JP2013225663A - 加熱装置及び半導体製造装置 - Google Patents

加熱装置及び半導体製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ウエハを加熱する加熱装置において、センタークール温度分布の実現と温度制御性の向上とを両立し、更に中空シャフトの下端の高温化を防止する。
【解決手段】加熱装置１０は、セラミック基体２０と、抵抗発熱体２２と、中空シャフト４０とを備えている。セラミック基体２０には、中央部２０ａと外周部２０ｂとがある。抵抗発熱体２２は、中央部２０ａでの発熱密度が外周部２０ｂでの発熱密度の１．４〜２．０倍となるように設計されている。中空シャフト４０には、第１部位４１と第２部位４２とがあり、第１部位４１の厚さｔｂ１は６〜１０ｍｍ、第２部位４２の厚さｔｂ２は第１部位４１の厚さｔｂ１の０．３〜０．５倍である。また、第１部位４１の長さは、中空シャフト４０の全長の０．４〜０．８倍である。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱装置及び半導体製造装置に関する。
半導体製造装置においては、熱ＣＶＤ、プラズマ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あたって、ウエハを加熱するための加熱装置が採用されている。加熱装置としては、ウエハ載置面を有する円盤状のセラミック基体と、そのセラミック基体の内部又は表面に設けられた抵抗発熱体と、そのセラミック基体のうちウエハ載置面とは反対側の面に取り付けられた中空シャフトとを備えたものが知られている。こうした加熱装置において、ウエハ載置面の温度を均一化するための手法が種々知られている。例えば、セラミック基体内にコイルスプリング状の抵抗発熱体（巻回体）を埋設する場合には、巻回体の巻き数や巻き径を多くしたり、線径を小さくすることによって、ウエハ設置面の単位面積当たりの発熱量を増大させることができる。また、巻回体の巻き数や巻き径を少なくしたり、線径を大きくすることによって、ウエハ設置面の単位面積当たりの発熱量（発熱密度）を低下させることができる。
特開２００３−２７２８０５号公報
ところで、ＣＶＤ工程の開始直後に原料ガスが導入されると、セラミック基体の中央部の温度が上昇することがあり、それを踏まえて、予めセラミック基体の中央部が外周部よりも低温になるように温度分布を設計することがある。こうした温度分布をセンタークール温度分布という。センタークール温度分布は、例えばコイルスプリング状の抵抗発熱体を用いる場合、セラミック基体の外周部に比べて中央部の巻き数を少なくする（つまり中央部の発熱密度を小さくする）ことにより容易に実現できる。通常、セラミック基体の温度制御は、セラミック基体の温度を熱電対で測定し、その測定温度が予め設定された目標温度になるように抵抗発熱体へ供給する電力を調節することにより行われる。このとき、熱電対はセラミック基体の中央部（つまり中空シャフトの内側）の温度を測定するように配置される。
しかしながら、ウエハ載置面にウエハを載置した直後やＣＶＤ工程でウエハへのプラズマ入熱が発生した場合には、温度制御性が低下し、安定的な温度を得るまでの時間が長くなり、ＣＶＤによって得られた膜の厚さが均一にならない等の問題が生じることがあった。こうした問題が生じる原因について、以下に説明する。セラミック基体の中央部は、上述したとおり、センタークール温度分布を実現するためにセラミック基体の外周部に比べて発熱密度が小さくなっている。熱電対は、その発熱密度の小さい部分の温度を測定する。そのため、例えば、熱電対によって測定された温度が目標温度に達しておらず、抵抗発熱体への供給電力を増加した場合、発熱密度の違いから、外周部に比べて中央部の温度上昇が遅れる。その結果、熱電対によって測定された温度が目標温度に達したとき、つまり中央部が目標温度に達したときには、外周部は目標温度を大きく超えてしまっていることがあった。
