JP7401279B2 - 対象物を加熱及び冷却するためのステージ - Google Patents
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Description
この発明は，対象物を加熱及び冷却するためのステージに関する。
特許第５４２７３６７号公報には，矩形サセプタが記載されている。サセプタは，例えば，半導体集積回路，フラットディスプレイパネル，及び太陽光発電用パネルを製造する際にステージとして用いられる。サセプタは，製造工程において例えば基板を加熱する。その際に，基板を迅速かつ均一に加熱することが求められる。また，基板を冷却することができるようにすることも望ましい。
この発明は，基板を加熱のみならず冷却できるステージを提供することを目的とする。また，この発明は，基板を均一に加熱（又は冷却）できるステージを提供することを目的とする。
上記の課題は，ステージの搭載表面を加熱する加熱部のみならず冷却部を備えるステージにより解決できる。また，上記の課題は，加熱部や冷却部を収容する溝の隙間に熱伝導媒体を充填させることにより，解決できる。
本発明の第１の側面は，チャンバ内に設置され，対象物を加熱及び冷却するためのステージに関する。
チャンバの例は，真空チャンバである。対象物の例は，半導体集積回路，フラットディスプレイパネル，及び太陽光発電用パネルであるか，又はそれらを製造する途中の基板である。このステージ１は，対象物を搭載する搭載表面を有するステージ本体５，６と，搭載表面を加熱するための加熱部７と，搭載表面を冷却するための冷却部８と，を有する。冷却部８は，搭載表面に搭載された対象物を冷却するものであってもよいし，加熱部７より低温で対象物を加熱するために用いられてもよい。加熱部７及び冷却部８は，例えば，ステージを均一に加熱又は冷却できるように，渦を巻くように設置されてもよい。例えば，流体をステージ中央の下方から加熱部７及び冷却部８内を循環させる場合，加熱部７及び冷却部８は，ステージを巡るように設計されることが好ましい。
チャンバの例は，真空チャンバである。対象物の例は，半導体集積回路，フラットディスプレイパネル，及び太陽光発電用パネルであるか，又はそれらを製造する途中の基板である。このステージ１は，対象物を搭載する搭載表面を有するステージ本体５，６と，搭載表面を加熱するための加熱部７と，搭載表面を冷却するための冷却部８と，を有する。冷却部８は，搭載表面に搭載された対象物を冷却するものであってもよいし，加熱部７より低温で対象物を加熱するために用いられてもよい。加熱部７及び冷却部８は，例えば，ステージを均一に加熱又は冷却できるように，渦を巻くように設置されてもよい。例えば，流体をステージ中央の下方から加熱部７及び冷却部８内を循環させる場合，加熱部７及び冷却部８は，ステージを巡るように設計されることが好ましい。
このステージの好ましい態様は，ステージ本体５，６が，加熱部７が挿入される第１の溝１０と，冷却部８が挿入される第２の溝１０をさらに有するものである。第１の溝１０及び第２の溝１０は，ステージ本体５，６の内部に設けられることが好ましい。この場合，第１の溝１０及び第２の溝は，加熱部７及び冷却部８を収容するトンネル（穴）状のものであってもよい。第１の溝１０及び第２の溝１０は，加熱部７及び冷却部８のある部分を収容することができる大きさのものであればよい。そして，好ましいステージ１は，第１の溝と加熱部の隙間，及び第２の溝と冷却部の隙間に，熱伝導媒体１３を有するものである。熱伝導媒体１３は，好ましくは，上記の隙間に充填される。
このステージの好ましい態様は， 熱伝導媒体１３が，銀，グリース，金属繊維，又はガスのものである。熱伝導媒体１３は，希ガスであってもよい。希ガスは，圧力は１気圧以上１００気圧以下（又は２気圧以上１０気圧以下）のヘリウムガスであってもよい。銀は銀ペーストであることが好ましい。グリースの例は，シリコングリスである。
