JPH04101381A - 半導体ウエハー加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明ハ、プラズマＣｖＤ、ｆＩｊｉ圧ＣＶＤ、プラズ
マエツチング、光エツチング装置等に使用される半導体
ウェハー加熱装置に関するものである。

（従来の技術及びその問題点） スーパークリーン状態を１．要とする半導体製造用装置
では、デポジション用ガス、エツチング用ガス、クリー
ニング用ガスとして塩素系ガス、弗素系ガス等の腐食性
ガスが使用されている。このため、ウェハーをこれらの
腐食性ガスに接触させた状態で加熱するための加熱装置
として、抵抗発熱体の表面をステンレススチール、イン
コネル等の金属により被覆した従来のヒーターを使用す
ると、これらのガスの曝露によって、塩化物、酸化物、
弗化物等の粒径数μｍの、好ましくないパーティクルが
発生する。

そこでデポジション用ガス等に曝露される容器の外側に
赤外線ランプを設置し、容器外壁に赤外線透過窓を設け
、グラファイト等の耐食性良好な材質からなる被加熱体
に赤外線を放射し、被加熱体の上面に置かれたウェハー
を加熱する、間接加熱方式のウェハー加熱装置が開発さ
れている。ところがこの方式のものは、直接加熱式のも
のに比較して熱損失が大きいこと、温度上昇に時間がか
かること、赤外線透過窓へのＣＶＤ膜の付着により赤外
線の透過が次第に妨げられ、赤外線透過窓で熱吸収が生
じて窓が加熱すること等の問題があった。

（発明に至る経過） 上記の問題を解決するため、本発明者等は、新たに円盤
状の緻密質セラミックス内に抵抗発熱体を埋設し、この
セラミックスヒーターをグラファイトのケースに保持し
た加熱装置について検討した。その結果この加熱装置は
、上述のような問題点を一掃した極めて優れた装置であ
ることが判明した。

しかし、抵抗発熱体を埋設した円盤状基体を真空中また
は希薄気体中で使用するとき、円盤状基体の表面、裏面
、及び側面からの熱放射、熱伝達、または基体を支持す
るための治具への熱伝導によって熱が放散する。このう
ち、側面からの熱の放散は、円盤状基体の中心から側面
に向かって温度が下がる原因となり、ウェハー加熱面の
均熱化を妨げる。

特に、半導体製造装置では、例えば最高１１００°Ｃま
での高温で半導体ウェハーを加熱する。そして、円盤状
基体の側面からの輻射は、絶対温度にの４乗に比例する
ため非常に大きく、ウェハー加熱面の内周部と外周部と
で温度勾配が生じ易い。しかも、半導体ウェハーに例え
ばＣＶＤ法による膜堆積を行う場合など、気相熱化学反
応によって膜堆積を行うので、ウェハー加熱面を均熱化
できないとヒーターとして使用できなくなる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、半導体ウェハーの汚染や熱効率の悪化
といった問題を生じず、しかもウェハー加熱面を均熱化
して半導体ウェハーの歩留を向上させることができるよ
うな半導体ウェハー加熱装置を提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、緻密質セラミックスからなる盤状基体の内部
に抵抗発熱体を埋設した構造の半導体ウェハー加熱装置
であって、前記盤状基体のウェハー加熱面に対して垂直
の投影図でみて、前記抵抗発熱体がウェハー設？＆　？
ｆｌ域のうち９０％以上の面積を実質的に包囲するよう
に配置されている半導体ウェハー加熱装置に係るもので
ある。

「実質的に包囲する」とは、ウェハー設置時や製造上の
誤差等を許容する意である。

抵抗発熱体としては、線材、薄いシート状のもの及びあ
る程度の断面積を有する棒状のものを使用できる。また
、抵抗発熱体の発熱能力が大きいとは、盤状基体のウェ
ハー加熱面のうちある一定の面積をとって見た場合に、
この一定面積あたりに埋設された抵抗発熱体の発熱量が
大きいことをいう、具体的には、次のような方法がある
。

（１）、抵抗発熱体の材料や寸法を変えることでその比
抵抗を変え、抵抗発熱体の単位長さ当りの発熱量を変え
（線材の場合）、又は単位面積当りの発熱量を変え（シ
ート状の場合）、又は単位体積当りの発熱量を変える（
棒状の場合）。

