JP3933174B2 - ヒータユニットおよびそれを備えた装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に半導体基板やフラットディスプレイパネル基板を加熱する際に用いるヒータユニットおよびそれを搭載した製造・検査装置に関するものであり、特にフォトリソグラフィ工程で用いる加熱処理装置、または半導体基板の最終検査工程で用いる加熱処理装置に関するものである。

被加熱物を搭載してこれを加熱処理できる装置は数多く開発されており、このうち特に被加熱物の温度分布の均一性（以下、均熱性）が要求されるものとして半導体の生産やフラットディスプレイパネルの生産において半導体基板やガラス基板などの加熱に利用されるヒータユニットが挙げられ、例えばリソグラフ工程において基板上に塗布したレジスト液を加熱乾燥するために用いられたり、あるいは基板の検査を所望の温度で行うための昇温に用いられたりしている。

これら半導体の生産やフラットディスプレイパネルの生産では、連続操業による大量生産によって製品の低価格化が競われており、このため製造・検査装置ではタクトタイムの短縮化が要望されている。１台の装置で高いスループットを得るには、温度維持時間中の被処理材の処理時間はもちろんのこと、処理条件の変更に伴う、ヒータ温度変更に要する時間（昇温時間、冷却時間）を短くしていく必要がある。

このため、すでに本発明者らは、加熱されたヒータ基板に、所望の熱容量を有する冷却ブロックを当接することによって、ヒータ基板およびこのヒータ基板に戴置した被加熱物の温度を短時間で下げることを可能とし、その結果、熱処理工程の所要時間を低減する発明を行った（特開２００４−０１４６５５）。

図１に、特許文献１のヒータユニットの断面模式図を示す。このヒータユニットは、ヒータ基板２、ヒータ基板２を迅速に冷却するための冷却ブロック３、ヒータの熱が生産装置に伝わりにくいよう遮蔽するための容器８からなるヒータユニットである。

ヒータ基板２は、ヒータ基体下面に発熱体回路を例えば渦巻状に配設したうえで電気絶縁膜をコーティングして作製してあり、これに給電するための配線４や、ヒータ温度をモニタするための温度センサ５が接続されている。

冷却ブロック３には冷媒流路が形成されてあり、これに冷媒を流通させることができる。冷却ブロック３はエアシリンダなどからなる昇降機構７を以って上下に駆動することができ、ヒータ基板２に対して当接あるいは／および分離できるようになっている。冷却ブロック３および容器８には、ロッド９や給電配線４、温度センサ５を挿通するための貫通孔が設けられてある。ヒータ基板２と冷却ブロック３とを容器８に収容し、ロッド９で容器に対してヒータ基板を支持し、ヒータユニットを構成する。

次に、このヒータユニットを用いて被加熱物に対し熱処理を施す手順について述べる。まず、低温状態にあるヒータ基板２の発熱体回路に通電してヒータ基板２を昇温させる。その後、ヒータ基板上にウェハ等の被加熱物を搭載することにより、被加熱物が昇温される。６０〜１８０秒程度の加熱処理が終わると、ヒータ基板２上から被加熱物が取り出され、次の被加熱物がヒータ基板２上に搭載される。必要量の加熱処理が終了した後、別プロセスの加熱処理のため、温度条件変更を行う。高い温度側への変更の場合、そのまま通電条件を変更して温度変更するのに対して、低い温度側への変更の場合、ヒータへの通電を一旦停止して、しかるのち、冷却ブロック３を昇降機構を以ってヒータ基板２に対して当接させ、ヒータ基板２の熱を冷却ブロック３に逃がすことによって、ヒータ基板２ひいては被加熱物Ｓの温度を急激に低下せしめる。このとき、冷却ブロック３の冷媒流路には冷却水などの冷媒を流すことが可能であり、冷却ブロック３に伝わった熱はこの冷媒に吸収させて排出することにより、ユニット外へ効果的に排熱することができる。その後、ヒータ制御用センサーが概ね、設定温度になったことを検知して、設定温度維持のため、再度ヒータ回路に通電が開始される。このようにして、冷却時の温度条件変更を短時間に行うことにより、スループット向上を図ることができる。

図２に、従来のヒータユニットにおける、ヒータ基板２と、これに当接／分離可能な冷却ブロック３の断面模式図を示す。図２で、（ａ）は冷却ブロック３分離時、（ｂ）は当接時の状態を表している。

図２のヒータ基板２は、ヒータ基体２２の被加熱物載置面（以下、ヒータ基板の主面、と称する）に対する裏面（以下、ヒータ基板の裏面、と称する）に発熱体回路２１を例えば渦巻状に配設した上に、電気絶縁膜２３をコーティングして作製されてあり、冷却ブロック３が当接した際に直接接触するのは、この絶縁膜２３であり、特に発熱体回路２１上にコーティングされた絶縁膜である。

