(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる均熱板の一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面もしくは内部に発熱抵抗体を有するとともに、該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を前記他方の主面に具備してなるウエハ加熱装置において、前記均熱板に形成された凹部にシース型熱電対の測温部を配置し、金属製チップおよび押さえ治具により前記測温部を押圧固定するとともに、前記押さえ治具が、筒状体または切り欠きを有する柱状体からなることを特徴とするウエハ加熱装置。
【請求項２】
前記シース型熱電対が、熱伝導率６５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属箔を介して前記均熱板の凹部に押圧固定されていることを特徴とする請求項１記載のウエハ加熱装置。
【請求項３】
セラミックスからなる均熱板の一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面もしくは内部に発熱抵抗体を有するとともに、該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を前記他方の主面に具備してなるウエハ加熱装置において、前記均熱板に形成された凹部にシース型熱電対の測温部を配置し、金属製チップおよび押さえ治具により前記測温部を押圧固定するとともに、前記金属製チップ、押さえ治具、及びこれらを押さえる支持棒の各接触部に回転防止用の溝と突起が形成されていることを特徴とするウエハ加熱装置。
【請求項４】
前記シース型熱電対が、熱伝導率６５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属箔を介して前記均熱板の凹部に押圧固定されていることを特徴とする請求項３記載のウエハ加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にウエハを加熱するのに用いるウエハ加熱装置に関するものであり、例えば、半導体ウエハや液晶基板あるいは回路基板等のウエハ上に半導体薄膜を生成したり、前記ウエハ上に塗布されたレジスト液を乾燥焼き付けしてレジスト膜を形成するのに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体製造装置の製造工程における、半導体薄膜の成膜処理、エッチング処理、レジスト膜の焼き付け処理等においては、半導体ウエハ（以下、ウエハと略す）を加熱するためにウエハ加熱装置が用いられている。
【０００３】
従来の半導体製造装置は、まとめて複数のウエハを成膜処理するバッチ式のものが使用されていたが、ウエハの大きさが８インチから１２インチと大型化するにつれ、処理精度を高めるために、一枚づつ処理する枚葉式と呼ばれる手法が近年実施されている。しかしながら、枚葉式にすると１回当たりの処理数が減少するため、ウエハの処理時間の短縮が必要とされている。このため、ウエハ支持部材に対して、ウエハの加熱時間の短縮、ウエハの吸着・脱着の迅速化と同時に加熱温度精度の向上が要求されていた。
【０００４】
このうち半導体ウエハ上へのレジスト膜の形成にあたっては、図８に示すような、窒化アルミニウムやアルミナ等のセラミックスからなる均熱板３２の一方の主面を、ウエハＷを載せる載置面３３とし、他方の主面には絶縁層３４を介して発熱抵抗体３５および給電部３６が設置され、さらに弾性体３８により導通端子３７が給電部３６に押圧固定された構造のウエハ加熱装置３１が用いられていた。そして、前記均熱板３２は支持体４１にボルト４７により固定され、さらに均熱板３２の内部には熱電対４０が挿入され、これにより均熱板３２の温度を所定の温度に保つように、導通端子３７から発熱抵抗体３５に供給される電力を調節するシステムとなっていた。また、導通端子３７は、板状構造部４３に絶縁層３９を介して固定されていた。
【０００５】
そして、ウエハ加熱装置３１の載置面３３には、凹部４５に挿入された支持ピン４４が設置されており、ウエハＷを載置面３３に載せた際にウエハＷが載置面３３から非接触となるようにしている。そして、該支持ピン４４上にレジスト液が塗布されたウエハＷを載せたあと、発熱抵抗体３５を発熱させることにより、均熱板３２を介して載置面３３上のウエハＷを加熱し、レジスト液を乾燥焼付けしてウエハＷ上にレジスト膜を形成するようになっていた。
【０００６】
また、均熱板３２を構成するセラミック材料としては、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックスが用いられていた。
【０００７】
また、熱電対４０の取付構造については、特開平９−４５７５２号公報に、均熱板３２の温度を正確に制御するために、熱電対４０自体の熱引きによる影響を抑え、できるだけウエハＷに近いところで測温することが好ましいことが示されている。図９を用いて構造を説明すると、金属製の均熱板６２のウエハ載置面６３近傍に測温素子６４が挿入されている。この測温素子６４は、Ｐｔからなる測温抵抗体６６が保護管６５の中に前記載置面に対し平行となるように設置されリード線６７が結線されている。さらに保護管６５内の空所には伝熱セメント６８が充填されている。特に、発熱抵抗体を分割制御する場合は、測定の正確さと同時に測定バラツキを管理しないと均熱板の正確な温度制御ができなくなるので、このような取付構造とすることが好ましいとされていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなウエハ加熱装置において、図９に示すような測温素子６４の取付構造では、測温素子６４を均熱板６２に挿入しただけであるため、測定温度がばらついたり、均熱を良くするために熱容量を大きくすると測温の応答速度が遅くなるくという問題があった。特に、発熱抵抗体を複数のブロックに分割して温度制御する場合、ブロック毎の測温素子６４の測定温度がばらつくと、ブロック毎の制御が不均一となり、均熱板６２の温度が一定になるまでに時間が掛かるという問題があった。
