KR20130107229A - 가열 장치 및 반도체 제조 장치 - Google Patents

가열 장치 및 반도체 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 웨이퍼를 가열하는 가열 장치에서, 센터 쿨 온도 분포의 실현과 온도 제어성의 향상을 양립하고, 추가로 중공 샤프트의 하단의 고온화를 방지하는 것을 목적으로 한다.
가열 장치(10)는, 세라믹 기체(20)와, 저항 발열체(22)와, 중공 샤프트(40)를 구비하고 있다. 세라믹 기체(20)에는, 중앙부(20a)와 외주부(20b)가 있다. 저항 발열체(22)는, 중앙부(20a)에서의 발열 밀도가 외주부(20b)에서의 발열 밀도의 1.4배 내지 2.0배가 되도록 설계되어 있다. 중공 샤프트(40)에는, 제1 부위(41)와 제2 부위(42)가 있고, 제1 부위(41)의 두께(tb1)는 6 ㎜ 내지 10 ㎜, 제2 부위(42)의 두께(tb2)는 제1 부위(41)의 두께(tb1)의 0.3배 내지 0.5배이다. 또한 제1 부위(41)의 길이는, 중공 샤프트(40)의 전체 길이의 0.4배 내지 0.8배이다.

Description

가열 장치 및 반도체 제조 장치{HEATING DEVICE AND SEMICONDUCTOR MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은, 가열 장치 및 반도체 제조 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 장치에서는, 열 CVD, 플라즈마 CVD 등에 의해 실란 가스 등의 원료 가스로부터 반도체 박막을 제조함에 있어서, 웨이퍼를 가열하기 위한 가열 장치가 채용되어 있다. 가열 장치로서는, 웨이퍼 배치면을 갖는 원반 형상의 세라믹 기체와, 그 세라믹 기체의 내부 또는 표면에 설치된 저항 발열체와, 그 세라믹 기체 중 웨이퍼 배치면과는 반대측의 면에 부착된 중공 샤프트를 구비한 것이 알려져 있다. 이러한 가열 장치에서, 웨이퍼 배치면의 온도를 균일화하기 위한 방법이 여러 가지 알려져 있다. 예컨대 세라믹 기체 내에 코일 스프링형의 저항 발열체(권취체)를 매설하는 경우에는, 권취체의 권취 수나 권취 직경을 많게 하거나, 선 직경을 작게 하는 것에 의해, 웨이퍼 설치면의 단위 면적당의 발열량을 증대시킬 수 있다. 또한 권취체의 권취 수나 권취 직경을 적게 하거나, 선 직경을 크게 하는 것에 의해, 웨이퍼 설치면의 단위 면적당의 발열량(발열 밀도)을 저하시킬 수 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2003-272805호 공보
그런데, CVD 공정의 시작 직후에 원료 가스가 도입되면, 세라믹 기체의 중앙부의 온도가 상승하는 경우가 있고, 그것을 근거로 하여, 미리 세라믹 기체의 중앙부가 외주부보다 저온이 되도록 온도 분포를 설계하는 경우가 있다. 이러한 온도 분포를 센터 쿨 온도 분포라고 한다. 센터 쿨 온도 분포는, 예컨대 코일 스프링형의 저항 발열체를 이용하는 경우, 세라믹 기체의 외주부에 비해 중앙부의 권취 수를 적게 하는(즉 중앙부의 발열 밀도를 작게 하는) 것에 의해 용이하게 실현할 수 있다. 통상, 세라믹 기체의 온도 제어는, 세라믹 기체의 온도를 열전대로 측정하고, 그 측정 온도가 미리 설정된 목표 온도가 되도록 저항 발열체에 공급하는 전력을 조절하는 것에 의해 행해진다. 이 때, 열전대는 세라믹 기체의 중앙부(즉 중공 샤프트의 내측)의 온도를 측정하도록 배치된다.
그러나, 웨이퍼 배치면에 웨이퍼를 배치한 직후나 CVD 공정에서 웨이퍼에의 플라즈마 입열이 발생한 경우에는, 온도 제어성이 저하되어, 안정적인 온도를 얻을 때까지의 시간이 길어지고, CVD에 의해 얻어진 막의 두께가 균일하게 되지 않는 등의 문제가 생기는 경우가 있었다. 이러한 문제가 생기는 원인에 대해서 이하에 설명한다. 세라믹 기체의 중앙부는, 전술한 바와 같이, 센터 쿨 온도 분포를 실현하기 위해 세라믹 기체의 외주부에 비해 발열 밀도가 작게 되어 있다. 열전대는, 그 발열 밀도가 작은 부분의 온도를 측정한다. 이 때문에, 예컨대 열전대에 의해 측정된 온도가 목표 온도에 도달하지 않아, 저항 발열체에의 공급 전력을 증가한 경우, 발열 밀도의 차이로부터, 외주부에 비해 중앙부의 온도 상승이 지연된다. 그 결과, 열전대에 의해 측정된 온도가 목표 온도에 도달했을 때, 즉 중앙부가 목표 온도에 도달했을 때에는, 외주부는 목표 온도를 크게 초과해 버리는 경우가 있었다.
