JP3344650B2 - 半導体熱処理用セラミックヒーター - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体熱処理用セ
ラミックヒーターに係り、さらに詳しくは半導体ウェハ
ーを効率的に加熱できる半導体熱処理用セラミックヒー
ターに関する。

【０００２】半導体の製造に当たっては、たとえば半導
体ウェハーに対するプラズマＣＶＤ、プラズマエッチン
グ、光エッチングなどの加工処理が施される。これらの
加工処理は、一般的に、被加工体を面状ヒーター上に配
置し、被加工体に加熱を施しながら行われる。そして、
高性能ないし高信頼性を有する半導体を歩留まりよく、
しかも量産的に得るために、加熱処理が一つの重要なフ
ァクターとなる。

【０００３】ここで、面状ヒーターは、たとえば緻密で
ガスタイトなセラミックス焼結体の内部に、タングステ
ン線やモリブデン線などの抵抗発熱体を、たとえばスパ
イラル状に埋設したものである。そして、抵抗発熱体の
電極部（リード端子）をセラミックス焼結体外に導出さ
せた構造を採っている。なお、セラミックスは、たとえ
ばアルミナ系やシリカ系、窒化アルミニウム系、窒化ケ
イ素系、あるいはサイアロンなどが挙げられる。

【０００４】ところで、半導体の高集積度化に伴い半導
体ウェハーの加工が微細化し、また、量産性やコスト面
への配慮から半導体ウェハーの大口径化が図られてい
る。したがって、半導体の製造工程における加熱処理に
おいては、熱源として使用される面状ヒーターの大口径
化が要求される。また、均一的な加熱による歩留まりの
確保などの点から、面状ヒーターの面内温度分布の一様
性が要求されるとともに、低コスト化も望まれている。

【０００５】上記、面状ヒーターの面内温度分布の一様
性は、抵抗発熱体の幅を小さくし、かつ抵抗発熱体の間
隔を狭くすることで可能となる。すなわち、抵抗発熱体
を全体的に可能な限り細かく分布させることにより、面
内温度分布が一様な面状ヒーターとなるので、前記要望
に対応できることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記緻
密でガスタイトなセラミックス焼結体の内部に、幅を小
さくした抵抗発熱体が間隔を狭めて埋設された構成の場
合は、次のような不都合がある。すなわち、抵抗発熱体
の幅を小さく、かつ間隔を狭くすると、結果的に、抵抗
発熱体が長尺化することになる。したがって、総抵抗が
増大しトランス容量が大きくなり、この種の面状ヒータ
ーを付設した加工装置が大型化する一方、コストアップ
ともなって半導体製造装置の製造コストに大きく影響す
る。

【０００７】また、面状ヒーターのセラミックス焼結体
が、たとえば窒化アルミニウムなど熱伝導性のよいセラ
ミックス系の場合は、セラミックス焼結体自体の製造方
法にもよるが、通常、その熱伝導率が約１００Ｗ／Ｋ・
ｍを超えるため、半導体ウェハーに対して直接的に加熱
・放熱に寄与する面以外（裏面側）からの熱損失も無視
できず、低効率であるなどの問題がある。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、低コストで得られ、かつ加熱効率が高く、半導体の
加熱・加工処理に適する半導体熱処理用セラミックヒー
ターの提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、放熱・加熱面
をなす窒化アルミニウム系焼結体層と、前記窒化アルミ
ニウム系焼結体層の放熱・加熱面の裏面側に一体化され
た熱伝導率の低いセラミックス系焼結体層と、前記窒化
アルミニウム系焼結体層もしくは前記セラミックス系焼
結体層に埋め込み型に配置された抵抗発熱素子とを有
し、前記セラミックス系焼結体層と前記窒化アルミニウ
ム系焼結体層との熱伝導率比が、１：１．５以上であ
り、前記セラミックス系焼結体層の気孔率が少なくとも
５％であることを特徴とする半導体熱処理用セラミック
ヒーターである。

