JP3894871B2 - ウェハ支持部材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にウェハを加熱する際に用いるウェハ加熱装置に関するものであり、例えば半導体ウェハや液晶装置あるいは回路基板等のウェハ上に薄膜を形成したり、前記ウェ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際に好適なウェハ支持部材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造装置の製造工程における、半導体薄膜の成膜処理、エッチング処理、レジスト膜の焼き付け処理等においては、半導体ウェハ(以下、ウェハと略す)を加熱するためのウェハ支持部材が用いられている。
【0003】
従来の半導体製造装置は、複数のウェハを一括して加熱するバッチ式と、1枚ずつ加熱する枚様式とがあり、枚葉式には、温度制御性に優れているので、半導体素子の配線の微細化とウェハ熱処理温度の精度向上が要求されるに伴い、ウェハ支持部材が広く使用されている。
【0004】
このようなウェハ支持部材として、例えば特許文献1、特許文献2や特許文献3には、図7に示すようなウェハ支持部材が提案されている。
【0005】
このウェハ支持部材71は、板状セラミック体72、金属ケース79、を主要な構成要素としたもので、アルミニウム等の金属からなる有底状の金属ケース79の開口部に、窒化物セラミックスや炭化物セラミックスからなる板状セラミック体72を樹脂製の断熱性の接続部材74を介してボルト80で固定され、その上面をウェハWを載せる載置面73とするとともに、板状セラミック体72の下面に、例えば図11に示すような同心円状の抵抗発熱体75を備えるようになっていた。
【0006】
さらに、抵抗発熱体75の端子部には、給電端子77がロウ付けされており、この給電端子77が金属ケース79の底部79aに形成されたリード線引出用の孔76に挿通されたリード線78と電気的に接続されるようになっていた。
【0007】
ところで、このようなウェハ支持部材71において、ウェハWの表面全体に均質な膜を形成したり、レジスト膜の加熱反応状態を均質にするためには、ウェハの温度分布を均一にすることが重要である。その為、これまでウェハの面内の温度差を小さくするため、抵抗発熱体75を分割し独立して温度を制御することが行われている。
【0008】
特許文献4には、温度制御しやすい抵抗発熱体ブロックを複数備えたウェハ支持部材が開示されている。この抵抗発熱体は図8に示すように中心から放射状に4等分されたブロックを形成している。また、図9に示すように、外周部の抵抗発熱体は4つのブロックに分かれ、中心部の抵抗発熱体は円形のブロックに分かれたウェハ支持部材が開示されている。
【0009】
また、特許文献5には、図10に示すように、同一の矩形状の平面形状を備え、互いに独立にまたは複数個づつ組み合わされて制御される8個の抵抗発熱体から構成され、その内4個の抵抗発熱体は、ウェハの周縁部を円周方向に4等分した円弧にそれぞれ対抗する位置に、矩形の長辺が前記円弧の中央を通るウェハの半径方向に対して垂直になる様に配置され、他の4個の抵抗発熱体は、前記4個の抵抗発熱体の内、円周方向で互いに180度離れた位置を占めるいずれかの2個の抵抗発熱体の中間に、それらに対して平行に並べて配置されたウェハ支持部材が開示されている。
【0010】
しかし、いずれも非常に複雑で微妙な構造、制御が必要になるという課題があり、簡単な構造で温度分布を更に均一に加熱できるようなウェハ支持部材が求められていた。
【0011】
更に、特許文献6には抵抗発熱体の屈曲部の内側と外側を比較すると内側の電流密度が大きくなることから、内側にホットスポットを生じる虞があり、これを避ける方法として屈曲部の内側に発熱体の外側の半径の0.2〜0.4倍とすることでホットスポットを避け温度分布が均一となるように改善したヒータが考案されている。
【0012】
また、特許文献7にはウェハ支持部材における発熱体構造として屈曲パターンの曲率半径が0.1〜20mmであることを特徴としたヒータが考案されている。
【0013】
【特許文献1】
特開2001−203156号公報、
【特許文献2】
特開2001−313249号公報
【特許文献3】
特開2002−76102号公報
【特許文献4】
特開平11−121385号公報
【特許文献5】
特開平11−354528号公報
【特許文献6】
実開昭53−144544号公報
【特許文献7】
特開2001−267043号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
近年生産効率の向上の為、ウェハサイズの大型化が進んでいるが、半導体素子自体も多様化し、必ずしも大判ウェハで製造することが生産効率の向上にはつながらず、ひとつの装置で、多種多様のウェハサイズや熱処理条件に対応可能な装置が望まれている。
【0015】
更に、半導体素子の配線微細化に伴い使用され始めた化学増幅型レジストにおいては、ウェハの温度の均一性は勿論のこと、ウェハを熱処理装置に載置した瞬間から離脱し熱処理を終了させるまでの過渡的な温度履歴も極めて重要となり、ウェハ載置直後から概ね60秒以内にウェハの温度が均一に安定することが望まれている。
【0016】
しかしながら、特許文献3や特許文献4に紹介されている装置では、板状セラミックス体の抵抗発熱体が形成された領域に相当する表面領域の内側に、半導体ウェハを直接或いは表面から一定の距離離間させて載置する領域が存在するウェハ支持部材が示されているが、ウェハの面内の温度差は0.5〜1℃と大きく、しかも板状セラミックス体の外周の低温領域の影響が大きく温度が安定するまでの応答時間が大きくなる虞があった。
【0017】
また、特許文献4に記載のウェハ支持部材である図8に示した抵抗発熱体ゾーンでは、ウェハWの周辺部の温度差を小さくすることができない。また、ウェハWの周辺部と中心部の温度差を調整することができない虞があり、図9に示す抵抗発熱体ゾーンでは外周部と中心部の温度差を調整できてもその中間部の温度を調整できない虞があった。
【0018】
更に、何れも金属製のヒータであり、ウェハWを均一に加熱したり、ウェハWを急速に昇温したり急速に降温させる時間が大きくなる虞があった。
【0019】
また、特許文献6には抵抗発熱体の屈曲部の内側と外側を比較すると内側の電流密度が大きくなることから、内側にホットスポットを生じる虞があり、これを避ける方法として屈曲部の内側に抵抗発熱体の外側の半径の0.2〜0.4倍とすることでホットスポットを避け温度分布が均一となるように改善したヒータが考案されているが、直径200mm以上の大型のウェハを均一に加熱する方法は開示されていない。
【0020】
また、特許文献7にはウェハ支持部材における発熱体構造として周辺部の屈曲パターンの曲率半径を0.1〜20mmとして屈曲部の温度低下を防ごうとしているが、単に曲率半径を上記の範囲としても抵抗発熱体の屈曲部の内側の電流密度が大きくなる事から屈曲部の内側の温度が高くなり、屈曲部の外側で温度が低下しウェハを均一に加熱できないとの問題があった。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の課題について鋭意検討した結果、板状セラミックス体に帯状の抵抗発熱体を備え、一方の主面にウェハを載せる載置面を備えたウェハ支持部材であって、前記抵抗発熱体は、最外周の円弧状パターンと、該円弧状パターンに連続した屈曲パターンとを備え、前記帯状の抵抗発熱体の線幅が0.5〜5mmであり、且つ屈曲パターンの曲率半径が前記線幅の0.2〜5倍であり、かつ前記抵抗発熱体の最外周に接する外接円上にて前記円弧状パターンのない領域の間隔Sが、前記板状セラミックス体の直径と前記外接円の直径との差Lより小さいことを特徴とする。
【0022】
また、前記抵抗発熱体の外接円の直径が前記板状セラミックス体の直径の90〜99%であることを特徴とする。
【0023】
また、前記抵抗発熱体を囲む外接円の面積に対し、上記外接円内に占める抵抗発熱体の面積の比率が5〜50%であることを特徴とする。
【0024】
また、前記抵抗発熱体は複数の抵抗発熱体からなり、一つ或いは複数の抵抗発熱体からなる中心部の抵抗発熱体ゾーンの外径D1は、前記外接円の直径Dの25〜45%であり、その外側の抵抗発熱体ゾーンの外径D2は前記直径Dの60〜85%であることを特徴とする。
【0025】
