JP2017188238A - マトリックスヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】 端子部やその引出線の構造を簡素化できるヒータを提供する。【解決手段】 このヒータは、電気的等価回路上でｎ行（ｎ≧２）×ｍ列（ｍ≧２）のマトリックス状の回路を構成する複数個の抵抗発熱体にｎ＋ｍ個の端子部を介して電圧が印加されることを特徴としており、例えば半導体ウエハを載置して加熱する円板状のウエハ加熱ヒータを半径方向に区分したゾーン群若しくは周方向に区分したゾーン群又はこれらが混在するゾーン群内に、上記複数の抵抗発熱体をそれぞれ配置することができる。【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被加熱物を載置して加熱するヒータに関し、特に複数の抵抗発熱体が電気回路上マトリックス状に構成されたマトリックスヒータに関する。

ＬＳＩなどの半導体デバイスを製造する半導体製造装置では、被処理物である半導体ウエハに対してＣＶＤやスパッタリングに代表される成膜処理、パターニング加工のためのエッチング処理など、様々な薄膜処理が施される。これら薄膜処理は半導体ウエハを加熱状態で処理することが多く、当該薄膜処理が行われるチャンバーには、薄膜処理の際に半導体ウエハを載置してその下面から加熱するサセプタとも称されるウエハ加熱ヒータが一般的に搭載されている。

上記ウエハ加熱ヒータは、例えば特許文献１に示されるように、上面に平坦なウエハ載置面を備えたセラミックス製の円板状部材からなるウエハ載置台と、これを下面側から支持する円筒状の支持部材とから構成されており、該ウエハ載置台の内部にはコイル状や薄膜状の抵抗発熱体がウエハ載置面に平行な面上に埋設されている。該抵抗発熱体の両端部の各々に設けられた端子部はウエハ載置台の下面側の支持部材の内側で露出しており、導電性部材からなる引出線がそこに接続している。該引出線は、支持部材の内側を通ってチャンバーの外部に延出し、外部電源に接続している。これにより、抵抗発熱体に所望の電圧を印加することができる。

上記したウエハ加熱ヒータでは、製品となる半導体デバイスの品質のばらつきを抑えるため、ウエハ載置面での均熱性を高めて半導体ウエハを全面に亘って均一に加熱することが求められている。そのため、抵抗発熱体の回路パターンを緻密にして温度ムラが生じないようにしたり、ウエハ載置面を複数のゾーンに区分してそれらの各々に配した抵抗発熱体に個別に給電することでゾーンごとにきめ細かく温度制御したりすることが行われている。

特開２００３−１７２２４号公報

しかしながら、各抵抗発熱体の両端部には各々端子部を設ける必要があるため、ウエハ載置面を複数のゾーンに区分してそれらの各々に個別に給電可能な抵抗発熱体を配する場合、多数の端子部をウエハ載置台の下面側に設ける必要が生じ、ウエハ載置台の下面側に設けた支持部材の内側に納まりきらないことがあった。また、これら端子部及びそれらの引出線を伝ってウエハ載置台の熱が外部に逃げやすくなり、ウエハ載置面の温度が局所的に低下することがあった。

本発明者らは上記の問題を解決するために鋭意検討を重ねたところ、複数の抵抗発熱体を電気的等価回路上でマトリックス状となるように構成することによって、端子部の数を減らすことができることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明に係るマトリックスヒータは、電気的等価回路上でｎ行（ｎ≧２）×ｍ列（ｍ≧２）のマトリックス状の回路を構成する複数個の抵抗発熱体にｎ＋ｍ個の端子部を介して電圧が印加されることを特徴としている。

本発明によれば、ゾーン区分された複数の領域に複数の抵抗発熱体をそれぞれ配置して加熱するヒータにおいて、従来の複数の抵抗発熱体を有するヒータに比べて端子部の数を減らすことができるので、当該端子部やその引出線の構造を簡素化することができる。

本発明の一具体例のマトリックスヒータを備えたウエハ載置台を搭載する半導体製造装置の模式的な縦断面図である。 図１のウエハ載置台の載置面のゾーン区分の一具体例である。 図２のゾーン区分に対応して設けられた本発明の一具体例のマトリックスヒータの電気的等価回路である。 図１のウエハ載置台の載置面のゾーン区分の他の具体例である。 実施例のマトリックスヒータの結線図である。 実施例のウエハ載置台を下から見た平面図である。

