JPH07104213B2

JPH07104213B2 - 加熱装置

Info

Publication number: JPH07104213B2
Application number: JP2197819A
Authority: JP
Inventors: 昭彦 ▲吉▼田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1990-07-27
Publication date: 1995-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPH0484723A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は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、デポジション性ガス、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。

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。

（発明に至る経過）上記の問題を解決するため、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、更に研究を進める過程で、セラミックスヒ
ーターの半導体ウエハー加熱面の温度測定に問題がある
ことが解った。

即ち、例えば従来の金属ヒーターでは熱電対がヒータ内
部にほぼ完全に埋め込まれ、熱電対の一端はウエハー加
熱面付近に位置し、熱電対の他端は容器外へと取り出さ
れている。従って熱電対は容器内部に露出しておらず、
特に誤動作を起こすおそれもなかった。

これに対し、上記したような円盤状セラミックスヒータ
ーの場合には、このヒーター本体に熱電対の一端を直接
取り付ける必要があった。そして、このような加熱装置
は、通常の一定圧力で使用する場合には大きな問題はな
いが、容器の内部を圧力変化させた場合には熱電対に誤
動作を生ずることがあり、正確なヒーター温度の制御が
行えないという問題が生じた。

さらに、ヒーター本体に熱電対の一端を取り付ける際、
ウエハー加熱面に対して直接熱電対を取り付けることは
できず、ヒーター背面へと取り付ける必要があるため、
熱電対による測定温度がウエハー加熱温度と非常に大き
く食い違うという問題も生じた。

（発明が解決しようとする課題）本発明の課題は、半導体製造装置内において、ガス圧力
が変動するときにも、測定温度の変動を防止して、継続
的に正確に温度測定を行うことができ、従ってヒーター
の温度を正確に制御することができる、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、内部の圧力が変化する半導体製造装置の内部
に収容するための加熱装置であって：非金属無機質部材
の内部に抵抗発熱体が埋設されている非金属無機質ヒー
ター；半導体製造装置内の圧力が変動しても実質的に内
部圧力が変化しない中空シース；この中空シースの内部
に収容された熱電対；及び、中空シースの先端部分を非
金属無機質ヒーターへと接合するガラス接合層を有して
おり、非金属無機質ヒーターの厚みの10％以上の深さを
有する接合用孔が非金属無機質ヒーターに設けられてお
り、この接合用孔に前記先端部分が挿入されており、こ
の接合用孔で前記先端部分と非金属無機質ヒーターとの
間にガラス接合層が形成されていることを特徴とする、
加熱装置に係るものである。

「中空シース」とは、内部に熱電対を収容するための金
属製の鞘を意味するものである。

温度測定の対象となる非金属無機質部材は一般のアルミ
ナ、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素、窒化アルミニウ
ム等のセラミックス及び半導体材料であるシリコン、ガ
リウム、砒素及びこれらの無機物質を含有する複合物を
包含する。非金属無機質部材に抵抗発熱体を埋設した場
合には、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム等が
好ましく、特に耐熱衝撃性の高い窒化珪素、サイアロン
が好ましい。

更に高熱伝導率の特性を有する窒化アルミニウムは、測
温の高精度化の点で好ましい。

（実施例）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、２はその内部のケース３に取付けられたウエハー
加熱用のヒーター本体であり、その大きさは例えば４〜
８インチとしてウエハーを設定可能なサイズとしてお
く。

容器１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。非金属無機質ヒーター２は窒化珪素のような
緻密でガスタイトな非金属無機質材料の内部に抵抗発熱
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、非
金属無機質ヒーター２を例えば1100℃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ット
10付きのフランジであり、Ｏリング11により容器１の側
壁との間をシールされ、容器１の天井面を構成してい
る。

12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の内部に挿入された中空シースである。中空シース
12はモリブデン又はタングステンからなるもので、図示
のようにその先端部分12aは、伝熱による放熱を少なく
するために細く成形されている。中空シース12の上端は
フランジ９の外部に達しているので、中空シース12の内
部は容器１の内圧変化に影響されない一定圧力に保たれ
ている。そしてこのような中空シース12の内部に、ステ
ンレスケース付きの熱電対14が収容されている。なお中
空シース12と容器１のフランジ９との間にはＯリング15
が設けられ、大気の侵入を防止している。

