JP5381878B2 - ウェハ加熱用ヒータユニットおよびそれを搭載した半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置に用いられる、ウェハ加熱用ヒータユニットに関する。特に、急速昇温性、均熱性に優れ、信頼性に優れたウェハ加熱用ヒータユニットに関する。

半導体の製造工程では、被処理物である半導体ウェハに対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。ウェハを加熱する必要のある場合には、ウェハ加熱用ヒータユニットにウェハを載置し、所定の熱処理を施している。例えば、ウェハのフォトリソグラフィーに使用されるコータデベロッパや半導体検査用のウェハプローバ、成膜用のＣＶＤ装置等が挙げられる。

このうち、ウェハにレジスト膜を形成するフォトリソグラフィー工程においては、ウェハを洗浄し、加熱・乾燥し、冷却した後、ウェハ表面にレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー処理装置内のヒータユニットにウェハを搭載し、乾燥した後、露光、現像などの処理が施される。

これらの半導体製造装置におけるウェハの処理については、スループットを向上させるために、できるだけ短時間で処理を終わらせることが要求される。また、ウェハを加熱する際に、ウェハをヒータユニットに搭載し、熱処理を行い、ウェハをヒータユニットから次の工程に搬送するために離脱させるまでの間、過渡状態を含め厳密な温度管理、均熱性が要求される。加えて、ヒータの温度条件を変化させる、例えば昇温、降温させる場合には、ヒータの温度をすばやく設定した温度にする必要がある。また、使用するヒータには信頼性が要求される。

例えば、特許文献１には、ウェハを加熱するための加熱体であって、発熱体を備えたヒータと断熱層を介して均熱板を備えた加熱体が開示されている。特許文献１において発熱体が金属箔である場合には、金属箔を例えば耐熱性の樹脂で挟み込み、金属箔を挟み込んだ樹脂をヒータ基板と均熱板とで断熱層を介して固定することが開示されている。

特許文献１のように、金属箔の発熱体を耐熱性の樹脂で挟み込み、ヒータ基板と均熱板とで断熱層を介して挟み込む場合、金属箔を挟み込んだ樹脂は、金属箔の存在する部分では、金属箔が存在しない部分に比較して厚みが薄くなる。このため、金属箔の存在しない部分では、ヒータ基板、または均熱板との間に空隙が生じやすくなり、この空隙によって金属箔で発生した熱が、ヒータ基板、均熱板に均一に伝導せず、均熱性を阻害することがある。

また、金属箔が発熱したとき、金属箔、断熱層ともに温度上昇するが、これら金属箔、断熱層が互いに熱膨張係数が異なる場合、金属箔と断熱層の熱膨張量が異なるため、金属箔と断熱層を接着すると、その熱膨張量の差により加熱体が変形し、反り等が発生する。このため、ヒータ基板、発熱体、均熱板の密着性が損なわれ、均熱性が大幅に悪化するとともに、これらを機械的に固定している場合には、固定部分の破損を引き起こすことがあった。

更に、均熱板に冷却モジュールを当接した場合にも、冷却モジュールと均熱板との間に空隙があれば、空隙部分の冷却が遅くなり、温度ムラも発生しやすくなるという問題も存在する。

特開２００８−１１８０８０号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、均熱性、信頼性に優れたウェハ加熱用ヒータユニットおよびそれを搭載した半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明のウェハ加熱用ヒータユニットは、ウェハ載置面を有する載置台と、該ウェハ載置面の反対側の面に抵抗発熱ユニットを有し、前記載置台と前記抵抗発熱ユニットを支持する支持板とから構成され、前記抵抗発熱ユニットは発熱体と該発熱体と前記載置台の間の絶縁層とからなり、前記発熱体のパターンが存在しない部分に発熱体と同じ材料の介在物が存在し、前記発熱体と前記介在物の間に絶縁体を備え、前記発熱体と前記介在物の厚みが略同一であることを特徴とする。

