JP6571550B2

JP6571550B2 - ヒータおよびこれを用いた半導体製造装置

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Publication number: JP6571550B2
Application number: JP2016016125A
Authority: JP
Inventors: 弘古谷; 佐藤　裕輔; 裕輔佐藤; 鈴木　邦彦; 邦彦鈴木
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: KR20160110130A; KR101874168B1; JP2016171066A; CN110034048A; CN110034048B

Description

本発明は、ヒータおよびこれを用いた半導体製造装置に関する。

近年、半導体装置の低価格化、高性能化の要求に伴い、ウェーハの成膜工程における高い生産性とともに、膜厚均一性の向上など高品質化が要求されている。

このような要求を満たすために、枚葉式のエピタキシャル成膜装置を用い、例えば反応室内において９００ｒｐｍ以上でウェーハを高速回転しながら、反応室内にプロセスガスを供給し、抵抗発熱体で構成されたヒータを用いて裏面側よりウェーハを加熱する裏面加熱方式が用いられている。

特開平１０−２０８８５５号公報

上記のようなエピタキシャル成膜装置では、熱応答性を向上させるためにヒータの熱容量を低減することが求められている。ヒータの熱容量を低減する方法としては、ヒータの厚みを薄くすることが考えられるが、所望の電気抵抗値に調整するためにはヒータの折り返し幅を広くしなければならない。

しかしながら、電流はヒータエレメントを均一に流れるのではなく、折り返し部に集中する。その結果、折り返し部の破損によりヒータ寿命が短くなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、通電時にヒータエレメントの折り返し部での電流集中を抑制し、ヒータ寿命を延ばすことを目的とする。

本発明の一実施形態に係るヒータは、面状の発熱部と、一端が発熱部の外周に、他端が発熱部の折り返し部内にそれぞれ配置されて直線状に開口形成された直線状スリットと、他端に連続して開口形成され、開口径が直線状スリットのスリット幅よりも大きい折り返し部と、を有し、通電により発熱するヒータエレメントと、ヒータエレメントの所定面に接続され、ヒータエレメントへの通電時に電圧が印加される一対の電極と、を備えることを特徴とする。また、本発明の一実施形態に係るヒータでは、直線状スリットは、他端から所定距離の間の端部が発熱部の外縁の同心円に沿う方向に屈曲し、折り返し部は、同心円上で前記本体部の中心線より所定の角度ずれるように配置されていることが好ましい。

また、本発明の一実施形態に係るヒータでは、ヒータエレメントは、一対の電極から発熱部内へ流れる電流が等分される配置で発熱部内に蛇行状に開口形成された蛇行状スリットを更に含むことが好ましい。

また、本発明の一実施形態に係るヒータでは、蛇行状スリットは、発熱部の中心部で分断されることが好ましい。

また、本発明の一実施形態に係るヒータでは、直線状スリットは、一端に面取り加工が施されていることが好ましい。

本発明の一実施形態に係る半導体製造装置は、ウェーハが導入される反応室と、反応室にプロセスガスを供給するガス供給機構と、反応室よりガスを排気するガス排気機構と、ウェーハが載置されるウェーハ支持部材と、ウェーハ支持部材の外周部に接続され、ウェーハを回転させる回転部材と、回転部材と接続され、回転部材の回転駆動を制御する回転駆動制御機構と、ヒータと、を備えることを特徴とする。ヒータは、面状の発熱部と、一端が発熱部の外周に、他端が発熱部の折り返し部内にそれぞれ配置されて直線状に開口形成された直線状スリットと、他端に連続して開口形成され、開口幅が直線状スリットのスリット幅よりも大きい折り返し部と、を有し、通電により発熱するヒータエレメントと、ヒータエレメントの所定面に接続され、ヒータエレメントへの通電時に電圧が印加される一対の電極と、を有する。

