JP4776157B2 - Ceramic heater - 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セラミックスヒータに関し、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セラミックスヒータに関する。
The present invention is mainly related to the ceramic heater for use in heating the wafer, for example, to form a thin film on a semiconductor wafer or a liquid crystal device or on a wafer such as a circuit board, drying the resist solution applied on the wafer baked to about the preferred ceramic heater in or form a resist film.
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。 2. Description of the Related Art A heater for heating a semiconductor wafer (hereinafter abbreviated as a wafer) is used 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.
温度制御性に優れ、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のに伴い、セラミックスヒータが広く使用されている。 Ceramic heaters are widely used in accordance with demands for excellent temperature controllability, miniaturization of semiconductor element wiring, and improvement of wafer heat treatment temperature accuracy.
このようなセラミックスヒータとして、例えば特許文献1、特許文献2、特許文献3や特許文献4には、図7に示すようなセラミックスヒータ71が提案されている。
As such a ceramic heater, for example,
このセラミックスヒータ71は、板状セラミックス体72、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8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。
This
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。
Furthermore, a
そして、板状セラミックス体72とケースで囲まれた空間内にノズル82より冷媒を送り、循環させ排出口83より排出することにより板状セラミックス体72を冷却するようになっていた。
Then, the refrigerant is sent from the
ところで、このようなセラミックスヒータ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にはウェハ面内の温度差を小さくして温度分布を均一にすることが重要であり、同時にウェハを加熱・冷却する際の過渡時間が短く、しかも過渡時の温度が均一であることが求められている。更に、ウェハの加熱温度を変更するためにセラミックスヒータ71の設定温度を変更する必要があり、セラミックスヒータ71を短時間に昇温したり冷却したりする時間が短い必要があった。
Incidentally, in such a
特許文献5には、図7に示すように、ケース79の底部79aの面粗度を一定の値以下とすると、冷媒が底部79aとの界面で気流の乱れが無くなり、昇温効率や冷却効率を向上させたり、熱線の反射が大きくなり昇温効率が向上したりすることが記載されている。
In
また、特許文献6には、上記のセラミックスヒータ71の熱容量を5000J/K以下として、ウェハの昇温速度や冷却速度を高めている。しかし、ケース79の熱容量は板状セラミックス体73の熱容量の3.3倍以上と大きく、また、ケース79の表面積Sとケース79の体積Vとの比率S/Vが5(1/cm)を下回ることから冷却時間が長かった。
In
しかし、いずれもウェハの設定加熱温度を変更する時間は長く、短時間で温度変更できるセラミックスヒータが求められていた。 However, in all cases, the time for changing the set heating temperature of the wafer is long, and a ceramic heater capable of changing the temperature in a short time has been demanded.
ところで、このようなセラミックスヒータ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、これまでウェハの温度分布を小さくするため、帯状の抵抗発熱体75の抵抗分布を調整したり、帯状の抵抗発熱体75の温度を分割制御したりすることが行われており、また、熱引きを発生し易い構造の場合、その周囲の発熱量を増大させる等の提案がされていた。
Incidentally, in such a
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セラミックスヒータが求められている。
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。 In chemically amplified resists that have begun to be used in connection with the miniaturization of wiring of semiconductor elements, not only the uniformity of the temperature of the wafer but also the transition from the moment the wafer is placed on the heat treatment apparatus to the end of the heat treatment. Such a temperature history is also extremely important, and it is desired that the temperature of the wafer be stabilized uniformly within about 60 seconds immediately after the wafer is placed.
特に、ウェハWを板状セラミックス体72上に差し替えした際に温度が安定するまでの時間やウェハ面内の温度バラツキが大きいとの問題があった。
In particular, the temperature upon replacing the U E wafer W on the plate-shaped
しかしながら、特許文献7に紹介されているセラミックスヒータでは、直径210mmの窒化アルミニウムからなる板状セラミックス体に0.35〜0.81kgのケースとその付属品0.43〜2.91kgから構成されている。また、直径320mmの窒化アルミニウムに0.73〜1.51kgのケースと、その付属品0.77〜6.29kgから構成されていた。しかし、これらのセラミックスヒータは、ウェハの急速な昇温や冷却する時間が長く不十分であり、ウェハ面内の過渡的な温度差が大きいとの問題があった。 However, the ceramic heater introduced in Patent Document 7 is composed of a plate-like ceramic body made of aluminum nitride having a diameter of 210 mm and a case of 0.35-0.81 kg and its accessories 0.43-2.91 kg. Yes. Moreover, it comprised from 0.73-1.51kg case and its accessory 0.77-6.29kg to the aluminum nitride of diameter 320mm. However, these ceramic heaters have a problem that a rapid temperature rise and cooling time of the wafer is long and insufficient, and a transient temperature difference in the wafer surface is large.
また、特許文献5に記載のセラミックスヒータでは、図7に示した板状セラミックス体73とケース79が囲む空間に冷媒を循環させ冷却するために、ケース79の底面79aの表面粗度Raを20μm以下とし気流の乱流をなくし冷却効率を大きくしているが、ノズル82からの気流の流れる範囲が限定され、部分的にしか冷却されないことから、ウェ
ハの、例えば中心温度のみを効率良く冷却できてもウェハ表面の温度差が大きい状態で冷却されるとの問題があった。
Further, in the ceramic heater described in
更に、特許文献6に記載のセラミックスヒータでは、その熱容量を5000J/K以下とし、昇温特性と冷却特性を向上させているが、ウェハ面内の温度差が大きいとの問題があった。
Furthermore, the ceramic heater described in
本発明のセラミックスヒータは、窒化アルミニウム或いは炭化珪素を主成分とする板状セラミックス体の一方の主面に抵抗発熱体を備え、他方の主面にウェハ加熱面を備えたヒータ部と、前記抵抗発熱体に電力を供給する給電端子と、該給電端子を包むように板状セラミックス体と接続した有底のケースと、前記板状セラミック体の周辺部をリング状に支持して前記ケースと接続する接触部材と、前記板状セラミックス体の周囲で前記抵抗発熱体の外接円の外側に前記抵抗発熱体の存在しない非発熱領域を設け、前記ケースに前記板
状セラミックス体を冷却するガスを噴出するノズルとを備え、前記ケースの内面の赤外線の吸収率が30%以下であり、前記非発熱領域の厚みが前記板状セラミックスの中央部の厚みより大きいことを特徴とする。
The ceramic heater according to the present invention includes a heater unit having a resistance heating element on one main surface of a plate-like ceramic body mainly composed of aluminum nitride or silicon carbide, and a wafer heating surface on the other main surface, and the resistance A power supply terminal for supplying power to the heating element, a bottomed case connected to the plate-shaped ceramic body so as to wrap the power supply terminal, and a peripheral portion of the plate-shaped ceramic body supported in a ring shape and connected to the case A contact member and a non-heat generation area where the resistance heating element does not exist are provided outside the circumscribed circle of the resistance heating element around the plate-like ceramic body, and a gas for cooling the plate-like ceramic body is ejected to the case and a nozzle, infrared absorptivity of the inner surface of the case is 30% or less, the thickness of the non-heat generating area to wherein a greater thickness of the central portion of the plate-shaped ceramic .
また、前記ケースの内面の赤外線吸収率はその外面の赤外線の吸収率より小さいことを特徴とする。
The infrared absorption of the inner surface of the front SL case being smaller than the absorption rate of infrared its outer surface.
また、前記ケースは金属からなり、質量%でCr:17〜26%、Ni:8〜22%、C:0.2%以下、N:0.1%以下、残部がFeと不可避成分からなることを特徴とする。
The front SL case is made of metal, Cr in mass%: 17~26%, Ni: 8~22 %, C: 0.2% or less, N: 0.1% or less, and the balance of Fe and inevitable components It is characterized by becoming.
また、前記ケースの表面粗さRaが5μm以下であることを特徴とする。
The surface roughness Ra of the front SL case, characterized in that it is 5μm or less.
また、前記ケースの外面に赤外線の吸収層を形成したことを特徴とする。
Also characterized in that the formation of the absorption layer of the infrared to the outer surface of the front SL case.
また、前記反射層がAg、CuまたはAu等の貴金属層であることを特徴とする。
The front Symbol reflective layer is characterized in that it is a noble metal layer such as Ag, Cu or Au.
また、前記板状セラミックス体の周辺の下面を支えるようにリング状に前記接触部材が接続していることを特徴とする。
The front Symbol plate-shaped ceramic body before Symbol contact member in a ring shape so as to support the lower surface of the periphery of which is characterized in that connected.
また、前記板状セラミックス体の周辺の端面を囲むように上記接触部材が接続していることを特徴とする。
The front Symbol plate-shaped ceramic member the contact member so as to surround the end surface of the periphery of which is characterized in that connected.
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。 The diameter of the circumscribed circle of the resistance heating element is 90 to 99% of the diameter of the plate-like ceramic body.
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92〜95%であることを特徴とする。 The diameter of the circumscribed circle of the resistance heating element is 92 to 95% of the diameter of the plate-like ceramic body.
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95〜98%であることを特徴とする。 The diameter of the circumscribed circle of the resistance heating element is 95 to 98% of the diameter of the plate-like ceramic body.
また、前記ケースの熱容量が、前記板状セラミックス体の熱容量の0.5〜3.0倍であることを特徴とする。The heat capacity of the case is 0.5 to 3.0 times the heat capacity of the plate-like ceramic body.
また、前記ケースの表面積S(cmFurther, the surface area S (cm of the case)
22
)と前記ケースの体積V(cm) And volume V (cm) of the case
33
)との比率S/Vが5〜50(1/cm)であることを特徴とする。) And the ratio S / V is 5 to 50 (1 / cm).
また、前記抵抗発熱体の対向間隔Sが前記板状セラミックス体の厚みの5倍以下であることを特徴とする。 Further, the opposing spacing S of the resistance heating elements is not more than 5 times the thickness of the plate-like ceramic body.
