JP4467345B2 - ウェハ支持部材 - Google Patents

Description

本発明は、主にウェハを加熱する際に用いるウェハ支持部材に関するものであり、例えば半導体ウェハや液晶基板あるいは回路基板等のウェハ上に薄膜を形成したり、前記ウェハ上に塗布されたレジスト液を乾燥焼き付けたりしてレジスト膜を形成する際に好適なウェハ支持部材に関するものである。

ウェハ支持部材は、半導体ウェハや液晶装置あるいは回路基板等のウェハを加熱する装置で、ウェハ上に半導体薄膜を形成し、又は、塗布されたレジスト液を乾燥焼き付けてレジスト膜を形成する等に使用されている。

従来の半導体製造装置は、複数のウェハを一括して加熱するバッチ式と、１枚ずつ加熱する枚葉式とがあり、枚葉式は、温度制御性に優れているので、半導体素子の配線の微細化とウェハ熱処理温度の精度向上が要求されるに伴い、広く使用されている。

近年生産効率の向上のために、ウェハサイズの大型化が進んでいるが、半導体素子自体も多様化し、必ずしも大型ウェハで製造することが生産効率の向上にはつながらず、寧ろ、単一の装置を使用して、多種多様サイズのウェハをそれぞれの熱処理条件に対応して加熱できることが望まれている。

特許文献１には、発熱体を下面に備えて上面でウェハを加熱するホットプレートとこれを支持するケースからなるウェハ支持部材に関して、ウェハ面を支持してウェハの授受を行なうウェハリフトピンを利用して、多種サイズのウェハに対応できる装置を開示している。

この従来装置は、図４に示すように、ケース６９の上の開口部にセラミックのホットプレート５４を固定し、ホットプレート５４には、下面５９に発熱体として抵抗パターン５５を備え、上面を、加熱すべきウェハＷを載置する載置面５３としている。ケース６９の底部には、ピン挿通スリーブ６２が立設されて、ホットプレート５４の下面５９と接触して、そのスリーブ６２の挿通孔が、ホットプレート５４に開設した貫通孔７６と連通されている。リフトピンは、ピン挿通スリーブ６２の挿通孔とホットプレート５４の貫通孔７６に挿通されて、リフトピンの上端でウェハＷを保持しながら降下して、ウェハをホットプレート５４上に載置し、加熱処理後には、ホットプレート５４の上方に上昇させて、ウェハＷの脱着を容易にしている。

この装置は、また、ケース６９内部に冷却用の空気を流通させるための流体供給用のポート６７が、前記のケース底部に設けられ、加熱処理した後のウェハＷを放冷する過程で、ポート６７から空気をホットプレート５４に吹き付けて、その降温の速度を高めて、ウェハＷの冷却時間を短縮することがなされている。

また、ウェハ支持部材として、例えば、特許文献２には、図５（ａ）に示すようなセラミック基板２１１の底面に抵抗発熱体２１２が形成され、さらに中底板が形成されたウェハ支持部材２５０を模式的に表す断面図であり、（ｂ）は、このウェハ支持部材のケースを構成する底板を模式的に示す斜視図である。この図では、冷媒である空気は、底板２６０まで循環する構成となっている。

このウェハ支持部材２５０では、セラミック基板２１１の表面に絶縁性膜２１８が形成されており、絶縁性膜２１８を有するセラミック基板２１１の表面には、支持ピン２５９が設置され、シリコンウェハ２１９をセラミック基板２１１の加熱面より一定距離離間して保持している。

また、セラミック基板２１１の絶縁性膜２１８の表面には、抵抗発熱体２１２が形成され、抵抗発熱体２１２の端部に給電端子２１３が接続されている。この給電端子２１３は、ソケット２５５および導電線２６２を介して電源（図示せず）と接続されており、導電線２６２等を介して電圧を印加することにより、抵抗発熱体２１２を発熱させ、セラミック基板２１１を加熱することができるようになっている。さらに、図示はしていないが、セラミック基板２１１には、温度制御のための熱電対（測温素子）が埋設されている。

また、絶縁性膜２１８が形成されたセラミック基板２１１は、ケース２７０上に設置された断熱補強部材２５２に嵌め込まれており、断熱補強部材２５２は、この断熱補強部材２５２を挿通するピン２５１により断熱補強部材２５２に固定され、一方、セラミック基板２１１は、ピン２５１および固定金具２５３により断熱補強部材２５２に固定されている。

このケース２７０には、ケース２７０に一体的に形成された底板２６０および空気排出に使用される開口２６０ａが形成されるともに、冷媒供給管２５８が設けられている。また、シリコンウェハを搬送機に移送させるためのリフターピンを保護するスリーブ２５７が、ケース２７０に設置されている。

さらに、ケース２７０の内部には、板バネ２５４により支持された中底板２５６が設けられており、中底板には開口２５６ａが形成されている。また、図５（ｂ）に示すように、底板２６０には、窪み２６０ｋが碁盤の目のように縦横に形成されている。このように多数の窪み２６０ｋが設けられているのは、これらの窪み２６０ｋにより、底板の歪みを補正するためである。

また、特許文献３には、図６に示すように、セラミック基板を支持するための中底板、底板を有するケースの構造において、板１１に窪み２０を形成し、平面度を０．２ｍｍ以下に抑えたウェハ支持部材が提案されている。

又、特許文献４には、図７に示すように、ケース１０に設置されたセラミック基板２１の冷却を迅速に行なうため、ケース１０の冷媒供給管１４の周囲の板状体１２に開口２０を形成したウェハ保持部材が提案されている。

以上のウェハ支持部材の厚みは５０ｍｍと厚かった。また、ケース１０は底面を成す円板の外周部の上面、或いは前記円板の外周面に側面を成す円筒を溶接して形成されていたことからケース１０の角にＲがなくエッジが形成されていた。
特開２００１−５２９８５号公報 特開２００２−２５７５８号公報 特開２００２−１４１３９９号公報 特開２００３−１００８１８号公報

