JP2019075219A - Heater module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ウエハ等の被処理物を載せて下面側から加熱するヒータモジュールに関する。 The present invention relates to a heater module in which an object to be processed such as a semiconductor wafer is placed and heated from the lower surface side.
LSIやメモリなどの半導体デバイスを製造する半導体製造装置では、半導体ウエハに対してCVDやスパッタリング等による成膜、レジストの塗布、露光及び現像等のフォトリソグラフィ―、パターニングのためのエッチング等の一連の工程からなる薄膜処理が施される。これらの薄膜処理では、一般に半導体ウエハを所定の温度に加熱した状態で処理を行うため、例えばフォトリソグラフィ―が行われるコータデベロッパ装置では、被処理物の半導体ウエハを載置してその下面から加熱するサセプタとも称するウエハ加熱用ヒータモジュールが用いられている。 In a semiconductor manufacturing apparatus for manufacturing semiconductor devices such as LSIs and memories, a series of film formation such as CVD or sputtering on a semiconductor wafer, coating of a resist, photolithography such as exposure and development, etching for patterning, etc. A thin film process consisting of steps is performed. In these thin film processes, since the process is generally performed with the semiconductor wafer heated to a predetermined temperature, for example, in a coater development apparatus in which photolithography is performed, the semiconductor wafer of the object to be processed is placed and heated from its lower surface. A wafer heating heater module also referred to as a susceptor is used.
上記のウエハ加熱用ヒータモジュールは、例えば特許文献1に示されるように、上面に平坦なウエハ載置面を備えたセラミックス製の円板状部材からなるウエハ載置台と、これを下面側から支持する筒状支持体とから構成されており、該ウエハ載置台の内部には電熱コイルやパターニングされた金属薄膜等の抵抗発熱体がウエハ載置面に平行に埋設されている。該抵抗発熱体の両端部にはウエハ載置台の下面側に設けた1対の電極端子が電気的に接続しており、この1対の電極端子及びそのリード線を介して外部電源から該抵抗発熱体に給電が行われる。
For example, as described in
上記のウエハ加熱用ヒータモジュールでは、製品となる半導体デバイスの品質にばらつきが生じないように、ウエハ載置面での均熱性を高めて半導体ウエハを全面に亘って均一に加熱することが求められている。そのため、ウエハ載置面を
複数の加熱ゾーン(マルチゾーン)に区分してそれらの各々に配した抵抗発熱体を個別に温度制御することが行われている。
In the above-described heater module for wafer heating, it is required that the heat uniformity on the wafer mounting surface be enhanced to uniformly heat the semiconductor wafer over the entire surface so that the quality of the semiconductor device as a product does not vary. ing. Therefore, the wafer mounting surface is divided into a plurality of heating zones (multi-zones), and the temperature control of the resistance heating elements disposed in each of them is performed individually.
上記のように、半導体ウエハなどの被処理物を載置する載置面を複数の加熱ゾーンに区分し、それらの各々に配した抵抗発熱体を個別に温度制御することでウエハ載置面の均熱性を高めることができるものの、各加熱ゾーンに配した抵抗発熱体の発熱量を電圧や電流で制御する制御系では、一般に温度検出器として各加熱ゾーンごとに温度検出用の例えば3線式測温素子等の温度センサーが設けられるため、各加熱ゾーンからは当該温度センサー用の3本のリード線と抵抗発熱体の給電用の2本のリード線が少なくとも引き出されることになる。 As described above, the mounting surface on which an object to be processed such as a semiconductor wafer is mounted is divided into a plurality of heating zones, and temperature control of the resistance heating elements disposed in each of them is performed separately for the wafer mounting surface. A control system that controls the calorific value of the resistance heating element disposed in each heating zone with voltage or current, although it can improve the thermal uniformity, generally uses, for example, a 3-wire system for temperature detection for each heating zone as a temperature detector. Since a temperature sensor such as a temperature measuring element is provided, at least three lead wires for the temperature sensor and two lead wires for feeding a resistance heating element are drawn out from each heating zone.
従って、例えば載置面を15の加熱ゾーンに区分してそれらの各々に抵抗発熱体及び温度センサーを配する場合は、合計75本のリード線が載置台から引き出されることになり、ヒータモジュールの組み立て時やメンテナンス時の作業に長時間を要することが問題になっていた。また、多数の類似するリード線が狭いスペース内で錯綜することになるので、間違って結線するおそれがあることも問題になっていた。 Therefore, for example, when the mounting surface is divided into 15 heating zones and a resistance heating element and a temperature sensor are arranged in each of them, a total of 75 lead wires are drawn out from the mounting table, and It takes a long time to assemble and perform maintenance work. In addition, there is also a problem that there is a possibility of connecting incorrectly because a large number of similar lead wires are mixed in a narrow space.
本発明は上記した従来のヒータモジュールが抱える問題に鑑みてなされたものであり、多数のリード線を錯綜させることなくモジュールの外側に引き出すことが可能なヒータモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems encountered in the above-described conventional heater module, and it is an object of the present invention to provide a heater module that can be pulled out of the module without causing a large number of lead wires to be complicated.
