JP2007214540A - 耐腐食性ヒータとそのアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】操作中の劣化や分解の危険を最小にし、操作において延長された寿命中に優れた耐腐食性を示しつつ、ウェーハ上で良好な温度均一性を保持するヒータを提供する。
【解決手段】ウェーハ処理アセンブリ中で使用され、少なくとも１分につき２０℃の優れた温度上昇率と、表面にわたる最大温度差（例えば＞３００ｍｍにわたり１００℃）と、少なくとも１個の電極とを有する耐腐食性ヒータ。ヒータは＞１５００℃の高いヒータ温度でヒータに７０％を超える放射効率と、ＮＦ_３中、６００℃で１００Å／分より低い腐食速度をヒータに与える保護上塗り層で被覆されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は一般に電子装置の製造に用いるためのヒータと、ヒータセンブリに関する。

集積回路（ＩＣ）、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭ）、オプトエレクトロニック装置、フラットパネルディスプレイ装置を含む電子装置の製造のためのプロセスは、制御された物質の蒸着または成長、またすでに蒸着／成長された材料の制御され、しばしば選択的に行われる除去または修正を含む幾つかの重要プロセスを含む。化学気相成長法（ＣＶＤ）は一般的な蒸着法であり、低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）、原子層化学気相成長法（ＡＬＤまたはＡＬＣＶＤ）、熱化学気相成長法（ＴＣＶＤ）、プラズマアシスト化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、高密度プラズマ化学気相成長法（ＨＤＰ ＣＶＤ）、拡張熱プラズマ化学気相成長法（ＥＴＰ ＣＶＤ）、熱プラズマ化学気相成長法（ＴＰＣＶＤ）および有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等を含む。

ＣＶＤ法の幾つかにおいては、１以上のガス反応物質が反応装置中で低圧または高圧条件下で用いられ、反応装置中の基板ホルダ上に置かれた半導体ウェーハ表面上に固体の絶縁層または導電層を形成する。ＣＶＤプロセスにおける基板ホルダ／サセプタは、典型的な場合ウェーハを加熱するために少なくとも１つの加熱素子を含むヒータとして動作するか；ウェーハを静電的に挟持するための少なくとも１つの電極を含む静電的チャック（ＥＳＣ）として動作するか；または加熱と挟持双方のための電極を有するヒータ／ＥＳＣの組み合わせである。シリコンウェーハ上に前もって定められた厚さの膜を蒸着した後、蒸着プロセスに曝された反応装置の壁、反応装置の窓、ガス注入装置の表面、排気システムの表面および基板ホルダの表面を含む反応装置の内側の露出表面には、不要な蒸着物が見られる。この不要な蒸着は後続の蒸着にとって問題となるので、洗浄プロセスで定期的に、つまり場合によってはウェーハが処理されるごとに、また他の場合ではウェーハのバッチが処理された後に、除去される。先行技術の一般的な洗浄プロセスは、原子状フッ素クリーニング、フッ化炭素プラズマクリーニング、６フッ化硫黄プラズマクリーニング、３フッ化窒素プラズマクリーニング、および３フッ化塩素クリーニングを含む。洗浄プロセスでは反応装置の部品、例えば壁、窓、基板ホルダとアセンブリ等は腐食され浸食されることが予想される。

ＣＶＤプロセスにおける高腐食性環境のみならず、これらのプロセスもまた高温、つまりシリコンウェーハの場合１０００℃を超える温度へ加熱される。さらにこれらのプロセスでは、ウェーハは同時に既定の均一な温度に保たれなければならない。多くの応用において、加熱されるべき表面が加熱素子に物理的に直接に接触しているときには、熱は伝導によりウェーハに伝えられる。しかし、応用によっては、被加熱表面と加熱素子を物理的に接触させることは実用的とは限らない。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）は高い技術を要する微細加工の決定的なステップとなっている薄膜成長に広く使用されている。ＭＯＣＶＤの適用にあたっては、システムは超高真空環境に置かれ、ウェーハはエピ層の均一性を改善するために回転表面（サセプタ）上に静置される。したがって、この回転サセプタは加熱素子に直接接触することはできない。加熱素子からウェーハへの熱移動は対流によっても（真空条件のため）伝導によっても（非接触のため）不可能である。したがって放射（または放射加熱素子の使用）が、伝熱のために利用できる唯一のメカニズムである。さらに、ウェーハを保持する黒鉛製サセプタに要求される温度範囲は１２００℃を超える高温である可能性がある。

先行技術の１実施形態において、耐腐食性材料がサセプタ／ヒータ／基板ホルダ等の部品に使用される。ＣＶＤプロセスでの高温中では、先行技術の耐腐食性材料の腐食速度は指数関数的に上昇する。このような理由によって、先行技術のヒータは、例えば蒸着が起こる６００〜１０００℃から洗浄が起こる４００℃へ降温される。このようなやり方ではヒータの寿命は増すが、全体的な処理量は大幅に減少する。

ＭＯＣＶＤ応用のために設計された熱モジュールは典型的な場合、放射加熱素子として高輝度ランプを使用する。これらのランプは熱的質量が小さいので、急速加熱および急速な冷却を可能とする。またこれらは瞬時に消灯でき、ゆっくりした温度下降をもたらすことがない。高輝度ランプによる加熱はウェーハ表面上で常に欲する温度均一性をもたらすとは限らない。マルチゾーンランプは温度均一性を改善するのに用いることができるかも知れないが、コストや保守の必要性を増加させる。さらに、多くのランプは線状のフィラメントを使用しており、これは円形のウェーハを均一に加熱するには有効でない。ＭＯＣＶＤに応用される熱モジュールによっては、安定した、再現性のある熱源を得るために、放射加熱素子として抵抗性基板ヒータが用いられる。先行技術の抵抗性ヒータは大きな熱的質量を持つ傾向があり、黒鉛サセプタ上で＞１０００℃の高温への適用には不向きである。

