JP6918042B2 - ウエハ載置装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ウエハ載置装置に関する。
ウエハ載置装置としては、上面にウエハ載置面を有するセラミックプレートと、セラミックプレートのウエハ載置面とは反対側の下面に配置されていて内部に冷媒流路を有する冷却プレートと、を備えたものが知られている。例えば、特許文献１には、冷却プレートの全体に行き渡るように設けられた冷媒流路を有する冷却プレートが開示されている。冷媒流路の入口と出口には冷却装置が接続されていて、冷媒は、冷却装置から冷媒流路の入口に供給され、冷媒流路を通過し、冷媒流路の出口から冷却装置へ戻され、冷却装置内で設定温度に冷やされたあと再び冷媒流路の入口に供給される。
特許第６１２９４５１号
ところで、冷媒流路に供給された冷媒は、冷媒流路を通過する間、セラミックプレートとの熱交換によって加熱され続けるため、冷媒流路内の冷媒には、冷媒流路の入口から出口に向けて温度が高くなる傾向の温度勾配が生じる。冷媒流路１本の長さが長いほど冷媒とセラミックプレートとの熱交換が行われる距離が長いため、他の条件が同じであれば、冷媒流路１本の長さが長いほど冷媒流路の出口付近では冷媒の温度が高温になる。ここで、特許文献１のウエハ載置装置では、冷却プレートに設けられた冷媒流路は、入口と出口が１つずつの１本である。この場合、冷媒流路１本の長さが長く、出口付近では冷媒の温度が高温になる。それにより、冷媒流路の入口側と出口側とで冷媒の温度差が大きくなり、冷却プレートの面内方向の均熱性が低くなることがあった。このため、こうしたウエハ載置装置を用いた場合には、ウエハの均熱性が低いことがあった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ウエハの均熱性を高めることを主目的とする。
本発明のウエハ載置装置は、
上面にウエハ載置面を有し、電極が内蔵されたセラミックプレートと、
前記セラミックプレートの前記ウエハ載置面とは反対側の下面に配置され、内部に冷媒流路が設けられた冷却プレートと、
を備え、
前記冷媒流路は、前記ウエハ載置面に平行になるように一筆書きの要領で設けられた第１流路と、前記第１流路に沿うように一筆書きの要領で設けられた第２流路と、を有し、前記第１流路の入口側に前記第２流路の出口があり、前記第１流路の出口側に前記第２流路の入口がある。
このウエハ載置装置では、冷媒流路を第１流路と第２流路とに分けることで、冷媒流路１本あたりの長さが短くなる。このため、冷却装置等で設定温度に冷やされた冷媒を第１流路及び第２流路の各々に供給すれば、各冷媒流路の出口付近での冷媒の温度は、冷媒流路を分けない場合ほど高温にならず、冷却プレートの面内方向の温度差を小さくできる。また、このウエハ載置装置では、第１流路に第２流路が沿って対をなすように設けられ、かつ、第１流路と第２流路とは出入口が逆に配置されている。このため、第１流路内の冷媒の温度勾配が、この温度勾配とは逆向きの、第２流路内の冷媒の温度勾配によって相殺され、冷却プレートの面内方向の温度差を小さくできる。こうしたウエハ載置装置を用いれば、ウエハの均熱性を高めることができる。
なお、本明細書において、「上」「下」は、絶対的な位置関係を表すものではなく、相対的な位置関係を表すものである。そのため、ウエハ載置装置の向きによって「上」「下」は「下」「上」になったり「左」「右」になったり「前」「後」になったりする。
