JP6593413B2 - ウエハ加熱用ヒータユニット - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハを載せた状態で下面側から加熱するヒータユニットに関する。

ＬＳＩやメモリなどの半導体デバイスを製造する半導体製造装置では、半導体ウエハに対してＣＶＤやスパッタリング等による成膜、レジストの塗布、露光及び現像等のフォトリソグラフィ―、パターニングのためのエッチング等の一連の工程からなる薄膜処理が施される。これらの薄膜処理では、一般に半導体ウエハを所定の温度に加熱した状態で処理を行うため、例えばフォトリソグラフィ―が行われるコータデベロッパ装置では、被処理物の半導体ウエハを載置してその下面から加熱するサセプタとも称するウエハ加熱用ヒータユニットが用いられている。

上記ウエハ加熱用ヒータユニットは、例えば特許文献１に示されるように、上面に平坦なウエハ載置面を備えたセラミックス製の円板状部材からなるウエハ載置台と、これを下面側から支持する筒状支持体とから構成されており、該ウエハ載置台の内部には電熱コイルやパターニングされた金属薄膜等の発熱回路がウエハ載置面に平行に埋設されている。該発熱回路の両端部にはウエハ載置台の下面側に設けた１対の電極端子が電気的に接続しており、この１対の電極端子及びその引出線を介して外部電源から該発熱回路に給電が行われる。

上記したウエハ加熱用ヒータユニットでは、製品となる半導体デバイスの品質にばらつきが生じないように、ウエハ載置面での均熱性を高めて半導体ウエハを全面に亘って均一に加熱することが求められている。そのため、該発熱回路の回路パターンを緻密にして温度ムラが生じないようにしたり、ウエハ載置面に画定した複数の加熱ゾーン（マルチゾーン）の各々に対して個別に温度制御を行うべく、当該複数の加熱ゾーンの各々にウエハ載置面に平行に延在する発熱回路を配して個別に給電したりすることが行われている。

特開２００３−１７２２４号公報

上記のようにウエハ載置面に画定した複数の加熱ゾーンに其々複数の発熱回路を配することで複数の加熱ゾーンを個別に温度制御することが可能になるものの、各加熱ゾーンに配した発熱回路の発熱量を電圧や電流で制御する制御系では、一般に温度検出器として各加熱ゾーンごとに１個の温度センサーが設けられるため、加熱ゾーンの面積が広くなると１個の温度センサーで加熱ゾーンの温度を適切に検出するのが困難になり、良好に温度制御できないことがあった。

従来は上記の温度検出上の問題に起因するウエハ載置面の均熱性への悪影響は無視できる程度に小さかったため問題視されることはほとんどなかったが、近年の半導体デバイスの微細化に伴い、半導体ウエハが載置されるウエハ載置面の温度はより精密な制御が求められるようになってきている。そのため、これまで問題視されていなかった上記の問題が顕在化しつつある。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ウエハ載置面に画定される複数の加熱ゾーンの各々において、温度を適切に検出して制御することでウエハ載置面の均熱性を高めることが可能なウエハ加熱用ヒータユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るウエハ加熱用ヒータユニットは、半導体ウエハが載置されるウエハ載置面を備えた円板状のウエハ載置台と、前記ウエハ載置台を支持する円板状の支持板と、前記ウエハ載置台と前記支持板との間に挟持された円形薄膜状の発熱モジュールとを有するウエハ加熱用ヒータユニットであって、前記発熱モジュールは前記ウエハ載置面に平行に延在する複数の発熱回路を有しており、前記複数の発熱回路によって前記ウエハ載置面に画定される複数の加熱ゾーンは、前記ウエハ載置面の半径方向において互いに隣接するいずれの加熱ゾーン同士においても、前記各加熱ゾーンの中心位置の離間距離が其々の加熱ゾーンの中心位置から前記加熱ゾーンの境界までの最長距離の５０％以上であることを特徴としている。

本発明によれば、ウエハ載置面上に画定される複数の加熱ゾーンの各々において温度を適切に検出して制御することができるので、該ウエハ載置面の均熱性を高めることが可能になる。

本発明に係るウエハ加熱用ヒータユニットの一具体例の縦断面図である。 図１のウエハ加熱用ヒータユニットが有する複数の発熱回路によって画定されるウエハ載置面の複数の加熱ゾーンの区分パターンを示す平面図である。 図２の区分パターンにおいて、互いに隣接する加熱ゾーン同士の両中心位置の離間距離と、其々の加熱ゾーンの中心位置からゾーン境界までの最長距離との関係を示す平面図である。 本発明の比較例１及び２のウエハ加熱用ヒータユニットのウエハ載置面上に画定される複数の加熱ゾーンの区分パターンを示す平面図である。

最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明のウエハ加熱用ヒータユニットの実施形態は、半導体ウエハが載置されるウエハ載置面を備えた円板状のウエハ載置台と、前記ウエハ載置台を支持する円板状の支持板と、前記ウエハ載置台と前記支持板との間に挟持された円形薄膜状の発熱モジュールとを有するウエハ加熱用ヒータユニットであって、前記発熱モジュールは前記ウエハ載置面に平行に延在する複数の発熱回路を有しており、前記複数の発熱回路によって前記ウエハ載置面に画定される複数の加熱ゾーンは、前記ウエハ載置面の半径方向において互いに隣接するいずれの加熱ゾーン同士においても、前記各加熱ゾーンの中心位置の離間距離が其々の加熱ゾーンの中心位置から前記加熱ゾーンの境界までの最長距離の５０％以上であることを特徴としている。これにより、ウエハ載置面上に画定される複数の加熱ゾーンの各々において温度を適切に検出して制御することができるので、該ウエハ載置面の均熱性を高めることが可能になる。

