JP6260645B2 - 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載置して加熱するヒータユニットに関する。

ＬＳＩやメモリなどの半導体デバイスを製造する半導体製造装置では、半導体ウエハに対してＣＶＤやスパッタリング等による成膜、レジストの塗布、露光及び現像等のフォトリソグラフィー、パターニングのためのエッチング等の一連の工程からなる薄膜処理が施される。これら薄膜処理では、一般に半導体ウエハを所定の温度に加熱した状態で処理を行うため、例えばフォトリソグラフィーが行われるコータデベロッパ装置では、被処理物の半導体ウエハを載置してその下面から加熱するサセプタとも称するウエハ加熱用ヒータが用いられている。

上記のウエハ加熱用ヒータでは、製品となる半導体デバイスの品質のばらつきを抑えるべく、処理の際に半導体ウエハを全面に亘って均等に加熱することが求められている。そのため、半導体ウエハを載置するウエハ載置台には伝熱性に優れた金属製の円板状部材が用いられており、その下面若しくは内部に設けた薄膜状の抵抗発熱体で半導体ウエハを間接的に加熱するようになっている。しかしながら、金属製の円板状部材は厚み方向に温度差が生じると反りが生じるおそれがある。

そこで、例えば特許文献１に示されるように、剛性の高いセラッミクス製の円板状支持板でウエハ載置台を下面側から支持し、これらウエハ載置台と支持板との間に、薄膜状の抵抗発熱体の両面を絶縁シートで挟み込んでなる発熱ユニットを挟持する構造が採用されている。また、サセプタではウエハ載置台の急速な降温を要する場合があり、そのため、支持板の下側には該降温時に支持板の下面に当接して冷却を行う冷却モジュールが設けられることがある。

特開２００３−１２３０５３号公報

上記のようなウエハ加熱用ヒータでは、ウエハ載置面での均熱性をより一層高めるため、ウエハ載置面をその半径方向や周方向に区分して、この区分した各領域ごとに薄膜状の抵抗発熱体を配すると共に、各領域ごとに測温センサを設けてこれら抵抗発熱体を個別に制御することが行われている。

しかしながら、例えばウエハ載置面を半径方向及び周方向に６つの領域に区分して個別に温度制御を行う場合、６個の測温センサが設けられるため、それらのリード線を挿通させるための貫通孔を発熱ユニットや支持板に設ける必要があった。貫通孔及びその周囲には抵抗発熱体を敷設できないので、この貫通孔近傍ではウエハ載置面の温度が局所的に低下することがあった。また、測温センサのリード線を伝ってウエハ載置台の熱が逃げるため、これによるウエハ載置面の局所的な温度低下が生ずることもあった。

本発明は、このような従来のウエハ加熱用ヒータの事情に鑑みてなされたものであり、半導体ウエハ等の被加熱物を載置する載置台の載置面の均熱性を高めることが可能な加熱用ヒータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るヒータユニットは、被処理物を載置する載置面を備えた載置台と、前記載置台を支持する支持板と、前記載置台と前記支持板との間に挟持され且つ測温素子が実装されたフィルム状の発熱ユニットとを有するヒータユニットであって、前記発熱ユニットは発熱層と、前記発熱層に対して電気的に絶縁された電気配線層とを有しており、前記電気配線層の回路の一方の終端部が前記測温素子に結線していることを特徴としている。

本発明によれば、半導体ウエハ等の被加熱物を載置する載置台の載置面の均熱性を高めることができる。

本発明の一具体例のヒータユニットの模式的な縦断面図である。 本発明のヒータユニットが有する発熱ユニットの一例を示す部分縦断面図である。 本発明のヒータユニットに好適に設けられる冷却モジュールの一例を示す縦断面図である。

