JPH04181725A - 半導体ウエハー加熱用セラミックスヒーター - Google Patents

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、プラズマＣＶＤ、ｆｉ圧ＣＶＤ、プラズマエ
ツチング、光エツチング装置等に使用される半導体ウェ
ハー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、デポジション用ガス、エツチング用ガス、クリーニ
ング用ガスとして塩素系ガス、弗素系ガス等の腐食性ガ
スが使用されている。このため、ウェハーをこれらの腐
食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、これらのガスの曝露によって、塩化物、酸化物、弗
化物等の粗系数μ−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曝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食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。

しかし、特に、半導体製造装置では、例えば最高１１０
０℃までの高温で半導体ウェハーを加熱する。

そして、円盤状基体の側面からの輻射は、絶対温度にの
４乗に比例するため非常に大きく、ウェハー加熱面の内
周と外周部とで温度勾配が生じ易い。

しかも、半導体ウェハーに例えばＣＶＤ法による膜堆積
を行なう場合など、気相熱化学反応によって膜堆積を行
なうので、ウェハー加熱面を均熱化できないとヒーター
として使用できなくなる。

この一方、ウェハー加熱面と反対側の背面側からケース
への熱の逃げが比較的大きく、ヒーターの熱効率に悪影
響を与えるという問題もある。

セラミックス基盤はフランジに固定されているため、セ
ラミックス基盤の外周部ではフランジへの伝熱により熱
損が生じ、中心部に較べて温度が低く、熱衝撃により破
壊することがあった。また、端子埋設部は円形の穴が生
しているため、キリカギ効果により集中的に破壊するこ
とがあった。

本発明の課題は、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等の問題を生
じず、しかもウェハー加熱面の均熱性を良好にできるよ
うな半導体ウェハー加熱用セラミックスヒーターを提供
することである。

本発明は、セラミックス基盤の内部に抵抗発熱体を埋設
してなり、このセラミックス基盤の一方の側にウェハー
加熱面が設けられ、前記抵抗発熱体に電気的に接続され
る端子がウェハー加熱面以外に埋設されている半導体ウ
ェハー加熱用セラミックスヒーターであって、 前記ウェハー加熱面側のセラミックス基材の熱伝導率が
、背面側のセラミックス基材の熱伝導率よりも大きい半
導体ウェハー加熱用セラミックスヒーターに係るもので
ある。

（実施例） 最初に本発明の半導体ウェハー加熱用セラミックスヒー
ターの使用状態の一例について説明して　。

おく。

第２図において、１９は半導体製造用熱ＣＶＤに使用さ
れる容器、１はその内部のケース１４に取付けられた半
導体ウェハー加熱用セラミックスヒーターであり、その
大きさは例えば４〜８インチとしてウェハーを設置可能
なサイズとしておく。

容器１９の内部にはガス供給孔１７から熱ＣＶＤ用のガ
スが供給され、吸引孔１８から真空ポンプにより内部の
ガスが排出される。セラミックスヒーター１の中央及び
端部にはケーブル８を介して外部から電力が供給され、
このセラミックスヒーターｌを例えば１１００″Ｃ程度
に加熱することができる。

１５はケース１４の上面を覆う水冷ジャケット２０付の
フランジであり、０リング１６により容器１９の側壁と
の間がシールされ、容器１９の天井面を構成している。

また、セラミックスヒーター１の背面４側に、中空シー
ス１０が取り付けられ、この中空シース１０の内側空間
に熱電対１３が収容、固定されている。

第１図は、第２図において半導体ウェハー加熱用セラミ
ックスヒーター１付近を拡大して示す断面図である。

このセラミックスヒーター１は、緻密質セラミックスか
らなる円盤基体内部に、タングステン系等の抵抗発熱体
５を渦巻状に埋設したものである。

そして、抵抗発熱体５の埋設箇所を境として、ウェハー
加熱面３側のセラミックス基材２Ａの材質と、背面４側
の基材２Ｂの材質とを変える。基材２Ｂには、中空シー
ス１０の先端部分を接合層９を介して接合すると共に、
円盤状セラミックスヒーター１の中央部及び端部におい
て、例えば直方体状の塊状端子６を埋設する。この塊状
端子６は、図示しない耐熱金属線を介して、抵抗発熱体
５へと電気的に接続されている。電力供給用のケーブル
８の端部には、例えばタングステン、モリブデン等の高
融点金属からなる電極棒７が接続され、この電極棒７が
塊状端子６に対して結合又は接合されている。

