JP3865973B2

JP3865973B2 - ウエハ加熱装置

Info

Publication number: JP3865973B2
Application number: JP18445899A
Authority: JP
Inventors: 京治内山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2019-06-29
Also published as: JP2001015399A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にウエハを２００℃以下の温度に加熱するのに用いるウエハ加熱装置に関するものであり、例えば、半導体ウエハや液晶基板あるいは回路基板等のウエハ上に塗布されたレジスト液を乾燥焼き付けしてレジスト膜を形成するのに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体装置の製造工程における、成膜処理、エッチング処理、レジスト膜の貼付等では、半導体ウエハを加熱するためにウエハ加熱装置が用いられている。
【０００３】
このうち半導体ウエハ上へのレジスト膜の貼付にあたっては、図５に示すような、アルミニウム合金やステンレス鋼等の金属から成る均熱板２２の一方の主面を、半導体ウエハＷを載せる載置面２３とし、他方の主面には複数個のシーズヒータ２５を当接させ、押せ板２４にて保持して成るウエハ加熱装置２１が用いられている。なお、２７は、均熱板２２を支持するための支持枠、２６はシーズヒータ２５と電気的に接続された給電部である。
【０００４】
そして、ウエハ加熱装置２１の載置面２３に、レジスト液が塗布された半導体ウエハＷを載せたあと、シーズヒータ２５を発熱させることにより、均熱板２２を介して載置面２３上の半導体ウエハＷを加熱し、レジスト液を乾燥焼付けして半導体ウエハＷ上にレジスト膜を貼付するようになっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図５のウエハ加熱装置２１では、均熱板２２の熱変形を抑える観点から板厚が１５ｍｍ以上と非常に厚く、熱容量が大きいために、半導体ウエハＷを所定の処理温度に加熱するまでの時間や処理温度から室温付近に冷却するまでの時間が長くなり、生産性が悪かった。
【０００６】
一方、成膜処理やエッチング処理では、図６に示すような、アルミナ、窒化珪素、あるいは窒化アルミニウムを主成分とする絶縁性セラミックスから成る円盤状体３２内に発熱抵抗体３５を埋設し、前記円盤状体３２の一方の主面を半導体ウエハＷの載置面３３とするとともに、他方の主面に前記発熱抵抗体３５と電気的に接続された給電部３６を具備して成るウエハ加熱装置３１が用いられている。
【０００７】
しかしながら、アルミナや窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミックスは、熱伝導がそれほど良くないため、載置面３３の温度ばらつきが比較的大きく、また、発熱抵抗体３５が円盤状体３２中に埋設されていることから、トリミングを施しての抵抗値調整ができず、載置面３３の温度ばらつきを制御することができなかった。
【０００８】
その為、円盤状体３２がアルミナや窒化珪素を主成分とする絶縁性セラミックスより成る図６のウエハ加熱装置３１を用いて半導体ウエハＷ上にレジスト膜を貼付けるため、半導体ウエハＷを加熱すると、温度ムラのために乾燥焼付けされるレジスト膜の組織が粗くなり、露光処理時におけるレジスト膜の感光精度が悪いためにパターン形状が不均一なものとなり、近年、要求されている微細な配線を高密度に形成することは難しいものであった。
【０００９】
これに対し、窒化アルミニウムを主成分とする絶縁性セラミックスは、熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の優れた特性を有することから、載置面３３を均熱化し易いものの、窒化アルミニウムは化１のように大気中の水分と反応してアンモニアガスを発生し、このアンモニアガスが半導体ウエハＷ上に乾燥焼付けされるレジスト膜の組織に悪影響を与え、露光処理時におけるレジスト膜の感光精度を劣化させるといった課題があり、アンモニアガスの濃度が１ｐｐｂ程度でも問題となっていた。
【００１０】
【化１】

