JPH0487180A - 半導体ウエハー加熱用セラミックスヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、プラズマエツ
チング、光エツチング装置等に使用される半導体ウェハ
ー加熱用セラミックスヒーターに関するものである。

（従来の技術及びその問題点） スーパークリーンを必要とするプラズマＣＶＤ装置では
、デポジション用ガス、エツチング用ガス、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、ウェ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こ
とは、これらのガスへの曝露によって塩化物、酸化物、
弗化物、酸化物等の数μ■の粒径のパーティクルが発生
するために好ましくない。

そこで第６図に示されるように、デポジション用ガス等
に曝露されるチャンバーの外側に赤外線ランプ２０を設
置し、外壁に赤外線透過窓２２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２１に赤外線を放
射してその上面に置かれたウェハーを加熱する、間接加
熱方式のウェ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方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２２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２２で熱吸収が生じて窓が過
熱され、ウェハー加熱面及びウェハー加熱面に装着され
たウェハーの均熱が悪い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、セラミックス基材内部に抵
抗発熱体を埋設した円盤状セラミックスヒーターを、例
えば熱ＣＶＤ装置における半導体ウェハーの過熱に適用
することを検討した。

しかし、こうした加熱装置によれば、円盤状セラミック
スヒーター基材の内部に抵抗発熱体を埋設する際、製造
上の問題から、抵抗発熱体の埋設位置が、基材の厚み方
向、径方向でみて必ずしも一定しないことが解った。こ
れに加え、円盤状ヒーターの側面をグラファイト等の保
持具で保持するが、この側面からの熱放射が大きく、ウ
ェハー加熱面の均一性を保持することが困難であった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、金属ヒーターの場合のような汚染の問
題や、間接加熱方式の場合のような熱効率の悪化のよう
な問題を生じず、しかも、半導体ウェハー加熱面の均熱
性を高めうるような半導体ウェハー加熱用セラミックス
ヒーター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の基材内部に抵抗発熱体
を埋設してなり、ウェハー加熱面を有する盤状セラミッ
クスヒーターであって、このセラミックスヒーターのう
ち周縁部の肉厚が中央部の肉厚よにも小さい半導体ウニ
／Ｓ−加熱用セラミ・ノクスヒーターに係るものである
。

（実施例） 第１図は本発明の実施例に係る半導体ウエノ＼−加熱用
セラミックスヒーターをチャンバー１に取り付けた状態
を示す概略断面図である。

第１図において、１は半導体製造用熱ＣＶＤに使用され
るチャンバー　６はその内部の保持具３に取り付けられ
たウェハー加熱用の盤状セラミックスヒーター本体であ
り、その大きさは例えば４〜８インチとしてウェハーを
設置可能なサイズとしておく。

チャンバー１の内部にはガス供給孔４から熱ＣＶＤ用の
ガスが供給され、吸引孔５から真空ポンプにより内部の
空気が排出される。ヒーター本体６は窒化珪素のような
緻密でガスタイトなセラミックス基材の内部にタングス
テン系等の抵抗発熱体２をスパイラル状に埋設したもの
で、その中央部および端部のケーブル８を介して外部か
ら電力が供給され、ヒーター本体６を例えば１１００°
Ｃ程度に加熱することができる。９は保持具３の上面を
覆う水冷ジャケット１０付きのフランジであり、○リン
グ１１によりチャンバー１の側壁との間をシールされ、
チャンバー１の天井面を構成している。

チャンバー１のフランジ９の壁面を貫通してチャンバー
１の内部に挿入された中空シース１２中にステンレスシ
ース付きの熱電対１４が挿入されている。半導体ウェハ
ーＷは、図示しないチャックないしはビンによって下方
から支持され、ウェハー加熱面６ａからの熱で加熱され
る。

盤状セラミックスヒーター６は平面円形であり、中央部
５０で肉厚が最も大きく、周縁部３０で肉厚が非常に小
さくなっており、この周縁部３０で保持具３によって保
持される。中央部から周縁部にかけては、断面形状でみ
て滑らかな連続的曲線を描いている。

