专利名称：用于制备半导体的加热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制备半导体的加热装置，并且更具体而言，涉及一种要求热均匀性的涂布机-显影装置(coater-developer)的加热装置。
背景技术：
在半导体制备中，通过Al溅射、Cu电镀和其它方法在硅晶片上形成Al电路和Cu电路，但是近年来，伴随着更高集成度和更小尺寸的半导体装置的是稳定地朝着更窄的导线宽度及导线之间更窄的空间(间隔)方向发展。
使用光刻技术形成Al电路和Cu电路的布线图。例如，在Al薄膜上均匀涂布树脂之后，将称作分档器(stepper)的曝光系统用来在树脂薄膜中印刷图案，并且通过热硬化树脂薄膜和除去不需要的部分，在配线用的Al薄膜的顶部形成图案可除去的树脂薄膜。然后，将蚀刻系统用来沿着可除去图案部分蚀刻Al薄膜，并且在除去的树脂薄膜上，得到形成图案的Al导线。
当导线处于十分接近的状态时，在导线内的信号相互影响；因此需要通过填充在导线间和叠层之间含有低介电常数的绝缘材料的区域来消除导线之间的相互作用。常规地，为此将二氧化硅用作绝缘薄膜；但是新近，将已知为低-k材料的材料用作介电常数更低的绝缘薄膜。低-k绝缘薄膜是通过将所述的材料以浆料的形式分散在分散介质中而形成的，其在旋涂中使用以形成均匀薄膜；然后，将与上面所述的那些类似的光刻技术用于图案形成，接着使用加热器热煅烧，以硬化薄膜。
光刻法的树脂薄膜的热硬化和低介电常数绝缘薄膜如低-k薄膜的热煅烧是在一种称为涂布机-显影装置的系统内进行的；对于加热器，例如，使用的是通过在各石英玻璃板之间封入作为电阻加热元件的SUS箔片而形成的加热器。但是，由于这种加热器存在热均匀性和耐久性方面的问题，人们已经在寻求一种提供优异的热均匀性和高的耐久性的包含加热器的加热装置。
另一方面，用来形成各种薄膜的CVD设备采用了陶瓷加热器，其中通过热压烧结AlN、Si3N4或另一种具有高导热系数和良好耐腐蚀性的陶瓷材料而包埋Mo线圈。将在此陶瓷加热器支持晶片表面的背面上的表面与筒状陶瓷支撑构件的一端粘接，其另一端由室支撑并且用O形环密封。供给电能的电极端和引线耐腐蚀性差并且容纳在筒状支撑构件内，所以没有暴露于室中使用的腐蚀性气体。
近年来，为了降低半导体制造成本，增大了Si晶片的尺寸，并且晶片的直径从8英寸变动至12英寸。因而，在用于热硬化光刻法用树脂薄膜和热煅烧低-k和其它低介电常数绝缘薄膜的涂布机-显影装置中，对于加热器的热均匀性存在强烈的需要。具体地，需要加热器的支持晶片表面的热均匀性在±1.0％之间，并且优选在±0.5％之间。
一般而言，通过使用包埋高导热系数的陶瓷材料的电阻加热元件作为加热器，由电阻加热元件产生的热量在陶瓷材料内扩散，并且可以在支持晶片表面上保持热均匀性。此外，通过使用高耐热性的陶瓷材料，得到具有优异耐久性的加热器。
例如，当采用与用于CVD设备中的AlN陶瓷加热器类似的结构时，筒状AlN支撑构件的一端与支持晶片表面相对的背面的中心粘接，并且其另一端通过与室粘接而得到支撑。此外，将供给能量的电极端和引线容纳在筒状支撑构件之内。
但是，支撑陶瓷加热器的筒状支撑构件的两端都被气密密封着，并且其内部与室的内部隔离，所以其外周暴露于室中的减压气氛中，而其内周暴露于大气压力的大气气氛中。在此情况下，通过大气压下的空气的传热更高，所以支撑构件内周的温度低于其外周的温度，并且此效果也出现在支持晶片表面上；作为结果，不能达到所要求的±1.0％范围内的热均匀性。
