JP2005311270A - 加熱ステージ - Google Patents

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Abstract

【課題】 ウエハ等の被加熱物を高温に加熱することができると共に、加熱中に不純物の発生による被加熱物の汚染を防止することを可能にした加熱ステージを提供すること。
【解決手段】 被加熱物を載置する平坦なステージ部を備えるとともに、該ステージ部に続き、その内部に加熱手段として複数のランプが収納される円筒部を有するガラス製部材と、円筒部と底面部とを有し、ガラス製部材と一体化して減圧状態の、または不活性ガスが充填される、内部空間を構成する金属製部材とを具備した加熱ステージとする。
【選択図】図1

Description

本発明は、加熱ステージに係わり、より詳しくは、半導体ウエハやガラス基板の加熱装置のチャンバにおける加熱部を構成する加熱ステージに関する。
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形成したり、ウエハ上に塗布されたレジスト液を乾燥焼き付けてレジスト膜を形成するのに、加熱ステージが用いられる。通常、この加熱ステージに設けられる加熱手段は、抵抗加熱を利用したものが多く、例えば、炭化珪素(SiC)ヒータのようなセラミックヒータが用いられていた。特開平2002−329566号公報には炭化珪素ヒータを使用したウエハ加熱装置が開示されている。また、特開2004−6242号公報には抵抗発熱体としてタンタルやタングステン、モリブデン等の高融点金属を使用し、基体セラミックとして窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、サイアロン等を使用したセラミックヒータが示されている。図6には、セラミックヒータからなる加熱ステージの概略図を示す。加熱ステージ200はセラミック基体43中に抵抗発熱体42が例えば一体焼結されてなり、給電線41からの給電により抵抗発熱体が発熱し、被加熱物Wを加熱する。
特開平2002−329566号公報 特開平2004−6242号公報
しかし、セラミックヒータは、半導体プロセスのように高いクリーン度が要求される工程においては、次のような問題がある。即ち、セラミックヒータは、700℃〜800℃のような高温に加熱した状態であると、セラミックの微小な凹凸や間隙に吸着されていた不純物が放出し、それがウエハに吸着されて汚染や不良の原因となる。このようなウエハの汚染は、通称コンタミと呼ばれる。
また、従来の加熱ステージでは、加熱後の加熱ステージの降温が遅いため、加熱工程での被加熱物を交換するタクトタイムが長くなってしまうという問題点があった。
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、従来のセラミックヒータに代えて、ウエハ等の被加熱物を高温に加熱することができると共に、加熱中に不純物の発生による被加熱物の汚染を防止することを可能にし、さらには降温性能を改善した加熱ステージを提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第1の手段は、被加熱物を載置する平坦なステージ部を備えるとともに、該ステージ部に続き、その内部に加熱手段として複数のランプが収納される円筒部を有するガラス製部材と、円筒部と底面部とを有し、ガラス製部材と一体化して減圧状態の、または不活性ガスが充填される、内部空間を構成する金属製部材とを具備したことを特徴とする加熱ステージとするものである。
第2の手段は、前記ランプは、両端に封止部を有するとともに管型封体の内部にフィラメントを有し、該ランプの封止部は、上記被加熱物を支持する領域を有する表面とは反対方向に屈曲していることを特徴とする請求項1に記載の加熱ステージとするものである。
第3の手段は、前記ランプの背面にセラミック繊維からなるシートからなる反射部材を具備したことを特徴とする請求項1に記載の加熱ステージとするものである。
第4の手段は、前記ステージ部に冷却手段を設けたことを特徴とする請求項1に記載の加熱ステージとするものである。
