JP2013004810A

JP2013004810A - ウエハ加熱用ヒータ

Info

Publication number: JP2013004810A
Application number: JP2011135613A
Authority: JP
Inventors: Isao Iwayama; 功岩山; Taichiro Nishikawa; 太一郎西川; Shigenobu Sakita; 成伸先田; Katsuhiro Itakura; 克裕板倉; Akira Mikumo; 晃三雲; Hirohiko Nakada; 博彦仲田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】搭載されるウエハに対して温度分布を均一にすることができ、かつ剛性に優れたウエハ加熱用ヒータを提供する。
【解決手段】ウエハを載置する載置面１ａを備えたウエハ載置台１と、ウエハ載置台１を加熱する発熱体２とを有するウエハ加熱用ヒータ１０であって、ウエハ載置台１は、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、ヤング率が２００ＧＰａ以上の金属−セラミックス複合体からなる。この金属−セラミックス複合体は、Ｍｇ又はＭｇ合金からなる金属と、ＳｉＣからなるセラミックスとの複合体であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置用サセプタとして使用される、均熱性と高剛性とを兼ね備えたウエハ加熱用ヒータに関するものである。

半導体デバイスの製造工程における前工程や検査工程では、被処理物である半導体基板（ウエハ）を所定の温度に加熱しながら種々の処理を施す加熱処理が行われている。例えば前工程では、コータデベロッパーでのフォトリソグラフィーにおける感光性樹脂の加熱硬化、Ｌｏｗ−ｋ膜のような低誘電率の絶縁膜の加熱焼成、配線や絶縁層形成におけるＣＶＤ膜形成、エッチャー等の工程において加熱処理が行われている。

従来、これら前工程では、Ａｌ製又はセラミックス製のヒータを備えた半導体製造装置サセプタを用いてウエハの加熱処理を行ってきた。すなわち、発熱体を備えたヒータのウエハ載置面にウエハを載置して加熱制御しながら、感光性樹脂の加熱硬化やＬｏｗ−ｋ膜の加熱焼成、あるいはＣＶＤ膜の形成やエッチングなどの処理を行ってきた。最近では、これら前工程においてスループット向上の要求が高まっており、ウエハ載置面での均熱性を高めることによってウエハの温度分布を均一にすることが重要になってきている。

一方、検査工程では、出荷後の不良の発生を予防するため、半導体回路が形成された半導体ウエハを個々のチップに切断する前に、当該ウエハを通常の使用温度よりも高温に加熱して不良になる可能性のある半導体チップを加速的に不良化させると共に、各チップの電気的な性能を測定して不良品を取り除くバーンインが行われている。

このバーンイン工程でも、半導体基板を保持して加熱するためのヒータが用いられているが、バーンイン工程ではウエハの裏面全体をグランド電極に接触させる必要があるので、従来は金属製のヒータが用いられていた。すなわち、金属製の平板ヒータの上に回路の形成されたウエハを載置し、通電用の電極ピンを多数備えたプローブカードと呼ばれる測定子を、ウエハに数１０ｋｇｆから数百ｋｇｆの力で押さえつけてチップの電気的特性を測定することが行われてきた。

金属製のヒータの場合はある程度厚みがないとプローブカードを押し付けたときに変形し、ウエハとプローブピンとの間に接触不良が発生することがあった。そこで、ヒータには剛性を保つ目的で厚さ１５ｍｍ以上の厚い金属板が用いられていた。その結果、バーンイン工程においてもスループット向上のためにプロセス時間の短縮が強く求められているにもかかわらず、ヒータの昇降温に長時間を要し、スループット向上の大きな障害となっていた。なお、バーンイン工程においても上記した前工程と同様にウエハの温度分布を均一にすることが非常に重要であり、よってヒータの均熱性を高めることが重要になっていた。

このような状況のもと、特許文献１〜３にはこの剛性の問題を解決するため、チャックトップにＡｌＮやＳｉ−ＳｉＣ等の高剛性のセラミックス材料を用いる技術が提案されている。更に、特許文献２には、スループット向上のために接触部と冷却部を断熱する構造が示されている。また、特許文献３には、位置精度の向上や均熱性の向上のために断熱効果を高める構造が示されている。特許文献４には、均熱性の向上のためにヒータ基板よりも熱伝導率の高い均熱板をヒータ基板の背面に取り付ける構造が示されている。

特開２００１−０３３４８４号公報特開２００６−２５３６３０号公報特開２００７−１４９７２７号公報特開２００８−１１８０８０号公報

特許文献１〜３に記載されているように、ＡｌＮやＳｉ−ＳｉＣをチャックトップに使用した場合、これら材料のヤング率は２８０ＧＰａ程度であるため、直径３００ｍｍのウエハ全面に対して５００ｋｇの荷重をかけた時のたわみ量を１０μｍ以下にすることができ、市場の要求をクリアすることができる。しかしながら、それら材料の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫ程度であるため、ウエハ内の温度のばらつき（以降、温度レンジとも称する）を±１.０℃以内にするのは困難であった。