이러한 온도 제어성의 저하는, 발열 밀도를 세라믹 기체의 중앙부와 외주부에서 그다지 차이가 없도록 함으로써 개선할 수 있다. 그러나, 그 경우에는, 센터 쿨 온도 분포가 작아지기 때문에, CVD 공정의 시작 직후에 원료 가스가 도입되었을 때에 중앙부가 외주부에 비해 고온으로 되어 버리는 경우가 있다. 또한, 세라믹 기체의 열을 중공 샤프트에 방출하는 것에 의해 센터 쿨 온도 분포를 비교적 크게 하는 것이 생각되지만, 중공 샤프트의 온도가 너무 높아지면, 중공 샤프트의 하단은 O링으로 시일되어 있는 관계상, O링이 열로 열화되어 시일성이 저하되는 경우가 있었다. 이러한 것으로부터, 센터 쿨 온도 분포의 실현과 온도 제어성의 향상을 양립하고, 추가로 중공 샤프트의 하단의 고온화를 방지하는 것이 요구되고 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 웨이퍼를 가열하는 가열 장치에서, 센터 쿨 온도 분포의 실현과 온도 제어성의 향상을 양립하고, 추가로 중공 샤프트의 하단의 고온화를 방지하는 것을 주된 목적으로 한다.
본 발명자 등은, 당초, 센터 쿨 온도 분포를 실현하기 위해서는, 발열 밀도를 외주부에 비해 중앙부가 작아지도록 해야 한다고 생각하고 있었다. 그러나, 이와 같은 구성에서는, 세라믹 기체의 중앙부의 온도가 미리 설정된 목표 온도가 되도록 저항 발열체에의 공급 전력을 조절한 경우, 온도 제어성이 저하되어 버렸다. 그래서, 발상을 전환하여, 발열 밀도를 외주부에 비해 중앙부가 커지도록 하여, 센터 쿨 온도 분포를 실현하는 것을 생각하였다. 그리고, 중공 샤프트의 형상을 여러 가지 고안한 바, 센터 쿨 온도 분포의 실현과 온도 제어성의 향상을 양립할 수 있고, 또한 중공 샤프트의 하단의 고온화를 방지할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 가열 장치는,
웨이퍼 배치면을 갖는 원반 형상의 세라믹 기체와,
이 세라믹 기체의 내부 또는 표면에 설치된 저항 발열체와,
상기 세라믹 기체 중 상기 웨이퍼 배치면과는 반대측의 면에 부착된 중공 샤프트
를 구비한 가열 장치로서,
상기 세라믹 기체에는, 중앙부와 외주부가 있고,
상기 외주부는, 상기 중앙부의 외측의 환형 영역이며,
상기 저항 발열체는, 상기 중앙부에서의 발열 밀도가 상기 외주부에서의 발열 밀도보다 높아지도록 설치되고,
상기 중공 샤프트에는, 상기 세라믹 기체로부터 정해진 중간 위치까지의 제1 부위와, 상기 중간 위치로부터 샤프트 엔드까지의 제2 부위가 있으며,
상기 제1 부위의 두께는, 상기 제2 부위의 두께의 2∼3.3배이고,
상기 제1 부위의 길이는, 상기 샤프트의 전체 길이의 0.4∼0.8배인 것이다.
본 발명의 가열 장치에 의하면, 센터 쿨 온도 분포의 실현과 온도 제어성의 향상을 양립할 수 있고, 추가로 중공 샤프트의 하단의 고온화를 방지할 수 있다. 즉, 이 가열 장치에서는, 중앙부에서의 발열 밀도는, 외주부에서의 발열 밀도보다 높다. 여기서, 발열 밀도란, 웨이퍼 배치면의 단위 면적당 발열량을 말한다. 세라믹 기체의 중앙부의 온도가 미리 설정된 목표 온도가 되도록 저항 발열체에의 공급 전력을 조절하는 온도 제어에서, 온도를 측정하는 중앙부에서는, 발열 밀도가 높기 때문에, 공급 전력이 증가했을 때에 그것에 신속히 추종하여 온도가 오른다. 따라서, 세라믹 기체의 온도 제어성이 양호해진다. 한편, 발열 밀도를 이와 같이 설정하면, 본래, 센터 쿨 온도 분포를 실현할 수 없다. 그러나, 중앙부에는 형상을 고안한 중공 샤프트가 부착되어 있다. 구체적으로는, 중공 샤프트의 제1 부위의 두께가 제2 부위의 두께의 2배 내지 3.3배, 제1 부위의 길이가 샤프트의 전체 길이의 0.4배 내지 0.8배(제2 부위의 길이는 전체 길이의 0.2배 내지 0.6배)로 되어 있다. 이와 같이, 제1 부위가 충분히 두껍게 형성되어 있기 때문에, 중앙부의 열은 중공 샤프트의 제1 부위에 유출되기 쉬워져, 결과적으로 센터 쿨 온도 분포가 실현된다. 또한, 제1 부위로부터 중공 샤프트의 하단에 부착되는 냉각판에의 열의 이동량은, 두께가 얇은 제2 부위에 의해 제한된다. 따라서, 중공 샤프트의 하단이 너무 고온이 되지 않아, 그 하단과 냉각판 사이에 설치되는 O링의 시일성을 손상하는 경우가 없다.
본 발명의 가열 장치는, 상기 세라믹 기체의 온도를 제어하기 위해 상기 세라믹 기체의 중앙부의 온도를 측정하는 열전대를 구비하고 있어도 좋다. 이러한 열전대로 측정한 온도를 이용하여, 세라믹 기체의 온도를 제어할 때의 온도 제어성의 저하가 문제가 되기 때문에, 이러한 열전대를 구비한 가열 장치에 본 발명을 적용하는 의의가 높다.
본 발명의 가열 장치에서, 상기 저항 발열체는, 상기 중앙부에서의 발열 밀도가 상기 외주부에서의 발열 밀도의 1.4배 내지 2.0배가 되도록 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 세라믹 기체의 온도 제어성이 보다 양호해진다.
본 발명의 가열 장치에서, 상기 제1 부위의 직경은, 상기 제2 부위의 직경보다 큰 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 제1 부위의 표면으로부터 많은 열이 방산된다. 이 점에서도, 중공 샤프트가 너무 고온이 되는 경우가 없다.
