JP5416570B2 - 加熱冷却デバイスおよびそれを搭載した装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ウエハの加熱および冷却を行う加熱冷却デバイスに関し、特に半導体製造装置または半導体検査装置に搭載される加熱冷却デバイスに関する。
半導体素子の製造工程においては、半導体基板（ウエハ）を加熱して処理した後冷却する工程として、コータデベロッパを用いたフォトリソグラフィーにおける感光性樹脂の加熱硬化、Ｌｏｗ−ｋ膜のような低誘電率の絶縁膜の加熱焼成、配線や絶縁層などを形成するためのＣＶＤ膜形成、およびエッチャーなどの工程がある。
従来、これらの工程では、アルミニウムなどの金属またはセラミックスからなるヒータを用いてウエハの加熱処理を行っていた。すなわち、抵抗発熱体を備えたヒータのウエハ載置面上にウエハを載置し、加熱制御しながら上記感光性樹脂の加熱硬化やＬｏｗ−ｋ膜の加熱焼成、あるいはＣＶＤ膜の形成やエッチングなどの処理を行っていた。
例えば、特許文献１には、焼結した金属粒子からなる抵抗発熱体を備えた、窒化物セラミックや炭化物セラミック製の板状体のヒータが示されている。そして、ヒータをセラミックで形成することによって、ヒータの厚みを薄くしても反りが発生せず、ヒータの温度制御も迅速に行い得ることが記載されている。
また、特許文献２には、抵抗発熱体を備えたセラミックス製の板状体の上に、被処理物であるウエハを載置して保持する金属製保持部を備え、これらをヒータとして使用する技術が示されている。そして、かかる構成のヒータを用いることによって、被処理物保持面での均熱性が向上する上、急速昇温および急速冷却が可能になることが記載されている。
更に、特許文献３には、ヒータに対して相対的に移動可能なブロックを設け、該ブロックとヒータとを当接させたり分離させたりすることよって、加熱工程が終了した後のヒータの冷却速度を早めることができ、スループットを向上できることが記載されている。また、ヒータを急冷することによって被処理物の特性を高め得ることも記載されている。
一方、上記したような半導体素子の製造工程のみならず、回路形成されたウエハを個々のチップに切断する前に行う半導体素子の検査工程においても、検査対象物であるウエハの加熱冷却処理が行われている。例えば、バーンイン処理では、金属製のヒータの上に回路形成されたウエハを載置し、通常の使用温度よりも高温に加熱して不良になる可能性のある半導体素子を加速的に不良化させる処理が行われている。不良化した素子は、測定子であるプローブカードをウエハに押し付けて電気的な性能を測定することによって取り除かれる。
近年、半導体素子の製造工程におけるコスト低減のためウエハの大型化が進められており、８インチから１２インチへと移行しつつある。これに伴い、フォトリソグラフィー用の感光性樹脂の加熱硬化やＬｏｗ−ｋ膜の加熱焼成に用いるコータデベロッパでは、ウエハを保持して加熱するヒータに対して、更なる均熱性の向上が要望されている。具体的には、ヒータの被処理物保持面における均熱性は、±１.０％以内が必要とされ、更に望むらくは±０.５％以内が要求されている。また、被処理物のスループットをより一層向上させることも求められており、加熱速度および冷却速度の更なる高速化が要望されている。
一方、半導体素子の検査工程においては、近年の半導体プロセスの微細化に伴い、プロービング時の単位面積あたりの荷重が増加している。従って、上記の高い均熱性や加熱冷却速度の高速化の要望に加えて、ヒータには高い剛性が要求されている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ウエハ載置面において高い均熱性を有していることに加えて急速昇温および急速冷却が可能であり、且つ高い剛性を備えた加熱冷却デバイスを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明が提供する加熱冷却デバイスは、ウエハを載置して加熱するヒータと、該ヒータの下部に設けられた可動式冷却モジュールとを備えており、ヒータは、ウエハの載置面を有し金属からなる第１均熱板と、該第１均熱板を支持しセラミックスまたは金属セラミックス複合体からなる第２均熱板と、これら第１均熱板と第２均熱板との間に設けられた抵抗発熱体とを有している。
そして、第１均熱板と第２均熱板の熱伝導率を順にＫ１、Ｋ２としたときにそれらの関係がＫ１＞Ｋ２であり、第１均熱板と第２均熱板のヤング率を順にＹ１、Ｙ２としたときにそれらの関係がＹ２＞Ｙ１である。また、第１均熱板と第２均熱板の厚みの合計が第１均熱板の直径の１／４０以下であり、抵抗発熱体は、ポリイミドもしくはテフロンまたはそれらの少なくとも一方を主原料とする耐熱性絶縁物によって一体化されており、該一体化された抵抗発熱体の厚みが０.５ｍｍ以下であり、第２均熱板において抵抗発熱体に当接する面の形状が上に凹である。
本発明によれば、ウエハ載置面において高い均熱性を有していることに加えて急速昇温および急速冷却が可能であり、且つ高い剛性を備えた加熱冷却デバイスを低コストで提供することが可能になる。
以下、図面を参照しながら本発明の加熱冷却デバイスの一具体例を説明する。図１は、ウエハを載置して加熱するヒータ１０と、ヒータ１０の下部に設けられた可動式冷却モジュール２０とを備えた加熱冷却デバイス１の模式的な断面図である。ヒータ１０は、第１均熱板１１と、この第１均熱板１１を下から支持する第２均熱板１２と、これら第１均熱板１１と第２均熱板１２との間に設けられた抵抗発熱体１３とを有している。第１均熱板１１は円板形状を有しており、その片面側にウエハを載置するウエハ載置面１１ａを備えている。第２均熱板１２および抵抗発熱体１３の形状は特に限定するものではないが、第１均熱板１１と同じ径の円板形状であることが好ましい。