すなわち、近年は処理されるウエハをミクロンレベルの高い平面度に維持するだけでなく、ウエハ面内で温度がばらつかないように温度分布を均一にすることが市場で要求されている。例えば直径３００ｍｍのウエハ全面に対して５００ｋｇの荷重をかけた時のたわみ量を１０μｍ以下にし、且つ直径３００ｍｍのウエハ面内での温度レンジを±０.５℃以内にすることが要求されている。

そこで本発明者らは、ウエハを載置する載置面を備えたウエハ載置台と、該ウエハ載置台を加熱する抵抗発熱体とを有するウエハ加熱用ヒータに対して、高均熱性と高剛性とを共に達成させるべく鋭意研究を行った結果、所定の熱伝導率及びヤング率を有する金属−セラミックス複合体を使用することによって、５００ｋｇ全面荷重に対してたわみ量を５μｍ以下に抑え、更に温度レンジを±０.５℃以内にできることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の第１の実施形態のウエハ加熱用ヒータは、ウエハを載置する載置面を備えたウエハ載置台と、前記ウエハ載置台を加熱する発熱体とを有しており、前記ウエハ載置台は熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、ヤング率が２００ＧＰａ以上の金属−セラミックス複合体からなることを特徴としている。

また、本発明の第２の実施形態のウエハ加熱用ヒータは、ウエハを載置する載置面を備えたウエハ載置台と、前記ウエハ載置台の下部に設置される保持台と、前記ウエハ載置台及び前記保持台を加熱する発熱体とを有しており、前記保持台は熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、ヤング率が２００ＧＰａ以上の金属−セラミックス複合体からなることを特徴としている。

本発明によれば、搭載されるウエハに対して広い温度範囲に亘って温度分布を均一にすることができる上、荷重や自重に対する剛性にも優れたウエハ加熱用ヒータを提供することができる。

本発明の第１の実施形態のウエハ加熱ヒータを示す概略の断面図である。本発明の第２の実施形態のウエハ加熱ヒータを示す概略の断面図である。本発明の第３の実施形態のウエハ加熱ヒータを示す概略の断面図である。ウエハ載置面に設けられたウエハ吸着溝の一具体例を示す平面図である。本発明のウエハ加熱ヒータを支持する支持部材の配置例を示す平面図である。

先ず、本発明の第１の実施形態のウエハ加熱用ヒータを、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態のウエハ加熱用ヒータ１０を示す概略の断面図である。このウエハ加熱ヒータ１０は、ウエハが載置されるウエハ載置面１ａを有する円板形状のウエハ載置台１と、このウエハ載置台１と略同径の円板からなり、ウエハ載置台１の下面に当接して当該下面からウエハ載置台１を加熱する発熱体２とからなる。

ウエハ載置台１のウエハ載置面１ａには、例えば同心円状や放射状の複数のウエハ吸着溝（図示せず）が形成されているのが好ましい。この吸着溝内の空気を真空引きすることによって、載置されたウエハをウエハ載置面１ａに吸着することができる。このウエハ載置面１ａとは反対側の下面に、例えば接着剤によって発熱体２が取り付けられている。

ウエハ加熱ヒータ１０は、支持部材７によって下方から支持されている。支持部材７は、ウエハ加熱ヒータ１０が設置されている半導体製造装置（図示せず）からウエハ加熱ヒータ１０を断熱する役割も担っている。図１には複数の円柱状の支持部材７が例示されているが、支持部材７の数、形状、及び材質には特に制約はない。ウエハ加熱ヒータ１０の剛性を保つため、図１に示すように、支持部材７の上面はウエハ載置台１の下面に当接しており、発熱体２において支持部材７が設けられる位置には、支持部材７と干渉しないように貫通穴２ａが設けられている。

ウエハ載置面１ａでは均熱性が高いことが望まれるため、ウエハ載置台１は高い熱伝導率を有していることが要求される。加えて、ウエハ加熱ヒータ１０を、例えばウエハプローバのような検査装置として使用する場合には、ウエハ加熱ヒータ１０が全体として高い剛性を有していることも要求される。このため、ウエハ載置台１は、熱伝導率が高く且つヤング率も高い金属−セラミックス複合体で形成されている。

具体的には、ウエハ載置台１は、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上であり、且つヤング率が２００ＧＰａ以上の金属−セラミックス複合体で形成されている。このような物性を有するものであれば金属やセラミックスの具体的な材料は特に問わないが、Ｍｇ又はＭｇ合金からなる金属とＳｉＣ（炭化ケイ素）との複合体であるのがより好ましい。これらの中でも、ＳｉＣを７０体積％以上含有するものであることが特に好ましい。

なぜなら、ＳｉＣを７０体積％以上含有するＭｇ−ＳｉＣ複合体又はＭｇ合金−ＳｉＣ複合体は、熱膨張率が３.７×１０^−６／Ｋ以上８×１０^−６／Ｋ以下になるからである。この熱膨張率の範囲では、昇温時にウエハ載置台１自身が熱たわみを起こしにくくなり、ウエハ搭載面１ａの平面度の悪化を最小限に抑えることができる。

