JP3921429B2 - ウェハ加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【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、前記ウェハ上にレジスト液を塗布し乾燥焼き付けしてレジスト膜を形成したりする際に好適なウェハ加熱装置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）を加熱するためにウェハ加熱装置が用いられている。
【０００３】
従来の半導体製造装置は、まとめて複数のウェハを成膜処理するバッチ式のものが使用されていたが、半導体素子の配線の微細化に伴い、ウェハ熱処理温度の精度向上が必要となり、温度精度に優れた枚葉式の熱処理装置が広く使用されてきた。
【０００４】
例えば、半導体製造装置の製造工程におけるウェハへの加工において、導体膜や絶縁膜の成膜処理、エッチング処理、レジスト膜の焼き付け処理等には、ウェハを加熱するためにウェハ加熱装置が用いられている。
【０００５】
このようなウェハ加熱装置として、例えば特開２００２−５６９５４号公報には、図４に示すようなウェハ加熱装置が提案されている。
【０００６】
このウェハ加熱装置４１は、アルミニウム等からなる有底状のケース４４の開口部に、板状セラミックス体の一方の主面に発熱抵抗体４３を有し他方の主面にウェハを載せる載置面４７を備えた均熱板４２を固定してある。ウェハ加熱装置４１は、ケース４４の外周面に沿って支持部材４６に固定した構造となっていた。
【０００７】
また、このウェハ加熱装置４１は、支持部材４６の下部に設けられたリフトピン４５によりウェハＷを昇降させることにより、ウェハ加熱装置４１からウェハＷを脱着させるようになっていた。
【０００８】
ところで、このようなウェハ加熱装置４１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したりするためには、ウェハＷの温度分布を均一にすることが重要であった。また、多数のウェハＷを効率的に加熱できるようにするため、加熱冷却のタクトタイムを短くする必要があった。このため、均熱板４２を構成する板状セラミックス体として窒化アルミニウムや炭化珪素等の高熱伝導率で剛性の高いセラミックスを用いて加熱冷却を有利にし、また均熱性を改善するために、均熱板４２に形成される帯状の抵抗発熱体４３の抵抗分布を均一になるように調整したり、帯状抵抗発熱体４３を分割し分割した領域で温度分布を制御したりすることが行われていた。
【０００９】
しかし、いずれも非常に複雑な構造、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均一に加熱できるようなウェハ加熱装置が求められていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ウェハＷを載置する均熱板４２は、ウェハＷの温度分布を均一にするように載置面４７の反りと平面度を調整している。この理由は、均熱板４２に反り等が生じるとウェハＷと載置面４７の間隔が変化しウェハＷの表面の温度差が生じるからである。ウェハＷ表面の温度差が生じると例えばウェハＷのレジスト液を乾燥硬化させる場合、硬化状態が不均一となりレジスト膜が均一とならない虞があった。
【００１１】
しかしながら、従来の均熱板４２をケース４４に設置した状態で上記反りと平面度を保持した状態で、ケース４４を支持部材４６に固定する際、ケース４４が支持部材４６の設置面に倣うように固定されるので、支持部材４６の設置面の反りや平面度の影響を受けて、均熱板４２を構成する板状セラミックス体２００の平面度が変化し、板状セラミックス体２００の他方の主面である載置面４７に設置されたウェハＷの温度分布がばらついてしまうという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、ケース４４に設置した均熱板４２を支持部材４６等に固定したとしても均熱板４２の載置面４７の温度均一性に優れ、ウェハＷの温度分布のバラツキがないウェハ加熱装置を提案することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のウェハ加熱装置は、ウェハ加熱面を備えた板状セラミックス体に抵抗発熱体が形成された均熱板と、該均熱板を固定するとともに前記均熱板の一方の主面を覆うケースと、該ケースの外周側を固定する支持部材とからなるウェハ加熱装置において、前記ケースは、固定された均熱板に対して略垂直な側面および略平行な底面を有する有底筒状に形成するとともに、前記ケースの内周面もしくは外周面に前記ケースの変形を防止するための補強部材を、前記ケースのコーナ部に形成したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１〜３を用いて説明する。
【００１６】
図１は本発明に係るウェハ加熱装置１の一例を示す断面図であり、主に、均熱板２、ケース１９、支持部材２５とから形成されている。
【００１７】
均熱板２は，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２００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を形成したものである。
【００１８】
板状セラミックス体２００の厚みは、２〜５ｍｍとすることが好ましい。板状セラミックス体２００の厚みが２ｍｍより薄いと、板状セラミックス体２００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１２から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２００にクラックが発生する。また、板状セラミックス体２００の厚みが５ｍｍを越えると、板状セラミックス体２００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ってしまい好ましくない。
【００１９】
また逆に、板状セラミックス体２００の厚みが小さく熱容量を小さくすると、有底のケース１９からの熱引きにより均熱板２の温度分布が悪くなる。そこで、有底のケース１９の開口部に均熱板２を設けることでケース１９から均熱板２をできる限り遠ざけてケース１９の外周部で保持される構造としている。
【００２０】
なお、板状セラミックス体２００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。
【００２１】
また、板状セラミックス体２００を形成する窒化アルミニウム質焼結体は、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。
【００２２】
さらに、板状セラミックス体２００の載置面３と反対側の主面には、ガラスや樹脂からなる絶縁層（不図示、以下同じ）が形成されており、この絶縁層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。