本発明によれば、通電時にヒータエレメントの折り返し部での電流集中を抑制し、ヒータ寿命を延ばすことができる。

第１の実施形態の抵抗加熱ヒータを構成するヒータエレメントを示す上面図である。従来型のヒータエレメントにおける折り返し部周辺の発熱分布を説明する図である。図１に示すヒータエレメントにおける折り返し部周辺の発熱分布を説明する図である。第１の実施形態の抵抗加熱ヒータを用いた半導体製造装置の概略構成を示す図である。第２の実施形態の抵抗加熱ヒータを構成するヒータエレメントを示す上面図である。図５に示すヒータエレメントの電気的接続を示す図である。第３の実施形態の抵抗加熱ヒータを構成するヒータエレメントを示す上面図である。第１の実施形態のヒータエレメントにおける発熱分布を説明する図である。図７に示すヒータエレメントにおける発熱分布を説明する図である。第４の実施形態の抵抗加熱ヒータを構成するヒータエレメントを示す上面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態のヒータである抵抗加熱ヒータを構成するヒータエレメント１６ａを示す上面図である。図１に示されるように、ヒータエレメント１６ａは、外形が円盤状の発熱部１６０と、直線状に開口形成された直線状スリット１６３と、を有する。直線状スリット１６３は、一端が発熱部１６０の外周に、他端が発熱部１６０内にそれぞれ配置されている。そして、この他端に連続して開口成形され、開口径が直線状スリット１６３のスリット幅よりも大きい折り返し部１６２が設けられている。

本実施形態においては、さらに、図１中のＹ軸方向の距離が発熱部１６０の中心点に最も近い２つの直線状スリット１６３を除き、残りの６つの直線状スリット１６３の端から所定の距離Ｄ（例えば５〜１０ｍｍ）までの端部１６３ｃが、直線状スリット１６３の図１中のＸ軸方向部分である本体部１６３ｂの中心線よりヒータエレメント１６ａの外縁の同心円Ｅに沿う方向に屈曲している。

また、発熱部１６０内の各折り返し部１６２は、端部１６３ｃと連続していずれも同心円Ｅ上で本体部１６３ｂの中心線より所定の角度θずれるように配置されており、発熱部１６０は全体として点対称の形状となっている。図２は、従来型のヒータエレメント１６ａにおける折り返し部１６２周辺の発熱分布を説明する図である。ここでは、折り返し部１６２で電流集中が生じ、高温になるまで発熱していることが示されている。また、先端部分の周辺領域についても、温度勾配が大きく、発熱量も大きくなっている。

これに対し、図３は、本実施形態のヒータエレメント１６ａにおける折り返し部１６２周辺の発熱分布を説明する図である。ここでは、図２の場合と異なり、折り返し部１６２は、開口径Ｗ２でスリット１６３のスリット幅Ｗ１よりも広い幅を有している。このため、折り返し部１６２の周辺において電流が先端部分の一点に集中することがなくなり、温度勾配も緩やかになっている。

このようなヒータエレメント１６ａは、ヒータエレメント１６ａを支持するヒータ電極部１６ｂ，１６ｃと接着、融着などにより一体形成され、ヒータを構成する。ヒータエレメント１６ａおよびヒータ電極部１６ｂ，１６ｃには、例えば、ＳｉＣ粉末を焼結して得られるＳｉＣ焼結体が用いられる。このとき、ＳｉＣ粉末に添加される不純物濃度を制御することにより、電気抵抗率を調整することが可能である。また、所望の形状・厚さに加工することが可能であり、例えば、ヒータエレメント１６ａの直径はφ２５０ｍｍ、厚さは２ｍｍとすることができる。なお、直線状スリット１６３、折り返し部１６２は、ＳｉＣ焼結基板にワイヤ放電加工を施すことにより形成することができる。さらに、ヒータエレメント表面には高純度のＳｉＣ膜が形成され、不純物の拡散が防止される。

このようなヒータは、半導体製造装置において、半導体基板（ウェーハ）を裏面より加熱するためのヒータとして用いられる。

図４は、本実施形態の抵抗加熱ヒータを用いた半導体製造装置の概略構成を示す図である。図４に示されるように、半導体製造装置は、成膜処理を行うための反応室１０を有している。この反応室１０の上部には、ガス供給口１１ａ，１１ｂが設けられている。ガス供給口１１ａ，１１ｂからは、原料ガス（例えば、アンモニアガス（ＮＨ_３ガス）、トリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）、トリエチルガリウムガス（ＴＥＧガス）、トリエチルインジウムガス（ＴＭＩガス）、ビズ（シクロペンタジエニル）マグネシウムガス（Ｃｐ_２Ｍｇガス）、モノメチルシランガス（ＳｉＨ_３ＣＨ_３ガス）、モノシランガス（ＳｉＨ_４ガス）、ジクロルシランガス（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガス）、トリクロルシランガス（ＳｉＨＣｌ_３ガス））およびキャリアガス（例えば水素（Ｈ_２）ガス）を含むプロセスガスが反応室１０の内部に導入される。

