JP2006093496A - ウェハ加熱装置及びそれを用いた半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハ加熱装置では、ヒータ部に冷却ガスを供給しても、冷却ガスの供給量を大幅に増加することは難しいため、３００ｍｍ以上の大型のウェハを加熱するウェハ加熱装置のヒータ部を短時間で冷却することができないという問題があった。
【解決手段】板状体の一方の主面に複数の帯状の抵抗発熱体を備え、他方の主面にウェハを載せる載置面を備えたヒータ部と、前記抵抗発熱体に電力を供給する給電端子と、該給電端子を包むように板状体と接続したケースと、該ケースに前記ヒータ部を冷却するノズルと開口部とを備え、載置面への投影面から見て、上記抵抗発熱体は略同一の幅を有する円弧状の帯と折り返し帯とを連続させて略同心円状に配設され、上記ノズルの先端が上記各抵抗発熱体の間に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に、半導体の製造用や検査用装置として用いられるウェハ加熱装置やそれを用いた半導体製造装置に関するものであり、例えば、半導体ウェハや液晶基板あるいは回路基板等のウェハ上に半導体薄膜を生成したり、前記ウェ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。

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、半導体ウェハ（以下、ウェハと略す）を加熱するためのウェハ加熱装置が用いられている。

温度制御性に優れ、半導体素子の配線の微細化とウェハ熱処理温度の精度向上が要求されるのに伴い、セラミック製のウェハ加熱装置が広く使用されている。

このようなセラミック製のウェハ加熱装置として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３や特許文献４には、図７に示すようなセラミック製のウェハ加熱装置７１が提案されている。

このセラミック製のウェハ加熱装置７１は、板状セラミックス体７２、ケース７９、を主要な構成要素としたもので、アルミニウム等の金属からなる有底状のケース７９の開口部に、窒化物セラミックスや炭化物セラミックスからなる板状セラミック体７２を樹脂製の断熱性の接続部材７４を介してボルト８０で固定され、その上面をウェハＷを載せる載置面７３とするとともに、板状セラミック体７２の下面に、例えば図８に示すような同心円状の抵抗発熱体７５を備えたヒータ部からなっていた。

さらに、抵抗発熱体７５の端子部には、給電端子７７がロウ付けされており、この給電端子７７がケース７９の底部７９ａに形成されたリード線引出用の孔７６に挿通されたリード線７８と電気的に接続されるようになっていた。

そして、板状セラミックス体７２とケースで囲まれた空間内にノズル８２より冷媒を送り、循環させ排出口８３より排出することによりヒータ部を冷却するようになっていた。

ところで、このようなセラミック製のウェハ加熱装置７１において、ウェハＷの表面全体に均質な膜を形成したり、レジスト膜の加熱反応状態を均質にするにはウェハ面内の温度差を小さくして温度分布を均一にすることが重要であり、同時にウェハを加熱・冷却する際の時間が短いことが求められている。更に、ウェハの加熱温度を変更するためにセラミックスヒータ７１の設定温度を変更する必要があり、セラミック製のウェハ加熱装置７１を短時間に昇温したり冷却する時間が短い必要があった。

特許文献５には、図７に示すように、ケース７９の底部７９ａの面粗度を一定の値以下とすると冷媒が底部７９ａとの界面で気流の乱れが無くなり昇温効率や冷却効率を向上させている。

また、特許文献６には、上記のセラミック製のウェハ加熱装置７１の熱容量を５０００Ｊ／Ｋ以下として、ウェハの昇温速度や冷却速度を高めている。しかし、ケース７９の熱容量は板状セラミックス体７３の熱容量の３．３倍以上と大きく、また、ケース７９の表面積Ｓとケース７９の体積Ｖとの比率Ｓ／Ｖが５（１／ｃｍ）を下回ることから冷却時間が長かった。

しかし、いずれもウェハの設定加熱温度を変更する時間は長く、短時間で温度変更できるセラミックスヒータが求められていた。

また、特許文献８には、ケース内に強制冷却用のノズルと開口部とを備え、ノズルから冷媒を供給し、上記ヒータ部を強制冷却する方法が採用されている。

ところで、このようなセラミックスヒータ７１において、ウエハＷの表面全体に均質な膜を形成したり、レジスト膜の加熱反応状態を均質にするためには、ウエハの温度分布を均一にすることが重要である。その為、これまでウエハの温度分布を小さくするため、帯状の抵抗発熱体７５の抵抗分布を調整したり、帯状の抵抗発熱体７５の温度を分割制御することが行われており、また、熱引きを発生し易い構造の場合、その周囲の発熱量を増大させる等の提案がされていた。

しかし、いずれも非常に複雑な構造、制御が必要になるという課題があり、簡単な構造で温度分布を均一に加熱できるようなセラミックスヒータが求められている。
特開２００１−１３５６８４号公報 特開２００１−２０３１５６号公報 特開２００１−３１３２４９号公報 特開２００２−７６１０２号公報 特開２００２−８３８４８号公報 特開２００２−１００４６２号公報 特開２００２−６４１３３号公報 特開２００４−０６３８１３号公報

しかしながら、上記のウェハ加熱装置では、ヒータ部に冷媒を供給しても、冷媒の供給量を大幅に増加することは難しいため、３００ｍｍ以上の大型のウェハを加熱するウェハ加熱装置のヒータ部を短時間で冷却することができないという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、抵抗発熱体を有する板状体からなるヒータ部の冷却速度を向上させることで急速冷却が可能なウェハ加熱装置を提供することを目的とする。

更に、半導体素子の配線微細化に伴い使用され始めた化学増幅型レジストにおいては、ウェハの面内温度差が小さく、繰り返し加熱冷却してもウェハ面内温度差が大きくならないことが望まれている。

本発明のウェハ加熱装置は、板状体の一方の主面に複数の帯状の抵抗発熱体を備え、他方の主面にウェハを載せる載置面を備えたヒータ部と、前記抵抗発熱体に電力を供給する給電端子と、該給電端子を包むように板状体と接続したケースと、該ケースに前記ヒータ部を冷却するノズルと開口部とを備え、載置面への投影面から見て、上記抵抗発熱体は略同一の幅を有する円弧状の帯と折り返し帯とを連続させて略同心円状に配設され、上記ノズルの先端が上記各抵抗発熱体の間に位置することを特徴とする。

また、上記板状体の熱伝導率が上記抵抗発熱体よりも大きいことを特徴とする。

また、上記複数の帯状の抵抗発熱体は、上記板状体の中心部に備えた円形の抵抗発熱体ゾーンと、その外側の同心円の３つの円環状の抵抗発熱体ゾーンからなることを特徴とする。

また、前記３つの円環状の抵抗発熱体ゾーンのうち、最も外側の抵抗発熱体ゾーンは、円環を４等分した４個の扇状であり、その内側の抵抗発熱体ゾーンは、円環を円周方向に２等分した２個の扇状であることを特徴とする。

また、上記中心部に備えた円形の抵抗発熱体ゾーンとその外側の同心円の円環状の抵抗発熱体ゾーンとの間隔Ｓ１と、該円環状の抵抗発熱体ゾーンとその外側の円環状の抵抗発熱体ゾーンとの間隔Ｓ２と、該円環状の抵抗発熱体ゾーンと最も外側の円環状の抵抗発熱体ゾーンとの間隔Ｓ３とを備え、間隔Ｓ３が他の間隔Ｓ１、Ｓ２より大きいことを特徴とする。

また、上記載置面３への投影面から見て、上記最も外側の円環状の抵抗発熱体ゾーンとその内側の抵抗発熱体ゾーンとの間に上記ノズルの先端を複数個備えていることを特徴とする。

また、本発明は、板状体の一方の主面に複数の帯状の抵抗発熱体と複数の絶縁層とを備え、他方の主面にウェハを載せる載置面を備えたヒータ部と、前記抵抗発熱体に電力を供給する給電端子と、該給電端子を包むように板状体と接続したケースと、該ケースに前記ヒータ部を冷却するノズルと開口部とを備え、載置面への投影面から見て、上記ノズルの先端が上記絶縁層の間に位置することを特徴とする。

また、上記板状体の熱伝導率が上記絶縁層よりも大きいことを特徴とする。

また、上記複数の帯状の抵抗発熱体は、上記板状体の中心部に備えた円形の抵抗発熱体ゾーンと、その外側の同心円の３つの円環状の抵抗発熱体ゾーンからなり、上記抵抗発熱体ゾーンに対応して個別の上記絶縁層を備え、上記載置面からみて、上記ノズルの先端が上記絶縁層の間にあることを特徴とする。