前記支持板が導電体であり、前記抵抗発熱ユニットと支持板の間に絶縁層が存在することが好ましい。

このようなウェハ加熱用ヒータユニットを搭載した半導体製造装置は、均熱性、信頼性、スループットに優れたものとすることができる。

本発明によれば、均熱性や信頼性に優れたウェハ加熱用ヒータユニットを提供することができる。

本発明のウェハ加熱用ヒータユニットの断面構造の模式図を示す。

図１を参照して、本発明のウェハ加熱用ヒータユニットは、ウェハ載置面１０を有する載置台１と、該ウェハ載置面の反対側の面に抵抗発熱ユニット２を有し、前記載置台と抵抗発熱ユニットを支持する支持板３とから構成され、抵抗発熱ユニット２は発熱体２１と該発熱体と載置台１の間の絶縁層２２とからなり、発熱体２１のパターンの存在しない部分に介在物２３が存在する。

発熱体のパターンの存在しない部分に介在物２３が存在することにより、発熱体の有無による厚みの分布がなくなり、載置台と抵抗発熱ユニットと支持坂との密着性が高まるので、熱伝達の差異がなくなるので、ウェハ載置面の均熱性を向上させることができる。

前記発熱体と介在物は、同じ材料であっても良い。この場合、発熱体のパターン形成した時に発生する抜きパターンを介在物として用いることができるので、経済的である。なお、発熱体と介在物の間には、絶縁体を挿入しておく必要がある。

あるいは、前記発熱体と介在物がほぼ同じ厚みであり、介在物が絶縁体であってもよい。この場合、絶縁体に発熱パターンを抜いた絶縁体に発熱体をはめ込んで組み込めるため、製作工程が容易で生産性を向上することができる。

発熱体の厚みと介在物の厚みは、同じかあるいは発熱体の厚みが２０μｍ程度厚くすることが好ましい。発熱体の厚みを介在物の厚みより５０μｍを超えるまで厚くすると、上記均熱性などに悪影響が出やすくなるので好ましくない。最も好ましい範囲は、同等から１０μｍ程度までである。

また、支持板が導電体の場合は、抵抗発熱ユニットと支持板との間に、絶縁層を挿入する必要がある。

本発明においては、発熱体を２層以上積層することができる。

本発明の載置台と支持板は、均熱性の観点から熱伝導率の高い材料が好ましい。熱伝導率の高い材料としては、銅、アルミニウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、及びこれらを含む複合材料を挙げることができる。複合材料とは、例えばシリコンと炭化ケイ素の複合体（Ｓｉ−ＳｉＣ）やアルミニウムと炭化ケイ素の複合体（Ａｌ−ＳｉＣ）等がある。

載置台と支持板の組合せでは、少なくともどちらかが剛性の高い材料にすることが好ましい。剛性の高い材料は、窒化アルミニウムや、炭化ケイ素、およびこれらのセラミックスを含む複合体である。

もし載置台と支持板の両方が、例えばアルミニウムなどの比較的剛性の低い材料とした場合は、抵抗発熱ユニットなどの熱サイクルにより変形が生じ易くなり、冷却モジュールと支持板、あるいは抵抗発熱ユニットと載置台との密着性が変化し、載置面の形状が変化することにより、均熱性などの特性が悪化するため好ましくない。また、載置するウェハの均熱性を良好にするためには、載置台の熱伝導率を比較的高くし、支持板の剛性（ヤング率）を比較的高くすることが好ましい。

発熱体は、ステンレス、ニッケルクロム合金、インコネル、モリブデン、タングステンなどの金属箔であることが好ましい。この中では、ステンレスが、生産性とコスト面で、最も好ましい。

