JP5367232B2 - セラミックスヒーター - Google Patents

Description

本発明は、主に半導体製造プロセス、特にＣＶＤ装置やランプアニール装置の予備加熱装置などシリコンウエハおよび化合物半導体等の基板（以下ウエハ等）を加熱することに好適なヒーターに関するものである。

従来、ヒーターによるウエハ等の加熱を行う際のウエハ等の均熱が問題となっていた。この問題を解決するために、高熱伝導性のＡｌＮ焼結体内に発熱抵抗体を埋設し、発熱抵抗体を複数のゾーンに分けて各々出力を調整することによりウエハ等の均熱化を図ることがなされてきた（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００６−２４５６１１号公報 特開２００６−２１０９３２号公報

このように、発熱抵抗体を複数のゾーンに分けるのは、ウエハ等に温度分布が生じてしまうような環境、例えば雰囲気中への放熱や、ヒーターを設置するための台座等の接触部分への放熱が大きい場合、であってもそれを打ち消してウエハ等の均熱化が図れるようにするためである。すなわち、ウエハ等の温度が低下しやすい部分には、ヒーターの出力を上げ、温度が高くなりやすい部分は出力を下げて調節できるようにしている。したがって、ウエハ等の処理時における放熱を考慮せずに、ヒーター自体をみると、ウエハ等に生じてしまう温度分布に対して、逆の温度分布を形成できるような構成となっている。
ここで、ヒーター自体に温度分布を形成する手段としては、熱伝導率の小さい材料の基材を用いて局所的に加熱することが考えられる。しかしながら半導体プロセスに用いられるヒーターには、急速な加熱や冷却といった機能が求められることが多いため、ヒーターに用いられる基材は熱伝導率の高いものが好ましい。また常に一定環境で使用されるのではなく、温度分布が生じやすい環境で用いられたり、放熱が少なく均熱の取りやすい環境で使用されたりする場合があるため、熱伝導率の小さい部材を用いるのは望ましくない。例えば、同一のヒーターを用いて、均熱の取りやすい真空中で使用したり、放熱が起き易い雰囲気ガスを導入して使用したりする場合がある。したがって、ＡｌＮ焼結体のような熱伝導率の高い基材が用いられてきた。

しかしながら、熱伝導率の高い基材を用いた場合は、ウエハ等に生じやすい温度分布と逆の温度分布をヒーター自体に形成したいときでも、自らの熱伝導で温度分布が平坦化されて、ウエハ等の均熱化を図ることが困難な場合があった。特に近年、デザインルールの微細化に伴い、ウエハ等処理時の均熱の要求は高まっており、多様な環境下でウエハ等の精密な均熱制御を実現できるヒーターが求められていた。

上記問題を解決するために、ヒーターの熱伝導を制限するために物理的な断熱領域を設けることにより精密な均熱制御を実現できるヒーターを得ることができた。すなわち本発明は、セラミックス基材の内部に埋設された複数の発熱抵抗体と、セラミックス基材の表面に形成された被加熱物を載置する載置面と、載置面の反対面側に前記複数の発熱抵抗体の埋設された略平面を貫くように設けられ、発熱抵抗体の作用領域を仕切る少なくとも１つの仕切り溝と、を具備し、前記載置面と前記仕切り溝の底部との距離Ｔを、１ｍｍ以上としながら、セラミックスヒーター全体の厚みの３０％以下とすることを特徴とするセラミックスヒーターを提供する。
本発明によれば、仕切り溝を形成することにより熱伝導を制限し、発熱抵抗体の作用領域を仕切ることで、精密な均熱制御が可能となり、被加熱物であるウエハ等の均熱化を図ることができる。
また、載置面と仕切り溝の底部との距離Ｔを、１ｍｍ以上とすることで、加熱時に割れ等の不具合を確実に防止することができる。
さらに、載置面と仕切り溝の底部との距離Ｔを、セラミックスヒーター全体の厚みの３０％以下とすることで、仕切り溝により隔てられた両側間の熱伝導が確実に抑制されるため、発熱抵抗体の作用領域を確実に仕切ることができる。

