説明

ヒータユニット、及び半導体製造方法

【課題】外側ヒータと内側ヒータとの出力の差を小さくするとともに、外側ヒータの負荷を上げることなく、半導体ウエハの温度を均一に近づける。
【解決手段】内側ヒータ8の発熱面積SH1、外側ヒータ9の発熱面積SH2、半導体ウエハ200の面積SW、ウエハホルダの面積SBと表すとき、内側ヒータ8の発熱面積SH1と外側ヒータ9の発熱面積SH2との比率が、 SH1/(SH1+SH2)×100=60乃至55%、 SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45% を満たすように内側ヒータ8及び外側ヒータ9を構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ウエハ等の被加熱物を加熱処理するヒータユニット、及び半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製造過程において、半導体ウエハのプロセス処理を行うために基板加熱用のヒータユニットが用いられている(例えば、特許文献1参照)。半導体ウエハの外周部は、いわゆる熱引けが起こり易いため、ウエハの外周部の温度は、内周部の温度よりも低下しやすい。そこで、内周側と外周側とにそれぞれ温度調節が可能なヒータを設置したヒータユニットが提案されている。
【0003】
このヒータユニットは、内周側に配置された内側ヒータと外周側に配置された外側ヒータとを有する。外側ヒータを内側ヒータよりも高い温度に設定することにより、熱引けが生じやすい半導体ウエハの外周部を、高い温度で加熱することができ、半導体ウエハ全体の温度を均一に近づけることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2002−083782号公報(図2参照)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、半導体ウエハの直径が大きくなると課題が生じる。すなわち、半導体ウエハの直径が大きくなる程、外周部における熱引けが顕著になるため、半導体ウエハの温度を均一に保つために、外側ヒータの出力を上げる必要がある。これにより、外側ヒータには内側ヒータよりも多大な負荷がかかり、外側ヒータが劣化し易くなるという問題があった。また、外側ヒータの交換の回数が嵩み、結果としてコスト増に繋がっていた。
【0006】
そこで、本発明は、外側ヒータと内側ヒータとの出力の差を小さくするとともに、外側ヒータの負荷を上げることなく、半導体ウエハの温度を均一に近づけることのできるヒータユニット、及び半導体製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述した課題を解決するため、本発明は、以下の特徴を有する。略円形状に加工された半導体ウエハが載置される載置台と、前記載置台を加熱するヒータとを備えるヒータユニットであって、前記ヒータは、円環形状の外側ヒータと、前記外側ヒータの円環の内側に配置される円形状の内側ヒータとを有し、前記内側ヒータの発熱面積SH1と、前記外側ヒータの発熱面積SH2との比率が、 SH1/(SH1+SH2)×100=60乃至55%、 SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45% を満たし、前記半導体ウエハの直径は、前記外側ヒータの内径よりも大きく、前記外側ヒータの外径よりも小さいことを要旨とする。
【0008】
本発明において、発熱面積とは、円環状或いは円形状のパターンを有するヒータの裏表の表面積の和と、ヒータの側面の面積の和である。また、単に表面積と表記した場合には、一方の表面(又は裏面)のみの面積を示し、他方の表面と側面の面積の和は含まない。
【0009】
本発明によれば、外側ヒータの発熱面積SH2が SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45% を満たすことにより、外側ヒータの断面積が減少する。これにより、外側ヒータの抵抗値が高くなるため、外側ヒータにかける電流を上げることなく、外側ヒータの発熱量を増加させることができる。従って、半導体ウエハの温度を均一に近づけることができる。
【0010】
上述した本発明の特徴では、前記載置台の直径Dbと前記半導体ウエハの直径Dwとは、 1.2Wd≦Db≦1.4Wd を満たすように構成されていてもよい。
【0011】
上述した本発明の特徴では、前記内側ヒータの表面積S1と前記半導体ウエハの面積SWとは、 0.85SW≦S1≦0.90SW を満たすように構成されていてもよい。
【0012】
