JPH04299832A - 半導体ウエハー加熱装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマＣＶＤ　、減
圧ＣＶＤ　、プラズマエッチング、光エッチング装置等
に使用される半導体ウエハー加熱装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】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、エッチング用
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、ウエハ
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、弗化物等の粒径数μｍ　の、好ましくない
パーティクルが発生する。

【０００３】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
れたウエハーを加熱する、間接加熱方式のウエハー加熱
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】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、本発明者がなお検討を進めると、以下の問題が未
だ残されていることが解った。

【０００５】即ち、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製やアルミニウム製のケースで保持
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
じた。従って、半導体ウエハーを加熱した場合、ウエハ
ーの周縁部で相対的に温度が低下するため、例えば熱Ｃ
ＶＤ　法によって膜を堆積させる場合に、ウエハーの中
心部と周縁部とで膜の成長速度に差が生じ、半導体の不
良の原因となる。

【０００６】更に、セラミックスヒーター用の緻密質セ
ラミックス基材として窒化珪素を用いた場合、１００　
℃を越える温度で　ＣｌＦ３　，　ＮＦ３　等でクリー
ニングすると、この窒化珪素基材の表面がクリーニング
ガスにより腐食されることが解った。これを避けるため
には、半導体ウエハーに膜を形成した後、一旦　１００
℃以下まで温度を下げてクリーニングする必要があった
。

【０００７】本発明の課題は、半導体ウエハーの汚染や
熱効率の悪化といった問題を生じず、しかも半導体ウエ
ハーの加熱温度を均一化して半導体ウエハーの歩留りを
向上させることができるような、半導体ウエハー加熱装
置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、緻密質セラミ
ックスからなる盤状基体の内部に抵抗発熱体を埋設して
なる盤状セラミックスヒーターと、この盤状セラミック
スヒーターの発熱面に当接するように固定された耐食性
無機材料製のウエハー設置板とを有し、前記盤状セラミ
ックスヒーターの前記発熱面と前記ウエハー設置板との
間に間隙部が形成され、かつこのウエハー設置板の表面
に半導体ウエハーを設置するように構成した、半導体ウ
エハー加熱装置に係るものである。「耐食性無機材料」
としては、グラファイト、アルミニウム、ニッケル、石
英ガラス、炭化珪素、アルミナ等が好ましい。

【０００９】

【実施例】図１は、半導体製造用熱ＣＶＤ装置のフラン
ジ部に本実施例の加熱装置を取り付けた状態を示す断面
図である。図示しない半導体製造用熱ＣＶＤ装置の容器
に、フランジ部１９が取り付けられ、このフランジ部１
９が容器の天井面を構成している。フランジ部１９と、
図示しない容器との間は、Ｏリング１７によって気密に
シールされている。フランジ部１９の上側に、取り外し
可能な天板２０が取り付けられ、この天板２０が、フラ
ンジ部１９の円形貫通孔１９ａ　を覆っている。フラン
ジ部１９に水冷ジャケット１８が取り付けられる。

【００１０】フランジ部１９の下側面には、グラファイ
トからなるリング状のケース保持具１４が、断熱リング
１６を介して固定されている。ケース保持具１４とフラ
ンジ部１９とは直接には接触しておらず、若干の間隙が
設けられている。ケース保持具１４の下側面には、グラ
ファイトからなる略リング状のケース１１が、断熱リン
グ１３を介して固定されている。ケース１１とケース保
持具１４とは直接には接触しておらず、若干の隙間が設
けられている。緻密質セラミックスからなる円盤状基体
３の内部に、抵抗発熱体４を螺旋状に埋設し、円盤状セ
ラミックスヒーター５Ａを構成する。抵抗発熱体４の両
端部にはそれぞれ塊状端子６を接続する。この塊状端子
６は、セラミックス基体３の背面側に、その表面が露出
するように、セラミックス基体３に埋め込まれている。 一対の塊状端子６には、それぞれ棒状の電極部材７が連
結され、電極部材７の一端がリード線８に接続されてい
る。

