JP3794309B2

JP3794309B2 - 基板加熱構造体および基板処理装置

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Publication number: JP3794309B2
Application number: JP2001320191A
Authority: JP
Inventors: 啓柊平; 益宏夏原; 博彦仲田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: JP2003124085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板加熱構造体および基板処理装置に関し、より特定的には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置、プラズマＣＶＤ装置およびエッチング装置などの半導体装置を製造する装置に用いられる基板加熱構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造プロセスにおいて、半導体基板の表面上にＣＶＤ法を用いて成膜処理を行なう場合や、プラズマエッチングなどの処理を行なう場合、処理対象物である半導体基板を所定の温度に加熱する必要がある。このため、半導体基板をその上に配置して半導体基板を加熱するための基板加熱構造体が用いられる。
【０００３】
図６は、従来の基板加熱構造体を備えた基板処理装置の模式的な断面図である。図６を参照して、基板処理装置２００は、チャンバ１０１と、このチャンバ１０１内に設置されて、基板１４６が搭載される保持体１４３とを備える。チャンバ１０１内には、ガス供給口１４０と、真空ポンプに接続された排気口１４１とが形成されている。保持体１４３はセラミックスからなり、その内部に抵抗発熱体１１５が埋設されている。
【０００４】
保持体１４３には、基板１４６を搭載する面とは反対側に円柱状の支持部としてのシャフト１４４が設置されている。このシャフト１４４はセラミックス製であり、チャンバ１０１を構成する壁を貫通するように配置されている。また、このシャフト１４４とチャンバ１０１の壁との間には、Ｏリング１４５が設置されている。このＯリング１４５により、チャンバ内部１４２の気密性が保たれている。また、シャフト１４４には、抵抗発熱体１１５に電力を供給するための電極線１１０ａおよび１１０ｂが設けられている。さらに、シャフト１４４には、保持体１４３の温度を測定するための熱電対１１２が設けられている。
【０００５】
シャフト１４４内がチャンバ内部１４２内に存在する腐食性の高いハロゲン系ガスなどの反応ガスに晒されないようにするために、シャフト１４４と保持体１４３との接合部には、気密性の高い接合を必要とする。
【０００６】
また、シャフト１４４内部は大気雰囲気とされることが多い。保持体１４３内に埋込んだヒータ回路またはＲＦ(Radio Frequency)電極は、タングステンまたはモリブデン製のメタライズ、コイル、またはメッシュにより構成される。これらのヒータ回路またはＲＦ電極から電極端子を取出す部分に耐酸化性を向上させるための気密構造を工夫する必要がある。さらに、熱膨張係数の異なる材料間の気密封止などの問題が多かった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のシャフト１４４と保持体１４３との接合構造では、保持体１４３とシャフト１４４の接合応力を考慮すると、保持体１４３とシャフト１４４は同じ材質であることが好ましい。保持体１４３には、均熱性が要求されるため、熱伝導率の高い材質が用いられる。このため、シャフト１４４の熱伝導率も高くなり、熱伝達により、保持体１４３の熱はシャフト１４４を通じてシャフト１４４端部に伝わる。シャフト１４４から熱が逃げるため、保持体１４３の裏面において、シャフト１４４と接合されている部分と、シャフト１４４と接合されていない部分で均熱性が保てなくなり、基板１４６を均一に加熱することが難しかった。
【０００８】
保持体１４３にシャフト１４４を接合すると、直径が３５０ｍｍの保持体１４３の面上で±１％以上の温度のばらつきが存在していたが、基板１４６上の均一な反応を起こさせるためには、保持体１４３の表面での温度のばらつきは±１％未満であることが必要であり、さらに好ましくは、ばらつきは±０．５％以下とされる。
【０００９】
また、シャフト１４４の端部は、耐熱性が２００℃以下のＯリング１４５を用いて封止する。その劣化を防ぐためには、保持体１４３を温度５００℃〜８００℃の高温に加熱しながら、一方でシャフト１４４端部を水冷して温度を１５０℃程度に抑える必要がある。保持体１４３とシャフト１４４の端部に熱勾配をつけ過ぎると、シャフト１４４が熱応力によって割れてしまう。そのため、シャフト１４４の長さを、たとえば３００ｍｍ等の長さにして保持体１４３裏面に接合する必要がある。これにより、チャンバ１０１の寸法を小さく抑えることが困難であった。
【００１０】
また一方では、保持体１４３を発熱させ、シャフト１４４端部に伝わってきた熱を水冷するため、エネルギロスが非常に大きく熱効率が悪い。具体的には、熱効率は５０％未満であった。ランニングコストの観点から熱効率を５０％以上とすることが望まれており、さらに好ましくは、熱効率は７０％以上である。熱効率は投入電力に対する昇温に寄与したエネルギの割合であり、以下の式で算出される。
【００１１】
（（基板１４６の質量）×（昇温温度差）×（比熱））／（投入電力量）
保持体１４３を構成する絶縁性のセラミックスに耐酸化性の高いニッケルなどの引出し線を直接接合すると、セラミックスと引出し線との熱膨張率の差により、セラミックスが熱応力で割れる。したがって、セラミックスと引出し電極との間に電極端子を介在させて、これらを接合する必要がある。シャフト１４４で高気密に仕切って、シャフト１４４内部がハロゲンなどの腐食性の高い反応ガスに侵されないようにしている。しかし、通常、シャフト１４４内部は大気雰囲気に晒される。保持体１４３に埋込まれた抵抗発熱体１１５を、電極端子を通じて系外に通じる電極線１１０ａおよび１１０ｂに接続する必要がある。そのため、電極端子または引出し線は耐酸化性材料にするか、または耐酸化被膜を施す必要がある。電極端子に求められる特性は以下のとおりである。
