JP2008108703A - 面状ヒータ及びこのヒータを備えた半導体熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波誘導を抑制するアース電極を内蔵することによって高周波誘導発熱を抑制すると共に、励起した反応ガスによって浸食されない面状ヒータ及びこれを備えた半導体熱処理装置を提供する。
【解決手段】面状ヒータ１は、シリカガラス板状体２内部に平面状に配置、封止されたカーボンワイヤー発熱体ＣＷと、前記カーボンワイヤー発熱体ＣＷの上方のシリカガラス板状体２内部に、平面状に配置、封止されたアース電極３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は面状ヒータ及びこのヒータを備えた半導体熱処理装置に関し、より詳細には、カーボンワイヤー発熱体及びアース電極をシリカガラス板状体中に封止した面状ヒータ及びこのヒータを備えた半導体熱処理装置に関する。

本願出願人らは特許文献１に示されるような、カーボンワイヤー発熱体をシリカガラス板状体中に封止した面状ヒータを提案している。このカーボンワイヤー発熱体を用いた面状ヒータは、不純物の拡散が少ないため、半導体製造分野において好適に用いることができる。

ところで、半導体製造分野で用いられる装置にプラズマＣＶＤ装置、プラズマエッチング装置などの半導体（ウエハ）をプラズマ雰囲気下で処理する装置がある。この中で例えばプラズマＣＶＤ装置は、反応の活性化に必要なエネルギをプラズマにより得るもので、約２００℃〜４００℃の低い基板温度において成膜できる特徴がある。

このプラズマＣＶＤ装置について、特許文献２に示されたプラズマＣＶＤ装置を図７に示すと共に、この図に基づいて説明する。
このプラズマＣＶＤ装置１００は、真空排気可能な反応炉（チャンバー）１０１と、反応炉１０１内に配設されたステージ１０２と、反応炉１０１内に成膜用ガスを供給する成膜用ガス供給系１０３及び１０４と、反応炉１０１内にプラズマ１０５を発生させる高周波電源装置１０６，１０７及びアンテナ１０８からなるプラズマ発生装置と、ステージ１０２に配設された基板加熱ヒータ１０９と、この基板加熱ヒータ１０９に電力を供給するヒータ電源１０９Ａと、ステージ１０２上に配設され表面上に被処理基板Ｗを自在に載置可能な基板載置シート１１０とを備えている。

また、前記反応炉１０１には油回転ポンプ、メカニカルブースタポンプ等の真空排気装置（真空ポンプ）１１１が設けられており、反応炉１０１の内部を所定の圧力に減圧できるように構成されている。

更に詳述すると、前記ステージ１０２は、反応炉１０１の内部中央部分において絶縁性支持パイプ１０２Ａの上端に設けられている。このステージ１０２は金属製で形成されており、ステージ１０２の下部に、前記基板加熱ヒータ１０９が配設されている。基板加熱ヒータ１０９はヒータ電源１０９Ａに電気的に接続され、この基板加熱ヒータ１０９はヒータ電源１０９Ａから供給される電力によりステージ１０２、基板載置シート１１０のそれぞれを通して被処理基板Ｗを加熱するように構成されている。

次に、このプラズマＣＶＤ装置の作用について説明する。まず、このプラズマＣＶＤ装置の反応炉１０１内に配設された金属製ステージ１０２上に被処理基板Ｗを載置させた後、反応炉１０１内の排気を開始する。そして、所定圧力まで減圧が完了した時点で金属製ステージ１０２内部に取り付けられた基板加熱ヒータ１０９に通電を行い、この基板加熱ヒータ１０９により金属製ステージ１０２を通して、被処理基板Ｗを所定温度まで昇温させる。

