JP2008277382A - 基板温度制御装置用ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】プレートの材料としてセラミック以外の材料を用いながら、プレートの熱変形を防止することにより、ローコストで応答性の良い基板温度制御装置を提供する。
【解決手段】この基板温度制御装置用ステージは、基板の温度を制御する基板温度制御装置において基板を載置するために用いられるステージであって、基板と対向する第１の面に所定の厚さで表面処理が施されたプレートと、プレートの第１の面と反対側の第２の面において、表面処理が施されていない領域に接着された面状のヒータとを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウエハや液晶パネル等の基板を処理する際に基板の温度を制御する基板温度制御装置において、基板を載置するために用いられるステージに関する。

近年、半導体ウエハや液晶パネル等の基板の処理工程において、基板の温度を精密に制御することがますます重要になっている。例えば、半導体装置の製造工程においては、ウエハにレジストを塗布した後に、レジスト溶媒を除去するためにウエハを加熱し、その後、ウエハを冷却するというように、ウエハの加熱と冷却とが頻繁に行われる。その際に、基板の温度を適切に制御するために、基板温度制御装置が用いられる。

基板温度制御装置は、基板を載置するために平らな上面を有するステージを含んでおり、このステージの内部又は下部に、基板を加熱又は冷却するための加熱デバイス又は冷却デバイスが配置されている。一般に、加熱デバイスとしては、電熱線、赤外線ランプ、又は、作動流体が用いられ、冷却デバイスとしては、ベルチェ素子や作動流体が用いられる。

関連する技術として、下記の特許文献１には、半導体ウエハや液晶パネル等の基板の処理工程において、基板を加熱したり冷却したりして基板の温度を制御するために用いられる基板温度制御装置が開示されている。この基板温度制御装置においては、半導体ウエハを載せるステージが、熱伝導性の良い金属製の薄平板状の容器と、この容器の上面と下面とに貼り付けられた薄膜ヒータとから成る上下対称の構造を有している。この対称構造によれば、ステージの熱膨張による撓みを防止して、均熱性を高めることができる。

また、下記の特許文献２には、半導体や液晶パネルのベーキング処理、及び、成膜工程におけるウエハ及び基板の焼成に適用される加熱装置が開示されている。この加熱装置は、ベースプレートと、該ベースプレートの一方面上に設けられたプレート状発熱体と、該プレート状発熱体の一方面上に設けられたフェースプレートとを含み、該フェースプレートは、プレート状発熱体からの熱伝導によってフェースプレートの表面に搭載される被加熱物を加熱するものであって、フェースプレートとプレート状発熱体との間にフェースプレートよりも熱伝導率が大きい熱伝導体を設けたことを特徴としている。具体的には、フェースプレートが、アルミニウム材によって作られており、フェースプレートの表面に、アルマイト加工が施されている。熱伝導体は、銅又は銅合金で作られる。

アルミニウム材は、セラミックよりも軟らかいが安価で熱伝導率も高いので、薄いアルミニウム材を用いてステージのフェースプレートを作ることができれば、ローコストで応答性の良い基板温度制御装置を実現することができる。しかしながら、ステージの熱変形を防止するためにステージを上下対称の構造にすると、構造が複雑になってしまう。
国際公開ＷＯ９９／４１７７８号パンフレット（第１頁、図１） 特開平９−１３４７７６号公報（第２−３頁、図１）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、プレートの材料としてセラミック以外の材料を用いながら、プレートの熱変形を防止することにより、ローコストで応答性の良い基板温度制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る基板温度制御装置用ステージは、基板の温度を制御する基板温度制御装置において基板を載置するために用いられるステージであって、基板と対向する第１の面に所定の厚さで表面処理が施されたプレートと、プレートの第１の面と反対側の第２の面において、表面処理が施されていない領域に接着された面状のヒータとを具備する。

本発明の１つの観点によれば、プレートの第１の面に所定の厚さで表面処理を施すと共に、プレートの第２の面において表面処理が施されていない領域に面状のヒータを接着することにより、プレートの熱変形を防止して、ローコストで応答性の良い基板温度制御装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る基板温度制御装置用ステージを示す平面図であり、図２は、図１に示す一点鎖線II−IIにおける断面図である。基板温度制御装置は、半導体ウエハや液晶パネル等の基板の処理工程において基板の温度を制御する装置であり、基板を載置するために用いられるステージ１を有している。以下においては、直径３００ｍｍの半導体ウエハがステージ１上に載置される場合について説明する。

