(57)【要約】本発明は、ヒータ(8)とウェハー(7)との間に配置されるウェハーのサセプタ(6)用に、艶消し透明石英の材料を有する半導体ウェハー用ヒータアセンブリに関し、ヒータ(8)から放出された放射エネルギーの特定の波長において、艶消し透明石英の材料が赤外領域からの熱放射に対して「熱透過性」であるようになっている。ヒータアセンブリは、ウェハー(7)が支持される上側石英プレート又はサセプタ(6)が、「光透過性」でないけれども、3.5μｍの波長よりも短い赤外線放射に対して90パーセントを超える「熱透過性」であり、且つ従来の透明石英材料よりも高い許容誤差および機械的強度を有する材料から形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
2010511304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータアセンブリであって、
ウェハーを少なくとも７００℃の温度まで加熱するための加熱要素と、前記ヒータに電力を供給するための少なくとも１つの端子およびワイヤと、前記ヒータの下にある断熱プレートと、前記電気ワイヤ及び少なくとも１つの熱電対の接続用の少なくとも１つの供給用スルーホールと、前記部品を密閉するための石英ケーシングとを含み、前記石英ケーシングが前記加熱要素と前記ウェハーとの間に配置された上側プレートを有し、前記プレートが、光透過性でなく、３．５μｍの波長よりも短い赤外線放射に対して５０パーセントを超える熱透過性である材料からなる、ヒータアセンブリ。
【請求項２】
前記上側プレートが艶消し透明石英からなる、請求項１に記載のヒータアセンブリ。
【請求項３】
前記艶消し透明石英が、少なくとも８０パーセントの熱透過率を有する、請求項２に記載のヒータアセンブリ。
【請求項４】
前記艶消し透明石英が、少なくとも９０パーセントの熱透過率を有する、請求項２に記載のヒータアセンブリ。
【請求項５】
前記石英ケーシングの内部にある部品の全てが、ボンディングにより前記上側プレートと石英ケーシングを密閉することにより、チャンバ環境から完全に分離されている、請求項１に記載のヒータアセンブリ。
【請求項６】
前記上側プレートが艶消し透明石英から形成され、前記石英ケーシングに融着される、請求項１に記載のヒータアセンブリ。
【請求項７】
前記上側プレート以外の石英ケーシングが透明石英から作成される、請求項１に記載のヒータアセンブリ。
【請求項８】
前記上側プレートが、３．２μｍの波長よりも短い赤外線放射に対して５０パーセントを超える熱透過性である、請求項１に記載のヒータアセンブリ。
【請求項９】
前記上側プレートが、３．２μｍの波長よりも短い赤外線放射に対して８０パーセントを超える熱透過性である、請求項１に記載のヒータアセンブリ。
【請求項１０】
前記上側プレートが、３．２μｍの波長よりも短い赤外線放射に対して９０パーセントを超える熱透過性である、請求項１に記載のヒータアセンブリ。
【請求項１１】
請求項１に記載のヒータアセンブリを含む、半導体加工チャンバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、半導体加工チャンバで使用するためのヒータ及びヒータアセンブリに関する。
【０００２】
関連出願に対する相互参照
本出願は、２００６年１１月２７日に出願された米国特許出願第６０／８６７，３９７号の優先権および恩典を主張しており、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
発明の背景
