JP6288480B2

JP6288480B2 - 加熱冷却モジュール

Info

Publication number: JP6288480B2
Application number: JP2016123256A
Authority: JP
Inventors: 桂児北林; 成伸先田; 晃三雲
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: JP2017228627A

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理物を載置して加熱・冷却する加熱冷却モジュールに関する。

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ー、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ー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が用いられている。

上記のウエハ加熱用ヒータでは、製品となる半導体デバイスの品質のばらつきを抑えるべく、処理の際に半導体ウエハを全面に亘って均等に加熱することが求められている。そのため、半導体ウエハを載置するウエハ載置台には伝熱性に優れた金属製の円板状部材が用いられており、その下面若しくは内部に設けた薄膜状の抵抗発熱体で半導体ウエハを間接的に加熱するようになっている。しかしながら、金属製の円板状部材は厚み方向に温度差が生じると反りが生じるおそれがある。

そこで、例えば特許文献１に示されるように、剛性の高いセラッミクス製の円板状支持板でウエハ載置台を下面側から支持し、これらウエハ載置台と支持板との間に、薄膜状の抵抗発熱体の両面を絶縁シートで挟み込んでなる発熱ユニットを挟持する構造が採用されている。また、サセプタではウエハ載置台の急速な降温を要する場合があり、そのため、支持板の下側には該降温時に支持板の下面に当接して冷却を行う可動式冷却板が設けられている。

特開２０１３−１２３０５３号公報

上記の可動式冷却板は、支持板の下面に当接して該支持板及びウエハ載置台を冷却するものであるため、冷却板自身は高温の支持板及びウエハ載置台によって加熱されることになる。そのため、冷却板は、支持板及びウエハ載置台の冷却を行った後は支持板の下面から離間して下方に移動し、循環する冷媒によって常時低温が維持されている冷却ステージの上面に当接することで冷却される。

このように冷却板は高温の支持板の下面に当接する位置と低温の冷却ステージの上面に当接する位置との間で往復動するため、高温状態と低温状態とが交互に繰り返されることになる。その際、冷却板には厚み方向に温度差が生じ、その結果、上に凸状に反って支持板の平坦な下面に全面的に当接できなくなり、冷却性能が低下することがあった。本発明は、このような従来の冷却板を備えたウエハ加熱用ヒータが抱える問題点に鑑みてなされたものであり、高温の被処理物を面方向の均熱性を保ちながら素早く降温させることが可能な冷却性能の高い可動式冷却板を備えたウエハ加熱用ヒータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る加熱冷却モジュールは、上面に被処理物を載置する載置面を有し、前記被処理物を加熱する発熱体を備えた円板状のヒータユニットと、前記ヒータユニットの前記載置面とは反対側の面に対して当接する位置と離間する位置との間で往復動可能な可動式冷却板と、前記離間する位置にある時の前記冷却板が当接する冷却ステージとを有する加熱冷却モジュールであって、前記可動式冷却板は、前記ヒータユニットに当接する側の面が周縁部から中心部に向かって徐々に深くなる凹状であることを特徴としている。

本発明によれば、高温の被処理物を面方向の均熱性を保ちながら素早く降温させることができるので、生産性を高めることが可能になる。

本発明の一具体例の加熱冷却モジュールの模式的な縦断面図である。図１の加熱冷却モジュールが有する冷却板の一具体例を示す縦断面図である。図１の加熱冷却モジュールが有する冷却ステージの具体例を示す縦断面図である。

最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明に係る実施形態の加熱冷却モジュールは、上面に被処理物を載置する載置面を有し、前記被処理物を加熱する発熱体を備えた円板状のヒータユニットと、前記ヒータユニットの前記載置面とは反対側の面に対して当接する位置と離間する位置との間で往復動可能な可動式冷却板と、前記離間する位置にある時の前記冷却板が当接する冷却ステージとを有する加熱冷却モジュールであって、前記可動式冷却板は、前記ヒータユニットに当接する側の面が周縁部から中心部に向かって徐々に深くなる凹状であることを特徴としている。これにより高温の被処理物を面方向の均熱性を保ちながら素早く降温させることができるので、生産性を高めることが可能になる。

上記本発明に係る加熱冷却モジュールの実施形態においては、前記凹状の面の平面度が２０〜１００μｍであるのが好ましい。これにより、上記したヒータユニットを構成する支持板の平坦な下面に、より広範囲に且つ長時間に亘って冷却板の上面を当接させることが可能になり、高温の被処理物をより素早く降温させることができる。