中空シース12と非金属無機質ヒーター２の背面22との接
合は、第２図に拡大して示すように行う。

即ち、ヒーター背面22側に開口した断面円形の接合用孔
25をヒーター２に設け、この接合用孔25内に中空シース
先端部分12aを挿入し、両者の間をガラス接合層13で接
合する。

接合用孔25の深さＬは、非金属無機質ヒーターの厚みｄ
の10％以上とし、より好ましくは50％以上とする。ま
た、接合用孔25の開口端部にはテーパー面42を設けてあ
る。更に、接合用孔25は、好ましくは窒化珪素からなる
非金属無機質板20で覆われ、この非金属無機質板20は、
中空シースの先端部分12aが貫通する貫通孔20aを有して
いる。

本実施例に係る半導体ウエハー加熱装置又は半導体ウエ
ハー加熱用非金属無機質ヒーターの温度測定装置によれ
ば、以下の効果を奏しうる。

（１）本発明者は上記した熱電対の誤動作の原因を追
求した結果、特に真空中の場合、熱電対の周囲のガス分
子の挙動は大気圧〜1torrの真空状態においては粘性流
域にあるが、真空度が高まると分子流域に移行し、これ
に伴って熱電対の周囲における熱移動の態様が大幅に変
化するため、正確な温度測定できなくなることを知っ
た。また粘性流域においても、大きい圧力変動による温
度測定誤動作が存在することが判った。

また、一般に温度測定の対象物が金属材料である場合に
は、熱電対を直接ろう付けや溶接により金属ヒーターへ
と取り付けることが可能であるが、上記のように温度測
定の対象物が非金属無機質ヒーターの場合には、直接的
な取り付けが不可能である。このために従来考えうる方
法は、無機質ヒーターの穴に熱電対を機械的に押しつけ
る方法だけであり、非金属無機質ヒーターとの間の熱移
動は圧力変化をするガスに依存していることを知った。

この点、本実施例においては、内部が容器１の内圧変化
に対して実質的に変化しないように保たれた中空シース
の先端部分12aを接合用孔25内に接合し、中空シースの
内部に熱電対14を収容してあるので、熱電対14の周囲
は、容器１の内圧変化に影響されない一定圧力に保たれ
ている。このために仮に容器１の内部が高真空度まで減
圧されても、熱電対14の周囲のガス分子の挙動が変化す
ることがなく、常に安定した温度検出が可能である。従
って本発明の加熱装置は、高真空度中で非金属無機質ヒ
ーターの温度を正確に制御することができる。

（２）中空シース先端部分12aと非金属無機質ヒータ
ー２との接合をガラスによって行っているので、気密性
が高く、またこの接合部分の耐熱性、安定性が高い。

ガラスの熱膨張率は温度変化の耐久性の面から基材とシ
ース材の熱膨張率の中間が望ましい。

（３）接合用孔25の深さＬを、非金属無機質ヒーター
２の厚みの10％以上（より好ましくは50％以上）とした
ので、ウエハー加熱面６の真の温度と、熱電対14による
測定温度との偏差を小さく抑えることができる。

なお、接合用孔25が実質的に非金属無機質ヒーター２を
その厚さ方向に貫通していてもよい。ここで、実質的に
貫通するとは、接合用孔25の底部25aがウエハー加熱面
６側にごく僅かな面積だけ点的に現れる場合も含む趣旨
である。

（４）接合用孔25の開口端部にテーパー面42を設けて
いるので、ガラス接合層13の形成時にガラス量のコント
ロールがし易い。

即ち、ガラス接合層13を形成する際には、後述するよう
に、まず接合用孔25中に接合用ガラス小片を入れ、これ
を溶融又は軟化させ、中空シースの先端部分12aを接合
用孔25内に入れる。このとき、接合用ガラス小片の重量
を予め計算し、接合用ガラスが接合用孔25から溢れたり
するのを防止しなければならい。しかし、現実の製作段
階ではある程度の寸法誤差が生じ得るため、接合用ガラ
ス量のコントロールは難しいのである。

この点、本実施例では、テーパー面42を形成すること
で、接合用孔25の開口端部付近の容積を大きくしてある
ので、接合用孔25の寸法等に若干の誤差が生じても、ガ
ラス接合層13の表面の高さはさほど上下しないため、接
合用ガラス量の計算、寸法誤差に対する裕度を大きくで
きる。

