JPH0594865A - セラミツクスヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウエハーの汚染や熱効率の悪化といった問題
を生じず、しかもウエハーの加熱温度を均一化してその
歩留りを向上させうるようなセラミックスヒーターを提
供することである。 【構成】 例えば円盤状の基体３の内部に、抵抗発熱体
４が埋設される。この抵抗発熱体４は、平面的にみると
渦巻状に埋設されており、抵抗発熱体４の両端に塊状端
子６が接続されている。円盤状基体３の発熱面3aに耐熱
金属層１Ａが接合され、耐熱金属層１Ａの表面に緻密質
セラミックス層２Ａが接合される。耐熱金属層１Ａを構
成する耐熱金属の熱伝導率は、円盤状基体３を構成する
緻密質セラミックスの熱伝導率よりも大きい。

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
ＣＶＤ、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
体製造装置では、デポジション用ガス、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、半導体ウ
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、これらのガスの暴露によって、
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。

【０００３】そこでデポジション用ガス等に暴露される
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
れた半導体ウエハーを加熱する、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
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。

【０００４】

【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、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。こ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、本発明者がなお検討を進めると、以下の問題が未
だ残されていることが解った。

【０００５】即ち、セラミックスヒーター側面を伝熱性
の高いグラファイト製やアルミニウム製のケースで保持
するため、この接触部分からケースの方へと熱が逃げ、
セラミックスヒーターの外周部の温度が内周部の温度に
くらべて低くなり、均熱性が損なわれるという問題が生
じた。従って、半導体ウエハーを加熱した場合、このウ
エハーの周縁部で相対的に温度が低下するため、例えば
熱ＣＶＤ法によって膜を堆積させる場合に、半導体ウエ
ハーの中心部と周縁部とで膜の成長速度に差が生じ、半
導体の不良の原因となる。

【０００６】特に最近、半導体ウエハーが大型化してき
ており、これに対応すべく半導体ウエハー加熱用のセラ
ミックスヒーターを大型化させる必要がある。しかし、
半導体ウエハー加熱面の直径が大きくなると、これを均
熱化するのはますます難しくなってきている。

【０００７】これを解決する方法として、本発明者は、
円盤状セラミックスヒーターを内周側と外周側とに分
け、内周側と外周側とで独立に、抵抗発熱体からの発熱
量を制御する技術を検討した。しかし、この方法では、
制御系統が複雑になるし、発熱量を制御するコントロー
ラーのコストが高くなる。また、セラミックス基体を窒
化珪素セラミックスで形成してその表面温度を測定して
も、未だ温度にムラが残っていた。．

【０００８】本発明の課題は、ウエハーの汚染や熱効率
の悪化といった問題を生じず、しかもウエハーの加熱温
度を均一化してウエハーの歩留りを向上させることがで
きるような、セラミックスヒーターを提供することにあ
る。

【０００９】

【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と、この盤状基体の内部に埋設
された抵抗発熱体とを備えたウエハー加熱用のセラミッ
クスヒーターであって、前記抵抗発熱体とウエハーとの
間に耐熱金属層と緻密質セラミックス層とが設けられ、
この緻密質セラミックス層の表面がウエハー加熱面を構
成している、セラミックスヒーターに係るものである。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の実施例に係る円盤状セラミ
ックスヒーター５Ａを示す断面図、図２は半導体製造用
熱ＣＶＤ装置のフランジ部19に本実施例のヒーターを取
り付けた状態を示す概略断面図、図３は図２のIII −II
I 線矢視図である。

【００１１】この円盤状セラミックスヒーター５Ａにお
いては、緻密質セラミックス基体３の内部に、抵抗発熱
体４が埋設されている。この抵抗発熱体４は、例えば直
径0.4 mm程度のワイヤーをコイル状に卷回してなるもの
である。そして、この抵抗発熱体４が、円盤状基体３の
内部に、平面的にみて渦巻状に埋設されている。抵抗発
熱体４の両端部には、それぞれ塊状端子６が連結されて
おり、各塊状端子６の表面が、円盤状基体３の表面に露
出している。円盤状基体３の側周面には、円環状の突出
部3bが形成されている。