また、ガス供給口１１ａ，１１ｂの下方には、孔が多数形成された整流板１２がウェーハｗの表面に対向するように配置されている。整流板１２は、ウェーハｗの表面にガス供給口１１ａ，１１ｂから供給されたプロセスガスを整流状態でウェーハｗ上に供給する。

反応室１０の内部には、導入されたウェーハｗを載置するサセプタ１３が設けられている。また、サセプタ１３の外周部は、円筒状の回転部材１４の上部に固定されている。サセプタ１３は、反応室１０の内部で高温状態になることから、例えばＳｉＣ材料を用いて製造される。尚、本実施形態では、ウェーハ支持部材の例として円板状のサセプタ１３を用いているが、環状のホルダーを用いることもできる。

回転部材１４は、回転胴１４ａ、回転ベース１４ｂ、および回転軸１４ｃを有している。回転胴１４ａは、サセプタ１３の外周部を支持し、回転ベース１４ｂの外周上部に固定された環状の部品である。回転ベース１４ｂは、円筒状の回転軸１４ｃが固定されている。回転軸１４ｃの軸中心は、ウェーハｗの中心を通る。

また、回転軸１４ｃは、反応室１０の外部まで延設されており、回転駆動制御機構１５に接続されている。回転駆動制御機構１５は、回転軸１４ｃを回転させることにより、回転ベース１４ｂおよび回転胴１４ａを介してサセプタ１３を例えば５０−３０００ｒｐｍで回転させる。

回転胴１４ａ内には、ウェーハｗを裏面から加熱するための上述したヒータ１６が設けられている。ヒータ１６は、アーム状の電極部品であるブースバー１７ａ，１７ｂによって支持されている。ブースバー１７ａ，１７ｂは、ヒータ電極部１６ｂ，１６ｃを支持する側とは反対側の端部において電極１８ａ，１８ｂと接続されている。

ブースバー１７ａ，１７ｂは、導電性と高耐熱性を兼ね備えた電極部品であり、例えば、Ｃ（カーボン）材からなる。電極１８ａ，１８ｂは、Ｍｏ（モリブデン）等の金属部材であり、上端側でブースバー１７ａ，１７ｂに接続され、他端側で外部電源（図示省略する）に接続されている。外部電源から電極１８ａ，１８ｂに例えば１１５Ｖ、５０Ｈｚの電圧が印加され、ブースバー１７ａ，１７ｂおよびヒータ電極部１６ｂ，１６ｃを介してヒータエレメント１６ａが発熱する。

また、図４に示されるように、反応室１０の上部には、ウェーハｗの表面温度（面内温度）を測定するために放射温度計１９ａ，１９ｂが設けられている。本実施形態では、反応室１０の上壁の一部および整流板１２を透明石英製とすることで、放射温度計１９ａ，１９ｂによる温度測定は整流板１２によって妨げられないものとする。放射温度計１９ａ，１９ｂは、ヒータ１６の発熱に応じて変化するウェーハｗの中心部および外周部における表面温度をそれぞれ計測し、その温度データを温度制御機構２０へ出力する。温度制御機構２０は、温度データに基づいてヒータ１６の出力制御を行い、ウェーハｗの表面温度が所定の成膜温度（例えば、１１００℃）となるように加熱する。

また、図４に示されるように、反応室１０の下部には、反応時に余剰となったプロセスガスおよび反応副生成物を含むガスを排気するためにガス排気口２１ａ，２１ｂが設けられている。ガス排気口２１ａ，２１ｂは、調整弁２２および真空ポンプ２３からなるガス排気機構２４にそれぞれ接続されている。ガス排気機構２４は、制御機構（図示省略する）により制御され、反応室１０内を所定の圧力に調整する。

このように、本実施形態によれば、ヒータエレメント１６ａの折り返し部１６２を設けることにより、通電時の電流集中を大幅に抑制することができる。

また、電流は最短距離で流れようとするため、折り返し部１６２の外側では電流が流れず発熱しない領域が生じるが、直線状スリット１６３の端部を傾斜させて配置することにより、電流が流れる領域を広くすることができ、さらなる電流集中の抑制を図ることができる。