上述した本発明の特徴では、前記外側ヒータの温度は、前記内側ヒータの温度よりも50〜100℃高く設定されてもよい。
【0013】
また、上述した課題を解決するため、本発明は、以下の特徴を有する。略円形状に加工された半導体ウエハが載置される載置台と、前記載置台の前記半導体ウエハが載置される面の反対側の面を加熱するヒータとを備え、前記ヒータは、円環形状の外側ヒータと、前記外側ヒータの円環の内側に配置される円形状の内側ヒータとを有し、前記内側ヒータの発熱面積SH1と、前記外側ヒータの発熱面積SH2との比率が、SH1/(SH1+SH2)×100=60乃至55%、SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45%を満たし、前記半導体ウエハの直径は、前記外側ヒータの内径よりも大きく、前記外側ヒータの外径よりも小さことを特徴とするヒータユニットを用いて半導体ウエハを加熱し、前記加熱された半導体ウエハ上に薄膜を形成する半導体ウエハ製造方法であって、前記外側ヒータの温度が前記内側ヒータの温度よりも50〜100℃高く設定された状態で、前記半導体ウエハにプロセスガスが供給される半導体ウエハ製造方法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、外側ヒータと内側ヒータとの出力の差を小さくするとともに、外側ヒータの負荷を上げることなく半導体ウエハの温度を均一に近づけることのできるヒータユニット、及び半導体製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】図1は、本発明の実施形態に係るヒータユニットを適用した半導体製造装置の概略を説明する構成図である。
【図2】図2は、本発明の実施形態にヒータユニットの構成を説明する断面図である。
【図3】図3は、本発明の実施形態に係るヒータユニットのヒータを説明する平面図である。
【図4】図4は、本発明の実施形態に係るヒータユニットのヒータ、ウエハホルダ、及び半導体ウエハの寸法の関係を説明する図である。
【図5】図5は、本発明の実施形態に係るヒータユニットのウエハホルダの法線方向からみた平面におけるヒータ、ウエハホルダ、及び半導体ウエハの面積の違いを説明する図である。
【図6】図6は、本実施形態の発熱面積比率で構成されたヒータユニットによって加熱された直径200mmの半導体ウエハの温度分布を示す図である。
【図7】図7は、本実施形態の発熱面積比率で構成されたヒータユニットによって加熱された直径300mmの半導体ウエハの温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本発明に係るヒータユニット、及びヒータユニットを用いた半導体製造装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。具体的には、(1)半導体製造装置の概略の説明、(2)ヒータユニットの構成の説明、(3)ヒータの構成の説明、(4)半導体製造方法、(5)作用・効果、(6)その他の実施形態、について説明する。
【0017】
なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なのものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることを留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。
【0018】
(1)半導体製造装置の概略の説明
図1は、実施形態に係るヒータユニット1を適用した半導体製造装置100の概略を説明する図である。実施形態に係る半導体製造装置100は、半導体ウエハ200に化学気相成長(CVD)を行う装置である。半導体製造装置100は、図1に示すように、半導体ウエハ200を加熱するヒータユニット1と、ヒータユニット1を覆うチャンバー110と、チャンバー110内部に取り付けられており半導体ウエハ200に向けてプロセスガスを吹き付けるシャワーヘッド120と、チャンバー110の側面に配置された保温ヒータ130とを有する。保温ヒータ130は、半導体ウエハ200の外周部からチャンバー110側への熱の流れ(熱引け)を防止するために、チャンバー110の側面を加熱するために配置される。
【0019】
(2)ヒータユニットの構成の説明
次に、ヒータユニット1について説明する。図2は、ヒータユニット1の構成を説明する断面図であり、図3は、ヒータユニット1のヒータ7を具体的に説明する平面図である。図2に示すように、ヒータユニット1は、床面に載置される支持台2と、中央側支持柱3と、位置決め部材4と、ウエハホルダ5と、保持体6と、ヒータ7とを備える。ウエハホルダ5は、略円形状に加工された載置面5aを有する。ウエハホルダ5は、載置台を構成する。
