JP5605265B2 - 半導体製造装置用ヒータユニット - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置に使用されるウェハ載置面を備えたヒータユニットに関し、特にヒータユニット自体の温度変化に対してウェハ載置面の平面度を保つように工夫された半導体製造装置用ヒータユニットに関する。

半導体デバイスの製造工程における前工程や検査工程では、被処理物である半導体基板（ウェハ）を所定の温度に加熱しながら種々の処理を施す加熱処理が行われている。例えば前工程では、コータデベロッパーでのフォトリソグラフィーにおける感光性樹脂の加熱硬化、Ｌｏｗ−ｋ膜のような低誘電率の絶縁膜の加熱焼成、配線や絶縁層形成におけるＣＶＤ膜形成、エッチャー等の工程を加熱処理の例として挙げることができる。

従来、これらの加熱処理におけるウェハの加熱は、発熱体を備えたＡｌ製またはセラミックス製のヒータが用いられてきた。すなわち、ヒータのウェハ載置面上にウエハを載置して加熱制御しながら、上記した感光性樹脂の加熱硬化やＬｏｗ−ｋ膜の加熱焼成、あるいはＣＶＤ膜の形成やエッチングなどの処理が行われてきた。近年はスループット向上の要求がますます高まっており、上記前工程では膜質や膜厚分布を制御することがより一層重要になっている。このため、ウェハの均熱性（すなわち、ウェハ面内での温度分布を均一にすること）を高くするのはもちろんのこと、ウエハ載置面の平面度を例えば１０μｍ以下にすることが必要となっている。

一方、検査工程では、出荷後の不良品の発生を予防するため、不良になる可能性の高い半導体チップを加熱して取り除くバーンインが行われている。具体的には、半導体回路が形成されたウェハを、個々のチップに切り分ける前に通常の使用温度よりも高温に加熱して不良になる可能性の高い半導体チップを加速的に不良化させた後、各チップの電気的な性能を測定して不良品を取り除くことが行われている。

このバーンイン工程でもウェハを保持して加熱するためのヒータが用いられているが、バーンイン工程に使用するヒータは、ウェハの裏面の全面をグランド電極に接触させる必要がある。このため、バーンイン工程に使用するヒータには金属製の平板ヒータが用いられてきた。すなわち、バーンイン工程では金属製の平板ヒータの上に回路が形成されたウェハを載置し、ウェハを高温に加熱すると共に通電用の電極ピン（プローブピン）を多数備えたプローブカードと呼ばれる測定子を数１０ｋｇｆから数百ｋｇｆの力で当該ウェハに押しつけることが行われている。

従って、ヒータが薄いと電極ピンを押しつけた時に変形し、ウェハと電極ピンとの間に接触不良が発生することがあった。この問題を防ぐため、従来はヒータに厚さ１５ｍｍ以上の厚い金属板を用いて剛性を確保しており、これにより熱容量が大きくなって、ヒータ自体の昇降温に長時間を要していた。このように、スループット向上のためにプロセス時間の短縮が強く求められているにもかかわらず、ヒータの構造がバーンイン工程におけるスループット向上の大きな障害となっていた。

このような状況のもと、特許文献１には高剛性のセラミックス板と、その表面部に設けられた導体層とからなるチャックトップをウェハ載置台として使用する技術が提案されている。また、特許文献２にはスループットを向上させるため、当接位置と離間位置との間で往復動自在な冷却機構をチャックトップの下部に設ける技術が開示されている。また、特許文献３にはウェハ載置面での位置精度や均熱性を向上させるため、ウェハ載置台とこれを支持する部材の熱伝導率やヤング率を調整する技術が開示されている。さらに特許文献４には、均熱性向上のため、ヒータ基板よりも熱伝導率の高い均熱板をヒータ基板の背面に取り付ける構造が提案されている。

特開２００１−０３３４８４号公報 特開２００６−２５３６３０号公報 特開２００７−１４９７２７号公報 特開２００８−１１８０８０号公報

前述したように、近年はウェハ面内での高い均熱性だけでなくミクロンレベルのより高い平面度が市場から要求されている。例えばバーンイン工程では、３００ｍｍウェハの全面に４５０ｋｇの荷重をかけた時のたわみ量を１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下にすることが望まれている。また、前工程では、３００ｍｍウェハ内で温度レンジを±０.８℃以下、より好ましくは±０.５℃以下にし、平面度を２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下にすることが望まれている。しかしながら、従来のヒータではこれらの要求を満たすことが困難であった。

そこで本発明の発明者は、高剛性を損なわずに高均熱性を達成し、かつ温度変化に対する平面度の変化を小さくできるヒータの構造について鋭意研究を行った。その結果、高剛性のセラミックス製支持板の上下にそれぞれ金属製の載置台および金属製の保持部材を配置し、さらに当該セラミックス製支持板をその下側から複数の支持部材で支持することにより、４５０ｋｇの全面荷重に対してたわみ量を１０μｍ以下に抑えうることと、室温から２００℃までの温度変化に対して平面度変化を２０μｍ以内に、温度レンジを±０.８℃以下に抑えうることとを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の半導体製造装置用ヒータユニットは、ウエハを載置するための載置面を有する金属製の載置台、該載置台を支持するセラミックス製の支持板、該支持板の下面側に設けた金属製の保持部材からなる一体化した構造体と、該支持板の下側に当接することで該構造体を支持する複数の支持部材とから構成されることを特徴としている。

本発明によれば、ヒータユニット自体の温度が広範囲に亘って変化しても、ウェハ載置面に載置されたウェハに対して高い均熱性とフラットな平面度を維持することができる上、断熱構造に優れ、かつウェハ載置面に荷重がかかっても高い剛性を示すことができる。

