JP4503714B2 - 高温抵抗式ヒーター - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプロセスチャンバ用の加熱機構に関し、特に化学的気相堆積チャンバ用の加熱機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学的気相堆積法（ＣＶＤ）は、基板上に各種の膜を堆積させるための一般的なプロセスであり、半導体集積回路の製造において広く用いられている。ＣＶＤ処理では、最終的な膜に必要な原子を含んだ化学ガスが混合され、堆積チャンバ内で反応させられる。元素や分子が基板表面上に堆積、蓄積して膜を形成する。膜が堆積されるべき基板は、通常、サセプタ上に取り付けられる。サセプタは、ＣＶＤプロセスのタイプに応じて様々な材料から構成することができる。サセプタは、良好な熱伝導性と、熱変形に対する高い耐性とを有することが望ましい。例えば、アルミニウムは良好な熱伝導性を持った広く用いられるサセプタ材料であるが、脆すぎて高温には耐えられない。従って、アルミニウムは低温ＣＶＤプロセスでしか使用できない。高温ＣＶＤプロセスでは、ガラスカーボン製、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で被覆されたグラファイト製のサセプタが、広く用いられるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
サセプタの加熱方法に基づいて区別される２つの基本的な加熱方式がＣＶＤシステムで使用されている。抵抗加熱方式は、抵抗加熱素子を利用してサセプタを加熱し、より局所化された反応をウェーハで生じさせる。ランプ加熱方式は、サセプタを加熱する放射加熱ランプをチャンバ内の他の部品とともに使用する。この方式は、チャンバの全体にわたって反応を生じさせる。
【０００４】
ランプ加熱システムでは、基板はサセプタ上に支持されており、熱は、チャンバ内の耐熱保護ガラスの背後に配置されたランプによってサセプタを介して基板に伝達される。抵抗加熱システムでは、抵抗加熱素子は、ウェーハホルダ内に配置される。ランプ加熱システムでは、通常は石英製である耐熱ガラスがランプからの熱を吸収して熱くなる。従って、化学反応がガラスの表面で起こり、それによってガラス上に被覆が生じるので、ランプヒータの有効性は減少し、処理を繰り返した後にはガラスが腐食することになる。
【０００５】
更に、処理中のホルダの熱変動を測定するために、熱電対が基板ホルダに接続される。ランプ加熱システムでは、この熱電対はチャンバ内になければならない。抵抗加熱システムでは、加熱素子を保持するシステム内の制御された環境に熱電対を置くことができる。これによって、熱電対が処理チャンバ内の元素に曝されなくなるので、熱電対の寿命が増すとともにその精度が向上する。
【０００６】
また更に、ランプ加熱ＣＶＤチャンバの整備性は抵抗加熱システムの場合よりも重要である。例えば、サセプタおよびウェーハリフト機構の取付けと較正は時間がかかり問題が多い。
【０００７】
各種の半導体応用分野に役立つ典型的なＣＶＤプロセスは、ジクロロシラン（ＤＣＳ）タングステンシリサイドプロセスである。ＤＣＳプロセスが行なわれる温度のため、従来の抵抗加熱システムは、通常、そのプロセスに適さない。というのも、従来の抵抗加熱システムは、要求されるプロセス温度範囲（５００℃〜６００℃）を維持することができないからである。その結果、このプロセスは、例えばハロゲンランプ加熱ＣＶＤチャンバ内で行なわれている。しかしながら、ＤＣＳプロセスが起こり得るような抵抗加熱チャンバがあれば有用である。
【０００８】
ＤＣＳタングステンシリサイドプロセスでは、タングステンシリサイド膜は、ＷＦ₆、ＤＣＳ、およびＳｉＨ₄の反応によって形成される。他のＣＶＤプロセスの場合と同様、一連のウェーハ（通常２５個）を処理した後、チャンバは洗浄され、反応チャンバの壁やチャンバ内の他の部品に堆積した反応生成物が除去される。洗浄プロセス中、ウェーハホルダは、ＣＶＤチャンバ内に残される。
【０００９】
２つの異なるタイプの洗浄プロセス、すなわち化学洗浄とプラズマ洗浄が一般的に利用されている。プラズマ洗浄は、ＮＦ₃とＲＦエネルギーを使用してプラズマを発生させるステップを伴う。その結果、プラズマ洗浄は、より局所的であり、制御がより困難なために堆積物の洗浄が不均一になる。プラズマ洗浄プロセスが５００℃〜６００℃の温度範囲で行なわれると、サセプタは激しく損傷して大量の微粒子物質がシステムの他の部品から発生することになる。その上、プラズマ洗浄は局所的で均一性が劣る。化学洗浄はより均一だが、チャンバの部品に及ぼす応力が大きい。