本発明のウエハ載置装置において、前記第１流路は入口と出口が近くにあり、前記第１流路の出入口の近傍では、前記第１流路のうちの入口側の流路と、前記第２流路のうちの出口側の流路と、前記第２流路のうちの入口側の流路と、前記第１流路のうちの出口側の流路とが、この順に隣合って設けられていてもよい。冷媒の供給や排出のための配管をまとめるため、冷媒流路の入口と出口は近くに設けられることが多い。しかし、低温の冷媒が流れる入口と高温の冷媒が流れる出口とが近くに隣合って設けられている場合、隣合う入口と出口との間では、冷却プレートの温度勾配が局所的に大きくなることがある。そこで、入口と出口が近くにある第１流路の出入口の近傍では、第１流路のうちの入口側の流路と、第２流路のうちの出口側の流路と、第２流路のうちの入口側の流路と、第１流路のうちの出口側の流路とを、この順に配置する。こうすれば、第１流路の入口と出口が隣合う場合に、隣合う入口と出口との間で局所的に大きくなることのある冷却プレートの温度勾配が、この温度勾配とは逆向きの、第２流路の出口側の流路と入口側の流路との間で生じる冷却プレートの温度勾配で相殺される。これにより、冷却プレートの面内方向の温度差をより小さくできる。
本発明のウエハ載置装置において、前記第１流路及び前記第２流路は、渦巻状に形成されていてもよい。渦巻状であれば、出口側の流路と入口側の流路とが交互に配置され、出口側の流路の隣に出口側の流路が配置されたり、入口側の流路の隣に入口側の流路が配置されたりしない。
本発明のウエハ載置装置において、前記第１流路及び前記第２流路は、外周部にある入口から中央部にある折り返し部まで渦巻状に形成され、前記折り返し部で折り返され、前記折り返し部から外周部にある出口まで渦巻状に形成されているか、中央部にある入口から外周部にある折り返し部まで渦巻状に形成され、前記折り返し部で折り返され、前記折り返し部から中央部にある出口まで渦巻状に形成されていてもよい。こうすれば、第１流路及び第２流路を渦巻状に形成するにあたり、第１流路の出入口や第２流路の出入口を近くに設けることができる。また、第１流路の出入口の近傍では、第１流路のうちの入口側の流路と、第２流路のうちの出口側の流路と、第２流路のうちの入口側の流路と、第１流路のうちの出口側の流路とが、この順に隣合って設けられたものにできる。このため、冷却プレートの面内方向の温度差をより小さくできる。
静電チャックヒータ１０の斜視図。 図１のＡ−Ａ断面図。 冷却プレート４０を面Ｐで切断した断面図。 冷却プレート４０の別例を面Ｐで切断した断面図。 冷却プレート４０の別例を面Ｐで切断した断面図。 冷却プレート４０の別例を面Ｐで切断した断面図。 冷却プレート４０の別例を面Ｐで切断した断面図。
本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図１は静電チャックヒータ１０の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は冷却プレート４０を面Ｐで切断した断面図である。面Ｐは、ウエハ載置面２０ａと平行で、冷媒流路５０を通過する面である。
静電チャックヒータ１０は、上面にウエハ載置面２０ａを有するセラミックプレート２０と、セラミックプレート２０のウエハ載置面２０ａとは反対側の下面２０ｂに配置された冷却プレート４０とを備えている。セラミックプレート２０と冷却プレート４０とは、絶縁性の接着シート３０を介して接合されている。静電チャックヒータ１０には、上下方向に貫通する孔２７が３つ設けられている。３つの孔２７は、セラミックプレート２０と同心円上に等間隔となるように設けられている。この孔２７に挿入されたリフトピンを突き上げることによりセラミックプレート２０のウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷを持ち上げることが可能となっている。孔２７のうち、冷却プレート４０を貫通する貫通孔２７ｃの表面は、図示しない絶縁材で覆われている。