絶縁膜２３は、例えばペースト状の母材をスクリーン印刷によりヒータ基板２裏面の全面に塗布し、脱脂焼結することによって形成することができ、材質としては、ヒータ基板２の熱膨張曲線に近似した熱膨張曲線を有する絶縁性の材料、例えば、結晶化ガラスやグレーズガラス、耐熱性を有する有機物を用いることが出来る。

ところが、従来のヒータユニットにおいて、ヒータ基板主面は、被加熱物を載置するためにその表面粗さや平面度を高められているが、ヒータ基板裏面に関しては、加工費低減のため、主面ほどの表面粗さや平面度を求めなかった。ここで、平面度とは、当該面を間に挟む互いに平行な２つの平面で、その距離が最も短い２平面を想定したときの、その２平面間距離をいう。

このように、ヒータ基板２の裏面のベースとなるヒータ基体２２の裏面は平面度が低い場合があった。また、図２の従来例の場合では、ヒータ基体２２の裏面上に発熱体回路パターン２１を形成してあるが、この厚みはバラツキを持つため、平面度を悪化させていた。さらにこの発熱体回路パターン２１上の凹凸面に絶縁膜２３を形成してあるが、平坦な面に形成した場合と比べて、その厚みにバラツキが生じていた。また、絶縁膜２３の母材ペーストは脱脂焼結により大幅に厚みが薄くなるため、スクリーン印刷ではペーストを数回重ね印刷して厚めに塗布するが、この重ね印刷も大きな厚みバラツキの発生要因となっていた。

このため、ヒータ基板２の裏面の平面度は、ヒータ基体２２が元々持つ平面度に加え、発熱体回路２１の厚みバラツキと絶縁膜２３の厚みバラツキが重畳されたものとなっていた。このようなヒータ基板２と冷却ブロック３を当接させた場合、図２（ｂ）に示す如く、ヒータ基板２の裏面と冷却ブロック３の間には隙間が生じる。この隙間は、ヒータ基板２から冷却ブロック３への放熱を阻害する要因となり、冷却速度を低下させていた。

またヒータと冷却モジュールとの接触状態が接触面全体にわたって理想的に十分でない限り、接触状態が完全である部位は早く冷却され、不完全である部位は冷却されにくいというふうに、冷却時のヒータの温度均一性が大きく乱れてしまうといった問題点があった。この接触状態の不完全さは、例えば、ヒータおよび冷却モジュールの当接面の平面度、機械加工によって発生する工業製品として避けられないような部分的な凹凸、突起、傷、ばり、かえり、異物によるものと考えられる。

また、前記に示すように可動式冷却モジュールを用い十分に冷却されている冷却モジュールを動作させ、加熱ヒータに接触させる場合においては、接触直後に冷却モジュールの接触面と接触面の裏面の間に温度勾配が発生することにより、接触面の熱膨張が裏面のそれを大きく上回って、バイメタル的な変形を助長し、冷却モジュール自体が反って、更にヒータとの接触が不十分になってしまう問題点があった。また可動式冷却モジュールを加熱ヒータに接触させる場合、傾いて接触するようなことなく面全体に理想的に同時刻に接触できているか、接触の押圧は面全体に均一か等、理想的な状態を工業製品として安価に作り出すには非常に困難な課題を抱えていた。
特開２００４−０１４６５５号公報

近年の半導体生産やフラットディスプレイパネルの生産においては、さらなる微細加工の高精度化あるいは大口径・大面積化を高スループット化で進められる必要があり、熱処理工程の均熱精度は、昇温中や温度維持中はもとより、冷却中においても従来よりさらに高い精度が求められるようになってきている。

本発明は、以上のような問題点を鑑みてなされたものであり、冷却中、特に急速冷却中の被加熱物の均熱精度をさらに改善することを課題とした。その改善により、特に半導体装置あるいは／およびフラットディスプレイパネルの製造プロセスにおいて、降温側への温度条件変更時にヒータの面内温度ばらつきを最小限にすることができ、所定の温度に達した後、すみやかに次条件での加熱プロセスを実施することができる。

面内温度ばらつきの安定を含む冷却の温度変更にかかる所要時間をさらに短縮化すること、ひいてはこの熱処理工程を経て製造される半導体装置やフラットディスプレイパネルの生産性、性能、歩留まり、信頼性を向上させることを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、被加熱物を搭載して加熱処理するためのヒータ基板と、該ヒータ基板を冷却するための冷却モジュールを備えたヒータユニットにおいて、前記ヒータ基板と冷却モジュールの間に介在物を配置することで、介在物の変形能を利用して、介在物が配置されない場合に比べて非接触部分の割合を少なくすることができることを見出した。ヒータ基板と冷却モジュールの界面が２層になるにもかかわらず、接触状態が改善されることにより、冷却時のヒータ基板の温度均一性を向上させることをできることを見出した。