また、前記板状セラミックス体の厚みが1〜7mmで、前記抵抗発熱体の外接円の面積に対す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。 The thickness of the plate-like ceramic body is 1 to 7 mm, and the ratio of the area of the resistance heating element to the area of the circumscribed circle of the resistance heating element is 5 to 50%.
また、前記接触部材が前記板状セラミックス体と接する巾が0.1〜13mmであることを特徴とする。 Moreover, the width | variety with which the said contact member contacts the said plate-shaped ceramic body is 0.1-13 mm, It is characterized by the above-mentioned.
また、前記接触部材の熱伝導率が前記板状セラミックス体の熱伝導率より小さいことを特徴とする。 Further, the thermal conductivity of the contact member is smaller than the thermal conductivity of the plate-like ceramic body.
また、前記接触部材のヤング率が1GPa以上で、板状セラミックス体のヤング率より小さいことを特徴とする。 The contact member has a Young's modulus of 1 GPa or more and is smaller than that of the plate-like ceramic body.
また、前記接触部材の断面が円形状であることを特徴とする。 The contact member may have a circular cross section.
また、前記接触部材の直径が1mm以下であることを特徴とする。 The diameter of the contact member is 1 mm or less.
本発明によれば、窒化アルミニウム或いは炭化珪素を主成分とする板状セラミックス体の一方の主面に抵抗発熱体を備え、他方の主面にウェハ加熱面を備えたヒータ部と、前記抵抗発熱体に電力を供給する給電端子と、該給電端子を包むように板状セラミックス体と接続した有底のケースと、前記板状セラミック体の周辺部をリング状に支持して前記ケースと接続する接触部材と、前記板状セラミックス体の周囲で前記抵抗発熱体の外接円の外側に前記抵抗発熱体の存在しない非発熱領域を設け、上記ケースに前記板状セラミックス体を冷却するガスを噴出するノズルとを備え、上記ケースの内面の赤外線の吸収率を30%以下とし、前記非発熱領域の厚みを前記板状セラミックスの中央部の厚みより大きくすることによって、ウェハ面内の温度差の小さくしかも応答時間が小さく、過渡時のウェハ面内の温度差の小さな良好なセラミックスヒータが得られる。 According to the present invention, a heater unit having a resistance heating element on one main surface of a plate-like ceramic body mainly composed of aluminum nitride or silicon carbide and a wafer heating surface on the other main surface; A power supply terminal for supplying power to the body, a bottomed case connected to the plate-like ceramic body so as to wrap the power supply terminal, and a contact for supporting the periphery of the plate-like ceramic body in a ring shape and connecting to the case A nozzle that ejects a gas for cooling the plate-shaped ceramic body to the case by providing a non-heat-generating region where the resistance heat-generating body does not exist outside the circumscribed circle of the resistance heat generating body around the member and the plate-shaped ceramic body with the door, the infrared absorptivity of the inner surface of the case is 30% or less, by the thickness of the non-heat generating area larger than the thickness of the central portion of the plate-shaped ceramic, within the wafer In degrees difference small yet small response time, a small good ceramic heater of the temperature difference within the wafer during the transient is obtained.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図1は本発明に係るセラミックスヒータ1の一例を示す断面図で、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を載せるウェハ加熱面3とするとともに、他方の主面に抵抗発熱体5を形成したヒータ部30を備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a
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、ウェハ加熱面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、電力密度に分布をつけて均熱性を改善しても良い。
The pattern shape of the
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、ロウ付け等の手法を用いてもよい。
The
さらに、板状セラミックス体2と有底のケース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。
Further, the
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。
Thereby, even if the bottomed
なお、有底のケース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、有底のケース19には冷却ガスを排出するための排出口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。
The bottomed
さらに、有底のケース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と有底のケース19相互の輻射熱によりウェハ加熱面3が加熱されると同時に、ケース19の外部との断熱効果があるので、ウェハ加熱面3の温度分布に大きな影響を及ぼすからである。
Furthermore, it is desirable that the bottomed
また、板状セラミックス体2には少なくとも3箇所の貫通孔26が設けられ、ウェハリフトピン25を上下させることにより、板状セラミックス体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25が板状セラミックス体2へ直接接触しないようにガイド部材10が設置されている。
Further, the plate-like
本発明のセラミックスヒータ1は、上記ケース19の内面の赤外線の吸収率が30%以下であることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、抵抗発熱体5で加熱された板状セラミックス体2からの放射熱がケース19の内壁で吸収されてケース19自体を加熱することを防ぐとともに、ケース19から反射した輻射熱は板状体の下面を加熱し、板状セラミックス体2を均一に加熱することができるからである。また、特に板状セラミックス体2の温度が100℃以上となると板状セラミックス体2の抵抗発熱体2の下面から赤外領域の波長5〜9μmの輻射熱が強くなりケース19内面からの反射熱の影響が大きく、ケース19内面の赤外線の吸収率が30%以下であると、ケース19の加熱が抑えられ、ケース19からの反射波により板状セラミックス体2の加熱が促進され、板状セラミックス体2のウェハ加熱面3の温度差を小さくする効果が増進されるからである。特に、板状セラミックス体から輻射された輻射波がケース19に照射され輻射波が吸収されケース19が加熱されるが、この輻射波の中でも波長は3〜15μm程の赤外線領域が主にケース19を加熱する。
The
一方、本発明に用いられる窒化アルミニウム或いは炭化珪素を主成分とする板状セラミックス体2は熱伝導率が100W/(m・K)以上の炭化物や窒化物セラミックスが好適であり、これらの100から200℃前後に加熱された板状セラミック体2の放射波は波長4μm程から急激に大きくなり波長10μm前後から急激に減少すると考えられ、ケース19は実質的に波長4〜10μmの遠赤外線の輻射波によりケース19は加熱されると推測される。この理由から波長4〜10μmの遠赤外線の吸収率が重要で特に6〜8μmに対する輻射に対する吸収率が重要であり、本願の吸収率は遠赤外領域の6〜8μmの波長域における吸収率で代用することができる。
On the other hand, the plate-like
特に、窒化物や炭化物セラミックスである窒化アルミニウムや炭化珪素を主成分とする板状セラミックス体2でこの効果が大きいことが判明した。より限定すれば、遠赤外線の吸収率を代表する値として波長7μmの遠赤外線の吸収率が30%以下であることが好ましい。
In particular, it has been found that this effect is great in the plate-like
板状セラミックス体2は、ウェハWを均一に加熱するように抵抗発熱体5が配設されているが、ウェハ加熱面3に載せられたウェハWをウェハW面内の温度差が小さい状態で急速に加熱したり、ウェハ加熱面3の温度変更を短時間で行ったりするには、ウェハWの面内温度差が小さくなるように板状セラミックス体2を加熱するとともに板状セラミックス体2の周囲から下面を覆うケース19に伝わる熱や、ケース19の外周の上部から接触部材17を通して板状セラミックス体2の周囲に伝わる熱や、ケース19内面から板状セラミックス体2を加熱する輻射熱の影響を効果的に抑制/制御することが重要である。そしてケース19から反射した輻射熱が板状セラミックス体2の下面を加熱するとともに、ケース19そのものの加熱を抑え、ウェハWの周辺の温度差が大きくならない様に板状セラミックス体2の周辺部をリング状に支持してケース19と接続する接触部材17を備えた構成とすることが重要である。このような構成とすることで例えば直径200mm以上或いは直径300mm以上の大型ウェハWの周辺部の温度差を小さく保つことができるとともに低温のウェハWがウェハ加熱面3に載せられた際にはウェハW周辺の温度が中心部より低下しないよう熱を供給しつつ、ウェハ加熱面の温度変更時にはケース19の温度の影響を抑えることができることから素早く温度を変えることができる。
The plate-like
更に、板状セラミックス体2の周囲で前記抵抗発熱体5の外接円の外側に前記抵抗発熱体5の存在しない非発熱領域を備えることが必要である。このように非発熱領域を備えることで、板状セラミックス体2の周辺部から熱がケースに逃げることを妨げることができることから、ウェハW面の温度差を小さくすることができるからである。また、同時に冷えたウェハWを加熱されたウェハ加熱面3に載せても、前記非発熱領域の熱がウェハWの周辺の温度の低下を防ぎウェハWの周辺や中心の温度が等しく加熱されウェハW面内の温度差が小さい状態でウェハW全面の温度が上昇し所定の温度に短時間で昇温することができるからである。一方前記非発熱領域がなく抵抗発熱体5の外接円の直径を単に大きくしただけでは、定常状態での板状セラミックス体2周辺部からの熱がケース19に流れ、ケース19が加熱されウェハ加熱面の温度変更等の際にケース19の温度が高く、短時間でウェハ加熱面の温度変更ができなくなる虞があるからである。
Furthermore, it is necessary to provide a non-heat generating area where the
尚、ケース19の内面側には給電端子11、ガス噴射口24、ガスを放出する排出口23、熱電対27、ガイド部材10、等が配設されている。これらの部品からの反射も重要である。特にケース19に穿孔される排出口23はその面積が大きくケース内面からの輻射量を低減する効果があることから、排出口23はケース19の下面に均等に配設されていることが好ましい。
On the inner surface side of the
また、ケース19の外面の赤外線の吸収率はその外面の赤外線の吸収率より大きいことが好ましい。上記内面の赤外線の吸収率は30%以下であり板状セラミックス体2からの熱の大部分を反射することができるが、吸収された輻射光はケース19を加熱する。板状セラミックス体2の温度が上昇するとケース19の温度も上昇するが、ケース19の熱はケース19の外面からの輻射光によりケース19の温度を下げることができる。ケース19の外側の赤外線の吸収率が内側の赤外線の吸収率より大きいと、ケース19内面から加熱された熱が、ケース19の外面から放射され、ケース19の温度上昇を抑えることができ好ましい。
The infrared absorption rate of the outer surface of the
尚、ケース19は赤外線の吸収率の小さな金属製のケース19が好ましく、赤外線の吸収率は研摩加工や、反射層の形成、酸化膜処理、黒色塗料等の塗布により調整できる。
The
また、本発明のセラミックスヒータは熱伝達に重要な波長3〜25μmの赤外線の吸収率がセラミックスヒータの温度特性に影響するが、その中でも波長5〜9μmの赤外線の吸収率の影響が大きく、この赤外線の吸収率は波長7μmの赤外線の吸収率で本発明の赤外線の吸収率とすることができる。 Further, in the ceramic heater of the present invention, the absorption rate of infrared rays having a wavelength of 3 to 25 μm, which is important for heat transfer, affects the temperature characteristics of the ceramic heater. Among them, the influence of the absorption rate of infrared rays having a wavelength of 5 to 9 μm is large. The infrared absorptivity can be the infrared absorptivity of the present invention as an infrared absorptivity with a wavelength of 7 μm.
