JP2009004472A

JP2009004472A - 積層型ヒーターユニット

Info

Publication number: JP2009004472A
Application number: JP2007162333A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Yamakawa; 正文山川
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-01-08

Abstract

【課題】積層方向の耐荷重性能を確保しつつ、良好な昇温性能を確保する積層型ヒーターユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】通電することで発熱する板状のヒーター部材２６と、ヒーター部材２６の一方の面に密着して設けられ、非導電性及びヒーター部材２６の０．３〜０．７倍の熱伝導率を有する第１中間部材３０と、第１中間部材３０の反ヒーター部材側の面に密着して設けられ、ウェハＷと接する接触面３６及び第１中間部材３０よりも高い熱伝導率を有する伝熱部材３２と、ヒーター部材２６の他方の面側に設けられたベース部材１２と、ベース部材１２とヒーター部材２６との間に密着して設けられ、非導電性及びベース部材１２よりも低い熱伝導率を有する第２中間部材１８と、をヒーターユニット１０が備えることで、積層方向の耐荷重性能が確保され、良好な昇温性能が確保される。
【選択図】図１

Description

本発明は、通電することで発熱するヒーター部材を備える積層型ヒーターユニットに関し、特には、半導体製造工程における半導体加熱装置に用いられる積層型ヒーターユニットに関する。

半導体（ウェハ）製造工程でウェハを加熱する加熱装置に用いられるヒーターユニットとしては、非導電性や耐熱性（耐熱衝撃性、耐熱応力）を向上させるためにウェハを載置する試料台と熱源であるヒーター部との間に隙間を介在させて、ヒーター部材からの輻射熱によってウェハを加熱する加熱方式が主流となっている（特許文献１参照）。また、ヒーターユニットの熱源であるヒーター部材に熱応力によるクラックが発生するのを抑制するため、スリット又は微小な開口を設ける技術が特許文献２に開示されている。
また、その他のウェハ加熱方式としては、試料台の下側に非導電部材を介してヒーター部材を設け、ヒーター部材からの熱伝導によってウェハを加熱する加熱方式がある。
特開２００６−１５６１１９号公報特開平７−２９６９５４号公報

近年、ウェハ製造工程における加熱装置では、ウェハ同士を積層したり、ウェハの上にフィルム等を積層したりするため、これらの部材をプレス（加圧）しながら加熱できる加熱装置の要求が増えてきている。

しかしながら、前述した輻射熱を利用するヒーターユニットでは試料台とヒーター部材との間に隙間が介在するため、プレスによる面荷重に耐えられない虞がある。
また、熱伝導を利用するヒーターユニットでは、ヒーター部材と試料台との間に隙間が介在されないため輻射熱を利用するヒーターユニットよりもプレスによる面荷重に耐えられるが、ヒーターユニットの昇温性能が試料台及び非導電部材の各材質（特に熱伝導率）によって大きく左右される問題点がある。
このため、市場では、プレスにおける面荷重に耐えつつ、良好な昇温性能が得られるヒーターユニットの登場が期待されている。

本発明の目的は、上記事実を考慮して、積層方向の耐荷重性能を確保しつつ、良好な昇温性能を確保する積層型ヒーターユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の請求項１に係る積層型ヒーターユニットは、通電することで発熱する板状のヒーター部材と、前記ヒーター部材の一方の面に密着して設けられ、非導電性及び前記ヒーター部材の０．３〜０．７倍の熱伝導率を有する第１の中間部材と、前記第１の中間部材の反ヒーター部材側の面に密着して設けられ、被加熱体と接する接触面、及び前記第１の中間部材よりも高い熱伝導率を有する伝熱部材と、前記ヒーター部材の他方の面側に設けられたベース部材と、前記ベース部材と前記ヒーター部材との間に密着して設けられ、非導電性及び前記ベース部材よりも低い熱伝導率を有する第２の中間部材と、を備えることを特徴としている。

次に請求項１に記載の積層型ヒーターユニットの作用について説明する。
被加熱体を伝熱部材の接触面に接触させた状態で通電してヒーター部材を発熱させることで、熱が第１の中間部材及び伝熱部材を介して被加熱体へと伝熱し、被加熱体が加熱される。ここで、ベース部材、第２の中間部材、ヒーター部材、第１の中間部材及び伝熱部材が積層された構造のため、従来の隙間が介在される輻射熱を利用したヒーターユニットよりも積層方向に対する耐荷重性能が大きく確保される。また、第１の中間部材が非導電性及び、ヒーター部材の０．３〜０．７倍の熱伝導率を有し、伝熱部材が第１の中間部材よりも高い熱伝導率を有することから、被加熱体に電気を流すことなく、効率よく熱伝導することができ、良好な昇温性能が確保される。
従って、本発明の積層型ヒーターユニットは、積層方向の耐荷重性能が確保されると共に、良好な昇温性能が確保される。

