JP2003223970A

JP2003223970A - ウエハ加熱装置

Info

Publication number: JP2003223970A
Application number: JP2002020783A
Authority: JP
Inventors: Kyoji Uchiyama; 京治内山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-08-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハ加熱装置におけるセラミックス板の温度
調整用に使用する測温素子をセラミックス板に挿入した
だけの取付構造では、測定温度がばらついたり、均熱を
良くするために熱容量を大きくすると測温の応答速度が
遅くなるくという問題があった。【解決手段】セラミックス板の表面または内部に発熱抵
抗体を形成し、該セラミックス板に有底孔を設けると共
に該有底孔に測温素子を備えたウエハ加熱装置におい
て、セラミックス板の熱伝導率に対し８．３〜１５０％
の熱伝導率を有する充填剤で前記測温素子を固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主にウエハを加熱
するのに用いるセラミックヒーターに関するものであ
り、例えば、半導体ウエハや液晶基板あるいは回路基板
等のウエハ上に半導体薄膜を生成したり、前記ウエハ上
に塗布されたレジスト液を乾燥焼き付けしてレジスト膜
を形成するのに好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造装置の製造工程にお
ける、半導体薄膜の成膜処理、エッチング処理、レジス
ト膜の焼き付け処理等においては、半導体ウエハ（以
下、ウエハと略す）を加熱するためにウエハ加熱装置が
用いられている。

【０００３】従来の半導体製造装置は、まとめて複数の
ウエハを成膜処理するバッチ式のものが使用されていた
が、ウエハの大きさが８インチから１２インチと大型化
するにつれ、処理精度を高めるために、一枚づつ処理す
る枚葉式と呼ばれる手法が近年実施されている。しかし
ながら、枚葉式にすると１回当たりの処理数が減少する
ため、ウエハの処理時間の短縮が必要とされている。こ
のため、ウエハ支持部材に対して、ウエハの加熱時間の
短縮、ウエハの吸着・脱着の迅速化と同時に加熱温度精
度の向上が要求されていた。

【０００４】このうちウエハ上へのレジスト膜の形成に
あたっては、図４に示すような、窒化アルミニウムや炭
化珪素等のセラミックスからなるセラミックス板３２の
一方の主面を、ウエハＷを載せる載置面３３とし、他方
の主面には絶縁層３４を介して発熱抵抗体３５および給
電部３６が設置され、さらに弾性体３８により導通端子
３７が給電部３６に押圧固定された構造のセラミックヒ
ーター３１が用いられていた。そして、前記セラミック
ス板３２は支持体４１にボルト４７により固定され、さ
らにセラミックス板３２の内部には測温素子４０が挿入
され、これによりセラミックス板３２の温度を所定の温
度に保つように、導通端子３７から発熱抵抗体３５に供
給される電力を調節するシステムとなっていた。また、
導通端子３７は、板状構造部４３に絶縁材３９を介して
固定されていた。

【０００５】そして、セラミックヒーター３１の載置面
３３には、凹部４５に挿入された支持ピン４４が設置さ
れており、ウエハＷを載置面３３に載せた際にウエハＷ
が載置面３３から非接触となるようにしている。そし
て、該支持ピン４４上にレジスト液が塗布されたウエハ
Ｗを載せたあと、発熱抵抗体３５を発熱させることによ
り、セラミックス板３２を介して載置面３３上のウエハ
Ｗを加熱し、レジスト液を乾燥焼付けしてウエハＷ上に
レジスト膜を形成するようになっていた。

【０００６】また、セラミックス板３２を構成するセラ
ミック材料としては、窒化物セラミックスまたは炭化物
セラミックスが用いられていた。

【０００７】また、測温素子６４の取付構造について
は、特開平９−４５７５２号公報に示されている。図５
を用いて構造を説明すると、金属製のセラミックス板６
２のウエハ載置面６３近傍に測温素子６４が挿入されて
いる。この測温素子６４は、Ｐｔからなる測温抵抗体６
６が保護管６５の中に前記載置面６３に対し平行となる
ように設置されリード線６７が結線されている。さらに
保護管６５内の空所には伝熱セメント６８が充填されて
いる。特に、発熱抵抗体を分割制御する場合は、測定の
正確さと同時に測定バラツキを管理しないとセラミック
ス板６２の正確な温度制御ができなくなるので、このよ
うな取付構造とすることが好ましいとされていた。

【０００８】また、特開２００１−８５１４４号公報に
は、図６に示すように、測温素子１４７を設置する穴１
４４の径は、０．３〜０．５ｍｍとすることが好ましい
ということが示されており、測温素子１４７を固定する
方法については、金ロウ、銀ロウなどを使用して、穴１
４４の底に接着しても良いし、エポキシ樹脂、ポリイミ
ド樹脂、ビスマレイド−トリアジン樹脂、シリコン樹脂
等の耐熱性樹脂やアルミナゾル、シリカゾルを用いて封
止しても構わないことが示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなセラミックヒーターにおいて、図５に示すような
測温素子６４の取付構造では、測温素子６４をセラミッ
クス板６２に挿入しただけであるため、測定温度がばら
ついたり、均熱を良くするために熱容量を大きくすると
測温の応答速度が遅くなるくという問題があった。特
に、発熱抵抗体を複数のブロックに分割して温度制御す
る場合、ブロック毎の測温素子６４の測定温度がばらつ
くとブロック毎の制御が不均一となり、セラミックス板
６２の温度が一定になるまでに時間が掛かるという問題
があった。

