JP2004335500A - Cooling/heating temperature adjusting system for substrate of semiconductor product, or the like - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハ、液晶(LCD)、Electro−Luminescense(EL)や太陽電池など(以下、本明細書において、これらを「半導体製品等」と言う。)の製造工程において、処理基板(半導体ウェーハ、液晶用のガラス基板、EL用の基板、太陽電池の基板等)の冷却・加熱温調の工程に用いられる冷却・加熱温調システムに関し、特に、処理基板のサセプタ(支持台)を、プラズマ発生用下部電極(バイアス用電極)を備えた上部と、冷媒流路を備えた下部とに分割できるように構成することにより、サセプタ内の冷媒流路を冷媒循環回路から切り離すことなく、バイアス用電極を交換できるように構成し、これによって、交換作業の所要時間を短縮するとともに、二次冷媒循環回路を省略し、一次冷媒のみによってサセプタを冷却・加熱することができる冷却・加熱温調システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体製品等の製造工程において対象物(負荷)を冷却する必要がある場合には、冷却・加熱温調システムが用いられている。冷却・加熱温調システムには、「二段冷却法」によるものと、「一段冷却法」によるものとがある。
【0003】
二段冷却法の温調システムにおいては、冷却源である冷凍機と、冷却対象物との間に、複数の冷媒(冷凍機冷媒とブライン)が存在している。これらのうち、冷凍機冷媒は、冷凍機の仕事(冷凍サイクルの蒸発行程)によって、負荷の冷却を一次的に媒介するものであるので、「一次冷媒」と呼ばれ、ブラインは、冷凍機冷媒によって冷却され、負荷の冷却を二次的(即ち、一次冷媒による負荷の冷却を間接的)に媒介するものであるので、「二次冷媒」と呼ばれる。
【0004】
一方、一段冷却法による温調システムは、二次冷媒を用いず、一次冷媒のみによって負荷を直接温調するようになっている。
【0005】
ところで、例えば半導体ウェーハのプラズマエッチング(ドライエッチング)工程においては、プラズマ照射によって帯熱したウェーハを適宜冷却する必要がある。従って、半導体ウェーハのドライエッチング装置は、図2(従来の一般的なドライエッチング装置21の構成例を示す図)に示すように、通常、ウェーハを冷却するための温調システムを有している。
【0006】
ここで、図2に示したドライエッチング装置21の概略構成、及び、温調システムの作用について簡単に説明する。このドライエッチング装置21は、温調システムの主たる構成要素となる冷却・加熱温調装置25のほか、プラズマ発生用上部電極22、バイアス用電極23、及び、サセプタ24等によって構成されている。
【0007】
サセプタ24は、サセプタ上部24a、及び、サセプタ下部24bとによって構成されており、これらのうち、サセプタ上部24aは、その上面にバイアス用電極23を備え、内部には、冷媒流路32が形成されている。
【0008】
尚、図2においてWは半導体ウェーハであり、サセプタ上部24a(バイアス用電極23)と、この半導体ウェーハWとの間には、ヘリウムガスの層(ガス層G)が形成される。
【0009】
冷却・加熱温調装置25は、冷凍機26、一次冷媒配管27(入口配管27a、出口配管27b)、熱交換器28、ポンプ29、加熱用電熱ヒータ30、及び、二次冷媒配管31(入口配管31a、出口配管31b)とによって構成されている。
【0010】
二次冷媒は、ポンプ29から送り出されて、熱交換器28、加熱用電熱ヒータ30、二次冷媒の入口配管31a、冷媒流路32、二次冷媒の出口配管31bを経て、再びポンプ29へと戻るようになっており、閉鎖管路(二次冷媒循環回路33)内を循環するようになっている。
【0011】
より具体的には、二次冷媒は、熱交換器28を通過する際、一次冷媒によって熱交換される。そして、加熱用電熱ヒータ30によって供給温度に温調された後、二次冷媒の入口配管31aを経て、サセプタ上部24aに備えられた冷媒流路32へ供給され、半導体ウェーハWの除熱を行なう。サセプタ上部24aより熱を奪った二次冷媒は、二次冷媒の出口配管31bを経て、再び、熱交換器28へと送られ、一次冷媒により除熱される。
【0012】
一次冷媒は、一次冷媒循環回路34内を循環するようになっており、熱交換器28において二次冷媒から熱を奪い、冷凍機26の仕事(冷凍サイクル)によって二次冷媒から奪った熱を冷凍機外部に放出する。
【0013】
このように、図2に示したドライエッチング装置21の温調システムは、二次冷媒を用いて負荷を間接的に温調する「二段冷却法」によるものである。そして、図2に例示されたドライエッチング装置21のほか、現在では、半導体製品等の製造工程に適用される殆どの温調システムにおいて、二段冷却法が採用されている。
【0014】
尚、以上に説明したようなドライエッチング装置21の温調システムにおいて、「一次冷媒で負荷を直接温調する冷却法」(以下、この冷却法を「単純なる一段冷却法」と言う。)を採用した場合には、ドライエッチング装置21より、冷媒回路32を除いた二次冷媒循環回路33を構成する設備(即ち、熱交換器28ポンプ29、加熱用電熱ヒータ30、二次冷媒配管31aおよび31b)を排除でき、装置を簡素化できるという利点が生じると認められるが、当該温調システムにおいて、この「単純なる一段冷却法」は採用され得ない。
【0015】
