JP4301403B2

JP4301403B2 - 半導体製造装置用ライナー

Info

Publication number: JP4301403B2
Application number: JP2003432140A
Authority: JP
Inventors: 義信後藤; 英芳鶴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2004228564A; US7157666B2; US20040144767A1

Description

本発明は、半導体製造装置用チャンバー内において、半導体を載置するためのサセプターの周囲に設置されるべきライナーに関するものである。

半導体製造装置においては、熱ＣＶＤなどによってシランガスなどの原料ガスから半導体薄膜を製造するに当たっては、通常、セラミックヒーター上に半導体ウエハーを載置して加熱している（直接加熱方式）。セラミックヒーターとしては、いわゆるマルチゾーンヒーターと呼ばれるものが知られている。マルチゾーンヒーターにおいては、セラミックス基体中に、高融点金属からなる内周側抵抗発熱体と外周側抵抗発熱体とを埋設し、これらの抵抗発熱体にそれぞれ別個の電流導入端子を接続し、各抵抗発熱体にそれぞれ独立して電圧を印加することにより、内周抵抗発熱体および外周側抵抗発熱体を独立に制御する。

特許文献１においては、セラミックヒーターの抵抗発熱体を、高融点金属などからなる複数の回路パターンによって構成している。そして、一つの回路パターンの折れ目や折り返し部などに、他の回路パターンを重ね合わせている。
特開平５−３２６１１２号公報

半導体ウエハーを加熱する用途においては、加熱面の温度を全体に均一に制御することが必要であり、使用条件下で例えば加熱面の全体にわたって±５℃以下といった厳格な仕様を満足することが要求されている。

例えばセラミックヒーターを製造した後に、内部の抵抗発熱体に対して電力を供給し、目標温度まで昇温したときに、目標の均熱性が得られたものとする。しかし、このセラミックヒーターを実際のチャンバーに取り付けると、加熱面の温度分布が変化する。これは、セラミックヒーターをチャンバーに取り付けるための器具との接触面の面積、接触面の形状、器具の熱容量、チャンバーの形状および熱容量、チャンバー内面の熱反射および熱吸収、チャンバー内外の気体の気圧と流れといった多数の複雑な要因によって左右される。

こうした理由から、セラミックヒーターをチャンバーに取り付ける前に加熱面の均熱性が得られていた場合でも、ヒーターをチャンバーに取り付けた後には、目標の均熱性が得られないことが多い。従って、ヒーターをチャンバーに取り付けた後に、抵抗発熱体に対する電力を微調整することによって、加熱面の温度分布が小さくなるように調節する必要がある。

しかし、このような調節は実際には困難であった。なぜなら、抵抗発熱体に対する電力供給量を増加、減少させると、その抵抗発熱体の全体の発熱量が変化するだけであって、必ずしもセラミックヒーター設置後の加熱面の温度分布が小さくなるわけではなく、かえって大きくなることもあるからである。また、前述したいわゆる２ゾーンヒーターは、加熱面の外周部分の平均温度や内周部分の平均温度を変化させるのには有効である。しかし、セラミックヒーターの設置後には、加熱面の一部のみにコールドスポットやホットスポットが発生することが多く、このため有効に対応できない。

また、セラミックヒーターを多数のゾーンに分割し、各ゾーンに対応してそれぞれ別個に抵抗発熱体を埋設することも考えられる。この場合には、コールドスポットがあるゾーンに対応する抵抗発熱体への電力供給量を増大させることによって、コールドスポットを消去することが可能なように見える。

