DE69233692T2

DE69233692T2 - Verwendung eines korrosion beständigen Substratshalters

Info

Publication number: DE69233692T2
Application number: DE69233692T
Authority: DE
Inventors: Ryusuke Nagoya City Ushikoshi; Kazuhiro Nagoya City Nobori; Yusuke Nagoya City Niori; Koichi Nagoya City Umemoto; Hiromichi Nagoya City Kobayashi; Toshihiko Nagoya City Honda; Kenji Nagoya City Kawabata
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2012-03-27
Also published as: DE69232429T2; EP0506391B1; DE69233692D1; EP0506391A1; DE69232429D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines korrosionsbeständigen Elements in Form eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers bei der Halbleiterelementherstellung.
Bisher wurden bei den Verfahren zur Erhitzung von Halbleiterwafers in Halbleiterproduktionsvorrichtungen (beispielsweise durch PVD, CVD, Diffusion, Glühen etc.) Heizsysteme des Einzelstück-Typs, in denen die Wafers einzeln behandelt werden, sowie Heizsysteme des Chargentyps eingesetzt, in denen eine große Anzahl an Wafers gleichzeitig behandelt werden kann. Als Heizvorrichtungen des ersteren Systems wurden metallische Heizvorrichtungen, die aus einem wärmeerzeugenden Widerstandselement, einem Isolationsmaterial, wie z.B. Glimmer, der das Heizelement bedeckt, und einem Formmaterial, wie z.B. Edelstahl, Inconel, Monel etc., für das Formen des Isolationsmaterials bestehen; Graphitheizelemente aus einem wärmeerzeugenden Widerstandselement aus Graphit, wobei Bornitrid das Graphitelement bedeckte und isolierte; und Heizelemente eines Infrarotstrahlungssystems, das die Konzentration von Lichtstrahlen, die von einer Halogenlampe ausgehen, nutzt, eingesetzt. Als Heizvorrichtungen für das letztere System wurde ein Mittel zum Erhitzen eines Quarz- oder SiC-Röhrchens, das die Wafers in einem umgebenden wärmeerzeugenden Widerstandselement aufnimmt, übernommen.
Durch den Anstieg der Speicherkapazität von Super-LSI und der fortschreitenden Entwicklung von Mikroprozessoren in letzter Zeit ist der Bedarf nach Verfahren, die eine chemische Reaktion erfordern, gestiegen. Insbesondere wurde in Halbleiterproduktionsvorrichtungen, die einen hochreinen Zustand erfordern, ein korrosives Gas der Halogengruppe, wie z.B. Gase der Chlorgruppe oder ein Gas der Fluorgruppe, als Abscheidungsgas, Ätzgas oder Reinigungsgas eingesetzt. In Heizsystemen für das Erhitzen der Wafers in Kontakt mit diesen korrosiven Gasen, z.B. in Halbleiterproduktionsvorrichtungen, wie z.B. thermischen CVD-Vorrichtungen etc., wird ein Halbleiter-Reinigungsgas aus einem korrosiven Gas der Halogengruppe, wie z.B. ClF₃, NF₄, CF₄, HF oder HCl etc., nach dem Abscheidungsschritt eingesetzt. Im Abscheidungsschritt wird ein korrosives Gas der Halogengruppe, wie z.B. WF₆, SiH₂Cl₂ oder Monosilan etc., als Abscheidungsgas eingesetzt.
Reinigungsgase, die heutzutage in thermischen CVD-Vorrichtungen etc. eingesetzt werden, werden nachstehend in der folgenden Tabelle 1 angeführt. Tabelle 1
Es wurde festgestellt, dass von den in der obenstehenden Tabelle 1 angeführten Reinigungsgasen ClF₃ bei Raumtemperatur mit einem Metall reagiert, um ein Metallfluorid zu bilden, was zur Korrosion des Metalls führt.
Außerdem kommt es, wenn Edelstahl oder Inconel als oben genanntes metallisches Heizelement eingesetzt werden, jeweils bei etwa 120 °C bzw. einer Temperatur von mehr als 300 °C zu Korrosion, wobei durch die Korrosion Teilchen gebildet werden und die Korrosion Mängel in dem Halbleiter hervorruft. Bornitrid oder Siliciumcarbid werden, wenn sie einem Reinigungsgas mit hoher Temperatur ausgesetzt werden, gasförmig und rufen so aufgrund des Einflusses der Verschmutzung Mängel in Halbleitern hervor. Wenn ein metallisches Heizelement in einer CVD-Vorrichtung etc. eingesetzt wird, wird die Kammer der CVD-Vorrichtung zu einem hohen Vakuum mit maximal 10^-4 Torr, so dass ein effizientes Erhitzen der Wafers sehr schwierig ist, wenn ein Metall mit geringer Wärmestrahlung eingesetzt wird und eine lange Zeit für das Erhitzen der Wafers erforderlich ist. Bei einem Quarzröhrchen besteht das Problem, dass es zu Entglasung kommt, was zu einer Abnahme seiner Festigkeit führt.
Um solche Korrosionsprobleme zu vermeiden, müssen Halbleiterwafers auf eine hohe Temperatur erhitzt werden, um sie einer Filmbildungsbehandlung etc. zu unterziehen, wonach die Heiztemperatur auf nicht mehr als 300 °C oder nicht mehr als 100 °C gesenkt werden muss und das oben genannte Reinigungsgas auf das Heiz element oder ein ähnliches Hochtemperaturelement geblasen werden muss, um dieses Element unter solchen Bedingungen zu reinigen, dass der Film, der entfernt werden muss, mit dem Reinigungsgas reagiert, aber das Hochtemperaturelement, wie z.B. das Heizelement, nicht mit dem Gas reagiert. Deshalb ist beträchtliche zusätzliche Zeit für den Zyklus des Steigerns und Senkens der Temperatur erforderlich und der Halbleiterdurchfluss während der Produktion desselben wird verringert. Auch wenn ein Kohlenstoffheizelement für das Erhitzen eingesetzt wird, kommt es bei einer Temperatur, die um 150 °C oder mehr höher als Raumtemperatur ist zu Korrosion, wodurch ein Pulver auf der Heizelementoberfläche entsteht, was zur Bildung von Teilchen führt.
Außerdem kommt es, wenn ein korrosives Gas der Halogengruppe als Abscheidungsgas eingesetzt wird, bei einer hohen Temperatur von beispielsweise 300-1.100 °C zur Abscheidung, wodurch das Korrosionsproblem nicht vermieden werden kann.
EP 447155 , veröffentlicht am 18. September 1991, also nach dem Prioritätstag der vorliegenden Erfindung, offenbart ein Wafer-Heizelement, das bei der Verwendung einem halogenhältigen, korrosiven Gas auszusetzen ist.
JP-63-140085 offenbart eine Vorrichtung für die Ausbildung eines Films auf einem Halbleiterwafer, die einen Tisch umfasst, der einen Wafer trägt, und offenbart einen Schritt, bei dem ein Aluminiumnitridtisch wiederholt mit Flusssäure gewaschen wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Verwendung eines Siliciumnitrid-Sinterkörpers mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit als Substrat für einen Suszeptor oder ein Keramikheizelement für eine Halbleiterherstellungsvorrichtung untersucht. Jedoch stellten die Erfinder bei genauerer Untersuchung fest, dass der Siliciumnitrid-Sinterkörper leicht durch das Reinigungsgas oder das Ätzgas für die Halbleiter korrodiert wurde.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verwendung eines korrosionsbeständigen Elements, das Korrosionsbeständigkeit in Bezug auf korrosive Gase der Halogengruppe in einem weiten Temperaturbereich aufweist, bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung besteht in der Verwendung eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers wie in Anspruch 1 dargelegt.
Die Erfinder haben zahlreiche Forschungsarbeiten und Untersuchungen für ein korrosionsbeständiges Element, das Korrosionsbeständigkeit in Bezug auf korrosive Gase der Halogengruppe in einem weiten Temperaturbereich aufweist, angestellt, was zu der vorliegenden Erfindung führte, die auf der Erkenntnis beruht, dass ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper eine herausragende Korrosionsbeständigkeit aufweist. Wenngleich korrosionsbeständige Keramikmaterialien im Allgemeinen Ionenaktivität in Bezug auf eine wässrige saure oder basische Lösung aufweisen, achteten die Erfinder der vorliegenden Erfindung nicht auf die Ionenreaktivität, sondern auf die Reaktivität des korrosionsbeständigen Elements in Bezug auf Redoxreaktionen von gasförmigem Halogen in einem Trockengas.
ClF₃-Gas erzeugt bei Erhitzen durch thermische Zersetzung beispielsweise Fluor-Radikale mit einer Ätz- oder Reinigungsfunktion für verschiedene Materialien. ClF₃ zersetzt sich gemäß der nachstehenden Formel. ClF₃ → ClF + F^- + F⁺
Wenngleich die Zersetzung des ClF₃-Moleküls bei Temperaturen von 120-230 °C am stärksten ist, zersetzen sich ClF₃-Moleküle bis zu einem gewissen Grad auch bei Raumtemperatur, so dass diese als ein Reinigungsgas bei Raumtemperatur eingesetzt werden können. Die Erfinder haben nun festgestellt, dass Aluminiumnitrid-Sinterkörper bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis zu einer hohen Temperatur von 1.100 °C stabil sind.
Bei NF₃-Gas ist, wie in Tabelle 1 angeführt, die Zersetzung von NF₃-Molekülen durch Plasma erforderlich. Da die Zersetzung durch Plasma begleitet wird, kann dieses Gas selbst bei einer niedrigen Temperatur, beispielsweise von 30 °C, als Ätzgas oder Reinigungsgas eingesetzt werden, wenngleich die Ätzrate bei höheren Temperaturen schneller ist. Dasselbe gilt für CF₄-Gas.
Die Erfinder haben ebenfalls festgestellt, dass Aluminiumnitrid, auch wenn es NF₃-Gas oder CF₄-Gas bei einer hohen Temperatur von beispielsweise 300-1.100 °C ausgesetzt wird, stabil ist.
Wenn ein korrosionsbeständiges Element in einem Bereich angeordnet wird, in dem Plasma und F⁺- und F^--Radikale bei Raumtemperatur durch das Anlegen von Hochfrequenzspannung erzeugt werden, weist die Oberflächenschicht des korrosionsbeständigen Elements aufgrund des Beschusses des korrosionsbeständigen Elements durch die Fluor-Radikale eine Temperatur von mehr als 200 °C auf. Die Erfinder haben festgestellt, dass ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper auch in diesem Zustand eine wirksame Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit aufweist.
Die Erfinder haben sichergestellt, dass das in der vorliegenden Erfindung verwendete, korrosionsbeständige Element, auch wenn es unter Einsatz von NF₃-Plasma etc. in einer Trockenätzvorrichtung platziert und NF₃-Plasma etc. ausgesetzt wird, kaum korrodiert.
Wenn das korrosionsbeständige Element der vorliegenden Erfindung für eine Halbleiterproduktionsvorrichtung eingesetzt wird, kann ein Strukturteil bereitgestellt werden, der in Bezug auf ein Reinigungsgas oder ein Ätzgas stabil ist, und die Entstehung von Teilchen und Verunreinigungen, die Mängel bei den Halbleitern hervorrufen, kann verhindert werden.
Durch das korrosionsbeständige Element der vorliegenden Erfindung kann die Produktion von hochintegrierten Halbleitern, insbesondere von DRAM oder 4M etc., erstmals zufriedenstellend bewerkstelligt werden.
Wenn das korrosionsbeständige Element als Heizelement für das Erhitzen von Halbleiterwafers eingesetzt werden soll, muss die Temperatur des Heizelements außerdem nicht jedes Mal, beispielsweise auf nicht mehr als 100 °C, gesenkt werden, wenn das Heizelement nach der Bildung des Halbleiterwaferfilms gereinigt wird, und die Reinigung kann erfolgen, während die Heizelementtemperatur auf nicht weniger als 300 °C beibehalten wird und die Filmbildungstemperatur nicht überschreitet. Deshalb kann der Durchgang der Filmbildung auf den Halbleiterwafers deutlich gesteigert und die Produktivität merklich verbessert werden. Dieselbe vorteilhafte Wirkung kann erzielt werden, wenn das korrosionsbeständige Element in einer elektrostatischen Spannvorrichtung (die nachstehend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wird) eingesetzt wird, wobei es mit einem Suszeptor und einem Heizelement für das Erhitzen eines Halbleiterwafers einstückig ausgebildet ist.
Außerdem kann bei Einsatz des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers als Substrat oder Hauptkomponente für das korrosionsbeständige Element, das in einem Filmbildungsverfahren einem filmbildenden, korrosiven Gas, wie z.B. WF₆ etc., bei einer hohen Temperatur von 300-1.100 °C ausgesetzt wird, die Bildung von Teilchen und Verunreinigungen, die zu Halbleitermängeln führen, verhindert werden.
Wenngleich korrosive Gase der Halogengruppe in CVD-Vorrichtungen zur Herstellung von Hochtemperaturmaterialien, oxidationsbeständigen Materialien und extrem harten Materialien durch die Bereitstellung einer Beschichtung auf der Oberfläche eines herkömmlichen Keramikmaterials durch CVD-Verfahren eingesetzt werden, ist die vorliegende Erfindung auch in solchen Fällen wirksam. Beispiele für solche filmbildenden Reaktionen sehen wie folgt aus. TiCl₄(Gas) + CH₄(Gas) → TiC + 4HCl AlCl₃(Gas) + HCl₃(Gas) + 3H₂(Gas) → AlB + 6HCl
Das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Keramikheizelement erhitzt Wafers, die in dem Gehäuse des Heizelements platziert wurden, direkt oder über eine Platte, so dass ein hoher Wärmewirkungsgrad erzielt werden kann. Das Keramikheizele ment kann aus dem Keramiksubstrat bestehen, in das ein wärmeerzeugendes Widerstandselement eingebettet ist, so dass die Verunreinigung wie in Metallheizelementen überhaupt nicht auftritt.
