JP3568194B2

JP3568194B2 - 半導体熱処理用セラミックヒーター

Info

Publication number: JP3568194B2
Application number: JP2000186020A
Authority: JP
Inventors: 伸一朗青沼; 滋子村松; 光広藤田; 雅彦市島; 晃宮崎
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: JP2002008984A

Description

【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関する。
【０００２】
半導体装置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、密閉化が可能な容器内において、予め、内装・設置してあるセラミック面ヒーター本体上に、被加工体を位置決め配置し、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装置を歩留まりよく、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、セラミック面ヒーター本体は、たとえば緻密でガスタイトなセラミックス成形体の内部に、タングステン線やモリブデン線などで形成したスパイラル状の抵抗発熱体を埋設したものである。そして、セラミック面ヒーター本体が埋蔵する抵抗発熱体に、一端側が接続した電極部をセラミックス成形体外に導出させ、この電極部に、たとえばタングステン製もしくはモリブデン製の給電体（給電棒ないし給電太線）の一端部を電気的・機械的に接続する一方、他端部を容器外に導出して所要の給電が行われ、半導体熱処理用セラミックヒーターとして機能する構造を採っている。なお、セラミックス成形体は、たとえばアルミナ系やシリカ系、窒化アルミ系、窒化ケィ素系、あるいはサイアロンなどで形成されている。
【０００４】
また、上記セラミックヒーターの構成においては、給電体がプラズマ雰囲気に曝されることに伴って、腐食・損傷などを起こすことを回避するため、保護パイプ内を挿通させている。すなわち、プラズマＣＶＤやプラズマエッチングなどにおいては、処理雰囲気中に腐食性の化学種が発生して、露出しているタングステン製もしくはモリブデン製の給電体が損傷され、所要の給電機能や機械的な支持機能などが損なわれ易いので、これを防止ないし回避するために、保護管を挿通させて保護している。
【０００５】
図２は、上記セラミックヒーターを内装・装着したプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図である。図２において、１は密閉型化が可能な容器（真空チャンバー）、２は被加工体、たとえばシリコンウェハー３を載置するセラミック面ヒーター本体、４ａ、４ｂは給電体、５はたとえば窒化アルミ製の保護管、６は装置本体側に連接するフランジ部であり、フランジ部６より先端側は冷却される構成と成っている。
【０００６】
ところで、半導体装置の高集積度化に伴い加工が微細化する一方、量産性および歩留まりなどコスト面が配慮される。つまり、半導体装置の製造工程においては、加工・処理装置の再現性ないし安定性が、信頼性の高い半導体装置を製造する上で望まれる。そして、加工・処理の安定性などは、たとえば加熱手段において安定した加熱機能が要求され、さらに、低コスト化などの点からは、セラミックヒーターなどを含む加工・処理装置の耐久性が望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成のセラミックヒーターの場合は、次のような不都合がある。すなわち、所要の加熱加工・処理を施すに当たっては、均一な加熱ないし安定した加熱とともに、省資源の点からは、より効率的に発熱を利用することが望まれる。この発熱の利用効率は、セラミック面ヒーター本体２上にセットされた被加工体３およびその周縁部の加熱に利用される割合であり、したがって、被加工体３をセットした領域外での放熱は、極力少ないことが望まれる。
【０００８】
ところが、上記構成のセラミックヒーターの場合は、給電体を貫挿・被覆保護するセラミック製の保護管５を介した放熱により、セラミック面ヒーター本体２の面内温度分布の低下を招来し易い傾向がある。つまり、保護管５がセラミック面ヒーター本体２に対接した構造を採っていること、加えて、保護管５のフランジ部６が冷却される構成となっているため、温度勾配がついて発熱の利用効率が損なわれる。また、前記温度勾配の発生は、セラミック面ヒーター本体２に対する保護管５の接合部に応力を発生させ、接合の信頼性が損なわれる。
【０００９】
上記したように、従来の半導体熱処理用セラミックヒーターの場合は、発熱の利用効率に問題がある上、面内温度分布の低下や耐久性など機能的にも、十分満足して実用に供し得るとはいえない。つまり、この種の半導体熱処理用セラミックヒーターを付設した加工装置は、加熱効率が劣り、耐久性ないし信頼性の点で、結果的に、コストアップとなって半導体装置の製造コストに大きく影響する。
【００１０】
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、半導体装置の加熱・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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、放熱・加熱面をなす窒化アルミ系成形体層と、前記窒化アルミ系成形体層に埋め込み型に配置された抵抗発熱素子と、前記抵抗発熱素子に一端がそれぞれ接続する給電体と、前記給電体の外周面を被覆する耐プラズマ性の被覆層とを有す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。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体熱処理用セラミックヒーターにおいて、耐プラズマ性の被覆層がニッケル系であることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１もしくは請求項２記載の半導体熱処理用セラミックヒーターにおいて、耐プラズマ性の被覆層を形成する給電体の外周面が粗面化されていることを特徴とする。
【００１４】
すなわち、請求項１〜３の発明は、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、熱伝導率の大きいセラミックス成形体層で構成され、かつ給電体の外周面を耐プラズマ性に不動態化処理した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系層で形成する一方、外周面を耐プラズマ性に不動態化処理した給電体を電力供給体としたことを骨子とする。
【００１５】
請求項１〜３の発明において、抵抗発熱素子を埋め込み・内蔵する窒化アルミ系成形体層は、たとえば平均粒径０．６〜０．８μｍ程度の窒化アルミ粉末に、焼結助剤およびバインダーを添加・混合し脱脂後に、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、酸化イットリウム、酸化カルシウムなどが例示され、また、バインダーとしては、ポリビニルブチラールなどが例示される。
