(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、前記均熱板の他方の主面に凹部を具備し、先端部に測温接点を備えた熱電対を前記凹部に挿入し、かつ充填材により接着固定してなり、前記凹部の底面部の面積が開口部の面積以上であることを特徴とするウエハ加熱装置。
【請求項２】
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、前記均熱板の他方の主面に凹部を具備し、先端部に測温接点を備えた熱電対を前記凹部に挿入し、かつ充填材により接着固定してなり、前記凹部の底面部から開口部の間で部分的に開口部面積より大きな面積を有する部分があることを特徴とするウエハ加熱装置。
【請求項３】
前記充填材が樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載のウエハ加熱装置。
【請求項４】
前記熱電対を厚み０．１〜３ｍｍの樹脂により固定したことを特徴とする請求項３に記載のウエハ加熱装置。
【請求項５】
前記熱電対の測温接点と凹部底面との距離Ｌが、０≦Ｌ≦１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに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の内部には測温素子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、図９に示す測温素子６４の取付構造については、特開平９−４５７５２号公報に、均熱板６２の温度を正確に制御するために、測温素子６４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６３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６２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、前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、近年半導体配線の微細化の為に用いられるようになってきた化学増幅型レジストの熱処理に於いては、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、露光後のレジストの化学増幅処理に極めて重要であり、従来に増して、緻密かつ応答性の良い温度制御が必要となってきている。しかしながら、図９に示されるような構造では、測温素子の測温体部に保護管や充填材など付帯し熱容量が大きくなる上に均熱板の凹部に挿入しただけの構造であるために空隙の存在による応答性の低下は避けられず、前記ウエハ加熱時の過渡的な温度バラツキや温度安定までにかかる時間などに問題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前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、前記均熱板の他方の主面に凹部を具備し、先端部に測温接点を備えた熱電対を前記凹部に挿入し、かつ充填材により接着固定てなり、前記凹部の底面部の面積が開口部の面積以上とすることにより課題を解決できることを見出した。
【００１１】
また、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、前記均熱板の他方の主面に、凹部を具備し、先端部に測温接点を備えた熱電対を前記凹部に挿入し、かつ充填材により接着固定してなり、前記凹部の底面部から開口部の間で部分的に開口部面積より大きな面積を有する部分があることにより課題を解決できることを見出した。
【００１２】
また、前記充填材を樹脂とすることにより、前記課題を更に改善することを見出した。
【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１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、前記弾性体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、充填材２２等により充填保持されている。
【００２０】
熱電対１０の材質については、Ｐｔ／Ｒｈ−Ｐｔ／Ｒｈ系、Ｐｔ／Ｒｈ−Ｐｔ系、Ｎｉ／Ｃｒ／Ｓｉ−Ｎｉ／Ｓｉ／Ｍｇ系、Ｎｉ／Ｃｒ−Ａｌ／Ｍｎ系、Ｎｉ／Ｃｒ−Ｃｕ／Ｎｉ系、Ｃｕ−Ｃｕ／Ｎｉ系、Ｗ−Ｒｅ系等が使用可能であり、使用雰囲気や温度に対して適切なものを選定すればよい。例えば、大気中３００℃以下で用いるような場合には、Ｎｉ／Ｃｒ−Ａｌ／Ｍｎ系やＰｔ／Ｒｈ−Ｐｔ系やＮｉ／Ｃｒ−Ｃｕ／Ｎｉ系等が望ましく、還元性雰囲気下においては、Ｆｅ−Ｃｕ／Ｎｉ系等が望ましい。
【００２１】
また、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、熱電対１０の先端部には、測温接点１０ｂが形成されている。測温接点１０ｂは、測温検知のバラツキを小さくするために、レーザー溶接等により溶融接合し均一な形状で形成することが望ましい。測温接点以降については、素線同士の接触による測温障害を防止するために適当な角度で引き出されているが、測温接点１０ｂ以外からの受熱を避けるため凹部２１に接触しない程度の角度にすることが望ましい。
【００２２】
