JP2005166354A - セラミックヒーター - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック基体に貫通孔が設けられているヒーターにおいて、基体の加熱面における均熱性を向上させると共に、熱サイクル印加時のセラミック基体の寿命を長くすることである。
【解決手段】セラミックヒーターは、セラミックスからなり、加熱面を有し、３以上のゾーン３Ｃ、３Ｆに分画される基体、各ゾーンに対応してそれぞれ設置されている抵抗発熱体、および各抵抗発熱体と電気的に接続されている端子５Ｃを備えている。基体に少なくとも３個の貫通孔４が形成されており、端子５Ｃと貫通孔４壁面との距離ｎが８ｍｍ以上である。抵抗発熱体１５が、端子の中心５ａと貫通孔の中心４ａとを結ぶ直線１６を横断している。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体加熱等に適したセラミックヒーターに関するものである。

半導体製造装置においては、熱ＣＶＤなどによってシランガスなどの原料ガスから半導体薄膜を製造するに当たって、ウエハーを加熱するためのセラミックヒーターが採用されている。こうしたセラミックヒーターは、加熱面およびその上に設置される半導体ウエハーの温度を高度に均一化することが必要不可欠である。

こうしたセラミックヒーターにおいて、ヒーターの加熱面の温度を均一化するための手法が種々知られている。例えば、いわゆる２ゾーンヒーターはこうした手法の一つである。２ゾーンヒーターは、セラミック基体中に、高融点金属からなる内周側抵抗発熱体と外周側抵抗発熱体とを埋設し、各抵抗発熱体にそれぞれ別個の電流導入端子を形成し、各抵抗発熱体にそれぞれ独立して電圧を印加することにより、内周側抵抗発熱体及び外周側抵抗発熱体からの発熱を独立して制御するものである。

特許文献１においては、セラミック基体内に９ゾーンの抵抗発熱体を埋設しており、またセラミック基体には貫通孔が形成されている。
特開２００１−５２８４３号公報

半導体ウエハーを設置するためのサセプターとしてセラミックヒーターを使用する場合には、基体には、半導体ウエハーを支持するためのリフトピンを挿入するリフトピン孔、バックサイドガスを供給するためのガス供給孔、熱電対を挿入するための熱電対挿入孔など、種々の孔を設けることがある。セラミック基体に孔、特に貫通孔を設けると、これらの孔は、セラミック基体の構造欠陥部分となる。

ここで、特許文献１のセラミックヒーターにおいては、内側から２，３ゾーン目の端子が貫通穴に極めて近い部位に配設されており、端子および貫通孔の周辺がコールドスポットになり、均熱性が低下することが判明した。また、端子および貫通孔の周辺と他の領域との温度差が大きくなることから、ヒーターを繰り返し使用すると、セラミック基体が破損しやすくなり、寿命が短いという問題がある。

本発明の課題は、セラミック基体に貫通孔が設けられているヒーターにおいて、基体の加熱面における均熱性を向上させると共に、熱サイクル印加時のセラミック基体の寿命を長くすることである。

本発明は、セラミックスからなり、加熱面を有し、３以上のゾーンに分画される基体、各ゾーンに対応してそれぞれ設置されている抵抗発熱体、およびの各抵抗発熱体と電気的に接続されている端子を備えているセラミックヒーターであって、
基体に３個以上の貫通孔が形成されており、端子と貫通孔壁面との距離が８ｍｍ以上であり、抵抗発熱体のうち少なくとも一つが、端子の中心と貫通孔の中心とを結ぶ直線を横断していることを特徴とする。

本発明によれば、端子と貫通孔壁面との距離が８ｍｍ以上であり、抵抗発熱体が、端子の中心と貫通孔の中心とを結ぶ直線を横断するように設計した。この結果、基体表面におけるクールスポットおよびホットスポットを抑制して均熱性を向上させ得るのと共に、熱サイクル印加時のセラミック基体の寿命を長くできる。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るセラミックヒーター１Ａにおけるゾーン、貫通孔および端子の設置パターンを示す平面図であり、図２は、セラミックヒーター１Ｂにおけるゾーン、貫通孔、端子および熱電対挿入穴の設置パターンを示す平面図である。図３は、図１または図２のヒーターにおける抵抗発熱体および端子の設置パターンを概略的に示す断面図である。

