JP3793554B2

JP3793554B2 - 円盤状ヒータ

Info

Publication number: JP3793554B2
Application number: JP15015899A
Authority: JP
Inventors: 正祥稲垣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: JP2000340343A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体製造装置の製造工程におけるプラズマ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用いられるウエハ加熱装置などとして使用される円盤状ヒータに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、半導体素子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】
そして、これらのガス雰囲気中で半導体ウエハ（以下、ウエハと称する）を保持し処理温度に加熱するためのウエハ加熱装置として発熱抵抗体を内蔵したステンレスヒータや、赤外線ランプによって加熱するグラファイト製ヒータなどが使用されていた。しかしながら、ステンレスヒータは、上記の腐食ガスによって腐食摩耗が生じ、パーティクルを発生する問題があり、グラファイト製ヒータは耐食性には優れるが間接的に加熱するために熱効率が悪く、昇温速度が遅いといった問題があった。
【０００４】
そこで、このような問題を解決するために、円盤状をした緻密質セラミック基体の上面をウエハの支持面とするとともに、その内部に発熱抵抗体を埋設したウエハ加熱装置用ヒータが提案されている。
【０００５】
ウエハ加熱装置として使用されるヒータは、高い均熱性が要求され、特に円形のウエハを処理する為には、ウエハの温度分布がなるべく同心円に近いことが必要であり、局所的なホットスポット、コールドスポットの解消は設計上の重要課題である。
【０００６】
そこで、特開平６−７６９２４号では、発熱抵抗体を部分的に同心円となる円弧を形成し、各円弧を直列接続するために、内側と外側の円弧を順次接続する接続部を設けたヒータが提案されている。しかし、この構造では、ヒータパターンが渦巻き状であるために、パターンの開始端と終端が円盤の中央と外周に離れてしまい、給電線の引き回しが周囲の構造を制約するという問題があった。
【０００７】
また、これらの問題を解決するために、本出願人は、先に図４に示すように、絶縁基板１０内に発熱抵抗体１１をスクリーン印刷法によって形成することでヒータパターンの形状自由度を増し、中心部に一対の給電電極１２を配置し、同心円部１３と折り返し直線部１４との組み合わせによって、直列回路に結線したウエハ加熱装置を提案した（特願平９−３６００９２号）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特願平９−３６００９２号のウエハ加熱装置は、支持面に載置されるウエハの均一加熱性において不十分であることがわかった。ウエハ載置面における温度分布を赤外線放射温度計で測定したところ、パターン内に形成されている折り返し部の近傍で温度分布が不均一になっており、ホットスポットおよびコールドスポットが存在していることが判った。
【０００９】
上記の現象について、発明者は有限要素法によるシミュレーションを利用して検討した結果、ヒータパターンの同心円部と折り返し部の電流密度の不均一が原因であることを突き止めた。
【００１０】
これは図５に示す発熱抵抗体の電流分布で説明することができる。図４における矢印の向きは、図４の発熱抵抗体１１を流れる電流の方向を示し、矢印の長さは電流の大きさを表している。すなわち、発熱抵抗体１１内を流れる電流はパターン内の最短経路をとろうとする為に、同心円部１３と折り返し直線部１４で構成されるヒータパターンでは、同心円部１３と折り返し直線部１４の接続部の内側コーナーａに電流が多く流れ、外側コーナーｂに流れる電流は少なくなる。
【００１１】
その為、このような折り返し部では、発熱抵抗体の発熱が不均一となり、内側コーナーａがホットスポットに、外側コーナーｂがコールドスポットとなる。その為、ヒータのウエハ支持面に温度のムラが発生し、これがウエハを均一に加熱することを困難にしていた。
【００１２】
特に、図４に示すような発熱抵抗体のパターンを採用した場合には、ホットスポットが円周上の特定の位置に発生してしまい、温度分布が同心円状にならない。その為、ウエハ上に均一な厚みの膜を形成することができず、或いはエッチング加工では加工精度のばらつきが大きくなり、歩留まりが悪かった。
【００１３】