次に、所定の反応ガスを反応炉（チャンバー）１０１内に供給する。その後、反応炉１０１内の金属製ステージ１０２、アンテナ（対向電極）１０８のそれぞれに高周波電力を供給し、金属製ステージ１０２とアンテナ（対向電極）１０８との間にプラズマを生成しＣＶＤ反応を生じさせることにより、被処理基板Ｗに所定の膜を成膜する。
特開２０００−１７３７５０号公報 特開２０００−１７８７４９号公報

ところで、従来のプラズマＣＶＤ装置、プラズマエッチング装置などの半導体（ウエハ）をプラズマ雰囲気下で処理する装置に用いられる基板加熱ヒータを、金属またはカーボンのような導電体で形成した場合、プラズマを形成するための高周波によって高周波誘導され発熱するため、ヒータ自体の温度制御が困難であった。
また、前記基板加熱ヒータはプラズマの発生領域外（金属製ステージと対向電極の間の領域外）に配置されているが、励起した反応ガスが流下し基板加熱ヒータと接触し、基板加熱ヒータを浸食するという課題があった。

本願発明者等は、上記技術的課題を解決するための一つの方法として、カーボンワイヤー発熱体を用いたヒータに着目し、鋭意研究した。その結果、高周波誘導を抑制するアース電極を内蔵することによって高周波誘導発熱を抑制すると共に、励起した反応ガスによって浸食されない面状ヒータを知見し、本発明を完成するに至った。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、高周波誘導を抑制するアース電極を内蔵することによって高周波誘導発熱を抑制すると共に、励起した反応ガスによって浸食されない面状ヒータ及びこのヒータを備えた半導体熱処理装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかる面状ヒータは、シリカガラス板状体内部に平面状に配置、封止されたカーボンワイヤー発熱体と、前記カーボンワイヤー発熱体の上方のシリカガラス板状体内部に、平面状に配置、封止されたアース電極とを備えたことを特徴としている。
このように、カーボンワイヤー発熱体及びアース電極が、シリカガラス板状体内部に封止されているため、高周波誘導発熱を抑制することができると共に、励起した反応ガスによる、カーボンワイヤー発熱体及びアース電極の浸食を抑制することができる。

ここで、前記カーボンワイヤー発熱体はシリカガラス板状体の下面に形成された溝内に収容されると共に、前記アース電極は前記シリカガラス板状体の上面に形成された凹部内に収容され、前記シリカガラス板状体の上面及び下面に他のシリカガラス板状体を融着することにより、前記カーボンワイヤー発熱体及び前記アース電極がシリカガラス板状体内部に封止されていることが望ましい。
このような構成を採用することにより、カーボンワイヤー発熱体及びアース電極を、シリカガラス板状体内部に、容易に封止することができる。

また、前記凹部内に複数の凸部が形成され、かつ前記アース電極がカーボン材で形成されると共に貫通孔が所定の間隔を有して複数形成され、前記アース電極の貫通孔内に前記凹部内の凸部が挿通していることが望ましい。特に、前記カーボン材が、厚さ１ｍｍ以下のカーボンシートであることが望ましい。
このような構成を採用することにより、アース電極の膨れ、割れを抑制することができる。

更に、前記シリカガラス板状体の上面と他のシリカガラス板状体の融着代と、前記シリカガラス板状体の下面と他のシリカガラス板状体の融着代との差が、８％以下であることが望ましい。
このような構成を採用することにより、シリカガラス板状体と他のシリカガラス板状体の融着を完全なものにでき、一体化したシリカガラス板状体になすことができる。

また、前記アース電極に接続される接続線がアース電極の下面に圧接することにより、電気的接続がなされることが望ましく、また、前記アース電極に接続される接続線には結び部が形成され、前記結び部がアース電極の下面に圧接することが望ましい。
このような構成を採用することにより、シリカガラス板状体に及ぼす外力を抑制し、かつより完全な電気的接続を行なうことができる。
尚、上記面状ヒータを半導体熱処理装置に適用することが望ましい。