半導体集積回路（ＩＣ）は、シリコンウェハーのような基板の表面上で、薄膜加工、パターン形成、リソグラフィ、エッチング及びドーピングのような一連のプロセスを通じて連続的に製造される。これらＩＣは、中間に洗浄プロセスを断続的に導入することにより連続的に製造され得る。例えば、薄膜加工において、蒸着加工装置は、ウェハー表面上に金属および絶縁体の薄膜を形成する。最初に、当該加工装置が完全に真空にされ、加熱機構がその中に設置されて、シリコンウェハーが規定の温度まで加熱される。次に、必要な反応性ガスがこの装置のチャンバ内に導入される。これらガスはウェハーの周囲に集まり、これらガスの化学反応に起因して、薄膜がウェハー上に形成される。所望の薄膜の厚さがウェハー上で達成された場合に、当該プロセスが完了し、次いでウェハーが当該装置から運び出される。このプロセスにおいて、この装置内に存在するサセプタ（ウェハー支持台）は、真空状態で約４５０℃〜約６５０℃まで加熱され、それは、化学反応を生じる状態にするこの高い温度にある。
【０００４】
係るプロセスにおいて、サセプタの表面、或いはヒータ表面またはヒータに電力を供給する配線部分は既に高い温度にあり、それらが反応ガスと直接に接触する場合、特定の不純物を生じる化学反応が起こり、次いで、これら不純物はこの装置のチャンバの内部に広がり、最終的に半導体ウェハーを汚染するという結果になる。
【０００５】
上記の問題を克服する１つの方法は、ヒータ電極および配線が埋め込まれた、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のようなセラミックを有することを含む。これらセラミック材料は、任意の腐食媒体または腐食材料に対して高い耐性がある。しかし、ＡｌＮのようなセラミックは、本質的に非常に壊れやすく、これらの頻繁な加熱と冷却は、ひび割れをもたらす可能性がある。また、これらセラミックは一般に、焼結されている際にバインダーを必要とするので、これらセラミックの純度は完全にすることができない。更に、工程のより高い温度において、セラミック材料の電気抵抗が大幅に減少し、この結果ヒータの絶縁が不十分になる可能性がある。
【０００６】
この問題を解決するための別の方法は、ヒータ、サセプタ、配線等を高純度の石英ケーシングにより密閉（カプセル化）することである。これら部品は、気密の石英ケーシングの内部に密閉され、その後、不活性ガスによりパージされる。これは、石英材料が本質的に極めて非反応性であるので、腐食性ガス（反応物のガス又は洗浄用ガス）によるこれら部品の腐食作用を軽減するであろう。最近まで、高純度の石英から形成され、且つシリコンウェハーの薄膜加工に広く使用されていたサセプタ材料は主に、４５０℃から６００℃までの範囲にわたる作業温度に制限されていた。しかしながら、大規模集積回路（ＬＳＩ）によってＩＣの効率を改善するためになされている最近の進歩で、８００℃から９００℃の範囲内にある薄膜蒸着用の目標ウェハー温度が要求されるようになってきた。また、非常に高い温度を必要とする係るプロセスにおいて、ヒータの動作温度が目標ウェハー温度よりも少なくとも２００℃高いことが観察されている。これは、ヒータとウェハー表面との間に従来技術の石英材料が存在することに起因する。これら高温の応用形態において、従来技術の石英材料自体の温度が１０００℃を超えることも認識されている。石英は非晶質（アモルファス）ガラス化構造であり、その粘度は温度と共に減少し、それが約１３５０℃の臨界粘性点または軟化点を有することがわかっている。
【０００７】
言い換えれば、従来技術の石英の温度が１０００℃を超える範囲で、より高い温度は、従来技術の石英材料の塑性変形となる。更に、従来技術の石英材料は、１０００℃未満に冷まされる場合、強い熱歪みが生じ、これは材料内に非常に高い内部応力を結果として生じる。これら内部応力は、材料の全体的な機械的強度を低減する。大半の応用形態において、装置のチャンバが、真空状態下に維持される一方で、ヒータ及び他の部品を収容する石英ケーシングは不活性ガスにより充填される。従来技術の石英材料から形成されたケーシングの内部と外部との間の圧力差は通常、約１０１．３ＫＰａ（１気圧）である。この圧力差は、石英ケーシングを破壊するのに十分であり、その理由は、現時点で石英プレートの強度が材料内で生じた内部応力に起因して減少しているため、石英プレートが設計強度にもはや耐えることができないからである。これは常に、石英サセプタの機械的変形につながり、結果としてウェハーとサセプタとの間の不十分な表面接触となり、そういうものだから、熱伝導を通じたウェハーの加熱はもはや効率的でない。従って、同じウェハー温度を達成するために、現時点でヒータは、はるかに高い温度で動作する必要がある。
