JPH0498784A - 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、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か開発さ
れている。ところかこの方式のものは、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、こうした円盤状セラミックスヒーターの温度制
御において新たな問題か生じた。

即ち、円盤状セラミックスヒーターを例えばＣＶＤ装置
に取り付ける場合、熱電対でヒーター温度を測定し、こ
の測定値によって抵抗発熱体の発熱量を制御し、これに
よりウェハー加熱面の温度を所定の値に保持する必要が
ある。例えば、半導体ウェハーにＣＶＤ法による膜堆積
を行う場合など、気相化学反応によって膜堆積を行うの
で、設定温度が最適値から外れると膜の堆積速度に重大
な影響を与えうるのである。しかし、−旦つエバー加熱
面の温度を最適値に設定しても、円盤状セラミックスヒ
ーターやグラファイトのケースを取り換えたり、ヒータ
ーを長期間使用すると、ウェハー加熱面の温度が最適値
から外れてくることがあった。

（発明か解決しようとする課題） 本発明の課題は、半導体ウェハーの汚染や熱効率の悪化
といった問題を生じず、しかも円盤状セラミックスヒー
ターを長期間使用したり、交換したりしても、ウェハー
加熱面の温度を最適値に保持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、一定日形領域を加熱するための緻密質セラミ
ックスからなる円盤状基体の内部に抵抗発熱体を埋設し
た構造の半導体ウェハー加熱装置であって、円形加熱領
域内において一定面積当りに埋設された前記抵抗発熱体
の発熱量かほぼ一定となるように構成し、かつ、ウェハ
ー加熱面に対して垂直の投影図でみて、前記円形加熱領
域の中心からこの円形加熱領域の半径の（１／ｆ２）倍
離れた位置に温度制御用温度検出部を設置した、半導体
ウェハー加熱装置に係るものである。

加熱する一定円形加熱領域は例えばウェハーの設置領域
かまたは、その一部が適宜選ばれる。

抵抗発熱体としては、線材、薄いシート状のもの及びあ
る程度の断面積を有する棒状のものを使用できる。

「円形加熱領域の中心からこの円形加熱領域の半径のほ
ぼ（１／７２）倍離れた位置に温度制御用温度検出部を
設置する」とは、温度検出部の中心か厳密に（１／ｖ′
２）倍離れた位置に一致する必要はなく、製造上の誤差
等を許容する意である。

（実施例） 第２図は、半導体製造用熱ＣＶＤ装置に本実施例の加熱
装置４を取り付けた状態を示す断面図、第１図はこの加
熱装置４を半導体ウェハー加熱面１０側から見た平面図
である。

第２図において、７は半導体製造用熱ＣＶＤに使用され
るチャンバー、４はその内部に取付けられたウェハー加
熱用の円盤状加熱装置であり、ウェハー加熱面１０の大
きさは例えば４〜８インチとしてウェハーＷと同径かま
たはそれ以上の設置可能なサイズとしておく。

チャンバー７の内部には熱ＣＶＤ用のガスか供給され、
吸引孔から真空ポンプにより内部の雰囲気が排出される
。

円盤状加熱装置４は窒化珪素のような緻密でガスタイト
な無機質基体１の内部にタングステン系等の抵抗体２を
スパイラル状に埋設したもので、その中心Ｏおよび端部
Ｃのケーブル５を介して外部から電力が供給され、円盤
状加熱装置４を例えばｌｌ００℃程度まで加熱すること
ができる。６はフランジであり、図示しないＯリングに
ょリチャンバー７の側壁との間でシールされ、チャンバ
ー７の天井面が構成されている。

無機質基体１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’ｃ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ｌ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宵効である。

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、基体Ｉ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。

基体１内部に埋設される抵抗発熱体２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ＩＯは平滑面とすることが好ましく、特
にウェハー加熱面１０にウェハーＷが直接セットされる
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。

加熱装置４の背面２０側には、二個の接合用孔１２゜２
２を設ける。即ち、ウェハー加熱面１０に対して垂直の
投影図でみて、半導体ウェハー加熱用の円形加熱領域３
の境界円周上に接合用孔２２を設け、この接合用孔２２
に温度測定用熱電対２１を接合し、この接合用孔２２内
を温度測定用温度検出部Ｂとする。