【００１０】
あるタイプの化学洗浄は、処理チャンバ内にＣｌＦ₃を置き、高温になるほど激しくなる熱依存反応を発生させるステップを含んでいる。化学洗浄は、適切に制御されないとサセプタを損傷させる場合がある。温度３００℃〜６００℃での四フッ化塩素（ＣｌＦ₃）中での化学洗浄は、サセプタに対する機械的応力と化学的腐食の両方を生じることがあるので望ましくない。例えば、ガラスカーボンサセプタを使用する場合、化学洗浄は温度２００℃で行なわなければならない。この化学洗浄は、５００〜６００℃のＤＣＳタングステンシリサイド処理温度から処理チャンバを冷却するステップを必要とするので、チャンバの処理能力を低下させる。
【００１１】
今日まで、ＤＣＳタングステンシリサイドプロセスのようなプロセスには放射加熱ＣＶＤシステムの使用が好ましいとされてきた。このようなシステムは、熱応力に対して、および上記プロセスで利用される化学洗浄プロセスに対して、より耐性がある。しかしながら、ＣＶＤプロセスで利用可能な抵抗加熱ＣＶＤチャンバを提供することが望ましい。これは、ＤＣＳプロセスで、コールドウォール型抵抗加熱システムのすべての利点を発揮する必要がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明を概説すると、本発明は、化学的気相堆積チャンバ等のプロセス装置用の抵抗加熱システムを含んでいる。このシステムは、支持面と支持シャフトとを有する抵抗加熱基板ホルダを含んでおり、このホルダは、第１の材料から構成されている。支持面は、抵抗加熱素子を含んでいる。支持シャフトは所定の長さを有しており、また、熱電対を支持面に係合させることを可能にし、かつ導電体を支持面内の抵抗加熱素子に結合させることを可能にする貫通穴を有している。
【００１３】
金属の取付け構造が支持シャフトに結合されてプロセス装置に固定されており、密封された環境をホルダおよび取付け構造内に作り出して、電気リードおよび熱電対を処理環境から保護する。
【００１４】
一つの態様では、支持シャフトを取付け構造に固定するためにカップリング構造が設けられる。このカップリング構造は、カップリングの際に最小の熱応力で剛性支持をもたらすように最適化されている。この点で、カップリング構造は、基板ホルダと同一の材料からなる支持部材を有して、基板ホルダおよび支持部材の加熱によって誘起される熱応力を低減するようになっていても良い。
【００１５】
シャフトの長さは、基板ホルダおよび取付け構造に使用される材料に基づいて調節することができる。これによって、取付け構造と基板ホルダに関して異なる材料を使用することが可能となり、プロセスチャンバ内で使用される特定のプロセスに対してこれらの材料を最適化することができる。シャフトの長さは、使用される材料と、加熱システムがサポートするように設計されているプロセスの温度と、に基づいて調節することができる。ある態様では、ホルダとシャフトは窒化アルミニウムから構成され、取付け構造はニッケルまたはニッケル合金から構成されている。シャフトの長さを調節することによって、プロセスの温度は、シャフトと取付け構造とが接合される箇所での温度よりも高くなり、接合箇所での温度を使用される材料に対して最適化することができる。
【００１６】
更に、ヒータは、ヒータ構造の熱抵抗率（thermal resistivity）に基づいて抵抗加熱素子の電力出力を制御する制御方式を利用する。
【００１７】
本発明は、特定の実施形態に関して説明することになる。本発明の他の目的、特徴、および利点は、本明細書と図面を参照することにより明らかになるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の抵抗加熱装置１０の第１の実施形態を示している。抵抗加熱装置１０は、抵抗加熱基板ホルダ１２と取付け構造１４とを含んでいる。ウェーハ加熱装置１０は、例えば化学的気相堆積（ＣＶＤ）チャンバ等の密封可能な処理チャンバ内に常駐することが理解されるだろう。基板ホルダ１２は、ＣＶＤチャンバ（図示せず）内での処理のために半導体材料からなる基板を載置することができる平表面１６を有している。
【００１９】