第5の手段は、前記冷却手段がステージ部下方に設けた冷却ガス吹き出し管からなることを特徴とする請求項4に記載の加熱ステージとするものである。
第6の手段は、前記ステージ部を中空構造とし、該中空構造の隙間に冷却ガスを流すことを特徴とする請求項4に記載の加熱ステージとするものである。
請求項1に記載の発明によれば、被加熱物を載置するステージ部がガラス製であるので、不純物が吸着されず、高温に加熱されても、不純物の発生がなく、ウエハ等の被加熱物への汚染の問題が無くなる。また、ランプが配置されるステージ部の内部空間は、外部と遮断されているので、ランプやランプの配線からの汚染も無くなる。
請求項2に記載の発明によれば、ランプの非発光部がステージ部の上面に対面する割合が少なくなり、被加熱物を均一に加熱することが可能となる。また、隣合うランプの発光部を接近して配置することができ、非発光部がステージ部表面に対面する割合を少なくして、被加熱物を均一に加熱することができる。更に、ステージ部の上面とは反対側に設けられたコネクタ部の方向にランプからの配線を揃えやすくなり、束線や接続等の処理作業が容易となる。
請求項3に記載の発明によれば、ランプの背面にセラミック繊維からなるシートを反射部材として具備したので、熱衝撃に強く断熱性に優れた反射部材となる。
請求項4に記載の発明によれば、ステージ部に冷却手段を設けたことで、急速降温が可能となり、加熱工程のタクトタイムの短縮が可能となる。
請求項5に記載の発明によれば、冷却手段がステージ部下方に設けた冷却ガス吹き出し管とすることで冷却手段の配置が簡単であり、冷却が効果的に行われる。
請求項6に記載の発明によれば、ステージ部を中空構造とし、該中空構造の隙間に冷却ガスを流すことで省スペースとなり、冷却が効果的に行われる。
本発明の一実施形態を図1乃至図4を用いて説明する。図1は、ウエハ加熱等に使用される本発明に係る加熱ステージの概要を示す断面図である。同図において、記号100は加熱ステージ全体を指す。記号50は材質が石英ガラス等で構成され、上部にウエハ等の被加熱物を載置する平坦な平らなガラスステージ部であり、ガラスステージ部50に続き、その内部に加熱手段として効率良く赤外線を放射する複数のランプ3が収納される円筒部51を有し、円筒部51の端部にフランジ部52を有するガラス製部材100Aと、フランジ部52と気密に接面する金属製フランジ部25を有し、金属製フランジ部25に続き円筒状の金属筐体部20と底面部26とを有し、ガラス製部材100Aと一体化して減圧状態の、または不活性ガスが充填される、内部空間を構成する金属製部材100Bとを具備している。金属製部材は例えばステンレスからなる。
ガラス製のフランジ部52と金属製フランジ部25はO-リング24aを介在させ、記号21の挟持部材Aと記号22の挟持部材Bで挟み込み固定される。挟持部材Aと挟持部材Bはネジ23aで締め付け固定され、さらにネジ23bで加熱ステージ外の部材と固定される。挟持部材A22とガラス製のフランジ部52との間にはO-リング24cが、挟持部材A22と加熱ステージ外の部材との間にはO-リング24bが介在する。
光反射板5、ランプ3、均熱板4はこの図のように支持柱部材14により金属製部材100Bの底面部26から支えられ、ガラス製部材100Aを上方へ取り外すことにより、光反射板5、ランプ3、均熱板4のメンテナンスが容易に行える。なお、光反射板5、ランプ3、均熱板4の支持方法はこの例に限定されるものではない。
不図示であるが、O-リング24a、24b、24cの耐熱保護のため、金属製フランジ部25の周囲を水冷される。
記号4はガラスステージ部50内部の上部とランプ3間に設けられるカーボン等からなる均熱板、5はランプ3の下部に設けられる、ランプ3から放射される光を均熱板4側に反射する光反射板であり、セラミック繊維からなる。記号6はランプリード線、記号12は外部電源に接続される外部給電線、記号8は電流導入端子、Wはウエハ等の被加熱物、記号13は光反射板5に設けられたランプ封止部31を貫通する貫通孔である。
