(57)【要約】【課題】        冷却開始から冷却終了までの間の、ヒータの温度分布をより均一にできる冷却ブロック、該冷却ブロックとヒータとを組み合せたヒータユニット及びこれを搭載した装置を提供する。【解決手段】    本発明の冷却ブロックは、冷媒流路を有し、該冷媒流路の復路が往路に沿って配設されている。前記往路と復路は、略同一平面上に配設されていることが好ましく、また往路と復路の間隔は、１５ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記冷却ブロックは、熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の材質からなることが好ましい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒流路を有する冷却ブロックにおいて、該冷媒流路の復路が往路に沿って配設されていることを特徴とする冷却ブロック。
【請求項２】
前記冷媒流路の往路と復路が略同一平面上に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却ブロック。
【請求項３】
前記前記冷媒流路の往路と復路の間隔が、１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却ブロック。
【請求項４】
前記冷却ブロックが、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上の材質からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却ブロック。
【請求項５】
前記冷却ブロックの表面がニッケルメッキされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却ブロック。
【請求項６】
前記冷却ブロックの材質が、アルミニウムであって、該冷却ブロックの表面がアルマイト処理されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却ブロック。
【請求項７】
被加熱物を載置して加熱処理するヒータ基板と、請求項１乃至６のいずれかに記載の冷却ブロックとから成ることを特徴とするヒータユニット。
【請求項８】
前記冷却ブロックが、前記ヒータ基板に対し、当接及び分離する手段を有することを特徴とする請求項７に記載のヒータユニット。
【請求項９】
前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のヒータユニット。
【請求項１０】
前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のヒータユニット。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれかに記載のヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置。
【請求項１２】
請求項７乃至１０のいずれかに記載のヒータユニットを搭載したフラットディスプレイパネルの製造・検査装置。
【請求項１３】
請求項７乃至１０のいずれかに記載のヒータユニットを搭載したフォトレジスト加熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却ブロック並びに該冷却ブロックと熱処理を施すためのヒータ基板とを組み合せたヒータユニットおよびこれを搭載した装置に関する。特に、エッチング装置、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置、減圧プラズマＣＶＤ装置、メタルＣＶＤ装置、絶縁膜ＣＶＤ装置、低誘電率膜（Ｌｏｗ−Ｋ）ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパなどの半導体製造装置や半導体検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置や、フォトレジスト加熱処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程では、被処理物である半導体基板（ウェハ）に対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。このような半導体基板に対する処理を行う半導体製造装置では、半導体基板を保持し、半導体基板を加熱するためのセラミックスヒータが用いられている。
【０００３】
例えば、フォトリソグラフィー工程においては、ウェハ上にレジスト膜パターンが形成される。この工程では、ウェハを洗浄後、加熱乾燥し、冷却後ウェハ表面にレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー処理装置内のセラミックスヒータ上にウェハを搭載し、乾燥した後、露光、現像などの処理が施される。このフォトリソグラフィー工程では、レジストを乾燥するときの温度が塗膜の品質に大きな影響を与えるので、セラミックスヒータの処理時の温度の均一性が重要である。
【０００４】
また、ＣＶＤ工程では、ウェハを洗浄、乾燥した後、ＣＶＤ装置内のセラミックスヒータ上にウェハを搭載し、ウェハ表面に化学反応によって絶縁膜や金属膜を成膜する。この化学反応時の温度が、絶縁膜や金属膜の品質に大きく影響するので、やはりセラミックスヒータの温度の均一性が重要である。
【０００５】
また、これらのウェハの処理はスループットを向上させるために、できるだけ短時間で終わらせることが要求される。このため、発明者等は、加熱したヒータを短時間で冷却するために冷却手段を有する半導体製造装置を検討してきた。例えば、特許文献１では、ヒータのウェハ搭載面とは反対側の面に、当接、分離が可能な冷却ブロックを備えた半導体製造装置を提案した。
【０００６】
また、特許文献２では、冷却ブロックに冷却用液体の流路を形成し、冷却速度をさらに向上させるとともに、冷却開始から冷却終了までのヒータの温度の均一性を保つような半導体製造装置を提案した。
【特許文献１】特願２００２−１６３７４７号公報
【特許文献２】特願２００３−３８７７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
