JP5368708B2 - 基板温度制御装置用ステージ - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハや液晶パネル等の基板を処理する際に基板の温度を制御する基板温度制御装置において、基板を載置するために用いられるステージに関する。

近年、半導体ウエハや液晶パネル等の基板の処理工程において、基板の温度を精密に制御することがますます重要になっている。例えば、半導体装置の製造工程においては、ウエハにレジストを塗布した後に、レジスト溶媒を除去するためにウエハを加熱し、その後、ウエハを冷却するというように、ウエハの加熱と冷却とが頻繁に行われる。その際に、基板の温度を適切に制御するために、基板温度制御装置が用いられる。

基板温度制御装置は、基板を載置するためのフェースプレートを有するステージを含んでおり、このステージの内部又は下部に、基板を加熱又は冷却するための加熱デバイス又は冷却デバイスが配置されている。一般に、加熱デバイスとしては、電熱線、赤外線ランプ、又は、作動流体が用いられ、冷却デバイスとしては、ベルチェ素子や作動流体が用いられる。

基板温度制御装置を用いて基板を加熱する際には、プレートの外周部から基板への熱の流入や、プレート上に載置される際に上側に凸となって撓んだ基板がプレートと平行になるまでの時間遅れ等の影響によって、外周に向かって温度が高くなる過渡的な温度分布が基板に発生する。特に、基板が載置される面が凹状である凹形のプレートにおいては、温度分布の拡がりが大きくなる。

関連する技術として、特許文献１には、シリコンウエハの温度が全体的に均一となることを目的とする半導体製造装置用セラミック板が開示されている。このセラミック板は、セラミック基板の表面に半導体ウエハを載置するか、又は、セラミック基板の表面から一定の距離に半導体ウエハを保持する半導体製造装置用セラミック板であって、そのセラミック基板の半導体ウエハを載置又は保持する側の面の平坦度を、測定範囲、外周端間長さ−１０ｍｍに対して１〜５０μｍにしたことを特徴とする。

特許文献２には、セラミック基板の作業面、即ち、ウエハ加熱面の温度分布を均一にするのに有効で、しかも、昇温・降温時の応答に優れる半導体製造・検査装置用ホットプレートが開示されている。このホットプレートは、絶縁性セラミック基板の表面又は内部に抵抗発熱体を設けてなるホットプレートであって、セラミック基板の外周部の熱容量が中央部に比べて相対的に小さくなるような形状を有している。

特許文献３には、構造を簡単にして被処理基板の加熱温度の均一化を図り、歩留まりを向上させることを目的とする熱処理装置が開示されている。この熱処理装置は、被処理基板を載置する載置台と、この載置台を通して被処理基板を加熱する加熱手段と、載置台上に突出して被処理基板と載置台面との間に所定の間隔を設ける支持手段とを具備し、上記支持手段を、載置台に所定間隔をおいて配列される複数の支持体にて形成すると共に、支持体の高さを、被処理基板の加熱温度分布に応じて変えるようにしたことを特徴とする。

特許文献４には、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してウエハを加熱するウエハ加熱装置が開示されている。均熱板の反りによって載置面が凹状になると、ウエハの中心付近で均熱板とウエハとの間のギャップが大きくなるので、均熱板の温度設定を変更したりウエハを交換した際の昇温過渡時に中心部の加熱が遅れ気味となってウエハ面内の温度分布の拡がりが大きくなる。そこで、このウエハ加熱装置は、載置面を凸状としたことを特徴とする。

しかしながら、基板の載置面が凸状である凸形のプレートにおいても、外周に向かって温度が高くなる過渡的な温度分布が基板に発生することには変りがなく、この温度分布の拡がりを小さくすることが望まれている。
国際公開ＷＯ０１／１３４２３号パンフレット（第１−２頁、図１） 特開２００２−１９８３０２号公報（第１頁、図１） 特開平８−１２４８１８号公報（第１−２頁、図２） 特開２００２−８３８５８号公報（第２−３頁、図２）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、基板を加熱又は冷却する際に発生する過渡的な温度分布の拡がりを従来よりも小さくすることができる基板温度制御装置用ステージを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る基板温度制御装置用ステージは、基板の温度を制御する基板温度制御装置において用いられるステージであって、所定の直径を有する基板を支持するプレートと、プレートの基板に対向する第１の面に設けられ、基板を所定の位置に載置して、基板の端縁の位置を規制する複数のガイド部材と、プレートの第１の面と反対側の第２の面に配置された温調部とを具備し、プレートの第１の面において、複数のガイド部材によって位置が規制された基板の端縁に対応する位置を含む領域に、中心部よりも低い１つの段差部が形成されている。