当粘接并且气密密封筒状支撑构件的内部以使其与室完全隔离时，如果陶瓷加热器和支撑构件的热膨胀系数不同，那么在冷却过程期间热收缩的差异导致热应力，并且在脆性的陶瓷材料中倾向于出现裂纹。为了防止这种情况，用与陶瓷加热器一样的具有高导热系数的相同材料制备支撑构件。但是，在此情况下，由陶瓷加热器产生的热量容易通过支撑构件逃逸，并且极大地降低了陶瓷加热器在接合处的温度，所以不能保持热均匀性。
发明内容
考虑到现有技术的这些情形，作出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种用于制备半导体的加热装置，其可以均匀地加热待处理的晶片或其它材料，并且具体而言，提供一种用于在涂布机-显影装置中热硬化用于光刻法的树脂薄膜和用于热煅烧低介电常数绝缘薄膜的加热装置，其可以在支持待处理的材料的表面上使热均匀性保持在±1.0％之内，并且更优选可以保持热均匀性在±0.5％之内。
为了实现上面所述的目的，本发明提供的用于制备半导体的加热装置包含在其中嵌有电阻加热元件的板状陶瓷支架，其在其表面上支持和加热待处理的材料；筒状支撑构件，其在除了支持待处理材料的表面之外的其它位置支撑陶瓷支架；和容纳陶瓷支架和支撑构件的室；和其中将在筒状支撑构件内形成的空间中的气氛保持为与室中的气氛基本相同。
在上面所述的本发明用于制备半导体的加热装置中，优选上面所述的支撑构件不与陶瓷支架气密密封。而且，优选如下面积为所述陶瓷支架总面积的1/5或更低在它上面，所述支撑构件接触并且支撑所述陶瓷支架的面积。此外，优选上面所述的支撑构件为在其侧面含有多个开口的圆筒，或者是框架结构。此外，优选上面所述的支撑构件的导热系数低于陶瓷支架的导热系数。
在本发明上面所述的用于制备半导体的加热装置中，优选上面所述的支撑构件含有下面的物质中的至少一种作为主要成分Al2O3、ZrO2、Si3N4、石英、富铝红柱石、镁橄榄石和尖晶石。此外，优选上面所述的支撑构件含有下面的物质中的至少一种作为主要成分不锈钢、镍铬合金(nichrome)、Ti、V和Zr。此外，优选上面所述的支撑构件是由不锈钢形成的。
在本发明中，上面所述的用于制备半导体的加热装置的特征在于它是一种用于热硬化光刻法用树脂薄膜或用于热煅烧低介电常数绝缘薄膜的涂布机-显影装置的加热装置。
在本发明用于制备半导体的加热装置中，使用为了加热晶片或另一种待处理的材料而在其中内含电阻加热元件的陶瓷支架，并且在除了用于支持待处理材料的表面外的位置，例如背面，将陶瓷支架由支撑构件支撑在室中。此外，通过在支撑构件的内侧和外侧保持基本相同的气体种类和相同的气体压力的气氛，消除了由于支撑构件外侧和内侧上由气体的热传导导致热量从陶瓷支架的逃逸，所以可以改善在陶瓷支架表面、支持待处理材料的表面上的热均匀性。
但是，由于在半导体制备中的涂布机-显影装置的加热装置是用于热硬化光刻法用树脂薄膜和用于热煅烧低介电常数的绝缘薄膜的，与此对照的是CVD设备和使用包含卤素的腐蚀性气体的蚀刻设备，该加热装置在诸如He、Ar、N2、H2等类似气氛中使用；因此，即使在其中容纳有用于电源的电极和引线的支撑构件的内部与在室中的气氛相同，使用W、Mo等作为主要成分的电源用电极和引线也没有被腐蚀。
为了保持在筒状支撑构件中形成的空间中的气氛与室中的气氛基本相同，足够的是采用其中支撑构件和陶瓷支架没有通过气密密封粘接的结构，但在支撑构件内的气氛气体和在室中的气氛气体可以通过在它们两者之间的缝隙流动。此外，当粘接和气密密封支撑构件和陶瓷支架时，可以调节在支撑构件内部和室内部之间的气体吸入和排出，以得到两者相同的气氛。考虑到成本，优选使用前一种方法，其中仅采取防止位置移动的措施而不采用气密密封，以向支撑构件上安置陶瓷支架。