最近の電子デバイスなどの半導体製造プロセスにおいては、更なるヒータの温度分布の均一性が要求されており、加熱保持中はもちろんのこと、冷却開始から冷却終了までの間のヒータの温度分布の更に高い均一性が要求されている。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、冷却開始から冷却終了までの間のヒータの温度分布をより均一にできる冷却ブロック、該冷却ブロックとヒータとを組み合せたヒータユニット及びこれを搭載した装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者等は、特許文献２の技術において、冷却開始から冷却終了までのヒータの温度分布をさらに均一にすることを検討した結果、冷却ブロックに形成する冷却媒体の流路の配置が、ヒータの温度分布に影響を与えることを見出した。すなわち、本発明の冷却ブロックは、冷媒流路を有し、該冷媒流路の復路が往路に沿って配設されている。このように冷媒流路を配置すれば、冷却開始から冷却終了までのヒータの温度分布の均一性が向上することを見出した。前記冷媒流路の往路と復路は略同一平面上に配設されていることが好ましい。
【００１０】
また、前記冷媒流路の往路と復路の間隔が、１５ｍｍ以下であることが好ましく、前記冷却ブロックが、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上の材質からなることが好ましく、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の材質からなることが更に好ましい。
【００１１】
また、前記冷却ブロックの表面がニッケルメッキされていることが好ましい。更に、前記冷却ブロックの材質が、アルミニウムであり、該冷却ブロックの表面がアルマイト処理されていることが好ましい。
【００１２】
更に、本発明のヒータユニットは、被加熱物を載置して加熱処理するヒータ基板と、前記いずれかの冷却ブロックとから成ることを特徴とする。前記冷却ブロックは、前記ヒータ基板に接合されているかあるいは、前記ヒータ基板に対し、当接及び分離する手段を有することが好ましい。
【００１３】
前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のうちのいずれかであることが好ましく、特に窒化アルミニウムであることが好ましい。
【００１４】
このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置、またはフォトレジスト加熱処理装置は、従来の装置よりもヒータの温度分布がより均一になるので、半導体やフラットディスプレイパネルの特性や歩留り、信頼性あるいは集積度や画像品質の向上が図れる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、冷却開始から冷却終了までの間のヒータの温度分布をより均一にできる冷却ブロック並びに該冷却ブロックとヒータを組み合せたヒータユニットを提供することができる。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置、またはフォトレジスト加熱処理装置は、従来の装置よりもヒータの温度分布がより均一になるので、半導体やフラットディスプレイパネルの特性や歩留り、信頼性あるいは集積度や画像品質の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態を、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態の一例であり、円形の冷却ブロック１の冷媒流路２の平面模式図を示す。矩形の場合の平面模式図を図２に示す。冷却ブロック１には、冷媒流路２が形成されており、冷媒流路の往路２ａは冷却ブロックの外周部から内周部へと配設され、冷却ブロックの中央付近の折り返し部２ｃで折り返して復路２ｂにつながっている。そして、冷媒流路の復路２ｂが往路２ａに沿って、略同一平面上に配設されている。
【００１７】
冷却媒体は、冷却媒体入口３から冷却媒体流路の往路２ａへ導入され、折り返し部２ｃを経て、復路２ｂを経由して出口４から冷却ブロック外へ出て行く。冷却ブロックが、例えばヒータに接触してヒータを冷却するとき、冷却媒体は、入口から入って、出口から出ていくまでの間、単位時間当りほぼ一定の熱量を受け取る。
【００１８】
従って、冷却媒体の温度は、入口に入ってから上昇しはじめ、その流路の長さに比例して、温度が上昇していく。この時、入口と出口を冷却ブロックのほぼ同じ位置に配置し、冷媒流路の往路と復路を沿うように配設すれば、往路と復路の長さはほぼ同じになり、冷媒流路の長さに関係なく、往路と復路の平均温度は、一定となる。従って、冷却ブロックの温度分布の均一性が向上することを見出した。冷却ブロックの温度分布の均一性が向上すれば、冷却ブロックで冷却する例えばヒータなどの温度分布の均一性が向上する。
【００１９】
図１あるいは図２において、往路２ａの長さをＬとし、入口３における冷却媒体の温度をＴｉｎ、冷媒流路内の単位長さあたりでの冷却媒体の温度上昇をΔＴとしたとき、入口からｘの距離での往路内の冷却媒体の温度は、Ｔｉｎ＋ΔＴ・ｘとなる。同じ位置の復路内の冷却媒体の温度は、復路の長さは往路の長さと同じであるから、Ｔｉｎ＋ΔＴ・（２Ｌ−ｘ）となる。
【００２０】
従って、入口からｘの距離での、往路内と復路内の冷却媒体の平均温度は、Ｔｉｎ＋ΔＴ・Ｌとなり、冷却媒体の流路の位置に関係なく、一定の温度になる。ここで、入口３と出口４の位置関係は、図１や図２に示すように入口を冷却ブロックの中心側になるように配置することが好ましい。これは、冷却媒体が最も低温である入口を、冷却ブロックの中心側にした方が、冷却ブロック全体の冷却効果が高まるからである。
【００２１】
往路と復路の間隔が広いと、冷却媒体の平均温度を一定にする効果は小さくなり、冷却媒体の流路の位置によって平均温度に差がでることになる。往路と復路の間隔は、１５ｍｍ以下にした方が、冷却ブロックの温度分布の均一性が、より向上する。更に、冷却ブロックの材質として、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上のものを用いると、冷却ブロックの温度分布の均一性がより向上する。更に高い均一性を要求される用途では、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上のものを用いることが望ましい。