更に、前記抵抗発熱体は、中心部に円形の抵抗発熱体ゾーンを備え、その外側に少なくとも2つの円環状の抵抗発熱体ゾーンを備え、内側の円環状の抵抗発熱体ゾーンの抵抗発熱体は、円環を2等分した2個の扇状であり、その外側の抵抗発熱体ゾーンは、円環を円周方向に4等分した4個の扇状であることを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0027】
図1は本発明に係るウェハ支持部材1の1例を示す断面図で、炭化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる板状セラミックス体2の一方の主面をウェハWを載せる載置面3とするとともに、他方の主面に抵抗発熱体5を形成し、該抵抗発熱体5に電気的に接続する給電部6を具備し、給電部6に給電端子11が接続している。これらの給電部6を囲む金属ケース19が接続部材17を介して板状セラミックス体2の他方の主面の周辺部に固定されている。
【0028】
また、ウェハリフトピン25は板状セラミック体2を貫通する孔を通してウェハWを上下に移動させウェハWを載置面3に載せたり降ろしたりすることができる。そして、給電部6に給電端子11が接続し外部から電力が供給され、測温素子27で板状セラミックス体2の温度を測定しながらウェハWを加熱することができる。
【0029】
尚、ウェハWは、ウェハ支持ピン8により載置面3から浮かした状態で保持され、ウェハWの片当たり等による温度バラツキを防止するようにしている。また、図3に示すように抵抗発熱体5を複数のゾーンに分割する場合、それぞれのゾーンの温度を独立に制御することにより、各給電部6の給電端子11に電力を供給し、各測温素子27の温度が各設定値となるように給電端子11に加える電力を調整し、載置面3に載せたウェハWの表面温度が均一となるようにしている。
【0030】
抵抗発熱体5には、金や銀、パラジウム、白金等の材質からなる給電部6が形成され、該給電部6に給電端子11を接触させることにより、導通が確保されている。給電端子11と給電部6とは、導通が確保できる方法で有れば、はんだ付け、ロー付け等の手法を用いてもよい。
【0031】
本発明のウェハ支持部材1は、板状セラミックス体に帯状の抵抗発熱体を備え、一方の主面にウェハを載せる載置面を備えたウェハ支持部材であって、前記抵抗発熱体は、最外周の円弧状パターンと、該円弧状パターンに連続した屈曲パターンとを備え、前記帯状の抵抗発熱体の線幅が0.5〜5mmであり、且つ屈曲パターンの曲率半径が前記線幅の0.2〜5倍であり、かつ前記抵抗発熱体の最外周に接する外接円上にて前記円弧状パターンのない領域の間隔Sが、前記板状セラミックス体の直径と前記外接円の直径との差Lより小さいことを特徴とする。尚、曲率半径とは屈曲パターンの内周の曲率半径を示す。
【0032】
例えば図4に示すような抵抗発熱体5の外接円Cと接する円弧状パターン51と、該円弧状パターン51と連続して繋がった屈曲パターン52とを備え、前記外接円Cの一部に前記円弧状のパターンのない空白域Pの間隔Sが、前記板状セラミックス体の直径DPと前記外接円Cの直径Dとの差(以下、Lと略す。)より小さいことが好ましい。
【0033】
間隔SがLより大きいと空白域Pの熱が板状セラミックス体の周辺部へ流れ空白域Pの温度が下がる虞がある。しかし、間隔SがLより小さいと空白域Pの温度が下がり難く板状セラミックス体2の載置面3に載せたウェハWの周辺部の一部の温度が低下せずウェハW面内の温度差が小さくなり好ましい。従って、間隔SがLより大きいとこの部分に対応したウェハWの温度が低下し、ウェハW面内の温度の均一性が損なわれる虞があるからである。
【0034】
尚、前記の間隔Sとは、板状セラミックス体2に垂直な投影面からみて、外接円Cに沿って円弧状パターンの無い空白域Pを囲む2つの抵抗発熱体5のパターンに、それぞれ外接する直線を板状セラミックス体2の中心から伸ばし、前記二本の直線が外接円Cと交わる2つの交点の間の距離である。また、前記空白域Pの一方の抵抗発熱体5が抵抗発熱体5の末端であり、給電部を形成している場合は板状セラミックス体2と接する給電部を抵抗発熱体とみなして間隔Sを算出しても良い。
【0035】
更に、上記空白域Pの温度を下げないためには、空白域を加熱する屈曲パターン52の幅hが0.5〜5mmであり、且つその屈曲パターンの曲率半径が上記幅hの0.2〜5倍であることが好ましい。すると、空白域Pの温度が下がる虞が小さくなり、ウェハWの面内温度が均一となり好ましい。
【0036】
前記の幅hが0.5mm未満では、帯状の抵抗発熱体5の単位長さ当たりの抵抗が大きくなり供給電圧が200V以下で大きな電力を供給できない虞がある。前記幅が5mmを超えると、屈曲パターンの曲率中心と反対側に流れる電流が小さくなり、クールスポットを発生する虞がある。
【0037】
また、図2(a)の屈曲パターンの曲率半径rが上記幅hの0.2倍を下回ると幅hに対する曲率が小さいことから、屈曲パターンの曲率中心側に大きな電流が流れ異常発熱を発生する虞があった。また、曲率中心から外側に応力が集中し破損する危険があった。一方、図2(b)屈曲パターンの曲率半径が上記幅hの5倍を超えると帯状の抵抗発熱体の対向する間隔が大きくなりウェハW表面を均一な温度に加熱することが難しくなる。
【0038】
特に、屈曲パターンの曲率半径rが屈曲パターンの幅hに対応して決定されることが重要であり、間隔SとLの関係を満足し、円形の直径200mm以上の板状セラミックス体からなることが好ましく、単に曲率のみを規定してもウェハWの面内温度差を小さくすることが出来ない事を究明した。
【0039】
尚、特許文献7では、屈曲部である屈曲パターンの中心部の曲率半径を0.1〜20mmとすると好ましいと記載しているが、抵抗発熱体の幅との関係が記載されておらず、単に曲率半径を限定しただけでは、屈曲パターンの抵抗発熱体の曲率中心側に大きな電流が流れ異常発熱し、その反対側に流れる電流が極端に小さくなりクールスポットが発生し、ウェハWの面内温度差が大きくなることを防止できない。更に円弧状のパターンのない空白域の間隔が大きく、この近辺のウェハW表面の温度が低くなり、ウェハ面内の全面の温度を均一とすることは出来なかった。
【0040】
また、本発明のウェハ支持部材1は、板状セラミックス体2の一方の主面に抵抗発熱体5を備えたウェハ支持部材1であって、図4に示すように板状セラミックス体2の外周部に位置する前記抵抗発熱体5d、5e、5f、5gは板状セラミックス体2の中心から遠い部位は同心円形状をした円弧状パターン51とこれらと連続して繋がっている屈曲パターン52からなることが好ましい。前記抵抗発熱体5に電力を供給する給電部6と、該給電部6を囲む金属ケース19とからなり、前記板状セラミックス体2の他方の主面にウェハ加熱面を備え、他方の主面に平行な投影面でみて、前記抵抗発熱体5の外接円Cの直径Dが前記板状セラミックス体2の直径DPの90〜99%であることが好ましい。
【0041】
抵抗発熱体5の外接円Cの直径Dが板状セラミックス体2の直径DPの90%より小さいと、ウェハを急速に昇温したり急速に降温させる時間が大きくなりウェハWの温度応答特性が劣る。また、ウェハWの周辺部の温度を下げないようウェハWの表面温度を均一に加熱するには、直径DがウェハWの直径の1.02倍程度であることが好ましいことから、ウェハWの大きさに対して板状セラミックス体2の直径DPが大きくなる。また、均一に加熱できるウェハWの大きさが板状セラミックス体2の直径DPに比較して小さくなり、ウェハWを加熱する投入電力に対しウェハWを一定の温度に加熱する加熱効率が悪くなる。更に、板状セラミックス体2が大きくなることからウェハ製造装置の設置面積が大きくなり、最小の設置面積で最大の生産を行う必要がある半導体製造装置の設置面積に対する稼働率を低下させ好ましくない。
【0042】
抵抗発熱体5の外接円Cの直径Dが板状セラミックス体2の直径DPの99%より大きいと接触部材17と抵抗発熱体5の外周との間隔が小さく抵抗発熱体5の外周部から熱が接触部材17に不均一に流れ、特に、外周部の外接円Cに接する円弧状パターン51が存在しない部分からも熱が流れ、外周部の円弧状パターン51が板状セラミックス体2の中心部へ曲がっていることから抵抗発熱体5を囲む外接円Cに沿って円弧状パターン51が欠落する部分Pの温度が低下しウェハWの面内温度差を大きくする虞がある。より好ましくは、抵抗発熱体5の外接円Cの直径Dが板状セラミックス体2の直径DPの92〜97%である。
