JP6059512B2 - ヒータユニット - Google Patents

Description

本発明は、ウェハ加熱用のヒータユニットに関し、特に、均熱性を向上させたヒータユニットに関する。

半導体デバイスの製造工程では、基板加熱にヒータユニットが用いられる。ウェハの外周部では、軸方向に熱が逃げやすい（いわゆる熱引き）ため、内周部よりも温度が低下しやすい。そこで、ウェハを保持する加熱面を内周側の内ヒータと外周側の外ヒータとに分け、２ゾーン制御としたヒータユニットが使用されている。２ゾーン制御のヒータユニットでは、外ヒータを内ヒータよりも高い温度に設定することにより、ウェハ全体の均熱性を保持することができる。

２ゾーン制御のヒータは、ゾーンごとに電極を設置し、個別に制御を行うことが一般的であった。しかし現在は、半導体製造装置の仕様と適合させるために、電極をヒータの中央部で垂直に連結し、断面形状をＴ型としたいわゆるＴ型構造のヒータユニットが主流となっている。

Ｔ型構造のヒータユニットとして、例えば、加熱面と発熱体とを分離して異なる平面上に配置したヒータユニットが知られている（例えば、特許文献１）。このヒータユニットは、加熱面の下層に発熱体であるリード回路を設け、中央部の電極から内ヒータ及び外ヒータまでリード回路を延長することにより、２ゾーン制御を行う。

特開２００４−２９６２５４号公報

しかしながら、加熱面と発熱体とを異なる平面上に配置するヒータユニットは、構成が複雑なことから、加工が煩雑であるという問題があった。

２ゾーン制御でＴ型構造のヒータユニットにおいて、加熱面と発熱体とを同一平面上に配置すると、ヒータ中央部の電極と外ヒータとを接続する経路、いわゆる渡り部が、加熱面に形成される。この渡り部は、他の領域と比較して発熱増大による温度上昇（ホットスポット）又は発熱減少による温度低下（コールドスポット）が多く見られ、温度制御が困難であった。

そこで、本発明は、２ゾーン制御でＴ型構造のヒータユニットにおいて、均熱性を向上させることを目的とする。

また本発明は、上述のヒータユニットにおいて、加熱面と発熱体とを同一平面上に配置した簡易な構成にすることを、別の目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、以下の特徴を有する。本発明の第１の特徴は、帯状の発熱体（発熱体３３）によって形成される略円形状の加熱面（加熱面３１）を備えるヒータユニットであって、前記加熱面は、前記加熱面の中心を含む中央部と、前記中央部を囲む内側領域と、前記内側領域を囲む外側領域とを含み、前記加熱面は、前記中央部から延びる前記発熱体によって前記内側領域に形成される内側ヒータ（内ヒータ３４）と、前記中央部から径方向外側に延びる前記発熱体によって前記内側領域に形成される連絡部（渡り部３６）、及び前記連絡部から延びる前記発熱体によって前記外側領域に形成される外側部分を含む外側ヒータ（外ヒータ３５）と、を有し、前記連絡部における前記発熱体の幅は、前記外側部分における前記発熱体の幅よりも広いことを要旨とする。

かかる特徴によれば、外側ヒータにおいて、連絡部における発熱体の幅が、外側部分における発熱体の幅よりも広いことにより、連絡部の抵抗が外側部分よりも小さくなる。そのため、連絡部における発熱が抑制されると共に、外側部分における発熱量が増大し、均熱性が向上する。つまり、２ゾーン制御でＴ型構造のヒータユニットにおいて、帯状の発熱体が形成するヒータパターンの最適化により、加熱面に連絡部が形成されても均熱性を確保することができるため、加熱面と発熱体を同一平面上に配置した簡易な構成にすることができる。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記連絡部における前記発熱体の幅は、前記内側ヒータにおける前記発熱体の幅と等しいか、又はそれよりも狭いことを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、本発明の第１又は第２の特徴に係り、前記発熱体は、前記加熱面上に形成された複数の溝（溝３８）によって画定され、前記溝は、前記加熱面の径方向に延びる径方向溝（径方向溝３９）を含み、前記内側ヒータ及び前記外側部分における前記径方向溝の各々は、異なる直線上に位置することを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、前記内側ヒータ及び前記外側部分における前記発熱体は、前記加熱面の周方向に延びる帯状部（帯状部３３Ａ）と、前記帯状部を、その端部において、隣接する前記帯状部の端部と接続する接続部（接続部３３Ｂ）とを含み、前記接続部は、前記帯状部と前記径方向溝との間に介在することを要旨とする。