【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、板厚が２ｍｍ〜７ｍｍである炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成る均熱板の一方の主面をウエハを載せる載置面とするとともに、他方の主面に絶縁層を介して発熱抵抗体及び該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を具備して成り、前記絶縁層は、０℃〜２００℃の温度範囲における熱膨張係数が３２〜４４×１０ ^−７／℃であるガラスから成り、その厚みが１００μｍ〜３５０μｍとしてウエハ加熱装置を構成したものである。
【００１２】
また、本発明は、板厚が２ｍｍ〜７ｍｍである炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成る均熱板の一方の主面をウエハを載せる載置面とするとともに、他方の主面に絶縁層を介して発熱抵抗体及び該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を具備して成り、前記絶縁層を、ポリイミド樹脂により形成し、その厚みを３０μｍ〜１５０μｍとしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
図１は本発明に係るウエハ加熱装置の一例を示す断面図で、炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成る均熱板２の一方の主面を、例えばウエハとして半導体ウエハＷを載せる載置面３とするとともに、他方の主面にガラス又は樹脂等の絶縁層４を介して発熱抵抗体５を形成したものである。
【００１５】
発熱抵抗体５のパターン形状としては、図２又は図３に示すような、円弧状の電極部５ａと直線状の電極部５ｂとから成る略同心円状をしたものや図示していないが渦巻き状をしたものなど、載置面３を均一に加熱できるパターン形状であれば良い。
【００１６】
なお、７はウエハ加熱装置１を設置するための支持枠で、ウエハ加熱装置１の均熱板２が支持枠７の開口部を覆うように設置してある。また、６は発熱抵抗体５へ通電するための電気的に接続された給電部、８は支持枠７内に昇降自在に設置され、半導体ウエハＷを載置面３上に載せたり、載置面３より持ち上げるためのリフトピンである。
【００１７】
そして、このウエハ加熱装置１により半導体ウエハＷを加熱するには、不図示の搬送アームにて載置面３の上方まで運ばれた半導体ウエハＷをリフトピン８にて支持したあと、リフトピン８を降下させて半導体ウエハＷを載置面３上に載せる。次に、給電部６に通電して発熱抵抗体５を発熱させ、絶縁層４及び均熱板２を介して載置面３上の半導体ウエハＷを加熱するのであるが、本発明によれば、均熱板２を炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体により形成してあることから、熱を加えても変形が小さく、板厚を薄くできるため、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間及び所定の処理温度から室温付近に冷却するまでの冷却時間を短くすることができ、生産性を高めることができるとともに、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することから、薄い板厚でも発熱抵抗体５のジュール熱を素早く伝達し、載置面３の温度ばらつきを極めて小さくすることができる。しかも、大気中の水分等と反応してガスを発生させることもないため、半導体ウエハＷ上へのレジスト膜の貼付に用いたとしても、レジスト膜の組織に悪影響を与えることがなく、微細な配線を高密度に形成することが可能である。
【００１８】
また、使用条件等によって、載置面３の温度分布がばらつくことがあるが、本発明によれば、均熱板２、絶縁層４、発熱抵抗体５の三層構造とし、発熱抵抗体５を露出させてあることから、使用条件等に合わせて載置面３の温度分布が均一となるように、発熱抵抗体５にトリミングを施して抵抗値を調整するもできる。ところで、このような特性を満足するには、均熱板２の板厚２ｍｍ〜７ｍｍとすることが良い。これは、板厚ｔが２ｍｍ未満であると、板厚が薄すぎるために温度ばらつきを平準化するという均熱板２として効果が小さく、発熱抵抗体５におけるジュール熱のばらつきがそのまま載置面３の温度ばらつきとして表れるため、載置面３の均熱化が難しいからであり、逆に板厚ｔが７ｍｍを越えると、均熱板２が高熱伝導率を有する炭化珪素質焼結体や炭化硼素質焼結体から成ると言えども金属と比較して熱伝導率が小さいために、均熱板２の熱容量が大きくなり過ぎ、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間や処理温度から室温付近に冷却するまでの冷却時間が長くなり、生産性を向上させることができないからである。
【００１９】
なお、均熱板２を形成する炭化珪素質焼結体としては、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤として硼素（Ｂ）と炭素（Ｃ）を含有した焼結体や、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤としてアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を含有した焼結体を用いることができ、また、炭化珪素はα型を主体とするものあるいはβ型を主体とするもの、のいずれであっても構わない。
【００２０】
また、均熱板２を形成する炭化硼素質焼結体としては、主成分の炭化硼素に対し、焼結助剤として硼酸（Ｂ₂Ｏ₃）を含有した焼結体や、主成分の炭化硼素に対し、焼結助剤として炭化珪素（ＳｉＣ）を含有した焼結体を用いることができる。
【００２１】
さらに、均熱板２の載置面３と反対側の主面は、ガラスや樹脂から成る絶縁層４との密着性を高める観点から、平面度２０μｍ以下、面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ〜０．５μｍに研磨しておくことが好ましい。
【００２２】
一方、半導電性を有する均熱板２と発熱抵抗体５との間の絶縁を保つ絶縁層４としては、ガラス又は樹脂を用いることができ、ガラスを用いる場合、その厚みｓが１００μｍ未満では、耐電圧が１．５ｋＶを下回り、絶縁性が保てず、逆に厚みｓが３５０μｍを越えると、均熱板２を形成する炭化珪素質焼結体や炭化硼素質焼結体との熱膨張差が大きくなり過ぎるために、クラックが発生して絶縁層４として機能しなくなる。その為、絶縁層４としてガラスを用いる場合、絶縁層４の厚みｓは１００μｍ〜３５０μｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは２００μｍ〜３５０μｍの範囲で形成することが良い。
【００２３】
また、絶縁層４を形成するガラスの特性としては、結晶質又は非晶質のいずれでも良く、耐熱温度が２００℃以上でかつ０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が３２〜４４×１０^-7／℃の範囲にあるものを適宜選択して用いることが好ましい。即ち、熱膨張係数が前記範囲を外れたガラスを用いると、均熱板２を形成する炭化珪素質焼結体や炭化硼素質焼結体との熱膨張差が大きくなりすぎるため、ガラスの焼付け後の冷却時においてクラックや剥離等の欠陥が生じ易いからである。
【００２４】
次に、絶縁層４に樹脂を用いる場合、その厚みｓが３０μｍ未満では、耐電圧が１．５ｋＶを下回り、絶縁性が保てなくなるとともに、発熱抵抗体５にレーザ加工等によってトリミングを施した際に絶縁層４を傷付け、絶縁層４として機能しなくなり、逆に厚みｓが１５０μｍを越えると、樹脂の焼付け時に発生する溶剤や水分の蒸発量が多くなり、均熱板２との間にフクレと呼ばれる泡状の剥離部ができ、この剥離部の存在により熱伝達が悪くなるため、載置面３の均熱化が阻害される。その為、絶縁層４として樹脂を用いる場合、絶縁層４の厚みｓは３０μｍ〜１５０μｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは６０μｍ〜１５０μｍの範囲で形成することが良い。
【００２５】
また、絶縁層４を形成する樹脂としては、２００℃以上の耐熱性と、発熱抵抗体５との密着性を考慮すると、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂等が好ましい。
【００２６】
なお、ガラスや樹脂から成る絶縁層４を均熱板２上に被着する手段としては、前記ガラスペースト又は樹脂ペーストを均熱板２の中心部に適量落とし、スピンコーティング法にて伸ばして均一に塗布するか、あるいはスクリーン印刷法、ディッピング法、スプレーコーティング法等にて均一に塗布したあと、ガラスペーストにあっては、６００℃の温度で、樹脂ペーストにあっては、３００℃以上の温度で焼き付ければ良い。また、絶縁層４としてガラスを用いる場合、予め炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成る均熱板２を１２００℃程度の温度に加熱し、絶縁層４を被着する表面を酸化処理しておくことで、ガラスから成る絶縁層４との密着性を高めることができる。
【００２７】
さらに、絶縁層４上に被着する発熱抵抗体５としては、金（Ａｕ) 、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属単体を、蒸着法やメッキ法にて直接被着するか、あるいは前記金属単体や酸化レニウム（Ｒｅ₂Ｏ₃）、ランタンマンガネート（ＬａＭｎＯ₃）等の酸化物を導電材として含む樹脂ペーストやガラスペーストを用意し、所定のパターン形状にスクリーン印刷法等にて印刷したあと焼付けて前記導電材を樹脂やガラスから成るマトリックスで結合すれば良い。メトリックスとしてガラスを用いる場合、結晶化ガラス、非晶質ガラスのいずれでも良いが、熱サイクルによる抵抗値の変化を抑えるために結晶化ガラスを用いることが好ましい。
【００２８】
ただし、発熱抵抗体５に銀又は銅を用いる場合、マイグレーションが発生する虞があるため、このような場合には、発熱抵抗体５を覆うように絶縁層４と同一の材質から成る保護膜を３０μｍ程度の厚みで被覆しておけば良い。
【００２９】
ところで、図１では発熱抵抗体５に給電部６を導電性接着剤にて接合した例を示したが、図４に示すように、発熱抵抗体５に対し、給電ピン９をスプリング１０で押しつけるようにしても構わない。
【００３０】
【実施例】
（実施例１）熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の炭化珪素質焼結体に研削加工を施し、板厚を異ならせた外径２３０ｍｍの円盤状をした均熱板を複数製作し、各均熱板の一方の主面に絶縁層を被着するため、ガラス粉末に対してバインダーとしてのエチルセルロースと有機溶剤としてのテルピネオールを混練して作製したガラスペーストをスクリーン印刷法にて敷設し、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させたあと、５５０℃で３０分間脱脂処理を施し、さらに７００℃〜９００℃の温度で焼き付けを行うことにより、ガラスから成る厚み２００μｍの絶縁層を形成し、次いで絶縁層上に発熱抵抗体を被着するため、導電材としてＡｕ粉末とＰｄ粉末を添加したガラスペーストを、スクリーン印刷法にて図３に示すパターン形状に印刷したあと、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させ、さらに５５０℃で３０分間脱脂処理を施したあと、７００℃〜９００℃の温度で焼き付けを行うことにより、厚みが５０μｍの発熱抵抗体を形成し、しかるのち発熱抵抗体に給電部を導電性接着剤にて固着することにより、ウエハ加熱装置を製作した。
【００３１】
そして、各ウエハ加熱装置の給電部に通電して発熱抵抗体を発熱させることにより、載置面の中央を１５０℃に保持し、その時の温度分布をサーモビュア（日本電子データム社製ＪＴＧ−５２００型）を用いて測定したあと、通電を止めて自然冷却させ、載置面の中央が１００℃に冷却されるまでの時間を測定した。なお、載置面上の温度分布の測定にあたっては、ＰＣＤ２００上の任意の６点の温度を測定し、それらの最大値と最小値との差を温度バラツキとして測定した。
【００３２】
そして、評価にあたっては、載置面の温度バラツキが１０℃以内で、かつ冷却時間が４分以内であったものを良好として判断した。
【００３３】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００３４】
【表１】