【００１１】ステンレスシース付きの熱電対１０が、モ
リブデン等からなる中空シース９内に挿入され、中空シ
ース９の細い先端がセラミックス基体３の背面側に接合
されている。一対の電極部材７及び中空シース９は、そ
れぞれ天板２０を貫通して容器外に端部を突き出した状
態となっている。また、一対の電極部材７及び中空シー
ス９と天板２０との間は、Ｏリングで気密にシールされ
る。

【００１２】円盤状セラミックスヒーター５Ａの側周面
の背面側には延在部５ｃ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。円盤状
セラミックスヒーター５Ａとケース１１との間には所定
の間隔を置き、これら両者を接触させない。そして、図
１及び図２に示すように、例えば計４個の円柱状介在ピ
ン２５をケース１１内周とセラミックスヒーター５Ａの
側周面との間に介在させ、介在ピン２５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５ｃを載置し、これによりセラミックスヒー
ター５Ａを断熱固定する。

【００１３】円盤状セラミンクスヒーター５Ａの発熱面
５ｂには、図３に示すように、凹部５ａが形成されてい
る。この凹部５ａは、現在の６インチ半導体ウエハーの
平面形状をほぼ模して形成されており、円弧状の輪郭２
２と、直線状の輪郭２１とを有する。

【００１４】ケース１１の下側面及び円盤状セラミック
スヒーター５Ａの発熱面に、平面円形の耐食性無機材料
製ウエハー設置板２Ａを接合し、固定する。このウエハ
ー設置板２Ａのウエハー設置面２ｃ側にも凹部２ａを設
ける。この凹部２ａの形状は、前記した凹部５ａの形状
と同じとする。また、発熱面５ｂに対して垂直方向Ａの
投影図で見たとき、凹部５ａと凹部２ａとがほぼ同じ領
域を占めるように、各部材を配置する。ウエハー設置面
２ｃに半導体ウエハー１を設置する。半導体ウエハー１
の外径は、図１の例においては、発熱面５ｂの外径とほ
ぼ同じとする。この加熱装置が面する容器内雰囲気は、
通常は高真空であり、熱ＣＶＤ　用のガスが容器内に供
給されると、容器内圧力が上昇する。

【００１５】円盤状基体３の材質は、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。 さらに、基体３は、ホットプレスまたはＨＩＰ法により
焼成することが緻密体を得る上で有効である。

【００１６】また、半導体製造装置においては、アルカ
リ金属、アルカリ土類金属の侵入を防ぐ必要があり、基
体３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、イットリア、アルミ
ナ、イッテルビウム系が好ましい。

【００１７】抵抗発熱体４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。介在ピン２５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。

【００１８】本実施例の加熱装置によれば、以下の効果
を奏しうる。緻密質セラミックスからなる円盤状基体３
の内部に抵抗発熱体４を埋設するので、半導体装置内を
汚染する等のおそれがない。また、円盤状基体３に発熱
面５ｂを設けるので、間接加熱方式の場合のような熱効
率の悪化は生じない。

【００１９】抵抗発熱体４を埋設した円盤状基体３を真
空中または希薄気体中で使用するとき、円盤状基体３の
表面、裏面、及び側面からの熱放射、熱伝達、または基
体３を支持するためのケース１１への熱伝導によって熱
が放散する。このうち、側面からの熱の放散は、円盤状
基体３の中心から側面に向かって温度が下がる原因とな
り、半導体ウエハー１の均熱化を妨げる。

【００２０】これに対し、本実施例では、凹部５ａによ
って発熱面５ｂとウエハー設置板２Ａとの間に間隙部２
３が設けられ、凹部２ａによってウエハー設置面２ｃと
半導体ウエハー１との間に間隙部２４が設けられる。円
盤状基体３とウエハー設置板２Ａとの接触部分αにおい
ては、両者が良く密着しているため、界面における熱接
触抵抗が非常に小さい状態になっている。これと同様に
、ウエハー設置板２Ａと半導体ウエハー１との接触部分
βにおいても、両者がほぼ密着状態にある。

