JP2003124085A - 基板加熱構造体および基板処理装置 - Google Patents
基板加熱構造体および基板処理装置Info
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Abstract
る。 【解決手段】 チャンバ101内部で基板146を加熱
する基板加熱構造体110は、チャンバ101内に配置
されて基板146を保持するセラミックス基体としての
保持体143と、保持体143に埋込まれた導体層15
0と、電磁誘導により保持体143中の導体層150を
加熱するコイル151とを備える。保持体143は、窒
化アルミニウム、窒化ケイ素および酸化アルミニウムか
らなる群より選ばれた少なくとも1種を主成分として含
む。
Description
および基板処理装置に関し、より特定的には、CVD
(Chemical Vapor Deposition)装置、プラズマCVD
装置およびエッチング装置などの半導体装置を製造する
装置に用いられる基板加熱構造体に関するものである。
て、半導体基板の表面上にCVD法を用いて成膜処理を
行なう場合や、プラズマエッチングなどの処理を行なう
場合、処理対象物である半導体基板を所定の温度に加熱
する必要がある。このため、半導体基板をその上に配置
して半導体基板を加熱するための基板加熱構造体が用い
られる。
板処理装置の模式的な断面図である。図6を参照して、
基板処理装置200は、チャンバ101と、このチャン
バ101内に設置されて、基板146が搭載される保持
体143とを備える。チャンバ101内には、ガス供給
口140と、真空ポンプに接続された排気口141とが
形成されている。保持体143はセラミックスからな
り、その内部に抵抗発熱体115が埋設されている。
面とは反対側に円柱状の支持部としてのシャフト144
が設置されている。このシャフト144はセラミックス
製であり、チャンバ101を構成する壁を貫通するよう
に配置されている。また、このシャフト144とチャン
バ101の壁との間には、Oリング145が設置されて
いる。このOリング145により、チャンバ内部142
の気密性が保たれている。また、シャフト144には、
抵抗発熱体115に電力を供給するための電極線110
aおよび110bが設けられている。さらに、シャフト
144には、保持体143の温度を測定するための熱電
対112が設けられている。
に存在する腐食性の高いハロゲン系ガスなどの反応ガス
に晒されないようにするために、シャフト144と保持
体143との接合部には、気密性の高い接合を必要とす
る。
されることが多い。保持体143内に埋込んだヒータ回
路またはRF(Radio Frequency)電極は、タングステン
またはモリブデン製のメタライズ、コイル、またはメッ
シュにより構成される。これらのヒータ回路またはRF
電極から電極端子を取出す部分に耐酸化性を向上させる
ための気密構造を工夫する必要がある。さらに、熱膨張
係数の異なる材料間の気密封止などの問題が多かった。
と保持体143との接合構造では、保持体143とシャ
フト144の接合応力を考慮すると、保持体143とシ
ャフト144は同じ材質であることが好ましい。保持体
143には、均熱性が要求されるため、熱伝導率の高い
材質が用いられる。このため、シャフト144の熱伝導
率も高くなり、熱伝達により、保持体143の熱はシャ
フト144を通じてシャフト144端部に伝わる。シャ
フト144から熱が逃げるため、保持体143の裏面に
おいて、シャフト144と接合されている部分と、シャ
フト144と接合されていない部分で均熱性が保てなく
なり、基板146を均一に加熱することが難しかった。
と、直径が350mmの保持体143の面上で±1%以
上の温度のばらつきが存在していたが、基板146上の
均一な反応を起こさせるためには、保持体143の表面
での温度のばらつきは±1%未満であることが必要であ
り、さらに好ましくは、ばらつきは±0.5%以下とさ
れる。
200℃以下のOリング145を用いて封止する。その
劣化を防ぐためには、保持体143を温度500℃〜8
00℃の高温に加熱しながら、一方でシャフト144端
部を水冷して温度を150℃程度に抑える必要がある。
保持体143とシャフト144の端部に熱勾配をつけ過
ぎると、シャフト144が熱応力によって割れてしま
う。そのため、シャフト144の長さを、たとえば30
0mm等の長さにして保持体143裏面に接合する必要
がある。これにより、チャンバ101の寸法を小さく抑
えることが困難であった。
シャフト144端部に伝わってきた熱を水冷するため、
エネルギロスが非常に大きく熱効率が悪い。具体的に
は、熱効率は50%未満であった。ランニングコストの
観点から熱効率を50%以上とすることが望まれてお
り、さらに好ましくは、熱効率は70%以上である。熱
効率は投入電力に対する昇温に寄与したエネルギの割合
であり、以下の式で算出される。
×(比熱))/(投入電力量) 保持体143を構成する絶縁性のセラミックスに耐酸化
性の高いニッケルなどの引出し線を直接接合すると、セ
ラミックスと引出し線との熱膨張率の差により、セラミ
ックスが熱応力で割れる。したがって、セラミックスと
引出し電極との間に電極端子を介在させて、これらを接
合する必要がある。シャフト144で高気密に仕切っ
て、シャフト144内部がハロゲンなどの腐食性の高い
反応ガスに侵されないようにしている。しかし、通常、
シャフト144内部は大気雰囲気に晒される。保持体1
43に埋込まれた抵抗発熱体115を、電極端子を通じ
て系外に通じる電極線110aおよび110bに接続す
る必要がある。そのため、電極端子または引出し線は耐
酸化性材料にするか、または耐酸化被膜を施す必要があ
る。電極端子に求められる特性は以下のとおりである。
