TWI504307B - 片狀加熱器 - Google Patents

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Description

片狀加熱器
本發明係關於一種加熱器(heater)，用以將離子注入裝置、離子摻雜裝置、電漿浸沒(Plasma Immersion)裝置、曝光裝置及在蝕刻或形成薄膜所使用之電漿處理裝置等、半導體製造裝置中之半導體晶圓或玻璃基板予以升溫者。
半導體製造裝置雖有各種形態，惟有需要進行所謂的溫度管理，用以將所處理之半導體晶圓或玻璃等基板升溫至某一定溫度，且於處理中保持在一定溫度，之後降溫至常溫左右者。此係由於被處理物與電漿或離子、或其他反應物質之化學性或物理性反應之速度等會因溫度而有不同之故。一般而言，若溫度上升則會促進化學性、物理性反應。
一般而言，升溫之手段係於由具有電阻之金屬所構成之電極中流通電流，且藉由其焦耳熱而使電極發熱，而將該熱傳遞至被處理物之手段。此係由於溫度之控制、發熱之啟動切斷相對較容易進行之故。由於晶圓等之處理大都在真空中進行，因此一般係藉由與冷媒循環之冷卻系統併用來縮短被處理物之降溫時間。此係因為若在被處理物與其承載部有真空之間隙，則不會有由於對流或導熱所產生之熱之移動，而會只成為輻射，因此在自然冷卻下需要許多時間來降溫，而使裝置之產出量(throughput)降低之故。
被處理物之溫度管理雖依半導體製程而有不同，惟有 時在其全部區域需要設在±1℃以內。在最尖端之製程中，由於矽製晶圓之直徑有大型化到300mm之傾向，因此極難以使該晶圓整體以均一溫度上升。其主要原因之一係為承載晶圓之部位並非完全平坦，通常會產生數十μm左右的製造上之凹凸，因此僅以導熱方式無法良好地管理溫度之故。在使用電漿之CVD(Chemical Vapour Deposition，化學氣相沉積)裝置等中，大多係使用以陶瓷來製作加熱器之絕緣部，俾能承受在高溫下之使用、升溫與冷卻之熱衝擊者，惟係將包含加熱器之承載部之熱容量加大。此係由於欲以加熱器將承載部整體加熱，且藉由來自該處之輻射而使被處理物之溫度上升均一化之故。
在日本特開2004－179058號公報中揭示有一種以片狀加熱器使用於調理器具或地毯(carpet)者。發熱體係以不鏽鋼等具有較強拉伸強度之金屬薄膜形成。在日本特開2003－217800號公報中揭示有一種可在半導體製程中使用且可加熱到350℃高溫之加熱器。在日本特開平8－180962號公報中揭示有一種將金屬製之發熱體與被覆該發熱體之絕緣層予以堅固地緊密黏著而使導熱良好之加熱器。在日本特開昭63－72085號公報中揭示有一種在以合金為主體之發熱體之表面被覆鋁者。在日本特開2002－8984號公報中則揭示有一種以氮化鋁為絕緣體，且於絕緣體內部具有發熱體之半導體製程用之陶瓷加熱器。
專利文獻1：日本特開2004－179058號公報 專利文獻2：日本特開2003－217800號公報 專利文獻3：日本特開平8－180962號公報 專利文獻4：日本特開昭63－72085號公報 專利文獻5：日本特開2002－8984號公報
本發明欲解決之課題如下。
第1課題係為將來自加熱器之熱有效率地傳遞至晶圓等之被處理物。亦即，將加熱器與被處理物之接觸面積提高。當內含發熱體之絕緣體為陶瓷時，由於陶瓷表面較硬且其表面具有微細之凹凸，因此具有幾乎無法期待與被處理物之接觸所產生之導熱之缺點。此外，當內含發熱體之絕緣體為樹脂時，由於樹脂較陶瓷具柔軟性，雖某程度會融合在被處理物之面，惟無法避免形成發熱體之電極層之厚度程度會顯現於絕緣體之表面而成為凹凸。因此，該凹的部分不會與被處理物接觸，幾乎不會產生熱的移動，故無法期待被處理物之均勻升溫。
第2課題係為以低成本製造加熱器。亦即，絕緣材料不使用陶瓷等高價之材料、及將保持被處理物且包含加熱器之承載部之容積儘量減小。由於絕緣體為陶瓷時，難以將絕緣體薄化，因此容積會變大，而使其材料費變貴。由於承載部之容積愈小則熱容量亦愈小，因此例如發熱體等加熱器周邊組件(component)之電源規格亦可減輕，而可將其成本降低。再者，關於承載部之冷卻系統之規格方面，亦屬相同情形。
