(57)【要約】【課題】加工物の加熱および冷却を均一かつ迅速に実行する加熱部材、加熱／冷却装置、およびその方法を提供すること。【解決手段】マイクロエレクトロニックデバイスのような基板１３の処理のために有用な、加熱部材および関連する方法。この加熱部材は、好ましくはセラミック材料を使用して、優れた平坦度および熱特性を有するように形成され、それによって、迅速、鋭敏、かつ均一な熱伝達を可能にする。この加熱部材には、多層化加熱体が含まれる。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）より値が小さい平坦度の支持面を有する熱伝導層を含み、かつこの熱伝導層が、加熱体と熱接触状態にある、前記支持面と反対側の面を有することを特徴とする低熱容量加熱部材。
【請求項２】
前記支持面は、０．００５インチ(約０．１２７ｍｍ)より値が小さい平坦度を有することを特徴とする請求項１記載の加熱部材。
【請求項３】
前記支持面は、０．０２インチ(約０．５０８ｍｍ)より値が小さい平坦度を有することを特徴とする請求項１記載の加熱部材。
【請求項４】
前記熱伝導層は、少なくとも４００ギガパスカルのヤング率を有するセラミックからなることを特徴とする請求項１記載の加熱部材。
【請求項５】
前記熱伝導層は、少なくとも１００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有するセラミックからなることを特徴とする請求項１記載の加熱部材。
【請求項６】
前記セラミックは、重量比で純度９７％またはそれ以上の純度を有する炭化ケイ素であることを特徴とする請求項５記載の加熱部材。
【請求項７】
前記セラミックは、重量比で純度９８％の炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１記載の加熱部材。
【請求項８】
前記セラミックは、焼結された炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１記載の加熱部材。
【請求項９】
前記セラミックは、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の加熱部材。
【請求項１０】
熱伝導層と熱接触状態にある加熱体を含み、かつ重量比で少なくとも約98％の純度を有する炭化ケイ素からなる低熱容量加熱部材。
【請求項１１】
前記炭化ケイ素は、約１００〜約１５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１０記載の加熱部材。
【請求項１２】
前記炭化ケイ素は、焼結された炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１０記載の加熱部材。
【請求項１３】
前記炭化ケイ素は、９９重量％よりも高い純度の炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１０記載の低熱容量加熱部材。
【請求項１４】
前記炭化ケイ素は、少なくとも１５０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有することを特徴とする請求項１３記載の低熱容量加熱部材。
【請求項１５】
前記炭化ケイ素は、化学蒸着された炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１４記載の低熱容量加熱部材。
【請求項１６】
熱伝導層と熱接触状態にある加熱体を含み、前記熱伝導層が窒化アルミニウムからなることを特徴とする低熱容量加熱部材。
【請求項１７】
前記熱伝導層は、主成分が窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１６記載の低熱容量加熱部材。
【請求項１８】
熱伝導層と熱接触状態にある多層化加熱体を含み、この多層化加熱体は、少なくとも２つの異なる層を有して、これらの各層に加熱体セグメントを含んでいる電気抵抗型多層化加熱体セグメントからなることを特徴とする低熱容量加熱部材。
【請求項１９】
各加熱体セグメントは、独立して制御されることを特徴とする請求項１８記載の加熱部材。
【請求項２０】
前記多層化加熱体は、複数の層からなり、第１の層は、円形の内側加熱ソーンを形成する３つのパイ形状の加熱体セグメントからなり、第２の層は、環状の外側加熱ゾーンを形成する３つの加熱体セグメントからなることを特徴とする請求項１８記載の加熱部材。
【請求項２１】
１つ以上の加熱体セグメントに関連する円形の内側加熱ゾーンと、１つ以上の加熱体セグメントと関連しかつ前記内側加熱ゾーンを取り囲んでいる環状の外側加熱ゾーンを含んでいることを特徴とする請求項１８記載の加熱部材。
【請求項２２】
前記内側加熱ゾーンは、２００ｍｍまたは３００ｍｍのマイクロエレクトロニクス用加工物の面積にほぼ等しいことを特徴とする請求項２１記載の加熱部材。
【請求項２３】
前記加熱部材は、前記内側加熱ゾーン用の１つ以上の加熱体セグメントを含む１つの層と、前記外側加熱ゾーン用の１つ以上の加熱体セグメントを含む他の層からなることを特徴とする請求項２１記載の加熱部材。
【請求項２４】
前記加熱体セグメントは、電気導体のリード線に接続され、前記内側加熱ゾーン用の１つ以上の加熱体セグメントを含む前記層が、前記外側加熱ゾーン用の1つ以上の加熱体セグメントを含む前記層と前記熱伝導層との間に配置されていることを特徴とする請求項２３記載の加熱部材。
【請求項２５】
抵抗型薄膜温度センサを有する層を含んでいることを特徴とする請求項１８記載の加熱部材。
【請求項２６】
前記センサを有する層は、１つ以上のセンサを含んでいることを特徴とする請求項２５記載の加熱部材。
【請求項２７】
前記多層化加熱体は、加熱体を含む１つの層を有し、該層は、抵抗型薄膜温度センサを有する層から接地層によって分離されていることを特徴とする請求項２５記載の加熱部材。
【請求項２８】
前記接地層は、銅の層であることを特徴とする請求項２７記載の加熱部材。
【請求項２９】
多層化加熱体が電気抵抗型の加熱体セグメントからなり、少なくとも２つの異なる層が、それぞれ加熱体セグメントを含んでいることを特徴とする多層化加熱体。
【請求項３０】
抵抗型薄膜温度センサを含むことを特徴とする請求項２９記載の加熱体。
【請求項３１】
１つの接地層を含むことを特徴とする請求項３０記載の加熱体。
【請求項３２】
炭化ケイ素の熱伝導層と多層化加熱体を含む加熱部材であって、
前記炭化ケイ素の熱伝導層は、前記０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）より値が小さい平坦度の支持面を有し、かつ前記炭化ケイ素が、少なくとも１００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有しており、
前記多層化加熱体は、前記炭化ケイ素の前記支持面とは反対側の面と熱接触状態にあり、かつ複数の電気抵抗型加熱体セグメントを含み、前記多層化加熱体の少なくとも２つの異なる層が、それぞれ１つ以上の加熱体セグメントを含んでいることを特徴とする加熱部材。
【請求項３３】
前記炭化ケイ素の熱伝導層は、重量比で少なくとも９８％の炭化ケイ素を有する炭化ケイ素層であり、かつ少なくとも約１００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有することを特徴とする請求項３２記載の加熱部材。
【請求項３４】
前記支持面は、０．００５インチ(約０．１２７ｍｍ)より値が小さい平坦度を有することを特徴とする請求項３２記載の加熱部材。
【請求項３５】
前記加熱体は、円形の内側加熱ゾーン用の１つ以上の加熱体セグメントを有する第１の層と、環状の外側加熱ゾーン用の１つ以上の加熱体セグメントを有する第２の層とを含み、前記第２の層は、炭化ケイ素の熱伝導層と第１の層との間にあることを特徴とする請求項３２記載の加熱部材。
【請求項３６】
加工物の温度を制御するのに適した装置であって、
（ａ）熱伝導性の低熱容量加熱部材と熱接触状態で加工物を支持するための加工物支持面を有し、前記低熱容量加熱部材からの熱が前記加工物に伝達され、前記支持面が０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）より値が小さい平坦度を有している前記低熱容量加熱部材と、
（ｂ）高熱容量冷却部材とを含み、
前記冷却部材が前記加熱部材に熱接触している、少なくとも第１の状態において、
前記装置は、前記加熱部材と前記冷却部材を支持していることを特徴とする装置。
【請求項３７】
前記加熱部材と前記冷却部材が熱的結合にない第２の状態をさらに含んでいることを特徴とする請求項３６記載の装置。
【請求項３８】
前記加熱部材が、炭化ケイ素の層からなり、前記加熱部材は、約５００Ｊ／°Ｃより小さい熱容量を有し、直径が約８インチ(約２０３．２ｍｍ)から約１３インチ(３３０．２ｍｍ)の範囲にあり、全体の厚さが約０．２５インチ（約６．３５ｍｍ）よりも薄いことを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項３９】
前記加工物は、マイクロエレクトロニクスデバイスであることを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項４０】
前記加工物は、直径が約２００〜約３００ｍｍの範囲にあるシリコンウエハからなることを特徴とする請求項３９記載の装置。
【請求項４１】
前記装置は、焼成装置／冷却装置の組合せからなることを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項４２】
前記装置は、プライム／冷却装置からなることを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項４３】
前記熱伝導層は、窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項４４】
加工物の温度を制御するのに適した装置であって、
（ａ）熱伝導性の低熱容量加熱部材と熱接触状態で加工物を支持するための加工物支持面を有する熱伝導性のセラミック層を含み、前記加熱部材からの熱が前記加工物に伝達され、前記セラミック層が、重量比で少なくとも純度９８％の炭化ケイ素である前記低熱容量加熱部材と、
（ｂ）高熱容量冷却部材とを含み、
前記冷却部材が前記加熱部材に熱接触している、少なくとも第１の状態において、
前記装置は、前記加熱部材と前記冷却部材を支持していることを特徴とする装置。
【請求項４５】
前記炭化ケイ素は、少なくとも１００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有することを特徴とする請求項４４記載の装置。
【請求項４６】
前記炭化ケイ素は、焼結された炭化ケイ素であることを特徴とする請求項４４記載の装置。
【請求項４７】
前記炭化ケイ素は、９９重量％よりも高い純度を有していることを特徴とする請求項４４記載の装置。
【請求項４８】
前記炭化ケイ素は、化学蒸着された炭化ケイ素であることを特徴とする請求項４４記載の装置。
【請求項４９】
加工物の温度を制御するのに適した装置であって、
（ａ）熱伝導性の低熱容量加熱部材と熱接触状態で加工物を支持するための加工物支持面を有し、前記加熱部材からの熱が前記加工物に伝達され、前記反対側の面は複数の電気抵抗型加熱体セグメントを含む多層化加熱体と熱接触状態にあり、前記多層化加熱体の少なくとも２つの異なる層は、それぞれ加熱体セグメントを含む前記低熱容量加熱部材と、
（ｂ）高熱容量冷却部材とを含み、
前記冷却部材が前記加熱部材に熱接触している、少なくとも第１の状態において、
前記装置は、前記加熱部材と前記冷却部材を支持していることを特徴とする装置。
【請求項５０】
前記各加熱体セグメントの温度は、独立して制御できることを特徴とする請求項４９記載の装置。
【請求項５１】
前記多層化加熱体の少なくとも２つの異なる層中に含まれた２つ以上の前記加熱体セグメントを含み、前記各加熱体セグメントはリード配線部を備え、
異なる層の前記加熱体セグメントおよび前記リード配線部は、１層の前記加熱体セグメントが別の層の前記リード配線部よりも前記熱伝導層の近くに配置されていることを特徴とする請求項４９記載の装置。
【請求項５２】
前記加熱部材は、内側加熱ゾーンおよび該内側加熱ゾーンを取り囲む外側加熱ゾーンを含むことを特徴とする請求項４９記載の装置。
【請求項５３】
前記内側加熱ゾーンは、２００ｍｍの加工物または３００ｍｍの加工物のサイズにほぼ等しいことを特徴とする請求項５２記載の装置。
【請求項５４】
前記加熱部材は、前記内側加熱ゾーンに対する１つまたは複数の加熱体セグメントを含む層と、前記外側加熱ゾーンに対する１つまたは複数の加熱体セグメントを含む別の層とを含むことを特徴とする請求項５２記載の装置。
【請求項５５】
前記内側加熱ゾーンは円形であり、前記外側加熱ゾーンは環状であり、前記外側加熱ゾーンの前記加熱体セグメントを含む層は、前記熱伝導層と前記内側加熱ソーンの前記加熱体セグメントを含む層との間に配置されていることを特徴とする請求項５４記載の装置。
【請求項５６】
０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有する表面を備え、かつ少なくとも９８重量％の炭化ケイ素からなる炭化ケイ素熱伝導層を有する低熱容量加熱部材を含む複合型焼成／冷却装置。
【請求項５７】
前記炭化ケイ素熱伝導層は、加工物支持面および反対側の面を含み、前記加工物支持面は、前記加熱部材と熱接触状態にある加工物を支持し、前記加熱部材からの熱が前記加工物に伝達され、前記反対側の面は、複数の電気抵抗形加熱体セグメントを含む多層化加熱体に熱接触し、前記多層化加熱体の少なくとも２つの異なる層は、それぞれ加熱体セグメントを含むことを特徴とする請求項５６記載の装置。
【請求項５８】
０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有する表面を備えた窒化アルミニウムからなる低熱容量加熱部材を含む複合型前処理／冷却装置。
【請求項５９】
前記窒化アルミニウム熱伝導層は、加工物支持面および反対側の面を含み、前記加工物支持面は、前記加熱部材と熱接触状態にある加工物を支持し、前記加熱部材からの熱が前記加工物に伝達され、前記反対側の面は、複数の電気抵抗型加熱体セグメントを含む多層化加熱体に熱接触し、前記多層化加熱体の少なくとも２つの異なる層はそれぞれ加熱体セグメントを含むことを特徴とする請求項５８記載の装置。
【請求項６０】
熱伝導性窒化アルミニウム層および加熱体を含み、前記熱伝導層は、０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有する表面を備えた支持面と前記加熱体と熱接触状態にある反対側の面とを有し、前記加熱体は、複数の加熱体セグメントを含むことを特徴とする低熱容量加熱部材。
【請求項６１】
２００ｍｍのウエハ基板を支持するために有用な直径を有することを特徴とする請求項６０記載の加熱部材。
【請求項６２】
３００ｍｍのウエハ基板を支持するために有用な直径を有することを特徴とする請求項６０記載の加熱部材。
【請求項６３】
前記支持面は、０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有することを特徴とする請求項６０記載の加熱部材。
【請求項６４】
３００ｍｍのウエハ基板を支持するために有用な直径を有することを特徴とする請求項６３記載の加熱部材。
【請求項６５】