このように、電流集中を抑制することにより、ヒータ寿命を延ばすことができるため、ヒータの部材交換頻度を減少させ、半導体製造装置の低コスト化およびダウンタイム低減を図ることができる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について説明する。尚、第１の実施形態において付された符号と共通する符号は同一の対象を示す。図５は、本実施形態の抵抗加熱ヒータを構成するヒータエレメント２６ａを示す上面図である。図５に示されるように、ヒータエレメント２６ａは、外形が円盤状の発熱部２６０と、発熱部２６０内に形成された蛇行状スリット２６１と、一端が発熱部２６０の外周に配置され、他端に発熱部２６０の折り返し部２６２が形成された例えば８カ所の直線状スリット２６３を有している。折り返し部２６２の幅（径）は、蛇行状スリット２６１、直線状スリット２６３のスリット幅よりも大きい。

スリット２６１，２６３は、これらによりヒータ電極部２６ｂ，２６ｃと接続部２６ｂ´，２６ｃ´間でそれぞれ電流が分離して流れる距離が等しくなるように配置されている。

このように構成されるヒータは、図５に示されるように、ヒータ電極部２６ｂとの接続部２６ｂ´とヒータ電極部２６ｃとの接続部２６ｃ´間に電圧が印加されると、図中の矢印に示されるように、電流が蛇行状スリット２６１，直線状スリット２６３によって２つの経路に分かれて流れることにより発熱する。

図６は、図５に示すヒータエレメント２６ａの電気的接続を示す図である。ここでは、後述するように、ヒータエレメント２６ａ、ヒータ電極部１６ｂ、１６ｃ、ブースバー１７ａ，１７ｂ、および外部電源に接続された電極１８ａ，１８ｂにより電気回路が構成されることが示されている。また、抵抗発熱体であるヒータエレメント２６ａは内部で並列化されており、ヒータ電極部１６ｂ，１６ｃにそれぞれ接続されている。上述のように、ヒータエレメント１６ａ内の電流が分離して流れる２経路の距離は等しくなるため、２つの抵抗成分Ｒ１，Ｒ２は等しい。従って、ヒータ電極部１６ｂ，１６ｃからヒータエレメント２６ａに流れる電流量をＩとすると、ヒータエレメント２６ａ内の２経路における電流量はＩ／２となる。

このように、本実施形態によれば、蛇行状スリット２６１を設けることにより、ヒータエレメント２６ａの発熱部２６０に２つの経路に分かれて電流が流れるため、折り返し部２６２に流れる電流量を従来のものより低減することができる。この結果、第１の実施形態の場合よりも、形状は複雑になるが、通電時にヒータエレメント２６ａの折り返し部２６２での電流集中を大幅に抑制し、ヒータ寿命を延ばすことができる。そして、ヒータ２６の部材交換頻度を減少させ、半導体製造装置の低コスト化およびダウンタイム低減を図ることができる。

尚、本実施形態では、ヒータエレメント２６ａにおける電流を２つの経路としたが、適宜スリットを形成することにより、電流が分離して流れる距離が等しい３つ以上の経路としてもよい。また、ヒータエレメント２６ａは円盤形状に限定されない。なお、本実施形態のように電流経路を分割することによる効果は、折り返し部２６２を設けない場合であっても同様である。

＜第３の実施形態＞
図７は、本実施形態の抵抗加熱ヒータを構成するヒータエレメント３６ａを示す上面図である。第２の実施形態との違いは、発熱部３６０において、スリットで分離された位置の電位がほぼ同じになるヒータエレメント３６ａの中心部や、ヒータ電極部１６ｂ，１６ｃとの接続位置の近傍等に蛇行状スリット３６１を設けていない点である。

また、ヒータエレメント３６ａには、反応室１０内に導入されたウェーハｗを受け取り、サセプタ１３上に載置する突き上げピン（図示省略する）の通路となる３つのピン孔３６４が、発熱面積の減少を抑えるために、スリット３６１と連結するように形成されている。更に、ピン孔３６４により導電部分が狭くならないよう、近接する直線状スリット３６３に電流弧状部３６３ａが形成されている。

本実施形態によれば、蛇行状スリット３６１が、等電位のヒータエレメント３６ａの中心部で分断されている。このため、電流分布に影響を与えることなく、蛇行状スリット３６１の総面積を小さく抑えることができ、図６に示した第２の実施形態の場合よりもヒータ３６全体としての強度を向上させることができる。