最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明のヒータユニットは、被処理物を載置する載置面を備えた載置台と、前記載置台を支持する支持板と、前記載置台と前記支持板との間に挟持され且つ測温素子が実装されたフィルム状の発熱ユニットとを有するヒータユニットであって、前記発熱ユニットは発熱層と、前記発熱層に対して電気的に絶縁された電気配線層とを有しており、前記電気配線層の回路の一方の終端部が前記測温素子に結線していることを特徴としている。

これにより、測温センサのリード線を通す貫通孔やザグリ溝を発熱ユニットや支持板や冷却モジュールに設ける必要がなくなるので、半導体ウエハ等の被加熱物を載置する載置台の載置面の均熱性を高めることができる。また、当該リード線による熱逃げを抑えることができる上、貫通孔が不要になった分だけ冷却モジュールの当接面積が増え且つ熱容量も増えるので、より急速に冷却することが可能になる。更に、測温センサのリード線と配線ケーブルとの接続を冷却モジュール近傍若しくはその下側の室温雰囲気で行うことができるので、この接続に一般的なプリント基板を用いることが可能になる。このプリント基板は発熱層の給電ケーブルの中継に使用してもよく、よってヒータユニットを少ない工数で安価に作製することができる。また、レスポンスのよい小型の測温センサを用いることができ、制御性を高めることができる。

上記本発明のヒータユニットの実施形態においては、前記電気配線層の回路は前記一方の終端部から前記発熱層の有効発熱領域外の取り出し位置に向かって放射状に延在しているのが好ましい。これによりウエハ載置面を複数の領域に区分する場合であっても均熱性を高めることができる。

次に本発明のウエハ加熱用ヒータユニットの一具体例について、図１を参照しながら説明する。この図１に示すウエハ加熱用ヒータユニットは、上面にウエハ載置面１ａを備えた略円板形状の載置台１と、この載置台１と略同等の外径を有し、載置台１の下面側を略全面に亘って支持する略円板状の支持板２と、これらの間に挟み込むように設けられた、載置台１及び支持板２と略同等の外径を有する略円板状で且つフィルム状の発熱ユニット３とからなる。この発熱ユニット３とこれを挟み込む載置台１及び支持板２は、ステンレス製の容器１０に収容されており、また、容器１０の底面から立設する脚部１１に支持されている。

載置台１の材質は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属が好ましく、これによりウエハ載置面１ａにおいて極めて高い温度均一性を実現することができる。一方、支持板２の材質は、剛性(ヤング率)の高い炭化珪素、窒化アルミニウム、Ｓｉ−ＳｉＣ、Ａｌ−ＳｉＣなどのセラミックスやセラミックス複合体を用いることが好ましい。これにより、載置台１の反りを抑えることができるので、ウエハ載置面１ａの平坦性を保つことができる。また、ウエハ載置面１ａの反り防止を目的として載置台１を分厚くする必要がなくなるので、ヒータユニット全体としての熱容量を小さくでき、よって昇降温速度を速めることが可能になる。

これら載置台１と支持板２はネジ止めになどによって互いに機械的に結合することが好ましい。ネジ止めの場合は、上記したように載置台１と支持板２とは互いに異なる材質からなるため、載置台１及び支持板２がそれぞれの温度に応じてウエハ載置面１ａの方向に自由に熱膨張できるように、例えば支持板２に厚み方向に貫通したネジ孔（図示せず）に下側から雄ネジ（図示せず）を挿通して載置台１の下面側に設けた雌ネジ部（図示せず）に螺合させると共に、該雄ネジの座面とその当接部である支持板２の下面との間には例えばベアリング（図示せず）を介在させることが好ましい。

発熱ユニット３は、図２に示すように薄膜状の抵抗発熱体からなる発熱層３１と、この発熱層３１に対して電気絶縁フィルム３２によって電気的に絶縁された電気配線層３３と、これらを上下から挟み込む電気絶縁フィルム３４、３５とからなる。この発熱層３１は、ステンレスやニッケル−クロム等からなる金属箔をエッチングやレーザー加工で所望のパターン形状にパターニングすることで作製することができる。