【０００９】
特に、ウエハＷを均熱板６２上に差し替えした際に温度が安定するまでの過渡特性、ウエハ面内の温度バラツキが、レジストを乾燥する際に重要である。この乾燥の管理がレジストをエッチングするときのエッチング性に大きく影響し、乾燥管理が不十分であると、均一なパターンを形成できなくなるからである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の課題について鋭意検討した結果、セラミックスからなる均熱板の一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面もしくは内部に発熱抵抗体を有するとともに、該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を前記他方の主面に具備してなるウエハ加熱装置において、前記均熱板に形成された凹部にシース型熱電対の測温部を配置し、金属製チップおよび押さえ治具により前記測温部を前記均熱板に押圧固定することにより、上記課題が解決できることを見出した。
【００１１】
また、前記シース型熱電対を、熱伝導率６５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属箔を介して前記均熱板の凹部に押圧固定することにより、上記課題をさらに改善することができることを見出した。
【００１２】
また、さらに前記金属製チップの熱伝導率を均熱板２の熱伝導率に対し４０〜１７０％である材質とし、該金属製チップの上にさらに熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の押さえ治具を介して熱電対を均熱板に固定すると、さらに好ましいことが判った。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
図１は本発明に係るウエハ加熱装置の一例を示す断面図で、炭化珪素、炭化硼素、窒化硼素、窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる均熱板２の一方の主面を、ウエハＷを載せる載置面３とするとともに、他方の主面にガラス又は樹脂等からなる絶縁層４を介して発熱抵抗体５を形成したものである。
【００１５】
発熱抵抗体５のパターン形状としては、円弧状の電極部と直線状の電極部とからなる略同心円状をしたものや渦巻き状をしたものなど、載置面３を均一に加熱できるパターン形状であれば良い。均熱性を改善するため、発熱抵抗体５を複数のパターンに分割することも可能である。
【００１６】
また、発熱抵抗体５には、金や銀、パラジウム、白金等の材質からなる給電部６が形成され、該給電部６に導通端子７を弾性体８を介して押圧固定することにより、導通が確保されている。
【００１７】
さらに、均熱板２と支持体１１の外周にボルト１７を貫通させ、均熱板２側より弾性体８、座金１８を介在させてナット１９を螺着することにより支持体１１に弾性的に固定している。これにより、均熱板２の温度を変更したり載置面３にウエハを載せ均熱板２の温度が変動した場合に支持体１１変形が発生しても、上記弾性体８によってこれを吸収し、これにより均熱板２の反りを防止し、ウエハＷ加熱におけるウエハＷ表面に温度分布が発生することを防止できる。
【００１８】
また、支持体１１は複数の層から構成された板状構造体１３と側壁部からなり、該板状構造体１３には発熱抵抗体５に電力を供給するための導通端子７が絶縁材９を介して設置され、不図示の空気噴射口や熱電対保持部が形成されている。
【００１９】
さらに、図２〜７を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。図２は、均熱板２を発熱抵抗体５側から見た平面図であり、均熱板２には各発熱抵抗体５ブロックの内部に熱電対１０を保持する部分に凹部２１が形成されている。そして、該凹部２１には、図３に示すように熱電対１０の測温部を配置し、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属製チップ２２と押さえ治具２４を介して支持棒２５により弾性的に押圧保持した構造となっている。また、弾性的な押圧力は弾性体２６により調整されている。
【００２０】
また、図５（ａ）に示すように、金属製チップ２２の表面２２ａに溝が形成されており、この溝にシース型の熱電対１０の先端測温部を埋め込んだ構造とする。この際、金属製チップ２２の表面２２ａから少し熱電対１０が突き出た構造とする方が均熱板２への押圧を確実にするために好ましい。
【００２１】
図５（ｂ）に示したように金属製チップ２２の表面２２ａに熱電対１０が完全に飛び出していると、熱電対の保持が不安定で、測定温度がばらついてしまう。
【００２２】
上記のように熱電対１０を埋め込んだ金属製チップ２２の表面２２ａを均熱板２に当接させることにより、発熱抵抗体５から発生した熱が均熱板２を介して、凹部２１の底面側から金属製チップ２２を介して熱電対１０に伝達されるようになるので、よりウエハの実温に近い温度が検知でき、バラツキを小さくすることができる。
【００２３】
前記凹部２１の深さは、均熱板２の厚みの２／３程度とすることが好ましい。また、前記凹部２１の大きさは、２〜５ｍｍφとすることが好ましい。該凹部２１の大きさが２ｍｍφ未満となると、熱電対１０の測温部に均熱板２と平行となる部分を形成できないので、熱電対１０間で測定温度がばらついてしまう。また、該凹部２１の大きさが５ｍｍφを越えると、発熱抵抗体５間のギャップが大きくなり、ウエハＷ表面の温度分布が大きくなるので好ましくない。