また、上記最も外側の抵抗発熱体ゾーンを覆う絶縁層とその内側の抵抗発熱体ゾーンを覆う絶縁層との間に上記ノズルを複数個備えていることを特徴とする。

また、上記請求項１〜１０の何れかに記載のウェハ加熱装置を用いた半導体製造装置であることを特徴とする。

上記ウェハ加熱装置によれば、ヒータ部の冷却時間を短くすることで、ウェハの冷却時間を短くすることができる。そして、半導体製造工程におけるウェハ処理時間が短縮し、半導体素子を効率良く量産できる。

また、ウェハ面内の温度差が小さく耐久性の優れたウェハ加熱装置が得られる。

図１は本発明に係るウェハ加熱装置１の例を示す断面図で、熱伝導率の大きな炭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からなる板状体２の一方の主面を、ウェハＷを載せる載置面３とするとともに、他方の主面に抵抗発熱体５とその両端に給電部６を形成したヒータ部７を備えている。また、ヒータ部７の給電部６には給電端子１１が接続している。そして、給電端子１１を覆うように金属製のケース１９が断熱部材１７を介して接続している。

また、ウェハリフトピン２５は板状セラミック体２を貫通する孔を通してウェハＷを上下に移動させウェハＷを載置面３に載せたり降ろしたりすることができる。

抵抗発熱体５は導体成分として、耐熱性および耐酸化性が良好な貴金族金属、もしくはこれらの合金を主成分とするものを使用することが好ましい。抵抗発熱体５としては、板状体２との密着性および抵抗発熱体５自体の焼結性を向上させるために、３０〜７５重量％のガラス成分を混合することが好ましく、抵抗発熱体５の熱伝導率は板状体２の熱伝導率に比べ小さくなっている。

図２は本発明の一例である抵抗発熱体５の形状を示す正面図である。図３は図２の各抵抗発熱体５を囲む抵抗発熱体ゾーン４を示す概略図である。略同一の幅を有する円弧状の帯５１と折り返し帯５２とを連続させて略同心円状に配設した抵抗発熱体５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈを囲む抵抗発熱体ゾーン４ｅｈを備え、その中に同様に円環状の複数の抵抗発熱体ゾーン４ｃｄ、４ｂ、４ａを備えている。そして、これらの抵抗発熱体ゾーンの抵抗発熱体５は独立して加熱できることからウェハＷの面内温度差を小さくすることができる。また、抵抗発熱体５の形状としては、図６に示す円弧状の帯と折り返し直線状の帯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形状であれば良い。

抵抗発熱体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に給電端子１１を不図示の弾性体により押圧して接触させることにより、導通が確保されている。また、給電端子１１は半田付けやロー付けなどにより抵抗発熱体５に直接接合されていても良い。

金属製のケース１９は側壁部２２とベースプレート２１を有し、板状体２はそのベースプレート２１に対向してケース１９の上部を覆うように設置してある。また、ベースプレート２１には冷却ガスを排出するための開口部２３が施されており、給電部６に導通する給電端子１１、ヒータ部７を冷却するためのノズル２４、ヒータ部７の温度を測定するための温度センサー２７が設けられている。

また、板状体２とケース１９の周辺部にボルトを貫通させ、板状体２とケース１９が直接当たらないように、断熱部材１７を介在させてナットを螺着することにより固定している。

そして、抵抗発熱体５に通電して載置面３を加熱し、ウェハＷを均一に加熱することができる。そして通電を停止するとともにノズル２４より冷却ガスを送りヒータ部７を急速に冷却することができる。

本発明のウェハ加熱装置１は、載置面３への投影面から見て、上記抵抗発熱体２は略同一の幅を有する円弧状の帯５１と折り返し帯５２とを連続させて略同心円状に配設され、上記ノズル２４の先端２４ａが上記各抵抗発熱体５の間に位置することで、ヒータ部を冷却する際に、ノズル２４の先端２４ａから冷却ガスを噴射し抵抗発熱体５の間の板状体２に直接冷却ガスを当てることで板状体２の熱を急速に奪いヒータ部７の温度を短時間に低下させ冷却することができる。

また、好ましくは、上記抵抗発熱体２は略同一の幅を有する円弧状の帯５１と折り返し円弧状の帯５２とを連続させて略同心円状に配設されていることが、載置面３のウェハＷ面内の温度差が小さく好ましい。更に円弧状の帯５２の間隔Ｌ１が円弧状の帯５１の間隔Ｌ４より小さいと、或いは円弧状の帯５２の間隔Ｌ３が円弧状の帯５１の間隔Ｌ４より小さいと更にウェハＷ面内の温度差が小さくなり好ましい。

図４は板状体２と抵抗発熱体５、ノズル２４の先端２４ａを示す拡大図である。本発明のウェハ加熱装置１は、ノズル２４から、空気等の冷却ガスが、抵抗発熱体５の間に噴射される。ここで、ノズル２４の先端２４ａが抵抗発熱体５の間とは、ノズル２４の先端２４ａの中心が図３のＡＰで示す抵抗発熱体５の間であり、板状体２の表面に直接冷却ガスを当てることができる。この抵抗発熱体５の帯の間は、抵抗発熱体５に比べ、熱伝導率が大きな板状体２の表面である。そのため、ノズル２４から噴射された冷却ガスが板状体２の表面を直接冷却することから、板状体２を効率的に冷却することが可能性となり短時間でヒータ部７の熱を奪い取ることができ、ヒータ部７の冷却時間を短縮することができる。

また、図３（ａ）は本発明の抵抗発熱体ゾーン４を示す。抵抗発熱体ゾーン４は、板状体２の一方の主面に複数の抵抗発熱体ゾーン４を備え、板状体２の中心部に円形の抵抗発熱体ゾーン４ａと、その外側の同心円の３つの円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｂ、４ｃｄと、抵抗発熱体ゾーン４ｅｈとを備えることが好ましい。ウェハＷの均熱性を改善するため、抵抗発熱体５を４個の抵抗発熱体ゾーンに対応して分割していることがより好ましい。円板状のウェハＷの表面を均一に加熱するにはウェハＷ周辺の雰囲気やウェハＷに対抗する壁面やガスの流れの影響を受けるが、円板状のウェハＷの表面温度をばらつかせないために、ウェハＷの周囲や上面の対抗面や雰囲気ガスの流れはウェハＷに対し中心対称となるように設計されているからである。ウェハＷを均一に加熱するにはウェハＷに対し中心対称な上記環境に合わせたウェハ加熱装置１が必要で、載置面３を中心対称に分割し抵抗発熱体ゾーン４を形成することが好ましい。

特に、３００ｍｍ以上のウェハＷの表面温度を均一に加熱するには同心円の円環状の抵抗発熱体ゾーンは３つであることが好ましい。

更に、上記のように複数の抵抗発熱体５からなるウェハ加熱装置１は、周囲の環境から生じる左右前後の微妙な非対称性や、対称な発熱体の厚みバラツキを補正できるとともに、ウェハＷの面内温度差がより小さくなる事がわかった。

図３（ｂ）は、本発明のウェハ加熱装置１の抵抗発熱体ゾーン４の１例を示す。前記３つの円環状の抵抗発熱体ゾーン４のうち、外側の抵抗発熱体ゾーン４ｅｈは、円環を４等分した４個の扇状であり、その内側の抵抗発熱体ゾーン４ｃｄは、円環を円周方向に２等分した２個の扇状であることが好ましい。３つの円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｂ、４ｃｄ、４ｅｈのうち、最も内側の抵抗発熱体ゾーン４ｂは、円環からなる抵抗発熱体ゾーン４ｂであり、その外側の抵抗発熱体ゾーン４ｃｄは、円環を円周方向に２等分した２個の扇状の抵抗発熱体ゾーン４ｃ、４ｄであり、その外側の抵抗発熱体ゾーン４ｅｈは、円環を円周方向に４等分した４個の扇状の抵抗発熱体ゾーン４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈからなっていることがウェハＷの表面温度を均一にする上で好ましい。

