JP2017188262A - セラミックスヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】様々なプロセスに使用可能なセラミックスヒータを提供する。【解決手段】基材１０には、下側発熱抵抗体３０と、下側発熱抵抗体３０より上側の上側発熱抵抗体２０とが埋設されている。上側発熱抵抗体２０は、上側用端子５０と接続された第１上側発熱抵抗要素２１ａ，２１ｂと、第１上側発熱抵抗要素２１ａ，２１ｂと接続され、第１上側発熱抵抗要素２１ａ，２１ｂを重畳的に囲む相互に離間している１又は複数の上側環状区域のそれぞれに配置されている第２上側発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｄと、隣り合う上側環状区域に配置されている第２上側発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｄ同士を接続する第３上側発熱抵抗要素２３ａ〜２３ｃとにより構成される。下側発熱抵抗体３０の上方に第２上側発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｄの少なくとも一部が存在する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被加熱物を加熱するセラミックスヒータに関する。

成膜又はエッチング等の処理の対象となる半導体ウエハ等の被加熱物が載置されるセラミックス基板が複数のゾーンに区分され、当該複数のゾーンのそれぞれに別個の発熱抵抗体が埋設され、それぞれの発熱抵抗体に流す電流を独立して制御するマルチゾーンヒータが提案されている（特許文献１参照）。マルチゾーンヒータによれば、各発熱抵抗体による発熱量が独立に制御されるため、ゾーン毎に異なる態様での温度制御が可能である。

特許３３１９５９３号公報

セラミックスヒータからの熱逃げは、セラミックスヒータが配置されるチャンバ内雰囲気への輻射と、シャフトへの熱伝導とに大別される。チャンバ内の雰囲気温度は同一プロセスではほぼ一定であるが、プロセスが異なると相違する。

従来のマルチゾーンヒータでは、シャフトへの熱伝導を考慮して、シャフトの上方に位置する発熱抵抗体に流す電流を制御することがあったが、このような制御を行うと、チャンバ内雰囲気への輻射にも影響が生じる。そのため、プロセス毎に専用のマルチゾーンヒータを必要としていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、様々なプロセスに使用可能なセラミックスヒータを提供することを目的とする。

本発明は、セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、前記セラミックス基材に埋設された下側発熱抵抗体と、前記下側発熱抵抗体より上側にて前記セラミックス基材に埋設された上側発熱抵抗体と、セラミックスからなり、前記セラミックス基材の下面の中心部に接続された中空のシャフトと、前記下側発熱抵抗体に電流を流すための下側用端子と、前記上側発熱抵抗体に電流を流すための上側用端子とを備えたセラミックスヒータであって、前記上側発熱抵抗体は、前記上側用端子と接続された第１上側発熱抵抗要素と、前記第１上側発熱抵抗要素と接続され、前記第１上側発熱抵抗要素を重畳的に囲む相互に離間している１又は複数の上側環状区域のそれぞれに配置されている第２上側発熱抵抗要素と、隣り合う前記上側環状区域に配置されている前記第２上側発熱抵抗要素同士を接続する第３上側発熱抵抗要素とにより構成され、前記下側発熱抵抗体の上方に前記第２上側発熱抵抗要素の少なくとも一部が存在することを特徴とする。

本発明によれば、下側発熱抵抗体に下側用端子から流す電流を制御することによって、セラミックス基板からシャフトへの熱伝導による抜熱を制御することができる。この制御は、上側発熱抵抗体に上側用端子から流す電流の制御することは独立して行うことが可能である。そして、下側発熱抵抗体の上方に上側発熱抵抗体の第２上側発熱抵抗要素の少なくとも一部が存在するので、この部分の発熱によって、セラミックスヒータが配置されるチャンバ内雰囲気への輻射による熱逃げに対応することが可能となる。

よって、チャンバ内の雰囲気温度が相違するプロセスにおいて、同一のセラミックスヒータを使用することが可能となる。

本発明において、前記下側発熱抵抗体の少なくとも一部は、前記セラミックス基材と前記シャフトの接続面の上方に存在することが好ましい。

この場合、第２下側発熱抵抗体に流れる電流を制御することによって、セラミックス基板から接続面を介してシャフトへの熱伝導による抜熱をより確実に制御することが可能となる。

