DE60126589T2

DE60126589T2 - Thermisches kontrollsystem für substrate

Info

Publication number: DE60126589T2
Application number: DE60126589T
Authority: DE
Inventors: Dikran Millbrae BABIKIAN
Original assignee: ASML US Inc
Current assignee: ASML Holding NV
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: DE60126589D1; WO2001067505A2; KR100752408B1; EP1261984B1; JP2008252102A; WO2001067505A3; ATE354174T1; US6472643B1; JP2003526921A; EP1770759A2; KR20030009383A; EP1261984A2; EP1770759A3

Description

Hintergrund
Diese Erfindung betrifft im allgemeinen auf das Gebiet der Waferverarbeitung und insbesondere die schnelle, gleichmäßige Erwärmung und Abkühlung von Halbleiterwafern während der Herstellung integrierter Schaltkreise.
Stand der Technik
Die Temperaturgleichmäßigkeit über eine Waferoberfläche ist ein wichtiger Faktor bei vielen Herstellungsschritten integrierter Schaltkreise, da Ratenprozesse, die bei der Herstellung zum Einsatz kommen, allgemein temperaturabhängig sind. Bei bestimmten Prozessen kann eine fehlende thermische Gleichmäßigkeit die kritische Dimension eines Halbleiterelements negativ beeinflussen, indem es relativ zu einer Designvorgabe vergrößert wird. Da der Trend zu kleineren kritischen Größen integrierter Schaltkreise anhält, wird das Erfordernis einer Temperaturgleichmäßigkeit für Temperatursteuerungsvorrichtungen für Wafer zunehmend strenger.
Aktuelle Temperaturgleichmäßigkeitserfordernisse von 0,1°C über einem Wafer von mehreren hundert Millimetern Durchmesser repräsentieren beispielsweise im Vergleich zu früheren Standards einen Anstieg von 50% bei der Temperaturgleichmäßigkeit. Einheiten für das Erhitzen und Abkühlen der Wafer müssen im Stande sein, solche Bewertungskriterien bei Prozessen über einen weiten Bereich von Betriebstemperaturen zu erreichen, typischerweise von etwa 20°C bis mehreren hundert Grad Celsius, und in einer Art und Weise, die von Wafer zu Wafer konsistent ist. Eine schnelle Temperatursteuerung über den Bereich der Betriebstemperaturen ist für die Ökonomie des Prozesses ebenfalls wünschenswert.
Bei der Waferverarbeitung werden strenge Erfordernisse für eine effiziente, schnelle, steuerbare und einheitliche Temperatursteuerung über einen weiten Temperaturbereich nicht vollständig in einer integrierten Vorrichtung erfüllt. In Beispielen des Standes der Technik führen getrennte Vorrichtungen die Funktionen des Erhitzens und Kühlens aus, aber als bloße Kombinationen von separaten, entgegengesetzt zueinander angeordneten Einheiten für das Erhitzen und Kühlen. In diesen Vorrichtungen ist ein Wafer zwischen den Heiz- und Kühlelementen angeordnet und wird zwischen diesen Elementen bewegt.
Ein Beispiel für solch eine Vorrichtung ist in 1 dargestellt. In 1 werden ein Halbleiterwafer 110, eine Heizfläche 120 und eine Kühlfläche 130 gezeigt. Eine heiße Wärmequelle und eine kalte Wärmesenke interagieren mit dem Wafer und sind nicht integriert. Vielmehr sind sie physikalisch voneinander getrennt oder anderweitig voneinander thermisch isoliert. Zum Erhitzen oder Kühlen des Halbleiterwafers wird der Wafer entsprechend der Sollfunktion mechanisch in einem Raum zwischen der Heiz- und der Kühlfläche bewegt. Dies ist für den Fertigungsfluß und den Einsatz der Grundfläche des Reinraums ineffizient, verglichen mit einer integrerten Temperatursteuerungsvorrichtung, die sowohl Heiz- als auch Kühlfunktionen ausübt.
Die WO 99/45745 beschreibt ein System für das periodische Durchlaufen eines Werkstücks durch ein Temperatur-/Zeitprofil, das ein thermisch leitfähiges Heizelement mit einer geringen thermischen Masse benutzt, um ein Werkstück während des Einbrennens und Abkühlens abzustützen. Während das Werkstück auf einer Seite abgestützt wird, kann die andere Seite in thermischen Kontakt mit einer thermisch recht massiven Abkühlplatte gebracht werden oder davon entfernt werden, um zwischen einem Erhitzen und einem Abkühlen zu wechseln.
Die WO 98105060 beschreibt ein thermisches Durchlaufmodul mit einer Anordnung von thermoelektrischen Vorrichtungen, die in mehrere Zonen eingeteilt sind und die unabhängig voneinander geregelt werden, um sowohl ein Erwärmen als auch ein Abkühlen zu ermöglichen, wobei ein Fluid von einer Fluidversorgung die Masse über einen Fluidwärmetauscher erwärmt oder abkühlt. Sensoren liefen einer Steuerung bezüglich der Temperatur eine Rückmeldung und diese erzeugt Steuersignale für die verschiedenen Komponenten.