ところで、近年注目されている枚葉式のウェハ支持部材に使用されるウェハ支持部材は、ウェハＷに対する処理のタイムタクトを短縮するために、板状セラミック体２の板厚みを１〜７ｍｍと薄くし、加熱および冷却のサイクルタイムが短くなるように調整されている。しかしながら、板状セラミック体２の板厚みを１〜７ｍｍと薄くしたものでは、ウェハＷの表面全体を±０．５℃というレベルの温度バラツキとなるように均一に加熱することはできなかった。

すなわち、板状セラミック体２の板厚みを１〜７ｍｍと薄くすると、板状セラミック体２が反ったりして、ウェハＷとの距離が変化することから、ウェハＷの表面温度にバラツキが発生していた。

また、近年更なる細密化が進み、レジスト膜の光源に対する感度が敏感になってきたため、従来のウェハ支持部材は、セラミック基板が薄いために、セラミック基板の平面度が大きくなり、セラミックス基板の平面度がウェハに転写され均一に焼き付けることができないとの課題があった。

また、近年の細密化に伴い、レジスト膜の光源に対する感度が敏感になってきたため、従来のホットプレートでは、温度変更直後のウェハ載置温度の均熱性や、温度が一定に保たれずに、均一な製品を維持できないことから歩留りが著しく低下するという問題が生じた。

また、温度変更によるセラミック基板とケースの温度上昇カーブが異なることから温度が安定するまでの時間が異なり、ウェハの処理を繰り返すうちに、徐々にケースの温度が上がったり下がったりしてレジスト膜の焼き付けにばらつきが生じるという課題があった。

本発明のウェハ支持部材は、板状セラミック体の一方の主面或いは内部に複数の抵抗発熱体を備え、他方の主面にウェハを載せる載置面を備えたウェハ支持部材であって、前記抵抗発熱体の各々に独立して電力を供給する給電部と、該給電部を囲むケースとを有し、前記板状セラミック体を冷却するためのガス噴射口を備え、前記ケースの底面にその面積の１０〜７０％の開口部を形成し、前記ウェハ支持部材の厚みが１０〜４０ｍｍで、その厚みのバラツキが０〜１ｍｍであり、前記底面の周辺の円環状領域の平面度が０〜１００μｍであり、前記開口部は円からなる開口部および円弧と直線とからなる開口部からなり、前記円弧と直線とからなる開口部の面積と前記円からなる開口部の面積との比率が３０〜７０％であることを特徴とする。

また、前記底面と前記ケースの側面との間が面取り形状或いはＲ形状であることを特徴とする。

また、前記面取りの大きさが０．１〜２ｍｍ、或いは前記Ｒ形状のＲの大きさが０．２〜５０ｍｍであることを特徴とする。

また、前記底面を成すケースの厚みが２〜７ｍｍであり、前記ケースの底面にその面積の２０〜６０％の開口部を備えたことを特徴とする。

また、前記円弧と直線とからなる開口部を前記底面の中心部に設けたことを特徴とする。

また、前記ケースの底面の中心部の開口率が外周部の開口率より大きいことを特徴とする。

ウェハ支持部材の載置面に載せたウェハの昇降温の時間が短くなり、かつ、ウェハ支持部材が安定するまでの時間が短くなり、温度変更直後から、繰り返し精度良くウェハの熱処理ができるウェハ支持部材を提供できる。

以下本発明を実施するための実施の形態について説明する。

まず、図１は本発明の一例であるウェハ保持部材１の一例を示す断面図であり、図２は本発明のウェハ保持部材１をウェハ熱処理用のチャンバー３１、３２、３３に取り付けた断面図である。チャンバー上部３３とチャンバー下部３２および補強部材３１からなる主な部品からチャンバーは構成されている。

また、近年、スループットの短縮に伴い、チャンバー上部３３にも、ヒータ(不図示）を組み込んだ装置が採用されるようになってきた。チャンバー上部３３にヒータの組み込まれた方式では、チャンバー３３と板状セラミック体２との距離がウェハＷの面内温度差を小さくする上で重要であることから、図２にチャンバー３３を記載している。

本発明のウェハ支持部材１は、図１に示すように、ホットプレート４が、上部主面をウェハＷの戴置面３とする板状セラミック体２と、板状セラミック体２の内部もしくは下部主面に配置した抵抗発熱体５とから構成され、ウェハ支持部材１には、ホットプレート４を貫通した貫通孔２６を挿通してウェハＷを昇降させるリフトピン２５と、これらウェハリフトピン２５を挿通して案内するガイド部材１２を設けている。そして、ウェハ支持部材１は、このホットプレート４の周縁部を支持する円筒状のケース１９を備えて、ケース１９の内部空所には、ホットプレート４下部にリフトピン２５とそのガイド部材１２とを備えている。

板状セラミック体２は、セラミック焼結体からなり、酸化物、炭化物、窒化物の焼結体からなることが好ましい。そして、通常は、円板状を成している。板状セラミック体２の一方の主面がウェハＷの載置に利用され、他方の主面ないし内部に発熱抵抗体５が配置され、リフトピン２５を挿通するための貫通孔２６を備えている。また、板状セラミック体２の周縁部が、前記筒状のケース１９の上部開口部の周縁部に固定されている。

そして、リフトピン２５を上方に持ち上げた状態でウェハＷを支え、リフトピン２５を降下させて、載置面３にウェハＷを載せて、抵抗発熱体５に外部から電流を供給して発熱させ、ウェハＷを一定温度で加熱することができる。

板状セラミック体２の厚みが２〜７ｍｍであると、ホットプレート４の強度を確保して、ホットプレート４の熱容量を小さくすることができる。更に、加熱および冷却時の温度が定常化するまでの時間を短くすることができる。また、板状セラミック体２は、好ましくは、ヤング率２００ＧＰａ以上の材料が用いられ、熱応力に対して変形量が小さく板厚を小さくできる。

また、板状セラミック体２は、好ましくは、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する材料から形成され、薄い板厚でも抵抗発熱体５の発熱を伝導し、ウェハ載置面３の温度ばらつきを小さくすることができる。これらの点から、炭化珪素質または窒化アルミニウム質の焼結体が好ましい。