上記ウェハ加熱装置１の各抵抗発熱体ゾーン４ａ〜４ｇは独立して発熱でき、各抵抗発熱体ゾーン４ａ〜４ｇに対応して抵抗発熱体５ａ〜５ｇを備えていることが好ましい。

しかし、ゾーン４ａとゾーン４ｂはウェハ加熱装置１の外部環境でもある設置場所が頻繁に変更がなければ並列または直列に接続し一つの回路として制御することもできる。このような構成とするのは、ゾーン４ａと４ｂの間に所定の間隔を設定できることから、ウェハＷを持ち上げるリフトピンが貫通する貫通孔を設置することができることから好ましい。

尚、円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｃｄ、４ｅｈはそれぞれ放射方向に２分割、４分割したが、これに限るものではない。

図３（ｂ）の抵抗発熱体ゾーン４ｃ、４ｄの境界線は直線であるが、必ずしも直線である必要はなく、波線であっても良く、抵抗発熱体ゾーン４ｃ、４ｄが同心円の発熱体ゾーンの中心に対して中心対称であることが好ましい。

同様に、抵抗発熱体ゾーンの４ｅと４ｆ、４ｆと４ｇ、４ｇと４ｈ、４ｈと４ｅとのそれぞれの境界線も必ずしも直線である必要はなく、波線で有っても良く、同心円の発熱体ゾーンの中心に対して中心対称であることが好ましい。

上記の各抵抗発熱体５を印刷法等で作製し、抵抗発熱体５の帯は１〜５ｍｍの巾で厚みが５〜５０μｍで形成することが好ましい。一度に印刷する印刷面が大きくなると印刷面の左右や前後でスキージとスクリーンとの間の圧力の違いから印刷厚みが一定とならない虞が生じる。特に、抵抗発熱体５の大きさが大きくなると、抵抗発熱体５の左右前後の厚みが異なり設計した発熱量がバラツク虞があった。発熱量がバラツクとウェハＷの面内温度差が大きくなり好ましくない。この抵抗発熱体の厚みのバラツキから生じる温度バラツキを防ぐには、一つの抵抗発熱体からなる外径の大きな個々の抵抗発熱体５を分割することが有効である事が判明した。

そこで、ウェハＷ載置面３の中心部を除く同心円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｃｄは左右に２分割し、更に大きな円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｅｈは４分割することで抵抗発熱体ゾーン４にある抵抗発熱体５の印刷する大きさを小さくすることができることから、抵抗発熱体５の各部の厚みを均一にすることができ、更にウェハＷの前後左右の微妙な温度差を補正しウェハＷの表面温度が小さくなり好ましい。また、更に各抵抗発熱体５の帯の抵抗値を微調整するためには、抵抗発熱体に沿って、レーザ等で長溝を形成し抵抗値を調整することもできる。

尚、図２に示す抵抗発熱体５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈの形状は、夫々円弧状の帯と、折り返し帯として円弧状の帯とから構成されている。折り返し帯びは直線より円弧状であるとよりウェハの面内温度差が小さく好ましい。

また、本発明のウェハ加熱装置１は、図３（ａ）に示すように中心部に備えた円形の抵抗発熱体ゾーン４ａとその外側の同心円の円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｂとの間隔Ｓ１と、該円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｂとその外側の円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｃｄとの間隔Ｓ２と、該円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｃｄと最も外側の円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｅｈとの間隔Ｓ３とを備え、間隔Ｓ３が他の間隔Ｓ１、Ｓ２より大きいことが好ましい。このように、円環状の抵抗発熱体ゾーン４を３つ備え、間隔Ｓ３がＳ１、Ｓ２より大きいと抵抗発熱体５のない幅Ｓ３の円環が大きくなることから板状体２の露出部を大きくとることができ放冷効果が大きく好ましい。また、露出部を構成する板状体２の熱伝導率が大きく冷却効率が向上しヒータ部７の冷却速度が大きくなり好ましい。

更に、載置面３からの投影面から見て、最も外側の円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｅｈとその内側の抵抗発熱体ゾーン４ｃｄとの間に上記ノズル２４の先端２４ａを複数個備えていることが好ましい。間隔Ｓ３の環状の領域は抵抗発熱体５がなく、熱伝導率の大きな板状体２が露出していることからこの部分にノズル２４の先端２４ａから噴射した冷却ガスが板状体２に直接当たり、板状体２の熱を効率良く奪うことができることからヒータ部７の温度を急速に低下させることができて好ましい。この冷却ノズル２４の先端２４ａが間隔Ｓ３に沿って複数あることが好ましく。例えば直径２００〜３００ｍｍのウェハ用であればノズル２４の数は好ましくは４〜１６個であると効果的にヒータ部７を冷却することができる。尚、間隔Ｓ３に対応したノズル２４を説明したが、間隔Ｓ３だけでは中央部の温度が低下し難いので、中央部にも円上に複数のノズル２４を備えることが好ましい。

また、本発明のウェハ加熱装置１の抵抗発熱体５は、板状体２の一方の主面に複数の帯状の抵抗発熱体５と複数の絶縁層１２とを備え、他方の主面にウェハを載せる載置面３を備えたヒータ部７と、前記抵抗発熱体５に電力を供給する給電端子１１と、該給電端子１１を包むように板状体２と接続したケース１９と、該ケース１９に前記ヒータ部７を冷却するノズル２４と開口部２３とを備え、載置面３への投影面から見て、上記ノズル２４の先端が上記絶縁層１２の間に位置すると、繰り返しヒータ部７を急速に冷却することができるとともに、加熱と急速な冷却を繰り返しても加熱冷却特性が劣化することなく優れた特性を得ることができる。

図５（ａ）に示すように抵抗発熱体５の表面を覆う絶縁層１２を備えていることが好ましい。抵抗発熱体５は、貴金属からなる導電性粒子がガラス質の絶縁性組成物の中に分散したもので、抵抗発熱体５が露出していると経時変化したり、抵抗発熱体５に冷却ガスが当たり脱落する虞があり絶縁層１２がこれらを防止する作用があり好ましい。そして、絶縁層１２は抵抗発熱体５の表面を覆うことで抵抗発熱体５を保護することができる。この絶縁層１２を形成することでウェハ加熱装置１を繰り返し加熱強制冷却を繰り返しも抵抗発熱体１の各部の抵抗値が変化する虞がなく、耐久性が優れるとともにウェハＷの表面を均一に加熱することができる。また、この絶縁層１２は抵抗発熱体５を覆うことができる範囲に備えることが好ましく、各抵抗発熱体ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃｄ、４ｅｈに対応して絶縁層１２ａ、１２ｂ、１２ｃｄ、１２ｅｈが独立していることが好ましい。

従って、本発明のウェハ加熱装置１の上記複数の帯状の抵抗発熱体５は、上記板状体２の中心部に備えた円形の抵抗発熱体ゾーン４ａと、その外側の同心円の３つの円環状の抵抗発熱体ゾーン４ｂ、４ｃｄ、４ｅｈからなり、上記抵抗発熱体ゾーン４に対応して個別の上記絶縁層１２を備え、載置面３への投影面から見て、ノズル２４の先端２４ａが絶縁層１２の間にあることが好ましい。ノズル２４の先端２４ａが絶縁層１２の間にあると先端２４ａから突出した冷却ガスが直接熱伝導率の大きな板状体２に衝突し板状体２の熱を冷却ガスに効果的に移動させることができることからヒータ部７の温度が短時間に低下して好ましい。

また、板状体２の熱伝導率が絶縁層１２よりも大きいことが好ましい。板状体２の熱伝導率が大きいと冷却ガスが当たり板状体２が冷やされても、板状体２内部から熱が伝わり、ヒータ部７の冷却スピードが大きくなり好ましい。具体的には、絶縁層１２はガラスや絶縁性樹脂からなることが好ましく、その熱伝導率は１〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。また、板状体２は炭化物や窒化物からなり熱伝導率が５０〜２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）のセラミックス体が好ましい。

そして、最も外側の抵抗発熱体ゾーン４ｅｈを覆う絶縁層１２ｅｈとその内側の抵抗発熱体ゾーン４ｃｄを覆う絶縁層１２ｃｄとの間に上記ノズル２４の先端２４ａを複数個備えていることが好ましい。載置面３への投影面から見て、絶縁層１２ｅｈと絶縁層１２ｃｄの間にノズル２４の先端２４ａを備えていると熱伝導率の大きな板状体２に直接冷却ガスを衝突させることができることから板状体２の熱を短時間に効率良く奪い取ることができ、ヒータ部７の冷却時間が短くなり好ましい。

