JP4376070B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

本発明はウエハー加熱装置に関するものである。

半導体製造装置においては、熱ＣＶＤなどによってシランガスなどの原料ガスから半導体薄膜を製造するに当たって、ウエハーを加熱するためのセラミックヒーターが採用されている。このようなヒーターにおいては、加熱面を高温に維持しながら、加熱面の温度の均一性を確保することによって、半導体不良を防止する必要がある。しかし、セラミックヒーターは、セラミック基体の内部に発熱体を埋設したものであり、加熱面にある程度の温度のバラツキが発生する。

セラミックヒーターとしては、いわゆるマルチゾーン（多数ゾーン）と呼ばれるものが知られている。マルチゾーンにおいては、セラミックス基体中に、高融点金属からなる内周側抵抗発熱体と外周側抵抗発熱体とを埋設し、これらの抵抗発熱体にそれぞれ別個の電流導入端子を接続し、各抵抗発熱体にそれぞれ独立して電圧を印加することにより、内周抵抗発熱体および外周側抵抗発熱体を独立に制御する。
特許文献１においては、セラミックヒーターの抵抗発熱体を、高融点金属などからなる複数の回路パターンによって構成している。そして、一つの回路パターンの折れ目や折り返し部などに、他の回路パターンを重ね合わせている。
特開平５−３２６１１２号公報

特に半導体ウエハーを加熱する用途においては、加熱面の温度を全体に均一に制御することが必要であり、使用条件下で例えば加熱面の全体にわたって±５℃以下といった厳格な仕様を満足することが要求されている。

例えばセラミックヒーターを製造した後に、内部の抵抗発熱体に対して電力を供給し、目標温度まで昇温したときに、目標の均熱性が得られたものとする。しかし、このセラミックヒーターを、実際のチャンバーに取り付けると、半導体ウエハーにおいて所望の温度均一性が得られないことが多かった。この傾向は、半導体ウエハーの温度が高くなるほど顕著になることが分かった。

本発明の課題は、ウエハーを支持および加熱するための支持面を有するウエハー加熱装置において、ウエハーの温度の均一性を向上させ得るような加熱装置を提供することである。

本発明は、ウエハーを支持および加熱するための支持面を備えている基板部と、ウエハーの側周面を包囲するように設けられている側壁部とを備えており、前記基板部と側壁部は、前記側壁部内に埋設された発熱体により加熱され、かつ側壁部の支持面からの高さＤがウエハーの厚さＣ以上であることを特徴とする、ウエハー加熱装置に係るものである。

本発明者は、高温になるほどウエハーにおいて所望の温度均一性が得られにくくなる原因を検討した。この結果、ウエハーの側周面からチャンバー内の雰囲気への熱輻射の他、チャンバー内部品への輻射伝熱の影響が大きいことが分かった。この影響は、ウエハーの設定温度が上昇するほど、大きくなる。そこで、ウエハーの側周面を包囲するように側壁部を設け、側壁部の支持面からの高さＤをウエハーの厚さＣ以上とし、さらに側壁部が加熱されることにより、ウエハー側周面からの輻射伝熱に伴うウエハーの周縁部分の温度低下を抑制できることを確認し、本発明に到達した。

図１は、本発明外の参考例に係る加熱装置１を模式的に示す断面図である。本例の加熱装置１は、円板形状の基板部２ａ、および基板部２ａの周縁から突出する側壁部２ｂを備えている。本例では、基板部２ａ内に発熱体４Ａが埋設されており、発熱体４Ａが、基板部２ａの背面２ｄ側の端子５Ａ、ケーブル６Ａを介して電源７Ａに接続されている。基板部２ａのウエハー支持面２ｃ上には、直接に、あるいは他の部材を介して、ウエハーＷが支持されており、加熱可能となっている。基板部２ａの周縁部分には、ウエハーＷを包囲するように側壁部２ｂが形成されている。側壁部２ｂの内壁面２ｅがウエハーＷの側周部Ｗａと対向している。側壁部２ｂの支持面２ｃからの高さＤが、ウエハーＷの厚さＣ以上である。８はチャンバー内空間である。

これによって、ウエハーＷの設定温度が高くなった場合にも、側壁部２ｂの外側に存在する各種部品への輻射伝熱は抑制され、ウエハーＷの側周部からの熱は側壁部２ｂによって反射される。更に、発熱体４Ａの熱量の一部は側壁部２ｂへと回るために、ウエハーＷの側周部における温度低下は一層効果的に抑制できる。