【００１０】特に、近年半導体配線の微細化の為に用い
られるようになってきた化学増幅型レジストの熱処理に
於いては、ウエハＷをセラミックス板６２上に差し替え
した際に温度が安定するまでの過渡特性、ウエハ面内の
温度バラツキが、露光後のレジストの化学増幅処理に極
めて重要であり、従来に増して、緻密かつ応答性の良い
温度制御が必要となってきている。しかしながら、図５
に示されるような構造では、測温素子の測温体部に保護
管や充填材など付帯し熱容量が大きくなる上にセラミッ
クス板６２の凹部に挿入しただけの構造であるために空
隙の存在による応答性の低下は避けられず、上記ウエハ
加熱時の過渡的な温度バラツキや温度安定までにかかる
時間などに問題があった。

【００１１】また、図６に示されるように耐熱性樹脂や
ゾルを用いて測温素子１４７を封止した場合は、これら
の熱伝導率がセラミックス板１４１の材料である窒化ア
ルミニウムや炭化珪素の熱伝導率に較べて１／１００以
下と小さいため、測温素子の周囲のセラミックス板１４
１の温度が上昇しても測温素子１４７の指示温度の上昇
が遅れて、なかなかセラミックス板１４１の温度が設定
値通りにならないという問題があった。

【００１２】一方、Ａｕ−Ｎｉロウ材を用いて測温素子
１４７を固定した場合、ロウ材の熱伝導率がセラミック
スのそれに対して、１５０％を越えて大きいため、測温
素子１４７に早く熱が伝わるようになるので、発熱抵抗
体への電力供給に早く制動が掛かるようになり、なかな
か所定の温度に安定しないという問題があった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミックス
板の表面または内部に発熱抵抗体を形成し、該セラミッ
クス板に有底孔を設けると共に該有底孔に測温素子を備
えたウエハ加熱装置において、セラミックス板の熱伝導
率に対し８．３〜１５０％の熱伝導率を有する充填剤で
前記測温素子を固定したことを特徴とする。

【００１４】また、前記充填剤の気孔率が０．１％〜５
０％であることを特徴とする。

【００１５】また、前記充填剤の熱膨張係数を前記セラ
ミックス板の熱膨張係数に対し４３〜２１４％としたこ
とを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１７】図１は本発明に係るセラミックヒーター１
の一例を示す断面図で、炭化珪素、炭化硼素、窒化硼
素、窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセ
ラミックスからなるセラミックス板２の一方の主面を、
ウエハＷを載せる載置面３とするとともに、他方の主面
にガラス又は樹脂等からなる絶縁層４を介して発熱抵抗
体５を形成したものである。

【００１８】発熱抵抗体５のパターン形状としては、略
円弧状の抵抗体と直線状抵抗体とからなる略同心円状を
したものや渦巻き状をしたものなど、載置面３を均一に
加熱できるパターン形状であれば良い。均熱性を改善す
るため、発熱抵抗体５を複数のパターンに分割すること
も可能である。

【００１９】また、発熱抵抗体５には、金や銀、パラジ
ウム、白金等の材質からなる給電部６が形成され、該給
電部６に導通端子７を弾性体８を介して押圧固定するこ
とにより、導通が確保されている。

【００２０】さらに、セラミックス板２と支持体１１の
外周にボルト１７を貫通させ、セラミックス板２側より
弾性体８、座金１８を介在させてナット１９を螺着する
ことにより支持体１１に弾性的に固定している。これに
より、セラミックス板２の温度を変更したり載置面３に
ウエハを載せセラミックス板２の温度が変動した場合に
支持体１１変形が発生しても、上記弾性体８によってこ
れを吸収し、これによりセラミックス板２の反りを防止
し、ウエハＷ加熱におけるウエハＷ表面に温度分布が発
生することを防止できる。

【００２１】また、支持体１１は複数の層から構成され
た板状構造体１３と側壁部からなり、該板状構造体１３
には発熱抵抗体５に電力を供給するための導通端子７が
絶縁材９を介して設置され、不図示の空気噴射口が形成
されている。

【００２２】さらに、図２〜３を用いて本発明の実施形
態を詳細に説明する。図２は、セラミックス板２を発熱
抵抗体５側から見た平面図であり、セラミックス板２に
は各発熱抵抗体５ブロックの内部に測温素子１０を保持
する部分に凹部２１が形成されている。そして、該凹部
２１には、図３に示すように測温素子１０の測温部を配
置し、充填材２２等により充填保持されている。

【００２３】測温素子１０としては、測温素子、測温抵
抗体等を用いることが可能である。材質については、熱
電対であれば、Ｐｔ／Ｒｈ−Ｐｔ／Ｒｈ系、Ｐｔ／Ｒｈ
−Ｐｔ系、Ｎｉ／Ｃｒ／Ｓｉ−Ｎｉ／Ｓｉ／Ｍｇ系、Ｎ
ｉ／Ｃｒ−Ａｌ／Ｍｎ系、Ｎｉ／Ｃｒ−Ｃｕ／Ｎｉ系、
Ｃｕ−Ｃｕ／Ｎｉ系、Ｗ−Ｒｅ系等が、また測温抵抗体
であれば、Ｐｔ抵抗素子が使用可能であり、使用雰囲気
や温度に対して適切なものを選定すればよい。例えば、
大気中３００℃以下で用いるような場合には、Ｎｉ／Ｃ
ｒ−Ａｌ／Ｍｎ系やＰｔ／Ｒｈ−Ｐｔ系やＮｉ／Ｃｒ−
Ｃｕ／Ｎｉ系等が望ましく、還元性雰囲気下において
は、Ｆｅ−Ｃｕ／Ｎｉ系等が望ましい。

