JP5107186B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体のウエハ等の加熱に用いられる加熱装置に関する。

半導体デバイスの製造工程では、半導体製造装置を用いてウエハ上へ酸化膜等を形成するために、加熱処理が施される。この半導体の製造工程における、ウエハの加熱処理を施すための加熱装置の一例としては、ウエハがセットされる加熱面を有する円盤状のセラミックス基体を備え、このセラミックス基体中に抵抗発熱体が埋設されている加熱装置がある。この加熱装置の抵抗発熱体は、セラミックス基体の内部に埋設され、この抵抗発熱体に電力が供給されることによって、上記加熱面を発熱させる。

このような加熱装置は、被加熱材としてのウエハを、所定の加熱温度に安定して維持するように加熱できることが求められる。また、ウエハの面内で均一に加熱できることが求められる。そのため、公知の加熱装置には、抵抗発熱体の平面的な配線に工夫を加えたものや、円盤状のセラミックス基体における加熱面とは反対側の背面に、温度調節部材としてバルク状のヒートシンクを取り付けたものがある。このバルク状のヒートシンクによれば、セラミックス基体から熱を迅速に逃がすことができる。そのため、加熱面における局部的な温度上昇を抑制することができ、このことが、加熱面の面内にわたってウエハを均一に加熱することに寄与する。

このバルク状のヒートシンクと、セラミックス基体とが、例えば、シリコーン樹脂の接着層により接合された加熱装置がある。しかし、シリコーン樹脂は、耐熱性が低いことから、加熱装置の使用温度が制限される。また、シリコーン樹脂は、熱伝導性に劣ることから、ウエハを均一に加熱維持するのにも限界があった。

そこで、バルク状のヒートシンクとセラミックス基体とが、アルミニウム合金の熱圧接により形成された接合層により接合された加熱装置がある（特許文献１）。
特開平９−２４９４６５号公報

しかしながら、このアルミニウム合金の熱圧接により形成された接合層による加熱装置によっても、セラミックス基体の加熱面における面内の加熱温度の均一性は、必ずしも十分ではなかった。特に、抵抗発熱体への入熱量が大きくなったり、セラミックス基体が、熱伝導率の低い材料からなる場合には、加熱の均一性（均熱性）が悪化し、よって、この加熱装置により加熱されるウエハの表面温度の均一性も悪化していた。ウエハの表面温度の均一性が悪化したのでは、ウエハに施される成膜やエッチングの面内均一性が低下し、半導体デバイスの製造時における歩留りが低下してしまう。

そこで、本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、加熱面における均熱性を改善し、これにより、加熱面に取り付けられた被加熱物を面内で均一に加熱することのでき、しかも広い温度範囲で良好に均熱性を維持することが可能な加熱装置を提供することを目的とする

前記目的を達成するために、本発明の加熱装置は、基板を載置する加熱面を有し、セラミックスよりなる基体と、この基体の内部に埋設された発熱体と、この基体の加熱面と発熱体との間に配設され、基体の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性部材と、この基体の背面に近接して設けられた温度調節部材とを備え、この基体と温度調節部材との間に空隙を有し、この空隙のガス圧力を調節可能にガスを導くガス導入装置と接続可能になっていることを特徴とする。

本発明の加熱装置によれば、加熱面に取り付けられた被加熱物を面内で均一に加熱することが可能となり、しかも、入熱放熱環境が変化しても均熱性を一定に維持することが可能になる。

以下、本発明の加熱装置の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の加熱装置に係る一実施例を示す断面図である。なお、以下に述べる図面では、加熱装置の各構成要素の理解を容易にするために、各構成要素が、現実の加熱装置とは寸法比率を異ならせて描かれている。したがって、本発明に係る加熱装置は、図面に図示された加熱装置の寸法比率に限定されるものではない。

図１に示された本実施形態の加熱装置１０は、円盤形状のセラミックス基体１１を有している。このセラミックス基体１１は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）系セラミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系セラミックスからなる。

この円盤形状を有するセラミックス基体１１の一方の平面部は、被加熱物である例えば半導体基板として用いられるウエハ（図示せず）がセットされて、このウエハを加熱するための加熱面１１ａとなる。このセラミックス基体１１の内部において、加熱面１１ａとは反対側である背面１１ｂ寄りに、抵抗発熱体１２が埋設されている。

この抵抗発熱体１２に接続するヒータ端子１３がセラミックス基体の背面１１ｂから挿入されている。このヒータ端子１３に接続される、図示しない外部電源から、電力を抵抗発熱体１２に供給することにより、抵抗発熱体１２が発熱し、生じた熱が抵抗発熱体１２からセラミックス基体１１の加熱面１１ａに向けてセラミックス基体１１内を移動する。これにより、加熱面１１ａにセットされたウエハを加熱することが可能となる。