お、窒化アルミニウムの熱膨張率は4.5×10-6/K
である。窒化ケイ素の熱膨張率は3.0×10-6/Kで
ある。酸化アルミニウムの熱膨張率は6.7×10-6/
Kである。
性がある (3)電気抵抗が低い(10-5Ωcm以下)。
ため、上述の項目のうち1または2項目を満たした材料
を組合わせて電極構造を形成する必要がある。
ステンやモリブデンのような耐酸化性に劣る材料の場
合、電極部分から酸素が入り込まないようにするために
複雑な構造にならざるを得ない。
が設けられているため、それをチャンバ101内に入れ
るためにはシャフト長に応じたチャンバ高さを必要とす
るため、装置をコンパクトにすることが難しかった。
解決するためになされたものであり、構造が簡素化され
た基板加熱構造体および基板処理装置を提供することを
目的とするものである。
熱構造体は、チャンバ内部で基板を加熱する基板加熱構
造体であって、チャンバ内に配置されて基板を保持する
セラミックス基体と、セラミックス基体に埋込まれた導
体層と、電磁誘導によりセラミックス基体中の導体層を
加熱する加熱手段とを備える。
は、導体層は、加熱手段により電磁誘導で加熱される。
そのため、従来のように導体層に引出し電極を接続する
必要がない。さらに、この引出し電極をチャンバ内に導
くためのシャフトも必要ない。その結果、構造が簡素化
された基板加熱構造体を提供することができる。
化アルミニウム、窒化ケイ素および酸化アルミニウムか
らなる群より選ばれた少なくとも1種を主成分として含
む。
伝導率が100W/mK以上の窒化アルミニウムを主成
分として含む。
ン、モリブデン、白金、金、銀、パラジウム、ニッケル
およびクロムからなる群より選ばれた少なくとも1種を
含む。
00Hz以上の高周波で導体層を加熱する。
板を載置する第1の面と、第1の面と反対側に位置する
第2の面とを含む。第1の面側に導体層が埋込まれてい
る。第2の面側のセラミックス基体の部分に空孔が形成
されている。空孔内の圧力は大気圧より低い。
a以下である。また好ましくは、空孔は、第1の面に近
い側の第1の内表面と、第1の面から遠い側の第2の内
表面とにより規定される。第2の内表面は、平均粗さR
aが0.1μm以下の部分を含む。この場合、第2の内
表面の平均表面粗さRaが0.1μm以下の部分を含む
ため、この部分で熱が反射する。これにより、熱の放散
を抑えることができる。
ミックス基体の表面の平均粗さRaが1.0μm以上で
ある。この場合、チャンバに接触するセラミックス基体
の表面粗さが大きくなるため、チャンバとセラミックス
基体との接触面積を小さくすることができる。その結
果、熱の放散をさらに抑えることができる。
ンバとセラミックス基体との間に介在する、円錐状、角
錐状、円柱状および角柱状のいずれかの形状の突起部材
をさらに備える。この場合、突起部材がチャンバとセラ
ミックス基体との間に介在するため、チャンバとセラミ
ックス基体との接触面積が少なくなる。その結果、さら
にセラミックス基体からの熱の放散を抑えることができ
る。
ンバに取付けられた第1の磁石と、第1の磁石に向かい
合うようにセラミックス基体に取付けられた第2の磁石
とをさらに備える。第1の磁石と第2の磁石との間に作
用する反発力により、セラミックス基体はチャンバから
磁気浮上する。この場合、セラミックス基体がチャンバ
から磁気浮上するため、セラミックス基体とチャンバは
直接接触しない。その結果、セラミックス基体からチャ
ンバへの熱の放散を抑えることができる。
いずれかの基板加熱構造体と、基板加熱構造体のセラミ
ックス基体が内部に配置されたチャンバとを備える。
である。本発明者らは、複雑な電極構造を必要としない
基板加熱構造体についてさまざまに検討した。引出し線
を用いて直接セラミックス基体内のヒータ回路を系外の
電源と接続しようとすると、引出し線をチャンバ内に導
入するシャフトが必要となる。このシャフトは、ハロゲ
ン等の腐食性の高いガスから引出し線を保護する。しか
しながら、このシャフトを用いると上述のような問題が
生じる。
ャンバ壁内またはチャンバ壁外に組み込んだ加熱手段
(たとえばコイル)に交流電流を流し、セラミックス基
体に埋込んだ導体層に磁力線を送り込み、この導体層に
渦電流を流すことによりヒータ回路として作用させて発
熱させる。このように電磁誘導加熱により発熱した熱
を、伝熱により基板に伝えて加熱する。
伝導性を鑑みて、窒化アルミニウム、窒化ケイ素および
酸化アルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも1
種を主成分として用いることが好ましい。
高い焼結体が得られる窒化アルミニウムを用いることが
好ましく、さらにその熱伝導率は100W/mK以上と
することが望ましい。
構成する導体層は、抵抗の高い金属であればよいが、ヒ
ータ回路の厚みを薄くするなどにより抵抗を上げること
が可能である。耐熱性も鑑みると、タングステン、モリ
ブデン、白金、金、パラジウム、ニッケルおよびクロム
からなる群より選ばれた少なくとも1種以上であること
が好ましい。
数は、家庭用電源の周波数の50Hzまたは60Hzよ
りも、500Hz以上の高周波を用いる方が発熱効率が
良い。また、騒音も発生しない。
ミックス基体中の導体層が加熱されるため、ウェハ保持
体をシャフトで保持する必要がない。
熱効率を落とすことがなく、また、チャンバ壁を熱変形
させることがないため、チャンバへの熱の伝わりを防げ
ばセラミックス基体をチャンバ内壁に直接置くことが可
能となる。基板を搭載する面と反対側の面に空孔を設
け、空孔内部の圧力を大気圧より低くすることで断熱層
としての機能を持たせることができる。真空にすればそ
の効果はさらに向上する。
対面した面の一部あるいは全面が、平均粗さRaが0.
