KR20190053941A - 웨이퍼 가열용 히터 유닛 - Google Patents

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게이지 기타바야시
아키라 미쿠모
시게노부 사키타
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

웨이퍼 가열용 히터 유닛은, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와, 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과, 웨이퍼 배치대와 지지판 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 갖는다. 발열 모듈은 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 갖는다. 웨이퍼 배치면은, 복수의 발열 회로에 의해서 웨이퍼 배치면의 반경 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존 및 원주 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존을 갖도록 구분되어 있다. 웨이퍼 배치면의 반경 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존의 어디에서나, 복수의 가열 존 각각에 있어서의 중심 위치 사이의 거리가, 복수의 가열 존 각각에 있어서의 중심 위치에서부터 복수의 가열 존 각각의 경계까지의 최장 거리의 50% 이상이다.

Description

웨이퍼 가열용 히터 유닛
본 개시는 웨이퍼 가열용 히터 유닛에 관한 것이다. 본 출원은 2017년 10월 10일 출원의 일본 특허출원 제2017-196683호, 일본 특허출원 제2017-196684호 및 일본 특허출원 제2017-196685호에 기초한 우선권을 주장하며, 상기 일본 특허출원에 기재된 모든 내용을 원용하는 것이다.
LSI나 메모리 등의 반도체 디바이스를 제조하는 반도체 제조 장치에서는, 반도체 웨이퍼에 대하여 CVD나 스퍼터링 등에 의한 성막, 레지스트의 도포, 노광 및 현상 등의 포토리소그래피, 패터닝을 위한 에칭 등의 일련의 공정으로 이루어지는 박막 처리가 실시된다. 이들 박막 처리에서는, 일반적으로 반도체 웨이퍼를 소정의 온도로 가열한 상태에서 처리를 행하기 때문에, 예컨대 포토리소그래피가 행해지는 코터 디벨로퍼 장치에서는, 피처리물의 반도체 웨이퍼를 배치하여 그 하면에서 가열하는 서셉터라고도 부르는 웨이퍼 가열용 히터 유닛이 이용되고 있다.
상기 웨이퍼 가열용 히터 유닛은, 예컨대 특허문헌 1에 기재된 것과 같이, 상면에 평탄한 웨이퍼 배치면을 구비한 세라믹스제의 원판형 부재로 이루어지는 웨이퍼 배치대와, 이것을 하면 측에서 지지하는 통형 지지체로 구성되어 있고, 상기 웨이퍼 배치대의 내부에는 전열 코일이나 패터닝된 금속 박막 등의 발열 회로가 웨이퍼 배치면에 평행하게 매설되어 있다.
상기 발열 회로의 양단부에는 웨이퍼 배치대의 하면 측에 설치한 한 쌍의 전극 단자가 전기적으로 접속되어 있으며, 이 한 쌍의 전극 단자 및 그 인출선을 통해 외부 전원으로부터 상기 발열 회로에 급전이 이루어진다.
상기한 웨이퍼 가열용 히터 유닛에서는, 제품으로 되는 반도체 디바이스의 품질에 변동이 생기지 않도록 웨이퍼 배치면에서의 균열성을 높여 반도체 웨이퍼를 전면에 걸쳐 균일하게 가열할 것이 요구되고 있다. 그 때문에, 상기 발열 회로의 회로 패턴을 치밀하게 하여 온도 얼룩이 생기지 않게 하거나, 웨이퍼 배치면에 획정한 복수의 가열 존(멀티 존) 각각에 대하여 개별로 온도 제어를 행하도록 상기 복수의 가열 존 각각에 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 발열 회로를 두어 개별로 급전하거나 하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허공개 2003-17224호 공보
본 개시에 따른 제1 웨이퍼 가열용 히터 유닛은, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와,
상기 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과,
상기 웨이퍼 배치대와 상기 지지판 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 가지며,
상기 발열 모듈은 상기 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 가지며,
상기 웨이퍼 배치면은, 상기 복수의 발열 회로에 의해서 상기 웨이퍼 배치면의 반경 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존 및 원주 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존을 갖도록 구분되어 있고,
상기 웨이퍼 배치면의 반경 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존의 어디에서나, 상기 복수의 가열 존 각각에 있어서의 중심 위치 사이의 거리가, 상기 복수의 가열 존 각각에 있어서의 중심 위치에서부터 상기 복수의 가열 존 각각의 경계까지의 최장 거리의 50% 이상이다.
본 개시에 따른 제2 웨이퍼 가열용 히터 유닛은, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와,
상기 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과,
상기 웨이퍼 배치대와 상기 지지판 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 가지고,
상기 발열 모듈은 상기 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 가지고,
상기 웨이퍼 배치면은 상기 복수의 발열 회로에 의해서 복수의 가열 존으로 구분되어 있고,
상기 복수의 가열 존은, 상기 웨이퍼 배치면의 중앙에 마련된 원형 중앙부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존, 상기 원형 중앙부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존, 및 상기 환형부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형 주연부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존으로 구성되고,
상기 복수의 가열 존 각각의 면적은 상기 복수의 가열 존의 평균 면적의 ±30% 이내이다.
본 개시에 따른 제3 웨이퍼 가열용 히터 유닛은, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와,
상기 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과,
상기 웨이퍼 배치대와 상기 지지판 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 가지고,
상기 발열 모듈은 상기 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 가지고,
상기 웨이퍼 배치면은 상기 복수의 발열 회로에 의해서 복수의 가열 존으로 구분되어 있고,
상기 복수의 가열 존은, 상기 웨이퍼 배치면의 중앙에 마련된 원형 중앙부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존 및 상기 원형 중앙부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존을 포함하고,
상기 웨이퍼 배치대는, 상기 웨이퍼 배치면에 대하여 상기 반도체 웨이퍼를배치 및 이격시키는 막대형의 지지부가 상기 웨이퍼 배치대의 내부를 지나도록 상기 웨이퍼 배치대의 두께 방향으로 형성된 복수의 삽입 관통 구멍을 가지고,
상기 복수의 삽입 관통 구멍은, 상기 복수의 가열 존의 반경 방향으로 연장되는 경계부에 배치되고, 상기 복수의 삽입 관통 구멍이 배치된 상기 복수의 가열 존은, 원주 방향의 분할수가 상기 복수의 삽입 관통 구멍의 수의 정수배이다.
도 1은, 본 개시의 제1 실시형태 및 제2 실시형태에 따른 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 일 구체예의 종단면도이다.
도 2는, 도 1의 웨이퍼 가열용 히터 유닛이 갖는 복수의 발열 회로에 의해서 획정되는 제1 실시형태 및 제2 실시형태에 따른 웨이퍼 배치면의 복수의 가열 존의 구분 패턴을 도시하는 평면도이다.
도 3은, 도 2의 구분 패턴에 있어서, 상호 인접하는 가열 존끼리의 양 중심 위치의 이격 거리와, 각각의 가열 존의 중심 위치에서부터 존 경계까지의 최장 거리의 관계를 도시하는 평면도이다.
도 4는, 제1 실시형태 및 제2 실시형태에 따른 비교예 1의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존의 구분 패턴을 도시하는 평면도이다.
도 5는, 도 4의 구분 패턴에 있어서, 상호 인접하는 가열 존끼리의 양 중심 위치의 이격 거리와, 각각의 가열 존의 중심 위치에서부터 존 경계까지의 최장 거리의 관계를 도시하는 평면도이다.
도 6은, 제1 실시형태 및 제2 실시형태에 따른 비교예 2의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존의 구분 패턴을 도시하는 평면도이다.
도 7은, 도 6의 구분 패턴에 있어서, 상호 인접하는 가열 존끼리의 양 중심 위치의 이격 거리와, 각각의 가열 존의 중심 위치에서부터 존 경계까지의 최장 거리의 관계를 도시하는 평면도이다.
도 8은, 본 개시의 제3 실시형태에 따른 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 일 구체예의 종단면도이다.
도 9는, 도 8의 웨이퍼 가열용 히터 유닛이 갖는 복수의 발열 회로에 의해서 획정되는 제3 실시형태에 따른 웨이퍼 배치면의 복수의 가열 존의 구분 패턴을 도시하는 평면도이다.
도 10은, 제3 실시형태에 따른 비교예 1의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존의 구분 패턴을 도시하는 평면도이다.
도 11은, 제3 실시형태에 따른 비교예 2의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존의 구분 패턴을 도시하는 평면도이다.
[제1 실시형태]
[본 개시에 따른 제1 실시형태가 해결하고자 하는 과제]
상기한 것과 같이 웨이퍼 배치면에 획정한 복수의 가열 존에 각각 복수의 발열 회로를 둠으로써 복수의 가열 존을 개별로 온도 제어할 수 있게 되지만, 각 가열 존에 둔 발열 회로의 발열량을 전압이나 전류로 제어하는 제어계에서는, 일반적으로 온도 검출기로서 각 가열 존마다 1개의 온도 센서가 마련되기 때문에, 가열 존의 면적이 넓어지면 1개의 온도 센서로 가열 존의 온도를 적절하게 검출하기 어렵게 되어, 양호하게 온도 제어할 수 없는 경우가 있었다.
종래에는 상기한 온도 검출 상의 문제에 기인하는 웨이퍼 배치면의 균열성에 미치는 악영향은 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 문제시되는 일은 거의 없지만, 최근의 반도체 디바이스의 미세화에 따라, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면의 온도는 보다 정밀한 제어가 요구되게 되고 있다. 그 때문에, 지금까지 문제시되지 않았던 상기한 문제가 현재화되고 있다. 본 발명은 이러한 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 웨이퍼 배치면에 획정되는 복수의 가열 존 각각에 있어서, 온도를 적절하게 검출하여 제어함으로써 웨이퍼 배치면의 균열성을 높일 수 있는 웨이퍼 가열용 히터 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[본 개시에 따른 제1 실시형태의 효과]
웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존 각각에 있어서 온도를 적절하게 검출하여 제어할 수 있기 때문에, 상기 웨이퍼 배치면의 균열성을 높일 수 있게 된다.
[제1 실시형태의 상세한 설명]
제1 실시형태에 따른 웨이퍼 가열용 히터 유닛은, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와,
상기 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과,
상기 웨이퍼 배치대와 상기 지지판 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 가지며,
상기 발열 모듈은 상기 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 가지며,
상기 웨이퍼 배치면은, 상기 복수의 발열 회로에 의해서 상기 웨이퍼 배치면의 반경 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존 및 원주 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존을 갖도록 구분되어 있고,
상기 웨이퍼 배치면의 반경 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존의 어디에서나, 상기 복수의 가열 존 각각에 있어서의 중심 위치 사이의 거리가, 상기 복수의 가열 존 각각에 있어서의 중심 위치에서부터 상기 복수의 가열 존 각각의 경계까지의 최장 거리의 50% 이상이다. 이에 따라, 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존 각각에 있어서 온도를 적절하게 검출하여 제어할 수 있기 때문에, 상기 웨이퍼 배치면의 균열성을 높일 수 있게 된다.
상기한 웨이퍼 가열용 히터 유닛에 있어서는, 상기 복수의 가열 존은, 상기 발열 모듈에 있어서, 원형 중앙부를 원주 방향으로 3 등분한 중앙부 부채형 가열 존과, 환형 주연부를 원주 방향으로 6 등분한 주연부 부채형 가열 존과, 상기 원형 중앙부와 상기 환형 주연부 사이의 환형부인 환형 중간부를 원주 방향으로 6 등분한 중간부 부채형 가열 존으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 반도체 웨이퍼가 배치되는 배치면의 균열성을 더한층 높일 수 있다. 또한, 상기 본 발명의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 실시형태에서는, 상기 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이 및/또는 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 상기 반도체 웨이퍼의 리프트핀용 삽입 관통 구멍이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 리프트핀용 삽입 관통 구멍에 의한 배치면의 균열성에 미치는 악영향을 억제할 수 있다.
이어서, 제1 실시형태에 따른 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 일 구체예에 관해서 설명한다. 도 1에 도시하는 것과 같이, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 반도체 웨이퍼(W)를 배치하는 웨이퍼 배치면(11a)을 상면에 구비한 원판형상의 웨이퍼 배치대(11)와, 이 웨이퍼 배치대(11)와 거의 동등한 외경을 갖는 원판형상으로 이루어지며, 웨이퍼 배치대(11)를 그 하면 측에서 전면에 걸쳐 지지하는 지지판(12)과, 이들 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12) 사이에 전기적 절연 상태로 협지되며, 이 웨이퍼 배치대(11)와 거의 동등한 외경을 갖는 원형 박막형의 발열 모듈(13)을 갖고 있다. 이 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 지지판(12)의 하면 측에 마련된 복수의 기둥형 다리부(20)에 의해서 지지되어 있다.
상기한 웨이퍼 배치대(11)는, 웨이퍼 배치면(11a) 전면에 걸쳐 매우 높은 온도 균일성, 즉 높은 균열성을 실현하도록 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 예컨대 구리나 알루미늄 등의 금속이 보다 바람직하다. 웨이퍼 배치대(11)의 재질은, 탄화규소, 질화알루미늄, Si-SiC, Al-SiC 등의 강성(영율)이 높은 세라믹스나 세라믹스 복합체라도 좋다. 이에 따라, 웨이퍼 배치면(11a)의 평탄성을 항상 유지할 수 있게 된다. 또한, 웨이퍼 배치면(11a)의 휘어짐 방지를 목적으로 하여 웨이퍼 배치대(11)를 두껍게 할 필요가 없어지기 때문에 열용량을 작게 할 수 있다. 이로써 승온·강온 속도를 빠르게 할 수 있게 된다.
지지판(12)의 재질도, 강성(영율)이 높은 탄화규소, 질화알루미늄, Si-SiC, Al-SiC 등의 세라믹스나 세라믹스 복합체를 이용하는 것이 바람직하다. 특히 웨이퍼 배치대(11)의 재질이 금속인 경우, 후술하는 것과 같이 발열 모듈(13)을 사이에 두고서 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)을 서로 겹쳐 기계적으로 결합함으로써 웨이퍼 배치면(11a)의 휘어짐을 억제할 수 있기 때문에, 웨이퍼 배치면(11a)에 있어서 높은 균열성과 평탄성을 겸비한 히터 유닛(10)을 실현할 수 있다.
웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)은 나사 고정 등에 의해서 상호 기계적으로 결합하는 것이 바람직하다. 특히 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)이 상호 다른 재질로 이루어지는 경우는, 웨이퍼 배치대(11) 및 지지판(12)이 각각의 온도에 따라서 웨이퍼 배치면(11a)의 방향으로 자유롭게 열팽창할 수 있도록, 예컨대 지지판(12)에 두께 방향으로 관통한 나사 구멍(도시하지 않음)에 하측에서 수나사(도시하지 않음)를 삽입 관통하고, 웨이퍼 배치대(11)의 하면 측에 마련한 암나사부(도시하지 않음)에 나사 결합시킴과 더불어, 상기 수나사의 시트면과 그 접촉부가 되는 지지판(12)의 하면 사이에 예컨대 베어링(도시하지 않음)을 개재시키는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우는 발열 모듈(13)에 있어서도 상기 지지판(12)의 나사 구멍에 대응하는 위치에 상기 암나사부의 삽입 관통 구멍이 형성되게 된다.
여기서, 상기 나사 고정부는 후술하는 발열 회로의 유효 직경 밖에 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 국소적인 쿨스폿이 거의 생기지 않는 온도 균일성이 높은 배치대를 실현할 수 있다. 또한, 상기 나사 고정부를 발열 회로의 유효 직경 내에 배치하는 경우는, 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이 및/또는 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 배치하며, 또한 이 배치 위치를 지나는 웨이퍼 배치면의 반경 방향의 선분에 관해서 상기 구분 패턴이 선대칭이 되도록 하는 것이 바람직하고, 이에 따라 상기 나사 고정부에 의한 온도 균일성의 악화를 억제할 수 있다. 상기한 나사 고정부는, 상술한 리프트핀 삽입 관통 구멍과 동일한 상기 반경 방향의 선분 상에 위치하며 또한 이 선분에 관해서 상기 구분 패턴이 선대칭인 것이 더욱 바람직하다. 상기한 것과 같이, 배치대, 발열 유닛, 지지판의 어느 하나 또는 전부에 간섭하는 기계 부품이나 전장 부품 등의 특이점이 존재하는 경우는, 이들 특이점을 발열 회로의 유효 직경 밖에 배치하거나, 혹은 유효 직경 내인 경우는 인접하는 가열 존 사이면서 또한 구분 패턴의 대칭선이 되는 위치에 둠으로써, 온도 균일성을 해치지 않고서 원하는 기능을 발휘시킬 수 있다. 여기서, 발열 회로의 유효 직경이란, 웨이퍼 배치면(11a) 중, 후술하는 발열 회로(13a)가 바로 아래에 놓여 있는 원형 영역의 직경이다.