図１及び図２に示すように、基板温度制御装置のステージ１は、円盤形状のプレート１０を含んでおり、プレート１０には、高さが１００μｍ程度の複数の突起１１が設けられている。ウエハがステージ１上に載置される場合には、それらの突起１１がウエハを支えて、ウエハとプレート１０との間に１００μｍ程度のギャップを形成し、ウエハがプレート１０に接触することを防止している。これにより、プレート１０に付着している汚染物からウエハが保護される。プレート１０の周辺部には、ウエハの位置がずれないようにするための複数のウエハガイド１２が設けられ、ステージ１上に載置されたウエハの位置を規定している。

図２を参照すると、プレート１０には、ウエハを加熱するための円形シート状（面状）のヒータ２０が取り付けられており、ヒータ２０の配線のためにターミナル・プレート３０が設けられている。プレート１０及びヒータ２０は、プレート固定ネジ４１によって、樹脂リング４２及びプレート支柱４３を介してベースプレート５０に固定されている。樹脂リング４２を用いることにより、プレート１０とベースプレート５０との間で断熱が図られると共に、プレート１０が樹脂リング４２上を滑ることにより、ベースプレート５０に対してある程度移動可能となっている。ベースプレート５０の周囲には、外周カバー６０が取り付けられている。ステージ１は、基板温度制御装置のケース内に収納される。

図３は、本発明の一実施形態に係る基板温度制御装置用ステージのプレート及びヒータを概略的に示す断面図である。
プレート１０は、薄いアルミニウム材（Ａ５０５２）で作製されており、長い直径が３４０ｍｍで短い直径が３３０ｍｍの円錐台の形状を有している。熱変形を防止するために、ヒータ２０が接着される部分を除いてプレート１０に表面処理（本実施形態においては、アルマイト処理）を施すことにより、アルマイト層１０ａが形成されている。本実施形態においては、６ｍｍの厚さを有するプレート１０に対して、１５μｍ〜３０μｍ、望ましくは２０μｍの厚さを有するアルマイト層１０ａが形成される。

ヒータ２０は、ポリイミドの絶縁膜２１と、絶縁膜２１上にパターン形成されたステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）の薄膜の電熱線２２と、電熱線２２を被覆するポリイミドの絶縁膜２３とによって構成される。ここで、絶縁膜２１の厚さは５０μｍであり、電熱線２２の厚さは２０μｍであり、絶縁膜２３の厚さは、薄い部分で２５μｍである。絶縁膜２１及び２３のポリイミドの表面は、３００℃以上に加熱されると他の部材に接着（熱融着）するように改質されており、プレート１０と絶縁膜２１と絶縁膜２３とをホットプレスすることによって、これらが互いに接着されている。

アルミニウムは比較的柔らかく、ステンレスやポリイミドよりも線膨張係数が大きいので、アルマイト層１０ａが無い場合には、ヒータ２０によってプレート１０が加熱されると、プレート１０の図中上側が凸となるような変形が生じる。その変形量は、２５０℃において２００μｍ程度と大きく、ウエハとプレート１０との間のギャップ（１００μｍ程度）を超えてしまう。この問題に対し、プレート１０の上面に所定の厚さを有するアルマイト層１０ａを形成することによって、アルミニウムの熱膨張が抑えられ、ポリイミドの絶縁膜２１やステンレス薄膜の電熱線２２の熱膨張と拮抗するようになって、加熱によるプレート１０の変形が低減される。また、プレート１０と絶縁膜２１と絶縁膜２３とをホットプレスによって熱融着させる工程において、線膨張係数の違いにより生じる製造時の熱変形も、上記構造によって低減することができる。

図４は、本発明の一実施形態の変形例に係る基板温度制御装置用ステージのプレート及びヒータを概略的に示す断面図である。
この例においては、プレート１０の全面にアルマイト処理を施すことによりアルマイト層１０ａ及び１０ｂが形成されるが、プレート１０の下面に形成されるアルマイト層１０ｂの厚さが、プレート１０の上面に形成されるアルマイト層１０ａの厚さよりも小さくなっている。即ち、プレート１０の上面のアルマイト層１０ａが、プレート１０の下面のアルマイト層１０ｂよりも厚く形成される。この例においても、プレート１０の厚さは６ｍｍであるが、プレート１０の上面のアルマイト層１０ａの厚さを、プレート１０の下面のアルマイト層１０ｂの厚さよりも、１５μｍ〜３０μｍ、望ましくは２０μｍだけ大きくすることにより、プレート１０の上側の膨張が抑えられる。