セラミックス基体１１の背面１１ｂに対向して、温度調節部材２１がセラミックス基体１１に取り付け固定されている。図示した例では、セラミックス基体１１の周縁部近傍にリング状の固定具２３が設けられている。この固定具２３は、その内周側にセラミックス基体１１の周縁部のフランジと係合する切り欠き部を有する形状に形成されている。また、この固定具２３は、その厚み方向に貫通するボルト孔を有している。このボルト孔の各々にボルト２４が挿入され、このボルト２４が、温度調節部材２１に形成されたねじ孔にねじ結合することによりセラミックス基体１１と温度調節部材２１とは締結固定されている。なお、後で詳しく述べるように、このセラミックス基体１１と温度調節部材２１との間には、空隙３１が形成されている。

この温度調節部材２１は、セラミックス基体１１の熱を移動させて、加熱中のセラミックス基体１１の温度を一定に保持することができる材料として、熱伝導性が良好な金属材料、例えばバルク状のアルミニウムからなっている。この温度調節部材２１による抜熱効果を向上させるため、この温度調節部材２１の内部には、冷媒が通過可能な流体流動孔２１ａが形成されている。また、温度調節部材２１には、ヒータ端子１３を挿通可能な端子孔２１ｂが形成されているとともに、この端子孔２１ｂの内壁に接して管状の絶縁部材２２Ａが挿設されて、この絶縁部材２２Ａの内周面側に挿通されるヒータ端子１３と、金属材料よりなる温度調節部材２１とを絶縁している。

本実施形態の加熱装置１０においては、セラミックス基体１１の加熱面１１ａと、セラミックス基体１１の内部に埋設された抵抗発熱体１２との間に、熱伝導性部材１４が配設されている。図示した本実施形態においては、熱伝導性部材は、加熱面１１ａとほぼ同じ平面形状、直径を有する薄板形状であり、加熱面１１ａとほぼ平行に配設されている。この熱伝導性部材１４は、セラミックス基体１１よりも高い熱伝導率を有している。

本実施形態の加熱装置１０は、この熱伝導性部材１４を具備することにより、次の効果が得られる。抵抗発熱体１２に電力が供給されて当該抵抗発熱体１２が発熱すると、発生した熱の一部はセラミックス基体１１の加熱面１１ａに向けて移動する。加熱面１１ａに向かう途中で、熱伝導性部材１４に到達した熱は、熱伝導性部材１４から加熱面１１ａに向けて移動するばかりでなく、この熱伝導性部材１４の内部でその平面方向に拡散移動する。この熱伝導性部材１４の平面方向への熱の拡散移動により、加熱面１１ａに向かう熱量は熱伝導性部材１４の平面方向で平均化される。そのため、この熱伝導性部材１４から加熱面１１ａに向かう熱もまた、加熱面１１ａの平面方向で平均化されているから、この加熱面１１ａにおける温度の均一化（均熱性）が向上するのである。

本実施形態の加熱装置が、熱伝導性部材１４を備えることによる上記効果は、セラミックス基体１１が、アルミナを主成分とするセラミックスよりなる場合に、特に効果が大きい。アルミナは、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と熱伝導性が高くないので、熱伝導性部材１４を備えていない場合には、抵抗発熱体１２から発生した熱の一部が、セラミックス基体１１の内部でその平面方向に拡散移動する量が小さい。そのため、アルミナを主成分とするセラミックスよりなるセラミックス基体１１を備える加熱装置であって、熱伝導性部材１４を備えていないものの場合には、均熱性が十分でないおそれがあったのである。これに対して、本実施形態の加熱装置は、熱伝導性部材１４を備えることにより、アルミナを主成分とするセラミックスよりなるセラミックス基体１１を有するものであっても、均熱性を格段に向上させることができる。

この熱伝導性部材１４を具備することによる均熱性の向上は、セラミックス基体１１の加熱面１１ａと抵抗発熱体１２との間で、かつ、加熱面１１ａの近傍に熱伝導性部材１４が配設されているがために、均熱性向上のために有効に寄与し、従来技術のように単にセラミックス基体１１の背面１１ｂに温度調節部材２１を具備する加熱装置と比べて、格段に均熱性に優れている。また、この加熱装置１０により加熱される被加熱物としての半導体ウエハは、面内で少しの温度変化が生じていても、製造される半導体デバイスの歩留りに大きな影響を与えるのであり、本実施形態の加熱装置１０により、均熱性が向上することは、半導体デバイスの歩留り向上に飛躍的な向上をもたらす。

熱伝導性部材１４のための材料は、セラミックス基体１１よりも熱伝導率が高い材料であれば適合する。熱伝導率が高いほど好ましい。例えばセラミックス基体１１がアルミナ（熱伝導率：３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）よりなる場合、熱伝導性部材１４は、アルミニウム又はアルミニウム合金（熱伝導率：２３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）よりなることが好ましい。また、アルミニウム又はアルミニウム合金に限らず、熱伝導性の良好な、インジウム又はインジウム合金、その他の金属材料であってもよい。更に、金属材料に限られず、高熱伝導性セラミックスである窒化アルミニウム（熱伝導率：１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）であってもよい。