1μm以下の鏡面に仕上げられていることが好ましい。
このように構成すれば、セラミックス基体上部から輻射
で放射された熱がその面で反射されてセラミックス基体
に戻すことができる。これにより、熱がチャンバの壁面
へ逃げることを防止することができ、空孔での断熱効率
を上げることができる。
状、円柱状または角柱状の突起部材で支持するか、また
はチャンバと接触するセラミックス基体の表面の平均粗
さRaを1.0μm以上としてもよい。この場合、微細
な突起がチャンバの壁面と接触することにより、チャン
バ壁面への熱伝達を抑えることができる。さらに、突起
部材を用いることにより、チャンバとセラミックス基体
との接触面積を小さくすることができる。これによりチ
ャンバ壁への熱伝達を防止することができる。
れの対向する箇所に磁石を取付け、セラミックス基体を
磁気浮上させることができる。これにより、発生した熱
がチャンバ側へ逃げない。そのため基板の加熱効率が良
く、かつ均一加熱性に優れる。
トとセラミックス基体とを接合する必要がないため、シ
ャフトが接合されるセラミックス基体の面での温度低下
がなくなる。これにより、基板を保持する面での均熱性
を±1%未満とすることができる。さらに、熱伝導率が
100W/mK以上の窒化アルミニウムをセラミックス
基体として用いることにより、均熱性を±0.5%以下
とすることができる。
接合を必要としないため、シャフトを通じて熱が逃げる
ことがない。これにより、熱効率を50%以上にするこ
とができる。さらに、電磁誘導加熱と上述の断熱手法を
組合わせることにより、70%以上の熱効率を得ること
が可能となる。
バをコンパクトにすることができる。
導を用いて電力を供給するため、引出し線を接続するた
めの電極構造を必要としない。その結果、接続不良が存
在しなくなる。
いて、図面を参照して説明する。
の形態1に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式
的な断面図である。図1を参照して、この発明の実施の
形態1に従った基板処理装置100は、チャンバ101
と、基板加熱構造体110とを備える。基板加熱構造体
110は、チャンバ101内部で基板146を加熱す
る。基板加熱構造体110は、チャンバ101内に配置
されて基板146を保持するセラミックス基体としての
保持体143と、保持体143に埋込まれた導体層15
0と、電磁誘導により保持体143中の導体層150を
加熱する加熱手段としてのコイル151とを備える。
ケイ素および酸化アルミニウムからなる群より選ばれた
少なくとも1種を主成分として含む。
K以上の窒化アルミニウムを主成分として含む。導体層
150は、タングステン、モリブデン、白金、金、銀、
パラジウム、ニッケルおよびクロムからなる群より選ば
れた少なくとも1種を含む。
の高周波で導体層150を加熱する。
01には、ガス供給口140と、真空ポンプに接続され
た排気口141とが形成されている。チャンバ101は
断熱容器により構成される。
チャンバ101内に配置されている。保持体143は、
基板146を載置する第1の面143sと、第1の面1
43sと反対側に位置してチャンバ101と接触する第
2の面143tとを有する。第1の面143sと第2の
面143tとはほぼ平行に形成されている。
43s側に埋込まれている。導体層150は金属により
構成され、電磁誘導で加熱される。導体層150で発生
した熱が基板146へ伝えられるため、導体層150と
基板146との距離は小さい方が好ましい。
通して保持体143に差し込まれるように形成されてい
る。熱電対112の先端が基板146の温度を測定す
る。そのため、熱電対112の先端は基板146の近傍
に位置することが望ましい。また、熱電対112は導体
層150と直接接触しないように配置される。
のコイル151が設けられている。コイル151はチャ
ンバ101内に設けられてもよい。さらに、チャンバ1
01の壁面にコイル151が埋込まれてもよい。コイル
151に高周波電流を印加することにより、電磁誘導の
原理で導体層150を加熱することができる。
0およびそれを用いた基板処理装置100では、発熱体
としての導体層150は、コイル151により、電磁誘
導で加熱される。そのため、発熱体に引出し線等を接続
する必要がない。その結果、引出し線を設けるためのさ
まざまな複雑な構造を必要とせず、構造が簡素化された
基板加熱構造体110を提供することができる。このよ
うに、構造が簡素化されているため、基板加熱構造体1
10の製造コストを低下させることができ、さらに故障
を防止することができる。
の形態2に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式
的な断面図である。図2を参照して、この発明の実施の
形態2に従った基板処理装置100および基板加熱構造
体110では、保持体143内に空孔161が設けられ