【００２３】
また、炭化珪素質焼結体を板状セラミックス体２００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２００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２００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、その厚みは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。
【００２４】
一方、板状セラミックス体２００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、板状セラミックス体２００に対する抵抗発熱体５の密着性を向上させるため、上述と同様にガラスからなる絶縁層を形成する。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。
【００２５】
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２００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２００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くなるからである。
【００２６】
なお、ガラスからなる絶縁層を板状セラミックス体２００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２００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２００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。
【００２７】
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。
【００２８】
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虞があるため、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。
【００２９】
抵抗発熱体５のパターン形状としては、略同心円状をしたものや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。均熱性を改善するため、抵抗発熱体５を複数のパターンに分割することも可能である。またパターンの線幅や粗密を調整し、加熱電力密度に分布をつけて均熱性を改善しても良い。
【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、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、ロウ付け等の手法を用いてもよい。
【００３１】
また、これまで、抵抗発熱体５を板状セラミックス体２００の表面に形成するタイプのウェハ加熱装置１について説明してきたが、抵抗発熱体５は、板状セラミックス体２００に埋設されていても構わない。
【００３２】
例えば主成分が窒化アルミニウムからなる板状セラミックス体２００を用いる場合、まず、抵抗発熱体５の材料としては窒化アルミニウムと同時焼成できる材料という観点から、ＷもしくはＷＣを用いる。板状セラミックス体２００は、窒化アルミニウムを主成分とし焼結助剤を適宜含有する原料を十分混合したのち円盤状に成形し、その表面にＷもしくはＷＣからなるペーストを抵抗発熱体５のパターン形状にプリントし、その上に別の窒化アルミニウム成形体を重ねて密着した後、窒素ガス中１９００〜２１００℃の温度で焼成することにより抵抗発熱体５が埋設された板状セラミックス体２００を得ることが出来る。
【００３３】
また、抵抗発熱体５からの導通は、窒化アルミニウム質基材にスルーホールを形成し、ＷもしくはＷＣからなるペーストを埋め込んだ後焼成するようにして表面に電極を引き出すようにすれば良い。また、給電部６は、ウェハＷの加熱温度が高い場合、Ａｕ、Ａｇ等の貴金属を主成分とするペーストを前記スルーホールの上に塗布し９００〜１０００℃で焼き付けることにより、内部の抵抗発熱体５の酸化を防止することができる。
【００３４】
ケース１９は主に金属で形成されているが、これに限定されるものではなく、樹脂等で形成しても良い。尚、金属で形成する場合、アルミニウム、ＳＵＳ、超鋼等を用いることができる。また、ケース１９は、側面２２と底面２３を有し、板状セラミックス体２００は、その抵抗発熱体５が形成された面を覆うように有底のケース１９に固定設置してある。また、有底のケース１９には冷却ガスを排出するための孔２４が施されており、板状セラミックス体２００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２００を冷却するためのガス噴射口１２、板状セラミックス体２００の温度を測定するための測温素子１０を設置してある。
【００３５】
さらに、ケース１９を金属で形成する場合、材質によっても異なるが、一般的なＳＵＳの材質を用いる場合、ケース１９の深さは１０〜５０ｍｍで、ケース１９の底面２３は、均熱板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、均熱板２とケース１９との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の温度が一定で均熱となるまでの時間が短くなるためである。
【００３６】
また、均熱板２には少なくとも３箇所の貫通孔が設けられ、ウェハのリフトピン１４を上下させることにより、均熱板２へウェハを迅速に載置離脱がおこなえる。また、ウェハリフトピン１４が均熱板２へ直接接触しないようにガイド部材１５が設置されている。
【００３７】
支持部材２５は一体のリング状や分割された角形状に形成されており、材質としては炭素鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼等からなり、支持部材２５の内面、特に底面でウェハ加熱装置１を支えている。
【００３８】
本発明のウェハ加熱装置１は、ケース１９の内周部もしくは外周部に変形防止のための補強部材２１を設置してなることを特徴としている。
【００３９】
この補強部材２１はケース１９に設けるボルト１６により締結されている。従来の方法では、ケース１９を設置する支持部材２４の反りや平坦度に問題があると、この反りや平坦度がケース１９を経て板状セラミックス体２００に伝播し、均熱板２の反りや平坦度が悪化するため温度分布が悪くなるという問題が発生していた。
【００４０】
ケース１９の変形を防止するためには、ケース１９の変形応力に対する剛性の高い補強部材２１をケース１９の内周面又は外周面に設置する必要がある。そのためには、補強部材２１が以下のような特性を満足するようにすれば良い。
【００４１】
まず、補強部材２１はケース１９のコーナ部に設けるとケース１９の変形がし難くなり更に好ましい。