本発明の第２の側面は，上記したいずれかのステージをサセプタとして有する真空装置に関する。この真空装置は，例えば，半導体集積回路，フラットディスプレイパネル，又は太陽電池パネルを製造するために用いられる真空装置である。真空装置は，通常チャンバと，チャンバを真空にするための真空ポンプとを有する。また，真空装置は，各種の試料をチャンバ内に導入するための導入部を有していてもよい。また，真空装置は，各種測定を行うためのセンサや測定機器を適宜有していてもよい。チャンバの例は，目的物を製造するためのプロセスチャンバである。フラットディスプレイパネルの例は，有機ＥＬディスプレイ，プラズマディスプレイ及び液晶ディスプレイである。
本発明の第３の側面は，上記した真空装置を用いる，半導体集積回路，フラットディスプレイパネル，又は太陽電池パネルを製造する方法に関する。半導体集積回路の製造方法は，例えば特許３９５６６９７号公報，特許３５１９５８９号公報，及び特許３０６４９９３号公報に記載されているとおり公知である。フラットディスプレイパネルの製造方法は，例えば特許５１７３７５７号公報，特許５１６９７５７号公報，及び特許４６０４７５２号公報に記載されているとおり公知である。太陽電池パネルの製造方法は，例えば特許６５５５９６４号公報，特許６４９８０５３号公報，及び特許５３８６０４４号公報に記載されているとおり公知である。
この発明は，ステージの搭載表面を加熱する加熱部のみならず冷却部をも備えるので，ステージの搭載表面を加熱及び冷却できる。また，この発明の好ましい例は，加熱部や冷却部を収容する溝の隙間に熱伝導媒体を有するので，搭載表面を均一に加熱（及び冷却）できる。
以下，図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は，以下に説明する形態に限定されるものではなく，以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜修正したものも含む。
図１は，ステージの設置の状況を示す概念図である。ステージ１は通常プロセスチャンバ２の内部に設置され，基板３の温度管理をおこなう。プロセスチャンバ２は外気と遮断されており，所望の真空度に保たれている。プロセスチャンバ２はプロセスガス４でみたされて，圧力を保っていてもよい。異なるタイプのプロセスチャンバ，例えば，物理気相堆積（ＰＶＤ）チャンバやスパッタリングチャンバ，イオン金属注入（ＩＭＰ）チャンバ，化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバ，原子層堆積（ＡＬＤ）チャンバ，プラズマエッチングチャンバ，アニーリングチャンバ，他の他のチャンバによって，プロセスガス４の圧力は異なる。
図２は，ステージの構造例を示す概念図である。図２に示されるように，ステージ１は，通常対象物を搭載する搭載表面を有する上面テーブル５と下面テーブル６により加熱部７及び冷却部８をサンドイッチ状にはさんでいる。下面テーブル６にはテーブルサポート９が取り付けられており，加熱部７及び冷却部８はテーブルサポート９の内部を通じてプロセスチャンバ２の外に通じている。ステージ１の温度は，例えば室温から摂氏５００度程度で，温度が低い場合は，加熱部７を使わず，冷却部（管の例を示す）８に液体を流すこともできる。温度が高い場合は，冷却部８を使わず，加熱部７のみを使うこともできる。ステージ１の材質は金属，クォーツ，パイレックス（登録商標）：耐熱ガラス，及び炭素繊維などが考えられる。金属の例は，アルミニウム，銅，及びステンレスである。加熱部７は，溝内に収納される抵抗ヒーター，加熱流体と管の組み合わせ，ヒートポンプなどが考えられる。冷却部８は，溝内に収納される冷却流体と管の組み合わせ，ヒートポンプなどが考えられる。加熱部７及び冷却部８を収容するための溝は，上面テーブル５と下面テーブル６のそれぞれに設けられてもよい。
図３は，ステージの断面の例を示す概念図である。通常上面テーブル５には接触効率を向上させるため溝１０が設置されており，下面テーブル６により溝内に収納された加熱部７及び冷却部８をサンドイッチ状にはさんでいる。