前記支持面は、０．００２インチ（約０．０５０８ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有することを特徴とする請求項６０記載の加熱部材。
【請求項６６】
３００ｍｍのウエハ基板を支持するために有用な直径を有することを特徴とする請求項６５記載の加熱部材。
【請求項６７】
熱伝導層に熱接触する加熱体を含み、前記熱伝導層は窒化アルミニウムを含み、前記加熱体は複数の加熱体セグメントを含むことを特徴とする低熱容量加熱部材。
【請求項６８】
前記熱伝導層は、主成分が窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項６７記載の加熱部材。
【請求項６９】
加工物の温度を制御するのに適した装置であって、
（ａ）熱伝導性の低熱容量加熱部材と熱接触状態で加工物を支持するための加工物支持面を有する剛性の熱伝導層を有し、前記加熱部材からの熱が前記加工物に伝達され、前記熱伝導層は窒化アルミニウムを含む前記低熱容量加熱部材と、
（ｂ）高熱容量冷却部材とを含み、
前記冷却部材が前記加熱部材に熱接触している、少なくとも第１の状態において、
前記装置は、前記加熱部材と前記冷却部材を支持していることを特徴とする装置。
【請求項７０】
さらに、前記加熱部材と前記冷却部材が熱的結合しない第２の状態を含むことを特徴とする請求項６９記載の装置。
【請求項７１】
前記加工物は、マイクロエレクトロニックデバイスを含むことを特徴とする請求項６９記載の装置。
【請求項７２】
前記加工物は、約２００〜約３００ｍｍの範囲の直径を有するシリコンウエハを含むことを特徴とする請求項７１記載の装置。
【請求項７３】
加熱部材の支持面は、０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有することを特徴とする請求項７２記載の装置。
【請求項７４】
前記装置は、焼成／冷却装置を含むことを特徴とする請求項６９記載の装置。
【請求項７５】
前記装置は、プライム／冷却装置を含むことを特徴とする請求項６９記載の装置。
【請求項７６】
０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有する表面を有する窒化アルミニウム熱伝導層を備えた低熱容量加熱部材を含む複合型焼成／冷却装置。
【請求項７７】
炭化ケイ素熱伝導層は、加工物支持面および反対側の面を含み、前記加工物支持面は、前記加熱部材と熱接触状態にある加工物を支持し、前記加熱部材からの熱が前記加工物に伝達され、前記反対側の面は、複数の電気抵抗型加熱体セグメントを含む多層化加熱体に熱接触することを特徴とする請求項７６記載の装置。
【請求項７８】
０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有する表面を有する窒化アルミニウム熱伝導層を備えた低熱容量加熱部材を含む複合型プライム／冷却装置。
【請求項７９】
前記窒化アルミニウム熱伝導層は、加工物支持面および反対側の面を含み、前記加工物支持面は、前記加熱部材と熱接触状態にある加工物を支持し、前記加熱部材からの熱が前記加工物に伝達され、前記反対側の面は、複数の電気抵抗型加熱体セグメントを含む多層化加熱体に熱接触することを特徴とする請求項７８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱部材、加熱体、および加熱部材および加熱体が組み込まれかつ加工物の加熱および冷却に有用な装置に関する。このような装置には、マイクロエレクトロニックデバイスの製造において使用される焼成（bake）／冷却装置およびプライム（prime）／冷却装置が含まれる。加熱部材は、比較的高い平坦度を有するように形成することができ、それによって処理中の熱伝達の効率および均一性が改善される。
【背景技術】
【０００２】
多くの製品の製造では、温度および温度変化の正確な制御が要求される。たとえば、集積回路、フラットディスプレイパネル、薄膜ヘッド等のマイクロエレクトロニックデバイスの製造には、半導体ウエハ（集積回路の場合）のような基板の表面に、フォトレジストのような特定の材料の層を付加する工程が含まれる。特に、フォトレジストは、選択された部分を硬化するため、その処理の間に、焼成してその後冷却しなければならないが、フォトレジストの選択された部分を良好な解像度で適切に硬化するために、加熱工程および冷却工程を厳密な温度条件の範囲内で正確に制御する必要がある。近年、加工物上に形成される構造物（feature）のサイズが微小化してサブミクロンオーダーに近付くにつれて、加工物の温度の精度および均一な加熱の重要性がさらに増大している。
【０００３】
高精度な温度条件を要する他の製品および処理には、調薬、機器の殺菌、および生体工学を含む医薬品およびその処理、加速寿命試験技術、射出成形作業、圧電素子、写真フィルムの処理、スパッタリングやプレーティングのような材料付着処理、マイクロマシンの製造、インクジェット印刷、燃料射出などがある。
【０００４】
マイクロエレクトロニックデバイスの加熱工程および冷却工程は、通常、加工物が晒される温度を所望の温度プロファイルに従って一巡させることを含み、この処理において、加工物は、高い平衡温度に維持され、相対的に低い平衡温度に冷却され、さらにそれらの平衡温度間において様々な変化率（℃／ｓ）での温度変化を受ける。従来の焼成／冷却作業では、加熱工程および冷却工程を遂行するために個別の加熱プレート（bakeplate）および冷却プレートが使用され、加工物自体を物理的に持ち上げて１つのプレートから別のプレートへ移送する搬送機構を使用する必要があった。この方法は、次のような多くの欠点を有している。第１に、加熱プレートと冷却プレートとの間を移送される間は、加工物の温度が制御されない。第２に、プレート間を加工物が移送される時間の変動により、焼成／冷却処理を完了するために必要な全体の時間を高精度に制御することができない。第３に、必要な移送に時間がかかり、製造工程における処理能力が低下する。第４に、装置のコストにプレート間の移送時に加工物を操作するための構成部品のコストが含まれる。第５に、プレート間の機械的な移送によって、加工物の汚染の可能性が発生する。したがって、加熱部材から別体の冷却プレートへ、また、冷却プレートから加熱部材へ、加工物を物理的に持ち上げて搬送することなく、焼成および冷却の両方の作業を遂行できることが望ましい。
【０００５】
温度制御に関する最近の取り組みは、「低熱容量で、熱伝導性の加熱プレートを含む加熱／冷却装置（Combination Bake/Chill Apparatus Incorporating Low Thermal Mass, Thermally Conductive Bakeplate）」と称する特許文献１に記載されている。特許文献１には、焼成および冷却の両方の作業の間に加工物を支持する低熱容量の加熱部材を備えた単一の装置を使用する方法が開示されている。この方法では、加熱部材の一面上に加工物を支持しながら、加熱部材の他方の面を、相対的に熱容量の大きな冷却プレートに対して熱接触させたり、またはその熱接触から切り離したりすることができる。単純な機構を使用して、加熱部材と冷却プレートとを物理的に分離して急速な加熱を実施し、また、加熱部材と冷却部材とを結合して急速な冷却を実施する。この方法によって、加熱部材から別体の冷却プレートへ加工物を持ち上げて移送する作業の必要性がなくなり、有利なことには、冷却作業および加熱作業の両方を加工物の下方向から実施することが可能となる。
【特許文献１】
米国特許第６，０７２，１６３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
加熱および冷却の機能を併せ持つ装置、たとえば焼成／冷却装置またはプライム／冷却装置による加熱作業および冷却作業において、高い平坦度が加熱部材の重要な特性であることが発見された。加熱部材の支持面とその加熱部材によって支持される加工物との間の典型的な間隙寸法は、数千分の１インチ、たとえば１／６０００インチ（約１／２４００ｃｍ）以下とすることができる。加熱部材と加工物との間に熱が均一に伝達されるためには、両者の間の間隙が、加熱部材と加工物との間の全領域に渡って均一に広がっていることが重要である。
【０００７】
非均一な熱伝達の影響の例として、マイクロエレクトロニックデバイス上に、フォトレジストのような反応性の化学物質層を付着させる場合を考える。上述したように、マイクロレクトロニックデバイス上に配置される構造物は益々微細になり、０．１３μｍ、さらにはそれ以下に達している。構造物のサイズの微小化に伴って、処理の非均一性に対する許容度が低減する。構造物が小さくなるにつれて、処理される加工物の最終品質に対して以前はその効果を無視し得た影響が重要になってきた。このような極小の構造物を形成するために使用されるフォトレジストの場合、その感温性が製品の最終品質に影響を及ぼす場合がある。特に、フォトレジスト層に渡る温度が非均一であると、たとえその差が僅かであっても、溶剤蒸発の非均一性、または現像、化学増幅、あるいはフォトレジストの光化学反応等の反応速度論的非均一性によって、付着されるフォトレジスト層の厚みの非均一性、または現像される構造物のサイズの非均一性が生じる可能性がある。これらの非均一な処理によって、化学物質を使用して製造される製品の細部（たとえば、構造物のサイズ）に非均一性および不完全性が生じる可能性がある。加工物の加熱の均一性を改善する方法によれば、製品の品質を向上させ、不良品を低減することができる。
【０００８】
反応速度、構造物のサイズ、均一性、そして最終的には製品の品質に影響を及ぼす可能性のある他の変数は、冷却工程および加熱工程のタイミングである。多くの化学反応は感温性であり、したがって特定の温度で生じるように意図されている。最適な温度制御には、加工物およびその化学物質（たとえば、フォトレジスト）を所望の温度に急速に加熱し、最適温度以下の温度で経過する時間を最小化して、所望の温度で反応する時間を最大化することが含まれる。これによって、反応の精度と反応する化学物質の均一性が増大する。加熱部材は、急速かつ高精度な加熱および冷却を可能にするような特性を有することが特に望ましい。加工物の高い処理能力および品質のため、加熱および冷却が機敏に実施できることが望ましく、また有用である。
【０００９】
加工物の加熱における高度な均一性は、次のうちの１つまたは複数の特性を有する低熱容量の加熱部材を選択することによって達成できることが発見された。すなわち、支持面の高い平坦性、熱伝導層の高い熱伝導性、独立に温度制御される領域、所望の平坦度および熱伝導率を達成するための捩り剛性、曲げ剛性、および熱特性を有する熱伝導層である。加工物の加熱の均一性を改善することによって、加工物の全面に渡る化学的処理（たとえば、溶剤蒸発または化学反応）の均一性を改善することができ、それによって構造物のサイズの均一性が改善され、最終的には製品の品質および歩留まりが向上する。
【００１０】
従来、加熱部材の形成において使用された典型的な工程には、加熱部材の材料に高圧をかけることが含まれていた。加熱部材は、たとえば複数の金属層のような多数の層および高温・高圧を使用して結合された加熱体から構成されていた。たとえばアルミニウム等の金属のような加熱部材中の層として使用される多くの材料は、比較的高い柔軟性を有している。加熱部材を形成するために使用される高圧は、加熱部材の最終的な平坦度に対して悪影響を及ぼす傾向があった。たとえば、薄く平坦なアルミニウムのシートに加熱体を結合することによって、アルミニウムのシートに最大で１００分の１インチ（約４０分の１ｃｍ）の変形が生じることが分かった。結果として、加熱部材の全体的な平坦度が低下して反りが生じ、それによって、加熱部材の使用中に、加熱部材と加工物との間に非均一な間隙が生じる。その間隙によって、今度は、加熱部材による加工物の加熱が非均一になる。さらなる問題として、金属の特性には比較的低い剛性および比較的高い柔軟性が含まれるため、一般に、まず薄くかつ平坦な金属シートを形成することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
低熱容量加熱部材を、上述した寸法安定性の問題を有さない比較的高い剛性を有するセラミック材料から構成でき、その加熱部材を、比較的高い平坦度を有するように構成でき、同時に、低熱容量、および高くかつ均一な熱伝導性などの所望の熱特性を有するように選択できることが発見された。有用なセラミック材料は、通常は、少なくとも２００ＧＰａのヤング率によって特徴付けられる剛性を有し、好適な平坦度に加工可能なものである。好適な平坦度は、約０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）よりも値が小さく、さらに好適には約０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）、さらに好適には約０．００２インチ（約０．０５０８ｍｍ）よりも値が小さい。
【００１２】
好適な加熱部材は、加熱体に結合し、高い平坦度を備えたセラミックの熱伝導層を含むことができる。加熱部材は、たとえば、一方の面が非常に高い平坦度を有するように仕上げられた剛性を有する単一のセラミック層により構成され、他方の面は加熱体に結合するものである。別の実施形態では、加熱部材は、加熱体を挟む２つのセラミック層を含むことができる。これらの加熱部材は、セラミックの熱伝導層の平坦度にはそれほど悪影響を与えない方法を使用して製造および組立てることによって、優れた平坦度を有する加熱部材を製造することができ、その使用により、平坦度の劣る加熱部材よりも均一な熱伝達が提供される。セラミックは、複合型焼成／冷却装置における使用のために、比較的低比熱（したがって、低熱容量）であること、および高熱伝導性を有することの１つまたは複数のような、さらに有利な特性を有する可能性がある。
【００１３】
１つまたは複数のこのような利点を提供できる好適なセラミック材料の１つは、炭化ケイ素として知られ、特に、９５重量％よりも高い純度（たとえば、少なくとも９８重量％または９９重量％、さらに９９．９９９重量％またはそれ以上）を有する炭化ケイ素である。このような高純度によって、均一性が向上し、より均一な熱伝達が達成される。熱伝導層は、他の材料から形成することもでき、特に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ベリリウム銅、ベリリウム、黒鉛フォーム等のような、好適な剛性および熱特性を有する他のセラミックス材料が使用できる。
【００１４】
本発明に係る加熱部材の他の利点には、次のうちの１つまたは複数が含まれる。平坦度を向上することによって、他の加熱部材ではしばしば必要な加熱部材に対する加工物の真空吸引の必要がなくなる（真空の使用が有用かつ所望の場合もある）。これによって、加熱部材を使用する装置および加熱部材自体の複雑性を低減することができる。また、加熱部材の表面に配置される突起の数を低減するか、または突起の必要性をなくすことができ、より効率的な熱伝達が達成される。
【００１５】
本発明に係る好適な加熱部材には、多層化加熱体（すなわち、加熱体の２層以上の層に分離された加熱体セグメントを含む加熱体を意味する）を含めることができる（もちろん、単一層の加熱体が有用な場合もある）。
【００１６】