図２は、本発明の実施形態に係る加熱装置１１を模式的に示す断面図である。図１に示した構成部分について同じ符号を付け、その説明を省略することがある。
図２の加熱装置１１においては、側壁部２ｂ内にも発熱体４Ｂが埋設されている。発熱体４Ｂは端子５Ｂに対して接続されており、端子５Ｂは、ケーブル６Ｂを介して電源７Ｂに接続されている。従って、発熱体４Ｂを発熱させることによって、側壁部２ｂの内壁面２ｅから発熱し、ウエハーＷの側周部Ｗａを加熱し、ウエハーＷの温度分布を調整することができる。

図３は、本発明の更に他の実施形態に係る加熱装置１５を模式的に示す断面図である。図１に示した構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略することがある。
図３の加熱装置１５においては、図２の加熱装置において、側壁部２ｂの上面２ｆに蓋体１０が設置されている。蓋体１０の下側に、支持面２ｃおよび内壁面２ｅによって包囲された空間３が形成され、空間３内にウエハーＷが収容される。この例によれば、ウエハーＷから外側への輻射伝熱に起因するウエハーの温度均一性の低下が、一層効果的に抑制される。

本発明においては、側壁部２ｂの支持面２ｃからの高さＤがウエハーＷの厚さＣ以上である。ウエハーの温度均一性を向上させるという観点からは、Ｄは１．１Ｃ以上であることが好ましく、１．５Ｃ以上であることが更に好ましい。ただし、Ｄが大きくなると、ウエハーの支持面２ｃ上への実装が難しくなるので、この観点からは、Ｄは５０Ｃ以下であることが好ましく、２０Ｃ以下であることが更に好ましい。

ウエハーを空間３内に収容可能とするためには、側壁部２ｂ間の支持面２ｃの幅Ｂは、ウエハーの幅Ａ以上とする必要がある。この観点からは、ＢはＡより大きいことが好ましく、１．００１Ａ以上であることが好ましい。一方、ウエハーＷにおける温度均一性の向上という観点からは、Ｂは１．２Ａ以下であることが好ましく、１．０５Ａ以下であることが更に好ましい。

側壁部２ｂの内壁面２ｅの支持面２ｃに対する立ち上がり角度θは、ウエハーＷの温度均一性を向上させるという観点からは、３０°以上が好ましく、７５°以上が更に好ましい。また、空間３へとウエハーＷを収容しやすくし、ウエハーＷを取り出し易くするという観点からは、θは１３５°以下であることが好ましく、１１５°以下であることが更に好ましい。

本発明において、加熱装置の基板部の形態は特に限定されない。例えば、基板部は、絶縁体からなる盤状体内に抵抗発熱体を埋設したものであってよく、あるいは基板部の背面側に発熱体を設置するものであってよい。絶縁体としてはセラミックスが特に好ましい。セラミックスとしては、好ましくは、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素及びサイアロンなどの窒化物セラミックス、アルミナー炭化ケイ素複合材料などの公知のセラミックス材料であってよい。ハロゲン系ガスなどの腐食性ガスに対して高い耐腐食性を付与するためには、窒化アルミニウムやアルミナが特に好ましい。また、いわゆるシースヒーターであってよい。

基板部、側壁部の材質は、放射率が小さい(ε<0.8)ことが好ましい。具体的には、白っぽい材料、光沢がある材料が好ましい。

基板部２ａの形状は特に限定されないが、円板形状が好ましい。支持面２ｃの表面形状は、ポケット形状、エンボス形状、溝形状が施される場合もある。基板部２ａの製法は限定されないが、ホットプレス製法、ホットアイソスタティックプレス製法が好ましい。

本発明の加熱装置は、半導体製造装置一般に好適に適用できる。ここで半導体製造装置とは、幅広い半導体製造プロセスにおいて使用される装置のことを意味している。これには、成膜装置の他、エッチング装置、ベーキング装置、キュアリング装置、クリーニング装置、検査装置が含まれる。

側壁部上に設置する蓋体には、プロセスガスやクリーニングガスを流すための貫通孔を形成する。この蓋体の材質は特に限定されない。例えば、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素及びサイアロンなどの窒化物セラミックス、アルミナー炭化ケイ素複合材料などのセラミックス材料であってよい。

基板部２ａの背面２ｄ側には、基板部を支持するためのシャフトを設けることができるまた、基板部や側壁部中には、高周波電極や静電チャック電極を埋設することができる。更に、基板部、側壁部に設置された各発熱体は、シングルゾーン制御であってよく、マルチゾーン（例えばデュアルゾーン）制御であってよい。

基板部と側壁部とは一体物であってよく、この場合には一体の焼結体であってもよい。また、基板部と側壁部とは互いに別体であってよい。この場合には基板部と側壁部とを接合することができ、あるいは基板部と側壁部とをネジ等の締結具によって物理的に締結して固定することもできる。

