JP5426892B2 - 基板加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、被処理物を載置して加熱する基板加熱装置に関する。

化学気相堆積（ＣＶＤ）やドライエッチング等の工程を行なう半導体製造装置等では、被処理物である基板を載置して加熱する基板加熱装置が用いられる。基板加熱装置は、加熱部として抵抗発熱体を備える。抵抗発熱体は、セラミックス等の絶縁体の基体表面に略平行な配置面に埋め込まれる。通常、コイル状発熱線や、メッシュ、スクリーン印刷体、及び箔等を用いた平面状発熱線は、抵抗発熱体として適用される（特許文献１参照）。

例えば、抵抗発熱体としてコイル状発熱線を用いる場合について述べる。コイル状発熱線は、一定の曲率を有する複数の曲がり角部を有する。そのため、コイル状発熱線を絶縁体の基体表面に略平行な配置面に隙間なく配置することは困難である。その結果、基体の表面にコイル状発熱線のコイルの形状（配線パターンという）に対応した温度分布が発生する。発生した温度分布により、基板に堆積させる膜の厚みや、エッチング深さが変化するため、歩留まりが劣化する。

基体の表面に発生したコイル状発熱線の配線パターンに対応した温度分布を解消する方法として２つのコイル状発熱線を互いにずらして配置することが提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、コイル状発熱線は、局所的に、数℃程度の温度分布が生じることが開示されている。すなわち、配線パターンに対応した温度分布を完全に解消することはできなかった。

また、抵抗発熱体として、メッシュ（細い金属線を金網状に編みこんで形成したシート）、スクリーン印刷体、箔等の平面状発熱線を用いる場合では、平面状発熱線の配線パターンを工夫することにより、基体の表面において、直接加熱されない部分を減少させることができる。しかしながら、平面状発熱線を同一の平面に複数配置する場合、発熱線間の絶縁距離を確保する必要があるため、絶縁距離として確保された領域は、直接加熱されない。すなわち、配線パターンに対応した温度分布を完全に解消することはできなかった。

また、複数のセラミックスグリーンシートのそれぞれの上面に発熱体が形成されたシートを、各発熱体の配線パターンが基板を載置する表面の上方からの平面視において、発熱体同士が互いに重ならないように積層させることが提案されている。（特許文献３参照）。しかし、実際には、同一平面において、各発熱体の配線パターンが重ならない部分が存在するため、基体の表面の温度を均一にすることは困難であった。

特開平１１−２０４２３８号公報 特表２００６−５００７８９号公報 特開２００２−３７３８６２号公報

本発明の目的は、局所的な温度分布を低減することが可能な基板加熱装置を提供することにある。

本発明の態様によれば、被加熱物が載置される上面を有する基体と、前記基体の前記上面を含む上部に埋め込まれ、前記上面に略平行な平面形状を有する第１発熱体と、前記基体の前記上部に結合される下部に埋め込まれ、前記上面に直交する方向において、前記上面に対して前記第１発熱体よりも下方に配設される平面型の第２発熱体とを備え、前記第１発熱体を前記基体の前記上面に投影した第１投影パターンと、前記第２発熱体を前記基体の前記上面に投影した第２投影パターンとが互いに部分的に重なる重複部を有し、前記上面の面積に対する前記第１投影パターンと前記第２投影パターンの面積の合計の占有率が８５％以上であり、前記上面における前記第２投影パターンの面積に対する前記重複部の面積の割合が５％以上である基板加熱装置が提供される。

本発明によれば、基板加熱装置において、基板を載置する上面における局所的な温度分布を低減することができる。

本発明の実施の形態に係る基板加熱装置の一例を示す平面図である。 図１に示した基板保持体のII−II断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる第１投影パターンの一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる第２投影パターンの一例を示す図である。 図３及び図４に示した投影パターンの重ね合わせを示す図である。 図２に示す断面図の一部を拡大した拡大図である。 図５に示す平面図の一部を拡大した拡大図である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その１）である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その２）である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その３）である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その４）である。 本発明の実施の形態に係る基板加熱装置の温度分布の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の説明に用いる基板加熱装置の上面の区域の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る基板加熱装置の上面の面積に対する第１投影パターンの面積と第２投影パターンの面積の合計の占有率と、基板加熱装置の局所温度の差の最大値とを対応付けて示す表である。 本発明の実施の形態に係る基板加熱装置の上面の面積に対する第１投影パターンと第２投影パターンの面積の合計の占有率と、基板加熱装置の局所温度の差の最大値との関係の一例を示す図である。 比較例による基板加熱装置の発熱体の変形の一例を示す図である。 比較例による基板加熱装置の温度分布の一例を示す図である。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る基板加熱装置は、図１及び図２に示すように、基体１２、埋め込み電極（１４、１６）、シャフト１８等を備える。基体１２は、上部１２１と下部１２２とを有する。埋め込み電極（１４、１６）は、平面型の第１及び第２発熱体１４、１６を含む。第１発熱体１４は、基体１２の上部１２１に埋め込まれる。上部１２１は、基板が載置される基板加熱装置の上面１２ａを有する。上面１２ａは、内周部１２１ａと外周部１２１ｂとを有する。