本発明の１つの観点によれば、プレートの基板に対向する第１の面において、基板の端縁に対応する位置を含む領域に中心部よりも低い段差部を形成することにより、基板を加熱又は冷却する際に発生する過渡的な温度分布を従来よりも小さくすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る基板温度制御装置用ステージを示す平面図であり、図２は、図１に示す一点鎖線II−IIにおける断面図である。基板温度制御装置は、半導体ウエハや液晶パネル等の基板の処理工程において基板の温度を制御する装置であり、基板を載置するために用いられるステージ１を有している。以下においては、直径３００ｍｍの半導体ウエハがステージ１上に載置される場合について説明する。

図１及び図２に示すように、基板温度制御装置のステージ１は、円盤形状のプレート（フェースプレート）１０を含んでおり、プレート１０の上面には、高さが１００μｍ程度の複数の突起１１が設けられている。ウエハがステージ１上に載置される際には、それらの突起１１がウエハの下面を支えて、ウエハとプレート１０との間に１００μｍ程度のギャップを形成し、ウエハがプレート１０に接触することを防止している。これにより、プレート１０に付着している汚染物からウエハが保護される。プレート１０の周辺部には、ステージ１上に載置されるウエハの端縁（エッジ）の位置を規制するための複数のウエハガイド１２が設けられている。

図２を参照すると、プレート１０の下面には、温調部として、ウエハを加熱するための円形シート状（面状）のヒータ２０が取り付けられており、ヒータ２０の配線のためにターミナル・プレート３０が設けられている。プレート１０及びヒータ２０は、プレート固定ネジ４１によって、樹脂リング４２及びプレート支柱４３を介してベースプレート５０に固定されている。樹脂リング４２を用いることにより、プレート１０とベースプレート５０との間で断熱が図られると共に、プレート１０が樹脂リング４２上を滑ることにより、ベースプレート５０に対してある程度移動可能となっている。ベースプレート５０の周囲には、外周カバー６０が取り付けられている。ステージ１は、基板温度制御装置のケース内に収納される。なお、温調部としては、面状のヒータ以外にも、熱電素子を全面に配したり、流体が流れる流路を設けても良く、プレート１０は、加熱と冷却との両方に用いることができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る基板温度制御装置用ステージのプレート及びヒータを、ウエハと共に模式的に示す断面図である。
プレート１０は、薄いアルミニウム材（Ａ５０５２）で作製されており、厚さが６ｍｍ、長い直径が３４０ｍｍ、短い直径が３３０ｍｍの円錐台の形状を有している。熱変形を防止するために、ヒータ２０が接着される部分を除いてプレート１０にアルマイト処理を施すことにより、１５μｍ〜３０μｍのアルマイト層を形成しても良い。

ヒータ２０は、ポリイミドの絶縁膜２１と、絶縁膜２１上にパターン形成されたステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）の薄膜の電熱線２２と、電熱線２２を被覆するポリイミドの絶縁膜２３とによって構成される。ここで、絶縁膜２１の厚さは５０μｍであり、電熱線２２の厚さは２０μｍであり、絶縁膜２３の厚さは、薄い部分で２５μｍである。絶縁膜２１及び２３のポリイミドの表面は、３００℃以上に加熱されると他の部材に接着（熱融着）するように改質されており、プレート１０と絶縁膜２１と絶縁膜２３とをホットプレスすることによって、これらが互いに接着されている。