上記Ｍｇ合金とは、主成分としてのＭｇに添加元素を含んだ合金であり、添加元素には、Ｌｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ及びＺｒの内の少なくとも１種を挙げることができる。これら添加元素は、含有量が多くなると熱伝導率の低下を招くため、合計で２０質量％以下（金属成分を１００質量％とする。以降の添加元素の含有量についても同様）が好ましい。特に、Ａｌは３質量％以下、Ｚｎは５質量％以下、その他の元素はそれぞれ１０質量％以下が好ましい。

所望の効果が得られるように、添加する元素の種類やその添加量が定められる。例えば、Ｌｉを添加すると、複合体の軽量化や加工性の向上の効果が得られる。あるいは、公知のマグネシウム合金、例えば、ＡＺ系、ＡＳ系、ＡＭ系、ＺＫ系、ＺＣ系、ＬＡ系などを使用してもよい。

このような金属−セラミックス複合体からなるウエハ載置台１は、限定するものではないが、以下の方法で作製することができる。すなわち、開口部を備えた鋳型に市販のセラミック焼結体を収納し、市販の金属インゴットをＡｒ雰囲気中で溶融して得られる溶融金属を当該開口部から流し込む。これによりセラミック焼結体の内部に溶融金属を溶浸させる。溶浸後は鋳型ごと冷却し、溶融金属を凝固させる。その結果、網目状の多孔質体で構成されるセラミック焼結体と、当該網目の隙間に粒状に存在する金属とからなる金属−セラミックス複合体が得られる。この金属−セラミックス複合体に対して、更に切削や研磨などの加工を行うことによって、ウエハ搭載台の上下面の平面度及び平行度を例えば５μｍにすることができる。

ウエハ載置台１には、耐酸化性や耐蝕性の向上、輻射率の制御、脱粒防止等のため、メッキを行ってもよい。メッキの種類は特に問わないが、耐酸化性の高いニッケルが好適である。メッキ厚みとしては、１〜数μｍ程度で良い。必要以上に分厚くすると、熱伝導率の低下につながるので好ましくない。一方、メッキ厚みが薄すぎるのも好ましくない。なぜなら、メッキした後はウエハへの熱伝達性を良くするため、メッキ表面を研磨して平面度を高めることが行われ、その際、メッキ厚みが薄すぎるとメッキがはがれて地の部分が出てくる可能性があるからである。なお、研磨加工後の表面粗さとしては、Ｒａで０.０２μｍ程度以下が最適である。

発熱体２には、例えば金属箔などの金属材料からなる抵抗発熱体を使用することができる。具体的には、ニッケル、ステンレス、銀、タングステン、モリブデン、クロム、又はこれら金属の少なくともいずれかの合金を使用することができる。この中では、ステンレスやニクロムが好ましい。ステンレスやニクロムは、抵抗発熱体の回路パターンを加工する際、エッチングなどの手法により比較的精度良く形成することができるからである。また、安価であり、耐酸化性を有するので、使用温度が高温であっても長期間の使用に耐えることができる点においても好ましい。

ウエハ載置台１が電気伝導性を持つ場合は、発熱体２との電気的絶縁を保つため、発熱体２には抵抗発熱体を電気絶縁体で挟み込んだ発熱モジュールを使用するのが望ましい。抵抗発熱体を挟み込む電気絶縁体としては、耐熱性を有するものであれば特に制約はなく、例えばマイカやポリイミド、シリコン樹脂やエポキシ樹脂、フェノール樹脂などを使用することができる。

電気絶縁性の樹脂で抵抗発熱体を挟み込む場合は、抵抗発熱体で発生した熱をよりスムースにウエハ載置台１に伝えるため、樹脂中にフィラーを分散させてもよい。これは、樹脂中にフィラーを分散することによって、シリコン樹脂等の熱伝導を高めることができるからである。フィラーの材質としては、樹脂との反応性が無ければ特に制約はなく、例えば窒化硼素、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカなどの物質を挙げることができる。

次に、本発明の第２の実施形態のウエハ加熱ヒータを、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の第２の実施形態のウエハ加熱用ヒータ２０を示す概略の断面図である。このウエハ加熱ヒータ２０は、ウエハが載置されるウエハ載置面１ａを有する円板形状のウエハ載置台１と、このウエハ載置台１と略同径の円板からなり、ウエハ載置台１の下面に当接して当該下面からウエハ載置台１を加熱する発熱体２と、ウエハ載置台１及び発熱体２と略同径の円板からなり、発熱体２の下面に当接してこれらウエハ載置台１及び発熱体２を下方から保持する保持台３とからなる。これらウエハ載置台１、発熱体２及び保持台３は、例えば接着剤によって結合してもよいし、発熱体２を挟んだ状態でステンレスネジなどの結合手段によってウエハ載置台１と保持台３とを結合してもよい。

前述した第１の実施形態のウエハ加熱用ヒータ１０と同様に、ウエハ載置台１のウエハ載置面１ａには、図示しないウエハ吸着溝が形成されているのが好ましい。また、ウエハ加熱ヒータ２０は、断熱の役割を有する支持部材７によって下方から支持されている。支持部材７の数、形状、及び材質には特に制約はないが、第１の実施形態のウエハ加熱用ヒータ１０の支持部材７と異なり、この第２の実施形態の支持部材７は上面が保持台３の下面に当接している。

