JP4328009B2

JP4328009B2 - 加熱装置

Info

Publication number: JP4328009B2
Application number: JP2000364953A
Authority: JP
Inventors: 慎治山口
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: US20020063120A1; US6653603B2; JP2002170655A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、基板であるウエハーを加熱するためのセラミックスヒーターが具えられている。
【０００３】
セラミックスヒーターにおいては、いわゆる２ゾーンヒーターと呼ばれる構成のものが知られている。２ゾーンヒーターにおいては、セラミックス基体中に、モリブデンなどの高融点金属からなる内側抵抗発熱体と外側抵抗発熱体とを埋設し、これら抵抗発熱体にそれぞれ別個の電流導入端子を接続し、各抵抗発熱体に所定の電圧を印加することにより、内側抵抗発熱体および外側抵抗発熱体を独立に制御する。
【０００４】
また、特開平５−３２６１１２号公報においては、セラミックスヒーターの抵抗発熱体を、複数の高融点金属などからなる回路パターンによって構成し、それぞれの回路パターンを互いの欠損部分が補われるようにして配置している。具体的には、一つの回路パターンの折れ目又は折り返し部などにおいて、他の回路パターンを重ね合わせている。
【０００５】
特に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。２ゾーン制御方式のセラミックスヒーターにおいても、通常はこうした仕様を満足することは可能であった。しかし、本発明者が更に検討を進めた結果、特に温度が高くなるのにつれて、所定の均熱性を保持することは困難となってきた。例えば、室温−５００℃といった温度範囲において加熱面の温度の均一性が保持されていたセラミックスヒーターであっても、例えば６００℃以上の温度範囲になると急激に加熱面における温度差が大きくなることがあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、こうした均熱性の制御可能性の限界について検討を進めた。例えば、図６に示すように、チャンバー１内に加熱装置３Ａを収容したものとする。加熱装置３Ａには、平板形状の基体５と、この基体５を加熱する加熱素子層７が設けられている。基体５の載置面５ａ上に被加熱体２が載置されている。加熱素子層７は、基体５の背面５ｂに接触している。加熱素子層７は、基体５と絶縁板６との間に挟まれており、絶縁板６と基体５とはボルト８Ａによって締結されている。６ａは加熱素子層への接触面である。絶縁板６の背面６ｂには、円筒形状の支持部材１０が接合され、一体化されている。支持部材１０の下端部には台座１１が固定されており、台座１１は、図示しないチャンバー外壁に固定されている。４はゲートバルブであり、９は電極ケーブルである。
【０００７】
しかし、こうした加熱装置においては、まず支持部材１０の直径は絶縁板６の直径よりも若干小さい程度であり、非常に大きいので、支持部材１０の面積も大きくなる。この支持部材１０の外形寸法は、絶縁板６、加熱素子層７および基体５の全体の外形寸法よりもはるかに大きい。この結果、加熱装置３Ａ全体の体積も非常に大きくなり、基体５から支持部材１０を伝わる熱の逃げも定常的に大きくなる。この状態では、基体５が高温になるのにつれて、各構成部品の僅かな製造上の不均一等が影響し、基体５にコールドスポットが発生し易くなり、均熱性が劣化する。更に、基体５の周縁部の近傍にはゲートバルブ４があるが、基体５の周縁部５ｃのゲートバルブ４に近い領域からも熱の逃げがあり、コールドスポットの原因となる。
【０００８】
本発明者は、こうした支持部材１０の容量が大きいこと、および支持部材１０からの不均一な熱の逃げという問題点を解決するために、図７に模式的に示すような加熱装置３Ｂを考案し、検討した。装置３Ｂにおいては、絶縁板６の背面６ｂ側に別の絶縁板１４を積層し、ボルト８Ｂによって締結した。そして、絶縁板１４の下に円筒形状の支持部材１３を設け、支持部材１３を台座１１に固定した。台座１１は、図示しないチャンバー外壁に取り付けられる。この例では、小型の支持部材１３によって絶縁板６、加熱素子層７および基体５をチャンバー台座１１に取り付けることによって、加熱装置３Ｂ全体の容量を小さくすることを想到した。しかし、この装置では、矢印Ａで示すように加熱素子層７からの熱が絶縁板１４および支持部材１３を通って逃げるので、載置面を高温にすると、やはりコールドスポットが生ずる。
【０００９】
本発明の課題は、基体上の被加熱体を加熱する加熱装置において、基体上の載置面におけるコールドスポットを効果的に防止することで載置面の温度の均一性を高めるような構造を提供することである。