【００４２】
図２は本発明に係るケース１９の変形防止用の補強部材２１を示す断面図である。この形状により、円筒状のケース１９角部であるコーナ部の側面及び底面２３に渡って当接しており、ケース１９の変形を防止する効果が大きい。
【００４３】
この理由として、例えばケース１９の底面２３と支持部材２５の上面との平坦度が大きく異なる場合、支持部材２５の上面に倣おうとケース１９の底面２３に曲げモーメントが働きケース１９が変形するが、コーナー部は支持部材２５の曲げモーメントに対抗する曲げモーメントを生じるため、この位置に補強部材２１を備えると支持部材２５の取り付けにより生じる曲げモーメントによる変形を防止できる。
【００４４】
即ち、曲げモーメントは、ｍ＝Ｆ×Ｌ（ｍは曲げモーメント、Ｆは支持部材２５とケース１９又は補強部材２１との接続固定応力、ＬはＦが働く距離である）として表され、反作用として支持部材２５が作り出す曲げモーメントに対抗するには補強部材２１の長さＬが大きい程好ましく、ケース１９の底面２３、側面２２にできるだけ大きな長さＬを確保できるケース１９のコーナ部に補強部材２１があると効果が大きいものである。
【００４５】
また、補強部材２１は、ケース１９の底面２３を保持するが、補強部材２１がケース１９の底面２３と接触する面積は、ケースの総底面積の、２．５〜１００％とすることが好ましい。２．５％未満の場合には、保持が十分でなく、ウェハ加熱装置１に熱応力が加わった時歪みを抑えることができないからである。
【００４６】
本発明の補強部材２１は、ケース１９の側面積も保持するが、ケース１９の外周部に接する補強部材２１の側面積は、ケース１９の側面積の４〜１００％になっている。４％未満の場合には、保持が充分でなく、ウェハ加熱装置１に熱応力が加わった時歪みを抑えることができないからである。
【００４７】
また、図３は、本発明に係るケース１９の変形防止のため、ケース１９の外周面に当接した補強部材２１に加え、内側補強部材１７を内周面に当接するところの断面図を示す。即ち、図３に示すように、ケース１９の内側のコーナ部にあって内周面の側面２２と底面２３のそれぞれに渡って内側補強部材１７が設置されている。この内側補強部材１７により、例えば外周面側からケース１９に力が加わったても側面２２の倒れを防止でき、これによりケース１９の変形が防止され、ウェハ加熱装置１に熱応力が加わった時、歪みを抑える事ができる。
【００４８】
上記のようなウェハ加熱装置１とすることにより、板状セラミックス体２００に形成される平面度を０．００５〜０．１ｍｍ、反りを１００μｍ以下とし、ウェハ加熱装置１のねじり変位を０．０２〜０．２ｍｍとし、板状セラミックス体２００の載置面３に設置したウェハＷの均熱性を向上させることができる。
【００４９】
その他の補強部材２１として、ケース１９を金属で形成する場合、補強部材２１の剛性を保つために、補強部材２１を構成する金属のブリネル硬度を１００以上、好ましくは１８０以上、更に好ましくは２２０以上とする。ブリネル硬度が１００未満であれば、応力に対して補強部材２１が変形しやすくなるので好ましくない。なお、ブリネル硬度は、直径１０ｍｍの圧子を加圧力２９．４２ｋＮで圧入し、圧痕から測定したものである。
【００５０】
他に、補強部材２１の剛性を保つためには、本発明の補強部材２１の板厚みを１〜１０ｍｍとすることが好ましい。前記厚みが１ｍｍ未満では、強度、剛性が十分でなく、また１０ｍｍを越えると強度、剛性は十分であるが、重量が重くなりすぎ、装置全体としての取り扱いに支障をきたすので好ましくない。更に好ましくは２〜７ｍｍである。
【００５１】
従って、補強部材２１の剛性を保つため最も好ましいのは、１〜１０ｍｍ厚みで深さが２０〜３０ｍｍのＳＵＳ製のケース１９に、ブリネル硬度２２０以上、板厚み２〜７ｍｍの補強部材２１を取り付けたウェハ加熱装置１である。
【００５２】
なお、上記補強部材２１に金属からなるケース１９を示したがこれに限定されず、例えば樹脂である場合は、それぞれの樹脂の剛性より大きな補強部材を適宜用いることができる。
【００５３】
ウェハ加熱装置１の他の構成としては、有底のケース１９内に昇降自在に設置されたウェハリフトピン１４により、ウェハＷを載置面３上に載せたり載置面３より持ち上げる作業がなされる。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。
【００５４】
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をウェハリフトピン１４にて支持したあと、ウェハリフトピン１４を降下させてウェハＷを載置面３上に載せる。
【００５５】
さらに、均熱板２を構成する板状セラミックス体２００を炭化珪素質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体により形成する場合、ヤング率が２００ＧＰａ以上と大きく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、板状セラミックス体２００は６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することから、薄い板厚でも抵抗発熱体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。
【００５６】
また、抵抗発熱体５への給電方法については、有底のケース１９に設置した給電端子１１を板状セラミックス体２００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２００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、均熱板２とそのケース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。
【００５７】
また、均熱板２の温度は、板状セラミックス体２００にその先端が埋め込まれた測温素子１０により測定する。測温素子１０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を使用することが好ましい。この測温素子１０の先端部は、板状セラミックス体２００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することも可能である。
【００５８】
【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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
そして、得られた窒化アルミニウ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。
【００６２】
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、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２００を製作した。
