JP2011081932A - 加熱ヒータおよびそれを搭載した装置 - Google Patents

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、ウェハ載置面を有する第１の均熱板と、この第１の均熱板を支持する第２の均熱板と、第１の均熱板と第２の均熱板の間に抵抗発熱体を有し、この抵抗発熱体を第１の均熱板のウェハ載置面とは反対側の面に絶縁性の接着層によって一体化したことを特徴とする。このような構造とすることによって、変形や割れが発生することなく、高速昇降温させることができる加熱ヒータを提供することができる。
【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。また、スクリーン印刷を用いるので、抵抗値のバラツキが大きく、一定以上の載置面の面内の均熱性を上げることができないという製造上の問題もあった。

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。また、セラミックスやセラミックスと金属の複合体は、前述のように高価であり、均熱性をよくできない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均熱性が高く、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、ウェハ載置面を有する第１の均熱板と、この第１の均熱板を支持する第２の均熱板と、第１の均熱板と第２の均熱板の間に抵抗発熱体を配置し、この抵抗発熱体を第１の均熱板のウェハ載置面とは反対側の面に絶縁性を有する接着層によって一体化した構造とすれば、変形や割れが発生することなく、高速昇降温させることができることを見出した。

抵抗発熱体を絶縁性を有する接着層によって一体化するとは、金属箔からなる抵抗発熱体を絶縁性を有する接着層（例えばポリイミド）で絶縁被覆した発熱体ユニットとし、この発熱体ユニットを第１の均熱板のウェハ載置面とは反対側の面に融着あるいは接着することである。融着とは、接着層の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。また、発熱体ユニットは、複数設置することもできる。

金属箔からなる発熱体は、エッチングによって発熱体回路パターンを形成することができる。エッチングすることによって、発熱体回路パターンの線幅や線間隔の精度を高くすることができるので、抵抗値のばらつきを小さくすることができる。このため、発熱分布を所望の分布にすることが可能であり、載置面の面内の温度分布の均一性（均熱性）を向上させることができる。

前記第１の均熱板と第２の均熱板の少なくとも一方はセラミックスあるいは金属セラミックス複合体であることが好ましい。

前記接着層は、ポリイミドあるいはテフロン（登録商標）またはポリイミドとテフロン（登録商標）の複合体を主原料とすることが好ましい。

前記第２の均熱板と前記発熱体とは接着されておらず、第２の均熱板は、発熱体を介して第１の均熱板と機械的に密着していることが好ましい。機械的に密着とは、例えばネジにより固定されていることをいう。

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は、高速昇降温を実現でき、載置面の均熱性も良いので、スループットや歩留りを高くすることができる。

本発明によれば、第１の均熱板のウェハ載置面とは反対側の面に絶縁性を有する接着層によって一体化し、これらを第２の均熱板で支持する構造とすることで、高速昇降温を実現するとともに変形の少ない被加熱物を処理する加熱ヒータを提供できる。

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。 本発明の加熱ヒータの断面構造の他の一例を示す。 本発明の製造装置の断面構造の一例を示す。

図１を参照して、本発明の加熱ヒータは、ウェハ載置面１０を有する第１の均熱板１と、第１の均熱板を支持する第２の均熱板２と、第１の均熱板と第２の均熱板の間に発熱体３を有し、発熱体を第１の均熱板のウェハ載置面とは反対側の面に絶縁性を有する接着層４によって一体化した構造である。また、図２のような構造であってもよい。

第１の均熱板は、熱伝導率が高い材料を用いることにより、ウェハ載置面の均熱性を高めることができる。第２の均熱板は、剛性の高い材料を用いることにより、第１の均熱板の変形を防止することができる。

第１の均熱板と第２の均熱板の少なくとも一方は、セラミックスあるいは金属セラミックス複合材料とすることが望ましい。

セラミックスとしては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素などを用いることができる。また、金属セラミックス複合材料としては、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。

熱容量を小さくして高速昇降温を実現するためには、第１の均熱板と第２の均熱板の厚みは、薄い方がよい。しかし、第１の均熱板の厚みが薄すぎると第２の均熱板で支持しても変形してしまうので、１．０ｍｍ以上であることが好ましい。また、第２の均熱板の厚みが薄すぎると、第１の均熱板の変形を防止することが困難になるので、１．０ｍｍ以上であることが好ましい。

第１の均熱板と第２の均熱板は、ロウ付け等の接着をしておらず、図示していないが例えばネジなどによって機械的に固定しているので、温度を上げてもいわゆるバイメタル効果による変形（反り）が発生することはない。

