JP2011222257A - ウェハ加熱用ヒータユニットおよびそれを搭載した半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 均熱性、信頼性に優れたウェハ加熱用ヒータユニットおよびそれを搭載した半導体製造装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明のウェハ加熱用ヒータユニットは、ウェハ載置面を有する載置台と、該載置台のウェハ載置面とは反対側の面に抵抗発熱ユニットを有し、前記載置台と抵抗発熱ユニットを支持する支持板とから構成され、前記抵抗発熱ユニットが、発熱体と該発熱体を挟み込む複数の絶縁層とからなり、前記絶縁層の少なくとも１層に溝が形成されており、前記発熱体は前記溝に収納されて、他の絶縁層によって挟み込まれており、前記絶縁層同士は互いに接着されていない部分を有することを特徴とする。前記絶縁層同士は、互いに接着されていないことが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置に用いられる、ウェハ加熱用ヒータユニットに関する。特に、急速昇温性、均熱性に優れ、信頼性に優れたウェハ加熱用ヒータユニットに関する。

半導体の製造工程では、被処理物である半導体ウェハに対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。ウェハを加熱する必要のある場合には、ウェハ加熱用ヒータユニットにウェハを載置し、所定の熱処理を施している。例えば、ウェハのフォトリソグラフィーに使用されるコータデベロッパや半導体検査用のウェハプローバ、成膜用のＣＶＤ装置等が挙げられる。

このうち、ウェハにレジスト膜を形成するフォトリソグラフィー工程においては、ウェハを洗浄し、加熱・乾燥し、冷却した後、ウェハ表面にレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー処理装置内のヒータユニットにウェハを搭載し、乾燥した後、露光、現像などの処理が施される。

これらの半導体製造装置におけるウェハの処理については、スループットを向上させるために、できるだけ短時間で処理を終わらせることが要求される。また、ウェハを加熱する際に、ウェハをヒータユニットに搭載し、熱処理を行い、ウェハをヒータユニットから次の工程に搬送するために離脱させるまでの間、過渡状態を含め厳密な温度管理、均熱性が要求される。加えて、ヒータの温度条件を変化させる、例えば昇温、降温させる場合には、ヒータの温度をすばやく設定した温度にする必要がある。また、使用するヒータには信頼性が要求される。

例えば、特許文献１には、ウェハを加熱するための加熱体であって、発熱体を備えたヒータと断熱層を介して均熱板を備えた加熱体が開示されている。特許文献１において発熱体が金属箔である場合には、金属箔を例えば耐熱性の樹脂で挟み込み、金属箔を挟み込んだ樹脂をヒータ基板と均熱板とで断熱層を介して固定することが開示されている。

特許文献１のように、金属箔の発熱体を耐熱性の樹脂で挟み込み、ヒータ基板と均熱板とで断熱層を介して挟み込む場合、金属箔を挟み込んだ樹脂は、金属箔の存在する部分では、金属箔が存在しない部分に比較して厚みが薄くなる。このため、金属箔の存在しない部分では、ヒータ基板、または均熱板との間に空隙が生じやすくなり、この空隙によって金属箔で発生した熱が、ヒータ基板、均熱板に均一に伝導せず、均熱性を阻害することがある。

また、金属箔が発熱したとき、金属箔、断熱層ともに温度上昇するが、これら金属箔、断熱層が互いに熱膨張係数が異なる場合、金属箔と断熱層の熱膨張量が異なるため、金属箔と断熱層を接着すると、その熱膨張量の差により加熱体が変形し、反り等が発生する。このため、ヒータ基板、発熱体、均熱板の密着性が損なわれ、均熱性が大幅に悪化するとともに、これらを機械的に固定している場合には、固定部分の破損を引き起こすことがあった。

更に、均熱板に冷却モジュールを当接した場合にも、冷却モジュールと均熱板との間に空隙があれば、空隙部分の冷却が遅くなり、温度ムラも発生しやすくなるという問題も存在する。

特開２００８−１１８０８０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、均熱性、信頼性に優れたウェハ加熱用ヒータユニットおよびそれを搭載した半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明のウェハ加熱用ヒータユニットは、ウェハ載置面を有する載置台と、該ウェハ載置面の反対側の面に抵抗発熱ユニットを有し、前記載置台と抵抗発熱ユニットを支持する支持板とから構成され、前記抵抗発熱ユニットは発熱体と該発熱体を挟み込む複数の絶縁層とからなり、前記絶縁層の少なくとも１層に溝が形成されており、前記発熱体は前記溝に収納されて他の絶縁層によって挟み込まれており、前記絶縁層同士は互いに接着されていない部分を有することを特徴とする。

