JP2003017377A

JP2003017377A - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP2003017377A
Application number: JP2001197641A
Authority: JP
Inventors: Masao Yoshida; 政生吉田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-17
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP4744016B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハを載せる載置面を有するセラミックヒー
タの載置面における温度バラツキを低減する。【解決手段】ウエハＷを載せる載置面３を有する板状セ
ラミック体２中に、帯状又は線状の抵抗発熱体４を埋設
したセラミックヒータ１において、載置面３の中心を通
る平面にて板状セラミック体２を切断した時の切断面中
央部に位置する抵抗発熱体４の載置面３からの距離（Ｔ
１）を、切断面外周部に位置する抵抗発熱体４の載置面
３からの距離（Ｔ２）よりも深くし、かつ載置面３に対
する抵抗発熱体４の平行度を０．０２〜０．６mmとす
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、特に半導体装置の
製造工程におけるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶ
Ｄ、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セラミ
ックヒータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置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、デポジッション用ガスや
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る。

【０００３】そして、これら腐食性ガス雰囲気中で大き
く腐食することなく半導体ウエハ（以下、ウエハと略称
する。）を支持し、且つ所定の温度に加熱するため、円
盤状をした緻密質の板状セラミック体の一方の主面を、
ウエハを載せる載置面とするとともに、板状セラミック
体中に高融点金属からなる抵抗発熱体を埋設したセラミ
ックヒータが提案されており、この種のセラミックヒー
タは、抵抗発熱体を載置面から一定距離離れた位置に埋
設し、載置面の中心を通る平面にて板状セラミック体を
切断した時、その切断面に現れる抵抗発熱体は載置面と
平行に位置するように埋設されていた（特開平４−１０
１３８１号公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、半導
体装置の集積度の向上に伴ってウエハの外径が当初６イ
ンチであったものが８インチ、１２インチと大きくなっ
ており、ウエハの大型化に伴ってウエハを加熱するセラ
ミックヒータも大型のものが要求されるようになってい
る。

【０００５】また、ウエハの処理温度と共に要求均熱精
度も年々厳しくなり、例えば、ウエハの面内温度を５０
０℃とする場合、そのバラツキを±５℃以下に抑えるこ
とが要求されている。

【０００６】しかしながら、従来のセラミックヒータに
おいて、その外径が８インチを超えると、板状セラミッ
ク体の外周部における熱引けが中央部と比較して大き
く、載置面の周縁部が中央部より低くなるため、この上
に載置するウエハの面内温度のバラツキを±５℃以下に
抑えることが難しいといった課題があった。

【０００７】

【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、板状セラミック体の一方の主面を、ウエハを
載せる載置面とするとともに、上記板状セラミック体中
に帯状又は線状の抵抗発熱体を埋設したセラミックヒー
タにおいて、上記載置面の中心を通る平面にて板状セラ
ミック体を切断した時の切断面中央部に位置する抵抗発
熱体から載置面までの距離を、切断面外周部に位置する
抵抗発熱体から載置面までの距離よりも長くし、且つ上
記載置面に対する抵抗発熱体の平行度が０．０２〜０．
６mmの範囲に入るようにしたことを特徴とする。

【０００８】なお、本発明のセラミックヒータは、抵抗
発熱体がどのようなパターン形状を有するものであって
も良いが、ウエハが円形をしたものである場合、その面
内温度を均一にするため、抵抗発熱体が存在する領域の
外形を略円形とするとともに、板状セラミック体の外形
も略円形とすることが望ましく、また、載置面と抵抗発
熱体との間にあるセラミック部は、５００℃における熱
伝導率が１０〜７０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲にある窒化アルミ
ニウム質焼結体により形成することが好ましい。

【０００９】

【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。

【００１０】図１はサセプタと呼ばれる本発明のセラミ
ックヒータを示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は
（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

【００１１】このセラミックヒータ１は、円盤状をした
緻密質の板状セラミック体２からなり、その上面を、ウ
エハＷを載せる載置面３とするとともに、板状セラミッ
ク体２の内部に帯状又は線状の抵抗発熱体４を埋設した
もので、板状セラミック体２としては、直径Ｌが２０mm
〜３５０mm、厚みＴが２〜２５mm程度の大きさを有し、
ウエハＷの直径に対して１．１倍程度の大きさを有する
ものを用いることが好ましい。