（２）、抵抗発熱体の埋設密度を高める。

（３）、抵抗発熱体を流れる電流量を大きくし、単位長
さ、単位面積又は単位体積当りの発熱量を大きくする。

（４）、　（１）〜（３）の方法を組み合わせる。

（実施例） 第２図は、半導体製造用熱ＣＶＤ装置に本実施例の加熱
装置４を取り付けた状態を示す断面図、第１図はこの加
熱袋Ｗ４を半導体ウェハー加熱面１０側から見た平面図
である。

第２図において、７は半導体製造用熱ＣＶＤに使用され
るチャンバー、４はその内部に取付けられたウェハー加
熱用の円盤状加熱装置であり、ウェハー加熱面１０の大
きさは例えば４〜８インチとしてウェハーＷを設置可能
なサイズとしておく。

チャンバー７の内部には熱ＣＶＤ用のガスが供給され、
吸引孔から真空ポンプにより内部の雰囲気が排出される
。

円盤状加熱装置４は、窒化珪素のような緻密でガスタイ
トな無機質基体１の内部にタングステン系等の抵抗体２
を渦巻状に埋設したもので、その中央および端部のケー
ブル５を介して外部から電力が供給され、円盤状加熱装
置４を例えば１１００°Ｃ程度にまで加熱することがで
きる。６はフランジであり、図示しないＯリングにより
チャンバー７の側壁との間でシールされ、チャンバー７
の天井面が構成されている。

無機質基体１の材質はデポジション用ガスの吸着を防止
するために緻密体である必要があり、吸水率が０．０１
％以下の材質が好ましい。また機械的応力は加わらない
ものの、常温から１１００°Ｃまでの加熱と冷却に耐え
ることのできる耐熱衝撃性が求められる。これらの点か
ら高温における強度の高いセラミックスである窒化珪素
焼結体、サイアロン等を用いることが好ましい。さらに
、基体１は、ホットプレスまたはＨＩＰ法により焼成す
ることが緻密体を得る上で有効である。

また、半導体製造装置においてはアルカリ土類金属の侵
入を防ぐ必要があり、基体１の焼結助剤としてはマグネ
シウム等のアルカリ土類金属は使用しないことが好まし
く、イツトリア、アルミナ、イッテルビウム系が好まし
い。

基体１内部に埋設される抵抗発熱体２は、容器内の腐食
性雰囲気に曝されないように、基体１中に気密に埋設さ
れている必要がある。更に、抵抗発熱体２の材質として
は、高融点であり、しかも窒化珪素との密着性に優れた
タングステン、モリブデン、白金等を使用することが適
当である。抵抗発熱体としては、線材、薄いシート状等
の形態のものが用いられる。

ウェハー加熱面１０は平滑面とすることが好ましく、特
にウェハー加熱面１０にウェハーＷが直接セットされる
場合には、平面度を５００μ−以下としてウェハーＷの
裏面へのデポジション用ガスの侵入を防止する必要があ
る。

本実施例の加熱装置では、抵抗発熱体２を、ウェハー加
熱面１０に対して垂直な投影図でみて、ウェハー設置領
域３を包囲するように配置している。

即ち、抵抗発熱体２は、小径の螺旋状に巻回したものを
、円盤状基体１内部に平面的にみて渦巻状に埋設してあ
り、ウェハー設置領域３の外側にも抵抗発熱体２を渦巻
状に延設しである。

そして、円形のウェハー加熱面１０に対して垂直な投影
図でみて、これにより、円形のウェハー設置領域３の面
積の９０％を占め、かつこのウェハー設置領域３と同心
の円形基準領域８を、抵抗発熱体２が包囲することにな
る（円形基準領域８の径は、ウェハー設置領域３の径の
３７１０倍となる）。

従って、本実施例では、たとえ円盤状基体１の側面への
熱放散、熱伝達によって基体１の側周面から熱が失われ
ても、円形基準領域８の外側にまで抵抗発熱体２を延設
したので、半導体ウェハーＷの外周縁部での温度低下を
防止できる。しかも、円形基準領域８の面積をウェハー
設置領域３の面積の９０％に設定し、この外側にまで抵
抗発熱体２を延設したことが重要であって、仮に円形基
準領域８の内側に抵抗発熱体２が包囲される場合には、
後に、半導体ウェハーから四角形の半導体チップを採取
する場合に、半導体ウェハーＷの外周縁部で欠陥が多く
なり、歩留が非常に低下したのである。

