JPH04181724A

JPH04181724A - 加熱装置

Info

Publication number: JPH04181724A
Application number: JP30875890A
Authority: JP
Inventors: Ryusuke Ushigoe; 牛越　隆介; Kazuhiro Nobori; 昇　和宏
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1992-06-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH088246B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、セラミックスヒーターを有する加熱装置に関
するものである。

（従来の技術及びその問題点）スーパークリーン状態を必要とする半導体製造用装置で
は、腐蝕性ガス、エンチング用ガス、クリーニング用ガ
スとして塩素系ガス、弗素系ガス等の腐蝕性ガスが使用
されている。このため、ウェハーをこれらの腐蝕性ガス
に接触させた状態で加熱するための加熱装置として、抵
抗発熱体の表面をステンレススチール、インコネル等の
金属により被覆した従来のヒーターを使用すると、これ
らのガスの暴露によって、塩化物、酸化物、弗化物等の
粒径数μｍの、好ましくないパーティクルが発生する。

そこで、デポジション用ガス等に暴露される容器の外側
に赤外線ランプを設置し、容器外壁に赤外線透過窓を設
け、グラファイト等の耐蝕性良好な材質からなる被加熱
体に赤外線を放射し、被加熱体の上面に置かれたウェハ
ーを加熱する、間接加熱方式のウェハー加熱装置が開発
されている。

ところがこの方式のものは、直接加熱式のものに比較し
て熱損失が大きいこと、温度上昇に時間がかかること、
赤外線透過窓へのＣＶＤ膜の付着により赤外線の透過が
次第に妨げられ、赤外線透過窓で熱吸収が生じて窓が加
熱すること等の問題があった。

（発明に至る経過）上記の問題を解決するため、本発明者等は、新たに円盤
状の緻密質セラミックス内に抵抗発熱体を埋設し、この
セラミックスヒーターをグラファイトのケースに保持し
た加熱装置について検討した。その結果この加熱装置は
、上述のような問題点を一掃した極めて優れた装置であ
ることが判明したが、なおセラミックスヒーター側面を
伝熱性の高いグラファイト類のケースで保持するため、
この接触部分からケースの方へと熱が逃げ、セラミ・ッ
クスヒーターの外周部の温度が内周部の温度にくらべて
低くなり、均熱性が損なわれるという問題が生した。更
に、抵抗発熱体の埋設状態、その周囲の焼結状態のバラ
ツキなどから、ウェハー加熱面において周囲よりも温度
の高いホットスポットが生じた。そして、例えばＣＶＤ
法による膜堆積などでは、温度の不均一が発生すると非
常に不利益である。

（発明が解決しようとする課題）本発明の問題は、セラミックスヒーターを有する加熱装
置において、緻密質セラミフクスの焼成後に、被加熱体
設置面の温度のバラツキを矯正できるような加熱装置を
提供することである。

（課題を解決するための手段）本発明はセラミックス基材の内部に抵抗発熱体を埋設し
てなり、被加熱物を設置するための被加熱物設置面を有
するセラミックスヒーターと、このセラミックスヒータ
ーの背面に設置された冷却体とををする加熱装置に係る
ものである。

（実施例）第１図は、半導体製造用熱ＣＶＤ装置に本実施例の加熱
装置を取り付けた状態を示す断面図、第２図は第１図の
要部拡大断面図である。

第１図において、１５は半導体製造用熱ＣＶＤに使用さ
れる容器、■はその内部のケース１１に取付けられたウ
ェハー加熱用の円盤状のセラミックスヒーターであり、
ウェハー加熱面３の大きさは４〜８インチとしてウェハ
ーＷを設置可能なサイズとしておく。

容器１５の内部にはガス供給孔１３から熱ＣＶＤ用のガ
スが供給され、吸引孔１４から真空ポンプにより内部の
雰囲気が排出される。円盤状セラミックスヒーター１は
、窒化珪素のような緻密でガスタイトなセラミックス基
材２の内部にタングステン系等の抵抗発熱体４をスパイ
ラル状に埋設したもので、その中央および端部のケーブ
ル５を介して外部から電力が供給され、円盤状セラミ、
クスヒーター１を例えば１１００°Ｃ程度に加熱するこ
とができる。６はケース１５の上面を覆う水冷ジャケッ
ト９付きのフランジであり、０リング７により容器１５
の側壁との間がシールされ、容器１５の天井面が構成さ
れている。

円盤状セラミックスヒーター１の側周面の背面側には延
在部２ａがリング状に形成され、一方、ケース１１の下
部内周にはやはりリング状にケース本体から突出した支
持部１１ａが形成されている。