下部１２２は、上面１２ａの反対面に接合される。第２発熱体１６は、上面１２ａの直交方向において、上面１２ａに対して第１発熱体１４よりも離れた位置に配設される。

下部１２２は、上部１２１との接合面の反対側に下面１２ｂを有する。円筒状のシャフト１８は、基体１２の下面１２ｂに接合される。

基板加熱装置は、ＣＶＤ装置やプラズマエッチング装置の処理室にシャフト１８により固定される。例えば、被処理物である基板が円形の半導体基板であれば、基板加熱装置は円板形状である。基板は、基板加熱装置の上面１２ａに載置され、埋め込み電極（１４、１６）により加熱される。埋め込み電極（１４、１６）には、それぞれ電極端子（図示省略）が接続される。なお、基板加熱装置は、円板形状に限定されず、例えば、多角形状であってもよい。また、基板を載置する上面１２ａには、平坦形状、ポケット形状、エンボス形状、あるいは溝形状等が適宜用いられる。

例えば、基体１２は、直径Ｄｓが約３３０ｍｍ〜約３４０ｍｍで、厚さＨが約２０ｍｍ〜約３０ｍｍである。埋め込み電極（１４、１６）は、直径Ｄｈが約３２０ｍｍ〜約３３５ｍｍである。第１発熱体１４は、基体１２の上部側に埋め込まれる。第２発熱体１６は、基体１２の内部において第１発熱体１４の下方に配設される。

基体１２及びシャフト１８として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ボロン（ＢＮ）等のセラミックス材料が用いられる。また、基体１２として、アルミニウム（Ａｌ），アルミニウム合金、ステンレス鋼等の金属材料を用いてもよい。金属材料を用いる場合、セラミックスコートにより絶縁した埋め込み電極が用いられる。

第１及び第２発熱体１４、１６として、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ(Ｎｂ)等の高融点金属、又は炭化タングステン（ＷＣ）等の高融点金属炭化物等の導電材料のメッシュが用いられる。なお、第１及び第２発熱体１４、１６として、上記の導電材料のスクリーン印刷体、あるいは箔等を用いてもよい。

図３に、第１発熱体１４を基体１２の上面１２ａに投影した第１投影パターン２４を示す。図４に、第２発熱体１６を基体１２の上面１２ａに投影した第２投影パターン２６を示す。図５に示すように、第２投影パターン２６は、第１投影パターン２４の隙間に位置する。

図６は、図２に示す断面図の領域Ａを拡大した拡大図である。図７は、図５に示す平面図の領域Ｂを拡大した拡大図である。

図６に示すように、第２発熱体１６の基板１２の径方向の長さは、Ｗａである。基体１２の上面１２ａに直交する方向において、第１発熱体１４の端部と第２発熱体１６の端部とは部分的に重複する。第１発熱体１４と第２発熱体１６とは、少なくとも一方の端部において重複する。重複する部分の長さは、Ｗｂである。

図７に示すように、第２発熱体１６を基体１２の上面１２ａに投影した第２投影パターン２６の基板１２の径方向の長さは、Ｗａである。第１発熱体１４を基体１２の上面１２ａに投影した第１投影パターン２４と、第２発熱体１６を基体１２の上面１２ａに投影した第２投影パターン２６とは重複する。重複する部分の長さは、Ｗｂである。

後述する図１３に示す１つの区域４０において、第２発熱体１６の径方向の長さＷａに対する第１発熱体１４と第２発熱体１６との重複する部分の長さＷｂの割合を重複率とする。この重複率のすべての区域４０における平均値を、第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率と定義する。平均重複率は、５％以上が望ましい。