【００１０】
また、本発明の他の課題は、載置面の温度の均一性を保持しつつ、加熱装置全体の容量を小さくできるようにすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被加熱体を載置する載置面を有する基体と、この基体および前記被加熱体を加熱するための主要加熱素子層と、この主要加熱素子層と積層されている補助加熱素子層と、前記主要加熱素子層と前記補助加熱素子層との間に介在する第１の絶縁体とを備えている加熱装置であって、
前記基体、前記主要加熱素子層、前記補助加熱素子層および前記第１の絶縁体を支持する、前記基体よりも小さく形成した支持部材を更に備えており、この支持部材からの熱の逃げを前記補助加熱素子層の発熱によって補填するように、この補助加熱素子層は前記支持部材に対応する大きさに形成されており、
前記支持部材が前記基体の面積に対して１：２００〜１：３の範囲で小さく形成してあるのに応じて、前記補助加熱素子層の面積が前記主要加熱素子層の面積よりも小さく形成されており、前記主要加熱素子層の発熱によって前記基体および前記被加熱体を加熱している間に、前記補助加熱素子層からの発熱によって前記基体からの熱の逃げを補填するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る加熱装置１５Ａを模式的に示す断面図であり、図２は、本発明の他の実施形態に係る加熱装置１５Ｂを模式的に示す断面図である。
【００１４】
チャンバー１内に加熱装置１５Ａが収容されている。加熱装置１５Ａは、平板形状の基体５と、この基体５を加熱する主要加熱素子層７Ａを備えている。基体５の載置面５ａ上に被加熱体２が載置されている。加熱素子層７Ａは、基体５の背面５ｂに接触しており、基体５と絶縁板６との間に挟まれており、絶縁板６と基体５とはボルト８Ａによって締結されている。６ａは加熱素子層７Ａへの接触面である。絶縁板６の背面６ｂには、補助加熱素子層７Ｂが接触している。加熱素子層７Ｂは、絶縁板６と１４との間に挟まれており、絶縁板６と１４とはボルト８Ｂによって締結されている。絶縁板１４は、円筒形状の支持部材１３に取り付けられており、支持部材１３はチャンバー台座１１に取り付けられている。
【００１５】
本例の加熱装置１５Ａは、支持部材１３の直径が基体５の直径に比べて著しく小さいので、従来の加熱装置に比べて容量が著しく小さい。その上で、被加熱体２および基体５は、主として主要加熱素子層７Ａによって加熱している。このため、主要加熱素子層７Ａは、被加熱体２とほぼ同等あるいはそれ以上の面積を有する。ここで、載置面５ａを高温に保持した場合には、支持部材１３を通ってチャンバーへと熱が逃げるので、載置面５ａの１７の領域にコールドスポットが生ずる。しかし、本発明では、主要加熱素子層７Ａよりも面積の小さい、および直径の小さい補助加熱素子層７Ｂを、支持部材１３と主要加熱素子層７Ａとの間に設けることによって、補助加熱素子層７Ｂを適宜発熱させ、コールドスポットを抑制し、あるいは消去することができる。
【００１６】
更には、基体５のうちゲートバルブ４の近傍の周縁部５ｃからゲートバルブ４側へと向かって熱が逃げ、周縁部５ｃ近辺にコールドスポットが発生することがある。しかし、補助加熱素子層７Ｂを適宜発熱させることによって、こうしたコールドスポットも抑制ないし消去できる。
【００１７】
本発明において、主要加熱素子層とは、被加熱体を主として加熱する機能を担う加熱素子からなる層を言う。主要加熱素子層は、基体の背面に直接接触していてよい。あるいは基体の背面と主要加熱素子層との間に別の物質、好ましくは絶縁体が介在していてよい。また、基体の中に主要加熱素子層が埋設されていてもよい。
【００１８】
基体は、一体物であってよいが、複数層の絶縁板からなっていてよい。また、載置面と被加熱体との間に、別の部材が挟まれている場合も包含される。
【００１９】
補助加熱素子層は、主要加熱素子層と隣接して積層されていて良いが、主要加熱素子層から離れていてもよい。また、補助加熱素子層を２層以上設けることによって、加熱装置のそれぞれ異なる部分からの熱の逃げを防止できる。
【００２０】
図２の加熱装置１５Ｂにおいては、蓋２０を台座１１上に設置することによって空間２３を形成する。蓋２０は、略円盤状の基体５と、基体５の周縁部５ｃから図面において下方へと向かって突出する円筒形状の壁部２１とを備えている。壁部２１の下端部が台座１１に固定具１８によって固定されている。
【００２１】
蓋２０の内側空間２３にはヒーター素子および絶縁体が収容されている。即ち、台座１１上に支持部材１３が固定されており、支持部材１３上に絶縁板１４を介して補助加熱素子層７Ｃが支持されている。加熱素子層７Ｃ上に絶縁板６Ｂ、補助加熱素子層７Ｂ、絶縁板６Ａ、主要加熱素子層７Ａが順次に積層され、支持されている。主要加熱素子層７Ａが基体５と対向しており、両者の間には若干の隙間がある。基体５の上に被加熱体２が載置され、支持されている。