【００１６】
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、この窒化アルミ系成形体層は、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。
【００１７】
請求項１〜３の発明において、窒化アルミ系成形体層に埋め込み・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。
【００１８】
請求項１〜３の発明において、抵抗発熱素子の電極部に一端部が接続し、外部から所要の電力を供給する給電体（給電棒、給電線）は、たとえばモリブデン、タングステンなどを素材として本体が形成されたものである。つまり、所要の径、長さに設定されたモリブデン製棒、あるいはタングステン製棒を本体とし、その外周面に、耐プラズマ性の高い不動態層を設けたものである。
【００１９】
ここで、耐プラズマ性の高い不動態層は、たとえばニッツケルメッキのフッ化ニッケル層などであり、給電体の寸法・容量などにもよるが、一般的に、膜厚２〜３０μｍ程度に設定される。なお、この耐プラズマ性の高い不動態層の形成に先立って、下地となる給電体の外周面を予め粗面化しておくと、密着強度も高まり、耐久性の向上が図られる。
【００２０】
請求項１〜３の発明では、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系成形体層で構成する一方、給電体の外周面を耐プラズマ性の高い不動態化してある。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。
【００２１】
一方、給電体は、すぐれた耐プラズマ性が付与され、保護管が省略されて給電体部からの放熱も抑制されるため、セラミック面ヒーター本体の面内温度分布の低下が解消される。したがって、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。
【００２２】
【発明の実施態様】
以下、図１を参照して実施例を説明する。
【００２３】
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を内装したプラズマＣＶＤ処理装置の要部構成を示す断面図である。図１において、７は放熱・加熱面をなす窒化アルミ系成形体層、８は前記窒化アルミ系成形体層７に埋め込み型に配置された抵抗発熱素子、９ａ、９ｂは前記抵抗発熱素子８の入力端子に一端が、それぞれ接続する給電体、１０は前記給電体９ａ、９ｂの外周面を被覆する耐プラズマ性の被覆層である。
【００２４】
ここで、窒化アルミ系成形体層７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１３ｍｍ程度、直径２３０ｍｍ程度の円板状窒化アルミ粉末の焼結体層であり、熱伝導率約１１０Ｗ／Ｋ・ｍ程度、気孔率０．５％である。また、抵抗発熱素子８は、全長７００ｃｍのタングステン線をジグザグ状に折り曲げたもので、入力電力１．８ＫＷ程度である。そして、この抵抗発熱素子８は、前記窒化アルミ系成形体層７に埋め込み装着・配置され、入力端子が導出されている。
【００２５】
さらに、前記抵抗発熱素子８の入力端子に一端が接続する給電体９ａ、９ｂは、径１０ｍｍ程度のタングステン棒であり、その外周面を不動態化する耐プラズマ性の被覆層１０は、たとえば厚さ１０μｍ程度のニッケルメッキ層である。なお、図１において、１１は前記セラミックヒーターを内装した真空型化できる容器（真空チャンバー）、１２は被加工体、たとえばシリコンウェハー、給電体９ａ、９ｂを真空チャンバー１１外に導出するフランジ接合部である。
【００２６】
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。
【００２７】
平均粒径０．６〜０．８μｍ程度の窒化アルミ粉末に、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、この混合物を所要の厚さ形状寸法の板状に成形し、２枚の成形体を作製する。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、非酸化性雰囲気中において、焼結することにより、熱伝導率約１１０Ｗ／Ｋ・ｍ程度、気孔率０．５％の焼結体を作成する。
【００２８】
なお、一方の燒結体の面には、抵抗発熱素子８をスパイラル状に埋め込み装着できるように、深さ１５０μｍ程度の溝付き加工を行った。また、他方の成形体には、一対の給電体９ａ、９ｂを互いに離隔し、先端部をそれぞれ貫挿できる孔の穿設を行った。
【００２９】
次に、予め用意しておいたタングステン線を素材としたコイル状の抵抗発熱素子８を、前記焼結体のスパイラル状溝に装着・配置する一方、この抵抗発熱素子８を装着・配置した面に、接合剤層を介して二枚目の焼結体を積層配置する。この二枚目の焼結体を積層配置するとき、外周面を不動態化した給電体９ａ、９ｂを抵抗発熱素子８の入力端子に接続しながら、位置決め配置する。ここで、接合剤層は、たとえば窒化アルミ粉末を主成分としたペースト、あるいは窒化アルミ粉末の有機溶媒分散液などが挙げられるが、接合剤層を省略しても、ホットプレレスで一体化できる。
【００３０】
その後、ホットプレス加工を施して接合剤層を燒結させ、それらを一体化することにより、セラミックヒーターが得られる。なお、給電体９ａ、９ｂと抵抗発熱素子８の入力端子との接続は、たとえばタングステン系ペーストを給電体９ａ、９ｂの挿入孔に充填し、硬化させることにより、積層の一体化と同時に行なうこともできる。
【００３１】
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、次の点を除いた他は、上記実施例の場合と同様の条件で、セラミックヒーター（比較例１）を作製した。すなわち、一対の給電体は、径５ｍｍのタングステン製棒とし、この一対の給電体を外径４０ｍｍ、肉厚３．０ｍｍ程度のパイプ状の窒化アルミ焼結体内を挿通させ、給電体を抵抗発熱素子に電気的に接続する一方、この窒化アルミ焼結体パイプをセラミックヒーター本体に、ホットプレスで一体化した構成を採った。
【００３２】
これら各セラミックヒーターを、それぞれプラズマＣＶＤ用装置に装着し、減圧下セラミックヒーター面が所定温度（たとえば６００℃）に昇温後、１５０時間加熱保持して、給電体の外観を観察した。この試験評価において、実施例のセラミックヒーターの場合は、異常が認められなかった。なお、この試験評価においては、各セラミックヒーターは、そのフランジ部ないしフランジ接合部を対応する金属製フランジ部にネジもしくはジョイントで固定した。
【００３３】
これに対して、比較例のセラミックヒーターの場合は、給電体外周面に空気による酸化が認められた。また、一対の給電体が挿通するパイプ状の窒化アルミ焼結体内を減圧にし、酸化防止を図った場合には、６５０℃に昇温した時点で、給電体間の絶縁破壊が発生した。
【００３４】
また、実施例および比較例のセラミックヒーター所要の消費電力で、６００℃に昇温したヒーター面の面内温度分布を赤外線熱画像装置によって評価した結果を表１に示す。ここで、比較例のセラミックヒーターは、セラミックスパイプから熱が逃げるため、内面温度分布が悪く、消費電力も大きくなっている。
【００３５】
【表１】