なぜなら、サセプタ上部24aに設置されたバイアス用電極23は、ドライエッチング工程においてプラズマ照射が繰り返されるうちに劣化し、定期的な交換が必要となるところ、「単純なる一段冷却法」を採用した場合には、電極交換の都度、一次冷媒の回収、一次冷媒配管乾燥・脱気のための真空引き、及び、一次冷媒の最充填などの作業が必要となり、二段冷却法の温調システムと比べ、交換作業がより煩雑なものとなってしまい、結局のところ、二段冷却法と何ら変わらないものとなってしまうからである。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
このように、現在では、半導体製品等の製造工程で適用される温調システムとしては、二段冷却法のものが主流となっているが、図2に示したような二段冷却法の温調システムには、次のような問題がある。
【0017】
図2に示した二段冷却法の冷却・加熱温調システムにおいては、バイアス用電極23の定期交換の際、まず、二次冷媒を回収する必要がある。図2に示されているように、バイアス用電極23は、サセプタ上部24aに取り付けられているため、これを交換する際には、エッチング装置21から、サセプタ上部24aごと取り外さなければならないが、このサセプタ上部24aの内部には、冷媒流路32が形成されており、この冷媒流路32は、二次冷媒配管31と接続されており、それらの内部には二次冷媒が循環している。つまり、内部の二次冷媒を回収しない限り、サセプタ上部24aをエッチング装置21から取り外すことができないからである。
【0018】
そして、二次冷媒の回収作業は、温調装置25が稼働している状態からは即時に行うことができず、下述のステップを余分に実行する必要があり、無駄な時間がかかってしまう。具体的には、まず、温調装置25を稼働させた状態で(停止せずに)、二次冷媒の供給温度設定を「プロセス温度」から「室温付近」に変更する。二次冷媒の供給温度が室温付近に到達したら、温調装置25を停止させ、二次冷媒を回収する。
【0019】
このように、まず、二次冷媒の供給温度設定を「室温付近」に変更するのは、二次冷媒循環回路33内において結露が生じることを防止するためである。例えば、半導体製品等やその他の工業製品を効率よく製造するために設定されるプロセス温度がマイナス10℃である場合に、二次冷媒の供給温度を変更することなく、冷却・加熱温調装置25を停止させ、二次冷媒の回収後、二次冷媒の入口配管31a等を冷媒流路32から切り離すと、暴露される空気により、二次冷媒の入口配管31a等の内面に結露が生じる可能性がある。
【0020】
二次冷媒中に水分が混在すると、使用中に化学的変化や物理的変化が生じ、連続安定運転に支障を来すので、二次冷媒の再充填の際に、管路内に結露水が残留していることは好ましくない。このようなことから、二次冷媒を回収する際には、結露を防止するために、予め二次冷媒循環回路33の温度を室温付近に慣らしておくためのステップが必要になるのである。
【0021】
このように、図2に示した二段冷却法による冷却・加熱温調システムにおいては、バイアス用電極23を交換する際、二次冷媒の回収作業が必要となるほか、二次冷媒の回収作業には、結露を防止するためのステップが必要となり、結果的に、バイアス用電極23の交換作業が完了するまでには、非常に長い時間がかかってしまうという問題がある。
【0022】
また、二次冷媒の回収作業は、二次冷媒循環回路33内に二次冷媒が残留しないよう、確実に、慎重に行わなければならない。仮に、二次冷媒が残留していると、サセプタ上部24aを取り外した際に、二次冷媒が外部に漏出してしまう可能性があるからである。漏れ出した二次冷媒は揮発性が高い場合もあるので、二次冷媒を構成する物質の一つであるフッ素などによって作業環境は勿論のこと、地球環境を汚染する可能性もある。
【0023】
更に、二次冷媒の回収作業を行った場合には、新しいバイアス用電極23を備えたサセプタ上部24aを装着した後、必然的に、二次冷媒を再充填する作業が必要となるが、この再充填作業の際、二次冷媒循環管路33内にガスが混入してしまうことがあり、このような場合には、入り込んだガスを完全に除去するため、二次冷媒を一定時間循環させて、ガス抜きを行う必要がある。
【0024】
二次冷媒循環回路33内のガス抜きが不十分な場合、ガスポケットが生じてしまうが、このようなガスポケットは、サセプタ上部24aに内装された冷媒流路32の最も高い位置において、層として形成される確率が最も高い。このようなガスの層が形成されてしまうと、伝熱抵抗が大きくなってしまうため、所定の伝熱能力を得られなくなってしまうほか、被冷却物であるウエーハに温度分布を生じさせるという事態も生じ得る。
【0025】
また、製造原価を下げるため、半導体ウェーハの大口径化が進んできており、それに伴なう除熱量の増強が要求されているが、二段冷却法の温調システムにおいて、そのような除熱量増強の要求を満たすには、サセプタに供給する二次冷媒量の増加、これに伴なうポンプの大型化、更に、二次冷媒を冷却・加熱するための冷凍機及びヒータの大型化が必要となる。その結果、設備コスト及びランニングコストが増大してしまうという問題がある。
【0026】
このようなことから、半導体ウェーハのエッチング装置においては、バイアス用電極の交換時間を短縮して、プロセス全体の稼働率を向上させ、しかも、ランニングコスト及び設備コストを節減することができる冷却・加熱温調システムの開発が望まれている。
【0027】
【課題を解決するための手段】
本発明の冷却・加熱温調システムは、上記のような従来技術の課題を解決すべく、サセプタを、サセプタ上部とサセプタ下部とに分割できるように構成し、バイアス用電極をサセプタ上部に設置し、冷媒流路をサセプタ下部内に形成したことを特徴としている。このように構成した場合、サセプタ上部には、専ら温度の均一性を持たせることができる。また、バイアス用電極を交換する場合には、サセプタ上部のみを取り外せば良く、冷媒流路を取り外すことなく、交換作業を行うことができる。従って、冷媒の回収作業も不要となり、また、冷媒循環回路内へのガスの混入も生じないため、ガス抜きのための作業等も不要となる。