絶縁層は、ポリイミド、マイカ、テフロン（登録商標）などであることが好ましい。この中では、熱抵抗の少ない厚みが薄いものが使用できるので、ポリイミドが最も好ましい。

介在物は、発熱体と同じ材料であるか、ポリイミドあるいはテフロン（登録商標）などであることが好ましい。介在物と発熱体が同じ材料の場合は、介在物と発熱体の間に、ポリイミドあるいはテフロン（登録商標）の絶縁体を挿入して、介在物と発熱体との絶縁をとる必要がある。

載置台と支持板とは、抵抗発熱ユニットを挟み込んで、機械的に結合することが好ましい。載置台と支持坂の材質が異なる場合や、冷却モジュールを支持板側に設置した場合、常温のウェハを載置台に搭載したときに、温度差や熱膨張差が生じるので、これらの影響を受けにくくするためである。機械的な結合方法は、ネジ止めやバネによる固定が挙げられるが、安定性の観点から、ネジ止めが最も好ましい。

載置面には、ウェハを支持する支持体（図示せず）を設置することが好ましい。支持体は、ウェハと載置面との間に微小な空間を形成し、ウェハ裏面へのパーティクルの付着を防止するとともに、微小な空間を形成することによりウェハの温度分布（均熱性）を向上させることができる。支持体は、ウェハと載置面の間隔を、１０〜３００μｍ程度になるように設置することが好ましい。

本発明のウェハ加熱用ヒータユニットには、支持板の下部に可動式冷却モジュールを備えることが好ましい。例えば、加熱時には冷却モジュールを支持板から離しておき、冷却時に支持板に当接することにより、冷却速度を向上させることができる。冷却モジュールは、例えば銅あるいはアルミニウム等の板状体に溝を形成し、その溝に金属パイプを取り付け、このパイプに水や有機系の冷媒を流す方法がある。

また、２枚の金属板の片方あるいは両方に流路を形成し、ロウ付けや溶接で接合して冷却モジュールとすることができる。また、冷却モジュールには冷媒を流す流路を形成しないで、冷却モジュールが支持板から離間したときにチャンバーなどの容器に接触するようにして、容器に冷媒を流して冷却モジュールを冷却するような構造であってもよい。

上記の中では、冷却モジュールそのものに冷媒の流路を形成しない方が、冷却モジュールの温度分布を、ウェハ加熱用ヒータユニットに影響を与え難いので好ましい。冷却モジュールに冷媒の流路を形成すると、冷媒の導入部分出は冷却モジュールの温度が低いが、冷媒の出口付近では冷媒の温度が上昇しているので、冷却モジュールの温度が高くなるという温度分布が生じる。この冷却モジュールの温度分布が、ウェハ加熱用ヒータユニットのウェハ載置面の温度分布に影響を与えることがあるからである。

載置台として、窒化アルミニウム焼結体（ＡｌＮ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）の板を用意した。これらの直径は３２０ｍｍで、厚みは５ｍｍとした。

窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９９．５重量部に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を、０．５重量部添加し、アクリルバインダー、有機溶剤を加え、ボールミルにて２４時間混合して、ＡｌＮスラリーを作製した。このスラリーを、スプレードライにて顆粒を作製し、プレス成形した後、７００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、１８５０℃、窒素雰囲気中で焼結して作製した。このＡｌＮ焼結体を機械加工して、直径３２０ｍｍ、厚さ５ｍｍとした。このＡｌＮ焼結体の上下面の表面粗さはＲａ０．８μｍ、平面度は５０μｍであった。

厚さ５０μｍのステンレス箔（ＳＵＳ）あるいは、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）を所定の回路パターンにエッチングして、発熱体とした。また、厚み２５μｍのポリイミドあるいは厚み２００μｍのマイカ、厚み２００μｍのテフロン（登録商標）を用意し、絶縁層とした。また、介在物として、ステンレス箔、ポリイミド、ニッケルクロム合金を用意した。ステンレス箔とニッケルクロム合金の場合は、前記発熱体の回路パターンの抜きパターンを利用し、発熱体との間に、発熱体パターンと前記抜きパターン介在物の領域を抜いたポリイミドシートを挿入して絶縁をとった。なお、絶縁をテフロン（登録商標）でとる場合は、テフロン（登録商標）樹脂を発熱体と介在物の間に埋め込み固めた後、発熱体と同じ厚みになるよう加工すればよい。介在物がポリイミドの場合は、エッチングによって、発熱体の回路パターンの抜きパターンにあるようにした。これらの発熱体と介在物と絶縁層を組み合わせて、抵抗発熱ユニットとした。

