JP2004171834A

JP2004171834A - 加熱装置

Info

Publication number: JP2004171834A
Application number: JP2002333950A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Goto; 義信後藤; Hideyoshi Tsuruta; 英芳鶴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-18
Also published as: US7044399B2; US20040177812A1; JP4026759B2

Abstract

【課題】被加熱物を設置し、加熱するための加熱装置において、加熱時の経時変化による設置面の熱変形を少なくし、被加熱物の平面度を高く保持し、かつヒーターに支持に耐える強度を付与しつつ製造コストを低減する。
【解決手段】加熱装置１は、被加熱物Ｗを設置するための設置面２ａ、背面２ｂおよび側面２ｃを有するセラミック基板２、セラミック基板２の設置面２ａから発熱を生じさせるための加熱手段３、およびセラミック基板２を背面２ｂから支持する金属製の板状支持部材４を備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体製造装置においては、熱ＣＶＤなどによってシランガスなどの原料ガスから半導体薄膜を製造するに当たって、基板であるウエハーを加熱するためのセラミックスヒーターが具えられている。セラミックスヒーターとしては、いわゆる２ゾーンヒーターと呼ばれるものが知られている。２ゾーンヒーターにおいては、セラミックス基体中に、高融点金属からなる内周側抵抗発熱体と外周側抵抗発熱体とを埋設し、これらの抵抗発熱体にそれぞれ別個の電流導入端子を接続し、各抵抗発熱体にそれぞれ独立して電圧を印加することにより、内周抵抗発熱体および外周側抵抗発熱体を独立に制御する。
【０００３】また、特許文献１においては、セラミックスヒーターの抵抗発熱体を、高融点金属などからなる複数の回路パターンによって構成している。そして、一つの回路パターンの折れ目や折り返し部などに、他の回路パターンを重ね合わせている。
【特許文献１】
特開平５−３２６１１２号公報
【０００４】例えば半導体ウエハーを加熱する用途においては、加熱面の温度を全体に均一に制御することが必要であり、使用条件下で例えば加熱面の全体にわたって±１０℃以下といった厳格な仕様を満足することが要求されている。
【０００５】セラミックヒーターは、このような加熱面の温度の均一性という点からは優れている。また、例えば半導体ウエハーを保持しながら加熱する際に、経時変化によるウエハー接触面の熱変形が少なく、ウエハーの平面度を高く保持できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、セラミックヒーターの製造コストは高い。特に、セラミックヒーターを筒状支持部材で支持してチャンバーへと取り付ける際に、セラミックヒーターに支持に耐える強度を付与しようとすると、ヒーターの厚みが大きくなり、製造コストが一層増大するという問題がある。
【０００７】一方、金属製のヒーターは、強度が高く、製造コストが低い。しかし、例えば半導体ウエハーを保持しながら加熱する際に、経時変化でウエハー接触面の熱変形が大きく、ウエハーの平面度を保持することができない。
【０００８】本発明の課題は、被加熱物を設置し、加熱するための加熱装置において、加熱時の経時変化による設置面の熱変形が少なく、被加熱物の平面度を高く保持でき、かつ加熱装置に支持に耐える強度を付与しつつ製造コストを低減することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、被加熱物を設置するための設置面、背面および側面を有するセラミック基板、セラミック基板の設置面から発熱を生じさせるための加熱手段、およびセラミック基板を背面から支持する金属製の板状支持部材を備えていることを特徴とする、加熱装置に係るものである。
【００１０】本発明の加熱装置によれば、セラミック基板に被加熱物の設置面を設け、設置面から発熱を生じさせて被加熱物を加熱している。このため、セラミック加熱時の経時変化による設置面の熱変形が少なく、被加熱物の平面度を高く保持できる。その上、セラミック基板を背面から支持する金属製の板状支持部材を備えているので、ヒーターに支持に耐える強度を付与しつつ製造コストを低減できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を更に詳細に説明する。
【００１２】好適な実施形態においては、加熱手段が、セラミック基板内に埋設されている抵抗発熱体である。図１は、この一実施形態に係る加熱装置１を概略的に示す断面図である。金属製の板状支持部材４は、平板状部４ｂと、平板状部４ｂの周縁から突出するフランジ部４ａとを備えている。平板状部４ｂの表面４ｃ上にセラミック基板２が設置されている。セラミック基板２中には抵抗発熱体３が埋設されている。セラミック基板２の背面２ｂは平板状部４ｂの表面４ｃに接触しており、セラミック基板２の設置面２ａ上に被加熱物Ｗを設置する。本例では、フランジ部４ａの上端が設置面２ａに対して突出し、ガイド５を形成しており、ガイド５によって被加熱物Ｗの周縁がガイドされている。