ここで、仕切り溝について「発熱抵抗体の埋設された略平面を貫くように設けられ」とは、本発明の発熱抵抗体は、載置面およびその反対面と略平行に略平面状に埋設されており、仕切り溝は、反対面側から発熱抵抗体の位置よりも、深い位置まで形成されていることを意味する。これにより、溝によって仕切られる領域（発熱抵抗体の作用領域）間の熱伝導は、溝部分の基材厚み（すなわち載置面から仕切り溝までの距離Ｔ（図１参照）の部分）に制限されるため、作用領域ごとの温度制御が容易になり、被加熱物であるウエハ等の均熱を図ることができる。なお、「発熱抵抗体の作用領域を仕切る」とは、厳密に熱の移動を遮断して発熱抵抗体の作用領域が仕切られるわけではなく、仕切り溝があることにより熱伝導が制限され、その制限の程度において発熱抵抗体の作用領域を仕切ることができるという意味である。

また、前記仕切り溝は、１つの発熱抵抗体と他の発熱抵抗体との間に形成された環状の仕切り溝であることを特徴とする。ウエハ等に生じ易い温度分布はウエハ等の中央部の温度が高く、外周方向に行くほど温度が低くなるという分布であることから、複数の発熱抵抗体はセラミックスヒーターの中央部に埋設されたものと、中央部を囲むように外周部に埋設されたものから構成され、仕切り溝をそれに対応した形状としたものである。

本発明によれば、半導体プロセスにおいて、多様な環境化でウエハ等の精密な均熱制御を実現することができる。

図１は本発明の代表例であり、反対面の仕切り溝を表した模式的な平面図とＡＡ断面図を示している。円盤状のセラミックスヒーターはセラミックス基材１からなり、ウエハ等を載置する載置面１ａとその反対面１ｂとを備えている。セラミックス基材１の内部に発熱抵抗体２が埋設されており、反対面１ｂには仕切り溝３が形成される。発熱抵抗体２は給電端子（図示せず）を介して電源に接続される。

図２に仕切り溝３付近の模式的な拡大断面図を示した。仕切り溝３の深さは、セラミックス基材内部に埋設された発熱抵抗体２の位置２ａよりも深くなっている。これにより、発熱抵抗体の作用領域を仕切り、作用領域ごとの温度制御が容易になる。ここで、発熱抵抗体は載置面からある程度の距離を持たせて埋設する必要がある。発熱抵抗体の位置が載置面に近すぎると、発熱抵抗体が埋設された部分と、それ以外の部分との温度差が著しくなり、ウエハの均熱を図ることができなくなるためである。また、ウエハの均熱を図るためには、セラミックスヒーターの厚み方向の均熱もある程度必要となるため、載置面側または反対面側に極端に偏った位置は好ましくない。したがって、発熱抵抗体２の埋設位置は、セラミックスヒーターの全体厚みを１００とすると、２０〜８０の位置に埋設することが好ましい。

上述のように仕切り溝３は、発熱抵抗体２の位置よりも深く形成されるが、深くなりすぎるとセラミックス基材自体の強度が保てないため好ましくない。したがって、載置面１ａと仕切り溝の底部３ａとの距離Ｔは、１ｍｍ以上とすることが望ましい。なお、本発明のセラミックスヒーターの全体の厚みとしては、１０ｍｍ以上とすることが仕切り溝の効果を得るうえで好ましい。

一方、載置面１ａと仕切り溝の底部３ａとの距離Ｔが大きすぎたり、仕切り溝幅Ｌが小さすぎたりすると、仕切り溝により隔てられた両側間の熱伝導の抑制効果が小さくなるため、発熱抵抗体の作用領域を仕切ることができなくなる。したがって、距離Ｔはセラミックスヒーター全体の厚みの３０％以下とするか、または、セラミックス基材の熱伝導率を考慮した経験式、
Ｔ≦５０×Ｌ／Ｋ ・・・（式１）
を満たす距離Ｔの、いずれか小さいほうを採用することができる。ここでＫは使用温度における熱伝導率で単位はＷ／ｍＫであり、距離Ｔおよび溝幅Ｌの単位はｍである。距離Ｌは２.０〜１０ｍｍとすることが好ましく、３．０〜１０ｍｍとすることがより望ましい。これは、溝幅が小さすぎると仕切り溝の効果が小さくなるためであり、また、溝幅が大きくなると、溝には発熱抵抗体が存在しないため溝部分がコールドスポットとなるおそれがあるためである。

セラミックス基材の熱伝導率は、使用温度によっても異なるため、使用条件を考慮して決める必要がある。セラミックス基材としては、熱伝導性、耐食性、強度等の観点からＡｌＮが望ましい。ＡｌＮとしては、イットリア、サマリア、カルシア等の希土類酸化物またはアルカリ土類酸化物を添加した公知のものを用いることができる。

