JP2018120978A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理プレートに載置されるシート状体を厚くしても熱伝導性の低下を防止することができる熱処理装置を提供する。【解決手段】ヒータ１１を内蔵するホットプレート１０の上面にカーボンの支持シート２０を載置し、その支持シート２０に基板Ｗを支持して加熱処理を行う。カーボンの剛性は高く、支持シート２０の厚さも比較的厚いため、支持シート２０がホットプレート１０から浮き上がるのを防止することができる。また、カーボンの熱伝導率は１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上と極めて高いため、ホットプレート１０に載置される支持シート２０を厚くしても熱伝導性の低下を防止することができる。その結果、支持シート２０に基板Ｗを支持して加熱処理を開始した後の基板Ｗの面内温度分布均一性を短時間で回復させることができ、良好な面内温度分布均一性を維持しつつ、基板Ｗの加熱処理を行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）に対して熱処理を行う熱処理装置に関する。

周知のように、半導体や液晶ディスプレイなどの製品は、上記基板に対して洗浄、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、層間絶縁膜の形成、熱処理、ダイシングなどの一連の諸処理を施すことにより製造されている。これらの諸処理のうち熱処理は、典型的には、所定温度に温調されている平板形状のホットプレート上に基板を載置して加熱する熱処理装置によって行われる。

熱処理装置においては、加熱処理中の基板の面内温度分布均一性が強く要求される。特に、フォトリソグラフィ工程の露光後ベーク(PEB:Post Exposure Bake)では、処理中の基板の面内温度分布がパターンの線幅寸法や線幅均一性に直接に影響するため、面内温度分布の均一性が厳しく求められている。

特許文献１には、熱処理時の面内温度分布の均一性を向上させるために、ホットプレート上に樹脂（例えば、ポリイミド（ＰＩ））のシート状体を載置し、そのシート状体によって基板を支持する技術が開示されている。特許文献１に開示のシート状体には複数の凸部が形成されており、それら凸部の上端で基板を当接支持する。このような複数の凸部で基板を当該支持することによって、処理中の基板の平面精度を高めることができるとともに、基板の下面に傷が付くのを防ぐこともできる。

特開２００７−２５８４４１号公報

特許文献１に開示のシート状体の厚さ、すなわち凸部の上端からシート状体の下面までの長さは１２５μｍであり、非常に薄い。このような極めて薄いシート状体によって基板を当接支持すると、基板の裏面に粘着性を有する膜等が形成されていた場合には、基板の裏面にシート状体が貼り付いてホットプレートから浮き上がることがある。

そこで、シート状体の厚さを１ｍｍ程度にまで厚くすると上記のような浮き上がりを防止することはできる。しかしながら、シート状体の厚さが厚くなると、ホットプレートから基板への熱伝導性が低下し、その結果として基板の面内温度分布均一性も損なわれるという問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱処理プレートに載置されるシート状体を厚くしても熱伝導性の低下を防止することができる熱処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、平坦な上面を有する熱処理プレートと、前記熱処理プレートの上面に載置されて基板を支持するシート状体と、を備え、前記シート状体の熱伝導率は１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上であることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記シート状体はカーボンにて形成されることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記シート状体の表面にフッ素樹脂のコーティング膜が設けられることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記シート状体の上面には凸部が設けられることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記シート状体の上面は平坦面であることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記シート状体の上面に溝が設けられることを特徴とする。

請求項１から請求項６の発明によれば、熱処理プレートの上面に載置されて基板を支持するシート状体の熱伝導率は１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上であるため、シート状体を厚くしても熱伝導性の低下を防止することができる。

特に、請求項３の発明によれば、シート状体の表面にフッ素樹脂のコーティング膜が設けられるため、カーボンと基板とが直接に接触して基板を汚染するのを防止することができる。

本発明に係る熱処理装置の概略構成を示す図である。 支持シートの外観斜視図である。 支持シートの一部を拡大した縦断面図である。 熱処理装置にて加熱処理される基板のレンジの変化を示す図である。 支持シートの他の例を示す外観斜視図である。 支持シートの他の例を示す外観斜視図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る熱処理装置１の概略構成を示す図である。熱処理装置１は、円形の基板Ｗに対して加熱処理を行う。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。

