(57)【要約】【課題】  ウエハへのパーティクルの付着量が少ない非接触型ウエハ加熱ヒータおよびこれを用いたウエハ温度制御方法を提供する。【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、当該ウエハＷの上面を処理している間に昇降できるようになっている。この非接触型ウエハ加熱ヒータ１０を用いたウエハＷの温度制御方法は、予めヒータ１０を所定の温度まで予備加熱した後、ヒータ１０の上方にウエハＷを離間して配置し、この状態で所定の温度となるようにヒータ１０に供給する電力量を調整し、所定の時間が経過した時点でヒータ１０を下降させる。【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、前記ウエハの上面を処理している間に昇降できることを特徴とする非接触型ウエハ加熱ヒータ。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触型ウエハ加熱ヒータを用いたウエハの温度制御方法であって、予めヒータを所定の温度まで予備加熱した後、該ヒータの上方にウエハを離間して配置し、この状態で所定の温度となるように該ヒータに供給する電力量を調整し、所定の時間が経過した時点で該ヒータを下降させることを特徴とするウエハ温度制御方法。
【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。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ウエハ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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係るウエハ加熱ヒータは、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、前記ウエハの上面を処理している間に昇降できることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係るウエハの温度制御方法は、上記した非接触型ウエハ加熱ヒータを用いた温度制御方法であって、予めヒータを所定の温度まで予備加熱した後、該ヒータの上方にウエハを離間して配置し、この状態で所定の温度となるように該ヒータに供給する電力量を調整し、所定の時間が経過した時点で該ヒータを下降させることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ウエハをヒータから離間させて加熱するため、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。さらに、ウエハ面内での高い均熱性および優れた温度制御性を実現することができる。すなわち、ウエハの加熱の際、高温のヒータをウエハに接触させずに近づけることで、パーティクルの付着を防ぐと共に、ウエハ面内での温度のばらつきを抑えながらウエハの温度を急速上昇させることができる。そして、ウエハの表面処理がある程度進行した段階でヒータを下げてヒータの加熱面とウエハの背面との間の距離を広げることで、ウエハの温度が上がり過ぎないようにしてウエハ面の温度を所定の値に維持することが可能となる。
【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を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す非接触型ウエハ加熱ヒータを降下させた時を示す断面図である。
【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ウエハ加熱ヒータであって、該上方に配置されたウエハの上面を処理している間に昇降できることを特徴としている。このように、本発明のウエハ加熱ヒータにおいては、該ヒータの加熱面とこれに対向するウエハの背面とを離間させて輻射熱でウエハを加熱する。これにより、ウエハの温度上昇の際にウエハ面内における温度のばらつきを抑えることができ、高い均熱性を保つことができる。
【００１２】
ヒータの加熱面とウエハの背面とが離間する距離は、長すぎると加熱の効率が悪くなるので、当該離間距離はある程度狭くする必要がある。しかし、離間距離を狭くすることによりウエハの温度が所望の温度を超えてしまうことがある。その対策として、ヒータに冷媒等が循環する冷却機構があれば、当該所望の温度付近に近づいたときに冷媒を循環させて冷却することでウエハ温度の過度な上昇（オーバーシュートとも称する）を抑制できるが、冷却機構がない場合はオーバーシュートを防ぐことが困難であった。
【００１３】
この問題に対して発明者らは鋭意研究を行った結果、加熱を伴うウエハの表面処理の際、上記離間距離を広げれば上記オーバーシュートを防げることを見出した。離間距離を広げるには、ウエハを上昇させるか、ヒータを下降させることが考えられる。しかし、例えばウエハを回転させながら表面処理する場合にウエハを上昇させるのは極めて困難であるうえ、ウエハの上方に存在するチャンバー内壁とウエハとの距離が変化することによりウエハ上面の状態が大きく変化し、これが成膜に悪影響を及ぼすおそれがある。これに対して、ヒータを下降させる場合は、上記の問題を生ずることなくオーバーシュートの問題を解決できることが分かった。
【００１４】
以下、上記の本発明の非接触型ウエハ加熱ヒータおよびこれを用いたウエハの温度制御方法について、図１及び図２に示す本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータを参照しながら説明する。図１に示す本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータ１０は、上面に平坦な加熱面１０ａを備えた円板形状を有している。ウエハ加熱ヒータ１０の材料については特に制約はなく、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。
【００１５】
このウエハ加熱ヒータ１０の内部には、発熱ユニット１１として例えば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が全体として加熱面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は一般的な方法で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発熱ユニット１１が埋設されたウエハ加熱ヒータ１０が得られる。