【0028】
尚、サセプタ下部に設置された冷媒流路には、冷凍機に接続された一次冷媒配管を直接接続して、一次冷媒(HFC等の冷凍機冷媒)を直接供給するように構成することが好ましい。このように構成した場合、従来の温調システムのように、二次冷媒循環回路を配置する必要がなく、これを省略することができ、サセプタ下部内に形成された冷媒流路に、供給温度に温調された一次冷媒を直接供給することによって、冷却対象物である半導体ウェーハと、冷媒(一次冷媒)間の伝熱抵抗を、二段冷却法による従来の温調システムの比べ、低減することができる。
【0029】
また、冷却対象物とサセプタ上部との間、及び、サセプタ上部とサセプタ下部との間に、熱伝導率の良いガス、例えばヘリウムガスの層が形成されるように構成することにより、冷却対象物と一次冷媒との間の伝熱抵抗が低減されるように構成することが更に好ましい。
【0030】
そして、冷却対象物と冷媒間の伝熱抵抗を小さくすることにより、供給する一次冷媒の設定温度を高くすることができる。冷凍機は、設定温度(即ち、蒸発温度)を高くするほど所要動力が低減するため、温調システムのランニングコストの低減化を実現することができる。
【0031】
また、一次冷媒の熱の伝達方法は蒸発時の相変化における沸騰伝熱であり、二次冷媒の熱の伝達方法は相変化を伴なわない液相伝熱であるため、一次冷媒の熱伝達係数は二次冷媒の熱伝達係数の2倍以上となり、一段冷却法による温調システムと、二段冷却法による温調システムとで、冷媒の供給温度の設定を同一の温度とした場合、一段冷却法による温調システムにおいては、除熱に必要な伝熱面積を、二段冷却法による温調システムよりも小さくすることができる。従って、サセプタのサイズを小型化することが可能となり、設備コストの低減に寄与する。
【0032】
更に、本発明においては、二次冷媒循環回路を必要とせず、これを省略した構成となっているため、設備コスト及びランニングコストを低減でき、装置サイズの小型化も同時に行なうことができる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って本発明の好適な実施形態について説明する。図1は、本発明に係る冷却・加熱温調システムを適用した半導体ウェーハのドライエッチング装置1の構成図である。このエッチング装置1も、基本的には従来のものと同様に、温調システムの主たる構成要素となる冷却・加熱温調装置5のほか、プラズマ発生用上部電極2、バイアス用電極3、及び、サセプタ4等によって構成されている。
【0034】
また、サセプタ4は、サセプタ上部4a、及び、サセプタ下部4bとによって構成され、サセプタ上部4aの上面には、バイアス用電極3が配置されている。但し、冷媒流路12は、従来のものとは異なり、サセプタ上部4a内ではなく、サセプタ下部4b内に形成されている。
【0035】
また、冷却・加熱温調装置5は、冷凍機6、及び、一次冷媒配管7(入口配管7a、出口配管7b)とによって構成され、図2に示したような二段冷却法ではなく、一次冷媒のみによって負荷を直接温調する「一段冷却法」の温調システムを構成するものである。
【0036】
尚、図1においてWは半導体ウェーハであり、サセプタ上部4a(バイアス用電極3)と、この半導体ウェーハWとの間には、ヘリウムガスが導入されることによって、ヘリウムガスの層(ガス層G1)が形成され、更に、サセプタ上部4aとサセプタ下部4bとの間にも、ヘリウムガスの層(ガス層G2)が形成されるようになっている。
【0037】
このドライエッチング装置1においては、冷凍機6にてプロセス温度に調整された一次冷媒が、一次冷媒の入口配管7aを経て、サセプタ下部4bに備えられた冷媒流路12へ供給され、半導体ウェーハWの除熱が行なわれる。
【0038】
サセプタ下部4bにおいて熱を奪った一次冷媒は、一次冷媒の出口配管7bを経て、冷凍機6において供給温度に調整されたのち、一次冷媒の入口配管7aを経て、再び冷媒流路12へ供給される。
【0039】
ここで、このドライエッチング装置1におけるバイアス用電極3の交換作業の手順について説明する。まず、一次冷媒の供給温度の設定を室温(結露しない温度)に変更する。供給温度がこの室温付近に到達したら、バイアス用電極3を備えたサセプタ上部4aのみをエッチング装置1から取り外す。
【0040】
サセプタ上部4aを取り外したら、新しいサセプタ上部4aを設置し、サセプタ上部4aとサセプタ下部4bの間にヘリウムガス層G2を形成し、一次冷媒の供給温度設定を「プロセス温度」に変更する(交換作業完了)。ちなみに、一段冷却法で必要とする全作業時間は約15分で、二段冷却法で必要とする全作業時間は最短でも約30分なので、一段冷却法は二段冷却法の半分以下の作業時間で済む。
【0041】
このように、交換するサセプタ上部4aを取り外す前に、まず一次冷媒の供給温度の設定を変更するのは、サセプタ下部4bの表面における結露の発生を回避して、電熱抵抗の悪化を防止するためである。より詳細には、サセプタ上部4aのみを取り外すと、サセプタ4bの表面が露出することになるが、このとき、冷媒流路12に供給されている一次冷媒が低温のままであると、露出したサセプタ下部4bの表面に結露が発生する可能性がある。この結露を除去せずに、新しいサセプタ上部4aを設置してしまうと、サセプタ上部4aとサセプタ下部4bの間に形成されるヘリウムガス層G2において、プラズマ照射による発熱によって結露水がガス化し、プロセス初期段階において伝熱抵抗を悪化させてしまう可能性がある。ガス化した水分は、ヘリウムガスと一緒にパージされるので、最終的には取り除くことができるが、プロセス初期段階における安全性を図るためには、設定温度を変更することによって結露の発生を回避することが望ましい。
【0042】