【0043】
また、図1に示す様に板状セラミックス体2と金属ケース19の外径が略同等で板状セラミックス体2を下から金属ケース19が支える場合、ウェハWの面内の温度差を小さくするには、抵抗発熱体5の外接円Cの直径Dが板状セラミックス体2の直径DPの92〜95%であり、更に好ましくは93〜95%である。
【0044】
一方、図6に示す様な板状セラミックス体2の外周面を覆うように金属ケースが接続した場合には、抵抗発熱体5の外接円Cの直径Dが板状セラミックス体2の直径DPの95〜98%が好ましく、更に好ましくは96〜97%である。
【0045】
板厚が1〜7mmの板状セラミックス体2の一方の主面側を、ウェハを載せる載置面3とするとともに、上記板状セラミックス体2の下面に抵抗発熱体5を備えたウェハ支持部材1において、上記抵抗発熱体5の厚みが5〜50μmであるとともに、上記板状セラミックス体2の主面に平行な投影面で見て、上記抵抗発熱体を囲む外接円Cの面積に対し、上記外接円Cに占める抵抗発熱体5の面積の比率が5〜50%であることが好ましい。
【0046】
即ち、抵抗発熱体5を囲む外接円Cの面積に対し、外接円C内に占める抵抗発熱体5の面積の比率を5%未満とすると、抵抗発熱体5の相対向する対向領域において、対向領域の対向間隔S1が大きくなり過ぎることから、抵抗発熱体5のない間隔S1に対応した載置面3の表面温度が他の部分と比較して小さくなり、載置面3の温度を均一にすることが難しいからであり、逆に抵抗発熱体5を囲む外接円Cの面積に対し、外接円C内に占める抵抗発熱体5の面積の比率が50%を超えると、板状セラミック体2と抵抗発熱体5との間の熱膨張差を3.0×10-6/℃以下に近似させたとしても、両者の間に作用する熱応力が大きすぎることから、板状セラミック体2は変形し難いセラミック焼結体からなるものの、その板厚tが1mm〜7mmと薄いこと、から抵抗発熱体5を発熱させると、載置面3側が凹となるように板状セラミック体2に反りが発生し、その結果、ウェハWの中心部の温度が周縁よりも小さくなり、温度バラツキが大きくなる恐れがあるからである。
【0047】
なお、好ましくは、抵抗発熱体5を囲む外接円Cの面積に対し、外接円C内に占める抵抗発熱体5の面積の比率を10%〜30%、さらには15%〜25%とすることが好ましい。
【0048】
より具体的には、抵抗発熱体5は外周部に相対抗する対抗領域を有し、上記対抗領域の間隔S1が0.5mm以上で、上記板状セラミックス体2の板厚の3倍以下であることが好ましい。上記対抗領域の間隔S1が0.5mm以下では抵抗発熱体5を印刷し形成する際に抵抗発熱体5の対抗領域でひげ状の突起が発生しその部分が短絡する虞がある。また、上記対抗領域の間隔S1が板状セラミックス体2の厚みの3倍を越えると、対抗領域S1に対応するウェハWの表面にクールゾーンが発生しウェハWの面内温度差を大きくする虞があるからである。
【0049】
さらに、このような効果を効率良く発現させるには、抵抗発熱体5の膜厚を5〜50μmとすることが好ましい。
【0050】
抵抗発熱体5の膜厚が5μmを下回ると、抵抗発熱体5をスクリーン印刷法で膜厚を均一に印刷することが困難となるからであり、また、抵抗発熱体5の厚みが50μmを越えると、外接円P1に対し、抵抗発熱体5の占める面積の比率を50%以下としても抵抗発熱体5の厚みが大きく、抵抗発熱体5の剛性が大きくなり、板状セラミック体5の温度変化により抵抗発熱体5の伸び縮みによる影響で板状セラミック体2が変形する虞がある。また、スクリーン印刷で均一の厚みに印刷することが難しくウェハWの表面の温度差が大きくなったりする虞があるからである。なお、好ましい抵抗発熱体5の厚みは10〜30μmとすることが良い。
【0051】
また、ウェハWの載置面3に対応して同心円の少なくとも2つの円環状の抵抗発熱体ゾーン4に分割するのは、円板状のウェハWの表面を均一に加熱するにはウェハW周辺の雰囲気やウェハWに対抗する壁面やガスの流れの影響を受けるが、円板状のウェハWの表面温度をばらつかせないために、ウェハWの周囲や上面の対抗面や雰囲気ガスの流れはウェハWに対し中心対称となるように設計されているからである。ウェハWを均一に加熱するにはウェハWに対し中心対称な上記環境に合わせたウェハ支持部材1が必要で、載置面3を中心対称に分割し抵抗発熱体ゾーン4を形成することが好ましい。
【0052】
特に、300mm以上のウェハWの表面温度を均一に加熱するには同心円の円環状の抵抗発熱体ゾーンは少なくとも2つあることが好ましい。
【0053】
図3(a)は本発明のウェハ支持部材1で、板状セラミックス体の一方の主面に複数の抵抗発熱体ゾーンを備え、中心部に円形の抵抗発熱体ゾーン4aと、その外側に同心円の3つの円環内に抵抗発熱体ゾーン4bc、4dgと、抵抗発熱体ゾーン4hoとを備える各抵抗発熱体ゾーン4の配置例を示す。この例では、ウェハWの均熱性を改善するため、抵抗発熱体5を4個の抵抗発熱体ゾーンに対応して分割している。
【0054】
本発明の前記ウェハ支持部材1の中心部の抵抗発熱体ゾーン4aの外径D1は外周部の抵抗発熱体ゾーン4dgの直径Dの25〜45%であり、その外側の抵抗発熱体ゾーン4bcの外径D2は外周部の抵抗発熱体ゾーンの直径Dの60〜85%とするとウェハWの面内温度差を小さくすることができ好ましい。
【0055】
尚、外周部の抵抗発熱体ゾーン4dgの直径Dとは、板状セラミックス体2の他方の主面に平行な投影面でみて、前記抵抗発熱体ゾーン4dgを構成する抵抗発熱体5d、5e、5f、5gを囲む外接円の直径である。また、同様に、抵抗発熱体ゾーン4bcの外径D2とは、前記抵抗発熱体ゾーン4bcを構成する抵抗発熱体5b、5cに外接する円の直径である。
【0056】
外径D1がDの25%未満では中心部の抵抗発熱体ゾーン4aの外径が小さ過ぎることから抵抗発熱体ゾーン4aの発熱量を大きくしても、抵抗発熱体ゾーン4aの中心部の温度が上がらず中心部の温度が低下する虞があるからである。また、外径D1が45%を越えると中心部の抵抗発熱体ゾーン4aの外径が大き過ぎることから、中心部の温度を上げた際に抵抗発熱体ゾーン4aの周辺部の温度も上がり、抵抗発熱体ゾーン4aの周辺部の温度が高くなり過ぎる虞があるからである。尚、好ましくは、外径D1はDの20〜30%であり、更に好ましくは、外径D1はDの22〜26%とすることでウェハWの面内温度差を更に小さくすることができる。
【0057】
また、外径D2が直径Dの60%未満では、ウェハ支持部材1の周辺部が冷却され易いことから、ウェハW周辺の温度の低下を防ごうと抵抗発熱体ゾーン4dgの発熱量を増大した際に、ウェハWの中心に近い抵抗発熱体ゾーン4dgの内側の温度が高くなり、ウェハWの面内温度差が大きくなる虞があった。また、外径D2が直径Dの85%を越えると、ウェハW周辺の温度の低下を防ごうと抵抗発熱体ゾーン4dgの発熱量を大きくしても、抵抗発熱体ゾーン4dgの温度は上がるが、ウェハW周辺の温度の低下の影響が抵抗発熱体ゾーン4bcに達し、抵抗発熱体ゾーン4bcの外側の温度が低くなる虞があった。好ましくは、外径D2が直径Dの68%〜78%であり、更に好ましくは70〜75%とするとウェハWの面内温度差は更に小さくできた。
【0058】
更に、ウェハ支持部材1の周囲の環境から生じる左右前後の微妙な非対称性や、対称な発熱体の厚みバラツキを補正できると、ウェハWの面内温度差がより小さくなる事がわかった。
【0059】
図3(b)は、本発明のウェハ支持部材1の抵抗発熱体ゾーン4の1例を示す。2つの円環状の抵抗発熱体ゾーン4bc、4dgのうち、内側の抵抗発熱体ゾーン4bcは、円環を2等分した2個の扇状の抵抗発熱体ゾーン4b、4cであり、その外側の抵抗発熱体ゾーン4dgは、円環を円周方向に4等分した4個の扇状の抵抗発熱体ゾーン4d、4e、4f、4gからなっていることがウェハWの表面温度を均一にする上で好ましい。
【0060】
上記ウェハ支持部材1の各抵抗発熱体ゾーン4a〜4gは独立して発熱でき、各抵抗発熱体ゾーン4a〜4gに対応して抵抗発熱体5a〜5gを備えている。
【0061】
尚、円環状の抵抗発熱体ゾーン4bc、4dgはそれぞれ放射方向に2分割、4分割したが、これに限るものではない。
【0062】
図3(b)の抵抗発熱体ゾーン4b、4cの境界線は直線であるが、必ずしも直線である必要はなく、波線であっても良く、抵抗発熱体ゾーン4b、4cが同心円の発熱体ゾーンの中心に対して中心対称であることが好ましい。