一方、電気配線層３３は、電気伝導度の高い銅箔をエッチングやレーザー加工で所望のパターン形状にパターニングすることで作製することができる。なお、この電気配線層３３には、耐腐食性のため、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｕ等のめっきを施してもよい。電気絶縁フィルム３２、３４、３５には、２００℃を超える耐熱温度を有するポリイミド樹脂を使用するのが好ましい。ポリイミド樹脂であれば熱圧着により抵抗発熱体と一体化させることができ、これにより互いの密着性が増すので界面の熱抵抗を下げることができる。

本発明の一具体例の発熱ユニット３は、発熱層３１への給電量を制御するため、抵抗値が調整された測温素子からなる測温センサ４が電気絶縁フィルムの下面側又は電気配線層３３の回路の一方の終端部に表面実装されている。電気絶縁フィルムの下面側への実装は市販の接着剤などを用いることができ、この場合は電気配線層３３の回路の一方の終端部との結線に半田や導電性接着剤を用いることができる。あるいはワイヤーボンディングによる接続であっても良い。電気配線層３３の回路の一方の終端部に表面実装する場合は、測温センサ４の表面に電極パッドが設けられた表面実装型のセンサを選定し、半田や導電性接着剤を用いて直接回路と接続することができる。

上記のように測温センサ４が結線している電気配線層３３の回路の一方の終端部を起点として、電気配線層３３は、発熱層が敷設されている有効発熱領域の外側にまで至るように延在しており、当該領域外に取り出された部分は冷却モジュール６側に屈曲している。そして、その先端部に市販のコネクタ５ａを用いて配線ケーブル５が接続している。

ウエハ載置面１ａを複数の領域に区分してそれらの各々に発熱層３１を配する場合は、各領域に測温センサ４を設けることになる。例えばウエハ載置面１ａを周方向に均等な４つの領域に区分する場合は、これら４つの領域の電気配線層３３の回路は、各々測温センサ４に結線している一方の終端部を起点として、発熱層３１の有効発熱領域外において周方向に均等な間隔をあけて位置する４箇所の取り出し位置にそれぞれ向かって放射状に延在させるのが好ましい。これにより、ウエハ載置面１ａの中心に関して発熱層３１及び電気配線層３３のパターンを対称に配することができるので、より均熱性を高めることができる。

なお、発熱層３１は、領域ごとに発熱密度が異なるようにしてもよい。例えば、被加熱物の種類、チャンバー外壁への放熱のしやすさ等の載置台１の設置環境を考慮して外周側等の特定の領域の発熱密度を高く設計することで、ウエハ載置面１ａでの温度均一性を向上することができる。発熱密度を異ならせる場合は、抵抗発熱体の発熱体回路パターンのピッチを変えたり発熱体回路を構成する導電線の幅を変えたりすることで実現できる。

発熱層３１は単層だけでなく複数層に設けてもよい。例えば上記した温度センサ４での検出温度に基づいて発熱体回路への給電量が制御される抵抗発熱体とは厚み方向に異なる位置に、設定温度の変更時にのみ給電を行う補助的な抵抗発熱体を設けてもよい。この場合、これら２層の抵抗発熱体の上側に電気配線層を設けてもよいし、２層の抵抗発熱体の下側に電気配線層を設けてもよいし、２層の抵抗発熱体の間に電気配線層を設けてもよい。いずれの場合においても、これら３つのパターン層は電気絶縁フィルム等で電気的に絶縁する必要がある。