本発明によれば、高周波誘導を抑制するアース電極を内蔵しているため高周波誘導発熱を抑制することができ、またシリカガラス板状体内に、アース電極及びカーボンワイヤー発熱体が封止されているため、励起した反応ガスによる浸食を抑制することができる面状ヒータを得ることができる。また、このヒータを備えた半導体熱処理装置を得ることができる。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図１乃至図６に基づいて説明する。なお、図１は本発明の一実施形態にかかる面状ヒータを示す概略断面図、図２は図１に示したＡ−Ａ矢視図、図３は図１のＢ−Ｂ矢視図、図４は図１の底面図、図５は図３のヒータ中央部（領域Ｃ）の拡大図、図６はアース電極に接続する結び部を示す図である。

図１に示すように、この面状ヒータ１は、加熱面１ａが円形平板状に形成されており、シリカガラス板状体２内に、アース電極３及びカーボンワイヤー発熱体ＣＷが封入されている。

前記シリカガラス板状体２は、第１のシリカガラス体２１と、第２のシリカガラス体２２と、第３のシリカガラス体２３とから構成されている。
前記カーボンワイヤー発熱体ＣＷは、第１のシリカガラス体２１と第２のシリカガラス体２２との間に封入され、前記アース電極３は、第２のシリカガラス体２２と第３のシリカガラス体２３との間に封入されている。
なお、本発明において「カーボンワイヤー発熱体、アース電極が封止あるいは封入されている」とは、カーボンワイヤー発熱体、アース電極が外気に触れることがないように、密閉された状態になっていることを意味する。

更に、この面状ヒータ１の構成について説明すると、第２のシリカガラス体２２上面には、アース電極３を収容する凹部形状の収容部２２ａが形成されている。
このアース電極３は円板状に形成され、その材質は、電気易動度、加工の容易さ、熱膨張係数の観点からカーボン材が好ましく、厚さ１ｍｍ以下のカーボンシートを用いることがより好ましい。最適な実施形態は、面方向と厚さ方向での電気抵抗異方比（厚さ方向／面方向）が２以上であるグラファイトシールである。この好ましい電気抵抗値は、厚さ方向が２０×１０^-6Ω・ｍ以下であり、面方向が１０×１０^-6Ω・ｍ以下である。

また、前記アース電極３は、図２に示すように所定の間隔をもって、多数の貫通孔３ａが形成され、前記貫通孔３a内に前記収容部２２ａに形成された凸部２２ｂが挿入されるように構成されている。尚、図示しないが、前記貫通孔３ａの直径は、凸部２２ｂの直径よりも大きく形成され、前記貫通孔３ａと凸部２２ｂとの間に隙間が形成されている。

このように多数の貫通孔３ａを形成したのは、熱膨張によるアース電極３の膨れ、割れを防止するためである。この膨れとは、アース電極３がシリカガラス体内部に封入されているため膨張が規制され、アース電極３が湾曲する現象であり、また割れとは、前記アース電極３の湾曲が限界に達し、アース電極３が破壊する現象である。

そして、第２のシリカガラス体２２上面に形成された凹部形状の収容部２２ａ内に、アース電極３を収容し、第２のシリカガラス２２と第３のシリカガラス２３とを融着することによって、前記アース電極３が第２のシリカガラス体２２と第３のシリカガラス体２３との間に封入される。
尚、前記第２のシリカガラス２２と第３のシリカガラス２３との接触面積が、第２のシリカガラス体２２と第３のシリカガラス体２３との融着代となる。即ち、前記収容部２２ａの外側の周縁領域上面２２ｃの面積と、前記凸部２２ｂの上面の面積の総和が、第２のシリカガラス体２２と第３のシリカガラス体２３との融着代となる。

また、第２のシリカガラス体２２の下面には、図３に示す配置パターンと同形状の溝２２ｄ及び中心部から直径方向に延びる溝２２ｅ，２２ｆが設けられている。
この面状ヒータは、加熱面（ヒータ面）１ａを４つの領域に分割している。即ち、ヒータ面の内側領域を２分割し、更に内側領域の外周に位置する外側領域を２分割し、領域毎に、カーボンワイヤー発熱体ＣＷ１、ＣＷ２、ＣＷ３、ＣＷ４が配置されている。