申請專利範圍第1項之發明係一種片狀加熱器，係以樹脂為絕緣體且具有由鋁金屬所構成之發熱體者，其特徵為：樹脂表面之凹凸係為1 μm以下。此係由於只要樹脂之表面凹凸為1 μm以下，則可期待藉由樹脂之柔軟性與被處理物之面接觸之比例會充分變大之故。
申請專利範圍第2項之發明係為如申請專利範圍第1項之片狀加熱器，其中，發熱體之材質係為鋁金屬，其體積電阻率係為2.7×10－6 至3.5×10－6 Ω．cm之範圍。以鋁金屬形成發熱體之理由係由於在薄膜之發熱體中，需以良好再現性形成該發熱體之體積電阻率之故。此外，通常之鋁之塊體(bulk)之體積電阻率在常溫下雖為2.7×10－6 Ω．cm，惟由於作為發熱體時係以較高者才能在流通相同電流時增加發熱量，因此較為有利。在申請專利範圍第2項之發明中係藉由蒸鍍法形成，藉此而可獲得較塊體之情形更高之體積電阻率。發熱體設在整面時亦可圖案化為適當之形狀。進行圖案化時，亦可在全面形成膜之後進行蝕刻，或先作遮罩後再僅將必要之部分製膜亦可。
申請專利範圍第3項之發明係為如申請專利範圍第1項之片狀加熱器，其中，鋁金屬之發熱體之厚度係為1 μm以下。在形成薄膜式發熱體時，其形成方法極為重要。藉由蒸鍍法進行，即可以良好再現性形成0.1 μm至1 μm之極薄鋁金屬膜。藉由將發熱體之厚度作成1 μm以下，即相對較容易將被覆發熱體之電性絕緣之樹脂層所出現之凹凸作成1 μm以下。以其他形成鋁金屬膜之手段而言，係有離 子鍍膜(ion plating)法或鍍覆法。
申請專利範圍第4項之發明係為如申請專利範圍第1項之片狀加熱器，其中，在鋁金屬之發熱體之至少其一面側具有樹脂之阻氣(gas barrier)層。在以鋁金屬為發熱體時，會有因為該熱與周圍環境之氧或水蒸氣而使發熱體進行氧化之情形，故藉由極力抑制氧或水蒸氣不致從片狀加熱器之表面等到達發熱體，可獲得增長其壽命之結果。在通常之聚醯亞胺(polyimide)中，例如其氧穿透率於氣溫25℃濕度50%時雖為100cc．m－2 ．24小時－1 ．atm－1 ．0.lmm－1 左右，惟以進一步提高阻氣性之材質而言，係可使用芳族聚醯胺(aramid)。此材質相較於聚醯亞胺有氧穿透率低2位數左右者，例如TORAY(日本東麗股份有限公司)公司之MICRON(TORAY公司之註冊商標)係為低大約3位數之0.2cc．m－2 ．24小時－1 ．atm－1 ．0.1mm－1 。除此之外TEIJIN(日本帝人股份有限公司)之ARAMIKA(TEIJIN公司之註冊商標)亦屬適當。以其他較佳之樹脂而言，係有例如聚偏二氯乙烯(Poly vinylidene chloride，PVDC)、乙烯乙烯醇共聚物(Ethylene vinylalchol copolymer)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)、樹脂族聚醯胺(polyamide)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride、PVC)等。阻氣層之厚度係為10 μm至100 μm左右之範圍，其係經考慮氣體之進入率、使用溫度而決定。
申請專利範圍第5項之發明係為如申請專利範圍第1 項之片狀加熱器，其中，在鋁金屬之發熱體之至少其一面側設有金屬之熱分散層。來自發熱體之熱需均一地傳遞至加熱器表面。發熱體之形體非為在加熱器整面而是具有圖案時，在加熱器表面之正下方係可形成無發熱體之部分。此時，從發熱體傳遞熱至加熱器表面之方式雖可能產生不均，惟藉由設置至少一層熱分散層在發熱體與加熱器之表面層之間，可將熱的傳遞方式予以均一化。以熱分散層而言，係為金屬之5至30 μm之層，以材質而言，係以導熱率較高之鋁或銅為較佳。