熱伝導性部材１４は、その平面方向で熱を十分に拡散させるためには、ある程度の厚さを有していることが必要であり、例えば０．５〜５．０ｍｍ程度の厚みを有していることが好ましい。熱伝導性部材１４が０．５ｍｍ程度よりも薄いと平面方向への熱の拡散が十分ではなく熱伝導性部材１４を具備することによる効果に乏しくなる。また、５．０ｍｍ程度を超えた厚さでは、熱伝導性部材１４を具備することによる効果が飽和する。熱伝導性部材１４の０．５〜５．０ｍｍ程度の厚さは、従来公知の加熱装置において用いられる、加熱面と抵抗発熱体の間に埋設されることがある金属製の電極、例えば加熱面１１ａに静電力を生じさせるための電極や、加熱面１１ａ近傍にプラズマを生じさせるための高周波電極の厚さとは大きく異なる。従来公知の加熱装置の電極の厚さでは、本発明において所期した均熱性の向上を得ることは困難である。

セラミックス基体１１は、上述したアルミナを主成分とするセラミックスよりなるものに限られず、酸化イットリウムを主成分とするセラミックスよりなるものであってもよい。この場合は、熱伝導性部材をアルミニウム又はアルミニウム合金、インジウム又はインジウム合金、その他の酸化イットリウムより熱伝導率の高い金属材料とすることができる。また、セラミックス基体１１は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスよりなるものであってもよい。窒化アルミニウムよりなるセラミックス基体は、ジョンソン−ラーベック力を用いた静電力を生じさせるのに好適な体積抵抗率を有している。この場合の熱伝導性部材をアルミニウム又はアルミニウム合金、その他の窒化アルミニウムより熱伝導率の高い金属材料とすることができる。

熱伝導性部材１４は、セラミックス基体１１の加熱面１１ａとほぼ同じ平面形状、ほぼ同じ大きさであることが、加熱面１１ａにおける加熱温度の均一性（均熱性）を向上させる点で有利である。もっとも、熱伝導性部材１４の平面形状、大きさは、これに限定されるものではない。要は、均熱性を向上させることのできるような形状、大きさで、熱伝導性部材１４が、セラミックス基体１１の内部で、加熱面１１ａと抵抗発熱体１２との間に配設されていればよい。

この抵抗発熱体１２は、例えばＮｂ（ニオブ）、Ｐｔ（白金）、Ｗ（タングステン）やＭｏ（モリブデン）などの高融点の金属材料もしくはこれらの炭化物（白金を除く）からなる。このような抵抗発熱体１２は、当該金属材料含む原料ペーストの塗布等により形成された平面形状の抵抗発熱体であってもよいし、コイル状の抵抗発熱体であってもよい。

熱伝導性部材１４の好適なサイズ及び形状を考慮すると、セラミックス基体１１は、基板（ウエハ）を載置する上側部分と温度調節部材に面する下側部分とに二分され、この上側部分と下側部分との間に熱伝導性部材１４が介在している三層構造を有していることは、より好ましい態様である。図１に示した本実施形態の加熱装置は、この好ましい三層構造を有している。もっとも、本発明に係る加熱装置は、三層構造を有するものに限定されず、例えば、この熱伝導性部材１４が、セラミックス基体１１内に埋設されている例であってもよい。

そして、上下方向で二分割されたセラミックス基体１１の上側の部分と、下側の部分とが、熱伝導性部材１４により熱圧接（ＴＣＢ: Thermal Compression Bonding）により接合されている構造とすることができる。３層のうち、熱伝導性部材１４が熱圧接により形成された部材であることにより、セラミックス基体１１の上側の部分と、下側の部分とが、接合面の全体にわたって隙間なく強固に接合されることができ、よって、セラミックス基体１１全体の強度に悪影響を与えることのない、優れた効果を有する熱伝導性部材１４になる。

セラミックス基体１１が、上側部分と下側部分とに二分されている場合、セラミックス基体１１の上側部分と下側部分との熱膨張係数の差が０．２×１０^−６以下であることが好ましい。この熱膨張係数の差が０．２×１０^−６を超えると、この熱膨張係数差によりセラミックス基体１１に反りが生じ、この反りを平坦化するための加工をする手間が生じるおそれがあるからである。

セラミックス基体１１の上側部分は、使用温度における体積抵抗率が１×１０^８〜１×１０^１２Ω・ｃｍ又は１×１０^１５Ω・ｃｍ以上を有するものであることが好ましい。１×１０^８〜１×１０^１２Ω・ｃｍのものは、加熱面１１ａにジョンソン−ラーベック力を用いた静電力を生じさせるのに好適な体積抵抗率であり、１×１０^１５Ω・ｃｍ以上のものは、絶縁性が高く、また、クーロン力を用いた静電力を生じさせるのに好適な体積抵抗率である。１×１０^１２Ω・ｃｍ超〜１×１０^１５Ω・ｃｍ未満の範囲の体積抵抗率では、静電力を生じさせるのに中途半端であり、また、ウエハを吸着保持後の脱着応答性が低下する。１×１０^８Ω・ｃｍ未満の体積抵抗率ではリーク電流が大きくなってウエハに悪影響を及ぼし、歩留低下を招くおそれがある。

セラミックス基体の下側部分は、使用温度における体積抵抗率が１×１０^８Ω・ｃｍ以上を有するものであることが好ましい。体積抵抗率が１×１０^８Ω・ｃｍ未満では、この下側部分にリーク電流が発生し絶縁不良が発生するおそれがある。