好適な加熱部材には、次のものを含めることができる。すなわち、１層または複数層の熱伝導層（１層を加工物支持面を含む最上面に配置し、さらに、第２の熱伝導層を、反対側の、冷却プレートとの熱接触状態に置かれる場合がある面に配置することもできる）、好ましくは多層化されてその各層に１つまたは複数の加熱体セグメントを含む加熱体、および接着剤である。さらに、たとえば温度センサ（好ましくは、加熱体の一層として形成してもよい）などの任意に選択可能な構成要素、または他の構成要素を含んでもよいことは、当業者にとって明らかである。電気抵抗加熱体セグメントを温度センサ層から分離するために、接地層が好適である。
【００１７】
本発明の好適な実施形態は、加熱工程および冷却工程を通じて、加熱部材および加工物の温度を正確に制御可能な制御装置および制御方法を組込み、それによって加工物製造のための正確な温度仕様を確実に満足させることが好ましい。たとえば、１°Ｃ／ｓ〜５０°Ｃ／ｓの加熱速度または冷却速度が使用される場合、制御システムは、加工物の温度をそのような高速な温度変化に同等な鋭敏性を有して制御可能なものとすることができる。
【００１８】
本発明の一態様は、０．０１インチよりも値の小さい平坦度を備えた支持面を有する熱伝導層を含む低熱容量加熱部材に関する。熱伝導層は、加熱体に熱接触する反対側の面も有する。
【００１９】
本発明の別の態様は、熱伝導層に熱接触する加熱体を含む低熱容量加熱部材に関し、ここで、熱伝導層は、少なくとも約９８重量％の純度を有する炭化ケイ素を含む。
【００２０】
本発明の別の態様は、熱伝導層に熱接触する加熱体を含む低熱容量加熱部材に関し、ここで、熱伝導層は窒化アルミニウムである。熱伝導層は、窒化アルミニウムからなるものであっても、または主成分が窒化アルミニウムからなるものであってもよい。
【００２１】
本発明の別の態様は、熱伝導層に熱接触する多層化加熱体を含む低熱容量加熱部材に関する。多層化加熱体は、複数の電気抵抗型加熱体セグメントを含み、多層化加熱体の少なくとも２つの異なる層はそれぞれ加熱体セグメントを含む。
【００２２】
本発明のさらに別の態様は、多層化加熱体に関する。多層化加熱体は、複数の電気抵抗型加熱体セグメントを含み、多層化加熱体の少なくとも２つの異なる層は、それぞれ加熱体セグメントを含む。加熱体は、好ましくは、ほぼ平坦であり、平坦な基板を加熱するために使用することができる。
【００２３】
本発明のさらに別の態様は、０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を備えた支持面を有する熱伝導性炭化ケイ素層と、この炭化ケイ素層の反対側の面に熱接触する多層化加熱体と含む加熱部材に関し、ここで、炭化ケイ素は少なくとも１００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有し、多層化加熱体は複数の電気抵抗加熱体セグメントを含み、さらに、多層化加熱体の少なくとも２つの異なる層のそれぞれは、１つまたは複数の加熱体セグメントを含む。
【００２４】
本発明のさらに別の態様は、加工物の温度を制御するのに適した装置に関する。この装置は、（ａ）熱伝導性の低熱容量加熱部材と熱接触状態で加工物を支持するための加工物支持面を有し、加熱部材からの熱が加工物に伝達され、支持面が０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）の平坦度を有している低熱容量加熱部材と、（ｂ）高熱容量冷却部材とを含む。この装置は、冷却部材が加熱部材に熱接触している、少なくとも第１の状態において、加熱部材および冷却部材を支持するものである。
【００２５】
本発明のさらに別の態様は、加工物の温度を制御するのに適した装置に関する。この装置は、（ａ）熱伝導性の低熱容量加熱部材と熱接触状態で加工物を支持するための加工物支持面を有する熱伝導性のセラミック層を含み、加熱部材からの熱が加工物に伝達され、セラミック層が、少なくとも９８重量％の純度を有する炭化ケイ素である低熱容量加熱部材と、（ｂ）高熱容量冷却部材とを含む。この装置は、冷却部材が加熱部材に熱接触している、少なくとも第１の状態において、加熱部材および冷却部材を支持するものである。
【００２６】
本発明のさらに別の態様は、加工物の温度を制御するのに適した装置に関する。この装置は、（ａ）熱伝導性の低熱容量加熱部材と熱接触状態で加工物を支持するための加工物支持面を有し、加熱部材からの熱が加工物に伝達され、反対側の面は複数の電気抵抗型加熱体セグメントを含む多層化加熱体と熱接触状態にあり、多層化加熱体の少なくとも２つの異なる層は、それぞれ加熱体セグメントを含む低熱容量加熱部材と、（ｂ）高熱容量冷却部材とを含む。この装置は、冷却部材が加熱部材に熱接触している、少なくとも第１の状態において、加熱部材および冷却部材を支持するものである。
【００２７】
本発明のさらに別の態様は、０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有する表面を備え、かつ少なくとも９８重量％の炭化ケイ素からなる炭化ケイ素熱伝導層を有する低熱容量加熱部材を含む複合型焼成／冷却装置に関する。
【００２８】
０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有する表面を備えた窒化アルミニウム熱伝導層を有する低熱容量加熱部材を含む複合型プライム／冷却装置に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明は、熱伝導層と熱接触する加熱体を含む低熱容量加熱部材に関する。この熱伝導層は、処理中に加工物を支持するための支持面と、加熱体に隣接する支持面とは反対側の第２面とを有する。本発明において、この熱伝導層を形成するために選択される材料は、比較的高い剛性、高平坦度への加工可能性、高い熱伝導率、比較的低い比熱、および比較的低い熱容量の１つまたは複数の特性を有する材料である。
【００３０】
加熱部材の熱伝導層の支持面が高い平坦度を有することによって、加熱部材と加工物との間の熱伝達の均一性が改善され、それによって加工物の処理が改善できることが発見された。加熱部材を使用して加工物を処理する際に、加熱部材の支持面とその加工部材によって支持される加工物との間の間隙を、数千分の１インチのスケール（たとえば、１／６０００インチ（約１／２４００ｃｍ）以下）にすることができる。重要なことは、この間隙を加熱部材と加工物との間の全領域に渡って可能な限り均一にすることによって、加熱および冷却の間にこれらの加熱部材と加工物との間で熱エネルギーが均一に伝達されるようにすることである。加熱部材の全領域に渡る均一な熱伝達によって、最適な処理を実行することができる。たとえば、加工物の表面に付着された化学物質の処理においては、熱伝達の均一性によって、特に加工物の全領域に渡る均一な溶剤蒸発および均一な反応速度を含む化学物質の均一な挙動が得られるため、その処理が最適化される。今日、加工物によってはその構造物が微小であるため、処理中の基板の全領域に渡る熱の非均一性を、たとえそれが僅かなものであっても回避することによって、処理される加工物の製造品質を顕著に向上させることができる。
【００３１】
したがって、本発明によれば、加熱部材は、０．０１インチ（約０.２５４ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有する支持面を備えることができる。好適な加熱部材は、０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）、さらに好ましくは、０．００２インチ（約０．０５０８ｍｍ）よりも値の小さい平坦度を有する支持面を備えることができる。この平坦度は、後述する周知の方法によって測定することができ、加熱部材の製造直後に測定することが最も便利であるが、たとえば加熱および冷却装置に加熱部材を組込む時、またはその装置において加熱部材を使用する時など、後で測定することもできる。
【００３２】
所望の平坦度と効率的な熱伝導特性を有する熱伝導層は、好ましくは、比較的高い剛性を有するセラミック材料によって形成される。他の所望の熱特性を達成するため、このセラミック材料は、さらに高熱伝導率および低熱容量を有するものであってもよい。
【００３３】
熱伝導層が比較的高い剛性を有することによって、その熱伝導層を高い平坦度を有するように形成することが可能になる。剛性は、周知の様々な方法および装置を使用した様々な標準的な試験によって、ヤング率として測定できる。好適な熱伝導層は、少なくとも約２００ＧＰａ（たとえば、３００または４００ＧＰａ）のヤング率を有するものとすることができる。たとえば、本発明に係る熱伝導性として使用するために好適な炭化ケイ素材料は、４１０ＧＰａ以上のヤング率を有することができ、窒化アルミニウムは、少なくとも約３４４ＧＰａのヤング率を有することができる。
【００３４】
また、加熱部材は、好ましくは比較的低い熱容量を有するものである。低い熱容量とは、加熱部材によって支持された加工物が、加熱部材を介して冷却部材との熱接触状態になることができる熱容量、たとえば、加熱部材が加工物をある程度加熱していていても、冷却部材が加熱部材の下からその加熱部材を介して加工物を冷却できる熱容量とすることができる。低熱容量を有する加熱部材の例は特許文献１に開示されており、その開示内容の全体は参考として本説明に含まれる。別の言い方をすれば、「低い熱容量」とは、加熱部材の熱容量の大きさが、処理されている加工物の熱容量に対して最大でもほぼ同じオーダーであることを意味するものである。好ましくは、加熱部材の熱容量の加工物の熱容量に対する比は、およそ１：１００からおよそ５：１の範囲内にあり、さらに好ましくは、およそ１：１０からおよそ２：１の範囲内にある。
【００３５】
「熱容量」は、物体の温度を１°Ｃ上昇させるために必要なエネルギーである。たとえば、加工物（たとえば、半導体ウエハ）、加熱部材、あるいは冷却部材のような固体の熱容量Ｑは、次式で表される。
Ｑ＝ＭＣp              （Ｉ）
ここで、Ｍは物体の質量（ｋｇ）、Ｃpは所望の温度範囲における物体の平均比熱（Ｊ／ｋｇ・°Ｃ）である。
【００３６】
セラミック材料の好適な比熱Ｃpは、１０００Ｊ／ｋｇ・°Ｃよりも小さく、さらに好ましくは、５００Ｊ／ｋｇ・°Ｃよりも小さくてもよい。多くのセラミック材料の比熱は、参考文献によって調べることも、または周知の方法によって測定することもできる。
【００３７】
一般に、加熱部材の質量は約５００ｇ〜約１５００グラムの範囲、たとえば約１０００ｇ、とすることができる。
【００３８】
上記式（Ｉ）は、熱容量Ｑが加熱部材の質量に関連することを示しており、質量は、たとえば厚みおよび直径のようなそのサイズに関連する。本発明に係る好適な加熱部材は、通常は５０００Ｊ／°Ｃ（直径３００ｍｍの基板に対して使用する場合）を超える従来の加熱部材の熱伝導層の熱容量よりも著しく小さな熱容量を有することができる。たとえば、本発明に係る低熱容量加熱部材の熱容量は、２０００Ｊ／°Ｃよりも小さく、好ましくは２０００Ｊ／°Ｃよりも小さく、さらに好ましくは５００Ｊ／°Ｃよりも小さくすることができる。これらの値は、８〜１３インチ（約２０３〜約３３０ｍｍ）の直径を有し、好ましくは厚さが０．５インチ（約１２．７ｍｍ）よりも薄い加熱部材、さらに好ましくは厚さが０．０６〜０．２５インチ（約１．５２〜６．３５ｍｍ）である加熱部材に対する値である。加熱部材の熱容量は、通常、その大部分が１層または複数層の熱伝導層によるものであり、加熱部材の加熱体部分は、熱伝導層の全熱容量に対して、たとえば約１０または５パーセト、あるいは１パーセント以下の小さな割合を占めるに過ぎない。
【００３９】
加熱部材の熱伝導層は、加工物の効率的かつ急速な加熱および冷却の実施を容易にするために、低熱容量であって、好ましくは高熱伝導率を兼ね備えていることが望ましい。このことは、焼成／冷却装置あるいはプライム／冷却装置の動作において、冷却工程の間に、加工物から低熱容量熱伝導加熱部材を介して冷却装置へと熱エネルギーが流出する時に、特に有利となり得る。
【００４０】
熱伝導層は、加熱部材の他の層を支持および保護する構造層として機能し、加熱部材を通じた横方向および縦方向の熱伝導を促進して、加熱部材の表面に支持された加工物の均一な加熱を容易にする機能も果たすものである。したがって、熱伝導層は、上述した好適な特性に加えて、好ましくは、加熱部材の他の層を構造的に支持すると共に、歪、弛み、皺、張力の損失、または他の望ましくない劣化が生じることなく、加熱動作および冷却動作の温度変化に耐えるために好適な材料、またはそのような複数の材料の組合せによって形成されるものである。後述するように、本発明に係る加熱部材は、１層または２層（所望の場合は、それ以上）の熱伝導層を含み、たとえば１層を加熱部材の最上部に配置するものであり、さらに、第２層を加熱部材の最下部に配置してもよい。
【００４１】
熱伝導層の厚さは、その組成、熱特性、たとえば加熱体のような加熱部材の他の要素の性質、および加熱部材に含まれる熱伝導層の数および組成といった、種々の要因に依存する。機能的には、熱伝導層は、その固有の剛性に基づいて、加熱部材に所望の一体構造、捩り剛性、および曲げ剛性を与えるために十分厚くなければならない。一方、熱伝導層は、加熱部材を通じた熱エネルギーの効率的な流れが可能となるために十分薄くなければならず、さらに比較的低い熱容量を維持する必要がある。したがって、熱伝導層は、比較的低い熱容量を有し、加熱作用および冷却作用を支持された加工物に熱伝導層を介して急速に伝達できるために十分薄くなければならない。しかし、熱伝導層が薄過ぎると、加熱部材の機械的強度および耐久性が劣化し、その耐用寿命が短くなる。厚さの減少に伴って、横方向の熱伝導性、したがって加熱の均一性も低下するが、一方、熱伝導層を厚くすると、横方向の熱伝導特性が改善され、支持された加工物の加熱の均一性が向上する傾向がある。しかし、熱伝導層が厚過ぎ、したがって質量が大き過ぎると、熱容量が増大し、支持された加工物の加熱および冷却の速度が低下する。
【００４２】
これらの考慮事項を調和させるため、加熱部材は、好ましくは１層または２層の熱伝導層を含み、１層を上側の加工物支持面に配置するものであり、さらに、他の層を冷却プレートと熱接触可能な反対側の面に配置してもよい。１層または２層の熱伝導層の厚さは、熱伝導層の組成および加熱部材に含まれる熱伝導層が１層または２層か（もしくは、それ以上か）どうかを含む種々の要因に依存する。結果として、加熱部材の総厚は、０．２５インチ（約６．３５ｍｍ）よりも薄いことが好ましく、さらに好ましくは０．１２５インチ（約３．１８ｍｍ）よりも薄いものである。したがって、個々の熱伝導層の好適な厚さは、約４０ミル〜約０．１２５インチ（約１．０２ｍｍ〜約３．１８ｍｍ）の範囲とすることができる。２層の熱伝導層を有する加熱部材では、各層の厚さは、好ましくは約０．１０インチ（約２．５４ｍｍ）を超えないものとし、さらに好ましくは、加熱部材の総厚が０．２５インチ（約６．３５ｍｍ）よりも薄く、好ましくは約０．１２５インチ（約３．１８ｍｍ）よりも薄くなるように、約０．０４〜約０．０８インチ（約１．０２ｍｍ〜約２．０３ｍｍ）の範囲とする。加工物支持面上に１層の熱伝導層のみを有する加熱部材では、その厚さを２倍またはそれ以上にしてもよく、この場合にも、加熱部材の総厚が０．２５インチ（約６．３５ｍｍ）よりも薄く、好ましくは約０．１２５インチ（約３．１８ｍｍ）よりも薄くなるように、好ましくは約０．１０〜約０．２０インチ（約２．５４ｍｍ〜５．０８ｍｍ）とするものである。
【００４３】
熱伝導層として有用な材料には、高い平坦度に加工可能なセラミックス、好適な熱特性を有する材料、さらに好ましくは、高い平坦度への加工性と好適な熱特性の両方を有する材料が含まれる。
【００４４】