【００６３】
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、外径３３０ｍｍの円盤状をした板状セラミックス体２００を複数製作し、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。
【００６４】
次いで板状セラミックス体２００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は直径方向に４分割しパターン配置は、中心部から１パターン、２パターン、４パターン、８パターンの計１５パターン構成とした。しかる後、抵抗発熱体５に給電部６を導電性接着剤にて固着させることにより、均熱板２を製作した。
【００６５】
また、有底のケース１９は、直径３３０ｍｍで底面２３を構成する厚み２．０ｍｍのアルミニウムと側面２２を構成する厚み１．０ｍｍのアルミニウムからなり、底面２３に、ガス噴射口１２、測温素子１０、給電端子１１を所定の位置に取り付けた。また、底面２３から均熱板２までの距離は２０ｍｍとした。その後、前記有底のケース１９の開口部に、均熱板２を重ね、その外周部にボルト１６を貫通させ、均熱板２と有底のケース１９が直接当たらないように、リング状の弾性体を介在させ、ナット２０を螺着し弾性的に固定することによりウェハ加熱装置１とした。
【００６６】
次に図２に示すように有底のケース１９のコーナ部である外周面の側面と底面２３に合わせて断面の高さ１０ｍｍと巾１７.５ｍｍの補強部材２１を所定の位置に取り付けた。ケース１９の底部と補強部材２１にボルト１６を貫通させ、ケース１９と補強部材２１を締結したウェハ加熱装置１を試料Ｎｏ．１とした。
【００６７】
また、上記ウェハ加熱装置１に補強部材２１を取り付けていないウェハ加熱装置１を試料Ｎｏ.２とした。
【００６８】
作製したウェハ加熱装置１の評価は、測温抵抗体が２９箇所に埋設された測温用ウェハを用いて行った。夫々のウェハ加熱装置１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。
【００６９】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００７０】
【表１】
【００７１】
表１から判るように、ケース１９のコーナー部に、補強部材２１を設置しない試料Ｎｏ．２は、ウェハの温度差が１.５℃と大きいことが判る。これに対し、ケース１９のコーナー部に、補強部材２１を設置した試料Ｎｏ．１は、ウェハの温度差が１℃以下と小さく好ましい特性を示した。
【００７２】
従って、ケース１９のコーナー部に設置する、補強部材２１により、ケース１９の変形が防止され、ウェハ加熱装置１に熱応力が加わった時、歪みを抑えることができることが判明した。
（実施例２）
実施例１と同様にウェハ加熱装置１を作製し、補強部材２１として、炭素鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼からブリネル硬度が１００以上の材料を選び、これらの補強部材２１からなるウェハ加熱装置１を作製して、試料Ｎｏ．２１〜２９とした。
【００７３】
そして、実施例１と同様にウェハ加熱装置１の特性を評価した。
その結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
【００７５】
表２から判るように、ブリネル硬度が９０と小さい補強部材２１を用いた試料Ｎｏ．２１は、ウェハの温度差がやや大きいことがわかる。これに対し、ブリネル硬度が１００〜３９０の補強部材２１を用いた試料Ｎｏ．２〜９は、ウェハの温度差が０．９℃以下と小さく、応答時間も６０秒以下と小さく好ましい特性を示した。
【００７６】
従って、補強部材２１のブリネル硬度は、１００以上であることが好ましいことが判明した。
（実施例３）
実施例１と同様の工程でウェハ加熱装置１を作製した。なお、補強部材２１の厚みは０．５〜１２ｍｍの範囲で変化させ作製したウェハ加熱装置１を試料Ｎｏ．３１〜３９とした。なお、補強部材２１のブリネル硬度は１８０とした。
【００７７】
評価は、実施例１と同様の方法で行った。それぞれの結果は表３に示す通りである。
【００７８】
【表３】
【００７９】
表３から判るように、厚みが０．５ｍｍと薄い補強部材２１を用いた試料Ｎｏ．３１は、ウェハの温度差が０．９℃とやや大きかった。また、補強部材２１の厚みが１２ｍｍの、試料Ｎｏ．３９は、ウェハの温度差は０．８℃であるが、ウェハ加熱装置１全体の重さが重く、製品としては同じく扱いにくいものとなった。これに対し、補強部材２１の厚みが、１〜１０ｍｍまでの試料Ｎｏ．３２〜３８までのものは、いずれもウェハＷの温度差は、０.６℃以下と小さく好ましい特性を示した。
【００８０】
従って、補強部材２１の厚みは、１〜１０ｍｍが好ましいことが判明した。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ウェハ加熱面を備えた板状セラミックス体に抵抗発熱体が形成された均熱板と、該均熱板を固定するとともに前記均熱板の一方の主面を覆うケースと、該ケースの外周側を固定する支持部材とからなるウェハ加熱装置において、前記ケースは、固定された均熱板に対して略垂直な側面および略平行な底面を有する有底筒状に形成するとともに、前記ケースの内周面もしくは外周面に前記ケースの変形を防止するための補強部材を、前記ケースのコーナ部に形成したことでウェハの面内温度差を小さくすることができる。これにより、ウェハ加熱装置のケースを支持部材に固定してもケースの変形が小さいことからウェハ表面の温度分布が変化することなく、ウェハ表面の温度が均一なウェハ加熱装置を提供できるものである。
【００８３】
更に、前記ケースを金属で形成するとともに、前記補強部材をブリネル硬度が１００以上の金属で形成することでウェハの面内温度差を小さくすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウェハ加熱装置を示す断面図である。
【図２】本発明のウェハ加熱装置においてケースのコーナ部に形成した補強部材を示す断面図である。
【図３】本発明の他のウェハ加熱装置においてケースのコーナ部に形成した補強部材を示す断面図である。
【図４】従来のウェハ加熱装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１、４１：ウェハ加熱装置
２、４２：均熱板
２００：板状セラミックス体
３、４７：載置面
５、４３：抵抗発熱体
６：給電部
８：支持ピン
１０：測温素子
１１：給電端子
１２：ガス噴射口
１４、４５：リフトピン
１５：ガイド部材
１６：ボルト
１７：補強部材
１８：弾性体
１９、４４：ケース
２０：ナット
２１：補強部材
２２：側面
２３：底面
４６：支持部材
Ｗ：半導体ウェハ
【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、前記ウェハ上にレジスト液を塗布し乾燥焼き付けしてレジスト膜を形成したりする際に好適なウェハ加熱装置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）を加熱するためにウェハ加熱装置が用いられている。
