JP6017906B2

JP6017906B2 - 温調装置

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Publication number: JP6017906B2
Application number: JP2012211942A
Authority: JP
Inventors: 典夫高橋; 航清澤
Original assignee: Kelk Ltd
Current assignee: Kelk Ltd
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: JP2013102135A; US20130098068A1

Description

本発明は、温調対象物の温調を行う温調装置に関する。

温調対象物としての半導体ウェハは、真空チャンバ内に設けられたサセプタの載置板に載置され、プラズマ雰囲気におけるプロセスガスによってドライエッチング等の各種半導体処理が施される。各種半導体処理を行う際には、半導体ウェハの面内の温度分布を所望する温度分布に制御する必要がある。
この制御を行うものとして、従来、温調対象物が載置される載置板と、熱交換板と、載置板と熱交換板とによって挟まれ、熱電モジュールが配置された熱電モジュールプレートとを備え、熱電モジュールに電力を供給して温調対象物の温調を行う温調装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

熱電モジュールは、載置板側に一方の電極が配置され、熱交換板側に他方の電極が配置されており、Ｐ型およびＮ型の熱電素子が交互に電極に接続され、電気的に直列接続されている。そして、Ｐ型およびＮ型の熱電素子に電流を流して熱電モジュールに電力を供給すると、電流の通電方向に応じて載置板面で吸熱作用あるいは発熱作用が行われる。よって、この吸熱作用により、載置板を介して半導体ウェハが冷却され、発熱作用により、半導体ウェハが温められる。

このような温調装置では、特許文献１に記載のように、熱電モジュールは、熱電モジュールプレート内に樹脂製のシール部材によって封止されていたり、又は、特許文献２に記載のように、熱電モジュールプレート内に金属枠体によって封止されている。
また、特許文献２に記載の温調装置では、熱電モジュールプレートの上板と金属枠体との間には、枠体接合用の金属板が介在している。

特開平１０−２８４７６１号公報特開２００７−２５８２９８号公報

しかし、特許文献１に記載のような従来の温調装置では、シール部材が樹脂製であり、特許文献２に記載のような従来の温調装置では、シール部材が金属製であるため、高温のプロセスガスの熱や腐食性の高いプロセスガスによってシール部材の強度が弱められてシール部材が壊される。そうすると、腐食性の高いプロセスガスが熱電モジュール内に侵入し、熱電モジュールが腐食して温調装置が適切に作動しなくなる。

ここで、シール部材が壊されないようにするには、シール部材を厚くすることが考えられるが、シール部材を厚くすると、熱電モジュールプレート内においてシール部材による配置スペースが大きくなるため、熱電モジュールを密に設けることができず、温調対象物の温調を適切に行うことができなくなる。

また、特許文献２に記載のような従来の温調装置では、熱電モジュールプレートの上板とシール部材との間に介在しているものが金属板であるため、熱電モジュールプレートの上板とシール部材との間でプロセスガスの熱によって生じる熱膨張差が吸収されず、熱電モジュールプレートの上板とシール部材との接合部分から、温調装置が壊されてしまい、温調装置の耐久性に劣る。

本発明の目的は、腐食性の高いガスが熱電モジュール内に侵入して熱電モジュールが腐食することを防止でき、かつ熱電モジュールを密に設けることができ、さらに、ガスの熱に対する耐久性を向上させることができる温調装置を提供することである。

第１発明に係る温調装置は、温調対象物が載置される載置板と、熱交換板と、前記載置板側に温調側電極が配置され、前記熱交換板側に熱交換板側電極が配置され、熱電素子の一方の端面が前記温調側電極に接続され、熱電素子の他方の端面が前記熱交換板側電極に接続された熱電モジュールと、前記熱電モジュールの少なくとも前記載置板側の部分に設けられた保護部材とを備え、前記熱電モジュールよりも外周側は、前記保護部材と前記熱交換板との間に配置され、外周がセラミックス製のシール壁で囲まれ、前記シール壁と前記保護部材との間には、接着シートまたは接着剤が介在していることを特徴とする。