また、第２のシリカガラス体２２の下面中央部には、図３及び図５に示すように、円形の凹部２２ｇ、２２ｈ、２２ｉ、２２ｊが形成されている。この凹部２２ｇ、２２ｈは、内側領域の溝２２ｄと連通している。一方、凹部２２ｉ、２２ｊは、溝２２ｅ、２２ｆを介して外側領域の溝２２ｄと連通している。
尚、図３において、溝２２ｄ、２２ｅ、２２ｆは線で示されているが、図５においては、これら溝は幅をもって示されている。

そして、内側領域の第１領域（図３の右内側領域）は、右内側に形成された溝２２ｄの内部にカーボンワイヤー発熱体ＣＷ１が収容され、内側領域の第２領域（図３の左内側領域）は、左内側に形成された溝２２ｄの内部にカーボンワイヤー発熱体ＣＷ２が収容される。
また、外側領域の第３領域（図３の右外側領域）は、右外側に形成された溝２２ｄの内部にカーボンワイヤー発熱体ＣＷ３が収容され、外側領域の第４領域（図３の左外側領域）は、左外側に形成された溝２２ｄの内部にカーボンワイヤー発熱体ＣＷ４が収容される。

また、第１のシリカガラス体２１の下面中央部には、図１、図３に示すように、前記カーボンワイヤー発熱体ＣＷに通電する接続線４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂを有する電源端子部１０が設けられている。前記接続線４ａ，４ｂは、内側領域の領域に通電するための接続線であり、前記接続線５ａ，５ｂは、中央部側領域に通電するための接続線であり、接続線６は、アース電極３に接続するための接続線である。これら接続線４ａ，４ｂ、５ａ，５ｂ、６は、前記したカーボンワイヤー発熱体と同質のカーボンワイヤーで形成するのが好ましい。

図１、図４に示すように、前記接続線４ａはシリカガラス管１１に収容され、また接続線４ｂはシリカガラス管１２に収容されている。この接続線４ａ，４ｂを収容するシリカガラス管１１，１２は、第１のシリカガラス体２１を挿通し、第２のシリカガラス体２２の下面に当接している。
したがって、接続線４ａは、シリカガラス管１１から凹部２２ｇを介して、溝２２ｄ内に入り、溝２２ｄ内の内側領域のカーボンワイヤー発熱体ＣＷ１，ＣＷ２に接続される。同様に、接続線４ｂは、シリカガラス管１２から凹部２２ｈを介して、溝２２ｄ内に入り、溝２２ｄ内の内側領域のカーボンワイヤー発熱体ＣＷ１，ＣＷ２に接続される。

また図示しないが、外側領域の接続線５ａは、シリカガラス管１３から凹部２２ｉ、溝２２ｆを通って、溝２２ｄ内のカーボンワイヤー発熱体ＣＷ３、カーボンワイヤー発熱体ＣＷ４に接続される。同様に、外側領域の接続線５ｂは、シリカガラス管１４から凹部２２ｊ、溝２２ｅを通って、溝２２ｄ内のカーボンワイヤー発熱体ＣＷ３、カーボンワイヤー発熱体ＣＷ４に接続される。

また、前記第２のシリカガラス体２２の中央部には、図１、図５に示すようにアース電極３に接続する接続線６が挿通する貫通孔２２ｋ，２２ｌが形成されている。この接続線６は、シリカガラス管１５から貫通孔２２ｋを挿通し、図６に示すように、結び部Ｔを形成し、貫通孔２２ｌ内を挿通し、再びシリカガラス管１５内部に戻される。
そして、この結び部Ｔがアース電極３の下面に圧接することにより、電気的接続がなされる。即ち、第２のシリカガラス２２と第３のシリカガラス２３とが融着、固定された際、前記結び部Ｔがアース電極３の下面に圧接し、電気的接続がなされる。

