(57)【要約】【課題】  ヒータの冷却速度の向上と共に、冷却時のヒータの温度分布の均一性を確保できるウエハ保持体を備え、半導体ウエハの処理時間を大幅に短縮することができる半導体製造装置を提供する。【解決手段】  ウエハ保持体は、半導体ウエハを載置して加熱するヒータ１と、ヒータ１を冷却するための冷却ブロック２とからなる。冷却ブロック２はヒータのウエハ載置面１ａと反対側の裏面１ｂに当接及び分離できるよう移動可能に配置され、ヒータ１に当接する当接面２ａの反りが１ｍｍ以下である。冷却ブロック２内には冷却用液体の流路を備えることができ、流路の全長の８０％以上が流路断面積１ｍｍ２以上であること、流路が形成されている部分の面積が当接面２ａの全面積の３％以上であることが好ましい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハを載置して加熱するためのヒータと、ヒータを冷却するための冷却ブロックとからなるウエハ保持体を備え、冷却ブロックはヒータのウエハ載置面と反対側の裏面に当接及び分離できるよう移動可能に配置され、且つ冷却ブロックのヒータに当接する当接面の反りが１ｍｍ以下であることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記冷却ブロックのヒータに当接する当接面の反りが０.２ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記冷却ブロックのヒータに当接する当接面の反りが０.０５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記冷却ブロックが移動してヒータに接触する際に、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度が１０°以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記冷却ブロックのヒータに当接する当接面の角部に、１０μｍ以上の面取り加工が施されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度が１０°以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項７】
前記ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さが、該長さの平均値に対して０.９〜１.１倍の範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項８】
前記冷却ブロック内に冷却用液体の流路を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項９】
前記流路の全長の８０％以上が流路断面積１ｍｍ２以上であることを特徴とする、請求項８に記載の半導体製造装置。
【請求項１０】
前記流路が形成されている部分の面積が、冷却ブロックのヒータが当接する当接面に垂直な方向から見たとき、その当接面の全面積の３％以上であることを特徴とする、請求項８又は９に記載の半導体製造装置。
【請求項１１】
前記流路が、冷却ブロックのヒータが当接する当接面に垂直な方向から見たとき、その当接面の外縁から５０ｍｍより内側の範囲に形成されていることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項１２】
前記流路の液体が接触する面の表面粗さが、Ｒａで０.０２〜１００μｍであることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項１３】
前記流路に流す液体の流量が５００ｃｃ／分以上であることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項１４】
前記冷却ブロックを構成する材料の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項１５】
前記冷却ブロックを構成する材料の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体製造装置。
【請求項１６】
前記ヒータを構成する材料の主成分が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項１７】
前記ヒータを構成する材料が主に窒化アルミニウムからなることを特徴とする、請求項１６に記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、メタルＣＶＤ、絶縁膜ＣＶＤ、イオン注入、エッチング、Ｌｏｗ−Ｋ成膜、ＤＥＧＡＳ装置、コータデベロッパなどの半導体製造装置、特に所定の処理を実施するために半導体ウエハを搭載して加熱するウエハ保持体を備えた半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体ウエハに施す処理としては、各種膜形成やエッチング、フォトリソグラフィーなど多くの工程がある。それらの工程では、半導体製造装置内のヒータを備えたウエハ保持体上に半導体ウエハを載置して、加熱しながら膜形成その他の処理を実施する。そのため、各工程に適合したウエハ保持体が各種検討されてきた。
【０００３】
例えば、ウエハ上にレジスト膜パターンを形成するフォトリソグラフィー工程においては、ウエハを洗浄し、加熱して乾燥し、冷却した後、ウエハ表面にレジスト液を塗布して乾燥し、続いて露光、現像などの処理が施される。ところで、このフォトリソグラフィー工程においては、レジスト乾燥時の温度によって塗膜の品質が大きな影響を受けるため、処理時の温度を均一且つ一定に保つことが重要である。また、金属ヒータを用いた処理装置では、半導体ウエハ上に多数のパーティクルが付着するという問題点もあった。
【０００４】
更に、これらの半導体ウエハの処理は、スループットをできるだけ向上させるため、可能なかぎり短時間で済ませる必要がある。このような要求に対して、本発明者らは、ウエハの処理時間を短縮するために、ヒータのウエハ搭載面とは反対側の裏面に、当接及び分離が可能なブロック部を配置した半導体製造装置用ヒータモジュールを提案している（特願２００２−１６３７４７号参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体ウエハ処理時間を短縮するためには、半導体ウエハを載置して加熱しながら各種処理を実施するウエハ保持体として、上記のごとくヒータのウエハ搭載面と反対側の裏面に、当接及び分離が可能なブロックを取り付けたウエハ保持体を用いることが有効である。このようなウエハ保持体を用いることで、ヒータの冷却速度を格段に向上させることができ、半導体ウエハの処理時間を短縮することが可能となる。
【０００６】
しかしながら、ウエハ保持体のヒータに冷却ブロックを当接させると、冷却開始時から冷却完了時までの間に、ヒータの温度分布が不均一になることが新たに判明した。このように冷却時のヒータの温度分布が不均一なウエハ保持体の用途は、その温度分布の不均一が障害とならない用途に限定されてしまう。また、冷却完了時のヒータの温度分布が不均一になると、冷却完了後にヒータの温度分布の均一性が回復するまでの時間が長くなるため、半導体ウエハの処理時間の短縮が相殺されてしまう。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、半導体ウエハを載置して加熱しながら各種処理を実施するウエハ保持体について、そのヒータの冷却速度を向上させると同時に、冷却開始から冷却完了までのヒータの温度分布の均一性を確保することを可能とし、かかるウエハ保持体を備えることによって、半導体ウエハの処理時間を大幅に短縮することができる半導体製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明が提供する半導体製造装置は、半導体ウエハを載置して加熱するためのヒータと、ヒータを冷却するための冷却ブロックとからなるウエハ保持体を備え、冷却ブロックはヒータのウエハ載置面と反対側の裏面に当接及び分離できるよう移動可能に配置され、且つ冷却ブロックのヒータに当接する当接面の反りが１ｍｍ以下であることを特徴とするものであり、前記冷却ブロックのヒータに当接する当接面の反りは０.２ｍｍ以下であることが好ましく、０.０５ｍｍ以下であることが更に好ましい。
【０００９】
