ウェハ用ホットプレート、温度均一性はゾーン数で変わる？
皆さん、ホットプレートで焼き肉をすると、「真ん中はすぐ焼けるのに、端の方はなかなか焼けない」と感じたことはありませんか？
以前の記事No.2「シーズヒーター VS マイカヒーター ホットプレート対決！」では、市販の家庭用ホットプレートと、マイカヒーターの特製ホットプレートで温度ムラを比較しました。
今回は、半導体製造におけるホットプレートのお話です。
半導体チップのもとになるウェハは、シリコンの単結晶の塊（インゴット）を薄く輪切りにした円板です。表面に回路を形成し、1枚のウェハを切り分けて数百個の半導体チップを作ります（出典：中部経済産業局 補足資料、semi-connect「半導体プロセス」）。
回路形成の工程で、ウェハは何度も加熱されます。感光材を乾かしたり、化学反応を進めたりするためです。
ホットプレートによるウェハの加熱では、焼き肉以上に温度ムラは見過ごせません！ 面内のわずかな温度差が回路の線幅のばらつきにつながり、ひいては製品の品質を左右します。
今回は、温度ムラの原因と、「ゾーン数で温度レンジがどう変わるか」を、ホットプレートSBFの参考仕様データで見ていきます。
1℃の差がナノ単位の寸法を変える
回路の形は、レジスト（光で性質が変わる感光材）を塗り、光を当て、現像して作ります。その過程でウェハを何度か加熱します。
特に光を当てた後の加熱（露光後ベーク＝PEB）は、光で生じた化学反応を熱によって進める大切な工程です（出典：中部経済産業局 補足資料、リソテックジャパン「リソグラフィプロセス」、UT Austin Willson Research Group「PEB」）。
回路の精度はnm（ナノメートル、1mmの100万分の1）単位の勝負です。
国際半導体ロードマップIRDS 2020では、先端品の配線の最小ハーフピッチ（線と隙間の幅の半分）を2020年15nm、2025年10nmとしています。寸法ばらつきの許容値（ほぼ全数が収まる幅）は、トランジスタのゲートで2020年1.0nm、2025年0.7nmです。
※いずれもロードマップ上の目標値で、実際の量産値ではありません（出典：IRDS 2020 Lithography）。
では、加熱する温度が1℃変わると回路の線幅はどれくらい変わるのでしょう。
193nm系レジストでのある研究では、線幅の変化はPEBで −0.39nm/℃、プリベークで +1.23nm/℃でした（出典：SPIE（2009）Cho & Leu 要旨）。
別の論文は他の文献を引いて、PEBでの線幅変化を一般に1〜10nm/℃としています（出典：Wangら（IFAC 2008））。
※どれも特定条件や引用の値です。
許容されるばらつきが1nm前後なので、1℃の差でも無視できないのです。
それなら、温度は何℃以内にそろえればよいのでしょう。
ある博士論文は他の文献の値をまとめ、PEBのような重要な加熱では±0.1℃程度、プリベークや現像後の加熱では±1℃程度の温度均一性が求められるとしています（出典：シンガポール国立大学 Wu（2007））。
わずか0.1℃の差も見過ごせないのです。
温度ムラはどこから生まれる？
外周からの放熱：外周部や固定具の近くは熱が逃げやすく温度が下がりがち。外周ゾーンを分けて制御する考え方があります（出典：I Squared R Element「Heating Element Layout and Uniformity」）。
ウェハとプレートのすき間：空気はほとんど熱を伝えず、厚さ100μmの空気層は厚さ1mのアルミ板と同じ熱抵抗です（出典：東北大学 流体科学研究所 講義資料2-1）。
ウェハの反り・傾き：場所ごとにすき間の大きさが変わると、温度ムラの原因になります（例：前出のCho & Leu要旨）。
データで見る：ゾーン数と温度レンジ
ゾーンとは、ヒーター面を複数のエリアに分けた区画のことです。
区画ごとに温度センサーと出力調整を持たせれば、別々に制御することができます（マルチゾーン制御）。ゾーンごとにON／OFFを切り変えられるホットカーペットのようなイメージです。
中心と外周の2区画が基本形ですが、区画の数（ゾーン数）は設計で変えられます（出典：Wu（2007）、Semiconductor Digest）。
ホットプレートSBFでは、熱源の箔パターンを区画に分けて設計します（4章の構成図を参照）。
実際に、マルチゾーン制御のホットプレートSBF（φ300ウェハ用）を、「測温ウェハ」（出典：特開平10-313032）の17点で測温してみました。
| プレート（熱板） | 設定温度 | ゾーン数 | 温度レンジ |
|---|---|---|---|
| アルミ板 | 250℃ | 2 | 7℃以内 |
| アルミ板 | 250℃ | 6 | 1℃以内 |
| セラミック複合材 | 380℃ | 2 | 10℃以内 |
| セラミック複合材 | 380℃ | 5 | 2℃以内 |
※昇降温速度や温度均一性は周辺環境に大きく依存し、使用環境・条件で変わります。
250℃設定のアルミ板では、2ゾーンの場合に温度レンジ7℃以内に対し、6ゾーンでは1℃以内です。380℃設定のセラミック複合材では、2ゾーンで10℃以内に対し、5ゾーンで2℃以内に縮まります。
ゾーンを分けて場所ごとに出力を調整することで、外周の放熱などによる偏りを打ち消しやすくなります。
※上記は各材質の250℃・380℃設定の場合の実測データであり、1章に記述するPEBの要求に対応したものではありません。
ホットプレートSBFの構成と選び方
「ホットプレート SBFシリーズ」は半導体製造装置向けの製品です。
熱源は厚さ約30μmのステンレス箔ヒーター「SUSFOIL」を用いたポリイミドヒーター、マイカヒーターです。
ステンレス箔のパターン設計により温度分布を制御でき、回路数（ゾーン数）も装置に合わせて設計できます。
ステンレス箔が安定した発熱に向いている理由は、記事No.5「工業用電気ヒーター技術の根幹にあるあの基本法則」で解説しています。
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熱板は使用条件に応じて選びます。アルミは熱伝導率が約237W/(m·K)と高く（出典：同講義資料）、熱を面内に広げやすい材料です。
他にセラミックや複合材も使います。
温度センサーPt100（JIS C 1604）は高精度ですが応答やや遅め、K熱電対（JIS C 1602）は高速応答・広範囲です（出典：オムロン「温度センサ ガイド」）。
設計においては、①温度 ②均一性の目標 ③環境 ④回路数 ⑤センサーを整理しましょう。
ホットプレートSBFはオーダーメイドで耐熱衝撃性・温度均一性・真空・薬液環境への対応を重視。
φ300ウェハ用で約200台の実績があり、ケーシングユニットを含む装置一式も製作できます。
ご相談ください
ウェハ面内の温度ムラは、半導体の性能を大きく左右します。
高精度な温度制御のカギは、ゾーン数、ヒーターの種類、熱板、周辺環境の組み合わせです。
目的と条件に応じた適切なヒーター選びが大変重要です。
「2ゾーンのプレートで外周の温度が下がるので、ゾーン構成を見直したい」
「380℃前後・薬液のある環境で使えるプレートを、既存装置の寸法に合わせて作りたい」
創業130年を超える熱源のプロとして、条件をうかがいながら一緒に仕様を考えます。ぜひ一度ご相談ください。
- ●ホットプレート SBFシリーズについて詳しくはこちら
- ●SUSFOILについて詳しくはこちら
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