JP2527836B2 - 半導体ウエハ―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、プラズマエッチン
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、デポジション用ガス、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。

そこでデポジション用ガス等に曝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食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。

しかし、抵抗発熱体を埋設した円盤状基体を真空中ま
たは希薄気体中で使用するとき、円盤状基体の表面、裏
面、及び側面からの熱放射、熱伝達、または基体を支持
するための治具への熱伝導によって熱が放散する。この
うち、側面からの熱の放散は、円盤状基体の中心から側
面に向かって温度が下がる原因となり、ウエハー加熱面
の均熱化を妨げる。

特に、半導体製造装置では、例えば最高1100℃までの
高温で半導体ウエハーを加熱する。そして、円盤状基体
の側面からの輻射は、絶対温度Ｋの４乗に比例するため
非常に大きく、ウエハー加熱面の内周部と外周部とで温
度勾配が生じ易い。しかも、半導体ウエハーに例えばCV
D法による膜堆積を行う場合など、気相熱化学反応によ
って膜堆積を行うので、ウエハー加熱面を均熱化できな
いとヒーターとして使用できなくなる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、半導体ウエハーの汚染や熱効率の悪
化といった問題を生じず、しかもウエハー加熱面を均熱
化して半導体ウエハーの歩留を向上させることができる
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） 本発明は、緻密質セラミックスからなる盤状基体の内
部に抵抗発熱体を一体焼結によって埋設した構造の半導
体ウエハー加熱装置であって、盤状基体のウエハー加熱
面に対して垂直の投影図でみて、抵抗発熱体がウエハー
設置領域のうち90％以上の面積を占める基準領域を実質
的に包囲するように埋設されており、抵抗発熱体が線材
からなり、この線材が螺旋状に巻回されており、基準領
域内と基準領域外とで線材の単位長さ当たりの発熱量が
一定であり、基準領域内における線材の埋設密度よりも
基準領域外における線材の埋設密度の方が大きく、基準
領域外における一定面積当たりの発熱量が基準領域内に
おける一定面積当たりの発熱量よりも大きいことを特徴
とする、半導体ウエハー加熱装置に係るものである。

「実質的に包囲する」とは、ウエハー設置時や製造上
の誤差等を許容する意である。

基準領域内における線材の埋設密度よりも基準領域外
における線材の埋設密度の方を大きくする方法として
は、以下の方法がある。

まず、基準領域外において線材が構成する螺旋のピッ
チを、基準領域内において線材が構成する螺旋のピッチ
よりも小さくする。

また、ウエハー加熱面に対して垂直の投影図でみて、
線材を渦巻き状に埋設した場合には、基準領域外におい
て隣り合った渦巻きの間のピッチを、基準領域内におい
て隣り合った渦巻きの間のピッチよりも小さくする。

（実施例） 第２図は、半導体製造用熱CVD装置に本実施例の加熱
装置４を取り付けた状態を示す断面図、第１図はこの加
熱装置４を半導体ウエハー加熱面10側から見た平面図で
ある。

第２図において、７は半導体製造用熱CVDに使用され
るチャンバー、４はその内部に取付けられたウエハー加
熱用の円盤状加熱装置であり、ウエハー加熱面10の大き
さは例えば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。

チャンバー７の内部には熱CVD用のガスが供給され、
吸引孔から真空ポンプにより内部の雰囲気が排出され
る。

円盤状加熱装置４は、窒化珪素のような緻密でガスタ
イトな無機質基体１の内部にタングステン系等の抵抗体
２を渦巻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、円盤状加熱
装置４を例えば1100℃程度にまで加熱することができ
る。６はフランジであり、図示しないＯリングによりチ
ャンバー７の側壁との間でシールされ、チャンバー７の
天井面が構成されている。

無機質基体１の材質はデポジション用ガスの吸着を防
止するために緻密体である必要があり、吸水率が0.01％
以下の材質が好ましい。また機械的応力は加わらないも
のの、常温から1100℃までの加熱と冷却に耐えることの
できる耐熱衝撃性が求められる。これらの点から高温に
おける強度の高いセラミックスである窒化珪素焼結体、
サイアロン等を用いることが好ましい。さらに、基体１
は、ホットプレスまたはHIP法により焼成することが緻
密体を得る上で有効である。