本発明のウェハ支持部材１は、板状セラミック体２の一方の主面或いは内部に複数の抵抗発熱体５を備え、他方の主面にウェハＷを載せる載置面３を備えたウェハ支持部材１であって、抵抗発熱体５の各々に独立して電力を供給する給電部６と、給電部６を囲むケース１９とが設けられており、また板状セラミック体２を冷却するための開口２３が設けられている。

また、開口２３は、ケース１９の底板２１にあり、底板２１の面積の１０〜７０％の開口部を形成することにより、板状セラミック体２の下面が適度に冷却されウェハ面内の温度ばらつきが小さくなるので好ましい。底板２１の面積に対する開口部の比率を開口率として、この開口率を１０％以上にすることにより、底板１９の熱容量が小さくなるので、温度変更後のウェハＷの温度のオーバーシュートが小さくなり好ましい。また、開口率を７０％以下にすることにより、底板２１の剛性が保たれるので、板状セラミック体２の平面形状の変形がなく、板状セラミック体２とウェハＷとの距離が均一に保たれるのでウェハＷの面内温度のばらつきを抑えることができるので好ましい。

尚、開口率は底板２１の開口部の総面積を底板２１の面積で除した値を１００倍した値である。

また、ウェハ支持部材１の厚みＬが４０ｍｍ以下であることにより、装置が小型化され、また、冷却媒体の循環の効率が良くなるので好ましい。４０ｍｍ以下ではウェハ支持部材１が小型化されるので、装置の熱容量が小さくなり、温度変更後の底板２１等の各部材が安定するまでの時間が短くなり好ましい。

また、ウェハ支持部材１の厚みＬのばらつきを０〜１ｍｍとすることにより、ウェハＷの面内の温度ばらつきが小さくなるので好ましい。

前記により、ウェハ支持部材１の昇降温の時間が短くなり、かつ、ヒータが安定するまでの時間が短くなり、温度変更直後から、繰り返し精度良くウェハＷの処理ができるウェハ支持部材１を提供できる。

以下に詳細を説明する。ホットプレート４を１２０℃から１５０℃に加熱した際、ホットプレート４の温度上昇により、板状セラミック板２の直下に抵抗発熱体５が形成されている板状セラミック体２と、ホットプレート４からの熱伝達による熱電対２７や空気からの直接接触して温度上昇するケース１９の底板２１の昇温カーブは異なり、各々が安定するまでの時間に差が生じてしまう。そのためウェハ支持部材１は、昇温直後には、熱電対２７、ケース１９の底板２１、および空気からの熱引きが大きいため、設定温度を維持するために、ウェハ支持部材１は温度が低いと感知するため、通常Ｐ．Ｉ．Ｄ制御により、余分な電力を供給してしまい、オーバーシュートをしてしまう。オーバーシュートを小さくして、ウェハ温度を小さくするため、板状セラミック体２、筐体、チャンバーとの熱容量のバランス取りにより、ウェハ温度のばらつきを小さくできる。また、熱電対２７は、セラミック支持部材１の正確な温度を検知するため、板状セラミック体２の凹溝部１０に形成されなければならない。本件では、ケース１９の底板２１の開口率、形状および平面度について着目して、ウェハ表面温度が均一になる方法を検討した。

まず、ケース１９の底板２１の開口率が１０％以下の場合、板状セラミック体２は設定温度に到達しても、底板２１の金属部分の熱容量が大きいため、ウェハＷの温度変更が遅くなってしまう。つまり、昇温直後にウェハＷを載置した際、底板２１の熱容量が大きいので底板２１の温度の上昇が緩やかになるため、セラミックス体２の熱電対２７での温度検知が低くなってしまい、出力を上げるように制御してしまう。よって、ウェハＷの温度が徐々に上がってしまう。

逆に、開口率が７０％より大きいと、底板２１の開口部分が大きいので、底板２１の熱容量が小さくなり、底板２１の温度の上昇が早くなるため、熱電対２７で温度が高いと検知してしまい、出力を下げるように制御してしまう。よって、ウェハＷの温度が徐々に下がってしまう傾向があるからである。また、開口率が７０％を超えると、底板２１の剛性がなくなり、外周の平面度が所定の値に入れることができず、ウェハＷの温度精度が０．５℃以上になってしまうからである。

また、ウェハ支持部材１の厚みＬとは、板状セラミック体２と冷却媒体（冷媒）が循環する空間の厚さとケース１９からなる、ウェハ載置面３からケース１９の底板２１の底部までの距離である。ウェハ支持部材１の厚みＬは、４０ｍｍ以下であることが好ましい。ケース１９内の容積が小さく、軽量化することができるからである。また、４０ｍｍより大きいと、ケース１９内の大きさが大きくなり、熱容量が大きくなり、また、空間が大きくなると、空気により断熱され、板状セラミック体２からケース１９への熱伝導が妨げられるので、ケース１９の昇温カーブが緩やかになり、安定するまでの時間が大きくなり過ぎるからである。

また、ウェハ支持部材１の厚みＬが１０ｍｍより薄いと、ホットプレート４と底板２１との距離が近すぎるため、底板１９の開口部２３の輻射の影響により、ウェハ表面の温度ばらつきが大きくななり、ウェハＷの面内温度差が０．５℃以上になってしまう虞がある。

ウェハ支持部材１の厚みＬを１０〜４０ｍｍにすると、昇降温特性に優れ、また、小型化、軽量化が可能になる。また、その厚みＬのバラツキが０〜１ｍｍであることが好ましい。厚みＬのばらつきを小さくすることで、チャンバー上部３３とウェハＷとの距離が均一に保たれるので、チャンバー上部３３からのウェハＷへの熱輻射の影響を抑えることができるからである。近年、スループットを改善する目的で、チャンバー上部３３にヒータを組み込んだ方式もとられている。すなわち、チャンバー上部３３にヒータの温度分布がウェハＷの温度に影響を与える虞があるからである。

また、本発明では、ケース１９の底板２１の外周部の平面度を０〜１００μｍとすることにより、ウェハＷの温度が良くなるので好ましい。外周部とは底板２１の直径の７０〜９９％の範囲を示す。前記平面度とは同一円の円上を８箇所測定し、その最大値から最小値を引いた値を示す。底板２１の平面度を０〜１００μｍにすることにより、精度良く加工されたチャンバー下部３２の補強部材３１とボルト１６で固定される際、補強部材３１の端面に沿って変形する量が小さくなり好ましい。更に好ましくは底板２１の外周部の平面度が０〜５０μｍである。