多くのセラミック材料は、高い平坦度を有するように加工することができる。具体的なセラミックスとしては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む種類のセラミック材料が挙げられる。本発明に係る好適な熱伝導層には炭化ケイ素を含めることができ、特に好適な熱伝導層は、様々な純度の炭化ケイ素から形成される、すなわち、その炭化ケイ素からなるかもしくは本質的にその炭化ケイ素からなるもである。
【００４５】
炭化ケイ素は多様な形態を有する。種々の形態は、とりわけその純度または熱伝達特性によって特徴付けられ、この二つは多少関連している。本発明によれば、好適な炭化ケイ素材料は、比較的高い純度であり、比較的高い熱伝導率を有し、ケイ素および炭素の組成に関して比較的高い均一性を有するものとすることができる。組成の均一性は、比較的高い熱伝導率が、熱伝導層の全面に渡ってほぼ均一であることを意味する。
【００４６】
炭化ケイ素の１つの種類として、通常、反応焼結（reaction-bonded）炭化ケイ素と呼ばれるものがある。反応焼結炭化ケイ素は、たとえばアーカンソー州ベントンのアルミナ・セラミックス社（Alumina Ceramics, Inc.）およびその他の業者から市販されている。反応焼結炭化ケイ素は、典型的には、最大で９７．５重量％、たとえば約９５〜９７重量％の範囲の炭化ケイ素純度を有する。この純度において、炭化ケイ素材料は、通常、約１００Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する。従って、この種の炭化ケイ素および反応焼結炭化ケイ素の純度は本発明において有用となり得るが、より高い純度を有する他の種類の炭化ケイ素、およびより高くかつ均一な熱伝導率が好ましい。
【００４７】
第２の種類の炭化ケイ素は、通常、焼結（sintered）炭化ケイ素と呼ばれるものである。この種の炭化ケイ素も、アルミナ・セラミックス社またはその他の業者から市販されている。焼結炭化ケイ素は、少なくとも９８重量％の純度を有し、微量元素として、ホウ素、遊離炭素、ニッケル、ヴァナジウム、鉄、およびその他の元素が含まれる。焼結炭化ケイ素は、しばしば約１００〜約１５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有する場合がある。
【００４８】
さらにもう１種類の炭化ケイ素は、ＣＶＤ（化学蒸着）炭化ケイ素と呼ばれるものである。ＣＶＤ炭化ケイ素は、一般に、少なくとも９９重量％の純度、さらには９９．９９９重量％までの、あるいはそれを超える超高純度を有し、その際、９９．９９９５重量％を含むかまたはそれを超える場合もある。ＣＶＤ炭化ケイ素は、しばしば、１５０Ｗ／ｍ・Ｋを超える（たとえば最大で約３００Ｗ／ｍ・Ｋの）熱伝導率を有する場合がある。ＣＶＤ炭化ケイ素は、たとえばローム・アンド・ハース社（Rohm and Haas）および他の業者から市販されている。
【００４９】
熱伝導層として有用な他の材料には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、通常はニッケル等でコーティングされたベリリウム銅（Ｂｅ−Ｃｕ：Ｂｅ ９０−９５％、Ｃｕ ５−１０％）、強い毒性を除けば単独で使用可能なベリリウム、黒鉛フォーム（graphite foam）（テキサス州デカテュアのポコ・グラファイツ社（Poco Graphites）から市販されている）、および同等の材料が含まれる。
【００５０】
上述したセラミックスのような材料は、加熱プレートおよび材料の技術分野において周知の方法によって、平坦な熱伝導層に形成することができる。たとえば、型成形、機械加工、熱処理（たとえば、焼結または焼成）、研削、ラッピング、および他の処理方法によって、セラミック材料から、０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）、０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）、または０．００２インチ（約０．０５０８ｍｍ）、あるいはそれよりも高い平坦度を備えた支持面を有するような均一な厚さの平坦な熱伝導層を形成することができる。
【００５１】
特に、炭化ケイ素材料の場合には、選択された炭化ケイ素の種類に応じて種々の処理方法のいずれかを使用することができる。反応焼結炭化ケイ素の場合、固体シリカを出発材料とし、シリカ中に炭素が拡散される。この固体材料は、平板状に機械加工することができ、さらに、高精細仕上げのためにラップ装置または手作業によりラッピングすることもできる。焼結炭化ケイ素の場合、粉体を出発材料とし、比較的平坦で均一な厚さの平板状に型成形することができる。この平板は、さらに、機械加工、研削、および手作業またはラップ装置によるラッピングによって、非常に平坦な面を有するように加工できる。ＣＶＤ炭化ケイ素の場合、固体を出発材料とし、機械加工、研削、およびラッピングによって、非常に平坦な面を有する平板に加工することができる。
【００５２】
加熱部材はさらに加熱体を含んでおり、この加熱体は、通常は電気抵抗に基づいて急速かつ高精度に熱を発生するために有用な任意の周知の材料とすることができる。本発明に係る加熱部材での使用のために好適な加熱体は、比較的薄く、さらに最も好ましくは高熱伝導率と低熱容量とを有するものである。このような加熱体は、加熱部材および加熱プレートの技術分野において周知である。
【００５３】
好適な加熱部材は、複数の加熱ゾーンを有することができる。このような好適な実施形態では、加熱体は複数の加熱体セグメントを含み、加熱部材の各加熱ゾーンに対して１つまたは複数の加熱体セグメントが対応するものである。最も好ましくは、各加熱体セグメントは、個別の電気配線を介して個別の（ただし、単一のプロセス制御装置に共通に接続された）温度制御機構に個々に接続されるものである。
【００５４】
したがって、本発明に係る好適な加熱部材は、１層または複数層の熱伝導層（１層を加工物支持面を含む最上面に配置し、さらに、第２の熱伝導層を、反対側の、冷却プレートとの熱接触状態に置かれる場合がある面に配置することもできる）、好ましくは多層化されてその各層に１つまたは複数の加熱体セグメントを含む加熱体、および接着剤を含むものである。さらに、たとえば温度センサなどの任意に選択可能な構成要素を含んでもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００５５】
任意に選択可能な構成要素の例には、測温抵抗体（resistance temperature detector：ＲＴＤ）のような温度監視要素が含まれる。任意に選択可能な構成要素の別の例には、熱伝導層として電気絶縁性セラミックが使用された場合、加熱部材のための保護グランドとして機能する電気接地層が含まれる。また、加熱体と温度監視要素との間に配置された場合には、この接地層は、ノイズを生成しかつ温度監視要素の測定値を不正確にする可能性のある加熱体からの電磁放射から、温度監視要素をシールドすることができる。接地層は、任意の導電材料から形成することができ、好ましくは、銅のような高導電性材料から形成される。
【００５６】
別の任意に選択可能な要素は、誘電層または絶縁層である。誘電層または絶縁層は、異なる導電層の間に配置されてそれらの間を電気的に絶縁するか、別の態様では、１層または複数層の比較的きめの粗い表面を有する層の間に配置されて、それらの面同士の接触を防止するものである。通常、熱伝導性であって電気絶縁性かつ耐熱性を有する接着層が、個々の層を結合するために使用される。
【００５７】
１層または複数層の熱伝導層を、周知の方法によって、加熱体および加熱部材の他の任意に選択可能な構成要素と組合せて、加熱部材として組立てることができる。加熱体および１つまたは複数の熱伝導層から加熱部材を形成する１つの方法によれば、加熱体層（たとえば、接着剤および電気抵抗加熱体セグメントを含む１つまたは複数の層）、任意に選択可能な接地板もしくは接地層、任意に選択可能な１つまたは複数の温度センサ、および１つまたは複数の熱伝導層を含む積層される個々の層は、調風装置のように（registrably）積層される。配置ピンは、調風装置のように、層が適切な配置をとって積層されるために積層された層を貫通する。積層された層は、次に、真空バッグ中に配置され、グラスファイバー繊維に包まれて、熱伝導層が損傷から保護される。真空吸引が実施されて、３５０psi（２４bars（２．４ＭＰａ））の高圧容器中でプレスされ、その後、３５０°Ｃで、層が互いに十分に結合するために十分な時間（通常２〜２４時間）だけ加熱される。
【００５８】
この加熱部材は、マイクロエレクトロニックデバイスを含む加工物を加熱および冷却すするために有用な装置において有用である。そのような装置には、たとえば、複合型焼成／冷却装置および複合型プライム／冷却装置が含まれる。「複合型焼成／冷却装置」という用語は、「低熱容量で、熱伝導性の加熱プレートを含む加熱／冷却装置（Combination Bake/Chill Apparatus Incorporating Low Thermal Mass, Thermally Conductive Bakeplate）」と称する特許文献１に記載されているような、加熱作業と冷却作業の両方の間に加工物を支持する低熱容量の加熱部材を有する装置を意味する。一面上に加工物を支持する一方、加熱部材の他方の面は、比較的熱容量の大きな冷却プレートと熱接触したり、または熱接触から分離されたりして、加熱作業および冷却作業を容易に切替えることができる。加熱部材と冷却プレートとを物理的に分離して迅速な加熱を実施し、または加熱部材と冷却プレートを結合させて迅速な冷却を実施するには、単純な機構が使用される。この方法によって、加熱部材から別体の冷却プレートへと加工物を持ち上げて移送する作業に依存する必要がなくなり、有利なことに、冷却と加熱の両方を加工物の下方向から実施することが可能になる。
【００５９】
図１ａ、図１ｂ、および図１ｃは、複合型焼成および冷却装置１０（以下、焼成／冷却装置１０とも呼ぶ）の好適な実施形態における３つの状態を、それぞれ概略的に示す図である。この装置は、半導体デバイス１２のような加工物を、少なくとも一度の加熱処理および少なくとも一度の冷却処理を含む温度プロファイルに従ってサイクル処理するために適した装置である。焼成／冷却装置１０は、底部ハウジング部材１６および頂部カバー１８を有するハウジング１４を含む。底部ハウジング部材１６と頂部カバー１８を、図１ａに示すように互いに分離したり、図１ｂ（焼成状態）および図１ｃ（冷却状態）に示すように閉じ合わせたりして、ハウジング１４を繰返し開閉することができる。ハウジング１４が開いているときに、加熱処理および冷却処理の準備として、半導体デバイス１２をハウジング１４内に挿入して固定支持ピン１９上に配置することができる。
【００６０】
ウエハ１２をハウジング１４内に挿入した後、図１ｂおよび図１ｃに示すようにハウジング１４を閉じることができ、それによって、加熱処理および冷却処理の間に発生する可能性のある対流を回避するために十分小さい容積を有しかつ環境から封止された密閉処理室が形成される。また、環境から封止することによって、処理室およびその収容物が汚染から保護され、さらに、必要に応じて、（特定の雰囲気中で処理を実行したい場合には）処理室のガスによるパージ、および（真空または部分真空中で処理を実行したい場合には）処理室からの排気を、より効率的に実施することが可能になる。
【００６１】
ハウジング１４は、加熱プレート２０の形態を有しかつ比較的低い熱容量を有する熱伝導性の加熱部材と、冷却部材２６の形態を有しかつ比較的高い熱容量を有する吸熱部とを含む。ここで、「高い熱容量」とは、冷却部材２６の熱容量の大きさが、少なくとも加熱プレート２０および加工物のいずれの熱容量よりも大きなオーダーであることを意味する。好ましくは、冷却部材２６の熱容量に対する加熱プレート２０の熱容量および加工物の熱容量の比はいずれも、少なくとも１０：１であり、さらに好ましくは１０：１〜１００：１、さらに好ましくは３０：１〜５０：１である。
【００６２】
加熱プレート２０は、加熱処理の間に加熱プレート２０からの熱エネルギーが半導体デバイスに伝達され得るように半導体デバイス１２を支持するための、第１主面２２を有している。加熱プレート２０は、冷却部材２６との熱接触状態に置かれる場合がある第２主面２４も含む。「熱接触」とは、冷却部材２６の冷却作用が加熱プレート２０を介して半導体デバイス２０に伝達されるように、加熱プレート２０と冷却部材２６とが十分に近接している状態を意味する。最も急速な冷却は、図１ｃに示すように、第２主面２４と冷却部材２６が直接物理的に接触する場合に生じる。しかし、加熱プレート２０と冷却部材２６とがある程度物理的に分離（たとえば、好適な実施形態では最大約３ｍｍ）されていても、効果的な冷却は生じ得る。
【００６３】
加熱プレート２０は、１つまたは複数の加熱体（加熱体が複数の部分に分割される場合には、各部分を「加熱体セグメント」と呼ぶ）を含み、この加熱体は、好ましくは、電気接続部３６によって加熱体に供給された電気エネルギーが、対応する量の熱エネルギーに変換されるタイプの抵抗加熱体（具体的な図示は省略する）の形態を有するものである。加熱プレート２０は、比較的低い熱容量を有しかつ熱伝導性であるため、加熱プレート２０に流入した熱エネルギーは半導体デバイス１２に素早く伝達される。
【００６４】
表面の面積に関しては、熱伝導層と熱接触する加熱体の面積（たとえば、すべての加熱体セグメントの総面積）は、好ましくは半導体デバイス１２よりも大きく、ウエハ１２の下側だけでなくウエハ１２の縁１３を超えて延在するものである。
【００６５】
冷却部材２６は、半導体デバイス１２および加熱プレート２０と比較して高い熱容量を有する。したがって、冷却部材２６は、熱容量の大きな吸熱部として機能し、冷却のために効果的な所望の冷却温度（たとえば、通常は１５°Ｃ〜２３°Ｃ）を保つことができる。加熱プレート２０が冷却部材２６との熱接触状態に置かれると、熱伝導によって加熱プレート２０、したがってウエハ１２は、急速に冷却される。冷却部材２６は、内部を通過する冷却流路２８を備えていてもよい。その冷媒は、冷却部材２６を腐食から保護するために防食剤を含んでいてもよい。
【００６６】
好適な実施形態では、冷却部材２６は、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、およびこれらの組合せ等の、耐食性かつ熱伝導性の金属から形成することができる。冷却部材２６を銅により形成する場合、銅を腐食から保護し、また銅イオンによるウエハ１２の汚染を防止するため、Ｎｉ等によってコーティングされていることが好ましい。冷却部材２６をアルミニウムにより形成する場合、アルミニウムを腐食から保護するため、たとえばポリテトラフルオロエチレンを含浸させた酸化アルミニウムからなる皮膜ようなコーティングによって、アルミニウムを皮膜保護することができる。
【００６７】
もちろん、このような冷却部材２６は１つの好適な実施形態に過ぎず、有用な他の種類の冷却構造および冷却装置もあり得る。たとえば、水のような液体の冷媒を使用する代りに、冷却されたガスを冷媒として使用することができる。しかし、必ずしも冷媒の使用が必要なわけではない。たとえば、冷却部材２６はペルチェ素子であってもよい。この素子は、冷却のために冷媒を必要とせず、電気エネルギーを利用することによって冷却される。
【００６８】