本実施例では、更に、抵抗発熱体２のうち、ウェハー加
熱面１０に対して垂直の投影図でみて、円形基準領域８
の外側に配置された部分２ｂの発熱能力を、この内側に
配置された部分２ａの発熱能力よりも大きくすることが
好ましく、これにより、仮に円盤状基体１の側面方向へ
熟放敗量が大きくとも、これによる熱損失を補填するこ
とができるので、均熱化の効果は更に大きい。

部分２ｂの発熱能力を部分２ａの発熱能力よりも大きく
するためには、部分２ｂでの抵抗発熱体のり旋の巻き数
を多くしたり、第３図に示すように渦巻状の発熱体の埋
設ピッチを小さくしたり、高抵抗の材質を使用して比抵
抗を上げたり、断面積を小さく＜シて比抵抗を上げたり
、部分２ｂのみ印加電圧を大きくする等の方法がある。

また、低電力化、熱効率化のため、盤状基体の面積はウ
ェハー設置！領域の面積に比べて大きすぎない方が良く
、面積比は２以下＝１が好ましい。

さらに、その場合、ウェハー加熱面１０に対して垂直の
投影図でみて、円形基準領域８より外側に配置された抵
抗発熱体の部分２ｂの発熱能力は、その内側に配置され
た抵抗発熱体部分２ａの発熱能力の１．２倍から３倍の
範囲で選択すれば、加熱温度が最高１１００°Ｃまでの
設定温度で、−層良好な均熱性が得られる。

第３図の半導体ウェハー加熱装置１４においては、円形
基準領＠Ｂの外側の発熱体部分２ｂの渦巻のピッチを、
その内側の発熱体部分２ａの渦巻のピッチの１／２とし
、発熱体部分２ｂの発熱能力を発熱体部分２ａの発熱能
力の２倍としている。

第４図、第５図の半導体ウェハー加熱装置２４において
は、円形のウェハーＷと基体１とを同径とする。そして
、ウェハー加熱面１０に対して垂直の投影図でみて、抵
抗発熱体２が円形基準領域８を包囲するように抵抗発熱
体２を埋設する。抵抗発熱体２の最外周は、点Ａを中心
とする同心円状に埋設する。

なお、円形基準領域８の境界円周を、抵抗発熱体２の最
外周と実質的に一致させることもできる。

本例によれば、第１図の装置と同様の効果を奏しうる他
、ウェハーＷを設置したときにウェハー加熱面１０が実
質的に容器内へと露出しないので、この露出部分へのＣ
ＶＤガスの付着やこのクリーニングの必要がなく、また
前記露出部分へとＣＶＤ膜が形成されることにより、ウ
ェハー加熱面１０が平坦でなくなってウェハーＷがウェ
ハー加熱面１０から浮くおそれもなくなる。

本例においても、円形基準領域８の外側の発熱体部分２
ｂを、領域８の内側の発熱体部分２ａの発熱能力よりも
大きくすることが好ましい。また、抵抗発熱体２の外周
側末端Ｃとヒーター側周面との間は、窒化珪素焼結体を
ヒーター基体とした場合、３閣以上とすることがヒータ
ー基体の強度を保持するうえで好ましい。

上記の例ではウェハー加熱面１０を上向きにしたが、ウ
ェハー加熱面１０を下向きにし、ウニ／Ｓ　−Ｗをピン
により下方から支持してもよい。

上記各偶において、緻密質セラミックスからなる基体の
形状は、円形ウェハーを均等に加熱するためには円盤状
とするのが好ましいが、他の形状、例えば四角盤状、六
角盤状等としてもよい。

本発明は、プラズマエツチング装置、光エツチング装置
等における半導体ウェハー加熱装置に対しても適用可能
である。

以下、実験例について述べる。

イツトリア＋アルミナ系の焼結助剤を含む窒化珪素原料
からなる円盤状基体１の内部に、タングステン製の抵抗
発熱体２を埋め込んだ加熱体を作製した（第１図）。基
体は厚さ１５ｓ＋ｗ、直径１８０ｍｍで、ウェハー設置
領域３は６インチ用を目的としたので直径１５０ｍｍの
範囲である。円形基準領域８は、直径１４４■の範囲で
ある。タングステン線は線径０．Ｊａｎのもので、これ
を直径が４ａ＋ｓの螺旋状に巻いたものである。そのリ
ードを構成するワイヤ端子としては、直径が２■輸のタ
ングステン線を使用した。このような抵抗発熱体２を第
１図のように一定間隔（ピッチ１２閣）の渦巻状に埋設
した。