上記本発明の半導体製造装置においては、前記冷却ブロックが移動してヒータに接触する際に、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度が１０°以下であることが好ましい。また、上記本発明の半導体製造装置においては、前記冷却ブロックのヒータに当接する当接面の角部に、１０μｍ以上の面取り加工が施されていることが好ましい。
【００１０】
上記本発明の半導体製造装置においては、前記冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度が１０°以下であることが好ましい。また、上記本発明の半導体製造装置においては、前記ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さが、該長さの平均値に対して０.９〜１.１倍の範囲内にあることが好ましい。
【００１１】
上記本発明の半導体製造装置は、前記冷却ブロック内に冷却用液体の流路を備えることができる。この流路を備えた本発明の半導体製造装置においては、前記流路の全長の８０％以上が流路断面積１ｍｍ２以上であることが好ましい。また、前記流路が形成されている部分の面積が、冷却ブロックのヒータが当接する当接面に垂直な方向から見たとき、その当接面の全面積の３％以上であることが好ましい。
【００１２】
上記流路を備えた本発明の半導体製造装置においては、前記流路が、冷却ブロックのヒータが当接する当接面に垂直な方向から見たとき、その当接面の外縁から５０ｍｍより内側の範囲に形成されていることが好ましい。また、前記流路の液体が接触する面の表面粗さが、Ｒａで０.０２〜１００μｍであることが好ましい。更には、前記流路に流す液体の流量は、５００ｃｃ／分以上であることが好ましい。
【００１３】
上記した本発明の半導体製造装置においては、前記冷却ブロックを構成する材料の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、１００Ｗ／ｍＫ以上であることが更に好ましい。
【００１４】
上記した本発明の半導体製造装置においては、前記ヒータを構成する材料の主成分が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のいずれかであることが好ましく、前記ヒータを構成する材料が主に窒化アルミニウムからなることが更に好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体ウエハを載置して加熱しながら各種処理を実施するウエハ保持体について、そのヒータの冷却速度を向上させると同時に、冷却開始から冷却完了までのヒータの温度分布の均一性を確保することができる。従って、このウエハ保持体を備え、半導体ウエハの処理時間を大幅に短縮することが可能な半導体製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の半導体製造装置においては、半導体ウエハを載置して加熱しながら各種処理を実施するウエハ保持体として、図１及び図２に示すように、半導体ウエハを載置して加熱するためのヒータ１と、ヒータ１を冷却するための冷却ブロック２とからなるウエハ保持体が、装置の容器３内に配置されている。このウエハ保持体には、冷却ブロック２の貫通孔を通して、熱電対４と通電線５、５がヒータ１に取り付けてあり、ヒータ１を所定温度に加熱するようになっている。
【００１７】
また、この冷却ブロック２は、複数の駆動軸６、６によって移動可能に配置されている。そして、この駆動軸６、６を駆動させることにより、冷却ブロック２をヒータ１のウエハ載置面１ａと反対側のヒータ裏面１ｂに当接させ（図２の状態）、あるいはウエハ載置面１ａの裏面１ｂから分離する（図１の状態）ことができる。例えば、ヒータの昇温時及び高温キープ時には、図１に示すように冷却ブロック２をヒータ１から分離させておき、ヒータの冷却時には、図２に示すように冷却ブロック２をヒータ１に当接させることによって、ヒータ１の冷却速度を大幅に向上させることができる。
【００１８】
上記のごとくヒータと冷却ブロックを備えた本発明に係わるウエハ保持体においては、冷却ブロック２の当接面２ａ（ヒータ裏面１ｂに当接する面）の反りを１ｍｍ以下とする。冷却ブロック２の当接面２ａの反りを１ｍｍ以下とすることは、冷却時（冷却開始から冷却完了まで）におけるヒータ１の温度分布の均一化に有効であるが、更に温度分布の均一性又は冷却速度を更に高める場合には、冷却ブロックの当接面の反りを０.２ｍｍ以下とするのが好ましく、また０.０５ｍｍ以下とすることがより一層好ましい。尚、一般に、直径３００ｍｍ程度の金属板の反りは、熱伝導率に優れたアルミニウム又はその合金で通常１ｍｍを超えており、このような金属板を用いた従来の冷却ブロックでは、冷却時のヒータの温度分布に大きなバラツキが生じていた。
【００１９】
上記のごとく冷却ブロック２の当接面２ａの反りを１ｍｍ以下とすることにより、冷却ブロック２とヒータ１が全面で接触し、ヒータ１から冷却ブロック２へ均一に熱が伝わるため、ヒータ１を均一に冷却することができる。即ち、冷却ブロック２の当接面２ａの反りが１ｍｍを超えると、ヒータ１に対して冷却ブロック２が接触する部分と接触しない部分とが生じる。このとき、ヒータ１の冷却ブロック２に接触しない部分では必然的に冷却速度が低下するため、ヒータ１の温度分布のばらつきが大きくなる。また、冷却ブロック２の当接面の反りを１ｍｍ以下とすることは、実質的に冷却ブロック２とヒータ１の接触面積を増加させることになるため、ヒータ１の冷却速度も向上させることができる。
【００２０】
また、本発明に係わるウエハ保持体では、冷却ブロックが移動してヒータに当接する際に、即ちヒータと冷却ブロックが接触する瞬間に、ヒータ裏面と冷却ブロックの当接面とがなす角度を１０゜以下に調整することが好ましい。ヒータの温度分布は冷却ブロックが接触する瞬間に最も不均一になりやすいが、ヒータ裏面と冷却ブロックの当接面とがなす角度を１０゜以下とすることで、接触するタイミングが当接面内でずれることにより生じる温度分布の不均一を効果的に抑制することができる。
【００２１】
更に、冷却ブロックのヒータが当接する当接面の角部に、１０μｍ以上の面取り加工を施すことが好ましい。冷却ブロックの角部にはバリが発生しやすく、このバリがヒータとの当接面の角部に存在すると、ヒータ裏面と冷却ブロックの当接面との完全な接触が阻害される。そこで、冷却ブロックの当接面の角部に存在するバリを面取り加工によって除去することにより、ヒータ裏面と冷却ブロックの当接面の接触に極めて高い均一性が得られるため、冷却時におけるヒータの温度分布の均一性及び冷却速度を更に向上させることができる。
【００２２】
また、冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度が１０°以下であることが好ましい。ヒータの用途や使用状態によっては、ヒータと冷却ブロックの間のわずかな距離の違いによって生じるヒータの温度分布の不均一が問題となる。即ち、ヒータと冷却ブロックの間の距離が短い部分では、距離が長い部分に比べて、ヒータと冷却ブロックの間に存在する気体を介してヒータから冷却ブロックにより多くの熱が逃げることにより、その部分のヒータの温度が低下する。冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度を１０°以下とすることで、この温度分布の不均一を効果的に抑制することができる。
【００２３】
更に、ヒータのウエハ載置面と、これに相対する半導体製造装置の容器内面との間に関しても、上記の冷却ブロックの当接面とヒータの裏面との関係と同様のことが成り立つ。即ち、理想的には、ヒータのウエハ載置面と半導体製造装置の容器内面のなす角度を１０°以下とすることで、ヒータの温度分布を更に均一化することができる。しかし、ヒータのウエハ載置面と相対する半導体製造装置の容器内面は、装置全体の設計に起因する制限から、必ずしも平面にできるとは限らない。そこで、容器内面が平面でない場合には、ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さを、その長さの平均値に対して０.９〜１.１倍とすればよい。
【００２４】