상기한 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12) 사이에 협지되는 발열 모듈(13)은, 상기한 웨이퍼 배치면(11a)에 평행한 면 위로 연장되는 복수의 발열 회로(13a)를 갖고 있다. 복수의 발열 회로(13a)는, 상기한 웨이퍼 배치대(11) 및 지지판(12)으로부터 전기적으로 절연 상태가 되도록 절연체로 덮여 있다. 이러한 형태의 발열 모듈(13)은, 예컨대 스테인리스박 등의 도전성 금속박에 에칭이나 레이저 가공으로 패터닝 가공을 실시함으로써 복수의 발열 회로(13a)를 형성한 후, 이것을 위아래에서 예컨대 폴리이미드 시트 등의 내열성 절연 시트로 끼워 넣음으로써 제작할 수 있다.
혹은, 발열 회로(13a)의 회로 패턴의 라인 폭이 가늘거나, 발열 회로(13a)에 이용하는 도전성 금속박의 두께가 얇거나 하는 등의 이유에 의해 발열 회로(13a)를 취급하기가 곤란한 경우는, 패터닝 가공 전의 도전성 금속박과 전기 절연을 위한 폴리이미드 시트 등의 내열 절연 시트를 미리 겹쳐 열압착하고, 이 열압착 후에 도전성 금속박만을 에칭 등으로 패터닝 가공함으로써, 베이스가 되는 전면 폴리이미드 필름과 패턴박(즉, 박 형상의 발열 회로(13a))를 일체화시키고, 이 일체화된 박 형상의 발열 회로(13a) 상에서 또 폴리이미드 필름을 겹쳐 열압착함으로써 상기한 발열 모듈(13)을 제작하여도 좋다.
이와 같이, 웨이퍼 배치면(11a)에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로(13a)를 발열 모듈(13) 내에 설치함으로써, 웨이퍼 배치면(11a)을 복수의 가열 존으로 구분할 수 있다. 이들 복수의 발열 회로(13a)에 의해서 획정되는 복수의 가열 존의 구분 패턴에는 특별히 한정은 없지만, 원판형상의 웨이퍼 배치대(11)는 일반적으로 중앙부보다도 표면적이 넓은 주연부로부터의 방열이 많기 때문에, 정상(定常) 상태에서는 상기 주연부가 국소적으로 저온으로 되기 쉽다. 한편, 반도체 웨이퍼가 배치대에 배치되면, 일반적으로 웨이퍼 직경보다도 배치대의 외경이 크기 때문에, 배치대에는 중앙부가 외주부보다도 저온인 동심원형의 센터쿨형 온도 분포가 생긴다. 그 후, 배치대의 온도는 제어계의 작동에 의해 소정의 온도까지 승온하지만, 상기한 온도 분포의 영향을 받기 때문에 반도체 웨이퍼의 과도적인 온도 분포도 동심원형의 센터쿨로 된다. 이러한 센터쿨형의 온도 분포를 보정하기 위해서, 가열 존의 구분 패턴은 반경 방향으로 동심원형으로 분할하는 것이 바람직하다. 또한, 히터 유닛(10)이 탑재되는 진공 챔버의 벽면에는 로드록 등이 마련되어 있기 때문에, 웨이퍼 배치대(11)의 주위 환경은 원주 방향으로 균등하지 않다. 그래서 도 2에 도시하는 것과 같이, 웨이퍼 배치면(11a)을 동심원형으로 분할한 다음에 또 원주 방향으로 균등하게 분할한 구분 패턴이 바람직하다.
즉, 도 2에 도시하는 복수의 가열 존의 구분 패턴에서는, 웨이퍼 배치면(11a)이, 원형 중앙부(A)와, 원형 중앙부(A) 외측의 환형 중간부(B)와, 환형 중간부(B) 외측의 환형 주연부(C)로 동심원형으로 구분되어 있다. 더욱이, 원형 중앙부(A)는 중앙부 부채형 가열 존(A1∼A3)으로서 원주 방향으로 3 등분되어 있다. 환형 중간부(B)는 중간부 부채형 가열 존(B1∼B6)으로서 원주 방향으로 6 등분되어 있다. 환형 주연부(C)는 주연부 부채형 가열 존(C1∼C6)으로서 원주 방향으로 6 등분되어 있다.
더욱이, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)에 있어서는, 상기한 것과 같이 하여 구분된 15 존으로 이루어지는 가열 존은, 웨이퍼 배치면(11a)의 반경 방향에 있어서 상호 인접하는 어느 가열 존끼리에 있어서도, 이들의 양 중심 위치의 이격 거리가, 각각의 가열 존의 중심 위치에서부터 존 경계까지의 최장 거리의 50% 이상으로 되어 있다. 각각의 가열 존은, 웨이퍼 배치면의 중심을 중심으로하는 원의 영역, 혹은 마찬가지로 웨이퍼 배치면의 중심을 중심으로 하는 외주원과 내주원으로 구획된 원환의 영역을, 웨이퍼 배치면의 반경을 이루는 선분으로 웨이퍼 배치면의 원주 방향으로 n 분할(n은 0 이상의 정수)한 형상이다. 가열 존의 중심 위치란, 가열 존의 반경 방향의 중점이면서 또한 원주 방향의 중점이 되는 점을 말한다. 즉, 가열 존의 외주를 이루는 원호의 반경을 r1, 내주를 이루는 원호의 반경을 r2(원인 경우는 r2=0)로 하고, 원주 방향의 경계의 위치를 임의의 반경 위치로부터의 각도에 따라서 θ1과 θ2로 한 경우에, (r1+r2)/2이면서 또한 (θ1+θ2)/2가 되는 점을 상기 가열 존의 중심 위치라고 정의한다. 여기서, 원주 방향의 분할수 n=0인 경우, 즉 영역이 원 또는 원환인 경우에는, 원주 방향의 위치 (θ1+θ2)/2는 원주 상의 임의의 위치가 되기 때문에, 인접하는 중심 위치의 이격 거리를 구하는 경우에는 최단의 거리가 되는 점으로 정의한다.
상기한 인접하는 가열 존끼리에 있어서의 양 중심 위치의 이격 거리와, 각 가열 존의 중심 위치에서부터 존 경계까지의 최장 거리의 관계에 관해서, 도 3을 참조하면서 보다 상세하게 설명한다. 우선 웨이퍼 배치면(11a)의 반경 방향에 있어서 상호 인접하는 원형 중앙부(A)와 환형 중간부(B)의 관계에 관해서 검토한다. 원형 중앙부(A) 중 중앙부 부채형 가열 존(A1)이 반경 방향으로 인접하는 가열 존은 중간부 부채형 가열 존(B1 및 B2) 2개이다.
이들 중, 중앙부 부채형 가열 존(A1)과 중간부 부채형 가열 존(B1)의 관계에서는, 중앙부 부채형 가열 존(A1)의 중심 위치(OA1) 및 중간부 부채형 가열 존(B1)의 중심 위치(OB1)의 이격 거리는 선분(LA1B1)의 거리이다. 그리고, 중앙부 부채형 가열 존(A1)에서는, 그 중심 위치(OA1)에서부터 그 존 경계까지의 최장의 직선 거리는, 중심 위치(OA1)와 부채형의 코너부에 해당하는 PA1을 연결하는 선분(LA1)의 거리이다. 한편, 중간부 부채형 가열 존(B1)에서는, 그 중심 위치(OB1)에서부터 그 존 경계까지의 최장의 직선 거리는, 중심 위치(OB1)와 부채형의 코너부에 해당하는 PB1을 연결하는 선분(LB1)의 거리이다.
도 3으로부터 알 수 있는 것과 같이, 선분(LA1)의 거리와 양 중심 위치의 이격 거리인 선분(LA1B1)의 거리를 비교하면, 상기한 선분(LA1)의 거리의 50%의 길이는, 상기한 선분(LA1B1)의 거리보다도 짧게 되어 있다. 또한, 선분(LB1)의 거리와 양 중심 위치의 이격 거리인 선분(LA1B1)의 거리를 비교하면, 상기한 선분(LB1)의 거리의 50%의 길이는, 상기한 선분(LA1B1)의 거리보다도 짧게 되어 있다. 또한, 도 3에 도시하는 구분 패턴은 중간부 부채형 가열 존(B1과 B2)의 경계선을 대칭선으로 하여 선대칭으로 되어 있고, 이로써 상호 인접하는 중앙부 부채형 가열 존(A1)과 중간부 부채형 가열 존(B2)의 관계도, 상기한 중앙부 부채형 가열 존(A1)과 중간부 부채형 가열 존(B1)의 관계와 마찬가지다. 또한, 중앙부 부채형 가열 존(A2)과 중간부 부채형 가열 존(B3 및 B4)의 관계 및 중앙부 부채형 가열 존(A3)과 중간부 부채형 가열 존(B5 및 B6)의 관계도 상기한 중앙부 부채형 가열 존(A1)과 중간부 부채형 가열 존(B1)의 관계와 마찬가지다.
상기한 관계는, 웨이퍼 배치면(11a)의 반경 방향에 있어서 상호 인접하는 환형 중간부(B)와 환형 주연부(C)의 관계에 있어서도 같은 식으로 말할 수 있다. 즉, 환형 중간부(B) 중 중간부 부채형 가열 존(B1)이 인접하는 가열 존은 주연부 부채형 가열 존(C1)이다. 중간부 부채형 가열 존(B1)의 중심 위치(OB1) 및 주연부 부채형 가열 존(C1)의 중심 위치(OC1)의 이격 거리는 선분(LB1C1)의 거리이다. 그리고, 중간부 부채형 가열 존(B1)에서는, 상술한 것과 같이 그 중심 위치(OB1)에서부터 그 존 경계까지의 최장의 직선 거리는, 중심 위치(OB1)와 부채형의 코너부에 해당하는 PB1을 연결하는 선분(LB1)의 거리이다. 한편, 주연부 부채형 가열 존(C1)에서는, 그 중심 위치(OC1)에서부터 그 존 경계까지의 최장의 직선 거리는, 중심 위치(OC1)와 부채형의 코너부에 해당하는 PC1을 연결하는 선분(LC1)의 거리이다.
도 3으로부터 알 수 있는 것과 같이, 선분(LB1)의 거리와 양 중심 위치의 이격 거리인 선분(LB1C1)의 거리를 비교하면, 상기한 선분(LB1)의 거리의 50%의 길이는 상기한 선분(LB71C1)의 거리보다도 짧게 되어 있다. 또한, 선분(LC1)의 거리와 양 중심 위치의 이격 거리인 선분(LB1C1)의 거리를 비교하면, 상기한 선분(LC1)의 거리의 50%의 길이는 상기한 선분(LB1C1)의 거리보다도 짧게 되어 있다. 또한, 중간부 부채형 가열 존(B2)과 주연부 부채형 가열 존(C2)의 관계, 중간부 부채형 가열 존(B3)과 주연부 부채형 가열 존(C3)의 관계, 중간부 부채형 가열 존(B4)과 주연부 부채형 가열 존(C4)의 관계, 중간부 부채형 가열 존(B5)과 주연부 부채형 가열 존(C5)의 관계 및 중간부 부채형 가열 존(B6)과 주연부 부채형 가열 존(C6)의 관계의 어디에서나, 상기한 중간부 부채형 가열 존(B1)과 주연부 부채형 가열 존(C1)의 관계와 마찬가지다.
웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 상기한 구분 패턴을 가짐으로써, 배치면(11a)을 보다 정밀하게 온도 제어할 수 있게 된다. 또한, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 상기한 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 반도체 웨이퍼의 리프트핀용 삽입 관통 구멍이 형성되어 있어도 좋다. 예컨대 도 2에는, 중앙부 부채형 가열 존 A1과 A2의 사이, A2와 A3의 사이 및 A3과 A1의 사이에 3개의 리프트핀용 삽입 관통 구멍(Q1∼Q3)이 각각 형성된 예가 도시되어 있다. 이와 같이 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 리프트핀용 삽입 관통 구멍을 형성함으로써, 상기 삽입 관통 구멍에 의한 배치면(11a)의 균열성에 미치는 악영향을 억제할 수 있다. 혹은, 리프트핀용 삽입 관통 구멍은, 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 형성하여도 좋고, 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이이면서 또한 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 형성하여도 좋다.
각 가열 존 내에 형성되어 있는 도시하지 않는 발열 회로의 회로 패턴에 관해서는 특별히 한정은 없으며, 여러 가지 회로 패턴을 가질 수 있다. 예컨대 동심원형의 복수의 만곡 도전부와, 이들 만곡 도전부의 인접하는 것끼리를 접속하는 직선 도전부로 한붓그리기 형상으로 형성된 회로 패턴으로 할 수 있다. 이 경우, 발열 회로의 양단부에 각각 2개의 전극 단자(도시하지 않음)가 접속되게 된다.
또한, 복수의 발열 회로는 가열 존마다 발열 밀도가 다르게 하여도 좋다. 예컨대 상술한 것과 같이, 일반적으로 웨이퍼 직경보다도 배치대의 외경이 크기 때문에, 반도체 웨이퍼가 배치대에 배치되면, 상기 배치대에는 중앙부가 외주부보다도 저온인 동심원형의 센터쿨형 온도 분포가 생긴다. 그 후, 배치대의 온도는 제어계의 작동에 의해 소정의 온도까지 승온하지만, 상기한 온도 분포의 영향을 받기 때문에, 반도체 웨이퍼의 과도적인 온도 분포도 동심원형의 센터쿨로 된다. 이러한 센터쿨형의 온도 분포를 보정하기 위해서 중앙부 부채형 가열 존(A1∼A3)의 발열 밀도를 높게 설계함으로써, 웨이퍼 배치 시의 과도적인 온도 균일성을 한층 더 향상시킬 수 있다. 발열 밀도를 높게 하는 방법으로서는, 발열 회로의 회로 패턴의 피치를 좁게 하거나 발열체 회로를 구성하는 도전선의 폭을 가늘게 하거나 함으로써 실현된다.
또한, 발열 모듈(13)에 있어서는, 웨이퍼 배치면(11a)에 평행한 전면적에 대하여 발열 회로의 유효 면적(즉, 발열 모듈(13)의 상기 전면적에서 상호 인접하는 가열 존끼리의 이격 스페이스, 나사 구멍이나 리프트 핀의 삽입 관통 구멍, 온도 측정 센서 설치 부위 등의 발열이 없는 스페이스를 뺀 것)의 비율, 즉 유효 발열 영역의 비율이 80% 이상인 것이 바람직하다.
웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 복수의 가열 존 각각에 있어서 예컨대 저항치가 조정된 온도 측정 소자로 이루어지는 온도 측정 센서(도시하지 않음)를 상술한 중심 위치에 해당하는 위치에 설치함과 더불어, 각 온도 측정 센서의 검출치에 기초하여 상기 가열 존 내의 발열 회로를 개별로 제어하는 것이 바람직하다. 이에 따라 배치면(11a)을 국소적으로 가열할 수 있기 때문에, 예컨대 로드록의 개폐 등에 의해 배치면(11a)이 부분적으로 냉각되는 경우라도 균열성을 양호하게 유지할 수 있게 된다. 상기 온도 측정 센서는, 예컨대 웨이퍼 배치대(11)의 하면 측에 온도 측정 센서가 수용되는 크기의 스폿페이싱 구멍을 형성하고, 그 바닥면에 접착제를 도포하여 온도 측정 센서를 접착 고정함으로써 각 가열 존의 온도를 양호하게 검지할 수 있다.
다시 도 1로 되돌아가면, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은 지지판(12)의 아래쪽에 냉각 유닛(30)이 마련되어 있다. 이 냉각 유닛(30)은, 1점쇄선으로 나타내는 것과 같이 지지판(12)의 하면 측에 접촉하는 접촉 위치와, 실선으로 나타내는 것과 같이 지지판(12)으로부터 이격하는 이격 위치의 사이에서 왕복운동(往復動) 가능한 가동식 냉각판(31)과, 이 가동식 냉각판(31)이 상기 이격 위치에 있을 때 접촉하는 고정식 냉각 스테이지(32)를 갖고 있다. 이들 가동식 냉각판(31) 및 고정식 냉각 스테이지(32)의 재질은, 열전도성이 높은 구리, 알루미늄, 니켈, 마그네슘, 티탄 혹은 이들의 적어도 어느 하나를 주성분으로 하는 합금 또는 스테인리스로 이루어지는 군에서 선택하는 것이 바람직하다.