【００１２】
（１）熱膨張率がセラミックスに近い。なお、窒化アルミニウムの熱膨張率は４．５×１０^-6／Ｋである。窒化ケイ素の熱膨張率は３．０×１０^-6／Ｋである。酸化アルミニウムの熱膨張率は６．７×１０^-6／Ｋである。
【００１３】
（２）温度８００℃以下の大気中で耐酸化性がある
（３）電気抵抗が低い（１０^-5Ωｃｍ以下）。
【００１４】
そのすべてを満足する材料はなかなかないため、上述の項目のうち１または２項目を満たした材料を組合わせて電極構造を形成する必要がある。
【００１５】
保持体１４３内に埋込まれた金属がタングステンやモリブデンのような耐酸化性に劣る材料の場合、電極部分から酸素が入り込まないようにするために複雑な構造にならざるを得ない。
【００１６】
また、保持体１４３の裏面に長いシャフトが設けられているため、それをチャンバ１０１内に入れるためにはシャフト長に応じたチャンバ高さを必要とするため、装置をコンパクトにすることが難しかった。
【００１７】
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、構造が簡素化された基板加熱構造体および基板処理装置を提供することを目的とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明の１つの曲面に従った基板加熱構造体は、チャンバ内部で基板を加熱する基板加熱構造体であって、チャンバ内に配置されて基板を保持するセラミックス基体と、セラミックス基体に埋込まれた導体層と、電磁誘導によりセラミックス基体中の導体層を加熱する加熱手段とを備え、チャンバに接触するセラミックス基体の表面の平均粗さＲａが１．０μｍ以上である。
このように構成された基板加熱構造体では、導体層は、加熱手段により電磁誘導で加熱される。そのため、従来のように導体層に引出し電極を接続する必要がない。さらに、この引出し電極をチャンバ内に導くためのシャフトも必要ない。その結果、構造が簡素化された基板加熱構造体を提供することができる。また、チャンバに接触するセラミックス基体の表面粗さが大きくなるため、チャンバとセラミックス基体との接触面積を小さくすることができる。その結果、熱の放散をさらに抑えることができる。
この発明の別の局面に従った基板加熱構造体は、チャンバ内部で基板を加熱する基板加熱構造体であって、チャンバ内に配置されて基板を保持するセラミックス基体と、セラミックス基体に埋込まれた導体層と、電磁誘導によりセラミックス基体中の導体層を加熱する加熱手段とを備え、チャンバとセラミックス基体との間に介在する、円錐状、角錐状、円柱状および角柱状のいずれかの形状の突起部材をさらに備える。
このように構成された基板加熱構造体では構造が簡素化された基板加熱構造体を提供することができる。さらに、突起部材がチャンバとセラミックス基体との間に介在するため、チャンバとセラミックス基体との接触面積が少なくなる。その結果、さらにセラミックス基体からの熱の放散を抑えることができる。
この発明のさらに別の局面に従った基板加熱構造体は、チャンバ内部で基板を加熱する基板加熱構造体であって、チャンバ内に配置されて基板を保持するセラミックス基体と、セラミックス基体に埋込まれた導体層と、電磁誘導によりセラミックス基体中の導体層を加熱する加熱手段とを備え、チャンバに取付けられた第１の磁石と、第１の磁石に向かい合うようにセラミックス基体に取付けられた第２の磁石とをさらに備える。第１の磁石と第２の磁石との間に作用する反発力により、セラミックス基体はチャンバから磁気浮上する。
この場合、構造が簡素化された基板加熱構造体を提供することができる。さらに、セラミックス基体がチャンバから磁気浮上するため、セラミックス基体とチャンバは直接接触しない。その結果、セラミックス基体からチャンバへの熱の放散を抑えることができる。
【００２０】
また好ましくは、セラミックス基体は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素および酸化アルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも１種を主成分として含む。
【００２１】
また好ましくは、セラミックス基体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウムを主成分として含む。
【００２２】
また好ましくは、導体層は、タングステン、モリブデン、白金、金、銀、パラジウム、ニッケルおよびクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む。
【００２３】
また好ましくは、加熱手段は、周波数が５００Ｈｚ以上の高周波で導体層を加熱する。
【００２４】
また好ましくは、セラミックス基体は、基板を載置する第１の面と、第１の面と反対側に位置する第２の面とを含む。第１の面側に導体層が埋込まれている。第２の面側のセラミックス基体の部分に空孔が形成されている。空孔内の圧力は大気圧より低い。
【００２５】
また好ましくは、空孔内の圧力は１３３Ｐａ以下である。
また好ましくは、空孔は、第１の面に近い側の第１の内表面と、第１の面から遠い側の第２の内表面とにより規定される。第２の内表面は、平均粗さＲａが０．１μｍ以下の部分を含む。この場合、第２の内表面の平均表面粗さＲａが０．１μｍ以下の部分を含むため、この部分で熱が反射する。これにより、熱の放散を抑えることができる。
【００２９】
この発明に従った基板処理装置は、上述のいずれかの基板加熱構造体と、基板加熱構造体のセラミックス基体が内部に配置されたチャンバとを備える。
【００３０】
上述の基板処理装置は、化学気相蒸着装置である。
本発明者らは、複雑な電極構造を必要としない基板加熱構造体についてさまざまに検討した。引出し線を用いて直接セラミックス基体内のヒータ回路を系外の電源と接続しようとすると、引出し線をチャンバ内に導入するシャフトが必要となる。このシャフトは、ハロゲン等の腐食性の高いガスから引出し線を保護する。しかしながら、このシャフトを用いると上述のような問題が生じる。