본 발명의 가열 장치에서, 상기 제1 부위의 두께는 6 ㎜ 내지 10 ㎜로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 중앙부의 열이 중공 샤프트의 제1 부위에 보다 유출되기 쉬워져, 결과적으로 센터 쿨 온도 분포가 확실하게 실현된다.
본 발명의 반도체 제조 장치는,
전술한 가열 장치와,
상기 중공 샤프트의 상기 중간 위치로부터 열을 제거하는 제열 수단
을 구비한 것이다.
본 발명의 반도체 제조 장치에 의하면, 전술한 가열 장치에 의해 얻어지는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 중공 샤프트의 중간 위치로부터 열을 제거할 수 있기 때문에, 중공 샤프트의 하단의 온도가 너무 고온이 되는 것을 비교적 용이하게 방지할 수 있다.
본 발명의 반도체 제조 장치에서, 상기 제열 수단은, 상기 중간 위치의 주위의 가스를 빨아들이는 수단으로 하여도 좋고, 냉각 가스를 상기 중간 위치를 향해 분사하는 수단으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 통상, 반도체 제조 장치에 설치되는 수단을 제열 수단으로서 이용하기 때문에, 장치 구성이 번잡해지지 않는다. 또한, 제열 수단은, 이것에 한하지 않고, 예컨대 중공 샤프트의 중간 위치의 주변에 접촉하도록 부착된 히트 싱크여도 좋다.
도 1은 가열 장치(10)의 종단면도.
도 2는 가열 장치(10)의 평면도[단 저항 발열체(22) 및 단자(24, 25)는 실선으로 도시).
도 3은 반도체 제조 장치(100)의 개략 설명도.
도 4는 가열 장치(10)의 치수를 도시하는 설명도.
도 5는 실험예 1 내지 6의 온도 제어성을 도시하는 그래프.
도 6은 실험예 8 내지 11의 온도 제어성을 도시하는 그래프.
본 발명의 적합한 실시형태를 이하에 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 가열 장치(10)의 종단면도, 도 2는 가열 장치(10)의 평면도[단 저항 발열체(22) 및 단자(24, 25)는 실선으로 도시]이다.
가열 장치(10)는, 반도체의 제조 공정에서 반도체 웨이퍼를 가열하기 위한 대(臺)로서 사용하는 것이며, 표면이 웨이퍼 배치면(S)인 원반 형상의 세라믹 기체(20)와, 이 세라믹 기체(20)의 내부에 매설된 저항 발열체(22)와, 세라믹 기체(20)의 온도를 측정하는 열전대(30)와, 세라믹 기체(20) 중 웨이퍼 배치면(S)과는 반대측의 면에 부착된 중공 샤프트(40)를 구비하고 있다.
세라믹 기체(20)는, 질화알루미늄이나 탄화규소, 질화규소, 산화알루미늄 등으로 대표되는 세라믹 재료로 이루어지는 원반 형상의 플레이트이다. 이 세라믹 기체(20)의 두께는, 예컨대 0.5 ㎜ 내지 30 ㎜이다. 또한, 세라믹 기체(20)의 웨이퍼 배치면(S)에는, 엠보스 가공에 의해 복수의 요철이 형성되어 있어도 좋고, 복수의 홈이 형성되어 있어도 좋다. 세라믹 기체(20)에는, 중앙부(20a)와 외주부(20b)가 있다. 중앙부(20a)는, 세라믹 기체(20)와 동심의 원으로 둘러싸인 원형 영역으로서 직경이 세라믹 기체(20)의 직경의 약 40%의 영역이다. 외주부(20b)는, 세라믹 기체(20) 중 중앙부(20a)의 외측의 환형 영역이다. 또한 세라믹 기체(20)의 웨이퍼 배치면(S)과는 반대측의 면의 중앙 부근에는, 후육부(厚肉部)(20c)가 형성되어 있다. 후육부(20c)는, 원형의 대가 되도록 융기된 형상으로 형성되고, 그 외경은 중공 샤프트(40)의 제1 플랜지(40a)의 외경과 대략 일치하고 있다. 이 후육부(20c)의 두께는, 다른 부분에 비해 10% 정도 두껍게 되어 있다.
저항 발열체(22)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 세라믹 기체(20)의 중앙 부근에 배치된 정극 단자(24)로부터 단을 시작하여, 끊지 않고 한 번에 웨이퍼 배치면(S)의 전역에 배선된 후, 정극 단자(24) 옆에 설치된 부극 단자(25)에 이르도록 형성되어 있다. 양 단자(24, 25)는, 각각 급전 부재(26, 27)를 통해, 전원 회로(48)에 접속되어 있다. 이 전원 회로(48)는, 컨트롤러(50)에 의해 제어된다. 이 저항 발열체(22)는, 코일 스프링형인 것이며, 세라믹 기체(20)의 중앙부(20a)에서는 외주부(20b)에 비해 발열 밀도(웨이퍼 배치면의 단위 면적당 발열량)가 높아지도록, 구체적으로는 1.4배 내지 2.0배가 되도록 단위 길이당의 권취 수가 설정되어 있다. 또한, 저항 발열체(22)의 재질은, 예컨대 몰리브덴, 텅스텐 또는 몰리브덴/텅스텐 화합물 등을 들 수 있다. 급전 부재(26, 27)는, 금속제인 것이 바람직하고, Ni제인 것이 보다 바람직하다. 또한, 급전 부재(26, 27)의 형상으로서는, 로드 형상, 와이어 형상 등을 들 수 있다. 각 단자(24, 25)와 각 급전 부재(26, 27)의 접속은, 나사, 코킹, 감합, 납땜, 용접, 공정(共晶) 납땜 등을 적용하면 된다.
