JP2008130356A - ホットプレート及びこれを備えた基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作製、運搬および設置が容易であり、均熱性に優れたホットプレート及びこれを備えた基板処理装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るホットプレート１０は、加熱源１３を内蔵した複数のヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈを相互に隣接配置させてなる加熱部１１と、加熱部１１の上面に配置されて被処理基板Ｗの支持面を形成する単一の伝熱板１２とを備えている。ホットプレート１０の主要部を構成する加熱部１１を複数のヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈに分割可能に構成することで、ホットプレート１０の作製、運搬および設置を容易に行うことが可能となる。そして、これら複数のヒーターブロックからなる加熱部１１の上面に伝熱板１２を配置することによって、被処理基板Ｗの支持面において個々のヒーターブロック間における温度勾配の発生を抑制し、支持面の均熱性を確保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、大面積基板の加熱の際に好適に用いられるホットプレート及びこれを備えた基板処理装置に関する。

従来より、カーボンナノチューブの成膜方法として、炭化水素等を熱分解してカーボンナノチューブを作製する化学的気相成長法（ＣＶＤ法）が知られている。熱ＣＶＤ法を用いたカーボンナノチューブの作製においては、基板が設置されている反応管の内部（反応室）に、メタンやアセチレン等の原料ガスを導入し、加熱された基板上で原料ガスを熱分解させて、配向制御したカーボンナノチューブを成長させている。

カーボンナノチューブの気相成長時、基板はステージ上において適宜の温度に加熱される。原料ガスの種類によっても異なるが、基板温度は例えば３００℃〜８００℃の範囲に設定される。３００℃より低い温度では、成膜レートが著しく低くなり、８００℃を超える温度では、基板表面で原料ガスが分解してアモルファス状炭素が堆積するからである。

基板の加熱処理には、ホットプレートが広く用いられている。ホットプレートは、加熱源を内蔵した板状部材からなり、上部に基板を支持する支持面が形成され、抵抗加熱作用で加熱される。従来より、ホットプレートは、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等を主成分とするセラミック材料で作製された単一部品で構成されている。

ところで、近年、基板の大型化が進み、これに伴い、ホットプレートの大型化が要求されている。しかし、大型のホットプレートは、重量が大きくなることと均熱性の問題で、作製が困難になってきている。重量やサイズが大きいと運搬や設置が困難になるとともに高価となる。さらに、サイズの変更ができないため、基板サイズに適合したホットプレートを準備しておく必要がある。

そこで、下記特許文献１には、一枚のホットプレートを複数の板状体に分割可能に構成した基板熱処理装置が開示されている。このようにホットプレートを分割構造とすることで、ホットプレートの作製や運搬、設置を容易に行うことが可能となる。

特開平１１−２８３９０９号公報

しかしながら、ホットプレートを複数分割した場合、その分割線上に温度勾配が生じてしまい、均熱性が低下するという問題がある。カーボンナノチューブの作製に限らず、一般の成膜処理における基板の均一加熱は膜質の面内均一性に強く影響するため、ホットプレートの分割構造に起因する基板の均熱性低下は、生産上大きな問題となる。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、作製、運搬および設置が容易であり、均熱性に優れたホットプレート及びこれを備えた基板処理装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のホットプレートは、加熱源を内蔵した複数のヒーターブロックを相互に隣接配置させてなる加熱部と、上記加熱部の上面に配置されて被処理基板の支持面を形成する単一の伝熱板とを備えたことを特徴とする。

本発明では、ホットプレートの主要部を構成する加熱部を複数のヒーターブロックに分割可能に構成することによって、ホットプレートの作製、運搬および設置を容易に行えるようにしている。そして、これら複数のヒーターブロックからなる加熱部の上面に上記伝熱板を配置することによって、被処理基板の支持面において個々のヒーターブロック間における温度勾配の発生を抑制し、支持面の均熱性を確保するようにしている。

加熱部の平面形状は、被処理基板の形状に対応して、四角形状、円形状などに形成される。加熱部が四角形状の場合、形状が同一の複数のヒーターブロックあるいは形状が異なる複数種のヒーターブロックを相互に隣接配置させて当該加熱部を構成することができる。また、加熱部が円形状の場合、形状の異なる複数のヒーターブロックで少なくともその内周側領域と外周側領域とを構成することができる。なお、外周側領域を更に径方向又は円周方向に複数個に分割することで、個々のヒーターブロックの小型化を図ることができる。

