JP4025497B2 - Wafer heating device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にウエハを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半導体薄膜を生成したり、前記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、半導体ウエハ(以下、ウエハと略す)を加熱するためにウエ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、まとめて複数のウエハを成膜処理するバッチ式のものが使用されていたが、ウエハの大きさが8インチから12インチと大型化するにつれ、処理精度を高めるために、一枚づつ処理する枚葉式と呼ばれる手法が近年実施されている。しかしながら、枚葉式にすると1回当たりの処理数が減少するため、ウエハの処理時間の短縮が必要とされている。このため、ウエハ支持部材に対して、ウエハの加熱時間の短縮、ウエハの吸着・脱着の迅速化と同時に加熱温度精度の向上が要求されていた。
【0004】
このうち半導体ウエハ上へのレジスト膜の形成にあたっては、図1に示すような、窒化アルミニウムやアルミナ等のセラミックスからなる均熱板2の一方の主面を、ウエハWを載せる載置面3とし、他方の主面には絶縁層4を介して発熱抵抗体5および給電部6が設置され、さらに弾性体8により導通端子7が給電部6に押圧固定された構造のウエハ加熱装置1が用いられていた。そして、前記均熱板2は支持体11にボルト17により固定され、さらに均熱板2の内部には熱電対10が挿入され、これにより均熱板2の温度を所定の温度に保つように、導通端子7から発熱抵抗体5に供給される電力を調節するシステムとなっていた。また、導通端子7は、板状構造部13に絶縁層9を介して固定されていた。
【0005】
そして、ウエハ加熱装置1の載置面3には、凹部21に挿入された支持ピン20が設置されており、ウエハWを載置面3に載せた際にウエハWが載置面3から非接触となるようにしている。そして、該支持ピン20上にレジスト液が塗布されたウエハWを載せたあと、発熱抵抗体5を発熱させることにより、均熱板2を介して載置面3上のウエハWを加熱し、レジスト液を乾燥焼付けしてウエハW上にレジスト膜を形成するようになっていた。
【0006】
また、均熱板2を構成するセラミック材料としては、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックスが用いられていた。
【0007】
また、熱電対10の取付構造については、特開平9−45752号公報に、均熱板2の温度を正確に制御するために、熱電対10自体の熱引きによる影響を抑え、できるだけウエハWに近いところで測温することが好ましいことが示されている。図6を用いて構造を説明すると、金属製の均熱板62のウエハ載置面63近傍に測温素子64が挿入されている。この測温素子64は、Ptからなる測温抵抗体66が保護管65の中に前記載置面に対し平行となるように設置されリード線67が結線されている。さらに保護管65内の空所には伝熱セメント68が充填されている。特に、発熱抵抗体を分割制御する場合は、測定の正確さと同時に測定バラツキを管理しないと均熱板62の正確な温度制御ができなくなるので、このような取付構造とすることが好ましいとされていた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなウエハ加熱装置において、図6に示すような測温素子64の取付構造では、測温素子64を均熱板62に挿入しただけであるため、測定温度がばらついたり、均熱を良くするために熱容量を大きくすると測温の応答速度が遅くなるという問題があった。特に、発熱抵抗体を複数のブロックに分割して温度制御する場合、ブロック毎の測温素子64の測定温度がばらつくと、ブロック毎の制御が不均一となり、均熱板62の温度が一定になるまでに時間が掛かるという問題があった。
【0009】
特に、ウエハWを均熱板62上に差し替えした際に温度が安定するまでの過渡特性、ウエハ面内の温度バラツキが、レジストを乾燥する際に重要である。この乾燥の管理がレジストをエッチングするときのエッチング性に大きく影響し、乾燥管理が不十分であると、均一なパターンを形成できなくなるからである。
【0010】
【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、セラミックスからなる均熱板の一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面もしくは内部に発熱抵抗体を有するとともに、該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を前記他方の主面に具備してなるウエハ加熱装置であって、前記均熱板に形成された凹部にシース型熱電対の測温部を配置し、金属製チップおよび押さえ治具により前記測温部を押圧固定したことを特徴とするウエハ加熱装置において、前記シース型熱電対を、多孔性の熱伝導率65W/m・℃以上の金属体を介して前記均熱板の凹部に押圧固定することにより、上記課題を解決できることを見出した。
【0011】
【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。
【0012】
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、炭化硼素、窒化硼素、窒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均熱板2の一方の主面を、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からなる絶縁層4を介して発熱抵抗体5を形成したものである。
