JP5009064B2 - セラミックスヒーター - Google Patents

Description

本発明は、主に半導体プロセスに係り、半導体基板を所定のプロセス温度に加熱、保持するヒーターに関する発明である。

半導体プロセス用ヒーターとしてセラミックスヒーターが多くのプロセスに用いられてきた。近年、ウエハの処理精度は高度化しており、ウエハを加熱する際の温度制御の要求は非常に厳しくなっている。そこで、ウエハを載置する載置面の温度制御精度を高めるために、複数の発熱抵抗体を載置部に埋設し、各発熱抵抗体を独立して制御させるマルチゾーン加熱装置が提案されている（例えば特許文献１）。このマルチゾーン加熱装置では、少なくとも二つの別々の加熱ゾーンで、それぞれ独立した制御を可能にしており、従来技術のシングルゾーン加熱装置と比較して載置面の温度制御を精度良く行うことができるという効果がある。また、この装置では、パイロメータ等の温度センサをチャンバーの外面の窓内に配置することにより載置部の温度を測定しながら制御する方法が採用されている。
特許第３３１９５９３号公報

しかしながら、このようなパイロメータによる測定では、測温できる場所や装置構造に制約があり、また、放射率の設定など実温度の測定には較正が必要であり、非常に手間がかかった。さらに、特に半導体プロセスのなかでもエッチングや成膜装置の場合には、窓材の腐食や付着物が生じるため、頻繁に窓材の交換や洗浄が必要であり、測温環境を維持することが困難であった。したがって、半導体プロセスのような環境下では、パイロメータによる測温に基づいてマルチゾーン制御することは非常に難しかった。さらに装置のコストが高くなるという問題もあった。

本発明者らは、上述の問題を解決するために鋭意研究した結果、以下の発明をするに至った。

すなわち、本発明は、複数の発熱抵抗体が埋設された窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス焼結体からなり、かつ、ウエハが載せられる載置面を有する平板状の載置部と、前記載置部において前記複数の発熱抵抗体のそれぞれが埋設されている複数の発熱抵抗体領域のそれぞれに接点が位置するように埋設されている複数の熱電対と、を備え、前記複数の発熱抵抗体領域のうち少なくとも１つは、前記載置部の中央領域の周囲に配置され、前記複数の熱電対のそれぞれの接点は、前記載置部の中央領域において前記載置面の反対側から連続する一対の素線により形成され、かつ、前記載置部の厚み方向について前記複数の発熱抵抗体のそれぞれよりも前記載置面から遠くに配置されていることを特徴とするセラミックスヒーターを提供するものである。

本発明者らは、上述のように、複数の発熱抵抗体領域の各領域について、一つの領域に少なくとも一つの測温素子を埋設することにより、セラミックスヒーターの温度制御が精密に行い得ることを見出し、発明をするに至った。

また、前記熱電対は、発熱抵抗体から０．５ｍｍ以上、さらに望ましくは２ｍｍ以上離れた位置に埋設されてもよい。熱電対の起電力は発熱抵抗体に印加される電圧に比べて小さいため、干渉を受けて測温にズレが生じ易い。したがって、精度良く測温するためには、上記所定の位置に埋設することが望ましい。さらに干渉を受けにくくするには、使用温度における体積抵抗率が１０Ｅ＋０８Ω・ｃｍ以上であるセラミックス材料で載置部を構成することが望ましい。そこで、セラミックスヒーターの載置部の材質として窒化アルニウムが選択されることが好ましい。使用温度としては、８００℃以下が好ましい。温度が高すぎると上記のようなセラミックスを用いても体積抵抗率が低下するため測温のズレが大きくなるためである。なお、「１０Ｅ＋０８」は「１０^８」を示す。

熱電対の接点は、一つの発熱抵抗体領域に一つの熱電対を埋設する場合には、発熱抵抗体領域の略中心に埋設されることが望ましいが、この限りではない。また、前記熱電対は、一つの発熱抵抗体領域について複数埋設し、当該発熱抵抗体領域の平均温度を測定できるように配線される構成も採用可能である。このような構成とすることにより、精密な温度測定および温度制御が可能となる。

また、前記測温素子は、載置部内に隙間無く埋設されていることが、望ましい。このような構造により測温精度をいっそう高めることができる、また、埋設された測温素子の劣化を抑制することも可能となる。したがって、長期間に亘り所定の測温環境を維持できるので、パイロメータによる測温のような煩雑な作業を大幅に低減することができ、さらには装置にかかるコストも抑えることができる。