なお、第１の中間部材の熱伝導率がヒーター部材の熱伝導率の０．３倍未満だと昇温時間や均熱性等の温度特性に影響し、熱膨張率によっては温度差による破損につながる。熱伝導率が０．７倍を超える場合には金属などの部材も考えられるが、金属は熱膨張率が高く変形による破損が生じる虞がある。また、第１の中間部材は非導電性が条件となるため金属等の導電性を有する部材を用いることは望ましくない。
従って、第１の中間部材の熱伝導率をヒーター部材の熱伝導率の０．３〜０．７倍とすることが好ましい。

本発明の請求項２に係る積層型ヒーターユニットは、請求項１に記載の積層型ヒーターユニットにおいて、前記第１の中間部材の熱伝導率は、８０Ｗ／ｍ・ｋ以上であることを特徴としている。

次に、請求項２に記載の積層型ヒーターユニットの作用について説明する。
第１の中間部材の熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・ｋ未満の場合には、良好な昇温性能を大きく確保することが難しく、８０Ｗ／ｍ・ｋ以上の場合には、より良好な昇温性能を大きく確保することができる。

本発明の請求項３に係る積層型ヒーターユニットは、請求項１又は請求項２に記載の積層型ヒーターユニットにおいて、前記ヒーター部材が炭化ケイ素を含む材料から構成されることを特徴としている。

次に、請求項３に記載の積層型ヒーターユニットの作用について説明する。
炭化ケイ素は高い耐熱性及び高い熱伝導率を有している。このため、ヒーター部材を炭化ケイ素が含まれる材料で構成することでクラック等の破損を生じさせずに急速昇温性能を向上させることができる。

本発明の請求項４に係る積層型ヒーターユニットは、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の積層型ヒーターユニットにおいて、前記第１の中間部材が窒化アルミニウムを含む材料から構成されることを特徴としている。

次に、請求項４に記載の積層型ヒーターユニットの作用について説明する。
窒化アルミニウムは高い熱伝導率及び低い熱膨張率を有している。このため、第１の中間部材を窒化アルミニウムが含まれる材料で構成することでクラック等の破損を生じさせずに急速昇温性能を向上させることができる。また、第１の中間部材は熱膨張率が低いため、熱応力によって第１の中間部材にクラック等の破損が生じるのが抑制される。

本発明の請求項５に係る積層型ヒーターユニットは、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の積層型ヒーターユニットにおいて、前記第２の中間部材は、前記伝熱部材へ前記ヒーター部材及び前記第１の中間部材を貫通して延び、先端側が前記伝熱部材に取り付けられる１つの支持部材を有することを特徴としている。

次に、請求項５に記載の積層型ヒーターユニットの作用について説明する。
ヒーター部材及び第１の中間部材は、これらの部材を貫通する支持部材によって一点で支持されるためヒーター部材及び第１の中間部材に熱膨張が生じたとしても、これらの部材は積層方向と直交する方向には拘束されない、即ち膨張することができるため熱応力が緩和されて、クラック等の破損が生じるのが抑制される。また同様に、伝熱部材は、支持部材によって一点で支持されるため伝熱部材に熱膨張が生じたとしても、伝熱部材は積層方向と直交する方向には拘束されない、即ち膨張することができるため熱応力が緩和されて、クラック等の破損が生じるのが抑制される。従って熱応力によってこれらの部材にクラック等の破損が生じるのが抑制される。

本発明の積層型ヒーターユニットは、積層方向の耐荷重性能が確保されると共に、良好な昇温性能が確保される。

［第１の実施形態］
（構成）図１及び図２にしたがって、本発明の積層型ヒーターユニットの一実施形態を説明する。図１は本実施形態の積層型ヒーターユニットを積層方向に沿って切断した断面を示す部分断面図であり、図２は、ヒーター部材の平面図である。

図１に示すように、本実施形態の積層型ヒーターユニット１０（以下、ヒーターユニット１０）は、円盤状のベース部材１２、円盤状の第２中間部材１８、円盤状のヒーター部材２６、円盤状の第１中間部材３０及び伝熱部材３２の順で各部材を密着して積層した略円柱状の積層体である。なお、ヒーターユニット１０の軸Ｌは各部材の軸と一致している。また、ヒーターユニット１０の積層方向を矢印Ｙで示すものとする。

