JP2002025985A - ウェハー加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速（急速）昇降温に対応できるだけでな
く、プロセスに起因する温度揺らぎを最小限に抑えたウ
ェハー加熱装置の提供。 【解決手段】 外側表面がウェハー載置面１ａを成す厚
さ０．５〜８ｍｍの窒化アルミニウム板１で一端を封止
され、かつ少なくとも外表面層が耐プラズマ性の材質で
構成されている筒状基体２と、前記筒状基体２内を軸方
向に進退し、窒化アルミニウム板１の内底に離接するよ
うに配置された石英ガラスを絶縁基材とする抵抗発熱型
の面発熱体３とを有することを特徴とするウェハー加熱
装置５である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウェハーの加熱装
置に係り、さらに詳しくは高速な温度昇降が可能なウェ
ハー加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造においては、所要の温
度に加熱した半導体ウェハーに、たとえばプラズマＣＶ
Ｄ、減圧ＣＶＤ、プラズマエッチングなどの処理が施さ
れる。そして、これらの処理・加工には、スーパークリ
ーン状態を必要とするため、腐食性ガス、エッチング用
ガス、クリーニング用ガスとして、塩素系ガスやフッ素
系ガスなどが使用されている。

【０００３】ところで、塩素系ガスやフッ素系ガスなど
の腐食性ガスは、加熱状態における曝露によって、抵抗
発熱体を内蔵する金属製構体の変質・損傷を招来する。
したがって、通常、耐食性や耐熱性にすぐれたセラミッ
ク、たとえば窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、ある
いは窒化アルミニウムの板状焼結体などに、抵抗発熱素
子を埋め込んだ構成の面発熱体（面状ヒーター）を発熱
源とした加熱装置を使用している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記耐食性や耐熱性が
すぐれたセラミック系板状焼結体に、タングステン線や
モリブデン線を素材とした抵抗発熱体を埋設ないし内蔵
した構成の面状ヒーターは、熱伝導性も良好で、耐熱衝
撃性などにもすぐれているため、その実用化が図られて
いる。しかし、抵抗発熱体に対する給電と給電停止の切
り替え応答性、換言すると、発熱・温度上昇の速度と、
発熱停止・温度下降の速度とが劣るという問題がある。

【０００５】すなわち、抵抗発熱体を埋設ないし内蔵す
る上記セラミック焼結体は、熱伝導性がすぐれていると
はいえ、機械的な強度を保持するために、ある程度の厚
さが要求される。ここで、セラミック焼結体が厚くなる
ことは、その分、熱容量が大きくなるので、温度上昇の
速度、および温度下降の速度が低下することになる。こ
の温度上昇の速度、および温度下降の速度が小さいこと
は、いわゆる加熱・冷却サイクルに要する時間が長くな
り、半導体ウェハーの加熱加工における生産性の低下を
招来する。

【０００６】また、所定温度に昇温した状態で、温度揺
らぎの現象が認められる。すなわち、給電による発熱
で、所要の温度に上昇した状態における安定性が劣るだ
けでなく、たとえばプラズマや化学反応などのプロセス
によって、一時的に、急激な温度上昇が起こるなど、温
度揺らぎの現象が認められる。こうした、温度揺らぎの
問題は、面状ヒーターの面内温度分布にも影響し、結果
的に、面状ヒーター上に載置した被加工体の加工歩留ま
りの低下を招来する恐れがある。

【０００７】一方、窒化ホウ素焼結体に、抵抗発熱体を
埋設ないし内蔵させた構造の面状ヒーターが開発されて
いる。そして、この面状ヒーターは、絶縁性にすぐれ、
熱容量も小さいので、薄板型化した場合は、発熱停止に
よる温度下降の速度が大きいという特長がある。しかし
ながら、耐食性などに問題があって、プラズマ加工など
を前提とした半導体ウェハーの加熱用面状ヒーターとし
ての使用は、事実上困難ないし不可能である。

【０００８】本発明は、上記事情に対処してなされたも
ので、高速（急速）な昇降温に対応できるだけでなく、
プロセスに起因する温度揺らぎを最小限に抑えたウェハ
ー加熱装置の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、外側
表面がウェハー載置面を成す厚さ０．５〜８ｍｍの窒化
アルミニウム板で一端を封止され、かつ少なくとも外表
面層が耐プラズマ性の材質で構成されている筒状基体
と、前記筒状基体内を軸方向に進退し、窒化アルミニウ
ム板の内底に離接するように配置された石英ガラスを絶
縁基材とする抵抗発熱型の面発熱体とを有することを特
徴とするウェハー加熱装置である。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載のウェハ
ー加熱装置において、ウェハー載置面を成す窒化アルミ
ニウム板は、静電吸着用電極を埋蔵していることを特徴
とする。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１記載のウェハ
ー加熱装置において、ウェハー載置面を成す窒化アルミ
ニウム板は、高周波印加用電極を埋蔵していることを特
徴とする。