また、ヒーターブロックに内蔵されている加熱源を個々のヒーターブロックごとに、あるいは、２以上の任意のヒーターブロックからなるグループごとに独立して温度制御を行う温度調整手段を加熱部に設けることにより、支持面の温度分布の最適化を図ることができる。例えば、プロセスガスを導入するガス導入手段を備えた基板処理装置において、プロセスガスの流れ方向に温度勾配が生じる傾向がある場合には、ガス流れ方向に関して上流側に位置するヒーターブロックの設定温度を下流側に位置するヒーターブロックの設定温度よりも高くする等の温度分布制御が可能となる。

伝熱板は、伝熱性のある材料であれば特に制限されず、好適には、銅などの金属材料、炭化ケイ素や窒化アルミニウムなどのセラミック材料が用いられる。伝熱板は、個々のヒーターブロック間の境界部における温度低下を抑制して所期の均熱性を得るために用いられるものであるため、厚さに制限はなく、例えば可撓性を有していても構わないが、個々のヒーターブロックの高さのバラツキを吸収できる厚さであることが好ましい。

以上述べたように、本発明によれば、ホットプレートの作製、運搬および設置を容易に行うことができるとともに優れた均熱性を得ることができる。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１及び図２は本発明の第１の実施形態を示しており、図１は本発明の実施形態によるホットプレート１０の概略構成を示す側断面図、図２は本実施形態のホットプレート１０を構成する加熱部１１の概略平面図である。

本実施形態のホットプレート１０は、主として、加熱部１１と、伝熱板１２とを備えている。加熱部１１は、複数（本実施形態では８個）のヒーターブロック１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈを相互に隣接配置させて構成されている。伝熱板１２は、複数のヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈで構成された加熱部１１の上面に配置された伝熱性材料からなる単一の板状部材であり、被処理基板Ｗを支持する支持面を形成している。

伝熱板１２は銅板で構成されているが、これ以外の伝熱材料、例えば炭化ケイ素や窒化アルミニウムなどのセラミック材料で構成してもよい。伝熱板１２は、個々のヒーターブロック間の境界部における温度低下を抑制して所期の均熱性を得るために用いられる。また、伝熱板１２の厚さは特に制限されないが、個々のヒーターブロックの高さのバラツキを吸収できる厚さあるいは剛性を有している。

個々のヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈの平面形状は長方形状であり、それぞれ同一の大きさに形成され、各々が図２に示したように組み合わされることで、各ヒーターブロックと相似する平面視長方形状の加熱部１１を形成している。なお、加熱部１１及びヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈの平面形状は長方形状に限らず、正方形などの他の四角形状であってもよい。

ヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈは、それぞれ同一の構成を有しており、加熱源１３を内蔵するブロック部１４と、ブロック部１４を支持するベース部１５と、ベース部１５に立設された脚部１６とを備えている。

加熱源１３は、例えばタングステンワイヤー等の抵抗加熱線を具備する棒状ヒーターで構成されており、通電時のジュール熱でブロック部１４を加熱する。なお、抵抗加熱線の本数は図示の例のように１本だけに限られず、ブロック部１４の大きさ等により適宜設定される。

ブロック部１４は、ヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈの主要部を構成するもので、例えば、銅などの金属材料、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミック材料で構成されている。ベース部１５はブロック部１４を支持する金属製台座である。脚部１６は、例えば、各ヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈを組み合わせて加熱部１１を構成した際に、各ヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈの上面の高さをそれぞれ同一平面上に位置させる高さ調節機能を有している。

加熱部１１は、加熱源１３へ供給する電流量を制御して各ヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈの温度を個々に調整する温度調整器１７ａ〜１７ｈ（図２では１７ｂ，１７ｄ，１７ｆ，１７ｈのみ図示）を備えている。これにより、加熱部１１は、個々のヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈごとに独立した温度制御が可能となる。

