JPH0487178A - 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】 （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、腐食性ガス、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
粒径数μｍの、好ましくないパーティクルが発生する。

そこで第８図（ａ）に示されるように、デポジション用
ガス等に曝露される容器１の外側に赤外線ランプ５１を
設置し、容器外壁に赤外線透過窓５２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７０に赤外
線を放射し、被加熱体７０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５２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５２で熱吸
収が生じて窓が加熱すること等の問題があった。

また被加熱体７０がポーラスなグラファイトからなる場
合、第８図（ｂ）に示すように、ケース１との固定嵌合
部で、嵌合面圧によってグラファイトが７１で示すよう
に粉化して実質的な接触面積が嵌合面積と等しくなり、
被加熱体７０の嵌合部から熱伝導によって放熱が生じる
。

さらに被加熱体７０を緻密質なＳｉＣとしても、ケース
１が展性、延性を有する金属であるため、やはり実質的
接触面が嵌合部の面積と等しくなる。

このため均熱性を良好にすることができない問題があっ
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、均熱性が損われるという問題が生じた。そして
、例えばＣＶＤ法による膜堆積などでは、温度の不均一
が生ずると非常に不利益である。

（発明が解決しようとする課Ｈ） 本発明の課題は、セラミックスヒーター等の盤状のウェ
ハー加熱用セラミックス部材の内周部と外周部との温度
差を小さくし、均熱化を達成できるような、半導体ウェ
ハー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、ウェハー加熱面を有する盤状のウェハー加熱
用セラミックス部材と；このセラミックス部材と所定間
隔を置いて設けられたセラミックス部材固定手段と；緻
密な非金属無機材料からなり、前記ウェハー加熱面以外
の面と前記セラミ・ンクス部材固定手段との間に介在し
て前記セラミックス部材を断熱固定する介在物とを有す
る半導体ウェハー加熱装置に係るものである。

「ウェハー加熱面以外の面」には、例えば、ヒーターの
背面や側周面が該当する。

（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
■−■線断面図である。第２図では、理解を容易にする
ため、熱電対部分を図示省略しである。

第１図において、１は半導体製造用熱ＣＶＤに使用され
る容器、６はその内部のケース３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２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ｌの内部にはガス供給孔４から熱ＣＶＤ用のガスが
供給され、吸引孔５から真空ポンプにより内部の空気が
排出される。円盤状セラミックスヒーター６は、シリコ
ンナイトライドのような緻密でガスタイトな無機質基材
の内部にタングステン基等の抵抗体７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８を介
して外部から電力が供給され、円盤状セラミックスヒー
ター６を例えば１１００°Ｃ程度に加熱することができ
る。９はケース３の上面を覆う水冷ジャケソ目０付きの
フランジであり、０リング１１により容器１の側壁との
間がシールされ、容器１の天井面が構成されている６１
２はこのような容器１のフランジ９の壁面を貫通して容
器１の内部へと挿入された中空シースであり、セラミッ
クスヒーター６に接合されている。中空シース１２の内
部に、ステンレスシース付きの熱電対１４が挿入されて
いる。中空シース１２と容器１のフランジ９との間には
０リング１５を設け、大気の侵入を防止している。

円盤状セラミックスヒーター６の側周面の背面側には延
在部６１がリング状に形成され、一方、ケース３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３ａ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６の直接の固定手段であるケース３の内周と
セラミックスヒータ−６０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、計４個の円
柱状介在ビン２０をケース３内周とセラミックスヒータ
−６０側周面との間に介在させ、介在ビン２０の一端を
支持部３ａ上に螺合、接合、嵌合等により固定し、他端
の上に延在部６１を載置し、これによりセラミックスヒ
ーター６を断熱固定する。また、やはりセラミックスヒ
ーター６の固定手段であるフランジ９にも計４個のネジ
穴を設け、これらのネジ穴のそれぞれに円柱状の介在ビ
ン２１を螺合等により固定する。そして、フランジとヒ
ーター背面との間にも空間を設け、各介在ビン２１の端
面をセラミックスヒーター６の背面へと当接させる。こ
の当接面には、アールをつけてよい。