しかし、本発明者が検討を進めると、実際にはこのような制御は困難であることが判明してきた。なぜなら、加熱面の各部分の温度は、その部分の直下の抵抗発熱体の発熱量だけでなく、他のゾーンの抵抗発熱体の発熱の影響も受けている。つまり、加熱面の温度分布は、各抵抗発熱体からの発熱量だけでなく、セラミック基板の形状、寸法、熱容量、および基板の周辺の温度、気圧、気体の流れなどの多数の変数の相互作用によって決まっている。コールドスポットが存在するゾーンに対応する抵抗発熱体への電力供給量を増大させることによって、そのコールドスポットを消去することは可能である。しかし、この場合には、コールドスポット下の抵抗発熱体からの熱量が、隣接するゾーンへと伝達され、加熱面の温度分布のバランスを変えてしまい、ホットスポットが生成することがあり、また加熱面の平均温度を上昇させてしまう。加熱面の平均温度が上昇すると、これを低下させるために他のゾーンに対応する抵抗発熱体への電力供給量を低減する必要があるが、この場合には別のコールドスポットが生成する原因となる。従って、一つのコールドスポットを消去しても、加熱面の最高温度と最低温度との差は、かえって広がってしまうことが多い。

本発明の課題は、チャンバー内でサセプター上の半導体を加熱処理するのに際して、サセプターの設定温度を高くした場合にも、サセプターの温度分布を低減できるようにすることである。

本発明は、半導体製造装置用チャンバー内において、半導体を載置するためのサセプターの周囲に設置されるライナーであって、
ライナーが、サセプターを包囲するリング状をなしており、サセプターに対向する対向面を有する本体部と、本体部とチャンバー側の背面との間の平均肉厚１０ｍｍ以下の肉薄部とを備えており、本体部と肉薄部とによって、チャンバーの内壁面に面するリング状の空隙が形成されており、対向面と背面との間にガス排出孔およびウエハー装入孔が設けられていることを特徴とする。

これによって、ライナーのチャンバー内壁面への接触熱伝導を著しく低減することでき、ライナー内の温度勾配を大きくすることができる。この結果、サセプターからライナーへの熱輻射による電力の損失を低減し、所望の加熱設定温度を達成するために必要なサセプターへの投入エネルギー量を低減することが可能となった。この結果、所望の加熱設定温度を達成しつつ、サセプター加熱面の温度の均一性を向上させることが可能となった。

好ましくは、ライナーのサセプター対向面の中心線平均表面粗さが０．５μｍ以下である。

本発明者は、サセプターの表面温度分布のムラ、特にコールドスポットやホットスポットが発生する原因について検討し、以下の知見を得た。例えばセラミックサセプター内に金属発熱線を埋設してセラミックヒーターを作製したものとする。このヒーターの発熱線に電力を投入して発熱させた場合には、投入電力値とヒーター加熱面の均熱性との間には相関がある。即ち、加熱設定温度が同一であれば、電力値が小さいほど、ヒーターの加熱面および半導体ウエハの均熱性が良好となる。これは、どのようなヒーターも、内部には発熱体の局所的な抵抗値分布、発熱体とヒーター基材間の熱抵抗のばらつきが必ず存在する。そして、ヒーターへの投入電力が大きい程、発熱体の局所的な抵抗値分布や、発熱体とヒーター基材間の熱抵抗のばらつきの影響が強調され、コールドスポットやホットスポットを生じ、結果的に均熱性確保に悪影響を与える。このため、所望の加熱設定温度を達成するために必要な投入電力値を低減することが望ましい。

ここで、本発明者の検討によると、セラミックヒーターへの投入電力（パワー）値の多くが、本来の目的である半導体ウエハーの接触加熱に使われることなく、外部へ大量に放熱されていた。このため、所定の加熱設定温度に到達するのに必要なヒーター基体への投入電力値が大きく、このためにヒーター加熱面の温度を均一化することが難しくなっていた。

上述したウエハー以外への放熱は、以下のものがある。
（１）ヒーター基体からチャンバー内の雰囲気への熱伝達
（２）ヒーター基体からシャフト（ヒーター支持部材）端冷却部への熱伝導
（３）ヒーター基体から、チャンバー内の部品（例えばガス供給板、ライナー）への輻射伝熱

