JP4573980B2 - 加熱装置およびウエハ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円盤状ヒータおよび加熱装置並びにウエハ処理装置に関するものであり、例えば、半導体製造装置の製造工程におけるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置に用いられるウエハ処理装置などとして使用される円盤状ヒータおよび加熱装置並びにウエハ処理装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、半導体素子の製造工程で使用されるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置においては、デポジション用ガスやエッチング用ガス、あるいはクリーニング用ガスとして塩素系やフッ素系の腐食性ガスが使用されていた。
【０００３】
そして、これらのガス雰囲気中で半導体ウエハ（以下、ウエハと称する）を保持し、処理温度に加熱するためのウエハ処理装置として、抵抗発熱体を内蔵したステンレスヒータや、赤外線ランプによって加熱するグラファイト製ヒータなどが使用されていた。
【０００４】
しかしながら、ステンレスヒータは、上記の腐食ガスによって腐食摩耗が生じ、パーティクルを発生する問題があり、グラファイト製は耐食性には優れるが間接的に加熱するために熱効率が悪く、昇温速度が遅いといった問題があった。そこで、この様な問題を解決する為に、緻密質の円盤状セラミック基体の上面をウエハの支持面とするとともに、その内部に高融点金属からなる抵抗発熱体を埋設したウエハ処理装置用の円盤状ヒータが知られている。
【０００５】
ウエハ処理装置として使用される円盤状ヒータの支持面には高い均熱性が要求されるが、抵抗発熱体を埋設する関係上均熱とすることは困難であり、特に円形のウエハを処理する為には、支持面の温度分布をなるべく同心円状とすることは、良好な歩留まりを確保する上で極めて重要である。
【０００６】
しかしながら、このような円盤状ヒータでは、一般的には、円盤状セラミック基体の外周部では、ウエハ固定治具や反応気体への熱伝達などにより中央部付近に比べて放熱量が大きく、これにより、ウエハの支持面を均熱とすることが困難であったため、円盤状ヒータの放熱量を補償するため、近年においては、外周部付近の発熱量を中央部よりも増加するように、抵抗発熱体の形状、材料等を設計することが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の円盤状ヒータはウエハの支持面への接触状態や処理ガスの流動状態が均一な時に、理想的な同心円状の温度分布を実現するには有効であるが、ウエハの接触状態や処理ガスの流動状態が処理中に変化し、その結果として温度分布が非同心円状になってしまう場合には、これを補正する機能を持たなかった。
【０００８】
一般に、抵抗発熱体は温度が上昇すると電気抵抗値が上昇する性質、即ち正の抵抗温度係数（以下ＴＣＲと記すこともある）を持つ事が知られており、この特性を利用すると電気抵抗値を測定する事によって抵抗発熱体の温度を知る事ができる。しかしながら、これを応用して円盤状発熱体を構成しようとすると、それぞれの抵抗発熱体の電気抵抗から温度を算出し、さらに、それぞれの抵抗発熱体の温度を制御するための複雑な処理装置が必要となり、実用的でなかった。
【０００９】
本発明は、外部環境による温度分布の変化を容易に補正できる加熱装置およびウエハ処理装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の現象について、本発明者は電気回路理論でよく知られるホイートストンブリッヂ回路を応用する事で、温度の不均一をブリッヂ間電圧として観測し、この電圧の正負によって補助発熱体の通電をオン／オフする方式を見出した。
【００１１】
即ち、本発明の加熱装置は、円盤状セラミック基体、該円盤状セラミック基体内の外周部であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の外側主発熱体、該外側主発熱体よりも内側の前記円盤状セラミック基体内であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の内側主発熱体、前記円盤状セラミック基体内であって前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体との間にそれぞれ形成されている補助発熱体、および前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体とで構成されているホイートストンブリッヂ回路を有する円盤状ヒータと、該ホイートストンブリッヂ回路のブリッヂ間電圧を測定するセンサと、該センサからの信号に応じて電圧の低い主発熱体の近傍に形成された補助発熱体を発熱させるように制御する発熱量制御装置とを具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明では、ウエハの応力による不均一な反りや、処理ガスの不均一な流れによって円盤状ヒータ表面の温度が不均一になった場合、主発熱体の抵抗温度係数（以下ＴＣＲということもある）によって温度が低い主発熱体は電気抵抗が減少する。その為、主発熱体で構成されたホイートストンブリッヂのバランスがくずれ、ブリッヂ間電圧が生じる。このブリッヂ間電圧はセンサによって電圧の正負、即ち電流の方向だけが感知される。
【００１４】