【０００８】
当該技術において必要とされていることは、ヒータとウェハーとの間に配置された場合に、高い作業温度においてさえも、信頼性、機械的変形および損傷に関連した問題がなく、且つ任意の汚染物質を生成せずに所望の目標温度まで半導体ウェハーを効率的に加熱する、サセプタ又はウェハー支持台を有するヒータアセンブリである。
【０００９】
発明の概要
本発明の一実施形態によれば、ヒータアセンブリが提供され、そのヒータアセンブリは、ウェハーを少なくとも７００℃の温度まで加熱するための加熱要素と、前記ヒータに電力を供給するための少なくとも１つの端子およびワイヤと、前記ヒータの下にある断熱プレートと、前記電気ワイヤ及び少なくとも１つの熱電対の接続用の少なくとも１つの供給用スルーホールと、前記部品を密閉するための石英ケーシングとを含み、前記石英ケーシングが前記加熱要素と前記ウェハーとの間に配置された上側プレートを有し、前記プレートが、光透過性でなく、３．５μｍの波長よりも短い赤外線放射に対して約５０パーセントを超える熱透過性である材料からなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】５００Ｋにおける黒体熱放射に関して、「熱透過性」の艶消し透明石英材料の透過率を示す図である。
【図１ｂ】１５００Ｋにおける黒体熱放射に関して、「熱透過性」の艶消し透明石英材料の透過率を示す図である。
【図２】サセプタが艶消し透明石英材料から形成された、石英で密閉されたヒータアセンブリを示す図である。
【図３】様々な石英材料の放射加熱効率を評価するために使用されるヒータアセンブリを示す図である。
【図４】例１（艶消し透明石英）、例２（透明石英）、及び例３（高密度で不透明な（High Density Opaque：ＨＤＯ）石英）の放射加熱効率を表すグラフである。
【００１１】
発明の詳細な説明
本明細書で使用される限り、近似する用語は、関連する基本機能に結果として変化を生じずに変更できる任意の定量的な表現を修飾するために適用され得る。従って、「約」及び「ほぼ」のような用語（単数または複数）により修飾された値は、場合によっては、指定された全く同一の値に制限されなくてもよい。
【００１２】
また、本明細書で使用される限り、「加熱装置」は、「処理装置」、「ヒータ」、「静電チャック」、「チャック」、又は「加工装置」と交換可能に使用されることができ、その上に支持された基板の温度を、特に基板を加熱または冷却することにより調整するための少なくとも１つの加熱要素および／または冷却要素を含む装置を意味する。
【００１３】
本明細書で使用される限り、用語「基板」は、半導体ウェハー、又は本発明の処理装置により支持／加熱されているガラス鋳物を意味する。本明細書で使用される限り、用語「シート」は、「層」と交換可能に使用され得る。
【００１４】
本明細書で使用される限り、用語「回路」は、「電極」と交換可能に使用されることができ、用語「加熱要素」は、「加熱電極」、「電極」、「抵抗」、「加熱抵抗」、又は「ヒータ」と交換可能に使用され得る。用語「回路」は、単一の形態または複数の形態で使用されることができ、少なくとも１つのユニットが存在することを示す。
【００１５】
本発明は、ヒータとウェハーとの間に配置されるウェハーのサセプタについて、新しい石英材料、即ち、艶消しガラス石英を有するヒータアセンブリに関し、散乱透過モード又は直接透過モードにおいて、ヒータから放出された放射エネルギーの特定の波長において、この石英材料が赤外領域（ＩＲ）からの熱放射に対して「熱透過性」であるようになっている。本発明の一実施形態によれば、艶消しガラス石英は、３．５μｍよりも短いＩＲ放射線の少なくとも５０パーセントに対して熱透過性である。本発明の別の実施形態によれば、艶消しガラス石英は、３．５μｍよりも短いＩＲ放射線の少なくとも８０パーセントに対して熱透過性である。本発明の別の実施形態によれば、艶消しガラス石英は、３．５μｍよりも短いＩＲ放射線の少なくとも９０パーセントに対して熱透過性である。
