JP2014203980A - ウエハ加熱ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ウエハへのパーティクルの付着を少なくできるうえ、ウエハ面での均熱性を高めることができる加熱ヒータを提供する。【解決手段】 ウエハＷに対して離間状態で対向させて加熱を行う加熱板１１と、これを保持する保持板１２と、これら加熱板１１と保持板１２との間に設けられた絶縁被覆された金属抵抗発熱体１３とを含むウエハ加熱ヒータ１０であって、加熱板１１及び保持板１２のうちのいずれか一方がセラミックス又は金属−セラミックス複合体で形成され、加熱板１１、保持板１２、及び金属抵抗発熱体１３の絶縁被覆が、フッ素系流体に対して高い耐食性を有しているか又は高い耐食性を有する被膜材で覆われている。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置の製造工程で使用されるウエハ加熱ヒータに関する。

半導体デバイス等の半導体装置の製造工程には、ウエハ面上での成膜やレジストパターン用樹脂の硬化、回路形成、拡散工程等のため、ウエハを加熱する工程が含まれている。このウエハ加熱工程においては、ウエハを直接ヒータの上に載置して熱伝導によりウエハを加熱する方法が一般に採用されている。例えば特許文献１には、ウエハが載置されるヒータの表面をできるだけ平坦にして、ウエハとヒータを面接触させて加熱する技術が開示されている。このように、ヒータの上にウエハを載置して加熱する方法は、ウエハに直に接触した状態で加熱することができるため、効率的に加熱することができる。

国際公開第０１／０１３４２３号パンフレット

近年、半導体装置の製造工程においては配線の微細化がますます進んでおり、上記の加熱工程において発生するパーティクルによる悪影響が問題になっている。しかしながら、例えば上記特許文献１の技術では、ウエハの背面をほぼ全面に亘ってヒータに面接触させるため、ウエハを短時間で効率よく加熱することができるものの、ヒータに付着しているパーティクルがウエハの背面に移りやすいという問題があった。また、ヒータ載置面の温度分布の影響を直接受けるうえ、ヒータのウエハ載置面やウエハ自身の反りの影響も受けやすいため、ウエハ面内においてばらつきのない均一な温度が得られにくいという問題があった。

本発明はかかる従来の問題に鑑みてなされたものであり、従来に比べてウエハへのパーティクルの付着を少なくできるうえ、ウエハ面での均熱性を高めることができる加熱ヒータを提供する事を目的としている。

上記目的を達成するため、本発明が提供するウエハ加熱ヒータは、ウエハに対して離間状態で対向させて加熱を行う加熱板と、これを保持する保持板と、これら加熱板と保持板との間に設けられた絶縁被覆された金属抵抗発熱体とを含むウエハ加熱ヒータであって、前記加熱板及び前記保持板のうちのいずれか一方が、セラミックス又は金属−セラミックス複合体で形成され、前記加熱板、前記保持板、及び前記絶縁被覆が、フッ素系流体に対して高い耐食性を有しているか又は高い耐食性を有する被膜材で覆われている。

本発明によれば、ウエハ加熱ヒータに付着したパーティクルがウエハに移るのを抑制することができるうえ、ウエハ面での均熱性を高めることが可能になる。

本発明に係るウエハ加熱ヒータの一具体例を示す模式的断面図である。 本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータの加熱板に施したエンボス加工により形成される突起部の配置例を示す平面図である。 本発明に係るウエハ加熱ヒータの形状の具体例を示す平面図である。

本発明の実施形態のウエハ加熱ヒータは、ウエハに対して離間状態で対向させて加熱を行う加熱板と、これを保持する保持板と、これら加熱板と保持板との間に設けられた絶縁被覆された金属抵抗発熱体とを含み、前記加熱板及び前記保持板のうちのいずれか一方がセラミックス又は金属−セラミックス複合体で形成され、前記加熱板、前記保持板、及び前記絶縁被覆が、フッ素系流体に対して高い耐食性を有しているか又は高い耐食性を有する被膜材で覆われている。かかる構成により、ウエハ加熱ヒータ１０に付着したパーティクルがウエハＷに移るのを抑制することができるうえ、ウエハＷ面での均熱性を高めることが可能になる。

