JP4503714B2 - High temperature resistance heater - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はプロセスチャンバ用の加熱機構に関し、特に化学的気相堆積チャンバ用の加熱機構に関する。
【0002】
【従来の技術】
化学的気相堆積法(CVD)は、基板上に各種の膜を堆積させるための一般的なプロセスであり、半導体集積回路の製造において広く用いられている。CVD処理では、最終的な膜に必要な原子を含んだ化学ガスが混合され、堆積チャンバ内で反応させられる。元素や分子が基板表面上に堆積、蓄積して膜を形成する。膜が堆積されるべき基板は、通常、サセプタ上に取り付けられる。サセプタは、CVDプロセスのタイプに応じて様々な材料から構成することができる。サセプタは、良好な熱伝導性と、熱変形に対する高い耐性とを有することが望ましい。例えば、アルミニウムは良好な熱伝導性を持った広く用いられるサセプタ材料であるが、脆すぎて高温には耐えられない。従って、アルミニウムは低温CVDプロセスでしか使用できない。高温CVDプロセスでは、ガラスカーボン製、または窒化アルミニウム(AlN)で被覆されたグラファイト製のサセプタが、広く用いられるようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
サセプタの加熱方法に基づいて区別される2つの基本的な加熱方式がCVDシステムで使用されている。抵抗加熱方式は、抵抗加熱素子を利用してサセプタを加熱し、より局所化された反応をウェーハで生じさせる。ランプ加熱方式は、サセプタを加熱する放射加熱ランプをチャンバ内の他の部品とともに使用する。この方式は、チャンバの全体にわたって反応を生じさせる。
【0004】
ランプ加熱システムでは、基板はサセプタ上に支持されており、熱は、チャンバ内の耐熱保護ガラスの背後に配置されたランプによってサセプタを介して基板に伝達される。抵抗加熱システムでは、抵抗加熱素子は、ウェーハホルダ内に配置される。ランプ加熱システムでは、通常は石英製である耐熱ガラスがランプからの熱を吸収して熱くなる。従って、化学反応がガラスの表面で起こり、それによってガラス上に被覆が生じるので、ランプヒータの有効性は減少し、処理を繰り返した後にはガラスが腐食することになる。
【0005】
更に、処理中のホルダの熱変動を測定するために、熱電対が基板ホルダに接続される。ランプ加熱システムでは、この熱電対はチャンバ内になければならない。抵抗加熱システムでは、加熱素子を保持するシステム内の制御された環境に熱電対を置くことができる。これによって、熱電対が処理チャンバ内の元素に曝されなくなるので、熱電対の寿命が増すとともにその精度が向上する。
【0006】
また更に、ランプ加熱CVDチャンバの整備性は抵抗加熱システムの場合よりも重要である。例えば、サセプタおよびウェーハリフト機構の取付けと較正は時間がかかり問題が多い。
【0007】
各種の半導体応用分野に役立つ典型的なCVDプロセスは、ジクロロシラン(DCS)タングステンシリサイドプロセスである。DCSプロセスが行なわれる温度のため、従来の抵抗加熱システムは、通常、そのプロセスに適さない。というのも、従来の抵抗加熱システムは、要求されるプロセス温度範囲(500℃〜600℃)を維持することができないからである。その結果、このプロセスは、例えばハロゲンランプ加熱CVDチャンバ内で行なわれている。しかしながら、DCSプロセスが起こり得るような抵抗加熱チャンバがあれば有用である。
【0008】
DCSタングステンシリサイドプロセスでは、タングステンシリサイド膜は、WF6、DCS、およびSiH4の反応によって形成される。他のCVDプロセスの場合と同様、一連のウェーハ(通常25個)を処理した後、チャンバは洗浄され、反応チャンバの壁やチャンバ内の他の部品に堆積した反応生成物が除去される。洗浄プロセス中、ウェーハホルダは、CVDチャンバ内に残される。
【0009】
2つの異なるタイプの洗浄プロセス、すなわち化学洗浄とプラズマ洗浄が一般的に利用されている。プラズマ洗浄は、NF3とRFエネルギーを使用してプラズマを発生させるステップを伴う。その結果、プラズマ洗浄は、より局所的であり、制御がより困難なために堆積物の洗浄が不均一になる。プラズマ洗浄プロセスが500℃〜600℃の温度範囲で行なわれると、サセプタは激しく損傷して大量の微粒子物質がシステムの他の部品から発生することになる。その上、プラズマ洗浄は局所的で均一性が劣る。化学洗浄はより均一だが、チャンバの部品に及ぼす応力が大きい。
【0010】
あるタイプの化学洗浄は、処理チャンバ内にClF3を置き、高温になるほど激しくなる熱依存反応を発生させるステップを含んでいる。化学洗浄は、適切に制御されないとサセプタを損傷させる場合がある。温度300℃〜600℃での四フッ化塩素(ClF3)中での化学洗浄は、サセプタに対する機械的応力と化学的腐食の両方を生じることがあるので望ましくない。例えば、ガラスカーボンサセプタを使用する場合、化学洗浄は温度200℃で行なわなければならない。この化学洗浄は、500〜600℃のDCSタングステンシリサイド処理温度から処理チャンバを冷却するステップを必要とするので、チャンバの処理能力を低下させる。
【0011】
今日まで、DCSタングステンシリサイドプロセスのようなプロセスには放射加熱CVDシステムの使用が好ましいとされてきた。このようなシステムは、熱応力に対して、および上記プロセスで利用される化学洗浄プロセスに対して、より耐性がある。しかしながら、CVDプロセスで利用可能な抵抗加熱CVDチャンバを提供することが望ましい。これは、DCSプロセスで、コールドウォール型抵抗加熱システムのすべての利点を発揮する必要がある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明を概説すると、本発明は、化学的気相堆積チャンバ等のプロセス装置用の抵抗加熱システムを含んでいる。このシステムは、支持面と支持シャフトとを有する抵抗加熱基板ホルダを含んでおり、このホルダは、第1の材料から構成されている。支持面は、抵抗加熱素子を含んでいる。支持シャフトは所定の長さを有しており、また、熱電対を支持面に係合させることを可能にし、かつ導電体を支持面内の抵抗加熱素子に結合させることを可能にする貫通穴を有している。
【0013】
金属の取付け構造が支持シャフトに結合されてプロセス装置に固定されており、密封された環境をホルダおよび取付け構造内に作り出して、電気リードおよび熱電対を処理環境から保護する。
【0014】
一つの態様では、支持シャフトを取付け構造に固定するためにカップリング構造が設けられる。このカップリング構造は、カップリングの際に最小の熱応力で剛性支持をもたらすように最適化されている。この点で、カップリング構造は、基板ホルダと同一の材料からなる支持部材を有して、基板ホルダおよび支持部材の加熱によって誘起される熱応力を低減するようになっていても良い。
【0015】
シャフトの長さは、基板ホルダおよび取付け構造に使用される材料に基づいて調節することができる。これによって、取付け構造と基板ホルダに関して異なる材料を使用することが可能となり、プロセスチャンバ内で使用される特定のプロセスに対してこれらの材料を最適化することができる。シャフトの長さは、使用される材料と、加熱システムがサポートするように設計されているプロセスの温度と、に基づいて調節することができる。ある態様では、ホルダとシャフトは窒化アルミニウムから構成され、取付け構造はニッケルまたはニッケル合金から構成されている。シャフトの長さを調節することによって、プロセスの温度は、シャフトと取付け構造とが接合される箇所での温度よりも高くなり、接合箇所での温度を使用される材料に対して最適化することができる。
【0016】
更に、ヒータは、ヒータ構造の熱抵抗率(thermal resistivity)に基づいて抵抗加熱素子の電力出力を制御する制御方式を利用する。
【0017】
本発明は、特定の実施形態に関して説明することになる。本発明の他の目的、特徴、および利点は、本明細書と図面を参照することにより明らかになるであろう。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の抵抗加熱装置10の第1の実施形態を示している。抵抗加熱装置10は、抵抗加熱基板ホルダ12と取付け構造14とを含んでいる。ウェーハ加熱装置10は、例えば化学的気相堆積(CVD)チャンバ等の密封可能な処理チャンバ内に常駐することが理解されるだろう。基板ホルダ12は、CVDチャンバ(図示せず)内での処理のために半導体材料からなる基板を載置することができる平表面16を有している。
【0019】
抵抗加熱ウェーハホルダ12は、ウェーハ保持部18と支持シャフト20とを含んでいる。ある態様では、ウェーハホルダ18とシャフト20とは、窒化アルミニウムから製造されている。シャフト20は、ウェーハ保持部18に拡散接合することができる。取付け構造14は、強い金属材料(ある態様ではニッケル200(ANSIニッケル200)を含む)から製造されており、ウェーハホルダ12をプロセスチャンバに固定する。
【0020】
他の材料を使用して、本発明の精神と範囲から逸脱することなくウェーハホルダ10および取付け構造14を製造してもよい。ここで説明する実施形態では、窒化アルミニウムの比較的純粋な(99.97%)化合物が利用される。本実施形態のこの組成の窒化アルミニウムは、500〜600℃の範囲の温度のプロセス環境で特に有利であると確認されている。AlN化合物の不純物は、酸化イットリウム(Y23)またはカーボンから構成されていてもよい。