【００３１】
そこで、引出し線でなく、チャンバ壁、チャンバ壁内またはチャンバ壁外に組み込んだ加熱手段（たとえばコイル）に交流電流を流し、セラミックス基体に埋込んだ導体層に磁力線を送り込み、この導体層に渦電流を流すことによりヒータ回路として作用させて発熱させる。このように電磁誘導加熱により発熱した熱を、伝熱により基板に伝えて加熱する。
【００３２】
セラミックスは、耐熱性、耐食性および熱伝導性を鑑みて、窒化アルミニウム、窒化ケイ素および酸化アルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも１種を主成分として用いることが好ましい。
【００３３】
上述のセラミックスの中でも、熱伝導率が高い焼結体が得られる窒化アルミニウムを用いることが好ましく、さらにその熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ以上とすることが望ましい。
【００３４】
セラミックス中に埋込まれてヒータ回路を構成する導体層は、抵抗の高い金属であればよいが、ヒータ回路の厚みを薄くするなどにより抵抗を上げることが可能である。耐熱性も鑑みると、タングステン、モリブデン、白金、金、パラジウム、ニッケルおよびクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種以上であることが好ましい。
【００３５】
その際、電磁誘導加熱に用いる電流の周波数は、家庭用電源の周波数の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚよりも、５００Ｈｚ以上の高周波を用いる方が発熱効率が良い。また、騒音も発生しない。
【００３６】
この発明では、電磁誘導加熱を用いてセラミックス基体中の導体層が加熱されるため、ウェハ保持体をシャフトで保持する必要がない。
【００３７】
したがって、チャンバ壁に熱を逃がして加熱効率を落とすことがなく、また、チャンバ壁を熱変形させることがないため、チャンバへの熱の伝わりを防げばセラミックス基体をチャンバ内壁に直接置くことが可能となる。基板を搭載する面と反対側の面に空孔を設け、空孔内部の圧力を大気圧より低くすることで断熱層としての機能を持たせることができる。真空にすればその効果はさらに向上する。
【００３８】
空孔内壁の少なくとも基板を保持する面に対面した面の一部あるいは全面が、平均粗さＲａが０．１μｍ以下の鏡面に仕上げられていることが好ましい。このように構成すれば、セラミックス基体上部から輻射で放射された熱がその面で反射されてセラミックス基体に戻すことができる。これにより、熱がチャンバの壁面へ逃げることを防止することができ、空孔での断熱効率を上げることができる。
【００３９】
また、セラミックス基体を、円錐状、角錐状、円柱状または角柱状の突起部材で支持するか、またはチャンバと接触するセラミックス基体の表面の平均粗さＲａを１．０μｍ以上としてもよい。この場合、微細な突起がチャンバの壁面と接触することにより、チャンバ壁面への熱伝達を抑えることができる。さらに、突起部材を用いることにより、チャンバとセラミックス基体との接触面積を小さくすることができる。これによりチャンバ壁への熱伝達を防止することができる。
【００４０】
セラミックス基体およびチャンバのそれぞれの対向する箇所に磁石を取付け、セラミックス基体を磁気浮上させることができる。これにより、発生した熱がチャンバ側へ逃げない。そのため基板の加熱効率が良く、かつ均一加熱性に優れる。
【００４１】
電磁誘導加熱を用いることにより、シャフトとセラミックス基体とを接合する必要がないため、シャフトが接合されるセラミックス基体の面での温度低下がなくなる。これにより、基板を保持する面での均熱性を±１％未満とすることができる。さらに、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウムをセラミックス基体として用いることにより、均熱性を±０．５％以下とすることができる。
【００４２】
電磁誘導加熱を用いることによりシャフト接合を必要としないため、シャフトを通じて熱が逃げることがない。これにより、熱効率を５０％以上にすることができる。さらに、電磁誘導加熱と上述の断熱手法を組合わせることにより、７０％以上の熱効率を得ることが可能となる。
【００４３】
またシャフトを必要としないため、チャンバをコンパクトにすることができる。
【００４４】
さらに、ヒータを構成する導体層に電磁誘導を用いて電力を供給するため、引出し線を接続するための電極構造を必要としない。その結果、接続不良が存在しなくなる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４６】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１に従った基板処理装置１００は、チャンバ１０１と、基板加熱構造体１１０とを備える。基板加熱構造体１１０は、チャンバ１０１内部で基板１４６を加熱する。基板加熱構造体１１０は、チャンバ１０１内に配置されて基板１４６を保持するセラミックス基体としての保持体１４３と、保持体１４３に埋込まれた導体層１５０と、電磁誘導により保持体１４３中の導体層１５０を加熱する加熱手段としてのコイル１５１とを備える。
【００４７】
保持体１４３は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素および酸化アルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも１種を主成分として含む。
【００４８】
保持体１４３は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウムを主成分として含む。導体層１５０は、タングステン、モリブデン、白金、金、銀、パラジウム、ニッケルおよびクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む。
【００４９】
コイル１５１は、周波数が５００Ｈｚ以上の高周波で導体層１５０を加熱する。
【００５０】