【００２４】また、図３に示すように、測温素子１０の
先端部には、測温接点１０ｂが形成されている。測温接
点１０ｂは、測温検知のバラツキを小さくするために、
レーザー溶接等により溶融接合し均一な形状で形成する
ことが望ましい。測温接点以降については、素線同士の
接触による測温障害を防止するために適当な角度で引き
出されているが、測温接点１０ｂ以外からの受熱を避け
るため凹部２１に接触しない程度の角度にすることが望
ましい。また、素線自体に樹脂コート・ガラスコート・
セラミックコート等の絶縁材料をコーティングしたもの
を用いることも有効である。また、必要に応じて、充填
保持部以降に絶縁スリーブ等を用いても良い。

【００２５】また、凹部２１の開口部の面積は、１ｍｍ
²〜３０ｍｍ²とすることが望ましい。該凹部２１の開口
部の面積が１ｍｍ²より小さいと測温素子１０の設置及
び充填材２２の充填にムラが生じ易く測温がばらついて
しまう。また、３０ｍｍ²より大きいと、発熱抵抗体５
間のギャップが大きくなり、ウエハＷ表面の温度分布が
大きくなるので好ましくない。

【００２６】また、凹部２１の深さｄは、セラミックス
板２の厚みｔに対し１／４ｔ≦ｄ≦３／４ｔとすること
が望ましい。該深さｄが１／４ｔより小さいとウエハ載
置面との距離が大きくなるため測温にずれが生じ、ウエ
ハを目的の温度に昇温させられない。また、３／４ｔよ
り大きくなると逆に温度のオーバーシュートが大きくな
りすぎるため望ましくない。

【００２７】また、凹部２１の底面と測温素子１０の測
温接点１０ｂとの距離Ｌが、０≦Ｌ≦１．０ｍｍである
ことがより望ましい。距離Ｌが１ｍｍをこえると温度検
知の応答性が遅れオーバーシュートが大きめになるが、
１．０以下とすることで、オーバーシュートがより小さ
くなる。

【００２８】更に、凹部２１に挿入設置する測温素子１
０の素線径は、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ、さらに好ま
しくは０．１〜０．５ｍｍとすることが望ましい。素線
径が０．０５ｍｍより細いと、強度がなく取り扱いが安
定しない為、該凹部２１への組み付けの際に位置ずれを
起こし易く安定した設置が行えず好ましくない。また、
１．０ｍｍより太いと、測温素子１０自体の熱容量が大
きくなりすぎる為、素線を通しての熱引きが大きくなり
温度検知に遅れが生じ、オーバーシュートが大きくなり
過ぎるため好ましくない。

【００２９】更に、凹部２１に測温素子１０を保持する
ために用いる充填材２２は、セラミックス板２の熱伝導
率に対し８．３〜１５０％の熱伝導率のものを用いる。
熱伝導率の比率が８．３％未満になると、発熱抵抗体５
より発生したジュール熱が、セラミックス板２を介して
載置面３に伝わる速度に対し、充填材２２を介して測温
素子１０に伝わる速度が遅すぎる為、温度検知に遅れが
生じ、オーバーシュートが大きくなり過ぎるため好まし
くない。また、１５０％を越えると、ジュール熱がセラ
ミックス板２を介して載置面３に伝わる速度に対し、充
填材２２を介して測温素子１０に伝わる速度が速過ぎる
為、載置面３が所定の温度に到達する前に、測温素子１
０が温度検知をし、発熱抵抗体５への電力供給を早く止
めてしまい、その結果、昇温が遅くなる為、好ましくな
い。さらに好ましくは、セラミックス板２の熱伝導率に
対して２５〜１００％の充填材を用いる方が良い。

【００３０】更に、気孔率については、０．１％〜５０
％の範囲にすることが好ましい。気孔率が０．１％未満
になると、充填剤２２の柔軟性が損なわれ、セラミック
ヒーターに温度サイクルを加えた際、セラミックス板２
と充填剤２２との間に発生する熱応力を緩和出来なくな
り、長期間、使用すると充填剤２２がセラミックス板２
より剥離してしまい、正確な温度制御が出来なくなる
為、好ましくない。また５０％を越えると気孔が断熱材
として作用し、測定温度がなかなか安定しなくなるので
好ましくない。さらに好ましくは、気孔率を０．５〜２
５％とする方が、耐久性とオーバーシュート量ともに良
好なものになる。

【００３１】気孔率の調整は、充填後常温でしばらく放
置し脱泡を行うなどして、巻き込んだ気泡を除去するこ
とにより調整することが好ましい。また、気孔率を増加
させる手法としては、樹脂にカーボンや金属粉末のよう
なフィラーを混合する際の回転数や時間を調整すること
により、増加させることができる。

