JP2010277809A

JP2010277809A - 加熱ヒータおよびそれを備えた装置

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Publication number: JP2010277809A
Application number: JP2009128598A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Shimao; 大介島尾
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-12-09

Abstract

【課題】昇降温特性を向上させ、高スループットを実現できる剛性の高い加熱ヒータを比較的安価に提供する。
【解決手段】本発明の加熱ヒータは、半導体またはフラットパネルディスプレイを加熱するための加熱ヒータであって、該加熱ヒータは金属箔からなる発熱体をポリイミドで絶縁被覆して発熱体ユニットとすると共に、被加熱物を載置する載置面を有する均熱板を有し、該均熱板はセラミックスまたはセラミックス金属複合体からなり、前記均熱板と発熱体ユニットとは均熱板の載置面とは反対側の面で融着または接着されており、前記均熱板の載置面とは反対側の面の表面粗さがＲａで０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体またはフラットパネルディスプレイを加熱する際に用いる加熱ヒータおよび該加熱ヒータを備えた製造装置あるいは検査装置に関する。

被加熱物を搭載して加熱処理する装置は数多く開発されており、特に被加熱物の温度分布の均一性（以下均熱性と称す）が要求される加熱処理装置として、半導体やフラットパネルディスプレイの生産において半導体基板やガラス基板などの加熱に利用される加熱ヒータが挙げられる。

これら半導体やフラットパネルディスプレイの生産では、連続操業による大量生産によって製品の低価格化が競われており、このためこれらの製造・検査装置ではタクトタイムの短縮が要求されている。１台の装置で高いスループットを得るためには、処理時間の短縮はもちろんのこと、処理条件（温度条件）の変更に伴うヒータ温度変更に要する時間（昇温時間並びに冷却時間）を短縮する必要がある。

特許文献１には、ウェハを載置して加熱制御するヒータ部と、ヒータ部に対し相対的に移動可能に設けられ、ヒータ部の裏面に当接または分離してヒータ部との合計熱容量を変えるためのブロック部を有するヒータモジュールが開示されている。加熱昇温時には、ブロック部をヒータ部から分離しておくことにより急速昇温が可能であり、また冷却時には、ブロック部をヒータ部に当接することにより急速冷却が可能となる。この結果、熱処理工程の所要時間を短縮することができる。

また、ブロック部をヒータ部から離してチャンバーの底部に接触させ、チャンバー底部へ熱を伝えることによりブロック部をすばやく冷やし、次の冷却に備えることが好ましいとされており、チャンバー底部を水冷すると更に次の冷却に備える時間を短くすることができる。当然ながらブロック部に冷媒を流せば、冷却効率はさらに向上するし、チャンバー底部に代わる冷却板を設けても同様の効果が得られる。

特許文献１において、ヒータ部は内部に発熱体を有するいわゆる埋設ヒータであるが、被加熱物の載置面とは反対側の面に発熱体を形成した加熱ヒータもある。載置面の反対側の面に発熱体を形成した加熱ヒータは、例えば渦巻き状の発熱体回路を前記載置面とは反対側の面に形成し、その上に絶縁膜をコーティングして作製される。絶縁膜は、ペースト状の絶縁材料をスクリーン印刷により、発熱体回路が形成された面全面に塗布し脱脂焼成することにより形成することができる。絶縁膜の材料としては、ヒータの材質の熱膨張曲線に近似した熱膨張曲線を有する絶縁性の材料、例えば、結晶化ガラスやグレーズガラス、耐熱性を有する有機物を用いることができる。しかし、スクリーン印刷を用いるこの加熱ヒータは、発熱体としてモリブデンやタングステン等を用いるので、製造コストが高価である。

別の加熱ヒータとして、被加熱物を載置する面とは反対側の面に、絶縁性を有するシートを介在させ、ステンレスやニッケル−クロム、インコネルなどの金属箔をエッチングして発熱体回路を形成した発熱体を配設し、その上に該発熱体の熱を拡散できるように、柔軟な絶縁シートを介在させ、例えばボルトナットで機械固定させたものがある。しかし、この形態の加熱ヒータは、絶縁性のシートとヒータ本体、発熱体と絶縁性シート等の界面が熱抵抗となるので、急速昇温、急速降温に限界があった。