尚、上記吸収率は分光分析により求めることができる。 The absorptance can be obtained by spectroscopic analysis.
更に、ケース19はFe−Cr−Ni系合金が好ましい。特に、Cr量は17〜26重量%で、Ni量は8〜22重量%で、Cが0.2質量%以下でNが0.1質量%以下であると赤外線の反射率が大きく、経時変化が少なく好ましい。更に好ましくはNi量が8〜15重量%であり、より好ましくはNi量が8〜16重量%である。Cr量が17質量%を下回ったり、Ni量が8質量%を下回ったりすると、赤外線の吸収率が30%を上回り好ましくない。また、Cr量が26質量%を超えたり、Ni量が22質量%を超えたりすると金属合金の剛性が大きく脆くなることから好ましくない。更に、Cは0.2質量%を超えたり、Nが0.1質量%を超えたりすると金属合金が脆くなり好ましくない。
Further, the
また、ケース19のJIS B0633による表面粗さRaは5μm以下であることが好ましい。Raが5μmを超えると赤外線の吸収率が30%を上回る虞があり好ましくない。更に好ましくは2μm以下であり、より好ましくは0.5μm以下である。
The surface roughness Ra of the
また、ケース19の赤外線吸収率を小さくするには、ケース19の表面に赤外線を強く吸収しない反射層を形成することが好ましい。
In order to reduce the infrared absorption rate of the
上記吸収反射層はAg、CuやAu等の貴金属層が好ましく、これらの金属層をメッキ法や蒸着法やCDVコート法を用いることができる。そして、これらの反射層は0.1〜5μmの厚みで形成すると、赤外線の吸収率が30%以下と小さくなり好ましい。 The absorptive reflective layer is preferably a noble metal layer such as Ag, Cu or Au, and a plating method, a vapor deposition method or a CDV coating method can be used for these metal layers. And when these reflective layers are formed with the thickness of 0.1-5 micrometers, the absorptivity of infrared rays becomes small with 30% or less, and is preferable.
また、本発明の一例である図1のセラミックスヒータ1は、板状セラミックス体2の周辺の下面を支えるようにリング状に接触部材17が接続しているので、ケース19の直径と板状セラミックス体2の直径Dを同等とすることができることから、板状セラミックス体2の直径を大きくすることができる。そのため、温度の低いウェハWを温度の高いウェハ加熱面に載せてもウェハWの周辺の温度が低下することなく、板状セラミックス体2の周辺の非発熱領域に蓄熱された熱によりウェハWの周辺を加熱することができる。
Further, in the
また、本発明のセラミックスヒータ1は図2に示すように板状セラミックス体2の周辺の端面を囲むようにリング状に上記接触部材17が接続することで、板状セラミックス体2の周辺部の熱の漏出を防止しウェハW面内の温度差を小さくすることができる。特に板状セラミックス体2の周辺の端面が接触部材17と接触することで板状セラミックス体2の直径が小さくなり抵抗発熱体5の熱を効率的にウェハWに供給することができることから好ましい。また、温度の低いウェハWを温度の高いウェハ加熱面に載せた際に、ウェハWの周辺部に多くの熱を供給する必要があることから板状セラミックス体2の周辺に多くの熱を蓄える必要があり、この熱を蓄える領域として、板状セラミックス体2の周辺に抵抗発熱体5の存在しない非発熱領域が必要である。
Further, as shown in FIG. 2, the
なお、ウェハWの定常時の面内温度差を小さくするには抵抗発熱体5の外接円の直径をウェハWの直径より3〜5%程大きいことが必要である。従って、板状セラミックス体2の直径DはウェハWの直径の4〜17%程大きいことが好ましい。また、板状セラミックス体2の周囲の端面を保持することから板状セラミックス体2の非発熱領域を小さくすることができる一方、非発熱領域の蓄熱量を増やすために非発熱領域の板状セラミックス体2の厚みを大きくすることで非発熱領域の熱容量を調整することができる。
In order to reduce the in-plane temperature difference during normal operation of the wafer W, the diameter of the circumscribed circle of the
そして、板状セラミックス体2の外接円の直径DCが板状セラミックス体2の直径Dの90〜99%であると更に好ましい。
The diameter DC of the circumscribed circle of the plate-like
抵抗発熱体5の外接円Cの直径DCが板状セラミックス体2の直径Dの90%より小さいと、非発熱領域が大き過ぎることからウェハを急速に昇温したり急速に降温させたりす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、板状セラミックス体2の直径Dが大きくなり、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Dに比較して小さくなり、ウェハWを加熱する電力に対するウェハ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。
The diameter DC of the circumscribed circle C of the
抵抗発熱体5の外接円Cの直径DCが板状セラミックス体2の直径Dの99%より大きいと非発熱領域が小さすぎることから温度の低いウェハWを温度の高いウェハ加熱面3に載せると、ウェハWの周辺の温度が低下しウェハW面内の温度差が小さい状態でウェハW温度を高めることができない虞があるからであり、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、外周部の抵抗発熱体5の対称性が崩れ欠落している微小な部分からも熱が流れ、温度が低下しウェハWの定常時の面内温度差を大きくする虞がある。
When the diameter DC of the circumscribed circle C of the
より好ましくは、抵抗発熱体5の外接円Cの直径DCが板状セラミックス体2の直径Dの92〜97%である。
More preferably, the diameter DC of the circumscribed circle C of the
特に、板状セラミックス体2とケース19の外形が略同等で、板状セラミックス体2を下からケース19が支える図1のセラミックスヒータ1の場合、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DCが板状セラミックス体2の直径Dの92〜95%であり、更に好ましくは93〜95%である。
In particular, in the case of the
一方、板状セラミックス体2の周辺の端面を囲むようにケース19が接続した図2のセラミックスヒータの場合には、抵抗発熱体5の外接円Cの直径DCが板状セラミックス体2の直径Dの95〜98%が好ましく、更に好ましくは96〜97%である。
On the other hand, in the case of the ceramic heater of FIG. 2 in which the
また、上記のように非加熱領域の幅で熱容量を調整することができる一方で、非発熱領域の蓄熱量を増やすために非発熱領域の板状セラミックス体2の厚みを大きくすることで非発熱領域の熱容量を大きくしてウェハWの周辺の温度低下を防ぐこともできる。
In addition, the heat capacity can be adjusted by the width of the non-heated region as described above, while non-heat generation is achieved by increasing the thickness of the plate-like
尚、本発明のセラミックスヒータ1は板状セラミックス体2の周辺の下面にケース19を接続したり、板状セラミックス体2の周辺の端面でケースと接続した例で説明したが、周辺の下面と周辺の端面との両方同時にケース19と接続して上記趣旨を逸脱しない範囲のセラミックスヒータ1を含むものであることは当然である。
In the
そして、本発明のセラミックスヒータ1は、該ケース19に前記板状セラミックス体2を冷却するノズル24を備え、前記ケース19の熱容量は、前記板状セラミックス体2の熱容量の0.5〜3.0倍であることを特徴とする。
The
ケース19の熱容量が板状セラミックス体2の熱容量の0.5倍を下回るとノズル24から噴射された冷却ガスが板状セラミックス体2に当たり板状セラミックス体2の熱を奪い熱せられた冷却ガスの熱がケース19に保存される量が小さ過ぎて、適度に板状セラミック体2の熱を蓄えることができないことから、板状セラミックス体2の温度を低下させる効果が小さい。
When the heat capacity of the
ケース19の熱容量が板状セラミックス体2の熱容量の3.0倍を超えると、ケース19の熱容量が大き過ぎることから板状セラミックス体2の熱をケース19に冷却ガスを介して蓄えることはできるが、板状セラミックス体2を加熱する際に、板状セラミックス体2からの輻射熱がケース19に過剰に伝わり板状セラミックス体2を加熱しても昇温速度が小さくなる虞があった。好ましくはケース19の熱容量は板状セラミックス体2の熱容量の0.7〜1.2倍であり、更に好ましくは0.9〜1.2倍であった。このような範囲の熱容量とすることで、板状セラミックス体2の熱がノズル24から噴射された冷却ガスを介して、ケース19に伝わるとともに外部へ効率良く排出される。特に金属ケースの
熱容量が板状セラミックス体2の熱容量に近いと板状セラミックス体2の熱の大よそ半分が金属ケースに伝わり金属ケースの外面から放散されることで板状セラミックス体2の温度が下がりやすい事が分った。そして、加熱した板状セラミックス体2の熱を効率良く取り除くことができることから、板状セラミックス体2の温度を急激に下げることができるとともに、板状セラミックス体2を抵抗発熱体5で加熱する際に効率良く急速に昇温させることができる。
When the heat capacity of the
ケース19の熱容量に対する板状セラミックス体2の熱容量の倍率を変えるには、ケース19の熱容量を変えることで調整することが好ましい。その理由は、窒化珪素や窒化アルミニウム製の大きさが同じ板状セラミックス体2では、炭化珪素より窒化アルミニウムの熱容量が数%から10%程大きいが、本発明の板状セラミックス体2の外形や厚みは略同じことから板状セラミックス体2の熱容量を大きく変更することが困難である。しかし、ケース19の金属板厚みやケース19の深さを調整したり、材質を変えたりすることでケース19を好適な熱容量に調節できるからである。
In order to change the magnification of the heat capacity of the plate-like
また、セラミックスヒータ1の昇温時間や冷却時間を短縮するには前記ケース19の表面積S(cm2)と前記ケース19の体積V(cm3)との比率S/Vが5〜50(1/cm)であると更に効率良く板状セラミックス体2を加熱したり冷却したりすることができることから好ましいことが判明した。
Further, in order to shorten the heating time and cooling time of the
比率S/Vが5(1/cm)を下回ると、ケース19の体積Vに対する表面積Sの比率が小さいことから、ケース19の表面から吸収された熱がケース19の外に放散される効率が悪く、また、熱がケース19に残りやすい。板状セラミックス体2を加熱すると放射熱がケース19に吸収され易くなり板状セラミックス体2を急速に昇温させることが難しくなるからである。
When the ratio S / V is less than 5 (1 / cm), since the ratio of the surface area S to the volume V of the
比率S/Vが50(1/cm)を超えると、ケース19の表面積が大きくなりすぎてケース19の厚みが小さくなり過ぎケース19を装置に取り付けると変形したり、振動でケース19が変形し板状セラミックス体2の温度分布が変動してウェハWの面内温度差が変化したり、特に昇降温時のウェハ面内の温度差が大きくなる虞があった。
If the ratio S / V is obtain ultra the 50 (1 / cm), or deform the attachment of the thickness is reduced too casing 19 of the surface area becomes too
比率S/Vは、好ましくは 11〜20(1/cm)であり、更に好ましくは13〜15(1/cm)であった。 The ratio S / V was preferably 11 to 20 (1 / cm), and more preferably 13 to 15 (1 / cm).