Aufgrund der Einschränkungen des Standes der Technik besteht daher ein Bedarf für Verfahren der effizienten, schnellen, steuerbaren und einheitlichen Temperatursteuerung über einen weiten Temperaturbereich. Weiterhin besteht ein Bedarf für eine Vorrichtung, welche die gewünschte hohe Leistung sowohl im stationären Zustand als auch bei Übergangszuständen liefert, und die sehr gut für den einfachen Einsatz innerhalb einer Herstellungsumgebung geeignet ist.
Darstellung der Erfindung
Diese Erfindung ist eine Temperatursteuerungsvorrichtung zum effizienten, schnellen, steuerbaren und einheitlichen Steuern einer Substrattemperatur über einen weiten Temperaturbereich.
Eine Aufgabe der Temperatursteuerungsvorrichtung besteht darin, eine Wärmequelle, eine Wärmesenke und einem thermischen Diffusor zu integrieren. Gemäß der Erfindung wird ein thermischer Diffusor relativ zur Waferoberfläche stationär positioniert und an eine Wärmequelle und eine Wärmesenke, die ebenfalls relativ zur Waferoberfläche stationär sind, angeschlossen. Die Wärmesenke umfaßt ein Wärme transportierendes Medium mit einer steuerbaren Temperatur.
Eine weitere Aufgabe der Temperatursteuerungsvorrichtung besteht darin, eine nicht gleichmäßige Temperatur der Waferoberfläche durch eine unterschiedliche Steuerung von Zonen in einer Wärmequelle zu minimieren. Gemäß der Erfindung wird ein thermischer Diffusor relativ zur Waferoberfläche stationär angeordnet und an eine Wärmequelle sowie eine Wärmesenke angeschlossen, die ebenfalls relativ zur Waferoberfläche stationär sind. Die Wärmequelle besitzt eine Mehrzahl von Zonen, die ausgebildet sind, verschiedene Wärmemengen und ein steuerbares Temperaturfeld über einer Oberfläche nahe dem thermischen Diffusor bereitzustellen. Die Wärmesenke umfaßt ein Wärme transportierendes Medium mit einer steuerbaren Temperatur.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Temperatursteuerungsvorrichtung für einen Wafer und weist auf: einen thermischen Diffusor in einer im wesentlichen festen, parallelen Anordnung relativ zu einer Waferoberfläche, wobei der thermische Diffusor eine thermische Diffusormasse M_d und ein Temperaturfeld T_d über einer Heizfläche hat, die die Waferoberfläche erwärmt, eine Wärmequelle in einer im wesentlichen festen, parallelen Anordnung relativ zu der Waferoberfläche, die eine thermische Quellenmasse M_s und ein steuerbares Temperaturfeld über einer Oberfläche nahe dem thermischen Diffusor T_s hat, die von T_d verschieden ist, eine Wärmesenke in einer im wesentlichen festen, parallelen Anordnung relativ zu der Waferoberfläche, die ein Wärme leitendes Medium mit einer steuerbaren Temperatur T_sk aufweist und die eine thermische Senkenmasse M_sk aufweist, wobei die Wärmesenke durch Wärmeübertragung über feste Materialien oder über flüssige und feste Materialien mit der Wärmequelle, dem thermischen Diffusor und der Waferoberfläche thermisch verbunden ist, wobei die Wärmequelle zwischen dem thermischen Diffusor und der Wärmesenke angeordnet ist, wobei die Wärmequelle eine Mehrzahl von Zonen aufweist, wobei die Zonen derart ausgebildet sind, daß sie verschiedene Wärmemengen bereitstellen, wobei M_d/M_sk < 0,1, wobei M_s/M_d nicht mehr als 0.1 beträgt und wenigstens eine steuerbare Stromversorgung mit der Wärmequelle verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Zeichnung, die beispielhaft eine Vorrichtung des Standes der Technik zeigt.
2 ist eine vergrößerte Darstellung, die eine Ausführungsform der Anordnung der Erfindung zeigt.
3 ist eine Skizze, die eine Ausführungsform einer Wärmequelle zeigt, die mit der in 2 gezeigten Vorrichtung benutzt wird.
4 ist ein Graph des Temperaturverlaufs für eine Ausführungsform der Erfindung.
5 ist ein Graph, der das Glätten von Temperaturgradienten durch den thermischen Diffusor zeigt.
6 ist ein Graph, der das Glätten von Temperaturgradienten durch den thermischen Diffusors während eines Zeitintervalls zeigt, das im Übergangsbereich liegt.