この第２の実施形態のウエハ加熱ヒータ２０は、ウエハ載置面１ａでの高均熱性を得るため、熱伝導率が高く且つヤング率も高い金属−セラミックス複合体に比べてヤング率は低いが熱伝導率は同等以上のものを均熱板としてウエハ載置台１に使用し、このウエハ載置台１の下部に、金属−セラミックス複合体からなる保持台３を設置している。

ウエハ載置台１に使用する均熱板の材質は熱伝導の高いものであれば特に問わないが、例えば、銅、銅合金、グラファイト、グラファイトやカーボンナノチューブを分散させたアルミニウム合金、金属−セラミックス複合体などを使用することができる。金属−セラミックス複合体を使用する場合は、後述する保持台３と同じ材料を用いてもよい。また、第１の実施形態のウエハ加熱用ヒータ１０と同様に、ウエハ載置台１にメッキを行ってもよい。

保持台３の材料には、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上であり、且つヤング率が２００ＧＰａ以上の金属−セラミックス複合体を使用する。このような物性を有するものであれば金属やセラミックスの具体的な材料は特に問わないが、Ｍｇ又はＭｇ合金からなる金属とＳｉＣとの複合体であることがより好ましい。この保持台３についても、前述したようなメッキおよび研磨加工を施すことによって同様の効果を得ることができる。

図２では、これらウエハ載置台１と保持台３との間に、これらウエハ載置台１と保持台３とを加熱する発熱体２が挟持されている。この発熱体２には、前述した第１の実施形態のウエハ加熱用ヒータ１０と同様に、ニッケルやステンレスなどの金属材料からなる抵抗発熱体を使用することができる。また、ウエハ載置台１が電気伝導性を持つ場合は、発熱体２との電気的絶縁を保つため、抵抗発熱体を樹脂などの電気絶縁体で挟み込んだ発熱モジュールを使用するのが望ましく、この樹脂中にフィラーを分散させてもよい。

なお、発熱体２の位置は、上記したウエハ載置台１と保持台３の間の他、保持台３の下部であってもよい。このとき、保持台３が電気伝導性を有する場合は、保持台３と抵抗発熱体との電気的絶縁を確保するため、上記と同様に抵抗発熱体を電気絶縁体で保護することが望ましい。

このように、本発明の第２の実施形態のウエハ加熱ヒータ２０では、高均熱性を得るために、金属−セラミックス複合体よりもヤング率は低いが熱伝導の高い材料を均熱板としてウエハ載置台１に使用し、この均熱板の下部に、金属−セラミックス複合体の保持台３を設置することによって、ウエハ載置面１ａでの温度レンジを±０.２℃以内にすることができる。

次に、本発明の第３の実施形態のウエハ加熱ヒータを、図３（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。これら図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態のウエハ加熱用ヒータ３０、１３０を示す概略の断面図である。ウエハ加熱ヒータ３０、１３０の各々は、ウエハが載置されるウエハ載置面１ａを有する円板形状のウエハ載置台１と、このウエハ載置台１と略同径の円板からなり、冷却機構を有する冷却ユニット６と、ウエハ載置台１及び冷却ユニット６と略同径の円板からなり、これらウエハ載置台１及び冷却ユニット６を加熱する発熱体２とからなる。これらウエハ載置台１、冷却ユニット６及び発熱体２は、例えば接着剤によって互いに結合されている。

図３（ａ）のウエハ加熱ヒータ３０は、ウエハ載置台１、冷却ユニット６及び発熱体２の順に配置されている。すなわち、ウエハ載置台１の下面に冷却ユニット６の上面が当接し、冷却ユニット６の下面に発熱体２の上面が当接している。これは、冷却速度を加熱速度よりも優先したいときに好適な形態である。一方、図３（ｂ）のウエハ加熱ヒータ１３０は、ウエハ載置台１、発熱体２及び冷却ユニット６の順に配置されている。すなわち、ウエハ載置台１の下面に発熱体２の上面が当接し、発熱体２の下面に冷却ユニット６の上面が当接している。これは、発熱体２による温度制御性を優先したいときに好適な形態である。

前述した第１の実施形態のウエハ加熱用ヒータ１０と同様に、ウエハ載置台１は、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上であり、且つヤング率が２００ＧＰａ以上の金属−セラミックス複合体からなり、そのウエハ載置面１ａには、図示しないウエハ吸着溝が形成されているのが好ましい。また、ウエハ加熱ヒータ３０、１３０は、断熱の役割をも有する支持部材７によって下方から支持されている。

支持部材７の数、形状、及び材質に制約はないが、ウエハ加熱用ヒータ１０と同様に、ウエハ加熱ヒータ３０、１３０の剛性を保つため、支持部材７の上面はウエハ載置台１の下面に当接している。このため、発熱体２及び冷却ユニット６において支持部材７が設けられる位置には、それぞれ支持部材７と干渉しないように貫通穴２ａ、６ａが設けられている。

