(57)【要約】【課題】セラミック基体と発熱体とを備えているヒーターにおいて、セラミック基体とは別体の部材を設置する必要なしに加熱面の温度を制御できるようにする。【解決手段】ヒーター１Ａ、１Ｂは、加熱面２ａ、背面２ｂおよび側面２ｃを備える基体２および発熱体４を備えている。基体２の背面２ｂと側面２ｃとの少なくとも一方において、加熱面２ａの温度分布を制御するための材料除去部６Ａ、６Ｂが設けられている。【選択図】                        図２
2004220966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱面、背面および側面を備える基体および発熱体を備えているヒーターであって、
前記基体の前記背面と側面との少なくとも一方において、前記加熱面の温度分布を制御するために、前記基体の構成材料の除去により形成された材料除去部が設けられていることを特徴とする、ヒーター。
【請求項２】
前記材料除去部にテーパー面が設けられていることを特徴とする、請求項１記載のヒーター。
【請求項３】
前記材料除去部に湾曲面が設けられていることを特徴とする、請求項１記載のヒーター。
【請求項４】
前記材料除去部に段差が設けられ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ヒーター。
【請求項５】
前記背面からの前記材料除去部の深さが、前記基体の厚さの０．０１倍以上、０．８倍以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載のヒーター。
【請求項６】
前記基体の体積をＶａとし、前記基体の表面積をＳａとし、前記材料除去部のない場合の前記基体の体積をＶｂとし、前記材料除去部のない場合の前記基体の表面積をＳｂとしたとき、以下の関係を満足す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ヒーター。
Ｖａ≦０．９９８Ｖｂ
Ｓａ≦１．００１Ｓｂ
【請求項７】
加熱面、背面および側面を備える基体および発熱体を備えているヒーターを製造する方法であって、
前記基体の前記背面と前記側面との少なくとも一方において、前記加熱面の温度分布を制御するために前記基体の構成材料を除去して材料除去部を形成する材料除去工程を有することを特徴とする、ヒーターの製造方法。
【請求項８】
前記加熱面の温度分布を観測する観測工程を有しており、この温度分布に基づいて前記材料除去部を形成することを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記観測工程において前記加熱面内に低温領域が観測されたときに、この低温領域を前記基体の前記背面側に投射した投射領域内に前記材料除去部の少なくとも一部を形成することを特徴とする、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記基体の体積をＶａとし、前記基体の表面積をＳａとし、前記材料除去部を形成する前の前記基体の体積をＶｂとし、前記材料除去部を形成する前の前記基体の表面積をＳｂとしたとき、以下の関係を満足することを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一つの請求項に記載の方法。
Ｖａ≦０．９９８Ｖｂ
Ｓａ≦１．００１Ｓｂ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒーターおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】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。
【０００３】特許文献１においては、セラミックヒーターのウエハー加熱面の温度の均一性を高める技術が開示されている。即ち、ウエハー加熱面を有する盤状のセラミックヒーターを製造した後、この加熱面の温度分布をサーモグラフによって観測する。次いで、求めた温度分布に基づき、画像処理を行い、反射板の温度分布を制御する。そして、反射板をセラミックヒーターの背面に対向する位置に設置する。セラミックヒーターの背面からの発熱が、反射板によって反射され、セラミックヒーターに戻る。このとき、加熱面の温度が低い領域では、反射板の熱吸収率を低下させる。これによって、反射板からセラミックヒーターへと反射される熱が増大するので、その領域の温度が増大するはずである。反射板の反射率を制御するためには、反射板の表面をサンドブラスト処理し、表面粗さを制御している。
【特許文献１】
特開平６−５３１４５号公報
【０００４】また、特許文献２においては、ヒーター上にシリコンチップを載置し、加熱処理する。この際、ヒーターの加熱面の中央部に材料除去部を設けることにより、シリコンチップの温度分布を均一化することが記載されている。
【特許文献２】
