JP6545438B2 - 加熱装置及びこれを用いた半導体製造装置 - Google Patents

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本発明は、加熱装置及びこれを用いた半導体製造装置に関する。特に、本発明は、基板に対し半導体製造プロセスを実行する処理チャンバ内に処理ガスを供給する給気システムや、処理チャンバ内で実行されたプロセスから生じる排ガスを排出するための排気システムの加熱に用いることができる加熱装置及びこれを用いた半導体製造装置に関する。
半導体デバイスの製造工程では、基板となるシリコンウェハに対し、成膜、エッチング等のプロセスを施すための各種の半導体製造装置が用いられている。半導体製造装置には、プロセスを実行する処理チャンバ内にプロセスの種類に応じた処理ガスを供給する給気システムと、チャンバ内で実行されたプロセスから生じる排ガスを排出するための排気システムが設けられているものがある。
例えば、半導体デバイスの製造工程では、シリコンウェハ上に二酸化ケイ素(SiO2)等の薄膜を形成するためCVD(化学気相堆積)装置が用いられている。CVD装置の一例では、テトラエトキシシラン(TEOS)等の液体材料を気化させてCVDチャンバに送るための給気システムと、CVDチャンバ内で生成された排ガスを外部に排出するための排気システムが用いられている。このようなCVD装置では、液体材料を気化させ、所望の温度でCVDチャンバに供給するため、液体材料や、ガス管、バルプ等を含む給気システムを、例えば、60℃〜100℃前後で加熱することが行われている。
また、半導体デバイスの製造工程では、シリコンウェハ上に形成された不要な酸化膜や金属膜を除去するため、レジストパターンをマスクにして酸化膜等を食刻加工するためのエッチング装置が用いられる。エッチング装置には、ハロゲン元素等を含むエッチングガスをエッチングチャンバに供給するための給気システムと、エッチングチャンバ内で生じた排ガスをエッチングチャンバから排気するための排気システムを備えている。このようなエッチング装置においては、エッチングチャンバからの排ガスが排気システム内部で固化して、付着するのを防止するため、排気管やバルブ等を含む排気システムを、例えば、70℃〜120℃前後で加熱することが行われている
従来より、半導体製造装置の給気システムや排気システムを加熱する場合、通電により発熱するニクロム線やカーボン繊維等の発熱体をシリコンラバーで被覆したシリコンラバーヒータが用いれられていた。
しかしながら、シリコンラバーヒータは寿命が短く、故障が多いため、頻繁に交換やメインテナンスを必要とするといった問題がある。
また、シリコンラバーは加熱されるとシロキサンガスを発生し、半導体製造装置が設置されるクリーンルームのクリーン度を低下させるおそれがある。このため、シリコンラバーヒータの設置前にシリコンラバーを加熱して脱ガス処理を行わなければならず、使用に際して手間がかかるといった問題がある。
また、上述した半導体製造装置の給気システムや排気システムは一定の温度範囲に維持される必要があるため、シリコンラバーヒータの使用に際し、別途、バイメタルスイッチ等の温度制御装置を使用する必要があり、装置が複雑化するといった問題がある。また、温度調節装置が機能しなくなると、シリコンラバーヒータの温度は上昇し続けるため、半導体製造装置の給気システムや排気システムを損傷したり、自らが焼損してしまうことがあるいう問題がある。
さらに、従来のシリコンラバーヒータは、被加熱部材のシリコンラバーを介して発熱体と接触する部位及びその近傍のみを局所的に加熱するものであるため、一定温度のガスの供給や、排ガス中に含まれる成分の固化の防止といった加熱の目的を十分に達成することができないことがある。
本発明は上述した問題点を解決しようとしてなされたものであり、寿命が長く、使用が容易で、別個の温度制御装置を用いなくても加熱温度を一定範囲に保持することができ、被加熱部材の広い範囲を加熱することが可能で、しかも消費電力の小さい加熱装置及びこれを用いた半導体製造装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、
熱伝導性を有する被加熱部材の外面に設置され、前記被加熱部材の内部を加熱するための加熱装置であって、
前記被加熱部材の外面に設置される第1熱伝導性絶縁部材と、
前記第1熱伝導性絶縁部材の表面上で、前記被加熱部材の表面に接触しないように配置されるPTC発熱体と、