上記本発明の実施形態のウエハ加熱ヒータにおいては、前記加熱板が、輻射率０.６以上、熱伝導率６０Ｗ／ｍ／Ｋ以上、ヤング率２００ＧＰａ以上のセラミックスもしくは金属−セラミックス複合体で形成され、前記保持板が熱伝導率１Ｗ／ｍ／Ｋ以下の断熱材料で形成されるのが好ましい。これにより、加熱板にウエハ加熱ヒータの剛性及びウエハの加熱の役割を担わせながら、保持板に断熱材の役割を担わせることが可能になる。

また、上記本発明の実施形態のウエハ加熱ヒータにおいては、前記加熱板が非接触状態でウエハの加熱を行うのが好ましい。これにより、ウエハ加熱ヒータに付着したパーティクルがウエハに移るのをより確実に抑制することが可能になる。

更に、上記本発明の実施形態のウエハ加熱ヒータにおいては、前記金属抵抗発熱体の絶縁被覆が、金属抵抗発熱体にフッ素樹脂を熱圧着したものであるのが好ましい。これにより、フッ素系のガス又は液体に対してより高い耐食性が得られる。

上記した本発明の実施形態のウエハ加熱ヒータについて、図１の具体例を参照しながら詳細に説明する。図１に示す本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータ１０は、ウエハＷに対して離間状態で対向させて加熱を行う加熱板１１と、この加熱板１１を保持する保持板１２と、これら加熱板１１と保持板１２との間に設けられた絶縁被覆された金属抵抗発熱体１３とを含む。加熱板１１及び保持板１２のうちのいずれか一方がセラミックス又は金属−セラミックス複合体で形成され、加熱板１１、保持板１２、及び金属抵抗発熱体１３の絶縁被覆は、フッ素系流体に対して高い耐食性を有しているか又は高い耐食性を有する被膜材で覆われている。

より具体的に説明すると、本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータ１０は、ウエハＷと加熱板１１との離間距離の上限は、１０ｍｍ以下が好ましく、８.０ｍｍ以下がより好ましく、４.０ｍｍ以下が特に好ましい。これらが１０ｍｍを超えて離間すると、加熱体１１の熱がウエハＷに届きにくくなるので好ましくない。一方、ウエハＷと加熱板１１との離間距離の下限は、０.５ｍｍ以上が好ましく、１.０ｍｍ以上がより好ましい。ウエハＷと加熱板１１との離間距離が０.５ｍｍ未満になると、静電気の影響が顕著になり、加熱板１１に付着しているパーティクルがウエハＷに移る量が多くなるおそれがある。これらの離間距離の上限と下限の組み合わせの中では、昇温速度の向上とパーティクルの付着防止の関係から、１.０ｍｍ以上４.０ｍｍ以下が最も好適である。

図２（ａ）に示すように、加熱板２１のウエハ対向面にエンボス加工を施すことにより、複数の突起部Ｂを周方向に略等間隔に配設してもよい。この場合は、これら複数の突起部Ｂの頂部でウエハＷを支持することになる。突起部Ｂの高さや数には特に制限がないが、高さ２０〜５００μｍ程度の突起部Ｂを３〜２０個程度形成するのが好適である。各突起部Ｂの形状にも特に制約はないが、四角柱や円柱が好ましい。

ウエハ加熱ヒータ１０とウエハＷの位置関係は、図１に示すようにウエハＷがウエハ加熱ヒータ１０の真上に位置するように配置してもよいし、ウエハＷがウエハ加熱ヒータ１０の真下に位置するように配置してもよい。ウエハを離間させた状態で対向させるには、例えば、図示しない複数の脚部をウエハ加熱ヒータ１０の周りに周方向に均等に配置し、それらの先端部を内側（ウエハ加熱ヒータ１０側）に屈曲させて、該屈曲部の上にウエハＷの周縁部を載せたり引っ掛けたりしてウエハＷを支持すればよい。

また、加熱板１１に離間状態で対向するウエハＷを加熱する際に、当該ウエハＷをその中心軸を中心として所定の回転数で回転させてもよい。このようにウエハＷを回転しながら加熱することで、ウエハ加熱ヒータ１１の周方向の温度ムラを平均化することができる。よって、ウエハＷ面上により均一な膜を形成したり、ウエハＷ面の均熱性をより高めたりすることが可能になる。

更に、回転することによりウエハＷ面での均熱性は金属抵抗発熱体１３の形状の影響を受けにくくなるので、絶縁被覆された金属抵抗発熱体１３の構造を簡略化できるメリットも得られる。ウエハＷの回転は、例えば上記した複数の脚部をウエハ加熱ヒータ１０の周囲に設けた図示しない環状の回転台に設けて、この回転台を所定の回転数で回転すればよい。