（５）接合用孔25を非金属無機質板20で覆い、この貫
通孔20aに中空シースの先端部分12aを貫通させているの
で、仮に中空シース12に図面において左右方向へのモー
メントが働いてもこれを非金属無機質板20で押える作用
があり、このモーメントによりガラス接合層13にクラッ
クが入るのを防止する作用がある。

（６）接合用孔25の径と中空シースの先端部分12aの
外径との差を0.2mm以上、5.0mm以下とすると、非金属無
機質ヒーター２の加熱、冷却を繰り返し行っても、熱膨
張差によるクラックの発生を防止できる。

即ち、上記の差が0.2mmより小さいと、中空シース12の
材料とヒーター材料との間のクリアランスが小さすぎ、
両者の熱膨張差をガラス接合層13で緩和することが困難
になる傾向がある。また、上記の差が5.0mmを越える
と、今度はガラス接合層13と中空シースの先端部分12a
との間の熱膨張差が大きくなり、ガラス接合層13にクラ
ックが発生し易くなる。

（７）従来の金属ヒーターでは、熱電対がヒーター内
に配置されていたため、熱電対の交換が容易ではなかっ
た。しかし第１図に示すように、熱電対14を、容器１の
壁面を貫通する中空シース12の内部に設けておけば、容
器１のシール性を損なうことなく熱電対14だけを容易に
交換することができる。

（８）非金属無機質材料として窒化珪素を採用する
と、ヒーターの強度が高く、窒化珪素の熱膨張率の小さ
さからヒーターの耐熱衝撃性も高く、高温への急熱、急
冷を繰り返して行ってもヒーターが破損しない。また、
窒化珪素が耐食性に優れていることから、熱CVD装置内
等の腐食性ガス条件下でもヒーターの耐久性が高く、寿
命が長くなる。

（９）本実施例の加熱装置によれば、ヒーター材料と
して非金属無機質材料を使用しているので、従来の金属
ヒーターの場合のような汚染を防止できる。また、容器
１内に設置した円盤状ヒーターで半導体ウエハーを直接
加熱するので、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。

（10）中空シース12をモリブデン又はタングステンあ
るいはこれを主成分とする合金からなるものとすれば、
非金属無機質ヒーター２と中空シース12とガラス接合層
13との熱膨張をほぼ一致させることができ、クラックの
発生を防止することができる。

（11）中空シース12の材質として、酸化セリウム添加
モリブデンを使用すると、小径穴の加工性が良好とな
り、しかもガラス接合時に中空シース先端部分12aを例
えば1100度〜1800度に加熱しても、この先端部分12aが
脆化しない。

なお、接合性、加工性、または脆化性の問題がなけれ
ば、ステンレス、ハステロイ、インコロイ等の合金を使
用してもかまわない。

ガラス接合層13の材質としては、B₂O₃含有量が50重量％
以下のSiO₂−B₂O₃系ガラスが好ましい。B₂O₃含有量が50
重量％を越えると、接合時にクラックが発生したり、ガ
ラスの吸湿量が多くなる傾向がある。

また、ガラス接合層13の材質として、石英ガラス、オキ
シナイトライドガラスが強度、耐熱衝撃性、気密性等の
点で好ましい。

ウエハー加熱面６は平滑面とすることが好ましく、特に
ウエハー加熱面６にウエハーが直接セットされる場合に
は、平面度を500μｍ以下としてウエハーの裏面へのデ
ボ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１図の例ではウエハー加熱面を下向きにしたが、ウエ
ハー加熱面を上向きにしてもよい。

次に、ガラス接合層の形成方法について述べる。

まず、第３図に示すように、例えば窒化珪素製のヒータ
ー２の背面22側に接合用孔25を設け、この底部25aに、
接合用ガラスの小片30を設置する。

そして、ヒーター背面22上に位置決め用治具27,26を固
定し、治具26の穴26aに中空シース12を挿入し、中空シ
ース12の先端12bを接合用孔25中へと挿入し、この先端1
2bを小片30上に載置する。接合用孔25の上には、好まし
くは窒化珪素からなる非金属無機質板20を固定し、この
非金属無機質板20を、好ましくは窒化珪素からなる錘り
28で押さえる。