前記PTC発熱体の表面上で、前記PTC発熱体及び第1熱伝導性絶縁部材を覆うように設けられ、その端部が前記第1熱伝導性絶縁部材の外側で前記被加熱部材と接触している第2熱伝導性絶縁部材を備えている。
本発明に係る加熱装置によれば、被加熱部材の加熱にPTC発熱体を用いたので、寿命が長く、使用が容易で、別個の温度制御装置を用いなくても加熱温度を一定範囲に保持することができ、しかも消費電力の小さい加熱装置を提供することが可能になる。また、第2熱伝導性絶縁部材の端部が第1熱伝導性絶縁部材の外側で前記被加熱部材と接触しているので、被加熱部材の広い範囲を加熱することが可能になる。
本発明に係る加熱装置の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る加熱装置を示す斜視図である。 PTC発熱材料に電流を流した場合の消費電力及び温度の経時的変化を示すグラフである。 本発明に係る加熱装置と、第2熱伝導性絶縁部材が設けられていない加熱装置の加熱温度分布の比較を示すグラフである。 従来のシリコンラバーヒータを単独で用いた場合、従来のシリコンラバーヒータと温度制御装置としてのバイメタルスイッチを併用した場合、及び、本発明に係る加熱装置を用いた場合の加熱温度の経時的変化を示すグラフである。 本発明に係る加熱装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る加熱装置を用いたCVD装置の一例を示す図である。 本発明に係る加熱装置を用いたエッチング装置の一例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明に係る加熱装置の一実施形成を示す。この加熱装置10は、熱伝導性を有する被加熱部材12の外面に設置され、被加熱部材12の内部を加熱するために用いられる。被加熱部材12としては、例えば、半導体製造装置の給気システムや排気システムを構成するガス管やバルブ等がある。
加熱装置10は、被加熱部材12の外面に直接的に貼着される第1熱伝導性絶縁部材14と、第1熱伝導性絶縁部材14の表面上で、被加熱部材12の表面に接触しないように設けられるPTC発熱体16と、PTC発熱体16の表面上でPTC発熱体16を覆うように設けられ、端部が第1熱伝導性絶縁部材14の外側で被加熱部材12と直接接触する第2熱伝導性絶縁部材18を備えている。
第1熱伝導性絶縁部材14は、高い熱伝導性と電気的絶縁性を有する板状部材であり、PTC発熱体16が被加熱部材12の表面と接触するのを防止すると共に、PTC発熱体16の熱を被加熱部材12に伝導するために用いられる。この第1熱伝導性絶縁部材14は、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ナイロン樹脂等の熱伝導性樹脂で形成することができる。
PTC発熱体16は、図2に示されるように、板状に形成されたPTC発熱材料が熱伝導性の樹脂で完全に被覆され、外部に電源と接続されるリード線16aが露出された構造を有している。PTC発熱材料は通電すると発熱するが、温度が上がると電気抵抗が増大して、電流が流れにくくなり、最終的には一定の温度が保持される材料である。
図3はPTC発熱材料に電流を流した場合の消費電力及び温度の経時的変化を示す図である。図3より、PTC発熱材料に電流を流すと、当初は温度が上昇するが、これに伴ってPTCヒータの電気抵抗が増大し、消費電力が低下し、結果として、一定の温度が保持されることが判る。このPTC発熱材料は、例えば、チタン酸バリウムを主成分とするセラミック等で形成することができる。
第2熱伝導性絶縁部材18は、PTC発熱体16の熱を、被加熱部材12の第1熱伝導性絶縁部材14と接触しない部位に伝達するために用いられる。この第2熱伝導性絶縁部材18は、上述した熱伝導性樹脂で形成することができる。第1熱伝導性絶縁部材14と第2熱伝導性絶縁部材18は、同じ物質で形成してもよく、異なる物質で形成してもよい。
図4は上記構成を有する加熱装置10と、第2熱伝導性絶縁部材18が設けられていない加熱装置の加熱温度分布の比較を示すグラフである。第2熱伝導性絶縁部材18が設けられていない加熱装置の場合、加熱部材12のPTC発熱体16と対向する部位及びその周辺の部位の温度が高くなっている。これに対し、本発明に係る加熱装置によれば、第2熱伝導性絶縁部材18により、PTC発熱体16の熱を被加熱部材12のPTC発熱体16と対向する部位の外側に伝導することができるため、より平坦な温度分布が形成されていることが判る。尚、本発明に係る加熱装置10において、第1熱伝導性絶縁部材14と第2熱伝導性絶縁部材18の熱伝導性や、第1熱伝導性絶縁部材14と第2熱伝導性絶縁部材18が被加熱部材12と接触する面積等を適宜調整することにより、加熱装置10による温度分布の平坦化や部分的な温度勾配を作り出すことが可能となる。
