JP2000114354A

JP2000114354A - ウエハ支持加熱用ヒータ

Info

Publication number: JP2000114354A
Application number: JP27844098A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Uda; 靖右田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2000-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハの周縁からの熱引けを抑え、ウエハの温
度分布を均一化するとともに、ウエハが所定の処理温度
に加熱されるまでの昇温時間を短縮し、かつウエハ支持
加熱用ヒータの消費電力を低減する。【解決手段】抵抗発熱体３を埋設してなる板状セラミッ
ク体２の一方の主面２ａに、ウエハを収容する凹部５を
設けてその底面をウエハの載置面４とするとともに、上
記凹部５の深さをウエハの厚みと同等またはウエハの厚
みより大きくしてウエハ支持加熱用ヒータ１を構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマＣＶＤ、
光ＣＶＤ、スパッタリング、ＰＶＤ等の成膜装置や、プ
ラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置
に用いられるウエハ支持加熱用ヒータに関するものであ
り、特に半導体製造用のウエハ支持加熱用ヒータとして
好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造工程において、
プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ、スパッタリング、ＰＶＤ等
の成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチング等の
エッチング装置などの半導体製造装置では、デポジッシ
ョン用ガス、エッチング用ガス、クリーニング用ガスと
して塩素系やフッ素系の腐食性の高いハロゲンガスが使
用されている。

【０００３】そして、このような半導体製造装置におい
ては、半導体ウエハを各種処理温度に加熱するために、
ハロゲンガスに対する耐蝕性に優れたウエハ支持加熱用
ヒータが使用されている。

【０００４】図５（ａ）（ｂ）に半導体製造装置で使用
される一般的なウエハ支持加熱用ヒータ３１の構造を示
すように、抵抗発熱体３３を埋設した円盤状の板状セラ
ミック体３２からなり、板状セラミック体３２の一方の
主面を、半導体ウエハＷの載置面３４とするとともに、
板状セラミック体３２の他方の主面に、前記抵抗発熱体
３３と電気的に接続された給電端子３７を備えたもの
で、この給電端子３７から抵抗発熱体３３に通電するこ
とで、載置面３４上の半導体ウエハーＷを加熱するよう
になっていた。

【０００５】そして、この種のウエハ支持加熱用ヒータ
３１における載置面３４は、各種処理精度に悪影響を与
えないよう半導体ウエハＷを精度良く載せるため、平滑
でかつ平坦な平面に形成されていた。

【０００６】また、この種のウエハ支持加熱用ヒータ３
１としては、図５（ａ）（ｂ）に示したものだけに限ら
ず、板状セラミック体３２中に抵抗発熱体３３とは別に
内部電極を埋設しておき、この内部電極と半導体ウエハ
Ｗとの間に電圧を印加することにより静電吸着力を発現
させ、半導体ウエハＷを載置面３４上に強制的に吸着固
定するようにしたものや、上記内部電極に高周波電流を
印加し、別に設けたプラズマ発生用電極（不図示）との
間でプラズマを発生させるようにしたもの、さらには板
状セラミック体３２に、載置面３４まで貫通する複数の
真空吸引孔を設けておき、真空ポンプ等で真空吸引する
ことにより、半導体ウエハＷを載置面３４上に強制的に
吸着固定するようにしたものもあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ウエハ支持加熱用ヒータ３１では、吸着面３４上に載置
する半導体ウエハＷを所定の処理温度に加熱するまでに
時間がかかるために、生産性を高めることができず、ま
た、消費電力も多くなるといった課題があった。