本発明の加熱ステージ100の内部空間は、本実施例においては窒素により13.3kPaの圧力でパージされており、これによって、加熱中にランプ3の温度が上昇しても、ランプ3のランプ封止部31に用いられているシール箔32の酸化が防止される。窒素は図1においてガス導入口10からランプ3の封止部31近傍近くにて放出され、加熱ステージ100の内部空間内の、金属製部材100Bの底部26近くのガスがガス排出口9から排出されるようになっており、ランプ3の封止部31近傍には十分な窒素雰囲気が保持され、封止部31の金属箔酸化の恐れがない。
また、ガラスステージ部50はガラス製であるので、不純物が吸着されず、高温に加熱されても、不純物の発生がなく、ウエハへの汚染の問題が無くなる。また、ランプ3が配置される加熱ステージ100の内部空間は、外部と遮断されているので、ランプやランプの配線からの汚染も無くなる。
図2は、ランプ3の構造を示す斜視図である。
同図において、31はシール箔32を介してフィラメント34とランプリード線6とを接続すると共に、管型封体の伸びる方向に対して直角方向に屈曲し、ガラスステージ部50の上部表面とは反対側に伸びる方向に配置されるランプ封止部、32はモリブデン箔等からなるシール箔、33はガラス製の筒からなるバルブまたは封体、34はバルブ33内に挿入されたフィラメント、35はサポーターである。
なお、バルブ33内にはハロゲンガスが封入されており、また、このような管型封体の両端にシール部を有するランプをダブルエンドタイプという。
ランプ3両端のランプリード線6に通電すると、フィラメント34が赤熱して赤外線を放射する。フィラメント34から放射された赤外線は、ガラスステージ部50の上部表面に設けられた均熱板4に照射され、さらに均熱板4からウエハ等の被加熱物Wを均一に加熱する。
図3はランプ3のランプ封止部31を屈曲する利点を説明する図である。
図3(a)は、本発明に係るランプ3の構成を示す図、図3(b)は、本発明に係るランプ3と対比するためのランプの構成を示す図である。
ここで、ランプ3の赤外線を放射する部分を発光部、実質的に光を放射しないランプ封止部31を非発光部と呼ぶと、仮に、図3(b)に示すようなランプの非発光部が、ガラスステージ部50の表面と対面していると、被加熱物Wの非発光部に対応する部分が加熱しにくくなり、均一に加熱されにくくなる。それに対して、図3(a)に示すように、ランプ封止部31をガラスステージ部50の上面とは反対側に曲げると、非発光部がガラスステージ部50の上面に対面する割合が少なくなり、被加熱物Wを均一に加熱することが可能となる。また、ランプ封止部31が屈曲していると、隣合うランプ3の発光部を
接近して配置することができ、上記と同様に、非発光部がガラスステージ部50表面に対面する割合を少なくして、被加熱物Wを均一に加熱することができる。
図4は、図1の加熱ステージ1を上部表面側からみたランプ3の配置を示す図である。同図に示すように、内側に複数の封体が直管状のランプ3を並べ、その外側に複数の円環状のランプ3を同心円状に配置したものである。
円環状のランプ3は、円を2分割した半円形、あるいは4分割した形状のものを組み合わせ、円環状になるように配置している。1つのランプで円を形成してもよいが、径が大きくなると、封体の長さが長くなり、製造が難しくなるので、分割して短くしている。勿論4分割以上に分割したランプを用いてもよい。更に、同図において、直管状のランプ3を配置した部分をその外側と同じように、円環状のランプ3を同心円状に配置してもよい。また、径の小さい小面積のウエハであれば、1本のランプの封体を渦巻状に形成し、1本のランプのみで構成するようにしてもよい。
また、被加熱物Wは、加熱中側面から熱が放射されるので、中央部に比べて周辺部の温度が低くなりやすい。そのため、加熱手段に用いる複数のランプ3は、図示されていない電力制御手段により複数のゾーンに分けて電力制御するとよい。例えば、図4のようにランプ3が配置されている場合、内側の直管状のランプ群と、外側の円環状のランプ群とで、別々に電力制御する。ウエハのような被加熱物Wは、周辺部の温度が低くなりやすいので、中央部に対して周辺部がどの程度温度が下がるかを予め実験して測定しておき、その結果に基づいて、外側の円環状ランプ群を内側の直管状ランプ群に比べて出力が大き