【0063】
同様に、抵抗発熱体ゾーンの4dと4e、4eと4f、4fと4g、4gと4dとのそれぞれの境界線も必ずしも直線である必要はなく、波線で有っても良く、同心円の発熱体ゾーンの中心に対して中心対称であることが好ましい。
【0064】
上記の各抵抗発熱体5を印刷法等で作製し、0.5〜5mmの幅で厚みが10〜50μmで形成することが好ましい。一度に印刷する印刷面が大きくなると印刷面の左右や前後でスキージとスクリーンとの間の圧力の違いから印刷厚みが一定とならない虞が生じる。特に、抵抗発熱体5の大きさが大きくなると、抵抗発熱体5の左右前後の厚みが異なり設計した発熱量がバラツク虞があった。発熱量がバラツクとウェハWの面内温度差が大きくなり好ましくない。この抵抗発熱体の厚みのバラツキから生じる温度バラツキを防ぐには、一つの抵抗発熱体からなる外径の大きな個々の抵抗発熱体5を分割することが有効である事が判明した。
【0065】
そこで、ウェハW載置面3の中心部を除く同心円環状の抵抗発熱体ゾーン4bcは左右に2分割し、更に大きな円環状の抵抗発熱体ゾーン4dgは4分割することで抵抗発熱体ゾーン4にある抵抗発熱体5の印刷する大きさを小さくすることができることから、抵抗発熱体5の各部の厚みを均一にすることができ、更にウェハWの前後左右の微妙な温度差を補正しウェハWの表面温度を均一にすることができる。
【0066】
尚、図4に示す抵抗発熱体5b、5c、5d、5e、5f、5gのパターンは夫々折り返しパターンからなり、図5に示す抵抗発熱体はこれらの折り返しパターンが渦巻き状となった例を示す。また、これらのパターンを複合したパターンでも良い。
【0067】
更に詳細な構成について説明する。
【0068】
図1は本発明に係るウェハ支持部材の一例を示す断面図で、板厚tが1〜7mm、100〜200℃のヤング率が200〜450MPaである板状セラミック体2の一方の主面を、ウェハWを載せる載置面3とするとともに、他方の主面に抵抗発熱体5を形成し、この抵抗発熱体5に電気的に接続する給電部6を備えたものである。
【0069】
100〜200℃のヤング率が200〜450MPaである板状セラミック体2の材質としては、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムを用いることができ、この中でも特に窒化アルミニウムは50W/(m・K)以上、さらには100W/(m・K)以上の高い熱伝導率を有するとともに、フッ素系や塩素系等の腐食性ガスに対する耐蝕性や耐プレズマ性にも優れることから、板状セラミック体2の材質として好適である。
【0070】
板状セラミックス体2の厚みは、2〜5mmとすると更に好ましい。板状セラミックス体2の厚みが2mmより薄いと、板状セラミックス体2の強度がなくなり抵抗発熱体5の発熱による加熱時、ガス噴射口24らの冷却エアーを吹き付けた際に、冷却時の熱応力に耐えきれず、板状セラミックス体2にクラックが発生する虞があるからである。また、板状セラミックス体2の厚みが5mmを越えると、板状セラミックス体2の熱容量が大きくなるので加熱および冷却時の温度が安定するまでの時間が長くなる虞がある。
【0071】
板状セラミックス体2は、有底の金属ケース19開口部の外周にボルト16を貫通させ、板状セラミックス体2と有底の金属ケース19が直接当たらないように、リング状の接触部材17を介在させ、有底の金属ケース19側より弾性体18を介在させてナット20を螺着することにより弾性的に固定している。これにより、板状セラミックス体2の温度が変動した場合に有底の金属ケース19が変形しても、上記弾性体18によってこれを吸収し、これにより板状セラミックス体2の反りを抑制し、ウェハ表面に、板状セラミックス体2の反りに起因する温度ばらつきが発生することを防止できるようになる。
【0072】
リング状の接触部材17の断面は多角形や円形の何れでも良いが、板状セラミックス体2と接触部材17が平面で接触する場合において、板状セラミックス体2と接触部材17の接する接触部の幅は0.1mm〜13mmであれば、板状セラミックス体2の熱が接触部材17を介して有底の金属ケース19に流れ量を小さくすることをができる。そして、ウェハWの面内の温度差が小さくウェハWを均一に加熱することができる。更に好ましくは0.1〜8mmである。接触部材17の接触部の幅が0.1mm以下では、板状セラミックス体2と接触固定した際に接触部が変形し、接触部材が破損する虞がある。また、接触部材17の接触部の幅が13mmを越える場合には、板状セラミックス体2の熱が接触部材に流れ、板状セラミックス体2の周辺部の温度が低下しウェハWを均一に加熱することが難しくなる。好ましくは接触部材17と板状セラミックス体2の接触部の幅は0.1mm〜8mmであり、更に好ましくは0.1〜2mmである。
【0073】
また、接触部材17の熱伝導率は板状セラミックス体2の熱伝導率より小さいことが好ましい。接触部材17の熱伝導率が板状セラミックス体2の熱伝導率より小さければ板状セラミックス体2に載せたウェハW面内の温度分布を均一に加熱することができると共に、板状セラミックス体2の温度を上げたり下げたりする際に、接触部材17との熱の伝達量が小さく有底の金属ケース19との熱的干渉が少なく、迅速に温度を変更することが容易となる。
【0074】
接触部材17の熱伝導率が板状セラミックス体2の熱伝導率の10%より小さいウェハ支持部材1では、板状セラミックス体2の熱が有底の金属ケース19に流れ難く、板状セラミックス体2から有底の金属ケース19に熱が、雰囲気ガス(ここでは空気)による伝熱や輻射伝熱により流れる熱が多くなり逆に効果が小さい。
【0075】
接触部材17の熱伝導率が板状セラミックス体2の熱伝導率より大きい場合には、板状セラミックス体2の周辺部の熱が接触部材17を介して有底の金属ケース19に流れ、有底の金属ケース19を加熱すると共に、板状セラミックス体2の周辺部の温度が低下しウェハW面内の温度差が大きくなり好ましくない。また、有底の金属ケース19が加熱されることからガス噴射口24からエアを噴射し板状セラミックス体2を冷却しようとしても有底の金属ケース19の温度が高いことから冷却する時間が大きくなったり、一定温度に加熱する際に一定温度になるまでの時間が大きくなる虞があった。
【0076】
一方、前記接触部材17を構成する材料としては、小さな接触部を保持するために、接触部材のヤング率は1GPa以上が好ましく、更に好ましくは10GPa以上である。このようなヤング率とすることで、接触部の幅が0.1mm〜8mmと小さく、板状セラミックス体2を有底の金属ケース19に接触部材17を介してボルト16で固定しても、接触部材17が変形することが無く、板状セラミックス体2が位置ズレしたり平行度が変化したりすることなく、精度良く保持することができる。
【0077】
尚、特開2001−313249号公報に記載のような、フッ素系樹脂やガラス繊維を添加した樹脂からなる接触部材では得られない精度を達成することができる。
【0078】
前記接触部材17の材質としては鉄とカーボンからなる炭素鋼やニッケル、マンガン、クロムを加えた特殊鋼等の金属がヤング率が大きく好ましい。また、熱伝導率の小さな材料としては、ステンレス鋼やFe―Ni−Co系合金の所謂コバールが好ましく、板状セラミックス体2の熱伝導率より小さくなるように接触部材17の材料を選択することが好ましい。
【0079】
更に、接触部材17と板状セラミックス体2との接触部を小さく、且つ接触部が小さくても接触部が欠損しパーティクルを発生する虞が小さく安定な接触部を保持できるために、板状セラミックス体2に垂直な面で切断した接触部材17の断面は多角形より円形が好ましく、断面の直径1mm以下の円形のワイヤを接触部材17として使用すると板状セラミックス体2と有底の金属ケース19の位置が変化することなくウェハWの表面温度を均一にしかも迅速に昇降温することが可能である。
【0080】
次に、有底の金属ケース19は側壁部22と底面21を有し、板状セラミックス体2はその有底の金属ケース19の開口部を覆うように設置してある。また、有底の金属ケース19には冷却ガスを排出するための孔23が施されており、板状セラミックス体2の抵抗発熱体5に給電するための給電部6に導通するための給電端子11,板状セラミックス体2を冷却するためのガス噴射口24、板状セラミックス体2の温度を測定するための熱電対27を設置してある。
【0081】