【００２１】従って、ウエハー設置板２Ａと円盤状基体
３との接触部分αでは、セラミックスヒーターから発生
する熱エネルギーは、熱伝導と熱輻射とにより輸送され
る。ウエハー設置板２Ａと半導体ウエハー１との接触部
分βにおいても同様である。これに対し、間隙部２３に
おいては、単に熱輻射により熱エネルギーが移動する。 間隙部２４においても、これと同様にして熱が移動する
。

【００２２】そして、間隙部２３，　２４が、それぞれ
円盤状基体３、ウエハー設置板２Ａの中心部側に設けら
れているので、全体として、半導体ウエハー１の側周部
への供給熱量を相対的に増加させることができる。これ
により、円盤状基体３及びウエハー設置板２Ａの側周部
からの熱の放散を相殺し、半導体ウエハー１の温度を全
体として均一化することができる。

【００２３】また、円盤状基体３が、グラファイトから
なるケース１１及び耐食性無機材料製のウエハー設置板
２Ａによって保護されており、腐食性のエッチングガス
が直接には円盤状基体３に当たらない。従って、円盤状
基体３を構成する緻密質セラミックスの腐食を効果的に
防止できる。また、例えば　１５０〜２００　℃の比較
的高温でクリーニングを行うことも可能となる。

【００２４】次に、凹部２ａ，　５ａの好ましい寸法に
ついて述べる。まず、圧力が低い場合について述べる。 凹部２ａ，　５ａの深さｄは、気体分子の平均自由工程
以下とすることが好ましい。ここで、平均自由工程とは
、気体分子が他の気体分子に衝突せずに飛行できる平均
距離をいう。

【００２５】この場合、凹部２ａ，　５ａの深さｄは、
一般に気体分子の平均自由工程λよりも小さいので、間
隙２３，　２４においては、熱エネルギーの流れは、温
度勾配には比例せず、高温面と低温面との温度差のみに
比例し、高温面と低温面との間隔ｄに依存しない。また
、熱エネルギーの流れは、間隙２３，　２４の圧力に比
例する。中、高真空下における気体の平均自由工程λは
、以下の式で表される。 λ＝５×１０−３／ｐ　　　　　　　　　　　　ｐ（Ｔ
ｏｒｒ）従って、λは、１０−３Ｔｏｒｒで約５ｃｍ、
１０−４Ｔｏｒｒでは約５０ｃｍとなる。実際には、メ
タルＣＶＤ装置等においては、１０−４Ｔｏｒｒ程度の
圧力下で半導体ウエハーを加熱するため、この場合は、
ｄを５０ｃｍ以下にすればよい。

【００２６】また、メタルＣＶＤ装置等において、半導
体ウエハーに膜を形成する際の圧力は、数Ｔｏｒｒ〜数
十Ｔｏｒｒであり、前述した圧力が低い場合と異なり、
比較的圧力が高い。こうした低真空状態では、間隙２３
，　２４においては、熱エネルギーの伝達量は、高温面
と低温面との間の温度勾配　（Ｔ１−Ｔ２）　／ｄに比
例し　（Ｔ１−Ｔ２は、高温面と低温面との間の温度差
）、従って凹部２ａ，　５ａの深さｄに依存する。従っ
て、必要な熱処理温度に応じてｄを決定する必要がある
。本発明者の検討によれば、室温から　６００℃の温度
範囲では、ｄを　０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度とすると最適
であった。

【００２７】次に、図３、図４を参照しつつ、凹部５ａ
の好ましい径Ｂについて述べる。まず、本実施例では、
円盤状基体３において、一定面積当り埋設された抵抗発
熱体４の発熱量がほぼ一定となるようにする。この条件
下では、熱伝導の原理から、図４に示すように、発熱面
５ｂの各位置の温度は、発熱面５ｂの中心Ｏからの距離
の二乗に比例していた。発熱面５ｂの面積は、その半径
をｒとするとπｒ２　なので、温度の面積平均は面積が
πｒ２　／２　となる円周上の温度、即ち中心Ｏからの
距離が１／√２・ｒである位置の温度　Ｔ０　である。 更に、中心Ｏの温度をＴ１、発熱面５ｂの円周上での温
度をＴ２とすると、Ｔ０はＴ１とＴ２との中央値となっ
ている。