次に本発明の加熱冷却モジュールの一具体例について、図１を参照しながら説明する。この図１に示す加熱冷却モジュールは、被処理物としての例えば半導体ウエハを載置して加熱するヒータユニット１０と、該ヒータユニット１０を冷却する冷却ユニット２０とを有しており、これらは上部が開放したステンレス製の容器３０内に収容されている。ヒータユニット１０は、上面にウエハ載置面１１ａを備えた略円板形状の載置台１１と、この載置台１１と略同等の外径を有し、載置台１１の下面側を略全面に亘って支持する略円板状の支持板１２と、これらの間に挟み込むように設けられた、載置台１１及び支持板１２と略同等の外径を有する略円板状で且つフィルム状の発熱部１３とからなり、容器３０の底面から立設する脚部３１に支持されている。

載置台１１の材質は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属が好ましく、これによりウエハ載置面１１ａにおいて極めて高い温度均一性を実現することができる。一方、支持板１２の材質は、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。これにより、載置台１１の反りを抑えることができるので、ウエハ載置面１１ａの平坦性を保つことができる。また、ウエハ載置面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、ヒータユニット全体としての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。

これら載置台１１と支持板１２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。ネジ止めの場合は、上記したように載置台１１と支持板１２とは互いに異なる材質からなるため、載置台１１及び支持板１２がそれぞれの温度に応じてウエハ載置面１１ａの方向に自由に熱膨張できるように、例えば支持板１２に厚み方向に貫通したネジ孔（図示せず）に下側から雄ネジ（図示せず）を挿通して載置台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である支持板１２の下面との間には例えばベアリング（図示せず）を介在させることが好ましい。

発熱部１３は、例えば薄膜状の抵抗発熱体とその両面を上下から挟み込む電気絶縁フィルムとからなる。この抵抗発熱体は、ステンレスやニッケル−クロム等からなる金属箔をエッチングやレーザー加工で所望のパターン形状にパターニングすることで作製することができる。一方、電気絶縁フィルムには、２００℃を超える耐熱温度を有するポリイミド樹脂を使用するのが好ましい。ポリイミド樹脂であれば熱圧着により抵抗発熱体と一体化させることができ、これにより互いの密着性が増すので界面の熱抵抗を下げることができる。

ウエハ載置面１１ａをよりきめ細かく温度制御するため、複数の領域に区分して個別に温度制御してもよく、この場合は、上記発熱部１３を、複数の領域の各々に配すると共に、各領域に測温センサ（図示せず）を設けるのが好ましい。また、抵抗発熱体は１層に限定されるものではなく、例えば測温センサの出力値に基づいて給電量の制御を行う抵抗発熱体の層と、設定温度の変更時にのみ給電を行う補助的な抵抗発熱体の層とを厚み方向に異なる位置に設けてもよい。

上記ヒータユニット１０の下側に位置する冷却ユニット２０は、一点鎖線で示すように支持板１２の下面に当接する位置と、実線で示すように支持板１２から離間する位置との間で往復動して高温の載置台１１及び支持板１２の冷却を行う可動式冷却板２１と、この可動式冷却板２１が上記離間位置にある時に当接して上記した高温の載置台１１及び支持板１２の冷却によって加熱された冷却板２１を冷却する固定式冷却ステージ２２とで構成される。

可動式冷却板２１の上記往復動は、図１に例示されているように、固定式冷却ステージ２２の下側に設けた例えばエアシリンダ３２のピストンロッド３２ａの先端部に冷却板２１を取り付けることにより可能になる。この冷却板２１の材質は、熱伝導性の良い金属で形成されるのが好ましく、例えば、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何れかを主成分とする合金又はステンレスからなる群から選択することが好ましい。

冷却板２１の形状は、ヒータユニット１０を構成する支持板１２の平坦な下面に全面に亘って当接して平面方向に均質な冷却を行うべく、支持板１２の外径と略同程度の外径を有する円板形状を有している。この冷却板２１は、更に、ヒータユニット１０の支持板１２の下面と当接する側の上面２１ａの形状が、周縁部から中心部に向かって徐々に深くなる凹状になっている。

これにより、冷却板２１は、上記した往復動によって自身が加熱、冷却されることで、冷却板２１の上面２１ａ側が高温、下面側が低温になって全体的に上に凸状に反った場合であっても、上記したように上面２１ａが予め凹状に加工されているので該凸状の反りが相殺されて上面２１ａがほぼ平坦になり、よって、支持板１２の平坦な下面にほぼ全面に亘って冷却板２１の上面２１ａを当接させることが可能になる。

上記冷却板２１は、図２に示すように、その凹状の上面２１ａの平面度Ａが２０〜１００μｍとなるように作製するのが好ましい。平面度Ａがこの範囲内であれば、上記したように冷却板２１に厚み方向の温度差が生じて全体として上に凸状に反った場合であっても、支持板１２の平坦な下面に、より広範囲に且つ長時間に亘って冷却板２１の上面２１ａを当接させることができる。この平面度Ａが２０μｍ未満では、平面度が小さすぎて上記した冷却板の凸状の反りを相殺できなくなるおそれがあり、逆に１００μｍを超えると平面度が大きすぎてかえって冷却効率が低下するおそれがある。なお、この平面度Ａは三次元測定機によって測定することができる。