【００１６】
艶消し透明石英（frosted clear quartz）は、本明細書において、粗面を有する石英材料として定義され、その面の粗仕上げは、可視光線の少なくとも２０パーセント及び好適には５０パーセントを散乱させるような寸法からなる。そういうものだから、艶消し透明石英は、光透過性でない。艶消し透明石英は、例えば、透明石英の表面をサンドブラストすることにより作成され得る。
【００１７】
一態様において、本発明は、７００度よりも高い温度において、ヒータからの赤外線（ＩＲ）放射スペクトルのピークがより短い波長の方へシフトし始める際に、艶消し透明石英材料から形成されたサセプタを通じて、ＩＲ放射線の大部分が完全に透過し始める、石英で密閉されたヒータに関する。これは、艶消し透明石英のサセプタが３．５μｍよりも短いＩＲ放射線に対して「熱透過性」であり、ひいては放射線の大部分が艶消し透明石英のサセプタを通過してＳｉウェハーに直接的に伝わるという事実に起因している。従って、艶消し透明石英のサセプタを介してウェハーを加熱することは、上側プレート（サセプタ）無しで直接的にウェハーを加熱することに等しく、例えば、９００℃において、艶消し透明石英のサセプタを介してウェハーを加熱することと上側プレート無しで直接的にウェハーを加熱することとの間には１０℃の差がある。
【００１８】
更に、本発明において、艶消し透明石英の表面が、反射されてヒータへ戻るＩＲ光の量を低減する「反射防止コーティング／表面」としてある程度の役割を果たすことが意図されている。この点に関して、艶消し透明石英は、透明な石英および他のタイプの石英材料と比べた場合に、優れた加熱効果を提供する。
【００１９】
本発明は、ヒータからの放出された放射エネルギーの特定の波長において、艶消し透明石英の材料が赤外領域からの熱放射に対して「熱透過性」であるように、ヒータとウェハーとの間に配置されたウェハーサセプタに艶消し透明石英の材料を有するヒータアセンブリに関する。所望のウェハー温度は、現時点で、ヒータによりウェハーを直接的に加熱する場合とほぼ同じヒータ温度で実現され得る。更に、艶消し透明石英の上側プレートの存在は、放射加熱効率を損なうことなしに、ヒータの汚染を防止する。また、艶消し透明石英の材料は、従来の透明石英材料に比べて、良好な許容誤差および機械的強度を有する。
【００２０】
図１ａ及び図１ｂは、５００Ｋ及び１５００Ｋについて、加熱される物体の黒体放射スペクトルと艶消し透明石英の透過率との間の関係を示す。熱放射に非常に透過的である係る石英材料は一般に、「熱透過性」石英と呼ばれる。図面から、黒体放射エネルギーのスペクトルが、高い温度になるほど、短い波長領域へ移動すると結論することができる。５００Ｋにおいて、この「熱透過性」石英は、熱放射の大部分を透過せず、かくして十分に加熱される。しかしながら、１５００Ｋのようなより高い温度において、放射エネルギーの大部分は、「熱透過性」石英の材料を通過して伝達される。高いウェハー温度、即ち７００℃より高いウェハー温度は、この時点でヒータによりウェハーを直接加熱する場合とほぼ同じヒータ温度で達成され得る。重要な点は、艶消し透明石英の上側プレートの存在は、放射加熱効率を損なうことなしに、ヒータの汚染を防止する。そういうものだから、ヒータからシリコンウェハーへの放射エネルギーの改善された効率は、ウェハーが支持される上側石英プレート又はサセプタが３．５μｍよりも短い波長を有する赤外線放射に対して少なくとも５０パーセント、及び好適には９０パーセントを超える「熱透過性」である材料から形成される場合に達成される。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、ヒータアセンブリは、本発明の艶消し透明石英から形成された上側石英プレート又はサセプタにより密閉される。これに対して、石英ケーシングの下側部分は透明石英、即ち可視光に対して約８０パーセントよりも大きい透明度を有する石英材料から形成され、全体のケーシングは当該技術において知られている技術を用いることにより、気密の状態にされる。