抵抗性基板ヒータ用（および非加熱基板ホルダ用）としてしばしば使用される耐腐食性材料の１つは窒化アルミニウムであり、焼結ＡｌＮ基板ホルダが最も一般的である。残念ながら先行技術の焼結ＡｌＮ基板ホルダには、＜２０℃／分の速度でしか加熱又は冷却できないという重大な制約がある。もし勾配がこれより急な場合には、前記セラミックにはクラックが入ることが多い。さらに、前記セラミックが破断しないようにするには、基板にはあまり大きくない温度差しか加えられない。

特許文献１は、炭化ケイ素と炭化ホウ素から成る群から選択された外部被覆を有し、放射効率＞８０％の抵抗ヒータを開示している。しかし、超高温での用途、すなわち要求されるヒータ温度が＞１，５００℃であるような場合には、炭化ケイ素はそのような高温で分解してしまうので、炭化ケイ素被覆は十分働かない。一方、炭化ホウ素の外部被覆を有するヒータは技術的に可能ではあるが、商業的な製造には実際的でない。
米国特許第６，１４０，６２４号

本発明は改良された装置、例えばセラミックヒータまたは改良されたヒータが使用されている熱モジュールなどのウェーハ加工アセンブリに関し、その装置は熱モジュール中のウェーハを要求される高温に加熱するための優れた熱効率を有する。本発明の装置は操作中の劣化や分解の危険を最小にし、操作において延長された寿命中に優れた耐腐食性を示しつつ、ウェーハ上で良好な温度均一性を保持する。

１つの側面において、本発明は熱モジュールの一部として用いることができ、＞１５００℃の高いヒータ温度において７０％を超える放射効率を示す放射ヒータのような装置に関する。１つの実施形態において、前記装置は窒化を含むベース基板と、前記ベース基板の一方の側に重畳され一対の接触端をなすパターンを有する熱分解黒鉛の加熱素子とを含む。本加熱素子を囲む第一の外部被覆は少なくともＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物の少なくとも１つ、及びそれらの組み合わせから成り、前記第一の外部被覆を囲む第二の外部被覆は１５００℃の高いヒータ温度において７０％を超え、好ましくは少なくとも８０％の放射効率を有する。

１つの実施形態において、前記第二の外部被覆は前記第一の外部被覆の平面熱伝導度の少なくとも３倍の平面熱伝導度を有し、第二の外部被覆もまたヒータの放射表面の温度均一性を改善し、その結果、ウェーハの熱的均一性を直接改善する。第三の実施形態において、前記第二の被覆は熱分解黒鉛を含む。

他の側面において、本発明はＭＯＣＶＤのような高温半導体プロセス用の熱的モジュールに関する。前記熱的モジュールは上に定義されたヒータを放射加熱素子として含む。１つの実施形態において、前記モジュールは発生した熱をより良く保持するためにヒータの下に置かれた高反射材料を含む反射体積層物をさらに含む。ヒータのパワーをさらによく保持するために、付加的な管状反射体シールド兼カバーを付け加えてもよい。

ここに使用されたように、近似的な表現が、それが関連する基本的な機能の変更をもたらすことなく、変化するかもしれない量的な表現を修飾するのに適用されるかもしれない。したがって、「およそ」とか「実質的に」などの語句で修飾された数値は、場合によって、特定された正確な値に限定されないかもしれない。

ここに使用されたように、語句「ヒータ」はセラミックヒータに限定されず、熱的モジュール、バッチ炉、ＣＶＤ処理チェンバ、又は反応装置中のシリコンウェーハを加熱したり支持したりするために用いられる「サセプタ」、「ウェーハホルダ」または「ヒータ／静電チャックの組み合わせ」を示すために使用することができる。

ここに使用されたように、「ヒータアセンブリ」は「熱的モジュール」、「バッチ炉」、「ＣＶＤ処理チェンバ」又は「反応装置」と互換性をもって使用され、電子デバイスまたはウェーハが処理されるアセンブリを意味する。

ここに使用される「ウェーハ基板」または「基板」は複数形を有するが、これらの術語は１または複数の基板が使用できることを意味するために用いられる。また「ウェーハ」は「基板」または「ウェーハ基板」と互換性をもって使用される。同様に「ヒータ」、「サセプタ」、「電極」または「加熱素子」は複数形で使用されるかもしれないが、これらの術語は一つまたは複数の品物が使用できることを意味するために用いられる。

以下には、本発明を、ヒータの最も内側の層から出発して外側へと、すなわちベース基板、電極、第一の保護被覆層から最も外側の表面被覆層へと、より詳細に説明する。

ベース基板：一実施形態において、図１Ａに図示したように、装置は一つの層から成るベース基板を含む。ベース基板６は円板状で、要求される完全性と欲する形状への加工性を有する。図１Ｆに図示した他の実施形態では、ベース基板６は連続的な円板状ではなく、コイルヒータ５のために成形されたコイルの形状を有している。図１Ｇ−図１Ｈはコイルの形のベース基板を有するヒータの種々の実施形態の断面図である。

ベース基板６は耐熱性や強度などの物理的性質に優れているという特徴を有する。一実施形態において、ベース基板６は黒鉛；Ｗのような耐火金属、遷移金属、希土類金属及び合金；およびそれらの混合物の１つを含む。他の実施形態においては、ベース基板は焼結体であり、さらに焼結助剤、金属又は炭素ドーパント、および不純物を含む。他の実施形態においては、ベース基板６はＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属から成る群から選択された元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物または酸窒化物の少なくとも１つを含む焼結材料；アルミニウムの酸化物、酸窒化物；及びそれらの組み合わせを含む。さらに他の実施形態においては、ベース基板６は窒化ホウ素と窒化アルミニウムの配合品のような優れた加工特性を有することを特徴とする材料を含み、ベース基板に要求される完全性と欲する形状への加工性を与える。