ている点で、実施の形態1に従った基板処理装置100
および基板加熱構造体110と異なる。セラミックス基
体としての保持体143は、基板146を載置する第1
の面143sと、第1の面143sと反対側に位置する
第2の面143tとを含む。第1の面143s側に導体
層150が埋込まれている。第2の面143t側のセラ
ミックス基体の部分に空孔161が形成されている。空
孔161内の圧力は大気圧より低い。より好ましくは、
空孔161内の圧力は133Pa以下である。空孔16
1は、第1の面143sに近い側の第1の内表面161
sと、第1の面143sから遠い側の第2の内表面16
1tとにより規定される。第2の内表面161tが平均
粗さRaが0.1μm以下の部分を含む。
形態2に従った基板加熱構造体110および基板処理装
置100では、実施の形態1で示した基板加熱構造体1
10および基板処理装置100と同様の効果がある。さ
らに、保持体143に空孔161が形成されている。こ
の空孔内の圧力は大気圧より低いため、空孔161によ
り断熱効果が生じる。また、第2の内表面161tの表
面粗さRaが0.1μm以下であり、この部分が鏡面研
磨されているため、第1の内表面161sから輻射され
た熱が第2の内表面161tで反射する。これによりさ
らに断熱効果を上げることができる。その結果、熱効率
をさらに向上させることができる。
の形態3に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式
的な断面図である。図3を参照して、この発明の実施の
形態3に従った基板加熱構造体110およびそれを備え
た基板処理装置100では、第2の面143tに突起1
43uが形成されている点で、実施の形態1に従った基
板加熱構造体110および基板処理装置100と異な
る。すなわち、チャンバ101に接触する保持体143
の第2の面143tの平均粗さRaが1.0μm以上と
される。
形態3に従った基板加熱構造体110およびそれを用い
た基板処理装置100では、まず、実施の形態1に従っ
た基板加熱構造体110および基板処理装置100と同
様の効果がある。
きいため、第2の面143tとチャンバ101との接触
面積が小さくなる。これにより、保持体143からチャ
ンバ101へ熱が伝達するのを防止することができ、熱
効率をさらに向上させることができる。
の形態4に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式
的な断面図である。図4を参照して、この発明の実施の
形態4に従った基板加熱構造体110およびそれを用い
た基板処理装置100では、チャンバ101と保持体1
43との間に円錐形状の突起部材149が設けられてい
る点で、実施の形態1に従った基板加熱構造体110お
よび基板処理装置100と異なる。突起部材149は、
円錐形状に限られるものではなく、角錐状、円柱状およ
び角柱状のいずれかとしてもよい。
形態4に従った基板加熱構造体110および基板処理装
置100では、実施の形態3に従った基板加熱構造体1
10および基板処理装置100と同様の効果がある。
の形態5に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式
的な断面図である。図5を参照して、この発明の実施の
形態5に従った基板加熱構造体110およびそれを用い
た基板処理装置100では、保持体143に磁石172
が設けられ、チャンバ101に磁石171が設けられて
いる点で、これらが設けられていない実施の形態1に従
った基板加熱構造体110および基板処理装置100と
異なる。
状であり、中央に孔が設けられている。この孔を熱電対
112が貫通する。磁石171と磁石172との間に反
発力が生じるように互いの磁石が位置決めされる。すな
わち、基板加熱構造体110は、チャンバ101に取付
けられた第1の磁石としての磁石171と、磁石171
に向かい合うようにセラミックス基体としての保持体1
43に取付けられた第2の磁石としての磁石172とを
さらに備える。磁石171と磁石172との間に作用す
る反発力により、保持体143はチャンバ101から磁
気浮上する。
形態5に従った基板加熱構造体110およびそれを用い
た基板処理装置100に従えば、まず、実施の形態1に
示した基板加熱構造体110および基板処理装置100
と同様の効果がある。
から浮上するため、直接チャンバ101に接触すること
がない。その結果、保持体143からチャンバ101へ
の熱の伝達が少なくなるため、熱効率をさらに向上させ
ることができる。
助剤としてイットリア(Y2O3)を5.0質量%と、バ
インダとを添加した。これらを分散混合した後、乾燥さ
せて粉末を得た。この粉末を焼結加工した後に直径φが
350mmで厚みが5.0mmとなる寸法でプレスする
ことにより成形体1を得た。また、直径φが350mm