上記の通り、本発明の冷却・加熱温調システムは、一段冷却法によって構成され、二次冷媒循環回路を有しない構造となっており、また、冷媒流路12が、バイアス用電極3を備えたサセプタ上部4aの内部ではなく、サセプタ下部4b内に形成され、バイアス用電極3の交換に際して、冷媒流路12を冷媒配管7から切り離す必要がないため、冷却・加熱温調装置5を停止させることなく、極めて簡潔にバイアス用電極3の交換作業を行なうことができる。
【0043】
以下に、本発明の実施例を説明する。本発明に係る冷却・加熱温調システムを適用した図1のドライエッチング装置1において、直径300mmの半導体ウェーハ上に4500Wの熱負荷を生じさせ、これを温調システムによって冷却し、各部位(冷媒、サセプタ上部、電極、及び、ウェーハ)における温度を計測した。その結果を図3に示す。尚、図3のグラフには、本発明に係る一段冷却法の温調システムの温度計測値のほか、従来の二段冷却法の温調システムの温度計測値も、比較例として示した。
【0044】
このグラフに示されているように、従来の二段冷却法の温調システムにおいては、二次冷媒の供給温度を−10℃に設定した。その結果、半導体ウェーハの表面温度は67.2℃となった。
【0045】
そこで、本発明に係る一段冷却法の温調システムにおいて、半導体ウェーハの表面温度が67.2℃となるように、一次冷媒の供給温度を調整した。その結果、一次冷媒の供給温度を−1.4℃に設定した場合に、半導体ウェーハの表面温度が67.2℃となった。この試験結果から、本発明の一段冷却法の温調システムにおいては、従来の二段冷却法の温調システムの場合と比較して、冷媒の供給温度を8.6℃高く設定することができることがわかった。
【0046】
このように、一段冷却法による温調システムにおいて、二段冷却法の温調システムよりも、冷媒の供給温度を高く設定できるのは、二段冷却法が、冷凍機冷媒(一次冷媒)によってブライン(二次冷媒)を冷却し、冷却されたブラインの液相伝熱によってサセプタを冷却しているのに対し、一段冷却法では、冷凍機冷媒(一次冷媒)の沸騰伝熱によってサセプタを直接冷却しているので、一段冷却法の伝熱抵抗が、二段冷却法の伝熱抵抗よりも半分以下に小さくなるためである。
【0047】
本発明の温調システムにおいてインバータ冷凍機を用いた場合において、一次冷媒の供給温度を−10℃(比較例と同一条件)に設定した場合、除去すべき発熱量が4500Wであるならば、冷凍機メーカの性能表によると、消費電力は7.07Aであった。また、−1.4℃に設定した場合には、5.63Aであった。従って、本発明の温調システムによる場合、1.44Aの消費エネルギー削減となる。
【0048】
また、二段冷却法による温調システムでは、冷凍機及び冷凍機冷媒で二次冷媒であるブラインを冷却し、冷却されたブラインによりサセプタを冷却・加熱温調している。そして、場合によっては、加熱用電熱ヒータによってブラインを加熱温調している。一方、本発明のように、一段冷却法による場合には、冷凍機冷媒によって直接サセプタを冷却・加熱温調するため、二次冷媒、二次冷媒循環用ポンプ、加熱温調用電熱ヒータが不要となり、この分の初期設備費、年間維持費、ランニングコストを軽減することができる。
【0049】
尚、本実施例において、本発明に係る温調システムを2000時間以上使用してみたが、サセプタ下部は何ら支障を来さなかったことから、十分な耐久性を有していることが確認された。
【0050】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、サセプタの構造を見直すことにより、バイアス用電極の交換作業の所要時間を短縮し、かつ、サセプタには一次冷媒である冷凍機冷媒を直接供給することにより、省エネルギーで設置面積の小さい一段冷却・加熱温調システムを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る冷却・加熱温調システムを適用した半導体ウェーハのエッチング装置1の構成図。
【図2】二段冷却法の冷却・加熱温調システムを適用した、従来の一般的なエッチング装置21の構成図。
【図3】本発明に係る冷却・加熱温調システムについて行った温度計測の結果を示すグラフ。
【符号の説明】
1,21:ドライエッチング装置、
2,22:プラズマ発生用上部電極、
3,23:バイアス用電極、
4,24:サセプタ、
4a,24a:サセプタ上部、
4b,24b:サセプタ下部、
5,25:冷却・加熱温調装置、
6,26:冷凍機、
7,27:一次冷媒配管、
7a,27a:入口配管、
7b,27b:出口配管、
28:熱交換器、
29:ポンプ、
30:加熱用電熱ヒータ、
31:二次冷媒配管、
31a:入口配管、
31b:出口配管、
12,32:冷媒流路、
33:二次冷媒循環回路、
34:一次冷媒循環回路、
G,G1,G2:ガス層、
W:半導体ウェーハ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a processing substrate (semiconductor) in a manufacturing process of a semiconductor wafer, a liquid crystal (LCD), an Electro-Luminescence (EL), a solar cell, and the like (hereinafter, these are referred to as “semiconductor products and the like”). The cooling / heating temperature control system used in the process of cooling / heating temperature control of a wafer, a glass substrate for