尚、チャンバー下部３２の補強部材３１はケース１９を固定する基準の面となるため、平面度は０〜５０μｍであり、更に小さなものは、０〜２０μｍである。

また、ケース１９の角部（側板２２と底板２１の接続部の外側）は面取り形状或いはＲ形状が形成されていることが好ましい。例えば、角部のバリが除去できていないと、板状セラミック体２の平面度が大きくなりウェハＷの面内温度差が大きくなる虞がある。また、底板２１とチャンバー下部３１との接触面積が小さくなるため、底板２１が断熱されるので温度が下がりにくい傾向があり、温度変更後のウェハＷの温度が安定しないからである。側板２２と底板２１との接続部のバリを除去し、補強部材３１への取り付けに隙間が生じないようにするためである。

面取りの大きさは０．１〜２ｍｍが好ましい。面取りの大きさが０．１ｍｍを下回ると角部のバリを十分除去できない可能性がある。また、面取りの大きさが２ｍｍを超えるとケース１９の板厚との兼ね合いからケース１９の強度が低下する虞があった。そして、これらのケース１９は底面を成す底板２１の外周部の上面、或いは底板２１の外周面に側板２２を成す円筒を溶接して形成した有底ケースの角部を研削等の機械加工をして面取り形状を得ることができる。

また、ケース１９の角部（側板２２と底板２１の接続部）はＲ形状であると好ましい。Ｒ形状の大きさは０．２〜５０ｍｍであることが好ましい。Ｒ形状の大きさが０．２ｍｍを下回るとＲ形状を形成することが困難で前記の面取り形状で代用できるからであり、Ｒ形状が５０ｍｍを超えると、ウェハ支持部材１の厚みとの兼ね合いから円筒部が少なくなりケース１９の剛性が低下する虞があるからである。より望ましくは、ケース１９の剛性を高める上で、Ｒ形状の大きさは３以上が望ましい。更に好ましくは５〜１０Ｒである。尚、Ｒは直径で表示している。

また、前記の形状を形成するには、ケース１９の側板２２と底板２１は一体ものであることが好ましい。一体もののケース１９は円板から絞り加工により側板２２を形成し作製することができる。そして、前記絞り加工によりケースを作製したものは板厚が比較的薄いにも関わらず剛性が大きくウェハ保持部材１を装置に取り付けたり、昇温降温を繰り返したりしても変形が少なく温度精度の極めて高いウェハ保持部材１を提供できる。

また、一体ものの場合、接続部が簡素化されることから熱容量を小さく、且つ剛性を大きくできる。

また、温度変更直後からの温度安定性の繰り返し精度については、以下に示す昇温温度変更後のウェハ平均温度変化量と、降温温度変更後のウェハ平均温度変化量により表す事ができる。

ホットプレート４の温度（板状セラミック体２に組み込まれた熱電対２７が示す温度）を１２０℃で１時間安定させた状態から、設定温度を１５０℃へ加熱し、最も昇温が遅い板状セラミック体２に組み込まれた熱電対２７の温度を１５０℃に到達させる。前記温度変更開始から１５０秒後に、室温に冷却された測温素子付きのシリコンウェハを載置面に載置させてウェハＷの温度の平均温度を測定し、これを初期のウェハ温度Ｔ１とした。また、１時間後の１７ポイントのウェハＷの温度の平均値Ｔ２を測定した。そして、Ｔ１からＴ２を引いた差を昇温温度変更後のウェハ平均温度変化量とした。

また、ホットプレート４の温度（板状セラミック体２に組み込まれた熱電対２７が示す温度）を１８０℃で１時間安定させた状態から、設定温度を１５０℃へ降温し、また、同時に、冷却ノズル２４からエアーを抵抗発熱体５へ吹きつけて、降温が最も遅い板状セラミック体２に組み込まれた熱電対２７の温度を１５０℃に到達させる。前記温度変更開始から１５０秒後に、室温に冷却された１７ポイントの測温素子付きのシリコンウェハを載置面に載せてウェハの平均温度Ｔ３を測定し、初期のウェハ温度とした。そして、１時間後の１７ポイントのウェハ温度の平均値Ｔ４を測定した。そして、Ｔ４からＴ３を引いた差を降温温度変更後のウェハ平均温度変化量とした。そして、昇温温度変更後のウェハ平均温度変化量と降温温度変更後のウェハ平均温度変化量は、より小さいことが好ましく、小さいと温度再現性も優れ好ましい。

一方、底板２１の厚みが２〜７ｍｍであることが好ましい。底板２１の厚みが２ｍｍより薄い底板２１は剛性が弱くなり、変形量が大きくなるので板状セラミック体２の平面度が悪化してしまう。また、底板２１の厚みが７ｍｍより厚いと、底板２１の剛性は高くなるが、底板２１の熱容量が大きくなるので、底板２１の温度上昇が遅れてしまい応答性が悪くなるので、セラミック支持部材１を昇温させた際に、板状セラミック体２と底板２１との温度差が生じてしまう。そのためウェハ支持部材１は、昇温直後には、熱電対２７、ケース１９の底板２１、および空気からの熱引きが大きいため、設定温度を維持するために、ウェハ支持部材１はＰＩＤ制御により、熱引きのため低いと検知した分余分な電力を供給するようになり、オーバーシュートしてしまい、昇温温度変更後のウェハ平均温度変化量０．０５℃を満足できない。

また、前記に加えて、底板２１の開口率は２０〜６０％であることが好ましい。底板２１の開口率が２０％より小さく、かつ、底板２１の厚みが７ｍｍを超えて底板２１の熱容量が大きいの場合、セラミック支持部材１の昇温の温度変化に対して、底板２１の温度が上昇して安定するまでの時間がかかるため、セラミック板状体２との熱容量の差が大きくなり、底板２１が熱を引いてしまい、セラミックスヒータ１が加熱の制御をしてしまう。そのため、板状セラミック体２に載置されたウェハＷの表面温度は上がってしまう虞があるからでる。

