JP2005243243A - 加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基体内に加熱素子を埋設した加熱装置において、加熱素子への供給電力の調整によって、昇温時に基体に加わる熱応力を低減する。
【解決手段】加熱装置１は、被加熱物Ｗを加熱する加熱面２ａを有する基体２、電力供給時に発熱する第一の加熱素子３Ａ、および電力供給時に発熱する第二の加熱素子３Ｂを備えている。加熱素子３Ａと３Ｂとが基体２中に埋設され、積層されている。第一の加熱素子３Ａに対して電力を供給したときに、加熱領域１１の中央部２ｅの単位面積当たりの発熱量が加熱領域２ａの周縁部２ｄの単位面積当たりの発熱量よりも大きい。第二の加熱素子３Ｂに対して電力を供給したときに、中央部２ｅの単位面積当たりの発熱量が周縁部２ｄの単位面積当たりの発熱量よりも小さい。目的温度への昇温時に加熱領域の中央部の温度が周縁部の温度よりも高くなるように、第一の加熱素子へと供給される電力と第二の加熱素子へと供給される電力とを制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体ウエハー等の加熱方法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ためのセラミックヒーターが使用されている。セラミックヒーターとしては、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、緻密質セラミックスからなる盤状基体の中に、抵抗発熱体の２ゾーンヒーターを埋設している。そして、ヒーターの温度上昇時、温度下降時においては、盤状セラミックヒーターの加熱面の周縁部の温度よりも中央部の温度が高くなるように、２ゾーンヒーターへの電力供給量を制御している。
特開平６−２５２０５５号公報

特許文献１の加熱方法では、加熱面に高度の均熱性が要求される場合に対応が難しい。例えば、半導体ウエハーを加熱する用途においては、目的温度において、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℃以下または使用温度の±１％以内といった厳格な仕様を満足することが要求されている。ところが、２ゾーンヒーターでは、このような精密な制御は難しい。なぜなら、周縁部ヒーター、中央部ヒーターへの供給電力を変化させると、加熱面の温度分布への影響が大きく、微調整が難しいからである。また、基体内の抵抗発熱体のバターンが加熱面に転写されやすく、目的温度が高くなると一層この傾向が強くなる。

本発明の課題は、基体内に加熱素子を埋設した加熱装置において、加熱素子への供給電力の調整によって、昇温時に基体に加わる熱応力を低減でき、かつ目的温度において加熱面の加熱領域の温度分布が小さくなるように制御する方法を提供することである。

本発明では、被加熱物を加熱する加熱面を有する基体、電力供給時に発熱する第一の加熱素子、および電力供給時に発熱する第二の加熱素子を備えており、第一の加熱素子と第二の加熱素子とが積層されており、第一の加熱素子に対して電力を供給したときに加熱領域の中央部の単位面積当たりの発熱量が、加熱領域の周縁部の単位面積当たりの発熱量よりも大きく、第二の加熱素子に対して電力を供給したときに加熱領域の中央部の単位面積当たりの発熱量が周縁部の単位面積当たりの発熱量よりも小さい加熱装置を使用する。そして、目的温度への昇温時に、加熱領域の中央部の温度が周縁部の温度よりも高くなるように、第一の加熱素子へと供給される電力と第二の加熱素子へと供給される電力とを制御する。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施形態で使用する加熱装置１を概略的に示す断面図である。本例の基体２は盤状、例えば円盤状である。基体２には、加熱面２ａ、底面２ｂおよび側面２ｃが設けられている。基体２中には、第一の加熱素子３Ａ、第二の加熱素子３Ｂが埋設されている。各加熱素子３Ａ、３Ｂは、加熱面２ａと略平行に延びている。各加熱素子３Ａ、３Ｂは、それぞれ電力供給装置１０に接続されており、各加熱素子３Ａ、３Ｂへの供給電力を独立して制御できる。加熱面２ａの加熱領域１１には例えば半導体ウエハーＷを載置し、加熱することができる。ここで、加熱領域とは、加熱面のうち、被加熱物を実質的に加熱するのに必要な領域を意味する。加熱領域では、目的温度において所定の温度均一性が要求される。加熱領域は、加熱面の全体にわたることがあり、あるいは一部を占めることがある。