チャンバ１０１は箱状であり、チャンバ１０１には、ガス供給口１４０と、真空ポンプに接続された排気口１４１とが形成されている。チャンバ１０１は断熱容器により構成される。
【００５１】
セラミックス基体としての保持体１４３がチャンバ１０１内に配置されている。保持体１４３は、基板１４６を載置する第１の面１４３ｓと、第１の面１４３ｓと反対側に位置してチャンバ１０１と接触する第２の面１４３ｔとを有する。第１の面１４３ｓと第２の面１４３ｔとはほぼ平行に形成されている。
【００５２】
導体層１５０が保持体１４３の第１の面１４３ｓ側に埋込まれている。導体層１５０は金属により構成され、電磁誘導で加熱される。導体層１５０で発生した熱が基板１４６へ伝えられるため、導体層１５０と基板１４６との距離は小さい方が好ましい。
【００５３】
熱電対１１２はチャンバ１０１の壁面を貫通して保持体１４３に差し込まれるように形成されている。熱電対１１２の先端が基板１４６の温度を測定する。そのため、熱電対１１２の先端は基板１４６の近傍に位置することが望ましい。また、熱電対１１２は導体層１５０と直接接触しないように配置される。
【００５４】
チャンバ１０１外部には、加熱手段としてのコイル１５１が設けられている。コイル１５１はチャンバ１０１内に設けられてもよい。さらに、チャンバ１０１の壁面にコイル１５１が埋込まれてもよい。コイル１５１に高周波電流を印加することにより、電磁誘導の原理で導体層１５０を加熱することができる。
【００５５】
このように構成された基板加熱構造体１１０およびそれを用いた基板処理装置１００では、発熱体としての導体層１５０は、コイル１５１により、電磁誘導で加熱される。そのため、発熱体に引出し線等を接続する必要がない。その結果、引出し線を設けるためのさまざまな複雑な構造を必要とせず、構造が簡素化された基板加熱構造体１１０を提供することができる。このように、構造が簡素化されているため、基板加熱構造体１１０の製造コストを低下させることができ、さらに故障を防止することができる。
【００５６】
（実施の形態２）
図２は、この発明の実施の形態２に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。図２を参照して、この発明の実施の形態２に従った基板処理装置１００および基板加熱構造体１１０では、保持体１４３内に空孔１６１が設けられている点で、実施の形態１に従った基板処理装置１００および基板加熱構造体１１０と異なる。セラミックス基体としての保持体１４３は、基板１４６を載置する第１の面１４３ｓと、第１の面１４３ｓと反対側に位置する第２の面１４３ｔとを含む。第１の面１４３ｓ側に導体層１５０が埋込まれている。第２の面１４３ｔ側のセラミックス基体の部分に空孔１６１が形成されている。空孔１６１内の圧力は大気圧より低い。より好ましくは、空孔１６１内の圧力は１３３Ｐａ以下である。空孔１６１は、第１の面１４３ｓに近い側の第１の内表面１６１ｓと、第１の面１４３ｓから遠い側の第２の内表面１６１ｔとにより規定される。第２の内表面１６１ｔが平均粗さＲａが０．１μｍ以下の部分を含む。
【００５７】
このように構成された、この発明の実施の形態２に従った基板加熱構造体１１０および基板処理装置１００では、実施の形態１で示した基板加熱構造体１１０および基板処理装置１００と同様の効果がある。さらに、保持体１４３に空孔１６１が形成されている。この空孔内の圧力は大気圧より低いため、空孔１６１により断熱効果が生じる。また、第２の内表面１６１ｔの表面粗さＲａが０．１μｍ以下であり、この部分が鏡面研磨されているため、第１の内表面１６１ｓから輻射された熱が第２の内表面１６１ｔで反射する。これによりさらに断熱効果を上げることができる。その結果、熱効率をさらに向上させることができる。
【００５８】
（実施の形態３）
図３は、この発明の実施の形態３に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。図３を参照して、この発明の実施の形態３に従った基板加熱構造体１１０およびそれを備えた基板処理装置１００では、第２の面１４３ｔに突起１４３ｕが形成されている点で、実施の形態１に従った基板加熱構造体１１０および基板処理装置１００と異なる。すなわち、チャンバ１０１に接触する保持体１４３の第２の面１４３ｔの平均粗さＲａが１．０μｍ以上とされる。
【００５９】
このように構成された、この発明の実施の形態３に従った基板加熱構造体１１０およびそれを用いた基板処理装置１００では、まず、実施の形態１に従った基板加熱構造体１１０および基板処理装置１００と同様の効果がある。
【００６０】
さらに、第２の面１４３ｔの表面粗さが大きいため、第２の面１４３ｔとチャンバ１０１との接触面積が小さくなる。これにより、保持体１４３からチャンバ１０１へ熱が伝達するのを防止することができ、熱効率をさらに向上させることができる。
【００６１】
（実施の形態４）
図４は、この発明の実施の形態４に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。図４を参照して、この発明の実施の形態４に従った基板加熱構造体１１０およびそれを用いた基板処理装置１００では、チャンバ１０１と保持体１４３との間に円錐形状の突起部材１４９が設けられている点で、実施の形態１に従った基板加熱構造体１１０および基板処理装置１００と異なる。突起部材１４９は、円錐形状に限られるものではなく、角錐状、円柱状および角柱状のいずれかとしてもよい。
【００６２】
このように構成された、この発明の実施の形態４に従った基板加熱構造体１１０および基板処理装置１００では、実施の形態３に従った基板加熱構造体１１０および基板処理装置１００と同様の効果がある。
【００６３】
（実施の形態５）
図５は、この発明の実施の形態５に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。図５を参照して、この発明の実施の形態５に従った基板加熱構造体１１０およびそれを用いた基板処理装置１００では、保持体１４３に磁石１７２が設けられ、チャンバ１０１に磁石１７１が設けられている点で、これらが設けられていない実施の形態１に従った基板加熱構造体１１０および基板処理装置１００と異なる。
【００６４】