本発明の第５の特徴は、本発明の第４の特徴に係り、前記加熱面は、複数の孔（孔４０）を有し、前記接続部は、前記帯状部と前記孔との間に介在することを要旨とする。

本発明は、２ゾーン制御でＴ型構造のヒータユニットにおいて、均熱性を向上させるという効果を奏する。

また、本発明は、上述のヒータユニットにおいて、加熱面と発熱体とを同一平面上に配置した簡易な構成にするという効果を奏する。

図１は、従来技術に係るヒータユニットの平面図である。 図２は、図１とは異なる従来技術に係るヒータユニットの平面図である。 図３は、本発明の実施形態に係るヒータユニットの平面図である。 図４は、図２及び図３に示すヒータユニットにおける温度分布図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なのものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることを留意すべきである。従って、具体的な寸法など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。

図１は、従来技術に係るヒータユニットの平面図である。図１に示すヒータユニット１０は、２ゾーン制御でＴ型構造のヒータユニットであり、加熱面と発熱体とが異なる平面上に配置されている。ヒータユニット１０は、略円形の加熱面１１によって、ウェハを保持する。ヒータユニット１０は、加熱面１１の中央部に４つの電極１２が接続し、２つの電極１２を結ぶ抵抗発熱体１３が内ヒータ１４を形成し、他の２つの電極１２を結ぶ抵抗発熱体１３が外ヒータ１５を形成する。

外ヒータ１５の抵抗発熱体１３は、電極１２から径方向外側に向かって延びる渡り部１６を含む。また、抵抗発熱体１３は、加熱面１１を概ね周方向に延びるが、渡り部１６と当接する位置において、折り返して反対方向に向かう折返し部１７が形成される。抵抗発熱体１３の渡り部１６や折返し部１７では温度制御が困難であり、均熱性の問題が生じる。

図２は、図１とは異なる従来技術に係るヒータユニットの平面図である。図２に示すヒータユニット２０は、２ゾーン制御でＴ型構造のヒータユニットである。図１に示すヒータユニット１０と異なり、図２に示すヒータユニット２０は、ウェハを保持する略円形の加熱面２１自体が、熱源（例えば、電極）と接続されることによって発熱する。加熱面２１には、複数の溝２８が形成されることによって、帯状の発熱体２３が画定される。帯状の発熱体２３は、長さ方向に熱を伝達する。従って、図２に示すヒータユニット２０は、図１に示すヒータユニット１０とは異なり、加熱面と発熱体とが一体化しており、図１に示すヒータユニット１０よりも構成が簡易で加工性に優れる。

加熱面２１は、加熱面２１の中心を含む中央部Ｃと、中央部を囲む内側領域Ｉと、内側領域を囲む外側領域Ｏとに区分される。内側領域Ｉの外周は、加熱面２１より小径の同心円であるが、内側領域Ｉの径は任意に定めることができる。ヒータユニット２０は、加熱面２１の中央部Ｃで複数の電極２２と接続する。

加熱面２１は、内ヒータ２４と、外ヒータ２５とに区分される。内ヒータ２４は、中央部Ｃから延びる発熱体２３によって内側領域Ｉに形成される。外ヒータ２５は、中央部Ｃから径方向外側に延びる発熱体２３によって内側領域Ｉに形成される渡り部２６と、渡り部２６から延びる発熱体２３によって外側領域Ｏに形成される外側部分２７とを含む。

