JPH06105634B2 - 半導体ウエハー加熱装置 - 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、ブラズマエッチン
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、こうした円盤状セラミックスヒーターの温度制
御において新たな問題が生じた。

即ち、円盤状セラミックスヒーターを例えばCVD装置に
取り付ける場合、熱電対でヒーター温度を測定し、この
測定値によって抵抗発熱体の発熱量を制御し、これによ
りウエハー加熱面の温度を所定の値に保持する必要があ
る。例えば、半導体ウエハーにCVD法による膜堆積を行
う場合など、気相化学反応によって膜堆積を行うので、
設定温度が最適値から外れると膜の堆積速度に重大な影
響を与えうるのである。しかし、一旦ウエハー加熱面の
温度を最適値に設定しても、円盤状セラミックスヒータ
ーやグラファイトのケースを取り換えたり、ヒーターを
長時間使用すると、ウエハー加熱面の温度が最適値から
外れてくることがあった。

（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、しかも円盤状セラミックスヒー
ターを長期間使用したり、交換したりしても、ウエハー
加熱面の温度を最適値に保持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、一定円形領域を加熱するための緻密質セラミ
ックスからなる円盤状基体の内部に抵抗発熱体を埋設し
た構造の半導体ウエハー加熱装置であって、円形加熱領
域内において一定面積当りに埋設された前記抵抗発熱体
の発熱量がほぼ一定となるように構成し、かつ、ウエハ
ー加熱面に対して垂直の投影図でみて、前記円形加熱領
域の中心からこの円形加熱領域の半径の 離れた位置に温度制御用温度検出部を設置した、半導体
ウエハー加熱装置に係るものである。

加熱する一定円形加熱領域は例えばウエハーの設置領域
かまたは、その一部が適宜選ばれる。

抵抗発熱体としては、線材、薄いシート状のもの及びあ
る程度の断面積を有する棒状のものを使用できる。

「円形加熱領域の中心からこの円形加熱領域の半径のほ
ぼ 離れた位置に温度制御用温度検出部を設置する」とは、
温度検出部の中心が厳密に 離れた位置に一致する必要はなく、製造上の誤差等を許
容する意である。

（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と同径かまたは
それ以上の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
スパイラル状に埋設したもので、その中心Ｏおよび端部
Ｃ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℃程度まで加熱することがで
きる。６はフラジンであり、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、基板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、綿材、薄いシート状等の形態のも
のが用いられる。

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。

加熱装置４の背面20側には、二個の接合用孔12,22を設
ける。即ち、ウエハー加熱面10に対して垂直の投影図で
みて、半導体ウエハー加熱用の円形加熱領域３の境界円
周上に接合用孔22を設け、この接合用孔22に温度測定用
熱電対21を接合し、この接合用孔22内を温度測定用温度
検出部Ｂとする。

また、ウエハー加熱面10に対して垂直の投影図でみて、
円形加熱領域３の中心Ｏからこの円形加熱領域の半径ｒ
のほぼ1/▲√▼離れた位置に、接合用孔22を設け、こ
の接合用孔12に温度制御用熱電対11を接合し、この接合
用孔12内を温度制御用温度検出部Ａとする。

本実施例では更に、円形加熱領域３の内側において一定
面積当りに埋設された抵抗発熱体2aの発熱量がほぼ一定
となるように構成すると共に、円形加熱領域３の外側に
おいても抵抗発熱体2bの単位面積当りの発熱量を一定と
した。

本実施例の加熱装置によれば、以下の効果を奏しうる。

（１）緻密質セラミックスからなる円盤状基体１の内部
に抵抗発熱体２を埋設するので、半導体装置内を汚染す
る等のおそれがない。また、円盤状基体１にウエハー加
熱面10を設けるので、間接加熱方式の場合のような熱効
率の悪化は生じない。

（２）抵抗発熱体２を埋設した円盤状基体１を真空中ま
たは希薄気体中で使用するとき、円盤状基体１の表面、
裏面、及び側面からの熱放射、熱伝達、または基体１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１の中心
Ｏ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10の均熱化を妨げる。

そして、本発明者は、本発明に至る過程においては、温
度制御用熱電対11を背面20側の適当な位置に接合し、熱
電対11の指示する温度を確認しつつ気相堆積反応が最も
良好に進行する所で抵抗発熱体２の発熱量を固定し、こ
のとき熱電対11の指示する温度を設定温度としたわけで
ある。