で厚みが2.0mmとなるようにプレスして成形体2を
得た。成形体1にタングステンぺーストを用いて発熱回
路を印刷した後乾燥した。タングステン発熱回路を挟み
込むように成形体2と成形体1を重ね合わせた。温度9
00℃の窒素ガス気流中で脱脂し、カーボンの型内にセ
ットした。これを荷重9.8MPa、温度1850℃で
4時間ホットプレス焼結した。得られた焼結体の上面と
下面とをダイヤモンド砥粒で研磨して保持体143を得
た。研磨面の平均粗さRaは0.8μmであった。窒化
アルミニウムの熱伝導率は150W/mKであった。
円錐状のアルミナ(Al2O3)で5点支持して図4で示
すようにCVD装置のチャンバ101内にセットした。
対向面するチャンバの壁面にコイル151を埋込んで周
波数が30kHzで1000Wの電力で電磁誘導加熱を
行なった。熱電対112で測定した温度(加熱温度)は
550℃であり、基板146を搭載する第1の面143
sでの均熱性(温度のばらつき)は±0.45%であっ
た。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に
温度差の大きい特異点は発生しなかった。また、熱効率
は78%であった。
1にタングステンぺーストで発熱回路を印刷した後乾燥
した。成形体2に、成形体1の発熱回路の両端部に相当
する箇所に孔をあけて、発熱回路を挟み込むように重ね
合わせて温度900℃の窒素ガス気流中で脱脂した。そ
の後カーボンの型にセットして9.8MPaの荷重で温
度1850℃で4時間ホットプレス焼結した。得られた
焼結体の上面と下面とをダイヤモンド砥粒を用いて研磨
した。研磨面の平均粗さRaは0.8μmであった。窒
化アルミニウムの熱伝導率は150W/mKであった。
状の窒化アルミニウム焼結体で作製したシャフトの端部
に9.8MPaの荷重をかけて温度1800℃で2時間
ホットプレスすることによりシャフトと焼結体とを接合
した。タングステンの回路パターンの両端部にタングス
テンねじをろう付けにて接合した。さらに、引出し線と
してニッケルロッドをタングステンねじにねじ込んで接
合した。これをCVD装置のチャンバ内に配置し、直径
φが5mmで高さが5mmの円錐状のAl2O3の突起部
材で5点支持してセットした。ニッケルの引出し線端部
を系外の電源に電気的に接続した。電源から1000W
の電力を供給した。熱電対で測定した温度は550℃で
あった。ヒータの表面の均熱性は±1.1%であった。
このとき、シャフト接合部の反対側の基板で搭載面の温
度が特に低下した。熱効率は40%となった。
周波数が60Hz、電力が1000Wで誘導加熱した。
熱電対112で測定した温度は550℃であり、均熱性
は±0.45%であった。このとき、温度分布は同心円
上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しな
かった。加熱時に微小な振動が発生し、エネルギロスが
生じた。実施例1に比べ熱効率は低くなり、熱効率は6
5%であった。
工してモリブデンコイルを埋込んだ。成形体1および2
とも、温度900℃で脱脂して2枚を重ねて荷重9.8
MPaで加圧しながら温度1850℃で4時間加熱して
ホットプレス焼結した。窒化アルミニウムの熱伝導率は
150W/mKであった。得られた焼結体で保持体14
3を構成し、図4で示すように、直径φが5mmで高さ
が5mmの円錐状のアルミナで保持体143を5点支持
してチャンバ101壁上に置いた。対向するチャンバ壁
にコイル151を埋込んで周波数30kHz、電力10
00Wで電磁誘導加熱を行なった。このとき、温度分布
は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は
発生しなかった。熱電対112で測定した温度は550
℃であり、均熱性は±0.5%であった。熱効率は70
%であった。
度900℃の窒素ガス気流中で脱脂しカーボンの型内に
セットした。荷重が9.8MPa、温度1850℃で4
時間ホットプレス焼結した。窒化アルミニウムの熱伝導
率は150W/mKであった。
ストを成形体1に塗布した。実施例5では、銀−パラジ
ウム(Ag−Pd)ペーストを塗布した。実施例6では
ニッケル−クロム(Ni−Cr)ペーストを塗布した。
温度150℃で乾燥した後温度800℃で脱脂して温度
750℃〜900℃で焼成した。
した。成形体1と成形体2を重ねて4.9kPaの荷重
を加えて温度750℃で接合した。これにより保持体1
43を形成した。直径φが5mmで高さが5mmの円錐
状のアルミナで保持体143を5点支持し、チャンバ1
01の壁上に置いた。対向するチャンバ壁にコイルを埋
込んで周波数が30kHz、電力1000Wで電磁誘導
加熱を行なった。それぞれの実施例4から6で熱電対1
12の温度(加熱温度)は550℃であった。それぞれ
の実施例での均熱性は、実施例4では±0.45%、実
施例5では±0.45%および実施例6では±0.44