磁石１７１および１７２はそれぞれ円盤形状であり、中央に孔が設けられている。この孔を熱電対１１２が貫通する。磁石１７１と磁石１７２との間に反発力が生じるように互いの磁石が位置決めされる。すなわち、基板加熱構造体１１０は、チャンバ１０１に取付けられた第１の磁石としての磁石１７１と、磁石１７１に向かい合うようにセラミックス基体としての保持体１４３に取付けられた第２の磁石としての磁石１７２とをさらに備える。磁石１７１と磁石１７２との間に作用する反発力により、保持体１４３はチャンバ１０１から磁気浮上する。
【００６５】
このように構成された、この発明の実施の形態５に従った基板加熱構造体１１０およびそれを用いた基板処理装置１００に従えば、まず、実施の形態１に示した基板加熱構造体１１０および基板処理装置１００と同様の効果がある。
【００６６】
さらに、保持体１４３は、チャンバ１０１から浮上するため、直接チャンバ１０１に接触することがない。その結果、保持体１４３からチャンバ１０１への熱の伝達が少なくなるため、熱効率をさらに向上させることができる。
【００６７】
【実施例】
（実施例１）
窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤としてイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を５．０質量％と、バインダとを添加した。これらを分散混合した後、乾燥させて粉末を得た。この粉末を焼結加工した後に直径φが３５０ｍｍで厚みが５．０ｍｍとなる寸法でプレスすることにより成形体１を得た。また、直径φが３５０ｍｍで厚みが２．０ｍｍとなるようにプレスして成形体２を得た。成形体１にタングステンぺーストを用いて発熱回路を印刷した後乾燥した。タングステン発熱回路を挟み込むように成形体２と成形体１を重ね合わせた。温度９００℃の窒素ガス気流中で脱脂し、カーボンの型内にセットした。これを荷重９．８ＭＰａ、温度１８５０℃で４時間ホットプレス焼結した。得られた焼結体の上面と下面とをダイヤモンド砥粒で研磨して保持体１４３を得た。研磨面の平均粗さＲａは０．８μｍであった。窒化アルミニウムの熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫであった。
【００６８】
これを、直径φが５ｍｍで高さが５ｍｍの円錐状のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）で５点支持して図４で示すようにＣＶＤ装置のチャンバ１０１内にセットした。対向面するチャンバの壁面にコイル１５１を埋込んで周波数が３０ｋＨｚで１０００Ｗの電力で電磁誘導加熱を行なった。熱電対１１２で測定した温度（加熱温度）は５５０℃であり、基板１４６を搭載する第１の面１４３ｓでの均熱性（温度のばらつき）は±０．４５％であった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。また、熱効率は７８％であった。
【００６９】
（比較例１）
比較例１では、上述の成形体１にタングステンぺーストで発熱回路を印刷した後乾燥した。成形体２に、成形体１の発熱回路の両端部に相当する箇所に孔をあけて、発熱回路を挟み込むように重ね合わせて温度９００℃の窒素ガス気流中で脱脂した。その後カーボンの型にセットして９．８ＭＰａの荷重で温度１８５０℃で４時間ホットプレス焼結した。得られた焼結体の上面と下面とをダイヤモンド砥粒を用いて研磨した。研磨面の平均粗さＲａは０．８μｍであった。窒化アルミニウムの熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫであった。
【００７０】
外径φが５０ｍｍで長さが３００ｍｍの形状の窒化アルミニウム焼結体で作製したシャフトの端部に９．８ＭＰａの荷重をかけて温度１８００℃で２時間ホットプレスすることによりシャフトと焼結体とを接合した。タングステンの回路パターンの両端部にタングステンねじをろう付けにて接合した。さらに、引出し線としてニッケルロッドをタングステンねじにねじ込んで接合した。これをＣＶＤ装置のチャンバ内に配置し、直径φが５ｍｍで高さが５ｍｍの円錐状のＡｌ₂Ｏ₃の突起部材で５点支持してセットした。ニッケルの引出し線端部を系外の電源に電気的に接続した。電源から１０００Ｗの電力を供給した。熱電対で測定した温度は５５０℃であった。ヒータの表面の均熱性は±１．１％であった。このとき、シャフト接合部の反対側の基板で搭載面の温度が特に低下した。熱効率は４０％となった。
【００７１】
（実施例２）
実施例１と同じ装置を用いて周波数が６０Ｈｚ、電力が１０００Ｗで誘導加熱した。熱電対１１２で測定した温度は５５０℃であり、均熱性は±０．４５％であった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。加熱時に微小な振動が発生し、エネルギロスが生じた。実施例１に比べ熱効率は低くなり、熱効率は６５％であった。
【００７２】
（実施例３）
実施例１の成形体１に溝を加工してモリブデンコイルを埋込んだ。成形体１および２とも、温度９００℃で脱脂して２枚を重ねて荷重９．８ＭＰａで加圧しながら温度１８５０℃で４時間加熱してホットプレス焼結した。窒化アルミニウムの熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫであった。得られた焼結体で保持体１４３を構成し、図４で示すように、直径φが５ｍｍで高さが５ｍｍの円錐状のアルミナで保持体１４３を５点支持してチャンバ１０１壁上に置いた。対向するチャンバ壁にコイル１５１を埋込んで周波数３０ｋＨｚ、電力１０００Ｗで電磁誘導加熱を行なった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。熱電対１１２で測定した温度は５５０℃であり、均熱性は±０．５％であった。熱効率は７０％であった。
【００７３】
（実施例４〜６）
実施例１の成形体１を温度９００℃の窒素ガス気流中で脱脂しカーボンの型内にセットした。荷重が９．８ＭＰａ、温度１８５０℃で４時間ホットプレス焼結した。窒化アルミニウムの熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫであった。