上記の冷却板２１の冷却を行う固定式冷却ステージ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。冷却ステージ２２は、例えば金属製の板状部材の表面に冷媒流路として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できる（この構造をパイプ式とも称する）。板状部材の材質には熱伝導性の良い銅、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何れかを主成分とする合金又はステンレスからなる群から選択することが好ましい。

なお、より高い熱効率を得るため、図３（ａ）に示す他の具体例の冷却ステージ１２２のように、冷却ステージ１２２の本体を構成する板状部材１２２ａの下面に例えば渦巻き状のザグリ溝１２３を設け、このザグリ溝１２３中に渦巻き状に成形した冷媒流通用の金属製パイプ１２４を設置してもよい。その際、金属製パイプ１２４と板状部材１２２ａ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１２４の表面とザグリ溝１２３の内面とを接着固定するのがより好ましい。

あるいは、図３（ｂ）に示す更に他の具体例の冷却ステージ２２２のように、上下方向に重ね合わせるため、同じ材質の略同形状の２枚の板状部材２２２ａ、２２２ｂを用意し、下側の板状部材２２２ａの片面にのみ機械加工で流路２２３となる溝を形成し、この流路２２３を覆うようにもう一方の板状部材を重ね合わせて例えばロウ付けなどの結合手段で一体化することで作製してもよい（この構造をロウ付け方式とも称する）。あるいは、図３（ｃ）に示す更に他の具体例の冷却ステージ３２２のように、２枚の板状部材３２２ａ、３２２ｂの上側にのみ流路３２３を設けてもよいし、図３（ｄ）に示す更に他の具体例の冷却ステージ４２２のように、２枚の板状部材４２２ａ、４２２ｂの対向する両面に流路４２３を設けてもよい。

上記の冷却板２１と冷却ステージとの間の伝熱性を高めるため、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、冷却ステージ１２２、２２２、３２２、４２２の上面に介在層４０を設けてもよい。介在層４０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、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、発泡金属や金属メッシュ、グラファイトシート、熱伝導性フィラーを含有したフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等を挙げることができる。なお、カーボンなどの熱伝導フィラーを含有した樹脂を用いることで、熱抵抗をより小さくすることが可能になる。

以上、本発明の加熱冷却モジュールについて具体例を挙げて説明したが、本発明は係る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、特許請求の範囲及び均等物に及ぶものである。

（実施例１）
載置台として直径３２０ｍｍ×厚み３ｍｍの円板状の銅板を準備した。支持板として直径３２０ｍｍ×厚み３ｍｍの円板状のＳｉ−ＳｉＣ板を準備した。また、抵抗発熱体として厚さ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、その終端部に給電ケーブルを取り付けた。この抵抗発熱体の上下を厚み５０μｍのポリイミドシートで覆い熱圧着した後、ポリイミドシートの表面に、セラミックス製（Ｗ２ｍｍ×Ｄ２ｍｍ×Ｈ１ｍｍ）の測温素子をシリコーン接着剤を用い接着固定し、測温素子付きの発熱部を作製した。

この発熱部を上記した載置台と支持板との間に挟み込み、支持板に予め設けておいた貫通孔にネジを挿通して載置台に螺合した。これにより、載置台と支持板とが互いに機械的に結合されたヒータユニットを作製した。なお、上記のネジには、熱膨張量差で載置台や支持板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。また、測温素子のリード線からの熱逃げを抑制するため、支持板から取り出した測温素子のリード線を支持板に接触させ、シリコーン樹脂でリード線を３０ｍｍの長さに渡り接着固定した。

次に、冷却ユニットとして、可動式冷却板用の直径３２０ｍｍ×厚み１２ｍｍの円板状のアルミニウム合金板と、冷却ステージ用の直径３２０ｍｍ×厚み１２ｍｍの円板状のアルミニウム合金板とを準備した。可動式冷却板用のアルミニウム合金板は、支持板に当接する上面側を旋盤で中凹となるように、すなわち上面の中央部がその周縁部に比較して相対的に凹となるように研削した。得られた凹状の上面の平面度を三次元測定機で測定したところ２０μｍであった。一方、冷却ステージ用のアルミニウム合金板には、その下面に、ねじを用いて外径６ｍｍ×肉厚１ｍｍのリン脱酸銅パイプを取り付けた。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。

このようにして作製した冷却ユニットとしての両アルミニウム合金板に、上記給電ケーブル、測温素子のリード線、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。更に冷却ステージ用のアルミニウム合金板には、冷却板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。上記の冷却ユニットを肉厚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内に設置した。冷却ステージの下側にエアシリンダを取り付け、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を取り付けた。このようにして、試料１の加熱冷却モジュールを作製した。なお、エアシリンダのロッドが退避している時の支持板の下面と冷却板の上面との離間距離は１０ｍｍであった。