【００３２】更に充填材２２の熱膨張率については、セ
ラミックス板２の熱膨張係数に対して５０％〜２００％
の範囲のものが望ましい。充填材２２の熱膨張率が上記
の範囲外となると、加熱冷却の繰り返しの際に、熱膨張
率差による応力により測温素子１０が凹部２１からはみ
出してくるようになるので好ましくない。また、セラミ
ックス板２との濡れ性も重要である。測温素子１０と凹
部２１との間に隙間が発生するようであると、隙間が断
熱層として作用し正確な温度が測定できず、所定の温度
になるまでの時間が長くなるので好ましくない。さらに
好ましくは、セラミックス板２の熱膨張率に対して７０
〜１４０％の熱膨張率を有する充填材２２を用いると良
い。

【００３３】また、本発明に使用する充填材２２として
は、耐熱性樹脂にカーボンや窒化アルミニウム、ボロン
ナイトライド、金属粉末のように高熱伝導性を有する粉
末を分散させたものを使用することができる。このよう
に樹脂に、高熱伝導性粉末を分散させたタイプの充填材
２２は流動性がいいので、充填時の作業性がよくなる。
樹脂の種類としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリイ
ミドアミド等の耐熱温度が３００℃以上の樹脂を用いる
ことが好ましい。これに対し、耐熱温度が２００℃以下
のエポキシ樹脂、シリコン樹脂等を用いた場合、固着強
度は高いが使用中に樹脂が炭化して脆くなり、測温素子
１０が剥離して正確な温度が測定できなくなる。また、
熱伝導率を損なわないように充填すれば、充填材２２と
してアルミナセメント等のセメント類を使用することも
可能である。

【００３４】上記のように充填材２２として導電性のあ
る高熱伝導性の粉末を使用する場合、測温素子１０の素
線同士が短絡しないように、素線および測温部の表面を
シリカで被覆してやれば良い。

【００３５】なお、発熱抵抗体５を複数のゾーンに分割
して温度制御する場合は、ゾーンの数に応じて、測温素
子１０の数を増やすことが好ましい。これにより、ウエ
ハＷの温度をより実温に近い値に制御することが可能と
なる。また、この場合は特に、測温素子１０の個々の設
置条件を均一にする必要がある。これは、個々の測温素
子１０間の温度検知がばらつくと、個々の発熱抵抗体５
ブロックの制御がばらつき、昇温過渡時のウエハの温度
分布に悪影響を与えるためである。

【００３６】さらに、図１において、金属製の支持体１
１は、側壁部と板状構造体１３を有し、該板状構造体１
３には、その面積の５〜５０％にあたる開口部が形成さ
れている。また、該板状構造体１３には、必要に応じて
他に、セラミックス板２の発熱抵抗体５に給電するため
の給電部６と導通するための導通端子７、セラミックス
板２を冷却するためのガス噴出口、セラミックス板２の
温度を測定するための測温素子１０１０を設置する。

【００３７】また、不図示のリフトピンは支持体１１内
に昇降自在に設置され、ウエハＷを載置面３上に載せた
り、載置面３より持ち上げるために使用される。そし
て、このウエハ加熱装置１により半導体ウエハＷを加熱
するには、不図示の搬送アームにて載置面３の上方まで
運ばれたウエハＷをリフトピンにより支持したあと、リ
フトピンを降下させてウエハＷを載置面３上に載せる。
次に、給電部６に通電して発熱抵抗体５を発熱させ、絶
縁層４及びセラミックス板２を介して載置面３上のウエ
ハＷを加熱する。

【００３８】このとき、本発明によれば、セラミックス
板２を炭化珪素質焼結体、炭化硼素質焼結体、窒化硼素
質焼結体、窒化珪素質焼結体、もしくは窒化アルミニウ
ム質焼結体により形成してあることから、熱を加えても
変形が小さく、板厚を薄くできるため、所定の処理温度
に加熱するまでの昇温時間及び所定の処理温度から室温
付近に冷却するまでの冷却時間を短くすることができ、
生産性を高めることができるとともに、６０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上の熱伝導率を有することから、薄い板厚でも発熱抵
抗体５のジュール熱を素早く伝達し、載置面３の温度ば
らつきを極めて小さくすることができる。しかも、大気
中の水分等と反応してガスを発生させることもないた
め、半導体ウエハＷ上へのレジスト膜の貼付に用いたと
しても、レジスト膜の組織に悪影響を与えることがな
く、微細な配線を高密度に形成することが可能である。

【００３９】ところで、このような特性を満足するに
は、セラミックス板２の板厚を１ｍｍ〜７ｍｍとするこ
とが良い。これは、板厚が１ｍｍ未満であると、板厚が
薄すぎるために温度ばらつきを平準化するというセラミ
ックス板２としての効果が小さく、発熱抵抗体５におけ
るジュール熱のばらつきがそのまま載置面３の温度ばら
つきとして現れるため、載置面３の均熱化が難しいから
であり、逆に板厚が７ｍｍを越えると、セラミックス板
２の熱容量が大きくなり過ぎ、所定の処理温度に加熱す
るまでの昇温時間や温度変更時の冷却時間が長くなり、
生産性を向上させることができないからである。

【００４０】また、以上詳述した本発明のウエハ加熱装
置１において、図１に示すように、セラミックス板２の
表面に、絶縁層４を介して発熱抵抗体５を形成し、発熱
抵抗体５を露出させてあることから、使用条件等に合わ
せて載置面３の温度分布が均一となるように、発熱抵抗
体５にトリミングを施して抵抗値を調整することもでき
る。