【0013】
発熱抵抗体5のパターン形状としては、円弧状の電極部と直線状の電極部とからなる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、発熱抵抗体5を複数のパターンに分割することも可能である。
【0014】
また、発熱抵抗体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に導通端子7を弾性体8を介して押圧固定することにより、導通が確保されている。
【0015】
さらに、均熱板2と支持体11の外周にボルト17を貫通させ、均熱板2側より弾性体8、座金18を介在させてナット19を螺着することにより支持体11に弾性的に固定している。これにより、均熱板2の温度を変更したり載置面3にウエハWを載せ均熱板2の温度が変動した場合に支持体11変形が発生しても、上記弾性体8によってこれを吸収し、これにより均熱板2の反りを防止し、ウエハ加熱におけるウエハW表面に温度分布が発生することを防止できる。
【0016】
また、支持体11は複数の層から構成された板状構造体13と側壁部からなり、該板状構造体13には発熱抵抗体5に電力を供給するための導通端子7が絶縁材9を介して設置され、不図示の空気噴射口や熱電対保持部が形成されている。
【0017】
さらに、図2〜5を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。図2は、均熱板2を発熱抵抗体5側から見た平面図であり、均熱板2には各発熱抵抗体5ブロックの内部に熱電対10を保持する部分に凹部21が形成されている。そして、該凹部21には、図3に示すように多孔質の金属体23を介して熱電対10の測温部を配置し、熱伝導率が100W/m・K以上の金属製チップ22と押さえ治具24を介して支持棒25により弾性的に押圧保持した構造となっている。また、弾性的な押圧力は弾性体26により調整されている。
【0018】
前記金属体23は、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケルのような高熱伝導率の材料の少なくとも一種からなり、金属粉末もしくは金属繊維を成形もしくはさらに焼結させることにより、熱伝導率が65W/m・K以上となるように調整されている。
【0019】
また、金属体23として、金属繊維を織って網状構造体とし、これを金属体23として使用してもいい。また、金属繊維の隙間に銀、銅、金、アルミニウムの少なくとも一種からなる金属粉末および/または金属繊維を充填し、必要に応じて焼結させることも可能である。この場合、網状構造体としてニッケルや白金のように比較的熱伝導率が低い材料を用いることも可能である。
【0020】
また、網目構造体の隙間に充填する金属粉末および/または金属繊維は、平均粒径もしくは断面平均径が2μm以上、さらに好ましくは5μm以上の粗いものを使用することが望ましい。これは、焼結した金属粉末および/または金属繊維間の接触面積を大きくして熱伝導を良くするためである。金属粉末および/または金属繊維の焼結については、これらを構成する金属の融点の60%以上の温度で熱処理することにより結合させる。これにより、金属粉末および/または金属繊維が、金属体23から剥離してパーティクルとなり、ウエハに対し悪影響を与えることを防止することができる。
【0021】
また、金属体23の熱処理について、焼きなまし処理することにより、金属体23の可撓性を高め、凹部21および熱電対10との接触の信頼性を向上させることができる。金属体23の厚みは、1mm以下とすることが好ましい。金属体23の厚みが1mmを越えると、熱容量が大きくなるため温度変化に対する応答性が悪くなってしまう。また、熱電対10に接触する部分に熱電対10の形状に沿った溝を作製し接触が良くなるようにすると、さらに好ましい。
【0022】
網状構造体は、たとえば平織りや綾織にすることが可能である。また、網状構造体は、一度プレス成形して凹部21の底面に対する接触面積を稼ぐようにすることが熱伝導を向上させる上で好ましい。また、凹部21の底面および熱電対10との接触を向上させるために、網状構造体の上下面に金属箔を貼り付けた構造とすることも可能である。この金属箔としては、金属体23と同様に、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケル等の材質からなるものを使用することができる。
【0023】
ここで、金属体23を多孔性としたのは、金属体23に、より有効に可撓性を持たす為である。ただし、熱伝導率を65W/m・K以上とすることが必要である。金属体23の気孔率の好ましい範囲は10〜60%程度、さらに好ましくは30〜50%とすることが良い。
【0024】
また、図4(a)に示すように、金属製チップ22の表面22aに溝が形成されており、この溝にシース型の熱電対10の先端測温部を埋め込んだ構造とすることが好ましい。この際、金属製チップ22の表面22aから少し熱電対10が突き出た構造とする方が均熱板2への押圧を確実にするために好ましい。
【0025】
図4(b)に示したように金属製チップ22の表面22aに熱電対10が完全に飛び出していると、熱電対の保持が不安定で、測定温度がばらついてしまう。
【0026】
上記のように熱電対10を埋め込んだ金属製チップ22の表面22aを均熱板2に当接させることにより、発熱抵抗体5から発生した熱が均熱板2を介して、凹部21の底面側から金属製チップ22を介して熱電対10に伝達されるようになるので、よりウエハの実温に近い温度が検知でき、バラツキを小さくすることができる。
【0027】