前記絶縁層同士は、互いに接着されていないことが好ましい。また、載置台と抵抗発熱ユニットと支持板は、機械的に結合されていることが好ましい。また、前記絶縁層の溝は、エッチング処理によって形成されていることが好ましい。

このようなウェハ加熱用ヒータユニットを搭載した半導体製造装置は、均熱性、信頼性、スループットに優れたものとすることができる。

本発明によれば、均熱性や信頼性に優れたウェハ加熱用ヒータユニットを提供することができる。

本発明のウェハ加熱用ヒータユニットの断面構造の模式図を示す。 本発明のウェハ加熱用ヒータユニットの断面構造の他の模式図を示す。 本発明のウェハ加熱用ヒータユニットの断面構造の他の模式図を示す。 本発明のウェハ加熱用ヒータユニットの絶縁層の断面構造の模式図を示す。 比較例のウェハ加熱用ヒータユニットの絶縁層の断面構造の模式図を示す。 比較例のウェハ加熱用ヒータユニットの絶縁層の断面構造の模式図を示す。 比較例のウェハ加熱用ヒータユニットの断面構造の模式図を示す。 比較例のウェハ加熱用ヒータユニットの断面構造の他の模式図を示す。

図１を参照して、本発明のウェハ加熱用ヒータユニットは、ウェハ載置面１０を有する載置台１と、該載置台のウェハ載置面とは反対側の面に抵抗発熱ユニット２を有し、前記載置台と抵抗発熱ユニットを支持する支持板３とから構成され、抵抗発熱ユニット２は、発熱体２１と、該発熱体を挟み込む複数の絶縁層２２とからなり、該絶縁層のすくなくとも１層に溝が形成されており、前記絶縁層同士は、互いに接着されていない部分を有している。

発熱体２１と絶縁層２２とは接着をしない。発熱体に通電して所定の温度に上昇させた時、絶縁層も温度が上昇する。発熱体と絶縁層は、異なる材料であるので、熱膨張係数が異なる。このため、温度上昇に伴う熱膨張量が、発熱体と絶縁層で異なる。発熱体と絶縁層を接着した場合、前記熱膨張量の差から抵抗発熱ユニットが変形し、反り等が発生することによって、載置台と抵抗発熱ユニットと支持板との密着性が損なわれ、均熱性が大幅に悪化する。このため、発熱体と絶縁層は接着をしない。

また、絶縁層同士も接着しない部分を有することが必要である。絶縁層同士は、全く接着しない方が好ましいが、部分的に接着していてもかまわない。絶縁層の接着は、例えば、接着剤を用いて接着することができる。

絶縁層同士を全面にわたって接着すると、例えば、ウェハ加熱用ヒータユニットを所定の温度に加熱した状態で、載置面に室温のウェハを載置すると、載置面の温度が一旦下がるので、載置台側の絶縁層が支持板側の絶縁層よりも収縮する。収縮すると、抵抗発熱ユニットの中央部が載置台から離れる方向に変形（反りが発生）し、載置台と抵抗発熱ユニットの密着性が悪くなり、一時的ではあるが均熱性が悪くなる。

また、支持板に後述する冷却モジュールを当接した場合、支持板側の絶縁層がより収縮するので、上記とは逆の方向に変形し、やはり載置台と抵抗発熱ユニットの密着性が悪くなり、均熱性が悪くなる。

本願発明のように、絶縁層同士が接着されていない部分を有しておれば、上記のような均熱性の悪化を防止することができる。

すなわち、絶縁層の熱収縮量あるいは熱膨張量の、載置台側と支持板側の差を接着しない部分で吸収して、抵抗発熱ユニットの変形を防止するとともに、載置台、支持板の変形を防止することができる。

絶縁層は、載置台側と支持板側で同じ材質であるので、温度差による熱膨張量あるいは熱収縮量の差のみであるので、発熱体と絶縁層との熱膨張量あるいは熱収縮量の差よりも小さいため、部分的に接着していない部分が存在すれば、熱膨張量の差あるいは熱収縮量の差を吸収することができる。

このため、絶縁層同士は、部分的に接着していてもよい。例えば、発熱体を２枚の絶縁層で挟み込み、絶縁層の中心部付近と外周部４ヶ所を接着剤で固定することも可能である。部分的に絶縁層を接着することによって、組み立て時の発熱体と絶縁層のズレを防止することができる。

絶縁層同士は、図２に示すように全く接着しない方が好ましい。全く接着しない方が、抵抗発熱ユニットの変形がより少なくなるので、昇温や降温時の過渡的な均熱性が向上する。また、冷却速度も速くすることができる。