本発明のヒータユニットの一具体例を模式的に示す縦断面図である。 図１のヒータユニットの部材同士の結合方法を模式的に示す縦断面図である。 本発明のヒータユニットが備える載置台のウェハ載置面側に設けられた吸着溝の一具体例を示す平面図である。 本発明のヒータユニットが備える発熱モジュールの一具体例を示す側面図である。 発熱モジュールを備えた本発明のヒータユニットの具体例を模式的に示す縦断面図である。 発熱モジュールおよび箔材を備えた本発明のヒータユニットの一具体例を模式的に示す縦断面図である。 冷却モジュールを備えた本発明のヒータユニットの具体例を模式的に示す縦断面図である。 本発明のヒータユニットが備える複数の支持部材の設置位置の例を示す平面図である。 本発明のヒータユニットに好適に使用される結合部材の設置位置の例を示す平面図である。

以下、本発明の半導体製造装置用ヒータユニットの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１には、本発明のヒータユニットの一具体例の縦断面図が示されている。このヒータユニットは、ウエハを載置するための載置面１ａを有する載置台１と、載置台１を下側から支持する支持板２と、支持板２の下面に沿って設けられた保持部材３と、支持板２を下側から支持する複数の支持部材４とから構成される。

これら載置台１、支持板２および保持部材３は、全て略同径の円板形状を有しており、互いに平行な位置関係にある載置台１および保持部材３によって支持板２を上下から挟み込む構造になっている。載置台１の上面側はウェハ載置面１ａになっており、ここに載置されたウェハが、後述する発熱モジュールによって加熱される。ウェハ載置面１ａには、載置されたウェハを吸着するための吸着孔や吸着溝を設けてもよい。

ウェハ面内の均熱性を向上させるため、ヒータユニットの載置台１は高い熱伝導率を有しているのが望ましく、さらにヒータユニットを例えばウエハプローバのような検査装置に使用する場合は、ヒータユニット全体の剛性も要求される。かかる要件を満たすため、本発明のヒータユニットは、載置台１を金属で形成し、載置台１よりもヤング率の高いセラミックスからなる支持板２で載置台１を支持している。さらに、このセラミックス製の支持板２よりも熱伝導率の高い金属からなる保持部材３を、支持板２の下側に設けている。これによりウェハ面内の均熱性をさらに向上させることができる。

載置台１および保持部材３の材質は金属であれば特にその種類を問わないが、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持つ金属であることがより好ましい。例えばヒータユニットを、優れた昇温特性が必要とされる半導体製造装置のコータデベロッパに使用する場合は、載置台１および保持部材３の材質に、熱容量が比較的小さく、かつ軽量で安価なアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用することが好ましい。

一方、ヒータユニットを、ウエハ載置面１ａに荷重がかかってもたわまないことが必要とされるバーンイン工程用の検査装置に使用する場合は、載置台１および保持部材３の材質に高いヤング率と高い熱伝導率とを兼ね備えた銅または銅合金を使用するのが好ましい。このように、載置台１および保持部材３を銅または銅合金製にすることによって、室温から２００℃までの温度変化に対して、平面度変化を２０μｍ以内に、温度レンジを±０.５℃以下に抑えることができる。

特に、２００℃以上の使用温度における剛性を重視する場合は、軟化温度が２００℃程度の無酸素銅ではなく、使用温度よりも高い軟化温度を有しうる銅合金が好ましい。そのような銅合金の例としては、Ｃ１２２０（リン脱酸銅、軟化温度３２０℃）、Ｃ１４４１０（ＣｕＳｎ合金、軟化温度３５０℃）、Ｃ１０４００(ＣｕＡｇ合金、軟化温度３５０℃)、Ｃ１８６２（ＣｕＣｏ系合金、軟化温度５００℃）、Ｃ１８２００（ＣｕＣｒ合金、軟化温度４５０℃）、Ｃ１８１５０（ＣｕＣｒＺｒ合金、軟化温度４５０℃）、（ＢｅＣｕ合金、軟化温度５００℃）などを挙げることができる。

支持板２の材質は、セラミックスであれば特に制約はないが、高い剛性を備えるためにはヤング率が高ければ高いほど好ましい。具体的には、炭化ケイ素やアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが好ましい。あるいは、炭化ケイ素や窒化アルミニウムなどのセラミックと、アルミニウムやシリコンとの複合体であってもよい。これらの中では、ヤング率が高く、加工性に優れ、比較的安価なアルミナが最も好ましい。

これら載置台１、支持板２および保持部材３は互いに結合されているのが好ましい。結合方法には特に制約がなく、例えばネジ等の結合部材による機械的結合、接着剤等による接着、真空吸引による真空吸着などの方法がある。図２（ａ）には機械的結合の一例として、載置台１と支持板２とが複数の結合部材５で結合され、支持板２と保持部材３とが複数の結合部材６で結合された構造が模式的に示されている。

また、図２（ｂ）には、支持板２と保持部材３とが複数の結合部材６で結合され、載置台１と支持板２とが真空吸着で結合された構造が模式的に示されている。載置台１と支持板２とを真空吸着させる方法としては、例えば載置台１におけるウエハ載置面１ａと反対の面、つまり載置台１において支持板２に対向する側の面に、図３に示すような同心円状の複数の吸着溝１ｂ（図３には４つの円形の溝と、これらに流通する直線状の溝が例示されている）を形成し、この吸着溝１ｂ内の空気を吸引することによって載置台１と支持板２とを密着させることができる。

上記した２種類の結合方法は、載置台１、支持板２および保持部材３のそれぞれの大きさや厚み、熱膨張率とヤング率の組み合わせによっては、温度変化が生じた時に、載置台１と支持板２との熱膨張差や、保持部材３と支持板２との熱膨張差でウエハ載置面１ａに反りが発生することがある。

これが問題になる場合は、部材同士に熱膨張差が生じても反らないような対策を講じる必要がある。その方法としては、例えば図２（ｃ）に示すように、支持板２にその厚み方向に貫通する複数の貫通孔２ａを設け、貫通孔２ａの内径より小さな外径を有する結合部材７を各貫通孔２ａに挿通し、これら複数の結合部材７で支持板２を上下から挟み込むようにして載置台１と保持部材３とを結合する方法を挙げることができる。この結合方法により、室温から２００℃までの温度変化に対してウエハ載置面１ａでの平面度変化を５μｍ以内に抑えることができる。