前記凹部21の深さは、均熱板2の厚みの2/3程度とすることが好ましい。また、前記凹部21の大きさは、2〜5mmφとすることが好ましい。該凹部21の大きさが2mmφ未満となると、熱電対10の測温部に均熱板2と平行となる部分を形成できないので、熱電対10間で測定温度がばらついてしまう。また、該凹部21の大きさが5mmφを越えると、発熱抵抗体5間のギャップが大きくなり、ウエハW表面の温度分布が大きくなるので好ましくない。
【0028】
熱電対10としては、外径が0.5〜1.5mmのシース型熱電対を用いる。熱電対10をシース型にすることにより、外部ノイズの影響を小さくし、雰囲気による腐食を防止するとともに、熱電対10の個体間のバラツキを小さくすることが可能となる。
【0029】
また、熱電対10の外径が1.5mmを越えて太くなると、温度変化に対し応答が遅くなると同時に、熱電対10部分が固くなり、熱電対10に応力がかかった際に熱電対10が浮き上がる場合があり、正確な温度が測定できなくなる。また、熱電対10は、可能であればさらに外径を細くすることが好ましい。
【0030】
また、金属製チップ22の熱伝導率は、均熱板2の熱伝導率に対し40〜170%の範囲となることが好ましい。金属製チップ22の熱伝導率が均熱板2の熱伝導率に対し40%未満であると、金属製チップ22の温度上昇が遅れるので、熱電対10の指示温度の上昇が遅れ、これにより、ウエハW温度がオーバーシュートしてしまう。また、逆に前記熱伝導率が170%を越えると、熱電対が指示する温度が早く上昇するので、発熱抵抗体への電力供給が早めに遮断されるようになるので、所定温度に安定するのに多くの時間を要してしまう。
【0031】
また、金属製チップ22は、前記凹部21の内径より若干小さな外径で、且つ凹部21の深さより薄く加工されている。これは、熱電対10により測定される温度が、均熱板2の載置面3側からの熱伝導により検知されるようにするためである。前記チップ22の後端が凹部21から飛び出していると、その飛び出している部分から発熱抵抗体5の熱が伝わり、載置面3の温度が上がる前に熱電対10の指示温度が高くなってしまうので、ウエハWの温度上昇に要する時間が見掛け上遅くなってしまう。また、前記凹部21の側面からの熱伝導を極力抑えるため、前記金属チップ22を前記凹部21の側面に接触しないように設置することが好ましい。
【0032】
さらに、押さえ治具24に要求される性能は、発熱抵抗体5の発熱による熱が押さえ治具24側から金属チップ22への直接伝わることを抑制すると同時に、金属チップ22を押圧固定する点にある。そこで、押さえ治具24としては、均熱板2の表面に形成した発熱抵抗体5の発熱による影響を小さくするため、熱伝導率が50W/m・K以下の材料を用いる。これが、押さえ治具24の熱伝導率が50W/m・Kを越えるものとなると、発熱抵抗体5からの熱を金属チップに伝達し、熱電対の指示温度が早く上昇するためウエハWの加熱時間が不足し、温度が安定するのに時間を要してしまうためである。具体的には、アルミナ、ジルコニア、ムライト、コージライト等のセラミック材料やステンレスからなるものを使用することが可能である。
【0033】
さらに、熱電対10を弾性的に押圧するための弾性体26の形状としては、図3、4に示したようにコイルバネ状のものや、例えばV字型、U字型、W字型に曲げられた板バネを用いることができる。弾性体26の材質としては、インコネル、Fe−Co−Ni合金、ステンレス等の材質からなるものを使用することが可能である。また、200℃以下の低温領域で使用する場合は、テフロン等の材質からなる樹脂製の弾性体26を使用することも可能である。
【0034】
このように、熱電対10を弾性的に押圧することにより、異常が発生した場合の交換が容易であり、使用中の熱サイクルにより各構成要素間の熱膨張差が原因で発生する熱応力を容易に緩和することができる。熱応力の緩和は、熱電対の耐久性向上にも寄与する。
【0035】
これらの弾性体26で熱電対10を凹部21に押圧固定する軸力は、5N以上、さらに好ましくは10N以上とする。もし、この押圧力が5Nより小さいと、使用中の温度サイクルによる膨張収縮により移動した熱電対10の位置が元の位置に戻りにくくなり、測定温度のバラツキが大きくなるという不具合が生じる。
【0036】
そして、金属チップ22と押さえ治具24、支持棒25には、図5に示すように、それぞれの接触部に回転防止用の凸部27と凹部28を相互にかみ合うように形成することにより、熱電対の回転を抑えることが可能となる。
【0037】
なお、発熱抵抗体5を複数のゾーンに分割して温度制御する場合は、ゾーンの数に応じて、熱電対10の数を増やすことが好ましい。これにより、ウエハWの温度をより実温に近い値に制御することが可能となる。また、この場合は特に、熱電対10個々の設置条件を均一にする必要がある。これは、個々の熱電対10間の温度検知がばらつくと、個々の発熱抵抗体5ブロックの制御がばらつき、昇温過渡時のウエハの温度分布に悪影響を与えるためである。
【0038】
さらに、図1において、金属製の支持体11は、側壁部と板状構造体13を有し、該板状構造体13には、その面積の5〜50%にあたる開口部が形成されている。また、該板状構造体13には、必要に応じて他に、均熱板2の発熱抵抗体5に給電するための給電部6と導通するための導通端子7、均熱板2を冷却するためのガス噴出口、均熱板2の温度を測定するための熱電対10を設置する。
【0039】
また、不図示のリフトピンは支持体11内に昇降自在に設置され、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に使用される。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ウエハWをリフトピンにより支持したあと、リフトピンを降下させてウエハ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上のウエハWを加熱する。