【0020】
図2に示すように、ヒータ7は、内側ヒータ8と、外側ヒータ9とを有する。内側ヒータ8及び外側ヒータ9のそれぞれは、所定幅を有する帯状の発熱体からなり、同一平面上に連続した、いわゆる一筆書き状に所定のパターンが形成されている(図3参照)。
【0021】
図2において、内側ヒータ8は、半導体ウエハ200(図2,3には不図示)を載置する載置面5aの径方向中央部側である内周側に配置される。実施形態では、内側ヒータ8の外観は、円板形になるように形成されている。また、外側ヒータ9の外観は、円環状に形成されている。外側ヒータ9は、内側ヒータ8よりも外周側に配置される。すなわち、内側ヒータ8は、外側ヒータ9の円環の内側に配置される。
【0022】
内側ヒータ8の径方向外側の外縁部8eと、外側ヒータ9の内側の内縁部9ieとは、同心円状に配置されている。
【0023】
中央側支持柱3は、支持台2の中央部に配置されており、一方の端部が支持台2に固定されている。また、他方の端部が支持台2から上方に向けて延びる。中央側支持柱3の柱中心線CLは、後述するウエハホルダ5の平面中心に一致する。
【0024】
位置決め部材4は、支持台2の外周側に配置されており、一方の端部が支持台2に当接している。また、他方の端部が支持台2から上方に向けて延びる。また、位置決め部材4は、内側ヒータ8と外側ヒータ9との境界に配置されており、内側ヒータ8と外側ヒータ9との双方に当接する。位置決め部材4は、外側ヒータ9と内側ヒータ8との境界に含まれる同心円上に等間隔に配置される。
【0025】
位置決め部材4は、円筒状に形成された構造体11の挿通孔11hに挿通されている。構造体11の下端部には、フランジ11aが設けられる。フランジ11aは、ボルト12を介して支持台2に取り付けられている。このように、構造体11が支持台2に固定されることによって、位置決め部材4が固定される。ウエハホルダ5の上面(載置面5a)は、被加熱体である半導体ウエハ(図示せず)を保持するため、高温耐性を有する材質(例えば石英)から形成される。
【0026】
ウエハホルダ5の平面形状は、半導体ウエハの平面形状と略同一であり、実施形態では、略円形である。ウエハホルダ5は、水平な載置面5aを有し、載置面5aには半導体ウエハ200(不図示)が載置される。ウエハホルダ5は、中央側支持柱3および位置決め部材4によって支持される。保持体6は、ウエハホルダ5の下方に配置される。ヒータ7は、保持体6とウエハホルダ5と保持体6との間に配置される。ヒータ7は、通電により発熱する。
【0027】
外側ヒータ9の内縁部9ieには、位置決め部材4の側面を支持する略半円状の支持凹部9aが形成される。内側ヒータ8の外縁部8eには、外側ヒータ9の支持凹部9aに対向配置された略半円状の支持凹部8aが形成される。位置決め部材4は、一対の支持凹部8a,9aによって支持される。内側ヒータ8の中央部には中央孔10が形成されている。中央孔10の中心は、中心線CLに一致する。
【0028】
(3)ヒータの構成の説明
次に、ヒータ7(内側ヒータ8、外側ヒータ9)の構成について説明する。図4は、ヒータユニット1のヒータ7(内側ヒータ8、外側ヒータ9)、ウエハホルダ5、及び半導体ウエハ200の寸法の関係を説明する図である。図5は、ヒータユニット1のウエハホルダ5の法線方向からみた平面における内側ヒータ8、外側ヒータ9、ウエハホルダ5、及び半導体ウエハ200の面積の違いを説明する図である。
【0029】
図4に示すように、半導体ウエハ200の直径Dw、ウエハホルダ5の直径Db、内側ヒータ8の直径Dh0、外側ヒータ9の内径Dh1、外側ヒータ9の外径Dh2と表す。また、図5(a)、(b)に示すように、内側ヒータ8の発熱面積SH1(側面の面積Ss1+側面の面積Ss2+表面積S1×2)、外側ヒータ9の発熱面積SH2(側面の面積Ss3+側面の面積Ss4+表面積S2×2)を定義する。また、半導体ウエハ200の面積SW、ウエハホルダ5の面積を面積SBと表す。
【0030】
このとき、実施形態において、内側ヒータ8の発熱面積SH1と外側ヒータ9の発熱面積SH2との比率は、 SH1/(SH1+SH2)×100=60乃至55%、 SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45% を満たす。
【0031】
更に、半導体ウエハ200の直径Dwは、外側ヒータ9の内径Hd1よりも大きく、外側ヒータ9の外径Hd2よりも小さい。
【0032】
また、ウエハホルダ5の直径Dbと、半導体ウエハ200の直径Dwとは、 1.2Dw≦Db≦1.4Dw を満たす。
【0033】