発熱ユニット３にはノイズ防止のためのシールド層（図示せず）を設けてもよい。このシールド層は、電気伝導度の高い銅箔をエッチングやレーザー加工で所望のパターン形状にパターニングすることで作製することができる。このシールド層には耐腐食性のためＮｉ、Ｓｎ、Ａｕ等のめっきを施しても良い。ノイズ対策としては、ヒータユニット構成上必要な孔部の回避を除いて略全面に亘りベタで敷設することが好ましい。該シールド層は電気配線層３３と発熱層３１との間に電気絶縁層を介して設けることが好ましい。更に、発熱ユニット３を挟持する載置台１及び支持板２と略同電位で且つアース接続された構造体（図示せず）に接地することが好ましい。この構造体が後述の冷却モジュールである場合は、上記銅箔に形成した取り出し部を冷却モジュールの面上に重ね、ネジ止め等により接続すればよい。また市販のコネクタを介してアース線と接続しても良い。

再度図１に戻ると、本発明の一具体例のヒータユニットは、支持板２の下側に冷却モジュール６を備えている。この冷却モジュール６は、一点鎖線で示すように支持板２の発熱ユニット３の対向面とは反対側の面に対して当接する位置と、実線で示すように支持板２から離間する位置との間で往復動可能な可動式冷却プレート（冷却板）６０と、この可動式冷却プレート６０が上記離間位置にある時に当接する固定式冷却ステージ６１とで構成される。この固定式冷却ステージ６１は、図示しないチラーなどの冷却装置で冷却されたフッ素系冷媒等の不凍液、空気、汎用的な水等の冷媒が循環する冷媒流路６１ａを有している。

冷却ステージ６１は、例えば金属製の板状部材の表面に冷媒流路としてＣｕなどの金属製のパイプを沿わせ、この金属製パイプの両端にステンレス製の継ぎ手を取り付けると共に、金属製パイプを押さえ板で板状部材に押さえつけた状態で該押さえ板と板状部材とをネジなどにより機械的に結合することで作製できる（この構造をパイプ式とも称する）。板状部材の材質には熱伝導性の良い銅、アルミニウム、ニッケル、マグネシウム、チタン、若しくはこれらの少なくともいずれかを主成分とする合金又はステンレスからなる群から選択することが好ましい。

なお、より高い熱効率を得るため、図３（ａ）に示すように、冷却板６１において支持板２に対向する面とは反対側の面に例えば渦巻き状のザグリ溝６２を設け、このザグリ溝６２中に渦巻き状に成形した冷媒流通用の金属製パイプ６３を設置してもよい。その際、金属製パイプ６３と冷却板６１との良好な熱伝達を保つため、コーキング材、シーラント、接着剤などにより金属製パイプ６３の表面とザグリ溝６２の内面とを接着固定するのがより好ましい。

あるいは、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、同じ材質の略同形状の２枚の板状部材６４ａ、６４ｂを用意し、それらの一方の板状部材の片面に機械加工で流路６５となる溝を形成し、この流路６５を覆うようにもう一方の板状部材を重ね、これら２枚の板状部材６４ａ、６４ｂを例えばロウ付けなどの結合手段で一体化することで作製してもよい（この構造をロウ付け方式とも称する）。この場合、前述したように流路６５となる溝を、２枚の板状部材６４ａ、６４ｂの片側のみに加工しても良いし、図３（ｄ）に示すように両板状部材６４ｃ、６４ｄの互いに対向する両面に加工しても良い。

可動式冷却プレート６０は、図１に示すようにエアシリンダなどからなる昇降機構６６に取り付けられている。これにより、昇降機構６６を作動させることで支持板２の下面から離間させて上記固定式冷却ステージ６１に当接させたり、固定式冷却ステージ６１から離間させて支持板２の下面に当接させたりすることが可能になる。なお、可動式冷却プレートを使用せずに冷媒流路を有する冷却ステージ自体を支持板２の当接位置と離間位置との間で往復動させてもよい。

可動式冷却プレート６０や固定式冷却ステージ６１の上面と支持板２の下面との間には介在層を設けてもよい。この介在層は、厚み方向にクッション性（柔軟性）を有しているのが好ましく、また耐熱性を有しているのが好ましい。更に、例えば１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有していることが好ましい。このような材質としては、発泡金属や金属メッシュ、グラファイトシート、熱伝導性フィラーを含有したフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等を挙げることができる。なお、カーボンなどの熱伝導フィラーを含有した樹脂を用いることで、熱抵抗をより小さくすることが可能になる。