また、素線同士の接触による測温障害を防ぐ為、測温接点以降は適当な角度をつけて、素線同士が接触しないように設置することも重要である。また、素線自体に樹脂コート・ガラスコート・セラミックコート等の絶縁材料をコーティングしたものを用いることも有効である。また、必要に応じて、充填保持部以降に絶縁スリーブ等を用いても良い。
【００２３】
また、充填材２２で保持していない部分については、絶縁性のスリーブ２３等で保護することが望ましい。また、素線自体にもガラスコートやセラミックコート等の絶縁被覆を施したものを使用することも可能である。
【００２４】
図５に各部の詳細を示す。
【００２５】
前記凹部２１の開口部の面積は、１ｍｍ2〜３０ｍｍ2とすることが望ましい。該凹部２１の開口部の面積が１ｍｍ2より小さいと熱電対１０の設置及び充填材２２の充填にムラが生じ易く測温がばらついてしまう。また、３０ｍｍ2より大きいと、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。
【００２６】
また、凹部２１の深さｄは、均熱板２の厚みｔに対し１／４ｔ≦ｄ≦３／４ｔとすることが望ましい。該深さｄが１／４ｔより小さいとウエハ載置面との距離が大きくなるため測温にずれが生じ、ウエハを目的の温度に昇温させられない。また、３／４ｔより大きくなると逆に温度のオーバーシュートが大きくなりすぎるため望ましくない。
【００２７】
更に、凹部２１に挿入設置する熱電対１０の素線径は、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ、さらに好ましくは０．１〜０．５ｍｍとすることが望ましい。素線径が０．０５ｍｍより細いと、強度がなく取り扱いが安定しない為、該凹部２１への組み付けの際に位置ずれを起こし易く安定した設置が行えず好ましくない。また、１．０ｍｍより太いと、熱電対１０自体の熱容量が大きくなりすぎる為、素線を通しての熱引きが大きくなり温度検知に遅れが生じ、オーバーシュートが大きくなり過ぎるため好ましくない。
【００２８】
また、熱電対として、０．５ｍｍφ以下の外径のシース型熱電対を前記のような方法で固定することも可能である。
【００２９】
更に、凹部２１に熱電対１０を保持するために用いる充填材２２は、主成分がアルミナ系、窒化アルミ系、グラファイト系、ジルコニア系等、窒化硼素系の無機系接着剤や主成分がポリイミド系等の有機系接着剤のいずれを用いてもよいが、使用温度や環境に応じて適切なものを選択して使用する。選択基準としては均熱板２との濡れ性、熱膨張率が重要であり、熱膨張率については、均熱板２の熱膨張係数に対して５０％〜２００％の範囲のものがより望ましい。また、充填については、充填後常温でしばらく放置し脱泡を行うなどして、気泡の巻き込みが生じないように充填することが望ましい。
【００３０】
また、充填材２２として樹脂を用いた場合、粉末を分散したタイプの充填材２２に較べ流動性がいいので、充填時の作業性がよくなる。また、高熱伝導性かつ電気絶縁性のフィラーを分散させると、熱伝導性も改善できる。樹脂の種類としては、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアミドイミド等の耐熱温度が３００℃以上の樹脂を用いることが好ましい。これに対し、耐熱温度が２００℃以下のエポキシ樹脂、シリコン樹脂等を用いた場合、固着強度は高いが使用中に樹脂が炭化して脆くなり、熱電対が剥離して正確な温度が測定できなくなる。
【００３１】
また、前記のような樹脂を用いる場合、図６（ｂ）に示すように厚みｔを０．１〜３ｍｍとすることが好ましい。該厚みｔが３ｍｍを越えると、樹脂を硬化させるときの収縮により樹脂からなる充填材２２が剥離したり、硬化中に樹脂が結晶化してイミド化が不完全となり劣化しやすくなるので好ましくない。また、０．１ｍｍ以下では、樹脂膜の強度が不足して、使用中の熱サイクルにより熱電対が外れてしまう。
【００３２】
また、凹部２１の底面と熱電対１０の測温接点１０ｂとの距離Ｌが、０≦Ｌ≦１．０ｍｍであることがより望ましい。距離Ｌが１ｍｍをこえると温度検知の応答性が遅れオーバーシュートが大きめになるが、１．０以下とすることで、オーバーシュートがより小さくなる。
【００３３】
また、凹部２１の形状は、図６（ｂ）に示すように底面部の面積Ｓ１を開口部の面積Ｓ２以上とすることが望ましい。もし、図６（ａ）に示すように底面部の面積Ｓ１が開口部の面積Ｓ２よりも小さいと、昇温降温の繰り返しにより、均熱板２と充填材２２の熱膨張差により充填材２２が抜ける方向に動き、温度検知が鈍くなりオーバーシュートが大きくなってしまう。
【００３４】
あるいは、図７に示すように、凹部２１の底面部から開口部の間に開口部より面積の大きい段部２３を形成しておくこともできる。また、図７には、段部２４が凹面になった例を示したが、段部２４は、凸面であっても構わない。このように加工すれば、段部２４が充填材のアンカーの作用をし、充填材２２が外れてしまうような不具合を防止できる。
【００３５】
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の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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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現れるため、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。
【００４０】
