JP4398064B2

JP4398064B2 - 加熱装置

Info

Publication number: JP4398064B2
Application number: JP2000140272A
Authority: JP
Inventors: 俊洋立川; 年彦花待
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2020-05-12
Also published as: US6376808B2; JP2001326181A; US20010042744A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体の製造プロセス等においてウエハー等のワークを加熱するために使用される加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造プロセスにおいて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やＰＶＤ（Plasma Vapor Deposition）、エッチング等の処理を行うために、ウエハー加熱装置が使われている。ウエハー加熱装置としては、単にウエハーを加熱するだけでなく、静電チャックとしても機能する加熱装置が知られている。
【０００３】
例えば特公平６−２８２５８号公報あるいは特許第２５２５９７４号公報に記載されている半導体製造プロセス用の加熱装置は、外気と遮断された容器（チャンバ）の内部に、抵抗発熱体を埋設したヒータプレートを有している。このヒータプレートは、中空（パイプ状）の支持部材によって容器内の所定位置に支持されている。また必要に応じて、ヒータプレートに温度管理用の熱電対や、静電チャック用の電極などを設けることもある。
【０００４】
前記ヒータプレートに埋設された抵抗発熱体はリード線に接続され、このリード線はヒータプレートの背面から前記支持部材側に取り出され、支持部材の内部を通って容器外部の電源に接続される。また熱電対および静電チャック用電極の電気配線もヒータプレートの背面から取り出され、支持部材の内部を通って容器外部に引き出されている。このように従来は、中空（パイプ状）の支持部材がヒータプレートの背面に直接接合され、両者の接合部をシールすることによって容器内部の気密が保たれている。このため、ヒータプレートの背面の一部が、支持部材の内部空間を通して大気に接することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の加熱装置の場合、ヒータプレートの背面の一部が支持部材の内部空間を通して大気に接しているため、ヒータプレートの熱の一部が支持部材の内部空間を通して大気側に放熱されてしまう。このため、ヒータプレートの一部すなわち大気と接する部分の温度が局部的に低下し、ヒータプレートに温度むらが生じる。特に半導体製造プロセスにおいてウエハーを加熱するヒータプレートは、温度分布を均一に保つ必要があるため、ヒータプレートの温度むらは大きな問題である。さらに、ヒータプレートに温度むらが生じると、温度分布が均一な場合に比べて大きな熱応力がヒータプレートに作用し、ヒータプレートが変形したり破損する原因となる。
【０００６】
また、前記支持部材の一端側はヒータプレートに接合され、支持部材の他端側はチャンバの壁に固定されているため、ヒータプレートの熱を受ける支持部材の一端側は高温となり、支持部材の他端側は低温となる。この温度勾配が大きいと支持部材などに大きな熱応力が生じ、支持部材自体や、チャンバに対する支持部材の取付部が破損する可能性もある。また、ヒータプレートの背面側から逃げる熱量を補うために余剰電流を供給する必要があるため、電力の消費量が大きくなるという問題もある。
【０００７】
また従来はヒータプレートと支持部材とが一体化しているため、例えば半導体製造プロセスの変更に伴いヒータ仕様の変更が生じたときに、ヒータプレートのみならず支持部材も含めた加熱装置全体を交換しなければならなかった。また、ヒータプレートが断線あるいは腐食等により交換が必要になったときに、ヒータプレートのみならず加熱装置全体を交換しなければならず、不経済であるとともに、交換作業に多大な労力を要してしまう。
【０００８】