本例においては、セラミックスヒーターＩの直接の固定
手段であるケース１１の内周とセラミックスヒーター１
の側周面との間に所定の間隔を置き、これら両者を接触
させない。そして、例えば計４個の円柱状介在ピン１０
をケース１１内周とセラミ。

クスヒーター１の側周面との間に介在させ、介在ピン１
０の一端を支持部１１ａ上に螺合、接合、嵌合等により
固定し、他端の上に延在部２ａを載置し、これによりセ
ラミックスヒーター１を断熱支持する。こうした介在ピ
ン１０は、緻密な非金属無機材料から形成する。

セラミックスヒーター１の背面１６とカバー１２との間
には空隙１８を設ける。

そして、この空隙１８において所定位置に、熱伝導性の
良好な熱伝導板１７を冷却体として設置した。

具体的には、まず焼成後のセラミックスヒーター１を第
２図に示すように仮組みする。この時点では、熱伝導板
１７を設置せず、抵抗発熱体４に通電してウェハー加熱
面３を発熱させ、放射温度計８にてホットスボ・ンｌ−
Ｈを確認する。そして、ホントスボンドＩ（の存在する
顯域工９を確認し、この頭載１９においてヒーター背面
１６に熱伝導板１７を密着させ、更に熱伝導板１７の他
方の面にカバー１２を密着させる。

本実施例の加熱装置によれば、従来の金属ヒーターの場
合のような汚染や、間接加熱方式の場合のような熱効率
の悪化の問題が解決できる。

そして、ホットスポット領域１９における過剰な熱量を
、熱伝導板１７を通して表面積の大きいカッ＼−１２へ
と矢印Ａのように伝導、拡散させているので、ホントス
ポット領域１９の温度を下げ、周囲の温度に近づけるこ
とができる。それと同時に、カバー１２を伝導されてき
た熱は、矢印Ｂのようにケース１１の内周面へと向って
流れる。従って、これによりケース１１の内周面とヒー
ター側周面との間の温度勾配を小さくし、ウェハー加熱
面３の外周縁部の温度低下を抑える効果がある。

なお、熱伝導板１７の放熱効果が非常に高い理由はスパ
ッタ、熱ＣＶＤ装置内の雰囲気圧力が１０−’ｔｏｒｒ
以下の中、高真空だからである。むろん、１Ｏ−３ｔｏ
ｒｒ以下の高真空では、ガスの流れが粘性流から分子流
に変化するため、熱による対流が行なわれなくなり、熱
伝達率が極度に低下し、放射による熱移動のみとなるた
め、断熱効果は非常に大きいので、間隙１８中を直接カ
バー１２へと向って伝わる熱は極めて小さい。

更に、本実施例では、セラミックスヒーター１の外周面
とケース１１との間を離間し、介在ビン１０でセラミッ
クスヒーター１を支持しているので、ヒーター側周面か
らの伝熱を小さくでき、セラミックスヒーター１の内周
面と外周面との間で均熱化を図ることができる。これに
より、半導体ウェハーＷを均一に加熱できると共に、ヒ
ーターの寿命も長くできる。

冷却体として使用する熱伝導板１７の材質としては、熱
伝導率の高い材料が好ましく、また緻密質の材料が好ま
しい。レンガ質や繊維質の材料を使用すると塵が発生し
易いからである。また、半導体欠陥の原因とならないよ
うな材料を選択する必要もあり、これらのことから、以
下の材料が好ましい。

・アルミニウム又はアルミニウム合金・高密度カーボン（グラファイト）・アルミナ・窒化アルミニウム・窒化珪素・炭化珪素介在ピン１０は、緻密質で低熱伝導率の非金属無機材料
で形成するのが好ましい。仮に介在ピン１０をレンガ質
断熱材又はグラスウール等による断熱材で形成すると、
ヒーターとの接触部分でポーラスなレンガ質断熱材が接
触点でつぶれて粉化し、さらにはレンガ質断熱材やグラ
スウール断熱材のヤング率が低いため、変形が大きく、
ウェハー加熱面のセツティング位置精度を高くすること
ができず、この面龜要求される平滑度を達成することが
できなくなり、均一なデポジションができない。

またデポジション用ガスがポーラスな断熱材に吸着され
るためクリーニングが難しく再生使用ができない。また
繊維質の断熱材を使用すると塵が発生し、半導体欠陥の
原因となる。また、仮に介在ビン１０を金属製とすると
、加熱時に金属の延性、展性により介在ピン１０とヒー
ター１の接触面積が増大し、微視的にみて面接触状態と
しなってしまい、しかも熱伝導率が高く、ヒーター側周
面からの伝導量が大きくなり、断熱固定を良好に行うこ
とができない。更に、金属は腐蝕され易く、しかも装置
内を汚染するおそれも大きい。