このように設定することにより、ヒータのウエハ載置面と半導体製造装置の容器内面との距離は同心円状の分布を持つことになり、ウエハ載置面と容器内面との間に存在する気体を介しての熱の逃げ方も同心円状になるため、ヒータの温度分布も同心円状となる。この同心円状の温度分布は、ヒータの発熱体回路パターンの設計により容易に解消することができる。例えば、同心円状に温度が低い部分では、ヒータの発熱体回路パターンの配線幅を狭めるか又は配線間隔を狭めることにより、その部分の発熱密度を高めて温度を上昇させることができる。逆に同心円状に温度が高い部分では、ヒータの発熱体回路パターンの配線幅を広げるか又は配線間隔を広げることにより、その部分の発熱密度を低下させて温度を下げることができる。従って、半導体製造装置の容器内面が平面でない場合にも、ヒータの温度分布を容易に均一化することができる。
【００２５】
尚、上記した各構成を有する本発明のウエハ保持体においては、高い均熱性が得られるものほど、その構成を実現するためのコストが上昇する。そのため、これらの構成については、ウエハ保持体の用途や目的に応じて、適宜選択して採用すればよい。
【００２６】
本発明のウエハ保持体における冷却ブロックに関しては、冷却能力及びスループットの向上を目的として、その内部に冷却用の液体を流すことができる。冷却ブロック内部に液体を流すことにより、冷却能力が一層向上し、ヒータの冷却速度を更に高めることができる。しかも、半導体ウエハの処理が連続的に実施される場合、冷却ブロックでヒータの冷却を連続的に行っても、実施に伴って次第に冷却ブロックに熱が蓄積されて冷却能力が低下するが、このような場合にも冷却ブロックに液体を流すことによって、冷却ブロックの冷却能力が徐々に低下していくことを防ぐことができる。
【００２７】
冷却ブロック内部に流す冷却用の液体としては、特に制約はないが、水の他、フロリナートなどの有機溶媒を使用することができる。また、冷却能力を向上させるために、液体をチラーなどで冷却して使用することもできる。尚、冷却ブロック内に冷却用の液体を流す場合、液体が流れる流路は１系統であってもよいし、複数系統設けることもできる。複数系統の流路を設けて液体を流す場合、１系統のみの場合に比較して、より高い冷却能力を備えることが可能になる。ただし、複数系統の流路を設けることで装置が複雑になるため、用途及び目的に応じて使い分けることが望ましい。
【００２８】
冷却ブロック内部に液体を流す場合、ヒータ冷却時に冷却ブロックをヒータに当接させることは当然であるが、冷却時以外も冷却ブロックをヒータに常に当接させておくことが可能である。冷却ブロック内に液体を流すタイミングについては、ヒータの昇温時及び高温キープ時には、ヒータに当接しているか否かにかかわらず、液体を流しても流さなくてもよい。液体を流さない場合、ヒータ周辺部品の温度が上昇するため部品によっては耐熱性が要求されるが、ヒータの昇温速度は上昇し、消費電力を小さくすることができる。ただし、ヒータの温度上昇に伴って冷却ブロックの温度も上昇するため、ヒータ冷却時になってから液体を流しても冷却速度が若干低下する。従って、このような点を考慮して、ヒータ昇温時及びキープ時にも液体を流すか否かは、その用途や目的に応じて適宜選択する必要がある。
【００２９】
また、冷却ブロック内に液体を流す場合、ヒータと冷却ブロックの接触のみならず、冷却ブロックの温度分布の均一性にも注意を払うことにより、冷却開始から冷却完了までのヒータの温度分布を更に均一にすることができる。即ち、冷却ブロックの温度が不均一な場合には、冷却ブロックにより冷却されるヒータにも当然その不均一な温度分布が反映されるため、ヒータの温度分布の不均一を招くことになる。逆に、冷却ブロックの温度分布を均一にできれば、冷却時におけるヒータの温度分布の均一性を一層向上させることができる。
【００３０】
液体を流す冷却ブロックの温度分布の均一性を向上させる手段として、まず、液体が流れる流路の断面積を、流路の全長の８０％以上にわたって１ｍｍ２以上とすることが好ましい。冷却ブロック内を流れる液体の温度は、冷却ブロックから熱を奪いながら流れるため、流路入口に比べ流路出口において高くなる。この流路の入口と出口の間における液体の温度差は、冷却ブロックの温度分布の不均一をもたらす原因の一つである。そこで、液体が流れる流路の全長の８０％以上を断面積１ｍｍ２以上の流路とすることによって、冷却ブロック内を流れる液体に充分大きな流量を確保することが可能となり、流路の入口と出口の間での液体の温度差を小さくすることができる結果、冷却ブロックの温度分布の均一性を向上させることができる。
【００３１】
また、液体を流す冷却ブロックの温度分布の均一性を向上させる他の手段として、冷却ブロックのヒータに当接する当接面に垂直な方向から見たとき、流路が形成されている部分の面積が、冷却ブロックの当接面の面積の３％以上となるように流路を形成することが有効である。冷却ブロックの当接面に占める流路の面積が小さくても、冷却ブロックを構成する材料自身の熱伝導性によってある程度の温度分布の均一性は確保できるが、流路に近い位置と比較的遠い位置とで若干の温度差が生じてしまう。冷却ブロックの当接面に占める流路の面積を３％以上とすれば、流路からの位置による温度差を解消でき、冷却ブロックの温度分布についてより高い均一性を実現することができる。
【００３２】
更に、液体を流す冷却ブロックの温度分布の均一性を向上させる別の手段として、冷却ブロックのヒータに当接する当接面に垂直な方向から見たとき、その当接面の外縁から５０ｍｍより内側の範囲に流路を形成することが好ましい。このように、冷却ブロックの中心部から外縁部にまでくまなく流路を形成して液体を流すことにより、液体で冷却ブロック全体を偏りなく冷却することができるため、冷却ブロックの温度分布の均一性を更に向上させることが可能である。
【００３３】
冷却ブロックに液体を流す流路は、例えば以下の方法により形成することができる。まず、１枚のブロックの表面にザグリ加工などにより流路となる溝を形成し、この流路の外縁側の近傍にＯ−リングなどのシール材を挿入する溝を形成する。この溝にＯ−リングなどを挿入した後、このブロックの表面に別の１枚のブロックを重ね合わせ、ネジなどで締め付けて冷却ブロックを作製する。この方法は、流路の形状を加工によって自由に作製できる点で望ましい。また、表面に流路となる溝を形成した２枚のブロックを、溶接やロウ付けによって接合することで、冷却ブロックを作製することもできる。
【００３４】
こうして形成される流路に関しては、冷却ブロックの冷却能力の観点から、流路内の液体が接触する面の表面粗さを、Ｒａ（中心線平均粗さ）で０.０２〜１００μｍの範囲とするのがよい。表面粗さＲａが０.０２μｍ未満では、液体と流路との接触面積が減少することになり、液体が冷却ブロックから効率よく熱を奪うことができず、冷却ブロックの冷却能力の低下につながる。一方、表面粗さＲａが１００μｍより大きい場合には、液体が流路内を通過する際の抵抗が増加して液体の流量及び流速が減少するため、冷却ブロックの冷却能力が低下するのみならず、流路の入口と出口との間で液体の温度差が拡大することから、温度分布の均一性の悪化を招く。特に上記表面粗さＲａが１０μｍ程度であれば、液体と流路との接触面積及び液体の流量や流速のバランスが良好となり、冷却能力及び温度分布の均一性共に高い性能が得られる。
【００３５】
また、冷却ブロック内の流路に流す液体の流量は、５００ｃｃ／分以上とすることが望ましい。これより少ない流量であっても効果的にヒータを冷却することはできるが、５００ｃｃ／分以上の流量とすることによって、より高い冷却能力が実現できるだけでなく、流路の入口と出口の間での液体の温度差に起因する温度分布の不均一をより効果的に抑制することができる。
【００３６】
冷却ブロックの材質に関しては、冷却ブロックはヒータと違ってウエハに直接接触するわけではないので、パーティクルの付着は問題とならず、従って金属で構成することができる。しかし、ヒータの温度分布の均一性を向上させる観点から、冷却ブロックの熱伝導率も重要である。この点で、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上の材料を用いることにより、ヒータの温度分布の均一性を高く保つことができる。ヒータの温度分布に特に高い均一性が要求される用途では、更に熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の材料を用いることで、ヒータの温度分布に関して極めて高い均一性を実現できる。
【００３７】
一方、ヒータの材料としては、種々のものが考えられるが、金属を用いた場合にはウエハ上に多数のパーティクルが付着するという問題点があるため、セラミックスであることが望ましい。セラミックスの中でも温度分布の均一性を得るためには、高熱伝導率である窒化アルミニウム、炭化珪素が好ましい。信頼性を重視するのであれば、窒化珪素が高強度で熱衝撃にも強いため好ましい。コストを重視するのであれば、酸化アルミニウムが好ましい。これらの中でも性能とコストのバランスを考慮すると、特に窒化アルミニウムが好適である。
