(57)【要約】【課題】  ウエハへのパーティクルの付着を少なくできるうえ、ウエハ面の温度を所定の温度まで均一に昇温することが可能なウエハ加熱ヒータを提供する。【解決手段】  上方に配置されるウエハＷを非接触で加熱するヒータ１０であって、ヒータ１０からの輻射熱と共に減圧蒸気を用いてウエハＷを加熱する。この減圧蒸気は、例えばヒータ１０の厚み方向に貫通する貫通孔１０ｂを経由させてヒータ１０の上面１０ａ側に供給した水などの温媒を気化及び／又は加熱することにより得られる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方に配置されるウエハを非接触で加熱するヒータであって、ヒータからの輻射熱と共に減圧蒸気を用いて前記ウエハを加熱することを特徴とする蒸気加熱ヒータ。
【請求項２】
前記ヒータの上面側に供給した温媒を気化及び／又は加熱することにより前記減圧蒸気を得ることを特徴とする、請求項１に記載の蒸気加熱ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の製造工程で使用されるウエハの加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造工程には、ウエハ上に膜を形成したり、レジストパターンを硬化させるためにウエハを加熱する工程が含まれている。このウエハの加熱工程においては、ウエハを直接ヒータの上に載置して熱伝導によりウエハを加熱する方法が一般に採用されている。例えば特許文献１には、ウエハが載置されるヒータの表面をできるだけ平坦にして、ウエハとヒータを面接触させて加熱する技術が開示されている。このように、ヒータの上にウエハを載置して加熱する方法は、ウエハに直に接触した状態で加熱することができるため、効率的に加熱することができる。
【０００３】
一方、特許文献２には、ヒータのウエハ載置面にいわゆるエンボス加工を施して複数の凸状体を形成することにより、ウエハをこれら複数の凸状体の頂部で支持する方法が開示されている。この方法では、各凸状体の頂部を除いてウエハをヒータの表面から若干離間させて加熱することになるので、加熱効率の点では上記した面接触による加熱方法と比較して若干劣る。しかし、ヒータの加熱面での温度のばらつきが当該ヒータの加熱面とウエハの下面との間の空間によって緩和されるため、比較的良好な均熱性が得られやすいというメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第０１／０１３４２３号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−１２４３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、半導体製造工程においては配線の微細化がますます進んでおり、上記の加熱工程において発生するパーティクルによる悪影響が問題になっている。しかしながら、例えば上記特許文献１の技術では、ウエハの背面をほぼ全面に亘ってヒータに面接触させるため、ウエハを短時間で効率よく加熱することができるものの、ヒータに付着しているパーティクルがウエハの背面に移りやすいという問題があった。また、ヒータ載置面の温度分布の影響を直接受けるうえ、ヒータのウエハ載置面やウエハ自身の反りの影響も受けやすいため、ウエハ面内においてばらつきのない均一な温度が得られにくいという問題があった。
【０００６】
一方、ウエハ載置面にエンボス加工を施した場合は、一般にエンボス加工による凸状体の高さは数十μｍ程度であるため、上記のようにヒータにウエハを直接載置する場合に比べてウエハの加熱速度は劣るものの、均熱性やパーティクルの付きにくさの面で優れている。しかし、この場合においても部分的にウエハの背面が凸状体の頂部に接触しており、更にはウエハの背面とヒータのウエハ載置面との離間距離が小さいことから、上記特許文献１の手法よりはパーティクルの付着量が少ないとはいえ、依然としてパーティクルの問題を十分に防ぐことはできなかった。
【０００７】
