TWI424541B

TWI424541B - 溫度變更系統

Info

Publication number: TWI424541B
Application number: TW100125191A
Authority: TW
Inventors: Leon Volfovski; Harald Herchen; Jay D Pinson
Original assignee: Sokudo Co Ltd
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2014-01-21
Also published as: TW201304087A

Description

溫度變更系統

本發明係關於一種高速溫度變更系統，其變更將半導體晶圓等基板加熱之烤板之溫度。

半導體處理技術用於各種半導體裝置或系統之製造。一種半導體處理技術，係將半導體晶圓等基板載置於平板上進行處理。如此之處理中包含化學處理、電漿誘導處理、蝕刻處理、蒸鍍處理等。一般該等諸多處理係依存於溫度者，且在處理中進行基板之加熱及冷卻。例如，於專利文獻1揭示有將基板載置於平板上進行加熱及冷卻之技術。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2008-141163號公報

為提高半導體處理之產能，期望縮短基板之加熱及/或冷卻之同時，亦以短時間進行平板等裝置之溫度變更。

本發明係鑑於上述問題而完成者，其目的在於提供一種可縮短烤板部之溫度變更所需之時間之溫度變更系統。

為解決上述問題，技術方案1之發明為一種溫度變更系統，其特徵在於具備：烤板部，其具備熱擴散部、連結於前述熱擴散部之加熱器基台、及連結於前述加熱器基台之加熱器層；被動冷卻機構，其係具備冷卻板及連結於前述冷卻板之熱墊，且配置於靠近前述烤板部；及主動冷卻機構，其配置於靠近前述被動冷卻機構；且前述被動冷卻機構可移動成與前述加熱器層物理性接觸，且可移動成與前述主動冷卻機構物理性接觸。

又，技術方案2之發明，其係技術方案1之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述烤板部進一步具備連結於前述熱擴散部之吸附墊。

又，技術方案3之發明，其係技術方案2之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述吸附墊係藉由真空吸附連結於前述熱擴散部。

又，技術方案4之發明，其係技術方案1之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述熱擴散部具備至少含有銅或鋁之厚度5 mm以上、10 mm以下之平板。

又，技術方案5之發明，其係技術方案1之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述加熱器基台具備含有氧化鋁之厚度2 mm以上、5 mm以下之平板。

又，技術方案6之發明，其係技術方案1之發明之溫度變更系統，其特徵在於進一步具備烤板真空吸附機構，且使用前述烤板真空吸附機構連結前述熱擴散部與前述加熱器基台。

又，技術方案7之發明，其係技術方案1之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述熱墊係藉由真空吸附連結於前述冷卻板。

又，技術方案8之發明，其係技術方案1之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述熱墊係使用結合材連結於前述冷卻板。

又，技術方案9之發明，其係技術方案1之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述被動冷卻機構配置於前述主動冷卻機構與前述烤板部之間。

又，技術方案10之發明，其係技術方案1之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述加熱器層具備複數個獨立受控制之區域。

又，技術方案11之發明，其係技術方案10之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述複數個獨立受控制之區域中之一個區域與其他之區域重疊。

又，技術方案12之發明，其係技術方案11之發明之溫度變更系統，其特徵在於前述複數個獨立受控制之區域中之前述一個區域之熱輸出大於前述其他區域。

根據本發明，可於短時間內，實現將基板加熱裝置(例如，烤板部)之溫度從第1設定溫度升溫或降溫至第2設定溫度之高速溫度變更(RTC：Rapid temperature change)。例如，進行±50°之溫度變更所需之時間可為小於1分鐘。

又，根據本發明，可提供一種高速溫度變更系統。本發明之高速溫度變更系統具備：烤板部，其具備熱擴散部、連結於前述熱擴散部之加熱器基台、及連結於前述加熱器基台之加熱器層；被動冷卻機構，其具備冷卻板及連結於前述冷卻板之熱墊，且配置於靠近前述烤板部；及主動冷卻機構，其配置於靠近前述被動冷卻機構；且前述被動冷卻機構可移動成與前述加熱器層物理性接觸，且可移動成與前述主動冷卻機構物理性接觸。