第１均熱板１１は、ウエハ載置面１１ａでの高い均熱性を得るため、熱伝導率の高い材料である金属で形成されている。金属の種類は特に限定するものではないが、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。そのような金属としては、例えば、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、またはこれらを含む合金などを挙げることができる。
第２均熱板１２は、ヒータ１０が全体として高い剛性を具えるようにするため、ヤング率の高い材料であるセラミックスまたは金属セラミックス複合体で形成されている。セラミックスの種類は特に限定するものではないが、例えば、炭化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などを挙げることができる。また、金属セラミックス複合体の例としては、アルミニウムやシリコンと、炭化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミックスとの複合体などを挙げることができる。
また、金属製や金属セラミックス複合体製の均熱板の場合には、Ｎｉなどの比較的硬い金属やアルマイトなどのセラミックス、テフロン系やポリイミド系樹脂など耐食性の高い材料で表面処理してもよい。このように表面処理することによって耐久性が向上するうえ、半導体製造装置などの製品に対して汚染源となるコンタミやパーティクルの発生を防ぐことができる。もちろんセラミックスの場合にも同様な表面処理をしてもかまわない。
本発明においては、上記したような第１均熱板１１と第２均熱板１２の材料の組み合わせのうち、第１均熱板１１の常温における熱伝導率をＫ１、ヤング率をＹ１、第２均熱板１２の熱伝導率をＫ２、ヤング率をＹ２としたときに、これらはＫ１＞Ｋ２およびＹ２＞Ｙ１の関係を有している。これにより、第１均熱板１１にはウエハ載置面１１ａでの均熱性を高くする役割、第２均熱板１２にはヒータ１０全体としての剛性を高くする役割をそれぞれ担わせることができ、結果的に、高い均熱性と高剛性とを共に有するヒータ１０を低コストで実現することができる。
すなわち、上記熱伝導率とヤング率の関係を満たすように第１均熱板１１の材料を熱伝導率の高い金属によって形成すると共に第２均熱板１２の材料を剛性の高いセラミックスまたは金属セラミックス複合体で形成し、更にこれらの間に抵抗発熱体１３を設けることによって、抵抗発熱体１３で発生した熱は、熱伝導率の高い第１均熱板１１を伝熱して素早くウエハ載置面１１ａの全面に行渡ることができる。よって、ウエハ載置面１１ａでは高い均熱性が得られる。
また、ヒータ１０の剛性は第２均熱板１２に担わせることができるため、第１均熱板１１の厚みを薄くすることができる。その結果、第１均熱板１１の熱容量を抑えることができ、ウエハ載置面１１ａに載置したウエハの急速昇温や急速降温が可能となる。このように、図１に示すヒータ１０は高剛性であるにもかかわらず急速な昇降温が可能である。これは、ウエハ載置面１１ａに対して垂直方向に強い力が加えられるウエハプローバのような検査装置にヒータ１０を使用する場合に特に効果的である。
第２均熱板１２の具体的なヤング率の値は、特に限定するものではないが２００ＧＰａ以上であることが好ましい。２００ＧＰａ以上であれば、第２均熱板１２の変形を著しく低減することができるため、第２均熱板１２をより薄型化、軽量化できるからである。
上記の通り、第２均熱板１２は高い剛性を有し且つ第１均熱板１１に比べて低い熱伝導率を有していることを特徴としているが、第２均熱板１２の熱伝導率はある程度高いことが好ましい。なぜなら、第２均熱板１２の下部には後述するように冷却モジュールが設けられているため、ヒータ１０の熱をあまり時間をかけずに冷却モジュールに伝えることができるからである。この観点から、第２均熱板１２の材料は、セラミックスの場合は炭化珪素、窒化アルミニウム、または窒化珪素であることが好ましく、金属セラミックス複合体の場合は、アルミニウムやシリコンと、炭化珪素や窒化アルミニウムとの複合体であることが好ましい。
第２均熱板１２と、これよりヤング率の低い第１均熱板１１とは後述するようにネジ止めなどによって結合されるが、これにより、第１均熱板１１と第２均熱板１２とが抵抗発熱体１３を介して互いに密着して固定されることになる。この状態で抵抗発熱体１３や後述する可動式冷却モジュール２０によって加熱と冷却が交互に繰り返された場合、抵抗発熱体１３が介在しているにもかかわらず、第１均熱板１１において抵抗発熱体１３に当接する面は、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の形状にならうようになる。換言すれば、後者の面の形状に沿って前者の面が変形するようになる。
その結果、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度が悪ければ、第１均熱板１１において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度も悪化し、その影響を受けて第１均熱板１１のウエハ載置面１１ａの平面度が悪化する。これにより、ウエハ載置面１１ａでの均熱性が低下するおそれが生じる。このような問題を避けるため、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度は１００μｍ以下であるのが好ましく、５０μｍ以下がより好ましい。すなわち、上記平面度が１００μｍを超えると、ウエハ載置面１１ａの平面度が徐々に悪化し、これに伴ってウエハ載置面１１ａでの均熱性が低下するおそれがある。
