JPH05267191A

JPH05267191A - 半導体ウエハー加熱装置

Info

Publication number: JPH05267191A
Application number: JP6476092A
Authority: JP
Inventors: 和宏 ▲のぼり▼; Kazuhiro Nobori; Ryusuke Ushigoe; 隆介牛越
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-03-23
Filing date: 1992-03-23
Publication date: 1993-10-15
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: JP3131010B2

Abstract

(57)【要約】【構成】緻密質セラミックスからなる例えば円盤状の
基体２の内部に、抵抗発熱体３を埋設し、セラミックス
ヒーター１を構成する。円筒状体６は、両端が開口して
おり、緻密質セラミックスからなる。基体２と円筒状体
６の端面との間に、軟質金属製の円環状部材７を設置す
る。円筒状体６と基体２とを円環状部材７の方へと押圧
することで、円筒状体６と基体２との間を気密にシール
する。【効果】電極９、端子12などが、容器17の内部雰囲気
に曝されないので、各部材の腐食や漏電、放電といった
問題が生じない。また、円筒状体６と基体２とを接合、
一体化しないので、加熱装置の製造が容易であり、シー
ル性能が安定しているし、両者を別々に交換できる。ま
た、ボルト22により、圧力を調整できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマCVD 、減圧CV
D 、プラズマエッチング、光エッチング装置等に使用さ
れる半導体ウエハー加熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スーパークリーン状態を必要とする半導
体製造用装置では、腐食性ガス、エッチング用ガス、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、ウエハーをこれ
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。また、いわゆる間接加熱方式の半導体ウ
エ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CV
D 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過熱すること等の問題が
あった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の問題を解決する
ため、本発明者等は、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
ファイト製ケースで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、こうした加熱装置では、円盤状セラミックスヒータ
ーの背面側に、電力供給用の電極や端子、熱電対などを
取り付ける必要がある。そして、これらの金属製部材が
高温の腐食性ガスに曝されると、腐食を受ける。また、
セラミックスヒーターの背面に、導電性膜が徐々に堆積
してくると、一対の電極の間で、また電極とケースとの
間で、放電や漏電が起こる。本発明の課題は、電力供給
用の電極や端子、熱電対等の腐食や、電極間の放電、漏
電を防止できるようにすることである。

【０００４】

【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て
なるセラミックスヒーターと、緻密質セラミックスから
なり、両端が開口している筒状体と、前記盤状基体と前
記筒状体の端面との間に設置された軟質金属製の環状部
材と、前記セラミックスヒーターの側周面を支持する支
持部材と、前記筒状体を前記盤状基体の方へと押圧する
押圧用部材とを備え、前記盤状基体及び前記筒状体を前
記環状部材に押しつけることにより前記盤状基体と前記
筒状体との間を気密にシールできるように構成された、
半導体ウエハー加熱装置に係るものである。

【０００５】上記の半導体ウエハー加熱装置において、
押圧用部材を、実質的に恒温状態にあるばねとし、この
ばねの圧縮荷重又は引張荷重を利用して筒状体を盤状基
体の方へと押しつけると特に好ましい。ここで、「実質
的に恒温状態にある」とは、ばねの周囲温度がほぼ一定
に保たれ、従ってばねのばね定数がほぼ一定に保たれて
いる状態にあることをいう。

【０００６】

【実施例】図１は、半導体製造装置に本実施例の加熱装
置を取り付けた状態を示す断面図である。容器17に貫通
孔15, 16が設けられ、容器17の内部空間14に本実施例の
加熱装置が設置されている。容器17の上側壁面に、円形
貫通孔20A と水冷ジャケット18が設けられている。円筒
状体６は、緻密でガスタイトなセラミックスからなり、
円筒形状の本体6cと、本体6cの末端に設けられた円環状
のフランジ6aとから構成されている。本体6cが円形貫通
孔20A に挿通、固定され、本体6cと容器17とがＯリング
８で気密にシールされる。

