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JP6715699B2 - セラミックスヒータ - Google Patents

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JP6715699B2
JP6715699B2 JP2016127063A JP2016127063A JP6715699B2 JP 6715699 B2 JP6715699 B2 JP 6715699B2 JP 2016127063 A JP2016127063 A JP 2016127063A JP 2016127063 A JP2016127063 A JP 2016127063A JP 6715699 B2 JP6715699 B2 JP 6715699B2
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Description

本発明は、半導体ウエハなどの被加熱物を加熱するセラミックスヒータに関する。
成膜又はエッチング等の処理の対象となる半導体ウエハなどの被加熱物が載置されるセラミックス基材が複数のゾーンに区分され、当該複数のゾーンのそれぞれに別個の発熱抵抗体が埋設され、それぞれの発熱抵抗体に流す電流を独立して制御するマルチゾーンヒータが提案されている。
従来、下側の発熱抵抗体は、給電端子と接続された第1発熱抵抗要素と、第1発熱抵抗要素と接続され、第1発熱抵抗要素を重畳的に囲む相互に離間している1又は複数の環状区域のそれぞれに配置されている第2発熱抵抗要素と、隣り合う環状区域に配置されている下側発熱抵抗要素同士を接続する第3発熱抵抗要素とにより構成されている。そして、給電端子と第2発熱抵抗要素とを直線的に接続する領域に第1発熱抵抗要素が配置されている。
例えば、特許文献1には、伝導面が埋設されたセラミックス基材において、伝導面の下側に埋設された発熱抵抗体が、上記の下側の発熱抵抗体のように発熱抵抗要素が配置されることが記載されている。
特開2015−18704号公報
しかしながら、上記従来のセラミックスヒータにおいては、下側の発熱抵抗体における第1発熱抵抗要素の電気抵抗により、この部分に局所的な発熱が生じる。そのため、この領域の上方に配置された上側の発熱抵抗体による発熱を補っても、基材を均熱化することは困難であった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、基材の均熱化を図ることが可能なセラミックスヒータを提供することを目的とする。
本発明は、セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、前記セラミックス基材に埋設された下側発熱抵抗体と、前記下側発熱抵抗体より上側にて前記セラミックス基材に埋設された上側発熱抵抗体と、セラミックスからなり、前記セラミックス基材の下面の中心部に接続された中空のシャフトと、前記下側発熱抵抗体に電流を流すための下側用端子と、前記上側発熱抵抗体に電流を流すための上側用端子とを備えたセラミックスヒータであって、前記下側発熱抵抗体は、前記下側用端子と接続された第1下側発熱抵抗要素と、前記第1下側発熱抵抗要素と接続され、上面視において前記上側発熱抵抗体の最外周より外側であって、前記第1下側発熱抵抗要素を重畳的に囲む相互に離間している1又は複数の下側環状区域のそれぞれに配置されている第2下側発熱抵抗要素と、隣り合う前記下側環状区域に配置されている前記第2下側発熱抵抗要素同士を接続する第3下側発熱抵抗要素とにより構成され、前記上側発熱抵抗体は、上面視において、前記シャフトの外周の内側及び外側に位置する領域に配置されており、前記第1下側発熱抵抗要素は、少なくとも、上面視において、前記シャフトの外周の外側であって、かつ、前記上側発熱抵抗体の最外周より内側に位置する領域を含み、前記下側用端子と前記第2下側発熱抵抗要素とを前記第3下側発熱抵抗要素の幅で直線的に接続した領域の面積を超える面積を有する領域に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、下側用端子と第2下側発熱抵抗要素とを第3下側発熱抵抗要素の幅と同程度の幅で直線的に接続する領域に第1下側発熱抵抗要素が配置されている従来のセラミックスヒータと比較して、第1下側発熱抵抗要素の存在する領域の面積が大きい。これにより、第1下側発熱抵抗要素の抵抗値が小さくなり、この部分での発熱が抑制されることにより、基材の均熱化を図ることが可能となる。