上記本発明のウエハ加熱用ヒータユニットの実施形態においては、前記複数の加熱ゾーンは、前記発熱モジュールにおいて、円形中央部を周方向に３等分した中央部扇状加熱ゾーンと、環状周縁部を周方向に６等分した周縁部扇状加熱ゾーンと、前記円形中央部と前記環状周縁部との間の環状中間部を周方向に６等分した中間部扇状加熱ゾーンとからなるのが好ましい。これにより半導体ウエハが載置される載置面の均熱性をより一層高めることができる。また、上記本発明のウエハ加熱用ヒータユニットの実施形態においては、前記複数の加熱ゾーンのうち周方向に隣接する加熱ゾーン同士の間及び／又は半径方向に隣接する加熱ゾーン同士の間に前記半導体ウエハのリフトピン用の挿通孔が設けられているのが好ましい。これにより、リフトピン用の挿通孔による載置面の均熱性への悪影響を抑えることができる。

次に、本発明のウエハ加熱用ヒータユニットの一具体例について説明する。図１に示すように、この本発明の一具体例のウエハ加熱用ヒータユニット１０は、半導体ウエハＷを載置するウエハ載置面１１ａを上面に備えた円板形状のウエハ載置台１１と、このウエハ載置台１１とほぼ同等の外径を有する円板形状からなり、該ウエハ載置台１１をその下面側から全面に亘って支持する支持板１２と、これらウエハ載置台１１と支持板１２との間に電気的絶縁状態で挟持され、このウエハ載置台１１とほぼ同等の外径を有する円形薄膜状の発熱モジュール１３とを有している。このウエハ加熱用ヒータユニット１０は、支持板１２の下面側に設けられた複数の柱状の脚部２０によって支持されている。

上記のウエハ載置台１１は、ウエハ載置面１１ａの全面に亘って極めて高い温度均一性、すなわち高い均熱性を実現すべく熱伝導率の高い材質からなるのが好ましく、例えば銅やアルミニウムなどの金属がより好ましい。ウエハ載置台１１の材質は、炭化珪素、窒化アルミニウム、Ｓｉ−ＳｉＣ、Ａｌ−ＳｉＣなどの剛性(ヤング率)の高いセラミックスやセラミックス複合体でもよく、これによりウエハ載置面１１ａの平坦性を常時維持することが可能になるうえ、ウエハ載置面１１ａの反り防止を目的としてウエハ載置台１１を分厚くする必要がなくなるので熱容量を小さくでき、よって昇降温速度を速めることが可能になる。

支持板１２の材質も、剛性(ヤング率)の高い炭化珪素、窒化アルミニウム、Ｓｉ−ＳｉＣ、Ａｌ−ＳｉＣなどのセラミックスやセラミックス複合体を用いることが好ましい。特に、ウエハ載置台１１の材質が金属の場合、後述するように発熱モジュール１３を挟んでウエハ載置台１１と支持板１２とを重ね合わせて機械的に結合することで、ウエハ載置面１１ａの反りを抑えることができるので、ウエハ載置面１１ａにおいて高い均熱性と平坦性を兼ね備えたヒータユニット１０を実現することができる。

これらウエハ載置台１１と支持板１２とはネジ止めになどによって互いに機械的に結合することが好ましい。特に、ウエハ載置台１１と支持板１２とが互いに異なる材質からなる場合は、ウエハ載置台１１及び支持板１２が其々の温度に応じてウエハ載置面１１ａの方向に自由に熱膨張できるように、例えば支持板１２に厚み方向に貫通したネジ孔（図示せず）に下側から雄ネジ（図示せず）を挿通し、ウエハ載置台１１の下面側に設けた雌ネジ部（図示せず）に螺合させると共に、該雄ネジの座面とその当接部となる支持板１２の下面との間に例えばベアリング（図示せず）を介在させることが好ましい。なお、この場合は発熱モジュール１３においても、上記支持板１２のネジ孔に対応する位置に上記雌ネジ部の挿通孔が設けられることになる。

ここで、上記ネジ止め部は後述の発熱回路の有効径外に配置することが好ましい。このようにすることで、局所的なクールスポットがほとんど生じない温度均一性の高い載置台を実現することができる。また、上記ネジ止め部を発熱回路の有効径内に配置する場合は、複数の加熱ゾーンのうち周方向に隣接する加熱ゾーン同士の間及び／又は半径方向に隣接する加熱ゾーン同士の間に配置し、且つこの配置位置を通るウエハ載置面の半径方向の線分に関して上記区分パターンが線対称となるようにすることが好ましく、これにより上記ネジ止め部による温度均一性の悪化を抑えることができる。上記のネジ止め部は、前述のリフトピン挿通孔と同一の該半径方向の線分上に位置し且つ該線分に関して上記区分パターンが線対称であるのが更に好ましい。上記のように、載置台、発熱ユニット、支持板のいずれか又は全てに干渉する機械部品や電装部品などの特異点が存在する場合は、これら特異点を、発熱回路の有効径外に配置するか、あるいは有効径内の場合は隣接する加熱ゾーンの間であって且つ区分パターンの対称線となる位置に配することで、温度均一性を損なうことなく所望の機能を発揮させることができる。なお、発熱回路の有効径とは、ウエハ載置面１１ａのうち、後述する発熱回路１３ａが真下に配されている円形領域の直径である。