セラミックプレート２０は、窒化アルミニウムやアルミナなどに代表されるセラミック材料からなる円盤状のプレートである。セラミックプレート２０には、ヒータ電極２２と静電電極２４とが内蔵されている。ヒータ電極２２は、例えば、モリブデン、タングステン又は炭化タングステンを主成分とするコイル又は印刷パターンで作製され、円盤状のセラミックプレート２０の全体に行き渡るように一筆書きの要領で一端から他端まで配線されている。ヒータ電極２２の一端と他端は、冷却プレート４０の下面４０ｂに開口した孔２８から差し込まれた図示しない一対の給電棒に接続されている。静電電極２４は、例えば、モリブデン、タングステン又は炭化タングステンを主成分とするメッシュ又はプレートで作製され、セラミックプレート２０のウエハ載置面２０ａと平行に設けられている。静電電極２４は、孔２９に差し込まれた図示しない給電棒に接続されている。孔２８，２９は、セラミックプレート２０の下面２０ｂの開口からヒータ電極２２又は静電電極２４に至る有底孔と、接着シート３０を貫通する貫通孔と、冷却プレート４０を上下方向に貫通する貫通孔２８ｃ，２９ｃとが連通した孔である。孔２８，２９のうち、冷却プレート４０を貫通する貫通孔２８ｃ，２９ｃの表面は、図示しない絶縁材で覆われている。
冷却プレート４０は、アルミニウムやアルミニウム合金などに代表される金属からなる円盤状のプレートであり、内部に冷媒流路５０が設けられている。冷媒流路５０は、ウエハ載置面２０ａに平行になるように設けられており、第１流路５２と、第２流路５４とを有している。
第１流路５２は、冷却プレート４０のうち、セラミックプレート２０が配置された全域に行き渡るように、一筆書きの要領で設けられている。具体的には、第１流路５２は、外周部にある入口５２ｉから中央部にある折り返し部５２ｃまで渦巻状に形成され、折り返し部５２ｃで折り返され、折り返し部５２ｃから外周部にある出口５２ｏまで渦巻状に形成されている（図３参照）。つまり、第１流路５２は、２重の渦巻状に形成されている。出口５２ｏは、入口５２ｉよりも内周側で入口５２ｉに近い位置に配置されている。第１流路５２の入口５２ｉ及び出口５２ｏは、図示しない第１冷却装置に接続されており、出口５２ｏから排出された冷媒は、第１冷却装置で温度調整されたあと再び入口５２ｉに戻されて第１流路５２内に供給される。
第２流路５４は、第１流路５２に沿うように、一筆書きの要領で設けられており、第２流路５４の出口５４ｏは第１流路５２の入口５２ｉ側にあり、第２流路５４の入口５４ｉは第１流路５２の出口５２ｏ側にある。具体的には、第２流路５４は、第１流路５２の出口５２ｏと隣合う入口５４ｉから中央部にある折り返し部５４ｃまで渦巻状に形成され、折り返し部５４ｃで折り返され、折り返し部５４ｃから第１流路５２の入口５２ｉに隣合う出口５４ｏまで渦巻状に形成されている（図３参照）。つまり、第２流路５４は、２重の渦巻状に形成されている。第２流路５４の入口５４ｉ及び出口５４ｏは、図示しない第２冷却装置に接続されており、出口５４ｏから排出された冷媒は、第２冷却装置で温度調整されたあと再び入口５４ｉに戻されて第２流路５４内に供給される。
次に、本実施形態の静電チャックヒータ１０の使用例について説明する。まず、静電チャックヒータ１０のウエハ載置面２０ａにウエハＷを載置し、静電電極２４に電圧を印加することにより、ウエハＷを静電気的な力によってセラミックプレート２０に吸着する。この状態で、ウエハＷにプラズマＣＶＤ成膜やプラズマエッチングなどの処理を施す。このとき、ヒータ電極２２に電圧を印加してウエハＷを加熱したり、冷却プレート４０の冷媒流路５０に水などの冷媒を循環してウエハＷを冷却したりすることにより、ウエハＷの温度を制御する。なお、冷媒流路５０のうち、第１流路５２と第２流路５４は、各々異なる冷媒冷却装置である第１冷却装置及び第２冷却装置に接続されており、第１，２流路５２，５４を循環する冷媒の温度は独立して制御される。ウエハＷの処理が終了したら、静電電極２４に印加する電圧をゼロにして静電気的な力を消失させ、孔２９に挿入されている図示しないリフトピンを突き上げてウエハＷをセラミックプレート２０のウエハ載置面２０ａから上方へリフトピンにより持ち上げる。リフトピンに持ち上げられたウエハＷは、図示しない搬送装置によって別の場所へ搬送される。