発熱体としては、例えば、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とし、この発熱体ユニットを第１の均熱板のウェハ載置面とは反対側の面に融着あるいは接着する。発熱体は、１層でよいが、複数層にした方が、より高速昇温が可能になり、また、ウェハ載置面の均熱性を高めることが容易になる。複数層の場合は、絶縁層であるポリイミド同士を融着あるいは接着する。このように、熱圧着することによって、絶縁層を介しての発熱体と第１の均熱板との間の熱抵抗を下げることができるので、発熱体で発生した熱を効率良く第１の均熱板に伝えることができるので、高速昇温が可能となる。

絶縁性を有する接着層としては、テフロン（登録商標）であってもよい。テフロン（登録商標）の場合は、熱膨張係数の小さなガラス繊維と複合化することにより、熱膨張係数を調整し、接着あるいは融着する金属箔や均熱板との熱膨張係数差を小さくすることが望ましい。熱膨張係数差を小さくすることにより、昇温時の反りを低減することができる。

発熱体の材質は、ステンレス、ニッケルクロム合金、インコネルなどの金属箔を用いることができる。金属箔の厚さは、１０〜１００μｍ程度が好ましい。１０μｍ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を超えると接着層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。

以上のような加熱ヒータの第２の均熱板の下側に冷却部材を設置することができる。冷却部材は、加熱時には、第２の均熱板から離しておき、冷却時に第２の均熱板に当接するように稼働機構を具備することが好ましい。冷却時に冷却部材を第２の均熱板に当接することによって、冷却速度を向上させることができる。冷却部材と第２の均熱板とが、均等に当接するように、冷却部材と第２の均熱板との間に、例えばシリコン樹脂や金属多孔体のような柔らかい介在物を設置することが望ましい。

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。なお、第２の均熱板と冷却部材には、抵抗発熱体へ給電するための配線や測温素子を通すための貫通孔を形成することが必要である。

第１の均熱板および第２の均熱板として、表１に記載の材質を用いた。表１において、ＡｌＳｉＣは、アルミニウムと炭化ケイ素の複合体であり、ＳｉＳｉＣは、シリコンと炭化ケイ素の複合体である。第１の均熱板と第２の均熱板の大きさは、共に直径３３０ｍｍで厚み３ｍｍとした。第１の均熱板と第２の均熱板は、どの材質も平面度５０μｍ以下に仕上加工を行った。なお、材質が銅（Ｃｕ）の場合は、全面にニッケルメッキを施した。また、第２の均熱板には、測温素子と給電配線を通すための貫通孔を形成した。

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。第１の均熱板のウェハ載置面とは反対側の面に第１のポリイミドに熱圧着された発熱体回路をポリイミドの面が当接するように載せ、発熱体のカバーとして第２のポリイミドフィルムを載せてから、真空脱気し、３５０℃、５ＭＰａで加圧、加熱して熱圧着した。ポリイミドフィルムはＳＵＳ箔と熱膨張係数差が小さいものを使用した。

この発熱体が一体化された第１の均熱板と第２の均熱板とをネジで連結固定して密着させ加熱ヒータを完成させた。この加熱ヒータに通電して２００℃に加熱し、昇温時間、２００℃での均熱性、および２００℃における平面度を測定した。その結果を表１に示す。

表１において、１００℃から１５０℃までの昇温時間が１００秒以下を○、１００秒を超え、１５０秒以下を△、１５０秒を超えるものを×とした。また、均熱性はウェハ載置面全面での温度範囲が０．５℃以下を○、０．５℃を超え、１℃以下を△、１℃を超えるものを×とした。更に、ウェハ載置面の平面度は、５０μｍ以下を○、５０μｍを超え１００μｍ以下を△、１００μｍを超えるものを×とした。

また、比較のために接着層（ポリイミド）を第１の均熱板に熱圧着しないで、第２の均熱板との間に挟んだだけでネジ固定したものも作成し、同様の評価をした。その結果も表１にＮｏ．３７とＮｏ．３８として示す。

＊は比較例を示す。

表１から、第１の均熱板と発熱体が接着層によって一体化されていれば、昇温特性と均熱性に優れることが判る。また、第１の均熱板と第２の均熱板にうち、どちらか片方がセラミックスあるいは金属セラミックス複合体である場合と両方ともセラミックスあるいは金属セラミックス複合体である場合には、昇温特性、均熱性、平面度の全てにおいて優れた特性を示すことが判る。

