JP4562460B2 - ヒータとそれを用いたウェハ加熱装置 - Google Patents
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Description
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し、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したりする際に好適なヒータに関する。
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）を加熱するためのヒータが用いられている。
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、セラミック製のヒータが広く使用されている。
このようなセラミック製のヒータとして、例えば特許文献１や特許文献２には、図１６に示すようなセラミック製のヒータ７１が提案されている。
このセラミック製のヒータ７１は、板状体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、板状体７２の下面に、例えば図１７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。
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。
ところで、このようなヒータ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したりするためには、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の抵抗分布を調整したり、抵抗発熱体７５の温度を分割制御したりすることが行われている。しかし、印刷法で作製した抵抗発熱体は膜厚がばらつき設計通りの抵抗値が得られないとの問題があり、そこで、前記抵抗分布を調整する方法として特許文献３、特許文献４や特許文献５に記載のようなレーザビームで溝を形成して抵抗調整する方法が開示されている。
また、特許文献６のように抵抗発熱体を波状にし、波状部をレーザにてトリミングする方法や、抵抗発熱体の帯の端にレーザで複数の溝ｍを形成し、抵抗調整をしたヒータによりウェハＷの温度分布を良くする方法が特許文献７に開示されている。
しかし、ウェハ面内の温度差は小さくなるが、ウェハＷの表面全体に均質な膜を形成するには未だ不十分であり、温度分布を更に均一に加熱できるようなヒータが求められていた。
特開２００１−２０３１５６号公報
特開２００１−３１３２４９号公報
特開２００１−２４４０５９号公報
特開２００２−１４１１５９号公報
特開２００２−１５１２３５号公報
特開２００２−４３０３１号公報
特開２００２−２０３６６６号公報
しかしながら特許文献６や特許文献７のような方法では、ある程度温度分布を良くすることは可能であるが、前記方法で形成したヒータは加熱・冷却を繰り返すうちに抵抗値が変化し、そのことによりウェハ表面の均熱バランスが崩れ、ウェハ表面の温度差が０．４℃を超えて大きくなるとの問題があった。
本発明のヒータは、板状体の表面に帯状の抵抗発熱体を備え、該抵抗発熱体の帯の長手方向に平行な、レーザビームにより形成された溝を備えたヒータにおいて、前記抵抗発熱体は絶縁性組成物と導電性組成物との複合材からなり、前記溝の表面の前記導電性組成物の密度が前記抵抗発熱体の内部の前記導電性組成物の密度より小さいことを特徴とする。
また、板状体の表面に帯状の抵抗発熱体を備え、該抵抗発熱体の帯の長手方向に平行な、レーザビームにより形成された溝を備えたヒータにおいて、前記抵抗発熱体は絶縁性組成物と導電性組成物との複合材からなり、前記溝の表面の明度が前記抵抗発熱体の他の表面の明度より小さいことを特徴とする。
また、前記溝の表面の前記導電性組成物の平均径が１〜２０μｍであることを特徴とする。
また、前記抵抗発熱体は、その断面において多数の前記導電性組成物に囲まれた前記絶縁性組成物の塊を有することを特徴とする。
また、板状セラミックス体の表面に帯状の抵抗発熱体を備え、前記抵抗発熱体の帯の長手方向に平行で、長さが同等な複数の溝の群を有し、前記群は前記抵抗発熱体の帯の幅の中央部にあることを特徴とする。
また、前記群の幅は、前記抵抗発熱体の帯の幅の９０％以内にあることを特徴とする。
また、前記溝の深さは、前記溝の幅の２０％〜７５％であることを特徴とする。
また本発明のウェハ加熱装置は、前記ヒータを用いて、前記板状体の前記抵抗発熱体を形成した面と反対側に、ウェハを載せる載置面を備え、前記抵抗発熱体に独立して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備えた構成としたことを特徴とする。
ウェハ面内の温度差が０．４℃以下と小さく優れており、加熱・冷却を繰り返しても抵抗発熱体の抵抗値の変化量が小さくウェハの温度ばらつきが小さいヒータを提供できる。