従って本発明の目的は、ヒータプレートの温度むらを減らすことができるとともに、支持構造物の温度勾配を小さくし、さらにヒータプレートの交換が容易となる加熱装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を果たすための本発明の加熱装置は、抵抗発熱体を有するヒータプレートと、前記ヒータプレートの下面に下方に向って突設されかつ前記抵抗発熱体に接続された第１の端子と、電気絶縁性と耐熱性を有する材料からなり前記ヒータプレートよりも外径が小さいトッププレートと該トッププレートの下面側に設けたステムとによって構成された支持構造物と、前記支持構造物の前記第１の端子と対応した位置に設けられかつ前記トッププレートの上面から上方に向って突出し前記抵抗発熱体に電力を供給するための電源に接続される第２の端子と、導電性材料からなり前記第１の端子および第２の端子の双方に嵌合させた状態において内径が広がる方向に撓みその反発弾性によって第１および第２の端子を互いに電気的かつ機械的に接続するとともにこれら両端子の少なくとも一方に対し着脱可能なジョイント部材とを具備し、かつ、前記ヒータプレートと前記支持構造物とが互いに別体の部品からなり、前記ジョイント部材が前記第１および第２の端子に挿入され該ジョイント部材によって前記ヒータプレートが前記支持構造物に固定された状態において前記ヒータプレートがチャンバ内の所定位置に保持され、前記ジョイント部材が前記第１の端子または前記第２の端子から引抜かれた状態において該ヒータプレートが前記支持構造物から分離することを特徴としている。
【００１０】
すなわち本発明では、ヒータプレートと支持構造物とを別部品とし、それぞれに設けた端子どうしをばね性を有する導電性のジョイント部材によって着脱可能に連結することにより、ヒータプレートと支持構造物とを分離できるようにしている。
【００１１】
前記支持構造物は、電気絶縁性と耐熱性を有する材料からなり前記ヒータプレートよりも外径が小さいトッププレートと、このトッププレートの背面側に設けたステムとによって構成され、このトッププレートに前記第２の端子を設けている。またこの発明において、ジョイント部材がばね性を有する材料からなり、そのばね性によって前記第１の端子あるいは第２の端子に対し着脱可能に嵌合するようにしてもよい。
【００１２】
あるいは、ジョイント部材がスリットを有する円筒形ばねであり、この円筒形ばねの内径を前記第１の端子または第２の端子の外径よりも小さくし、この円筒形ばねに前記第１の端子または第２の端子を挿入するようにしてもよい。またジョイント部材がコイルばねであり、このコイルばねの内径を前記第１の端子または第２の端子の外径よりも小さくし、このコイルばねに前記第１の端子または第２の端子を挿入するようにしてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。図１に示した加熱装置１０はプロセスチャンバ１１を備えている。このチャンバ１１の内部に加熱ユニット１２が設けられている。加熱ユニット１２は、ヒータプレート２０と、ヒータプレート２０をチャンバ１１内の所定位置に支持する支持構造物２１とを備えている。ヒータプレート２０は、ワークの一例としてのウエハーＷの形状に応じて例えば円盤状に形成されている。
【００１４】
ヒータプレート２０は、例えば半導体製造プロセスにおいて、ウエハーＷを所定位置に保持するための静電チャックとしての機能と、ウエハーＷを加熱する機能とを兼ねている。さらに詳しくは、ヒータプレート２０は、例えば窒化アルミニウム，マグネシア，アルミナなどのセラミックス燒結体、あるいはその他の耐熱材料からなるヒータボディ２２と、ヒータボディ２２に埋設された抵抗発熱体２３と、ヒータボディ２２に埋設された静電チャック用の電極２４などを備えている。この電極２４に直流電圧を印加したときにヒータプレート２０の表面（例えば上面）に生じる静電力とジョンソンラーベック力によって、ウエハーＷをヒータプレート２０に吸着させることができる。
【００１５】
抵抗発熱体２３と静電チャック用の電極２４は、タングステンあるいはモリブデンなどの耐熱金属からなる。抵抗発熱体２３に、この発明で言う第１の端子としての電流供給用端子２５が接続されている。この電流供給用端子２５は円柱状の金属部品であり、その一端部２５ａをヒータボディ２２のおおむね中央部分に埋設した状態で、他端部２５ｂをヒータボディ２２の背面から下方に突出させている。この電流供給用端子２５は、ヒータボディ２２に予め形成されている取付穴２６に挿入されたのち、ろう付け等の適宜の固定手段によってヒータボディ２２に固定される。
【００１６】
静電チャック用の電極２４に、この発明で言う第１の端子としての電極用端子３０が接続されている。この電極用端子３０も円柱状の金属部品であり、その一端部３０ａをヒータボディ２２のおおむね中央部分に埋設した状態で、他端部３０ｂをヒータボディ２２の背面から下方に突出させている。電極用端子３０は、ヒータボディ２２に予め形成されている取付穴３１に挿入されたのち、ろう付け等の適宜の固定手段によってヒータボディ２２に固定される。電極用端子３０は抵抗発熱体２３と電気的に絶縁され、ＲＦグランド（radio-frequency ground）としても機能する。
【００１７】