7A–7F sind Skizzen, die Aspekte der Erfindung zeigen, und die geeignet sind, ein gleichmäßiges Temperaturfeld im Wärmereservoir durch Einsatz einer Wärmeübertragung durch Konvektion bereitzustellen.
Ausführliche Beschreibung
Im Gegensatz zu anderen Lehren integriert diese Erfindung eine Wärmequelle und eine Wärmesenke in einer Temperatursteuerungsvorrichtung für ein Substrat. Die Integration von Wärme- und Kühleinheiten, die mit einem Substrat interagieren, hat Vorteile gegenüber einer bloßen Kombination einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, wobei sie eine effiziente, schnelle, steuerbare und einheitliche Temperatursteuerung über einen weiten Temperaturbereich. Diese erwünscht hohe Leistung wird sowohl im stationären Zustand als auch bei Übergangszuständen erreicht, und die Vorrichtung ist für den einfachen Gebrauch in einer Herstellungsumgebung geeignet.
2 ist eine Explosionsdarstellung, die eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Anordnung kann ein Teil einer Vorrichtung sein und weiterhin eine Mehrzahl von Vorrichtungen umfassen, wie sie in 2 gezeigt sind, mit einer Einfassung für einen Unter- oder Überdruck. Typische Ausführungsformen sind jedoch ausgelegt, um unter Normalbedingungen betrieben zu werden.
In 2 sind ein Wafer 200, eine Waferoberfläche 210, ein Wärmereservoir 220, ein thermischer Diffusor 230, eine Heizfläche 235, eine Wärmequelle 240, eine Wärmesenke 245, eine Spannungsversorgung 250, eine Steuerung 260 sowie optionale Wärmeisolatoren 270 und 275 gezeigt. Eine bevorzugte Ausführungsform besitzt einen thermischen Diffusor aus einem Material mit einer isotropen thermischen Leitfähigkeit wie z.B. Cu oder Al und einen Wärmeisolator 270, der im wesentlichen aus Kapton^TM besteht. Alternative Ausführungsformen besitzen einen thermischen Diffusor aus einem Material mit einer nichtisotropen thermischen Leitfähigkeit. Typischerweise beträgt die Dicke des thermischen Diffusors senkrecht zur Waferoberfläche weniger als etwa 2,54 mm (0.100 inch).
In 2 wird der Wafer über dem Spalt zwischen der Waferoberfläche 210 und der Heizfläche 235 geheizt. Der Spalt ist typischerweise einige wenige hundert Mikrometer breit und mit einem Gas wie z.B. Raumluft, Stickstoff, Helium oder anderen Gasen mit gewünschten physikalischen Eigenschaften gefüllt. Alternative Ausführungsformen haben andere Breiten des Spalts und haben Gase, die im Vergleich zu Luft eine größere thermische Leitfähigkeit haben. Das Wärmereservoir 220, der thermische Diffusor 230, die Wärmequelle 240 und die Wärmesenke 245 haben zugeordnete thermische Massen M_r, M_d, M_s und M_sk. Die Heizfläche und eine Fläche der Wärmequelle nahe dem thermischen Diffusor haben zugeordnete Temperaturfelder T_d und T_s. Die Wärmequelle, das Wärmereservoir und der thermische Diffusor sind integriert und in nicht trennbarer Weise durch Wärmeleitung miteinander verbunden. Typischerweise besteht die Wärmesenke 245 aus einer gewissen Menge an fließendem Fluidmaterial mit einer steuerbaren Temperatur, die eine konstante Temperatur sein kann. Daher sind die Wärmesenke und das Wärmereservoir typischerweise nicht trennbar durch Wärmeleitung und Konvektionswärmetransfer verbunden. Andere Ausführungsformen der Wärme senke sind nicht auf ein fließendes Fluid beschränkt und haben beispielsweise ein stationäres Fluid oder einen Festkörper.
In 2 bestimmt eine Wärmesenke 245 die untere Temperaturgrenze der Temperatursteuerungsvorrichtung. Die thermische Masse M_sk der Wärmesenke kann wesentlich größer sein als die thermischen Massen der anderen Bestandteile. In verschiedenen Ausführungsformen ist M_sk wenigstens 10, oder wenigstens 10², oder wenigstens 10³, oder wenigstens 10⁴ Mal größer als M_d. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmesenke eine solche mit konstanter Temperatur, die durch eine gekühlte Wasserversorgung in einer Fabrik bereitgestellt wird. Dank der kontinuierlichen Koppelung der relativ großen thermischen Masse der Wärmesenke an das Wärmereservoir 220 kann das Wärmereservoir ein solches mit einer im wesentlichen konstanten und gleichmäßigen Temperatur sein. Weitere Ausführungsformen des Wärmereservoirs können Elemente einschließen, die die Temperaturgleichmäßigkeit weiter verbessern.