【００１２】円盤状基体３の発熱面3aに対して耐熱金属
層１Ａが接合され、この耐熱金属層１Ａの表面に対し、
緻密質セラミックス層２Ａが接合される。緻密質セラミ
ックス層２Ａの表面が半導体ウエハー加熱面22を構成す
る。半導体ウエハーは、加熱面22に対して直接設置され
るか、他のサセプターを介して設置される。耐熱金属層
１Ａの熱伝導率は、緻密質セラミックス層２Ａや盤状基
体３を構成するセラミックスの熱伝導率よりも大きくな
ければならない。

【００１３】図示しない半導体製造用熱ＣＶＤ装置の容
器に、フランジ部19が取り付けられ、このフランジ部19
が容器の天井面を構成している。フランジ部19と、図示
しない容器との間は、Ｏリング17によって気密にシール
されている。フランジ部19の上側に、取り外し可能な天
板20が取り付けられ、この天板20が、フランジ部19の円
形貫通孔19a を覆っている。フランジ部19に水冷ジャケ
ット18が取り付けられる。

【００１４】フランジ部19の下側面には、グラファイト
からなるリング状ケース保持具14が、断熱リング16を介
して固定されている。ケース保持具14とフランジ部19と
は直接には接触しておらず、若干の間隙が設けられてい
る。ケース保持具14の下側面には、グラファイトからな
る略リング状のケース11が、断熱リング13を介して固定
されている。ケース11とケース保持具14とは直接に接触
しておらず、若干の間隙が設けられている。

【００１５】ステンレスシース付きの熱電対10が、モリ
ブデン、セラミックス等からなる中空シース９内に挿入
され、中空シース９の細い先端がセラミックス基体３の
背面側に接合されている。一対の電極部材７及び中空シ
ース９は、それぞれ天板20を貫通して容器外に端部を付
き出した状態となっている。また、一対の電極部材７及
び中空シース９と天板20との間は、Ｏリングで気密にシ
ールされる。

【００１６】円盤状セラミックスヒーター５Ａの側周面
の背面側には、前述のように突出部3bがリング状に形成
され、一方、ケース11の下部内周にはやはりリング状に
ケース本体から突出した支持部11a が形成されている。
円盤状セラミックスヒーター５Ａとケース11との間には
所定の間隔を置き、これら両者を接触させない。そし
て、図２及び図３に示すように、例えば計４個の円柱状
介在ピン21をケース11内周とセラミックスヒーター５Ａ
の側周面との間に介在させ、介在ピン21の一端を支持部
11a 上に螺合、接合、嵌合等により固定し、他端の上に
突出部3bを載置し、これによりセラミックスヒーター５
Ａを断熱固定する。一対の塊状端子６には、それぞれ棒
状の電極部材７が連結され、電極部材７の一端がリード
線８に接続されている。

【００１７】本実施例によれば、緻密質セラミックスか
らなる円盤状基体３の内部に抵抗発熱体４を埋設するの
で、半導体装置内を汚染する等のおそれがない。また、
円盤状基体３から直接発熱させるので、間接加熱方式の
場合のような熱効率の悪化は生じない。

【００１８】また、抵抗発熱体４を埋設した円盤状基体
３を真空中または希薄気体中で使用するとき、円盤状基
体３の表面、裏面、及び側面からの熱放射、熱伝達、ま
たは基体３を支持するためのケース11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３の中心から側面に向かって温度が下がる原因
となり、半導体ウエハー１の均熱化を妨げる。

【００１９】この点、本実施例では、円盤状基体３の側
周面とケース11とを直接接触させず、介在ピン21で円盤
状基体３を支持している。従って、円盤状基体３の側周
面から熱伝導によって逃げる熱を少なくできる。