このように結び目Ｔを形成したのは、第２のシリカガラス２２と第３のシリカガラス２３との融着時に押し付け方向の圧縮率に誤差を生じても、結び部Ｔの形状が変化するため、第２のシリカガラス２２と第３のシリカガラス２３とに対して外力を与えなることなく、確実にアース電極３と接続線６とを接触させることができる。また、結び目Ｔが形成されているため、接続線６を、貫通孔２２ｌ内を挿通させ、再びシリカガラス管１５内部に戻す際、接続線６が貫通孔２２ｋから抜けることがなく、作業効率が向上する。

そして、前記したように、第２のシリカガラス体２２下面に形成された溝部２２ｄ内に、カーボンワイヤー発熱体ＣＷ１、ＣＷ２、ＣＷ３、ＣＷ４を収容し、第２のシリカガラス体２２下面と第１のシリカガラス体２１を融着することによって、前記カーボンワイヤー発熱体ＣＷ１、ＣＷ２、ＣＷ３、ＣＷ４は、第１のシリカガラス体２１と第２のシリカガラス体２２との間に封入される。
尚、前記第１のシリカガラス２１と第２のシリカガラス２２との接触面積が、第１のシリカガラス体２１と第２のシリカガラス体２２との融着代となる。即ち、第２のシリカガラス２２の下面において、溝２２ｄ、溝２２ｅ、溝２２ｆ、凹部２２ｇ，２２ｈ，２２ｉ，２２ｊを除いた面積が融着代となる。

また、前記接続線４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ、６を収容したすべてのシリカガラス管１１，１２，１３，１４、１５の端部は封止され、大径のシリカガラス管１６の内部に収容される。この大径のシリカガラス管１６は、ヒータを固定するためのフランジあるいはシャフトとして用いられる。

そして、このような構成を有する面状ヒータ１を製造するには、前記第２のシリカガラス体２２の溝２２ｄにカーボンワイヤー発熱体ＣＷ１、ＣＷ２、ＣＷ３、ＣＷ４を収容し、各接続線４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂと接続した状態で、第１のシリカガラス体２１と第２のシリカガラス体２２とを融着し、前記溝２２ｄを封止する。
また、第２のシリカガラス体２２の収容部２２ａ内にアース電極３を収容し、第２のシリカガラス体２２と第３のシリカガラス体２３とを融着し、前記収容部（凹部）２２ａを封止する。

ここで、第１のシリカガラス体２１と第２のシリカガラス体２２の融着、及び第２のシリカガラス体２２と第３のシリカガラス体２３の融着は、同時に行なうのが好ましい。
融着回数を１回にすることで、シリカガラスが高温にさらされる回数を低減し、シリカガラスの再結晶化によって発生する失透の発生確率を低減することが望ましい。
尚、この場合、第１のシリカガラス体２１と第２のシリカガラス体２２との融着代と、第２のシリカガラス体２２と第３のシリカガラス体２３との融着代との差を８％以下とするのが望ましい。
融着代に差がある場合、融着代の大きい側に合わせて融着時の加圧圧力を設定すると、融着代の小さい側が潰れるためである。逆に加圧圧力を融着代の小さい側に合わせた場合、融着代の大きい側に融着しない（未融着）部分が発生するためである。

続いて、接続線４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ、６を収容したすべてのシリカガラス管１１，１２，１３，１４、１５の端部を封止し、大径のシリカガラス管１６の内部に収容する。尚、この封止構造は、従来から知られているピンチングシール構造を用いることによって、封止することができる。