こうした温度制御性の低下は、発熱密度をセラミック基体の中央部と外周部とであまり差がないようにすることで改善できる。しかし、その場合には、センタークール温度分布が小さくなるため、ＣＶＤ工程の開始直後に原料ガスが導入されたときに中央部が外周部に比べて高温になってしまうことがある。また、セラミック基体の熱を中空シャフトに逃がすことによりセンタークール温度分布を比較的大きくすることが考えられるが、中空シャフトの温度が高くなりすぎると、中空シャフトの下端はＯリングでシールされている関係上、Ｏリングが熱で劣化してシール性が低下することがあった。こうしたことから、センタークール温度分布の実現と温度制御性の向上とを両立し、更に中空シャフトの下端の高温化を防止することが望まれていた。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ウエハを加熱する加熱装置において、センタークール温度分布の実現と温度制御性の向上とを両立し、更に中空シャフトの下端の高温化を防止することを主目的とする。
本発明者らは、当初、センタークール温度分布を実現するには、発熱密度を外周部に比べて中央部の方が小さくなるようにしなければならないと考えていた。しかし、そのような構成では、セラミック基体の中央部の温度が予め設定された目標温度になるように抵抗発熱体への供給電力を調節した場合、温度制御性が低下してしまった。そこで、発想を転換し、発熱密度を外周部に比べて中央部の方が大きくなるようにし、センタークール温度分布を実現することを考えた。そして、中空シャフトの形状を種々工夫したところ、センタークール温度分布の実現と温度制御性の向上とを両立でき、しかも中空シャフトの下端の高温化を防止できることを見いだし、本発明を完成するに至った。
本発明の加熱装置は、
ウエハ載置面を有する円盤状のセラミック基体と、
該セラミック基体の内部又は表面に設けられた抵抗発熱体と、
前記セラミック基体のうち前記ウエハ載置面とは反対側の面に取り付けられた中空シャフトと、
を備えた加熱装置であって、
前記セラミック基体には、中央部と外周部とがあり、
前記外周部は、前記中央部の外側の環状領域であり、
前記抵抗発熱体は、前記中央部での発熱密度が前記外周部での発熱密度より高くなるように設けられ、
前記中空シャフトには、前記セラミック基体から所定の中間位置までの第１部位と、前記中間位置からシャフトエンドまでの第２部位とがあり、
前記第１部位の厚さは、前記第２部位の厚さの２〜３．３倍であり、
前記第１部位の長さは、前記シャフトの全長の０．４〜０．８倍である
ものである。
本発明の加熱装置によれば、センタークール温度分布の実現と温度制御性の向上とを両立することができ、更に中空シャフトの下端の高温化を防止することができる。すなわち、この加熱装置では、中央部における発熱密度は、外周部における発熱密度より高い。ここで、発熱密度とは、ウエハ載置面の単位面積当たりの発熱量をいう。セラミック基体の中央部の温度が予め設定された目標温度になるように抵抗発熱体への供給電力を調節する温度制御において、温度を測定する中央部では、発熱密度が高いため、供給電力が増加したときにそれに迅速に追従して温度が上がる。したがって、セラミック基体の温度制御性が良好になる。一方、発熱密度をこのように設定すると、本来、センタークール温度分布を実現できない。しかし、中央部には、形状を工夫した中空シャフトが取り付けられている。具体的には、中空シャフトの第１部位の厚さが第２部位の厚さの２〜３．３倍、第１部位の長さがシャフトの全長の０．４〜０．８倍（第２部位の長さは全長の０．２〜０．６倍）となっている。このように、第１部位が十分厚く形成されているため、中央部の熱は中空シャフトの第１部位へ流出しやすくなり、結果的にセンタークール温度分布が実現される。また、第１部位から中空シャフトの下端に取り付けられる冷却板への熱の移動量は、厚さの薄い第２部位によって制限される。したがって、中空シャフトの下端が高温になりすぎず、その下端と冷却板との間に設けられるＯリングのシール性を損なうことがない。
本発明の加熱装置は、前記セラミック基体の温度を制御するために前記セラミック基体の中央部の温度を測定する熱電対を備えていてもよい。このような熱電対で測定した温度を用いてセラミック基体の温度を制御するときの温度制御性の低下が問題となるため、こうした熱電対を備えた加熱装置に本発明を適用する意義が高い。
