JPH10189490A

JPH10189490A - 高温抵抗式ヒーター

Info

Publication number: JPH10189490A
Application number: JP9297648A
Authority: JP
Inventors: Aifa Chan Stephen; アイフアチャンスティーヴン; Ho Henri; ホヘンリー; Chan Mei; チャンメイ; Shi Mingu; シミング; Chan Chan-An; チャンチャン−アン; Chan Chih-Ryan; チャンチーリャン; Lynen Klaus-Deiter; リネンクラウス−ディーター
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1996-09-23
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 1998-07-21
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JP4503714B2

Abstract

(57)【要約】【解決手段】化学的気相堆積チャンバ等の処理装置用
の抵抗加熱構造である。この装置は、支持面と支持シャ
フトとを含む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とともに
導体を支持面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。金属取付け構造が支持シャフ
トに結合されるとともに処理装置に固定されてホルダお
よび取付け構造内に密封環境を作り出し、電気リードと
熱電対とを処理環境から保護する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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Ｃ
ＶＤ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Ｃ
ＶＤ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℃〜６
００℃）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１
０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２０
０（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３２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１
２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ＤＣ
Ｓプロセスにおける約５００℃というウェーハホルダ１
２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２
０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】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、シャフト３２と、シャフト３
２の端部３６を覆って摺動可能に収容されているベロー
ズ部材３４と、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２
０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６
２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、１１
４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２
０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１
３５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１１
１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１４
２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１８
ａ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Ｔ
₃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。

フロントページの続き (72)発明者ヘンリーホアメリカ合衆国，カリフォルニア州，サンノゼ，エルグランデコート 3654 (72)発明者メイチャンアメリカ合衆国，カリフォルニア州，サラトガ，コーテデアーグエロ 12881 (72)発明者ミングシアメリカ合衆国，カリフォルニア州，サンタクララ，グラナダアヴェニュー 3480−アパートメントナンバー140 (72)発明者チャン−アンチャンアメリカ合衆国，カリフォルニア州，サニーヴェイル，モースアヴェニュー 1063−アパートメントナンバー７− 304 (72)発明者チーリャンチャンアメリカ合衆国，カリフォルニア州，クパティノ，ホームステッドロード 20800−アパートメント７Ｂ (72)発明者クラウス−ディーターリネンアメリカ合衆国，カリフォルニア州，パロアルト，マークトゥウェインストリート 1806

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、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、前
記支持シャフトのベース端部を固定するカップリング構
造［１００、１００ａ］と、を備える抵抗加熱装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項４】結合箇所において前記支持シャフトのベ
ース端部に固定される第１の端部と前記カップリング構
造［１００］に固定される第２の端部とによって画成さ
れる長さを有する取付け構造［１４］を更に備える請求
項１記載の装置。
【請求項５】前記シャフトは、前記貫通穴内の制御環
境に熱電対を配置することを可能にする少なくとも一つ
の第１貫通穴［１２０、１２０ａ］を含んでいる、請求
項１記載の装置。
【請求項６】前記ウェーハ保持領域は、その内部に形
成された抵抗加熱素子を含んでいる、請求項１記載の装
置。
【請求項７】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、かつ熱膨
張係数の相違によって誘起される応力が最小になるよう
に、前記支持シャフトの長さ及び前記取付け構造の長さ
が、前記プロセス温度と前記カップリング箇所での温度
との間の変化に基づいて決定されている、請求項４記載
の装置。
【請求項８】前記プロセス温度が４５０℃よりも高い
請求項７記載の装置。
【請求項９】前記カップリング箇所での温度が３００
℃よりも低い請求項８記載の装置。
【請求項１０】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加熱素子の熱抵抗率と前記加熱素子
の温度とに基づいて電力出力を変化させる手段を更に備
える請求項６記載の装置。
【請求項１１】前記抵抗加熱素子への電流入力または
電圧入力は、前記素子の温度の増加に伴う前記素子の熱
抵抗率の予想される変化に基づいて変更される、請求項
１０記載の装置。
【請求項１２】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。
【請求項１３】前記支持シャフトは、熱電対導管［１
２０、１２０ａ］を更に含んでいる、請求項１２記載の
装置。
【請求項１４】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。
【請求項１５】前記取付け構造［１４、１４₂］は、第１の側部と第２の側部、および第１の端部と第２の端
部を有し、前記第１及び第２端部は前記取付け構造に係
合し、前記第１側部は前記支持シャフトに係合している
ベローズ部材［３４］と、前記ベローズ部材［３４］の前記第２側部上に配置さ
れ、前記支持シャフトに対向する逆応力部材［４０］
と、によって前記支持シャフト［２０］に固定されている、
請求項４記載の装置。
【請求項１６】前記支持部材［２０、２０ａ］は、前
記ベローズ部材［３４］の第１側部に蝋付けされ、かつ
前記逆応力部材［４０］と整列されており、逆応力部材
［４０］は、前記ベローズ部材［３４］の第２側部に蝋
付けされている、請求項１５記載の装置。
【請求項１７】化学的気相堆積システム用のヒータ
［１０］であって、ある材料から構成される基板取付け面［１８］と、前記
基板取付け面の下に配置された抵抗加熱素子と、を含
み、更に、前記基板取付け面に接合され、前記取付け面
と同一の材料を有する支持アーム［２０］を含み、前記
取付けアームが長さ［Ｌ₁］を有している第１の部分
と、前記取付けアームを受け入れることが可能な取付け構造
［３２］と、前記取付け構造が前記取付けアームに結合
されたときに制御環境を提供する貫通穴［２２］と、を
含む第２の部分［１４］と、前記取付け構造の一部分［５０₁］、応力支持リング
［４０］およびシール［６０］を備えるカップリング
［５２］と、を備えるヒータ。
【請求項１８】前記材料は、窒化アルミニウム化合物
である、請求項１７記載の装置。
【請求項１９】前記材料は、純度が少なくとも９９％
のＡｌＮである、請求項１８記載の装置。