但し、第１図において、抵抗発熱体２の一方の起点Ａは
固定したが、外周側末端Ｃについては後述するように種
々変化させた。そしてこの外周側末端Ｃの位置について
は、各実験例において外周側末端Ｃと中心Ａとの間の距
離を半径とする円周を描き、この円周で包囲される領域
の面積を、円形のウェハー設置領域３に対する百分率比
で表示することにした。また、一部の実験例では円形基
準領域８の外側の発熱体部分２ｂにおける螺旋のピッチ
を部分２ａにおける螺旋のピッチの１７２とし、発熱能
力を２倍にした。更に、他の例では、第３図に示すよう
に、平面渦巻状に抵抗発熱体２を埋設し、円形基準領域
８の外側の部分２ｂにおける渦巻のピッチを、円形基準
領域８の内側の部分２ａにおける渦巻のピッチの１７２
とし、約２周させたものを用いた。

上記の各加熱装置を第２図のようにチャンバー７に取り
付け、真空中での加熱テストをおこなった。

ヒーター電源と外周側ワイヤ端子をアースする一方、中
心側のワイヤ端子に電圧を加え、さらに低電圧として真
空中での放電を防止する形式とし、サイリスタによる電
源コントロールを行う方式とした。

加熱テストでそれぞれウェハー加熱面を１１００”Ｃま
で加熱し、赤外線放射温度計でウェハー設置領域である
直径１５０ｍの範囲の温度分布を１０点で測定した。結
果は表の通りであった。このように円形基準領域８の面
積の９０％以上の面積を実質的に包囲している場合には
良好な均熱性が得られたが、そうでない場合にはウェハ
ー設置６Ｉ域である直径１５０　ｍの領域のうち抵抗発
熱体が包囲していない外周部分を充分に加熱できなくな
るため、温度分布において大きな誤差を生じ、歩留りの
急激な低下の原因となるのである。

（発明の効果） 本発明に係る半導体ウェハー加熱装置によれば、盤状基
体が緻密セラミックスからなるので金属ヒーターの場合
のような汚染を防止でき、またこの盤状基体がウェハー
加熱面を有しているので、間接加熱方法の場合のような
熱効率の悪化は生じない。

そして、ウェハー加熱面に対して垂直の投影図でみて、
抵抗発熱体がウェハー設置領域のうち９０％以上の面積
を実質的に包囲するように配置されているので、たとえ
盤状基体の側面への熱放散、熱伝達によって盤状基体の
側面から熱が失われても、加熱される半導体ウェハーの
外周部での温度低下を防止することができ、半導体チッ
プを採取する場合の歩留低下を防止できる。従って、本
発明は、半導体製造装置全般に亘って極めて有益なもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体ウェハー加熱装置の平面図、第２図は加
熱装置をチャンバーに取り付けた状態を示す断面図、 第３図は他の半導体ウェハー加熱装置を示す平面図、 第４図は更に他の半導体ウェハー加熱装置の断面図、 第５図は第４図の装置の平面図である。 １・・・円盤状基体 ２・・・抵抗発熱体 ２ａ・・・抵抗発熱体のうち円形基準領域の内側の部分
２ｂ・・・抵抗発熱体のうち円形基準領域の外側の部分
３・・・ウェハー設置領域 ４、１４．２４・・・半導体ウェハー加熱装置７・・・
チャンバー ８・・・円形基準領域（ウェハー設置領域３の面積の９
０％を占める領域） １０・・・ウェハー加熱面 第１図 第２図 第４図 第５図 手 続 補 正 ら占ト Ｅヨ 平成３年９月３ 日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、緻密質セラミックスからなる盤状基体の内部に抵抗
   発熱体を埋設した構造の半導体ウェハー加熱装置であっ
   て、前記盤状基体のウェハー加熱面に対して垂直の投影
   図でみて、前記抵抗発熱体がウェハー設置領域のうち９
   ０％以上の面積を実質的に包囲するように配置されてい
   る半導体ウェハー加熱装置。 ２、前記盤状基体が円盤状基体であり、円形の前記ウェ
   ハー加熱面に対して垂直の投影図でみて、円形の前記ウ
   ェハー設置領域の面積の９０％を占めかつこのウェハー
   設置領域と同心の円形基準領域に対し、前記抵抗発熱体
   のうちこの円形基準領域の外側に配置された部分の発熱
   能力が、前記円形基準領域の内側に配置された部分の発
   熱領域よりも大きくなるように構成した、請求項１記載
   の半導体ウェハー加熱装置。