(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗発熱体を埋設してなる板状セラミック体の一方の主面を試料の載置面とし、他方の主面側に上記抵抗発熱体と電気的に接続された給電端子を有するセラミックヒータと、上記給電端子を包囲するように前記セラミックヒータの他方の主面に接合された筒状支持体とを備えた試料加熱装置において、上記セラミックヒータの他方の主面に厚みが中央部を除く他部より厚い凸状部を設け、上記筒状支持体の端面に上記凸状部と対向するフランジ部を設けており、且つ上記凸状部の周縁部の頂面に上記筒状支持体の上記フランジ部を接合してあり、上記凸状部の外周側面と上記筒状支持体の上記フランジ部の外周側面とにより連続的な面を構成することを特徴とする試料加熱装置。
【請求項２】
上記凸状部が、板状セラミック体の他方の主面の中央部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の試料加熱装置。
【請求項３】
上記凸状部は、上記筒状支持体の端面が接合する部位に対応してリング状に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の試料加熱装置。
【請求項４】
上記セラミックヒータの他方の主面に、上記他部から上記凸状部の外周側面にわたる部位に、曲面状部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の試料加熱装置。
【請求項５】
上記曲面状部の曲率半径は０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の試料加熱装置。
【請求項６】
上記筒状支持体が、セラミックスからなることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の試料加熱装置。
【請求項７】
上記板状セラミック体および筒状支持体は同種のセラミックスにより形成されるとともに、焼結により接合一体化されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の試料加熱装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の試料加熱装置を備えた処理装置であって、少なくとも上記セラミックヒータを処理室内に設置し、上記セラミックヒータの一方の主面に試料を載置するとともに加熱し、処理室内にプロセスガスを導くことにより、試料に成膜またはエッチング処理を施すことを特徴とする処理装置。
【請求項９】
請求項１〜７の何れかに記載の試料加熱装置が設置された処理室を真空にする工程と、上記処理室内に設置された上記試料加熱装置の載置面に試料を載置する工程と、試料加熱装置を４００℃以上の温度まで加熱する工程と、上記処理室内にプロセスガスを導くことにより、上記試料に成膜またはエッチング処理を施すことを特徴とする試料の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、スパッタリングなどの成膜装置やプラズマエッチング、光エッチング等のエッチング装置において、半導体ウエハ等の試料を保持した状態で各種処理温度に加熱する試料加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造工程において、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、スパッタリングなどの成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置では、試料となる半導体ウエハ（以下、ウエハと称す。）を保持しつつ各種処理温度に加熱するために試料加熱装置が使用されている。
【０００３】
例えば、図７に従来の試料加熱装置を真空処理室内に取り付けた状態を示すように、２０はプロセスガスを供給するためのガス供給孔２１と真空引きするための排気孔２２を備えた真空処理室で、該真空処理室２０内にはセラミックヒータ３２とセラミック筒状支持体４２とからなる試料加熱装置３１が設置されている。この種のセラミックヒータ３２は、円盤状をなし上下面が平滑かつ平坦に形成された板状セラミック体３３からなり、該板状セラミック体３３中には抵抗発熱体３４を埋設するとともに、一方の主面をウエハＷの載置面３５とし、他方の主面には上記抵抗発熱体３４と電気的に接続された給電端子３６が接合されている。また、上記板状セラミック体３３の他方の主面には、前記給電端子３６を包囲するようにセラミック筒状支持体４２がガラス接合でもって接合一体化され、給電端子３６へ接続されるリード線３７を真空処理室２０外へ取り出すようになっていた（特開平４−７８１３８号公報参照）。
【０００４】