近年、高スループットを実現するために、高速昇降温の要求はますます高まってきており、その為に加熱ヒータ本体の厚さを薄くすることで熱容量を下げて、昇温速度、降温速度を上げることが検討されてきた。しかし、加熱ヒータ本体の厚みを薄くすると、材質が金属では、剛性が弱くなり、所望の載置面の平面度を得ることが困難になる。そこで、材質としてセラミックスやセラミックスと金属の複合体を用いて、載置面とは反対側の面に発熱体を形成した加熱ヒータが検討されたが、前述のように高価であるという問題があった。

特開２００４−０１４６５５号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、昇降温特性を向上させ、高スループットを実現できる剛性の高い加熱ヒータを比較的安価に提供することを目的とする。また、該加熱ヒータを搭載した半導体またはフラットパネルディスプレイの製造装置あるいは検査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に、発明者らは、剛性の高いセラミックスあるいはセラミックスと金属の複合体に、金属箔からなる発熱体をポリイミドで絶縁被覆した発熱体ユニットを融着あるいは接着すれば、極めて薄い厚みすなわち熱容量が極めて小さくて、剛性の高い加熱ヒータとすることができることを見出した。熱容量が小さいので、従来よりも高速昇降温が可能となる。

また、凹凸を有するポリイミドの表面に平坦化処理を施すことにより、前記融着あるいは接着が容易になり、更に、融着あるいは接着の界面が熱抵抗となることを少なくすることができることを見出した。なお、本件発明において、融着とは、材料そのものを溶解させて一体化する処理を指し、接着とは、いわゆる接着剤を用いて一体化処理することを指す。

本発明の加熱ヒータは、半導体またはフラットパネルディスプレイを加熱するための加熱ヒータであって、該加熱ヒータは金属箔からなる発熱体をポリイミドで絶縁被覆して発熱体ユニットとすると共に、被加熱物を載置する載置面を有する均熱板を有し、該均熱板はセラミックスまたはセラミックス金属複合体からなり、前記均熱板と発熱体ユニットとは均熱板の載置面とは反対側の面で融着または接着されており、前記均熱板の載置面とは反対側の面の表面粗さがＲａで０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする。

金属箔からなる発熱体が第１と第２のポリイミドで絶縁被覆されており、第１または第２のポリイミドの表面に平坦化処理が施されていることが好ましい。

前記平坦化処理が施された面に必要に応じて冷却部材が当接することとすることが好ましく、前記金属箔からなる発熱体が、複数層形成されていてもかまわない。

このような加熱ヒータを備えた半導体またはフラットパネルディスプレイの製造装置あるいは検査装置。

本発明によれば、被加熱物を処理する装置において、高スループットを実現するために、剛性の高いセラミックスまたはセラミックス金属複合体に、ポリイミドで絶縁被覆された発熱体ユニットを融着または接着することにより、極めて薄い厚みでかつ剛性の高いすなわち平面度の良好な加熱ヒータを提供できるようになった。前記ポリイミドの表面を平坦化処理することにより、融着または接着を容易に行うことができる。また、金属箔発熱体を複数配置する場合や冷却部材を当接させる場合にも、接触による熱抵抗を下げることができるようになった。

このような加熱ヒータを用いることによって、半導体やフラットパネルディスプレイの製造や検査工程において、例えば温度条件変更にかかる所要時間を短縮することができるので、スループットを向上させることができる。更には、製造される半導体やフラットパネルディスプレイの生産性、性能、歩留り、信頼性を向上させることができるようになる。

本発明の加熱ヒータの断面構造の一例を示す。本発明の発熱体ユニットの断面構造の一例を示す。本発明の平坦化処理の模式図である。本発明の加熱ヒータを組み込んだ装置の模式図である。実施例２の試料番号１０の構成を示す模式図である。実施例２の試料番号１１の構成を示す模式図である。実施例２の試料番号１２の構成を示す模式図である。実施例２の試料番号１３〜１５の構成を示す模式図である。実施例２の試料番号１６〜１８の構成を示す模式図である。実施例２の試料番号１９〜２１の構成を示す模式図である。実施例３の試料番号２３の構成を示す模式図である。実施例３の試料番号２５の構成を示す模式図である。実施例４の構成を示す模式図である。実施例４における比較例の構成を示す模式図である。

