JPH088215B2 - 半導体ウエハー加熱装置 - Google Patents

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、ブラズマエッチン
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。

（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題） 本発明の課題は、セラミックスヒーター等の盤状のウ
エ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
エ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） 第一の発明は、ウエハー加熱面を有する盤状のウエハ
ー加熱用セラミックス部材と；このセラミックス部材を
保持するための保持部材と；緻密な非金属無機質材料か
らなる介在物であって、セラミックス部材の側周面側と
保持部材との間に介在している介在物を備えており、セ
ラミックス部材の側周面側と保持部材との間に隙間が設
けられており、セラミックス部材がその側周面側で介在
物によって支持されており、この介在物が保持部材によ
って支持されていることを特徴とする、半導体ウエハー
加熱装置に係るものである。

第二の発明は、ウエハー加熱面を有する盤状のウエハ
ー加熱用セラミックス部材と；このセラミックス部材を
保持するための保持部材と；この保持部材を支持するた
めの支持部材と；緻密な非金属無機質材料からなる介在
物であって、保持部材と支持部材との間に介在する介在
物を備えており、セラミックス部材がその側周面側で保
持部材によって支持されており、保持部材が介在物を介
して支持部材によって支持されていることを特徴とす
る、半導体ウエハー加熱装置に係るものである。

第三の発明は、ウエハー加熱面を有する盤状のウエハ
ー加熱用セラミックス部材であって、この背面側に支持
部が形成されているセラミックス部材と；このセラミッ
クス部材を支持するための支持部材と；緻密な非金属無
機質材料からなる介在物とを備えており、セラミックス
部材の支持部と支持部材との間に隙間が設けられてお
り、セラミックス部材の支持部が介在物によって支持さ
れており、この介在物が支持部材によって支持されてい
ることを特徴とする、半導体ウエハー加熱装置に係るも
のである。

（実施例） 第１図、第２図、第３図、第４図の例は、第一の発明
に係るものである。これらの例においては、ウエハー加
熱用セラミックス部材がセラミックスヒーターであり、
前記保持部材がケース３であり、前記介在物が介在ピン
であり、セラミックスヒーターの延在部が介在ピンによ
って支持されている。

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
II−II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てある。

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に取付けられたウエハ
ー加熱用の円盤状のセラミックスヒーターであり、ウエ
ハー加熱面２の大きさは４〜８インチとしてウエハーＷ
を設置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、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系等の抵抗体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℃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の側壁との間がシー
ルされ、容器１の天井面が構成されている。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
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Ｏ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
ラミックスヒーター６の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
状介在ピン20をケース３内周とセラミックスヒーター６
の側周面との間に介在させ、介在ピン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ピン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、各介在ピン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図では介在ピン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
である介在ピン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、介在ピン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の内周面と外周部との
間で均熱化を図ることができる。これにより、半導体ウ
エハー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、介在ピン20を緻密質としていることも重要で
あり、仮に介在ピン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、
さらにはレンガ質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、ウエハー加熱面のセッテ
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、介在ピン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、仮に介在ピン20を金属製とす
ると加熱時に金属の延性、展性により介在ピンとヒータ
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
ーター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
と介在ピン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
と介在ピン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λ＞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。

Λ：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。

ウエハー加熱面２は平滑面とすることが好ましく、特
にウエハー加熱面２にウエハーＷが直接セットされる場
合には、平面度を500μｍ以下としてウエハーＷ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Si₃N₄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２を下向きにし、ウエ
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、ウエハー加熱面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、ウエハー加熱
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図の加熱装置は、第二の発明に係るものである。
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。ここ
で、前記ウエハー加熱用セラミックス部材はセラミック
スヒーターであり、前記保持部材はヒーター保持具31で
あり、前記支持部材はフランジ９であり、前記介在物は
リング状の介在物32である。

即ち、セラミックスヒーター固定手段であるフランジ
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31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の方ヘ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図の加熱装置は、第三の発明に係るものである。
第６図は、断面Ｔ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。ここで、前記
ウエハー加熱用セラミックス部材はセラミックスヒータ
ー26であり、このセラミックスヒーター26の背面側に支
持部26bが形成されており、前記支持部材はフランジ９
であり、前記介在物はリング状介在物30である。

セラミックヒーター26は、円盤状ヒーター部26aと、
このヒーター部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。円盤状ヒーター部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26b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、一層均熱性に優
れたウエハー加熱面２を得ることができる。

第７図は、参考例に係るものである。容器１のフラン
ジ部56上に断面Ｌ字形のリング状介在物54が固定され、
この介在物54上に、ウエハー加熱面２を有するセラミッ
クストレイ55が支持固定され、ウエハー加熱面２上に半
導体ウエハー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。