また、以上詳述した本発明のウエハ加熱装置１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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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５００μｍ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〜５００μｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは１５０μｍ〜４００μｍの範囲で形成することが良い。
【００４９】
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、０．０１〜２μｍ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。
【００５０】
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４００μｍ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〜４００μｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは６０μｍ〜２００μｍの範囲で形成することが良い。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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と同一の材質もしくは発熱抵抗体５のマトリックス成分と同等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。
【００５５】
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５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。
【００５６】
前記絶縁層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。
【００５７】
【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Ｐｔ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。
【００５８】
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、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。
【００５９】
その後、前記支持体１１の上に、発熱パターン形成部の略中央部に該凹部２１を形成し、熱電対１０を設置し、無機系の充填材で保持固定した均熱板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。
【００６０】
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５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。
【００６１】
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、発熱パターンの略中央部に該凹部２１を形成し、熱電対１０を設置し、無機系充填材で保持固定した均熱板２を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。
【００６２】
ここで、該凹部２１の開口部の面積を０．８ｍｍ2〜４０ｍｍ2の範囲で、該凹部２１の深さｄを均熱板２の厚みｔに対して、ｔ／５≦ｄ≦４ｔ／５の範囲で、熱電対素線径を０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で、更に該凹部２１の底面から熱電対１０の測温接点との距離Ｌを０〜１．５ｍｍの範囲で、それぞれ振り分けて、本発明および比較用のウエハ加熱装置１を作製した。
【００６３】
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２０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℃以内となるように温度コントローラーの設定温度を各発熱パターンの制御チャンネル毎に補正し、その設定バラツキを確認した。また、１５０℃でも同様の設定温度の補正を行い、ウエハを外し加熱装置のみで６０分以上保持した後、常温に維持されたウエハＷを、加熱装置に投入、載置面３に載せた瞬間から１５０℃に安定するまでのウエハＷのオーバーシュート、および１５０±０．５℃に安定するまでの昇温安定時間を過渡性能評価として、各サンプル５回づつ計測し、その最大値を測定値とした。
【００６４】
評価基準としては、ウエハ温度２５０℃時の設定温度バラツキが５℃以下のものをＯＫとし、それ以上となるものはＮＧとした。また、過渡性能評価については、オーバーシュートは１．５℃以下をＯＫとし、それ以上をＮＧとした。更に、昇温安定時間については、３０〜５０秒で１５０±０．５℃に安定するものをＯＫとし、安定後の温度が１４９．５℃未満となったり、１５０．５℃を越えてしまうもの、および１５０±０．５℃に安定するものの５０秒以上かかってしまうものをＮＧとした。