【0021】
本発明の一実施形態に特有の特徴は、取付け構造を構成する第2の材料とは異なる熱膨張係数を有する第1の材料から成る支持シャフト20の使用との組合せである。これによって、装置の各部に使用される材料を、加熱装置の最適な性能のために選択することができる。例えば、窒化アルミニウムは良好な耐熱性と耐腐食性を持ち、一方、ニッケル合金は大きな強度と耐久性を持つ。従って、ある実施形態では、ウェーハホルダ12を固定するニッケル取付け構造14を有する窒化アルミニウムシャフト20およびホルダ12が、例えばDCSプロセスにおける約500℃というウェーハホルダ12の表面16でのプロセス温度で使用するために好適に実現されている。
【0022】
この温度では、シャフト32を保持部18に直接結合することによってウェーハホルダ12を取付け構造14に直接取り付けるのは問題である。というのは、500℃近くの温度では、各材料の熱膨張特性の差が応力を生み、この応力が、材料を接合する従来の接合技術を弱めることになるからである。更に、プロセスチャンバ内の化学プロセスの性質に起因して、チャンバ内の化学物質によって繰り返される侵食が金属シャフト自体ばかりかその接合部に対しても腐食効果をもたらすので、金属取付け構造と窒化アルミニウムウェーハホルダとの間の確実な接合の維持が困難になる。
【0023】
従って、本発明の第1の実施形態において、本発明に特有の第1の特徴は、ウェーハホルダ12の表面16における温度T1とシャフト20が取付け構造14に接合されている箇所における第2温度T2との間に所定の温度低下をもたらす特定の長さL1にシャフト20を製造することである。T2とT1との間の差または低下は、各部に使用される材料と表面16におけるプロセス温度T1とによって決定され、これにより、シャフト20に要求される長さL1が与えられる。
【0024】
図10に示される他の実施形態では、シャフト20aは、ウェーハホルダ12とプロセスチャンバ内の取付けハードウェア100aとの間の距離の全長に等しい長さ(L2)を有するように形成することができる。
【0025】
本発明に特有の別の特徴では、内部導管が設けられて、熱電対と導体リードとをチャンバ内の化学反応から隔離して加熱装置内の制御環境に配置できるようになっている。幾つかのシステムでは、金属化学的気相堆積チャンバで利用される露出端子が化学プロセス中の金属の堆積によって最終的に短絡してしまう可能性がある。従って、上記端子は、基板取付け構造の内側に設けることが望ましい。本発明のシステムにおいて、真空で生じるプロセスは、シャフト内部の熱電対や導体と相互作用をしない。シャフト内部の制御環境は、真空状態のプロセスチャンバから隔離され、大気状態に維持することができる。
【0026】
抵抗加熱ウェーハホルダ12とシャフト20とを図2(a)〜図2(c)に更に詳細に示す。図示のように、シャフト20は、熱電対を内部に設置することの可能な第1導管22と、基板ホルダ12内に配置される抵抗加熱素子への導電体を内部に設置することのできる第2および第3導管23、24とを含んでいる。貫通穴25、26、27、28が表面16に設けられており、基板リフト用フィンガがウェーハホルダ12を通って抵抗加熱構造10の表面16上で基板を昇降できるようになっている。熱電対挿入領域30は、抵抗基板ホルダ12の表面16の中央に設けられている。
【0027】
支持シャフト20と結合するために第1のカップリング構造50を用いる取付け構造14の第1の形態を図1および図3に示す。カップリング構造50は、ウェーハホルダ構造12およびシャフト20の全体を支持しなければならないため重要である。取付け構造14は、ベローズ部材34を摺動可能に収容する端部36を有するシャフト32を含んでいる。ベローズ部材34は、基板ホルダ12のシャフト20と係合する第1の表面35を含んでいる。第2の表面37は、シャフト32の内部領域38に面している。シャフト32の内部領域38は、ベローズ部材34がシャフト32に固定されると、化学的気相堆積プロセスの間、ほぼ大気状態に維持される制御環境となる。シャフト20の直径とほぼ等しい直径を持つ支持円盤40は、ベローズ部材34の下面37と接している。ベローズ部材34は、Eビーム溶接によってシャフト32に固定されている。
【0028】
ベローズ部材34は、シャフト28とニッケルシャフト32との間である程度の可撓性を許容するために設けられている。ベローズ部材34はニッケルから構成されていてもよいが、通常、シャフト32を構成するニッケル材料よりも薄い(厚さ約2ミル)。窒化アルミニウムとニッケルは熱膨張係数が異なるので、加熱されると、たわみによって、良好なシールを保ちながらシャフト間で異なる速度の膨張をすることが可能となる。この熱膨張は、シャフト20をシャフト32に結合できるようにする際に克服しなければならない重要な問題である。ベローズ部材34をシャフト32に取り付けるにはEビーム溶接を使用してもよいが、窒化アルミニウムシャフト20をベローズ部材34に取り付けるには蝋付けが利用される。第1の蝋付けは、シャフト20とベローズ部材34の表面35との界面で行なわれる。第2の蝋付けは、円盤部材40とベローズ34の表面37との界面44で行なわれる。円盤部材40は、窒化アルミニウム製の逆応力部材(counter-stress member)であり、シャフト20とベローズ部材34との間の熱膨張整合用に設けられている。ベローズ部材は、シャフト20およびシャフト部材32の膨張を見越している。ベローズ部材のたわみがなければ、蝋付けは、加熱中に生じる応力と窒化アルミニウムシャフト20およびシャフト32間の熱膨張差とに起因する破壊に抵抗するだけの強さをもたないことになる。一般に、ニッケルは、窒化アルミニウムよりも大きく膨張する。その結果、蝋付け部分に垂直引張応力(F1)が存在することになる。リング40は窒化アルミニウムなので、膨張が少なく、この力を二分する。従って、引張応力は圧縮となり、歪みはより均一になる。同様に、図3にF2で示す方向に沿った応力も、リング40の存在によって半減される。
【0029】
利用される蝋付けは、小量のチタンを有する銀/銅材料であり、これは、高温の洗浄プロセスで利用される四フッ化塩素(ClF3)の侵食に耐えることができない。シャフトの長さを変えて接合部の温度を低下させることによって、侵食を最小限に抑えることができる。更に、露出した蝋には、化学的侵食による蝋の汚染を保護、防止するために、ニッケル200を用いて厚さ約0.001インチのメッキが施されている。
【0030】
当業者であれば理解できるように、図1において長さL1は、シャフト20とシャフト32との間の結合箇所で要求される温度に基づいて選択されている。L1は、構造体10に利用される材料の使用と、構造体10が操作されるべきプロセスの性質とに基づいて変更することができる。
【0031】
図4〜8は本発明の第2の実施形態を示しており、具体的にはシャフト20を取付け構造141に固定するカップリング構造501を示している。この形態のカップリング構造では、取付け構造141は、結合用の別の支持体を与えるクランプを有している。この取付け構造141は、取付け構造14の端部にクランプカップリング52が設けられている点を除いて、取付け構造14と本質的に同様である。図4は、本発明の第2実施形態の平面図であり、図5は、図4の5−5線に沿った図である。図示のように、取付け構造141は、環状部材54およびクランプ部材56によって形成されるクランプ52を含んだ第1の端部51を有している。クランプ部材56および環状部材54にねじ穴58、59を設けて、シャフト20を取付け構造14内の所定位置にボルト(図示せず)を用いて固定している。
【0032】
取付け構造141の内側部分38にプロセスチャンバから隔離された安全な環境を形成するために、厚さ2ミルのニッケル200製L形リング60が、本発明の第2実施形態の内部領域38内においてシャフト20と窒化アルミニウム支持リング40との間に配置されている。シャフト20とL形リング60との界面62で蝋付けが使用され、リング40とL形リング60の下面との界面64で第2の蝋付けが使用される。内側リング65と取付け構造141のリップ151との境界面における点66では、Eビーム溶接またはレーザービーム溶接が利用される。溶接は、シャフト321の内部領域38に対して真空シールを提供する。これにより、内側部分38に真空シールを提供する機能と抵抗加熱基板ホルダ12を支持する機能とが分離される。
【0033】
従って、取付け構造とシャフト32の内部は、プロセスチャンバの真空から隔離された制御環境となる。これによって、熱電対と加熱素子用の導電体を大気圧に維持できるので、これらがチャンバ内のプロセスの影響から隔離されるとともに、その寿命が長くなり、加熱構造の全体強度が増加する。
【0034】
図6は、カップリング構造501の第2の形態と、ウェーハホルダ12内の抵抗加熱素子を装置に結合する電気導管108、110と、を含んだ抵抗加熱構造10の側断面図を示している。先の図面と同様の部品には、同一の参照番号が使用されている。図6に示されるように、チャンバマウント100をチャンバ内に設けることにより取付け構造14が固定されている。チャンバマウントは、通常、化学的気相堆積チャンバまたはその他の処理チャンバ(図示せず)に連結される。このチャンバマウントは、流体導管102を含んでいる。流体導管は、加熱構造10の水冷用に設けることができる。取付け構造14または141を受け入れるために、ボア103がチャンバマウント100内に設けられている。チャンバマウント100のフランジ105はチャンバ壁の上に設置され、加熱構造の支持に役立つ。電気コネクタ107、109がチャンバマウント100内に設けられ、導管1041、1061に結合されている。取付け構造14内の電気導管1041、1061は、制御環境内の内部領域38に配置される。シャフト20内の対応する導管1042、1062は、シャフト20とシャフト321との界面に配置された電気コネクタ112、114によって導管1041、1061に結合される。支持リング40の着座を可能にするリップ151とシャフト20との界面に排気口118が設けられており、これにより残留ガスを逃がすことができる。