なお、有底の金属ケース19の深さは10〜50mmで、底面21は、板状セラミックス体2から10〜50mmの距離に設置することが望ましい。更に好ましくは20〜30mmである。これは、板状セラミックス体2と有底の金属ケース19相互の輻射熱により載置面3の均熱化が容易となると同時に、外部との断熱効果があるので、載置面3の温度が一定で均一な温度となるまでの時間が短くなるためである。
【0082】
そして、有底の金属ケース19内に昇降自在に設置されたリフトピン25により、ウェハWを載置面3上に載せたり載置面3より持ち上げたりといった作業がなされる。そして、ウェハWは、ウェハ支持ピン8により載置面3から浮かした状態で保持され、片当たり等による温度バラツキを防止するようにしている。
【0083】
また、このウェハ加熱装置1によりウェハWを加熱するには、搬送アーム(不図示)にて載置面3の上方まで運ばれたウェハWをリフトピン25にて支持したあと、リフトピン25を降下させてウェハWを載置面3上に載せる。
【0084】
次に、ウェハ支持部材1をレジスト膜形成用として使用する場合は、板状セラミックス体2の主成分を炭化珪素にすると、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、ウェハ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。この際、焼結助剤に水と反応してアンモニアやアミンを形成する可能性のある窒化物を含まないようにすることが必要である。
【0085】
なお、板状セラミックス体2を形成する炭化珪素質焼結体は、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)を添加したり、もしくはアルミナ(Al2O3)イットリア(Y2O3)のような金属酸化物を添加して十分混合し、平板状に加工したのち、1900〜2100℃で焼成することにより得られる。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。
【0086】
一方、炭化珪素質焼結体を板状セラミックス体2として使用する場合、半導電性を有する板状セラミックス体2と抵抗発熱体5との間の絶縁を保つ絶縁層としては、ガラス又は樹脂を用いることが可能であり、ガラスを用いる場合、その厚みが100μm未満では耐電圧が1.5kVを下回り絶縁性が保てず、逆に厚みが400μmを越えると、板状セラミックス体2を形成する炭化珪素質焼結体や窒化アルミニウム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として機能しなくなる。その為、絶縁層としてガラスを用いる場合、絶縁層4の厚みは100〜400μmの範囲で形成することが好ましく、望ましくは200μm〜350μmの範囲とすることが良い。
【0087】
さらに、板状セラミックス体2の載置面3と反対側の主面は、ガラスや樹脂からなる絶縁層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。
【0088】
また、板状セラミックス体2を、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体で形成する場合は、主成分の窒化アルミニウムに対し、焼結助剤としてY2O3やYb2O3等の希土類元素酸化物と必要に応じてCaO等のアルカリ土類金属酸化物を添加して十分混合し、平板状に加工した後、窒素ガス中1900〜2100℃で焼成することにより得られる。板状セラミックス体2に対する抵抗発熱体5の密着性を向上させるために、ガラスからなる絶縁層を形成することもある。ただし、抵抗発熱体5の中に十分なガラスを添加し、これにより十分な密着強度が得られる場合は、省略することが可能である。
【0089】
この絶縁層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板状セラミックス体2を構成するセラミックスの熱膨張係数に対し−5〜+5×10-7/℃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、板状セラミックス体2を形成するセラミックス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。
【0090】
なお、ガラスからなる絶縁層を板状セラミックス体2上に被着する手段としては、前記ガラスペーストを板状セラミックス体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、ガラスペーストを600℃以上の温度で焼き付けすれば良い。また、絶縁層としてガラスを用いる場合、予め炭化珪素質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体からなる板状セラミックス体2を850〜1300℃程度の温度に加熱し、絶縁層を被着する表面を酸化処理しておくことで、ガラスからなる絶縁層との密着性を高めることができる。
【0091】
本発明の抵抗発熱体5のパターン形状としては、図4や図5に示すような複数のブロックに分割され、個々のブロックが円弧状のパターンと直線状のパターンとからなる渦巻き状やジグザクな折り返し形状をしたもので、本願発明のウェハ支持部材1はウェハWを均一に加熱することが重要であることから、これらのパターン形状は帯状の抵抗発熱体5の各部の密度が均一なことが好ましい。ただし、図8に示すような、板状セラミック体22の中心から放射方向に見て、抵抗発熱体25の間隔が密な部分と粗な部分が交互に現れる抵抗発熱体パターンでは、粗な部分に対応するウェハWの表面温度は小さく、密な部分に対応するウェハWの温度は大きくなり、ウェハWの表面の全面を均一に加熱することはできないことから好ましくない。
【0092】
また、抵抗発熱体5を複数のブロックに分割する場合、それぞれのブロックの温度を独立に制御することにより、載置面3上のウェハWを均一に加熱することが好ましい。
【0093】
抵抗発熱体5は、導電性の金属粒子にガラスフリットや金属酸化物を含む電極ペーストを印刷法で板状セラミック体2に印刷、焼き付けしたもので、金属粒子としては、Au、Ag、Cu、Pd、Pt、Rhの少なくとも一種の金属を用いることが好ましく、またガラスフリットとしては、B、Si、Znを含む酸化物からなり、板状セラミック体2の熱膨張係数より小さな4.5×10-6/℃以下の低膨張ガラスを用いることが好ましく、さらに金属酸化物としては、酸化珪素、酸化ホウ素、アルミナ、チタニアから選ばれた少なくとも一種を用いることが好ましい。
【0094】
ここで、抵抗発熱体5を形成する金属粒子として、Au、Ag、Cu、Pd、Pt、Rhの少なくとも一種の金属を用いるのは、電気抵抗が小さいからである。
【0095】
抵抗発熱体5を形成するガラスフリットとして、B、Si、Znを含む酸化物からなり、抵抗発熱体5を構成する金属粒子の熱膨張係数が板状セラミック体2の熱膨張係数より大きいことから、抵抗発熱体5の熱膨張係数を板状セラミック体2の熱膨張係数に近づけるには、板状セラミック体2の熱膨張係数より小さな4.5×10-6/℃以下の低膨張ガラスを用いることが好ましいからである。
【0096】
また、抵抗発熱体5を形成する金属酸化物としては、酸化珪素、酸化ホウ素、アルミナ、チタニアから選ばれた少なくとも一種を用いるのは、抵抗発熱体5の中の金属粒子と密着性が優れ、しかも熱膨張係数が板状セラミック体2の熱膨張係数と近く、板状セラミック体2との密着性も優れるからである。
【0097】
ただし、抵抗発熱体5に対し、金属酸化物の含有量が80%を超えると、板状セラミック体2との密着力は増すものの、抵抗発熱体5の抵抗値が大きくなり好ましくない。その為、金属酸化物の含有量は60%以下とすることが良い。
【0098】
そして、導電性の金属粒子とガラスフリットや金属酸化物からなる抵抗発熱体5は、板状セラミック体2との熱膨張差が3.0×10-6/℃以下であるものを用いることが好ましい。
【0099】
即ち、抵抗発熱体5と板状セラミック体2との熱膨張差を0.1×10-6/℃とすることは製造上難しく、逆に抵抗発熱体5と板状セラミック体2との熱膨張差が3.0×10-6/℃を超えると、抵抗発熱体5を発熱させた時、板状セラミック体2との間に作用する熱応力によって、載置面3側が凹状に反る恐れがあるからである。
【0100】