センサからの信号は補助発熱体の発熱量制御装置（切り替えスイッチ）に導入され、センサからの出力によって、電圧の低い方の主発熱体に近い補助発熱体、即ち、主発熱体の温度が低下した側に近い方の補助発熱体に通電する事により、その部分の温度は上昇する。
【００１５】
補助発熱体によって温度が充分に上昇すると、主発熱体の近傍の温度も上昇する。その結果、ＴＣＲによってその主発熱体の電気抵抗が上昇し、ホイートストンブリッヂのアンバランスは解消する。その結果、センサからの信号によって補助発熱体への通電は停止され、補助発熱体の発熱は停止する。或いは、補助発熱体の発熱が大きすぎ、これによって始めは温度が低かった領域の温度が逆に高くなりすぎた場合には、ホイートストンブリッヂのバランスが逆側にくずれる。
【００１６】
即ち、温度が高い側はＴＣＲによって電圧が高くなり、センサには符号が逆の電圧が印加される。センサはこれを感知すると、先ほどとは逆側の補助発熱体に通電を開始する。その結果、温度の不均一は再度補正され、この様にして円盤状ヒータの上面温度は一定に保たれる。
【００１７】
従って、この加熱装置によれば、ウエハの反りや処理ガスの流れの不均一など、設計時には予期する事が困難な外乱に対して、自己制御機構が働き、温度を一定に保つ事ができる。
【００１８】
本発明の加熱装置は、外側主発熱体が略半円形の第１外側主発熱体と第２外側主発熱体、内側主発熱体が略半円形の第１内側主発熱体と第２内側主発熱体とからなるとともに、前記第１外側主発熱体と前記第２外側主発熱体、および前記第１内側主発熱体と前記第２内側主発熱体がそれぞれ直列に接続されてそれぞれ円形状をなしていることが望ましい。
【００１９】
また、第１、第２内側主発熱体がそれぞれ第１、第２外側主発熱体に沿って形成されており、前記第１内側主発熱体が前記第２外側主発熱体に接続され、前記第２内側主発熱体が前記第１外側主発熱体に接続されて、ホイートストンブリッヂ回路を構成していることが望ましい。
【００２１】
本発明のウエハ処理装置は、処理装置本体と、該処理装置本体の内部に収容され、ウエハが載置される上記した円盤状ヒータとを具備するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の加熱装置が備える円盤状ヒータの一実施形態を示すもので、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図、図２は、本発明の加熱装置が備える円盤状ヒータの発熱体の配置を示す上面図である。
【００２３】
この円盤状ヒータ１は、緻密質の円盤状セラミック基体２からなり、上面をウエハＷの支持面とするとともに、その内部に主発熱体４、５および補助発熱体８が埋設されている。なお、符号１６ａ、１６ｂは主発熱体４、５に通電するための給電端子であり、符号９ａ、９ｂは補助発熱体８に通電するための給電端子である。
【００２４】
主発熱体４、５は、ウエハを設置しない状態ではできるだけ支持面が均一で同心円に近い温度分布となるように、その電気抵抗値が調整されている。給電端子１６、９はどちらも円盤状セラミック基体２に形成したスルーホール導体によって該円盤状セラミック基体２底面に取り付けてある。
【００２５】
主発熱体４は、円盤状セラミック基体２の外周部に形成され、円盤状セラミック基体２の同心円上に形成された２個の円弧状の外側主発熱体４ａ、４ｂから構成されており、主発熱体５は、外側主発熱体４よりも内側に形成され、円盤状セラミック基体２の同心円上に形成された２個の円弧状の内側主発熱体５ａ、５ｂとから構成されている。
【００２６】
即ち、外側主発熱体４は、略半円弧形の第１外側主発熱体４ａと第２外側主発熱体４ｂ、内側主発熱体５は、略半円弧形の第１内側主発熱体５ａと第２内側主発熱体５ｂとから構成され、第１外側主発熱体４ａと第２外側主発熱体４ｂ、および第１内側主発熱体５ａと第２内側主発熱体５ｂがそれぞれ直列に接続されてそれぞれ円形状をなしている。
【００２７】
第１外側主発熱体４ａと第２外側主発熱体４ｂの接続部６ａには、スルーホール導体を介して給電端子１６ａが、第１内側主発熱体５ａと第２内側主発熱体５ｂの接続部６ｂには、スルーホール導体を介して給電端子１６ｂが接続されている。
【００２８】
そして、第１、第２内側主発熱体５ａ、５ｂが、それぞれ第１、第２外側主発熱体４ａ、４ｂに沿って形成されており、第１内側主発熱体５ａの端部が第２外側主発熱体４ｂの端部に接続され、第２内側主発熱体５ｂの端部が第１外側主発熱体４ａの端部に接続されて、ホイートストンブリッヂ回路を構成している。
【００２９】
第１外側主発熱体４ａの端部と第２内側主発熱体５ｂの端部と、第２外側主発熱体４ｂの端部と第１内側主発熱体５ａの端部とは、各々接続導体７ａ、７ｂを介して接続されている。
【００３０】
補助発熱体８は、外側主発熱体４ａ、４ｂと内側主発熱体５ａ、５ｂとの間に形成されている。即ち、第１外側主発熱体４ａと第１内側主発熱体５ａとの間に、第１外側主発熱体４ａと第１内側主発熱体５ａに沿って形成された半円弧状の補助発熱体８ａと、第２外側主発熱体４ｂと第２内側主発熱体５ｂとの間に、第２外側主発熱体４ｂと第２内側主発熱体５ｂに沿って形成された半円弧状の補助発熱体８ｂとから構成されている。
【００３１】
本発明の加熱装置は、上記した円盤状ヒータと、ホイートストンブリッヂ回路のブリッヂ間電圧を測定するセンサ１１と、センサ１１からの信号により補助発熱体８の発熱量を制御する発熱量制御装置１２とにより構成されている。
【００３２】
図３に本発明の加熱装置の電気回路図を示す。外部電圧は接続部６ａ、６ｂ間に加えられ、第１、第２外側主発熱体４ａ、４ｂの端１０ａ、１０ｂ間に電圧を感知するセンサ１１が接続されている。
【００３３】