図２（ａ）は、加熱領域の中心からの距離と単位面積当たりの発熱量との関係を模式的に示すグラフである。目的温度においては、図２（ｂ）に示すように、基体２の側面２ｃから矢印Ａのように多量の熱が放射される。従って、単位面積当たりの発熱量が加熱領域の全面にわたって一定であるものとすると、目的温度においては中央部２ｅが高温になり、周縁部２ｄが低温になり、温度差が大きくなる。このため、目的温度において加熱領域の温度分布を小さくするためには、図２（ａ）に示すように、中心部２ｅにおける発熱量ＨＣよりも周縁部２ｄにおける発熱量ＨＰが大きくなるようにする必要がある。

しかし、この場合には、低温時または昇温時において、図２（ｃ）に示すように中央部２ｅに低温部Ｃが発生する。これは次の理由による。図２（ｂ）に示すように基体２が高温の時には、基体２と外部雰囲気との温度差が大きいので、基体２から雰囲気への熱放射量が多い。この多量の熱放射を補うために、周縁部２ｄにおける単位面積当たりの発熱量を多くする必要があった。一方、基体２が低温のときには、基体２の温度と外部雰囲気との温度差が小さい。このため、図２（ｃ）に示すように、基体２の側面２ｃから雰囲気への熱放射は比較的少ない。従って、周縁部２ｄにおける発熱量が相対的に過剰となり、中央部２ｃが低温部Ｃとなり易い。この結果、基体２の内部に矢印Ｂのような引張応力が発生する。
また、昇温時においては、所定の温度に早く到達させるために定常時よりも大きな電力を投入させる。そのため,更に温度差がつきやすい。更に加熱体を支持する支持体がつく場合、支持体からの放熱や、支持体の熱容量による温度上昇の遅れの影響があり、中心クールが顕著となる。

セラミック材料の場合、引張破壊応力は、圧線破壊応力の約1/10程度である。また、他の耐熱性の絶縁性材料の場合も一般に引張応力は圧縮応力に比べて低い。その上、基体内部には抵抗発熱体が埋設されており、欠陥となっているために、引張応力に対して一層弱い傾向がある。この結果、昇温、降温を繰り返すと、基体２が疲労によって破損し易くなる。

本発明においては、図１に示すように、基体内に第一の加熱素子３Ａと第二の加熱素子３Ｂとを埋設する。そして、第一の加熱素子３Ａに対して電力を供給したときに、加熱領域１１の中央部２ｅの単位面積当たりの発熱量が、加熱領域１１の周縁部２ｄの単位面積当たりの発熱量よりも大きくなるようにする。また、第二の加熱素子３Ｂに対して電力を供給したときに、中央部２ｅの単位面積当たりの発熱量が周縁部２ｄの単位面積当たりの発熱量よりも小さくなるようにする。

例えば、図３（ａ）のグラフに示すように、加熱素子３Ａに対して電力を供給したときの加熱領域の単位面積当たりの発熱量と、加熱領域の中心Ｍからの距離との関係をグラフＩｎで表す。ここで、加熱領域１１の半径をＲとする（図１参照）。加熱領域の中心Ｍにおける単位面積当たりの発熱量ＩｎＣが、中心Ｍからの距離Ｒにおける単位面積当たりの発熱量ＩｎＰよりも多くなるようにする。

従って、加熱素子３Ａのみに電力を供給すると、図３（ｂ）に示すように、加熱領域１１の中央部２ｅは高温部Ｈとなり、周縁部２ｄは相対的に低温部となる。

また、加熱素子３Ｂに対して電力を供給したときの加熱領域の単位面積当たりの発熱量と、加熱領域の中心Ｍからの距離との関係をグラフＯｕｔで表す。加熱領域の中心Ｍにおける単位面積当たりの発熱量ＯｕｔＣが、中心Ｍからの距離Ｒにおける単位面積当たりの発熱量ＯｕｔＰよりも少なくなるようにする。

従って、加熱素子３Ｂのみに電力を供給すると、図３（ｃ）に示すように、加熱領域１１の中央部２ｅは低温部Ｃとなり、周縁部２ｄは相対的に高温部となる。

なお、加熱素子の加熱領域における単位面積当たりの発熱量とは、その加熱素子のみに対して電力を供給したときの加熱領域の単位面積当たりの発熱量を意味している。また、加熱領域の中央部における単位面積当たりの発熱量とは、その加熱素子のみに対して電力を供給したときの中央部の単位面積当たりの発熱量を意味している。ここで言う中央部とは、通常は、加熱領域の幾何学的中心Ｍからエッジ１１ａまでの距離をＲとしたとき、中心Ｍから２Ｒ／３の範囲内を言う。加熱領域の中央部の単位面積当たりの発熱量は、中央部における平均値である。また、加熱領域の周縁部における単位面積当たりの発熱量とは、その加熱素子のみに対して電力を供給したときの加熱領域の周縁部の単位面積当たりの発熱量を意味している。ここで言う周縁部とは、通常は、加熱領域の幾何学的中心Ｍからエッジ１１ａまでの距離をＲとしたとき、４Ｒ／５〜１９Ｒ／２０の範囲内を言う。

