JP3145664B2

JP3145664B2 - ウエハ加熱装置

Info

Publication number: JP3145664B2
Application number: JP23527597A
Authority: JP
Inventors: 憲男奥田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: JPH1174064A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、半導体装置
の製造工程におけるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光Ｃ
ＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置や、プラズマエッチング、
光エッチングなどのエッチング装置に用いられるウエハ
加熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造工程で使用され
るプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなど
の成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチングなど
のエッチング装置においては、デポジッション用ガスや
エッチング用ガス、あるいはクリーニング用ガスとして
塩素系やフッ素系の腐食性ガスが使用されていた。

【０００３】また、これらのガス雰囲気中で半導体ウエ
ハ（以下、ウエハと略称する。）を保持しつつ加工温度
に加熱するためのウエハ加熱装置として、抵抗発熱体を
内蔵したステンレスヒーターが使用されていた。

【０００４】しかしながら、ステンレスヒーターは、上
記腐食性ガスに曝されると腐食摩耗し、パーティクルが
発生するといった問題点があった。

【０００５】一方、腐食性ガスに対して比較的優れた耐
蝕性を有するグラファイトによりウエハ加熱装置を形成
し、このウエハ加熱装置をチャンバー外に設置された赤
外線ランプによって間接的に加熱することも行われてい
るが、直接加熱のものに比べて熱効率が悪いといった問
題点があった。しかも、成膜装置においては膜がチャン
バーの壁面に堆積し、この膜での熱吸収が発生すること
から、ウエハ加熱装置を加熱できなくなるといった不都
合もあった。

【０００６】そこで、このような問題点を解消するウエ
ハ加熱装置として、円盤状をした緻密質のセラミック基
体の内部に、高融点金属からなる抵抗発熱体を埋設した
セラミックヒーターが提案されている（特開平４−１０
１３８１号公報参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、半導
体装置の集積度の向上に伴ってウエハの外径が当初６イ
ンチであったものが８インチ、１２インチと大きくなっ
ており、ウエハの大型化に伴ってウエハ加熱装置も大型
のものが要求されるようになっていた。

【０００８】また、ウエハの加熱温度も年々上昇し、従
来４００℃程度であったものが、５５０℃、さらには８
５０℃以上の高温で処理されるようになり、さらには生
産効率を高めるために急速昇温が可能なウエハ加熱装置
が求められるようになっていた。

【０００９】しかしながら、８インチ以上の大きさを有
するセラミックヒーターを５５０℃以上の温度に発熱さ
せると、昇温時にセラミックヒーター内に発生する熱応
力が大きくなり、割れ易いという課題があった。

【００１０】

【発明の目的】本発明の目的は、５５０℃以上の高温に
急速に昇温しても破損することがなく、繰り返し使用可
能な信頼性の高い大型のウエハ加熱装置を提供すること
になる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本件発明者は、抵抗発熱
体を埋設したセラミックヒーターからなるウエハ加熱装
置における破損の原因について鋭意研究を重ねたとこ
ろ、セラミック基体内における抵抗発熱体の存在領域と
抵抗発熱体の埋設位置が関係していることを突き止め
た。

【００１２】即ち、本発明は、円盤状をしたセラミック
基体の上面をウエハの保持面とし、その内部に抵抗発熱
体を埋設してなるウエハ加熱装置において、上記保持面
とは反対側の下面を基準面とし、該基準面から上記セラ
ミック基体の厚みの０．０２〜０．６倍の距離に前記抵
抗発熱体を配置するとともに、この抵抗発熱体の存在領
域が略円形であって、その最外周が上記セラミック基体
の側面から３５ｍｍ以内の距離に位置するようにしたこ
とを特徴とするものである。

【００１３】なお、本発明のウエハ加熱装置は、抵抗発
熱体がどのようなヒーターパターンを有するものであっ
ても構わないが、略円盤状をしたウエハを均一に加熱す
るために、抵抗発熱体が存在する領域の形状を略円形と
することが望ましい。また、抵抗発熱体の最外周からセ
ラミック基体の側面までの距離とは、ヒーターパターン
のうち最も外側に位置する抵抗発熱体からセラミック基
体の側面までの距離のことである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１５】図１はサセプタと呼ばれる本発明のウエハ
加熱装置１を示す斜視図、図２は図１のＸ−Ｘ線断面
図、図３は抵抗発熱体４のヒーターパターンを示す模式
図である。