次いで、小片30を加熱して溶融又は軟化させると、中空
シース12が上下方向にスライド可能に保持されているこ
とから、中空シース12が自重によって下方へと下がり、
先端12bが第２図に示すように底部25aの方に位置し、溶
融又は軟化した接合用ガラスが、中空シース先端部分12
aと接合用孔25内周面との間に回り込む。この状態で放
冷すると、先端部分12aと接合用孔25との間にガラス接
合層13が形成され、両者の間が気密に接合される。な
お、ガラスが溶融又は軟化したとき、中空シースを下方
へと押し込んでもよい。

接合用ガラス小片として、溶融ガラスを急冷して粒度を
調節したガラスフリットを使用することもできる。更
に、ガラス接合層のガラスを結晶化させることもでき
る。

接合用ガラス小片を軟化又は溶融させるとき、ガラス小
片の軟化点以上で雰囲気を減圧（好ましくは0.1torr以
下）とすると、ガラス接合層中に気泡が残留しないの
で、ガラス接合層にクラックが発生するのを防止でき
る。

第４図に示す加熱装置では、中空シース12の端部をシー
ルし、この中空シース12を容器１の内部に封入する。熱
電体14のリード線はＯリング16によりシールされ、容器
１の外側に引き出されている。第４図の実施例では中空
シース12の内部は密閉されているため、ヒーターの昇温
による圧力変化はあるものの、容器１の内部にガスが侵
入したときにも中空シース12の内部の圧力は実質的に変
化することがない。

第１図又は第４図において、中空シース12の内部には大
気圧の空気を導入すればよいが、内部の酸化を防止する
ために還元性雰囲気を満たすことも可能である。このよ
うにすれば、1100℃程度までの加熱を容易に行うことが
できる。

上記各例において、ウエハー加熱用非金属無機質ヒータ
ーの形状は、円形ウエ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。

こうしたヒーターは、プラズマエッチング装置、光エッ
チング装置等における加熱装置に対しても適用可能であ
る。

以下、具体的な実験例について述べる。

実験例１第１図に示す熱CVD装置を用い、窒化珪素製円盤状セラ
ミックスヒーター２の厚みｄを20mmとし、モリブデン製
中空シース12の先端部分12aの外径を2.0mm、接合用孔25
の径を3.0mmとした。この先端部分12aと接合用孔25と
を、SiO₂:62重量％、B₂O₃:38重量％のガラスにより接合
し、１×10^-5torrの真空容器内で、中空シース12内の熱
電対の測定温度で制御し、セラミックスヒーターを700
℃まで加熱した。

そして、透明な石英窓40を容器に設け、赤外線放射温度
計41でウエハー加熱面での温度を測定し、熱電対14によ
る測定温度と赤外線放射温度計による測定温度との偏差
ΔＴを得た。結果を表１に示す。

その結果、L/d＜10％ではL/dに対するΔＴの変化が大き
くヒータなど被測定物毎のバラツキが大きくなるため、
L/d≧10％が望ましいことがわかる、さらにL/d≧50％で
はL/dに対するΔＴの変化がさらに小さくなり、より望
ましい。

（SiO₂−B₂O₃系ガラス接合方法）電子天秤により所定量のガラスを秤量し、アルミナ製乳
鉢、乳棒により混合粉砕し、白金製るつぼに入れ、1600
℃で溶融し、溶融物を水中投下し、ガラスフリットを作
製した。ガラスをより均質にするため、作製したガラス
フリットをアルミナ製乳鉢、乳棒により粉砕し、白金製
るつぼに入れ1600℃で再溶融し、溶融物をステンレス製
型に入れて固化し、型から取り出した後中空シース先端
部分12aと接合用孔25とのクリアランスに相当するガラ
スの小片に加工した。ガラス小片を接合用孔の底部25a
に入れ、その上にシース置き、電気炉にて接合した。接
合は室温で接合電気炉内を真空にし、室温から1200℃ま
で300℃/hrで昇温、1200℃で1hr維持した後、1400℃ま
で200℃/hrで昇温し、昇温中に電気炉内にN₂を導入し、
３気圧まで加圧した。1400℃で3hr維持したのち、降温
した。降温中800℃から400℃までは１℃/hrで降温し、
ガラスの歪み取りを行った。