最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明のマトリックスヒータの実施形態は、電気的等価回路上でｎ行（ｎ≧２）×ｍ列（ｍ≧２）のマトリックス状の回路を構成する複数個の抵抗発熱体にｎ＋ｍ個の端子部を介して電圧が印加されることを特徴としている。これにより、従来の複数の抵抗発熱体を有するヒータに比べて端子部の数を減らすことができるので、当該端子部やその引出線の構造を簡素化することができる。

また、本発明のマトリックスヒータの他の実施形態は、ｎ本（ｎ≧２）の行方向に延在する給電線と、ｍ本（ｍ≧２）の列方向に延在する給電線とで構成される電気的等価回路上のマトリックス状回路の交点群での電気的接続が複数の抵抗発熱体を介してそれぞれ行われていることを特徴としている。この場合も、従来の複数の抵抗発熱体を有するヒータに比べて端子部の数を減らすことができるので、当該端子部やその引出線の構造を簡素化することができる。

上記本発明のマトリックスヒータの実施形態においては、円板状部材を半径方向に区分したゾーン群若しくは周方向に区分したゾーン群又はこれらが混在するゾーン群内に前記複数の抵抗発熱体がそれぞれ配置されていてもよい。これにより該円板状部材の温度をゾーンごとにきめ細かく調整することが可能になるので、載置面の均熱性を高めることができる。

また、本発明の実施形態のウエハ加熱ヒータは、半導体ウエハを載置して加熱する円板状のウエハ加熱ヒータであって、内部に上記のマトリックスヒータが埋設されていることを特徴としている。このウエハ加熱ヒータは、載置面に載置した半導体ウエハを均等に加熱することが可能になる。また、数多くの抵抗発熱体を用いて個別に加熱することができるので、従来に比べて１つ当たりの発熱量や電流値を減らすことができ、長寿命化を実現することができる。

次に、本発明の加熱ヒータの一具体例として、図１に示すような、半導体ウエハに対してエッチング処理やＣＶＤ処理などを行う半導体製造装置のチャンバー１内に搭載されるウエハ加熱ヒータ２について説明する。この本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータ２は、半導体ウエハＷを載置するウエハ載置面１０ａを上面に備えた好適にはセラミックスからなる略円板状のウエハ載置台１０と、これを下面から支持する好適にはセラミックスからなる略円筒形状の支持部材２０とを有している。

支持部材２０の上下両端部は外側に屈曲したフランジ形状を有しており、その環状端面に設けた図示しないＯ−リング等のシール材及び該フランジ部を貫通する図示しないネジ等の結合手段によってウエハ載置台１０の下面及びチャンバー１の底面にそれぞれ気密にシールされている。これにより、支持部材２０の内側をチャンバー１内の腐食性ガス雰囲気から隔離することが可能になる。

上記のウエハ載置台１０や支持部材２０の好適な材質であるセラミックとしては、例えば窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム等を挙げることができる。これらの中では熱伝導率の高い窒化アルミニウムが好ましい。ウエハ載置台１０と支持部材２０は互いに同じ材質からなるのが好ましく、これにより加熱や冷却の際に同様に膨張や縮小させることができるので、熱応力によるウエハ載置台１０のウエハ載置面１０ａの反りやウエハ載置台１０と支持部材２０との接合部の破損等の問題を生じにくくすることができる。

本発明の一具体例のウエハ加熱ヒータ２のウエハ載置台１０は、図２に示すように、ウエハ載置面１０ａの円形中央部と、その周囲の環状部を周方向に均等に８つに区分した扇形部との合計９つのゾーンＺ１〜Ｚ９を別々に加熱できるように、９個の抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ９がこれら９つのゾーンＺ１〜Ｚ９内にそれぞれ埋設されている。そして、これら９個の抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ９は、図３に示すように電気的等価回路上で３行×３列のマトリックス状回路を構成している。