【0040】
このとき、本発明によれば、均熱板2を炭化珪素質焼結体、炭化硼素質焼結体、窒化硼素質焼結体、窒化珪素質焼結体、もしくは窒化アルミニウム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。
【0041】
ところで、このような特性を満足するには、均熱板2の板厚を1mm〜7mmとすることが良い。これは、板厚が1mm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としての効果が小さく、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、逆に板厚が7mmを越えると、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温度変更時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。
【0042】
また、以上詳述した本発明のウエハ加熱装置において、図1に示すように、均熱板2の表面に絶縁層4を介して発熱抵抗体5を形成し、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こともできる。
【0043】
また、均熱板2を形成するセラミックスとしては、炭化珪素、炭化硼素、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミニウムのいずれか1種以上を主成分とするものを使用することができる。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1900〜2200℃で焼成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。
【0044】
また、炭化硼素質焼結体としては、主成分の炭化硼素に対し、焼結助剤として炭素を3〜10重量%混合し、2000〜2200℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。
【0045】
そして、窒化硼素質焼結体としては、主成分の窒化硼素に対し、焼結助剤として30〜45重量%の窒化アルミニウムと5〜10重量%の希土類元素酸化物を混合し、1900〜2100℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。窒化硼素の焼結体を得る方法としては、他に硼珪酸ガラスを混合して焼結させる方法があるが、この場合熱伝導率が著しく低下するので好ましくない。
【0046】
また、窒化珪素質焼結体としては、主成分の窒化珪素に対し、焼結助剤として3〜12重量%の希土類元素酸化物と0.5〜3重量%のAl2O3、さらに焼結体に含まれるSiO2量として1.5〜5重量%となるようにSiO2を混合し、1650〜1750℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。ここで示すSiO2量とは、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するSiO2と、他の添加物に含まれる不純物としてのSiO2と、意図的に添加したSiO2の総和である。
【0047】
また、窒化アルミニウム質焼結体としては、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。
【0048】
これらの焼結体は、その用途により材質を選択して使用する。例えば、レジスト膜の乾燥に使用する場合は、窒化物は水分と反応してアンモニアガスを発生し、これがレジスト膜に悪影響を及ぼすので使用できない。また、800℃程度の高温で使用する可能性のあるCVD用のウエハ加熱装置の場合は、ガラスを多く含む窒化硼素系の材料は、均熱板2が使用中に変形してしまい均熱性が損なわれてしまう可能性がある。
【0049】
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。
【0050】
一方、炭化珪素質焼結体を均熱板2として使用する場合、多少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350μmを越えると、均熱板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。
【0051】
炭化珪素質焼結体からなる均熱板2の表面に絶縁層4を形成する場合、予め表面を酸化処理することにより、0.05〜2μm厚みのSiO2からなる酸化膜12を形成したのち、さらにその表面に絶縁層4を形成する
また、均熱板2を、窒化アルミニウムを主成分とするセラミック焼結体で形成する場合は、均熱板2に対する発熱抵抗体5の密着性を向上させるために、ガラスからなる絶縁層4を形成する。ただし、発熱抵抗体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。
【0052】
次に、絶縁層4に樹脂を用いる場合、その厚みが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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。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。
【0056】