上記のウエハ載置台１１と支持板１２との間に挟持される発熱モジュール１３は、上記のウエハ載置面１１ａに平行な面上に延在する複数の発熱回路１３ａを有している。これら複数の発熱回路１３ａは、上記のウエハ載置台１１及び支持板１２から電気的に絶縁状態となるように絶縁体で覆われており、このような形態の発熱モジュール１３は、例えばステンレス箔等の導電性金属箔にエッチングやレーザー加工でパターニング加工を施すことで複数の発熱回路１３ａを形成した後、これを上下から例えばポリイミドシート等の耐熱性絶縁シートで挟み込むことで作製することができる。

あるいは、発熱回路１３ａの回路パターンのライン幅が細かったり、発熱回路１３ａに用いる導電性金属箔の厚みが薄かったり等の理由により発熱回路１３ａを取り扱うのが困難な場合は、パターニング加工前の導電性金属箔と電気絶縁のためのポリイミドシート等の耐熱絶縁シートとを予め重ね合わせて熱圧着し、この熱圧着後に導電性金属箔のみをエッチングなどでパターニング加工することで、ベースとなる全面ポリイミドフィルムとパターン箔（すなわち箔状の発熱回路１３ａ）とを一体化させ、この一体化された箔状の発熱回路１３ａの上から更にポリイミドフィルムを重ね合わせて熱圧着することで上記の発熱モジュール１３を作製してもよい。

このように、ウエハ載置面１１ａに平行に延在する複数の発熱回路１３ａを発熱モジュール１３内に設けることによって、ウエハ載置面１１ａを複数の加熱ゾーンに区分することができる。これら複数の発熱回路１３ａによって画定される複数の加熱ゾーンの区分パターンには特に限定はないが、円板形状のウエハ載置台１１は一般的に中央部よりも表面積の広い周縁部からの放熱が多いため、定常状態では当該周縁部が局所的に低温になりやすい。一方で、半導体ウエハが載置台に載置されると、一般にウエハ径よりも載置台の外径が大きいため、載置台には中央部が外周部よりも低温の同心円状のセンタークール型の温度分布が生じる。その後、載置台の温度は制御系の働きにより所定の温度まで昇温するが、上記の温度分布の影響を受けるので半導体ウエハの過渡的な温度分布も同心円状のセンタークールとなる。このようなセンタークール型の温度分布を補正するため、加熱ゾーンの区分パターンは半径方向に同心円状に分割することが好ましい。また、ヒータユニット１０が搭載される真空チャンバーの壁面にはロードロック等が設けられているためウエハ載置台１１の周囲の環境は周方向に均等ではない。そこで図２に示すように、ウエハ載置面１１ａを同心円状に分割したうえで更に周方向に均等に分割した区分パターンが好ましい。

すなわち、この図２に示す複数の加熱ゾーンの区分パターンでは、ウエハ載置面１１ａが円形中央部Ａと、該円形中央部Ａの外側の環状中間部Ｂと、該環状中間部Ｂの外側の環状周縁部Ｃとに同心円状に区分されており、更に、該円形中央部Ａは中央部扇状加熱ゾーンＡ１〜Ａ３として周方向に３等分されており、該環状中間部Ｂは中間部扇状加熱ゾーンＢ１〜Ｂ６として周方向に６等分されており、該環状周縁部Ｃは周縁部扇状加熱ゾーンＣ１〜Ｃ６として周方向に６等分されている。

更に、本発明の一具体例のヒータユニット１０においては、上記のようにして区分された１５ゾーンからなる加熱ゾーンは、ウエハ載置面１１ａの半径方向において互いに隣接するいずれの加熱ゾーン同士においても、それらの両中心位置の離間距離が、其々の加熱ゾーンの中心位置からゾーン境界までの最長距離の５０％以上になっている。ここで加熱ゾーンの中心位置とは、円形や三角形等の一般的な形状の場合は幾何学的な中心点と定義することができ、線対称な形状の場合はその対称軸となる対称線分の中間点と定義することができる。例えば図２に示すような扇状の加熱ゾーンの場合は、その周方向の中間角度位置であって且つ半径方向の中間地点が中心位置となる。

上記の隣接する加熱ゾーン同士における両中心位置の離間距離と、各加熱ゾーンの中心位置からゾーン境界までの最長距離との関係について、図３を参照しながらより詳細に説明する。先ずウエハ載置面１１ａの半径方向において互いに隣接する円形中央部Ａと環状中間部Ｂとの関係について検討する。円形中央部Ａのうち中央部扇状加熱ゾーンＡ１が半径方向に隣接する加熱ゾーンは、中間部扇状加熱ゾーンＢ１及びＢ２の２つである。