上記目的を達成するため、本発明に係るヒータモジュールは、被処理物を載置する載置面を上面に備えると共に前記載置面に載置された被処理物を加熱する抵抗発熱体を備えたヒータユニットと、前記ヒータユニットの下方側に離間して設置された冷却部と、前記冷却部において前記ヒータユニットとの対向面とは反対側の面に当接され、前記ヒータユニットから引き出されたリード線が接続される配線基板とを有することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the heater module according to the present invention comprises a resistance heating element having a mounting surface on which the processing object is to be mounted on the upper surface and heating the processing object mounted on the mounting surface. A heater unit, a cooling unit spaced below the heater unit, and a surface of the cooling unit opposite to a surface opposite to the heater unit, and pulled out from the heater unit. And a wiring substrate to which the lead wire is connected.
本発明によれば、多数のリード線を錯綜させることなくヒータモジュールの外側に引き出すことができるうえ、配線基板自身の発熱や周囲環境による加熱により短絡が生ずるのを防ぐことが可能になる。 According to the present invention, a large number of lead wires can be drawn out of the heater module without being complicated, and it is possible to prevent a short circuit due to the heat generation of the wiring board itself or the heating due to the surrounding environment.
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明のヒータモジュールの実施形態は、被処理物を載置する載置面を上面に備えると共に前記載置面に載置された被処理物を加熱する抵抗発熱体を備えたヒータユニットと、前記ヒータユニットの下方側に離間して設置された冷却部と、前記冷却部において前記ヒータユニットとの対向面とは反対側の面に当接され、前記ヒータユニットから引き出されたリード線が接続される配線基板とを有することを特徴としている。これにより、多数のリード線を錯綜させることなくヒータモジュールの外側に引き出すことができる。また、配線基板自身の発熱や周囲環境による加熱により短絡が生ずるのを防ぐことが可能になる。 First, embodiments of the present invention will be listed and described. An embodiment of a heater module according to the present invention comprises a heater unit having a mounting surface on which an object to be processed is mounted on the upper surface and a resistance heating element for heating the object mounted on the mounting surface. A cooling unit installed below the heater unit and a cooling unit installed in contact with a surface of the cooling unit opposite to the surface facing the heater unit, and a lead wire drawn from the heater unit is connected And a wiring substrate. This allows the lead wires to be drawn out of the heater module without confusion. In addition, it is possible to prevent the occurrence of a short circuit due to the heat generation of the wiring board itself or the heating due to the surrounding environment.
上記本発明のヒータモジュールの実施形態においては、前記配線基板は、前記リード線が着脱自在に接続されるコネクターを実装しているのが好ましい。これによりモジュールの組み立て時やメンテナンス時の作業を簡素化することができる。また、上記本発明のヒータモジュールの実施形態においては、前記冷却部は冷媒流路を有する固定式冷却板と、前記固定式冷却板と前記ヒータユニットとの間を往復動する可動式冷却板とからなり、前記固定式冷却板において前記可動式冷却板との対向面とは反対側の面に前記配線基板が取り付けられているのが好ましい。これにより、ヒータユニットを短時間で冷却することができる。 In the embodiment of the heater module according to the present invention, it is preferable that the wiring substrate mounts a connector to which the lead wire is detachably connected. This makes it possible to simplify the assembly and maintenance operations of the module. In the embodiment of the heater module according to the present invention, the cooling unit includes a fixed cooling plate having a refrigerant flow path, and a movable cooling plate reciprocating between the fixed cooling plate and the heater unit. It is preferable that the wiring board be attached to a surface of the fixed cooling plate opposite to the surface facing the movable cooling plate. Thereby, the heater unit can be cooled in a short time.