また、内側ヒータ8の表面積S1と半導体ウエハ200の面積SWとは、 0.85SW≦S1≦0.90SW を満たす。
【0034】
外側ヒータ9を形成する帯状の発熱体の幅は、内側ヒータ8を形成する帯状の発熱体の幅の略1/2としてもよい。これにより、外側ヒータ9の断面積を1/2にすることができる。
【0035】
(4)半導体製造方法
実施形態では、上述したヒータ7の構成を有するヒータユニット1が適用された半導体製造装置100を用いて、半導体ウエハを加熱し、加熱された半導体ウエハ200上に薄膜を形成する。実施形態では、CVD法により、薄膜を形成する。
【0036】
実施形態にかかる半導体製造方法では、外側ヒータ9の温度が内側ヒータ8の温度よりも50〜100℃高く設定された状態で、半導体ウエハ200にプロセスガスを供給する。
【0037】
(5)作用・効果
ヒータユニット1によれば、内側ヒータ8の発熱面積SH1,外側ヒータ9の発熱面積SH2は、SH1/(SH1+SH2)×100=60乃至55%、 SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45%、 1.2Dw≦Db≦1.4Dw、 0.85SW≦S1≦0.90SW を満たすことにより、外側ヒータの断面積を減少させることができる。これにより、外側ヒータ9の抵抗値が高くなるため、外側ヒータ9にかける電力負荷上げることなく、外側ヒータ9の発熱温度を増加させることができる。従って、半導体ウエハの外周部における熱引けを防止し、半導体ウエハ200の温度を均一に近づけることができる。
【0038】
内側ヒータ8と外側ヒータ9の出力差は、小さいことが好ましいことから、例えば、外側ヒータ9の出力を内側ヒータ8の出力よりも高めれば、出力差を低減させることが可能であるが、外側ヒータ9に流れる電流値が高められると、電極端部の温度が自己発熱により上昇し、ヒータの寿命を低下させる。また、流す電流の容量によって、使用するケーブル径も決まるため、装置設計上の制約になるため、好ましくない。そのため、内側ヒータ8と外側ヒータ9の電流差も小さくできることが好ましい。
【0039】
外側ヒータ9を形成する帯状の発熱体の幅は、内側ヒータ8を形成する帯状の発熱体の幅の略1/2としてもよい。このとき、外側ヒータ9の断面積は、1/2になる。これにより、内側ヒータ8と外側ヒータ9との出力バランスを変更しなくても、外側ヒータ9の抵抗値を高くすることができ、外側ヒータ9の発熱温度を上昇させることができる。
【0040】
換言すれば、外側ヒータ9の出力を下げることができる。すなわち、発熱体の幅を1/2にする前に比べて、発熱温度を低下させることなく、外側ヒータ9の電流値を小さくできるため、ランニングコストを低減することができ、省エネ化、長寿命化に繋がるという利点がある。
【0041】
(6)その他の実施形態
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例が明らかとなる。例えば、本発明の実施形態は、次のように変更することができる。
【0042】
例えば、内側ヒータ8の発熱面積SH1,外側ヒータ9の発熱面積SH2は、SH1/(SH1+SH2)×100=60乃至55%、 SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45%、 1.2Dw≦Db≦1.4Dw、 0.85SW≦SH1≦0.90SW を満たしていればよく、内側ヒータ8,外側ヒータ9のパターンは、図3,図4に示すパターンに限定されない。
【0043】
また、実施形態のヒータユニット1には、半導体ウエハ200を位置決めする位置決め部材4が形成されており、内側ヒータ8及び外側ヒータ9は、位置決め部材4を避けるようなパターンで形成されている。しかし、ヒータユニット1は、位置決め部材4を備えなくてもよい。
【実施例】
【0044】
<実施例1>
内側ヒータ、外側ヒータ、ウエハホルダのサイズを変えて、比較例1,2,実施例1のヒータユニットを作製した。各ヒータユニットの内側ヒータ、外側ヒータ、ウエハホルダサイズと、ヒータ出力との関係を表1に示す。
【表1】

【0045】
但し、表1において、※1括弧内は、半導体ウエハ面積に対する内側ヒータの発熱面積の比率であり、※2括弧内は、半導体ウエハ直径に対する外側ヒータの外径の比率であり、※3括弧内は、半導体ウエアの直径に対するウエハホルダの直径の比率であり、※4括弧内は、内側ヒータの発熱面積+外側ヒータの発熱面積の合計に対する内側ヒータの発熱面積の比率であり、※5括弧内は、内側ヒータの発熱面積+外側ヒータの発熱面積の合計に対する外側ヒータの発熱面積の比率である。
【0046】