これらのうち、中央部扇状加熱ゾーンＡ１と中間部扇状加熱ゾーンＢ１との関係では、中央部扇状加熱ゾーンＡ１の中心位置Ｏ_Ａ１及び中間部扇状加熱ゾーンＢ１の中心位置Ｏ_Ｂ１の離間距離は線分Ｌ_Ａ１Ｂ１の距離である。そして、中央部扇状加熱ゾーンＡ１では、その中心位置Ｏ_Ａ１からそのゾーン境界までの最長の直線距離は、中心位置Ｏ_Ａ１と扇形の角部に該当するＰ_Ａ１とを結ぶ線分Ｌ_Ａ１の距離である。一方、中間部扇状加熱ゾーンＢ１では、その中心位置Ｏ_Ｂ１からそのゾーン境界までの最長の直線距離は、中心位置Ｏ_Ｂ１と扇形の角部に該当するＰ_Ｂ１とを結ぶ線分Ｌ_Ｂ１の距離である。

図３から分かるように、線分Ｌ_Ａ１の距離と両中心位置の離間距離である線分Ｌ_Ａ１Ｂ１の距離とを比べると、上記の線分Ｌ_Ａ１の距離の５０％の長さは、上記の線分Ｌ_Ａ１Ｂ１の距離よりも短くなっている。また、線分Ｌ_Ｂ１の距離と両中心位置の離間距離である線分Ｌ_Ａ１Ｂ１の距離とを比べると、上記の線分Ｌ_Ｂ１の距離の５０％の長さは、上記の線分Ｌ_Ａ１Ｂ１の距離よりも短くなっている。なお、図３に示す区分パターンは中間部扇状加熱ゾーンＢ１とＢ２との境界線を対称線として線対称になっており、よって互いに隣接する中央部扇状加熱ゾーンＡ１と間部扇状加熱ゾーンＢ２との関係も、上記した中央部扇状加熱ゾーンＡ１と中間部扇状加熱ゾーンＢ１との関係と同様である。また、中央部扇状加熱ゾーンＡ２と間部扇状加熱ゾーンＢ３及びＢ４との関係、及び中央部扇状加熱ゾーンＡ３と間部扇状加熱ゾーンＢ５及びＢ６との関係も上記した中央部扇状加熱ゾーンＡ１と中間部扇状加熱ゾーンＢ１との関係と同様である。

上記の関係は、ウエハ載置面１１ａの半径方向において互いに隣接する環状中間部Ｂと環状周縁部Ｃとの関係においても同様のことがいえる。すなわち、環状中間部Ｂのうちの中間部扇状加熱ゾーンＢ１が隣接する加熱ゾーンは周縁部扇状加熱ゾーンＣ１である。中間部扇状加熱ゾーンＢ１の中心位置Ｏ_Ｂ１及び周縁部扇状加熱ゾーンＣ１の中心位置Ｏ_Ｃ１の離間距離は線分Ｌ_Ｂ１Ｃ１の距離である。そして、中間部扇状加熱ゾーンＢ１では、前述したように、その中心位置Ｏ_Ｂ１からそのゾーン境界までの最長の直線距離は、中心位置Ｏ_Ｂ１と扇形の角部に該当するＰ_Ｂ１とを結ぶ線分Ｌ_Ｂ１の距離である。一方、周縁部扇状加熱ゾーンＣ１では、その中心位置Ｏ_Ｃ１からそのゾーン境界までの最長の直線距離は、中心位置Ｏ_Ｃ１と扇形の角部に該当するＰ_Ｃ１とを結ぶ線分Ｌ_Ｃ１の距離である。

図３から分かるように、線分Ｌ_Ｂ１の距離と両中心位置の離間距離である線分Ｌ_Ｂ１Ｃ１の距離とを比べると、上記の線分Ｌ_Ｂ１の距離の５０％の長さは、上記の線分Ｌ_{Ｂ7１Ｃ１}の距離よりも短くなっている。また、線分Ｌ_Ｃ１の距離と両中心位置の離間距離である線分Ｌ_Ｂ１Ｃ１の距離とを比べると、上記の線分Ｌ_Ｃ１の距離の５０％の長さは、上記の線分Ｌ_Ｂ１Ｃ１の距離よりも短くなっている。なお、中間部扇状加熱ゾーンＢ２と周縁部扇状加熱ゾーンＣ２との関係、中間部扇状加熱ゾーンＢ３と周縁部扇状加熱ゾーンＣ３との関係、中間部扇状加熱ゾーンＢ４と周縁部扇状加熱ゾーンＣ４との関係、中間部扇状加熱ゾーンＢ５と周縁部扇状加熱ゾーンＣ５との関係、及び中間部扇状加熱ゾーンＢ６と周縁部扇状加熱ゾーンＣ６との関係のいずれにおいても、上記した中間部扇状加熱ゾーンＢ１と周縁部扇状加熱ゾーンＣ１との関係と同様である。