열전대(30)는, 세라믹 기체(20)의 중앙부(20a)의 온도를 측정하는 것이며, 세라믹 기체(20)의 웨이퍼 배치면(S)과는 반대측의 면의 중앙에 형성된 오목부에 삽입되어 있다. 이 열전대(30)는, 측정한 온도를 전기 신호로서 컨트롤러(50)에 출력한다. 컨트롤러(50)는, 열전대(30)로부터 입력한 온도와 미리 설정된 목표 온도의 차가 없어지도록 전원 회로(48)에 의해 저항 발열체(22)에 공급하는 전력을 조절한다.
중공 샤프트(40)는, 세라믹 기체(20)와 동일한 세라믹 재료로 이루어지는 원통체이며, 세라믹 기체(20)의 후육부(20c)에 일체적으로 접합되어 있다. 이 중공 샤프트(40)의 내부에는, 급전 부재(26, 27)나 열전대(30) 등이 배치되어 있다. 중공 샤프트(40) 중, 세라믹 기체(20)측의 단부(端部)에는 제1 플랜지(40a)가 설치되고, 세라믹 기체(20)와 반대측의 단부에는 제2 플랜지(40b)가 설치되어 있다. 제1 플랜지(40a)는, 세라믹 기체(20)의 중앙부(20a)에 접합되어 있다. 제2 플랜지(40b)는, O링(46)을 통해 금속 알루미늄제의 냉각판(44)에 기밀하게 부착되어 있다. 냉각판(44)은, 히트 싱크의 역할을 다하는 것이며, 내부에 냉매를 순환시키는 통로가 설치되어 있다. 중공 샤프트(40)에는, 제1 부위(41)와 제2 부위(42)가 있다. 제1 부위(41)는, 상단(40U)부터 중간 위치(40M)까지의 부위이다. 이 제1 부위(41)의 두께(tb1)는, 6 ㎜ 내지 10 ㎜이다. 제1 부위(41)의 길이(L1)는, 중공 샤프트(40)의 전체 길이(L)의 0.4배 내지 0.8배이다. 제2 부위(42)는, 중간 위치(40M)부터 하단(40L)(샤프트 엔드)까지의 부위이다. 이 제2 부위(42)의 두께(tb2)는, 제1 부위(41)의 두께(tb1)의 0.3배 내지 0.5배, 바꿔 말하면, 제1 부위(41)의 두께(tb1)는 제2 부위(42)의 두께의 2배 내지 3.3배이다. 또한 중공 샤프트(40)는, 평면에서 봤을 때, 제1 및 제2 플랜지(40a, 40b)를 제외하고, 세라믹 기체(20)의 중앙부(20a)에 들어가도록 배치되어 있다.
다음에, 가열 장치(10)의 제조예에 대해서 설명한다. 우선, 세라믹 기체(20)의 원료가 되는 세라믹 원료 분말을 준비하고, 저항 발열체(22) 및 각 단자(24, 25)를 세라믹 원료 분말에 매설하며, 그 세라믹 원료 분말을 가압하여 세라믹 성형체로 한다. 계속해서, 그 세라믹 성형체를 핫프레스 소성하여, 세라믹 기체(20)로 한다. 세라믹 기체(20)는, 직경은 세라믹 성형체와 동일하지만, 두께는 세라믹 성형체의 절반 정도가 된다. 계속해서, 세라믹 기체(20)의 이면으로부터 각 단자(24, 25)를 향해 구멍을 뚫어 각 단자(24, 25)를 구멍 안에 노출시킨다. 또한 세라믹 기체(20)의 이면 중앙에는, 열전대(30)를 삽입하기 위한 오목부를 형성한다.
한편, 세라믹 기체(20)와는 별도로 중공 샤프트(40)를 제작한다. 우선, 세라믹 기체와 같은 AIN 원료 분말을 금형에 넣고, CIP(냉간 등방압 가압)에 의해 성형하여, 두꺼운 원통형 성형체로 한다. 이 원통형 성형체를 소성하여, 원통형 소성체로 한다. 그리고, 얻어진 원통형 소성체를 연삭하는 것에 의해, 중공 샤프트(40)를 얻는다.
계속해서, 세라믹 기체(20)와 중공 샤프트(40)가 동축이 되도록 하고, 세라믹 기체(20)의 이면과 중공 샤프트(40)의 제1 플랜지(40a)가 접하도록 하여, 그 상태로 양자를 접합한다. 또한 접합은, 납 접합(brazing)이어도 좋고 고상 접합이어도 좋으며 고액(高液) 접합이어도 좋다. 그 후, 중공 샤프트(40)의 내부에서, 각 급전 부재(26, 27)를 각 단자(24, 25)에 접속하고, 열전대(30)의 온도 측정부를 세라믹 기체(20)의 오목부에 삽입한다. 마지막으로, 중공 샤프트(40)의 하단을 O링(46)을 통해 냉각판(44)에 부착한다. 또한 각 급전 부재(26, 27) 및 열전대(30)는, 기밀 상태를 유지하도록 냉각판(44)을 상하 방향으로 관통하도록 조립한다.