【００２２】
本例では、主要加熱素子層７Ａは、例えば図３（ａ）に示すように、被加熱体２とほぼ同じ面積にわたって広く設けられている。これに対して、第一の補助加熱素子層７Ｂは、例えば図３（ｂ）に示すように、絶縁板６Ａ、６Ｂ、および基体５の周縁部のみに設けられており、外周側ヒーターを構成している。これによって、基体５の周縁部から矢印Ｂ、Ｃのように壁部２１を通って流れる熱の逃げを補填できる。この目的から、補助加熱素子層７Ｂは、基体５、絶縁板６Ａ、６Ｂの周縁部のみに設けられており、中央部には設けられていない。従って、主要加熱素子層７Ａと補助加熱素子層７Ｂとは、外形はほぼ同等かあるいは補助加熱素子層７Ｂの方が若干大きいが、面積は主要加熱素子層７Ａの方がはるかに大きい。
【００２３】
更に、絶縁板６Ｂと絶縁板１４との間には補助加熱素子層７Ｃが挟まれており、これによって、図１の装置と同様に、支持部材１３を通って逃げる熱を補填する。補助加熱素子層７Ｃは、例えば図３（ｃ）に示すような平面的形態を有する。
【００２４】
また、本発明の加熱装置は、一体型の加熱装置であってよい。ここで、一体型とは、少なくとも、主要加熱素子層、基体および補助加熱素子層が一体であるものを言う。言い換えると、主要加熱素子層および補助加熱素子層が基材の中に埋設されている。この基材は、好ましくはセラミックスからなり、更に好ましくは一体焼結体からなる。こうした一体型の加熱装置を利用すると、前述した本発明の作用効果に加えて、取り扱いが容易となる。更に、図１、図２に例示したような各部分が別体のヒーターに比べて、ヒーターの昇温、降温の速度が速く、応答時間が短い（例えば５０℃／分以上の速度を実現可能）。
【００２５】
図４は、この実施形態に係る加熱装置１５Ｃを模式的に示す断面図である。一体の基材、例えばセラミックス焼結体２３中には、主要加熱素子層７Ａが埋設されており、かつ補助加熱素子層７Ｂが埋設されている。これらの各加熱素子層の動作は、前述した加熱装置と同様である。ここで、主要加熱素子層７Ａと載置面５ａとの間には基体５Ａが設けられており、主要加熱素子層７Ａと補助加熱素子層７Ｂとの間には絶縁層６Ｃが設けられており、補助加熱素子層７Ｂと支持部材１３との間には小型の絶縁層１４Ａが設けられている。なお１１は台座部分であり、２１は固定具であり、２２はチャンバー外壁であり、９Ａは電極ケーブルである。
【００２６】
主要加熱素子層７Ａの平面的パターンは、例えば図３（ａ）に示すようなパターンであってよい。また補助加熱素子層７Ｂは、例えば図５に示すように平面的パターンを有していてよい。
【００２７】
主要加熱素子層と補助加熱素子層との面積比率は、熱の補填という観点から適宜決定すべきことであるので特に制限はないが、通常は０．７倍以下であり、１：２以下であることが更に好ましい。また、熱の効果的な補填のためには、１：２０以上であることが好ましい。
【００２８】
主要加熱素子層、補助加熱素子層の各材質は特に限定されず、金属、導電性セラミックス等であってよい。具体的な材質としては、タンタル、タングステン、モリブデン、白金、レニウム、ハフニウム及びこれらの合金である高融点金属を使用することが好ましい。特に、基体を窒化アルミニウムから構成した場合においては、モリブデン及びモリブデン合金であることが好ましい。また、高融点金属以外に、カーボン、ＴｉＮ、ＴｉＣなどの導電性材料を使用することもできる。
【００２９】
主要加熱素子層、補助加熱素子層の微視的形態は、本発明の目的を達成することができれば、限定されるものではなく、例えば網状物、コイルスプリング状物、平板状物、リボン状物などから構成することができる。また、主要加熱素子層、補助加熱素子層の平面的パターンも特に限定されない。
【００３０】
絶縁板、基体の種類は特に限定されないが、汚染防止の観点からセラミックスが好ましく、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、炭化珪素が特に好ましい。
【００３１】
載置面と主要加熱素子層、補助加熱素子層とは、互いに略平行であることが好ましい。これにより、加熱装置中における上下方向の熱の伝導が極めて均一に行われる。従って、載置面５ａ上に被加熱体、例えば半導体ウエハーを載置した場合に、ウエハーを均一に効率よく加熱することができる。なお、ここでいう略平行とは、幾何学的に見て完全に平行な場合に加えて、０〜３度の範囲内にあるものをいう。
【００３２】
主要加熱素子層と補助加熱素子層との平面的な外形は、平面的に見て略相似形であってよく、あるいは双方ともに略円形、略楕円形であってよい。また、補助加熱素子層は、基体の周縁部からの熱の逃げを補填するという観点からは、環状であることが好ましい。
【００３３】