抵抗加熱ウェーハホルダ１２は、ウェーハ保持部１８と支持シャフト２０とを含んでいる。ある態様では、ウェーハホルダ１８とシャフト２０とは、窒化アルミニウムから製造されている。シャフト２０は、ウェーハ保持部１８に拡散接合することができる。取付け構造１４は、強い金属材料（ある態様ではニッケル２００（ＡＮＳＩニッケル２００）を含む）から製造されており、ウェーハホルダ１２をプロセスチャンバに固定する。
【００２０】
他の材料を使用して、本発明の精神と範囲から逸脱することなくウェーハホルダ１０および取付け構造１４を製造してもよい。ここで説明する実施形態では、窒化アルミニウムの比較的純粋な（９９．９７％）化合物が利用される。本実施形態のこの組成の窒化アルミニウムは、５００〜６００℃の範囲の温度のプロセス環境で特に有利であると確認されている。ＡｌＮ化合物の不純物は、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）またはカーボンから構成されていてもよい。
【００２１】
本発明の一実施形態に特有の特徴は、取付け構造を構成する第２の材料とは異なる熱膨張係数を有する第１の材料から成る支持シャフト２０の使用との組合せである。これによって、装置の各部に使用される材料を、加熱装置の最適な性能のために選択することができる。例えば、窒化アルミニウムは良好な耐熱性と耐腐食性を持ち、一方、ニッケル合金は大きな強度と耐久性を持つ。従って、ある実施形態では、ウェーハホルダ１２を固定するニッケル取付け構造１４を有する窒化アルミニウムシャフト２０およびホルダ１２が、例えばＤＣＳプロセスにおける約５００℃というウェーハホルダ１２の表面１６でのプロセス温度で使用するために好適に実現されている。
【００２２】
この温度では、シャフト３２を保持部１８に直接結合することによってウェーハホルダ１２を取付け構造１４に直接取り付けるのは問題である。というのは、５００℃近くの温度では、各材料の熱膨張特性の差が応力を生み、この応力が、材料を接合する従来の接合技術を弱めることになるからである。更に、プロセスチャンバ内の化学プロセスの性質に起因して、チャンバ内の化学物質によって繰り返される侵食が金属シャフト自体ばかりかその接合部に対しても腐食効果をもたらすので、金属取付け構造と窒化アルミニウムウェーハホルダとの間の確実な接合の維持が困難になる。
【００２３】
従って、本発明の第１の実施形態において、本発明に特有の第１の特徴は、ウェーハホルダ１２の表面１６における温度Ｔ₁とシャフト２０が取付け構造１４に接合されている箇所における第２温度Ｔ₂との間に所定の温度低下をもたらす特定の長さＬ₁にシャフト２０を製造することである。Ｔ₂とＴ₁との間の差または低下は、各部に使用される材料と表面１６におけるプロセス温度Ｔ₁とによって決定され、これにより、シャフト２０に要求される長さＬ₁が与えられる。
【００２４】
図１０に示される他の実施形態では、シャフト２０ａは、ウェーハホルダ１２とプロセスチャンバ内の取付けハードウェア１００ａとの間の距離の全長に等しい長さ（Ｌ₂）を有するように形成することができる。
【００２５】
本発明に特有の別の特徴では、内部導管が設けられて、熱電対と導体リードとをチャンバ内の化学反応から隔離して加熱装置内の制御環境に配置できるようになっている。幾つかのシステムでは、金属化学的気相堆積チャンバで利用される露出端子が化学プロセス中の金属の堆積によって最終的に短絡してしまう可能性がある。従って、上記端子は、基板取付け構造の内側に設けることが望ましい。本発明のシステムにおいて、真空で生じるプロセスは、シャフト内部の熱電対や導体と相互作用をしない。シャフト内部の制御環境は、真空状態のプロセスチャンバから隔離され、大気状態に維持することができる。
【００２６】
抵抗加熱ウェーハホルダ１２とシャフト２０とを図２（ａ）〜図２（ｃ）に更に詳細に示す。図示のように、シャフト２０は、熱電対を内部に設置することの可能な第１導管２２と、基板ホルダ１２内に配置される抵抗加熱素子への導電体を内部に設置することのできる第２および第３導管２３、２４とを含んでいる。貫通穴２５、２６、２７、２８が表面１６に設けられており、基板リフト用フィンガがウェーハホルダ１２を通って抵抗加熱構造１０の表面１６上で基板を昇降できるようになっている。熱電対挿入領域３０は、抵抗基板ホルダ１２の表面１６の中央に設けられている。
【００２７】