本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータ１０に使用する金属抵抗発熱体１３ａについては特に制約はなく、ステンレス箔に所定の形状及び抵抗値を有するようにエッチング処理を施したものや、所定の抵抗値を有するニクロム線などを用いることができる。この金属抵抗発熱体１３ａに、電気絶縁性に優れた絶縁体を被覆すればよい。

かかる絶縁被覆の例としては、フッ素樹脂コートやフッ素樹脂熱圧着、マイカ圧着、ポリイミド熱圧着などを挙げることができる。特に、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと称する）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（以下、ＰＦＡと称する）などのフッ素樹脂で被覆すると、フッ素系のガス又は液体に対して耐食性が高くなるので好ましい。

本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータ１０を構成する加熱板１１や保持板１２の材料には、テフロン（登録商標）やポリエーテルエーテルケトン（以下、ＰＥＥＫと称する）などの樹脂、アルミニウムやステンレスなどの金属、ＳｉＣやＡｌＮなどのセラミックス、Ａｌ−ＳｉＣやＳｉ−ＳｉＣなどの金属−セラミックス複合体、又はテフロンコーティングされた金属やセラミックスを使用することができるが、加熱板１１及び保持板１２のうちのいずれか一方が、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックス、又はＡｌ−ＳｉＣやＳｉ−ＳｉＣなどの金属−セラミックス複合体で構成されることが必要である。

特に、加熱板１１に輻射率が０.６以上、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ／Ｋ以上、ヤング率が２００ＧＰａ以上のＳｉＣ又はＳｉ−ＳｉＣを使用し、保持板１２にテフロン又はテフロンやフッ素樹脂コートされたマイカを使用する組み合わせが好ましい。その理由は、加熱板１１に剛性が高く且つ輻射率及び熱伝導率が比較的高いセラミックスや金属−セラミックス複合体を使用し、保持板１２に比較的断熱性の高い樹脂を使用することにより、加熱板１１にウエハ加熱ヒータ１０の剛性及びウエハＷの加熱の役割を担わせながら、保持板１２に断熱材の役割を担わせることができるからである。

すなわち、上記材料の組み合わせにより、ウエハ加熱ヒータ１０の変形を抑えることができる上、金属抵抗発熱体１３ａで発生した熱がウエハ加熱ヒータ１０の図示しない支持部材を介してチャンバーなどの周辺部に逃げるのを防ぐことができ、金属抵抗発熱体１３ａで発生した熱を加熱板１１に効率よく伝えることができる。その結果、ウエハＷの加熱の際の熱効率とウエハＷ面内での均熱性を高めることができる。

加熱板１１、保持板１２、及び金属抵抗発熱体１３の絶縁被覆は、更にフッ素系流体（すなわち、フッ素系ガスやフッ素系液体）に対して高い耐食性をする材料で形成されるか、又は該フッ素系流体に対して高い耐食性を有する被膜材で覆われていることが必要である。これは、加熱板１１、保持板１２、及び絶縁被覆の材料に、フッ素樹脂であるＰＴＦＥやＰＦＡを使用したり、セラミックスであるＳｉＣを使用したり、金属−セラミックス複合体であるＳｉ−ＳｉＣを使用したりすることで可能になる。

あるいは、加熱板１１、保持板１２、及び絶縁被覆の材料に、ＰＥＥＫ、ナイロン、プラスティックなどの樹脂にフッ素樹脂コートしたものを使用したり、アルミニウムやステンレスなどの金属にフッ素樹脂コートしたものを使用したり、ＡｌＮなどのセラミックスにフッ素樹脂コートしたものを使用したり、Ａｌ−ＳｉＣなどの金属−セラミックス複合体にフッ素樹脂コートしたものを使用したりすることでもよい。

ウエハ加熱ヒータの形状としては特に問わないが、比較的均一に温めたい場合は図３（ａ）のような円板形状が好ましく、ウエハの外周部を積極的に温めたいときは図３（ｂ）のようなドーナツ形状（環状）を選ぶことができる。なお、ドーナツ形状にする場合は、図２（ｂ）のように加熱板３１のウエハ対向面にエンボス加工を施すことによって複数の突起部Ｂを周方向に略等間隔に配設してもよい。このように、ウエハ加熱ヒータの形状は、目的とする温度分布に応じた形状にすることができる。特に、ウエハ加熱ヒータの形状を上記環状にすることで、中心部に比べて温度が低下しやすいウエハの外縁部を効率的に温めることができる。