申請專利範圍第6項之發明係為如申請專利範圍第1項之片狀加熱器，其中，由鋁金屬所構成之發熱體之承載側之樹脂之絕緣體之厚度係為50至100 μm。由於發熱體之厚度最大為1 μm，因此被覆該發熱體之電性絕緣體之厚度若未作成較發熱體之厚度更厚，則無法吸收因發熱體之厚度所產生之凹凸。樹脂之絕緣體之厚度若為發熱體之厚度之50至100倍，則即使有因發熱體之厚度所生之凹凸，絕緣體表面之凹凸亦可抑制於1 μm以下。若絕緣體之厚度為50 μm以下，則絕緣體表面之凹凸則為1 μm以上，若為100 μm以上則從發熱體到承載被處理物之面之熱電阻就變得過大，因此會產生升溫時間變長之缺點。
申請專利範圍第7項之發明係為如申請專利範圍第1項之片狀加熱器，其中，使用於發熱體之電性絕緣之樹脂係為由選自聚醯亞胺(polyimide)、芳族聚醯胺(aramid)、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)、聚醚醯亞胺(polyetherimide)、聚萘二甲酸乙二酯(Polyethylene naphthalate)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide)、聚醚碸(Polyether Sulfone)、聚甲基戊烯(Polymethyl pentene)之一種以上材質所構成。聚醯亞胺、芳族聚醯胺、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯、聚醚醯亞胺、聚萘二甲酸乙二酯、聚苯硫醚、聚醚碸、聚甲基戊烯係分別具有充分之電性絕緣特性，於200℃左右高溫亦可使用。尤其聚醯亞胺、芳族聚醯胺具有承受化學腐蝕性之優異性，因此為較佳之材料。
藉由此發明，由於被覆發熱體之樹脂絕緣層之表面之凹凸係可達1 μm以下，因此可將熱從發熱體有效地傳遞至被處理物，而使被處理物整體可在短時間內以均一之溫度升溫。此外，鋁之發熱體係藉由阻氣層而阻礙氧或水蒸氣從周圍進入，因此可抑制其氧化而使壽命增長。再者，藉由在加熱器內部設置金屬之熱分散層，即使加熱器電極為圖案狀且於加熱器表面正下方不具有加熱器電極時，亦可維持加熱器表面溫度之均一性。
以下參照圖式說明本發明之最佳形態。
(實施例1)
茲根據第1圖說明本發明之第1實施例。
在第1圖中，第1樹脂層3與第2樹脂層6主要係形成阻氣層。第1樹脂層3與第2樹脂層6均係使用阻氣性優異之芳族聚醯胺(TORAY公司之MICRON(TORAY公司之註 冊商標))。準備直徑為298mm厚度為50 μm之第1樹脂層3與第2樹脂層6。在第2樹脂層6使用遮罩將鋁藉由蒸鍍法鍍膜成如第1圖所示之圖案為1 μm之厚度，而作成發熱體5。接著使發熱體5位於內側而在第2樹脂層6與第1樹脂層3夾設第2黏著層4，且進一步在第1樹脂層3與底板1之間夾設第1黏著層2，以處理溫度為150℃、壓力為2Mpa同時黏著於鋁製之底板1，而完成第1實施例之片狀加熱器50。底板1之厚度為10mm且直徑為298mm。第1黏著層2與第2黏著層4均為20 μm厚度之熱可塑性聚醯亞胺。在發熱體5雖係連接直流或交流的電源，惟係藉由在發熱體之兩端連接導線(未圖示)來進行。
(實施例2)
繼根據第2圖說明本發明之第2實施例。
在第2圖中，第2樹脂層6主要係形成阻氣層。第3樹脂層7與第4樹脂層8係使用相對較柔軟之聚醯亞胺樹脂。此係為了藉由在第3樹脂層7與第4樹脂層8使用柔軟之材質而極力減小表面之凹凸之故。第2樹脂層6係使用阻氣性優異之芳族聚醯胺(TORAY公司之MICRON(TORAY公司之註冊商標))。先準備與直徑為298mm厚度為50 μm之第3樹脂層7相同直徑且相同厚度之第4樹脂層8。另外再準備直徑為298mm而厚度為25 μm之第2樹脂層6。第4樹脂層8之厚度係為50 μm，而在該第4樹脂層8使用遮罩將鋁藉由蒸鍍法鍍膜成如第2圖所示之圖案為1 μm之厚度，而作成發熱體5。接著使發熱體5位於內側而在 第4樹脂層8與第3樹脂層7夾設第2黏著層4，且於第4樹脂層8之反面搭上第2樹脂層6，並進一步在第3樹脂層7與底板1之間夾設第1黏著層2，以處理溫度為150℃、壓力為2Mpa同時黏著於鋁製之底板1，而完成第2實施例之片狀加熱器51。底板1之厚度為10mm且直徑為298mm。第1黏著層2與第2黏著層4均為20 μm之厚度之熱可塑性聚醯亞胺。在發熱體5雖係連接直流或交流的電源，惟係藉由在發熱體之兩端連接導線(未圖示)來進行。