根據本發明，可獲得很多之優點。作為如此之優點，可使被動冷卻機構與加熱器層之間之熱接觸均一化，同時可減輕對加熱器層所造成之機械衝擊。又，可以使被動冷卻機構與主動冷卻機構以高速熱接觸，從而可減少冷卻水溫度之影響而降低熱之不均一性。進而，可減少電子布線等，使烤板部之組裝變得容易。

以下，一面參照圖式，一面更詳細地說明帶有很多優點及特徵之本發明之實施形態。

圖1係顯示基板之溫度變化之圖。如圖1所示，基板之中央部之冷卻速度較端緣部或中間部慢。只要為具備複數個區域之多區域烤板，則每個區域可以不同之冷卻速度進行冷卻。因為烤板之底部之平坦度或如何處理烤板之冷卻所使用之熱，不同之區域之溫度顯示有不同之降溫行為。因此，就某一區域，溫度控制器必須增加功率，以超越設定溫度而降溫至該設定溫度以下。又，就其他區域，溫度控制器必須使功率更低，以緩慢地降溫至設定溫度。根據本發明，可減輕如此複雜之溫度控制之負擔。以下，詳細地說明本發明之高速溫度變更(RTC：Rapid temperature change)系統。

圖2係顯示本發明之高速溫度變更系統之概略構成之圖。該高速溫度變更系統具備烤板部205及冷卻板部207，且可在短時間內高速溫度變更烤板部205之溫度。熱墊210為具有烤板部205與冷卻板部207之間之柔軟性之層，具有增加該等之間之熱傳導之均一性之功能。作為熱墊210，可使用例如3M製之製品型號「5506S」之熱傳導墊。熱墊210之厚度設為例如0.5 mm~2 mm即可。

烤板部205具備真空吸附於熱擴散部222之吸附墊220。亦可於吸附墊220之上面設置接近測針。從真空源225經由烤板用真空吸附機構232對熱擴散部222給予負壓。在圖2中，簡略地描繪有真空吸附機構，作為如此之機構可研究各種之組合。即，可單獨或組合使用1個或複數個真空系統。例如，可僅採用用以將熱墊210吸附於被動冷卻板240之冷卻板用真空吸附機構230。又，在其他例中，可與使熱墊210平坦之吸附機構及/或基板吸附機構組合來使用冷卻板用真空吸附機構230。再者，在其他例中，如本實施形態，可將該等之真空吸附機構與烤板用真空吸附機構232組合使用。關於該等，只要為當業者，均可理解各種之變化或變更。

熱擴散部222給予吸附墊220與加熱器層224之間高熱傳導性。加熱器層224具備7個區域加熱器與1個中間加熱器。關於如此之於複數個區域之各者均設置有加熱器之多區域烤板，可適用例如美國專利第7427728號說明書記載之技術。在本實施形態中，於獨立受控制之7個普通區域重疊中間區域而構成加熱器層224。於7個普通區域之各者個別設置區域加熱器。於中間區域設置中間加熱器。複數個普通區域及中間區域分別個別獨立受控制。又，中間區域熱輸出大於其他之普通區域。本實施形態中之加熱器層224之普通區域數典型為7個，但亦可不限定於此，亦可為例如6個。在某一例中，作為7個普通區域，包含1個中央區域、4個周邊區域及包圍該中央區域之2個中間區域。又，在其他例中，亦可將2個中間區域作為包圍中央區域之2個同心圓。