特開２００２−５０６５７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者が更に検討を進めた結果、特許文献１記載の技術では、以下の問題点が残されていることが判明してきた。即ち、半導体チャンバー内において、セラミックヒーターの背面に別体の反射板を設置する必要がある。ここで、反射板の設置後において、反射板の反射面の熱吸収率（あるいは熱反射率）の分布が、平面的に見たときに、反射板を設置しないときのセラミックヒーターの加熱面の温度分布に正確に対応していなければならない。しかし、セラミックヒーターの加熱面と反射板の反射面との平面的な位置合わせは非常に困難である。なぜなら、（１）セラミックヒーターの加熱面（円形）の中心と反射板の反射面（円形）の中心とを位置合わせする必要があるからである。しかも、両者の中心を位置合わせすると共に、（２）この中心の回りの回転角度を一致させなければならない。
【０００６】更に、このような平面的な位置合わせを正確に行ったとしても、加熱面の温度の均一性を、仕様の範囲内に確保するには不十分である。なぜなら、セラミックヒーターの背面と反射板の反射面との間隔も重要だからである。具体的には、反射板の各点の熱吸収率は、反射板の反射面とヒーター背面との間隔が所定値αであるものとして計算、設計されている。ここで、ヒーターの背面と反射板の反射面との間隔がαよりも小さいと、反射面から背面へと伝わる熱量が増大し、加熱面の温度が上昇する。従って、（３）ヒーター背面と反射面との間隔がαとなるようにする必要があり、かつ、（４）ヒーター背面の全面にわたって、背面と反射面とが平行となるようにする必要がある。このような幾何学的位置関係を維持しながら反射板を半導体チャンバー内に設置することは、困難な場合があった。また、リフレクターを設置することにより、装置全体の構成が複雑になるばかりか、リフレクターの劣化、熱応力による破損や反り、プロセス流への影響が出る場合があった。
【０００７】本発明の課題は、基体および発熱体を備えているヒーターにおいて、基体とは別体の部材を設置する必要なしに加熱面の温度を制御できるようにすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、加熱面、背面および側面を備える基体および発熱体を備えているヒーターであって、基体の背面と側面との少なくとも一方において、加熱面の温度分布を制御するために、基体の構成材料の除去により形成された材料除去部が設けられていることを特徴とする。
【０００９】また、本発明は、加熱面、背面および側面を備える基体および発熱体を備えているヒーターを製造する方法であって、基体の背面と側面との少なくとも一方において、加熱面の温度分布を制御するために基体の構成材料を除去して材料除去部を形成する材料除去工程を有することを特徴とする。
【００１０】本発明者は、基体それ自体の背面や側面から凹んだ材料除去部を形成することによって、基体の加熱面にいかなる影響があるかを研究してみた。この結果、加熱面の温度の均一性に対して予想外に大きな影響があることを見いだし、本発明に到達した。
【００１１】例えば、基体の加熱面に低温領域が生成した場合に、基体背面のこれに対応する投射領域に材料除去部を形成してみた。これによって、低温領域の温度が若干上昇し、消去された。このように基体の表面加工、例えば研削加工によって加熱面の温度分布を顕著に改善できることは知られていなかった。
【００１２】特許文献２においては、ヒーター加熱面の中央に材料除去部を設けることによって、ヒーター加熱面からシリコンチップへの熱伝達を制御するものであり、本発明とは基本的に異なる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。図１〜図５は、本発明の一実施形態に係るものである。以下は、ヒーターの製造プロセスに沿って説明する。
【００１４】本例では、まずヒーターの加熱面の温度分布を観測する。例えば図５に示すように、加工前のヒーター１１は、平板状のセラミック基体２と、基体２の内部に埋設されている発熱体４とを備えている。こうしたヒーター１１の製造方法それ自体は公知である。
【００１５】２ａは加熱面であり、２ｂは背面であり、２ｃは側面である。加熱面２ａ上に観測装置１２を設置し、矢印Ａのように加熱面２ａの温度分布を測定する。この測定情報を矢印Ｂのように演算処理装置１３に送って画像処理し、この結果を、矢印Ｄのように表示装置１４へと伝送する。なお、５は電力供給棒である。
【００１６】ここで、加熱面２ａに、仕様の範囲を超えた温度分布が生成していた場合には、次の工程に移る。例えば、図１、図３（ａ）に示すように、加熱面２ａに低温領域Ｃが生成していたものとする。本例では、低温領域Ｃは、特に図３（ａ）に示すように周方向に延びている。また、本例では、図２（ａ）、図３（ｂ）に示すように、背面２ｂには、低温領域Ｃを基体厚さ方向に投射して得られた仮想的な投射領域Ｅを考えることができる。