%であった。このとき、温度分布はすべて同心円上で均
一であり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかっ
た。熱効率は、実施例4では75%、実施例5では74
%、実施例6では75%であった。
してイットリア(Y2O3)とアルミナ(Al2O3)をそ
れぞれ0.5質量%ずつ添加し、さらにバインダを添加
して分散混合した。その後乾燥した粉末を焼結加工し
て、直径φが350mmで厚みが5.0mmの寸法の成
形体1をプレスして得た。また、直径φが350mmで
厚みが2.0mmの成形体2をプレスで得た。この成形
体1上にタングステンぺーストを塗布して発熱回路を形
成し、温度900℃の窒素ガス気流中で脱脂した後、成
形体1と成形体2を重ね合わせ、9.8kPaの荷重を
かけながら温度1600℃で4時間焼結した。窒化ケイ
素の熱伝導率は30W/mKであった。得られた焼結体
の上下面をダイヤモンド砥粒で研磨した。これにより保
持体143を形成した。
アルミナで保持体143を5点支持してチャンバ101
壁上に置いた。対向するチャンバの壁面にコイルを埋込
んで周波数が30kHz、電力が1000Wの条件で電
磁誘導加熱を行なった。このとき、温度分布は同心円上
で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなか
った。熱電対112で測定した温度は550℃であっ
た。均熱性は±0.7%であった。熱効率は65%であ
った。
助剤としてマグネシア(MgO)を1質量%添加し、さ
らにバインダを添加して分散混合した。得られた粉末を
乾燥して焼結した後に実施例7の成形体1および成形体
2と同一の寸法となるようにプレスした。この成形体1
上にタングステンペーストを塗布して発熱回路を形成
し、温度700℃の大気ガス気流中で脱脂した。さらに
温度1600℃で3時間焼結した。酸化アルミニウムの
熱伝導率は20W/mKであった。得られた焼結体の上
面と下面をダイヤモンド砥粒を用いて研磨して図4で示
す保持体143を得た。
アルミナで保持体143を5点支持してチャンバ101
壁上に置いた。対向するチャンバ壁にコイル151を埋
込んで周波数が30kHz、電力が1000Wで電磁誘
導加熱を行なった。熱電対112で測定した温度は55
0℃であり、均熱性は±0.9%であった。このとき、
温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい
特異点は発生しなかった。熱効率は60%であった。
アルミニウムを焼結後ダイヤモンド砥粒で上下面を研磨
して、直径φが350mmで厚みが5.0mmの成形体
1、直径φが350mmで厚みが2.0mmの成形体2
および直径φが350mmで厚みが1.0mmの成形体
3を得た。窒化アルミニウムの熱伝導率は150W/m
Kであった。成形体1にタングステンペーストを塗布し
て発熱回路を形成した後、乾燥した。温度900℃で脱
脂した後、温度1900℃で5時間焼成した。成形体2
の中央部を、直径φが330mmで深さが0.5mmの
座繰り加工して外周の縁部を5mmの幅で残した。座繰
り面の面精度はRa=0.8μmであった。
の縁上に接合用ペーストを塗布し、乾燥後、温度900
℃で脱脂した。成形体1のタングステンメタライズ図面
と成形体3の接合ペースト面とを重ね合わせた。成形体
3の接合ペーストがない面と成形体2の座繰り面を重ね
合わせた。窒素の圧力が98kPa中で、3枚の成形体
1から3を9.8kPaの荷重で加圧しながら温度17
50℃で1時間加熱して接合した。これにより、図2で
示す空孔161を有する保持体143を得た。温度55
0℃で空孔161の内圧は40kPaとなった。接合体
の上下面をダイヤモンド砥粒で研磨して仕上げた。この
成形体2を下にしてチャンバ壁上に直に保持体143を
図2で示すように設置した。対向するチャンバ壁にコイ
ル151を埋込んで周波数が30kHz、電力が100
0Wで電磁誘導加熱を行なった。熱電対112で測定し
た温度は550℃であった。均熱性は0.35%であっ
た。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に
温度差の大きい特異点は発生しなかった。冷却水とし
て、全実施例とも25℃の水を流しているが、実施例1
の場合、ヒータが搭載されるチャンバ101の平均表面
の温度が120℃であったのに比べ、本実施例では50
℃であり、温度が低くなった。これは、チャンバへの熱
の逃げが抑えられたためと考えられる。熱効率は81%
であった。
3Paで行なった以外は、実施例9と同じ方法で保持体
143を作製した。温度550℃における空孔161内
の圧力は13.3Paとなった。成形体2を下にして図
2で示すように保持体143をチャンバ壁に直に設置し
た。対向するチャンバ壁にコイル151を埋込んで、周