本実施形態の加熱装置１０は、セラミックス基体１１の加熱面１１ａと平行に熱伝導性部材１４が近接して配設されていることから、この熱伝導性部材１４を高周波電極として活用することが可能となる。詳述すると、セラミックス基体１１を有する加熱装置には、その加熱面の近傍に、高周波を印加できる円盤状の高周波電極が埋設され、この高周波電極によって、加熱面にセットされた被加熱物近傍の空間に高周波プラズマを発生させることができるものがある。この高周波電極は、一般には高周波電力が供給可能な導電性部材よりなるものであるから、本実施形態の加熱装置１０において、熱伝導性部材１４が金属材料などの導電性部材よりなる場合には、熱伝導性部材１４を、この高周波電極として適用可能である。図１に示した本実施形態の加熱装置１０は、熱伝導性部材１４が高周波電極を兼ねる例であって、そのために、セラミックス基体１１の背面１１ｂから熱伝導性部材１４に達するように、熱伝導性部材１４に接続する高周波電極端子１５を挿通可能とするための穴１１ｃが形成されている。また、温度調節部材２１には当該穴１１ｃの延長線上に端子孔２１ｂが形成され、かつ、この端子孔２１ｂの内壁に接して管状の絶縁部材２２Ｂが挿設されて、この絶縁部材２２Ｂの内周面側に挿通される高周波電極端子１５と、金属材料よりなる温度調節部材２１とを絶縁している。高周波電極端子１５は、温度調節部材２１の端子孔２１ｂとセラミックス基体１１の穴１１ｃを通して熱伝導性部材１４に接続され、この高周波電極端子１５を介して熱伝導性部材１４に、外部から高周波電力を供給することにより、熱伝導性部材１４が高周波電極として利用可能となる。このことにより、本実施形態の加熱装置１０は、高周波電極を別途に設ける必要がない。なお、熱伝導性部材が金属材料の場合、発生した高周波プラズマによって熱伝導性部材が腐食する場合がある。熱伝導性部材の腐食を防止するためには、熱伝導性部材の側面を耐食性材料で保護すればよい。例えば、耐食性セラミックスや耐食性樹脂の膜やリングを設けることで保護が可能である。具体的な耐食性物質の形成方法としては、アルミナセラミックもしくはイットリウムアルミニウムガーネット、イットリアセラミックス等の溶射膜や、フッ素樹脂製の熱収縮リングを使用するなどの例が挙げられる。

本実施形態の加熱装置１０は、セラミックス基体１１の加熱面１１ａにセットされるウエハを静電力により保持する、静電チャック付き加熱装置とすることもできる。静電チャック付き加熱装置とすることにより、ウエハの加熱時に、このウエハを静電力により吸着保持することが可能となる。そのために、本実施形態の加熱装置１０は、セラミックス基体１１の内部において、加熱面１１ａに近接して、静電電極１６が埋設されている。そして、このセラミックス基体１１の背面１１ｂから静電電極１６に達するように穴１１ｄが形成されている。この穴１１ｄは、静電電極３に接続する静電電極端子１７を挿通可能とするためのものである。静電電極端子１７は、この穴１１ｄに挿入されて、静電電極１６と接続されている。また、温度調節部材２１における当該穴１１ｄの延長線上に端子孔２１ｃが形成され、かつ、この端子孔２１ｃの内壁に接して管状の絶縁部材２２Ｃが挿設されて、この絶縁部材２２Ｃの内周面側に挿通される静電電極端子１７と、金属材料よりなる温度調節部材２１とを絶縁している。絶縁部材と各穴とのクリアランスには樹脂接着剤等の絶縁物を塗布して、クリアランスをなくすと共に接合強度や絶縁破壊強度を高めても良い。この静電電極端子１７を介して静電電極１６に、外部から電圧を印加することにより、静電電極１６と加熱面１１ａとの間の領域が分極して誘電体層となり、加熱面１１ａに静電力を生じさせる。この静電力により、ウエハを吸着保持することができる。セラミックス基体１１のうち、少なくとも静電電極１６と加熱面１１ａとの間の領域が、アルミナよりなる場合には、アルミナが適切な電気抵抗率を具備していることから、クーロン力による静電力を強力に生じさせることができる。クーロン力による静電力は、ジョンソン−ラーベック力による静電力のように加熱面１１ａに微小な電流を流す必要がない。

静電電極１６は、炭化タングステン（ＷＣ）と、１０％以上のアルミナとを含むものであることが好ましい。静電電極１６が炭化タングステンを主成分とすることにより、アルミナ中への静電電極１６の成分の拡散が極めて少ないため、静電電極１６近傍でのアルミナの体積抵抗率を高くすることができる。このことにより、高電圧を印加した場合の絶縁特性が向上し、かつ、誘電体層の高抵抗に伴い、吸着される基板の脱着特性が向上する。また、この静電電極１６が１０％以上のアルミナを含むものであることにより、静電電極１６部分の密着性が向上する。静電電極１６に含まれるアルミナの含有量の上限は、静電電極１６部の電気抵抗を小さくする観点から、５０ｗｔ％程度以下とすることが好ましい。

