JP2000340344A

JP2000340344A - 円盤状ヒータ

Info

Publication number: JP2000340344A
Application number: JP11151575A
Authority: JP
Inventors: Masanaga Inagaki; 正祥稲垣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-08
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP3793555B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハなどの加熱装置として好適に用いられ、
局所的なホットスポットやコールドスポットの発生を抑
制した均熱性に優れた円盤状ヒータを得る。【解決手段】上面を加熱面３とする円盤状セラミック基
体２内部に発熱抵抗体４を埋設した円盤状ヒータ１にお
いて、発熱抵抗体４が、複数の発熱部６が等しい角度間
隔で同心円領域に配置された複数のリング状発熱ゾーン
４ａと、発熱部６のうち近接する２つの発熱部６を接続
するようにリング状発熱ゾーン４ａの両側に配設された
複数の接続導体部７と、発熱ゾーン間を接続するゾーン
間接続導体８とを具備してなり、複数の発熱部６、複数
の接続導体部７およびゾーン間接続導体８を全て直列接
続してなり、リング状発熱ゾーン４ａ内の発熱部６が円
盤中心から放射状に形成されてなること、複数のリング
状発熱ゾーン４ａの半径方向におけるゾーン幅ｘが、隣
接する前記リング状発熱ゾーン間の間隔ｙの０．１以上
であることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体製
造装置の製造工程におけるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶ
Ｄ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなど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
ウエハ加熱装置などとして使用される円盤状のヒータに
関する。

【０００２】

【従来技術】従来から、半導体素子の製造工程で使用さ
れるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤな
ど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おいては、デポジション用ガスやエ
ッチング用ガスあるいはクリーニング用ガスとして塩素
系やフッ素系の腐食性ガスが使用されていた。

【０００３】そして、これらのガス雰囲気中で半導体ウ
エハ（以下、ウエハと称する）を保持し処理温度に加熱
するためのウエハ加熱装置として発熱抵抗体を内蔵した
ステンレスヒータや、赤外線ランプによって加熱するグ
ラファイト製ヒータなどが使用されていた。しかしなが
ら、ステンレスヒータは、上記の腐食ガスによって腐食
摩耗が生じ、パーティクルを発生する問題があり、グラ
ファイト製ヒータは耐食性には優れるが間接的に加熱す
るために熱効率が悪く、昇温速度が遅いといった問題が
あった。

【０００４】そこで、このような問題を解決するため
に、円盤状をした緻密質セラミック基体の上面をウエハ
Ｗ支持面とするとともに、その内部に発熱抵抗体を埋設
したウエハ加熱装置用ヒータが提案されている。

【０００５】ウエハ加熱装置として使用されるヒータ
は、高い均熱性が要求され、特に円形のウエハを処理す
る為には、ウエハの温度分布がなるべく同心円に近いこ
とが必要であり、局所的なホットスポット、コールドス
ポットの解消は設計上の重要課題である。

【０００６】そこで、特開平６−７６９２４号では、抵
抗線を部分的に同心円となる円弧を形成するように形
成、各円弧を直列接続するために、内側と外側の円弧を
順次接続する接続部を設けたヒータが提案されている。
しかし、この構造では、ヒータパターンが渦巻き状であ
るために、パターンの開始端と終端が円盤の中央と外周
に離れてしまい、給電線の引き回しが周囲の構造を制約
するという問題があった。

【０００７】また、これらの問題を解決するために、本
出願人は、先に図３に示すように、絶縁基板１０内に発
熱抵抗体１１をスクリーン印刷法によって形成すること
でヒータパターンの形状自由度を増し、中心部に一対の
給電端子１２を配置し、同心円部１３と折り返し直線部
１４との組み合わせによって、直列回路に結線したウエ
ハ加熱装置を提案した（特願平９−３６００９２号）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特願平
９−３６００９２号のウエハ加熱装置は、支持面に載置
されるウエハの均一加熱性において不十分であることが
わかった。ウエハ載置面における温度分布を赤外線放射
温度計で測定したところ、パターン内に形成されている
折り返し部の近傍で温度分布が不均一になっており、ホ
ットスポットおよびコールドスポットが存在しているこ
とが判った。

【０００９】上記の現象について、発明者は有限要素法
によるシミュレーションを利用して検討した結果、ヒー
タパターンの同心円部と折り返し部の電流密度の不均一
が原因であることを突き止めた。