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恐れがあるため、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。
【0057】
また、発熱抵抗体5を内蔵するタイプの均熱板2に関しては、熱伝導率が高く電気絶縁性が高い窒化アルミニウム質焼結体を用いることが好ましい。この場合、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発熱抵抗体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発熱抵抗体を内蔵した均熱板2得ることが出来る。また、発熱抵抗体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19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、ウエハ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19の上に塗布し900〜1000℃で焼き付けることにより、内部の発熱抵抗体5の酸化を防止することができる。
【0058】
上記絶縁層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、例えばレジスト乾燥用に使用する場合、耐熱温度が200℃以上でかつ20℃〜200℃の温度域における熱膨張係数が均熱板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、均熱板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、均熱板2に反りが発生したり、クラックや剥離等の欠陥が生じ易いからである。
【0059】
また、金属体23の熱伝導率は、レーザーフラッシュ法を用いて緻密体の熱伝導率を測定し、気孔率を差し引いた充填率を掛けることにより熱伝導率を計算した。
【0060】
【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4mm、外径230mmの円盤状をした均熱板2を複数製作し、各均熱板2の一方の主面に絶縁層4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、ガラスからなる厚み200μmの絶縁層4を形成した。次いで絶縁層4上に発熱抵抗体5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の発熱抵抗体5を形成し、しかるのち発熱抵抗体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。
【0061】
また、発熱抵抗体5は中心部と外周部を周方向に4分割した5パターン構成とした。その後、図3に示すように、各ブロックの中心に4mmφで深さ2mmの穴21を形成し、金属体23を介して発熱抵抗体5の温度調整用の熱電対10を設置し、さらにその上から金属チップ22、押さえ治具24、指示棒25を用いて弾性体26のバネ性により熱電対10を固定する構造とした。
【0062】
前記金属体23は、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケル、白金、錫の粉末を成形圧9.8×107Pa(1ton/cm2)でプレス成形して得た3mmφ×0.5mm厚の成形体を準備し、真空中で各金属の融点の90%相当の温度で熱処理し徐冷して金属体23とした。
【0063】
また、支持体11は、主面の30%に開口部を形成した厚み2.5mmのステンレスからなる2枚の板状構造体13を準備し、この内の1枚に、熱電対10、10本の導通端子7を所定の位置に形成し、同じくステンレスからなる側壁部とネジ締めにて固定して支持体11を準備した。
【0064】
その後、前記支持体11の上に、均熱板2を重ね、その外周部を弾性体8を介してネジ締めすることにより図1に示した本発明のウエハ加熱装置1とした。
【0065】
さらに、転写法により金ペーストからなる給電部6を形成し、900℃で焼き付け処理した。その後、バネを有する導通端子7を装着した支持体11にその外周部を弾性体8を介してネジ締めした。
【0066】
そして、比較例として図6に示した従来のタイプのウエハ加熱装置、本発明と同様の構造で炭化珪素質セラミックスからなる均熱板2に、均熱板2の厚みの2/3の深さの4.5mmφの凹部を形成し、金属体23を用いずに熱電対10を固定したサンプルを作製した。
【0067】
そして、このようにして得られた本発明実施例及び比較例の10種類のウエハ加熱装置1の導電端子7に通電して250℃で保持し、載置面3の上に載せたウエハ表面の温度分布を中心とウエハ半径の1/2の周上の6分割点6点の合計7点の温度バラツキが1℃以内となることを確認した後、150℃に30分保持したのち、ウエハWを載置面2に載せて温度が150℃±0.5℃に安定するまでの昇温時間を各サンプル5サイクル調査しその最大値を測定値とした。
【0068】
評価基準としては、ウエハ面の温度上昇時の温度が150℃±0.5度に安定するまでの時間が50秒以内であるものをOKとし、それ以上となるものはNGとした。
【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、金属体23の熱伝導率が65W/m・K未満となったNo.7、8および金属体23を使用しないNo.10、従来のタイプのNo.11は、ウエハ温度が安定するまでの時間が50秒を越えるため好ましくない。これに対し、金属体23の熱伝導率が65W/m・Kを越えるNo.1〜6およびNo.9は、ウエハの温度が安定するまでの時間が50秒以下と小さく良好であった。