図５（ａ）は板状体２と絶縁層１２とノズル２４の先端２４ａを示す拡大図である。本発明のウェハ加熱装置１は、ノズル２４から、空気等の冷却ガスが、抵抗発熱体５の間に噴射される。ここで、ノズル２４の先端２４ａが絶縁層１２の間とは、ノズル２４の先端２４ａの中心が図５（ｂ）のＡＰで示す絶縁層１２の間であり、板状体２の表面に直接冷却ガスを当てることができる。この絶縁層１２の間は、絶縁層１２に比べ、熱伝導率が大きな板状体２の表面である。そのため、ノズル２４から噴射された冷却ガスが板状体２の表面を直接冷却することから、板状体２を効率的に冷却することが可能性となり短時間でヒータ部７の熱を奪い取ることができ、ヒータ部７の冷却時間を短縮することができる。

図５（ｂ）は、本発明のウェハ加熱装置１の絶縁層１２の１例を示す。前記３つの円環状の抵抗発熱体ゾーン４のうち、外側の抵抗発熱体ゾーン４ｅｈを覆う絶縁層１２ｅｈは、円環状あることが好ましい。３つの円環状の絶縁層１２ａ、１２ｂ、１２ｃｄは、ウェハＷの表面温度を均一にする抵抗発熱体ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃｄを個別に覆うことが好ましく、これらに対応して絶縁層１２が形成されていることが好ましい。

また、本発明のウェハ加熱装置１は、図５（ｂ）に示すように中心部に備えた円形の絶縁層１２ａとその外側の同心円の円環状の絶縁層１２ｂとの間隔Ｓ４と、該円環状の絶縁層１２ｂとその外側の円環状の絶縁層１２ｃｄとの間隔Ｓ５と、該円環状の絶縁層１２ｃｄと最も外側の円環状の絶縁層１２ｅｈとの間隔Ｓ６とを備え、間隔Ｓ６が他の間隔Ｓ４、Ｓ５より大きいことが好ましい。このように、円環状の絶縁層１２を３つ備え、間隔Ｓ６がＳ４、Ｓ５より大きいと絶縁層１２のない幅Ｓ６の円環が大きくなることから板状体２の露出部を大きくとることができ放冷効果が大きく好ましい。また、露出部を構成する板状体２の熱伝導率が大きく冷却効率が向上しヒータ部７の冷却速度が大きくなり好ましい。

また、本発明のウェハ加熱装置１は、ノズル２４の先端と板状体２の間隔Ｌが０.１〜１０ｍｍであることが好ましい。

より高速で冷却ガスを板状体２に衝突させるためには、上記ノズル２４の先端と上記板状体の間隔Ｌは重要であり、０．１〜１０ｍｍとすることが望ましい。このように配置すると噴射された冷却ガスは、極端に速度低下することなく、十分な速度で板状体２に衝突する。このため、効率良く熱を奪うことが出来る。

板状体２とノズル２４との距離Ｌが０．１ｍｍより小さいと噴射され板状体２に衝突したガスの吹き返しがガスの噴射を阻害し、冷却効率が落ちてしまう。逆に板状体２とノズル２４との距離Ｌが１０ｍｍより大きいと噴射ガスは拡散してしまい、板状体２に衝突する際に流速が低下、また、流量も減少しているため、冷却効率が落ちる。

また、載置面への投影面から見て上記ノズル先端の中心から上記抵抗発熱体までの最短距離が３〜１０ｍｍであることが好ましい。

載置面への投影面から見てノズル先端の中心から抵抗発熱体５までの最短距離が３ｍｍよりも小さい場合、ノズルから噴射されたエアー等の一部は抵抗発熱体５の表面にあたってしまう。抵抗発熱体５は、ガラス層を含んでいるために、熱伝導率が小さい。抵抗発熱体５の表面から、板状体２に熱が伝導する場合、熱伝導の小さな、抵抗発熱体層、および、抵抗発熱体５と板状体２の界面が存在するために、熱伝導時間が長くなる。このため、この部分を冷却しても、冷却効率が悪く、冷却時間が大きくなってしまう。

一方、載置面への投影面から見てノズル２４先端の中心から抵抗発熱体５までの最短距離が１０ｍｍよりも大きい場合、板状体２上で抵抗発熱体５が無い面積が大きくなり冷却スピードは大きくなるが、抵抗発熱体５が無い部分に対応するウェハＷの表面の温度が低下して、ウェハＷ面内で温度バラツキが大きくなり不均一な温度分布となる。このため、板状体２に抵抗発熱体５を配置するには、ウェハＷ面内の温度分布を均一にするために、抵抗発熱体５が無い面積を小さくするほうが良いからである。

また、一般的な冷却ガス圧縮機のガス圧力により、冷却に必要なガス流速を確保するためには、ノズル２４の口径を０．５〜３．０ｍｍとすることが望ましい。ノズル２４の口径が３．０ｍｍを越えると流速が遅くなりすぎて冷却効率が著しく低下する。逆に０．５ｍｍ未満では口径が小さすぎて圧力損失が大きく冷却ガスの流量が小さくなり、冷却効率が低下し好ましくない。尚、冷却ガスは常温、冷却ガスの総流量は、１２０（リットル／分）とした。

更に、ノズル２４は板状体２に対して、８０〜１００°の角度で設置されていることが必要である。すると噴射された冷却ガスが板状体２に強く衝突することになり効率よく冷却できる。ノズル２４が板状体２に対して８０°未満、又は１００°を越えると、噴射された冷却ガスは板状体２に斜めに当たり、板状体２に平行に進むことから、冷却効率が低下し好ましくない。

ノズル２４は、ステンレス（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金）、ニッケル（Ｎｉ）等の耐酸化性金属や、一般鋼（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）にニッケルメッキやニッケルメッキ上に金メッキを重ねて耐酸化処理を施した金属材料を用いる。または、ジルコニア（ＺｒＯ_２）などのセラミックを用いることがよい。このようなノズル２４は、熱による酸化で噴射口の内径が変化することなく流速を安定させられるし、ウェハ熱処理に有害なガスやパーティクルの発生のない信頼性の高いウェハ加熱装置とすることが出来る。

また、万が一冷却ガスに油分や水分などの不純物が混入していた場合でも直接抵抗発熱体５にダメージを与えることを防止できるが、冷却ガスはクリーンフィルターなどを通し不純物を除去することで更に信頼性を高める事が出来るのは言うまでもない。

また、ここで供給された冷却ガスを外に排出するために、前記ケース１９のベースプレート１３には、その面積の５〜７０％の開口部１６が形成されていることが好ましい。この開口部１６の面積が５％未満であると、ケース１９の容積の中でノズル２４から噴射されるガスと排出されるべきガスが混合されて、冷却効率が低下してしまう。また、開口部１６の面積が７０％を越えると、給電端子１１やノズル２４を保持するスペースが確保できなくなる。またケース１９の強度が不足して、板状体２の平坦度が大きくなり均熱性、特に昇温時などの過渡的な均熱性が悪くなる。

このように、ベースプレート１３に開口部１６を設けることにより、冷却時はノズル２４から噴射された冷却ガスが板状体２の表面の熱を奪い、ケース１９の内部に滞留することなく開口部１６から順次ウェハ加熱装置１外に排出され、ノズル２４から噴射される新しい冷却ガスで板状体２の表面を効率的に冷却できるので冷却時間を短縮することができる。

次に、本発明のウェハ加熱装置１のその他の構成について説明する。

本発明の前記ウェハ加熱装置１の中心部の抵抗発熱体ゾーン４ａの外径Ｄ１は外周部の抵抗発熱体ゾーン４ｅｈの外径Ｄの２０〜４０％であり、その外側の抵抗発熱体ゾーン４ｂｃの外径Ｄ２は外周部の抵抗発熱体ゾーンの外径Ｄの４０〜５５％であり、最外周の抵抗発熱体ゾーンの内径Ｄ３は最外周の抵抗発熱体ゾーンの外径Ｄの５５〜８５％とするとウェハＷの面内温度差を小さくすることができ好ましい。

尚、外周部の抵抗発熱体ゾーン４ｅｈの外径Ｄとは、板状セラミックス体２の他方の主面に平行な投影面でみて、前記抵抗発熱体ゾーン４ｅｈを構成する抵抗発熱体５ｅｈを囲む外接円の直径である。また、同様に、抵抗発熱体ゾーン４ｂの外径Ｄ２とは、前記抵抗発熱体ゾーン４ｂを構成する抵抗発熱体５ｂに外接する円の直径である。また、Ｄ３は、抵抗発熱体５ｃｄに内接する円の直径である。尚、外接円は給電部に接続する抵抗発熱体の突出部は除き同心円状の円弧に沿って求めることができる。