また、本発明において、前記下側発熱抵抗体の上方に前記第３上側発熱抵抗要素の少なくとも一部が存在することが好ましい。

この場合、下側発熱抵抗体の上方に上側発熱抵抗体の第３上側発熱抵抗要素の少なくとも一部も存在するので、さらにセラミックスヒータが配置されるチャンバ内雰囲気への輻射による熱逃げに対応することが可能となる。

本発明において、例えば、前記下側発熱抵抗体は、前記セラミックス基材の上面から前記セラミックス基体の厚さの６０％〜９８％の位置に存在し、前記上側発熱抵抗体は、前記セラミックス基材の上面から前記セラミックス基体の厚さの４０％〜９０％の位置に存在することが好ましい。

本発明の実施形態に係るセラミックスヒータの模式上面図。 図１のＡ−Ａ断面の模式断面図。 図２のＢ−Ｂ断面の模式断面図。 図２のＣ−Ｃ断面の模式断面図。

まず、本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ１００について図１及び図２を参照して、説明する。

セラミックスヒータ１００は、図示しないウエハ（基板）を吸着保持するための略円板状の絶縁体からなる基材１０と、相互に短絡しないように基材１０に埋設されている上側発熱抵抗体２０（図１の一点鎖線参照）及び下側発熱抵抗体３０（図１の二点鎖線参照）と、基材１０の下面の中心部に接続された中空のシャフト４０（図１の点線参照）とを備えている。

シャフト４０は、大略円筒形状であり、基材１０との接合部分の外径が他の円筒部４１より拡径した拡径部４２を有し、拡径部４２の上面が基材１０との接合面となっている。

シャフト４０の材質は、基材１０の材質と同等でよいが、断熱性を高めるために、基材１０の素材より熱伝導率の低い素材から形成されていてもよい。

基材１０の下面とシャフト４０の上端面とが、拡散接合又はセラミックス若しくはガラス等の接合材による固相接合によって接合されている。なお、基材１０とシャフト４０とは、ねじ止めやろう付けなどによって接続されてもよい。

なお、基材１０には、発熱抵抗体２０，３０のほか、ウエハをジョンセン−ラーベック力により載置面１１に引き付けるための静電チャック電極及び基材１０の上方にプラズマを発生させるためのプラズマ電極のうち少なくとも一方が埋設されていてもよい。

さらに、セラミックスヒータ１００は、上側発熱抵抗体２０に対して電力を供給するための一対の上側用端子５０と、下側発熱抵抗体３０に対して電力を供給するための一対の下側用端子６０とをも備えている。

各端子５０，６０には、それぞれ基材１０に埋設されている図示しない電流供給部材に接続されている。そして、シャフト４０の中空部を通って配線されている図示しない給電線が接続され。この給電線は図示しない電源に接続されている。

各端子５０，６０と電流供給部材とはろう付け又は溶接されている。端子５０，６０は、箔、板、塊状のニッケル（Ｎｉ）、コバール（登録商標）（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）を主成分とする耐熱合金などの耐熱金属から構成される。電流供給部材はモリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）などからなる。

基材１０は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなるセラミックス焼結体である。基材１０は、上記の材料を所定形状の型に入れて成形し、緻密化させるため、例えばホットプレス焼成等によって円板状に作製すればよい。

発熱抵抗体２０，３０は、本実施形態では、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）等の耐熱金属などの箔からなり、面状の形態をしている。ただし、発熱抵抗体２０，３０は、耐熱金属などからなる膜、板、線、メッシュ、繊維、コイル、リボン状など構成であってもよく、螺旋、折返し状などの形態であってもよい。

基材１０の間に発熱抵抗体２０，３０を挟み込んだ状態で、基材１０は焼成される。

発熱抵抗体２０，３０のパターンの一例を、図１、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。

上側発熱抵抗体２０は、図１及び図３Ａを参照して、一対の上側用端子５０とそれぞれ接続された第１上側発熱抵抗要素２１ａ，２１ｂと、第１上側発熱抵抗要素２１ａ，２１ｂと接続され、第１上側発熱抵抗要素２１ａ，２１ｂを重畳的に囲む相互に離間している１又は複数の上側環状区域のそれぞれに配置されている第２上側発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｄと、隣り合う上側環状区域に配置されている第２上側発熱抵抗要素同士２２ａ〜２２ｄを接続する第３上側発熱抵抗要素２３ａ〜２３ｃとにより構成されている。

