JP7212070B2 - セラミックヒータ - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックヒータに関する。
半導体製造装置においては、ウエハを加熱するためのセラミックヒータが採用されている。こうしたセラミックヒータとしては、いわゆる２ゾーンヒータが知られている。この種の２ゾーンヒータとしては、特許文献１に開示されているように、セラミック基体中に、内周側抵抗発熱体と外周側抵抗発熱体とを同一平面に埋設し、各抵抗発熱体にそれぞれ独立して電圧を印加することにより、各抵抗発熱体からの発熱を独立して制御するものが知られている。各抵抗発熱体は、タングステンなどの高融点金属からなるコイルで構成されている。
しかしながら、内周側ゾーンには、内周側抵抗発熱体の端子や外周側抵抗発熱体の端子を設ける必要があるため、コイル状の内周側抵抗発熱体では高密度に配線することが困難であった。そのため、内周側ゾーンで温度ムラが生じるおそれがあった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、内周側ゾーンの温度ムラが生じるのを抑制することを主目的とする。
本発明のセラミックヒータは、
ウエハ載置面を有し、円形の内周側ゾーンと環状の外周側ゾーンとを備えたセラミックプレートと、
前記内周側ゾーンに設けられた二次元形状の内周側抵抗発熱体と、
前記外周側ゾーンに設けられたコイル状の外周側抵抗発熱体と、
を備え、
前記内周側ゾーンには、前記内周側抵抗発熱体の端子と前記外周側抵抗発熱体の端子とが配置されている、
ものである。
ウエハ載置面を有し、円形の内周側ゾーンと環状の外周側ゾーンとを備えたセラミックプレートと、
前記内周側ゾーンに設けられた二次元形状の内周側抵抗発熱体と、
前記外周側ゾーンに設けられたコイル状の外周側抵抗発熱体と、
を備え、
前記内周側ゾーンには、前記内周側抵抗発熱体の端子と前記外周側抵抗発熱体の端子とが配置されている、
ものである。
このセラミックヒータでは、外周側ゾーンにはコイル状の外周側抵抗発熱体を配置したため、比較的大きな発熱量を得ることができる。一方、内周側抵抗発熱体の形状としてコイル状ではなく二次元形状を採用したため、線幅を細くしたり線間を狭くしたりすることができる。したがって、内周側ゾーンの温度ムラが生じるのを抑制することができる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記内周側抵抗発熱体は、前記端子の間隙を通って前記内周側ゾーンの全体にわたって配線されていてもよい。内周側抵抗発熱体の形状として二次元形状を採用したため、線幅を細くしたり線間を狭くしたりすることができる。そのため、内周側抵抗発熱体を端子の間隙を通って内周側ゾーンの全体にわたって配線することができる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記内周側ゾーンの面積は、前記外周側ゾーンの面積より狭くてもよい。このような場合であっても、内周側抵抗発熱体は二次元形状であり線幅を細くしたり線間を狭くしたりすることができるため、内周側抵抗発熱体を内周側ゾーンの全体にわたって配線することができる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記内周側抵抗発熱体と前記外周側抵抗発熱体は、前記セラミックプレートの内部で前記ウエハ載置面に平行な同一平面上に設けられていてもよい。なお、「平行」とは、完全に平行な場合のほか、実質的に平行な場合（例えば公差の範囲に入る場合など）も含む。「同一」とは、完全に同一な場合のほか、実質的に同一な場合（例えば公差の範囲に入る場合など）も含む。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記内周側ゾーンは、１つのゾーンであり、前記外周側ゾーンは、２つ以上のゾーンに分けられており、前記外周側抵抗発熱体は、前記ゾーンごとに独立して配線されていてもよい。外周側抵抗発熱体は２つ以上のゾーンのそれぞれに独立して配線されているため、外周側抵抗発熱体の端子の数はゾーン数に応じて増加する。また、内周側抵抗発熱体はより多くの端子の間を通るように配線する必要がある。このような場合であっても、内周側抵抗発熱体は二次元形状であり線幅を細くしたり線間を狭くしたりすることができるため、内周側抵抗発熱体を内周側ゾーンの全体にわたって配線することができる。