冷却ユニット６の材質には特に制約はないが、アルミニウム、銅、又はその合金は熱伝導率が比較的高いため、特に好ましく用いられる。また、ステンレス、マグネシウム合金、ニッケル、その他の金属材料を使用することもできる。耐酸化性を付与するため、冷却ユニット６の表面にニッケル、金、銀などの耐酸化性を有する金属膜をメッキや溶射などの手法を用いて形成してもよい。これらの中では、アルミニウムにニッケルメッキを施したものや、銅にニッケルメッキを施したものが耐酸化性にも優れ、また熱伝導率も高く、価格的にも比較的安価であるため、特に好ましい。

また、冷却ユニット６の材質にセラミックスを使用することもできる。この場合のセラミックスとしては、限定するものではないが、熱伝導率が比較的高く、素早く熱を奪うことができるので、窒化アルミニウムや炭化ケイ素が好適に使用される。あるいは、窒化ケイ素や酸窒化アルミニウムを使用してもよい。これらは機械的強度が高く、耐久性に優れていることを特徴としている。更に、比較的安価な、アルミナ、コージェライト、ステアタイトなどの酸化物セラミックスを使用してもよい。このように冷却モジュール６の材質は、種々の中から選択することができ、用途に応じて適宜材質を選択すればよい。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、冷却ユニット６の内部に流路６ｂを設け、ここに冷媒を流すことも可能である。冷媒を流すことによって、加熱された部材から冷却ユニット６に伝達された熱を素早く取り除くことができるため、冷却速度を向上させることができる。冷却ユニット６内に流す冷媒としては、水のほか、フロリナートなどの液体、窒素や大気などの気体などが選択できる。この中では、比熱の大きさ、価格などを考慮すると水が最も好ましい。

この第３の実施形態のように、冷却ユニット６をウエハ載置台１に固定する場合は、昇温時は冷却ユニット６内に冷媒を流さないようにすることも可能である。すなわち、冷却時には冷却ユニット６内に冷媒を流して効率的な冷却を行う一方、昇温時には冷却ユニット６内の冷媒の流れを止める。これにより、発熱体２で発生した熱が冷媒に奪われて系外に逃げるのを防げるので、効率的な昇温が可能となる。

冷媒用の流路６ｂを備えた冷却ユニット６は、例えば、２枚のアルミニウム板を用意し、一方のアルミニウム板の片面に冷媒を流す流路を機械加工等によって形成した後、このアルミニウム板の流路が形成された面に他方のアルミニウム板を張り合わせることによって得られる。これらのアルミニウム板には、耐食性及び耐酸化性を向上させるため、全面にニッケルメッキを施すことが好ましい。また、水などの冷媒が漏れないように、例えばＯ−リング等を流路の周囲に設けた溝に挿入したうえで、ネジ止めや溶接によって２枚のアルミニウム板を張り合わせるのが好ましい。

あるいは、冷却ユニット６の別の作製方法として、２枚の銅（無酸素銅）板を用意し、その一方の銅板の片面に流路を機械加工等によって形成した後、この銅板と他方の銅板とを流路の形成された面が内側となるように対向させ、冷媒の出入口となるステンレス製のパイプと共に、同時にロウ付け接合する方法を挙げることができる。得られた冷却ユニット６には、上記と同様に、耐食性及び耐酸化性を向上させるため、ニッケルメッキを全面に施すことが好ましい。

更に別の作製方法として、アルミニウム板や銅板等の冷却板の片面に冷媒を流すパイプを取り付ける方法で冷却ユニット６を作製することもできる。この場合、パイプの断面形状に近い形状のザグリ溝を予め冷却板に形成し、この溝内にパイプを密着させることで冷却効率を上げることができる。また、冷却パイプと冷却板の密着性を向上させるため、両者の間に介在層として熱伝導性の樹脂やセラミックス等を挿入してもよい。

冷却ユニット６は固定式に限定されるものではなく、昇降式であってもよい。この場合は、冷却時には冷却ユニットの上面を発熱体２や保持台３を介してウエハ載置台１に接触させて冷却を行う一方、昇温時には冷却ユニットを発熱体２や保持台３から離間させる。これにより、効率的な昇温が可能となる。冷却ユニットを昇降させる機構には、例えばエアシリンダーなどの昇降手段を使用することができる。

図３（ｃ）には、ウエハ載置台１、発熱体２及び保持台３が一体化したモジュールの下に昇降式冷却ユニット１６を設けたウエハ加熱ヒータ２３０が示されている。なお、この昇降式冷却ユニット１６は、支持部材７と干渉しないように、支持部材７が設けられる位置に貫通穴１６ａが設けられている。また、固定式の冷却ユニット６と同様に、昇降式冷却ユニット１６の内部に流路１６ｂを設けて水などの冷媒を流してもよい。