本発明においては、このように発熱特性の異なる少なくとも２層の加熱素子を組み合わせ、少なくとも昇温時の電力投入比率を制御することによって、前述した引張応力の問題を抑制し、かつ定常運転時の加熱領域の温度分布を容易に低減できる。

即ち、温度上昇時には、図４（ａ）のＬｏｗで示すように、加熱領域の各部分の単位面積当たりの発熱量を設定する。即ち、加熱素子３Ａ（Ｉｎ）への供給電力を多くし、加熱素子３Ｂ（Ｏｕｔ）への供給電力を少なくすることによって、加熱領域の単位面積当たりの発熱量の分布Ｌｏｗは、グラフＯｕｔよりもＩｎの方に近づく。従って、全体としては、中心Ｍに近づくほど単位面積当たりの発熱量が多くなり、周縁部２ｄにおいては発熱量が相対的に少なくなる。このような発熱量分布を採用することによって、図４（ｂ）に示すように、中央部２ｅを高温部Ｈとし、周縁部２ｄを相対的に低温部とすることができる。これによって、基体２内には、矢印Ｄで示すような圧縮応力が加わり、引張応力は加わりにくい。

ここで、中心Ｍにおける単位面積当たりの発熱量ＬｏｗＣと、加熱領域エッジにおける単位面積当たりの発熱量ＬｏｗＰとの差は、中央部２ｅが２ｄに比べて十分に高温となる程度に大きくする必要がある。

基体の温度が目的温度に到達すると、図５（ａ）に示すＨｉｇｈのように、加熱領域の単位面積当たりの発熱量と基体中心からの距離との関係を調整する。具体的には、加熱素子３Ａ（Ｉｎ）への供給電力の比率を下げ、加熱素子３Ｂへの供給電力の比率を上昇させる。これによって、加熱領域の単位面積当たりの発熱量は、図５（ａ）に示すＨｉｇｈのように、中心Ｍにおいて小さくなり、周縁部３ｄにおいて相対的に大きくなる。これによって、基体２の側面２ｃからの熱放射（矢印Ａ）を補償し、図５（ｂ）に示すように加熱領域の温度をほぼ均一にすることができる。

ここで、本発明によれば、温度上昇時の中央部２ｅの温度を相対的に高くすることが、加熱素子３Ａへの供給電力と加熱素子３Ｂへの供給電力との比率を調節することによって容易に達成できる。

いわゆる２ゾーンヒーターの場合にも、周縁部側の加熱素子への供給電力よりも中央部側の加熱素子への供給電力を大きくすることによって、中央部における発熱量を高くすることは可能である。しかし、この場合には、周縁部、中央部ともに、一層の加熱素子への供給電力の制御のみによって、その温度を調整しなければならない。基体全体を例えば数百℃の温度に昇温するのに必要な熱量は大きく、従ってわずか数℃程度の温度の高低を正確に制御することは至難の技である。これに対して、本発明においては、基本的に加熱素子３Ａ、３Ｂという少なくとも２層の加熱素子によって基体の中央部と周縁部との双方を同時に加熱している。その上で、加熱素子３Ａと３Ｂとの各単位面積当たりの発熱量を予め調整しておき、その上で各加熱素子への供給電力の比率を制御するという二段階の制御を行っているので、数℃レベルの高精度の制御が容易であり、実用的である。

更に、加熱素子が一層の場合には、加熱素子に多量の供給電力を投入すると、加熱素子の平面的パターンが温度分布として加熱領域に転写されやすく、この点でも定常運転時の温度分布を小さくすることが難しい。本発明では、第一の加熱素子と第二の加熱素子とに加熱領域の温度保持を分担させており、加熱素子のパターンが加熱領域に転写しにくい。