本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図１はセラミックヒータ１０の斜視図、図２はセラミックヒータ１０の縦断面図（セラミックヒータ１０を中心軸を含む面で切断したときの断面図）、図３はセラミックプレート２０の抵抗発熱体２２，２４，２６，２８に沿って水平に切断して上方からみたときの断面図である。図３は、実質的にセラミックプレート２０をウエハ載置面２０ａからみたときの様子を表している。なお、図３では、切断面を表すハッチングを省略した。
セラミックヒータ１０は、エッチングやＣＶＤなどの処理が施されるウエハを加熱するために用いられるものであり、図示しない真空チャンバ内に設置される。このセラミックヒータ１０は、ウエハ載置面２０ａを有する円盤状のセラミックプレート２０と、セラミックプレート２０のウエハ載置面２０ａとは反対側の面（裏面）２０ｂにセラミックプレート２０と同軸となるように接合された筒状シャフト４０とを備えている。
セラミックプレート２０は、窒化アルミニウムやアルミナなどに代表されるセラミック材料からなる円盤状のプレートである。セラミックプレート２０の直径は、例えば３００ｍｍ程度である。セラミックプレート２０のウエハ載置面２０ａには、図示しないが細かな凹凸がエンボス加工により設けられている。セラミックプレート２０は、セラミックプレート２０と同心円の仮想境界ＢＬ（図３参照）によって小円形の内周側ゾーンＺ１と円環状の外周側ゾーンＺ２とに分けられている。仮想境界ＢＬの直径は、例えば２００ｍｍ程度である。内周側ゾーンＺ１の面積は、外周側ゾーンＺ２の面積よりも狭い。外周側ゾーンＺ２は、セラミックプレート２０と同心円の仮想境界ＢＬ１，ＢＬ２（図３参照）によって３つの環状ゾーン、すなわち外周側第１～第３ゾーンＺ２１～Ｚ２３に分けられている。セラミックプレート２０の内周側ゾーンＺ１には内周側抵抗発熱体２２が埋設され、外周側第１～第３ゾーンＺ２１～Ｚ２３にはそれぞれ外周側第１～第３抵抗発熱体２４、２６，２８が埋設されている。これらの抵抗発熱体２２，２４，２６，２８は、ウエハ載置面２０ａに平行な同一平面上に設けられている。
内周側抵抗発熱体２２は、図３に示すように、セラミックプレート２０の中央部（セラミックプレート２０の裏面２０ｂのうち筒状シャフト４０で囲まれた領域）に配設された一対の端子２２ａ，２２ｂの一方から他方に至るように形成されている。ここでは、内周側抵抗発熱体２２は、端子２２ａから端を発し、端子２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂの間を通りながら一筆書きの要領で複数の折り返し部で折り返されつつ内周側ゾーンＺ１のほぼ全域に配線されたあと、端子２２ｂに至るように形成されている。内周側抵抗発熱体２２は、高融点金属又はその炭化物で作製された二次元形状の発熱体であり、例えばペーストを印刷することにより作製される。二次元形状としては、例えばリボン状（平らで細長い形状）やメッシュ状などが挙げられる。高融点金属としては、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、白金、レニウム、ハフニウム及びこれらの合金が挙げられる。高融点金属の炭化物としては、例えば、炭化タングステンや炭化モリブデンなどが挙げられる。内周側抵抗発熱体２２は、二次元形状のため、線幅を細くしたり線間を狭めたり端子間長さを長くしたり断面積を小さくしたりすることができる。そのため、これらを調整することにより、内周側抵抗発熱体２２の端子間の電気抵抗を容易に調整することができる。