【００４１】また、セラミックス板２を形成するセラミ
ックスとしては、炭化珪素、炭化硼素、窒化硼素、窒化
珪素、窒化アルミニウムのいずれか１種以上を主成分と
するものを使用することができる。炭化珪素質焼結体と
しては、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤として硼素
（Ｂ）と炭素（Ｃ）を含有した焼結体や、主成分の炭化
珪素に対し、焼結助剤としてアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とイ
ットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を含有し１９００〜２２００℃で焼
成した焼結体を用いることができ、また、炭化珪素はα
型を主体とするもの、あるいはβ型を主体とするものの
いずれであっても構わない。

【００４２】また、炭化硼素質焼結体としては、主成分
の炭化硼素に対し、焼結助剤として炭素を３〜１０重量
％混合し、２０００〜２２００℃でホットプレス焼成す
ることにより焼結体を得ることができる。

【００４３】そして、窒化硼素質焼結体としては、主成
分の窒化硼素に対し、焼結助剤として３０〜４５重量％
の窒化アルミニウムと５〜１０重量％の希土類元素酸化
物を混合し、１９００〜２１００℃でホットプレス焼成
することにより焼結体を得ることができる。窒化硼素の
焼結体を得る方法としては、他に硼珪酸ガラスを混合し
て焼結させる方法があるが、この場合熱伝導率が著しく
低下するので好ましくない。

【００４４】また、窒化珪素質焼結体としては、主成分
の窒化珪素に対し、焼結助剤として３〜１２重量％の希
土類元素酸化物と０．５〜３重量％のＡｌ₂Ｏ₃、さらに
焼結体に含まれるＳｉＯ₂量として１．５〜５重量％と
なるようにＳｉＯ₂を混合し、１６５０〜１７５０℃で
ホットプレス焼成することにより焼結体を得ることがで
きる。ここで示すＳｉＯ₂量とは、窒化珪素原料中に含
まれる不純物酸素から生成するＳｉＯ₂と、他の添加物
に含まれる不純物としてのＳｉＯ₂と、意図的に添加し
たＳｉＯ₂の総和である。

【００４５】また、窒化アルミニウム質焼結体として
は、主成分の窒化アルミニウムに対し、焼結助剤として
Ｙ₂Ｏ₃やＹｂ₂Ｏ₃等の希土類元素酸化物と必要に応じて
ＣａＯ等のアルカリ土類金属酸化物を添加して十分混合
し、平板状に加工した後、窒素ガス中１９００〜２１０
０℃で焼成することにより得られる。

【００４６】これらの焼結体は、その用途により材質を
選択して使用する。例えば、レジスト膜の乾燥に使用す
る場合は、窒化物は水分と反応してアンモニアガスを発
生し、これがレジスト膜に悪影響を及ぼすので使用でき
ない。また、８００℃程度の高温で使用する可能性のあ
るＣＶＤ用のウエハ加熱装置の場合は、ガラスを多く含
む窒化硼素系の材料は、セラミックス板２が使用中に変
形してしまい均熱性が損なわれてしまう可能性がある。

【００４７】さらに、セラミックス板２の載置面３と反
対側の主面は、ガラスや樹脂からなる絶縁層４との密着
性を高める観点から、平面度２０μｍ以下、面粗さを中
心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ〜０．５μｍに研磨
しておくことが好ましい。

【００４８】一方、炭化珪素質焼結体をセラミックス板
２として使用する場合、多少導電性を有するセラミック
ス板２と発熱抵抗体５との間の絶縁を保つ絶縁層４とし
ては、ガラス又は樹脂を用いることが可能であり、ガラ
スを用いる場合、その厚みが１００μｍ未満では耐電圧
が１．５ｋＶを下回り絶縁性が保てず、逆に厚みが５０
０μｍを越えると、セラミックス板２を形成する炭化珪
素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体との熱膨張差が
大きくなり過ぎるために、クラックが発生して絶縁層４
として機能しなくなる。その為、絶縁層４としてガラス
を用いる場合、絶縁層４の厚みは１００μｍ〜５００μ
ｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは１５０
μｍ〜４００μｍの範囲で形成することが良い。

【００４９】炭化珪素質焼結体からなるセラミックス板
２の表面に絶縁層４を形成する場合、予め表面を酸化処
理することにより、０．０１〜２μｍ厚みのＳｉＯ₂か
らなる酸化膜１２を形成したのち、さらにその表面に絶
縁層４を形成するまた、セラミックス板２を、窒化アル
ミニウムを主成分とするセラミック焼結体で形成する場
合は、セラミックス板２に対する発熱抵抗体５の密着性
を向上させるために、ガラスからなる絶縁層４を形成す
る。ただし、発熱抵抗体５の中に十分なガラスを添加
し、これにより十分な密着強度が得られる場合は、省略
することが可能である。

【００５０】次に、絶縁層４に樹脂を用いる場合、その
厚みが３０μｍ未満では、耐電圧が１．５ｋＶを下回
り、絶縁性が保てなくなるとともに、発熱抵抗体５にレ
ーザー加工等によってトリミングを施した際に絶縁層４
を傷付け、絶縁層４として機能しなくなり、逆に厚みが
４００μｍを越えると、樹脂の焼付け時に発生する溶剤
や水分の蒸発量が多くなり、セラミックス板２との間に
フクレと呼ばれる泡状の剥離部ができ、この剥離部の存
在により熱伝達が悪くなるため、載置面３の均熱化が阻
害される。その為、絶縁層４として樹脂を用いる場合、
絶縁層４の厚みは３０μｍ〜４００μｍの範囲で形成す
ることが好ましく、望ましくは６０μｍ〜２００μｍの
範囲で形成することが良い。