3 ist eine Skizze, die eine weitere Ausführungsform einer Wärmequelle 240 zeigt. In 3 sind ein Heizelement 310, eine Heizzone 320, ein Temperatursensor 325, Abdeckmaterial 330, eine Wärmequellenoberfläche 340, eine Spannungsversorgung 350 und eine Steuerung 360 gezeigt. Wie in 2 dargestellt, ist die Wärmequelle 240 mit dem Wärmereservoir 220 und dem thermischen Diffusor 230 verbunden. Weitere Ausführungsformen der Wärmequelle können eine kontinuierliche thermische Kopplung an das Wärmereservoir und die Wärmesenke während des Betriebs erfordern, um eine Überhitzung der Wärmequelle zu vermeiden. Das Abdeckmaterial ist typischerweise ein elektrischer Isolator. Bestimmte Ausführungsformen weisen ein Abdeckmaterial mit einem Wärmewiderstand, wie z.B. Kapton^TM, auf. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die thermische Kopplung der Quelle mit dem Wärmereservoir nicht getrennt werden.
Typischerweise ist die Wärmequelle 240 ein elektrischer Widerstandsheizer mit einer relativ kleinen thermischen Masse M_s im Vergleich zur thermischen Masse der anderen Komponenten, die in 2 gezeigt sind. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Verhältnis (M_s/M_d) kleiner als etwa 10^–1, oder kleiner als etwa 10^–2, oder kleiner als etwa 10^–3, oder weniger als etwa 10⁴. Bestimmte Ausführungsformen der Wärmequelle sind Heizer mit sub-millimetergroßen metallischen, elektrischen Widerstandsheizelementen 310, die in mindestens einer Heizzone enthalten ist, um ein Oberflächentemperaturfeld T_s auf der Oberfläche 340 der Wärmequelle zu erzeugen. Ein Beispiel für einen solchen Widerstandsheizer ist ein Thermofoil^TM-Heizer vom Minco Products Inc., Minneapolis, MN. Typischerweise hat die Wärmequelle rechnerisch weniger als 155.000 W/m² (100 W inch²) und kann ein Polymermaterial als Abdeckung besitzen. Die Dicke der Wärmequelle in einer Richtung senkrecht zum Wafer 200 (vergleiche 2) beträgt im allgemeinen weniger als 1,27 mm (0,05 Inch). Die thermische Masse der Wärmequelle ist typischerweise geringer als etwa ein Zehntel der thermischen Masse des thermischen Diffusors.
Die besondere Form und Verteilung der Heizelemente 310 innerhalb der Heizzonen 320 sowie die Anzahl und Anordnung der unabhängig voneinander steuerbaren Heizzonen ermöglichen es der Steuerung 360, das Oberflächentemperaturfeld T_s auf einer Oberfläche der Wärmequelle 240 anzupassen. Weiterhin ermöglicht die Steuerung der Energiemengen, die an die elektrischen Widerstandsheizelemente in der Wärmequelle abgegeben werden, die Bereitstellung eines steuerbaren Energieflusses, der entlang einer Grenzfläche stufenlos veränderbar sein kann, die sich zwischen dem Abdeckmaterial 330 und einem anderen Element, mit dem die Wärmequelle verbunden ist, befindet (siehe 2). Eine Regelung von T_s wird durch den Einsatz von mindestens einem Temperatursensor 325 realisiert, der in der Wärmequelle eingebettet ist. Weitere Ausführungsformen können eine gleiche Anzahl von Sensoren und Zonen aufweisen. Eine typische Ausführungsform kann T_s dahingehend regeln, daß sie mit weniger als 1°C Abweichung konstant ist. Alternative Ausführungsformen haben eine regelbare und nicht gleichmäßige Temperatur T_s. Allgemein gibt es einen Temperaturunterschied von etwa 200–300°C zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke, wobei dieser Zahlenwert nicht beschränkend sein soll.
Wie in 2 dargestellt, ist die Wärmequelle 240 mit dem thermischen Diffusor 230 verbunden, der dem Wafer 200 gegenübersteht. In einer bevorzugten Ausführungsform stehen die Wärmequelle und der Diffusor in direktem Kontakt zueinander. Der thermische Diffusor arbeitet passiv, mindert die Größe des Gradienten von T_s zu mindern, wenn Wärme durch den Diffusor geleitet wird, um die Wärmeoberfläche 235 mit einem im wesentlichen gleichmäßigen Temperaturfeld zu versehen. Gradienten in T_s resultieren aus den inhärenten Abmessungen der Struktur der Wärmequelle 240 und können zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des Wafers führen. Das im wesentlichen gleichmäßige Temperaturfeld T_d über der Heizfläche wirkt dann über den sehr schmalen Spalt von typischerweise einigen wenigen hundert Mikrometern auf die Waferoberfläche 210.
