより均一に伝わるようになる。この場合、ウェハー２０の裏面又は加工物係合表面１８が僅かでも粗いと、局所的な熱伝達速度がかなり異なることになる。望ましくは、隔離部３５は、加工物係合表面１８に平行な方向では寸法が小さい。隔離部３５は、ウェハー２０の裏面を汚れ難くする効果もある。
【００１９】
図６に示すように、チャンバ１０の、内外の圧力差が高い壁は、外方へ膨らむ傾向を有する。本発明の１つのさらなる実施形態に係る製造プロセスでは、使用中と同一の圧力差がチャンバ１０に加わる。この圧力と、ひいては壁の変形とが維持されている間に、加工物係合表面は、例えば平面５０に沿って加工物係合表面を平らに研削するなどにより、所望の形状構造に機械加工される。これによって、加工物係合表面１８は、使用時に所望の形状構造になる。内圧は、例えば所望の圧力に調整されている圧縮空気源などの任意の従来の圧力源により維持することができる。
【００２０】
これら及びその他の変形と、前述の特徴の組合せとは、本発明から逸脱することなしに利用でき、好ましい実施形態に関する前述の説明は、例示的であり、クレームにより定義される本発明を限定するものではない。
【００２１】
クレームは、本発明のある特定の特徴をさらに説明している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態に係る加工物ホルダの横断面図である。
【図２】本発明の１つの代替実施形態に係る加工物ホルダの立面図である。
【図３】本発明の別の１つの実施形態に係る加工物ホルダの立面図である。
【図４】本発明の１つのさらなる実施形態に係る加工物ホルダの立面図である。
【図５】本発明の別の１つの実施形態に係る加工物ホルダの断面図である。
【図６】本発明の１つのさらなる実施形態に係る製造プロセスの間のチャンバの断面図である。
【図７】本発明の１つのさらなる実施形態に係る熱放射フィンの断片の概念図である。
【符号の説明】
１０      チャンバ
１２      流体
１３      電気加熱器
１４      凝縮器
１５      冷却ジャケット
１６      構造的サポート
１７      温度センサ
１８      頂部壁（同時に加工物係合表面）
１９      底部壁
２１      質量流
２２      フィードバック制御回路
３４      真空ポート
３５      隔壁部
４０      真空源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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