【００１６】
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、ウエハ加熱ヒータ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を調整することにより、ヒータの温度を所定の温度に制御することができる。
【００１７】
ウエハ加熱ヒータ１０の下面側の中心部には、ウエハ加熱ヒータ１０を支持するシャフト１２が取り付けられている。シャフト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。
【００１８】
シャフト１２の下端部は、図示しない昇降装置に連結しており、これによりウエハ加熱ヒータ１０を昇降させることができる。昇降装置の構造には特に限定がなく、例えばシャフト１２の下端部に軸方向に歯列を設け、これに床面に固定したモータのスピンドルに取り付けたピニオンを螺合させることで簡易にウエハ加熱ヒータ１０を昇降させることができる。
【００１９】
このウエハ加熱ヒータ１０の加熱面１０ａにウエハＷの背面を離間して対向させた状態でウエハＷの加熱が行われる。このように、加熱面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、ウエハ加熱ヒータ１０から独立した支持体（図示せず）を使用するのが好ましく、また該支持体はウエハＷの外縁部を支持するのがより好ましい。これにより、ウエハＷと支持体との間の接触面積をできるだけ少なくして支持体からウエハ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、加熱面１０ａとウエハ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。
【００２０】
上記したウエハＷの支持体は、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ヒータの加熱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。
【００２１】
支持体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。
【００２２】
加熱時にウエハＷを加熱面１０ａから離間させて配設させる際の該ウエハＷの具体的な位置は、加熱時のウエハＷと加熱面１０ａとの好適な離間距離、およびウエハ加熱ヒータ１０の上下方向の可動範囲を考慮して定められる。そして、この位置に基づいて上記支持体が床部から立設する構造の場合は床部から立設する高さが、あるいは支持体が上からつり下げられる構造の場合は天井部から垂下する長さが定まる。
【００２３】
加熱時のウエハＷの下面（背面）と加熱面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、加熱面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の被加熱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１０の輻射熱がウエハ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。
【００２４】
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、上記の理由によりウエハ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。
【００２５】
このため、ウエハＷを回転する場合は、加熱面１０ａ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１０の外縁部を囲む位置に回転自在な環状の台を設け、この台上にウエハＷを支持する３本の支持棒を立設すればよい。
【００２６】
次に、上記したウエハ加熱ヒータ１０を用いたウエハＷの温度制御方法について説明する。先ず、ウエハＷが搬送されてウエハ加熱ヒータ１０の上方に配置される前に、ウエハ加熱ヒータ１０を所定の温度まで予備加熱しておく。これにより、ウエハＷがウエハ加熱ヒータ１０の上方に配置された時に当該ウエハＷを急速に昇温することができる。具体的な予備加熱の温度としては、ウエハＷの到達目標温度をＴ１℃とすると、Ｔ１−３０℃からＴ１℃の間に予備加熱しておく。
【００２７】
次に、搬送されてきたウエハＷを前述した支持体で支持する。これにより、ウエハ加熱ヒータ１０の上方にウエハＷを加熱面１０ａから離間して対向させることができる。そして、この状態でウエハ加熱ヒータ１０の加熱面１０ａが所望の温度分布になるように発熱ユニット１１への電力供給量を調整する。具体的には、発熱ユニット１１に対して定常状態よりも大きな電力（たとえば、最大電力）を給電する。これにより、ウエハＷ面内での均熱性を保ちながらウエハＷの温度を急速に上げることができる。なお、ウエハＷを支持体で支持する前に、昇降装置を作動させてウエハ加熱ヒータ１０を下側の待機時位置から上側の加熱時位置に移動させておく。
【００２８】
上記電力供給量の調整の際、加熱面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、ウエハ加熱ヒータ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、加熱面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。
【００２９】
加熱の際、加熱面１０ａ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好ましい。これにより、加熱面１０ａ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。
【００３０】
ウエハＷの温度を単に急速に上げるのであれば、ウエハ加熱ヒータ１０の温度が高ければ高い程よいと考えられるが、ウエハ加熱ヒータ１０の温度がウエハの目標温度以上になった場合、時間の経過に伴ってウエハＷの温度が当該目標温度を超えてオーバーシュートすることになる。これを避けるため、図２に示すように、目標温度に到達するまでの時間として事前に計測しておいた所定の時間が経過した時点で昇降装置（図示せず）を起動させて、シャフト１２を介して連結されているウエハ加熱ヒータ１０を降下させる。