Die 4 ist ein Graph, der Temperaturverlaufskurven für eine Ausführungsform der Erfindung zeigt. Sowohl eine Wafertemperatur 410 als auch eine Temperatur der Heizfläche 235 (siehe 2) sind gezeigt. Die Ausführungsform umfaßt eine Wärmesenke bei einer konstanten Temperatur von 8°C, eine Wärmequelle, die einen Energiefluß von 69,750 W/m² (45 W/inch²) bereitstellt, und einen thermischen Diffusor aus Aluminium mit einer Dicke von 1,524 mm (0,060 inch). Zwischen dem thermischen Diffusor und dem Wafer ist ein Luftspalt von 0,1524 mm (0,0006 inch). Im allgemeinen decken bevorzugte Ausführungsformen einen vorgegebenen Temperaturbereich für das Erwärmen oder Abkühlen des Wafers in einem Zeitintervall von nicht mehr als ungefähr 60 Sekunden ab. Typischerweise sind thermische Geschwindigkeiten größer als 0,5°C/s. In 4 wird der Wafer in weniger als 60 s von Raumtemperatur auf 150°C erwärmt und in ungefähr 60 s von 150°C auf Raumtemperatur abgekühlt. In typischen Ausführungsformen ist über demselben Temperaturbereich die Abkühlzeit innerhalb von etwa 25% gleich der Aufwärmzeit.
5 ist ein Graph, der das Glätten des Temperaturgradientens durch einen thermischen Diffusor 230 (siehe 2) für eine Ausführungsform der Erfindung zeigt. 5 enthält eine Familie von Temperaturprofilen. Die Temperaturprofile sind entlang eines Radius eines kreisförmigen thermischen Diffusors für verschiedene Tiefen innerhalb des Materials des thermischen Diffusors aufgenommen. Profile nahe an und entfernt von der Wärmequelle 240 sind mit 510 und 520 bezeichnet. In dieser Ausführungsform umfaßte die Wärmequelle elektrische Widerstandstreifen mit einer Breite von 1,016 mm (0,040 Inch), mit einem Abstand zueinander von 0,762 mm–1,524 mm (0,030 Inch–0,060 Inch). Der thermische Diffusor war 1,016 mm (0,040 Inch) dickes Aluminium. Ein Luftspalt von 0,1524 mm (0,006 Inch) befand sich zwischen dem thermischen Diffusor und dem Wafer. Wie in 5 gezeigt, ist das Temperaturprofil an der Heizfläche 235 innerhalb von etwa 0,15°C gleichmäßig.
6 ist ein Graph, der das Glätten der Temperaturgradienten durch einen thermischen Diffusor 230 (siehe 2) für eine Ausführungsform der Erfindung in einem Zeitintervall des Übergangsbetriebs zeigt. 6 enthält eine Familie von Temperaturprofilen. Die Temperaturprofile sind entlang einem Radius eines kreisförmigen thermischen Diffusors für verschiedene Tiefen innerhalb des thermischen Diffusormaterials über ein Zeitintervall von 25 ms aufgenommen. Profile nahe an und entfernt von der Wärmequelle 240 sind mit 610 und 620 bezeichnet. Daher ist das Profil, das weit weg von der in 6 gezeigten Wärmequelle ist, das Temperaturprofil auf der Heizfläche 235 (siehe 2). In der Ausführungsform der 6 wies die Wärmequelle elektrische Widerstandstreifen mit einer Breite von 0,508 mm (0,020 Inch), mit einem Abstand zueinander von 0,508 mm (0,020 Inch) auf. Der thermische Diffusor war 1,016 mm (0,040 Inch) dickes Aluminium. Ein Luftspalt von 0,1524 mm (0,006 Inch) befand sich zwischen dem thermischen Diffusor und dem Wafer. Wie in 6 gezeigt, ist das Temperaturprofil 620 an der Heizfläche 235 in hohem Maße über das Zeitintervall des Übergangs konstant.
Die 7A–7D sind Skizzen, die gewisse Aspekte der Erfindung zeigen, die geeignet sind, ein gleichmäßiges Temperaturfeld an der Grenzfläche zwischen einem Wärmereservoir und einer Wärmequelle (siehe 2) durch Einsatz eines Wärmetransfers durch Konvektion bereitzustellen. Typischerweise ist die Wärmesenke ein fließendes, einphasiges Fluid, z.B. Wasser. Alternative Ausführungsformen können eine stationäre Wärmesenke aus einem Festkörper oder eine gasförmige Wärmesenke aufweisen. Typischerweise sind die Temperaturen der Wärmesenke größer als etwa – 40°C. 7A zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung aus einem Gebiet des Standes der Technik. In 7A sind das Wärmereservoir 700, der Fluideinlaß 701 und der Fluidauslaß 702 gezeigt. Das Fluid kommt durch den Einlaß 701 hinein und verläßt es beim Auslaß 702, wobei verschiedene Fluidelemente unterschiedliche Verweilzeiten innerhalb des Wärmereservoirs haben. Die unterschiedlichen Verweilzeiten können wegen der begrenzten Wärmeleitfähigkeit des Fluids im Wärmereservoir zu kleinen Temperaturgradienten des Fluids führen. Temperaturgradien ten im Fluid können zu unerwünschten Temperaturgradienten auf den Oberflächen des Wärmereservoirs führen.