この介在層は、冷却モジュール６側の支持板２に当接する面に配置してもよいし、支持板２側の冷却モジュール６に当接する面に配置してもよいし、あるいはそれらの両方に配置してもよいが、熱負荷を考慮すれば冷却モジュール６側に設けるのが好ましい。なお、図３（ａ）〜（ｄ）には可動式冷却プレート６０の上面のほぼ全面に亘って介在層９を設けた例が示されている。

以上、本発明のヒータユニットについて一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することが可能である。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲及び均等物に及ぶものである。

載置台として直径３２０ｍｍ×厚み３ｍｍの円板状の銅板を準備した。支持板として直径３２０ｍｍ×厚み３ｍｍの円板状のＳｉ−ＳｉＣ板を準備した。また、発熱層として厚さ２０μｍのステンレス箔に抵抗発熱体の回路パターンをエッチングで形成し、その終端部に給電ケーブルを取り付けた。また、電気配線層として厚さ３５μｍの銅箔に回路パターンをエッチングで形成し、これら発熱層と電気配線層との間と、それらが互いに対向する面とは反対側の外側表面に厚み５０μｍのポリイミドシートを覆って熱圧着した後、上記の銅箔をパターニングして形成した回路の一方の終端部に表面実装型の測温素子（Ｗ２ｍｍ×Ｄ１.２ｍｍ×Ｈ０.４ｍｍ）をはんだを用いて実装し、測温素子（測温センサ）が内蔵された発熱ユニットを作製した。

この発熱ユニットを上記した載置台と支持板との間に挟み込み、支持板にあらかじめ設けておいた貫通孔にネジを挿通して載置台に螺合することで機械的に結合した。このネジには熱膨張量差で載置台や支持板が変形しないように座面にベアリングを備えたネジを用いた。

次に、冷却モジュールとして、直径３２０ｍｍ×厚み１２ｍｍの円板状のアルミニウム合金板の片面に、ねじを用いて外径６ｍｍ×肉厚１ｍｍのリン脱酸銅パイプを取り付けた。この銅パイプの両端には冷媒を供給・排出するための継ぎ手を取り付けた。更に上記した給電ケーブル及び後述する容器の底部から立設する脚部が挿通する貫通孔を設けた。

次に、肉厚１.５ｍｍの側壁と肉厚３ｍｍの底部とで構成されるステンレス製の容器を用意した。この容器には、給電ケーブル用の貫通孔と、上記した冷却機構を昇降させるエアシリンダのロッド用の開口部と、後述する配線ケーブル用の開口部とを設けておいた。そして、ロッド用開口部から出没するロッドの先端に冷却モジュールを取り付けた後、底部から立設する脚部の先端に上記した発熱ユニットを挟持する載置台と支持板との結合体を取り付けた。

次に、上記した測温素子を実装した電気配線層の回路の一方の終端部を起点として、該電気配線層を発熱層の有効発熱領域の外側にまで至るように放射状に延在させて載置台と支持板の結合体から取り出し、この該電気配線層の回路のもう一方の終端部からなる取り出し部分を冷却モジュール側に屈曲させて、冷却モジュール外壁とステンレス枠との間から取り出し、市販のコネクタを用い配線ケーブルと接続した。このようにして実施例のヒータユニットを作製した。なお、エアシリンダのロッドが退避している時の支持板の下面と冷却モジュールの上面との離間距離は１０ｍｍであった。

比較のため、上記実施例の発熱ユニットに代えて電気配線層のない発熱層を電気絶縁フィルムで挟み込んで熱圧着させたものを用いると共に、測温素子は載置台に設けたザグリ内に接着固定させた。そして、この測温素子のリード線を発熱ユニット、支持板、及び冷却モジュールに設けた貫通孔に挿通させて配線ケーブルに接続した。上記以外は実施例と同様にして比較例のヒータユニットを作製した。