熱処理装置１は、主たる構成要素として、ホットプレート１０および支持シート２０を備える。また、熱処理装置１は、吸引機構５０および制御部６０を備える。

ホットプレート１０は、高い熱伝導率を有する金属材料（例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等）にて形成された円形の平板形状のプレートである。ホットプレート１０の上面は平坦面とされている。円形のホットプレート１０の上面の径は基板Ｗの径よりも大きい。なお、熱処理装置１にて処理対象となる基板Ｗはシリコンの円板形状の半導体ウェハーであり、そのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである。処理対象となる基板Ｗのサイズに応じて、ホットプレート１０の径も当該基板Ｗの径より大きな適宜の大きさとされる。

ホットプレート１０の内部には、加熱源としてのヒータ１１が内蔵されている。ヒータ１１は、例えばマイカヒータ等の通電によって発熱する面状加熱体である。典型的には、ヒータ１１は複数のゾーンに分割されている。例えば、ホットプレート１０の中心部に円板状の中心ヒータが設けられ、その周りに円環状の中間ヒータが設けられ、さらに中間ヒータの周囲の円環状の領域を周方向に４等分割して４つの周縁ヒータが設けられる。

このホットプレート１０の平坦な上面に、支持シート２０が載置される。図２は、支持シート２０の外観斜視図である。また、図３は、支持シート２０の一部を拡大した縦断面図である。支持シート２０は、ホットプレート１０と略同一の径を有する円形のシート状体である。支持シート２０は、固定されることなくホットプレート１０の上面に載置される。

円形の支持シート２０の上面には複数の凸部２１およびシール部２２が形設されている。複数の凸部２１は支持シート２０の上面に規則的に配置されている。凸部２１の設置個数は特に限定されるものではなく、適宜の個数とすることができる。各凸部２１は、その径が上端から下端にかけてやや太くなる円錐台形状を有する。

複数の凸部２１が形設されることによって、支持シート２０の上面には凹凸が形成されることとなる。凸部２１の高さｈ（凸部２１の上端から下端までの長さであり、換言すれば凹部の深さ）は、例えば６５μｍである。複数の凸部２１の高さｈが均一となるように、複数の凸部２１は高い精度にて加工されている。また、凸部２１の上端から支持シート２０の下面までの長さで規定される支持シート２０の厚さｄは、例えば７００μｍであり、特許文献１に開示されるような従来のシート状体の厚さ（１２５μｍ）よりも顕著に厚い。これら複数の凸部２１の上端によって基板Ｗを当接支持する。なお、支持シート２０の下面は平坦面である。

シール部２２は円環形状を有し、円形の支持シート２０の周縁部に沿って形設されて複数の凸部２１の周囲を囲む。円環形状のシール部２２の内径は基板Ｗの直径よりも小さく、シール部２２の外径は基板Ｗの直径よりも大きい。シール部２２の高さは凸部２１の高さと同じである。支持シート２０によって支持される基板Ｗの下面周縁部がシール部２２と接触することによって、支持シート２０の上面と基板Ｗの下面との間に閉空間が形成されることとなる。シール部２２は、当該閉空間の側方を閉塞する。

複数の凸部２１およびシール部２２を含む支持シート２０はカーボンにて形成されている。カーボンの熱伝導率は、結晶構造にも依存するものの極めて高く、少なくとも１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上である。すなわち、カーボンは、良好な熱伝導率を有するとされているアルミニウム（２３６Ｗ／(ｍ・Ｋ)）や銅（３９８Ｗ／(ｍ・Ｋ)）よりも顕著に高い熱伝導率を有するのである。なお、従来のシート状体に使用されているポリイミドの熱伝導率は１Ｗ／(ｍ・Ｋ)未満である。

支持シート２０の製法は特に限定されるものではなく、例えばカーボン粉体の焼結によって製作するようにしても良いし、円形平板のカーボンに別途加工した凸部２１およびシール部２２を取り付けるようにしても良いし、或いは、板状のカーボンから研削加工によって凸部２１およびシール部２２を含む支持シート２０を製作するようにしても良い。