図４に示すように、絶縁層２２の片面側に溝加工を施し、発熱体を溝に挿入し、その後溝加工を施していない絶縁層で覆うことができる。また、覆う側の絶縁層にも溝加工を施すことも可能である。しかし、両方の絶縁層に溝加工を施す場合には、発熱体を一方の絶縁層の溝に挿入した後、他方の絶縁層の溝の位置合わせをする必要があるので、工程が煩雑になるので、片側の絶縁層にのみ溝加工を施す方が好ましい。

絶縁層に溝を形成する方法については、特に制約はない。例えば、化学的なエッチングやサンドブラスト、あるいはプレス成形などの方法がある。しかし、サンドブラストでは、溝の深さを制御することが難しく、図５に示すように、溝の中の表面粗さが比較的粗くなるので、絶縁層と発熱体との間の熱伝導を阻害する要因となるので、好ましくない。

また、溝をプレス成形する場合は、図６に示すように、絶縁層のプレス面とは反対側の面が凸形状となるので、絶縁層と載置台あるいは支持板との接触が全面均一にならないので、熱伝達が減り、均熱性を悪化させるので、好ましくない。

エッチングは、フォトリソグラフィー技術により、自由にパターン形成できるだけでなく、溝の深さもエッチング時間の制御などにより比較的簡単に制御できるので、最も好ましい。

絶縁層に形成する溝の深さは、挿入する発熱体の厚みよりも薄い（浅い）方が好ましい。抵抗発熱ユニットは、載置台と支持板に挟まれるが、発熱体の厚みの方が溝の深さよりも薄い場合、発熱体と絶縁層の間に隙間ができるので、熱伝導を阻害するため、均熱性、昇温速度、冷却速度、過渡状態の均熱性などに対して悪影響を及ぼすため、好ましくない。

発熱体の厚みが、溝の深さよりも厚ければ、発熱体と絶縁層が密着するので、良好な熱伝導を実現することができる。この場合、絶縁層同士の間に隙間が生じることもあるが、絶縁層は発熱体に比べて熱伝導率が低いので、上記均熱性などに与える影響は比較的少ない。

発熱体の厚みと溝の深さは、同じかあるいは発熱体の厚みが２０μｍ程度厚くすることが好ましい。発熱体の厚みを溝の深さより５０μｍを超えるまで厚くすると、上記均熱性などに悪影響が出やすくなるので好ましくない。最も好ましい範囲は、同等から１０μｍ程度までである。

本発明においては、発熱体を２層以上積層することができる。例えば、１枚の絶縁層の片面に溝加工を施し、発熱体を挿入し、その後、片面に溝加工を施した絶縁層の溝加工を施していない面を上記発熱体を挿入した絶縁層に重ね合わせ、重ね合わせた絶縁層の溝に発熱体を挿入し、溝加工を施していない絶縁層を重ね合わせることにより、複数層の発熱体からなる抵抗発熱ユニットを形成することができる。１枚の絶縁層の両面に溝加工を施して、抵抗発熱ユニットを形成することも可能であり、発熱体を３層以上積層することも可能である。

本発明の載置台と支持板は、均熱性の観点から熱伝導率の高い材料が好ましい。熱伝導率の高い材料としては、銅、アルミニウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、及びこれらを含む複合材料を挙げることができる。複合材料とは、例えばシリコンと炭化ケイ素の複合体（Ｓｉ−ＳｉＣ）やアルミニウムと炭化ケイ素の複合体（Ａｌ−ＳｉＣ）等がある。

載置台と支持板の組合せでは、少なくともどちらかが剛性の高い材料にすることが好ましい。剛性の高い材料は、窒化アルミニウムや、炭化ケイ素、およびこれらのセラミックスを含む複合体である。

もし載置台と支持板の両方が、例えばアルミニウムなどの比較的剛性の低い材料とした場合は、抵抗発熱ユニットなどの熱サイクルにより変形が生じ易くなり、冷却モジュールと支持板、あるいは抵抗発熱ユニットと載置台との密着性が変化し、載置面の形状が変化することにより、均熱性などの特性が悪化するため好ましくない。また、載置するウェハの均熱性を良好にするためには、載置台の熱伝導率を比較的高くし、支持板の剛性（ヤング率）を比較的高くすることが好ましい。

発熱体は、ステンレス、ニッケルクロム合金、インコネル、モリブデン、タングステンなどの金属箔であることが好ましい。この中では、ステンレスが、汎用的且つ安価であり、エッチング加工など回路形成手段が比較的簡単なので、最も好ましい。