支持シャフト２０と結合するために第１のカップリング構造５０を用いる取付け構造１４の第１の形態を図１および図３に示す。カップリング構造５０は、ウェーハホルダ構造１２およびシャフト２０の全体を支持しなければならないため重要である。取付け構造１４は、ベローズ部材３４を摺動可能に収容する端部３６を有するシャフト３２を含んでいる。ベローズ部材３４は、基板ホルダ１２のシャフト２０と係合する第１の表面３５を含んでいる。第２の表面３７は、シャフト３２の内部領域３８に面している。シャフト３２の内部領域３８は、ベローズ部材３４がシャフト３２に固定されると、化学的気相堆積プロセスの間、ほぼ大気状態に維持される制御環境となる。シャフト２０の直径とほぼ等しい直径を持つ支持円盤４０は、ベローズ部材３４の下面３７と接している。ベローズ部材３４は、Ｅビーム溶接によってシャフト３２に固定されている。
【００２８】
ベローズ部材３４は、シャフト２８とニッケルシャフト３２との間である程度の可撓性を許容するために設けられている。ベローズ部材３４はニッケルから構成されていてもよいが、通常、シャフト３２を構成するニッケル材料よりも薄い（厚さ約２ミル）。窒化アルミニウムとニッケルは熱膨張係数が異なるので、加熱されると、たわみによって、良好なシールを保ちながらシャフト間で異なる速度の膨張をすることが可能となる。この熱膨張は、シャフト２０をシャフト３２に結合できるようにする際に克服しなければならない重要な問題である。ベローズ部材３４をシャフト３２に取り付けるにはＥビーム溶接を使用してもよいが、窒化アルミニウムシャフト２０をベローズ部材３４に取り付けるには蝋付けが利用される。第１の蝋付けは、シャフト２０とベローズ部材３４の表面３５との界面で行なわれる。第２の蝋付けは、円盤部材４０とベローズ３４の表面３７との界面４４で行なわれる。円盤部材４０は、窒化アルミニウム製の逆応力部材（counter-stress member）であり、シャフト２０とベローズ部材３４との間の熱膨張整合用に設けられている。ベローズ部材は、シャフト２０およびシャフト部材３２の膨張を見越している。ベローズ部材のたわみがなければ、蝋付けは、加熱中に生じる応力と窒化アルミニウムシャフト２０およびシャフト３２間の熱膨張差とに起因する破壊に抵抗するだけの強さをもたないことになる。一般に、ニッケルは、窒化アルミニウムよりも大きく膨張する。その結果、蝋付け部分に垂直引張応力（Ｆ₁）が存在することになる。リング４０は窒化アルミニウムなので、膨張が少なく、この力を二分する。従って、引張応力は圧縮となり、歪みはより均一になる。同様に、図３にＦ₂で示す方向に沿った応力も、リング４０の存在によって半減される。
【００２９】
利用される蝋付けは、小量のチタンを有する銀／銅材料であり、これは、高温の洗浄プロセスで利用される四フッ化塩素（ＣｌＦ₃）の侵食に耐えることができない。シャフトの長さを変えて接合部の温度を低下させることによって、侵食を最小限に抑えることができる。更に、露出した蝋には、化学的侵食による蝋の汚染を保護、防止するために、ニッケル２００を用いて厚さ約０．００１インチのメッキが施されている。
【００３０】
当業者であれば理解できるように、図１において長さＬ₁は、シャフト２０とシャフト３２との間の結合箇所で要求される温度に基づいて選択されている。Ｌ₁は、構造体１０に利用される材料の使用と、構造体１０が操作されるべきプロセスの性質とに基づいて変更することができる。
【００３１】
図４〜８は本発明の第２の実施形態を示しており、具体的にはシャフト２０を取付け構造１４₁に固定するカップリング構造５０₁を示している。この形態のカップリング構造では、取付け構造１４₁は、結合用の別の支持体を与えるクランプを有している。この取付け構造１４₁は、取付け構造１４の端部にクランプカップリング５２が設けられている点を除いて、取付け構造１４と本質的に同様である。図４は、本発明の第２実施形態の平面図であり、図５は、図４の５−５線に沿った図である。図示のように、取付け構造１４₁は、環状部材５４およびクランプ部材５６によって形成されるクランプ５２を含んだ第１の端部５１を有している。クランプ部材５６および環状部材５４にねじ穴５８、５９を設けて、シャフト２０を取付け構造１４内の所定位置にボルト（図示せず）を用いて固定している。
【００３２】