図１ａ、図１ｂ、および図１ｃを参照すると、加熱プレート２０と冷却部材２６は、お互いに対して往復するように移動可能であり、加熱処理および冷却処理を制御しながら実施するために、加熱プレート２０の第２主面２４と冷却部材２６の頂面２０とを分離したり、あるいは熱接触するように近接させたりすることができる。半導体デバイス１２の最も急速な焼成を達成するには、加熱プレート２０と冷却部材２６とを十分な間隔をあけて分離し、第２主面２４と頂面３０とが熱接触しないようにすることができる（図１ｂ参照）。加熱プレート２０と冷却部材２６がこのように分離されると、冷却部材２６の冷却作用は、事実上もしくは実質的には加熱プレート２０および半導体デバイス１２に伝達されない。半導体デバイス１２の最も急速な冷却を達成するには、加熱プレート２０の第２主面２４と冷却部材２６の頂面３０とを互いに物理的に接触するように配置し、その間、抵抗加熱体には電気エネルギーを供給しないようにすることができる。冷却／焼成の中間的な速度は、冷却部材２６と加熱プレート２０の間隔の調整、もしくは加熱プレート２０による発生熱量の変更、またはその両方によって達成することができる。たとえば、加熱プレート２０の所望の温度プロファイルは、加熱プレート２０と冷却部材２６との熱接触を維持しながら、半導体デバイス１２に対するある程度の加熱と冷却を同時に実施することによって達成できる。実際、加熱と冷却を同時に実施することは、加熱プレート２０、したがってウエハ１２を所望の平衡温度（必要に応じて、焼成および冷却のいずれの平衡温度でもよい）に維持するために特に有利な方法であり、この方法によって、加熱プレートの平衡温度を＋／−０．０１°Ｃ以内の精度で制御できる。
【００６９】
加熱プレート２０および冷却部材２６の相対的な往復移動は、任意の便利な駆動機構を使用することによって達成できる。図１ａ、図１ｂ、および図１ｃに示した１つの代表的な技術によれば、加熱プレート２０は上昇および下降可能な加熱プレートポスト３２上に支持され、その移動に応じて加熱プレート２０単独での移動が達成される。好適な実施形態では、加熱プレートポスト３２は中空であり、抵抗加熱体へ電気エネルギーを供給するための電気配線部３６を収容するものである。有利なことに、中空の加熱プレートポスト３２に収容された電気配線部３６は、外から見えないために美観上好ましいだけでなく、加熱プレートポスト３２の壁面によって十分に保護される。同様に、冷却部材２６は上昇および下降可能な冷却部材ポスト３４上に支持され、その移動に応じて冷却部材２６単独での移動が達成される。ポスト３２、３４は、加熱プレート２０および冷却部材２６を協調的に移動させるため、必要に応じて同時に駆動することもできる。
【００７０】
加熱プレート２０によって支持された加工物の加熱処理または冷却処理において、温度の変動中、ウエハ１２の縁１３に近い部分はウエハ１２の内側部分よりも“先行する”傾向があることを理解されたい。すなわち、縁１３は、昇温中はウエハ１２の内側部分よりも多少高温になり、降温中または平衡温度においてはウエハ１２の内側部分よりも多少低温になる傾向がある。このような温度のエッジ効果を補償するため、加熱プレート２０には少なくとも２つの独立した加熱ゾーンを組込むことが有利であり、この加熱ゾーンは、少なくとも加熱プレートすなわち加熱部材のウエハ１２に関連する領域に位置する内側第１加熱ゾーンと、少なくとも加熱部材の内側第１加熱ゾーンを取り囲む領域の一部に位置して加工物によって覆われた領域を縁取る環状の外側第２加熱ゾーンと、を少なくとも含むものである。これらの２つの加熱ゾーンの境界は、好ましくはウエハ１２の輪郭にほぼ一致するものとすることができる。
【００７１】
このような第１および第２の加熱ゾーンは独立に制御できることが好ましく、内側ゾーンおよび外側ゾーンの熱出力を独立に調整することによって、半導体デバイス１２の直径方向の温度プロファイルをより均一にすることができる。このようにして、温度のエッジ効果が観測された場合には、その効果を減少および好ましくは消滅させるため、加熱ゾーン間の温度差を調整することができる。所望の場合、各加熱ゾーンをそれぞれの異なる制御装置によって制御してもよい。あるいは、各加熱ゾーンは、それぞれのゾーンの熱出力を所望の仕方で制御可能な１つの共通の制御装置を共有するものであってもよい。
【００７２】
加熱プレート２０のウエハ支持面である第１主面２２は、加熱プレート２０と半導体デバイス１２との間の間隙６２を一定に保つため、複数の突起５６を有していてもよい。従来の実施例によれば、突起５６は、通常は１０μｍ〜３００μｍの範囲、好ましくは５０μｍ〜２００μｍの範囲の一様な高さを有している。個々の突起５６は、０．０１ｍｍ2〜約６ｍｍ2の範囲の面積を有して加工物を支持する水平面を有していもよい。突起５６は多様な形状に形成することができ、それらの形状には、たとえば、平坦な頂面を備えた多角形状、平坦な頂面を備えた円筒形状、球状または楕円体状、中空の管状であってかつ管の軸が表面２２に対してほぼ直交し、管状突起５６の壁縁のみが半導体デバイス１２に接触するような形状、およびこれらの組合せ等が含まれる。
【００７３】
突起５６は、寸法安定性および耐久性を有しかつ好ましくはウエハ１２を傷つけない任意の材料により形成することができる。たとえば、突起５６は、ポリマー、金属、セラミックス、またはそれらの組合せから形成してもよい。本実施形態では、アルミナ、ジルコニア、または熱伝導率の低い（たとえば、５０Ｗ／ｍ・Ｋ）その他のセラミック材料などのセラミックスが好ましい。突起５６は、物理的な配置、エッチング、スパッタ蒸着、化学蒸着、適切なマスクを使用した噴霧、スクリーン印刷等を含む任意の適切な技術を使用して形成することができる。
【００７４】
好ましくは、突起５６は、半導体デバイス１２と加熱プレートとの接触面積が、半導体デバイス１２の下に位置する第１主面の面積の１％、好ましくは０．１％未満であるようにするために効果的な密度分布特性を備えて配置されるものである。図１ｄに示す突起分布の具体例では、直径３００ｍｍの半導体ウエハを処理するために有用なサイズの加熱プレート上に、高さ１５０μｍ、外径約１．６ｍｍ、および内径約０．８ｍｍを有する１５個の管状突起が、それぞれ異なる半径を有する３つの同心円をなすように配置されており、具体的には、半径２．３７５インチ（約６０．３２５ｍｍ）に３個、半径６．３インチ（約１６０．０２ｍｍ）に６個、半径１０．６２５インチ（約２６９．８７５ｍｍ）に６個の突起が配置されている。この方法によれば、半導体デバイス１２と加熱プレート２０との全接触面積は無視し得る程度に小さいものであるが、半導体デバイス１２は適切に支持される。
【００７５】
加熱プレート２０は、加熱プレート２０と半導体デバイス１２との間の間隙６２に流体を連通させるための１つまたは複数の流路３８を備えていてもよい。加熱プレート２０と半導体デバイス１２との間の熱伝導性を高めたい場合、通常の空気または空気よりも熱伝導性の高い気体などのガスを間隙６２に充填することができる。たとえば、ヘリウムガスは、空気の約７倍の熱伝導性を有する。間隙６２にガスを導入することによって、半導体デバイスの縁１３が半導体デバイス１２の他の部分に比べて過熱する傾向を抑えることもできる。あるいは、半導体デバイス１２と加熱プレート２０との間に適切な封止が存在する場合、ウエハ１２をたとえば３０００Ｐａ〜１４０００Ｐａ程度の真空度で僅かに真空吸引してウエハ１２を固定するために、間隙６２を使用することもできる。しかし、平坦度の高い支持面を有する加熱部材を使用することによって、好ましくは、真空圧を使用して加工物を固定する必要はなくなる。
【００７６】
図１ａ、図１ｂ、および図１ｃを参照すると、加熱処理および冷却処理において、望ましくは、半導体デバイス１２の温度は直接的または間接的に監視され、ＰＩＤ制御などの適切なフィードバック制御手法を使用して、加熱プレート２０の熱出力を制御するものである。ウエハ温度を監視するための直接的な方法によれば、適切な温度センサ（図示せず）を半導体デバイス１２に直接取付けることができる。しかし、大量生産への応用に関しては、この方法は実用的もしくは望ましいとは言えない。
【００７７】
代りに、１つまたは複数の温度センサを、加熱部材の表面または内部に取付けることができる。加熱部材の好適な実施形態では、加熱プレート２０内に温度センサを組込むことによって、半導体デバイス１２の温度を間接的に監視することが望ましい。このような状況において、半導体デバイス１２の上面の実際の温度は、急速な温度変動時を含む加熱工程および冷却工程のほぼ全時間に渡って、加熱プレート２０の測定温度にほぼ対応するかまたはその温度に関連付けることができる。実際、加熱プレート２０の測定温度と半導体デバイス１２の温度との差はほぼ一定であり、さらに好ましくは、実用上無視することができる。したがって、加熱プレート２０に組込まれた温度センサを使用して半導体デバイス１２の上面の温度を間接的に監視する場合、必要であれば、測定温度に対して簡単な補正を実施して、半導体デバイス１２の上面の温度と測定温度との差を補償することができる。
【００７８】
本発明において使用する温度センサは、長時間に渡る安定性および一貫性を有しかつ短時間での温度測定が可能な、任意の適切な温度センサとすることができる。適切な種々の温度センサが知られているが、中でも薄膜型の測温抵抗体（resistance temperature detector:ＲＴＤ）センサが好適である。いくつかの適切な種類センサが、市販品として入手可能である。一例として、適切な薄膜ＲＴＤセンサが、ミネソタ州ミネアポリスのミンコ・プロダクツ社（Minco Products, Inc.）から型番５１７４２２ＰＤＸ４０Ａとして市販されている。このセンサには、厚さ約１００μｍのポリアミド樹脂（商標名「ＫＡＰＴＯＮ」）層によって被覆された直径約５０μｍの白金線（すなわち、被覆されたワイヤの全直径は約２５０μｍ）が組込まれている。このＲＴＤセンサを、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、微細構造化（microtextured）テフロン（Ｒ）樹脂）、およびこれらの組合せ等の耐熱性接着剤を使用して、加熱部材の所望の位置に接着することができる。電気抵抗加熱体セグメントを含む加熱体層の近くにＲＴＤを配置する場合、好ましくは、ＲＴＤと電気抵抗加熱体セグメントとの間に、例えば銅接地層などの接地層を配置することができる。接地層は、好ましくはＲＴＤをシールドし、ＲＴＤからの温度測定値信号に存在するノイズを低減するものである。
【００７９】
ＲＴＤ温度センサを購入する代りに、スパッタ−エッチング処理などの公知の適切な製造技術を使用し、ＲＴＤ特性を有する電気抵抗材料からその場でＲＴＤ温度センサを形成した後、所定位置に接着してもよい。たとえば、その場でＲＴＤセンサを形成するには、白金のような適切な電気抵抗性の金属層を、多層化加熱体中の１層上の所望の位置に付着させ、次いでエッチングを実施してＲＴＤ温度センサを形成することができる。センサとセンサが付着される部分との間には、絶縁層を付着することが望ましい。絶縁層は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、二酸化シリコン、窒化シリコン、およびこれらの組合せ等の、マイクロエレクトロニクス産業において従来使用されている任意の絶縁材料からなるものであってもよい。
【００８０】
図１ｅは、少なくとも３つの独立な温度センサを含む好適なＲＴＤ層を示す図である。ここで、第１の温度センサは、動作不良を検知して自動遮断を要求するものであり、第２の温度センサは第１領域の温度を測定し、第３の温度センサは第２領域の温度を測定するものである。
【００８１】
図１ａ、図１ｂ、図１ｃは、装置１０の３つの状態を概略的に示す図であり、特に、加熱処理および冷却処理がどのように実施されるかを示すものである。図１ａは、ハウジング１４が開いた「準備」状態にある装置１０を示しており、半導体デバイス１２を装置１０内に挿入して固定支持ピン１９上に配置することができる。加熱プレート２０は、初期的には好適な「アイドル」位置に配置され、冷却部材２６上に静止している。
【００８２】
図１ｂは、冷却部材２６から離れて加熱プレート２０の第２主面２４が冷却部材２６から熱分離された加熱プレート２０を持ち上げることによって、焼成サイクルが開始された状態の装置１０を示している。この状態において、加熱プレート２０の第１主面は、少なくとも支持ピン１９と同つら位置、または所望の場合それよりも高く持ち上げられ、それによって、半導体デバイス１２は加熱プレート２０の第１主面２２と熱接触状態になる。所望の場合、低真空を使用して、半導体デバイス１２を加熱プレート２０上に固定することができるが、上述したように、好適な支持面は、その平坦度が改善されているため真空を必要としない。
【００８３】
図１ｃは、装置１０における急速な冷却を達成するために効果的な状態を示している。この状態において、冷却部材２６は、加熱プレート２０の第２主面２４と熱接触するまで持ち上げられる。これによって、冷却部材２６の冷却作用は、加熱プレート２０を通じた熱伝導を介して半導体デバイス１２に伝達される。最大の冷却速度は、冷却処理の間に加熱ゾーン２５を完全にオフにすることによって達成でき、より緩やかな温度降下も、単に加熱ゾーン２５の熱出力を調整することによって達成できる。図１ｃに示す状態は、加熱ゾーン２５の熱出力を、所望の加熱速度を達成するために十分な程度に冷却部材２６の冷却作用を上回るまで増大させることによって、比較的遅い加熱速度を達成するために使用することもできる。加熱プレート２０および半導体デバイス１２は、冷却処理が完了した時に冷却部材２６から熱分離してもよい。この熱分離を達成するための最良の方法は、加熱プレート２０と冷却部材２６とを分離して図１ｂに示す状態にすることである。あるいは、比較的少量ではあるが十分なエネルギーを加熱ゾーン２５に供給しながら加熱プレート２０と冷却部材２６との熱接触を保つことによって、ウエハ１２を低温における所望の平衡温度に維持することができる。
【００８４】
本発明に係る加熱プレート７０の一実施形態を図２に示す。加熱プレート７０は、中心部に配置された多層化加熱体７２を含み、この多層化加熱体は、上から下に向かって、ＲＴＤ層７５、接地層７１、誘電体層７４、第１加熱体層７９、誘電体層７４、および第２加熱体層８１を含み、すべての層は接着剤（図示せず）によって結合されている。多層化加熱体７２の一面には、熱伝導層７６に接着されたポリイミド層７４が接着されており、多層化加熱体７２の他の面（第２加熱体層８１）には、第２の熱伝導層７６が直に接着されている。ウエハ８０を支持するための支持面７８上には、突起７７が設けられている。突起７７は、図１ａ、図１ｂ、および図１ｃに示す突起５６に対応するものとしてもよい。図２およびその他の図において、積層されて加熱プレート７０を構成する個々の層７２、７４、７６、７７の厚さは、正確な縮尺ではなく、説明のために拡大されて図示されている。
【００８５】
加熱プレート７０において、各熱伝導層７６は、ラッピング前に６０ミル（約１．５２ｍｍ）の厚さを有する炭化ケイ素から形成され、各誘電体層７４は、約５０μｍの厚さを有するポリアミドから形成される。各加熱体層７９、８１は、約０．００８インチ（約０．２０３ｍｍ）の厚さを有しかつ好適にはエッチングされた、銅またはＩＮＣＯＮＥＬである。
【００８６】