【００１６】このウエハ加熱装置１は、円盤状をした緻
密質のセラミック基体２からなり、上面をウエハＷの保
持面３とするとともに、その内部に抵抗発熱体４を埋設
してある。セラミック基体２の厚みＴは通常５〜２５ｍ
ｍ程度で、上記保持面３と反対側の下面を基準面５と
し、この基準面５から上記セラミック基体２の厚みＴの
０．０２〜０．６倍の距離に前記抵抗発熱体４を配置し
てある。

【００１７】この抵抗発熱体４のヒーターパターンは、
図３に示すように中央から外周へ向かう渦巻き状とし、
抵抗発熱体４の存在領域Ｐが略円形となるように構成し
てあり、略円盤状をしたウエハを均一に加熱することが
できる。

【００１８】なお、ヒーターパターンの中央に位置する
抵抗発熱体４の一方端は、基準面５の中央付近にロウ付
け固定した外部端子７と接続するとともに、ヒーターパ
ターンの周縁に位置する抵抗発熱体４の他方端は、上記
抵抗発熱体４より下層に設けた導体８を介して基準面５
の中央付近にロウ付け固定したもう一方の外部端子７と
接続してあり、両外部端子７に電圧を印加することで抵
抗発熱体４を発熱させ、保持面４に載置したウエハＷを
加熱するようになっている。

【００１９】また、９はウエハ加熱装置１をチャンバー
内に設置するとともに、上記外部端子７がチャンバー内
の腐食性ガスに曝されるのを防ぐための円筒状支持体で
ある。

【００２０】ところで、抵抗発熱体４の埋設位置を、セ
ラミック基体２の基準面５からセラミック基体２の厚み
Ｔの０．０２〜０．６倍の距離とするのは、セラミック
基体２の厚みＴの０．６倍より上では、抵抗発熱体４が
ウエハＷの保持面３に近づきすぎるため、抵抗発熱体４
が位置する保持面３上と、抵抗発熱体４のない保持面３
上との温度差が大きくなりすぎるとともに、抵抗発熱体
４の持つ抵抗バラツキに伴う温度バラツキによって、保
持面３の温度バラツキが±１％を越え、均熱化が阻害さ
れるからであり、逆に、セラミック基体２の厚みＴの
０．０２倍より下では、急速昇温時に抵抗発熱体４とセ
ラミック基体２の保持面３との間に大きな熱応力が加わ
り、図４（ａ）に示すような基準面５を起点とするセラ
ミック基体２の割れ易くなるからである。

【００２１】また、急速昇温を実現するためには、セラ
ミック基体２の側面６から抵抗発熱体４の最外周までの
距離Ｌを３５ｍｍ以内とすることが重要である。

【００２２】これは、セラミック基体２の側面６から抵
抗発熱体４の最外周までの距離Ｌが３５ｍｍより大きく
なると、セラミック基体２の側面６と抵抗発熱体４との
間に大きな熱応力が加わり、図４（ｂ）に示すような側
面６を起点とするセラミック基体２の割れが発生するか
らである。しかも、セラミック基体２の外径がウエハＷ
と同等、あるいはウエハＷより若干小さい場合、抵抗発
熱体４の存在領域ＰがウエハＷより小さくなりすぎるた
め、ウエハＷの周縁部における均熱性が低下し、この周
縁部よりチップを取り出すことができないといった不都
合があるからである。ただし、セラミック基体２の側面
６から抵抗発熱体４の最外周までの距離Ｌを０．５ｍｍ
より小さくすることは製造上難しい。

【００２３】従って、セラミック基体２の側面６から抵
抗発熱体４の最外周までの距離Ｌは０．５〜３５ｍｍと
することが良い。

【００２４】なお、本実施形態では、抵抗発熱体４のヒ
ーターパターンとして、渦巻き状をした例を示したが、
本発明のヒーターパターンはこの渦巻き状をしたものだ
けに限定されるものではなく、例えば、図５（ａ）
（ｂ）に示すようなさまざまなヒーターパターンを採用
することができ、抵抗発熱体４の存在領域Ｐの形状が略
円形をしたものであれば良い。

【００２５】一方、ウエハ加熱装置１を構成するセラミ
ック基体２の材質としては、耐摩耗性、耐熱性に優れる
アルミナ、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムを
用いることができ、この中でも特に窒化アルミニウムは
５０Ｗ／ｍｋ以上、さらには１００Ｗ／ｍｋ以上の高い
熱伝導率を有するとともに、フッ素系や塩素系等の腐食
性ガスに対する耐蝕性や耐プレズマ性にも優れることか
ら、セラミック基体２の材質として好適である。