なお、本実施形態では、第２上側発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｄは、第１上側発熱抵抗要素２１ａ，２１ｂを重畳的に囲む相互に離間している４つの上側環状区域のそれぞれに半円状に２つずつ配置されている。ただし、第２上側発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｄは、他の形状、例えば、折り曲がり線状に配置されていてもよい。

また、上側発熱抵抗体２０を、複数のゾーンに分割して、それぞれのゾーン毎に流す電流を制御することが可能としてもよい。さらに、上側発熱抵抗体２０を、上下方向の位置を変えた複数段に配置してもよい。このように、上側発熱抵抗体２０は、公知のセラミックスヒータの基材に埋設された発熱抵抗体と同じように配置すればよく、その構成、形態などは限定されない。

下側発熱抵抗体３０は、図１及び図３Ｂを参照して、一対の下側用端子６０とそれぞれ接続された第１下側発熱抵抗要素３１ａ，３１ｂと、第１下側発熱抵抗要素３１ａ，３１ｂと接続され、第１下側発熱抵抗要素３１ａ，３１ｂを重畳的に囲む相互に離間している１又は複数の下側環状区域のそれぞれに配置されている第２下側発熱抵抗要素３２ａ〜３２ｃと、隣り合う下側環状区域に配置されている第２下側発熱抵抗要素同士３２ａ〜３２ｃを接続する第３下側発熱抵抗要素３３ａ，３３ｂとにより構成されている。

なお、本実施形態では、第２下側発熱抵抗要素３２ａ〜３２ｃは、第１下側発熱抵抗要素３１ａ，３１ｂを重畳的に囲む相互に離間している３つの下側環状区域のそれぞれに半円状に２つずつ配置されている。ただし、第２下側発熱抵抗要素３２ａ〜３２ｄは、他の形状、例えば、折り曲がり線状に配置されていてもよい。

下側発熱抵抗体３０は、上述した構成、形態に限定されない。下側発熱抵抗体３０は、半円状のものが２つ結合された形態、蛇行した形態などであってもよい。

そして、下側発熱抵抗体３０、本実施形態では第２下側発熱抵抗要素３２ｃの上方に第２上側発熱抵抗要素の少なくとも一部、本実施形態では第２上側発熱抵抗要素２２ａが存在している。

このようなセラミックスヒータ１００によれば、下側発熱抵抗体３０に下側用端子６０から流す電流を制御することによって、基材１０からシャフト４０への熱伝導による抜熱を制御することができる。この制御は、上側発熱抵抗体２０に上側用端子５０から流す電流の制御することは独立して行うことが可能である。そして、下側発熱抵抗体３０の第２下側発熱抵抗要素３２ｂ，３２ｃの上方に上側発熱抵抗体２０の第２上側発熱抵抗要素２２ａ，２２ｂの一部が存在するので、この部分の発熱によって、セラミックスヒータ１００が配置される図示しないチャンバ内雰囲気への輻射による熱逃げに対応することが可能となる。

よって、チャンバ内の雰囲気温度が相違するプロセスにおいて、同一のセラミックスヒータ１００を使用することが可能となる。

さらに、下側発熱抵抗体３０の第２下側発熱抵抗要素３２ｃの一部は、基材１０とシャフト４０の接続面の上方に存在する。これにより、下側発熱抵抗体３０に流れる電流を制御することによって、基材１０から接続面を介してシャフト４０への熱伝導による抜熱をより確実に制御することが可能となる。

また、下側発熱抵抗体３０の第２下側発熱抵抗要素３２ｂ，３２ｃの上方に上側発熱抵抗体２０の第２上側発熱抵抗要素２２ａ，２２ｂの一部が存在している。これにより、さらにセラミックスヒータ１００が配置されるチャンバ内雰囲気への輻射による熱逃げに対応することが可能となる。

そして、上側発熱抵抗体２０は、基材１０の上面から基材１０の厚さｔの４０％〜９０％の位置に存在し、下側発熱抵抗体３０は、基材１０の上面から基材１０の厚さｔの６０％〜９８％の位置に存在することが好ましい。なお、発熱抵抗体２０，３０の高さ位置は、それぞれの厚さ方向の中心の高さ位置を意味する。

上側発熱抵抗体２０が基材１０の上面から基材１０の厚さｔの４０％未満の位置に存在すると、均熱性能が悪化し、９０％を超える位置に存在すると、下側発熱抵抗体３０による温度制御が非常に困難になる。