そして、セラミックス基材２Ａの熱伝導率をセラミック
ス基材２Ｂの熱伝導率よりも大きくした。

こうした半導体ウェハー加熱用セラミックスヒーター１
によれば、緻密質セラミックス基材２＾。

２Ｂの内部に抵抗発熱体５を埋設しであるので、半導体
製造装置内部の汚染や、間接加熱方式の場合における熱
効率の悪化の問題を解決できる。

しかも、抵抗発熱体５の埋設位置でセラミックス基材の
材質を変えたことが重要である。即ち、ウェハー加熱面
３例のセラミックス基材２Ａの熱伝導率を基材２Ｂのそ
れよりも高くしたことにより、セラミックスヒーターの
径方向への熱伝導性が良くなり、温度が低下する傾向の
あるウェハー加熱面の周縁部へと向って熱を伝え易いの
で、ウェハー加熱面の温度勾配を小さくすることができ
る。

そして、これと同時に、背面側のセラミックス基材２Ｂ
の熱伝導率を相対的に小さくしたことにより、背面４側
への熱伝導による熱損失を小さくし、供給電力に対する
熱効率をその分向上させることができる。

第１図において、セラミックスヒーターｌを作製するに
は、セラミックス材料へと抵抗発熱体５を埋設した状態
でホットプレス（）ＩＰ）法で焼結する。

従って、第１図において厚み方向へと加圧するため、Ｈ
Ｐにおいて、径方向と厚み方向とでは粒成長の度合が異
なるので、セラミックス基材２Ａ、　２Ｂにおいて、径
方向と厚み方向とでは物理的性質に異方性がある０例え
ば、セラミックス基材２Ａが、イツトリア及びイッテル
ビウムを焼結助剤として含有する窒化珪素である場合、
例えば径方向の熱伝導率を４１Ｗ／１Ｋ、厚み方向の熱
伝導率を３５−／ｍｌ（、とできる。このように、セラ
ミックス基材２Ａの径方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝
導率よりも　大きくすることにより、ウェハー加熱面３
の温度分布は一層良くなる。更にまた、ウェハー加熱面
３をクリーニングする際には、真空雰囲気中にクリーニ
ングガスを導入することからヒーター周辺の圧力変化が
大きく　（例えば１０−’Ｔｏｒｒから５０Ｔｏｒｒ）
　、従ってクリーニングガスの流入によりヒーターから
熱が急激に奪われる。この際、上記のようにセラミック
ス基材２Ａの径方向の熱伝導率を良好にすることにより
、径方向へと速やかに伝熱することができるので、ヒー
ター温度の降下から回復までの応答時間を短くできる。

セラミックス基材は、デポジション用ガスの吸着を防止
するために緻密体である必要があり、吸水率が０．０１
％以下の材質が好ましい。また機械的応力は加わらない
ものの、常温から１１００℃までの加熱と冷却に耐える
ことのできる耐熱衝撃性が求められる。これらの点から
高温における強度の高いセラミックスである窒化珪素焼
結体、サイアロン等を用いることが好ましい。

また、半導体製造装置においてはアルカリ土類金属の侵
入を防ぐ必要があり、セラミックス基材の焼結助剤とし
てはマグネシウム等のアルカリ土類金属は使用しないこ
とが好ましく、イツトリア、アルミナ、イッテルビウム
系が好ましい。

セラミックス基材内部に埋設される抵抗発熱体５は、容
器内の腐食性雰囲気に曝されないように、セラミックス
基材中に気密に埋設されている必要がある。更に、抵抗
発熱体５の材質としては、高融点であり、しかも窒化珪
素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。抵抗発熱体としては、
線材、薄いシート状等の形態のものが用いられる。

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にウェハーを直接セットする場合には
、平面度を５００μ−以下としてウェハーの裏面へのデ
ポジション用ガスの侵入を防止する必要がある。

なお、膜状の抵抗発熱体を印刷によって形成すると、プ
レス成形し易く、プレス成形時に膜状の抵抗発熱体が歪
みにくい。従って、製品毎に同一のパターンを成形によ
るバラツキ無しに形成でき、温度分布の差を少なくでき
る。また、印刷によりパターンを形成するので、蝮旋状
の発熱体にくらべて一層緻密なパターンを形成すること
が可能である。更に、セラミックス基材の外周付近にも
膜状の抵抗発熱体を形成しても、セラミックス基材に無
理な応力がかからないので、クラックが生しにくい。

