(57)【要約】【課題】セラミックヒーターとこれを背面側から支持する支持部材とを備える加熱装置において、支持部材のコストを抑制し、設計変更を容易にする一方で、使用時の加熱面の平面度を良好に維持できるようにする。【解決手段】加熱装置は、加熱面１ａおよび背面１ｂを有するセラミック基板１、基板１の加熱面１ａから発熱を生じさせるための加熱手段４、基板１を背面１ｂ側から支持する金属製の支持部材６、および基板１の背面１ｂと支持部材６との間に介在する断熱板５を備えている。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱面および背面を有するセラミック基板、前記セラミック基板の前記加熱面から発熱を生じさせるための加熱手段、前記セラミック基板を前記背面側から支持する金属製の支持部材、および前記セラミック基板の前記背面と前記支持部材との間に介在する断熱板を備えていることを特徴とする、加熱装置。
【請求項２】
前記加熱手段が、前記セラミック基板内に埋設されている抵抗発熱体であることを特徴とする、請求項１記載の加熱装置。
【請求項３】
前記支持部材、前記断熱板および前記セラミック基板がねじによって締結され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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、基板であるウエハーを加熱するためのセラミックスヒーターが具えられている。セラミックスヒーターとしては、いわゆる２ゾーンヒーターと呼ばれるものが知られている。２ゾーンヒーターにおいては、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。
【０００３】
特許文献１においては、セラミックス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。
【特許文献１】特開平５−３２６１１２号公報
【０００４】
例えば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±１０℃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。セラミックヒーターは、このような加熱面の温度の均一性という点からは優れている。また、例えば半導体ウエハーを保持しながら加熱する際に、経時変化によるウエハー接触面の熱変形が少なく、ウエハーの平面度を高く保持できる。
【０００５】
こうしたセラミックヒーターは、チャンバーの内側壁面へと取り付ける必要がある。このため、セラミック板製の管状の支持部材の一端をセラミックヒーターの接合面へと取り付け、この支持部材の他端をチャンバーの内側壁面へと取り付けることが行われている。支持部材は、アルミナ、窒化アルミニウム等の耐熱性のセラミック板によって形成されている。支持部材とチャンバーとの間はＯリングによって気密に封止する。これによって、支持部材の内側空間とチャンバーの内部空間とを気密に封止し、チャンバーの内部空間のガスがチャンバーの外部へと漏れないようにする。
【発明の開示】
【０００６】
耐蝕性の緻密質セラミックスからなる管状支持部材は製造コストが高い上に、セラミックヒーターに対する接合、取り付けが難しく、接合コストも高い。セラミック管からなる支持部材に対してセラミックヒーターをいったん接合すると、セラミック管とセラミックヒーターとは強固に一体化され、取り外すことができず、支持部材を再利用することもできない。更に、セラミックスからなる支持部材は、設計変更をした場合のセラミックヒーター加熱面への影響のシミュレーションが難しいために、設計変更に手間がかかる。
【０００７】
このため、本発明者は、耐蝕金属製の管状支持部材を作製し、これをセラミックヒーターに取り付け、加熱面の温度分布を均一化するための設計を検討してみた。このような管状支持部材は製造コストが低く、接合も機械的方法で容易に行うことができ、またセラミックヒーターから取り外して再利用することも可能であるし、設計変更も比較的に容易である。しかし、金属製の管状支持部材にセラミックヒーターを取り付け、ヒーター加熱面の温度を例えば４５０℃程度まで上昇させると、加熱面の平面度が劣化することがあった。加熱面の平面度が劣化すると、加熱面上に設置された半導体ウエハーの平面度が劣化するために、半導体製造設備において使用不能となるおそれがある。
【０００８】
本発明の課題は、セラミックヒーターとこれを背面側から支持する支持部材とを備える加熱装置において、支持部材のコストを抑制し、設計変更を容易にする一方で、使用時の加熱面の平面度を良好に維持できるようにすることである。
【０００９】
本発明は、加熱面および背面を有するセラミック基板、セラミック基板の加熱面から発熱を生じさせるための加熱手段、セラミック基板を背面側から支持する金属製の支持部材、およびセラミック基板の背面と支持部材との間に介在する断熱板を備えていることを特徴とする、加熱装置に係るものである。
【００１０】