また、図３に示すように、凸部２１およびシール部２２を含む支持シート２０の上面にはフッ素樹脂のコーティング膜２３が成膜されている。コーティング膜２３は、カーボンとシリコンの基板Ｗとが直接に接触して基板Ｗを汚染するのを防止するために設けられている。

図１に戻り、熱処理装置１には、吸引機構５０が設けられている。吸引機構５０は、吸引配管５１、バルブ５２および真空吸引源５３を備える。吸引配管５１の先端は上述した支持シート２０の上面と基板Ｗの下面との間に形成される空間に連通接続され、基端は真空吸引源５３に接続される。吸引配管５１の経路途中にバルブ５２が設けられる。真空吸引源５３としては、例えば真空ポンプを用いることができる。支持シート２０によって基板Ｗが支持された状態にて真空吸引源５３を作動させつつバルブ５２を開放すると、支持シート２０の上面と基板Ｗの下面との間に形成される閉空間が吸引され、基板Ｗを支持シート２０に吸着支持することができる。

制御部６０は、ホットプレート１０に設けられたヒータ１１の出力を制御するとともに、吸引機構５０の動作を制御する。制御部６０のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部６０は、各種演算処理を行う回路であるＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。制御部６０のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによってヒータ１１の出力制御が行われる。制御部６０は、ホットプレート１０に設けられた図示省略の温度センサとも接続されており、その温度センサの温度測定結果に基づいてヒータ１１の出力をフィードバック制御する。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、例えば、ホットプレート１０に対して基板Ｗの受け渡しを行うときに使用する昇降可能なリフトピンや基板Ｗの加熱処理時にホットプレート１０の上方を覆うカバー等を備えている（いずれも図示省略）。

次に、上記構成を有する熱処理装置１における基板Ｗの加熱処理動作について説明する。処理対象となる基板Ｗの加熱処理に先立って、制御部６０の制御下にてヒータ１１によってホットプレート１０が予め設定温度（例えば、１１０℃）に昇温されている。その昇温したホットプレート１０の上面に支持シート２０が載置されている。

処理対象となる基板Ｗは支持シート２０の上面に載置されて支持される。基板Ｗは支持シート２０の複数の凸部２１によって当接支持されることとなる。すなわち、複数の凸部２１の上端が基板Ｗの下面に当接して基板Ｗを支持する。複数の凸部２１の高さｈは均一であるため、基板Ｗは支持シート２０によって平坦な姿勢にて支持される。より高い基板Ｗの平面精度が要求される場合には、支持シート２０の上面と基板Ｗの下面との間に形成される閉空間を吸引機構５０が吸引することによって基板Ｗを支持シート２０に吸着支持させるようにしても良い。

基板Ｗが支持シート２０に支持されることによって、昇温したホットプレート１０の熱が支持シート２０を介して基板Ｗに熱伝導し、基板Ｗが加熱される。カーボンの支持シート２０の熱伝導率は１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上と極めて高いため、ホットプレート１０から支持シート２０を介しての基板Ｗへの熱伝導性は良好である。

基板Ｗが支持シート２０に載置された直後から基板Ｗの加熱が開始され、基板Ｗの面内の全てにおいて均一に昇温するのが理想的なのであるが、昇温過程では不可避的に温度のバラツキが生じる。同一時刻における基板Ｗの面内の最高温度と最低温度との差は”レンジ”と称される。例えば、ある時刻の基板Ｗの面内の最高温度が６８．５℃で最低温度が６６．４℃であったならば、レンジは２．１℃である。レンジが小さいほど、基板Ｗの面内の最高温度と最低温度との差が小さく、面内温度分布が均一である。基板Ｗの加熱処理温度が１１０℃であれば、レンジが０．１℃以下であれば良好な面内温度分布均一性であると言える。