이 고정식 냉각 스테이지(32)는, 도시하지 않는 칠러 등의 냉각 장치로 냉각된 불소계 냉매 등의 부동액, 공기, 범용적인 물 등의 냉매가 순환하는 냉매 유로(32a)를 갖고 있다.
이 냉매 유로의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 금속제의 판형 부재의 하면 측에 냉매 유로로서 Cu 등의 금속제 파이프를 따르게 하고, 이 금속제 파이프의 양끝에 스테인리스제 조인트를 부착함과 더불어, 금속제 파이프를 누름판으로 판형 부재에 꽉 누른 상태에서 상기 누름판과 판형 부재를 나사 등에 의해 기계적으로 결합하는 구조로 할 수 있다.
혹은, 보다 높은 열효율을 얻기 위해서, 금속제 판형 부재의 하면 측에 예컨대 스파이럴형의 스폿페이싱 홈을 형성하고, 이 스폿페이싱 홈 중에 스파이럴형으로 성형한 냉매 유통용의 금속제 파이프를 설치한 구조라도 좋다. 이 경우, 금속제 파이프와 냉각판의 양호한 열전달을 유지하기 위해서, 코킹재, 실란트, 접착제 등에 의해 금속제 파이프의 표면과 스폿페이싱 홈의 내면을 접착 고정하는 것이 바람직하다. 혹은, 동일한 재질의 대략 같은 형상의 2장의 판형 부재를 준비하여, 이들의 한쪽 또는 양쪽의 한 면에 기계 가공으로 유로가 되는 홈을 형성하고, 이 유로 측의 면이 대향하도록 2장의 판형 부재를 서로 겹쳐, 예컨대 경납땜 등의 결합법으로 일체화한 구조라도 좋다.
가동식 냉각판(31)은 에어 실린더 등으로 이루어지는 승강 기구(33)에 부착되어 있다.
이에 따라, 승강 기구(33)를 작동시킴으로써 고정식 냉각판(31)을 상술한 접촉 위치와 이격 위치 사이에서 왕복운동시킬 수 있게 된다. 또한, 가동식 냉각판(31)을 사용하지 않고서 냉매 유로를 갖는 냉각 스테이지(32) 자체를 지지판(12)의 하면 측에 접촉하는 위치와 상기 하면 측으로부터 이격하는 위치 사이에서 왕복운동시키더라도 좋다.
상기한 가동식 냉각판(31)의 상면이나 고정식 냉각 스테이지(32)의 상면 및/또는 지지판(12)의 하면에는 개재층(도시하지 않음)을 두어도 좋다. 이 개재층은, 두께 방향으로 쿠션성(유연성)을 갖고 있는 것이 바람직하고, 또한 내열성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 더욱이, 예컨대 1 W/m·K 이상의 높은 열전도율을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이러한 재질로서는, 발포 금속, 금속 메쉬, 그래파이트 시트, 또는 불소 수지, 폴리이미드 수지, 혹은 실리콘 수지 등의 수지 시트를 들 수 있다. 또한, 상기한 수지 시트에 카본 등의 열전도성 필러를 함유함으로써 열저항을 보다 작게 할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 일 구체예의 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10) 및 냉각 유닛(30)은 적합하게는 스테인리스로 이루어지는 용기(40) 내에 수용되어 있는 것이 바람직하다.
[실시예]
[실시예 1]
도 1에 도시하는 것 같은 아래쪽에 냉각 유닛(30)이 마련된 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)을 제작하여 그 웨이퍼 배치면(11a)의 균열성(均熱性)을 평가했다. 구체적으로는, 우선 웨이퍼 배치대(11)로서 직경 320 mm×두께 3 mm의 원판형의 구리판을 준비했다. 이 구리판의 웨이퍼 배치면(11a)으로 되는 면과는 반대쪽의 면의 후술하는 중심 위치에 15개의 스폿페이싱 구멍을 형성하고, 이들 스폿페이싱 구멍의 각각에, 세라믹스제(W2 mm×D2 mm×H1 mm)의 온도 측정 소자를, 실리콘 접착제를 이용하여 접착 고정했다.
이어서 지지판(12)으로서 직경 320 mm×두께 3 mm의 원판형의 Si-SiC판을 준비했다. 이 Si-SiC판에는, 상기 온도 측정 소자의 리드선이나, 후술하는 나사 등의 삽입 관통용의 관통 구멍을 형성했다. 이어서 발열 모듈(13)의 복수의 발열 회로(13a)가 되는 저항 발열체로서, 두께 20 ㎛의 스테인리스박에 상기 복수의 발열 회로(13a)의 회로 패턴을 에칭으로 형성하고, 이들의 각각의 양 종단부에 급전 케이블을 부착한 후, 이 저항 발열체를 상하 양면에서 두께 50 ㎛의 폴리이미드 시트로 덮어 열압착하여, 직경 320 mm의 원형 필름형의 발열 모듈(13)을 준비했다.
여기서, 상기한 발열 모듈(13)의 복수의 발열 회로(13a)가 각각 마련되는 복수의 가열 존은, 도 2의 구분 패턴으로 되도록 했다. 구체적으로는, 원형의 발열 모듈(13)의 중심점에 대하여 φ120 mm, φ247 mm, φ302 mm의 3개의 동심원으로 원형 중앙부(A)와 환형 중간부(B)와 환형 주연부(C)로 3 구분하고, 또한 φ120 mm의 원형 중앙부(A)를 원주 방향으로 3 등분하여 중앙부 부채형 가열 존(A1∼A3)으로 하고, 외경 φ246 mm, 내경 φ120 mm의 환형 중간부(B)를 원주 방향으로 6 등분하여 중간부 부채형 가열 존(B1∼B6)으로 하고, 외경 φ302 mm, 내경 φ247 mm의 환형 주연부(C)를 원주 방향으로 6 등분하여 주연부 부채형 가열 존(C1∼C6)으로 했다. 이들 합계 15 구획의 가열 존의 각각에 설치한 15개의 발열 회로(13a)가 개별로 제어되도록, 상기 온도 측정 소자는 각 구획의 중심 위치에 배치했다. 또한, 발열 회로의 상기 급전 케이블도 각 구획마다 인출되게 된다.
이와 같이 하여 제작한 발열 모듈(13)을 상기한 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)의 사이에 끼워 넣고, 지지판(12)에 미리 형성해 놓은 관통 구멍에 나사를 삽입 관통하여 웨이퍼 배치대(11)에 나사식으로 결합했다. 이에 따라, 발열 모듈(13)을 사이에 두고서 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)이 상호 기계적으로 결합된 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)을 제작했다. 또한, 상기한 나사에는, 열팽창량차로 웨이퍼 배치대(11)나 지지판(12)이 변형되지 않도록, 시트면에 베어링을 갖춘 체결 나사를 이용했다. 이 체결 나사를, PCD 120 mm로 3개, PCD 310 mm로 6개 마련했다. 또한, 온도 측정 소자의 리드선으로부터 열이 빠져나가는 것을 억제하기 위해서, 지지판(12)으로부터 빼낸 온도 측정 소자의 리드선을 지지판(12)에 30 mm의 길이에 걸쳐 접촉시킨 상태에서 실리콘 수지로 접착 고정했다.
이어서, 이 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)의 아래쪽에 마련하는 냉각 유닛(30)으로서, 가동식 냉각판(31)용의 직경 320 mm×두께 12 mm의 원판형 알루미늄 합금판과, 고정식 냉각 스테이지(32)용의 직경 320 mm×두께 12 mm의 원판형 알루미늄 합금판을 준비했다. 가동식 냉각판(31)용의 알루미늄 합금판에는, 상기 지지판(12)에 접촉하는 상면 측에, 지지판(12)과 가동식 냉각판(31)의 전면이 접촉하도록 유연성을 가진 실리콘 시트를 배치했다. 한편, 고정식 냉각 스테이지(32)용의 알루미늄 합금판의 하면에, 나사를 이용하여 냉매 유로(32a)용의 외경 6 mm×두께 1 mm의 인탈산구리 파이프를 부착했다. 그리고, 구리 파이프의 양끝에 냉매를 공급·배출하기 위한 조인트를 부착했다.
이와 같이 하여 제작한 냉각 유닛(30)으로서의 양 알루미늄 합금판에, 상기 급전 케이블, 온도 측정 소자의 리드선 및 후술하는 용기(40)의 바닥부로부터 세워 마련하는 다리부(20)가 삽입 관통하는 관통 구멍을 형성했다. 또한 고정식 냉각 스테이지(32)용의 알루미늄 합금판에는, 가동식 냉각판(31)의 에어 실린더로 이루어지는 승강 기구(33)의 로드가 삽입 관통하는 관통 구멍을 형성했다.
상기한 냉각 유닛(30)을 두께 1.5 mm의 측벽을 가지면서 또한 상부가 개방된 스테인리스제 용기(40) 내에 설치했다. 고정식 냉각 스테이지(32)의 하측에 승강 기구(33)를 부착하고, 그 로드를 상기한 로드 삽입 관통용의 관통 구멍에 삽입 관통시켜 그 선단에 가동식 냉각판(31)을 부착했다. 이와 같이 하여, 냉각 유닛(30)을 갖춘 시료 1의 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)을 제작했다. 또한, 승강 기구(33)의 로드가 후퇴하고 있을 때의 지지판(12)의 하면과 가동식 냉각판(31)의 상면의 이격 거리는 10 mm였다.
비교를 위해서, 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)의 사이에 협지시키는 발열 모듈의 구분 패턴을 도 2 대신 도 4 및 도 6의 구분 패턴으로 한 것 이외에는 상기 시료 1과 같은 식으로 하여 냉각 유닛을 갖춘 시료 2 및 3의 웨이퍼 가열용 히터 유닛을 제작했다.
즉, 시료 2의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 발열 모듈에 있어서는 그 중심점에 대하여 φ95 mm, φ246 mm, φ302 mm의 3개의 동심원으로 원형 중앙부(D)와 환형 중간부(E)와 환형 주연부(F)로 3 분할하고, 원형 중앙부(D) 및 환형 중간부(E)에 관해서는 원주 방향으로 분할하지 않고서 각각 그대로 원형 가열 존 및 환형 가열 존으로 하고, 외경 φ302 mm, 내경 φ246 mm의 환형 주연부(F)만 원주 방향으로 4 등분하여 주연부 부채형 가열 존(F1∼F4)으로 했다. 이들 합계 6 구획의 가열 존 각각의 중심 위치에 온도 측정 소자를 설치했다. 단, 환형 중간부(E)에 관해서는, 발열 모듈의 중심점에 대하여 φ170.5 mm의 원주 상의 한 곳에 온도 측정 소자를 설치했다.
한편, 시료 3의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 발열 모듈에 있어서는, 그 중심점에 대하여 φ95 mm, φ171.5 mm, φ246 mm, φ302 mm의 4개의 동심원으로 원형 중앙부(G)와 내측 환형 중간부(H)와 외측 환형 중간부(I)와 환형 주연부(J)로 4 분할하고, 또한 외경 φ171.5 mm, 내경 φ95 mm의 내측 환형 중간부(H)를 원주 방향으로 2 등분하여 내측 중간부 부채형 가열 존(H1∼H2)으로 하고, 외형 φ246 mm, 내경 φ171.5 mm의 외측 환형 중간부(I)를 원주 방향으로 4 등분하여 외측 중간부 부채형 가열 존(I1∼I4)으로 하고, 외경 φ302 mm, 내경 φ246 mm의 환형 주연부(J)를 원주 방향으로 8 등분하여 주연부 부채형 가열 존(J1∼J8)으로 했다. 이들 합계 15 구획의 가열 존 각각의 중심 위치에 온도 측정 소자를 설치했다. 상기 시료 1∼3의 히터 유닛에 있어서의 복수의 가열 존의 구분 패턴을 정리한 것을 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
도 3을 참조하면, 시료 1에 있어서 중앙부 부채형 가열 존(A1)의 중심과 중간부 부채형 가열 존(B1)의 중심과의 거리는 선분(LA1B1)의 길이(67.5 mm)이다. 중앙부 부채형 가열 존(A1)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LA1)의 길이(52.0 mm)이다. 중간부 부채형 가열 존(B1)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LB1)의 길이(63.6 mm)이다. 중간부 부채형 가열 존(B1)의 중심과 주연부 부채형 가열 존(C1)의 중심과의 거리는 선분(LB1C1)의 길이(45.5 mm)이다. 주연부 부채형 가열 존(C1)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LC1)의 길이(75.8 mm)이다.
도 5를 참조하면, 시료 2에 있어서 원형 중앙부(D)의 중심과 환형 중간부(E)의 중심과의 거리는 선분(LDE)의 길이(85.3 mm)이다. 원형 중앙부(D)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LD)의 길이(47.5 mm)이다. 환형 중간부(E)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LE)의 길이(208.3 mm)이다. 환형 중간부(E)의 중심과 주연부 부채형 가열 존(F3)의 중심과의 거리는 선분(LEF3)의 길이(51.8 mm)이다. 주연부 부채형 가열 존(F3)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LF3)의 길이(111.0 mm)이다.
도 7을 참조하면, 시료 3에 있어서 원형 중앙부(G)의 중심과 내측 중간부 부채형 가열 존(H1)의 중심과의 거리는 선분(LGH1)의 길이(66.6 mm)이다. 원형 중앙부(G)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LG)의 길이(47.5 mm)이다. 내측 중간부 부채형 가열 존(H1)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LH1)의 길이(108.6 mm)이다. 내측 중간부 부채형 가열 존(H1)의 중심과 외측 중간부 부채형 가열 존(I1)의 중심과의 거리는 선분(LH1I1)의 길이(37.8 mm)이다. 외측 중간부 부채형 가열 존(I1)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LI1)의 길이(88.7 mm)이다. 외측 중간부 부채형 가열 존(I1)의 중심과 주연부 부채형 가열 존(J1)의 중심과의 거리는 선분(LI1J1)의 길이(32.6 mm)이다. 주연부 부채형 가열 존(J1)의 중심과 경계 사이의 최장 거리는 선분(LJ1)의 길이(57.8 mm)이다.
위에서 제작한 시료 1∼3의 히터 유닛에 대하여, 우선 웨이퍼 배치면(11a)의 평면도를 시판되는 삼차원 측정기로 측정했다. 이어서, 이들 시료 1∼3의 히터 유닛 각각에 대하여 복수의 발열 회로(13a)에 급전하여 상온에서부터 110℃까지 승온시킨 후, 설정 온도 110℃로 온도 제어하면서 1시간 유지했다. 그 후, 온도 측정 센서가 매설된 시판되는 웨이퍼 온도계를 웨이퍼 배치면(11a)에 설치하여, 웨이퍼 배치면(11a) 내의 최대 온도와 최소 온도의 차인 균열 레인지를 계측했다. 그 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
상기 표 2의 결과로부터 알 수 있는 것과 같이, 시료 2의 히터 유닛에서는 균열 레인지가 0.17℃가 되고, 시료 3의 히터 유닛에서는 균열 레인지가 0.21℃가 되었다. 상세한 온도 분포에 의하면, 시료 2에서는 환형 중간부(E)의 가열 존에 있어서 최대 온도와 최소 온도가 존재하고 있고, 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)을 체결하고 있는 볼트 근방이 저온역으로 되었다. 한편, 시료 3에서는 외측 환형 중간부(I) 중 한 곳의 가열 존이 고온역으로 되었다.
시료 3의 히터 유닛의 발열 회로로의 출력을 확인하면, 고온역으로 되었던 상기 외측 환형 중간부(I)의 한 곳의 가열 존에서는 출력이 없고, 이것에 인접하는 내측 환형 중간부(H)의 가열 존으로의 출력이 상대적으로 컸다. 이것은, 상호 인접하는 가열 존끼리의 양 중심 위치가 각각의 가열 존의 크기와 비교하여 지나치게 근접해 있고, 구체적으로는 이들 양 중심 위치의 이격 거리가 각각의 가열 존의 중심 위치에서부터 존 경계까지의 최장 거리의 50% 미만으로 되어 있기 때문에, 인접하는 내측 환형 중간부(H)의 발열 회로의 영향을 크게 받아 외측 환형 중간부(I)에서는 출력하지 않더라도 설정 온도 이상에 도달한 것에 의한 것이라고 생각된다. 즉, 인접하는 가열 존 사이에서 온도 제어에 간섭이 생긴 것이 원인으로 추찰된다.