【００２２】
冷却ブロックの材質は、前記熱伝導率のものが好ましいが、加工性やコストを考慮すると、金属であることがより好ましい。具体的には、純アルミニウムやアルミニウム鋳物、あるいはクロムニッケル鋼、ニッケル鋼、純鉄等を挙げることができる。冷却ブロックの被冷却物であるヒータ等と当接する当接面は、錆などが発生しないことが望ましい。冷却ブロックの材質を金属にした場合は、程度の差はあるが、使用していくと、前記当接面が多少変質していく。冷却ブロックの当接面表面が変質すると、冷却効率が低下することになる。
【００２３】
そこで、この表面の変質を抑えるために、冷却ブロックの少なくとも当接面表面を、ニッケルメッキすることが望ましい。ニッケルメッキの中でも、いわゆるカニゼンメッキと呼ばれる無電解ニッケルメッキが好ましい。無電解ニッケルメッキは、耐食性、耐摩耗性、密着性、厚みの均一性などに優れるからである。また、冷却ブロックの材質をアルミニウムにする場合は、表面をアルマイト処理としてもよい。
【００２４】
冷却ブロックは、１枚の板に、冷媒流路をドリルなどによって彫り込んで行くこともできるが、加工性やコストを考慮すると、２枚の板に溝を加工して、製作することが好ましい。例えば、図３（ａ）に示すように、２枚の板の両方に冷媒流路となる溝を加工して形成し、２枚の板を接合する。また、図３（ｂ）に示すように、片方の板にのみ冷媒流路となる溝を加工してもよい。また、図３（ｃ）に示すように、それぞれの板に、冷媒流路の往路と復路となる溝を加工してもよい。更に、図３（ｄ）に示すように、３枚の板を用いて、冷媒流路の往路と復路を上下方向に沿わすこともできる。
【００２５】
いずれの場合も、板をネジ止めなどの方法で接合するとき、少なくとも外周部をＯ−リング等によって、シールしておいた方が冷却媒体が冷却ブロックの外に漏れ出す恐れがなくなるので、好ましい。
【００２６】
以上のような冷却ブロックをヒータと組み合せることにより、ヒータユニットとすることができる。冷却ブロックは、図４に示すように、ヒータ５に例えばネジ止めのような方法で、接合してもよい。また、図５に示すように、ヒータ５に対し、当接及び分離が可能なように冷却ブロックを、例えばエアーシリンダーのような昇降手段６を用いて設置してもよい。図５（ａ）は、冷却ブロックがヒータに当接した状態を示し、図５（ｂ）は冷却ブロックがヒータと分離した状態を示す。
【００２７】
冷却ブロックとヒータの外径形状は、ほぼ同一であることが好ましい。ほぼ同一ではない場合は、冷却ブロックの温度分布が均一であっても、ヒータを冷却する能力がヒータ面内でムラが発生し、冷却中のヒータの温度分布が不均一になる。
【００２８】
例えば、略円形のヒータの場合、ヒータの直径よりも冷却ブロックの直径を大きくすると、冷却時に、ヒータの外周部がより冷却されて温度が中央部より下がるので、ヒータの中央部と外周部で温度差が大きくなる。逆に、冷却ブロックの直径をヒータより小さくすると、ヒータの中央付近の温度がより下がり、やはりヒータの中央部と外周部で温度差が大きくなる。略円形のヒータの場合、ヒータと冷却ブロックの直径の差は、±２５％以内とすることが望ましい。また、略矩形のヒータの場合は、辺の長さの差を、±２５％以内とすることが望ましい。
【００２９】
以上のようなヒータユニットを容器内に設置することによって、半導体製造・検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置、またはフォトレジスト加熱処理装置とすることができる。
【００３０】
例えば、図６に示すように、冷却ブロック１は、エアーシリンダなどの昇降手段６によって容器１０内に設置され、必要に応じてヒータ５に当接および分離ができるようになっている。図６は冷却ブロック１が分離した状態を示す。この冷却ブロック１には、給電のための電極７や温度測定手段８などの挿入物を貫通するための貫通孔が設けられている。これらの挿入物と容器１０とは、封止材９で気密に封止されていてもよい。
【００３１】
ヒータを昇温する時や高温に保持する時には、昇温速度の低下防止及び消費電力の低減を目的として、冷却媒体を流さず、ヒータを冷却する時のみ冷却媒体を流すという運用とすることが好ましい。また、図６に示すように、冷却ブロックを当接及び分離できるように設置した場合は、ヒータの加熱時や高温保持時には、冷却ブロックを分離しておき、冷却時に当接させるという運用が好ましく、冷却媒体を当接前から流し始める方がより冷却速度を短縮できる。なお、冷却媒体は、液体であることが取扱い上好ましい。
【００３２】
本発明のヒータの材質は、セラミックスが好ましい。金属を用いた場合は、ウェハ上にパーティクルが付着するという問題があるので好ましくない。セラミックスとしては、温度分布の均一性を重視するならば、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや炭化珪素が好ましい。信頼性を重視するならば、窒化珪素が高強度で熱衝撃にも強いので好ましい。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。
【００３３】
これらのセラミックスの中でも、性能とコストのバランスを考慮すれば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好適である。以下に、本発明のヒータの製造方法をＡｌＮの場合で詳述する。
【００３４】
ＡｌＮの原料粉末は、比表面積が２．０〜５．０ｍ２／ｇのものが好ましい。比表面積が２．０ｍ２／ｇ未満の場合は、窒化アルミニウムの焼結性が低下する。また、５．０ｍ２／ｇを超えると、粉末の凝集が非常に強くなるので取扱いが困難になる。更に、原料粉末に含まれる酸素量は、２ｗｔ％以下が好ましい。酸素量が２ｗｔ％を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、２０００ｐｐｍ以下が好ましい。金属不純物量がこの範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、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、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、含有量は、それぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００３５】