取付け構造１４₁の内側部分３８にプロセスチャンバから隔離された安全な環境を形成するために、厚さ２ミルのニッケル２００製Ｌ形リング６０が、本発明の第２実施形態の内部領域３８内においてシャフト２０と窒化アルミニウム支持リング４０との間に配置されている。シャフト２０とＬ形リング６０との界面６２で蝋付けが使用され、リング４０とＬ形リング６０の下面との界面６４で第２の蝋付けが使用される。内側リング６５と取付け構造１４₁のリップ１５₁との境界面における点６６では、Ｅビーム溶接またはレーザービーム溶接が利用される。溶接は、シャフト３２₁の内部領域３８に対して真空シールを提供する。これにより、内側部分３８に真空シールを提供する機能と抵抗加熱基板ホルダ１２を支持する機能とが分離される。
【００３３】
従って、取付け構造とシャフト３２の内部は、プロセスチャンバの真空から隔離された制御環境となる。これによって、熱電対と加熱素子用の導電体を大気圧に維持できるので、これらがチャンバ内のプロセスの影響から隔離されるとともに、その寿命が長くなり、加熱構造の全体強度が増加する。
【００３４】
図６は、カップリング構造５０₁の第２の形態と、ウェーハホルダ１２内の抵抗加熱素子を装置に結合する電気導管１０８、１１０と、を含んだ抵抗加熱構造１０の側断面図を示している。先の図面と同様の部品には、同一の参照番号が使用されている。図６に示されるように、チャンバマウント１００をチャンバ内に設けることにより取付け構造１４が固定されている。チャンバマウントは、通常、化学的気相堆積チャンバまたはその他の処理チャンバ（図示せず）に連結される。このチャンバマウントは、流体導管１０２を含んでいる。流体導管は、加熱構造１０の水冷用に設けることができる。取付け構造１４または１４₁を受け入れるために、ボア１０３がチャンバマウント１００内に設けられている。チャンバマウント１００のフランジ１０５はチャンバ壁の上に設置され、加熱構造の支持に役立つ。電気コネクタ１０７、１０９がチャンバマウント１００内に設けられ、導管１０４₁、１０６₁に結合されている。取付け構造１４内の電気導管１０４₁、１０６₁は、制御環境内の内部領域３８に配置される。シャフト２０内の対応する導管１０４₂、１０６₂は、シャフト２０とシャフト３２₁との界面に配置された電気コネクタ１１２、１１４によって導管１０４₁、１０６₁に結合される。支持リング４０の着座を可能にするリップ１５₁とシャフト２０との界面に排気口１１８が設けられており、これにより残留ガスを逃がすことができる。
【００３５】
図７は、図６に示される加熱構造の形態と同様の断面を示しているが、領域３８内の制御環境内の所定位置に配置された熱電対１２０を示している。図示のように、熱電対１２０用のコネクタ１２２がチャンバマウント１００内に設けられている。マウント１００内のボア１４０により、熱電対１２０のＣＶＤシステムへの接続が可能になる。上記のように、熱電対は、ボア内において大気圧に維持される。
【００３６】
図７では、熱電対と基板ホルダとの交差部分で熱電対１２０により測定される温度の精度を高めることを含んだ本発明に特有の別の特徴を示している。シャフト２０とウェーハ保持部１８との交差部分を構成する領域２２では、窒化アルミニウムの厚さＴ₁は、シャフト２０の幅（直径）にわたってウェーハ保持領域１８の厚さＴ₂よりも大きい。この厚さの増加が、ウェーハ保持領域の中央における熱損失を補償する。ウェーハ保持領域の中央における熱電対の使用は、ウェーハ保持面の下の窒化アルミニウム中に導管を設ける必要性に起因して、それ自体が領域内の熱損失を増加させる。また、大気における物体の熱損失は真空における物体よりも大きいので、大気中に熱電対を設けるという事実により熱損失が増加することになる。領域２２内の窒化アルミニウムの厚さが領域内の厚さと同一の場合、この領域内の熱損失は、ウェーハ保持領域１８の残部全体の熱損失よりも大きくなる。従って、この領域内の窒化アルミニウムの厚さを増して、熱損失を減少させる。
【００３７】
この領域の厚さを増すことに対する他の解決法は、ウェーハ保持領域の同一厚さＴ₂を保ちながら、領域２２内の加熱素子の密度を増加することである。このような解決法は、この構造の形成をより複雑にする可能性があり、また領域２２内の熱応力を増加させることになる。
【００３８】
本発明に特有の別の特徴では、ウェーハ保持領域１８の厚さＴ₂が、本発明の加熱構造の熱ランプレートを制御するように選択される。従来、抵抗ヒータの厚さは、０．７インチのオーダである。一般に理解されるように、厚さが増すに従って、ヒータのランプレートは遅くなる。しかしながら、本発明のある実施形態では、厚さＴ₂は約０．５インチのオーダである。このようにすることで、ヒータに関して相当に短い冷却時間を実現することができる。