なお、本実施形態では、複数の温度調整器１７ａ〜１７ｈを用いて個々のヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈごとに独立した温度制御を行えるように構成したが、これに限られず、例えば、ヒーターブロック１１Ａと１１Ｂ、ヒーターブロック１１Ｃと１１Ｄ、ヒーターブロック１１Ｅと１１Ｆ、及びヒーターブロック１１Ｇと１１Ｈなどのように、２以上の任意のヒーターブロックからなるグループあるいは制御対象領域ごとに温度調整器を共通化しても構わない。また、温度調整器の全部または一部を共通の温度制御部１７としてユニット化してもよい。

以上のように構成される本実施形態のホットプレート１０においては、ホットプレート１０の主要部を構成する加熱部１１が複数のヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈで分割可能に構成されているので、ホットプレート１０の作製、運搬および設置を容易に行うことができ、ホットプレート１０の大型化にも十分に対応することが可能となる。

また、これら複数のヒーターブロック１１Ａ〜１１Ｈからなる加熱部１１の上面に伝熱板１２を配置しているので、被処理基板Ｗの支持面の個々のヒーターブロック間における温度勾配の発生を抑制し、支持面の優れた均熱性を得ることができる。また、この伝熱板１２を配置することで、個々のヒーターブロック間における段差の影響をなくすことができ、これにより被処理基板Ｗの支持面の平坦度を確保することができる。

さらに、ヒーターブロックの個数、組合せ形態によって、ホットプレートの大きさ、形状を任意に変更することができるので、設備コストの低減を図ることが可能となる。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態を示している。上述した第１の実施形態では、ホットプレートの加熱部の平面形状が長方形状である場合について説明したが、本実施形態では、当該加熱部の平面形状が円形状で形成された例について説明する。

図３は、本実施形態のホットプレート２０を構成する加熱部２１の概略平面図である。加熱部２１は、図示するように円形状を有しており、その内周側領域と外周側領域とが、異なるヒーターブロック２１Ａ及び２１Ｂ（２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３，２１Ｂ４）で構成されている。また、外周側領域を構成するヒーターブロック２１Ｂは、円周方向に４つのヒーターブロック２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｂ３，２１Ｂ４で形成されている。なお、図示せずとも各ヒーターブロックには加熱源が内蔵されている。また、図示せずとも、加熱部２１の上面には円形状の伝熱板が配置されるものとする。

円形状の加熱部１１を上述のように構成することによって、各ヒーターブロックの小型化を図ることができ、ホットプレート２０の作製、運搬、設置を容易に行うことができる。また、円形状の加熱部１１においては、内周側領域よりも外周側領域の方が、温度が低くなる傾向にあるため、内周側に位置するヒーターブロック２１Ａよりも外周側に位置するヒーターブロック２１Ｂの設定温度を高くすることで、被処理基板の支持面の均熱性を高めることが可能となる。なお、全体の形状が丸い方が、形状が四角形の場合よりも均熱が保ちやすい。

（第３の実施形態）
図４及び図５は本発明の第３の実施形態を示しており、図４は本発明に係る基板処理装置としての熱ＣＶＤ装置３５の概略構成図、図５はホットプレート３０の概略側断面図である。

熱ＣＶＤ装置３５は、反応室３６と、反応室３６を排気する真空ポンプ（真空排気手段）３７と、反応室３６に配置され被処理基板Ｗを加熱するホットプレート３０と、反応室３６へプロセスガスとして原料ガスを導入するガス導入源（ガス導入手段）３８とを備えている。

この熱ＣＶＤ装置３５は、ガス導入源３８から、原料ガスとして例えばアセチレン等の炭化水素ガスを反応室３６に導入し、ホットプレート３０によって所定温度に加熱された被処理基板Ｗとの接触による熱分解作用によって、被処理基板Ｗ上にカーボンナノチューブを気相成長させる。

ホットプレート３０は、図５に示すように、原料ガスの流れ方向に沿って複数のヒーターブロック３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを隣接配置して加熱部３１を構成するとともに、これら複数のヒーターブロック３１Ａ〜３１Ｃからなる加熱部３１の上面に単一の伝熱板３２を配置した構成となっている。また、各ヒーターブロック３１Ａ〜３１Ｃに内蔵されている加熱源３３は、個々に独立して通電制御がなされることで、ヒーターブロックごとに独立した温度調整が可能となっている。