発熱体２には、前述した第１又は第２の実施形態のウエハ加熱用ヒータ１０、２０と同様に、ニッケルやステンレスなどの金属材料からなる抵抗発熱体を使用することができる。また、ウエハ載置台１が電気伝導性を持つ場合は、発熱体２との電気的絶縁を保つため、抵抗発熱体を樹脂などの電気絶縁体で挟み込んだ発熱モジュールを使用するのが望ましく、この樹脂中にフィラーを分散させてもよい。

以上説明したように、本発明のウエハ加熱ヒータは、高剛性で反りの心配がない上、ウエハ載置台の熱伝導率が高いので、ウエハ載置面において高い均熱性を有している。従って、このウエハ加熱ヒータはサセプタに好適に用いることができる。すなわち、ウエハプローバ、ハンドラ装置、テスター装置などの半導体検査装置、あるいはフォトリソグラフィーにおける感光性樹脂の加熱硬化に用いるコータデベロッパ装置に用いれば、ウエハ加熱ヒータの変形や反りによる接触不良や大きな膜厚分布を生じることなく、ウエハを全面に亘って均一に加熱することができる。

以上、本発明のウエハ加熱ヒータを、複数の実施形態に基づいて説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲内で種々の代替例や変形例を考えることができる。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲およびその均等物に及ぶことに留意すべきである。

［実施例１］
図１に示す構造のウエハ加熱ヒータ１０を、半導体検査工程で使用されるウエハプローバ用ウエハ保持体として使用したときの均熱性及び剛性について試験した。具体的には、ウエハ載置台１として、ＳｉＣを７０体積％含有する直径３１０ｍｍ、厚み１０ｍｍのＭｇ−ＳｉＣ複合体（熱膨張率４.５×１０^−６／Ｋ、熱伝導率２５５Ｗ／ｍＫ、ヤング率２０５ＧＰａ）を用意した。

このウエハ載置台１のウエハ載置面１ａに、ウエハを真空チャックするため、図４に示すような同心円状の４つのウエハ吸着溝１ｂ及びこれらに連通する半径方向に外縁部まで延びる連通溝１ｃを形成した。ウエハ載置台１の表面にニッケルメッキを施した後、上下面を研磨加工した。これにより、平面度及び平行度を５μｍとし、表面粗さをＲａで０.０２μｍに仕上げた。

次に発熱体２として、ステンレス箔に所定のパターンでエッチング加工して抵抗発熱体を形成し、これをマイカシートで圧着して挟み込んだもの（直径３１０ｍｍ、厚み０.６ｍｍ）を用意した。この発熱体２に対し、後述する支持部材７が設置される７箇所において支持部材７が干渉しないように貫通孔２ａを設けた後、ウエハ載置台１の下面に接着剤で接着した。

次に支持部材７として、外径１４ｍｍ、内径６ｍｍ、高さ２０ｍｍの円筒状のムライト−アルミナ複合体（熱膨張率２.８×１０^−６／Ｋ、熱伝導率８Ｗ／ｍＫ、ヤング率２１０ＧＰａ）を７個準備した。図５に示すように、これら７個のうちの１個はウエハ載置台１の下面の中心部に配置し、残りは下面のＰ.Ｃ.Ｄ.２５０ｍｍの周上に等間隔に配置した。このようにして試料１のウエハ加熱ヒータを作製した。

材料物性の熱伝導率とヤング率がどの程度性能に影響するか調べるため、ＭｇとＳｉＣとの配合比率を変えることで熱伝導率とヤング率を変化させた４種類のＭｇ−ＳｉＣ複合体を作製し、これら材料をウエハ載置台１として使用した以外は上記試料１のウエハ加熱ヒータと同様にして試料２〜５のウエハ加熱ヒータを作製した。さらにＡｌを３質量％添加したＭｇ合金とＳｉＣとの配合比率を変えた４種類の複合体を作製し、これら材料をウエハ載置台１とした以外は上記試料１のウエハ加熱ヒータと同様にして試料６〜９のウエハ加熱ヒータを作製した。

さらにＳｉ−ＳｉＣ複合体、Ａｌ−ＳｉＣ複合体、及び無酸素銅をそれぞれウエハ載置台１とした以外は上記試料１のウエハ加熱ヒータと同様にして試料１０〜１２のウエハ加熱ヒータを作製した。このようにして作製した試料１〜１２のウエハ加熱ヒータのウエハ載置台の材質、Ａｌ添加量、ＳｉＣ含有量、熱伝導率及びヤング率を下記の表１に示す。

これら試料１〜１２のウエハ加熱ヒータの各々のウエハ載置面１ａに直径３００ｍｍのウエハを載置し、抵抗発熱体に通電して当該ウエハを２００℃に加熱した。そして、２００℃で温度が安定したときのウエハ面内の温度レンジを測定した。次に、２００℃に加熱した状態でウエハの全面に５００ｋｇの荷重を印加し、そのときのウエハのたわみ量を測定した。これら測定結果を下記表２に示す。

上記表２の結果から、熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫの無酸素銅を使用した試料１２のウエハ加熱ヒータではウエハ温度レンジは±０.２℃と良好なものの、ヤング率が１２０ＧＰａ程度しかないため、たわみ量が２５μｍと悪く、ウエハプローバ用のヒータとしては適さないことが分かった。