次に、比率S/Vを上記の範囲内となるように調整する具体的な方法について述べる。一般にケース19の金属板厚みを大きくするとS/Vは小さくなる。好ましくはケース19の側壁の厚みは0.5〜3mm、底板の厚みは1〜5mmである。更に好ましくは側壁の厚みは0.5〜2mmで底板の厚みは1〜3mmである。また、ケース19の外周に凹凸を設け、ケース19の表面を大きくすることで比率S/Vを上記の好適な範囲となるよう調整することができる。
Next, a specific method for adjusting the ratio S / V to be in the above range will be described. Generally, when the metal plate thickness of the
尚、ここで、ケース19とはセラミックスヒータ1の外表面を形成する部品の中の、板状セラミックス体2と接続部材17を除き外表面が金属からなる金属部品を示す。
Here, the
また、ノズル24から噴射された冷却ガスは板状セラミックス体2の下面に当たり、板状セラミックス体2の下面に沿って放射状に広がりケース19やケース19に取り付けられた部材に衝突し進路を変えケース19の下面21の排出孔23からセラミックスヒータ1の外部へ放出される。そして、前記の冷却ガスは板状セラミックス体2の熱を奪い、一部の熱をケース19に伝え、そして冷却ガスは排出される。そして、ケース19に伝えられた板状セラミックス体2の一部の熱は効率良くケース19の外側から放散される。ノズル24から噴射された冷却ガスは、板状セラミックス体の下面に強く衝突することで板状セラミックス体2の熱を効率良く奪うことができる、そして熱せられた冷却ガスはケース19に熱を伝えながら排出されるのであるが、ノズル24から噴射される冷却ガスの流速を高め、効率良く排出するには複数取り付けられたノズル24の開口部24aの総面積S1に対して、1000〜3200倍の面積Sを備えた排出孔23を有することが好ましい。
Further, the cooling gas sprayed from the
ノズル24の開口部24aの総面積S1に対して、S2の面積が1000倍以下では排出孔23が小さいことからノズル24から噴射する冷却ガスの突出量が減少し板状セラミックス体2を冷却する効率が小さくなり好ましくない。
When the area of S2 is 1000 times or less of the total area S1 of the opening 24a of the
また、ノズル24の開口部24aの総面積S1に対して、S2の面積が3200倍を超えると、板状セラミックス体2により加熱された冷却ガスの熱がケース19に伝わる量が減少し、板状セラミックス体2を冷却する効果が小さくなる。
Further, the total area S1 of the opening 24a of the
従って、ノズル24の開口部24aの総面積S1に対して、1000〜3200倍の面積S2を備えた排出孔23であると効率良く板状セラミックス体2に冷却ガスを当て、板状セラミックス体2とケース19とで囲む空間に冷却ガスを循環させて排出孔23から排出できる。好ましくはS2はS1の1500〜2500倍である。更に好ましくは1700〜2300倍である。
Therefore, when the
更に、上記のように冷却ガスを流すと、ケース19と板状セラミックス体2の囲む空間と、その外部空間との圧力差Pは50〜13kPaとすることができることから優れた冷却特性が得られる。
Furthermore, when the cooling gas is allowed to flow as described above, an excellent cooling characteristic can be obtained because the pressure difference P between the space surrounded by the
圧力差Pが50Pa以下では冷却ガスの流量が少なく板状セラミックス体2を短時間で冷却することができない。
When the pressure difference P is 50 Pa or less, the flow rate of the cooling gas is small and the plate-like
圧力差Pが13kPaを超えると内部圧力が大きく板状セラミックス体2と金属ケースで囲む空間が押し広がり容積が大きくなり、板状セラミック体とケース19の位置がずれて板状セラミックス体2に載せたウェハの温度分布が変化する虞があった。
When the pressure difference P exceeds 13 kPa, the internal pressure increases and the space surrounded by the plate-shaped
好ましくは、圧力差Pは100Pa〜1kPaであり、更に好ましくは200Pa〜500Paであった。 Preferably, the pressure difference P is 100 Pa to 1 kPa, more preferably 200 Pa to 500 Pa.
また、抵抗発熱体5はウェハ加熱面3から一定の距離に配設され、抵抗発熱体5の対向間隔Sが板状セラミックス体2の板厚tの5倍以下となるように設計することが必要である。
Further, the
また、直径200mmを超える大型ウェハWを均一にしかも高温まで加熱できるように配設するには、対向間隔Sは0.5mm以上とすることが好ましい。
Also, it arranged so that it can heat the diameter 200mm to uniformly Moreover high temperature is exceeded large U E wafer W is facing distance S is preferably not less than 0.5 mm.
ここで対向間隔Sとは図3に示すように、抵抗発熱体5の外接円の中で、抵抗発熱体5の帯に接する最大の円の直径で示すことができる。
Here, the facing interval S can be represented by the diameter of the largest circle in contact with the band of the
上記間隔Sが板状セラミックス体2の板圧tの5倍を超えると、間隔Sの中心付近の温度が低下し板状セラミックス体2のウェハ加熱面3に載せられたウェハWにクールスポットが発生する虞があるからである。また、間隔Sが0.5mmを下回るとスクリーン印刷法で抵抗発熱体5を印刷すると、インクの滲み等の影響で、抵抗発熱体5の帯と帯が短絡する虞が生じ、ウェハWの面内温度差を小さくすることができないからである。
When the distance S is obtain
さらに、本発明のセラミックスヒータ1は、板状セラミック体2の一方の主面に平行な投影面で見て、帯状の抵抗発熱体5を囲む外接円Cの面積に対し、上記外接円C内に占める帯状の抵抗発熱体5の面積の比率を5%〜50%としたことを特徴とする。
Furthermore, the
即ち、帯状の抵抗発熱体5を囲む外接円Cの面積に対し、外接円C内に占める帯状の抵抗発熱体5の面積の比率を5%未満とすると、帯状の抵抗発熱体5の相対向する対向領域において、板状セラミック体2の板厚tに対して対向領域の対向間隔Sが大きくなり過ぎることから、帯状の抵抗発熱体5のないウェハ加熱面3の表面温度が他の部分と比較して小さくなり、ウェハ加熱面3の温度を均一にすることが難しいからであり、逆に帯状の抵抗発熱体5を囲む外接円Cの面積に対し、外接円C内に占める帯状の抵抗発熱体5の面積の比率が50%を超えると、板状セラミック体2と帯状の抵抗発熱体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、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、から帯状の抵抗発熱体5を発熱させると、ウェハ加熱面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虞があるからである。
That is, when the ratio of the area of the belt-like
なお、好ましくは、帯状の抵抗発熱体5を囲む外接円Cの面積に対し、外接円C内に占める帯状の抵抗発熱体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。
Preferably, the ratio of the area of the belt-like
さらに、このような効果を効率良く発現させるには、帯状の抵抗発熱体5の膜厚を5〜70μmとすることが好ましい。
Furthermore, in order to express such an effect efficiently, it is preferable to set the film thickness of the strip-shaped
帯状の抵抗発熱体5の膜厚が5μmを下回ると、帯状の抵抗発熱体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、帯状の抵抗発熱体5の厚みが70μmを超えると、外接円Cに対し、帯状の抵抗発熱体5の占める面積の比率を50%以下としても帯状の抵抗発熱体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の温度変化により帯状の抵抗発熱体5の伸び縮みによる影響で板状セラミック体2が変形したり、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、好ましい帯状の抵抗発熱体5の厚みは10〜30μmとすることが良い。
If the film thickness of the strip-shaped
図5は、図1に示すセラミックスヒータ1のリング状の接触部材17付近を示す拡大断面図である。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の接する接触部の巾は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を介して有底のケース19に流れる量を小さくすることができる。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。
FIG. 5 is an enlarged sectional view showing the vicinity of the ring-shaped
接触部材17の接触部の巾が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の接触部の巾が13mmを超える場合には、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の接触部の巾は0.1mm〜8mmであり、更に好ましくは0.1〜2mmである。
If the width of the contact portion of the
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。
Further, the thermal conductivity of the
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%より小さいセラミックスヒータ1では、接触部材を介して板状セラミックス体2の熱が有底のケース19に流れ難く、雰囲気ガス(ここでは空気)による伝熱や輻射伝熱により板状セラミックス体2から有底のケース19へ流れる熱が多くなり、逆に効果が小さい。
In the
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を介して有底のケース19に流れ、有底のケース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、有底のケース19が加熱されることからガス噴射口24からエアー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ったりする虞があった。
When the thermal conductivity of the
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、接触部の巾が0.1mm〜8mmと小さく、板状セラミックス体2を有底のケース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。
On the other hand, as a material constituting the
尚、接触部材をフッ素系に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。 In addition, the precision which cannot be obtained with the contact member which consists of resin which added resin and glass fiber to the fluorine-type contact member can be achieved.