【００６５】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
表１から判るように、Ｎｏ．１に示す比較例のウエハ加熱装置１は、設定バラツキ、オーバーシュートも大きく、昇温は１５０±０．５℃を越えて安定しなかった。これは、該凹部２１の開口部断面積が小さすぎて、熱電対１０の保持にバラツキが生じやすく、また充填材が均一に充填されにくいためと考えられる。
【００６８】
また、Ｎｏ．２０については、該凹部２１の開口部断面積が大きくなりすぎては発熱パターンのギャプが大きくなりすぎて、ウエハＷの均熱性がくずれやすく、設定値のバラツキが大きくなり、オーバーシュートも大きくなった。
【００６９】
更に、Ｎｏ．３については、設定バラツキは基準値内に収り、オーバーシュートは発生しなかったが、検知部が発熱抵抗体５に近いために、検知の応答性が敏感すぎて、早切れ状態となり、目標温度に到達しないまま収束してしまった。
【００７０】
また、Ｎｏ．１６については、検知部がウエハＷの載置面３に近すぎて、応答性が若干遅れるため、オーバーシュートが若干ではあるが、規定を越えてしまった。
【００７１】
更に、Ｎｏ．１７については、設定バラツキは基準値内に収まったが、オーバーシュートが大きくなり、目標温度範囲を越えて、より高い温度で収束した。これは、熱電対１０の素線径が太すぎて熱容量が大きくなり、温度検知の応答性が鈍くなったためと考えられる。
【００７２】
これに対し、本特許の請求範囲内で作製されたウエハ加熱装置１であるＮｏ．２、４〜１３、１５、１７〜１９については、いずれも目標値をクリアーしている。
【００７３】
更に望ましくは、該凹部２１の底面と該熱電対１０の測温接点との距離Ｌを、０ｍｍ≦Ｌ≦１．０ｍｍとすることにより、設定バラツキ及びオーバーシュートが基準値の半分以下に押さえられることが判った。
【００７４】
実施例  ２
ここでは、熱電対１０を設置する凹部２１の形状について検討した。具体的には、図６（ａ）に示すように、凹部２１の底部の断面積Ｓ１に対し開口部の断面積Ｓ２が大きくなるウエハ加熱装置１と、図６（ｂ）に示すように、凹部２１の底部の断面積Ｓ１に対し開口部の断面積Ｓ２が小さくなるように形成したウエハ加熱装置１を作製して評価した。その他の部分は、実施例１と同様にして作製した。
【００７５】
一般的にセラミック基板に止まり穴加工を施す場合、どうしても底部にＲ形状が付いてしまうため、ここでいう底部の面積Ｓ１とは該底Ｒが無いものとして、穴側面の延長上で計算された面積である。同様に開口部の面積Ｓ２についても、開口部のＣ面やＲ面を除外して、穴側面の延長上で計算された面積である。
【００７６】
これらのサンプル及びＮｏ．８のサンプルを常温から２５０℃の昇温サイクルを繰り返し３０００サイクル経過後に、実施例１と同様に、２５０℃設定バラツキ、１５０℃オーバーシュート、昇温安定性を評価した。
【００７７】
昇温サイクル前の結果を基準として、昇温サイクル後の結果が、５０％以上変化しているものをＮＧ、５０％以内であるものをＯＫとした。
【００７８】
結果を表２に示した。
【００７９】
【表２】
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【００８０】
表２から判るように、Ｎｏ．２２、２３は、昇温サイクル後の変化量が大きくなっている。これは、開口部の面積Ｓ２の方が底部の面積Ｓ１より大きいため、昇温サイクル時に均熱板２と充填材２２の熱膨張率の差により充填材２２が抜ける方向に変化し、熱電対１０の設置に変化が生じているためと考えられる。これに対して、Ｎｏ．２１、２４、２５は変化量が小さく安定している。これは、開口部の面積Ｓ２が底部の面積Ｓ１より小さいため、昇温サイクル時の熱膨張差により、充填材が抜ける方向に動きにくい為と考えられる。
【００８１】
なお、図７に示すように前記凹部の底面部から開口部の間で部分的に開口部面積より大きな面積を有する部分を形成することにより同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００８２】
【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、前記均熱板の他方の主面に凹部を具備し、先端部に測温接点を備えた熱電対を前記凹部に挿入し、かつ充填材により接着固定してなり、前記凹部の底面部の面積が開口部の面積以上とすることにより、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】（ａ）、（ｂ）は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５】本発明のウエハ加熱装置の要部拡大断面図である。
【図６】（ａ）は、比較例のウエハ加熱装置の均熱板凹部を示す断面図であり、（ｂ）は、本発明のウエハ加熱装置の均熱板凹部を示す断面図である。
【図７】本発明のウエハ加熱装置の均熱板凹部の他の実施形態を示す断面図である。
【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
１１：充填材
２１：凹部
２２：充填材
２３：スリーブ
Ｗ：半導体ウエハ
ｔ：厚み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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