下側発熱抵抗体３０が基材１０の上面から基材１０の厚さｔの６０％未満の位置に存在すると、均熱性が悪化し、９８％を超える位置に存在すると、シャフト４０との接合部分の接合強度が低下する。

（実施例１）
基材１０として、常温の熱伝導率が１６０ｋＷ／（ｍ・ｋ）の高熱伝導窒化アルミニウムからなり、直径３４０ｍｍ、厚さ１５ｍｍの円板状のものを用意した。

この基材１０には、上面から厚さの５０％である７．５ｍｍの位置に、線径０．１ｍｍの純モリブデン線から５０メッシュのメッシュをレーザ加工して図３Ａに示した形状とした上側発熱抵抗体２０を埋設した。また、この基材１０には、上面から厚さの７０％である１０．５ｍｍの位置に、線径０．１ｍｍの純モリブデン線から５０メッシュのメッシュをレーザ加工して図３Ｂに示した形状とした下側発熱抵抗体３０を埋設した。

そして、この基材１０の下面に、常温の熱伝導率が８０ｋＷ／（ｍ・ｋ）の窒化アルミニウムからなり、内径５０ｍｍ、外径５６ｍｍ、長さ２００ｍｍの円筒形状のシャフト４０の上端面を拡散接合法によって接合した。なお、シャフト４０の拡径部４２は、外径７０ｍｍであった。このようにしてセラミックスヒータ１００を得た。

上側発熱抵抗体２０と下側発熱抵抗体３０とは、それぞれ独立した２個の電力調節器（電力フィードバック式のサイリスタ）で、基材１０の上面中心部に挿入された熱電対が２００℃となるよう制御した。なお、上側発熱抵抗体２０と下側発熱抵抗体３０との電力比は、予めサイリスタの勾配器で一定の比率になるように設定した。

そして、プロセスＡでは、セラミックスヒータ１００を、雰囲気圧力が１０Ｔｏｒｒ（＝約１３３３Ｐａ）のチャンバ内に収容した。

そして、前記熱電対の測定温度が、室温から２００℃まで５℃／分で昇温するように、電力比５０：５０で発熱抵抗体２０，３０に電力を供給した。そして、前記熱電対の測定温度が２００℃となった状態で、発熱抵抗体２０，３０に供給する電力を１５分間保持した。このとき、上側発熱抵抗体２０と下側発熱抵抗体３０とに供給した電力はそれぞれ１７５Ｗであった。

そして、１５分間経過した時点で、基材１０の上面の温度を１７か所、熱電対で測定した。これらの測定温度のうち最高温度と最低温度との差は１．８℃であり、基材１０の上面が良好に均熱化されていることがわかった。

また、プロセスＢでは、セラミックスヒータ１００を、雰囲気圧力が０．１Ｔｏｒｒ（＝約１３．３３Ｐａ）のチャンバ内に収容した。

そして、前記熱電対の測定温度が、室温から５００℃まで５℃／分で昇温するように、上側発熱抵抗体２０と下側発熱抵抗体３０との電力比を７０：３０として、発熱抵抗体２０，３０に電力を供給した。そして、前記熱電対の測定温度が５００℃となった状態で、発熱抵抗体２０，３０に供給する電力を１５分間保持した。このとき、上側発熱抵抗体２０に供給した電力は８７５Ｗであり、下側発熱抵抗体３０に供給した電力は３７５Ｗであった。

そして、プロセスＡと同様にして、基材１０の上面の温度を測定した。測定温度のうち最高温度と最低温度との差は３．５℃であり、基材１０の上面が良好に均熱化されていることがわかった。

（実施例２）
基材１０に、上面から厚さの４０％である６．０ｍｍの位置に上側発熱抵抗体２０を、上面から厚さの５０％である７．５ｍｍの位置に下側発熱抵抗体３０をそれぞれ埋設したことを除いては、実施例１と同じとした。

最高温度と最低温度との差は、プロセスＡでは２．５℃であり、プロセスＢでは３．８℃であり、基材１０の上面が良好に均熱化されていることがわかった。

（実施例３）
基材１０に、上面から厚さの９０％である１３．５ｍｍの位置に上側発熱抵抗体２０を、上面から厚さの９５％である１４．２５ｍｍの位置に下側発熱抵抗体３０をそれぞれ埋設したことを除いては、実施例１と同じとした。

最高温度と最低温度との差は、プロセスＡでは３．１℃であり、プロセスＢでは４．１℃であり、実施例１，２と比較すると劣るが、基材１０の上面が良好に均熱化されていることがわかった。

