JP2004228565A - 半導体製造装置用部品および半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバー内でサセプター上の半導体を加熱処理するのに際して、サセプターの設定温度を高くした場合にもサセプターの温度分布を低減できるようにすることである。
【解決手段】半導体製造装置用チャンバー２において、半導体Ｗを載置するためのサセプター５の周囲に設置されるべき半導体製造装置用部品３、４、１０を提供する。部品３、４、１０は自己発熱機能を有する。好ましくは、部品３、４、１０が発熱素子を備えており、更に好ましくは、発熱素子が部品内に埋設されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置用チャンバー内において、半導体を載置するためのサセプターの周囲に設置されるべき半導体製造装置用部品に関するものである。

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方法として、以下の２つがある。
（１）赤外線ランプを用いてチャンバー外から半導体ウエハーを加熱する方式（間接加熱方式）
（２） セラミックヒーター上に半導体ウエハーを載置して加熱する方式（直接加熱方式）

間接加熱方式では、サセプターの加熱効率が低く、サセプターを高温に加熱し、サセプターの温度を均一化することが難しい。このため、直接加熱方式が主流となっている。
セラミックヒーターとしては、いわゆるマルチゾーン（多数ゾーン）と呼ばれるものが知られている。マルチゾーンにおいては、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。

特許文献１においては、セラミック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。
特開平５−３２６１１２号公報

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±５℃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。

例えばセラミックヒーターを製造した後に、内部の抵抗発熱体に対して電力を供給し、目標温度まで昇温したときに、目標の均熱性が得られたものとする。しかし、このセラミックヒーターを、実際のチャンバーに取り付けると、加熱面の温度分布が変化する。これは、セラミックヒーターをチャンバーに取り付けるための器具との接触面の面積、接触面の形状、器具の熱容量、チャンバーの形状および熱容量、チャンバー内面の熱反射および熱吸収、チャンバー内外の気体の気圧と流れといった多数の複雑な要因によって左右される。

こうした理由から、セラミックヒーターをチャンバーに取り付ける前に加熱面の均熱性が得られていた場合でも、ヒーターをチャンバーに取り付けた後には、目標の均熱性が得られないことが多い。

いわゆる２ゾーンヒーターは、加熱面の外周部分の平均温度や内周部分の平均温度を変化させるのには有効である。しかし、セラミックヒーターの設置後には、加熱面の一部のみにコールドスポットやホットスポットが発生することが多く、このため有効に対応できない。

また、セラミックヒーターを多数のゾーンに分割し、各ゾーンに対応してそれぞれ別個に抵抗発熱体を埋設することも考えられる。この場合には、コールドスポットがあるゾーンに対応する抵抗発熱体への電力供給量を増大させることによって、コールドスポットを消去することが可能なように見える。

しかし、本発明者が検討を進めると、実際にはこのような制御は困難であることが判明してきた。なぜなら、加熱面の各部分の温度は、その部分の直下の抵抗発熱体の発熱量だけでなく、他のゾーンの抵抗発熱体の発熱の影響も受けている。つまり、加熱面の温度分布は、各抵抗発熱体からの発熱量だけでなく、セラミック基板の形状、寸法、熱容量、および基板の周辺の温度、気圧、気体の流れなどの多数の変数の相互作用によって決まっている。コールドスポットが存在するゾーンに対応する抵抗発熱体への電力供給量を増大させることによって、そのコールドスポットを消去することは可能である。しかし、この場合には、コールドスポット下の抵抗発熱体からの熱量が、隣接するゾーンへと伝達され、加熱面の温度分布のバランスを変えてしまい、ホットスポットが生成することがあり、また加熱面の平均温度を上昇させてしまう。加熱面の平均温度が上昇すると、これを低下させるために他のゾーンに対応する抵抗発熱体への電力供給量を低減する必要があるが、この場合には別のコールドスポットが生成する原因となる。従って、一つのコールドスポットを消去しても、加熱面の最高温度と最低温度との差は、かえって広がってしまうことが多い。