ここで、チャンバー内部品とヒーターとの間隔は小さい上、部品の表面温度が低いことから、チャンバー内部品への輻射伝熱の影響（３）が特に大きい。ライナーのサセプターの対向面の中心線平均表面粗さＲａを０．５μｍ以下とすることによって、サセプターから半導体の加熱に使用されることなく無駄になる熱が減少し、所望の加熱設定温度を達成するために必要なサセプターへの投入エネルギー量を低減することが可能となった。この結果、所望の加熱設定温度を達成しつつ、サセプター加熱面の温度の均一性を向上させることが可能となった。

好ましくは、ライナーのサセプター対向面の熱放射率εが０．５以下である。

ライナーのサセプターへの対向面の熱放射率εを０．５以下とすることによって、サセプターから半導体の加熱に使用されることなく無駄になる熱が減少し、所望の加熱設定温度を達成するために必要なサセプターへの投入エネルギー量を低減することが可能となった。この結果、所望の加熱設定温度を達成しつつ、サセプター加熱面の温度の均一性を向上させることが可能となった。

好ましくは、ライナーが、サセプターに対向する対向面と、チャンバー内にライナーを支持する支持面とを備えており、支持面の面積が対向面の面積の２０%以下である。

本発明者は、サセプターからライナーへの熱輻射が増大する理由について更に検討したところ、サセプターの設定温度が高い場合であっても、ライナーの支持面の温度は比較的に低い点に着目した。これは、ライナー支持面がチャンバー内壁に設置されており、チャンバーが冷媒によって冷却されているために、ライナー全体が比較的に低温に維持されているためである。チャンバー内部は通常は水冷されているので、チャンバー壁面の温度は７０℃以下に保たれている。

このため、本発明者は、サセプターの支持面の面積を、サセプター対向面の面積の２０%以下に減少させることを想到した。これによって、ライナーのチャンバー内壁面への接触熱伝導を著しく低減することでき、ライナー内の温度勾配を大きくすることができる。この結果、サセプターからライナーへの熱輻射による電力の損失を気低減し、所望の加熱設定温度を達成するために必要なサセプターへの投入電力量を低減することが可能となった。この結果、所望の加熱設定温度を達成しつつ、サセプター加熱面の温度の均一性を向上させることが可能となった。

また、本発明は、チャンバー、半導体を載置するためのサセプター、およびこのサセプターの周囲に設置されるべき前記半導体製造装置用部品を備えていることを特徴とする、半導体製造装置に係るものである。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。最初に半導体製造装置およびその部品を説明し、次いで各発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明外の参考例に係る半導体製造装置１を概略的に示す断面図である。本例の装置１においては、チャンバー２内にサセプター５が固定されている。サセプター５は、基体６と、基体６内に埋設された発熱素子７を備えている。基体６の加熱面６ａには半導体ウエハーＷが載置されている。基体６内には昇降ピン９が挿通されている。基体６の背面６ｃ側には円筒状の支持部材（シャフト）３０が接合されており、支持部材３０の内部空間１１に電力供給部材８が挿入固定されている。

半導体ウエハーＷに対向する位置にガス供給板３が設置されている。図２（ａ）は、本例のガス供給板３を概略的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、ガス供給板３を背面３ｂ側から見た正面図である。

ガス供給板３には多数のガス孔３ａが設けられており、かつガス供給板３の背面３ｂ側には円形の空隙１８が設けられている。ガス供給板３の背面３ｂ側から矢印Ａのようにガスを供給すると、このガスは、ガス孔３ａ内を分配され、各ガス孔３ａから矢印ＢのようにウエハーＷへと向かって排出される。