本発明の加熱装置において、前記抵抗発熱体は、前記中央部での発熱密度が前記外周部での発熱密度の１．４〜２．０倍となるように設けられていることが好ましい。こうすれば、セラミック基体の温度制御性がより良好になる。
本発明の加熱装置において、前記第１部位の直径は、前記第２部位の直径よりも大きいことが好ましい。こうすれば、第１部位の表面から多くの熱が放散される。この点でも、中空シャフトが高温になりすぎることがない。
本発明の加熱装置において、前記第１部位の厚さは、６〜１０ｍｍとしてもよい。こうすれば、中央部の熱は中空シャフトの第１部位へより流出しやすくなり、結果的にセンタークール温度分布が確実に実現される。
本発明の半導体製造装置は、
上述した加熱装置と、
前記中空シャフトの前記中間位置から熱を除去する除熱手段と、
を備えたものである。
本発明の半導体製造装置によれば、上述した加熱装置によって得られる効果を得ることができる。また、中空シャフトの中間位置から熱を除去することができるため、中空シャフトの下端の温度が高温になりすぎるのを比較的容易に防止することができる。
本発明の半導体製造装置において、前記除熱手段は、前記中間位置の周囲のガスを吸い込む手段としてもよいし、冷却ガスを前記中間位置に向かって噴射する手段としてもよい。こうすれば、通常、半導体製造装置に設けられる手段を除熱手段として利用するため、装置構成が煩雑にならない。なお、除熱手段は、これに限らず、例えば、中空シャフトの中間位置の周りに接触するように取り付けられたヒートシンクであってもよい。
加熱装置１０の縦断面図である。 加熱装置１０の平面図（但し抵抗発熱体２２及び端子２４，２５は実線で示した）である。 半導体製造装置１００の概略説明図である。 加熱装置１０の寸法を示す説明図である。 実験例１〜６の温度制御性を示すグラフである。 実験例８〜１１の温度制御性を示すグラフである。
本発明の好適な実施形態を以下に図面を参照しながら説明する。図１は加熱装置１０の縦断面図、図２は加熱装置１０の平面図（但し抵抗発熱体２２及び端子２４，２５は実線で示した）である。
加熱装置１０は、半導体の製造工程で半導体ウエハを加熱するための台として使用するものであり、表面がウエハ載置面Ｓである円盤状のセラミック基体２０と、このセラミック基体２０の内部に埋設された抵抗発熱体２２と、セラミック基体２０の温度を測定する熱電対３０と、セラミック基体２０のうちウエハ載置面Ｓとは反対側の面に取り付けられた中空シャフト４０とを備えている。
セラミック基体２０は、窒化アルミニウムや炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウムなどに代表されるセラミック材料からなる円盤状のプレートである。このセラミック基体２０の厚みは、例えば０．５ｍｍ〜３０ｍｍである。また、セラミック基体２０のウエハ載置面Ｓには、エンボス加工により複数の凹凸が形成されていてもよいし、複数の溝が形成されていてもよい。セラミック基体２０には、中央部２０ａと外周部２０ｂとがある。中央部２０ａは、セラミック基体２０と同心の円に囲まれた円形領域であって直径がセラミック基体２０の直径の約４０％の領域である。外周部２０ｂは、セラミック基体２０のうち中央部２０ａの外側の環状領域である。なお、セラミック基体２０のウエハ載置面Ｓとは反対側の面の中央付近には、厚肉部２０ｃが形成されている。厚肉部２０ｃは、円形の台となるように盛り上がった形状に形成され、その外径は中空シャフト４０の第１フランジ４０ａの外径と略一致している。この厚肉部２０ｃの厚さは、ほかの部分に比べて１０％程度厚くなっている。
抵抗発熱体２２は、図２に示すように、セラミック基体２０の中央付近に配設された正極端子２４から端を発し、一筆書きの要領でウエハ載置面Ｓの全域に配線されたあと正極端子２４の隣に設けられた負極端子２５に至るように形成されている。両端子２４，２５は、それぞれ給電部材２６，２７を介して、電源回路４８に接続されている。この電源回路４８は、コントローラ５０によって制御される。この抵抗発熱体２２は、コイルスプリング状のものであり、セラミック基体２０の中央部２０ａでは外周部２０ｂに比べて発熱密度（ウエハ載置面の単位面積当たりの発熱量）が高くなるように、具体的には１．４〜２．０倍となるように単位長さあたりの巻き数が設定されている。また、抵抗発熱体２２の材質は、例えば、モリブデン、タングステン又はモリブデン／タングステン化合物などが挙げられる。給電部材２６，２７は、金属製であることが好ましく、Ｎｉ製であることがより好ましい。また、給電部材２６，２７の形状としては、ロッド形状、ワイヤ形状などが挙げられる。各端子２４，２５と各給電部材２６，２７との接続は、ネジ、かしめ、嵌合、ろう付け、溶接、共晶はんだ付け等を適用すればよい。