上記各例において、ウエハー加熱用セラミックス部材
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。

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

第１図〜第６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
の熱リークが少なくなり、ウエ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150mm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エハー加熱装置によれば、ウエ
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、ウエ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、ウエハー加
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、従ってウエハー加熱面の均熱化を図ることができ
る。従って、半導体ウエ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
のウエ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、第一の発明に関するものであり、容器に半導
体ウエハー加熱用セラミックスヒーターを取り付けた状
態を示す概略断面図、 第２図は、第１図のII−II線矢視断面図、 第３図は、第一の発明に係るものであって、他の加熱装
置を示す断面図、 第４図（ａ）は、第一の発明に係るものであって、更に
他の加熱装置を示す断面図、 第４図（ｂ）は、同じく部分平面図、 第５図は、第二の発明に係るものであって、セラミック
スヒーターを保持部材および支持部材に取り付けた状態
を示す概略断面図、 第６図は、第三の発明に係るものであって、セラミック
スヒーター26を支持部材に取り付けた状態を示す概略断
面図、 第７図は、参考例の加熱装置を示す断面図、 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……ウエハー加熱面 ３……ケース（保持部材） ６……円盤状セラミックスヒーター ７……抵抗発熱体 ８……フランジ（支持部材） 20,21……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（支持部材） 26……断面Ｔ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

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ウエハー加熱面を有する盤状のウエハー加
   熱用セラミックス部材と；このセラミックス部材を保持
   するための保持部材と；緻密な非金属無機質材料からな
   る介在物であって、前記セラミックス部材の側周面側と
   前記保持部材との間に介在している介在物を備えてお
   り、前記セラミックス部材の側周面側と前記保持部材と
   の間に隙間が設けられており、前記セラミックス部材が
   その側周面側で前記介在物によって支持されており、こ
   の介在物が前記保持部材によって支持されていることを
   特徴とする、半導体ウエハー加熱装置。
2. 【請求項２】前記セラミックス部材の側周面側に径方向
   に延びる延在部が形成されており、この延在部が前記介
   在物によって支持されていることを特徴とする、請求項
   １記載の半導体ウエハー加熱装置。
3. 【請求項３】前記保持部材が環状であり、前記セラミッ
   クス部材の周方向にみて隣り合う前記介在物の間隔が略
   等間隔となるように、複数の前記介在物が配置されてい
   ることを特徴とする、請求項１または２記載の半導体ウ
   エハー加熱装置。
4. 【請求項４】前記介在物が板状または柱状であり、これ
   らの介在物の一端部が前記保持部材に対して固定されて
   おり、前記介在物の他端部によって前記セラミックス部
   材が支持されていることを特徴とする、請求項１〜３の
   いずれか一つの請求項に記載の半導体ウエハー加熱装
   置。
5. 【請求項５】前記介在物が柱状であり、前記セラミック
   ス部材と前記保持部材との間の前記隙間において、前記
   介在物の側周面が前記セラミックス部材の前記延在部に
   対して接触しており、このセラミックス部材の前記延在
   部と前記介在物の側周面との接触によって前記セラミッ
   クス部材が支持されていることを特徴とする、請求項２
   または３記載の半導体ウエハー加熱装置。
6. 【請求項６】前記セラミックス部材の背面側が、緻密な
   非金属無機質材料からなる他の介在物に対して接触して
   いることを特徴とする、請求項１記載の半導体ウエハー
   加熱装置。
7. 【請求項７】ウエハー加熱面を有する盤状のウエハー加
   熱用セラミックス部材と；このセラミックス部材を保持
   するための保持部材と；この保持部材を支持するための
   支持部材と；緻密な非金属無機質材料からなる介在物で
   あって、前記保持部材と前記支持部材との間に介在する
   介在物とを備えており、前記セラミックス部材がその側
   周面側で前記保持部材によって支持されており、前記保
   持部材が前記介在物を介して前記支持部材によって支持
   されていることを特徴とする、半導体ウエハー加熱装
   置。
8. 【請求項８】前記セラミックス部材の前記側面から径方
   向の外側に向かって延びる延在部が形成されており、前
   記保持部材の内周面に径方向の内側に向かって延びる延
   在部が形成されており、前記保持部材の前記延在部によ
   って前記セラミックス部材の前記延在部が支持されてい
   ることを特徴とする、請求項７記載の半導体ウエハー加
   熱装置。
9. 【請求項９】ウエハー加熱面を有する盤状のウエハー加
   熱用セラミックス部材であって、この背面側に支持部が
   形成されているセラミックス部材と；このセラミックス
   部材を支持するための支持部材と；緻密な非金属無機質
   材料からなる介在物とを備えており、前記セラミックス
   部材の前記支持部と前記支持部材との間に隙間が設けら
   れており、前記セラミックス部材の前記支持部が前記介
   在物によって支持されており、この介在物が前記支持部
   材によって支持されていることを特徴とする、半導体ウ
   エハー加熱装置。