【００１０】これは図４に示す発熱抵抗体の電流分布で
説明することができる。図４における矢印の向きは、図
３の発熱抵抗体１１を流れる電流の方向を示し、矢印の
長さは電流の大きさを表している。すなわち、発熱抵抗
体１１内を流れる電流はパターン内の最短経路をとろう
とする為に、同心円部と折り返し部で構成されるヒータ
パターンでは、同心円部と折り返し部の接続部の内側コ
ーナーａに電流が多く流れ、外側コーナーｂに流れる電
流は少なくなる。

【００１１】その為、このような折り返し部では、発熱
抵抗体の発熱が不均一となり、内側コーナーａがホット
スポットに、外側コーナーｂがコールドスポットとな
る。その為、ヒータのウエハ支持面に温度のムラが発生
し、これがウエハを均一に加熱することを困難にしてい
た。

【００１２】特に、図３に示すような発熱抵抗体のパタ
ーンを採用した場合には、ホットスポットが円周上の特
定の位置に発生してしまい、温度分布が同心円状になら
ない。その為、ウエハ上に均一な厚みの膜を形成するこ
とができず、或いはエッチング加工では加工精度のばら
つきが大きくなり、歩留まりが悪かった。

【００１３】本発明は、ウエハなどの加熱装置として好
適に用いられ、局所的なホットスポットやコールドスポ
ットの発生を抑制した均熱性に優れた円盤状ヒータを提
供することを目的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、円盤状
セラミック基体の上面を加熱面とし、該基体内部に発熱
抵抗体を埋設してなる円盤状ヒータにおいて、前記発熱
抵抗体が、複数の発熱部が等しい角度間隔で同心円領域
に配置された複数のリング状発熱ゾーンと、前記発熱部
のうち近接する２つの発熱部を接続するように前記リン
グ状発熱ゾーンの両側に配設された複数の接続導体部
と、前記発熱ゾーン間を接続するゾーン間接続導体とを
具備してなり、前記複数の発熱部、前記複数の接続導体
部および前記ゾーン間接続導体が全て直列接続すること
により、上記目的を達成できることを見いだした。

【００１５】なお、かかる構成において、前記リング状
発熱ゾーン内の前記発熱部が円盤中心から放射状に形成
されてなること、前記リング状発熱ゾーンの半径方向の
ゾーン幅が、隣接する前記リング状発熱ゾーン間の間隔
の０．１以上であること、前記接続導体部の線幅が前記
発熱部の線幅よりも２倍以上であること、前記各リング
状発熱ゾーン内に前記発熱部が等しい角度間隔で６個以
上配置されてなること、前記ゾーン間接続導体の幅／長
さ比率が０．２以上であること、前記円盤状ヒータの中
央部に一対の給電電極を配設してなること、前記発熱抵
抗体が、前記円盤状セラミック基体と同時焼成して形成
されてなることのうち、少なくとも１つ以上の特徴を具
備することが望ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る円盤状ヒー
タの一実施形態の（ａ）概略斜視図と（ｂ）概略断面図
であり、図２は、図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体のパ
ターンを説明するための平面図ある。

【００１７】図１、図２の円盤状ヒータ１は、緻密質の
セラミック基体２からなり、上面をウエハＷ加熱面３と
するとともに、その内部に発熱抵抗体４を埋設してあ
る。なお、円盤状ヒータ１のほぼ中央部には、発熱抵抗
体４に通電するための一対の給電端子５が取り付けられ
ており、給電端子５に電圧を印加して発熱抵抗体４を発
熱させることにより加熱面３に載置したウエハＷを均一
に加熱するようになっている。

【００１８】このような円盤状ヒータ１を構成するセラ
ミック基体２の材質としては、耐摩耗性、耐熱性に優れ
たアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化ア
ルミニウムを用いることができ、特に窒化アルミニウム
は５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高
い熱伝導率を持つものがあり、更にフッ素系や塩素系の
腐食ガスに対する耐食性や耐プラズマ性にも優れること
から、セラミック基体２の材質として好適である。具体
的には、純度９９．７％以上を有する高純度窒化アルミ
ニウムやＹ₂Ｏ₃やＥｒ₂Ｏ₃などの焼結助材を含有す
る窒化アルミニウムを用いることが好適である。