【００１２】請求項１〜３の発明は、石英ガラスを絶縁
基材とする抵抗発熱型の面発熱体に、窒化アルミニウム
薄板を積層的に配置し、この窒化アルミニウム薄板をウ
ェハー載置面とした場合、高速な昇降温に対応できるだ
けでなく、プロセスに起因する温度揺らぎを最小限に抑
えたウェハー加熱が行われることの知見に基づいたもの
である。

【００１３】すなわち、耐プラズマ性の筒状（型）基体
に、急速な昇降温が可能な石英ガラス製面状ヒーターを
内装・配置し、たとえばフッ素プラズマから遮断する一
方、前記耐プラズマ性の筒状基体の一端を封止する窒化
アルミニウム薄板に石英ガラス系面状ヒーターを対接さ
せて、窒化アルミニウム薄板を介してウェハーを加熱す
るように構成したことを骨子とする。

【００１４】このように、石英ガラスのすぐれた絶縁性
によるプロセスの安定化、熱容量の小ささによる高速な
昇降温への対応、窒化アルミニウムの耐食性および熱伝
導性が、巧みに組み合わせ・整合されて、高速な昇降温
に対応でき、かつ温度揺らぎを抑制して、プロセスの安
定化が図られるウェハー加熱装置を提供するに至ったも
のである。

【００１５】請求項１〜３の発明において、ウェハー載
置面を成す窒化アルミニウム板は、窒化アルミニウム粉
末、たとえば酸化イットリウム粉末などの焼結助剤、有
機バインダーなどを組成分とした造粒子を素材として成
形し、その成形体を加熱脱脂処理したの後に、焼結して
成るものである。ここで、窒化アルミニウム薄板の厚さ
は、０．５〜８ｍｍの範囲内で選ばれるのは、０．５ｍ
ｍ未満の場合、耐衝撃性など機械的な強度が十分でな
く、また、８ｍｍを超えると熱容量が大きくて、急速な
昇降温を達成できない。

【００１６】請求項１〜３の発明において、窒化アルミ
ニウム薄板で一端を封止した構成を採る筒状基体は、ウ
ェハー載置面を成す窒化アルミニウム板の支持機能と、
抵抗発熱体を埋め込み・内蔵した石英ガラス系の面発熱
体を加工雰囲気から遮断する機能とを呈するものであ
る。したがって、筒状基体は、加工雰囲気に曝される少
なくとも外周面が、耐プラズマ性に形成されている必要
がある。

【００１７】たとえば、筒状基体を窒化アルミニウム製
とした場合は、耐プラズマ性処理を要しないが、たとえ
ば筒状基体を窒化ケイ素製とした場合、耐プラズマ性セ
ラミックによるコーティング処理を要する。なお、筒状
基体を窒化アルミニウム製とした場合、ウェハー載置面
を成す窒化アルミニウム板を一体的に、成形・脱脂処理
・焼結した構成としてもよい。

【００１８】請求項１〜３の発明において、筒状基体内
を軸方向に進退し、窒化アルミニウム板の内底に離接す
るように配置された石英ガラスを絶縁基材とする抵抗発
熱型の面発熱体は、たとえばタングステン線やモリブデ
ン線を素材とした抵抗発熱体、またはカーボンワイヤー
抵抗発熱体を埋め込み・内蔵した厚さ１０ｍｍ程度の板
状である。

【００１９】ここで、面発熱体は、一般的に、石英ガラ
ス板２枚のうち１枚目の一主面に抵抗発熱体埋め込み用
の溝を設け、この溝に、抵抗発熱体を装着・配置し、こ
の抵抗発熱体を装着・配置した面に、２枚目の石英ガラ
ス板を積層・一体化した構成が採られている。そして、
この面発熱体の平面的な寸法・形状は、前記筒状基体の
内径・筒状基体内の形状によって適宜選択する。

【００２０】請求項２の発明において、ウェハー載置面
を成す窒化アルミニウム板が埋蔵（埋め込み・内蔵）す
る静電吸着用電極は、一般的に、１０００Ｖ程度の直流
電圧が印加され、この窒化アルミニウム板に静電的な吸
着作用を持たせる一対の櫛形電極板である。

【００２１】請求項３の発明において、ウェハー載置面
を成す窒化アルミニウム板が埋蔵（埋め込み・内蔵）す
る高周波印加用電極は、一般的に、５５０Ｗ程度の交流
電力が印加され、この窒化アルミニウム板にプラズマ発
生の助長作用を持たせるメッシュ状電極である。

