JP5980147B2 - 基板支持装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体素子の製造に用いる基板支持装置に関する。特に発熱体を内蔵した基板支持装置に関する。
半導体素子の製造において、化学気相成長(CVD)、表面改質等の処理工程では、半導体基板であるウェハを支持する基板支持装置を備えた半導体製造装置が用いられている。また、ウェハに対して加熱処理を行う場合は、発熱体を内蔵した基板支持装置が用いられている。
このような基板支持装置は、金属やセラミックで形成されたプレートをシャフトで支持する構造を備える。プレートの内部にプラズマ電極や発熱体を配置し、シャフトの内部に配置された配線を介して発熱体に電流が流れると、発熱体が発熱し、この発熱体で生じた熱によりウェハが加熱される仕組みである。
このようなプレート上に載置されたウェハは、所望の温度よりも高温となることがある。そこで、従来の基板支持装置には、ウェハを保持するウェハ保持体に流路を形成し、流路に流体を流すことによってウェハ保持体を冷却し、ウェハの温度を調整しようとするものがある(例えば、特許文献1参照。)。
特開2007−43042号公報
しかしながら、上述したような従来の基板支持装置では、冷却用の流路がプレートの片面にしか配置されないためプレートを均熱化することが難しく、プレート自体に熱歪みによる変形等の不良が生じ、基板支持装置の故障の原因となることがあった。さらに、プレート上に載置されたウェハは面内の温度にばらつきが生じてしまうことがあった。ウェハの面内において温度分布に偏りがあると、ウェハにそり等の不良が発生し、半導体素子の歩留りを低下させる虞があった。
本発明は、上述した問題を解決しようとするものであり、ウェハを加熱処理する際に、ヒータープレートを均熱化し、ヒータープレートに熱歪みによる変形等の不良が生じることを防ぐとともに、ウェハの温度均一性を向上させることのできる基板支持装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態によると、内部に発熱体を有するヒータープレートと、前記ヒータープレートの下面に配置されて第1流路を有する第1冷却板と、前記ヒータープレートの上面に配置されて第2流路を有する第2冷却板と、を備えたプレート部と、前記発熱体に接続されて前記発熱体に電流を供給する配線と、前記第1冷却板及び前記第2冷却板に冷媒を供給する配管とを内部に有し、前記プレート部を支持するシャフト部と、を備え、前記第1流路は、前記第1冷却板の中央部から外縁部に向かって第1方向に周回する渦巻き状の流路を含み、前記第2流路は、前記第2冷却板の中央部から外縁部に向かって前記第1方向とは反対方向の第2方向に周回する渦巻き状の流路を含むことを特徴とする基板支持装置が提供される。
前記基板支持装置において、前記第1流路と前記第2流路とを連結して前記第1流路から前記第2流路に前記冷媒を供給する第1連結管をさらに備え、前記第1流路は、前記第1連結管に連結された箇所において、第1角度で水平方向に曲げられた部分を含んでもよい。
前記基板支持装置において、前記第1流路と前記第2流路とを連結して前記第2流路から前記第1流路に前記冷媒を供給する第2連結管をさらに備え、前記第1流路は、前記第2連結管に連結された箇所において、第2角度で水平方向に曲げられた部分を含んでもよい。
前記基板支持装置において、前記第1角度及び前記第2角度は、90度であってもよい。
前記基板支持装置において、前記第1流路は、前記第1方向に周回する渦巻き状の流路に前記外縁部において連結されて前記外縁部から前記中央部に向かって前記第2方向に周回する渦巻き状の流路をさらに含み、前記第2流路は、前記第2方向に周回する渦巻き状の流路に前記外縁部において連結されて前記外縁部から前記中央部に向かって前記第1方向に周回する渦巻き状の流路をさらに含み、前記第1流路の前記第1方向に周回する渦巻き状の流路と、前記第2流路の前記第1方向に周回する渦巻き状の流路とは少なくとも一部が重畳して配置され、前記第1流路の前記第2方向に周回する渦巻き状の流路と、前記第2流路の前記第2方向に周回する渦巻き状の流路とは少なくとも一部が重畳して配置されてもよい。