なお、本発明のセラミックスヒータは、下側発熱抵抗体と上側発熱抵抗体との上下2層の発熱抵抗体を備えるものに限定されない。例えば、本発明のセラミックスヒータは、下側発熱抵抗体より下側にさらに位置する発熱抵抗体、下側発熱抵抗体と上側発熱抵抗体との間に位置する発熱抵抗体、上側発熱抵抗体より上側にさらに位置する発熱抵抗体の何れかが少なくとも1つ備わるものであってもよい。
本発明において、前記第1下側発熱抵抗要素は、前記上側用端子と電気的に接続される構造と離間しつつ、前記セラミックス基材を上下方向に貫通する孔を除き、上面視において前記上側発熱抵抗体の最外周より内側の領域の全面に亘って配置されていることが好ましい。
この場合、第1下側発熱抵抗要素の領域を可能な限り広くできる。これに、第1下側発熱抵抗要素の抵抗値がさらに小さくなり、この部分での発熱がさらに抑制されることにより、基材のさらなる均熱化を図ることが可能となる。
また、本発明において、前記上側発熱抵抗体は、前記上側用端子と接続された第1上側発熱抵抗要素と、前記第1上側発熱抵抗要素と接続され、前記第1上側発熱抵抗要素を重畳的に囲む相互に離間している1又は複数の上側環状区域のそれぞれに配置されている第2上側発熱抵抗要素と、隣り合う前記上側環状区域に配置されている前記第2上側発熱抵抗要素同士を接続する第3上側発熱抵抗要素とにより構成され、上面視において前記シャフトの内側に位置し当該シャフトに最も近い前記第2上側発熱抵抗要素は、上面視において前記シャフトの外側に位置し最も近い前記第2上側発熱抵抗要素と比較して、抵抗値が大きいことが好ましい。
この場合、上面視においてシャフトの内側に位置し当該シャフトに最も近い第2上側発熱抵抗要素は、上面視においてシャフトの外側に位置し最も近い第2上側発熱抵抗要素と比較して抵抗値が小さい従来のセラミックスヒータと比較して、前者の抵抗値が大きい。これにより、この部分での発熱が大きくなり、シャフトによる熱逃げの補償を図ることが可能となる。これにより、基材の半径方向の均熱化を図ることが可能となる。
また、本発明において、前記上面視において前記シャフトの内側に位置し当該シャフトに最も近い前記第2上側発熱抵抗要素は、外側から中心部に向う部分を有するように蛇行していることが好ましい。
この場合、厚さを変えることなく、第2上側発熱抵抗要素を構成することが簡易に可能となる。
本発明の実施形態に係るセラミックスヒータの模式断面図。 図1のII−II模式断面図。 図1のIII−III模式断面図。 上側発熱抵抗体の変形例を示す模式断面図。 比較例1における下側発熱抵抗体を示す模式断面図。
まず、本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ100について図1から図3を参照して、説明する。
セラミックスヒータ100は、図示しないウエハ(基材)などの被加熱物を吸着保持するための略円板状の絶縁体からなる基材10と、相互に短絡しないように基材10に埋設されている上側発熱抵抗体20及び下側発熱抵抗体30と、基材10の下面の中心部に接続された中空のシャフト40とを備えている。
シャフト40は、大略円筒形状であり、基材10との接合部分の外径が他の円筒部41より拡径した拡径部42を有し、拡径部42の上面が基材10との接合面となっている。
シャフト40の材質は、基材10の材質と同等でよいが、断熱性を高めるために、基材10の素材より熱伝導率の低い素材から形成されていてもよい。
基材10の下面とシャフト40の上端面とが、拡散接合又はセラミックス若しくはガラス等の接合材による固相接合によって接合されている。なお、基材10とシャフト40とは、ねじ止めやろう付けなどによって接続されてもよい。