熱電対３０は、セラミック基体２０の中央部２０ａの温度を測定するものであり、セラミック基体２０のウエハ載置面２０ａとは反対側の面の中央に設けられた凹部に差し込まれている。この熱電対３０は、測定した温度を電気信号としてコントローラ５０に出力する。コントローラ５０は、熱電対３０から入力した温度と予め設定された目標温度との差がなくなるように電源回路４８により抵抗発熱体２２へ供給する電力を調節する。
中空シャフト４０は、セラミック基体２０と同じセラミック材料からなる円筒体であり、セラミック基体２０の厚肉部２０ｃに一体的に接合されている。この中空シャフト４０の内部には、給電部材２６，２７や熱電対３０などが配置されている。中空シャフト４０のうち、セラミック基体２０側の端部には第１フランジ４０ａが設けられ、セラミック基体２０と反対側の端部には第２フランジ４０ｂが設けられている。第１フランジ４０ａは、セラミック基体２０の中央部２０ａに接合されている。第２フランジ４０ｂは、Ｏリング４６を介して金属アルミニウム製の冷却板４４に気密に取り付けられている。冷却板４４は、ヒートシンクの役割を果たすものであり、内部に冷媒を循環させる通路が設けられている。中空シャフト４０には、第１部位４１と第２部位４２とがある。第１部位４１は、上端４０Ｕから中間位置４０Ｍまでの部位である。この第１部位４１の厚さｔｂ１は、６〜１０ｍｍである。第１部位４１の長さＬ１は、中空シャフト４０の全長Ｌの０．４〜０．８倍である。第２部位４２は、中間位置４０Ｍから下端４０Ｌ（シャフトエンド）までの部位である。この第２部位４２の厚さｔｂ２は、第１部位４１の厚さｔｂ１の０．３〜０．５倍、換言すれば、第１部位４１の厚さｔｂ１は、第２部位４２の厚さの２〜３．３倍である。なお、中空シャフト４０は、平面視したときに、第１及び第２フランジ４０ａ，４０ｂを除き、セラミック基体２０の中央部２０ａに入るように配置されている。
次に、加熱装置１０の製造例について説明する。まず、セラミック基体２０の原料となるセラミック原料粉を用意し、抵抗発熱体２２及び各端子２４，２５をセラミック原料粉に埋設し、そのセラミック原料粉を加圧してセラミック成形体とする。続いて、そのセラミック成形体をホットプレス焼成し、セラミック基体２０とする。セラミック基体２０は、直径はセラミック成形体と同じだが、厚さはセラミック成形体の半分程度になる。続いて、セラミック基体２０の裏面から各端子２４，２５に向けて穴を開けて各端子２４，２５を穴内に露出させる。また、セラミック基体２０の裏面中央には、熱電対３０を差し込むための凹部を形成する。
一方、セラミック基体２０とは別に中空シャフト４０を作製する。まず、セラミック基体と同様のＡｌＮ原料粉を金型に入れ、ＣＩＰ（冷間等方圧加圧）により成型し、厚肉の円筒型成形体とする。この円筒型成形体を焼成し、円筒型焼成体とする。そして、得られた円筒型焼成体を研削することにより、中空シャフト４０を得る。
続いて、セラミック基体２０と中空シャフト４０とが同軸になるようにし、且つ、セラミック基体２０の裏面と中空シャフト４０の第１フランジ４０ａとが接するようにし、その状態で両者を接合する。なお、接合は、ロウ接合でもよいし固相接合でもよいし固液接合でもよい。その後、中空シャフト４０の内部において、各給電部材２６，２７を各端子２４，２５に接続し、熱電対３０の測温部をセラミック基体２０の凹部に差し込む。最後に、中空シャフト４０の下端をＯリング４６を介して冷却板４４に取り付ける。なお、各給電部材２６，２７及び熱電対３０は、気密状態を保つように冷却板４４を上下方向に貫通するように組み付ける。