図１を参照して、本発明の加熱ヒータ１は、金属箔からなる発熱体２１をポリイミド２２で絶縁被覆した発熱体ユニット２０を均熱板１０に融着または接着してなる。

金属箔からなる発熱体とポリイミドを融着または接着する技術はこれまで数多く実施されているが、金属箔からなる発熱体をポリイミドで絶縁被覆した発熱体ユニットを均熱板であるセラミックスまたはセラミックス金属複合体に融着または接着することは難しいとされてきた。

これは、ポリイミドが元来表面の密着性の良い材料ではなく、部分的な構造の変化に対して追従性のある材料ではないので、深い凹凸や細かな凹凸がある面とは、密着性が得られにくいためである。また、均熱板であるセラミックスまたはセラミックス金属複合体と、ポリイミドは表面の親和性が得られにくい特徴を有している。

ポリイミドを融着する際には、真空脱気しながら、例えば３５０℃の温度で、３〜８ＭＰａの高圧でプレスすることが必要である。しかし、均熱板の表面粗さが良すぎるとアンカリング効果が得られず剥離することがあった。また、均熱板の表面粗さが粗すぎると、ポリイミドの溶融部分あるいは接着剤が十分な流動性を持つことができないため、均熱板の表面の凹凸に追従できない。このため所望の密着性を得ることができないことが判った。そこで、鋭意研究を重ねた結果、均熱板の表面粗さＲａが０．０２μｍ以上１．０μｍ以下とすることによって、所望の密着性が得られることを見出した。

金属箔からなる発熱体をポリイミドで絶縁被覆した発熱体ユニットは、次のようにして製造することができる。図２を参照して、平坦なポリイミドの上に金属箔を全面に融着または接着させて貼り付け（図２（ａ））た後、金属箔をエッチングして所望の発熱体回路（図２（ｂ））とし、その上に第２のポリイミドを置いて、圧力をかけて融着または接着する。

図２（ｃ）に模式的に示すように、金属箔の存在する部分と金属箔が存在しない部分とでは、金属箔の厚み分の段差が生じる。このため、第２のポリイミドを融着または接着する際には、圧力が均等に伝達して密着するように、必要に応じて任意の弾力性シートあるいは難燃性の布を挿入することができる。弾力性シートあるいは難燃性の布を片方に挿入した場合は、図２（ｃ）に示すように片方に凹凸ができる。また、両側に挿入した場合は、図２（ｄ）に示すように両側に凹凸ができることになる。

凹凸のある面を均熱板に融着あるいは接着しようとしても、所望の密着性を得ることは困難である。

そこで、凹凸のある面に平坦化処理を施すことが望ましい。平坦化処理とは、図３に示すように、凹凸のある面に同種のポリイミド２３などを用いて凹部を埋めて平坦にすることである。平坦化処理を施せば、例えば熱可塑性樹脂を用いた融着あるいは接着剤を用いた接着を容易に行うことができ、所望の密着性を得ることができる。

発熱体ユニットの均熱板とは反対側に、冷却部材を配置して、冷却速度を向上させる場合、冷却部材と発熱体ユニットとを当接させて加熱ヒータの熱を効率良く除去することになるが、発熱体ユニットの冷却部材との当接面に凹凸があれば、発熱体ユニットと冷却部材とが全面当接しないので、熱を均一に効率良く逃がすことができなくなるので、発熱体ユニットの冷却部材との当接面も前記平坦化処理を施すことが望ましい。

更に、昇温速度を向上させたり、詳細なゾーンコントロールを行う場合には、例えば２層あるいは２層以上のヒータを用いる必要があり、あらかじめ２層の発熱体ユニットの貼り合わせ部か、または、均熱板との界面に少なくとも１界面に凹凸面が存在するため、凹凸面の平坦化処理が必要となる。