多層化加熱体の一実施形態を図５ａに示す。図５ａを参照すると、第１加熱体層５０４および第２加熱体層５２０は、導通路（「加熱体セグメント」とも称する）５１２、５１４、５１６、５２２、５２４、５２６を含み、これらの導通路によって、加熱部材の領域である環状の加熱ゾーン５０１および円状の加熱ゾーン５０２がそれぞれ定められる。（図５ａに示す各加熱ゾーンは、３つの導通路すなわち加熱体セグメントを含んでいるが、この態様は単に例示のためのものであり、各加熱ゾーンは、１つから所望のまたは実用的な数までの任意の数の加熱体セグメントを含んでいてもよい。また、加熱体セグメントによって覆うべき面積が、セグメントの長さおよび抵抗値を決定する要因になり、それらが今度は、利用可能な線幅、間隔、および抵抗体の組成等を決定する要因になることにも留意されたい。）電気接続部（リード配線部）５０６、５０８、５１０、５２８、５３０、５３２を介して、電気が導通路５１２、５１４、５１６、５２２、５２４、５２６に導電される。導通路に沿って導電される電気は、ウエハ（図示せず）を加熱するための熱エネルギーに変換され、その量は、各セグメントに印加される電圧との相関を有する。各導通路は、各加熱体層５０４、５２０がウエハの領域またはゾーンを均一に加熱できるように、十分な密度でそれぞれの加熱領域に配線されている。
【００８７】
加熱体を複数のゾーンに区画化するのは、加熱部材の全面に渡って面積当たりの熱出力を均一にし、異なるセグメントおよび異なるゾーン間での均一性を達成するためである。通常、各加熱体セグメントには、ほぼ等しい電圧が印加される。この場合、１つのセグメントにおける面積当たりの熱出力は、ヒータ線（加熱体）のサイズ（線幅）および密度（配置間隔）、および加熱体材料の抵抗値に依存する。各加熱体セグメントに印加される電圧が等しいことに基づき、かつ各セグメントによって覆われる特定の領域のサイズが与えられて、加熱体セグメントを形成するための線幅、間隔、および材料が、加熱ゾーンあるいは加熱部材の全面に渡って面積当たりの熱出力が均一になるように選択される。通常の熱出力は、平方インチ当たり約３０Ｗ（約４．６５Ｗ／ｃｍ2）とすることができる。
【００８８】
ヒータ線のサイズは、熱伝導層の厚さを合わせて考慮することによって選択することもできる。熱伝導層の厚さが増大すると、熱が表面に達する途中において、熱伝導層の厚みを通じた熱の横方向の拡散が容易になり、したがって線幅の細いヒータ線を使用することができる。
【００８９】
一般に、抵抗加熱体であるヒータ線は、加熱体セグメントに関連する全面積の５０〜７５％を覆うことが好ましい。
【００９０】
本発明に係る多層化加熱体の好適な実施形態において、図５ａおよび図５ｄに示す内側加熱ゾーンの３つの加熱体セグメントにおける加熱体として好適な材料として、ＣｕＮｉ（抵抗値６０Ω）を使用することができる。図５ａおよび図５ｃに示す外側加熱ゾーンの３つの加熱体セグメントのための好適な材料としては、ＩＮＣＯＮＥＬを使用することができる。図５ｃおよび図５ｄから分かるように、この好適な実施形態において、外側の各セグメントの面積は、内側の各セグメントの面積よりも小さい。
【００９１】
実際の実施例では、導通路の線幅は、通常、約０．２ｍｍから２ｍｍである。図５ａおよび図５ｄに示す好適な態様では、導通路５２２、５２４、５２６は、通常はパイ形の内側セグメントの形態を有し、それらが集合することによって、加工物（通常は、半径約３００ｍｍもしくは２００ｍｍ）のサイズにほぼ等しい円が形成され、図５ａおよび図５ｃに示すように、集合して環形を形成する外側セグメント５１２、５１４、５１６によって囲まれている。他の態様を使用することも可能であり、たとえば、所望の場合、使用するセグメントの数を増減してもよく、その形状を円形または多角形としてもよい。
【００９２】
図５ａを参照すると、この図は、熱伝導層に隣接する多層化加熱体の分解斜視図である。熱伝導層５００は、円状の内側ゾーン５０２と環状の外側ゾーン５０１からなる２つの加熱ゾーンに分けられる。各ゾーンは、３つの独立な加熱体セグメントに対応する３つの領域を含み、すなわち、内側加熱ゾーンを定める３つのパイ形内側セグメントは、加熱体層５２０中の同様の領域の３つのパイ形加熱体セグメントに対応し、環状の加熱ゾーンを定める３つの部分環形外側セグメントは、加熱体層５０４中の同様の領域の３つの同様の形状の加熱体セグメントに対応する。加熱部材の他の構成要素は、本説明の他の箇所で説明されるため、この多層化加熱体および熱伝導層の分解斜視図には図示されていない。
【００９３】
熱伝導層５００の下側には、この熱伝導層と熱接触する加熱体層５０４が存在する（図５ｃも参照）。この加熱体層は、環状の加熱ゾーン５０１を加熱するため、１つまたは複数の加熱体セグメントを含んでいる。図の例では、面積の等しい３つの別体の加熱体セグメント５２２、５２４、５２６が示されている。各加熱体セグメントには、加熱体セグメントへの一組のリード配線部５０６、５０８、５１０が取付けられている。
【００９４】
熱伝導層５００の下側であってかつ加熱体５０４の下側には、この熱伝導層と熱接触する加熱体層５２０が存在する（図５ｄも参照）。この加熱体層は、環状の加熱ゾーン５０２を加熱するため、１つまたは複数の加熱体セグメントを含んでいる。図の例では、面積の等しい３つの別体の加熱体セグメント５２０、５２２、５２４が示されている。各加熱体セグメントには、加熱体セグメントへの一組のリード配線部５２８、５０８、５１０が取付けられている。本発明の一実施形態において、加熱体層５２０の加熱体セグメント５２０、５２２、５２４のリード配線部５２８、５３０、５３２は、加熱体層５０４の加熱体セグメントの下側に隣接して走っている。
【００９５】
多層化加熱体の加熱体セグメントは、図５ａに示すように配置することも、あるいは、図５ｂに詳細に示すように、内側加熱ゾーンを外側加熱ゾーンよりも上側熱伝導層の近くに置くように配置することもできる。図５ｂは、突起７７を備えた熱伝導層７６の上面７８を有する加熱部材７０の別の実施形態を示す図である。熱伝導層の下側には、接着剤または誘電層を除いて、上から順に、接地層７１（ここでは、銅とする）、たとえば図５ｄに示すような内側ゾーン加熱体層５２０、ＲＴＤ層、たとえば図５ｃに示すような外側ゾーン加熱体層５０４、もう１つの接地層７１（ここでは、銅とする）、およびその使用を任意に選択できる下側熱伝導層が積層されている。
【００９６】
加熱ゾーンのための導通路すなわち加熱体セグメントは、多様な方法で形成することができる。１つの方法によれば、導通路は、最初は連続的な層である導電性材料から形成することもできる。特定の加熱ゾーンに関連する導通路すなわち加熱体セグメントは、任意の従来のエッチング技術を使用して、この連続的な層を精密エッチングすることによって形成してもよい。適切な導電性材料には、銅のような金属、カナダのインコ・アロイズ・インターナショナル社（Inco Alloys International, Ltd.）から商標名「ＩＮＣＯＮＥＬ」として市販されているＮｉ−Ｃｒ−Ｃｏ合金、あるいはニュージャージー州フランクリンレイクのエド・ファーガン社（Ed Fagan Company）から商標名「ＫＯＶＡＲ」として市販されているＮｉ−Ｃｒ−Ｃｏ合金のようなＮｉ−Ｃｒ含有合金、白金、ニッケル銅（ＮｉＣｕ）合金、およびこれらの組合せ等が含まれる。導電性の加熱体セグメントとして特に好適な材料には、ＣｕＮｉおよびＩＮＣＯＮＥＬから形成される材料が含まれる。これらの材料は、その温度係数が非常に低いためである。導電性の加熱体セグメントは、本発明の意図する種類の電気抵抗加熱を達成するために、任意の適切な厚さを有することができる。たとえば、０．８ミル（約０．０２ｍｍ）の厚さを有するＣｕＮｉ／ＩＮＣＯＮＥＬ加熱体セグメントにより加熱ゾーン８５を形成することが好適であることが見出された。
【００９７】
再び、主として図２を参照すると、誘電層７４は、２つの加熱体層７９、８１の間、ＲＴＤ層７５と熱伝導層７６との間、および接地層７１と加熱体層７９との間に含まれている。誘電層は、異なる導電層の間を電気的に絶縁するものであり、また隣接する層同士の粗面もしくは構造面を分離するものでもある。誘電層７４は、異なる層同士を結合するために使用される接着剤と協調して作用するものでもある。好ましくは、誘電層７４は、１０μｍ〜３０μｍの範囲の厚さを有し、マイクロエレクトロニクス産業で使用される任意の誘電性材料から形成することができる。適切な誘電性材料の代表的な例には、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、雲母、アルカリ成分をほぼ含まないガラス化された磁器フリットのような無機誘電体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミドのような耐熱性ポリマー、焼成および冷却に関連する温度範囲において電気絶縁性を保持する他の電気絶縁性材料、およびこれらの組合せ等が含まれる。好適な誘電層７４は、選択された接着剤と協調して作用するように選択される。
【００９８】
約３００°Ｃを超える温度を要する作業のために好適な誘電層７４には、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ケイ素、アルカリ成分をほぼ含まないガラス化された磁器フリット等が含まれる。約３００°Ｃ未満の温度での作業で使用される誘電層を形成するには、ポリアミド樹脂がより好ましい。有利なことに、ポリアミド樹脂は、一般に優れた接着特性および誘電性を有するだけでなく、安価であってかつ積層構造中に容易に組込むことができる。ポリアミド樹脂は一般に柔軟性を有するため、所望の場合、このようなポリアミド樹脂が組込まれた加熱プレート７０に形状順応性（conformability）を持たせることができる。本発明において有用であることが見出されたポリアミドの具体例は、Ｅ．Ｉ．デュポン・ド・ヌムール社（Ｅ．Ｉ． duPont de Nemours & Co.）からＥＫＪポリアミド熱硬化性接着剤としてシート形態で市販されている。
【００９９】
図３は、本発明に係る加熱プレート７０の別の実施形態を示す図である。図３の加熱プレート７０は、図２の加熱部プレート７０とほぼ同様のものであるが、図３の加熱プレート７０は、加熱プレート７０の最上部にあってウエハ８０を支持する単一の熱伝導層７６のみを有し、第２の熱伝導層を有していない点で異なっている。具体的には、図３の加熱プレート７０は、下から順に、第１加熱体層８１、誘電層７４、第２加熱体層７９、誘電層７４、接地層７１、ＲＴＤ層７５、誘電層７４、支持面７８上に突起７７を有する熱伝導層７６から形成される積層構造体である。第２熱伝導層が無いことのほかに、図２の加熱プレートとの別の顕著な相違点は、図３の加熱プレートの熱伝導層７６は、第２熱伝導層が無くても、単一の熱伝導層によって加熱プレート７０に十分な構造的一体性を与えるように、好ましくはより厚く形成されることである。その他の点では、図３の加熱プレートの各層は、図２の対応する各層と同様もしくは同一のものとすることができる。図３に示すような単一の熱伝導層のみを有する加熱プレート構成が有し得るさらなる利点には、構成の単純化、熱伝達の均一性の改善の可能性、加熱部材の構造的強度および平坦度の改善の可能性が含まれる。
【０１００】
図４は、本発明に係る加熱プレート７０のさらに別の実施形態を示す図である。図４の加熱プレートは、図２の加熱プレート７０とほぼ同様のものであるが、図４の加熱プレート７０は、ＲＴＤ層７５または接地層７１を含んでいない点で異なっている。図４の加熱プレート５０は、ＲＴＤ層の代りに、加熱部材の表面上に配置された温度センサを使用するものであり、図４には、加熱部材の最上面に接着された温度センサ８３が示されている。温度センサ８３は、任意の適切な温度センサとすることができる。したがって、図４の加熱プレート７０は、下から順に、誘電層７４、加熱体層８１、誘電層７４、加熱体層７９、誘電層７４、およびその支持面７８上に突起７７と支持面７８に接着された温度センサ８３とを有する熱伝導層７６を含む複数層から形成された積層構造体である。接地層７１、ＲＴＤ層７５、および第２熱伝導層７６（図示されていないが、含まれていてもよい）が無い点を除けば、図４の加熱プレートの各層は、図２または図２のいずれかの加熱プレート７０の対応する層と同様もしくは同一のものである。
【０１０１】
もちろん、加熱プレート７０における材料や積層順に対してその他の修正および変更を実施することもできる。たとえば、所望に応じて、加熱体層の数を増減してもよく、あるいは１つまたは複数の誘電層を省いてもよい。
【０１０２】
次に、図１ａ、図１ｂ、および図１ｃに示す装置１０の冷却特性を、図６および図７の温度プロファイルに関連させて詳細に説明する。加工物を冷却する１つの方法として、冷却部材２６の温度を、半導体デバイス１２が冷却されるべき温度である温度Ｔcに維持してもよい。図６には、このような方法を使用して冷却している間の、半導体デバイス１２の典型的な温度プロファイル９６が示されている。半導体デバイス１２は、まずその初期温度Ｔ0にあり、その後終期温度ＴCに漸近的に近付いて、時間ｔfの経過後にほぼその温度に到達する。図６に示すように、この従来の方法では、半導体デバイスの温度とＴSとの差が比較的大きな領域９８においては急速な初期冷却が生じるが、領域１００に示されるように、デバイスの温度がＴcに近付くにつれて、冷却速度が指数関数的に減少する。実際、図６に示す方法では、冷却時間の５０％以上が、最後の２〜３％の熱を半導体デバイス１２から取り除くために費やされる場合がある。
【０１０３】
もちろん、所望の場合には、本発明の実施例において図６の冷却方法を使用することもできる。しかし、図６の方法の非効率性を回避するため、本発明では、好ましくは、より好適な半導体デバイス１２の冷却方法である「冷却ブースト（chill boost）」法を使用する。図７に示すように、冷却ブースト法では、冷却部材２６の温度をＴcよりも低温のＴsに維持し、デバイス１２がＴcまで冷却された時に冷却を停止できるように、冷却中のデバイスの温度を動的に監視するものである。図７には、半導体デバイス１２を、相対的に高温の初期温度Ｔ0から所望の終期温度Ｔcまで冷却するときの温度プロファイル１０４が示されている。ここで、望ましくは、冷却部材の設定点温度Ｔsは、Ｔcよりも低い温度に維持される。これによって、ほぼすべての冷却作業が領域１０６に示されるような急速な冷却速度に従って達成できるような仕方で、半導体デバイス１２をＴcまで冷却することが可能となる。したがって、領域１０８に示されるような漸近的かつ非常に低速な冷却作業は、完全に回避される。一般に、所望の程度の冷却ブーストを達成するために、ＴsをＴcよりも約２°Ｃ〜３°Ｃ低温に設定することが適切であることが見出された。冷却ブースト法は、冷却を達成するための極めて高速かつ正確な方法である。冷却ブースト法によれば、主な理由として領域１０８に示されたような指数関数的かつ非常に低速な冷却が完全に回避されるため、冷却ブーストを使用しない従来の方法の場合と比較して、３倍程度高速に冷却作業を完了することが可能となる。
【０１０４】
デバイス１２のＴcへの冷却後、プロファイル領域１０９に示されるように、デバイス１２を所定の時間だけ温度Ｔcの平衡状態に維持することが望ましい場合がしばしばある。これは、図１ａ、図１ｂ、図１ｃに示す装置１０を使用して容易に達成される。簡単に言えば、冷却を開始するには、加熱プレート２０をオフにし、図１ｃに示すように、加熱プレートを冷却部材２６に熱接触させる。その結果、デバイス１２が冷却され、その温度はＴcに向かって下降する。デバイス１２の温度がＴcに達すると、図１ｃの状態は維持したまま、加熱プレート２０をオンにし、ウエハ１２をＴcに維持するために過不足のないエネルギーを供給する。加熱プレート２０の熱出力を制御して、デバイス１２の温度を所望の平衡温度Ｔcに維持するために、任意の適切なプロセス制御方法を使用することができる。