本発明の一具体例のウエハ加熱用ヒータユニット１０は、上記の区分パターンを有することにより、載置面１１ａをより精密に温度制御することが可能になる。なお、本発明の一具体例のウエハ加熱用ヒータユニット１０は、上記の複数の加熱ゾーンのうち周方向に隣接する加熱ゾーン同士の間に半導体ウエハのリフトピン用の挿通孔が設けられていてもよい。例えば図２には、中央部扇状加熱ゾーンＡ１とＡ２との間、Ａ２とＡ３との間、及びＡ３とＡ１との間に３個のリフトピン用挿通孔Ｑ１〜Ｑ３が其々設けられた例が示されている。このように周方向に隣接する加熱ゾーン同士の間にリフトピン用挿通孔を設けることで、当該挿通孔による載置面１１ａへの均熱性の悪影響を抑えることができる。あるいは、リフトピン用挿通孔は半径方向に隣接する加熱ゾーン同士の間に設けても良いし、周方向に隣接する加熱ゾーン同士の間であって且つ半径方向に隣接する加熱ゾーン同士の間に設けても良い。

各加熱ゾーン内に設けられている図示しない発熱回路の回路パターンについては特に限定はなく、様々な回路パターンを有することができる。例えば、同心円状の複数の湾曲導電部と、これら湾曲導電部の隣接するもの同士を接続する直線導電部とで一筆書き状に形成された回路パターンにすることができる。この場合、発熱回路の両端部に其々２つの電極端子（図示せず）が接続されることになる。

なお、複数の発熱回路は、加熱ゾーンごとに発熱密度が異なるようにしてもよい。例えば前述したように、一般にウエハ径よりも載置台の外径が大きいため、半導体ウエハが載置台に載置されると当該載置台には中央部が外周部よりも低温の同心円状のセンタークール型の温度分布が生じる。その後、載置台の温度は制御系の働きにより所定の温度まで昇温するが、上記の温度分布の影響を受けるので半導体ウエハの過渡的な温度分布も同心円状のセンタークールとなる。このようなセンタークール型の温度分布を補正するため、中央部扇状加熱ゾーンＡ１〜Ａ３の発熱密度を高く設計することで、ウエハ載置時の過渡的な温度均一性を一層向上することができる。発熱密度を高くする方法としては、発熱回路の回路パターンのピッチを狭くしたり発熱体回路を構成する導電線の幅を細くしたりすることで実現できる。

なお、発熱モジュール１３においては、ウエハ載置面１１ａに平行な全面積に対して発熱回路の有効面積（すなわち、発熱モジュール１３の上記全面積から、互いに隣接する加熱ゾーン同士の離間スペース、ネジ孔やリフトピンの挿通孔、測温センサー設置部位等の発熱がないスペースを引いたもの）の比率、すなわち有効発熱領域の比率が８０％以上であるのが好ましい。

本発明の一具体例のウエハ加熱用ヒータユニット１０は、複数の加熱ゾーンの各々において例えば抵抗値が調整された測温素子からなる測温センサー（図示せず）を前述した中心位置に該当する位置に設けると共に、各測温センサーの検出値に基づいて当該加熱ゾーン内の発熱回路を個別に制御するのが好ましい。これにより載置面１１ａを局所的に加熱することができるので、例えばロードロックの開閉等により載置面１１ａが部分的に冷却されるような場合であっても均熱性を良好に維持することが可能になる。上記の測温センサーは例えばウエハ載置台１１の下面側に測温センサーが収まる大きさのザグリ穴を設け、その底面に接着剤を塗布して測温センサーを接着固定することで各加熱ゾーンの温度を良好に検知することができる。

再度図１に戻ると、本発明の一具体例のウエハ加熱用ヒータユニット１０は、支持板１２の下方に冷却ユニット３０が設けられている。この冷却ユニット３０は、一点鎖線で示すように支持板１２の下面側に当接する当接位置と、実線で示すように支持板１２から離間する離間位置との間で往復動可能な可動式冷却板３１と、この可動式冷却板３１が上記離間位置にある時に当接する固定式冷却ステージ３２とを有している。これら可動式冷却板３１及び固定式冷却ステージ３２の材質は、熱伝導性が高い銅、アルミニウム、ニッケル、マグネシウム、チタン、若しくはこれらの少なくともいずれかを主成分とする合金又はステンレスからなる群から選択することが好ましい。

この固定式冷却ステージ３２は、図示しないチラーなどの冷却装置で冷却されたフッ素系冷媒等の不凍液、空気、汎用的な水等の冷媒が循環する冷媒流路３２ａを有している。この冷媒流路の形態は特に限定はなく、例えば金属製の板状部材の下面側に冷媒流路としてＣｕなどの金属製のパイプを沿わせ、この金属製パイプの両端にステンレス製の継ぎ手を取り付けると共に、金属製パイプを押さえ板で板状部材に押さえつけた状態で該押さえ板と板状部材とをネジなどにより機械的に結合する構造にすることができる。

あるいは、より高い熱効率を得るため、金属製の板状部材の下面側に例えば渦巻き状のザグリ溝を設け、このザグリ溝中に渦巻き状に成形した冷媒流通用の金属製パイプを設置した構造でもよい。この場合、金属製パイプと冷却板との良好な熱伝達を保つため、コーキング材、シーラント、接着剤などにより金属製パイプの表面とザグリ溝の内面とを接着固定するのが好ましい。あるいは、同じ材質の略同形状の２枚の板状部材を用意し、それらの一方又は両方の片面に機械加工で流路となる溝を形成し、この流路側の面が対向するように２枚の板状部材を重ね合わせて例えばロウ付けなどの結合法で一体化した構造でもよい。

