(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
載置台にウエハを搭載して加熱処理するための半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットにおいて、載置台を含む２枚以上のプレート状部材が連結ネジで機械的に連結されると共に、該連結ネジがベアリング機構を備え、前記連結ネジのネジかかり部が前記プレート状部材に接着剤で固定されていることを特徴とする半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項２】
ウエハを搭載して加熱処理するための載置台と、載置台を加熱するための抵抗発熱体と、抵抗発熱体を載置台に機械的に押し付けるための押さえ板とを備え、これらのプレート状部材がベアリング機構を備える連結ネジで機械的に連結されていると共に、前記連結ネジのネジかかり部が前記プレート状部材に接着剤で固定されていることを特徴とする半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項３】
前記押さえ板に当接又は分離する可動式の冷却プレートを更に具備することを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項４】
ウエハを搭載して加熱処理するための載置台と、載置台を加熱するための抵抗発熱体と、載置台を冷却するための冷却プレートとを備え、これらのプレート状部材がベアリング機構を備える連結ネジで機械的に連結されていると共に、前記連結ネジのネジかかり部が前記プレート状部材に接着剤で固定されていることを特徴とする半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項５】
前記冷却プレートの外側に更に押さえ板を有し、前記載置台と該押さえ板が前記連結ネジで機械的に連結されていることを特徴とする、請求項４に記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項６】
前記連結ネジを４ヶ所以上配置す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装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項７】
前記ベアリング機構は、前記連結ネジの雄ネジ頭部の座面か又は該座面に対向するプレート状部材の表面のいずれか片方に設けたベアリング溝と、該ベアリング溝内に保持されたベアリングボールとからなり、該ベアリング溝の深さがベアリングボールの直径以下で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装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項８】
前記連結ネジ１個あたり前記ベアリングボールを３個以上使用することを特徴とする、請求項７に記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項９】
前記ベアリングボールの真球度が３０μｍ以下であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項１０】
前記ベアリングボールの直径が４ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項１１】
前記ベアリングボールの材質がセラミックス、ステンレス、鉄、ニッケルから選ばれたいずれか１種であることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれかに記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項１２】
前記プレート状部材は、少なくとも２枚が異なる熱膨張率を有する材料からなることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項１３】
前記２枚のプレート状部材における熱膨張率の差が１.０×１０−９／℃以上であることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項１４】
前記載置台は、窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、銅、アルミニウム、ニッケル、シリコンから選ばれた少なくとも１種を主成分とす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装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項１５】
前記押さえ板は、窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、銅、アルミニウム、ニッケル、シリコン、ステンレスから選ばれた少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする、請求項２又は５に記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニット。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットを搭載したことを特徴とする半導体装置の製造・検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に半導体基板やフラットディスプレイパネル基板を加熱する際に用いるヒータユニット、特にフォトリソグラフィ工程やプローバ検査工程あるいは最終検査工程で用いるヒータユニット、及びそれを搭載した製造・検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被加熱物を搭載して加熱処理できる装置は数多く開発されており、このうち特に被加熱物の温度分布の均一性（均熱性とも称する）が要求されるものとして、半導体装置やフラットディスプレイパネルの製造又は検査において、半導体基板やガラス基板などの加熱処理に利用されるヒータユニットがある。このヒータユニットは、例えば、リソグラフィ工程において基板上に塗布したレジスト液を加熱乾燥するために使用されたり、あるいは基板の検査を所望の温度で行うための昇温に使用されたりしている。