なお、基材10には、発熱抵抗体20,30のほか、ウエハをジョンセン−ラーベック力により載置面に引き付けるための静電チャック電極及び基材10の上方にプラズマを発生させるためのプラズマ電極のうち少なくとも一方が埋設されていてもよい。
さらに、セラミックスヒータ100は、上側発熱抵抗体20に対して電力を供給するための一対の上側用端子50と、下側発熱抵抗体30に対して電力を供給するための一対の下側用端子60とをも備えている。
端子50,60には、それぞれ基材10に埋設されている図示しない電流供給部材に接続されている。そして、シャフト40の中空部を通って配線されている図示しない給電線が接続され。この給電線は図示しない電源に接続されている。
端子50,60と電流供給部材とはろう付け又は溶接されている。端子50,60は、箔、板、塊状のニッケル(Ni)、コバール(登録商標)(Fe−Ni−Co)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、又はモリブデン(Mo)及びタングステン(W)を主成分とする耐熱合金などの耐熱金属から構成される。電流供給部材はモリブデン(Mo)又はタングステン(W)などからなる。
基材10は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなるセラミックス焼結体である。基材10は、上記の材料を所定形状の型に入れて成形し、緻密化させるため、例えばホットプレス焼成等によって円板状に作製すればよい。
発熱抵抗体20,30は、本実施形態では、モリブデン(Mo)又はタングステン(W)等の耐熱金属などのメッシュからなり、面状の形態をしている。ただし、発熱抵抗体20,30は、耐熱金属などからなる膜、板、線、箔、繊維、コイル、リボン状など構成であってもよく、螺旋、折返し状などの形態であってもよい。そして、本実施形態では、発熱抵抗体20,30の厚さは一定となっている。
基材10の間に発熱抵抗体20,30を挟み込んだ状態で、基材10は焼成される。
発熱抵抗体20,30のパターンの一例を説明する。
上側発熱抵抗体20は、一対の上側用端子50とそれぞれ接続された第1上側発熱抵抗要素21と、第1上側発熱抵抗要素21と接続され、第1上側発熱抵抗要素21を重畳的に囲む相互に離間している1又は複数の上側環状区域のそれぞれに配置されている第2上側発熱抵抗要素22a〜22eと、隣り合う上側環状区域に配置されている第2上側発熱抵抗要素同士22a〜22eを接続する第3上側発熱抵抗要素23a〜23dとにより構成されている。
なお、本実施形態では、第2上側発熱抵抗要素22a〜22eは、第1上側発熱抵抗要素21を重畳的に囲む相互に離間している5つの上側環状区域のそれぞれに半円環状に2つずつ配置されている。
ここで、第1上側発熱抵抗要素21は、折れ曲がり状に、或いは蛇行して配置されている。そして、この第1上側発熱抵抗要素21と接続され、第1上側発熱抵抗要素21の外側に位置する半円環状領域に配置される第2上側発熱抵抗要素22aも、外側から中心部に向う部分を有するように、折れ曲がり状に、或いは蛇行して配置されている。さらに、これら第1上側発熱抵抗要素21及び第2上側発熱抵抗要素22aは、第2上側発熱抵抗要素22b〜22eと比較して、幅が狭くなっている。
ただし、第2上側発熱抵抗要素22aは、折れ曲がり状に、或いは蛇行して配置されているものに限定されない。例えば、図4に示す上側発熱抵抗体20Aのように、第2上側発熱抵抗要素22aAは第2上側発熱抵抗要素22bを相似状に縮小した半円環状であってもよい。
図2の二点鎖線は、上面視におけるシャフト40の拡径部42の外周を示している。この図から分かるように、上面視において、第1上側発熱抵抗要素21及び第2上側発熱抵抗要素22aはシャフト40のフランジの外周の内側に位置し、他の第2上側発熱抵抗要素22b〜22eはシャフト40のフランジの外周の外側に位置している。