図5は、従来のシリコンラバーヒータを単独で用いた場合、従来のシリコンラバーヒータと温度制御装置としてのバイメタルスイッチを併用した場合、及び、本発明に係る加熱装置10を用いた場合の加熱温度の経時的変化を示すグラフである。従来のシリコンラバーヒータを単独で用いると、温度が一定範囲を超えて上昇してしまう。シリコンラバーヒータとバイメタルスイッチを併用すると、温度が一定範囲で上下動する。これに対し、本発明に係る加熱装置10を用いると、温度が一定範囲に保持されることが判る。
次に本発明に係る加熱装置の他の実施形態について説明する。以下の説明において、上述した構成と同一のものについては、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
図6は本発明に係る加熱装置の他の実施形態を説明するための図である。上述した実施形態では、PTC発熱材料及びPTC発熱材料と接触する電極部分が樹脂により完全に被覆されたタイプのPTC発熱体14が用いられていた。これに対し、本実施形態の加熱装置20では発熱材料及び発熱材料と接触する電極部分が樹脂により完全に被覆されず、少なくとも一部が外部に露出されたタイプのPTC発熱体16が用いられている。本実施形態においては、第1熱伝導性絶縁部材14とPTC発熱体16との間に上述した熱伝導性樹脂等の材料で形成された樹脂シート22が設けられている。加熱装置20に樹脂シート22を設けることにより、PTC発熱材料及びPTC発熱材料に設けられた電極が被加熱部材12と接触してショートすることを防止することができる。
次に、本発明に係る加熱装置10、20を用いた半導体製造装置について説明する。
図7は上述した加熱装置を用いたCVD装置40の一例を示す。
CVD装置40は、半導体ウェハ(図示せず)に対し成膜を行うCVDチャンバ42と、CVDチャンバ42に処理ガスを供給するための給気システム44と、CVDチャンバ42で生じた排ガスをCVDチャンバ42の外部に排出するための排気システム50を備えている。
給気システム44は、半導体ウェハ上に形成される成膜の材料となるテトラエトキシシラン(TEOS)、テトラキスジメチルアミノチタン(TDMAT)等の液体材料を保持するための液体ガス源45と、液体ガス源45内で気化された液体材料をCVDチャンバに送るためのアルゴン(Ar)、窒素(N2)等のキャリアガスを保持するキャリアガス源46と、キャリアガス源46、液体ガス源45及びCVDチャンバ42を連結するためのガス管47a、47b、バルブv1、v2、フローメータ(流量計)Fを備えている。
排気システム50は、CVDチャンバ42内で発生した排ガスを吸引するための排気ポンプ52と、排気ポンプ52とCVDチャンバ42を連結するためのガス管54及びバルブv3を備えている。
上述したCVD装置40において、キャリアガス源46からのキャリアガスは上流側のガス管47a及びバルブv1を通じて液体ガス源45に送られ、気化された液体材料と混合される。キャリアガスと混合された気化された液体材料は下流側のガス管47b、フローメータF及びバルブv2を経てCVDチャンバ42に送られる。CVDチャンバ42で生成されたガスは、排気ポンプ52により吸引され、排気システム50のガス管54及びバルブv3を経て外部に排出される。
このようなCVD装置40において、加熱装置10、20は給気システム44の液体ガス源45、下流側のガス管47b及びバルブv2等に取り付けることができる。これによって、液体材料の気化を容易にし、気化された液体材料が液体に戻るのを防止し、気化された材料を所望の温度でCVDチャンバ42に供給することが可能になる。
次に、本発明に係る加熱装置10、20を用いた半導体製造装置の他の実施形態について説明する。
図8は上述した加熱装置10、20を用いたエッチング装置60の一例を示す。
図8において、エッチング装置60は、レジストパターンが形成された半導体ウェハ(図示せず)に対しエッチング処理を行うエッチングチャンバ62と、エッチングチャンバ62に処理ガスを供給するための給気システム63と、エッチングチャンバ62で生じた排ガスをエッチングチャンバ62の外部に排出するための排気システム68を備えている。