【０００３】
上記半導体装置やフラットディスプレイパネルについては、連続操業による大量生産によって製品の低価格化が競われているため、これらの製造・検査装置ではタクトタイムの短縮化が要望されている。そのため、１台の製造・検査装置で高いスループットを得るためには、温度維持時間中の被処理物の処理時間はもちろんのこと、処理条件の変更に伴うヒータ温度の変更に要する時間（昇温時間、冷却時間）を短くする必要がある。
【０００４】
このためのヒータユニットとして、特開２００４−０１４６５５号公報には、所望の熱容量を有する冷却プレートをヒータプレートに対して移動可能に設置したヒータユニットが記載されている。このヒータユニットは、図１に示すように、抵抗発熱体を有するヒータプレート１と、ヒータプレート１を迅速に冷却するための可動式の冷却プレート２ａと、熱が製造・検査装置に伝わりにくいよう遮蔽するためヒータプレート１と冷却プレート２ａを収納する容器３とからなる。尚、ヒータ温度をモニタするため、測温温度計４又は温度センサが接続されている。
【０００５】
上記図１のように、可動式の冷却プレート２ａを備えたヒータユニットでは、冷却プレート２ａをエアシリンダなどからなる昇降機構により上下に駆動可能に設置して、加熱時には冷却プレート２ａをヒータプレート１から分離することにより急速昇温が可能になる。また、冷却時には加熱されたヒータプレート１に冷却プレート２ａを当接することによって、載置面に載置した被加熱物の温度を短時間で下げることが可能である。
【０００６】
また、ヒータユニットの別の具体例を図２に示す。このヒータユニットでは、ヒータプレート１と冷却プレート２ｂとが、有底円筒状の支持部材５により支持されている。図２に示す冷却プレート２ｂは、ヒータプレート１の載置面の反対側に押さえ板（図示せず）などで固定されているが、ヒータプレート１と有底円筒状の支持部材５との空隙部内を上下に移動し、ヒータプレート１に当接あるいは分離する可動式とすることもできる。
【０００７】
上記した従来のヒータユニットにおいて、ヒータプレートは、例えば図３に示すように、半導体基板などを搭載するセラミックスの載置台６を含み、載置台６の載置面の反対側（裏面）に抵抗発熱体７を配設し、柔軟な絶縁シート８を介在させ、更に比較的強度のある押さえ板９を配置して、押さえ板９と載置台６との間で連結ネジ１０により、具体的にはリベットやボルトナット等を用いて、機械的に接合固定される。尚、載置台の裏面に抵抗発熱体を配設した後、その上に電気絶縁膜をコーティングして、ヒータプレートとする場合もある。
【０００８】
また、上記冷却プレートとしては、金属あるいはセラミックスのブロックが使用されている。冷却プレートに冷媒流路を形成し、この流路に冷媒を流通させることによって、更に冷却効率を高めることができる。冷却プレートは、図１の具体例のようにヒータプレート１に対して当接あるいは分離できる可動式の冷却プレート２ａと、図３の具体例に示すようにヒータプレート１に押さえ板などで固定するものとがある。
【特許文献１】特開２００４−０１４６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した従来のヒータユニットにおいては、ウエハの面内均熱性を維持するための手法として、載置台に銅などの高熱伝導材料を使用するか、載置台の厚さを厚くして発熱体の温度むらをなくすか、発熱体を多ゾーン制御して部分的発熱をバランスさせることで対応するしかなかった。一方、高速昇温が必要なヒータにおいては、載置台は低密度の材料を用いたり、厚さを薄くしたりする必要があるため、更に選択肢が狭まっていった。また、スループット向上のためには、ウエハ面内の温度分布を維持したまま、昇温速度と冷却速度を向上させる必要も生じており、面内の温度均一性との両立が非常に困難であった。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ウエハ面内の温度均一性を維持し又は更に向上させながら、昇温・降温速度の高速化が可能であって、熱応力による損傷がなく、信頼性に優れたヒータユニット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】
【００１１】
本発明者らは、上記目的を達成するために、載置台を含む２枚以上のプレート状部材をネジで機械的に連結したヒータユニットにおいて、載置台の厚さを薄くして熱容量を低減することで昇温速度と降温速度の高速化を図りながら、載置台の厚さが薄くなっても、温度均一性の低下を防ぎ且つプレート状部材の破損を防ぐことができる方法について鋭意研究を行った。
【００１２】
一般に、２枚以上のプレート状部材をネジで機械的に連結したヒータユニットにおいては、互いのプレート状部材の構成材料が異なり、従って熱膨張係数が異なる場合は勿論のこと、同一材料を使用しても各プレート状部材の温度差によって熱膨張量が異なる場合がある。そのため、２枚以上のプレート状部材をネジなどで機械的に固定したヒータユニットでは、熱膨張差によってネジ部で応力集中が発生し、載置台を含むプレート状部材が曲がることによって、平面度変化が発生して面内の温度均一性が低下したり、プレート状部材やネジの変形や破損が起こったりする可能性がある。
【００１３】
そこで、本発明においては、２枚以上のプレート状部材をネジで機械的に連結する際に、その連結ネジにベアリング機構を備えることによって、縦方向には軸力を加えることで良好な熱伝達を保ちながら、横方向には熱膨張差を吸収できるようベアリング機構で滑らせ、互いの熱膨張差による平面度変化の発生を防止して、ウエハ面内の温度均一性を確保することとした。
【００１４】
即ち、本発明が提供する半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットは、載置台にウエハを搭載して加熱処理するための半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットにおいて、載置台を含む２枚以上のプレート状部材が連結ネジで機械的に連結されると共に、該連結ネジがベアリング機構を備え、前記連結ネジのネジかかり部が前記プレート状部材に接着剤で固定されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明が提供する半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットの一具体例は、ウエハを搭載して加熱処理するための載置台と、載置台を加熱するための抵抗発熱体と、抵抗発熱体を載置台に機械的に押し付けるための押さえ板とを備え、これらのプレート状部材がベアリング機構を備える連結ネジで機械的に連結されていると共に、前記連結ネジのネジかかり部が前記プレート状部材に接着剤で固定されていることを特徴とする。このヒータユニットの場合、前記押さえ板に当接又は分離する可動式の冷却プレートを更に具備することができる。