静電電極１６は、例えば、所定の量のアルミナと炭化タングステンとの混合粉末を含む印刷ペーストを、メッシュ状、櫛形、渦巻状等の平面形状に印刷したものを用いることでできる。なお、図１に示した本実施形態の加熱装置１０は、静電電極１６として双極型の例を示しているが、静電電極１６は、双極型に限られず、単極型、又は多極型であってもよい。

セラミックス基体１１が、上側部分と下側部分とに二分され、この上側部分と下側部分との間に熱伝導性部材１４が介在している三層構造になり、かつ、このセラミックス基体が、静電電極１６を具備する静電チャック付き加熱装置においては、静電電極１６が、セラミックス基体１１の上側部分に含まれ、抵抗発熱体１２が、セラミックス基体１１の下側部分に含まれる構造とすることが好ましい。静電電極１６は、セラミックス基体１１の加熱面１１ａの近傍に埋設されることから、セラミックス基体１１の上側部分に含まれる。また、熱伝導性部材１４は、抵抗発熱体１２からセラミックス基体１１の加熱面１１ａに向かう熱を、熱伝導性部材１４の平面方向への熱の拡散移動させるために設けられることから、セラミックス基体１１の下側部分に含まれる。

本実施形態の加熱装置１０の製造方法の一例としては、上下方向で二分割されたセラミックス基体１１の上側の部分と、下側の部分とをそれぞれ作製し、この上側の部分と、下側の部分とを、熱伝導性部材１４により熱圧接により接合する工程を含む製造方法がある。

この熱圧接は、例えば、熱伝導性部材１４としてアルミニウムを用い、予め作製されたセラミックス基体１１の上側の部分と、下側の部分とを、このアルミニウムの熱伝導性部材１４を挟んで重ね合わせ、厚み方向に加圧しながら所定の温度に加熱することにより行うことができる。特に、所定の温度をアルミニウムの融点よりも５℃〜１５℃低い温度に設定し、加圧圧力を１０kg/cm2以上１００kg/cm2以下とし、雰囲気を１ｋPa以下の真空中とすると良い。この方法によれば、低温で均一な接合ができるので、アルミニウムを溶かすことなく接合できる。そのため、熱伝導性部材１４の変形が生じず、セラミックス基体はこの温度では全く変形しないため、寸法精度の高いセラミックス基体を得ることができる。アルミニウムはシートから打ち抜き等で予め任意の形状とすることができ、且つ、圧接中に溶けないため、セラミックス基体に設けられる貫通孔と干渉することなく接合することができる。

さらには、この熱圧接に用いられるセラミックス基体１１の上側の部分と、下側の部分とを、個別に作製してセラミックス基体１１を製造することにより、このセラミックス基体１１の上側の部分と、下側の部分とを、それぞれ種類の異なるセラミックスで作製することもできる。例えば、上側の部分をイットリアを主成分とするセラミックスで作製し、下側の部分をアルミナを主成分とするセラミックスで作製することもできる。

図１に示されるように、本実施形態の加熱装置１０は、上述した熱伝導性部材１４が配設されたセラミックス基体１１と、温度調節部材２１との間に、空隙３１が形成されている。この空隙３１を確実に確保するために、この空隙３１にはスペーサ３２が配設されている。このスペーサ３２は、例えば耐熱性樹脂のシートを打ち抜き加工することにより形成することができる。もっとも、スペーサ３２を設けることは必須でない。例えば、セラミックス基体１１の裏面と、温度調節部材２１のセラミックス基体１１に対向する面とのうちの少なくとも一方の表面に、表面粗さが大きい領域又は突起を形成することによっても空隙３１を形成することができる。

そして、この空隙３１に、外部からガス圧力を調節可能にガスを導入できるように、温度調節部材２１には、この温度調節部材２１の厚み方向に貫通するガス導入路であるガス導入孔２５が形成されている。このガス導入孔２５は空隙３１に連通している。また、この空隙３１に導入されたガスがリークするのを抑制するために、この空隙の端部には、封止部材としてＯリング３３が設けられている。このＯリング３３により、空隙３１は気密にされる。

上述したガス導入孔２５には、ガス導入装置が接続される。図２を用いて、ガス導入装置の一例を説明する。図２に示した本実施形態のガス導入装置４０は、ガス供給源４１を備え、このガス供給源に収容されたガスを空隙３１に導くものである。図２に示した例では、ガス供給源４１は、ガスの種類が互いに異なる、第１のガス供給源４１Ａと、第２のガス供給源４１Ｂと、第３のガス供給源４１Ｃとを備えている。このガス供給源４１からのガスを選択又は混合できるように第１のガス供給源４１Ａと、第２のガス供給源４１Ｂと、第３のガス供給源４１Ｃのそれぞれには、切替えバルブ４２が取り付けられている。この切替えバルブ４２からガス導入孔２５に向かう管路の途中に、圧力調整バルブ４３と圧力センサ４４とが設けられている。また、圧力センサ４４からの信号を入力して、圧力制御信号を圧力調整バルブ４３に出力する圧力制御装置４５が設けられている。なお、図２に示されたガス導入装置４０は一例であり、空隙３１にガスを圧力調整可能に導くことのできる装置であればよく、図面に示されたものに限定されない。