ＡｌＮは難焼結性材料であるので、ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中に窒化アルミニウム粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるい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ともに、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上させることができる。
【００３６】
希土類元素化合物は、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。添加量は、０．０１〜５ｗｔ％が好ましい。０．０１ｗｔ％未満であると、緻密な焼結体を得ることが困難であるとともに、焼結体の熱伝導率が低下する。また、５ｗｔ％を超えると、窒化アルミニウム焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に、好ましくは焼結助剤の添加量は、１ｗｔ％以下である。１ｗｔ％以下であれば、粒界の３重点にも焼結助剤が存在しなくなるので、耐食性が向上する。
【００３７】
また、希土類元素化合物は、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。この中で、酸化物は安価で入手が容易であり好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、窒化アルミニウム原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。
【００３８】
次に、これら窒化アルミニウム原料粉末や焼結助剤粉末に、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し、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合等が可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。
【００３９】
得られたスラリーを成形し、焼結することによって窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。その方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の２種類の方法が可能である。
【００４０】
まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作成する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時、プレス圧力は、９．８ＭＰａ以上であることが望ましい。９．８ＭＰａ未満の圧力では、成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなる。
【００４１】
成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、１．５ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。１．５ｇ／ｃｍ３未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行しにくくなる。また、成形体密度は、２．５ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。２．５ｇ／ｃｍ３を超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となる。このため、前述のように緻密な焼結体を得ることが困難となる。
【００４２】
次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、ＡｌＮ粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。脱脂処理の加熱温度は、５００℃以上、１０００℃以下が好ましい。５００℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができないので、脱脂処理後の積層体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、１０００℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、ＡｌＮ粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。
【００４３】
また、脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。１．０ｗｔ％を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。
【００４４】
次いで、焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時、使用する窒素などの雰囲気ガスに含有する水分は、露点で−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ＡｌＮが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、０．００１ｖｏｌ％以下であることが好ましい。酸素量が多いと、ＡｌＮの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。
【００４５】