前記基板支持装置において、前記第2流路の流路の断面積は、前記第1流路の流路の断面積よりも大きいものであってもよい。
本発明によると、ウェハを加熱処理する際に、ヒータープレートを均熱化し、ヒータープレートに熱歪みによる変形等の不良が生じることを防ぐとともに、ウェハの温度均一性を向上させてウェハにそり等の不良が生じることを防ぐことができるため、半導体素子の歩留りを向上させることのできる基板支持装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る基板支持装置の第1冷却板を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る基板支持装置の第2冷却板を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る基板支持装置のプレート部を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る基板支持装置の概略構成を模式的に示す断面図である。 図4に示すプレート部300の概略構成を示すA−A´線の断面図である。
以下に本発明の一実施形態に係る基板支持装置について、図を参照して説明する。なお、以下の実施形態は本発明の基板支持装置の一例であり、本発明の基板支持装置は以下の実施形態に限定されるわけではない。
(基板支持装置の構成)
以下、図4及び図5を参照し、本発明の一実施形態に係る基板支持装置の概略構成について説明する。図4は、本発明の一実施形態に係る基板支持装置の概略構成を模式的に示す断面図である。図5は、図4に示すA−A´線の断面図であり、プレート部300の概略構成を示す。
図4に図示したように、本実施形態に係る基板支持装置は、プレート部300及びシャフト部400を備える。プレート部300は、内部に発熱体310(図5参照)を有するヒータープレート301と、ヒータープレート301の下面に配置された第1冷却板100と、ヒータープレート301の上面に配置された第2冷却板200と、第1冷却板100の下面に配置された第3基材302とを備える。また、図示していないが、プレート部300のウェハを支持する面及びプレート部300の側面には絶縁膜が形成され、ウェハを支持する面には凹部が形成されていてもよい。
シャフト部400は、ウェハが載置される側とは反対側のプレート部300の中央部に接続され、プレート部300を支持する。また、シャフト部400は、図示していないが、略円筒状で内部に中空構造を有し、中空構造内には、発熱体310に接続して外部の制御装置に接続する配線が配置され、発熱体310に電流を供給する。また、シャフト部400には、図4に図示したように、冷媒を第1冷却板100及び第2冷却板200に供給する連結管20A及び冷媒を第1冷却板100及び第2冷却板200から排出する連結管20Bが内部に配置されてもよい。
本実施形態に係るプレート部300及びシャフト部400は、例えば、金属を用いて形成される。利用可能な金属としては、基板支持装置の製造に用いられる公知の材料から選択可能であり、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、ニッケル、チタン等が挙げられる。また、プレート部300及びシャフト部400は、金属に限らず、例えば、セラミックス等を用いて形成されてもよい。
プレート部300は、ろう付けや溶接により、第2冷却板200とヒータープレート301とが接合され、ヒータープレート301と第1冷却板100とが接合され、第1冷却板100と第3基材302とが接合された構成を備える。第1冷却板100及び第2冷却板200には流路となる溝が形成されており、図5に図示したように、第1冷却板100と第3基材302との接合により第1流路110が形成され、第2冷却板200とヒータープレート301との接合により第2流路210が形成される。なお、第1流路110及び第2流路210の断面形状は、図5に図示した方形状に限らず、円形状、三角形状等を有していてもよい。