図１、図２の例では、基体２は略円板状である。基体２は、複数の発熱体埋設ゾーン、例えば６個の発熱体埋設ゾーン３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆが設けられている。本例では、ゾーン３Ａは基体２の中央にあり、略円形をなしている。ゾーン３Ｂはリング状である。ゾーン３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆは、ゾーン３Ｂの外側において、リングを４分割するように形成されている。

各ゾーンには、それぞれ、互いに独立して発熱量を制御可能な抵抗発熱体が埋設されている。各ゾーン３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ内の各発熱体は、それぞれ、各端子５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆに連結されている。各端子５Ａ〜５Ｆは、それぞれ、図３に示すような基体外の電力供給部材１０に対してつながっており、これが図示しない電力ケーブルやロッドを介して外部電源に接続されている。基体２の背面２ｂには管状の支持部材１１が取り付けられており、端子、電力供給部材１０および電力ケーブル、ロッドは、支持部材１１内の空間１２に面している。基体２と支持部材１１との接合方法は特に限定されず、例えばろう材またはボルト止めによって接合でき、あるいは特開平８−７３２８０号公報に記載のようにして固相接合できる。また、ヒーターと支持部材とは、Ｏリングやメタルパッキングなどのシール部材を用いてシール接合することができる。支持部材１１はチャンバー１３に取り付けられている。４は、リフトピン挿入用の貫通孔や、バックサイドガスの供給孔である。

ここで、本発明に従い、端子と貫通孔との距離ｎを８ｍｍ以上とし、かつ端子の中心と貫通孔の中心との間に抵抗発熱体を通す。例えば、図４に示すように、端子５Ｃの外周面と貫通孔４の内壁面との間の距離ｎを８ｍｍ以上とすると共に、端子５Ｃの中心５ａと貫通孔４の中心４ａとを結ぶ直線１６を、抵抗発熱体１５が横断するように設計する。以下、この作用効果について述べる。

本発明においては、基体の加熱面の均熱性を向上させるために、制御する抵抗発熱体の数を３個以上に増やし、各ゾーンからの発熱を別個に制御することによって、面内を細やかに温度分布制御できる。昇温時の温度分布によってはヒータープレート内に熱応力が発生して、破損する恐れがあったが、各ゾーンごとに独立して温度制御することで、発生熱応力を低減し、破損を回避するように面内分布に改善することが可能となり、ヒーターの破損事故を低減させることができるはずである。

しかし、ゾーン数を増やすと、抵抗発熱体数に伴って端子数も増加する。ここで、図４を参照して説明すると、端子５Ｃおよび貫通孔４は発熱しないため、発熱しない部位面積が大きくなり、クールスポットになり得る。しかし、端子と貫通孔との距離ｎが小さいと、両者の間に実効的な抵抗発熱体をレイアウトできない。そこで、絶縁距離を確保する必要があり、その距離ｎとして、８ｍｍ以上を確保することが必須であることを見いだした。これが８ｍｍ未満であると、セラミック材料間リーク電流が発生してしまい、クールスポットがなくなる代わりに、ホットスポットが形成されてしまうからである。クールスポットあるいはホットスポットの形成は温度分布均熱性の悪化だけでなく、熱応力発生要因となり、ヒーター破損の原因ともなるので改善の必要がある。

ここで、ｎを８ｍｍ以上としてホットスポットの発生を防止できる。これと共に、端子と貫通孔との間に抵抗発熱体１５を通すことによって、コールドスポットも消去でき、これによって均熱性を向上させ、かつ熱サイクル印加時の基体の破損を防止できることを見いだした。このような抵抗発熱体が存在しない場合には、図５に示すように、端子５Ｃおよび貫通孔４およびその周囲に熱源がないため、クールスポットが発生しやすい。

端子と貫通孔との距離ｎが大きすぎると、設計が困難となるので、２９０ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、各抵抗発熱体が埋設されたセラミックプレートの各ゾーンには、通常、熱電対等の温度測定素子用の穴がゾーンあたり１個設けてある（図１では図示省略）。しかし、この方法であると、熱電対用の穴の位置と、ヒーターが使用されるチャンバー環境の影響にもより、それら穴に配設されたヒーターの温度制御用熱電対がゾーン同士で温度干渉して、各ゾーンを適切に温度制御できない問題点も出てくる。

そこで、好適な実施形態においては、各ゾーンごとに２個以上の温度測定用穴を設けておくことができる。これによって、ヒーターの使用されるチャンバー環境に見合った、ゾーン間の温度干渉を低減できる穴位置を選択できる。そして、選択した穴に温度測定素子を配設することで、ゾーン間の温度干渉による温度測定素子の動作劣化を抑制し、加熱面の均熱性を向上させることができる。