図６及び図７に示すように、第２発熱体１６の径方向の長さＷａは、第２投影パターン２６の長さＷａに相当する。また、第１発熱体１４と第２発熱体１６との重複する部分の長さＷｂは、第１投影パターン２４と第２投影パターン２６との重複する部分の長さＷｂに相当する。従って、上述した第１発熱体１４と第２発熱体１６との重複率及び平均重複率と、第１投影パターン２４と第２投影パターン２６との重複率及び平均重複率とは同一である。

望ましい平均重複率が上述のように５％以上であるとする理由は、平均重複率が５％より小さいと、上面１２ａにおいて、第１投影パターン２４と第２投影パターン２６とが重複する領域と、重複しない領域との温度差が増大するためである。

一般に、物体内では、熱は、熱源である発熱体から放射状に伝導する。そのため、発熱体からの距離が離れた点ほど、その点を含む物体の断面における温度の均一性は良くなる。すなわち、上面１２ａと発熱体との距離を大きくすることにより、上面１２ａの温度を均一にすることができる。しかし、基体１２を厚くすると、高コスト化を招く。また、基体１２を厚くすると、基体１２を焼成する際、基体１２の品質を均一に保持することが困難である。

そこで、基体１２の厚さは、約２０ｍｍ〜約３０ｍｍが実用的である。基体１２の上面１２ａから第１発熱体１４までの距離は、約５ｍｍ〜約１０ｍｍが望ましい。

次に、図１及び図２に示した基板加熱装置の製造方法を、図８〜図１１を用いて説明する。図８〜図１０は、基体１２の一部を形成する部材（後述のセラミックス焼結体１２Ａ及び１２Ｂ）の断面図である。

（ａ）まず、表面に溝が形成されたセラミックス焼結体１２Ａを準備する。図８に示すように、タングステン（Ｗ）等の導電性材料で形成されたメッシュからなる平面型の第１発熱体１４が、セラミックス焼結体１２Ａの溝にはめ込まれる。

（ｂ）同様に、表面に溝が形成されたセラミックス焼結体１２Ｂを準備する。図９に示すように、タングステン（Ｗ）等の導電性材料で形成されたメッシュからなる平面型の第２発熱体１６が、セラミックス焼結体１２Ｂの溝にはめ込まれる。

（ｃ）次に、セラミックス焼結体１２Ａとセラミックス焼結体１２Ｂとを重ね合わせる。これにより、上面１２ａに直交する方向からの平面視において、第１発熱体１４の端部と第２発熱体１６の端部とは重複する。セラミックス焼結体１２Ａとセラミックス焼結体１２Ｂとを重ね合わせた状態で、プレス成形及び焼結を行う。図１０に示すように、第１発熱体１４及び第２発熱体１６が埋め込まれた基体１２が作製される。

（ｄ）図１１に示すように、別途焼結して準備した円筒状セラミックス焼結体のシャフト１８が基体１２の一方の表面に接合される。その後、シャフト１８が接合された表面と反対の表面を研削する。研削された表面は、基体１２の上面１２ａを構成する。すなわち、シャフト１８は、基体１２の下面１２ｂに接合される。このようにして、図１及び図２に示した基板加熱装置が製造される。

基体１２の上面１２ａの面積に対する第１投影パターン２４及び第２投影パターン２６の面積の比が異なる基板加熱装置を用意した。上面１２ａの径方向ｒにおける温度分布を赤外線カメラ等の温度測定器により測定した。測定結果が図１２に示されている。上面１２ａに直交する方向からの平面視において、第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は、約５％である。

図１２に示すように、上面１２ａの面積に対する第１投影パターン２４及び第２投影パターン２６の面積の比が７３％から９４％まで増加するのに伴って、上面１２ａの径方向ｒにおける温度分布は均一に近くなっている。図１３に示すように、上面１２ａを約２５ｍｍ四角の複数の区域４０に区分する。区域４０毎の温度を測定し、上面１２ａの面内における区域４０毎の温度（局所温度という）の差の最大値を測定した。

図１４の表には、上面１２ａの面積に対する第１投影パターン２４及び第２投影パターン２６の面積の占有率（投影面積占有率という）の異なる基板加熱装置の局所温度の差の最大値を比較した結果が示されている。