ヒータプレート２０に熱電対挿入孔３５が形成されている。熱電対挿入孔３５は、ヒータプレート２０の背面側に開口している。この熱電対挿入孔３５の上端は抵抗発熱体２３の近傍に位置しており、ヒータプレート２０の背面側から熱電対３６の感知部３７を挿入することによって、ヒータプレート２０の発熱温度を測定できるようになっている。
【００１８】
支持構造物２１は、例えば円板状に形成されたトッププレート４０と、このトッププレート４０の背面（下面）側に固定された円筒状のステム４１とを主な構成要素としている。ステム４１の一端４１ａはトッププレート４０に接合されている。ステム４１の下部を構成する部材４１ｂはチャンバ１１の壁（例えば底壁１１ａ）に気密に固定されている。なお、ステム４１と部材４１ｂは図示例のように別体でもよいが、両者が一体であってもかまわない。
【００１９】
トッププレート４０の外径はステム４１の外径よりも大きい。ステム４１の外径をヒータプレート２０の外径よりも十分小さくすることにより、ヒータプレート２０から支持構造物２１に伝わる熱量を極力少なくし、支持構造物２１の一端４１ａから他端側の部材４１ｂに至る温度分布の勾配を少なくしている。
【００２０】
トッププレート４０とステム４１は、それぞれ耐熱性の材料、例えばヒータボディ２２と同様のセラミックス材料によって、互いに別体に形成されている。トッププレート４０とステム４１を接合し、両者を固定することにより、支持構造物２１が構成されている。トッププレート４０とステム４１との接合部４２は、ろう付けによって気密にシールされている。なお、トッププレート４０をセラミックスによって形成し、ステム４１を金属製としてもよい。あるいは、トッププレート４０とステム４１とをセラミックス等の耐熱材料によって一体成形してもよい。
【００２１】
トッププレート４０の端面（例えば上面）に、本発明で言う第２の端子４５，４６が設けられている。一方の端子４５はヒータプレート２０の電流供給用端子２５と対応した位置にある。図２に拡大して示すように、端子４５は鍔部５０を有する円柱状をなし、鍔部５０から上の部分がトッププレート４０の上面に突出している。他方の端子４６は、電極用端子３０と対応した位置にある。この端子４６も鍔部５２を有する円柱状をなし、鍔部５２から上の部分がトッププレート４０の上面に突出している。これらの端子４５，４６の上端部５１，５３の外径は、それぞれヒータプレート２０の端子２５，３０の外径とほぼ同一である。
【００２２】
図１に示すように、端子４５に電流供給用リード線６０が接続されている。電流供給用リード線６０は、中空のステム４１の内部を通ってチャンバ１１の外部に導かれ、電源６１に接続される。端子４６に、グランド線６２が接続されている。グランド線６２もステム４１の内部を通ってチャンバ１１の外部に導かれている。熱電対３６もステム４１の内部を通ってチャンバ１１の外部に導かれている。
【００２３】
熱電対３６の感知部３７と端子４５，４６は、それぞれ、ろう付け等の接合手段によってトッププレート４０に気密に固定されている。こうした気密接合により、チャンバ１１の内部がステム４１の内部空間すなわち大気側の空間と隔離される。熱電対３６の感知部３７は、ヒータプレート２０の背面に形成されている熱電対挿入孔３５に挿入される。
【００２４】
第１の端子２５，３０と第２の端子４５，４６は、それぞれ、ジョイント部材７０，７１によって互いに電気的かつ機械的に結合される。図３と図４に示すように、ジョイント部材７０，７１は、ばね性を有する金属板を円筒状に成形した円筒形ばねからなる。ジョイント部材７０，７１の軸線方向にスリット７２が形成されている。ジョイント部材７０，７１の内径、すなわち外力を与えない自由状態における内径は、ジョイント部材７０，７１の嵌合相手である端子２５，４５（または端子３０，４６）の外径よりも小さい。
【００２５】
一方のジョイント部材７０は、第１の端子２５と第２の端子４５に嵌合させたときスリット７２が広がる方向に撓むため、その反発力により、ジョイント部材７０を介して第１の端子２５と第２の端子４５が互いに連結され、かつ、端子２５，４５間の電気的導通がなされる。他方のジョイント部材７１は、第１の端子３０と第２の端子４６に嵌合させたときスリット７２が広がる方向に撓むため、ばねの反発弾性により、ジョイント部材７１を介して第１の端子３０と第２の端子４６が互いに連結され、かつ、端子３０，４６間の電気的導通がなされる。端子２５，３０，４５，４６のそれぞれの先端部には、ジョイント部材７０，７１に対する挿入を容易にするために、テーパ状の面取り加工部７３が形成されている。
【００２６】
上記のようにジョイント部材７０，７１によってヒータプレート２０が支持構造物２１に固定されることにより、ヒータプレート２０がチャンバ１１内の所定位置に保持される。ヒータプレート２０を支持構造物２１から切離す必要が生じたときには、第１の端子２５，３０または第２の端子４５，４６をジョイント部材７０，７１から引抜くことにより、ヒータプレート２０を支持構造物２１から分離させることができる。