以下本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係わるヒータ１をウェハ加熱装置として用いた場合の例を示す断面図であり、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を具備した均熱板１００を備え、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が板状体２の他方の主面の周辺部に固定されている。
また、ウェハリフトピン１４は板状セラミック体２を貫通する孔を通してウェハＷを上下に移動させて、ウェハＷを載置面３に載せたり取り外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１０で板状体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。
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ぐこともできる。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。
抵抗発熱体５中に含まれる導通性組成物として、耐熱性および耐酸化性が良好なＰｔ族金属、Ａｕ、もしくはこれらの合金を主成分とするものを使用することが好ましい。また、抵抗発熱体５は、板状体２との密着性および抵抗発熱体５自体の焼結性を向上させるために、３０〜７５重量％のガラス成分からなる絶縁性組成物を含むことが好ましい。
図２は渦巻き状の抵抗発熱体５の１例を示す。図３は、他の抵抗発熱体５の例を示す。この抵抗発熱体５は、板状体２の外周部に位置する同心円状の円弧状の抵抗発熱体５と中心部の同心円状の複数の抵抗発熱体５とからなる。また、均熱性を改善するため、周辺部に４個と中心部に２個のパターンからなる合計６個のパターンに抵抗発熱体５を分割している。何れも載置面３を均一に加熱できる抵抗発熱体５であれば良い。
図４は抵抗発熱体５の他の例を示す。抵抗発熱体５は周辺部に４個と中心部に１個の合計５個の抵抗発熱体５に分割されている。
何れも抵抗発熱体５の幅は１〜２０ｍｍで厚みが５〜５０μｍであり、スクリーン印刷法で形成することができる。そして、帯状の抵抗発熱体５の帯の中心線を基準にウェハＷ面内の温度差が小さくなるようにパターン形状が設計されている。
本発明のヒータ１は、板状体２の表面に帯状の抵抗発熱体５を備え、抵抗発熱体５の帯の長手方向に平行な溝ｍを備えたヒータ１において、抵抗発熱体５は絶縁性組成物５２と導電性組成物５１の複合材からなり、溝ｍの表面の導電性組成物５１の密度が抵抗発熱体５の内部の導電性組成物５１の密度より小さいことを特徴とする。
図５に示すように抵抗発熱体５に形成する溝ｍの表面の導電性組成物５１ａの密度を抵抗発熱体５の内部の導電性組成物５１の密度よりも小さくすることにより、溝ｍの表面の比抵抗の値が溝の表面より内部の比抵抗の値と比較して大きくなる。そのため溝ｍの表面に流れる電流が小さくなり表面の微小クラックの成長を抑制する事ができるからである。
レーザビームにより溝ｍを形成する際に溝ｍの表面に微小クラックが発生し、抵抗発熱体５に通電を繰り返すと、微小クラックが成長し、抵抗値の変化が生じ、ウェハＷの面内温度差が大きくなり均熱性を保つ事が困難になる虞があるが、溝ｍの表面の導電性組成物５１ａの密度を小さくすることで微小クラックの成長を防止できるからである。
溝ｍの表面の導電性組成物５１ａの密度を小さくするには、図６に示すように抵抗発熱体５の絶縁性組成物５２の粒径を導電性組成物５１の粒径よりも大きくすることで導電性組成物５１の分散に偏りを持たせたり、平均粒径が０．５〜１．５μｍの導電性組成物５１を凝集させたペーストを使用したりして達成することができる。このように凝集させたペーストを使い抵抗発熱体５を形成しそれにレーザ光で溝を形成すると凝集した導電性組成物５１が適度に集合し大きな粒径の導電成組成物を作製できると考えられる。
上記の導電性組成物５１と絶縁性組成物５２を使いレーザ光で溝ｍを形成すると絶縁性組成物５２、及び導電性組成物５１が溶融し再凝固させて、溝ｍの表面の導電性組成物５１ａは表面張力により図５のように大きな円形とすることが好ましい。円形とすることにより導電性組成物５１ａと絶縁性組成物５２の界面に生じる熱応力を緩和することができるからである。
尚、上記の円形とは溝の表面の導電性組成物５１を走査顕微鏡で観察し、抵抗発熱体の表面に直角な方向に換算した導電性組成物５１の形状において、導電性組成物５１の外形に対し外接円と内接円の直径Ｄ１、Ｄ２の差（（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ２）×１００が３０％以内であるものを円形とした。
また、本発明のヒータ１は、溝ｍの表面の明度が抵抗発熱体５の表面の明度より小さいことを特徴とする。
溝ｍを形成した抵抗発熱体５の金属顕微鏡写真を撮影し、その溝ｍの明度が抵抗発熱体５の溝ｍの無い部分の抵抗発熱体５の明度より小さいことが特徴である。
抵抗発熱体５の溝ｍの表面は導電性組成物５１の密度が小さいことから、導電性組成物５１による光の反射量が減少し溝ｍのない部分と比べ明度が低下していると考えられる。溝ｍの明度が小さいと溝ｍの表面電流が溝ｍのない抵抗発熱体５の表面より小さくなり抵抗発熱体５を急速に加熱したり冷却したりする温度サイクルを繰り返しても溝ｍの表面からクラックが発生して抵抗発熱体５の抵抗が変化したり断線したりする虞がなく優れた特性を得ることができる。