センサ１１は捕らえた電圧の正負によって、補助発熱体８ａ、８ｂの発熱量制御装置１２（切り替えスイッチ）に制御信号を送る。この制御信号はセンサ１１が捕らえた電圧の正負に対応するＯＮ／ＯＦＦの２値だけの単純なもので良い。
【００３４】
発熱量制御装置１２は受信した制御信号に従って、補助電極８ａ、８ｂのどちらかに通電を行う。補助電極８ａ、８ｂにはどちらも主発熱体４、５とは別の電源が接続されている。
【００３５】
センサ１１と発熱量制御装置１２のＯＮ／ＯＦＦを、ホイートストンブリッヂの接続点、第１外側主発熱体４ａの端１０ａの方が、第２外側主発熱体４ｂの端１０ｂよりも高い時に補助発熱体８ｂに通電するように、また第２外側主発熱体４ｂの端１０ｂの方が第１外側主発熱体４ａの端１０ａの方よりも高い時に補助発熱体８ａに通電するように設定すれば、主発熱体４、５の温度が低下したときに補助発熱体８がこれを補償し温度を上昇させるように動作する。
【００３６】
即ち、本発明では、ウエハの応力による不均一な反りや、処理ガスの不均一な流れによって円盤状ヒータ１表面の温度が不均一になった場合、主発熱体４、５の抵抗温度係数（以下ＴＣＲということもある）によって温度が低い主発熱体４、５は電気抵抗が減少する。その為、主発熱体４、５で構成されたホイートストンブリッヂのバランスがくずれ、ブリッヂ間電圧が生じる。このブリッヂ間電圧はセンサによって電圧の正負、即ち電流の方向だけが感知される。
【００３７】
例えば、第１外側主発熱体４ａの温度が低下した場合を考えると、センサ１１からの信号は補助発熱体８の発熱量制御装置１２に導入され、センサ１１からの出力によって、電圧の低い方の第１外側主発熱体４ａに近い補助発熱体８ａに通電する事により、その部分の温度は上昇する。
【００３８】
補助発熱体８ａによって温度が充分に上昇すると、第１外側主発熱体４ａの近傍の温度も上昇する。その結果、ＴＣＲによってその第１外側主発熱体４ａの電気抵抗が上昇し、ホイートストンブリッヂのアンバランスは解消する。その結果、センサ１１からの信号によって補助発熱体８ａへの通電は停止され、補助発熱体８ａの発熱は停止する。
【００３９】
或いは、補助発体８ａの発熱が大きすぎ、これによって始めは温度が低かった領域の温度が逆に高くなりすぎた場合には、ホイートストンブリッヂのバランスが逆側にくずれる。即ち、温度が高い側はＴＣＲによって電圧が高くなり、センサ１１には符号が逆の電圧が印加され、センサ１１はこれを感知すると、先ほどとは逆側の補助発熱体８ｂに通電を開始する。その結果、温度の不均一は再度補正され、この様にして円盤状ヒータ１の上面温度は一定に保たれる。
【００４０】
従って、ウエハの反りや処理ガスの流れの不均一など、設計時には予期する事が困難な外乱に対して、自己制御機構が働き、温度を一定に保つ事ができる。
【００４１】
補助発熱体８ａ、８ｂは必ずしも図２に示すような折り返し部を持つ必要はない。センサ１１は電圧の正負だけを捕らえるものとしたが、より精密な制御を行う為に、電圧の値を読み取れるものであって、電圧の大きさや時間変化率によって連続的な制御信号を発生する機能を持つものでも良い。
【００４２】
上記の場合、発熱量制御装置１２は、センサ１１からの制御信号によって、単に通電する補助発熱体８ａ、８ｂの切り替えを行うだけでなく、印加する電圧を変化させたり、どちらにも通電しない状態を作ることを可能にするものであっても良い。
【００４３】
また、本発明のウエハ処理装置は、処理装置本体と、該処理装置本体の内部に収容され、ウエハが載置される上記した加熱装置とを具備するものである。
【００４４】
この様なウエハ処理装置を構成するセラミック基体２の材質としては、耐摩耗性、耐熱性にすぐれた、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムを用いる事ができ、特に窒化アルミニウムは５０Ｗ／ｍＫから１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を持つものがあり、更にフッ素系や塩素系の腐食ガスに対する耐食性や耐プラズマ製にも優れる事から、セラミック基体２の材質として好適である。具体的には、純度９９．７％以上を有する高純度窒化アルミニウムやＹ2Ｏ3やＥｒ2Ｏ3などの焼結助材を含有する窒化アルミニウムを用いる事ができる。
【００４５】
また、セラミック基体２に埋設する発熱体４、５、８の材質としては、タングステン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属やこれらの合金、あるいは周期律表第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族の炭化物や窒化物を用いる事ができ、セラミック基体２との熱膨張差が小さいものを適宜選択して使用すれば良い。
【００４６】
また、上記例では、主発熱体を４個形成し、一つのホイートストンブリッヂ回路を構成したが、例えば、主発熱体を８個以上形成して、２以上のホイートストンブリッヂ回路を構成しても良い。この場合には、補助発熱体も多くなるので、より細かな制御を行うことができる。
【００４７】
補助発熱体８ａ、８ｂは、主発熱体４、５間に形成されている必要はないが、主発熱体４、５の温度低下を補償する目的から、できるだけ主発熱体４、５の近くに配置するのが望ましい。
【００４８】
【実施例】
円盤状セラミック基体として窒化アルミニウムを使用して、直径２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤状ヒータを作製した。先ず、ドクターブレード法によって成形した窒化アルミニウムグリーンシートを積層し、スルーホール加工を施した後、一方の面にタングステンを主成分とする導体ペーストを、図２に示すようなパターンとなるように印刷し、更にその上に上記した窒化アルミニウムグリーンシートを積層、密着し、円盤形状に加工した。