上記結合部材５、結合部材６および結合部材７には、特に限定するものではないが、一般的なネジを用いることができる。ネジを用いて結合する場合は、例えば載置台１に有底のネジ穴をウェハ載置面１ａとは反対側の面に設け、支持板２および保持部材３には、載置台１に設けた該ネジ穴に対応する位置に貫通孔を設ける。そして、この貫通孔に結合部材５、６または７としてのネジを挿入してネジ締めすることによって、載置台１、支持板２および保持材３を結合させることができる。

上記結合部材５、結合部材６および結合部材７の材質は特に制約がなく、銅、コバール、ステンレス、チタン、タングステン等の金属を使用することができる。特に結合部材７の場合は、その熱膨張量が支持板２および後述する発熱モジュール８の熱膨張量とほぼ一致していることが好ましい。これにより、温度変化が生じた時に載置台１や保持部材３に結合部材７から過大な軸力がかかることを避けることができ、ウエハ載置面１ａの凹みや膨らみを抑えることができる。

特に、温度変化が生じてもウエハ載置面１ａの平面度をフラットなまま維持するには、支持板２の温度による反りを抑えることが必要であり、このため、支持板２の下面に設ける保持部材３は、載置台１と略同材質、略同径、および略同厚みであることが好ましい。このような条件の保持部材３を使用することによって、載置台１と保持部材３の間の熱膨張差をほとんどなくすことができる。よって、支持板２を挟んで載置台１と保持部材３とを互いに機械的に結合しても温度変化の際に反りが発生しにくくなり、ウエハ載置面１ａの平面度を常にフラットにしておくことが可能になる。

複数の支持部材４は、支持板２の下面に当接して設けられており、結果的に、結合により一体化している載置台１、支持板２および保持部材３を下側から支持することになる。支持部材４の形状には特に制約がなく、円柱であってもよいし多角柱でもよく、これらは中実でも中空（すなわち筒状）でもよい。支持部材４の数には特に制約はないが、支持板２の中心点に関して回転対称となるように配置されているのが好ましい。なお、支持板２の下側に設けられる保持部材３は、同様に支持板２の下側に設けられている支持部材４に接触しないように、支持部材４に対応する位置に貫通孔３ａが設けられている。

支持部材４の材料には金属やセラミックスを使用することができる。この中では、優れた断熱性と高い剛性を有するものがより好ましい。例えば金属の場合は、熱伝導率が低く且つヤング率の高い材料であるステンレスやコバールなどが好ましく、セラミックスの場合はアルミナやムライトアルミナ、窒化ケイ素などが好ましい。このように、断熱性に優れた材料で支持部材４を形成することによって、ヒータユニットを断熱構造に優れたものにすることができる。

本発明の実施形態のヒータユニットは、さらに載置したウェハを加熱するための発熱モジュールを有している。この発熱モジュールは、図４に示すような、例えば金属箔からなる抵抗発熱体８ａをマイカなどの絶縁体８ｂで挟み込んだ構造が簡便であるので好ましい。抵抗発熱体８ａの材料には、例えばニッケル、ステンレス、銀、タングステン、モリブデン、クロムなどの金属やそれらの合金を使用することができる。

これら金属材料の中では、ステンレスまたはニクロムが特に好ましい。ステンレスあるいはニクロムは、発熱体の形状に加工する時、エッチングなどの手法により、抵抗発熱体回路パターンを比較的に精度良く形成することができるからである。また、安価な上、耐酸化性を有するので使用温度が高温であっても長期間の使用に耐えることができるからである。

抵抗発熱体８ａを挟み込む絶縁体８ｂは、耐熱性を有する絶縁体であれば特に制約はない。例えば上記したマイカのほか、ポリイミド、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを使用することができる。また、絶縁性の樹脂で抵抗発熱体８ａを挟み込む場合、抵抗発熱体８ａで発生した熱をよりスムースに支持板２に伝えるために、樹脂中にフィラーを分散させてもよい。このような熱伝導を高める役割を担うフィラーには、樹脂との反応性が無ければ種々のものを使用してよい。例えば、窒化硼素、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカなどの物質を使用することができる。

図５（ａ）〜（ｃ）に、発熱モジュール８の設置例が示されている。これらの図には示されていないが、ヒータユニットはさらに１または複数の熱電対などの温度センサを有しており、この温度センサと発熱モジュール８とによって構成される制御系によって、ウェハ載置面１ａの温度を所定の温度に制御することが可能となる。

ウェハ載置面１ａにウエハが載置された時に、上記制御系が優れた応答性を示すことを望む場合は、図５（ａ）に示すように、載置台１と支持板２の間に発熱モジュール８を挟持する構造が好ましい。ただし、発熱モジュール８を載置台１と支持板２との対向面の間に単に挟み込むだけでは、剛性が損なわれるおそれがある。なぜなら、発熱モジュール８は前述したように比較的軟らかい材料で形成されているので、ウェハ載置面１ａに荷重がかかった時、発熱モジュール８が圧迫されて変形する可能性が高いからである。

これを防ぐため、発熱モジュール８を載置台１と支持板２との間に設置する場合は、支持板２の上面に発熱モジュール８を嵌め込むことが可能な凹部を形成し、この凹部の中に発熱モジュールを納めるのが好ましい。あるいは、発熱モジュール８を支持板２の内部に埋設してもよい。

一方、上記した制御系の応答性よりも剛性をより重視する場合は、図５（ｂ）に示すように、支持板２と保持部材３との間に発熱モジュール８を設ける構造が好ましい。この構造の場合は、発熱モジュール８が変形しても載置台１の剛性にはほとんど影響を及ぼさない。