本実施形態の加熱装置は、セラミックス基体１１と温度調節部材２１との間に気密な空隙３１を有し、この空隙３１に、ガス導入孔２５を通してガス導入装置４０が接続され、このガス導入装置４０のガス供給源４１から圧力を調整可能にガスを導入することができる。この空隙３１に導入されたガスの圧力は、圧力調整バルブ４３、圧力センサ４４及び圧力制御装置４５により調節することが可能となっている。

ヘリウムなどのガスは、圧力によって熱伝導率が変化する。具体的には、圧力が高いほど熱伝導率が高くなる。したがって、セラミックス基体１１と温度調節部材２１との空隙３１にガスを導入し、そのガスの圧力を調節することによって、セラミックス基体１１から温度調節部材２１への移動する熱量を調節することができる。したがって、本実施形態の加熱装置１０は、優れた均熱性を維持しつつ、従来よりも広い温度範囲にわたって、ウエハの温度を制御することが可能となる。

セラミックス基体１１と温度調節部材２１との空隙３１にガスを導入し、そのガスの圧力を調節することによる本実施形態の効果は、均熱性に関し、従来の加熱装置よりも高い水準を実現し得るものである。詳述すると、従来の加熱装置には、セラミックス基体１１と温度調節部材２１とが接着剤により接着固定されているものがある。このような接着剤が用いられた従来の加熱装置では、接着剤の熱伝導率が接着剤に固有の値であるため、ウエハを比較的低温に加熱する場合と、高温に加熱する場合とでは、セラミックス基体１１から温度調節部材２１に移動する熱量が大きく異なる。そのため、高温に加熱する場合には、セラミックス基体１１に埋設された抵抗発熱体に投入する電力が大きくする必要がある。抵抗発熱体への投入する電力が大きいほど均熱性が悪化することから、高温に加熱する場合には、均熱性が悪化してしまう。このような均熱性の悪化は、本実施形態のようにセラミックス基体１１に熱伝導性部材１４を埋設することによって抑制することができるが、ウエハを低温で加熱する場合と高温で加熱する場合との温度差が大きい場合には、高温加熱時における均熱性に、なお改善の余地があった。

そこで、本実施形態の加熱装置１０では、ガス導入装置４０を設け、セラミックス基体１１と温度調節部材２１との空隙３１のガス圧力を調整可能にすることにより、ウエハを高温加熱する場合には、この空隙のガス圧力を、低温で加熱する場合よりも小さくする制御を行う。ガス圧力が小さい場合には、このガスの熱伝導率は小さくなるので、セラミックス基体１１から温度調節部材２１に移動する熱量は小さくなる。そのため、セラミックス基体１１に埋設された抵抗発熱体に投入する電力を大きく変化させることなく、ウエハを高温加熱することが可能となる。したがって、均熱性の悪化が生じなく、優れた均熱性を維持することができる。

本実施形態において、セラミックス基体１１と温度調節部材２１との空隙３１の圧力を調整可能にすることにより得られる均熱性の効果は、単に熱伝導性部材１４を具備する加熱装置に比べても優れているものであり、すなわち、熱伝導性部材１４を具備することと、セラミックス基体１１と温度調節部材２１との空隙３１の圧力を調整可能にすることとが相俟って、予想以上の優れた均熱性が達成できるのである。

本実施形態による空隙３１のガス圧力制御は、圧力調整バルブ４３と圧力センサ４４とに接続された圧力制御装置４５により行うことができる。このような空隙３１のガス圧力制御は、制御が容易であり、また、応答性よく制御することができるので、工業的な実施の観点からも優れている。セラミックス基体１１から温度調節部材２１へ移動する熱量を制御する手段には、本実施形態の空隙３１のガス圧力制御の他にも、空隙３１の距離を変えたり、温度調節部材２１の流体流動孔２１ａを流動する冷媒の温度を変えたりすることによっても可能である。しかしながら、ウエハの加熱時に空隙３１の距離を変えるのは困難であり、また、距離を変えるための装置は大掛かりになってしまう。また、冷媒の温度を変えることは、冷媒が一般的に液体であり、ガスよりも比熱が格段に大きいことから、短時間に冷媒を加熱したり冷却したりすることは困難であり、また、温度調節部材２１の流体流動孔２１ａに接続する複数の温度の冷媒を用意して、ウエハの加熱温度に応じて温度の異なる冷媒を切り替えて用いることは、装置が大掛かりになってしまう。これに対して、本実施形態の加熱装置１０は、空隙３１のガス圧力制御によって、セラミックス基体１１から温度調節部材２１へ移動する熱量を極めて短時間に変更することができ、よってスループットを向上させることができる。また、設備の追加は、簡素なガス導入装置４０を設けるだけで済み、設備負担が小さい。

本実施形態の加熱装置１０において、セラミックス基体１１と温度調節部材２１との空隙の厚さ方向の距離は、特に数値限定されるものではなく、ウエハ加熱温度、ガス圧力などを勘案して、工業的に実施可能な範囲として適切な距離を採ることができる。