【0072】
実施例 2
ここでは、金属体23としてAg(熱伝導率420W/m・K)、Cu(熱伝導率413W/m・K)、Au(熱伝導率297W/m・K)、Al(熱伝導率203W/m・K)、Ni(熱伝導率84W/m・K)、Pt(熱伝導率69W/m・K)、ステンレス(熱伝導率40W/m・K)からなる網状構造体を用いて、実施例1と同様の評価をした。金属体23は、窒素ガス中等の不活性雰囲気中で徐冷して軟化させたものを成形圧4.9×107Paで加圧し、還元雰囲気中、それぞれの融点の90%の温度で燒結させ、徐冷して金属体23とした。また、金属部分の体積分率は、金属体23の厚みと面積から得られた体積と、金属体23の重量を比重で除して求めた体積の比から求めた。
【0073】
結果を表2に示した。
【0074】
【表2】
【0075】
表2から判るように、金属体23の熱伝導率が65W/m・K未満であるNo.5、6は、ウエハの温度が安定するまでの時間が50秒を越えるため好ましくない。これに対し、金属体23の熱伝導率が65W/m・K以上となるNo.1〜4は、ウエハの温度が安定するまでの時間が50秒以下と良好な昇温特性を示した。
【0076】
実施例 3
実施例2で用いた金属からなる網状構造体の隙間に、Agからなる金属粉末を充填し、成形圧9.8×107Pa(1ton/cm2)でプレス成形した後、850℃で熱処理して金属粉末を焼結させたのち徐冷して、金属体23を作製した。
【0077】
該金属体23の熱伝導率は、一般的な測定手法では求められないので、以下の方法で計算により求めた。まず、網状構造体の熱伝導率を実施例2の手法により求め、全体重量から網状構造体の重量を差し引くことにより金属粉末の重量を求め、さらに金属粉末の比重と網状構造体の体積で除することにより金属粉末の体積分率を求めた。そして、金属粉末の熱伝導率に体積分率を掛算することにより金属粉末部分の熱伝導率を求めた。こうして求めた網状構造体の熱伝導率と金属粉末の熱伝導率を足したものを、金属体23の熱伝導率とした。
【0078】
このようにして得た金属体23を用いて、実施例1と同様な方法で昇温過渡時の温度バラツキを調査した。結果を表3に示した。
【0079】
【表3】
【0080】
表3に示したように、網状構造体と金属粉末を組み合わせて一体化した金属体23の熱伝導率が65W/m・Kを越えるように調整したNo.1〜6は、50秒以下の良好な昇温時間となった。
【0081】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、セラミックスからなる均熱板の一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面に発熱抵抗体を有するとともに、該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を前記他方の主面に具備してなるウエハ加熱装置であって、前記均熱板に形成された凹部にシース型熱電対の測温部を配置し、金属製チップおよび押さえ治具により前記測温部を押圧固定したことを特徴とするウエハ加熱装置において、前記シース型熱電対が、多孔性の熱伝導率65W/m・K以上の金属体を介して前記均熱板の凹部に押圧固定されるようにすれば、ウエハ温度が150℃になるように温度保持した均熱板上にウエハを載置した際のウエハ温度が、150℃±0.5℃に安定するまでの時間を50秒以下に短縮することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のウエハ加熱装置を示す断面図である。
【図2】本発明のウエハ加熱装置の均熱板を示す平面図である。
【図3】本発明のウエハ加熱装置の熱電対設置部を示す断面図である。
【図4】(a)は本発明のウエハ加熱装置の熱電対を保持した金属チップの断面図であり、(b)はその比較例である。
【図5】本発明のウエハ加熱装置の熱電対設置部を示す他の断面図である。
【図6】従来のウエハ加熱装置の熱電対設置部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:支持体
8:弾性体
10:熱電対
22:金属チップ
23:金属体
24:押さえ治具
25:支持棒
W:半導体ウエハ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wafer heating apparatus mainly used for heating a wafer. For example, a semiconductor thin film is formed on a wafer such as a semiconductor wafer, a liquid crystal substrate, or a circuit substrate, or applied to the wafer. It is suitable for forming a resist film by drying and baking a resist solution.
[0002]
[Prior art]
For example, a wafer heating apparatus is used to heat a semiconductor wafer (hereinafter abbreviated as a wafer) in a semiconductor thin film forming process, an etching process, a resist film baking process, and the like in a manufacturing process of a semiconductor manufacturing apparatus. Yes.