本発明の課題は、チャンバー内でサセプター上の半導体を加熱処理するのに際して、サセプターの設定温度を高くした場合にも、サセプターの温度分布を低減できるようにすることである。

本発明は、半導体製造装置用チャンバー内において、半導体を載置するためのサセプターの周囲に設置されるべき半導体製造装置用部品であって、自己発熱機能を有することを特徴とする。

また、本発明は、チャンバー、半導体を載置するためのサセプター、およびサセプターの周囲に設置されるべき前記部品を備えていることを特徴とする半導体製造装置に係るものである。

本発明者は、サセプターの表面温度分布のムラ、特にコールドスポットやホットスポットが発生する原因について検討し、以下の知見を得た。例えばセラミックサセプター内に金属発熱線を埋設してセラミックヒーターを作製したものとする。このヒーターの発熱線に電力を投入して発熱させた場合には、投入電力値とヒーター加熱面の均熱性との間には相関がある。即ち、加熱設定温度が同一であれば、電力値が小さいほど、ヒーターの加熱面および半導体ウエハの均熱性が良好となる。これは、どのようなヒーターも、内部には発熱体の局所的な抵抗値分布、発熱体とヒーター基材間の熱抵抗のばらつきが必ず存在する。そして、ヒーターへの投入電力が大きい程、発熱体の局所的な抵抗値分布や、発熱体とヒーター基材間の熱抵抗のばらつきの影響が強調され、コールドスポットやホットスポットを生じ、結果的に均熱性確保に悪影響を与える。このため、所望の加熱設定温度を達成するために必要な投入電力値を低減することが望ましい。

ここで、本発明者の検討によると、セラミックヒーターへの投入電力（パワー）値の多くが、本来の目的である半導体ウエハーの接触加熱に使われることなく、外部へ大量に放熱されていた。このため、所定の加熱設定温度に到達するのに必要なヒーター基体への投入電力値が大きく、このためにヒーター加熱面の温度を均一化することが難しくなっていた。

上述したウエハー以外への放熱は、以下のものがある。
（１） ヒーター基体からチャンバー内の雰囲気への熱伝達
（２） ヒーター基体からシャフト（ヒーター支持部材）端冷却部への熱伝導
（３） ヒーター基体から、チャンバー内の部品（例えばガス供給板、ライナー）への輻射伝熱

ここで、チャンバー内部品とヒーターとの間隔は小さい上、部品の表面温度が低いことから、チャンバー内部品への輻射伝熱の影響（３）が特に大きい。このため、本発明者は、チャンバー内部品それ自体に自己発熱機能をもたせ、部品側からの輻射によりサセプター上の半導体を加熱する方式を想到した。これによって、サセプター上の半導体の均熱性を向上させるための新たな加熱方式を提供できる。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した半導体製造装置１を概略的に示す断面図である。本例の装置１においては、チャンバー２内にサセプター５が固定されている。サセプター５は、基体６と、基体６内に埋設された発熱素子７を備えている。基体６の加熱面６ａには半導体ウエハーＷが載置されている。基体６内には昇降ピン９が挿通されている。基体６の背面６ｃ側には円筒状の支持部材（シャフト）３０が接合されており、支持部材３０の内部空間１１に電力供給部材８が挿入固定されている。

本例では、昇降ピンリフター１０、ライナー４およびガス供給板３に本発明が適用されている。即ち、半導体ウエハーＷに対向する位置にガス供給板３が設置されている。図２（ａ）は、本例のガス供給板３を概略的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、ガス孔３ａおよび発熱素子１５の平面的パターンを示す図である。図１にはガス供給板３の詳細は図示していない。