本発明の仕切り溝３の形状については、特に限定しない。所望の領域に発熱抵抗体の作用領域を仕切ることができれば良いからである。よって、溝形状は、発熱抵抗体が埋設される領域の形状に対応した形状にすることが好ましい。発熱抵抗体を埋設する領域の形状は、環状、縞状、格子状、放射状等種々の形状を採ることができ、溝形状についても、これに対応した形状とすることができる。ただし、雰囲気による放熱の影響や、ヒーターの形状に由来して生じ得るウエハ等の温度分布を考えると、図１の例のように環状が好ましい。これは、ウエハ等に生じやすい温度分布が、ウエハ等の略中心が最も温度が高く、外周方向に行くほど温度が低くなるというものだからである。

図１に示した例では、仕切り溝３によって仕切られた中央部と、外周部の点線で囲んだ領域に発熱抵抗体が埋設される。実際には、発熱抵抗体は反対面側から給電端子（図示せず）を介してヒーター電源（図示せず）と直列に接続される構造である。発熱抵抗体の形状としては、平面図の点線で囲んだ領域に、渦巻状、波型状等、種々の公知形状の発熱抵抗体を埋設することができる。発熱抵抗体の断面についても同様に模式的に示したが、板状の他、メッシュ状、コイルスプリング状等、種々の公知形状のものを用いることができる。なお、図２の拡大図に示したように「発熱抵抗体の埋設された略平面」は、セラミックス基材に埋設された発熱抵抗体の載置面側の位置で形成される略平面２ａとする。

また、本発明のセラミックスヒーターは、図３に示したように、発熱抵抗体を埋設する領域の形状や数に応じて、複数の仕切り溝をヒーターの反対面に設けても良い。また、セラミックスヒーターの形状も円盤に限らず、矩形等、被加熱物の形状に応じて、種々の形状を採用することができる。例えば、図３（イ）〜（ニ）のように環状の溝を設けたものや、図３（ホ）のように放射状に仕切ったもの、または図３（ヘ）のようにそれらを組み合わせたもの等種々の形状を適用することができる。ウエハ等を載置したときに生じやすい温度分布に応じて発熱抵抗体を埋設する領域の形状および数、並びに仕切り溝の形状および数を決定することで、より精密な加熱制御が可能となる。

発熱抵抗体とヒーター電源との接続は、複数の発熱抵抗体について、それぞれ別個の複数のヒーター電源を接続して用いても良いし、複数の発熱抵抗体を直列に接続し、１つのヒーター電源を接続して用いても良い。１つのヒーター電源を接続して用いる場合でも、発熱抵抗体のワット密度に従って、直列に接続された複数の発熱抵抗体の作用領域ごとに加熱制御することができる。したがって、ウエハ等を載置したときに生じやすい温度分布に応じて、ヒーター電源との接続を最適化したり、出力を制御したりすることが可能である。

また、図４に示したようにセラミックス基材に静電吸着用の電極を内蔵させた形態とすることができる。ウエハ等を静電吸着して載置面と密着させることで、より正確な加熱制御が可能となる。

以下に試験例を示し、本発明をより詳細に説明する。

（セラミックスヒーターの作製）
図１に示したセラミックスヒーターを作製した。セラミックス基材の材質はＡｌＮを用い、中央部および外周部に埋設する発熱抵抗体には渦巻形状に加工したＭｏメッシュ（線径０．１ｍｍ）を用いた。中央部に埋設する発熱抵抗体の寸法は外径をおよそ１５５ｍｍ、外周部に埋設する発熱抵抗体は内径をおよそ１７５ｍｍ、外径をおよそ２００ｍｍとした。はじめに、ＡｌＮ粉末にイットリアを焼結助剤として加えた混合粉末を調整し、プレス成形により埋設する発熱抵抗体を挟んだ成形体を成形した後、ホットプレス法により焼結した。次に、得られた焼結体に研削加工を施して、セラミックスヒーターを得た。セラミックスヒーターの形状は直径２１０ｍｍ、厚さ１５ｍｍとし、発熱抵抗体の埋設位置は載置面から６ｍｍとした。円環状の仕切り溝は、溝の中心線が二つの発熱抵抗体が埋設された領域の中間の位置（φ１６５ｍｍ）になるように形成した。載置面と仕切り溝の底部との距離Ｔおよび溝幅Ｌが異なるセラミックスヒーターを作製した（表１参照）。さらに、比較のため仕切り溝が無い以外は同一構成のセラミックスヒーターも作製した（表１参照）。発熱抵抗体と給電端子との接続は、反対面側から基材に給電端子挿入のための穴を設けて、Ｍｏ製の給電端子を挿入することによって行った。発熱抵抗体とヒーター電源との接続は、二つの発熱抵抗体について、それぞれ別個のヒーター電源を、給電端子を介して接続し印加電圧を調整できるようにした。