均熱板の材質は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリコンと炭化ケイ素の複合体、アルミニウムと炭化ケイ素の複合体などを用いることができる。熱伝導がよいことの観点からは、窒化アルミニウム、シリコンと炭化ケイ素の複合体、アルミニウムと炭化ケイ素の複合体が好ましい。剛性が高いことの観点からは、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリコンと炭化ケイ素の複合体が好ましい。

均熱板の厚みは高速昇降温させるためには薄い方がよいが、薄すぎると剛性が低くなるので、３ｍｍ程度が好ましい。

発熱体である金属箔の材質は、ステンレス、ニッケルクロム合金、インコネルなどを用いることができる。金属箔の厚さは、２０〜１００μｍ程度が好ましい。２０μｍ未満になると金属箔の厚みばらつきが抵抗値のばらつきに影響を及ぼしやすくなり、１００μｍを超えるとポリイミド融着後の段差が大きくなりすぎ、均熱板への融着または接着が困難となる。

冷却部材の材質は、アルミニウムまたは銅が好ましい。冷却部材には、冷媒流路を設けて不凍冷媒を流す構造としてもよい。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９９．５重量部に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を、０．５重量部添加し、アクリルバインダー、有機溶剤を加え、ボールミルにて２４時間混合して、ＡｌＮスラリーを作製した。このスラリーを、スプレードライにて顆粒を作製し、プレス成形した後、７００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、１９００℃、窒素雰囲気中で焼結し、窒化アルミニウム焼結体を複数作製した。なお、窒化アルミニウム粉末は、平均粒径０．６μｍ、比表面積３．４ｍ^２／ｇのものを使用した。この窒化アルミニウム焼結体を機械加工して、直径３３０ｍｍ、厚さ３ｍｍとした。

厚さ５０μｍの第１のポリイミドフィルムに、厚さ３０μｍのＳＵＳ箔を熱圧着した後、ＳＵＳ箔をエッチングして所定の発熱体回路とした。その後、第２の熱可塑性ポリイミドフィルムを真空脱気し、３５０℃、６ＭＰａで加圧、加熱して熱圧着した。

こうして作製した発熱体ユニットは、第１のポリイミドフィルムの表面は平坦であったが、ＳＵＳ箔の存在する部分の第２のポリイミドフィルムの表面は、ＳＵＳ箔の厚みである３０μｍの段差が生じていた。この段差の凹部に、ポリイミドワニスを用いてスクリーン印刷のスキージ機構を使用して圧力を印加しながら埋めた後、２００℃に加熱して固化させ、平坦化処理を施して発熱体ユニットを完成させた。

前記窒化アルミニウム焼結体の表面を研磨加工して、表１に示すように表面粗さＲａが異なる複数の窒化アルミニウム焼結体を用意した。各焼結体と、前記発熱体ユニットの平坦化処理した面とを３５０℃、５ＭＰａで加圧、加熱して融着させ、加熱ヒータとした。融着後の密着性について目視にて観察した結果を表１に示す。なお、表１において密着性が良好なものを○、剥がれが発生したものを×で示す。

この加熱ヒータ１を図５に示すように、冷却部材５とを図示しない支持機構で組み立てた。加熱ヒータに通電して２００℃に加熱し、８０℃に冷却する加熱サイクルを２００回行った後、均熱板である窒化アルミニウム焼結体と発熱体ユニットとの密着性を目視して観察した結果を表１に示す。

表１から、表面Ｒａが０．０２０μｍから１．０μｍの範囲とすれば、密着性よく融着することができた。表面Ｒａが０．０１２μｍでは、表面の光沢がありすぎてアンカリング効果が働かず剥がれが生じた。また、表面Ｒａ１．２５μｍでは、窒化アルミニウム表面の段差をポリイミドの融着層が埋まりきらず、剥がれが生じた。剥がれが生じた試料は、加熱サイクル試験を行わなかった。

実施例１の試料番号５と同じ窒化アルミニウム焼結体（均熱板）を用い、実施例１の発熱体ユニットで平坦化処理の有無、ならびに加熱加圧条件を変えて融着した。各試料の構成を図５から図１０に示す。実施例１と同様の評価を行った結果を表２に示す。○と×は実施例１と同様である。