一実施形態におけるベース基板６は窒化ホウ素焼結体、窒化ホウ素と窒化アルミニウムの混合焼結体のいずれか一つから成る。第二の実施形態において、ベース基板６はＣＶＤプロセスにより形成された熱分解窒化ホウ素板を含む。装置がサセプタの形を取る図１Ｄと１Ｅに図示された一実施形態において、ベース基板６はバルク黒鉛を含む。

図２Ａに図示されたさらに他の実施形態において、ベース基板６は第一の被覆層６Ｂで被覆されたコアベース基板６Ａを含む。層６Ｂは少なくともＢ、Ａl、Ｓi、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属から成る群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物または酸窒化物、及びそれらの組み合わせの少なくとも１つを含む。一実施形態において、第一の被覆層６Ｂは１５００℃以上の高温まで安定な保護層のためのｐＢＮを含む。第一の被覆層６Ｂはベース基板６Ａ上に拡張熱プラズマ（ＥＴＰ）、イオンプレーティング、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマアシスト化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）(ＯＭＣＶＤとも呼ばれる)、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、またスパッタリング、反応性電子ビーム（e-ビーム）蒸着およびプラズマ溶射などの物理気相成長法等を含む、ただしこれらに限定されないプロセスによって蒸着される。典型的なプロセスはＥＴＰ、ＣＶＤ及びイオンプレーティングである。第一の被覆層６Ｂの厚さは用途および使用されるプロセス、すなわちＣＶＤ 、イオンプレーティング、ＥＴＰ等、によって１μｍから数百μｍまで変化する。一実施形態において、被覆６Ｂは約１０マイクロメータ（μｍ）以上の厚さを有する。他の実施形態においては、保護コーティング厚さは約５０μｍ以上である。第三の実施形態においては、厚さは約１００μｍ以上である。さらに他の実施形態においては、コーティング厚さは約５００μｍ以下である。

電極層／加熱素子：前記装置がセラミックヒータの形を取る実施形態においては、前記装置は、図１Ａに示したように、さらに電極層／加熱素子７を含む。一実施形態において、電極７は１５００℃の温度に耐えられる金、プラチナ、銀、金又はプラチナと銀の混合物、チタン、タングステン、タンタル、熱分解黒鉛、およびホウ素および／または炭化ホウ素を含む熱分解黒鉛のいずれか一つから成る。

一実施形態において、電極７は５−５００μｍの厚さを有する。第二の実施形態においては、電極７は１０−３００μｍの厚さを有する。第三の実施形態においては、電極７は３０−２００μｍの厚さを有する。第四の実施形態においては、電極７の厚さは１から３０μｍの範囲にある。第五の実施形態においては、１から１０μｍの範囲にある。

一実施形態において、電極７のパターン幅は０．１から２０ｍｍの範囲にある。第二の実施形態においては、パターン幅は０．１から５ｍｍである。第三の実施形態においては、５から２０μｍである。

一実施形態において、電極層７はベース基板の上面または底面のいずれかを被覆している。他の実施形態においては、図１Ａおよび図１Ｂに図示するように、電極層７はベース基板６の上面および底面の双方を被覆している。物理気相成長法（ＰＶＤ）、スパッタリング、イオンプレーティング、プラズマ支持気相成長または化学気相成長法を含む種々の方法が電極層７をベース基板６上に蒸着するのに使用できる。

一実施形態において、上面又は底面電極層７のいずれか（または上面および底面電極層７の双方）が例えば図２Ａに示すようならせん状または蛇行状図形の既定のパターンになるよう加工され、両端（図示せず）を持つような熱分解黒鉛の長い連続的な細条の形の電流路を形成する。前記電流路はらせんパターン、蛇行パターン、ヘリカルパターン、ジグザグパターン、連続迷路パターン、らせんコイルパターン、渦巻きパターン、無作為巻き込パターンなどの一つおよびそれらの組み合わせであって良い。加熱ゾーンの電気パターン、すなわち電気的に絶縁され抵抗を有するヒータ路の形成はマイクロマシニング、マイクロブレーディング、レーザカッティング、化学エッチング、または電子ビームエッチングなどを含む、ただしこれらに限定されない先行技術をもってなされる。

電極層７は外部電源（図示せず）に接続すると加熱素子を形成する。一実施形態において、電極７は種々のサイズの対象を独立にかつ制御された状態で加熱したり冷却したりできるように複数の電極ゾーンを画定する。各ゾーンは一つ以上の電極素子７を有する。

保護被覆層：ヒータの実施形態において、電極層を有するベース基板は次に図１Ｂおよび１Ｃに示したように第一の保護被覆層８により被覆される。図１Ｅに示したサセプタの実施形態において、第一の保護被覆層８はベース基板６に直接施工される。

保護被覆層８は少なくともＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属から成る群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物または酸窒化物、及びそれらの組み合わせ；ＮａＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のＮＺＰ構造を有する高熱安定性リン酸ジルコニウム；元素の周期律表第２ａ族および４ａ族の元素から成る群から選ばれた少なくとも一つの元素を含むガラス‐セラミック組成物；ＳｉＯ_２と、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｄｙ等の酸化物を含む耐プラズマ材料との混合物；の少なくとも１つを含む。

一実施形態において、窒化物は熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）、炭素をドープしたｐＢＮ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭素をドープしたＡｌＮ、酸素をドープしたＡｌＮ、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、窒化ケイ素、又はそれらの複合体の一つから選択される。ここに使用されたように、窒化アルミニウムはＡｌＮ、ＡｌＯＮまたはそれらの組み合わせを指す。一実施形態において、保護被覆層８はＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３またはそれらの組み合わせの単一層である。他の実施形態において、それは同一材料、例えば順次コートされたＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等、の多重被膜、または順次コートされたＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ｐＢＮ、ＳｉＮ等の多重の異なる層である。