【００５１】また、絶縁層４を形成する樹脂としては、
２００℃以上の耐熱性と、発熱抵抗体５との密着性を考
慮すると、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポ
リアミド樹脂等が好ましい。

【００５２】なお、ガラスや樹脂から成る絶縁層４をセ
ラミックス板２上に被着する手段としては、前記ガラス
ペースト又は樹脂ペーストをセラミックス板２の中心部
に適量落とし、スピンコーティング法にて伸ばして均一
に塗布するか、あるいはスクリーン印刷法、ディッピン
グ法、スプレーコーティング法等にて均一に塗布したあ
と、ガラスペーストにあっては、６００℃の温度で、樹
脂ペーストにあっては、３００℃以上の温度で焼き付け
れば良い。また、絶縁層４としてガラスを用いる場合、
予め炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成るセ
ラミックス板２を１２００℃程度の温度に加熱し、絶縁
層４を被着する表面を酸化処理しておくことで、ガラス
から成る絶縁層４との密着性を高めることができる。

【００５３】さらに、絶縁層４上に被着する発熱抵抗体
５としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パ
ラジウム（Ｐｄ）等の金属単体を、蒸着法やメッキ法に
て直接被着するか、あるいは前記金属単体や酸化レニウ
ム（Ｒｅ₂Ｏ₃）、ランタンマンガネート（ＬａＭｎ
Ｏ₃）等の酸化物を導電材として含む樹脂ペーストやガ
ラスペーストを用意し、所定のパターン形状にスクリー
ン印刷法等にて印刷したあと焼付けて前記導電材を樹脂
やガラスから成るマトリックスで結合すれば良い。マト
リックスとしてガラスを用いる場合、結晶化ガラス、非
晶質ガラスのいずれでも良いが、熱サイクルによる抵抗
値の変化を抑えるために結晶化ガラスを用いることが好
ましい。

【００５４】ただし、発熱抵抗体５に銀又は銅を用いる
場合、マイグレーションが発生する恐れがあるため、こ
のような場合には、発熱抵抗体５を覆うように絶縁層４
と同一の材質もしくは発熱抵抗体５のマトリックス成分
と同等の材質から成る保護膜を３０μｍ程度の厚みで被
覆しておけば良い。

【００５５】また、発熱抵抗体５を内蔵するタイプのセ
ラミックス板２に関しては、熱伝導率が高く電気絶縁性
が高い窒化アルミニウム質焼結体を用いることが好まし
い。この場合、窒化アルミニウムを主成分とし焼結助剤
を適宜含有する原料を十分混合したのち円盤状に成形
し、その表面にＷもしくはＷＣからなるペーストを発熱
抵抗体５のパターン形状にプリントし、その上に別の窒
化アルミニウム成形体を重ねて密着した後、窒素ガス中
１９００〜２１００℃の温度で焼成することにより発熱
抵抗体５を内蔵したセラミックス板２得ることが出来
る。また、発熱抵抗体５からの導通は、窒化アルミニウ
ム質基材にスルーホール１９を形成し、ＷもしくはＷＣ
からなるペーストを埋め込んだ後焼成するようにして表
面に電極を引き出すようにすれば良い。また、給電部６
は、ウエハＷの加熱温度が高い場合、Ａｕ、Ａｇ等の貴
金属を主成分とするペーストを前記スルーホール１９の
上に塗布し９００〜１０００℃で焼き付けることによ
り、内部の発熱抵抗体５の酸化を防止することができ
る。

【００５６】上記絶縁層４を形成するガラスの特性とし
ては、結晶質又は非晶質のいずれでも良く、例えばレジ
スト乾燥用に使用する場合、耐熱温度が２００℃以上で
かつ２０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数がセ
ラミックス板２を構成するセラミックスの熱膨張係数に
対し−５〜＋５×１０^-7／℃の範囲にあるものを適宜選
択して用いることが好ましい。即ち、熱膨張係数が前記
範囲を外れたガラスを用いると、セラミックス板２を形
成するセラミックスとの熱膨張差が大きくなりすぎるた
め、ガラスの焼付け後の冷却時において、セラミックス
板２に反りが発生したり、クラックや剥離等の欠陥が生
じ易いからである。

【００５７】

【実施例】実施例１熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋの炭化珪素質焼結体および
熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋの窒化アルミニウム室焼結
体に研削加工を施し、板厚４ｍｍ、外径２３０ｍｍの円
盤状をしたセラミックス板２を複数製作し、発熱抵抗体
５のブロック毎の温度を測定するための測温素子１０設
置用の深さ２．３ｍｍ×１ｍｍφの凹部２１を加工す
る。その後、１０００℃×２時間の酸化処理により表面
に酸化皮膜を形成し、各セラミックス板２の一方の主面
に絶縁層４を被着するため、ガラス粉末に対してバイン
ダーとしてのエチルセルロースと有機溶剤としてのテル
ピネオールを混練して作製したガラスペーストをスクリ
ーン印刷法にて敷設し、１５０℃に加熱して有機溶剤を
乾燥させたあと、５５０℃で３０分間脱脂処理を施し、
さらに７００〜９００℃の温度で焼き付けを行うことに
より、ガラスからなる厚み２００μｍの絶縁層４を形成
した。次いで絶縁層４上に発熱抵抗体５を被着するた
め、導電材としてＡｕ粉末とＰｔ粉末を添加したガラス
ペーストを、スクリーン印刷法にて所定のパターン形状
に印刷したあと、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥さ
せ、さらに５５０℃で３０分間脱脂処理を施したあと、
７００〜９００℃の温度で焼き付けを行うことにより、
厚みが５０μｍの発熱抵抗体５を形成した。発熱抵抗体
５は中心部と外周部を周方向に４分割した５パターン構
成とした。しかるのち発熱抵抗体５に給電部６を導電性
接着剤にて固着させることにより、セラミックス板２を
製作した。