【００２４】
熱電対１０としては、外径が０．５〜１．５ｍｍのシース型熱電対を用いる。熱電対１０をシース型にすることにより、外部ノイズの影響を小さくし、雰囲気による腐食を防止するとともに、熱電対１０の個体間のバラツキを小さくすることが可能となる。
【００２５】
また、熱電対１０の外径が１．５ｍｍを越えて太くなると、温度変化に対し応答が遅くなると同時に、熱電対１０部分が固くなり、熱電対１０に応力がかかった際に熱電対１０が浮き上がる場合があり、正確な温度が測定できなくなる。また、熱電対１０は、可能であればさらに外径を細くすることが好ましい。
【００２６】
また、他の実施形態を図４に示すように、前記凹部２１と熱電対１０の間に、熱伝導率が６５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属からなる金属箔２３を設置した構造とすることも可能である。金属箔２３は、熱電対１０を挿入した金属チップ２２と均熱板２の凹部２１との間に挿入され、弾性体の応力によって潰れることにより、前記金属チップ２２と前記凹部２１の接触の信頼性を向上させるのに有効である。
【００２７】
前記金属箔２３の材質としては、具体的にはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａlおよびこれらを主成分とする合金を使用することができる。また、金属箔は、前記凹部２１と熱電対１０接触の信頼性を高めるため、２〜５枚程度使用することが好ましい。また、使用温度が１５０℃程度であれば、金属の酸化による影響は小さいが、２００℃以上の温度で使用する場合は、金属箔２３の表面にＮｉ等の耐熱金属からなるメッキ層を形成すると、耐久性が向上する。
【００２８】
また、金属製チップ２２の熱伝導率は、均熱板２の熱伝導率に対し４０〜１７０％の範囲となるすることが好ましい。金属製チップ２２の熱伝導率が均熱板２の熱伝導率に対し４０％未満であると、金属製チップ２２の温度上昇が遅れるので、熱電対１０の指示温度の上昇が遅れ、これにより、ウエハＷ温度がオーバーシュートしてしまう。また、逆に前記熱伝導率が１７０％を越えると、熱電対が指示する温度が早く上昇するので、発熱抵抗体への電力供給が早めに遮断されるようになるので、所定温度に安定するのに多くの時間を要してしまう。
【００２９】
また、金属製チップ２２は、前記凹部２１の内径より若干小さな外径で、且つ凹部２１の深さより薄く加工されている。これは、熱電対１０により測定される温度が、均熱板２の載置面３側からの熱伝導により検知されるようにするためである。前記チップ２２の後端が凹部２１から飛び出していると、その飛び出している部分から発熱抵抗体５の熱が伝わり、載置面３の温度が上がる前に熱電対１０の指示温度が高くなってしまうので、ウエハＷの温度上昇に要する時間が見掛け上遅くなってしまう。また、前記凹部２１の側面からの熱伝導を極力抑えるため、前記金属チップ２２を前記凹部２１の側面に接触しないように設置することが好ましい。
【００３０】
さらに、押さえ治具２４に要求される性能は、発熱抵抗体５の発熱による熱が押さえ治具２４側から金属チップ２２への直接伝わることを抑制すると同時に、金属チップ２２を押圧固定する点にある。そこで、押さえ治具２４としては、均熱板２の表面に形成した発熱抵抗体５の発熱による影響を小さくため、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の材料を用いる。これが、押さえ治具２４の熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を越えるものとなると、発熱抵抗体５からの熱を金属チップに伝達し、熱電対の指示温度が早く上昇するためウエハＷの加熱時間が不足し、温度が安定するのに時間を要してしまうためである。具体的には、アルミナ、ジルコニア、ムライト、コージライト等のセラミック材料やステンレスからなるものを使用することが可能である。
【００３１】
また、図６に示したように、押さえ治具２４は金属チップ２２に接する面の少なくとも一部に切り欠き２９を形成した柱状体として、金属チップ２２との接触面積を小さくして、熱伝達する断面積を小さくすることが好ましい。または、押さえ治具２４として筒状体を使用しても構わない。
【００３２】
さらに、熱電対１０を弾性的に押圧するための弾性体２６の形状としては、図３、４に示したようにコイルバネ状のものや、例えばＶ字型、Ｕ字型、Ｗ字型に曲げられた板バネを用いることができる。弾性体２６の材質としては、インコネル、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、ステンレス等の材質からなるものを使用することが可能である。また、２００℃以下の低温領域で使用する場合は、テフロン等の材質からなる樹脂製の弾性体２６を使用することも可能である。
【００３３】
このように、熱電対１０を弾性的に押圧することにより、異常が発生した場合の交換が容易であり、使用中の熱サイクルにより各構成要素間の熱膨張差が原因で発生する熱応力を容易に緩和することができる。熱応力の緩和は、熱電対の耐久性向上にも寄与する。
【００３４】
これらの弾性体２６で熱電対１０を凹部２１に押圧固定する軸力は、５Ｎ以上、さらに好ましくは１０Ｎ以上とする。もし、この押圧力が５Ｎより小さいと、使用中の温度サイクルによる膨張収縮により移動した熱電対１０の位置が元の位置に戻りにくくなり、測定温度のバラツキが大きくなるという不具合が生じる。
【００３５】
そして、金属チップ２２と押さえ治具２４、支持棒２５には、図７に示すように、それぞれの接触部に回転防止用の凸部２７と凹部２８を相互にかみ合うように形成することにより、熱電対の回転を抑えることが可能となる。
【００３６】