【００１３】板状支持部材４の背面４ｄには筒状支持部材９のフランジ部９ａが更に接合されている。また、筒状支持部材９の他端９ｂはＯリング１０を介して冷却シャフト１１に対して固定されている。冷却シャフト１１は、図示しないチャンバーに対して設置可能なように設計されている。筒状支持部材９の内側には更にセラミックス製の保護筒８が収容されており、保護筒８内に棒状の電力供給部材７が収容されている。部材７の一端は端子６に接続されており、他端は、冷却シャフト１１内のコネクタ１２に接続されている。コネタク１２から部材７、端子６を介して抵抗発熱体３に電力を供給可能となっている。コネクタ１２は保護筒１３内に収容されている。
【００１４】本例の加熱装置によれば、セラミック基板２に被加熱物Ｗの設置面２ａを設け、設置面２ａから発熱を生じさせて被加熱物Ｗを加熱している。このため、セラミック加熱時の経時変化による設置面２ａの熱変形が少なく、被加熱物Ｗの平面度を高く保持できる。その上、セラミック基板２を背面２ｂから支持する金属製の板状支持部材４を備えているので、ヒーターに支持に耐える強度を付与しつつ製造コストを低減できる。
【００１５】更に、本例においては、板状支持部材４に、被加熱物Ｗの周縁を位置決めするガイド５が設けられている。この場合には、セラミック基板２にガイドを設ける必要がないので、セラミック基板２の形状が単純であり、製造コストを一層低減できる。
【００１６】好適な実施形態においては、セラミック基板と板状支持部材との間に隙間が設けられている。この場合には、セラミック基板からの放熱量が小さくなるため、設置面２ａの温度の均一性を高くできるような設計が容易となる。この実施形態において特に好ましくは、セラミック基板の背面および側面と板状支持部材との間にそれぞれ隙間を設ける。図２は、この実施形態に係る加熱装置１Ａを概略的に示す断面図である。図２において、図１に示した部材には同じ符号をつけ、その説明を省略する。
【００１７】図２においては、セラミック基板２の側面２ｃと板状支持部材４のフランジ部４ａとの間にスペーサー１４が挟まれており、セラミック基板２の背面２ｂと板状支持部材４との間にもスペーサー１４が挟まれており、隙間２０が設けられている。この隙間では輻射断熱が支配的となり、断熱性が高い。
【００１８】図２の例ではスペーサー１４によって隙間を形成したが、セラミック基板２の背面または側面に小突起を設けることによって隙間を形成することができる。あるいは、板状支持部材４の内壁面に小突起を設けることによって隙間を形成することができる。
更に、対向するセラミック基板、支持部材の表面粗さを小さくすることで輻射断熱効果が向上する。
【００１９】隙間２０の大きさは特に限定されない。断熱の観点からは０．０５ｍｍ以上が好ましく、０．１ｍｍ以上がより好ましい。また、対流による熱伝導を抑制するという観点からは、隙間の大きさは１０ｍｍ以下が好ましく、３ｍｍ以下がより好ましい。
対向するセラミック基板、支持部材の表面粗さはともに、Ｒａが１μｍ以下が好ましく、０．４μｍ以下がより好ましい。
セラミック基板側面と支持部材の小突起表面は若干の隙間があるか、締まりばめの状態になっている。隙間は０〜２００μｍ、締め代は０〜１００μｍが好ましい。好適な場合は、すきまが０〜１００μｍ、締め代は０〜５０μｍである。隙間がある場合はセラミック基板が周方向にずれるため、図６に示すように、セラミック基板側面にノッチまたはストレートを設けるか、ピンを挿入する。
【００２０】スペーサーの材質は特に限定されないが、断熱性の点から熱伝導率が低いことが好ましく、アルミナ、窒化ケイ素等のセラミックス、ステンレス、インコネル等のＮｉ基合金が特に好ましい。温度が４００℃以下の場合は純度の高いアルミニウム合金がよい。
【００２１】図３の加熱装置１Ｂにおいては、板状支持部材４Ａは平板状部４ｂからなっており、平板状部４ｂ上にセラミック基板２Ａが設置されている。セラミック基板２Ａにはリング状のフランジ部２ｄが設けられており、フランジ部２ｄによって被加熱物Ｗのガイド５が形成されている。
【００２２】また、好適な実施形態においては、加熱手段が、絶縁体とこの絶縁体上に固定されている抵抗発熱体とを備えている。図４、図５は、この実施形態に係る加熱装置を示すものである。
【００２３】図４の加熱装置１Ｃにおいては、板状支持部材４の平板状部４ｂ上に加熱手段１６が設置されている。加熱手段１６は、絶縁体からなる平板１５ａ、１５ｂと、平板１５ｂに巻回されている発熱体１５ｃとを備えている。この加熱手段１５の上にはセラミック基板１６が設置されている。セラミック基板１６は、平板状部１６ｃおよびフランジ部１６ｂを備えており、フランジ部１６ｂの内側にガイド５が形成されている。１６ｄは背面であり、１６ｅは側面である。セラミック基板１６の設置面１６ａ上に被加熱物Ｗが設置される。