しかしここで、熱電対11を例えば中心Ｏの位置に接合し
たとする。例えばこのときの設定温度が600℃であった
としても、前述のように円盤状基体１の中心Ｏからその
側周面へと向って温度勾配があるため、ウエハー加熱面
10における実際の平均温度が596℃であり、中心Ｏでの
温度が600℃であり、円形加熱領域３の境界円周上での
温度が592℃となることがある。従って、この600℃とい
う設定温度は、ウエハー加熱面10における真の平均値を
示すものではなく、実際の平均温度と４℃の誤差を示す
ことになる。

そればかりではなく、加熱装置４を交換したり、長期間
使用しあり、治具を取り換えたり、チャンバー７の状態
が変ったりすると、ウエハー加熱面10における温度勾配
が変化しうる。即ち、例えばウエハー加熱面10における
平均温度が585℃、中心Ｏでの温度が600℃、円形加熱領
域３の境界円周上での温度が570℃となると、ウエハー
加熱面での温度は596±４℃から585±15℃へと変化する
わけである。しかし、熱電対11は中心Ｏの位置に接合さ
れているのであるから、熱電対11の指示温度は600℃の
ままで変化しないために、実際の平均温度との誤差が４
℃から15℃へと拡大し、気相堆積反応に大きく影響しう
る。

本発明者はこうした新たな認識に基づき、一層検討を進
めた結果、ウエハー加熱面10における熱分布に着目し、
本発明に到達した。

即ち、円形加熱領域３内での抵抗発熱体2aの発熱量が均
一であるので、熱伝導の原理から、第３図に示すよう
に、ウエハー加熱面10の各位置の温度は、円形加熱領域
３の中心Ｏからの距離の二乗と直線関係にあった。円形
加熱領域３の面積はその半径をｒとするπr₂なので、温
度の面積平均は面積がπr₂/2となる円周上の温度、即ち
中心Ｏからの距離が である位置の温度T₀である。更に、中心Ｏの温度をT₁、
円形加熱領域３の境界円周上での温度をT₂とすると、T₀
はT₁とT₂との中央値となっている。

従って、本実施例におけるように、ウエハー加熱面10に
対して垂直の投影図でみて、円形加熱領域３の中心Ｏか
らほぼ の位置に温度制御用温度検出部Ａを設置したことで、熱
電対11の検出温度は、円形加熱領域３内の温度の面積平
均値を示すようになる。従って、例えば前述のような原
因からウエハー加熱面10の温度分布がかなり変化して
も、設定温度から大きく外れるようなことはなく、全体
として常に一定の加熱温度を確保できる。

（３）ウエハー加熱面10に対して垂直の投影図でみて、
円形加熱領域３の境界円周上に温度測定用検出部Ｂを設
置しているので、温度測定用熱電対21の検出温度が円形
加熱領域３内の最低温度T₂を示し、かつT₀−T₂＝ΔＴが
面積平均温度T₀との偏差を示す。従って、円形加熱領域
３内の温度はT₀±ΔＴで表わすことができ、円形加熱領
域３内の均熱性を一眼でチェックできる。従って、加熱
装置４の不良発見、点検、保守に極めて有利である。

なお、温度測定用温度検出部Ｂを中心Ｏの位置に設ける
こともでき、この場合は、熱電対21によって円形加熱領
域３内の最高温度T₁を知ることができ、また、やはり面
積平均温度T₀との偏差を知ることができる。

（４）温度検出部A,Bの温度検出点（熱電対11,21の熱接
点）とウエハー加熱面10との距離が大きくなると、ウエ
ハー加熱面10との温度誤差が大きくなるが、例えば、窒
化珪素セラミックス製の基本であれば、上記の距離が2m
m以内であれば、温度誤差は１℃以内に収まる。

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、ウエハー加熱領域
３の外側に配置された部分2bの単位面積当りの発熱量
を、この内側に配置された部分2aの単位面積当りの発熱
量よりも大きくすることが好ましく、これにより、仮に
円盤状基体１の側面方向への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の単位面積当りの発熱量を部分2aの単位面積当り
の発熱量よりも大きくするためには、部分2bでの抵抗発
熱体の巻き数を多くしたり、第４図に示す加熱装置14の
ように渦巻状の発熱体の埋設ピッチを小さくしたり、低
抵抗の材質を使用して比抵抗を上げたり、断面積を小さ
くして比抵抗を上げたり、部分2bのみ印加電圧を大きく
する等の方法がある。

そして、円形加熱領域３よりも外側の部分2bでの発熱量
があまり大きくなければ、円形加熱領域３内の温度勾配
は第３図に示すように右下がりのグラフとなるが、部分
2bでの発熱量を大きくすると、第３図に示す直線は右上
がりとなる。むろん、この場合も、前述の作用効果を奏
しうる。