アルミニウムは比較的柔らかく、ステンレスやポリイミドよりも線膨張係数が大きいので、ヒータ２０によってプレート１０が加熱されると、プレート１０の上面（基板載置面）が凸型となるような変形が生じる。そこで、本実施形態においては、プレート１０の基板載置面が、室温で凹型の形状を有する傾向となるように形成されている（平坦度：０μｍ〜６０μｍ程度）。

ここで、本発明の第１の観点によれば、所定の直径を有する基板（ウエハ）が、基板の中心軸がプレート１０の中心軸と重なるようにステージ上に載置された場合に、プレート１０の基板載置面において、基板のエッジに対応する位置を含む領域に中心部よりも低い段差部が形成される。この段差部は、典型的には、図１〜図３に示すように溝１０ａの形状を有している。

溝１０ａは、プレート１０の基板載置面において、基板のエッジに対応する位置から測ってプレート１０の中心方向に４ｍｍ〜３０ｍｍの距離まで延在することが望ましい。従って、基板の直径が３００ｍｍである場合には、溝１０ａの内周の直径Ｄ１は、２４０ｍｍ〜２９２ｍｍとなる。

溝１０ａの外周の直径Ｄ２は、基板の中心軸がプレート１０の中心軸から２ｍｍ程度ずれた場合に、溝１０ａが基板のエッジにかかる面積差（伝熱面積差）を低減するために、基板のエッジよりも１ｍｍを超えて大きくしないことが望ましい。従って、基板の直径が３００ｍｍである場合には、溝１０ａの外周の直径Ｄ２は、３００ｍｍ以上で３０２ｍｍ以下となる。一方、基板のずれが小さい場合（０．５ｍｍ程度以下）には、溝１０ａの外周の直径Ｄ２について特に上限を定める必要はないので、溝１０ａがプレート１０のエッジまで延在しても構わない。その場合を含めて、本願においては「段差部」という用語を用いている。

また、本発明の第２の観点によれば、プレート１０の基板載置面において、複数の突起１１よりも外周側で、且つ、複数のガイド部材（ウエハガイド）１２よりも内周側に、溝１０ａが形成される。これにより、基板の中心軸がプレート１０の中心軸と重なるようにステージ上に載置された場合に、溝１０ａが基板のエッジにかかるようにする。この場合においても、溝１０ａの内周の直径Ｄ１と外周の直径Ｄ２は、上記の条件を満たすことが望ましい。

さらに、本発明の第３の観点によれば、プレート１０の基板載置面において、複数のガイド部材（ウエハガイド）１２よりも内周側に溝１０ａが形成され、溝１０ａが形成された範囲に少なくとも１つの突起がかかるように複数の突起１１が配置されている。即ち、溝１０ａが形成された範囲に少なくとも１つの突起全体が存在しても良いし、溝１０ａが形成された範囲に突起の一部分が存在しても良い。これにより、基板の中心軸がプレート１０の中心軸と重なるようにステージ上に載置された場合に、溝１０ａが基板のエッジにかかるようにする。この場合においても、溝１０ａの内周の直径Ｄ１と外周の直径Ｄ２は、上記の条件を満たすことが望ましい。

基板温度制御装置を用いてウエハ７０を加熱する際には、プレート１０の外周部からウエハ７０への熱の流入や、プレート１０上に載置される際に上側に凸となって撓んだウエハ７０がプレート１０と平行になるまでの時間遅れ等の影響によって、外周に向かって温度が高くなる過渡的な温度分布がウエハ７０に発生する。

そこで、図３に示すように、ウエハ７０のエッジ部分の下方に位置するプレート１０の表面領域に溝１０ａを形成することにより、プレート１０の該領域からウエハ７０への伝熱を抑制してウエハ７０の外周部における昇温速度を低下させると共に、ウエハ７０の中心部から外周部への伝熱を促進して温度の均一化を図っている。

また、側面の空気断熱によって、ウエハ７０の外周部は中央部と比較して温度が不均一になり易いが、プレート１０に溝１０ａを形成することによりプレート１０とウエハ７０との間のギャップが大きくなるので、プレート１０やウエハ７０の平面度に依存した温度不均一性が緩和される。