【００４９】
この成形体を脱脂した後、常圧焼結法によって同時焼成した。焼成後の焼結体は両主面を平面研削した後、給電端子をろう付けし、図１に示すような円盤状ヒータを作製した。
【００５０】
ここで、主発熱体、補助発熱体の厚さは０．０１ｍｍとし、直径１８０ｍｍと直径６０ｍｍ円周上に各々二つの円弧状の主発熱体を形成した。主発熱体の幅は３ｍｍとした。また、直径１４０ｍｍと直径１００ｍｍの円周上に円弧状の補助発熱体を配置し、図２に示すようにセラミック基体の同一側に位置する補助発熱体の隣接する端部を接続した。主発熱体の端部はホイートストンブリッヂを構成するように接続し、スルーホールを介して給電端子と接続した。ホイートストンブリッヂのブリッヂ間には電圧センサを設置し、電圧の正負によって補助発熱体への通電を切り替える様に、発熱量制御装置を接続した。
【００５１】
先ず、この円盤状ヒータの主発熱体に５０ボルトの直流電圧を印加し、補助発熱体への印加電圧はゼロにして、大気圧の窒素雰囲気中で上面の温度を測定したところ、最高温度が６９０℃、最低温度が５９０℃となり、発熱体から遠い部分で１００℃ほど低いが略同心円の温度分布を示した。
【００５２】
次に、この円盤状ヒータの主発熱体に５０ボルトの直流電圧を印加し、大気圧の窒素雰囲気中で上面の一部、最高温度を示した位置に向けて、流速毎秒約５ｍで常温の窒素ガスを吹き付けたところ、補助発熱体への供給電圧をゼロとした場合には、窒素ガスを吹き付けた部分の温度は、６９０℃から５５０℃に低下した。
【００５３】
この時、センサおよび発熱量制御装置は動作しているが、補助発熱体への供給電圧がゼロである為、補助発熱体は通電されず、発熱はない状態となる。
【００５４】
この状態で円盤状ヒータの補助発熱体への供給電圧を５０ボルトに上げ、温度分布の変化を調べたところ、窒素ガスを吹き付けた部分の温度は２０秒後に６５０℃、１分後に６８０℃に上昇した。
【００５５】
これにより、ウエハの反りや処理ガスの流れの不均一など、設計時には予期する事が困難な外乱に対して、自己制御機構が働き、円盤状ヒータの支持面の温度を一定に保持できることがわかる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の加熱装置は、円盤状セラミック基体、該円盤状セラミック基体内の外周部であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の外側主発熱体、該外側主発熱体よりも内側の前記円盤状セラミック基体内であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の内側主発熱体、前記円盤状セラミック基体内であって前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体との間にそれぞれ形成されている補助発熱体、および前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体とで構成されているホイートストンブリッヂ回路を有する円盤状ヒータと、該ホイートストンブリッヂ回路のブリッヂ間電圧を測定するセンサと、該センサからの信号に応じて電圧の低い主発熱体の近傍に形成された補助発熱体を発熱させるように制御する発熱量制御装置とを具備するため、主発熱体のＴＣＲによって温度が低い主発熱体は電気抵抗が減少し、ホイートストンブリッヂのバランスがくずれる事を利用し、そのブリッヂ間電圧をセンサで検知し、補助発熱体の切り替えを行うことで、ウエハの反りや処理ガスの流れの不均一など、設計時には予期することが困難な外乱に対して、自己制御機構が働き、温度を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明の加熱装置が備える円盤状ヒータを示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。
【図２】 円盤状ヒータの抵抗発熱体の配置を示す平面図である。
【図３】 本発明の加熱装置の電気回路図である。
【符号の説明】
１・・・円盤状ヒータ
２・・・円盤状セラミック基体
３・・・ウエハ支持面
４・・・外側主発熱体
４ａ・・・第１外側主発熱体
４ｂ・・・第２外側主発熱体
５・・・内側主発熱体
５ａ・・・第１内側主発熱体
５ｂ・・・第２内側主発熱体
８、８ａ、８ｂ・・・補助発熱体
１２・・発熱量制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、円盤状ヒータおよび加熱装置並びにウエハ処理装置に関するものであり、例えば、半導体製造装置の製造工程におけるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置に用いられるウエハ処理装置などとして使用される円盤状ヒータおよび加熱装置並びにウエハ処理装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、半導体素子の製造工程で使用されるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置においては、デポジション用ガスやエッチング用ガス、あるいはクリーニング用ガスとして塩素系やフッ素系の腐食性ガスが使用されていた。
【０００３】