한편, 시료 1의 히터 유닛에서는 균열 레인지가 0.06℃이며, 이것은 상호 인접하는 가열 존끼리의 양 중심 위치의 이격 거리가 각각의 가열 존의 중심 위치에서부터 존 경계까지의 최장 거리의 50% 이상이기 때문에, 상기한 시료 2나 3에서 확인된 국소적인 온도 저하나 인접하는 가열 존끼리의 온도 제어의 간섭에 의한 특이적인 온도 분포는 확인되지 않았다. 더욱이, 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)을 체결하는 체결 볼트 주변의 온도도 특이적이지 않았다. 이것은, 체결 볼트의 위치를, 원형 중앙부(A)의 가열 존과 그 외주 측의 환형 중간부(B)의 가열 존의 경계 상에 배치함으로써, 상기 체결 볼트의 영향을 복수의 가열 존에서 분산할 수 있었던 것에 의한 것으로 추찰된다.
[실시예 2]
웨이퍼 배치대(11)의 재질을 구리 대신에 Si-SiC로 한 것 이외에는 상기한 실시예 1의 시료 1∼3과 같은 식으로 각각 시료 4∼6의 히터 유닛을 제작하여, 실시예 1와 같은 평가를 했다. 그 결과를 웨이퍼 배치대(11)의 평면도와 더불어 하기 표 3에 나타낸다.
Figure pct00003
상기 표 3으로부터 실시예 1과 같은 경향이 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1과 비교하여 시료 4∼6의 히터 유닛은 모두 약간의 균열성 향상이 인정되었다. 이것은, 웨이퍼 배치대(11)의 재질을 강성이 높은 Si-SiC로 바꿈으로써, 웨이퍼 배치대(11)의 평면도가 안정적이며, 이로써 웨이퍼 배치면(11a)과 웨이퍼의 거리가 전면에 걸쳐 균등하게 됨에 의한 것으로 추찰된다.
[제2 실시형태]
[본 개시의 제2 실시형태가 해결하고자 하는 과제]
상기한 것과 같이 웨이퍼 배치면에 평행한 면에 복수의 발열 회로를 연장시킴으로써 상기 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존을 개별로 온도 제어할 수 있게 되지만, 각 가열 존에 둔 발열 회로의 발열량을 전압이나 전류로 제어하는 제어계에서는, 일반적으로 온도 검출기로서 각 가열 존마다 1개의 온도 센서가 마련되기 때문에, 복수의 가열 존 각각의 면적에 변동이 있으면, 이들 복수의 가열 존의 온도를 밸런스 좋게 제어하기가 어렵게 되어, 양호하게 온도 제어할 수 없는 경우가 있었다.
종래에는 상기한 온도 제어 상의 문제에 기인하는 웨이퍼 배치면의 균열성에 미치는 악영향은 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 문제시되는 일은 거의 없지만, 최근의 반도체 디바이스의 미세화에 따라, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면의 온도는 보다 정밀한 제어가 요구되게 되고 있다. 그 때문에, 지금까지 문제시되지 않았던 상기한 문제가 현재화되고 있다. 본 발명은 이러한 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존을 밸런스 좋게 온도 제어함으로써 웨이퍼 배치면의 균열성을 높일 수 있는 웨이퍼 가열용 히터 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[본 개시의 제2 실시형태의 효과]
웨이퍼 배치면에 획정되는 복수의 가열 존을 밸런스 좋게 온도 제어할 수 있기 때문에, 상기 웨이퍼 배치면의 균열성을 높일 수 있게 된다.
[제2 실시형태의 상세한 설명]
제2 실시형태에 따른 웨이퍼 가열용 히터 유닛은, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와,
상기 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과,
상기 웨이퍼 배치대와 상기 지지판 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 가지며,
상기 발열 모듈은 상기 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 가지며,
상기 웨이퍼 배치면은 상기 복수의 발열 회로에 의해서 복수의 가열 존으로 구분되어 있고,
상기 복수의 가열 존은, 상기 웨이퍼 배치면의 중앙에 마련된 원형 중앙부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존, 상기 원형 중앙부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존, 및 상기 환형부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형 주연부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존으로 구성되고,
상기 복수의 가열 존 각각의 면적은 상기 복수의 가열 존의 평균 면적의 ±30% 이내이다. 이에 따라, 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존을 밸런스 좋게 온도 제어할 수 있기 때문에, 상기 웨이퍼 배치면의 균열성을 높일 수 있게 된다.
상기한 웨이퍼 가열용 히터 유닛에 있어서는, 상기 원형 중앙부는 원주 방향으로 3 등분되어 있고, 상기 환형부인 환형 중간부는 원주 방향으로 6 등분되어 있고, 상기 환형 주연부는 원주 방향으로 6 등분되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 반도체 웨이퍼가 배치되는 배치면의 균열성을 더한층 높일 수 있다. 또한, 상기한 웨이퍼 가열용 히터 유닛에 있어서는, 상기 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이 및/또는 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 상기 반도체 웨이퍼의 리프트핀용 삽입 관통 구멍이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 리프트핀용 삽입 관통 구멍에 의한 배치면의 균열성에 미치는 악영향을 억제할 수 있다.
이어서, 제2 실시형태에 따른 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 일 구체예에 관해서 설명한다. 도 1에 도시하는 것과 같이, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 반도체 웨이퍼(W)를 배치하는 웨이퍼 배치면(11a)을 상면에 구비한 원판형상의 웨이퍼 배치대(11)와, 이 웨이퍼 배치대(11)와 거의 동등한 외경을 갖는 원판형상으로 이루어지고, 상기 웨이퍼 배치대(11)를 그 하면 측에서 전면에 걸쳐 지지하는 지지판(12)과, 이들 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12) 사이에 전기적 절연 상태로 협지되고, 이 웨이퍼 배치대(11)와 거의 동등한 외경을 갖는 원형 박막형의 발열 모듈(13)을 갖고 있다. 이 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 지지판(12)의 하면 측에 마련된 복수의 기둥형 다리부(20)에 의해서 지지되어 있다.
상기한 웨이퍼 배치대(11)는, 웨이퍼 배치면(11a)의 전면에 걸쳐 매우 높은 온도 균일성, 즉 높은 균열성을 실현하도록 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 예컨대 구리나 알루미늄 등의 금속이 보다 바람직하다. 웨이퍼 배치대(11)의 재질은, 탄화규소, 질화알루미늄, Si-SiC, Al-SiC 등의 강성(영율)이 높은 세라믹스나 세라믹스 복합체라도 좋으며, 이에 따라 웨이퍼 배치면(11a)의 평탄성을 항상 유지할 수 있게 되는데다, 웨이퍼 배치면(11a)의 휘어짐 방지를 목적으로 하여 웨이퍼 배치대(11)를 두껍게 할 필요가 없어지기 때문에 열용량을 작게 할 수 있고, 이로써 승온·강온 속도를 빠르게 할 수 있게 된다.
지지판(12)의 재질도, 강성(영율)이 높은 탄화규소, 질화알루미늄, Si-SiC, Al-SiC 등의 세라믹스나 세라믹스 복합체를 이용하는 것이 바람직하다. 특히 웨이퍼 배치대(11)의 재질이 금속인 경우, 후술하는 것과 같이 발열 모듈(13)을 사이에 두고서 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)을 서로 기계적으로 결합함으로써, 웨이퍼 배치면(11a)의 휘어짐을 억제할 수 있기 때문에, 웨이퍼 배치면(11a)에 있어서 높은 균열성과 평탄성을 겸비한 히터 유닛(10)을 실현할 수 있다.
이들 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)은 나사 고정 등에 의해서 상호 기계적으로 결합하는 것이 바람직하다. 특히 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)이 상호 다른 재질로 이루어지는 경우는, 웨이퍼 배치대(11) 및 지지판(12)이 각각의 온도에 따라서 웨이퍼 배치면(11a)의 방향으로 자유롭게 열팽창할 수 있도록, 예컨대 지지판(12)에 두께 방향으로 관통한 나사 구멍(도시하지 않음)에 하측에서 수나사(도시하지 않음)를 삽입 관통하고, 웨이퍼 배치대(11)의 하면 측에 마련한 암나사부(도시하지 않음)에 나사식 결합시킴과 더불어, 상기 수나사의 시트면과 그 접촉부가 되는 지지판(12)의 하면과의 사이에 예컨대 베어링(도시하지 않음)을 개재시키는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우는 발열 모듈(13)에 있어서도 상기 지지판(12)의 나사 구멍에 대응하는 위치에 상기 암나사부의 삽입 관통 구멍이 형성되게 된다.
여기서, 상기 나사 고정부는 후술하는 발열 회로의 유효 직경 밖에 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 국소적인 쿨스폿이 거의 생기지 않는 온도 균일성이 높은 배치대를 실현할 수 있다. 또한, 상기 나사 고정부를 발열 회로의 유효 직경 내에 배치하는 경우는, 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이 및/또는 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 배치하며, 또한 이 배치 위치를 지나는 웨이퍼 배치면의 반경 방향의 선분에 관해서 상기 구분 패턴이 선대칭으로 되도록 하는 것이 바람직하고, 이에 따라 상기 나사 고정부에 의한 온도 균일성의 악화를 억제할 수 있다. 상기한 나사 고정부는, 상술한 리프트핀 삽입 관통 구멍과 동일한 상기 반경 방향의 선분 상에 위치하며 또한 이 선분에 관해서 상기 구분 패턴이 선대칭인 것이 더욱 바람직하다. 상기한 것과 같이, 배치대, 발열 유닛, 지지판의 어느 하나 또는 전부에 간섭하는 기계 부품이나 전장 부품 등의 특이점이 존재하는 경우는, 이들 특이점을, 발열 회로의 유효 직경 밖에 배치하거나, 혹은 유효 직경 내인 경우는 인접하는 가열 존 사이이면서 또한 구분 패턴의 대칭선이 되는 위치에 둠으로써, 온도 균일성을 해치지 않고서 원하는 기능을 발휘시킬 수 있다. 여기서, 발열 회로의 유효 직경이란, 웨이퍼 배치면(11a) 중, 후술하는 발열 회로(13a)가 바로 아래에 놓여 있는 원형 영역의 직경이다.
상기한 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)의 사이에 협지되는 발열 모듈(13)은, 상기한 웨이퍼 배치면(11a)에 평행한 면 위로 연장되는 복수의 발열 회로(13a)를 갖고 있다. 이들 복수의 발열 회로(13a)는, 상기한 웨이퍼 배치대(11) 및 지지판(12)으로부터 전기적으로 절연 상태가 되도록 절연체로 덮여 있다. 이러한 형태의 발열 모듈(13)은, 예컨대 스테인리스박 등의 도전성 금속박에 에칭이나 레이저 가공으로 패터닝 가공을 실시함으로써 복수의 발열 회로(13a)를 형성한 후, 이것을 위아래에서 예컨대 폴리이미드 시트 등의 내열성 절연 시트로 끼워 넣음으로써 제작할 수 있다.
혹은, 발열 회로(13a)의 회로 패턴의 라인 폭이 가늘거나, 발열 회로(13a)에 이용하는 도전성 금속박의 두께가 얇거나 하는 등의 이유에 의해 발열 회로(13a)를 취급하기가 어려운 경우는, 패터닝 가공 전의 도전성 금속박과 전기 절연을 위한 폴리이미드 시트 등의 내열 절연 시트를 미리 겹쳐 열압착하고, 이 열압착 후에 도전성 금속박만을 에칭 등으로 패터닝 가공함으로써, 베이스가 되는 전면 폴리이미드 필름과 패턴박(즉, 박 형상의 발열 회로(13a))을 일체화시키고, 이 일체화된 박 형상의 발열 회로(13a) 위에서 또한 폴리이미드 필름을 겹쳐 열압착함으로써 상기한 발열 모듈(13)을 제작하여도 좋다.
이와 같이, 웨이퍼 배치면(11a)에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로(13a)를 발열 모듈(13) 내에 설치함으로써, 웨이퍼 배치면(11a)를 복수의 가열 존으로 구분할 수 있다. 이들 복수의 발열 회로(13a)에 의해서 획정되는 복수의 가열 존의 구분 패턴에는 특별히 한정은 없지만, 원판형상의 웨이퍼 배치대(11)는 일반적으로 중앙부보다도 표면적이 넓은 주연부로부터의 방열이 많기 때문에, 정상 상태에서는 상기 주연부가 국소적으로 저온으로 되기 쉽다. 한편, 반도체 웨이퍼가 배치대에 배치되면, 일반적으로 웨이퍼 직경보다도 배치대의 외경이 크기 때문에, 배치대에는 중앙부가 외주부보다도 저온인 동심원형의 센터쿨형 온도 분포가 생긴다. 그 후, 배치대의 온도는 제어계의 작동에 의해 소정의 온도까지 승온하지만, 상기한 온도 분포의 영향을 받기 때문에 반도체 웨이퍼의 과도적인 온도 분포도 동심원형의 센터쿨로 된다. 이러한 센터쿨형 온도 분포를 보정하기 위해서, 가열 존의 구분 패턴은 반경 방향으로 동심원형으로 분할하는 것이 바람직하다. 또한, 히터 유닛(10)이 탑재되는 진공 챔버의 벽면에는 로드록 등이 마련되어 있기 때문에, 웨이퍼 배치대(11)의 주위 환경은 원주 방향으로 균등하지 않다. 그래서 도 2에 도시하는 것과 같이, 웨이퍼 배치면(11a)을 동심원형으로 분할한 다음에 또 원주 방향으로 균등하게 분할한 구분 패턴이 바람직하다.
즉, 이 도 2에 도시하는 복수의 가열 존의 구분 패턴에서는, 웨이퍼 배치면(11a)이, 원형 중앙부(A)와, 원형 중앙부(A) 외측의 환형 중간부(B)와, 환형 중간부(B) 외측의 환형 주연부(C)로 동심원형으로 구분되어 있다. 더욱이, 원형 중앙부(A)는 중앙부 부채형 가열 존(A1∼A3)으로서 원주 방향으로 3 등분되어 있다. 환형 중간부(B)는 중간부 부채형 가열 존(B1∼B6)으로서 원주 방향으로 6 등분되어 있다. 환형 주연부(C)는 주연부 부채형 가열 존(C1∼C6)으로서 원주 방향으로 6 등분되어 있다.
더욱이, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)에 있어서, 상기한 것과 같이 하여 구분된 15개의 가열 존 각각의 면적은, 이들 15개의 가열 존의 평균 면적의 ±30% 이내이다. 즉, 웨이퍼 배치면(11a)에 획정된 복수의 가열 존의 수를 n, 이들 복수의 가열 존의 면적을 각각 S1, S2, S3, … 및 Sn으로 했을 때, 어느 Sx(단, x=1, 2, 3, …, n)에 있어서나 하기 식 1이 성립한다.
[식 1]
-30≤{Sx-(S1+S2+ … +Sn)/n}×100≤30
이에 따라, 웨이퍼 배치면(11a)에 획정된 복수의 가열 존 각각의 면적이 크게 변동되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 이들 복수의 가열 존을 밸런스 좋게 온도 제어할 수 있다. 그 결과, 웨이퍼 배치면(11a)의 균열성을 높일 수 있게 된다.
또한, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 상기한 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 반도체 웨이퍼의 리프트핀용 삽입 관통 구멍이 형성되어 있어도 좋다. 예컨대 도 2에는, 중앙부 부채형 가열 존 A1과 A2의 사이, A2와 A3의 사이 및 A3과 A1의 사이에 3개의 리프트핀용 삽입 관통 구멍(Q1∼Q3)이 각각 형성된 예가 도시되어 있다. 이와 같이 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 리프트핀용 삽입 관통 구멍을 형성함으로써, 상기 삽입 관통 구멍에 의한 배치면(11a)의 균열성에 미치는 악영향을 억제할 수 있다. 혹은, 리프트핀용 삽입 관통 구멍은 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 형성하여도 좋고, 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이이면서 또한 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 형성하여도 좋다.
각 가열 존 내에 형성되어 있는 도시하지 않는 발열 회로의 회로 패턴에 관해서는 특별히 한정은 없고, 여러 가지 회로 패턴을 가질 수 있다. 예컨대 동심원형의 복수의 만곡 도전부와, 이들 만곡 도전부의 인접하는 것끼리를 접속하는 직선 도전부로 한붓그리기 형상으로 형성된 회로 패턴으로 할 수 있다. 이 경우, 발열 회로의 양단부에 각각 2개의 전극 단자(도시하지 않음)가 접속되게 된다.