以上、本発明のウエハ加熱ヒータについて一具体例を挙げて説明したが、本発明は係る一具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲の種々の態様で実施することが可能である。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲およびその均等物に及ぶものである。

［実施例１］
図１に示すようなウエハ加熱ヒータ１０を用いてその鉛直方向上側にウエハＷを離間状態で対向させて加熱する実験を行った。具体的には、ウエハ加熱ヒータ１０の加熱板１１及び保持板１２に、共に直径２８０ｍｍ、厚み１０ｍｍのＳｉＣ（熱伝導率１５０Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率３００ＧＰａ）で形成される円板を使用した。この加熱板１１のウエハ対向面１１ａにはエンボス加工を施すことによって、直径２ｍｍ、高さ５０μｍの円筒形突起部Ｂを複数個形成した。これら円筒形突起部Ｂは、図２（ａ）に示すように、Ｐ.Ｃ.Ｄ.２８０の位置に８個、Ｐ.Ｃ.Ｄ.１４０の位置に４個設けた。

金属抵抗発熱体１３ａには、ステンレス箔製の抵抗発熱体（全長９００ｍｍ、幅２ｍｍ、厚み４０μｍ、抵抗値１０Ω）を用意し、その抵抗発熱体をＰＦＡシート（厚み０.２ｍｍ）で包んで熱圧着した。この絶縁被覆された金属抵抗発熱体１３を装着するため、保持板１２において加熱板１１との対向面側に、深さ０.４ｍｍのザグリを形成した。更に、加熱板１１と保持板１２とをネジ止めで結合するため、ステンレス製のＭ３ネジが貫通する貫通孔を保持板１２に６箇所形成し、加熱板１１の対応する位置には当該Ｍ３ネジが螺合する雌ねじ部を螺刻した。

加熱板１１にはウエハ加熱ヒータ１０の温度を制御するためのＰＴ１００で形成される温度センサー１４を埋め込んだ。また、この温度センサー１４及び上記した絶縁被覆された金属抵抗発熱体１３への電力供給用の電線１５、１６が貫通する貫通孔を、保持板１２に形成した。そして、絶縁被覆された金属抵抗発熱体１３を挟んで加熱板１１と保持板１２とネジ止めで結合してウエハ加熱ヒータ１０を完成させた。

このウエハ加熱ヒータ１０の周りに、高さ調整が可能な複数の脚部を等間隔に配設し、それらの先端部に設けられている屈曲部で、直径３００ｍｍのウエハ型温度計（ＫＬＡ ＴＥＮＣＯＲ社製、型番：３２４０Ａ−１２−８０１５−ＳＡ）の周縁部を支持した。このウエハ型温度計は、ウエハ面に複数の温度計が設けられており、ウエハ面内の温度分布を測定できるようになっている。

そして、上記脚部の高さを様々変えることによって下記表１に示すようにウエハ型温度計と加熱板１１との離間距離を変えて、ウエハ型温度計を加熱する試験を行った。なお、試験１〜１２では、ウエハ加熱ヒータ１０の鉛直方向真上にウエハ型温度計を設置し、試験１３ではウエハ加熱ヒータ１０の鉛直方向真下にウエハ型温度計を設置した。各試験ではウエハの温度が３００℃になるようにヒータの温度を調節し、そのときのウエハの温度分布を測定した。その測定終了後、ウエハ温度計の背面に付着したパーティクル（サイズ：０.８μｍ以上）の数量をＪＩＳ Ｂ９９２１−１９８９に基づいてカウントした。その結果を下記の表１に示す。

上記表１から分かるように、ウエハとウエハ加熱ヒータの加熱板との離間距離を１.０ｍｍ以上にすれば、ウエハに付着するパーティクルの数を大幅に減らすことが出来る事が分かる。また、離間距離を５.０ｍｍ以上にした場合は、昇温中の温度分布が大きくなりすぎ、良好な均熱性が得られないことが分かる。