本ガス供給板３は、空隙１８が背面３ｂ側に形成されているので、空隙１８の周囲にリング状の肉薄部３ｅが形成される。そして肉薄部３ｅの上面３ｂがチャンバーへと接する。

図３は、本発明例のライナー４を示す平面図であり、図４（ａ）は、ライナー４の横断面図である。ライナー４は、平面的には略リング状をしている。ライナー４の内側には略円形の空隙２２が形成されており、空隙２２内にサセプターおよびウエハーが収容され、包囲されている。ライナー４の背面４ｄとサセプターへの対向面４ｃとの間には、ガス排出孔４ａとウエハー装入孔４ｂとが設けられている。

ここで、ライナー４には、背面４ｄ側に開口するリング状の空隙２１が形成されている。この結果、対向面４ｃ側には本体部４ｆが形成され、背面４ｄ側には肉薄部４ｅが形成される。肉薄部４ｅの端面４ｄは、チャンバー内壁面に対向している。ライナー４の底面側にはリング状の支持突起４ｆが形成されており、突起４ｆの底面４ｇにおいてライナーが支持されている。

図５は昇降ピンリフター１０を示す平面図であり、図６は昇降ピンリフター１０の断面図である。昇降ピンリフター１０は、リング状のリフト部１０ａと、リフト部１０ａの背面側に取り付けられた円筒状の支持部１０ｂとを備えている。リフト部１０ａの上面１０ｃがサセプターへの対向面であり、２５は空隙である。

好ましくは、ライナー４のサセプター５への対向面４ｃの中心線平均表面粗さを０．５μｍ以下とする。この中心線平均表面粗さを０．４μｍ以下とすることが更に好ましい。

対向面の中心線平均表面粗さを低くする手段は特に限定されず、研磨処理で実施可能である。対向面の中心線平均表面粗さは、表面粗さ計によって測定できる。

好ましくは、ライナー４のサセプター５への対向面４ｃの熱放射率εを０．５以下とする。この熱放射率εを０．３以下とすることが更に好ましい。
例えば、光ケーブルの先端に積分球を搭載した接触子規放射率測定器（ＡＤＶＡＣＥＤＥＮＥＲＧＹ社製「ＭＯＤＥＬ２１００Ｍ」を使用すれば、センサー部を被測定物に当てるだけで、外乱なく容易に放射率を知ることができる。
放射率測定で求めるのは室温での放射率である。本発明で示すε値は、室温での値であるが、４００〜８００℃でも大きく変化しないため、使用温度での熱放射率によって代用しても差し支えない。

対向面の熱放射率εを低くする手段は特に限定されず、以下を例示できる。
（１）対向面の中心線平均表面粗さを小さくすると（平滑化すると）、対向面の熱放射率が低下する。
（２）対向面の明度を大きくする。この場合には、対向面の明度をＮ６．０以上とすることが好ましい。

明度（lightness ）について説明する。物体の表面色は、色知覚の３属性である色相、明度および彩度によって表示されている。このうち明度とは、物体表面の反射率が大きいか、小さいかを判定する視覚の属性を示す尺度である。これらの３属性の尺度の表示方法は、「ＪＩＳ
Ｚ８７２１」に規定されている。明度Ｖは、無彩色を基準としており、理想的な黒の明度を０とし、理想的な白の明度を１０とする。理想的な黒と理想的な白との間で、その色の明るさの知覚が等歩度となるように各色を１０分割し、Ｎ０〜Ｎ１０の記号で表示する。実際の対向面の明度を測定する際には、Ｎ０〜Ｎ１０に対応する各標準色票と、対向面の表面色とを比較し、対向面の明度を決定する。この際、原則として小数点一位まで明度を決定し、かつ小数点一位の値は０または５とする。

また、好ましくは、ライナー４の支持面４ｇの面積ＳＢ（図３、４参照）が、対向面４ｃの面積ＳＯの２０%以下である。このように対向面の面積ＳＯの面積に比べて支持面４ｇの面積ＳＢを著しく小さくすることで、ライナーからチャンバーへの熱移動を抑制し、サセプターからのライナー対向面への輻射伝熱を抑制する。この観点からは、ライナー４の支持面４ｇの面積ＳＢ（図３、４参照）を、対向面４ｃの面積ＳＯの１０％以下とすることが更に好ましい。
また図４（ｂ）に示すように、ライナー４の底面側に略円形の小さい突起を例えば３個設け、各突起の端面３１を支持面とすることができる。この場合には、ＳＢは、各突起の支持面３１の面積の合計値である。