次に、本発明の被処理物加熱用ヒータモジュールの一具体例について、該被処理物が半導体ウエハの場合を例に挙げて説明する。図1に示すように、この本発明の一具体例のヒータモジュール1は、被処理物としての半導体ウエハWを載置する載置面11aを上面に備えると共に該載置面11aに載置された半導体ウエハWを加熱する抵抗発熱体13aを備えたヒータユニット10と、該ヒータユニット10を冷却する冷却部20と、該冷却部20においてヒータユニット10との対向面とは反対側の面に設けられた配線基板30とを有している。このヒータモジュール1は、好適には上部が開放されたステンレス製の容器40内に収められている。
Next, a specific example of the heater module for heating an object to be processed according to the present invention will be described by taking the case where the object to be processed is a semiconductor wafer as an example. As shown in FIG. 1, the
上記のヒータユニット10の構造は、載置面11aに載置された半導体ウエハWを全面に亘って均等に加熱できるものであれば特に限定はないが、本発明の一具体例のヒータモジュール1においては、このヒータユニット10は、半導体ウエハWを載置する載置面11aを上面に備えた円板形状の載置台11と、この載置台11とほぼ同等の外径を有し、該載置台11をその下面側から全面に亘って支持する円板形状の支持板12と、これら載置台11と支持板12との間に挟持された、絶縁層で覆われた抵抗発熱体13aを有する円形薄膜状の加熱部13とから構成され、支持板12の下面側に設けられた複数の柱状の脚部14によって支持されている。
The structure of the
上記の載置台11は、載置面11aの全面に亘って極めて高い温度均一性、すなわち高い均熱性を実現すべく熱伝導率の高い材質からなるのが好ましく、例えば銅やアルミニウムなどの金属がより好ましい。載置台11の材質は、炭化珪素、窒化アルミニウム、Si−SiC、Al−SiCなどの剛性(ヤング率)の高いセラミックスやセラミックス複合体でもよく、これにより載置面11aの平面度を常時高く維持することが可能になるうえ、載置面11aの反り防止を目的として載置台11を分厚くする必要がなくなるので熱容量を小さくでき、よって昇降温速度を速めることが可能になる。
The mounting table 11 is preferably made of a material having a high thermal conductivity to achieve extremely high temperature uniformity, that is, high heat uniformity over the entire surface of the
支持板12の材質も、剛性(ヤング率)の高い炭化珪素、窒化アルミニウム、Si−SiC、Al−SiCなどのセラミックスやセラミックス複合体を用いることが好ましい。特に、載置台11の材質が金属の場合、後述するように加熱部13を挟んで載置台11と支持板12とを重ね合わせて機械的に結合することで、載置面11aの反りを抑えることができるので、載置面11aにおいて高い均熱性と平坦性を兼ね備えたヒータユニット10を実現することができる。
The material of the
これら載置台11と支持板12とはネジ止めになどによって互いに機械的に結合することが好ましい。また、載置台11と支持板12とが互いに異なる材質からなる場合は、載置台11及び支持板12が其々の温度に応じて載置面11aの方向に自由に熱膨張できるように、例えば支持板12に設けた厚み方向に貫通する挿通孔(図示せず)に下側から雄ネジ(図示せず)を挿通し、載置台11の下面側に設けた雌ネジ部(図示せず)に螺合させると共に、該雄ネジの座面とその当接部となる支持板12の下面との間に例えばベアリング(図示せず)を介在させることが好ましい。なお、この場合は加熱部13においても、上記支持板12の挿通孔に対応する位置に上記雌ネジ部の挿通孔が設けられることになる。
The mounting table 11 and the
ここで、上記ネジ止め部は後述の抵抗発熱体の有効径外に配置することが好ましい。このようにすることで、局所的なクールスポットがほとんど生じない温度均一性の高い載置台を実現することができる。また、上記ネジ止め部を抵抗発熱体の有効径内に配置する場合は、複数の加熱ゾーンのうち周方向に隣接する加熱ゾーン同士の間及び/又は半径方向に隣接する加熱ゾーン同士の間に配置し、且つこの配置位置を通るウエハ載置面の半径方向の線分に関して上記区分パターンが線対称となるようにすることが好ましく、これにより上記ネジ止め部による温度均一性の悪化を抑えることができる。上記のネジ止め部は、前述のリフトピン挿通孔と同一の該半径方向の線分上に位置し且つ該線分に関して上記区分パターンが線対称であるのが更に好ましい。上記のように、載置台、加熱部、支持板のいずれか又は全てに干渉する機械部品や電装部品などの特異点が存在する場合は、これら特異点を、抵抗発熱体の有効径外に配置するか、あるいは有効径内の場合は隣接する加熱ゾーンの間であって且つ区分パターンの対称線となる位置に配することで、温度均一性を損なうことなく所望の機能を発揮させることができる。なお、抵抗発熱体の有効径とは、ウエハ載置面11aのうち、後述する抵抗発熱体13aが真下に配されている円形領域の直径である。
Here, the screwing portion is preferably disposed outside the effective diameter of the resistance heating element described later. By doing this, it is possible to realize a mounting table with high temperature uniformity in which local cool spots hardly occur. When the screwing portion is disposed within the effective diameter of the resistance heating element, the plurality of heating zones are adjacent between circumferentially adjacent heating zones and / or between radially adjacent heating zones. Preferably, the division pattern is axisymmetric with respect