表２において、平坦化処理欄の「フラット」は、前記発熱体ユニットの平坦な第１のポリイミドの面を指す。また、評価結果の「割れ」とは、均熱板である窒化アルミニウム焼結体が割れたことを示す。

表２から判るように、平坦化処理を施したものは、３５０℃、５ＭＰａで均熱板（ＡｌＮ）との界面がいずれも良好な密着性を示した。加熱サイクル後の外観調査でも、異常なしであることを確認した。平坦化処理を施さない場合は、ポリイミドの流動性が低いため、剥がれが生じたものと考えられる。また、圧力を８ＭＰａまで印加した場合は、均熱板が割れてしまった。

実施例１の試料番号５と同じ窒化アルミニウム焼結体（均熱板）を用い、実施例１の発熱体ユニットで平坦化処理の有無ならびに融着する面を変えて、１３０℃から８０℃に冷却するのにかかる冷却時間を測定した。その結果を表３に示す。なお、発熱体ユニットを融着する時の加圧加熱条件は、いずれの試料でも３５０℃、５ＭＰａとした。なお、試料番号２３の構成を図１１に、試料番号２５の構成を図１２にそれぞれ示す。

上記の結果から分かるように、平坦化処理を施せば、冷却時間が３０秒程度と極めて短くすることができ、平坦化処理無しの場合の５０秒程度に比べて効果のあることが判る。

実施例１の発熱体ユニットを２個用意し、図１３に示すように、発熱体ユニットの平坦な面同士を融着して、２層の発熱体ユニットを作製した。２層の発熱体ユニットに実施例１と同様に平坦化処理を施し、実施例１の試料番号５と同じ窒化アルミニウム焼結体（均熱板）に、３５０℃、５ＭＰａで加圧、加熱して融着した。その結果、剥がれ等が発生せず、密着性良く融着できた。また、実施例１と同様に加熱サイクル試験を行ったが、剥がれ等は、発生しなかった。

比較のために、発熱体ユニットの平坦化処理を施さない面同士を３５０℃、５ＭＰａで加圧、加熱して融着したが、密着性良く融着できず剥離した。また、図１４に示すように、平坦な面同士を上記同様融着したが、反対側の面は平坦化処理を施さない場合は、均熱板とポリイミドが融着しないで剥離した。

実施例１の均熱板である窒化アルミニウム焼結体に変えて、均熱板の材質を窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリコンと炭化ケイ素との複合体、アルミニウムと炭化ケイ素との複合体として、実施例１と同様の各焼結体を作製し、表面粗さＲａを０．１μｍに仕上げた。これに、実施例１と同様の平坦化処理を施した発熱体ユニットを、３５０℃、５ＭＰａで加圧、加熱して融着した。いずれの材質でも、融着後の剥がれ等の発生は無かった。また、実施例１と同様の加熱サイクル試験を行ったが、いずれの材質でも剥がれなどの発生は無かった。

１加熱ヒータ
５冷却部材
１０均熱板
２０発熱体ユニット
２１発熱体
２２ポリイミド
２３ポリイミド

Claims

半導体またはフラットパネルディスプレイを加熱するための加熱ヒータであって、該加熱ヒータは金属箔からなる発熱体をポリイミドで絶縁被覆して発熱体ユニットとすると共に、被加熱物を載置する載置面を有する均熱板を有し、該均熱板はセラミックスまたはセラミックス金属複合体からなり、前記均熱板と発熱体ユニットとは均熱板の載置面とは反対側の面で融着または接着されており、前記均熱板の載置面とは反対側の面の表面粗さがＲａで０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする加熱ヒータ。
金属箔からなる発熱体が第１と第２のポリイミドで絶縁被覆されており、第１または第２のポリイミドの表面に平坦化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱ヒータ。
前記平坦化処理が施された面に冷却部材が当接することを特徴とする請求項２に記載の加熱ヒータ。
前記金属箔からなる発熱体が、複数層形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱ヒータ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱ヒータを備えた半導体またはフラットパネルディスプレイの製造装置または検査装置。