可動式冷却板３１は、エアシリンダなどからなる昇降機構３３に取り付けられている。これにより、昇降機構３３を作動させることで固定式冷却板３１を前述した当接位置と、離間位置との間で往復動させることが可能になる。なお、可動式冷却板３１を使用せずに冷媒流路を有する冷却ステージ３２自体を支持板１２の下面側に当接する位置と該下面側から離間する位置との間で往復動させてもよい。

上記の可動式冷却板３１の上面や固定式冷却ステージ３２の上面、及び／又は支持板１２の下面には介在層（図示せず）を設けてもよい。この介在層は、厚み方向にクッション性（柔軟性）を有しているのが好ましく、また耐熱性を有しているのが好ましい。更に、例えば１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有していることが好ましい。このような材質としては、発泡金属、金属メッシュ、グラファイトシート、又はフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、若しくはシリコーン樹脂等の樹脂シートを挙げることができる。なお、上記の樹脂シートにカーボンなどの熱伝導性フィラーを含有することで、熱抵抗をより小さくすることが可能になる。なお、本発明の一具体例のウエハ加熱用ヒータユニット１０及び冷却ユニット３０は好適にはステンレスからなる容器４０内に収められているのが好ましい。

以上、本発明のウエハ加熱用ヒータユニットについて一実施形態を挙げて説明したが、本発明は係る実施形態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の種々の態様で実施することが可能である。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲及びその均等物に及ぶものである。

［実施例１］
図１に示すような下方に冷却ユニット３０が設けられたウエハ加熱用ヒータユニット１０を作製してそのウエハ載置面１１ａの均熱性を評価した。具体的には、先ずウエハ載置台１１として直径３２０ｍｍ×厚み３ｍｍの円板状の銅板を準備した。この銅板のウエハ載置面１１ａとなる面とは反対側の面の後述する中心位置に１５個のザグリ穴を形成し、これらザグリ穴の各々に、セラミックス製（Ｗ２ｍｍ×Ｄ２ｍｍ×Ｈ１ｍｍ）の測温素子をシリコーン接着剤を用いて接着固定した。

次に支持板１２として直径３２０ｍｍ×厚み３ｍｍの円板状のＳｉ−ＳｉＣ板を準備した。このＳｉ−ＳｉＣ板には、上記測温素子のリード線や、後述するネジなどの挿通用の貫通孔を設けた。次に発熱モジュール１３の複数の発熱回路１３ａとなる抵抗発熱体として、厚さ２０μｍのステンレス箔に該複数の発熱回路１３ａの回路パターンをエッチングで形成し、それらの各々の両終端部に給電ケーブルを取り付けた後、この抵抗発熱体を上下両面から厚み５０μｍのポリイミドシートで覆って熱圧着し、直径３２０ｍｍの円形フィルム状の発熱モジュール１３を準備した。

ここで、上記の発熱モジュール１３の複数の発熱回路１３ａが其々設けられる複数の加熱ゾーンは、図２の区分パターンとなるようにした。具体的には、円形の発熱モジュール１３の中心点に対してφ１２０ｍｍ、φ２４６ｍｍ、φ３０２ｍｍの３つの同心円で円形中央部Ａと、環状中間部Ｂと、環状周縁部Ｃとに３区分し、更にφ１２０ｍｍの円形中央部Ａを周方向に３等分して中央部扇状加熱ゾーンＡ１〜Ａ３とし、外径φ２４６ｍｍ、内径φ１２０ｍｍの環状中間部Ｂを周方向に６等分して中間部扇状加熱ゾーンＢ１〜Ｂ６とし、外径φ３０２ｍｍ、内径φ２４６ｍｍの環状周縁部Ｃを周方向に６等分して周縁部扇状加熱ゾーンＣ１〜Ｃ６とした。これら合計１５区画の加熱ゾーンの其々に設けた１５個の発熱回路１３ａが個別に制御されるように、上記測温素子は各区画の中心位置に配置した。なお、発熱回路の上記給電ケーブルも各区画ごとに引き出されることになる。

このようにして作製した発熱モジュール１３を上記のウエハ載置台１１と支持板１２との間に挟み込み、支持板１２に予め設けておいた貫通孔にネジを挿通してウエハ載置台１１に螺合した。これにより、発熱モジュール１３を挟んでウエハ載置台１１と支持板１２とが互いに機械的に結合されたウエハ加熱用ヒータユニット１０を作製した。なお、上記のネジには、熱膨張量差でウエハ載置台１１や支持板１２が変形しないように、座面にベアリングを備えた締結ネジを用いた。この締結ねじを、ＰＣＤ１２０ｍｍに３本、ＰＣＤ３１０ｍｍに６本設けた。また、測温素子のリード線からの熱逃げを抑制するため、支持板１２から取り出した測温素子のリード線を支持板１２に３０ｍｍの長さに渡り接触させた状態でシリコーン樹脂で接着固定した。

次に、このウエハ加熱用ヒータユニット１０の下方に設ける冷却ユニット３０として、可動式冷却板３１用の直径３２０ｍｍ×厚み１２ｍｍの円板状のアルミニウム合金板と、固定式冷却ステージ３２用の直径３２０ｍｍ×厚み１２ｍｍ の円板状のアルミニウム合金板とを準備した。可動式冷却板３１用のアルミニウム合金板には、上記支持板１２に当接する上面側に、支持板１２と可動式冷却板３１の全面が接触するように柔軟性を有したシリコーンシートを配置した。一方、固定式冷却ステージ３２用のアルミニウム合金板の下面に、ねじを用いて冷媒流路３２ａ用の外径６ｍｍ×肉厚１ｍｍのリン脱酸銅パイプを取り付けた。そして、この銅パイプの両端に、冷媒を供給・排出するための継ぎ手を取り付けた。