次に、加熱装置１０の使用例について説明する。ここでは、加熱装置１０を用いてプラズマＣＶＤによりウエハに半導体薄膜を形成する工程について説明する。加熱装置１０は、図３に示す半導体製造装置１００の構成部品として使用される。半導体製造装置１００は、密閉されたチャンバー６０の内部に加熱装置１０を有している。チャンバー６０には、シランガスなどの原料ガスを供給する供給ポート６２や、チャンバー６０内の気体を排気する真空ポート６４などが装備されている。真空ポート６４は、中空シャフト４０の中間位置４０Ｍの周辺に設けられ、図示しない真空ポンプに接続されている。
プラズマＣＶＤでは、まず、目標温度を３５０℃に設定し、コントローラ５０によるセラミック基体２０の温度制御を行う。コントローラ５０は、熱電対３０からセラミック基体２０の中央部２０ａの温度を入力し、その温度が目標温度になるように抵抗発熱体２２への供給電力を電源回路４８を介して調節することにより、セラミック基体２０の温度制御を行う。また、供給ポート６２から原料ガスを供給すると共に、真空ポート６４からチャンバー６０内のガスを排出する。そして、熱電対３０から入力した温度が目標温度と略一致した後、セラミック基体２０の温度制御を継続したまま、セラミック基体２０のウエハ載置面Ｓにウエハを載置する。ウエハを載置した直後は、ウエハ自身の温度が目標温度よりも低いため、測定温度は数℃低下するが、コントローラ５０による温度制御により再び目標温度まで上昇する。この状態でプラズマを発生させてウエハ上に原料ガスから半導体薄膜を形成する。
ここで、加熱装置１０では、中央部２０ａにおける発熱密度は、外周部２０ｂにおける発熱密度の１．４〜２．０倍となっている。セラミック基体２０の温度制御では、セラミック基体２０の中央部２０ａの温度を測定し、その温度が目標温度になるように抵抗発熱体２２への供給電力を調節する。温度を測定する中央部２０ａでは、発熱密度が高いため、供給電力が増加したときにはそれに迅速に追従して温度が上がる。したがって、セラミック基体２０の温度制御性が良好になる。一方、抵抗発熱体２２をこのように構成すると、本来、センタークール温度分布を実現できない。しかし、中央部２０ａには、形状を工夫した中空シャフト４０が取り付けられている。具体的には、中空シャフト４０の第１部位４１の厚さｔｂ１が６〜１０ｍｍとなっている（通常のシャフト厚は３mm程度）。このように、第１部位４１が十分厚く形成されているため、中央部２０ａの熱は中空シャフト４０の第１部位４１へ流出しやすくなり、結果的にセンタークール温度分布が実現される。なお、プラズマＣＶＤの開始時に原料ガスがチャンバー６０内に供給されると、センタークール温度分布が概ねフラットな温度分布に変化し、ウエハ全体がほぼ同じ温度になる。
また、第２部位４２の厚さｔｂ２が厚さｔｂ１の０．３〜０．５倍、第１部位４１の長さＬ１が中空シャフト４０の全長Ｌの０．４〜０．８倍（第２部位４２の長さは全長Ｌの０．２〜０．６倍）となっている。そのため、第１部位４１から冷却板４４への熱の移動量は、厚さの薄い第２部位４２によって制限される。したがって、中空シャフト４０の下端が高温になりすぎず、Ｏリング４６のシール性を損なうことがない。また、真空ポート６４は、中空シャフト４０の中間位置４０Ｍの周囲のガスを吸い込むため、中空シャフト４０の中間位置Ｍから熱が除去されることになる。この点でも、中空シャフト４０の下端が高温になりすぎることがない。更に、第１部位４１の直径は第２部位４２の直径よりも大きいため、第１部位４１の表面積は第２部位４２の表面積より大きい。そのため、第１部位４１の表面から多くの熱が放散される。この点でも、中空シャフト４０の下端が高温になりすぎることがない。
なお、中央部２０ａにおける発熱密度が、外周部２０ｂにおける発熱密度の１．４倍未満だと、温度制御性が低下するため好ましくなく、２．０倍を超えると、外周部２０ｂに比べて中央部２０ａの温度が高くなりすぎるため好ましくない。第１部位４１の厚さｔｂ１が６ｍｍ未満だと、センタークール温度分布が実現できなくなるため好ましくなく、１０ｍｍを超えると、外周部２０ｂに比べて中央部２０ａの温度が低くなりすぎるため好ましくない。第２部位４２の厚さｔｂ２が第１部位４１の厚さｔｂ１の０．３未満では、センタークール温度分布が実現できなくなるため好ましくなく、０．５を超えると、Oリング４６が高温になりすぎるため好ましくない。第１部位４１の長さＬ１が中空シャフト４０の全長Ｌの０．４倍未満だとセンタークール温度分布も温度制御性も不十分となり、０．８倍を超えると中空シャフト４０の下端が高温になりすぎてＯリング４６のシール性を損なうおそれがあるため、好ましくない。