【００１６】
更に、本発明が提供する半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットの他の具体例は、ウエハを搭載して加熱処理するための載置台と、載置台を加熱するための抵抗発熱体と、載置台を冷却するための冷却プレートとを備え、これらのプレート状部材がベアリング機構を備える連結ネジで機械的に連結されていると共に、前記連結ネジのネジかかり部が前記プレート状部材に接着剤で固定されていることを特徴とする。このヒータユニットの場合、前記冷却プレートの外側に更に押さえ板を有し、前記載置台と該押さえ板を前記連結ネジで機械的に連結することができる。
【００１７】
また、上記本発明による半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットにおいては、前記連結ネジを４ヶ所以上配置することが好ましい。
【００１８】
上記本発明による半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットにおいて、前記ベアリング機構は、前記連結ネジの雄ネジ頭部の座面か又は該座面に対向するプレート状部材の表面のいずれか片方に設けたベアリング溝と、該ベアリング溝内に保持されたベアリングボールとからなり、該ベアリング溝の深さがベアリングボールの直径以下であることを特徴とする。
【００１９】
この半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットにおいては、前記連結ネジ１個あたり前記ベアリングボールを３個以上使用することが好ましい。前記ベアリングボールの真球度は、３０μｍ以下であることが好ましい。また、前記ベアリングボールの直径は、４ｍｍ以下であることが好ましい。更に、前記ベアリングボールの材質は、セラミックス、ステンレス、鉄、ニッケルから選ばれたいずれか１種であることが好ましい。
【００２０】
上記本発明による半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットにおいて、前記プレート状部材は、少なくとも２枚が異なる熱膨張率を有する材料からなることが望ましい。この場合、前記２枚のプレート状部材における熱膨張率の差が１.０×１０−９／℃以上であることが好ましい。
【００２１】
上記本発明による半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットにおいて、前記載置台は、窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、銅、アルミニウム、ニッケル、シリコンから選ばれた少なくとも１種を主成分とすることが好ましい。また、前記押さえ板は、窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、銅、アルミニウム、ニッケル、シリコン、ステンレスから選ばれた少なくとも１種を主成分とすることが好ましい。
【００２２】
本発明は、また、上記した本発明の半導体装置の製造・検査装置用ヒータユニットを搭載したことを特徴とする半導体装置の製造・検査装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、複数のプレート状部材を機械的に連結する連結ネジにベアリング機構を備えることにより、縦方向には軸力を加えて良好な熱伝達を保ちながら、横方向には熱膨張差をベアリング機構で吸収することができるため、パーティクルの発生を抑えながら、載置台の平面度の変化をなくし、ウエハ面内の温度均一性を良好に保ち又は従来以上に向上させると共に、昇温・降温速度の高速化が可能なヒータユニットを提供することができる。
【００２４】
従って、本発明のヒータユニットを用いることにより、特に半導体装置あるいはフラットディスプレイパネルの製造プロセスにおいて、昇温側と降温側の温度条件の変更後すみやかに次条件での加熱プロセスを実施できるため、温度変更にかかる所要時間を一層短縮化することができる。また、高い面内温度の均一性を達成できるため、半導体プロセスにおいて、例えばフォトレジスト工程での膜厚や線幅のばらつきを低減することができる。また、検査工程においては、プローバ装置により常に一定の均熱性とプロービング性を確保することができる。その結果、製造される半導体装置やフラットディスプレイパネルの生産性、性能、歩留まり、信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明のヒータユニットは、載置台、抵抗発熱体、押さえ板など複数のプレート状部材を機械的に連結する連結ネジにベアリング機構を備えている。そのため、連結ネジで縦方向に軸力を加えることで良好な熱伝達を保ちながら、同時に各プレート状部材の熱膨張差による載置台の平面度の変化が生じないように、横方向にはベアリング機構で滑らせることで熱膨張差を吸収することができる。
【００２６】
従って、このような良好な平面度の維持できることによって、面内温度の均一性を維持ないし向上させながら、同時に昇温速度及び降温速度の高速化を図るために、載置台の厚さを薄くして熱容量を低減させることが可能となる。また、ベアリング構造により２枚以上のプレート状部材の温度差による熱膨張差、あるいは異なる材料のプレート状部材を固定する部分での熱膨張差による摩擦を抑えることができるため、上記均熱性の向上だけでなく、半導体製造装置や検査装置で必須とされるパーティクルの発生防止を図ることができる。
【００２７】
上記した平面度、パーティクル、均熱性等に関する本発明の効果は、載置台と押さえ板あるいは載置台と冷却プレートのような組み合わせにおいて、各プレート状部材が異なる材料からなり、従って異なる熱膨張率を有する場合に顕著に現れる。特に２枚のプレート状部材における熱膨張率の差が１.０×１０−９／℃以上であるとき、連結ネジにベアリング機構を備えた本発明のヒータユニットが極めて有効である。