さらに、絶縁層上に被着する抵抗発熱体5材料としては、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)等の導電性の金属酸化物や上記金属材料を樹脂ペーストやガラスペーストに分散させたペーストを用意し、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して、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。マ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。
【0101】
ただし、抵抗発熱体5材料に銀(Ag)又は銅(Cu)を用いる場合、マイグレーションが発生する恐れがあるため、このような場合には、抵抗発熱体5を覆うように絶縁層と同一の材質からなるコート層を40〜400μm程度の厚みで被覆しておけば良い。
【0102】
更に、抵抗発熱体5への給電方法については、有底の金属ケース19に設置した給電端子11を板状セラミックス体2の表面に形成した給電部6にバネ(不図示)で押圧することにより接続を確保し給電する。これは、2〜5mmの厚みの板状セラミックス体2に金属からなる端子部を埋設して形成すると、該端子部の熱容量により均熱性が悪くなるからである。そのため、本発明のように、給電端子11をバネで押圧して電気的接続を確保することにより、板状セラミックス体2とその有底の金属ケース19の間の温度差による熱応力を緩和し、高い信頼性で電気的導通を維持できる。さらに、接点が点接触となるのを防止するため、弾性のある導体を中間層として挿入しても構わない。この中間層は単に箔状のシートを挿入するだけでも効果がある。そして、給電端子11の給電部6側の径は、1.5〜5mmとすることが好ましい。
【0103】
また、板状セラミックス体2の温度は、板状セラミックス体2にその先端が埋め込まれた熱電対27により測定する。熱電対27としては、その応答性と保持の作業性の観点から、外径0.8mm以下のシース型の熱電対27を使用することが好ましい。この熱電対27の先端部は、板状セラミックス体2に孔が形成され、この中に設置された固定部材により孔の内壁面に押圧固定することが測温の信頼性を向上させるために好ましい。同様に素線の熱電対やPt等の測温抵抗体を埋設して測温を行うことも可能である。
【0104】
なお、板状セラミック体2の一方の主面には、図6に示すように、複数の支持ピン8を設け、板状セラミック体2の一方の主面より一定の距離をおいてウェハWを保持するようにしても構わない。
【0105】
また、図1では板状セラミック体2の他方の主面3に抵抗発熱体5のみを備えたウェハ支持部材1について示したが、本発明は、主面3と抵抗発熱体5との間に静電吸着用やプラズマ発生用としての電極を埋設したものであっても良いことは言うまでもない。
【0106】
【実施例】
(実施例 1)
まず、窒化アルミニウム粉末に対し、重量換算で1.0質量%の酸化イットリウムを添加し、さらにイソプロピルアルコールとウレタンボールを用いてボールミルにより48時間混練することにより窒化アルミニウムのスラリーを製作した。
【0107】
次に、窒化アルミニウムのスラリーを200メッシュに通し、ウレタンボールやボールミル壁の屑を取り除いた後、防爆乾燥機にて120℃で24時間乾燥した。
【0108】
次いで、得られた窒化アルミニウム粉末にアクリル系のバインダーと溶媒を混合して窒化アルミニムのスリップを作製し、ドクターブレード法にて窒化アルミニムのグリーンシートを複数枚製作した。
【0109】
そして、得られた窒化アルミニムのグリーンシートを複数枚積層熱圧着にて積層体を形成した。
【0110】
しかる後、積層体を非酸化性ガス気流中にて500℃の温度で5時間脱脂を施した後、非酸化性雰囲気にて1900℃の温度で5時間の焼成を行い各種の熱伝導率を有する板状セラミックス体を製作した。
【0111】
そして、窒化アルミニウム焼結体に研削加工を施し、板厚3mm、直径315mm〜330mmの円盤状をした板状セラミックス体2を複数枚製作し、更に中心から60mmの同心円上に均等に3箇所貫通孔を形成した。貫通口径は、4mmとした。
【0112】
次いで板状セラミックス体2の上に抵抗発熱体5を被着するため、導電材としてAu粉末とPd粉末と、前記同様の組成からなるバインダーを添加したガラスペーストを混練して作製した導電体ペーストをスクリーン印刷法にて所定の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の抵抗発熱体5を形成した。
【0113】
抵抗発熱体ゾーン4の配置は、中心部に直径80mmの円形の1つに抵抗発熱体ゾーンを形成し、その外側の円環を同等の2つの抵抗発熱体ゾーンに分割し、その外側に内径202mmの円環を4つの抵抗発熱体ゾーンに分割した計7個の抵抗発熱体ゾーン構成とした。そして、最外周の4つの抵抗発熱体ゾーンの外接円Cの直径を310mmとした。
【0114】
また、内径202mmの円環を4つの抵抗発熱体ゾーンに分割し、それぞれの抵抗発熱体ゾーンに抵抗発熱体を取り付けた。そして、板状セラミックス体の直径と抵抗発熱体の外接円の直径との差、及び空白域の間隔S、屈曲パターンの幅、屈曲パターンの幅に対する屈曲パターンの曲率半径の大きさ(r/h)を変えた部品を作製した。
【0115】
しかるのち抵抗発熱体5に給電部6をロウ付けし固着させることにより、板状セラミックス体2を製作した。
【0116】
また、有底の金属ケースの底面の厚みは2.0mmのアルミニウムと側壁部を構成する厚み1.0mmのアルミニウムからなり、底面に、ガス噴射口、熱電対、導通端子を所定の位置に取り付けた。また、底面から板状セラミックス体までの距離は20mmとした。
【0117】
その後、前記有底の金属ケースの開口部に、板状セラミックス体を重ね、その外周部にボルトを貫通させ、板状セラミックス体と有底の金属ケースが直接当たらないように、リング状の接触部材を介在させ、接触部材側より弾性体を介在させてナットを螺着することにより弾性的に固定することによりウェハ支持部材とした。
【0118】
また、板状セラミックス体の周辺部下面を支持する支持構造▲1▼と、板状セラミックス体の外周面を支持する支持構造▲2▼との2つの構造でウェハ支持部材を作製した。尚、支持構造▲1▼では、板状セラミックス体の直径と金属ケースの外径である直径を同じとした。
【0119】
尚、接触部材17の断面は円形状で、リング状とした。円形状の断面の大きさは、直径1mmとした。また、接触部材の材質はSUS304、炭素鋼を用いた。作製した各種のウェハ支持部材を試料No.1〜20とした。
【0120】
作製したウェハ支持部材の評価は、測温抵抗体が29箇所に埋設された直径300mmの測温用ウェハを用いて行った。夫々のウェハ支持部材に電源を取り付け25℃から200℃まで5分間でウェハWを昇温し、ウェハWの温度を200℃に設定してからウェハWの平均温度が200℃±0.5℃の範囲で一定となるまでの時間を応答時間として測定した。また、30℃から200℃に5分で昇温し5分間保持した後、30分間冷却する温度サイクルを1000サイクル繰り返した後、室温から200℃に設定し10分後のウェハ温度の最大値と最小値の差をウェハWの温度差として測定した。
【0121】
それぞれの結果は表1に示す通りである。
【0122】
【表1】
【0123】
空白域の間隔Sが板状セラミックス体の直径と抵抗発熱体の外接円の直径の差より大きい、試料No.1、9はウェハの面内温度差が0.61、0.70℃と大きく、また、応答時間も65秒、56秒と大きく特性が劣ることが分った。
【0124】
また、屈曲パターンの幅が0.1mmの試料No.9は抵抗発熱体の給電部での抵抗が大きくウェハ面内の温度差が0.67℃と大きく、しかも応答時間が100秒以上と大きくウェハ支持部材として使用することが出来なかった。
【0125】
また、屈曲パターンの幅が10mmである試料No.20は前記の幅が大き過ぎることからパターンの幅方向で温度差が大きく、ウェハ面内の温度差が0.71℃と大きかった。更に、応答時間も54秒と大きく好ましくなかった。
【0126】
従って、試料No.9〜20から屈曲パターンの幅は0.2〜10mmが好ましい事がわかった。
【0127】
また、屈曲パターンの幅hに対する屈曲パターンの曲率半径rの大きさの比(r/h)が0.1と小さい試料No.13はウェハの面内温度差が0.65℃と大きく好ましくないことが分った。
【0128】