そして、この試料加熱装置３１によりウエハＷに成膜やエッチング等の処理を施すには、まず、真空処理室２０内を真空状態とするとともに、セラミックヒータ３２の載置面３５にウエハＷを載せ、給電端子３６に通電して抵抗発熱体３４を発熱させることによりウエハＷを４００℃以上の設定温度まで加熱し、この状態でガス供給孔２１よりデポジッション用ガスやエッチング用ガスなどのプロセスガスを真空処理室２０内へ導くことで、ウエハＷに各種処理を施すようになっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記セラミックヒータ３２の発熱によって試料加熱装置３１に室温域（２５℃）から４００℃以上の温度範囲で繰り返し熱サイクルが加わると、セラミックヒータ３２とセラミック筒状支持体４２との接合部における気密性が損なわれるため、真空処理室２０内の真空度が低下し、その結果、成膜精度やエッチング精度に悪影響を与えるといった課題があった。
【０００６】
即ち、試料加熱装置３１は大型で構造が複雑であるためにセラミックヒータ３２とセラミック筒状支持体４２とを一体物として成形、焼成して製作することは難しく、両者を個別に製作したのちガラス接合によって一体的に接合してあるのであるが、セラミックヒータ３２と接合部４０及びセラミック筒状支持体４２と接合部４０との間にはそれぞれ接合界面が存在するとともに、セラミックヒータ３２とセラミック筒状支持体４２との間には熱伝達特性の異なるガラスが介在することから、これらの接合界面には熱応力が集中し易く、その結果、繰り返し加わる熱応力によって接合部４０にクラックが発生することを防ぐことができなかった。
【０００７】
また、成膜装置やエッチング装置では、デポジッション用ガス、エッチング用ガス、あるいはクリーニング用ガスとして腐食性の高いハロゲン系ガスが使用されているのであるが、接合部４０がガラスからなるために上記ハロゲン系ガスに曝されると腐食摩耗し易く、短期間のうちに気密性が損なわれるとともに、この腐食摩耗により発生した摩耗粉がウエハＷへの処理精度に悪影響を与えるといった課題もあった。
【０００８】
しかも、ガラス接合ではせいぜい４００℃程度の温度域までしか使用に耐えられず、近年要求されている６００℃以上の温度域での処理には対応することが出来なかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、抵抗発熱体を埋設してなる板状セラミック体の一方の主面を試料の載置面とし、他方の主面側に上記抵抗発熱体と電気的に接続された給電端子を有するセラミックヒータと、上記給電端子を包囲するように前記セラミックヒータの他方の主面に接合された筒状支持体とを備えた試料加熱装置において、上記セラミックヒータの他方の主面に厚みが中央部を除く他部より厚い凸状部を設け、上記筒状支持体の端面に上記凸状部と対向するフランジ部を設けており、且つ上記凸状部の周縁部の頂面に上記筒状支持体の上記フランジ部を接合してあり、上記凸状部の外周側面と上記筒状支持体の上記フランジ部の外周側面とにより連続的な面を構成することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は本発明の参考例である試料加熱装置を真空処理室に取り付けた状態を示す断面図、図２は試料加熱装置のみを示す斜視図、図３は試料加熱装置の分解図である。
【００１３】
図１において、２０はプロセスガスを供給するためのガス供給孔２１と真空引きするための排気孔２２を備えた真空処理室で、該真空処理室２０内にはセラミックヒータ２とセラミック筒状支持体１２とからなる試料加熱装置１を設置してある。このセラミックヒータ２は、図２に示すように円盤状をなし上下面が平滑な板状セラミック体３からなり、その大きさとしてはウエハＷのサイズにもよるが外径１５０〜３５０ｍｍ、厚み８〜２５ｍｍ程度のものを用いることができる。また、板状セラミック体３中にはタングステンやモリブデンあるいは白金等の金属からなる抵抗発熱体４を埋設してあり、一方の主面をウエハＷの載置面５とするとともに、他方の主面には上記抵抗発熱体４と電気的に接続される給電端子６を接合してある。なお、本発明において主面とは、板状セラミック体３のうち最も広い表面のことであり、他方の主面とは、一方の主面と反対側の表面のことを言う。
【００１４】
また、上記板状セラミック体３の中心には熱電対等の温度検出手段８が内蔵してあり、載置面５の温度を検出するようになっている。
【００１５】
そして、上記板状セラミック体３の他方の主面には、給電端子６及び温度検出手段８のリード線９を包囲するように円筒状をしたセラミック筒状支持体１２が焼結によって気密に接合一体化してあり、給電端子６及び温度検出手段８へ接続されるリード線７，９を真空処理室２０外へ取り出すようになっている。
【００１６】
ここで、セラミックヒータ２を構成する板状セラミック体３及びセラミック筒状支持体１２としては、緻密で耐熱性、耐蝕性、さらには耐プラズマ性に優れたセラミックスにより形成することが必要であり、このようなセラミックスとしては窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、窒化硼素を主成分とする窒化物系セラミックスを用いることができる。これらの中でも特に窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスは、他のセラミックスと比較して高い熱伝導率を有することから、急速昇温が可能であるとともに、腐食性の高いハロゲン系ガスやプラズマに対して優れていることから好適である。
【００１７】