このようにして作製した冷却ユニット３０としての両アルミニウム合金板に、上記給電ケーブル、測温素子のリード線、及び後述する容器４０の底部から立設する脚部２０が挿通する貫通孔を設けた。更に固定式冷却ステージ３２用のアルミニウム合金板には、可動式冷却板３１のエアシリンダからなる昇降機構３３のロッドが挿通する貫通孔を設けた。上記の冷却ユニット３０を肉厚１.５ｍｍの側壁を有し且つ上部が開放されたステンレス製の容器４０内に設置した。固定式冷却ステージ３２の下側に昇降機構３３を取り付け、そのロッドを上記したロッド挿通用の貫通孔に挿通させてその先端に可動式冷却板３１を取り付けた。このようにして、冷却ユニット３０を備えた試料１のウエハ加熱用ヒータユニット１０を作製した。なお、昇降機構３３のロッドが退避している時の支持板１２の下面と可動式冷却板３１の上面との離間距離は１０ｍｍであった。

比較のため、ウエハ載置台１１と支持板１２との間に挟持させる発熱モジュールの区分パターンを図２に代えて図４（ａ）及び（ｂ）の区分パターンにした以外は上記試料１と同様にして冷却ユニットを備えた試料２及び３のウエハ加熱用ヒータユニット作製した。すなわち、試料２のウエハ加熱用ヒータユニットの発熱モジュールにおいてはその中心点に対してφ９５ｍｍ、φ２４６ｍｍ、φ３０２ｍｍの３つの同心円で円形中央部Ｄと、環状中間部Ｅと、環状周縁部Ｆとに３分割し、円形中央部Ｄ及び環状中間部Ｅについては周方向に分割せずに其々そのまま円形加熱ゾーン及び環状加熱ゾーンとし、外径φ３０２ｍｍ、内径φ２４６ｍｍの環状周縁部Ｆのみ周方向に４等分して周縁部扇状加熱ゾーンＦ１〜Ｆ４とした。これら合計６区画の加熱ゾーンの各々の中心位置に測温素子を設けた。但し、環状中間部Ｅについては、発熱モジュールの中心点に対してφ１５１ｍｍの周上の１か所に測温素子を設けた。

一方、試料３のウエハ加熱用ヒータユニットの発熱モジュールにおいては、その中心点に対してφ９５ｍｍ、φ１７１.５ｍｍ、φ２４６ｍｍ、φ３０２ｍｍの４つの同心円で円形中央部Ｇと、内側環状中間部Ｈと、外側環状中間部Ｉと、環状周縁部Ｊとに４分割し、更に外径φ１７１.５ｍｍ、内径φ９５ｍｍの内側環状中間部Ｈを周方向に２等分して内側中間部扇状加熱ゾーンＨ１〜Ｈ２とし、外形φ２４６ｍｍ、内径φ１７１.５ｍｍの外側環状中間部Ｉを周方向に４等分して外側中間部扇状加熱ゾーンＩ１〜Ｉ４とし、外径φ３０２ｍｍ、内径φ２４６ｍｍの環状周縁部Ｊを周方向に８等分して周縁部扇状加熱ゾーンＪ１〜Ｊ８とした。これら合計１５区画の加熱ゾーンの各々の中心位置に測温素子を設けた。上記試料１〜３のヒータユニットにおける複数の加熱ゾーンの区分パターンをまとめたものを表１に示す。

上記にて作製した試料１〜３のヒータユニットに対して、先ずウエハ載置面１１ａの平面度を市販の三次元測定器にて測定した。次に、これら試料１〜３のヒータユニットの各々に対して複数の発熱回路１３ａに給電して常温から１１０℃まで昇温させた後、設定温度１１０℃で温度制御しながら１時間保持した。その後、測温センサーが埋設された市販のウエハ温度計をウエハ載置面１１ａに設置し、ウエハ載置面１１ａ内の最大温度と最小温度の差である均熱レンジを計測した。その結果を下記表２に示す。

上記表２の結果から分かるように、試料２のヒータユニットでは均熱レンジが０.１７℃となり、試料３のヒータユニットでは均熱レンジが０.２１℃となった。詳細な温度分布によると、試料２では環状中間部Ｅの加熱ゾーンにおいて最大温度と最小温度が存在しており、ウエハ載置台１１と支持板１２とを締結しているボルト近傍が低温域となっていた。一方、試料３では外側環状中間部Ｉのうちの１か所の加熱ゾーンが高温域となっていた。

試料３のヒータユニットの発熱回路への出力を確認すると、高温域となっていた上記外側環状中間部Ｉの１か所の加熱ゾーンでは出力がなく、これに隣接する内側環状中間部Ｈの加熱ゾーンへの出力が相対的に大きかった。これは、互いに隣接する加熱ゾーン同士の両中心位置が其々の加熱ゾーンの大きさに比べて近づきすぎており、具体的には、これら両中心位置の離間距離が其々の加熱ゾーンの中心位置からゾーン境界までの最長距離の５０％未満となっているため、隣接する内側環状中間部Ｈの発熱回路の影響を大きく受けて外側環状中間部Ｉでは出力しなくても設定温度以上に到達していたことによるものと考えられる。すなわち、隣接する加熱ゾーン間で温度制御に干渉が生じたことが原因と推察される。