外径Ｄ１がＤの２０％未満では中心部の抵抗発熱体ゾーン４ａの外径が小さ過ぎることから抵抗発熱体ゾーン４ａの発熱量を大きくしても、抵抗発熱体ゾーン４ａの中心部の温度が上がらず中心部の温度が低下する虞があるからである。また、外径Ｄ１が４０％を越えると中心部の抵抗発熱体ゾーン４ａの外径が大き過ぎることから、中心部の温度を上げた際に抵抗発熱体ゾーン４ａの周辺部の温度も上がり、抵抗発熱体ゾーン４ａの周辺部の温度が高くなり過ぎる虞があるからである。尚、好ましくは、外径Ｄ１はＤの２０〜３０％であり、更に好ましくは、外径Ｄ１はＤの２３〜２７％とすることでウェハＷの面内温度差を更に小さくすることができる。

また、外径Ｄ２が外径Ｄの４０％未満では、ウェハ加熱装置１の周辺部が冷却され易いことから、ウェハＷ周辺の温度の低下を防ごうと抵抗発熱体ゾーン４ｃｄの発熱量を増大した際に、ウェハＷの中心に近い抵抗発熱体ゾーン４ｃｄの内側の温度が高くなり、ウェハＷの面内温度差が大きくなる虞があった。また、外径Ｄ２が外径Ｄの５５％を越えると、ウェハＷ周辺の温度の低下を防ごうと抵抗発熱体ゾーン４ｃｄの発熱量を大きくしても、抵抗発熱体ゾーン４ｃｄの温度は上がるが、ウェハＷ周辺の温度の低下の影響が抵抗発熱体ゾーン４ｂに達し、抵抗発熱体ゾーン４ｂの外側の温度が低くなる虞があった。好ましくは、外径Ｄ２が外径Ｄの４１％〜５３％であり、更に好ましくは４３〜４９％とするとウェハＷの面内温度差は更に小さくできた。

また、外径Ｄ３が外径Ｄの５５％未満では、ウェハ加熱装置１の周辺部が冷却され易いことから、ウェハＷ周辺の温度の低下を防ごうと抵抗発熱体ゾーン４ｅｈの発熱量を増大した際に、ウェハＷの中心に近い抵抗発熱体ゾーン４ｅｈの内側の温度が高くなり、ウェハＷの面内温度差が大きくなる虞があった。また、外径Ｄ３が外径Ｄの８５％を越えると、ウェハＷ周辺の温度の低下を防ごうと抵抗発熱体ゾーン４ｅｈの発熱量を大きくしても、抵抗発熱体ゾーン４ｅｈの温度は上がるが、ウェハＷ周辺の温度の低下の影響が抵抗発熱体ゾーン４ｃｄに達し、抵抗発熱体ゾーン４ｃｄの外側の温度が低くなる虞があった。好ましくは、外径Ｄ３が外径Ｄの６５％〜８５％であり、更に好ましくは６７〜７０％とするとウェハＷの面内温度差は更に小さくできた。

また、抵抗発熱体５に電力を供給する給電部６と、該給電部６を囲む金属ケース１９とからなり、前記板状セラミックス体２の他方の主面にウェハ加熱面を備え、他方の主面に平行な投影面でみて、前記抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径Ｄが前記板状セラミックス体２の直径ＤＰの９０〜９７％であることが好ましい。

抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径Ｄが板状セラミックス体２の直径ＤＰの９０％より小さいと、ウェハを急速に昇温したり急速に降温させる時間が大きくなりウェハＷの温度応答特性が劣る。また、ウェハＷの周辺部の温度を下げないようウェハＷの表面温度を均一に加熱するには、直径ＤはウェハＷの直径の１．０２倍程度の僅かに大きいことが好ましいことから、ウェハＷの大きさに対して板状セラミックス体２の直径ＤＰが大きくなり、均一に加熱できるウェハＷの大きさが板状セラミックス体２の直径ＤＰに比較して小さくなり、ウェハＷを加熱する投入電力に対しウェハＷを加熱する加熱効率が悪くなる。更に、板状セラミックス体２が大きくなることからウェハ製造装置の設置面積が大きくなり、最小の設置面積で最大の生産を行う必要がある半導体製造装置の設置面積に対する稼働率を低下させ好ましくない。

抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径Ｄが板状セラミックス体２の直径ＤＰの９７％より大きいと接触部材１７と抵抗発熱体５の外周との間隔が小さく抵抗発熱体５の外周部から熱が接触部材１７に不均一に流れ、特に、外周部の外接円Ｃに接する円弧状パターン５１が存在しない部分からも熱が流れ、外周部の円弧状パターン５１が板状セラミックス体２の中心部へ曲がっていることから抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃに沿って円弧状パターン５１が欠落する部分Ｐの温度が低下しウェハＷの面内温度差を大きくする虞がある。より好ましくは、抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径Ｄが板状セラミックス体２の直径ＤＰの９２〜９５％である。

更に、本発明のウェハ加熱装置１において、例えば図２の抵抗発熱体５の外接円Ｃと接する円弧状パターン５１と、該円弧状の帯５１と連続して繋がった連結パターンである小円弧状の帯５２とを備え、前記外接円Ｃの一部に前記円弧状のパターンのない空白域Ｐの間隔Ｌ１が、前記板状セラミックス体の直径ＤＰと前記外接円Ｃの直径Ｄとの差（以下、ＬＬと略する）より小さいことが好ましい。間隔Ｌ１がＬＬより大きいと空白域Ｐの熱が板状セラミックス体の周辺部へ流れ空白域Ｐの温度が下がる虞がある。しかし、間隔Ｌ１がＬＬより小さいと空白域Ｐの温度が下がり難く板状セラミックス体２の載置面３に載せたウェハＷの周辺部の一部の温度が低下せずウェハＷ面内の温度差が小さくなり好ましい。

上記空白域Ｐの温度を下げないためには、空白域の温度を上げる必要があり、空白域を加熱する連結パターン５２の抵抗を同等か或いは僅かに大きくして発熱量を増大すると、空白域Ｐの温度が下がる虞が小さくなり、ウェハＷの面内温度が均一となり好ましい。印刷法等で作成した抵抗発熱体５が面状の場合、円弧状パターン５１の線巾Ｗｐより連結パターンである小円弧状の帯５２の線巾Ｗｓを１〜５％小さくすることで連結パターン５２の抵抗を大きくすることができ、連結パターンである小円弧状の帯５２の温度を円弧状パターン５１の温度より高めることでウェハＷの面内温度を均一とすることができる。

また、板厚が１〜７ｍｍの板状セラミックス体２の一方の主面側を、ウェハを載せる載置面３とするとともに、上記板状セラミックス体２の下面に抵抗発熱体５を備えたウェハ加熱装置１において、上記抵抗発熱体５の厚みが５〜５０μｍであるとともに、上記板状セラミックス体２の主面に平行な投影面で見て、上記抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、上記外接円Ｃに占める抵抗発熱体５の面積の比率が５〜３０％であることが好ましい。

即ち、抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占める抵抗発熱体５の面積の比率を５％未満とすると、抵抗発熱体５の相対向する対向領域において、対向領域の対向間隔でもあるＬ１、Ｌ２、・・・が大きくなり過ぎることから、抵抗発熱体５のない間隔Ｌ１に対応した載置面３の表面温度が他の部分と比較して小さくなり、載置面３の温度を均一にすることが難しいからであり、逆に抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占める抵抗発熱体５の面積の比率が３０％を超えると、板状セラミック体２と抵抗発熱体５との間の熱膨張差を２．０×１０^−６／℃以下に近似させたとしても、両者の間に作用する熱応力が大きすぎることから、板状セラミック体２は変形し難いセラミック焼結体からなるものの、その板厚ｔが１ｍｍ〜７ｍｍと薄いこと、から抵抗発熱体５を発熱させると、載置面３側が凹となるように板状セラミック体２に反りが発生する虞がある。その結果、ウェハＷの中心部の温度が周縁よりも小さくなり、温度バラツキが大きくなる虞がある。