逆に、底板２１の開口率が６０％を超えて、かつ、板厚が２ｍｍを下回り熱容量が小さい場合では、オーバーシュートはないが、底板２１の剛性がなくなり、初期のウェハＷの表面温度差が０．５℃を超える虞があるからである。

また、開口部２３の形状としては、特に限定されず、例えば、円弧と直線とからなる形状、台形状、長方形状等が挙げられる。なお、複数の開口の形状は、同一の形状よりも異なった形状を組み合わせることが好ましい。また、開口部２１の形状が円弧と直線と円とからなり混在する事が好ましい。

また、中心（直径の５０％の領域）の開口部の面積比率が外周部（直径の５０〜９９％）の開口部の面積比率より大きい方が好ましい。何故なら、板状セラミック体２の中心部は熱が集まり易く、冷えにくい傾向があるので、中心部に円弧と直線とからなる開口部を設けることにより、冷却効率が良くなるからである。また、底板２１の外周部の開口の形は、円の形状の方が好ましい。底板の外周部の平面度を極力抑える効果があるからである。逆に、円弧と直線では、底板の剛性が弱くなり平面度やそりが発生しやすい傾向があるからである。

また、図３に示すように、開口部２３の形状が円弧と直線とからなる開口部１０１の面積と、円からなる開口部１０２の面積の比率が３０〜７０％であることが好ましい。開口部の面積比率を円弧と直線とからなる開口部の面積と円からなる開口部との面積比率を３０％〜７０％とすることにより、冷却効率もよく、底板２１の剛性も保たれるからである。また、円弧と直線とからなる開口部１０１を底板２１の中心部に設けることが好ましい。円弧と直線とからなる開口部１０１を中心に設けることにより、中心部への冷媒の循環が良くなるからである。また、外周部には、円の開口部１０２を設けることにより、底板２１のそりを小さくできるからである。

さらに、中央部の開口率が外周部の開口率より大きい場合、開口部の総面積が２０〜６０％とすることにより更に改善できるからである。

また、底板２１の材料のヤング率が１５０ＧＰａ以上であることが好ましい。底板２１は剛性を高めて底板２１の厚みを薄くできるからである。底板２１の材料のヤング率が１５０ＧＰａを下回ると、底板２１の剛性が小さので、基板もたわんでしまう虞がある。

また、底板２１の材質はＳＵＳ板が好ましい。さらに、底板２１は熱処理により均一な組織になったものが最適である。また、底板２１の材質はセラミックスでも構わない。

次にその他の構成について説明する。

ホットプレート４に設ける抵抗発熱体５は、抵抗材料のストリップからパターン形成されて、図示しないが、板状セラミック体２の内部に埋設されるか、図１に示すように、下部主面に取着されている。抵抗体ストリップは、同心円状、又は渦巻き状のパターンで配置して構成することができ、板状セラミック体２の面域でいくつかに分割した抵抗発熱体５にし、各抵抗発熱体５は、連続したストリップで形成される抵抗回路にし、各抵抗発熱体５を電力制御して、板状セラミック体２全体で温度が均一化するように発熱量の分布を与えることができる。

ホットプレート４はケース１９上に固定されるが、ケース１９は、有底筒状を成して、底部にはウェハリフトピン２５を挿通する底部貫通孔２６を有してガイド部材１２の下端側を定置し、上部の開口部が、ホットプレート４の周縁部を固定している。

リフトピン２５は、ケース１９下部に配置した駆動装置により、上下動可能に立設され、好ましくは、３本以上のウェハリフトピン２５が利用される。リフトピン２５は、ケース１９の貫通孔２６を貫通して、リフトピン保持部材のガイド孔を挿通して、板状セラミック体２の貫通孔を挿通して、基板上面から先端が突出するように配設される。リフトピン２５は、外部から運搬してきたウェハＷをウェハリフトピン２５の上端で受け取り、ウェハリフトピン２５を下降させてホットプレート４のウェハ戴置面３に戴置することができ、加熱処理後には、ウェハリフトピン２５を同時に上昇させて熱処理を終えたウェハを戴置面から離脱するのである。

リフトピン２５は、金属の細い線条で形成され、好ましくは、２〜６ｍｍの直径を有している。リフトピン２５が、この直径２ｍｍより細いと、十分な剛性を確保できず、ウェハの荷重で、曲がりやすくなり、ウェハの載置離脱の安定性に欠けるので好ましくない。直径６ｍｍより太いと、板状セラミック体２の貫通孔２６の直径が大きくなり、この上のウェハＷにクールスポットを発生させるので好ましくない。

板状セラミック体２の貫通孔２６は、リフトピン２５を挿通するが、貫通孔２６の内径が２〜８ｍｍであると、貫通孔周辺部の温度ばらつきを抑制でき、ウェハＷを短時間で均一に加熱することができるので好ましい。貫通孔２６の内径が８ｍｍを超えると、ホットプレート４の非加熱領域である貫通孔２６が広くなり過ぎて、周囲の抵抗発熱体５の熱密度を調整しても、均熱性を確保できないので好ましくない。

ガイド部材１２は、底部２１に固定され、ホットプレート４の下部主面側に配置されて、内部に形成されたガイド孔を有する筒体であり、ガイド孔でリフトピン２５をその先端が板状セラミック体２の貫通孔２６に挿入できるように方向付ける機能を有している。

このようなガイド部材１２は、一般に、金属、セラミック、耐熱性ポリマから選ばれる。ガイド部材１２は、共通して、横断面が矩形または円形、その他の変形を含む柱状ないし筒状である。ガイド部材１２のガイド孔は、リフトピン２６を挿通することのできる直径を有し、リフトピン２５の直径に対応して、ガイド孔の内径は、２〜８ｍｍであるのが好ましい。

ガイド部材１２の上端面は、細くされて、肉厚０．１〜３．０ｍｍの環状の形状とし、基板から上端面への熱伝達量を低減することができる。上端面の肉厚は、端面の外周とガイド孔内周との間の厚みないし幅を言う。ガイド部材１２の上端面の肉厚が、３．０ｍｍを超えると、板状セラミック体２−ガイド部材１２間の熱伝達の量が大きくなり、板状セラミック体２の厚みが小さいと、ウェハＷ上で、基板の貫通孔２６に対応する部位の温度が他の部位よりも低くなる虞がある。肉厚を０．１ｍｍより薄くすると、ガイド部材１２の上端面が加熱処理時に熱変形する虞があり、十分な強度を得ることができない。