また，半導体製造装置においてはアルカリ土類金属の
侵入を防ぐ必要があり、基体１の焼結助剤としてはマグ
ネシウム等のアルカリ土類金属は使用しないことが好ま
しく、イットリア、アルミナ、イッテルビウム系が好ま
しい。

基体１内部に埋設される抵抗発熱体２は、容器内の腐
食性雰囲気に曝されないように、基体１中に気密に埋設
されている必要がある。更に、抵抗発熱体２の材質とし
ては、高融点であり、しかも窒化珪素との密着性に優れ
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。抵抗発熱体としては、線材が用いられる。

ウエハー加熱面10は平滑面とすることが好ましく、特
にウエハー加熱面10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
へのデポジション用ガスの侵入を防止する必要がある。

本実施例の加熱装置では、抵抗発熱体２を、ウエハー
加熱面10に対して垂直な投影図でみて、ウエハー設置領
域３を包囲するように配置している。即ち、抵抗発熱体
２は、小径の螺旋状に巻回したものを、円盤状基体１内
部に平面的にみて渦巻状に埋設してあり、ウエハー設置
領域３の外側にも抵抗発熱体２を渦巻状に延設してあ
る。

そして、円形のウエハー加熱面10に対して垂直な投影
図でみて、これにより、円形のウエハー設置領域３の面
積の90％を占め、かつこのウエハー設置領域３と同心の
円形基準領域８を、抵抗発熱体２が包囲することになる
（円形基準領域８の径は、ウエハー設置領域３の径の となる）。

従って、本実施例では、たとえ円盤状基体１の側面へ
の熱放散、熱伝達によって基体１の側周面から熱が失わ
れても、円形基準領域８の外側にまで抵抗発熱体２を延
設したので、半導体ウエハーＷの外周縁部での温度低下
を防止できる。しかも、円形基準領域８の面積をウエハ
ー設置領域３の面積の90％に設定し、この外側にまで抵
抗発熱体２を延設したことが重要であって、仮に円形基
準領域８の内側に抵抗発熱体２が包囲される場合には、
後に、半導体ウエハーから四角形の半導体チップを採取
する場合に、半導体ウエハーＷの外周縁部で欠陥が多く
なり、歩留が非常に低下したのである。

本実施例では、更に、抵抗発熱体２のうち、ウエハー
加熱面10に対して垂直の投影図でみて、円形基準領域８
の外側に配置された部分2bの発熱能力を、この内側に配
置された部分2aの発熱能力よりも大きくしており、これ
により、仮に円盤状基体１の側面方向へ熱放散量が大き
くとも、これによる熱損失を補填することができるの
で、均熱化の効果は更に大きい。

部分2bの発熱能力を部分2aの発熱能力よりも大きくす
るためには、部分2bでの抵抗発熱体の螺旋の巻き数を多
くしたり、第３図に示すように渦巻状の発熱体の埋設ピ
ッチを小さく方法がある。

また、低電力化、熱効率化のため、盤状基体の面積は
ウエハー設置領域の面積に比べて大きすぎない方が良
く、面積比は２以下:1が好ましい。さらに、その場合、
ウエハー加熱面10に対して垂直の投影図でみて、円形基
準領域８より外側に配置された抵抗発熱体の部分2bの発
熱能力は、その内側に配置された抵抗発熱体部分2aの発
熱能力の1.2倍から３倍の範囲で選択すれば、加熱温度
が最高1100℃までの設定温度で、一層良好な均熱性が得
られる。

第３図の半導体ウエハー加熱装置14においては、円形
基準領域８の外側の発熱体部分2bの渦巻のピッチを、そ
の内側の発熱体部分2aの渦巻のピッチの1/2とし、発熱
体部分2bの発熱能力を発熱体部分2aの発熱能力の２倍と
している。