【００２６】また、セラミック基体２に埋設する抵抗発
熱体４は、線材や薄いシート膜状の形態をしたものを用
いることができるが、昇温時間をより短くできる点で薄
いシート膜の方が好ましい。さらに、抵抗発熱体４を構
成する材質としては、タングステン、モリブデン、レニ
ュウム、白金等の高融点金属やこれらの合金、あるいは
周期律表第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族の炭化物や窒化
物を用いることができ、セラミック基体２との熱膨張差
の小さいものを適宜選択して使用すれば良い。

【００２７】このようなウエハ加熱装置１を製造する方
法としては、抵抗発熱体４が薄いシート膜状である時に
は、まず、セラミック基体２をなすセラミック粉末に、
バインダーや溶媒等を加えて泥漿を作製し、ドクターブ
レード法などのテープ成形法により複数枚のグリーンシ
ートを形成したあと、予め数枚のグリーンシートを積層
し、その上面に抵抗発熱体４をなすペーストをスクリー
ン印刷機にて抵抗発熱体４の存在領域Ｐが略円形をした
図３に示す中央から外周へ向かう渦巻き状のヒーターパ
ターンに形成する。

【００２８】そして、残りのグリーンシートを積層して
グリーンシート積層体を製作したあと、円盤状に切削す
る。なお、この積層工程において、焼成後のグリーンシ
ートの収縮を考慮して抵抗発熱体４の埋設位置が基準面
５からセラミック基体２の厚みＴの０．０２〜０．６倍
の距離に位置するとともに、セラミック基体２の側面６
から抵抗発熱体４の最外周までの距離Ｌが３５ｍｍ以下
となるように設計することが必要である。

【００２９】しかるのち、セラミック粉末を焼結させる
ことができる温度にて上記グリーンシート積層体を焼成
することにより、薄いシート膜状の抵抗発熱体４を埋設
してなるセラミック基体２を形成したあと、セラミック
基体２の上面に研摩加工を施してウエハＷの保持面３を
形成するとともに、下面に研摩加工を施して基準面５を
形成し、この基準面５の中央付近に上記抵抗発熱体４を
貫通する２つの下穴をそれぞれ穿設したあと、この下穴
に外部端子７をロウ付けすることにより、抵抗発熱体４
と外部端子７を電気的に接続すれば良い。

【００３０】また、抵抗発熱体４が線材である時には、
まず、セラミック基体２をなすセラミック粉末に、バイ
ンダーや溶媒等を加えて混練乾燥したあと造粒して顆粒
を製作し、この顆粒を円盤状をした金型内に充填して、
上パンチにより溝を形成したあと、この溝に抵抗発熱体
４をなす線材を抵抗発熱体４の存在領域Ｐが略円形をし
た図３に示す中央から外周へ向かう渦巻き状のヒーター
パターンに設置し、さらに顆粒を充填してホットプレス
成形することにより、線材の抵抗発熱体４を埋設したセ
ラミック基体２を形成する。

【００３１】しかるのち、セラミック基体２の上面に研
摩加工を施してウエハＷの保持面３を形成するととも
に、下面に研摩加工を施して基準面５を形成し、この基
準面５の中央付近に上記抵抗発熱体４を貫通する２つの
下穴をそれぞれ穿設したあと、この下穴に外部端子７を
ロウ付けすることにより、抵抗発熱体４と外部端子７を
電気的に接続すれば良い。

【００３２】なお、図１ではセラミック基体２の内部に
抵抗発熱体４のみを備えたウエハ加熱装置１について示
したが、本発明は、図６に示すようなウエハＷの保持面
３と抵抗発熱体４との間に静電吸着用やプラズマ発生用
としての膜状電極１０を埋設したものであっても良いこ
とは言うまでもない。

【００３３】（実施例１）ここで、抵抗発熱体４の埋設
位置を異ならせた図１のウエハ加熱装置１を用意し、保
持面３の温度バラツキと熱サイクルを加えた時のセラミ
ック基体２の割れ発生率について実験を行った。

【００３４】本実験では、外径３００ｍｍ、厚みＴ１７
ｍｍの円盤状をしたセラミック基体２を、純度９９．９
％の窒化アルミニウム質焼結体により形成し、その内部
にシート膜状のタングステンからなる抵抗発熱体４を埋
設したものを使用した。また、抵抗発熱体４のヒーター
パターンは存在領域Ｐが略円形をした図３に示す渦巻き
状とし、セラミック基体２の側面６から抵抗発熱体４の
最外周までの距離Ｌを１０ｍｍとした。