絶縁層は、ポリイミド、マイカ、テフロン（登録商標）などであることが好ましい。この中では、高耐熱性を有し、エッチング加工など溝形成手段が比較的簡単なので、ポリイミドが最も好ましい。

載置台と支持板とは、抵抗発熱ユニットを挟み込んで、機械的に結合することが好ましい。載置台と支持坂の材質が異なる場合や、冷却モジュールを支持板側に設置した場合、常温のウェハを載置台に搭載したときに、温度差や熱膨張差が生じるので、これらの影響を受けにくくするためである。機械的な結合方法は、ネジ止めやバネによる固定が挙げられるが、安定性の観点から、図３に示すようにネジ止めが最も好ましい。

載置面には、ウェハを支持する支持体（図示せず）を設置することが好ましい。支持体は、ウェハと載置面との間に微小な空間を形成し、ウェハ裏面へのパーティクルの付着を防止するとともに、微小な空間を形成することによりウェハの温度分布（均熱性）を向上させることができる。支持体は、ウェハと載置面の間隔を、１０〜３００μｍ程度になるように設置することが好ましい。

本発明のウェハ加熱用ヒータユニットには、支持板の下部に可動式冷却モジュールを備えることが好ましい。例えば、加熱時には冷却モジュールを支持板から離しておき、冷却時に支持板に当接することにより、冷却速度を向上させることができる。冷却モジュールは、例えば銅あるいはアルミニウム等の板状体に溝を形成し、その溝に金属パイプを取り付け、このパイプに水や有機系の冷媒を流す方法がある。

また、２枚の金属板の片方あるいは両方に流路を形成し、ロウ付けや溶接で接合して冷却モジュールとすることができる。また、冷却モジュールには冷媒を流す流路を形成しないで、冷却モジュールが支持板から離間したときにチャンバーなどの容器に接触するようにして、容器に冷媒を流して冷却モジュールを冷却するような構造であってもよい。

上記の中では、冷却モジュールそのものに冷媒の流路を形成しない方が、冷却モジュールの温度分布を、ウェハ加熱用ヒータユニットに影響を与え難いので好ましい。冷却モジュールに冷媒の流路を形成すると、冷媒の導入部分出は冷却モジュールの温度が低いが、冷媒の出口付近では冷媒の温度が上昇しているので、冷却モジュールの温度が高くなるという温度分布が生じる。この冷却モジュールの温度分布が、ウェハ加熱用ヒータユニットのウェハ載置面の温度分布に影響を与えることがあるからである。

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、１８５０℃、窒素雰囲気中で焼結し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を複数作製した。このＡｌＮ焼結体を機械加工して、直径３２０ｍｍ、厚さ３ｍｍとした。このＡｌＮ焼結体の上下面の表面粗さはＲａ０．８μｍ、平面度は５０μｍであった。このＡｌＮ焼結体を支持板とした。

厚さ３０μｍのステンレス箔を所定の回路パターンにエッチングして、発熱体とした。厚み５０μｍのポリイミドを用意し、ステンレス箔の発熱体が挿入される溝を深さ２５μｍになるようにエッチングにて形成した。そして、ステンレス箔の発熱体をこの溝に挿入し、その上に厚さ５０μｍのポリイミドを載せ、抵抗発熱ユニットとした。

直径３２０ｍｍで厚み３ｍｍの銅板（Ｃｕ）とアルミニウム板（Ａｌ）を載置台として用意した。載置台と前記抵抗発熱ユニットと前記ＡｌＮ焼結体の支持板をネジ止めにより固定し、ステンレス箔の発熱体に給電用の電極を取り付け、温度制御用の測温抵抗素子を載置台のウェハ載置面の反対側に取り付け、ウェハ加熱用ヒータユニットとした。

抵抗発熱ユニットとして、ステンレス箔をポリイミドの溝に耐熱性樹脂で接着し、固定したものも用意した。また、絶縁層であるポリイミド同士を溝部以外の１０ヶ所、ほぼ等間隔で直径１ｍｍ程度のドット状に耐熱性樹脂を用いて接着したもの、および溝部を除いてポリイミド同士を全面耐熱性樹脂を用いて接着したものも用意した。これらの抵抗発熱ユニットと前記ＡｌＮ焼結体と載置台とをネジ固定し、電極と測温抵抗素子を同様に取り付け、ウェハ加熱用ヒータユニットを作製した。

これらのウェハ加熱用ヒータユニットの、２３０℃における均熱性を測定した。測定は、１７点測定可能な、直径３００ｍｍのウェハ温度計を用いて、１７点の最高温度と最低温度の差を均熱性とした。