第1流路110及び第2流路210は、冷媒を還流させることにより、第1冷却板100及び第2冷却板200の間に配置されたヒータープレート301の温度調整を図る機構である。冷媒には窒素などの不活性ガスを用いる。また、これに限らず、冷媒には、空気などの気体、あるいはオイル、エチレングリコール水溶液、水等の液体を用いてもよい。
図4及び図5には、冷媒の流入方向を矢印30Aとして図示し、冷媒の流出方向を矢印30Bとして図示している。図4及び図5に図示したように、冷媒は、第1流路110と連結された連結管20Aを通って第1冷却板100に供給され、第1流路110と第2流路210とを連結する連結管21Aを通って第2冷却板200に供給される。第2流路210を還流した冷媒は、第1流路110と第2流路210とを連結する連結管21Bを通った後、第1流路110を還流した冷媒とともに、第1流路110と連結された連結管20Bを通って排出される。
図4及び図5に図示したように、冷媒は、シャフト部400及び第3基材302の内部に配置された連結管20Aを通って第1冷却板100に供給された後、第1冷却板100及びヒータープレート301の内部に配置された連結管21Aを通って第2冷却板200に供給される。また、第2冷却板200の第2流路210を還流した冷媒は、第1冷却板100及びヒータープレート301の内部に配置された連結管21Bを通って、第1冷却板100の第1流路110を還流した冷媒と第1流路110において合流し、シャフト部400及び第3基材302の内部に配置された連結管20Bを通って排出される。図示していないが、連結管20A及び連結管20Bは、冷媒供給装置及び冷媒回収装置にそれぞれ連結されてもよい。
(プレート部300の構成)
以下、図1乃至図3を参照し、本発明の一実施形態に係る基板支持装置のプレート部300の構成についてより詳細に述べる。図1は、本発明の一実施形態に係る基板支持装置の第1冷却板100を示す平面図である。図2は、本発明の一実施形態に係る基板支持装置の第2冷却板200を示す平面図である。図3は、本発明の一実施形態に係る基板支持装置のプレート部300を示す分解斜視図である。
(第1冷却板100の構成)
図1及び図3を参照し、プレート部300のうち、第1冷却板100の構成について述べる。図1及び図3に図示したように、第1冷却板100は、略円柱形状を備える第1基材101の表面に、第1流路110が溝状に形成された構成を備える。第1基材101の第1流路110の形成された面が第3基材302に接合され、第3基材302と接合された面と対向する面が、ヒータープレート301に接合される。
図1及び図3に図示したように、第1流路110は、冷媒が供給される連結管20Aと接続される箇所である連結部11Aと、第1流路110と第2流路210とを連結する連結管21Aと接続される箇所である連結部11Bと、第1流路110と第2流路210とを連結する連結管21Bと接続される箇所である連結部13Aと、冷媒が排出される連結管20Bと接続される箇所である連結部13Bと、を含む。連結部11Aは、連結管20Aを通った冷媒が第1流路110に流入する冷媒入口であり、第1基材101の略円形状の表面において略中央部に配置される。また、連結部13Bは、第1流路110を還流した冷媒が第1流路110から排出される冷媒出口であり、第1基材101の表面の略中央部に、連結部11Aに隣接した位置に配置される。
第1流路110は、図1に図示したように、連結部11Aから連結部11Bまで略直線状に延び、連結部11Bにおいて水平方向にX角度で曲げられた後、反時計回りに渦巻き状に第1基材101の外縁部Zaまで周回し、外縁部Zaからは時計回りに渦巻き状に、反時計回りの渦巻き状の外周に沿うように連結部13Aまで周回し、連結部13Aにおいて水平方向にY角度で曲げられた後、連結部13Bまで延びる形状を有する。従って、冷媒は、冷媒入口である連結部11Aから反時計回りに略渦巻き状の第1流路110を流れた後、第1基材101の外縁部Zaからは時計回りに略渦巻き状の第1流路110を流れ、冷媒出口である連結部13Bから流出される。