第４図、第５図の半導体ウエハー加熱装置24において
は、円形のウエハーＷと基体１とを同径とする。そし
て、ウエハー加熱面10に対して垂直の投影図でみて、抵
抗発熱体２が円形基準領域８を包囲するように抵抗発熱
体２を埋設する。抵抗発熱体２の最外周は、点Ａを中心
とする同心円状に埋設する。

なお、円形基準領域８の境界円周を、抵抗発熱体２の
最外周と実質的に一致させることもできる。

本例によれば、第１図の装置と同様の効果を奏しうる
他、ウエハーＷを設置したときにウエハー加熱面10が実
質的に容器内へと露出しないので、この露出部分へのCV
Dガスの付着やこのクリーニングの必要がなく、また前
記露出部分へとCVD膜が形成されることにより、ウエハ
ー加熱面10が平坦でなくなってウエハーＷがウエハー加
熱面10から浮くおそれもなくなる。

本例においても、円形基準領域８の外側の発熱体部分
2bを、領域８の内側の発熱体部分2aの発熱能力よりも大
きくする。また、抵抗発熱体２の外周側末端Ｃとヒータ
ー側周面との間は、窒化珪素焼結体をヒーター基体とし
た場合、3mm以上とすることがヒーター基体の強度を保
持するうえで好ましい。

上記の例ではウエハー加熱面10を上向きにしたが、ウ
エハー加熱面10を下向きにし、ウエハーＷをピンにより
下方から支持してもよい。

上記各例において、緻密質セラミックスからなる基体
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
置等における半導体ウエハー加熱装置に対しても適用可
能である。

以下、実験例について述べる。

イットリア＋アルミナ系の焼結助剤を含む窒化珪素原
料からなる円盤状基体１の内部に、タングステン製の抵
抗発熱体２を埋め込んだ加熱体を作製した（第１図）。
基体は厚さ15mm、直径180mmで、ウエハー設置領域３は
６インチ用を目的としたので直径150mmの範囲である。
円形基準領域８は、直径144mmの範囲である。タングス
テン線は線径0.4mmのもので、これを直径が4mmの螺旋状
に巻いたものである。そのリードを構成するワイヤ端子
としては、直径が2mmのタングステン線を使用した。こ
のような抵抗発熱体２を第１図のように一定間隔（ピッ
チ12mm）の渦巻状に埋設した。

但し、第１図において、抵抗発熱体２の一方の起点Ａ
は固定したが、外周側末端Ｃについては後述するように
種々変化させた。そしてこの外周側末端Ｃの位置につい
ては、各実験例において外周側末端Ｃと中心Ａとの間の
距離を半径とする円周を描き、この円周で包囲される領
域の面積を、円形のウエハー設置領域３に対する百分率
比で表示することにした。また、一部の実験例では円形
基準領域８の外側の発熱体部分2bにおける螺旋のピッチ
を部分2aにおける螺旋のピッチの1/2とし、発熱能力を
２倍にした。更に、他の例では、第３図に示すように、
平面渦巻状に抵抗発熱体２を埋設し、円形基準領域８の
外側の部分2bにおける渦巻のピッチを、円形基準領域８
の内側の部分2aにおける渦巻のピッチの1/2とし、約２
周させたものを用いた。

上記の各加熱装置を第２図のようにチャンバー７に取
り付け、真空中での加熱テストをおこなった。

ヒーター電源と外周側ワイヤ端子をアースする一方、
中心側のワイヤ端子に電圧を加え、さらに低電圧として
真空中での放電を防止する形式とし、サイリスタによる
電源コントロールを行う方式とした。

加熱テストでそれぞれウエハー加熱面を1100℃まで加
熱し、赤外線放射温度計でウエハー設置領域である直径
150mmの範囲の温度分布を10点で測定した。結果は表の
通りであった。表に示す各実験例のうち、部分2bにおけ
る「螺旋ピッチ」および「渦巻きのピッチ」が部分2aに
おける「螺旋ピッチ」および「渦巻きのピッチ」と同じ
である実験例は、参考のために示してある。本発明の実
施例は、表に示した実験例のうち最後の二つであり、部
分2bにおける「螺旋ピッチ」が部分2aにおける「螺旋ピ
ッチ」の1/2倍であるか、または部分2bにおける「渦巻
きのピッチ」が部分2aにおける「渦巻きのピッチ」の1/
2倍である。まず、表の参考例から分かるように、円形
基準領域８の面積の75％、88％の面積を、抵抗発熱体が
包囲している場合には、温度分布が±105℃、60℃であ
り、半導体の製造歩留りが大きく低下する。これが90％
以上になると、この温度分布が大きく急激に改善されて
いる。しかも、これが100％の場合を比較すると、部分2
bにおける螺旋ピッチを部分2aにおける螺旋ピッチの1/2
とし、または、部分2bにおける渦巻きのピッチを部分2a
における渦巻きのピッチの1/2とすることで、温度分布
が更に急激に減少することが分かる。