また、昇温中に反りが生じにくい構造であることをより重視する場合は、図５（ｃ）に示すように、２つの発熱モジュール８をそれぞれ支持板２の上面と下面に沿って配置するのが特に望ましい。このように２つの発熱モジュール８を設けることにより、昇温中の支持板２の上下の温度差をほとんど無くすことができるので、支持板２自体の反りを無くすことができる。

前述した図２（ｃ）の構造は、載置台１と支持板２との対向面同士、および支持板２と保持部材３との対向面同士は摺動可能になっている。これら対向面同士のすべりをより一層よくするため、載置台１と支持板２との間、および／または支持板２と保持部材３との間に、ポリイミドフィルムやステンレスなどからなる箔材を介在させても良い。その際、載置台１における剛性を重視する場合には、支持板２と保持部材３との間のみに箔材を介在させるのが望ましい。

図６には、図５（ｃ）のヒータユニットに箔材を設けた場合の一具体例が示されている。この図６に示すように、箔材にステンレスを使用する場合は、箔材９を支持板２−箔材９−発熱モジュール８−保持部材３の順に設置するのが好ましい。これにより、発熱モジュール８の抵抗発熱体８ａから発生する電磁波などを箔材９でシールドすることができる。すなわち、箔材９にすべりを良くする役割とシールド層としての役割とを兼用させることができる。

以上説明したように、本発明のヒータユニットは、高い熱伝導率と高い剛性とを備えているため、変形や反りの心配がなく、被処理物の面内の均熱性に優れている。さらに、ヒータユニット自体に温度変化が生じても、載置面での平面度変化が少ない。よって、ウェハ等の被処理物を加熱処理する半導体製造装置に好適に用いることができる。

例えば、上記ヒータユニットをウェハプローバ、ハンドラ装置またはテスター装置などの検査装置やフォトリソグラフィーにおける感光性樹脂の加熱硬化を行うコータデベロッパー装置に適用すれば、ヒータユニットが有する高剛性および高熱伝導率という特性を特に有効に活かすことができ、成膜時の膜厚のばらつきや検査工程での接触不良などの問題を防ぐことができる。

本発明のヒータユニットをコータデベロッパー装置に使用する場合は、冷却機構が必要になる場合がある。その場合は、図７（ａ）に示すように、保持部材３の下面に当接するように冷却モジュール１３を設置すればよい。あるいは、図７（ｂ）に示すように、昇降式の冷却モジュール１４を保持部材３の下部に設け、冷却時のみ冷却モジュール１４を保持部材３の下面に当接すればよい。冷却モジュール１４を昇降させる機構には、例えばエアシリンダーなどの昇降手段を使用することができる。このように冷却モジュール１３、１４を用いることで、ヒータユニットの冷却速度を大幅に向上させ、スループットを向上させることができる。

冷却モジュール１３、１４の材質としては、特に制約はないが、アルミニウムや銅、あるいはそれらの合金が、熱伝導率が比較的高いため特に好ましく用いられる。また、ステンレス、マグネシウム合金、ニッケルなどの金属材料を使用してもよい。さらに、冷却モジュール１３、１４に耐酸化性を付与するため、耐酸化性を有するニッケル、金、または銀などからなる金属膜をメッキや溶射などの手法を用いて冷却モジュール１３、１４の表面に形成してもよい。これらの中では、アルミニウムにニッケルメッキを施したものや、銅にニッケルメッキを施したものが耐酸化性に優れ、熱伝導率が高く、また比較的安価であるため特に好ましい。

また、冷却モジュール１３、１４の材質としてセラミックスを使用することもできる。この場合のセラミックスとしては、特に制約はないが、窒化アルミニウムや炭化ケイ素にすれば、熱伝導率が比較的高く、素早く熱を奪うことができるので好ましい。あるいは、機械的強度が高く、耐久性に優れた材料である窒化ケイ素や酸窒化アルミニウムでもよいし、比較的安価なアルミナ、コージェライト、ステアタイトなどの酸化物セラミックスでもよい。このように、冷却モジュールの材質は、用途に応じて適宜選択することができる。

上記冷却モジュール１３、１４の内部には、冷媒を流すことも可能である。冷媒を流すことによって、ヒータユニットから冷却モジュールに伝達された熱を素早く取り除くことができるため、ヒータユニットの冷却速度をより一層向上させることができる。冷却モジュール内に流す冷媒としては、水のほか、フロリナートなどの液体、窒素や大気などの気体などが選択でき、特に制約はないが、比熱の大きさ、価格などを考慮すると水が最も好ましい。

なお、冷媒用の流路を備えた冷却モジュール１３をヒータユニットに固定する場合は、該流路に冷却時に流す冷媒を、昇温の際には流さないのが好ましい。これにより、発熱モジュール８で発生した熱が冷媒を介して系外に無駄に排出されることがなくなり、より効率よく昇温させることができる。

冷媒用の流路を備えた冷却モジュールは、例えば２枚のアルミニウム板の内の一方に冷媒を流す流路を機械加工等によって形成した後、他方のアルミニウム板に張り合わせることによって好適に作製することができる。その際、耐食性および耐酸化性を向上させるために、アルミニウム板の全面にニッケルメッキを施すことが好ましい。また、水などの冷媒が漏れないように、２枚のアルミニウム板を張り合わせる際は、例えばＯ−リング等を流路の周囲に設けた凹部に挿入したうえで、ネジ止めや溶接によって固定するのが好ましい。

あるいは、別の好適な製造方法としては、２枚の銅（無酸素銅）板を用意し、その片方の銅板に流路を機械加工等によって形成した後、この銅板と他方の銅板を、冷媒の出入口として使用するステンレス製のパイプと共に、同時にロウ付け接合する方法を挙げることができる。この方法で作製した冷却モジュールにも、耐食性および耐酸化性を向上させるため、ニッケルメッキを全面に施すことが好ましい。