また、溝ｍの表面の導電性組成物５１の平均粒径が１〜２０μｍであることが好ましい。このように溝ｍの表面の導電性組成物５１の粒径を大きくすることで導電性組成物５１の数を減少させ表面の密度を小さくする事ができて好ましい。導電性組成物５１の平均粒径が１μｍを下回ると応力緩和の効果が小さく、溝ｍの表面から抵抗発熱体５の内部にクラックが伸展する虞があった。
また、導電性組成物５１の平均粒径が２０μｍを上回ると導電性組成物５１の粒径が大きすぎて、導電性組成物５１と絶縁性組成物５２の界面でクラックが発生する虞があった。更に好ましくは５〜１０μｍである。
尚、導電性組成物５１の密度は、溝ｍと内部の反射電子顕微鏡写真から導電性組成物５１が占める面積比率を画像解析等で求め算出することができる。また、導電性組成物５１の平均粒径は画像解析して求める事ができる。
また、溝ｍの導電性組成物５１の密度を小さくするには、先にも述べたように多数の導電性組成物５１からなる導電性粒子に囲まれた絶縁性組成物５２の塊があることが好まし
い。このように絶縁性組成物の塊があると、レーザ光で溝ｍを形成すると溝ｍ表面の導電性組成物５１ａの径が大きくなり密度を低下させることができるからである。
い。このように絶縁性組成物の塊があると、レーザ光で溝ｍを形成すると溝ｍ表面の導電性組成物５１ａの径が大きくなり密度を低下させることができるからである。
また、本発明のヒータ１の溝ｍは、抵抗発熱体５の帯の長手方向に平行な複数の溝ｍの群ｇを有し、群ｇは抵抗発熱体５の帯の幅の中央部にあることが好ましい。
図９のような抵抗発熱体５の長手方向に垂直な断面図では群ｇで分けた抵抗発熱体５の両側の抵抗発熱体５ａ、５ｂの断面積がほぼ等しくなる。すなわち抵抗発熱体５ａ、５ｂの抵抗値が略等しくなる。そのため抵抗発熱体５ａ、５ｂの幅方向で左右略均等の発熱量となり、群ｇを形成して抵抗発熱体５の部分的な抵抗値のバラツキを調整しても抵抗発熱体５の帯の幅方向の中心線が設計位置から大きく変わることがなく、設計した抵抗発熱体５に溝ｍを形成して抵抗調整することで均熱板１００を均一に加熱することができることからウェハＷ面内の温度差を小さくすることができる。
一方、図１３や図１４のように群ｇの幅方向の中心が抵抗発熱体５の幅方向の中央からずれた場合、抵抗発熱体５の帯の断面積の大きな面に大きな電流が流れ、その部分が発熱し易くなる。そのため抵抗発熱体５の帯の幅方向で左右の発熱バランスが崩れ幅方向で温度差が生じることから、ウェハＷの面内温度差が大きくなる虞がある。
また群ｇの幅Ｗｇは抵抗発熱体５の帯の幅Ｗｈの９０％以内にあることが好ましい。なぜなら通常微細で複雑な抵抗発熱体５はスクリーン印刷法で形成されることから、スクリーン印刷法で形成された抵抗発熱体５の断面積は図１０のように抵抗発熱体５の帯の幅の左右５％の領域の厚みが小さくなっているからである。また、レーザビーム等で溝ｍを形成するが、溝ｍの大きさはレーザビームの出力と照射時間で決まり、通常溝ｍを加工中は出力や照射時間は変更されないことから、溝ｍの深さは略同等となる。そこで、周辺部の厚みの小さな領域を除く抵抗発熱体５の帯の幅の９０％以内の箇所に溝ｍを形成した場合、溝ｍが抵抗発熱体５を貫通する虞がなく、溝ｍの底部にクラックを発生する虞が小さく好ましい。更に好ましくは６０％以内である。しかしながら抵抗発熱体５の帯の幅の９０％を超えて溝ｍを形成した場合、抵抗発熱体５の両端の膜厚が薄い箇所に溝ｍが形成されることから、溝ｍが抵抗発熱体５を貫通したり、レーザ光が板状体２に照射されて微小クラックが生じたりする虞があるからである。更に、前記微小クラックが発生するとヒータ１に加熱・冷却を繰り返すとウェハＷ表面の温度差が大きくなり均熱性が悪くなる虞がある。最悪、板状体が破壊する虞があるからである。
また、上記溝ｍの群ｇをなす各溝ｍ１、ｍ２・・の深さは、その溝ｍの幅Ｗｍの２０％〜７５％の範囲であることが好ましい（溝深さ／溝幅＝２０〜７５％）。なぜなら２０％未満であると、一本の溝ｍの形成による抵抗値の変化が小さく抵抗値の調整範囲も小さくなることからウェハＷの面内温度差を充分に小さくすることが困難になるからである。
また、溝ｍの深さが幅Ｗｍの７５％を超えると、レーザのファーストパルスのエネルギーが大きく抵抗発熱体５の底部に微小クラックが発生し、加熱・冷却を繰り返すと微小クラックが成長し、抵抗発熱体５の抵抗値の変化が生じ、抵抗値が変化するとウェハＷの面内温度差が大きくなり均熱性を保てなくなる虞があるからである。更に好ましくは３０〜５０％である。
また、抵抗発熱体５の帯の長手方向に平行で、長さが同等な複数の溝ｍ１、ｍ２・・からなる群ｇをなし、前記帯に群ｇを複数備え、群ｇ１と群ｇ２との間隔Ｇｇが前記帯の幅Ｗｈよりも小さいことが好ましい。
抵抗発熱体５はスクリーン印刷で形成されることから、抵抗発熱体５が形成される際に設計位置に対し微妙な位置ずれが発生する。そのため板状体２の設定位置と抵抗発熱体５の位置のずれが発生する。そこで、群ｇ１と群ｇ２との間隔Ｇｇを設けることなく抵抗発熱体５に長い溝ｍ１、ｍ２、・・からなる群ｇを形成すると、図１５のようにその微妙な位置ずれが拡大して始点Ｐ１で中心に合わせても終点Ｐ２では帯の幅の中心からずれた箇所に群ｇが形成される。そのため群ｇの終点Ｐ２に隣接する抵抗発熱体５の断面の左右で電流通路となる断面積が大きく異なり、抵抗発熱体５の帯の断面において、帯の左右で発熱量が異なりウェハＷの面内温度差が大きくなる虞が生じる。