熱擴散部222為以具有高熱傳導率之適宜材料(例如，鋁(Al)、銅(Cu)等)所形成之平板，且至少包含鋁或銅任意一者。加熱器基台226為被夾於熱擴散部222與加熱器層224之間之平板。加熱器基台226機械性支撐烤板部205。因此，加熱器基台226較佳為含有具有高強度之材料(例如，氧化鋁(Al₂ O₃ )、碳化矽(SiC)等)。例如，鋁從熱傳導之觀點來看為良好之材料，但缺乏強度。另一方面，氧化鋁(Al₂ O₃ )雖具有高強度但熱傳導率低。在本實施形態中，利用該等兩者材料之長處，以鋁等形成熱擴散部222給予高熱傳導率之同時，以氧化鋁形成加熱器基台226賦予高強度。

加熱器基台226之厚度以較薄為佳，以便儘管為低熱傳導率，但仍可以較高速進行溫度變更。同時，加熱器基台226之強度必須為充分確保機械性剛度者。例如，使用KAPTON(註冊商標)等之聚醯亞胺薄膜，作為吸附墊220之材質。又，典型的是，使用遮罩技術及蝕刻技術於上面形成有接近測針之吸附墊220之初始厚度為100 μm。

典型的是，板狀之熱擴散部222之厚度設為5 mm以上10 mm以下(例如，6 mm)即可。又，典型的是，板狀之加熱器基台226之厚度設為2 mm以上5 mm以下即可。其結果，烤板部205整體之厚度為10 mm左右。

若對半導體處理之容許度變大，則會使到達新的設定溫度所需之時間變短。為將烤板加熱至設定溫度，限定從多區域烤板之複數個區域供給之輸出。為使區域間之變動縮小，精密地控制各區域為佳。在本實施形態中，為使烤板之溫度急速上升，對全部區域設置有可使溫度上升增加之中間區域。中間區域係與複數個普通區域重疊配置，全部與普通區域同時進行加熱。如此，藉由設置中間區域，可一面精密地控制各區域，一面急速加熱烤板之整體。

參照圖2，冷卻板部207之被動RTC板(被動冷卻板)240沿著垂直方向，可升降移動地連接於氣缸248。亦可使用除使被動冷卻板升降移動以外其他之機構。於被動冷卻板240之最上部設置有熱墊210，經由其可使構成烤板部205之底部之加熱器層224與被動冷卻板240接觸。如此被動冷卻板240之構成為可於上下移動，與烤板部205熱接觸。被動冷卻板240可使用鍍有鋁或鎳之銅合金製作，其厚度為大約10 mm。

關於如此之被動冷卻板240接觸於烤板部205所引起之熱移動，可使用例如美國專利第7274005號說明書記載之技術。即，經冷卻之被動冷卻板240藉由氣缸248上升，且構成烤板部205之底部之加熱器層224與熱墊210接觸，藉此，烤板部205之熱經由熱墊210傳導至被動冷卻板240，從而烤板部205之溫度急速降低。

在若干個階段設置有真空吸附機構，以提高系統之各要素間(包含基板201、烤板部205之要素及冷卻板部207之要素)之熱傳導，且增加熱接觸之表面平坦度。烤板用真空吸附機構232係用於對熱擴散部222與加熱器基台226之間連續給予負壓而設置。因為烤板用真空吸附機構232給予負壓，可藉由真空吸附連結熱擴散部222與加熱器基台226。又，可藉由真空吸附改善烤板部205之要素之平坦度，同時亦可提高烤板部205與被動冷卻板240之間之平坦度及/或熱傳導率。其結果，在不同之區域間之熱傳導之程度之差異較圖1所示之例小。

烤板部205具備基板吸附口234，該基板吸附口234用於將基板201真空吸附於吸附墊220。例如，基板吸附口234給予大約7 kPa之壓力。只要為在大約7 kPa左右之動作，則可保證吸附墊220之長壽命。又，例如用於將吸附墊220真空吸附於熱擴散部222之墊吸附口236，給予大約14 kPa之壓力。此外，亦可給予其他之負壓。藉由墊吸附口236將吸附墊220真空吸附於熱擴散部222，藉此，使吸附墊220連結於熱擴散部222。