［実施例２］
実施例１では離間距離１ｍｍの場合が温度分布及びパーティクル数から判断して最も良好であったので、実施例２では離間距離を１ｍｍに固定し、更にウエハ加熱ヒータを構成する加熱板と保持板の材質を様々変えた以外は実施例１と同様の方法で試験を行って、材質を変えたときのウエハ型温度計での温度分布及び周りの部材への放熱について試験を行った。

具体的には、加熱板の材料には、低熱伝導窒化アルミ（ＬＴ−ＡｌＮ）（輻射率０.５、熱伝導率３０Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率２００ＧＰａ）、高熱伝導窒化アルミ（ＨＴ−ＡｌＮ）（輻射率０.６、熱伝導率６０Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率２００ＧＰａ）、アルミニウムと炭化珪素の複合体Ａｌ−ＳｉＣ（輻射率０.７５、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率１８０ＧＰａ）、シリコンと炭化珪素の複合体Ｓｉ−ＳｉＣ（輻射率０.７５、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率２５０ＧＰａ）、炭化珪素ＳｉＣ（輻射率０.８、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率３００ＧＰａ）、テフロンコートしたステンレス（ＳＵＳ）（輻射率１.０、熱伝導率２０Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率１３０ＧＰａ）の６種類を用意した。

一方、保持板の材料には、マイカ（輻射率１.０、熱伝導率０.５Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率１ＧＰａ）、ＰＥＥＫ（輻射率１.０、熱伝導率１Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率４ＧＰａ）、テフロンコートしたステンレス（ＳＵＳ）（輻射率１.０、熱伝導率２０Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率１３０ＧＰａ）、テフロン（輻射率１.０、熱伝導率０.２Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率０.５ＧＰａ）、Ｓｉ−ＳｉＣ（輻射率０.７５、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ／Ｋ、ヤング率２５０ＧＰａ）の５種類を用意した。これらを下記表２に示すように組み合わせて試験１４〜２５の加熱試験を行った。なお、各試験では、ウエハ型温度計の周縁部の温度が２００℃になるようにウエハ加熱ヒータの温度を調節しながらウエハ型温度計の温度分布を測定した。また、ウエハ加熱ヒータの下部に位置する処理装置（チャンバー）の壁温度を測定した。

その結果、上記表２から分かるように、保持板に熱伝導率１Ｗ／ｍ／Ｋ以下の材料を用いれば、ウエハ加熱ヒータの下部に位置するチャンバー壁部の温度を低くできることが分かった。これは、保持板に熱伝導率１Ｗ／ｍ／Ｋ以下の材料を使用することにより保持板が断熱材としての役割を果たすことになり、よって金属抵抗発熱の熱がウエハに効率よく伝わることを意味する。また、試験２２の結果から、加熱板の熱伝導率がある程度低くても保持板の熱伝導率が高ければ、ウエハの温度分布が良くなることが分かった。

１０ ウエハ加熱ヒータ
１１ 加熱板
１１ａ ウエハ対向面
１２ 保持板
１３ 絶縁被覆された金属抵抗発熱体
１３ａ 金属抵抗発熱体
１３ｂ 絶縁被覆
１４ 温度センサー
１５ 温度センサー用電線
１６ 金属抵抗発熱体用電線
Ｗ ウエハ
Ｂ 突起部

Claims (4)

1. ウエハに対して離間状態で対向させて加熱を行う加熱板と、これを保持する保持板と、前記加熱板と前記保持板との間に設けられた絶縁被覆された金属抵抗発熱体とを含むウエハ加熱ヒータであって、
   前記加熱板及び前記保持板のうちのいずれか一方がセラミックス又は金属−セラミックス複合体で形成され、前記加熱板、前記保持板、及び前記絶縁被覆が、フッ素系流体に対して高い耐食性を有しているか又は高い耐食性を有する被膜材で覆われているウエハ加熱ヒータ。
2. 前記加熱板が、輻射率０.６以上、熱伝導率６０Ｗ／ｍ／Ｋ以上、ヤング率２００ＧＰａ以上のセラミックスもしくは金属−セラミックス複合体で形成され、前記保持板が熱伝導率１Ｗ／ｍ／Ｋ以下の断熱材料で形成される、請求項１に記載のウエハ加熱ヒータ。
3. 前記加熱板が非接触状態でウエハの加熱を行う、請求項１又は請求項２に記載のウエハ加熱ヒータ。
4. 前記金属抵抗発熱体の絶縁被覆が、金属抵抗発熱体にフッ素樹脂を熱圧着したものである、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のウエハ加熱ヒータ。

Images