保護被覆層８はＥＴＰ、イオンプレーティング、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＯＭＣＶＤ、ＭＯＶＰＥ、イオンプラズマ蒸着、またスパッタリング、反応性電子ビーム（ｅ−ビーム）蒸着およびプラズマ溶射、それらの組み合わせなどの物理気相成長法等のいずれかによって蒸着される。典型的なプロセスはＥＴＰ、ＣＶＤ及びイオンプレーティングである。

保護被覆層８の厚さは用途と使用されたプロセス、例えばＣＶＤ、イオンプレーティング、ＥＴＰ等、に依存して変化する。一実施形態において、保護被覆層８は１μｍから５００μｍまで変化する。一般に、厚い保護層が使用された時ほど長いライフサイクルが期待できる。一実施形態において、保護被覆層８は５から５００μｍまでの厚さを有する。第二の実施形態においては、厚さは約１００μｍ以上である。さらに他の実施形態においては、厚さは約３００μｍ以下である。

表面上塗り層：図１Ｃに図示した一実施形態において、前記装置はさらに被覆層８の上面の上に形成された上塗り層９で被覆されている。図１Ｄに示されたサセプタの実施形態において、上塗り層９は、その下の基板６を直接被覆している。図１Ｅに示すサセプタのさらに別の実施形態において、基板６は第一被覆層８でまず被覆され、次に上塗り層９で被覆される。

表面上塗り層９は熱拡大層として機能し、高温、すなわち１５００℃以上でのヒータの放射率を高め、したがって放射伝熱率も増加させる。これは逆に動作ヒータ温度を減少させ、ヒータの急速な劣化を防ぐ。上塗り層９はさらに電極７を機械的損傷から守る機能を有する。

図２Ｂに図示した一実施形態では、ヒータ構造、とりわけ被覆／絶縁層８、を洗浄工程で使用されるプラズマまたは化学薬品から保護するために、全ヒータ構造は気密保護層９（上面および裏面）で被覆されている。

第一の実施形態では、上塗り層９は、被覆層８を構成する材料の熱伝導率の少なくとも３倍の平面熱伝導率の材料を含み、かくしてウェーハの熱的均一性を改善する。第二の実施形態において、上塗り層９は上塗り層８の熱伝導率の少なくとも４倍の平面熱伝導率を有する材料を含む。一実施形態において、上塗り層９は熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の材料を含む。第二の実施形態において、上塗り層９は熱伝導率２００Ｗ／ｍＫ以上の材料を含む。第三の実施形態において、上塗り層９は２２００℃に達する例外的な高温でもよく機能し、安定な熱分解黒鉛（”ＰＧ”）を含む。ＣＶＤによる蒸着プロセスの特性のために、ＰＧは２．２５という理論密度に近付き、実質的に空孔がない。

上塗り層９はＥＴＰ、イオンプレーティング、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＯＭＣＶＤ、ＭＯＶＰＥ、またスパッタリング、反応性電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）蒸着、プラズマ溶射のような物理的蒸着プロセス、及びそれらの組み合わせを用いて蒸着される。

上塗り層９の厚さは用途および使用されたプロセス、例えばＣＶＤ、イオンプレーティング、ＥＴＰ等に依存して変化する。一実施形態において、層９の厚さは１μｍから５００μｍへと変化する。第二の実施形態において、保護被覆層８は５から５００μｍの厚さを持つ。第三の実施形態において、前記厚さは約１００μｍ以上である。さらに他の実施形態において、前記厚さは約３００μｍ以上である。

一実施形態において、上塗り層９はＲａ≦０．０５μｍを満足する平均表面粗さと、Ｒｍａｘ≦０．６μｍを満足する最大表面粗さを持つ。さらに他の実施形態において、前記層は＞０．５μｍかつ＜３μｍの範囲の表面粗さＲａを持つ。さらに他の実施形態において、上塗り層はＡ方向のScheroscope硬さ１０３, Ｃ方向のScheroscope硬さ６８を有する。

図６は室温のＮＦ_３環境中の種々の材料の腐食率を図示するグラフである。図７では、熱分解黒鉛（ＰＧ）の腐食率と、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）と焼結窒化アルミニウムを含む他の材料との４００℃における腐食率の比較を示す。他の先行技術のヒータで普通に用いられる他の材料、すなわち石英、熱分解窒化ホウ素、焼結ＡｌＮのすべては腐食性の攻撃に対し重量損失を示すのに比しＣＶＤ ＡｌＮとＰＧ両者の腐食率は、重量増加を示す。図８はＰＧ電極層上にｐＢＮ上塗りを含む先行技術ヒータの、連続遠隔ＮＦ_３プラズマ中、４００℃、６０分間の腐食後の写真である。ｐＢＮ上塗り層は、その下のＰＧ電極から急速に除去される。しかし、ＰＧ電極は腐食プロセスにおいて無傷であることが注目される。

エッチングに由来する腐食の問題のほかに、ｐＢＮ上塗り層を含む先行技術のヒータは比較的軟らかい表面を有し、シリコンウェーハがその上に置かれたときある程度侵食され得る。生成されたｐＢＮ粒子は典型的な場合ウェーハの裏面に付着し、これはその後のシリコンウェーハ処理ステップにおいて汚染とアラインメントの問題を引き起こす。本発明のヒータは外部被覆層の特性によってそのような裏面の問題はあまり引き起こさない。すなわち熱分解黒鉛（“ｐＧ”）はｐＢＮ（“熱分解窒化ホウ素”）、ＡｌＮ等よりはるかに硬い。さらに、前記材料は非常に小さい粒径を有し、それゆえもし粒子が生成されたとしても、それらは比較的小さなサイズ（例えば＜０．１μｍ）のものなで、実質的な問題は引き起こさない。さらに、そのような粒子はオゾン又は酸素プラズマ洗浄により容易に除去される。