【００２８】
２枚以上のプレート状部材の連結に使用する連結ネジは、そのネジかかり部を接着剤でプレート状部材に固定することが好ましい。通常のネジが固定されるのは、ネジの座面（つば部）がプレート状部材に接触した際の摩擦力を利用している。これに対してベアリング機構をネジの座面に設けた場合、そのネジに推奨されている必要ネジトルクで締め込んでも緩んでしまい、ネジを経時的に固定しておくための十分な摩擦力が得られ難い。そこで、本発明では、連結ネジのネジかかり部に適量の接着剤を塗布してプレート状部材に固定することで、連結ネジの経時的な緩みを防止する。使用する接着剤としては、使用温度に耐えられ且つ熱膨張差に追従できるものであればよく、セラミック系、樹脂系等の種類は問わない。
【００２９】
また、ヒータユニットには、ベアリング機構を備えた連結ネジを４ヶ所以上に配置することが好ましい。連結ネジが少ないとバランスが取れず、連結ネジの軸力が載置台及び押さえ板に対して垂直方向に掛からないため、ベアリング機構の効果を発揮することが難しい。ヒータユニットに連結ネジを４ヶ所以上配置することによって、ヒータ温度の上昇時にベアリング効果が十分に発揮され、載置台と押さえ板の平面度の低下を防ぐことができる。また、連結ネジの個数は７ヶ所以上あることが更に好ましい。
【００３０】
次に、本発明のヒータユニットの一具体例を、図４を参照して説明する。このヒータユニットは、プレート状部材として、被加熱物を搭載するための載置面を有する載置台６と、載置台６を加熱するための抵抗発熱体７と、抵抗発熱体７と押さえ板９の間に配置された絶縁シート８と、抵抗発熱体７を載置台６に機械的に押し付けるための押さえ板９とを有している。そして、絶縁シート８及び抵抗発熱体７を挟んで、載置台６と押さえ板９が連結ネジ１０で機械的に連結されると共に、連結ネジ１０にはベアリング機構が設けてある。
【００３１】
尚、図４のヒータユニットは、冷却プレートを含まず、載置台６、抵抗発熱体７、絶縁シート８及び押さえ板９によってヒータプレートが構成されている。また、図示していないが、抵抗発熱体７に給電するための配線や、ヒータ温度をモニタするための温度センサなどが接続されている。更に、このヒータユニットの場合、ヒータプレートの下方に、可動式の冷却プレートを備えることができる。可動式の冷却プレートは、エアシリンダなどの昇降機構により上下に駆動して、押さえ板９に対して当接又は分離することができる
【００３２】
上記連結ネジに設けるベアリング機構は、図４（ａ）に示すように、連結ネジ１０の雄ネジ頭部の座面にベアリング溝１１ａと、このベアリング溝１１ａ内に保持されたベアリングボール１２とで構成される。また、図４（ｂ）に示すように、連結ネジ１０の雄ネジ頭部の座面に対向する押さえ板９の表面にベアリング溝１１ｂを設け、このベアリング溝１１ｂ内にベアリングボール１２を保持することもできる。いずれの場合も、ベアリング溝１１ａ、１１ｂの深さは、ベアリングボール１２の直径以下とする。
【００３３】
このように、連結ネジの雄ネジ頭部の座面又はこの座面に対向する押さえ板の表面のいずれか片方にベアリング溝を設け、その溝内にベアリングボールを保持することで、ベアリングボールの脱落を防止でき、安価で簡便なベアリング機構を作ることができる。尚、押さえ板の表面にベアリング溝を形成する際には、押さえ板の残り板厚を０.５ｍｍ以上とすることが望ましい。残り板厚が０.５ｍｍ未満になると、長時間のヒートサイクルの履歴によって、次第に押さえ板の局所的な変形が生じる場合があるため好ましくない。
【００３４】
本発明のヒータユニットにおいて、連結ネジで連結する複数のプレート状部材の構成は、図４に示したヒータプレートの場合に限定されず、載置台、抵抗発熱体、押さえ板、必要に応じて絶縁シート、及び押さえ板を、適宜組み合わせて構成することができる。例えば図５（ａ）に示すように、載置台６の載置面に対する裏面に、必要に応じて絶縁シート８を介在させて、ステンレスやニッケル−クロム箔をエッチングして例えば渦巻状に作製した抵抗発熱体７を配設し、その裏面側に柔軟な絶縁シート８を介在させ、その裏面に比較的強度のある押さえ板９を組み合わせて、ヒータプレートとすることができる。
【００３５】
また、上記した載置台、抵抗発熱体、押さえ板、必要に応じて絶縁シート、及び押さえ板に、更に冷却プレートを組み合わせて構成することもできる。例えば図５（ｂ）に示すように、載置台６の裏面に抵抗発熱体７を配設し、その裏面側に冷却プレート２ｂを重ね、その裏面に押さえ板９を配置した組み合わせがある。更に、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）の組み合わせにおける抵抗発熱体７の両側に、柔軟な絶縁シート８、８を介在させることもできる。
【００３６】
これら冷却プレートを組み込んだ本発明のヒータユニットの具体例を、図６に示す。図６（ａ）では、載置台６の載置面に対する裏面に、必要に応じて絶縁シート８を介して抵抗発熱体７を配設し、その裏面側に絶縁シート８を介して冷却プレート２ｂを重ね、その裏面に押さえ板９を組み合わせて、ベアリング機構を有する連結ネジ１０で機械的に連結してある。また、図６（ｂ）に示すように、押さえ板を使用せずに、載置台６と冷却プレート２ｂをベアリング機構が設けた連結ネジ１０で機械的に連結することもできる。尚、図６（ａ）では連結ネジ１０の雄ネジ頭部の座面にベアリング溝１１ａを設け、図６（ａ）では連結ネジ１０の雄ネジ頭部の座面に対向する冷却プレート２ｂの表面にベアリング溝１１ｂを設けてある。
【００３７】
上記絶縁シートとしては、できる限り高熱伝導率のものを使用することが望ましい。また、載置台の熱膨張曲線に近似した熱膨張曲線を有する絶縁材料、例えば結晶化ガラスやグレーズガラス、あるいは耐熱性を有する有機物を用いることが好ましい。載置台と押さえ板の間又は載置台と冷却プレートの間では、抵抗発熱体と絶縁シートの積層順は特に制限されない。上記冷却プレートは、金属あるいはセラミックスのブロックで構成されている。また、冷却プレートには冷媒流路を形成し、この流路に冷媒を流通させることによって、更に冷却効率を高めることができる。
【００３８】