支持板として、Ｓｉ−ＳｉＣ、Ａｌ−ＳｉＣ、窒化アルミニウム焼結体を用意した。これらの直径は、３２０ｍｍで厚みは５ｍｍとした。

前記載置台と前記抵抗発熱ユニットと前記支持板をネジ止めにより固定し、発熱体に給電用の電極を取り付け、温度制御用の測温抵抗素子を載置台のウェハ載置面の反対側に取り付け、ウェハ加熱用ヒータユニットとした。なお、支持板が、Ｓｉ−ＳｉＣとＡｌ−ＳｉＣの場合は、これらは導電体であるので、支持板と抵抗発熱ユニットの間に、厚み２５μｍのポリイミドもしくは、厚み２００μｍのテフロン（登録商標）、厚み２００μｍのマイカを絶縁層として挿入した。

これらのウェハ加熱用ヒータユニットの、１３０℃における均熱性を測定した。測定は、１３０℃まで昇温して１５分間キープして安定状態になってから、６５点測定可能な直径３００ｍｍのウェハ温度計をウェハ搬送装置によって載置面に搭載し、搭載してから６０秒後の、６５点の最高温度と最低温度の差を均熱性とした。

また、１３０℃から８０℃に冷却するまでの時間を測定した。冷却は、冷却速度を上げるために、チャンバー底部に冷却管を埋め込み、チラーにより冷却した冷却水を流し、可動式冷却モジュールとして厚み５ｍｍで直径３２０ｍｍのアルミニウム板を使用し、冷却時のみ支持板に密着させた。

載置台、発熱体、支持板等の材質と、均熱性および冷却時間の測定結果を表１に示す。

なお、いずれのウェハ加熱用ヒータユニットにおいても、ウェハ載置面には、支持体（プロキシミティ）をウェハ載置面の中心部に１個、ウェハ載置面の外周部に８個、その中間領域に４個をほぼ均等に配置し、ウェハ載置面とウェハ裏面の距離が０．１ｍｍになるようにした。

本発明のように、発熱体のパターン間に介在物が存在し、介在物の熱伝導率が良好なものにすれば、均熱性も冷却性能もともに、良くなることが判る。

本発明によれば、信頼性が高く、均熱性に優れるウェハ加熱用ヒータユニットおよびそれを搭載した半導体製造装置を提供することができる。

１ 載置台
２ 抵抗発熱ユニット
３ 支持板
１０ ウェハ載置面
２１ 発熱体
２２ 絶縁層
２３ 介在物

Claims (3)

1. ウェハ載置面を有する載置台と、該ウェハ載置面の反対側の面に抵抗発熱ユニットを有し、前記載置台と前記抵抗発熱ユニットを支持する支持板とから構成され、前記抵抗発熱ユニットは発熱体と該発熱体と前記載置台の間の絶縁層とからなり、前記発熱体のパターンが存在しない部分に発熱体と同じ材料の介在物が存在し、前記発熱体と前記介在物の間に絶縁体を備え、前記発熱体と前記介在物の厚みが略同一であることを特徴とする、ウェハ加熱用ヒータユニット。
2. 前記支持板が導電体であり、前記抵抗発熱ユニットと支持板の間に絶縁層が存在することを特徴とする請求項１に記載のウェハ加熱用ヒータユニット。
3. 請求項１又は請求項２に記載のウェハ加熱用ヒータユニットが搭載されたことを特徴とする半導体製造装置。

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