くなるように入力電力を制御する。各ランプ3は直列に接続されており、複数のランプを1つのゾーンとして電力制御が可能である。
次に、光反射板5の詳細について図1を用いて説明する。同図に示すように、光反射板5は、ランプ3のガラスステージ部50の上面とは反対側に設けられ、その材質は赤外領域の光を効率良く反射すると共に、700℃以上の耐熱性を有し、ランプリード線6に近接して設けられることから、ショートの問題がないことを考慮し、アルミナまたはアルミナとシリカからなるセラミック繊維を板状にしたものである。なお、光反射板5はセラミック繊維でなく、例えば、石英等のガラス板の表面に高純度アルミナを塗布等によって形成したものを用いてもよい。
光反射板5には、屈曲したランプ封止部31が通る貫通孔13が設けられている。ランプ封止部31をこの貫通孔13に通すことにより、ランプ3からの光がランプ封止部31に照射されるのを防ぎ、ランプ封止部31の温度上昇を抑えることができる。セラミック板を光反射板とすることにより、ランプ3からガラスステージ部50の上面とは反対方向に放射される光をガラスステージ部50の上面方向に反射し、被加熱物Wの加熱の効率を上げることができる。
次に、均熱板4の詳細について図1を用いて説明する。
同図に示すように、被加熱物Wを均一に加熱したい場合は、ランプ3とガラスステージ部50上面との間に均熱板4を設けるとよい。ランプ3からの光は均熱板4に照射され、ガラスステージ部50上面に載置された被加熱物Wは、この均熱板4からの輻射によって加熱される。均熱板4に用いられるカーボンプレートは熱伝導性が高く、ランプ3の発光部がない部分にも熱を伝え、全体的に均一に温度上昇させることができる。そのため、被加熱物Wを均一に加熱することができる。
次に、本発明に係る加熱ステージでウエハを加熱した時の実験結果を図4を用いて説明する。なお、加熱ステージ1の構造は、基本的には図1に示すものと同じであるが、ランプ3の本数は33本、反射板5を使用したが、均熱板4は使用していない。被加熱物Wとして、φ200mmのシリコンウエハを使用し、設定温度750℃で加熱した時の表面9点の温度を熱電対で測定したものである。9点の平均温度は757℃で、温度分布の幅は+13.5deg〜−20.4deg、面内ばらつきは±2.2%であった。
次に、本発明にかかる加熱ステージの、冷却手段の構造とその効果を示す。
冷却手段の構造の例を挙げれば、図7、図9に示すものがある。図7は、冷却ガス吹き出し管をガラスステージ部50の下方に設けた構造である。図7(a)は加熱ステージ100の上方から見たときの冷却ガス吹き出し管60の配置を示す図であり、ステージ部内にあるため、破線で示している。60aはガス吹き出し口であり、矢印は冷却ガスの吹き出し方向である。冷却ガス吹き出し管60は例えば石英ガラス製である。図7(b)は加熱ステージ100の断面図中で冷却ガス吹き出し管60の配置を示した図である。矢印は冷却ガスの流れる方向を示す。なお、図7、図9ではランプ3は便宜上1本で表しているが、
実際は図4で示した配置になっている。
図7(a)を見てわかるように、この例では冷却ガス吹き出し管60はリング状であり、窒素ガスなどの冷却ガスはリング内方に向けて管に開口したガス吹き出し口60aから吹き出し、加熱ステージ100下方の金属筺体部20の底面部26から排出される。同図においては、ランプリード線や均熱板や被加熱物は便宜上省略してある。図8は冷却ガス吹き出し管60の概略図を示したが、図7(b)のガス導入口10を2箇所にして、その2つのガス導入口10に冷却ガス吹き出し管60の脚部60bが連設される。
また、図9はガラスステージ部20を複数の支柱50aにより隙間Gを設けた中空構造を示している。金属筺体部は省略してある。その中空構造の隙間Gに冷却ガスを直接流すものである。60は冷却ガス吹き出し管であり、隙間Gに開口し、隙間G内を矢印のように冷却ガスが流れる。
図10は冷却効果を示す図である。図7で示した冷却ガス吹き出し管を使用してガラスステージを冷却したときの石英ガラスのガラスステージ部とシリコンウエハの温度測定結果である。測温はガラスステージの表面および、シリコンウエハ上にK型熱電対を埋設して行った。ランプ配置は図4の配置で行い、入力電圧は外側の一連の円環状のランプに200V、直管状のランプに170Vであり、120秒間点灯させ、その後消灯した。冷却ガスの流量は50リットル/分である。図中、ガラスステージ部の温度は破線で示し、冷却した場合が(a)、冷却なしの場合が(b)である。また、シリコンウエハの温度は実線で示し、冷却した場合が(c)、冷却なしの場合が(d)である。