to a radial line segment of the wafer mounting surface which is disposed and passes through the arrangement position, thereby suppressing the deterioration in temperature uniformity due to the screwing portion. Can. More preferably, the screwing portion is located on the same radial line segment as the lift pin insertion hole described above, and the division pattern is line symmetrical with respect to the line segment. As described above, when there are singular points such as mechanical parts and electrical parts that interfere with any or all of the mounting table, the heating unit, and the support plate, these singular points are disposed outside the effective diameter of the resistance heating element Alternatively, by placing the heating zone between adjacent heating zones within the effective diameter and at a position that is the symmetry line of the sectional pattern, the desired function can be exhibited without compromising the temperature uniformity. . The effective diameter of the resistance heating element is the diameter of a circular area of the
上記の載置台11と支持板12との間に挟持される加熱部13は、上記の載置面11aに平行に延在する抵抗発熱体13aを有している。この抵抗発熱体13aは、上記の載置台11及び支持板12から電気的に絶縁状態となるように絶縁体で覆われており、このような形態の加熱部13は、例えばステンレス箔等の導電性金属箔にエッチングやレーザー加工でパターニング加工を施すことで抵抗発熱体13aを形成し、該抵抗発熱体13aの両端部に給電用リード線16を接続した後、この抵抗発熱体13aを上下から例えばポリイミドシート等の耐熱性絶縁シートで挟み込むことで作製することができる。
The
あるいは、抵抗発熱体13aの回路パターンのライン幅が細かったり、抵抗発熱体13aに用いる導電性金属箔の厚みが薄かったり等の理由により抵抗発熱体13aを取り扱うのが困難な場合は、パターニング加工前の導電性金属箔と電気絶縁のためのポリイミドシート等の耐熱絶縁シートとを予め重ね合わせて熱圧着し、この熱圧着後に導電性金属箔のみをエッチングなどでパターニング加工することで、ベースとなる全面ポリイミドフィルムとパターン箔(すなわち箔状の抵抗発熱体13a)とを一体化させ、この一体化された箔状の抵抗発熱体13aの上から更にポリイミドフィルムを重ね合わせて熱圧着することで上記の加熱部13を作製してもよい。
Alternatively, when it is difficult to handle the
加熱部13内には、載置面11aに平行な面上に複数の抵抗発熱体13aを延在させてもよく、これにより載置面11aを複数の加熱ゾーンに区分することができる。なお、この場合は各加熱ゾーンごとに給電用リード線16が引き出されることになる。これら複数の抵抗発熱体13aによって画定される複数の加熱ゾーンの区分パターンには特に限定はないが、円板形状の載置台11は一般的に中央部よりも表面積の広い周縁部からの放熱が多いため、定常状態では当該周縁部が局所的に低温になりやすい。一方で、半導体ウエハが載置台に載置されると、一般にウエハ径よりも載置台の外径が大きいため、載置台には中央部が外周部よりも低温の同心円状のセンタークール型の温度分布が生じる。その後、載置台の温度は制御系の働きにより所定の温度まで昇温するが、上記の温度分布の影響を受けるので半導体ウエハの過渡的な温度分布も同心円状のセンタークールとなる。このようなセンタークール型の温度分布を補正するため、加熱ゾーンの区分パターンは半径方向に同心円状に分割することが好ましい。また、ヒータモジュール1が搭載される真空チャンバーの壁面にはロードロック等が設けられているため載置台11の周囲の環境は周方向に均等ではない。そこで図2に示すように、載置面11aを同心円状に分割したうえで更に周方向に均等に分割した区分パターンが好ましい。
In the
すなわち、この図2に示す複数の加熱ゾーンの区分パターンでは、載置面11aが円形中央部Aと、該円形中央部Aの外側の環状中間部Bと、該環状中間部Bの外側の環状周縁部Cとの3つの領域に同心円状に区分されており、更に、該円形中央部Aは中央部扇状加熱ゾーンA1〜A3として周方向に3等分されており、該環状中間部Bは中間部扇状加熱ゾーンB1〜B6として周方向に6等分されており、該環状周縁部Cは周縁部扇状加熱ゾーンC1〜C6として周方向に6等分されている。
That is, in the division pattern of the plurality of heating zones shown in FIG. 2, the mounting
各加熱ゾーンを画定する抵抗発熱体13aの回路パターンについては特に限定はなく、様々な回路パターンにすることができる。例えば、同心円状の複数の湾曲導電部と、これら湾曲導電部の隣接するもの同士を接続する直線導電部とで一筆書き状に形成された回路パターンにすることができる。この場合、抵抗発熱体13aの回路の両端部に其々設けた電極端子(図示せず)を介して給電用リード線16が接続されることになる。
There is no particular limitation on the circuit pattern of the