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。
As the material of the
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。
Furthermore, since the contact portion between the
次に、その他の構成について説明する。 Next, other configurations will be described.
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をウェハ加熱面3上に載せたり加熱面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によりウェハ加熱面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。
Work such as placing the wafer W on the wafer heating surface 3 or lifting it from the heating surface 3 is performed by
また、このセラミックスヒータ1によりウェハWを加熱するには、搬送アーム(不図示)にてウェハ加熱面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をウェハ加熱面3上に載せる。
Further, in order to heat the wafer W by the
次に、給電部6に通電して抵抗発熱体5を発熱させ、板状セラミックス体2を介してウェハ加熱面3上のウェハWを加熱するのであるが、本発明によれば、セラミックスヒータ1に板状セラミックス体2を支持する接触部材17を介して有底のケース19と接続していることから、板状セラミックス体2に接続した接触部材17により板状セラミックス体2の熱が必要以上に逃げることなく運転できるので、板状セラミックス体2を有効に短時間で均熱化しウェハWの温度を均一に加熱することができる。
Next, the
さらに、板状セラミックス体2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してあることから、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2は炭化珪素や窒化アルミニウムからなり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えることができる。
Furthermore, since the plate-like
板状セラミックス体2の厚みは、1〜7mmとすることが好ましい。板状セラミックス体2の厚みが1mm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。また、板状セラミックス体2の厚みが7mmを超えると、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ってしまい好ましくない。より好ましくは板状セラミックス体2の厚みは2〜5mmである。
The thickness of the plate-like
このように、板状セラミックス体2の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板状セラミックス体2の温度分布が悪くなる。そこで、有底のケース19が板状セラミックス体2をその外周部で保持する構造としている。
As described above, when the heat capacity of the plate-like
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、1〜7mm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。
As for the method of supplying power to the
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。
Further, the temperature of the plate-like
さらに、レジスト膜形成用のセラミックスヒータ1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。
Further, when used as a
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たりして十分混合し、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。
In the silicon carbide sintered body forming the plate-like
また、板状セラミックス体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。
Moreover, the aluminum nitride sintered body that forms the plate-like
そして、上記の炭化珪素や窒化アルミニウムを主成分とする板状セラミックス体2の熱伝導率は160W/(m・K)以上であると更にウェハ面内の温度差が小さくなり好ましい。
The plate
さらに、板状セラミックス体2のウェハ加熱面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。
Further, the main surface opposite to the wafer heating surface 3 of the plate-like
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を超えると、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。
On the other hand, when the silicon carbide sintered body is used as the plate-like
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、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。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。
When the plate-like
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。
The glass forming this insulating layer may be crystalline or amorphous, and has a heat-resistant temperature of 200 ° C. or higher and a thermal expansion coefficient in the temperature range of 0 ° C. to 200 ° C. It is preferable to select and use a material having a thermal expansion coefficient in the range of −5 to + 5 × 10 −7 / ° C. as appropriate. That is, if a glass whose thermal expansion coefficient is out of the above range is used, the difference in thermal expansion from the ceramic forming the plate-like
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。
In addition, as a means for depositing an insulating layer made of glass on the plate-like
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。
Further, as the
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。
However, if the
本発明のセラミックスヒータ1は、抵抗発熱体5に対し、給電部6において給電端子11をロウ付けや導電性接着剤で固定して導通を確保するようにしている。給電端子11は、抵抗発熱体5の端子部に弾性体で押圧し導通を確保しても構わない。
The
また、これまで、抵抗発熱体5を板状セラミックス体2の表面に形成するタイプのセラミックスヒータ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2に内蔵されていても構わない。
Although the
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2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2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得ることが出来る。
For example, when the plate-like
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。
Conduction from the
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。
First, 1.0 % by mass of yttrium oxide in terms of weight was added to the aluminum nitride powder, and further kneaded for 48 hours with a ball mill using isopropyl alcohol and urethane balls to produce an aluminum nitride slurry.
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。 Next, the aluminum nitride slurry was passed through 200 mesh to remove urethane balls and ball mill wall debris, and then dried at 120 ° C. for 24 hours in an explosion-proof dryer.
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。 Next, the obtained aluminum nitride powder was mixed with an acrylic binder and a solvent to produce an aluminum nitride slip, and a plurality of aluminum nitride green sheets were produced by a doctor blade method.
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。 Then, a laminate was formed by laminating a plurality of obtained aluminum nitride green sheets.
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時間の焼成を行い板状セラミックス体を製作した。 Thereafter, the laminate is degreased at a temperature of 500 ° C. for 5 hours in a non-oxidizing gas stream, and then fired at a temperature of 1900 ° C. for 5 hours in a non-oxidizing atmosphere to produce a plate-like ceramic body. did.
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としたものと、中央部の板厚が3mmで周辺部のみ環状に厚み3.5mmとした直径315mm〜345mmの円板状をした板状セラミックス体を複数枚製作し、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。 Then, the aluminum nitride sintered body was ground to have a plate thickness of 3 mm, and a disc shape having a diameter of 315 mm to 345 mm with a plate thickness of 3 mm at the central portion and an annular thickness of 3.5 mm only at the peripheral portion. A plurality of plate-like ceramic bodies were produced, and three through-holes were evenly formed on a concentric circle 60 mm from the center. The through-hole diameter was 4 mm.
次いで板状セラミックス体の上に抵抗発熱体を被着するため、導電材としてAu粉末とPd粉末と、バインダーを添加したガラスペーストと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の抵抗発熱体を形成した。抵抗発熱体のパターン配置は、中心部から放射方向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、更にその外側に4つのパターンの計7個のパターン構成とした。そして、最外周の4つのパターンの外接円Cの直径を310mmとした。しかるのち抵抗発熱体に給電部をロウ付けし固着させ、給電部以外の抵抗発熱体をガラスでコートして耐食性を高めたヒータ部を製作した。 Next, in order to deposit a resistance heating element on the plate-shaped ceramic body, a conductive paste prepared by kneading Au powder, Pd powder, and glass paste with a binder added as a conductive material is predetermined by screen printing. After printing to the pattern shape, the organic solvent is dried by heating to 150 ° C., and after further degreasing treatment at 550 ° C. for 30 minutes, baking is performed at a temperature of 700 to 900 ° C., so that the thickness is 50 μm. A resistance heating element was formed. The pattern arrangement of the resistance heating element is divided into a circle and an annular shape in the radial direction from the central portion, a pattern is formed in one circular shape in the central portion, and two patterns are formed in the outer annular portion. Furthermore, a total of 7 patterns of 4 patterns were formed on the outside. The diameter of the circumscribed circle C of the four outermost patterns was 310 mm. After that, a power supply part was brazed and fixed to the resistance heating element, and a resistance heating element other than the power supply part was coated with glass to produce a heater part with improved corrosion resistance.
また、有底のケースはFe−Cr−Ni系の合金で作製し、その底面の厚みは2.0mmの板と側壁部を構成する厚み1.0mmの板からなり、ケースの内面や外面の夫々をバフ研磨したり、電界研磨したりして赤外線の反射率を調整したケースを作製した。また、金属板を100〜400℃の酸化雰囲気で加熱処理して、表面に酸化膜を形成し赤外線の吸収率を変えた後、裏面をサンドブラスト加工や研摩加工したりメッキ処理したりして表裏面の赤外線の吸収率を調整した。そして、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。
The bottomed case is made of an Fe-Cr-Ni-based alloy, and the bottom surface has a 2.0 mm plate and a 1.0 mm thick plate constituting the side wall, and the inner and outer surfaces of the case are formed. or buffed respectively, to prepare a case which was adjusted reflectance of infrared rays or by electrolytic polishing. Also, a metal plate subjected to heat treatment in an oxidizing atmosphere of 100 to 400 ° C., after changing the absorption of the infrared to form an oxide film on the surface, or by sandblasting or grinding machining or plating the backside table The infrared absorption rate on the back surface was adjusted. And the gas injection port, the thermocouple, and the conduction | electrical_connection terminal were attached to the bottom face in the predetermined position. The distance from the bottom surface to the plate-like ceramic body was 20 mm.
その後、前記有底のケースの開口部に、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してセラミックスヒータとした。 Thereafter, a plate-like ceramic body is overlaid on the opening of the bottomed case, and a bolt is passed through the outer peripheral portion thereof, so that the plate-like ceramic body and the bottomed case do not directly contact each other. The ceramic heater was elastically fixed by interposing and screwing a nut through an elastic body from the contact member side.
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Aと、板状セラミックス体の外周端面を支持する支持構造Bとの2つの構造でセラミックスヒータを作製した。尚、支持構造Aでは、板状セラミックス体の直径とケースの外形である直径を同じとした。 Moreover, the ceramic heater was produced by two structures, the support structure A which supports the lower surface of the peripheral part of the plate-shaped ceramic body, and the support structure B which supports the outer peripheral end surface of the plate-shaped ceramic body. In the support structure A, the diameter of the plate-like ceramic body is the same as the diameter of the case.