Außerdem ist in einem solchen Heizelement vorzugsweise zumindest eines der Elektrodenelemente von einem röhrenförmigen Element umschlossen, und ein Ende des röhrenförmigen Elements ist gasdicht mit dem Keramiksubstrat verbunden, und das röhrenförmige Element ist auch gegenüber dem Gehäuse gasdicht versiegelt, so dass, wenn ein elektrisch leitfähiger Ablagerungsfilm auf der Hinterseite des Keramikheizelements ausgebildet wird, der abgelagerte Film durch den röhrenförmigen Körper unterbrochen wird, um ein Kurzschließen des Elektrodenelements, das in dem röhrenförmigen Element eingeschlossen ist, mit einem anderen Elektronenelement zu vermeiden. Außerdem kann so die Gefahr der Entladung oder des Kriechens von elektrischem Strom zwischen dem in dem röhrenförmigen Element eingeschlossenen Elektrodenelement und dem Gehäuse verhindert werden. Weiters liegt das in dem röhrenförmigen Element eingeschlossene Elektrodenelement im Innenraum des Gehäuses nicht frei, so dass es nicht zu einer Korrosion des Elektrodenelements und der blockförmigen Anschlüsse und nicht zu der resultierenden Korrosion des Gehäuses kommt.
Geeigneterweise ist eine Temperaturmessvorrichtung durch ein röhrenförmiges Element aus einem anorganischen Isolationsmaterial umschlossen, und ein Ende des röhrenförmigen Elements ist mit dem Keramiksubstrat verbunden, und das röhrenförmige Element ist gegenüber dem Gehäuse gasdicht abgeschlossen. Auf diese Weise kann ein gemischtes Kontaktieren und Induktion der Halbleiterproduktionsvorrichtung auch bei Einsatz einer Hochfrequenzstromquelle oder einer Hochspannungsquelle für die Vorrichtung vermieden werden. Außerdem liegt, wenn ein Metall für die Temperaturmessvorrichtung eingesetzt wird, das Metall im Innenraum des Gehäuses nicht frei, so dass es nicht zur Korrosion der Temperaturmessvorrichtung und zur dadurch verursachten Verunreinigung des Gehäuses kommt. Außerdem ist die Temperaturmessvorrichtung von der Innenatmosphäre des Gehäuses durch das röhrenförmige Element abgetrennt, so dass die durch die Temperaturmessvorrich tung bestimmten Messwerte nicht durch Druckschwankungen beeinträchtigt werden, auch wenn der Druck in dem Gehäuse zur Zeit der Herstellung der Halbleiter schnell schwankt.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
1 eine schematische Querschnittansicht eines scheibenförmigen Keramikheizelements ist, das an einem Gehäuse einer CVD-Vorrichtung angebracht ist;
2 eine schematische Querschnittansicht eines scheibenförmigen Keramikheizelements ist, das mit einem Waferheizsuszeptor ausgestattet ist;
3 eine Querschnittansicht davon entlang der Linie III-III ist;
4 eine schematische Querschnittansicht einer elektrostatischen Spannvorrichtung ist, die mit einem scheibenförmigen Keramikheizelement einstückig ausgebildet ist;
5 eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform einer elektrostatischen Spannvorrichtung ist;
6 eine vergrößerte Teilansicht der Oberfläche der elektrostatischen Spannvorrichtung aus 5 zur Bereitstellung eines Wafers ist;
7 ein durch ein Rasterelektronenmikroskop (REM) aufgenommenes Foto einer Aluminiumnitridprobe vor dem Korrosionsbeständigkeitstest ist;
8 ein durch ein Rasterelektronenmikroskop aufgenommenes Foto einer Aluminiumnitridprobe nach dem Korrosionsbeständigkeitstest ist;
9 ein EDAX-Diagramm eines ursprünglichen Zustands einer Aluminiumnitridprobe ist;
10 ein EDAX-Diagramm einer Aluminiumnitridprobe nach dem Korrosionstest ist;
11 ein durch ein Rasterelektronenmikroskop aufgenommenes Foto einer Vergleichsprobe vor dem Korrosionsbeständigkeitstest ist;
12 ein durch ein Rasterelektronenmikroskop aufgenommenes Foto einer Vergleichsprobe nach dem Korrosionsbeständigkeitstest ist;
13 ein EDAX-Diagramm eines ursprünglichen Zustands einer Vergleichsprobe ist;
14 10 ein EDAX-Diagramm einer Vergleichsprobe nach dem Korrosionstest ist;
15 ein Röntgenbeugungsdiagramm einer Aluminiumnitridprobe vor und nach dem Korrosionstest ist;
16 ein EPMA-Diagramm einer Aluminiumnitridprobe nach dem Korrosionstest ist;
17 ein durch ein Rasterelektronenmikroskop aufgenommenes Foto eines Oberflächenzustands einer Vergleichsprobe ist, nachdem diese NF₃-Plasma ausgesetzt wurde;
18 ein durch ein Rasterelektronenmikroskop aufgenommenes Foto eines Oberflächenzustands einer Aluminiumnitridprobe ist, nachdem diese NF₃-Plasma ausgesetzt wurde;
19 eine Querschnittsansicht eines Keramiksubstrats 4 ist, die einen Zustand zeigt, in dem ein blockförmiger Anschluss 31 darin eingebettet ist, wobei dies einem Querschnitt entspricht, der entlang der Linie XIX-XIX in 21 vorgenommen wurde;
20 eine Querschnittsansicht eines Keramiksubstrats 4 ist, die einen Zustand zeigt, in dem ein blockförmiger Anschluss 31 darin eingebettet ist, wobei dies einem Querschnitt entspricht, der entlang der Linie XX-XX in 21 vorgenommen wurde;
21 eine Ansicht von unten eines blockförmigen Anschlusses 31 ist, bevor dieser dichtgeschweißt und druckkontaktiert wird;
22 eine Querschnittsansicht eines blockförmigen Anschlusses 31 ist, bevor dieser dichtgeschweißt und druckkontaktiert wird;
23 eine aufgebrochene, perspektivische Ansicht eines Keramiksubstrats 4 ist, in das ein blockförmiger Anschluss 31 eingebettet ist;
24 eine schematische Querschnittansicht eines Keramikheizelements 2 ist, das an einem Gehäuse einer thermischen CVD-Vorrichtung angebracht ist;
25 eine Querschnittansicht eines Keramiksubstrats 4 ist, in das ein blockförmiger Anschluss 31 eingebettet ist und in dem ein Sprung 39 ausgebildet ist;
26 eine Draufsicht eines Keramiksubstrats ist, in das ein blockförmiger Anschluss 31 eingebettet ist und an dessen Hinterseite 37 ein Sprung 39 ausgebildet ist;
27 eine schematische Querschnittansicht einer Halbleiterwaferheizvorrichtung ist, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde und an einem Gehäuse angebracht ist;
28 eine schematische Querschnittansicht einer Halbleiterwaferheizvorrichtung ist, die in der vorliegenden Erfindung an ein Gehäuse angebracht eingesetzt werden kann;
29 eine vergrößerte Querschnittansicht des Hauptteils aus 28 ist;
30 eine schematische Querschnittansicht einer anderen Halbleiterwaferheizvorrichtung ist, die in der vorliegenden Erfindung an einem Gehäuse angebracht eingesetzt werden kann;
31 eine schematische Querschnittansicht einer weiteren Halbleiterwaferheizvorrichtung ist, die in der vorliegenden Erfindung an einem Gehäuse angebracht eingesetzt werden kann;
32 ist eine vergrößerte Querschnittansicht einer Heizvorrichtung aus 31, die ein zylinderförmiges Element 50 und einen benachbarten Teil davon zeigt;
33 eine schematische Querschnittansicht einer weiteren Halbleiterwaferheizvorrichtung ist, die in der vorliegenden Erfindung an einem Gehäuse angebracht eingesetzt werden kann; und
34 eine Querschnittansicht eines Keramiksubstrats 4 ist, die einen Zustand zeigt, unmittelbar bevor dieses mit einem zylinderförmigen Element 50C verbunden wird.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Vorrichtung, in der die vorliegende Erfindung angewandt werden kann, und stellen die Ergebnisse von Experimenten und weitere Informationen in Bezug auf die korrosiven Gasen ausgesetzten Materialien bereit.
Beispiel 1
In diesem Beispiel wird zunächst ein scheibenförmiges Keramikheizelement beschrieben.
In 1 wird ein Zustand eines Keramikheizelements in Querschnittansicht dargestellt, wobei das Heizelement an ein thermisches CVD-System des Einzelstück-Typs angebracht ist, wobei Bezugszahl 1 ein Gehäuse bezeichnet, das für das thermische CVD-System zur Produktion von Halbleitern eingesetzt wird, Bezugszahl 2 ein scheibenförmiges Keramikheizelement für das Erhitzen von an eine Verkleidung 8 im Inneren des Gehäuses 1 angebrachten Wafers und Bezugszahl 3 eine Waferheizoberfläche bezeichnet, die beispielsweise eine Größe von 4-8 Zoll aufweist und auf der Wafers angeordnet werden können.
In das Gehäuse 1 wird ein Gas für die thermische CVD durch eine Gaseinlassöffnung 1a eingeleitet und die Innenluft wurde durch eine Saugöffnung 1b unter Einsatz einer Vakuumpumpe entweichen gelassen. Das scheibenförmige Heizelement 2 besteht aus einem Substrat 4 aus einem gasdichten Aluminiumnitrid hoher Dichte, in das ein wärmeerzeugendes Widerstandselement 5 der Wolframgruppe oder dergleichen spiralförmig eingebettet ist. Das scheibenförmige Heizelement 2 weist im Zentrum und an einem Endabschnitt Zuleitungskabel 7 auf, die elektrischen Strom dem Keramikheizelement 2 von außen zuführen können, um dieses auf eine Temperatur von beispielsweise etwa max. 1.100 °C zu erhitzen. Bezugszahl 13 bezeichnet einen Flansch mit einer wassergekühlten Ummantelung 11, der die Oberfläche der Verkleidung 8 bedeckt und von der Seitenwand des Gehäuses 1 durch einen O-Ring 12 abgeschlossen ist, um eine Decke für das Gehäuse 1 zu bilden. Bezugszahl 9 bezeichnet einen hohlen Mantel, der durch die Wand des Flanschs 13 des Gehäuses 1 in das Innere des Gehäuses 1 eingeführt wird und mit dem Keramikheizelement 2 verbunden wird. Der hohle Mantel 9 weist in seinem Inneren ein Thermoelement 10 auf, in das ein Edelstahlmantel eingeführt ist. Zwischen dem hohlen Mantel 9 und dem Flansch 13 des Gehäuses 1 ist ein O-Ring angeordnet, um das Eindringen von Luft zu verhindern. Das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 weist an beiden Enden Elektrodenanschlüsse 6 auf, die mit den Stromzuleitungskabeln 7 verbunden sind.
Wenn ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper auf diese Weise als Substrat für ein scheibenförmiges Keramikheizelement eingesetzt wird, wird vorzugsweise ein Sinterhilfsmittel zugesetzt, um das homogene Erhitzen der Halbleiterwafers zu verbessern. In diesem Fall sollte die Zugabe eines Alkalimetalls, eines Erdalkalimetalls oder eines Schwermetalls vorzugsweise so weit wie möglich vermieden werden, um die Verunreinigung der Halbleiter zu minimieren. Konkret werden Al₂O₃, Si und C etc. heutzutage bereits in Halbleiterproduktionsvorrichtungen eingesetzt und verursachen keine Probleme. Diese Elemente haben jedoch den Nachteil, dass sie die Wärmeleitfähigkeit der Halbleiterwafers senken, so dass Oxide von Seltenerdmetallelementen, Ni-Verbindungen, Fluoride von Seltenerdmetallelementen und Fluoride vorzugsweise, und besonders bevorzugt Y₂O₃ und Yb₂O₃ und AlF₃, als Sinterhilfsmittel eingesetzt werden.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wird ein Suszeptor für das Erhitzen von Wafers beschrieben, der auf einer wärmeerzeugenden Oberfläche eines scheibenförmigen Keramikheizelements bereitgestellt ist.
In 2 wird ein scheibenförmiges Keramikheizelement mit einem Suszeptor für das Erhitzen der Wafers in Querschnittsansicht dargestellt, wobei das Keramikheizelement an einem Flanschteil einer thermischen CVD-Vorrichtung angebracht ist, und 3 ist eine Querschnittsansicht davon, die entlang der Linie III-III vorgenommen wurde.
Ein Flanschteil 14 wird an einem Gehäuse (nicht dargestellt) einer thermischen CVD-Vorrichtung zur Herstellung von Halbleitern angebracht, um eine Decke des Gehäuses zu bilden. Der Flanschteil 14 und das nicht dargestellte Gehäuse sind durch einen dazwischen angeordneten O-Ring gasdicht voneinander abgeschlossen. Der Flanschteil 14 weist eine lösbare obere Platte 15, die an der Oberseite desselben angebracht ist und ein rundes Durchgangsloch 14a des Flanschteils 14 bedeckt, und eine daran angebrachte Kaltwasserummantelung 11 auf.
