JP5504102B2 - ヒータユニット - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被加熱物を加熱処理するヒータユニットに関する。

半導体製造過程において、半導体ウエハのプロセス処理を行うために基板加熱用のヒータユニットが用いられている（例えば、特許文献１参照）。半導体ウエハの外周部は、いわゆる熱引けが起こり易いため、ウエハの外周部の温度は、内周部の温度よりも低下しやすい。そこで、内周側と外周側とにそれぞれ温度調節が可能なヒータを設置したヒータユニットが提案されている。

このヒータユニットは、内周側に配置された内側ヒータと外周側に配置された外側ヒータとを有する。外側ヒータを内側ヒータよりも高い温度に設定することにより、熱引けが生じやすい半導体ウエハの外周部を、高い温度で加熱することができ、半導体ウエハ全体の温度を均一に近づけることができる。

特開２００２−０８３７８２号公報（図２参照）

しかしながら、上述のヒータユニットにおいて、内側ヒータと外側ヒータとを適正な相対距離を保持した状態で正確に配置することが困難であった。内側ヒータと外側ヒータとの位置決めが適正でないと、ヒータの間隔が異なる部分において温度斑が生じ、均熱性が低下する要因となっていた。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、内側ヒータと外側ヒータとを備えるヒータユニットにおいて、温度斑を生じないように、両ヒータを正確に位置決めして配置できるヒータユニットを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、以下の特徴を有する。略円形状に加工された半導体ウエハ（半導体ウエハ２００）の外縁（外縁部２００ｅ）を含む外周部（外周部２０１）を加熱する円環形状の外側ヒータ（外側ヒータ９）と、前記外周部よりも内側を加熱する円形状の内側ヒータ（内側ヒータ８）と、前記内側ヒータ及び前記外側ヒータが配置されるヒータベース（ヒータベース６）と、前記ヒータベースを支持する支持体（支持体１１）と、前記支持体が固定される台座（台座２）と、を備えるヒータユニットであって、前記支持体は、上側部材（上側部材１１１）と、下側部材（下側部材１１２）と、を有し、前記ヒータベースには、前記上側部材が挿入される貫通孔（貫通孔６ａ〜６ｃ）が形成されており、前記上側部材は、前記外側ヒータの円環内側の内縁部（内縁部９ｉｅ）と前記内側ヒータの外縁部（外縁部８ｅ）との間に配置され、前記外側ヒータの内縁部と前記内側ヒータの外縁部との双方に当接した状態で前記貫通孔に挿入されており、前記下側部材は、前記貫通孔から臨む前記上側部材及び前記ヒータベースの前記台座側の表面（表面１１１Ｓｂ）の前記貫通孔の周囲に当接する当接面を有する当接端部（当接端部１１２ａ）と、前記台座に固定される固定端部（固定端部１１２ｂ）と、を有することを要旨とする。

本発明に係るヒータユニットによれば、上側部材が外側ヒータの円環内側の内縁部と内側ヒータの外縁部との間に、外側ヒータの内縁部と内側ヒータの外縁部との双方に当接していることにより、外側ヒータと内側ヒータとを所定の間隔に位置決めすることができる。

従って、本発明に係るヒータユニットによれば、温度斑を生じないように、内側ヒータと外側ヒータとを正確に位置決めして配置することができる。

また、本発明に係るヒータユニットでは、下側部材は、固定端部において台座に固定されており、当接端部において、貫通孔から臨む上側部材及び貫通孔の周囲に当接している。すなわち、上側部材と下側部材とは分断されており、当接端部において当接されている。

これにより、本発明に係るヒータユニットは、ヒータベースからの輻射熱によって加熱された台座が半導体ウエハの径方向外側に膨張しても、外側ヒータと内側ヒータとを所定の間隔に位置決めしている上側部材が台座の膨張に伴って動くことがないため、熱膨張による応力がヒータベース、内側ヒータ及び外側ヒータに及ぶことによる破損を防止できるという効果も奏する。