以上説明した本実施形態の加熱装置１０によれば、センタークール温度分布の実現と温度制御性の向上とを両立することができ、更に中空シャフト４０の下端の高温化を防止することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、真空ポート６４を中空シャフト４０の中間位置４０Ｍの周辺に設けたが、真空ポート６４を別の位置に設ける場合には、冷却ガスを中間位置Ｍに向かって噴射する噴射ポートを設けてもよい。こうすれば、噴射ポートから噴射される冷却ガスによって中間位置Ｍから熱が除去されるため、中空シャフト４０の下端が高温になりすぎることはない。あるいは、中空シャフト４０の中間位置４０Ｍの周りにヒートシンクを接触させて固定してもよい。この場合も、ヒートシンクによって中間位置Ｍから熱が除去されるため、中空シャフト４０の下端が高温になりすぎることはない。
上述した実施形態では、セラミック基体２０の中央部２０ａの発熱密度を外周部２０ｂに比べて大きくするにあたり、コイルスプリング状の抵抗発熱体２２の単位長さあたりの巻き数を変更したが、その代わりに、巻き径を変更したり線間距離（隣接するコイルスプリングの間隔）を変更したりしてもよい。
上述した実施形態では、抵抗発熱体２２をウエハ載置面Ｓの全面にわたって一筆書きの要領で形成したが、その代わりに、ウエハ載置面Ｓを複数の領域に分割し、各領域ごとに一筆書きの要領で形成してもよい。複数の領域に分割するにあたり、セラミック基体２０と同心の１以上の円が境界線となるように分割してもよい。あるいは、円盤状のセラミック基体２０を２以上の半径が境界線となるように分割してもよく、その場合、中心角が３６０°／ｎ（ｎは２以上の整数）の扇形に分割してもよい。
上述した実施形態では、抵抗発熱体２２の形状をコイルスプリング状としたが、これに限定されるものではなく、例えば、網状（メッシュ状）や膜状（シート状）であってもよい。網状の発熱体を採用した場合、発熱密度を変更するには、例えば網の目の細かさを変更したり線径を変更したり発熱体の面積を変更したりすればよく、膜状の発熱体を採用した場合、発熱密度を変更するには、例えば面積を変更すればよい。
上述した実施形態では、セラミック基体２０のウエハ載置面Ｓとは反対側の面には厚肉部２０ｃを設けたが、このような厚肉部２０ｃを設けず、セラミック基体２０の厚さを一様にしてもよい。
上述した実施形態では、セラミック基体２０に抵抗発熱体２２を埋設したが、更に静電チャック用の静電電極やプラズマ発生用の高周波電極を埋設してもよい。また、抵抗発熱体２２を埋設する代わりに、セラミック基体２０の表面に設けてもよい。
上述した実施形態では、セラミック基体２０と中空シャフト４０とは同じセラミック材料で形成したが、異なるセラミック材料で形成してもよい。
［実験例１〜１１］
各実験例について、図１に示した加熱装置１０を作製した。各実験例の加熱装置１０の寸法を図４及び表１に示す。具体的な作製手順を以下に説明する。
まず、ＡｌＮ成形体を作製した。ＡｌＮ原料粉は、純度９９％のものを使用した。このＡｌＮ成形体の中には、Ｍｏ製のコイルスプリングからなる抵抗発熱体をＡｌＮ成形体の全面にわたって行き渡るように埋設した。このとき、抵抗発熱体を、中心の近くから端を発し、全面に行き渡るように一筆書きの要領で配置したあと、再び中心の近くに戻るように埋設した。また、抵抗発熱体の一端に正極端子、他端に負極端子を取り付けた。また、ＡｌＮ成形体の中央部をＡｌＮ成形体の外径の４０％以内の円形領域、外周部を中央部の外側の環状領域とした。そして、発熱密度の比率が表１の各実験例の発熱密度の比率となるように、中央部及び外周部のコイルスプリングの単位長さあたりの巻き数を設定した。なお、発熱密度の比率とは、外周部に埋設された抵抗発熱体の単位面積当たりの発熱量に対する、中央部に埋設された抵抗発熱体の単位面積当たりの発熱量の比率をいう。
次に、このＡｌＮ成形体を焼成炉の金型に入れ、ホットプレス法で焼成し、セラミック基体とした。焼成は約２０００℃で行った。続いて、セラミック基体の裏面から各端子に向けて穴を開けて各端子を穴内に露出させた。また、セラミック基体の裏面中央には、熱電対を差し込むための凹部を形成した。