これら２台のヒータユニットを各々常温から１５０℃まで昇温させた後、１５０℃で１時間保持した。そして、この１５０℃の定常状態におけるウエハ載置面の温度を接触式温度計を用いて計測し、その最大温度と最小温度との差を均熱レンジ（℃）として算出した。次に、上記１時間が経過した後、銅パイプに水を供給しながらエアシリンダを作動させて冷却機構を上昇させ、支持板の下面に当接させた。この状態でヒータユニットの温度を１００℃まで降温させ、その降温所要時間を算出した。その結果を下記表１に記載する。

上記表１から分かるように、比較例の均熱レンジは、実施例に比較して４倍以上悪く、またその温度分布は測温センサを配置している部位近傍が局所的に冷えていた。これは、測温素子を載置台に設けたザグリ内に設置し、そこからケーブルを取り出すために発熱ユニットや支持板にケーブルを挿通するための貫通孔を設けたことで当該部位に発熱パターンが設置できなかったこと、及びこの貫通孔を介して外気の影響を受けたことによるものと推察される。

更に、１５０℃から１００℃への冷却時間についても実施例に比べて比較例は凡そ１.５倍遅かった。これは冷却板に測温素子のケーブルを取り出すための貫通孔やザグリなどを設けていることで、冷却板と支持板との接触面積が少なくなったこと、冷却板の熱容量が小さくなったことが要因と推察される。

これに対して、実施例のヒータユニットでは、均熱レンジが良好であり、その温度分布も比較例に比べて優れており、特に測温素子設置部の温度分布が比較例とは異なり低くなっていなかった。更に、冷却時の温度波形を確認すると冷却の傾きが急峻になっていた。これは、測温素子の配線取り出しをプレート系外から行たことで、比較例の冷却モジュールに設けていたザグリや貫通孔がなくなり、よって冷却モジュールと支持板の接触面積が増えると共に、冷却モジュールの熱容量が比較例に比べて大きくなったことで、単位時間当たりに奪うことができる熱量が増えたためと考えられる。

１ 載置台
１ａ ウエハ載置面
２ 支持板
３ 発熱ユニット
４ 測温センサ（測温素子）
６ 冷却モジュール
９ 介在層
１０ 容器
１１ 脚部
３１ 発熱層
３２ 中間電気絶縁フィルム
３３ 電気配線層
３４ 上側電気絶縁フィルム
３５ 下側電気絶縁フィルム
６０ 可動式冷却プレート（冷却板）
６１ 固定式冷却ステージ
６１ａ 冷媒流路
６２ ザグリ溝
６３ 金属製パイプ
６４ａ 板状部材
６４ｂ 板状部材
６４ｃ 板状部材
６４ｄ 板状部材
６５ 流路
６６ 昇降機構

Claims (3)

1. 被処理物を載置する載置面を備えた載置台と、前記載置台を支持する支持板と、前記載置台と前記支持板との間に挟持され且つ測温素子が実装されたフィルム状の発熱ユニットとを有するヒータユニットであって、前記発熱ユニットは発熱層と、前記発熱層に対してポリイミドフィルムで電気的に絶縁された電気配線層とが上下からポリイミドフィルムで挟み込まれた構造を有しており、前記電気配線層の回路の一方の終端部が前記測温素子に結線していることを特徴とするヒータユニット。
2. 前記電気配線層の回路は前記一方の終端部から前記発熱層の有効発熱領域外の取り出し位置に向って放射状に延在し、フィルム状のまま前記載置台と前記支持板の外縁部の更に外側に取り出されている、請求項１に記載のヒータユニット。
3. 前記発熱ユニットは、前記発熱層と前記電気配線層との間に電気絶縁層を介してシールド層が設けられている、請求項１又は請求項２に記載のヒータユニット。

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