Gemäß dieser Erfindung gleicht die innere Struktur des Wärmereservoirs die Verweilzeiten der Fluidelemente in seinem Inneren aus. Weiterhin ist die Struktur des Wärmereservoirs so ausgelegt, daß ein inneres Fließfeld des Fluids beschleunigt wird oder ein nicht gleichmäßiger Fluß eingestellt wird. Dies erzeugt eine im wesentlichen gleichmäßige Fluidtemperatur innerhalb des Wärmereservoirs und ein hierzu korrespondierendes, im wesentlichen gleichmäßiges Temperaturfeld auf der Oberfläche eines Wärmereservoirs, die dem Rest der Temperatursteuerungsvorrichtung entgegengerichtet ist (siehe 2).
Ein Fluid mit einer gleichmäßigen Temperatur wird durch eine Änderung einer Massenflußrate des Fluids und der Fluidgeschwindigkeit durch das Wärmereservoir erzielt. Die innere Struktur des Wärmereservoirs ändert die Fluidgeschwindigkeit in einer Art und Weise, die einen gleichmäßigen Nettowärmefluß in das Fluidelement gewährleistet, was zu einer gleichmäßigen Fluidtemperatur führt. Hierbei besteht der Nettowärmefluß in Beiträgen durch Wärmeleitung und Konvektion. Mit einem Fluid, das innerhalb des Wärmereservoirs eine gleichmäßige Temperatur aufweist, kommt es zu einem im wesentlichen gleichmäßigen Temperaturfeld auf einer Oberfläche des Wärmereservoirs, die dem Rest der Temperatursteuerungsvorrichtung gegenüberliegt.
7B ist eine Darstellung, die eine Draufsicht auf eine Ausführungsform zeigt. Das Wärmereservoir 220, Öffnungen 715, der Einlaß 701, der Auslaß 702 sowie ein Verteilerkanal 707 werden gezeigt. Das Fluid gelangt durch den Einlaß in den Verteilerkanal. Das Fluid strömt vom Verteilerkanal zum Auslaß und wird dabei vom Druckgradienten zwischen Verteilerkanal und Auslaß angetrieben. Die Symmetrie des Flusses sorgt dafür, daß jedes Fluidelement dieselbe Zeit im Strömungsfeld verweilt.
7C ist eine Darstellung, die einen Schnitt durch die Ausführungsform der 7B zeigt. 7C veranschaulicht Teile der Struktur des Wärmereservoirs, die eine Beschleunigung des internen Fluidflusses ermöglichen, um eine im wesentlichen gleichmäßige Fluidtemperatur innerhalb des Wärmereservoirs zu ermöglichen. In 7C sind der Einlaß 701, der Auslaß 702, der Verteilerkanal 710, die Öffnung 715, beispielhafte Stromlinien 750 und 760, eine Querschnittsfläche 765, die Grenzfläche 790 und ein optionaler zweiter thermischer Diffusor 780 zu sehen. In 7C gelangt das Fluid durch den Einlaß in den Verteilerkanal, wo es verweilt, bis es diesen durch eine Öffnung verläßt, um entlang beispielhafter Stromlinien zum Auslaß zu strömen.
Wenn ein Fluid, das innerhalb des Wärmereservoirs 220 als Wärmesenke 245 wirkt, in Ruhe ist, wird die Temperatur des Fluids wegen des Wärmeflusses über die Grenzfläche 790 tendenziell ansteigen, da der Temperaturgradient, der die Wärmeleitung bedingt, kleiner wird. Entsprechend wird, wenn sich ein Fluidelement wie in 7A durch das Wärmereservoir bewegt, jeder Temperaturanstieg des Fluidelements während seiner Verweilzeiten im Wärmereservoir tendenziell dazu führen, daß der Wärmefluß in Form von Wärmeleitung von der Umgebung zu ihm abnimmt. Daher kommt es bei einem gleichmäßigen Wärmeeintrag in das Wärmereservoir zu einem ungleichmäßigen Wärmefluß in Form von Wärmeleitung zum Fluid.
Die Größe des Konvektionswärmetransfers hängt sowohl von der Fließgeschwindigkeit als auch vom Temperaturgradienten ab. Wenn die Geschwindigkeit eines Fluidflusses in das Wärmereservoir gleichmäßig ist, skaliert der Wärmeverlust durch Konvektion auf vergleichbare Weise mit dem Wärmeverlust durch Leitfähigkeit. Wenn jedoch die Fließgeschwindigkeit innerhalb des Wärmereservoirs variiert wird, kann der Wärmeverlust durch Konvektion ungleichmäßig sein. In Kombination können daher ein ungleichmäßiger Wärmeverlust durch Leitfähigkeit und ein ungleichmäßiger Wärmeverlust durch Konvektion zu einem Fluid mit einer einheitlichen Temperatur führen.