[0003]
Conventional semiconductor manufacturing equipment used batch-type processing that forms a plurality of wafers together. To increase processing accuracy as the wafer size increases from 8 inches to 12 inches, In recent years, a method called single wafer processing for processing one sheet at a time has been implemented. However, if the single wafer type is used, the number of processes per process decreases, so that it is necessary to shorten the wafer processing time. For this reason, the wafer support member has been required to improve the heating temperature accuracy at the same time as shortening the heating time of the wafer and speeding up the adsorption and desorption of the wafer.
[0004]
Among these, in forming a resist film on a semiconductor wafer, one main surface of a
[0005]
The
[0006]
Further, nitride ceramics or carbide ceramics have been used as the ceramic material constituting the
[0007]
Regarding the mounting structure of the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the wafer heating apparatus as described above, in the mounting structure of the
[0009]
In particular, transient characteristics until the temperature stabilizes when the wafer W is replaced on the
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies on the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have one main surface of a soaking plate made of ceramics as a wafer mounting surface and a heating resistor on the other main surface or inside, and the heat generation A wafer heating apparatus comprising a power feeding unit electrically connected to a resistor on the other main surface, wherein a temperature measuring unit of a sheathed thermocouple is disposed in a recess formed in the heat equalizing plate. In the wafer heating apparatus, wherein the temperature measuring unit is pressed and fixed by a metal tip and a holding jig, the sheath type thermocouple is made of a porous metal body having a thermal conductivity of 65 W / m · ° C. or more. It was found that the above-mentioned problem can be solved by pressing and fixing to the recess of the soaking plate.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0012]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a wafer heating apparatus according to the present invention, and shows one main surface of a
[0013]
As the pattern shape of the
[0014]
In addition, the
[0015]
Further, the
[0016]
The
[0017]
Furthermore, the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a plan view of the soaking
[0018]
The
[0019]
Further, as the
[0020]
The metal powder and / or metal fiber filled in the gaps in the network structure is desirably a coarse one having an average particle diameter or a cross-sectional average diameter of 2 μm or more, more preferably 5 μm or more. This is because the contact area between the sintered metal powder and / or metal fibers is increased to improve heat conduction. About sintering of metal powder and / or metal fiber, it couple | bonds by heat-processing at the temperature of 60% or more of melting | fusing point of the metal which comprises these. As a result, it is possible to prevent the metal powder and / or the metal fibers from peeling off from the
[0021]
In addition, the annealing of the
[0022]
The network structure can be, for example, a plain weave or a twill weave. The network structure is preferably press-molded once to increase the contact area with the bottom surface of the
[0023]
Here, the
[0024]
Further, as shown in FIG. 4A, a groove is formed on the
[0025]
As shown in FIG. 4 (b), when the
[0026]
As described above, the
[0027]
The depth of the
[0028]
As the
[0029]
Further, when the outer diameter of the
[0030]
The thermal conductivity of the
[0031]
The
[0032]
Further, the performance required for the holding
[0033]
Further, as the shape of the
[0034]
In this way, by pressing the
[0035]
The axial force for pressing and fixing the
[0036]
As shown in FIG. 5, the
[0037]
In addition, when dividing the
[0038]
Further, in FIG. 1, the
[0039]
In addition, lift pins (not shown) are installed in the
[0040]
At this time, according to the present invention, the soaking
[0041]
By the way, in order to satisfy such characteristics, the thickness of the soaking
[0042]
Further, in the wafer heating apparatus of the present invention described in detail above, as shown in FIG. 1, a
[0043]
Moreover, as ceramics which form the soaking | uniform-
[0044]
The boron carbide sintered body is obtained by mixing 3 to 10% by weight of carbon as a sintering aid with boron carbide as a main component, and performing hot press firing at 2000 to 2200 ° C. be able to.
[0045]
In the boron nitride sintered body, 30 to 45% by weight of aluminum nitride and 5 to 10% by weight of rare earth element oxide are mixed as a sintering aid with respect to boron nitride as a main component, and 1900 to 2100. A sintered body can be obtained by hot-press firing at ° C. Another method for obtaining a sintered body of boron nitride is to mix and sinter borosilicate glass, but this is not preferable because the thermal conductivity is significantly reduced.
[0046]
The silicon nitride sintered body is composed of 3 to 12% by weight of rare earth element oxide and 0.5 to 3% by weight of Al 2 O 3 as a sintering aid, and further sintered to the main component silicon nitride. A sintered body can be obtained by mixing SiO 2 so that the amount of SiO 2 contained in the bonded body is 1.5 to 5% by weight and performing hot press firing at 1650 to 1750 ° C. The amount of SiO 2 shown here is the sum of SiO 2 produced from impurity oxygen contained in the silicon nitride raw material, SiO 2 as impurities contained in other additives, and SiO 2 intentionally added. .