上記の回路パターンでは発熱密度が局所的に異なるようになっていてもよいし、複数の加熱ゾーンに区分する場合は、各加熱ゾーンごとに発熱密度が異なっていてもよい。例えば、前述したように一般にウエハ径よりも載置台の外径が大きいため、半導体ウエハが載置台に載置されると当該載置台には中央部が外周部よりも低温の同心円状のセンタークール型の温度分布が生じる。その後、載置台の温度は制御系の働きにより所定の温度まで昇温するが、上記の温度分布の影響を受けるので半導体ウエハの過渡的な温度分布も同心円状のセンタークールとなる。このようなセンタークール型の温度分布を補正するため、中央部扇状加熱ゾーンA1〜A3の発熱密度を高く設計することで、ウエハ載置時の過渡的な温度均一性を一層向上することができる。発熱密度を高くする方法としては、抵抗発熱体13aの回路パターンのピッチを狭くしたり抵抗発熱体13aを構成する導電線の幅を細くしたりすることで実現できる。
In the circuit pattern described above, the heat generation density may be locally different, or when divided into a plurality of heating zones, the heat generation density may be different for each heating zone. For example, as described above, since the outside diameter of the mounting table is generally larger than the diameter of the wafer, when the semiconductor wafer is mounted on the mounting table, the center portion of the mounting table is concentrically cooled concentrically at a lower temperature than the outer peripheral portion. A mold temperature distribution results. Thereafter, the temperature of the mounting table is raised to a predetermined temperature by the operation of the control system. However, since the temperature distribution is affected, the transition temperature distribution of the semiconductor wafer also becomes concentric center cooling. In order to correct such a center-cool type temperature distribution, by designing the heat density of the central fan-shaped heating zones A1 to A3 high, it is possible to further improve the transient temperature uniformity at the time of wafer placement. . The method of increasing the heat generation density can be realized by narrowing the pitch of the circuit pattern of the
なお、加熱部13においては、載置面11aに平行な全面積に対して抵抗発熱体13aの有効面積(すなわち、加熱部13の上記全面積から、互いに隣接する加熱ゾーン同士の離間スペース、ネジ孔やリフトピンの挿通孔用スペース、測温センサーの設置用スペース等の発熱がないスペースの面積を引いたもの)の比率、すなわち有効発熱領域の比率が80%以上であるのが好ましい。
In
本発明の一具体例のヒータモジュール1は、上記の1又は複数の加熱ゾーンの各々において例えば抵抗値が調整された測温素子からなる測温センサー15を加熱ゾーンの中心位置に設けると共に、各測温センサー15の検出値に基づいて当該加熱ゾーン内の抵抗発熱体13aを個別に制御するのが好ましい。ここで加熱ゾーンの中心位置とは、加熱ゾーンの形状が円形や三角形等の一般的な形状の場合は幾何学的な中心点と定義することができ、線対称な形状の場合はその対称軸となる対称線分の中間点と定義することができる。例えば図2に示すような扇状の加熱ゾーンの場合は、その周方向の中間角度位置であって且つ半径方向の中間地点が中心位置となる。
In the
抵抗発熱体13aを複数設ける場合は、上記のように制御系を構成することによって載置面11aを局所的に加熱することができるので、例えばロードロックの開閉等により載置面11aが部分的に冷却されるような場合であっても均熱性を良好に維持することが可能になる。上記の測温センサー15は例えば載置台11の下面側に測温センサー15が収まる大きさのザグリ穴11bを設け、その底面に接着剤を塗布して測温センサー15を接着固定することで各加熱ゾーンの温度を良好に検知することができる。なお、この場合は載置台11の下面側から測温センサー15のリード線17が引き出されることになる。このリード線17からの熱逃げを抑えるため、リード線17は例えば支持板12の下面の当接部17aに当接させるのが好ましい。
When a plurality of
上記のヒータユニット10の下方には、該ヒータユニット10を急速冷却するための冷却部20が設けられている。この冷却部20は、白矢印で示すように、支持板12の下面側に当接する一点鎖線で示す当接位置と、支持板12から下方側に離間する実線で示す離間位置との間で往復動可能な可動式冷却板21と、上記離間位置の可動式冷却板21の下面側に当接する固定式冷却板22とを有している。これら可動式冷却板21及び固定式冷却板22の材質は、銅、アルミニウム、ニッケル、マグネシウム、チタン、若しくはこれらの少なくともいずれかを主成分とする合金又はステンレスなどの熱伝導性が高い金属から選択することが好ましい。
Below the above-mentioned
上記の固定式冷却板22は、図示しないチラーなどの冷却装置で冷却されたフッ素系冷媒等の不凍液、空気、汎用的な水等の冷媒が循環する冷媒流路22aを有している。この冷媒流路22aを有する固定式冷却板22の作製方法は特に限定はなく、例えば固定式冷却板22の基材として金属製の板状部材を用意し、その下面側に冷媒流路としてCuなどの金属製のパイプを沿わせ、この金属製パイプの両端にステンレス製の継ぎ手を取り付けると共に、金属製パイプを押さえ板で板状部材に押さえつけた状態で該押さえ板と板状部材とをネジなどにより機械的に結合することで作製することができる。
The