本発明のセラミックスヒーターは、中空部を有し、かつ、前記載置面の反対側において前記載置部の中央領域が前記中空部に露出するように前記載置部を支持する支持部と、前記複数の発熱抵抗体のそれぞれに対して接続されている複数対の発熱抵抗体端子と、前記複数の熱電対のそれぞれに対して接続されている複数対の測温素子端子と、前記複数対の発熱抵抗端子及び前記複数対の測温素子端子のそれぞれに対して接続される複数の配線部材と、をさらに備え、前記複数対の発熱抵抗端子、前記複数対の測温素子端子及び前記複数の配線部材は、前記支持部の中空部に集約されていることを特徴とする。載置部を中空の支持部で支持することにより載置部の熱が支持部を介して逃げることを低減することができる。また、発熱抵抗体および測温素子と接続される配線を中空の支持部内に集約することにより、装置形状を簡略化することができる。なお、端子には、発熱抵抗体端子および測温素子端子が含まれ、配線部材には、給電線、測温素子導線、コネクタが含まれる。

また、本発明のセラミックスヒーターは、前記複数の発熱抵抗体および前記複数の熱電対が埋設された、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス成形体を作成し、前記成形体を焼結させることにより前記複数の発熱抵抗体および前記複数の熱電対のそれぞれと前記セラミックス成形体とを一体化させる工程を含むことを特徴とする方法により製造される。このような製法を用いることにより本発明のセラミックスヒーターの熱電対が載置部を構成するセラミックス焼結体に対して隙間無く埋設された構成を達成することができる。

セラミックスヒーターの測温できる場所や装置構造の制約をなくし、装置の大幅な簡略化および低コスト化が可能となる。また、測温精度を高め、さらにはセラミックスヒーターの温度制御も高精度化することができる。

図１は本発明の代表例である。セラミックスヒーター１はウエハを載せる載置面２ａを有する板状の載置部２と、円筒形状の支持部５とフランジ６からなり、真空チャンバー１３とはフランジ６に設けた気密機構１１（例えばＯリング）で真空気密がとられている。載置部内部には、発熱抵抗体３ａ、３ｂおよび測温素子４が埋設されている。発熱抵抗体と接続される給電線７、および測温素子４から伸びる測温素子導線８は円筒形状の支持部５の中空部を通り、コネクタ９およびフランジ６に設けられたフィードスルー１０を介して図示しない温度制御装置に接続される。

載置部２内部には図２に示したように複数の発熱抵抗体３ａ、３ｂおよび測温素子が配置されている。測温素子は熱電対である。中央部の熱電対接点４ａは中央部の発熱抵抗体領域１６ａに埋設されており、外周部の熱電対接点４ｂは外周部の発熱体領域１６ｂに埋設されている。ここで、図２（Ａ）で示した面と図２（Ｂ）で示した面とは、少なくとも発熱抵抗体と熱電対との距離の分だけ離れている。したがって、熱電対が埋設される発熱抵抗体領域は、載置部内において発熱抵抗体の埋設位置から厚み方向に所定距離だけ離れた位置を含む領域であり、また、図２（Ｃ）に示した１６ａおよび１６ｂのように、発熱抵抗体領域とは、一つの発熱抵抗体を取り囲む所定面積の領域である。

熱電対の接点は、一つの発熱抵抗体領域に一つの熱電対を埋設する場合には、発熱抵抗体領域の略中心に埋設されることが望ましいが、この限りではない。また、前記熱電対は、一つの発熱抵抗体領域について複数埋設し、当該発熱抵抗体領域の平均温度を測定できるように配線される構成も採用可能である。発熱抵抗体領域の略中心に埋設することにより、当該領域の測温をより確実なものにすることができる。さらに、当該領域の平均温度を測定できるようにすれば、より測温を確実にすることができる。