【００７４】
実施例４では白金−金（Ｐｔ−Ａｕ）ペーストを成形体１に塗布した。実施例５では、銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）ペーストを塗布した。実施例６ではニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）ペーストを塗布した。温度１５０℃で乾燥した後温度８００℃で脱脂して温度７５０℃〜９００℃で焼成した。
【００７５】
実施例１の成形体２に低融点ガラスを塗布した。成形体１と成形体２を重ねて４．９ｋＰａの荷重を加えて温度７５０℃で接合した。これにより保持体１４３を形成した。直径φが５ｍｍで高さが５ｍｍの円錐状のアルミナで保持体１４３を５点支持し、チャンバ１０１の壁上に置いた。対向するチャンバ壁にコイルを埋込んで周波数が３０ｋＨｚ、電力１０００Ｗで電磁誘導加熱を行なった。それぞれの実施例４から６で熱電対１１２の温度（加熱温度）は５５０℃であった。それぞれの実施例での均熱性は、実施例４では±０．４５％、実施例５では±０．４５％および実施例６では±０．４４％であった。このとき、温度分布はすべて同心円上で均一であり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。熱効率は、実施例４では７５％、実施例５では７４％、実施例６では７５％であった。
【００７６】
（実施例７）
窒化ケイ素粉末に焼結助剤としてイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）をそれぞれ０．５質量％ずつ添加し、さらにバインダを添加して分散混合した。その後乾燥した粉末を焼結加工して、直径φが３５０ｍｍで厚みが５．０ｍｍの寸法の成形体１をプレスして得た。また、直径φが３５０ｍｍで厚みが２．０ｍｍの成形体２をプレスで得た。この成形体１上にタングステンぺーストを塗布して発熱回路を形成し、温度９００℃の窒素ガス気流中で脱脂した後、成形体１と成形体２を重ね合わせ、９．８ｋＰａの荷重をかけながら温度１６００℃で４時間焼結した。窒化ケイ素の熱伝導率は３０Ｗ／ｍＫであった。得られた焼結体の上下面をダイヤモンド砥粒で研磨した。これにより保持体１４３を形成した。
【００７７】
直径φが５ｍｍで高さが５ｍｍの円錐状のアルミナで保持体１４３を５点支持してチャンバ１０１壁上に置いた。対向するチャンバの壁面にコイルを埋込んで周波数が３０ｋＨｚ、電力が１０００Ｗの条件で電磁誘導加熱を行なった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。熱電対１１２で測定した温度は５５０℃であった。均熱性は±０．７％であった。熱効率は６５％であった。
【００７８】
（実施例８）
酸化アルミニウム粉末に焼結助剤としてマグネシア（ＭｇＯ）を１質量％添加し、さらにバインダを添加して分散混合した。得られた粉末を乾燥して焼結した後に実施例７の成形体１および成形体２と同一の寸法となるようにプレスした。この成形体１上にタングステンペーストを塗布して発熱回路を形成し、温度７００℃の大気ガス気流中で脱脂した。さらに温度１６００℃で３時間焼結した。酸化アルミニウムの熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫであった。得られた焼結体の上面と下面をダイヤモンド砥粒を用いて研磨して図４で示す保持体１４３を得た。
【００７９】
直径φが５ｍｍで高さが５ｍｍの円錐状のアルミナで保持体１４３を５点支持してチャンバ１０１壁上に置いた。対向するチャンバ壁にコイル１５１を埋込んで周波数が３０ｋＨｚ、電力が１０００Ｗで電磁誘導加熱を行なった。熱電対１１２で測定した温度は５５０℃であり、均熱性は±０．９％であった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。熱効率は６０％であった。
【００８０】
（実施例９）
実施例１と同じ製法で、窒化アルミニウムを焼結後ダイヤモンド砥粒で上下面を研磨して、直径φが３５０ｍｍで厚みが５．０ｍｍの成形体１、直径φが３５０ｍｍで厚みが２．０ｍｍの成形体２および直径φが３５０ｍｍで厚みが１．０ｍｍの成形体３を得た。窒化アルミニウムの熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫであった。成形体１にタングステンペーストを塗布して発熱回路を形成した後、乾燥した。温度９００℃で脱脂した後、温度１９００℃で５時間焼成した。成形体２の中央部を、直径φが３３０ｍｍで深さが０．５ｍｍの座繰り加工して外周の縁部を５ｍｍの幅で残した。座繰り面の面精度はＲａ＝０．８μｍであった。
【００８１】
成形体３の片面と、成形体２の座繰り外周の縁上に接合用ペーストを塗布し、乾燥後、温度９００℃で脱脂した。成形体１のタングステンメタライズ図面と成形体３の接合ペースト面とを重ね合わせた。成形体３の接合ペーストがない面と成形体２の座繰り面を重ね合わせた。窒素の圧力が９８ｋＰａ中で、３枚の成形体１から３を９．８ｋＰａの荷重で加圧しながら温度１７５０℃で１時間加熱して接合した。これにより、図２で示す空孔１６１を有する保持体１４３を得た。温度５５０℃で空孔１６１の内圧は４０ｋＰａとなった。接合体の上下面をダイヤモンド砥粒で研磨して仕上げた。この成形体２を下にしてチャンバ壁上に直に保持体１４３を図２で示すように設置した。対向するチャンバ壁にコイル１５１を埋込んで周波数が３０ｋＨｚ、電力が１０００Ｗで電磁誘導加熱を行なった。熱電対１１２で測定した温度は５５０℃であった。均熱性は０．３５％であった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。冷却水として、全実施例とも２５℃の水を流しているが、実施例１の場合、ヒータが搭載されるチャンバ１０１の平均表面の温度が１２０℃であったのに比べ、本実施例では５０℃であり、温度が低くなった。これは、チャンバへの熱の逃げが抑えられたためと考えられる。熱効率は８１％であった。
【００８２】
（実施例１０）