波数が30kHz、電力1000Wで電磁誘導加熱を行
なった。熱電対112で測定した温度は550℃であっ
た。均熱性は±0.28%であった。このとき、温度分
布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点
は発生しなかった。チャンバ101の壁面の温度は40
℃まで低くなった。チャンバへの熱の逃げが実施例9よ
りさらに抑えられたと考えられる。熱効率は83%であ
った。
形体1〜3を作製した。成形体2の座繰り面をさらに遊
離砥粒を用いて平均粗さRaが0.05μmになるまで
磨いて実施例10と同じ条件で接合した。成形体2を下
にしてチャンバ101の壁に直に設置した。対向するチ
ャンバ101の壁にコイル151を埋込んで、周波数が
30kHz、電力1000Wで電磁誘導加熱を行なっ
た。熱電対112で測定した温度は550℃であり、均
熱性は±0.25%であった。このとき、温度分布は同
心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生
しなかった。チャンバ101壁面の温度は30℃まで低
くなった。チャンバ101への熱の逃げが実施例10よ
りさらに抑えられたと考えられる。熱効率は85%であ
った。
3の第2の面143tの平均粗さRaは0.8μmであ
ったが、実施例12では、この第2の面143tを粗粒
の固定砥粒で荒らして平均粗さRaを1.5μmにし
て、チャンバ101上に図3で示すように直接設置し
た。対向するチャンバ壁にコイル151を埋込んで、周
波数が30kHz、電力1000Wで電磁誘導加熱を行
なった。熱電対112で測定した温度は550℃であ
り、均熱性は±0.45%であった。このとき、温度分
布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点
は発生しなかった。熱効率は76%であった。微視的な
突起によって保持体143とチャンバ101との接触面
積が減少した効果があったと考えられる。
143の第2の面143tに磁石172をN極が下にな
るように埋込んだ。この磁石172は永久磁石コイルに
より構成される。チャンバ101の対向面には、N極が
上になるように永久磁石コイルからなる磁石171を埋
込んだ。この上に保持体143を設置した。磁石171
および172の反発力により、保持体143は0.1m
m程度浮いていた。チャンバ101内で保持体143が
移動しないように、側面の4箇所をストッパで固定し
た。この状態で周波数30kHz、電力1000Wで電
磁誘導加熱を行なった。熱電対112で測定した温度は
550℃であり、均熱性は±0.3%であった。このと
き、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大
きい特異点は発生しなかった。熱効率は80%であっ
た。
を表1に示す。
が300mmであり、チャンバ101上部には反応ガス
供給用のシャワーヘッドがあるため、CVDのチャンバ
101の内寸の高さは350mmのものを用いた。実施
例1のサセプタ(基板加熱構造体110)を用いたCV
Dのチャンバを新たに設計したところ、内寸の高さは5
0mmであり、大幅にコンパクト化することが可能とな
った。
ホットプレス接合後に、保持体の中央付近にヒータ回路
の両端部を露出させる必要がある。そのため、もう1枚
の成形体に、電極に対応した部分に孔を開けて位置合わ
せをして接合する。直径φが50mmで長さが300m
mのシャフトをホットプレス接合した後、電極部にニッ
ケル引出し線を接合して系外に接続し、電力供給できる
ようした。窒化アルミニウムとニッケルは熱膨張率が異
なる。そのため、直接接合すると、熱応力により脆性材
料である窒化アルミニウムにクラックが入る。これは、
基板の保持体が窒化ケイ素またはアルミナでも同様であ
る。そこで、窒化アルミニウムおよびタングステンのヒ
ータ回路とニッケル引出し線の間に応力緩和用の電極端
子を必要とする。電極端子は、大気中、温度750℃の
雰囲気まで晒される可能性があるため、この温度までの
耐酸化性を必要とする。また、電極端子部の抵抗が高い
と、この部分で発熱が起こるため、電気抵抗は低い方が
よい。ヒータ回路の抵抗から鑑みて、電極端子の電気抵
抗は10-5Ωcm以下である必要がある。保持体が窒化
アルミニウムの場合、電極端子に要求される特性は以下
の3項目にまとめられる。
じ4.5×10-6/K。 (2) 大気中温度800℃までの耐酸化性に優れる。
たとえばタングステンは(1)において熱膨張率が4.
5×10-6/Kであり、(3)において電気抵抗率が
5.6×10-6Ωcmと2つの条件を満たすが、大気中
での耐酸化性に乏しい。具体的には、温度400℃以上
で酸化タングステンとして昇華してしまう。モリブデン
は(1)において熱膨張率が5.5×10-6で窒化アル
ミニウムにやや近い。(3)において電気抵抗率は5.