【００３６】
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、安定性にすぐれており、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、投入電力も有効に利用される。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・高性能の半導体装置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。
【００３７】
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、セラミックヒーターの寸法・形状、抵抗発熱素子や給電体の材質、あるいは入力電力など用途に応じて選択・設定できる。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１〜３の発明によれば、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、給電体は、すぐれた耐プラズマ性が付与され、すぐれた耐久性を呈するだけでなく、保護管も不要ないし省略されて構造が簡略化する上、給電体部からの放熱も抑制される。したがって、セラミック面ヒーター本体の面内温度分布の低下が解消され、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を利用できる半導体熱処理用セラミックヒーターとして機能する。
【００３９】
すなわち、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できるので、省資源・低コスト型で、かつ高品質の半導体装置の加工・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を装着した加工装置の要部構成を示す断面図。
【図２】従来の半導体熱処理用セラミックヒーターを装着した加工装置の要部構成を示す断面図。
【符号の説明】
１、１１……真空チャンバー
２、７……窒化アルミ系成形体層
３、１２……被加工体
４ａ、４ｂ、９ａ、９ｂ……給電体
５……保護管
６、１３……フランジ部ないしフランジ接合部
８……抵抗発熱素子
１０……耐プラズマ性不動態化層

Claims

放熱・加熱面をなす窒化アルミ系成形体層と、前記窒化アルミ系成形体層に埋め込み型に配置された抵抗発熱素子と、前記抵抗発熱素子に一端がそれぞれ接続する給電体と、前記給電体の外周面を被覆する耐プラズマ性の被覆層とを有す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。
耐プラズマ性の被覆層がニッケル系であることを特徴とする請求項１記載の半導体熱処理用セラミックヒーター。
耐プラズマ性の被覆層を形成する給電体の外周面が粗面化されていることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の半導体熱処理用セラミックヒーター。