【００２２】
本発明の特定の一実施形態において、図２に示されるように、ヒータアセンブリは、ヒータ８、放射線シールド９、ヒータ電源供給線１１、１２、及び熱電対１３を含み、それらの全ては、艶消し透明石英から形成された上側プレート又はサセプタ６で密閉される。石英ケーシング１０の下側部分は透明石英から形成され、全体の石英ケーシング１０は、当該技術において知られている技術、例えば、ボンディングにより、気密の状態にされ得る。
【００２３】
種々の石英プレート（即ち、例１、並びに比較例２及び３）を有するヒータアセンブリの例が、それらの放射加熱効率を評価するために準備された。そのヒータアセンブリは、３つの主要部品、即ち放射熱源（熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）セラミックヒータ）、受熱器（上下を逆にしたグラファイトカバー）、及び熱源と受熱器との間に配置された石英プレートからなる。
【００２４】
例１において、放射ヒータとグラファイト受熱器との間に配置された石英プレートは、艶消し透明石英であり、比較例２の石英プレートは透明石英であり、比較例３では、石英プレートは、高密度で不透明な（ＨＤＯ）石英、即ち可視光に対して約５０パーセント未満の透明度を有し、ほとんどの場合、可視光に対して２０パーセント未満の透明度を有する石英材料である。また、ヒータアセンブリは、４つの温度測定用熱電対も含む。これら熱電対は、特定の位置に埋め込まれ、放射ヒータ、石英スラブ、即ち石英プレート、上下を逆にしたグラファイトカバーの中心、端部および側壁の温度を測定するようになっている。様々な部品の説明および熱電対の位置と共に、ヒータアセンブリが図３に示される。
【００２５】
表１は、例１、並びに比較例２と３のデータを示す。一定のヒータ温度に対して、上下を逆にしたグラファイトカバーの中心の温度は、ヒータと受熱器との間の石英プレートが艶消し透明石英から形成される場合に最も高い。表１に示されたデータにより表されるように、放射加熱効率（最も高いものから最も低いもの）は次の通りであり、即ち艶消し透明石英、透明石英、ＨＤＯ石英である。
【００２６】
図４は、例１（艶消し透明石英）、比較例２（透明石英）、及び比較例３（高密度不透明（ＨＤＯ）石英）の材料に関する放射加熱効率のグラフ図である。図４に示されたデータに基づくと、一定のウェハー温度を達成するためには、上側プレートがＨＤＯ石英に比べて、艶消し透明石英、又は透明石英から形成される場合に、必要なヒータ温度がより低くなることに注目され得る。更に、艶消し透明石英のより優れた許容誤差、及び機械的強度により、それは、外側石英ケーシングに対してより適した材料になる。
【００２７】
表１は、例１、並びに比較例２及び３の実験データを示す。温度は、摂氏（ＴＣ）である。
【００２８】
【表１】
2010511304.tif 000003
【００２９】
本明細書の説明は、最良の形態を含むと共に、任意の当業者が本発明を行う及び使用することを可能にするために、本発明を開示するための例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により規定され、当業者に見出される他の例を含むことができる。係る他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。本明細書で参照された全ての文献は、特に参照により本明細書に組み込まれる。
【図１ａ】
2010511304.tif 000004
【図１ｂ】
2010511304.tif 000005
【図２】
2010511304.tif 000006
【図３】
2010511304.tif 000007
【図４】
2010511304.tif 000008
【国際調査報告】
2010511304.tif 000009
2010511304.tif 000010
2010511304.tif 000011