第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度が１００μｍ以下であっても、当該面の形状は上に凸ではなく上に凹すなわち面の略中央部が窪んだすり鉢状を有しているのが好ましい。なぜなら、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面が上に凹であれば、その形状に沿った第１均熱板１１の変形がスムーズに進行するため、ウエハ載置面１１ａでの均熱性の低下の影響を抑えることができるからである。ここで、面の平面度とは、その面を間に挟む互いに平行な２つの平面の内、それらが離間する距離が最も短い２平面を想定したときの、その２平面間の距離のことをいう。
第１均熱板１１は、載置されたウエハを吸着固定するための穴や溝などの凹部をウエハ載置面１１ａ側に有していてもよい。この凹部は、一般に機械加工で形成されるため、第１均熱板１１は機械加工しやすい材料であることが好ましい。この点からも、第１均熱板１１は第２均熱板１２に比べてヤング率の低い材料であることが好ましい。
これらを考慮にいれたヒータ１０の最良の形態としては、第１均熱板１１の材料に銅または銅合金を使用し、第２均熱板１２の材料にＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ−ＳｉＣ（ＳｉとＳｉＣとの複合体）、またはＡｌ−ＳｉＣ（ＡｌとＳｉＣとの複合体）を使用する場合を挙げることができる。また、ヒータ１０をより軽量化したい場合は、第１均熱板１１の材料にアルミニウムやその合金を使用し、第２均熱板１２の材料にＳｉＣまたはＳｉ−ＳｉＣを使用するのが好ましい。
本発明においては、第１均熱板１１の厚み（Ａ１）と第２均熱板１２の厚み（Ａ２）の合計（Ａ１＋Ａ２）は、第１均熱板１１の直径（Ｂ）の１／４０以下である。この値が１／４０を超えると、ヒータ１０全体としての熱容量が大きくなりすぎ、急速昇温や急速冷却を行うことが困難になる。また、第１均熱板１１の厚み（Ａ１）および第２均熱板１２の厚み（Ａ２）は、それぞれ１ｍｍ以上であることが好ましい。これより薄いと第１均熱板１１や第２均熱板１２が反ったり割れたりするおそれがあるからである。
抵抗発熱体１３は、導体に電気を流したときに発生するジュール熱によってウエハ載置面１１ａに載置されたウエハを加熱するものである。この導体には、限定するものではないが、微細加工した金属箔を使用するのが好ましい。導体の材料には、例えば、ニッケル、ステンレス、銀、タングステン、モリブデン、クロム、インコネルまたはこれらの合金を使用することができる。これらの中では、ステンレスが特に好ましい。微細な金属箔を、比較的精度よく加工できるからである。また、安価である上、耐酸化性を有するので、使用温度が高温であっても長期間の使用に耐えることができる点においても好ましい。尚、微細な金属箔の加工法としては、例えば、エッチングやレーザー加工などを挙げることができる。
本発明においては、上記導体を有する抵抗発熱体１３は、ポリイミドもしくはテフロンまたはそれらの少なくとも一方を主原料とする耐熱性絶縁物によって一体化された構造を有している。また、一体化された構造を有する抵抗発熱体１３の厚み（Ｃ）は、０.５ｍｍ以下である。０.５ｍｍを超えると、冷却時に伝熱抵抗となり、急速冷却を行うことが困難になるからである。尚、一体化された構造を有する抵抗発熱体１３の厚み（Ｃ）の下限は特に限定するものではないが、一般に０.０２ｍｍ以上である。これより薄い抵抗発熱体１３を作製するのは技術的に困難であり、コスト的にも不利になるからである。
この抵抗発熱体１３を、第１均熱板１１と第２均熱板１２とによって両側から挟み込んで結合することによってヒータ１０が得られる。この結合には、例えばネジ止め、クランプなどの機械的な結合手段を用いて第１均熱板１１と第２均熱板１２とを固定するのが好ましい。また、第１均熱板１１と抵抗発熱体１３との間や、第２均熱板１２と抵抗発熱体１３との間を接着剤などの接着手段で互いに接着することもできる。更に、第１均熱板１１においてウエハ載置面１１ａとは反対側の面に真空吸着用の溝や穴などの凹部を機械加工し、第１均熱板１１と抵抗発熱体１３とを真空吸着させてもよい。これらの結合手法を組み合わせることで、抵抗発熱体１３を介した第１均熱板１１と第２均熱板１２との密着性がより一層向上するので、伝熱速度を更に向上させることができる。
尚、第１均熱板１１に比べて機械加工しにくいが、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３と対抗する面に真空吸着用の溝や穴などの凹部を設け、第２均熱板１２と抵抗発熱体１３とを真空吸着させてもよい。また、一体化された抵抗発熱体１３を複数層積層して、それらを第１均熱板１１と第２均熱板１２とによって挟み込んでもよい。これにより、昇温速度をさらに高めたり、異なる金属箔パターンの抵抗発熱体を積層してより高精度な温度制御を行ったりできる。尚、図２には、抵抗発熱体１３を２つ積層した例が示されている。
第１均熱板１１のウエハ載置面１１ａは、表面粗さがＲａで０.５μｍ以下であることが好ましい。この値が０.５μｍを超えると、発熱量の大きな半導体素子のプロービングの際に半導体素子自身の自己発熱を良好に第１均熱板１１に伝熱させることが困難になり、半導体素子の温度が上がり過ぎて熱破壊にいたるおそれがあるからである。尚、この表面粗さはＲａで０.０２μｍ以下であれば効率よく放熱できるのでより好ましい。
ヒータ１０には図１に示すように温度センサ３０が設けられているのが好ましい。これにより、ウエハを加熱する際の温度を高い精度で制御することが可能となる。温度センサ３０の設置方法としては、特に限定するものではないが、例えば熱電対を使用する場合は、その先端部が第１均熱板１１内の所定の位置に到達するように、第１均熱板１１に凹部を設けると共に、抵抗発熱体１３および第２均熱板１２において該凹部に対応する位置に貫通孔を設けてそこに温度センサ３０を挿通するのが好ましい。