【００３１】
これにより、加熱面１０ａとウエハＷの背面との離間距離が加熱開始時よりも広がるので、ウエハの温度をオーバーシュートさせることなく所望の温度を維持することができる。すなわち、ウエハＷの急速昇温を実現しながら、オーバーシュートさせることなくウエハＷ面内の温度を目標温度で均一にすることができる。なお、ウエハ加熱ヒータ１０をどの程度降下させるかは、実際に運転を行いながら適宜設定を行えばよいが、通常は５ｍｍ〜１０ｍｍが好ましい。
【００３２】
以上、本発明の非接触型ウエハ加熱ヒータおよびこれを用いたウエハ温度制御方法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】
【００３３】
［実施例１］
直径３００ｍｍ、厚み５ｍｍの窒化アルミニウム基板を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枚の窒化アルミニウム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枚の窒化アルミニウム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。
【００３４】
次に、このウエハ加熱ヒータの、加熱面とは反対側の面に、直径２０ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス製のシャフトの一端部をネジ止めにより取り付けた。そして、該シャフト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。
【００３５】
さらに、ウエハを支持するための直径３ｍｍ、長さ３０ｍｍの窒化アルミニウム製の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、窒化アルミニウム製の縦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、様々に高さを変えたウエハ加熱ヒータの発熱ユニットに給電することにより、下記表１に示すように加熱面とウエハの背面との当初の離間距離が様々異なる条件で加熱試験を行った。
【００３６】
具体的に説明すると、様々な離間距離となるように各試験ごとに高さを変えたウエハ加熱ヒータに対して、ウエハを載置する前に予め発熱ユニットに給電してヒータ加熱面の温度が１５０℃となるように加熱し、さらに、このヒータ加熱面の中心部よりも外縁部の方が高くなるように３０秒間加熱した。その後、前述した３本の支持棒に取り付けた板状部材の上に、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。
【００３７】
そして、該ウエハ型温度計の載置と同時に発熱ユニットへの給電量を増加してウエハ面での温度分布を測定しながらウエハ加熱ヒータを急速加熱した。この急速加熱の開始から３０秒後にヒータを当初の位置から６ｍｍ下降させた場合と下降させなかった場合のそれぞれについて、ウエハの急速加熱の開始から６０秒後のウエハ温度の２００℃からのオーバーシュート量を測定した。さらに、この測定終了後、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。
【００３８】
【表１】
2014075095.tif 000003
【００３９】
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、この離間距離を４.０ｍｍ以上にした場合にはオーバーシュートは小さくなるものの、昇温中の温度分布が大きくなり、均熱性の点において好ましくない結果になることが分かる。さらに、離間距離が０〜３.０ｍｍの場合、３０秒後にヒータを下降することで、６０秒後のウエハ温度のオーバーシュートを顕著に抑制できることが分かる。
【００４０】
［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。
【００４１】
【表２】
2014075095.tif 000004
【００４２】
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、ウエハと加熱面との離間距離を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。また、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。さらに、昇温中の温度分布やオーバーシュート量は、ウエハの回転の有無に関係なくウエハと加熱面との離間距離で決まることが分かる。
【００４３】
［実施例３］
ウエハ加熱ヒータの材質を窒化アルミニウムに代えて炭化ケイ素にした以外は実施例１と同様の条件で加熱試験を行った。なお、支持体にも炭化ケイ素を使用した。その結果を下記表３に示す。
【００４４】
【表３】
2014075095.tif 000005
【００４５】
上記表１と表３の結果から、炭化ケイ素の場合は、窒化アルミニウムの場合と比較して、パーティクルの発生量がより少なくなっていることが分かる。
【００４６】
［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。
【００４７】
【表４】
2014075095.tif 000006
【００４８】
上記表３と表４の結果から、実施例１および２の場合と同様に、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。また、ウエハと加熱面との離間距離を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。さらに、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。さらに、昇温中の温度分布やオーバーシュート量は、ウエハの回転の有無に関係なくウエハと加熱面との離間距離で決まることが分かる。
【符号の説明】
【００４９】
Ｗ        ウエハ
１０      ヒータ
１０ａ    加熱面
１１      発熱ユニット
１２      シャフト
【図１】
2014075095.tif 000007
【図２】
2014075095.tif 000008