다음에, 가열 장치(10)의 사용예에 대해서 설명한다. 여기서는, 가열 장치(10)를 이용하여 플라즈마 CVD에 의해 웨이퍼에 반도체 박막을 형성하는 공정에 대해서 설명한다. 가열 장치(10)는, 도 3에 도시하는 반도체 제조 장치(100)의 구성 부품으로서 사용된다. 반도체 제조 장치(100)는, 밀폐된 챔버(60)의 내부에 가열 장치(10)를 갖고 있다. 챔버(60)에는, 실란 가스 등의 원료 가스를 공급하는 공급 포트(62)나, 챔버(60) 내의 기체를 배기하는 진공 포트(64) 등이 장비되어 있다. 진공 포트(64)는, 중공 샤프트(40)의 중간 위치(40M) 주변에 설치되어, 도시하지 않는 진공 펌프에 접속되어 있다.
플라즈마 CVD에서는, 우선, 목표 온도를 350℃로 설정하고, 컨트롤러(50)에 의한 세라믹 기체(20)의 온도를 제어한다. 컨트롤러(50)는, 열전대(30)로부터 세라믹 기체(20)의 중앙부(20a)의 온도를 입력하고, 그 온도가 목표 온도가 되도록 저항 발열체(22)에의 공급 전력을 전원 회로(48)를 통해 조절하는 것에 의해, 세라믹 기체(20)의 온도를 제어한다. 또한, 공급 포트(62)로부터 원료 가스를 공급하고, 진공 포트(64)로부터 챔버(60) 안의 가스를 배출한다. 그리고, 열전대(30)로부터 입력된 온도가 목표 온도와 대략 일치한 후, 세라믹 기체(20)의 온도 제어를 계속한 채, 세라믹 기체(20)의 웨이퍼 배치면(S)에 웨이퍼를 배치한다. 웨이퍼를 배치한 직후는, 웨이퍼 자신의 온도가 목표 온도보다 낮기 때문에, 측정 온도는 수℃ 저하되지만, 컨트롤러(50)에 의한 온도 제어에 의해 재차 목표 온도까지 상승한다. 이 상태로 플라즈마를 발생시켜, 웨이퍼 위에 원료 가스로부터 반도체 박막을 형성한다.
여기서, 가열 장치(10)에서는, 중앙부(20a)에서의 발열 밀도는, 외주부(20b)에서의 발열 밀도의 1.4∼2.0배로 되어 있다. 세라믹 기체(20)의 온도 제어에서는, 세라믹 기체(20)의 중앙부(20a)의 온도를 측정하고, 그 온도가 목표 온도가 되도록 저항 발열체(22)에의 공급 전력을 조절한다. 온도를 측정하는 중앙부(20a)에서는, 발열 밀도가 높기 때문에, 공급 전력이 증가했을 때에는 그것에 신속히 추종하여 온도가 오른다. 따라서, 세라믹 기체(20)의 온도 제어성이 양호해진다. 한편, 저항 발열체(22)를 이와 같이 구성하면, 본래, 센터 쿨 온도 분포를 실현할 수 없다. 그러나, 중앙부(20a)에는, 형상을 고안한 중공 샤프트(40)가 부착되어 있다. 구체적으로는, 중공 샤프트(40)의 제1 부위(41)의 두께(tb1)가 6 ㎜ 내지 10 ㎜로 되어 있다(통상의 샤프트 두께는 3 ㎜ 정도). 이와 같이, 제1 부위(41)가 충분히 두껍게 형성되어 있기 때문에, 중앙부(20a)의 열이 중공 샤프트(40)의 제1 부위(41)에 유출되기 쉬워져, 결과적으로 센터 쿨 온도 분포가 실현된다. 또한 플라즈마 CVD의 시작시에 원료 가스가 챔버(60) 안에 공급되면, 센터 쿨 온도 분포가 대략 편평한 온도 분포로 변화되어, 웨이퍼 전체가 대략 동일한 온도가 된다.
또한, 제2 부위(42)의 두께(tb2)가 두께(tb1)의 0.3배 내지 0.5배, 제1 부위(41)의 길이(L1)가 중공 샤프트(40)의 전체 길이(L)의 0.4배 내지 0.8배[제2 부위(42)의 길이는 전체 길이(L)의 0.2배 내지 0.6배]로 되어 있다. 이 때문에 제1 부위(41)로부터 냉각판(44)에의 열의 이동량은, 두께가 얇은 제2 부위(42)에 의해 제한된다. 따라서, 중공 샤프트(40)의 하단이 너무 고온이 되지 않아, O링(46)의 시일성을 손상하는 경우가 없다. 또한, 진공 포트(64)는, 중공 샤프트(40)의 중간 위치(40M)의 주위의 가스를 빨아들이기 때문에, 중공 샤프트(40)의 중간 위치(M)로부터 열이 제거되는 것이 된다. 이 점에서도, 중공 샤프트(40)의 하단이 너무 고온이 되는 경우가 없다. 또한 제1 부위(41)의 직경은 제2 부위(42)의 직경보다 크기 때문에, 제1 부위(41)의 표면적은 제2 부위(42)의 표면적보다 크다. 이 때문에, 제1 부위(41)의 표면으로부터 많은 열이 방산된다. 이 점에서도, 중공 샤프트(40)의 하단이 너무 고온이 되는 경우가 없다.
또한, 중앙부(20a)에서의 발열 밀도가, 외주부(20b)에서의 발열 밀도의 1.4배 미만이면, 온도 제어성이 저하되기 때문에 바람직하지 않고, 2.0배를 초과하면, 외주부(20b)에 비해 중앙부(20a)의 온도가 너무 높아지기 때문에 바람직하지 않다. 제1 부위(41)의 두께(tb1)가 6 ㎜ 미만이면, 센터 쿨 온도 분포를 실현할 수 없기 때문에 바람직하지 않고, 10 ㎜를 초과하면, 외주부(20b)에 비해 중앙부(20a)의 온도가 너무 낮아지기 때문에 바람직하지 않다. 제2 부위(42)의 두께(tb2)가 제1 부위(41)의 두께(tb1)의 0.3 미만에서는, 센터 쿨 온도 분포를 실현할 수 없기 때문에 바람직하지 않고, 0.5를 초과하면, O링(46)이 너무 고온이 되기 때문에 바람직하지 않다. 제1 부위(41)의 길이(L1)가 중공 샤프트(40)의 전체 길이(L)의 0.4배 미만이면 센터 쿨 온도 분포도 온도 제어성도 불충분해지고, 0.8배를 초과하면 중공 샤프트(40)의 하단이 고온이 되어, O링(46)의 시일성을 손상할 우려가 있기 때문에, 바람직하지 않다.