2×10-6Ωcmであり、2つの条件を満たす。しか
し、大気中での耐酸化性に乏しく、温度400℃以上で
酸化モリブデンとして昇華する。
温度800℃では変色はするが比較的耐久性を有する。
(1)において室温では熱膨張率は4.5×10-6/K
に近いが、温度400℃以上での熱膨張率が4.5×1
0-6/Kから大きく外れ、10×10-6/K程度にな
る。また、電気抵抗率も目標値に対して1桁高く、電極
端子部での発熱が懸念される。
の耐酸化性と(3)の電気導電性は全く問題がないが、
(1)の熱膨張率が窒化アルミニウムやタングステンヒ
ータ回路と合わないため、電極端子材料としては不適格
である。
を満たす材料をうまく組合せて電極端子構造を形成する
必要がある。さらに、タングステンヒータ回路端部も剥
き出しにならないようにし、この部分も耐酸化性被膜処
理構造が必要となる。さらに、電極端子の接合作業は狭
いシャフト内で行なうことから、どうしても接合不良が
生じる。
を形成する必要がなく、サセプタでの電極構造は全く不
要となった。チャンバ側に電磁誘導コイルを必要とする
が、一度チャンバにコイルを設置すると、サセプタが高
温での長期使用や熱サイクルで寿命になったとしても、
電磁誘導コイルは常温近傍で使用されるため、半永久的
に使用できる。
すべての点で例示であって制限的なものではないと考え
られるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではな
くて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と
均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれるこ
とが意図される。
いて、ウェハを保持しながら加熱するサセプタヒータに
高抵抗の金属を埋込む。対向するチャンバの壁上、壁内
または壁外にコイルを埋込んで交流電流を流し、サセプ
タヒータ内の金属を電磁誘導で加熱する。これにより引
出し線を保護するためのシャフト接合が不要となり、系
外に引出し線を引出すための耐酸化の電極構造も必要な
い。完全にセラミックス中に金属を埋込んでしまえばよ
い。したがって、サセプタヒータが非常に単純形状とな
るため安価に製造できる。また、熱の逃げの原因となる
シャフトがなくなるため、保持方法を熱の逃げの少なく
なるように接触断面積を小さくしたり、磁気浮上させる
ことにより基板の載置面の裏面への熱の逃げを抑えら
れ、基板の均一加熱が可能となり、CVDの膜厚や膜質
の均一化が図れるようになった。
造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
る。
基板加熱構造体、143 保持体、143s 第1の
面、143t 第2の面、146 基板、149突出部
材、150 導体層、151 コイル、161 空孔、
161s 第1の内表面、161t 第2の内表面。
Claims (13)
- 【請求項1】 チャンバ内部で基板を加熱する基板加熱
構造体であって、 チャンバ内に配置されて基板を保持するセラミックス基
体と、 前記セラミックス基体に埋込まれた導体層と、 電磁誘導により前記セラミックス基体中の前記導体層を
加熱する加熱手段とを備えた、基板加熱構造体。 - 【請求項2】 前記セラミックス基体は、窒化アルミニ
ウム、窒化ケイ素および酸化アルミニウムからなる群よ
り選ばれた少なくとも1種を主成分として含む、請求項
1に記載の基板加熱構造体。 - 【請求項3】 前記セラミックス基体は、熱伝導率が1
00W/mK以上の窒化アルミニウムを主成分として含
む、請求項1に記載の基板加熱構造体。 - 【請求項4】 前記導体層は、タングステン、モリブデ
ン、白金、金、銀、パラジウム、ニッケルおよびクロム
からなる群より選ばれた少なくとも1種を含む、請求項
1から3のいずれか1項に記載の基板加熱構造体。 - 【請求項5】 前記加熱手段は、周波数が500Hz以
上の高周波で前記導体層を加熱する、請求項1から4の
いずれか1項に記載の基板加熱構造体。 - 【請求項6】 前記セラミックス基体は、基板を載置す
る第1の面と、前記第1の面と反対側に位置する第2の
面とを含み、前記第1の面側に前記導体層が埋込まれて
おり、前記第2の面側の前記セラミックス基体の部分に
空孔が形成されており、前記空孔内の圧力は大気圧より
低い、請求項1から5のいずれか1項に記載の基板加熱
構造体。 - 【請求項7】 前記空孔内の圧力が133Pa以下であ
る、請求項6に記載の基板加熱構造体。 - 【請求項8】 前記空孔は、前記第1の面に近い側の第
1の内表面と、前記第1の面から遠い側の第2の内表面
とにより規定され、前記第2の内表面は、平均粗さRa
が0.1μm以下の部分を含む、請求項6または7に記
載の基板加熱構造体。 - 【請求項9】 チャンバに接触する前記セラミックス基
体の表面の平均粗さRaが1.0μm以上である、請求
項1から8のいずれか1項に記載の基板加熱構造体。 - 【請求項10】 チャンバと前記セラミックス基体との
間に介在する、円錐状、角錐状、円柱状および角柱状の
いずれかの形状の突起部材をさらに備えた、請求項1か
ら8のいずれか1項に記載の基板加熱構造体。 - 【請求項11】 チャンバに取付けられた第1の磁石
と、 前記第1の磁石に向かい合うように前記セラミックス基
体に取付けられた第2の磁石とをさらに備え、 前記第1の磁石と前記第2の磁石との間に作用する反発
力により、前記セラミックス基体はチャンバから磁気浮
上する、請求項1から8のいずれか1項に記載の基板加
熱構造体。 - 【請求項12】 請求項1から11のいずれか1項に記
載の前記基板加熱構造体と、 前記基板加熱構造体の前記セラミックス基体が内部に配
置されたチャンバとを備えた、基板処理装置。 - 【請求項13】 前記基板処理装置は化学気相蒸着装置
である、請求項12に記載の基板処理装置。
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