基体を構成するセラミックスは特に限定されない。しかし、基体の材質は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素及びサイアロンなどの窒化物セラミックス、アルミナー炭化ケイ素複合材料などの公知のセラミックス材料であってよい。ハロゲン系ガスなどの腐食性ガスに対して高い耐腐食性を付与するためには、窒化アルミニウムやアルミナが特に好ましい。

管状の支持部材を使用する場合には、支持部材の材質としては、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等が好ましい。又、アルミニウムを含む金属も適宜選択できる。

基体の形状は特に限定されないが、円板形状が好ましい。加熱面の形状は、ポケット形状、エンボス形状、溝形状とする場合もある。

基体の製法は限定されないが、ホットプレス製法、ホットアイソスタティックプレス製法が好ましい。

抵抗発熱体の材質は、タンタル、タングステン、モリブデン、白金、レニウム、ハフニウムニッケル、及びこれらの合金である高融点金属であることが好ましい。特に、セラミックス基体を窒化アルミニウムから構成した場合においては、モリブデン及びモリブデン合金であることが好ましい。また、上記高融点金属以外に、カーボン、ＴｉＮ、ＴｉＣなどの導電性材料を使用することもできる。抵抗発熱体の形状は、コイル形状、リボン形状、メッシュ形状、板形状、膜形状等であってよい。

抵抗発熱体と電気的に接続されている端子の形態や材質は限定されないが、前述した抵抗発熱体用の材質であってよい。

本発明のセラミックヒーターの用途は特に限定されないが、半導体製造装置用途であることが好ましい。この半導体製造装置とは、半導体の金属汚染が懸念されるような、幅広い半導体製造プロセスにおいて使用される装置のことを意味している。これには、成膜装置の他、エッチング装置、クリーニング装置、検査装置が含まれる。

各電力供給部材の形態は限定されず、ロッド形状、ワイヤー形状、ロッドとワイヤーとの複合体を例示できる。電力供給部材の材質も限定されない。これらは管状の支持部材によってチャンバー内雰囲気から隔離されており、腐食を受けにくいことから、その材質を金属とすることが好ましく、特にニッケルが好ましい。

基体内には、高周波電極用エレメントや、静電チャック用エレメントも埋設することができる。

端子は、あらかじめ抵抗発熱体と電気的接続した後にセラミック基体に配設してもよい。また、基体に抵抗発熱体を配設したあとに、抵抗発熱体に端子を電気的接続してもよい。端子と抵抗発熱体との電気的接合は、ネジ、かしめ、嵌合、ロウ付け、溶接、共晶等が適用できる。

セラミック基体外からの電力供給部材の材質は、金属が好ましく、特にニッケルが好ましい。端子部材と電力供給部材との電気的接続はネジ、かしめ、嵌合、ロウ付け、溶接、共晶等が適用できる。

各抵抗発熱体の各配設ゾーンのレイアウトないしパターンは限定されない。例えば、複数のリング状のゾーンを同心円状に配設することができる。また、１つのリング状のゾーンを、図１、図２のゾーン３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆのように、複数の円弧状ゾーンに分割することもできる。この際の円弧の開き角度も特に限定されない。

（実施例１）
図１、図２に示すヒーター１Ａを製造した。基体２は、窒化アルミニウム焼結体とし、基体の直径φは３４０ｍｍとし、厚さは１４ｍｍとした。基体２の内部には、各ゾーンに合わせて適宜抵抗発熱体としてモリブデン線の巻回体を埋設した。各端子は、モリブデン製の円柱状端子とし、モリブデン線をかしめにより取り付けた。得られたセラミック基体を加工し、モリブデン端子の表面を露出させ、給電部材として、ニッケル円柱部品１０をろう付けした。
支持部材１１は、窒化アルミニウム焼結体によって形成した。支持部材１１を基体２の背面２ｂに固相接合した。ニッケルロッドを支持部材１１の内側空間１２に挿入し、各部材１０と電気的に接続した。

セラミック基体には、リフトピン穴用の貫通孔４を、基体２の中心から２８０ｍｍの位置に、３個、等配に設けた。貫通孔径をφ４ｍｍとした。熱電対用の穴は、各ゾーンごとに一個ごと設けた。各端子と各貫通孔側面との距離ｎは、図４に示すように８ｍｍ以上とした。そして、各端子の中心と各貫通孔の中心とを結ぶ直線１６を横切るようにそれぞれ抵抗発熱体が配設してある。当該端子と各貫通孔の中心とを結ぶ直線を横切るよう配設される抵抗発熱体は、当該端子以外の端子に接続されている抵抗発熱体であるところもある。