また、連結部11Aから流入される冷媒の流路は、連結部11Bにおいて、図3に示す水平方向の第1流路110と、上方向の連結管21Aとに分岐される構成を備える。冷媒は、第1流路110の連結部13Bから連結管21Aを通って、第2冷却板200の第2流路210に流入する。第2流路210に接続されている連結管21Aは、第1流路110の連結部11Bにおいて、第1流路110に対して約90度の角度で垂直方向に接続されている。従って、連結部11Bにおける第1流路110の水平方向の曲げ角度Xについても約90度とすることにより、垂直方向と水平方向とで圧力差が生じないように構成することができるため、冷媒の流量を連結管21Aと第1流路110とで過度な偏りがないように等配に近い状態で分配することが可能となる。
また、第1流路110は、連結部13Aにおいても、水平方向に角度Yだけ曲がった構成を有する。連結部13Aは、第2冷却板200の第2流路210を還流した冷媒が、連結管21Bを通って、第1流路110を還流した冷媒と合流する地点である。このとき、連結部13Aにおける第1流路110の水平方向の曲げ角度Yについても約90度とすることにより、第1流路110を還流した冷媒と、連結管21Bを通って垂直方向に第1流路110に流れ込む第2流路210を還流した冷媒とで、連結部13Aから連結部13Bに向かって流れる際に圧力差が生じないように構成することができる。従って、連結部13Aにおいても、第2流路210を還流した冷媒と第1流路110を還流した冷媒とが、冷媒出口である連結部13Bに向かって流れる流量に過度な偏りがないように構成することができる。
しかし、第1流路110の連結部11Bにおける水平方向の曲げ角度X及び連結部13Bにおける水平方向の曲げ角度Yは、第1流路110と第2流路210とで冷媒の流量を所望の流量に調整することができるものであれば、90度に限らず、仕様に応じて適宜調整される。
また、本発明の一実施形態に係る基板支持装置において、プレート部300において上側に配置される第2冷却板200の第2流路210の流路の断面積を、下側に配置される第1冷却板100の第1流路110の流路の断面積よりも大きくすることにより、第2冷却板200に冷媒がより多く供給されるように構成してもよい。すなわち、第2流路210の断面積を、第1流路110の断面積よりも大きくすることにより、第2流路210に冷媒が流れ込み易くなり、第2冷却板200へ供給される冷媒の流量を増やすことが可能となる。また、第1流路110と第2流路210とを接続する連結管21Aの流路の断面積を、第1流路110の流路の断面積よりも大きくすることにより、第2流路210に冷媒が流れ込み易くなるように構成してもよい。
さらに、第2冷却板200の第2流路210の流路長を、第1冷却板100の第1流路110の流路長よりも長く構成することにより、第2冷却板200へ供給される冷媒の流量を増やすように構成してもよい。このように、本発明の一実施形態に係る基板支持装置は、第1流路110、第2流路210、及び連結管20A、20B、21A、21Bの各々について、流路の断面積及び流路長を適宜調整することにより、第1冷却板100と第2冷却板200に供給される冷媒の流量を調整することができる。
(第2冷却板200の構成)
図2及び図3を参照し、プレート部300のうち、第2冷却板200の構成について述べる。図2及び図3に図示したように、第2冷却板200は、略円柱形状を備える第2基材201の表面に、第2流路210が溝状に形成された構成を備える。第2基材201の第2流路210の形成された面がヒータープレート301に接合され、ヒータープレート301と接合された面と対向する面上に、ウェハが載置される。
図2及び図3に図示したように、第2流路210は、冷媒が供給される連結管21Aと接続される箇所である連結部12Aと、冷媒が排出される連結管21Bと接続される箇所である連結部12Bと、を含む。連結部12Aは、連結管21Aを通った冷媒が第2流路210に流入する冷媒入口であり、第2基材201の略円形状の表面において略中央部に配置される。また、連結部12Bは、第2流路210を還流した冷媒が第2流路210から排出される冷媒出口であり、第2基材201の表面の略中央部に、連結部12Aに隣接した位置に配置される。また、第2流路210の連結部12A及び連結部12Bは、それぞれ連結管21A及び連結管21Bを介して第1流路110の連結部11B及び連結部13Aに接続される位置に配置される。