本発明は、ウエハなどの加熱装置として好適に用いられ、局所的なホットスポットやコールドスポットの発生を抑制した均熱性に優れた円盤状ヒータを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、円盤状セラミック基体の上面を加熱面とし、該基体内部に発熱抵抗体を埋設してなる円盤状ヒータにおいて、前記発熱抵抗体を円盤中心から同心円状に半径の異なる複数の略円形体によって構成し、前記略円形体に複数の高抵抗領域と複数の低抵抗領域とを等間隔をもって交互に、かつ前記高抵抗領域の線幅を前記低抵抗領域の幅の４分の１以下に狭くして配設するとともに、前記複数の略円形体を全て直列回路で結線してなることを特徴とするものである。
【００１５】
なお、上記の構成においては、前記高抵抗領域の電気抵抗が前記低抵抗領域の電気抵抗の４倍以上であること、前記半径の異なる各略円形体において、前記高抵抗領域が各略円形体の円周方向の総長さの５０％以上を占めること、前記半径の異なる各略円形体において、前記高抵抗領域を６個以上配置したこと、前記円盤状ヒータの中央部に一対の給電電極を配設してなること、前記発熱抵抗体が、前記円盤状セラミック基体と同時焼成して形成されてなることが望ましい。
【００１６】
【作用】
本発明の円盤状ヒータによれば、前記発熱抵抗体を円盤中心から同心円状に半径の異なる複数の略円形体によって構成してなり、その各略円形体内に複数の高抵抗領域と複数の低抵抗領域とを具備するものであり、高抵抗領域はそれ以外の領域、即ち低抵抗領域に比べて高い発熱密度を持ち、ホットスポットとなるが、この高抵抗領域を低抵抗領域とともに等間隔をもって交互に、かつ高抵抗領域の線幅を低抵抗領域の幅の４分の１以下に狭くして配設しているために、ホットスポットは発熱抵抗体リングの円周上に等しい角度間隔で配置されることとなり、また、そのような略円形体が円盤中心から同心円状に複数個形成されているために、円盤の半径方向にも略等しい間隔でホットスポットを配置することにより、隣接するホットスポット間の距離を十分に小さくすることで全体として極めて均一に近い温度分布を得ることができる。また、低抵抗領域での発熱が温度分布に影響して同一円周上で低抵抗領域がある部分と無い部分とで温度に差が生じることがなくなり、同心円上の均一な温度分布を実現することができる。
【００１７】
これに加えて、本発明による円盤状ヒータによれば、半径の異なる複数の略円形体を直列接続するために設けられた接続部が低い発熱密度しか持たない為、同心円状の温度分布に影響を与えることがなく、結果として同心円に極めて近い温度分布が実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る円盤状ヒータの一実施形態の全体構造を示す（ａ）概略斜視図と（ｂ）概略断面図であり、図２は、図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを説明するための平面図である。図１、図２の円盤状ヒータ１は、緻密質のセラミック基体２からなり、上面をウエハＷの加熱面３とするとともに、その内部に発熱抵抗体４を埋設してある。なお、円盤状ヒータ１のほぼ中央部には、発熱抵抗体４に通電するための一対の給電端子５が取り付けられており、給電端子５に電圧を印加して発熱抵抗体４を発熱させることにより加熱面３に載置したウエハＷを均一に加熱するようになっている。
【００１９】
このような円盤状ヒータ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、耐熱性に優れたアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムを用いることができ、特に窒化アルミニウムは５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、特に１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高い熱伝導率を持つものがあり、更にフッ素系や塩素系の腐食ガスに対する耐食性や耐プラ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。具体的には、純度９９．７％以上を有する高純度窒化アルミニウムやＹ_２Ｏ_３やＥｒ_２Ｏ_３などの焼結助材を含有する窒化アルミニウムを用いることが好適である。
【００２０】
また、セラミック基体２に埋設する発熱抵抗体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との熱膨張差が小さいものを適宜選択して使用すれば良い。
【００２１】
本発明は、上記構成からなる円盤状ヒータにおいて、発熱抵抗体４は図２に示すように、円盤中心から同心円状に半径の異なる複数の略円形状の略円形体（以下、単にリング体という。）４ａ〜４ｃによって構成されている。また、各リング体４ａ〜４ｃには、複数の低抵抗領域６と複数の高抵抗領域７とが形成され、それらは等間隔をもって交互に配設されている。
【００２２】
そして、半径の異なる複数のリング体４ａ〜４ｃは、円盤の半径方向に延びる低抵抗の接続体８によって直列回路として接続されており、円盤の中心部に設けられた１対の給電電極９ａ、９ｂにて終端されている。
【００２３】