より高い熱効率を得るため、固定式冷却板22の基材として金属製の板状部材を用意し、その下面側に例えば環状又は渦巻き状のザグリ溝を設け、このザグリ溝中に渦巻き状に成形した冷媒流通用の金属製パイプを設置してもよい。この場合、金属製パイプと板状部材との良好な熱伝達を保つため、コーキング材、シーラント、接着剤などにより金属製パイプの表面とザグリ溝の内面とを接着固定するのが好ましい。あるいは、固定式冷却板22の基材として同じ材質の略同形状の2枚の板状部材を用意し、それらの対向面の一方に機械加工で流路となる溝を形成してもよいし、それらの対向面の両方に機械加工で流路となる溝を形成してもよい。この場合、これら2枚の板状部材は重ね合わせてから例えばロウ付けなどの結合法で一体化するのが好ましい。
In order to obtain higher thermal efficiency, a metal plate member is prepared as a base material of the fixed
可動式冷却板21は、エアシリンダなどからなる昇降機構23に取り付けられている。これにより、昇降機構23を作動させることで可動式冷却板21を前述した当接位置と離間位置との間で往復動させることができる。なお、可動式冷却板21を設けずに冷媒流路を有する冷却板自体を支持板12の下面側に当接する位置と該下面側から離間する位置との間で往復動させてもよい。
The
上記の可動式冷却板21の上面や固定式冷却板22の上面、及び/又は支持板12の下面には、伝熱性を高めるため介在層(図示せず)を設けてもよい。この介在層は、厚み方向にクッション性(柔軟性)を有しているのが好ましく、また耐熱性を有しているのが好ましい。更に、例えば1W/m・K以上の高い熱伝導率を有していることが好ましい。このような材質としては、発泡金属、金属メッシュ、又はグラファイトシート等の無機シートでもよいし、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、又はシリコーン樹脂等の樹脂シートでもよい。上記の樹脂シートの場合は、カーボンなどの熱伝導性フィラーを含有することで熱抵抗をより小さくすることが可能になる。
An intervening layer (not shown) may be provided on the upper surface of the
本発明の一具体例のヒータモジュール1においては、上記の固定式冷却板22において、可動式冷却板21との対向面とは反対側の下面側(背面側)に配線基板30が当接状態で取り付けられている。この配線基板30は、固定式冷却板22の下面側に設けた配線基板用ザグリ穴22b内に収めるのが好ましい。この配線基板30は、ガラスエポキシなどの絶縁性材料で形成された絶縁性基板31の片面に、上記給電用リード線16に接続する第1配線32と、上記測温センサー15用のリード線に接続する第2配線33とが形成された構造を有している。
In the
上記の第1配線32の回路の一端部には第1コネクター34が実装されており、この第1コネクター34に、給電用リード線16の先端に設けた係合部(図示せず)が着脱自在に接続されている。同様に、上記の第2配線33の回路の一端部に第2コネクター35が実装されており、この第2コネクター35に、測温センサー15のリード線17の先端部に設けた係合部(図示せず)が着脱自在に接続されている。
A
これら第1配線32及び第2配線33の他端部は絶縁性基板31上において其々1か所にまとめられており、これら2か所に第1配線32用の第1終端集合コネクター36及び第2配線33用の第2終端集合コネクター37が其々実装されている。そして、これら第1及び第2終端集合コネクター36、37の其々に、第1配線32及び第2配線33を介して上記リード線16、17に其々接続する引出線が束ねられた第1及び第2集合引出線38、39の係合部(図示せず)が着脱自在に接続されている。かかる構成により、ヒータモジュール1の組み立て時やメンテナンス時の作業を簡素化することが可能になるうえ、多数のリード線を錯綜させることなくヒータモジュール1の外側に引き出すことが可能になる。
The other end portions of the
上記の配線基板30の作製方法は特に限定はなく、絶縁性基板31の両表面に乾式めっき法や湿式めっき法で導電層を形成してからパターニング加工を行うことで所望の回路パターンを有する第1配線32及び第2配線33を形成してもよいし、絶縁性基板31の両表面に金属箔を熱圧着等により貼り付けてからパターニング加工を行ってもよい。また、絶縁性基板31の片面に第1配線32の成膜層と第2配線33の成膜層とを絶縁層を挟んで積層させてもよい。この場合は、第1配線32と第2配線33との電気的な干渉を防ぐため、第1配線32の成膜層と第2配線33の成膜層との間に電気シールド層を介在させるのが好ましい。
There is no particular limitation on the method of manufacturing the
以上、本発明のヒータモジュール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。例えば、上記のヒータユニットは抵抗発熱体を有する加熱部が載置台と支持板で挟持された構造を有しているが、この構造に限定されるものではなく、載置台の内部に抵抗発熱体を埋設することで支持板のない構造にしてもよい。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲及びその均等物に及ぶものである。 As mentioned above, although the heater module of the present invention was explained taking one specific example, the present invention is not limited to the one specific example concerned, and it may be carried out in various modes within the scope of the present invention. It is possible. For example, although the heater unit described above has a structure in which the heating unit having a resistance heating element is sandwiched between the mounting table and the support plate, the present invention is not limited to this structure. It may be made a structure without a support plate by embedding it. That is, the technical scope of the present invention is the scope of the claims and the equivalents thereof.