上記不具合の発生を防止するには図８に示すように上記群ｇを複数の群に分割して、複数の群ｇ１と群ｇ２との間隔Ｇｇが抵抗発熱体５の帯の幅Ｗｈよりも小さいことが好ましい。このようにすることで、抵抗発熱体５の帯の左右の発熱量の変化が小さく、更に間隔Ｇｇの部分が溝ｍで分けられた左右の帯のバイパスとなり電流の流れに偏りがなくなり発熱が均一となるためである。
一方前記間隔Ｇｇが前記帯の幅Ｗｈよりも大きい場合その箇所Ｇｇの発熱量が小さくなり加熱した際にその箇所がクールスポットとなり、ウェハＷの温度がその箇所のみ低くなり全体の均熱性が悪くなる。そのため群ｇと群ｇの間隔Ｇｇは帯の幅Ｗｈよりも小さいことが好ましい。
また上記溝の群ｇと群ｇの間隔は１ｍｍ以下が好ましい。１ｍｍ以下であれば前記電流の偏りを防止できるとともにクールスポットを発生させる虞が少ないからである。
また、レーザトリミングは通常大気中で実施するので、抵抗発熱体５中に含まれる導通成分として、耐熱性および耐酸化性に良好な貴金属であるＰｔやＡｕもしくはこれらの合金を主成分とするものを使用することが好ましい。抵抗発熱体５としては絶縁層との密着性および抵抗発熱体自体の焼結性を向上させるために、３０〜７０重量％のガラス成分を混合することが好ましい。
さらに本発明のセラミックヒータは、図１に示すように、均熱板１００に抵抗発熱体５を備えてなるセラミックヒータを金属ケース１９に接合し、給電部６に給電端子１１を接続したものである。このとき、給電部６と給電端子１１の接続手段を弾性体１８による押圧としているため、均熱板１００と金属ケース１９の温度差による両者の膨張の差を接触部分の滑りで緩和できるので、使用中の熱サイクルに対し良好なウェハ加熱装置とすることができる。この押圧手段である弾性体１８としては、図１に示すようなコイル状のバネや、他に板バネ等を用いて押圧するようにしても構わない。
これらの弾性体１８の押圧力としては、０．３Ｎ以上の加重を給電端子１１にかけるようにすればよい。弾性体１８の押圧力を０．３Ｎ以上とする理由は、均熱板１００および金属ケース１９の膨張収縮による寸法変化に対し、それに応じて給電端子１１が移動しなければならないが、装置の構成上給電端子１１を均熱板１００の下面から給電部６に押し当てるようにしているため、給電端子１１の摺動部との摩擦により給電端子１１が給電部６から離れることを防止するためである。
また、給電端子１１の給電部６との当接面側の形は、０．５〜４ｍｍとすることが好ましい。さらに、給電端子１１を保持する絶縁材は、その使用温度に応じて、２００℃以下の温度では、ガラス繊維を分散させたＰＥＥＫ（ポリエトキシエトキシケトン樹脂）材のものを用いることが可能であり、また、それ以上の温度で使用する場合は、アルミナ、ムライト等からなるセラミック製の絶縁材を用いることが可能である。
このとき、給電端子１１の少なくとも給電部６との当接部を、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ、ステンレスおよび白金族の金属のうち少なくとも１種以上からなる金属により形成することが好ましい。具体的には、給電端子１１自体を上記金属で形成するか、または給電端子１１と給電部６の間に上記金属からなる金属箔を挿入することにより、給電端子表面の酸化による接触不良を防止し、均熱板１００の耐久性を向上させることが可能である。具体的には、前記給電部６と給電端子１１の間にＮｉ，Ｃｒ、Ａｇ、Ａｕ、ステンレスおよび白金の金属のうち少なくとも１種以上からなる金属箔を挿入すると、電気的な接触の信頼性が増すと同時に、均熱板１００と金属ケース１９の温度差に起因する寸法差を金属箔の面の滑りで緩和できる。
また、給電端子１１の表面にブレーチング加工やサンドブラスト加工を施したりして、表面を荒らすことにより接点が点接触となることを防止すると、さらに接触の信頼性を向上することができる。
なお、均熱板１００は金属ケース１９に、その開口部を覆うように設置してある。金属ケース１９は、側壁部と一層もしくは、多層の板状構造部を有している。また該板状構造部には、均熱板１００の抵抗発熱体５に給電するための給電部６と導通するための給電端子１１が絶縁材を介して設置され、弾性体１８により均熱板１００の表面の給電部６に押圧されている。また、測温素子１０は、均熱板１００の中央部のウェハ載置面３の直近に設置され、測温素子１０の温度を基に均熱板１００の温度を調整する。抵抗発熱体５が複数のブロックに別れており、個別に温度制御する場合は、それぞれの抵抗発熱体５のブロックに測温素子１０を設置する。
また、均熱板１００には、該均熱板１００を冷却するためにガス噴射口１２、およびガスを排気するための開口部を形成しても構わない。このように均熱板１００の冷却機構を設けることにより、ウェハＷの表面に半導体薄膜やレジスト膜を形成したり、表面をエッチングしたりすることによりタクトタイムを短縮することができる。