一方、試料１のヒータユニットでは均熱レンジが０.０６℃であり、これは、互いに隣接する加熱ゾーン同士の両中心位置の離間距離が其々の加熱ゾーンの中心位置からゾーン境界までの最長距離の５０％以上であるため、上記の試料２や３で確認された局所的な温度低下や隣接する加熱ゾーン同士の温度制御の干渉による特異的な温度分布は確認されなかった。更に、ウエハ載置台１１と支持板１２とを締結する締結ボルト周辺の温度も特異的でなかった。これは、締結ボルトの位置を、円形中央部Ａの加熱ゾーンとその外周側の環状中間部Ｂの加熱ゾーンとの境界上に配置したことにより、当該締結ボルトの影響を複数の加熱ゾーンで分散できたことによるものと推察される。

［実施例２］
ウエハ載置台１１の材質を銅に代えてＳｉ−ＳｉＣにした以外は上記の実施例１の試料１〜３と同様にして其々試料４〜６のヒータユニットを製作し、実施例１と同様の評価を行った。その結果をウエハ載置台１１の平面度と併せて下記表３に示す。

上記表３から実施例１と同様の傾向があることが分かる。また、実施例１に比べて試料４〜６のヒータユニットはいずれも若干の均熱性の向上が認められた。これは、ウエハ載置台１１の材質を剛性の高いＳｉ−ＳｉＣに代えたことで、ウエハ載置台１１の平面度が安定し、よってウエハ載置面１１ａとウエハとの距離が全面に亘って均等になったことによるものと推察される。

１０ ウエハ加熱用ヒータユニット
１１ ウエハ載置台
１１ａ ウエハ載置面
１２ 支持板
１３ 発熱モジュール
１３ａ 発熱回路
２０ 脚部
３０ 冷却ユニット
３１ 可動式冷却板
３２ 固定式冷却ステージ
３２ａ 冷媒流路
３３ 昇降機構
４０ 容器
Ａ 円形中央部
Ａ１〜Ａ３ 中央部扇状加熱ゾーン
Ｂ 環状中間部
Ｂ１〜Ｂ６ 中間部扇状加熱ゾーン
Ｃ 環状周縁部
Ｃ１〜Ｃ６ 周縁部扇状加熱ゾーン
Ｌ_Ａ１、Ｌ_Ｂ１、Ｌ_Ｃ１、Ｌ_Ａ１Ｂ１、Ｌ_Ｂ１Ｃ１ 線分
Ｏ_Ａ１、Ｏ_Ｂ１、Ｏ_Ｃ１ 中心位置
Ｐ_Ａ１、Ｐ_Ｂ１、Ｐ_Ｃ１ 角部
Ｑ１〜Ｑ３ リフトピン用挿通孔
Ｄ 円形中央部
Ｅ 環状中間部
Ｆ 環状周縁部
Ｆ１〜Ｆ４ 周縁部扇状加熱ゾーン
Ｇ 円形中央部
Ｈ 内側環状中間部
Ｈ１〜Ｈ２ 内側中間部扇状加熱ゾーン
Ｉ 外側環状中間部
Ｉ１〜Ｉ４ 外側中間部扇状加熱ゾーン
Ｊ 環状周縁部
Ｊ１〜Ｊ８ 周縁部扇状加熱ゾーン
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (3)

1. 半導体ウエハが載置されるウエハ載置面を備えた円板状のウエハ載置台と、前記ウエハ載置台を支持する円板状の支持板と、前記ウエハ載置台と前記支持板との間に挟持された円形薄膜状の発熱モジュールとを有するウエハ加熱用ヒータユニットであって、
   前記発熱モジュールは前記ウエハ載置面に平行に延在する複数の発熱回路と、これら複数の発熱回路を挟み込む耐熱性絶縁シートとで構成され、前記複数の発熱回路によって前記ウエハ載置面に画定される複数の加熱ゾーンは、各々その中心位置に測温センサーを有しており、前記測温センサーは前記ウエハ載置台の下面側に設けられており、前記ウエハ載置面の半径方向において互いに隣接するいずれの加熱ゾーン同士においても、それらの両中心位置の離間距離が其々の加熱ゾーンの中心位置から前記加熱ゾーンの境界までの最長距離の５０％以上であるウエハ加熱用ヒータユニット。
   
2. 前記複数の加熱ゾーンは、円形中央部を周方向に３等分した中央部扇状加熱ゾーンと、環状周縁部を周方向に６等分した周縁部扇状加熱ゾーンと、前記円形中央部と前記環状周縁部との間の環状中間部を周方向に６等分した中間部扇状加熱ゾーンとからなる、請求項１に記載のウエハ加熱用ヒータユニット。
3. 前記複数の加熱ゾーンのうち周方向に隣接する加熱ゾーン同士の間及び／又は半径方向に隣接する加熱ゾーン同士の間に前記半導体ウエハのリフトピン用の挿通孔が設けられている、請求項１又は請求項２に記載のウエハ加熱用ヒータユニット。

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