上述した本発明の特徴では、前記上側部材と前記ヒータベースとは一体化されていてもよい。

上述した本発明の特徴では、前記ヒータベースの前記台座側の表面の前記貫通孔の周辺領域には、前記台座側に突出し、前記当接端部が嵌り合う枠部（フレーム６ｆ）が形成されており、前記ヒータベースの台座側の表面の平面視において、前記枠部の少なくとも前記半導体ウエハの径方向外側に沿った寸法（長さＬ１）は、前記当接端部の前記半導体ウエハの径方向外側に沿った寸法（長さＬ２）よりも大きくなるように構成されていてもよい。

また、上述した本発明の特徴では、前記ヒータベースの台座側の表面の平面視において、前記当接端部は、略円形状を有し、前記枠部の前記半導体ウエハの中央部側の一部は、前記当接端部の外径と略同一サイズの略円の一部の形状を有し、前記半導体ウエハの径方向外側に向けて前記当接端部の外径よりも拡径した略円の一部の形状を有するように構成されていてもよい。

本発明によれば、内側ヒータと外側ヒータとを備えるヒータユニットにおいて、温度斑を生じないように、両ヒータを正確に位置決めして配置することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るヒータユニットの構成を説明する断面図であり、図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係るヒータユニットのヒータベースを台座側からみた平面図である。 図２は、本発明の実施形態に係るヒータユニットのヒータを説明する平面図である。 図３は、本発明の実施形態に係るヒータユニットの一部を分解して示す分解斜視図である。 図４は、変形例１として示すヒータユニットの一部を分解して示す分解斜視図である。 図５は、変形例２として示すヒータユニットのヒータベースを台座側からみた平面図である。

本発明に係るヒータユニット１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。具体的には、（１）ヒータユニットの構成の説明、（２）作用・効果、（３）変形例、（４）その他の実施形態、について説明する。

なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なのものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることを留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。

（１）ヒータユニットの構成の説明
図１（ａ）は、ヒータユニット１の構成を説明する断面図である。図１（ｂ）は、ヒータユニット１のヒータベース６を台座２側からみた平面図である。図２は、ヒータユニット１のヒータ７を説明する平面図である。図３は、ヒータユニット１の一部を分解して示す分解斜視図である。

ヒータユニット１は、床面に載置される台座２と、台座２に固定される中央側支持柱３と、台座２に固定されておりヒータベース６を支える支持体１１と、略円形に加工された半導体ウエハ２００（図３参照）を載置するウエハホルダ５と、ヒータベース６とを備える。

中央側支持柱３は、台座２の中央部に配置されており、一方の端部が台座２に固定されている。また、他方の端部が台座２から上方に向けて延びる。中央側支持柱３の柱中心線ＣＬは、後述するウエハホルダ５の平面中心に一致する。

ウエハホルダ５の平面形状は、半導体ウエハの平面形状と略同一であり、実施形態では、略円形である。ウエハホルダ５は、水平な載置面５ａを有し、載置面５ａには半導体ウエハ２００が載置される（図３参照）。ウエハホルダ５は、中央側支持柱３および後述する支持体１１によって支持される。ヒータベース６は、ウエハホルダ５の下方に配置される。ヒータ７は、ヒータベース６とウエハホルダ５との間に配置される。ヒータ７は、通電により発熱する。

ヒータベース６には、半導体ウエハ５を加熱するヒータ７が配置される。また、ヒータベース６には、後述する支持体１１を構成する上側部材１１１が挿入される貫通孔６ａ〜６ｃが形成されている。

ヒータ７は、内側ヒータ８と外側ヒータ９から構成される。外側ヒータ９の外観は、円環状である。外側ヒータ９は、略円形状に加工された半導体ウエハ２００の外縁２００ｅを含む外周部２０１を加熱する。内側ヒータ８の外観は、円形状である。内側ヒータ８は、外周部２０１よりも内側を加熱する。内側ヒータ８及び外側ヒータ９のそれぞれは、所定幅を有する帯状の発熱体からなり、同一平面上に連続した、いわゆる一筆書き状に所定のパターンが形成されている（図３参照）。内側ヒータ８の径方向外側の外縁部８ｅと、外側ヒータ９の内側の内縁部９ｉｅとは、同心円状に配置されている。