図８は、第１の実施形態と同様のヒータエレメント１６ａを示す図である。折り返し部１６２の周縁部Ａの外周のＢでは、Ａにおける発熱量の約５５％程度となり、折り返し部１６２から離間したＣにおける発熱量はＡにおける発熱量の１３％程度となる。さらに電流が流れにくいＤにおける発熱量はＡにおける発熱量の６％程度となり、面内の発熱量にばらつきがあることがわかる。

一方、図９に示す本実施形態のヒータエレメント３６ａにおいては、折り返し部３６２の周縁部Ａ´における発熱量が、図８のＡにおける発熱量に対して７５％程度に低減される。また、Ａ´における発熱量に対して、Ｂ´では約６０％、Ｃ´では約３０％となり、Ｄ´のように電流が流れにくい部分の面積も小さくなる。このように、蛇行状スリット３６１を設けることにより、さらに電界集中が抑えられるとともに、面内分布が改善されることがわかる。

＜第４の実施形態＞
図１０は、本実施形態の抵抗加熱ヒータを構成するヒータエレメント４６ａを示す上面図である。図１０に示されるように、本実施形態に係るヒータエレメント４６ａでは、直線状スリット４６３は、発熱部４６０の外周側の端部の全てに面取り加工が施されている点が異なっている。なお、スリット端部のみならず、発熱部４６０の全ての角部に面取り加工が施されていてもよい。このように、電流の流れにくい端部において面取り加工を施すことにより、温度分布への影響を抑えてヒータエレメント４６ａの破損の防止を図ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…反応室、
１１ａ，１１ｂ…ガス供給口、
１２…整流板、
１３…サセプタ、
１４…回転部材、
１５…回転駆動制御機構、
１６…ヒータ、
１６ａ，２６ａ，３６ａ，４６ａ…ヒータエレメント、
１６ｂ，１６ｃ…ヒータ電極部、
１７ａ，１７ｂ…ブースバー、
１８ａ，１８ｂ…電極、
１９ａ，１９ｂ…放射温度計、
２０…温度制御機構、
１６０，２６０，３６０，４６０…発熱部、
２６１，３６１…蛇行状スリット
１６３，２６３，３６３，４６３…直線状スリット、
１６２，２６２，３６２…折り返し部。

Claims

面状の発熱部と、一端が前記発熱部の外周に、他端が前記発熱部内にそれぞれ配置されて直線状に開口形成された直線状スリットと、前記他端に連続して開口形成され、開口幅が前記直線状スリットのスリット幅より大きい折り返し部と、を有し、通電により発熱するヒータエレメントと、
前記ヒータエレメントの所定面に接続され、前記ヒータエレメントへの通電時に電圧が印加される一対の電極と、
を備え、
前記直線状スリットは、前記他端から所定距離の間の端部が前記発熱部の外縁の同心円に沿う方向に屈曲し、
前記折り返し部は、前記同心円上で本体部の中心線より所定の角度ずれるように配置されることを特徴とするヒータ。
前記ヒータエレメントは、前記一対の電極から前記発熱部内へ流れる電流が等分される配置で前記発熱部内に蛇行状に開口形成された蛇行状スリットを更に含むことを特徴とする請求項１記載のヒータ。
前記蛇行状スリットは、前記発熱部の中心部で分断されることを特徴とする請求項２記載のヒータ。
前記直線状スリットは、前記一端に面取り加工が施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載のヒータ。
ウェーハが導入される反応室と、
前記反応室にプロセスガスを供給するガス供給機構と、
前記反応室よりガスを排気するガス排気機構と、
前記ウェーハが載置されるウェーハ支持部材と、
前記ウェーハ支持部材の外周部に接続され、前記ウェーハを回転させる回転部材と、
前記回転部材と接続され、前記回転部材の回転駆動を制御する回転駆動制御機構と、
面状の発熱部と、一端が前記発熱部の外周に、他端が前記発熱部の折り返し部内にそれぞれ配置されて直線状に開口形成された直線状スリットと、前記他端に連続して開口形成され、開口幅が直線状スリットの幅より大きい前記折り返し部と、を有し、通電により発熱するヒータエレメントと、前記ヒータエレメントの所定面に接続され、前記ヒータエレメントへの通電時に電圧が印加される一対の電極と、を有し、前記直線状スリットは、前記他端から所定距離の間の端部が前記発熱部の外縁の同心円に沿う方向に屈曲し、前記折り返し部は、前記同心円上で本体部の中心線より所定の角度ずれるように配置されるヒータと、
を備えることを特徴とする半導体製造装置。