熱電対は、載置部を構成するセラミックスの焼結と同時に埋設することが望ましい。そのためセラミックス焼成温度に耐えうる素材を選択する。例えば、セラミックスとして熱伝導性に優れる窒化アルミニウムを用いた場合、その焼成温度は１６００〜２０００℃であり、この焼成温度に耐える熱電対としてＪＩＳ規定のＢ熱電対（Ｐｔ−Ｒｈ合金、耐熱温度１８２０℃以上）、Ｒ熱電対、Ｓ熱電対（Ｐｔ−Ｒｈ合金／Ｐｔ、耐熱温度１７６０℃以上）Ｗ−Ｒｅ系熱電対（２４００度以上）、Ｉｒ−Ｒｈ系熱電対（Ｉｒ−４０％Ｒｈ／Ｉｒ−５０％Ｒｈ、耐熱温度２０００℃以上）が使用できる。特に、Ｂ熱電対は耐熱温度が高いだけでなく、１５０℃から精度の高い測温ができる。Ｗ−Ｒｅ系熱電対は、耐熱温度が最も高いが、高温酸化雰囲気では酸化されるため、真空、不活性、還元雰囲気での使用が好ましい。Ｗ−Ｒｅ系熱電対の具体例としては、Ｗ／Ｗ−Ｒｅ２６％、Ｗ−Ｒｅ５％／Ｗ−Ｒｅ２６％、Ｗ−Ｒｅ３％／Ｗ−Ｒｅ２６％等が使用できる。

発熱抵抗体としては、箔、板、線、メッシュまたは繊維状のモリブデンやタングステン等の耐熱金属を用いることができる。

図１に示すようにすべての端子が載置部の中央付近に配置されている場合は円筒形状の支持部の中空部の配線はすべての端子から中空部を通してフランジのフィードスルー１０に接続される。

独立した発熱抵抗体の数が多いときは載置部内での発熱抵抗体への配線の干渉をさけるため３次元的な内部配線が必要となる。測温素子４は載置部に複数配置しても線径自体が非常に細く、おおむね直線状に配線できるため接触することなく配線することができる。また、測温素子である熱電対を載置部に埋設することにより、熱電対の接点を円筒形状の支持部の径よりも外側に配し、熱電対素線を支持部の中空部内に引き出すことが可能となる。また発熱抵抗体と熱電対との距離を０．５mm以上、さらに望ましくは２ｍｍ以上物理的にあけたほうがよい。必要に応じて発熱抵抗体に入力される電気信号の熱電対への干渉を避けるためにローパスフィルタを設置しても良い。

図３（Ａ）のように測温素子４を載置部２内で曲げておくことにより載置部の支持部側での導線との接続を容易にすることができ、３次元的な内部配線が可能となる。また図３（Ｂ）のように載置部の中心付近に測温素子端子１４を設け、そこから測温素子導線８ａを接続する方法を用いることも可能である。また図３（Ｃ）のように載置部を焼成後に機械加工でセラミックス内細穴１８を設け、シース熱電対１７を挿入する方法を採用することもできる。その他、ビアホールを介した配線などを適用することができる。

発熱抵抗体端子としては、箔、板、塊状のモリブデンやタングステン等を用いることができる。測温素子端子としては、熱電対素線と同組成の金属、または熱電対と熱起電力特性の近似した金属の箔、板、塊状のものを用いることが好ましいが、測温素子端子の接続部に温度差が生じない場合は、中間金属の法則より、例えばモリブデンやタングステン等の耐熱金属を用いることが可能である。測温素子導線としては、熱電対素線または補償導線を用いることが望ましいが、目的の測定精度、温度制御が可能な範囲で、ニッケル線、銅線等の他の金属線を用いることも可能である。

載置部のセラミックスとしては、使用温度における体積抵抗率が１０Ｅ＋０８Ω・ｃｍ以上であるセラミックスを用いることができる。このような物性を有する載置部の材質としては、窒化アルニウム、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、イットリアが好適である。なかでも窒化アルミニウムは熱伝導性に優れることから、加熱応答性や均熱性が求められるセラミックスヒーターに好適である。また、酸化アルミニウムを主成分とした場合は、窒化アルミニウムに比べ熱伝導率が低いため、載置面に傾斜状に温度勾配を持たせることが容易になる。また窒化アルミニウムに比べ焼結温度が低いため、測温素子の選択の範囲が広がる。