このように、上面視においてシャフト40の内側に位置し且つ当該シャフト40に最も近い第2上側発熱抵抗要素22aは、上面視においてシャフト40の外側に位置し且つ最も近い第2上側発熱抵抗要素22bと比較して、幅が狭く且つ長いので、抵抗値が大きくなっている。ただし、第2上側発熱抵抗要素22aは、第2上側発熱抵抗要素22bと比較して、抵抗値が大きければよく、幅が狭い、或いは長さが長くてもよい。
基材10の熱はシャフト40を介して逃げる割合が大きく、従来のセラミックスヒータにおいては、半径方向に熱勾配が発生していた。しかし、本セラミックスヒータ100においては、上面視においてシャフト40の内側に位置し且つ当該シャフト40に最も近い第2上側発熱抵抗要素22aの抵抗値が大きいので、ここでの発熱が大きくなり、シャフト40による熱逃げの補償を図ることが可能となる。これにより、基材10の半径方向の均熱化を図ることが可能となる。
第1上側発熱抵抗要素21は、折れ曲がり状に、或いは蛇行して配置されているので、上側発熱抵抗体20が存在する層を貫通する構造を回避して配置することが容易である。
なお、上側発熱抵抗体20を、上下方向の位置を変えた複数段に配置してもよい。このように、上側発熱抵抗体20は、公知のセラミックスヒータの基材に埋設された発熱抵抗体と同じように配置すればよく、その構成、形態などは限定されない。
下側発熱抵抗体30は、一対の下側用端子60とそれぞれ接続された第1下側発熱抵抗要素31と、第1下側発熱抵抗要素31と接続され、第1下側発熱抵抗要素31を重畳的に囲む相互に離間している1又は複数の下側環状区域のそれぞれに配置されている第2下側発熱抵抗要素32a,32bと、隣り合う下側環状区域に配置されている第2下側発熱抵抗要素32a,32b同士を接続する第3下側発熱抵抗要素33aとにより構成されている。
なお、本実施形態では、第2下側発熱抵抗要素32a,32bは、第1下側発熱抵抗要素31を重畳的に囲む相互に離間している2つの下側環状区域のそれぞれに半円状に2つずつ配置されている。ただし、第2下側発熱抵抗要素32a,32bは、例えば、折り曲がり線状に配置されていてもよい。
下側発熱抵抗体30は、上述した構成、形態に限定されない。下側発熱抵抗体30は、半円状のものが2つ結合された形態、蛇行した形態などであってもよい。
図3の二点鎖線は、上面視における上側発熱抵抗体20の外周を示している。この図から分かるように、第1下側発熱抵抗要素31は、上面視において上側発熱抵抗体20の内側に位置する領域を含むように配置され、第2下側発熱抵抗要素32a,32bは、上面視において上側発熱抵抗体20の最外周より外側の領域に配置されている。
そして、第1下側発熱抵抗要素31は、それぞれ大略半円状となっている。第1下側発熱抵抗要素31は、下側用端子60と第2下側発熱抵抗要素32a,32bとを第3下側発熱抵抗要素33aの幅と同じ幅で直線的に接続する領域以外の領域にも配置されている。
具体的には、第1下側発熱抵抗要素31は、上側用端子50と図示しない外部電源とを電気的に接続する構造と離間するために、基材10の中央部において略半円状の空間を有している。離間が目的であるため略半円状の空間に限定されず最小限の空間が形成されていればよい。また、第1下側発熱抵抗要素31は、基材10を上下方向に貫通する孔として3つの円状の空間を有している。そして、第1下側発熱抵抗要素31は、これらの空間を除き、第2下側発熱抵抗要素32aの内側であって、所定の隙間を隔てた領域の全面に亘って配置している。このように、第1下側発熱抵抗要素31は、非常に広い領域に配置されており、中央部の下側用端子60との接続位置から第2下側発熱抵抗要素32aまでの抵抗値は第2下側発熱抵抗要素32a,32bと比較して非常に小さいものとなっており第1下側発熱抵抗要素31の同一平面上で発生するジュール発熱が抑えられている。
従来のセラミックスヒータにおいては、第1下側発熱抵抗要素31は下側用端子60と第2下側発熱抵抗要素32a,32bとを第3下側発熱抵抗要素33の幅と同程度の幅で直線的に接続する領域に配置されていたので、この部分における不可避なジュール発熱により、基材10の均熱化を妨げられていた。