なお、発熱抵抗体５を複数のゾーンに分割して温度制御する場合は、ゾーンの数に応じて、熱電対１０の数を増やすことが好ましい。これにより、ウエハＷの温度をより実温に近い値に制御することが可能となる。また、この場合は特に、熱電対１０個々の設置条件を均一にする必要がある。これは、個々の熱電対１０間の温度検知がばらつくと、個々の発熱抵抗体５ブロックの制御がばらつき、昇温過渡時のウエハの温度分布に悪影響を与えるためである。
【００３７】
さらに、図１において、金属製の支持体１１は、側壁部と板状構造体１３を有し、該板状構造体１３には、その面積の５〜５０％にあたる開口部が形成されている。また、該板状構造体１３には、必要に応じて他に、均熱板２の発熱抵抗体５に給電するための給電部６と導通するための導通端子７、均熱板２を冷却するためのガス噴出口、均熱板２の温度を測定するための熱電対１０を設置する。
【００３８】
また、不図示のリフトピンは支持体１１内に昇降自在に設置され、ウエハＷを載置面３上に載せたり、載置面３より持ち上げるために使用される。そして、このウエハ加熱装置１により半導体ウエハＷを加熱するには、不図示の搬送アームにて載置面３の上方まで運ばれたウエハＷをリフトピンにより支持したあと、リフトピンを降下させてウエハＷを載置面３上に載せる。次に、給電部６に通電して発熱抵抗体５を発熱させ、絶縁層４及び均熱板２を介して載置面３上のウエハＷを加熱する。
【００３９】
このとき、本発明によれば、均熱板２を炭化珪素質焼結体、炭化硼素質焼結体、窒化硼素質焼結体、窒化珪素質焼結体、もしくは窒化アルミニウム質焼結体により形成してあることから、熱を加えても変形が小さく、板厚を薄くできるため、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間及び所定の処理温度から室温付近に冷却するまでの冷却時間を短くすることができ、生産性を高めることができるとともに、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することから、薄い板厚でも発熱抵抗体５のジュール熱を素早く伝達し、載置面３の温度ばらつきを極めて小さくすることができる。しかも、大気中の水分等と反応してガスを発生させることもないため、半導体ウエハＷ上へのレジスト膜の貼付に用いたとしても、レジスト膜の組織に悪影響を与えることがなく、微細な配線を高密度に形成することが可能である。
【００４０】
ところで、このような特性を満足するには、均熱板２の板厚を１ｍｍ〜７ｍｍとすることが良い。これは、板厚が１ｍｍ未満であると、板厚が薄すぎるために温度ばらつきを平準化するという均熱板２としての効果が小さく、発熱抵抗体５におけるジュール熱のばらつきがそのまま載置面３の温度ばらつきとして表れるため、載置面３の均熱化が難しいからであり、逆に板厚が７ｍｍを越えると、均熱板２の熱容量が大きくなり過ぎ、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間や温度変更時の冷却時間が長くなり、生産性を向上させることができないからである。
【００４１】
また、以上詳述した本発明のウエハ加熱装置において、図１に示すように、均熱板２の表面に、絶縁層４を介して発熱抵抗体５を形成し、発熱抵抗体５を露出させてあることから、使用条件等に合わせて載置面３の温度分布が均一となるように、発熱抵抗体５にトリミングを施して抵抗値を調整することもできる。
【００４２】
また、均熱板２を形成するセラミックスとしては、炭化珪素、炭化硼素、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミニウムのいずれか１種以上を主成分とするものを使用することができる。炭化珪素質焼結体としては、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤として硼素（Ｂ）と炭素（Ｃ）を含有した焼結体や、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤としてアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）とイットリア（Ｙ2Ｏ3）を含有し１９００〜２２００℃で焼成した焼結体を用いることができ、また、炭化珪素はα型を主体とするもの、あるいはβ型を主体とするもののいずれであっても構わない。
【００４３】
また、炭化硼素質焼結体としては、主成分の炭化硼素に対し、焼結助剤として炭素を３〜１０重量％混合し、２０００〜２２００℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。
【００４４】
そして、窒化硼素質焼結体としては、主成分の窒化硼素に対し、焼結助剤として３０〜４５重量％の窒化アルミニウムと５〜１０重量％の希土類元素酸化物を混合し、１９００〜２１００℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。窒化硼素の焼結体を得る方法としては、他に硼珪酸ガラスを混合して焼結させる方法があるが、この場合熱伝導率が著しく低下するので好ましくない。
【００４５】
また、窒化珪素質焼結体としては、主成分の窒化珪素に対し、焼結助剤として３〜１２重量％の希土類元素酸化物と０．５〜３重量％のＡｌ2Ｏ3、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ2量として１．５〜５重量％となるようにＳｉＯ2を混合し、１６５０〜１７５０℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。ここで示すＳｉＯ2量とは、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するＳｉＯ2と、他の添加物に含まれる不純物としてのＳｉＯ2と、意図的に添加したＳｉＯ2の総和である。
【００４６】