更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有するとともに、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に積層体が収縮する際の治具と積層体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない焼結体を得ることができる。
【００４６】
得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程の導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下であることが好ましい。５μｍを超えると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欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはＲａで１μｍ以下であればさらに好適である。
【００４７】
上記表面粗さを研磨加工する際には、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。
【００４８】
また、この時、両加工面の平行度は０．５ｍｍ以下であることが好ましい。平行度が０．５ｍｍを超えるとスクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。さらに、スクリーン印刷する面の平面度は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍを超える平面度の場合にも、導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。
【００４９】
研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導体ペーストは、金属粉末と必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末は、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。
【００５０】
また、ＡｌＮとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、ＩＩａ族元素やＩＩＩａ族元素の酸化物やＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などが好ましい。特に、酸化イットリウムはＡｌＮに対する濡れ性が非常に良好であるので、好ましい。これらの酸化物の添加量は、０．１〜３０ｗｔ％が好ましい。０．１ｗｔ％未満の場合、形成した電気回路である金属層とＡｌＮとの密着強度が低下する。また３０ｗｔ％を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００５１】
導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、５μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。厚みが５μｍ未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎるとともに、密着強度も低下する。また、１００μｍを超える場合も、密着強度が低下する。
【００５２】
また、形成する回路パターンが、ヒータ回路（発熱体回路）の場合は、パターンの間隔は０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。０．１ｍｍ未満の間隔では、発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートする。特に、５００℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は１ｍｍ以上とすることが好ましく、３ｍｍ以上であれば更に好ましい。
【００５３】
次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成する。脱脂は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。脱脂温度は５００℃以上が好ましい。５００℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分で金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００５４】
焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１５００℃以上の温度で行うのが好適である。１５００℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中の含有する焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。
【００５５】
次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、電気回路との反応性が小さく、ＡｌＮとの熱膨張係数差が、５．０ｘ１０−６／Ｋ以下であれば特に制約はない。例えば、結晶化ガラスやＡｌＮ等が使用できる。これらの材料を例えばペースト状にして、所定の厚みのスクリーン印刷を行い、必要に応じて脱脂を行った後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。
【００５６】
次に、必要に応じて更にセラミックス基板を積層することができる。積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、ＩＩａ族元素化合物やＩＩＩａ族元素化合物とバインダーや溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。
【００５７】
接合剤を塗布したセラミックス基板を、非酸化性雰囲気中、５００℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス基板を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス基板同士を接合する。荷重は、５ｋＰａ以上であることが好ましい。５ｋＰａ未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、もしくは前記接合欠陥が生じやすい。