前記冷却モジュールを可動式にすることによって、通常加熱時にはヒータ基板に対して冷却モジュールが離れた位置にあり、冷却時に介在物を介する形で、動作してヒータ基板に接触させることにより、介在物が変形し、ヒータ基板裏面全体に冷却モジュールをほぼ接触させることができるようになり、冷却時のヒータ部分の温度均一性を向上させることができる。また凡そ面全体に均一に接触できる機能を有することにより、ヒータ基板および冷却モジュールの当接面の平面度、および機械加工によって発生する工業製品として避けられないような部分的な凹凸、突起、傷、ばり、かえり、異物等の表面状態を吸収し、冷却時に該ヒータ基板の熱量を冷却モジュール側に均一に伝達でき、更に冷却時のヒータ部分の温度均一性を向上させることができる。

前記介在物の厚みを、０．３ｍｍ以上にすることにより、ヒータ基板および冷却モジュールの平面度のばらつき、上記表面状態、または冷却モジュールの接触時に発生する反りを吸収することができ、また部分的に強固に接触する部分をなくし、面全体に接触できるようになる。また３ｍｍ以下にすることにより、冷却速度の低下を抑えることができる。

前記介在物を、発泡金属あるいは金属メッシュとすれば、ヒータ基板および冷却モジュールの平面度のばらつき、上記表面状態、または冷却モジュールの接触時に発生する反りを吸収することができ、部分的に強固に接触する部分をなくし、面全体に接触できるようになる。

前記介在物を、フッ素樹脂、ポリイミド、シリコン樹脂のいずれかとすれば、上記と同じ効果を得ることができる。また、介在物を、ニッケルを基材とした発泡金属にすることにより、半導体プロセスへの悪影響を防止することができる。

また、前記介在物は、冷却モジュール側に、ねじ、あるいはリベット等を用いて機械的に固定することにより、接着剤成分を用いて固定した場合に比べて、アウトガスの懸念や昇降温のヒートサイクルによる剥離等による面内接触性の悪化を防止することができる。

また、介在物に面する該ヒータ基板の平面度を、３００μｍ以下にすることにより、上記介在物との面内接触性を維持することができる。また、介在物に面する冷却モジュールの平面度を、３００μｍ以下にすることにより、上記介在物との面内接触性を維持することができる。

また、ヒータ基板の主成分を窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、銅、アルミ、ニッケル、シリコンからなる群から選ばれた少なくとも１種類にすることにより、熱伝導率が高いため、ヒータとして高い昇温特性が得られるだけでなく、上記介在物を介して冷却モジュールへの早い熱放散が可能となり、十分な冷却特性を得ることができる。

前記冷却モジュールの主成分を銅、アルミ、ニッケル、マグネシウム、チタンからなる群から選ばれた少なくとも１種類にすることにより、熱伝導率が高いため、上記介在物を介して冷却モジュールへの早い熱放散が可能となり、十分な冷却特性を得ることができる。

冷却時のヒータの温度均一性は、高スループットの観点から、重要性が高まってきており、上記のヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、またはフラットパネルディスプレイの製造検査装置への適用が期待できる。

本発明によれば、冷却開始から終了までの温度分布をより均一にできるヒータユニットを提供することが出来る。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、またはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置は、従来の装置よりも冷却時のヒータの温度分布がより均一になるので、降温側への温度条件変更直後の半導体やフラットディスプレイパネルの性能、歩留まりの安定が容易であり、信頼性の向上が図れる。

また、本発明によれば、冷却に要する時間が短縮化されたヒータユニットを提供することが出来る。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、またはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置では、従来の装置よりも熱処理工程の所要時間が短縮化できるので、半導体やフラットディスプレイパネルの生産性の向上が図れる。

本発明の実施の形態を、図３を参照して説明する。図３は本発明の実施形態の一例であり、ヒータ基体２２の裏面に発熱体回路２１および電気絶縁膜２３が配設されたヒータ基板２と、これに当接／分離可能な冷却ブロック３の断面模式図であって、（ａ）は分離時、（ｂ）は当接時を示す。

ヒータ基板２は、ヒータ基体２２の裏面に発熱体回路２１を例えば渦巻状に配設したうえで電気絶縁膜２３をコーティングして作製してあり、これに給電するための配線４や、ヒータ温度をモニタするための温度センサ５が接続されている。

冷却ブロック３には冷媒流路が形成されてあり、これに冷媒を流通させることができる。冷却ブロック３はエアシリンダなどからなる昇降機構を以って上下に駆動することができ、ヒータ基板２に対して、当接／分離できるようになっている。冷却ブロックおよび容器には、ロッドや給電配線、温度センサを挿通するための貫通孔が設けられてある。