なお、好ましくは、抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占める抵抗発熱体５の面積の比率を７％〜２０％、さらには８％〜１５％とすることが好ましい。

より具体的には、抵抗発熱体５は外周部に相対抗する対抗領域を有し、上記対抗領域の間隔Ｌ１が０．５ｍｍ以上で、上記板状セラミックス体２の板厚の３倍以下であることが好ましい。上記対抗領域の間隔Ｌ１が０．５ｍｍ以下では抵抗発熱体５を印刷し形成する際に抵抗発熱体５の対抗領域でひげ状の突起が発生しその部分が短絡する虞がある。また、上記対抗領域の間隔Ｌ１が板状セラミックス体２の厚みの３倍を越えると、対抗領域Ｌ１に対応するウェハＷの表面にクールゾーンが発生しウェハＷの面内温度差を大きくする虞があるからである。

さらに、このような効果を効率良く発現させるには、抵抗発熱体５の膜厚を５〜５０μｍとすることが好ましい。

抵抗発熱体５の膜厚が５μｍを下回ると、抵抗発熱体５をスクリーン印刷法で膜厚を均一に印刷することが困難となるからであり、また、抵抗発熱体５の厚みが５０μｍを越えると、外接円ｃに対し、抵抗発熱体５の占める面積の比率を３０％以下としても抵抗発熱体５の厚みが大きく、抵抗発熱体５の剛性が大きくなり、板状セラミック体５の温度変化により抵抗発熱体５の伸び縮みによる影響で板状セラミック体２が変形する虞がある。また、スクリーン印刷で均一の厚みに印刷することが難しくウェハＷの表面の温度差が大きくなったりする虞があるからである。なお、好ましい抵抗発熱体５の厚みは１０〜３０μｍとすることが良い。

また、ヒータ部７の温度は、独立して加熱できる抵抗発熱体５に対応して板状体２にその先端が埋め込まれた複数の温度センサー２７により測定する。温度センサー２７としては、その応答性と保持の作業性の観点から、外径０．８ｍｍ以下のシース型の熱電対を使用することが好ましいが、外径０．５ｍｍ以下の素線の熱電対やＲＴＤなどの測温抵抗体を用いても何ら差し支えない。この温度センサー２７の先端部は、板状体２の形成された孔の中に設置された固定部材により孔の内壁面に押圧固定することが測温の信頼性を向上させるために好ましい。

また、板状体２を炭化珪素質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体により形成すると、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、板状体２は１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することから、薄い板厚でも抵抗発熱体５のジュール熱を素早く伝達し、載置面３の温度バラツキを極めて小さくすることができる。熱伝導率が、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下では、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間および所定の処理温度から室温付近に冷却するまでの時間が膨大にかかってしまう虞がある。

板状体２の厚みは、２〜７ｍｍとすることが好ましい。板状体２の厚みが２ｍｍより薄いと、板状体２の強度が弱くなり抵抗発熱体５の発熱による加熱時、ノズル２４からの冷却流体を吹き付けた際に、冷却時の熱応力に耐えきれず、板状体２にクラックが発生する場合がある。また、板状体２の厚みが７ｍｍを越えると、板状体２の熱容量が大きくなるので加熱および冷却時の温度が安定するまでの時間が長くなり好ましくない。

抵抗発熱体５は、導電性の金属粒子にガラスフリットや金属酸化物を含む電極ペーストを印刷法で板状体２に印刷、焼き付けしたもので、金属粒子としては、比較的電気抵抗が小さいAu、Ag、Cu、Pd、Pt、Rhの少なくとも一種の金属を用いることが好ましく、またガラスフリットとしては、B、Si、Znを含む酸化物からなり、板状体２の熱膨張係数より小さな４．５×１０^−６／℃以下の低膨張ガラスを用いることが好ましく、さらに金属酸化物としては、酸化珪素、酸化硼素、アルミナ、チタニアから選ばれた少なくとも一種を用いることが好ましい。

また、上記ガラスフリットとして、B、Si、Znを含む酸化物からなり、抵抗発熱体５を構成する金属粒子の熱膨張係数が板状体２の熱膨張係数より大きいことから、抵抗発熱体５の熱膨張係数を板状体２の熱膨張係数に近づけるには、板状体２の熱膨張係数より小さな４．５×１０^−６／℃以下の低膨張ガラスを用いることが好ましいからである。

また、上記金属酸化物としては、酸化珪素、酸化硼素、アルミナ、チタニアから選ばれた少なくとも一種を用いるのは、抵抗発熱体５の中の金属粒子と密着性が優れ、しかも熱膨張係数が板状体２の熱膨張係数と近く、板状体２との密着性も優れるからである。

ただし、抵抗発熱体５に対し、金属酸化物の含有量が５０％を越えると、板状体２との密着力を増すものの、抵抗発熱体５の抵抗値が大きくなり、好ましくない。そのため、金属酸化物の含有量は６０％以下とすることが良い。

そして、導電性の金属粒子とガラスフリットや金属酸化物からなる抵抗発熱体５は、板状体２との熱膨張差が３．０×１０^−６／℃以下であるものを用いることが好ましい。

すなわち、抵抗発熱体５と板状体２との熱膨張係数を０．１×１０^−６／℃とすることは製造上難しく、逆に抵抗発熱体５と板状体２との熱膨張差が３．０×１０^−６／℃を超えると、抵抗発熱体５を発熱させた時、板状体２との間に作用する熱応力によって、載置面３側が凹状に反る恐れがあるからである。

また、この絶縁層１２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、耐熱温度が２００℃以上でかつ０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が板状セラミックス体２を構成するセラミックスの熱膨張係数に対し１×１０^−６／℃であることが好ましく、更に好ましくは−５×１０^−７／℃〜＋５×１０^−７／℃の範囲にあるものを適宜選択して用いることが良い。即ち、熱膨張係数が前記範囲を外れたガラスを用いると、板状体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クラックや剥離等の欠陥が生じ易いからである。

また、絶縁層１２をなすガラス層はＳｉＯ_２主成分とし、Ｂ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｂｉの少なくとも一種類以上を酸化物換算で１０重量以上含有する非晶質のガラスにて構成し、Ａｓ、Ｓｂの酸化物を実質的に含有していない（酸化物換算にて０.０５重量％以下）ガラスを用いることが好ましい。

上記組成のガラスを用いることでガラスの高温での粘性を低下させることが可能である。Ｂ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｐｂ，ＢｉについてはＳｉＯ_２ガラス中に分散させ、見掛けのガラスの粘性を下げることを狙ったものである。特にＰｂＯ、Ｂ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３は結晶化せず、ガラス中に残留してガラスの粘性・融点を下げる効果があり、ガラス中の気泡の発生を抑えることに有効である。

ガラスの粘性を下げることによって、絶縁層１２中に発生してしまった気泡を絶縁層１２表面に浮き上がらせ、オープンポアにすることで絶縁層１２中の気泡を少なくすることができる。以上のことにより絶縁層１２の厚み方向にて気泡の無い領域が１０μｍ以上連続しているガラス層を形成することができる。また、非晶質のガラスを用いれば、後述している結晶化ガラスよりも気泡の少ない絶縁層１２を形成するのに好ましい。これによって、消泡・脱泡効果のある毒劇物のＡｓやＳｂの酸化物を添加することなく絶縁層１２中の気泡を少なくすることができる。

一方、Ｂ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｐｂ，Ｂｉの添加量が酸化物換算で１０重量％未満である場合はガラスの高温での粘性が十分に低下せず、気泡を少なくすることが困難である。また結晶化ガラスを用いた場合は、ガラスが結晶核を生成する過程において膨張・収縮が発生する。この膨張・収縮過程において結晶核の周りに多数の微少な気泡が存在してしまい。この結晶核の周りに存在する微少な気泡のため絶縁・耐電圧特性が低下してしまう。このため結晶化ガラスを用いることは非晶質のガラスを用いた場合に比べ、絶縁層１２をなすガラスの層の欠陥を防止することが困難であるため好ましくない。

また、絶縁層１２のガラスはアルカリ含有量を２重量％以下にすることが好ましい。アルカリ成分についてはガラスに添加することでガラスの粘性を下げることには有効であるが、ガラス成分のマイグレーションにより耐久性に問題があるため、絶縁層１２のガラス中のアルカリ含有量を２重量％以下とすれば、抵抗発熱体５に直流電源を印加して加熱した際の耐久試験において、耐久性が向上することを見出した。即ち、絶縁層１２のガラス中のアルカリ含有量が２重量％以下の場合には２５０℃の連続耐久試験における寿命を１０００時間までさらにアルカリ含有量が１重量％以下の場合には５０００時間まで伸ばすことができることを見出した。ここで、アルカリと称しているのは、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏのようなアルカリ金属酸化物のことである。