ガス供給板３には多数のガス孔３ａが設けられており、かつガス供給板３の背面３ｂ側には円形の空隙１８が設けられている。ガス供給板３の背面３ｂ側から矢印Ａのようにガスを供給すると、このガスは、ガス孔３ａ内を分配され、各ガス孔３ａから矢印ＢのようにウエハーＷへと向かって排出される。

ここで、本例では、ガス供給板３の基材中に発熱素子１５を埋設しており、発熱素子１５へと端子１４から電力を供給し、発熱させることができる。これによって、発熱素子１５からガス供給板基材への接触熱伝導により、ガス供給板３の対向面３ｃから発熱し、ウエハーＷを輻射加熱することができる。

なお、本例においては、端子１４と発熱素子１５との接続部分は、例えば図３（ａ）、図３（ｂ）のような形態とすることができる。図３（ａ）の例では、端子１４としてリード線を使用しており、リード線１４と発熱素子１５とがろう材１６によってろう付けされている。図３（ｂ）の例では、端子１４としてリード線を使用している。そして、リード線１４と発熱素子１５とが溶接ないしかしめ部分１６において接合されている。

また、本例では、ライナー４内に発熱素子を設けてある。即ち、図４は、本例のライナー４を示す平面図であり、図５は、ライナー４の横断面図である。ライナー４は、平面的には略リング状をしている。ライナー４の内側には略円形の空隙２２が形成されており、空隙２２内にサセプターおよびウエハーが収容され、包囲されている。ライナー４の外周面４ｄとサセプターへの対向面４ｃとの間には、ガス排出孔４ａとウエハー装入孔４ｂとが設けられている。

ここで、本例においては、ライナー４内の特に対向面４ｃ側に発熱素子２０が埋設されている。発熱素子２０は、対向面４ｃに沿って伸びる本体部分２０ａと、ガス排出孔４ａに対向する位置に設けられた開口加熱部２０ｃと、ウエハー装入孔４ｂに対向する位置に設けられた開口加熱部２０ｂとを備えている。２０ｄは接続部分である。２０ｄは、発熱素子として機能してよく、あるいは実質的に発熱しないリード線であってよい。発熱素子２０の端部には例えば一対の端子１９から電力を供給できる。端子１９と発熱素子２０の接続部分は、例えば図３（ａ）、図３（ｂ）に示すような形態とすることが好ましい。本例では、ライナー４の外周面（チャンバー設置面）４ｄ側に開口する空隙２１が設けられている。

ライナー４からの輻射によって、サセプター５、特にその側面６ｂを加熱できる。これによって、サセプター５の側面からの熱輻射による加熱面外周部の温度低下を抑制できるので特に好適である。

また、本例では、昇降ピンリフター１０に発熱素子を設けることができる。図６は、このような昇降ピンリフター１０における発熱素子２５の平面的パターン例を示す図であり、図７は、昇降ピンリフター１０の断面図である。昇降ピンリフター１０は、リング状のリフト部１０ａと、リフト部１０ａの背面側に取り付けられた円筒状の支持部１０ｂとを備えている。リフト部１０ａの対向面１０ｃ側には発熱素子２５が埋設されており、発熱素子２５は端子２４に接続されている。各端子２４はそれぞれ支持部１０ｂ内の電力供給部材２６に接続されている。発熱素子２５に対して電力を供給することによって、リフト部１０ａの対向面１０ｃから発熱させ、サセプター５およびウエハーＷを輻射によって加熱する。

本例によれば、チャンバー内部品３、４、１０それ自体に自己発熱機能をもたせ、部品側からの輻射によりサセプター上の半導体Ｗを加熱する。これによって、サセプター５から部品側への輻射伝熱による損失に伴う加熱面６ａおよび半導体Ｗの均熱性の悪化を抑制し、半導体の均熱性を向上させるための新たな加熱方式を提供できる。
更に次の利点も得られる。即ち、経時変化によって、サセプター５やその他のチャンバー内部品の表面に膜が体積したり、腐食によって表面荒さが変化した場合には、サセプターからチャンバー内雰囲気や部品への放熱条件が変化し、この結果サセプターの加熱面の温度分布が増大し易い。しかし、このような場合にも、本発明によれば、各部品内の発熱素子への供給電力を増大または減少させることによって、サセプターからチャンバー内部品への放熱条件の変化を相殺し、加熱面の温度分布の増大を抑制し易い。