【００１０】すなわち、本発明は、抵抗発熱素子（抵抗
発熱体）を埋め込み・内蔵するセラミックス基材が、比
較的熱伝導率の大きいセラミックス焼結体層と比較的熱
伝導率の小さいセラミックス焼結体層との複層に構成さ
れていることで特徴付けられる。つまり、抵抗発熱素子
を埋め込み・内蔵し、かつ被加熱体に対する加熱・放熱
面となる領域を窒化アルミニウム系層で形成する一方、
他の領域面を熱伝導率の低いセラミックス系層で形成し
たことを骨子とする。

【００１１】本発明において、抵抗発熱素子を埋め込み
・内蔵する窒化アルミニウム系焼結体層は、たとえば平
均粒径０．０５〜５μｍ程度の窒化アルミニウム粉末
に、焼結助剤およびバインダーを添加・混合して得られ
るスラリーから造粒粉を作製し、所要の厚さ形状寸法の
板状成形体に成形し、１８００℃以上の高温で焼結する
ことにより形成される。ここで、焼結助剤としては、た
とえば酸化イットリウムなどが例示され、また、バイン
ダーとしては、たとえばポリビニルブチラールなどが例
示される。

【００１２】なお、高温焼結に先立って、板状成形体の
一主面に、抵抗発熱素子の配置・埋め込み用の溝などを
予め設けておくことが望ましい。また、この窒化アルミ
ニウム系焼結体層は、いわゆるグリーンシート化し、こ
のグリーンシートの複数枚を積層して、一体的に高圧・
高温焼結することによっても形成でき、抵抗発熱素子の
配置・埋め込み操作も容易になる。

【００１３】本発明において、焼結体層に埋め込み・内
蔵される抵抗発熱素子は、たとえばタングステン線、モ
リブデン線などをコイル状ないしスパイラル状に捲回し
たもの、あるいはジグザグ状に折り曲げたものである。
そして、その抵抗発熱素子を形成するタングステン線な
どの径や全長は、セラミックヒーターの形状・大きさ、
加熱源としての熱容量などに応じて設定される。

【００１４】本発明において、窒化アルミニウム系焼結
体層の加熱・放熱面に対して他主面側（裏面側）に一体
化される熱伝導率の低いセラミックス系焼結体層は、た
とえば平均粒径０．０５〜５μｍ程度の窒化アルミニウ
ム粉末に、焼結助剤、バインダーおよび炭化ケイ素粉末
を添加・混合して得られるスラリーから造粒粉を作製
し、所要の厚さ形状寸法の板状成形体に成形し、１８０
０℃以上の高温で焼結することにより形成される。この
場合、焼結助剤の添加量を変えることによって熱伝導率
を変えることができる。そして、窒化アルミニウム系焼
結体層への一体化は、接合剤の介挿などで行われるが、
接合剤を省略し、ホットプレスなどで一体化する方法を
採ることもできる。

【００１５】その他、たとえば平均粒径０．０１〜５μ
ｍ程度の酸化物、たとえばアルミナ（酸化アルミニウ
ム）粉末に、バインダーを添加・混合して得られるスラ
リーから造粒粉を作製し、所要の厚さ形状寸法の板状成
形体に成形し、１３００℃以上の高温で焼結することに
より形成される。ここで、酸化物としては、酸素元素の
含有量が多いものであり、複合型酸化物などでもよい。

【００１６】また、これら熱伝導率の低いセラミックス
系焼結体層は、異種材質の複層系でもよいし、窒化アル
ミニウム系焼結体層に対する一体化をグリーンシート方
式で行ってもよい。

【００１７】本発明において、加熱・放熱面を形成する
窒化アルミニウム系焼結体層の外径寸法、厚さなどは、
面状ヒーターとして使用する形態に応じて適宜、選択・
設定される。そして、この窒化アルミニウム系焼結体層
の他主面側（裏面側）に一体化される熱伝導率の低いセ
ラミックス焼結体層は、いわば、断熱的な作用を期待す
るものであるから、少なくとも窒化アルミニウム系焼結
体層の裏面側に配置されるが、窒化アルミニウム系焼結
体層を嵌合一体化し、外周端面も被覆する形態を採るこ
ともできる。