図４は、熱処理装置１にて加熱処理される基板Ｗのレンジの変化を示す図である。時刻ｔ１に基板Ｗが支持シート２０に載置され、基板Ｗの加熱が開始される。カーボンの支持シート２０を介したホットプレート１０から基板Ｗへの熱伝導により、基板Ｗが加熱されて昇温する。基板Ｗが支持シート２０に支持された直後の昇温過程では不可避的にレンジが大きくなる。そして、時刻ｔ２にレンジが最高値に到達する。すなわち、時刻ｔ２に基板Ｗの面内温度分布のバラツキが最も大きくなる。

時刻ｔ２にレンジが最高値に到達した後、レンジの値は減少に転じる。そして、時刻ｔ３にレンジが０．１℃以下にまで減少し、基板Ｗの面内温度分布均一性が回復することとなる。すなわち、基板Ｗが支持シート２０に載置されてから、（ｔ３−ｔ１）の時間を経て基板Ｗの面内温度分布均一性が回復しているのである。

ここで、図４に点線で示すのは、カーボンの支持シート２０に代えて従来のポリイミドのシート状体をホットプレートに載置し、そのポリイミドのシート状体に基板Ｗを支持して基板Ｗの加熱処理を行った場合のレンジの変化である。従来のポリイミドのシート状体を用いた場合であっても、基板Ｗの加熱開始直後からレンジが大きくなって最高値に到達した後に減少に転じる。しかし、図４に示すように、従来のポリイミドのシート状体を用いた場合、レンジが減少する傾きはカーボンの支持シート２０を用いた場合よりも緩く、レンジが０．１℃以下となるのは時刻ｔ３よりも後の時刻ｔ４である。すなわち、基板Ｗがポリイミドのシート状体に載置されてから、（ｔ４−ｔ１）の時間を経て基板Ｗの面内温度分布均一性が回復しているのである。図４から明らかなように、（ｔ３−ｔ１）は（ｔ４−ｔ１）よりも短く、カーボンの支持シート２０を用いることにより従来のポリイミドのシート状体よりも短時間で基板Ｗの面内温度分布均一性を回復させることができる。なお、本願発明者等の調査によれば、ポリイミドのシート状体の厚さを本実施形態の支持シート２０と同程度に厚くすると、そもそもレンジが０．１℃以下にまで小さくならず、基板Ｗの面内温度分布均一性が回復しないことが判明している。

このように、熱伝導率が１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上のカーボンの支持シート２０に基板Ｗを支持して加熱処理を行うことにより、加熱開始後の基板Ｗの面内温度分布均一性が短時間で回復することとなる。そして、良好な面内温度分布均一性を維持しつつ、基板Ｗの加熱処理が行われることとなる。

特に、熱処理装置１による加熱処理が露光後ベーク処理（ＰＥＢ）である場合には、加熱処理を開始した後に基板Ｗの面内温度分布均一性が回復するのに長時間を要すると、加熱開始直後の面内温度分布のバラツキが熱履歴として残り、パターンの線幅寸法や線幅均一性が不均一となりやすい。露光後ベーク処理であっても、カーボンの支持シート２０に基板Ｗを支持して加熱処理を行うことにより、加熱開始後の基板Ｗの面内温度分布均一性を短時間で回復することができれば、熱履歴の均一性をも向上させることができ、パターンの線幅寸法や線幅均一性を均一にすることができる。

所定時間の基板Ｗの加熱処理が終了した後、基板Ｗがホットプレート１０から搬出される。なお、吸引機構５０によって基板Ｗを支持シート２０に吸着支持している場合には、支持シート２０の上面と基板Ｗの下面との間に形成される閉空間を復圧して吸着を解除した後に基板Ｗを搬出する。

本実施形態においては、ホットプレート１０の上面に熱伝導率が１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上のカーボンの支持シート２０を載置し、その支持シート２０に基板Ｗを支持して加熱処理を行っている。支持シート２０を構成するカーボンは樹脂材料に比較して剛性が高く、かつ、支持シート２０の厚さｄは７００μｍと比較的厚い。このため、カーボンの支持シート２０は変形しにくく、基板Ｗの裏面に粘着性を有する膜等が形成されているような場合であっても、基板Ｗの裏面に支持シート２０が貼り付いてホットプレート１０から浮き上がるのを防止することができる。