【００２０】そして、円盤状基体３の発熱面3aに対して
耐熱金属層１Ａを接合させているので、耐熱金属層１Ａ
内で熱量が図１において横方向へと移動する。この結
果、耐熱金属層１Ａにおいて温度勾配がほぼ消去され、
半導体ウエハー加熱面22において温度のムラが防止され
る。しかも、緻密質セラミックス層２Ａによって耐熱金
属層１Ａが被覆されているので、耐熱金属層１Ａを構成
する金属が半導体ウエハーを汚染するおそれがない。

【００２１】セラミックス層２Ａ、円盤状基体３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
℃までの加熱と冷却に耐えることのできる耐熱衝撃性を
有するものが好ましい。耐熱衝撃性の点からは、窒化珪
素セラミックス、サイアロンが好ましい。ただし、窒化
珪素セラミックスを採用した場合は、この材料の熱伝導
率が低いことから、耐熱金属層１Ａの作用が一層重要に
なる。

【００２２】耐熱金属層１Ａの材質としては、銅、銀、
白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、タンタ
ル、ニオブ、ハフニウム、レニウム、金等を例示でき
る。ただし、金を利用すると、ヒートサイクルの途中で
緻密質セラミックス層２Ａの方へと金が拡散して出てく
ることがある。円盤状基体３、緻密質セラミックス層２
Ａの材質として、熱伝導率の高い窒化アルミニウムセラ
ミックスを用いた場合には、耐熱金属板１Ａを、これよ
りも熱伝導率の高い銅、銀、ニッケル等によって形成し
なければならない。

【００２３】緻密質セラミックス層２Ａの厚さは、１mm
以下とすることが好ましい。これが厚すぎると、セラミ
ックス層２Ａでの熱伝導度が悪くなり、再び温度ムラが
生ずるからである。耐熱金属層１Ａの厚さは100 〜800
μm とするのが好ましい。これが薄すぎると、断面積が
小さいことから横方向へと熱が伝わりにくく、均熱化の
効果が乏しくなってくる。耐熱金属層１Ａが厚すぎる
と、加熱と冷却とを繰り返し行ったときに、過大な熱応
力が円盤状基体３にかかるおそれがある。

【００２４】緻密質セラミックス層２Ａと耐熱金属層１
Ａ、耐熱金属層１Ａと円盤状基体３とをそれぞれ接合す
るには、幾つかの方法がある。即ち、各部材の間に高融
点金属の粉末を介在させて拡散接合したり、銀ろう、金
ろう等でろう付けしたりすることができる。また、緻密
質セラミックス用の原料粉末を図１に示すように成形
し、この成形体を一体に焼成して、図１に示すような円
盤状セラミックスヒーター５Ａを作成することができ
る。

【００２５】抵抗発熱体４としては、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。介在ピン21の材質としては、セラミックス、
又はガラス、無機結晶体、緻密な非金属無機材が好まし
く、酸化珪素質ガラス、水晶、部分安定化ジルコニア、
アルミナが更に好ましく、熱伝導率の低い酸化珪素質ガ
ラスが一層好ましい。

【００２６】図４は、本発明の他の実施例に係る円盤状
セラミックスヒーター５Ｂを示す断面図である。図１に
示したものと同一の機能部材には同一符号を付し、その
説明は省略する。

【００２７】円盤状セラミックス基体３の発熱面3aに、
円形の耐熱金属層１Ｂを接合する。この際、耐熱金属層
１Ｂの寸法を発熱面3aの寸法よりも若干小さくする。そ
して、耐熱金属層１Ｂの表面に緻密質セラミックス層２
Ｂを設ける。この際、耐熱金属層１Ｂのエッジも緻密質
セラミックス層２Ｂで覆い、このセラミックス層２Ｂの
端面を円盤状基体３の縁部に当接させ、接合させる。こ
れにより、耐熱金属層１Ｂは、緻密質セラミックス内に
埋設された状態となり、半導体製造容器内に全く露出し
ない。