【００１８】なお、窒化アルミニウム系焼結体層の熱伝
導率とセラミックス系焼結体層の熱伝導率とは、相対的
な高低の問題であるが、一般的に、セラミックス系焼結
体層の熱伝導率：窒化アルミニウム系焼結体層の熱伝導
率比を１：１．５以上に設定することが好ましい。ま
た、このような関係は、セラミックス系焼結体層の気孔
率を少なくとも５％程度とすることによって達成でき
る。

【００１９】本発明では、抵抗発熱素子を内蔵し、かつ
加熱・放熱面側を比較的熱伝導率の高い窒化アルミニウ
ム系焼結体層で構成し、その裏面側を比較的熱伝導率の
低いセラミックス系焼結体層で構成している。つまり、
加熱・放熱面側は、抵抗発熱が高い熱伝導性によって容
易に、かつ効率よく加熱・放熱に寄与する。一方、裏面
側は、熱伝導性が低いことにより、裏面側からの放熱が
容易に抑制されるので、加熱・放熱面側からの放熱が助
長され、より効率よく抵抗発熱が利用される。

【００２０】

【発明の実施態様】以下、図１を参照して実施例を説明
する。

【００２１】図１は、実施例に係る半導体熱処理用セラ
ミックヒーターの要部構成を示す断面図である。図１に
おいて、１は放熱・加熱面をなす窒化アルミニウム系焼
結体層、２は前記窒化アルミニウム系焼結体層１に埋め
込み型に配置された抵抗発熱素子、３は前記窒化アルミ
ニウム系焼結体層１の放熱・加熱面の裏面に一体化され
た熱伝導率の低いセラミックス系焼結体層である。

【００２２】ここで、窒化アルミニウム系焼結体層１
は、たとえば焼結助剤として酸化イットリウムを含有す
る厚さ５ｍｍ、直径２５０ｍｍ程度の円板状窒化アルミ
ニウム焼結体層であり、熱伝導率約１２０Ｗ／Ｋ・ｍ程
度、気孔率０．５％である。また、抵抗発熱素子２は、
全長５ｍのタングステン線、入力電力１００〜１２００
Ｗ程度である。そして、この抵抗発熱素子２は、前記窒
化アルミニウム系焼結体層１に蛇行型に設けられた溝に
装着・配置され、入力端子が導出されている。

【００２３】さらに、セラミックス系焼結体層３は、た
とえば焼結助剤としての酸化イットリウムの他に、炭化
ケイ素を含有する厚さ５ｍｍ、直径２５０ｍｍ程度の円
板状窒化アルミニウム焼結体層であり、熱伝導率約６０
Ｗ／Ｋ・ｍ程度、気孔率７％である。そして、このセラ
ミックス系焼結体層３は、前記窒化アルミニウム系焼結
体層１の抵抗発熱素子２装着・配置面に一体化された構
成と成っている。

【００２４】次に、上記構成のセラミックヒーターの製
造例を説明する。

【００２５】平均粒径１μｍ未満の窒化アルミニウム粉
末に、焼結助剤（酸化イットリウム）、およびバインダ
ー（ポリビニルブチラール樹脂）を添加・混合し、この
混合物から作製した造粒粉を所要の厚さ形状寸法の板状
成形体に成形する。ここで、板状成形体の一主面には、
蛇行型の溝が設けられている。その後、大気雰囲気中に
おいて６００℃の温度で加熱・脱脂してから、窒素雰囲
気中において、１８５０℃で焼結することにより、熱伝
導率約１２０Ｗ／Ｋ・ｍ程度、気孔率０．５％の焼結体
１を作製する。

【００２６】一方、平均粒径１μｍ未満の窒化アルミニ
ウム粉末に、焼結助剤（酸化イットリウム）、バインダ
ー（ポリビニルブチラール樹脂）および炭化ケイ素粉末
を添加・混合し、この混合物から作製した造粒粉を所要
の厚さ形状寸法の板状成形体に成形する。その後、大気
雰囲気中において６００℃の温度で加熱・脱脂してか
ら、窒素雰囲気中において、１８５０℃で焼結すること
により、熱伝導率約６０Ｗ／Ｋ・ｍ程度、気孔率７％の
焼結体３を作製する。