また、窒化アルミニウム質焼結体としては、主成分の窒化アルミニウムに対し、焼結助剤としてＹ2Ｏ3やＹｂ2Ｏ3等の希土類元素酸化物と必要に応じてＣａＯ等のアルカリ土類金属酸化物を添加して十分混合し、平板状に加工した後、窒素ガス中１９００〜２１００℃で焼成することにより得られる。
【００４７】
これらの焼結体は、その用途により材質を選択して使用する。例えば、レジスト膜の乾燥に使用する場合は、窒化物は水分と反応してアンモニアガスを発生し、これがレジスト膜に悪影響を及ぼすので使用できない。また、８００℃程度の高温で使用する可能性のあるＣＶＤ用のウエハ加熱装置の場合は、ガラスを多く含む窒化硼素系の材料は、均熱板２が使用中に変形してしまい均熱性が損なわれてしまう可能性がある。
【００４８】
さらに、均熱板２の載置面３と反対側の主面は、ガラスや樹脂からなる絶縁層４との密着性を高める観点から、平面度２０μｍ以下、面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ〜０．５μｍに研磨しておくことが好ましい。
【００４９】
一方、炭化珪素質焼結体を均熱板２として使用する場合、多少導電性を有する均熱板２と発熱抵抗体５との間の絶縁を保つ絶縁層４としては、ガラス又は樹脂を用いることが可能であり、ガラスを用いる場合、その厚みが１００μｍ未満では耐電圧が１．５ｋＶを下回り絶縁性が保てず、逆に厚みが３５０μｍを越えると、均熱板２を形成する炭化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体との熱膨張差が大きくなり過ぎるために、クラックが発生して絶縁層４として機能しなくなる。その為、絶縁層４としてガラスを用いる場合、絶縁層４の厚みは１００μｍ〜３５０μｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは２００μｍ〜３５０μｍの範囲で形成することが良い。
【００５０】
炭化珪素質焼結体からなる均熱板２の表面に絶縁層４を形成する場合、予め表面を酸化処理することにより、０．０５〜２μｍ厚みのＳｉＯ2からなる酸化膜１２を形成したのち、さらにその表面に絶縁層４を形成する
また、均熱板２を、窒化アルミニウムを主成分とするセラミック焼結体で形成する場合は、均熱板２に対する発熱抵抗体５の密着性を向上させるために、ガラスからなる絶縁層４を形成する。ただし、発熱抵抗体５の中に十分なガラスを添加し、これにより十分な密着強度が得られる場合は、省略することが可能である。
【００５１】
次に、絶縁層４に樹脂を用いる場合、その厚みが３０μｍ未満では、耐電圧が１．５ｋＶを下回り、絶縁性が保てなくなるとともに、発熱抵抗体５にレーザ加工等によってトリミングを施した際に絶縁層４を傷付け、絶縁層４として機能しなくなり、逆に厚みが１５０μｍを越えると、樹脂の焼付け時に発生する溶剤や水分の蒸発量が多くなり、均熱板２との間にフクレと呼ばれる泡状の剥離部ができ、この剥離部の存在により熱伝達が悪くなるため、載置面３の均熱化が阻害される。その為、絶縁層４として樹脂を用いる場合、絶縁層４の厚みは３０μｍ〜１５０μｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは６０μｍ〜１５０μｍの範囲で形成することが良い。
【００５２】
また、絶縁層４を形成する樹脂としては、２００℃以上の耐熱性と、発熱抵抗体５との密着性を考慮すると、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂等が好ましい。
【００５３】
なお、ガラスや樹脂から成る絶縁層４を均熱板２上に被着する手段としては、前記ガラスペースト又は樹脂ペーストを均熱板２の中心部に適量落とし、スピンコーティング法にて伸ばして均一に塗布するか、あるいはスクリーン印刷法、ディッピング法、スプレーコーティング法等にて均一に塗布したあと、ガラスペーストにあっては、６００℃の温度で、樹脂ペーストにあっては、３００℃以上の温度で焼き付ければ良い。また、絶縁層４としてガラスを用いる場合、予め炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成る均熱板２を１２００℃程度の温度に加熱し、絶縁層４を被着する表面を酸化処理しておくことで、ガラスから成る絶縁層４との密着性を高めることができる。
【００５４】
さらに、絶縁層４上に被着する発熱抵抗体５としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属単体を、蒸着法やメッキ法にて直接被着するか、あるいは前記金属単体や酸化レニウム（Ｒｅ2Ｏ3）、ランタンマンガネート（ＬａＭｎＯ3）等の酸化物を導電材として含む樹脂ペーストやガラスペーストを用意し、所定のパターン形状にスクリーン印刷法等にて印刷したあと焼付けて前記導電材を樹脂やガラスから成るマトリックスで結合すれば良い。マトリックスとしてガラスを用いる場合、結晶化ガラス、非晶質ガラスのいずれでも良いが、熱サイクルによる抵抗値の変化を抑えるために結晶化ガラスを用いることが好ましい。
【００５５】
ただし、発熱抵抗体５に銀又は銅を用いる場合、マイグレーションが発生する恐れがあるため、このような場合には、発熱抵抗体５を覆うように絶縁層４と同一の材質から成る保護膜を３０μｍ程度の厚みで被覆しておけば良い。
【００５６】
また、発熱抵抗体５を内蔵するタイプの均熱板２に関しては、熱伝導率が高く電気絶縁性が高い窒化アルミニウム質焼結体を用いることが好ましい。この場合、窒化アルミニウムを主成分とし焼結助剤を適宜含有する原料を十分混合したのち円盤状に成形し、その表面にＷもしくはＷＣからなるペーストを発熱抵抗体５のパターン形状にプリントし、その上に別の窒化アルミニウム成形体を重ねて密着した後、窒素ガス中１９００〜２１００℃の温度で焼成することにより発熱抵抗体を内蔵した均熱板２得ることが出来る。また、発熱抵抗体５からの導通は、窒化アルミニウム質基材にスルーホール１９を形成し、ＷもしくはＷＣからなるペーストを埋め込んだ後焼成するようにして表面に電極を引き出すようにすれば良い。また、給電部６は、ウエハＷの加熱温度が高い場合、Ａｕ、Ａｇ等の貴金属を主成分とするペーストを前記スルーホール１９の上に塗布し９００〜１０００℃で焼き付けることにより、内部の発熱抵抗体５の酸化を防止することができる。