また、ガス圧力も、特に特に数値限定されるものではなく、ウエハ加熱温度、ガス圧力などを勘案して、ウエハ加熱温度、空隙３１の距離などを勘案して、工業的に実施可能な範囲として適切な圧力を採ることができる。

空隙３１に導かれるガスは、例えばヘリウムガスを用いることができる。ヘリウムガスは、圧力変化による熱伝導率の変化が大きいので、本実施形態の加熱装置１０に用いるガスとして好適である。もっとも、ガスの種類は、ヘリウムガスに限定されるものではない。

また、本実施形態の加熱装置１０においては、上述したガス圧力の調節の代わりに、又はガス圧力の調節と組み合わせて、空隙３１に導くガスの種類を変更することができる。ガスの熱伝導率は、ガスの種類によって異なるので、空隙３１に導くガスの種類を、ガス導入装置４０の切替えバルブ４２によって変更することによって、ガス圧力を調節することと同様の効果を得ることができる。ガスには、例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスなどを用いることができる。

１．熱伝導性部材１４の評価
まず、種々の熱伝導性部材１４による均熱性の評価を行った。

セラミックス基体１１の上側の部分になるセラミックス焼結体と、セラミックス基体１１の下側の部分になるセラミックス焼結体と、熱伝導性部材１４とをそれぞれ用意した。

このセラミックス基体１１の上側の部分になるセラミックス焼結体は、原料粉から、金型を用いて所定圧力でプレス成形を行って成形体を形成した後、ホットプレス焼成法を用いて焼成して、静電電極を埋設した焼結体を得た。また、このセラミックス基体１１の下側の部分になるセラミックス焼結体は、原料粉から、金型を用いて所定圧力でプレス成形を行って成形体を形成した後、ホットプレス焼成法を用いて焼成して、抵抗発熱体を埋設した焼結体を得た。

この上側の部分になるセラミックス焼結体及び下側の部分になるセラミックス焼結体の間に熱伝導性部材１４を挟み、厚み方向に所定圧力で加圧しながら、所定温度で所定時間加熱することにより熱圧接した。こうして、セラミックス基体１１の上側の部分と、熱伝導性部材１４からなる熱圧接層と、セラミックス基体１１の下側の部分とが積層された３層構造を有する図１に示したセラミックス基体１１を得た。ここで、所定圧力、所定温度、所定時間は熱伝導性部材１４の材質により次の組み合わせであった。

熱伝導性部材１４がアルミニウムの場合、圧力は70（kgf/cm²）、温度は540（℃）、時間は5（hrs）であった。また、熱伝導性部材１４がインジウムの場合、圧力は10（kgf/cm²）、温度は130（℃）、時間は5（hrs）であった。

この熱圧接後、セラミックス基体の加熱面をダイヤモンド砥石にて平面研削加工を行った。また、焼成体の側面を研削するとともに、必要な穴あけ加工と、端子の取り付けを行い、セラミックス基体を完成した。

得られたセラミックス基体を、バルク状のアルミニウムよりなる温度調節部材２１に、リング状の固定具２３を介してボルト２４により締結固定して、図１に示す本実施形態の加熱装置を得た。

なお、比較のために、熱伝導性部材を有しない以外は、本実施形態と同一の構成になる加熱装置を作製した。

このようにして得られた各加熱装置の加熱面が100℃になるように加熱し、当該加熱面の面内の温度分布を調べた。この温度分布の測定は、赤外線分光カメラ測定装置を用いた。

実施例１〜１３、比較例1〜２の加熱装置について、面内温度変動量（均熱性）を調べた結果を表１及び表２に示す。

表１及び表２から、熱伝導性部材を具備する実施例１〜１３では、比較例１〜２と対比して面内温度の変動量が小さかった。したがって、本実施形態の加熱装置は、均熱性が格段に向上していることがわかる。

また、この本実施形態の加熱装置において、熱伝導性部材に接続する端子から高周波電力を供給したところ、加熱面近傍にプラズマ雰囲気を発生させることができた。

２．空隙３１の評価
次に、種々の条件の空隙３１による均熱性の評価を行った。

図１に示した熱伝導性部材１４が埋設されたセラミックス基体１１を用意した。セラミックス基体１１は窒化アルミニウム、熱伝導性部材１４は厚さ１．５ｍｍのアルミニウムよりなり、熱圧接により接合された三層構造のセラミックス基体１１である。

得られたセラミックス基体１１を、バルク状のアルミニウムよりなる温度調節部材２１に、ボルト２４により締結固定した。なお、比較のために、セラミックス基体１１と温度調節部材２１と接着して固定した例も用意した。

セラミックス基体１１と温度調節部材２１との空隙３１の距離を種々に変え、また、この空隙３１に導入するガスの圧力を種々に変えて、セラミックス基体１１の加熱面１１ａの均熱性を調べた。その結果を表３及び４に示す。

表３及び表４において、実施例２１は、空隙３１が０．１３ｍｍの例、実施例２２は、空隙３１が０．２５ｍｍの例、実施例２３は、空隙３１が０．５ｍｍの例、実施例２４は、空隙３１が０．７ｍｍの例である。実施例２１〜２４のいずれの場合も、ガス圧力を変化させることによって、セラミックス基体１１から温度調節部材２１への熱流量、すなわち、セラミックス基体１１に埋設された抵抗発熱体に投入される電力を、さほど変化させなくても、加熱面１１ａの温度を６０℃、１００℃及び１５０℃にすることができ、そして、その加熱面の各温度の場合の均熱性が優れたものとなっていた。