本発明のヒータユニットでは、上記し且つ図４、６に図示したベアリング機構において、ベアリングボールは連結ネジ１個あたり３個以上使用することが好ましく、５個以上使用することが更に好ましい。連結ネジ１個あたり３個以上のベアリングボールを具備することにより、載置台や押さえ板などプレート状部材の膨張に伴いベアリングボールが膨張方向に転がりやすくなるため、各プレート状部材が連結ネジにより拘束されずに自由に膨張でき、各々の良好な平面度を維持することができる。また、複数個のベアリングボールが予め装着されているようなベアリング機構を使用しても構わない。
【００３９】
ベアリングボールの真球度は、３０μｍ以下であることが望ましい。ベアリングボールの真球度が３０μｍを超えると、載置台や押さえ板などプレート状部材の膨張時にベアリングボールが円滑に転がらず、摩擦により載置台や押さえ板などが拘束されてしまうため、各プレート状部材間の変位量差が増大して、載置台の平面度が悪化するためである。
【００４０】
また、ベアリングボールの直径は、４ｍｍ以下であることが望ましい。ベアリングボールの直径が４ｍｍより大きいと、連結ネジのベアリングボールを保持する座面（つば部）を大きくする必要があり、この大きな座面（つば部）を逃げるように、例えば、ヒータユニット下部に設置する可動式の冷却プレートに大きなザグリを設ける必要がある。その結果、冷却プレートを当接させて冷却する際に、このザグリ部分の影響によってウエハ載置面に温度むらが生じ、ウエハの面内温度分布を悪化させるからである。
【００４１】
ベアリングボールの材質は、セラミックス、ステンレス、鉄、ニッケルのいずれか１種とすることが好ましい。ベアリングボールの材質がアルミニウム、銅、真鍮、樹脂等では、熱膨張時の強度が十分でなく、また真球度が保てないため、ベアリング機構の効果を十分に発揮できない。
【００４２】
ヒータユニットの載置台は、窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、銅、アルミニウム、ニッケル、シリコンからなる群から選ばれた少なくとも１種を主成分とすることが好ましい。その中でも、セラミックスの載置台が好ましい。金属の載置台を用いた場合には、半導体装置製造プロセスの微細加工プロセスで忌避されるパーティクルが発生し、ウエハ上に付着するという問題があるからである。
【００４３】
上記載置台を構成する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。また、信頼性を重視するならば、窒化珪素が高強度で且つ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。これらのセラミックスの中でも、性能とバランスを考慮すれば、窒化アルミニウムが好適である。また、プローバ用途で平面度と高剛性を考慮するならば、窒化珪素又は窒化珪素を主成分とするセラミックスが好ましい。
【００４４】
また、押さえ板としては、窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、銅、アルミニウム、ニッケル、シリコン、ステンレスから選ばれた少なくとも１種を主成分とすることが好ましい。尚、押さえ板及び冷却プレートの当接面の平面度は、それぞれ３００μｍ以下であることが好ましい。また、連結ネジの材質としては、ステンレス、ニッケル、チタン、コバールなどを用いることができる。
【００４５】
次に、ヒータユニットの載置台の製造方法について、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の場合を例にして詳述する。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未満では窒化アルミニウムの焼結性が低下し、５.０ｍ２／ｇを超えると粉末の凝集が非常に強くなるため取扱いが困難になる。また、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。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２０００ｐｐｍを超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物としてのＳｉなどの４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ため、いずれも含有量は５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
窒化アルミニウムは難焼結性材料であるため、ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤としては、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ＡｌＮ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共に、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、得られる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。
【００４７】
また、焼結助剤の希土類元素化合物としては、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。この中で酸化物は安価で入手が容易であるため好ましい。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、ＡｌＮ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、混合性が高くなるため特に好適である。
【００４８】
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く、その添加量は０.０１〜５ｗｔ％が好ましい。添加量が０.０１ｗｔ％未満では、緻密な焼結体を得ることが困難であると共に、焼結体の熱伝導率が低下する。また、添加量が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り、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て脱粒やパーティクルの原因となる。更に、好ましい焼結助剤の添加量は１ｗｔ％以下であり、この場合は粒界の３重点にも焼結助剤が存在しなくなるため耐食性が向上する。