【０１０５】
平衡温度の維持もしくは温度プロファイルの制御、またはその両方のために、加熱プレート２０の熱出力と冷却部材２６の冷却作用とを組合わせて使用できることには、多くの顕著な利点がある。第１に、平衡温度を、長時間に渡って極めて高精度に維持することができる。たとえば、この方法によれば、特に、デジタルシグナルプロセッサ（digital signal processor：ＤＳＰ）を備え、パルス幅変調、比例／積分／微分（proportional / integral / derivative：ＰＩＤ）制御手法に基づいた好適なプロセス制御システムによって実施された場合、ウエハの温度Ｔcを約＋／−０．０３°Ｃの精度で維持することができる。第２に、このような方法は、冷却の進行を迅速に停止させるために加熱プレート２０からの熱を使用できるため、非常に高い応答性を有する。第３に、冷却部材２６の温度をそれほど高精度に制御する必要がない。冷却部材２６の温度がＴcよりも低温である限り、加工物の温度を高精度に制御することは、加熱プレート２０の熱出力を制御することによって達成できる。第４に、冷却部材２６の温度を高精度に制御する必要がないため、通常は正確な温度で冷却部材２６に冷媒を供給することに依存する機構を、省略することができる。
【０１０６】
一旦ウエハ１２の温度がＴcに達したならば、その後、温度を維持する必要がない場合、冷却を停止するための別の方法として、単に適切な時点で冷却部材２６から加熱プレート２０を分離することによって、冷却を停止することができる。この方法を使用すると、冷却処理において、冷却処理を停止させるための制御信号を発生すべき時点（「冷却終了点」）を予測できるために有利である。これによって、デバイス１２を、終期冷却温度Ｔcにできるだけ近い温度にまで確実に冷却することができる。実用上、冷却終了点は、好ましくは信号が発生した後に装置がその信号に応答するために必要な有限の遅れ時間を考慮に入れて、予測する必要がある。
【０１０７】
たとえば、図１ａ、図１ｂ、図１ｃに示す装置１０に関して言えば、冷却停止の制御信号の発生に続いて、冷却部材２６から加熱プレート２０を物理的に分離するために、短いけれども無視できない時間がかかる場合がある。したがって、そのような遅れ時間を予期し、冷却処理を停止するための制御信号は、半導体デバイス１２が実際に終期冷却温度Ｔcに到達する時点の少し前に、装置１０に送信しなければならない。具体的には、遅れ時間が約５００ｍｓの場合、分離信号は、半導体デバイス１２がＴcに到達すると予測される時点の、たとえば５００ｍｓ前に送信することができる。
【０１０８】
遅れ時間を考慮に入れて適切な冷却終了点を決定することは、任意の適切な開ループあるいは閉ループプロセス制御方法を使用して達成することができる。たとえば、ＰＩＤ制御手法を使用した制御システムのような適切な制御システムを使用して、適切な時点で冷却を停止させるために制御信号を装置１０に送信すべき冷却終了点を、動的に決定することができる。あるいは、冷却終了点に関連するパラメータ（たとえば、ウエハ温度、経過冷却時間、および遅れ時間等）を特徴付け、そのようなパラメータを監視して時間通りに冷却を停止することもできる。
【０１０９】
次に、図１ａ、図１ｂ、および図１ｃに示す装置１０の加熱特性を、図８および図９の温度プロファイルに関連させて詳細に説明する。図８には、半導体デバイス１２が温度Ｔ0（たとえば、室温）から温度ＴB（たとえば、１３０°Ｃ）まで時間ｔfに渡って加熱される加熱作業における、加熱プレート２０および半導体デバイス１２それぞれの典型的な温度プロファイル１３０および１３２が示されている。このような加熱の間は、通常、加熱プレートの温度プロファイル１３０は、デバイスの温度プロファイル１３２に対して先行する。すなわち、加熱作業の間、加熱プレート２０は、加熱プレート２０およびデバイス１２がＴBにほぼ対応する平衡温度（好ましくは、ＴBに対して＋／−０．０３°Ｃの範囲内）に到達するまで、常にデバイス１２よりも多少高温になっている。そのため、デバイス１２の温度が確実にＴBに達するために、加熱プレート２０の温度は、ＴBよりも高温にオーバーシュートする必要がある。したがって、加熱処理のある時点において、加熱プレート２０の熱出力を減少させて、デバイス１２と加熱プレート２０とが漸近的にほぼＴBに到達できるようにするものである。これは、通常、時間ｔiの経過後、加熱プレート２０の温度がＴBよりも高温の最大温度Ｔmになり、一方、デバイスの温度はＴBよりも低温であるときに生じる。加熱プレート２０の熱出力を減少させる正確な時間ｔiは、システムの時定数に依存し、従来のＰＩＤ制御装置の典型的な出力である。
【０１１０】
図８の加熱方法によれば、加熱プレート２０の熱出力が減少する以前のプロファイル領域１３４、１３６では比較的高速な加熱速度が得られるが、時刻ｔiにおいて加熱プレートがパワーダウンした後のプロファイル領域１３８、１４０では、加熱速度は指数関数的に減少する。実際、一般にＴBとＴiとの温度差はＴ0からＴBまでの全温度範囲の僅かな部分にもかかわらず、デバイス１２をＴ0からＴBまで加熱するために必要な時間の少なくとも約７０％には、デバイス１２をＴiからＴBに漸近的に加熱することが含まれる。言い換えれば、ほとんどの加熱時間は、デバイス１２の温度に最後の数度を追加するために費やされる。多くの加熱時間が、デバイス１２の温度のＴBまでの緩やかな変化を達成するために注ぎ込まれる。
【０１１１】
もちろん、所望の場合には、本発明の実施例において図８の加熱方法を使用して、有利な結果を得ることもできる。実際、図８の加熱方法によって、デバイス１２を４０〜５０秒の短時間でＴ0からＴBまで加熱することができる。しかし、プロファイル領域１３８、１４０に関連する非効率性を、冷却部材２６からの「冷却ブースト」を使用することによって大幅に低減することができる。一般に、加熱作業のための「冷却ブースト」法では、加熱プレート２０をＴmよりも高温にし、加熱プレート２０をパワーダウンさせる前にデバイス１２をＴBにずっと近い温度まで加熱できるようにするものである。その後、冷却部材２６を使用して、デバイス１２の温度がほぼＴBに到達しかつＴBよりも高温にオーバーシュートしないようにするため、加熱プレート２０から余分な熱を迅速に吸熱する。
【０１１２】
加熱における「冷却ブースト」法の利点は、図９に示されている。図９は、図８とほぼ同様のものであるが、加熱プレート２０の温度はＴmよりも高温の最大温度Ｔm2に達しており、デバイス１２の温度は、時刻ｔi2において加熱プレート２０の熱出力が減少する前に、Ｔiよりも高温のＴi2に達している点で異なっている。仮に、補正作用がなく、この時点で冷却ブーストを使用しない図８の加熱方法を使用していたならば、加熱プレート２０およびデバイス１２の余分な熱によって、デバイス１２の温度はＴBよりも高温にオーバーシュートしてしまうであろう。すなわち、加熱プレート２０およびデバイス１２の温度は、ＴBよりも高温の何らかの平衡温度に漸近的に近付く。しかし、この例では、冷却部材２６を、余分な熱が冷却部材２６に確実に吸熱される条件の下で、加熱プレート２０と熱接触させるものである。その結果、加熱プレート２０およびデバイス１２の温度は、ｔfよりもかなり短い時間ｔf2で、ほぼＴBに到達する。この例においても、加熱プレート２０のパワーダウン後は、デバイス１２の温度は漸近的にＴBに近付く傾向を有するが、そのような漸近的な加熱に関連する時間は、図８の方法と比較して大幅に短縮される。たとえば、図８の加熱方法では、作業の完了に４０〜５０秒かかるのに対して、図９の「冷却ブースト」法を使用すると、この時間が２５〜３５秒に短縮される。
【０１１３】
この加熱プレートでは、好ましくは、加熱部材の温度に対して高速かつ高精度な制御を実施する加熱制御方法が使用される。本発明に係る加熱部材で使用される好適な加熱制御システムは、特許文献１に記載されている種類の制御システムである。この制御システムは、高周波数（たとえば、好ましくは１０００Ｈｚ以上）パルス幅変調（pulse width modulation：ＰＷＭ）制御信号を使用して、加熱体セグメントに供給される直流電気エネルギーを変調するものである。単一の抵抗加熱体セグメントまたは複数の抵抗加熱体セグメントは、ＲＬＣ（抵抗／インダクタ／キャパシタ）回路に組込まれており、電気抵抗、インダクタ、およびキャパシタによって、加熱体に印加される直流電圧が平滑化される。この方法によれば、加熱体に対して設定される電圧値を、０〜１００％のダイナミックレンジで迅速かつ連続的に制御することができる。実際、加熱体に印加される直流電圧は、事実上限りなく小さい粒度（granularity）を有するものである。これによって、加熱体の温度を、広範なダイナミックレンジで敏速かつ高精度に制御することができる。
【０１１４】
したがって、本加熱部材で使用するための温度制御システムの好適な一実施形態では、高周波ＰＷＭ制御信号を使用して直流電圧を変調し、加熱部材の加熱体中の１つまたは複数の加熱体セグメントからの熱量を制御するものである。概略としては、制御装置は、たとえば上述したＲＴＤ温度センサなどの温度センサによって発生された温度信号に応答し、高周波パルス幅変調制御信号を展開する。ＰＷＭ制御信号は、制御信号の各パルスのデューティサイクルのオン部分に対してスイッチを作動させるために使用される。これによって、抵抗加熱体に対して、ＰＷＭ制御信号のデューティサイクルに比例する対応する電圧が設定される。このとき、加熱体の熱出力はこの電圧の二乗に比例する。
【０１１５】
たとえば、３００Ｖの直流電源が供給される場合、１０％のデューティサイクルを有する２０，０００ＨｚのＰＷＭ制御信号を使用すると、抵抗加熱体に対して３０Ｖ（３００Ｖの１０％）の電圧が設定され、対応する熱出力は１％である。また、３００Ｖの直流電源が供給されて、６０％のデューティサイクルを有する２０，０００ＨｚのＰＷＭ制御信号を使用すると、抵抗加熱体に対して１８０Ｖ（３００Ｖの６０％）の電圧が設定され、対応する熱出力は３６％である。同様に、３００Ｖの直流電源が供給されて、５％のデューティサイクルを有する２０，０００ＨｚのＰＷＭ制御信号を使用すると、抵抗加熱体に対して１５Ｖ（３００Ｖの５％）の電圧が設定され、対応する熱出力は０．２５％である。
【０１１６】
加熱部材の温度センサは、制御装置に温度信号を含む情報を送信する。制御装置は、望ましくは、従来のドライバ回路およびノイズフィルタを含み、温度センサから取得された温度データをそのデータが制御装置に到達する前に処理するものである。所望の場合、ドライバ回路を使用して、感知された温度信号の振幅を調整し、もしくは感知されたデータを後の処理のためにより適切な形式に変換し、またはその両方を実施する。制御装置における処理可能性を向上させるために、ノイズフィルタを使用して温度センサのノイズを低減、すなわち信号対ノイズ比を増大させることできる。
【０１１７】
制御装置は、温度センサからの入力に対してＰＷＭ制御信号を発生する制御装置として機能するために効果的な、任意のハードウェアおよびソフトウェア等の任意の組合せにより構成することができる。そのような情報からＰＷＭ出力を発生するには、任意の適切なプロセス処理手法および構成要素を使用することができるが、好ましくは、比例／積分／微分（ＰＩＤ）制御が使用される。ＰＩＤ制御、および一般にプロセス制御手法の原理については、コウアノールおよびコッペル著「プロセスシステム分析および制御」、マクグローヒル社（Coughanowr and Koppel, Process Systems Analysis and Control, McGraw-Hill Book Company)）（１９６５）およびエフ．ジー．シンシキー著「プロセス制御システム」（F. G. Shinsky, Process Control Systems）（１９８８）に記載されている。
【０１１８】
制御装置は、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの組合せにより構成することができ、さらに、デジタル装置もしくはアナログ装置、またはこの両方を含む装置であってもよい。制御装置として使用するために適切な多様なシステムが市販されており、それらを購入してプラグアンドプレイ方式により温度制御システムに組込むことができる。たとえば、一実施形態では、テキサス州オースチンのナショナル・インストルメンツ社（National Instruments）から商標名「ＬＡＢＶＩＥＷ」として市販されているＰＣベースの制御および分析システムを使用してもよい。あるいは、より好ましくは、１つまたは複数のマイクロプロセッサもしくはデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、またはその両方が組込まれた埋込み型制御装置の形態を有する制御装置を使用することもできる。ＤＳＰは、高速であって高い信頼性を有し、かつ安価である。ＤＳＰについては、たとえば、Curran, L., Machine Design “DSPs Find a Place in Motor Control”(１９９７年、１１月６日)の９５〜１０２頁に記載されている。適切なＤＳＰデバイスセットの代表例は、アナログ・デバイス社（Analog Device, Inc.）から市販されており、このセットには、（ｉ）ＡＤ７７１５（１６ビットのシグマデルタＡＤＣ）デバイス、またはＡＤ７７１１（ＲＴＤ励磁電流を使用する信号調整ＡＤＣ）デバイス、および（ｉｉ）ＡＤＳＰ−２１００（デジタルプロセッサ）デバイスが含まれる。
【０１１９】
上述したように、加熱部材の好適な実施形態は、複数の加熱ゾーンを含むことができ、それぞれの加熱ゾーンは、加熱体の１つまたは複数の加熱体セグメントが対応する。好ましくは、温度制御システムおよび加熱部材に対して種々の抵抗加熱体を較正することによって、このような構成を温度制御システムに組込むことができる。特に、好ましくは、所望の加工物を加熱部材上の所定位置に配置し、加熱または冷却することによって、加熱部材を較正することができる。その後、加工物の温度プロファイルを実施し、加熱制御システムを、最も均一な温度プロファイルを形成するように調整する。この柔軟性によって、加熱部材の熱特性における微細な差を補償することができる。
【０１２０】
図１０〜図１３は、本発明に係る焼成／冷却装置４００の特に好適な実施形態を示す図である。装置４００は、ウエハ５４０の形態を有する加工物を処理するために適切な本発明の説明のための一実施形態である。概略として、装置４００は、加熱作業および冷却作業を実施するための種々の部分組立体を含む。これらの部分組立体は、蓋組立体４０１、加熱プレート組立体４０３、冷却部材組立体４０４、および駆動トレイン組立体を含む。これらの組立体は、主ベース部上に支持されるかまたは取付けられている。駆動トレイン組立体は、加熱プレートおよび冷却部材を上昇および下降させ、装置４００をロード／アンロード状態、冷却状態、および加熱状態を含む３つの作動状態の１つに配置するものである。
【０１２１】
ここで、主に図１１および図１１ａを参照すると、蓋組立体４０１は、基本的に環状の側壁部材および頂部パネルの積層組立体を含む。これらの積層された部品によって、加熱作業および冷却作業中に、加熱プレート組立体の一部を受け入れるために適合するように、蓋組立体４０１が形成されている。
【０１２２】