次に、プレートの温度変化による変形量を測定及び解析により求めた結果について説明する。
図５は、プレートの温度変化による変形量の測定結果を示す図である。図５において、横軸（ｘ軸）は、プレートの温度（℃）を表しており、縦軸（ｙ軸）は、プレート中心の相対位置変化（μｍ）を表している。プレート中心の相対位置変化が正の値となる場合には、図３又は図４に示すプレート１０の図中上側が凸となるように変形が生じ、プレート中心の相対位置変化が負の値となる場合には、プレート１０の図中上側が凹となるように変形が生じることになる。

図５に示す直線Ａは、図３に示すプレート１０の上面にアルマイト層１０ａが形成されていない場合（アルマイト層の厚さ０μｍ）における測定結果を線形近似したものである。なお、図４に示すプレート１０の上面に形成されるアルマイト層１０ａの厚さと下面に形成されるアルマイト層１０ｂの厚さとが等しい場合にも、これに近い結果となる。

また、直線Ｂは、図３に示すプレート１０の上面に厚さ１５μｍのアルマイト層１０ａが形成されている場合における測定結果を線形近似したものである。なお、図４に示すプレート１０の上面に形成されるアルマイト層１０ａが下面に形成されるアルマイト層１０ｂよりも１５μｍ厚い場合にも、これに近い結果となる。

さらに、直線Ｃは、図３に示すプレート１０の上面に厚さ３０μｍのアルマイト層１０ａが形成されている場合における測定結果を線形近似したものである。なお、図４に示すプレート１０の上面に形成されるアルマイト層１０ａが下面に形成されるアルマイト層１０ｂよりも３０μｍ厚い場合にも、これに近い結果となる。

図６は、２５０℃におけるプレートの変形量の解析結果を測定結果と比較して示す図である。図６において、横軸（ｘ軸）は、図３に示すプレート１０の上面に形成されるアルマイト層１０ａの厚さ（μｍ）を表しており、縦軸（ｙ軸）は、プレート中心の相対位置変化（μｍ）を表している。ここで、黒い三角のポイントは、シミュレーションによる値を表しており、黒い丸のポイントは、実測による値を表している。

図７は、プレートの変形量の解析において使用された物性値を示す図である。温度変化によるプレートの変形量は、プレート及びヒータを構成する各材料の線膨張係数、ヤング率、（ポアソン比）、及び、厚さに基づいて算出することができる。解析条件としては、温度２３℃において変形がないものとし、温度変化による変形を２次元軸対象として定常状態において求めた。また、電熱線となるステンレス薄膜は、厚さ２０μｍで一様に形成されているものとした。

図５及び図６から分るように、図３に示すプレート１０の上面に形成されるアルマイト層１０ａの厚さが１５μｍ〜３０μｍである場合に、プレート１０の変形量が特に小さくなる。その場合に、プレート１０の厚さは６ｍｍであるから、アルマイト層１０ａの厚さはプレート１０の厚さの０．２５％〜０．５％に相当する。

また、プレート１０の厚さを４ｍｍとしてシミュレーションを行ったところ、同様に、アルマイト層１０ａの厚さが１５μｍ〜３０μｍである場合に、プレート１０の変形量が特に小さくなることが分った。その場合に、アルマイト層１０ａの厚さはプレート１０の厚さの０．３７５％〜０．７５％に相当する。従って、これらのことから、アルマイト層１０ａの厚さをプレート１０の厚さの０．２５％〜０．７５％とすれば、プレート１０の変形量が小さくなるという効果が得られる。特に、アルマイト層１０ａの厚さが２０μｍ付近である場合に、プレート１０の変形量がゼロに近付くので、アルマイト層１０ａの厚さをプレート１０の厚さの０．３３％〜０．５％とすることが望ましい。