liquid crystal, a substrate for EL, a substrate for solar cells, etc. By being configured to be able to be divided into an upper part having a lower electrode for generating plasma (an electrode for bias) and a lower part having a refrigerant flow path, the bias flow can be performed without separating the refrigerant flow path in the susceptor from the refrigerant circulation circuit. The replacement electrode is configured to be replaceable, thereby shortening the time required for replacement work, omitting the secondary refrigerant circulation circuit, and replacing only the primary refrigerant. Thus a cooling and heating temperature adjustment system capable of cooling and heating the susceptor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when it is necessary to cool an object (load) in a manufacturing process of a semiconductor product or the like, a cooling / heating temperature control system has been used. The cooling / heating temperature control system includes a system based on a “two-stage cooling method” and a system based on a “single-stage cooling method”.
[0003]
In the temperature control system of the two-stage cooling method, a plurality of refrigerants (refrigerant refrigerant and brine) exist between a refrigerator as a cooling source and an object to be cooled. Of these, the refrigerator refrigerant is primarily referred to as “primary refrigerant” because it primarily mediates load cooling by the work of the refrigerator (evaporation process of the refrigeration cycle). , And mediates cooling of the load in a secondary manner (ie, indirectly cooling of the load by the primary refrigerant), and is therefore referred to as “secondary refrigerant”.
[0004]
On the other hand, the temperature control system using the single-stage cooling method directly controls the temperature of the load using only the primary refrigerant without using the secondary refrigerant.
[0005]
Incidentally, for example, in a plasma etching (dry etching) process of a semiconductor wafer, it is necessary to appropriately cool a wafer heated by plasma irradiation. Therefore, a dry etching apparatus for a semiconductor wafer usually has a temperature control system for cooling the wafer, as shown in FIG. 2 (a diagram showing a configuration example of a conventional general dry etching apparatus 21). .
[0006]
Here, the schematic configuration of the
[0007]
The
[0008]
In FIG. 2, W denotes a semiconductor wafer, and a helium gas layer (gas layer G) is formed between the susceptor
[0009]
The cooling /
[0010]