熱拡大に関しては、面内方向熱伝導率が極端に高い一方、面を貫通する方向の熱伝導率が低いために、ヒータ上のｐＧコーティングはヒータパターン中の熱的不均一の「拡散」または拡張を助け、より均一な表面温度を与える。さらに、ｐＢＮ（〜０．４）に比較してｐＧの放射率（＞０．７）は高いので、本発明のヒータはより有効な放射ヒータである。

図に示すとおり、上塗り層９は先行技術に比較して改良をもたらし、ヒータのプラズマの攻撃および／または反応室を洗浄するために多くの半導体処理ステップで使用されるフッ素含有洗浄薬品に対する抵抗力をより高くする。熱分解黒鉛の保護上塗り層の密封シールを有する一実施形態において、前記ヒータの６００℃、ＮＦ_３中の腐食率は１００Å／分（Å／分）より小さい。第二の実施形態において、それの６００℃、ＮＦ_３中の腐食率は５０Å／分より小さい。前記ヒータは腐食性攻撃をより受けにくいので、ヒータ表面から放出される粒子はより少ないと予期され、公知技術のヒータに比較して汚染問題がより少ない。

ヒータ装置の一実施形態において、ヒータ５は最終的な用途に適したいかなる形状／構造を持ってもよい。一実施形態において、それは図３Ａに図示されたように円板の形のものである。他の実施形態においては、それは多角形板の形、円筒形、凹又は凸部を有する円板または円筒の形であってよい。さらに図３Ｂに図示されたようなさらに他の実施形態において、ヒータはウェーハ１３を支えるプラットフォームと、プラットフォームから伸び、実質的にプラットフォームの縦軸を横切るシャフト２０とを含む。少なくとも一つの加熱素子７がプラットフォームに支持されたウェーハ１３を加熱する。

ＣＶＤ反応装置中のヒータの昇温率は、使用できる電力、ヒータの構成、ウェーハの直径およびウェーハ間隔の関数であるが、本発明のヒータは２０℃／分の昇温率の加熱を行うことができ、加熱されるべきウェーハ表面にわたって均一の加熱を実現できる。一実施形態において、ヒータの昇温率は約３０℃／分である。複数ゾーンを有するヒータの一実施形態においては、本発明のヒータは３００ｍｍ径の表面のどの２点についても少なくとも表面にわたる最大温度差７５℃を有する。第二の実施形態においては、前記ヒータは３００ｍｍ径の表面に対して少なくとも表面にわたる最大温度差１００℃を有する。

留意すべきは、ウェーハ支持ボート、黒鉛コイルヒータ、焦点リング、焦点リングと静電チャックを保持するための土台アセンブリ、静電チャックの上に存在するガス分配板、などの、フッ素プラズマに対する抵抗力を必要とする前記熱モジュールまたはＣＶＤ処理室中の他の部品は、本発明のヒータと同様に、すなわち耐腐食特性を有するｐＧのような材料を含む上塗り層を用いて、構成できることである。

本発明を以下の非限定的実施例を用いてさらに説明する。
実施例１および２：計算機を用いた流体力学（ＣＦＤ）計算を行い、熱モジュール（ヒータアセンブリ）をモデル化した。第一の熱的モジュールは図４に図示した先行技術のセラミックヒータを用いる。第二の熱的モジュールは図５に図示した本発明のヒータの一実施形態を用いる。これらのモジュールは一枚の２インチウェーハを約±３℃の均一性で１３００℃まで加熱するものとする。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）では均一性の要求は極度に厳しい。それゆえ、温度均一性における１セ氏度の変化は蒸着プロセスに影響を与える。ウェーハ表面の温度均一性はウェーハ表面を横切って置かれた９個の熱伝対で測定された最大温度と最小温度の差として定義される。

図示したように、ウェーハ１３は回転しているサセプタ１４の上に置かれ、したがってヒータ５とは直接触できない。ベース板３０はＰＢＮ被覆を持つ黒鉛を含む。ＰＢＮ反射板２０は厚さ０．７ｍｍの２枚の平板と２個のカップを含む。Ｍｏ反射体２１は３枚の平板と１本のチューブを含み、それぞれの厚さは０．２ｍｍである。このアセンブリで、ヒータ５は回転レセプタ１４を放射によって加熱し、この熱は伝導によりウェーハに伝達される。

実施例１において、セラミックヒータ５は９５ｍｍ径、２ｍｍ厚のＰＢＮコア板と、熱分解黒鉛の薄いパターン電極と、１５ミクロン厚のＰＢＮを含む上塗り層を持つ先行技術の放射ヒータである。

実施例２において、実施例１の先行技術ヒータはさらに４０μｍ厚の熱分解黒鉛を含む上面コートを備える。

実施例１，２のヒータアセンブリの熱シミュレーションのために、三次元モデル（８７万個のセルのメッシュサイズを持つ）を構築した。Discrete Ordinate放射モデルを用いて、熱モジュールの種々の従属部品間の表面から表面への放射を、処理室中で通常使用される下記の温度範囲、すなわち：１）処理室中の周囲温度が５００℃のとき；および２）処理室中の周囲温度が８００℃のときについてモデル化した。さらに、ヒータ中のジュール加熱をモデル化しかつ黒鉛の電気抵抗を温度の関数としてモデル化するために、ユーザ用サブルーチンを開発した。

表１は前記二実施例についてＣＦＤモデルから得られたデータを示す。
表１

先行技術のヒータを用いた実施例１Ａでは、ウェーハが約１３００℃の目標温度に加熱されたとき、平均ヒータ温度は約１９３３℃と予想される。しかし、ＰＢＮ表面は本来１８００℃を超える温度に耐えられない。したがってこの温度点（１９３３℃）とそれ以上では先行技術のヒータのＰＢＮ表面はクラックし始め、ヒータの動作不良を引き起こすことが完全に予期される。実施例２の先行技術のヒータと周囲温度８００℃では、ヒータが目標温度１３００℃に熱されると、平均ヒータ温度は１８５１℃に達し、＞１８００℃という温度に耐えられないというＰＢＮ表面を持つ先行技術のヒータに予期されると同じ効果が生じる。

