JP3224628B2 - 半導体加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱ＣＶＤ装置、減圧Ｃ
ＶＤ装置、プラズマＣＶＤ装置、プラズマエッチング装
置、光エッチング装置等において好適に使用できる半導
体加熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スーパークリーン状態を必要とする半導
体製造用装置では、デポジション用ガス、エッチング用
ガス、クリーニング用ガスとして塩素系ガス、弗素系ガ
ス等の腐食性ガスが使用されている。このため、ウエハ
ーをこれらの腐食性ガスに接触させた状態で加熱するた
めの加熱装置として、抵抗発熱体の表面をステンレスス
チール、インコネル等の金属により被覆した従来のヒー
ターを使用すると、腐食性ガスの曝露によって、塩化
物、酸化物、弗化物等の粒径数μm の、好ましくないパ
ーティクルが発生する。

【０００３】そこでデポジション用ガス等に曝露される
容器の外側に赤外線ランプを設置し、容器の外壁に赤外
線透過窓を設け、グラファイト等の耐食性良好な材質か
らなる被加熱体に赤外線を放射し、被加熱体の上面に置
かれたウエハーを加熱する、間接加熱方式のウエハー加
熱装置が開発されている。ところがこの方式のものは、
直接加熱式のものに比較して熱損失が大きいこと、温度
上昇に時間がかかること、赤外線透過窓へのＣＶＤ膜の
付着により赤外線の透過が次第に妨げられ、赤外線透過
窓で熱吸収が生じて窓が過熱すること等の問題があっ
た。

【０００４】上記の問題を解決するため、本発明者等
は、新たに円盤状の緻密質セラミックス内に抵抗発熱体
を埋設したセラミックスヒーターについて検討した。そ
の結果このヒーターは、上述のような問題点を一掃した
極めて優れた装置であることが判明した。こうしたセラ
ミックスヒーターは、半導体製造装置において良好に使
用できるものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の円盤状
セラミックスヒーターについて研究を進めたところ、次
の問題が生ずることが解った。焼成後の熱収縮時や、ヒ
ーターの温度を繰り返して上昇、下降させる際に、抵抗
発熱体とセラミックス基体との熱膨脹率の相違から、抵
抗発熱体の周囲のセラミックスにクラックが生ずること
がある。また、特に材料の選択によっては、長期間使用
すると、セラミックス中に発生したクラックが進展して
破損、断線しうることも判明した。

【０００６】一方、最近、半導体ウエハーの寸法が、６
インチから８インチ、12インチへと拡大している。こう
した半導体ウエハーの大面積化に対応するには、円盤状
セラミックスヒーターの直径を大きくするしかない。し
かし、円盤状セラミックスヒーターが大面積化すると、
この面積に比例して、抵抗発熱体を長くする必要があ
る。ところが、セラミックス基体中に埋設される抵抗発
熱体が長くなると、抵抗発熱体の密着不良、劣化、断
線、クラックなどが非常に生じ易くなった。これは、単
に抵抗発熱体が長くなったことに起因するというだけで
なく、大面積のセラミックス成形体を均質に焼結させる
ことが難しいからである。このように抵抗発熱体の密着
不良、劣化、断線、クラックが生じ易くなった結果、製
造時の不良品が大幅に増加すると共に、ヒーターの寿命
が短かくなった。

【０００７】本発明の課題は、一度に大面積の半導体を
処理できるようにすると共に、緻密質セラミックス中に
埋設された抵抗発熱体の密着不良、劣化、断線、クラッ
ク発生を少なくすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、緻密質セラミ
ックスからなる板状部材であって、半導体加熱面が設け
られ、かつこの半導体加熱面以外の面に複数個の凹部が
設けられている板状部材；及び緻密質セラミックスから
なる基体とこの基体の内部に埋設された抵抗発熱体とを
有するセラミックスヒーターを複数個備えた半導体加熱
装置であって、前記の各セラミックスヒーターの各基体
の少なくとも一部がそれぞれ前記の凹部に一個毎収容さ
れている、半導体加熱装置に係るものである。

【０００９】

【実施例】図１は、板状部材１を示す平面図である。図
２(a) に示すように、板状部材１の全体は略円盤形状で
ある。板状部材１の背面１ｄには、直径の比較的小さい
円形凹部１ａが、縦方向、横方向に一定間隔で規則的に
配列されている。各円形凹部１ａは、半導体加熱面１ｃ
の反対側に開口している。