載置部２と支持部５との固定は、セラミックス、金属、ガラス等の接合材による接合により固定できる。また固定用ボルトによって固定されても良い。支持部５とフランジ６との固定も同様である。フランジで真空気密をとっている場合、支持部５の中空部を真空チャンバーと同じ雰囲気にすることができる。そのため酸化に弱いＷ−Ｒｅ合金系の熱電対が使用できる環境にすることができる。一方、フランジ６を用いずに、載置部２と支持部５を気密接合し支持部の真空チャンバー側の端面で真空チャンバーと気密をとる場合は、支持部５の中空部は大気に曝されるため、発熱抵抗体端子１５や測温素子端子１４は載置部に埋設し、例えば耐酸化性のニッケル製の給電線、導線を溶接、ロー付け等の方法により接続した構成とすることができる。

コネクタ９はアセンブリするときに容易ならしめるために設けたものでありソケット状のものが適当である。またアセンブリ時に困難さがなければコネクタ９は省略してもかまわない。フィードスルー１０はウルトラ・トール（スエジロック社製）のようなものでもよい。とくに後述する測温素子がシース熱電対の場合には最適である。

次に実施例を示して、本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例１）
載置部のセラミックスとして主原料に窒化アルミニウム、添加物として酸化イットリウムを加え、公知の製造方法で原料粉末を調整したものを用いた。発熱抵抗体はモリブデンとし、測温素子はＢ熱電対とした。これらの具体的な埋設方法は、原料粉末のプレス成形体に発熱抵抗体を設置して、その上に原料粉末を投入してプレスし、こうして得られた成形体に熱電対の素線を設置して、さらに原料粉末を投入してプレスすることにより、セラミックス粉末に、発熱抵抗体及び熱電対が埋設された成形体を得た。発熱抵抗体および測温素子の配置は各々図２（Ａ）〜（Ｃ）、図３（Ａ）のように配置し、原料粉末の投入量を調整して、発熱抵抗体と熱電対の素線間の距離は２ｍｍとした。

焼成は還元雰囲気のホットプレスで焼成温度は１８００℃とした。得られた焼結体を加工し、φ２１０×１０ｍｍの円形平板状の載置部とした。この載置部の一面を載置面とし、載置面と反対の面に支持部とボルト固定するためのネジ孔加工を行った。Ｂ熱電対の素線は図３（Ａ）のように載置部の支持部側より取り出され、測温素子導線とはＮｉ製のコネクタで接続した。フランジには電流導入端子を設け、測温素子導線およびヒーター給電線と接続した。これらの配線部材は円筒形状の支持部（内径５０ｍｍ、外径６０ｍｍ、高さ２００ｍｍ）の中空部に集約した。支持部の材質としては、窒化アルミニウム、フランジの材質としてＳＵＳ３０４を用い、載置部、支持部およびフランジの固定は、いずれもボルトを用いた。このようにして平板状の載置部と中空の支持部とを備えるセラミックスヒーターを得た。なお、載置部を構成する窒化アルミニウムの体積抵抗率を測定したところ、セラミックスヒーターの使用温度範囲１００〜８００℃において、１０Ｅ+０８Ω・ｃｍ以上であった。

真空チャンバーにセラミックスヒーターを設置し、はじめに、中心部の設定温度を４００℃、外周部の設定温度を５００℃として加熱を試みた。中心部および外周部に埋設された熱電対により測温し、得られた温度を基に出力調整を行って外部電源より電力を供給した。サーモグラフにより載置面の温度を測定したところ、中心部が４００℃、外周部が５００℃となり、中心部から外周部にかけて傾斜状の温度分布が得られた。次に、中心部および外周部の設定温度を共に５００℃として加熱したところ、載置面の温度分布は設定温度からの差が１％以下となった。

（実施例２）
測温素子としてＷ−Ｒｅ熱電対の素線を図３（Ｂ）のように窒化アルミニウム焼結体内に埋め込んだ。熱電対の端部は測温素子端子として、熱電対組成と同じ組成のバルク体（φ８ｍｍ、厚み０．５ｍｍ）を熱電対と溶接後に窒化アルミニウムに埋め込んだ。焼成後、載置面と反対の面に熱電対取り出し用のため測温素子端子までの有底孔を加工して端子を露出させ、測温素子導線と接続した。接続方法はロー付けによりおこなった。実施例１と同様の設定温度として、加熱を試みたところ、同様の結果が得られた。

（実施例３）
発熱抵抗体のみ窒化アルミニウム焼結体内に埋め込み、図３（Ｃ）のように測温素子用細穴を設け、その中にシース熱電対（φ２．２ｍｍインコネルシース、Ｋ熱電対）を挿入した。インコネルシースはフランジに設けられたウルトラ・トール（スエジロック社製）で真空気密がとられシースの端部は真空チャンバーの大気側に位置する。実施例１と同様の設定温度として、加熱を試みたところ、同様の結果が得られた。