また、屈曲パターンの幅hに対する屈曲パターンの曲率半径rの大きさの比(r/h)が8.0と大きな試料No.17はウェハの面内温度差が0.68℃と大きく好ましくないことが分った。
【0129】
従って、試料No.13〜19から屈曲パターンの幅hに対する屈曲パターンの曲率半径rの大きさの比(r/h)は、0.2〜5が好ましいことが分った。
【0130】
以上の結果から本願発明のウェハ支持部材1で、帯状の抵抗発熱体を囲む外接円に接する円弧状のパターンのない空白域の間隔Sが板状セラミックス体と前記外接円の直径の差より小さく、前記帯状の抵抗発熱体の帯の幅が0.5〜5mmであり、且つその屈曲パターンの曲率半径が前記帯の幅の0.2〜5倍である試料No.2〜8、10〜12、14〜16、18、19はウェハWの面内温度差が0.5℃以下と小さく、しかも応答時間も52秒以下と優れていることが判明した。
(実施例 2)
実施例1と同様に板状セラミックス体を作製した。
【0131】
そして、窒化アルミニウム焼結体に研削加工を施し、板厚3mm、直径315mm〜345mmの円盤状をした板状セラミックス体2を複数枚製作し、更に中心から60mmの同心円上に均等に3箇所貫通孔を形成した。貫通口径は、4mmとした。
【0132】
次いで板状セラミックス体2の上に抵抗発熱体5を被着するため、導電材としてAu粉末とPd粉末と、前記同様の組成からなるバインダーを添加したガラスペーストを混練して作製した導電体ペーストをスクリーン印刷法にて所定の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の抵抗発熱体5を形成した。抵抗発熱体5のパターン配置は、中心部から放射状に円と円環状に分割し、中心部に円形の1つにパターンを形成し、その外側の円環状の部分に2つのパターンを形成し、その外側の円環状の部分に4つのパターンを備え、更に最外周に8つのパターンの計15個のパターン構成とした。そして、最外周の8つのパターンの外接円Cの直径を310mmとして、板状セラミックスの直径を変えて作製した。しかるのち抵抗発熱体5に給電部6をロウ付けし固着させることにより、板状セラミックス体2を製作した。
【0133】
また、有底の金属ケースの底面の厚みは2.0mmのアルミニウムと、側壁部を構成する厚み1.0mmのアルミニウムとからなり、底面に、ガス噴射口、熱電対、導通端子を所定の位置に取り付けた。また、底面から板状セラミックス体までの距離は20mmとした。
【0134】
その後、前記有底の金属ケースの開口部に、板状セラミックス体を重ね、その外周部にボルトを貫通させ、板状セラミックス体と有底の金属ケースが直接当たらないように、リング状の接触部材を介在させ、接触部材側より弾性体を介在させてナットを螺着することにより弾性的に固定することによりウェハ支持部材とした。
【0135】
また、板状セラミックス体の周辺部下面を支持する支持構造▲1▼と、板状セラミックス体の外周面を支持する支持構造▲2▼との2つの構造でウェハ支持部材を作製した。尚、支持構造▲1▼では、板状セラミックス体の直径と金属ケースの外径である直径を同じとした。
【0136】
尚、接触部材17の断面は円形状で、リング状とした。円形状の断面の大きさは、直径1mmとした。また、接触部材の材質はSUS304、炭素鋼を用いた。作製した各種のウェハ支持部材を試料No.21〜31とした。
【0137】
作製したウェハ支持部材の評価は、測温抵抗体が29箇所に埋設された直径300mmの測温用ウェハを用いて行った。夫々のウェハ支持部材に電源を取り付け25℃から200℃まで5分間でウェハWを昇温し、ウェハWの温度を200℃に設定してからウェハWの平均温度が200℃±0.5℃の範囲で一定となるまでの時間を応答時間として測定した。また、30℃から200℃に5分で昇温し5分間保持した後、30分間冷却する温度サイクルを1000サイクル繰り返した後、室温から200℃に設定し10分後のウェハ温度の最大値と最小値の差をウェハWの温度差として測定した。
【0138】
それぞれの結果は表2に示す通りである。
【0139】
【表2】
【0140】
表2の試料No.21は、板状セラミックス体の直径に対する抵抗発熱体の外接円の比率が85%と小さくウェハの面内温度差は0.48℃と大きく、特に応答時間が57秒とやや大きかった。
【0141】
試料No.31は板状セラミックス体の直径に対する抵抗発熱体の外接円の比率が99.5%と大きくウェハの面内温度差は0.93℃と大きく、応答時間も62秒と大きく好ましくなかった。
【0142】
これらに対し、試料No.22〜30はウェハの面内の温度差が0.21℃以下と小さく、しかも応答時間も35秒以下と小さく優れていることから、板状セラミックス体の直径に対する抵抗発熱体の外接円の比率は、90〜99%が優れたウェハ支持部材であることが分る。
【0143】
更に、板状セラミックス体の外周部下面で金属ケースと接触部材を介して接続した支持構造▲1▼では、試料No.37〜39に示すように板状セラミックス体の直径に対する抵抗発熱体の外接円の比率が92〜95%で、ウェハの面内温度差が0.19℃以下で且つ応答時間が30秒以下とより優れている。特に、試料No.24,25は面内温度差が0.17℃以下で応答時間も29秒以下と小さいことから、板状セラミックス体の直径に対する抵抗発熱体の外接円の比率が93〜95%であると更に好ましいことが分る。
【0144】
一方、板状セラミックス体の外周部側面で金属ケースと接触部材を介して接続した支持構造▲2▼では、試料No.26〜31に示すように板状セラミックス体の直径に対する抵抗発熱体の外接円の比率が95%〜98%で、ウェハの面内温度差が0.19℃以下で且つ応答時間は26秒以下と優れていた。特に、試料No.27,28の面内温度差はどちらも0.19℃以下で応答時間が24秒以下と小さいことから、板状セラミックス体の直径に対する抵抗発熱体の外接円の比率が96%〜97%であると更に好ましいことが分る。
【0145】
(実施例 3)
実施例1と同様に板状セラミックス体を作製した。
【0146】
ただし、ペーストの印刷厚みは20μmとし、また、抵抗発熱体を囲む外接円に対し、抵抗発熱体の占める面積の比率を変えたものを用意した。
【0147】
そして、実施例1と同様に評価した。その結果を表4に示す。
【0148】
【表3】
【0149】
この結果、試料No.41のように、抵抗発熱体を囲む外接円に対し、抵抗発熱体の占める面積の比率が5%を下回る試料は、ウエハの面内の温度差が0.34℃とやや大きかった。また、試料No.50のように、抵抗発熱体を囲む外接円に対し、抵抗発熱体の占める面積の比率が50%を越えると、ウエハの一部に温度の高いホットエリヤが現れ、ウエハの面内温度差が0.35℃と大きかった。
【0150】
これに対し、試料No.42〜49に示すように、抵抗発熱体の外接円に対して、抵抗発熱体の占める面積の比率を5〜50%とした試料は、ウエハの面内温度差が0.24℃以下と小さくすることができ、優れていた。
【0151】
また、試料No.43〜47のように、抵抗発熱体の外接円に対して、抵抗発熱体の占める面積の比率を10〜30%とすることで、ウエハの面内の温度差を0.18℃以内とすることができ、さらには試料No.44〜46のように、抵抗発熱体の外接円に対して、抵抗発熱体の占める面積の比率を15〜25%とすることでウエハの面内の温度差を0.13℃以内にまで低減することができ、特に優れていた。
【0152】
(実施例 4)
実施例1と同様の工程で板状セラミックス体を作製した。そして、板状セラミックス体の主面に実施例1と同様の工程で抵抗発熱体を印刷した。
【0153】
尚、抵抗発熱体ゾーン4の配置は、中心部に直径D1(mm)の円形の1つに抵抗発熱体ゾーンを形成し、その外側の円環を同等の2つの抵抗発熱体ゾーンに分割し、その外側に外径D2(mm)の円環を4つの抵抗発熱体ゾーンに分割した計7個の抵抗発熱体ゾーン構成とした。そして、最外周の4つの抵抗発熱体ゾーンの外接円Cの直径を310mmとしD1、D2の比率を変えた試料を作製した。しかるのち抵抗発熱体5に給電部6をロウ付けし固着させることにより、板状セラミックス体2を製作した。
【0154】
また、比較用として図10の構成の抵抗発熱体ゾーンとし、矩形の発熱体ゾーンの大きさは212×53mmとして、矩形の発熱体ゾーンを8個用いた試料No.71を作製した。同様に試料No.72は図9に示す構成の抵抗発熱体ゾーンで、D1rを150mmとし、D2rは310mmとした。試料No.73は図8に示す構成の抵抗発熱体ゾーンの形状とした。試料No.74は抵抗発熱体ゾーンは円形で1つの抵抗発熱体からなるウェハ支持部材を作製した。