また、絶縁層１２のガラスは、平均粒径Ｄ_５０が１５μｍ以下でありかつ平均粒径がＤ_５０が２０％以上離れている複数のガラスを配合したペーストを塗布し、かつ脱バインダー工程での残炭量がガラスの重量の１重量％以下となるようにして形成することが好ましい。

このように粒径の異なる複数のガラス原料を配合することにより、粉末状態での充填が密になり絶縁層中の気泡を少なくすることができる。また脱バインダー工程での残炭量をガラスの重量の１重量％以下になるように脱バインダ−工程を行うことで、バインダー成分のＣとガラスのＯとの反応が少なくなることと、脱バインダー工程後におけるガラス粉末の充填率を高くすることにより、より容易に厚み方向にて気泡のない領域が１０μｍ以上連続しているガラス層を形成することが可能となる。

一方、絶縁層１２を形成する製造工程において平均粒径Ｄ_５０が１５μｍより大きいか、又は平均粒径Ｄ_５０にて２０％未満離れているガラスを配合した場合には、ガラスの充填が十分に密な状態ではなく、ガラスの粒子間に存在している空間を十分に埋めることは困難である。また同様に脱バインダー工程での残炭量がガラスの重量の１重量％より多い場合にも気泡の発生を抑えることは困難である。

また、ガラスの焼き付け温度においては、作業点温度（ガラスの粘度にて１０^４ポイズ以下）以上の温度とすることが好ましい。

また、リング状の断熱部材１７の断面は多角形や円形の何れでも良いが、板状体２と断熱部材１７が平面で接触する場合において、板状体２と断熱部材１７の接する接触部の幅は０．１〜１３ｍｍであれば、板状体２の熱が断熱部材１７を介して有底の金属ケース１９に流れる量を小さくすることができる。さらに好ましくは、０．１〜８ｍｍである。断熱部材１７の接触部の幅が０．１以下では、板状体２と接触固定した際に接触部が変形し、断熱部材１７が破損するおそれがある。また、断熱部材１７の接触部の幅が１３ｍｍを超える場合には、板状体２の熱が断熱部材に流れ、板状体２の周辺部の温度が低下しウェハWを均一に加熱することが難しくなる。好ましくは、断熱部材１７と板状体２の接触部の幅は０．１〜８ｍｍであり、さらに好ましくは０．１〜２ｍｍである。

また、断熱部材１７の熱伝導率は板状体２の熱伝導率より小さいことが好ましい。断熱部材１７の熱伝導率が板状体２の熱伝導率より小さければ板状体２に載せたウェハW面内の温度分布を均一に加熱することができると共に、板状体２の温度を上げたり下げたりする際に、断熱部材１７との熱の伝達量が小さく有底の金属ケース１９との熱的干渉が少なく、迅速に温度を変更することが容易となる。

断熱部材１７の熱伝導率が板状体２の熱伝導率の１０％より小さいヒータ１４では、板状体の熱が有底のケース１９に流れにくく、雰囲気ガス（ここでは空気）による伝熱や輻射伝熱により流れる熱が多くなり逆に効果が小さい。

断熱部材１７の熱伝導率が板状体２の熱伝導率より大きい場合は、板状体２の周辺部の熱が断熱部材１７を介して有底のケース１９に流れ、有底のケース１９を加熱すると共に、板状体２の周辺部の温度が低下しウェハW面内の温度差が大きくなり好ましくない。また、有底のケース１９が加熱されることからノズル２４からエアーを噴射し、板状体２を冷却しようとしても有底のケース１９の温度が高いことから冷却する時間が大きくなったり、一定温度に加熱する際に、一定温度になるまでの時間が大きくなるおそれがある。

一方、前記断熱部材１７を構成する材料としては、小さな接触部を保持するために、断熱部材１７のヤング率は１GPa以上が好ましく、さらに好ましくは１０GPa以上である。このようなヤング率とすることで、接触部の幅が０．１〜８ｍｍと小さく、板状体２を有底のケース１９に断熱部材１７を介して固定しても、断熱部材１７が変形することが無く、板状体２が位置ズレしたり平行度が変化したりすることなく、精度良く保持することができる。

前記断熱部材１７の材質としては、鉄とカーボンからなる炭素鋼やニッケル、マンガン、クロムを加えた特殊鋼等のヤング率の大きな金属が好ましい。また、熱伝導率の小さな材料としては、セテンレス鋼やFe−Ni−Co系合金が好ましく、板状体２の熱伝導率より小さくなるように断熱部材１７の材料を選択することが好ましい。

さらに、断熱部材１７と板状体２との接触部を小さく、かつ接触部が小さくても接触部が欠損しパーティクルを発生するおそれが小さく安定な接触部を保持できるために、板状体２に垂直な面で切断した断熱部材１７の断面は多角形より円形が好ましく、断面の直径１ｍｍ以下の円形のワイヤを断熱部材１７として使用すると板状体２と有底のケース１９の位置が変化することなくウェハWの表面温度を均一にしかも迅速に昇降温することが可能である。

なお、有底のケース１９の深さは、１０〜５０ｍｍで、ベースプレート１３は板状体２から１０〜５０ｍｍの距離に設置することが望ましい。さらに好ましくは、２０〜３０ｍｍである。これは、板状体２と有底のケース１９相互の輻射熱により載置面３の均熱化が容易となると同時に、外部との断熱効果があるので、載置面３の温度が一定で均一な温度となるまでの時間が短くなるためである。

さらに、抵抗発熱体５への給電方法については、有底のケース１９に設置した給電端子１１を板状体２の表面に形成した給電部６に不図示の弾性体で押圧することにより接続を確保し給電する。これは、板状体２に金属からなる端子部を埋設して形成すると、該端子部の熱容量により均熱性が悪くなるからである。そのため、本発明のように、給電端子１１を弾性体で押圧して電気的接続を確保することにより、板状体２とその有底のケース１９の間の温度差による熱応力は緩和し、高い信頼性で電気的導通を維持できる。さらに、接点が点接触となるのを防止するため、弾性のある導体を中間層として挿入しても構わない。この中間層は単に箔状のシートを挿入するだけでも効果がある。そして、給電端子１１の給電部６側の径は、１．５〜５ｍｍとすることが好ましい。

なお、板状体２の一方の主面には、図１に示すように、複数のウェハ支持ピン８を設け、板状体２の一方の主面より一定の距離をおいてウェハWを保持するようにしても構わない。

熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の炭化珪素質焼結体に研削加工を施し、板厚３ｍｍ、外径３３０ｍｍ円形の板状体を複数製作した。

次いで板状体上に抵抗発熱体及び給電部を被着するため、導電材としてＡｇ粉末とＰｔ粉末と、バインダーを添加したガラスペーストとを混練して作製した導電体ペーストをスクリーン印刷法にて図２に示す抵抗発熱体の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２５μｍの抵抗発熱体を形成した。ここで給電部は抵抗発熱体よりも比抵抗が小さくなるように金属成分とガラス成分の比率を調整した。

また、ケースは、厚み３．０ｍｍのＳＵＳ３０４からなるベースプレートを基礎にして、同じくＳＵＳ３０４からなる側壁部とネジ締めにて固定して構成した。

その後、前記ケースの上に、板状体を重ね、その外周部にボルトを貫通させ、板状体とケースが直接当たらないように、断熱部材を介在させ、ケース側よりナットを螺着し固定することによりウェハ加熱装置とした。

試料Ｎｏ．１のノズルの先端は、板状体（図３（ａ）のＡＰ）の位置にあり、図４と同様に冷却ノズルの先端が抵抗発熱体５の間に位置している。

試料Ｎｏ．２のノズルの先端は、抵抗発熱体上とした。

一方、上記ヒータ部の各抵抗発熱体の上にガラスフリットをペースト状にして印刷した。そして加熱し絶縁層を形成した。絶縁層は図２に示す抵抗発熱体ゾーンに対応し形成し、各抵抗発熱体ゾーンの間隔Ｓ１は３０ｍｍ、Ｓ２は３３ｍｍ、Ｓ３は４２ｍｍとしてこれに対応して各絶縁層の間隔は２５ｍｍ、２５ｍｍ、３５ｍｍとした。そして上記と同様に断熱部材とケースを組み付け、ノズルを配設した。