[実施例1]
図1に示すようなヒータモジュール1を作製し、各加熱ゾーンごとに温度制御しながら載置面11aに載置した半導体ウエハを加熱して性能を評価した。具体的には、先ず載置台11として直径320mm×厚み3mmの円板状の銅板を準備した。この銅板において載置面11aとなる面とは反対側の面の後述する各発熱ゾーンの中心位置にザグリ穴11bを形成し、このザグリ穴11bにセラミックス製(W2mm×D2mm×H1mm)の3線式測温素子からなる測温センサー15をシリコーン接着剤を用い接着固定した。
Example 1
The
また、支持板12として直径320mm×厚み3mmの円板状のSi−SiC板を準備した。このSi−SiC板には、上記測温素子のリード線、後述する抵抗発熱体のリード線、及び締結ネジの挿通用の貫通孔を設けた。次に、厚さ20μmのステンレス箔に回路パターンをエッチングで形成して複数の抵抗発熱体13aを作製し、それらの各々の終端部に給電用のリード線16を取り付けた。これら複数の抵抗発熱体13aを上下から厚み50μmのポリイミドシートで覆って熱圧着し、フィルム状の加熱部13を準備した。
Moreover, the disk shaped Si-SiC board of diameter 320 mm x thickness 3 mm was prepared as the
なお、上記の複数の抵抗発熱体13aは、図2に示すパターンで区分された複数の加熱ゾーンに其々配した。すなわち、この図2の区分パターンは円形の載置面11aをφ120mm、φ246mm、φ302mmの3つの同心円で円形中央部A、環状中間部B、及び環状周縁部Cに3分割し、更にφ120mmの円形中央部Aを周方向に3等分し、外径φ246mm、内径φ120mmの環状中間部Bを周方向に6等分し、外径φ302mm、内径φ246mmの環状周縁部Cを周方向に6等分した。これにより、加熱部13からは合計30本の給電用リード線16が引き出された。
The plurality of
この加熱部13を上記した載置台11と支持板12との間に挟み込み、支持板12に予め設けておいた貫通孔にネジを挿通して載置台11に螺合した。これにより、載置台11と支持板12とが互いに機械的に結合されたヒータユニット10を作製した。なお、上記のネジには、熱膨張量差で載置台11や支持板12が変形しないように、座面にベアリングを備えたネジを用いた。本締結ネジは、PCD120mmに3本、PCD310mmに6本設けた。
The
また、測温センサー15のリード線17からの熱逃げを抑制するため、支持板12から取り出した測温センサー15のリード線17を支持板12の下面に当接させ、シリコーン樹脂でリード線17の該当接部17aを30mmの長さに渡り接着固定した。なお、上記構成により、3線式測温素子の3本のリード線17と抵抗発熱体13aへの2本の給電用リード線16が各発熱ゾーンから引き出されるため、合計75本のリード線16、17がヒータユニット10から引き出された。
Further, in order to suppress heat escape from the
次に、冷却部20として、可動式冷却板21用の直径320mm×厚み12mmの円板状のアルミニウム合金板と、固定式冷却板22用の直径320mm×厚み12mmの円板状のアルミニウム合金板とを準備した。可動式冷却板21用のアルミニウム合金板には、支持板12に当接する上面側に、支持板12と可動式冷却板21の全面が接触するように柔軟性を有したシリコーンシートを配置した。一方、固定式冷却板22用のアルミニウム合金板には、その下面に、冷媒流路22a用の外径6mm×肉厚1mmのリン脱酸銅パイプをねじを用いて取り付けた。そして、この銅パイプの両端に、冷媒を供給・排出するための継ぎ手を取り付けた。この固定式冷却板22において可動式冷却板21との対向面とは反対側の面
(背面側)に、後述する配線基板30を収納するためのφ200mm×深さ5mmのザグリ穴22bを設けた。
Next, as the cooling
配線基板30は、外径φ198mm×総厚1.6mmとなるように、ガラスエポキシからなる絶縁性基板31の表面に銅箔を重ね合わせて熱圧着した後、この銅箔をエッチングによりパターニング加工して抵抗発熱体13aの給電用リード線16に接続される第1配線32を形成した。この第1配線32の電気的な絶縁性を確保すべく該第1配線32の上に絶縁性レジストを塗布した後、この絶縁性レジストの上に銅箔を重ね合わせて熱圧着した。この2層目の銅箔はエッチングせずに第1配線32を全面的に覆ういわゆるベタのパターンとすることでシールド層とした。このシールド層の電気的な絶縁性を確保すべく該シールド層の上に絶縁性レジストを塗布した後、この絶縁性レジストの上銅箔を重ね合わせて熱圧着した。そして、この3層目の銅箔をエッチングによりパターニング加工して測温センサー15のリード線17に接続される第2配線33を形成した。この第2配線33の電気的な絶縁性を確保すべく該第2配線33の上に絶縁性レジストを塗布した。
In the
このようにして、ガラスエポキシ基板の表面に第1配線32と第2配線33とが絶縁性レジストからなる絶縁層及びシールド層を介して積層された配線基板30を製作した。なお、この配線基板30には、上記リード線16、17を挿通するための孔や、リフトピンなどの構造部品を挿通するための孔を予め設けておいた。また、積層位置が互いに異なる第2配線33の層と第1配線32の層との電気的な干渉を避けるため、シールド層は上記冷却部20に電気的に接続した。