Gemäß dieser Erfindung verursacht eine Variation der Querschnittsfläche 765 eine Veränderung in der Fluidgeschwindigkeit innerhalb des Wärmereservoirs. Eine Veränderung der Querschnittsfläche des Fließkanals führt damit offensichtlich zu einer Beschleunigung oder Verzögerung des Fluidflusses. Da die Fluidgeschwindigkeit innerhalb des Wärmereservoirs nicht gleichmäßig ist, führt der Nettowärmefluß zum Fluid zu einer gleichmäßigen Fluidtemperatur. Wenn das Fluid innerhalb des Wärmereservoirs eine gleichmäßige Temperatur hat, kann das Temperaturfeld an einer Grenzfläche 790 auch im wesentlichen gleichmäßig sein. Ein optionaler zweiter thermischer Diffusor 780 mit Eigenschaften, die ähnlich zu denen des thermischen Diffusors 230 sind (siehe 2), kann auch in kurzer Entfernung hierzu mit dem Wärmereservoir verbundenen sein und eine weitere Reduzierung jeder verbleibenden Ungleichmäßigkeit in der Temperatur bewirken.
7D–7F sind Zeichnungen von Komponenten einer Baugruppe eines Wärmereservoirs gemäß einer Ausführungsform. In dieser Ausführungsform besitzt der Ring 770 eine Mehrzahl von Öffnungen 715, die im Hauptteil 792 eingebracht sind, wobei dieses mindestens einen Einlaß 701 und einen Auslaß 702 aufweist. Die Abdeckung 791 ist mit dem Hauptteil verschraubt, was die Baugruppe versiegelt und den Verteilerkanal 710 bildet. In dieser Ausführungsform bestimmt die Form der Hauptteiloberfläche 793 im wesentlichen die Änderung in der Querschnitsfläche des Fließkanals.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß diese Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Verschiedene Konfigurationen und Ausführungsformen können entwikkelt werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wobei beabsichtigt ist, daß diese vom Schutzumfang der Patentansprüche erfaßt werden, die nachfolgend angegeben sind.

Claims

Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer, mit: einem thermischen Diffusor (230) in einer im wesentlichen festen, parallelen Anordnung relativ zu einer Waferoberfläche (210), wobei der thermische Diffusor (230) eine thermische Diffusormasse, M_d, und ein Temperaturfeld T_d über einer Heizfläche (235), welche die Waferoberfläche erwärmt, aufweist, einer Wärmequelle (240) in einer im wesentlichen festen, parallelen Anordnung relativ zu der Waferoberfläche, welche eine thermische Quellenmasse, M_s, und ein steuerbares Temperaturfeld über einer Oberfläche nahe dem thermischen Diffusor, T_s, aufweist, welche von T_d verschieden ist, einer Wärmesenke (245) in einer im wesentlichen festen, parallelen Anordnung relativ zu der Waferoberfläche, die ein wärmeleitendes Medium mit einer steuerbaren Temperatur, T_sk, aufweist und die eine thermische Senkenmasse, M_sk, aufweist, wobei die Wärmesenke durch Wärmübertragung über feste Materialien oder über flüssige und feste Materialien mit der Wärmequelle, dem thermischen Diffusor und der Waferoberfläche thermisch verbunden ist, wobei die Wärmequelle zwischen dem thermischen Diffusor und der Wärmesenke angeordnet ist, wobei mindestens eine steuerbare Stromversorgung (250) mit der Wärmequelle verbunden ist, wobei die Wärmequelle eine Mehrzahl von Zonen (320) aufweist, wobei die Zonen so konstruiert sind, daß sie verschiedene Wärmemengen bereitstellen, dadurch gekennzeichnet, daß M_d/M_sk < 0,1 und daß M_s/M_d nicht mehr als 0,1 beträgt.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, darüber hinaus mit: einem thermischen Reservoir (220), das eine thermische Reservoirmasse, M_r, aufweist, in einer im wesentlichen festen, parallelen Anordung relativ zu der Waferoberfläche, wobei das thermische Reservoir im Inneren Medien enthält, welche Wärmedurchlässigkeiten aufweisen, wobei M_d geringer als M_r ist und wobei die Wärmesenke im wesentlichen in dem thermischen Reservoir enthalten ist und durch Wärmeübertragung über feste Materialien und über flüssige und feste Materialien mit der Wärmequelle, dem thermischen Reservoir und dem thermischen Diffusor thermisch verbunden ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, darüber hinaus mit mindestens einem thermischen Isolator (270), der zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke angeordnet ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, darüber hinaus mit mindestens einem thermischen Isolator (275), der zwischen der Wärmequelle und dem Wafer angeordnet ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, darüber hinaus mit mindestens einem thermischen Isolator (275), der zwischen der Wärmequelle und dem Wafer angeordnet ist und mindestens einem thermischen Isolator (270), der zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke angeordnet ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Isolator im wesentlichen aus Kapton^TM-Material besteht.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß M_d/M_sk < 0,01.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß M_d/M_sk < 0,001.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Diffusor ein Material mit einer isotropen thermischen Leitfähigkeit aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Diffusor im wesentlichen aus Al oder Cu oder irgendeiner Kombination davon hergestellt ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Diffusor ein Material mit einer nicht isotropen thermischen Leitfähigkeit aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dicke des thermischen Diffusors senkrecht zu der Waferoberfläche geringer ist als 2,54 mm (0,100 Zoll).
