JP2014089854A - 加熱ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも昇温速度を高めることができる上に、装置の小型化や長寿命化を実現することができる加熱ステージを提供する。
【解決手段】加熱ステージ１０を、支持プレート１４と、被加熱物を加熱するための加熱面を有する石英ガラスからなり、支持プレート１４に接合されるトッププレート１６と、金属からなり、トッププレート１６に接触した状態で支持プレート１４とトッププレート１６との間に配置されるヒータ１８ａと、によって構成する。そして、トッププレート１６の加熱面１６ａは、ヒータ１８ａが放射する電磁波の少なくとも一部を遮光可能であり、トッププレート１６の加熱面１６ａを、ヒータ１８ａが発する熱とヒータ１８ａが放射する電磁波の両方で加熱可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハや各種基板などを加熱するために用いられる加熱ステージに関する。

従来、成膜処理やエッチング処理などを行うために、半導体ウエハや各種基板などを加熱するための加熱ステージが広く知られている。また、このような従来の加熱ステージとして、セラミック製や金属製のものが数多く提案されているほか、例えば、特許文献１には、石英ガラスで構成された加熱ステージが開示されている。

特開２００５−３１１２７０号公報

上記特許文献１に記載の加熱ステージは、石英ガラスを採用することで、加熱中に不純物が発生して被加熱物が汚染されることを目的としているが、加熱手段として、赤外線を放射する複数のランプを備える必要があるため、装置の小型化や長寿命化が極めて困難である。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、従来よりも昇温速度を高めることができる上に、装置の小型化や長寿命化を実現することができる加熱ステージを提供することを目的とする。

本発明は、支持プレートと、被加熱物を加熱するための加熱面を有する石英ガラスからなり、前記支持プレートに接合されるトッププレートと、金属からなり、前記トッププレートに接触した状態で前記支持プレートと前記トッププレートとの間に配置されるヒータと、を有して構成され、前記トッププレートの加熱面は、前記ヒータが放射する電磁波の少なくとも一部を遮光可能であり、前記トッププレートの加熱面を、前記ヒータが発する熱と前記ヒータが放射する電磁波の両方で加熱可能とした、ことを特徴とする加熱ステージである。

本発明に係る加熱ステージによれば、従来よりも昇温速度を高めることができる上に、装置の小型化や長寿命化を実現することができるという優れた効果を奏し得る。

本実施形態に係る加熱ステージ１０の側断面図である。 同加熱ステージ１０の正面図である。 従来の金属製やセラミック製の加熱ステージの昇温速度と、本発明に係る加熱ステージの昇温速度を示したグラフである。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態に係る加熱ステージ１０について詳細に説明する。

＜全体構成＞
まず最初に、図１と図２を用いて、加熱ステージ１０の全体構成について説明する。なお、図１は、加熱ステージ１０の側断面図であり、図２は、加熱ステージ１０の正面図である。

本実施形態に係る加熱ステージ１０は、加熱装置などに装着されるフランジ１２と、このフランジ１２にネジなどで固定される支持プレート１４と、この支持プレート１４に接合されるトッププレート１６と、このトッププレート１６と支持プレート１４の間に配設される加熱部１８（１８ａ、１８ｂ）と、トッププレート１６と支持プレート１４の間に充填されるセラミック屑２２と、加熱部１８に給電を行うための給電部（図示省略）と、を有して構成される。なお、説明の都合上、図１においてはセラミック屑２２の粒子の大きさを誇張して描いている。

加熱ステージ１０の支持プレート１４とトッププレート１６は、各々の厚み方向に、対向して配置され、支持プレート１４の外縁とトッププレート１６の外縁は、複数のカシメ２０によって圧着されている。これにより、支持プレート１４とトッププレート１６は気密に接合される。

＜支持プレート１４＞
次に、支持プレート１４について説明する。支持プレート１４は、透明または半透明の石英ガラスからなり、本実施形態では、平面視が略正方形形状の板状体に形成されている。また、支持プレート１４の厚み方向一方側の面には、平面視が正方形形状の凹部１４ａが形成されており、後述するヒータ１８ａやセラミック屑２２が収容可能に構成されている。

なお、本実施形態では、支持プレート１４に凹部１４ａを形成する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、支持プレート１４とトッププレート１６の間にヒータ１８ａが配置可能な構造であればよい。したがって、例えば、支持プレート１４には凹部を形成せずに、トッププレート１６側に、ヒータ１８ａを収容可能な凹部を形成してもよいし、支持プレート１４とトッププレート１６の両方に凹部を形成せずに、支持プレート１４とトッププレート１６によってヒータ１８を挟んで保持してもよい。また、凹部１４ａにセラミック屑２２を充填する例を示したが、セラミック屑２２は必要に応じて充填すればよく、必須の構成ではない。