さらに別の好適な製造方法としては、アルミニウム板もしくは銅板等の金属板の片面に冷媒を流すパイプを取り付けることで冷却モジュールとすることもできる。この場合、パイプの取付位置に当該パイプの断面形状に近い形状のザグリ溝を形成し、この溝内にパイプを嵌めこんで密着させることで冷却効率を上げることができる。また、冷却パイプと金属板の密着性を向上させるため、両者の間に高い熱伝導率を有する樹脂やセラミックス等を介在させてもよい。

以上、本発明の半導体製造装置用ヒータユニットを、具体例に基づいて説明したが、本発明はかかる具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲内で種々の代替例や変形例を考えることができる。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲およびその均等物に及ぶものである。

［実施例１］
図２（ａ）に示す構造で部材同士を結合したヒータユニットを作製し、これを半導体検査工程のウエハプローバ用のウエハ保持体として使用して性能を評価した。具体的に説明すると、先ず、載置台１として直径３１０ｍｍ、厚み５.０ｍｍのモリブデン板（熱膨張率５.１×１０^−６／Ｋ、熱伝導率１４０Ｗ／ｍＫ、ヤング率３３０ＧＰａ）と、保持部材３として直径３１０ｍｍ、厚み５.０ｍｍのチタン板（熱膨張率８.９×１０^−６／Ｋ、熱伝導率１７Ｗ／ｍＫ、ヤング率１０６ＧＰａ）とを用意した。

ウエハ載置面１ａとなるモリブデン板の上面側に、ウェハを真空チャックするための同心円状の溝を形成し、ニッケルメッキを施した。また、モリブデン板の下面側には、結合のため１２箇所に有底のネジ穴を加工した。さらにモリブデン板の上下面を研磨加工し、平面度および平行度を５μｍとし、表面粗さをＲａで０.０２μｍに仕上げた。一方、保持部材３となるチタン板には、結合のため上記したモリブデン板のネジ穴に対応する位置に貫通孔を加工し、平面度および平行度を２０μｍに加工した後、ニッケルメッキを施した。

次に、セラミックス製の支持板２として純度９９.５％、直径３１０ｍｍ、厚み１０ｍｍのアルミナ基板（熱膨張率７.２×１０^−６／Ｋ、熱伝導率２１Ｗ／ｍＫ、ヤング率３９０ＧＰａ）を用意した。このアルミナ基板には上記したモリブデン板のネジ穴に対応する位置に貫通孔を加工した。また、アルミナ基板の上下面の平面度および平行度を５μｍとなるように加工した。さらに、支持部材４として外径１４ｍｍ、内径６ｍｍ、高さ１４ｍｍの円筒状のムライト−アルミナ複合体（熱膨張率５.０×１０^−６／Ｋ、熱伝導率８Ｗ／ｍＫ、ヤング率２１０ＧＰａ）を１３個準備した。

発熱モジュール８は、ステンレス箔をエッチング加工することによって所定のパターンを有する抵抗発熱体８ａを形成し、これをマイカシートで圧着して挟み込むことによって作製した。この抵抗発熱体８ａには給電のための配線を接続した。結合部材５および６には、それぞれ１２本のステンレスネジを使用し、アルミナ基板を上下から挟み込みながらステンレスネジでモリブデン板およびチタン板をそれぞれアルミナ基板に結合した。なお、発熱モジュール８は、支持板２と保持部材３の間に挟みこんだ。

このようにして得た載置台１、支持板２および保持部材３の結合体に対して、支持板２の下面に前述した１３個の支持部材４を取り付けた。これら１３個の支持部材４は、図８（ａ）に示すように、支持板２の下面の中央部に１個配置し、残りの１２個は支持板２の下面のＰ.Ｃ.Ｄ.２５０の周上に等間隔に配置した。なお、保持部材３において、これら１３個の支持部材４が配置される位置に対応する部分には予め支持部材４の外径より僅かに大きな内径の貫通孔を穿孔しておいた。このようにして、試料ａのヒータユニットを作製した。

また、載置台１、支持板２および保持部材３を図２（ｂ）のようにして結合した以外は上記試料ａと同様にして試料ｂのヒータユニットを作製した。すなわち、載置台１としてのモリブデン板のウエハ載置面１ａとは反対の面に、図３に示すような４つの同心円状の吸着溝ｂとこれらに流通する半径方向に延在する直線状の溝とを形成し、この直線状の溝の開口部から空気を吸引することによって、載置台１と支持板２とを真空吸着させた。

さらに、載置台１、支持板２および保持部材３を図２（ｃ）のようにして結合した以外は上記試料ａと同様にして試料ｃのヒータユニットを作製した。すなわち、支持板２としてのアルミナ基板に対して、その厚み方向に図９に示すような１５個の貫通孔２ａを設けると共に、載置台１および保持部材３において当該貫通孔２ａに対応する位置にそれぞれ有底ネジ穴および貫通孔を１５個ずつ加工した。そして、結合部材７としての１５本のステンレスねじを保持部材３の貫通孔から挿入してネジ締めし、載置台１と保持部材３とを結合した。

このようにして得た試料ａ〜ｃのヒータユニットに対して、それぞれウェハ載置面１ａに外径３００ｍｍのウェハを載置してから発熱モジュール８に給電配線を介して通電を行い、ウェハを２００℃に加熱した。そして、ウェハが２００℃で安定した時のウェハ面内の温度レンジ、ウエハの全面に４５０ｋｇの荷重を印加した時のたわみ量、および２００℃までの温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化量を測定した。その測定結果を下記表１に示す。