（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、盤状
基体が緻密セラミックスからなるので金属ヒーターの場
合のような汚染を防止でき、またこの盤状基体がウエハ
ー加熱面を有しているので、間接加熱方法の場合のよう
な熱効率の悪化は生じない。

そして、ウエハー加熱面に対して垂直の投影図でみ
て、抵抗発熱体がウエハー設置領域のうち90％以上の面
積を実質的に包囲するように配置すると共に、基準領域
外における一定面積当たりの発熱量を基準領域内におけ
る一定面積当たりの発熱量よりも大きくしているので、
たとえ盤状基体の側面への熱放散、熱伝達によって盤状
基体の側面から熱が失われても、加熱される半導体ウエ
ハーの外周部での温度低下を防止することができ、半導
体チップを採取する場合の歩留低下を防止できる。従っ
て、本発明は、半導体製造装置全般に亘って極めて有益
なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体ウエハー加熱装置の平面図、 第２図は加熱装置をチャンバーに取り付けた状態を示す
断面図、 第３図は他の半導体ウエハー加熱装置を示す平面図、 第４図は更に他の半導体ウエハー加熱装置の断面図、 第５図は第４図の装置の平面図である。 １……円盤状基体 ２……抵抗発熱体 2a……抵抗発熱体のうち円形基準領域の内側の部分 2b……抵抗発熱体のうち円形基準領域の外側の部分 ３……ウエハー設置領域 4,14,24……半導体ウエハー加熱装置 ７……チャンバー ８……円形基準領域（ウエハー設置領域３の面積の90％
を占める領域） 10……ウエハー加熱面

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】緻密質セラミックスからなる盤状基体の内
   部に抵抗発熱体を一体焼結によって埋設した構造の半導
   体ウエハー加熱装置であって、前記盤状基体のウエハー
   加熱面に対して垂直の投影図でみて、前記抵抗発熱体が
   ウエハー設置領域のうち90％以上の面積を占める基準領
   域を実質的に包囲するように埋設されており、前記抵抗
   発熱体が線材からなり、この線材が螺旋状に巻回されて
   おり、前記基準領域内と前記基準領域外とで前記線材の
   単位長さ当たりの発熱量が一定であり、前記基準領域内
   における前記線材の埋設密度よりも前記基準領域外にお
   ける前記線材の埋設密度の方が大きく、前記基準領域外
   における一定面積当たりの発熱量が前記基準領域内にお
   ける一定面積当たりの発熱量よりも大きいことを特徴と
   する、半導体ウエハー加熱装置。
2. 【請求項２】前記基準領域外において前記線材が構成す
   る螺旋のピッチが、前記基準領域内において前記線材が
   構成する螺旋のピッチよりも小さいことを特徴とする、
   請求項１記載の半導体ウエハー加熱装置。
3. 【請求項３】前記盤状基体が円盤状基体であり、前記ウ
   エハー設置領域が円形であり、前記基準領域が、前記ウ
   エハー加熱面に対して垂直の投影図でみて、前記ウエハ
   ー設置領域の面積の90％を占めかつこのウエハー設置領
   域と同心の円形基準領域である、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】前記ウエハー加熱面に対して垂直の投影図
   でみて、前記線材が渦巻き状に埋設されており、前記基
   準領域外において隣り合った渦巻きの間のピッチが、前
   記基準領域内において隣り合った渦巻きの間のピッチよ
   りも小さいことを特徴とする、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。