また、カーボンの支持シート２０の熱伝導率は１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上と極めて高く、ホットプレート１０に載置される支持シート２０を厚くしても熱伝導性の低下を防止することができ、ホットプレート１０から支持シート２０を介しての基板Ｗへの熱伝導性は非常に良好である。その結果、支持シート２０に基板Ｗを支持して加熱処理を開始した後の基板Ｗの面内温度分布均一性が短時間で回復することとなり、良好な面内温度分布均一性を維持しつつ、基板Ｗの加熱処理を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、支持シート２０がカーボンにて形成されていたが、これに限定されるものではなく、１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上の熱伝導率を有する他の素材にて形成されていても良い。

また、上記実施形態においては、支持シート２０の上面に複数の凸部２１を形設していたが、支持シートの形状は以下に示すような他の形態であっても良い。図５および図６は、支持シートの他の例を示す外観斜視図である。図５に示す支持シート１２０の上面は平坦面とされている。支持シート１２０の上面が平坦面であれば、支持される基板Ｗと支持シート１２０との密着性が高まり、ホットプレート１０から支持シート１２０を介しての基板Ｗへの熱伝導性がさらに良好なものとなる。但し、支持シート１２０の上面を完全な平坦面とする加工が非常に困難であるため、支持シート１２０に支持される基板Ｗの平面精度は上記実施形態よりも低下する懸念がある。

一方、図６に示す支持シート２２０の上面には、複数の溝２２１が刻設されている。複数の溝２２１の本数および刻設態様は特に限定されるものではないが、図６の例では、円形の支持シート２２０の径方向に沿った３本の溝２２１が６０°間隔で設けられている。

図５に示す支持シート１２０および図６に示す支持シート２２０ともに、上記実施形態と同じくカーボンにて形成されている。また、支持シート１２０および支持シート２２０の下面は平坦面であり、厚さは７００μｍ程度である。支持シート１２０および支持シート２２０を熱伝導率が１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上のカーボンにて形成することにより、ホットプレート１０に載置される支持シート１２０，２２０を厚くしても熱伝導性の低下を防止することができ、ホットプレート１０から支持シート１２０，２２０を介しての基板Ｗへの熱伝導性を良好なものとすることができる。その結果、上記実施形態と同様に、支持シート１２０，２２０に基板Ｗを支持して加熱処理を開始した後の基板Ｗの面内温度分布均一性が短時間で回復することとなり、良好な面内温度分布均一性を維持しつつ、基板Ｗの加熱処理を行うことができる。

また、上記実施形態においては、支持シート２０の上面にフッ素樹脂のコーティング膜２３を成膜していたが、コーティング膜２３は必須のものではなく、カーボンと基板Ｗとが直接接触しても問題無ければ、コーティング膜２３を成膜しなくても良い。

また、熱処理装置１は、基板Ｗを加熱処理するものに限定されず、クールプレートにカーボンの支持シート２０を載置し、その支持シート２０に加熱後の基板Ｗを支持して冷却処理を行うものであっても良い。すなわち、熱処理装置１は、基板Ｗに対して熱処理を行うものであれば良い。

さらに、熱処理装置１によって処理対象となる基板Ｗは半導体ウェハーに限定されるものではなく、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。

１ 熱処理装置
１０ ホットプレート
１１ ヒータ
２０，１２０，２２０ 支持シート
２１ 凸部
２２ シール部
２３ コーティング膜
５０ 吸引機構
６０ 制御部
２２１ 溝
Ｗ 基板

Claims (6)

1. 基板に対して熱処理を行う熱処理装置であって、
   平坦な上面を有する熱処理プレートと、
   前記熱処理プレートの上面に載置されて基板を支持するシート状体と、
   を備え、
   前記シート状体の熱伝導率は１０００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上であることを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記シート状体はカーボンにて形成されることを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項２記載の熱処理装置において、
   前記シート状体の表面にフッ素樹脂のコーティング膜が設けられることを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記シート状体の上面には凸部が設けられることを特徴とする熱処理装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記シート状体の上面は平坦面であることを特徴とする熱処理装置。
6. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記シート状体の上面に溝が設けられることを特徴とする熱処理装置。

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