［表１］

上記表１の結果から分かるように、試料ａ〜ｃのヒータユニットは、いずれも温度レンジ、たわみ量、および平面度変化量の全ての点において良好な結果が得られた。

［実施例２］
載置台１の材料をモリブデンに代えて銅にした以外は上記実施例１の試料ａ〜ｃと同様にしてそれぞれ試料１ａ〜１ｃのヒータユニットを、載置台１の材料をモリブデンに代えてアルミニウムにした以外は上記実施例１の試料ａ〜ｃと同様にしてそれぞれ試料２ａ〜２ｃのヒータユニットを作製した。また、保持部材３の材料をチタンに代えて銅にした以外は上記実施例１の試料ａ〜ｃと同様にしてそれぞれ試料３ａ〜３ｃのヒータユニットを、保持部材３の材料をチタンに代えてアルミニウムにした以外は上記実施例１の試料ａ〜ｃと同様にしてそれぞれ試料４ａ〜４ｃのヒータユニットを作製した。さらに、載置台１の材料を銅にし、保持部材３の材料をステンレスにした以外は上記実施例１の試料ａ〜ｃと同様にして試料５ａ〜５ｃのヒータユニットを作製した。

これらの試料の内、試料１ａ〜１ｃおよび試料５ａ〜５ｃの載置台１、ならびに試料３ａ〜３ｃの保持部材３は銅で形成したのでニッケルメッキを施した。このようにして得た各試料のヒータユニットに対して、実施例１と同様にして温度レンジ、たわみ量、および温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表２に示す。

［表２］

上記表２の結果から分かるように、載置台１を銅またはアルミニウムにすることによって、実施例１の対応する試料に比べて平面度変化がやや大きくなったが、試料５ａ〜５ｂの結果から分かるように、載置台１を銅にすると共に保持部材３をステンレスにすることによって平面度変化が著しく小さくなった。

［実施例３］
熱伝導率の違いによる均熱性への影響を確認するため、載置台１および保持部材３の材料を両方とも銅（熱伝導率４００Ｗ／ｍＫ）で形成した以外は上記実施例１の試料ｃと同様にして試料６のヒータユニットを作製した。同様にして、両方ともＣｕＣｏ合金(同３００Ｗ／ｍＫ)の試料７、両方ともＢｅＣｕ１０(同２１６Ｗ／ｍＫ)の試料８、両方ともアルミニウム(同１４０Ｗ／ｍＫ)の試料９、両方ともＢｅＣｕ２５(同１１０Ｗ／ｍＫ)の試料１０、両方とも高力黄銅(同９９Ｗ／ｍＫ)の試料１１、および両方ともアルミニウム合金(同９５Ｗ／ｍＫ)の試料１２のヒータユニットをそれぞれ作製した。

なお、銅または銅合金を用いた材質にはニッケルメッキを施した。得られた試料６〜１２のヒータユニットに対して、実施例１と同様にして温度レンジ、たわみ量、および温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表３に示す。

［表３］

上記表３の結果から分かるように、いずれの試料のヒータユニットも４５０ｋｇ荷重に対するたわみ量は、実施例１の試料ｃとほぼ同程度の良好な結果が得られた。温度レンジは、熱伝導率が低くなる順である試料６〜１２の順に徐々に大きくなり、特に、部材の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満の試料１１および１２では温度レンジが±０.８を超えており、試料ｃに比べて均熱性が悪くなることが分かった。平面度変化量は、いずれのヒータユニットも６μｍ以下となり、実施例１の試料ｃに比べて極めて良好な結果が得られた。

［実施例４］
載置台１と保持部材３の厚みの違いによる平面度への影響を確認するため、保持部材３の厚みを５.０ｍｍに代えて４.０ｍｍにした以外は上記実施例３の試料６と同様にして試料１３のヒータユニットを作製した。同様にして、保持部材３の厚みを４.５ｍｍにした試料１４、保持部材３の厚みを５.５ｍｍにした試料１５、保持部材３の厚みを６.０ｍｍにした試料１６、保持部材３の厚みを７.０ｍｍにした試料１７、および保持部材３の厚みを１０.０ｍｍにした試料１８のヒータユニットをそれぞれ作製した。

また、保持部材３の厚みを５.０ｍｍに代えて４.０ｍｍにした以外は上記実施例３の試料９と同様にして試料１９のヒータユニットを作製した。同様にして、保持部材３の厚みを４.５ｍｍにした試料２０、保持部材３の厚みを５.５ｍｍにした試料２１、保持部材３の厚みを６.０ｍｍにした試料２２、保持部材３の厚みを７.０ｍｍにした試料２３、および保持部材３の厚みを１０.０ｍｍにした試料２４のヒータユニットをそれぞれ作製した。

得られた試料１３〜２４のヒータユニットに対して、それぞれ実施例１と同様にして温度レンジ、たわみ量、および温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表４に示す。

［表４］

上記表４の結果を上記表３の試料６または９の結果と比較して分かるように、保持部材３の厚みが載置台１の厚みの９０％から１１０％の範囲内であれば、平面度変化量を５〜６μｍ以下にすることができ、実施例３と同程度の良好な結果が得られることが分かった。

［実施例５］
支持部材２の材料の違いによる影響を調べるため、支持部材２の材料をアルミナに代えて炭化ケイ素（熱伝導率２００Ｗ／ｍＫ、ヤング率２８０ＧＰａ）またはムライトアルミナで形成した以外は上記実施例３の試料６と同様にして試料２５および試料２６のヒータユニットをそれぞれ作製した。同様にして、支持部材２の材料を炭化ケイ素またはムライトアルミナで形成した以外は上記実施例３の試料９と同様にして試料２７および試料２８のヒータユニットをそれぞれ作製した。

得られた試料２５〜２８のヒータユニットに対して、実施例１と同様にして温度レンジ、たわみ量、および温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表５に示す。

［表５］

上記表５の結果を上記表３の試料６または９の結果と比較して分かるように、支持部材２のヤング率が２１０ＧＰａ以下になれば４５０ｋｇの全面荷重に対するたわみ量が１０μｍを超えてしまうことが分かった。

［実施例６］
載置台１と保持部材３の外径の違いによる均熱性および平面度への影響を確認するため、保持部材３の外径を３１０ｍｍに代えて３３０ｍｍとした以外は上記実施例３の試料６と同様にして試料２９のヒータユニットを作製した。同様にして、保持部材３の外径を３２５ｍｍにした試料３０、保持部材３の外径を２９５ｍｍにした試料３１、および保持部材３の外径を２９０ｍｍにした試料３２のヒータユニットをそれぞれ作製した。