【００２２】なお、静電吸着用電極や高周波印加用電極
の埋め込み・内蔵は、たとえば２枚の窒化アルミニウム
板を用意し、１枚目の一主面に電極埋め込み用の溝を設
け、この溝に対応する電極を装着・配置し、その電極を
装着・配置面に２枚目の窒化アルミニウム板を積層・一
体化して構成される。ここで、窒化アルミニウム板をた
とえば３層構造とし、静電吸着用電極および高周波印加
用電極を層分けして埋め込み・内蔵させ、使用条件に応
じて使い分けするような構成を採ってもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図１、図２、図３および図
４を参照して実施例を説明する。

【００２４】図１は、実施例に係るウェハー加熱装置の
要部構成を示す断面図である。図１において、１は外側
表面がウェハー載置面１ａを成す厚さ０．５〜８ｍｍの
窒化アルミニウム薄板、２は前記窒化アルミニウム薄板
１で一端を封止され、かつ少なくとも外表面層が耐プラ
ズマ性の材質で構成されている筒状基体である。

【００２５】ここで、筒状基体２は、内径２５０ｍｍ程
度、肉厚１０ｍｍ程度の窒化アルミニウム製鍔付き２ａ
の円筒状を成しており、また、窒化アルミニウム薄板１
がウェハーを載置し易いように、皿状に、かつ一体的に
成形・焼結されて、一端を封止する構成と成っている。
なお、筒状基体２の鍔付き２ａを加工装置本体（たとえ
ば真空チャンバー）の開口部に装着・固定することによ
り、窒化アルミニウム薄板１および筒状基体２の側壁部
が加工領域との隔離板として機能させることができる。

【００２６】さらに、３は前記筒状基体２内を軸方向に
進退し、窒化アルミニウム板１の内底に離接するように
配置された石英ガラスを絶縁基材とする抵抗発熱型の面
発熱体、３ａ、３ｂは前記抵抗発熱型の面発熱体３が内
蔵する抵抗発熱体に電気的に接続する一対の給電体であ
る。

【００２７】ここで、面発熱体３は、径２２０ｍｍ程
度、厚さ１０ｍｍ程度で、たとえばカーボンワイヤーを
捲装して成る抵抗発熱体を埋め込み・内蔵したものであ
り、給電体３ａ、３ｂは、径５ｍｍ程度のタングステン
棒である。なお、面発熱体３は、給電体３ａ、３ｂと一
体化したまま、図示を省略した操作機構によって筒状基
体２内を軸方向に進退するように設置されている。

【００２８】次に、上記ウェハー加熱装置の使用例を説
明する。

【００２９】先ず、上記構成のウェハー加熱装置を装着
・配置し、図２に要部構成を断面的に示すフッ素プラズ
マエッチング装置を組み立てる。図２において、４はエ
ッチング加工領域となる真空チャンバー、５は前記真空
チャンバー４内に気密的に装着・配置されたウェハー加
熱装置である。ここで、ウェハー加熱装置５の窒化アル
ミニウム薄板１は、被加工体（ウエハー）６を載置する
面として機能する。なお、７ａ、７ｂは真空チャンバー
４内に、所要の反応ガスを供給・排出するためのガス供
給口および排出口である。

【００３０】上記ウェハー加熱装置５において、窒化ア
ルミニウム板１に面発熱体３を密着的に対接させ、給電
体３ａ、３ｂを介して所要の電力を供給して、窒化アル
ミニウム板１のウェハー載置面１ａの温度を測定したと
ころ、図３の曲線Ａで示すごとく安定した温度が維持さ
れた。また、加熱動作中、フッ素ガスによるプラズマを
発生させても、このプラズマによる温度変化もほとんど
なく、プロセス温度の揺らぎが抑制ないし低減されるこ
とが確認された。

【００３１】一方、上記ウェハー加熱装置５において、
窒化アルミニウム板１に面発熱体３を密着的に対接させ
た状態で給電体３ａ、３ｂを介して所要の電力を供給
し、窒化アルミニウム板１のウェハー載置面１ａの温度
上昇を測定したところ、図４の曲線Ｂに示すごとく、良
好な昇温特性が確認された。

【００３２】比較のために、上記ウェハー加熱装置５の
代りに、タングステン線を素材とした抵抗発熱体を埋め
込み・内蔵させた厚さ１３ｍｍ程度の窒化アルミニウム
系面発熱体を真空チャンバー４に気密的に装着・配置し
たプラズマエッチング装置を用意した。このプラズマエ
ッチング装置について、上記実施例の場合と同様の条件
で、ウェハー載置面の温度を測定したところ、図３の曲
線ａで示すごとく、温度の揺らぎが認められた。また、
加熱動作中、フッ素ガスによるプラズマを発生させた場
合、このプラズマによる温度変化が大きくプロセス温度
の揺らぎで、安定したプロセスの維持が困難であった。