図４は，ステージの断面の例を示す概念図である。上面テーブル５と加熱部７及び，冷却部８の接触効率をあげるため，塑性変形を利用し，かしめた構造になっている。加熱部７，冷却部８及び上面テーブル５の一部が塑性変形して上面テーブル５と下面テーブル６への接触効率を向上させる。上面テーブル５の塑性変形を部位１１で示す。かしめ時に加熱部７及び，冷却部８が塑性変形することもあり部位１２で示されている。
図５は，熱伝導媒体の使用例を示す概念図である。接触効率を上げるため塑性変形を利用してかしめた構造でも，ミクロにみれば微小な隙間が空いており，真の接触面積は，例えばわずか数パーセントである。そのため熱伝導媒体１３を使用することが効果的である。熱伝導媒体１３は炭素繊維などの固体，グリース状のもの，銀のような液体，水素，ヘリウムのような気体が考えられる。グリース状のもの，液体，気体の場合は流出を防ぐためシールすることもできる。
図６は，熱伝導媒体として流体を用いたものの例を示す概念図である。図６に示されるように，熱伝導媒体１３が，グリース状のもの，液体，気体といった流体である場合，熱伝導媒体１３が隙間に充填され，漏れないように密閉することが望ましい。簡単のため，図６では，左半分に，加熱部７のみを示し，右半分に冷却部８のみを示す。テーブルサポート９の端部にシール板１４が取り付けられており，加熱部７と冷却部８は，シール部１５で完全に密封されている。熱伝導媒体１３をシールすることにより大気から遮断されており，流出防止になっている。熱伝導媒体１３が気体の場合，隙間に気体を圧入することにより，熱伝導効率を飛躍的に上げることができる。
図７は，ステージ本体を構成する上面テーブル及び下面テーブルの双方に溝が形成されたステージの例を示す概念図である。図７に示されるように，加熱部７及び冷却部８を収容するための溝は，上面テーブル５と下面テーブル６のそれぞれに設けられてもよい。
ステージは，例えば，以下のように製造できる。厚み３０～１００ｍｍのアルミの板，１辺の長さが１５００～４０００ミリメートルの矩形（例えば正方形）の２枚の板に溝（流路）を機械加工する。ステージ本体の材質は，アルミニウムに限定されず金属であればよい。そのようにして得られた溝（流路），に外形φ５～φ２０のステンレス製のパイプを挿入する。溝にパイプを挿入した後，２枚のアルミの板を合わせて外周を摩擦攪拌接合（ＦＳＷ溶接）する。２枚のアルミの板を併せた際に，アルミ板の溝とステンレス製のパイプには，隙間ができる。この隙間を放置すると，熱伝導効率が悪くなる。そのため，アルミ板の溝とステンレス製のパイプの間に熱伝導媒体を挿入し，熱伝導効率を向上させることが望ましい。例えば，パイプなどの加熱部や冷却部を溝に設置する前に溝に熱伝導媒体である流体を塗布しておいてもよいし，ＦＳＷ溶接した後に，溝内にガスを充填し，密封してもよい。このようにしてステージを製造できる。
［実験例１］
ガラス基板を温度制御するためのサセプタの製造
ガラス基板の温度制御のためサセプタが用いられる。サセプタの温度制御時間によってプロセスの時間に影響が出る。温度制御の時間短縮やスループット向上のため温度制御機能を有するサセプタが望まれた。
ガラス基板を温度制御するためのサセプタの製造
ガラス基板の温度制御のためサセプタが用いられる。サセプタの温度制御時間によってプロセスの時間に影響が出る。温度制御の時間短縮やスループット向上のため温度制御機能を有するサセプタが望まれた。
サセプタを以下のように製造した。
材質Ａ６０６１のアルミの板に流路を加工し，そこにヒーターや熱伝導媒体を流すことで温度制御を行うこととした。図８は，流路を有するアルミ板の設計図である。ステージ（サセプタ）は，本来真空装置に内において用いられるものの，ここでは温度変化を測定するため，大気中にて温度変化を測定した。
材質Ａ６０６１のアルミの板に流路を加工し，そこにヒーターや熱伝導媒体を流すことで温度制御を行うこととした。図８は，流路を有するアルミ板の設計図である。ステージ（サセプタ）は，本来真空装置に内において用いられるものの，ここでは温度変化を測定するため，大気中にて温度変化を測定した。
熱伝導媒体は，固体（金属・金属繊維・セメント，ファイバーなど），液体（グリス，銀ペーストなど），気体（ヘリウムなど）になる。