【０００７】略円盤状のセラミックスヒーター１は、略
円盤状の基体２と、基体２の内部に埋設された抵抗発熱
体３とからなる。基体２は、緻密でガスタイトなセラミ
ックスからなる。抵抗発熱体３は、例えば渦巻状に埋設
されており、抵抗発熱体３の両末端が、それぞれ端子12
に連結されている。各端子12の表面が、基体２の背面2b
側に露出し、各端子12の露出面に丸棒状の電極９が連結
され、各電極９の末端にリード線10が接続されている。
また、基体２の背面2bに熱電対11の先端が固定される。
電極９及び熱電対11は、円筒状体６の内側空間6b内を上
下方向に延びる。基体２の外周面には円環状のフランジ
2aが形成され、支持部材４の下部内周面にフランジ4aが
形成されており、フランジ4aの上にフランジ2aが載置さ
れる。支持部材４の上に押え板５が設置され、支持部材
４と押え板５とが、ボルト等で締結されている。

【０００８】押え板５の円形貫通孔5aに本体6cが挿通さ
れ、押え板５の下側面にフランジ6aが当接している。フ
ランジ6aと基体２の表面との間に、円環状部材７が設置
される。この円環状部材７の幅方向断面は円形であり、
軟質金属からなる。押圧用部材であるボルト22を締めつ
けることによって押え板と支持部材４とを締結し、基体
２と円筒状体６との間に負荷を加え、円環状部材７をフ
ランジ6a及び背面2bに対して加圧し、気密にシールす
る。これにより、隙間13A と内側空間6bとの間の通気が
ほぼ遮断される。

【０００９】セラミックスヒーター１は、ホットプレス
焼結、常圧焼結によって製造することができる。円筒状
体６については、射出成形又は押し出し成形、プレス成
形、静水圧プレス成形し、常圧焼結して製造することが
できる。

【００１０】本実施例の加熱装置によれば、従来の金属
ヒーターの場合のような汚染や、間接加熱方式の場合の
ような熱効率の悪化の問題を解決できる。また、電極
９、端子12が容器の内部空間14の雰囲気に曝されないの
で、電極９等の腐食、電極９からの汚染、さらには、真
空中での電極間又は電極と容器17との間の放電、漏電の
おそれがない。

【００１１】また、本出願人の研究によれば、特に真空
中の場合、熱電対の周囲のガス分子の挙動は、大気圧〜
１torrの状態においては粘性流域にあるが、真空度が高
まると分子流域に移行し、これに伴って熱電対における
熱移動の態様が大幅に変化するため、正確な温度測定が
できなくなることが判っている。また、粘性流域におい
ても、圧力変動が大きい場合は温度測定誤差が存在する
ことが判っている。この点、本実施例では、熱電対11が
容器内雰囲気に曝されないので、上記のような温度測定
誤差の問題は生じない。

【００１２】また、円筒状体６とセラミックスヒーター
１とを、軟質金属からなる円環状部材７でシールできる
ことが重要であり、これによりシールが非常に容易にな
るし、かつ安定になる。本発明者は、セラミックスヒー
ター１と円筒状体６とをガラス接合することも検討した
が、両者の接合強度を大きくし、接合部分のクラックや
破壊を防止するのは、製造上かなり難しいことが解っ
た。これは、ガラス接合部分に熱応力が集中するからで
あった。また、こうしたガラス接合を行うには、一般に
1400℃以上での加熱処理が必要であるが、この際にタン
グステン線の劣化等の悪影響があった。

【００１３】なお、ゴム製のＯリングを用いることも検
討したが、この使用温度の上限は高々300 ℃であり、低
温用途のみに限定されてしまう。また、インコネルやス
テンレス製のメタルＯリング、メタルＣリングでは、セ
ラミックス同士を気密にシールすることは難しく、気密
性を上げようとして大きな荷重をかけると、セラミック
スにクラックが生ずる場合があった。

【００１４】また、円筒状体６と、セラミックスヒータ
ー１とが別体であるので、いずれかにクラック等の故障
が生じた場合には、両者を分離し、故障した方だけを交
換することができる。円筒状体６とセラミックスヒータ
ー１とをガラス接合すると、接合部分にクラックが入り
易いうえに、一度クラックが入ると一括して取り換える
しかない。しかも、軟質金属製の円環状部材７には応力
緩和作用があるので、各部材の熱応力を吸収できる。ま
た、ボルト22の締結力を調整することで、円環状部材７
に加わる圧力を変更でき、従って円環状部材７によるシ
ール性能を適宜変化させることができる。

【００１５】円環状部材７を構成する軟質金属として
は、耐蝕性と融点が高い白金が最も好ましい。他に、ニ
ッケル、銀、金が耐蝕性の点で好ましい。銅は、半導体
に悪影響を及ぼしうる。

