JP3560456B2

JP3560456B2 - 複層セラミックスヒータ

Info

Publication number: JP3560456B2
Application number: JP36201997A
Authority: JP
Inventors: 正樹狩野; 健司佐藤; 延男新井
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: JPH11176559A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスヒータ、特には半導体プロセスにおける昇降温工程に使用される複層セラミックスヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体プロセスに使用されるヒータとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、窒化硼素等の焼結セラミックスからなる支持基板に、発熱体としてモリブデン、タングステン等の高融点金属の線材や箔を巻き付けるか、接着し、その上に電気絶縁性セラミックス板を載せたものが用いられてきている。また、これを改良したものとしては、電気絶縁性セラミックス支持基板の上に導電性セラミックスの発熱層を設け、その上に、電気絶縁性セラミックスの被覆を施したセラミックスヒータが開発され、絶縁性、耐食性を向上させている。
【０００３】
一方、半導体素子の製造においては、ウエーハの大口径化が進み、現在では直径２００ｍｍのシリコンウエーハが主流になってきており、２０１０年には直径３００ｍｍとなる見通しである。また、大口径化が進むと、従来のバッチ式処理装置では、プロセスの均一性等の性能確保が難しくなり、その解決策としてウエーハを一枚づつ処理する枚葉式処理に置き代わるプロセスが今後増加して行くことが予想される。
【０００４】
この枚葉式処理の加熱源として消費電力が少なく、安定性の高い、セラミックスヒータは大いに期待されており、その大口径化、性能向上も平行して進められている。そして、ウエーハの温度がウエーハ上に成膜される膜の性質、成膜速度に大きな影響があるため、ウエーハの大口径化に伴い、その均熱性をいかに制御するかが重要なポイントになる。そのため、加熱源であるセラミックスヒータは、例えば、径方向で複数分割し、ガスの供給によって変化する温度変化に対応して均熱性を維持するように各ゾーンで素早く温度制御することが必要となってくる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高温プロセスでゾーン制御を行う場合には、セラミックス支持基材自体の抵抗率が減少するため、ゾーン間の絶縁性が問題となり、さらにヒータが大口径化すると、それにかかる電力も面積に比例して増大するため、場合によっては、高電圧、高電流が必要となる。それに従い、ゾーン間の漏れ電流が大きくなると、各ゾーンでの制御性が落ちて、半導体製造プロセスの連続処理での昇降温時後のウエーハの均熱化に時間を要し、最悪の場合には、ゾーン間の絶縁破壊によりショートしてヒータを破損させると言う危険性も含んでおり、所望の温度まで昇温出来ないと言う欠点があった。
【０００６】
そこで、各ゾーン毎にヒータを完全に分離して独立させる方法もあるが、各ゾーン毎に支持基板を支持する支持ポイントを設置しなければならず、しかもこのポイントを通して放熱するため、ポイント近傍の温度が低くなると共に、被加熱物であるウエーハの温度分布を著しく悪化させてしまうと言う悪影響を及ぼす。従って、支持ポイントの設置は、ヒータ外周部に最小限の数に止めておくことが好ましく、ゾーン間の絶縁には別の対策を立てなければならなくなった。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するために為されたもので、高温プロセスで各ゾーン毎の温度制御を行う場合においても、ゾーン間の漏れ電流が少なく、高温まで昇温可能で、各ゾーンでの制御性を落さずにウエーハの昇降温時のウエーハの均熱化を素早く収束させることができると共に、支持ポイントをウエーハの温度分布に影響のないヒータ外周部のみに設置した一体型の複層セラミックスヒータを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明は、電気絶縁性セラミックス支持基板の表面に、導電性セラミックスまたは金属からなるヒータパターンが、少なくとも２ゾーン以上に分割された状態で接合され、該ヒータパターンを覆って保護層を形成した一体型の抵抗加熱方式の複層セラミックスヒータにおいて、該２ゾーン以上に分割配置されたヒータパターンのヒータ温度範囲５００〜１５００℃における各ゾーン間の抵抗が５×１０^３〜１×１０^１６Ωであることを特徴とする複層セラミックスヒータである。