また、実施例２５は、導入ガスをＡｒにした例である。実施例２５のように導入ガスをＡｒにした場合であっても、セラミックス基体１１から温度調節部材２１への熱流量、すなわち、セラミックス基体１１に埋設された抵抗発熱体に投入される電力を、さほど変化させなくても、加熱面１１ａの温度を６０℃、１００℃及び１５０℃にすることができ、そして、その加熱面の各温度の場合の均熱性が優れたものとなっていた。

これに対して、比較例２１は、セラミックス基体１１と温度調節部材２１と接着して固定した例である。接着剤の熱伝導率は接着剤に固有の値であるため、加熱面１１ａの温度を６０℃、１００℃及び１５０℃にするためには、セラミックス基体１１から温度調節部材２１への熱流量、すなわち、セラミックス基体１１に埋設された抵抗発熱体に投入される電力を大きく変更する必要があり、特に、加熱面の温度を１５０℃にするためには、５３００Ｗという大きな電力を投入する必要があったため、均熱性が悪化していた。

比較例２２は、セラミックス基体１１と温度調節部材２１と接着して固定した例であって、かつ、温度調節部材２１の流体流動孔２１ａを流動する冷媒の温度を変更した例である。冷媒の温度を８０℃及び−１０℃にすると、加熱面１１ａの温度を６０℃及び１５０℃にするために、セラミックス基体１１から温度調節部材２１への熱流量、すなわち、セラミックス基体１１に埋設された抵抗発熱体に投入される電力を大きく変更する必要はなかったが、均熱性は実施例１〜４よりも劣っていた。また、冷媒の温度を変化させるのに時間がかかり、加熱面の温度調整のための応答性が悪かった。

比較例２３は、比較例２１よりも接着層の厚さを薄くした例であり、この比較例２３では、加熱面１１ａを１５０℃にするには、セラミックス基体１１から温度調節部材２１への熱流量、すなわち、セラミックス基体１１に埋設された抵抗発熱体に投入される電力を２１０００Wと過大な量にしたとしても投入電力が不足していた。

以上、本発明の加熱装置を、図面及び実施形態を用いて説明したが、本発明の加熱装置は、これらの図面及び実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、幾多の変形が可能である。

本発明の加熱装置に係る一実施例を示す断面図である。 本発明の実施例の加熱装置を含む加熱システムの一例を示す説明図である。

符号の説明

１０…加熱装置
１１…セラミックス基体
１２…抵抗発熱体
１３…誘電体層
１４…熱伝導性部材
４０…ガス導入装置

Claims (16)

1. 基板を載置する加熱面を有し、セラミックスよりなる基体と、
   この基体の内部に埋設された発熱体と、
   この基体の加熱面と発熱体との間に配設され、基体の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性部材と、
   この基体の背面に近接して設けられた温度調節部材と
   この基体と温度調節部材との間に接続されて圧力調節可能にガスを導くガス導入装置と
   を備え、
   この基体と温度調節部材との間に空隙を有し、この空隙のガス圧力を調節可能にガスを導く前記ガス導入装置と接続され、前記ガス圧力を調節することによって、前記セラミックス基体から前記温度調節部材へ移動する熱量を調節することを特徴とする加熱装置。
2. 前記基体が、アルミナを主成分とするセラミックスよりなることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記基体が、酸化イットリウムを主成分とするセラミックスよりなることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
4. 前記基体が、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスよりなることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
5. 前記熱伝導性部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の加熱装置。
6. 前記熱伝導性部材が、インジウム又はインジウム合金からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の加熱装置。
7. 前記熱伝導性部材の厚さが０．５〜５．０ｍｍ程度であることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
8. 前記熱伝導性部材が、熱圧接により形成された部材であることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
9. 前記熱伝導性部材が、高周波電極を兼ねることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
10. 前記基体が、基板を載置する上側部分と、温度調節部材に面する下側部分とに二分され、この上側部分と下側部分との間に前記熱伝導性部材が介在している三層構造になることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
11. 前記基体が、静電電極を具備し、この静電電極が、前記基体の上側部分に含まれ、かつ、前記発熱体が、前記基体の下側部分に含まれることを特徴とする請求項１又は１０に記載の加熱装置。
12. 前記基体の周縁部近傍に、当該基体と前記温度調節部材とを固定する固定具を備え、前記基体と前記温度調節部材の間に気密な空隙を有し、その空隙が外部とガス導入路により連通していることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
13. 前記固定具により固定された前記基体と前記温度調節部材との間にスペーサを備えることを特徴とする請求項１２に記載の加熱装置。
14. 前記ガス導入装置は、基体と温度調節部材との間に導くガスの種類を選択可能であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の加熱装置。
15. 前記熱伝導性部材の腐食を防止するために前記熱伝導性部材の少なくとも側面に設けられた耐食性材料を備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の加熱装置。
16. 前記空隙は、気密な空隙である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の加熱装置。

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