【0035】
図7は、図6に示される加熱構造の形態と同様の断面を示しているが、領域38内の制御環境内の所定位置に配置された熱電対120を示している。図示のように、熱電対120用のコネクタ122がチャンバマウント100内に設けられている。マウント100内のボア140により、熱電対120のCVDシステムへの接続が可能になる。上記のように、熱電対は、ボア内において大気圧に維持される。
【0036】
図7では、熱電対と基板ホルダとの交差部分で熱電対120により測定される温度の精度を高めることを含んだ本発明に特有の別の特徴を示している。シャフト20とウェーハ保持部18との交差部分を構成する領域22では、窒化アルミニウムの厚さT1は、シャフト20の幅(直径)にわたってウェーハ保持領域18の厚さT2よりも大きい。この厚さの増加が、ウェーハ保持領域の中央における熱損失を補償する。ウェーハ保持領域の中央における熱電対の使用は、ウェーハ保持面の下の窒化アルミニウム中に導管を設ける必要性に起因して、それ自体が領域内の熱損失を増加させる。また、大気における物体の熱損失は真空における物体よりも大きいので、大気中に熱電対を設けるという事実により熱損失が増加することになる。領域22内の窒化アルミニウムの厚さが領域内の厚さと同一の場合、この領域内の熱損失は、ウェーハ保持領域18の残部全体の熱損失よりも大きくなる。従って、この領域内の窒化アルミニウムの厚さを増して、熱損失を減少させる。
【0037】
この領域の厚さを増すことに対する他の解決法は、ウェーハ保持領域の同一厚さT2を保ちながら、領域22内の加熱素子の密度を増加することである。このような解決法は、この構造の形成をより複雑にする可能性があり、また領域22内の熱応力を増加させることになる。
【0038】
本発明に特有の別の特徴では、ウェーハ保持領域18の厚さT2が、本発明の加熱構造の熱ランプレートを制御するように選択される。従来、抵抗ヒータの厚さは、0.7インチのオーダである。一般に理解されるように、厚さが増すに従って、ヒータのランプレートは遅くなる。しかしながら、本発明のある実施形態では、厚さT2は約0.5インチのオーダである。このようにすることで、ヒータに関して相当に短い冷却時間を実現することができる。
【0039】
本発明の加熱構造におけるヒータランプ制御(heater ramping control)は、CVDチャンバ内で発生するプロセスにわたって正確な制御を達成するために、またヒータの熱クラッキングを回避し、過剰なヒータ休止時間を防止するために、特に重要である。温度変化の速度が速すぎるとクラッキングが生じるが、変化速度が低すぎるとCVDシステムの全体スループットが低下することになる。
【0040】
従って、本発明に特有の別の特徴では、本発明のヒータ構造の加熱と冷却の速度を制御する方式が利用される。モリブデンの熱膨張係数が窒化アルミニウムの熱膨張係数と等しいことから、本システムでは、加熱素子がモリブデンから構成されている。しかしながら、本発明のヒータに特有の特徴は、多様なタイプの材料から成る抵抗加熱素子に適用することができる。
【0041】
ここで説明されるようなセラミック加熱システムでは、加熱素子の抵抗率は温度とともに増加する。これは、ヒータ構造の温度ランプレートの制御を複雑にする。抵抗率の変化は、温度が室温から600℃まで増すに従って3倍になる場合がある。このように、抵抗率の変化は、結果として、ヒータの電力出力に大きく影響を与えることがある。
【0042】
一般に、ヒータ素子の制御は、電流調整か電圧調整のいずれかによって行なわれる。電圧制御モードにおけるヒータの電力出力は、
電力=(電圧)2/抵抗率
であり、電流制御モードでは、
電力=(電流)2/抵抗率
である。これは、小さな電圧や電流の入力では、ヒータの電力出力は、温度や抵抗率の増加に従って減少することを意味している。従来技術の抵抗加熱素子は、実際の温度入力と設定温度電圧入力との間の誤差を考慮した誤差補償方式を利用しているが、温度上昇から生じるヒータ材料の抵抗率の変動は何ら補償されていなかった。例えば、いわゆるPID(比例積分微分)誤差補正アルゴリズムが一般的に利用されている。
【0043】
本発明のヒータシステムでは、ヒータ温度が上昇するに従ってヒータ素子材料の抵抗率の変化を補償するように電圧入力を調整することによって電圧入力を変化させるヒータ制御方式が利用される。一般に、この方式は、入力電圧の制御のために下式を実行する。すなわち、電圧モード制御では、
真の電圧入力=(計算電圧入力)×f1(t)
であり、また電流モード制御では
真の電流入力=(計算電流入力)×f2(t)
である。ここで、計算電圧入力は、抵抗率変化の影響を考慮せずにヒータ素子の任意の制御アルゴリズムから導出されたものであり、f1、f2は、温度変化による抵抗率の変動を正当化する任意の温度の関数である。
【0044】
当然のことながら、関数f1、f2は、ヒータ素子に使用される材料に応じて変化することになり、これらの関数は、実現が望まれる精度に応じて変更することができる。これらの関数は、電圧調整や電流調整を直接制御する回路に実装するか、あるいは電圧調整や電流調整を制御する特選プロセッサに移植されたソフトウェアに実装することができる。本発明のヒータのこの関数を実装するために利用可能な各種の制御プロセッサ実装やソフトウェア実装が多く存在している。
【0045】
図8および図9は、クランプ部材502の他の第3の形態の断面を示している。この形態では、クランプ部材502は、対向するクランプアーム121を有する独立形成の弓形部分124を備えている。クランプアームを弓形クランプ部材124に対向させて固定するために2つの貫通穴126、127が設けられており、対応する貫通穴128(穴126に対して図8にのみ図示)がクランプアーム121に設けられている。図8に示される構造は極めてしっかりしたものと定められており、図4および図5に示される形態に対して少ない取付具を考慮している。
【0046】
図10は、本発明の第4の実施形態104を示している。この実施形態では、窒化アルミニウムシャフト20aは、ウェーハホルダ18aとチャンバ内の取付けハードウェア100aとの間の全距離に等しい長さを有している。図10に示すように、AlN等のセラミック材料から成るシャフト20aは、保持部18aに結合される第1の端部と、チャンバマウントハードウェア100aに結合される第2の底端部とを有している。
【0047】
シャフト20aは、内部チャンバ138を含んでいる。これは、熱電対120aおよび電気リード(図10では106aのみを示す)をチャンバ138内の制御環境に配置し、プロセスチャンバの内側の真空環境から隔離して大気状態に維持することを見越している。シャフトの長さは今度はL2であるから、独立した金属シャフトにシャフト20aのAlN部分を結合するとともに金属シャフトをカップリングハードウェアに結合するという問題がなくなる。導電性電極および熱電対に関して、隔離された周囲環境140をシャフト20a内に確実に維持する際には、ただ一つの締付け箇所−−カップリング構造100aにおいて−−しか処理する必要がない。
【0048】
カップリング構造100aは、六角ナットによって結合された、シャフト20aのフランジ部分135の貫通穴125とフランジクランプ130とによって、シャフト20aをベース部材136に固定する。シャフトは熱電対と導電性電極の全体を含むので、ただ一つの締付け箇所−−シャフトの基部において−−が別に必要となるだけで、金属シャフト部分(例えば14)とセラミックシャフト(例えばシャフト20)との間の接合部では別の締付具を必要としない。導電体106aは、ばね式締結具134を介してコネクタ103a経由でプロセスチャンバに連結される。導体1062は、セラミック絶縁体111の内側に固定される。絶縁体111は、一端が保持領域18aの凹部133に固定され、他端がばね式締結具134で固定される。締結具134は、スプリング136に係合するペデスタル135を含んでおり、そのペデスタル自体はシャフト137に取り付けられている。ペデスタル135は、絶縁体111を押し込んで凹部133に係合させる。シャフト137は、マウントブロック140のカウンタボア139内に保持されて、ベース部材136に固定される。
【0049】
最後に、シャフト20aの第1の端部142の直径は、第2の端部144の直径より大きいことを強調しておく。これは、シャフト20aと保持領域18aとの間のより大きな結合面積を見越したものである。更に、保持部18aの厚さT3とT4の間の差(X)は、先の形態のT1とT2の差ほど大きくない。中央部厚さT3と周辺部厚さT4との間に厚さの差が存在し、シャフト20a上の領域と大気との間の圧力差による熱変動の原因となっているが、この差を小さくするとヒータ104の製造性が向上する。
【0050】
本発明の様々な特徴と利点は、当業者には明らかであろう。このような本発明の特徴と利点のすべては、本出願および特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲内にあることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る抵抗加熱構造の断面図である。