ここで、本発明ではヒータ基板２の裏面、および冷却ブロックの当接面の間に、相対的に柔らかい介在物３２を挿入する。このようにすることによって、冷却ブロック３をヒータ基板２に当接させた際には、図３（ｂ）に示す如く、より全面均一に当接できるようになり、両者間に生じる隙間距離のバラツキを従来より低減することができる。その結果、両者の接触面積を含めた密着性が増加することから冷却ブロックによる冷却効果が当接面内で均一化し、冷却過程におけるヒータ基板２の均熱性が向上する。

前記介在物の厚みは、０．３〜３ｍｍが好ましい。介在物の相対的に柔らかい材料は、発泡金属、金属メッシュ、フッ素樹脂、ポリイミド、シリコン樹脂等の群から選択されることが好ましい。また、発泡金属の場合、ニッケルセルメットが好ましい。また介在物は、冷却モジュールに機械的に固定されていることが好ましい。また、ヒータおよび冷却ブロックの当接する面の平面度は、それぞれ、３００μm以下であることが好ましい。

また、ヒータ基板の主成分は窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、銅、アルミニウム、ニッケル、シリコンからなる群から選択されることが好ましい。更に本発明のヒータ基板に用いるヒータ基体の材質は、できればセラミックスが好ましい。金属を用いた場合は、デバイス製造プロセスの微細加工プロセスで忌避されるパーティクルが発生し、ウェハ上に付着するという問題があるからである。セラミックスとしては、温度分布の均一性を重視するならば、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや炭化ケイ素が好ましい。また、信頼性を重視するならば、窒化珪素が高強度で熱衝撃にも強いので好ましい。コストを重視するのであれば、酸化アルミニウムが好ましい。

また、冷却モジュールの主成分は、熱伝導性の良い銅、アルミニウム、ニッケル、マグネシウム、チタンからなる群から選ばれた少なくとも１種類にすることが好ましい。

以上に示した本発明によるヒータユニットは、半導体製造・検査装置、またはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置に搭載することが好ましい。そのようにすることによって、従来の装置よりもヒータの温度分布がより均一になり、半導体やフラットディスプレイパネルの性能、歩留まり、信頼性の向上が図れる。また、従来の装置よりも熱処理工程の所要時間が短縮化され、半導体やフラットディスプレイパネルの生産性向上が図れる。

本発明のヒータユニットのヒータ基板の材質は、前記セラミックスの中でも、性能とコストのバランスを考慮すれば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好適である。以下に、本発明のヒータ基板の製造方法をＡｌＮの場合で詳述する。

ＡｌＮの原料粉末は、比表面積が２．０〜５．０ｍ^２／ｇのものが好ましい。比表面積が２．０ｍ^２／ｇ未満の場合は、窒化アルミニウムの焼結性が低下する。また、５．０ｍ^２／ｇを超えると、粉末の凝集が非常に強くなるので取扱いが困難になる。更に、原料粉末に含まれる酸素量は、２ｗｔ％以下が好ましい。酸素量が２ｗｔ％を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、２０００ｐｐｍ以下が好ましい。金属不純物量がこの範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物として、ＳｉなどのＩＶ族元素や、Ｆｅなどの鉄族元素は、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、含有量は、それぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

ＡｌＮは難焼結性材料であるので、ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中に窒化アルミニウム粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるいはアルミニウム酸窒化物と反応して、窒化アルミニウムの緻密化を促進するとともに、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上させることができる。

希土類元素化合物は、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。添加量は、０．０１〜５ｗｔ％が好ましい。０．０１ｗｔ％未満であると、緻密な焼結体を得ることが困難であるとともに、焼結体の熱伝導率が低下する。また、５ｗｔ％を超えると、窒化アルミニウム焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に、好ましくは焼結助剤の添加量は、１ｗｔ％以下である。１ｗｔ％以下であれば、粒界の３重点にも焼結助剤の存在量が大幅に少なくなるので、耐食性が向上する。

また、希土類元素化合物は、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。この中で、酸化物は安価で入手が容易であり好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、窒化アルミニウム原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。

次に、これら窒化アルミニウム原料粉末や焼結助剤粉末に、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加し、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合等が可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。

得られたスラリーを成形し、焼結することによって窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。その方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の２種類の方法が可能である。

まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作成する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時、プレス圧力は、９．８ＭＰａ以上であることが望ましい。９．８ＭＰａ未満の圧力では、成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなる。

成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、１．５ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。１．５ｇ／ｃｍ^３未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行しにくくなる。また、成形体密度は、２．５ｇ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。２．５ｇ／ｃｍ^３を超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となる。このため、前述のように緻密な焼結体を得ることが困難となる。

次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、ＡｌＮ粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。脱脂処理の加熱温度は、５００℃以上、１０００℃以下が好ましい。５００℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができないので、脱脂処理後の成形体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、１０００℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、ＡｌＮ粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。

また、脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。１．０ｗｔ％を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。