【００４９】
次に、これらＡｌＮ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て混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波などによる混合が可能である。このような混合によって、窒化アルミニウムの原料スラリーを得ることができる。
【００５０】
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製造することができる。例えば、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製し、この顆粒を所定の金型に挿入してプレス成形を施す。この時のプレス圧力は、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、ハンドリング時などに破損し易くなる。
【００５１】
また、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。成形体密度が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、成形体密度が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難しく、このため緻密な焼結体を得ることが困難となるため、成形体密度は２.５ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００５２】
次に、上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、得られる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、焼結が阻害されるため、緻密な焼結体を得ることができない。
【００５３】
また、脱脂処理における加熱温度は、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ため、脱脂処理後の成形体中にカーボンが過剰に残存してしまい、その後の焼結工程での焼結が阻害される。また、１０００℃を超える温度では、残存する炭素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、得られる焼結体の熱伝導率が低下する。
【００５４】
その後、脱脂処理した成形体を焼結する。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中にて、１７００〜２０００℃の温度で行う。使用する窒素などの雰囲気ガスに含有される水分は、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て、焼結体の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。
【００５５】
更に、焼結時に使用する治具としては、窒化ホウ素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、上記した１７００〜２０００℃の焼結温度に対して充分な耐熱性を有すると共に、その表面に固体潤滑性があるため、焼結時に成形体が収縮する際の治具と成形体との間の摩擦を小さくすることができるため、歪みの少ない焼結体を得ることができる。
【００５６】
得られたＡｌＮ焼結体は、必要に応じて加工を施し、載置台とする。被処理物を搭載する載置面の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。表面粗さがＲａで５μｍを超えると、載置面と被処理物の摩擦によりＡｌＮの脱粒が多くなることがある。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。また、載置面の表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば更に好適である。
【００５７】
上記載置台は、抵抗発熱体、押さえ板、必要に応じて絶縁シート及び押さえ板を組み合わせた後、ベアリング機構を備えた連結ネジで機械的に連結される。これを、容器に収容してロッドなどで支持するか、または有底円筒状の支持体で支持する。また、必要に応じて可動式の冷却プレートを設置して、エアシリンダなどで押さえ板に当接させ又は分離させることができる。
【００５８】
次に、本発明のヒータユニットを用いて、被加熱物に対し熱処理を施す手順について述べる。まず、低温状態にあるヒータプレートの抵抗発熱体に通電してヒータプレートを昇温させる。その後、載置面上にウエハ等の被加熱物を搭載し、被加熱物を６０〜１８０秒程度加熱処理する。処理が終わると被加熱物を取り出して、次の被加熱物が載置面上に搭載される。必要量の加熱処理が終了した後、別プロセスの加熱処理のため、温度条件の変更を行う。
【００５９】
温度条件の変更に際して、高い温度側への変更の場合、そのまま通電条件を変更することで、簡単に温度変更できる。一方、低い温度側への変更の場合は、ヒータユニットへの通電を一旦停止した後、冷却プレートを上昇させてヒータプレートの裏面に当接させるか、若しくは組み込んだ冷却プレートを用いて、ヒータプレートの熱を冷却プレートに逃がすことによって、ヒータプレートひいては被加熱物の温度を急速に低下せしめる。このとき、冷却プレートの冷媒流路に冷却水などの冷媒を流し、冷却プレートに伝わった熱を冷媒に吸収させて、ユニット外へ効果的に排熱することができる。
【００６０】
その後、ヒータ制御用の測温温度計や温度センサが概ね設定温度になったことを検知すると、設定温度維持のため再度抵抗発熱体に通電が開始される。このようにして、冷却時の温度条件変更を短時間に行うことにより、スループットの向上を図ることができる。
【００６１】
上記した本発明によるヒータユニットは、半導体の製造・検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置に搭載することが好ましい。本発明によるヒータユニットを搭載した製造・検査装置は、従来よりも高速に昇降温させることができ、安定したウエハの面内温度の均一性（均熱性）が得られる。そのため、半導体装置やフラットディスプレイパネルの性能、歩留まり、信頼性の向上を図ることができるだけでなく、従来の装置よりも熱処理工程の所要時間が短縮化され、半導体装置やフラットディスプレイパネルの生産性向上を図ることができる。