内側ヒータの発熱面積SH1と外側ヒータの発熱面積SH2との比率が、 SH1/(SH1+SH2)×100=59%、 SH2/(SH1+SH2)×100=41%に設定された実施例1では、内側ヒータと外側ヒータとの出力差が955Wであり、出力差が良好であった。
【0047】
<実施例2>
本実施形態の発熱面積比率を有するヒータが備えられた直径ウェハサイズ200mmと同等の載置面を有するヒータユニットと、本実施形態の発熱面積比率を有するヒータが備えられた直径ウェハサイズ300mmと同等の載置面を有するヒータユニットとを用いて、半導体ウエハを加熱し、温度分布を測定した。結果を、図6,7に示す。
【0048】
図6は、本実施形態の発熱面積比率で構成された、直径200mmの半導体ウエハ用のヒータユニットによって加熱された直径200mmの半導体ウエハの温度分布を示す図である。図7は、本実施形態の発熱面積比率で構成された、直径300mmの半導体ウエハ用のヒータユニットによって加熱された直径300mmの半導体ウエハの温度分布を示す図である。
【0049】
図6,7に示すように、ヒータユニットにおける内側ヒータの発熱面積SH1と外側ヒータの発熱面積SH2との比率が、 SH1/(SH1+SH2)×100=60乃至55%、 SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45% を満たすように形成することによって、半導体ウエハの直径によらず、良好な温度分布が得られることが判った。
【符号の説明】
【0050】
1…ヒータユニット、 2…支持台、 3…中央側支持柱、 4…位置決め部材、5…ウエハホルダ、 5a…載置面、 6…保持体、 7…ヒータ、 8…内側ヒータ、 8e…外縁部、 9…外側ヒータ、 9ie…内縁部、 10…中央孔、11…構造体、 11h…挿通孔、 11a…フランジ、 12…ボルト、 100…半導体製造装置、 110…チャンバー、 120…シャワーヘッド、 130…保温ヒータ、 200…半導体ウエハ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
略円形状に加工された半導体ウエハが載置される載置台と、前記載置台を加熱するヒータとを備えるヒータユニットであって、
前記ヒータは、
円環形状の外側ヒータと、
前記外側ヒータの円環の内側に配置される円形状の内側ヒータとを有し、
前記内側ヒータの発熱面積SH1と、前記外側ヒータの発熱面積SH2との比率が、
SH1/(SH1+SH2)×100=60乃至55%、
SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45%
を満たし、
前記半導体ウエハの直径Dwは、前記外側ヒータの内径Dh1よりも大きく、前記外側ヒータの外径Dh2よりも小さいヒータユニット。
【請求項2】
前記載置台の直径Dbと前記半導体ウエハの直径Dwとは、
1.2Dw≦Db≦1.4Dw
を満たす請求項1に記載のヒータユニット。
【請求項3】
前記内側ヒータの表面積S1と前記半導体ウエハの面積SWとは、
0.85SW≦S1≦0.90SW
を満たす請求項1に記載のヒータユニット。
【請求項4】
前記外側ヒータの温度は、前記内側ヒータの温度よりも50〜100℃高く設定される請求項1に記載のヒータユニット。
【請求項5】
略円形状に加工された半導体ウエハが載置される載置台と、前記載置台の前記半導体ウエハが載置される面の反対側の面を加熱するヒータとを備え、
前記ヒータは、
円環形状の外側ヒータと、
前記外側ヒータの円環の内側に配置される円形状の内側ヒータとを有し、
前記内側ヒータの発熱面積SH1と、前記外側ヒータの発熱面積SH2との比率が、
SH1/(SH1+SH2)×100=60乃至55%、
SH2/(SH1+SH2)×100=40乃至45%
を満たし、
前記半導体ウエハの直径は、前記外側ヒータの内径よりも大きく、前記外側ヒータの外径よりも小さことを特徴とするヒータユニットを用いて半導体ウエハを加熱し、前記加熱された半導体ウエハ上に薄膜を形成する半導体ウエハ製造方法であって、
前記外側ヒータの温度が前記内側ヒータの温度よりも50〜100℃高く設定された状態で、前記半導体ウエハにプロセスガスが供給される半導体ウエハ製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−64764(P2012−64764A)
【公開日】平成24年3月29日(2012.3.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−207952(P2010−207952)
【出願日】平成22年9月16日(2010.9.16)
【出願人】(000005278)株式会社ブリヂストン (11,469)
【Fターム(参考)】