【００１６】基体２、円筒状体６の材質としては、シリ
コンナイトライド、サイアロン、窒化アルミニウム等が
好ましく、シリコンナイトライドやサイアロンが耐熱衝
撃性の点で更に好ましい。また、ハロゲン系腐食性ガス
に対する耐蝕性の点では、窒化アルミニウムが最も好ま
しい。抵抗発熱体３の材質としては、タングステン、モ
リブデン、白金等が好ましい。容器17と円筒状体６との
間のシールは、図１に示すＯリングの他、拡散接合、摩
擦圧接、表面にスパッタリングで金属薄膜を設けたうえ
での摩擦圧接、ガラス接合、メタルバッキング等による
ことができる。

【００１７】円環状部材７は、例えば図２に示すように
して、容易に製造することができる。まず図2(a)に示す
ように、軟質金属からなる線材7Aを用意し、図2(b)に示
すように、線材7Aを円形に加工して両端をスポット溶接
する。図中、23は溶接による膨張部分である。次いで、
膨張部分を削り落とし、図2(c)に示す円環状部材７を得
る。

【００１８】図３に示すように、フランジ6aの下端面に
リング形状の溝19を形成することもできる。この溝19の
幅方向断面形状は長方形であり、溝19内に円環状部材７
の上半部を収容する。

【００１９】図４は、他の実施例に係る加熱装置を容器
17に取り付けた状態を示す断面図である。図１に示した
ものと同一の部材には同一の符号を付け、その説明は省
略する。本実施例では、幅の比較的広い筒状体26を用い
る。円筒状本体26c の上端に、外側へと広がる円環状の
支持フランジ26d が設けられる。円筒状本体26c の下端
に、やはり円環状のフランジ26a が突設される。容器17
の上側壁面に円形貫通孔20B が設けられ、円筒状本体26
c が円形貫通孔20b に挿通され、支持フランジ26d が容
器17の上側壁面に架け渡されている。支持フランジ26d
と容器17との間が、Ｏリング８によって気密にシールさ
れる。

【００２０】支持部材４の上端に押え板21がボルト22に
よって締結され、フランジ26a の上に押え板21が支持さ
れる。フランジ26a と背面2bとの間に円環状部材7Bを設
置し、これによって、内側空間26b と隙間13B との間を
気密にシールする。

【００２１】本実施例においては、前述の効果に加え、
以下の効果を奏しうる。 (1) 筒状体26の直径が大きく、基体２の直径に匹敵する
ため、荷重が分散し、セラミックスの破壊が生じにく
い。 (2) 熱CVD 装置の場合には、半導体ウエハー以外に堆積
したCVD 膜をプラズマでクリーニングする必要がある。
この場合、内側空間26b にプラズマ用電極を配置するこ
とができるため、プラズマ用電極が容器内のガスの雰囲
気にさらされないという特徴がある。 (3) 内側空間26b に冷却構造を取り付けることにより、
冷却時の応答性を良好とすることができる。 (4) 内側空間26b に、半導体ウエハーのチャック面の温
度分布に合わせて断熱、冷却手段を設けることにより、
このチャック面の温度分布をコントロールできる。

【００２２】図１に示す加熱装置を作製した。円環状部
材７は白金で形成し、基体２、円筒状体６、支持部材
４、押え板５はシリコンナイトライドで形成し、抵抗発
熱体３、端子12、電極９はタングステンで形成した。容
器17内の圧力を１×10^-4mmHgとし、ヒーター表面を1000
℃に加熱し、内側空間6bにヘリウムガスを流し、リーク
試験を行った。リーク量は、6.5 ×10^-9atm ・cc／秒以
下であった。

【００２３】上記の各例において、略円盤状の基体２、
円筒状体６、筒状体26の形状は種々変更できるし、これ
に伴って円環状部材7, 7B の平面的形状も種々変更でき
る。また、円環状部材7, 7B の幅方向断面の外形も、リ
ング状、Ｃ字形等に変更することができる。

【００２４】図５は、本発明の他の実施例に係る半導体
ウエハー加熱装置を容器17に取り付けた状態を概略的に
示す断面図である。本実施例においては、支持部材27の
下端内周面にフランジ27a が設けられ、支持部材27の上
端外周面のフランジ27b が、ボルト22で容器17に固定さ
れている。円盤状基体２のフランジ2aが、円環状の断熱
材30A を介してフランジ27a 上に支持される。フランジ
2aの外周面と支持部材27との間に、断熱材30B が挟まれ
ている。断熱材30A, 30Bは、アルミナ等によって形成す
ることが好ましい。