【図2】(a)は、本発明に係る抵抗加熱ウェーハホルダの第1の側面図であり、(b)は、本発明に係る抵抗加熱ウェーハホルダの平面図であり、(c)は、本発明に係る抵抗加熱ウェーハホルダの第2の側面図である。
【図3】取付け構造を抵抗加熱ウェーハホルダに結合する第1の機構の拡大断面図である。
【図4】本発明に係る取付け構造の第2の実施形態の平面図である。
【図5】図4に示される取付け構造の断面図であり、取付け構造を利用して本発明の第2実施形態の抵抗加熱ウェーハホルダに結合する方法を示している。
【図6】抵抗加熱構造の断面図であり、ウェーハホルダ内の抵抗加熱素子に結合される導電リード用の導管を示している。
【図7】本発明による抵抗加熱構造の第2の断面図であり、導管と、本発明に係る抵抗加熱素子に結合している熱電対と、を示している。
【図8】本発明に係る抵抗加熱ウェーハホルダと係合する取付け構造の第3の実施形態の拡大断面図である。
【図9】図8の9−9線に沿った断面図である。
【図10】本発明に係る全長セラミックシャフトを用いた抵抗加熱構造の第4の実施形態の断面図である。
【符号の説明】
10…抵抗加熱装置、12…抵抗加熱ウェーハホルダ、14…取付け構造、18…ウェーハ保持部、20…支持シャフト、32…支持シャフト。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heating mechanism for a process chamber, and more particularly to a heating mechanism for a chemical vapor deposition chamber.
[0002]
[Prior art]
Chemical vapor deposition (CVD) is a common process for depositing various films on a substrate and is widely used in the manufacture of semiconductor integrated circuits. In the CVD process, a chemical gas containing atoms necessary for the final film is mixed and reacted in a deposition chamber. Elements and molecules accumulate and accumulate on the substrate surface to form a film. The substrate on which the film is to be deposited is usually mounted on a susceptor. The susceptor can be composed of various materials depending on the type of CVD process. It is desirable for the susceptor to have good thermal conductivity and high resistance to thermal deformation. For example, aluminum is a widely used susceptor material with good thermal conductivity, but it is too brittle to withstand high temperatures. Thus, aluminum can only be used in a low temperature CVD process. In high temperature CVD processes, susceptors made of glass or graphite coated with aluminum nitride (AlN) are widely used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Two basic heating schemes are used in CVD systems that are distinguished based on the method of heating the susceptor. The resistance heating method uses a resistance heating element to heat the susceptor and cause a more localized reaction on the wafer. The lamp heating scheme uses a radiant heating lamp that heats the susceptor along with other components in the chamber. This scheme produces a reaction throughout the chamber.
[0004]
In a lamp heating system, the substrate is supported on a susceptor, and heat is transferred to the substrate through the susceptor by a lamp placed behind a heat-resistant protective glass in the chamber. In a resistance heating system, the resistance heating element is placed in the wafer holder. In the lamp heating system, heat-resistant glass, usually made of quartz, absorbs heat from the lamp and becomes hot. Thus, chemical reactions occur on the surface of the glass, thereby creating a coating on the glass, reducing the effectiveness of the lamp heater and corroding the glass after repeated processing.
[0005]
In addition, a thermocouple is connected to the substrate holder to measure the thermal variation of the holder during processing. In a lamp heating system, this thermocouple must be in the chamber. In a resistive heating system, the thermocouple can be placed in a controlled environment within the system that holds the heating element. This prevents the thermocouple from being exposed to the elements in the processing chamber, thereby increasing the lifetime of the thermocouple and improving its accuracy.
[0006]
Still further, maintainability of the lamp heated CVD chamber is more important than in the case of resistance heating systems. For example, the installation and calibration of susceptors and wafer lift mechanisms is time consuming and problematic.
[0007]
A typical CVD process useful for various semiconductor applications is the dichlorosilane (DCS) tungsten silicide process. Due to the temperature at which the DCS process takes place, conventional resistive heating systems are usually not suitable for that process. This is because conventional resistance heating systems cannot maintain the required process temperature range (500 ° C. to 600 ° C.). As a result, this process is performed, for example, in a halogen lamp heated CVD chamber. However, it would be useful if there was a resistive heating chamber where a DCS process could occur.