更に、セラミックス基材２Ａ、　２Ｂとして窒化珪素を
用いる場合、セラミックス基材２Ａの方に高熱伝導性の
窒化珪素を使用すると好ましい。具体的には、本出願人
が特願平２−１１７８０号明細書に記載したように、セ
ラミックス基材２Ａの方に、アルミニウム量がＡｆｈ（
：ｈに換算して０．３重量％以下である窒化珪素を用い
ることが好ましい。これは、窒化珪素焼結体中のＡｆｌ
成分が多いと、窒化珪素粒子内にアルミニウムが固溶し
、低熱伝導のサイアロンを生成するため、熱伝導特性を
低下させるためである。そのため、窒化珪素焼結体中の
アルミニウム量をＡＱｚ（ｈに換算して０．３重量％以
下とすると、このような熱伝導特性の低下を防止できる
ため好ましい。この一方、セラミックス基材２Ｂにおい
では、アルミニウム量がＡＱｚＯｓに換算して焼結性を
損なうことなく５〜２０重量％以下である窒化珪素を用
いると、背面４側からの熱放散を抑制し易い。その上、
窒化珪素焼結体中のアルミニウム量が増加すると、その
強度も増大するので、塊状端子６とセラミックス基材２
Ｂの熱膨張差により生ずる熱応力に充分耐えうる。

この場合において、セラミックス基材２Ａを構成する窒
化珪素の熱伝導率は０．１５ｃａｌ　／　ｃｉｎ−ｓｅ
ｃ　・”Ｃ以上であることが好ましい。こうした窒化珪
素を製造するためには、アルミニウム量がＡＱｚ（ｈに
換算して０．３重量％以下の窒化珪素原料を粉砕、混合
、成形し、焼成することが好ましく、この粉砕、混合の
際、窒化珪素製玉石を使用すると更に好ましい。

さらにまた、窒化珪素には、α、β型の２種類があるが
、α型はβ型に較べ低熱伝導であるため、β化率が高い
ほど高熱伝導となり、そのため窒化珪素がβ−５ｉＪ４
であると好ましい。また、焼結助剤は、Ｙ２Ｏ３，Ｙｂ
ｚＯ：＋、　Ｓ＋Ｃ，Ｚｒ０ｚが好ましい。

なお、第１図において、セラミックス基材２Ａに耐蝕性
に優れた素地を用いれば、ウェハー加熱面３にクリーニ
ングガス（Ｃｆｆｉｈ、　ＮＦ３）が当ってもこれが腐
食され難いので、ヒーター寿命を延ばすことができる。

また、上記のような二層構造の他、セラミックスヒータ
ーの基剤を三層以上の多層に分割することができ、更に
は明確な境界を設けずに、熱伝導率、熱膨張率をヒータ
ー厚み方向へと向って傾斜的に徐々に変化させた傾斜構
造を採用することもできる。

（発明の効果） 本発明に係る半導体ウェハー加熱用セラミックスヒータ
ーによれば、セラミックス基盤の内部に抵抗発熱体を埋
設しであるので、半導体製造装置内の汚染や、間接加熱
方式の場合における熱効率の悪化の問題を解決できる。

そして、ウェハー加熱面側のセラミックス基材の熱伝導
率を、背面側のセラミックス基材の熱伝導率よりも大き
くしたので、温度が低下する傾向のあるウェハー加熱面
の周縁部へと向って相対的に伝熱し易い。従って、ウェ
ハー加熱面の温度勾配を小さくすることができる。と同
時に、背面側のセラミックス基材の熱伝導率を相対的に
小さくしたことにより、背面側への熱伝導による熱損失
を小さくでき、ヒーターの熱効率をその分向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る半導体ウェハー加熱
用セラミックスヒーターを示す断面図、第２図は、第１
図のヒーターを半導体製造装置に取り付けた状態を示す
概略断面図である。 ｌ・・・半導体ウェハー加熱用セラミックスヒーター２
Ａ・・・ウェハー加熱面側のセラミックス基材２Ｂ・・
・背面側のセラミックス基材 ３・・・ウェハー加熱面 ４・・・背面 ５・・・抵抗発熱体 ６・・・高融点金属からなる塊状端子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックス基盤の内部に抵抗発熱体を埋設してな
   り、このセラミックス基盤の一方の側にウェハー加熱面
   が設けられ、前記抵抗発熱体に電気的に接続される端子
   がウェハー加熱面以外に埋設されている半導体ウェハー
   加熱用セラミックスヒーターであって、 前記ウェハー加熱面側のセラミックス基材 の熱伝導率が、背面側のセラミックス基材の熱伝導率よ
   りも大きい半導体ウェハー加熱用セラミックスヒーター
   。