本発明において熱の逃げとは、高温の載置面および基体から、加熱装置の他のより低温の部分への熱の移動を意味している。こうした他の低温の部分とは、支持部材、ゲートバルブ、壁部、チャンバー内構成物であってよく、またガス導入部であってよい。
【００３４】
本発明の作用効果を効果的に奏するためには、載置面の平均温度は、４５０℃以上であることが好ましく、６００℃以上であることが更に好ましい。
【００３５】
小型の支持部材１３を使用する場合には、基体５の面積に対する支持部材１３の面積（基体５と平行な方向の面積）の比率は、１：３以下であることが好ましく、１：１０以下であることが更に好ましい。また、熱の効果的な補填のためには、１：２００以上であることが好ましい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基体上の被加熱体を加熱する加熱装置において、基体上の載置面におけるコールドスポットを効果的に防止することで載置面の温度の均一性を高めるような構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る加熱装置１５Ａを模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る加熱装置１５Ｂを模式的に示す断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各加熱素子層７Ａ、７Ｂ、７Ｃの各平面的パターンを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る一体型の加熱装置を模式的に示す断面図である。
【図５】図４の加熱装置における加熱素子層７Ｂの平面的パターンを示す断面図である。
【図６】本発明外の加熱装置３Ａを模式的に示す断面図である。
【図７】本発明者が考案した本発明外の加熱装置３Ｂを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１チャンバー２被加熱体４ゲートバルブ５、５Ａ基体５ａ載置面５ｂ基体５の背面６、６Ａ、６Ｂ絶縁板６Ｃ絶縁層７Ａ主要加熱素子層７Ｂ、７Ｃ補助加熱素子層８Ａ、８Ｂ固定具１１台座１３小型の支持部材１４小型の絶縁板１４Ａ小型の絶縁層１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ加熱装置１７主として熱の逃げが生ずる領域

Claims

被加熱体を載置する載置面を有する基体と、この基体および前記被加熱体を加熱するための主要加熱素子層と、この主要加熱素子層と積層されている補助加熱素子層と、前記主要加熱素子層と前記補助加熱素子層との間に介在する第１の絶縁体とを備えている加熱装置であって、
前記基体、前記主要加熱素子層、前記補助加熱素子層および前記第１の絶縁体を支持する、前記基体よりも小さく形成した支持部材を更に備えており、この支持部材からの熱の逃げを前記補助加熱素子層の発熱によって補填するように、この補助加熱素子層は前記支持部材に対応する大きさに形成されており、
前記支持部材が前記基体の面積に対して１：２００〜１：３の範囲で小さく形成してあるのに応じて、前記補助加熱素子層の面積が前記主要加熱素子層の面積よりも小さく形成されており、前記主要加熱素子層の発熱によって前記基体および前記被加熱体を加熱している間に、前記補助加熱素子層からの発熱によって前記基体からの熱の逃げを補填するように構成されていることを特徴とする、加熱装置。
前記支持部材に接続された第２の絶縁体を更に含み、
前記補助加熱素子層は、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体との間に配備されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記支持部材と前記主要加熱素子層との間に前記補助加熱素子層および前記第１の絶縁体が挟まれていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記補助加熱素子層が平面的に見て前記基体の周縁部に設けられており、この補助加熱素子層の発熱によって前記基体の周縁部からの熱の逃げを補填することを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記補助加熱素子層が環状をなしていることを特徴とする、請求項４記載の装置。
前記基体、前記主要加熱素子層、前記補助加熱素子層および前記第１の絶縁体を支持する支持部材と、少なくとも二つの前記補助加熱素子層とを備えており、この支持部材からの熱の逃げを一方の前記補助加熱素子層の発熱によって補填し、他方の補助加熱素子層が平面的に見て前記基体の周縁部に設けられており、他方の補助加熱素子層の発熱によって前記基体の周縁部からの熱の逃げを補填することを特徴とする、請求項１に記載の装置。