【００３３】一方、窒化アルミニウム系板面発熱体に、
給電体を介して所要の電力を供給し、窒化アルミニウム
系板面発熱体面の温度上昇を測定したところ、図４の曲
線ｂに示すような昇温特性が確認された。

【００３４】上記例示から分かるように、この発明に係
るウェハー加熱装置は、加熱温度の揺らぎも抑制され、
安定したプロセス温度を容易に確保できるだけでなく、
すぐれた昇降温特性を呈して、急速な温度上昇・温度下
降も可能である。また、面発熱体が、電気絶縁性にもす
ぐれているため、ウェハー側への漏れ電流もなくなるの
で、加熱・加工されるウェハーのプロセス安定化が容易
に図られる。

【００３５】なお、上記構成において、ウェハーを載置
する窒化アルミニウム板に、たとえば櫛形の静電吸着電
極を埋設・内装させ、これを作用させた場合は、静電的
なウェハーの固定・載置が行われる。また、高周波印加
用電極を埋設・内装させ、これを作用させた場合は、た
とえばプラズマエッチングなどを助長できる。

【００３６】本発明は、上記実施例に限定されるもので
なく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、いろいろの変形
を採ることができる。たとえば、形状・寸法、筒状基体
や面発熱体の抵抗発熱体などの構成部材は、用途・目的
に応じて適宜選択してもよい。また、面発熱体の容量な
いし性能によっては、窒化アルミニウム板に対して進退
・離接型とせずに、固定的に配置装着した構成とするこ
ともできる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１〜３の発明によれば、加熱およ
び化学的反応プロセスを伴うウェハーの加工・処理にお
いて、温度揺らぎが抑制され、安定したプロセス温度を
容易に維持するこことができる。しかも、加熱・放熱面
の急速な昇降温も可能であるため、加熱・冷却サイクル
も短縮化できる。つまり、半導体ウェハーに対するプラ
ズマ処理・加工を効率よく、量産的に行うのに適するだ
けでなく、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよい製造
に寄与する。

【００３８】請求項２および３の発明によれば、静電的
なウェハーの載置・固定作用や、プラズマ発生の助長作
用などにより、ウェハーの加熱・加工処理をより効率的
に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係るウェハー加熱装置の要部構成を示
す断面図。

【図２】実施例に係るウェハー加熱装置を装着した加工
装置の要部構成を示す断面図。

【図３】実施例に係るウェハー加熱装置および従来のウ
ェハー加熱装置の加熱の時間−温度の変化（温度揺ら
ぎ）例を比較して示す特性図。

【図４】実施例に係るウェハー加熱装置および従来のウ
ェハー加熱装置の急速な昇温例を比較して示す特性図。

【符号の説明】

１……窒化アルミニウム板 １ａ……ウェハー載置面 ２……筒状基体 ２ａ……鍔付き ３……面発熱体 ３ａ、３ｂ……給電体 ４……真空チャンバー ５……ウェハー加熱装置 ７ａ……ガス供給口 ７ｂ……ガス排気口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 光広 神奈川県秦野市曾屋30番地 東芝セラミッ クス株式会社開発研究所内 (72)発明者 市島 雅彦 神奈川県秦野市曾屋30番地 東芝セラミッ クス株式会社開発研究所内 (72)発明者 青沼 伸一朗 神奈川県秦野市曾屋30番地 東芝セラミッ クス株式会社開発研究所内 Ｆターム(参考） 3K034 AA02 AA12 BB05 BB14 BC17 CA02 CA15 CA35 FA14 FA17 FA21 FA27 GA03 GA10 HA01 HA10 JA02 3K092 PP20 QA05 QB02 QB26 QC02 QC18 QC38 RF03 RF12 RF27 TT07 VV03 VV15 5F004 BB26 BB29 BD04 5F045 AA08 DP02 EK09 EM05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外側表面がウェハー載置面を成す厚さ
   ０．５〜８ｍｍの窒化アルミニウム板で一端を封止さ
   れ、かつ少なくとも外表面層が耐プラズマ性の材質で構
   成されている筒状基体と、 前記筒状基体内を軸方向に進退し、窒化アルミニウム板
   の内底に離接するように配置された石英ガラスを絶縁基
   材とする抵抗発熱型の面発熱体と、を有することを特徴
   とするウェハー加熱装置。
2. 【請求項２】 ウェハー載置面を成す窒化アルミニウム
   板は、静電吸着用電極を埋蔵していることを特徴とする
   請求項１記載のウェハー加熱装置。
3. 【請求項３】 ウェハー載置面を成す窒化アルミニウム
   板は、高周波印加用電極を埋蔵していることを特徴とす
   る請求項１記載のウェハー加熱装置。