また、ウェハー加熱面１０に対して垂直の投影図でみて
、円形加熱領域３の中心Ｏからこの円形加熱領域の半径
ｒのほぼ１／（２倍離れた位置に、接合用孔１２を設け
、この接合用孔１２に温度制御用熱電対１１を接合し、
この接合用孔１２内を温度制御用温度検出部Ａとする。

本実施例では更に、円形加熱領域３の内側において一定
面積当りに埋設された抵抗発熱体２ａの発熱量がほぼ一
定となるように構成すると共に、円形加熱領域３の外側
においても抵抗発熱体２ｂの単位面積当りの発熱量を一
定とした。

本実施例の加熱装置によれば、以下の効果を奏しつる。

（１）緻密質セラミックスからなる円盤状基体１の内部
に抵抗発熱体２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１にウェハー加
熱面１ｏ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。

（２）抵抗発熱体２を埋設した円盤状基体１を真空中ま
たは希薄気体中で使用するとき、円盤状基体１の表面、
裏面、及び側面からの熱放射、熱伝達、または基体１を
支持するための治具への熱伝導によって熱か放散する。

このうち、側面からの熱の放散は、円盤状基体１の中心
０がら側面に向かって温度か下がる原因となり、ウェハ
ー加熱面１０の均熱化を妨げる。

そして、本発明者は、本発明に至る過程においては、温
度制御用熱電対１１を背面２ｏ側の適当な位置に接合し
、熱電対１１の指示する温度を確認しつつ気相堆積反応
が最も良好に進行する所で抵抗発熱体２の発熱量を固定
し、このとき熱電対１１の指示する温度を設定温度とし
たわけである。

しかしここで、熱電対１１を例えば中心０の位置に接合
したとする。例えばこのときの設定温度が６００℃であ
ったとしても、前述のように円盤状基体１の中心０から
その側周面へと向って温度勾配があるため、ウェハー加
熱面１ｏにおける実際の平均温度が５９６℃であり、中
心０での温度が６００℃であり、円形加熱領域３の境界
円周上での温度が５９２℃となることがある。従って、
この６００°Ｃという設定温度は、ウェハー加熱面１０
における真の平均値を示すものではなく、実際の平均温
度と４°Ｃの誤差を示すことになる。

そればかりではなく、加熱装置４を交換したり、長期間
使用したり、治具を取り換えたり、チャンハーフの状態
か変ったりすると、ウェハー加熱面１０における温度勾
配が変化しうる。即ち、例えばウェハー加熱面１０にお
ける平均温度が５８５℃、中心Ｏでの温度が６００°Ｃ
１円形加熱領域３の境界円周上での温度が５７０’Ｃと
なると、ウェハー加熱面での温度は５９６±４℃から５
８５士１５°Ｃへと変化するわけである。しかし、熱電
対１１は中心０の位置に接合されているのであるから、
熱電対１１の指示温度は６００°Ｃのままで変化しない
ために、実際の平均温度との誤差が４℃から１５℃へと
拡大し、気相堆積反応に大きく影響しうる。

本発明者はこうした新たな認識に基つき、層検討を進め
た結果、ウェハー加熱面１０における熱分布に着目し、
本発明に到達した。

即ち、円形加熱領域３内での抵抗発熱体２ａの発熱量が
均一であるので、熱伝導の原理から、第３図に示すよう
に、ウェハー加熱面１０の各位置の温度は、円形加熱領
域３の中心Ｏからの距離の二乗に比例していた。円形加
熱領域３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かπｒ２／２となる円周上の温度
、即ち中心０からの距離かｌ／（２・ｒである位置の温
度Ｔ。である。更に、中心０の温度をＴ１、円形加熱領
域３の境界円周上での温度をＴ２とすると、Ｔ、はＴ１
とＴ２との中央値となっている。

従って、本実施例におけるように、ウェハー加熱面１０
に対して垂直の投影図でみて、円形加熱領域３の中心Ｏ
からほぼ（１／ｆ２）ｒの位置に温度制御用温度検出部
Ａを設置したことで、熱電対ＩＩの検出温度は、円形加
熱領域３内の温度の面積平均値を示すようになる。従っ
て、例えば前述のような原因からウェハー加熱面１０の
温度分布がかなり変化しても、設定温度から大きく外れ
るようなことはなく、全体として常に一定の加熱温度を
確保できる。