【００１９】また、セラミック基体２に埋設する発熱抵
抗体４を構成する材質としては、タングステン、モリブ
デン、レニウム、白金等の高融点金属やこれらの合金、
あるいは周期律表第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族の炭化
物や窒化物を用いることができ、セラミック基体２との
熱膨張差が小さいものを適宜選択して使用すれば良い。

【００２０】本発明の上記構成からなる円盤状ヒータ１
によれば、発熱抵抗体４は図２に示すように、複数の発
熱部６が等しい角度間隔で同心円領域に配置された複数
のリング状発熱ゾーンＡ₁、Ａ₂が形成されており、各
リング状発熱ゾーンＡ₁、Ａ₂の両側には、発熱ゾーン
Ａ₁、Ａ₂内の複数の発熱部６のうち近接する２つの発
熱部６を接続するために設けられ、比較的幅の広い円弧
体から構成された低抵抗の接続導体部７が各発熱ゾーン
Ａ₁、Ａ₂の両側に複数の同心円状に配置されている。

【００２１】また、発熱ゾーンＡ₁、Ａ₂間を接続する
ために所定箇所にゾーン間接続導体８が設けられ、さら
に円盤のほぼ中央部には、一対の給電電極９ａ、９ｂが
設けられている。そして、最終的に発熱抵抗体４は、給
電電極９ａ、９ｂから、発熱部６、接続導体部７、ゾー
ン間接続導体８はすべて直列に接続されている。抵抗発
熱体４の終端となる給電電極９ａ、９ｂは、セラミック
基体２に設けたスルーホールを通して、セラミック基体
２の裏面に貫通し、給電端子５に接続される。

【００２２】図２についてさらに具体的に説明すると、
リング状発熱ゾーンＡは、円盤中心から同心円状に２つ
のゾーンＡ₁、Ａ₂が形成れており、各リング状発熱ゾ
ーンＡ₁、Ａ₂の内側と外側にそれぞれ接続端子部７が
等間隔に配列してなるリング状接続ゾーンＢ₁、Ｂ₂、
Ｂ₃、Ｂ₄が配設されている。また、リング状発熱ゾー
ンＡ₁、Ａ₂中の発熱部６は、いずれも直線形状からな
り、円盤中心から放射状に等しい角度間隔で形成されて
いる。また、隣接する発熱部６の端部と、接続ゾーンＢ
内の独立した円弧状の接続導体部７の端部と交互に接続
しあい、結果として１つの直列回路を形成している。な
お、発熱部６は図２では直線形状であるが、抵抗値を調
整する目的で折り返し部を設けても良い。

【００２３】本発明によれば、上記のように接続された
発熱ゾーン４ａと接続ゾーン４ｂとを設け、発熱ゾーン
４ａ内に等しい角度間隔で配置された発熱体６が発熱す
る際に、発熱体６と接続導体部７との接続部におけるコ
ーナー部で図５で説明したような原理から電流密度が高
くなり、その部分がホットスポットとなるが、発熱部の
線幅が細く、電流密度が高いために、発熱部６全体がホ
ットスポットとなり、コールドスポットの発生を抑制す
ることができ、加熱面における円周方向の温度分布を均
一化することができるのである。

【００２４】本発明の円盤状ヒータにおいては、加熱面
３の半径方向の温度分布を均一する必要から、前記複数
のリング状発熱ゾーンＡ₁、Ａ₂の半径方向におけるゾ
ーン幅ｘが隣接するリング状発熱ゾーン間の間隔ｙの
０．１以上、特に０．２以上であることが望ましい。

【００２５】また、ホットスポットとなる直線状の発熱
部６はできるだけ多い方が良く、１つのリング状発熱ゾ
ーンＡ₁およびゾーンＡ₂には少なくとも６個以上の発
熱部６を等しい角度間隔で円周上に配置することが望ま
しい。

【００２６】また、図２のように、半径の異なる複数の
リング状発熱ゾーンＡ₁、Ａ₂が形成されている場合に
は、内側のリング状発熱ゾーンＡ₂とリング状外側発熱
ゾーンＡ₁では発熱部の数は、外側のリング状発熱ゾー
ンＡ₁の方を多くする必要があり、望ましくは発熱ゾー
ンの中心部の半径と発熱抵抗体の数は比例するのが良
い。