이상 설명한 본 실시형태의 가열 장치(10)에 의하면, 센터 쿨 온도 분포의 실현과 온도 제어성의 향상을 양립할 수 있고, 추가로 중공 샤프트(40)의 하단의 고온화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 실시형태에 전혀 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 가지의 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.
예컨대 전술한 실시형태에서는, 진공 포트(64)를 중공 샤프트(40)의 중간 위치(40M)의 주변에 설치했지만, 진공 포트(64)를 별도의 위치에 설치하는 경우에는, 냉각 가스를 중간 위치(M)를 향해 분사하는 분사 포트를 설치하여도 좋다. 이렇게 하면, 분사 포트로부터 분사되는 냉각 가스에 의해 중간 위치(M)로부터 열이 제거되기 때문에, 중공 샤프트(40)의 하단이 너무 고온이 되는 경우는 없다. 또는 중공 샤프트(40)의 중간 위치(40M)의 주변에 히트 싱크를 접촉시켜 고정하여도 좋다. 이 경우도, 히트 싱크에 의해 중간 위치(M)로부터 열이 제거되기 때문에, 중공 샤프트(40)의 하단이 너무 고온이 되는 경우는 없다.
전술한 실시형태에서는, 세라믹 기체(20)의 중앙부(20a)의 발열 밀도를 외주부(20b)에 비해 크게 함에 있어서, 코일 스프링형의 저항 발열체(22)의 단위 길이당의 권취 수를 변경했지만, 그 대신에, 권취 직경을 변경하거나 선간 거리(인접하는 코일 스프링의 간격)를 변경하여도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 저항 발열체(22)를 웨이퍼 배치면(S)의 전체면에 걸쳐 끊지 않고 한 번에 형성했지만, 그 대신에, 웨이퍼 배치면(S)을 복수의 영역으로 분할하여, 각 영역마다 끊지 않고 한 번에 형성하여도 좋다. 복수의 영역으로 분할함에 있어서, 세라믹 기체(20)와 동심인 1 이상의 원이 경계선이 되도록 분할하여도 좋다. 또는 원반 형상의 세라믹 기체(20)를, 2 이상의 반경이 경계선이 되도록 분할하여도 좋고, 그 경우, 중심각이 360˚/n(n은 2 이상의 정수)의 부채형으로 분할되어도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 저항 발열체(22)의 형상을 코일 스프링형으로 했지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 예컨대 그물 형상(메시형)이나 막 형상(시트형)이어도 좋다. 그물 형상의 발열체를 채용한 경우, 발열 밀도를 변경하기 위해서는, 예컨대 그물코의 촘촘함을 변경하거나 선 직경을 변경하거나 발열체의 면적을 변경하거나 하면 되고, 막 형상의 발열체를 채용한 경우, 발열 밀도를 변경하기 위해서는, 예컨대 면적을 변경하면 된다.
전술한 실시형태에서는, 세라믹 기체(20)의 웨이퍼 배치면(S)과는 반대측의 면에는 후육부(20c)를 설치했지만, 이러한 후육부(20c)를 설치하지 않고, 세라믹 기체(20)의 두께를 균일하게 하여도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 세라믹 기체(20)에 저항 발열체(22)를 매설했지만, 추가로 정전 척용의 정전 전극이나 플라즈마 발생용의 고주파 전극을 매설하여도 좋다. 또한 저항 발열체(22)를 매설하는 대신에, 세라믹 기체(20)의 표면에 설치하여도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 세라믹 기체(20)와 중공 샤프트(40)는 동일한 세라믹 재료로 형성했지만, 상이한 세라믹 재료로 형성하여도 좋다.
[실시예]
[실험예 1 내지 11]
각 실험예에 대해서, 도 1에 도시한 가열 장치(10)를 제작하였다. 각 실험예의 가열 장치(10)의 치수를 도 4 및 표 1에 나타낸다. 구체적인 제작 수순을 이하에 설명한다.
우선, AIN 성형체를 제작하였다. AIN 원료 분말은, 순도 99%의 것을 사용하였다. 이 AIN 성형체 중에는, Mo제의 코일 스프링을 포함하는 저항 발열체를 AIN 성형체 전체면에 골고루 미치도록 매설하였다. 이 때, 저항 발열체를, 중심 근처로부터 단을 시작하여, 전체면에 골고루 미치도록 끊지 않고 한 번에 배치한 후, 다시 중심 근처에 되돌아가도록 매설하였다. 또한, 저항 발열체의 일단에 정극 단자, 타단에 부극 단자를 부착하였다. 또한 AlN 성형체의 중앙부를 AlN 성형체의 외경의 40% 이내의 원형 영역, 외주부를 중앙부의 외측의 환형 영역으로 하였다. 그리고, 발열 밀도의 비율이 표 1의 각 실험예의 발열 밀도의 비율이 되도록, 중앙부 및 외주부의 코일 스프링의 단위 길이당의 권취 수를 설정하였다. 또한, 발열 밀도의 비율이란, 외주부에 매설된 저항 발열체의 단위 면적당 발열량에 대한, 중앙부에 매설된 저항 발열체의 단위 면적당 발열량의 비율을 말한다.