【０００９】
このように構成すれば、高温プロセスで各ゾーン毎に温度制御を行う場合においても、各ゾーン間の漏れ電流が少なく、高温まで昇温可能である。また、各ゾーンでの制御性は極めて良好であり、ウエーハの昇降温時にウエーハの均熱化を急速に収束させることができる。さらに、支持基板の支持ポイントをゾーン毎に設置する必要はなく、ウエーハの温度分布に影響のないヒータ外周部のみに設置すればよい。
【００１０】
そして、本発明は、電気絶縁性セラミックス支持基板の表面に、導電性セラミックスまたは金属からなるヒータパターンが、少なくとも２ゾーン以上に分割された状態で接合され、該ヒータパターンを覆って保護層を形成した一体型の抵抗加熱方式の複層セラミックスヒータにおいて、該２ゾーン以上に分割配置されたヒータパターンの各ゾーン境界部に、支持基板の厚さ方向に、ゾーン間の電気絶縁用の掘り溝または貫通溝を形成したことを特徴とする複層セラミックスヒータである。また、前記掘り溝または貫通溝が、ヒータ温度範囲５００〜１５００℃における各ゾーン間の抵抗が５×１０^３〜１×１０^１６Ωとなるように形成されるようにした。
【００１１】
このようにすれば、加工が容易で、簡単にゾーン間の絶縁性が良好なヒータを作製することができる。そして、各ゾーン毎にヒータを完全に分離して独立させる方法と同様に、各ゾーン間の漏れ電流は極めて少なくなり絶縁破壊を起こす危険性が回避され、高温における長期安定使用を確保することができる。また、各ゾーン毎の温度制御性にも優れ、昇降温時のウエーハの均熱化も素早く収束させることができると共に、支持基板の支持ポイントをゾーン毎に設置する必要はなく、ウエーハの温度分布に影響のないヒータ外周部のみに設置しておけばよい。
【００１２】
また、本発明は、前記支持基板および保護層の材質が、ＡｌＮ、ＢＮ、ＡｌＮとＢＮとの複合体、ＰＢＮまたはＳｉＯ_２であり、前記ヒータパターンの材質がカーボン、高融点金属、高融点金属合金、貴金属または貴金属合金であることを特徴とする複層セラミックスヒータである。
【００１３】
このようにして選択した材質によりヒータを構成すると、上記掘り溝、貫通溝の形成加工も容易にでき、機械的強度、耐熱性、耐食性に優れた長寿命の複層セラミックスヒータとすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
ここで、図１は本発明の複層セラミックスヒータの一例を示したもので、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は内外ゾーン境界部に設けた掘り溝の縦断面図である。図２は本発明の別の実施形態を示す複層セラミックスヒータを示したもので、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は内外ゾーン境界部に設けた貫通溝の縦断面図である。図３は従来技術による複層セラミックスヒータの平面図である。
【００１５】
本発明者等は、半導体プロセスにおけるＣＶＤ装置やエッチング装置で使用される半導体ウエーハ加熱用のヒータにおける分割ゾーン間の絶縁破壊について種々検討した結果、ゾーン間に特定の絶縁抵抗を持たせること、この抵抗値を得るためにゾーン境界部に掘り溝または貫通溝を形成させればよいことに想到し、本発明を完成させたものである。
【００１６】
図１（ａ）および（ｂ）において、本発明の複層セラミックスヒータ１は、円板状の電気絶縁性熱分解窒化硼素から成る支持基板４の表面に、導電性熱分解グラファイトで作られた外ゾーン２および内ゾーン３から成るヒータパターン（１ゾーン当たり２回線並列）を持つヒータ発熱層５が接合され、さらに発熱層５を覆って支持基板４と同じ材質の保護層６が形成され、この発熱部両端には、端子７が設けられ、外部電源とは導線で端子孔を通るボルト・ナットで接続されるようになっている。また、ヒータとして使用する場合の温度制御は外ゾーン２と内ゾーン３の二つの領域をそれぞれ別に行うことができるようになっている。
【００１７】
図１（ｂ）は図１（ａ）の内外ゾーン境界部Ａにおける縦断面図で、支持基板４の上の発熱層５は内外ゾーンに分断されて隙間を作り絶縁されている。そして発熱層５の分断された端面は保護層６によって覆われている。後述する掘り溝８は、この分断されて作られた隙間の支持基板４を切削して形成される。
【００１８】
ここで、本発明の特徴は、ヒータパターンの内外ゾーン境界部Ａの電気抵抗を、ヒータ温度範囲５００〜１５００℃における各ゾーン間の抵抗が５×１０^３〜１×１０^１６Ωとなるようにしたことである。