【００３５】
この結果、まず、均熱板の板厚が厚くなるにつれて、載置面の温度バラツキが小さくなり、その反面、冷却時間が長くなることが判る。即ち、載置面の温度バラツキと冷却時間とは相反する特性であることが判る。そして、均熱板の板厚を２ｍｍ〜７ｍｍとすることで、載置面の温度バラツキを１０℃以内、冷却時間を４分以内とできることが判る。
【００３６】
よって、均熱板の板厚は２ｍｍ〜７ｍｍとすることが良く、好ましくは２．５ｍｍ〜４ｍｍの範囲で形成することが良いことが判る。
【００３７】
（実施例２）
次に、均熱板の板厚を４ｍｍとし、絶縁層の厚みを異ならせるとともに、絶縁層に熱膨張係数の異なるガラスを用いる以外は実施例１と同様の条件にてウエハ加熱装置を試作し、絶縁層の耐電圧について調べる実験を行った。
【００３８】
なお、各ウエハ加熱装置は、試作後に載置面の温度分布をサーモビュアで測定し、温度が高い箇所の発熱抵抗体にＡｕから成る導電シートを貼り付け、載置面の温度バラツキが１℃以内となるようにトリミング調整した。
【００３９】
そして、耐電圧の評価は、給電部に通電する電圧値を０．５ｋＶから順次１０秒間ずつ保持しながら上げていった時の絶縁層の漏れ電流量を、耐電圧計（菊水電子工業社製：ＴＯＳ５０５１）にて測定し、この漏れ電流量が２０ｍＡを越えた時を絶縁破壊として判断し、その時の電圧値を耐電圧とした。そして、この耐電圧が１．５ｋＶ以上であるものを良好として判断した。
【００４０】
それぞれの結果は表２に示す通りである。
【００４１】
【表２】