【００５８】その後、分割されたそれぞれの発熱抵抗体
５パターンの測温部の凹部２１に線径０．１ｍｍの素線
からなる測温素子１０を、先端測温部が前記凹部２１の
底部に接するように埋め込み、間に充填材２２を充填し
た。この充填材２２としては、熱伝導率が１〜２００Ｗ
／ｍ・Ｋとなるように、熱伝導率が２３０〜４２０Ｗ／
ｍ・ＫであるＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉ等の粉末を適宜分散させ
た樹脂（ポリイミド）、セラミックスセメント（アルミ
ナセメント）、ロウ材（Ａｕ−Ｃｕロウ、Ａｇ−Ｃｕロ
ウ）を流し込んで固定した。

【００５９】また、支持体１１は、主面の３０％に開口
部を形成した厚み２．５ｍｍのステンレスからなる２枚
の板状構造体１３を準備し、この内の１枚に、１０本の
導通端子７を所定の位置に形成し、同じくステンレスか
らなる側壁部とネジ締めにて固定して支持体１１を準備
した。

【００６０】その後、前記支持体１１の上に、発熱パタ
ーン形成部の略中央部に該凹部２１を形成し、測温素子
１０を設置し、無機系の充填材で保持固定したセラミッ
クス板２を重ね、その外周部を弾性体８を介してネジ締
めすることにより図１に示した本発明のウエハ加熱装置
１とした。

【００６１】そして、転写法により金ペーストからなる
給電部６を形成し、９００℃で焼き付け処理した。

【００６２】そして、このようにして得られた本発明実
施例及び比較例の２０種類のウエハ加熱装置１の導電端
子７に通電して２５０℃で保持し、載置面３の上に載せ
たウエハ表面の温度分布を中心とウエハ半径の１／２の
周上の６分割点６点の合計７点の温度バラツキが１℃以
内となるように温度コントローラーの設定温度を各発熱
パターンの制御チャンネル毎に補正し、その設定バラツ
キを確認した。また、１５０℃でも同様の設定温度の補
正を行い、ウエハを外し加熱装置のみで６０分以上保持
した後、常温に維持されたウエハＷを、加熱装置に投
入、載置面３に載せた瞬間から１５０℃に安定するまで
のウエハＷのオーバーシュート、および１５０±０．５
℃に安定するまでの昇温安定時間を過渡性能評価とし
て、各サンプル５回づつ計測し、その最大値を測定値と
した。

【００６３】評価基準としては、ウエハ温度２５０℃時
の設定温度バラツキが５℃以下のものをＯＫとし、それ
以上となるものはＮＧとした。また、過渡性能評価につ
いては、オーバーシュートは２．０℃以下をＯＫとし、
それ以上をＮＧとした。更に、昇温安定時間について
は、３０〜５０秒で１５０±０．５℃に安定するものを
ＯＫとし、安定後の温度が１４９．５℃未満となった
り、１５０．５℃を越えてしまうもの、および１５０±
０．５℃に安定するものの５０秒以上かかってしまうも
のをＮＧとした。

【００６４】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００６５】

【表１】

【００６６】表１から判るように、Ｎｏ．１、２、１
１、１２、１３に示す比較例のウエハ加熱装置１は、測
温素子間の温度バラツキ、オーバーシュートも大きく、
昇温は１５０±０．５℃を越えて安定しなかった。これ
は、充填材２２の熱伝導率が小さいため発熱抵抗体５の
発熱による熱が、うまく測温素子１０に伝わらなかった
ためと考えられる。

【００６７】また、Ｎｏ．９、１０、２０、２１につい
ては、充填材２２の熱伝導率が大き過ぎるため発熱抵抗
体５の発熱による熱が早く測温素子１０に伝わり過ぎる
ため、発熱抵抗体５の発熱に早く制動が掛かるようにな
り、温度が安定するまでの口部断面積が大きくなりすぎ
ては発熱パターンのギャプが大きくなりすぎて、ウエハ
Ｗの均熱性がくずれやすく、設定値のバラツキが大きく
なり、オーバーシュートも大きくなった。

【００６８】これに対し、セラミックス板２の熱伝導率
に対する充填材２２の熱伝導率が８．３〜１５０％であ
るＮｏ．３〜８、１４〜１９は、オーバーシュート温度
が２度以下、昇温安定時間が５０秒以下と小さく良好な
昇温特性を示した。