【００２４】図５の加熱装置１Ｄにおいては、板状支持部材４の平板状部４ｂ上に加熱手段１６Ａが設置されている。加熱手段１６Ａは、絶縁体からなる平板１５ａ、１５ｂと、平板１５ｂに巻回されている発熱体１５ｃとを備えている。この加熱手段１５の上にはセラミック基板１６Ａが設置されている。セラミック基板１６Ａの設置面１６ａ上に被加熱物Ｗが設置される。板状支持部材４のフランジ部４ａの内側にガイド５が形成されている。
【００２５】図１に示すように、貫通孔を有する回転防止手段２５を設けることができる。あるいは、図６（ａ）に示すように、支持基板４に回転防止手段としてピン２５Ａを設け、これをセラミック基板２の背面側にはめ合わせることができる。また、図６（ｂ）に示すように、回転防止手段としての平面部２５Ｂを設けることができる。更に、図６（ｃ）に示すように、ノッチ２５Ｃを凹み２５Ｄにはめ合わせることによって、回転防止手段とすることができる。
【００２６】セラミック基板の材質は用途に応じて選択できるので、特に限定されない。ただし、ハロゲン系腐食性ガスに対して耐蝕性を有するセラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウム、緻密質アルミナ、炭化珪素、窒化珪素が好ましく、９５％以上の相対密度を有する窒化アルミニウム質セラミックス、アルミナが一層好ましい。熱伝導率の高い窒化アルミニウムが最も好ましい。セラミック基板中には、抵抗発熱体、静電チャック用電極、高周波電極などの機能性部品を埋設することができる。
【００２７】板状支持部材の材質は特に限定されないが、温度が４００℃以下の場合は純度の高いアルミニウム合金がよい。４００℃を超える場合は耐熱性金属であることが好ましく、また低熱伝導金属であることが好ましい。これらの観点から、ＳＵＳ、インコネル等の耐熱ニッケル合金が好ましい。
【００２８】筒状支持部材の材質は特に限定しないが、耐熱性金属であることが好ましく、また低熱伝導金属であることが好ましい。これらの観点から、ＳＵＳ、インコネル等の耐熱ニッケル合金が好ましい。ハロゲン系腐食性ガスに曝される場合は耐蝕性を有するセラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウムまたは緻密質アルミナが好ましい。温度が４００℃以下の場合は純度の高いアルミニウム合金がよい
【００２９】板状支持部材と筒状支持部材との接合方法は限定されず、固相接合、固液接合、ろう付け、ねじ止め、焼き嵌め、圧入、摩擦圧接、溶接などの機械的締結であってよい。固液接合法は、特開平１０−２７３３７０号公報に記載された方法である。
【００３０】セラミック基板中に発熱体を埋設する場合には、発熱体の材質は、タンタル、タングステン、モリブデン、白金、レニウム、ハフニウムからなる群より選ばれた純金属、あるいは、タンタル、タングステン、モリブデン、白金、レニウム、ハフニウムからなる群より選ばれた二種以上の金属の合金が好ましい。基板を窒化アルミニウムから構成した場合においては、発熱体の材質はモリブデン及びモリブデン合金であることが好ましい。この発熱体の形態は、コイル、箔、印刷ペースト（焼結金属）、メッシュ、平板状物、リボン状物、シート状物であってよい。セラミック基板の厚みを小さくするためには、発熱体がコイル状でないことが好ましい。
【００３１】セラミック基板中の発熱体と端子６との接合方法は限定されないが、ロウ付けまたはねじ込みであってよい。
【００３２】絶縁体に発熱体を設ける場合には、発熱体の材質は、上記（００２９）であげた金属に加え、Ｎｉ−Ｃｒ線、Ｆｅ−Ｃｒ線、ＳＵＳ線であってよい。発熱体の形態はコイル、箔、平板状物、リボン状物、シート状物であってよい。発熱体は、絶縁体に設けた溝に嵌め込むことができ、あるいは、絶縁体を芯材として発熱体を巻きつけることができる。後者の場合は支持部材である金属と発熱体が接触しないように絶縁物で覆う。
【００３３】絶縁体の材質は限定されないが、低コスト、耐熱性の観点からマイカがよい。３００℃以下であればコンタミになりにくいポリイミドが好ましい。耐熱性、コンタミレスの観点から、窒化アルミ、アルミナ、窒化ケイ素等のセラミックスでもよい。
【００３４】絶縁体上の発熱体と端子とを接続するには、例えば発熱体と給電棒（ワイヤ）とをかしめまたはスポット溶接できる。
【００３５】本発明の加熱装置の用途は特に限定されないが、化学的気相成長装置、エッチング装置、ベーキング装置、コータ用のキュアリング装置を例示できる。
【００３６】
【実施例】図１、図４に示すような形態の各加熱装置を作製した。ただし、図１の例においては、セラミック基板２は窒化アルミニウム焼結体によって製造し、この中にモリブデンメッシュを発熱体として埋設した。板状支持部材４はインコネルによって作製し、支持部材９はインコネルによって作製した。板状支持部材４の内側にセラミック基板２を挿入した。支持部材の内面の小突起とセラミック基板との隙間は５０μｍになっている。セラミック基板がずれないように貫通穴のあいたピン２５を回転防止手段として４箇所挿入している（図１参照）。被加熱物を昇降させるためのリフトピンのガイド面としての機能を持たせるため、ピンに貫通穴が設けてある。