図１４に示すように、試料１における投影面積占有率は９４％であり、局所温度の差の最大値は０．６５℃であった。試料２における投影面積占有率は８５％であり、局所温度の差の最大値は、１℃であった。試料３における投影面積占有率は８３％であり、局所温度の差の最大値は、１．７５℃であった。試料４における投影面積占有率は７９％であり、局所温度の差の最大値は、２．２℃であった。試料５における投影面積占有率は７３％であり、局所温度の差の最大値は、２．５５℃であった。このように、試料１及び試料２の局所温度の差の最大値は、試料３，４，５の局所温度の差の最大値よりも小さかった。

図１５は、上面１２ａの面積に対する第１投影パターン２４の及び第２投影パターン２６の投影面積占有率と、基板加熱装置の局所温度の差の最大値との関係を表した図である。図１５に示すように、基板加熱装置において、投影面積占有率が約８５％以上であると、上面１２ａの局所温度の差の最大値は約１℃以下である。投影面積占有率が約８５％よりも小さいと、上面１２ａの局所温度の差の最大値が大きくなる。

図１４に示すように、試料６における投影面積占有率は９４％であり、局所温度の差の最大値は０．４５℃であった。試料７における投影面積占有率は９０％であり、局所温度の差の最大値は、０．５６℃であった。試料８における投影面積占有率は８６％であり、局所温度の差の最大値は、０．７５℃であった。

試料６，７，８では、上面１２ａの内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率と、外周部１２１ｂにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率とが異なる。

具体的に、内周部１２１ａにおける平均重複率は約２０％であった。外周部１２１ｂにおける平均重複率は約３０％であった。すなわち、外周部１２１ｂにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は、内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率よりも大きい。ここで、外周部１２１ｂは、上面１２ａの半径の長さより約３０％短い半径を有する同心円の外周と、上面１２ａの外縁との間の領域である。

図１４及び図１５に示すように、外周部１２１ｂにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率を増加させることにより、局所温度の差が低減する。これにより、上面１２ａにおいて、均一な温度分布が実現できる。外周部１２１ｂにおいては、放熱量を増加させると共に、発熱量を増加させることが望ましい。そのため、上面１２ａの直交方向からの平面視において、第１発熱体１４と第２発熱体１６との重複する部分の長さＷｂを大きくすることによって、発熱量を増加させている。

内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は、５％〜２０％とすることが好ましい。また、外周部１２１ｂにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は、５％〜３０％とすることが好ましい。内周部１２１ａにおける平均重複率及び外周部１２１ｂにおける平均重複率が５％未満では、第１投影パターン２４と第２投影パターン２６とが重複しない領域が形成されるため、局所温度の差が生じやすい。

試料１１における投影面積占有率は８６％であり、局所温度の差の最大値は１．９５℃であった。試料１１では、内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は２％であり、外周部１２１ｂにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は３％であった。

また、試料１２における投影面積占有率は８２％であり、局所温度の差の最大値は２．２５℃であった。試料１２では、内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は１．５％であり、外周部１２１ｂにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は３．５％であった。

試料１１及び試料１２では、投影面積占有率が８５％に近いにも関わらず、局所温度の差の最大値は約２℃程度であった。これは、第１投影パターン２４と第２投影パターン２６とが互いに重複しない領域が広くなることにより、局所温度の差が大きくなったものと考えられる。

試料１３における投影面積占有率は８９％であり、局所温度の差の最大値は１．１℃であった。試料１４における投影面積占有率は８５％であり、局所温度の差の最大値は１．３５℃であった。試料１３及び試料１４では、内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は３０％であり、外周部１２１ｂにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率は４０％であった。

内周部１２１ａは、外周部１２１ｂに比べて放熱量が少ないため、内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率が３０％になると、内周部１２１ａにおいて、局所的に加熱され過ぎた領域（ホットスポット）が生じ易い。その結果、ホットスポットからの熱伝導により、外周部１２１ｂにおいても、加熱と放熱とのバランスが悪化し、局所温度の差が大きくなると考えられる。試料１３、１４は、投影面積占有率が約８５％〜約８９％であるにも関わらず、局所温度の差が約１℃以上であった。

以上説明したように、内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率と外周部１２１ｂにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率とが何れも５％、且つ投影面積占有率が８５％のとき、発熱と放熱とのバランスが適切となり、上面１２ａにおける局所温度の差の最大値が約１℃以内になることを見出した。

また、内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率が２０％、外周部１２１ｂにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率が３０％、及び投影面積占有率が８５％のとき、発熱と放熱とのバランスが適切となり、上面１２ａにおける局所温度の差の最大値が約１℃以内になることを見出した。