【００２８】次に、図１、図２に示すようなセラミック
スヒーター５Ａを用い、電力供給ケーブル８に通電し、
目標温度450 ℃として抵抗発熱体４を発熱させた。そし
て、熱画像装置によって、半導体ウエハー加熱面22につ
いて30点の温度分布を測定した。また、図１、図２にお
いて、耐熱金属層１Ａ及び緻密質セラミックス層２Ａの
ないタイプの円盤状セラミックスヒーターについても、
これと同様の測定を行った。

【００２９】まず、円盤状基体３の材質として窒化珪素
セラミックスを用いると、発熱面3aの温度分布は450 ±
10℃となった。これに対し、図１において、耐熱金属層
１Ａを銀で形成し、緻密質セラミックス層２Ａを窒化珪
素セラミックスで形成すると、半導体ウエハー加熱面22
の温度分布は450 ±１℃となった。ただし、耐熱金属層
１Ａ、緻密質セラミックス層２Ａの層厚はいずれも約50
0 μm とした。

【００３０】また、上記の実験において、円盤状基体３
の材質として窒化アルミニウムセラミックスを使用した
ところ、発熱面3aの温度分布は450 ±３℃となった。そ
して、更に耐熱金属層１Ａを銀で形成し、緻密質セラミ
ックス層２Ａを窒化アルミニウムセラミックスで形成す
ると、半導体ウエハー加熱面22の温度分布は450 ±0.5
℃となった。

【００３１】本発明のセラミックスヒーターは、Feウエ
ハー、Alウエハー等の加熱にも適用できる。また、盤状
基体は、上記した円盤状基体３の他、四角盤状、六角盤
状等の形状のものも含む。耐熱金属層１Ａ，１Ｂを、Ｃ
ＶＤ法、スパッタリング法等によって形成することも可
能である。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、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するので、装
置内を汚染するおそれがない。また、盤状基体から直接
発熱させるので、間接加熱方式の場合のような熱効率の
悪化は生じない。

【００３３】また、抵抗発熱体と緻密質セラミックス層
との間に耐熱金属層を設けているので、耐熱金属層内で
熱量が移動する。これにより、ウエハー加熱面において
温度のムラが防止される。しかも、緻密質セラミックス
層の表面がウエハー加熱面を構成しているので、耐熱金
属層を構成する金属がウエハーを汚染するおそれがな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るセラミックスヒーター５
Ａを示す断面図である。

【図２】図１のセラミックスヒーター５Ａを半導体製造
用熱ＣＶＤ装置のフランジ部19に取り付けた状態を示す
概略断面図である。

【図３】図２のIII −III 線矢視断面図である（電極部
材７等は図示省略する。）。

【図４】本発明の他の実施例に係るセラミックスヒータ
ー５Ｂを示す断面図である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ 耐熱金属層 ２Ａ，２Ｂ 緻密質セラミックス層 ３ 円盤状基体 ４ 抵抗発熱体 ５Ａ，５Ｂ 円盤状セラミックスヒーター 22 半導体ウエハー加熱面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｈ 8617−4Ｍ Ｈ０５Ｂ 3/14 Ｂ 8715−3Ｋ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 緻密質セラミックスからなる盤状基体
   と、この盤状基体の内部に埋設された抵抗発熱体とを備
   えたウエハー加熱用のセラミックスヒーターであって、
   前記抵抗発熱体とウエハーとの間に耐熱金属層と緻密質
   セラミックス層とが設けられ、この緻密質セラミックス
   層の表面がウエハー加熱面を構成している、セラミック
   スヒーター。
2. 【請求項２】 前記耐熱金属層が、銅、銀、タングステ
   ン、モリブデン、タンタル、ハフニウム、レニウム、ニ
   オブ、白金及びニッケルからなる群から選ばれた耐熱金
   属によって形成されている、請求項１記載のセラミック
   スヒーター。