次いで、焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時、使用する窒素などの雰囲気ガスに含有する水分は、露点で−３０℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時にＡｌＮが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、０．００１ｖｏｌ％以下であることが好ましい。酸素量が多いと、ＡｌＮの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。

更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有するとともに、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に成形体が収縮する際の治具と成形体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない、すなわち変形の少ない焼結体を得ることができる。

得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程の導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下であることが好ましい。５μｍを超えるとスクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみやピンホールなどの欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはＲａで１μｍ以下であればさらに好適である。

上記表面粗さを得るために研磨加工する際には、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。

また、この時、両加工面の平行度は０．５ｍｍ以下であることが好ましい。平行度が０．５ｍｍを超えるとスクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。さらに、スクリーン印刷する面の平面度は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍを超える平面度の場合にも、導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。

研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導体ペーストは、金属粉末と必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末は、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。また、銀やパラジウム、白金などの混合物や合金を用いることもできる。

また、ＡｌＮとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、ＩＩａ族元素やＩＩＩａ族元素の酸化物やＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などが好ましい。特に、酸化イットリウムはＡｌＮに対する濡れ性が非常に良好であるので、好ましい。これらの酸化物の添加量は、０．１〜３０ｗｔ％が好ましい。０．１ｗｔ％未満の場合、形成した電気回路である金属層とＡｌＮとの密着強度が低下する。また３０ｗｔ％を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。

次にこれらの粉末を十分に混合し、バインダー、溶剤を加え導電ペーストを作製する。これを用いてスクリーン印刷によって回路パターンを形成する。導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、５μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。厚みが５μｍ未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎるとともに、密着強度も低下する。また、厚みが１００μｍを超える場合も、密着強度が低下する。

また、形成する抵抗発熱体のパターン間隔は０．１ｍｍ以上が好適である。０．１ｍｍ未満の間隔では、抵抗発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートする。特に、５００℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は１ｍｍ以上とすることが好ましく、３ｍｍ以上であれば更に好ましい。また抵抗発熱体パターンだけではなく、ＲＦ電極、静電チャック用電極をスクリーン印刷によって形成することも可能である。

次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成する。脱脂は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。脱脂温度は５００℃以上が好ましい。５００℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分で金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。

焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１５００℃以上の温度で行うのが好適である。１５００℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中の含有する焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。

次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、電気回路との反応性が小さく、ＡｌＮとの熱膨張係数差が、５．０ｘ１０^−６／Ｋ以下であれば特に制約はない。例えば、結晶化ガラスやＡｌＮ等が使用できる。これらの材料を例えばペースト状にして、所定の厚みのスクリーン印刷を行い、必要に応じて脱脂を行った後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。

塗付する膜厚としては、特に規定はないが、５μｍ以上であることが好ましい。これ以下の膜厚では、目的とする絶縁性が得られにくいため好ましくない。

また金属層の材質として、Ｗ等の高融点金属を使用する場合、絶縁層として、結晶化ガラスやグレーズガラス、有機樹脂などを塗布し、焼成、もしくは硬化させることで絶縁層を形成することもできる。ガラスの種類としては硼珪酸ガラス、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、などが使用できる。これら粉末に有機溶剤やバインダーを添加し、ペースト状にし、スクリーン印刷により塗布する。塗布する厚みに特に制限はないが、上記と同様５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満では、絶縁性を確保することが困難となるからである。このときの焼成温度としては、特に制約はないが、金属層が耐酸化性を有していないため、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中が好ましい。

また、導電ペーストとして、銀やパラジウム、白金などの混合物や合金を使用することも可能である。これらの金属は、銀の含有量に対してパラジウムや白金を添加することによって、導体の体積抵抗率が増加するため、回路パターンに応じてその添加量を調整すればよい。またこれらの添加物は回路パターン間のマイグレーションを防止する効果があるため、銀１００重量部に対して、０.１重量部以上添加することが好ましい。

これらの金属粉末に、ＡｌＮとの密着性を確保するために、金属酸化物を添加することが好ましい。例えば酸化アルミニウムや酸化ケイ素、酸化銅、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化鉛、希土類酸化物、遷移金属元素酸化物、アルカリ土類金属酸化物などを添加することができる。添加量としては、０.１ｗｔ％以上、５０ｗｔ％以下が好ましい。含有量がこれより少ないと、窒化アルミニウムとの密着性が低下するため好ましくない。また、含有量がこれより多いと、銀等の金属成分の焼結が阻害されるため好ましくない。

これら金属粉末と無機物の粉末を混合し、更に有機溶剤やバインダーを添加し、ペースト状にし、上記同様スクリーン印刷により回路形成することができる。この場合、形成した回路パターンに対して、窒素などの不活性ガス雰囲気中もしくは大気中にて７００℃から１０００℃の温度範囲にて焼成する。