外周側第１抵抗発熱体２４は、図３に示すように、セラミックプレート２０の中央部に配設された一対の端子２４ａ，２４ｂの一方から端を発し、一筆書きの要領で折り返し部で折り返されつつ外周側第１ゾーンＺ２１のほぼ全域に配線されたあと一対の端子２４ａ，２４ｂの他方に至るように形成されている。外周側第２抵抗発熱体２６は、セラミックプレート２０の中央部に配設された一対の端子２６ａ，２６ｂの一方から端を発し、一筆書きの要領で折り返し部で折り返されつつ外周側第２ゾーンＺ２２のほぼ全域に配線されたあと一対の端子２６ａ，２６ｂの他方に至るように形成されている。外周側第３抵抗発熱体２８は、セラミックプレート２０の中央部に配設された一対の端子２８ａ，２８ｂの一方から端を発し、一筆書きの要領で折り返し部で折り返されつつ外周側第３ゾーンＺ２３のほぼ全域に配線されたあと一対の端子２８ａ，２８ｂの他方に至るように形成されている。外周側第１～第３抵抗発熱体２４，２６，２８は、高融点金属又はその炭化物で作製されたコイルである。但し、各端子２４ａ，２４ｂから外周側第１ゾーンＺ２１までの引き出し線や各端子２６ａ，２６ｂから外周側第２ゾーンＺ２２までの引き出し線や各端子２８ａ，２８ｂから外周側第３ゾーンＺ２３までの引き出し線は、コイルではなく、ワイヤ線又は印刷によるリボンで作製されている。
筒状シャフト４０は、セラミックプレート２０と同じく窒化アルミニウム、アルミナなどのセラミックで形成されている。筒状シャフト４０の内径は、例えば４０ｍｍ程度、外径は例えば６０ｍｍ程度である。この筒状シャフト４０は、上端がセラミックプレート２０に拡散接合されている。筒状シャフト４０の内部には、図２に示すように、内周側抵抗発熱体２２の一対の端子２２ａ，２２ｂのそれぞれに接続される給電棒４２ａ，４２ｂが配置されている。また、筒状シャフト４０の内部には、外周側第１抵抗発熱体２４の一対の端子２４ａ，２４ｂのそれぞれに接続される給電棒４４ａ，４４ｂや外周側第２抵抗発熱体２６の一対の端子２６ａ，２６ｂのそれぞれに接続される給電棒４６ａ，４６ｂや外周側第３抵抗発熱体２８の一対の端子２８ａ，２８ｂのそれぞれに接続される給電棒４８ａ，４８ｂも配置されている。給電棒４２ａ，４２ｂは内周側電源３２に接続され、給電棒４４ａ，４４ｂは外周側第１電源３４に接続され、給電棒４６ａ，４６ｂは外周側第２電源３６に接続され、給電棒４８ａ，４８ｂは外周側第３電源３８に接続されている。そのため、内周側抵抗発熱体２２によって加熱される内周側ゾーンＺ１と外周側第１～第３抵抗発熱体２４，２６，２８によって加熱される外周側ゾーンＺ２１，Ｚ２２，Ｚ２３とをそれぞれ個別に温度制御することができる。
次に、セラミックヒータ１０の使用例について説明する。まず、図示しない真空チャンバ内にセラミックヒータ１０を設置し、そのセラミックヒータ１０のウエハ載置面２０ａにウエハＷを載置する。そして、図示しない内周側熱電対によって検出された内周側ゾーンＺ１の温度が予め定められた内周側目標温度となるように内周側抵抗発熱体２２に供給する電力を内周側電源３２によって調整する。また、図示しない外周側第１～第３熱電対によってそれぞれ検出された外周側第１～第３ゾーンＺ２１～Ｚ２３の温度が予め定められた外周側第１～第３目標温度となるように外周側第１～第３抵抗発熱体２４，２６，２８に供給する電力を外周側第１～第３電源３４，３６，３８によって調整する。これにより、ウエハＷの温度が所望の温度になるように制御される。そして、真空チャンバ内を真空雰囲気もしくは減圧雰囲気になるように設定し、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、そのプラズマを利用してウエハＷにＣＶＤ成膜を施したりエッチングを施したりする。