（セラミックスヒーターの評価）
はじめに、均熱のとり易い真空中でセラミックスヒーターの載置面にシリコンウエハ（直径２００ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を載置し、ウエハ温度が５００℃および２００℃となるようにサーモグラフにより温度を測定しながら加熱した。それぞれの加熱条件で、シリコンウエハの表面温度の最大と最小との差（以下、最大温度差とする）が最も小さくなるように、中央部および外周部に埋設された発熱抵抗体への印加電圧を調整した。その結果、いずれのセラミックスヒーターを用いた場合でも、ウエハの表面温度の最大温度差を２％以内に抑えることができた。

次に均熱のとり難い環境として、大気中でセラミックスヒーターの載置面の外周に環状の放熱板（アルミニウム製、内径２０５ｍｍ、外径２３０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を設置し、セラミックスヒーターの外周から放熱し易い条件でシリコンウエハを載置した。放熱板は全てのセラミックスヒーターについて同一形状のものを用い、放熱条件を統一した。ウエハの加熱は、少なくとも放熱板の影響の小さい中央部に載置されたウエハ部分の温度が５００℃および２００℃となるように中央部に埋設された発熱抵抗体への印加電圧を調整しながら、ウエハの外周部に載置された部分と中央部に載置された部分との間に生じる温度差、すなわち最大温度差が最も小さくなるように外周部に埋設された発熱抵抗体への印加電圧も併せて調整した。セラミックスヒーターの評価は、最大温度差が加熱温度の２％以内であったものを○、最大温度差が５％以内であったものを△、最大温度差が５％を超えたもの、および加熱時に割れ等の不具合が生じたものを×とした。結果を表１に示す。

表１からわかるように、距離Ｔおよび仕切り溝幅Ｌが所定範囲内であって式１の関係を満足する試験例２〜４、６〜９、１３〜１８では、最大温度差が２％以内に抑えられウエハの均熱を得ることができた。一方、仕切り溝のない試験例１１および２１では、最大温度差が大きくなりウエハの均熱を得ることができなかった。また、距離Ｔ、仕切り溝幅Ｌおよび、基材の熱伝導率において、式１の関係を満足しない試験例１、１０、１２、１９および２０は、仕切り溝のない試験例１１および２１よりも最大温度差が小さく抑えられたが、最大温度差が２％よりも大きくなった。距離Ｔの小さい試験例５では、加熱時に基材に割れが生じた。

このように、本発明によれば、溝の無いセラミックスヒーターではウエハの均熱を図ることができないような条件であっても、溝により発熱抵抗体の作用領域を仕切ることによってウエハの均熱を図ることが可能となる。

本発明に係るセラミックスヒーターの模式平面図およびＡＡ模式断面図である。 本発明に係るセラミックスヒーターの仕切り溝形状付近の模式拡大断面図である。 本発明に係るセラミックスヒーターの仕切り溝形状の例を示す模式図である。 本発明に係るセラミックスヒーターの静電チャックへの適用例を示す模式断面図である。

符号の説明

１；セラミックス基材
１ａ；載置面
１ｂ；反対面
１０；セラミックスヒーター
２；発熱抵抗体
３；仕切り溝
３ａ；仕切り溝の底部
４；静電吸着用電極
Ｔ；載置面と仕切り溝の底部との距離
Ｌ；仕切り溝幅

Claims (2)

1. セラミックス基材の内部に埋設された複数の発熱抵抗体と、
   セラミックス基材の表面に形成された被加熱物を載置する載置面と、
   載置面の反対面側に前記複数の発熱抵抗体の埋設された略平面を貫くように設けられ、発熱抵抗体の作用領域を仕切る少なくとも１つの仕切り溝と、
   を具備し、
   前記載置面と前記仕切り溝の底部との距離Ｔを、１ｍｍ以上としながら、セラミックスヒーター全体の厚みの３０％以下とすることを特徴とするセラミックスヒーター。
2. 前記仕切り溝は、１つの発熱抵抗体と他の発熱抵抗体との間に形成された環状の仕切り溝であることを特徴とする請求項１記載のセラミックスヒーター。

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