冷卻板用真空吸附機構230，係用於提高熱墊210與被動冷卻板240之間之平坦度及/或熱傳導率而設置。因為冷卻板用真空吸附機構230給予負壓，熱墊210藉由真空吸附連結於被動冷卻板240。在圖2中，烤板用真空吸附機構232及冷卻板用真空吸附機構230兩者連通連接於真空源225，但亦可使用不同之真空源。又，於熱墊210形成吸附通道212，從而對熱墊210與加熱器層224之間給予良好之密封性。再者，亦可使用結合材將熱墊210連結於被動冷卻板240。

被動冷卻板240於上下移動亦與主動RTC板(主動冷卻板)242接觸。即，被動冷卻板240配置於主動冷卻板242與烤板部205之間，並藉由氣缸248而上升與烤板部205接觸，且下降與主動冷卻板242接觸。主動冷卻板242為具備冷卻水供給口244與冷卻水排放口246之水冷式冷卻板。再者，雖在圖2中省略圖示，但於被動冷卻板240及主動冷卻板242，形成有用於進行加熱器層224之閉環控制之RTD(測溫電阻體)感測器、及用於對加熱器層224之複數個區域通電之開口。

在系統之動作中，加熱基板201時，被動冷卻板240與主動冷卻板242熱接觸。在圖2之例中，被動冷卻板240降下與主動冷卻板242物理接觸。藉此，被動冷卻板240亦可冷卻至與藉由冷卻水強制性冷卻之主動冷卻板242相同之溫度。

為將烤板部205之設定溫度從高溫降低至低溫，被動冷卻板240藉由氣缸248上升，與烤板部205之下面扣合。上升之被動冷卻板240以夾住熱墊210之方式，與烤板部205之下面之加熱器層224接觸。藉此，從烤板部205之加熱器層224經由熱墊210產生對被動冷卻板240之熱傳導，將烤板部205急速冷卻。如上所述，加熱器層224及被動冷卻板240之平坦度之變動係藉由熱墊210而獲得補償。加熱器層224之電極及外罩，為利用熱墊210所補償之對象即平坦度之變動的要因。熱墊210隨著加熱器層224之形狀而變形，藉此，烤板部205與被動冷卻板240之密接性提高，烤板部205之冷卻所需之時間縮短。熱墊210之壓縮性典型的是因材料之特性而受到限制。為增加材料之柔軟性，只要降低構成熱墊210之微粒子(例如，石墨)之密度即可，但如此一來亦會降低熱傳導率。如此，高柔軟性與高熱傳導率之間會產生平衡之問題。

在本實施形態中，於烤板部205加熱基板201時，使被動冷卻板240降下，與主動冷卻板242物理性接觸，藉此藉由主動冷卻板242將被動冷卻板240強制冷卻。且，將烤板部205之設定溫度從高溫變更至低溫時，使已冷卻之被動冷卻板240上升，與烤板部205之加熱器層224物理性接觸，藉此，使烤板部205之熱向被動冷卻板240移動，縮短烤板部205之溫度變更所需之時間。

本發明之實施形態在使用真空吸附，以使熱墊210之形狀隨著烤板部205之形狀變形方面與先前技術不同。如在本說明書之整體所述，係使用真空吸附機構，以使吸附墊220之形狀接觸烤板部205而變形。真空吸附亦用於使連結於被動冷卻板240之熱墊210之表面輪廓變形。典型的是，真空吸附係用於改變從真空吸附夾具分離之對象物(例如，基板)之形狀。此處，代替改變從夾具分離之某種形狀而對夾具作用以負壓，而是對被動冷卻板240作用以負壓，以使熱墊210之形狀變形。於被動冷卻板240形成有吸附孔，吸附通道212形成於適合該吸附孔之位置。