また、支持プレート１４には、厚み方向の一方側から他方側に貫通する貫通孔１４ｂが複数個、形成されている。この貫通孔１４ｂには、後述する加熱部１８の給電ピン１８ｂが挿通され、給電ピン１８ｂの先端が加熱ステージ１０の外部に突出する構造とされている。また、給電ピン１８ｂには、ヒータ１８ａの温度を測定するための熱電対が挿通されており、測定した温度を給電部（図示省略）にフィードバックすることによってヒータ１８ａの温度制御が可能である。

＜トッププレート１６＞
次に、トッププレート１６について説明する。トッププレート１６は、透明または半透明の石英ガラスを母体とし、本実施形態では、平面視が略正方形形状の板状体に形成されている。また、トッププレート１６の表面（支持プレート１４とは反対側の面であり、図２に示す面）１６ａが、被加熱物を加熱するための加熱面とされ、この加熱面１６ａは、サンドペーパーやサンドブラストなどによって、全ての領域が、すりガラス状に荒らした面に加工されている。

なお、トッププレート１６の加熱面１６ａは、ヒータ１８ａが放射する電磁波の少なくとも一部を遮光可能であればよく、全ての領域が、すりガラス状に荒らされているものに限定されるものではない。したがって、例えば、すりガラス状に荒らした領域と非加工の領域の両方があってもよく、着色など他の方法で電磁波の少なくとも一部を遮光してもよい。

トッププレート１６に用いる石英ガラスは熱膨張率が非常に小さく、急激な温度変化による熱衝撃の影響を受けにくいという性質があるが、本実施形態では、トッププレート１６と支持プレート１４の両方を石英ガラスで構成している。

このため、加熱ステージ１０は、急激な温度変化による熱衝撃の影響を受けにくいことに加えて、トッププレート１６と支持プレート１４ｂの熱膨張率が同一であるため（材質が同一であるため）、たとえトッププレート１６と支持プレート１４が温度変化によって膨張または収縮したとしても、両者が離反して気密性が失われたり、トッププレート１６だけが変形することによって被加熱物との接触面積が減り、被加熱物への熱の伝導効率が低下したりするようなことを防止することができる。

また、石英ガラスと金属は膨張率の差が大きいため、石英ガラスからなるトッププレート１６と、金属からなるヒータ１８ａを接着固定すると、温度変化によってトッププレート１６やヒータ１８ａが膨張または収縮した場合に両者が変形破損するおそれがある。この点、本発明では、ヒータ１８ａをトッププレート１６に接着固定することなく、セラミック屑２２によってヒータ１８ａをトッププレート１６に押しつけて密着する構造（非接着の構造）としているため、温度変化によってトッププレート１６やヒータ１８ａが膨張または収縮した場合でも、それぞれが別々に膨張または収縮し、両者の変形破壊を確実に防ぐことができる。

また、本発明では、トッププレート１６を石英ガラスで構成することで、トッププレート１６が高温に加熱された場合でも不純物の発生を無くすことができるため、トッププレート１６から発生した不純物が被加熱物に付着するような問題を回避することができる。

＜加熱部１８＞
次に、加熱部１８について説明する。加熱部１８は、金属製のヒータ１８ａと、一端がヒータ１８ａに電気的に接続され、他端が支持プレート１４の貫通孔１４ｂから外部に突出される複数の給電ピン１８ｂと、を有して構成されている。

ヒータ１８ａに用いる金属の種類は特に限定されないが、例えば、従来公知の合金発熱体、銅、アルミ、真鋳、ＳＩＣなどを適用することができる。また、ヒータ１８ａは、支持プレート１４とトッププレート１６との間に形成される内側空間内に、トッププレート１６の裏面（支持プレート１４側の面）１６ｂに接触した状態で配置される。給電ピン１８ｂは、図示しない給電線などを介して給電部から電力の供給を受け、ヒータ１８ａに熱を伝えるための部材である。

被加熱物は加熱中に外側から熱が放射されるため、被加熱物の外側の温度は中央部の温度よりも低くなりやすい傾向がある。このため、ヒータ１８ａを、被加熱物の中央部近傍を加熱する第１ヒータと、被加熱物の外側近傍を加熱する第２ヒータで構成し、第１ヒータよりも第２ヒータの方が高温になるように設定すれば、被加熱物を均一に加熱できる場合がある。

＜セラミック屑２２＞
次に、セラミック屑２２について説明する。セラミック屑（セラミック粉末やセラミック繊維）２２は、支持プレート１４とトッププレート１６との間に形成される内側空間内に充填され、同じ内側空間内に収容されるヒータ１８ａをトッププレート１６側に（図１の上方に向けて）押圧してヒータ１８ａをトッププレート１６の裏面１６ｂに密に接触させる役目を果たしている。セラミック屑２２に用いるセラミックの種類は特に限定されないが、例えば、コージライト、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素などを適用することができる。

