JPH088246B2

JPH088246B2 - 加熱装置

Info

Publication number: JPH088246B2
Application number: JP2308758A
Authority: JP
Inventors: 隆介牛越; 和宏 ▲しょう▼
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH04181724A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、セラミックスヒーターを有する加熱装置に
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、腐蝕性ガス、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、弗素系ガス等の腐蝕性ガスが使
用されている。このため、ウエハーをこれらの腐蝕性ガ
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
れらのガスの暴露によって、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暴露される容器の外
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蝕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、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、均熱性が損なわれるという問題が生じた。
更に、抵抗発熱体の埋設状態、その周囲の焼結状態のバ
ラツキなどから、ウエハー加熱面において周囲よりも温
度の高いホットスポットが生じた。そして、例えばCVD
法による膜堆積などでは、温度の不均一が発生すると非
常に不利益である。

つまり、上記のセラミックスヒーターを製造する際に
は、セラミックス粉末からなる成形体の中の所定位置
に、例えばヒーター線を埋設し、この状態で両者を一体
焼結させることによって、セラミックス基材中にヒータ
ー線が埋設されたセラミックスヒーターを製造するわけ
である。しかし、この一体焼結の段階で、粉末の流動に
よって、不可避的にヒーター線が変形したり、移動した
りするので、上記のような温度のホットスポットが生じ
てくるわけである。

（発明が解決しようとする課題）本発明の課題は、ステンレスヒーターの場合のような
腐食による被加熱物の汚染やパーティクルの発生を防止
できるようにすることである。また、本発明の課題は、
上記したようなセラミックスヒーターにおいて、成形体
と埋設抵抗とを一体焼結させる際に生ずる焼成時の粉末
の流動によって、被加熱物設置面においてホットスポッ
ト等の温度の不均一が発生した場合に、この温度の不均
一を防止し、矯正できるようにすることである。

（課題を解決するための手段）本発明は、セラミックス基材と、このセラミックス基
材の内部に埋設されている抵抗発熱体とを備えており、
セラミックス基材と抵抗発熱体とが一体焼結されてお
り、セラミックス基材に被加熱物を設置するために被加
熱物設置面が設けられており、抵抗発熱体を発熱させて
セラミックス基材中に熱伝導させることによって被加熱
物を加熱するセラミックスヒーターと、セラミックヒーターの背面に設置された冷却体とを備
えていることを特徴とする、加熱装置に係るものであ
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
要部拡大断面図である。

第１図において、15は半導体製造用熱CVDに使用され
る容器、１はその内部のケース11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３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15の内部にはガス供給孔13から熱CVD用のガスが
供給され、吸引孔14から真空ポンプにより内部の雰囲気
が排出される。円盤状セラミックスヒーター１は、窒化
珪素のような緻密でガスタイトなセラミックス基材２の
内部にタングステン系等の抵抗発熱体４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５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１を例えば1100℃程度に加熱することができる。
６はケース15の上面を覆う水冷ジャケット９付きのフラ
ンジであり、Ｏリング７により容器15の側壁との間がシ
ールされ、容器15の天井面が構成されている。

円盤状セラミックスヒーター１の側周面の背面側には
延在部2a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。本例においては、セラミック
スヒーター１の直接の固定手段であるケース11の内周と
セラミックスヒーター１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、例えば計４
個の円柱状介在ピン10をケース11内周とセラミックスヒ
ーター１の側周面との間に介在させ、介在ピン10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2aを載置し、これによりセラミックスヒ
ーター１を断熱支持する。こうした介在ピン10は、緻密
な非金属無機材料から形成する。

セラミックスヒーター１の背面16とカバー12との間に
は空隙18を設ける。

そして、この空隙18において所定位置に、熱伝導性の
良好な熱伝導板17を冷却体として設置した。具体的に
は、まず焼成後のセラミックスヒーター１を第２図に示
すように仮組みする。この時点では、熱伝導板17を設置
せず、抵抗発熱体４に通電してウエハー加熱面３を発熱
させ、放射温度計８にてホットスポットＨを確認する。
そして、ホットスポットＨの存在する領域19を確認し、
この領域19においてヒーター背面16に熱伝導板17を密着
させ、更に熱伝導板17の他方の面にカバー12を密着させ
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
率の悪化の問題が解決できる。

そして、ホットスポット領域19における過剰な熱量
を、熱伝導板17を通して表面積の大きいカバー12へと矢
印Ａのように伝導、拡散させているので、ホットスポッ
ト領域19の温度を下げ、周囲の温度に近づけることがで
きる。それと同時に、カバー12を伝導されてきた熱は、
矢印Ｂのようにケース11の内周面へと向って流れる。従
って、これによりケース11の内周面とヒーター側周面と
の間の温度勾配を小さくし、ウエハー加熱面３の外周縁
部の温度低下を抑える効果がある。