【００２８】そして、凹部５ａの円弧状輪郭２２の半径
Ｂは、１／√２・ｒと等しくするか、又は１／√２・ｒ
よりも大きくすることが好ましい。凹部２ａの寸法につ
いても同様である。凹部５ａ，　２ａの円弧状輪郭の半
径Ｂを１／√２・ｒとし、凹部５ａ，　２ａの深さｄを
２ｍｍとし、図１〜図４に示す半導体ウエハー加熱装置
を作製した。６インチウエハー１を図１に示すように設
置し、制御温度　４５０℃で加熱した。熱画像装置で３
０点の温度分布を測定したところ、　４５０±３．１　
℃の温度分布を得た。

【００２９】なお、発熱面５ｂからの発熱に際し、いわ
ゆる二ゾーン加熱を適用することもできる。例えば、図
３において、中心Ｏから半径Ｂの円周内においては、単
位面積当りの発熱量を相対的に小さくし、この円周外に
おいては、単位面積当りの発熱量を相対的に大きくする
ことができる。これにより、仮に円盤状基体３の側面方
向への熱放散量が大きくとも、これによる熱損失を補填
し、均熱性の悪化を防止することができる。

【００３０】発熱面５ｂにおいて、単位面積当りの発熱
量を大きくするためには、抵抗発熱体の巻き数を多くし
たり、渦巻状の発熱体の埋設ピッチを小さくしたり、高
抵抗の材質を使用して比抵抗を上げたり、断面積を小さ
くして比抵抗を上げたり、当該部分のみ印加電圧を大き
くする等の方法がある。

【００３１】この場合には、発熱面５ｂから全発熱量が
、図４に示したような場合とくらべて上昇し、また、平
均温度Ｔ０も上昇する。この場合は、発熱面５ｂにおけ
る各点の温度を積分し、発熱面５ｂの面積πｒ２　でこ
の積分値を除して発熱面５ｂの平均温度Ｔ０を算出する
。そして、図３に示す凹部５ａの円弧状輪郭２２が、発
熱面５ｂにおいて、温度がＴ０である位置よりも外側に
位置するようにする。

【００３２】図５、図６は、それぞれ本発明の他の実施
例に係る加熱装置を示す断面図である。ただし、図５、
図６においては、フランジ等も図示省略してある。図５
においては、円盤状セラミックスヒーター５Ｂの円盤状
基体３に凹部５ａを設けず、発熱面５ｂを平坦面とする
。この一方、ウエハー設置板２Ｂのウエハー設置面２ｃ
側に凹部２ａを設けるだけでなく、これと反対側の面に
も凹部２ｂを設ける。そして、凹部２ｂによって間隙部
２３Ａ　を形成し、凹部２ａによって間隙部２４を形成
する。間隙部２３Ａ，　２４　の形状は、図１に示した
間隙部２３，　２４と同様とする。本実施例においても
、前記の実施例と同様の効果を奏しうる。 しかも、緻密質セラミックスからなる円盤状基体３の表
面を加工して凹部を設ける必要がないので相対的に加工
が容易である。

【００３３】図６に示す例においては、ウエハー設置板
２Ｃに凹部２ａを設けず、ウエハー設置面２ｃを平坦に
した。 従って、半導体ウエハー１の温度の調整は、空隙部２３
Ａ　によって行う。

【００３４】図１に示すような、抵抗発熱体を埋設した
セラミックスヒーターにおいて、局所的に周囲よりも温
度の高い領域（ホットスポット）や、局所的に周囲より
も温度の低い領域が生ずることがある。即ち、図７に示
すように、半導体ウエハー１を設置して加熱し、半導体
ウエハー１の表面の温度を測定すると、周囲よりも温度
の高い領域Ｈが発生することがある。この場合には、こ
の領域Ｈとほぼ同形状の無機質板２６を数枚挿入して熱
絶縁を行う。無機質板２６としては、厚さ０．１ｍｍ　
程度の、タングステン、モリブデン等からなる板を使用
することが好ましい。