つまり、最外周のリング体４ａは、１箇所にて切断され、その切断部において内側のリング体４ｂと接続体８によって接続され、内側のリング体４ｂは２箇所で切断され、その一方は外側のリング体４ａと接続され、他方は内側のリング体４ｃと接続体８によって接続されてなる。また、リング体４ｃも２箇所で切断され、その一方は外側のリング体４ｂと接続され，他方は一対の給電電極９ａ、９ｂと接続されることにより、全体として直列回路が形成されている。かかる構成において、高抵抗領域７の電気抵抗は低抵抗領域６の抵抗値の４倍以上であることが望ましく、これは、４倍より小さいと、低抵抗領域での発熱が温度分布に影響し、即ち、同一円周上で低抵抗領域６がある部分と無い部分で温度に差が生じ、これが同心円上の均一な温度分布の実現を妨げてしまう。
【００２４】
なお、抵抗値を上記のように調整するために、図２の円盤状ヒータでは高抵抗領域７の線幅が低抵抗領域の幅の４分の１以下に設定されている。高抵抗領域の形成方法は、このように線幅を狭くする以外にも、体積固有抵抗の高い材料を使用することでも実現でき、あるいは線幅の調整と材質の変更とを組み合わせても良い。
【００２５】
発熱抵抗体４の給電電極９ａ、９ｂは円盤状ヒータ１の略中央部に配設されており、図１に示すようにセラミック基体２に設けたスルーホール１０を通して、セラミック基体２の裏面に貫通し、給電端子５と接続される。
【００２６】
また、円周方向の温度分布を均一に近づける上で、高抵抗領域７が各リング体４ａ〜４ｃの円周長さの５０％以上、特に７０％以上を占めることが望ましく、また、この高抵抗領域７は、円周方向に等しい角度間隔で少なくとも６個以上配置されていることが望ましい。
【００２７】
さらに、半径方向の温度分布を均一に近づける上で、リング体は少なくとも２つ以上設けることが望ましい。また、発熱抵抗体の材質にもよるが、隣接するリング体の半径差は３０ｍｍ以下、特に２０ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２８】
リング体の低抵抗領域６および高抵抗領域７を構成するパターンの側線は、必ずしも厳密な円弧である必要はなく、直線によって形成し、全体として多角形からなるリング体であってもよい。但し、温度分布を同心円に近付けるためには、同一円上での回転移動に対して幾何学的に略合同とする、即ち、形成される多角形が正多角形となっていることが望ましい。
【００２９】
また、リング体の接続体８の電気抵抗は低抵抗領域６の電気抵抗よりも低ければ問題は無い。この場合も、接続体８の幅を低抵抗領域６以上とする他、より低抵抗の材料によって形成することも可能である。
【００３０】
なお、図２に示されるように、外側のリング体では、内側のリング体に比べて高抵抗領域７の数を増やす必要があり、望ましくはリング体の半径と高抵抗領域７の設置数は比例関係にあることが望ましい。
【００３１】
高抵抗領域７の幅、厚さ、円周方向の長さは抵抗体材質の抵抗率、目標温度、印加電圧／電流などによって決定される。
【００３２】
また、一般に円盤状ヒータからの自然放熱は、円盤の外周側の方が大きいため、温度分布を均一にする為には、外周側のリング体の発熱量を多くする必要がある。その場合には、外側のリング体の高抵抗領域７の幅を狭めることで抵抗値を高めに調整すれば良い。
【００３３】
図３は、低抵抗領域６の拡大図を示すものであるが、図３に示すように、低抵抗領域６と高抵抗領域７の境界部は半径ｒ１の円弧によって形成することが望ましい。これは、図５に示したように発熱抵抗体パターンの屈曲部では電流の集中によりホットスポットが発生し易いからであり、半径ｒ１としては、高抵抗領域の幅ｘの５０％以上であることが好適である。
【００３４】
また、低抵抗領域６の角はｒ２の円弧によって形成することが望ましい。これにより、低抵抗領域６から高抵抗領域７への電流密度の変化がより緩慢になり、境界部にホットスポットの発生を抑制することができる。ｒ２の大きさはｒ１と同等かそれ以上であることが望ましい。
【００３５】
本発明の円盤状ヒータは、例えば、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムなどを主成分とするセラミック粉末を所定の円盤形状に成形した後、その表面に、前述したようなタングステン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属などの導体材料を含有する導体ペーストを図２に示すように印刷塗布し、その上に上記セラミック粉末の成形体を積層またはスラリーを塗布した後、セラミック基体と同時焼成によって形成することができる。また、他の方法としては、発熱抵抗体を圧延などで薄板状に成形したものをプレス、化学エッチングなどで所望のパターンに成形したもの、または粉末冶金などで予め発熱体形状に成形したものをセラミック基体と同時焼成することによって作製することができる。
【００３６】
【実施例】