【００１７】次いで、図２（ａ）、図３（ｂ）に示すように、少なくとも背面２ｂ内において、低温領域Ｃに対応する投射領域Ｅに材料除去部６Ａを形成する。本例の材料除去部６Ａは、背面２ｂから凹んでおり、かつ側面２ｃからも凹んでいる。
【００１８】このような表面加工を基体に対して直接行うことによって、加熱面２ａの温度分布を著しく低減できることを発見した。本例においては、低温領域Ｃと他の領域との温度差を低減することができ、あるいは低温領域Ｃを縮小させることが可能であった。この理由は以下のように考えられる。
【００１９】加熱面の各部分の温度は、その部分の直下の抵抗発熱体の発熱量だけでなく、他のゾーンの抵抗発熱体の発熱の影響も受けている。更に、加熱面の温度分布は、各抵抗発熱体からの発熱量だけでなく、セラミックス基板の形状、寸法、熱容量、および基板の周辺の温度、気圧、気体の流れなどの多数の変数の相互作用によって決まっている。ここで、目標温度で、ある程度の精度で加熱面の温度分布を制御した設計において、基体を加工して基体の構成材料を除去することによって、その部分の熱容量を低減することができる。このような熱容量の低減をもたらすような加工が、加熱面の温度分布の精密な制御に対してきわめて効果的であることを見出した。
【００２０】このような結果は、本発明者が実測するまでは予見不能なものであった。なぜなら、材料除去部を形成することによって、基体の熱容量を若干低減することは考えられる。しかし、材料除去部を形成すると、それだけ基体の表面積が変化し、表面積が大きくなることが多い。このように表面積が大きくなると、材料除去部周辺からの熱輻射量は増大するはずであり、加熱面の温度はむしろ低下することも考えられる。このように、材料除去部の形成による加熱面の温度分布への影響を見積もることは、前述した複雑な相互作用から事実上困難である。
【００２１】しかも、このように基体の表面それ自体の表面加工によって、加熱面の温度の均一性を制御できる点が重要であり、例えば従来技術におけるような反射板などの外部部材の設置は必要ない。
【００２２】２ゾーンヒーターなどの多ゾーンヒーターにおいては、低温領域やホットスポットが存在するゾーンにおいて、抵抗発熱体の発熱量を調節することによって、低温領域やホットスポットを消去することも考えられる。しかし、このような調節は実際には困難であった。なぜなら、抵抗発熱体に対する電力供給量を増加、減少させると、その抵抗発熱体の全体の発熱量が変化するだけであって、必ずしもヒーター設置後の加熱面の温度分布が小さくなるわけではなく、かえって大きくなることもあるからである。また、多ゾーンヒーターは、加熱面の外周部分の平均温度や内周部分の平均温度を変化させるのには有効である。しかし、ヒーター製品には、加熱面の一部のみに低温領域やホットスポットが発生することが多く、このため有効に対応できない。
【００２３】本発明は、このように多ゾーン制御によって、ある程度の均熱性が得られている場合に、局所的なホットスポットや低温領域に対して１０℃以下程度のオーダーで対応可能とするものであり、これによって各製品ごとに個別に精密な温度分布制御が可能となる。
【００２４】本発明においては、加熱面の温度分布を均一化することができる。ただし、本発明における制御は、加熱面の温度分布の均一化のみには限られない。例えば加熱面の所定領域に、周囲よりも温度の高い領域や、周囲よりも温度の低い領域を生じさせる際にも有効である。また、加熱面の中心から見て周方向に見たときの温度の均一化を図る際にも有効である。この場合には、加熱面を径方向に見たときには必ずしも温度の均一化は必要ない。
【００２５】本発明において、材料除去部の具体的形態は限定されない。材料除去部は、基体の背面または側面から凹んだ凹部であってよい。凹部の平面的形状は限定されず、加熱面の温度分布に合わせて適宜変更する。
【００２６】好適な実施形態においては、材料除去部にテーパー面が設けられている。例えば図２（ａ）の材料除去部６Ａにおいては、平坦なテーパー面７が設けられている。このようなテーパー面は形成が容易であり、好ましい。
【００２７】好適な実施形態においては、材料除去部に湾曲面が設けられている。例えば図２（ｂ）の材料除去部６Ｂには湾曲面８が設けられている。
【００２８】また、好適な実施形態においては、材料除去部に段差を設けることができる。例えば、図４（ａ）に示すヒーター１Ｃにおいては、材料除去部６Ｃに段差１０が形成されている。段差１０から側面２ｃへと向かって平坦面９が形成されている。平坦面９は、背面２ｂに対して傾斜しておらず、略平行である。
【００２９】図４（ｂ）に示すヒーター１Ｄにおいては、材料除去部６Ｄに段差１０が形成されている。段差１０から側面２ｃへと向かって平坦なテーパー面７が形成されている。テーパー面７は背面２ｂに対して傾斜している。
【００３０】図４（ｃ）に示すヒーター１Ｅにおいては、材料除去部６Ｅに段差１０が形成されている。段差１０から側面２ｃへと向かって湾曲面８が形成されている。
【００３１】上述の例では基体のエッジ部分に材料除去部を設けたが、材料除去部は、低温領域やホットスポットの位置や形状に併せて設ければよく、基体のエッジ部分には限定されない。