The secondary refrigerant is sent out from the
[0011]
More specifically, when the secondary refrigerant passes through the
[0012]
The primary refrigerant circulates in the primary
[0013]
As described above, the temperature control system of the
[0014]
In the temperature control system of the
[0015]
This is because the
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, at present, the two-stage cooling method is mainly used as a temperature control system applied in a manufacturing process of a semiconductor product or the like, but the temperature of the two-stage cooling method as shown in FIG. The key system has the following problems.
[0017]
In the cooling / heating temperature control system of the two-stage cooling method shown in FIG. 2, it is necessary to first collect the secondary refrigerant when the
[0018]
Then, the recovery operation of the secondary refrigerant cannot be performed immediately from the state in which the
[0019]
The reason why the supply temperature setting of the secondary refrigerant is first changed to “around room temperature” in this way is to prevent condensation from occurring in the secondary
[0020]
If water is mixed in the secondary refrigerant, chemical and physical changes occur during use, which hinders continuous stable operation.Therefore, when refilling the secondary refrigerant, dew condensation water will be present in the pipeline. It is not preferable that it remains. For this reason, when recovering the secondary refrigerant, a step for adjusting the temperature of the secondary
[0021]
As described above, in the cooling / heating temperature control system based on the two-stage cooling method shown in FIG. 2, when the
[0022]
In addition, the recovery operation of the secondary refrigerant must be performed carefully and carefully so that the secondary refrigerant does not remain in the secondary
[0023]
Further, when the secondary refrigerant is recovered, after the susceptor
[0024]
Insufficient degassing in the secondary
[0025]
Also, in order to reduce manufacturing costs, semiconductor wafers have become larger in diameter, and accordingly, the amount of heat removal has been required to be increased. In order to meet the demand for reinforcement, it is necessary to increase the amount of secondary refrigerant supplied to the susceptor, increase the size of the pump, and further increase the size of refrigerators and heaters for cooling and heating the secondary refrigerant. It becomes. As a result, there is a problem that equipment costs and running costs increase.