外側ヒータ９の内縁部９ｉｅには、略半円状の支持凹部９ａが形成される。また、内側ヒータ８の外縁部８ｅには、外側ヒータ９の支持凹部９ａに対向配置される略半円状の支持凹部８ａが形成される。内側ヒータ８の中央部には中央孔１０が形成されている。中央孔１０の中心は、中心線ＣＬに一致する。

支持体１１は、ヒータベース６側に位置する上側部材１１１と、台座２側に位置する下側部材１１２とを有する。

上側部材１１１は、外側ヒータ９の円環内側の内縁部９ｉｅと内側ヒータの外縁部８ｅとの間に配置される。上側部材１１１は、支持凹部８ａ，９ａに当接するように配置される。これにより、内側ヒータ８と外側ヒータ９とが所定の間隔に保持される。上側部材１１１は、支持凹部８ａ，９ａの双方に当接した状態で、貫通孔６ａ〜６ｃに挿入されている（図３参照）。

下側部材１１２は、ヒータベース６側に位置する当接端部１１２ａと、台座２側に位置する固定端部１１２ｂとを有する。貫通孔６ａ〜６ｃから臨む上側部材１１１の台座２側の表面１１１Ｓｂとヒータベース６の台座２側の表面とは、水平である。当接端部１１２ａは、貫通孔６ａ〜６ｃから臨む上側部材１１１の台座２側の表面１１１Ｓｂとヒータベース６の台座２側の表面の貫通孔６ａ〜６ｃの周囲とに当接する当接面１１２Ｓｕを有する。

すなわち、支持体１１を構成する上側部材１１１と下側部材１１２とは、分断されており、互いに当接されているが、固定されていない。

支持体１１の固定端部１１２ｂには、フランジ１１ａが設けられる。フランジ１１ａは、ボルト１２を介して台座２に取り付けられている。このように、支持体１１は、下側部材１１２が台座２に固定されることによって、台座２に固定されている。支持体１１は、ウエハホルダ５の上面（載置面５ａ）は、被加熱体である半導体ウエハ（図示せず）を保持するため、高温耐性を有する材質（例えば石英）から形成される。

実施形態では、ヒータベース６の台座２側の表面１１１Ｓｂの貫通孔６ａ〜６ｃの周辺領域には、台座２側に突出したフレーム６ｆが形成されている。フレーム６ｆの内側のサイズは、当接端部１１２ａが嵌り合うことのできるサイズである。

フレーム６ｆの台座２側の表面６ｆａは、平坦化されており、下側部材１１２は、フレーム６ｆの表面６ｆａを覆うフランジ１１２ｆを有する。

ヒータベース６の台座２側の表面１１１Ｓｂの平面視において、フレーム６ｆの少なくとも半導体ウエハ２００の径方向（Ｒ方向）に沿った長さＬ１は、当接端部１１２ａの半導体ウエハ２００の径方向に沿った長さＬ２よりも大きくなるように構成されている。これにより、実施形態では、フレーム６ｆの内径と当接端部１１２ａの外径との間には、空隙ｄが形成される。

（２）作用・効果
実施形態に係るヒータユニット１によれば、上側部材１１１が外側ヒータ９の円環内側の内縁部９ｉｅと内側ヒータ８の外縁部８ｅとの間に、内縁部９ｉｅと外縁部８ｅとの双方に当接して配置されていることにより、内側ヒータ８と外側ヒータ９とを所定の間隔に位置決めすることができる。

従って、ヒータユニット１によれば、温度斑を生じないように、内側ヒータ８と外側ヒータ９とを正確に位置決めして配置することができる。

また、ヒータユニット１では、下側部材１１２は、固定端部１１２ｂにおいて台座２に固定されおり、当接端部１１２ａにおいて、貫通孔６ａ〜６ｃから臨む上側部材１１１及び貫通孔６ａ〜６ｃの周囲に当接している。すなわち、上側部材１１１と下側部材１１２とは分断されており、表面１１１Ｓｂと当接面１１２Ｓｕとにおいて当接されているが、両者は固定されていない。