또한, 복수의 발열 회로는 가열 존마다 발열 밀도가 다르게 하여도 좋다. 예컨대 상술한 것과 같이, 일반적으로 웨이퍼 직경보다도 배치대의 외경이 크기 때문에, 반도체 웨이퍼가 배치대에 배치되면, 상기 배치대에는 중앙부가 외주부보다도 저온인 동심원형의 센터쿨형 온도 분포가 생긴다. 그 후, 배치대의 온도는 제어계의 작동에 의해 소정의 온도까지 승온하지만, 상기한 온도 분포의 영향을 받기 때문에, 반도체 웨이퍼의 과도적인 온도 분포도 동심원형의 센터쿨로 된다. 이러한 센터쿨형의 온도 분포를 보정하기 위해서 중앙부 부채형 가열 존(A1∼A3)의 발열 밀도를 높게 설계함으로써, 웨이퍼 배치 시의 과도적인 온도 균일성을 한층 더 향상시킬 수 있다. 발열 밀도를 높게 하는 방법으로서는, 발열 회로의 회로 패턴의 피치를 좁게 하거나 발열체 회로를 구성하는 도전선의 폭을 가늘게 하거나 함으로써 실현된다.
또한, 발열 모듈(13)에 있어서는, 웨이퍼 배치면(11a)에 평행한 전면적에 대하여 발열 회로의 유효 면적(즉, 발열 모듈(13)의 상기 전면적에서 상호 인접하는 가열 존끼리의 이격 스페이스, 나사 구멍이나 리프트 핀의 삽입 관통 구멍, 온도 측정 센서 설치 부위 등의 발열이 없는 스페이스를 뺀 것)의 비율, 즉 유효 발열 영역의 비율이 80% 이상인 것이 바람직하다.
웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 복수의 가열 존 각각에 있어서 예컨대 저항치가 조정된 온도 측정 소자로 이루어지는 온도 측정 센서(도시하지 않음)를 가열 존의 중심 위치에 설치함과 더불어, 각 온도 측정 센서의 검출치에 기초하여 상기 가열 존 내의 발열 회로를 개별로 제어하는 것이 바람직하다. 가열 존의 중심 위치란, 가열 존의 반경 방향의 중점이면서 또한 원주 방향의 중점이 되는 점을 말한다. 즉, 가열 존의 외주를 이루는 원호의 반경을 r1, 내주를 이루는 원호의 반경을 r2(원인 경우는 r2=0)로 하고, 원주 방향의 경계의 위치를 임의의 반경 위치로부터의 각도에 따라서 θ1와 θ2로 한 경우에, (r1+r2)/2이면서 또한 (θ1+θ2)/2이 되는 점을 상기 가열 존의 중심 위치라고 정의한다. 여기서, 원주 방향의 분할수 n=0인 경우, 즉 영역이 원 또는 원환인 경우에는, 원주 방향의 위치 (θ1+θ2)/2는 원주 상의 임의의 위치가 되기 때문에, 인접하는 중심 위치의 이격 거리를 구하는 경우에는 최단의 거리가 되는 점으로 정의한다.
상기한 것과 같이 제어계를 구성함으로써, 웨이퍼 배치면(11a)을 국소적으로 가열할 수 있기 때문에, 예컨대 로드록의 개폐 등에 의해 배치면(11a)이 부분적으로 냉각되는 경우라도 균열성을 양호하게 유지할 수 있게 된다. 상기 온도 측정 센서는 예컨대 웨이퍼 배치대(11)의 하면 측에 온도 측정 센서가 수용되는 크기의 스폿페이싱 구멍을 형성하고, 그 바닥면에 접착제를 도포하여 온도 측정 센서를 접착 고정함으로써 각 가열 존의 온도를 양호하게 검지할 수 있다.
다시 도 1로 되돌아가면, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은 지지판(12)의 아래쪽에 냉각 유닛(30)이 마련되어 있다. 이 냉각 유닛(30)은, 1점쇄선으로 나타내는 것과 같이 지지판(12)의 하면 측에 접촉하는 접촉 위치와, 실선으로 나타내는 것과 같이 지지판(12)으로부터 이격하는 이격 위치의 사이에서 왕복운동 가능한 가동식 냉각판(31)과, 이 가동식 냉각판(31)이 상기 이격 위치에 있을 때에 접촉하는 고정식 냉각 스테이지(32)를 갖고 있다. 이들 가동식 냉각판(31) 및 고정식 냉각 스테이지(32)의 재질은, 열전도성이 높은 구리, 알루미늄, 니켈, 마그네슘, 티탄, 혹은 이들의 적어도 어느 하나를 주성분으로 하는 합금 또는 스테인리스로 이루어지는 군에서 선택하는 것이 바람직하다.
고정식 냉각 스테이지(32)는, 도시하지 않는 칠러 등의 냉각 장치로 냉각된 불소계 냉매 등의 부동액, 공기, 범용적인 물 등의 냉매가 순환하는 냉매 유로(32a)를 갖고 있다.
이 냉매 유로의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 금속제 판형 부재의 하면 측에 냉매 유로로서 Cu 등의 금속제 파이프를 따르게 하고, 이 금속제 파이프의 양끝에 스테인리스제 조인트를 부착함과 더불어, 금속제 파이프를 누름판으로 판형 부재에 꽉 누른 상태에서 상기 누름판과 판형 부재를 나사 등에 의해 기계적으로 결합하는 구조로 할 수 있다.
혹은, 보다 높은 열효율을 얻기 위해서, 금속제 판형 부재의 하면 측에 예컨대 스파이럴형의 스폿페이싱 홈을 형성하고, 이 스폿페이싱 홈 중에 스파이럴형으로 성형한 냉매 유통용의 금속제 파이프를 설치한 구조라도 좋다. 이 경우, 금속제 파이프와 냉각판의 양호한 열전달을 유지하기 위해서, 코킹재, 실란트, 접착제 등에 의해 금속제 파이프의 표면과 스폿페이싱 홈의 내면을 접착 고정하는 것이 바람직하다. 혹은, 동일한 재질의 대략 같은 형상의 2장의 판형 부재를 준비하여, 이들의 한쪽 또는 양쪽의 한 면에 기계 가공으로 유로가 되는 홈을 형성하고, 이 유로 측의 면이 대향하도록 2장의 판형 부재를 겹쳐 예컨대 경납땜 등의 결합법으로 일체화한 구조라도 좋다.
가동식 냉각판(31)은 에어 실린더 등으로 이루어지는 승강 기구(33)에 부착되어 있다.
이에 따라, 승강 기구(33)를 작동시킴으로써 고정식 냉각판(31)을 상술한 접촉 위치와 이격 위치의 사이에서 왕복운동시킬 수 있게 된다. 또한, 가동식 냉각판(31)을 사용하지 않고서 냉매 유로를 갖는 냉각 스테이지(32) 자체를 지지판(12)의 하면 측에 접촉하는 위치와 상기 하면 측으로부터 이격되는 위치의 사이에서 왕복운동시키더라도 좋다.
상기한 가동식 냉각판(31)의 상면이나 고정식 냉각 스테이지(32)의 상면 및/또는 지지판(12)의 하면에는 개재층(도시하지 않음)을 두어도 좋다. 이 개재층은, 두께 방향으로 쿠션성(유연성)을 갖고 있는 것이 바람직하고, 또한 내열성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 더욱이, 예컨대 1 W/m·K 이상의 높은 열전도율을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이러한 재질로서는, 발포 금속, 금속 메쉬, 그래파이트 시트, 또는 불소 수지, 폴리이미드 수지, 혹은 실리콘 수지 등의 수지 시트를 들 수 있다. 또한, 상기한 수지 시트에 카본 등의 열전도성 필러를 함유함으로써, 열저항을보다 작게 할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 일 구체예의 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10) 및 냉각 유닛(30)은 적합하게는 스테인리스로 이루어지는 용기(40) 내에 수용되어 있는 것이 바람직하다.
[실시예]
[실시예 3]
도 1에 도시하는 것과 같은 아래쪽에 냉각 유닛(30)이 마련된 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)을 제작하여 그 웨이퍼 배치면(11a)의 균열성을 평가했다. 구체적으로는, 우선 웨이퍼 배치대(11)로서 직경 320 mm×두께 3 mm의 원판형의 구리판을 준비했다. 이 구리판의 웨이퍼 배치면(11a)으로 되는 면과는 반대쪽의 면의 후술하는 중심 위치에 15개의 스폿페이싱 구멍을 형성하고, 이들 스폿페이싱 구멍의 각각에, 세라믹스제(W2 mm×D2 mm×H1 mm)의 온도 측정 소자를, 실리콘 접착제를 이용하여 접착 고정했다.
이어서 지지판(12)으로서 직경 320 mm×두께 3 mm의 원판형의 Si-SiC판을 준비했다. 이 Si-SiC판에는, 상기 온도 측정 소자의 리드선이나, 후술하는 나사 등의 삽입 관통용 관통 구멍을 형성했다. 이어서 발열 모듈(13)의 복수의 발열 회로(13a)로 되는 저항 발열체로서, 두께 20 ㎛의 스테인리스박에 상기 복수의 발열 회로(13a)의 회로 패턴을 에칭으로 형성하고, 이들 각각의 양 종단부에 급전 케이블을 부착한 후, 이 저항 발열체를 상하 양면에서 두께 50 ㎛의 폴리이미드 시트로 덮어 열압착하여, 직경 320 mm의 원형 필름형의 발열 모듈(13)을 준비했다.
여기서, 상기한 발열 모듈(13)의 복수의 발열 회로(13a)가 각각 마련되는 복수의 가열 존은, 도 2의 구분 패턴이 되도록 했다. 구체적으로는, 원형의 발열 모듈(13)의 중심점에 대하여 φ120 mm, φ247 mm, φ302 mm의 3개의 동심원으로 원형의 중앙부(A)와 환형의 중간부(B)와 환형의 주연부(C)로 3 구분하고, 또한 φ120 mm의 원형 중앙부(A)를 원주 방향으로 3 등분하여 중앙부 부채형 가열 존(A1∼A3)으로 하고, 외경 φ246 mm, 내경 φ120 mm의 환형 중간부(B)를 원주 방향으로 6 등분하여 중간부 부채형 가열 존(B1∼B6)으로 하고, 외경 φ302 mm, 내경 φ246 mm의 환형 주연부(C)를 원주 방향으로 6 등분하여 주연부 부채형 가열 존(C1∼C6)으로 했다. 이들 합계 15 구획의 가열 존 각각에 설치한 15개의 발열 회로(13a)가 개별로 제어되도록, 상기 온도 측정 소자는 각 구획의 중심 위치에 배치했다. 또한, 발열 회로의 상기 급전 케이블도 각 구획마다 인출되게 된다.
이와 같이 하여 제작한 발열 모듈(13)을 상기한 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)의 사이에 끼워 넣고, 지지판(12)에 미리 형성해 놓은 관통 구멍에 나사를 삽입 관통하여 웨이퍼 배치대(11)에 나사식으로 결합했다. 이에 따라, 발열 모듈(13)을 사이에 두고서 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)이 상호 기계적으로 결합된 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)을 제작했다. 또한, 상기한 나사에는, 열팽창량차로 웨이퍼 배치대(11)나 지지판(12)이 변형되지 않도록, 시트면에 베어링을 갖춘 체결 나사를 이용했다. 이 체결 나사를, PCD 120 mm로 3개, PCD 310 mm로 6개 마련했다. 또한, 온도 측정 소자의 리드선으로부터 열이 빠져나가는 것을 억제하기 위해서, 지지판(12)으로부터 빼낸 온도 측정 소자의 리드선을 지지판(12)에 30 mm의 길이에 걸쳐 접촉시킨 상태로 실리콘 수지로 접착 고정했다.
이어서, 이 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)의 아래쪽에 설치하는 냉각 유닛(30)으로서, 가동식 냉각판(31)용의 직경 320 mm×두께 12 mm의 원판형 알루미늄 합금판과, 고정식 냉각 스테이지(32)용의 직경 320 mm×두께 12 mm의 원판형 알루미늄 합금판을 준비했다. 가동식 냉각판(31)용의 알루미늄 합금판에는, 상기 지지판(12)에 접촉하는 상면 측에, 지지판(12)과 가동식 냉각판(31)의 전면이 접촉하도록 유연성을 가진 실리콘 시트를 배치했다. 한편, 고정식 냉각 스테이지(32)용의 알루미늄 합금판의 하면에, 나사를 이용하여 냉매 유로(32a)용의 외경 6 mm×두께 1 mm의 인탈산구리 파이프를 부착했다. 그리고, 이 구리 파이프의 양끝에 냉매를 공급·배출하기 위한 조인트를 부착했다.
이와 같이 하여 제작한 냉각 유닛(30)으로서의 양 알루미늄 합금판에, 상기 급전 케이블, 온도 측정 소자의 리드선 및 후술하는 용기(40)의 바닥부로부터 세워 마련하는 다리부(20)가 삽입 관통하는 관통 구멍을 형성했다. 또한 고정식 냉각 스테이지(32)용의 알루미늄 합금판에는, 가동식 냉각판(31)의 에어 실린더로 이루어지는 승강 기구(33)의 로드가 삽입 관통하는 관통 구멍을 형성했다.
상기한 냉각 유닛(30)을 두께 1.5 mm의 측벽을 가지면서 또한 상부가 개방된 스테인리스제 용기(40) 내에 설치했다. 고정식 냉각 스테이지(32)의 하측에 승강 기구(33)를 부착하고, 그 로드를 상기한 로드 삽입 관통용의 관통 구멍에 삽입 관통시켜 그 선단에 가동식 냉각판(31)을 부착했다. 이와 같이 하여, 냉각 유닛(30)을 갖춘 시료 1의 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)을 제작했다. 또한, 승강 기구(33)의 로드가 후퇴하고 있을 때의 지지판(12)의 하면과 가동식 냉각판(31)의 상면의 이격 거리는 10 mm였다.
비교를 위해서, 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)의 사이에 협지시키는 발열 모듈의 구분 패턴을 도 2 대신에 도 4 및 도 5의 구분 패턴으로 한 것 이외에는 상기 시료 1과 같은 식으로 냉각 유닛을 갖춘 시료 2 및 3의 웨이퍼 가열용 히터 유닛을 제작했다.
즉, 시료 2의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 발열 모듈에 있어서는 그 중심점에 대하여 φ95 mm, φ246 mm, φ302 mm의 3개의 동심원으로 원형의 중앙부(D)와 환형의 중간부(E)와 환형의 주연부(F)로 3 분할하고, 원형 중앙부(D) 및 환형 중간부(E)에 관해서는 원주 방향으로 분할하지 않고서 각각 그대로 원형 가열 존 및 환형 가열 존으로 하고, 외경 φ302 mm, 내경 φ246 mm의 환형 주연부(F)만 원주 방향으로 4 등분하여 주연부 부채형 가열 존(F1∼F4)으로 했다. 이들 합계 6 구획의 가열 존 각각의 중심 위치에 온도 측정 소자를 설치했다. 단, 환형 중간부(E)에 관해서는, 발열 모듈의 중심점에 대하여 φ170.5 mm의 원주 상의 한 곳에 온도 측정 소자를 설치했다.
한편, 시료 3의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 발열 모듈에 있어서는, 그 중심점에 대하여 φ95 mm, φ171.5 mm, φ246 mm, φ302 mm의 4개의 동심원으로 원형의 중앙부(G)와 환형의 중간부(H)와 환형의 외측 중간부(I)와 환형 주연부(J)로 4 분할하고, 또한 외경 φ171.5 mm, 내경 φ95 mm의 내측 환형 중간부(H)를 원주 방향으로 2 등분하여 내측 중간부 부채형 가열 존(H1∼H2)으로 하고, 외형 φ246 mm, 내경 φ171.5 mm의 외측 환형 중간부(I)를 원주 방향으로 4 등분하여 외측 중간부 부채형 가열 존(I1∼I4)으로 하고, 외경 φ302 mm, 내경 φ246 mm의 환형 주연부(J)를 원주 방향으로 8 등분하여 주연부 부채형 가열 존(J1∼J8)으로 했다. 이들 합계 15 구획의 가열 존 각각의 중심 위치에 온도 측정 소자를 설치했다. 상기 시료 1∼3의 히터 유닛에 있어서의 복수의 가열 존의 구분 패턴을 정리한 것을 표 4에 나타낸다.
Figure pct00004
위에서 제작한 시료 1∼3의 히터 유닛에 대하여, 우선 웨이퍼 배치면(11a)의 평면도를 시판되는 삼차원 측정기로 측정했다. 이어서, 이들 시료 1∼3의 히터 유닛 각각에 대하여 복수의 발열 회로(13a)에 급전하여 상온에서부터 110℃까지 승온시킨 후, 설정 온도 110℃로 온도 제어하면서 1시간 유지했다. 그 후, 온도 측정 센서가 매설된 시판되는 웨이퍼 온도계를 웨이퍼 배치면(11a)에 설치하고, 웨이퍼 배치면(11a) 내의 최대 온도와 최소 온도의 차인 균열 레인지를 계측했다. 그 결과를 하기 표 5에 나타낸다.