上記構成の熱ＣＶＤ装置３５において、ホットプレート３０で支持された被処理基板Ｗは、原料ガスの流れ方向に沿って温度勾配が生じ易い。具体的に、原料ガスが基板Ｗのプロセス温度よりも低温である場合、ホットプレート３０によって基板Ｗの均熱加熱制御を行っても、ガス流れ方向の上流側に位置する領域よりも下流側に位置する領域の方が高温になる傾向がある。

これを解消するため、本実施形態では、ガス流れ方向に関して上流側に位置するヒーターブロック（３１Ａ）の設定温度を下流側に位置するヒーターブロック（３１Ｂまたは３１Ｃ）の設定温度よりも高くすることで、被処理基板Ｗ上に生じる温度勾配を解消するようにしている。これにより、被処理基板Ｗの均熱性を高めて、作製したカーボンナノチューブの面内均一性を高めることが可能となる。

（第４の実施形態）
図６は本発明の第４の実施形態によるホットプレートの加熱部の概略構成を示している。本実施形態では、複数のヒーターブロックの集合からなるホットプレートの加熱部構造を基準とし、この基準とする加熱部構造の周囲に形状の異なるヒーターブロックを配置して、全体形状や大きさを変化させる例について説明する。

図６Ａに、平面視長方形状の８つのヒーターブロック４１Ａ〜４１Ｈの集合からなる基準の加熱部構造４１を示す。図６Ｂは、基準とする加熱部構造４１の長辺部に、形状の異なる２種類の略円弧状のヒーターブロックの組合せ（４２Ａと４３Ａ、４２Ｂと４３Ｂ）を配置するとともに、加熱部構造４１の短辺部に、更に形状の異なる略円弧状のヒーターブロック４４Ａ，４４Ｂをそれぞれ配置して、全体的に円形状の加熱部を構成した例を示している。

また、図６Ｃは、基準とする加熱部構造４１の長辺部に、ヒーターブロック４１Ａ〜４１Ｈとは異なる４つの長方形状のヒーターブロック４５Ａ〜４５Ｄを配置するとともに、加熱部構造４１の短辺部に、ヒーターブロック４１Ａ〜４１Ｈ及び４５Ａ〜４５Ｄとは更に形状の異なる４つの長方形状のヒーターブロック４６Ａ〜４６Ｄを配置して、全体として、基準とする加熱部構造４１よりも大面積の長方形状の加熱部を構成した例を示している。

更に、図６Ｄは、基準とする加熱部構造４１の一方の長辺部に、ヒーターブロック４１Ａ〜４１Ｈとは異なる２つの長方形状のヒーターブロック４７Ａ，４７Ｂを配置して、全体として、正方形状の加熱部を構成した例を示している。

以上のように、形状の異なる複数種のヒーターブロックを組み合わせることにより、加熱部の形状、大きさを任意に変更することができる。加熱部を構成する個々のヒーターブロックの形状は、必要とする加熱部の全体形状、大きさ等に応じて適宜変更することができ、更に、形状の異なる複数種のヒーターブロックを複数個ずつ準備しておくことで、加熱部全体の形状や大きさの変更作業を容易に行うことが可能となる。

（第５の実施形態）
図７は本発明の第５の実施形態によるホットプレートの加熱部の概略構成を示している。本実施形態では、３種類の四角形状のヒーターブロック５１Ａ、５１Ｂ１〜５１Ｂ４、５１Ｃ１〜５１Ｃ４を組み合わせて、全体形状が長方形状の加熱部５１を構成した例を示している。特に本実施形態では、面積が最も大きなヒーターブロック５１Ａの周りに他のヒーターブロックを配置するようにしている。このように、内側に大面積のヒーターブロックを配置し外側にこれより面積的に小さなヒーターブロックを複数配置することで、加熱部全体の面内均熱性を向上させることが可能となる。なお、上述の第２の実施形態の構成においても同様な効果を得ることができる。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の例に限定されない。

２００ｍｍ×１２０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの銅製のヒーターブロックを８個用いて、４００ｍｍ×４８０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの加熱部を構成した（図２参照）。その上に、４００ｍｍ×４８０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのＳｉＣ製の伝熱板を配置して、本発明に係るホットプレートを構成した。各ヒーターブロックには、棒状のヒーター（抵抗加熱線）を２本ずつ長手方向に入れた。総重量は約５０ｋｇであったが、加熱部を８分割することで容易にチャンバー内に運び入れることができた。