チャンバー内部品からの輻射の効果は、４００℃以上の高温域において特に顕著である。従って、好適な実施形態においては、半導体の設定加熱温度が４００℃以上である。

また、本発明による作用効果は、サセプターとチャンバー内部品の対向面３ｃ、４ｃ、１０ｃとの距離が短い場合に特に顕著となる。従って、この観点からは、サセプター５と各部品の対向面３ｃ、４ｃ、１０ｃとの距離が３００ｍｍ以下であることが好ましく、５０ｍｍ以下であることが特に好ましい。

本発明の部品は、半導体製造装置用チャンバー内においてサセプターの周囲に設置されるべき部品である。

本発明の部品は自己発熱機能を有する。自己発熱の方法は特に限定されない。部品全体が発熱してよく、また部品が基材と発熱素子とを備えていてよい。発熱素子は、半導体への影響を少なくするためには、基材中に埋設されていることが特に好ましい。

本発明の部品の基材は特に限定されないが、耐蝕性セラミックスや耐蝕性金属が好ましい。特に好ましくは、アルミニウム合金、ニッケル合金や、アルミナ、窒化アルミニウム等のアルミニウム系、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、シリカガラス等のシリコン系セラミックスである。

好適な実施形態においては、発熱素子が、シースヒーターをアルミニウム合金によって鋳ぐるむことによって得られる。シースヒーターの場合には、発熱体を絶縁物で被覆しているので、基材であるアルミニウム合金への漏れ電流を防止できる。

好適な実施形態においては、基材が耐蝕性セラミックスである。この場合には、発熱素子は、金属ペースト印刷、金属箔、金属線であって良い。発熱素子が金属ペーストである場合には、金属ペーストの付いたセラミック板を各種成形法、好ましくはドクターブレード法によって成形できる。また、発熱素子が金属箔、金属線である場合には、セラミックスをホットプレス法、ホットアイソスタティックプレス法によって焼成することが好ましい。

本発明の部品内には、発熱素子以外の金属素子を設置あるいは埋設できる。このような素子としては、プラズマ発生用高周波電極を例示できる。

ライナー４の場合には、ウエハー装入孔２ｂ、排気孔２ａは放熱しやすい。このため、各孔２ａ、２ｂの周りにも発熱素子２０ｂ、２０ｃを設置することが好ましい。

半導体製造装置とは、半導体の成膜、クリーニング、エッチング，検査等の各半導体製造プロセスを行うための装置である。

本発明においては、サセプター５からの発熱は必須ではない。しかし、半導体を一層高温に加熱するためには、サセプター５からも発熱させることが一層好ましい。この場合には、サセプター５への投入エネルギーＳ（Ｗ）に対する半導体製造装置用部品への投入エネルギー（全部品への投入エネルギーの合計値）Ｐ（Ｗ）の割合（Ｐ／Ｓ）は、０．１〜１０であることが好ましく、０．５〜３．０であることが一層好ましい。

（比較例１）
窒化アルミニウム焼結体中にモリブデン製のコイルスプリング状発熱線７を埋設してヒーター５を得る。ヒーター５をセラミックス製の支持部材３０によってチャンバー２に取り付ける。また、ガス供給板、ライナーおよび昇降ピンリフターをチャンバー２内に装入し、固定する。これらの各部品には発熱素子は埋設されていない。

そして、ヒーター５の発熱素子７へと約２０００Ｗの電力を供給し、半導体ウエハーＷを加熱する。ウエハーＷの設定温度は７００℃とする。ウエハーの温度を１７点について放射温度計によって観測し、その最高温度と最低温度との差を測定し、表１に示す。