さらに、溝１０ａの深さ（ｘ）、大きさ（Ｄ１、Ｄ２）、及び、形状を最適化すれば、フラットに近い過渡温度分布を実現することも可能である。上面が凹型の形状を有するプレート１０を使用する場合には、上面が平坦又は凸型の形状を有するプレートを使用する場合よりも、ウエハにおける温度分布の拡がりが大きくなる傾向が見られる。本発明は、そのような場合に特に有効である。

図４は、上面が凹型の形状を有するプレートを用いてウエハを加熱した場合の実験結果を示す図である。この実験に用いたプレートにおいて、室温における上面の平坦度は５８μｍである。比較のために、溝が形成されていないプレート（比較例）と、溝が形成されているプレート（実施例）とが用いられる。実施例において、溝の内周の直径は２９２ｍｍであり、溝の外周の直径は３０６ｍｍであるので、溝の幅は、（３０６−２９２）／２＝７ｍｍである。また、溝の深さは、円周上で５４μｍ〜１８９μｍに分布しており、その平均値は１３０μｍである。

図４においては、ウエハを加熱する際に、ウエハ面内の複数の測定ポイントにおいて測定された複数のウエハ温度と、それらの温度における最大値と最小値との差である温度レンジとが示されている。温度レンジが小さい程、ウエハの温度分布が均一であるということになる。図４に示すように、ウエハ温度が室温付近から１４０℃に上昇する際に、溝が形成されていないプレートを用いる場合には、温度レンジが最大で約６．８℃に拡大してしまう。一方、溝が形成されているプレートを用いる場合には、温度レンジが最大でも約４．４℃と小さく、ウエハの温度分布が均一化されているといえる。

図５は、各種のプレートを用いてウエハを加熱した場合の実験結果を示す図である。ここでは、上面が凸型の形状を有し（平坦度：４０μｍ）、溝が形成されていないプレート（比較例１）と、上面が凹型の形状を有し（平坦度：４０μｍ）、溝が形成されていないプレート（比較例２）と、上面が凹型の形状を有し（平坦度：６０μｍ）、溝が形成されているプレート（実施例）とが比較される。実施例において、溝の内周の直径は２９２ｍｍであり、溝の外周の直径は３０６ｍｍであるので、溝の幅は７ｍｍである。また、溝の深さの平均値は１３０μｍである。なお、プレートの上面が凸型の形状を有する場合と、プレートの上面が凹型の形状を有する場合とでは、平坦度の測定値が、異なる符号（正と負）を有することになる。

図５においては、ウエハを加熱する際に、ウエハ面内の複数の測定ポイントにおいて測定された複数の温度の平均値である面内平均温度と、それらの温度における最大値と最小値との差である面内温度レンジとが示されている。図５に示すように、上面が凹型の形状を有するプレート（比較例２）は、面内温度レンジが最大で約７．５℃であるのに対し、上面が凸型の形状を有するプレート（比較例１）は、面内温度レンジが最大で約５．３℃であり、ウエハの温度分布の点で有利である。一方、本発明によれば、上面が凹型の形状を有するプレートにおいても、面内温度レンジを最大で約４．４℃とすることができる。図５における面内平均温度の上昇速度の差は、プレートの形状（凹凸）及び平坦度に依存している。

図６は、溝の深さを変えた場合の実験結果を示す図である。ここでは、上面が凹型の形状を有し（平坦度：４０μｍ）、溝の深さの平均値が７５０μｍであるプレートが用いられる。溝の内周の直径は２９２ｍｍであり、溝の外周の直径は３０６ｍｍであるので、溝の幅は７ｍｍである。

図６に示すように、面内温度レンジが最大で約７．５℃である。図７は、図６において面内温度レンジが最大となる時間におけるウエハの半径方向の温度分布を示したものであるが、ウエハの内周部よりも外周部において温度が低下するという逆転現象を起こしていることが分かる。そこで、適切な溝の深さを求めるために、シミュレーションを行った。