本発明はかかる従来の問題に鑑みてなされたものであり、従来に比べてウエハへのパーティクルの付着を少なくできるうえ、ウエハ面での均熱性を保ちながら所定の温度まで急速に昇温させることが可能な加熱ヒータを提供する事を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る加熱ヒータは、上方に配置されるウエハを非接触で加熱するヒータであって、ヒータからの輻射熱と共に減圧蒸気を用いて前記ウエハを加熱することを特徴としている。上記本発明に係る加熱ヒータにおいては、上記ヒータの上面側に供給した温媒を気化及び／又は加熱することにより上記減圧蒸気を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ウエハの背面側へのパーティクルやコンタミの付着量を低減することができるうえ、ウエハ面での均熱性を保ちながら所定の温度まで急速に昇温することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の非接触型ウエハ加熱ヒータの一具体例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の非接触型ウエハ加熱ヒータの他の具体例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のヒータは、上方に配置されたウエハを非接触で加熱する非接触型の加熱ヒータであって、ヒータからの輻射熱と共に減圧蒸気を用いてウエハを加熱することを特徴としている。すなわち、本発明の加熱ヒータにおいては、大気圧未満の圧力雰囲気にある真空チャンバー内にヒータを配置し、このヒータに対してウエハを離間して対向させる。
【００１２】
そして、この状態で例えばウエハの上面及び／又はヒータの上面側、あるいはヒータに接触しないよういに水や温水などの液体及び／又は蒸気（以降、これら液体や蒸気を温媒と称する）を供給する。これにより、例えば液体を供給する場合は、当該供給された液体は、減圧雰囲気にあるチャンバー内に供給されるや否やその飽和蒸気圧分だけ気化して蒸気となる。また、残りの液体はウエハで弾き飛ばされるか、あるいはヒータに接触する場合はヒータで加熱されて更に気化して蒸気となる。
【００１３】
上記のようにして発生した蒸気や外部から蒸気の状態でチャンバーに供給された蒸気は、場合によりヒータで更に加熱された後、あるいはヒータで加熱されながらウエハの周りに充満する。このように減圧雰囲気で充満する蒸気（以降、減圧蒸気とも称する）は、ウエハに接触した時に凝縮してその凝縮熱を瞬時にウエハに伝える。このように、ヒータの上方に当該ヒータに対向して配置したウエハは、当該ヒータからの輻射熱と共に周囲に充満する減圧蒸気によって加熱される。
【００１４】
輻射熱や熱伝導のみによる熱伝達では、一般に伝熱に方向性があるため、ウエハ面を均一に昇温させるのが困難であったが、上記のようにヒータからの輻射熱と共にウエハの周りに充満させた減圧蒸気によってウエハを加熱することにより、伝熱の方向性の影響を抑えてウエハ面での高い均熱性を保ちながらウエハを急速に昇温することが可能になる。なお、加熱ヒータが設置されるチャンバー内の圧力や供給する温媒の温度、流量等を適宜調整することにより、過熱蒸気を発生させてウエハを加熱することもできる。
【００１５】
以下、上記した本発明の非接触型ウエハ加熱ヒータについて、図１および図２に示す本発明のウエハ加熱ヒータの具体例を参照しながらより詳しく説明する。図１に示す本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータ１は、平坦な上面１０ａを備えた円板形状の基板１０で構成される。この基板１０の外径は特に制約がなく、図１に示すようにウエハＷの外径と同等でもよいし、あるいはウエハＷの外径よりも大きくても小さくても構わない。基板１０の材料についても特に制約はなく、金属やセラミックスであってもよいし、樹脂でもよい。例えば、セラミックスであれば、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ等を使用することができる。
【００１６】
この基板１０の内部に、ウエハの加熱と温媒の加熱の両方の役割を担う発熱ユニット１１が全体として上面１０ａと略平行となるように埋設されている。発熱ユニット１１には、例えばポリイミド等の絶縁体で金属箔等の発熱体を挟み込んだものを使用することができる。あるいは、渦巻き状のステンレスパイプ内にニクロム線などの金属発熱体を収納したシースヒータを使用してもよい。
【００１７】
発熱ユニット１１は一般的な方法で基板１０の内部に埋設させる事ができる。例えば２枚の円板状のセラミックスを準備し、それらの両方もしくは片方に発熱ユニット１１用のザグリ部を設ける。そして、このザグリ部に発熱ユニット１１を嵌装し、両セラミックスで挟み込むようにして固定することで基板１０の内部に発熱ユニット１１を埋設することができる。
【００１８】