介在ビン１０の材質としては、セラミックス、又はガラ
ス、無機結晶体、緻密な非金属無機材料が好ましく、酸
化珪素質ガラス、水晶、部分安定化ジルコニアが更に好
ましく、熱伝導率の低い酸化珪素質ガラスが一層好まし
い。

セラミックスヒーター１の基材２の材質としては、窒化
珪素、サイアロン、窒化アルミニウム等が好ましく、窒
化珪素やサイアロンが耐熱衝撃性の点で更に好ましい。

ウェハー加熱面３は平滑面とすることが好ましく、特に
ウェハー加熱面３にウェハーＷを直接セットする場合に
は、平面度を５００μｍ以下としてウェハーＷの裏面へ
のデポジション用ガスの侵入を防止する必要がある。

抵抗発熱体４としては、高融点でありしかも窒化珪素等
との密着性に優れたタングステン、モリブデン、白金等
を使用することが適当である。

第３図の加熱装置↓こおいては、ヒーター背面１６０適
当な位置、例えばホットスポットＷＩ域Ｓこ、放熱フィ
ン型の冷却体２０を密着設置巳、この冷却体２０から、
局所的に過剰な熱量を放散する。

第４図の加熱装置においては、カバー１２を貫通する貫
通孔１２ａを設け、この貫通孔１２ａにボルト２１を貫
通させ、ボルト２１の先端面をヒーター背面１６に当接
させる。この際、貫通孔１２ａにｅＪｉネジを切り、こ
の雌矛ジとボルト２１とを互いに螺合させることが好ま
しい。そして、ボルト２１を通して過剰の熱量をカバー
１２へと伝える。

第５図、第６図の加熱装置においては、円盤状セラミッ
クスヒーター１の背面１６側に予め所定個数の円形孔２
２を所定位置に形成しておく。そして、このセラミック
スヒーター１を仮組みした状態で、前述したようにウェ
ハー加熱面３のホットスポットを確認し、そのホットス
ポットに最も近い円形孔２２Ａを選定し、その円形孔２
２Ａ中に円柱状熱伝導体２３を挿入又は嵌入して固定す
る。

第３図〜第６図において、放熱フィン型の冷却体２０、
円柱状熱伝導体２３は、いずれもカバーＩ２に当接させ
ることができ、またカバー】２によってヒーター背面側
へと押圧することができる。また、冷却体２０、ボルト
２１、円柱状熱伝導体２３をセラミックスヒーター１へ
と押圧する際の面圧と、これらのヒーター１への当接面
の表面粗さとを変えることで、熱伝導の度合を変えるこ
よができる。上記面圧が大きく、また上記当接面の表面
粗さか小さいほど、この接触面を伝わる熱量は大きくな
るからである。また、冷却体２０、ボルト２１、円柱状
熱伝導体２３を、いずれもセラミンクス基材２へと接合
してしまうことが可能であり、この場合の接合方法とし
ては、接着、ガラス接合、拡散接合、摩擦圧接等を例示
できる。

また、ホントスボンドの平面形状については、例えば第
７図に示すように、抵抗発熱体の埋設パターンに従って
略円弧状となることがある。こうした形状のホントスボ
ンｈＨに対しては、やはり平面形状が略円弧状の熱伝導
板２４を準備し、この略円弧状の熱伝導板２４をホット
スポット領域に合わせて設置すると、ウェハー加熱面の
均熱性を一層高めるうえで好ましい。

本発明の加熱装置において、被加熱物設置面の反対側の
背面に設置される冷却体としては、上記したような熱伝
導性物質からなる各種成形体の他、冷却媒体を封入した
いわゆるヒートバイブ等も使用できる。

上記各側において、ウェハー加熱用セラミックスヒータ
ーの形状は、円形ウェハーを均等に加熱するためには、
円盤状とするのが好ましいが、他の形状、例えば四角盤
状、六角盤状等としてもよい。

本発明の加熱装置は、プラズマエツチング装置、光エツ
チング装置、プラズマＣＶＤ装置等の半導体装置におけ
る加熱装置として使用できる。

以下、更に具体的な例を示す。

まず、円盤状の窒化珪素基材２中にタングステン製の抵
抗発熱体４を埋設した６インチウェハー用円盤状セラミ
ックスヒーター１を準備し、この円盤状セラミックスヒ
ーター１の側周面をアルミニウム製ケース１１によって
直接保持し、半導体ウェハー加熱装置を準備した。ここ
で同じ抵抗発熱体埋設パターンを有する同種の加熱装置
３台を実際に作成し、その各々について放射温度計によ
ってウェハー加熱面の温度を測定したところ以下のよう
な結果を得た。