In this manner, a
これら第1及び第2配線32、33の回路の其々一端部に、上記給電用リード線16及び測温センサー15のリード線17との接続のための第1及び第2コネクター34、35として市販のコネクターをはんだ付けで実装した。更にそれらの反対側の他端部に、上記リード線16、17に其々第1及び第2配線32、33を介して接続される引出線の束(第1及び第2集合引出線38、39)を一括して同時に結線できる第1及び第2終端集合コネクター36、37をはんだ付けで其々実装した。更に配線基板30の表面には、結線作業を円滑且つ明確に行えるように、上記ザグリ穴22bの周辺から接続先のコネクターまでのルートをシルク印刷で描いた。表面実装した第1及び第2コネクター34、35を含めた合計厚みは、第1及び第2終端集合コネクター36、37を除いて4.6mmであった。このようにして作製した配線基板30を、固定式冷却板22のザグリ穴22bの底部にねじ止めにて固定した。
As the first and
上記の2枚のアルミニウム合金板からなる冷却部20に、上記給電用リード線16、測温センサー15のリード線17、及び後述する容器の底部から立設する脚部が挿通する貫通孔を設けた。更に固定式冷却板22用のアルミニウム合金板には、後述する可動式冷却板21の昇降用エアシリンダのロッドが挿通する貫通孔を設けた。上記の冷却部20を肉厚1.5mmの側壁を有し且つ上部が開放されたステンレス製の容器40内に設置した。固定式冷却板22の下側に昇降機構23としてのエアシリンダを設け、そのロッドを上記したロッド挿通用の貫通孔に挿通させてその先端に可動式冷却板21を取り付けた。このようにして、試料1のヒータモジュール1を作製した。なお、エアシリンダのロッドが退避している時の支持板12の下面と可動式冷却板21の上面との離間距離は10mmであった。
The cooling
比較のため、固定式冷却板22において可動式冷却板21との対向面とは反対側の面に、ヒータユニット10から引き出された75本のリード線16、17を這わすため、4mm幅×10mm深さの溝を各加熱ゾーンごとにザグリ加工で設けた以外は試料1のヒータモジュール1と同様にして試料2のヒータモジュールを製作した。この試料2のヒータモジュールでは集合コネクター36の近傍では給電用リード線16や測温センサー用リード線17が全て混在する溝を設ける必要があるので複雑な構造となった。
For comparison, 75 mm of
また、給電用リード線16や測温センサー15用のリード線17を其々コネクター34、35に接続する際、上記のザグリ加工した溝の内部に這わせていきながら一本ずつコネクター34、35に接続する必要があるため煩雑な作業となった。更に複数本のリード線が交差したり並走したりするルートでは、リード線の接続ミスによる結線不具合が生じ、組み立て直しが生じた。
Further, when the
更に比較のため、可動式冷却板21及び固定式冷却板22からなる冷却部20を設けずにステンレス容器40の背面に配線基板30を設置した以外は試料1のヒータモジュール1と同様にして試料3のヒータモジュールを作製した。この試料3のヒータモジュールでは試料1のヒータモジュール1と同様に結線ミスをすることなく短時間で組立てることができたが、ヒータユニットの昇温評価中に配線基板30の表面で短絡が生じた。これは、配線基板30の第1配線32への通電による自己加熱による温度上昇と、ヒータを昇温することで周辺環境が暖かくなったことにより配線基板30の温度が上がりすぎ、絶縁性能が低下した影響によるものと推察される。
Further, for comparison, a sample is prepared in the same manner as the
これに対して上記の試料1のヒータモジュール1では、配線基板30上に描かれたルートに従って最寄りの第1及び第2コネクター34、35に接続するだけで結線作業が済み、結線ミスが生じることなく短時間で組立てることができた。また冷却部20に設けた冷媒流路22aへの通水により配線基板30は常時冷却されるため、上記の試料3のヒータモジュールで発生した配線基板30の短絡の問題は生じなかった。
On the other hand, in the
1 ヒータモジュール
10 ヒータユニット
11 載置台
11a 載置面
12 支持板
13 加熱部
13a 抵抗発熱体
14 脚部
15 測温センサー
16 給電用リード線
17 測温センサー用リード線
17a 当接部
20 冷却部
21 可動式冷却板
22 固定式冷却板
22a 冷媒流路
22b 配線基板用ザグリ穴
23 昇降機構
30 配線基板
31 絶縁性基板
32 第1配線
33 第2配線
34 第1コネクター
35 第2コネクター
36 第1終端集合コネクター
37 第2終端集合コネクター
38 第1集合引出線
39 第2集合引出線
40 容器
A 円形中央部
A1〜A3 中央部扇状加熱ゾーン
B 環状中間部
B1〜B6 中間部扇状加熱ゾーン
C 環状周縁部
C1〜C6 周縁部扇状加熱ゾーン
DESCRIPTION OF
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