接合時の窒素圧力を３３．３Ｐａで行なった以外は、実施例９と同じ方法で保持体１４３を作製した。温度５５０℃における空孔１６１内の圧力は１３．３Ｐａとなった。成形体２を下にして図２で示すように保持体１４３をチャンバ壁に直に設置した。対向するチャンバ壁にコイル１５１を埋込んで、周波数が３０ｋＨｚ、電力１０００Ｗで電磁誘導加熱を行なった。熱電対１１２で測定した温度は５５０℃であった。均熱性は±０．２８％であった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。チャンバ１０１の壁面の温度は４０℃まで低くなった。チャンバへの熱の逃げが実施例９よりさらに抑えられたと考えられる。熱効率は８３％であった。
【００８３】
（実施例１１）
実施例１０と同じ製法で成形体１〜３を作製した。成形体２の座繰り面をさらに遊離砥粒を用いて平均粗さＲａが０．０５μｍになるまで磨いて実施例１０と同じ条件で接合した。成形体２を下にしてチャンバ１０１の壁に直に設置した。対向するチャンバ１０１の壁にコイル１５１を埋込んで、周波数が３０ｋＨｚ、電力１０００Ｗで電磁誘導加熱を行なった。熱電対１１２で測定した温度は５５０℃であり、均熱性は±０．２５％であった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。チャンバ１０１壁面の温度は３０℃まで低くなった。チャンバ１０１への熱の逃げが実施例１０よりさらに抑えられたと考えられる。熱効率は８５％であった。
【００８４】
（実施例１２）
実施例１では、保持体１４３の第２の面１４３ｔの平均粗さＲａは０．８μｍであったが、実施例１２では、この第２の面１４３ｔを粗粒の固定砥粒で荒らして平均粗さＲａを１．５μｍにして、チャンバ１０１上に図３で示すように直接設置した。対向するチャンバ壁にコイル１５１を埋込んで、周波数が３０ｋＨｚ、電力１０００Ｗで電磁誘導加熱を行なった。熱電対１１２で測定した温度は５５０℃であり、均熱性は±０．４５％であった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。熱効率は７６％であった。微視的な突起によって保持体１４３とチャンバ１０１との接触面積が減少した効果があったと考えられる。
【００８５】
（実施例１３）
図５で示すように、保持体１４３の第２の面１４３ｔに磁石１７２をＮ極が下になるように埋込んだ。この磁石１７２は永久磁石コイルにより構成される。チャンバ１０１の対向面には、Ｎ極が上になるように永久磁石コイルからなる磁石１７１を埋込んだ。この上に保持体１４３を設置した。磁石１７１および１７２の反発力により、保持体１４３は０．１ｍｍ程度浮いていた。チャンバ１０１内で保持体１４３が移動しないように、側面の４箇所をストッパで固定した。この状態で周波数３０ｋＨｚ、電力１０００Ｗで電磁誘導加熱を行なった。熱電対１１２で測定した温度は５５０℃であり、均熱性は±０．３％であった。このとき、温度分布は同心円上で均一となり、特に温度差の大きい特異点は発生しなかった。熱効率は８０％であった。
【００８６】
なお、上述の実施例１〜１３での実験条件を表１に示す。
【００８７】
【表１】

【００８８】
（実施例１４）
比較例１のサセプタは高さが３００ｍｍであり、チャンバ１０１上部には反応ガス供給用のシャワーヘッドがあるため、ＣＶＤのチャンバ１０１の内寸の高さは３５０ｍｍのものを用いた。実施例１のサセプタ（基板加熱構造体１１０）を用いたＣＶＤのチャンバを新たに設計したところ、内寸の高さは５０ｍｍであり、大幅にコンパクト化することが可能となった。
【００８９】
（実施例１５）
比較例１のサセプタでは、ホットプレス接合後に、保持体の中央付近にヒータ回路の両端部を露出させる必要がある。そのため、もう１枚の成形体に、電極に対応した部分に孔を開けて位置合わせをして接合する。直径φが５０ｍｍで長さが３００ｍｍのシャフトをホットプレス接合した後、電極部にニッケル引出し線を接合して系外に接続し、電力供給できるようした。窒化アルミニウムとニッケルは熱膨張率が異なる。そのため、直接接合すると、熱応力により脆性材料である窒化アルミニウムにクラックが入る。これは、基板の保持体が窒化ケイ素またはアルミナでも同様である。そこで、窒化アルミニウムおよびタングステンのヒータ回路とニッケル引出し線の間に応力緩和用の電極端子を必要とする。電極端子は、大気中、温度７５０℃の雰囲気まで晒される可能性があるため、この温度までの耐酸化性を必要とする。また、電極端子部の抵抗が高いと、この部分で発熱が起こるため、電気抵抗は低い方がよい。ヒータ回路の抵抗から鑑みて、電極端子の電気抵抗は１０^-5Ωｃｍ以下である必要がある。保持体が窒化アルミニウムの場合、電極端子に要求される特性は以下の３項目にまとめられる。
【００９０】
（１）熱膨張率が窒化アルミニウムと同じ４．５×１０^-6／Ｋ。
（２）大気中温度８００℃までの耐酸化性に優れる。
【００９１】
（３）電気抵抗率が１０^-5Ωｃｍ以下。
この３条件を同時に満たす材料はなかなか存在しない。たとえばタングステンは（１）において熱膨張率が４．５×１０^-6／Ｋであり、（３）において電気抵抗率が５．６×１０^-6Ωｃｍと２つの条件を満たすが、大気中での耐酸化性に乏しい。具体的には、温度４００℃以上で酸化タングステンとして昇華してしまう。モリブデンは（１）において熱膨張率が５．５×１０^-6で窒化アルミニウムにやや近い。（３）において電気抵抗率は５．２×１０^-6Ωｃｍであり、２つの条件を満たす。しかし、大気中での耐酸化性に乏しく、温度４００℃以上で酸化モリブデンとして昇華する。
【００９２】
たとえば、コバールは（２）おいて大気中温度８００℃では変色はするが比較的耐久性を有する。（１）において室温では熱膨張率は４．５×１０^-6／Ｋに近いが、温度４００℃以上での熱膨張率が４．５×１０^-6／Ｋから大きく外れ、１０×１０^-6／Ｋ程度になる。また、電気抵抗率も目標値に対して１桁高く、電極端子部での発熱が懸念される。
【００９３】
さらに、金、白金またはニッケルは（２）の耐酸化性と（３）の電気導電性は全く問題がないが、（１）の熱膨張率が窒化アルミニウムやタングステンヒータ回路と合わないため、電極端子材料としては不適格である。