【００３８】
次に、ヒータの作製方法について、特に好ましい窒化アルミニウム製のヒータを例に説明する。原料として使用する窒化アルミニウム粉末の比表面積は、２.０〜５.０ｍ２／ｇが好ましい。比表面積が２.０ｍ２／ｇよりも小さい場合には、窒化アルミニウムの焼結性が低下するため好ましくない。また、比表面積が５.０ｍ２／ｇよりも大きい場合には、粉末の凝集が非常に強くなるため好ましくない。窒化アルミニウム原料粉末に含まれる酸素量としては、２重量％以下が好ましい。酸素量が２重量％を超えると、焼結体の熱伝導率が低下するため好ましくない。また、原料粉末に含まれるアルミニウムを除く金属不純物量は、合計で２０００ｐｐｍ以下が好ましい。金属不純物量が２０００ｐｐｍを超えると、熱伝導率が低下するため好ましくない。更に、金属不純物としてＳｉなどのIV族元素やＦｅなどの鉄族元素は、熱伝導率を低下させる作用が高いため特に好ましくなく、含有量としてはそれぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
窒化アルミニウムは難焼結材であるため、通常使用されている焼結助剤を添加することが好ましい。これらの焼結助剤は、窒化アルミニウム粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物又はアルミニウム酸窒化物と反応して、窒化アルミニウムの緻密化を促進すると共に、窒化アルミニウムの熱伝導率低下の一因である酸素をトラップするため、熱伝導率を向上させる働きがある。焼結助剤の添加量としては、酸化物換算で０.０１〜５.０重量％の範囲が好ましい。焼結助剤の添加量が０.０１重量％未満では、十分緻密な焼結体が得られ難いだけでなく、熱伝導率も低くなってしまうため好ましくない。また、焼結助剤の添加量が５.０重量％を超えると、ヒータを腐食性雰囲気で使用する場合には、粒界に存在する焼結助剤が腐食性雰囲気でエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となるため好ましくない。
【００４０】
上記焼結助剤としては、希土類元素化合物が好ましく、特に窒化アルミニウムの酸素を除去するトラップ能力の高いイットリウム化合物が好ましい。また、希土類元素化合物の形態としては、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。これらの化合物のうちで、酸化物は特に安価で入手が容易であるというメリットがある。また、ステアリン酸化合物に関しては、有機溶剤との親和性が高いため、特に原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤にて混合する際には、混合性が高くなるため特に好適である。
【００４１】
これらの原料粉末に対して、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加する。これらを混合してスラリーを形成する。混合手段としては、ボールミル混合や、超音波による混合が可能である。得られたスラリーを、ドクターブレード法によってシート成形する。シート成形するに際して特に制約はないが、シートの厚みに関しては、乾燥後の厚みを３.０ｍｍ以下とすることが好ましい。このシート厚みが３.０ｍｍを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなり、シートに亀裂が生じる可能性が高くなるためである。
【００４２】
一方、発熱体回路パターンの形成に使用する導体ペーストは、ヒータを構成する窒化アルミニウムなどのセラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属のペーストが好ましい。これらの粉末を十分に混合し、バインダーと溶剤を加えて導体ペーストを作製する。また、窒化アルミニウム焼結体との密着強度を確保するため、ペーストに酸化物を添加することが可能である。添加する酸化物としては、窒化アルミニウムと上記高融点金属の両方に濡れるものであればよく、具体的にはIIＡ族、IIIＡ族元素の酸化物や、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などが好ましい。特に酸化イットリウムは、窒化アルミニウムに対する濡れ性が非常に良好であるため好ましい。これら酸化物の添加量としては、３０重量％以下であることが好ましい。
【００４３】
次に、上記シートと同時に発熱体回路パターンを焼結するコファイヤ法（コメタライズ法）の場合には、この導体ペーストを用いたスクリーン印刷により、上記シート上に発熱体の回路パターンを形成する。このときの発熱体回路パターン（金属層）の乾燥膜厚としては、５〜１００μｍであることが好ましい。膜厚が５μｍ未満の場合は、抵抗値が高くなり過ぎると共に、密着強度も低くなるため好ましくない。また、膜厚が１００μｍを超えると、密着強度の低下を引き起こすため好ましくない。尚、発熱体回路パターンの形成と同時に、必要に応じて、ＲＦ電極、静電チャック用電極などを、スクリーン印刷によって形成することも可能である。
【００４４】
ヒータを腐食性雰囲気で使用する場合は、発熱体が腐食されないように、窒化アルミニウム内に埋設する必要がある。このため、上記のごとく回路形成を行ったシートに、回路形成していない別のシートを積層して、発熱体回路パターンを埋設する。例えば、発熱体回路パターンを挟むように各シートを重ね合わせ、必要に応じて各シート間に溶剤を塗付し、加熱しながら圧力を加えて一体化させる。加熱温度は出来上がったシートの柔軟性を左右するため、不要の場合もあるが、概ね１５０℃以下が好ましい。これ以上の温度を加えると、シートが大きく変形するからである。加える圧力としては、１ＭＰａ未満ではシート同士が十分に密着せず、脱脂や焼結などの工程でいわゆるデラミネーションが発生しやすく、また１００ＭＰａを超えるとシートの変形量が大きくなりすぎるため、１〜１００ＭＰａの範囲が好ましい。
【００４５】
得られた積層体、あるいは上記発熱体回路パターンを形成したシートは、非酸化性雰囲気下にて５００〜１０００℃程度で脱脂した後、１７００〜２０００℃程度の温度で焼結する。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンなどがあり、特に窒素は比較的安価であることから好適である。また、使用する窒素に含有される水分量としては、露点が−３０℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時に窒化アルミニウムと雰囲気中の水分の反応によって酸窒化物が形成され、熱伝導率の低下を引き起こす可能性があるためである。また、窒素中に含有される酸素量も、上記と同様の理由で０.００１％以下であることが好ましい。焼結に使用する治具としては、窒化硼素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、焼結に対する耐熱温度を有するだけでなく、表面に固体潤滑性が存在するため、成形体が焼結によって収縮する際に治具と成形体及び積層体との摩擦を小さくすることができ、変形の少ない焼結体を得ることができるため特に好ましい。
【００４６】
得られた焼結体に対して、発熱体を窒化アルミニウム中に埋設していない場合には、使用する冷却ブロックとの絶縁性を確保するために、給電端子を接続する部分以外を絶縁体で被覆することができる。被覆材料としては、絶縁体で、発熱体との反応性が小さく、窒化アルミニウムとの熱膨張係数差が５.０×１０−６／Ｋ以下であるならば、特に制約はない。例えば、結晶化ガラスや、窒化アルミニウムなどが使用できる。これらの材料を、例えばペースト状にし、スクリーン印刷により所定の膜厚の絶縁被膜を形成し、５００〜１０００℃の非酸化性雰囲気中で脱脂した後、所定の温度で焼成して、被覆を形成することが可能である。
【００４７】