【００１０】セラミックスヒーター２の構成を、図２
(b) に模式的に示す。支持部３は円筒形状であり、内側
空間３ａが設けられている。円柱状基体４の内部に抵抗
発熱体６が埋設されている。抵抗発熱体６の両端はそれ
ぞれ端子７に接続され、端子７の端面が、支持部３の表
面に露出している。丸棒状の端子９の先端がそれぞれ端
子７に接合され、各端子９が電源８に接続されている。

【００１１】各セラミックスヒーター２の円柱状基体４
の先端部が、それぞれ円形凹部１ａ中に挿入、収容され
ている。この際、特に、各セラミックスヒーター２の発
熱部にはネジを設け、板状部材１の円形凹部１ａにネジ
止めすると好ましい。他の方法として、ろう付けによる
ことも可能である。また、別の方法として、上記発熱部
と円形凹部１ａとを、ガラス接合、ろう接合等により、
密着、固定させることもできる。

【００１２】具体的にこの加熱装置を使用する際には、
各セラミックスヒーター２の電源電圧を制御できるよう
にしておき、半導体加熱面１ｃ側に熱画像装置を配置す
る。熱画像装置で加熱面１ｃの温度勾配を観測し、周囲
よりも温度が高い領域においてはセラミックスヒーター
２の電源電圧を下げ、周囲よりも温度が低い領域におい
てはこの電源電圧を上げる。

【００１３】また、この他の制御方法として、サイリス
タによる制御も可能である。この場合は、各セラミック
スヒーターの内側空間３ａに、測温用の熱電対を収容す
る。測温には、熱電対以外に、放射温度計の使用が可能
である。

【００１４】また、次の測温方法がある。 ・支持部３の外径を差動トランスやレーザーで測定し、
その熱膨張を測定し、この膨張量から温度を算出する。 ・埋設された抵抗発熱体６の抵抗値の温度依存性から、
温度を逆算する。 ・各セラミックスヒーター２が真空中で使用されてお
り、かつ、各セラミックスヒーター２から逃げる熱量が
既知である場合には、各セラミックスヒーターに投入さ
れる電力より、各セラミックスヒーターの熱容量を計算
する。この熱容量の温度依存性から温度を逆算する。

【００１５】板状部材１の側周面１ｂに円形凹部１ａを
設け、これにセラミックスヒーター２の円柱状基体４の
先端部を収容してもよい。

【００１６】本実施例によれば、板状部材１に半導体加
熱面１ｃを設けている。そして、板状部材１には抵抗発
熱体が埋設されておらず、通常の焼結法で作成できるの
で、半導体加熱面１ｃを大面積化させることは容易であ
る。仮に板状部材１の内部に抵抗発熱体を埋設する場合
には、大面積のものを焼結させることは困難である。

【００１７】これと同時に、各セラミックスヒーターの
各基体４の先端部分を凹部１ａに収容しており、各円柱
状基体４としては小型の焼結体を使用できる。このよう
な小形の焼結体においては、抵抗発熱体６の長さを大き
くする必要がなく、かつホットプレス焼結やホットアイ
ソスタティックプレス焼結も容易である。従って、抵抗
発熱体の劣化、断線、抵抗発熱体の基材との密着不良、
抵抗発熱体の周囲のクラック発生が少ない。この結果、
製品の不良率が少ないし、長期間使用しても故障が起こ
りにくい。

【００１８】しかも、複数個のセラミックヒーター２の
うちのいずれかに上記の故障が発生すれば、その故障し
たセラミックスヒーター２のみを新品と交換すれば、再
び使用できる。仮に板状部材１と同寸法のセラミックス
ヒーターを使用するとすれば、もしその内部で一箇所だ
け抵抗発熱体の断線が生じた場合にも、補修は不可能で
あり、全て新品と交換する他はない。

【００１９】しかも、半導体加熱面１ｃにおける温度分
布を熱画像装置等によって観測しながら、各位置のセラ
ミックスヒーター２の電源の電圧を調節することによっ
て、半導体加熱面１ｃの温度分布を変化させ、均熱化さ
せることができる。しかも、半導体装置の仕様や成膜用
ガスの種類や圧力などによって、半導体加熱面１ｃの温
度分布は変わるのだが、このような場合にも、上記の方
法によって、半導体加熱面１ｃの温度分布を即座に調整
することができる。

【００２０】また、各セラミックスヒーターについて、
それぞれ上下動可能な機構を設け、半導体加熱面１ｃの
温度分布に応じて、各セラミックスヒーターを上下動さ
せ、円形凹部１ａへの挿入長さを変化させることもでき
る。この方法でも、温度分布を調整することができる。