【０００３】
従来の半導体製造装置は、まとめて複数のウェハを成膜処理するバッチ式のものが使用されていたが、半導体素子の配線の微細化に伴い、ウェハ熱処理温度の精度向上が必要となり、温度精度に優れた枚葉式の熱処理装置が広く使用されてきた。
【０００４】
例えば、半導体製造装置の製造工程におけるウェハへの加工において、導体膜や絶縁膜の成膜処理、エッチング処理、レジスト膜の焼き付け処理等には、ウェハを加熱するためにウェハ加熱装置が用いられている。
【０００５】
このようなウェハ加熱装置として、例えば特開２００２−５６９５４号公報には、図４に示すようなウェハ加熱装置が提案されている。
【０００６】
このウェハ加熱装置４１は、アルミニウム等からなる有底状のケース４４の開口部に、板状セラミックス体の一方の主面に発熱抵抗体４３を有し他方の主面にウェハを載せる載置面４７を備えた均熱板４２を固定してある。ウェハ加熱装置４１は、ケース４４の外周面に沿って支持部材４６に固定した構造となっていた。
【０００７】
また、このウェハ加熱装置４１は、支持部材４６の下部に設けられたリフトピン４５によりウェハＷを昇降させることにより、ウェハ加熱装置４１からウェハＷを脱着させるようになっていた。
【０００８】
ところで、このようなウェハ加熱装置４１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したりするためには、ウェハＷの温度分布を均一にすることが重要であった。また、多数のウェハＷを効率的に加熱できるようにするため、加熱冷却のタクトタイムを短くする必要があった。このため、均熱板４２を構成する板状セラミックス体として窒化アルミニウムや炭化珪素等の高熱伝導率で剛性の高いセラミックスを用いて加熱冷却を有利にし、また均熱性を改善するために、均熱板４２に形成される帯状の抵抗発熱体４３の抵抗分布を均一になるように調整したり、帯状抵抗発熱体４３を分割し分割した領域で温度分布を制御したりすることが行われていた。
【０００９】
しかし、いずれも非常に複雑な構造、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均一に加熱できるようなウェハ加熱装置が求められていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ウェハＷを載置する均熱板４２は、ウェハＷの温度分布を均一にするように載置面４７の反りと平面度を調整している。この理由は、均熱板４２に反り等が生じるとウェハＷと載置面４７の間隔が変化しウェハＷの表面の温度差が生じるからである。ウェハＷ表面の温度差が生じると例えばウェハＷのレジスト液を乾燥硬化させる場合、硬化状態が不均一となりレジスト膜が均一とならない虞があった。
【００１１】
しかしながら、従来の均熱板４２をケース４４に設置した状態で上記反りと平面度を保持した状態で、ケース４４を支持部材４６に固定する際、ケース４４が支持部材４６の設置面に倣うように固定されるので、支持部材４６の設置面の反りや平面度の影響を受けて、均熱板４２を構成する板状セラミックス体２００の平面度が変化し、板状セラミックス体２００の他方の主面である載置面４７に設置されたウェハＷの温度分布がばらついてしまうという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、ケース４４に設置した均熱板４２を支持部材４６等に固定したとしても均熱板４２の載置面４７の温度均一性に優れ、ウェハＷの温度分布のバラツキがないウェハ加熱装置を提案することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のウェハ加熱装置は、ウェハ加熱面を備えた板状セラミックス体に抵抗発熱体が形成された均熱板と、該均熱板を固定するとともに前記均熱板の一方の主面を覆うケースと、該ケースの外周側を固定する支持部材とからなるウェハ加熱装置において、前記ケースは、固定された均熱板に対して略垂直な側面および略平行な底面を有する有底筒状に形成するとともに、前記ケースの内周面もしくは外周面に前記ケースの変形を防止するための補強部材を、前記ケースのコーナ部に形成したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１〜３を用いて説明する。
【００１６】
図１は本発明に係るウェハ加熱装置１の一例を示す断面図であり、主に、均熱板２、ケース１９、支持部材２５とから形成されている。
【００１７】
均熱板２は，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２００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を形成したものである。
【００１８】
板状セラミックス体２００の厚みは、２〜５ｍｍとすることが好ましい。板状セラミックス体２００の厚みが２ｍｍより薄いと、板状セラミックス体２００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１２から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２００にクラックが発生する。また、板状セラミックス体２００の厚みが５ｍｍを越えると、板状セラミックス体２００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ってしまい好ましくない。
【００１９】
また逆に、板状セラミックス体２００の厚みが小さく熱容量を小さくすると、有底のケース１９からの熱引きにより均熱板２の温度分布が悪くなる。そこで、有底のケース１９の開口部に均熱板２を設けることでケース１９から均熱板２をできる限り遠ざけてケース１９の外周部で保持される構造としている。
【００２０】
なお、板状セラミックス体２００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。
【００２１】
また、板状セラミックス体２００を形成する窒化アルミニウム質焼結体は、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。
【００２２】
さらに、板状セラミックス体２００の載置面３と反対側の主面には、ガラスや樹脂からなる絶縁層（不図示、以下同じ）が形成されており、この絶縁層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。
【００２３】
また、炭化珪素質焼結体を板状セラミックス体２００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２００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２００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、その厚みは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。