【００３５】そして、抵抗発熱体４の埋設位置を異なら
せたウエハ加熱装置１に電圧を印加して飽和温度が８５
０℃となるように発熱させ、保持面３上の温度分布を商
品名：サーモビュアーで測定し、最大温度と最小温度の
差が平均温度に対して何％であるかを測定した。

【００３６】次に、抵抗発熱体４の埋設位置を異ならせ
たウエハ加熱装置１を各３０個づつ用意し、５０℃／分
の速度で８５０℃まで昇温したあと、この飽和温度で２
時間保持し、そのあと１５０℃まで冷却する熱サイクル
試験を５００サイクル行ったあとの割れ発生率を測定し
た。

【００３７】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００３８】

【表１】

【００３９】この結果、抵抗発熱体４の埋設位置がセラ
ミック基体２の基準面５からセラミック基体２の厚みＴ
の０．６倍より小さい位置では、保持面３における温度
バラツキを１．０％以下に抑えることができる。

【００４０】ただし、抵抗発熱体４の埋設位置がセラミ
ック基体２の基準面５からセラミック基体２の厚みＴの
０．０２倍より小さくなりすぎると、セラミック基体２
の割れが発生した。

【００４１】この結果、抵抗発熱体４の埋設位置は、セ
ラミック基体２の基準面５からセラミック基体２の厚み
Ｔの０．０２〜０．６倍の距離に配置すれば良いことが
判る。

【００４２】（実施例２）次に、抵抗発熱体４の埋設位
置を、セラミック基体２の基準面５からセラミック基体
２の厚みＴの０．１倍の距離に設定し、セラミック基体
２の側面６から抵抗発熱体４の最外周までの距離Ｌをそ
れぞれ変化させたウエハ加熱装置１を各３０個づつ用意
し、実施例１と同様に５０℃／分の速度で８５０℃まで
昇温したあと、この飽和温度で２時間保持し、そのあと
１５０℃まで冷却する熱サイクル試験を５００サイクル
行ったあとの割れ発生率を測定した。

【００４３】それぞれの結果は表２に示す通りである。

【００４４】

【表２】

【００４５】この結果、セラミック基体２の側面６から
抵抗発熱体４の最外周までの距離Ｌを３５ｍｍ以内とす
ればセラミック基体２に割れを生じることがなかった。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、円盤状
をしたセラミック基体の上面をウエハの保持面とし、そ
の内部に抵抗発熱体を埋設してなるウエハ加熱装置にお
いて、上記保持面とは反対側の下面を基準面とし、該基
準面から上記セラミック基体の厚みの０．０２〜０．６
倍の距離に前記抵抗発熱体を配置するとともに、上記抵
抗発熱体の存在領域が略円形であって、その最外周が上
記セラミック基体の側面から３５ｍｍ以内の距離に位置
するようにしたことから、急速昇温を繰り返したとして
も熱応力により破損することがなく、また、ウエハＷの
保持面における均熱性を高めることができる。

【００４７】その為、本発明のウエハ加熱装置を用いれ
ば、成膜速度やエッチング速度を高め、半導体装置の生
産効率を向上させることができるとともに、常に品質の
高い半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】サセプタと呼ばれる本発明のウエハ加熱装置を
示す斜視図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ線断面図である。

【図３】抵抗発熱体のヒーターパターンを示す模式図で
ある。

【図４】（ａ）（ｂ）はセラミック基体の割れ発生状況
を示す模式図である。

【図５】（ａ）（ｂ）は抵抗発熱体の他のヒーターパタ
ーンを示す模式図である。

【図６】本発明の他のウエハ加熱装置を示す縦断面図で
ある。

【符号の説明】

１・・・ウエハ加熱装置、２・・・セラミック基体、
３・・・保持面、４・・・抵抗発熱体、５・・・基準
面、６・・・側面、７・・・外部端子、８・・・導
体、９・・・円筒状支持体、１０・・・膜状電極、Ｗ・
・・半導体ウエハ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円盤状をしたセラミック基体の上面をウエ
ハの保持面とし、その内部に抵抗発熱体を埋設してなる
ウエハ加熱装置において、上記保持面とは反対側の下面
を基準面とし、該基準面から上記セラミック基体の厚み
の０．０２〜０．６倍の距離に前記抵抗発熱体を配置す
るとともに、この抵抗発熱体の存在領域が略円形であっ
て、その最外周が上記セラミック基体の側面から３５ｍ
ｍ以内にあることを特徴とするウエハ加熱装置。