本発明者は、金属製の支持部材によってセラミックヒーターを支持しつつ、セラミックヒーターの加熱面の温度を上昇させたときに、加熱面の平面度が劣化する原因について検討した。この結果、ヒーターから支持部材への接触熱伝導によって、支持部材のヒーターへの接触部分が不均一にクリープ変形することを見いだした。支持部材のヒーターへの接触部分が不均一にクリープ変形すると、加熱面がウエハーに対して傾斜し、ウエハーを所定位置に固定することができず、半導体プロセスを実施できなくなる。
【００１１】
この知見に基づき、断熱板をヒーター背面と支持部材との間に介在させることによって、支持部材の断熱板への接触部分の温度上昇を抑制し、クリープ変形を抑制し、これによってヒーター加熱面の平面度の劣化や傾斜を防止することに成功した。
【００１２】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
好適な実施形態においては、加熱手段が、セラミック基板内に埋設されている抵抗発熱体である。図１は、この一実施形態に係る加熱装置を概略的に示す断面図であり、図２は、図１の加熱装置を冷却シャフト１８に取り付けた状態を示す断面図である。
【００１３】
本例のセラミックヒーター１０のセラミック基板１中には抵抗発熱体４が埋設されている。セラミック基板１の加熱面１ａ側にはウエハー固定ピン２が形成されている。基板１の背面１ｂ側には、抵抗発熱体の端子１１が露出している。そして、背面１ｂに対して、リング状の断熱板５の表面５ａが接触し、固定されている。また、断熱板５の反対側の表面５ｂに対して、略管状の支持部材６のフランジ部６ｃの上面６ａが接触しており、固定されている。支持部材６の反対側のフランジ部６ｄは、図２に示すような冷却シャフト１８に対して取り付け可能となっており、冷却シャフト１８は、図示しないチャンバーに対して設置可能なように設計されている。
【００１４】
リング状の断熱板５の内側面５ｃは、支持部材６の内側面６ｂとほぼ連続するように形成されており、断熱板５および支持部材６によって、チャンバー内雰囲気から隔離された空間７が形成されている。
【００１５】
支持部材６と断熱板５、断熱板５とセラミック基板１との接合方法は、それぞれ限定されず、固相接合、固液接合、ろう付け、ねじ止め、焼き嵌め、圧入、摩擦圧接、溶接などの機械的締結であってよい。固液接合法は、特開平１０−２７３３７０号公報に記載された方法である。特に好ましくは，図１に示すように、支持部材６と断熱板５、断熱板５とセラミック基板１とをねじによって締結することができる。即ち、フランジ部６ｃにはネジ孔６ｅが形成されており、断熱板５には貫通孔５ｄが形成されており、セラミック基板１にはネジ孔１ｃが形成されている。これらのネジ孔に一つのねじ２０を嵌め合わせることによって、基板１、断熱板５、支持部材６を一体に固定することができる。
【００１６】
本例では、ねじ２０によるネジ止めトルクが大きすぎると、基体１と断熱板５との熱膨張の相違によって、加熱時に基体１にクラックが生ずるおそれがある。この観点からは、ネジ止めトルクを１０Ｎｍ以下とすることが好ましい。またネジ止めトルクが小さすぎると、高い真空度を維持することが難しいので、この観点からは、ネジ止めトルクを０．０５Ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００１７】
図２は、図１の加熱装置を冷却シャフト１８に取り付けた状態を示す断面図である。支持部材６の内側には更にセラミックス製の保護筒２１が収容されており、保護筒２１内に棒状の電力供給部材１３が収容されている。電力供給部材１３の一端は端子１１に接続されており、他端は、冷却シャフト１８に固定されたコネクタ１４に接続されている。コネタク１４から電力供給部材１３、端子１１を介して抵抗発熱体４に電力を供給可能となっている。
【００１８】
空間７内には不活性ガスパージ管１２が挿入されており、パージ管１２は、冷却シャフト１８から基板１へと向かってスプリング１５によって付勢されている。また、熱電対保持棒１７が空間７内に挿入されており、その先端の熱電対１７ａが基板１に取り付けられている。冷却シャフト１８と管状支持部材６のフランジ部６ｄとの間には絶縁板１６がはさまれている。冷却シャフト１８と支持部材６、支持部材６と絶縁板１６、絶縁板１６と電力供給部材１３、パージ管１２および熱電対保持棒１７との間は、それぞれＯリングによって気密に封止されている。冷却シャフト１８内には冷却フランジ１９が設けられており、冷却フランジ１９内を冷媒が流通している。
【００１９】
セラミック基板１の材質は用途に応じて選択できるので、特に限定されない。ただし、ハロゲン系腐食性ガスに対して耐蝕性を有するセラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウム、緻密質アルミナ、炭化珪素、窒化珪素が好ましく、９５％以上の相対密度を有する窒化アルミニウム質セラミックス、アルミナが一層好ましい。熱伝導率の高い窒化アルミニウムが最も好ましい。セラミック基板中には、抵抗発熱体、静電チャック用電極、高周波電極などの機能性部品を埋設することができる。
【００２０】
基板１の支持部材の材質は金属であれば特に限定しないが、耐熱性金属であることが好ましく、また低熱伝導金属であることが好ましい。これらの観点から、ＳＵＳ、インコネル等の耐熱ニッケル合金が好ましい。本発明においては、加熱面の温度が４００℃以上であっても、純度の高いアルミニウム合金を使用することができる。このようなアルミニウム合金においてアルミニウムと合金化される金属としては、耐食アルミニウム伸展材Ａ６０６１を例示できる。