本発明の円盤状ヒータによる効果を確認するために、セラミック基体として窒化アルミニウムセラミックスを使用して直径２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤状ヒータを以下のようにして作製した。
【００３７】
まず、ドクターブレード法によって成形した窒化アルミニウムグリーンシートを積層し、スルーホール加工を施した後、一方の面に発熱抵抗体としてタングステンを主成分とする導体ペーストを印刷し、更にその上に窒化アルミニウム成形体層を積層、密着し、円盤形状に加工した。これを脱脂した後、常圧焼結法によって１７００℃で同時焼成した。焼成後の焼結体は両主面を平面研削した後、給電電極をろう付けした。
【００３８】
発熱抵抗体の厚さはすべて０．０１ｍｍとした。そして、半径の異なるリング体の数、高抵抗領域と低抵抗領域の線幅の比、高抵抗領域と低抵抗領域の円周方向長さの比、リング体上の高抵抗領域の数を表１に示すようにパターン設計して、種々の円盤状ヒータを試作した。
【００３９】
作製した円盤状ヒータを室温、大気圧の空気中で、強制対流の無い状態で、ヒータ上面の最高温度が２００℃となるように給電端子、給電電極を介して発熱抵抗体に電力を印加し、上面の温度分布を赤外線放射温度計で測定し、最高温度と最低温度の差を温度バラツキとした。表１にその結果を示す。
【００４０】
なお、比較例として、図４に示した発熱抵抗体パターンを印刷した円盤状ヒータを作製し、同様の評価を行った。
【００４１】
【表１】

【００４２】
この結果によれば、リング体の数が１本の場合、または図４に示すようにすべてが高抵抗領域からなり、折り返し部を有するパターンでは、温度のバラツキが大きいものであった。これに対して、本発明では、温度のバラツキを低減でき、特に、高抵抗領域の電気抵抗が前記低抵抗領域の電気抵抗の４倍以上（線幅が低抵抗領域の１／４以下）、高抵抗領域数が６個以上、高抵抗領域が略円形体の円周長さの５０％以上を占める場合（試料Ｎo.３、４）では温度バラツキを１０℃以下に制御することができた。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、局所的なホットスポットやコールドスポットの発生を抑制し、同心円状に半径の異なる複数のリング体を設け、そのリング体に設けられた高抵抗領域はそれ以外の領域に比べて高い発熱密度を持ち、ホットスポットとなるが、このようなホットスポットをリング体の円周上に等しい角度間隔で配置することができるために、同心円上における均熱性に極めて優れ、全体として温度バラツキの小さい円盤状ヒータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の円盤状ヒータの全体構造を示す（ａ）概略斜視図と（ｂ）概略断面図である。
【図２】図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを説明するための平面図である。
【図３】図２の発熱抵抗体パターンにおける高抵抗領域と低抵抗領域の境界部の拡大図を示す。
【図４】従来の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを示す図である。
【図５】図４の円盤状ヒータの同心円部と折り返し直線部の接続部における電流分布を示す概念図である。
【符号の説明】
１円盤状ヒータ
２セラミック基体
３ウエハ加熱面
４発熱抵抗体
４ａ〜４ｃ略円形体（リング体）
５給電端子
６低抵抗領域
７高抵抗領域
８接続部
９ａ、９ｂ給電電極

Claims

円盤状セラミック基体の上面を加熱面とし、該基体内部に発熱抵抗体を埋設してなる円盤状ヒータにおいて、前記発熱抵抗体を円盤中心から同心円状に半径の異なる複数の略円形体によって構成し、前記略円形体に複数の高抵抗領域と複数の低抵抗領域とを等間隔をもって交互に、かつ前記高抵抗領域の線幅を前記低抵抗領域の幅の４分の１以下に狭くして配設するとともに、前記複数の略円形体を全て直列回路で結線してなることを特徴とする円盤状ヒータ。
前記高抵抗領域の電気抵抗が前記低抵抗領域の電気抵抗の４倍以上であることを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
前記半径の異なる各略円形体において、前記高抵抗領域が各略円形体の円周長さの５０％以上を占めることを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
前記半径の異なる各略円形体において、前記高抵抗領域を６個以上配置したことを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
前記円盤状ヒータの中央部に一対の給電電極を配設してなることを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
前記発熱抵抗体が、前記円盤状セラミック基体と同時焼成して形成されてなることを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。