Der Flanschteil 14 weist an seiner Unterseite eine ringförmige Verkleidungshalterung 8A aus Graphit etc. auf, die daran durch einen wärmeisolierenden Ring 16A befestigt ist. Die Verkleidungshalterung 8A und der Flanschteil 14 stehen nicht direkt in Kontakt miteinander, sondern es besteht ein kleiner Spalt zwischen diesen. Die Ver kleidungshalterung 8A weist auf ihrer Unterseite eine im Wesentlichen ringförmige Verkleidung 8B aus Graphit etc. auf, die daran durch einen wärmeisolierenden Ring 16B befestigt ist. Die Verkleidung 8B und die Verkleidungshalterung 8A stehen nicht direkt in Kontakt miteinander, sondern es besteht ein kleiner Spalt zwischen diesen.
Ein scheibenförmiges Substrat 4A aus einem dichten Keramikmaterial weist in seinem Inneren ein wärmeerzeugendes Widerstandselement 5 auf, das darin spiralförmig angeordnet ist, um ein scheibenförmiges Keramikheizelement 2A zu bilden. Das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 ist an beiden Enden jeweils mit einem Elektrodenanschluss 6 verbunden. Die Elektrodenanschlüsse 6 sind in dem scheibenförmigen Substrat 4A so eingebettet, dass ihre Oberflächen an der Hinterseite des scheibenförmigen Substrats 4A frei liegen. Das Paar von Elektrodenanschlüssen 6 ist jeweils mit einem stabförmigen Elektrodenelement 20 verbunden und ein Ende des Elektrodenelements 20 ist jeweils mit einem Zuleitungsdraht verbunden.
Ein hohler Mantel 9 aus Molybdän etc. weist ein Thermoelement 10 auf, in das ein Edelstahlmantel eingebettet ist, wobei ein schmales Ende des hohlen Mantels 9 mit der Hinterseite des scheibenförmigen Substrats 4A verbunden ist. Der hohle Mantel 9 und ein Paar von Elektrodenelementen 20 treten jeweils durch eine Deckplatte 15 des Gehäuses hindurch und deren Enden stehen aus dem Gehäuse hinaus. Das Paar von Elektrodenelementen 20 und der hohle Mantel 9 sind durch einen O-Ring von der Deckplatte 15 gasdicht abgeschlossen.
Das scheibenförmige Heizelement 2A weist an seiner Hintenumfangsseite einen ringförmigen, hervorstehenden Teil 4A auf, und die Verkleidung 8B weist an ihrer unteren Innenumfangsseite einen ringförmigen, hervorstehenden Trägerteil 8a auf. Das scheibenförmige Heizelement 2A und die Verkleidung 8B sind so angeordnet, dass zwischen diesen ein Spalt besteht, so dass sie einander nicht kontaktieren. Säulenförmige Zwischenstifte 17, beispielsweise 4 Stück, sind zwischen der Innenumfangsseite der Verkleidung 8B und der Umfangsseite des Keramikheizelements 2A angeordnet, und ein Ende der Zwischenstifte 17 ist auf dem Trägerteil 8a durch ein Gewinde, Verbinden, Anpassen oder Koppeln etc. befestigt, und das andere Ende der Stifte 17 trägt den herausragenden Teil 4a, wodurch das Keramikheizelement 2A wärmeisoliert und befestigt wird.
Ein scheibenförmiger Suszeptor 18 für das Erhitzen von Halbleiterwafers wird auf der Unterseite der Verkleidung 8B und einer wärmeerzeugenden Fläche 3 des scheibenförmigen Keramikheizelements 2A befestigt, so dass er mit diesen in engem Kontakt steht. Der Suszeptor 18 für das Erhitzen von Wafers weist an der Unterseite für das Erhitzen der Wafers eine Fläche 19 für das Anbringen der Wafers. Die Fläche für das Anbringen der Wafers weist an ihrer Unterseite eine Vertiefung 18a auf, die eine ähnliche Form aufweist wie die flache Form der Halbleiterwafers.
In dieser Vorrichtung wird zumindest der Suszeptor 18 für das Erhitzen der Wafers aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper hergestellt. In diesem Fall trifft ein Reinigungsgas, wie z.B. ClF₃ oder NF₃ etc., auf den Suszeptor 18 für das Erhitzen der Wafers auf und nicht direkt auf die Heizfläche des Keramikheizelements 2A, so dass das scheibenförmige Substrat 4A aus einem anderen gasdichten Keramikmaterial hoher Dichte als Aluminiumnitrid hergestellt werden kann. In diesem Fall besteht das scheibenförmige Substrat 4A vorzugsweise aus einem gesinterten Siliciumnitrid, das eine hohe thermische Schockbeständigkeit aufweist.
Beispiel 3
Ein Suszeptor für das Erhitzen der Wafers in einem Infrarotstrahlungsheizsystem kann aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper, wie in Beispiel 2 beschrieben, bestehen. In diesem Heizsystem ist eine Infrarotstrahlungslampe an der Außenseite des Gehäuses der thermischen CVD-Vorrichtung angeordnet, und ein Fenster für das Durchtreten der Infrarotstrahlung ist an der Außenwand des Gehäuses bereitgestellt, und eine Infrarotstrahlung wird abgegeben und trifft auf den Suszeptor für das Erhitzen der Wafers durch das Fenster hindurch auf, um die Halbleiterwafers, die auf der Oberfläche des Suszeptors angeordnet sind, zu erhitzen.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wird eine elektrostatische Spannvorrichtung beschrieben, die mit einem Keramikheizelement zum Adsorbieren und Erwärmen von Halbleiter-Wafern einstückig ausgebildet ist. Die elektrostatische Spannvorrichtung mit dem Heizelement wurde durch die Erfinder getrennt entwickelt und wird in einer Querschnittansicht in 4 schematisch dargestellt.
In ein scheibenförmiges Substrat 22 ist im Inneren ein wärmeerzeugendes Widerstandselement 5 beispielsweise in einer spiralförmig gewundenen Form eingebettet. Das wärmeerzeugende Element 5 weist an beiden Enden einen Elektrodenanschluss 6 auf, der jeweils damit verbunden und daran befestigt ist, und eine Endfläche des Elektrodenanschlusses 6 ist jeweils mit einem Stromzuleitungskabel 30 verbunden. Ein Paar von Stromzuleitungskabeln 30 ist jeweils mit einer Heizstromquelle 29 verbunden und kann das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 durch die Betätigung eines nicht dargestellten Schalters erhitzen. Das scheibenförmige Substrat 22 weist einander gegenüberliegende Hauptflächen 22a und 22b auf. Die Bezeichnung "Hauptflächen" bezieht sich, wie hierin verwendet, auf Flächen, die bezogen auf die anderen Flächen breiter sind.
Das scheibenförmige Substrat 22 weist eine filmförmige Innenelektrode 23 auf, die beispielsweise rund entlang einer der Hauptflächen 22a ausgebildet ist. Die eine Hauptfläche 22a weist eine dielektrische Schicht 21 auf, die einstückig darauf ausgebildet ist, um die filmförmige Innenelektrode 23 zu bedecken. Durch diese Anordnung wird die filmförmige Innenelektrode 23 zwischen dem scheibenförmigen Substrat 22 und der dielektrischen Schicht 21 aufgenommen. Wenn die filmförmige Innenelektrode 23 eine perforierte Form aufweist, wie z.B. aus Stanzmetall, kann sie dem Substrat 22 der dielektrischen Schicht 21 eine verbesserte Kohärenz verleihen. Im Inneren des scheibenförmigen Substrats 22 ist ein Elektrodenanschluss 24 eingebettet, und ein Ende des Elektrodenanschlusses 24 ist mit der filmförmigen Innenelektrode 23 verbunden, und das andere Ende des Elektrodenanschlusses 24 ist mit einem Stromzuleitungskabel 25A verbunden. Das Stromzuleitungskabel 25A ist mit der positiven Elektrode einer Spannungsquelle 27 der elektrostatischen Spannvorrichtung verbunden, und die negative Elektrode der Spannungsquelle 27 ist mit einer Erdungsleitung 25B verbunden.
Wenn ein Wafer W wärmebehandelt wird, wird der Wafer W auf einer Fläche 21a für das Anbringen der Wafers der dielektrischen Schicht 21 angeordnet und die Erdungsleitung 25B wird mit dem Wafer W kontaktiert. Die filmförmige Innenelektrode 23 wird mit einer positiven Ladung angereichert, um die dielektrische Schicht 21 zu polarisieren, um der Fläche 21a für das Anbringen der Wafers der dielektrischen Schicht 21 eine positive Ladung zu verleihen. Gleichzeitig wird der Wafer W mit einer negativen Ladung angereichert, so dass der Wafer W auf der Fläche 21a durch die Coulombsche Anziehungskraft zwischen der dielektrischen Schicht 21 und dem Wafer W adsorbiert wird. Gleichzeitig wird das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 aktiviert, um die Fläche 21a für das Anbringen der Wafers auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen.
Gemäß einer solchen mit einem Heizelement ausgestatteten, elektrostatischen Spannrichtung kann der Wafer W durch das Erhitzen der Fläche 21a für das Anbringen der Wafers erhitzt werden, während der Wafer W auf der Fläche 21a für das Anbringen der Wafers durch die Coulombsche Anziehungskraft gleichzeitig adsorbiert und angezogen wird. Deshalb kann der Wafer W, insbesondere in einem starken oder mittleren Vakuum, schnell auf der gesamten Oberfläche des Wafers W die Heiztemperatur annehmen, wodurch ein einheitliches Erhitzen ermöglicht wird, indem der Spalt zwischen dem Wafer W und der Fläche 21a für das Anbringen der Wafers minimiert wird. In einem solchen Fall kann außerdem die Zeit, die für das Stabilisieren einer erforderlichen Wafer-Heizemperatur nach dem Anbringen des Wafers auf der Fläche 21a für das Anbringen der Wafers erforderlich ist, minimiert werden, so dass die Produktionseffizienz und der Durchgang des Halbleiters verbessert werden können.
Außerdem kann durch das Herstellen der dielektrischen Schicht 21 und des scheibenförmigen Substrats 22 aus Aluminiumnitrid-Sinterkörpern die Korrosion der elektrostatischen Spannvorrichtung wie oben beschrieben verhindert werden, auch wenn diese in einem Zustand, in dem das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 Wärme erzeugt, einem Reinigungsgas ausgesetzt wird.
Beispiel 5
In diesem Beispiel wird eine sogenannte elektrostatische Spannvorrichtung beschrieben, die einen Halbleiterwafer im Inneren einer thermischen CVD-Vorrichtung etc. hält.
In 5 ist eine elektrostatische Spannvorrichtung in einer schematischen Querschnittansicht dargestellt.
Eine elektrostatische Spannvorrichtung wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 4 dargestellt.
Dann wird ein Halbleiterwafer auf einer Fläche für das Anbringen der Wafers der dielektrischen Schicht 21 der elektrostatischen Spannvorrichtung platziert und befestigt.
Die Fläche für das Anbringen der Wafers ist in 5 und in 6 in einer vergrößerten Teildraufsicht dargestellt.
Vorsprünge 28, die in der Draufsicht eine im Wesentlichen quadratische Form aufweisen, sind auf der Fläche für das Anbringen der Wafers in horizontaler und lateraler Richtung in vorbestimmtem Abstand gitterartig ausgebildet, und in den Bereichen zwischen den Vorsprüngen 28 sind Vertiefungen 26 ausgebildet. Durch das Bereitstellen der Vertiefungen 26 kann eine Restadsorbierleistung der Fläche für das Anbringen der Wafers, die nach dem Deaktivieren der elektrostatischen Spannvorrichtung zurückbleibt, gesenkt werden und das Antwort-Verhalten der Fläche für das Anbringen der Wafers zu dem Zeitpunkt, zu dem die Temperatur des Halbleiterwafers W erhöht wird, kann gesteigert werden.
Ein Schiebestift für das Fixieren des Halbleiterwafers, ein hohles Mantelröhrchen, das ein Thermoelement in seinem Inneren aufnimmt, eine Gaszufuhrdüse und eine Gasauslassöffnung für Halbleiter in einer CVD- oder PVD-Vorrichtung und die Innenwand des Gehäuses (der Kammer) einer CVD- oder PVD-Vorrichtung können jeweils aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper hergestellt werden.
Beispiel 6
In diesem Beispiel werden die Ergebnisse von Experimenten konkret erläutert.
Jede Probe, wie in der nachstehenden Tabelle 2 angeführt, wurde jeweils in einem Reaktionsgefäß eingeschlossen und luftgereinigt von 1,0 × 10⁵ Pa bis 65 Pa (760 Torr bis 5 × 10^-1 Torr). Danach wurde die Luft 3 Mal bei einem Druck zwischen 65 Pa und 6,5 × 10⁴ Pa (zwischen 5 × 10^-1 Torr und 500 Torr) durch N₂-Gas substituiert, und dann wurde ClF₃-Gas zur Erhöhung des Reaktionsgefäßdrucks von 65 Pa auf 2,7 × 10⁴ Pa (5 × 10^-1 Torr auf 200 Torr) eingeleitet. Das Gas bestand zu 100 % aus ClF₃ und wurde in das Gefäß in einer Geschwindigkeit von 100 sccm eingeleitet. Danach wurde eine ClF₃-Gasreinigung durchgeführt, um den Reaktionsgefäßdruck von 2,7 × 10⁴ Pa auf 65 Pa (200 Torr auf 5 × 10^-1 Torr) zu senken, und bei einem Druck zwischen 65 Pa und 6,5 × 10⁴ Pa (zwischen 5 × 10^-1 Pa und 500 Pa) wurde 3 Mal eine N₂-Gas-Substitution durchgeführt. Danach wurde die Probe aus dem Reaktionsgefäß entnommen.