ヒータ１０の下部には、可動式冷却モジュール２０が設けられている。この可動式冷却モジュール２０は、ウエハを加熱する際は図３（ａ）に示すようにヒータ１０から離間し、ウエハを冷却する際は図３（ｂ）に示すようにヒータ１０に当接する。これにより、ヒータ１０の急速な昇温および急速な冷却が可能となり、スループットを向上させることができる。
また、ヒータ１０をウエハプローバのような検査装置に使用する場合、プロービング時に可動式冷却モジュール２０をヒータ１０から離間させることによって、プローブカードの圧力が可動式冷却モジュール２０に全くかからないようにすることができる。よって、可動式冷却モジュール２０を簡易で軽量な構造にすることができる。尚、可動式冷却モジュール２０の駆動方法としては、エアシリンダーなどの昇降手段を用いることができる。
ヒータ１０と可動式冷却モジュール２０との間に、変形能と耐熱性を有し、且つ熱伝導率の高い軟性材（図示せず）を設けてもよい。これにより、ヒータ１０と可動式冷却モジュール２０とが互いに対向する両面における平面度や反りに起因する伝熱抵抗の問題を緩和することができる。その結果、可動式冷却モジュール２０が本来備えている冷却能力を最大限まで発揮させることが出来るので、ヒータ１０をより急速に冷却することができる。
この軟性材の材質には、シリコン樹脂や、エポキシ、フェノール、ポリイミドなどの耐熱製樹脂、またはこれらの樹脂に熱伝導性を向上させるためにＢＮやシリカ、あるいはＡｌＮなどのフィラーを分散させたものを使用することができる。あるいは、発泡金属を使用してもよい。
可動式冷却モジュール２０の材質は特に制約はないが、アルミニウムや銅、またはその合金が好ましい。これらの金属は、熱伝導率が比較的高いため、ヒータ１０の熱を急速に奪うことができるからである。また、ステンレスやマグネシウム合金、ニッケル、その他の金属材料を使用してもよい。更に、可動式冷却モジュール２０に耐酸化性を付与するために、ニッケルや金、銀といった耐酸化性を有する金属膜をメッキや溶射などの手法を用いて成膜してもよい。
また、可動式冷却モジュール２０の材質としてセラミックスを使用してもよい。この場合の材質としては特に限定するものではないが、窒化アルミニウムや炭化珪素が好ましい。これらの材料は熱伝導率が比較的高いため、ヒータ１０の熱を素早く奪うことができるからである。あるいは、窒化珪素や酸窒化アルミニウムを使用してもよい。これらの材料は機械的強度が高く、耐久性に優れているからである。更に、比較的安価なアルミナ、コージェライト、ステアタイトなどの酸化物セラミックスを使用してもよい。
以上のように可動式冷却モジュール２０の材質は、種々のものの中から選択することができるため、用途に応じて選択することができる。これらの中では、アルミニウムにアルマイト処理を施したものや、銅にニッケルメッキを施したものが耐酸化性にも優れる上、熱伝導率も高く、価格も比較的安価であるため最も好ましい。
可動式冷却モジュール２０には冷媒を流すことも可能である。これにより、ヒータ１０から伝達された熱を素早く系外に排出することができるため、より急速に冷却することができる。この冷媒の種類は、限定するものではないが、水やフロリナートなどの媒体が好ましく、比熱の高さや価格を考慮すると水がより好ましい。
冷媒が流れる構造の可動式冷却モジュール２０は、例えば、２枚の銅（無酸素銅）板を用意し、その一方の銅板に水を流す流路を機械加工などによって形成する。この銅板に、もう一方の銅板と冷媒出入り口用のステンレス製パイプとをロウ付け接合する。そして、接合した両銅板の耐食性、耐酸化性を向上させるために、ニッケルメッキを全面に施すことによって作製することができる。
あるいは、冷媒が流れる他の構造として、アルミニウム板もしくは銅板などの冷却板に冷媒を流すパイプを取り付けてもよい。この場合、パイプの断面形状に近い形状のザグリ溝を冷却板に形成し、その中にパイプを密着させることで更に冷却効率を上げることができる。また、密着性を向上させるために、熱伝導性の高い樹脂やセラミックスなどをパイプと冷却板の間に介在させてもよい。
また本発明においては、ヒータ１０で発生した熱を加熱冷却デバイス１より下部に存在する部材に伝わらないようにするために、支持部材（図示せず）を具備することが好ましい。この支持部材の形状に関しては特に制約はないが、抵抗発熱体１３に直接接触しないほうが好ましい。例えば、放射状に配置した複数の支柱で第２均熱板１２の下面を直接支持する構造が好ましい。この場合は、可動式冷却モジュール２０の形状によるが、支持部材に物理的に干渉しないように、可動式冷却モジュール２０には貫通孔若しくは切り欠きを設けることが必要となる。尚、支持部材の形状や個数には特に限定はない。
支持部材の熱伝導率は、第２均熱板１２の熱伝導率、すなわち、前述したＫ２の値より低いことが好ましい。これにより、ヒータ１０の熱が支持部材より下部に存在する部材に伝わりにくくなるため、例えば、下部に存在する部材であるウエハの位置合わせなどにかかわる駆動系の部材に熱が伝わるのを防ぐことができる。その結果、かかる駆動系の部材の熱膨張を防止することができ、ウエハなどの位置合わせ精度の低下を防ぐことができる。
上記のヒータ１０と可動式冷却モジュール２０とを有する加熱冷却デバイス１は、図１に示すように容器４０内に収納されていることが好ましい。これにより、ヒータ１０の下側部分や可動式冷却モジュール２０を覆うことができるので、これらヒータ１０の下側部分や可動式冷却モジュール２０を、加熱冷却デバイス１が設置されるチャンバ内の雰囲気から隔離することが可能となる。よって、ヒータ１０の高い均熱性や急速昇温および急速冷却に対する様々な悪影響を抑えることができる。