【００４２】
この結果、絶縁層を形成するガラスの０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が３２×１０^-7／℃未満あるいは４４×１０^-7／℃を越えたものは、給電部に０．５ｋＶの電圧を印加した時に絶縁層にクラックが発生した。
【００４３】
また、絶縁層を形成するガラスとして０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が３２〜４４×１０^-7／℃であっても、その厚みが１００μｍ未満では、１．５ｋＶ以上の耐電圧を満足することができず、逆に厚みが６００μｍを越えると、製造過程における絶縁層の冷却時にクラックが発生した。
【００４４】
これに対し、０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が３２〜４４×１０^-7／℃の範囲にあり、その厚みを１００μｍ〜３５０μｍとすれば、クラック等の発生がなく、１．５ｋＶ以上の耐電圧を得ることがき、十分な絶縁性を確保することができた。
【００４５】
よって、絶縁層をガラスにより形成する場合、０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が３２〜４４×１０^-7／℃の範囲にあるガラスを用いるとともに、その厚みを１００μｍ〜３５０μｍとすれば良いことが判る。
【００４６】
（実施例３）次に、熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の炭化珪素質焼結体に研削加工を施し、外径２３０ｍｍ、板厚４ｍｍの円盤状をした均熱板を複数製作し、各均熱板の一方の主面に絶縁層を被着するため、ポリイミドワニス（宇部興産製：ＵワニスＳ）をスピンコーターにて厚みを変えて被着したあと、７０℃の温度で乾燥させ、さらに４００℃〜４５０℃の温度で焼き付けを行うことにより、ポリイミド樹脂から成る絶縁層を形成し、次いで絶縁層上に発熱抵抗体を被着するため、導電材としてＡｕ粉末とＰｄ粉末を添加したＰｂＯ系のガラスペーストを、スクリーン印刷法にて図３に示すパターン形状に印刷したあと、４００℃〜４５０℃の温度で焼き付けを行うことにより、厚みが５０μｍの発熱抵抗体を形成し、しかるのち発熱抵抗体に給電部を導電性接着剤にて固着することにより、ウエハ加熱装置を製作した。
【００４７】
そして、ポリイミド樹脂から成る絶縁層の耐電圧及びフクレの有無を確認するため、まず、耐電圧の測定にあっては、給電部に通電する電圧値を０．５ｋＶから順次１０秒間ずつ保持しながら上げていった時の絶縁層の漏れ電流量を、耐電圧計（菊水電子工業社製：ＴＯＳ５０５１）にて測定し、この漏れ電流量が２０ｍＡを越えた時を絶縁破壊として判断し、その時の電圧値を耐電圧とするとともに、フクレの測定にあっては、均熱板と絶縁層との間にフクレがないかを目視により確認した。
【００４８】
そして、フクレがなく、耐電圧が１．５ｋＶ以上であるものを良好として判断した。
【００４９】
それぞれの結果は表３に示す通りである。
【００５０】
【表３】