本発明のヒータを使用する実施例２Ａと2Ｂでも、ウェーハは１３００℃という目標温度に加熱される。実施例２Ａでは要求される平均ヒータ温度は１８００℃と予想される。前記モデルは、熱分解黒鉛の表面被覆の優れた平面熱伝導度のためにウェーハ表面の熱的均一性がはっきり改善されることを示している。改善は２−３℃の桁のものだが、これでもＭＯＣＶＤプロセスにおいては均一性の要求が過酷であるためにきわめて重要である。２−３℃の変化は１５−２０％程度のウェーハの温度均一性の改善をもたらすことに注意する必要がある。

実施例２Ｂでは、前記モデルは要求される平均ヒータ温度約１７４３℃を予測するが、これは先行技術のｐＢＮ表面被覆ヒータの限界動作温度より低い。前記モデルはさらに２−３℃の桁のウェーハ表面の熱的均一性の改善を予測する。

前記ＣＦＤデータはＰＢＮヒータ上のＰＧ材料表面被覆はＭＯＣＶＤのような高温用途にとりわけ適していることを示している。ＰＧのような上塗り層で被覆されたヒータはＰＧ上塗りなしのヒータより１００−１５０℃低い温度で動作でき、それでも同じサセプタ温度を達成できる。このヒータ動作温度の差は、ピーク許容温度１８００℃付近でヒータが動作する必要があるときは特に決定的である。

実施例３：この実施例では先行技術の放射セラミックヒータを、図９Ａ−９Ｂに図示した封入された熱モジュール９０中で実験的にテストした。図９Ａでは、セラミックヒータ５は直径約４０ｍｍおよび厚さ２ｍｍのｐＢＮコア板、熱分解グラファイト製の薄いパターン電極、および厚さ０．１５ｍｍのｐＢＮの上塗り層を有する。封入された熱モジュール９０は３０ｐａ（真空条件に近い）の周囲圧力を有する。ヒータ５はｐＢＮ９３、Ｍｏ９４、およびグラファイト９５を含む同心の円筒チューブ（直径９０ｍｍ）で取り囲まれて居り、これらは放射シールドとして機能する。図９Ｂにおいて、重畳された、ｐＢＮとＭＯを含む反射板９７がヒータの下に置かれ、ヒータ上面の上方３ｍｍ−５ｍｍに位置する黒鉛サセプタ９１の方向への反射によって熱を保持する。直径５５ｍｍのサセプタは熱放射のみによって加熱される。

ウェーハは回転しかつヒータと直接接触できないサセプタ９１の上に置かれる。ヒータの構成において、２個の熱電対が使用され、一個はヒータの中心温度、他はサセプタの中心温度を測定する。実験において、ヒータ電力は徐々に増加され、ヒータ温度は２５℃の室温から上昇し始め、ヒータ電力は約１１７０ワット（ヒータ電圧＝６５Ｖおよびヒータ電流＝１８Ａ）まで増加される。この電力設定では、測定されたヒータ温度は１７００℃であり、測定されたサセプタ温度は１１００℃である。

実施例４：これは、本発明のヒータが用いられる点を除けば、実施例３の繰り返しである。本実施例では、直径約４０ｍｍ、厚さ２ｍｍのｐＢＮコア板を持つ直径４０ｍｍのセラミックヒータ、熱分解黒鉛の薄いパターン電極、および厚さ０．１５ｍｍ厚のＰＢＮを含む上塗り層が使用される。この上塗り層の上に、ヒータはさらに約４０μｍ厚の熱分解黒鉛を含む上塗りを有する。

表２は、実施例３および４の熱モジュールの動作においてサセプタを約１７００℃に加熱して得られたデータを示す。データは二つのヒータの加熱を比較する図１０Ａ−１０Ｂにも示されている。

表２
表２に示すように、双方のヒータが１７００℃という同一のＴに設定されたとき、本発明のヒータのサセプタＴ（実施例４―ＰＧ上塗りＰＢＮヒータ）は、先行技術のヒータ（実施例３―ＰＢＮヒータ）より〜３００℃高い。熱モジュールは、同一設定ヒータ温度に対してより高いサセプタ温度を達成できるなら、より高い放射効率を有する。これはまさに測定結果と一致する。

この放射効率を見る他の方法は、本発明のヒータは、１７００℃で動作する必要がある先行技術のヒータとは対照的に、先行技術のヒータのサセプタ温度１１００℃と一致するにはより低い温度（例えば１５００℃未満または〜１４００℃）で動作できる。こうして、同じ目標ウェーハ温度を達成するために、本発明のヒータは先行技術のヒータより低い温度で動作できる。この因子は、低い動作温度とともに、セラミックヒータの寿命を延ばすのをさらに助ける。

本発明のヒータがサセプタ上でより平坦／均一な温度プロファイルを示すことも観察されたが、これは先行技術のヒータに対して１５−２０％の改善である。

実施例５：この実験において、熱分解黒鉛で被覆されたヒータが４００−６００℃の温度範囲で遠隔ＮＦ_３プラズマに曝された後、正味の重量増加が観察された。重量増加は、１５１ｃｍ^２の曝露面積を有するサンプルに対して１時間の遠隔ＮＦ_３プラズマ連続曝露あたり約０．０２ｇであった。ＮＦ_３で腐食されたＰＧサンプル表面のエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）分析から、重量増加はＰＧ表面にフッ化炭素反応層が生成されることが原因と判明した。さらに高分解能Ｃ（１ｓ）スペクトルのＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）による分析の結果、ＰＧ表面のフッ素反応層は主としてＣＦ_２から成る事が見出された。真空中での加熱後、大部分のフッ化炭素は蒸発する。