【００６９】実施例２ここでは、測温素子１０を固定するための充填材２２の
気孔率の影響について調査した。充填材２２は、平均粒
径１．０μｍのカーボンを分散させたポリイミド樹脂を
用い、混合時の攪拌速度と真空脱泡の程度を調整するこ
とにより、充填材２２の気孔率を０〜５０％の間で調整
した。なお、気孔率は、同時に調整した樹脂を別途固化
させて、その嵩比重を測定し、混合比から得られる理論
密度との差を換算して気孔率とした。このようにして調
整した充填材２２を用いて、それぞれのセラミックス板
２の凹部２１に測温素子１０を固定し、実施例１と同様
な手法でオーバーシュート温度を測定し、さらに、４０
℃以下から２５０℃まで２分で昇温し、３分で４０℃以
下に強制空冷する熱サイクルを掛けた際の測温素子１０
の抜けの有無を確認した。抜けは、初期の測温素子１０
の高さを基準として、測温素子１０が１００００サイク
ル以内に０．３ｍｍ以上移動したものを抜けＮＧとし、
このような抜けが発生しないものをＯＫとした。

【００７０】結果を表２に示した。

【００７１】

【表２】

【００７２】表２から判るように、気孔率がゼロのＮ
ｏ．１は、５０００サイクルで抜けが発生した。昇温サ
イクル時にセラミックス板２と充填材２２の熱膨張率の
差により充填材２２が抜ける方向に変化し、測温素子１
０の位置に変化が生じたものと判断した。これに対し
て、Ｎｏ．２〜９は変化量が小さく安定していた。これ
は、気孔が充填材２２の弾性を向上させ、充填材２２と
セラミック基板２の熱膨張差による応力を吸収している
ものと判断した。

【００７３】実施例３ここでは、セラミックス板２の材質を窒化アルミニウム
とし、充填材２２の熱膨張率を２〜２０×１０^-6／℃と
変化させて、熱サイクルテスト後の測温素子１０の抜け
の発生の有無を判断した。具体的には、充填材２２とし
て熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋであるポリイミド樹脂にカー
ボン、Ａｌ、Ｃｕ等の金属を分散させたものを用いて評
価した。評価方法、評価基準は実施例２と同様にした。

【００７４】結果を、表３に示した。

【００７５】

【表３】

【００７６】表３から判るように、充填材２２の熱膨張
率がセラミックス板２の熱膨張率に対して４３％未満の
Ｎｏ．１および熱膨張率の比率が２１４％を越えるＮ
ｏ．９は、測温素子１０が移動してしまい好ましくなか
った。これに対し、前記熱膨張率の比率が４３〜２１４
％であるＮｏ．２〜８は、測温素子１０の移動が発生せ
ず良好な耐久性を示した。

【００７７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、セラミ
ックス板の表面または内部に発熱抵抗体を形成し、該セ
ラミックス板に有底孔を設けると共に該有底孔に測温素
子を備えたウエハ加熱装置において、セラミックス板の
熱伝導率に対し８．３〜１５０％の熱伝導率を有する充
填剤で前記測温素子を固定することにより、温度変更に
伴う温度の安定の早い、耐久性良好なウエハ加熱装置を
得ることができるようになる。

【００７８】また、前記充填剤の気孔率は０．１％〜５
０％とすることが好ましい。

【００７９】また、前記充填剤の熱膨張係数を前記セラ
ミックス板の熱膨張係数に対し４３〜２１４％とするこ
とが好ましい事が判った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のウエハ加熱装置を示す断面図である。

【図２】本発明のウエハ加熱装置のセラミックス板を示
す平面図である。

【図３】本発明のウエハ加熱装置の測温素子設置部を示
す断面図である。

【図４】従来のウエハ加熱装置を示す断面図である。

【図５】従来のウエハ加熱装置の測温素子設置部を示す
要部拡大断面図である。

【図６】比較例のウエハ加熱装置を示す部分断面図であ
る。

【符号の説明】

１：ウエハ加熱装置２：セラミックス板３：載置面４：絶縁層５：発熱抵抗体６：給電部７：支持体８：弾性体１０：測温素子１１：充填材２１：凹部２２：充填材２３：凹部Ｗ：半導体ウエハｔ：厚み

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｂ 3/00 ３６５Ｈ０５Ｂ 3/20 ３９３ 3/20 ３９３ 3/74 3/74 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５６７Ｆターム(参考） 2F056 CA02 CA15 KA03 KA12 NA08 3K034 AA02 AA04 AA08 AA10 AA15 AA16 AA19 AA31 AA33 AA34 AA35 AA37 BB06 BB13 BC04 BC29 CA02 CA17 CA22 CA24 CA29 CA32 DA04 DA05 DA08 HA01 HA10 JA01 JA10 3K058 AA04 AA45 AA72 BA00 CA23 CA61 CA69 CA92 CE02 CE13 CE19 CE21 3K092 PP20 QA05 QB02 QB31 QB43 QB47 QB74 QB75 QB76 QB78 QC02 QC20 QC25 QC38 QC44 QC59 RF03 RF11 RF12 RF17 RF22 TT16 UA01 UA17 UA18 VV36 5F046 KA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス板の表面または内部に発熱抵
抗体を形成し、該セラミックス板に設けた有底孔に測温
素子を備えたウエハ加熱装置において、上記セラミック
ス板の熱伝導率に対して８．３〜１５０％の熱伝導率を
有する充填剤で前記測温素子を固定したことを特徴とす
るウエハ加熱装置。
【請求項２】前記充填剤の気孔率が０．１％〜５０％で
あることを特徴とする請求項１記載のウエハ加熱装置。
【請求項３】前記充填剤の熱膨張係数が、前記セラミッ
クス板の熱膨張係数に対して４３〜２１４％であること
を特徴とする請求項１又は２記載のウエハ加熱装置。