当粘接和气密密封支撑构件与陶瓷支架时，热量经粘接平面通过传热向支撑构件逃逸，所以在陶瓷支架中产生温度梯度，并且使支持待处理材料的表面的热均匀性恶化。另一方面，如果采用其中支撑构件与陶瓷支架即没有被粘接也没有被气密密封的结构，可以抑制通过支撑构件的传热，并且因此降低了在支持待处理材料的表面的温度下降，并且可以进一步改善热均匀性。
为了更有效地抑制热量从陶瓷支架向支撑构件的传递，优选如下面积为所述陶瓷支架总面积的1/5或更低在它上面，所述支撑构件接触并且支撑所述陶瓷支架的面积。此外，如果支撑构件的形状是在其侧壁中有多个开孔的圆筒或是框架结构，那么阻止了热量在支撑构件中的传递，并且改善了在陶瓷支架中的热均匀性。而且，当将室里面排空时，在支撑构件里面和外面之间的压力差没有发生，并且支撑构件或陶瓷支架没有被损坏，这是优选的。
为了进一步减少热量通过支撑构件的逃逸，使形成支撑构件的材料的导热系数低于形成陶瓷支架的材料的导热系数是有效的。对于形成支撑构件的材料，当支撑构件与陶瓷支架粘接时，理想的是使用热膨胀系数相同或接近相同的材料；如果不进行粘接，在热膨胀系数方面没有限制，可以使用任何对产品没有副作用的材料和任何可以经受住使用温度的材料。
至于形成支撑构件的材料实例，导热系数低和耐久性优异的材料包括其主要成分为Al2O3、ZrO2、Si3N4、石英、富铝红柱石、镁橄榄石或尖晶石的材料。从低导热系数、刚度和材料成本方面考虑，优选的材料包括其主要成分为不锈钢、镍铬合金、Ti、V或Zr的材料。在这些当中，考虑到不锈钢的低导热系数、刚度、材料成本和切削性能，最优选的是不锈钢。
至于形成陶瓷支架的陶瓷材料，考虑到耐热性、导热系数和耐久性，优选使用氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化铝、石英或类似物等；但对此没有特别限制。对于电阻加热元件，可以使用任何可以在陶瓷支架中内含的并且具有耐热性和适宜电阻率的材料，如W、Mo、Ag、Pd、Pt、Ni、Cr、SUS等。
本发明用于制备半导体的加热装置特别适宜作为在涂布机-显影装置中热硬化光刻法用树脂薄膜和用于热煅烧低介电常数绝缘薄膜如低-k薄膜的加热装置。
附图简述
图1所示为一个本发明用于制备半导体的加热装置的实施方案的剖视简图。
实施本发明的最佳方式以下基于实施例和比较例详细解释本发明。
实施例1向氮化铝(AlN)粉末中加入0.5重量百分比的三氧化二钇(Y2O3)作为烧结剂，在进一步加入有机粘合剂、分散和混合之后，使用喷雾干燥形成颗粒。使用单轴压力机模制颗粒状粉末，在烧结后得到直径为350mm且厚度为5mm的两个圆盘状模制体。在氮气气流中于800℃的温度将模制体进行脱脂，接着在在氮气气流中于1900℃烧结2小时。使用金刚石研磨剂将由此得到的两块烧结体的表面抛光。
将通过向W粉末中加入烧结剂和乙基纤维素粘合剂并捏合形成的浆料用来在这些圆盘状AlN烧结体之一中的一个表面上印刷电阻加热元件电路，并且在氮气气流中于900℃脱脂后，于1850℃焙烧烧结体1小时。将通过向粘接玻璃加入乙基纤维素粘合剂并捏合而形成的浆料涂布至另一个圆盘状AlN烧结体的一个表面上，并且在氮气气流中于900℃脱脂。