【００３９】
本発明の加熱構造におけるヒータランプ制御（heater ramping control）は、ＣＶＤチャンバ内で発生するプロセスにわたって正確な制御を達成するために、またヒータの熱クラッキングを回避し、過剰なヒータ休止時間を防止するために、特に重要である。温度変化の速度が速すぎるとクラッキングが生じるが、変化速度が低すぎるとＣＶＤシステムの全体スループットが低下することになる。
【００４０】
従って、本発明に特有の別の特徴では、本発明のヒータ構造の加熱と冷却の速度を制御する方式が利用される。モリブデンの熱膨張係数が窒化アルミニウムの熱膨張係数と等しいことから、本システムでは、加熱素子がモリブデンから構成されている。しかしながら、本発明のヒータに特有の特徴は、多様なタイプの材料から成る抵抗加熱素子に適用することができる。
【００４１】
ここで説明されるようなセラミック加熱システムでは、加熱素子の抵抗率は温度とともに増加する。これは、ヒータ構造の温度ランプレートの制御を複雑にする。抵抗率の変化は、温度が室温から６００℃まで増すに従って３倍になる場合がある。このように、抵抗率の変化は、結果として、ヒータの電力出力に大きく影響を与えることがある。
【００４２】
一般に、ヒータ素子の制御は、電流調整か電圧調整のいずれかによって行なわれる。電圧制御モードにおけるヒータの電力出力は、
電力＝（電圧）²／抵抗率
であり、電流制御モードでは、
電力＝（電流）²／抵抗率
である。これは、小さな電圧や電流の入力では、ヒータの電力出力は、温度や抵抗率の増加に従って減少することを意味している。従来技術の抵抗加熱素子は、実際の温度入力と設定温度電圧入力との間の誤差を考慮した誤差補償方式を利用しているが、温度上昇から生じるヒータ材料の抵抗率の変動は何ら補償されていなかった。例えば、いわゆるＰＩＤ（比例積分微分）誤差補正アルゴリズムが一般的に利用されている。
【００４３】
本発明のヒータシステムでは、ヒータ温度が上昇するに従ってヒータ素子材料の抵抗率の変化を補償するように電圧入力を調整することによって電圧入力を変化させるヒータ制御方式が利用される。一般に、この方式は、入力電圧の制御のために下式を実行する。すなわち、電圧モード制御では、
真の電圧入力＝（計算電圧入力）×ｆ１(t)
であり、また電流モード制御では
真の電流入力＝（計算電流入力）×ｆ２(t)
である。ここで、計算電圧入力は、抵抗率変化の影響を考慮せずにヒータ素子の任意の制御アルゴリズムから導出されたものであり、ｆ１、ｆ２は、温度変化による抵抗率の変動を正当化する任意の温度の関数である。
【００４４】
当然のことながら、関数ｆ１、ｆ２は、ヒータ素子に使用される材料に応じて変化することになり、これらの関数は、実現が望まれる精度に応じて変更することができる。これらの関数は、電圧調整や電流調整を直接制御する回路に実装するか、あるいは電圧調整や電流調整を制御する特選プロセッサに移植されたソフトウェアに実装することができる。本発明のヒータのこの関数を実装するために利用可能な各種の制御プロセッサ実装やソフトウェア実装が多く存在している。
【００４５】
図８および図９は、クランプ部材５０₂の他の第３の形態の断面を示している。この形態では、クランプ部材５０₂は、対向するクランプアーム１２１を有する独立形成の弓形部分１２４を備えている。クランプアームを弓形クランプ部材１２４に対向させて固定するために２つの貫通穴１２６、１２７が設けられており、対応する貫通穴１２８（穴１２６に対して図８にのみ図示）がクランプアーム１２１に設けられている。図８に示される構造は極めてしっかりしたものと定められており、図４および図５に示される形態に対して少ない取付具を考慮している。
【００４６】
図１０は、本発明の第４の実施形態１０₄を示している。この実施形態では、窒化アルミニウムシャフト２０ａは、ウェーハホルダ１８ａとチャンバ内の取付けハードウェア１００ａとの間の全距離に等しい長さを有している。図１０に示すように、ＡｌＮ等のセラミック材料から成るシャフト２０ａは、保持部１８ａに結合される第１の端部と、チャンバマウントハードウェア１００ａに結合される第２の底端部とを有している。
【００４７】