表１Ａ、　　　　　　　　２．８６８　　　　　　　５．８０Ｃ９，２１（φ１５０面内でのｎ−３０点測定による標準偏差）半
導体ウェハー加熱装置においては、ウェハー加熱面の温
度勾配としては、２×σ、、−０が±１％を要求される
ことがあり、このためヒーターＢ。

Ｃは不良となってしまう。こうした製造上のバラツキの
原因としては、焼成収縮による基材の変形や、抵抗発熱
体の埋設位置のズレが考えられる。

ここで、本発明に従い、第１回に示すように、ホットス
ポット領域１９に沿って熱伝導板１７を密着、設置し、
また円盤状セラミックスヒーター１の側周面とケース１
１の内周面とを離間して介在ピン１０ヲ介在させ、この
介在ピン１０によって円盤状セラミックスヒーター１を
支持した。こうした改良を各ヒーターＡ、Ｂ、Ｃについ
てそれぞれ行い、ウェハー加熱面３の温度を放射温度計
で測定したところ、以下の結果を得た。

表２Ａ　　　　　　　　　１．５１８２．５５（：、　　　　　　　　　２．９０但し冷却体として使用した熱伝導板１７の材質はグラフ
ァイトとし、寸法は以下の通りとした。

表３Ａ　　　　　φ　５４Ｂ　　　　　φ２０４Ｃφ４５４以上によりＢ、Ｃについては２σ、、−Ｉ〈±１％を達
成しＡにおいては３６ｎ−＋＜±１％を達成した。

また表１でのヒーターケース１１の温度はいづれも３２
０″Ｃであったが、表３の処置をすることにより、ヒー
ターケース１１の温度はＡ　：　３２７°（：、Ｂ：３
４５°Ｃ，Ｃ：３６１　°Ｃと各々上昇しており、ヒー
ター外周部の温度低下を防止する働きをしていると思わ
れる。

このように、本発明の実施例によれば、ウェハー加熱面
のホットスポットの温度を下げ、またヒーター側周面の
温度を数置上昇させて、ウェハー加熱面の均熱性を高め
うることが解る。

（発明の効果）本発明の加熱装置によれば、セラミックス基材の内部に
抵抗発熱体を埋設してなり、被加熱物設置面を有するセ
ラミックスヒーターを使用するので、従来の金属ヒータ
ーの場合のような汚染や、間接加熱方式の場合のような
熱効率の悪化の問題を解決できる。

そして、被加熱物設置面の反対側の背面に冷却体を設置
するので、セラミックス基材の焼成収縮による変形や、
抵抗発熱体の埋設位置のズレによって、被加熱物設置面
に局所的に熱勾配が生じても、この過剰な熱量を背面側
の冷却体へと吸収することができる。従って、被加熱物
設置面における局所的な熱勾配を減らし、また消去する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係る加熱装置を熱ＣＶＤ装
置内に設置した状態を示す概略断面図、第２図は第１図
の要部拡大断面図、第３図、第４図、第５図はそれぞれ円盤状セラミックス
ヒーターの背面に各種の冷却体を設置した状態を示す要
部断面図、第６図は、第５図の円盤状セラミックスヒーターを背面
側からみた平面図、第７図は、円盤状セラミックスヒーターに生じた円弧状
ホットスポットと円弧状熱伝導板とを示す概略平面図で
ある。１・・・円盤状セラミックスヒーター２・・・セラミックス基材２ａ・・・リング状の延在部３・・・ウェハー加熱面（被加熱物設置面の実施例）４
・・・抵抗発熱体　　　　６・・・フランジ８・・・放
射温度計　　　　１０・・・介在ピン１１・・・ケース
　　　　　　１２・・・カバー１５・・・容器　　　　
　　　１６・・・ヒーター背面１７・・・熱伝導板（冷
却体の例）１８・・・空隙　　　　　　　１９・・・ホットスポッ
ト領域２０・・・放熱フィン型の冷却体２１・・・ボルト（冷却体の例）２２・・・円形孔２２Ａ・・・ホットスポットに最も近い円形孔２３・・
・円柱状熱伝導体（冷却体の例）２４・・・平面形状が
略円弧状の熱伝導板（冷却体の例）Ｈ・・・ホントスボ
ンド

Claims

【特許請求の範囲】１、セラミックス基材の内部に抵抗発熱体を埋設してな
り、被加熱物を設置するための被加熱物設置面を有する
セラミックスヒーターと、このセラミックスヒーターの
背面に設置された冷却体とを有する加熱装置。２、前記被加熱物が半導体ウェハーである、請求項１記
載の加熱装置。