更にこの場合、回路間の絶縁を確保するために、結晶化ガラスやグレーズガラス、有機樹脂などを塗布し、焼成、もしくは硬化させることで絶縁層を形成することができる。ガラスの種類としては硼珪酸ガラス、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、などが使用できる。これら粉末に有機溶剤やバインダーを添加し、ペースト状にし、スクリーン印刷により塗布する。塗布する厚みに特に制限はないが、上記と同様５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満では、絶縁性を確保することが困難となるからである。また焼成温度としては、上記回路形成時の温度より低温であることが好ましい。上記回路焼成時より高い温度で焼成すると、回路パターンの抵抗値が大きく変化するため好ましくない。

次に、必要に応じて更にセラミックス焼結体を積層することができる。積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、ＩＩａ族元素化合物やＩＩＩａ族元素化合物とバインダーや溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。このとき、形成された金属層が接合層と反応することがあるため、金属層には上記に記載したような窒化アルミニウムを主成分とした保護層が形成されていることがより好ましい。

接合剤を塗布したセラミックス焼結体を、非酸化性雰囲気中、５００℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス焼結体を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス焼結体同士を接合する。荷重は、５ｋＰａ以上であることが好ましい。５ｋＰａ未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、もしくは前記接合欠陥が生じやすい。

接合するための加熱温度は、セラミックス焼結体同士が接合層を介して十分密着する温度であれば、特に制約はないが、１５００℃以上であることが好ましい。１５００℃未満では、十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂ならびに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。

以上のようにして、ヒータ基板となるセラミックス積層焼結体を得ることができる。なお、電気回路は、導電ペーストを用いずに、例えば、ヒータ回路であれば、モリブデン線（コイル）、静電吸着用電極やＲＦ電極などの場合には、モリブデンやタングステンのメッシュ（網状体）を用いることも可能である。

この場合、ＡｌＮ原料粉末中に上記モリブデンコイルやメッシュを内蔵させ、ホットプレス法により作製することができる。ホットプレスの温度や雰囲気は、前記ＡｌＮの焼結温度、雰囲気に準ずればよいが、ホットプレス圧力は、０．９８ＭＰａ以上加えることが望ましい。０．９８ＭＰａ未満では、モリブデンコイルやメッシュとＡｌＮの間に隙間が生じることがあるので、ヒータ基板の性能が出なくなることがある。

次に、コファイアー法について説明する。前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは、乾燥後で３ｍｍ以下が好ましい。シートの厚みが３ｍｍを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。

上述したシート上に所定形状の電気回路となる金属層を、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより形成する。導電ペーストは、ポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障はない。

次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は、１５０℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は、１〜１００ＭＰａの範囲が好ましい。１ＭＰａ未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、１００ＭＰａを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなりすぎる。

この積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結の温度や、炭素量等はポストメタライズ法と同じである。前述した、導電ペーストをシートに印刷する際に、複数のシートにそれぞれヒータ回路や静電吸着用電極等を印刷し、それらを積層することで、複数の電気回路を有するヒータ基板を容易に作成することも可能である。このようにして、ヒータ基板となるセラミックス積層焼結体を得ることができる。

なお、発熱体回路などの電気回路が、セラミックス積層体の最外層に形成されている場合は、電気回路の保護と絶縁性の確保のために、前述のポストメタライズ法と同様に、電気回路の上に絶縁性コートを形成することができる。

得られたセラミックス積層焼結体は、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、半導体製造装置で要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物搭載面の平面度は０．５ｍｍ以下が好ましく、さらには０．１ｍｍ以下が特に好ましい。平面度が０．５ｍｍを超えると、被処理物とヒータ基板との間に隙間が生じやすくなり、ヒータ基板の熱が被処理物に均一に伝わらなくなり、被処理物の温度ムラが発生しやすくなる。

また、被処理物搭載面の面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。Ｒａで５μｍを超えると、ヒータ基板と被処理物との摩擦によって、ＡｌＮの脱粒が多くなることがある。この時、脱粒した粒子はパーティクルとなり、被処理物上への成膜やエッチングなどの処理に対して悪影響を与えることになる。さらに、表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば、好適である。

以上のようにして、ヒータ基板を得ることができる。このヒータ基板と冷却もジュールを容器に収納すれば、安定した均熱性の得られるヒータユニットとすることができる。

本発明に係る実施例として、図１および図３に示したヒータユニットを製作した。ヒータ基体２２としては、１００重量部の窒化アルミニウム粉末と０．６重量部のステアリン酸イットリウム粉末を混合し、ポリビニルブチラールをバインダ、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ１０重量部、５重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作製後、プレス成形し、７００℃窒素雰囲気下で脱脂し、窒素雰囲気中、１８５０℃で焼結し、窒化アルミニウム焼結体を作製した。なお、窒化アルミニウム粉末は、平均粒径０．６μｍ、比表面積３．４ｍ^２／ｇのものを使用した。前記窒化アルミニウム焼結体を加工し、直径３３０ｍｍ、厚さは１２ｍｍとした。