一方、中空シャフトを別途作製した。まず、セラミック基体と同様のＡｌＮ原料粉を金型に入れ、ＣＩＰ（冷間等方圧加圧）により成型し、厚肉の円筒型成形体を得た。この円筒型成形体を常圧炉にて約２０００℃で焼成し、円筒型焼成体を得た。そして、得られた円筒型焼成体の外表面を研削することにより、中空シャフトを得た。なお、中空シャフトは、図４及び表１に示す各実験例の寸法となるように作製した。
続いて、セラミック基体と中空シャフトとが同軸になるようにし、且つ、セラミック基体の裏面と中空シャフトの第１フランジとが接するようにし、その状態で約２０００℃まで昇温して両者を接合した（固相接合）。接合後、セラミック基体が図３に示す寸法となるように、セラミック基体の表面を加工した。
その後、抵抗発熱体の各端子にそれぞれ給電部材をロウ接合にて接合し、その給電部材を電源回路に接続した。また、セラミック基体の裏面中央に設けた凹部に熱電対を差し込んで固定した。最後に、中空シャフトの下端をＯリング（耐熱温度２００℃）を介して金属アルミ製の冷却板を取り付けた。なお、各給電部材及び熱電対は、気密状態を保つように冷却板を上下方向に貫通するように組み付けた。電源回路及び熱電対は、コントローラ５０に接続した。コントローラ５０は、セラミック基体の温度制御を行うものであり、具体的には、熱電対によって測定された温度を入力し、その温度が予め設定された目標温度になるように電源回路から抵抗発熱体へ供給する電力を操作するものである。
［評価］
１．温度分布
温度測定用ウエハを用意した。この温度測定用ウエハは、直径３００mmのシリコンウエハの中心点、直径１４０ｍｍの円周上の８点（各点は円周上で等間隔に設けられている）、直径２８０ｍｍの円周上の８点（各点は円周上で等間隔に設けられている）の合計１７箇所に熱電対が埋め込まれたものである。この温度測定用ウエハをウエハ載置面に載せ、目標温度を３５０℃に設定して、コントローラによるセラミック基体の温度制御を行った。温度制御を開始してから１５分後に温度測定用ウエハの各点の温度を読み取り、最外周の８点の温度の平均値から中心点の温度を引いた値をセンタークール温度分布とした。各実験例のセンタークール温度分布を表１に示す。
２．温度制御性
プラズマＣＶＤ工程において、目標温度を３５０℃に設定し、コントローラによるセラミック基体の温度制御を行った。セラミック基体の裏面中央に差し込まれた熱電対の測定温度が約３５０℃になった後、セラミック基体の温度制御を継続したまま、シリコンウエハをウエハ載置面に載置し、プラズマＣＶＤによりシリコンウエハの表面に半導体薄膜を形成した。そのときの経過時間を横軸、熱電対の測定温度を縦軸とする温度制御性を示すグラフを作成した。時間計測は、シリコンウエハを載置しプラズマＣＶＤをスタートした時点から開始した。また、１２０秒経過後の測定温度と目標温度との差を求め、これを温度制御性の指標とした。図５及び図６に、各実験例の温度制御性を示すグラフを示す。また、各実験例の温度制御性の指標を表１に示す。温度制御性を示す図５及び図６では、いずれの実験例でも、シリコンウエハを載置した直後つまり計時開始から数秒から数十秒は測定温度が低下したが、実験例３〜６，８〜１０では、１２０秒後にはコントローラの温度制御によって測定温度はほぼ３５０℃に落ち着いた。これに対して、実験例１，２，１１では、１２０秒後でも測定温度は３５０℃より４．５〜１０℃高かった。
３．シャフトエンド温度
上記２．の温度制御性の評価試験において１２０秒経過後の中空シャフトの下端の温度（シャフトエンド温度）を測定した。シャフトエンド温度は中空シャフトの最下端内周部に熱電対を装着し測定した。各実験例のシャフトエンド温度を表１に示す。
Figure 2013225663
［結果］
実験例３〜５，９，１０（本発明の実施例に相当）によれば、センタークール温度分布が４〜７℃、温度制御性の指標が３℃以下の上昇、シャフトエンド温度が２００℃以下であった。すなわち、センタークール温度分布の実現と温度制御性の向上とを両立することができ、更に中空シャフトの下端の温度をＯリングの耐熱温度未満に抑えることができた。このような効果が得られたのは、発熱密度の比率が１．４〜２．０、第１部位の厚さｔｂ１が６〜１０ｍｍ、第２部位の厚さｔｂ２が３ｍｍ（ｔｂ２／ｔｂ１が０．３〜０．５，ｔｂ１／ｔｂ２が２〜３．３）、中空シャフトの全長Ｌに対する第１部位の長さＬ１の比（Ｌ１／Ｌ）が０．４〜０．８であったことによる。