なお、発熱ユニット１１の端子部には給電ライン（共に図示せず）が接続しており、これにより外部の電源から電力が供給できるようになっている。また、基板１０に設けた熱電対や測温抵抗体などの温度測定手段（図示せず）に基づいて発熱ユニット１１への上記電力供給量や後述する温媒の供給量、温度等を調整することにより、基板１０の温度を所定の温度に制御することができる。
【００１９】
なお、上記電力供給量の調整の際は、上面１０ａにおいて、外周部の温度が内周部の温度より高くなるいわゆるセンタークールの温度分布にするのがウエハ面での均熱性の点から好ましい。センタークールの温度分布にする方法としては、たとえば、基板１０の内周部よりも外周部の発熱密度分布が高くなるように、埋設する発熱ユニット１１を内側に比べて外側の間隔が狭くなるように渦巻き状に巻くことで可能となる。あるいは、上面１０ａを内周側と外周側の２つの発熱ゾーンに分けてそれぞれに発熱ユニットを設け、その外周側の発熱ユニットにより多くの電力を供給することでも可能となる。
【００２０】
基板１０の下面側の中心部には、基板１０を支持する筒状部材１２が取り付けられている。筒状部材１２の材質には、金属、セラミックス、または樹脂を使用することができるが、断熱性の高い材質がより好ましい。例えば、金属であれば熱伝導率の低いステンレス、セラミックスならアルミナやムライトアルミナ、樹脂ならテフロンやＰＥＥＫが好ましい。筒状部材１２の下端部は、図示しないチャンバーの床部に取り付けられている。なお、筒状部材１２の内側に前述した給電ラインを納めるのが好ましい。
【００２１】
この基板１０の上面１０ａにウエハＷの背面を離間して対向させ、この状態でウエハＷの加熱が行われる。このように、上面１０ａに対してウエハＷを離間して対向するように配設するために、上面１０ａにエンボス加工を施して複数の凸状体でウエハを支持するのはコストの面から好ましくない。そこで、この図１に示す具体例では、基板１０から独立した支持体３０を設けてウエハＷを支持している。
【００２２】
支持体３０は、ウエハＷの外縁部を支持するのが好ましい。これにより、ウエハＷと支持体３０との間の接触面積をできるだけ少なくして支持体３０からウエハＷにパーティクルが移るのを抑えることができる。また、万一パーティクルが移っても、その付着箇所をウエハＷの外縁部に限定することができるため、付着したパーティクルが成膜時に及ぼす悪影響を最小限に抑えることができる。さらに、上面１０ａとウエハＷとの間の距離を簡単に確保することができるというメリットもある。
【００２３】
支持体３０は、図１に示すように床部から立設する構造でも良いし、上からつり下げる構造でも良い。いずれの場合においても、ウエハＷの外縁部を最低３点で支持することにより簡易且つ安定して支持することができ、これにより前述したように基板の上面にエンボス加工により設けた多数の凸状部で支持する場合と比較して、ウエハＷが他の部材と接触する面積を小さくすることができるため、パーティクルの付着を著しく抑制することができる。
【００２４】
支持体３０の材質については特に制限はなく、一般的な材料を使用することができる。例えばセラミックスであれば、耐食性に比較的優れている窒化アルミニウムや炭化ケイ素、アルミナ、窒化ケイ素などを使用することができる。また金属の場合はステンレスやニッケル、アルミニウムなど使用することができる。更に使用する温度条件によってはフッ素樹脂や、シリコン樹脂、エポキシ樹脂なども使用することができる。すなわち、ウエハを加熱する温度や環境により適宜材料を選択すれば良い。
【００２５】
加熱時のウエハＷの下面（背面）と上面１０ａとの離間距離は、０.５〜２０ｍｍが好ましく、１.０〜１０ｍｍがより好ましく、１.０〜４.０ｍｍが特に好ましい。この離間距離が０.５ｍｍ未満では、上面１０ａからウエハＷの背面に移るパーティクルの量が多くなる。これは、離間距離が０.５ｍｍ未満では静電気の影響が大きくなり、ウエハＷの背面側にパーティクルが引き付けられ易くなるからである。一方、離間距離が２０ｍｍを超えると、ウエハ加熱ヒータ１からの輻射熱によるウエハの加熱効率が低下するうえ、ウエハ加熱ヒータ１で発生した減圧蒸気がウエハＷに届きにくくなるため好ましくない。なお、離間距離１.０〜４.０ｍｍ前後が、昇温速度とパーティクルの関係から最も好適な範囲である。
【００２６】
このウエハ加熱ヒータ１が設置されているチャンバー内を減圧雰囲気にすると共に、当該チャンバー内に水などの温媒を供給することにより例えば温媒が液体の場合は前述したようにチャンバー内に導入されるや否や蒸発するものを除いてヒータで加熱されて気化し、減圧蒸気となる。発生した減圧蒸気は、ウエハ加熱ヒータ１に対向して配置されているウエハＷの周りに充満し、ウエハＷに接触した時に凝縮してその凝縮熱を瞬時にウエハに伝える。