しかし、本セラミックスヒータ100においては、第1下側発熱抵抗要素31は、従来と比較して広い領域に配置されており、抵抗値が小さくなっているので、発熱が抑制される。これにより、基材10の均熱化を図ることが可能となる。また、埋設する下側発熱抵抗体30として金属層をほぼ全面に渡り配置しているので、その金属の反射率が大きいため上側発熱抵抗体20で発熱したジュール熱を反射し、シャフト40への熱逃げを抑制する効果も得られ、あわせて均温化を図ることができる。
なお、本発明の実施形態に係るセラミックスヒータは、上側発熱抵抗体20と下側発熱抵抗体30との上下2層の発熱抵抗体を備えるものに限定されない。例えば、本発明のセラミックスヒータは、上側発熱抵抗体20より上側にさらに位置する発熱抵抗体、上側発熱抵抗体20と下側発熱抵抗体30との間に位置する発熱抵抗体、下側発熱抵抗体30より下側にさらに位置する発熱抵抗体の何れかが、少なくとも1つ備わるものであってもよい。
また、上面視において、第2下側発熱抵抗要素32a,32bは上側発熱抵抗体20の最外周より外側の領域に配置されている場合について説明した。しかし、これに限定されず、上面視において、第2下側発熱抵抗要素32a,32bが上側発熱抵抗体20の最外周より内側の領域に配置され、第2下側発熱抵抗要素32a,32bと上側発熱抵抗体20とがオーバーラップしていてもよい。
(実施例1a)
基材10として、160高熱伝導窒化アルミニウムからなり、直径340mm、厚さ15mmの円板状のものを用意した。
この基材10には、上面から厚さの50%である7.5mmの位置に、線径0.1mmの純モリブデン線から50メッシュのメッシュをレーザ加工して図2に示した形状とした上側発熱抵抗体20を埋設した。また、この基材10には、上面から厚さの70%である10.5mmの位置に、線径0.1mmの純モリブデン線から50メッシュのメッシュをレーザ加工して図3に示した形状とした下側発熱抵抗体30を埋設した。
そして、この基材10の下面に、常温の熱伝導率が80kW/(m・k)の窒化アルミニウムからなり、内径50mm、外径56mm、長さ200mmの円筒形状のシャフト40の上端面を拡散接合法によって接合した。なお、シャフト40の拡径部42は、外径70mmであった。このようにしてセラミックスヒータ100を得た。
上側発熱抵抗体20と下側発熱抵抗体30とは、それぞれ独立した2個の電力調節器(電力フィードバック式のサイリスタ)で、基材10の上面中心部に挿入された熱電対が200℃となるよう制御した(プロセスA)。なお、上側発熱抵抗体20近傍の熱電対が示す温度でフィードバック制御し、上側発熱抵抗体20と下側発熱抵抗体30との電力比は、サイリスタの勾配器を調節し概ね均温化する比率に調節した。
そして、プロセスAでは、セラミックスヒータ100を、雰囲気圧力が10Torr(=約1333Pa)のチャンバ内に収容した。
そして、前記上側熱電対の測定温度が、室温から200℃まで5℃/分で昇温するように、電力比50:50で発熱抵抗体20,30に電力を供給した。そして、前記熱電対の測定温度が200℃となった状態で、概ね均温化するように発熱抵抗体20,30に供給する電力を調節し、その後15分間保持した。このとき、上側発熱抵抗体20と下側発熱抵抗体30とに供給した電力比を求めた。
そして、15分間経過した時点で、基材10の上面の温度をIRカメラで測定した。これらの測定温度のうち最高温度と最低温度との差を測定した。
そして、前記熱電対の測定温度が、室温から450℃まで5℃/分で昇温するように、上側発熱抵抗体20と下側発熱抵抗体30との電力比を60:40として、発熱抵抗体20,30に電力を供給した。そして、前記熱電対の測定温度が450℃となった状態で、発熱抵抗体20,30に供給する電力を調節し均温化を図った。その後15分間保持した。このときの電力比を求めた。
(実施例1b)
また、実施例1bでは、プロセスBとして、セラミックスヒータ100を、雰囲気圧力が0.1Torr(=約13.33Pa)のチャンバ内に収容した。
そして、プロセスAと同様にして、基材10の上面の温度を測定した。