第２発明に係る温調装置では、前記シール壁は酸化アルミニウム製または窒化アルミニウム製またはアルミニウムにアルマイト処理したものであることを特徴とする。
第３発明に係る温調装置では、前記保護部材はポリイミドフィルムであることを特徴とする。
第４発明に係る温調装置では、前記保護部材はセラミックス板であることを特徴とする。

第５発明に係る温調装置では、前記載置板と前記熱交換板との間に設けられて前記熱電モジュールが配置された熱電モジュールプレートでは、前記保護部材を貫通して形成される貫通孔に対応した位置にブッシュまたはボスが設けられ、前記ブッシュまたは前記ボスは前記保護部材と接合されることを特徴とする。

第１発明によれば、熱電モジュールよりも外周側は、保護部材と熱交換板との間に配置され、外周がセラミックス製のシール壁で囲まれているため、シール壁の強度を高めることができ、高温で腐食性の高いプロセスガスによってシール壁が壊されることがなく、腐食性の高いプロセスガスが熱電モジュール内に侵入してくることを防止でき、熱電モジュールが腐食して温調装置が適切に作動しなくなることを防止できる。また、シール壁を厚くする必要がないので、シール壁の配置スペースを小さくでき、熱電モジュールをより密に設けることができ、温調対象物の温調をより適切に行うことができる。さらに、プロセスガスの熱に対する温調装置の耐久性を向上させることができる。

第２発明によれば、シール壁は酸化アルミニウム製または窒化アルミニウム製またはアルミニウムにアルマイト処理したものであるので、腐食性の高いプロセスガスに対する耐食性に優れている。

第３発明および第４発明によれば、保護部材がポリイミドフィルムやセラミックス板であるので、少なくとも載置板からの熱がシール壁に流入することを防止でき、載置板とシール壁との間を断熱できて、流入してくる熱によってシール壁が高温になることを防止できる。また、熱電モジュールと載置板との間を電気的に絶縁でき、熱電モジュールを適切に作動できる。

第５発明によれば、ブッシュまたはボスを設けることによって、熱電モジュールプレートの外側から貫通孔を通って流入してくるプロセスガスが貫通孔から熱電モジュール内に流入してくることを防止でき、熱電モジュールの腐食を防止できる。

本発明の一実施形態に係る温調装置が真空チャンバ内に配置された状態を示す図。前記温調装置を示す分解斜視図。前記温調装置の断面図。前記温調装置を構成する熱電モジュールの一部を拡大して示す分解斜視図。図４のＡ−Ａ’線での断面図。本発明の第１の変形例を示す断面図で、特に温調装置を構成する熱電モジュールの一部を拡大して示す分解斜視図。図６のＢ−Ｂ’線での断面図。本発明の第２の変形例を示す断面図。

以下、本実施形態の温調装置を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、温調対象物としての半導体ウェハＷは、円板形状であり、真空チャンバ１００内で天板２上に静電気チャックで吸着・載置され、プラズマ雰囲気におけるプロセスガスによってドライエッチング等の各種半導体処理が施される。ドライエッチング時には、真空チャンバ１００内は真空引きされており、所定の低圧に維持される。この状態で、真空チャンバ１００内にエッチングガスを導入する。導入したエッチングガスをプラズマ化し、半導体ウェハＷをエッチング処理する。このような各種半導体処理を行う際に、温調装置１によって半導体ウェハＷの温度が目標温度に制御されるとともに、半導体ウェハＷの面内の温度分布が所望する温度分布に制御される。

図２に示すように、温調装置１は、半導体ウェハＷ（図２の２点鎖線参照）が載置される載置板としての天板２と、天板２の下側に設けられた均熱板３と、最下部側を構成する熱交換板４と、均熱板３と熱交換板４とによって挟まれ、熱電モジュール５０が配置された熱電モジュールプレート５とを備え、熱電モジュール５０に電力を供給して半導体ウェハＷの温調を行う。

天板２は円板形状であり、天板２と半導体ウェハＷとの間にヘリウムガスが流され、そのヘリウムガスを介して半導体ウェハＷが天板２上に載置される。
均熱板３は円板形状であり、熱電モジュール５０からの熱をより均一に分布させるように天板２へ伝達する。