以上説明したように、本発明の加熱冷却デバイスは、ウエハ載置面において高い均熱性を有していることに加えて急速昇温および急速冷却が可能であり、且つ高い剛性を具えているので、半導体製造装置や半導体素子の検査装置に搭載することによって高品質の半導体素子を高いスループットで作製することができる。
以上、本発明の加熱冷却デバイス、およびこれを備えた半導体製造装置や検査装置について具体例を挙げて説明したが、本発明は係る具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲の種々の態様で実施可能である。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲およびその均等物に及ぶものである。
［実施例１］
図１に示す第１均熱板１１、第２均熱板１２、および抵抗発熱体１３からなる試料１のヒータ１０を作製した。第１均熱板１１には、厚み（Ａ１）２ｍｍ、直径（Ｂ）３４０ｍｍの銅製の板状体を使用した。一方、第２均熱板１２には、厚み（Ａ２）２ｍｍ、直径３４０ｍｍのＳｉ−ＳｉＣ複合体からなる板状体を使用した。銅製の板状体の表面にはＮｉめっきを施した。更に、第１均熱板１１のウエハ載置面１１ａ側の平面度を５０μｍに仕上げ、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度を３０μｍに仕上げた。
図１に示す第１均熱板１１、第２均熱板１２、および抵抗発熱体１３からなる試料１のヒータ１０を作製した。第１均熱板１１には、厚み（Ａ１）２ｍｍ、直径（Ｂ）３４０ｍｍの銅製の板状体を使用した。一方、第２均熱板１２には、厚み（Ａ２）２ｍｍ、直径３４０ｍｍのＳｉ−ＳｉＣ複合体からなる板状体を使用した。銅製の板状体の表面にはＮｉめっきを施した。更に、第１均熱板１１のウエハ載置面１１ａ側の平面度を５０μｍに仕上げ、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度を３０μｍに仕上げた。
抵抗発熱体１３は、ステンレスからなる微細加工した金属箔をポリイミド（ＰＩ）と共に一体化した。厚み（Ｃ）は０.１５ｍｍとなるようにした。この抵抗発熱体１３を、第１均熱板１１と第２均熱板１２との間に挟みこんでネジ止めによって固定した。これにより、試料１のヒータ１０が得られた。同様にして試料２〜８のヒータ１０を作製したが、その際、第１均熱板１１および第２均熱板１２の厚みを様々に変えた。
これら試料１〜８のヒータ１０の下部には各々可動式冷却モジュール２０を設置した。可動式冷却モジュール２０は、厚み１０ｍｍ、直径３４０ｍｍの銅板２枚に、それぞれ冷媒として水が流れる流路を機械加工により形成し、これらをロウ付けによって接合し、その側面に冷媒の出入り口をそれぞれ取り付けることによって構成した。また、耐熱性を確保するため、表面にはニッケルメッキを施した。これら試料１〜８のヒータ１０の構成を下記表１に示す。
上記表１の試料１〜８のヒータ１０に対して、各々可動式冷却モジュール２０を離間させた状態で抵抗発熱体１３に給電して室温から１５０℃まで加熱した後、抵抗発熱体１３への給電を停止すると共に水を流通させた可動式冷却モジュール２０をヒータ１０に当接させて冷却した。その際、１５０℃に加熱されたウエハ載置面１１ａの均熱性を測定した。また、１００℃から１５０℃までの昇温に要した時間と、１５０℃から１００℃までの冷却に要した時間を測定した。更に、昇温および冷却後のウエハ載置面１１ａの平面度変化を測定した。その結果を下記の表２に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表２から分かるように、試料１〜３、５および７のヒータ１０は、いずれも均熱性、昇温速度、冷却速度、平面度変化、製造コストの全て点において良好な結果が得られた。一方、第１均熱板１１の厚み（Ａ１）と第２均熱板１２の厚み（Ａ２）の合計（Ａ１＋Ａ２）が第１均熱板１１の直径（Ｂ）の１／４０を超えた試料４では、昇温速度および冷却速度に時間がかかった。尚、第１均熱板１１の厚み（Ａ１）が１ｍｍ未満の試料６では、第１均熱板１１が大きく反って測定を続けることができなかった。また、第２均熱板１２の厚み（Ａ２）が１ｍｍ未満の試料８では、第２均熱板１２が割れたため、測定を続けることができなかった。
［実施例２］
第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＡｌＮにした以外は実施例１と同様にして、下記表３に示す試料９〜１６のヒータ１０を作製した。
第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＡｌＮにした以外は実施例１と同様にして、下記表３に示す試料９〜１６のヒータ１０を作製した。
上記表３の試料９〜１６のヒータ１０に対して、実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様に昇温および冷却を行って均熱性などを測定した。その結果を下記の表４に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表４から、第２均熱板１２の材料にＡｌＮを使用しても、実施例１と同様の結果が得られることが分かった。
［実施例３］
第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＳｉＣにした以外は実施例１と同様にして、下記表５に示す試料１７〜２４のヒータ１０を作製した。
第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＳｉＣにした以外は実施例１と同様にして、下記表５に示す試料１７〜２４のヒータ１０を作製した。