以上説明した本実施形態のセラミックヒータ１０では、外周側ゾーンＺ２（外周側第１～第３ゾーンＺ２１～Ｚ２３）にはコイル状の外周側第１～第３抵抗発熱体２４，２６，２８を配置したため、比較的大きな発熱量を得ることができる。一方、内周側抵抗発熱体２２の形状としてコイル状ではなく二次元形状を採用したため、線幅を細くしたり線間を狭くしたりすることができる。したがって、内周側ゾーンＺ１の温度ムラが生じるのを抑制することができる。
また、内周側抵抗発熱体２２は、端子２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂの間隙を通って内周側ゾーンＺ１の全体にわたって配線されている。本実施形態では、内周側抵抗発熱体２２の形状として二次元形状を採用したため、線幅を細くしたり線間を狭くしたりすることができる。そのため、内周側抵抗発熱体２２を端子の間隙を通って内周側ゾーンＺ１の全体にわたって配線することができる。
また、内周側ゾーンＺ１の面積は、外周側ゾーンＺ２の面積よりも狭いが、このような場合であっても、内周側抵抗発熱体２２は二次元形状であり線幅を細くしたり線間を狭くしたりすることができるため、内周側抵抗発熱体２２を内周側ゾーンＺ１の全体にわたって配線することができる。
更に、外周側ゾーンＺ２は外周側第１～第３ゾーンＺ２１～Ｚ２３の３つに分けられており、外周側第１～第３抵抗発熱体２４，２６，２８はそれぞれのゾーンに独立して配線されている。そのため、内周側ゾーンＺ１には、合計８つの端子が配置されている。このような場合であっても、内周側抵抗発熱体２２は二次元形状であり線幅を細くしたり線間を狭くしたりすることができるため、内周側抵抗発熱体２２を内周側ゾーンＺ１の全体にわたって配線することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態において、内周側抵抗発熱体２２の断面積や配線の長さによって内周側抵抗発熱体２２の端子間の電気抵抗を変化させることにより、内周側抵抗発熱体２２の端子間の電気抵抗を、外周側第１～第３抵抗発熱体２４，２６，２８のそれぞれの端子間の電気抵抗よりも高くなるように設定してもよい。あるいは、内周側抵抗発熱体２２の端子間の電気抵抗を、外周側第１～第３抵抗発熱体２４，２６，２８のそれぞれの端子間の電気抵抗よりも低くなるように設定したり、同じになるように設定してもよい。こうすることにより、内周側ゾーンＺ１における内周側抵抗発熱体２２の発熱量をユーザの要望に応じて適宜設定することができる。
上述した実施形態では、外周側ゾーンＺ２を３つの小ゾーンに分割したが、外周側ゾーンＺ２は１つのゾーンであってもよいし、２つの小ゾーンに分割してもよいし、４つ以上の小ゾーンに分割してもよい。いずれの場合も抵抗発熱体はゾーンごとに独立して配線される。小ゾーンは、上述した実施形態のようにセラミックプレート２０と同心円の境界線で外周側ゾーンＺ２を分割することにより環状に形成してもよいし、セラミックプレート２０の中心から放射状に延びる線分で外周側ゾーンＺ２を分割することにより扇形（円錐台の側面を展開した形状）に形成してもよい。
上述した実施形態では、内周側ゾーンＺ１は１つのゾーンとして説明したが、複数の小ゾーンに分割されていてもよい。その場合、小ゾーンごとに二次元形状の抵抗発熱体を独立して配線する。小ゾーンは、セラミックプレート２０と同心円の境界線で内周側ゾーンＺ１を分割することにより環状と円形状に形成してもよいし、セラミックプレート２０の中心から放射状に延びる線分で内周側ゾーンＺ１を分割することにより扇形（円錐の側面を展開した形状）に形成してもよい。
上述した実施形態において、各抵抗発熱体２２，２４，２６，２８の端子間の電気抵抗を高くしたい場合には、体積抵抗率の高い材料を用いてもよい。例えば、２０℃における体積抵抗率の一例を挙げると、タングステンが５．５×１０6［Ω・ｍ］、炭化タングステンが５３×１０6［Ω・ｍ］である。そのため、炭化タングステンを用いれば、タングステンを用いた場合に比べて端子間の電気抵抗を高くすることができる。