【００１２】また、板状セラミック体２中に埋設する帯
状又は線状の抵抗発熱体４のパターン形状としては、図
２に示すような同心円状に配置された円弧部と、隣り合
う円弧部を結ぶ直線部とからなるパターン形状を有する
ものや、図３に示すような中央から外周へ向かう渦巻状
をしたもの、あるいは図４に示すような押し返しパター
ン形状を有するものなど、様々なパターン形状を採用す
ることができるが、その外形状は略円形をなし、抵抗発
熱体４が存在する領域Ｐの大きさは、ウエハＷの直径に
対して１．０７倍程度の大きさとすることが良い。

【００１３】なお、５は板状セラミック体２の下面側に
接合され、抵抗発熱体４と電気的に接続された給電端子
である。

【００１４】そして、このセラミックヒータ１にてウエ
ハＷを加熱するには、載置面３にウエハＷを載せるとと
もに、給電端子５に通電して抵抗発熱体４を発熱させる
ことにより、載置面３に載せたウエハＷを所定の温度に
加熱するようになっている。

【００１５】また、本発明のセラミックヒータ１によれ
ば、載置面３の中心を通る平面にて板状セラミック体２
を切断した時の切断面中央部に位置する抵抗発熱体４の
載置面３からの距離（Ｔ１）を、切断面外周部に位置す
る抵抗発熱体４の載置面３からの距離（Ｔ２）よりも長
くする（Ｔ１＞Ｔ２）とともに、載置面３に対する全て
の抵抗発熱体４の平行度が０．０２mm〜０．６mmの範囲
に入るように構成してあり、図１（ｂ）では、切断面を
見たときの各抵抗発熱体４を結ぶ線分が下凸に湾曲した
構造となるようにしてある。

【００１６】その為、本発明のセラミックヒータ１によ
れば、外周部に位置する抵抗発熱体４を、中央部に位置
する抵抗発熱体４より載置面３に近づけることができる
ため、外周部からの熱引けが発生したとしても載置面３
の周縁部における温度が低くなることを防止することが
でき、載置面３の中央部と周縁部の温度差を小さくする
ことができるため、載置面３に載せたウエハを均一に加
熱することができる。

【００１７】ただし、載置面３に対する抵抗発熱体４の
平行度が０．０２mmより小さくなると、載置面３の単位
面積あたりの発熱量は均一となるが、中央部に位置する
抵抗発熱体４から載置面３までの距離（Ｔ１）を、外周
部に位置する抵抗発熱体４から載置面３までの距離（Ｔ
２）よりも長くした効果が得られず、板状セラミック体
２の外周部からの放熱量が板状セラミック体２の中央部
に比べ大きくなるため、載置面３の中央部に比べ周縁部
の温度が低下し、例えば、載置面３の設定温度を５００
℃とした場合、載置面３の温度バラツキがレンジで１％
を超えることになり均熱化が阻害され、逆に、載置面３
に対する抵抗発熱体４の平行度が０．６ｍｍを超える
と、載置面３から抵抗発熱体４までの距離が離れすぎた
り、近づき過ぎるため、載置面３の温度が部分的に高く
なるホットスポットや部分的に低くなるクールスポット
が発生し、例えば、載置面３の設定温度を５００℃とし
た場合、載置面３の温度バラツキがレンジで１％を超え
て均熱化が阻害されることになる。

【００１８】その為、本発明によれば、載置面３の中心
を通る平面にて板状セラミック体２を切断した時の切断
面中央部に位置する抵抗発熱体４の載置面３からの距離
（Ｔ１）は、切断面外周部に位置する抵抗発熱体４の載
置面３からの距離（Ｔ２）よりも長くするとともに、載
置面３に対する全ての抵抗発熱体４の平行度を０．０２
mm〜０．６mmとすることが重要である。

【００１９】なお、図１（ｂ）では、切断面を見たとき
の各抵抗発熱体４を結ぶ線分が下凸に湾曲した構造とな
るようにした例を示したが、各抵抗発熱体４を結ぶ線分
がなべ底状をしたものや、逆ハット形をしたものなど、
板状セラミック体２の大きさや抵抗発熱体４のパターン
形状等に応じて適宜設定すれば良い。

【００２０】ところで、セラミックヒータ１を形成する
板状セラミック体２の材質としては、耐摩耗性、耐熱性
に優れるアルミナ、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミ
ニウム等を主成分とするセラミック焼結体を用いること
ができるが、これらの中でも高い熱伝導率を有する窒化
アルミニウム質焼結体を用いることが好ましく、載置面
３の均熱化を高めるためには、載置面３と抵抗発熱体４
の間に位置するセラミック部を、５００℃における熱伝
導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上を有する窒化アルミニウム質
焼結体により形成することが好ましい。