また、保持部材３の外径を３３０ｍｍとした以外は上記実施例３の試料９と同様にして試料３３のヒータユニットを作製した。同様にして、保持部材３の外径を３２５ｍｍにした試料３４、保持部材３の外径を２９５ｍｍにした試料３５、および保持部材３の外径を２９０ｍｍにした試料３６のヒータユニットをそれぞれ作製した。

得られた試料２９〜３６のヒータユニットに対して、実施例１と同様にして温度レンジ、たわみ量、および温度変化に対するウェハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表６に示す。

［表６］

上記表６の結果を上記表３の試料６または９の結果と比較して分かるように、保持部材３の外径が載置台１の外径の９５％以上１０５％以内であれば、温度レンジおよび平面度変化量に関して実施例３の場合と同程度の良好な結果が得られることが分かった。

［実施例７］
図２（ａ）に示す構造で部材同士を結合したヒータユニットを作製し、これに図７（ｂ）に示すような昇降式の冷却モジュール１４を取り付け、フォトリソグラフィー工程で使用されるコータデベロッパ用ウエハ保持体として使用して性能を評価した。

載置台１、支持板２および保持部材３は、全て直径３２０ｍｍ、厚み３.０ｍｍにした以外は実施例１と同様にした。一方、支持部材４には、外径１２ｍｍ、内径６ｍｍ、高さ２０ｍｍの円筒状のムライト−アルミナ複合体を３個準備した。これら載置台１、支持板２、保持部材３、および実施例１と同様にして作製した発熱モジュール８を、実施例１の試料ａと同様にして結合した。支持板２の下面には、前述した３個の支持部材４を、図８（ｂ）に示すように、支持部材２の下面のＰ.Ｃ.Ｄ.２５０の周上に等間隔に配置した。

冷却モジュール１４は、直径３２０ｍｍ、厚み５ｍｍの２枚の銅製の円板を用い、このうちの一方に流路を形成してもう一方にロウ付けにより張り合わせた後、ニッケルメッキして作製した。冷却モジュール１４の昇降にはエアシリンダーを使用した。このエアシリンダーを調整して、昇温時は冷却モジュール１４がヒータユニットから離間し、冷却時は冷却モジュール１４がヒータユニットの保持部材３に接触するようにした。このようにして試料ｄのヒータユニットを作製した。

また、載置台１、支持板２および保持部材３を図２（ｂ）のようにして結合した以外は上記試料ｄと同様にして試料ｅのヒータユニットを作製した。載置台１と支持板２との具体的な真空吸着方法は実施例１の試料ｂと同様にした。

さらに、載置台１、支持板２および保持部材３を図２（ｃ）のようにして結合した以外は上記試料ｄと同様にして試料ｆのヒータユニットを作製した。具体的な結合方法は、実施例１の試料ｃと同様にした。

このようにして得た試料ｄ〜ｆのヒータユニットに対して、それぞれウェハ載置面１ａに外径３００ｍｍのウェハを載置してから発熱モジュール８に通電を行い、ウェハを２００℃に加熱した。その際、ウェハが室温から２００℃までに達するまでの時間（以下、昇温時間と称する）と、ウェハ内の温度レンジおよびこの温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化量を測定した。その測定結果を下記表７に示す。

［表７］

上記表７の結果から分かるように、試料ｄ〜ｆのヒータユニットはいずれも良好な結果が得られた。特に、試料ｆの昇温時間が試料ｄおよびｅに比べて短いことから分かるように、載置台１と保持部材３を直接結合する方法が、他の結合方法に比べてより昇温速度を速くできることが分かった。

［実施例８］
載置台１の材料をモリブデンに代えて銅にした以外は上記実施例７の試料ｄ〜ｆと同様にしてそれぞれ試料３７ｄ〜３７ｆのヒータユニットを、載置台１の材料をモリブデンに代えてアルミニウムにした以外は上記実施例７の試料ｄ〜ｆと同様にしてそれぞれ試料３８ｄ〜３８ｆのヒータユニットを作製した。同様に、保持部材３の材料をチタンに代えて銅にした以外は上記実施例７の試料ｄ〜ｆと同様にしてそれぞれ試料３９ｄ〜３９ｆのヒータユニットを、保持部材３の材料をチタンに代えてアルミニウムにした以外は上記実施例７の試料ｄ〜ｆと同様にして試料それぞれ４０ｄ〜４０ｆのヒータユニットを作製した。

さらに、載置台１の材料を銅にし、保持部材３の材料をステンレスにした以外は上記実施例７の試料ｄ〜ｆと同様にしてそれぞれ試料４１ｄ〜４１ｆのヒータユニットを作製した。また、載置台１の材料をモリブデンに代えてアルミニウム合金にした以外は上記実施例７の試料ｆと同様にして試料４２ｆのヒータユニットを、保持部材３の材料をチタンに代えてアルミニウム合金にした以外は上記実施例７の試料ｆと同様にして試料４３ｆのヒータユニットを作製した。

なお、銅で形成した載置台１または保持部材３にはニッケルメッキを施した。得られたヒータユニットの試料に対して、実施例７と同様にして昇温時間、温度レンジ、および温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表８に示す。

［表８］

上記表８の結果から分かるように、熱容量の小さいアルミニウムを使用した試料３８ｄ〜３８ｆ、試料４０ｄ〜４０ｆ、試料４２ｆ、および試料４３ｆのヒータユニットは、対応する実施例７の試料に対して、昇温時間が約２割程度短くなった。この結果から、昇温速度を重視する場合は、載置台１または保持部材３の材質にアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用することが好適であることが分かった。