【００５１】
この結果、絶縁層をポリイミド樹脂にて形成する場合、その厚みを３０μｍ〜１５０μｍとすれば、フクレの発生がなく、また１．５ｋＶ以上の耐電圧を得ることができるため、十分な絶縁性を確保することができた。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、板厚が２ｍｍ〜７ｍｍである炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成る均熱板の一方の主面をウエハを載せる載置面とするとともに、他方の主面に絶縁層を介して発熱抵抗体と該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を具備して成り、前記絶縁層は、０℃〜２００℃の温度範囲における熱膨張係数が３２〜４４×１０ ^−７／℃であるガラスから成り、その厚みを１００μｍ〜３５０μｍとして、あるいは、前記絶縁層は、ポリイミド樹脂から成り、その厚みを３０μｍ〜１５０μｍとしてウエハ加熱装置を構成したことから、均熱板での熱容量を小さくできるため、所定の処理温度に加熱するまでの時間及び所定の処理温度から室温付近に冷却するまでの時間を短くすることができ、生産性を高めることができる。また、優れた熱伝導率を有するとともに、ウエハ加熱装置を製作したあとに発熱抵抗体の抵抗値を調整するトリミングを施すことができるため、載置面における温度ムラを極めて小さくすることができる。しかも、大気中の水分と反応することがないため、本発明のウエハ加熱装置を、ウエハ上へのレジスト膜の貼付に用いた時には、レジスト膜の組織に悪影響を与えることがなく、露光処理時には優れた感光精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウエハ加熱装置の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のウエハ加熱装置に備える発熱抵抗体のパターン形状を示す平面図である。
【図３】本発明のウエハ加熱装置に備える発熱抵抗体の他のパターン形状を示す平面図である。
【図４】本発明のウエハ加熱装置に備える他の給電構造を示す部分断面図である。
【図５】従来のウエハ加熱装置を示す断面図である。
【図６】従来の他のウエハ加熱装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１：ウエハ加熱装置２：均熱板３：載置面４：絶縁層５：発熱抵抗体
６：給電部７：支持枠８：リフトピンＷ：半導体ウエハ

Claims

板厚が２ｍｍ〜７ｍｍである炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成る均熱板の一方の主面をウエハを載せる載置面とするとともに、他方の主面に絶縁層を介して発熱抵抗体及び該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を具備して成り、前記絶縁層は、０℃〜２００℃の温度範囲における熱膨張係数が３２〜４４×１０^−７／℃であるガラスから成り、その厚みが１００μｍ〜３５０μｍであることを特徴とするウエハ加熱装置。
板厚が２ｍｍ〜７ｍｍである炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成る均熱板の一方の主面をウエハを載せる載置面とするとともに、他方の主面に絶縁層を介して発熱抵抗体及び該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を具備して成り、前記絶縁層は、ポリイミド樹脂から成り、その厚みが３０μｍ〜１５０μｍであることを特徴とするウエハ加熱装置。