【００９４】
したがって、上述の条件の１または２条件を満たす材料をうまく組合せて電極端子構造を形成する必要がある。さらに、タングステンヒータ回路端部も剥き出しにならないようにし、この部分も耐酸化性被膜処理構造が必要となる。さらに、電極端子の接合作業は狭いシャフト内で行なうことから、どうしても接合不良が生じる。
【００９５】
実施例１〜１３のサセプタでは、引出し線を形成する必要がなく、サセプタでの電極構造は全く不要となった。チャンバ側に電磁誘導コイルを必要とするが、一度チャンバにコイルを設置すると、サセプタが高温での長期使用や熱サイクルで寿命になったとしても、電磁誘導コイルは常温近傍で使用されるため、半永久的に使用できる。
【００９６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００９７】
【発明の効果】
この発明に従えば半導体の製造装置において、ウェハを保持しながら加熱するサセプタヒータに高抵抗の金属を埋込む。対向するチャンバの壁上、壁内または壁外にコイルを埋込んで交流電流を流し、サセプタヒータ内の金属を電磁誘導で加熱する。これにより引出し線を保護するためのシャフト接合が不要となり、系外に引出し線を引出すための耐酸化の電極構造も必要ない。完全にセラミックス中に金属を埋込んでしまえばよい。したがって、サセプタヒータが非常に単純形状となるため安価に製造できる。また、熱の逃げの原因となるシャフトがなくなるため、保持方法を熱の逃げの少なくなるように接触断面積を小さくしたり、磁気浮上させることにより基板の載置面の裏面への熱の逃げを抑えられ、基板の均一加熱が可能となり、ＣＶＤの膜厚や膜質の均一化が図れるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
【図３】この発明の実施の形態３に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
【図４】この発明の実施の形態４に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
【図５】この発明の実施の形態５に従った基板加熱構造体と基板処理装置の模式的な断面図である。
【図６】従来の基板処理装置の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１００基板加熱構造体、１０１チャンバ、１１０基板加熱構造体、１４３保持体、１４３ｓ第１の面、１４３ｔ第２の面、１４６基板、１４９突出部材、１５０導体層、１５１コイル、１６１空孔、１６１ｓ第１の内表面、１６１ｔ第２の内表面。

Claims

チャンバ内部で基板を加熱する基板加熱構造体であって、
チャンバ内に配置されて基板を保持するセラミックス基体と、
前記セラミックス基体に埋込まれた導体層と、
電磁誘導により前記セラミックス基体中の前記導体層を加熱する加熱手段とを備え、
チャンバに接触する前記セラミックス基体の表面の平均粗さＲａが１．０μｍ以上である、基板加熱構造体。
チャンバ内部で基板を加熱する基板加熱構造体であって、
チャンバ内に配置されて基板を保持するセラミックス基体と、
前記セラミックス基体に埋込まれた導体層と、
電磁誘導により前記セラミックス基体中の前記導体層を加熱する加熱手段とを備え、
チャンバと前記セラミックス基体との間に介在する、円錐状、角錐状、円柱状および角柱状のいずれかの形状の突起部材をさらに備えた、基板加熱構造体。
チャンバ内部で基板を加熱する基板加熱構造体であって、
チャンバ内に配置されて基板を保持するセラミックス基体と、
前記セラミックス基体に埋込まれた導体層と、
電磁誘導により前記セラミックス基体中の前記導体層を加熱する加熱手段とを備え、
チャンバに取付けられた第１の磁石と、
前記第１の磁石に向かい合うように前記セラミックス基体に取付けられた第２の磁石とをさらに備え、
前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に作用する反発力により、前記セラミックス基体はチャンバから磁気浮上する、基板加熱構造体。
前記セラミックス基体は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素および酸化アルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも１種を主成分として含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の基板加熱構造体。
前記セラミックス基体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウムを主成分として含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の基板加熱構造体。
前記導体層は、タングステン、モリブデン、白金、金、銀、パラジウム、ニッケルおよびクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の基板加熱構造体。
前記加熱手段は、周波数が５００Ｈｚ以上の高周波で前記導体層を加熱する、請求項１から６のいずれか１項に記載の基板加熱構造体。
前記セラミックス基体は、基板を載置する第１の面と、前記第１の面と反対側に位置する第２の面とを含み、前記第１の面側に前記導体層が埋込まれており、前記第２の面側の前記セラミックス基体の部分に空孔が形成されており、前記空孔内の圧力は大気圧より低い、請求項１から７のいずれか１項に記載の基板加熱構造体。
前記空孔内の圧力が１３３Ｐａ以下である、請求項８に記載の基板加熱構造体。
前記空孔は、前記第１の面に近い側の第１の内表面と、前記第１の面から遠い側の第２の内表面とにより規定され、前記第２の内表面は、平均粗さＲａが０．１μｍ以下の部分を含む、請求項８または９に記載の基板加熱構造体。
請求項１から１０のいずれか１項に記載の前記基板加熱構造体と、
前記基板加熱構造体の前記セラミックス基体が内部に配置されたチャンバとを備えた、基板処理装置。
前記基板処理装置は化学気相蒸着装置である、請求項１１に記載の基板処理装置。