[0047]
As the aluminum nitride sintered body, the main component of aluminum nitride is a rare earth element oxide such as Y 2 O 3 or Yb 2 O 3 as a sintering aid and, if necessary, an alkaline earth such as CaO. It is obtained by adding a metal oxide, mixing sufficiently, processing it into a flat plate shape, and baking it at 1900-2100 ° C. in nitrogen gas.
[0048]
These sintered bodies are used by selecting a material depending on the application. For example, when used for drying a resist film, a nitride reacts with moisture to generate ammonia gas, which cannot be used because it adversely affects the resist film. Further, in the case of a CVD wafer heating apparatus that may be used at a high temperature of about 800 ° C., the boron nitride-based material containing a large amount of glass is deformed during use, so that the soaking property of the soaking
[0049]
Furthermore, the main surface opposite to the mounting
[0050]
On the other hand, when a silicon carbide sintered body is used as the soaking
[0051]
When the insulating
[0052]
Next, when a resin is used for the insulating
[0053]
Moreover, as resin which forms the insulating
[0054]
As a means for depositing the insulating
[0055]
Further, as the
[0056]
However, when silver or copper is used for the
[0057]
For the soaking
[0058]
The glass forming the insulating
[0059]
Further, the thermal conductivity of the
[0060]
【Example】
Example 1
A silicon carbide sintered body having a thermal conductivity of 80 W / m · K is ground to produce a plurality of disc-shaped
[0061]
The
[0062]
The
[0063]
In addition, the
[0064]
Thereafter, the soaking
[0065]
Further, a power feeding portion 6 made of a gold paste was formed by a transfer method and baked at 900 ° C. Then, the outer peripheral part was screwed through the
[0066]
Then, as a comparative example, the conventional type wafer heating apparatus shown in FIG. 6, a
[0067]
Then, the conductive terminals 7 of the ten kinds of
[0068]
As the evaluation criteria, the case where the time until the temperature at the time of the temperature rise of the wafer surface is stabilized at 150 ° C. ± 0.5 degrees is within 50 seconds is OK, and the case where the time is more than NG is NG.
[0069]
Each result is as shown in Table 1.
[0070]
[Table 1]
[0071]
As can be seen from Table 1, the thermal conductivity of the
[0072]
Example 2
Here, as the
[0073]
The results are shown in Table 2.
[0074]
[Table 2]
[0075]
As can be seen from Table 2, the thermal conductivity of the
[0076]
Example 3
A metal powder made of Ag was filled in the gaps of the network structure made of metal used in Example 2, and press-molded at a molding pressure of 9.8 × 10 7 Pa (1 ton / cm 2 ), followed by heat treatment at 850 ° C. Then, the metal powder was sintered and then slowly cooled to produce a
[0077]
Since the thermal conductivity of the
[0078]
Using the
[0079]
[Table 3]
[0080]
As shown in Table 3, No. 1 was adjusted so that the thermal conductivity of the
[0081]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, one main surface of the soaking plate made of ceramics is used as a wafer mounting surface, and the other main surface has a heating resistor and is electrically connected to the heating resistor. A wafer heating apparatus comprising a power feeding unit connected to the other main surface, wherein a temperature measuring unit of a sheath type thermocouple is disposed in a recess formed in the heat equalizing plate, and a metal tip and a presser In the wafer heating apparatus, wherein the temperature measuring unit is pressed and fixed by a jig, the sheath type thermocouple is connected to the heat equalizing plate through a porous metal body having a thermal conductivity of 65 W / m · K or more. When the wafer is pressed and fixed in the recess, the wafer temperature when the wafer is placed on a soaking plate kept at a temperature of 150 ° C. is stabilized at 150 ° C. ± 0.5 ° C. Can be reduced to less than 50 seconds It was.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a wafer heating apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a soaking plate of the wafer heating apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a thermocouple installation part of the wafer heating apparatus of the present invention.
4A is a sectional view of a metal chip holding a thermocouple of the wafer heating apparatus of the present invention, and FIG. 4B is a comparative example thereof.
FIG. 5 is another cross-sectional view showing a thermocouple installation portion of the wafer heating apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a thermocouple installation part of a conventional wafer heating apparatus.
[Explanation of symbols]
1: Wafer heating device 2: Soaking plate 3: Placement surface 4: Insulating layer 5: Heating resistor 6: Power supply unit 7: Support body 8: Elastic body 10: Thermocouple 22: Metal chip 23: Metal body 24: Holding jig 25: Support bar W: Semiconductor wafer
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