本実施例の加熱装置によれば、金属ヒーターや間接加熱
方式の場合のような汚染等の問題が生しない。そして、
周縁部３０での肉厚が中央部５０での肉厚よりも非常に
小さくなっていることから、周縁部３０からの熱の放射
を抑えることができ、従ってウェハー加熱面６ａでの均
熱性を高めることができる。即ち、ヒーター周縁部の表
面積を小さくしこの部分の放射面積を小さくすることに
より、ヒーター側方への熱損失を最小限に抑え、これに
よりウェハー加熱面６ａの中央部と周縁部との間の温度
差を小さく抑えることができたのである。

特に、肉厚一定の円盤状セラミックスヒーター内部に均
等に抵抗発熱体を埋設し、抵抗発熱体の各部分を均等に
発熱させると、内側では熱放射面積が小さく、外周部で
は放射面積が大きいため、内周部から外周部へと向って
なだらかな温度低下曲線を描くことが多い。この意味で
、本実施例では中央部５０から周縁部３０へと向って肉
厚を徐々に小さくしており、ヒーター背面６ｂの断面曲
線をなだらかな曲線としていることから、上述した抵抗
発熱体の内周部から外周部へと向うなだらかな温度低下
を打ち消し、より緻密な均熱化を実施するうえで効果的
である。

盤状セラミックスヒーター６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、給
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、サイアロンを用いることが最も好ましい
。

セラミックスヒーター６の内部に埋設される抵抗発熱体
２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。またそのリード部分８は真空ガス中
に曝されるために、接点部をなるべく低温にする必要が
あり、またリード部分８にＣＶＤコーティングをするこ
とによって耐食性の向上を図ることができる。

滑らかな曲面（背面）６ｂを有するセラミックスヒータ
ー６を製造するには、次の方法が挙げられる。

（１）抵抗発熱体２を埋設した円盤状セラミックスヒー
ター（肉厚一定）をまず作製し、これを数値制御工作機
によって研削して製造する。

（２）ホットアイソスタティックプレス等によって一体
焼結して作製する。

第２図〜第５図は、いずれも他の実施例による盤状セラ
ミックスヒーターを示す断面図である。

これらの各セラミックスヒーターはいずれも周縁部３０
で保持具３　（図示省略）によって保持され、また上記
（１）、　（２）の方法で作製することができる。

第２図のセラミックスヒーター１６においては、ウェハ
ー加熱面１６ａを底面とした円錐形状の基材の内部に抵
抗発熱体２を埋設しており、ヒーターの各部の肉厚は、
中央部５０から周縁部３ｏへと向って一次関数的に減少
する。従って、ヒーターの側方への熱損失を抑えて各部
分がら均等に熱放射させることができるので、第１図の
加熱装置と同様の効果を奏しうる。

第３図のセラミックスヒーターにおいては、基本的に円
盤形状のセラミックスヒーターを断面台形とし、その側
面（保持具と接触する面）８０を傾斜面として側面８０
の面積を減らし、これによって上記のようにウェハー加
熱面２６ａの均熱化を図っている。なお、２６ｂはヒー
ター背面である。

第３図の例では、数値制御工作機等による複雑で、時間
がかかり、かつコストの高い加工法を用いることなく、
単に研削加工のみで行える利点があり、均熱性確保が容
易に達成できる。

第４図の盤状セラミックスヒーターにおいては、更に肉
厚を段階的に低減した例について示す。即ち、中央部５
０付近では肉厚が比較的大きい肉厚部３６ｂを設け、肉
厚部３６ｂの外周には、比較的なだらかに肉厚が減少す
る肉薄部３６ｃを設け、こうした二段階の不連続的な肉
厚制御によってウェハー加熱面３６ａの均熱化を図って
いる。

実施例１における変形例で、側周部では側面からの熱放
射面積を実施例１同様に減らし、均熱性に影響のない中
央部付近ではヒーターのレスポンスを向上させるために
ヒーター自身の熱容量を減らしている。

なお、第４図において、更に三段階以上にヒーター肉厚
を不連続的に変化させることも可能である。

第５図の例においては、盤状セラミックスヒーター４６
の中央部５０から周縁部３０へと向ってなだらかにヒー
ター肉厚を減少させている点は第１図のものと同様であ
るが、第１図の例と異なり左右対称の形状とはせず、第
５図において左側に一層肉厚の小さい肉薄部４６ｃを設
けである。