また、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末を１００重量部として、Ｙ_２Ｏ_３を１重量部と、５重量部のバインダであるエチルセルロースと、溶剤としてブチルカルビトールを用いてＷペーストを調製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このＷペーストを用い、スクリーン印刷で前記加工した窒化アルミニウム焼結体上に発熱体回路パターンを形成した。その後、９００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中１８００℃で焼成して、厚さ２０μｍの発熱体回路２１を形成した。この際、ヒータの平面度が保てるように焼成治具の平面度を厳しく管理し、ヒータ裏面の平面度が、２００μｍとなるように製作した。

発熱体回路を形成した面に、ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系のガラスペーストを塗布し、窒素雰囲気中７００℃で焼成して、厚さ８０μｍの絶縁膜２３を形成した。また、給電部には、ネジ止めによりタングステン端子を取付け、更にタングステン端子にニッケル電極をネジ止めし、ヒータ基板２を完成させた。さらに、ヒータ基板２には、温度をモニタするための温度センサ５を埋設し、発熱体回路２１には給電配線４を接続して通電可能とした。

冷却ブロック３としては、直径３３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのアルミニウム合金板を用意した。この冷却ブロックは、ヒータと接触する側の面の平面度が２００μｍとなるように機械加工で製作された。さらにこれらの板には直径６ｍｍ、内径４ｍｍのリン脱酸銅パイプを曲げ加工して、冷却水を流すことが出来る流路を形成した。また、流路の両端には冷却水を供給・排出するための入口および出口を形成した。さらに、給電配線４、温度センサ５、およびヒータ基板２を支持するロッド９を挿通するための貫通孔を形成した。これらの板をネジ止めにより固定し、内部に流路を有する冷却ブロック３を完成した。この冷却ブロック３は、エアシリンダなどからなる昇降機構７によって、上下可動となってあり、ヒータ基板に当接・分離することができる。

容器８はステンレスからなり、側壁は内面高さ３０ｍｍ、内径３３３ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、底面は厚さ３ｍｍとして給電配線４、温度センサ５、および容器８に対してヒータ基板２を支持するためのロッド９を締結するための開口が設けた。

以上のヒータ基板２、冷却ブロック３、容器８を、ロッド９や昇降機構７などを用いて組み付けて、ヒータユニットを完成した。

なお、冷却ブロックの当接面には、表１に示した種類の介在物を取り付け、各ヒータユニットを作製した。被加熱物としては、白金測温抵抗体を１７点埋設した公知のウェハ温度計を用い、被加熱物の温度分布をモニタすることとした。実際のプロセスでは、冷却中にウェハがそのままヒータユニットに入っていることはないが、冷却時のヒータ基板２の均熱度合いを測定するため、冷却時にもウェハ温度計を入れておき、その面内温度バラツキ（１７点の測温抵抗体の最高温度と最低温度の差）を測定した。

ヒータ基板２の発熱体回路２１に通電し、１８０℃まで昇温後、ウェハ温度計を挿入し１０分間キープ後、通電を停止し、冷媒として水を送通した冷却ブロック３を、表１に示す介在物を介して、ヒータ基板２に当接させて、ヒータ基板３を１５０℃まで冷却し、その後、ヒータ回路に通電し、１５０℃を維持した。冷却開始後６０秒および３００秒でのウェハ温度計での均熱性（面内温度バラツキ）、および、冷却開始後、ヒータの制御に使用している測温抵抗体の温度が1５０℃になるまでに要した時間を測定した。これらの結果を表１および図４、５に示す。なお、ヒーター基板裏面（接触面）の平面度は２００μｍ、冷却モジュール表面（接触面）の平面度も２００μｍとした。

介在物を入れてない場合、図４に示すように、ウエハ温度計の均熱レンジが、６０秒後、３５℃に達したのに対して、例えば、Ｎｉセルメット１ｍｍ厚のものを挿入した場合は、図５に示すように、１．６℃とウエハ面内の温度ばらつきが格段に小さくなる結果を得た。３００秒後における均熱レンジは、介在物なしが２．７℃に対して、Ｎｉセルメット１ｍｍ厚品は、１．０℃であり、介在物を入れる効果が非常に大きいことがわかる。１５０℃までの冷却に要する時間は、介在物なしの場合、５０秒に対して、Ｎｉセルメット１ｍｍ厚品は１５８秒と、介在物を入れた方が時間を要している結果となっている。しかしながら介在物なしの場合のように、いくら制御温度が所定の冷却温度に達したとしても、図４に示す、面内温度ばらつきが残っている場合、次回のウエハを投入できる条件にはなったことにならない。それに対してＮｉセルメット１ｍｍ厚品は、冷却に要する時間が１５８秒でありながら、図５に示すように、面内のばらつきが非常に小さいため、冷却開始３００秒で面内レンジが１．５℃以下となっており、次回ウエハ投入の条件が整ったことを意味している。