実験例２実験例１を同様にして第１図に示すような接合構造を作
製した。

ただし、セラミックスヒーター２の厚みは15mmとし、接
合用孔25の深さを12mmとして、接合用孔25の径とモリブ
デン製中空シースの先端部分12aの外径とを変更した。
また、テーパー面42を形成した場合と形成しない場合と
について実験を行い、更に窒化珪素製の円形板20を設け
た場合と設けない場合との双方について実験を行った。

そして、中空シース内の熱電対の測定温度によって制御
しつつセラミックスヒーターを700℃まで加熱し、測定
温度が一定になった時にアルゴンガスを容器内に導入
し、容器内の圧力を10torrにした時の測定温度の変化
（初期ΔＴ）を測定した。また、室温と700℃との間で
の昇降温とΔＴの測定とを繰り返して行い、ΔＴが２℃
以上となった時の昇降温回数を測定した。そして、No.1
〜９については、200回目の測定値を最終ΔＴとし、No.
10,11についてはΔＴが２℃を越えたときの値を最終Δ
Ｔとした。

このように、接合用孔25の径と先端部分12aとの差（ク
リアランス）を0.2mm以上、5.0mm以下とすること、テー
パー面42を設けること、円形板20を設けることは、いず
れもΔＴを小さく抑え、接合部分の耐久性を高めるうえ
で効果がある。

（発明の効果）本発明に係る加熱装置によれば、半導体製造装置の容器
の内部の圧力が変化しても実質的に内部圧力が変化しな
い中空シースの内部に熱電対を収容するので、容器の内
部の圧力が変化しても熱電対の周囲のガス分子の挙動が
変化することがなく、従って常に安定した温度測定が可
能である。

そして、非金属無機質部材の厚みの10％以上の深さを有
する接合用孔に、中空シースの先端部分を収容するの
で、非金属無機質部材の温度変化面の真の温度と熱電対
による測定温度との偏差を小さく抑えることができる。

また、非金属無機質ヒーターの温度を安定して測定でき
ることにより、容器内の圧力が大きく変化しても、非金
属無機質ヒーターの温度を正確に制御することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は非金属無機質ヒーターを容器内に設置した状態
を示す概略断面図、第２図は第１図のＡ部拡大図、第３図は中空シースを非金属無機質ヒーターへと接合す
る前の状態を示す断面図、第４図は他の非金属無機質ヒーターを容器内に設置した
状態を示す概略断面図である。２……円盤状非金属無機質ヒーター６……ウエハー加熱面７……抵抗発熱体９……フランジ、12……中空シース 12a……中空シースの先端部分 12b……先端、13……ガラス接合層 14……熱電対、20……非金属無機質板 20a……貫通孔、22……ヒーター背面 25……接合用孔、25a……接合用孔の底部 30……ガラス小片、41……赤外線放射温度計 42……テーパー面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部の圧力が変化する半導体製造装置の内
部に収容するための加熱装置であって：非金属無機質部材の内部に抵抗発熱体が埋設されている
非金属無機質ヒーター；前記半導体製造装置内の圧力が変動しても実質的に内部
圧力が変化しない中空シース；この中空シースの内部に収容された熱電対；及び前記中空シースの先端部分を前記非金属無機質ヒーター
へと接合するガラス接合層を有しており、前記非金属無機質ヒーターの厚みの10％以上の深さを有
する接合用孔が前記非金属無機質ヒーターに設けられて
おり、この接合用孔に前記先端部分が挿入されており、
この接合用孔で前記先端部分と前記非金属無機質ヒータ
ーとの間に前記ガラス接合層が形成されていることを特
徴とする、加熱装置。
【請求項２】前記接合用孔の開口端部にテーパー面が形
成されている、請求項１記載の加熱装置。
【請求項３】前記接合用孔が、前記中空シースの先端部
分が貫通する貫通孔を有する非金属無機質板によって覆
われている、請求項１記載の加熱装置。
【請求項４】前記接合用孔の径と前記中空シースの先端
部分の外径との差が0.2mm以上、5.0mm以下である、請求
項１記載の加熱装置。
【請求項５】前記接合用孔が前記非金属無機質部材をそ
の厚み方向に実質的に貫通している、請求項１記載の加
熱装置。
【請求項６】前記非金属無機質部材がセラミックスから
なる、請求項１記載の加熱装置。