【０００８】即ち、図５に示すウエハ支持加熱用ヒータ
３１は吸着面３４が平面からなるため、載置面３４上に
載せられた半導体ウエハＷはその上面及び側面が真空雰
囲気中に露出した状態となる結果、真空処理室（不図
示）内で加熱されるとは言え、半導体ウエハＷの周縁か
らの熱引けが大きく、半導体ウエハＷを所定の処理温度
に均一に加熱することができないといった課題があっ
た。しかも、熱引けが大きいために、半導体ウエハＷを
所定の処理温度まで加熱するには、必要以上にウエハ支
持加熱用ヒータ３１の加熱温度を上げなければならない
ことから消費電力が多くなり、経済性が悪く、さらに半
導体ウエハＷを所定の温度まで加熱するのにも時間がか
かるため、生産性を高めることができなかった。その
上、加熱温度を必要以上高くすると、耐熱衝撃性や耐熱
性の問題からウエハ支持加熱用ヒータ３１が破損した
り、給電端子３５の材質選定や取り付け条件が厳しくな
るため、信頼性や耐久性等を大きく低下させるといった
課題もあった。

【０００９】また、このような課題を改善する手段とし
て、抵抗発熱体３３のパターン形状を変更し、ウエハ支
持加熱用ヒータ３１の中央部より周縁部の発熱量が多く
なるように設計することも考えられるが、構造上の問題
から限界があり、抵抗発熱体３３のパターン形状を最適
な形状に設計変更しても十分に解消できるものではなか
った。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、抵抗発熱体を埋設してなる板状セラミック体
の一方の主面に、被加熱物としてのウエハを収容するた
めの凹部を設け、該凹部の底面を上記ウエハの載置面と
するとともに、上記凹部の深さを上記ウエハの厚みと同
等あるいはウエハの厚みよりも大きくしてウエハ支持加
熱用ヒータを構成したものである。

【００１１】また、本発明は、上記凹部の深さをウエハ
の厚みの１〜１．５倍とするとともに、板状セラミック
体の一方の主面から凹部の載置面にかけてテーパ面を形
成し、このテーパ面をウエハの案内面としたものであ
る。

【００１２】

【作用】本発明によれば、ウエハ支持加熱用ヒータの一
方の主面に形成した凹部に、被加熱物としてのウエハを
収容する構造としたことから、ウエハを凹部の載置面か
らだけでなく、凹部の側面からも間接的に加熱すること
ができるため、ウエハの周縁からの熱引けを大幅に低減
することができる。

【００１３】また、本発明によれば、凹部の側部をテー
パ面とし、凹部の開口部を広くしてあることから、ウエ
ハの収容及び取り出しを容易に行うことができるととも
に、ウエハを凹部内に収容する際に、若干ずれて載せら
れたとしてもテーパ面に沿って滑らせ、無理なく速やか
に載置面上に位置決めすることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１５】図１は半導体製造装置に用いられる本発明
のウエハ支持加熱用ヒータ１の一例を示す図で、（ａ）
は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

【００１６】このウエハ支持加熱用ヒータ１は、抵抗発
熱体３を埋設した円盤状の板状セラミック体２からな
り、被加熱物である半導体ウエハＷより若干大きな外形
状を有している。また、板状セラミック体２の一方の主
面２ａには、半導体ウエハＷを収容するための凹部５を
有し、該凹部５の底面を半導体ウエハＷの載置面４とす
るとともに、上記板状セラミック体２中には抵抗発熱体
３を埋設してある。なお、７は抵抗発熱体３と電気的に
接続された給電端子で、板状セラミック体２の他方の主
面２ｂに接合されている。

【００１７】そして、このウエハ支持加熱用ヒータ１を
用いて半導体ウエハＷを加熱するには、ウエハ支持加熱
用ヒータ１の載置面４上に半導体ウエハＷを載せ、給電
端子７より抵抗発熱体３に通電することで、ウエハ支持
加熱用ヒータ１を発熱させ、載置面４上の半導体ウエハ
Ｗを所定の処理温度に加熱するようになっている。そし
て、本発明によれば、ウエハ支持加熱用ヒータ１に設け
た凹部５内に半導体ウエハＷを収容するように構成して
あることから、載置面４からだけでなく、凹部５の側面
からも間接的に加熱することができるため、半導体ウエ
ハＷの周縁からの熱引けを大幅に低減し、半導体ウエハ
Ｗの温度分布を均一にすることができる。しかも、熱引
けが少ないため、ウエハ支持加熱用ヒータ１を必要以上
の温度に加熱する必要がなく、消費電力を抑えることが
できるとともに、半導体ウエハＷを所定の処理温度に加
熱するまでの昇温時間を短縮することもできる。その
上、ウエハ支持加熱用ヒータ１の加熱温度を必要以上に
上げる必要性がないため、ヒータ１の破損等を防ぐこと
ができ、信頼性や耐久性を損なうことがない。