そして、これらのガス雰囲気中で半導体ウエハ（以下、ウエハと称する）を保持し、処理温度に加熱するためのウエハ処理装置として、抵抗発熱体を内蔵したステンレスヒータや、赤外線ランプによって加熱するグラファイト製ヒータなどが使用されていた。
【０００４】
しかしながら、ステンレスヒータは、上記の腐食ガスによって腐食摩耗が生じ、パーティクルを発生する問題があり、グラファイト製は耐食性には優れるが間接的に加熱するために熱効率が悪く、昇温速度が遅いといった問題があった。そこで、この様な問題を解決する為に、緻密質の円盤状セラミック基体の上面をウエハの支持面とするとともに、その内部に高融点金属からなる抵抗発熱体を埋設したウエハ処理装置用の円盤状ヒータが知られている。
【０００５】
ウエハ処理装置として使用される円盤状ヒータの支持面には高い均熱性が要求されるが、抵抗発熱体を埋設する関係上均熱とすることは困難であり、特に円形のウエハを処理する為には、支持面の温度分布をなるべく同心円状とすることは、良好な歩留まりを確保する上で極めて重要である。
【０００６】
しかしながら、このような円盤状ヒータでは、一般的には、円盤状セラミック基体の外周部では、ウエハ固定治具や反応気体への熱伝達などにより中央部付近に比べて放熱量が大きく、これにより、ウエハの支持面を均熱とすることが困難であったため、円盤状ヒータの放熱量を補償するため、近年においては、外周部付近の発熱量を中央部よりも増加するように、抵抗発熱体の形状、材料等を設計することが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の円盤状ヒータはウエハの支持面への接触状態や処理ガスの流動状態が均一な時に、理想的な同心円状の温度分布を実現するには有効であるが、ウエハの接触状態や処理ガスの流動状態が処理中に変化し、その結果として温度分布が非同心円状になってしまう場合には、これを補正する機能を持たなかった。
【０００８】
一般に、抵抗発熱体は温度が上昇すると電気抵抗値が上昇する性質、即ち正の抵抗温度係数（以下ＴＣＲと記すこともある）を持つ事が知られており、この特性を利用すると電気抵抗値を測定する事によって抵抗発熱体の温度を知る事ができる。しかしながら、これを応用して円盤状発熱体を構成しようとすると、それぞれの抵抗発熱体の電気抵抗から温度を算出し、さらに、それぞれの抵抗発熱体の温度を制御するための複雑な処理装置が必要となり、実用的でなかった。
【０００９】
本発明は、外部環境による温度分布の変化を容易に補正できる加熱装置およびウエハ処理装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の現象について、本発明者は電気回路理論でよく知られるホイートストンブリッヂ回路を応用する事で、温度の不均一をブリッヂ間電圧として観測し、この電圧の正負によって補助発熱体の通電をオン／オフする方式を見出した。
【００１１】
即ち、本発明の加熱装置は、円盤状セラミック基体、該円盤状セラミック基体内の外周部であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の外側主発熱体、該外側主発熱体よりも内側の前記円盤状セラミック基体内であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の内側主発熱体、前記円盤状セラミック基体内であって前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体との間にそれぞれ形成されている補助発熱体、および前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体とで構成されているホイートストンブリッヂ回路を有する円盤状ヒータと、該ホイートストンブリッヂ回路のブリッヂ間電圧を測定するセンサと、該センサからの信号に応じて電圧の低い主発熱体の近傍に形成された補助発熱体を発熱させるように制御する発熱量制御装置とを具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明では、ウエハの応力による不均一な反りや、処理ガスの不均一な流れによって円盤状ヒータ表面の温度が不均一になった場合、主発熱体の抵抗温度係数（以下ＴＣＲということもある）によって温度が低い主発熱体は電気抵抗が減少する。その為、主発熱体で構成されたホイートストンブリッヂのバランスがくずれ、ブリッヂ間電圧が生じる。このブリッヂ間電圧はセンサによって電圧の正負、即ち電流の方向だけが感知される。
【００１４】
センサからの信号は補助発熱体の発熱量制御装置（切り替えスイッチ）に導入され、センサからの出力によって、電圧の低い方の主発熱体に近い補助発熱体、即ち、主発熱体の温度が低下した側に近い方の補助発熱体に通電する事により、その部分の温度は上昇する。
【００１５】
補助発熱体によって温度が充分に上昇すると、主発熱体の近傍の温度も上昇する。その結果、ＴＣＲによってその主発熱体の電気抵抗が上昇し、ホイートストンブリッヂのアンバランスは解消する。その結果、センサからの信号によって補助発熱体への通電は停止され、補助発熱体の発熱は停止する。或いは、補助発熱体の発熱が大きすぎ、これによって始めは温度が低かった領域の温度が逆に高くなりすぎた場合には、ホイートストンブリッヂのバランスが逆側にくずれる。
【００１６】
即ち、温度が高い側はＴＣＲによって電圧が高くなり、センサには符号が逆の電圧が印加される。センサはこれを感知すると、先ほどとは逆側の補助発熱体に通電を開始する。その結果、温度の不均一は再度補正され、この様にして円盤状ヒータの上面温度は一定に保たれる。
【００１７】