一方、実験例１，２，６〜８，１１（本発明の比較例に相当）は、センタークール温度分布の実現、温度制御性の向上及び中空シャフトの下端の高温化防止の少なくとも１つを達成することができなかった。実験例１では、発熱密度の比率を０．６としたため温度制御性が低下した。実験例２では、発熱密度の比率を１．０としたためセンタークール温度分布が実現できなかった。実験例６は、実験例３のＬ１／Ｌを１．０としたものである。この実験例６では、センタークール温度分布の実現と温度制御性の向上とを両立できているが、中空シャフトの下端の温度が２００℃を超えた。実験例７では、発熱密度の比率を２．４、ｔｂ２／ｔｂ１を０．２としたため、製造途中で破損してしまった。実験例８は、実験例９，１０のＬ１／Ｌを１．０としたものである。この実験例８では、センタークール温度分布の実現と温度制御性の向上とを両立できているが、中空シャフトの下端の温度が２００℃を超えた。実験例１１は、実験例５のＬ１／Ｌを０．２としたものである。この実験例１１では、センタークール温度分布が十分実現できず、温度制御性も向上しなかった。
１０ 加熱装置、２０ セラミック基体、２０ａ ウエハ載置面、２０ａ 中央部、２０ｂ 外周部、２０ｃ 厚肉部、２２ 抵抗発熱体、２４ 正極端子、２５ 負極端子、２６，２７ 給電部材、３０ 熱電対、４０ 中空シャフト、４０Ｌ 下端、４０Ｍ 中間位置、４０Ｕ 上端、４０ａ 第１フランジ、４０ｂ 第２フランジ、４１ 第１部位、４２ 第２部位、４４ 冷却板、４６ Ｏリング、４８ 電源回路、５０ コントローラ、６０ チャンバー、６２ 供給ポート、６４ 真空ポート、１００ 半導体製造装置、Ｌ 中空シャフトの全長、Ｌ１ 第１部位の長さ、Ｓ ウエハ載置面、ｔｂ１ 第１部位の厚さ、ｔｂ２ 第２部位の厚さ

Claims (7)

  1. ウエハ載置面を有する円盤状のセラミック基体と、
    該セラミック基体の内部又は表面に設けられた抵抗発熱体と、
    前記セラミック基体のうち前記ウエハ載置面とは反対側の面に取り付けられた中空シャフトと、
    を備えた加熱装置であって、
    前記セラミック基体には、中央部と外周部とがあり、
    前記外周部は、前記中央部の外側の環状領域であり、
    前記抵抗発熱体は、前記中央部での発熱密度が前記外周部での発熱密度より高くなるように設けられ、
    前記中空シャフトには、前記セラミック基体から所定の中間位置までの第１部位と、前記中間位置からシャフトエンドまでの第２部位とがあり、
    前記第１部位の厚さは、前記第２部位の厚さの２〜３．３倍であり、
    前記第１部位の長さは、前記シャフトの全長の０．４〜０．８倍である、
    加熱装置。
  2. 請求項１に記載の加熱装置であって、
    前記セラミック基体の温度を制御するために前記セラミック基体の中央部の温度を測定する熱電対
    を備えた加熱装置。
  3. 前記抵抗発熱体は、前記中央部での発熱密度が前記外周部での発熱密度の１．４〜２．０倍となるように設けられている、
    請求項１又は２に記載の加熱装置。
  4. 前記第１部位の直径は、前記第２部位の直径よりも大きい、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱装置。
  5. 前記第１部位の厚さは、６〜１０ｍｍである、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の加熱装置と、
    前記中空シャフトの前記中間位置から熱を除去する除熱手段と、
    を備えた半導体製造装置。
  7. 前記除熱手段は、前記中間位置の周囲のガスを吸い込む手段であるか、又は、冷却ガスを前記中間位置に向かって噴射する手段である、
    請求項６に記載の半導体製造装置。
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