【００３２】例えば、図６（ａ）に示すように、基体２の設置面の中央部に低温領域Ｃ１が発生したり、あるいは中心とエッジ部分との間に低温領域Ｃ２が発生したものとする。この場合には、図６（ｂ）に示すように、低温領域Ｃ１の投射領域Ｅ１に対応して材料除去部６Ｆを設けることができる。また、低温領域Ｃ２の投射領域Ｅ２に対応して材料除去部６Ｇを設けることができる。
【００３３】好適な実施形態においては、背面からの材料除去部の深さｄ（図２、図４参照）が、基体の厚さＴの０．０１倍以上、０．８倍以下である。即ち、材料除去部形成によって加熱面の温度分布を操作するという観点からは、ｄをＴの０．０２倍以上とすることが好ましく、０．０４倍以上とすることが更に好ましい。また、同様の観点からは、背面からの材料除去部の深さｄを０．２ｍｍ以上とすることが好ましく、０．４ｍｍ以上とすることが更に好ましい。
【００３４】一方、材料除去部の深さｄが大きくなると、加工に長時間がかかり、コストが上がる。このため、ｄをＴの０．５倍以下とすることが好ましく、０．４倍以下とすることが更に好ましい。また、同様の観点からは、背面からの材料除去部の深さｄを１０ｍｍ以下とすることが好ましく、８ｍｍ以下とすることが更に好ましい。
【００３５】また、好適な実施形態においては、基体の体積をＶａとし、材料除去部のない場合の基体の体積をＶｂとしたとき、以下の関係を満足する。
Ｖａ≦０．９９８Ｖｂ
このように材料除去部の容積を大きくすることで、基体の熱容量を材料除去部の周辺において低減できるので、加熱面の操作に好適である。この観点からは、ＶａはＶｂの０．９９０倍以下であることが特に好ましい。
【００３６】しかし、材料除去部形成後の基体の表面積が増大すると、材料除去部周辺からの熱輻射量が大きくなり、このために基体の熱容量の低減を相殺する傾向がある。このため、材料除去部形成後の基体の表面積の増大量は小さいことが好ましい。具体的には、材料除去部形成後の基体の表面積をＳａとし、材料除去部のない場合の基体の表面積をＳｂとしたとき、以下の関係を満足することが好ましい。
Ｓａ≦１．００１Ｓｂ
【００３７】本発明方法においては、基体の背面と側面との少なくとも一方において、加熱面の温度分布を制御するための材料除去部を形成する。この工程で、基体に材料除去部を形成する方法は限定されず、研削加工、研磨加工、レーザー加工、ブラスト加工を例示できる。
【００３８】好適な実施形態においては、加熱面の温度分布を観測し、観測された加熱面の温度分布に基づいて材料除去部を形成する。この際には、材料除去部の平面的形状、深さ、形成箇所を、観測された加熱面の温度分布から決定できる。
【００３９】加熱面の温度分布の観測装置は特に限定されないが、赤外線サーモビュアーや熱電対付きウエハー、ＲＴＤウエハー、熱電対が好ましい。また、観測した温度分布の画像処理結果に応じてマスクを作成する方法は周知である。
【００４０】好適な実施形態においては、観測工程において、加熱面内に低温領域が観測されたときに、この低温領域を基体の背面側に投射した投射領域内に、材料除去部の少なくとも一部を形成する。この例は前述した。ここで、低温領域とは、その直近の周囲よりも温度が低い領域のことを意味している。
【００４１】本発明において、基体の材質は特に限定されない。好ましくは基体はセラミックスまたは金属からなり、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、金属としては、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金を例示できる。
【００４２】基体の形状は特に限定されないが、円板形状が好ましい。被加熱体設置面の形状は、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。
【００４３】ヒーターの基体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。
【００４４】発熱体の形状は、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。加熱素子の材質は、タンタル、タングステン、モリブデン、白金、レニウム、ハフニウム及びこれらの合金である高融点金属であることが好ましい。特に、セラミックス基体を窒化アルミニウムから構成した場合においては、モリブデン及びモリブデン合金であることが好ましい。また、上記高融点金属以外に、カーボン、ＴｉＮ、ＴｉＣなどの導電性材料を使用することもできる。また、いわゆるシースヒーターも利用できる。
【００４５】本発明のヒーターは、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。
【００４６】
【実施例】図７に示すセラミックヒーターを製造した。ここで基体２の材質は窒化アルミニウム焼結体とし、基体２の直径φは３５０ｍｍとし、厚さＴは１０ｍｍとした。基体２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４を埋設した。電力供給部材５はモリブデン製である。