ガイド部材１２上端面の環状の肉厚は、０．１〜０．５ｍｍであるのがいっそう好ましい。このような肉厚のガイド部材１２は、ホットプレート４のガイド部材１２の直上部位からガイド部材１２に移動する熱量が軽減され、これにより、ホットプレート４の接触面周辺部温度の低下が抑制され、ウェハ表面のクールスポットの発生を防止することができる。

ケース１９は、金属製（例えば、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４）で、底部２１と円筒側面２２とからなり、円筒容器状にされている。ケース１９は、底部２１の上面から板状セラミック体２の下部主面７までの距離を１０〜４０ｍｍとし、ケース１９内部に空所を形成している。この距離は、ホットプレート４とケース１９内面との相互の輻射熱によりウェハ載置面の均熱化を容易にし、外部との断熱効果があるので、載置面３が均熱されるまでの時間が短くなるので好ましい。

ケース１９の底部２１には、リフトピン用の貫通孔１０を設けて、ガイド部材１２の下面がネジ止め固定されて、ガイド孔１４がこの貫通孔１０に連通している。ケース１９は、また、この例では、底部２１には、ガス噴射口２４とガス排出口２３とを配設して、内部空所に冷却ガス（通常は、空気）を供給して、熱処理後に板状セラミック体２を強制冷却することができるようにされている。底部２１には、さらに、導通端子１１と熱電対２７と電気絶縁的に貫通するようにされている。

ホットプレート４は、このケース１９の開口部に、上側からボルト１６を貫通させ、断熱部１７を介在させ、ナット２０を螺着して弾性的に固定されている。

ケース１９は、円筒側面２２の内側底部には、底板２１が一体的に設けられ、略有底円筒形状となっている。なお、円筒側面２２と底板２１とが一体的に設けられておらず、底板２１が円筒側面２２にボルト、溶接等に連結固定されていてもよい。また、底板２１には、複数の開口２３が設けられている。

熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の炭化珪素質焼結体に研削加工を施し、板厚３ｍｍ、外径３３０ｍｍの円板状をしたホットプレートを複数作製し、各ホットプレートの一方の主面に絶縁層を被着するため、ガラス粉末に対してバインダーとしてのエチルセルロースと有機溶剤としてのテルピネオールを混練して作製したガラスペーストをスクリーン印刷法にて敷設し、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させた後、５５０℃で３０分間脱脂処理を施し、さらに７００〜９００℃の温度で焼付けを行なうことにより、ガラスからなる厚み２００μｍの絶縁層を形成した。

次いで、絶縁層上に抵抗発熱体を被着させるため、導電材として２０重量％のＡｕ粉末と１０重量％のＰｔ粉末と７０重量％のガラスを混合したペーストを所定量のパターン形状に印刷した後、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させ、さらに４５０℃で３０分間脱脂処理を施した後、５００〜７００℃の温度で焼付けを行なうことにより、厚みが５０μｍの抵抗発熱体を形成した。抵抗発熱体は、中心部と外周部を周方向に４分割した５パターン構成とした。そして、ホットプレートをケースに取り付け、測温素子や給電端子等を取り付け各種のウェハ支持部材を作製した。

ケースの底板の開口は、レーザーにて開口率を５〜８０％のものを作製した。また、ウェハ支材部材のケースの側板の厚みは、底板の上下面を研削加工して、２〜８ｍｍのものを作製した。また、支持部材の厚みＬは、ケースの側面の高さを変えて、８〜５０ｍｍのものを作製した。また、ウェハ支持部材の厚みＬのばらつきは、約２ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍと０．２ｍｍの４種を作製した。２ｍｍ品は、底板をレーザーで穴あけしたままのもの、１ｍｍ品は金属板で上下面を挟んでプレス加工し、平面度を良くした。また、０．２、０．５ｍｍ品は、底板を研削加工して平面度をさらに良くした。前記４種の底板を用いて、ケースを作製した。

以下に、評価方法を示す。

・ 昇温時間
昇温時間は、ホットプレートの温度（板状セラミック体に組み込まれた熱電対が示す温度）を１２０℃で１時間安定させた状態から、設定温度を１５０℃へ加熱し、最も昇温が遅い板状セラミック体に組み込まれた熱電対の温度が１５０℃に到達する時間を昇温時間とした。

・ 降温時間
降温時間は、ホットプレートの温度（板状セラミック体に組み込まれた熱電対が示す温度）を１８０℃で１時間安定させた状態から、設定温度を１５０℃へ降温すると同時に、冷却ノズルからエアーを抵抗発熱体へ吹きつけて、降温が最も遅い板状セラミック体に組み込まれた熱電対の温度が１５０℃に達するまでの時間を降温時間とした。

・ 初期のウェハ温度レンジ
測温素子付きのシリコンウェハを載置面に載せてホットプレートを加熱し、１時間安定させた後、ウェハ全体の温度の平均が１５０℃になるように分割された抵抗発熱体の温度を調整する。測温素子付きのシリコンウェハを用いてウェハ表面の温度を測定し、その最大値から最小値を引いた差を初期のウェハ温度レンジとした。

・ 昇温温度変更後のウェハ平均温度変化量
ホットプレートの温度（板状セラミック体に組み込まれた熱電対が示す温度）を１２０℃で１時間安定させた状態から、設定温度を１５０℃へ加熱し、最も昇温が遅い板状セラミック体に組み込まれた熱電対の温度を１５０℃に到達させる。温度変更開始から１５０秒後に、室温に冷却された測温素子付きのシリコンウェハを載置面に載置させてウェハの温度の平均温度を測定し、これを初期のウェハ温度Ｔ１とした。また、１時間後の１７ポイントのウェハの温度の平均値Ｔ２を測定した。そして、Ｔ１からＴ２を引いた差を昇温温度変更後のウェハ平均温度変化量とした。