Figure pct00005
상기 표 5의 결과로부터 알 수 있는 것과 같이, 시료 2의 히터 유닛에서는 균열 레인지가 0.17℃였다. 상세한 온도 분포에 의하면, 환형 중간부(E) 중에서 최대 온도와 최소 온도가 존재하고 있고, 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)을 체결하고 있는 볼트 근방이 저온역으로 되었다. 환형 중간부(E)는 1개의 가열 존만으로 구성되어 있다. 이로써, 전체 가열 존의 평균 면적과의 비율이 242%로 매우 크다. 또한, 온도 제어계를 구성하는 온도 측정 센서는, 상기한 넓은 가열 존 중에서 한 곳에만 마련되어 있다. 따라서, 환형 중간부(E)의 영역 내에 배치된 체결 볼트로부터의 방열을 온도 측정 센서가 검지할 수 없었던 것이 원인이라고 생각된다.
시료 3의 히터 유닛에서는 균열 레인지가 0.21℃이며, 상세한 온도 분포에 의하면, 원주 방향으로 8 등분한 주연부 부채형 가열 존(J1∼J8) 각각에 있어서, 온도 측정 센서를 배치하고 있는 중심 위치와 비교하여, 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 존 경계부의 온도가 높아졌다. 이것은, 환형 주연부(J)는 1개의 가열 존 당 면적이 작기 때문에, 온도 측정 센서의 설치를 위해서 발열 회로를 배치할 수 없는 부위, 즉 발열이 없는 부위가 차지하는 비율이 상대적으로 커진 것에 기인하는 것으로 생각된다. 더욱이, 온도 측정 센서의 설치 부위의 온도에 기초하여 온도 제어가 이루어지기 때문에, 예컨대 이 온도 측정 센서의 설치 부위 이외의 영역에서는 설정 온도를 넘고 있음에도 불구하고, 온도 측정 센서의 설치 부위에서는 온도가 설정 온도 미만으로 되는 경우가 있고, 그 결과, 발열 회로에 과도하게 급전이 이루어져 더욱 고온으로 된 것이 원인이라고 생각된다.
한편, 시료 1의 히터 유닛에서는, 각 가열 존의 면적의 전체 가열 존의 평균 면적과의 비율이 ±30% 이내이기 때문에, 시료 2나 3의 히터 유닛과 비교하여 웨이퍼 배치면(11a)을 밸런스 좋게 온도 제어할 수 있고, 그 결과, 균열 레인지는 0.06℃가 되었다. 또한, 온도 분포에 있어서도 특이점은 확인되지 않았다. 이것은 체결 나사의 배치 위치를 존 경계로 함으로써, 그 부의 방열의 영향을 복수의 구획으로 분배할 수 있었던 것에 의한 것으로 생각된다.
[실시예 4]
웨이퍼 배치대(11)의 재질을 구리 대신에 Si-SiC로 한 것 이외에는 상기한 실시예 3의 시료 1∼3과 같은 식으로 각각 시료 4∼6의 히터 유닛을 제작하여, 실시예 3와 같은 평가를 했다. 그 결과를 웨이퍼 배치대(11)의 평면도와 함께 하기 표 6에 나타낸다.
Figure pct00006
상기 표 6으로부터 실시예 3과 같은 경향이 있는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 3과 비교하여 시료 4∼6의 히터 유닛은 모두 약간의 균열성 향상이 인정되었다. 이것은, 웨이퍼 배치대(11)의 재질을 강성이 높은 Si-SiC로 바꿈으로써, 웨이퍼 배치대(11)의 평면도가 안정적이고, 이로써 웨이퍼 배치면(11a)과 웨이퍼의 거리가 전면에 걸쳐 균등하게 된 것에 의한 것으로 추찰된다.
[제3 실시형태]
[본 개시의 제3 실시형태가 해결하고자 하는 과제]
상기한 것과 같이 웨이퍼 배치면에 평행한 면에 복수의 발열 회로를 연장시킴으로써 상기 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존을 개별로 온도 제어할 수 있게 되지만, 각 가열 존에 둔 발열 회로의 발열량을 전압이나 전류로 제어하는 제어계에서는, 일반적으로 온도 검출기로서 각 가열 존마다 1개의 온도 센서가 마련되기 때문에, 복수의 가열 존 각각의 가열 존 내에 쿨스폿과 같은 특이점이 존재하고 있으면, 이들 복수의 가열 존의 온도를 밸런스 좋게 제어하기가 어렵게 되어, 양호하게 온도 제어할 수 없는 경우가 있었다.
종래에는 상기한 온도 제어 상의 문제에 기인하는 웨이퍼 배치면의 균열성에 미치는 악영향은 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 문제시되는 일은 거의 없지만, 최근의 반도체 디바이스의 미세화에 따라, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면의 온도는 보다 정밀한 제어가 요구되게 되고 있다. 그 때문에, 지금까지 문제시되지 않았던 상기한 문제가 현재화되고 있다. 본 발명은 이러한 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존을 밸런스 좋게 온도 제어함으로써 웨이퍼 배치면의 균열성을 높일 수 있는 웨이퍼 가열용 히터 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[본 개시의 제3 실시형태의 효과]
웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존을 밸런스 좋게 온도 제어할 수 있기 때문에, 상기 웨이퍼 배치면의 균열성을 높일 수 있게 된다.
[제3 실시형태의 상세한 설명]
제3 실시형태에 따른 웨이퍼 가열용 히터 유닛은, 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와,
상기 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과,
상기 웨이퍼 배치대와 상기 지지판의 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 가지며,
상기 발열 모듈은 상기 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 가지며,
상기 웨이퍼 배치면은 상기 복수의 발열 회로에 의해서 복수의 가열 존으로 구분되어 있고,
상기 복수의 가열 존은, 상기 웨이퍼 배치면의 중앙에 마련된 원형 중앙부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존 및 상기 원형 중앙부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존을 포함하고,
상기 웨이퍼 배치대는, 상기 웨이퍼 배치면에 대하여 상기 반도체 웨이퍼를배치 및 이격시키는 막대형의 지지부가 상기 웨이퍼 배치대의 내부를 지나도록 상기 웨이퍼 배치대의 두께 방향으로 형성된 복수의 삽입 관통 구멍을 가지고,
상기 복수의 삽입 관통 구멍은, 상기 복수의 가열 존의 반경 방향으로 연장되는 경계부에 배치되며, 상기 복수의 삽입 관통 구멍이 배치된 상기 복수의 가열 존은, 원주 방향의 분할수가 상기 복수의 삽입 관통 구멍의 수의 정수배이다. 이에 따라, 웨이퍼 배치면 상에 획정되는 복수의 가열 존을 밸런스 좋게 온도 제어할 수 있기 때문에, 상기 웨이퍼 배치면의 균열성을 높일 수 있게 된다.
상기한 웨이퍼 가열용 히터 유닛에 있어서는, 또한 상기 환형부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형 주연부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존을 가지고, 상기 원형 중앙부는 원주 방향으로 3 등분되어 있고, 상기 환형부는 원주 방향으로 6 등분되어 있고, 상기 환형 주연부는 원주 방향으로 6 등분되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라 반도체 웨이퍼가 배치되는 배치면의 균열성을 더한층 높일 수 있다. 또한, 상기한 웨이퍼 가열용 히터 유닛에 있어서는, 상기 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이 및/또는 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에, 상기 복수의 삽입 관통 구멍이 상기 원주 방향으로 균등한 간격을 두고서 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 리프트핀용 삽입 관통 구멍에 의한 배치면의 균열성에 미치는 악영향을 억제할 수 있다.
이어서, 제3 실시형태에 따른 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 일 구체예에 관해서 설명한다. 도 8에 도시하는 것과 같이, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 반도체 웨이퍼(W)를 배치하는 웨이퍼 배치면(11a)을 상면에 갖춘 원판형상의 웨이퍼 배치대(11)와, 웨이퍼 배치대(11)와 거의 동등한 외경을 갖는 원판형상으로 이루어지고, 웨이퍼 배치대(11)를 그 하면 측에서 전면에 걸쳐 지지하는 지지판(12)과, 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)의 사이에 전기적 절연 상태로 협지되고, 웨이퍼 배치대(11)와 거의 동등한 외경을 갖는 원형 박막형의 발열 모듈(13)을 갖고 있다.
웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 지지판(12)의 하면 측에 마련된 복수의 기둥형 다리부(14)에 의해서 지지되어 있다. 또한, 웨이퍼 배치면(11a)에 배치되는 반도체 웨이퍼(W)는, 후술하는 지지 기구(20)에 의해서 웨이퍼 배치면(11a) 상에 배치되거나, 웨이퍼 배치면(11a)으로부터 들어 올려지거나 한다. 그 때문에, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)에는, 지지 기구(20)가 갖는 복수의 막대형 지지부(리프트 핀이라고도 부른다) 삽입 관통용의 복수의 삽입 관통 구멍(10a)이 웨이퍼 배치대(11)의 두께 방향에 형성되어 있다.
상기한 웨이퍼 배치대(11)는, 웨이퍼 배치면(11a)의 전면에 걸쳐 매우 높은 온도 균일성, 즉 높은 균열성을 실현하도록 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 것이 바람직하고, 예컨대 구리나 알루미늄 등의 금속이 보다 바람직하다. 웨이퍼 배치대(11)의 재질은, 탄화규소, 질화알루미늄, Si-SiC, Al-SiC 등의 강성(영율)이 높은 세라믹스나 세라믹스 복합체라도 좋으며, 이에 따라 웨이퍼 배치면(11a)의 평탄성을 항상 유지할 수 있게 된다. 또한, 웨이퍼 배치면(11a)의 휘어짐 방지를 목적으로 하여 웨이퍼 배치대(11)를 두껍게 할 필요가 없어지기 때문에 열용량을 작게 할 수 있다. 이로써 승온·강온 속도를 빠르게 할 수 있게 된다.
지지판(12)의 재질도, 강성(영율)이 높은 탄화규소, 질화알루미늄, Si-SiC, Al-SiC 등의 세라믹스나 세라믹스 복합체를 이용하는 것이 바람직하다. 특히 웨이퍼 배치대(11)의 재질이 금속인 경우, 후술하는 것과 같이 발열 모듈(13)을 사이에 두고서 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)을 겹쳐 기계적으로 결합함으로써, 웨이퍼 배치면(11a)의 휘어짐을 억제할 수 있기 때문에, 웨이퍼 배치면(11a)에 있어서 높은 균열성과 평탄성을 겸비한 히터 유닛(10)을 실현할 수 있다.
웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)은 나사 고정 등에 의해서 상호 기계적으로 결합하는 것이 바람직하다. 특히 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)이 상호 다른 재질로 이루어지는 경우는, 웨이퍼 배치대(11) 및 지지판(12)이 각각의 온도에 따라서 웨이퍼 배치면(11a)의 방향으로 자유롭게 열팽창할 수 있도록, 예컨대 지지판(12)에 두께 방향으로 관통한 나사 구멍(도시하지 않음)에 하측에서 수나사(도시하지 않음)를 삽입 관통하고, 웨이퍼 배치대(11)의 하면 측에 마련한 암나사부(도시하지 않음)에 나사식으로 결합시킴과 더불어, 상기 수나사의 시트면과 그 접촉부가 되는 지지판(12)의 하면과의 사이에 예컨대 베어링(도시하지 않음)을 개재시키는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우는 발열 모듈(13)에 있어서도 상기 지지판(12)의 나사 구멍에 대응하는 위치에 상기 암나사부의 삽입 관통 구멍이 형성되게 된다.
여기서, 상기 나사 고정부는 후술하는 발열 회로의 유효 직경 밖에 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 국소적인 쿨스폿이 거의 생기지 않는 온도 균일성이 높은 배치대를 실현할 수 있다. 또한, 상기 나사 고정부를 발열 회로의 유효 직경 내에 배치하는 경우는, 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이 및/또는 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 배치하며, 또한 이 배치 위치를 지나는 웨이퍼 배치면의 반경 방향의 선분에 관해서 상기 구분 패턴이 선대칭으로 되도록 하는 것이 바람직하고, 이에 따라 상기 나사 고정부에 의한 온도 균일성의 악화를 억제할 수 있다. 상기한 나사 고정부는, 상술한 리프트핀 삽입 관통 구멍과 동일한 상기 반경 방향의 선분 상에 위치하며 또한 이 선분에 관해서 상기 구분 패턴이 선대칭인 것이 더욱 바람직하다. 상기한 것과 같이, 배치대, 발열 유닛, 지지판의 어느 하나 또는 전부에 간섭하는 기계 부품이나 전장 부품 등의 특이점이 존재하는 경우는, 이들 특이점을 발열 회로의 유효 직경 밖에 배치하거나, 혹은 유효 직경 내인 경우는 인접하는 가열 존의 사이이면서 또한 구분 패턴의 대칭선으로 되는 위치에 둠으로써, 온도 균일성을 해치지 않고서 원하는 기능을 발휘시킬 수 있다. 여기서, 발열 회로의 유효 직경이란, 웨이퍼 배치면(11a) 중, 후술하는 발열 회로(13a)가 바로 아래에 놓여 있는 원형 영역의 직경이다.
상기한 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)의 사이에 협지되는 발열 모듈(13)은, 상기한 웨이퍼 배치면(11a)에 평행한 면 위에 연장되는 복수의 발열 회로(13a)를 갖고 있다. 이들 복수의 발열 회로(13a)는, 상기한 웨이퍼 배치대(11) 및 지지판(12)으로부터 전기적으로 절연 상태가 되도록 절연체로 덮여 있고, 이러한 형태의 발열 모듈(13)은, 예컨대 스테인리스박 등의 도전성 금속박에 에칭이나 레이저가공으로 패터닝 가공을 실시함으로써 복수의 발열 회로(13a)를 형성한 후, 이것을 위아래에서 예컨대 폴리이미드 시트 등의 내열성 절연 시트로 끼워 넣음으로써 제작할 수 있다.
혹은, 발열 회로(13a)의 회로 패턴의 라인 폭이 가늘거나, 발열 회로(13a)에 이용하는 도전성 금속박의 두께가 얇거나 하는 등의 이유에 의해 발열 회로(13a)를 취급하기가 어려운 경우는, 패터닝 가공 전의 도전성 금속박과 전기 절연을 위한 폴리이미드 시트 등의 내열 절연 시트를 미리 겹쳐 열압착하고, 이 열압착 후에 도전성 금속박만을 에칭 등으로 패터닝 가공함으로써, 베이스가 되는 전면 폴리이미드 필름과 패턴박(즉, 박 형상의 발열 회로(13a))을 일체화시키고, 이 일체화된 박 형상의 발열 회로(13a) 상에서 또 폴리이미드 필름을 겹쳐 열압착함으로써 상기한 발열 모듈(13)을 제작하여도 좋다.
이와 같이, 웨이퍼 배치면(11a)에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로(13a)를 발열 모듈(13) 내에 설치함으로써, 웨이퍼 배치면(11a)을 복수의 가열 존으로 구분할 수 있다. 이들 복수의 발열 회로(13a)에 의해서 획정되는 복수의 가열 존의 구분 패턴에는 특별히 한정은 없지만, 원판형상의 웨이퍼 배치대(11)는 일반적으로 중앙부보다도 표면적이 넓은 주연부로부터의 방열이 많기 때문에, 정상 상태에서는 상기 주연부가 국소적으로 저온으로 되기 쉽다. 한편, 반도체 웨이퍼가 배치대에 배치되면, 일반적으로 웨이퍼 직경보다도 배치대의 외경이 크기 때문에, 배치대에는 중앙부가 외주부보다도 저온의 동심원형의 센터쿨형 온도 분포가 생긴다. 그 후, 배치대의 온도는 제어계의 작용에 의해 소정의 온도까지 승온하지만, 상기한 온도 분포의 영향을 받기 때문에 반도체 웨이퍼의 과도적인 온도 분포도 동심원형의 센터쿨로 된다. 이러한 센터쿨형의 온도 분포를 보정하기 위해서, 가열 존의 구분 패턴은 반경 방향으로 동심원형으로 분할하는 것이 바람직하다. 또한, 히터 유닛(10)이 탑재되는 진공 챔버의 벽면에는 로드록 등이 마련되어 있기 때문에, 웨이퍼 배치대(11)의 주위 환경은 원주 방향으로 균등하지 않다. 그래서 도 9에 도시하는 것과 같이, 웨이퍼 배치면(11a)을 동심원형으로 분할한 다음에 또 원주 방향으로 균등하게 분할한 구분 패턴이 바람직하다.