ベース部材１２の外周縁部には、第２中間部材１８の外周端部を囲うように突起部１４が形成されている。この突起部１４は第２中間部材１８が軸Ｌと直交する方向へ移動するのを制限している。なお、本実施形態の突起部１４は第２中間部材１８の外周縁部に沿って連続して形成されているが、この構成に限定される必要は無く、第２中間部材１８が軸Ｌと直交する方向へ移動するのが制限できれば突起部１４の数や形状は特定されないものとする。

第２中間部材１８は、ベース部材１２（本実施形態での材質は石英。）よりも低い熱伝導率を有している。この第２中間部材１８の熱伝導率は、具体的には、後述するヒーター部材２６からベース部材１２への熱伝導を抑制できる程度の熱伝導率に設定することが好ましい（例えば、１．１〜３７Ｗ／ｍ・ｋ）。また、この第２中間部材１８（本実施形態での材質はセラミックス。）は非導電性を有している。なお、ここで言う非導電性を有するとは、電気抵抗率が１．Ｅ＋０７Ω・ｍ以上となる性質を有することを意味している。

ヒーター部材２６は給電用の第１端子電極２８Ａ及び第２端子電極２８Ｂを有している。第１端子電極２８Ａ及び第２端子電極２８Ｂは、夫々の一端側がヒーター部材２６に接続され、夫々の他端側がベース部材１２及び第２中間部材１８に設けられた夫々の貫通孔１６、貫通孔２０を通って図示しない外部の電源に接続されている。また、ヒーター部材２６は炭化ケイ素を含む材料から構成されている。なお、本実施形態のヒーター部材２６は炭化ケイ素焼結体であり、このヒーター部材２６に対する炭化ケイ素の比率は９７〜９９．９９％とすることが好ましい。
また、本実施形態では均熱性を考慮してヒーター部材２６の形状を図２に示すような円形状の面に円弧状の溝が中心部から外周縁部に向けて所定の間隔で複数形成された形状としているが、良好な均熱性が得られれば、ヒーター部材２６の形状は特定されないものとする。

第１中間部材３０は、非導電性を有している。また、第１中間部材３０はヒーター部材２６の０．３〜０．７倍の熱伝導率を有し、且つ８０Ｗ／ｍ・ｋ以上の熱伝導率を有している。さらに、第１中間部材３０は窒化アルミニウムを含む材料から構成されている。なお、本実施形態の第１中間部材３０は窒化アルミニウム焼結体であり、この第１中間部材３０に対する窒化アルミニウムの比率は９４〜９９％とすることが好ましい。

伝熱部材３２は、第１中間部材３０側と密着した面と反対側の面が被加熱体（本実施形態では、ウェハ）Ｗと接する平らな接触面３６となっている。また、伝熱部材３２は第１中間部材３０よりも高い熱伝導率（好ましくは、ヒーター部材２６以上）を有している。なお、本実施形態の伝熱部材３２は炭化ケイ素焼結体である。また、この伝熱部材３２に対する炭化ケイ素の比率は９７〜９９．９９％とすることが好ましい。

また、図１に示すように、第２中間部材１８の中央部から伝熱部材３２の中央部へ向けて円柱状の支持部材２２が一体的に延設されている。この支持部材２２は、ヒーター部材２６及び第１中間部材３０を貫通している。これらの貫通された各部材の中央部には支持部材２２と同径又は大径な貫通孔が夫々形成されている。また、この支持部材２２の伝熱部材３２側には伝熱部材３２に設けられた凹部３４に嵌入可能な凸部２４が形成され、この凸部２４に凹部３４を嵌入させることで、伝熱部材３２が固定されて第２中間部材１８と伝熱部材３２との間に各部材が挟み込まれて固定される。

（作用）次に本実施形態のヒーターユニット１０の作用について説明する。ヒーターユニット１０がウェハ製造工程の加熱装置に用いられた場合、被加熱体（本実施形態では図１に示す円板状のウェハ（二点鎖線））Ｗを伝熱部材３２の接触面３６に接触させた状態で、端子電極２８Ａから端子電極２８Ｂへ通電してヒーター部材２６を発熱させることで、その熱が第１中間部材１８及び伝熱部材３２を介してウェハＷへと伝熱し、ウェハＷが加熱される。
ここで、ベース部材１２、第２中間部材１８、ヒーター部材２６、第１中間部材３０及び伝熱部材３２が密着して積層された構造のため、例えばウェハＷを２枚重ねにして図示しないプレス機構と接触面３６とでウェハＷをプレス（プレス方向は伝熱部材３２からベース部材１２への方向、即ちヒーターユニット１０の積層方向）しても荷重に対して十分に耐えられると共に、このプレス状態でウェハＷを加熱することができる。