また、板状構造部は、２層以上とすることが好ましい。これを１層とすると、ウェハＷの面内温度差が小さくなるのに時間がかかり好ましくない。なお、板状構造部の最上層のものは、均熱板１００から５〜１５ｍｍの距離に設置することが望ましい。これにより、均熱板１００と板状構造部の相互の輻射熱により均熱化が容易になり、また、他層との断熱効果があるので、ウェハＷの面内温度差が小さくなるまでの時間が短くなる。また、冷却時は、ガス噴射口１２から均熱板１００の表面の熱を受け取ったガスが、順次層外に排出され、新しい冷却ガスが均熱板１００の表面を冷却できるので、冷却時間が短縮できる。
また、金属ケース１９内に昇降自在に設置されたリフトピン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。
そして、このヒータ１によりウェハ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ェハＷをリフトピン１４にて支持したあと、リフトピン１４を降下させてウェハＷを載置面３に載せる。
均熱板１００を例えば炭化珪素質焼結体、炭化硼素質焼結体、窒化硼素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体または窒化珪素質焼結体により形成すると、熱を加えても変形が小さく、板圧を薄くできるため、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間およ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。
板状体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たりして十分混合し、平板状に加工した後、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。
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たりして十分混合し、平板状に加工した後、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。
また、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。
また、板状体２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、焼結助剤としての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。
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、２１００〜２２００℃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。
また、板状体２を形成する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量と、雰囲気からの影響を含め意図的に添加したＳｉＯ２の総和である。
また、均熱板１００の温度は、均熱板１００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１．０ｍｍ以下のシース型の熱電対を使用することが好ましい。また、均熱板１００に埋め込まれた先端部に力が掛からないように測温素子１０の途中が金属ケース１９の板状構造部に保持されている。この測温素子１０の先端部は、均熱板１００に孔が形成され、この中に設置された円筒状の金属体の内壁面にバネ材により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。
さらに、これらのヒータ１をレジスト膜形成用として使用する場合は、板状体２としての窒化物を主成分とする材料を使用すると、大気中の水分等と反応してアンモニアガスを発生させレジスト膜を劣化させるため、この場合板状体２として、炭化珪素や炭化硼素の炭化物からなるものを使用することが好ましい。
また、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。これにより、ウェハＷ上に微細な配線を高密度に形成することが可能となる。
さらに、均熱板１００の載置面３と反対側の主面は、平面度２０μｍ以下、面荒さを中心線平均荒さ（Ｒａ）で０．１〜０．５μｍに研磨しておくことが好ましい。
一方、炭化珪素質焼結体を板状体２として使用する場合、半導電性を有する板状体２と抵抗発熱体５との間の絶縁を保つ絶縁層としては、ガラスまたは樹脂を用いることが可能である。ここで、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６００μｍを超えると、均熱板１００を形成する炭化珪素質焼結体との熱膨張率差が大きくなりすぎるために、クラックが発生して絶縁層として機能しなくなる。そのため、絶縁層としてガラスを用いる場合、絶縁層の厚みは１００〜６００μｍの範囲内で形成することが好ましく、望ましくは２００〜３５０μｍの範囲で形成することが良い。