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dicke des thermischen Diffusors senkrecht zu der Waferoberfläche geringer ist als 1,27 mm (0,050 Zoll).
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dicke des thermischen Diffusors senkrecht zu der Waferoberfläche geringer ist als 0,635 mm (0,025 Zoll).
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dicke des thermischen Diffusors geringer ist als 2,54 mm (0,100 Zoll).
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle mindestens einen Temperatursensor (325) aufweist, der in die Wärmequelle eingebettet ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle metallische elektrische Widerstandselemente (310) aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Wärmequelle mit einer Rate von weniger als 77.500 W/m² (50 W/in²) ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Wärmequelle mit einer Rate von weniger als 62.000 W/m² (40 W/in²) ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Wärmequelle mit einer Rate von weniger als 31.000 W/m² (20 W/in²) ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Wärmequelle mit einer Rate von weniger als 15.500 W/m² (10 W/in²) ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Mehrzahl von unabhängig steuerbaren elektrischen Widerstandsheizelementen (310) aufweist, die in den Zonen verteilt sind.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen ungleiche Temperaturfelder aufweisen.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein Polymermaterial aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Dicke senkrecht zu dem Wafer von weniger als 1,016 mm (0,040 Zoll) aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Dicke senkrecht zu dem Wafer von weniger als 0,762 mm (0,030 Zoll) aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Dicke senkrecht zu dem Wafer von weniger als 0,508 mm (0,020 Zoll) aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß M_s/M_d nicht mehr als 0,01 beträgt.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß M_s/M_d nicht mehr als 0,001 beträgt.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke eine Festkörperwärmesenke aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperwärmesenke einen thermoelektrischen Chip aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke eine flüssige Wärmesenke aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Wärmesenke Wasser aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke eine gasförmige Wärmesenke aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke eine Temperatur größer als 0°C aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke eine Temperatur größer als –30°C aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spalt zwischen dem thermischen Diffusor und dem Wafer Luft enthält.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spalt zwischen dem thermischen Diffusor und dem Wafer Gas enthält mit einer thermischen Leitfähigkeit, die größer ist als die von Luft bei vergleichbaren thermodynamischen Bedingungen.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, darüber hinaus mit einer superathmosphärischen Druckkammer, welche den Wafer umgibt.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, darüber hinaus mit einer subathmosphärischen Kammer, die den Wafer umgibt.
Waferverarbeitungssystem mit mindestens einer Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1.
Waferverarbeitungssystem mit mindestens einer Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, die dafür vorgesehen ist, in einer offenen Umgebung bei Raumbedingungen zu arbeiten.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke ein fluides Medium aufweist und das fluide Medium durch mindestens einen Durchlaß in dem thermischen Reservoir fließt.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Reservoir einen Verteilerkanal (710) und eine Mehrzahl von Einlaßöffnungen (715) für das fluide Medium aufweist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß eine Querschnittsfläche eines Fluiddurchlaßpfades entlang des Durchlaßpfades variiert.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 2, darüber hinaus mit einem zweiten thermischen Diffusor, der zwischen der Wärmequelle und dem thermischen Reservoir angeordnet ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur der Wärmesenke eine steuerbare und im wesentlichen konstante Temperatur ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine räumlich gleichmäßige Wärmequelle innerhalb von weniger als 1°C ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmequellentemperaturfeld, T_s, nicht gleichmäßig ist.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen den Temperaturen der Wärmequelle und der Wärmesenke im wesentlichen 200°C beträgt.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wafertemperatur in einem Bereich, der von der Temperatur der Wärmesenke und einer Temperatur der Wärmequelle begrenzt wird, in einem Zeitintervall von nicht mehr als 60 Sekunden erreicht wird.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Wafertemperatur von 21°C bis 25°C in einem Zeitintervall ändert, das nicht größer ist als 5 Sekunden.
Temperatursteuerungsvorrichtung für Wafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Wafertemperatur bei einer Rate von im wesentlichen 1°C pro Sekunde ändert.