【００２１】これは、載置面３と抵抗発熱体４の間にあ
るセラミック焼結体の５００℃における熱伝導率が１０
Ｗ／ｍ・Ｋより低くなると、抵抗発熱体４から載置面３
への熱伝導が良くないため、載置面３へ効率良く熱を伝
えることができず、特に板状セラミック体２の中央部よ
りも放熱量が大きい外周部への熱の伝わりが悪いため、
載置面３の温度バラツキが大きくなるからである。

【００２２】ただし、窒化アルミニウム質焼結体におい
ても熱伝導率を高めるためには、ＣeやＹ等の希土類元
素の酸化物を含有させる必要があるが、５００℃におけ
る熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋを越えると、主成分以外の
成分の含有量が多くなり、ウエハ処理中のプラズマやハ
ロゲン系腐食性ガスによって主成分以外の成分が腐食さ
れ、板状セラミック体２からパーティクルが発生し、ウ
エハのプロセス中に混入する不純物量が多くなり、デバ
イスの不良率が高くなる。

【００２３】その為、載置面３と抵抗発熱体４との間の
セラミック部は、５００℃における熱伝導率が１０〜７
０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲にある窒化アルミニウム質焼結体に
より形成することが好ましい。

【００２４】また、板状セラミック体２に埋設する抵抗
発熱体４の形態としては、線材や膜材からなるものを用
いることができるが、線材を用いる場合には、その断面
積が０．０３ｍｍ²以上、１．８ｍｍ²以下であるものを
用いることが好ましい。これは、線材の断面積が０．０
３ｍｍ²より小さいと、板状セラミック体２中に埋設す
る際、線材の断線等の不具合が発生し易いからであり、
逆に断面積が１．８ｍｍ²より大きくなると、線材と板
状セラミック体２との熱膨張差によって作用する熱応力
が大きくなり、昇温時に板状セラミック体２にクラック
等が発生するからである。

【００２５】また、膜材を用いる場合には、膜厚が５μ
ｍ以上、１００μｍ以下であるものを用いることが好ま
しい。これは、膜厚が５μｍより薄いと、板状セラミッ
ク体２中に埋設する際、抵抗発熱体４の断線等の不具合
が発生し易いからであり、逆に膜厚が１００μｍを超え
ると、膜材と板状セラミック体２との熱膨張差によって
作用する熱応力が大きくなり、昇温時に板状セラミック
体２にクラック等が発生するからである。

【００２６】なお、抵抗発熱体４を構成する材質として
は、タングステン、モリブデン、レニュウム、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
属、第５a属、第６a属の炭化物や窒化物を用いることが
でき、板状セラミック体２との熱膨張差の小さいものを
適宜選択して使用すれば良い。

【００２７】次に、図１に示すセラミックヒータ１を製
造するには、まず、板状セラミック体２を製作するので
あるが、抵抗発熱体４が線材であるときには、セラミッ
ク粉末に、バインダーや溶媒等を加えて混練乾燥した
後、造粒して顆粒を製作し、この顆粒を金型内に充填
し、上パンチにてプレス成形する際、成形体上に図３〜
図５に示すようなパターン形状を有する溝を形成した
後、この溝に抵抗発熱体４をなす線材を配置し、さらに
顆粒を充填してホットプレス成形することにより、線材
からなる線状の抵抗発熱体４を埋設した板状セラミック
体２を形成する。

【００２８】また、抵抗発熱体４が薄い膜材である時に
は、セラミック粉末に、バインダーや溶媒等を加えてス
ラリーと呼ばれる泥しょうを作製し、ドクターブレード
法などのテープ成形法により複数枚のグリーンシートを
形成した後、予め数枚のグリーンシートを積層し、その
上面に抵抗発熱体４をなす金属ペーストをスクリーン印
刷機にて図３〜図５に示すようなパターン形状に形成し
た後、残りのグリーンシートを積層してグリーンシート
積層体を製作し、その後、円盤状に切削する。しかる
後、グリーンシートを焼結させることができる温度で焼
成することにより、膜材からなる帯状の抵抗発熱体４を
埋設した板状セラミック体２を形成する。

【００２９】しかる後、得られた板状セラミック体２の
上面に研磨加工を施してウエハＷの載置面３を形成する
とともに、下面に研磨加工を施し、抵抗発熱体４の電極
取出部を貫通する２つの下穴をそれぞれ穿設した後、こ
の下穴に給電端子５をロウ付けすることにより、抵抗発
熱体４と給電端子５とを電気的に接続することにより製
造することができる。