また、板状体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、板状体２に対する抵抗発熱体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、絶縁層を省略することが可能である。
この絶縁層を形成するガラスの特性としては、結晶質また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均熱板１００を構成するセラミック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１００を形成するセラミックとの熱膨張差が大きくなりすぎるため、ガラスの焼き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。
次に、絶縁層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、抵抗発熱体５に例えればレーザ加工等によってトリミングを施した際に絶縁層を傷つけ、絶縁層として機能しなくなる。逆に１５０μｍを超えると、樹脂の焼き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１００との間にフクレと呼ばれる泡上の剥離部ができ、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。そのため、絶縁層として樹脂を用いる場合、絶縁層の厚みは３０〜１５０μｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは６０〜１５０μｍの範囲で形成することが好ましい。
また、絶縁層を樹脂により形成する場合、２００℃以上の耐熱性と抵抗発熱体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、ポリアミド樹脂等を用いることが好ましい。
なお、ガラス層や樹脂からなる絶縁層を板状体２上に被着する手段としては、前記ガラスペーストまたは樹脂ペーストを均熱板の中心に適量落とし、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、ガラスペーストの場合は６００℃の温度で、樹脂の場合は３００℃以上の温度で焼き付ければ良い。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または窒化アルミニウム質焼結体からなる板状体２を１２００℃程度の温度に加熱し、絶縁層を被着する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。
なお、以上の実施形態では半導体ウェハを加熱する装置について説明したが、本発明のヒータは半導体ウェハに限らずさまざまな板状体やその他の物体の加熱に用いることができる。
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の円板状をした均熱板を複数制作し、各均熱板の一方の主面に絶縁層を被着するため、ガラス粉末に対してバインダーとしてのエチルセルロースと有機溶剤としてのテルピネオールを混練して作製したガラスペーストをスクリーン印刷法にて敷設し、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させた後、５５０℃で３０分間脱脂処理を施し、さらに７００〜９００℃の温度で焼付けを行うことにより、ガラスからなる厚み２００μｍの絶縁層を形成した。次いで絶縁層上に抵抗発熱体を被着させるため、導電材として２０重量％のＡｕ粉末と１０重量％のＰｔ粉末と７０重量％のガラスを所定量のパターン形状に印刷した。その後１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させ、さらに４５０℃で３０分間脱脂処理を施した後、５００〜７００℃の温度で焼付けを行うことにより、厚みが５０μｍの抵抗発熱体を形成した。
尚、上記抵抗発熱体に使用した導電性組成物であるＡｕ及びＰｔの平均粒径は、０．５μｍであった。また、絶縁性組成物としてガラス粉末を添加しその平均粒径は１．５μｍと２０μｍとした。また、その混合物を用いてそれぞれ試料Ｎｏ．１〜３を作製した。
抵抗発熱体を形成後の内部の導電性組成物の分散状態を確認すると、試料Ｎｏ．１，Ｎｏ．２はガラスの塊が大きく図７のように分散状態となった。
また、試料Ｎｏ．３は図１２のような分散状態となった。
また、抵抗発熱体は、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。
こうして作製した抵抗発熱体の各パターンをそれぞれ５０箇所前後に分割し、各箇所で設計した抵抗値と実測抵抗値との違いをレーザビームを照射して溝を形成して抵抗調整した。前記溝の形成方法としては日本電気製のＹＡＧレーザを使用した。レーザビームは、波長が１．０６μｍ、パルス周波数1ｋＨｚ、レーザ出力０．４Ｗ、加工速度５ｍｍ／ｓｅｃとして照射した。
尚、上記条件で作製された溝の幅は約５０〜６０μｍで深さは約２０〜２５μｍであった。そして、各群に形成された溝と溝との間隔であるピッチは約６５μｍで最大の溝の数は１３個であった。