試料Ｎｏ．３はノズルの位置が最も外側の抵抗発熱体ゾーンを覆う絶縁層とその内側の抵抗発熱体ゾーンを覆う絶縁層の間隔が３５ｍｍ幅であり、その中間にノズルの先端を配設した。

試料Ｎｏ．４はノズルの位置が最も外側の抵抗発熱体ゾーンの絶縁層の上に配置した。

尚、ノズルの先端の口径は直径１．２ｍｍとしノズル先端からヒータ部までの距離を６ｍｍとした。また、試料Ｎｏ．１〜４の外側のノズルの数は８個とし、板状体の中心から２番目の円環状の抵抗発熱体ゾーンにノズルを４個配設した。

そして、各ウェハ加熱装置の給電端子に通電して１４０℃保持時のウェハＷ表面の温度バラツキが±０．５℃となるように調整し、１４０℃に保持した。温度設定値を、９０℃に変更後、直ちに、全てのノズルから冷却ガスを噴射し、９０℃まで温度が低下し、ウェハＷ表面の温度バラツキが±０．５℃となるまでの時間を冷却時間とした。今までの冷却効率を改善させるために、目標の冷却時間は、１８０秒以内とした。ウェハＷ表面の温度バラツキについては、直径３００ｍｍのウェハ表面に、測温センサーを２９箇所埋めこんだ測温用ウェハを用いて評価した。

作製したウェハ加熱装置の評価は、２５℃の恒温室内で行い、冷却ガスは常温、冷却ガスの総流量は、１２０（リットル／分）とした。

まず、冷却位置が冷却時間に与える影響を評価した。

その後、ウェハ加熱装置３０℃から２００℃に５分で昇温し５分間保持した後、３０分間強制冷却する加熱冷却サイクルを１０００サイクル繰り返した後、室温から２００℃に設定し１０分後のウェハ温度の最大値と最小値の差を定常時のウェハＷの温度差として測定した。

その結果を表1に示した。

試料Ｎｏ．１は、ノズルの先端が抵抗発熱体の帯の間（図３のＡＰ）にあり、冷却時間が１２２秒と小さく、また加熱冷却サイクル後の定常時のウェハの温度差が０．３２℃と小さく優れた特性を示した。

一方、試料Ｎｏ．２は、ノズルの先端が抵抗発熱体の上にあり、温度安定時間が２８５秒と大きく、且つ加熱冷却サイクル後の定常時のウェハの温度差が０．５１℃と大きくなり好ましくないことが分った。

ノズルの先端が熱伝導率の大きな板状体の部分にあり板状体を直接冷却すると、冷却時間が短く優れた特性を示すことが分った。

また、抵抗発熱体の上に絶縁層を形成し、絶縁層の間の板状体に冷却ガスを当てヒータ部を冷却した試料Ｎｏ．３は冷却時間が１２１秒と小さく優れているとともに、加熱冷却サイクル後の定常時のウェハの温度差が０．２５℃と小さく耐久性が優れていることが分かった。

一方、抵抗発熱体の上に絶縁層を形成し絶縁層の上から冷却ガスを噴射し冷却する試料Ｎｏ．４は冷却時間が３１５秒と大きく好ましくなかった。

本発明のウェハ加熱装置を示す断面図である。 本発明のウェハ加熱装置における抵抗発熱体の形状を示す正面図である。 （ａ）本発明のウェハ加熱装置における抵抗発熱体ゾーンを示す図、（ｂ）は環状の抵抗発熱体ゾーンを分割した一例を示す図である。 本発明のウェハ加熱装置の板状体に形成した抵抗発熱体とノズルの先端の位置を示す図である。 （ａ）本発明のウェハ加熱装置の板状体に形成した抵抗発熱体を覆う絶縁層とノズルの先端の位置を示す図、（ｂ）は本発明の環状の絶縁層の一例を示す図である。 本発明のウェハ加熱装置におけるヒータ部の抵抗発熱体の形状を示す正面図である。 従来のウェハ加熱装置の一例を示す断面図である。 従来のヒータ部の抵抗発熱体の形状を示す正面図である。

符号の説明

Ｗ：半導体ウェハ
１：ウェハ加熱装置
２：板状体
３：載置面
４：絶縁層
５：抵抗発熱体
６：給電部
７：給電端子
８：弾性体（給電部）
９：側壁部
１０：温度センサー
１１：ケース（支持体）
１２：ノズル
１３：ベースプレート
１４：ヒータ
１５：ウェハ支持ピン
１６：開口部
１７：弾性体（ケース部）
１８：断熱部材
２４：半導体ウェハ
Ｐ２２：抵抗発熱体の上
ＡＰ：ノズルの先端の位置（抵抗発熱体の帯の間）
ＡＰ２：ノズルの先端の位置（複数の抵抗発熱体の帯の間）

Claims (11)

1. 板状体の一方の主面に複数の帯状の抵抗発熱体を備え、他方の主面にウェハを載せる載置面を備えたヒータ部と、前記抵抗発熱体に電力を供給する給電端子と、該給電端子を包むように板状体と接続したケースと、該ケースに前記ヒータ部を冷却するノズルと開口部とを備え、載置面への投影面から見て、上記抵抗発熱体は略同一の幅を有する円弧状の帯と折り返し帯とを連続させて略同心円状に配設され、上記ノズルの先端が上記各抵抗発熱体の間に位置することを特徴とするウェハ加熱装置。
2. 上記板状体の熱伝導率が上記抵抗発熱体よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のウェハ加熱装置。
3. 上記複数の帯状の抵抗発熱体は、上記板状体の中心部に備えた円形の抵抗発熱体ゾーンと、その外側の同心円の３つの円環状の抵抗発熱体ゾーンからなることを特徴とする請求項１または２に記載のウェハ加熱装置。
4. 前記３つの円環状の抵抗発熱体ゾーンのうち、最も外側の抵抗発熱体ゾーンは、円環を４等分した４個の扇状であり、その内側の抵抗発熱体ゾーンは、円環を円周方向に２等分した２個の扇状であることを特徴とする請求項３に記載のウェハ加熱装置。
5. 上記中心部に備えた円形の抵抗発熱体ゾーンとその外側の同心円の円環状の抵抗発熱体ゾーンとの間隔Ｓ１と、該円環状の抵抗発熱体ゾーンとその外側の円環状の抵抗発熱体ゾーンとの間隔Ｓ２と、該円環状の抵抗発熱体ゾーンと最も外側の円環状の抵抗発熱体ゾーンとの間隔Ｓ３とを備え、間隔Ｓ３が他の間隔Ｓ１、Ｓ２より大きいことを特徴とする請求項３または４に記載のウェハ加熱装置。
6. 上記載置面３への投影面から見て、上記最も外側の円環状の抵抗発熱体ゾーンとその内側の抵抗発熱体ゾーンとの間に上記ノズルの先端を複数個備えていることを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載のウェハ加熱装置。
7. 板状体の一方の主面に複数の帯状の抵抗発熱体と複数の絶縁層とを備え、他方の主面にウェハを載せる載置面を備えたヒータ部と、前記抵抗発熱体に電力を供給する給電端子と、該給電端子を包むように板状体と接続したケースと、該ケースに前記ヒータ部を冷却するノズルと開口部とを備え、載置面への投影面から見て、上記ノズルの先端が上記絶縁層の間に位置することを特徴とするウェハ加熱装置。
8. 上記板状体の熱伝導率が上記絶縁層よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載のウェハ加熱装置。
9. 上記複数の帯状の抵抗発熱体は、上記板状体の中心部に備えた円形の抵抗発熱体ゾーンと、その外側の同心円の３つの円環状の抵抗発熱体ゾーンからなり、上記抵抗発熱体ゾーンに対応して個別の上記絶縁層を備え、載置面への投影面からみて、上記ノズルの先端が上記絶縁層の間にあることを特徴とする請求項７または８に記載のウェハ加熱装置。
10. 上記最も外側の抵抗発熱体ゾーンを覆う絶縁層とその内側の抵抗発熱体ゾーンを覆う絶縁層との間に上記ノズルを複数個備えていることを特徴とする請求項９に記載のウェハ加熱装置。
11. 請求項１〜１０の何れかに記載のウェハ加熱装置を用いた半導体製造装置。

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