【００１９】
各ゾーン間の絶縁破壊によるショートを防止するには、ゾーン境界部の間隔をより離せばよいが、離すことによってその空間部では温度が低下するので均一加熱ができなくなる。また離れた別々のゾーン毎に支持ポイントを設けなければならず、この支持ポイントを伝って放熱するのでこの付近の発熱層では温度が低下し被加熱ウエーハの温度分布が著しく悪化するので好ましい方法ではない。
【００２０】
そこで、この支持ポイントは放熱による温度低下の影響の少ない、ヒータの外周部のみに設ければよいことにして、各ゾーン間を絶縁する抵抗を求めた結果、ヒータ温度範囲５００〜１５００℃における各ゾーン間の抵抗が５×１０^３〜１×１０^１６Ωの範囲にあればよいことがわかった。５×１０^３ Ω未満では高温時の高電圧、高電流に耐えられず絶縁破壊の危険性があり、１×１０^１６Ωを超える高抵抗では、それを持たせるのに絶縁層によっても、空間によったとしても、ある程度の幅（距離）が必要となり、その部分では温度低下が起こるので温度分布の不均一化を避けることができなくなる。
【００２１】
次に、このヒータ温度範囲５００〜１５００℃における各ゾーン間の抵抗を５×１０^３〜１×１０^１６Ωの範囲内にする方法として、本発明では、２ゾーン以上に分割配置されたヒータパターンの各ゾーン境界部に、支持基板の厚さ方向に、ゾーン間の電気絶縁用の掘り溝または貫通溝を形成するようにした。
図１（ｂ）には各ゾーン境界部Ａ［図１（ａ）参照］に設けた掘り溝８の様子が示されており、この例では、掘り溝８の溝深さｄを支持基板４の厚さの１／２とし、溝深さｄと溝幅ｃとの比を１：１として、溝を切削加工し、所望の抵抗値を得た。
【００２２】
本発明の別の実施形態として貫通溝の例を図２に示す。図２（ｂ）は各ゾーン境界部Ｂ［図２（ａ）参照］に設けた貫通溝９の縦断面図で、この例では、貫通溝９の溝深さｄを支持基板４の厚さに等しくして貫通させ、溝幅ｃを１／２・ｄとして、溝を切削加工し、所望の抵抗値を得た。ただし、貫通溝の長さはこの例ではゾーン境界部Ｂの全円周の約８０％とし、残り約２０％は端子部用と内外ゾーンの結合強度を維持するため溝加工をしないまま残した。
【００２３】
このように、所望の抵抗値を持った掘り溝または貫通溝を支持基板のゾーン境界部に沿って設けることにより、最低限のゾーン間の隙間で高温時の高電圧、高電流に耐える絶縁破壊防止用バリアーとすることができる。また、溝加工による支持基板の機械的強度の低下も殆どなく、隙間も最低限に小さくしたので均一加熱に悪影響を及ぼすことも殆どないし、この加工も容易である。
【００２４】
本発明が適用される複層セラミックスヒータの材質としては、支持基板および保護層の材質が、電気絶縁性の高いセラミックスであるＡｌＮ、ＢＮ、ＡｌＮとＢＮとの複合体、ＰＢＮまたはＳｉＯ_２等が適している。また、ヒータパターンの材質は、耐熱性が高く、適度な抵抗率を有するカーボン（グラファイト）、高融点金属（鉄、銅、ニッケル、モリブデン、タンタル、タングステン等）、高融点金属合金（Ｎｉ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ等）、貴金属（銀、白金、ロジウム等）またはこれら貴金属合金（Ｐｔ−Ｒｈ等）等が好ましい。
【００２５】
本発明の複層セラミックスヒータは、一部の金属発熱層を除いて、これを構成する支持基板、発熱層及び保護層のいずれも化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）により製造されたものである。ＣＶＤ法によれば均一で高密度、高純度の蒸着層が得られ、ヒータとして漏れ電流が少なく、高温まで昇温可能で、各ゾーンの制御性もよく、均熱加熱が容易に行え、長期安定運転が可能となる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
ＣＶＤ法により、アンモニアと三塩化硼素とを１００Ｔｏｒｒの圧力下に１８００℃で反応させて厚さ２ｍｍの熱分解窒化硼素製支持基材を作製し、その上にメタンガスを１６５０℃、５０Ｔｏｒｒの条件下で熱分解して厚さ１００μｍの熱分解グラファイト層を形成し、図３に示したような外ゾーン２（２回線）と内ゾーン３（２回線）から成るヒータパターンを加工した。ついで、この基板に再びアンモニアと三塩化硼素とを１００Ｔｏｒｒの圧力下に１８００℃で反応させて、厚さ１００μｍの熱分解窒化硼素製保護層で発熱層を覆い、外ゾーン２と内ゾーン３の２ゾーンからなる直径２５０ｍｍの複層セラミックスヒータを製造した。
【００２７】