また、試料Ｎｏ．１、２の溝の表面の導電性組成物は２〜５μｍの円形となり、溝の表面の導電性組成物の密度は内部の密度よりも小さくなった。
一方、試料Ｎｏ．３の溝の表面の導電性組成物の密度は図１１のように内部と差がほとんどなかった。
また、それぞれの明度についても確認した。簡易的に明度の差を確認する方法として、先ずそれぞれの表面を金属顕微鏡にて写真を撮り、その写真を白黒のコピーを取り、白色の強さを確認した。明度は白色が強いほど大きくなり、逆に黒色が強いほど小さくなる。その結果、試料Ｎｏ.１、２は溝以外の表面よりも溝の表面の黒色が強く、明度が小さかった。一方、試料Ｎｏ．３は明度に差がなかった。
そして、上記均熱板を金属ケースに取り付け、測温素子や給電端子等を取り付け試料Ｎｏ．１〜３のヒータを完成させた。
尚、完成した試料の溝の群ｇの表面を２００倍のＳＥＭで確認したところ、表１にも示しているとおり、それぞれ長さ５μｍの微小クラックが確認された。
尚、クラックの長さはクラックの起点から終点の直線距離で測定しその平均値を求めた。
その後、試料Ｎｏ．１〜３のヒータに測温素子付きのシリコンウェハを載置面に載せてヒータを加熱し、ウェハ全体の温度の平均が２００℃になるようにして、前記の測温素子付きのシリコンウェハを用いてウェハ面内の温度差を測定した。
更にその後、試料Ｎｏ．１〜３のヒータをウェハの表面温度の平均温度が１分間で室温から３５０℃となるように電圧を印加し、３分間保持した後、２分で４０℃以下に冷却する熱サイクルを１サイクルとして、その熱サイクルを５０００回繰り返した。そしてその後の溝部分の観察および各試料の各抵抗発熱体の抵抗変化率及びウェハ面内の温度差を測定した。
各試料の抵抗発熱体の抵抗変化率は、抵抗変化量を初期の抵抗値で除して求めた。複数の抵抗変化率がある場合は最大値を抵抗変化率として表に示した。また、抵抗発熱体の抵抗変化率はウェハ表面の温度差が０．１℃以内の変化で収まる３％以内が好ましく、望ましくはウェハ表面の温度差が０．０３℃以内で収まる１％以内の抵抗変化率が更に好ましい。
それぞれの結果は表１に示すとおりである。
表１に示すように、溝の表面の導電性組成物の密度が抵抗発熱体の内部の導電性組成物の密度より小さい試料Ｎｏ.１、２は、絶縁性組成物であるガラスの粒径が大きく微小クラックの成長は見られなかった。また、冷熱サイクルを５０００回繰り返しても、抵抗値の変化もそれぞれ０．７％、０．６％とその変化は小さかった。また、ウェハ面内の温度差は０．３７℃、０．３８℃とウェハ面内の温度差が冷熱サイクル後も小さく良好であった。
一方、溝の表面の導電性組成物の密度が抵抗発熱体の内部の導電性組成物の密度より大きい試料Ｎｏ.３は、冷熱サイクル後、微小クラックが約５０μｍにまで成長をしていた
。そのため発熱抵抗体の抵抗値も約５％変化を生じ、ウェハ面内の温度差が０．８６℃と大きくなり、連続的に使用できなかった。
。そのため発熱抵抗体の抵抗値も約５％変化を生じ、ウェハ面内の温度差が０．８６℃と大きくなり、連続的に使用できなかった。
また、溝の表面の明度が溝以外の抵抗発熱体の表面の明度より小さい試料Ｎｏ．１、２は同様に冷熱サイクル後のウェハ面内の温度差が０．３７℃、０．３８℃と小さく抵抗変化率も１％以下と小さく優れた特性を示すことが分った。
実施例１と同様な方法で試料Ｎｏ．４〜８を作製した。試料Ｎｏ．４〜８の絶縁性組成物は、ガラスからなりその平均粒径は１．５μｍ、５μｍ、２０μｍ、４０μｍ、６０μｍとした。そして、レーザビームにより溝を形成した後の表面の導電性組成物の平均径は、０．５μｍ、１μｍ、３．２μｍ、８．５μｍ、２０μｍとなった。尚、導電性組成物の平均径は、表面ＳＥＭ写真から２０個の導電性組成物の平均面積と等価な円の直径で示した。
その後、表面の観察及び実施例１と同様に５０００サイクルの熱サイクルをし、抵抗値の変化率及びウェハ温度のばらつきを確認した。
その結果を表２に示す。
表２に示すように、溝の群の表面の導電性組成物の粒径が約０．５μｍである試料Ｎｏ．４は冷熱サイクル後微小クラックが１０μｍにまで成長し、２．８％の抵抗変化を生じた。
これに対し、導電性組成物が円形であり、群の溝の表面の導電性組成物の粒径が１〜２０μｍである試料Ｎｏ．５〜８は、微小クラックの成長は見られず、抵抗値の変化も１％以下であり、より好ましいことがわかった。
抵抗発熱体のガラスを実施例１で良好な結果を示した平均粒径１．５μｍ、２０μｍの混合とし、実施例１と同様な方法で試料を作製し、レーザビームにより溝の群を形成した。
尚、溝の集合体である群の中心は抵抗発熱体の帯の中央部に形成したものを試料Ｎｏ．９とした。また、群の中心が帯の端より２５％の位置に形成したものを試料Ｎｏ．１０とした。更に、帯の端から溝を形成したものを試料Ｎｏ．１１とした。尚、抵抗発熱体の帯の中央部とは帯の幅の範囲の中心から幅の±５％の範囲とした。そして、実施例１と同様に評価した。
その結果を表３に示す。
表３に示すように、抵抗発熱体の帯の中央部に溝の群が形成されている本発明の試料Ｎｏ.９はウェハＷ表面の面内温度差が０．２９℃であり温度分布が小さく良好な結果を示した。
それに対し群の中心をずらして溝を形成した試料Ｎｏ.１０、１１はそれぞれ０．３５℃、０．３９℃となりウェハ面内の温度差は試料Ｎｏ．９と比較して大きかった。