上記のように、冷却時の温度条件変更時に必要な要件を、〔１〕冷却開始６０秒後の面内ばらつき≦１０℃、〔２〕冷却開始３００秒後の面内ばらつき≦１.５℃、〔３〕１８０℃→１５０℃冷却所要時間≦２００秒以内として、介在物の条件を振って、各実施例での冷却均熱特性結果を考察した。

Ｎｉセルメットを用いて、その厚さ条件を振って、冷却均熱特性を調査した結果、０．３〜３ｍｍの間で、冷却速度≦２００ｓｅｃを維持した状態で、冷却時の均熱特性が良好である結果を得た。介在物厚さが薄すぎると、冷却開始直後の均熱レンジが悪く、厚すぎると冷却時間がかかりすぎるという結果を得た。

また、金属メッシュおよび比較的高温に耐えられる有機物系のシート（フッ素樹脂シート、シリコンシート、ポリイミドフィルム）においても、介在物の役割を果たしており、冷却均熱性の特性を得ることができた。一方、金属板やセラミック板を介在物に使用した場合、接触面の密着性の改善にはならないことから、冷却均熱性が良くならない、またはSUS板の場合、素材としての熱伝導率が低いことから冷却に要する時間が非常に長い、との結果を得ている。またアルミナ板の場合、ヒータとの接触時に熱衝撃が加わったことにより、破損が発生した。

実施例１と同様のヒータユニットを作製した。ただし、Ｎｉセルメットを使用して、ヒータプレートおよび冷却ブロックの平面度を表２のように変化させ、冷却時均熱性の変化を測定した。双方とも当接する面の平面度が３００μｍ以下の場合に、所望の均熱性が得られることを確認した。

この例に限らず、本発明による高均熱精度のヒータユニットを製造装置あるいは検査装置に搭載することによって従来の限界を超えた均一な熱処理工程がより短いタクトタイムで可能となり、半導体装置やフラットディスプレイパネルのさらなる性能や歩留まり、生産性の向上を実現することができる。

本発明によれば、冷却開始から終了までの温度分布をより均一にできるヒータユニットを提供することが出来る。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、またはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置は、従来の装置よりも冷却時のヒータの温度分布がより均一になるので、降温側への温度条件変更直後の半導体やフラットディスプレイパネルの性能、歩留まりの安定が容易であり、信頼性の向上が図れる。

また、本発明によれば、冷却に要する時間が短縮化されたヒータユニットを提供することが出来る。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、またはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置では、従来の装置よりも熱処理工程の所要時間が短縮化できるので、半導体やフラットディスプレイパネルの生産性の向上が図れる。

ヒータユニットの一例を示す断面模式図である。 従来例のヒータユニットの要部断面模式図である。 本発明のヒータユニットの要部断面模式図である。 従来例の冷却時の均熱性を示す図である。 本発明の冷却時の均熱性を示す図である。

符号の説明

２ ヒータ基板
３ 冷却モジュール
４ 給電配線
５ 温度センサ
７ 昇降手段
８ 容器
９ 支持ロッド
２１ 発熱体回路
２２ ヒータ基体
２３ 絶縁膜
３２ 介在物

Claims (12)

1. 被加熱物を搭載して加熱処理するためにヒータ基板と、該ヒータ基板を冷却するための冷却モジュールを備えたヒータユニットにおいて、前記冷却モジュールがヒータ基板に当接、分離できるように可動式であって、前記ヒータ基板と冷却モジュールの間に介在物を配置したことを特徴とするヒータユニット。
2. 前記介在物の厚みが、０.３ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
3. 前記介在物が、発泡金属あるいは金属メッシュであることを特徴とする請求項１または２に記載のヒータユニット。
4. 前記介在物が、フッ素樹脂、ポリイミド、シリコン樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のヒータユニット。
5. 前記介在物が、ニッケルを基材とした発泡金属であることを特徴とする請求項３に記載のヒータユニット。
6. 前記介在物が、冷却モジュールに固定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のヒータユニット。
7. 前記介在物に面するヒータ基板の平面度が、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のヒータユニット。
8. 前記介在物に面する冷却モジュールの平面度が、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のヒータユニット。
9. 前記ヒータ基板の主成分が、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、銅、アルミニウム、ニッケル、シリコンからなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のヒータユニット。
10. 前記冷却モジュールの主成分が、銅、アルミニウム、ニッケル、マグネシウム、チタンからなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のヒータユニット。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載したヒータユニットを備えたことを特徴とする半導体製造・検査装置。
12. 請求項１乃至１０のいずれかに記載したヒータユニットを備えたことを特徴とするフラットパネルディスプレイの製造装置。

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