【実施例】
【００６２】
［実施例１］
ＡｌＮ粉末と焼結助剤を混合し、バインダー及び溶剤を混合して、スプレードライにより顆粒を作製した後、プレス成形した。その成形体を窒素雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中において１８５０℃で焼結して焼結体を得た。尚、使用したＡｌＮ粉末は、平均粒径０.６μｍ、比表面積３.４ｍ２／ｇである。得られたＡｌＮ焼結体を加工し、直径３３０ｍｍ、厚さ６ｍｍのＡｌＮ製の載置台とした。また、材質をＡｌ２Ｏ３とした以外は上記と同様にして、Ａｌ２Ｏ３製の載置台も作製した。
【００６３】
上記ＡｌＮ製とＡｌ２Ｏ３製の各載置台について、ウエハ載置面と反対側の裏面に、ＳＵＳ箔やＮｉ−Ｃｒ箔から作製した渦巻状回路パターンの抵抗発熱体と、必要に応じて絶縁シートと、押さえ板（Ａｌ、Ｃｕ）とを、この順番に重ね合わせ、従来から使用されている通常の連結ネジ（ベアリング機構なし）により結合して、比較例である試料１〜２のヒータプレートを作製した。尚、抵抗発熱体の給電部には熱膨張係数のほぼ等しいコバール端子を取り付け、給電配線を接続して通電可能とした。また、温度をモニタするため、温度センサを埋設した。
【００６４】
また、上記ＡｌＮ製の載置台を用い、そのウエハ載置面と反対側の裏面に、ＳＵＳ箔やＮｉ−Ｃｒ箔から作製した渦巻状回路パターンの抵抗発熱体と、必要に応じて絶縁シートと、押さえ板（Ａｌ、Ｃｕ、ＳＵＳ）とを、この順番に重ね合わせ、ベアリング機構を備えた４個（中心１個、外周３個）の連結ネジにより結合して、本発明例である試料３〜５のヒータプレートを作製した。尚、上記連結ネジのベアリング機構は、雄ネジ頭部の座面に設けた深さ１.５ｍｍのベアリング溝内に、直径２ｍｍで真球度１０μｍのベアリングボールを１０個保持したものである。また、連結ネジは、ネジかかり部を接着剤で載置台などに固定した。給電配線や温度センサの設置は上記と同様とした。
【００６５】
可能式の冷却プレートとして、直径３３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのアルミニウム合金板を２枚用意し、そのうち１枚のヒータプレートと当接する面を平面度が２００μｍとなるように機械加工により製作した。また、この当接面には、部分接触を防止して全面に均一に接触するように、厚さ１.５ｍｍのＮｉセルメット（金属発泡体）を設けた。更に、これら２枚のアルミニウム合金板には、給電配線、温度センサ、及びヒータプレートを支持するロッドを挿通するための各貫通孔を形成した。
【００６６】
また、直径６ｍｍ、内径４ｍｍのリン脱酸銅パイプを曲げ加工して、冷却水を流すことができる流路を形成した。流路の両端には、冷却水を供給・排出するための入口及び出口を形成した。このパイプを上記２枚のアルミニウム合金板の間に配置し、ネジ止めにより固定して、内部に流路を有する冷却プレートを作製した。この冷却プレートは、エアシリンダなどからなる昇降機構によって上下可動となっており、ヒータプレートに当接又は分離することができる。
【００６７】
容器はステンレス（ＳＵＳ）からなり、側壁は内面高さ３０ｍｍ、内径３３７ｍｍ、厚さ１.５ｍｍであり、底壁は厚さ３ｍｍとした。この容器には、給電配線、温度センサ、及び容器に対してヒータプレートと冷却プレートを支持するためのロッドを締結する開口が設けてある。このＳＵＳ容器内に、上記試料１〜５の各ヒータプレートと可動式の冷却プレートをロッドや昇降機構などを用いて組み付けて、それぞれヒータユニットを完成させた。
【００６８】
上記した試料１〜５の各ヒータユニットについて、載置台と押さえ板の種類及び熱膨張係数、並びに連結ネジのベアリング機構の有無を下記表１に示す。また、各ヒータユニットについて、公知の電気マイクロメータを用い、常温における載置台上の中央部と外周部の２点の高さと、ヒータを２００℃まで昇温させたときの２点の高さをそれぞれ測定し、これら２点の変位量の差を求めた。得られた結果を下記表２に示した。
【００６９】
【表１】
0005056228.tif 000002
【００７０】
【表２】
0005056228.tif 000003
【００７１】
比較例の試料１は、ＡｌＮ製の載置台とＡｌ製の押さえ板を用い、従来のベアリング機構のない連結ネジを使用しているが、２００℃加熱時に載置台の中央部と外周部の変位量の差は２２.１μｍと大きかった。また、連結ネジは従来のベアリング機構のないままで、載置台と押さえ板の熱膨張係数差を少なくすることを目的に載置台をＡｌ２Ｏ３製及び押さえ板をＣｕ製とした試料２でも、２００℃加熱時の載置台の中央部と外周部の変位量の差は１８.３μｍであった。
【００７２】
これに対して、連結ネジにベアリング機構を具備した本発明例の試料３〜５の場合、載置台と押さえ板の熱膨張係数差にかかわらず、また押さえ板の材質にかかわらず、載置台の中央部と外周部の変位量の差は１０μｍ以下の小さい値を保持し、載置面の平面度の悪化を抑えることができた。
【００７３】
［実施例２］
上記実施例１と同様にして、ＡｌＮ製の載置台とＣｕ製の押さえ板、及びベアリング機構を備えた連結ネジを使用して、ヒータプレートを作製した。その際、連結ネジ１本あたりのベアリングボールの個数を、下記表３に示すように変化させた。得られた試料６〜９の各ヒータユニットについて、上記実施例１と同様にして２００℃加熱時における載置台の中央部と外周部の変位量と、その変位量の差を求め、得られた結果を下記表３に併せて示した。
【００７４】
【表３】
0005056228.tif 000004
【００７５】
連結ネジ１本当たりのベアリングボールの数が１個の試料６では、連結ネジがバランスを取れず、連結ネジの軸力が載置台及び押さえ板に対して垂直方向に掛からないため、ベアリングボールの効果が発揮されないことが判った。これに対して、連結ネジ１本当たり３個以上のベアリングボールを具備した試料７〜９では、載置台及び押さえ板の熱膨張に伴ってベアリングボールが膨張方向に転がり、載置台と押さえ板が連結ネジによって拘束されずに自由に膨張するため、上記変位量の差を１０μｍ以下に抑えることができた。
【００７６】