【００５７】
上記絶縁層４を形成するガラスの特性としては、結晶質又は非晶質のいずれでも良く、例えばレジスト乾燥用に使用する場合、耐熱温度が２００℃以上でかつ２０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が均熱板２を構成するセラミックスの熱膨張係数に対し−５〜＋５×１０-7／℃の範囲にあるものを適宜選択して用いることが好ましい。即ち、熱膨張係数が前記範囲を外れたガラスを用いると、均熱板２を形成するセラミックスとの熱膨張差が大きくなりすぎるため、ガラスの焼付け後の冷却時において、均熱板２に反りが発生したり、クラックや剥離等の欠陥が生じ易いからである。
【００５８】
【実施例】
実施例  １
熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の炭化珪素質焼結体に研削加工を施し、板厚４ｍｍ、外径２３０ｍｍの円盤状をした均熱板２を複数製作し、各均熱板２の一方の主面に絶縁層４を被着するため、ガラス粉末に対してバインダーとしてのエチルセルロースと有機溶剤としてのテルピネオールを混練して作製したガラスペーストをスクリーン印刷法にて敷設し、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させたあと、５５０℃で３０分間脱脂処理を施し、さらに７００〜９００℃の温度で焼き付けを行うことにより、ガラスからなる厚み２００μｍの絶縁層４を形成した。次いで絶縁層４上に発熱抵抗体５を被着するため、導電材としてＡｕ粉末とＰｄ粉末を添加したガラスペーストを、スクリーン印刷法にて所定のパターン形状に印刷したあと、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させ、さらに５５０℃で３０分間脱脂処理を施したあと、７００〜９００℃の温度で焼き付けを行うことにより、厚みが５０μｍの発熱抵抗体５を形成した。発熱抵抗体５は中心部と外周部を周方向に４分割した５パターン構成とした。しかるのち発熱抵抗体５に給電部６を導電性接着剤にて固着させることにより、均熱板２を製作した。
【００５９】
また、支持体１１は、主面の３０％に開口部を形成した厚み２．５ｍｍのステンレスからなる２枚の板状構造体１３を準備し、この内の１枚に、熱電対１０、１０本の導通端子７を所定の位置に形成し、同じくステンレスからなる側壁部とネジ締めにて固定して支持体１１を準備した。
【００６０】
その後、前記支持体１１の上に、均熱板２を重ね、その外周部を弾性体８を介してネジ締めすることにより図１に示した本発明のウエハ加熱装置１とした。
【００６１】
また、窒化アルミニウムを主成分とし、焼結助剤として５重量％のＹ2Ｏ3を含有する１ｍｍのグリーンシートを５枚積層して５ｍｍにしたグリーンシート上に、ＷＣからなる発熱抵抗体を所望の形状に形成し、その上に電極引出部となるＷＣからなるペーストを充填したビアホールを形成した別のグリーンシートを５ｍｍ分重ねて密着したものから円盤状の生成形体を切り出し、これを窒素ガス中８００℃で脱脂したのち、１９００〜２１００℃で焼成して円盤状の窒化アルミニウムからなる均熱板２を得た。
【００６２】
そして、転写法により金ペーストからなる給電部６を形成し、９００℃で焼き付け処理した。その後、バネを有する導通端子７を装着した支持体１１にその外周部を弾性体８を介してネジ締めした。
【００６３】
さらに、熱電対１０の保持部については、分割形成された発熱抵抗体５それぞれの中心に均熱板２の厚みの２／３の深さの４．５ｍｍφの凹部を形成し、図３に示したように熱電対１０を埋め込んだ金属チップ２２、押さえ治具２４を順に重ね、これらを支持棒２５により弾性的に保持するようにして、本発明のウエハ加熱装置を作製した。
そして、比較例として図９に示した熱電対の保持方法を用いたサンプルを作製した。炭化珪素質セラミックスからなる均熱板２に、均熱板２の厚みの２／３の深さの４．５ｍｍφの凹部を形成し、図９に示したように前記凹部にステンレスからなる保護管を挿入し固定した。前記保護管の中には、その先端部にリード線６７が結線された測温抵抗体６６を設置し、その上に伝熱セメント６８を充填した。このようにして、Ｎｏ．２のウエハ加熱装置１を作製した。
【００６４】
そして、このようにして得られた本発明実施例及び比較例の２種類のウエハ加熱装置１の導電端子７に通電して２５０℃で保持し、載置面３の上に載せたウエハ表面の温度分布を中心とウエハ半径の１／２の周上の６分割点６点の合計７点の温度バラツキが１℃以内となることを確認した後、１５０℃に３０分保持したのち、ウエハＷを載置面２に載せて温度が１５０℃±０．５℃に安定するまでの昇温時間を各サンプル５サイクル調査しその最大値を測定値とした。また、前記温度バラツキが１℃以内になるまでの時間を確認した。
【００６５】
評価基準としては、ウエハ面の温度上昇時の温度バラツキが１０℃以内であるものをＯＫとし、それ以上となるものはＮＧとした。また、温度が安定するまでの時間は、６０秒以内のものをＯＫとし、それ以上となるものは、ＮＧとした。
【００６６】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００６７】
【表１】
0003872256.tif 000002
【００６８】
表１から判るように、Ｎｏ．２に示す比較例のウエハ加熱装置１は、測温部の熱容量が大きくなるため、昇温過渡時の測温抵抗体６６間相互の測定温度バラツキは４．５℃と小さくなるが、温度が安定するまでの時間が１２０秒と非常に遅くなった。