給気システム63は、半導体ウェハをエッチング処理するための、ハロゲン元素を含むガス等のエッチングガスを保持するためのエッチングガス源64と、エッチングガス源64とエッチングチャンバ62を連結するためのガス管65及びバルブv4を備えている。
排気システム68は、エッチングチャンバ内で発生した排ガスを吸引するための排気ポンプ52と、排気ポンプ52とエッチングチャンバ62を連結するためのガス管54及びバルブv3を備えている。
上述したエッチング装置60において、エッチングガス源64からのエッチングガスは給気システムのガス管65及びバルブv4を通じてエッチングチャンバ62に送られる。エッチングチャンバ62内において、エッチングガスはレジストパターンに覆われていない半導体ウェハの表面と接触、反応し、半導体ウェハの表面の不要な酸化物膜等を気化して除去する。エッチングチャンバ62で生成された排ガスは、排気ポンプ52により吸引され、排気システムのガス管54及びバルブv3を経て外部に排出される。
このようなエッチング装置60において、加熱装置10、20は排気システム68のガス管54及びバルブv3等に取り付けることができる。これによって、エッチングチャンバ62からの排気ガスに含まれる成分が排気システム68で固化して、排気システム68の内部に着するのを防止することが可能になる。
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。例えば、上述した実施形態では半導体製造装置の給気システム又は排気システムの一方に加熱装置が設けられているが、給気システム又は排気システムの両方に加熱装置を設けることも可能である。
また、上述した上述した実施形態では、加熱装置は半導体製造装置の給気システム又は排気システムに設けられているが、加熱装置を半導体製造装置の他の部分に設けることも可能である。
さらに、上述した上述した実施形態では、加熱装置が用いられる半導体製造装置としてCVD装置やエッチング装置が上げられているが、加熱装置をエピタキシャル成長装置等の他の半導体製造装置に設けることも可能である。
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、寿命が長く、使用が容易で、別個の温度制御装置を用いなくても加熱温度を一定範囲に保持することができ、被加熱部材の広い範囲を加熱することが可能で、しかも消費電力の小さい加熱装置及びこれを用いた半導体製造装置を提供することが可能になる。
10 加熱装置
12 被加熱部材
14 第1熱伝導性絶縁部材18
16 PTC発熱体
18 第2熱伝導性絶縁部材18
20 加熱装置
40 CVD装置
60 エッチング装置

Claims (4)

  1. 熱伝導性を有する被加熱部材の外面に設置され、前記被加熱部材の内部を加熱するための加熱装置であって、
    前記被加熱部材の外面に設置される第1熱伝導性絶縁部材と、
    前記第1熱伝導性絶縁部材の表面上で、前記被加熱部材の表面に接触しないように配置されるPTC発熱体と、
    前記PTC発熱体の表面上で、前記PTC発熱体及び第1熱伝導性絶縁部材を覆うように設けられ、その端部が前記第1熱伝導性絶縁部材の外側で前記被加熱部材と接触している第2熱伝導性絶縁部材を備え
    前記被加熱部材は、半導体ウェハを処理するための半導体処理チャンバに処理ガスを供給するための給気システムを構成する部品である加熱装置。
  2. 熱伝導性を有する被加熱部材の外面に設置され、前記被加熱部材の内部を加熱するための加熱装置であって、
    前記被加熱部材の外面に設置される第1熱伝導性絶縁部材と、
    前記第1熱伝導性絶縁部材の表面上で、前記被加熱部材の表面に接触しないように配置されるPTC発熱体と、
    前記PTC発熱体の表面上で、前記PTC発熱体及び第1熱伝導性絶縁部材を覆うように設けられ、その端部が前記第1熱伝導性絶縁部材の外側で前記被加熱部材と接触している第2熱伝導性絶縁部材を備え
    前記被加熱部材は、半導体ウェハを処理するための半導体処理チャンバ内で生成された排ガスを半導体処理チャンバの外部に排気するための排気システムを構成する部品である加熱装置。
  3. 前記半導体処理チャンバは、CVDチャンバ及びエッチングチャンバのいずれかである請求項1又は2記載の加熱装置。
  4. 前記第2熱伝導性絶縁部材の2つの端部は、前記被加熱部材の長手方向に沿って、前記第1熱伝導性絶縁部材の外側で前記被加熱部材と接触している請求項1〜3のいずれか1項記載の加熱装置。
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