다음에, 이 AIN 성형체를 소성로의 금형에 넣고, 핫프레스법으로 소성하여, 세라믹 기체로 하였다. 소성은 약 2000℃에서 행하였다. 계속해서, 세라믹 기체의 이면으로부터 각 단자를 향해 구멍을 뚫어 각 단자를 구멍 안에 노출시켰다. 또한 세라믹 기체의 이면 중앙에는, 열전대를 삽입하기 위한 오목부를 형성하였다.
한편, 중공 샤프트를 별도로 제작하였다. 우선, 세라믹 기체와 같은 AIN 원료 분말을 금형에 넣고, CIP(냉간 등방압 가압)에 의해 성형하여, 두꺼운 원통형 성형체를 얻었다. 이 원통형 성형체를 상압로에서 약 2000℃에서 소성하여, 원통형 소성체를 얻었다. 그리고, 얻어진 원통형 소성체의 외표면을 연삭하는 것에 의해, 중공 샤프트를 얻었다. 또한 중공 샤프트는, 도 4 및 표 1에 나타내는 각 실험예의 치수가 되도록 제작하였다.
계속해서, 세라믹 기체와 중공 샤프트가 동축이 되도록 하고, 세라믹 기체의 이면과 중공 샤프트의 제1 플랜지가 접하도록 하며, 그 상태로 약 2000℃까지 승온하여 양자를 접합하였다(고상 접합). 접합 후, 세라믹 기체가 도 3에 도시하는 치수가 되도록, 세라믹 기체의 표면을 가공하였다.
그 후, 저항 발열체의 각 단자에 각각 급전 부재를 납 접합으로 접합하고, 그 급전 부재를 전원 회로에 접속하였다. 또한 세라믹 기체의 이면 중앙에 형성한 오목부에 열전대를 삽입하여 고정하였다. 마지막으로, 중공 샤프트의 하단을 O링(내열 온도 200℃)을 통해 금속 알루미늄제의 냉각판을 부착하였다. 또한, 각 급전 부재 및 열전대는, 기밀 상태를 유지하도록 냉각판을 상하 방향으로 관통하도록 조립하였다. 전원 회로 및 열전대는, 컨트롤러(50)에 접속하였다. 컨트롤러(50)는, 세라믹 기체의 온도 제어를 행하는 것이며, 구체적으로는, 열전대에 의해 측정된 온도를 입력하고, 그 온도가 미리 설정된 목표 온도가 되도록 전원 회로로부터 저항 발열체에 공급하는 전력을 조작하는 것이다.
[평가]
1. 온도 분포
온도 측정용 웨이퍼를 준비하였다. 이 온도 측정용 웨이퍼는, 직경 300 ㎜의 실리콘 웨이퍼의 중심점, 직경 140 ㎜의 원주상의 8점(각 점은 원주상에서 등간격으로 설치되어 있음), 직경 280 ㎜의 원주상의 8점(각 점은 원주상에서 등간격으로 설치되어 있음)의 합계 17 지점에 열전대가 매립된 것이다. 이 온도 측정용 웨이퍼를 웨이퍼 배치면에 얹고, 목표 온도를 350℃로 설정하여, 컨트롤러에 의한 세라믹 기체의 온도 제어를 행하였다. 온도 제어를 시작한 후 15분 후에 온도 측정용 웨이퍼의 각 점의 온도을 판독하여, 최외주 8점의 온도의 평균값으로부터 중심점의 온도를 뺀 값을 센터 쿨 온도 분포로 하였다. 각 실험예의 센터 쿨 온도 분포를 표 1에 나타낸다.
2. 온도 제어성
플라즈마 CVD 공정에서, 목표 온도를 350℃로 설정하고, 컨트롤러에 의한 세라믹 기체의 온도 제어를 행하였다. 세라믹 기체의 이면 중앙에 삽입된 열전대의 측정 온도가 약 350℃가 된 후, 세라믹 기체의 온도 제어를 계속한 채, 실리콘 웨이퍼를 웨이퍼 배치면에 배치하고, 플라즈마 CVD에 의해 실리콘 웨이퍼의 표면에 반도체 박막을 형성하였다. 그 때의 경과 시간을 횡축, 열전대의 측정 온도를 종축으로 하는 온도 제어성을 나타내는 그래프를 작성하였다. 시간 계측은, 실리콘 웨이퍼를 배치하고 플라즈마 CVD를 스타트한 시점부터 시작하였다. 또한, 120초 경과 후의 측정 온도와 목표 온도의 차를 구하고, 이것을 온도 제어성의 지표로 하였다. 도 5 및 도 6에, 각 실험예의 온도 제어성을 나타내는 그래프를 도시한다. 또한, 각 실험측의 온도 제어성의 지표를 표 1에 나타낸다. 온도 제어성을 도시한 도 5 및 도 6에서는, 어느 실험예에서도. 실리콘 웨이퍼를 배치한 직후, 즉 계시 시작으로부터 수초 내지 수십초는 측정 온도가 저하되었지만, 실험예 3 내지 6, 8 내지 10에서는, 120초 후에는 컨트롤러의 온도 제어에 의해 측정 온도는 대략 350℃로 안정되었다. 이것에 대하여, 실험예 1, 2, 11에서는 120초 후에도 측정 온도는 350℃보다 4.5℃ 내지 10℃ 높았다.
3. 샤프트 엔드 온도
상기 2. 온도 제어성의 평가 시험에서 120초 경과 후의 중공 샤프트의 하단의 온도(샤프트 엔드 온도)를 측정하였다. 샤프트 엔드 온도는 중공 샤프트의 최하단 내주부에 열전대를 장착하여 측정하였다. 각 실험예의 샤프트 엔드 온도를 표 1에 나타낸다.