前記実験から、フッ化炭素層生成中に単位時間当たり消費される実際のＰＧ量を計算することができる。結果を表３に示す。表から、熱分解黒鉛被覆層は１５１ｃｍ^２のサンプルに対し１時間当たり０．０２ｇの重量増加を示し、これは１時間あたり約０．１９μのＰＧ消費率（または３１Å／分）に相当する。これに対する比較として、熱分解窒化ホウ素の腐食率１０Ｅ６Å／分を挙げる。
表３

実施例６：実験５のサンプルの一つを動的ＸＰＳ、すなわちアルゴンスパッタリングとＸＰＳ分析のサイクルによる深さ方向の分析により分析したところ、６０分の連続ＮＦ_３プラズマ曝露中に熱分解黒鉛被覆層上に生成したフッ化炭素層は５００オングストロームより厚いことが見出された。加熱後、少量のフッ素（＜１０％）が熱分解黒鉛中に見出された。

実施例７：実験５のサンプル（腐食後）を真空中で２時間、７００℃の温度に曝露したところ、フッ化炭素層の厚さがかなり減少したことが見出された。この結果はＥＤＳおよびＸＰＳ分析でも確認された。これは、もし十分に高濃度の原子状フッ素がサンプル表面のガス相中で存在するなら、フッ化炭素層のみが高温（４００−６００℃）で安定であることを示す。もしフッ素濃度が低下すれば、フッ化炭素層の蒸発が優先する。

実施例８：実験５を繰り返し、一つのサンプルを４００℃で５時間（１時間でなく）連続的に腐食した。平均ＰＧ消費率（腐食率）は、図１１に示すように、実験５（１時間の実験）で経験したより低かった。元来のＰＧ表面のみが存在するとき、フッ化は急速に進行することを実験は示している。しかし、ある厚さのフッ化炭素層が形成された後、フッ素はフッ化可能な新しい熱分解黒鉛に行き当たるまで前記フッ化炭素層中を拡散する必要がある。ある点を過ぎると、フッ化率はフッ素拡散速度律速になる。

実施例９：この実験はフッ素拡散速度の効果がさらにＰＧのフッ化を律速するかを調べるためのものである。ＰＧ被覆を有するサンプルを６００℃で１分間腐食し、それからＰＧを６００℃に保ったままプラズマを１分間遮断した。このサイクルを６０回繰り返し、全プラズマ曝露時間が１時間確保されるようにした。この実験の平均ＰＧ消費率を、前もって連続的に６０分間腐食されたサンプルと比較した。図１２に示した結果によれば、平均腐食率は連続腐食に比べパルス腐食のほうが高い。これは次のように説明される。パルス腐食の場合、ＮＦ_３プラズマがＯＮの一分間の間に、上塗り層が最初にフッ化炭素層を形成する。それから一度ＮＦ_３がＯＦＦになると、前に生成されたフッ化炭素層が部分的に蒸発する（実施例７に類似）。再度ＮＦ_３がＯＮされると、フッ素から見て薄くなったフッ化炭素層が存在しており、フッ素はより早く拡散し、ＰＧをより早く消費する。一方連続腐食の場合は、フッ化炭素層は時間とともに成長し続け、結果としてＰＧフッ化速度を遅くする。したがって、同一の全曝露時間に対し、パルス実験のほうが速く腐食が進行する。しかし、フッ化炭素蒸発速度は十分遅いので、パルス実験も少ししか早くならない。
実施例１０：４００℃と６００℃で連続ＮＦ_３プラズマによるＰＧ腐食率を比較すると（図１１と１２）、腐食率には比較的小さな増加しか見られない。さらに、６００℃における腐食率は５０Å／分よりまだ十分に低い。ここに示すように、本発明のヒータを用いれば、ヒータを６００℃に保ったまま反応室を洗浄することができる。

実施例１１：フッ化炭素層がウェーハの背面と接触しているのが望ましくない場合、洗浄のあとまだ新しいウェーハが反応室に導入される前に、反応室を慣らし、薄い被覆を壁やヒータに蒸着するために短時間の蒸着工程をウェーハ室で行う。または洗浄のあとに反応室にプラズマ腐食を含む非常に短い酸素パルスを吹きかけ、本発明の基板ホルダ表面からフッ化炭素層を除去する。別の例では、ヒータアセンブリを真空中に短時間放置し、表面から自動的にフッ化炭素層を蒸発させる。

この書かれた記述は最良の方法を含む本発明を開示するためのそしてまた当業者誰にでも本発明を利用することを可能にするための実施例を用いている。本発明の特許化可能な領域は請求項によって定義され、当業者において想起できる他の実施例を含んでいるかもしれない。そのような他の実施例は、もし前記請求項の用語と異ならない構成要素を含む場合、またはもし請求項の用語と実質的でない相違しかない同等な構成要素を含む場合、前述の請求項の範囲中にあると想定されている。