シャフト２０ａは、内部チャンバ１３８を含んでいる。これは、熱電対１２０ａおよび電気リード（図１０では１０６ａのみを示す）をチャンバ１３８内の制御環境に配置し、プロセスチャンバの内側の真空環境から隔離して大気状態に維持することを見越している。シャフトの長さは今度はＬ₂であるから、独立した金属シャフトにシャフト２０ａのＡｌＮ部分を結合するとともに金属シャフトをカップリングハードウェアに結合するという問題がなくなる。導電性電極および熱電対に関して、隔離された周囲環境１４０をシャフト２０ａ内に確実に維持する際には、ただ一つの締付け箇所−−カップリング構造１００ａにおいて−−しか処理する必要がない。
【００４８】
カップリング構造１００ａは、六角ナットによって結合された、シャフト２０ａのフランジ部分１３５の貫通穴１２５とフランジクランプ１３０とによって、シャフト２０ａをベース部材１３６に固定する。シャフトは熱電対と導電性電極の全体を含むので、ただ一つの締付け箇所−−シャフトの基部において−−が別に必要となるだけで、金属シャフト部分（例えば１４）とセラミックシャフト（例えばシャフト２０）との間の接合部では別の締付具を必要としない。導電体１０６ａは、ばね式締結具１３４を介してコネクタ１０３ａ経由でプロセスチャンバに連結される。導体１０６₂は、セラミック絶縁体１１１の内側に固定される。絶縁体１１１は、一端が保持領域１８ａの凹部１３３に固定され、他端がばね式締結具１３４で固定される。締結具１３４は、スプリング１３６に係合するペデスタル１３５を含んでおり、そのペデスタル自体はシャフト１３７に取り付けられている。ペデスタル１３５は、絶縁体１１１を押し込んで凹部１３３に係合させる。シャフト１３７は、マウントブロック１４０のカウンタボア１３９内に保持されて、ベース部材１３６に固定される。
【００４９】
最後に、シャフト２０ａの第１の端部１４２の直径は、第２の端部１４４の直径より大きいことを強調しておく。これは、シャフト２０ａと保持領域１８ａとの間のより大きな結合面積を見越したものである。更に、保持部１８ａの厚さＴ₃とＴ₄の間の差（Ｘ）は、先の形態のＴ₁とＴ₂の差ほど大きくない。中央部厚さＴ₃と周辺部厚さＴ₄との間に厚さの差が存在し、シャフト２０ａ上の領域と大気との間の圧力差による熱変動の原因となっているが、この差を小さくするとヒータ１０₄の製造性が向上する。
【００５０】
本発明の様々な特徴と利点は、当業者には明らかであろう。このような本発明の特徴と利点のすべては、本出願および特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲内にあることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る抵抗加熱構造の断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明に係る抵抗加熱ウェーハホルダの第１の側面図であり、（ｂ）は、本発明に係る抵抗加熱ウェーハホルダの平面図であり、（ｃ）は、本発明に係る抵抗加熱ウェーハホルダの第２の側面図である。
【図３】取付け構造を抵抗加熱ウェーハホルダに結合する第１の機構の拡大断面図である。
【図４】本発明に係る取付け構造の第２の実施形態の平面図である。
【図５】図４に示される取付け構造の断面図であり、取付け構造を利用して本発明の第２実施形態の抵抗加熱ウェーハホルダに結合する方法を示している。
【図６】抵抗加熱構造の断面図であり、ウェーハホルダ内の抵抗加熱素子に結合される導電リード用の導管を示している。
【図７】本発明による抵抗加熱構造の第２の断面図であり、導管と、本発明に係る抵抗加熱素子に結合している熱電対と、を示している。
【図８】本発明に係る抵抗加熱ウェーハホルダと係合する取付け構造の第３の実施形態の拡大断面図である。
【図９】図８の９−９線に沿った断面図である。
【図１０】本発明に係る全長セラミックシャフトを用いた抵抗加熱構造の第４の実施形態の断面図である。
【符号の説明】
１０…抵抗加熱装置、１２…抵抗加熱ウェーハホルダ、１４…取付け構造、１８…ウェーハ保持部、２０…支持シャフト、３２…支持シャフト。

Claims (15)

1. 化学的気相堆積チャンバ用の抵抗加熱装置であって、
   第１の熱膨張係数を有する第１の材料から構成され、抵抗加熱素子と、ウェーハ支持領域［１８、１８ａ］と、前記ウェーハ支持領域を支持する支持シャフト［２０、２０ａ］と、を含み、前記支持シャフトが、前記ウェーハ支持領域に結合される第１の端部とベース端部とによって画成される長さを有している基板保持部材［１２、１２ａ］と、