【００６９】
これに対し、図３に示した構造で熱電対１０を固定した本発明のウエハ加熱装置のＮｏ．１は、昇温過渡時の熱電対１０間相互の測定温度バラツキは６．５℃であり、温度が安定するまでの時間が３８秒と良好な加熱特性を有することが判った。
【００７０】
実施例  ２
ここでは、均熱板２の凹部２１に熱伝導率の異なる金属箔２３を設置したウエハ加熱装置１と、金属箔２３を設置しないウエハ加熱装置を作製し、ウエハＷを載置面２に載せた場合に、ウエハＷの温度が設定温度になるまでの安定時間との関係を調査した。
【００７１】
金属箔２３として、厚み１５μｍのＡｇ（熱伝導率４２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ｃｕ（熱伝導率４１３Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ａｕ（熱伝導率２９７Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ａｌ（熱伝導率２０３Ｗ／ｍ・Ｋ））、Ｎｉ（熱伝導率８４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ｐｔ（熱伝導率６９Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ステンレス（熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用いて、上記評価を実施した。他は、実施例１と同様にしてサンプルを作製した。なお、それぞれの金属箔の設置枚数は、３枚とした。
【００７２】
各ウエハ加熱装置１の導通端子７に通電して２５０℃で保持し、載置面３の上に載せたウエハ表面の温度分布を中心とウエハ半径の１／２の周上の６分割点６点の合計７点の温度バラツキが１℃以内となることを確認した後、ウエハＷを載せて８０℃に３０分保持したのち、ウエハＷの温度が１５０℃±０．５℃に安定するまでの昇温時間を各サンプル５サイクル調査しその最大値を測定値とした。
【００７３】
測定結果を表２に示した。
【００７４】
【表２】
0003872256.tif 000003
【００７５】
表２から判るように、金属箔の熱伝導率が６５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であるＮｏ．７と金属箔２３を設置しないＮｏ．８は、前記昇温時間が６０秒と遅くなった。これに対し、熱伝導率が６５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるＮｏ．１〜６は、５０秒以下の良好な昇温時間となった。
【００７６】
実施例  ３
ここでは、金属製チップ２２と押さえ治具２４の熱伝導率を変更した場合にウエハＷの温度が設定温度になるまでの安定時間との関係を調査した。
【００７７】
金属製チップ２２の材質として、Ｃｕ（熱伝導率３９４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ａｕ（熱伝導率２９３Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ａｌ（熱伝導率２３８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ａｌ合金３種（熱伝導率１９２、１３４、１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ｎｉ（熱伝導率８４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ｆｅ（熱伝導率６９Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ステンレス（熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用い、押さえ治具の材質として、Ａｌ（熱伝導率２３８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ｎｉ（熱伝導率８４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、Ｆｅ合金（熱伝導率５０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ステンレス（熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、アルミナ（熱伝導率２５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ジルコニア（熱伝導率４Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用いて、これらを組み合わせた。
【００７８】
このようにして得られたウエハ加熱装置１の導電端子７に通電して２５０℃で保持し、載置面３の上に載せたウエハ表面の温度分布を中心とウエハ半径の１／２の周上の６分割点６点の合計７点の温度バラツキが１℃以内となることを確認した後、ウエハＷを載せて８０℃に３０分保持したのち、ウエハＷの温度が１５０℃±０．５℃に安定するまでの昇温時間を各サンプル５サイクル調査しその最大値を測定値とした。また、ウエハＷの温度が設定温度に安定するまでの安定性を評価し、温度が設定温度範囲になってからダラダラと変化するものは△とし、安定性良好なものを○とした。
【００７９】
その他の工程は、実施例１と同様にしてサンプルを作製した。
【００８０】
結果を、表３に示した。
【００８１】
【表３】
0003872256.tif 000004
【００８２】