・ 降温温度変更後のウェハ平均温度変化量（℃）
ホットプレートの温度（板状セラミック体に組み込まれた熱電対が示す温度）を１８０℃で１時間安定させた状態から、設定温度を１５０℃へ降温し、また、同時に、冷却ノズルからエアーを抵抗発熱体へ吹きつけて、降温が最も遅い板状セラミック体に組み込まれた熱電対の温度が１５０℃到達させる。温度変更開始から１５０秒後に、室温に冷却された１７ポイントの測温素子付きのシリコンウェハを載置面に載せてウェハの平均温度Ｔ３の測定をし、初期のウェハ温度とした。そして、１時間後の１７ポイントのウェハ温度の平均値Ｔ４を測定した。そして、Ｔ４からＴ３を引いた差を降温温度変更後のウェハ平均温度変化量とした。

それぞれの結果は表１に示すとおりである。

表１に示した結果から明らかなように、底板の開口率が１０％より小さい試料Ｎｏ．１は、開口率が小さく、熱容量が大きくなるので、降温時間が１４０秒と大きく遅い結果が得られた。また、開口率が８０％の試料Ｎｏ．４は降温時間が１１５秒で良好な結果が得られたが、底板の剛性が小さくなり、板状セラミック体の平面度が悪くなったので、初期ウェハ温度レンジが０．６℃と悪い結果となった。

また、ウェハ支持部材の厚みが１０ｍｍより薄い試料Ｎｏ．５では、厚みが８ｍｍと小さく、ホットプレートと底板との距離が短くなりすぎるので、底板に組み込まれた部材の輻射熱の影響により、板状セラミック体の均熱が悪くなり、ウェハ表面の温度の初期ウェハ温度レンジが０．７℃と大きくなった。

また、ウェハ支持部材の厚みが４０ｍｍより大きい試料Ｎｏ．８では、降温時間が１３０秒と大きく悪い結果が得られた。

また、ウェハ支持部材の厚みばらつきが１ｍｍより大きい試料Ｎｏ．１１は、昇温温度変更後のウェハ平均温度差が０．１１℃と大きく悪い結果が得られた。ウェハ支持部材の厚みばらつきが２ｍｍと大きいので、載置面に載置されたウェハＷとチャンバー上部との距離が一定でなく近接したので、チャンバー上部に（図示していない）組み込まれたヒータの温度むらの影響により、温度ばらつきが大きくなったものと思われる。

一方、開口率が１０〜７０％、ウェハ支持部材の厚みが１０〜４０ｍｍ、ウェハ支持部材厚みＬばらつきが０〜１ｍｍである試料Ｎｏ．２、３、６、７、９、１０では降温時間が１１３秒、１１１秒、１１３秒、１１４秒、１１０秒、１０９秒と短く、昇温温度変更後のウェハ平均温度変化量は０．０５０℃以下と小さく良好な結果が得られた。

さらに、ウェハ支持部材の厚みのばらつきが０〜０．５ｍｍである試料Ｎｏ．９、１０は、昇温／降温温度変更後のウェハ平均温度変化量が、０．０４℃以下と小さく、さらに好ましい結果が得られた。

ケースの底板の外周部の平面度を変えて評価を行なった。所定の平面度は、下記方法で作製した。底板の開口部をレーザーにて加工して、外周の平坦度が２００μｍのものを作製した。また、底板を上下２枚の金属板ではさんで１００μｍのものを作製した。また、更に、底板の上下面を研削して５０μｍの底板を作製した。前記３枚の底板を用いて、実施例１と同様の方法でウェハ支持部材を作製した。尚、底板の平面度の影響を確認するため、板状セラミック体は３種とも同一のものを使用した。

尚、外周部の平面度の測定方法は板状セラミック体の直径の８０％の同心円上を８箇所同間隔に測定し、最大値−最小値との差を平面度として測定した。評価は実施例１と同様に行なった。

その結果を表２に示す。

表２に示すように、ケースの底板の外周部の平面度が１００μｍより大きい試料Ｎｏ．１８は、初期ウェハ温度レンジ、および、昇降温温度変更後のウェハ平均温度変化量は０．０５０℃であった。しかしながら、外周部の平面度が０〜１００μｍである試料Ｎｏ．１６、１７は、昇温温度変更後のウェハ平均温度変化量と降温温度変更後のウェハ平均温度変化量はともに０．０４５℃以下となり良好な結果が得られた。

ケースの底板の角部のＲ形状について、種々検討を行なった。ケースの底板は、外周角部を面取り形状およびＲ形状の品と面取り無し品を作製した。また、外周部の面取りの大きさは０．５ｍｍ、１ｍｍで行なった。また、ケースを深絞り加工して作製したケースの角部のＲの大きさは約２ｍｍとした。実施例１と同仕様にて組立、同じ方法で評価した。

その結果を表３に示す。

表３に示すように、面取りが施されていない試料Ｎｏ．２１は、初期のウェハ温度レンジが０．２℃で、昇温温度変更後のウェハ温度変化量が０．０５℃であった。

しかしながら、ケースの底板の角部に０．５ｍｍの面取りやＲ形状が施されている試料Ｎｏ．２２、２３は、初期のウェハ温度レンジが０．１５℃で、昇温温度変更後のウェハ温度変化量が０．０４℃と小さく改善されていた。

また、試料Ｎｏ．２４は、Ｒ形状の大きさが２０ｍｍと大きく、底板との接触が安定したので、さらに昇温温度変更後のウェハ平均温度変化量が０．０３５℃とさらに小さく好ましかった。

実施例１と同様の方法で、ＳＵＳ製からなるケースの底板の厚みを１ｍｍ〜８ｍｍ、開口率を１０％〜７０％に変えた底板を用いてウェハ支持部材を作製した。

また、ケースの底板の外周部の平面度は０〜１００μｍ、底板全体の平面度０〜３００μｍのものを使用した。評価は実施例１と同様に行なった。

その結果を表４に示す。

表４に示すように、ケースの底板の厚みが１ｍｍ、開口率が６０％である試料Ｎｏ．３１は、初期ウェハ温度レンジが０．２℃、昇降温温度変更後のウェハ平均温度変化量は０．０４０℃であった。