［実施例９］
熱伝導率の違いによる均熱性への影響を確認するため、載置台１および保持部材３の材料を両方とも銅で形成した以外は上記実施例７の試料ｆと同様にして試料４４のヒータユニットを作製した。同様にして、両方ともＣｕＣｏ合金の試料４５、両方ともＢｅＣｕ１０の試料４６、両方ともアルミニウムの試料４７、両方ともＢｅＣｕ２５の試料４８、両方とも高力黄銅の試料４９、および両方ともアルミニウム合金の試料５０のヒータユニットをそれぞれ作製した。

なお、銅または銅合金を用いた材質にはニッケルメッキを施した。得られたヒータユニットの試料に対して、実施例７と同様にして昇温時間、温度レンジ、および温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表９に示す。

［表９］

上記表９の結果から分かるように、温度レンジは、熱伝導率が低くなる順である試料４４〜５０の順に徐々に大きくなり、特に、部材の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満の試料４９および５０は実施例７の試料ｆに比べて温度レンジが大きく、すなわち、均熱性が悪くなることが分かった。

［実施例１０］
載置台と保持部材の厚みの違いによる平面度への影響を確認するため、保持部材３の厚みを３.０ｍｍに代えて２.５ｍｍにした以外は上記実施例９の試料４４と同様にして試料５１のヒータユニットを作製した。同様にして、保持部材３の厚みを２.７ｍｍにした試料５２、保持部材３の厚みを３.３ｍｍにした試料５３、保持部材３の厚みを３.５ｍｍにした試料５４、保持部材３の厚みを４.０ｍｍにした試料５５、および保持部材３の厚みを５.０ｍｍにした試料５６のヒータユニットをそれぞれ作製した。

また、保持部材３の厚みを３.０ｍｍに代えて２.５ｍｍにした以外は上記実施例９の試料４７と同様にして試料５７のヒータユニットを作製した。同様にして、保持部材３の厚みを２.７ｍｍにした試料５８、保持部材３の厚みを３.３ｍｍにした試料５９、保持部材３の厚みを３.５ｍｍにした試料６０、保持部材３の厚みを４.０ｍｍにした試料６１、および保持部材３の厚みを５.０ｍｍにした試料６２のヒータユニットをそれぞれ作製した。

得られたヒータユニットの各試料に対して、実施例７と同様にして昇温時間、温度レンジ、および温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表１０に示す。

［表１０］

上記表１０の結果を上記表９の試料４４または４７の結果と比較して分かるように、保持部材３の厚みが載置台１の厚みの９０％から１１０％の範囲内であれば、平面度変化量を６〜８μｍ以下にすることができ、実施例９と同程度の良好な結果が得られることが分かった。

［実施例１１］
支持部材２の材料による違いを見るため、支持部材２の材料をアルミナに代えて炭化ケイ素で形成した以外は上記実施例９の試料４４〜５０と同様にして試料６３〜６９のヒータユニットをそれぞれ作製した。同様にして、支持部材２の材料をアルミナに代えて窒化アルミニウム（熱伝導率１２５Ｗ／ｍＫ、ヤング率３４０ＧＰａ）で形成した以外は上記実施例９の試料４４〜５０と同様にして試料７０〜７６のヒータユニットをそれぞれ作製した。

得られたヒータユニットの各試料に対して、実施例７と同様にして昇温時間、温度レンジ、および温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表１１に示す。

［表１１］

上記表１１の結果を上記表９の結果と比較して分かるように、支持部材２の熱伝導率が小さい方が温度レンジが大きくなることが分かった。

［実施例１２］
載置台１と保持部材３の外径の違いによる均熱性および平面度への影響を確認するため、保持部材３の外径を３２０ｍｍに代えて３４０ｍｍとした以外は上記実施例９の試料４４と同様にして試料７７のヒータユニットを作製した。同様にして、保持部材３の外径を３３６ｍｍにした試料７８、保持部材３の外径を３０４ｍｍにした試料７９、および保持部材３の外径を３００ｍｍとした試料８０のヒータユニットをそれぞれ作製した。

また、保持部材３の外径を３４０ｍｍとした以外は上記実施例９の試料４７と同様にして試料８１のヒータユニットを作製した。同様にして、保持部材３の外径を３３６ｍｍにした試料８２、保持部材３の外径を３０４ｍｍにした試料８３、および保持部材３の外径を３００ｍｍにした試料８４のヒータユニットをそれぞれ作製した。

得られたヒータユニットの各試料に対して、実施例７と同様にして昇温時間、温度レンジ、および温度変化に対するウエハ載置面１ａの平面度変化を測定した。その測定結果を下記表１２に示す。

［表１２］

上記表１２の結果を上記表９の試料４４または４７の結果と比較して分かるように、保持部材３の外径が載置台１の外径の９５％以上１０５％以内であれば、温度レンジおよび平面度変化量に関して実施例９の場合と同程度の良好な結果が得られることが分かった。なお、上記実施例１〜１２に使用した材料の特性をまとめて下記の表１３に示す。

［表１３］

１ 載置台
２ 支持板
３ 保持部材
４ 支持部材
５、６、７ 結合部材
８ 発熱モジュール
９ 箔材
１３ 冷却モジュール
１４ 昇降式冷却モジュール

Claims (4)

1. ウエハを載置するための載置面を有する金属製の載置台、載置台を支持するセラミックス製の支持板、及び支持板の下面側に設けられた金属製の保持部材からなる一体化した構造体と、
   前記支持板の下側に当接することで前記構造体を支持する複数の支持部材とから構成されることを特徴とする半導体製造装置用のヒータユニット。
2. 前記支持板はその厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有しており、前記載置台と前記保持部材とが前記複数の貫通孔にそれぞれ挿通された複数の結合部材で結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体製造装置用のヒータユニット。
3. 前記載置台または保持部材のいずれか一方だけが、銅、銅合金、アルミニウム、またはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体製造装置用のヒータユニット。
4. 前記載置台および保持部材の両方が、銅、銅合金、アルミニウム、またはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体製造装置用のヒータユニット。

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