第2流路210は、図2に図示したように、連結部12Aから時計回りに渦巻き状に第2基材201の外縁部Zbまで周回し、外縁部Zbからは反時計回りに渦巻き状に、時計回りの渦巻き状の内周に沿うように連結部12Bまで周回する形状を有する。従って、冷媒は、冷媒入口である連結部12Aから時計回りに略渦巻き状の第2流路210を流れた後、第2基材201の外縁部Zbからは反時計回りに略渦巻き状の第2流路210を流れ、冷媒出口である連結部12Bから流出される。
このように、第2流路210は、冷媒入口である連結部12Aから外縁部Zbまでの時計回りに冷媒が流れる渦巻き状部分が、外縁部Zbから冷媒出口である連結部12Bまでの反時計回りに冷媒が流れる渦巻き状部分の外周側に沿って位置するように構成されている。また、図1に図示して上述した第1流路110は、外縁部Zaから冷媒出口である連結部13Bまでの時計回りに冷媒が流れる渦巻き状部分が、冷媒入口である連結部11Aから外縁部Zaまでの反時計回りに冷媒が流れる渦巻き状部分の外周側に沿って位置するように構成されている。このように構成することにより、第1流路110と第2流路210とは、温度の低い冷媒が流れる第1流路110の上には、温度の高い冷媒が流れる第2流路210が配置され、温度の高い冷媒が流れる第1流路110の上には、温度の低い冷媒が流れる第2流路210が配置されるように構成される。
すなわち、第1流路110と第2流路210は、冷媒入口である連結部11A及び連結部12A付近においてはそれぞれ冷媒の温度が低くなり、冷媒出口である連結部13B及び連結部12B付近においては冷媒が流路を還流することによりそれぞれ冷媒の温度が高くなる構成である。従って、第2流路210の冷媒入口である連結部12Aから外縁部Zbまでの比較的温度の低い冷媒が時計回りに流れる渦巻き状部分と、第1流路110の外縁部Zaから冷媒出口である連結部13Bまでの比較的温度の高い冷媒が時計回りに流れる渦巻き状部分とが、それぞれ上下に重畳する位置に配置されることにより、低温部分と高温部分とで温度差を打ち消し合うことができる。また同様に、第1流路110の冷媒入口である連結部11Aから外縁部Zaまでの比較的温度の低い冷媒が反時計回りに流れる渦巻き状部分と、第2流路210の外縁部Zbから冷媒出口である連結部12Bまでの比較的温度の高い冷媒が反時計回りに流れる渦巻き状部分とが、それぞれ上下に重畳する位置に配置されることにより、低温部分と高温部分とで温度差を打ち消し合うことができる。
また、第1流路110と第2流路210は、連結部11Bと連結部12Aとがそれぞれ第1基材101と第2基材201の対応するほぼ同じ位置に配置され、連結部13Aと連結部12Bとがそれぞれ第1基材101と第2基材201との対応するほぼ同じ位置に配置される構成を備える。従って、第1流路110と第2流路210とに冷媒を流入させたとき、第1流路110においては冷媒入口から外縁部Zaまで反時計回りに冷媒が流れ、第2流路210においては冷媒入口から外縁部Zbまで時計回りに冷媒が流れることにより、上下に配置された第1冷却板100と第2冷却板200とで対向流を形成することができる。また同様に、第1流路110においては外縁部Zaから冷媒出口まで時計回りに冷媒が流れ、第2流路210においては外縁部Zbから冷媒出口まで反時計回りに冷媒が流れることにより、上下に配置された第1冷却板100と第2冷却板200とで対向流を形成することができる。従って、第1流路110と第2流路210とで、発熱体310を備えたヒータープレート301の上下で逆方向の冷媒の流れを形成することにより、ヒータープレート301を均熱化することができ、ヒータープレート301に熱歪みによる変形等の不良が生じないように構成することができる。また、このような構成により、プレート部300全体としての温度差を低減させることができるため、プレート部300表面に載置されるウェハに対する熱影響を減らし、ウェハの面内における温度分布を均一化することができる。