Ａ−Ｃは、その一表面に熱分解黒鉛被覆層を有し、種々のプロセスの段階で生成されるヒータの１実施形態を示す断面図である。Ｄ−Ｅは、サセプタの種々の実施形態を示す断面図である。Ｆ−Ｈは、コイル状の（コイル状の基板から生成された）ヒータの種々の実施形態を示す断面図である。 ＡおよびＢは、全ヒータ構造を保護する熱分解黒鉛被覆層を有し、種々のプロセスの段階で生成されるセラミックヒータの第二の実施形態を示す断面図である。 Ａは、熱分解黒鉛加熱素子の幾何的パターンを示すために上面の被覆層が取り除かれた、セラミックヒータの一実施形態を示す上面図である。Ｂは、比較的平坦な上部表面と下部表面を持ち、実質的に基板ホルダと交わる方向に伸びるシャフトを有する基板ホルダを有するヒータアセンブリの他の実施形態の断面図である。 ウェーハが１，５００℃まで熱されたときの先行技術のヒータの表面温度を調べるための計算機流体力学 (ＣＦＤ)の計算に使用するための、先行技術のヒータを使用する熱的モジュールの断面図である。 ウェーハが１，５００℃まで熱されたときの本発明のヒータの表面温度を調べるための計算機流体力学（ＣＦＤ）の計算に使用するための、図１Ａ―１Ｃのヒータを使用する熱的モジュールの断面図である。 ＮＦ_３環境下、室温における種々の材料の腐食速度を示すグラフである。 熱分解窒化ホウ素と焼結窒化アルミニウムを含む、他の先行技術材料とヒータの被覆層の実施形態との４００℃における腐食速度を比較するグラフである。 熱分解窒化ホウ素被覆を含む先行技術ヒータの、腐食後の写真（１／４倍率）である。 Ａは、先行技術のヒータと本発明のヒータの一実施形態、すなわちＰＧ上塗りＰＢＮヒータ、を比較するヒータ加熱テストの実験的装置を示す図である。Ｂは、ヒータのクローズアップ断面図である。 先行技術のヒータと本発明のヒータの一実施形態、すなわちＰＧ上塗りＰＢＮヒータ、から得られた、ヒータ温度と達成されたサセプタ温度を比較するグラフである。 先行技術のヒータと本発明のヒータの一実施形態、すなわちＰＧ上塗りＰＢＮヒータ、から得られた、ヒータ温度と達成されたサセプタ温度を比較するグラフである。 ４００℃、１時間と５時間の腐食後の、ヒータ発明の上塗り層の腐食速度を比較するグラフである。 ６００℃、１時間の連続およびパルス状の腐食後の、ヒータ発明の上塗り層の腐食速度を比較するグラフである。

符号の説明

６ … ベース基板
７ … 電極
８ … 保護被覆層
９ … 上塗り層
１３ … ウェーハ
２０ … シャフト

Claims (13)

1. ウェーハ処理室中で用いられる装置において、前記装置は：黒鉛；耐火金属、遷移金属、希土類金属およびその合金；Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属から成る群から選択された元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物、または酸窒化物の少なくとも１つを含む焼結材料；アルミニウムの酸化物、酸窒化物；およびそれらの組み合わせ；の一つを含むベース基板を含み、
   前記ベース基板は１００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導度を有する上塗り層で被覆されている、ウェーハ処理室中で用いられる装置。
2. 前記装置はヒータであり、前記ヒータはさらに：前記ベース基板上に重ねられた熱分解黒鉛を含む加熱素子と；前記加熱素子と前記ベース基板を被覆し、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質合金、遷移金属からなる群から選ばれた元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、または酸窒化物およびその組み合わせの少なくとも一つを含む第一の層を含み、前記第一の層の被覆は１００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導度を有する前記上塗り層で被覆されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記上塗り層が前記第一の被覆層の平面熱伝導率の少なくとも３倍の平面熱伝導率を有する、請求項１ないし請求項２のいずれか一項に記載の装置。
4. 前記第一の外部被覆層が熱分解窒化ホウ素、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、窒化ケイ素、又はその複合体の少なくとも一つを含む、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記装置がサセプタであり、ベース基板が黒鉛を含み、上塗り層が熱分解黒鉛を含む請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記上塗り層が２００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率を有する材料を含む請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記上塗り層が熱分解黒鉛（“ＰＧ”）を含み、かつ前記上塗り層がＥＴＰ，イオンプレーティング、イオンプラズマプレーティング、ＣＶＤ，ＰＥＣＶＤ，ＭＯＣＶＤ，ＯＭＣＶＤ，ＭＯＶＰＥ、ｅ−ビーム蒸着、プラズマ溶射、およびそれらの組み合わせで蒸着される請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の装置。
8. ＮＦ_３中、６００℃において１００Å／分より小さい腐食速度を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記装置が少なくとも１分あたり２０℃の上昇速度で加熱できるヒータである請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記ベース基板が黒鉛を含み；ベース基板上に重畳された加熱素子が熱分解黒鉛を含み、第一の外部被覆層が窒化ホウ素と窒化アルミニウムの少なくとも一つを含み；上塗り層が１μｍ−５００μｍの間の厚さを持つ熱分解黒鉛を含む請求項２ないし請求項９のいずれか一項に記載の装置。
11. 少なくとも半導体ウェーハを処理するためのプラズマ処理室において、前記プラズマ処理室は：少なくともウェーハを加熱するためのセラミックヒータと；静電的チャック上に設けられたガス分配板と：静電的チャックを保持するための土台と；前記処理室と選択的に連通する洗浄ガス源と；を含み、前記ヒータ、ガス分配板、および土台の少なくとも一つが熱分解黒鉛を含む上塗り層で被覆された表面を持ち、前記洗浄ガス源がＮＦ_３とＣｌ_２を含むプラズマ処理室。
12. 請求項１１に記載のプラズマ処理室において、前記ヒータは熱分解黒鉛を含む前記上塗り層で被覆され、かつ前記ヒータは：
    黒鉛；耐火金属、遷移金属、希土類金属、およびそれらの合金；Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属からなる群から選択された元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物、または酸窒化物の少なくとも１つを含む焼結材料；アルミニウムの酸化物、酸窒化物；およびそれらの組み合わせ；の一つを含むベース基板と；
    前記ベース基板上に重畳された熱分解黒鉛と、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物または酸窒化物の少なくとも１つ、及びそれらの組み合わせを含む第一の外部被覆と、を含む加熱素子と；を含み、
    前記上塗り層上の熱分解黒鉛はその下に存在する前記第一の被覆層と、加熱素子と、ベース基板とを洗浄ガスから保護し、ヒータがＮＦ_３中、６００℃で１００Å／分より少ない腐食速度を有するプラズマ処理室。
13. 前記ヒータがＮＦ_３中、６００℃で５０Å／分より少ない腐食速度を有する請求項１１又は請求項１２のいずれかに記載のプラズマ処理室。