一方、試料１〜１１のウエハ加熱ヒータは、いずれもたわみ量が５μｍ以下で良好であるが、比較例の試料４、５、８〜１１のウエハ加熱ヒータは、ウエハ温度レンジが±１.０℃以上となり、均熱性が悪かった。以上の結果から、ウエハ載置台としては、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上で、かつヤング率が２００ＧＰａ以上が好ましいことがわかった。

［実施例２］
図２に示す構造のウエハ加熱ヒータ２０を、コータデベロッパー装置で使用されるウエハ保持体として使用したときの均熱性について試験した。なお、コータデベロッパー装置は、フォトリソグラフィーにおける感光性樹脂の加熱硬化に用いられるものである。先ず、ウエハ載置台１及び保持台３として、ＳｉＣを７０体積％含有する直径３３０ｍｍ、厚み３ｍｍのＭｇ−ＳｉＣ複合体を２枚用意し、ニッケルメッキを施した。さらに上下面を研磨加工し、平面度および平行度を５μｍとし、表面粗さをＲａで０.０２μｍに仕上げた。

次に発熱体２として、ステンレス箔に所定のパターンでエッチング加工して抵抗発熱体を形成し、これをマイカシートで圧着して挟み込んだもの（直径３３０ｍｍ、厚み０.６ｍｍ）を用意した。得られた発熱体２をウエハ載置台１と保持台３との間に挟み、ステンレスネジ1２本でウエハ載置台１と保持台３とを結合することによって発熱体２を固定した。

次に支持部材７として、長さ１５ｍｍのＭ３のステンレスネジ３本を準備し、これらを保持台３の下面のＰ.Ｃ.Ｄ.３２０ｍｍの周上に等間隔に配置した。このようにして試料１３のウエハ加熱ヒータを作製した。

材料物性の熱伝導率とヤング率が性能にどのように影響するか調べるため、ウエハ載置台１及び保持台３の材料を、上記したＭｇ−ＳｉＣ複合体、Ａｌを３質量％添加したＭｇ合金とＳｉＣとをＳｉＣの含有量が７０体積％となるように配合したＭｇ合金−ＳｉＣ複合体、及び無酸素銅のうちのいずれかを使用した以外は上記試料１３のウエハ加熱ヒータと同様にして試料１４〜１９のウエハ加熱ヒータを作製した。このようにして作製した試料１４〜１９のウエハ加熱ヒータのウエハ載置台１及び保持台３の材質、Ａｌ添加量、ＳｉＣ含有量、熱伝導率及びヤング率を下記の表３に示す。

これら試料１４〜１９のウエハ加熱ヒータの各々のウエハ載置面１ａに直径３００ｍｍのウエハを載置し、抵抗発熱体に通電して当該ウエハを２００℃に加熱した。そして、２００℃で温度が安定したときのウエハ面内の温度レンジを測定した。この測定結果を下記表４に示す。

上記表４の結果から、試料１７〜１９のウエハ加熱ヒータは、試料１３〜１６のウエハ加熱ヒータに比べて温度レンジが著しく悪かった。この原因は、試料１７〜１９のウエハ加熱ヒータは、保持台３に無酸素銅を使用していたので、昇温中に自重でたわんでウエハ搭載面に大きな反りが発生し、これにより温度レンジが悪化したと考えられる。

これに対して試料１３〜１６のウエハ加熱ヒータは、保持台３にヤング率２００ＧＰａ以上の金属−セラミックス複合体を使用していたので、温度レンジを±０.２５℃以内に抑えることができた。特に、試料１５〜１６のウエハ加熱ヒータは、ウエハ載置台１に無酸素銅を使用したので、温度レンジが±０.１℃以内となり、均熱性に極めて優れていた。

［実施例３］
図３（ａ）又は（ｂ）に示す構造のウエハ加熱ヒータ３０、１３０を、半導体検査工程で使用されるウエハプローバ用ウエハ保持体として使用したときの均熱性及び剛性について試験した。具体的には、実施例１の試料１と同様にして、先ずウエハ載置台１、発熱体２及び支持部材７を用意した。

次に冷却ユニット６として、直径３１０ｍｍ、厚み５ｍｍの無酸素銅板を２枚用意し、その一方の無酸素銅板の片面に機械加工等によって流路を形成した後、この無酸素銅板と他方の無酸素銅板とを流路が形成された面が内側となるように対向させ、冷媒の出入口となるステンレス製のパイプと共に、同時にロウ付け接合した。さらに、耐食性及び耐酸化性を向上させるため、ニッケルメッキを全面に施した。

これらウエハ載置台１、発熱体２、支持部材７及び冷却ユニット６をそれぞれ２セット用意し、その内の１セットは図３（ａ）のようにウエハ載置台１の下部に冷却ユニット６、さらにその下部に発熱体２となるように配置し、冷却ユニット６とウエハ載置台１をステンレスネジ１２本で結合し、冷却ユニット６と発熱体２をステンレスネジ１５本で結合した。これにより、試料２０のウエハ加熱ヒータを作製した。そして、残る１セットは図３（ｂ）のようにウエハ載置台１と冷却ユニット６との間に発熱体２を挟持し、冷却ユニット６とウエハ載置台１とをステンレスネジ１２本を用いて結合した。これにより、試料２１のウエハ加熱ヒータを作製した。