昇温時には、（第一の加熱素子３Ａ（Ｉｎ）への供給電力／（第二の加熱素子３Ｂ（Ｏｕｔ）への供給電力）は、１００／４０以下であることが好ましく、１００／２０以下であることが更に好ましい。

また、目的温度では、第一の加熱素子３Ａへの供給電力／第二の加熱素子３Ｂへの供給電力は、１００／２５〜７５／
１００であることが好ましく、１００／５０〜１００／ １００であることが更に好ましい。

基体の材質は特に限定されない。汚染防止の観点からセラミックスが好ましく、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素（ｐ−ＢＮ）、炭化珪素が特に好ましい。

加熱素子の形態は特に限定されず、線、箔、網状物、コイルスプリング状物、平板状物、リボン状物、シート状物であってよい。

加熱素子の材質は特に限定されず、金属、導電性セラミックスであってよい。具体的な材質としては、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、抵抗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。また、ニクロム線などの公知の抵抗発熱体や、カーボン、ＴｉＮ、ＴｉＣなどの導電性材料を使用することもできる。

各加熱素子における単位面積当たりの発熱量を制御する方法は、特に限定されない。例えば、加熱素子を網状物から構成する場合は、所定部分を高密度に編み込むか、あるいは網状物を構成する素材の断面積を小さくすることによって、発熱密度を増大させることができる。加熱素子をコイルスプリング状物から構成する場合は、巻数やピッチを増加させたり、所定部分のコイルを構成する同心円の直径を大きくすることによって、発熱密度を増加させることができる。加熱素子をリボン状物から構成する場合は、リボン幅を小さくすることによって、発熱密度を増加させることができる。

第一の加熱素子、第二の加熱素子以外の加熱素子を基体内に埋設することができ、あるいは基体表面に設置することができる。また、第一の加熱素子を複数層設けることができ、および／または、第二の加熱素子を複数層設けることができる。

図３においては、比率（ＩｎＣ／ＩｎＰ）は、本発明の観点からは、１．０〜２．２とすることが好ましく、１．０〜１．５とすることが更に好ましい。比率（ＯｕｔＣ／ＯｕｔＰ）は、本発明の観点からは、０．４〜０．９とすることが好ましく、０．７〜０．９とすることが更に好ましい。

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。

（比較例１）
図１に示すような形態の加熱装置１を製造した。ただし、基体２を構成するセラミックスはＡｌＮである。加熱素子３Ａは、金属モリブデン製のメッシュからなり、加熱素子３Ｂは、金属モリブデン製のコイルスプリングからなる。基体２の加熱面２ａの直径はφ３４０ｍｍであり、基体２の厚さは１７ｍｍである。Ｒは８０ｍｍである。

表１の比較例1においては、室温から８００℃まで昇温し、８００℃で定常運転した。表１に示す各温度において、加熱領域１１の中心の温度とエッジの温度との差（中心の温度−エッジの温度）を赤外線放射温度計によって観測し、表１に示した。
（昇温時）（図４）
加熱素子３Ａ（Ｉｎ）への供給電力＝１００％
加熱素子３Ｂ（Ｏｕｔ）への供給電力＝５０％
この昇温段階において、中央部がエッジよりも温度が低くなっていた（室温から７００℃まで）。そして、基体２に割れが発生しないような昇温速度は ７℃／分以下であった。

（比較例２）
比較例1と同様に実験した。ただし、各加熱素子への供給電力を、表１に示すように変更した。
（昇温時）（図４）
加熱素子３Ａ（Ｉｎ）への供給電力＝ １００％
加熱素子３Ｂ（Ｏｕｔ）への供給電力＝ １００％
この昇温段階において、中央部がエッジよりも温度が低くなっていた（室温から８００℃まで）。そして、基体２に割れが発生しないような昇温速度は５℃／分以下であった。

（実施例１）
比較例1と同様に実験した。ただし、各加熱素子への供給電力を、表１に示すように変更した。
（昇温時）（図４）
加熱素子３Ａ（Ｉｎ）への供給電力＝ １００％
加熱素子３Ｂ（Ｏｕｔ）への供給電力＝ ０％
この昇温段階において、中央部がエッジよりも温度が高くなっていた（室温から８００℃まで）。そして、基体２に割れが発生しないような昇温速度は１５ ℃／分以下であった。

以上説明したように、本発明によれば、基体内に加熱素子を埋設した加熱装置において、加熱素子への供給電力の調整によって、昇温時に基体に加わる熱応力を低減でき、かつ目的温度において加熱領域の温度分布が小さくなるように制御しやすい。