[0026]
For this reason, in a semiconductor wafer etching apparatus, cooling / heating can shorten the replacement time of a bias electrode, improve the operation rate of the entire process, and reduce running costs and equipment costs. The development of a temperature control system is desired.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
The cooling / heating temperature control system of the present invention is configured so that the susceptor can be divided into an upper susceptor and a lower susceptor in order to solve the above-mentioned problems of the related art, and a bias electrode is installed on the upper susceptor. The refrigerant flow path is formed in the lower part of the susceptor. With such a configuration, the upper portion of the susceptor can be provided with temperature uniformity exclusively. Further, when replacing the bias electrode, only the upper part of the susceptor needs to be removed, and the replacement operation can be performed without removing the coolant channel. Therefore, the operation of recovering the refrigerant is not required, and the gas is not mixed into the refrigerant circuit.
[0028]
In addition, it is preferable that a primary refrigerant pipe connected to a refrigerator is directly connected to a refrigerant flow path provided at a lower part of the susceptor so as to directly supply a primary refrigerant (refrigerant refrigerant such as HFC). . In such a configuration, unlike the conventional temperature control system, it is not necessary to dispose a secondary refrigerant circulation circuit, which can be omitted, and the supply temperature is supplied to the refrigerant flow path formed in the lower part of the susceptor. By directly supplying the primary refrigerant whose temperature has been controlled, the heat transfer resistance between the semiconductor wafer to be cooled and the refrigerant (primary refrigerant) is reduced as compared with the conventional temperature control system using the two-stage cooling method. be able to.
[0029]
Further, by forming a layer of a gas having good thermal conductivity, for example, a helium gas layer between the object to be cooled and the upper part of the susceptor and between the upper part of the susceptor and the lower part of the susceptor, the object to be cooled is formed. More preferably, the heat transfer resistance between the first refrigerant and the primary refrigerant is reduced.
[0030]
Then, by reducing the heat transfer resistance between the object to be cooled and the refrigerant, the set temperature of the supplied primary refrigerant can be increased. Since the required power of the refrigerator decreases as the set temperature (that is, the evaporation temperature) increases, the running cost of the temperature control system can be reduced.
[0031]
Also, the heat transfer method of the primary refrigerant is boiling heat transfer in a phase change during evaporation, and the heat transfer method of the secondary refrigerant is liquid phase heat transfer without a phase change. The coefficient is more than twice the heat transfer coefficient of the secondary refrigerant, and if the temperature control system using the single-stage cooling method and the temperature control system using the two-stage cooling method set the same supply temperature of the refrigerant, In the temperature control system using the cooling method, the heat transfer area required for heat removal can be made smaller than that in the temperature control system using the two-stage cooling method. Therefore, the size of the susceptor can be reduced, which contributes to a reduction in equipment cost.
[0032]
Furthermore, in the present invention, since the secondary refrigerant circulation circuit is not required and the configuration is omitted, the equipment cost and the running cost can be reduced, and the device size can be reduced at the same time.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor wafer
[0034]
The
[0035]
The cooling / heating
[0036]
In FIG. 1, W denotes a semiconductor wafer, and a helium gas is introduced between the
[0037]
In this
[0038]
The primary refrigerant that has taken heat in the
[0039]
Here, a procedure for replacing the
[0040]
After removing the susceptor
[0041]
As described above, the setting of the supply temperature of the primary refrigerant is first changed before removing the susceptor
[0042]
As described above, the cooling / heating temperature control system of the present invention is configured by a one-stage cooling method, has a structure without a secondary refrigerant circulation circuit, and has a
[0043]
Hereinafter, examples of the present invention will be described. In the
[0044]
As shown in this graph, in the temperature control system of the conventional two-stage cooling method, the supply temperature of the secondary refrigerant was set to -10C. As a result, the surface temperature of the semiconductor wafer became 67.2 ° C.