さらに、ウエハ載置台１を実施例１の試料６と同様にした以外は上記試料２０〜２１と同様にして試料２２〜２３のウエハ加熱ヒータを作製した。このようにして作製した試料２０〜２３のウエハ加熱ヒータのウエハ載置台１の材質、Ａｌ添加量、ＳｉＣ含有量、熱伝導率及びヤング率を下記の表５に示す。

これら試料２０〜２３のウエハ加熱ヒータの各々に対して、実施例１と同様にして２００℃でのウエハ面内の温度レンジ及びウエハの全面に５００ｋｇの荷重を印加したときのウエハのたわみ量を測定した。さらに、冷却ユニット６に設けた流路に冷媒を流してウエハ加熱ユニットを冷却した際、室温から−４５℃までの冷却に要した時間を測定した。これらの測定結果を下記表６に示す。

上記表６の結果から、試料２０及び２２のウエハ加熱ヒータは、試料２１及び２３のウエハ加熱ヒータに比べて冷却時間が短かったが、温度レンジは少し劣っていた。これは、試料２０及び２２のウエハ加熱ヒータの方が、構造的に冷却速度が速くなる代わりに温度制御性が悪くなり、その結果、ウエハ温度レンジが悪くなったと考えられる。

［実施例４］
図３（ｃ）に示す構造のウエハ加熱ヒータ２３０を、コータデベロッパー装置で使用されるウエハ保持体として使用したときの均熱性について試験した。先ず、昇降式冷却ユニット１６として、直径３３０ｍｍ、厚み５ｍｍの２枚の銅板を用意し、その一方の片面に流路を形成し、これを他方の銅版と流路が内側になるようにして対向させて、ロウ付けにより張り合わせた。表面にニッケルメッキし、昇降手段としてエアシリンダーを取り付けた。この昇降式冷却ユニット１６を４セット作製した。

次に、実施例２の試料１３〜１６のウエハ加熱ヒータを用意し、それぞれに上記昇降式冷却ユニット１６を取り付けた。各冷却ユニット１６は、昇温時は保持台３から離間し、冷却時は保持台３に接触するようにエアシリンダーを調整した。このようにして作製した試料２４〜２７のウエハ加熱ヒータのウエハ載置台１及び保持台３の材質、Ａｌ添加量、ＳｉＣ含有量、熱伝導率及びヤング率を下記の表７に示す。

これら試料２４〜２７のウエハ加熱ヒータの各々に対して、実施例２と同様にして２００℃でのウエハ面内の温度レンジを測定した。次に、冷却ユニット１６に設けた流路１６ｂに冷却水を流すと共にエアシリンダーで冷却ユニット１６を上昇させ、冷却ユニット１６を保持台３に当接させた状態でウエハ加熱ユニットを冷却した。その際、２００℃から１００℃までの冷却に要した時間を測定した。これらの測定結果を下記表８に示す。

上記表８の結果から、試料２４〜２５のウエハ加熱ヒータは、試料２６〜２７のウエハ加熱ヒータに比べて冷却時間が短かったが、ウエハ温度レンジは少し劣っていた。これは、試料２４〜２５のウエハ加熱ヒータの方が試料２６〜２７のウエハ加熱ヒータよりも熱容量が小さいため冷却速度が早くなり、一方、試料２６〜２７のウエハ加熱ヒータの方が試料２４〜２５のウエハ加熱ヒータよりもウエハ載置台の熱伝導率が高いため温度レンジが小さくなったと考えられる。

１ウエハ載置台
２発熱体
３保持台
６冷却ユニット
７支持部材
８昇降式冷却ユニット

Claims

ウエハを載置する載置面を備えたウエハ載置台と、前記ウエハ載置台を加熱する発熱体とを有するウエハ加熱用ヒータであって、前記ウエハ載置台は熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、ヤング率が２００ＧＰａ以上の金属−セラミックス複合体からなることを特徴とするウエハ加熱用ヒータ。
ウエハを載置する載置面を備えたウエハ載置台と、前記ウエハ載置台の下部に設置される保持台と、前記ウエハ載置台及び前記保持台を加熱する発熱体とを有するウエハ加熱用ヒータであって、前記保持台は熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上、ヤング率が２００ＧＰａ以上の金属−セラミックス複合体からなることを特徴とするウエハ加熱用ヒータ。
前記ウエハ載置台を冷却する冷却ユニットを更に有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のウエハ加熱用ヒータ。
前記ウエハ載置台が、Ｍｇ又はＭｇ合金からなる金属と、ＳｉＣからなるセラミックスとの複合体であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のウエハ加熱用ヒータ。
前記保持台が、Ｍｇ又はＭｇ合金からなる金属と、ＳｉＣからなるセラミックスとの複合体であることを特徴とする、請求項２から４のいずれかに記載のウエハ加熱用ヒータ。