従って、この加熱装置によれば、ウエハの反りや処理ガスの流れの不均一など、設計時には予期する事が困難な外乱に対して、自己制御機構が働き、温度を一定に保つ事ができる。
【００１８】
本発明の加熱装置は、外側主発熱体が略半円形の第１外側主発熱体と第２外側主発熱体、内側主発熱体が略半円形の第１内側主発熱体と第２内側主発熱体とからなるとともに、前記第１外側主発熱体と前記第２外側主発熱体、および前記第１内側主発熱体と前記第２内側主発熱体がそれぞれ直列に接続されてそれぞれ円形状をなしていることが望ましい。
【００１９】
また、第１、第２内側主発熱体がそれぞれ第１、第２外側主発熱体に沿って形成されており、前記第１内側主発熱体が前記第２外側主発熱体に接続され、前記第２内側主発熱体が前記第１外側主発熱体に接続されて、ホイートストンブリッヂ回路を構成していることが望ましい。
【００２１】
本発明のウエハ処理装置は、処理装置本体と、該処理装置本体の内部に収容され、ウエハが載置される上記した円盤状ヒータとを具備するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の加熱装置が備える円盤状ヒータの一実施形態を示すもので、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図、図２は、本発明の加熱装置が備える円盤状ヒータの発熱体の配置を示す上面図である。
【００２３】
この円盤状ヒータ１は、緻密質の円盤状セラミック基体２からなり、上面をウエハＷの支持面とするとともに、その内部に主発熱体４、５および補助発熱体８が埋設されている。なお、符号１６ａ、１６ｂは主発熱体４、５に通電するための給電端子であり、符号９ａ、９ｂは補助発熱体８に通電するための給電端子である。
【００２４】
主発熱体４、５は、ウエハを設置しない状態ではできるだけ支持面が均一で同心円に近い温度分布となるように、その電気抵抗値が調整されている。給電端子１６、９はどちらも円盤状セラミック基体２に形成したスルーホール導体によって該円盤状セラミック基体２底面に取り付けてある。
【００２５】
主発熱体４は、円盤状セラミック基体２の外周部に形成され、円盤状セラミック基体２の同心円上に形成された２個の円弧状の外側主発熱体４ａ、４ｂから構成されており、主発熱体５は、外側主発熱体４よりも内側に形成され、円盤状セラミック基体２の同心円上に形成された２個の円弧状の内側主発熱体５ａ、５ｂとから構成されている。
【００２６】
即ち、外側主発熱体４は、略半円弧形の第１外側主発熱体４ａと第２外側主発熱体４ｂ、内側主発熱体５は、略半円弧形の第１内側主発熱体５ａと第２内側主発熱体５ｂとから構成され、第１外側主発熱体４ａと第２外側主発熱体４ｂ、および第１内側主発熱体５ａと第２内側主発熱体５ｂがそれぞれ直列に接続されてそれぞれ円形状をなしている。
【００２７】
第１外側主発熱体４ａと第２外側主発熱体４ｂの接続部６ａには、スルーホール導体を介して給電端子１６ａが、第１内側主発熱体５ａと第２内側主発熱体５ｂの接続部６ｂには、スルーホール導体を介して給電端子１６ｂが接続されている。
【００２８】
そして、第１、第２内側主発熱体５ａ、５ｂが、それぞれ第１、第２外側主発熱体４ａ、４ｂに沿って形成されており、第１内側主発熱体５ａの端部が第２外側主発熱体４ｂの端部に接続され、第２内側主発熱体５ｂの端部が第１外側主発熱体４ａの端部に接続されて、ホイートストンブリッヂ回路を構成している。
【００２９】
第１外側主発熱体４ａの端部と第２内側主発熱体５ｂの端部と、第２外側主発熱体４ｂの端部と第１内側主発熱体５ａの端部とは、各々接続導体７ａ、７ｂを介して接続されている。
【００３０】
補助発熱体８は、外側主発熱体４ａ、４ｂと内側主発熱体５ａ、５ｂとの間に形成されている。即ち、第１外側主発熱体４ａと第１内側主発熱体５ａとの間に、第１外側主発熱体４ａと第１内側主発熱体５ａに沿って形成された半円弧状の補助発熱体８ａと、第２外側主発熱体４ｂと第２内側主発熱体５ｂとの間に、第２外側主発熱体４ｂと第２内側主発熱体５ｂに沿って形成された半円弧状の補助発熱体８ｂとから構成されている。
【００３１】
本発明の加熱装置は、上記した円盤状ヒータと、ホイートストンブリッヂ回路のブリッヂ間電圧を測定するセンサ１１と、センサ１１からの信号により補助発熱体８の発熱量を制御する発熱量制御装置１２とにより構成されている。
【００３２】
図３に本発明の加熱装置の電気回路図を示す。外部電圧は接続部６ａ、６ｂ間に加えられ、第１、第２外側主発熱体４ａ、４ｂの端１０ａ、１０ｂ間に電圧を感知するセンサ１１が接続されている。
【００３３】
センサ１１は捕らえた電圧の正負によって、補助発熱体８ａ、８ｂの発熱量制御装置１２（切り替えスイッチ）に制御信号を送る。この制御信号はセンサ１１が捕らえた電圧の正負に対応するＯＮ／ＯＦＦの２値だけの単純なもので良い。
【００３４】
発熱量制御装置１２は受信した制御信号に従って、補助電極８ａ、８ｂのどちらかに通電を行う。補助電極８ａ、８ｂにはどちらも主発熱体４、５とは別の電源が接続されている。
【００３５】
センサ１１と発熱量制御装置１２のＯＮ／ＯＦＦを、ホイートストンブリッヂの接続点、第１外側主発熱体４ａの端１０ａの方が、第２外側主発熱体４ｂの端１０ｂよりも高い時に補助発熱体８ｂに通電するように、また第２外側主発熱体４ｂの端１０ｂの方が第１外側主発熱体４ａの端１０ａの方よりも高い時に補助発熱体８ａに通電するように設定すれば、主発熱体４、５の温度が低下したときに補助発熱体８がこれを補償し温度を上昇させるように動作する。
【００３６】