具体的には、電気的等価回路上の３本の行方向に延在する行給電線Ｒ１〜Ｒ３と、３本の列方向に延在する列給電線Ｃ１〜Ｃ３とで構成されるマトリックス状回路の９か所の交点群での電気的接続が、９個の抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ９を介してそれぞれ行われている。そして、行給電線Ｒ１〜Ｒ３には、それぞれ給電端子Ｊ１〜Ｊ３を介して電源Ｘ１〜Ｘ３から電圧が印加されており、列給電線Ｃ１〜Ｃ３には、それぞれ給電端子Ｊ４〜Ｊ６を介して電源Ｙ１〜Ｙ３から電圧が印加されている。

つまり、抵抗発熱体Ｅ５の両端部はそれぞれ電源Ｘ１と電源Ｙ１に接続しており、抵抗発熱体Ｅ４の両端部はそれぞれ電源Ｘ１と電源Ｙ２に接続しており、抵抗発熱体Ｅ３の両端部はそれぞれ電源Ｘ１と電源Ｙ３に接続しており、抵抗発熱体Ｅ６の両端部はそれぞれ電源Ｘ２と電源Ｙ１に接続しており、抵抗発熱体Ｅ１の両端部はそれぞれ電源Ｘ２と電源Ｙ２に接続しており、抵抗発熱体Ｅ２の両端部はそれぞれ電源Ｘ２と電源Ｙ３に接続しており、抵抗発熱体Ｅ７の両端部はそれぞれ電源Ｘ３と電源Ｙ１に接続しており、抵抗発熱体Ｅ８の両端部はそれぞれ電源Ｘ３と電源Ｙ２に接続しており、抵抗発熱体Ｅ９の両端部はそれぞれ電源Ｘ３と電源Ｙ３に接続している。

上記のようにマトリックス状に回路を構成することによって、９個の抵抗発熱体に６つの端子部を介して給電することができ、また、これら６つの端子部を介して印加する６つの電源をそれぞれ異なる電圧にすることによって、９個の抵抗発熱体の電位差をそれぞれ異なる値にすることができる。これにより、ウエハ載置面１０aを様々な加熱パターンで加熱することができる。

例えば、ウエハ載置面１０aを均等に加熱したい場合は、行給電線側の電源Ｘ１〜Ｘ３の印加電圧を９９Ｖにすると共に、列給電線側の電源Ｙ１〜Ｙ３の印加電圧を０Ｖにすることで、９個の抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ９の電位差を同程度にすることができるので、９個の抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ２の抵抗値が全て同じであれば、これら９個の抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ２を略均等に発熱させることができる。あるいは、ウエハ載置面１０aの中央部をその周縁部よりも強く加熱したい場合は、行給電線側の電源のうちＸ２の印加電圧を９９Ｖにして残る２つの印加電圧を各々３３Ｖし、一方、列給電線側の電源のうちＹ１及びＹ３の印加電圧を６６ＶにしてＹ２の印加電圧を０Ｖにすることで、抵抗発熱体Ｅ１の電位差のみ他の抵抗発熱体Ｅ２〜Ｅ９より高くすることができる。

尚、マトリックス状の回路構成は３行×３列に限定されるものではなく、ゾーン区分に応じてｎ行（ｎ≧２）×ｍ列（ｍ≧２）の任意のマトリックス状の回路を構成することができる。また、ウエハ載置面１０aのゾーン区分は図２のパターンに限定するものではなく、半径方向にのみ区分されたゾーン群、周方向にのみ区分されたゾーン群、これら区分が混在するゾーン群など様々なパターンでゾーン区分することができる。図４には半径方向に３つに区分し、中央部を除く２つの環状部を各々周方向に且つ異なる角度位置で４つに均等にゾーン区分した例が示されている。

上記の抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ２に給電する電圧は、直流電圧や商業用の交流電圧、高周波電圧など特に種類は問わないが、制御方法が簡便な直流電圧が好ましい。交流電圧を位相制御で使用する場合は、三相交流電圧を用いるのが好ましい。

以上、本発明のマトリックスヒータについて一具体例を挙げて説明したが、本発明は係る具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲の種々の態様で実施することが可能である。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲及び均等物に及ぶものである。