また、板状セラミック体３とセラミック筒状支持体１２とは、焼結によって接合一体化する観点から同種（主成分が同じ）のセラミックスにより形成することが必要であり、好ましくは同一組成のセラミックスにより形成することが良い。これにより両者の熱膨張差を極めて小さくすることができるため、接合界面に発生する熱応力を大幅に低減することができ、接合部１０にクラックが発生するのを抑えることができる。
【００１８】
なお、本発明において、焼結により接合一体化するとは、接合部１０も板状セラミック体３やセラミック筒状支持体１２と同種あるいは同一組成のセラミックスからなり、板状セラミック体３と接合部１０及び接合部１０とセラミック筒状支持体１２とがいずれも焼結されていることを言う。焼結によって接合一体化する方法としては、板状セラミック体３やセラミック筒状支持体１２を構成するセラミックスと同種あるいは同一組成のセラミックスペーストをいずれか一方の接合面に塗布し、他方を上記接合面に当接させたあと押圧した状態で加熱して焼結させるホットプレス法により接合するか、あるいは上記セラミックペーストをいずれか一方の接合面に塗布し、他方を上記接合面に当接させたあと押圧した状態で超音波振動を加えて焼結させる超音波振動法により接合することができる。
【００１９】
このように、板状セラミック体３とセラミック筒状支持体１２とを焼結によって接合一体化すれば、板状セラミック体３と接合部１０との間、接合部１０とセラミック筒状支持体１２との間の熱膨張差を極めて小さくできるため、接合部１０に集中する熱応力を大幅に低減することができる。しかも、接合部１０は耐蝕性、耐プラズマ性にも優れることから腐食摩耗が少なく、摩耗粉の発生が少ないことからウエハＷに悪影響を与えることもない。
【００２０】
さらに、本発明の参考例である試料加熱装置１には、図１や図３に示すようにセラミックヒータ３の他方の主面のうち、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁に沿って上記セラミック筒状支持体１２の外形状と相似なリング状をした環状溝２ａを刻設してあり、接合部１０近傍の表面積を大きくして冷却効果を高めてある。
【００２１】
その為、セラミックヒータ２の発熱によって室温域から４００℃以上の温度範囲で繰り返し熱サイクルが加わったとしても接合部１０に集中する熱応力を緩和してクラックの発生を防ぐことができるため、長期使用においても気密性を維持することができる。
【００２２】
即ち、セラミックヒータ２とセラミック筒状支持体１２とを焼結によって接合一体化してもセラミックヒータ２と接合部１０との間、及び接合部１０とセラミック筒状支持体１２との間にはそれぞれ接合界面が存在し、これらの接合界面の存在によりセラミックヒータ１とセラミック筒状支持体１２を同種のセラミックスにより形成して熱膨張差を小さくしたとしても熱伝達が悪いために熱応力が集中するのであるが、本発明は、セラミックヒータ２の他方の主面のうち、接合部１０の外周縁に環状溝２ａを設けて表面積を大きくすることで、接合部１０の放熱性を高めてあることから、接合部１０に熱応力が集中したとしてもその熱応力の大きさを低減し、クラックの発生を防ぐことができる。
【００２３】
ところで、このような効果を得るためには、環状溝２ａの寸法、特に深さＴが重要であり、１ｍｍ未満では浅すぎるために熱応力を緩和する効果が小さい。その為、環状溝２ａの深さＴは少なくとも１ｍｍ以上とすることが良く、例えば、板状セラミック体３及びセラミック筒状支持体１２が高熱伝導率を有する窒化アルニウムを主成分とするセラミックスである場合、環状溝２ａの深さＴを４〜６ｍｍとすることで最も熱応力を緩和する効果を得ることができる。ただし、環状溝２ａの深さＴが板状セラミック体３の厚みの１／２ｍｍより大きくなると、セラミックヒータ２の強度が大きく低下するとともに、載置面５の温度分布を均一にすることが難しくなるため、上限は板状セラミック体３の厚みの１／２ｍｍ以下とすることが良い。
【００２４】
また、環状溝２ａの幅Ｌは、１〜２５ｍｍの範囲で設定することが良い。これは１ｍｍ未満では幅Ｌが狭すぎるために環状溝２ａの深さＴを１ｍｍ以上としても環状溝２ａ内に熱がこもり、熱応力を緩和する効果が小さいからであり、逆に２５ｍｍより広くなると、載置面５の温度分布にばらつきを生じる恐れがあるからである。
【００２５】
さらに、環状溝２ａの断面形状は、クラックの発生を防ぐ観点から図１に示すような底面を曲面状に形成したものが好ましく、その曲率半径Ｒ1 は０．５〜１２．５ｍｍの範囲が良い。このような環状溝２ａを形成する方法としては、研削、ショットブラスト、超音波加工等の加工方法を用いることで形成することができる。
【００２６】
なお、図１では、セラミックヒータ２の他方の主面のうち、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁に沿って環状溝２ａを設けた例を示したが、図４に示すように、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の内周縁に沿ってのみ環状溝２ａを設けたものでも良く、さらには図示していないがセラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁及び内周縁に沿ってそれぞれ環状溝２ａを設けたものでも構わない。