更に、上面が平面度２０μｍの凹状の冷却板に代えて、凹状の上面の平面度がそれぞれ５０μｍ、８０μｍ、１００μｍ、及び１２０μｍの冷却板を用いたこと以外は上記の試料１と同様にして試料２〜５の加熱冷却モジュールを製作した。また、比較のため、上面を平面研削板でほぼフラットとなるように仕上げた冷却板を用いたこと以外は上記の試料１と同様の試料６の加熱冷却モジュールと、上面の中央部がその周縁部に比較して相対的に凸状であってその平面度がそれぞれ３０μｍ及び５０μｍの冷却板を用いたこと以外は上記の試料１と同様の試料７〜８の加熱冷却モジュールとを製作した。

これら試料１〜８の加熱冷却モジュールのヒータユニットを各々常温から２５０℃まで昇温させた後、２５０℃で１時間保持した。そして、この２５０℃の定常状態でウエハ載置面の温度計測するため、市販のウエハ温度計を載置面に設置した。次に、上記１時間が経過した後、銅パイプに水を供給することで冷却状態にある冷却ステージによって冷却された冷却板をエアシリンダを作動させて上昇させ、支持板の下面に当接させた。この状態でヒータユニットの温度を２００℃まで下げ、２００℃到達時のウエハ載置面に載置したウエハ温度計が示す温度分布を計測した。その結果を下記表１に記載する。

上記表１の結果から、凸形状とした試料６〜７は何れも試料１〜５に比べて好ましくない結果となった。これらの冷却完了時の温度分布を確認すると、中心部が外周部よりも低温になっていた。これは、可動式冷却板がヒータユニットに当接するとヒータユニットからの授熱により可動式冷却板の上面、すなわちヒータユニットと当接している側の温度が高く、冷却ステージに接していた側が冷たい状態となる。こうして可動式冷却板の中で厚み方向に温度分布が生じることで、冷却中に可動式冷却板が上に凸状に反り、外周部が垂れた形状になって支持板との当接面に隙間が生じ、冷却性能に支障を来しているものと考えられる。また、平面研削により略フラットにした試料８でも、好ましくない結果となった。なお、平面研削による管理はコストを含め量産仕様には適していない。

これに対し、冷却板の上面を平面度２０〜１２０μｍの凹状に加工した試料１〜５では、上述と同様の理由で冷却中に可動式冷却板が凸形状に反るが、予め上面を凹形状にしていることで良好な当接面が得られたものと推察される。但し、平面度１２０μｍにした試料５では、平面度２０〜１００μｍにした試料１〜４に比べて２〜３倍均熱レンジが悪く、平面方向に高い均熱性を要する用途では平面度を１２０μｍ未満にするのが好ましいことが分かる。

このように、上面が凸状又はフラットな冷却板を用いた加熱冷却モジュールでは、たとえヒータユニットに設けた測温センサが指示する温度上では冷却が完了していても、ウエハ載置面の温度分布が大きくばらついており、スループット向上のため急速な冷却のみならず冷却直後に高い均熱性を要する用途には適していないことが分かる。

１０ヒータユニット
１１載置台
１１ａウエハ載置面
１２支持板
１３発熱部
２０冷却ユニット
２１可動式冷却板
２１ａ凹状面
２２固定式冷却ステージ
２２ａ冷媒流路
３０容器
３１脚部
３２エアシリンダ
３２ａピストンロッド
４０介在層
１２２固定式冷却ステージ
１２２ａ板状部材
１２３ザグリ溝
１２４金属製パイプ
２２２固定式冷却ステージ
２２２ａ、２２２ｂ板状部材
２２３流路
３２２固定式冷却ステージ
３２２ａ、３２２ｂ板状部材
３２３流路
４２２固定式冷却ステージ
４２２ａ、４２２ｂ板状部材
４２３流路
Ａ平面度

Claims

上面に被処理物を載置する載置面を有し、前記被処理物を加熱する発熱体を備えた円板状のヒータユニットと、前記ヒータユニットの前記載置面とは反対側の面に対して当接する位置と離間する位置との間で往復動可能な可動式冷却板と、前記離間する位置にある時の前記冷却板が当接する冷却ステージとを有する加熱冷却モジュールであって、前記可動式冷却板は、前記ヒータユニットに当接する側の面が周縁部から中心部に向かって徐々に深くなる凹状であり、前記冷却ステージに当接する側の面が平坦である加熱冷却モジュール。
前記凹状の面の平面度が２０〜１００μｍである、請求項１に記載の加熱冷却モジュール。