层叠上面所述的两个烧结体，其中另一烧结体的粘接玻璃表面面对所述的一个烧结体的电阻加热元件表面，并且施加50g/cm2的负载以防止滑动，通过于1800℃加热2小时而将两个烧结体粘接在一起，以制备如图1所示的陶瓷支架1，所述的陶瓷支架在其内部嵌有电阻加热元件2。
在陶瓷支架1的背面，粘接要与电阻加热元件2连接的电极端(未显示)，并且与电连接到外部电源的电源引线3连接。形成陶瓷支架1的AlN的导热系数为180W/mK。
此外，制备筒状支撑构件4，其由导热系数为80W/mK，外径为100mm，内径为90mm和长度为100mm的SUS管组成并且在其两端配备有法兰(flange)。在此筒状支撑构件4一端上的法兰通过箝位固定至室5，并且在其另一端的法兰上在没有粘接的条件下放置有陶瓷支架1。
在支撑构件4在其上接触并且支撑陶瓷支架1的面积S1与陶瓷支架总面积S0的比率S1/S0为1/64。通过筒状支撑构件4的内部将电源的引线3拉到外部。
室5的里面是减压至13帕(0.1托)的N2气氛，并且从外面向电阻加热元件2提供能量以加热陶瓷支架至500℃。此时，通过使用热电偶7测量在其上将放置晶片6的支持待处理材料的整个表面上的热均匀性，用于支持待处理材料的陶瓷支架1的表面的热均匀性为500℃+0.4％。
实施例2以与上述实施例1相同的方法制备陶瓷支架和支撑构件，但是改变支撑构件在其上接触并且支撑陶瓷支架的面积S1与陶瓷支架总面积S0的比率S1/S0。以与实施例1相同的方式装配陶瓷支架和支撑构件，并且使用与实施例1相同的方法来评估陶瓷支架的热均匀性。
评估结果示于下表1中。
表1
实施例3除了取代氧化铝(Al2O3)作为支撑构件的材料外，以与上面所述的实施例1相同的方式制备。即，向Al2O3粉末中加入2重量百分比的氧化镁(MgO)作为烧结剂，并且在进一步加入有机粘合剂、分散和混合之后，使用喷雾干燥形成颗粒。
使用冷等静压机(CIP)模制颗粒状粉末，在烧结后，得到外径为100mm、内径为90mm且长度为100mm、在其两端具有法兰的形状。在空气中于1500℃的温度烧结该模制体3小时之后，使用金刚石研磨剂将其表面抛光，得到导热系数为30W/mK的Al2O3筒状支撑构件。
在此Al2O3支撑构件一端上的法兰通过箝位固定至室内部，并且在其另一端的法兰上在没有粘接的条件下放置与上面实施例1相同的陶瓷支架(AlN制成的，导热系数为180W/mK)。在与实施例1相同的条件下测量得到的用于支持待处理材料的陶瓷支架的表面上的热均匀性为500℃+0.45％。
实施例4除了取代氮化铝作为支撑构件的材料外，以与上面所述的实施例1相同的方式制备。即，在与实施例1相同的条件下，制备AlN颗粒状粉末。使用CIP模制颗粒状粉末，在烧结后，得到外径为100mm、内径为90mm且长度为100mm，在其两端具有法兰的形状。在氮气气流中于800℃将此模制体脱脂后，并且在氮气气流中于1900℃的温度烧结2小时之后，使用金刚石研磨剂将其表面抛光，得到导热系数为180W/mK的AlN筒状支撑构件。
在此AlN支撑构件一端上的法兰通过箝位固定至室内部，并且在其另一端的法兰上在没有粘接的条件下放置与上面实施例1相同的陶瓷支架(AlN，导热系数为180W/mK)。在与实施例1相同的条件下测量得到用于支持待处理材料的陶瓷支架的表面上的热均匀性为500℃+0.7％。
实施例5除了向陶瓷支架的背面粘接支撑构件外，以与上述实施例4相同的方式制备。即，向在与上述实施例4相同的条件下制备的AlN支撑构件的一端的法兰表面涂布粘接糊料，并且将此法兰表面放置在与上述实施例1相同的条件下制备的AlN陶瓷支架背面上，并且通过在氮气中于1700℃加热2小时进行粘接。