略円板形状のウエハ載置台の内部に、図５の結線図になるように、抵抗値が各々４０Ωの９個の抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ９を、各々の抵抗値が０.１Ω以下の配線部Ｅ１０〜Ｅ１８及びＥ２２〜Ｅ３０に接続した。そして、電気的等価回路上でマトリックス状になるように、配線部Ｅ１０〜Ｅ１８の端部を３つずつ束ねて３つの端子部Ｊ４〜Ｊ６に接合し、配線部Ｅ２２〜Ｅ３０の端部を３つずつ束ねて３つの端子部Ｊ１〜Ｊ３に接合した。

これら６つの端子部Ｊ１〜Ｊ６は、図６に示すようにウエハ載置台の下面側から突出させ、それぞれ給電線を介して電源Ｘ１〜Ｘ３及びＹ１〜Ｙ３に接続した。そして、各抵抗発熱体の両端にかかる電圧値をモニタできるようにプローブ（図示せず）を取り付け、電圧計で測定した。また、各抵抗発熱体に流れる電流値をモニタできるようにクランプメータ（図示せず）を取り付けた。この状態で、下記表１に示す電圧印加パターン１〜１３となるように各電源の印加電圧を変えていった。尚、「閉３３」は電源スイッチを閉にして３３Ｖを印加したことを意味している。

各電圧印加パターン１〜１３における各々の抵抗発熱体の発熱量を、モニタすることによって得た電圧値と電流値とを用いて算出した。その結果、下記表２に記載のように印加パターン１では抵抗発熱体Ｅ１の発熱量が２１９Ｗで、その他の抵抗発熱体の発熱量が２４Ｗとなり、抵抗発熱体Ｅ１を多く発熱させながら、その他の抵抗発熱体を抵抗発熱体Ｅ１に対して均一に約１１％の発熱量に抑えることができた。同様に、印加パターン２〜９では、それぞれ抵抗発熱体Ｅ２〜Ｅ９を主に多く発熱させることができた。

また、印加パターン１０では抵抗発熱体Ｅ１とＥ２に同時に２１８Ｗを、印加パターン１１では抵抗発熱体Ｅ１とＥ２とＥ６に同時に２１７Ｗを、印加パターン１２では抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ６に２１７Ｗを、印加パターン１３では抵抗発熱体Ｅ１〜Ｅ９に２１６Ｗを発生させることができた。このように、複数の抵抗発熱体を電気的等価回路上でマトリックス状に回路構成することで、ウエハ載置面を様々なパターンで発熱できることが分かる。

１ チャンバー
１ａ 貫通孔
２ ウエハ加熱ヒータ
１０ ウエハ載置台
１０ａ ウエハ載置面
１０ｂ 有底穴
Ｅ１〜Ｅ９ 抵抗発熱体
Ｅ１０〜Ｅ３３ 配線部
Ｒ１〜Ｒ３ 行給電線
Ｃ１〜Ｃ３ 列給電線
Ｘ１〜Ｘ３ 行給電線側の電源
Ｙ１〜Ｙ３ 列給電線側の電源
Ｊ１〜Ｊ６ 端子部
Ｚ１〜Ｚ６ ゾーン
２０ 支持部材
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (4)

1. 電気的等価回路上でｎ行（ｎ≧２）×ｍ列（ｍ≧２）のマトリックス状の回路を構成する複数個の抵抗発熱体にｎ＋ｍ個の端子部を介して電圧が印加される、マトリックスヒータ。
2. ｎ本（ｎ≧２）の行方向に延在する給電線と、ｍ本（ｍ≧２）の列方向に延在する給電線とで構成される電気的等価回路上のマトリックス状回路の交点群での電気的接続が複数の抵抗発熱体を介してそれぞれ行われている、マトリックスヒータ。
3. 円板状部材を半径方向に区分したゾーン群若しくは周方向に区分したゾーン群又はこれらが混在するゾーン群内に、前記複数の抵抗発熱体がそれぞれ配置されている、請求項１又は請求項２に記載のマトリックスヒータ。
4. 半導体ウエハを載置して加熱する円板状のウエハ加熱ヒータであって、内部に請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマトリックスヒータが埋設されているウエハ加熱ヒータ。
   
   
   

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