Die Temperatur in dem Reaktionsgefäß betrug 241 °C bei Durchlauf 1, 437 °C bei Durchlauf 2 und 591 °C bei Durchlauf 3. Jede Probe wurde vor und nach der Reaktion gewogen und die Veränderung des Oberflächenzustands der Proben wurden, nachdem sie ClF₃ ausgesetzt worden waren, ohne Hilfsmittel, durch REM und EDAX betrachtet. Die Gewichtsveränderungsrate wurde anhand der folgenden Formel berechnet:
Die Ergebnisse sind in der untenstehenden Tabelle 2 angeführt.
Wie aus den in der obenstehenden Tabelle 2 angeführten Ergebnissen hervorgeht, weist der Aluminiumnitrid-Sinterkörper eine erstaunlich hohe Korrosionsbeständigkeit in Bezug auf ClF₃-Gas auf, und es wurden keine Teilchen gebildet, die Mängel des Halbleiters hervorrufen können. In dieser Hinsicht ist ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper als Substrat für ein Hochtemperaturelement für Halbleiterproduktionsvorrichtungen herausragend wirksam.
Von den Ergebnissen der Korrosionsbeständigkeitstests von α-SiC und dem Aluminiumnitrid-Sinterkörper werden die Ergebnisse von REM-Fotografie und EDAX speziell in 7-14 angeführt, wobei die Proben Nr. 2-3 und 4-3 als typische Beispiele herangezogen werden.
REM-Fotos von Probe Nr. 4-3 vor und nach (*2 in Tabelle 2) dem Korrosionstest werden in 7 und 8 gezeigt. AlN-Körner in 8 wiesen eine rundere Form auf als die in 7 und wiesen ein Reaktionsprodukt auf der Oberfläche auf. Das Reaktionsprodukt wurde durch die Ergebnisse der später beschriebenen Analyse als Aluminiumtrifluorid identifiziert. Es wird angenommen, dass das auf der Oberfläche der AlN-Körner ausgebildete Aluminiumtrifluorid als Schranke dient, um ein weiteres Fortschreiten der Korrosion zu verhindern. Das sind neue Erkenntnisse, die durch die Erfinder gewonnen wurden, und die Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumnitrid in Bezug auf ein korrosives Gas der Halogenserie mikrostrukturell darstellen.
Ein EDAX-Diagramm des Ausgangszustands von Probe Nr. 4-3 wird in 9 dargestellt, und ein EDAX-Diagramm der Probe Nr. 4-3 nach dem Korrosionstest wird in 10 dargestellt. Es geht hervor, dass kein signifikanter Unterschied vorliegt.
Ein REM-Foto von Probe Nr. 3-2 vor dem Korrosionstest wird in 11 dargestellt, wobei ein glatter Oberflächenzustand mit äußerst wenigen Wellen deutlich erkennbar ist. Ein REM-Foto derselben Probe nach dem Korrosionstest (*1 in Tabelle 2) ist in 12 dargestellt. Es ist erkennbar, dass das SiC an sich durch ClF₃ vollständig korrodiert wurde und verdampft war, so dass durch den Korrosionstest eine poröse Mikrostruktur entstand.
Ein EDAX-Diagramm von Probe Nr. 2-3 im Ausgangszustand ist in 13 dargestellt, und ein EDAX-Diagramm von Probe Nr. 2-4 nach dem Korrosionstest ist in 14 dargestellt. Es ist erkennbar, dass der Silicium-Peak deutlich gesenkt wurde, was das Fortschreiten der Korrosion zeigt.
Ein Röntgenbeugungsdiagramm von Probe Nr. 4-3 ist in 15 dargestellt, wobei die Ordinate die Stärke des Peaks anzeigt und die Abszisse den Beugungswinkel (2θ) darstellt. In 15 handelt es sich bei Diagramm X um ein Röntgenbeugungsdiagramm des Ausgangszustands von Probe Nr. 4-3 vor dem Korrosionstest und bei Diagramm Y um ein Röntgenbeugungsdiagramm derselben Probe nach dem Korrosionstest. Peak Z1 bei einem Beugungswinkel 2θ von etwa 33°, Peak Z2 bei einem Beugungswinkel 2θ von etwa 36°, Peak Z3 bei einem Beugungswinkel 2θ von etwa 38° sind Peaks von AlN (hexagonal). Im Allgemeinen ist AlF₃ dafür bekannt, dass es einen Beugungswinkel 2θ bei 25,3° aufweist. Durch den Vergleich der Beugungsdiagramme X und Y vor und nach dem Korrosionstest ist ein AlF₃-Peak bei 25,3° in dem Beugungsdiagramm Y nach dem Korrosionstest deutlich erkennbar.
Ein EPMA-Diagramm von Probe 4-3 nach dem Korrosionstest ist in 16 dargestellt, wobei die Ordinate für die Peak-Stärke und die Abszisse für die Wellenlänge steht. Der Nachweispunkt für F(κα) liegt bei einer Wellenlänge von 1,832 nm (18,32 Å). Durch das Ergebnis der EPMA-Analyse wurde das Vorhandensein eines F-Peaks nachgewiesen, was selbstverständlich auf das Vorhandensein der zuvor genannten AlF₃-Verbindung hindeutet.
Beispiel 7
In diesem Beispiel werden Experimente in Bezug auf korrosionsbeständige Metalle etc. erläutert.
Zu den Metallmaterialien die eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen gehören Nickel, Monel, Edelstahl und Aluminium etc. Deren Verwendung ist jedoch auf maximal etwa 300 °C eingeschränkt, und, wie oben beschrieben, ist eine beträchtliche Zeit für die Steigerung ihrer Temperatur erforderlich, wenn sie als Heizelemente für das Erhitzen von Halbleiterwafers eingesetzt werden. Wenn ein Keramikmaterial als ein solches äußerst korrosionsbeständiges Material einzusetzen ist, wies Aluminiumoxid aufgrund desselben Mechanismus wie der Aluminiumnitrid-Sinterkörper eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, jedoch war es nicht für Hochtemperaturelemente, wie z.B. Heizelemente etc., geeignet, da es eine geringe thermische Schockbeständigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Beispiel 8
In diesem Beispiel wird ein Filmbildungsexperiment unter Einsatz von WSi_x erläutert.
Wenn ein Film aus WSi_x gebildet wird, werden WF₆ und SiH₂Cl₂ als Abscheidungsgase eingesetzt. In diesem Fall verursacht Cl in dem SiH₂Cl₂-Gas das Ätzen von verschiedenen Elementen im Verlauf des Abscheidungsverfahrens. Bei dem Reinigungsverfahren nach der Filmbildung wird NF₃-Plasma als Reinigungsgas eingesetzt und F in NF₃ verursacht das Ätzen von verschiedenen Elementen durch radikalische Reaktionen. Wenn ein korrosionsbeständiges Element aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper für die Bildung eines WSi_x Films auf einem Si-Wafer herangezogen wird, bildeten sich keine Teilchen und es kam nicht zu Verunreinigungen, die Halbleitermängel hervorgerufen hätten.
Beispiel 9
In diesem Beispiel wird die Bewertung der Korrosionsbeständigkeit in Bezug auf NF₃-Gas erläutert.
Proben A, B, C, D und E wurden, wie in der untenstehenden Tabelle 3 dargestellt, erzeugt und NF₃-Gasplasma ausgesetzt, um Korrosionsbeständigkeitstests durchzuführen.
Bei Probe A handelte es sich um eine flache Siliciumnitrid-Sinterkörper-Platte mit einer Länge von 10 mm, einer Breite von 10 mm und einer Dicke von 2 mm. Bei Probe B handelte es sich um eine Siliciumnitrid-Sinterkörper-Scheibe mit einem Durchmes ser von 50 mm und einer Dicke von 1 mm. Bei den Proben C und D handelte es sich um Aluminiumnitrid, wobei Ytterbiumoxid als Sinterhilfsmittel eingesetzt wurde. Bei Probe E handelte es sich um Aluminiumnitrid, wobei Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel eingesetzt wurde. Bei Probe C handelte es sich um eine flache Platte mit einer Länge von 10 mm, einer Breite von 10 mm und einer Dicke von 2 mm. Bei Proben D und E handelte es sich um flache Platten mit einer Länge von 10 mm, einer Breite von 10 mm und einer Dicke von 1 mm. Ein Gas einer in Tabelle 3 angeführten Art wurde mit einer in Tabelle 3 angeführten Durchflussgeschwindigkeit über die Proben geleitet, und es wurde Hochfrequenzspannung angelegt, um einen Plasmazustand zu erzeugen und die entsprechenden Proben 15 oder 60 min lang zu ätzen. Die Temperatur war Raumtemperatur für Proben A, B, D und E und wurde für Probe C von 680 °C auf 220 °C gesenkt.
Die Proben A, B, D und E wurden in Bezug auf Gewichtsveränderung und Ätzrate vor und nach dem Experiment untersucht. Der Oberflächenzustand der Proben nach der Ätzbehandlung wurde ohne Hilfsmittel, mittels EDAX und Röntgenbeugung untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angeführt. Ein durch ein Rasterelektronenmikroskop aufgenommenes Foto der Oberfläche von Probe A und E ist in 17 und 18 angeführt.
Wie aus der obenstehenden Tabelle 3 hervorgeht, weisen die Proben A und B aus Siliciumnitrid eine große Gewichtsveränderung und eine hohe Ätzrate sowie die Bildung von Teilchen auf deren Oberfläche auf. In dem EDAX-Diagramm ging der Silicium-Peak außerdem merklich zurück, was auf das Fortschreiten der Korrosion hindeutet. Ein mittels REM aufgenommenes Foto von Probe A zeigte die Korrosion von Si₃N₄ an sich.
Die Proben C, D und E aus Aluminiumnitrid wiesen keine Korrosion auf. In dem EDAX-Diagramm vor und nach dem Experiment war keine Veränderung sichtbar. In einem mittels REM aufgenommenen Foto erschien die Probe E als ob sich ein Fluorid von Aluminium auf der Oberfläche ausgebildet hätte.
Wie oben beschrieben können unter Einsatz eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers als Substrat eines korrosionsbeständigen Elements, das einem korrosiven Gas der Halogenserie auszusetzen ist, korrosionsbeständige Keramikelemente mit einer herausragend hohen Korrosionsbeständigkeit in einem großen Temperaturbereich bereitgestellt werden.
Beispiel 10
In diesem Beispiel wird ein bevorzugtes Keramikheizelement beschrieben.
Zunächst wird die gesamte Struktur des Keramikheizelements beschrieben.
In 24 ist ein Keramikheizelement in Querschnittansicht dargestellt, das an einer thermischen CVD-Vorrichtung angebracht ist, wobei Bezugszahl 1 ein Gehäuse bezeichnet, das bei CVD für die Produktion von Halbleitern eingesetzt wird, Bezugszahl 2 ein scheibenförmiges Keramikheizelement für das Erhitzen der an einer Innenverkleidung 8 des Gehäuses oder der Kammer 1 angebrachten Wafers bezeichnet und eine Oberfläche 16 für das Erhitzen der Wafers eine verstellbare Größe von 10-20 cm (4-8 Zoll) aufweist, wobei die Wafer darauf platziert werden kann.
In das Gehäuse 1 wird ein Gas für thermische CVD durch ein Gaseinströmloch 1a eingeleitet und aus einem Saugloch 1b mittels einer Vakuumpumpe evakuiert. Das scheibenförmige Keramikheizelement 2 besteht aus einem gasdichten scheibenförmigen Substrat hoher Dichte 4, in das ein wärmeerzeugendes Widerstandselement 5 spiralförmig eingebettet ist.
Bezugszahl 13 bezeichnet einen Flansch mit einer wassergekühlten Ummantelung 11, der die Oberfläche einer Verkleidung 8 bedeckt. Der Flansch 13 ist von der Seitenwand des Gehäuses 1 durch einen O-Ring 12 abgeschlossen, wobei er die Deckplatte des Gehäuses 1 bildet. Bezugszahl 9 bezeichnet einen hohlen Mantel, der durch die Wand des Flanschs 13 des Gehäuses 1 in das Innere des Gehäuses 1 durchdringt und mit dem Keramikheizelement 2 verbunden ist. Der hohle Mantel 9 weist in seinem Inneren ein Thermoelement 10 auf, wobei ein Edelstahlmantel darin eingeführt ist. Zwischen dem hohlen Mantel 9 und dem Flansch 13 des Gehäuses 1 ist ein O-Ring angeordnet, um das Eindringen von Luft zu verhindern.
Das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 ist an seinen Enden mit blockförmigen Anschlüssen 31 verbunden, die mit Anschlüssen 36, die an den Enden eines Stromzuleitungskabels 7 bereitgestellt sind, (auf eine später beschriebene Weise) verbunden sind. Strom wird dem wärmeerzeugenden Element 5 durch das Kabel 7 von außen zugeführt, um das scheibenförmige Keramikheizelement 2 auf eine Temperatur von beispielsweise maximal 1.100 °C zu erhitzen.
Beispiel 11
Nun wird die Struktur des blockförmigen Anschlusses 31 unter Bezugnahme auf 19-23 erläutert.
Der blockförmige Anschluss 31 und das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 wurden miteinander durch sogenanntes Dichtschweißen verbunden oder druckkontaktiert.