【００２７】さらに、図２では、２つのリング状発熱ゾ
ーンＡ₁、Ａ₂が異なる半径部分に形成されているが、
この場合に外側発熱ゾーンＡ₁と内側の発熱ゾーンＡ₂
とを直列接続するためには、内側の発熱ゾーンＡ₂の外
側に接する接続ゾーンＢ₃および外側の発熱ゾーンＡ₁
の内側に接する接続ゾーンＢ₂を各々同じ部分で分割し
て、電気的に絶縁し、接続ゾーンＢ₂内の接続導体部７
と接続ゾーンＢ₃内の接続導体部７とを接続すれば良
い。

【００２８】この時、ゾーン間接続導体８の発熱は同心
円状の温度分布を崩すおそれがあるので、ゾーン間接続
導体８の電気抵抗を発熱部６の抵抗の５０％以下に抑え
ることが望ましい。かかる観点から前記ゾーン間接続導
体の幅／長さ比率が０．２以上であることがのぞまし
い。

【００２９】また、一般に円盤状ヒータからの放熱は、
円盤の外周側の方が大きいため、温度分布を均一にする
為には、外周側のリング状発熱ゾーンＡ₁の発熱量を多
くする必要がある。その場合には、外側のリング状発熱
ゾーンＡ₁の発熱部６の幅を狭めることで抵抗値を高め
に調整すれば良い。

【００３０】また、接続導体部７は、発熱量を抑えるた
めに、発熱部６より低い電気抵抗となるように形成する
必要があり、特に発熱部６の電気抵抗は接続導体部７の
電気抵抗の２倍以上であることが望ましく、発熱部６と
同一材質、同一厚さを持つ場合には、少なくとも２倍以
上の線幅によって構成することが望ましい。また、発熱
部６と接続導体部７とは、抵抗の異なる導体材料によっ
て形成することも可能である。

【００３１】なお、接続導体部７の縁部は必ずしも円弧
状である必要はなく、直線状であっても構わないが、ホ
ットスポットの発生箇所を同心円上に均一に配置する必
要から、同一円上での回転移動に対して幾何学的に略合
同となる、即ち、形成される略多角形が略正多角形とな
っていることが望ましい。

【００３２】本発明の円盤状ヒータは、例えば、アルミ
ナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウ
ムなどを主成分とするセラミック粉末を所定の円盤形状
に成形した後、その表面に、前述したようなタングステ
ン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属などの
導体材料を含有する導体ペーストを図２に示すように印
刷塗布し、その上に上記セラミック粉末の成形体を積層
またはスラリーを塗布した後、セラミック基体と同時焼
成によって形成することができる。また、他の方法とし
ては、発熱抵抗体を圧延などで薄板状に成形体したもの
をプレス、化学エッチングなどで所望のパターンに成形
したもの、または粉末冶金などで予め発熱体形状に成形
したものをセラミック基体と同時焼成することによって
作製することができる。

【００３３】

【実施例】本発明の円盤状ヒータによる効果を確認する
ために、セラミック基体として窒化アルミニウムセラミ
ックスを使用して直径が２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円
盤状ヒータを以下のようにして作製した。

【００３４】まず、ドクターブレード法によって成形し
た窒化アルミニウムグリーンシートを積層し、スルーホ
ール加工を施した後、一方の面に発熱抵抗体としてタン
グステンを主成分とする導体ペーストを印刷し、更にそ
の上に窒化アルミニウム成形体を積層、密着し、円盤形
状に加工した。これを脱脂した後、常圧焼結法によって
１７００℃で同時焼成した。焼成後の焼結体は両主面を
平面研削した後、給電端子をろう付けした。

【００３５】なお、発熱抵抗体のパターンにおいて、発
熱部６の形状は厚さ０．０１ｍｍ、幅５ｍｍとした。そ
して、リング状発熱ゾーンの数、発熱部の幅（５ｍｍ）
に対する円弧状の接続導体部の幅比率、リング状発熱ゾ
ーンの発熱部の個数、リング状発熱ゾーンの半径方向に
おけるゾーン幅ｘの隣接するリング状発熱ゾーン間の間
隔ｙに対する比率、ゾーン間接続導体の幅／長さ比率を
表１のように変えた複数の円盤状ヒータを作製した。

【００３６】そして、これらの円盤状ヒータを室温、大
気圧の空気中で、強制対流のない状態で、ヒータ上面の
最高温度が２００℃となるように給電端子に電力を印加
し、上面の温度分布を赤外線放射温度計で測定し、最高
温度と最低温度の差を温度バラツキとした。表１にその
結果を示す。