加熱装置１を概略的に示す断面図である。 加熱領域１１における単位面積当たりの発熱量と加熱領域の温度分布との関係を示す。 （ａ）は、加熱領域１１における単位面積当たりの発熱量と中心からの距離との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、加熱素子３Ａ（Ｉｎ）に電力を供給したときの加熱領域の温度分布を模式的に示し、（ｃ）は、加熱素子３Ｂ（Ｏｕｔ）に電力を供給したときの加熱領域の温度分布を模式的に示す。 （ａ）は、昇温、降温時の単位面積当たりの発熱量と中心からの距離との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、昇温、降温時の加熱領域の温度分布を模式的に示す。 （ａ）は、目的温度での単位面積当たりの発熱量と中心からの距離との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、目的温度での加熱領域の温度分布を模式的に示す。 実施例、比較例における昇温時の各温度と、中心部とエッジとの温度差との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 加熱装置 ２ 基体 ２ａ 加熱面 ２ｂ 底面 ２ｃ 側面 ２ｄ 周縁部 ２ｅ 中央部 ３Ａ 第一の加熱素子 ３Ｂ 第二の加熱素子 １０ 電力供給装置 １１ 加熱領域 １１ａ 加熱領域１１のエッジ Ａ 側面２ｃからの熱放射 Ｂ 引張応力 Ｃ 低温部 Ｈ 高温部 Ｉｎ 第一の加熱素子による単位面積当たりの発熱量のグラフ ＩｎＣ 第一の加熱素子による中心Ｍでの単位面積当たりの発熱量 ＩｎＰ 第一の加熱素子による加熱領域エッジでの単位面積当たりの発熱量 Ｈｉｇｈ 目的温度での単位面積当たりの発熱量のグラフ ＨｉｇｈＣ 目的温度での中心Ｍでの単位面積当たりの発熱量 ＨｉｇｈＰ 目的温度での加熱領域エッジでの単位面積当たりの発熱量 Ｌｏｗ 昇温、降温時の単位面積当たりの発熱量のグラフ ＬｏｗＣ 昇温、降温時の中心Ｍでの単位面積当たりの発熱量 ＬｏｗＰ 昇温、降温時の加熱領域エッジでの単位面積当たりの発熱量 Ｍ 加熱領域の中心 Ｏｕｔ 第二の加熱素子による単位面積当たりの発熱量のグラフ ＯｕｔＣ 第二の加熱素子による中心Ｍでの単位面積当たりの発熱量 ＯｕｔＰ 第二の加熱素子による加熱領域エッジでの単位面積当たりの発熱量 Ｒ 中心Ｍから加熱領域のエッジまでの距離 Ｗ 被加熱物

Claims (7)

1. 被加熱物を加熱する加熱面を有する基体、電力供給時に発熱する第一の加熱素子、および電力供給時に発熱する第二の加熱素子を備えており、前記第一の加熱素子と前記第二の加熱素子とが積層されており、前記第一の加熱素子に対して電力を供給したときに前記加熱面の加熱領域の中央部の単位面積当たりの発熱量が前記加熱領域の周縁部の単位面積当たりの発熱量よりも大きく、前記第二の加熱素子に対して電力を供給したときに前記中央部の単位面積当たりの発熱量が前記周縁部の単位面積当たりの発熱量よりも小さい加熱装置を使用して前記被加熱物を加熱するのに際して、
   目的温度への昇温時に前記加熱領域の前記中央部の温度が前記周縁部の温度よりも高くなるように、前記第一の加熱素子へと供給される電力と前記第二の加熱素子へと供給される電力とを制御することを特徴とする、加熱方法。
2. 目的温度からの降温時に前記加熱領域の前記中央部の温度が前記周縁部の温度よりも高くなるように、前記第一の加熱素子へと供給される電力と前記第二の加熱素子へと供給される電力とを制御することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記第一の加熱素子と前記第二の加熱素子が前記基体中に埋設されていることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 前記第一の加熱素子と前記第二の加熱素子との少なくとも一部が、前記基体の表面に印刷されていることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
5. 前記第一の加熱素子および前記第二の加熱素子が、前記加熱面に対して略平行に延び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方法。
6. 前記第一の加熱素子へと供給される電力と前記第二の加熱素子へと供給される電力とを独立して制御する電力供給装置を備え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方法。
7. 前記被加熱物が半導体である、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の方法。

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