【００２４】
一方、板状セラミックス体２００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、板状セラミックス体２００に対する抵抗発熱体５の密着性を向上させるため、上述と同様にガラスからなる絶縁層を形成する。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。
【００２５】
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２００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２００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くなるからである。
【００２６】
なお、ガラスからなる絶縁層を板状セラミックス体２００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２００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２００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。
【００２７】
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。
【００２８】
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虞があるため、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。
【００２９】
抵抗発熱体５のパターン形状としては、略同心円状をしたものや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。均熱性を改善するため、抵抗発熱体５を複数のパターンに分割することも可能である。またパターンの線幅や粗密を調整し、加熱電力密度に分布をつけて均熱性を改善しても良い。
【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、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、ロウ付け等の手法を用いてもよい。
【００３１】
また、これまで、抵抗発熱体５を板状セラミックス体２００の表面に形成するタイプのウェハ加熱装置１について説明してきたが、抵抗発熱体５は、板状セラミックス体２００に埋設されていても構わない。
【００３２】
例えば主成分が窒化アルミニウムからなる板状セラミックス体２００を用いる場合、まず、抵抗発熱体５の材料としては窒化アルミニウムと同時焼成できる材料という観点から、ＷもしくはＷＣを用いる。板状セラミックス体２００は、窒化アルミニウムを主成分とし焼結助剤を適宜含有する原料を十分混合したのち円盤状に成形し、その表面にＷもしくはＷＣからなるペーストを抵抗発熱体５のパターン形状にプリントし、その上に別の窒化アルミニウム成形体を重ねて密着した後、窒素ガス中１９００〜２１００℃の温度で焼成することにより抵抗発熱体５が埋設された板状セラミックス体２００を得ることが出来る。
【００３３】
また、抵抗発熱体５からの導通は、窒化アルミニウム質基材にスルーホールを形成し、ＷもしくはＷＣからなるペーストを埋め込んだ後焼成するようにして表面に電極を引き出すようにすれば良い。また、給電部６は、ウェハＷの加熱温度が高い場合、Ａｕ、Ａｇ等の貴金属を主成分とするペーストを前記スルーホールの上に塗布し９００〜１０００℃で焼き付けることにより、内部の抵抗発熱体５の酸化を防止することができる。
【００３４】
ケース１９は主に金属で形成されているが、これに限定されるものではなく、樹脂等で形成しても良い。尚、金属で形成する場合、アルミニウム、ＳＵＳ、超鋼等を用いることができる。また、ケース１９は、側面２２と底面２３を有し、板状セラミックス体２００は、その抵抗発熱体５が形成された面を覆うように有底のケース１９に固定設置してある。また、有底のケース１９には冷却ガスを排出するための孔２４が施されており、板状セラミックス体２００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２００を冷却するためのガス噴射口１２、板状セラミックス体２００の温度を測定するための測温素子１０を設置してある。
【００３５】
さらに、ケース１９を金属で形成する場合、材質によっても異なるが、一般的なＳＵＳの材質を用いる場合、ケース１９の深さは１０〜５０ｍｍで、ケース１９の底面２３は、均熱板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、均熱板２とケース１９との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の温度が一定で均熱となるまでの時間が短くなるためである。
【００３６】
また、均熱板２には少なくとも３箇所の貫通孔が設けられ、ウェハのリフトピン１４を上下させることにより、均熱板２へウェハを迅速に載置離脱がおこなえる。また、ウェハリフトピン１４が均熱板２へ直接接触しないようにガイド部材１５が設置されている。
【００３７】
支持部材２５は一体のリング状や分割された角形状に形成されており、材質としては炭素鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼等からなり、支持部材２５の内面、特に底面でウェハ加熱装置１を支えている。
【００３８】
本発明のウェハ加熱装置１は、ケース１９の内周部もしくは外周部に変形防止のための補強部材２１を設置してなることを特徴としている。
【００３９】
この補強部材２１はケース１９に設けるボルト１６により締結されている。従来の方法では、ケース１９を設置する支持部材２４の反りや平坦度に問題があると、この反りや平坦度がケース１９を経て板状セラミックス体２００に伝播し、均熱板２の反りや平坦度が悪化するため温度分布が悪くなるという問題が発生していた。
【００４０】
ケース１９の変形を防止するためには、ケース１９の変形応力に対する剛性の高い補強部材２１をケース１９の内周面又は外周面に設置する必要がある。そのためには、補強部材２１が以下のような特性を満足するようにすれば良い。
【００４１】
まず、補強部材２１はケース１９のコーナ部に設けるとケース１９の変形がし難くなり更に好ましい。
【００４２】
図２は本発明に係るケース１９の変形防止用の補強部材２１を示す断面図である。この形状により、円筒状のケース１９角部であるコーナ部の側面及び底面２３に渡って当接しており、ケース１９の変形を防止する効果が大きい。
【００４３】