第２図では介在ビン２０．２１とヒーターとは当接面の
片方又は両方にアールがあるため、微視的にみて点接触
または、線接触する。

セラミックスヒーター６と、その直接、間接の固定手段
であるフランジ９、ケース３との間に介在する介在物で
ある介在ビン２０．２１は、緻密な非金属無機材料から
形成する。

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
の悪化の問題を解決できる。

そして、セラミックスヒーター６の側周面とケース３と
の間を離間し、介在ビン２０でセラミックスヒーター６
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６の内周部と外周部との
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。

しかも、介在ビン２０を緻密質としていることも重要で
あり、仮に介在ビン２０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
、さらにはレンガ譬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、この面に要
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。

更に、介在ビン２０を低熱伝導率の非金属無機材料とし
ている点も重要であり、ヒーター側が展性、延性を有し
ない脆性材料であっても、仮に介在ビン２０を金属製と
すると加熱時に金属の延性、展性により介在ビンとヒー
ターの接触面積が増大し、微視的にみて面接触状態とな
ってしまい、しかも熱伝導率が高く、ヒーター側周面か
らの伝熱量が大きくなり、断熱固定を良好に行うことが
できない。更に、金属は腐食され易く、しかも装置内を
汚染するおそれも大きい。この点、脆性材のセラミック
ヒータ−と接触する部分がセラミックス、ガラス等の非
金属無機材料であれば、展性、延性が小さく、熱伝導率
が小さいので、例えば第１図の例であればヒーター側周
面と介在ビン２０とを微視的にみて点接触または線接触
のまま保持することができる。即ち、セラミックスヒー
ターと介在ビン２０の表面には若干のうねりや表面粗さ
が存在するので、微視的に見るとこのうねりの頂点部分
がヒーター側周面に当接し、他の部分では例えばμｍオ
ーダーの隙間ｄができる。気体の伝熱率は小さいので、
この程度の隙間であっても断熱効果は大きいのである。

特に真空中で、気体の分子の平均自由工程λとスキマｄ
の関係がス〉ｄの場合、つまり真空度が高い場合には、
スキマｄに熱伝導Ｑは無関係、となり、スキマｄが微少
であっても断熱性は非常に良好である。

Ａ：自由分子の熱伝導率 γ：比熱比（＝Ｃｐ／Ｃｖ　） Ｒ：ガス定数 π：円周率 Ｍ：分子量 Ｔ：温度 以上、介在ピン２０について述べたが、介在ピン２１も
緻密な非金属無機材料で形成しており、従って介在ピン
２０と同様の効果を奏しうる。そして、介在ピン２１で
ヒーター背面を押さえることにより、加熱装置の運搬時
等にセラミックスヒーター６の上下動を防止することが
できる。

上記の例では介在ピンの形状を円柱状としたが、円錐状
の介在ピンの尖端側をヒーター側周面に当接させてセラ
ミックスヒーター６を支持してもよく、この場合は更に
両者の接触領域を小さくできるので断熱性の点で一層有
利となる。更には、介在ピンの形状を球状（真球状、フ
ットボールのように長軸と短軸との長さが異なる楕球状
）とすると、ヒーター側周面と介在ピンとの接触面積を
最も小さくできる。

介在ピン２０．２１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。

セラミックスヒーター６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２は平滑面とすることが好ましく、特ム
二つユハー加熱面２にウェハーＷが直接セットされる場
合には、平面度を５００　μｍ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７としては、高融点でありしかもＳｉ：＋Ｎ
ａ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１図の例ではウェハー加熱面２を下向きにし、ウェハ
ーＷを図示しないピンにより下から支持して処理を行っ
たが、ウェハー加熱面２を上向きにしてもよい。この場
合には、セラミックスヒーター６は介在ピン２１によっ
て下方から支持され、介在ピン２０によって側方から押
えられることになる。

第３図は他の介在ピンを使用した例を示す、第２図と同
様の部分断面図である。

本実施例においては、円柱状の介在ピンの代りに、平板
状の介在板２２によってセラミックスヒーター６の支持
を行った。むろん、介在板２２は、介在ピンと同様に緻
密な非金属無機材料からなっている。本例では、介在板
２２とセラミックスヒーター６の側周面とは、巨視的に
見ると面接触しているが、介在物２２とセラミックスヒ
ーター６は両方とも脆性材料のため、面接触部でのうね
り、面粗さのために点接触状態となっており、なおかつ
緻密な低熱伝導率の非金属無機材料を介在板として用い
ることにより、高い断熱性を保持できる。