発熱体４Ａ、４Ｂの形状は、コイル形状、リボン形状、メッシュ形状、板状、膜状であってよい。また、発熱体の材質は、タングステン、モリブデン等の高融点金属や、ＳUS,インコロイ、ハステロイ等のNi基合金であってよい。

支持面２ｃ、内壁面２ｅの各中心線平均表面粗さＲａは、5.0μm以下であることが好ましく、1.0μm以下であることが一層好ましい。これによって支持面２ｃ、内壁面２ｅにおける放射率を小さくすることができるからである。

図２に示す加熱装置１１を製造した。ここでシリコンウエハーＷの径Ａは３００ｍｍとし、厚さＣは１．７ｍｍとした。基板部２ａおよび側壁部２ｂの材質は窒化アルミニウム焼結体とした。支持面２ｃの幅Ｂは３０１ｍｍとした。本発明例では側壁部２ｂの高さＤを８．０ｍｍとし、比較例では側壁部２ｂの高さＤを０．５ｍｍとした。θ＝８５°とした。基板部２ａの厚さは１０ｍｍとした。基板部２ａおよび側壁部２ｂのの内部には、モリブデン製のコイルスプリング形状の発熱体４Ａ、４Ｂを埋設した。端子５Ａ、５Ｂはモリブデン製である。

この加熱装置１１を昇温し、ウエハーＷの設定温度を表１に示すように変更した。この設定温度は熱電対によって確認した。そして、ウエハーＷの温度分布をサーモビュアーによって観測した。そして、ウエハーの面内の最高温度と最低温度との差を表１に示す。

この結果から分かるように、本発明によれば、広範囲の設定温度に対して、ウエハーＷの温度の均一性が良好である。特に、設定温度が５００℃以上の高温域になっても、均熱性の変化が小さい。
また、図４（ａ）は、設定温度６００℃のときの、上記本発明例の加熱装置上のウエハーＷの温度分布を示す図面であり、図４（ｂ）は、設定温度６００℃のときの、上記比較例の加熱装置上のウエハーＷの温度分布を示す図面である。本発明例では、明らかに径方向の温度分布が低減されていることが分かる。

また、上記の本発明例において、側壁部２ｂの高さＤを１．７ｍｍ、２．０ｍｍ、５．０ｍｍに変更したが、上記の本発明例とほぼ同様の結果を得た。

本発明外の参考例に係る加熱装置１を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る加熱装置１１を模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る加熱装置１５を模式的に示す断面図である。 （ａ）は、設定温度６００℃のときの、本発明例の加熱装置上のウエハーＷの温度分布を示す図面であり、（ｂ）は、設定温度６００℃のときの、比較例の加熱装置上のウエハーＷの温度分布を示す図面である。

符号の説明

１、１１、１５ 加熱装置 ２ 基体 ２ａ 基板部 ２ｂ 側壁部 ２ｃ 支持面 ２ｄ 基板部の背面 ２ｅ 側壁部２ｂの内壁面 ２ｆ 側壁部２ｂの上面 ４Ａ、４Ｂ 発熱体 ５Ａ、５Ｂ 端子 ８ チャンバー内空間 Ａ ウエハーＷの幅 Ｂ 支持面２ｃの幅 Ｃ ウエハーＷの厚さ Ｄ 側壁部２ｂの支持面２ｃからの高さ Ｗ ウエハー Ｗａ ウエハーＷの側周面

Claims (7)

1. ウエハーを支持および加熱するための支持面を備えている基板部と、前記ウエハーの側周面を包囲するように設けられている側壁部とを備えており、前記基板部と側壁部は、前記側壁部内に埋設された発熱体により加熱され、かつ前記側壁部の前記支持面からの高さＤが前記ウエハーの厚さＣ以上であることを特徴とする、ウエハー加熱装置。
2. 前記基板部に発熱体が設けられており、前記側壁部に設けられた前記発熱体の発熱密度が、前記基板部に設けられた前記発熱体の発熱密度より大きいことを特徴とする、請求項１記載の加熱装置。
3. 前記ウエハーの上面を被覆し、貫通孔を有する蓋体を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の加熱装置。
4. 前記基板部と側壁部がそれぞれ別の基体からなる、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の加熱装置。
5. 前記基板部と側壁部が一体となっていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の加熱装置。
6. 前記基板部もしくは側壁部が、高周波電極や静電チャック電極を有する事を特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の加熱装置。
7. 前記基板部もしくは側壁部に２つ以上の前記発熱体が設置されており、マルチゾーン制御可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の加熱装置。
   

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