[0045]
Then, in the temperature control system of the one-stage cooling method according to the present invention, the supply temperature of the primary refrigerant was adjusted such that the surface temperature of the semiconductor wafer was 67.2 ° C. As a result, when the supply temperature of the primary refrigerant was set to -1.4 ° C, the surface temperature of the semiconductor wafer became 67.2 ° C. From this test result, it can be seen that in the temperature control system of the single-stage cooling method of the present invention, the supply temperature of the refrigerant can be set 8.6 ° C. higher than in the case of the conventional temperature control system of the two-stage cooling method. I understood.
[0046]
As described above, in the temperature control system using the single-stage cooling method, the supply temperature of the refrigerant can be set higher than that in the temperature control system using the two-stage cooling method. While the susceptor is cooled by cooling the (secondary refrigerant) and the liquid phase heat transfer of the cooled brine, in the single-stage cooling method, the susceptor is directly cooled by the boiling heat transfer of the refrigerator refrigerant (primary refrigerant). This is because the heat transfer resistance of the single-stage cooling method is smaller than half the heat transfer resistance of the two-stage cooling method.
[0047]
In the case where an inverter refrigerator is used in the temperature control system of the present invention, if the supply temperature of the primary refrigerant is set to −10 ° C. (the same conditions as in the comparative example), if the calorific value to be removed is 4500 W, refrigeration is performed. According to the performance table of the machine manufacturer, the power consumption was 7.07A. Moreover, when it was set to -1.4 ° C, it was 5.63A. Therefore, according to the temperature control system of the present invention, the energy consumption is reduced by 1.44 A.
[0048]
In the temperature control system using the two-stage cooling method, a refrigerator and a refrigerator refrigerant are used to cool brine as a secondary refrigerant, and the cooled brine is used to cool and heat the susceptor. In some cases, the brine is heated and controlled by an electric heater for heating. On the other hand, in the case of the single-stage cooling method as in the present invention, since the susceptor is directly cooled and heated by the refrigerator refrigerant, the secondary refrigerant, the secondary refrigerant circulation pump, and the electric heater for heating temperature adjustment become unnecessary. The initial equipment costs, annual maintenance costs, and running costs can be reduced accordingly.
[0049]
In this example, the temperature control system according to the present invention was used for 2000 hours or more. However, since the lower part of the susceptor did not cause any trouble, it was confirmed that the lower part of the susceptor had sufficient durability. Was.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, the present invention reduces the time required for replacing the bias electrode by reviewing the structure of the susceptor, and directly supplies the refrigeration refrigerant, which is the primary refrigerant, to the susceptor. In addition, it is possible to provide a single-stage cooling / heating temperature control system that saves energy and has a small installation area.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional
FIG. 3 is a graph showing the results of temperature measurement performed on the cooling / heating temperature control system according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1,21: dry etching equipment,
2, 22: upper electrode for plasma generation,
3, 23: bias electrode,
4, 24: susceptor,
4a, 24a: upper part of susceptor,
4b, 24b: lower part of susceptor
5, 25: Cooling / heating temperature controller,
6, 26: refrigerator,
7, 27: primary refrigerant pipe,
7a, 27a: inlet piping,
7b, 27b: outlet piping,
28: heat exchanger,
29: Pump,
30: electric heater for heating,
31: secondary refrigerant pipe,
31a: inlet piping,
31b: outlet piping,
12, 32: refrigerant flow path,
33: secondary refrigerant circuit,
34: primary refrigerant circulation circuit,
G, G1, G2: gas layer,
W: Semiconductor wafer
Claims (3)
バイアス用電極を前記サセプタ上部に設置し、
冷媒流路を前記サセプタ下部内に形成したことを特徴とする冷却・加熱温調システム。The susceptor is configured so that it can be divided into a susceptor upper part and a susceptor lower part,
A bias electrode is placed on the susceptor,
A cooling / heating temperature control system, wherein a coolant passage is formed in a lower portion of the susceptor.
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CN112217472A (en) * | 2020-10-19 | 2021-01-12 | 吉林大学 | Solar semiconductor intelligent temperature regulating box and control method thereof |
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- 2003-04-30 JP JP2003124729A patent/JP2004335500A/en active Pending
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