Zunächst wurden blockförmige Anschlüsse 31, wie in 21 und 22 dargestellt, hergestellt, wobei sie aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt erzeugt wurden und aus einem säulenförmigen Element 31a und einem zylinderförmigen, druckkontaktierten Teil 31b bestanden.
Die Endabschnitte 5a des wärmeerzeugenden Widerstandselements 5 wurden in den Raum 32 des zylinderförmigen, druckkontaktierten Teils 31b eingeführt und dann wurde ein externer Druck auf den zylinderförmigen, druckkontaktierten Teil 31b angelegt, um denselben in die Form zu bringen, die durch die unterbrochene Linie dargestellt ist, um die Endabschnitte 5a des wärmeerzeugenden Widerstandselements 5 zu fixieren. In dem Dichtschweißverfahren wurden die blockförmigen Anschlüsse 31 vorzugsweise unter einer Reduktionsgasatmosphäre auf eine hohe Temperatur von zumindest 800 °C erhitzt.
Dann wurden die blockförmigen Anschlüsse 31 in einem druckgeformten Keramikelement eingebettet, das dann gebrannt wurde, um das Keramiksubstrat 4 herzustellen. Die Hinterseite 37 des Substrats 4 wurde durch Abschleifen bearbeitet, um die Endflächen 35 der blockförmigen Anschlüsse 31 freizulegen. An den blockförmigen Anschlüssen 31 wurde ein Gewinde hergestellt, um sie mit einem Innengewinde 34 zu versehen. Alternativ dazu kann das Innengewinde 34 an den Anschlüssen 31 ausgebildet werden, bevor diese in dem druckgeformten Keramikelement eingebettet werden.
In dieser Phase befand sich der druckkontaktierte Teil 31b, wenn 21 entlang der Linie XIX-XIX betrachtet, in einem flachen, zusammengedrückten Zustand, wie in 19 dargestellt, und wenn 21 entlang der Linie XX-XX betrachtet wurde, befand er sich in einem verbreiterten Zustand, wie in 20 dargestellt. Die Endabschnitte 5a des wärmeerzeugenden Widerstandselements 5 und der druckkontaktierte Teil 31b wurden durch eine sogenannte Dichtschweißstruktur verbunden. Die Innengewinde 24 griffen mit Außengewinden 36a der Anschlüsse 36 des Stromzuleitungskabels 7 ineinander.
Die blockförmigen Anschlüsse 31 bestanden aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (nachstehend als "WAK" bezeichnet), der größer ist als der WAK des Keramiksubstrats 4.
Als Material für das Keramiksubstrat 4 wurde ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper eingesetzt.

Der WAK von Aluminiumnitrid und Metalle mit hohem Schmelzpunkt, die für den blockförmigen Anschluss 31 und für das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 eingesetzt werden können, sind untenstehend angeführt.

Wolfram	4,35 × 10^-6/°C
Molybdän	5,20 × 10^-6/°C
Niobium	7,31 × 10^-6/°C
Tantal	6,5 × 10^-6/°C
Rhenium	6,70 × 10^-6/°C
Rhodium	8,30 × 10^-6/°C
Iridium	6,8 × 10^-6/°C
Osmium	4,6 × 10^-6/°C
Aluminiumnitrid	4,50 × 10^-6/°C

Unter Einsatz des Keramikheizelements aus dem Beispiel können die Probleme nach dem Stand der Technik in Bezug auf die Verunreinigung wie in metallischen Heizelementen und die Verschlechterung der Wärmeeffizienz wie in indirekten Heizsystemen gelöst werden.
In Heizelementen etc. aus Siliciumnitrid für Glühkerzen, wie in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 60-30.611 offenbart, wird der Elektrodenabschnitt in Luft mit nicht mehr als 500 °C angeordnet und die Anschlüsse des wärmeerzeugenden Widerstandsdrahts werden durch ein Silberlot mit den Kabeln der Elektroden verbunden, um sie elektrisch miteinander zu verbinden. Wenngleich der Heizabschnitt demnach eine hohe Temperatur aufwies, konnte der Elektrodenab schnitt des Heizelements außerhalb des Gehäuses angeordnet werden, wo die Temperatur gering war.
Dieselbe Wirkung wie oben beschrieben kann jedoch auch in Keramikheizelementen erzielt werden, die ein wärmeerzeugendes Widerstandselement aufweisen, wie in diesem Beispiel, da das wärmeerzeugende Widerstandselement in ein Keramikpulver gelegt, in diesem druckgeformt und gebrannt werden muss und somit muss in diesem Beispiel für das Druckformen eine einfache Form, wie z.B. Scheibe oder Platte etc., für das druckgeformte Element gewählt werden. Außerdem weist das gebrannte Element nach dem Brennen eine Brennschicht mit veränderter Zusammensetzung auf, die als "schwarze Haut" bezeichnet wird und durch Bearbeitung entfernt werden muss. In einem solchen Fall ist das Abschleifen mit einem Diamantschleifstein erforderlich und die Schleifkosten steigen, wenn das gebrannte, druckgeformte Element eine komplizierte Form aufweist. Demnach sollten die Keramikheizelemente mit einem darin eingebetteten, wärmeerzeugenden Widerstandselement in Hinblick auf die Schwierigkeit der Produktion, wie in diesem Beispiel, in einer einfachen Form produziert werden, wie z.B. in Form einer Scheibe oder Platte etc. Indem das gesamte Keramikheizelement aufgrund des oben genannten Grundes in dem Gehäuse 1 der thermischen CVD-Vorrichtung angeordnet wird, wird der Elektrodenabschnitt des Keramikheizelements ebenfalls in dem Gehäuse 1 angeordnet.
Gewöhnlicherweise werden in Halbleiterproduktionsvorrichtungen verschiedene korrosive Gase eingesetzt, weshalb es nicht zu vermeiden ist, dass ein korrosives Gas hinter die Hinterseite 37 des Heizelements eindringt. Der Verbindungsabschnitt zwischen dem blockförmigen Anschluss 31 und dem Anschluss 36 wird ebenfalls wiederholt einer Temperatursteigerung und -senkung ausgesetzt. Unter solchen strengen Bedingungen kommt es zu einem schnellen Verfall der Verbindungsabschnitte, wenn eine gewöhnliche Lötverbindung für die Verbindung eingesetzt wird. In Anbetracht dieses Punktes wurden der säulenförmige, blockförmige Anschluss 31 und der säulenförmige Anschluss 26 in diesem Beispiel durch das Ineinandergreifen von Gewinden verbunden, so dass ein Verfall der Verbindungsabschnitte aufgrund von Hitze und korrosivem Gas verhindert werden konnte, um die Verlässlichkeit und die Lebensdauer des Heizelements zu steigern.
In diesem Fall ist die Verwendung der blockförmigen (in dieser Ausführungsform säulenförmigen) Anschlüsse anstelle von drahtförmigen Anschlüssen wie bei früheren Heizelementen, z.B. Heizelementen für das Erhitzen von Glühkerzen, von großer Bedeutung. Durch das Bereitstellen der blockförmigen Anschlüsse kann die freigelegte Endfläche 35 eine runde Form und eine große Oberfläche aufweisen und mit einem Innengewinde für die Verwendung als Anschluss versehen werden. Wenn beispielsweise in dieser Ausführungsform ein Gewindeverfahren eingesetzt wird, kann die freiliegende Endfläche 35 einen Durchmesser von z.B. 5 mm aufweisen und das säulenförmige Element 31a kann einen Durchmesser von z.B. 8 mm aufweisen. Der dichtgeschweißte Teil 31b kann vor dem Dichtschweißen eine dünnwandige, röhrenförmige Form aufweisen, beispielsweise mit einem Außendurchmesser von 3 mm, einem Innendurchmesser von 2 mm und einer Länge von 3 mm, und ist mit einem Widerstandsdraht aus Wolfram mit einem Durchmesser von z.B. 0,4 mm verbunden. Durch die Verwendung von blockförmigen Anschlüssen konnte eine hitzebeständige und korrosionsbeständige Verbindung der Elektroden umgesetzt werden.
Beispiel 12
Es ist auch von wichtig, den blockförmigen Anschluss 31 aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt mit einem höheren WAK als der WAK des Keramiksubstrats 4 herzustellen. Die Gründe davor werden untenstehend erläutert.
Die Erfinder haben Keramikheizelemente, wie in 19-24 dargestellt, hergestellt. In diesem Fall wurde das Substrat 4 aus Aluminiumnitrid hergestellt und das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 war ein spiralförmig gewundener Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,4 mm. Der Körperanteil des blockförmigen Anschlusses 31 wurde aus Wolfram hergestellt und wies eine säulenförmige Form mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 8 mm auf. Wenn der blockförmige Anschluss 31 jedoch in einer gewünschten Position des druckgeformten Elements, das für das Keramiksubstrat 4 gedacht war, eingebettet war und das druckgeformte Ele ment gebrannt wurde, wurde festgestellt, dass während des Abkühlens des gebrannten, druckgeformten Elements Sprünge um den blockförmigen Anschluss 31 auftraten.
Insbesondere wenn der blockförmige Anschluss 31 in einer Querschnittsansicht in Längsrichtung betrachtet wurde, wurde festgestellt, dass sich Sprünge 39 in den Teilen gebildet hatten, wo der Umriss des blockförmigen Anschlusses 31, wie in 25 dargestellt, gebogen war. Wenn das Heizelement von der Hinterseite in Draufsicht betrachtet wurde, wurde festgestellt, dass sich die Sprünge 39 sich von dem Außenumfangsrand des blockförmigen Anschlusses 31, der in der Draufsicht rund ist, nach außen erstreckten. Die Bildung solcher Sprünge um das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 wurde jedoch nicht festgestellt.
Die Erfinder unternahmen deshalb weitere Untersuchungen und Experimente, um festzustellen, dass die Sprünge in dem blockförmigen Anschluss 31 nicht auftraten, wenn der WAK des Metalls mit hohem Schmelzpunkt, aus dem der blockförmige Anschluss bestand, höher als der WAK von Aluminiumnitrid war. Es wird angenommen, dass das daran liegt, dass eine Beziehung zwischen dem Ausmaß der thermischen Schwindung des Keramiksubstrats 4 und dem des blockförmigen Anschlusses 31 nach dem Brennen besteht.
Die Erfinder haben in Bezug auf den Grund dafür, dass um das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 keine Sprünge auftraten, weitere Untersuchungen und Studien angestellt. In der Folge haben die Erfinder festgestellt, dass kein Sprung auftritt, wenn das eingebettete säulenförmige Element einen Durchmesser von nicht mehr als 2,0 mm aufweist, auch wenn der WAK des Metalls mit hohem Schmelzpunkt, das den blockförmigen Anschluss 31 bildet geringer ist als der WAK von Aluminiumnitrid. Der Durchmesser des wärmeerzeugenden Widerstandselements 5 beträgt 0,4 mm in dem obenstehenden Beispiel und gewöhnlicherweise vorzugsweise 0,8 mm. Auf diese Weise entsteht kein Sprung um das wärmeerzeugende Widerstandselement 5, wenn das eingebettete säulenförmige Element einen Durchmesser von nicht mehr als 2,0 mm aufweist. Die Tatsache, dass die Größe des eingebetteten Elements ei nen Einfluss auf die Bildung von Sprüngen hat, war relativ überraschend und der Grund dafür konnte noch nicht ermittelt werden.
Die Erfinder untersuchten die Bildung von Sprüngen, wenn Anschlusselemente in verschiedenen Größen und aus verschiedenen Materialien in das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 eingebettet wurden. Die Ergebnisse der Experimente sind untenstehend angeführt.
Jedes Element, das in das wärmeerzeugende Widerstandselement einzubetten war, wies ein Material, eine Form und eine Größe auf, wie untenstehend angeführt, und wurde in einen druckgeformten Aluminiumnitrid-Sinterkörper, dem 5 Gew.-% Y₂O₃ zugesetzt worden waren, eingebettet, 2 h lang bei 1.900 °C gebrannt und abkühlen gelassen, um die Bildung von Sprüngen zu untersuchen. Tabelle 4
Bei den Proben Nr. 3-11 entsprechen die in der Größe-Spalte angeführten Werte den Größen des säulenförmigen Elements 31a in dem blockförmigen Anschluss 31.
In den oben angeführten Experimenten traten in den Beispielen Nr. 1, 3, 5, 7, 8, 10 und 11 keine Sprünge auf und es kam auch nicht zu unzureichender Haftung des eingebetteten Elements und des Aluminiumnitrids. In Probe Nr. 3 entstand ein winzi ger Sprung auf dem Substrat. Das liegt daran, dass das säulenförmige Element 31a einen Durchmesser von 3,0 mm aufwies, so dass der geringere WAK von Wolfram im Vergleich mit dem WAK des Keramiksubstrats einen negativen Einfluss hatte. In Probe Nr. 4 entstand ein Sprung. In den Proben Nr. 6 und 9, in denen Niobium bzw. Rhodium verwendet wurde, wurde eine unzureichende Haftung zwischen dem säulenförmigen Element und dem Keramiksubstrat deutlich.
Auch bei Probe Nr. 5 wurde bei Betrachtung durch ein Mikroskop ein gewisser Spalt zwischen dem säulenförmigen Element aus Molybdän und dem Aluminiumnitrid festgestellt. Als nächstes wurde demnach eine Legierung aus 20 % Molybdän und 80 Wolfram hergestellt, und die Legierung wurde zur Herstellung eines säulenförmigen Elements mit einer Länge von 8 mm und einem Durchmesser von 5,0 mm eingesetzt. Die Legierung wies einen linearen WAK von 4,95 × 10^-6/°C auf. In diesem Fall wurde zwischen dem säulenförmigen Element aus der Legierung und dem Aluminiumnitrid kein Spalt festgestellt.