【００２１】
セラミック基板中に発熱体を埋設する場合には、発熱体の材質は、タンタル、タングステン、モリブデン、白金、レニウム、ハフニウムからなる群より選ばれた純金属、あるいは、タンタル、タングステン、モリブデン、白金、レニウム、ハフニウムからなる群より選ばれた二種以上の金属の合金が好ましい。基板を窒化アルミニウムから構成した場合においては、発熱体の材質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。この発熱体の形態は、コイル、箔、印刷ペースト（焼結金属）、メッシュ、平板状物、リボン状物、シート状物であってよい。セラミック基板の厚みを小さくするためには、発熱体がコイル状でないことが好ましい。
【００２２】
セラミック基板中の発熱体と端子１１との接合方法は限定されないが、。かしめ、ロウ付けまたはねじ込みであってよい。
【００２３】
断熱板５の材質は特に限定されないが、熱伝導率の小さい耐食性材料であるアルミナ、石英が好ましい。また、断熱板５の厚さは、断熱という観点からは、１ｍｍ以上であることが好ましく、３ｍｍ以上であることが更に好ましい。一方、断熱板６が厚すぎると、基板１との熱膨張差によりクラックが発生しやすくなるので、その厚さは２０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
本発明の加熱装置の用途は特に限定されないが、化学的気相成長装置、エッチング装置、ベーキング装置、コータ用のキュアリング装置を例示できる。
【実施例】
【００２５】
図１、図２に示すような形態の加熱装置を作製した。セラミック基板１は窒化アルミニウム焼結体によって製造し、この中にモリブデンコイルを発熱体として埋設した。ウエハー固定用ピン２はアルミナによって形成した。基板１の厚さは１０ｍｍとし、直径φは３２０ｍｍとした。断熱板５はアルミナによって形成し、断熱板５の厚さは８ｍｍとし、直径φは８０ｍｍとした。管状支持部材６はアルミニウム合金によって形成し、絶縁管２１はアルミナによって形成し、電力供給棒１３はニッケルによって形成した。冷却シャフト１８はアルミニウム合金によって形成し、パージ管１２の先端から窒素ガスを流し、冷却フランジ１９は水冷した。断熱板５、フランジ部６ｃおよび基体１を、３個のモリブデン製のネジ２０によって締結した。
【００２６】
この加熱装置について、チャンバー内圧力を１０ｍＴｏｒｒとし、１０℃／分で昇温し、ヒータ設定温度を４５０℃とし、Ｎ２ガスをパージ管から１００ｓｃｃｍで流した。４５０℃で、ダミーウエハー（ＡｌＮダミーウエハー：直径φ３００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ）の温度分布をサーマルビデオ（日本電子株式会社製「ＪＴＧ−６１００」）によって観測し、設置面の温度の最大値と最小値とを測定した。この結果、４５０℃に対して±１％の範囲内に入っていた。また、室温における加熱面の平面度は１０μｍ以下であり、室温から４５０℃まで昇温したときの加熱面の反り量をレーザ変位測定器によって測定したところ、やはり１０μｍ以下であった。
【００２７】
また、支持部材６の内側空間７において、高真空によるアーク放電発生は認められなかった。加熱試験終了後、モリブデン端子は、窒素ガスパージによって耐酸化性が向上し、腐食は見られなかった。支持部材６、断熱板５、および基板１を止めるねじ締結部分に、クラックやゆるみは見られなかった。支持部材内空間７の圧力は、Ｏリングによって１Ｔｏｒｒ以下に維持することが可能であった。
また、以下の熱収支データを得た。即ち、加熱面温度４５０℃にほぼ達したとき、Ｔ１では３１０℃であり、Ｔ２では８０℃であり、Ｔ３では２５℃であった。
【００２８】
以上述べたように、本発明によれば、セラミックヒーターとこれを背面側から支持する支持部材とを備える加熱装置において、支持部材のコストを抑制し、設計変更を容易にする一方で、使用時の加熱面の均熱性と平面度とを良好に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る加熱装置を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の加熱装置を冷却シャフト１８に取り付けた状態を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  セラミック基板        １ａ  加熱面        １ｂ  背面        ４  抵抗発熱体        ５  断熱板        ６  支持部材        ７  支持部材６の内側空間        １０  セラミックヒーター        １２  不活性ガスパージ管        １３  電力供給部材        １８  冷却シャフト        ２０  ねじ
【図１】
2005166368.tif 000003
【図２】
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