上記表５の試料１７〜２４のヒータ１０に対して、実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様に昇温および冷却を行って均熱性などを測定した。その結果を下記の表６に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表６から、第２均熱板１２の材料にＳｉＣを使用しても、実施例１と同様の結果が得られることが分かった。
［実施例４］
第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＡｌ−ＳｉＣ複合体にした以外は実施例１と同様にして、下記表７に示す試料２５〜３２のヒータ１０を作製した。
第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＡｌ−ＳｉＣ複合体にした以外は実施例１と同様にして、下記表７に示す試料２５〜３２のヒータ１０を作製した。
上記表７の試料２５〜３２のヒータ１０に対して、実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様に昇温および冷却を行って均熱性などを測定した。その結果を下記の表８に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表８から、第２均熱板１２の材料にＡｌ−ＳｉＣ複合体を使用しても、実施例１と同様の結果が得られることが分かった。
［実施例５］
第１均熱板１１の材料をＣｕに代えてＡｌにし、Ｎｉめっきに代えてアルマイト処理を施した以外は実施例１と同様にして、下記表９に示す試料３３〜４０のヒータ１０を作製した。
第１均熱板１１の材料をＣｕに代えてＡｌにし、Ｎｉめっきに代えてアルマイト処理を施した以外は実施例１と同様にして、下記表９に示す試料３３〜４０のヒータ１０を作製した。
上記表９の試料３３〜４０のヒータ１０に対して、実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様に昇温および冷却を行って均熱性などを測定した。その結果を下記の表１０に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表１０から、第１均熱板１１の材料にアルマイト処理を施したＡｌを使用しても、実施例１と同様の結果が得られることが分かった。
［実施例６］
第１均熱板１１の材料をＣｕに代えてＡｌにし、Ｎｉめっきに代えてアルマイト処理を施し、第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＡｌＮにした以外は実施例１と同様にして、下記表１１に示す試料４１〜４８のヒータ１０を作製した。
第１均熱板１１の材料をＣｕに代えてＡｌにし、Ｎｉめっきに代えてアルマイト処理を施し、第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＡｌＮにした以外は実施例１と同様にして、下記表１１に示す試料４１〜４８のヒータ１０を作製した。
上記表１１の試料４１〜４８のヒータ１０に対して、実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様に昇温および冷却を行って均熱性などを測定した。その結果を下記の表１２に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表１２から、第１均熱板１１の材料にアルマイト処理を施したＡｌを使用し、第２均熱板１２の材料にＡｌＮを使用しても、実施例１と同様の結果が得られることが分かった。
［実施例７］
第１均熱板１１の材料をＣｕに代えてＡｌにし、Ｎｉめっきに代えてアルマイト処理を施し、第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＳｉＣにした以外は実施例１と同様にして、下記表１３に示す試料４９〜５６のヒータ１０を作製した。
第１均熱板１１の材料をＣｕに代えてＡｌにし、Ｎｉめっきに代えてアルマイト処理を施し、第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＳｉＣにした以外は実施例１と同様にして、下記表１３に示す試料４９〜５６のヒータ１０を作製した。
上記表１３の試料４９〜５６のヒータ１０に対して、実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様に昇温および冷却を行って均熱性などを測定した。その結果を下記の表１４に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表１４から、第１均熱板１１の材料にアルマイト処理を施したＡｌを使用し、第２均熱板１２の材料にＳｉＣを使用しても、実施例１と同様の結果が得られることが分かった。
［実施例８］
第１均熱板１１の材料をＣｕに代えてＡｌにし、Ｎｉめっきに代えてアルマイト処理を施し、第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＡｌ−ＳｉＣ複合体にした以外は実施例１と同様にして、下記表１５に示す試料５７〜６４のヒータ１０を作製した。
第１均熱板１１の材料をＣｕに代えてＡｌにし、Ｎｉめっきに代えてアルマイト処理を施し、第２均熱板１２の材料をＳｉ−ＳｉＣ複合体に代えてＡｌ−ＳｉＣ複合体にした以外は実施例１と同様にして、下記表１５に示す試料５７〜６４のヒータ１０を作製した。