第２図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。

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。

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を埋め込んだ加熱装置４を作製した（第１図、
第２図）。円盤状基体１は厚さ15mm、直径180mmで、ウ
エハー設置用円形加熱領域３は６インチ用を目的とし、
直径150mm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2mm
のタングステン線を使用した。このような抵抗発熱体を
第１図のように一定間隔の渦巻状に埋設した。

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。温度制御用熱電対11を
中心Ｏから53mmの位置に加熱装置背面20より設けた接合
用孔12に差込んだ。中心Ｏから53mmというのは、ウエハ
ー加熱用円形加熱領域３の半径75mmのほぼ である。さらに、温度測定のために、ウエハー加熱用円
形加熱領域３の境界円周上の位置にも温度測定用熱電対
21を設置した。熱電対11,21の熱接点と加熱面10との距
離は1mmとした。

このような加熱装置４を第２図のようにチャンバー７に
取り付け、真空中で加熱テストをおこなった。

加熱テストでは1100℃まで加熱し、赤外線放射温度計で
ウエハー加熱用円形加熱領域３である直径150mmの範囲
の温度分布を測定した。中心Ｏを通る直線上の温度を、
中心からの距離の二乗との関係で第５図に示した。最高
温度T₁は1120℃、最低温度T₂は1080℃であった。平均温
度T₀は制御温度1100℃と一致し、最外周の測定温度T₂10
80℃との差によって、本実施例のウエハー加熱用円形加
熱領域３の温度は1100℃±20℃であることが保証され
た。

尚、本実施例は円盤状基体がウエハーよりも大きい場合
について示されているが、円形加熱領域内において一定
面積当たりに埋設された抵抗発熱体の発熱量が一定とな
るよう構成されていれば円盤状基体がウエハーと同径で
あっても本発明が適用できる。

（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、円盤状
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、またこの円盤状基体がウエ
ハー加熱面を有しているので、間接加熱方式の場合のよ
うな熱効率の悪化は生じない。

そして、円形加熱領域において一定面積当りに埋設され
た抵抗発熱体の発熱量が一定となるように構成し、か
つ、ウエハー加熱面に対して垂直の投影図でみて、円形
加熱領域の中心からこの円形加熱領域の半径のほぼ 離れた位置に温度制御用温度検出部を設置したのて、こ
の温度検出部により検出した温度は、円形加熱領域内の
温度の面積平均値を示すようになる。従って、種々の原
因からウエハー加熱面の温度分布がかなり変化しても、
最初に設定した最適の設定温度からウエハー加熱面の面
積平均温度が大きく外れないような温度制御が可能であ
り、全体として一定の放熱量を確保でき、半導体製造条
件への悪影響を防止できる。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図はウエハー加熱面での熱勾配を原理的に示すグラ
フ、 第４図は他の半導体ウエハー加熱装置を示す平面図、 第５図は６インチ半導体ウエハーの加熱に本発明の加熱
装置を適用した場合における、ウエハー加熱面での熱勾
配を示すグラフである。 １…円盤状基体、２…抵抗発熱体 2a…抵抗発熱体のうちウエハー加熱領域の内側の部分 2b…抵抗発熱体のうちウエハー加熱領域の外側の部分 ３…ウエハー加熱用円形加熱領域 4,14…半導体ウエハー加熱装置 ７…チャンバー、10…ウエハー加熱面 11…温度制御用熱電対 12,22…接合用孔 21…温度測定用熱電対 Ａ…温度制御用温度検出部 Ｂ…温度測定用温度検出部 Ｏ…円形加熱領域の中心 Ｗ…半導体ウエハー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/205 21/302 Ｂ Ｈ０５Ｂ 3/74 7913−3Ｋ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一定円形領域を加熱するための緻密質セラ
   ミックスからなる円盤状基体の内部に抵抗発熱体を埋設
   した構造の半導体ウエハー加熱装置であって、円形加熱
   領域内において一定面積当りに埋設された前記抵抗発熱
   体の発熱量がほぼ一定となるように構成し、かつ、ウエ
   ハー加熱面に対して垂直の投影図でみて、前記円形加熱
   領域の中心からこの円形加熱領域の半径のほぼ 離れた位置に温度制御用温度検出部を設置した、半導体
   ウエハー加熱装置。
2. 【請求項２】ウエハー加熱面に対して垂直の投影図でみ
   て、前記円形加熱領域の中心又は前記円形加熱領域の境
   界円周上に、温度測定用温度検出部を設置した、請求項
   １記載の半導体ウエハー加熱装置。
3. 【請求項３】温度制御用温度検出部及び温度測定用温度
   検出部の温度検出点をそれぞれ前記ウエハー加熱面より
   2mm以下離れた位置に設置した、請求項２記載の半導体
   ウエハー加熱装置。