[0008]
In the DCS tungsten silicide process, the tungsten silicide film is WF. 6 , DCS, and SiH Four Formed by the reaction of As with other CVD processes, after processing a series of wafers (typically 25), the chamber is cleaned to remove reaction products deposited on the walls of the reaction chamber and other components within the chamber. During the cleaning process, the wafer holder is left in the CVD chamber.
[0009]
Two different types of cleaning processes are commonly utilized: chemical cleaning and plasma cleaning. Plasma cleaning is NF Three And generating a plasma using RF energy. As a result, plasma cleaning is more localized and more difficult to control, resulting in uneven deposition cleaning. If the plasma cleaning process is performed in the temperature range of 500 ° C. to 600 ° C., the susceptor will be severely damaged and a large amount of particulate matter will be generated from other parts of the system. In addition, plasma cleaning is local and inferior in uniformity. Chemical cleaning is more uniform, but the stress on the chamber components is greater.
[0010]
One type of chemical cleaning involves ClF in the processing chamber. Three And generating a heat-dependent reaction that becomes more intense at higher temperatures. Chemical cleaning can damage the susceptor if not properly controlled. Chlorine tetrafluoride (ClF) at a temperature of 300 ° C to 600 ° C Three ) Is undesirable because it can cause both mechanical stress and chemical corrosion to the susceptor. For example, when a glass carbon susceptor is used, chemical cleaning must be performed at a temperature of 200 ° C. This chemical cleaning requires a step of cooling the processing chamber from a DCS tungsten silicide processing temperature of 500-600 ° C., thus reducing the processing capacity of the chamber.
[0011]
To date, it has been preferred to use a radiation heated CVD system for processes such as the DCS tungsten silicide process. Such a system is more resistant to thermal stresses and to the chemical cleaning process utilized in the process. However, it is desirable to provide a resistance heated CVD chamber that can be used in a CVD process. This is a DCS process that needs to demonstrate all the advantages of a cold wall resistive heating system.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In general terms, the present invention includes a resistive heating system for a process apparatus such as a chemical vapor deposition chamber. The system includes a resistance heating substrate holder having a support surface and a support shaft, the holder being composed of a first material. The support surface includes a resistance heating element. The support shaft has a predetermined length and also allows a thermocouple to engage the support surface and a through hole that allows the conductor to be coupled to a resistance heating element in the support surface have.
[0013]
A metal mounting structure is coupled to the support shaft and secured to the process equipment to create a sealed environment within the holder and mounting structure to protect the electrical leads and thermocouple from the processing environment.
[0014]
In one embodiment, a coupling structure is provided to secure the support shaft to the mounting structure. This coupling structure is optimized to provide rigid support with minimal thermal stress during coupling. In this respect, the coupling structure may include a support member made of the same material as the substrate holder, and reduce thermal stress induced by heating the substrate holder and the support member.
[0015]
The length of the shaft can be adjusted based on the materials used for the substrate holder and mounting structure. This allows different materials to be used for the mounting structure and the substrate holder, and these materials can be optimized for the particular process used in the process chamber. The length of the shaft can be adjusted based on the material used and the temperature of the process that the heating system is designed to support. In one embodiment, the holder and shaft are made of aluminum nitride and the mounting structure is made of nickel or a nickel alloy. By adjusting the length of the shaft, the temperature of the process will be higher than the temperature at the point where the shaft and mounting structure are joined, and the temperature at the joint will be optimized for the materials used Can do.
[0016]
In addition, the heater utilizes a control scheme that controls the power output of the resistance heating element based on the thermal resistivity of the heater structure.
[0017]
The invention will be described with respect to particular embodiments. Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent with reference to the present specification and drawings.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a first embodiment of a resistance heating device 10 of the present invention. The resistance heating device 10 includes a resistance heating substrate holder 12 and an attachment structure 14. It will be appreciated that the wafer heating apparatus 10 resides in a sealable processing chamber, such as a chemical vapor deposition (CVD) chamber. The substrate holder 12 has a flat surface 16 on which a substrate made of a semiconductor material can be placed for processing in a CVD chamber (not shown).
[0019]
The resistance heating wafer holder 12 includes a wafer holding part 18 and a support shaft 20. In one embodiment, wafer holder 18 and shaft 20 are made from aluminum nitride. The shaft 20 can be diffusion bonded to the wafer holder 18. The mounting structure 14 is made of a strong metallic material (in some embodiments including nickel 200 (ANSI nickel 200)) and secures the wafer holder 12 to the process chamber.
[0020]
Other materials may be used to manufacture the wafer holder 10 and mounting structure 14 without departing from the spirit and scope of the present invention. In the embodiment described here, a relatively pure (99.97%) compound of aluminum nitride is utilized. Aluminum nitride of this composition of this embodiment has been found to be particularly advantageous in process environments with temperatures in the range of 500-600 ° C. The impurity of the AlN compound is yttrium oxide (Y 2 O Three ) Or carbon.
[0021]
A characteristic feature of one embodiment of the present invention is that the support shaft is made of a first material having a different coefficient of thermal expansion from the second material constituting the mounting structure. 20 In combination with the use of This allows the materials used for each part of the device to be selected for optimal performance of the heating device. For example, aluminum nitride has good heat resistance and corrosion resistance, while nickel alloy has great strength and durability. Thus, in one embodiment, the aluminum nitride shaft 20 and the holder 12 having the nickel attachment structure 14 that secures the wafer holder 12 is for use at a process temperature at the surface 16 of the wafer holder 12 of, for example, about 500 ° C. in a DCS process. It is suitably realized.
[0022]
At this temperature, it is problematic to attach the wafer holder 12 directly to the mounting structure 14 by directly coupling the shaft 32 to the holding portion 18. This is because, at temperatures close to 500 ° C., the difference in thermal expansion characteristics of each material generates stress, and this stress weakens the conventional joining technique for joining the materials. Furthermore, due to the nature of the chemical process in the process chamber, repeated erosion by the chemical in the chamber has a corrosive effect on the metal shaft itself as well as its joints, so that the metal mounting structure and the aluminum nitride wafer It becomes difficult to maintain reliable bonding with the holder.
[0023]
Accordingly, in the first embodiment of the present invention, the first characteristic feature of the present invention is that the temperature T at the surface 16 of the wafer holder 12 is 1 And the second temperature T where the shaft 20 is joined to the mounting structure 14. 2 A specific length L that gives a certain temperature drop between 1 The shaft 20 is manufactured. T 2 And T 1 The difference or decrease between is the material used for each part and the process temperature T at the surface 16. 1 And thus the required length L of the shaft 20 1 Is given.
[0024]
In another embodiment shown in FIG. 10, the shaft 20a has a length (L) equal to the total distance between the wafer holder 12 and the mounting hardware 100a in the process chamber. 2 ).
[0025]
Another feature unique to the present invention is that an internal conduit is provided to allow the thermocouple and conductor leads to be isolated from chemical reactions within the chamber and placed in a controlled environment within the heating device. In some systems, exposed terminals utilized in metal chemical vapor deposition chambers can eventually be shorted by metal deposition during the chemical process. Therefore, it is desirable to provide the terminal inside the board mounting structure. In the system of the present invention, the process occurring in the vacuum does not interact with the thermocouple or conductor inside the shaft. The control environment inside the shaft can be isolated from the vacuum process chamber and maintained at atmospheric conditions.
[0026]
The resistance heating wafer holder 12 and the shaft 20 are shown in more detail in FIGS. 2 (a) to 2 (c). As shown in the drawing, the shaft 20 has a first conduit 22 in which a thermocouple can be installed, and a conductor to a resistance heating element arranged in the substrate holder 12. 2 and third conduits 23, 24. Through holes 25, 26, 27, 28 are provided on the surface 16 so that the substrate lift fingers can move the substrate up and down on the surface 16 of the resistance heating structure 10 through the wafer holder 12. The thermocouple insertion region 30 is provided at the center of the surface 16 of the resistance substrate holder 12.