＜加熱ステージ１０の動作＞
次に、加熱ステージ１０の動作について説明する。最初に、加熱ステージ１０を、フランジ１２などを介して加熱装置などに取り付ける。そして、被加熱物（例えば、各種基板）をトッププレート１６の表面１６ａに接触させた状態（例えば、トッププレート１６の表面１６ａを上に向けて、その表面１６ａ上に被加熱物を置いた状態、または、作業台などに置かれた被加熱物の一部に、トッププレート１６の表面１６ａを上方や側面から当接させた状態など）にする。

このような状態で給電ピン１８ｂを介して給電を開始すると、給電ピン１８ｂに電気的に接続されたヒータ１８ａが加熱される。ヒータ１８ａはトッププレート１６の裏面１６ｂに密に接触しているため、ヒータ１８ａが発する熱はトッププレート１６の裏面１６ｂ側から表面１６ａ側に伝達され、トッププレート１６の表面１６ａ側に接触する被加熱物が加熱される。

また、給電後、ヒータ１８ａが高温まで熱せられて赤く輝き始めると、ヒータ１８ａから赤色の光（電磁波）が発せられる。ヒータ１８ａから発せられる電磁波は、透明または半透明の石英ガラスを母体とするトッププレート１６の内部を通過し、すりガラス状の表面（加熱面）１６ａで熱に変わる。これにより被加熱物の温度管理は間接的に加熱面１６ａの表面温度を管理することによって達成される。結果として、被加熱物は加熱面１６ａからの輻射のみに限らず、熱伝達による加熱も受けることで従来よりも昇温速度を早めることができる。

すなわち、被加熱物は、ヒータ１８ａの温度が低いときには（例えば、５５０度未満では）、トッププレート１６を介して伝わるヒータ１８ａの熱（熱伝導による熱）によって加熱され、ヒータ１８ａの温度が高くなったときには（例えば、５５０度以上では）、熱伝導による熱に加えて、ヒータ１８ａから放射される電磁波によって加熱面１６ａで発生する熱（熱放射による熱）によっても加熱される。

このため、従来の熱伝導による熱のみを使用した金属製やセラミック製の加熱ステージに比べ、被加熱物の昇温速度を飛躍的に高めることができる（詳細は後述）。また、ランプなどの大型の照明装置を設ける必要がないため、従来のランプなどを使用した加熱ステージに比べ、装置の小型化を実現することが可能となる。さらに、ランプなどの耐久性が低い部品を搭載する必要がないため、長寿命化を図ることができる。

また、被加熱物をランプなどが発する光によって直接的に加熱する場合、被加熱物を均一に加熱するためには、被加熱物に達するランプなどの光の強度をすべての地点で均一にする必要があり、温度制御が極めて困難である。この点、本発明では、ヒータ１８ａから放射される電磁波を、トッププレート１６ａの加熱面１６ａで熱に変換することができるため、被加熱物を均一に加熱することが可能である。

＜実験例＞
図３は、従来の金属製やセラミック製の加熱ステージの昇温速度と、本発明に係る加熱ステージの昇温速度を示したグラフである。

金属製の加熱ステージでは、被加熱物を５００度に上昇させるまでに７分程度の時間が必要であったが、本発明に係る加熱ステージでは、１分弱の時間で被加熱物を５００度まで上昇させることができ、本発明に係る加熱ステージは、金属製の加熱ステージの約７倍程度の昇温速度を持つことが確認された。

また、本発明に係る加熱ステージでは、金属製の加熱ステージによって上昇させることが可能な温度であった５００度の約２倍の温度である１０００度まで昇温できることが確認された。また、１０００度に上昇させるまでに必要な時間は約３分程度であった。

また、セラミック製の加熱ステージでは、被加熱物を８００度に上昇させるまでに３３分程度の時間が必要であったが、本発明に係る加熱ステージでは、約１分半の時間で被加熱物を８００度まで上昇させることができ、本発明に係る加熱ステージは、セラミック製の加熱ステージの約２２倍程度の昇温速度を持つことが確認された。

また、本発明に係る加熱ステージでは、セラミック製の加熱ステージによって上昇させることが可能な温度であった８００度の約１．２５倍の温度である１０００度まで昇温できることが確認された。また、１０００度に上昇させるまでに必要な時間は約３分程度であった。