Bei den Proben Nr. 6 und 9 kam es zum Bruch der Verbindung zwischen dem blockförmigen Anschluss 31 und dem damit verbundenen, spiralförmigen Draht (d.h. dem wärmeerzeugenden Widerstandselement). Wenn das säulenförmige Element andererseits aus der Legierung aus 20 % Molybdän und 80 % Wolfram ausgebildet wurde, kam es nicht zu unzureichender Haftung oder Bruch etc. der elektrischen Verbindung, auch wenn das säulenförmige Element einem Lebensdauertest mit 1.000 Durchläufen unterzogen wurde, wobei ein Durchlauf mit Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf 1.000 °C, dem einstündigen Halten der Temperatur auf diesem Wert und dem Absenken auf Raumtemperatur wiederholt wurde.
Die Metalle mit hohem Schmelzpunkt, die in der obenstehenden Tabelle 4 angeführt sind, können auch als Material für das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 eingesetzt werden. Auch wenn das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 aus Wolfram hergestellt wurde, bildeten sich jedoch keine Sprünge auf dem Keramiksubstrat 4, wenn das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 einen Durchmesser von nicht mehr als 2,0 mm aufwies. Deshalb wird das wärmeerzeugende Widerstands element 5 noch bevorzugter aus Wolfram hergestellt, wenn es einen Durchmesser innerhalb dieses Bereichs aufweist. Wenn das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 beispielsweise aus Molybdän hergestellt wird, besteht die Gefahr, dass Metallkörner in dem wärmeerzeugenden Widerstandselement 5 entstehen, wodurch dieses brüchig wird, was somit den Bruch der Verbindung zwischen dem wärmeerzeugenden Widerstandselement 5 und dem blockförmigen Anschluss verursachen kann.
Es ist ebenfalls wichtig, dass der blockförmige Anschluss 31 aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt mit einem WAK hergestellt wird, der höher ist als der WAK des Keramiksubstrats 4 ist. Die Gründe dafür werden untenstehend erläutert.
Untenstehend wird die vorteilhafte Wirkung der spezifischen Form des blockförmigen Anschlusses 31, der in den Vorrichtungen in 19-24 eingesetzt wird, erläutert.
Wie in den vorhergehenden Erläuterungen beschrieben, weist einer der blockförmigen Anschlüsse 31 einen höheren WAK als das Keramiksubstrat 4 auf. Deshalb ist das Ausmaß der Schwindung der blockförmigen Anschlüsse 31 größer als das des Keramiksubstrats 4. Es kommt deshalb manchmal zu einer Situation, in der ein Spalt zwischen dem Anschlusselement 31a und dem Keramiksubstrat 4 entsteht. Ein solcher Fall ist kaum problematisch, wenn die blockförmigen Anschlüsse 31 aus einer Mo-W-Legierung etc. bestehen. Es kann jedoch die Gefahr bestehen, dass die blockförmigen Anschlüsse 31 abfallen, wenn der Spalt zwischen dem Anschlusselement 31a und dem Keramiksubstrat 4 groß ist und der druckkontaktierte Teil 31b nicht bereitgestellt wird. In Hinblick auf diesen Punkt wird das Anschlusselement 31a durch den druckkontaktierten Teil 31b fix in dem Keramiksubstrat 4 befestigt, so dass nicht befürchtet werden muss, dass die blockförmigen Anschlüsse 31 abfallen.
Wenn der druckkontaktierte Teil 31b nicht bereitgestellt wird, entsteht ein Spalt zwischen dem Anschlusselement 31a und dem Keramiksubstrat 4, wie oben beschrieben, und die blockförmigen Anschlüsse 21 schwanken, wenn der WAK-Unterschied zwischen dem Anschlusselement 31a und dem Keramiksubstart 4 beträchtlich ist.
Das brüchige, wärmeerzeugende Widerstandselement 5 wird durch das Schwanken der blockförmigen Anschlüsse 31 mitgezogen, so dass die Gefahr besteht, dass das brüchige, wärmeerzeugende Widerstandselement 5 abbricht oder abgetrennt wird. Außerdem besteht die Gefahr, dass das korrosive Gas in der CVD-Vorrichtung durch den Spalt zwischen dem Anschlusselement 31a und dem Keramiksubstrat 4 eindringt und das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 direkt korrodiert. In einem solchen Fall wird die elektrische Leitfähigkeit zwischen den blockförmigen Anschlüssen 31 und dem wärmeerzeugenden Widerstandselement 5 mangelhaft.
In Hinblick auf diesen Aspekt ist es wichtig, dass eine druckkontaktierte Fläche 28 durch Schwindungsanpassung durch Brennen wie untenstehend erläutert zwischen den blockförmigen Anschlüssen 31 und dem Keramiksubstrat 4 in dem Bereich zwischen dem druckkontaktierten Teil 31b und dem Anschlusselement 31a ausgebildet wird.
In der Phase des Einbettens der blockförmigen Anschlüsse 31 in das druckgeformte Keramikelement, dringt das Keramikmaterial, das druckgeformt werden soll, auch zwischen den druckkontaktierten Teil 31b und das Anschlusselement 31a ein. Wenn das druckgeformte Element gebrannt wird, weisen die blockförmigen Anschlüsse 21 aus einem hitzebeständigen Metall in der Abkühlphase nach dem Brennen ein größeres Ausmaß an thermischer Schwindung auf als das Keramiksubstrat 4, so dass ein Komprimierungsdruck, der durch den Pfeil angedeutet wird, ausgeübt wird, um die druckkontaktierte Fläche 38 auszubilden. Die Erfinder bezeichnen ein solches Befestigungsverfahren hierin als "Brenndichtschweißen". Durch dieses Ausbilden der druckkontaktierten Fläche 38 durch Brenndichtschweißen wird verhindert, dass die blockförmigen Anschlüsse 31 schwanken.
Außerdem dringt das Keramikmaterial, das druckgeformt werden soll, auch in den Raum 32 in dem Dichtschweißteil 31b ein, so dass durch das Brenndichtschweißen auf dieselbe Weise wie oben beschrieben eine Dichtschweißfläche entsteht, wobei die Dichtschweißfläche das Anschlusselement 31a gasdicht von dem Keramiksubstrat 4 abschließt. Deshalb werden die Verbindungsteile 33 zwischen den blockför migen Anschlüssen 31 und dem wärmeerzeugenden Widerstandselement 5 nicht dem korrosiven Gas ausgesetzt, so dass die Verschlechterung und Mängel in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit an den Verbindungsteilen 33 verhindert werden kann.
Da das Ausmaß der thermischen Schwindung der blockförmigen Anschlüsse 31 größer ist als das des Keramiksubstrats 4 wird die Dichtschweißfläche, die durch das oben genannte Brenndichtschweißen erzeugt wird, außerdem immer unter dem Wärmezyklus gebildet, der als Heizelement bei einer Temperatur unter der Brenntemperatur eingesetzt wird, so dass die blockförmigen Anschlüsse 31 stabil in Bezug auf die Abkühl- und Erwärmungszyklen sind. Um das druckgeformte Keramikelement zu brennen, kann das Brennen bei atmosphärischem Druck erfolgen, wobei jedoch ein Heißpressverfahren oder ein isostatisches Heißpressverfahren vorzugsweise für das Eliminieren des Spalts zwischen den blockförmigen Anschlüssen 31 und dem druckgeformten Keramikelement eingesetzt werden sollte. Wenn das scheibenförmige Keramiksubstrat 4, wie in 19-24 dargestellt, durch Heißpressbrennen hergestellt wird, weisen die blockförmigen Anschlüsse vorzugsweise eine Länge von nicht mehr als ½ t auf, und die freigelegte Endfläche 35 weist einen Durchmesser von nicht mehr als ¼ t auf, wenn die Dicke des scheibenförmigen Keramiksubstrats 4 als t angenommen wird. Die freigelegten Endflächen 35 weisen vorzugsweise einen Durchmesser von nicht weniger als 4 mm auf, um eine mechanische Verbindung, wie z.B. mittels eines Gewindes etc., oder eine hitze- und korrosionsbeständige Verbindung, wie z.B. die später beschriebene Diffusionsverbindung etc., herzustellen.
In der in 19 dargestellten Anordnung erfolgte die Verbindung zwischen den blockförmigen Anschlüssen 31 und dem Anschluss 36 mittels eines Gewindes. Verbindungsmittel sind jedoch nicht ausschließlich auf Gewinde beschränkt, und es können verschiedene andere Verbindungsmittel eingesetzt werden, die in Bezug auf den Abkühl- und Erwärmungszyklus und das korrosive Gas stabil sind, wie z.B. folgende Verbindungsmittel.
Die Verbindungsmittel über eine Verbindungsschicht mit hohem Schmelzpunkt sehen wie folgt aus.

(1) Anordnen eines Pulvers eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt zwischen den blockförmigen Anschlüssen und den Anschlüssen an der Elektrodenkabelseite und Diffundieren des Pulvers zur Herstellung der Verbindung.
(2) Verbindung mittels eines Lötmetalls.
(3) Anordnen und Diffundieren einer Folie zur Herstellung der Verbindung.
(4) Ausbildung einer Auftragsschicht auf einer Endfläche der blockförmigen Anschlüsse oder einer Endfläche der Anschlüsse auf der Elektrodenkabelseite durch Plattieren, CVD, Schmelzsprühen etc. und Durchführen von Diffusionsverbindung oder Reibschweißen.
(5) Schweißen.
(6) Mechanische Verbindung. Als mechanisches Verbindungsmittel kommt folgendes in Frage: Anpassen, Dichtschweißen, Einbetten, Einführen oder mechanischer Federdruck unter Einsatz einer Feder oder einer elastischen Platte.

Die Form des Anschlusselements 31a der blockförmigen Anschlüsse 31 kann auf verschiedene Weise modifiziert werden und kann beispielsweise eine dreieckige Säule, eine elliptische Säule, eine viereckige Säule oder eine sechseckige Säule sein. Abgesehen von dem zuvor genannten Dichtschweißen kann das wärmeerzeugende Widerstandselement durch Wickeln oder Schweißen verbunden werden.
In den oben angeführten Beispielen ist das Keramikheizelement vorzugsweise scheibenförmig, um den scheibenförmigen Wafer einheitlich zu erhitzen, es kann jedoch eine andere Form aufweisen und beispielsweise viereckig oder sechseckig sein.
In den oben angeführten Beispielen wurde Aluminiumnitrid eingesetzt, dem ein Y₂O₃-Additiv zugesetzt wurde. Das Additiv kann verändert werden, um das Verhältnis des WAK des Aluminiumnitrids zu dem WAK der blockförmigen Anschlüsse so anzupassen, dass es der vorliegenden Erfindung entspricht.
Beispiel 13
In diesem Beispiel werden Halbleiterwafererhitzvorrichtungen mit anderen Formen und weiterhin bestehende Probleme erläutert.
In Halbleiterproduktionsvorrichtungen, die einen hochreinen Zustand erfordern, wird ein korrosives Gas, wie z.B. ein Gas der Chlorgruppe oder ein Gas der Fluorgruppe, als korrosives Gas, Ätzgas oder Reinigungsgas eingesetzt. Wenn ein herkömmliches Heizelement, in dem das wärmeerzeugende Widerstandselement mit einem Metall, wie z.B. Edelstahl oder Inconel etc., beschichtet ist, als Heizvorrichtung für das Erhitzen der Wafers in Kontakt mit dem korrosiven Gas eingesetzt wird, werden unerwünschte Chlorid-, Oxid- oder Fluoridteilchen etc. mit einem Durchmesser von mehreren μm auf der Oberfläche des Metalls gebildet, weil dieses dem korrosiven Gas ausgesetzt ist.
Deshalb wurde eine Wafererhitzvorrichtung mit einem indirekten Heizsystem entwickelt, worin eine Infrarotlampe außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, in dem der Wafer dem Abscheidungsgas etc. ausgesetzt wird, ein Fenster für das Durchtreten der Infrarotstrahlen an der Außenwand des Gehäuses bereitgestellt wird und ein Heizelement aus Graphit oder einem ähnlichen hitzebeständigen Material etc., das erhitzt werden soll, mit einem Infrarotstrahl bestrahlt, um den auf dem Heizelement angebrachten Wafer zu erhitzen. Jedoch besteht bei Vorrichtungen mit diesem Heizsystem das Problem, dass sie im Vergleich mit den Vorrichtungen mit indirekten Heizsystemen einen großen Wärmeverlust aufweisen, eine beträchtliche Dauer erforderlich ist, um die Temperatur zu erhöhen und das Durchtreten der Infrarotstrahlung aufgrund der Haftung des CVD-Films auf dem Infrarotstrahldurchtrittsfenster mit der Zeit verhindert wird, wodurch das Fenster beispielsweise mit der Zeit aufgrund der Wärmeabsorption überhitzt.
Beispiel 14
Um solche Probleme zu lösen, haben die Erfinder zuvor eine Heizvorrichtung entwickelt, die schematisch in 27 dargestellt ist.