【００２７】
なおチャンバ１１の内部がフッ素系ガス等の腐食性のガスで満たされる場合、端子２５，３０，４５，４６およびジョイント部材７０，７１の露出部分の腐食を防ぐために、ニッケルメッキ等の耐腐食性の表面処理を施すことにより、耐食性を維持する。
【００２８】
また、ジョイント部材７０，７１のみではヒータプレート２０とトッププレート４０との平行度を保つことが困難な場合、図１に示すように、トッププレート４０の外周部にヒータプレート２０側に突き出る凸部７５を設け、この凸部７５にヒータプレート２０の背面を接触させることで、トッププレート４０に対するヒータプレート２０の平行度を保つことが可能になる。この凸部７５はヒータプレート２０を所定の姿勢に支持できるものであればよいから、その形状は任意であり、例えば円筒状あるいは角筒状でもよい。また、ヒータプレート２０の周方向に複数の凸部７５を間隔を存して形成してもよい。
【００２９】
次に前記第１の実施形態の加熱装置１０の作用について説明する。
抵抗発熱体２３は、第１の端子２５と、ジョイント部材７０と、第２の端子４５と、リード線６０を介して電源６１から電流が供給され発熱する。ヒータプレート２０の温度は、熱電対３６の感知部３７によって検出され、抵抗発熱体２３に供給する電源６１の電流制御回路にフィードバックされる。静電チャック用の電極２４には、第１の端子３０と、ジョイント部材７１と、第２の端子４６を介してプラスまたはマイナスの電圧が印加される。
【００３０】
ヒータプレート２０が何らかの原因により劣化あるいは破損し、交換する必要が生じた場合、ジョイント部材７０，７１を端子２５，３０（または端子４５，４６）から取外すとともに、熱電対３６の感知部３７を孔３５から取出すことにより、ヒータプレート２０を支持構造物２１から切離す。そして新しいヒータプレート２０をジョイント部材７０，７１によって支持構造物２１に連結する。また熱電対３６の感知部３７を孔３５に挿入する。被加熱物（例えばウエハーＷ）の仕様やプロセス温度が変更になったときなどにも、ヒータプレート２０のみを交換することで、仕様変更等に対応することができる。
【００３１】
図５と図６は、この発明の第２の実施形態のジョイント部材７０Ａを示している。このジョイント部材７０Ａは、密着巻きコイルばねからなり、自由状態（外力を与えない状態）におけるコイル内径を、嵌合相手である端子２５，４５（または端子３０，４６）の外径よりも小さくしている。このジョイント部材７０Ａを端子２５，４５（または端子３０，４６）に嵌合させたとき、ばねの反発弾性によって、ジョイント部材７０Ａを介して端子２５，４５（または端子３０，４６）が互いに着脱可能に結合されるとともに、電気的導通がなされる。
【００３２】
図７は参考例としてのジョイント部材７０Ｂを示している。このジョイント部材７０Ｂは、内周面に雌ねじ部８０と鍔部８１を有する円筒形の金属部品からなる。ジョイント部材７０Ｂの嵌合相手である端子２５（または端子３０）には、鍔部８１の内径よりも外径が大きいフランジ部８２が形成されている。他方の端子４５（または端子４６）に雄ねじ部８３が形成されている。雄ねじ部８３にジョイント部材７０Ｂの雌ねじ部８０を螺合させ、締付けることにより、端子２５，４５（または端子３０，４６）が互いに着脱可能に結合されるとともに、電気的導通がなされる。端子２５，４５（または端子３０，４６）を切離すには、ジョイント部材７０Ｂを逆方向に回転させ、ジョイント部材７０Ｂを雄ねじ部８３から外せばよい。
【００３３】
図８はこの発明の第３の実施形態のジョイント部材７０Ｃを示している。このジョイント部材７０Ｃは金属製の円筒形ばねからなり、その一端側に形成されたかしめ部９０において端子２５（または端子３０）に固定されている。ジョイント部材７０Ｃの他端側に軸線方向に沿うスリット９１が形成されている。ジョイント部材７０Ｃの開口部９２に、端子４５（または端子４６）を挿入することにより、端子２５，４５（または端子３０，４６）が互いに着脱可能に結合されるとともに、電気的導通がなされる。ジョイント部材７０Ｃから端子４５（または端子４６）を引抜けば、端子２５，４５（または端子３０，４６）を切離すことができる。なお、図８に示す実施形態とは逆に、ジョイント部材７０Ｃを第２の端子４５（または端子４６）に固定し、このジョイント部材７０Ｃに第１の端子２５（または端子３０）を挿入するように構成してもよい。以上説明した第２〜第３の実施形態において、第１の実施形態（図１〜図４）と共通の個所には互いに共通の符号を付して説明を省略する。
【００３４】