この測定結果の図からわかるように、点灯後120秒で、石英ガラスのガラスステージ部の温度は冷却した場合は約250℃、冷却しない場合は約300℃まで昇温した。一方、シリコンウエハの温度は冷却の有無にかかわらず、いずれも約420℃まで昇温し、冷却によるシリコンウエハの加熱温度への影響はなかった。
そして、ランプ消灯後120秒では、冷却なしの場合は石英ガラスのガラスステージ部の温度(図中(c))は約250℃であり、冷却ありの場合はガラスステージ部の温度(図中(d))は約190℃まで降温した。また、シリコンウエハの温度は、冷却なしの場合は約210℃であったが、冷却ありの場合は約150℃まで降温した。
このように、前記ステージ部に冷却手段を設けたことにより、シリコンウエハ等の被加熱物の到達温度には問題ない一方で降温は早くなり、つまりは急速降温が可能となり、加熱工程のタクトタイムの短縮が可能となることがわかる。
本発明の加熱ステージの概略断面図である。 本発明に使用されるランプの構造を示す斜視図である。 本発明に使用されるランプの構造を示す図および従来のランプの構成を示す図を対比した図である。 本発明の加熱ステージを上表面側からみたランプの配置を示す図である。 本発明の加熱ステージでウエハを加熱したときの実験結果を説明する図である。 従来のセラミックヒータからなる加熱ステージの概略図である。 本発明の加熱ステージにおいて、冷却ガス吹き出し管をガラスステージ部の下方に設けた構造を示す。 冷却ガス吹き出し管の概略図を示す。 本発明の加熱ステージにおいて、ガラスステージ部を複数の支柱により隙間を設けた中空構造とした例を示す。 本発明における降温の効果のわかる温度測定結果を示す。
符号の説明
3 ランプ
4 均熱板
5 光反射板
6 ランプリード線
8 電流導入端子
9 ガス排出口
10 ガス導入口
11 ガス導入管
12 外部給電線
13 貫通孔
14 支持柱部材
20 金属筐体部
21 挟持部材A
22 挟持部材B
23a、23b ネジ
24a、24b、24c O-リング
25 金属製フランジ部
26 底部
31 ランプ封止部
32 シール箔
33 バルブ
34 フィラメント
35 サポーター
41 給電線
42 抵抗発熱体
43 セラミック基体
50 ガラスステージ部
50a 支柱
51 円筒部
52 フランジ部
60 冷却ガス吹き出し管
60a ガス吹き出し口
60b 脚部
70 支柱
100 加熱ステージ
100A ガラス製部材
100B 金属製部材
200 加熱ステージ
被加熱物
G 隙間

Claims (6)

  1. 被加熱物を載置する平坦なステージ部を備えるとともに、該ステージ部に続き、その内部に加熱手段として複数のランプが収納される円筒部を有するガラス製部材と、
    円筒部と底面部とを有し、ガラス製部材と一体化して減圧状態の、または不活性ガスが充填される、内部空間を構成する金属製部材とを具備したことを特徴とする加熱ステージ。
  2. 前記ランプは、両端に封止部を有するとともに管型封体の内部にフィラメントを有し、該ランプの封止部は、上記被加熱物を支持する領域を有する表面とは反対方向に屈曲していることを特徴とする請求項1に記載の加熱ステージ。
  3. 前記ランプの背面にセラミック繊維からなるシートを反射部材として具備したことを特徴とする請求項1に記載の加熱ステージ。
  4. 前記ステージ部に冷却手段を設けたことを特徴とする請求項1に記載の加熱ステージ。
  5. 前記冷却手段がステージ部下方に設けた冷却ガス吹き出し管からなることを特徴とする請求項4に記載の加熱ステージ。
  6. 前記ステージ部を中空構造とし、該中空構造の隙間に冷却ガスを流すことを特徴とする請求項4に記載の加熱ステージ。

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