JPH0770491B2 - 半導体ウエハー加熱用セラミックスヒーター - 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μｍ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
エハー加熱面及びウエハー加熱面に装着されたウエハー
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エハーの加熱に適用す
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
エ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、半導体ウエハー加熱面の均熱
性を高めうるような半導体ウエ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、ウエ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く、かつ
前記周縁部と前記中央部との間の肉厚が前記中央部の肉
厚以下であることを特徴とする、半導体ウエハー加熱用
セラミッ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ハー加熱用セ
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
ウエ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インチとしてウエハーを
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℃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、Ｏ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。半導体ウエハーＷ
は、図示しないチャックないしはピンによって下方から
支持され、ウエハー加熱面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じない。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、従ってウエハー加熱面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、これによりウエ
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、ウエハー
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30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から均
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エハー加熱面
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、数値制御工業機等による複雑で、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50
付近では肉厚が比較的大きい肉厚部36bを設け、肉厚部3
6bの外周には、比較的なだらかに肉厚が減少する肉厚部
36cを設け、こうした二段階の不連続的な肉厚制御によ
ってウエハー加熱面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を設けてあ
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、ウエ
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、具体的な実施例を示す。

まずイットリア＋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0.4mm、長さ2.5m以下のもので、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、第２図の形状になるように研削加工した。この
セラミックスヒーターは、直径150mm、高さ20mmの円錐
形である。抵抗発熱体は、半導体ウエハー加熱面から4m
mの深さに埋設した。また、抵抗発熱体の埋設位置につ
いては、半導体ウエハー加熱面の中心から5mm、15mm、2
5mm、35mm、45mm、55mmの位置を、螺旋状に巻回された
抵抗発熱体が通るように埋設した。

また、上記と同じように、直径150mm、高さ20mmの円盤
状セラミックスヒーターを作製した。この材質、抵抗発
熱体の埋設位置は、上記と同じにした。

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エハー加熱テストを行った。即ち、
上記した円錐状セラミックスヒーターと円錐状セラミッ
クスヒーターとのそれぞれについて、ウエハー加熱面に
4^Bシリコンウエハーを設置し、このシリコンウエハーの
温度分布を熱画像装置によって測定した。この結果を第
７図に示す。第７図において、横軸はシリコンウエハー
の中心からの距離を示し、縦軸はシリコンウエハーの温
度を示す。実線のグラフＡは、円錐状セラミックスヒー
ターを用いた場合の温度分布を示し、破線で示されるグ
ラフＢは、円盤状セラミックスヒーターを用いた場合の
温度分布を示す。Ｃは、シリコンウエハーが存在する範
囲（サイズ）を示す。グラフＡとＢとを比較すると、グ
ラフＡの方が勾配が小さい。そして、距離0mmと50mmと
における温度差ΔＴを比較すると、グラフＡではΔＴ＝
8.7℃であり、グラフＢではΔＴ＝11.9℃である。従っ
て、円錐状セラミックスヒーターの方が均熱性が高い。

間接加熱方式では、サセプターを加熱することにより、
主に伝導でウエハーを加熱する場合及びウエハーのみを
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150mmの範
囲で、1100℃±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エ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
を中央部の肉厚よりも小さくし、周縁部と中央部との間
の肉厚も、中央部の肉厚以下とした。即ち、平板形状の
盤状セラミックスヒーターの場合には、その周縁部、即
ち側周面からの熱放射によって、中央部から側周面へと
向かって徐々に基材の温度が降下していた。しかし、周
縁部の肉厚を中央部の肉厚よりも小さくすることによっ
て、平板形状のセラミックスヒーターの周縁部の表面積
と比較して、この周縁部の近傍の表面積を小さくするこ
とができ、従って周縁部における熱放射面積を小さくす
ることができる。従って、ヒーター側方への熱損失を最
小限に抑え、ウエ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エハー加熱装置を示す断
面図、 第７図はシリコンウエハーの中心からの距離と温度との
関係を示すグラフである。 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……ウエハー加熱面 6b,16b,26b……背面 30……周縁部 50……中央部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、ウエ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く、か
   つ前記周縁部と前記中央部との間の肉厚が前記中央部の
   肉厚以下であることを特徴とする、半導体ウエハー加熱
   用セラミックスヒーター。
2. 【請求項２】前記中央部から前記周縁部へと向かって前
   記盤状セラミックスヒーターの肉厚が徐々に減少してい
   ることを特徴とする、請求項１記載の半導体ウエハー加
   熱用セラミックスヒーター。
3. 【請求項３】前記基材が円錐形状をなしていることを特
   徴とする、請求項２記載の半導体ウエハー加熱用セラミ
   ックスヒーター。
4. 【請求項４】前記基材の断面形状が台形をなしており、
   この基材の側面が傾斜面であることを特徴とする、請求
   項１記載の半導体ウエハー加熱用セラミックスヒータ
   ー。
5. 【請求項５】前記基材の中央部側に相対的に肉厚が大き
   い肉厚部が設けられており、前記基材の周縁部側に相対
   的に肉厚が小さい肉薄部が設けられていることを特徴と
   する、請求項１記載の半導体ウエハー加熱用セラミック
   スヒーター。
6. 【請求項６】前記基材の平面形状が略円形であることを
   特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記
   載の半導体ウエハー加熱用セラミックスヒーター。
7. 【請求項７】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
   体ウエハー加熱用セラミックスヒーター。