【００１８】ところで、このような優れた特性を得るに
は、凹部５の深さＨを、被加熱物である半導体ウエハＷ
の厚みと同等あるいは半導体ウエハＷの厚みより大きく
することが重要である。これは、凹部５の深さＨが半導
体ウエハＷの厚みより浅くなると、載置面４上に半導体
ウエハＷを載せた時に、半導体ウエハＷの表層部が板状
セラミック体２の主面２ａより露出した状態となり、特
に被加熱物Ｗの周縁からの熱引けを十分に抑えることが
できないからである。

【００１９】なお、凹部５の深さＨが半導体ウエハＷの
厚みと同等以上であれば、前述した効果を発揮すること
ができるものの、あまり深くなりすぎると、凹部５内の
載置面４まで、デポジッション用ガス、エッチング用ガ
ス、クリーニング用ガスの回り込みが不十分となり、精
度の良い成膜やエッチング、あるいは洗浄が施せなくな
るとともに、比較的薄いウエハ支持加熱用ヒータ１の厚
みがさらに薄くなるために強度や耐熱衝撃性等の特性が
劣化して破損する恐れがある。

【００２０】その為、凹部５の好ましい深さＨとして
は、半導体ウエハＷの厚みの１〜２倍、さらに好ましく
は半導体ウエハＷの厚みの１〜１．５倍とすることが良
い。

【００２１】また、凹部５の平面形状は、被加熱物であ
る半導体ウエハＷと相似な円形としてあるため、凹部５
の側面と半導体ウエハＷの側面との距離を近づけ、かつ
ほぼ一定とすることができるため、凹部５の側面より半
導体ウエハＷの周縁を効率良く加熱することができる。
ただし、凹部５の平面形状は、必ずしも被加熱物と相似
である必要はなく、被加熱物に近似した平面形状を有す
るものであれば良い。また、図１に示すウエハ支持加熱
用ヒータ１には、板状セラミック体２の一方の主面から
凹部５の載置面４にかけてテーパ面６を形成し、凹部５
の開口面積を載置面４より大きくしてある。その為、半
導体ウエハＷの収容や取り出しを容易に行うことができ
るとともに、収容時に若干ずれて載せられたとしても、
テーパ面６に沿って速やかに所定の載置面４上に半導体
ウエハＷを位置決めすることができる。なお、図２に示
すように、テーパ面６から引いた延長線と板状セラミッ
ク体２の一方の主面２ａとのなす角度αが６０°より大
きくなると、凹部５の開口部が狭く、半導体ウエハＷを
収容する際に凹部５のエッジに引っかかる恐れがあると
ともに、引っかかった半導体ウエハＷを強制的に凹部５
内へ収容しようとすると、落下した衝撃で半導体ウエハ
Ｗが欠けたり割れる恐れがあり、逆に、テーパ面６から
引いた延長線と板状セラミック体２の一方の主面２ａと
のなす角度αが３０°未満であると、若干ずれて載せら
れた半導体ウエハＷをテーパ面６に沿って滑らせること
ができなくなる恐れがある。その為、テーパ面６から引
いた延長線と板状セラミック体の一方の主面２ａとのな
す角度αは３０〜６０°とすることが好ましいが、少な
くとも角度αは６０°未満であれば良い。