【００５８】
接合するための加熱温度は、セラミックス基板同士が接合層を介して十分密着する温度であれば、特に制約はないが、１５００℃以上であることが好ましい。１５００℃未満では、十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂ならびに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。
【００５９】
以上のようにして、ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。なお、電気回路は、導電ペーストを用いずに、例えば、ヒータ回路であれば、モリブデン線（コイル）、静電吸着用電極やＲＦ電極などの場合には、モリブデンやタングステンのメッシュ（網状体）を用いることも可能である。
【００６０】
この場合、ＡｌＮ原料粉末中に上記モリブデンコイルやメッシュを内蔵させ、ホットプレス法により作製することができる。ホットプレスの温度や雰囲気は、前記ＡｌＮの焼結温度、雰囲気に準ずればよいが、ホットプレス圧力は、０．９８ＭＰａ以上加えることが望ましい。０．９８ＭＰａ未満では、モリブデンコイルやメッシュとＡｌＮの間に隙間が生じることがあるので、ヒータの性能が出なくなることがある。
【００６１】
次に、コファイアー法について説明する。前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは、乾燥後で３ｍｍ以下が好ましい。シートの厚みが３ｍｍを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。
【００６２】
上述したシート上に所定形状の電気回路となる金属層を、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより形成する。導電ペーストは、ポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障はない。
【００６３】
次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は、１５０℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は、１〜１００ＭＰａの範囲が好ましい。１ＭＰａ未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、１００ＭＰａを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなりすぎる。
【００６４】
この積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結の温度や、炭素量等はポストメタライズ法と同じである。前述した、導電ペーストをシートに印刷する際に、複数のシートにそれぞれヒータ回路や静電吸着用電極等を印刷し、それらを積層することで、複数の電気回路を有する通電発熱ヒータを容易に作成することも可能である。このようにして、ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。
【００６５】
なお、発熱体回路などの電気回路が、セラミックス積層体の最外層に形成されている場合は、電気回路の保護と絶縁性の確保のために、前述のポストメタライズ法と同様に、電気回路の上に絶縁性コートを形成することができる。
【００６６】
得られたセラミックス積層焼結体は、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、半導体製造装置で要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物搭載面の平面度は０．５ｍｍ以下が好ましく、さらには０．１ｍｍ以下が特に好ましい。平面度が０．５ｍｍを超えると、被処理物とセラミックスヒータとの間に隙間が生じやすくなり、セラミックスヒータの熱が被処理物に均一に伝わらなくなり、被処理物の温度ムラが発生しやすくなる。
【００６７】
また、被処理物搭載面の面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。Ｒａで５μｍを超えると、通電発熱ヒータと被処理物との摩擦によって、ＡｌＮの脱粒が多くなることがある。この時、脱粒した粒子はパーティクルとなり、被処理物上への成膜やエッチングなどの処理に対して悪影響を与えることになる。さらに、表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば、好適である。
【実施例１】
【００６８】
１００重量部の窒化アルミニウム粉末と０．６重量部のステアリン酸イットリウム粉末を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ１０重量部、５重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作成後、プレス成形し、７００℃窒素雰囲下で脱脂し、窒素雰囲気中、１８５０℃で焼結し、窒化アルミニウム焼結体を作成した。なお、窒化アルミニウム粉末は、平均粒径０．６μｍ、比表面積３．４ｍ２／ｇのものを使用した。前記窒化アルミニウム焼結体を加工し、直径３３０ｍｍ、厚み１５ｍｍとした。
【００６９】
また、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末を１００重量部として、Ｙ２Ｏ３を１重量部と、５重量部のバインダーであるエチルセルロースと、溶剤としてブチルカルビトールを用いてＷペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このＷペーストをスクリーン印刷で、前記加工した窒化アルミニウム焼結体上に、発熱体回路パターンを形成した。その後、９００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中１８００℃で焼成した。発熱体回路パターンを形成した面に、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系のガラスペーストを用いて、給電部を除いて１００μｍの厚さに塗布し、窒素雰囲気中７００℃で焼成した。また、給電部には、金ロウでタングステン端子を取付け、タングステン端子にニッケル電極をネジ止めし、ヒータを完成させた。