上記の実施例で示したように、複数の発熱抵抗体が埋設されたセラミックスヒーターであって、一つの発熱抵抗体が埋設された発熱抵抗体領域に少なくとも一つの測温素子を備えるセラミックスヒーターを用いることにより、載置部内の温度分布を均一化または傾斜化させられることが確認された。また、セラミックスヒーターの測温できる場所や装置構造の制約をなくし、装置を大幅に簡略化することができた。

セラミックスヒーターの模式断面図である。 載置部内の発熱抵抗体および測温素子の配置を示す模式平面図である。 測温素子設置位置の模式拡大断面図である。

符号の説明

１；セラミックスヒーター
２；載置部
２ａ；載置面
３ａ,３ｂ；発熱抵抗体
４；測温素子（熱電対）
４ａ,４ｂ；熱電対接点
５；支持部
６；フランジ
７；給電線
８,８ａ；測温素子導線
９；コネクタ
１０；フィードスルー
１１；真空気密機構
１２ａ,１２ｂ,１２ｃ；固定用ボルト
１３；真空チャンバー
１４；測温素子端子
１５；発熱抵抗体端子
１６ａ,１６ｂ；発熱抵抗体領域
１７；シース熱電対
１８；セラミックス内細穴

Claims (6)

1. 複数の発熱抵抗体が埋設された窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス焼結体からなり、かつ、ウエハが載せられる載置面を有する平板状の載置部と、
   前記載置部において前記複数の発熱抵抗体のそれぞれが埋設されている複数の発熱抵抗体領域のそれぞれに接点が位置するように埋設されている複数の熱電対と、を備え、
   前記複数の発熱抵抗体領域のうち少なくとも１つは、前記載置部の中央領域の周囲に配置され、前記複数の熱電対のそれぞれの接点は、前記載置部の中央領域において前記載置面の反対側から連続する一対の素線により形成され、かつ、前記載置部の厚み方向について前記複数の発熱抵抗体のそれぞれよりも前記載置面から遠くに配置されていることを特徴とするセラミックスヒーター。
2. 請求項１記載のセラミックスヒーターにおいて、
   中空部を有し、かつ、前記載置面の反対側において前記載置部の中央領域が前記中空部に露出するように前記載置部を支持する支持部と、
   前記複数の発熱抵抗体のそれぞれに対して接続されている複数対の発熱抵抗体端子と、
   前記複数の熱電対のそれぞれに対して接続されている複数対の測温素子端子と、
   前記複数対の発熱抵抗端子及び前記複数対の測温素子端子のそれぞれに対して接続される複数の配線部材と、をさらに備え、
   前記複数対の発熱抵抗端子、前記複数対の測温素子端子及び前記複数の配線部材は、前記支持部の中空部に集約されていることを特徴とするセラミックスヒーター。
3. 請求項１又は２記載のセラミックスヒーターにおいて、前記熱電対の接点が、前記発熱抵抗体領域の中心に配置されていることを特徴とするセラミックスヒーター。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のセラミックスヒーターにおいて、前記熱電対が、１つの発熱抵抗体領域について複数埋設され、当該発熱抵抗体領域の平均温度を測定できるように配線されていることを特徴とするセラミックスヒーター。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のセラミックスヒーターにおいて、前記熱電対は、Ｐｔ−Ｒｈ合金からなり耐熱温度が１８２０℃以上であるＪＩＳ規定のＢ熱電対、Ｒ熱電対、Ｐｔ−Ｒｈ合金／Ｐｔからなり耐熱温度が１７６０℃以上であるＳ熱電対及び耐熱温度が２４００℃以上であるＷ−Ｒｅ系熱電対、耐熱温度が２０００℃以上であるＩｒ−Ｒｈ系熱電対の中から選択されることを特徴とするセラミックスヒーター。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載のセラミックスヒーターの製造方法であって、
   前記複数の発熱抵抗体および前記複数の熱電対が埋設された、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス成形体を作成し、前記成形体を焼結させることにより前記複数の発熱抵抗体および前記複数の熱電対のそれぞれと前記セラミックス成形体とを一体化させる工程を含むことを特徴とする方法。

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