本発明においては、ライナー４のチャンバー側の背面４ｄ（図３、４参照）と対向面４ｃとの間に、平均肉厚１０ｍｍ以下の肉薄部を設ける。

即ち、従来のライナーは略平板状であり、背面４ｄと対向面４ｃとの間での熱伝導量が大きく、温度勾配が小さかった。このため、両面の間に平均肉厚１０ｍｍ以下の肉薄部を設けることによって、背面４ｄと対向面４ｃと間の温度勾配を大きくし、サセプターからライナーへの熱輻射を抑制することに成功した。

本例のライナー４においては、肉薄部４ｅが設けられており、肉薄部４ｅの肉厚ｔが１０ｍｍ以下である。

本発明の観点からは、この肉薄部の平均肉厚は５ｍｍ以下であることが更に好ましい。

また、ライナー４に空隙１８が設けられている。この空隙は、ライナー４内に内蔵されていてよいが、特に好ましくは空隙１８がチャンバーの内壁面２ｂに面しており、これによって対向面からチャンバーへの熱伝導を一層低減できる。

本発明の効果は、４００℃以上の高温域において特に顕著である。従って、好適な実施形態においては、半導体の設定加熱温度が４００℃以上である。

また、本発明による作用効果は、サセプターとチャンバー内部品の対向面４ｃとの距離が短い場合に特に顕著となる。従って、この観点からは、サセプター５とライナーの対向面４ｃとの距離が３００ｍｍ以下であることが好ましく、５０ｍｍ以下であることが特に好ましい。

半導体製造装置とは、半導体の成膜、クリーニング、エッチング，検査等の各半導体製造プロセスを行うための装置である。

ライナーの基材は特に限定されないが、耐蝕性セラミックスや耐蝕性金属が好ましい。特に好ましくは、アルミニウム合金やニッケル合金や、アルミナ、窒化アルミニウム等のアルミニウム系、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、シリカガラス等のシリコン系セラミックスである。

ライナーの基材としてアルミニウム合金を使用した場合には、対向面の熱放射率を低下させる作用がある。また、ライナーの基材としてセラミックスを使用した場合には、部品の角部にフィレット（Ｒ５ｍｍ以上）を設けることが、亀裂防止の観点から好ましい。

（比較例１）
窒化アルミニウム焼結体中にモリブデン製のコイルスプリング状発熱線７を埋設してヒーター５を得る。ヒーター５をセラミックス製の支持部材３０によってチャンバー２に取り付ける。また、ガス供給板、ライナーおよび昇降ピンリフターをチャンバー２内に装入し、固定する。ガス供給板、ライナーの形状はそれぞれ略直方体形状であり、図２〜図４に示したような空隙や肉薄部は設けられていない。ガス供給板、ライナー、昇降ピンリフターの材質は炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ケイ素とする。各対向面３ｃ、４ｃ、１０ｃは平滑化加工していない。各対向面の中心線平均表面粗さＲａおよび熱放射率εを表１に示す。

ヒーター５の発熱素子７へと約２０００Ｗの電力を供給し、半導体ウエハーＷを加熱する。ウエハーＷの設定温度は７００℃とする。ウエハーの温度を１７点について放射温度計によって観測し、その最高温度と最低温度との差を測定し、表１に示す。