表３から判るように、押さえ治具２４を熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下のステンレスとし、金属製チップ２２の熱伝導率を均熱板２のそれに対し１７０％を越えるものとしたＮｏ．１〜３は、昇温速度は良好であるが、１５０℃±０．５℃に保持した場合の温度が徐々に降下する傾向があるので、好ましくない。また、金属製チップ２２の熱伝導率が均熱板２のそれに対し４０％以下となるＮｏ．９は、金属製チップ２２の熱伝導率が低いため金属製チップ２２の昇温が遅れウエハＷ温度のオーバーシフトが発生し均熱を達成するのに時間を要するので好ましくない。
【００８３】
また、押さえ治具２４を熱伝導率５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を越えるものとしたＮｏ．１０、１１は、発熱抵抗体５からの熱を直接押さえ治具が受け、金属製チップ２２の温度が早く上昇するので、均熱板２の加熱が不足気味となり、ウエハの加熱に時間を要してしまう。
【００８４】
これに対し、金属製チップ２２の熱伝導率を均熱板２のそれに対し４０〜１７０％とし、押さえ治具２４の熱伝導率を５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下としたＮｏ．４〜８、１２〜１５は、昇温時間が３０〜５０秒であり、温度安定性も良好であった。
【００８５】
実施例  ４
ここでは、押さえ治具２４の形状と均熱板２の昇温特性および熱電対１１保持の信頼性との関係について評価した。押さえ治具２４の材質はステンレスとしその形状を、図３に示すような円柱体、図６に示すような円柱体の底面部に切り欠き２９を形成したもの、図７に示すような円筒体を用いて、それぞれその他の工程は実施例１と同様にして試料を作製した。また、円筒体は、図７に示したように回転防止用の突起２８と切り欠き２７を形成したもの、突起２８と切り欠き２７を形成しないものを用いた。
【００８６】
そして評価は、９０℃保持から１５０℃へ設定温度を変更した際のウエハＷの温度が１５０±０．５℃に入るまでの昇温時間を評価した。
【００８７】
また、これらのサンプルに振幅５ｍｍ×５Ｇ×２時間の振動試験を施し、振動試験前後の昇温速度の変化率を評価した。ウエハＷの温度が１５０±０．５℃に入るまでの、ウエハＷ温度の挙動を調べて、昇温時間の変化率が５％を越えるものを△とし、前記変化率が５％以下となるものを○として評価した。
【００８８】
結果を表４に示した。
【００８９】
【表４】
0003872256.tif 000005
【００９０】
表４から判るように、押さえ治具２４の形状を円柱状としたＮｏ．１は、昇温時間が４２秒となったのに対し、円柱状の押さえ治具２４の金属製チップ２２側の面に切り欠き２９を形成したＮｏ．２、円筒状の押さえ治具２４を使用したＮｏ．３、４は、昇温時間が４０秒以下と良好な昇温特性を示した。
【００９１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、セラミックスからなる均熱板の一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面もしくは内部に発熱抵抗体を有するとともに、該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を前記他方の主面に具備してなるウエハ加熱装置において、前記均熱板に形成された凹部にシース型熱電対の測温部を配置し、金属製チップおよび押さえ治具により前記測温部を押圧固定するとともに、前記押さえ治具が、筒状体または切り欠きを有する柱状体からなること、または、セラミックスからなる均熱板の一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面もしくは内部に発熱抵抗体を有するとともに、該発熱抵抗体と電気的に接続される給電部を前記他方の主面に具備してなるウエハ加熱装置において、前記均熱板に形成された凹部にシース型熱電対の測温部を配置し、金属製チップおよび押さえ治具により前記測温部を押圧固定するとともに、前記金属製チップ、押さえ治具、及びこれらを押さえる支持棒の各接触部に回転防止用の溝と突起が形成されていることにより、良好なウエハの温度調整ができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウエハ加熱装置を示す断面図である。
【図２】本発明のウエハ加熱装置の均熱板を示す平面図である。
【図３】本発明のウエハ加熱装置の熱電対設置部を示す断面図である。
【図４】本発明のウエハ加熱装置の熱電対設置部を示す他の断面図である。
【図５】（ａ）は本発明のウエハ加熱装置の熱電対を保持した金属チップの断面図であり、（ｂ）はその比較例である。
【図６】本発明のウエハ加熱装置の熱電対設置部の他の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明のウエハ加熱装置の熱電対設置部の他の実施形態を示す展開斜視図である。
【図８】従来のウエハ加熱装置を示す断面図である。
【図９】従来のウエハ加熱装置の熱電対設置部を示す断面図である。
【符号の説明】
１：ウエハ加熱装置
２：均熱板
３：載置面
４：絶縁層
５：発熱抵抗体
６：給電部
７：支持体
８：弾性体
１０：熱電対
２２：金属チップ
２３：金属箔
２４：押さえ治具
２５：支持棒
Ｗ：半導体ウエハ
【図１】
0003872256.tif 000006
【図２】
0003872256.tif 000007
【図３】
0003872256.tif 000008
【図４】
0003872256.tif 000009
【図５】
0003872256.tif 000010
【図６】
0003872256.tif 000011
【図７】
0003872256.tif 000012
【図８】
0003872256.tif 000013
【図９】
0003872256.tif 000014