[0027]
For coupling with the support shaft 20 A first embodiment of the mounting structure 14 using the first coupling structure 50 is shown in FIGS. The coupling structure 50 is important because it must support the entire wafer holder structure 12 and shaft 20. The mounting structure 14 is Having an end portion 36 for slidably receiving the bellows member 34; A shaft 32 is included. The bellows member 34 includes a first surface 35 that engages the shaft 20 of the substrate holder 12. The second surface 37 faces the inner region 38 of the shaft 32. The interior region 38 of the shaft 32 provides a controlled environment that is maintained at approximately atmospheric conditions during the chemical vapor deposition process when the bellows member 34 is secured to the shaft 32. A support disk 40 having a diameter substantially equal to the diameter of the shaft 20 is in contact with the lower surface 37 of the bellows member 34. The bellows member 34 is fixed to the shaft 32 by E-beam welding.
[0028]
The bellows member 34 is provided to allow a certain degree of flexibility between the shaft 28 and the nickel shaft 32. The bellows member 34 may be made of nickel, but is typically thinner (about 2 mils thick) than the nickel material that makes up the shaft 32. Since aluminum nitride and nickel have different coefficients of thermal expansion, when heated, deflection allows expansion at different rates between the shafts while maintaining a good seal. This thermal expansion is an important issue that must be overcome in order to be able to couple the shaft 20 to the shaft 32. E-beam welding may be used to attach the bellows member 34 to the shaft 32, but brazing is utilized to attach the aluminum nitride shaft 20 to the bellows member 34. The first brazing is performed at the interface between the shaft 20 and the surface 35 of the bellows member 34. The second brazing is performed at the interface 44 between the disc member 40 and the surface 37 of the bellows 34. The disk member 40 is a counter-stress member made of aluminum nitride, and is provided for thermal expansion matching between the shaft 20 and the bellows member 34. The bellows member allows for the expansion of the shaft 20 and the shaft member 32. Without the deflection of the bellows member, the brazing will not be strong enough to resist breakage due to the stress generated during heating and the differential thermal expansion between the aluminum nitride shaft 20 and shaft 32. In general, nickel expands more than aluminum nitride. As a result, the vertical tensile stress (F 1 ) Will exist. Since the ring 40 is aluminum nitride, there is little expansion, and this force is divided in half. Therefore, the tensile stress becomes compression and the strain becomes more uniform. Similarly, in FIG. 2 The stress along the direction indicated by is also halved by the presence of the ring 40.
[0029]
The brazing utilized is a silver / copper material with a small amount of titanium, which is chlorine tetrafluoride (ClF) utilized in high temperature cleaning processes. Three ) Can not withstand erosion. By changing the length of the shaft to reduce the temperature of the joint, erosion can be minimized. Further, the exposed wax is plated with a thickness of about 0.001 inch using nickel 200 to protect and prevent wax contamination from chemical erosion.
[0030]
As can be understood by those skilled in the art, the length L in FIG. 1 Is selected based on the temperature required at the joint between the shaft 20 and the shaft 32. L 1 Can vary based on the use of materials utilized for the structure 10 and the nature of the process in which the structure 10 is to be manipulated.
[0031]
4 to 8 show a second embodiment of the present invention. Specifically, the shaft 20 is attached to the mounting structure 14. 1 Coupling structure 50 to be fixed to 1 Is shown. In this type of coupling structure, the mounting structure 14 1 Has a clamp that provides another support for coupling. This mounting structure 14 1 Is essentially similar to the mounting structure 14 except that a clamp coupling 52 is provided at the end of the mounting structure 14. FIG. 4 is a plan view of the second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a view taken along line 5-5 of FIG. As shown, the mounting structure 14 1 Has a first end 51 that includes a clamp 52 formed by an annular member 54 and a clamp member 56. Screw holes 58 and 59 are provided in the clamp member 56 and the annular member 54, and the shaft 20 is fixed to a predetermined position in the mounting structure 14 by using bolts (not shown).
[0032]
Mounting structure 14 1 In order to create a safe environment isolated from the process chamber in the inner portion 38, a nickel 200 L-shaped ring 60 having a thickness of 2 mils is connected to the shaft 20 in the inner region 38 of the second embodiment of the present invention. It is arranged between the aluminum nitride support ring 40. Brazing is used at the interface 62 between the shaft 20 and the L-shaped ring 60, and a second brazing is used at the interface 64 between the ring 40 and the lower surface of the L-shaped ring 60. Inner ring 65 and mounting structure 14 1 No lip 15 1 At point 66 at the interface with E, E-beam welding or laser beam welding is utilized. Welding the shaft 32 1 Provides a vacuum seal to the interior region 38 of the Thereby, the function of providing a vacuum seal to the inner portion 38 and the function of supporting the resistance heating substrate holder 12 are separated.
[0033]
Thus, the mounting structure and the interior of the shaft 32 provide a controlled environment that is isolated from the process chamber vacuum. This allows the thermocouple and the heating element conductor to be maintained at atmospheric pressure so that they are isolated from the effects of the process in the chamber, increase their lifetime, and increase the overall strength of the heating structure.
[0034]
FIG. 6 shows a coupling structure 50. 1 FIG. 2 shows a side cross-sectional view of resistance heating structure 10 including a second configuration of FIG. 2 and electrical conduits 108, 110 coupling resistance heating elements in wafer holder 12 to the apparatus. The same reference numbers are used for parts similar to the previous figures. As shown in FIG. 6, the mounting structure 14 is fixed by providing the chamber mount 100 in the chamber. The chamber mount is typically coupled to a chemical vapor deposition chamber or other processing chamber (not shown). The chamber mount includes a fluid conduit 102. A fluid conduit may be provided for water cooling of the heating structure 10. Mounting structure 14 or 14 1 A bore 103 is provided in the chamber mount 100. The flange 105 of the chamber mount 100 is installed on the chamber wall and serves to support the heating structure. Electrical connectors 107, 109 are provided in the chamber mount 100 and the conduit 104 1 , 106 1 Is bound to. Electrical conduit 104 in mounting structure 14 1 , 106 1 Are located in an internal region 38 within the control environment. Corresponding conduit 104 in shaft 20 2 , 106 2 The shaft 20 and the shaft 32 1 Conduit 104 by electrical connectors 112, 114 located at the interface with 1 , 106 1 Combined with Lip 15 enabling seating of the support ring 40 1 An exhaust port 118 is provided at the interface between the shaft 20 and the shaft 20 so that residual gas can escape.
[0035]
FIG. 7 shows a cross-section similar to that of the heating structure shown in FIG. 6, but showing a thermocouple 120 located at a predetermined location within the controlled environment within region 38. As illustrated, a connector 122 for the thermocouple 120 is provided in the chamber mount 100. A bore 140 in mount 100 allows connection of thermocouple 120 to the CVD system. As described above, the thermocouple is maintained at atmospheric pressure within the bore.
[0036]
FIG. 7 illustrates another feature unique to the present invention that includes increasing the accuracy of the temperature measured by the thermocouple 120 at the intersection of the thermocouple and the substrate holder. In the region 22 that forms the intersection of the shaft 20 and the wafer holder 18, the aluminum nitride thickness T 1 Is the thickness T of the wafer holding region 18 across the width (diameter) of the shaft 20 2 Bigger than. This increase in thickness compensates for heat loss in the center of the wafer holding area. The use of a thermocouple in the center of the wafer holding area itself increases the heat loss in the area due to the need to provide a conduit in the aluminum nitride below the wafer holding surface. In addition, since the heat loss of the object in the atmosphere is larger than the object in the vacuum, the heat loss increases due to the fact that a thermocouple is provided in the atmosphere. If the thickness of the aluminum nitride in the region 22 is the same as the thickness in the region, the heat loss in this region will be greater than the heat loss in the entire remainder of the wafer holding region 18. Accordingly, the thickness of aluminum nitride in this region is increased to reduce heat loss.