【００７０】
次に、冷却ブロックとして、直径３３０ｍｍ、厚み１２ｍｍと７ｍｍの純アルミニウム板を用意した。純アルミニウム板の熱伝導率は、２００Ｗ／ｍＫである。このうち、厚み１２ｍｍのアルミニウム板に、幅５ｍｍ、深さ５ｍｍの冷却媒体を流すための図１に示すような流路を加工により形成した。さらにこの流路の外周に、Ｏ−リングを挿入するための、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を形成した。また冷却媒体の出入り口に貫通孔を形成した。これら２枚のアルミニウム板をＯ−リングを挿入して、ネジ止めにて固定した。これらのアルミニウム板には、給電用電極や熱電対が貫通するように、貫通孔を３ヶ所形成した。
【００７１】
また、クロムニッケル鋼、ニッケル鋼、純鉄、アルミニウム鋳物の冷却ブロックも同様に用意した。更に、各材質の冷却ブロックにおいて、冷却媒体の流路は、冷却ブロックの外周から１０ｍｍの位置より中心側に形成し、流路の全面積は冷却ブロックの当接面の面積の１５％とし、往路と復路の間隔を表１に示すような間隔とした。なお、この間隔は、往路と復路の各流路の壁面間隔である。また、流路の冷却媒体が接触する面の面粗さは、Ｒａ０．２μｍとした。
【００７２】
更に、各材質の冷却ブロックの当接面の反りは、０．０２ｍｍ以下とし、当接面の外周角部は１００μｍの面取りを施した。また、比較のために、図７に示すような従来の流路パターンを有する冷却ブロックも各材質で作成した。流路パターン以外は、実施例と同様に仕上げた。なお、図７の流路パターンでは、往路と復路の間隔はないので、表１では、間隔欄に比較例と記載して示す。
【００７３】
これらのヒータと、冷却ブロックを図６のように半導体製造装置の容器に取り付け、更に冷却ブロックの貫通孔を通して、給電用電極と熱電対を取り付けて、ヒータを通電加熱できるようにした。この時、冷却ブロックの当接面とヒータの当接面とのなす角度を５度以内になるように設置した。
【００７４】
ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで昇温後、３０分間４００℃で保持して、温度を安定化した。この間冷却ブロックは、ヒータから分離しており、冷却媒体は流さなかった。その後、通電を停止し、冷却媒体として水を流した冷却ブロックをヒータに当接させ、ヒータを冷却して、２５０℃に到達したときの温度バラツキΔＴを測定した。これらの結果を表１に示す。なお、冷却水の流量は、１０００ｃｃ／分とした。
【００７５】
なお、温度バラツキの測定は、ウェハ温度計を用いた。ヒータのウェハ搭載面に、ウェハ温度計を載置して、ウェ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バラツキとした。
【００７６】
【表１】
2005209981.tif 000003
【００７７】
表１から判るように、本発明の冷却ブロックでは、温度バラツキが小さく、ヒータの温度分布の均一性に優れている。また、往路と復路の間隔は、１５ｍｍ以内の方が温度のバラツキは小さく、この間隔が３０ｍｍになると、温度のバラツキは、従来の冷却ブロックを用いた場合に近づくことが判る。更に、冷却ブロックの材質が、熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上である方が、温度バラツキは小さくなり、１００Ｗ／ｍＫ以上であれば更に温度バラツキが小さくなることも判る。
【実施例２】
【００７８】
実施例１と同様の窒化アルミニウム製のヒータと純アルミニウム製の冷却ブロックを用意した。また、純アルミニウム製の冷却ブロックの表面に、ニッケルメッキしたものと、アルマイト処理を施したものも用意した。なお、冷却ブロックの流路の往路と復路の間隔は、１５ｍｍとした。これらの窒化アルミニウムヒータと冷却ブロックを実施例１と同様に半導体製造装置の容器に組み付けた。
【００７９】
実施例１と同様にヒータを熱電対の測定値で４００℃まで昇温後、３０分間４００℃で保持して、温度を安定化した後、通電を停止し、冷却媒体として水を流した冷却ブロックをヒータに当接させ、ヒータを５０℃まで冷却し、再度４００℃まで昇温するというサイクルを１０００回繰り返し、実施例１と同様に２５０℃に到達したときの温度バラツキΔＴを１回目と１０００回目で測定した。その結果を表２に示す。
【００８０】
【表２】
2005209981.tif 000004
【００８１】
表２から判るように、冷却ブロックの表面に処理を施さない場合は、１０００回の繰り返しで、ヒータの温度の均一性が悪くなるのに対し、ニッケルメッキやアルマイト処理を施せば、ヒータの温度の均一性は１０００回繰り返してもほとんど変化しなかった。
【００８２】
１０００回繰り返した後の冷却ブロックのヒートとの当接面を観察すると、ニッケルメッキ並びにアルマイト処理を施した冷却ブロックのヒータとの当接面は、金属光沢を維持していたが、無処理の冷却ブロックでは、白色の斑点のような突起が無数発生していた。この突起を分析すると、酸化アルミニウムであった。これは、純アルミニウムが熱酸化されたものと考えられる。このような突起が発生したために、冷却ブロックとヒータとの当接状態に変化が生じ、ヒータの温度の均一性が悪化したものと考えられる。
【実施例３】
【００８３】
実施例１の窒化アルミニウム製のヒータと、純アルミニウム製の冷却ブロックを準備した。冷却ブロックは、実施例１で作成したものの他に、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、１２ｍｍと７ｍｍの厚さの純アルミニウム板の両方に溝加工を施したものも準備した。更に、３ｍｍと８ｍｍと８ｍｍの３枚の純アルミニウム板に図３（ｄ）に示すような溝加工を施したものも準備した。冷却媒体を流すための流路は、実施例１と同じ形状で、冷却ブロックに組み上げたときに幅５ｍｍで深さ５ｍｍに仕上がるようにした。なお、往路と復路の間隔は、１０ｍｍとした。