熱交換板４は厚手の円板形状であり、図３に示すように、熱交換板４の内部には、渦巻き状の流路４１が設けられている。所定温度に制御された温調流体が図示しない流入口から流入し、流路４１を通って熱交換板４全体を通過した後、図示しない流出口から流出する。このような構成によって、後述するように、熱電モジュール５０を介して天板２で吸熱現象が起きると、天板２の吸熱作用により温度上昇が起きた熱交換板４が、流路４１を流れる液体によって冷却される。
また、図２に示すように、熱交換板４の後述する各貫通孔４２に対応した位置には、熱交換板４から天板２および均熱板３に向けて突出した円筒形状のボス４３（図５も参照）が立設されている。

図３および図４に示すように、熱電モジュールプレート５は、熱電モジュール５０が配置された円板形状であり、ポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂとシール壁７０とで構成される。図２に示すように、熱電モジュールプレート５の面内のうち１点鎖線よりも内側部分が熱電モジュール５０として機能する。熱電モジュール５０は円形であって、必要に応じて、１点鎖線よりも内側部分において複数の温調エリアを有する。

以上に説明した天板２、均熱板３、熱交換板４、および熱電モジュールプレート５には、表裏を貫通する貫通孔２１，３１，４２，５１が形成されている。
天板２、均熱板３、熱交換板４、および熱電モジュールプレート５が組み合わせられると、貫通孔２１，３１，４２，５１が連通し、天板２から熱交換板４まで全てを貫通したリフトピン挿通孔１１が形成される。このリフトピン挿通孔１１には、半導体ウェハＷを図１中上下方向にリフトさせるための図示しないリフトピンが下方側（図２中下側）から挿通される。

図３および図４に示すように、熱電モジュール５０は多数の熱電素子を含んで構成されている。すなわち、熱電モジュール５０では、天板２側に温調側電極５２，５２’が配置され、熱交換板４側に熱交換板側電極５３，５３’（図５参照）が配置されており、Ｐ型の熱電素子５４ＰおよびＮ型の熱電素子５４Ｎの天板２側の端面が温調側電極５２，５２’に接続され、熱電素子５４Ｐ、５４Ｎの熱交換板４側の端面が熱交換板側電極５３，５３’に接続されている。熱電素子５４Ｐと５４Ｎとが交互に温調側電極５２，５２’および熱交換板側電極５３，５３’を介して電気的に直列接続されることにより、熱電モジュール５０が構成されている。

なお、図４では、温調側電極５２および熱交換板側電極５３は上面視四角形で形成されているが、電極の形状はこれには限定されず、上面視が繭形形状など他の形状であり、温調に局所ムラが出ないように均等に配列されることが必要となる。

そして、熱交換板４の下方で熱交換板４を貫通して取り付けられた図示しない電力線を介して、熱電素子５４Ｐ、５４Ｎに電流を流して熱電モジュール５０に電力を供給すると、温調側電極５２，５２’と熱交換板側電極５３，５３’との間で電荷の移動が起こり、その電荷が熱（エネルギー）を運ぶため熱の移動が起こる。これにより、温調側電極５２，５２’側では吸熱現象が起こり、熱交換板側電極５３，５３’では発熱現象により熱が放出される。よって、温調側電極５２，５２’側での吸熱現象により、天板２を介して半導体ウェハＷが冷却される。また、逆方向に電流を流すと、温調側電極５２，５２’側では発熱現象により熱が放出される。よって、温調側電極５２，５２’側での発熱現象により、天板２を介して半導体ウェハＷが温められる。つまり、電流の通電方向に応じて温調側電極５２，５２’側に対応する天板２で吸熱作用あるいは発熱作用が行われる。

また、温調側電極５２，５２’の上部側（天板２側）は、保護部材としてのポリイミドフィルム６０Ａで覆われており、このポリイミドフィルム６０Ａの上部に均熱板３が設けられている。熱交換板側電極５３，５３’の下部側も、保護部材としてのポリイミドフィルム６０Ｂで覆われており、このポリイミドフィルム６０Ｂの下部に熱交換板４が設けられている。ポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂの厚さは限定されるものではないが、本実施形態では約２５μｍである。