【0155】
また、有底の金属ケースの底面の厚みは2.0mmのアルミニウムと側壁部を構成する厚み1.0mmのアルミニウムからなり、底面に、ガス噴射口、熱電対、導通端子を所定の位置に取り付けた。また、底面から板状セラミックス体までの距離は20mmとした。
【0156】
その後、前記有底の金属ケースの開口部に、板状セラミックス体を重ね、その外周部にボルトを貫通させ、板状セラミックス体と有底の金属ケースが直接当たらないように、リング状の接触部材を介在させ、接触部材側より弾性体を介在させてナットを螺着することにより弾性的に固定することによりウェハ支持部材とした。
【0157】
また、板状セラミックス体の周辺部下面を支持する支持構造▲1▼と、板状セラミックス体の外周面を支持する支持構造▲2▼との2つの構造でウェハ支持部材を作製した。尚、支持構造▲1▼では、板状セラミックス体の直径と金属ケースの外径である直径を同じとした。
【0158】
尚、接触部材17の断面は円形状で、リング状とした。円形状の断面の大きさは、直径1mmとした。また、接触部材の材質はSUS304、炭素鋼を用いた。作製した各種のウェハ支持部材を試料No.51〜74とした。
【0159】
作製したウェハ支持部材の評価は、測温抵抗体が29箇所に埋設された直径300mmの測温用ウェハを用いて行った。夫々のウェハ支持部材に電源を取り付け25℃から200℃まで5分間でウェハWを昇温し、ウェハWの温度を200℃に設定してからウェハWの平均温度が200℃±0.5℃の範囲で一定となるまでの時間を応答時間として測定した。また、30℃から200℃に5分で昇温し5分間保持した後、30分間冷却する温度サイクルを1000サイクル繰り返した後、室温から200℃に設定し10分後のウェハ温度の最大値と最小値の差をウェハWの温度差として測定した。
【0160】
それぞれの結果は表4に示す通りである。
【0161】
【表4】
【0162】
本発明のウェハ支持部材1で、中心部に円形の抵抗発熱体ゾーンと、その外側の同心円の3つの円環内に抵抗発熱体ゾーンを備えた試料No.51〜70のウェハ支持部材1はウェハWの温度差は0.5℃未満で且つ応答時間は58秒以下と優れていた。また、中心部の抵抗発熱体ゾーンの外径D1はその最外周の抵抗発熱体ゾーンの直径Dの25〜45%であり、外径D2は直径Dの60〜85%であるウェハ支持部材1は、表4の試料No.52〜59、62〜69であり、ウェハWの温度差は0.40℃以下と小さく、しかも応答時間は36秒以下と小さく優れた特性を示す事が分った。
【0163】
更に、中心部の抵抗発熱体ゾーンの外径D1は抵抗発熱体の外接円Dの25〜45%である試料No.52〜59のウェハ支持部材で、ウェハの温度差が0.33℃以下と小さく、且つ応答時間も35秒以下と小さく優れていることが分った。また、外径D1がDの31〜37%である試料No.54〜57のウェハ支持部材で、ウェハの温度差が0.21℃以下と小さく応答時間は26秒以下と小さく更に好ましいことが分った。また、外径D1がDの33〜35%である試料No.55、56のウェハ支持部材で、ウェハの温度差が0.12℃以下と小さく応答時間は18秒以下と最も小さく最も優れていることが分った。
【0164】
また、外径D2はDの60〜85%である試料No.62〜69のウェハ支持部材で、ウェハの温度差が0.40℃以下と小さく応答時間は36秒以下と小さく好ましいことが分った。また、外径D2はDの68〜78%である試料No.64〜67のウェハ支持部材で、ウェハの温度差が0.22℃以下と小さく応答時間は25秒以下と小さく更に好ましいことが分った。
【0165】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、板状セラミックス体に帯状の抵抗発熱体を備え、一方の主面にウェハを載せる載置面を備えたウェハ支持部材であって、前記帯状の抵抗発熱体に電力を供給する給電部と、該給電部を囲む金属ケースとを有し、前記最外周の抵抗発熱体ゾーンは、その外接円に接する円弧状パターンと、該円弧状パターンに連続して繋がった屈曲パターンとを備え、前記外接円の一部に存在する前記円弧状のパターンのない空白域の間隔が、前記板状セラミックス体と前記外接円の直径との差より小さく、上記帯状の抵抗発熱体の帯の幅が0.5〜5mmであり且つその屈曲パターンの曲率半径が上記幅の0.2〜5倍とするとウェハ面内の温度差が小さく温度応答特性の優れたウェハ保持部材が得られる。
【0166】
また、前記抵抗発熱体ゾーンの外接円の直径が前記板状セラミックス体の直径の90〜99%であることを特徴とすることによりウェハ面内の温度差が小さく温度応答特性の優れたウェハ保持部材が得られる。
【0167】
前記抵抗発熱体ゾーンを囲む外接円の面積に対し、上記外接円内に占める抵抗発熱体の面積の比率が5〜50%とすることでウェハの均熱性の高いウェハ支持部材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のウェハ加熱装置の一例を示す断面図である。
【図2】(a)(b)は本発明のウェハ加熱装置における屈曲パターンの形状を示す概略図である。
【図3】(a)(b)は本発明のウェハ加熱装置における抵抗発熱体ゾーンの形状を示す概略図である。
【図4】本発明のウェハ加熱装置における抵抗発熱体の形状を示す概略図である。
【図5】本発明のウェハ加熱装置における抵抗発熱体の他の実施形態を示す概略図である。
【図6】本発明のウェハ加熱装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図7】従来のウェハ加熱装置を示す断面図である。
【図8】従来のウェハ加熱装置の抵抗発熱体の形状を示す概略図である。
【図9】従来のウェハ加熱装置の他の抵抗発熱体の形状を示す概略図である。
【図10】従来のウェハ加熱装置の他の抵抗発熱体の形状を示す概略図である。
【図11】従来のウェハ加熱装置の他の抵抗発熱体の形状を示す概略図である。
【符号の説明】
1、71:ウェハ支持部材
2、72:板状セラミックス体
3、73:載置面
5、75:抵抗発熱体
6:給電部
8:支持ピン
11、77:給電端子
12:ガイド部材
16:ボルト
17:接触部材
18:弾性体
19、79:金属ケース
20:ナット
21:底面
23:孔
24:ガス噴射口
25:ウェハリフトピン
26:貫通孔
27:熱電対
28:ガイド部材
W:半導体ウェハ
Claims (5)
- 板状セラミックス体に帯状の抵抗発熱体を備え、一方の主面にウェハを載せる載置面を備えたウェハ支持部材であって、前記抵抗発熱体は、最外周の円弧状パターンと、該円弧状パターンに連続した屈曲パターンとを備え、前記帯状の抵抗発熱体の線幅が0.5〜5mmであり、且つ屈曲パターンの曲率半径が前記線幅の0.2〜5倍であり、かつ前記抵抗発熱体の最外周に接する外接円上にて前記円弧状パターンのない領域の間隔Sが、前記板状セラミックス体の直径と前記外接円の直径との差Lより小さいことを特徴とするウェハ支持部材。
- 前記抵抗発熱体の外接円の直径が前記板状セラミックス体の直径の90〜99%であることを特徴とする請求項1に記載のウェハ支持部材。
- 前記抵抗発熱体を囲む外接円の面積に対し、上記外接円内に占める抵抗発熱体の面積の比率が5〜50%であることを特徴とする請求項1または2に記載のウェハ支持部材。
- 前記抵抗発熱体は複数の抵抗発熱体からなり、一つ或いは複数の抵抗発熱体からなる中心部の抵抗発熱体ゾーンの外径D1は、前記外接円の直径Dの25〜45%であり、その外側の抵抗発熱体ゾーンの外径D2は前記直径Dの60〜85%であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のウェハ支持部材。
- 前記抵抗発熱体は、中心部に円形の抵抗発熱体ゾーンを備え、その外側に少なくとも2つの円環状の抵抗発熱体ゾーンを備え、内側の円環状の抵抗発熱体ゾーンの抵抗発熱体は、円環を2等分した2個の扇状であり、その外側の抵抗発熱体ゾーンは、円環を円周方向に4等分した4個の扇状であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のウェハ支持部材。
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