【００３７】図４の例においては、平板１５ａ、１５ｂをマイカ板によって形成し、マイカ板１５ｂに、ＳＵＳからなる発熱線１５ｃを巻き付けた。１５ａを板状支持部材との間に挿入することで発熱体１５ｃが支持部材に直接触れないようにした。板状支持部材４はインコネルによって作製し、支持部材９はインコネルによって作製した。板状支持部材４と加熱手段１５とをねじ止めによって接合した。
【００３８】また、図１の構造において、セラミック基板２と板状支持部材４との形態を有する一体のセラミックヒーターまたは金属ヒーターを作製した。このセラミックヒーターは窒化アルミニウム焼結体によって製造し、この中にモリブデンメッシュを発熱体として埋設した。金属ヒーターはＳＵＳによって作製した。
【００３９】各例の加熱装置について、ヒータ設定温度を６００℃とし、Ｎ_２雰囲気（１０Ｔｏｒｒ）内で室温から６００℃まで昇温した。そして、設定温度において、直径３００ｍｍのエリアについて、温度分布をＩＲカメラによって観測し、設置面の温度の最大値と最小値との差を測定した（均熱性）。また、Ｎ_２雰囲気（１０Ｔｏｒｒ）内で室温から６００℃まで昇温したときの設置面の反り量をレーザ変位測定器によって測定した。これらの結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】この結果から分かるように，本発明の加熱装置によれば、設置面の反り量を低減でき、かつ最高温度と最低温度との差を小さくできる。そして、このような加熱装置を低コストで作製可能である。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、被加熱物を設置し、加熱するための加熱装置において、加熱時の経時変化による設置面の熱変形が少なく、被加熱物の平面度を高く保持でき、かつヒーターに支持に耐える強度を付与しつつ製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る加熱装置１を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る加熱装置１Ａを概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の更に他の実施形態に係る加熱装置１Ｂを概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態に係る加熱装置１Ｃを概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態に係る加熱装置１Ｄを概略的に示す断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ支持基板４上でのセラミック基板２の回転を防止する手段２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃを示す模式図である。
【符号の説明】１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ加熱装置２、２Ａ、１６１６Ａセラミック基板２ａ、１６ａ設置面２ｂ、１６ｄ背面２ｃ、１６ｅ側面３埋設された発熱体（加熱手段）４板状支持部材４ａフランジ部５ガイド６端子９筒状支持部材１４スペーサー１５加熱手段１５ａ、１５ｂ絶縁体１５ｃ発熱体２０隙間２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ回転防止手段Ｗ被加熱物

Claims

被加熱物を設置するための設置面、背面および側面を有するセラミック基板、前記セラミック基板の前記設置面から発熱を生じさせるための加熱手段、および前記セラミック基板を前記背面から支持する金属製の板状支持部材を備えていることを特徴とする、加熱装置。
前記加熱手段が、前記セラミック基板内に埋設されている抵抗発熱体であることを特徴とする、請求項１記載の加熱装置。
前記加熱手段が、絶縁体とこの絶縁体上に固定されている抵抗発熱体とを備えていることを特徴とする、請求項１記載の加熱装置。
前記絶縁体がマイカおよびポリイミドからなる群より選択されていることを特徴とする、請求項３記載の加熱装置。
前記板状支持部材に、前記被加熱物の周縁を位置決めするガイドが設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の加熱装置。
前記セラミック基板と前記板状支持部材との間に隙間が設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の加熱装置。
前記隙間を設けるために、セラミック基板または支持部材に小突起物が設けられていることを特徴とする、請求項６記載の加熱装置。
前記板状支持部材に対して接合された筒状支持部材を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の加熱装置。