熱電モジュール５０よりも外周側は、ポリイミドフィルム６０Ａと６０Ｂとの間に挟持されたリング形状のシール壁７０で囲まれている。
シール壁７０は、酸化アルミニウム製または窒化アルミニウム製またはアルミニウムにアルマイト処理したものである。すなわち、シール壁７０の外周はセラミックス製である。図３に示すように、シール壁７０は、その厚さＨ１が熱電モジュール５０の厚さＨ０（温調側電極５２の上側端面から熱交換板側電極５３の下側端面までの距離）よりも薄く、ポリイミド系、シリコン系、エポキシ系などの接着シートまたは接着剤８０を介してポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂに接合されている。

シール壁７０は、熱電モジュール５０の外周から間隔ｔ０離れて設けられており、間隔ｔ０は、隣接する温調側電極５２間の間隔ｔ１以上であり、また、隣接する熱交換板側電極５３間の間隔ｔ２以上である。
このようなシール壁７０は、従来の樹脂製のものと比較して強度が大きく、樹脂製のものと同じ厚さであっても、高温のプロセスガスの熱や腐食性の高いプロセスガスに対して十分に耐えることができる。また、ポリイミド系、シリコン系、エポキシ系などの接着シートまたは接着剤８０を介してシール壁７０とポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂとを接合することで、シール壁７０およびポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂ間で生じる熱膨張差を接着シートまたは接着剤８０にて吸収でき、耐久性を向上させることができる。

図５には、温調装置１を構成する熱電モジュール５０の図４におけるＡ−Ａ’線での断面視が示されている。
図５に示すように、貫通孔５１は、温調側電極５２，５２’や熱交換板側電極５３，５３’、および熱電素子５４Ｐ，５４Ｎと干渉しない位置でポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂを貫通している。貫通孔５１のポリイミドフィルム６０Ａ側における孔径はボス４３の内径と同じであり、貫通孔５１のポリイミドフィルム６０Ｂ側における孔径はボス４３の外径よりも大きくなっている。

熱交換板４と熱電モジュールプレート５とが組み合わせられると、各ボス４３がポリイミドフィルム６０Ｂ側から貫通孔５１内に進入し、貫通孔５１に対応した位置であって、温調側電極５２’および熱交換板側電極５３’に隣接する位置に配置される。よって、貫通孔５１の一部がボス４３の内部空間を通って熱電モジュールプレート５の表裏を貫通し、貫通孔４２と連通する。

ボス４３の突出長さＨ２は熱電モジュール５０の厚さＨ０よりも薄く、ボス４３の上端部は、接着シートまたは接着剤８０を介してポリイミドフィルム６０Ａに接合されている。温調側電極５２’および熱交換板側電極５３’のボス４３に対応する辺では、電極の一部がボス４３側へ延伸してボス４３と間隔ｔ３を保つように曲部を形成する。ボス４３と、ボス４３に隣接して設けられる周囲の温調側電極５２’との間には円環状の隙間Ｓが形成されており、隙間Ｓの間隔ｔ３は、隣接する温調側電極５２’間の間隔ｔ１（図３参照）以上であり、また、隣接する熱交換板側電極５３間の間隔ｔ２以上である。
このように配置されたボス４３は、貫通孔５１を通って流入してくるプロセスガスが、貫通孔５１から熱電モジュール５０内に流入することを防止している。

次に、本発明の第１の変形例について説明する。なお、前述の実施形態と同一の構成部分には同じ符合を付すとともに、それらの説明を省略する。
図６は本発明の第１の変形例を示す断面図で、特に温調装置１を構成する熱電モジュール５０の一部を拡大して示す分解斜視図である。そして、図７には、図６におけるＢ−Ｂ’線での断面視が示されている。

図６および図７に示すように、本変形例では、図４および図５に示す実施形態と異なり、熱電モジュールプレート５は、ポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂと、シール壁７０と、ブッシュ９０とで構成される。
図７に示すように、貫通孔５１のポリイミドフィルム６０Ａ側における孔径と、貫通孔５１のポリイミドフィルム６０Ｂ側における孔径とはともにブッシュ９０の内径と同じとなっている。

ポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂ間には、貫通孔５１に対応した位置に、温調側電極５２’および熱交換板側電極５３’に隣接する円筒形状のブッシュ９０が設けられ、このブッシュ９０の内部空間を通って、貫通孔５１が熱電モジュールプレート５の表裏を貫通している。
ブッシュ９０の厚さＨ３は熱電モジュール５０の厚さＨ０よりも薄く、ブッシュ９０の上下の端部はそれぞれ、接着シートまたは接着剤８０を介してポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂに接合されている。
このように配置されたブッシュ９０は、貫通孔５１を通って流入してくるプロセスガスが、貫通孔５１から熱電モジュール５０内に流入することを防止している。

次に、本発明の第２の変形例について説明する。なお、前述の実施形態と同一の構成部分には同じ符合を付すとともに、それらの説明を省略する。
図８に示すように、本変形例では、図３に示す実施形態と異なり、温調側電極５２，５２’の上部側は、保護部材としてのセラミックス板６１Ａで覆われており、このセラミックス板６１Ａの上部に均熱板３が設けられている。熱交換板側電極５３，５３’の下部側も、保護部材としてのセラミックス板６１Ｂで覆われており、このセラミックス板６１Ｂの下部に熱交換板４が設けられている。セラミックス板６１Ａ，６１Ｂの厚さは限定されるものではないが、本変形例では約１ｍｍであり、製作上の理由から、図３に示す実施形態のポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂの厚さよりも厚くなっている。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、天板２と熱電モジュールプレート５との間には均熱板３が設けられていたが、均熱板３は必要に応じて設けられればよく、本発明に必須の構成ではない。

前記実施形態では、温調側電極５２，５２’の上部側および熱交換板側電極５３，５３’の下部側がポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂまたはセラミックス板６１Ａ，６１Ｂで覆われていたが、少なくとも、温調側電極５２，５２’の上部側がポリイミドフィルム６０Ａ，６０Ｂまたはセラミックス板６１Ａ，６１Ｂで覆われていればよく、必ずしも熱交換板側電極５３，５３’の下部側は覆われていなくてもよい。

本発明は、半導体ウェハ等の温調対象物の温調を行う温調装置として利用できる。

１…温調装置、２…載置板である天板、４…熱交換板、５…熱電モジュールプレート、４３…ボス、５０…熱電モジュール、５１…貫通孔、５２，５２’…温調側電極、５３，５３’…熱交換板側電極、５４Ｎ，５４Ｐ…熱電素子、６０Ａ，６０Ｂ…保護部材であるポリイミドフィルム、６１Ａ，６１Ｂ…保護部材であるセラミックス板、７０…シール壁、８０…接着シートまたは接着剤、９０…ブッシュ、Ｗ…温調対象物である半導体ウェハ。

Claims

温調対象物が載置される載置板と、
熱交換板と、
前記載置板側に温調側電極が配置され、前記熱交換板側に熱交換板側電極が配置され、熱電素子の一方の端面が前記温調側電極に接続され、熱電素子の他方の端面が前記熱交換板側電極に接続された熱電モジュールと、
前記熱電モジュールの少なくとも前記載置板側の部分に設けられた保護部材とを備え、
前記熱電モジュールよりも外周側は、前記保護部材と前記熱交換板との間に配置され、外周がセラミックス製のシール壁で囲まれ、
前記シール壁と前記保護部材との間には、接着シートまたは接着剤が介在しており、
前記シール壁は酸化アルミニウム製または窒化アルミニウム製またはアルミニウムにアルマイト処理したものである
ことを特徴とする温調装置。
請求項１に記載の温調装置において、
前記保護部材はポリイミドフィルムである
ことを特徴とする温調装置。
請求項１に記載の温調装置において、
前記保護部材はセラミックス板である
ことを特徴とする温調装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の温調装置において、
前記載置板と前記熱交換板との間に設けられて前記熱電モジュールが配置された熱電モジュールプレートでは、前記保護部材を貫通して形成される貫通孔に対応した位置にブッシュまたはボスが設けられ、
前記ブッシュまたは前記ボスは前記保護部材と接合される
ことを特徴とする温調装置。