また、第１中間部材３０が非導電性及び、ヒーター部材２６の０．３〜０．７倍且つ８０Ｗ／ｍ・ｋ以上の熱伝導率を有し、伝熱部材３２が第１中間部材３０よりも高い熱伝導率を有することから、ウェハＷに電気を流すことなく、効率よく熱伝導することができ、良好な昇温性能が確保される。このとき、ヒーター部材２６、第１中間部材３０及び伝熱部材３２の各部材間における温度差が減少するため、熱応力によってヒーター部材２６、第１中間部材３０及び伝熱部材３２にクラック等の破損が生じるのが抑制される。
従って、ヒーターユニット１０は、積層方向の耐荷重性能が確保されると共に、良好な昇温性能が確保される。

なお、第１中間部材３０の熱伝導率がヒーター部材２６の熱伝導率の０．３倍未満だと昇温時間や均熱性等の温度特性に影響し、熱膨張率によっては温度差による破損につながる。また、熱伝導率が０．７倍を超える場合には第１中間部材３０として金属などの部材も考えられるが、金属は熱膨張率が高く変形による破損が生じる虞がある。また、第１中間部材３０は非導電性が条件となるため、例えば金属等の導電性を有する部材を用いることは望ましくない。従って、第１中間部材３０の熱伝導率をヒーター部材２６の熱伝導率の０．３〜０．７倍とすることが好ましい。

また、第１中間部材３０の熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・ｋ未満の場合には、良好な昇温性能を大きく確保することが難しいが、８０Ｗ／ｍ・ｋ以上の場合には、より良好な昇温性能を大きく確保することができる。

さらに、ヒーター部材２６が炭化ケイ素を含む材料（炭化ケイ素焼結体）で構成されているためクラック等の破損を生じさせずに急速昇温性能を向上させることができる。またさらに、第１中間部材３０が窒化アルミニウムを含む材料（窒化アルミニウム焼結体）で構成されているためクラック等の破損を生じさせずに急速昇温性能をさらに向上させることができる。そして、第１中間部材３０は熱膨張率が低いため、熱応力によって第１中間部材３０にクラック等の破損が生じるのが抑制される。

ヒーター部材２６及び第１中間部材３０は、これらの部材を貫通する支持部材２２によって一点で支持されるためヒーター部材２６及び第１中間部材３０に熱膨張が生じたとしても、これらの部材は積層方向と直交する方向には拘束されない、即ち膨張することができるため熱応力が緩和されて、クラック等の破損が生じるのが抑制される。また同様に、伝熱部材３２は、支持部材２２によって一点で支持されるため伝熱部材３２に熱膨張が生じたとしても、伝熱部材３２は積層方向と直交する方向には拘束されない、即ち膨張することができるため熱応力が緩和されて、クラック等の破損が生じるのが抑制される。

[その他の実施形態]
第１の実施形態では、支持部材２２を用いてヒーター部材２６及び第１中間部材３０を支持する構成としたが、この構成に限定される必要は無く、図３に示すように、各部材が互いに凹凸を有してその凹及び凸を嵌め込むことでヒーターユニット１０が形成される構成であっても良いものとする。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されることは無く、特許請求の範囲に含まれる範囲で各種変更して実施可能であることは言うまでもない。

[試験例]
本発明の積層型ヒーターユニット（以下、ヒーターユニット）の昇温性能を調べるために以下の条件で試験を実施した。この試験には、第１の実施形態に係るヒーターユニットを使用し、このヒーターユニットによって加熱されたウェハ（被加熱体）の温度を測定した。なお、ウェハの温度は、ウェハ内に複数の熱電対を埋め込んで測定したものである。この試験は、クリーンルーム内のチャンバーによって行われ、試験時の室温は２３°Ｃ程度であった。また、試験に使用したヒーターユニットのヒーター部材の熱伝導率は２３０Ｗ／ｍ・ｋ、第１中間部材の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・ｋ、伝熱部材の熱伝導率は２３０Ｗ／ｍ・ｋであった。

真空１ｐａ下でのヒーターユニットの昇温性能試験。
まず、ヒーターユニットのヒーター部材に５００°Ｃ／２０分の指令を出す。このとき、ヒーター部材が目標温度に到達するまでのヒーター部材の出力は３．６ｋｗであり、昇温レートは０．３６°Ｃ／ｓｅｃであった。この結果を図４に示す。
なお、図４中の実線はヒーター部材の温度を示し、二点鎖線はウェハの温度（複数の熱電対の平均温度）を示しており、実線（ヒーター部材の温度）と二点鎖線（ウェハの温度）との間の開きが温度差を表している。すなわち、この開き（温度差）が小さいほどヒーター部材からウェハまでの熱ロスが少ないことを意味している。