同様に、図４に示すプレート１０の上面に形成されるアルマイト１０ａをプレート１０の下面に形成されるアルマイト１０ｂよりも１５μｍ〜３０μｍ厚くする場合に、プレート１０の変形量が特に小さくなる。プレート１０の厚さが６ｍｍである場合には、アルマイト層の厚さの差がプレート１０の厚さの０．２５％〜０．５％に相当し、プレート１０の厚さが４ｍｍである場合には、アルマイト層の厚さの差がプレート１０の厚さの０．３７５％〜０．７５％に相当する。従って、これらのことから、アルマイト層の厚さの差をプレート１０の厚さの０．２５％〜０．７５％とすれば、プレート１０の変形量が小さくなるという効果が得られる。特に、アルマイト層の厚さの差が２０μｍ付近である場合に、プレート１０の変形量がゼロに近付くので、アルマイト層の厚さの差をプレート１０の厚さの０．３３％〜０．５％とすることが望ましい。

以上の実施形態においては、母材がアルミニウムのプレートに、表面処理としてアルマイト処理を施すことによりアルマイト層を形成する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、母材としてシリコン（Ｓｉ）を用いて、表面処理として酸化処理を施すことによりシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を形成しても良いし、表面処理として窒化処理を施すことによりシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成しても良い。母材の片面又は両面にこれらの膜を形成する場合に、膜の厚さを調整することによって、プレートの熱変形を低減することができる。あるいは、母材の片面を所定の厚さでショットブラストしても良いし、母材の両面をショットブラストする場合に処理厚さを面毎に変更しても良い。また、母材の片面に所定の厚さで金メッキ等のメッキを施しても良いし、母材の両面にメッキを施す場合にメッキ厚を面毎に変更しても良い。

本発明は、半導体ウエハや液晶パネル等の基板を処理する際に基板の温度を制御する基板温度制御装置において利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る基板温度制御装置用ステージを示す平面図である。 図１に示す一点鎖線II−IIにおける断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板温度制御装置用ステージのプレート及びヒータを概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る基板温度制御装置用ステージのプレート及びヒータを概略的に示す断面図である。 プレートの温度変化による変形量の測定結果を示す図である。 ２５０℃におけるプレートの変形量の解析結果を測定結果と比較して示す図である。 プレートの変形量の解析において使用された物性値を示す図である。

符号の説明

１…ステージ、 １０…プレート、 １０ａ、１０ｂ…アルマイト層、 １１…突起、 １２…ウエハガイド、 ２０…ヒータ、 ２１、２３…絶縁膜、 ２２…電熱線、 ３０…ターミナル・プレート、 ４１…プレート固定ネジ、 ４２…樹脂リング、 ４３…プレート支柱、 ５０…ベースプレート、 ６０…外周カバー

Claims (6)

1. 基板の温度を制御する基板温度制御装置において基板を載置するために用いられるステージであって、
   基板と対向する第１の面に所定の厚さで表面処理が施されたプレートと、
   前記プレートの第１の面と反対側の第２の面において、表面処理が施されていない領域に接着された面状のヒータと、
   を具備する基板温度制御装置用ステージ。
2. 基板の温度を制御する基板温度制御装置において基板を載置するために用いられるステージであって、
   基板と対向する第１の面に第１の厚さで表面処理が施され、第１の面と反対側の第２の面において、所定の領域に第１の厚さよりも小さい第２の厚さで表面処理が施されたプレートと、
   前記プレートの前記所定の領域に接着された面状のヒータと、
   を具備する基板温度制御装置用ステージ。
3. 前記プレートが、アルミニウム製であり、前記表面処理が、アルマイト処理である、請求項１又は２記載の基板温度制御装置用ステージ。
4. 前記ヒータが、ポリイミドの第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上にパターン形成されたステンレス薄膜の電熱線と、前記電熱線を被覆するポリイミドの第２の絶縁膜とを含む、請求項３記載の基板温度制御装置用ステージ。
5. 前記所定の厚さ、又は、前記第１の厚さと前記第２の厚さとの差が、１５μｍ〜３０μｍである、請求項３又は４記載の基板温度制御装置用ステージ。
6. 前記所定の厚さ、又は、前記第１の厚さと前記第２の厚さとの差が、前記プレートの厚さの０．２５％〜０．７５％である、請求項３又は４記載の基板温度制御装置用ステージ。

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