【００２２】また、板状セラミック体２の一方の主面２
ａとテーパ面６との継ぎ目及びテーパ面６と載置面４と
の継ぎ目はいずれも滑らかな曲面状に形成するととも
に、上記板状セラミック体２の主面２ａ、テーパ面６、
載置面４及びこれらの継ぎ目は中心線平均粗さ（Ｒａ）
で０．８μｍ以下の滑らかな平滑面としてある。その
為、半導体ウエハＷと接触する恐れのある凹部５の壁面
における欠陥を少なくすることができるため、ハロゲン
ガスによる腐食摩耗やプラズマエネルギーによる摩耗を
抑えることができるとともに、凹部５内への収容時や凹
部５外への取り出し時に、半導体ウエハＷが接触しても
半導体ウエハＷを傷付けることがなく、また、凹部５の
摩耗を抑えてパーティクルの発生を低減することができ
る。

【００２３】さらに、載置面４はできるだけ平坦に仕上
げることが重要で、平面度を２５μｍ以下とすることに
より、半導体ウエハＷと載置面４との接地面積を大きく
できるため、半導体ウエハＷへ均等に熱を加えることが
でき、不均一加熱時の熱膨張差による半導体ウエハＷの
割れを防ぐことができる。

【００２４】一方、このような板状セラミック体２を形
成する材質としては、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミ
ニウム、窒化硼素を主成分とするセラミックスを用いる
ことができ、これらの中でも窒化アルミニウムを主成分
とするセラミックスは、耐プラズマ性やハロゲンガスに
対する耐蝕性に優れるとともに、高い熱伝導率を有する
ことからウエハ支持加熱用ヒータ１を形成する材質とし
て好適である。

【００２５】特に、窒化アルミニウムの含有量が９９．
５重量％以上、さらには９９．８重量％以上を有する高
純度窒化アルミニウムセラミックスは、不純物が少な
く、粒界が殆ど見られないため、非常に優れた耐プラズ
マ性や耐蝕性を有し、また、Ｙ₂Ｏ₃やＥｒなどの希土
類元素の酸化物を１〜９重量％の範囲で含む窒化アルミ
ニウムセラミックスは、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・ｋ以
上、さらには１３０Ｗ／ｍ・ｋ以上の高熱伝導率を有し
ている。

【００２６】また、上記板状セラミック体２中に埋設す
る抵抗発熱体３のパターン形状としては、図３（ａ）に
示すような略同心円状をしたものや、図３（ｂ）に示す
ような渦巻き状をしたものなど、パターンの最外形が板
状セラミック体２の平面形状と近似したパターン形状を
有するものであれば良く、さらに抵抗発熱体３が占める
領域としては、少なくとも載置面４と同程度の大きさを
有していれば、凹部５内に収容する半導体ウエハＷを均
一に加熱することができるが、望ましくは板状セラミッ
ク体２中に埋設することが可能な範囲内でできるだけ大
きくすることが良い。そして、抵抗発熱体３の材質とし
ては、板状セラミック体２を形成するセラミックスの熱
膨張係数と近似したものが良く、例えば、モリブデン
（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、レニウ
ム（Ｒｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）及びこれらの合金、さ
らには窒化チタン（ＴｉＮ）等を用いることができる。
なお、板状セラミック体２中に埋設する抵抗発熱体３の
形態としては膜や板、あるいは線材のいずれであっても
良く、線材を用いる時にはコイル状に巻いたものを所定
のパターン形状に埋設すれば良い。

【００２７】このウエハ支持加熱用ヒータ１を製造する
方法としては、まず、板状又は線材からなる抵抗発熱体
３を内蔵するセラミック粉末をホットプレス焼結させて
板状セラミック体２を製作するか、あるいはセラミック
グリーンシートの間に膜状の抵抗発熱体３を挟み込んだ
グリーンシート積層体を焼結させて板状セラミック体２
を製作する。