なお、熱伝導板17の放熱効果が非常に高い理由はスパ
ッタ、熱CVD装置内の雰囲気圧力が10^-3torr以下の中、
高真空だからである。むろん、10^-3torr以下の高真空で
は、ガスの流れが粘性流から分子流に変化するため、熱
による対流が行なわれなくなり、熱伝導率が極度に低下
し、放射による熱移動のみとなるため、断熱効果は非常
に大きいので、間隙18中を直接カバー12へと向って伝わ
る熱は極めて小さい。

更に、本実施例では、セラミックスヒーター１の外周
面とケース11との間を離間し、介在ピン10でセラミック
スヒーター１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１の内周面
と外周面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。

冷却体として使用する熱伝導板17の材質としては、熱
伝導率の高い材料が好ましく、また緻密質の材料が好ま
しい。レンガ質や繊維質の材料を使用すると塵が発生し
易いからである。また、半導体欠陥の原因とならないよ
うな材料を選択する必要もあり、これらのことから、以
下の材料が好ましい。

・アルミニウム又はアルミニウム合金・高密度カーボン（グラファイト）・アルミナ・窒化アルミニウム・窒化珪素・炭化珪素介在ピン10は、緻密質で低熱伝導率の非金属無機材料
で形成するのが好ましい。仮に介在ピン10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
ーター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。また、仮に介在ピン10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10とヒーター１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導
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、金属は腐蝕され易く、しかも装置内を汚染す
るおそれも大きい。

介在ピン10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料が好ましく、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１の基材２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３は平滑面とすることが好ましく、特
にウエハー加熱面３にウエハーＷを直接セットする場合
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４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３図の加熱装置においては、ヒーター背面16の適当
な位置、例えばホットスポット領域に、放熱フィン型の
冷却体20を密着設置し、この冷却体20から、局所的に過
剰な熱量を放散する。

第４図の加熱装置においては、カバー12を貫通する貫
通孔12aを設け、この貫通孔12aにボルト21を貫通させ、
ボルト21の先端面をヒーター背面16に当接させる。この
際、貫通孔12aに雌ネジを切り、この雌ネジとボルト21
とを互いに螺合させることが好ましい。そして、ボルト
21を通して過剰の熱量をカバー12へと伝える。

第５図、第６図の加熱装置においては、円盤状セラミ
ックスヒーター１の背面16側に予め所定個数の円形孔22
を所定位置に形成しておく。そして、このセラミックス
ヒーター１を仮組みした状態で、前述したようにウエハ
ー加熱面３のホットスポットを確認し、そのホットスポ
ットに最も近い円形孔22Aを選定し、その円形孔22A中に
円柱状熱伝導体23を挿入又は嵌入して固定する。

第３図〜第６図において、放熱フィン型の冷却体20、
円柱状熱伝導体23は、いずれもカバー12に当接させるこ
とができ、またカバー12によってヒーター背面側へと押
圧することができる。また、冷却体20、ボルト21、円柱
状熱伝導体23をセラミックスヒーター１へと押圧する際
の面圧と、これらのヒーター１への当接面の表面粗さと
を変えることで、熱伝導の度合を変えることができる。
上記面圧が大きく、また上記当接面の表面粗さが小さい
ほど、この接触面を伝わる熱量は大きくなるからであ
る。また、冷却体20、ボルト21、円柱状熱伝導体23を、
いずれもセラミックス基材２へと接合してしまうことが
可能であり、この場合の接合方法としては、接着、ガラ
ス接合、拡散接合、摩擦圧接等を例示できる。

また、ホットスポットの平面形状については、例えば
第７図に示すように、抵抗発熱体の埋設パターンに従っ
て略円弧状となることがある。こうした形状のホットス
ポットＨに対しては、やはり平面形状が略円弧状の熱伝
導板24を準備し、この略円弧状の熱伝導板24をホットス
ポット領域に合わせて設置すると、ウエハー加熱面の均
熱性を一層高めるうえで好ましい。

本発明の加熱装置においては、被加熱物設置面の反対
側の背面に設置される冷却体としては、上記したような
熱伝導性物質からなる各種成形体の他、冷却媒体を封入
したいわゆるヒートパイプ等も使用できる。