蓋組立体４０１は、蓋支持ポスト４２２に支持されて固定され、したがって、蓋組立４０１は、加熱および冷却作業中に移動しない（図１０参照）。各蓋支持ポスト４２２は、対応する肩部４１９または４２０に取付けられている。本明細書中に特に明示しない限り、蓋組立体４０１の部品およびポスト４２２は、好ましくは、ステンレス鋼により形成されるものとするが、アルミニウム、およびポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド等といった耐熱性プラスチックのような他の材料を使用することもできる。
【０１２３】
焼成／冷却装置４００は、図１１〜図１３に示すように、ウエハ支持組立体を含む。図１１を参照すると、リフトピンベース４２６は、リフトピンベース４２６の周りに１２０°間隔で三角形に配置された３つ１組のリフトピンシャフト４２７を支持する。リフトピン４２８は、リフトピンシャフト４２７からウエハ５４０を受けるために適切な高さまで延びている。各シャフト４２７およびリフトピン４２８は、スプリング４３０によってリフトピン４２８を所定の位置に固定できるように、協調して作動する構造を有する。リフトピンシャフト４２７およびリフトピン４２８は、所望の場合、リフトピン４２８上に支持されるウエハ５４０に対して真空吸引可能なように、中空であってもよい。装置な好適な実施形態では、真空の必要性を省くことができる。
【０１２４】
図１１に示すように、冷却部材組立体４０４は装置４００の最下部に位置する。装置４００が開いている場合、処理するウエハ５４０を容易に挿入できる。加熱作業および冷却作業中、冷却部材組立体４０４の構成要素は、冷却部材組立体４０４が蓋組立体４０１に係合するまで上昇することができる。冷却部材組立体４０４がこれ以上上昇することは、この係合によって制約される。この動作によって装置４００は閉じられ、環境から封止された処理室中でウエハを加熱および冷却することができる。加熱作業および冷却作業が終了すると、冷却部材組立体４０４を下降させて装置４００を開き、処理されたウエハを取出して別のウエハを挿入することができる。
【０１２５】
より詳細には、冷却部材４０４は、上側冷却プレート４３６、下側冷却プレート４３７、および側壁部材４３８を含む。上側冷却プレート４３６の底面４３９には、上側および下側の冷却プレート４３６、４３７が組立てられたときに、冷媒流路４４０を形成するように溝が設けられている。上側および下側の冷却プレート４３６、４３７の両方は、望ましくは、金属、合金、またはステンレス鋼、アルミニウム合金、たとえばニッケルめっきによって皮膜保護された銅といった合金の組合せのような、熱伝導性材料から形成されるものである。
【０１２６】
側壁部材４３８の頂部には、側壁部材４３８の蓋組立体４０１への係合を封止するためのＯリング（図示せず）を受け入れる溝（図示せず）が設けられていてもよい。側壁部材４３８は、図示されているように、上側冷却プレート４３６または下側冷却プレート４３７のいずれかと一体に形成するともでき、あるいは別体として形成することもできる。別体として形成する場合、側壁部材４３８は、ステンレス鋼やアルミニウムのような熱伝導性材料から形成することも、あるいはポリイミド、ポリアミド、ポリアミド意味度、超高分子量ポリエチレン等の絶縁性材料から形成することもできる。
【０１２７】
組立てに関しては、冷却プレート４３６、４３７、および側壁部材４３８（別体として形成されている場合）は、ネジ、ボルト、接着、または溶接等の任意の所望の手段を使用して、冷却部材４０４を形成するように組立てることができる。上側および下側冷却プレート４３６、４３７は、リフトピンシャフト４２７およびリフトピン４２８上に装着される構造を有するものであるが、冷却部材４０４の上昇および下降中にリフトピンシャフト４２７またはリフトピン４２８に摺動可能に係合しないことが好ましい。
【０１２８】
装置４００は、通常、環状の加熱部材支持リング４６０を有し、加熱部材支持リング４６０は、その加熱部材支持リング４６０に固定された３つ１組の加熱部材支持シャフト４６４上に加熱プレート組立体４０３を支持するベースとして機能するものである。好ましくは、加熱部材支持シャフトの少なくとも１つは、加熱プレートに接続される電気配線等を案内する通路を形成するように、中空であってもよい。
【０１２９】
各加熱部材支持シャフト４６４の上端部には、任意の適切な固着手段を使用して、加熱プレート４０３が固定されている。１つの方法は、加熱部材取付けネジを使用し、各シャフトの上端部に対応するネジを受け入れるネジ付き開口部設をけることである。これによって、加熱部材支持リング４６０が上昇すると、加熱プレートも上昇する。同様に、加熱部材支持リング４６０が下降すると、加熱プレートも下降する。この移動によって、装置４００は、ロード／アンロード状態、加熱状態、および冷却状態の間で容易に状態を変更することができる。
【０１３０】
冷却部材組立体４０４は、加熱部材支持シャフトに対して摺動可能に装着され、加熱プレートと加熱部材支持リングとの間でシャフト上に支持される。この配置によって、加熱プレートと冷却部材とを共に上昇させ、さらに、加熱作業および冷却作業の間に、加熱プレートのみを冷却部材に対して独立に下降または上昇させることができる。スプリング４７８は、加熱部材支持シャフト４６４上に装着され、加熱部材支持リング４６０と冷却部材４０４との間に位置する。図１１および図１１ａに示すように、装置４００がロード／アンロード状態にある場合、スプリング４７８は、冷却部材４０４と加熱プレート組立体とを接続させるように付勢する。スプリング４７８が特に有利なのは、装置４００を３つの異なる作動状態に容易に配置するための、単純な単一のリフト機構が可能になるからである。
【０１３１】
加熱プレート組立体４０３の特徴は、図１１および図１１ａに示されている。ここで、低熱容量の平板状加熱プレート４０３（分かり易くするため、２層の積層構造を有するものとして概略的に示されている）は、上側環状クランプ４８６と下側環状クランプ４８８との間に締結されている。上側環状クランプ４８６および下側環状クランプ４８８は、互いに係合するような構造を有し、さらにネジによって固定することができる。上側環状クランプ４８６および下側環状クランプ４８８は、複数の隔離スタンドを含み、それらの間に加熱プレート４０３を支持することによって、加熱プレート４０３と直接接触する面積を最小化することができる。隔離スタンドを使用することによって、より均一かつより制御性の良好な加熱作業および冷却作業が容易になる。
【０１３２】
上側環状クランプ４８６および下側環状クランプ４８８は、剛性および耐熱性を有する任意の適切な材料から形成することができる。特に好適な材料は、良好な熱絶縁体である。クランプ４８６、４８８を形成するために適切な材料の代表例には、ポリイミド、ポリアミド、アルミナ、合成水晶、またはアルカリ成分を含まない他のセラミック材料、およびこれらの組合せ等を含む。クランプの材料として好適なポリマーの一例は、テキサス州オースチンのボーデッカー・プラスチックス社（Bodecker Plastics Company）から市販されているポリエチルエチルケトンである。
【０１３３】
上側および下側クランプ４８６、４８８のような環状クランプの代わりに、他の固定機構を使用して加熱プレート４０３を固定してもよい。代替手段の一例は、加熱プレートの周り、すなわち支持ポスト４２２の上部に配置された一連のｃクランプ（c-clamp）またはスプリングクランプである。しかし、加熱の均一性が向上するため、環状のクランプが好ましい。
【０１３４】
加熱プレート４０３は、３つ１組の貫通孔５０４を含み、それによって加熱プレートをリフトピン４２８に摺動可能に装着することができる（たとえば、図５ｄ参照）。
【０１３５】
次に、図１１〜図１３を参照し、装置４００の好適な作動方式を説明する。図１１および図１１ａには、ロード／アンロード状態の装置４００が示されており、この状態において、装置４００は、ウエハ５４０を装置内に挿入および装置外に取出し可能なように開いている。この状態では、加熱プレート４０３は、スプリング４７８によって上側冷却プレート４３６の上部に引かれ、リフトピン４２８は加熱プレート組立体４０３よりも上方に突出ている。これによって、処理するウエハ５４０をリフトピン４２８上に配置することができる。
【０１３６】
図１２は、冷却状態の装置４００を示す図である。装置４００のロード／アンロード状態から冷却状態への変更において、加熱プレート組立体４０３および冷却部材組立体４０４は共に上昇する。その結果、冷却状態では、ウエハ５４９は加熱プレート４０３上に支持され、加熱プレート４０３は、上側冷却プレート４３６に対して引かれる。実際上の効果として、上側冷却プレート４３６はウエハ５４０（図１２には図示せず）と熱接触し、これによって、冷却作業が実施可能となる。
【０１３７】
図１３は、加熱状態の装置４００を示す図である。この状態では、加熱プレート４０３は、冷却プレート４３６と熱接触しないように持ち上げられ、これによって、加熱作業が実施可能となる。
【０１３８】
焼成／冷却装置は、当業者にとって周知のように、たとえばマイクロエレクトロニックデバイスのような種々の材料を、化学反応を誘導あるいは促進するか、またはコーティングされた材料から溶剤を揮発させるような種々の工程によって処理するために使用するこができる。たとえば、焼成／冷却装置は、フォトレジスト材料でコーティングし、現像するために使用できる。この応用例において、多くの工程は、通常は「ソフトベーク（soft bake）」工程、「後露出」ベーク工程、および「ハードベーク（hard bake）」工程を含む加工物の温度サイクル処理を含んでいる。本明細書に記載された加熱体によれば、加熱体、冷却プレート、および加工物との間でより均一な熱伝達が達成されるため、これらの処理工程において有利である。
【０１３９】
これまで、本発明に係る加熱部材を複合型焼成／冷却装置で使用することに焦点をおいて説明してきたが、本発明は加熱部材のこの応用例に限定されるものではなく、加工物の加熱作業および冷却作業を含み、特に熱的精度および鋭敏性が有利であるような、様々な他の応用および装置において有用であることを理解されたい。他の例の１つとして、この加熱部材は、その構成および使用方法が焼成／冷却装置と同様であるが、使用する化学物質、加工物の組成（特にその表面）、および場合によっては必要とする温度に関して多少の相違を有するプライム（prime）／冷却装置で使用してもよい。簡潔に記せば、プライム／冷却装置は、焼成／冷却装置と同様の構成を有する装置であるが、半導体ウエハの表面に後の処理のための前処理を実施するために設計された装置である。前処理工程は、通常、清浄かつ未コートの表面を有する純粋な半導体ウエハを処理室内に導入することを含む。処理室は排気され、装置および加熱プレートによって正確に制御された温度変化と共に、ヘキサンメチルジシラン（ＨＭＤＳ）が導入される。ＨＭＤＳは、ウエハの表面から微少量のウエハを除去し、表面を疎水性にして後の処理を容易にするものである。
【０１４０】
本発明の他の実施形態は、本明細書の考察を基にして、または本明細書に開示されている実施例から、当業者にとって明らかであろう。当業者ならば、添付請求項によって示される本発明の真の範囲および思想を逸脱することなく、本明細書に記載されている原理および実施形態に対して様々な省略、修正、および変更を実施できる。
【実施例】
【０１４１】
平坦度の測定手順：
次の材料および手順を使用して基板の平坦度を測定した。
必要な材料：
花崗岩のテーブル（平坦度０．０００１インチ（約０．００２５４ｍｍ）以上に較正済み）
高精度隔離スタンド（調整可能）
ダイアル指示器（０．０００５インチ（約０．０１２７ｍｍ）以上の精度）
【０１４２】
手順：
高精度かつ調整可能な隔離スタンドを、その上と基板の縁とで基板が支持されるように１２０°間隔で配置した。図１４に従って、隔離スタンドを配置した。基板の向きを、リフトピン孔が隔離スタンドに並ぶように調整した。支持点は、基板の円周から０．５インチ（約１２．７ｍｍ）以内とした。ダイアル指示器を使用して、第１の隔離スタンドの近くの基板の表面上の位置で、指示器の読みのゼロを設定した。ダイアル指示器を第２の隔離スタンドの近くの表面に移動させ、ダイアル指示器の読みがゼロになるまでその隔離スタンドの高さを調整した。この手順を第３のスタンド上の点でも繰り返した。再び、ダイアル指示器を３つすべての隔離スタンドの近くの表面上に移動させ、ゼロの読みが変化しないことを確認した。
【０１４３】
ダイアル指示器を全表面に渡って走らせ、ゼロからの偏差の最小値および最大値を記録した。その範囲が、３つの隔離スタンドの表面上で形成された平面に関する基板表面の平坦度である。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１ａ】図１ａは、「準備」状態における本発明に係る焼成／冷却装置を概略的に示す側面図である。
【図１ｂ】図１ｂは、「加熱」状態における本発明に係る焼成／冷却装置を概略的に示す側面図である。
【図１ｃ】図１ｃは、「冷却」状態における本発明に係る焼成／冷却装置を概略的に示す側面図である。
【図１ｄ】図１ｄは、ウエハ支持突起の配置を示す、本発明に係る焼成／冷却装置の平面図である。
【図１ｅ】図１ｅは、本発明に係る加熱体および加熱部材を使用するための、温度センサの実施形態の平面図である。
【図２】図２は、本発明に係る加熱部材の積層構造を示す実施形態の断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る加熱プレートの別の積層構造を示す別の実施形態の断面図である。
【図４】図４は、本発明に係る加熱プレートの別の積層構造を示す別の実施形態の断面図である。
【図５ａ】図５ａは、加熱部材の多層化加熱体セグメントおよび熱伝導層を示す分解斜視図である。
【図５ｂ】図５ｂは、図５ａの多層化加熱体を示す側面図である。
【図５ｃ】図５ｃは、多層化加熱体の加熱体セグメントを示す平面図である。
【図５ｄ】図５ｄは、多層化加熱体の加熱体セグメントを示す平面図である。
【図６】図６は、所望の終期平衡温度と同じ温度に維持された冷却プレートを使用して冷却されている半導体デバイスの温度プロファイルである。
【図７】図７は、所望の終期平衡温度よりも低い温度に維持された冷却プレートを使用して冷却されている半導体デバイスの温度プロファイルである。
【図８】図８は、冷却ブーストを使用せずに平衡温度に加熱されている半導体デバイスの温度プロファイルである。
【図９】図９は、冷却ブーストを使用して平衡温度に加熱されている半導体デバイスの温度プロファイルである。
【図１０】図１０は、焼成／冷却ステーションの斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０の焼成／冷却ステーションの横断面図である。
【図１１ａ】図１１ａは、図１０の焼成／冷却ステーションの横断面図である。
【図１２】図１２は、図１０の焼成／冷却ステーションの横断面図である。
【図１３】図１３は、図１０の焼成／冷却ステーションの横断面図である。
【図１４】図１４は、平坦度の測定手順を説明するために使用され、下からの測定を可能にするように、スタンドによって下から支持される基板の平面を示す図である。
【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図１１】
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【図１１ａ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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