それらを挿入することで熱伝導効率を向上することができる。
それらを挿入することで熱伝導効率を向上することができる。
４００ｍｍ四方，厚み４０ｍｍの２枚のアルミ板の一方に溝を機械加工し，ＳＵＳパイプを挿入，その後外周をＦＳＷにて接合した基盤を作成した。ＳＵＳパイプと，アルミニウム板との隙間にヘリウムガスを圧入し，充填させた。そして，一方のアルミ板に熱電対を１８か所取り付け，ＳＵＳパイプに８０℃の熱湯を流して温度変化を測定した。図９は，熱電対を取り付けたステージの様子を示す図である。図９の右部分は，写真である。
［実験例２］ 熱伝導媒体を用いない以外は，実験例１と同様にしてステージを製造し，温度変化を測定した。
［実験例３］ 熱伝導媒体としてシリコングリスを用いた以外は，実験例１と同様にしてステージを製造し，温度変化を測定した。シリコングリスは，ＳＵＳパイプを溝に挿入する前に溝に塗布した。
［実験例４］ 熱伝導媒体として銀ペーストを用いた以外は，実験例１と同様にしてステージを製造し，温度変化を測定した。銀ペーストは，ＳＵＳパイプを溝に挿入する前に溝に塗布した。
結果
図１０は，ステージの各部位における温度変化を示す図面に代わるグラフである。図１０は，実験例２（図１０（ａ）），実験例３（図１０（ｂ）），実験例４（図１０（ｃ））における温度変化を示す。縦軸は温度，横軸は経過時間を示す。シリコングリス，銀ペーストの熱抵抗は，熱伝導媒体無しの場合と比較し約１/２となっており，熱伝導効率向上することが分かった。また，ヘリウムガスの熱抵抗が最も低く，１／２未満となるので，熱伝導効率向上することが推測される。
図１０は，ステージの各部位における温度変化を示す図面に代わるグラフである。図１０は，実験例２（図１０（ａ）），実験例３（図１０（ｂ）），実験例４（図１０（ｃ））における温度変化を示す。縦軸は温度，横軸は経過時間を示す。シリコングリス，銀ペーストの熱抵抗は，熱伝導媒体無しの場合と比較し約１/２となっており，熱伝導効率向上することが分かった。また，ヘリウムガスの熱抵抗が最も低く，１／２未満となるので，熱伝導効率向上することが推測される。
この発明は，例えば真空チャンバ内で用いられるサセプタとしても用いられるステージに関するので，半導体製造産業や，パネル製造産業及び太陽発電パネルの製造産業において利用され得る。
１ ステージ
２ プロセスチャンバ
３ 基板
４ プロセスガス
５ 上面テーブル
６ 下面テーブル
７ 加熱部
８ 冷却部
９ テーブルサポート
１０ 溝
１１ 塑性変形部位
１２ 塑性変形部位
１３ 熱伝導媒体
１４ シール板
１５ シール部
２ プロセスチャンバ
３ 基板
４ プロセスガス
５ 上面テーブル
６ 下面テーブル
７ 加熱部
８ 冷却部
９ テーブルサポート
１０ 溝
１１ 塑性変形部位
１２ 塑性変形部位
１３ 熱伝導媒体
１４ シール板
１５ シール部
Claims (5)
- チャンバ内に設置され，対象物を加熱及び冷却するためのステージであって，
前記ステージは，
対象物を搭載する搭載表面を有するステージ本体と，
前記搭載表面を加熱するための加熱部と，
前記搭載表面を冷却するための冷却部と，
を有する，ステージであって，
前記ステージ本体は，前記加熱部が挿入される第１の溝と，
前記冷却部が挿入される第２の溝をさらに有し，
第１の溝と前記加熱部の隙間，及び第２の溝と前記冷却部の隙間に，熱伝導媒体が充填され，
前記熱伝導媒体は、圧力が１気圧以上１００気圧以下のヘリウムガスである
ステージ。 - 請求項１に記載のステージであって，前記熱伝導媒体は、圧力が２気圧以上１０気圧以下のヘリウムガスである，ステージ。
- 請求項１又は２に記載のステージをサセプタとして有する真空装置。
- 請求項３に記載の真空装置であって，半導体集積回路，フラットディスプレイパネル，又は太陽電池パネルを製造するために用いられる真空装置。
- 請求項３に記載の真空装置を用いる，半導体集積回路，フラットディスプレイパネル，又は太陽電池パネルを製造する方法。
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