以上説明した本実施形態の静電チャックヒータ１０によれば、冷媒流路５０を第１流路５２と第２流路５４とに分けることで、冷媒流路１本あたりの長さが短くなる。このため、冷却装置等で設定温度に冷やされた冷媒を第１，２流路５２，５４の各々に供給すれば、第１，２流路５２，５４の出口５２ｏ，５４ｏ付近での冷媒の温度は、冷媒流路５０を分けない場合（例えば、第１流路５２の出口５２ｏと第２流路５４の入口５４ｉとをつないで１本の冷媒流路にした場合）ほど高温にならず、冷却プレート４０の面内方向の温度差を小さくできる。また、第２流路５４が第１流路５２に沿って対をなすように設けられ、かつ、第１流路５２と第２流路５４とは出入口が逆に配置されている。このため、第１流路５２内の冷媒の温度勾配が、この温度勾配とは逆向きの、第２流路５４内の冷媒の温度勾配によって相殺され、冷却プレート４０の面内方向の温度差を小さくできる。こうしたウエハ載置装置を用いれば、ウエハＷの均熱性を高めることができる。
また、本実施形態の静電チャックヒータ１０では、第１，２流路５２，５４の入口５２ｉ，５４ｉや出口５２ｏ，５４ｏが近くに設けられている。このため、冷媒の供給や排出のための配管をまとめることができる。また、第１流路５２の入口５２ｉ及び出口５２ｏの近傍では、第１流路５２のうちの入口５２ｉ側の流路と、第２流路５４のうちの出口５４ｏ側の流路と、第２流路５４のうちの入口５４ｉ側の流路と、第１流路５２のうちの出口５２ｏ側の流路とが、この順に隣合って設けられている。このため、第１流路５２の入口５２ｉと出口５２ｏとが隣合う場合にはその間で局所的に大きくなることのある冷却プレート４０の温度勾配が、この温度勾配とは逆向きの、第２流路５４の出口５４ｏ側の流路と入口５４ｉ側の流路との間で生じる冷却プレート４０の温度勾配で相殺される。これにより、冷却プレート４０の面内方向の温度差をより小さくできる。
また、本実施形態の静電チャックヒータ１０では、第１，２流路５２，５４は、渦巻状に形成されている。このため、出口側の流路と入口側の流路とが交互に配置され、出口側の流路の隣に出口側の流路が配置されたり、入口側の流路の隣に入口側の流路が配置されたりしない。こうした配置では、出口側の流路内の比較的高温な冷媒は、隣にある入口側の流路内の比較的低温な冷媒との熱交換によって冷却されるため、隣に出口側の流路がある場合よりも、出口側の流路内の冷媒温度が入口側の流路内の冷媒温度に近づく。また、入口側の流路内の比較的低温な冷媒は、隣にある出口側の流路内の比較的高温な冷媒との熱交換によって加熱されるため、隣に入口側の流路がある場合よりも、入口側の流路内の冷媒温度が出口側の流路内の冷媒温度に近づく。これにより、冷却プレート４０の面内方向の温度差をより小さくできる。また、第１，２流路５２，５４が渦巻状であるため、少ない折り返し数でセラミックプレート２０が配置された全域に流路を行き渡らせることができ、流路内の冷媒の流れを円滑にできる。