   第２の熱膨張係数を有する第２の材料から構成され、カップリング箇所において前記支持シャフトに結合する取付け構造［１４］と、を備え、
   前記支持シャフト及び取付け構造は、前記抵抗加熱素子に結合された導電体を少なくとも収容する内部領域[３８]を含み、
   前記支持シャフトの長さが、前記カップリング箇所での温度が前記ウェーハ支持領域でのプロセス温度よりも低くなるように、前記プロセス温度に基づいて決定され、
   前記支持シャフトは、ベローズ部材［３４］及び逆応力部材［４０］によって前記取付け構造に結合され、
   前記ベローズ部材は、前記第２の材料からなり、前記支持シャフトに係合する第１の表面［３５］と、前記第１の表面に対向する第２の表面［３７］と、前記取付け構造の端部［３６］に係合する端部と、を有し、
   前記逆応力部材は、前記第１の材料からなり、前記ベローズ部材を挟んで前記支持シャフトに対向するように、前記第２の表面に係合している抵抗加熱装置。
2. 前記第１材料は、窒化アルミニウム化合物である請求項１記載の装置。
3. 前記第１材料は、純度が少なくとも９９％のＡｌＮである請求項２記載の装置。
4. 前記内部領域に配置された熱電対を更に含む請求項１記載の装置。
5. 前記プロセス温度が４５０℃よりも高い請求項１記載の装置。
6. 前記カップリング箇所での温度が３００℃よりも低い請求項５記載の装置。
7. 前記抵抗加熱素子の電力出力を制御する手段であって、前記抵抗加熱素子の電力出力が一定となるように、前記抵抗加熱素子の熱抵抗率と温度とに基づいて、前記抵抗加熱素子への電流入力または電圧入力を制御する制御手段を更に備える請求項１記載の装置。
8. 前記制御手段は、前記抵抗加熱素子の温度の増加に伴う熱抵抗率の変化に基づいて、前記抵抗加熱素子への電流入力または電圧入力を制御する請求項７記載の装置。
9. 前記支持シャフトは、前記化学的気相堆積チャンバから絶縁された前記導電体を支持する少なくとも一つの導管［１０８、１１０］を含んでいる請求項１記載の装置。
10. 前記支持シャフトは、熱電対導管［１２０、１２０ａ］を更に含んでいる請求項９記載の装置。
11. 前記第２材料は、ニッケルまたはニッケル合金である請求項１記載の装置。
12. 前記支持シャフト［２０、２０ａ］は、前記ベローズ部材［３４］の第１表面に蝋付けされ、かつ前記逆応力部材［４０］と整列されており、前記逆応力部材［４０］は、前記ベローズ部材［３４］の第２表面に蝋付けされている請求項１記載の装置。
13. 化学的気相堆積システム用のヒータ［１０］であって、
    第１の部分［１２］と、
    第２の部分［１４］と、
    応力支持リング［４０］およびシール［６０］を介して前記第１の部分と前記第２の部分とを結合するカップリング構造と、を備え、
    前記第１の部分は、
    基板保持部［１８］と、
    前記基板保持部の内部に配置された抵抗加熱素子と、
    少なくとも前記抵抗加熱素子に結合された導電体と、
    前記基板保持部に接合され、前記基板保持部と同一の材料を有し、第１の熱膨張係数を有する第１の材料から構成され、前記導電体を収容する内部領域［３８］を有する支持アーム［２０］と、を含み、
    前記第２の部分［１４］は、
    前記支持アームを受け入れることが可能な端部［３６、５２、５０ _２ ］を有し、第２の熱膨張係数を有する第２の材料から構成された取付け構造［１４ _１ ］と、
    前記内部領域［３８］と、を含み、
    前記シール［６０］は、前記第２の材料からなり、前記支持アーム［２０］に係合する第１の表面と、前記第１の表面に対向する第２の表面と、前記取付け構造［１４_１］の前記端部［３６、５２、５０_２］に係合する端部と、を有し、
    前記応力支持リング［４０］は、前記第１の材料からなり、前記シール［６０］を挟んで前記支持アーム［２０］に対向するように、前記第２の表面に係合しているヒータ。
14. 前記基板保持部の材料は、窒化アルミニウム化合物である請求項１３記載のヒータ。
15. 前記基板保持部の材料は、純度が少なくとも９９％のＡｌＮである請求項１４記載のヒータ。

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