【００２８】次に、板状セラミック体２の一方の主面２
ａに、ロータリー加工機や万能研削盤による研削加工に
よって、半導体ウエハＷを収容する凹部５を形成したあ
と、板状セラミック体２の主面２ａ及び凹部５の内壁面
にラッピングやポリッシング等の研磨加工を施して平滑
に仕上げるとともに、板状セラミック体２の他方の主面
２ｂに抵抗発熱体３と連通する穴を穿孔し、給電端子７
をロウ付け等の手段にて接合し、抵抗発熱体３と給電端
子７とを電気的に接続することで得ることができる。な
お、凹部５の形成にあたっては、焼結前の板状セラミッ
ク体２に型によるプレス成型や切削加工によって形成す
ることも可能である。

【００２９】以上のように、本実施形態では、図１に示
すウエハ支持加熱用ヒータ１について説明したが、本発
明を逸脱しない範囲で他の機能を具備していても良く、
例えば、図４（ａ）に示すように載置面４と抵抗発熱体
３との間のセラミック層に他の内部電極１０を埋設して
おき、この内部電極１０と載置面４上の半導体ウエハＷ
との間に直流電圧を印加することで、静電吸着力を発現
させることができるため、半導体ウエハＷを載置面４上
に強制的に吸着固定し、半導体ウエハＷの均熱化をより
一層向上させることができ、また、上記内部電極１０と
別に設けたプラズマ発生用電極（不図示）との間に高周
波電流を印加することで半導体ウエハＷに大きなプラズ
マエネルギーを与えることができるため、各種処理速度
を速めることができる。また、図４（ｂ）に示すよう
に、板状セラミック体２に載置面４まで貫通する多数の
真空吸引孔１１を設け、この真空吸引孔１１を介して真
空ポンプ等により真空吸引するようにしても半導体ウエ
ハＷを載置面４上に強制的に吸着固定することができ、
半導体ウエハＷの均熱化をより一層向上させることもで
きる。

【００３０】また、本発明の実施形態では、半導体製造
装置に用いられるウエハ支持加熱用ヒータ１について説
明したが、本発明のウエハ支持加熱用ヒータ１は半導体
製造装置の分野だけに限られるものではなく、液晶基板
の製造工程など他の分野で使用されるウエハ支持加熱用
ヒータとしても使用できることは言うまでもない。

【００３１】

【実施例】ここで、板状セラミック体の一方の主面に被
加熱物を収納する凹部を備えたウエハ支持加熱用ヒータ
と、凹部のない従来のウエハ支持加熱用ヒータを用意す
るとともに、凹部を備えたものにあっては、凹部の深さ
を異ならせたものを用意し、被加熱物として８インチの
Ｓｉウエハ（厚み０．７２５ｍｍ）を真空雰囲気中で加
熱した時に、Ｓｉウエハの温度が６５０℃に達するまで
の昇温時間と６５０℃でのＳｉウエハの温度分布を調べ
る実験を行った。

【００３２】本実験では各ウエハ支持加熱用ヒータを構
成する板状セラミック体を、窒化アルミニウムの含有量
が９９．８重量％である高純度窒化アルミニウムセラミ
ックスにより形成し、その外形寸法を直径２００ｍｍ、
厚み１５ｍｍの円盤状とした。また、Ｓｉウエハを収納
する凹部を備えたものにあっては、その平面形状を円形
とするとともに、載置面の外径を約２００ｍｍとした。

【００３３】そして、Ｓｉウエハを載せた各ウエハ支持
加熱用ヒータを、２０℃／分の昇温速度で加熱した時に
Ｓｉウエハの表面が６５０℃に達するまでの昇温時間を
計測するとともに、６５０℃での温度分布を熱電対にて
測定した。

【００３４】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００３５】

【表１】

【００３６】この結果、試料Ｎｏ．１の従来のウエハ支
持加熱用ヒータは、Ｓｉウエハの側面と上面が真空雰囲
気中に露出していることから、昇温時間が３５．５分と
最も長く、また、Ｓｉウエハの温度分布も±９．８℃と
非常に悪いものであった。