（３）　　ウェハー加熱面ｉ０に対して垂直の投影図で
みて、円形加熱領域３の境界円周上に温度測定用検出部
Ｂを設置しているので、温度測定用熱電対２１の検出温
度が円形加熱領域３内の最低温度Ｔ２を示し、かっＴ。

−Ｔ２＝ｌＴが面積平均温度Ｔ。

との偏差を示す。従って、円形加熱領域３内の温度はＴ
。”ニーＩＴて表わすことができ、円形加熱領域３内の
均熱性を一眼でチエツクできる。従って、加熱装置４の
不良発見、点検、保守に極めて有利である。

なお、温度測定用温度検出部Ｂを中心Ｏの位置に設ける
こともでき、この場合は、熱電対２１によって円形加熱
領域３内の最高温度Ｔ、を知ることができ、また、やは
り面積平均温度Ｔ０との偏差を知ることができる。

（４）温度検出部Ａ、　　Ｂの温度検出点（熱電対１１
゜２１の熱接点）とウェハー加熱面ＩＯとの距離が太き
（なると、ウェハー加熱面１０との温度誤差が大きくな
るが、例えば、窒化珪素セラミックス製の基体であれば
、上記の距離か２ｍｍ以内であれば、温度誤差はｌ　’
Ｃ以内に収まる。

本実施例では、更に、抵抗発熱体２のうち、ウェハー加
熱面ＩＱに対して垂直の投影図でみて、ウェハー加熱領
域３の外側に配置された部分２ｂの単位面積当りの発熱
量を、この内側に配置された部分２ａの単位面積当りの
発熱量よりも大きくすることか好ましく、これにより、
仮に円盤状基体ｌ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することかできるので、均熱
化の効果は更に大きい。

部分２ｂの単位面積当りの発熱量を部分２ａの単位面積
当りの発熱量よりも大きくするためには、部分２ｂでの
抵抗発熱体の巻き数を多くしたり、第４図に示す加熱装
置１４のように渦巻状の発熱体の埋設ピッチを小さくし
たり、低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、部分２ｂのみ印加電
圧を大きくする等の方法がある。

そして、円形加熱領域３よりも外側の部分２ｂでの発熱
量があまり大きくなければ、円形加熱領域３内の温度勾
配は第３図に示すように右下がりのクラ７となるか、部
分２ｂでの発熱量を大きくすると、第３図に示す直線は
右上がりとなる。むろん、この場合も、前述の作用効果
を奏しうる。

第２図の例ではウェハー加熱面１０を上向きにしたが、
ウェハー加熱面１０を下向きにし、ウェハーＷをピンに
より下方から支持してもよい。

本発明は、プラズマエツチング装置、光エツチング装置
等における半導体ウェハー加熱装置に対しても適用可能
である。

イツトリア＋アルミナ系の焼結助剤を含む窒化珪素原料
からなる円盤状基体１の内部に、タングステン製の抵抗
発熱体２を埋め込んだ加熱装置４を作製した（第１図、
第２図）。円盤状基体１は厚さ１５Ｍ１直径１８０化で
、ウェハー設置用円形加熱領域３は６インチ用を目的と
し、直径１５０　ｍｍの範囲である。タングステン線は
線径０．４ｍｍのもので、これを直径が４ｍｍの螺旋状
に巻いたものである。そのリードを構成するワイヤ端子
としては直径２　ｍｍのタングステン線を使用した。こ
のような抵抗発熱体を第１図のように一定間隔の渦巻状
に埋設した。

ヒーター電源は外周側のワイヤ端子をアースする一方、
中心側のワイヤ端子に電圧を加え、さらに低電圧とし真
空中での放電を防止する形式とし、サイリスタによる電
源コントロールを行う方式とした。温度制御用熱電対１
１を中心０がら５３ｍｍの位置に加熱装置背面２０より
設けた接合用孔１２に差込んだ。中心Ｏから５３ｍｍと
いうのは、ウェハー加熱用円形加熱領域３の半径７５ｍ
ｍのほぼ（１／ｖ’２）倍である。さらに、温度測定の
ために、ウェハー加熱用円形加熱領域３の境界円周上の
位置にも温度測定用熱電対２１を設置した。熱電対ＩＩ
、　２１の熱接点と加熱面１０との距離は１ｍｍとした
。