このように構成された面状ヒータ１にあっては、高周波誘導を抑制するアース電極３を内蔵しているため、カーボンワイヤー発熱体ＣＷの高周波誘導発熱を抑制することができ、ヒータ自体の温度制御を容易に行なうことができ、被処理基板Ｗに対して高精度の加熱を行なうことができる。また、アース電極３及びカーボンワイヤー発熱体ＣＷは、シリカガラス体２中に封入されているため、流下した励起した反応ガスと接触することがなく、反応が防止される。
尚、上記実施形態にあっては、前記シリカガラス板状体２が円板形状である場合について説明したが、シリカガラス板状体２が矩形形状であっても良い。

本発明にかかる面状ヒータは半導体熱処理装置に用いることができ、特に、高周波誘導を抑制するアース電極を内蔵し、高周波誘導発熱を抑制すると共に、励起した反応ガスによって浸食されないため、ＣＶＤ装置のヒータとして好適に用いることができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる面状ヒータを示す概略断面図である。 図２は、図１に示したＡ−Ａ矢視図である。 図３は、図１のＢ−Ｂ矢視図である。 図４は、図１の底面図である。 図５は、図３のヒータ中央部（領域Ｄ）の拡大図である。 図６は、図１に示した領域Ｃの拡大図である。 図７は、プラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 面状ヒータ
１ａ 加熱面
２ シリカガラス板状体
２１ 第１のシリカガラス体
２２ 第２のシリカガラス体
２３ 第３のシリカガラス体
２２ｄ 溝
２２ｅ 溝
２２ｆ 溝
３ アース電極
４ａ 接続線
４ｂ 接続線
５ａ 接続線
５ｂ 接続線
６ アース電極接続線
１０ 電源端子部
１１ シリカガラス管
１２ シリカガラス管
１３ シリカガラス管
１４ シリカガラス管
１５ シリカガラス管
１６ 大径のシリカガラス管
ＣＷ カーボンワイヤー発熱体
ＣＷ１ 内側領域（右側）のカーボンワイヤー発熱体
ＣＷ２ 内側領域（左側）のカーボンワイヤー発熱体
ＣＷ３ 外側領域（右側）のカーボンワイヤー発熱体
ＣＷ４ 外側領域（左側）のカーボンワイヤー発熱体
Ｔ 結び目

Claims (8)

1. シリカガラス板状体内部に平面状に配置、封止されたカーボンワイヤー発熱体と、前記カーボンワイヤー発熱体の上方のシリカガラス板状体内部に、平面状に配置、封止されたアース電極とを備えたことを特徴とする面状ヒータ。
2. 前記カーボンワイヤー発熱体はシリカガラス板状体の下面に形成された溝内に収容されると共に、前記アース電極は前記シリカガラス板状体の上面に形成された凹部内に収容され、前記シリカガラス板状体の上面及び下面に他のシリカガラス板状体を融着することにより、前記カーボンワイヤー発熱体及び前記アース電極がシリカガラス板状体内部に封止されていることを特徴とする請求項１記載の面状ヒータ。
3. 前記凹部内に複数の凸部が形成され、かつ前記アース電極がカーボン材で形成されると共に貫通孔が所定の間隔を有して複数形成され、
   前記アース電極の貫通孔内に前記凹部内の凸部が挿通していることを特徴とする請求項２記載の面状ヒータ。
4. 前記カーボン材が、厚さ１ｍｍ以下のカーボンシートであることを特徴とする請求項３記載の面状ヒータ。
5. 前記シリカガラス板状体の上面と他のシリカガラス板状体の融着代と、前記シリカガラス板状体の下面と他のシリカガラス板状体の融着代との差が、８％以下であることを特徴とする請求項２記載の面状ヒータ。
6. 前記アース電極に接続される接続線がアース電極の下面に圧接することにより、電気的接続がなされることを特徴とする請求項１記載の面状ヒータ。
7. 前記アース電極に接続される接続線には結び部が形成され、前記結び部がアース電極の下面に圧接していることを特徴とする請求項６に記載の面状ヒータ。
8. 前記請求項１乃至請求項７のいずれか記載の面状ヒータを備えたことを特徴とする半導体熱処理装置。

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