[0037]
Another solution to increasing the thickness of this region is to use the same thickness T of the wafer holding region. 2 Is to increase the density of the heating elements in region 22. Such a solution may make the formation of this structure more complex and will increase the thermal stress in region 22.
[0038]
Another feature unique to the present invention is the thickness T of the wafer holding region 18. 2 Is selected to control the thermal ramp rate of the heating structure of the present invention. Conventionally, the thickness of the resistance heater is on the order of 0.7 inches. As is generally understood, the heater ramp rate becomes slower as the thickness increases. However, in some embodiments of the invention, the thickness T 2 Is on the order of about 0.5 inches. In this way, a considerably short cooling time can be realized for the heater.
[0039]
The heater ramping control in the heating structure of the present invention also achieves precise control over the process occurring in the CVD chamber, and also avoids heater thermal cracking and prevents excessive heater downtime. Because it is particularly important. If the rate of temperature change is too fast, cracking will occur, but if the rate of change is too low, the overall throughput of the CVD system will be reduced.
[0040]
Accordingly, another feature unique to the present invention utilizes a scheme for controlling the heating and cooling rates of the heater structure of the present invention. Since the thermal expansion coefficient of molybdenum is equal to the thermal expansion coefficient of aluminum nitride, in this system, the heating element is made of molybdenum. However, the unique features of the heater of the present invention can be applied to resistance heating elements made of various types of materials.
[0041]
In a ceramic heating system as described herein, the resistivity of the heating element increases with temperature. This complicates the control of the temperature ramp rate of the heater structure. The change in resistivity may triple as the temperature increases from room temperature to 600 ° C. Thus, the change in resistivity may result in a significant impact on the heater power output.
[0042]
In general, the heater element is controlled by either current adjustment or voltage adjustment. The power output of the heater in voltage control mode is
Power = (Voltage) 2 /Resistivity
In the current control mode,
Power = (current) 2 /Resistivity
It is. This means that at low voltage and current inputs, the heater power output decreases with increasing temperature and resistivity. The resistance heating element of the prior art uses an error compensation method that takes into account the error between the actual temperature input and the set temperature voltage input, but any variation in the resistivity of the heater material caused by the temperature rise is compensated. It wasn't. For example, a so-called PID (proportional integral derivative) error correction algorithm is generally used.
[0043]
In the heater system of the present invention, a heater control method is used in which the voltage input is changed by adjusting the voltage input so as to compensate for the change in resistivity of the heater element material as the heater temperature rises. In general, this scheme implements the following equation for control of the input voltage. That is, in voltage mode control,
True voltage input = (calculated voltage input) x f1 (t)
And in current mode control
True current input = (calculated current input) x f2 (t)
It is. Here, the calculated voltage input is derived from an arbitrary control algorithm of the heater element without considering the influence of the resistivity change, and f1 and f2 are arbitrary values that justify the variation of the resistivity due to the temperature change. Is a function of temperature.
[0044]
Of course, the functions f1, f2 will vary depending on the material used for the heater element, and these functions can be varied depending on the accuracy desired to be realized. These functions can be implemented in a circuit that directly controls voltage and current regulation, or in software that is ported to a special processor that controls voltage and current regulation. There are many different control processor implementations and software implementations available to implement this function of the heater of the present invention.
[0045]
8 and 9 show the clamp member 50. 2 The cross section of the other 3rd form is shown. In this embodiment, the clamp member 50 2 Comprises an independently formed arcuate portion 124 having opposing clamp arms 121. Two through holes 126 and 127 are provided to fix the clamp arm so as to face the arcuate clamp member 124, and corresponding through holes 128 (shown only in FIG. 8 with respect to the hole 126) are formed in the clamp arm 121. Is provided. The structure shown in FIG. 8 is determined to be very robust and allows for fewer fixtures for the configuration shown in FIGS.
[0046]
FIG. 10 shows a fourth embodiment 10 of the present invention. Four Is shown. In this embodiment, the aluminum nitride shaft 20a has a length equal to the total distance between the wafer holder 18a and the mounting hardware 100a in the chamber. As shown in FIG. 10, the shaft 20a made of a ceramic material such as AlN has a first end coupled to the holding portion 18a and a second bottom end coupled to the chamber mount hardware 100a. is doing.
[0047]
The shaft 20 a includes an internal chamber 138. This allows for the thermocouple 120a and electrical leads (only 106a shown in FIG. 10) to be placed in a controlled environment within the chamber 138, isolated from the vacuum environment inside the process chamber and maintained at atmospheric conditions. . The length of the shaft is now L 2 This eliminates the problem of coupling the AlN portion of the shaft 20a to an independent metal shaft and coupling the metal shaft to the coupling hardware. With respect to conductive electrodes and thermocouples, only one tightening point—in the coupling structure 100a—must be handled to ensure that the isolated ambient environment 140 is maintained within the shaft 20a.
[0048]
In the coupling structure 100a, the shaft 20a is fixed to the base member 136 by the through hole 125 and the flange clamp 130 of the flange portion 135 of the shaft 20a, which are coupled by a hexagon nut. Since the shaft includes the entire thermocouple and conductive electrode, only one clamping point--at the base of the shaft--requires a separate metal shaft portion (eg, 14) and ceramic shaft (eg, shaft 20). There is no need for a separate fastener at the joint between the two. The conductor 106a is connected to the process chamber via a connector 103a via a spring-type fastener 134. Conductor 106 2 Is fixed inside the ceramic insulator 111. One end of the insulator 111 is fixed to the recess 133 of the holding region 18a, and the other end is fixed by a spring-type fastener 134. Fastener 134 includes a pedestal 135 that engages spring 136, which is itself attached to shaft 137. The pedestal 135 pushes the insulator 111 into engagement with the recess 133. The shaft 137 is held in the counter bore 139 of the mount block 140 and is fixed to the base member 136.
[0049]
Finally, it is emphasized that the diameter of the first end 142 of the shaft 20a is greater than the diameter of the second end 144. This allows for a larger coupling area between the shaft 20a and the holding region 18a. Further, the thickness T of the holding portion 18a Three And T Four The difference (X) between is the T of the previous form 1 And T 2 Not as big as the difference. Center thickness T Three And peripheral thickness T Four There is a difference in thickness between them and the heat fluctuation due to the pressure difference between the region on the shaft 20a and the atmosphere. Four The manufacturability is improved.
[0050]
Various features and advantages of the invention will be apparent to those skilled in the art. All such features and advantages of the invention are intended to be within the scope of the invention as defined by the application and the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a resistance heating structure according to the present invention.
2A is a first side view of a resistance heating wafer holder according to the present invention, FIG. 2B is a plan view of a resistance heating wafer holder according to the present invention, and FIG. It is a 2nd side view of the resistance heating wafer holder which concerns on this invention.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a first mechanism for coupling the mounting structure to a resistance heating wafer holder.
FIG. 4 is a plan view of a second embodiment of a mounting structure according to the present invention.
5 is a cross-sectional view of the mounting structure shown in FIG. 4, showing a method of bonding to the resistance heating wafer holder of the second embodiment of the present invention using the mounting structure.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a resistance heating structure showing a conduit for a conductive lead coupled to a resistance heating element in a wafer holder.
FIG. 7 is a second cross-sectional view of a resistance heating structure according to the present invention, showing a conduit and a thermocouple coupled to a resistance heating element according to the present invention.
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a third embodiment of a mounting structure for engaging with a resistance heating wafer holder according to the present invention.
9 is a cross-sectional view taken along line 9-9 of FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a fourth embodiment of a resistance heating structure using a full length ceramic shaft according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Resistance heating apparatus, 12 ... Resistance heating wafer holder, 14 ... Mounting structure, 18 ... Wafer holding part, 20 ... Support shaft, 32 ... Support shaft.