以上説明したように、上記実施形態に係る加熱ステージ（例えば、加熱ステージ１０）は、支持プレート（例えば、支持プレート１４）と、被加熱物を加熱するための加熱面（例えば、加熱面１６ａ）を有する石英ガラスからなり、前記支持プレートに接合されるトッププレート（例えば、トッププレート１６）と、金属からなり、前記トッププレートに接触した状態で前記支持プレートと前記トッププレートとの間に配置されるヒータ（例えば、ヒータ１８ａ）と、を有して構成され、前記トッププレートの加熱面は、前記ヒータが放射する電磁波の少なくとも一部を遮光可能であり、前記トッププレートの加熱面を、前記ヒータが発する熱と前記ヒータが放射する電磁波の両方で加熱可能とした、ことを特徴とする加熱ステージである。

上記実施形態に係る加熱ステージによれば、ヒータが放射する電磁波によって伝わる赤外線や可視光線を、石英ガラスからなるトッププレート内部で電磁波の速度で移動させ、当該電磁波の少なくとも一部をトッププレート表面で熱に変換することができる。このため、ヒータが発する熱に加えて、ヒータが放射する電磁波によっても加熱面を加熱することができ、加熱面の表面温度を高速で昇温することができる。また、電磁波発生源のヒータの温度を管理することにより、加熱面の表面温度を制御でき、結果として被加熱物の到達温度を管理することができる。また、光を利用するために、従来の金属製やセラミック製の加熱ステージよりも、昇温速度を高めることができる。また、ヒータから放射される電磁波によって伝わる熱（熱放射による熱）によって直接的に加熱することが可能なため、従来の金属製やセラミック製の加熱ステージよりも、昇温速度を高めることができる。また、ランプなどの大型の照明装置を設ける必要がないため、従来のランプなどを使用した加熱ステージに比べ、装置の小型化を実現することが可能となる。さらに、被加熱物の温度を再現性よく常温から昇温できる。さらに、ランプなどの耐久性が低い部品を搭載する必要がないため、長寿命化を図ることができる。

また、前記支持プレートと前記トッププレートとの間に、前記ヒータを前記トッププレート側に押圧するセラミック粉末またはセラミック繊維（例えば、セラミック屑２２）を充填すれば、ヒータが発する熱をトッププレートに効率的に伝達することができる上に、ヒータが発する電磁波をトッププレート表面側の被加熱物に確実に放射することができ、昇温速度をさらに高めることができる。また、ヒータをトッププレートに密に接触させることができるため、トッププレート表面側の被加熱物を均一に加熱することができる。

また、前記支持プレートが、前記トッププレートと同一の石英ガラスから構成されていてもよい。

このような構成とすれば、トッププレートと支持プレートの熱膨張率が同一となるため、たとえトッププレートと支持プレートが温度変化によって膨張または収縮したとしても、両者が離反して気密性が失われたり、トッププレートだけが変形することによって被加熱物との接触面積が減り、被加熱物への熱の伝導効率が低下したりするようなことを防止することができる。

なお、本発明に係る加熱ステージの構成は、上記実施形態に係る加熱ステージの構成に限定されるものではなく、例えば、支持プレートを、トッププレートと同一の石英ガラス以外の材料で構成してもよい。また、トッププレートや支持プレートの形状は特に限定されない。

また、セラミック屑を充填することによってヒータをトッププレートに密に接触させるように構成したが、他の方法によってヒータをトッププレートに密に接触させてもよい。また、ヒータの配置や形状なども特に限定されるものではないが、被加熱物全体を均一に加熱するためには、トップステージの全領域に亘ってヒータを配置することが好ましい。

本発明に係る加熱ステージは、半導体ウエハやガラス基板などの加熱装置などに適用することができる。

１０ 加熱ステージ
１２ フランジ
１４ 支持プレート
１４ａ 凹部
１４ｂ 貫通孔
１６ トッププレート
１６ａ 加熱面
１８ 加熱部
１８ａ ヒータ
１８ｂ 給電ピン
２０ カシメ
２２ セラミック屑

Claims (2)

1. 支持プレートと、
   被加熱物を加熱するための加熱面を有する石英ガラスからなり、前記支持プレートに接合されるトッププレートと、
   金属からなり、前記トッププレートに接触した状態で前記支持プレートと前記トッププレートとの間に配置されるヒータと、を有して構成され、
   前記トッププレートの加熱面は、前記ヒータが放射する電磁波の少なくとも一部を遮光可能であり、
   前記トッププレートの加熱面を、前記ヒータが発する熱と前記ヒータが放射する電磁波の両方で加熱可能とした、
   ことを特徴とする加熱ステージ。
2. 請求項１に記載の加熱ステージにおいて、
   前記支持プレートと前記トッププレートとの間に、前記ヒータを前記トッププレート側に押圧するセラミック粉末またはセラミック繊維を充填する、
   ことを特徴とする加熱ステージ。