（実施例２）
実施例１と同様にして、図２に示すようなパターンのヒーター１Ｂを作製した。ただし、各ゾーンごとに、それぞれ２個の熱電対用の穴を設け、チャンバーへのヒーターの設置後に、各ゾーンごとに温度干渉の少ない最適の穴を選択し、熱電対を設置するようにした。

（比較例１）
実施例１と同様にしてヒーターを作製した。ただし、図５に示すように、端子５Ｃと貫通孔４との距離ｎを７ｍｍとし、直線16を抵抗発熱体が通過しないようにした。

（比較例２）
実施例１と同様にしてヒーターを作製した。ただし、図４に示すように端子と貫通孔との間に抵抗発熱体を通すと共に、端子外周面と貫通孔４壁面との距離ｎを７ｍｍとした。

各ヒーターに給電し、熱電対用穴に配設した熱電対により温度を測定し、この温度を用いて電源をフィードバック制御した。これによって７００℃に制御し、ヒータープレート面の温度分布（面内温度差ΔＴ）を確認した。また、２００℃と７００℃のヒートサイクル試験を実施し、ヒーター破損に至ったサイクル数を確認した。この結果を表１に示す。

本発明の実施例１、２においては、温度分布ΔＴが小さく、１００サイクル後まで破損が見られなかった。実施例２においては、更に温度分布ΔＴを縮小させるような制御が可能となった。比較例１においては、１００サイクル後まで破損が見られなかったが、温度分布ΔＴが１２℃まで増大した。これは端子および貫通孔の周辺にクールスポットが生じたからである。比較例２においては、温度分布が３６℃に達し、また８２サイクルで基体が破損した。これは、ｎを小さくしつつ、端子と貫通孔との間に抵抗発熱体を通したために、漏れ電流によってホットスポットが発生したからである。

本発明の一実施形態に係るヒーター１Ａにおいて、ゾーン３Ａ〜３Ｆ、貫通孔４、および端子５Ａ〜５Ｆの平面的パターンを示す図である。 本発明の一実施形態に係るヒーター１Ｂにおいて、ゾーン３Ａ〜３Ｆ、貫通孔４、端子５Ａ〜５Ｆ、および温度測定素子用の穴８の平面的パターンを示す図である。 ヒーター１Ａ（１Ｂ）における抵抗発熱体、端子、支持部材１１の位置関係を概略的に示す断面図である。 本発明における貫通孔４、端子５Ｃおよび抵抗発熱体１５の平面的位置関係を示す図である。 比較例における貫通孔４および端子５Ｃの平面的位置関係を示す図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ セラミックヒーター ２ セラミック基体 ２ａ 加熱面 ２ｂ 背面 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ ゾーン ４ 貫通孔 ４ａ 貫通孔４の中心 ５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆ 端子 ５ａ 端子の中心 １０ 電力供給部材 １１ 支持部材 １６ 端子中心と貫通孔中心とを結ぶ直線 ｎ 端子と貫通孔壁面との距離

Claims (6)

1. セラミックスからなり、加熱面を有し、３以上のゾーンに分画される基体、前記各ゾーンに対応して設置されている抵抗発熱体、および前記の各抵抗発熱体と電気的に接続されている端子を備えているセラミックヒーターであって、
   前記基体に３個以上の貫通孔が形成されており、前記端子と前記貫通孔壁面との距離がいずれも８ｍｍ以上であり、前記抵抗発熱体が、前記端子の中心と前記貫通孔の中心とを結ぶ直線を横断していることを特徴とする、セラミックヒーター。
2. 前記抵抗発熱体が前記基体に埋設されていることを特徴とする、請求項１記載のセラミックヒーター。
3. 前記基体が窒化アルミニウムからなることを特徴とする、請求項１または２記載のセラミックヒーター。
4. 前記抵抗発熱体が、タングステンまたはモリブデンを含む金属からな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セラミックヒーター。
5. 前記基体の背面側に管状の支持部材が取り付けられており、前記端子が、前記支持部材の内側に配設されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載のセラミックヒーター。
6. 前記各ゾーンに、それぞれ、温度測定素子の取り付け穴が２個以上設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載のセラミックヒーター。

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