これにより、ヒータユニット１は、ヒータベース６からの輻射熱によって加熱された台座２が半導体ウエハ２００の径方向外側に膨張しても、外側ヒータ９と内側ヒータ８とを所定の間隔に位置決めしている上側部材１１１が台座２の膨張に伴って動くことがないため、熱膨張による応力がヒータベース６、内側ヒータ８及び外側ヒータ９に及ぶことによる破損を防止できるという効果も奏する。

半導体ウエハ２００の中心から径方向に遠ざかるほど、熱膨張による径方向外側への位置ズレ量は大きくなる。すなわち、貫通孔６ａ〜６ｃの中心を結んでできる円の直径（ＰＣＤ：ピッチサークルダイアメータ）が大きくなるほど、熱膨張の影響による径方向外側への位置ズレ量は大きくなる。このため、本発明は、半導体ウエハ２００の大径化に伴う、熱膨張による内側ヒータ８及び外側ヒータ９の破損防止にも有用である。

また、ヒータユニット１では、ヒータベース６の台座２側の表面１１１Ｓｂの平面視において、フレーム６ｆの少なくとも半導体ウエハ２００の径方向（Ｒ方向）に沿った長さＬ１は、当接端部１１２ａの半導体ウエハ２００の径方向に沿った長さＬ２よりも大きくなるように構成されている。すなわち、当接端部１１２ａとフレーム６ｆとの間には、空隙ｄが形成される。

このため、ヒータベース６からの輻射熱によって加熱された台座２が半導体ウエハ２００の径方向外側に膨張する際に、当接端部１１２ａは、フレーム６ｆの内径に沿って、フレーム６ｆに規制されながら、空隙ｄだけ動くことが可能である。従って、台座２の熱膨張による拡張方向以外には規制されているため、支持体１１とヒータベース６とを安定させることができる。

（３）変形例
（３−１）変形例１
次に、ヒータユニット１の変形例１について、図４を用いて説明する。図４に示すヒータユニット１００は、上側部材とヒータベースとが一体化されている。すなわち、ヒータベース６０において、内側ヒータ８と外側ヒータ９の支持凹部８ａ，９ａに対応する位置には、上側部材に相当する突起６１ａ，６１ｂ，６１ｃが形成されている。ヒータユニット１００によれば、温度斑を生じないように、内側ヒータ８と外側ヒータ９とを正確に位置決めして配置することができる。

また、ヒータユニット１００では、下側部材１１２の当接面１１２Ｓｕは、ヒータベース６０の台座２側の表面に当接されているが、両者は固定されていない。従って、ヒータユニット１００は、ヒータベース６からの輻射熱によって加熱された台座２が半導体ウエハ２００の径方向外側に膨張しても、熱膨張による応力がヒータベース６、内側ヒータ８及び外側ヒータ９に及ぶことによる破損を防止できる。

（３−２）変形例２
図５は、変形例２として示すヒータユニット１１０のヒータベース６を台座２側からみた平面図である。

ヒータベース６の台座２側の表面の貫通孔６ａ〜６ｃの周辺領域に形成されるフレーム６２の半導体ウエハ２００の中央部側の一部分（第１部分６２１という）は、当接端部１１２ａの外径と略同一サイズの略円の一部の形状（円弧の一部）を有する。また、半導体ウエハ２００の径方向外側の一部分（第２部分６２２という）は、当接端部１１２ａの外径よりも拡径した略円の一部の形状（円弧の一部）を有する。

すなわち、フレーム６２の一部分６２１は、当接端部１１２ａの外径に併せて形成されており、フレーム６２の別の一部分６２２は、当接端部１１２ａの外径よりも大きい径の円の円弧になっている。