【００３７】なお、比較例として、図３に示した発熱抵
抗体パターンを印刷した円盤状ヒータを作製し、同様の
評価を行った。

【００３８】

【表１】

【００３９】この結果によれば、発熱ゾーンが１つしか
ない場合、または図４に示すようにすべてが高抵抗領域
からなり、折り返し部を有するパターンでは、温度のバ
ラツキが大きいものであった。これに対して、本発明で
は、これらに比較して温度のバラツキを低減でき、特
に、リング状発熱ゾーンの半径方向におけるゾーン幅
が、隣接する前記リング状発熱ゾーン間の間隔の０．１
以上、接続導体部の線幅が前記発熱部の線幅よりも２倍
以上、各リング状発熱ゾーン内の発熱部数が６個以上、
発熱ゾーン間を接続するゾーン間接続導体の幅／長さ比
率が０．２以上のものは、温度バラツキを１０℃以下に
制御することができた。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、局
所的なホットスポットやコールドスポットの発生を抑制
し、同心円状に複数の発熱部を具備する複数のリング状
発熱ゾーンを設け、発熱部をそれ以外の部分に比べて高
い発熱密度を持つホットスポットとし、この発熱部を等
しい角度間隔で配置することによって、同心円上におけ
る均熱性に優れ、全体としての温度バラツキの小さい円
盤状ヒータを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の円盤状ヒータの全体構造を示す（ａ）
概略斜視図と（ｂ）概略断面図である。

【図２】図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを説
明するための平面図である。

【図３】従来の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを示
す図である。

【図４】図３の円盤状ヒータの同心円部と折り返し部の
接続部における電流分布を示す概念図である。

【符号の説明】

１円盤状ヒータ２セラミック基体３ウエハ加熱面４発熱抵抗体４ａリング状発熱ゾーン４ｂリング状接続ゾーン５給電端子６発熱部７接続導体部８ゾーン間接続導体９ａ，９ｂ給電電極

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年７月７日（１９９９．７．７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図３】図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンの発
熱ゾーンを説明するための平面図である。

【図４】従来の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを示
す図である。

【図５】図４の円盤状ヒータの同心円部と折り返し部の
接続部における電流分布を示す概念図である。

【符号の説明】１円盤状ヒータ２セラミック基体３ウエハ加熱面４発熱抵抗体４ａリング状発熱ゾーン４ｂリング状接続ゾーン５給電端子６発熱部７接続導体部８ゾーン間接続導体９ａ，９ｂ給電電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円盤状セラミック基体の上面を加熱面と
し、該基体内部に発熱抵抗体を埋設してなる円盤状ヒー
タにおいて、前記発熱抵抗体が、複数の発熱部が等しい
角度間隔で同心円領域に配置された複数のリング状発熱
ゾーンと、前記発熱部のうち近接する２つの発熱部を接
続するように前記リング状発熱ゾーンの両側に配設され
た複数の接続導体部と、前記発熱ゾーン間を接続するゾ
ーン間接続導体とを具備してなり、前記複数の発熱部、
前記複数の接続導体部および前記ゾーン間接続導体が全
て直列接続されてなることを特徴とする円盤状ヒータ。
【請求項２】前記リング状発熱ゾーン内の前記発熱部が
円盤中心から放射状に形成されてなることを特徴とする
請求項１記載の円盤状ヒータ。
【請求項３】前記リング状発熱ゾーンの半径方向のゾー
ン幅が、隣接する前記リング状発熱ゾーン間の間隔の
０．１以上であることを特徴とする請求項１記載の円盤
状ヒータ。
【請求項４】前記接続導体部の線幅が前記発熱部の線幅
よりも２倍以上であることを特徴とする請求項１記載の
円盤状ヒータ。
【請求項５】前記各リング状発熱ゾーン内に前記発熱部
が等しい角度間隔で６個以上配置されてなることを特徴
とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
【請求項６】前記ゾーン間接続導体の幅／長さ比率が
０．２以上であることを特徴とする請求項１記載の円盤
状ヒータ。
【請求項７】前記円盤状ヒータの中央部に一対の給電電
極を配設してなることを特徴とする請求項１記載の円盤
状ヒータ。
【請求項８】前記発熱抵抗体が、前記円盤状セラミック
基体と同時焼成して形成されてなることを特徴とする請
求項１記載の円盤状ヒータ。