尚、接触部材の断面は円形状で、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。作製した各種のセラミックスヒータを試料No.1〜10とした。 The contact member had a circular cross section and a ring shape. The size of the circular cross section was 1 mm in diameter. The material of the contact member was SUS304 or carbon steel. The produced various ceramic heaters were designated as sample Nos. 1-10.
作製したセラミックスヒータの評価は、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。夫々のセラミックスヒータに電源を取り付け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加熱しその後10分間温度を保持した。そして、セラミックスヒータを加熱したまま、ウェハWをリフトピンで持ち上げ室温の25℃に冷却した後、ウェハWをウェハ加熱面に載せ、ウェハW面内の平均温度が200℃となるまでのウェハW各部の温度を測定し、時間軸に対するウェハW面内の最大温度と最小温度の差を求め、過渡時のウェハの温度差とした。また、ウェハWを載せ、平均温度が200℃となるまでの時間を応答時間として測定した。また、セラミックスヒータを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の定常時の温度差として測定した。
The produced ceramic heater was evaluated using a temperature measuring wafer having a diameter of 300 mm in which temperature measuring resistors were embedded in 29 locations. A power supply is attached to each ceramic heater, the temperature of the wafer W is raised from 25 ° C. to 200 ° C. in 5 minutes, the temperature of the wafer W is set to 200 ° C., and then the average temperature of the wafer W is 200 ° C. ± 0.5 ° C. The mixture was heated until it became constant within the range, and then the temperature was maintained for 10 minutes. Then, while the ceramic heater is being heated, the wafer W is lifted with a lift pin and cooled to room temperature of 25 ° C., then the wafer W is placed on the wafer heating surface, and each part of the wafer W until the average temperature in the wafer W surface reaches 200 ° C. Was measured, and the difference between the maximum temperature and the minimum temperature in the wafer W plane with respect to the time axis was determined to obtain the temperature difference of the wafer during the transition. Further, the wafer W was placed, and the time until the average temperature reached 200 ° C. was measured as the response time. Also, ceramics heater to 200 ° C. from 30 ° C. After holding at 5 minutes the temperature was raised 5 minutes, after the temperature cycle to cool for 30 minutes repeated 1000 cycles, the wafer temperature of 200 ° C. was set as 10 minutes after the room The difference between the maximum value and the minimum value was measured as the temperature difference in the steady state of the wafer W.
それぞれの結果は表1に示す通りである。
表1の試料No.1は、ケース内面の赤外線の吸収率が30%を超えて51%と大きすぎることからウェハの定常時の温度差は2.23℃と大きく、特に応答時間が78秒と大きく好ましくなかった。
Sample No. in Table 1 1, the temperature difference between the steady state of the wafer since the infrared absorptivity of the case
また、試料No.10はケース内面の赤外線の吸収率が35%と大きくウェハの定常時の温度差は0.93℃と大きく、応答時間も61秒と大きく好ましくなかった。 Sample No. 10 had an infrared absorption rate of 35% on the inner surface of the case, and the temperature difference during steady state of the wafer was as large as 0.93 ° C., and the response time was as large as 61 seconds.
これらに対し、試料No.2〜9はウェハの面内の温度差が0.65℃以下と小さく、しかも応答時間も58秒以下と小さく優れていることから、ケースの内面の赤外線の吸収率が30%以下のセラミックスヒータは優れた特性を示すことが分った。 On the other hand, sample Nos. 2 to 9 are excellent because the temperature difference in the wafer surface is as small as 0.65 ° C. or less and the response time is as small as 58 seconds or less. It has been found that ceramic heaters with a 30% or less exhibit excellent characteristics.
また、ケースの組成は、質量%で、Crが17〜26%、Niが8〜22%、Cが0.2%以下、Nが0.1%以下である試料No.2〜9は定常時のウェハの温度差が0.65℃以下と小さく、過渡時のウェハ温度差も6.13℃以下と小さく好ましいことが分かった。 In addition, the composition of the case is the mass%, the sample No. 1 in which Cr is 17 to 26%, Ni is 8 to 22%, C is 0.2% or less, and N is 0.1% or less. 2 to 9, it was found that the temperature difference of the wafer at the time of steady state was as small as 0.65 ° C. or less, and the wafer temperature difference at the time of transition was as small as 6.13 ° C. or less.
また、ケースの内面の表面粗さRaが5μm以下である試料No.2〜9は同様に好ましい特性を示し、特に表面粗さ1μm以下の試料No.3〜9は定常時のウェハの温度差が0.49℃以下で過渡時のウェハの温度差も4.35℃以下と小さく更に好ましいことが分かった。 In addition, the sample No. with a surface roughness Ra of 5 μm or less on the inner surface of the case. 2 to 9 similarly show preferable characteristics, and in particular, sample Nos. With surface roughness of 1 μm or less. 3 to 9, it was found that the temperature difference of the wafer in the steady state was 0.49 ° C. or less and the temperature difference of the wafer in the transition was as small as 4.35 ° C. or less, which was further preferable.
実施例1の試料No.3と同様のケースの内側にAg、Au、Cuメッキを施し実施例1と同様に評価した。その結果を表2に示す。
試料No.21はケースの内面の赤外線の吸収率が20%でケースの外面の赤外線の吸収率が20%と同等であることから定常時のウェハの温度差が0.49℃とやや大きく、過渡時のウェハの温度差も4.23℃と大きかった。 Sample No. No. 21 has an infrared absorptivity of 20% on the inner surface of the case and an infrared absorptivity of the outer surface of the case equal to 20%. The wafer temperature difference was as large as 4.23 ° C.
それに対し、試料No.22〜24はケースの内面の赤外線の吸収率が外面の赤外線の吸収率より小さいことから、定常時のウェハの温度差が0.35℃以下と小さくより優れた特性を示すことが分かった。 In contrast, sample no. In Nos. 22 to 24, since the infrared absorption rate of the inner surface of the case was smaller than the infrared absorption rate of the outer surface, it was found that the temperature difference between the wafers in a steady state was as small as 0.35 ° C. or less and showed excellent characteristics.
また、ケースの内面にAg、CuやAuをメッキ処理した試料No.22〜24はケース内面の吸収率が小さく定常時のウェハの温度差が0.35℃以下と小さく、過渡時のウェハの温度差も3.76℃以下と小さく優れた特性を示すことが分かった。 In addition, the sample No. 1 was plated with Ag, Cu or Au on the inner surface of the case. Nos. 22 to 24 show that the absorption rate of the inner surface of the case is small, the temperature difference between the wafers in a steady state is as small as 0.35 ° C. or less, and the temperature difference between the wafers in a transient state is 3.76 ° C. or less. It was.
実施例1の試料No.3と同じケースを使い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直径を変えたり、外接円の直径を変えて、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直径の比率を変えた試料を作製し、実施例1と同様に評価した。その結果を表3に示す。
試料No.31〜35のように板状セラミックス体の周辺の下面を支えるようにリング状に接触部材が接続すると定常時のウェハの温度差や過渡時のウェハの温度差が小さい好ましい特性が得られることが分かった。 Sample No. When the contact member is connected in a ring shape so as to support the lower surface of the periphery of the plate-like ceramic body as in 31 to 35, it is possible to obtain preferable characteristics in which the temperature difference of the wafer in the steady state and the temperature difference of the wafer in the transient state are small. I understood.
一方、試料No.36〜41のように板状セラミックス体の周辺の端面を囲むように接触部材が接続すると板状セラミックス体の外形がやや小さく好ましい特性のセラミックスヒータが得られることが分かった。 On the other hand, sample No. It has been found that when the contact member is connected so as to surround the peripheral end face of the plate-like ceramic body as in 36 to 41, a ceramic heater having a slightly smaller outer shape and preferable characteristics can be obtained.
また、試料No.32〜40のように抵抗発熱体の外接円の直径が板状セラミックス体の直径の90〜99%であると定常時のウェハの温度差が0.42℃以下と小さく、過渡時のウェハの温度差も4.70℃以下と小さく好ましい特性が得られることが分かった。 Sample No. When the diameter of the circumscribed circle of the resistance heating element is 90 to 99% of the diameter of the plate-like ceramic body as in 32 to 40, the temperature difference of the wafer in the steady state is as small as 0.42 ° C. or less, and the wafer in the transient state It was found that the temperature difference was as small as 4.70 ° C. or less, and preferable characteristics were obtained.
更に、試料No.33〜35のように、抵抗発熱体の外接円の直径が板状セラミックス体の直径の92〜95%であると定常時のウェハの温度差が0.37℃以下と小さく、過渡時のウェハの温度差も4.29℃以下と小さく好ましい特性が得られることが分かった。 Furthermore, sample no. When the diameter of the circumscribed circle of the resistance heating element is 92 to 95% of the diameter of the plate-like ceramic body as in 33 to 35, the temperature difference of the wafer in the steady state is as small as 0.37 ° C. or less, and the wafer in the transient state The temperature difference was as small as 4.29 ° C. or less, and it was found that preferable characteristics were obtained.
更に、試料No.36〜39のように、抵抗発熱体の外接円の直径が板状セラミックス体の直径の95〜98%であると定常時のウェハの温度差が0.33℃以下と小さく、過渡時のウェハの温度差も4.28℃以下と小さく好ましい特性が得られることが分かった。 Furthermore, sample no. When the diameter of the circumscribed circle of the resistance heating element is 95 to 98% of the diameter of the plate-like ceramic body as in 36 to 39, the temperature difference of the wafer at the steady state is as small as 0.33 ° C. or less, and the wafer at the transient time The temperature difference was as small as 4.28 ° C. or less, and it was found that preferable characteristics were obtained.
実施例1と同様に板状セラミックス体を製作した。 A plate-like ceramic body was produced in the same manner as in Example 1.