【００３０】そして、本発明の製法によれば、成形体や
グリーンシート積層体中に埋設する抵抗発熱体４は、そ
の上面からの距離が同じ距離に位置するように埋設する
のであるが、ホットプレス焼結時あるいは雰囲気焼成時
に、成形体又はグリーンシート積層体をドーム状の敷き
板上に載せた状態で焼成することにより湾曲した板状セ
ラミック体２を製作し、その後、板状セラミック体２の
上下面を平面研削して上下面が平行となるように加工す
ることで、板状セラミック体２の中心を通る平面にて切
断した時の切断面中央部に位置する抵抗発熱体４から載
置面３までの距離（Ｔ１）を、切断面外周部に位置する
抵抗発熱体４から載置面３までの距離（Ｔ２）より長く
することができ、上記敷き板の高さを調整することによ
り、載置面３に対する抵抗発熱体4の平面度が０．０２
〜０．６ｍｍの範囲内となるように制御すれば良い。

【００３１】以上、本発明の実施形態について示した
が、本発明のセラミックヒータ１は、図１に示した構造
だけに限定されるものではなく、例えば、図５に示すよ
うに、載置面３と抵抗発熱体４との間に静電吸着用やプ
ラズマ発生用としての膜状電極６を埋設したものであっ
ても構わない。

【００３２】また、これ以外にも本発明の要旨を逸脱し
ない範囲であれば、改良や変更したものにも適用できる
ことは言うまでもない。

【００３３】

【実施例】（実施例１）ここで、中央部に位置する抵抗
発熱体から載置面までの距離と、外周部に位置する抵抗
発熱体から載置面までの距離を異ならせたセラミックヒ
ータを製作し、５００℃の温度に加熱した時の載置面の
温度バラツキを測定する実験を行った。

【００３４】本実験では、直径３００ｍｍ、厚み１７ｍ
ｍの円盤状をした板状セラミック体２を、窒化アルミニ
ウムの純度が９９％で、５００℃における熱伝導率が２
０Ｗ／ｍ・Ｋである窒化アルミニウム質焼結体により形
成し、その内部にタングステンからなる帯状の抵抗発熱
体を埋設した。抵抗発熱体のパターン形状は、図３に示
す同心円状の円弧部と、隣り合う円弧部を結ぶ直線部と
からなるパターン形状を有するものを用いた。

【００３５】そして、各セラミックヒータに電圧を印加
して載置面中心の飽和温度が５００℃となるように発熱
させ、載置面上の温度分布を赤外線温度測定装置で測定
し、載置面の温度バラツキを測定した。具体的には最大
温度と最小温度の差が平均温度に対して何％であるかを
温度バラツキとして求めた。

【００３６】その後、載置面の中心を通る平面にて板状
セラミック体を切断し、切断面を研削及びポリッシング
した後、切断面中央部に位置する抵抗発熱体から載置面
までの距離（Ｔ１）と、切断面外周部に位置する抵抗発
熱体から載置面までの距離（Ｔ２）をそれぞれ測定する
とともに、載置面に対する抵抗発熱体の平行度を測定し
た。

【００３７】結果は表１に示す通りである。

【００３８】

【表１】

【００３９】この結果、表１より判るように、切断面中
央部に位置する抵抗発熱体から載置面までの距離（Ｔ
１）が、切断面外周部に位置する抵抗発熱体から載置面
までの距離（Ｔ２）より長く、かつ載置面に対する平行
度が０．０２〜０．６ｍｍの範囲にある試料Ｎｏ．３〜
７のみ、載置面における温度バラツキを１．０％以下に
抑えることができ、優れた温度分布を達成することがで
きた。（実施例２）そこで、表１の試料Ｎｏ．４の構造（Ｔ１
＞Ｔ２：載置面に対する平行度が０．３）を有するセラ
ミックヒータにおいて、板状セラミック体を形成する窒
化アルミニウム質焼結体にＹ₂Ｏ₃を添加したり、その含
有量を調整することで５００℃における熱伝導率を異な
らせ、実施例１と同様に載置面の温度バラツキを測定す
るとともに、ウエハのプロセス中に不純物が混入して発
生するパーティクルによるデバイスの不良率を調べた。

【００４０】なお、本実験における温度バラツキは、表
１の試料Ｎｏ．４における値を基準とし、測定した温度
バラツキを表１の試料Ｎｏ．４における温度バラツキで
除した値で評価した。