즉, 도 9에 도시하는 복수의 가열 존의 구분 패턴에서는, 웨이퍼 배치면(11a)이, 원형 중앙부(A)와, 원형 중앙부(A) 외측의 환형부인 환형 중간부(B)와, 환형 중간부(B) 외측의 환형부인 환형 주연부(C)로 동심원형으로 구분되어 있다. 더욱이, 원형 중앙부(A)는 중앙부 부채형 가열 존(A1∼A3)으로서 원주 방향으로 3 등분되어 있다. 환형 중간부(B)는 중간부 부채형 가열 존(B1∼B6)으로서 원주 방향으로 6 등분되어 있다. 환형 주연부(C)는 주연부 부채형 가열 존(C1∼C6)으로서 원주 방향으로 6 등분되어 있다.
더욱이, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)에 있어서는, 상기한 동심원형으로 구획되어 있는 원형 중앙부(A), 환형 중간부(B) 및 환형 주연부(C)로 이루어지는 동심원형 영역 중, 반경 방향의 경계부에 상기한 복수의 삽입 관통 구멍(10a)이 배치되어 있는 것은, 그 원주 방향의 분할수가 복수의 삽입 관통 구멍(10a)의 수의 정수배로 되어 있다. 즉, 도 9에 도시하는 구분 패턴에서는, 반경 방향으로 상호 인접하는 원형 중앙부(A)와 환형 중간부(B)의 경계부에 3개의 리프트핀용의 삽입 관통 구멍(10a)이 형성되어 있다. 그리고, 한쪽의 원형 중앙부(A)는 원주 방향으로 3 등분되어 있고, 이로써 원주 방향의 분할수가 삽입 관통 구멍(10a)의 수와 동등(즉 1배)하게 되어 있다. 또한, 또 한쪽의 환형 중간부(B)는 원주 방향으로 6 등분되어 있고, 이로써 원주 방향의 분할수가 삽입 관통 구멍(10a)의 수의 2배로 되어 있다.
상기한 것과 같이, 복수의 삽입 관통 구멍(10a)은 웨이퍼 배치면(11a)의 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 경계부에 원주 방향으로 균등한 간격을 두고서 놓이는 것이 바람직하다. 더욱이 도 9에 도시하는 것과 같이, 복수의 삽입 관통 구멍(10a)은 웨이퍼 배치면(11a)의 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 경계부에도 놓여 있는 것이 바람직하다. 즉, 도 9에 도시하는 구분 패턴에서는, 3개의 삽입 관통 구멍(10a)은, 원형 중앙부(A)와 환형 중간부(B)의 경계부에 놓여 있는 데 더하여, 중앙부 부채형 가열 존 A1과 A2의 사이, A2와 A3의 사이 및 A3과 A1의 사이에 놓여 있다. 이와 같이 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이 및/또는 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에 리프트핀용 삽입 관통 구멍을 형성함으로써, 상기 삽입 관통 구멍에 의한 배치면(11a)의 균열성에 미치는 악영향을 억제할 수 있다.
각 가열 존 내에 형성되어 있는 도시하지 않는 발열 회로의 회로 패턴에 관해서는 특별히 한정은 없으며, 여러 가지 회로 패턴을 가질 수 있다. 예컨대 동심원형의 복수의 만곡 도전부와, 이들 만곡 도전부의 인접하는 것끼리를 접속하는 직선 도전부로 한붓그리기 형상에 형성된 회로 패턴으로 할 수 있다. 이 경우, 발열 회로의 양단부에 각각 2개의 전극 단자(도시하지 않음)가 접속되게 된다. 또한, 복수의 발열 회로는 가열 존마다 발열 밀도가 다르게 하여도 좋다. 예컨대 상술한 것과 같이, 일반적으로 웨이퍼 직경보다도 배치대의 외경이 크기 때문에, 반도체 웨이퍼가 배치대에 배치되면, 그 배치대에는 중앙부가 외주부보다도 저온인 동심원형의 센터쿨형의 온도 분포가 생긴다. 그 후, 배치대의 온도는 제어계의 작용에 의해 소정의 온도까지 승온하지만, 상기한 온도 분포의 영향을 받기 때문에 반도체 웨이퍼의 과도적인 온도 분포도 동심원형의 센터쿨로 된다. 이러한 센터쿨형의 온도 분포를 보정하기 위해서, 중앙부 부채형 가열 존(A1∼A3)의 발열 밀도를 높게 설계함으로써, 웨이퍼 배치 시의 과도적인 온도 균일성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
발열 밀도를 높게 하는 방법으로서는, 발열 회로의 회로 패턴의 피치를 좁게 하거나 발열체 회로를 구성하는 도전선의 폭을 가늘게 하거나 함으로써 실현된다.
또한, 발열 모듈(13)에 있어서는, 웨이퍼 배치면(11a)에 평행한 전면적에 대하여 발열 회로의 유효 면적(즉, 발열 모듈(13)의 상기 전면적에서 상호 인접하는 가열 존끼리의 이격 스페이스, 나사 구멍이나 리프트 핀의 삽입 관통 구멍, 온도 측정 센서 설치 부위 등의 발열이 없는 스페이스를 뺀 것)의 비율, 즉 유효 발열 영역의 비율이 80% 이상인 것이 바람직하다.
웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)은, 복수의 가열 존 각각에 있어서 예컨대 저항치가 조정된 온도 측정 소자로 이루어지는 온도 측정 센서(도시하지 않음)를 가열 존의 중심 위치에 설치함과 더불어, 각 온도 측정 센서의 검출치에 기초하여 상기 가열 존 내의 발열 회로를 개별로 제어하는 것이 바람직하다. 가열 존의 중심 위치란, 가열 존의 반경 방향의 중점이면서 또한 원주 방향의 중점이 되는 점을 말한다. 즉, 가열 존의 외주를 이루는 원호의 반경을 r1, 내주를 이루는 원호의 반경을 r2(원인 경우는 r2= 0)로 하고, 원주 방향의 경계의 위치를 임의의 반경 위치로부터의 각도에 따라서 θ1과 θ2로 한 경우에, (r1+r2)/2이면서 또한 (θ1+θ2)/2가 되는 점을 상기 가열 존의 중심 위치라고 정의한다. 여기서, 원주 방향의 분할수 n=0인 경우, 즉 영역이 원 또는 원환인 경우에는, 원주 방향의 위치 (θ1+θ2)/2는 원주 상의 임의의 위치가 되기 때문에, 인접하는 중심 위치의 이격 거리를 구하는 경우에는 최단의 거리가 되는 점으로 정의한다.
상기한 것과 같이 제어계를 구성함으로써, 웨이퍼 배치면(11a)를 국소적으로 가열할 수 있기 때문에, 예컨대 로드록의 개폐 등에 의해 웨이퍼 배치면(11a)이 부분적으로 냉각되는 경우라도 균열성을 양호하게 유지할 수 있게 된다. 상기 온도 측정 센서는 예컨대 웨이퍼 배치대(11)의 하면 측에 온도 측정 센서가 수용되는 크기의 스폿페이싱 구멍을 형성하고, 그 바닥면에 접착제를 도포하여 온도 측정 센서를 접착 고정함으로써 각 가열 존의 온도를 양호하게 검지할 수 있다.
다시 도 8로 되돌아가면, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)의 아래쪽에는, 반도체 웨이퍼(W)를 웨이퍼 배치면(11a) 상에 배치하거나, 반도체 웨이퍼(W)를 상기 웨이퍼 배치면(11a)으로부터 이격시키거나 하는 지지 기구(20)가 마련되어 있다. 이 지지 기구(20)는, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)에 형성된 삽입 관통 구멍(10a)으로부터 출몰하는 복수의 막대형 지지부(21)와, 이들을 상하 방향으로 왕복운동하는 구동부(22)로 이루어진다.
또한 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)의 아래쪽에는, 히터 유닛(10)을 급속 냉각하기 위한 냉각 유닛(30)이 마련되어 있다. 이 냉각 유닛(30)은, 1점쇄선으로 나타내는 것과 같이 지지판(12)의 하면 측에 접촉하는 접촉 위치와, 실선으로 나타내는 것과 같이 지지판(12)으로부터 이격하는 이격 위치의 사이에서 왕복운동 가능한 가동식 냉각판(31)과, 가동식 냉각판(31)이 상기 이격 위치에 있을 때에 접촉하는 고정식 냉각 스테이지(32)를 갖고 있다. 가동식 냉각판(31) 및 고정식 냉각 스테이지(32)의 재질은, 열전도성이 높은 구리, 알루미늄, 니켈, 마그네슘, 티탄, 혹은 이들의 적어도 어느 하나를 주성분으로 하는 합금 또는 스테인리스로 이루어지는 군에서 선택하는 것이 바람직하다.
고정식 냉각 스테이지(32)는, 도시하지 않는 칠러 등의 냉각 장치로 냉각된 불소계 냉매 등의 부동액, 공기, 범용적인 물 등의 냉매가 순환하는 냉매 유로(32a)를 갖고 있다.
이 냉매 유로의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 금속제 판형 부재의 하면 측에 냉매 유로로서 Cu 등의 금속제 파이프를 따르게 하고, 이 금속제 파이프의 양끝에 스테인리스제 조인트를 부착함과 더불어, 금속제 파이프를 누름판으로 판형 부재에 꽉 누른 상태에서 상기 누름판과 판형 부재를 나사 등에 의해 기계적으로 결합하는 구조로 할 수 있다.
혹은, 보다 높은 열효율을 얻기 위해서, 금속제 판형 부재의 하면 측에 예컨대 스파이럴형의 스폿페이싱 홈을 형성하고, 이 스폿페이싱 홈 중에 스파이럴형으로 성형한 냉매 유통용의 금속제 파이프를 설치한 구조라도 좋다. 이 경우, 금속제 파이프와 냉각판의 양호한 열전달을 유지하기 위해서, 코킹재, 실란트, 접착제 등에 의해 금속제 파이프의 표면과 스폿페이싱 홈의 내면을 접착 고정하는 것이 바람직하다. 혹은, 동일한 재질의 대략 같은 형상의 2장의 판형 부재를 준비하고, 이들의 한쪽 또는 양쪽의 한 면에 기계 가공으로 유로가 되는 홈을 형성하고, 이 유로 측의 면이 대향하도록 2장의 판형 부재를 서로 겹쳐, 예컨대 경납땜 등의 결합법으로 일체화한 구조라도 좋다.
가동식 냉각판(31)은 에어 실린더 등으로 이루어지는 승강 기구(33)에 부착되어 있다.
이에 따라, 승강 기구(33)를 작동시킴으로써 고정식 냉각판(31)을 상술한 접촉 위치와 이격 위치의 사이에서 왕복운동시킬 수 있게 된다. 또한, 가동식 냉각판(31)을 사용하지 않고서 냉매 유로를 갖는 냉각 스테이지(32) 자체를 지지판(12)의 하면 측에 접촉하는 위치와 이 하면 측으로부터 이격하는 위치의 사이에서 왕복운동시키더라도 좋다.
상기한 가동식 냉각판(31)의 상면이나 고정식 냉각 스테이지(32)의 상면 및/또는 지지판(12)의 하면에는 개재층(도시하지 않음)을 두어도 좋다. 이 개재층은, 두께 방향으로 쿠션성(유연성)을 갖고 있는 것이 바람직하고, 또한 내열성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 더욱이, 예컨대 1 W/m·K 이상의 높은 열전도율을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이러한 재질로서는, 발포 금속, 금속 메쉬, 그래파이트 시트, 또는 불소 수지, 폴리이미드 수지, 혹은 실리콘 수지 등의 수지 시트를 들 수 있다. 또한, 상기한 수지 시트에 카본 등의 열전도성 필러를 함유함으로써 열저항을보다 작게 할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 일 구체예의 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10) 및 냉각 유닛(30)은 적합하게는 스테인리스로 이루어지는 용기(40) 내에 수용되어 있는 것이 바람직하다.
[실시예]
[실시예 5]
도 8에 도시하는 것 같은 아래쪽에 지지 기구(20) 및 냉각 유닛(30)이 마련된 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)을 제작하여 그 웨이퍼 배치면(11a)의 균열성을 평가했다. 구체적으로는, 우선 웨이퍼 배치대(11)로서 직경 320 mm×두께 3 mm의 원판형의 구리판을 준비했다.
이 구리판의 PCD 120 mm의 위치에 리프트핀용의 3개의 삽입 관통 구멍을 웨이퍼 배치면(11a)의 원주 방향으로 균등하게 천공했다. 또한, 이 구리판의 웨이퍼 배치면(11a)으로 되는 면과는 반대쪽의 면의 후술하는 중심 위치에 15개의 스폿페이싱 구멍을 형성하고, 이들 스폿페이싱 구멍 각각에, 세라믹스제(W2 mm×D2 mm×H1 mm)의 온도 측정 소자를 실리콘 접착제를 이용하여 접착 고정했다.
이어서 지지판(12)으로서 직경 320 mm×두께 3 mm의 원판형의 Si-SiC판을 준비했다. 이 Si-SiC판에도, PCD 120 mm의 위치에 리프트핀용의 3개의 삽입 관통 구멍을 웨이퍼 배치면(11a)의 원주 방향으로 균등하게 천공했다. 또한 이 Si-SiC판에는, 상기 온도 측정 소자의 리드선이나, 후술하는 나사 등의 삽입 관통용 관통 구멍을 형성했다. 이어서 발열 모듈(13)의 복수의 발열 회로(13a)가 되는 저항 발열체로서, 두께 20 ㎛의 스테인리스박에 상기 복수의 발열 회로(13a)의 회로 패턴을 에칭으로 형성하고, 이들 각각의 양 종단부에 급전 케이블을 부착한 후, 이 저항 발열체를 상하 양면에서 두께 50 ㎛의 폴리이미드 시트로 덮어 열압착하여, 직경 320 mm의 원형 필름형의 발열 모듈(13)을 준비했다.
여기서, 상기한 발열 모듈(13)의 복수의 발열 회로(13a)가 각각 마련되는 복수의 가열 존은, 도 9의 구분 패턴으로 되도록 했다. 구체적으로는, 원형의 발열 모듈(13)의 중심점에 대하여 φ120 mm, φ246 mm, φ302 mm의 3개의 동심원으로 원형 중앙부(A)와 환형 중간부(B)와 환형 주연부(C)로 3 구분하고, 또한 φ120 mm의 원형 중앙부(A)를 원주 방향으로 3 등분하여 중앙부 부채형 가열 존(A1∼A3)으로 하고, 외경 φ246 mm, 내경 φ120 mm의 환형 중간부(B)를 원주 방향으로 6 등분하여 중간부 부채형 가열 존(B1∼B6)으로 하고, 외경 φ302 mm, 내경 φ246 mm의 환형 주연부(C)를 원주 방향으로 6 등분하여 주연부 부채형 가열 존(C1∼C6)으로 했다. 또한, 이 발열 모듈(13)에 있어서, PCD 120 mm의 위치에 리프트핀용의 3개의 삽입 관통 구멍을 웨이퍼 배치면(11a)의 원주 방향으로 균등하게 천공했다. 또한, 이들 합계 15 구획의 가열 존 각각에 마련한 15개의 발열 회로(13a)가 개별로 제어되도록, 상기 온도 측정 소자는 각 구획의 중심 위치에 배치했다. 발열 회로의 상기 급전 케이블도 각 구획마다 인출되게 된다.
이와 같이 하여 제작한 발열 모듈(13)을 상기한 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)의 사이에 끼워 넣고, 지지판(12)에 미리 형성해 놓은 관통 구멍에 나사를 삽입 관통하여 웨이퍼 배치대(11)에 나사식으로 결합했다. 이에 따라, 발열 모듈(13)을 사이에 두고서 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)이 상호 기계적으로 결합된 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)을 제작했다. 또한, 상기한 나사에는, 열팽창량차로 웨이퍼 배치대(11)나 지지판(12)이 변형되지 않도록, 시트면에 베어링을 갖춘 체결 나사를 이용했다. 이 체결 나사를, PCD 120 mm로 3개, PCD 310 mm로 6개 마련했다. 또한, 온도 측정 소자의 리드선으로부터 열이 빠져 나가는 것을 억제하기 위해서, 지지판(12)으로부터 빼낸 온도 측정 소자의 리드선을 지지판(12)에 30 mm의 길이에 걸쳐 접촉시킨 상태에서 실리콘 수지로 접착 고정했다.