窒素雰囲気下でのヒーターユニットの昇温性能試験。
まず、ヒーターユニットのヒーター部材に４５０°Ｃ／１０分の指令を出す。このとき、ヒーター部材が目標温度に到達するまでのヒーター部材の出力を夫々３．６ｋｗ、７．５ｋｗ、１１．２ｋｗとした。このとき、このヒーター部材の出力に対応するヒーター部材の昇温レートは夫々３．６ｋｗ、７．５ｋｗ、１１．２ｋｗであった。この測定結果を表１及び、図５〜図７に示す。
なお、図５〜図７中の実線、及び二点鎖線は、真空１ｐａ下でのヒーターユニットの昇温性能試験と同様に、実線がヒーター部材の温度を示し、二点鎖線がウェハの温度（複数の熱電対の平均温度）を示している。また、実線と二点鎖線との間の開きが温度差を表し、この開きが小さいほど熱ロスが少ないことを意味している。

表１の結果から、窒素雰囲気下では、ヒーター部材の出力が増加するのに比例して昇温時間が短くなっていることが分かる。またヒーター部材の出力の増加傾向と昇温レートの増加傾向が近似していることから本発明の積層型ヒーターユニットが良好な昇温性能を確保していることが分かる。

なお、図５〜図７に示すように、真空１ｐａ下と、窒素雰囲気下とで均熱性が異なるのは、本発明の積層型ヒーターユニットは、複数の部材を積層させた構造体であることから、部材間に空気層（隙間）が少なからず存在することに起因している。
このため、真空の場合（図４参照）はヒーター部材に５００°Ｃの指令を出しても、空気層だった部分が断熱層となって熱ロスとなり、ウェハ温度は約４００°Ｃとなってしまうのに対して、大気圧（窒素雰囲気）の場合（図５〜図７参照）はこの空気層が対流熱伝導となって熱ロスが少なくなるため、ヒーター部材に５００°Ｃの指令を出すとウェハ温度は約４５０°Ｃとなり温度差がほぼなくなる。

第１の実施形態に係る積層型ヒーターユニットを示す積層方向に沿った部分断面図である。第１の実施形態に係る積層型ヒーターユニットのヒーター部材の平面図である。その他の実施形態に係る積層型ヒーターユニットを示す積層方向に沿った部分断面図である。第１の実施形態に係る積層型ヒーターユニットを用いた場合の真空中での昇温特性を示す図である。第１の実施形態に係る積層型ヒーターユニットの窒素雰囲気下における出力３.６ｋｗでの昇温特性を示す図である。第１の実施形態に係る積層型ヒーターユニットの窒素雰囲気下における出力７.５ｋｗでの昇温特性を示す図である。第１の実施形態に係る積層型ヒーターユニットの窒素雰囲気下における出力１１.２ｋｗでの昇温特性を示す図である。

符号の説明

１０ヒーターユニット（積層型ヒーターユニット）
１２ベース部材
１８第２中間部材（第２の中間部材）
２２支持部材
２６ヒーター部材
３０第１中間部材（第１の中間部材）
３２伝熱部材
３６接触面
Ｗウェハ（被加熱体）

Claims

通電することで発熱する板状のヒーター部材と、
前記ヒーター部材の一方の面に密着して設けられ、非導電性及び前記ヒーター部材の０．３〜０．７倍の熱伝導率を有する第１の中間部材と、
前記第１の中間部材の反ヒーター部材側の面に密着して設けられ、被加熱体と接する接触面、及び前記第１の中間部材よりも高い熱伝導率を有する伝熱部材と、
前記ヒーター部材の他方の面側に設けられたベース部材と、
前記ベース部材と前記ヒーター部材との間に密着して設けられ、非導電性及び前記ベース部材よりも低い熱伝導率を有する第２の中間部材と、
を備えることを特徴とする積層型ヒーターユニット。
前記第１の中間部材の熱伝導率は、８０Ｗ／ｍ・ｋ以上であることを特徴とする請求項１に記載の積層型ヒーターユニット。
前記ヒーター部材が炭化ケイ素を含む材料から構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層型ヒーターユニット。
前記第１の中間部材が窒化アルミニウムを含む材料から構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の積層型ヒーターユニット。
前記第２の中間部材は、前記伝熱部材へ前記ヒーター部材及び前記第１の中間部材を貫通して延び、先端側が前記伝熱部材に取り付けられる１つの支持部材を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の積層型ヒーターユニット。