そして、図１のように、この支持基材４のゾーン境界部Ａのみに、この基材の全厚さの１／２の深さ（１ｍｍ）でかつこの深さと同寸法の幅（１ｍｍ）の掘り溝８を設けた。この加工によって、シリコンウエーハ温度で８００℃でのゾーン間の絶縁抵抗は、６×１０^３ Ωになり（比較例１の約２倍）、昇温後のシリコンウエーハ温度で１０００℃まで加熱可能となった。
【００２８】
（比較例１）
上記と同様にして、図３に示したような、ゾーン境界部に溝のない従来から用いられている外ゾーン２と内ゾーン３の２ゾーンからなる直径２５０ｍｍの複層セラミックスヒータを作製した。そして、この複層セラミックスヒータを１０^−２Ｔｏｒｒの真空下でゾーン制御しながら、シリコンウエーハを５００℃に加熱した。次いで、これを急昇温させようと電力を投入し、シリコンウエーハ温度で８００℃まで昇温したところ、内外ゾーン間の漏れ電流が大きくなり、これ以上の昇温は不可能となった。この時のヒータ温度は１２００℃になっており、その原因は、ゾーン間の絶縁抵抗が下がったためで、その時のゾーン間の抵抗は、３×１０^３であった。
【００２９】
（実施例２）
上記と同様にして、図３に示したような２ゾーンを有する直径２５０ｍｍの複層セラミックスヒータを作製した。これに図２のようにゾーン境界部Ｂの全円周面積の８０％に貫通溝を設けた。残部２０％は、内外ゾーンを一体で支持出来るように端子７の近くに溝を作らないで残した。この加工によって、シリコンウエーハ温度で８００℃でのゾーン間の絶縁抵抗は、１５×１０^３と比較例１の約５倍になり、昇温後のシリコンウエーハ温度で１１００℃まで加熱可能となった。
【００３０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３１】
例えば、上記では本発明の実施例として二つの例を示したが、本発明はこのような例に限定されるものではなく、被加熱物の形状や被加熱物に与える温度分布の形状によっては、ヒータゾーンの分割数、その形状、ヒータパターン等の変更を伴うが、各ゾーン境界部の絶縁用溝はその絶縁抵抗値を所望の範囲内に適切に設定したものであれば溝の形状、位置は限定されない。
【００３２】
また、本発明の適用にあっては、ＣＶＤ装置における半導体ウエーハの加熱ヒータとして好適とされるが、本発明はこのような例に限定されるものではなく、真空蒸着、イオンプレーティング、ドライエッチング等の半導体装置の加熱ヒータとして有効に使用される。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、高温プロセス下で各ゾーン毎の温度制御を行う場合において、ゾーン間の漏れ電流を抑えて高温まで昇温することができ、各ゾーンでの制御性が良好でかつウエーハの均熱化を素早く収束させることができると共に、支持基板の支持ポイントをゾーン毎に設置する必要はなく、ウエーハの温度分布に影響のないヒータ外周部のみに設置した、高性能で長期安定性に優れた複層セラミックスヒータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複層セラミックスヒータの一例を示す図面である。（ａ）平面図、（ｂ）Ａ部縦断面図。
【図２】本発明の複層セラミックスヒータの別の例を示す図面である。（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ部縦断面図。
【図３】従来技術による複層セラミックスヒータの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１…複層セラミックスヒータ、
２…外ゾーン、
３…内ゾーン、
４…支持基板、
５…発熱層、
６…保護層、
７…端子、
８…ゾーン境界掘り溝、
９…ゾーン境界貫通溝。
ｃ…ゾーン境界溝幅、
ｄ…ゾーン境界溝深さ。

Claims

電気絶縁性セラミックス支持基板の表面に、導電性セラミックスまたは金属からなるヒータパターンが、少なくとも２ゾーン以上に分割された状態で接合され、該ヒータパターンを覆って保護層を形成した一体型の抵抗加熱方式の複層セラミックスヒータにおいて、該２ゾーン以上に分割配置されたヒータパターンの各ゾーン境界部に、支持基板の厚さ方向に、ゾーン間の電気絶縁用の掘り溝または貫通溝を、ヒータ温度範囲５００〜１５００℃における各ゾーン間の抵抗が５×１０ ^３〜１×１０ ^１６ Ωとなるように形成したことを特徴とする複層セラミックスヒータ。
前記支持基板および保護層の材質が、ＡｌＮ、ＢＮ、ＡｌＮとＢＮとの複合体、ＰＢＮまたはＳｉＯ_２であり、前記ヒータパターンの材質がカーボン、高融点金属、高融点金属合金、貴金属または貴金属合金であることを特徴とする請求項１に記載した複層セラミックスヒータ。