内ヒータ２４及び外ヒータ２５には、中央部Ｃから延びる帯状の発熱体２３が一筆書き状に連続したパターンが形成されている。内ヒータ２４の発熱体２３は、外ヒータ２５の渡り部２６と当接する位置で折り返すことによって、内ヒータ２４をＣ形の形状に形成する。これにより、電極２２と接続する中央部Ｃで生じた熱が、発熱体２３を介して内ヒータ２４全域に伝達される。外ヒータ２５の発熱体２３は、中央部Ｃから渡り部２６を介して外側領域Ｏに至り、外側領域Ｏにおいて円環状の外側部分２７を形成する。これにより、電極２２と接続する中央部Ｃで生じた熱が、渡り部２６の発熱体２３を介して外側部分２７まで伝達され、外ヒータ２５全域に伝達される。

ここで、発熱体２３の幅は、内ヒータ２４及び外ヒータ２５の外側部分２７において、概ね等しく形成され、外ヒータ２５の連絡部２６において、それよりも狭く形成されている。

加熱面２１には、複数の孔４０が形成される。孔４０は、支柱やリフトピン、熱電対等の部材を通し、保持するために用いられる。発熱体２３は、孔４０に当接する位置において、孔４０の周囲を迂回するように形成される。そのため、発熱体２３の幅は、孔４０の周囲において、部分的に狭く形成されている。

なお、加熱面２１は、高純度の炭化ケイ素焼結体から形成される。高純度の炭化ケイ素焼結体は、高純度の炭化ケイ素粉末を用いることによって製造することができる。高純度の炭化ケイ素粉末は、例えば、ケイ素化合物（ケイ素源）と、加熱により炭素を発生する有機材料と、Ｚ重合触媒又は架橋触媒とを混合し、得られた固形物を非酸化性雰囲気中で焼成することにより製造することができる。また、非金属発熱体である炭化ケイ素焼結体は、熱伝導率が高く、金属導線を埋め込んだ発熱体と比較して単位面積あたりの発熱量が大きいため、効率的にウェハを加熱することができる。

図３は、本発明の実施形態に係るヒータユニットの平面図である。図３に示すヒータユニット３０は、２ゾーン制御でＴ型構造のヒータユニットである。図３に示すヒータユニット３０は、ウェハを保持する略円形の加熱面３１自体が、熱源（例えば、電極）と接続されることによって発熱する。加熱面３１には、複数の溝３８が形成されることによって、帯状の発熱体３３が画定される。帯状の発熱体３３は、長さ方向に熱を伝達する。発熱体３３は、図２に示す発熱体２３と同様に、高純度の炭化ケイ素焼結体から形成される。

加熱面３１は、加熱面３１の中心を含む中央部Ｃと、中央部を囲む内側領域Ｉと、内側領域を囲む外側領域Ｏとに区分される。内側領域Ｉの外周は、加熱面３１より小径の同心円であるが、内側領域Ｉの径は任意に定めることができる。ヒータユニット３０は、加熱面３１の中央部Ｃで複数の電極３２と接続する。

加熱面３１は、内ヒータ３４と、外ヒータ３５とに区分される。内ヒータ３４は、中央部Ｃから延びる発熱体３３によって内側領域Ｉに形成される。外ヒータ３５は、中央部Ｃから径方向外側に延びる発熱体３３によって内側領域Ｉに形成される渡り部３６と、渡り部３６から延びる発熱体３３によって外側領域Ｏに形成される外側部分３７とを含む。

内ヒータ３４及び外ヒータ３５には、中央部Ｃから延びる帯状の発熱体３３が一筆書き状に連続したパターンが形成されている。内ヒータ３４の発熱体３３は、外ヒータ３５の渡り部３６と当接する位置で折り返すことによって、内ヒータ３４をＣ形の形状に形成する。これにより、電極３２と接続する中央部Ｃで生じた熱が、発熱体３３を介して内ヒータ３４全域に伝達される。外ヒータ３５の発熱体３３は、中央部Ｃから渡り部３６を介して外側領域Ｏに至り、外側領域Ｏにおいて円環状の外側部分３７を形成する。これにより、電極３２と接続する中央部Ｃで生じた熱が、渡り部３６の発熱体３３を介して外側部分３７まで伝達され、外ヒータ３５全域に伝達される。