於熱墊210形成吸附通道212時，有為維持吸附通道212內之減壓而使熱墊210充分厚，與為維持良好之熱傳導而使熱墊210充分薄之2者對立之設計上之制約。本發明者等調查明白可藉由改善接觸區域，將冷卻導致之溫度不均一性從12℃降低至小於2℃之同時，亦可將冷卻時間減少45%。例如，一般而言從140℃降溫至90℃所需之時間為大約150秒(冷卻100秒+穩定化50秒)。根據本發明之技術，則可將降溫50℃所需之時間從93秒減至僅需50秒(即，提高45%)。除此之外，期待穩定化所需之時間亦可降低70%左右。

總而言之，圖2所示之烤板部205適用若干個真空吸附機構。即，使用真空吸附，以使吸附墊220真空吸附於熱擴散部222，且使基板201筆直，進而將加熱器基台226亦真空吸附於熱擴散部222。夾具之吸附係藉由設置於夾具之端部，且連接形成於夾具之上面之通道之吸附口(與基板吸附口234連通連接)而實現。在本實施形態中，設置有6個吸附口，以真空吸附基板201。熱擴散部222其上面及下面兩者具備吸附通道。上面之吸附通道為用於吸附吸附墊220者，而下面之吸附通道為用於吸附加熱器基台226者。若使用真空吸附，以使吸附墊220、熱擴散部222及加熱器基台226熱接觸，則相較於先前技術，能夠享有可提高平坦度之同時，亦可削減成本之利益。又，相較於將該等之要素相互螺固之先前之技術，真空吸附可降低機械緊固引起之彎曲。

圖3係本實施形態之熱擴散部222及加熱器基台226之自上方之立體圖。圖4係熱擴散部222及加熱器基台226之自下方之立體圖。如圖3及圖4所示，吸附通道310、312分別形成於熱擴散部222之上面及下面。

圖5係顯示本實施形態之多區域烤板之每個區域之RTD溫度變化之圖。如圖5所示，將烤板之溫度從第1設定溫度降溫至第2設定溫度所需之時間，從93秒縮短至50秒。除此之外，區域間之均一性亦顯著改善。如圖5所示，加熱器區域間之溫度差小於2℃，且冷卻時間提高45%。

圖6係顯示被動冷卻板240之圖。圖7係顯示加熱器罩510之圖。再者，加熱器罩510並非為必須之要素。於被動冷卻板240設置有用於通過提升銷或電子布線之通過孔。加熱器罩510為不鏽鋼製，且其內面經過研磨。

圖8係顯示形成於熱墊210之吸附通道212之圖。圖9係顯示本實施形態之真空吸附機構之連結構造之圖。

本發明並不限定於上述之例或實施形態，只要不脫離其主旨之範圍內，可進行各種之變更。

201．．．基板

205．．．烤板部

207．．．冷卻板部

210．．．熱墊

212．．．吸附通道

220．．．吸附墊

222．．．熱擴散部

224．．．加熱器層

225．．．真空源

226．．．加熱器基台

230．．．冷卻板用真空吸附機構

232．．．烤板用真空吸附機構

234．．．基板吸附口

236．．．墊吸附口

240．．．被動冷卻板

242．．．主動冷卻板

244．．．冷卻水供給

246．．．冷卻水排放

248．．．氣缸

310．．．吸附通道

312．．．吸附通道

510．．．加熱器罩

圖1係顯示基板之溫度變化之圖。

圖2係顯示本發明之高速溫度變更系統之概略構成之圖。

圖3係本實施形態之熱擴散部及加熱器基台之自上方之立體圖。

圖4係熱擴散部及加熱器基台之自下方之立體圖。

圖5係顯示本實施形態之多區域烤板之每個區域之RTD溫度變化的圖。

圖6係顯示被動冷卻板之圖。

圖7係顯示加熱器罩之圖。

圖8係顯示形成於熱墊之吸附通道之圖。

圖9係顯示本實施形態之真空吸附機構之連結構造之圖。