この理由として、例えばケース１９の底面２３と支持部材２５の上面との平坦度が大きく異なる場合、支持部材２５の上面に倣おうとケース１９の底面２３に曲げモーメントが働きケース１９が変形するが、コーナー部は支持部材２５の曲げモーメントに対抗する曲げモーメントを生じるため、この位置に補強部材２１を備えると支持部材２５の取り付けにより生じる曲げモーメントによる変形を防止できる。
【００４４】
即ち、曲げモーメントは、ｍ＝Ｆ×Ｌ（ｍは曲げモーメント、Ｆは支持部材２５とケース１９又は補強部材２１との接続固定応力、ＬはＦが働く距離である）として表され、反作用として支持部材２５が作り出す曲げモーメントに対抗するには補強部材２１の長さＬが大きい程好ましく、ケース１９の底面２３、側面２２にできるだけ大きな長さＬを確保できるケース１９のコーナ部に補強部材２１があると効果が大きいものである。
【００４５】
また、補強部材２１は、ケース１９の底面２３を保持するが、補強部材２１がケース１９の底面２３と接触する面積は、ケースの総底面積の、２．５〜１００％とすることが好ましい。２．５％未満の場合には、保持が十分でなく、ウェハ加熱装置１に熱応力が加わった時歪みを抑えることができないからである。
【００４６】
本発明の補強部材２１は、ケース１９の側面積も保持するが、ケース１９の外周部に接する補強部材２１の側面積は、ケース１９の側面積の４〜１００％になっている。４％未満の場合には、保持が充分でなく、ウェハ加熱装置１に熱応力が加わった時歪みを抑えることができないからである。
【００４７】
また、図３は、本発明に係るケース１９の変形防止のため、ケース１９の外周面に当接した補強部材２１に加え、内側補強部材１７を内周面に当接するところの断面図を示す。即ち、図３に示すように、ケース１９の内側のコーナ部にあって内周面の側面２２と底面２３のそれぞれに渡って内側補強部材１７が設置されている。この内側補強部材１７により、例えば外周面側からケース１９に力が加わったても側面２２の倒れを防止でき、これによりケース１９の変形が防止され、ウェハ加熱装置１に熱応力が加わった時、歪みを抑える事ができる。
【００４８】
上記のようなウェハ加熱装置１とすることにより、板状セラミックス体２００に形成される平面度を０．００５〜０．１ｍｍ、反りを１００μｍ以下とし、ウェハ加熱装置１のねじり変位を０．０２〜０．２ｍｍとし、板状セラミックス体２００の載置面３に設置したウェハＷの均熱性を向上させることができる。
【００４９】
その他の補強部材２１として、ケース１９を金属で形成する場合、補強部材２１の剛性を保つために、補強部材２１を構成する金属のブリネル硬度を１００以上、好ましくは１８０以上、更に好ましくは２２０以上とする。ブリネル硬度が１００未満であれば、応力に対して補強部材２１が変形しやすくなるので好ましくない。なお、ブリネル硬度は、直径１０ｍｍの圧子を加圧力２９．４２ｋＮで圧入し、圧痕から測定したものである。
【００５０】
他に、補強部材２１の剛性を保つためには、本発明の補強部材２１の板厚みを１〜１０ｍｍとすることが好ましい。前記厚みが１ｍｍ未満では、強度、剛性が十分でなく、また１０ｍｍを越えると強度、剛性は十分であるが、重量が重くなりすぎ、装置全体としての取り扱いに支障をきたすので好ましくない。更に好ましくは２〜７ｍｍである。
【００５１】
従って、補強部材２１の剛性を保つため最も好ましいのは、１〜１０ｍｍ厚みで深さが２０〜３０ｍｍのＳＵＳ製のケース１９に、ブリネル硬度２２０以上、板厚み２〜７ｍｍの補強部材２１を取り付けたウェハ加熱装置１である。
【００５２】
なお、上記補強部材２１に金属からなるケース１９を示したがこれに限定されず、例えば樹脂である場合は、それぞれの樹脂の剛性より大きな補強部材を適宜用いることができる。
【００５３】
ウェハ加熱装置１の他の構成としては、有底のケース１９内に昇降自在に設置されたウェハリフトピン１４により、ウェハＷを載置面３上に載せたり載置面３より持ち上げる作業がなされる。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。
【００５４】
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をウェハリフトピン１４にて支持したあと、ウェハリフトピン１４を降下させてウェハＷを載置面３上に載せる。
【００５５】
さらに、均熱板２を構成する板状セラミックス体２００を炭化珪素質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体により形成する場合、ヤング率が２００ＧＰａ以上と大きく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、板状セラミックス体２００は６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することから、薄い板厚でも抵抗発熱体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。
【００５６】
また、抵抗発熱体５への給電方法については、有底のケース１９に設置した給電端子１１を板状セラミックス体２００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２００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、均熱板２とそのケース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。
【００５７】
また、均熱板２の温度は、板状セラミックス体２００にその先端が埋め込まれた測温素子１０により測定する。測温素子１０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を使用することが好ましい。この測温素子１０の先端部は、板状セラミックス体２００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することも可能である。
【００５８】
【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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
そして、得られた窒化アルミニウ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。
【００６２】
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、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２００を製作した。
【００６３】
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、外径３３０ｍｍの円盤状をした板状セラミックス体２００を複数製作し、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。
【００６４】