第１の均熱板と第２の均熱板の両方が金属の場合は、発熱体と第１の均熱板とが一体化されていない場合に比べれば、均熱性と昇温特性に優れるが、どちらか一方がセラミックスあるいは金属セラミックス複合体の場合に比べて、均熱性と平面度特性に劣ることが判る。第１と第２の均熱板の両方が金属の場合は、剛性が低いので、平面度を維持できないものと思われる。平面度が維持できない影響で均熱性も悪くなるものと推測される。

接着層を厚さ５０μｍのテフロン（登録商標）にしたこと以外は、実施例１と同様の加熱ヒータを作成し、実施例１と同様に評価した。その結果を表２に示す。なお、テフロン（登録商標）にはガラス繊維を複合して、ＳＵＳ箔と熱膨張係数を合わせた。

表２から判るように、接着層の材質をテフロン（登録商標）に変えても、ポリイミドの場合と同様の結果であることを確認した。

図３に示す製造装置を作製するため、先ずアルミニウム合金板を用いて冷却部材５を作製した。この冷却部材５には、給電配線、測温素子等を挿通するための貫通孔を機械加工により形成した。更に、第２の均熱板と接触する側の面の平面度が２００μｍとなるように機械加工を施した。また、第２の均熱板との当接面には、部分接触することなく全面にわたって均一に接触するように、厚さ０．５ｍｍの軟性シリコンシートを設けた。

更に、冷媒を流すことができる流路として外径６ｍｍ、内径４ｍｍのリン脱酸銅パイプを曲げ加工して形成した。一方、冷却部材５において、第２の均熱板と接触する面とは反対側の面にザグリ部を設け、ここに上記銅パイプ６をはめ込み、できた隙間には熱伝導性樹脂を埋め込んで、効率良く熱伝達できるようにした。流路の両端には冷却水を供給、排出するための入口及び出口を形成した。流路を支える止め板をネジ止めにより固定し、内部に流路を有する冷却部材５を完成させた。この冷却部材５は、図示しない昇降機構によって上下可動となっており、第２の均熱板２に当接、分離することができる。

次に、容器１０をステンレスから作製した。容器１０の内面高さ３０ｍｍ、内径３３７ｍｍ、厚さ１．５ｍｍとし、底板は厚さ３ｍｍとした。なお、底板には給電配線、測温素子、及び容器に対して加熱ヒータを支持する支持ロッドの締結のための開口を設けた。この容器１０の支持ロッドに実施例１及び実施例２で作製した各加熱ヒータを取り付け、冷却部材５を昇降機構に組み付けて製造装置とした。各製造装置において、２００℃に昇温安定状態にある加熱ヒータに冷却部材を押し当てて急速冷却させ、１５０℃での平面度変化と冷却速度を測定した。その結果を表３と表４に示す。表３及び表４において、ウェハ載置面の平面度は、５０μｍ以下を○、５０μｍを超え１００μｍ以下を△、１００μｍを超えるものを×とした。また、冷却速度は、１５０℃から１００℃までの冷却時間が５０秒以下を○、５０秒を超えるものを×とした。

＊は比較例を示す。

本発明によれば、第１の均熱板のウェハ載置面とは反対側の面に絶縁性の接着層によって発熱体が一体化されており、これらを第２の均熱板で支持する構造とすることで、高速昇降温を実現するとともに変形の少ない被加熱物を処理する加熱ヒータを提供できる。

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。

１ 第１の均熱板
２ 第２の均熱板
３ 発熱体
４ 接着層
５ 冷却部材
６ パイプ
７ 測温素子
１０ 容器

Claims (5)

1. ウェハ載置面を有する第１の均熱板と、該第１の均熱板を支持する第２の均熱板と、前記第１の均熱板と第２の均熱板の間に抵抗発熱体を有し、該抵抗発熱体は、前記第１の均熱板のウェハ載置面とは反対側の面に絶縁性を有する接着層によって一体化されていることを特徴とする加熱ヒータ。
2. 前記第１の均熱板と前記第２の均熱板の少なくともいずれか一方がセラミックスまたは金属セラミックス複合体からなることを特徴とする請求項１に記載の加熱ヒータ。
3. 前記接着層は、ポリイミドあるいはテフロン（登録商標）またはそれらの複合体を主原料とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱ヒータ。
4. 前記第２の均熱板は、前記抵抗発熱体を介して前記第１の均熱板と機械的に密着し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。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱ヒータと、可動式冷却部材と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。

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