上記焼結体に対して、半導体製造装置のウエハ保持体として用いるため、必要に応じて加工を施す。加工精度としては、例えば、ウエハ載置面の平面度は０.５ｍｍ以下が好ましく、０.１ｍｍ以下が更に好ましい。ウエハ載置面の平面度が０.５ｍｍを超えると、ウエハとヒータの載置面との間に隙間が生じやすくなり、このためヒータで発生した熱がウエハに伝わるとき温度ムラが発生しやすくなるため好ましくない。また、ウエハ載置面の表面粗さはＲａで５μｍ以下が好ましく、１μｍ以下が更に好ましい。表面粗さＲａが５μｍを超えると、ヒータとウエハの摩擦によって、ヒータからセラミックスの脱粒が多くなることがある。この場合、脱落した粒子はパーティクルとなり、ウエハ上への膜形成やエッチングなどの処理に対して悪影響を与える。また、表面粗さＲａが１.０μｍ以下なら更に好適であることはいうまでもない。
【００４８】
ヒータの製法としては、上記のような発熱体とセラミックスを同時に焼成するコファイヤ法（コメタライズ法）以外に、予め焼結した窒化アルミニウムに発熱体を焼き付けるポストファイヤ法（ポストメタライズ法）がある。以下このポストファイヤ法（ポストメタライズ法）について説明する。
【００４９】
例えば、上記で作製したのと同様の手法で、窒化アルミニウムと焼結助剤を含有したスラリーを作製する。このスラリーに対して、スプレードライアーなどによって顆粒を作製する。この顆粒を所定の形状の金型に挿入し、プレス成形を実施する。このときのプレス圧力としては、９.８ＭＰａ以上が好ましい。これ以下の圧力の場合、成形体の強度が十分得られないことが多く、ハンドリングなどで破損しやすくなる。成形体の密度は、バインダー含有量や助剤添加量によっても異なるが、１.５ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。これを下回るの成形体密度の場合、粒子間距離が相対的に大きくなり、焼結が進行し難くなるため好ましくない。また、成形体密度は２.５g／ｃｍ３以下であることが好ましく、これを超える成形体密度では、脱脂時に成形体内のバインダー成分を十分に除去することが困難となる。このため成形体内部に過剰の炭素及び炭素化合物が残ることになり、これが窒化アルミニウムの焼結を阻害するため、十分な密度の焼結体が得られなくなる。
【００５０】
この成形体を、非酸化性雰囲気中で脱脂する。大気などの酸化性雰囲気中で成形体を脱脂した場合、窒化アルミニウム粉末の表面が酸化されるため、焼結体の熱伝導率の低下を引き起こす。また、脱脂の処理温度としては、５００〜１０００℃が好ましい。この範囲より低い温度で脱脂した場合は、十分にバインダー成分を除去することができず、成形体内にカーボンが過剰に存在して、焼結を阻害する。即ち、脱脂完了後の成形体内に存在するカーボン量が１.０重量％を超えると、成形体内の炭素及び炭素化合物が窒化アルミニウムの焼結を阻害するため好ましくない。脱脂した成形体の焼結は、前記のコファイヤ法の場合と同様に、非酸化性雰囲気下にて１７００〜２０００℃程度の温度で実施する。
【００５１】
得られた焼結体に対して、必要に応じて加工を施す。即ち、この後の工程でスクリーン印刷により発熱体回路パターンを形成するため、表面粗さをＲａで５.０μｍ以下にすることが好ましい。これ以上の表面粗さの場合は、スクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみや、ピンホールなどの印刷の欠陥が発生しやすくなる。表面粗さがＲａで１.０μｍ以下であれば、更に好適である。また、焼結体を加工する際には、印刷面だけでなく両主面を加工することが好ましい。一主面に印刷する場合で且つ印刷面のみ研磨加工を実施した場合、研磨していない面が半導体ウエハを支持することになる。このため、研磨していない面に突起や異物などが存在すると、ウエハの固定が不安定になってしまうため、両面を上記の表面粗さの範囲となるように加工することが好ましい。
【００５２】
また、焼結体の両加工面の平行度については、０.５ｍｍ以下であることが好ましく、０.１ｍｍ以下が更に好ましい。平行度が０.５ｍｍを超えると、発熱体回路パターンをスクリーン印刷した時に、膜厚のばらつきが大きくなることがあるため好ましくない。更に、印刷面の平面度に関しても、０.５ｍｍ以下であることが好ましく、０.１ｍｍ以下が更に好ましい。印刷面の平面度が０.５ｍｍを超えると、発熱体回路パターンのスクリーン印刷時に、膜厚のばらつきが発生しやすいためである。
【００５３】
その後、加工が完了した焼結体に、スクリーン印刷によって発熱体回路パターンを形成する。使用する導体ペーストに関しては、コファイヤ法の場合と同様である。即ち、金属粉末としてはタングステン、モリブデン、タンタルなどが好ましく、窒化アルミニウム焼結体との密着強度を確保するため、IIＡ族、IIIＡ族元素の酸化物や、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２など酸化物を添加することができる。これら酸化物の添加量は０.１〜３０重量％が好ましい。酸化物含有量が０.１重量％未満ではセラミックスとの密着強度を向上する効果が少なく、また３０重量％を超えると金属層の抵抗値が高くなるからである。発熱体回路（金属層）の乾燥膜厚は５〜１００μｍが好ましい。膜厚が５μｍ未満の場合は、抵抗値が高くなり過ぎると共に、密着強度も低くなるため好ましくない。また、膜厚が１００μｍを超えると、やはり密着強度の低下を引き起こすため好ましくない。尚、発熱体回路パターンの形成と共に、必要に応じて、ＲＦ電極、静電チャック用電極をスクリーン印刷によって形成することも可能である。
【００５４】
形成した発熱体回路パターンに対して、非酸化雰囲気中で脱脂を行う。処理温度は５００℃以上が好ましく、これより低い温度では形成した金属層内にカーボンが残留し、焼成した際に高融点金属と炭化物を形成することがある。その後の焼成は、非酸化性雰囲気中において１５００℃以上で行う。これ以下の焼成温度では、高融点金属粉末の粒成長が進まないため、抵抗値が非常に高くなり好ましくない。焼成温度はセラミックスの焼成温度を超えない方が良い。セラミックスの焼成温度を超えるような温度で金属層を焼成した場合、セラミックス中に含有される焼結助剤などが揮散しはじめ、更には金属層内の金属粉末の粒成長が促進されて、セラミックスとの密着強度が低下するからである。
【００５５】
得られた発熱体回路パターン間の絶縁性を確保するために、発熱体回路パターン上に絶縁性コートを形成することも可能である。使用する絶縁材料材質としては、焼結体のセラミックスと絶縁性コートの組成が大幅に異なると、当然のことながら熱膨張係数も異なり、焼成後に反りが発生するため、焼結体のセラミックスと同材質のものを使用することが好ましい。例えば、焼結体が窒化アルミニウムの場合、窒化アルミニウムに焼結助剤として所定量のIIＡ族、IIIＡ族の酸化物や炭酸化物を加えて混合し、更にバインダーや溶剤を加えてペーストとし、スクリーン印刷により塗付して焼結する。このときの焼結助剤量は、緻密化させて発熱体回路パターン間の絶縁を確保するため、０.０１重量％以上であることが好ましい。また、焼結助剤量が２０重量％を超えると、過剰の焼結助剤が金属層中に浸透し、発熱体の抵抗値を変化させるため好ましくない。絶縁コートの膜厚は、目的とする絶縁性を得るために５μｍ以上であることが好ましい。
【００５６】
発熱体回路パターンを形成し、必要に応じて絶縁コートを形成した窒化アルミニウム焼結体に対して、更に別の焼結体を接合することも可能である。このように焼結体を積層して接合することで、例えば腐食性雰囲気や、酸化性雰囲気でヒータを使用した場合でも、発熱体の腐食や酸化を防ぐことができる。接合の方法としては、窒化アルミニウム粉末にIIＡ族、IIIＡ族の酸化物や炭酸化物を加え、更にバインダーや溶剤を加えてペーストとし、焼結体の接合面にスクリーン印刷などの手法にて塗付する。このときの接合層の厚みには特に制約はないが、５μｍ以上であることが好ましい。膜厚が５μｍ未満では、接合層の厚みが薄いため、接合欠陥が生じやすいからである。
【００５７】
塗付したペーストを、非酸化性雰囲気中にて５００℃以上の温度で脱脂する。その後、接合すべき２枚の焼結体同士を重ね合わせ、所定の荷重をかけ、非酸化性雰囲気中にて加熱して接合する。このときの荷重量は４.９ｋＰａ以上が好ましく、これ未満では十分な接合強度が得られず、ピンホールや接合ムラなどの接合欠陥が生じやすいため好ましくない。また、接合温度に関しては、焼結体と接合層が十分に密着できる温度であればよく、１５００℃以上であることが好ましい。この温度未満では、十分な接合強度が得られず、接合欠陥を生じやすいため好ましくない。更に、接合雰囲気については、セラミックスの酸化を防ぐためにも、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気で実施することが好ましい。
【００５８】