【００４１】結果は表２に示す通りである。

【００４２】

【表２】

【００４３】この結果、板状セラミック体の載置面と抵
抗発熱体との間のセラミック焼結体の５００℃における
熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・ｋ以上であれば、載置面におけ
る温度バラツキの悪化を招くことはなく、その温度バラ
ツキを表１の試料Ｎｏ．４における値と同等以下とする
ことができ、特に優れていた。

【００４４】ただし、板状セラミック体の５００℃にお
ける熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋより大きくなると、セラ
ミック焼結体の主成分である窒化アルミニウム以外の成
分の含有量が多くなり、デバイスの不良率を１％を超え
悪かった。

【００４５】この結果より、載置面と抵抗発熱体との間
のセラミック部は、５００℃における熱伝導率が１０〜
７０Ｗ／ｍ・Ｋである窒化アルミニウム質焼結体を用い
ることが良く、さらには、デバイスの不良率を考慮する
と、５００℃における熱伝導率が１０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ
である窒化アルミニウム質焼結体を用いることが良いこ
とが判る。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、板状セ
ラミック体の一方の主面を、ウエハを載せる載置面とす
るとともに、板状セラミック体中に抵抗発熱体を埋設し
たセラミックヒータにおいて、上記載置面の中心を通る
平面にて板状セラミック体を切断した時の切断面中央部
に位置する抵抗発熱体の載置面からの距離が、切断面外
周部に位置する抵抗発熱体の載置面からの距離よりも長
く、かつ載置面に対する抵抗発熱体の平行度が０．０２
〜０．６mmとなるようにしたことから、例えば、載置面
の温度が５００℃となるように加熱した時の載置面にお
ける温度バラツキを１．０％以下とすることができ、載
置面の温度分布を均一化することができる。

【００４７】また、載置面と抵抗発熱体との間にあるセ
ラミック部を、５００℃における熱伝導率が１０〜７０
Ｗ／ｍ・ｋである窒化アルミニウム質焼結体により形成
することによって、載置面の温度分布を均一化すること
ができるとともに、パーティクルの発生を抑え、デバイ
スの不良率を抑えることができる。

【００４８】その為、本発明のセラミックヒータを半導
体製造装置に用いれば、半導体装置の生産効率を向上さ
せることができるとともに、常に品質の高い半導体装置
を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】サセプタと呼ばれる本発明のセラミックヒータ
を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ
−Ｘ線断面図である。

【図２】抵抗発熱体のパターン形状を示す平面図であ
る。

【図３】抵抗発熱体の他のパターン形状を示す平面図で
ある。

【図４】抵抗発熱体のさらに他のパターン形状を示す平
面図である。

【図５】本発明に係るセラミックヒータの他の例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１…セラミックヒータ２…板状セラミック体３…載置面４…抵抗発熱体５…給電端子６…膜状電極Ｔ１：切断面中央部に位置する抵抗発熱体から載置面ま
での距離Ｔ２：切断面外周部に位置する抵抗発熱体から載置面ま
での距離

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｂ 3/20 ３９３Ｈ０５Ｂ 3/20 ３９３ 3/68 3/68 Ｆターム(参考） 3K034 AA02 AA08 AA10 AA12 AA16 AA19 AA21 AA22 AA34 BA06 BB06 BC04 BC08 BC15 BC16 BC17 BC29 CA02 CA14 CA18 CA26 CA27 CA32 HA10 JA01 JA10 3K092 PP20 QA03 QA05 QB02 QB18 QB30 QB31 QB32 QB41 QB43 QB44 QB45 QB62 QB70 QB74 QC02 QC20 QC21 QC49 QC52 RF03 RF11 RF17 RF19 RF25 RF26 RF27 UB02 5F031 CA02 HA02 HA03 HA16 HA37 PA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状セラミック体の一方の主面を、ウエハ
を載せる載置面とするとともに、上記板状セラミック体
中に帯状又は線状の抵抗発熱体を埋設したセラミックヒ
ータにおいて、上記載置面の中心を通る平面にて板状セ
ラミック体を切断した時の切断面中央部に位置する抵抗
発熱体の載置面からの距離が、切断面外周部に位置する
抵抗発熱体の載置面からの距離よりも長く、且つ上記載
置面に対する抵抗発熱体の平行度が０．０２〜０．６mm
の範囲にあることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】上記載置面と上記抵抗発熱体の間が、５０
０℃における熱伝導率が１０〜７０Ｗ／ｍ・Ｋである窒
化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする請求
項１に記載のセラミックヒータ。