上記表１５の試料５７〜６４のヒータ１０に対して、実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様に昇温および冷却を行って均熱性などを測定した。その結果を下記の表１６に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表１６から、第１均熱板１１の材料にアルマイト処理を施したＡｌを使用し、第２均熱板１２の材料にＡｌ−ＳｉＣ複合体を使用しても、実施例１と同様の結果が得られることが分かった。
［比較例１］
比較のため、下記表１７に示す試料６５〜６７のヒータを作製した。すなわち、試料６５のヒータは、第１均熱板１１の材質にＡｌＮを使用し、第２均熱板１２の材質に銅を使用した以外は実施例１の試料２と同様に作製した。試料６６のヒータは、第１均熱板１１の材質にＡｌＮを使用してその厚み（Ａ１）を６ｍｍとし、第２均熱板１２は設けなかった。抵抗発熱体は、第１均熱板１１の下面側、すなわちウエハ載置面１１ａの反対側にスクリーン印刷によりタングステンペーストで発熱体の回路を形成して焼き付けた後、絶縁体および発熱体の厚みが１５０μｍとなるように、発熱体の表面に絶縁性確保のためガラスペーストを塗布し、焼き付けた。試料６７のヒータは、第１均熱板１１の材質に銅を使用してその厚み（Ａ１）を６ｍｍとし、第２均熱板１２は設けなかった。抵抗発熱体１３は、ポリイミドで一体化した厚み（Ｃ）０.１５ｍｍのものを第１均熱板１１の下面側に接着により取り付けた。
比較のため、下記表１７に示す試料６５〜６７のヒータを作製した。すなわち、試料６５のヒータは、第１均熱板１１の材質にＡｌＮを使用し、第２均熱板１２の材質に銅を使用した以外は実施例１の試料２と同様に作製した。試料６６のヒータは、第１均熱板１１の材質にＡｌＮを使用してその厚み（Ａ１）を６ｍｍとし、第２均熱板１２は設けなかった。抵抗発熱体は、第１均熱板１１の下面側、すなわちウエハ載置面１１ａの反対側にスクリーン印刷によりタングステンペーストで発熱体の回路を形成して焼き付けた後、絶縁体および発熱体の厚みが１５０μｍとなるように、発熱体の表面に絶縁性確保のためガラスペーストを塗布し、焼き付けた。試料６７のヒータは、第１均熱板１１の材質に銅を使用してその厚み（Ａ１）を６ｍｍとし、第２均熱板１２は設けなかった。抵抗発熱体１３は、ポリイミドで一体化した厚み（Ｃ）０.１５ｍｍのものを第１均熱板１１の下面側に接着により取り付けた。
上記表１７に示す試料６５〜６７のヒータに対して実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様に昇温および冷却を行って均熱性などを測定した。その結果を下記の表１８に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表１８から分かるように、試料６５および試料６６のヒータは、いずれも１５０℃の均熱性が０.５℃を超えた。また、試料６６のヒータについては、抵抗発熱体をスクリーン印刷する工程が必要であったので、製造コストがかかった。また、試料６７のヒータは、昇温速度および冷却速度に時間がかかった上、昇温冷却前に比べて昇温冷却後の平面度が、５０μｍを超えて変化していた。
［実施例９］
下記表１９に示す試料６８〜７１のヒータ１０を作製した。すなわち、試料６８のヒータ１０は、図２に示す構造となるように一体化した抵抗発熱体１３を２つ積層して使用したが、それ以外は実施例１の試料２と同様に作製した。試料６９のヒータ１０は、テフロンを用いて一体化して厚み（Ｃ）０.２５ｍｍの抵抗発熱体１３を使用した以外は実施例１の試料２と同様に作製した。試料７０のヒータ１０は、試料６９で用いた抵抗発熱体１３を２つ積層した以外は試料６９と同様にした。試料７１のヒータ１０は、マイカを用いて一体化した厚み（Ｃ）１ｍｍの抵抗発熱体１３を使用した以外は実施例１の試料２と同様に作製した。
下記表１９に示す試料６８〜７１のヒータ１０を作製した。すなわち、試料６８のヒータ１０は、図２に示す構造となるように一体化した抵抗発熱体１３を２つ積層して使用したが、それ以外は実施例１の試料２と同様に作製した。試料６９のヒータ１０は、テフロンを用いて一体化して厚み（Ｃ）０.２５ｍｍの抵抗発熱体１３を使用した以外は実施例１の試料２と同様に作製した。試料７０のヒータ１０は、試料６９で用いた抵抗発熱体１３を２つ積層した以外は試料６９と同様にした。試料７１のヒータ１０は、マイカを用いて一体化した厚み（Ｃ）１ｍｍの抵抗発熱体１３を使用した以外は実施例１の試料２と同様に作製した。
上記表１９に示す試料６８〜７１のヒータ１０に対して実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様に昇温および冷却を行って均熱性などを測定した。その結果を下記の表２０に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表２０から分かるように、試料６８〜７０のヒータ１０は、いずれも実施例１の試料１〜３、５および７同様、良好な結果が得られたが、マイカを用いて一体化した抵抗発熱体を用いた試料７１のヒータ１０については、均熱性が０.５℃を超えた上、昇温速度および冷却速度に時間がかかった。
［実施例１０］