［実施例３］
上記実施例１と同様にして、ＡｌＮ製の載置台とＣｕ製の押さえ板、及びベアリング機構を備えた連結ネジを使用して、ヒータプレートを作製した。その際、使用するベアリングボールの真球度を下記表４に示すように変化させた。得られた試料１０〜１５の各ヒータユニットについて、上記実施例１と同様にして２００℃加熱時における載置台の中央部と外周部の変位量と、その変位量の差を求め、得られた結果を下記表４に併せて示した。
【００７７】
【表４】
0005056228.tif 000005
【００７８】
ベアリングボールの真球度が３０μｍを超えると、載置台や押さえ板の膨張時にベアリングボールが円滑に転がらず、摩擦により載置台と押さえ板を拘束してしまうため、２００℃加熱時における載置台の中央部と外周部の変位量の差が増大し、載置台の平面度が悪化することが分った。
【００７９】
［実施例４］
上記実施例１と同様にして、ＡｌＮ製の載置台とＣｕ製の押さえ板、及びベアリング機構を備えた連結ネジを使用して、ヒータプレートを作製した。その際、載置台などの結合に用いた連結ネジの個数を、下記表５に示すように変化させて均等に配置した。得られた試料１６〜２０の各ヒータユニットについて、上記実施例１と同様にして２００℃加熱時における載置台の中央部と外周部の変位量と、その変位量の差を求め、得られた結果を下記表５に併せて示した。
【００８０】
【表５】
0005056228.tif 000006
【００８１】
試料１６は連結ネジ個数がヒータ中心にのみ１個、試料１７は連結ネジが外周部に等間隔に３個配置してあるが、いずれも２００℃加熱時における載置台の中央部と外周部の変位量の差は極めて大きかった。一方、連結ネジを中心１個と外周部３個とした試料１８、中心１個と外周部６個とした試料１９、中心１個、中間部３個及び外周部６個とした試料２０では、いずれも２００℃加熱時における載置台の中央部と外周部の変位量の差を１０μｍ以下に抑えることができた。
【００８２】
［実施例５］
上記実施例１と同様にして、ＡｌＮ製の載置台とＣｕ製の押さえ板、及びベアリング機構を備えた連結ネジを使用して、ヒータプレートを作製した。その際、使用したベアリングボールの直径を下記表６に示すように変化させた。尚、各ベアリングボールの直径に合わせて、これを保持できるようベアリング溝の深さも適宜変化させた。
【００８３】
得られた試料２１〜２６の各ヒータユニットについて、１８０℃で温度保持させているヒータプレートに冷却プレートを当接させて、１８０℃から１３０℃まで冷却させた直後の面内温度分布を１７点測温Ｓｉウエハで測定し、得られた結果を下記表６に併せて示した。また、上記実施例１と同様にして、２００℃加熱時における載置台の中央部と外周部の変位量と、その変位量の差を求めた。
【００８４】
【表６】
0005056228.tif 000007
【００８５】
その結果、ベアリングボールの直径によらず、上記載置台の中央部と外周部の変位量の差は１０μｍ以下であった。しかし、表６から分るように、ベアリングボールの直径が４ｍｍを超える場合は冷却時の面内均熱性が著しく低下した。これは、ベアリングボールの直径が４ｍｍを超えると、ベアリング溝を設ける連結ネジの座面が大きくなるため、この大きな座面を逃げるように可動式の冷却プレートに設けるザグリ深さ及びザグリ径が大きくなり、冷却プレートの冷却度合いにムラが発生して冷却時の均熱性が著しく悪化したものである。
【００８６】
［実施例６］
上記実施例１と同様にして、ＡｌＮ製の載置台とＣｕ製の押さえ板、及びベアリング機構を備えた連結ネジを使用して、ヒータプレートを作製した。その際、試料２７〜２８では連結ネジのネジかかり部に接着剤を塗らず、試料２９〜３１では下記表７に示す接着剤を塗布して、連結ネジを接着固定した。尚、試料２７はベアリング機構のない通常の連結ネジを使用したが、試料２８では上記実施例１の試料３と同じベアリング機構を有する連結ネジを使用した。
【００８７】
試料２７〜３１の各ヒータユニットについて、２０ｃＮ・ｍのトルク管理を行って連結ネジを締め付けた。その後、常温と２００℃までのヒートサイクルを１０回繰り返した後、連結ネジの戻しトルクを測定し、得られた結果を下記表７に併せて示した。
【００８８】
【表７】
0005056228.tif 000008
【００８９】
ベアリング機構を有する連結ネジを接着剤で固定した試料２９〜３１は、１０ｃＮ・ｍ以上の高い戻しトルクを有していた。しかし、ベアリング機構を有する連結ネジを接着剤で固定していない試料２７では、戻しトルクが非常に小さくなり、使用時に連結ネジの緩み等が発生する危険性が高いことが分った。尚、ベアリング機構を有しない通常の連結ネジを使用した試料２８は、接着剤で固定しなくても十分な戻しトルクを有し、ネジ緩みの危険性は少ないことが分る。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】ヒータユニットの一具体例を示す概略の断面図である。
【図２】ヒータユニットの他の具体例を示す概略の断面図である。
【図３】従来の連結ネジを用いたヒータプレートの一具体例を示す概略の断面図である。
【図４】本発明のベアリング機構を備えた連結ネジを用いて複数のプレート状部材を連結したヒータプレートの具体例を示す概略の断面図である。
【図５】複数のプレート状部材の組み合わせを示す概略の断面図である。
【図６】本発明のベアリング機構を備えた連結ネジを用いて冷却プレートを含む複数のプレート状部材を連結した具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１      ヒータプレート
２ａ    可動式の冷却プレート
２ｂ    冷却プレート
３      容器
５      支持体
６      載置台
７      抵抗発熱体
８      絶縁シート
９      押さえ板
１０      連結ネジ
１１ａ、１１ｂ    ベアリング溝
１２      ベアリングボール
【図１】
0005056228.tif 000009
【図２】
0005056228.tif 000010
【図３】
0005056228.tif 000011
【図４】
0005056228.tif 000012
【図５】
0005056228.tif 000013
【図６】
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