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210mm〜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。
Then, the aluminum nitride sintered body is ground to produce a plurality of disk-shaped
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。
Next, in order to deposit the
抵抗発熱体ゾーン4の配置は、中心部に円形の1つに抵抗発熱体ゾーンを形成し、その外側に円環を同等の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205〜310mmとした試料を作製した。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抵抗発熱体にガラスで保護膜を形成しることにより、ヒータ部を製作した。
The resistance heating element zone 4 is arranged in such a manner that a resistance heating element zone is formed in one circular shape at the center, and an annular ring is divided into two equal resistance heating element zones on the outer side, and an annular ring is formed on the outer side. A total of seven resistance heating element zones were divided into two resistance heating element zones. And the sample which made the diameter of circumscribed circle C of four resistance heating element zones of the outermost periphery 205-310mm was produced. After that, the
また、有底の金属ケースはAl合金、鋼、ステンレスからなり、ケースの底面の厚みと側壁部を構成する厚みを変えた金属ケースを作製した。そして金属ケースの底面に、ガス噴射用のノズル、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25mmとした。 Further, the bottomed metal case was made of Al alloy, steel, and stainless steel, and a metal case was produced by changing the thickness of the bottom surface of the case and the thickness constituting the side wall portion. And the nozzle for gas injection, the thermocouple, and the conduction | electrical_connection terminal were attached to the bottom face of the metal case in the predetermined position. The distance from the bottom surface to the plate-like ceramic body was 25 mm.
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セラミックスヒータとした。 After that, a plate-shaped ceramic body is overlaid on the opening of the bottomed metal case, and a bolt is passed through the outer periphery thereof, so that the plate-shaped ceramic body and the bottomed metal case do not directly contact each other. A ceramic heater was obtained by elastically fixing a member by interposing a member and screwing a nut through an elastic body from the contact member side.
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Aと、板状セラミックス体の外周面を支持する支持構造Bとの2つの構造でセラミックスヒータを作製した。尚、支持構造Aでは、板状セラミックス体の直径と金属ケースの外形を示す直径を同じとした。 Moreover, the ceramic heater was produced by two structures, the support structure A which supports the lower surface of the peripheral part of a plate-shaped ceramic body, and the support structure B which supports the outer peripheral surface of a plate-shaped ceramic body. In the support structure A, the diameter of the plate-like ceramic body and the diameter indicating the outer shape of the metal case are the same.
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。作製した各種のセラミックスヒータを試料No.42〜47とした。
The
作製したセラミックスヒータは、実施例1と同様に評価した。 The produced ceramic heater was evaluated in the same manner as in Example 1.
それぞれの結果は表4に示す通りである。
本願発明のセラミックスヒータ1の金属ケースの熱容量が、板状セラミックス体の熱容量の0.5〜3倍である試料No.43、44、46、47は定常時のウェハの温度差が0.33℃以下と小さく、過渡時のウェハの温度差も3.88℃以下と小さく、且つ応答時間は28秒以下と優れた特性を示すことが分った。
Sample No. in which the heat capacity of the metal case of the
これに対し、金属ケースの熱容量が板状セラミックス体の熱容量の0.18倍である試料No.42は応答時間は43秒と大きく、定常時のウェハの温度差は0.46℃とやや大きく、過渡時のウェハの温度差が4.53℃とやや大きかった。 On the other hand, Sample No. whose heat capacity of the metal case is 0.18 times the heat capacity of the plate-like ceramic body. No. 42 had a response time as large as 43 seconds, a steady-state wafer temperature difference of 0.46 ° C., and a transient wafer temperature difference of 4.53 ° C ..
また、金属ケースの熱容量が板状セラミックス体の熱容量の3.4倍である試料No.45は応答時間は42秒と大きく、定常時のウェハの温度差は0.49℃とやや大きく、過渡時のウェハの温度差は4.67℃とやや大きかった。 In addition, Sample No. in which the heat capacity of the metal case is 3.4 times the heat capacity of the plate-like ceramic body. No. 45 had a response time as large as 42 seconds, a wafer temperature difference of 0.49 ° C. in a steady state, and a wafer temperature difference of 4.67 ° C. in a transient state.
従って、セラミックスヒータ1の金属ケースの熱容量が、板状セラミックス体の熱容量の0.5〜3倍であるとより優れた特性を示すことが分った。
Accordingly, it has been found that the heat capacity of the metal case of the
実施例1と同様に板状セラミックス体を作製し、金属製のケースを作製し、金属製のケースの厚みを変えてケースの表面積Sとケースの体積Vとの比率S/Vを変えてセラミックスヒータを作製した。 A plate-like ceramic body was produced in the same manner as in Example 1, a metal case was produced, the thickness of the metal case was changed, and the ratio S / V between the case surface area S and the case volume V was changed. A heater was produced.
そして、実施例1と同様に評価した。 And it evaluated similarly to Example 1. FIG.
その結果を表5に示す。
ケースの表面積Sとケースの体積Vとの比率S/Vが5〜50(1/cm)である試料No.55〜57、59〜61は定常時のウェハの温度差が0.33℃以下であり、過渡時のウェハの温度差も3.51℃以下と小さく更に応答時間は29秒以下と小さく好ましかった。 Sample No. with a ratio S / V of the surface area S of the case to the volume V of the case of 5 to 50 (1 / cm). 55-57 and 59-61 have a wafer temperature difference of 0.33 ° C. or less during steady state, a wafer temperature difference of less than 3.51 ° C. during transition, and a response time of 29 seconds or less. won.
従って、ケースの表面積Sとケースの体積Vとの比率S/Vが5〜50(1/cm)であることが好ましいことが分った。 Accordingly, it has been found that the ratio S / V between the case surface area S and the case volume V is preferably 5 to 50 (1 / cm).
実施例1と同様の方法で板状セラミックス体を作製した。前記の支持構造Aは試料No.4に準じて作製し、支持構造Bは試料No.12に準じて作製した。また、板状セラミックス体の厚みは2mmまたは3mmとした。また、図3に示す対向間隔Sを2〜17mmまで調整したセラミックスヒータを作製し、実施例1と同様に評価した。 A plate-like ceramic body was produced in the same manner as in Example 1. The support structure A is a sample No. 4 and the support structure B is sample No. It was produced according to No.12. The thickness of the plate-like ceramic body was 2 mm or 3 mm. Further, a ceramic heater in which the facing interval S shown in FIG. 3 was adjusted to 2 to 17 mm was produced and evaluated in the same manner as in Example 1.
その結果を表6に示す。
抵抗発熱体の対向間隔Sが板状セラミックス体の厚みの5倍以下である試料No.65、67〜70は定常時のウェハW面内の温度差が0.30℃以下と小さくしかも過渡時のウェハ面内の温度差が3.3℃以下と小さく好ましいことが分かった。支持構造Aの応答時間は、試料No.64の27秒から試料No.65の24秒に小さくなり、支持構造Bの応答時間は、試料No.66の22秒から試料No.67〜70のように21秒以下と小さく好ましいことが分かった。 Sample No. 2 in which the opposing spacing S of the resistance heating elements is 5 times or less the thickness of the plate-like ceramic body. 65 and 67 to 70 were found to be preferable because the temperature difference in the wafer W surface during steady state was as small as 0.30 ° C. or less and the temperature difference in the wafer surface during transition was as small as 3.3 ° C. or less. The response time of the support structure A is the sample No. 64 from 27 seconds, sample no. 65, 24 seconds, and the response time of the support structure B is no. 66, 22 seconds, the sample No. It turned out that it is as small as 21 seconds or less like 67-70.
実施例1と同様に板状セラミックス体2を作製し焼結体の表裏面を研削加工しφ320mmで厚み3mmの円板状の板状セラミック体2を得た。そして、この板状セラミック体2の他方の主面に金属銀50質量%含み、B2O3・SiO2・ZnOガラス(熱膨張係数4.4×10−6/℃)を50質量%含む粉体に溶剤を添加しペーストを作製した。
A plate-shaped
そして、板状セラミック体2の他方の主面に帯状の抵抗発熱体5の形状に上記ペーストを20μmの厚みでスクリーン印刷法で印刷し、帯状の抵抗発熱体5を囲む外接円Cに対し、上記帯状の抵抗発熱体5の占める面積の比率を変えてセラミックスヒータを作製した。そして、実施例1と同様に評価した。その結果を表7に示す。
試料No.72から79に示す様に、帯状の抵抗発熱体5の外接円Cに対して、帯状の
抵抗発熱体5の占める面積の比率が5〜50%の試料は、ウェハWの面内温度差が0.29℃以下と小さく、さらに好ましいことが分る。しかし、試料No.71のように、帯状
の抵抗発熱体5を囲む外接円Cに対し、上記帯状の抵抗発熱体5の占める面積の比率が5%を下回る試料はウェハW面内の温度差が0.35℃とやや大きかった。更に、試料No.80は帯状の抵抗発熱体5を囲む外接円Cに対し、上記帯状の抵抗発熱体5の占める面
積の比率が50%を超えることからウェハWの一部に温度の高いホットエリヤが現れウェハWの面内温度差が0.38℃と大きくなった。従って、帯状の抵抗発熱体5を囲む外接円Cに対し、上記帯状の抵抗発熱体5の占める面積の比率は5〜50%が好ましいことが分かった。
As shown in sample Nos. 72 to 79, the sample in which the ratio of the area occupied by the band-shaped
また、試料No.73〜77のウェハ面内の温度差は0.24℃以内と小さく、帯状の抵抗発熱体5の占める面積の比率が10〜30%が更に好ましいことが分かった。
Moreover, the temperature difference in the wafer surface of sample Nos. 73 to 77 was as small as 0.24 ° C., and it was found that the ratio of the area occupied by the strip-shaped
また、試料No.74〜76のウェハ面内の温度差が0.19℃以内と小さく、帯状の抵抗発熱体5の占める面積の比率が15〜25%であると最も好ましいことが分った。
Further, it was found that the temperature difference in the wafer surface of sample Nos. 74 to 76 was as small as 0.19 ° C. and the ratio of the area occupied by the strip-shaped
実施例1の試料No.3の構成に準じてセラミックスヒータ1を作製した。また、有底のケース19の開口部に、板状セラミックス体2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、リング状の接触部材17を介在させ、接触部材17側より弾性体を介在させてナットを螺着し弾性的に固定することによりセラミックスヒータ1とした。接触部材17の断面は台形状で、板状セラミックス体2の周辺部を支持するリング状とした。台形状の断面の大きさは、下辺が4mmで高さ2mmとし上辺は0.05〜4mmと、下辺が15mmで高さ2mmで上辺を8〜15mmとした接触部材17をそれぞれのセラミックスヒータに取り付けた。また、接触部材17の材質はSUS304、炭素鋼を用いた。作製した各種のセラミックスヒータ1を試料No.81〜89とした。
Sample No. 1 of Example 1 The
評価は、実施例1と同様に評価した。 Evaluation was performed in the same manner as in Example 1.