【００３７】また、Ｓｉウエハを収容する凹部を有する
ウエハ支持加熱用ヒータにあっても、試料Ｎｏ．２，３
のように、凹部の深さがＳｉウエハの厚みより浅いもの
では、Ｓｉウエハを所定の温度に加熱するのに凡そ３５
分を要し、また、Ｓｉウエハの周縁における熱引けも十
分に抑えることができないため、温度バラツキが小さい
ものでも±７．６℃と悪かった。

【００３８】これに対し、試料Ｎｏ．４〜８のように、
凹部の深さがＳｉウエハの厚みと同等あるいはそれ以上
の深さを有するものでは、昇温時間が３２．２分以下と
短く、また、Ｓｉウエハの温度バラツキも±５．１℃以
下と、従来のウエハ支持加熱用ヒータの凡そ半分近くに
まで小さくすることができ、優れた温度分布を有してい
た。

【００３９】これらの結果、凹部の深さが被加熱物の厚
みに対して１倍以上のものは、昇温時間を大幅に短縮で
きるとともに、被加熱物の温度分布を均一化できること
が判る。ただし、このウエハ支持加熱用ヒータを成膜装
置やエッチング装置に適用する場合、処理精度の問題や
ヒータの破損等を勘案すると凹部の深さはウエハの厚み
の１〜１．５倍の範囲にあるものが良かった。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、抵抗発
熱体を埋設してなる板状セラミック体の一方の主面に、
ウエハを収納するための凹部を設け、該凹部の底面をウ
エハの載置面とするとともに、上記凹部の深さを上記ウ
エハの厚みと同等あるいはウエハの厚みよりも大きくし
てウエハ支持加熱用ヒータを構成したことによって、ウ
エハの周縁からの熱引けを大幅に低減することができる
ため、ウエハを均一に加熱することができるとともに、
ウエハ支持加熱用ヒータを必要以上の温度に加熱する必
要がないため、ウエハを所定の各種処理温度に短時間で
加熱することができ、消費電力も低減することができ
る。

【００４１】かくして、本発明のウエハ支持加熱用ヒー
タを半導体製造工程等で使用される成膜装置やエッチン
グ装置に用いれば、半導体ウエハの処理精度を向上さ
せ、品質を高めることができるとともに、処理時間を短
くすることができるため、生産性を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体製造装置に用いられる本発明のウエハ支
持加熱用ヒータの一例を示す図で、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

【図２】図１のウエハ支持加熱用ヒータのＡ部を拡大し
た断面図である。

【図３】（ａ），（ｂ）は抵抗発熱体のさまざまなパタ
ーン形状を示す平面図である。

【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明の他のウエハ
支持加熱用ヒータを示す断面図である。

【図５】半導体製造装置に用いられる従来のウエハ支持
加熱用ヒータを示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は
（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。

【符号の説明】

１，３１・・・ウエハ支持加熱用ヒータ２，３２・・・板状セラミック体３，３３・・・抵抗発熱体４，３４・・・載置面５・・・ウエハを収容する凹部６・・・テーパ面７，３７・・・給電端子Ｗ・・・ウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】抵抗発熱体を埋設してなる板状セラミック
体の一方の主面に、被加熱物としてのウエハを収容する
ための凹部を設け、該凹部の底面を上記ウエハの載置面
とするとともに、上記凹部の深さを前記ウエハの厚みと
同等あるいはウエハの厚みよりも大きくしたことを特徴
とするウエハ支持加熱用ヒータ。
【請求項２】上記凹部の深さがウエハの厚みの１〜１．
５倍であることを特徴とする請求項１に記載のウエハ支
持加熱用ヒータ。
【請求項３】上記板状セラミック体の一方の主面から凹
部の載置面にかけてテーパ面を有することを特徴とする
請求項１又は請求項２に記載のウエハ支持加熱用ヒー
タ。