在此支撑构件一端上的法兰通过箝位固定至室内部，通过筒状支撑构件的内部将与电阻加热元件的电极端连接的电源引线引至外部。通过调节支撑构件里面与室里面之间的气体的吸入与排出，将室和支撑构件中的N2气氛保持在13帕(0.1托)的低压下。
将粘接到AlN支撑构件的陶瓷支架(AlN，导热系数为180W/mK)加热至500℃，并且在与实施例1相同的条件下测量得到用于支持待处理材料的陶瓷支架的表面上的热均匀性为500℃±0.9％。
实施例6除了在两个AlN烧结体之间，封入以规定图案蚀刻的W箔片并在制备电阻加热元件期间粘接而不是涂布和加热W糊料之外，以与上述实施例1相同的条件，包括电阻加热元件的图案条件，制备陶瓷支架。
在与上述实施例4相同的条件下制备的AlN支撑构件的一端上的法兰通过箝位固定至室，并且在另一端的法兰上放置陶瓷支架。此外，通过筒状支撑构件的内部将与电极端连接的引线引至外部。形成陶瓷支架与支撑构件的AlN的导热系数为180W/mK。
将室和支撑构件内的N2气氛减压至13帕(0.1托)，并且加热陶瓷支架至500℃。此时，在与实施例1相同的条件下测量得到用于支持待处理材料的陶瓷支架的表面上的热均匀性为500℃±0.6％。
实施例7在两个AlN模制体的表面上形成宽度为4.5mm并且深度为2.5mm的凹槽，在与上述实施例1相同的条件下制备，接着在氮气气流中于800℃脱脂。在凹槽放置Mo箔片之后，层叠两个模制体并且通过在100kgf/cm2的压力下，在氮气气流中，于1900℃烧结两小时，同时粘接，以制备陶瓷支架。
使用金刚石研磨剂抛光此陶瓷支架的表面，将待与电阻加热元件连接的电极端粘接至背面，并且这些与和外部电源电连接的电源引线粘接。
在与上述实施例4相同的条件下制备AlN筒状支撑构件；在其一端上的法兰通过箝位固定至室内部，并且向其另一端的法兰上在没有粘接的条件下放置上面所述的陶瓷支架。形成陶瓷支架和支撑构件的AlN的导热系数为180W/mK。
将室内和支撑构件内的N2气氛减压至13帕(0.1托)，并且加热陶瓷支架至500℃。此时，在与实施例1相同的条件下测量得到用于支持待处理材料的陶瓷支架的表面上的热均匀性为500℃±0.8％。
比较例1粘接陶瓷支架和支撑构件，两者都是AlN并且都是在与上述实施例4相同的条件下制备的，并且向连接设置在其背面的电极端和电源引线的部位涂布耐氧化密封层。在支撑构件一端上的法兰通过箝位固定至该室。形成陶瓷支架和支撑构件的AlN的导热系数为180W/mK。
在将室中的N2气氛减压至13帕(0.1托)时，用处于大气压的空气充满筒状支撑构件的内部。此时，在与实施例1相同的条件下测量得到用于支持待处理材料的陶瓷支架的表面上的热均匀性为500℃±1.5％，所以未能满足所要求的±1.0％内的值。
比较例2通过蚀刻形成具有与上面所述实施例1相同图案的SUS电阻加热元件。向两块直径为350mm且厚度为5mm的石英板涂布粘接玻璃，并且在它们之间密封上述SUS电阻加热元件之后，通过在800℃加热将这些板粘结，制备具有常规结构的支架。
将粘接玻璃用来将支撑构件与此支架的背面粘接，所述的支撑构件是由石英形成的并且具有与上述实施例1中的支撑构件相同的尺寸。此筒状支撑构件的一端通过箝位固定至该室，并且将与电阻加热元件的电极端连接的引线通过支撑构件的内部导至外面。形成陶瓷支架和支撑构件的石英材料的导热系数为15W/mK。