第４図（ａ）、　（ｂ）の例においては、ウェハー加熱
面２の方へと向って若干径が小さくなっている円錐台状
のヒーター２６を使用し、このヒーター２６の側周面と
ヒーター保持用フランジ２３の内周斜面との間に円柱状
介在ピン２０を介在させ、セラミックスヒーター２６を
支持する。

ヒーター保持用フランジを同一の厚みで固定できるため
、コンパクトなヒーターとすることができ、高い断熱性
を保持できる。また円柱状ピン２０とヒーター２６は第
４図（ａ）、　（ｂ）から解るように巨視的にみると線
接触となっており、高い耐熱性を有している。

第５図においては、セラミックスヒーター６の側周面に
直接介在物を当接させない構成の加熱装置を示す。

即ち、セラミックスヒーター固定手段であるフランプ９
にリング状の溝を設け、この溝にリング状の介在物３２
を嵌合して固定し、この介在物３２にヒーター保持具３
１を接合固定し、ヒーター保持具３１の延在部３１ａで
セラミックスヒーター延在部６１を支持する。この加熱
装置においては、伝熱性の良い例えばグラファイトから
なるフランジ９との間に介在物３２を介在させているの
で、ヒーター保持具３１を伝わってきた熱がこの介在物
３２で遮断されるため、ヒーター保持具３１の方へとヒ
ーター側周面から逃げる熱量を小さくできるので、やは
りヒーターの均熱化の効果がある。

また、ヒーター保持具３１とセラミックスヒーター６の
側周面とが面接触しているので、ヒーター保持具３１を
例えばグラファイト等で作製すると、ヒーター６との接
触面で粉化が生じたり、ヒーター保持具３１への伝熱量
が大きくなるおそれがある。

従って、ヒーター保持具３１は緻密質の非金属無機材料
で形成する必要がある。

第６図は、断面丁字形のセラミックスヒーター２６をフ
ランジ９に固定した例を示す断面図である。

セラミックスヒーター２６は、円盤状ヒータ一部２６ａ
と、このヒータ一部２６ａの背面側中央部に突出した円
柱状支持部２６ｂとからなる。円盤状ヒータ一部２６ａ
の内部には抵抗発熱体７が埋設され、ケーブル８が支持
部２６ｂ内を通って容器外へと引き出される。支持部２
６ｂの側周面にはリング状介在物３０が嵌合、螺合、接
合等によって固定され、このリング状介在物３０がフラ
ンジ９へと固定されている。リング状介在物３０とフラ
ンジ９との間では必要に応じてシールを行う。

本実施例においては、セラミックスヒーター６の側周部
に何ら介在物を当接させないので、第１〜第４図に示し
た固定法よりすぐれた断熱性を得ることができる。更に
、例えば第１図に示すような円盤状ヒーターの加熱実験
で、ヒーター側周面からの熱放散により、ヒーター側周
面よりもヒーター中心部の方が温度が高くなることが解
っている。ところが、第６図では、ヒーター中心部に円
柱状支持部２６ｂを設けており、ヒーター中心部での放
熱量、熱容量を比較的大きくできるので、層均熱性に優
れたウェハー加熱面２を得ることができる。

第７図は、いわゆる間接加熱方式のウェハー加熱装置に
本発明を適用した例を示す断面図である。

容器１のフランジ部５６上に断面り字形のリング状介在
物５４が固定され、この介在物５４上に、ウェハー加熱
面２を有するセラミックストレイ５５が支持固定され、
ウェハー加熱面２上に半導体ウェハーＷが載置される。

セラミックストレイ５５は、赤外線透過窓５２を介して
赤外線ランプ５１により加熱される。

本実施例においても、やはりセラミックストレイ５５の
側周面への伝熱を緻密質な非金属無機材料の介在物５４
により抑制し、セラミックストレイ５５をフランジ部５
６上に断熱固定できるので、この点で第１図の加熱装置
と同様の効果を奏しうる。介在物５４とセラミックスト
レイの当接面が実質的に点接触ないし線接触している場
合、もっとすぐれた断熱性が得られ、ウェハー加熱面の
均熱性に優れている。