【００２７】
温媒の供給方法は特に限定するものではないが、図２に示すウエハ加熱ヒータ２のように、基板２０の中心部に厚さ方向に貫通する貫通孔２０ｂを設けると共に、チャンバー外部の温媒供給源（図示せず）と貫通孔２０ｂとを供給配管２４で連通し、チャンバーの外部からこれら供給配管２４および貫通孔２０ｂを経て基板２０の上面２０ａに温媒を導入するのが好ましい。なお、チャンバー外部からチャンバー内に温媒として飽和蒸気を供給するときは、該飽和蒸気は貫通孔２０ｂを通過する間に加熱されて過熱蒸気となる。
【００２８】
ところで、ウエハＷの上側表面に均一な膜を形成するため、あるいはその他の目的のために、ウエハＷを回転しながら処理することがある。この場合においても、前述した理由によりウエハＷの外縁部を支持体によって支持するのが好ましいが、ウエハＷを回転しながら処理する場合は、静止状態でウエハＷを処理する場合よりもパーティクルが付着しやすい傾向にある。
【００２９】
このため、ウエハＷを回転する場合は、上面１０ａ、２０ａとウエハＷとの離間距離を回転しない場合よりも大きくした方が好ましい。具体的な離間距離については、回転数とパーティクルの付着量との関係や必要とする昇温速度等に基づいて適宜設定すれば良いが、一般的には１.０ｍｍ以上であればパーティクルの付着量を少なくできる。なお、ウエハＷを回転させるための構造としては、例えばウエハ加熱ヒータ１、２の外縁部を囲む位置に回転自在な環状の台を設け、この台上に前述したウエハＷを支持する支持体３０を立設すればよい。
【００３０】
加熱の際、上面１０ａ、２０ａの周方向の温度分布が問題になる場合は、前述した回転自在な支持体を用いてウエハＷを回転しながら加熱するのがウエハ面での均熱性の点から好ましい。これにより、上面１０ａ、２０ａの周方向の温度のばらつきが均一化された状態でウエハＷに熱を伝えることができる。好適な回転数は、毎分１００回転以上であるが、回転数を上げすぎると、パーティクルがウエハＷに付着しやすくなるうえ、回転によりウエハＷの外周部の温度が冷やされてしまい、温度分布に悪影響を与えるおそれがある。よって好ましくは、毎分２００〜５００回転である。
【００３１】
以上、本発明の非接触型ウエハ加熱ヒータについて具体例を挙げて説明したが、本発明は係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の種々の態様で実施することができる。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】
【００３２】
［実施例１］
直径３００ｍｍ、厚み５ｍｍの炭化ケイ素基板を２枚準備した。また直径２８０ｍｍのポリイミドシートで圧着したステンレス製の発熱ユニットを準備した。この発熱ユニットを装着するために、上記した２枚の炭化ケイ素基板のうちの片方に、深さ０.５ｍｍのザグリ溝を形成した。そして、ザグリ溝を形成していないもう一方の基板に、両基板をネジ止めするためのネジを貫通させる貫通孔を形成した。また、そのネジをネジ止めするために、ザグリ溝を形成した方の基板に雌ねじ部を形成した。これにより、互いにネジで結合された２枚の炭化ケイ素基板の中に発熱ユニットが埋設された構造のウエハ加熱ヒータを作製した。なお、この発熱ユニットには給電ラインを介して外部の電源から電力を供給できるようにした。
【００３３】
次に、このウエハ加熱ヒータの、上面とは反対側の面に、直径２０ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス製の筒状部材の一端部をネジ止めにより取り付けた。そして、該筒状部材の他端部に軸方向に延在するラックを設けると共に、このラックにモータの回転軸に取り付けたピニオンを螺合させた。これにより、ウエハ加熱ヒータの高さを自在に変化できるようにした。
【００３４】
さらに、ウエハを支持するための直径３ｍｍ、長さ３０ｍｍの炭化ケイ素製の３本の支持棒を用意し、上記したウエハ加熱ヒータの外縁部を囲むように設けた環状の台の上の直径３１０ｍｍの円周上に周方向に均等に立設した。各支持棒の上端部の側面に、炭化ケイ素製の縦５.５ｍｍ×横５.５ｍｍ×厚み０.５ｍｍの板状部材の端部を、該板がウエハ加熱ヒータ側に位置するように偏芯して取り付けた。これら板状部材の上に後述するウエハ型温度計を載置し、ウエハ加熱ヒータの高さを様々に高さを変えて発熱ユニットに給電すると共に温媒を供給して蒸気を発生させた。これにより、下記表１に示すようにウエハ加熱ヒータとウエハの離間距離が様々異なる条件での加熱試験を行った。