ここで、外ヒータ３５において、連絡部３６における発熱体３３の幅は、外側部分３７における発熱体３３の幅よりも広く形成されている。

好ましくは、渡り部３６における発熱体３３の幅は、内ヒータ３４における発熱体３３の幅と同幅か、又は、それよりも狭く形成されている。

内ヒータ３４及び外ヒータ２５の外側部分３７において、溝３８は、径方向に延びる複数の径方向溝３９を含む。径方向溝３９の各々は、異なる直線上に位置する。

発熱体３３は、加熱面３１の周方向に延びる帯状部３３Ａと、帯状部３３Ａを、その端部において、隣接する帯状部３３Ａの端部と接続する接続部３３Ｂとを含む。接続部３３Ｂが帯状部３３Ａと径方向溝３９との間に介在することにより、概ね周方向に延びる発熱体３３が、径方向溝３９と当接する位置で折り返され、反対方向に向かうこれにより、内ヒータ３４及び外ヒータ３５において、中央部Ｃから延びる帯状の発熱体３３が一筆書き状に連続したパターンが形成される。

加熱面３１には、図２に示す加熱面２１と同様に、複数の孔４０が形成される。孔４０は、支柱やリフトピン、熱電対等の部材を通し、保持するために用いられる。発熱体３３が孔４０に当接する位置において、接続部３３Ｂが帯状部３３Ａと孔４０との間に介在する。

発熱体３３の抵抗は、原則として、発熱体３３の幅に反比例する。そのため、図２に示すヒータユニット２０では、内ヒータ２４及び渡り部２６の発熱が顕著で、均熱性が悪化していた。しかし、図３に示すヒータユニット３０では、渡り部３６における発熱体３３の幅が、外ヒータ３５の外側部分３７における発熱体３３の幅よりも広く構成される。これにより、渡り部３６の抵抗が外側部分３７の抵抗よりも小さくなるため、渡り部３６における発熱が抑制されると共に、外側部分３７における発熱が増大する。その結果、外ヒータ２５（特に、外側部分３７）における熱引きや、渡り部２６のホットスポット化が防止され、均熱性が向上する。つまり、ヒータユニット３０は、２ゾーン制御でＴ型構造のヒータユニットでありながらも、加熱面と発熱体と一体化した簡易な構成としつつ、均熱性を向上させることができる。

また、ヒータユニット３０では、径方向溝３９の各々が同一直線上に位置しないことから、径方向溝３９の周囲において発熱体３３の帯状部３３Ａの端部を接続する接続部３３Ｂが位置をずらして配置される。そのため、加熱面３１における温度分布の偏りが防止され、均熱性が向上する。さらに、加熱面３１にかかる応力が分散され、ヒータユニット３０の取扱い性が向上する。

また、ヒータユニット３０では、接続部３３Ｂが帯状部３３Ａと孔４０との間に介在する。図２に示すヒータユニット２０では、孔４０の周囲において発熱体２３が迂回するために幅が狭まり、発熱が増大する傾向があったが、図３に示すヒータユニット３０では、孔４０の周囲において発熱体３３を折り返すことにより、発熱の増大を抑制し、均熱性を確保することができる。

次に、本発明の効果を更に明確にするために、実施例及び従来例に係るヒータユニットについて、ＣＡＥ（熱流体解析）によるシミュレーションを実施した。ここで、実施例に係るヒータユニットは、図３に示すヒータユニット３０とし、従来例に係るヒータユニットは、図２に示すヒータユニット２０とした。ウェハの平均温度を６００℃として制御したときの、各ヒータユニットの均熱性の計算結果を表１に示す。なお、本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。

均熱性は、各ヒータユニットの加熱面における温度分布をＣＡＥによって算出し、算出された温度の最大値と最小値との差を２で割り、ウェハの平均温度に対する百分率で示した。この数値が低いほど、温度分布が均一であり、均熱性が高いことを意味する。

表１からわかるように、実施例に係るヒータユニットは、従来例よりも均熱性が大幅に向上したことが確認された。

図４は、図２及び図３に示すヒータユニットにおける温度分布図である。図４に示す温度分布図において、図２及び図３が示すヒータユニットにおける加熱面の中心を原点とし、水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸とした。また、加熱面を、原点を中心とする半径１の円とした。従って、渡り部は、Ｘ軸上において０〜−１．０の範囲に位置する。