このように、ヒータープレート301を間に挟んで上下に配置される第1冷却板100及び第2冷却板200において、第1流路110及び第2流路210を、冷媒の低温部分と高温部分とが上下で重畳するように構成し、且つ、第1流路110を流れる冷媒と第2流路210を流れる冷媒とが対向流となるように構成することによりヒータープレート301を均熱化することが可能となる。さらに、第1流路110と第2流路210とは、それぞれ冷媒入口に近い部分ほど冷媒の温度が低く、冷媒入口から遠い部分ほど冷媒の温度が高くなるため、プレート部300の表面上の温度分布に偏りを生じさせる虞があったが、上述したように、第1流路110と第2流路210とで温度差を打ち消し合う構成を備えることにより、プレート部300のウェハが載置される表面における温度分布を均一化することが可能となる。
以上のとおり、本発明の一実施形態に係る基板支持装置によれば、ウェハを加熱処理する際に、ヒータープレート301を均熱化してヒータープレート301に熱歪みによる変形等の不良が生じることを防ぎつつ、プレート部300の表面上に載置されるウェハの温度均一性を向上させてウェハにそり等の不良が生じることを防ぐことができるため、半導体素子の歩留りを向上させることができる。
100 第1冷却板
101 第1基材
110 第1流路
200 第2冷却板
201 第2基材
210 第2流路
300 プレート部
301 ヒータープレート
310 発熱体
400 シャフト部
20A、20B、21A、21B 連結管

Claims (6)

  1. 内部に発熱体を有するヒータープレートと、前記ヒータープレートの下面に配置されて第1流路を有する第1冷却板と、前記ヒータープレートの上面に配置されて第2流路を有する第2冷却板と、を備えたプレート部と、
    前記発熱体に接続されて前記発熱体に電流を供給する配線と、前記第1冷却板及び前記第2冷却板に冷媒を供給する配管とを内部に有し、前記プレート部を支持するシャフト部と、を備え、
    前記第1流路は、前記第1冷却板の中央部から外縁部に向かって第1方向に周回する渦巻き状の流路を含み、
    前記第2流路は、前記第2冷却板の中央部から外縁部に向かって前記第1方向とは反対方向の第2方向に周回する渦巻き状の流路を含むことを特徴とする基板支持装置。
  2. 前記第1流路と前記第2流路とを連結して前記第1流路から前記第2流路に前記冷媒を供給する第1連結管をさらに備え、
    前記第1流路は、前記第1連結管に連結された箇所において、第1角度で水平方向に曲げられた部分を含むことを特徴とする請求項1に記載の基板支持装置。
  3. 前記第1流路と前記第2流路とを連結して前記第2流路から前記第1流路に前記冷媒を供給する第2連結管をさらに備え、
    前記第1流路は、前記第2連結管に連結された箇所において、第2角度で水平方向に曲げられた部分を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の基板支持装置。
  4. 前記第1角度及び前記第2角度は、90度であることを特徴とする請求項2又は3に記載の基板支持装置。
  5. 前記第1流路は、前記第1方向に周回する渦巻き状の流路に前記外縁部において連結されて前記外縁部から前記中央部に向かって前記第2方向に周回する渦巻き状の流路をさらに含み、
    前記第2流路は、前記第2方向に周回する渦巻き状の流路に前記外縁部において連結されて前記外縁部から前記中央部に向かって前記第1方向に周回する渦巻き状の流路をさらに含み、
    前記第1流路の前記第1方向に周回する渦巻き状の流路と、前記第2流路の前記第1方向に周回する渦巻き状の流路とは少なくとも一部が重畳して配置され、
    前記第1流路の前記第2方向に周回する渦巻き状の流路と、前記第2流路の前記第2方向に周回する渦巻き状の流路とは少なくとも一部が重畳して配置されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の基板支持装置。
  6. 前記第2流路の流路の断面積は、前記第1流路の流路の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の基板支持装置。
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