上記構成の加熱部において、中央寄りの１つのヒーターブロックに直径約１ｍｍの孔を空け、これに熱電対を挿入し、この熱電対の出力を基にホットプレートを６００℃に温度制御したところ、温度分布は±１０℃以内であった。

上記構成の加熱部において、８個のヒーターブロックを個別に６００℃で温度制御したところ、温度分布を６００℃±５℃以内とすることができた。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の各実施形態において説明した加熱部１１，２１，３１のヒーターブロックによる分割個数は、あくまでも一例であり、大きさや形状に合わせて任意に決定することが可能である。また、ヒーターブロックの平面形状は、長方形状や円形状、円弧形状のほか、例えば六角形状等の他の幾何学的形状を有していてもよい。

また、以上の第３の実施形態では、カーボンナノチューブ成膜用の基板処理装置を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られず、他の成膜装置にも本発明は適用可能である。

さらに、以上の各実施形態において説明したホットプレートにおいて、分割構成される各ヒーターブロックに冷却媒体の循環流路や、静電チャック用の電極を設けてもよい。

本発明の第１の実施形態によるホットプレートの概略構成を示す側断面図である。 本発明の第１の実施形態によるホットプレートを構成する加熱部の概略平面図である。 本発明の第２の実施形態によるホットプレートを構成する加熱部の概略平面図である。 本発明の第３の実施形態において説明する本発明に係る基板処理装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態によるホットプレートの概略側断面図である。 本発明の第４の実施形態によるホットプレートの加熱部の概略平面図である。 本発明の第５の実施形態によるホットプレートの加熱部の概略平面図である。

符号の説明

１０，２０，３０ ホットプレート
１１，２１，３１ 加熱部
１１Ａ〜１１Ｈ，２１Ａ，２１Ｂ１〜２１Ｂ４，３１Ａ〜３１Ｃ ヒーターブロック
１２，３２ 伝熱板
１３，３３ 加熱源
１４ ブロック部
１５ ベース部
１６ 脚部
１７ 温度調整部
３５ 熱ＣＶＤ装置（基板処理装置）
３６ 反応室
３７ 真空ポンプ
３８ ガス導入源
Ｗ 被処理基板

Claims (8)

1. 加熱源を内蔵した複数のヒーターブロックを相互に隣接配置させてなる加熱部と、
   前記加熱部の上面に配置されて被処理基板の支持面を形成する単一の伝熱板とを備えた
   ことを特徴とするホットプレート。
2. 前記加熱部は平面形状が四角形状であるとともに、形状が同一の複数のヒーターブロックの集合体からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のホットプレート。
3. 前記加熱部は、形状が異なる複数種のヒーターブロックの集合体からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のホットプレート。
4. 前記加熱部は平面形状が円形状であるとともに、少なくともその内周側領域と外周側領域とが異なるヒーターブロックで構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のホットプレート。
5. 前記加熱部は、個々のヒーターブロックごとに、あるいは、２以上の任意のヒーターブロックからなるグループごとに温度制御を行う温度調整手段を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載のホットプレート。
6. 反応室と、前記反応室を排気する真空排気手段と、前記反応室に配置され被処理基板を加熱するホットプレートと、前記反応室へプロセスガスを導入するガス導入手段とを備えた基板処理装置であって、
   前記ホットプレートは、
   加熱源を内蔵した複数のヒーターブロックを相互に隣接配置させてなる加熱部と、
   前記加熱部の上面に配置されて被処理基板の支持面を形成する単一の伝熱板とを備えた
   ことを特徴とする基板処理装置。
7. 前記加熱部は、前記ガス導入手段から導入されるプロセスガスのガス流れ方向に沿って前記ヒーターブロックが複数配置されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の基板処理装置。
8. 前記加熱部は、前記ガス流れ方向の下流側に位置するヒーターブロックの温度よりも上流側に位置するヒーターブロックの温度の方が高く設定されている
   ことを特徴とする請求項７に記載の基板処理装置。

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