(実施例2a,2b)
上側発熱抵抗体20を図4のようにした以外、実施例1と同じ仕様で製作し評価を行った。
(比較例1a)
下側発熱抵抗体を図5のようにした以外、実施例1と同じ仕様で製作し評価を行った。
実施例1、実施例2、比較例の評価結果を表1に示す。
その結果、実施例1では、第1下側発熱抵抗要素の効果又は第1上側発熱抵抗要素の少なくとも1つが均温性に良い影響を与えていることが理解される。また、実施例2では、第1下側発熱抵抗要素の効果のみによっても均温化が図られ効果があることが示された。
10…基材(セラミックス基材)、 20,20A…上側発熱抵抗体、 21…第1上側発熱抵抗要素、 22a〜22e,22aA…第2上側発熱抵抗要素、 23a〜23d…第3上側発熱抵抗要素、 30…下側発熱抵抗体、 31…第1下側発熱抵抗要素、 32a,32b…第2下側発熱抵抗要素、 33…第3下側発熱抵抗要素、、 40…シャフト、 41…円筒部、 42…拡径部、 50…上側用端子、 60…下側用端子、 100…セラミックスヒータ。

Claims (4)

  1. セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、
    前記セラミックス基材に埋設された下側発熱抵抗体と、
    前記下側発熱抵抗体より上側にて前記セラミックス基材に埋設された上側発熱抵抗体と、
    セラミックスからなり、前記セラミックス基材の下面の中心部に接続された中空のシャフトと、
    前記下側発熱抵抗体に電流を流すための下側用端子と、
    前記上側発熱抵抗体に電流を流すための上側用端子とを備えたセラミックスヒータであって、
    前記下側発熱抵抗体は、前記下側用端子と接続された第1下側発熱抵抗要素と、前記第1下側発熱抵抗要素と接続され、上面視において前記上側発熱抵抗体の最外周より外側であって、前記第1下側発熱抵抗要素を重畳的に囲む相互に離間している1又は複数の下側環状区域のそれぞれに配置されている第2下側発熱抵抗要素と、隣り合う前記下側環状区域に配置されている前記第2下側発熱抵抗要素同士を接続する第3下側発熱抵抗要素とにより構成され、
    前記上側発熱抵抗体は、上面視において、前記シャフトの外周の内側及び外側に位置する領域に配置されており、
    前記第1下側発熱抵抗要素は、少なくとも、上面視において、前記シャフトの外周の外側であって、かつ、前記上側発熱抵抗体の最外周より内側に位置する領域を含み、前記下側用端子と前記第2下側発熱抵抗要素とを前記第3下側発熱抵抗要素の幅で直線的に接続した領域の面積を超える面積を有する領域に配置されていることを特徴とするセラミックスヒータ。
  2. 前記第1下側発熱抵抗要素は、前記上側用端子と電気的に接続される構造と離間しつつ、前記セラミックス基材を上下方向に貫通する孔を除き、上面視において前記上側発熱抵抗体の最外周より内側の領域の全面に亘って配置されていることを特徴とする請求項1に記載のセラミックスヒータ。
  3. 前記上側発熱抵抗体は、前記上側用端子と接続された第1上側発熱抵抗要素と、前記第1上側発熱抵抗要素と接続され、前記第1上側発熱抵抗要素を重畳的に囲む相互に離間している1又は複数の上側環状区域のそれぞれに配置されている第2上側発熱抵抗要素と、隣り合う前記上側環状区域に配置されている前記第2上側発熱抵抗要素同士を接続する第3上側発熱抵抗要素とにより構成され、
    上面視において前記シャフトの内側に位置し当該シャフトに最も近い前記第2上側発熱抵抗要素は、上面視において前記シャフトの外側に位置し最も近い前記第2上側発熱抵抗要素と比較して、抵抗値が大きいことを特徴とする請求項1又は2に記載のセラミックスヒータ。
  4. 前記上面視において前記シャフトの内側に位置し当該シャフトに最も近い前記第2上側発熱抵抗要素は、外側から中心部に向う部分を有するように蛇行していることを特徴とする請求項3に記載のセラミックスヒータ。
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