【００４７】このセラミックヒーター１を昇温し、加熱面２ａの設定温度が約５００℃となるようにした。この設定温度は熱電対１６によって確認した。そして、加熱面２ａの温度分布をサーモビュアーによって観測した。この結果を図８に模式的に示す。図８から分かるように、図面において右側では、相対的に低温（４９０℃以下）の領域が大きくなっていた。
【００４８】次いで、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、基体２の背面２ｂから研削加工を施し、深さｄ＝１．０ｍｍ、幅ｗ＝１０ｍｍの材料除去部６Ｃを形成した。この材料除去部６Ｃは、低温領域Ｃを背面２ｂに投射した投射領域Ｅ内にある。
【００４９】次いで、このセラミックヒーター１Ｃを昇温し、加熱面２ａの設定温度が約５００℃となるようにした。そして、加熱面２ａの温度分布をサーモビュアーによって観測した。この結果を図１０に模式的に示す。図１０においては、図８において見られたような温度分布の偏りが少なくなっている。そして、加熱面Ｏを中心として見たとき周方向の温度分布はほとんど消滅した。
【００５０】図１１には、加熱面の中心Ｏから半径Ｒ＝１５０ｍｍ（φ＝３００ｍｍ）の円周上での温度ブロファイルを、加工前のヒーターと加工後（材料除去部形成後）のヒーターとの両者について示す。この結果、材料除去部形成前には円周上で５℃の温度差があったのに対して、材料除去部形成後には円周上で１℃まで温度差が低下していた。
【００５１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、セラミック基体と発熱体とを備えているヒーターにおいて、セラミック基体とは別体の部材を設置する必要なしに加熱面の温度を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】材料除去部形成前のヒーター１１を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、材料除去部形成後のヒーター１Ａ、１Ｂの要部断面図である。
【図３】（ａ）は、材料除去部形成前のヒーター１１の加熱面を示す平面図であり、（ｂ）は、背面２ｂ上の材料除去部６のパターン例を示す底面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、ヒーター１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの各要部断面図である。
【図５】ヒーター１１における加熱面の温度分布の観測方法を示すブロック図である。
【図６】（ａ）は、低温領域Ｃ１、Ｃ２のパターン例を示し、（ｂ）は材料除去部６Ｆ、６Ｇのパターン例を示す。
【図７】材料除去部形成前のヒーターを模式的に示す断面図である。
【図８】図７のヒーターの加熱面の温度分布の一例を示す。
【図９】（ａ）は、本発明実施例において形成した材料除去部６Ｃのパターンを示す底面図であり、（ｂ）は本実施例のヒーター１Ｃの正面図である。
【図１０】図９の実施例に係るヒーターの加熱面の温度分布を示す。
【図１１】材料除去部形成前および材料除去部形成後の各温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ  ヒーター        ２  基体    ２ａ  加熱面        ２ｂ  背面        ２ｃ  側面        ４  発熱体  ６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ  材料除去部        ７平坦なテーパー面        ８  湾曲面        ９  発熱体２ｂに略平行な平坦面        １０  段差        １１  材料除去部形成前のヒーター        Ａ  加熱面の観測        Ｂ、Ｄ  加熱面の温度分布の情報の伝送        Ｃ、Ｃ１、Ｃ２  低温領域        Ｅ、Ｅ１、Ｅ２  投射領域        ｄ  材料除去部の深さ
【図１】
2004220966.tif 000003
【図２】
2004220966.tif 000004
【図３】
2004220966.tif 000005
【図４】
2004220966.tif 000006
【図５】
2004220966.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004220966.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004220966.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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