【００３５】また、局所的に温度の低い領域Ｃが発生し
た場合には、グラファイト等の耐食性無機材料からなる
盤状体２７を、間隙２３に固定し、盤状体２７を円盤状
基体３及びウエハー設置板２Ａに密着させる。これによ
り、領域Ｃの周辺への熱伝達量が増大するので、均熱性
が向上する。

【００３６】また、周囲よりも温度の低い領域が広範囲
に亘る場合には、円盤状基体３に貫通孔２８を形成し、
この貫通孔２８にパイプ２９を通す。そしてパイプ２９
を通して不活性ガスを間隙２３に導入し、間隙２３にお
いて熱による対流を促進し、半導体ウエハー１において
均熱化を図る。

【００３７】なお、上記の各例においては、半導体ウエ
ハー１の外径を、発熱面５ｂの外径とほぼ同じにしたが
、半導体ウエハー１の外径の方を小さくしてもよい。ま
た、半導体ウエハー１に膜を形成した後に、半導体ウエ
ハー１の側周縁部を除去して捨てる場合には、この除去
すべき部分は温度が低下していても差し支えない。従っ
て、この場合は、半導体ウエハー１の外径の方が、発熱
面５ｂの外径より大きくなってもよい。本発明は、プラ
ズマエッチング装置、光エッチング装置等における半導
体ウエハー加熱装置に対しても適用可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、緻密質セラミックスか
らなる盤状基体の内部に抵抗発熱体を埋設するので、半
導体装置内を汚染する等のおそれがない。また、盤状基
体に発熱面を設けるので、間接加熱方式の場合のような
熱効率の悪化は生じない。

【００３９】また、耐食性無機材料製のウエハー設置板
を、盤状セラミックスヒーターの発熱面に当接させるの
で、エッチングガス等の腐食性ガスが直接には発熱面に
当たらない。従って、発熱面の腐食を効果的に防止でき
る。

【００４０】更に、盤状セラミックスヒーターの発熱面
とウエハー設置板との間に間隙部を形成しており、この
間隙部においては、熱輻射と、気体分子による伝熱によ
って熱が移動する。このため、間隙部における熱移動量
は、接触部分における熱移動量よりも小さい。これによ
り、盤状基体やウエハー設置板の側周部からの熱の放散
を相殺し，半導体ウエハーの温度を全体として均一化す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る半導体ウエハー加熱装置
をフランジに取り付けた状態を示す断面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。

【図３】円盤状セラミックスヒーターを発熱面側から見
た平面図である。

【図４】発熱面温度と、発熱面の中心からの距離との関
係の一例を示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施例に係る半導体ウエハー加熱
装置を示す断面図である。

【図６】本発明の更に他の実施例に係る半導体ウエハー
加熱装置を示す断面図である。

【図７】本発明の更に他の実施例に係る半導体ウエハー
加熱装置を示す要部断面図である。

【符号の説明】

１　　半導体ウエハー ２Ａ，　２Ｂ，　２Ｃ　　ウエハー設置板２ａ，　２ｂ
　　凹部 ２ｃ　　ウエハー設置面 ３　　円盤状基体 ４　　抵抗発熱体 ５Ａ，　５Ｂ　　円盤状セラミックスヒーター５ａ　　
凹部 ５ｂ　　発熱面 ２３，　２３Ａ，　２４　　　間隙部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　緻密質セラミックスからなる盤状基体
   の内部に抵抗発熱体を埋設してなる盤状セラミックスヒ
   ーターと、この盤状セラミックスヒーターの発熱面に当
   接するように固定された耐食性無機材料製のウエハー設
   置板とを有し、前記盤状セラミックスヒーターの前記発
   熱面と前記ウエハー設置板との間に間隙部が形成され、
   かつこのウエハー設置板の表面に半導体ウエハーを設置
   するように構成した、半導体ウエハー加熱装置。
2. 【請求項２】　　前記ウエハー設置板と前記半導体ウエ
   ハーの裏面との間に間隙部が形成されるように構成した
   、請求項１記載の半導体ウエハー加熱装置。