【００２７】
かくして、本発明の試料加熱装置１を用いてウエハＷに成膜やエッチング等の処理を施せば、室温域から４００℃以上の温度範囲で繰り返し熱サイクルが加わったとしてもセラミックヒータ２とセラミック筒状支持体１２との接合部１０における気密性を損なうことがなく、載置面５の温度分布を常に均一に保つことができるため、長期間にわたって精度の高い成膜やエッチングを安定して施すことができる。
【００２８】
次に、本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
図５は本発明の試料加熱装置１の他の例を示す断面図で、セラミックヒータ２を構成する板状セラミック体３の他方の主面の中央部に円錐台状の凸状部２ｂを形成し、この凸状部２ｂにセラミック筒状支持体１２を焼結によって気密に接合一体化したものである。
【００３０】
このように、板状セラミック体３の他方の主面の中央部に凸状部２ｂを形成しておくことで接合部１０の外周縁の表面積を大きくしたことと同様の効果が得られ、接合部１０の放熱性を高めることができるため、接合部１０に集中する熱応力を緩和してクラックの発生を防ぐことができる。
【００３１】
ただし、この構造の場合、凸状部２ｂの高さＱが１ｍｍ未満では熱応力を緩和する効果が小さく、逆に、１０ｍｍより高くなると板状セラミック体３における中央部の厚みと周縁部の厚みの差が大きくなり過ぎるために、板状セラミック体３中に埋設されている抵抗発熱体４の抵抗値を中央部と周縁部で調整したとしても載置面５の温度分布を均一にすることが難しい。その為、凸状部２ｂの高さＱは１〜１０ｍｍの範囲で設けることが良い。
【００３２】
また、板状セラミック体３の他方の主面と凸状部２ｂの側面とのエッジは、クラックの発生を防ぐ観点から滑らかな曲面状に形成することが良く、その曲率半径Ｒ2 は０．３ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００３３】
このように、図５では板状セラミック体３の他方の主面の中央部に円錐台状の凸状部２ｂを形成した例を示したが、図６に示すように、板状セラミック体３の他方の主面の中央部に、セラミック筒状支持体１２の接合部の形状と合致したリング状の凸状部２ｂを形成し、この凸状部２ｂにセラミック筒状支持体１２を焼結によって接合一体化しても、接合部１０の気密性を長期間にわたって維持することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、抵抗発熱体を埋設してなる板状セラミック体の一方の主面を試料の載置面とし、他方の主面側に上記抵抗発熱体と電気的に接続された給電端子を有するセラミックヒータと、上記給電端子を包囲するように前記セラミックヒータの他方の主面に接合された筒状支持体とを備えた試料加熱装置において、上記セラミックヒータの他方の主面に厚みが中央部を除く他部より厚い凸状部を設け、上記筒状支持体の端面に上記凸状部と対向するフランジ部を設けており、且つ上記凸状部の周縁部の頂面に上記筒状支持体の上記フランジ部を接合してあり、上記凸状部の外周側面と上記筒状支持体の上記フランジ部の外周側面とにより連続的な面を構成したことから、セラミックヒータと筒状支持体との接合部における温度勾配を小さくし、接合部に作用する熱応力を低減することができるため、接合部にクラックを生じることがなく、優れた気密性を維持することがきる。しかも、処理室内に露出するセラミックヒータは、緻密で耐熱性、耐食性、耐プラズマ性に優れたセラミックスからなるため、長寿命であるとともに、ウエハ等の試料に悪影響を与えることがなく、さらに成膜精度やエッチング精度を劣化させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例である試料加熱装置を真空処理室に取り付けた状態を示す断面図である。
【図２】本発明の参考例である試料加熱装置のみを示す斜視図である。
【図３】本発明の参考例である試料加熱装置の分解図である。
【図４】図１の試料加熱装置の変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の試料加熱装置を示す断面図である。
【図６】図５の試料加熱装置の変形例を示す断面図である。
【図７】従来の試料加熱装置を真空処理室に取り付けた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，３１・・・試料加熱装置
２，３２・・・セラミックスヒータ
２ａ    ・・・環状溝
２ｂ    ・・・凸
３，３３・・・板状セラミック体
４，３４・・・抵抗発熱体
５，３５・・・載置面
６，３６・・・給電端子
７，９，３７・・・リード線
８      ・・・温度検出手段
１０，４０・・・接合部
【図１】
0003810216.tif 000002
【図２】
0003810216.tif 000003
【図３】
0003810216.tif 000004
【図４】
0003810216.tif 000005
【図５】
0003810216.tif 000006
【図６】
0003810216.tif 000007
【図７】
0003810216.tif 000008