【００２５】容器17の壁面に貫通孔20C が設けられ、貫
通孔20C を囲むように上方へと円筒状の突設部28が延設
されている。円板状基体２の背面2bの上方に、円筒状体
６が設置され、フランジ部6aと背面2bとの間が円環状部
材７でシールされている。円筒状体６は、貫通孔20C を
通り、突設部28の上方まで延びている。突設部28の上端
内周と円筒状体６の外周面との間が、Ｏリング8Aで気密
シールされ、突設部28の外周を囲むように冷却ジャケッ
ト29が設置されている。本実施例では、端子12A に雌ネ
ジを形成し、丸棒状の電極９の先端に雄ネジを形成し、
この雌ネジと雄ネジとを螺合させる。また、熱電対11A
を背面2b側に固定してある。

【００２６】容器17の上側壁面に、シャフト31を、好ま
しくは複数本、ネジ止め等によって固定する。ベースプ
レート34の所定位置に貫通孔34a を設け、各貫通孔34a
にシャフト31をそれぞれ挿通する。シャフト31のうち一
部に雌ネジ（図示せず）を設け、これらにナット32を嵌
め合わせ、ナット32とベースプレート34との間に皿ばね
33を固定する。ベースプレート34の内側に円形の内側プ
レート35を設置し、内側プレート35の貫通孔に、電極９
及び熱電対11A を挿通し、電極９及び熱電対11A と内側
プレート35との間をＯリング8Cでシールする。

【００２７】治具36の上端面に半球状の座36a を形成
し、座36a を内側プレート35の中央部に当接させる。治
具36の内側に電極９及び熱電対11A を通し、治具36の内
周面の下半部に円筒形状の窪み36b を設ける。窪み36b
の中に円筒状体６の上端部を収容し、円筒状体６の上端
面と治具36との間に、軟質金属からなる緩衝材37を挟
む。円筒状体６の外周面と、治具36の下端内周面との間
を、Ｏリング８で気密にシールする。治具36の下半部の
外周を囲むように、冷却ジャケット29を設置する。

【００２８】ナット32を締結して皿ばね33に圧縮荷重を
かけ、ベースプレート34及び内側プレート35を下方へと
押圧し、球座36a を下方へと押し下げる。この押圧力
は、治具36、緩衝材37、円筒状体６を介して、円環状部
材７、背面2bへと伝わる。シャフト31及び支持部材27
は、共に容器17に固定されている。

【００２９】本実施例によれば、図１の例で述べた効果
を奏しうる。しかも、押圧用部材である皿ばね33が、容
器17の外側にあることが重要である。即ち、セラミック
スヒーター１を高温にしたときにも、皿ばね33が容器外
にあることから、皿ばね33の弾性復元力は実質的に変化
しない。従って、セラミックスヒーター１が発熱すると
きにも、円環状部材７へと加わる加圧力はあまり変わら
ず、従ってこれによるシール性能も保持できる。

【００３０】また、内側プレート35と治具36とを別体に
したことが重要である。即ち、これらが一体であるとす
ると、皿ばね33により負荷された応力が平面的にみて円
周方向に均等に分散されていないと、セラミックス製の
円筒状体６の端面に大きな偏荷重（曲げ応力、せん断応
力）がまともにかかってしまい、円筒状体６が破壊する
おそれがある。また、プレート34, 35と、治具36を別体
にした場合にも、両部材を平面的に固体接触させるもの
とすると、接触面を非常に精度良く加工しなければ、こ
の平面同士の接触部分の公差によって偏荷重を与えるこ
とになる。このような高精度加工は、困難であり、高コ
ストでもある。本実施例では、治具36をプレートと別体
とし、かつ治具36の中心の球座36a に一旦荷重を集中さ
せることで、上記の問題を解決している。