In 27 bezeichnet Bezugszahl 1 ein Element des Gehäuses, das in einer CVD-Vorrichtung für die Herstellung von Halbleitern eingesetzt wird, Bezugszahl 2 bezeichnet ein scheibenförmiges Keramikheizelement, das an einer Innenverkleidung 46 des Gehäuseelements 1 für das Erhitzen der Wafers angebracht ist, und Bezugs zahl 3 bezeichnet eine Waferheizfläche mit einer veränderbaren Größe von 4-8 Zoll, auf der ein Wafer angebracht werden kann. Ein Flanschteil 13 weist an seiner Unterseite einen daran befestigten Ring 44 für das Anbringen einer Verkleidung auf, und der Ring 44 für das Anbringen einer Verkleidung weist an seiner Unterseite eine Verkleidung 46 auf, die daran durch einen Isolationsring 45 angebracht ist. Zwischen dem Ring 44 für das Anbringen einer Verkleidung und dem Ring 46 besteht ein kleiner Spalt, so dass diese einander nicht direkt kontaktieren.
In das Innere des Gehäuseelements 1 wird ein Gas für thermische CVD durch eine Gaseinlassöffnung 1a eingeleitet und das Gas im Inneren wird durch eine Saugöffnung 1b durch eine Vakuumpumpe entfernt. Das scheibenförmige Heizelement 2 weist ein wärmeerzeugendes Widerstandselement 5 auf, das aus Wolfram etc. besteht und spiralförmig in ein dichtes und gasdichtes, scheibenförmiges Keramiksubstrat 4 aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper eingebettet ist.
Das scheibenförmige Keramiksubstrat 4 weist an seiner Hinterseite 37 ein Paar von blockförmigen Anschlüssen 41A, 41B auf, die mit dem wärmeerzeugenden Widerstandselement 5 verbunden sind. Die blockförmigen Anschlüsse 41A, 41B sind mit einem Ende von stiftförmigen Elektrodenelementen 42A, 42B verbunden. Jedes Elektrodenelement 42A, 42B wird durch ein Durchgangsloch in dem Flanschteil 13 des Gehäuses eingeführt, und jedes Elektrodenelement 42A, 42B und der Flanschteil 13 sind voneinander durch einen O-Ring 12 gasdicht abgeschlossen. Das andere Ende der Elektrodenelemente 42A, 42B ist mit einem Zuleitungsdraht 43 verbunden, und ein Paar von Zuleitungsdrähten 43 ist mit einer Wechselstromquelle 48 verbunden. Das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 wird durch das Paar von Zuleitungsdrähten 43 mit Strom versorgt, um das scheibenförmige Heizelement 2 auf eine Temperatur von z.B. maximal 1.100 °C zu erhitzen. Der Flanschteil 13, der mit einem Kühlwassermantel 11 ausgestattet ist, bedeckt eine Verkleidung 46 von oben, und ist durch einen O-Ring 12 luftdicht von dem Gehäuseelement 1 abgeschlossen und stellt eine Deckwand des Gehäuses dar. Bezugszahl 9 bezeichnet einen hohlen Mantel, der durch die Wand des Flanschteils 13 in das Innere des Gehäuses eingeführt wird und mit dem Keramikheizelement 2 verbunden wird. Der hohle Mantel 9 weist in seinem Inneren ein Thermoelement auf, das darin mit einem Edelstahlmantel ausgestattet eingeführt wurde. Zwischen dem hohlen Mantel 9 und dem Flanschteil 13 ist ein O-Ring angeordnet, um das Eindringen von Luft zu verhindern.
Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass beim praktischen Einsatz einer solchen Halbleiterwafererhitzvorrichtung in einer Halbleiterproduktionsvorrichtung weiterhin folgende Probleme auftreten.
Wenn das Gas für die CVD in die Halbleiterproduktionsvorrichtung eingeleitet wird, dringt das Gas unvermeidlich hinter der Hinterseite 37 des Heizelements ein, um einen Abscheidungsfilm 47 auf der Hinterseite 37 mit hoher Temperatur zu bilden. Der Abscheidungsfilm 47 besteht aus elektrisch leitfähigem Metall, wodurch das Paar von Elektrodenelementen 42A, 42B miteinander kurzgeschlossen wird, so dass das Keramikheizelement nicht länger eingesetzt werden kann.
Die Erfinder haben die Elektrodenelemente 42A, 42B aus einem korrosionsbeständigen Metall, wie z.B. Molybdän etc., hergestellt. Jedoch haben die Erfinder festgestellt, dass, wenn die Heizvorrichtung über lange Zeit hinweg in einer Halbleiterproduktionsvorrichtung unter Einsatz eines Ätzgases verwendet wird, die Korrosion der Elektrodenelemente 42A, 42B manchmal fortschreitet, wodurch die Eigenschaften des Keramikheizelements 2 beeinträchtigt werden.
Es besteht auch weiterhin ein Problem in Bezug auf das Thermoelement 10. Zunächst wird erläutert, warum ein hohler Mantel 9 bereitgestellt wird. Gemäß den Untersuchungen der Erfinder wurde, insbesondere wenn Vakuum vorliegt, festgestellt, dass sich Gasmoleküle um das Thermoelement 10 bei einem atmosphärischen Druck von 1 Torr verhalten, als ob sie sich in einem viskosen Bereich in einem Vakuumzustand befänden, jedoch verhalten sie sich bei Steigerung des Vakuums, als ob sie sich in einem Molekülbereich befänden, wodurch die Art der Wärmeübertragung um das Thermoelement 10 weitgehend verändert wird, was eine exakte Temperaturmessung unmöglich macht. Es wurde ebenfalls festgestellt, dass auch in dem viskosen Bereich ein Temperaturmessungsfehler besteht, wenn die Druckschwankun gen groß sind. Um ein solches Problem zu vermeiden, haben die Erfinder das Thermoelement 10 in einem hohlen Mantel 9 angeordnet. Der hohle Mantel 9 wurde aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie z.B. Molybdän etc., hergestellt. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass in einer Halbleiterproduktionsvorrichtung manchmal gemischtes Kontaktieren und Induktion auftreten, wodurch die Temperaturmessgenauigkeit beeinträchtigt wird, da in der Halbleiterproduktionsvorrichtung eine Hochfrequenzspannungsquelle oder eine Hochspannungsquelle eingesetzt werden.
Beispiel 15
In diesem Beispiel wird eine Halbleitererhitzvorrichtung unter Einsatz eines röhrenförmigen Elements beschrieben.
28 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer Heizvorrichtung, die an dem Gehäuse angebracht ist, und 29 zeigt eine vergrößerte Querschnittansicht eines Hauptteils aus 28. In den 28 und 29 bezeichnen die Bezugszahlen dieselben Elemente wie die Bezugszahlen in 27 und deshalb werden manchmal keine diesbezüglichen Erläuterungen angeführt.
Zunächst werden zylinderförmige Elemente 50A, 50B und 50C hergestellt. Jedes zylinderförmige Element 50A, 50B und 50C weist an der Unterseite einen ringförmigen Flanschteil 51 auf. Das Material und das Herstellungsverfahren des Flanschteils werden untenstehend beschrieben.
Die Unterseite der zylinderförmigen Elemente 50A, 50B und 50C sind mit der Hinterseite 37 des Heizelements verbunden und einstückig mit dem scheibenförmigen Keramiksubstrat 4 ausgebildet. Der Flanschteil 13 weist an drei Stellen runde Durchgangslöcher auf, durch die jeweils ein zylinderförmiges Element 50A, 50B oder 50C eingeführt wird. Die obere Endfläche jedes zylinderförmigen Elements 50A, 50B und 50C liegt im Äußeren des Gehäuses frei und der Raum im Inneren jedes zylinderförmigen Elements 50A, 50B und 50C ist mit einer Atmosphäre außerhalb des Gehäuses gefüllt. Der Endteil jedes zylinderförmigen Elements 50A, 50B und 50C ist von dem Keramiksubstrat 4 gasdicht abgeschlossen, und jedes zylinderförmige Element 50A, 50B und 50C ist von dem Flansch 13 durch einen O-Ring 12 gasdicht abgeschlossen und elektrisch isoliert.
Jedes Elektrodenelement 42A, 42B ist mit einem blockförmigen Anschluss 41A, 41B verbunden. Das Verfahren für die Verbindung wird später erläutert. In dem Raum im Inneren des zylinderförmigen Elements 50A ist das Elektrodenelement 42A angebracht, und in dem Raum im Inneren des zylinderförmigen Elements 50B ist das Elektrodenelement 42B angebracht. Ein hohler Mantel 9, in den ein Thermoelement 10 eingeführt ist, wird als Temperaturmessvorrichtung eingesetzt, und der hohle Mantel 9 wird in dem Raum im Inneren des zylinderförmigen Elements 50C angebracht. Durch diese Anordnung werden die Elektrodenelemente 42A, 42B, das Paar von blockförmigen Anschlüssen 41A, 41B und der hohle Mantel 9 der Atmosphäre außerhalb des Gehäuses ausgesetzt.
In dieser Anordnung wird, selbst wenn ein elektrisch leitfähiger Abscheidungsfilm 47 auf der Hinterseite des Heizelements 37 ausgebildet wird, dieser Film 47 durch die zylinderförmigen Elemente 50A, 50B und 50C unterbrochen, so dass ein Kurzschließen der Elektrodenelemente 42A, 42B verhindert wird. Es besteht außerdem nicht das Risiko, dass die Elektrodenelemente 42A, 42B zwischen dem Gehäuse entladen werden oder es zu Verlusten kommt. Außerdem werden die Elektrodenelemente 42A, 42B nicht dem Raum im Inneren des Gehäuses ausgesetzt, wodurch es nicht zur Korrosion der Elektrodenelemente 42A, 42B und der blockförmigen Anschlüsse 41A, 41B und der damit zusammenhängenden Verunreinigung im Inneren des Gehäuses kommt.
Außerdem werden die Elektrodenelemente 42A, 42B nicht dem korrosiven Gas ausgesetzt, so dass es nicht erforderlich ist, Wolfram, das einen geringen Diffusionskoeffizienten in Bezug auf die Halbleiterwafers aufweist, als Material für die Elektrodenelemente 42A, 42B auszuwählen. In der Folge können die Elektrodenelemente 42A, 42B aus einem anderen Material als Wolfram hergestellt werden.
Außerdem wird der hohle Mantel 9 aus Molybdän etc. nicht dem Raum im Inneren des Gehäuses ausgesetzt, so dass die Möglichkeit, dass dieser durch ein Schwermetall verunreinigt wird, nicht besteht. Das Thermoelement 10 in dem hohlen Mantel 9 kann durch das zylinderförmige Element 50C aus einem anorganischen Isolationsmaterial isoliert werden. In der Folge kann das Auftreten von gemischtem Kontaktieren und Induktion aufgrund der Verwendung einer Hochfrequenzstromquelle oder einer Hochspannungsquelle in einer Halbleiterproduktionsvorrichtung verhindert werden, so dass genauere Temperaturmessungen möglich werden.
Außerdem weisen die zylinderförmigen Elemente 50A, 50B und 50C an ihren unteren Enden jeweils einen ringförmigen Flanschteil 51 auf, so dass zwischen der Hinterseite 37 des Keramiksubstrats 4 und den zylinderförmigen Elementen 50A, 50B und 50C eine große Kontaktfläche bestehen kann, um eine ausreichende Verbindungskraft zwischen diesen herzustellen.
Der Abschluss zwischen dem Flanschteil 13 des Gehäuses und jedem zylinderförmigen Element 50A, 50B und 50C kann durch eine andere Vorrichtung als den in 28 dargestellten O-Ring erfolgen, wie z.B. durch ein Metallgehäuse etc.
Bei der Waferheizfläche 3 handelt es sich vorzugsweise um eine glatte und flache Oberfläche. Insbesondere wenn der Wafer direkt auf der Waferheizfläche 3 angebracht oder platziert wird, sollte diese eine Glätte von nicht mehr als 500 μm aufweisen, um den plattenförmigen Wafer wirksam zu erhitzen.
Für das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 werden geeigneterweise Wolfram, Molybdän, Platin etc., die einen hohen Schmelzpunkt und hohe Kohärenz in Bezug auf das Keramiksubstrat aufweisen, eingesetzt.
Für die zylinderförmigen Elemente 50A, 50B und 50C wird vorzugsweise ein dichtes Keramikmaterial eingesetzt. Insbesondere wenn ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper so wie für das scheibenförmige Keramiksubstrat 4 eingesetzt als Material eingesetzt wird, besteht zwischen den zylinderförmigen Elementen und dem Keramiksubstrat 4 kein Unterschied in Bezug auf die Wärmeausdehnung, so dass eine verbleibende Belastung in dem Verbindungsteil nach dem Verbinden der zylinderförmigen Elemente mit dem Keramiksubstrat gesenkt werden kann. Dadurch kann die Verlässlichkeit der Bindungskraft zwischen den zylinderförmigen Elementen und dem Keramiksubstrat gesteigert werden.
Die Verbindung zwischen den zylinderförmigen Elementen 50A, 50B und 50C und dem scheibenförmigen Keramiksubstrat 4 erfolgt auf folgend Weise.