また、底板の厚みが２ｍｍ、開口率が１０％、７０％である試料Ｎｏ．３２、３５は、昇降温温度変更後のウェハ平均温度変化量は０．０４０℃であった。

また、底板の厚み８ｍｍ、開口率６０％の試料Ｎｏ．４０では、昇降温温度変更後のウェハ平均温度変化量は０．０４０℃であった。

一方、ケースの底板の厚みが２〜７ｍｍで、ケースの底板の開口率が２０〜６０％である試料Ｎｏ．３３、３４、３７、３８では、昇温時間は５０秒、降温時間は１００秒、昇降温温度変更後のウェハ平均温度変化量は、０．０３０℃と小さく良好な結果が得られた。

実施例１と同様の方法で、円弧と直線からなる開口部と円からなる開口部のケースの底板をレーザー加工にて穴開けしたケースを作製した。円からなる開口は外周部に多くし、ケースの底板の強度の低下を抑えた。また、開口部の形状の比率を変えて試験を行なった。円弧と直線からなる開口部Ｓ１と円からなる開口部Ｓ２の比率（（Ｓ１／Ｓ２）×１００％）が２０％、３０％、７０％、８０％の４種類のケースの底板を作製した。また、底板全体の開口率は４０％に固定した。評価方法は実施例１と同一とした。

その結果を表５に示す。

表５で示すように、円弧と直線からなる開口部と円からなる開口部の比率が３０％より小さい試料Ｎｏ．４１では、昇降温温度変更後のウェハ温度変化量は０．０３０℃であった。

また、比率が８０％である試料Ｎｏ．４４も、昇降温温度変更後のウェハ温度変化量は０．０３０℃と大きかった。

しかしながら、円弧と直線からなる開口部と円からなる開口部の比率が３０〜７０％である試料Ｎｏ．４２、４３では、昇降温温度変更後のウェハ温度変化量は昇温、降温ともに０．０２０℃と良好であった。

底板の中心から底板の直径の５０％までの領域である中心部とその外側の外周部で開口率の比率を変えてウェハ支持部材を作製し実施例４と同様に評価した。

尚、中心部（径方向０〜５０％）の開口率は、｛中心部の開口面積／（π×（底板の半径／２）^２）｝×１００％、外周部（径方向５０％〜１００％）の開口率は、｛外周部の開口面積／（π×（底板の半径）^２−π×（底板の半径／２）^２）｝×１００％で算出した。

その結果を表６に示す。

表６で示すように、外周部に比べ中央部の開口率が大きい試料Ｎｏ．５１は、中央部の開口率が小さい試料Ｎｏ．５２に比べ昇降温温度変更後のウェハ平均温度変化量が、さらに小さくなり、０．０１５℃と良好な結果が得られた。中央部は熱が集まり易い傾向があるので、開口率が大きい方が良い傾向が得られたと考えられる。

実施例１と同様の方法で、開口率１０％、２０％、６０％、７０％の４種類のケースの底板を試料Ｎｏ．５１のように、外周部に比べ中心部の開口率が大きな試料を作製した。評価は実施例１と同様に行なった。

その結果を表７に示す。

表７で示すように、底板の開口率が２０％より小さい、または、６０％より大きい試料Ｎｏ．６１、６４は、昇降温温度変更後のウェハ平均温度変化量が０．０１５℃であった。

しかしながら、開口率が２０〜６０％である試料Ｎｏ．６２、６３では、昇降温温度変更後のウェハ温度の変化量は０．０１０℃と小さく良好であった。

本発明の一例を示すウェハ支持部材の断面図である。 本発明の一例を示すウェハ支持部材を装置に取り付けた状態を示す断面図である。 本発明の一例を示すウェハ支持部材におけるケースの底板を示す図である。 従来のウェハ支持部材の断面図である。 従来のウェハ支持部材の断面図とケースの底板を示す図である。 従来のウェハ支持部材におけるケースの底板を示す図である。 従来のウェハ支持部材の断面図とケースの底板を示す図である。

Ｗ：半導体ウェハ
Ｌ：ウェハ支持部材の厚み
１：ウェハ支持部材
２：板状セラミック体
３：ウェハ載置面
４：ホットプレート
５：抵抗発熱体
６：給電部
８：支持ピン
１０：測温素子、熱電対
１１給電端子
１６：ボルト
１８：弾性体
１９：ケース
２０：ナット
２３：開口
２５：ウェハリフトピン
２６：貫通孔
３１：補強部材
３２：チャンバー下部
３３：チャンバー上部
１００：ホットプレート
１０１：円弧と直線からなる開口部
１０２：円からなる開口部

Claims (6)

1. 板状セラミック体の一方の主面或いは内部に複数の抵抗発熱体を備え、他方の主面にウェハを載せる載置面を備えたウェハ支持部材であって、前記抵抗発熱体の各々に独立して電力を供給する給電部と、該給電部を囲むケースとを有し、前記板状セラミック体を冷却するためのガス噴射口を備え、前記ケースの底面にその面積の１０〜７０％の開口部を形成し、前記ウェハ支持部材の厚みが１０〜４０ｍｍ、その厚みのバラツキが０〜１ｍｍであり、前記底面の周辺の円環状領域の平面度が０〜１００μｍであり、前記開口部は円からなる開口部および円弧と直線とからなる開口部からなり、前記円弧と直線とからなる開口部の面積と前記円からなる開口部の面積との比率が３０〜７０％であることを特徴とするウェハ支持部材。
2. 前記底面と前記ケースの側面との間が面取り形状或いはＲ形状であることを特徴とする請求項１に記載のウェハ支持部材。
3. 前記底面と前記ケースの側面との間が大きさ０．１〜２ｍｍの面取り形状であるか、あるいは大きさが０．２〜５０ｍｍのＲ形状であることを特徴とする請求項２に記載のウェハ支持部材。
4. 前記底面を成すケースの厚みが２〜７ｍｍであり、前記ケースの底面にその面積の２０〜６０％の開口部を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のウェハ支持部材。
5. 前記円弧と直線とからなる開口部を前記底面の中心部に設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のウェハ支持部材。
6. 前記ケースの底面の中心部の開口率が外周部の開口率より大きいことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のウェハ支持部材。

Images