이어서, 이 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)의 아래쪽에, 반도체 웨이퍼(W)를 웨이퍼 배치면(11a) 상에 배치하거나, 웨이퍼 배치면(11a)으로부터 이격시키거나 하는 지지 기구(20)를 마련했다. 이 지지 기구(20)는, 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)에 형성한 삽입 관통 구멍(10a)으로부터 출몰하는 3개의 막대형 지지부(21)와, 이들을 상하 방향으로 왕복운동하는 구동부(22)로 이루어진다. 또한, 냉각 유닛(30)으로서, 가동식 냉각판(31)용의 직경 320 mm×두께 12 mm의 원판형 알루미늄합금판과, 고정식 냉각 스테이지(32)용의 직경 320 mm×두께 12 mm 의 원판형 알루미늄 합금판을 준비했다. 가동식 냉각판(31)용의 알루미늄 합금판에는, 상기 지지판(12)에 접촉하는 상면 측에, 지지판(12)과 가동식 냉각판(31)의 전면이 접촉하도록 유연성을 가진 실리콘 시트를 배치했다. 한편, 고정식 냉각 스테이지(32)용의 알루미늄 합금판의 하면에, 나사를 이용하여 냉매 유로(32a)용의 외경 6 mm×두께 1 mm의 인탈산구리 파이프를 부착했다. 그리고, 이 구리 파이프의 양끝에 냉매를 공급·배출하기 위한 조인트를 부착했다.
이와 같이 하여 제작한 냉각 유닛(30)으로서의 양 알루미늄 합금판에, 상기한 지지부(21), 급전 케이블, 온도 측정 소자의 리드선, 그리고 후술하는 용기(40)의 바닥부로부터 세워 마련하는 다리부(14)가 삽입 관통하는 관통 구멍을 형성했다. 또한 고정식 냉각 스테이지(32)용의 알루미늄 합금판에는, 가동식 냉각판(31)의 에어 실린더로 이루어지는 승강 기구(33)의 로드가 삽입 관통하는 관통 구멍을 형성했다. 상기한 냉각 유닛(30)을 두께 1.5 mm의 측벽을 가지면서 또한 상부가 개방된 스테인리스제의 용기(40) 내에 설치했다. 고정식 냉각 스테이지(32)의 하측에 승강 기구(33)를 부착하고, 그 로드를 상기한 로드 삽입 관통용의 관통 구멍에 삽입 관통시켜 그 선단에 가동식 냉각판(31)을 부착했다. 이와 같이 하여, 지지 기구(20) 및 냉각 유닛(30)을 갖춘 시료 1의 웨이퍼 가열용 히터 유닛(10)을 제작했다. 또한, 승강 기구(33)의 로드가 후퇴하고 있을 때의 지지판(12)의 하면과 가동식 냉각판(31)의 상면과의 이격 거리는 10 mm였다.
비교를 위해서, 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)의 사이에 협지시키는 발열 모듈의 구분 패턴을 도 9 대신에 도 10 및 도 11의 구분 패턴으로 한 것 이외에는 상기 시료 1과 같은 식으로 냉각 유닛을 갖춘 시료 2 및 3의 웨이퍼 가열용 히터 유닛을 제작했다.
즉, 시료 2의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 발열 모듈에 있어서는 그 중심점에 대하여 φ95 mm, φ246 mm, φ302 mm의 3개의 동심원으로 원형 중앙부(D)와 환형 중간부(E)와 환형 주연부(F)로 3 분할하고, 원형 중앙부(D) 및 환형 중간부(E)에 관해서는 원주 방향으로 분할하지 않고서 각각 그대로 원형 가열 존 및 환형 가열 존으로 하고, 외경 φ302 mm, 내경 φ246 mm의 환형 주연부(F)만 원주 방향으로 4 등분하여 주연부 부채형 가열 존(F1∼F4)으로 했다. 이들 합계 6 구획의 가열 존 각각의 중심 위치에 온도 측정 소자를 설치했다. 단, 환형 중간부(E)에 관해서는, 발열 모듈의 중심점에 대하여 φ170.5 mm의 원주 상의 한 곳에 온도 측정 소자를 설치했다.
한편, 시료 3의 웨이퍼 가열용 히터 유닛의 발열 모듈에 있어서는, 그 중심점에 대하여 φ95 mm, φ171.5 mm, φ246 mm, φ302 mm의 4개의 동심원으로 원형 중앙부(G)와 내측 환형 중간부(H)와 외측 환형 중간부(I)와 환형 주연부(J)로 4 분할하고, 또한 외경 φ171.5 mm, 내경 φ95 mm의 내측 환형 중간부(H)를 원주 방향으로 2 등분하여 내측 중간부 부채형 가열 존(H1∼H2)으로 하고, 외형 φ246 mm, 내경 φ171.5 mm의 외측 환형 중간부(I)를 원주 방향으로 4 등분하여 외측 중간부 부채형 가열 존(I1∼I4)으로 하고, 외경 φ302 mm, 내경 φ246 mm의 환형 주연부(J)를 원주 방향으로 8 등분하여 주연부 부채형 가열 존(J1∼J8)으로 했다. 이들 합계 15 구획의 가열 존 각각의 중심 위치에 온도 측정 소자를 설치했다.
위에서 제작한 시료 1∼3의 히터 유닛에 대하여, 우선 웨이퍼 배치면(11a)의 평면도를 시판되는 삼차원 측정기로 측정했다. 이어서, 이들 시료 1∼3의 히터 유닛 각각에 대하여 복수의 발열 회로(13a)에 급전하여 상온에서부터 110℃까지 승온시킨 후, 설정 온도 110℃로 온도 제어하면서 1시간 유지했다. 그 후, 온도 측정 센서가 매설된 시판되는 웨이퍼 온도계를 웨이퍼 배치면(11a)에 설치하여, 웨이퍼 배치면(11a) 내의 최대 온도와 최소 온도의 차인 균열 레인지를 계측했다. 그 결과를 하기 표 7에 나타낸다.
Figure pct00007
상기 표 7의 결과로부터, 시료 2의 히터 유닛에서는 균열 레인지가 0.17℃였다.
상세한 온도 분포에 의하면, 환형 중간부(E) 중에서 최대 온도와 최소 온도가 존재하고 있고, 웨이퍼 배치대(11)와 지지판(12)을 체결하고 있는 볼트 근방과, 지지부(21)용 삽입 관통 구멍(10a)의 주변이 저온역(쿨스폿)으로 되었다. 이것은, 환형 중간부(E)는 1개의 가열 존만으로 구성되어 있기 때문에, 이 1개의 가열 존 중에 배치된 체결 볼트나 삽입 관통 구멍(10a)에 발열 회로가 배치되어 있지 않음에 의한 영향과, 이들 체결 볼트나 삽입 관통 구멍(10a)의 부위로부터의 방열을 온도 측정 센서가 검지할 수 없었던 것이 원인이라고 생각된다.
시료 3의 히터 유닛에서는 균열 레인지가 0.21℃이며, 상세한 온도 분포에 의하면, 2 등분한 내측 환형 중간부(H)에 있어서, 시료 2의 히터 유닛과 마찬가지로 체결 볼트나 지지부(21)용 삽입 관통 구멍(10a)의 주변이 저온역(쿨스폿)으로 되었다. 그 이유도 상기한 시료 2의 히터 유닛과 마찬가지라고 생각되며, 원주 방향으로 분할한 가열 존의 수가, 체결 볼트나 삽입 관통 구멍(10a)의 개수의 정수배로 되지 않음으로써, 웨이퍼 배치면(11a)의 균열성에 악영향을 미치게 했다고 생각된다.
한편, 시료 1의 히터 유닛에서는, 내주 측의 체결 볼트 및 지지부(21)용 삽입 관통 구멍(10a)의 위치를 반경 방향으로 상호 인접하는 원형 중앙부(A) 및 환형 중간부(B)의 경계부에 배치했기 때문에, 각각의 방열 등의 영향이 분산된데다, 또한 원형 중앙부(A) 및 환형 중간부(B)의 원주 방향의 분할수가 체결 볼트의 수 및 지지부(21)용 삽입 관통 구멍(10a)의 수의 정수배가 되도록 체결 볼트의 수를 3 곳으로 함과 더불어 지지부(21)용 삽입 관통 구멍(10a)의 수를 3 곳으로 하며, 또한 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 경계부에 이들 체결 볼트나 삽입 관통 구멍(10a)을 배치했기 때문에, 반경 방향으로 상호 인접하는 양 가열 존과 원주 방향으로 상호 인접하는 양 가열 존, 즉 합계 4개의 가열 존에 의해서, 이들 체결 볼트나 삽입 관통 구멍(10a)에 의한 악영향이 분배됨으로써, 저온역으로서의 특이점은 확인되지 않았다.
[실시예 6]
웨이퍼 배치대(11)의 재질을 구리 대신에 Si-SiC로 한 것 이외에는 상기한 실시예 5의 시료 1∼3와 같은 식으로 각각 시료 4∼6의 히터 유닛을 제작하여, 실시예 5와 같은 평가를 했다. 그 결과를 웨이퍼 배치대(11)의 평면도와 더불어 하기표 8에 나타낸다.
Figure pct00008
상기 표 8로부터 실시예 5와 같은 경향이 있는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 5과 비교하여 시료 4∼6의 히터 유닛은 모두 약간의 균열성 향상이 인정되었다. 이것은, 웨이퍼 배치대(11)의 재질을 강성이 높은 Si-SiC로 바꿈으로써, 웨이퍼 배치대(11)의 평면도가 안정적이고, 이로써 웨이퍼 배치면(11a)과 웨이퍼의 거리가 전면에 걸쳐 균등하게 됨에 의한 것으로 추찰된다.
이번에 개시된 제1 실시형태, 제2 실시형태, 제3 실시형태는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태가 아니라 청구범위에 의해서 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
10: 웨이퍼 가열용 히터 유닛, 10a: 리프트핀용 삽입 관통 구멍, 11: 웨이퍼 배치대, 11a: 웨이퍼 배치면, 12: 지지판, 13: 발열 모듈, 13a: 발열 회로, 20: 다리부, 30: 냉각 유닛, 31: 가동식 냉각판, 32: 고정식 냉각 스테이지, 32a: 냉매 유로, 33: 승강 기구, 40: 용기, A: 원형 중앙부, A1∼A3: 중앙부 부채형 가열 존, B: 환형 중간부, B1∼B6: 중간부 부채형 가열 존, C: 환형 주연부, C1∼C6: 주연부 부채형 가열 존, LA1, LB1, LC1, LA1B1, LB1C1: 선분, OA1, OB1, OC1: 중심 위치, PA1, PB1, PC1: 코너부, Q1∼Q3: 리프트핀용 삽입 관통 구멍, D: 원형 중앙부, E: 환형 중간부, F: 환형 주연부, F1∼F4: 주연부 부채형 가열 존, G: 원형 중앙부, H: 내측 환형 중간부, H1∼H2: 내측 중간부 부채형 가열 존, I: 외측 환형 중간부, I1∼I4: 외측 중간부 부채형 가열 존, J: 환형 주연부, J1∼J8: 주연부 부채형 가열 존, W: 반도체 웨이퍼.

Claims (12)

  1. 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와,
    상기 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과,
    상기 웨이퍼 배치대와 상기 지지판 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 가지며,
    상기 발열 모듈은 상기 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 가지며,
    상기 웨이퍼 배치면은 상기 복수의 발열 회로에 의해서 상기 웨이퍼 배치면의 반경 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존 및 원주 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존을 갖도록 구분되어 있고,
    상기 웨이퍼 배치면의 반경 방향에 있어서 인접하는 복수의 가열 존의 어디에서나, 상기 복수의 가열 존 각각에 있어서의 중심 위치 사이의 거리가, 상기 복수의 가열 존 각각에 있어서의 중심 위치에서부터 상기 복수의 가열 존 각각의 경계까지의 최장 거리의 50% 이상인 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 가열 존은, 상기 웨이퍼 배치면의 중앙에 마련된 원형 중앙부가 원주 방향으로 3 등분된 가열 존, 상기 원형 중앙부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형부가 원주 방향으로 6 등분된 가열 존, 및 상기 환형부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형 주연부가 원주 방향으로 6 등분된 가열 존으로 구성되어 있는 것인 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 복수의 가열 존의 사이 및 반경 방향으로 인접하는 복수의 가열 존의 사이에 상기 반도체 웨이퍼의 리프트핀용 삽입 관통 구멍을 갖는 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 복수의 가열 존의 사이 또는 반경 방향으로 인접하는 복수의 가열 존의 사이에 상기 반도체 웨이퍼의 리프트핀용 삽입 관통 구멍을 갖는 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  5. 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와,
    상기 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과,
    상기 웨이퍼 배치대와 상기 지지판 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 가지며,
    상기 발열 모듈은 상기 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 가지며,
    상기 웨이퍼 배치면은 상기 복수의 발열 회로에 의해서 복수의 가열 존으로 구분되어 있고,
    상기 복수의 가열 존은, 상기 웨이퍼 배치면의 중앙에 마련된 원형 중앙부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존, 상기 원형 중앙부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존, 및 상기 환형부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형 주연부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존으로 구성되고,
    상기 복수의 가열 존 각각의 면적은 상기 복수의 가열 존의 평균 면적의 ±30% 이내인 것인 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  6. 제5항에 있어서, 상기 원형 중앙부는 원주 방향으로 3 등분되어 있고, 상기 환형부는 원주 방향으로 6 등분되어 있고, 상기 환형 주연부는 원주 방향으로 6 등분되어 있는 것인 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 복수의 가열 존의 사이 및 반경 방향으로 인접하는 복수의 가열 존의 사이에 상기 반도체 웨이퍼의 리프트핀용 삽입 관통 구멍을 갖는 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 복수의 가열 존의 사이 또는 반경 방향으로 인접하는 복수의 가열 존의 사이에 상기 반도체 웨이퍼의 리프트핀용 삽입 관통 구멍을 갖는 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  9. 반도체 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼 배치면을 구비한 원판형의 웨이퍼 배치대와,
    상기 웨이퍼 배치대를 지지하는 원판형의 지지판과,
    상기 웨이퍼 배치대와 상기 지지판 사이에 협지된 원형 박막형의 발열 모듈을 가지며,
    상기 발열 모듈은 상기 웨이퍼 배치면에 평행하게 연장되는 복수의 발열 회로를 가지며,
    상기 웨이퍼 배치면은 상기 복수의 발열 회로에 의해서 복수의 가열 존으로 구분되어 있고,
    상기 복수의 가열 존은, 상기 웨이퍼 배치면의 중앙에 마련된 원형 중앙부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존 및 상기 원형 중앙부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존을 포함하고,
    상기 웨이퍼 배치대는, 상기 웨이퍼 배치면에 대하여 상기 반도체 웨이퍼를배치 및 이격시키는 막대형 지지부가 상기 웨이퍼 배치대의 내부를 지나도록 상기 웨이퍼 배치대의 두께 방향으로 형성된 복수의 삽입 관통 구멍을 가지며,
    상기 복수의 삽입 관통 구멍은, 상기 복수의 가열 존의 반경 방향으로 연장되는 경계부에 배치되고, 상기 복수의 삽입 관통 구멍이 배치된 상기 복수의 가열 존은, 원주 방향의 분할수가 상기 복수의 삽입 관통 구멍의 수의 정수배인 것인 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수의 가열 존은, 또한 상기 환형부의 외주 측에 마련되며 상기 원형 중앙부의 중심과 동일한 중심을 갖는 환형 주연부가 원주 방향으로 균등하게 분할된 가열 존을 가지고, 상기 원형 중앙부는 원주 방향으로 3 등분되어 있고, 상기 환형부는 원주 방향으로 6 등분되어 있고, 상기 환형 주연부는 원주 방향으로 6 등분되어 있는 것인 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이 및 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에, 상기 복수의 삽입 관통 구멍이 상기 원주 방향으로 균등한 간격을 두고서 형성되어 있는 것인 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 복수의 가열 존 중 원주 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이 또는 반경 방향으로 인접하는 가열 존끼리의 사이에, 상기 복수의 삽입 관통 구멍이 상기 원주 방향으로 균등한 간격을 두고서 형성되어 있는 것인 웨이퍼 가열용 히터 유닛.
KR1020197011870A 2017-10-10 2018-10-09 웨이퍼 가열용 히터 유닛 KR20190053941A (ko)

Applications Claiming Priority (7)

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JPJP-P-2017-196683 2017-10-10
JP2017196685A JP6593415B2 (ja) 2017-10-10 2017-10-10 ウエハ加熱用ヒータユニット
JPJP-P-2017-196684 2017-10-10
JP2017196684A JP6593414B2 (ja) 2017-10-10 2017-10-10 ウエハ加熱用ヒータユニット
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