まず、図４（ａ）を参照して、従来例に係るヒータユニット、すなわち、図２に示すヒータユニット２０の温度分布を検証する。図４（ａ）からわかるように、Ｙ軸上の温度は、正方向の温度分布と負方向の温度分布とが概ね等しいパターンを示した。すなわち、Ｙ軸上では、加熱面の中心から径方向外側に向かって、温度が上昇し、±０．５付近でピークに達した後、温度が下降した。Ｘ軸上では、正方向の温度分布と負方向の温度分布とに顕著な相違が見られた。Ｘ軸上では、渡り部２６が位置する０〜−１．０の範囲において温度上昇が見られ、−０．５付近でピークに達した。一方、渡り部２６の反対側である０〜＋１．０の範囲では、ほとんど温度が上昇せず、中心から離れるにつれて温度低下が見られた。従って、従来例に係るヒータユニットでは、渡り部において温度分布の偏りが生じ、加熱面上にホットスポット及びコールドスポットの発生が確認された。

次に、図４（ｂ）を参照して、実施例に係るヒータユニット、すなわち、図３に示すヒータユニット３０の温度分布を検証する。Ｙ軸上の温度は、正方向の温度分布と負方向の温度分布とが概ね等しいパターンを示し、従来例係るヒータユニットと同様の結果となった。Ｘ軸上では、渡り部３６が位置する０〜−１．０の範囲においては、図４（ａ）よりも加熱面の中心との温度差が小さく、発熱の抑制が確認された。Ｘ軸の０〜＋１．０の範囲では、若干の温度上昇が見られたが、Ｙ軸の温度分布とほぼ同程度であった。すなわち、実施例に係るヒータユニットでは、渡り部における温度分布の偏りが解消され、従来例に係るヒータユニットよりも均熱性が向上したことが確認された。

以上のように、本発明は、２ゾーン制御でＴ型構造のヒータユニットにおける均熱性の向上に利用することができる。

１０，２０，３０ ヒータユニット
１１，２１，３１ 加熱面
１２，２２，３２ 電極
１３，２３，３３ 発熱体
１４，２４，３４ 内ヒータ
１５，２５，３５ 外ヒータ
１６，２６，３６ 渡り部
１７ 折返し部
２７，３７ 外側部分
２８，３８ 溝
３３Ａ 帯状部
３３Ｂ 接続部
３９ 径方向に延びる溝
４０ 孔
Ｃ 中央部
Ｉ 内側領域
Ｏ 外側領域

Claims (4)

1. 帯状の発熱体によって形成される略円形状の加熱面を備えるヒータユニットであって、
   前記加熱面は、前記加熱面の中心を含む中央部と、前記中央部を囲む内側領域と、前記内側領域を囲む外側領域とを含み、
   前記加熱面は、
   前記中央部から延びる前記発熱体によって前記内側領域に形成される内側ヒータと、
   前記内側ヒータにおける前記中央部からの延び始め部分とは異なる径方向外側に前記中央部から延びる前記発熱体によって前記内側領域に形成される連絡部、及び前記連絡部から延びる前記発熱体によって前記外側領域に形成される外側部分を含む外側ヒータと、を有し、
   前記連絡部における前記発熱体の幅は、前記外側部分における前記発熱体の幅よりも広く、前記内側ヒータにおける前記発熱体の幅と等しいか、又はそれよりも狭い、ヒータユニット。
2. 前記発熱体は、前記加熱面上に形成された複数の溝によって画定され、
   前記溝は、前記加熱面の径方向に延びる径方向溝を含み、
   前記内側ヒータ及び前記外側部分における前記径方向溝の各々は、異なる直線上に位置する、請求項１に記載のヒータユニット。
3. 前記内側ヒータ及び前記外側部分における前記発熱体は、
   前記加熱面の周方向に延びる帯状部と、
   前記帯状部を、その端部において、隣接する前記帯状部の端部と接続する接続部とを含み、
   前記接続部は、前記帯状部と前記径方向溝との間に介在する、請求項２に記載のヒータユニット。
4. 前記加熱面は、複数の孔を有し、
   前記接続部は、前記帯状部と前記孔との間に介在する、請求項３に記載のヒータユニット。

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