このような加熱装置４を第２図のようにチャンバー７に
取り付け、真空中で加熱テストをおこなった。

加熱テストでは１１００℃まで加熱し、赤外線放射温度
計でウェハー加熱用円形加熱領域３である直径１５０　
ｍｍの範囲の温度分布を測定した。中心Ｏを通る直線上
の温度を、中心からの距離の二乗との関係で第５図に示
した。最高温度Ｔ１は１１２０°Ｃ１最低温度Ｔ２は１
０８０°Ｃであった。平均温度Ｔ。は制御温度１１００
℃と一致し、最外周の測定温度Ｔ２１０８０°Ｃとの差
によって、本実施例のウェハー加熱用円形加熱領域３の
温度は１１００℃±２０℃であることが保証された。

尚、本実施例は円盤状基体がウェハーよりも大きい場合
について示されているが、円形加熱領域内において一定
面積当たりに埋設された抵抗発熱体の発熱量が一定とな
るよう構成されていれば円盤状基体がウェハーと同径で
あっても本発明が適用できる。

（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、円盤状
基体が緻密セラミックスからなるので金属ヒーターの場
合のような汚染を防止でき、またこの円盤状基体がウェ
ハー加熱面を有しているので、間接加熱方式の場合のよ
うな熱効率の悪化は生じ明細コの序言（内容に変更なし
） ない。

そして、円形加熱領域において一定面積当りに埋設され
た抵抗発熱体の発熱量か一定となるように構成し、かつ
、ウェハー加熱面に対して垂直の投影図でみて、円形加
熱領域の中心からこの円形加熱領域の半径のほぼ（１／
、／−２）倍離れた位置に温度制御用温度検出部を設置
したので、この温度検出部により検出した温度は、円形
加熱領域内の温度の面積平均値を示すようになる。従っ
て、種々の原因からウェハー加熱面の温度分布がかなり
変化しても、最初に設定した最適の設定温度からウェハ
ー加熱面の面積平均温度が大きく外れないような温度制
御が可能であり、全体として一定の放熱量を確保でき、
半導体製造条件への悪影響を防止できる。従って、本発
明は、半導体製造装置全般に亘って極めて有益なもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体ウェハー加熱装置の平面図、第２図は加
熱装置をチャンバーに取り付けた状態を示す断面図、 第３図はウェハー加熱面での熱勾配を原理的に示すグラ
フ、 第４図は他の半導体ウェハー加熱装置を示す平面図、 第５図は６インチ半導体ウェハーの加熱に本発明の加熱
装置を適用した場合における、ウェハー加熱面での熱勾
配を示すグラフである。 ■・・・円盤状基体　　　　２・・・抵抗発熱体２ａ・
・・抵抗発熱体のうちウェハー加熱領域の内側の部分 ２ｂ・・・抵抗発熱体のうちウェハー加熱領域の外側の
部分 ３・・・ウェハー加熱用円形加熱領域 ４．１４・・・半導体ウェハー加熱装置７・・・チャン
バー　　　　１０・・・ウェハー加熱面１１・・・温度
制御用熱電対 １２、２２・・・接合用孔 ２１・・・温度測定用熱電対 Ａ・・・温度制御用温度検出部 Ｂ・・・温度測定用温度検出部 Ｏ・・・円形加熱領域の中心 Ｗ・・・半導体ウェハー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一定円形領域を加熱するための緻密質セラミックス
   からなる円盤状基体の内部に抵抗発熱体を埋設した構造
   の半導体ウェハー加熱装置であって、円形加熱領域内に
   おいて一定面積当りに埋設された前記抵抗発熱体の発熱
   量がほぼ一定となるように構成し、かつ、ウェハー加熱
   面に対して垂直の投影図でみて、前記円形加熱領域の中
   心からこの円形加熱領域の半径のほぼ（１／√２）倍離
   れた位置に温度制御用温度検出部を設置した、半導体ウ
   ェハー加熱装置。 ２、ウェハー加熱面に対して垂直の投影図でみて、前記
   円形加熱領域の中心又は前記円形加熱領域の境界円周上
   に、温度測定用温度検出部を設置した、請求項１記載の
   半導体ウェハー加熱装置。 ３、温度制御用温度検出部及び温度測定用温度検出部の
   温度検出点をそれぞれ前記ウェハー加熱面より２ｍｍ以
   下離れた位置に設置した、請求項２記載の半導体ウェハ
   ー加熱装置。