比較例１においては、設定目標温度７００℃において、ウエハーの温度差を約１５℃まで低減することが可能であった。

（実施例１）
比較例１と同様にしてウエハーの温度差を測定する。ただし、実施例１においては、図２〜図７に示したガス供給板３、ライナー４および昇降ピンリフター１０を使用し、各発熱素子へと電力を供給する。ここで、各発熱素子への電力供給量を表１に示す。電力の合計量は約２０００Ｗである。

この結果、ウエハーＷにおける温度差を約５℃まで低減することが可能になった。この際、ヒーター（サセプター）５への投入電力量は約６００Ｗであり、その他の部品への投入電力量は合計約１４００Ｗである。従って、比較例１においてサセプター５へと投入された電力の多くは、ガス供給板、ライナー、昇降ピンリフター側へと向かって輻射され、損失となっていたことが分かる。この熱損失を補填するために、比較例１においては多大な電力をサセプターへと供給する必要があったために、結果的に加熱面にコールドスポットやホットスポットが現れ易かった。これに対して、実施例１においては、設定温度を達成するためにサセプターへと供給することが必要な電力が６００Ｗまで低減されており、この結果、ホットスポットやコールドスポットが加熱面に現れにくくなり、ウエハーにおける温度差を低減できた。

以上説明したように、本発明によれば、チャンバー内でサセプター上の半導体を加熱処理するのに際して、サセプターの設定温度を高くした場合にサセプターの温度分布を低減できる。

本発明の一実施形態に係る半導体製造装置１を概略的に示す断面図である。 （ａ）は、ガス供給板３を概略的に示す断面図である。（ｂ）は、ガス供給板３におけるガス孔３ａおよび発熱素子１５の平面的パターンを示す図である。 （ａ）は、端子１４と発熱素子１５との結合部分の拡大図である。（ｂ）は、端子１４と発熱素子１５との結合部分の拡大図である。 ライナー４を示す平面図である。 ライナー４を示す断面図である。 昇降ピンリフター１０における発熱素子２５の平面的パターンを示す図である。 昇降ピンリフター１０を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体製造装置 ２ チャンバー ２ａ チャンバー２の内壁面 ３ シャワーヘッド ３ａ ガス孔 ３ｂ シャワーヘッド３のチャンバーへの設置面 ３ｃ シャワーヘッド３のサセプター５への対向面 ４ ライナー ４ａ 排出孔 ４ｂ 半導体装入孔 ４ｃ ライナー４のサセプター５への対向面 ５ サセプター（ヒーター） ６ サセプター５の基体 ６ａ サセプター５の加熱面 ６ｂ サセプター５の側面 ６ｃ サセプター５の背面 ７ サセプター５の発熱素子 ９ 昇降ピン １０ 昇降ピンリフター １０ａ リフト部 １５ シャワーヘッド３内の発熱素子 ２０ ライナー４内の発熱素子 ２５ 昇降ピンリフター１０内の発熱素子 Ｗ 半導体

Claims (8)

1. 半導体製造装置用チャンバー内において、半導体を載置するためのサセプターの周囲に設置されるべき半導体製造装置用部品であって、
   自己発熱機能を有することを特徴とする、半導体製造装置用部品。
2. 発熱素子を備えていることを特徴とする、請求項１記載の部品。
3. 前記発熱素子が前記部品内に埋設されていることを特徴とする、請求２記載の部品。
4. ガス供給板であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の部品。
5. ライナーであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の部品。
6. 昇降ピンリフターであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の部品。
7. チャンバー、半導体を載置するためのサセプター、およびこのサセプターの周囲に設置されるべき半導体製造装置用部品を備えており、前記部品が、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の部品を含むことを特徴とする、半導体製造装置。
8. 前記サセプターが発熱素子を備えていることを特徴とする、請求項７記載の装置。

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