在将室中的N2气氛减压至13帕(0.1托)，同时用处于大气压的空气充满筒状支撑构件的内部。此时，在与实施例1相同的条件下测量得到用于支持待处理材料的陶瓷支架的表面上的热均匀性为500℃±1.8％，所以未能满足所要求的±1.0％内的值。
工业适用性借助于本发明，可以提供一种用于制备半导体的加热装置，其可以均匀地加热待处理的晶片或其它材料。特别适宜作为在涂布机-显影装置中热硬化光刻法用树脂薄膜和用于热煅烧低介电常数绝缘薄膜的加热装置，并且可以使支持处理材料的表面上的热均匀性在±1.0％内。
权利要求
1.一种用于制备半导体的加热装置，其包含在其中嵌有电阻加热元件的板状陶瓷支架，所述支架在其表面上支持和加热待处理的材料；筒状支撑构件，其在除了支持待处理材料的表面以外的位置支撑所述的陶瓷支架；和容纳所述的陶瓷支架和支撑构件的室；其中在筒状支撑构件内形成的空间中的气氛保持为与室中的气氛基本相同。
2.根据权利要求1所述的用于制备半导体的加热装置，其中所述的支撑构件不与所述的陶瓷支架气密密封。
3.根据权利要求1或2所述的用于制备半导体的加热装置，其中如下面积为所述陶瓷支架总面积的1/5或更低在它上面，所述支撑构件接触并且支撑所述陶瓷支架的面积。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的用于制备半导体的加热装置，其中所述的支撑构件为在其侧壁含有多个开孔的圆筒，或者具有框架结构。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的用于制备半导体的加热装置，其中所述的支撑构件的导热系数低于所述陶瓷支架的导热系数。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的用于制备半导体的加热装置，其中所述的支撑构件含有下面的物质中的至少一种作为主要成分Al2O3、ZrO2、Si3N4、石英、富铝红柱石、镁橄榄石和尖晶石。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的用于制备半导体的加热装置，其中所述的支撑构件含有下面的物质中的至少一种作为主要成分不锈钢、镍铬合金、Ti、V和Zr。
8.根据权利要求7所述的用于制备半导体的加热装置，其中所述的支撑构件是由不锈钢形成的。
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的用于制备半导体的加热装置，其中所述的加热装置是一种用于热硬化光刻法用树脂薄膜或用于热煅烧低介电常数绝缘薄膜的涂布机-显影装置的加热装置。
全文摘要
提供一种用于制备半导体的加热装置，其可以均匀地加热待处理的晶片或其它材料，并且具体而言，提供一种用于在涂布机显影装置中热硬化光刻法用树脂薄膜和用于热煅烧低介电常数绝缘薄膜的加热装置，该装置包含在其中嵌有电阻加热元件(2)的陶瓷支架(1)，其支持和加热处理材料如晶片(6)，支撑所述的陶瓷支架(1)的筒状支撑构件(4)，和容纳支架(1)和支撑构件(4)的室(5)，其中筒状支撑构件(4)的气氛与室(5)中的气氛通过消除由陶瓷支架(1)的气密密封或通过控制气体的吸入与排出而相互保持基本相同。
文档编号H01L21/683GK1579007SQ03801379
公开日2005年2月9日 申请日期2003年2月26日 优先权日2002年2月27日
发明者柊平启, 夏原益宏, 仲田博彦 申请人:住友电气工业株式会社