上記各例において、ウエハー加熱用セラミックスヒー
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。

本発明の加熱装置は、プラズマエッチング装置、光エ
ッチング装置、プラズマCVD装置等の半導体装置におけ
る加熱装置として使用できる。

以下、更に具体的な例を示す。

まず、円盤状の窒化珪素基材２中にタングステン製の
抵抗発熱体４を埋設した６インチウエハー用円盤状セラ
ミックスヒーター１を準備し、この円盤状セラミックス
ヒーター１の側周面をアルミニウム製ケース11によって
直接保持し、半導体ウエハー加熱装置を準備した。ここ
で同じ抵抗発熱体埋設パターンを有する同種の加熱装置
３台を実際に作成し、その各々について放射温度計によ
ってウエハー加熱面の温度を測定したところ以下のよう
な結果を得た。

半導体ウエハー加熱装置においては、ウエハー加熱面
の温度勾配としては、２×σ_n-1が±１％を要求される
ことがあり、このためヒーターB,Cは不良となってしま
う。こうした製造上のバラツキの原因としては、焼成収
縮による基材の変形や、抵抗発熱体の埋設位置のズレが
考えられる。

ここで、本発明に従い、第１図に示すように、ホット
スポット領域19に沿って熱伝導板17を密着、設置し、ま
た円盤状セラミックスヒーター１の側周面とケース11の
内周面とを離間して介在ピン10を介在させ、この介在ピ
ン10によって円盤状セラミックスヒーター１を支持し
た。こうした改良を各ヒーターA,B,Cについてそれぞれ
行い、ウエハー加熱面３の温度を放射温度計で測定した
ところ、以下の結果を得た。

但し冷却体として使用した熱伝導板17の材質はグラフ
ァイトとし、寸法は以下の通りとした。

以下によりB,Cについては２σ_n-1＜±１％を達成しＡ
においては３σ_n-1＜±１％を達成した。

また表１でのヒーターケース11の温度はいづれも320
℃であったが、表３の処置をすることにより、ヒーター
ケース11の温度はA:327℃,B:345℃,C:361℃と各々上昇
しており、ヒーター外周部の温度低下を防止する働きを
していると思われる。

このように、本発明の実施例によれば、ウエハー加熱
面のホットスポットの温度を下げ、またヒーターの側周
面の温度を数度上昇させて、ウエハー加熱面の均熱性を
高めうることが解る。

（発明の効果）本発明の加熱装置によれば、セラミックス基材の内部
に抵抗発熱体を埋設してなり、被加熱物設置面を有する
セラミックスヒーターを使用するので、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、被加熱物設置面の反対側の背面に冷却体を設
置するので、セラミックス基材の焼成収縮による変形
や、抵抗発熱体の埋設位置のズレによって、被加熱物設
置面に局所的に熱勾配が生じても、この過剰な熱量を背
面側の冷却体へと吸収することができる。従って、被加
熱物設置面における局所的な熱勾配を減らし、また消去
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係る加熱装置を熱CVD装置
内に設置した状態を示す概略断面図、第２図は第１図の要部拡大断面図、第３図、第４図、第５図はそれぞれ円盤状セラミックス
ヒーターの背面に各種の冷却体を設置した状態を示す要
部断面図、第６図は、第５図の円盤状セラミックスヒーターを背面
側からみた平面図、第７図は、円盤状セラミックスヒーターに生じた円弧状
ホットスポットと円弧状熱伝導板とを示す概略平面図で
ある。１…円盤状セラミックスヒーター２…セラミックス基材 2a…リング状の延在部３…ウエハー加熱面（被加熱物設置面の実施例）４…抵抗発熱体、６…フランジ８…放射温度計、10…介在ピン 11…ケース、12…カバー 15…容器、16…ヒーター背面 17…熱伝導板（冷却体の例） 18…空隙、19…ホットスポット領域 20…放熱フィン型の冷却体 21…ボルト（冷却体の例） 22…円形孔 22A…ホットスポットに最も近い円形孔 23…円柱状熱伝導体（冷却体の例） 24…平面形状が略円弧状の熱伝導板（冷却体の例）Ｈ…ホットスポット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス基材と、このセラミックス基
材の内部に埋設されている抵抗発熱体とを備えており、
前記セラミックス基材と前記抵抗発熱体とが一体焼結さ
れており、前記セラミックス基材に被加熱物を設置する
ための被加熱物設置面が設けられており、前記抵抗発熱
体を発熱させて前記セラミックス基材中に熱伝導させる
ことによって前記被加熱物を加熱するセラミックスヒー
ターと、前記セラミックヒーターの背面に設置された冷却体とを
備えていることを特徴とする、加熱装置。
【請求項２】前記被加熱物が半導体ウエハーである、請
求項１記載の加熱装置。