即ち、本発明では、ウエハの応力による不均一な反りや、処理ガスの不均一な流れによって円盤状ヒータ１表面の温度が不均一になった場合、主発熱体４、５の抵抗温度係数（以下ＴＣＲということもある）によって温度が低い主発熱体４、５は電気抵抗が減少する。その為、主発熱体４、５で構成されたホイートストンブリッヂのバランスがくずれ、ブリッヂ間電圧が生じる。このブリッヂ間電圧はセンサによって電圧の正負、即ち電流の方向だけが感知される。
【００３７】
例えば、第１外側主発熱体４ａの温度が低下した場合を考えると、センサ１１からの信号は補助発熱体８の発熱量制御装置１２に導入され、センサ１１からの出力によって、電圧の低い方の第１外側主発熱体４ａに近い補助発熱体８ａに通電する事により、その部分の温度は上昇する。
【００３８】
補助発熱体８ａによって温度が充分に上昇すると、第１外側主発熱体４ａの近傍の温度も上昇する。その結果、ＴＣＲによってその第１外側主発熱体４ａの電気抵抗が上昇し、ホイートストンブリッヂのアンバランスは解消する。その結果、センサ１１からの信号によって補助発熱体８ａへの通電は停止され、補助発熱体８ａの発熱は停止する。
【００３９】
或いは、補助発体８ａの発熱が大きすぎ、これによって始めは温度が低かった領域の温度が逆に高くなりすぎた場合には、ホイートストンブリッヂのバランスが逆側にくずれる。即ち、温度が高い側はＴＣＲによって電圧が高くなり、センサ１１には符号が逆の電圧が印加され、センサ１１はこれを感知すると、先ほどとは逆側の補助発熱体８ｂに通電を開始する。その結果、温度の不均一は再度補正され、この様にして円盤状ヒータ１の上面温度は一定に保たれる。
【００４０】
従って、ウエハの反りや処理ガスの流れの不均一など、設計時には予期する事が困難な外乱に対して、自己制御機構が働き、温度を一定に保つ事ができる。
【００４１】
補助発熱体８ａ、８ｂは必ずしも図２に示すような折り返し部を持つ必要はない。センサ１１は電圧の正負だけを捕らえるものとしたが、より精密な制御を行う為に、電圧の値を読み取れるものであって、電圧の大きさや時間変化率によって連続的な制御信号を発生する機能を持つものでも良い。
【００４２】
上記の場合、発熱量制御装置１２は、センサ１１からの制御信号によって、単に通電する補助発熱体８ａ、８ｂの切り替えを行うだけでなく、印加する電圧を変化させたり、どちらにも通電しない状態を作ることを可能にするものであっても良い。
【００４３】
また、本発明のウエハ処理装置は、処理装置本体と、該処理装置本体の内部に収容され、ウエハが載置される上記した加熱装置とを具備するものである。
【００４４】
この様なウエハ処理装置を構成するセラミック基体２の材質としては、耐摩耗性、耐熱性にすぐれた、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムを用いる事ができ、特に窒化アルミニウムは５０Ｗ／ｍＫから１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を持つものがあり、更にフッ素系や塩素系の腐食ガスに対する耐食性や耐プラズマ製にも優れる事から、セラミック基体２の材質として好適である。具体的には、純度９９．７％以上を有する高純度窒化アルミニウムやＹ2Ｏ3やＥｒ2Ｏ3などの焼結助材を含有する窒化アルミニウムを用いる事ができる。
【００４５】
また、セラミック基体２に埋設する発熱体４、５、８の材質としては、タングステン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属やこれらの合金、あるいは周期律表第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族の炭化物や窒化物を用いる事ができ、セラミック基体２との熱膨張差が小さいものを適宜選択して使用すれば良い。
【００４６】
また、上記例では、主発熱体を４個形成し、一つのホイートストンブリッヂ回路を構成したが、例えば、主発熱体を８個以上形成して、２以上のホイートストンブリッヂ回路を構成しても良い。この場合には、補助発熱体も多くなるので、より細かな制御を行うことができる。
【００４７】
補助発熱体８ａ、８ｂは、主発熱体４、５間に形成されている必要はないが、主発熱体４、５の温度低下を補償する目的から、できるだけ主発熱体４、５の近くに配置するのが望ましい。
【００４８】
【実施例】
円盤状セラミック基体として窒化アルミニウムを使用して、直径２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤状ヒータを作製した。先ず、ドクターブレード法によって成形した窒化アルミニウムグリーンシートを積層し、スルーホール加工を施した後、一方の面にタングステンを主成分とする導体ペーストを、図２に示すようなパターンとなるように印刷し、更にその上に上記した窒化アルミニウムグリーンシートを積層、密着し、円盤形状に加工した。
【００４９】
この成形体を脱脂した後、常圧焼結法によって同時焼成した。焼成後の焼結体は両主面を平面研削した後、給電端子をろう付けし、図１に示すような円盤状ヒータを作製した。
【００５０】
ここで、主発熱体、補助発熱体の厚さは０．０１ｍｍとし、直径１８０ｍｍと直径６０ｍｍ円周上に各々二つの円弧状の主発熱体を形成した。主発熱体の幅は３ｍｍとした。また、直径１４０ｍｍと直径１００ｍｍの円周上に円弧状の補助発熱体を配置し、図２に示すようにセラミック基体の同一側に位置する補助発熱体の隣接する端部を接続した。主発熱体の端部はホイートストンブリッヂを構成するように接続し、スルーホールを介して給電端子と接続した。ホイートストンブリッヂのブリッヂ間には電圧センサを設置し、電圧の正負によって補助発熱体への通電を切り替える様に、発熱量制御装置を接続した。
【００５１】