更に、２３０℃に加熱後、１００℃まで冷却し、再度２３０℃に加熱して１０分間保持してから、１００℃に冷却するという熱サイクルを１０００回行い、１０００回後の２３０℃における均熱性も測定した。

冷却は、冷却速度を上げるために、チャンバー底部に冷却管を埋め込み、チラーにより冷却した冷却水を流し、可動式冷却モジュールとして厚み５ｍｍで直径３２０ｍｍのアルミニウム板を使用し、冷却時のみ支持板に密着させた。

また、熱サイクル試験の前後で、ウェハ載置面の平面度を３次元測定器により、測定した。これらの結果を表１に示す。

なお、いずれのウェハ加熱用ヒータユニットにおいても、ウェハ載置面には、支持体（プロキシミティ）をウェハ載置面の中心部近傍に１個、ウェハ載置面の外周部に８個、その中間領域に４個をほぼ均等に配置し、ウェハ載置面とウェハ裏面の距離が０．１ｍｍになるようにした。

＊は比較例を示す。

本発明のＮｏ．１〜４では、熱サイクル後の均熱性および平面度にほとんど変化がなかったが、絶縁層を全面接着したＮｏ．５と発熱体と絶縁層を接着したＮｏ．６では、熱サイクル後の均熱性も平面度も悪化していることが判る。
［比較例１］

絶縁層であるポリイミドの溝の形成方法をサンドブラストとプレス成形によって行ったこと以外は、実施例１のＮｏ．２と同様のウェハ加熱用ヒータユニットを作製し、初期の均熱性と平面度を測定した。また、同様に実施例１のＮｏ．４と同様のウェハ加熱用ヒータユニットを作製し、初期の均熱性と平面度を測定した。それらの結果を表２に示す。

Ｎｏ．７〜１０について測定した均熱性の結果は、部分的に高温の部分（ヒートスポット）と、低温の部分（クールスポット）が存在していた。それぞれの部分におけるポリイミドの溝の深さをハイトゲージを用いて調査した。その結果、ヒートスポットの部分の溝の深さは浅く、発熱体であるステンレス箔が強く押さえられており、高温になっていると考えられた。また、クールスポット付近のポリイミドの溝の深さは深く、発熱体であるステンレス箔からポリイミドを介して載置台へうまく熱が伝わらなかったと推定された。

実施例１のＮｏ．２の抵抗発熱ユニットを用い、載置台の材質と支持板の材質を表３に示すものにして、実施例１と同様に、均熱性と平面度を測定した。その結果を表３に示す。

表３から判るように、載置台と支持板の組合せは、少なくともどちらかが剛性の高い材料にした方が、熱サイクル後の平面度および均熱性が、初期状態とほとんど変化がないことが判る。載置台と支持坂の両方が金属の場合は、熱サイクル後の平面度が悪くなり、均熱性も若干悪くなるが、ウェハの処理については、大きな問題はない。

実施例１のＮｏ．１、Ｎｏ．２および実施例２のＮｏ．１１〜１９を用いて、レジスト膜硬化用の半導体製造装置に搭載し、ウェハを１０００枚処理したが、いずれのウェハ加熱用ヒータユニットも特性が変化することなく、ウェハを処理することができた。

本発明によれば、信頼性が高く、均熱性に優れるウェハ加熱用ヒータユニットおよびそれを搭載した半導体製造装置を提供することができる。

１ 載置台
２ 抵抗発熱ユニット
３ 支持板
４ ネジ
１０ ウェハ載置面
２１ 発熱体
２２ 絶縁層

Claims (5)

1. ウェハ載置面を有する載置台と、該ウェハ載置面の反対側の面に抵抗発熱ユニットを有し、前記載置台と前記抵抗発熱ユニットを支持する支持板とから構成され、前記抵抗発熱ユニットは発熱体と該発熱体を挟み込む複数の絶縁層とからなり、該絶縁層の少なくとも１層に溝が形成されており、前記発熱体は前記溝に収納されて他の絶縁層によって挟み込まれており、前記絶縁層同士は互いに接着されていない部分を有することを特徴とするウェハ加熱用ヒータユニット。
2. 前記絶縁層同士が互いに接着されていないことを特徴とする請求項１に記載のウェハ加熱用ヒータユニット。
3. 前記載置台と抵抗発熱ユニットと支持板が機械的に結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載のウェハ加熱用ヒータユニット。
4. 前記絶縁層の溝がエッチング処理により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のウェハ加熱用ヒータユニット。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のウェハ加熱用ヒータユニットが搭載されたことを特徴とする半導体製造装置。

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