図８は、シミュレーションに用いられる要素モデルを示す図である。このシミュレーションにおいては、プレート１０及びウエハ７０が２次元軸対象であるとして、プレート１０が部分領域ｐ１〜ｐ１３に分割され、ウエハ７０が部分領域ｗ１〜ｗ１１に分割される。プレート１０の上面は凹型の形状を有し（平坦度：ΔＨ）、ウエハ７０は上側に凸となる形状を有している（平坦度：８０μｍ）。ウエハ７０の平坦度として８０μｍという値は、条件の悪い場合を想定した大き目の値である。

最初に、ウエハ７０がプレート１０の上方に位置し（Ｓ１）、ウエハ７０を速度２５ｍｍ／ｓで下降させることにより、ウエハ７０の外周部がプレート１０の突起に接触する（Ｓ２）。その後、ウエハ７０が中心部の速度ｖで撓むことにより、プレート１０とウエハ７０との間のギャップが均一化される（Ｓ３）。その際に、プレート１０とウエハ７０との間に停留していた空気がウエハ７０の外周部から徐々に排出されるので、ギャップが均一化されるまでに時間遅れが生じる。このシミュレーションにおいては、その時間遅れを時定数１．３ｓで表している。

また、プレート１０とウエハ７０との間の等価熱伝達率λ_ＥＱ（ｉ）は、次式で表される。
λ_ＥＱ（ｉ）＝λ_ＡＩＲ／Ｇａｐ（ｉ） （ｉ＝１、２、・・・、１１）
ここで、λ_ＡＩＲは空気の熱伝導率であり、Ｇａｐ（ｉ）はプレート１０とウエハ７０との間の対向する部分領域におけるギャップ長であり、時間的に変化する。なお、プレート１０の下面に設けられているヒータは、フィードバック制御なしの一定出力であるものとする。

図９は、第１のシミュレーション結果を示す図である。ここでは、プレートの平坦度ΔＨが４０μｍであり、溝の内周の直径が２９２ｍｍであり、溝の外周の直径が３０６ｍｍであり、溝の深さが７５０μｍであるものとした。図６に示す実験結果と比較すると、面内温度レンジの変化の様子は多少異なっているが、面内温度レンジの最大値は約８．３℃であり、実験結果の約７．６℃に近い値が得られた。

このシミュレーションに基づいて、プレートに形成する溝の深さやサイズについての検討を行った。条件として、プレートとウエハとの間のギャップ長が１００μｍ（ギャップが均一化された後の値）であり、目標温度が１４０℃である場合に、以下のことを目標とした。
（１）ウエハの平均温度が１２０℃に到達するまでの時間について、プレートに溝が形成されていない場合における時間と比較して、その時間差が０．５秒よりも小さいこと。
（２）ウエハの位置ずれが±２ｍｍである場合に、面内温度レンジの最大値の増加が１℃よりも小さいこと。
（３）上記の条件（１）及び（２）を満足する範囲内で、同じ形状及び同じ平坦度で溝が形成されていないプレートに対して、面内温度レンジの最大値の低減効果を２℃以上にすること。

図１０は、第２のシミュレーション結果を示す図である。ここでは、プレートの平坦度ΔＨが４０μｍであり、溝の内周の直径が２９２ｍｍであり、溝の外周の直径が３０６ｍｍであり、溝の深さが１００μｍであるものとした。溝なしの場合（破線）と比較すると、面内温度レンジの最大値は約７．３℃に下がり、面内温度レンジの最大値の低減効果が目標を超えて３℃以上となっている。同様のシミュレーションを、溝の深さが１５０μｍ及び２００μｍである場合についても行ったところ、溝の深さ２００μｍが、条件（２）を満足する境界となった。

また、溝の内周の直径を２４０ｍｍとし、溝の外周の直径を３０６ｍｍとして、溝の幅を（３０６−２４０）／２＝３３ｍｍとした場合についてもシミュレーションを行ったが、その場合には、溝の深さが２０μｍであるときに良好な結果が得られた。一般には、基板（ウエハ）の下部に存在する溝の幅と深さとを掛け合わせた積が、０．４〜０．８（単位：ｍｍ^２）の範囲であれば、ウエハの温度分布を均一化する効果が見られた。