【００３１】また、銅、金、ニッケル等からなる緩衝材
37を円筒状体６の端面に当接させることで、この端面に
かかる偏荷重を緩和し、円筒状体６を構成するセラミッ
クスの破壊や欠けを防止する。また、本例では、円筒状
体６と容器17との間を、ゴム製のＯリング8Aでシールし
ている。本発明者は、メタルパッキングについても検討
したが、加工時の寸法精度とコストの点で不利であっ
た。しかし、セラミックスヒーター１を高温にすると、
大量の熱が発生し、Ｏリング8Aが溶けるおそれがでてく
る。そこで、延設部28の先端でシールすることでＯリン
グ8Aとヒーターとの間隔を大きくし、かつ冷却ジャケッ
ト29でＯリング8Aの周辺を冷却する。また、上記と同様
の理由から、治具36と円筒状体６との間をＯリング8Bで
シールし、かつその外側に冷却ジャケット29を設置す
る。

【００３２】また、断熱材30A, 30Bによって、セラミッ
クスヒーター１の熱が支持部材27へと伝わるのを防止す
る。こうした支持部材27は金属製であり、高温に曝され
ると熱膨脹し、半導体ウエハー設置面の容器中における
位置がズレるため、生産性が低下する場合がある。ま
た、支持部材27中の金属成分の一部が、高温中で蒸散
し、汚染源となるおそれがある。そこで、断熱材30A, 3
0Bで、支持部材27の温度上昇を極力抑えた。

【００３３】また、断熱材30A, 30Bを構成する材料とし
ては、アルミナが好ましい。本発明者は、ClF₃, NF₃等
のハロゲン系腐蝕性ガスに対してアルミナが安定である
ことを確認している。ただし、アルミナは引張強度が低
いが、本例では、断熱材30Aには圧縮応力がかかってい
るので、これらをアルミナで形成しても、破壊はしにく
い。またアルミナからなる断熱材30A を厚くすると、ア
ルミナの耐熱衝撃性が低いことから、熱衝撃破壊を起こ
すおそれがある。そこで、例えば厚さ1.5 mmの薄い板で
断熱材30A を形成し、かつ断熱材30A を２枚以上積層す
ることで、断熱材30A の熱衝撃破壊を防止した。

【００３４】

【発明の効果】本発明の加熱装置によれば、従来の金属
ヒーターの場合のような汚染や、間接加熱方式の場合の
ような熱効率の悪化の問題を解決できる。また、電極、
端子等が容器の内部空間の雰囲気に曝されていないの
で、電極等の腐食、電極からの汚染、さらには、真空中
での電極間又は電極と容器との間の放電、漏電のおそれ
がない。

【００３５】また、筒状体とセラミックスヒーターと
を、軟質金属からなる環状部材でシールできることが重
要であり、これによりシールが非常に容易になるし、か
つ安定になり、また製造も容易になる。また筒状体とセ
ラミックスヒーターが別体であるので、いずれかにクラ
ック等の故障が生じた場合は、両者を分離し、故障した
方だけを交換することができる。また、環状部材に応力
緩和作用があるので、筒状体やセラミックスヒーターが
破壊しにくい。また、筒状体を盤状基体の方へと押圧す
る押圧用部材を備えており、この押圧用部材による押圧
力を調整することで、環状部材に加わる圧力を調整し、
そのシール性能を調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る加熱装置を容器17に取り
付けた状態を示す断面図である。

【図２】(a), (b)及び(c) は、円環状部材７の各作製段
階を示す平面図である。

【図３】円環状部材７を溝19に収容する例について図示
する部分拡大断面図である。

【図４】他の実施例に係る加熱装置を容器17に取り付け
た状態を示す断面図である。

【図５】更に他の実施例に係る加熱装置を容器17に取り
付けた状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１セラミックスヒーター２円盤状基体 2b 背面３抵抗発熱体４，27 支持部材６円筒状体 7, 7B 円環状部材９電極 11, 11A 熱電対 12, 12A 端子 22 ボルト（押圧用部材の例） 26 筒状体 33 皿ばね（押圧用部材の例）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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てなるセラミックスヒーター
と、緻密質セラミックスからなり、両端が開口している
筒状体と、前記盤状基体と前記筒状体の端面との間に設
置された軟質金属製の環状部材と、前記セラミックスヒ
ーターの側周面を支持する支持部材と、前記筒状体を前
記盤状基体の方へと押圧する押圧用部材とを備え、前記
盤状基体及び前記筒状体を前記環状部材に押しつけるこ
とにより前記盤状基体と前記筒状体との間を気密にシー
ルできるように構成された、半導体ウエハー加熱装置。
【請求項２】前記押圧用部材が、実質的に恒温状態に
あるばねであることを特徴とする、請求項１記載の半導
体ウエハー加熱装置。