また、焼結体上に発熱体回路パターンを形成した後、結晶化ガラスなどの絶縁体を使用して、絶縁層を形成することも可能である。この場合、所定のガラス粉末にバインダーや有機溶剤を加えてペーストとし、このペーストをスクリーン印刷により発熱体回路パターンを覆うように塗布し、脱脂した後、所定の温度で焼成すればよい。
【実施例】
【００５９】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ヒータを、ポストメタライズ法により作製した。即ち、原料である比表面積３.４ｍ２／ｇで平均粒径０.６μｍのＡｌＮ粉末１００重量部に、焼結助剤として０.６重量部のステアリン酸イットリウムを添加し、更に有機溶剤とバインダーを加えて、スプレードライにより顆粒を作製した。この顆粒をプレス成形し、窒素雰囲気下に７０℃で脱脂した後、窒素雰囲気下に１８５０℃で焼結して、窒化アルミニウム焼結体を作製した。得られた窒化アルミニウム焼結体を、直径３３０ｍｍ、厚み１２ｍｍに加工した。
【００６０】
次に、発熱体形成用の導体ペーストとして、タングステン粉末１００重量部に酸化イットリウム粉末１.０重量部を添加し、バインダーと有機溶剤を加えてペースト状にした。この導体ペーストをスクリーン印刷法にて上記窒化アルミニウム焼結体上に塗布し、窒素雰囲気中にて９００℃で脱脂し、更に窒素雰囲気中にて１８００℃で焼成した。これに給電部を除いてＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系のガラスペーストを１００μｍの厚さに塗布し、窒素雰囲気中にて７００℃で焼成した。また、給電部にはＡｕロウでＷ端子を取り付け、更にＷ端子にニッケル電極をネジ止めして、窒化アルミニウムヒータを完成した。
【００６１】
一方、冷却ブロックとして、直径３３０ｍｍ、厚み１２ｍｍと７ｍｍの２枚のアルミニウム板を用意した。このうち厚み１２ｍｍのアルミニウム板には、図３に示すように、アルミニウム板１０の表面に幅５ｍｍ、深さ５ｍｍの溝を加工して、液体を流すための流路７を形成した。この流路７の外側に、アルミニウム板１０の外周に沿って幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を形成し、Ｏ−リング８を挿入した。また、流路７の両端には貫通孔を形成して、液体を供給及び排出するための流路入口７ａ及び流路出口７ｂとした。更に、ヒータに通電するための通電線及びヒータの複数箇所の温度を測定する熱電対を挿通するため、アルミニウム板１０に複数個の貫通孔９を形成した。このアルミニウム板１０に、上記厚み７ｍｍのアルミニウム板をネジ止めにより固定し、内部に流路を有する冷却ブロックとした。
【００６２】
上記ヒータと冷却ブロックを所定形状の容器内に設置し、冷却ブロックに駆動軸を取り付けて移動可能に配置すると共に、更に冷却ブロックの貫通孔を通してヒータに通電線と複数の熱電対を取り付けた。このようにして構成した半導体製造装置を用い、下記する各実施例を行った。尚、ヒータのウエハ載置面における温度分布は、ウエハ載置面にウエハ温度計を載置して測定し、ウエハ温度計の測定値の最大値と最小値の差をヒータの温度ばらつきとした。また、冷却時に熱電対によりヒータの温度が４００℃から５０℃に達するまでの時間を測定し、冷却ブロックの冷却能力の指標とした。
【００６３】
［実施例１］
冷却ブロックとして、下記表１に示すように、ヒータが当接する当接面にそれぞれ所定の反りを有する試料１〜１０の冷却ブロックを用いた。このとき、これら冷却ブロックがヒータと接触する際に、冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度は５°以下であり、冷却ブロックの当接面の角部には１００μｍの面取り加工が施されている。また、冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【００６４】
ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで加熱した後、３０分間４００℃に保持して温度を安定させた後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。この通電中及び冷却中とも、冷却ブロックには液体を流していない。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、並びに冷却能力として４００℃から５０℃に達するまでの時間を測定した。
【００６５】
得られた結果を、冷却ブロックの当接面の反りと共に、下記表１に示した。冷却ブロックのヒータ当接面の反りが１.０ｍｍ、０.２ｍｍ、及び０.０５ｍｍを境に、ヒータのウエハ載置面における温度の均一性及び冷却能力が大きく向上していることが分かる。
【００６６】
【表１】
2005150506.tif 000003
【００６７】
［実施例２］
ヒータが当接する当接面の反りが０.０３ｍｍ、その当接面の角部を１００μｍ面取り加工した冷却モジュールを用いた。冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。このとき、試料１１〜１４において、冷却ブロックがヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度を、下記表２に示す角度に設定した。
【００６８】
実施例１と同様に、ヒータ温度を４００℃まで加熱、保持した。通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。この通電中及び冷却中とも、冷却ブロックには液体を流していない。ヒータの温度が熱電対の測定値で３９０℃になった瞬間の温度を測定して、冷却ブロックがヒータに接触した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつきを評価した。
【００６９】
得られた結果を、冷却ブロックがヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度と共に、下記表２に示した。ヒータと冷却ブロックが接触する瞬間におけるヒータ裏面と冷却ブロックの当接面のなす角度が１０°以下のとき、ヒータのウエハ載置面の温度ばらつきが大幅に小さくなっているのが分かる。
【００７０】
【表２】
2005150506.tif 000004
【００７１】
［実施例３］
冷却ブロックのヒータに当接する当接面の角部に、下記表３に示すような面取り加工を施した冷却ブロックを用いた。このとき、冷却ブロックのヒータが当接する当接面の反りは０.０３ｍｍであり、冷却ブロックがヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度は５°以下とした。冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【００７２】
実施例１と同様に、ヒータ温度を４００℃まで加熱、保持した。通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。この通電中及び冷却中とも、冷却ブロックには液体を流していない。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、並びに冷却能力として４００℃から５０℃に達するまでの時間を測定した。
【００７３】
得られた結果を、冷却ブロックの当接面の面取り加工量と共に、下記表３に示した。面取り加工量が１０μｍ以上において、ヒータのウエハ載置面における温度の均一性及び冷却能力が大きく向上していることが分かる。
【００７４】
【表３】
2005150506.tif 000005
【００７５】
［実施例４］
冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度が下記表３に示す角度となっている試料を用いた。このとき、冷却ブロックのヒータが当接する当接面の反りは０.０３ｍｍであり、冷却ブロックがヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度は５°以下とした。冷却ブロックの当接面の角部の面取り加工は１００μｍとした。また、ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【００７６】
ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで加熱した後、３０分間４００℃に保持して、温度が安定したときのウエハ載置面の温度ばらつきを測定した。その後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。この通電中及び冷却中とも、冷却ブロックには液体を流していない。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつきを測定した。
【００７７】
得られた結果を、冷却ブロックがヒータから分離し静止しているときの冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度と共に、下記表４に示した。冷却ブロックがヒータから分離し静止しているときの冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度が１０°以下のとき、４００℃保持時の温度ばらつきが小さくなっており、冷却中においてもその影響が残ることが分る。
【００７８】
【表４】
2005150506.tif 000006
【００７９】
［実施例５］
ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さが、該長さの平均値に対して、最大で下記表５に示すばらつきを持った試料を用意した。このとき、冷却ブロックのヒータが当接する当接面の反りは０.０３ｍｍであり、冷却ブロックがヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度は５°以下とし、冷却ブロックの当接面の角部の面取り加工は１００μｍとし、冷却ブロックがヒータから分離し静止しているときの冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°とした。
【００８０】
ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで加熱した後、３０分間４００℃に保持して、温度が安定したときのウエハ載置面の温度ばらつきを測定した。その後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。この通電中及び冷却中とも、冷却ブロックには液体を流していない。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつきを測定した。
【００８１】
得られた結果を、下記表５に示した。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さが、該長さの平均値に対して０.９〜１.１倍の範囲にあるとき、４００℃保持時の温度ばらつきが小さくなっており、冷却中においてもその影響が残ることが分る。
【００８２】
【表５】
2005150506.tif 000007
【００８３】
［実施例６］
ヒータが当接する当接面の反りが０.０２ｍｍ、ヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度が５°、当接面の角部に５０μｍの面取り加工を施した冷却ブロックを用いた。冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【００８４】
また、冷却ブロック内部には流路が形成され、その流路の断面積は流路全長にわたって２５ｍｍ２であり、冷却ブロックの当接面における流路面積（ヒータが当接する当接面に垂直な方向から見たとき、以下同じ）は当接面の面積の１５％である。また、流路は冷却ブロックの当接面の外縁から２０ｍｍの位置（ヒータが当接する当接面に垂直な方向から見たとき、以下同じ）より内側に形成されており、流路内の液体が接触する面の表面粗さはＲａで０.２μｍである。
【００８５】
冷却ブロックには、ヒータの加熱中、保持中及び冷却中を通じて、下記表６に示す流量で水を流した。ヒータ温度を４００℃まで２０℃／分で加熱し、３０分間４００℃に保持して温度を安定させた後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間の温度ばらつき、並びに冷却能力を測定した。更に、５０℃に到達した瞬間に、冷却ブロックをヒータから離し、再び４００℃まで２０℃／分で加熱し、以下加熱と冷却を繰り返して冷却能力の測定を計３回行った。
【００８６】
得られた結果を、冷却ブロック内の流路に流した冷却水量と共に、下記表６に示した。流量５００ｃｃ／分以上で冷却水を流した場合、ヒータのウエハ載置面における温度の均一性及び冷却能力が大幅に向上すると共に、ヒータの加熱及び冷却を繰り返しても冷却能力が低下しないことが分かる。
【００８７】
【表６】
2005150506.tif 000008
【００８８】
［実施例７］
ヒータに当接する当接面の反りが０.０２ｍｍ、ヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度が５°、当接面の角部に５０μｍの面取り加工を施した冷却ブロックを用いた。冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【００８９】
また、冷却ブロック内部には流路が形成されており、冷却ブロックの当接面における流路面積は当接面の面積の１５％であり、流路は当接面の外縁から２０ｍｍの位置より内側に形成され、流路内の液体が接触する面の表面粗さはＲａで０.２μｍである。この冷却ブロックの流路内には、ヒータの加熱中、保持中及び冷却中を通じて、１０００ｃｃ／分の水を流した。
【００９０】
冷却ブロック内の流路は前記のごとく幅５ｍｍ及び深さ５ｍｍ（断面積２５ｍｍ２）であるが、その流路の一部の幅と深さを変えて、流路全長に対する断面積が１ｍｍ２以上の流路の比率を下記表７にした冷却ブロックを用いた。ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで加熱し、３０分間４００℃に保持して温度を安定させた後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつきを測定した。
【００９１】
得られた結果を、流路全長に対する断面積の１ｍｍ２以上の流路の比率と共に、下記表７に示した。流路全長に対する断面積が１ｍｍ２以上である流路の比率が８０％以上になると、ヒータのウエハ載置面における温度の均一性が大きく向上することが分かる。
【００９２】
【表７】
2005150506.tif 000009
【００９３】
［実施例８］
ヒータに当接する当接面の反りが０.０２ｍｍ、ヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度が５°、当接面の角部に５０μｍの面取り加工を施した冷却ブロックを用いた。冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【００９４】
この冷却ブロック内部には流路が形成されており、冷却ブロック内の流路の断面積は流路全長にわたって２５ｍｍ２であり、流路は当接面の外縁から２０ｍｍの位置より内側に形成され、流路内の液体が接触する面の表面粗さはＲａで０.２μｍである。冷却ブロックの流路内には、ヒータの加熱中、保持中及び冷却中を通じて、１０００ｃｃ／分の水を流した。
【００９５】
冷却ブロックのヒータが当接する当接面に垂直な方向から見たとき、その当接面に形成された流路の面積が当接面の面積に対して、下記表８に示す比率の冷却ブロックを用いた。ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで加熱し、３０分間４００℃に保持して温度を安定させた後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつきを測定した。
【００９６】
得られた結果を、冷却ブロックの当接面面積に対する流路面積の比率と共に、下記表８に示した。当接面面積に対する流路面積の比率が３％以上において、ヒータのウエハ載置面における温度の均一性が大きく向上していることが分かる。
【００９７】
【表８】
2005150506.tif 000010
【００９８】
［実施例９］
ヒータに当接する当接面の反りが０.０２ｍｍ、ヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度が５°、当接面の角部に５０μｍの面取り加工を施した冷却ブロックを用いた。冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【００９９】