Claims (15)

化学的気相堆積チャンバ用の抵抗加熱装置であって、
第1の熱膨張係数を有する第1の材料から構成され、抵抗加熱素子と、ウェーハ支持領域[18、18a]と、前記ウェーハ支持領域を支持する支持シャフト[20、20a]と、を含み、前記支持シャフトが、前記ウェーハ支持領域に結合される第1の端部とベース端部とによって画成される長さを有している基板保持部材[12、12a]と、
第2の熱膨張係数を有する第2の材料から構成され、カップリング箇所において前記支持シャフトに結合する取付け構造[14]と、を備え、
前記支持シャフト及び取付け構造は、前記抵抗加熱素子に結合された導電体を少なくとも収容する内部領域[38]を含み、
前記支持シャフトの長さが、前記カップリング箇所での温度が前記ウェーハ支持領域でのプロセス温度よりも低くなるように、前記プロセス温度に基づいて決定され、
前記支持シャフトは、ベローズ部材[34]及び逆応力部材[40]によって前記取付け構造に結合され、
前記ベローズ部材は、前記第2の材料からなり、前記支持シャフトに係合する第1の表面[35]と、前記第1の表面に対向する第2の表面[37]と、前記取付け構造の端部[36]に係合する端部と、を有し、
前記逆応力部材は、前記第1の材料からなり、前記ベローズ部材を挟んで前記支持シャフトに対向するように、前記第2の表面に係合している抵抗加熱装置。
A resistance heating device for a chemical vapor deposition chamber,
A first material having a first coefficient of thermal expansion, comprising a resistance heating element, a wafer support region [18, 18a], and a support shaft [20, 20a] supporting the wafer support region; A substrate holding member [12, 12a], wherein the support shaft has a length defined by a first end coupled to the wafer support region and a base end;
An attachment structure [14] composed of a second material having a second coefficient of thermal expansion and coupled to the support shaft at a coupling location;
The support shaft and mounting structure includes an inner region [38] that contains at least a conductor coupled to the resistance heating element;
The length of the support shaft, the so that a lower than the process temperature at the temperature said wafer support area at the coupling point, is determined based on the process temperature,
The support shaft is coupled to the mounting structure by a bellows member [34] and a reverse stress member [40],
The bellows member is made of the second material, and has a first surface [35] that engages with the support shaft, a second surface [37] that faces the first surface, and the mounting structure. An end engaging the end [36],
The said reverse stress member consists of said 1st material, The resistance heating apparatus engaged with the said 2nd surface so that the said support shaft may be opposed on both sides of the said bellows member.
前記第1材料は、窒化アルミニウム化合物である請求項1記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the first material is an aluminum nitride compound. 前記第1材料は、純度が少なくとも99%のAlNである請求項2記載の装置。  The apparatus of claim 2, wherein the first material is AlN having a purity of at least 99%. 前記内部領域に配置された熱電対を更に含む請求項1記載の装置。The apparatus of claim 1 , further comprising a thermocouple disposed in the interior region . 前記プロセス温度が450℃よりも高い請求項1記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the process temperature is higher than 450 ° C. 前記カップリング箇所での温度が300℃よりも低い請求項記載の装置。The apparatus according to claim 5 , wherein the temperature at the coupling point is lower than 300 ° C. 前記抵抗加熱素子の電力出力を制御する手段であって、前記抵抗加熱素子の電力出力が一定となるように、前記抵抗加熱素子の熱抵抗率と温度とに基づいて、前記抵抗加熱素子への電流入力または電圧入力を制御する制御手段を更に備える請求項記載の装置。Means for controlling the power output of the resistance heating element, based on the thermal resistivity and temperature of the resistance heating element so that the power output of the resistance heating element is constant. current input or further comprising apparatus of claim 1, a control means for controlling a voltage input. 前記制御手段は、前記抵抗加熱素子の温度の増加に伴う熱抵抗率の変化に基づいて、前記抵抗加熱素子への電流入力または電圧入力を制御する請求項記載の装置。The apparatus according to claim 7 , wherein the control unit controls current input or voltage input to the resistance heating element based on a change in thermal resistivity accompanying an increase in temperature of the resistance heating element. 前記支持シャフトは、前記化学的気相堆積チャンバから絶縁された前記導電体を支持する少なくとも一つの導管[108、110]を含んでいる請求項1記載の装置。It said support shaft includes at least one conduit [108, 110] to comprise that apparatus of claim 1 for supporting the conductor that is isolated from the chemical vapor deposition chamber. 前記支持シャフトは、熱電対導管[120、120a]を更に含んでいる請求項記載の装置。The apparatus of claim 9 , wherein the support shaft further comprises a thermocouple conduit [120, 120a]. 前記第2材料は、ニッケルまたはニッケル合金である請求項1記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the second material is nickel or a nickel alloy. 前記支持シャフト[20、20a]は、前記ベローズ部材[34]の第1表面に蝋付けされ、かつ前記逆応力部材[40]と整列されており、前記逆応力部材[40]は、前記ベローズ部材[34]の第2表面に蝋付けされている請求項記載の装置。The support shaft [20, 20a] is brazed to the first surface of the bellows member [34] and is aligned with the reverse stress member [40], the reverse stress member [40] members [34] the apparatus of claim 1 wherein the brazed to the second surface of the. 化学的気相堆積システム用のヒータ[10]であって、
第1の部分[12]と、
第2の部分[14]と、
応力支持リング[40]およびシール[60]を介して前記第1の部分と前記第2の部分とを結合するカップリング構造と、を備え、
前記第1の部分は、
基板保持部[18]と、
前記基板保持部の内部に配置された抵抗加熱素子と、
少なくとも前記抵抗加熱素子に結合された導電体と、
前記基板保持部に接合され、前記基板保持部と同一の材料を有し、第1の熱膨張係数を有する第1の材料から構成され、前記導電体を収容する内部領域[38]を有する支持アーム[20]と、を含み、
前記第2の部分[14]は、
前記支持アームを受け入れることが可能な端部[36、52、50 ]を有し、第2の熱膨張係数を有する第2の材料から構成された取付け構造[14 ]と、
前記内部領域[38]と、を含み、
前記シール[60]は、前記第2の材料からなり、前記支持アーム[20]に係合する第1の表面と、前記第1の表面に対向する第2の表面と、前記取付け構造[14]の前記端部[36、52、50]に係合する端部と、を有し、
前記応力支持リング[40]は、前記第1の材料からなり、前記シール[60]を挟んで前記支持アーム[20]に対向するように、前記第2の表面に係合しているヒータ。
A heater [10] for a chemical vapor deposition system comprising:
A first part [12];
A second part [14];
A coupling structure coupling the first part and the second part via a stress support ring [40] and a seal [60],
The first part is
A substrate holder [18];
A resistance heating element disposed inside the substrate holder;
At least a conductor coupled to the resistance heating element;
A support bonded to the substrate holding portion, made of a first material having the same material as the substrate holding portion and having a first coefficient of thermal expansion, and having an inner region [38] for accommodating the conductor. An arm [20],
The second part [14]
A mounting structure [14 1 ] composed of a second material having an end [36, 52, 50 2 ] capable of receiving the support arm and having a second coefficient of thermal expansion ;
Said internal region [38],
The seal [60] is made of the second material, and includes a first surface that engages the support arm [20], a second surface that faces the first surface, and the mounting structure [14. 1 ] having an end portion engaged with the end portion [36, 52, 50 2 ],
The stress support ring [40] is made of the first material and is engaged with the second surface so as to face the support arm [20] with the seal [60] interposed therebetween.
前記基板保持部の材料は、窒化アルミニウム化合物である請求項13記載のヒータ。The heater according to claim 13 , wherein a material of the substrate holding portion is an aluminum nitride compound. 前記基板保持部の材料は、純度が少なくとも99%のAlNである請求項14記載のヒータ。The heater according to claim 14 , wherein a material of the substrate holding part is AlN having a purity of at least 99%.
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