また、本実施形態の静電チャックヒータ１０では、第１，２流路５２，５４は、それぞれ２重の渦巻状に形成されている。このため、第１，２流路５２，５４を渦巻状に形成するにあたり、第１，２流路５２，５４の入口５２ｉ，５４ｉや出口５２ｏ，５４ｏを近くに設けることができる。また、第１流路５２の入口５２ｉ及び出口５２ｏの近傍では、第１流路５２のうちの入口５２ｉ側の流路と、第２流路５４のうちの出口５４ｏ側の流路と、第２流路５４のうちの入口５４ｉ側の流路と、第１流路５２のうちの出口５２ｏ側の流路とが、この順に隣合って設けられたものにできる。このため、冷却プレート４０の面内方向の温度差をより小さくできる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態において、第１流路５２は、図４に示すように、外周部に折り返し部５２ｃがあり、中央部に入口５２ｉ及び出口５２ｏがあってもよい。この場合、第２流路５４も、外周部に折り返し部５４ｃがあり、中央部に入口５４ｉ及び出口５４ｏがあればよい。
上述した実施形態において、第１，２流路５２，５４は、図５に示すように、それぞれ１重の渦巻状に形成されていてもよい。図５では、第１流路５２は、外周部にある入口５２ｉから中央部にある出口５２ｏまで１重の渦巻状に形成されており、第２流路５４は、中央部にある入口５４ｉから外周部にある出口５４ｏまで第１流路５２に沿うように１重の渦巻状に形成されている。こうしても、出口側の流路と入口側の流路とが交互に配置されるため、出口側の流路の隣に出口側の流路があったり、入口側の流路の隣に入口側の流路がある場合よりも、冷却プレート４０の面内方向の温度差を小さくできる。なお、第１，２流路５２，５４は、３重以上の渦巻状に形成されていてもよい。
上述した実施形態において、第１，２流路５２，５４は、渦巻状に形成されていなくてもよい。例えば、図６や図７に示すように、流路の途中で折り返しを繰り返しながら、一筆書きの要領で設けられていてもよい。図６では、第１流路５２は、外周部前方の入口５２ｉから略半周の円弧を描く度に内側に折り返して中央部に向かって左半分の領域に行き渡るとともに、それと左右対称になるように右半分の領域に行き渡って外周部前方にある出口５２ｏに至るように形成されている。第２流路５４は、第１流路５２の出口５２ｏの左隣にある入口５４ｉから、第１流路５２の入口５２ｉの右隣にある出口５４ｏに至るまで、第１流路５２に沿うように形成されている。こうした配置では、第１，２流路５２，５４の入口５２ｉ，５４ｉや出口５２ｏ，５４ｏを近くに設けることができる。また、第１流路５２の入口５２ｉ及び出口５２ｏの近傍では、第１流路５２のうちの入口５２ｉ側の流路と、第２流路５４のうちの出口５４ｏ側の流路と、第２流路５４のうちの入口５４ｉ側の流路と、第１流路５２のうちの出口５２ｏ側の流路とが、この順に隣合って設けられたものにできる。図７では、第１流路５２は、外周部前方の入口５２ｉから直線的に中央部に至り、中央部からは、一周よりも若干短い弧を描く度に外側に折り返して外周部に向かい、外周部後方の出口５２ｏに至るように形成されている。第２流路５４は、第１流路５２の出口５２ｏの右隣にある入口５４ｉから、第１流路５２の入口５２ｉの右隣にある出口５４ｏまで、第１流路５２に沿うように形成されている。第１，２流路５２，５４は、ジグザグ状に形成されていてもよい。
上述した実施形態及び別例において、第１流路５２の入口５２ｉと出口５２ｏは逆に配置されていてもよい。この場合、第２流路５４の入口５４ｉと出口５４ｏも逆に配置される。