[표 1]
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[결과]
실험예 3 내지 5, 9, 10(본 발명의 실시예에 상당)에 의하면, 센터 쿨 온도 분포가 4℃ 내지 7℃, 온도 제어성의 지표가 3℃ 이하의 상승, 샤프트 엔드 온도가 200℃ 이하였다. 즉, 센터 쿨 온도 분포의 실현과 온도 제어성의 향상을 양립할 수 있고, 추가로 중공 샤프트의 하단의 온도를 O링의 내열 온도 미만으로 억제할 수 있었다. 이러한 효과가 얻어진 것은, 발열 밀도의 비율이 1.4∼2.0, 제1 부위의 두께(tb1)가 6 ㎜ 내지 10 ㎜, 제2 부위의 두께(tb2)가 3 ㎜(tb2/tb1이 0.3 내지 0.5, tb1/tb2가 2 내지 3.3), 중공 샤프트의 전체 길이(L)에 대한 제1 부위의 길이(L1)의 비(L1/L)가 0.4 내지 0.8이었던 것에 의한다.
한편, 실험예 1, 2, 6 내지 8, 11(본 발명의 비교예에 상당)은, 센터 쿨 온도 분포의 실현, 온도 제어성의 향상 및 중공 샤프트의 하단의 고온화 방지 중 적어도 하나를 달성할 수 있었다. 실험예 1에서는, 발열 밀도의 비율을 0.6으로 했기 때문에 온도 제어성이 저하되었다. 실험예 2에서는, 발열 밀도의 비율을 1.0으로 했기 때문에 센터 쿨 온도 분포를 실현할 수 없었다. 실험예 6은 실험예 3의 L1/L을 1.0으로 한 것이다. 이 실험예 6에서는, 센터 쿨 온도 분포의 실현과 온도 제어성의 향상이 양립되어 있지만, 중공 샤프트의 하단의 온도가 200℃를 초과하였다. 실험예 7에서는, 발열 밀도의 비율을 2.4, tb2/tb1을 0.2로 했기 때문에, 제조 도중에 파손되어 버렸다. 실험예 8은, 실험예 9, 10의 L1/L을 1.0으로 한 것이다. 이 실험예 8에서는, 센터 쿨 온도 분포의 실현과 온도 제어성의 향상이 양립되어 있지만, 중공 샤프트의 하단의 온도가 200℃를 초과하였다. 실험예 11은, 실험예 5의 L1/L을 0.2로 한 것이다. 이 실험예 11에서는, 센터 쿨 온도 분포가 충분히 실현되지 않아, 온도 제어성도 향상하지 않았다.
10: 가열 장치, 20: 세라믹 기체, 20a: 웨이퍼 배치면, 20a: 중앙부, 20b: 외주부, 20c: 후육부, 22: 저항 발열체, 24: 정극 단자, 25: 부극 단자, 26, 27: 급전 부재, 30: 열전대, 40: 중공 샤프트, 40L: 하단, 40M: 중간 위치, 40U: 상단, 40a: 제1 플랜지, 40b: 제2 플랜지, 41: 제1 부위, 42: 제2 부위, 44: 냉각판, 46: O링, 48: 전원 회로, 50: 컨트롤러, 60: 챔버, 62: 공급 포트, 64: 진공 포트, 100: 반도체 제조 장치, L: 중공 샤프트의 전체 길이, L1: 제1 부위의 길이, S: 웨이퍼 배치면, tb1: 제1 부위의 두께, tb2: 제2 부위의 두께

Claims (7)

  1. 웨이퍼 배치면을 갖는 원반형의 세라믹 기체와,
    이 세라믹 기체의 내부 또는 표면에 설치된 저항 발열체와,
    상기 세라믹 기체 중 상기 웨이퍼 배치면과는 반대측의 면에 부착된 중공 샤프트
    를 구비한 가열 장치로서,
    상기 세라믹 기체에는, 중앙부와 외주부가 있고,
    상기 외주부는, 상기 중앙부의 외측의 환형 영역이며,
    상기 저항 발열체는, 상기 중앙부에서의 발열 밀도가 상기 외주부에서의 발열 밀도보다 높아지도록 설치되고,
    상기 중공 샤프트에는, 상기 세라믹 기체로부터 정해진 중간 위치까지의 제1 부위와, 상기 중간 위치로부터 샤프트 엔드까지의 제2 부위가 있으며,
    상기 제1 부위의 두께는, 상기 제2 부위의 두께의 2배 내지 3.3배이고,
    상기 제1 부위의 길이는, 상기 중공 샤프트의 전체 길이의 0.4배 내지 0.8배인 것인 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 기체의 온도를 제어하기 위해, 상기 세라믹 기체의 중앙부의 온도를 측정하는 열전대를 구비한 가열 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항 발열체는, 상기 중앙부에서의 발열 밀도가 상기 외주부에서의 발열 밀도의 1.4배 내지 2.0배가 되도록 설치되어 있는 것인 가열 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 부위의 직경은, 상기 제2 부위의 직경보다 큰 것인 가열 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 부위의 두께는 6 ㎜ 내지 10 ㎜인 것인 가열 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 기재된 가열 장치와,
    상기 중공 샤프트의 상기 중간 위치로부터 열을 제거하는 제열 수단
    을 구비한 반도체 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제열 수단은, 상기 중간 위치의 주위의 가스를 빨아들이는 수단이거나, 또는 냉각 가스를 상기 중간 위치를 향해 분사하는 수단인 것인 반도체 제조 장치.
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