【００２１】円柱状基体４及び板状部材１の材質は、デ
ポジション用ガスの吸着を防止するために緻密体である
必要があり、吸水率が0.01％以下の材質が好ましい。ま
た機械的応力は加わらないものの、常温から1100℃まで
の加熱と冷却に耐えることのできる耐熱衝撃性が求めら
れる。これらの点から高温における強度の高いセラミッ
クスである窒化珪素焼結体、サイアロン等を用いること
が好ましい。また、半導体装置においては、ClF₃, NF₃
等の腐食性ガスを使用する。本発明者の研究によると、
窒化アルミニウムは、これらの腐食性ガスに対する耐久
性が高いので、好ましい。

【００２２】抵抗発熱体６の材質としては、高融点であ
り、しかも窒化珪素等との密着性に優れたタングステ
ン、モリブデン、白金等の高融点金属や、ＷＣ等の導電
性セラミックスを使用することが適当である。抵抗発熱
体としては、線材、薄いシート状等の形態のものが用い
られる。

【００２３】板状部材１の平面形状や、ヒーター２の形
状は変更できる。また、ヒーター２において、基体４の
径を小さくし、支持部３の径を相対的に大きくすること
もできる。

【００２４】以下、実験結果を述べる。窒化珪素粉末中
にコイル状のタングステン線を埋設し、一軸加圧成形
し、この成形体をホットプレス焼結し、直径８インチの
円盤状セラミックスヒーターを製造した。そして、真空
中で1000℃まで昇温し、1000℃で１分間保持し、室温ま
で放冷するサイクルを１サイクルとし、ヒートサイクル
に対する寿命を調べた。この結果、20〜50サイクルで抵
抗発熱体の断線が生じた。

【００２５】図１，図２に示すような加熱装置を製造し
た。板状部材１の寸法は８インチとし、円形凹部１ａを
84個設けた。外径φ８mmの窒化珪素製セラミックスヒー
ター２を、各凹部１ａにそれぞれ収納した。室温から10
00℃まで10℃／分で昇温し、1000℃で１分間保持し、10
℃／分で冷却するヒートサイクルを実施した。この結
果、 100サイクルまで、すべてのセラミックスヒーター
２において、断線や破損は認められなかった。

【００２６】

【発明の効果】本発明においては、緻密質セラミックス
からなる板状部材に半導体加熱面を設けており、板状部
材には抵抗発熱体が埋設されておらず、通常の焼結法で
作製できる。従って、半導体加熱面を大面積化し、半導
体の処理面積を大きくすることが容易である。

【００２７】これと同時に、各セラミックスヒーターの
各基体を板状部材の凹部に収容しており、各基体として
は小型の焼結体を使用できる。このような小型の焼結体
においては、抵抗発熱体の長さを大きくする必要がな
く、かつホットプレス焼結やホットアイソスタティック
プレス焼結も容易である。従って、抵抗発熱体の劣化、
断線、抵抗発熱体の基材との密着不良、抵抗発熱体の周
囲のクラック発生が少ない。この結果、製品の不良率が
少ないし、長期間使用しても故障が起こりにくい。しか
も、複数のセラミックスヒーターのうちのいずれかに上
記の故障が発生すれば、その故障したセラミックスヒー
ターのみを新品と交換すれば、再び使用できる。

【００２８】しかも、上記の各セラミックスヒーターの
各基体の少なくとも一部がそれぞれ各凹部に一個毎収容
されており、各凹部に収容されている各基体の温度や位
置はそれぞれ別個に調整することができる。このため、
板状部材の半導体加熱面における温度分布を観測しなが
ら、各凹部に対応する各セラミックスヒーターの温度や
位置を調節することによって、板状部材の半導体加熱面
の温度分布を均熱化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】板状部材１を示す平面図である。

【図２】(a) は、半導体加熱装置を模式的に示す部分断
面図である。(b) はセラミックスヒーター２を示す概略
断面図である。

【符号の説明】 １ 板状部材 １ａ 凹部 １ｃ 半導体加熱面 ２ セラミックスヒーター ４ 円柱状基体 ６ 抵抗発熱体

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 緻密質セラミックスからなる板状部材で
   あって、半導体加熱面が設けられ、かつこの半導体加熱
   面以外の面に複数個の凹部が設けられている板状部材；
   及び緻密質セラミックスからなる基体とこの基体の内部
   に埋設された抵抗発熱体とを有するセラミックスヒータ
   ーを複数個備えた半導体加熱装置であって、 前記の各セラミックスヒーターの各基体の少なくとも一
   部がそれぞれ前記の凹部に一個毎収容されている、半導
   体加熱装置。