先ず、この円盤状ヒータの主発熱体に５０ボルトの直流電圧を印加し、補助発熱体への印加電圧はゼロにして、大気圧の窒素雰囲気中で上面の温度を測定したところ、最高温度が６９０℃、最低温度が５９０℃となり、発熱体から遠い部分で１００℃ほど低いが略同心円の温度分布を示した。
【００５２】
次に、この円盤状ヒータの主発熱体に５０ボルトの直流電圧を印加し、大気圧の窒素雰囲気中で上面の一部、最高温度を示した位置に向けて、流速毎秒約５ｍで常温の窒素ガスを吹き付けたところ、補助発熱体への供給電圧をゼロとした場合には、窒素ガスを吹き付けた部分の温度は、６９０℃から５５０℃に低下した。
【００５３】
この時、センサおよび発熱量制御装置は動作しているが、補助発熱体への供給電圧がゼロである為、補助発熱体は通電されず、発熱はない状態となる。
【００５４】
この状態で円盤状ヒータの補助発熱体への供給電圧を５０ボルトに上げ、温度分布の変化を調べたところ、窒素ガスを吹き付けた部分の温度は２０秒後に６５０℃、１分後に６８０℃に上昇した。
【００５５】
これにより、ウエハの反りや処理ガスの流れの不均一など、設計時には予期する事が困難な外乱に対して、自己制御機構が働き、円盤状ヒータの支持面の温度を一定に保持できることがわかる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の加熱装置は、円盤状セラミック基体、該円盤状セラミック基体内の外周部であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の外側主発熱体、該外側主発熱体よりも内側の前記円盤状セラミック基体内であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の内側主発熱体、前記円盤状セラミック基体内であって前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体との間にそれぞれ形成されている補助発熱体、および前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体とで構成されているホイートストンブリッヂ回路を有する円盤状ヒータと、該ホイートストンブリッヂ回路のブリッヂ間電圧を測定するセンサと、該センサからの信号に応じて電圧の低い主発熱体の近傍に形成された補助発熱体を発熱させるように制御する発熱量制御装置とを具備するため、主発熱体のＴＣＲによって温度が低い主発熱体は電気抵抗が減少し、ホイートストンブリッヂのバランスがくずれる事を利用し、そのブリッヂ間電圧をセンサで検知し、補助発熱体の切り替えを行うことで、ウエハの反りや処理ガスの流れの不均一など、設計時には予期することが困難な外乱に対して、自己制御機構が働き、温度を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明の加熱装置が備える円盤状ヒータを示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。
【図２】 円盤状ヒータの抵抗発熱体の配置を示す平面図である。
【図３】 本発明の加熱装置の電気回路図である。
【符号の説明】
１・・・円盤状ヒータ
２・・・円盤状セラミック基体
３・・・ウエハ支持面
４・・・外側主発熱体
４ａ・・・第１外側主発熱体
４ｂ・・・第２外側主発熱体
５・・・内側主発熱体
５ａ・・・第１内側主発熱体
５ｂ・・・第２内側主発熱体
８、８ａ、８ｂ・・・補助発熱体
１２・・発熱量制御装置
Claims (4)
- 円盤状セラミック基体、該円盤状セラミック基体内の外周部であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の外側主発熱体、該外側主発熱体よりも内側の前記円盤状セラミック基体内であって該円盤状セラミック基体の同心円上に形成されている複数の円弧状の内側主発熱体、前記円盤状セラミック基体内であって前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体との間にそれぞれ形成されている複数の補助発熱体、および前記複数の外側主発熱体と前記複数の内側主発熱体とで構成されているホイートストンブリッヂ回路を有する円盤状ヒータと、該ホイートストンブリッヂ回路のブリッヂ間電圧を測定するセンサと、該センサからの信号に応じて電圧の低い主発熱体の近傍に形成された補助発熱体を発熱させるように制御する発熱量制御装置とを具備することを特徴とする加熱装置。
- 前記外側主発熱体が略半円形の第１外側主発熱体と第２外側主発熱体、前記内側主発熱体が略半円形の第１内側主発熱体と第２内側主発熱体とからなるとともに、前記第１外側主発熱体と前記第２外側主発熱体、および前記第１内側主発熱体と前記第２内側主発熱体がそれぞれ直列に接続されてそれぞれ円形状をなしていることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
- 前記第１、第２内側主発熱体がそれぞれ第１、第２外側主発熱体に沿って形成されており、前記第１内側主発熱体が前記第２外側主発熱体に接続され、前記第２内側主発熱体が前記第１外側主発熱体に接続されて、ホイートストンブリッヂ回路を構成していることを特徴とする請求項２記載の加熱装置。
- 請求項１乃至３のうちいずれかに記載の加熱装置と、処理装置本体とを有し、ウエハが載置される前記加熱装置の円盤状ヒータが前記処理装置本体の内部に収容されていることを特徴とするウエハ処理装置。
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