セラミックストレイ５５の材質としては、緻密な窒化珪
素、サイアロン、ＳｉＣが耐熱衝撃性の点で更に好まし
い。

上記各側において、ウェハー加熱用セラミックス部材の
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。

本発明は、プラズマエツチング装置、光エツチング装置
等における加熱装置に対しても適用可能である。

第１図〜第７図の装置では、いずれも、第８図の従来方
法で問題となっていたセラミックス部材固定手段からの
熱り−クが少なくなり、ウェハー加熱面の均熱性に非常
に優れ、デポジョンした膜の厚みが径１５０−面内でほ
ぼ一定となった。

（発明の効果） 本発明に係る半導体ウェハー加熱装置によれば、ウェハ
ー加熱用セラミックス部材とセラミックス部材固定手段
との間に所定間隔を置き、ウェハー加熱面以外の面とセ
ラミックス部材固定手段との間に介在物を介在させてセ
ラミックス部材を断熱固定しているので、ウェハー加熱
面以外の上記面から固定手段への伝熱を非常に小さくで
き、従ってウェハー加熱面の均熱化を図ることができる
。

従って、半導体ウェハーを均一に加熱できると共にセラ
ミックス部材の寿命も長くできる。

また、介在物を緻密質としているので、構造体としての
ウェハー加熱面の位置精度を高くすることが可能であり
、また塵の発生による半導体欠陥も生じない。更に、こ
の介在物を低熱伝導率の非金属無機材料で形成している
ため、展性、延性が小さいので、微視的に見ると介在物
表面のうねりの頂点部分が脆性材料の展性、延性の無い
セラミックス部材に当接し、他の部分では僅かな隙間が
できるので、非常に断熱効果が良く、特に真空中では断
熱性が良好である。更には、腐食もされ難く、介在物に
よる装置内の汚染も避けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は容器に半導体ウニバーを取り付けた状態を示す
概略断面図、 第２図は第１図のＵ−Ｕ、！矢視断面図、第３図は他の
加熱装置を示す断面図、 第４図（ａ）は更に他の加熱装置を示す断面図、第４図
ら）は同じく部分平面図、 第５図、第６図、第７図はそれぞれ更に他の加熱装置を
示す概略断面図、 第８図（ａ）はいわゆる間接加熱方式による加熱装置を
示す概略断面図、 第８図（ｂ）は同じく要部拡大図である。 １・・・容器 ２・・・ウェハー加熱面 ３・・・ケース（セラミックスヒーター固定手段）６・
・・円盤状セラミックスヒーター ７・・・抵抗発熱体 ９・・・フランジ（セラミックスヒーター固定手段）２
０、２１・・・円柱状介在ピン（介在物）２２・・・介
在板（介在物） ２３・−ヒーター保持用フランジ（セラミックスヒータ
ー固定手段） ２６・・・断面丁字形セラミックスヒーター３０、３２
・・・リング状の介在物 ３１・・・ヒーター保持具 ５４・・・リング状の介在物 ５５・・・セラミックストレイ ５６・・・フランジ部（セラミックストレイ固定手段）
第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ウェハー加熱面を有する盤状のウェハー加熱用セラ
   ミックス部材と；このセラミックス部材と所定間隔を置
   いて設けられたセラミックス部材固定手段と；緻密な非
   金属無機材料からなり、前記ウェハー加熱面以外の面と
   前記セラミックス部材固定手段との間に介在して前記セ
   ラミックス部材を断熱固定する介在物とを有する半導体
   ウェハー加熱装置。 ２、前記ウェハー加熱用セラミックス部材が、セラミッ
   クストレイ、又は抵抗発熱体の埋設されたセラミックス
   ヒーターである、請求項１記載の半導体ウェハー加熱装
   置。 ３、前記介在物が、前記セラミックス部材と実質的に点
   接触又は線接触している、請求項１記載の半導体ウェハ
   ー加熱装置。 ４、前記セラミックスヒーターの基材が窒化珪素又はサ
   イアロンからなり、前記介在物が酸化珪素質ガラス、水
   晶又は部分安定化ジルコニアからなる、請求項２又は３
   記載の半導体ウェハー加熱装置。