この冷却ブロック内部には流路が形成されており、冷却ブロック内部の流路の断面積は流路全長にわたって２５ｍｍ２であり、流路が形成されている面積は当接面の面積の１５％であり、流路内の液体が接触する面の表面粗さはＲａで０.２μｍである。冷却ブロックの流路内には、ヒータの加熱中、保持中及び冷却中を通じて、１０００ｃｃ／分の水を流した。
【０１００】
冷却ブロックのヒータに当接する当接面に垂直な方向から見たとき、冷却ブロックの当接面の外縁から流路までの最短距離を、下記表９に示すように変えた冷却ブロックを用いた。ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで加熱し、３０分間４００℃に保持して温度を安定させた後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつきを測定した。
【０１０１】
得られた結果を、冷却ブロックの当接面外縁から流路までの最短距離と共に、下記表９に示した。冷却ブロックの当接面の外縁から流路までの最短距離が５０ｍｍ以下であるとき、ヒータのウエハ載置面における温度の均一性が大きく向上していることが分る。
【０１０２】
【表９】
2005150506.tif 000011
【０１０３】
［実施例１０］
ヒータに当接する当接面の反りが０.０２ｍｍ、ヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度が５°、当接面の角部に５０μｍの面取り加工を施した冷却ブロックを用いた。冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【０１０４】
また、この冷却ブロック内部には流路が形成されており、冷却ブロック内の流路の断面積は流路全長にわたって２５ｍｍ２であり、流路が形成されている面積は当接面の面積の１５％であり、流路は当接面の外縁から２０ｍｍの位置より内側に形成されている。冷却ブロックの流路内には、ヒータの加熱中、保持中及び冷却中を通じて、１０００ｃｃ／分の水を流した。
【０１０５】
冷却ブロックの流路内の液体が接触する面の表面粗さ（Ｒａ）を、下記表１０に示すように変えた冷却ブロックを用いた。ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで加熱し、３０分間４００℃に保持して温度を安定させた後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、並びに冷却能力を測定した。
【０１０６】
得られた結果を、冷却ブロックの流路内の液体が接触する面の表面粗さ（Ｒａ）と共に、下記表１０に示した。流路内の液体が接触する面の表面粗さがＲａで０.０２〜１００μｍの範囲にあるとき、ヒータのウエハ載置面における温度の均一性及び冷却能力が大きく向上していることが分かる。
【０１０７】
【表１０】
2005150506.tif 000012
【０１０８】
［実施例１１］
上記の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ヒータと共に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、及び窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなり、上記窒化アルミニウムヒータの場合と同様にして、同じ形状のヒータをそれぞれ作製した。一方、冷却ブロックは、ヒータに当接する当接面の反りが０.０２ｍｍ、ヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度が５°、当接面の角部に５０μｍの面取り加工を施した冷却ブロックを用いた。
【０１０９】
冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【０１１０】
また、冷却ブロック内部には流路が形成されており、冷却ブロック内の流路の断面積は流路全長にわたって２５ｍｍ２であり、流路が形成されている面積は当接面の面積の１５％であり、流路は当接面の外縁から２０ｍｍの位置より内側に形成され、流路内の液体が接触する面の表面粗さはＲａで０.２μｍである。冷却ブロックの流路内には、ヒータの加熱中、保持中及び冷却中を通じて、１０００ｃｃ／分の水を流した。
【０１１１】
ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで加熱し、３０分間４００℃に保持して温度を安定させた後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつきを測定した。また、上記の加熱と冷却の繰り返し試験を最大１０００回繰り返し、ヒータが破損するまでの試験回数を調べた。
【０１１２】
得られた結果を、ヒータの材料と共に、下記表１１に示した。ヒータのウエハ載置面における温度の均一性では窒化アルミニウムと炭化珪素が優れ、上記繰り返し試験で評価した信頼性では窒化アルミニウムと窒化珪素が優れており、中でも窒化アルミニウムは温度の均一性と信頼性を兼ね備えていることが分かる。
【０１１３】
【表１１】
2005150506.tif 000013
【０１１４】
［実施例１２］
上記のアルミウム製の冷却ブロックと同様にして、下記表１２に示す５種類の材料からなる冷却ブロックを作製した。各冷却ブロックは、ヒータに当接する当接面の反りが０.０２ｍｍ、ヒータと接触する際の冷却ブロックの当接面とヒータ裏面のなす角度が５°、当接面の角部に５０μｍの面取り加工を施した。冷却ブロックがヒータから分離し静止しているとき、冷却ブロックの当接面とヒータの裏面のなす角度は５°である。ヒータのウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る中心線を有し、該ウエハ載置面の中心から外縁までの距離より短い半径を有する円筒面と、該ウエハ載置面に垂直で且つ該ウエハ載置面の中心を通る任意の平面とが交わる交線において、該交線上のウエハ載置面から半導体製造装置の容器内面までの長さは、該長さの平均値に対して０.９７〜１.０３倍に調整してある。
【０１１５】
また、各冷却ブロック内には流路を形成し、流路の断面積は流路全長にわたって２５ｍｍ２であり、流路が形成されている面積は当接面の面積の１５％であり、流路は当接面の外縁から２０ｍｍの位置より内側に流路が形成され、流路内の液体が接触する面の表面粗さはＲａで０.２μｍである。冷却ブロックの流路内には、ヒータの加熱中、保持中及び冷却中を通じて、１０００ｃｃ／分の水を流した。
【０１１６】
上記の窒化アルミニウム製のヒータを熱電対の測定値で４００℃まで加熱し、３０分間４００℃に保持して温度を安定させた後、通電停止と共に冷却ブロックを接触させて、ヒータを５０℃まで冷却した。熱電対の測定値で２５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつき、及び５０℃に達した瞬間のウエハ載置面の温度ばらつきを測定した。
【０１１７】
得られた結果を、冷却ブロックの材料及びその熱伝導率と共に、下記表１２に示した。冷却ブロックを構成する材料の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ及び１００Ｗ／ｍＫを境にして、ヒータのウエハ載置面における温度の均一性が向上していることが分かる。
【０１１８】
【表１２】
2005150506.tif 000014
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の半導体製造装置の概略断面図であって、ウエハ保持体のヒータと冷却ブロックが分離した状態を示している。
【図２】本発明の半導体製造装置の概略断面図であって、ウエハ保持体のヒータと冷却ブロックが当接した状態を示している。
【図３】本発明に係わる冷却ブロックの概略断面図であって、内部に形成された流路の状態を示している。
【符号の説明】
【０１２０】
１      ヒータ
１ａ    ウエハ載置面
１ｂ    ヒータ裏面
２      冷却ブロック
２ａ    当接面
３      容器
４      熱電対
５      通電線
６      駆動軸
７      流路
７ａ    流路入口
７ｂ    流路出口
８      Ｏ−リング
９      貫通孔
１０    アルミニウム板
【図１】
2005150506.tif 000015
【図２】
2005150506.tif 000016
【図３】
2005150506.tif 000017