実施例３と同様な方法で試料を作製し、レーザビームにより溝の群を形成した。溝の群の中心は、実施例３で良好の結果を示した中央部として、溝と溝との間隔であるピッチを変えて溝の群の幅を調整して、溝の群の幅が抵抗発熱体の帯の幅の５０％、７０％、９０％、９５％、１００％とした。その後、ウェハの表面温度の平均温度が１分間で室温から３５０℃となるように電圧を印加し、３分間保持した後、２分で４０℃以下に冷却する熱サイクルを１サイクルとして、その熱サイクルを５０００回繰り返した。そしてその前後の溝部分の観察および各試料の各抵抗発熱体の抵抗変化率を測定した。
その結果を表４に示す。
表４の結果からも判るように試料Ｎｏ.１２〜１４の溝の群の幅が帯の幅の９０％以内で形成した試料は５０００サイクルの熱サイクルで抵抗変化はそれぞれ１％以下であり良好であった。
一方試料Ｎｏ.１５，１６は、試料Ｎｏ．１２〜１４と比較して抵抗変化は大きかった。
実施例３と同様な方法で試料を作製し、レーザにより溝の群を形成した。溝の群の中心は、実施例３で良好の結果を示した中央部とし、溝の群の幅は、実施例４で良好の結果を示した抵抗発熱体の帯の幅の９０％以内とした。さらに、レーザビームの出力を０．１〜０．６Ｗまで変えて溝の深さを、溝の幅の１０％、２０％、５０％、７５％、８５％まで調整した。
そして実施例１と同様に熱サイクル試験を行い、抵抗値の変化率を確認した。結果を表５に示す。
尚、抵抗値は５つの抵抗発熱体の耐久前後の抵抗値の中から最も抵抗変化率の大きなものを記載した。
溝の深さが溝の幅の１０％として抵抗発熱体の各部の抵抗を調整した試料Ｎｏ.１７は各部の抵抗値を充分調整できず溝を形成しても抵抗発熱体の抵抗値のばらつきは大きいままでウェハＷ面内の温度を小さくすることができなかった。
試料Ｎｏ.１８〜２０は、溝の深さが２０％〜７５％であり、熱サイクル５０００回後の抵抗変化率が１％以内であり良好な結果であった。
しかし、試料Ｎｏ.２１の溝の深さは幅の８５％であり、抵抗発熱体の抵抗値が２．０４％変化した。
Ｗ：ウェハ
ｍ：溝
ｇ：溝の群
1、７１：セラミックヒータ
２，７２：板状セラミック体
３、７３：載置面
５、７５：抵抗発熱体
６：給電部
８：支持ピン
１０：測温素子
１１、７７：給電端子
１２：ガス噴射口
１４，４５：リフトピン
１５：リフトピンガイド
１６、８０：ボルト
１８：弾性体
１９、７９：金属ケース
２０：ナット
２１：補強部材
５１：導電性組成物
５２：絶縁性組成物
７６：リード線引出用の孔
７８：リード線
１００：均熱板
ｍ：溝
ｇ：溝の群
1、７１：セラミックヒータ
２，７２：板状セラミック体
３、７３：載置面
５、７５：抵抗発熱体
６：給電部
８：支持ピン
１０：測温素子
１１、７７：給電端子
１２：ガス噴射口
１４，４５：リフトピン
１５：リフトピンガイド
１６、８０：ボルト
１８：弾性体
１９、７９：金属ケース
２０：ナット
２１：補強部材
５１：導電性組成物
５２：絶縁性組成物
７６：リード線引出用の孔
７８：リード線
１００：均熱板
Claims (8)
- 板状体の表面に帯状の抵抗発熱体を備え、該抵抗発熱体の帯の長手方向に平行な、レーザビームにより形成された溝を備えたヒータにおいて、前記抵抗発熱体は絶縁性組成物と導電性組成物との複合材からなり、前記溝の表面の前記導電性組成物の密度が前記抵抗発熱体の内部の前記導電性組成物の密度より小さいことを特徴とするヒータ。
- 板状体の表面に帯状の抵抗発熱体を備え、該抵抗発熱体の帯の長手方向に平行な、レーザビームにより形成された溝を備えたヒータにおいて、前記抵抗発熱体は絶縁性組成物と導電性組成物との複合材からなり、前記溝の表面の明度が前記抵抗発熱体の他の表面の明度より小さいことを特徴とするヒータ。
- 前記溝の表面の前記導電性組成物の平均径が１〜２０μｍであることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
- 前記抵抗発熱体は、その断面において多数の前記導電性組成物に囲まれた前記絶縁性組成物の塊を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のヒータ。
- 前記溝は、前記抵抗発熱体の帯の長手方向に平行な複数の溝の群を有し、前記群は前記抵抗発熱体の帯の幅の中央部にあることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のヒータ。
- 前記群の幅は、前記抵抗発熱体の帯の幅の９０％以内にあることを特徴とする請求項５に記載のヒータ。
- 前記溝の深さは、前記溝の幅の２０％〜７５％であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のヒータ。
- 請求項１〜７のいずれかに記載のヒータを用い、前記板状体の前記抵抗発熱体を形成した面と反対側にウェハを載せる載置面を備え、前記抵抗発熱体に独立して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備えたことを特徴とするウェハ加熱装置。
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