(1) Während des Sinterns eines druckgeformten Elements für das Keramikheizelement 2 bei atmosphärischem Druck oder unter Einsatz einer Heißpresse, werden die blockförmigen Anschlüsse 41A, 41B und das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 zunächst in das druckgeformte Element eingebettet. Danach werden zylinderförmige Elemente durch Spritzgießen, Extrusion, Druckformen oder hydrostatisches Druckformen hergestellt und bei atmosphärischem Druck zur Herstellung der zylinderförmigen Elemente 50A, 50B und 50C gesintert. Jedes zylinderförmige Element 50A, 50B und 50C wird an einer gewünschten Position gasdicht mit dem Keramiksubstrat 4 verbunden. In diesem Fall wird als Verbindungsverfahren vorzugsweise Löten unter Einsatz eines durch Titandampf abgeschiedenen Goldlots oder eines durch Titandampf abgeschiedenen Silberlots etc. oder Schliffverbindung eingesetzt. Der Verbindungsteil weist besonders bevorzugt eine ausreichend hohe Übergangstemperatur auf, so dass ein Quarzglas oder ein Hydroxynitridglas vorzugsweise für die Schliffverbindung eingesetzt wird.
(2) Ein druckgeformtes Element für das Keramikheizelement 2 und druckgeformte Elemente für die zylinderförmigen Elemente 50A, 50B und 50C werden einzeln durch Spritzgießen, Extrusion, Druckformen oder hydrostatisches Druckformen etc. gebildet. Diese druckgeformten Elemente werden bei atmosphärischem Druck unter Anpassung auf eine Größe von 1/100-10 mm gesintert oder unter Druck gesintert, der ausreicht um das druckgeformte Element für das Keramikheizelement an die druckgeformten Elemente für die röhrenförmigen Elemente zu drücken.

Beispiel 16
In diesem Beispiel wird eine weitere Halbleitererhitzvorrichtung unter Einsatz von zylinderförmigen Elementen beschrieben.
30 zeigt eine weitere Heizvorrichtung, die an einer Halbleiterproduktionsvorrichtung angebracht ist, in einer schematischen Querschnittansicht. Die Bezugszahlen bezeichnen dieselben Elemente wie die Bezugszahlen in 27 und diesbezügliche Erläuterungen werden manchmal weggelassen.
In dieser Anordnung wurde ein Elektrodenelement 42A nicht durch ein zylinderförmiges Element geschützt, während das andere Elektrodenelement 42B durch ein zylinderförmiges Element 50B geschützt wurde. Die Elektrodenelemente 42A, 42B wurden mittels eines Zuleitungsdrahts 43 an einer Spule 43 befestigt, während eine Wechselspannungsquelle 48 durch den Zuleitungsdraht 43 mit einer Spule 54 verbunden wurde. Die Spulen 53 und 54 wurden einander gegenüber angeordnet, um einen Doppelwicklungsisolationstransformator 55 zu bilden. Das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 wurde durch den Isolationstransformator 55 von einer Stromquelle aus mit Strom versorgt.
In dem Isolationstransformator 55 wurden die Elektrodenelemente 42A, 42B auf der Sekundärseite in Bezug auf die Wechselstromquelle 48 auf der Primärseite in ungeerdetem Zustand angeordnet. Das Gehäuseelement 1 war mit der Erde verbunden. In dieser Anordnung war das Elektrodenelement 42B durch das zylinderförmige Element 50B geschützt und isoliert, so dass es zwischen den Elektrodenelementen 42A und 42B nicht zu einem Kurzschluss oder zu Verlusten kam. Wenn ein Abscheidungsfilm 47 zwischen dem Elektrodenelement 42A und der Verkleidung 46 oder dem Flanschteil 13 ausgebildet wurde, kam es auch nicht zu einem Kurzschluss dieses Elements mit der Erde.
Unter Einsatz der Heizvorrichtung aus 28 und 30 wurden 1.000 Siliciumwafer-Scheiben einer thermischen CVD-Behandlung unterzogen. Die eingesetzte Wech selstromspannung der Wechselspannungsquelle betrug 200 Volt. Als Material für das scheibenförmige Keramiksubstrat 4 und die röhrenförmigen Elemente 50A, 50B und 50C wurden Aluminiumnitrid-Sinterkörper eingesetzt. Als Material für das wärmeerzeugende Widerstandselement 5, die blockförmigen Anschlüsse 41A, 41B und die Elektrodenelemente 42A und 42B wurde Wolfram eingesetzt. In der Folge wurde kein Stromkriechen durch die Elektrodenelemente 42A und 42B beobachtet.
Beispiel 17
In 31 wird eine weitere Heizvorrichtung, die an dem Gehäuse einer Halbleiterproduktionsvorrichtung angebracht ist, in Querschnittansicht gezeigt. 32 ist eine vergrößerte Teilansicht von 31. Die Bezugszahlen beziehen sich auf dieselben Elemente wie die Bezugszahlen in 28 und diesbezügliche Erläuterungen werden manchmal weggelassen.
In dieser Vorrichtung wurde der hohle Mantel 9 in der Vorrichtung aus 28 weggelassen. Ein dünnes, längliches Einführloch 56, das sich an der Hinterseite 37 des Keramiksubstrats 4 öffnet, wurde bereitgestellt und das distale Ende des Thermoelements 10 wurde in das Einführloch 56 eingeführt. Das distale Ende des Thermoelements 10 wurde jedoch nicht mit Glas etc. in dem Einführloch 56 fixiert. Das Thermoelement 10 an sich wurde auch als Temperaturmessvorrichtung eingesetzt.
Durch diese Anordnung können folgende Wirkungen zusätzlich zu den oben genannten Wirkungen erzielt werden. Das Thermoelement 10 kann durch das röhrenförmige Element 50C, das aus einem anorganischen Isolationsmaterial besteht, isoliert werden. Deshalb können gemischtes Kontaktieren und Induktion, die aufgrund der Verwendung von Hochfrequenzstromquellen und Hochspannungsquellen entstehen, verhindert werden.
Das Thermoelement 10 wird durch das röhrenförmige Element 50C auch von der Atmosphäre im Gehäuse getrennt. Auch wenn der Druck der Atmosphäre in dem Gehäuse, wie oben beschrieben, rasch schwankt, wird der durch das Thermoele ment 10 bestimmte Messwert deshalb nicht durch die raschen Druckschwankungen beeinflusst.
Wenn man die Anordnung in 31 außerdem mit jenen in 28 und 30 vergleicht, kann eine exaktere Temperaturmessung erzielt werden, die einen tatsächlichen Wert exakt widerspiegelt, da zwischen dem Thermoelement 10 und dem Keramiksubstrat 4 kein hohler Mantel 9 vorhanden ist. Da das Abschließen des distalen Endes des hohlen Mantels 9 zur Bildung einer röhrenförmigen Form ein beträchtlich schwieriges Verfahren darstellt, beeinflusst dieser Bearbeitungsschritt die Produktionseffizienz. Wenn die Heizvorrichtung ohne den hohlen Mantel 9 ausgebildet wird, kann dieser schwierige Bearbeitungsschritt weggelassen werden, so dass die Produktionseffizienz gesteigert werden kann.
Beispiel 18
33 zeigt eine weitere Heizvorrichtung, die an das Gehäuse einer Halbleiterproduktionsvorrichtung befestigt ist, in einer Querschnittansicht. Die Bezugszahlen bezeichnen dieselben Elemente wie die Bezugszahlen in 27 und 31 und diesbezügliche Erläuterungen werden manchmal weggelassen.
In dieser Vorrichtung wurde das distale Ende des Thermoelements 10 in das Einführloch 56 eingeführt und in dem zylinderförmigen Element 50C eingeschlossen, um es von der Atmosphäre in dem Gehäuse abzutrennen. In Hinblick auf diesen Teil konnten dieselben Wirkungen wie durch die Vorrichtungen in 31 und 32 erzielt werden.
Beispiel 19
Als nächstes wurde das zylinderförmige Element 50C, das das Thermoelement 10 wie in 31-33 dargestellt umschließt, mit dem Keramiksubstrat 4 verbunden.
Zunächst wurde ein längliches, säulenförmiges Einführloch 56, das sich an der Hinterseite 37 öffnet, an einer gewünschten Stelle des scheibenförmigen Keramiksubstrats 4 ausgebildet. Das Einführloch 56 wies einen Durchmesser von 3 mm und eine Tiefe von 12 mm auf. Sowohl das Keramiksubstrat 4 als auch das zylinderförmige Element 50C wurden aus Aluminiumnitrid-Sinterkörpern hergestellt, und das wärmeerzeugende Widerstandselement 5 wurde aus Wolfram hergestellt. Das zylinderförmige Element 50C wies einen Innendurchmesser von 6 mm und einen Außendurchmesser von 9 mm auf, und ein Flanschteil 51 dieses Elements wies einen Außendurchmesser von 15 mm auf. Das röhrenförmige Element 50C wurde mit dem Keramiksubstrat 4 durch ein Glasmaterial verbunden.
In diesem Fall wurden zunächst jedoch die Teile des zylinderförmigen Elements 50C und die Hinterseite 37, die verbunden werden sollten, durch Schleifen bearbeitet, um eine Oberflächenrauigkeit von nicht mehr als 0,8 s zu erhalten. In der Zwischenzeit wurde ein Glaspulver mit folgenden Komponenten hergestellt:
SiO₂: 30 Gew.-% Ni₃N₄: 10 Gew.-% Al₂O₃: 30 Gew.-% Y₂O₃: 30 Gew.-%
Das Pulver wurde gemischt, ein Bindemittel wurde zugesetzt, es wurde dispergiert und zu einem Band geformt. Dann wurde das Band in eine Form zugeschnitten, die der Form der Verbindungsfläche des Flanschteils 51 entsprach, und das Band 60 wurde nach dem Zuschneiden zwischen der Hinterseite 37 und der Verbindungsfläche des Flanschteils 51 angeordnet. Die Mittellinie des zylinderförmigen Elements 50C wurde im Wesentlichen im Zentrum des Einführlochs 56 angeordnet, und ein Gewicht 58 wurde auf der oberen Endfläche des zylinderförmigen Elements 50C angebracht. Das Keramikheizelement wurde in diesem Zustand in einen Elektroofen gegeben und in einer Stickstoffatmosphäre bei 1.500 °C 1 h lang wärmebehandelt, um das röhrenförmige Element 50C mit dem Keramiksubstrat 4 zu verbinden.
Danach wurden die Isolationseigenschaften davon untersucht. In der Folge wurde eine Isolationseigenschaft mit einem Widerstand von zumindest 1 MΩ bei Gleichstrom mit 500 MV und einer Wechselstromstoßspannung von zumindest 1 kV bei 800 °C nachgewiesen.
Wenngleich die Behandlung der Vorrichtungen in 27-34 bei nach unten gerichteter Waferheizfläche erfolgte und der Wafer durch die nicht dargestellten Stifte von unten gestützt wurde, kann die Waferheizfläche auch nach oben gerichtet sein. In den Vorrichtungen in 27-34 wurde die Heizvorrichtung an die Wandoberfläche an der Deckenseite des Gehäuses angebracht, sie kann an der Wandoberfläche der Deckenseite oder an der Seitenwand des Gehäuses angebracht werden. Das Keramikheizelement ist vorzugsweise scheibenförmig, um den runden Wafer gleichmäßig zu erhitzen, wobei es jedoch andere Formen aufweisen kann, wie z.B. eine viereckige oder sechseckige Form etc.
Das röhrenförmige Element kann eine andere Form als die zuvor beschriebenen zylinderförmigen Elemente 50A, 50B und 50C aufweisen, wie z.B. eine viereckige oder sechseckige, röhrenförmige Form. Das längliche Elektrodenelement kann eine andere Form als die zuvor beschriebenen, stabförmigen Elektrodenelemente 42A, 42B aufweisen, wie z.B. eine viereckige, sechseckige, zylinderförmige oder netzförmige Form etc.

Claims

Verwendung eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers in einer Halbleiterbauelement-Produktionsvorrichtung, wobei der Sinterkörper: (i) bei einer Filmbildungstemperatur von 300 bis 1.100 °C einem Filmbildungsgas in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung ausgesetzt wird; und nach der Filmbildung (ii) bei einer Temperatur von nicht weniger als 300 °C und nicht mehr als der Filmbildungstemperatur einem Reinigungsgas ausgesetzt wird, das aus fluorhältigem korrosivem Gas besteht, wobei das Reinigungsgas den gebildeten Film aus dem Sinterkörper entfernt und eine korrosionsbeständige Schicht aus Aluminiumfluorid auf dem Sinterkörper ausbildet.
Verwendung nach Anspruch 1, worin der Sinterkörper ein darin eingebettetes Widerstandsmetallheizelement aufweist, wodurch der Sinterkörper und das eingebettete Element ein Heizelement (2, 2A) bilden.
Verwendung nach Anspruch 1, worin der Sinterkörper einen darin eingebetteten Elektrodenfilm aufweist, wodurch der Sinterkörper und der eingebettete Elektrodenfilm eine elektrostatische Spannvorrichtung bilden.
Verwendung nach Anspruch 1, worin im Sinterkörper ein Widerstandsmetallheizelement und ein Elektrodenfilm eingebettet sind, wodurch der Sinterkörper und das eingebettete Element und der Elektrodenfilm ein Heizelement und eine elektrostatische Spannvorrichtung bilden.
Verwendung nach Anspruch 1, worin der Sinterkörper ein Suszeptor zum Erhitzen eines Halbleiterwafers ist, der auf einer Heizoberfläche eines scheibenförmigen Keramikheizelements (2A) angeordnet ist, welches ein Widerstandsheizelement (5) umfasst, das in einem scheibenförmigen Keramiksubstrat eingebettet ist.
Verwendung nach Anspruch 1, worin der Sinterkörper ein Suszeptor zum Erhitzen eines Halbleiterwafers ist und eine Oberfläche davon mit einer Infrarotbestrahlungslampe erhitzt wird, um den darauf angeordneten Halbleiterwafer zu erhitzen.
Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung ein CVD-Verfahren ist.