(實施例3)
繼根據第3圖說明本發明之第3實施例。
在第3圖中，第2樹脂層6主要係形成阻氣層。在本實施例之片狀加熱器中復具有熱分散層10。第3樹脂層7與第4樹脂層8係使用相對較柔軟之聚醯亞胺樹脂。此係為了與第2實施例相同之理由之故。第2樹脂層6係使用阻氣性優異之芳族聚醯胺(TORAY公司之MICRON(TORAY公司之註冊商標))。先準備直徑為298mm厚度為50 μm之第3樹脂層7與第4樹脂層8。並使用在第4樹脂層8之單面預先施有25 μm厚度之銅箔。另外再準備直徑為298mm而厚度為25 μm之第2樹脂層6。第4樹脂層8之厚度係為50 μm，而在該第4樹脂層8之單面使用遮罩藉由蒸鍍法將鋁鍍膜成如第3圖所示之厚度為1 μm之圖案，而作成發熱體5。又藉由將第4樹脂層8反面之銅箔藉由以同心圓狀方式僅將周圍部分蝕刻去除而作成熱分散層10。接著，使發熱體5位於內側而在第4樹脂層8與第3樹脂層7夾設 第2黏著層4，且於第4樹脂層8之反面搭上第2樹脂層6，並進一步在第3樹脂層7與底板1之間夾設第1黏著層2，以處理溫度為150℃、壓力為2Mpa同時黏著於鋁製之底板1，而完成第3實施例之片狀加熱器53。底板1之厚度為10mm且直徑為298mm。第1黏著層2與第2黏著層4均為20 μm厚度之熱可塑性聚醯亞胺，而第3黏著層9係為30 μm厚度之熱可塑性聚醯亞胺。在發熱體5雖係連接直流或交流的電源，惟係藉由在發熱體之兩端連接導線(未圖示)來進行。
1‧‧‧底板
2‧‧‧第1黏著層
3‧‧‧第1樹脂層
4‧‧‧第2黏著層
5‧‧‧發熱體
6‧‧‧第2樹脂層
7‧‧‧第3樹脂層
8‧‧‧第4樹脂層
9‧‧‧第3黏著層
10‧‧‧熱分散層
50‧‧‧第1實施例之片狀加熱器
51‧‧‧第2實施例之片狀加熱器
52‧‧‧第3實施例之片狀加熱器
第1圖係顯示本發明片狀加熱器之第1實施例，第1圖(a)係為平面之概略圖，而第1圖(b)係為剖面之概略構成圖。
第2圖係顯示本發明片狀加熱器之第2實施例，第2圖(a)係為平面之概略圖，第2圖(b)係為剖面之概略構成圖。
第3圖係顯示本發明片狀加熱器之第3實施例，第3圖(a)係為平面之概略圖，第3圖(b)係為剖面之概略構成圖。
1‧‧‧底板
2‧‧‧第1黏著層
3‧‧‧第1樹脂層
4‧‧‧第2黏著層
5‧‧‧發熱體
6‧‧‧第2樹脂層
50‧‧‧第1實施例之片狀加熱器

Claims (4)

  1. 一種片狀加熱器，係以樹脂為絕緣體且具有由鋁金屬所構成之發熱體者，其特徵為：前述樹脂之與被處理物接觸之表面之凹凸係為1μm以下，且前述樹脂係為由選自聚醯亞胺(polyimide)、芳族聚醯胺(aramid)、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)、聚醚醯亞胺(polyetherimide)、聚萘二甲酸乙二酯(Polyethylene naphthalate)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide)、聚醚碸(Polyether Sulfone)、聚甲基戊烯(Polymethyl pentene)之一種以上材質所構成，且鋁金屬之前述發熱體之厚度係為1μm以下，前述樹脂的厚度為前述發熱體的厚度的50至100倍。
  2. 如申請專利範圍第1項之片狀加熱器，其中，鋁金屬之發熱體之體積電阻率係為2.7×10-6 至3.5×10-6 Ω‧cm之範圍。
  3. 如申請專利範圍第1項之片狀加熱器，其中，在鋁金屬之發熱體之至少其一面側具有樹脂之阻氣層。
  4. 如申請專利範圍第1項之片狀加熱器，其中，在鋁金屬之發熱體之至少其一面側設有金屬之熱分散層。
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