例えば、セラミックス基材内部に抵抗発熱体２を埋設す
る際には、例えば第５図に示すように右側へと抵抗発熱
体が位置ズレを起すことがあり、この場合はヒーターの
右側で発熱量が大きく、左側で小さくなる。従って、ヒ
ーターの左側に肉薄部４６ｃを設けることにより、この
部分での側方からの熱放射をより小さくできるので、ウ
ェハー加熱面４６ａの均熱化に効果がある。

なお、盤状セラミックスヒーターの平面形状は、円形の
他、四角形、六角形等とすることもできる。

以下、具体的な実験例を示す。

まずイツトリア＋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剤の内部に、タングステン製の抵
抗発熱体２を埋設したものを製造した。抵抗発熱体２は
線径が０．４ｍｎ＋、長さ２．５ｍのもので、これを直
径が４ｍｍの螺旋状に巻いたものである。そのリード部
分８を構成するワイヤ端子としては直径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を円盤状基材の全体に螺旋状に
埋設し、円盤状基材の背面を数値制御工作機によって第
１図〜第５図の形状となるようにそれぞれ研削加工した
。

ヒーター電源は外周側の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。

このような加熱装置を第１図のようにチャンバー１に取
付けて真空中でのウェハー加熱テストを行ったところ、
ウェハー加熱面の直径１８０＋＋ｕｓの面内のうち、直
径１５０＋ｍｎの範囲内において１１００°Ｃ±２％の
均熱性が確認された。

間接加熱方式では、サセプターを加熱することにより、
主に伝導でウェハーを加熱する場合及びウェハーのみを
放射により加熱する場合いずれも、赤外線集光加熱であ
るので、スポット的加熱になるため直径φ１５０ｍｍの
広範囲における均熱性に欠ける。実際には、直径１５０
■の範囲で、１１００°Ｃ±４％程度の熱勾配であった
。

（発明の効果） 本発明に係る半導体ウェハー加熱用セラミックスヒータ
ーによれば、緻密質セラミックスの基材内部に抵抗発熱
体を埋設してなるので、従来の金属ヒーターの場合のよ
うな汚染の問題は生じない。

また、盤状セラミックスヒーターがウェハー加熱面を有
しているので、間接加熱方式の場合のような熱効率の悪
化の問題は生じない。

そして、盤状セラミックスヒーターのうち周縁部の肉厚
が中央部の肉厚よりも小さいので、ヒーター周縁部の表
面積が小さく、従って周縁部における熱放射面積が小さ
い。従って、ヒーター側方への熱損失を最小限に抑え、
ウェハー加熱面の中央部と周縁部との間の温度差を小さ
くし、均熱化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は盤状セラミックスヒーターを容器に取り付けた
状態を示す概略断面図、 第２図、第３図、第４図、第５図はそれぞれ他の盤状セ
ラミックスヒーターを示す断面図、第６図は間接加熱方
式によるウェハー加熱装置を示す断面図である。 ２・・・抵抗発熱体 ３・・・保持具 ６、１６．２６．３６．４６・・・盤状セラミックスヒ
ーター６ａ、　１６ａ、　２６ａ、　３６ａ、　４６ａ
・・・ウェハー加熱面６ｂ、　１６ｂ、　２６ｂ・・・
背面 ３０・・・周縁部 ５０・・・中央部 第１ 図 Ｏ ン ブ 第２図 第３図 第４図 手 続 補　　正　　書 平成３年１０月１１日 特許庁長官　　　深　　沢　　　　　　亘　　殿１、事
件の表示 平成２年特許願第１９７８１８号 ２、発明の名称 半導体ウェハー加熱用セラミックスヒーター３、補正を
する者 事件との関係

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、緻密質セラミックスの基材内部に抵抗発熱体を埋設
   してなり、ウェハー加熱面を有する盤状セラミックスヒ
   ーターであって、この盤状セラミックスヒーターのうち
   周縁部の肉厚が中央部の肉厚よりも小さい半導体ウェハ
   ー加熱用セラミックスヒーター。 ２、前記緻密質セラミックスが窒化珪素又はサイアロン
   であることを特徴とする、請求項１記載の半導体ウェハ
   ー加熱用セラミックスヒーター。