【００３５】
具体的に説明すると、加熱試験ごとにウエハ加熱ヒータとウエハとの離間距離が異なるように高さを調整したウエハ加熱ヒータに対して、その発熱ユニットに給電して該ヒータの温度を７５℃とした。なお、このヒータの周りに設けた３本の支持棒の上端部の板状部材の上には、直径３００ｍｍの円板状のウエハ型温度計（ＫＬＡ  ＴＥＮＣＯＲ社製、型番：３２４０Ａ−１２−８０１５−ＳＡ）を載置しておいた。このウエハ型温度計は、ウエハ面に複数の温度計が設けられており、ウエハ面内の温度分布を測定することができるようになっている。
【００３６】
そして、ウエハ加熱ヒータが設置されているチャンバー内に７５℃の水を５０ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給しながら、当該チャンバー雰囲気内の気圧を１気圧にした場合と０.５気圧にした場合とでそれぞれウエハ面での温度分布を測定した。上記温度分布の測定終了後、ウエハ型温度計の背面に付着したパーティクル（サイズ：０.８μｍ以上）の数量をＪＩＳ  Ｂ９９２１−１９８９に基づいてカウントした。その結果を下記表１に示す。
【００３７】
【表１】
2014086557.tif 000003
【００３８】
上記表１の結果から、ウエハとヒータとの離間距離を０.５ｍｍ以上にすれば、付着するパーティクル数を大幅に減らすことが出来る事が分かる。また、０.５気圧に比べて１気圧のチャンバー雰囲気圧力ではウエハ面内での温度分布が非常に悪いことが分かる。この原因は、１気圧の雰囲気圧力ではチャンバーに供給した７５℃の水がほとんど蒸気にならないのに対して、７５℃の飽和蒸気圧に相当する０.５気圧の雰囲気圧力では、７５℃の水が蒸気になってウエハの昇温に寄与したためと考えられる。
【００３９】
［実施例２］
板状部材の上にウエハ型温度計を載置して加熱する際、ウエハを４００回転／分の速度で回転させた以外は上記実施例１と同様の条件で加熱試験を行った。その結果を下記表２に示す。
【００４０】
【表２】
2014086557.tif 000004
【００４１】
上記表１と表２の結果から、ウエハを回転させると、パーティクルの付着量が多くなることが分かる。しかし、ウエハとヒータとの離間距離を１.０ｍｍ以上にすれば、付着量をかなり低減できることが分かる。特に、この離間距離を２.０ｍｍ以上とすれば、回転による悪影響をほとんどなくすことができることが分かる。
【００４２】
［実施例３］
実施例１と同様にしてヒータを作製したが、図２に示すように、ヒータの中心部に水を通す貫通孔を設け、チャンバーの外部からヒータの上面に向かって２５℃の水を５０ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給し、ヒータの上面で連続的に蒸発できるようにした。このヒータを用い、チャンバーの雰囲気気圧を０.５気圧に限定した以外は実施例１と同様にして下記表３に示すようにヒータとウエハの離間距離が様々異なる条件で加熱試験を行った。
【００４３】
【表３】
2014086557.tif 000005
【００４４】
上記表３の結果から、ウエハとヒータとの離間距離が０.１ｍｍのとき、水が蒸発するときの風圧でウエハが支持体から外れたため温度分布およびパーティクルは測定できなかった。ウエハとヒータとの離間距離を０.５ｍｍ以上にすれば、ウエハに付着するパーティクル数を大幅に減らすことができる事が分かる。
【００４５】
［実施例４］
板状部材の上にウエハ型温度計を載置して加熱する際、ウエハを４００回転／分の速度で回転させた以外は上記実施例３と同様の条件で加熱試験を行った。その結果を下記表４に示す。
【００４６】
【表４】
2014086557.tif 000006
【００４７】
ウエハが回転している場合でも、ウエハとヒータとの離間距離が０.１ｍｍのとき、水が蒸発するときの風圧でウエハが支持体から外れたため温度分布およびパーティクルは測定できなかった。ウエハとヒータとの離間距離を１.０ｍｍ以上にすれば、パーティクル数を大幅に減らすことができる事が分かる。
【符号の説明】
【００４８】
Ｗ          ウエハ
１、２      ウエハ加熱ヒータ
１０、２０  基板
１０ａ、２０ａ    上面
２０ｂ      貫通孔
１１、２１  発熱ユニット
１２、２２  筒状部材
２４        供給配管
３０        支持体
【図１】
2014086557.tif 000007
【図２】
2014086557.tif 000008