これにより、ヒータユニット１１０では、ヒータベース６からの輻射熱によって加熱された台座２が半導体ウエハ２００の径方向外側に膨張しても、熱膨張による応力がヒータベース６、内側ヒータ８及び外側ヒータ９に及ぶことによる破損を防止できる。

また、フレーム６２の一部分６２１は、当接端部１１２ａの外径に併せて形成されており、フレーム６２の別の一部分６２２は、当接端部１１２ａの外径よりも大きい径の円の円弧になっているため、ヒータベース６からの輻射熱によって加熱された台座２が半導体ウエハ２００の径方向外側に膨張することに加えて、略円形に形成された上側部材１１１自体が拡径するように熱膨張したとしても、熱膨張による応力がヒータベース６、内側ヒータ８及び外側ヒータ９に及ぶことによる破損を防止できる。

また、熱膨張によって、台座２が膨張した場合に、支持体１１は、フレーム６２に規制されて動くため、支持体１１とヒータベース６とを安定させることができる。

（４）その他の実施形態
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例が明らかとなる。例えば、本発明の実施形態は、次のように変更することができる。

例えば、内側ヒータ８と外側ヒータ９とを構成する帯状の発熱体のパターンは、図２のパターンに限定されない。また、円形状の内側ヒータ８と円環状の外側ヒータ９とから構成される場合について説明したが、実施形態に限定されない。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…ヒータユニット、 ２…台座、 ３…中央側支持柱、 ５…ウエハホルダ、 ５ａ…載置面、 ６…ヒータベース、 ６ｆ…フレーム ７…ヒータ、 ８…内側ヒータ、 ８ｅ…外縁部、 ９…外側ヒータ、 ９ｉｅ…内縁部、 １０…中央孔、１１…支持体、 １１ａ…フランジ、 １２…ボルト 、１１１…上側部材、１１１Ｓｂ…表面、 １１２…下側部材、 １１２ａ…当接端部、 １１２ｂ…固定端部、 １１２ｆ…フランジ、 １１２Ｓｕ…当接面、

Claims (4)

1. 略円形状に加工された半導体ウエハの外縁を含む外周部を加熱する円環形状の外側ヒータと、
   前記外周部よりも内側を加熱する円形状の内側ヒータと、
   前記内側ヒータ及び前記外側ヒータが配置されるヒータベースと、
   前記ヒータベースを支持する支持体と、
   前記支持体が固定される台座と、
   を備えるヒータユニットであって、
   前記支持体は、
   上側部材と、
   下側部材と、
   を有し、
   前記ヒータベースには、前記上側部材が挿入される貫通孔が形成されており、
   前記上側部材は、
   前記外側ヒータの円環内側の内縁部と前記内側ヒータの外縁部との間に配置され、
   前記外側ヒータの内縁部と前記内側ヒータの外縁部との双方に当接した状態で前記貫通孔に挿入されており、
   前記下側部材は、
   前記貫通孔から臨む前記上側部材及び前記ヒータベースの前記台座側の表面の前記貫通孔の周囲に当接する当接面を有する当接端部と、
   前記台座に固定される固定端部と、
   を有するヒータユニット。
2. 前記上側部材と前記ヒータベースとは一体化されている請求項１に記載のヒータユニット。
3. 前記ヒータベースの前記台座側の表面の前記貫通孔の周辺領域には、前記台座側に突出し、前記当接端部が嵌り合う枠部が形成されており、
   前記ヒータベースの台座側の表面の平面視において、
   前記枠部の少なくとも前記半導体ウエハの径方向に沿った寸法は、前記当接端部の前記半導体ウエハの径方向外側に沿った寸法よりも大きい請求項１に記載のヒータユニット。
4. 前記ヒータベースの台座側の表面の平面視において、
   前記当接端部は、略円形状を有し、
   前記枠部の前記半導体ウエハの中央部側の一部は、前記当接端部の外径と略同一サイズの略円の一部の形状を有し、前記半導体ウエハの径方向外側に向けて前記当接端部の外径よりも拡径した略円の一部の形状を有する請求項３に記載のヒータユニット。

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