上述した実施形態及び別例において、対をなしている第１流路５２と第２流路５４との間の間隔Ａ（図３参照）は、対と対との間の間隔Ｂよりも狭くしたが、同じとしてもよい。図３〜５のように、出口側の流路と入口側の流路とが交互に配置されている場合には、隣の流路との熱交換が両隣で同程度に行われるよう、対をなしている第１流路５２と第２流路５４との間隔が、対と対との間の間隔と同程度である方が好ましい。一方、図６，７のように、出口側の流路の隣に出口側の流路が配置されたり（例えば図６の左側の一点鎖線で囲まれた部分を参照）、入口側の流路の隣に入口側の流路が配置されたり（例えば図６の右側の二点鎖線で囲まれた部分を参照）している場合には、対をなしている第１流路５２と第２流路５４との間での熱交換が円滑に行われるよう、対をなしている第１流路５２と第２流路５４との間隔が、対と対との間の間隔よりも狭い方が好ましい。
上述した実施形態及び別例では、冷却プレート４０は、貫通孔として、貫通孔２７ｃ〜２９ｃを備えているものとしたが、これらのうちの１以上を省略してもよい。また、貫通孔として、セラミックプレート２０の表面にＨｅガスなどを供給するガス孔や、セラミックプレート２０を測温をするセンサの挿入孔などを備えていてもよい。なお、貫通孔の配置は限定されないが、対をなしている第１流路５２と第２流路５４との間ではなく、対と対との間に配置することが好ましい。こうすれば、対をなしている第１流路５２と第２流路５４との間での熱交換が円滑に行われる。
上述した実施形態及び別例において、セラミックプレート２０には、セラミックプレート２０を複数に分割したゾーンごとにヒータ電極２２が埋設されていてもよい。こうすれば、セラミックプレート２０の各ゾーンに適した温度制御ができる。また、冷却プレート４０には、冷却プレート４０を複数に分割したゾーンごとに第１流路５２及び第２流路５４の両方が設けられていてもよい。
上述した実施形態及び別例では、セラミックプレート２０には、ヒータ電極２２と静電電極２４とが内蔵されているものとしたが、電極が内蔵されていれば電極の種類は限定されない。例えば、静電電極及びヒータ電極の少なくとも一方が内蔵されていてもよいし、ＲＦ電極が内蔵されていてもよい。
本発明は、半導体の製造装置などに利用可能である。
１０ 静電チャックヒータ、２０ セラミックプレート、２０ａ ウエハ載置面、２０ｂ 下面、２２ ヒータ電極、２４ 静電電極、２７〜２９ 孔、２７ｃ〜２９ｃ 貫通孔、３０ 接着シート、４０ 冷却プレート、４０ｂ 下面、５０ 冷媒流路、５２ 第１流路、５２ｃ 折り返し部、５２ｉ 入口、５２ｏ 出口、５４ 第２流路、５４ｃ 折り返し部、５４ｉ 入口、５４ｏ 出口、Ｐ 面、Ｗ ウエハ。

Claims (3)

  1. 上面にウエハ載置面を有し、電極が内蔵されたセラミックプレートと、
    前記セラミックプレートの前記ウエハ載置面とは反対側の下面に配置され、内部に冷媒流路が設けられた冷却プレートと、
    を備え、
    前記冷媒流路は、前記ウエハ載置面に平行になるように一筆書きの要領で設けられた第１流路と、前記第１流路に沿うように一筆書きの要領で設けられた第２流路と、を有し、前記第１流路の入口側に前記第２流路の出口があり、前記第１流路の出口側に前記第２流路の入口があり、
    前記第１流路の入口と、前記第２流路の出口と、前記第２流路の入口と、前記第１流路の出口とが、前記セラミックプレートの中央部でこの順に隣合って設けられている、
    ウエハ載置装置。
  2. 前記第１流路及び前記第２流路は、渦巻状に形成されている、請求項１に記載のウエハ載置装置。
  3. 前記第１流路及び前記第２流路は、外周部にある入口から中央部にある折り返し部まで渦巻状に形成され、前記折り返し部で折り返され、前記折り返し部から外周部にある出口まで渦巻状に形成されているか、中央部にある入口から外周部にある折り返し部まで渦巻状に形成され、前記折り返し部で折り返され、前記折り返し部から中央部にある出口まで渦巻状に形成されている、請求項１又は２に記載のウエハ載置装置。
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