なお、この発明を実施するに当たって、ジョイント部材をはじめとして、チャンバ、ヒータプレート、支持構造物、第１および第２の端子など、この発明の構成要素を本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変形して実施できることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、支持構造物に対してヒータプレートをジョイント部材によって着脱可能に連結したため、ヒータプレートのみを容易に交換することができる。このため、加熱装置の維持費等の低コスト化を図ることができる。また、ジョイント部材を介してヒータプレートが支持構造物に間接的に支持されるため、ヒータプレートの熱が支持構造物側に逃げることを抑制できる。
【００３６】
このためヒータプレートの温度むらが少なくなり、放熱による余分な電力消費も減らすことができる。また、支持構造物がヒータプレートから受ける熱量が減ることから、支持構造物のヒータプレート付近の部分と支持構造物をチャンバに固定する部分との間の温度勾配を緩くすることができ、熱応力の発生等による破損を回避できる。
【００３７】
請求項２に記載した発明によれば、ヒータプレートの背面側から熱電対の感知部を挿入することによって、ヒータプレートの発熱温度を測定できる。請求項３に記載した発明によれば、ばね性を利用した着脱の容易なジョイント部材が得られる。請求項４に記載した発明によれば、円筒形ばねからなる着脱の容易なジョイント部材が得られる。請求項５に記載した発明によれば、コイルばねからなる着脱の容易なジョイント部材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の加熱装置を示す縦断面図。
【図２】図１に示された加熱装置の一部を拡大して示す断面図。
【図３】図１に示された加熱装置に使われるジョイント部材と端子の一部の斜視図。
【図４】図３に示されたジョイント部材と端子の一部の分解斜視図。
【図５】本発明の第２の実施形態を示すジョイント部材と端子の一部の斜視図。
【図６】図５に示されたジョイント部材と端子の一部の分解斜視図。
【図７】参考例を示すジョイント部材と端子の一部の断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態を示すジョイント部材と端子の一部の断面図。
【符号の説明】
１０…加熱装置
１１…チャンバ
２０…ヒータプレート
２１…支持構造物
２３…抵抗発熱体
２５，３０…第１の端子
４０…トッププレート
４１…ステム
４５，４６…第２の端子
７０，７１…ジョイント部材
７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ…ジョイント部材

Claims

抵抗発熱体を有するヒータプレートと、
前記ヒータプレートの下面に下方に向って突設されかつ前記抵抗発熱体に電気的に接続された第１の端子と、
電気絶縁性と耐熱性を有する材料からなり前記ヒータプレートよりも外径が小さいトッププレートと該トッププレートの下面側に設けたステムとによって構成された支持構造物と、
前記支持構造物の前記第１の端子と対応した位置に設けられかつ前記トッププレートの上面から上方に向って突出し前記抵抗発熱体に電力を供給するための電源に接続される第２の端子と、
導電性材料からなり前記第１および第２の端子の双方に嵌合させた状態において内径が広がる方向に撓みその反発弾性によって第１および第２の端子を互いに電気的かつ機械的に接続するとともにこれら両端子の少なくとも一方に対し着脱可能なジョイント部材とを具備し、かつ、
前記ヒータプレートと前記支持構造物とが互いに別体の部品からなり、
前記ジョイント部材が前記第１および第２の端子に挿入され該ジョイント部材によって前記ヒータプレートが前記支持構造物に固定された状態において前記ヒータプレートがチャンバ内の所定位置に保持され、前記ジョイント部材が前記第１の端子または前記第２の端子から引抜かれた状態において該ヒータプレートが前記支持構造物から分離することを特徴とする加熱装置。
前記トッププレートの上面に、上方に突出する熱電対の感知部が設けられ、前記ヒータプレートの下面に、前記熱電対の感知部が下方から挿入される熱電対挿入孔が形成されていることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
前記ジョイント部材がばね性を有する材料からなり、そのばね性によって前記第１の端子あるいは第２の端子に対し着脱可能に嵌合することを特徴とする請求項１または２記載の加熱装置。
前記ジョイント部材がスリットを有する円筒形ばねであり、該円筒形ばねの内径を前記第１の端子または第２の端子の外径よりも小さくし、該円筒形ばねに前記第１の端子または第２の端子を挿入するようにしたことを特徴とする請求項３記載の加熱装置。
前記ジョイント部材がコイルばねであり、このコイルばねの内径を前記第１の端子または第２の端子の外径よりも小さくし、該コイルばねに前記第１の端子または第２の端子を挿入するようにしたことを特徴とする請求項３記載の加熱装置。