それぞれの結果は表8に示す通りである。
表8から判るように、試料No.81は、接触部材17と板状セラミックス体2との接触部の巾が0.05mmと小さく応答時間やウェハの温度差は小さかったが、使用中に接触部材のエッジからと思われるパーティクルが発生し使用できなかった。また、試料No.89は接触部材の接触部の巾が15mmと大きくウェハの温度差が0.34℃と大きく、ウェハを均一に加熱するセラミックスヒータとしてやや劣った特性を示した。
As can be seen from Table 8, sample no. No. 81, the
これらに対し、試料No.82〜88は接触部材と板状セラミックス体との接触部の巾が0.1〜13mmの範囲にあり、ウェハの温度差は0.24℃以下であり、応答時間も25秒以下と小さく好ましい特性を示した。 In contrast, sample no. Nos. 82 to 88 have a width of the contact portion between the contact member and the plate-like ceramic body in the range of 0.1 to 13 mm, the wafer temperature difference is 0.24 ° C. or less, and the response time is as small as 25 seconds or less. The characteristics are shown.
更に、過渡時のウェハの温度差は試料No.81を除き、接触部の幅が小さいほど過渡時のウェハの温度差は小さくなり、接触部材17が板状セラミックス体2と接触する部分である接触部の幅が0.1mm〜13mmである試料No.82〜88は過渡時のウェハの温度差が3.31℃以下と小さく好ましい事が分かった。
Furthermore, the temperature difference of the wafer at the time of transition is the sample number. Except 81, the smaller the width of the contact portion, the smaller the temperature difference of the wafer during the transition, and the sample whose
従って、接触部材を板状セラミックス体に垂直な面で切断した断面において、板状セラミックス体と接触する接触部の巾は0.1〜13mmであることが好ましいことが判明した。 Therefore, it has been found that the width of the contact portion in contact with the plate-like ceramic body is preferably 0.1 to 13 mm in a cross section obtained by cutting the contact member along a plane perpendicular to the plate-like ceramic body.
実施例1と同様の工程で酸化イットリウムの添加量を0.1〜5質量%の範囲で変化させて熱伝導率を変えた板状セラミックス体2を作製した。また、SUS304、SUS403、Fe−Ni−Co合金(コバール)、炭素鋼、アルミニウムを用いて板状セラミックス体2と接触する接触部の巾が2mmの接触部材17を作製した。そして、板状セラミックス体2の熱伝導率と接触部材17の熱伝導率の比が1〜128%となるように板状セラミックス体2と接触部材17を組み合わせ板状セラミックス体2に上記接触部材17を介してアルミニウム製の有底のケース19を取り付けセラミックスヒータ1を作製した。
In the same process as in Example 1, the amount of yttrium oxide added was changed in the range of 0.1 to 5% by mass to produce a plate-like
尚、試料No.91〜98は金属製の接触部材17を用い、有底のケース19は直径330mmで側壁部の板厚が1.0mm、底面の板厚が2.0mmとし、深さは30mmとした。また、試料No.99、100は樹脂製の接触部材17でヤング率が1GPaを下回ることから台形状の接触部材17の変形が大きくセラミックスヒータとして使用した場合の寿命が短い虞があったことから、図54に示すように板状セラミックス体2の外周部を覆う構造とし、有底のケースは直径340mmで側壁部の厚み1.0mm、底面の厚み2.0mmとし、深さは30mmとした。
Sample No. 91 to 98 used a
そして、実施例1と同様に評価した。 And it evaluated similarly to Example 1. FIG.
その結果を表9に示す。
接触部材17としてSUS304、Fe−Ni−Co合金、SUS403、炭素鋼を用い、熱伝導率の異なる窒化アルミニウムと組み合わせ、接触部材17の熱伝導率が板状セラミックス体の熱伝導率より小さい試料No.91〜97、99、100のセラミックスヒータは応答時間が27秒以内でしかも定常時のウェハの温度差も0.29℃以下と優れた特性を示すことが分かった。
SUS304, Fe-Ni-Co alloy, SUS403, carbon steel is used as the
しかし、試料No.98は接触部材17の熱伝導率が板状セラミックス体より大きく、応答時間が29秒とやや大きく、しかもウェハの温度差が0.34℃と比較的大きかった。
However, sample no. In No. 98, the thermal conductivity of the
また、試料No.99やNo.100のように接触部材17を樹脂で作製したセラミックスヒータは応答時間はそれぞれ26秒、27秒とやや大きく、定常時のウェハの温度差が0.29、0.28℃とやや大きくかった。樹脂製の接触部材は温度の繰り返しサイクルで変形するため定常時のウェハの温度差が大きくなると考えられる。
Sample No. 99 and No. In the ceramic heater in which the
従って、接触部材の熱伝導率は板状セラミックス体の熱伝導率より小さいセラミックスヒータは応答特性やウェハの温度差が小さく優れた特性を示すことが分った。 Accordingly, it has been found that a ceramic heater whose contact member has a thermal conductivity smaller than that of the plate-like ceramic body exhibits excellent characteristics with small response characteristics and wafer temperature differences.
また、接触部材の熱伝導率は板状セラミックス体の熱伝導率の17〜70%のセラミックスヒータは定常時のウェハの温度差が0.25℃以下と小さく更に優れた特性を示すことが分った。 In addition, it is found that a ceramic heater having a thermal conductivity of 17 to 70% of the thermal conductivity of the plate-like ceramic body has a small temperature difference of 0.25 ° C. or less during steady state and exhibits further excellent characteristics. It was.
実施例1と同様の方法でヤング率300GPaの窒化アルミニウム製の板状セラミックス体2を作製した。また、SUS304、SUS403、Fe−Ni−Co合金(コバール)、炭素鋼、アルミニウム、錫、錫鉛合金を用いて板状セラミックス体2と接触する接触部材17の接触部の巾が0.1mmでヤング率の異なる接触部材17を作製した。そして、板状セラミックス体2に上記接触部材17を介して実施例1と同様にアルミニウム製の有底のケースを取り付けセラミックスヒータを作製した。
A plate-like
そして、実施例1と同様に評価した。 And it evaluated similarly to Example 1. FIG.
その結果を表10に示す。
ヤング率が1GPa以上の接触部材17からなる試料No.101〜107のセラミックスヒータは、応答時間が26秒以下と小さく、しかも定常時のウェハの温度差も0.28℃以下小さく好ましい特性を示すことが分った。
Sample No. consisting of the
しかし、試料No.98のフッ素樹脂や繊維入り樹脂からなるセラミックスヒータは応答時間がそれぞれ29秒と大きく、しかも定常時のウェハの温度差が0.49℃とやや大きかった。 However, sample no. The ceramic heaters made of 98 fluororesins and fiber-filled resins each had a response time as large as 29 seconds, and the wafer temperature difference in a steady state was slightly large at 0.49 ° C.
従って、接触部材17のヤング率は1GPa以上で板状セラミックス体2より小さいセラミックスヒータが好ましいことが判明した。
Therefore, it has been found that a ceramic heater having a Young's modulus of 1 GPa or more and smaller than the plate-like
実施例1と同様に板状セラミックス体2を作製した。また、接触部材17として炭素鋼で断面が台形のセラミックスヒータ1と、炭素鋼製の接触部材17で断面が円形の接触部材17を作製し、板状セラミックス体2に上記接触部材17を介してアルミニウム製の有底のケース19を取り付けセラミックスヒータ1を作製した。
A plate-like
そして、実施例1と同様に評価した。その結果を表11に示す。
試料No.111、112の接触部材が台形のセラミックスヒータは応答時間が24、23秒で、定常時のウェハの温度差が0.28℃であったが、図6に示す構造の試料No.113、114のように接触部材17の断面が円形であるものは応答時間が20秒、19秒と小さく、ウェハの温度差も0.18℃、0.15℃と小さく好ましいことが分った。
Sample No. The ceramic heaters with trapezoidal contact members 111 and 112 had a response time of 24 and 23 seconds and a wafer temperature difference of 0.28 ° C. in a steady state. It was found that the
特に、試料No.114のように接触部材の断面が円形で断面の直径が1mm以下のセラミックスヒータは応答時間が19秒で且つウェハの温度差が0.15℃と極めて優れた特性を示すことが分った。 In particular, sample no. It was found that the ceramic heater having a circular cross section of the contact member such as 114 and a diameter of 1 mm or less showed extremely excellent characteristics with a response time of 19 seconds and a wafer temperature difference of 0.15 ° C.
1、71:セラミックスヒータ
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
10:ガイド部材
11、77:給電端子
16:ボルト
17:接触部材
18:弾性体
20:ナット
21:底面
23:排出孔
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
29、79:ケース
W:半導体ウェハ
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