比較例１においては、設定目標温度７００℃において、ウエハーの温度差を約１５℃まで低減することが可能であった。

（比較例２）
比較例１と同様にして実験を行った。ガス供給板、ライナー、昇降ピンリフターの形状は略直方体形状であり、図２〜図４に示したような空隙や肉薄部は設けられていない。ガス供給板、ライナー、昇降ピンリフターの材質はそれぞれアルミニウム合金、アルミナ、アルミナとする。各対向面３ｃ、４ｃ、１０ｃは平滑化加工していない。ライナーの対向面、支持面の面積ＳＯ、ＳＢは約６３０００ｍｍ^２である。ライナーの肉厚は３５ｍｍである。本例では背面４ｄとチャンバー内壁面との間には若干の隙間がある。

ヒーター５の発熱素子７へと約２０００Ｗの電力を供給し、半導体ウエハーＷを加熱する。ウエハーＷの設定温度は７００℃とする。ウエハーの温度を１７点について放射温度計によって観測し、その最高温度と最低温度との差を測定し、表２に示す。

比較例２においては、設定目標温度７００℃において、ウエハーの温度差を約１５℃まで低減することが可能であった。

（実施例１）
比較例２と同様にしてウエハーの温度差を測定する。ただし、ガス供給板、昇降ピンリフターは比較例のものと同じである。ライナー４としては、図３、図４に示すものを使用する。ライナーの対向面４ｃの面積ＳＯは約６３０００ｍｍ^２であり、ライナー４の支持面４ｇの面積ＳＢは約３０００ｍｍ^２である。ライナー４の肉薄部４ｅの肉厚は５ｍｍである。

この結果、ウエハーＷにおける温度差を約１１℃まで低減することが可能になった。この際、ヒーター（サセプター）５への投入電力量は約１５００Ｗであり、比較例２に比べて低減された。

以上説明したように、本発明によれば、チャンバー内でサセプター上の半導体を加熱処理するのに際して、サセプターの設定温度を高くした場合にもサセプターの温度分布を低減できる。

参考例に係る半導体製造装置１を概略的に示す断面図である。（ａ）は、ガス供給板３を概略的に示す断面図である。（ｂ）は、ガス供給板３の平面図である。ライナー４を示す平面図である。（ａ）は、ライナー４を示す断面図である。（ｂ）は、ライナー４の他の形態の支持面を示す底面図である。昇降ピンリフター１０を示す平面図である。昇降ピンリフター１０を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１半導体製造装置２
チャンバー２ａ
チャンバー２の内壁面３
ガス供給板３ａ
ガス孔３ｂ
ガス供給板３のチャンバーへの設置面（背面）３ｃ
ガス供給板３のサセプター５への対向面３ｅ肉薄部４
ライナー４ａ
排出孔４ｂ
半導体装入孔４ｃ
ライナー４のサセプター５への対向面４ｄライナー４の背面４ｅライナー４の肉薄部４ｇライナー４の支持面５
サセプター（ヒーター）６
サセプター５の基体６ａ
サセプター５の加熱面６ｂサセプター５の側面６ｃ
サセプター５の背面１０
昇降ピンリフター１０ａ
リフト部１０ｂ支持部１０ｃ昇降ピンリフターのサセプター５への対向面ＳＢライナー支持面の面積ＳＯライナーの対向面の面積Ｗ
半導体ｔライナーの肉薄部の肉厚

Claims

半導体製造装置用チャンバー内において、半導体を載置するためのサセプターの周囲に設置されるライナーであって、
前記ライナーが、前記サセプターを包囲するリング状をなしており、前記サセプターに対向する対向面を有する本体部と、この本体部と前記チャンバー側の背面との間の平均肉厚１０ｍｍ以下の肉薄部を備えており、前記本体部と前記肉薄部とによって、前記チャンバーの内壁面に面するリング状の空隙が形成されており、前記対向面と前記背面との間にガス排出孔およびウエハー装入孔が設けられていることを特徴とする、ライナー。
チャンバー、半導体を載置するためのサセプター、およびこのサセプターを包囲するライナーを備えており、前記ライナーが、請求項１記載のライナーであることを特徴とする、半導体製造装置。