なお、試料１５は、比較例として特開２００２−３７３８６２号公報に記載された構造に準じて作製した基板加熱装置である。図８及び図９に示したセラミックス焼結体１２Ａ、１２Ｂに代えてセラミックスグリーンシートが用いられる。投影面積占有率は６７％である。測定された温度分布から求められる局所温度の差の最大値は、約３．４℃であった。

試料１５である基板加熱装置における埋め込み電極の変形量をＸ線撮影により測定した。図１６は、試料１５の基板加熱装置の上面の最外周の発熱体の変形量を示す。上面の最外周の約１５０°〜約２１０°の領域には、発熱体がない。上面の最外周の約２１０°〜約３００°の領域では、発熱体が変形して外周側に膨らんでいることが判る。これは、基板加熱装置を焼成する際に、セラミックスグリーンシートと発熱体との熱膨張係数の相違によって発熱体が変形したものと考えられる。

図１７は、基板加熱装置の上面の温度分布の一例を示す図である。図１７に示すように、試料１５では、上面にホットスポット５２やクールスポット５０が認められる。ホットスポット５２は、発熱体が変形して膨らんだ位置に対応する。クールスポット５０は、発熱体がない位置に対応する。ホットスポット５２とクールスポット５０との温度差は、３℃以上である。試料１５では、投影面積占有率が小さく、発熱体の変形も生じやすい。従って、基板を載置する上面の温度を一定にすることは困難である。

このように、本発明の実施の形態に係る基板加熱装置では、第１投影パターン２４と第２投影パターン２６との投影面積占有率が８５％以上、及び第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率（第１投影パターン２４と第２投影パターン２６との平均重複率）が５％となるように、基体１２内部に第１発熱体１４と第２発熱体１６とを配設する。その結果、上面１２ａの温度を均一にできる。

更に、上面１２ａの半径の長さより約３０％短い半径を有する同心円の外周と、上面１２ａの外縁との間の領域である外周部１２１ｂにおいて、第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率が３０％以下であり、内周部１２１ａにおける第１発熱体１４と第２発熱体１６との平均重複率が２０％以下であることにより、上面１２ａの温度を均一にできる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

１２…基体、 １２Ａ…セラミックス焼結体、 １２Ｂ…セラミックス焼結体、 １２ａ…上面、 １２ｂ…下面、 １４…第１発熱体、 １６…第２発熱体、 １８…シャフト、 ２４…第１投影パターン、 ２６…第２投影パターン、 ４０…区域、 ５０…クールスポット、 ５２…ホットスポット、 １２１…上部、 １２１ａ…内周部、 １２１ｂ…外周部、 １２２…下部、 Ａ…領域、 Ｂ…領域、 ｒ…径方向

Claims (5)

1. 被加熱物が載置される上面を有する基体と、
   前記基体の前記上面を含む上部に埋め込まれ、前記上面に略平行な平面形状を有する第１発熱体と、
   前記基体の前記上部に結合される下部に埋め込まれ、前記上面に直交する方向において、前記上面に対して前記第１発熱体よりも下方に配設される平面型の第２発熱体とを備え、
   前記第１発熱体を前記基体の前記上面に投影した第１投影パターンと、前記第２発熱体を前記基体の前記上面に投影した第２投影パターンとが互いに部分的に重なる重複部を有し、
   前記上面の面積に対する前記第１投影パターンと前記第２投影パターンの面積の合計の占有率が８５％以上であり、
   前記上面における前記第２投影パターンの面積に対する前記重複部の面積の割合が５％以上であり、
   前記上面は、内周部と外周部とを有し、
   前記外周部は、前記上面の半径の長さより約３０％短い半径を有する同心円の外周と前記上面の外縁との間の領域であり、
   前記外周部における前記重複率が２０％以上３０％以下であり、
   前記内周部における前記重複率が５％以上２０％以下である基板加熱装置。
2. 前記基体の材質が窒化アルミニウム、酸化アルミニウムのいずれかである請求項１に記載の基板加熱装置。
3. 前記第１及び第２発熱体がモリブデン、ニオブ、タングステン、炭化タングステンのいずれかである請求項１に記載の基板加熱装置。
4. 前記第１及び第２発熱体がメッシュ、スクリーン印刷体、箔を用いた発熱体である請求項１に記載の基板加熱装置。
5. 円形状のシャフトを備え、
   前記シャフトは、前記基体の下面に接合される請求項１に記載の基板加熱装置。

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