図１１は、本発明の一実施形態におけるプレートの溝形状の変形例を示す図である。図１１の（ａ）は、いままで説明したような矩形の断面形状を有する溝１０ａが形成されたプレート１０を示している。図１１の（ｂ）は、溝の内周及び外周の壁を傾斜させた溝１０ｂが形成されたプレート１０を示している。溝に起因するウエハのコンタミネーションを抑えるためには、溝を浅くしてテーパー加工を施すことが望ましい。図１１の（ｃ）は、溝の壁の少なくとも一部を曲面とした溝１０ｃが形成されたプレート１０を示している。図１１の（ｂ）及び（ｃ）において、溝の内周又は外周の直径を定義する場合には、その平均的な値を用いるものとする。

図１１の（ｄ）は、プレート１０のエッジまで延在する溝（段差部）１０ｄが形成されたプレート１０を示している。図１１の（ｅ）は、ウエハのずれによる温度レンジ変動を小さくできるように、全体にテーパーを付けた溝１０ｅが形成されたプレート１０を示している。図１１の（ｆ）は、溝によって定常状態における温度レンジが大きくなってしまうような場合に、定常状態における温度レンジを小さくできるように伝熱面積を増加させるために、複数の細い溝１０ｆが形成されたプレート１０を示している。

本発明は、半導体ウエハや液晶パネル等の基板を処理する際に基板の温度を制御する基板温度制御装置において利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る基板温度制御装置用ステージを示す平面図である。 図１に示す一点鎖線II−IIにおける断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板温度制御装置用ステージのプレート及びヒータを、ウエハと共に模式的に示す断面図である。 上面が凹型の形状を有するプレートを用いてウエハを加熱した場合の実験結果を示す図である。 各種のプレートを用いてウエハを加熱した場合の実験結果を示す図である。 溝の深さを変えた場合の実験結果を示す図である。 図６において面内温度レンジが最大となる時間におけるウエハの半径方向の温度分布を示す図である。 シミュレーションに用いられる要素モデルを示す図である。 第１のシミュレーション結果を示す図である。 第２のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の一実施形態におけるプレートの溝形状の変形例を示す図である。

符号の説明

１…ステージ、 １０…プレート、 １０ａ〜１０ｆ…溝（段差部）、 １１…突起、 １２…ウエハガイド、 ２０…ヒータ、 ２１、２３…絶縁膜、 ２２…電熱線、 ３０…ターミナル・プレート、 ４１…プレート固定ネジ、 ４２…樹脂リング、 ４３…プレート支柱、 ５０…ベースプレート、 ６０…外周カバー

Claims (7)

1. 基板の温度を制御する基板温度制御装置において用いられるステージであって、
   所定の直径を有する基板を支持するプレートと、
   前記プレートの前記基板に対向する第１の面に設けられ、前記基板を所定の位置に載置して、前記基板の端縁の位置を規制する複数のガイド部材と、
   前記プレートの第１の面と反対側の第２の面に配置された温調部と、
   を具備し、前記プレートの第１の面において、前記複数のガイド部材によって位置が規制された前記基板の端縁に対応する位置を含む領域に、中心部よりも低い１つの段差部が形成されている基板温度制御装置用ステージ。
2. 前記段差部が、前記基板の端縁に対応する位置から測って前記プレートの中心方向に４ｍｍ〜３０ｍｍの距離まで延在する、請求項１記載の基板温度制御装置用ステージ。
3. 前記段差部が、前記複数のガイド部材に対して少なくとも内周側に形成されている、請求項１又は２記載の基板温度制御装置用ステージ。
4. 前記プレートの第１の面において、前記基板の下面を支持する複数の突起が設けられており、
   前記複数の突起の内の少なくとも１つが、前記段差部が形成された範囲にかかるように配置されている、
   請求項１〜３のいずれか１項記載の基板温度制御装置用ステージ。
5. 前記段差部が、深さ２０μｍ〜２００μｍで形成されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の基板温度制御装置用ステージ。
6. 前記プレートの第１の面が、室温で凹型の形状を有する、請求項１〜５のいずれか１項記載の基板温度制御装置用ステージ。
7. 前記基板が、３００ｍｍの直径を有する、請求項１〜６のいずれか１項記載の基板温度制御装置用ステージ。

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