第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度を様々に変えた以外は実施例１の試料１と同様にして、試料７２〜８５のヒータ１０を作製した。これら試料７２〜８５のヒータ１０に対して、それぞれ実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様の昇温および冷却からなるヒートサイクルを１０００回繰り返した。その際、ヒートサイクルがウエハ載置面１１ａの平面度と均熱性に及ぼす影響を調べるため、ヒートサイクル１回終了後、１００回終了後、２００回終了後、３００回終了後、５００回終了後、および１０００回終了後のウエハ載置面１１ａの平面度と均熱性を測定した。その結果を下記の表２１に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度を様々に変えた以外は実施例１の試料１と同様にして、試料７２〜８５のヒータ１０を作製した。これら試料７２〜８５のヒータ１０に対して、それぞれ実施例１と同様に下部に可動式冷却モジュール２０を設置し、実施例１と同様の昇温および冷却からなるヒートサイクルを１０００回繰り返した。その際、ヒートサイクルがウエハ載置面１１ａの平面度と均熱性に及ぼす影響を調べるため、ヒートサイクル１回終了後、１００回終了後、２００回終了後、３００回終了後、５００回終了後、および１０００回終了後のウエハ載置面１１ａの平面度と均熱性を測定した。その結果を下記の表２１に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表２１から分かるように、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度が１００μｍを超えていた試料８３〜８５では、ウエハ載置面１１ａの平面度が悪化して均熱性も悪化し、所定の均熱性条件を満たすことができなかった。一方、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度を１００μｍ以下にした試料７２〜８２では、ヒートサイクルを１０００回繰り返しても所定の均熱性条件を満たすことができた。特に、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の平面度を５０μｍ以下にした試料７２〜７７では、ヒートサイクルの熱履歴によるウエハ載置面１１ａの平面度変化を抑えることができ、優れた信頼性を示していることが分かる。
［実施例１１］
第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の形状を上に凹又は上に凸にすると共にその平面度を４０μｍにした以外は実施例１の試料１と同様にして、試料８６及び８７のヒータ１０を作製した。これら試料８６及び８７のヒータ１０に対して、実施例１０と同様にしてヒートサイクルを１０００回繰り返してウエハ載置面１１ａの平面度と均熱性を調べた。その結果を下記の表２２に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の形状を上に凹又は上に凸にすると共にその平面度を４０μｍにした以外は実施例１の試料１と同様にして、試料８６及び８７のヒータ１０を作製した。これら試料８６及び８７のヒータ１０に対して、実施例１０と同様にしてヒートサイクルを１０００回繰り返してウエハ載置面１１ａの平面度と均熱性を調べた。その結果を下記の表２２に示す。ここで、○は表中に示す所定の条件を満たしたことを、×はその条件を満たさなかったことを示している。
この表２２から分かるように、試料８６及び８７のいずれのヒータ１０もヒートサイクルの熱履歴によるウエハ載置面１１ａの平面度変化を抑えることができ、優れた信頼性を示しているが、第２均熱板１２において抵抗発熱体１３に当接する面の形状を上に凹にした試料８６の方が、上に凸にした試料８７に比べてより平面度変化が少なかった。
１ 加熱冷却デバイス
１０ ヒータ
１１ 第１均熱板
１１ａ ウエハ載置面
１２ 第２均熱板
１３ 抵抗発熱体
１３ａ 金属箔
１３ｂ 耐熱性絶縁物
２０ 可動式冷却モジュール
３０ 温度センサ
４０ 容器
１０ ヒータ
１１ 第１均熱板
１１ａ ウエハ載置面
１２ 第２均熱板
１３ 抵抗発熱体
１３ａ 金属箔
１３ｂ 耐熱性絶縁物
２０ 可動式冷却モジュール
３０ 温度センサ
４０ 容器
Claims (5)
- ウエハを載置して加熱するヒータと、該ヒータの下部に設けられた可動式冷却モジュールとを備え、ウエハの高速昇降温を行う加熱冷却デバイスであって、
ヒータは、ウエハ載置面を有し金属からなる第１均熱板と、該第１均熱板を支持しセラミックスまたは金属セラミックス複合体からなる第２均熱板と、これら第１均熱板と第２均熱板との間に設けられた抵抗発熱体とを有しており、
第１均熱板と第２均熱板の熱伝導率を順にＫ１、Ｋ２としたときにそれらの関係がＫ１＞Ｋ２であり、第１均熱板と第２均熱板のヤング率を順にＹ１、Ｙ２としたときにそれらの関係がＹ２＞Ｙ１であり、
第１均熱板と第２均熱板の厚みの合計が第１均熱板の直径の１／４０以下であり、抵抗発熱体は、ポリイミドもしくはテフロンまたはそれらの少なくとも一方を主原料とする耐熱性絶縁物によって一体化されており、該一体化された抵抗発熱体の厚みが０.５ｍｍ以下であり、
第２均熱板において抵抗発熱体に当接する面の形状が上に凹であることを特徴とする加熱冷却デバイス。 - 前記第１均熱板および前記第２均熱板の厚みは、それぞれ１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１記載の加熱冷却デバイス。
- 前記第２均熱板において前記抵抗発熱体に当接する面の平面度が１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の加熱冷却デバイス。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の加熱冷却デバイスを備えたことを特徴とする半導体製造装置。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の加熱冷却デバイスを備えたことを特徴とする検査装置。
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