【００８４】
これらの冷却ブロックと窒化アルミニウム製のヒータを実施例１と同様に、半導体製造装置の容器に組み付けた。実施例１と同様にして、２５０℃に到達したときの温度バラツキΔＴを測定した。その結果を表３に示す。
【００８５】
【表３】
2005209981.tif 000005
【００８６】
表３から判るように、往路と復路が同一平面上に形成された図３（ａ）あるいは図３（ｂ）の温度バラツキがもっとも少なく、ほぼ同一平面上と見なせる図３（ｃ）では若干温度バラツキが大きくなり、同一平面上とはいえない図３（ｄ）の温度バラツキがもっとも大きかった。
【実施例４】
【００８７】
実施例１と同様に、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素の３種類の材質のヒータを作成した。これに実施例１で作成した窒化アルミニウム製のヒータを加えた４種類のヒータを用いた。冷却ブロックの材質は、純アルミニウムとして、往路と復路の間隔を１５ｍｍとした実施例１で作成した冷却ブロックを用いて、実施例１と同様に容器に組み付けた。そして、実施例１と同様に２５０℃でのヒータの温度バラツキΔＴを測定した。
【００８８】
また、ヒータを熱電対での測定値で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、通電停止とともに、冷却水を流した冷却ブロックをヒータに接触させて、５０℃までヒータを冷却し、再度昇温するという操作を最大１０００回繰り返し、ヒータが破損するまでの回数を調べた。それらの結果を表４に示す。
【００８９】
【表４】
2005209981.tif 000006
【００９０】
表４から判るように、温度の均一性では、窒化アルミニウムと炭化珪素が優れている。また、酸化アルミニウム以外は、サイクル試験で破損せず、信頼性が高いことが判る。更に、窒化アルミニウムは、温度の均一性と信頼性の両方で優れていることが判った。
【実施例５】
【００９１】
実施例１で用いた窒化アルミニウム製のヒータと、往路と復路の間隔が１０ｍｍの冷却ブロックを、レジスト加熱処理装置に搭載してフォトリソグラフ処理を行った。用いたレジストは、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザステッパ用超高解像度レジストで、１３０℃９０秒のプリベークおよび１３０℃９０秒の露光ベークを行い、１３０ｎｍノードの線幅バラツキ（３σ）を測定した。
【００９２】
その結果、線幅バラツキは、８ｎｍであった。これに対し、実施例１で用いた図７の流路パターンの冷却ブロックを用いて、同様の線幅バラツキを測定したところ、１３ｎｍであった。このように、本発明の冷却ブロックを用いれば、ヒータの温度分布が従来よりも大幅に均一になるので、線幅バラツキを大幅に低減できることが判った。
【００９３】
線幅バラツキを大幅に低減できるということは、例えば、半導体装置であるトランジスタは、電極配線や絶縁膜、不純物拡散層等の要素から成り立っている。これらの要素の寸法は、サブミクロンメートルから近年では１００ｎｍ前後と非常に微細なものもあるので、高い寸法精度が要求される。
【００９４】
これらの要素は、極薄膜の化学蒸着やエッチング、フォトリソグラフィー工程等の各種の加熱を伴う工程を経て形成される。この時、被処理物である半導体基板の面内で、加熱温度にバラツキがあると、それらの要素の寸法にバラツキが生じる。加熱温度のバラツキが少なく温度が均一であれば、それらの要素の寸法のバラツキが小さくなり、歩留りが向上する。
【００９５】
また、それらの要素の寸法精度が向上すれば、より微細な寸法での設計が可能となるので、集積度を向上させることができる。つまり、半導体装置の特性の向上が可能となる。また、フラットディスプレイパネルでも、同様に歩留りの向上や、パネル全面での画素特性の均一化、あるいは画素の微細化による画像の高精細化などの特性を向上させることができる。
【００９６】
従って、本発明のヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置や、フラットディスプレイパネルの製造・検査装置あるいはフォトレジスト加熱処理装置を用いれば、半導体やフラットディスプレイパネルの特性や歩留り、信頼性あるいは集積度や画像品質の向上が図れる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明によれば、冷却開始から冷却終了までの間のヒータの温度分布をより均一にできる冷却ブロック並びに該冷却ブロックとヒータを組み合せたヒータユニットを提供することができる。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置、またはフォトレジスト加熱処理装置は、従来の装置よりもヒータの温度分布がより均一になるので、半導体やフラットディスプレイパネルの特性や歩留り、信頼性あるいは集積度や画像品質の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の冷却ブロックの冷媒流路の一例を示す平面模式図である。
【図２】本発明の冷却ブロックの冷媒流路の他の一例を示す平面模式図である。
【図３】本発明の冷却ブロックの冷媒流路の形成形態を示す断面模式図である。
【図４】本発明のヒータユニットの構成の一例を示す断面模式図である。
【図５】本発明のヒータユニットの他の構成の一例を示す断面模式図である。
【図６】本発明の装置の構成の一例を示す断面模式図である。
【図７】従来の冷却ブロックの冷媒流路を示す平面模式図である。
【符号の説明】
【００９９】
１    冷却ブロック
２    冷媒流路
３    冷却媒体入口
４    冷却媒体出口
５    ヒータ
６    昇降手段
７    給電電極
８    温度測定手段
９    封止材
１０    容器
【図１】
2005209981.tif 000007
【図２】
2005209981.tif 000008
【図３】
2005209981.tif 000009
【図４】
2005209981.tif 000010
【図５】
2005209981.tif 000011
【図６】
2005209981.tif 000012
【図７】
2005209981.tif 000013