上述した実施形態において、セラミックプレート２０に静電電極を内蔵してもよい。その場合、ウエハ載置面２０ａにウエハＷを載置したあと静電電極に電圧を印加することによりウエハＷをウエハ載置面２０ａに静電吸着することができる。あるいは、セラミックプレート２０にＲＦ電極を内蔵してもよい。その場合、ウエハ載置面２０ａの上方にスペースをあけて図示しないシャワーヘッドを配置し、シャワーヘッドとＲＦ電極とからなる平行平板電極間に高周波電力を供給する。こうすることによりプラズマを発生させ、そのプラズマを利用してウエハＷにＣＶＤ成膜を施したりエッチングを施したりすることができる。なお、静電電極をＲＦ電極と兼用してもよい。
上述した実施形態では、内周側抵抗発熱体２２は端子の間隙を通って内周側ゾーンＺ１の全体にわたって配線されているものとしたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、内周側抵抗発熱体２２は端子の間隙を通ることなく内周側ゾーンＺ１の全体にわたって配線されるようにしてもよい。
本出願は、２０１９年１月２５日に出願された日本国特許出願第２０１９－０１１３０１号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明は、半導体製造装置に利用可能である。
１０ セラミックヒータ、２０ セラミックプレート、２０ａ ウエハ載置面、２０ｂ 裏面、２２ 内周側抵抗発熱体、２２ａ，２２ｂ 端子、２４ 外周側第１抵抗発熱体、２４ａ，２４ｂ 端子、２６ 外周側第２抵抗発熱体、２６ａ，２６ｂ 端子、２８ 外周側第３抵抗発熱体、２８ａ，２８ｂ 端子、３２ 内周側電源、３４ 外周側第１電源、３６ 外周側第２電源、３８ 外周側第３電源、４０ 筒状シャフト、４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４６ａ，４６ｂ，４８ａ，４８ｂ 給電棒、ＢＬ，ＢＬ１，ＢＬ２ 仮想境界、Ｗ ウエハ、Ｚ１ 内周側ゾーン、Ｚ２ 外周側ゾーン、Ｚ２１ 外周側第１ゾーン、Ｚ２２ 外周側第２ゾーン、Ｚ２３ 外周側第３ゾーン。
Claims (4)
- ウエハ載置面を有し、円形の内周側ゾーンと環状の外周側ゾーンとを備えたセラミックプレートと、
前記内周側ゾーンに設けられた二次元形状の内周側抵抗発熱体と、
前記外周側ゾーンに設けられたコイル状の外周側抵抗発熱体と、
を備え、
前記内周側ゾーンには、前記内周側抵抗発熱体の端子と前記外周側抵抗発熱体の端子とが配置され、
前記内周側ゾーンに配置された前記外周側抵抗発熱体の端子から前記外周側ゾーンに設けられた前記外周側抵抗発熱体までの引き出し線は、リボンで作製され、前記内周側抵抗発熱体の折り返し部同士が対向する隙間を通過し、
前記内周側抵抗発熱体、前記外周側抵抗発熱体及び前記引き出し線は、前記セラミックプレートの内部で前記ウエハ載置面に平行な同一平面上に設けられている、
セラミックヒータ。 - 前記内周側抵抗発熱体は、前記端子の間隙を通って前記内周側ゾーンの全体にわたって配線されている、
請求項１に記載のセラミックヒータ。 - 前記内周側ゾーンの面積は、前記外周側ゾーンの面積より狭い、
請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。 - 前記内周側ゾーンは、１つのゾーンであり、
前記外周側ゾーンは、２つ以上のゾーンに分けられており、前記外周側抵抗発熱体は、前記ゾーンごとに独立して配線されている、
請求項１～３のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
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