（比較例１）
基材１０に、上面から厚さの３０％である４．５ｍｍの位置に上側発熱抵抗体２０を、上面から厚さの７０％である１０．５ｍｍの位置に下側発熱抵抗体３０をそれぞれ埋設したことを除いては、実施例１と同じとした。

最高温度と最低温度との差は、プロセスＡでは４．５℃であり、プロセスＢでは６．６℃であり、実施例１から３と比較して、基材１０の上面の均熱化が劣ることがわかった。

（比較例２）
基材１０に、上面から厚さの３０％である４．５ｍｍの位置に上側発熱抵抗体２０を、上面から厚さの５０％である７．５ｍｍの位置に下側発熱抵抗体３０をそれぞれ埋設したことを除いては、実施例１と同じとした。

最高温度と最低温度との差は、プロセスＡでは５．１℃であり、プロセスＢでは６．８℃であり、実施例１から３と比較して、基材１０の上面の均熱化が劣ることがわかった。

（比較例３）
基材１０に、上面から厚さの９５％である１４．２５ｍｍの位置に上側発熱抵抗体２０を、上面から厚さの９８％である１４．７ｍｍの位置に下側発熱抵抗体３０をそれぞれ埋設したことを除いては、実施例１と同じとした。

最高温度と最低温度との差は、プロセスＡでは４．５℃であり、プロセスＢでは７．１℃であり、実施例１から３と比較して、基材１０の上面の均熱化が劣ることがわかった。

（比較例４）
基材１０に、上面から厚さの５０％である７．５ｍｍの位置に上側発熱抵抗体２０を、上面から厚さの９９％である１４．８５ｍｍの位置に下側発熱抵抗体３０をそれぞれ埋設したことを除いては、実施例１と同じとした。

得られたセラミックスヒータ１００は、基材１０とシャフト４０との接合部にリークが生じていた。

実施例１から３及び比較例１から４の結果を表１にまとまた。

１０…基材（セラミックス基材）、 ２０…上側発熱抵抗体、 ２１ａ，２１ｂ…第１上側発熱抵抗要素、 ２２ａ〜２２ｄ…第２上側発熱抵抗要素、 ２３ａ〜２３ｃ…第３上側発熱抵抗要素、 ３０…下側発熱抵抗体、 ３１ａ，３１ｂ…第１下側発熱抵抗要素、 ３２ａ〜３２ｃ…第２下側発熱抵抗要素、 ３３ａ，３３ｂ…第３下側発熱抵抗要素、 ４０…シャフト、 ４１…円筒部、 ４２…拡径部、 ５０…上側用端子、 ６０…下側用端子、 １００…セラミックスヒータ。

Claims (4)

1. セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、
   前記セラミックス基材に埋設された下側発熱抵抗体と、
   前記下側発熱抵抗体より上側にて前記セラミックス基材に埋設された上側発熱抵抗体と、
   セラミックスからなり、前記セラミックス基材の下面の中心部に接続された中空のシャフトと、
   前記下側発熱抵抗体に電流を流すための下側用端子と、
   前記上側発熱抵抗体に電流を流すための上側用端子とを備えたセラミックスヒータであって、
   前記上側発熱抵抗体は、前記上側用端子と接続された第１上側発熱抵抗要素と、前記第１上側発熱抵抗要素と接続され、前記第１上側発熱抵抗要素を重畳的に囲む相互に離間している１又は複数の上側環状区域のそれぞれに配置されている第２上側発熱抵抗要素と、隣り合う前記上側環状区域に配置されている前記第２上側発熱抵抗要素同士を接続する第３上側発熱抵抗要素とにより構成され、
   前記下側発熱抵抗体の上方に前記第２上側発熱抵抗要素の少なくとも一部が存在することを特徴とするセラミックスヒータ。
2. 前記下側発熱抵抗体の少なくとも一部は、前記セラミックス基材と前記シャフトの接続面の上方に存在することを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
3. 前記下側発熱抵抗体の上方に前記第３上側発熱抵抗要素の少なくとも一部が存在することを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックスヒータ。
4. 前記下側発熱抵抗体は、前記セラミックス基材の上面から前記セラミックス基体の厚さの６０％〜９８％の位置に存在し、
   前記上側発熱抵抗体は、前記セラミックス基材の上面から前記セラミックス基体の厚さの４０％〜９０％の位置に存在することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。