【００２７】次に、予め用意しておいたタングステン線
を素材とした抵抗発熱素子２を、前記焼結体１の蛇行型
溝に装着・配置する一方、この抵抗発熱素子２を装着・
配置した面に、接合剤層を介して前記焼結体３を積層配
置する。その後、それらを一体化することにより、セラ
ミックスヒーターが得られる。（実施例）

【００２８】比較評価のため、上記セラミックヒーター
の構成において、焼結体３を積層配置する代わりに、焼
結体１と同一の条件で作成した熱伝導率約１２０Ｗ／Ｋ
・ｍ程度、気孔率０．５％の焼結体を一体化したセラミ
ックヒーター（比較例１）、焼結体１の代わりに焼結体
３と同一の条件で作成した熱伝導率約６０Ｗ／Ｋ・ｍ程
度、気孔率７％の焼結体に、焼結体３を一体化したセラ
ミックヒーター（比較例２）をそれぞれ用意した。

【００２９】これら各セラミックヒーターを、それぞれ
プラズマエッチング用装置に装着し、セラミックヒータ
ー面が所定温度６００℃に昇温するまでの時間、その昇
温に要した電力量をそれぞれ試験評価した結果を表に示
す。なお、試験評価の数値は、比較例１を基準として、
この基準値に対する相対値である。

【００３０】

【表１】

【００３１】上記試験評価の結果からも分かるように、
この発明に係る半導体熱処理用セラミックヒーターは、
良好な面内温度分布を呈するので、ムラのない一様な加
熱ができるだけでなく、少ない電力量の投入で所要の温
度に高速昇温する。つまり、歩留まりのよい半導体の処
理加工などに適し、高品質・高性能の半導体の製造に大
きく寄与する。また、その抵抗発熱に要する電力量の低
減も図られので、省資源・低コスト化の点でも多くの利
点をもたらす。

【００３２】本発明は、上記実施例に限定されるもので
なく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を
採ることができる。たとえば、熱伝導率の小さいセラミ
ックス焼結体層は、アルミナ系焼結体層であってもよい
し、セラミックヒーターの寸法・形状、抵抗発熱素子の
入力電力など用途に応じて選択・設定できる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、加熱・放熱面側は、抵
抗発熱は、高い熱伝導性によって容易、かつ効率よく加
熱・放熱に寄与する。一方、裏面側は、熱伝導性が低い
ことに伴って、裏面側からの放熱が容易に抑制され、結
果的に、加熱・放熱面側からの発熱・放熱が助長され
る。

【００３４】すなわち、少ない電力量の投入で所要の温
度に高速昇温する一方、裏面側からの放熱が確実に抑制
・低減されるので、良好な面内温度分布を呈し易く、ま
た、加熱・放熱面側からの放熱が助長され、より効率よ
く抵抗発熱が利用される。したがって、省資源・低コス
ト型で、かつ高品質の半導体の加工・製造に適するセラ
ミックヒーターといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る半導体熱処理用セラミックヒータ
ーの要部構成を示す断面図。

【符号の説明】

１……窒化アルミニウム系焼結体層 ２……抵抗発熱素子 ３……セラミックス系焼結体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｂ 3/20 ３５６ Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (72)発明者 村松 滋子 神奈川県秦野市曽屋30番地 東芝セラミ ックス株式会社開発研究所内 (56)参考文献 特開2001−313157（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/02 H01L 21/3065 H05B 3/10 H05B 3/18 H05B 3/20

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放熱・加熱面をなす窒化アルミニウム系焼
   結体層と、前記窒化アルミニウム系焼結体層の放熱・加
   熱面の裏面側に一体化された熱伝導率の低いセラミック
   ス系焼結体層と、前記窒化アルミニウム系焼結体層もし
   くは前記セラミックス系焼結体層に埋め込み型に配置さ
   れた抵抗発熱素子とを有し、前記セラミックス系焼結体
   層と前記窒化アルミニウム系焼結体層との熱伝導率比
   が、１：１．５以上であり、前記セラミックス系焼結体
   層の気孔率が少なくとも５％であることを特徴とする半
   導体熱処理用セラミックヒーター。