次いで板状セラミックス体２００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は直径方向に４分割しパターン配置は、中心部から１パターン、２パターン、４パターン、８パターンの計１５パターン構成とした。しかる後、抵抗発熱体５に給電部６を導電性接着剤にて固着させることにより、均熱板２を製作した。
【００６５】
また、有底のケース１９は、直径３３０ｍｍで底面２３を構成する厚み２．０ｍｍのアルミニウムと側面２２を構成する厚み１．０ｍｍのアルミニウムからなり、底面２３に、ガス噴射口１２、測温素子１０、給電端子１１を所定の位置に取り付けた。また、底面２３から均熱板２までの距離は２０ｍｍとした。その後、前記有底のケース１９の開口部に、均熱板２を重ね、その外周部にボルト１６を貫通させ、均熱板２と有底のケース１９が直接当たらないように、リング状の弾性体を介在させ、ナット２０を螺着し弾性的に固定することによりウェハ加熱装置１とした。
【００６６】
次に図２に示すように有底のケース１９のコーナ部である外周面の側面と底面２３に合わせて断面の高さ１０ｍｍと巾１７.５ｍｍの補強部材２１を所定の位置に取り付けた。ケース１９の底部と補強部材２１にボルト１６を貫通させ、ケース１９と補強部材２１を締結したウェハ加熱装置１を試料Ｎｏ．１とした。
【００６７】
また、上記ウェハ加熱装置１に補強部材２１を取り付けていないウェハ加熱装置１を試料Ｎｏ.２とした。
【００６８】
作製したウェハ加熱装置１の評価は、測温抵抗体が２９箇所に埋設された測温用ウェハを用いて行った。夫々のウェハ加熱装置１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。
【００６９】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００７０】
【表１】
表１から判るように、ケース１９のコーナー部に、補強部材２１を設置しない試料Ｎｏ．２は、ウェハの温度差が１.５℃と大きいことが判る。これに対し、ケース１９のコーナー部に、補強部材２１を設置した試料Ｎｏ．１は、ウェハの温度差が１℃以下と小さく好ましい特性を示した。
【００７２】
従って、ケース１９のコーナー部に設置する、補強部材２１により、ケース１９の変形が防止され、ウェハ加熱装置１に熱応力が加わった時、歪みを抑えることができることが判明した。
（実施例２）
実施例１と同様にウェハ加熱装置１を作製し、補強部材２１として、炭素鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼からブリネル硬度が１００以上の材料を選び、これらの補強部材２１からなるウェハ加熱装置１を作製して、試料Ｎｏ．２１〜２９とした。
【００７３】
そして、実施例１と同様にウェハ加熱装置１の特性を評価した。
その結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
表２から判るように、ブリネル硬度が９０と小さい補強部材２１を用いた試料Ｎｏ．２１は、ウェハの温度差がやや大きいことがわかる。これに対し、ブリネル硬度が１００〜３９０の補強部材２１を用いた試料Ｎｏ．２〜９は、ウェハの温度差が０．９℃以下と小さく、応答時間も６０秒以下と小さく好ましい特性を示した。
【００７６】
従って、補強部材２１のブリネル硬度は、１００以上であることが好ましいことが判明した。
（実施例３）
実施例１と同様の工程でウェハ加熱装置１を作製した。なお、補強部材２１の厚みは０．５〜１２ｍｍの範囲で変化させ作製したウェハ加熱装置１を試料Ｎｏ．３１〜３９とした。なお、補強部材２１のブリネル硬度は１８０とした。
【００７７】
評価は、実施例１と同様の方法で行った。それぞれの結果は表３に示す通りである。
【００７８】
【表３】
表３から判るように、厚みが０．５ｍｍと薄い補強部材２１を用いた試料Ｎｏ．３１は、ウェハの温度差が０．９℃とやや大きかった。また、補強部材２１の厚みが１２ｍｍの、試料Ｎｏ．３９は、ウェハの温度差は０．８℃であるが、ウェハ加熱装置１全体の重さが重く、製品としては同じく扱いにくいものとなった。これに対し、補強部材２１の厚みが、１〜１０ｍｍまでの試料Ｎｏ．３２〜３８までのものは、いずれもウェハＷの温度差は、０.６℃以下と小さく好ましい特性を示した。
【００８０】
従って、補強部材２１の厚みは、１〜１０ｍｍが好ましいことが判明した。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ウェハ加熱面を備えた板状セラミックス体に抵抗発熱体が形成された均熱板と、該均熱板を固定するとともに前記均熱板の一方の主面を覆うケースと、該ケースの外周側を固定する支持部材とからなるウェハ加熱装置において、前記ケースは、固定された均熱板に対して略垂直な側面および略平行な底面を有する有底筒状に形成するとともに、前記ケースの内周面もしくは外周面に前記ケースの変形を防止するための補強部材を、前記ケースのコーナ部に形成したことでウェハの面内温度差を小さくすることができる。これにより、ウェハ加熱装置のケースを支持部材に固定してもケースの変形が小さいことからウェハ表面の温度分布が変化することなく、ウェハ表面の温度が均一なウェハ加熱装置を提供できるものである。
【００８３】
更に、前記ケースを金属で形成するとともに、前記補強部材をブリネル硬度が１００以上の金属で形成することでウェハの面内温度差を小さくすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウェハ加熱装置を示す断面図である。
【図２】本発明のウェハ加熱装置においてケースのコーナ部に形成した補強部材を示す断面図である。
【図３】本発明の他のウェハ加熱装置においてケースのコーナ部に形成した補強部材を示す断面図である。
【図４】従来のウェハ加熱装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１、４１：ウェハ加熱装置
２、４２：均熱板
２００：板状セラミックス体
３、４７：載置面
５、４３：抵抗発熱体
６：給電部
８：支持ピン
１０：測温素子
１１：給電端子
１２：ガス噴射口
１４、４５：リフトピン
１５：ガイド部材
１６：ボルト
１７：補強部材
１８：弾性体
１９、４４：ケース
２０：ナット
２１：補強部材
２２：側面
２３：底面
４６：支持部材
Ｗ：半導体ウェハ
Claims (1)
- ウェハ加熱面を備えた板状セラミックス体に抵抗発熱体が形成された均熱板と、該均熱板を固定するとともに前記均熱板の一方の主面を覆うケースと、該ケースの外周側を固定する支持部材とからなるウェハ加熱装置において、前記ケースは、固定された均熱板に対して略垂直な側面および略平行な底面を有する有底筒状に形成するとともに、前記ケースの内周面もしくは外周面に前記ケースの変形を防止するための補強部材を、前記ケースのコーナ部に形成したことを特徴とするウェハ加熱装置。
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