向上した熱伝導度を有するアセンブリー
【課題】半導体基板、金属／セラミック型、あるいは脱気またはアニーリングのように温度調整を必要とする他の工業的プロセスのような、加熱ターゲットの温度を調整し加熱ターゲットを支持するアセンブリーを提供する。
【解決手段】 １実施形態において、アセンブリーは、加熱ターゲットを支持する加熱ターゲット支持体と；少なくとも温度３００℃に加熱ターゲットを加熱するセラミック発熱体と；基板支持体とセラミック発熱層との間に配置した第１の熱伝導性層と；セラミック発熱層の下に配置した第２の層とからなる。ヒーターアセンブリーにおいて、第1層および第２層の双方は５ＧＰａ未満の弾性率を有し、基板に絶え間なく均一で優れた加熱を供給しつつセラミックス層に損傷をもたらさずに、セラミック発熱層を付勢する。
【解決手段】 １実施形態において、アセンブリーは、加熱ターゲットを支持する加熱ターゲット支持体と；少なくとも温度３００℃に加熱ターゲットを加熱するセラミック発熱体と；基板支持体とセラミック発熱層との間に配置した第１の熱伝導性層と；セラミック発熱層の下に配置した第２の層とからなる。ヒーターアセンブリーにおいて、第1層および第２層の双方は５ＧＰａ未満の弾性率を有し、基板に絶え間なく均一で優れた加熱を供給しつつセラミックス層に損傷をもたらさずに、セラミック発熱層を付勢する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に半導体処理中の基板の温度調整、ガラス成形を含む金属またはセラミック型の温度調整、脱気、合金化、または温度調整を必要とする他の工業的プロセスのためのアセンブリーに関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗ヒーターは、その高エネルギー効率、容易な測定および制御により、ターゲットを加熱するためのよく知られた手段である。従来の金属ヒーターが耐えられる温度より高温度を必要とするときには、それらの抵抗ヒーターの中でもセラミック発熱体が典型的に選択されている。セラミック発熱体は、金属汚染に敏感な諸プロセスにも使用されている。半導体プロセス、金属またはセラミック成形、脱気および合金化は、セラミック発熱体が典型的に使用される分野の例である。それらの分野での適用において、典型的にはターゲットが６００℃以上の温度に達することが要求される。加熱ターゲット、すなわち半導体ウエハーまたは型の温度制御は、要求されるプロセス性能に対応ために決定的に重要な意味を持つ。
【０００３】
抵抗ヒーターを含む熱調整装置は、さらにターゲットと抵抗ヒーターとの間にターゲット支持部材という分離した部分を含み得る。例えば苛酷なプロセス環境、機械的負荷あるいは汚染から抵抗ヒーターを保護する必要があるときには、そのような構造が望まれる。加熱ターゲット上に高度の温度均一性が必要なときにも、そのようなターゲット支持部材が望まれる。そのような構造では、一般に、加熱ターゲットの温度制御に関して重要な２つの領域がある。第１の重要性は加熱ターゲットとターゲット支持体の表面との間の熱移動にあり、第２はアセンブリー構造内部からのターゲット支持体の熱の調整にある。組み立てられた熱装置には典型的な接触熱抵抗の問題がある。ガスによる対流熱移動がそれほど効果をもたらさない真空または低ガス圧（２０Ｐａ以下）環境下では、それはより重要な問題になる。一般に、アルゴンまたはヘリウムのような背面ガスは、そのような伝熱困難性を補うために基板とターゲット支持体との間の熱媒体として使用される。
【０００４】
ターゲット支持部材は機能性、例えばある位置に加熱ターゲットを保持する真空または静電チャックを有しうる。機能性の別の例として、ターゲット支持体はプラズマ処理用のＲＦ電極として機能しうる。
【０００５】
第２の重要性はターゲット支持体の熱的調整にある。アセンブリー内部からのターゲット支持体の熱的調整は、一般にアセンブリー内に位置する金属製冷却板によって提供される。固体材料を介した熱伝導は、合わせ面のむら（平面度、粗さ、等）によって生じるギャップを含むエアギャップまたは空隙を介した熱伝達とは対照的により高速に行なわれるので、固体−固体接触を有する材料を介した伝導性熱伝達を促進することによって、より高い熱伝達率が得られる。これはエネルギー効率の向上、より速い加熱／冷却、およびエラストマーｏ−リングのようなアセンブリー内の非耐熱部分の保護のために望ましいことである。
【０００６】
熱的インターフェース材料（ＴＩＭ）層がセラミック支持体と冷却板との間の固体−固体接触を最大化するために使用されている。特許文献１は、厚さ５００μｍ未満の金属箔またはカーボンシートの使用を開示している。特許文献２は、熱伝導度を向上するために共形黒鉛介在層の使用を開示している。しかしながら、黒鉛または炭素層から最良の性能を得るためには、合わせ面のエアギャップまたは空隙を最小化するために発熱体およびターゲット支持部材を十分に圧縮することが要求される。
【特許文献１】米国特許６，２９２，３４６号
【特許文献２】米国特許６，５６３，６８６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上に引用した特許が開示する単一のＴＩＭ層を使用する方法は、セラミック発熱体には容易に適用することができない。セラミック発熱体は従来の金属ヒーターを超える多くの長所を持つが、セラミック部品には共通して脆性という固有の欠点がある。発熱体を破損しないで、ＴＩＭ層の性能を最大化するためにヒーターを十分に圧縮することは難しい。不十分な圧縮に起因する伝熱不良はセラミック発熱体に共通する問題である。さらに、先行技術においてＴＩＭ圧縮による解決法は、半導体プロセスとレンズの成型加工の要件である加熱ターゲット上の均一温度分布を提供できない。繰返し精度と再現精度はＴＩＭに対する接触不足に関して別の問題を提起する。その性能は、部品ごとのばらつきおよびアセンブリー・オペレーターのばらつきに左右される実際の接触面積に影響を受けやすい。
【０００８】
従って、発熱体への影響が最小化される伝熱特性を向上させたヒーターアセンブリーが必要性とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１態様において、本発明はウエハー処理室または高温成形室のようなプロセス室内においてターゲットの温度を調整しターゲットを支持するアセンブリーに関し、アセンブリーはウエハー基板または型を支持するターゲット支持体と；ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体と；ターゲット支持体とセラミック発熱層との間に配置された第１の熱伝導層と；セラミック発熱層の下に配置された第２層とから成る。第１層と第２層は双方とも、基板に均一で優れた加熱を供給しつつ、セラミックス層に損傷をもたらさずにセラミック発熱層を付勢する５ＧＰａ未満の弾性率を有する材料から成る。
【００１０】
１実施形態において、第１層と第２層の双方は、黒鉛のような同じ材料から成る。第２の実施形態において、第１層は黒鉛シートから成り、第２層はセラミックフェルト材から成る。第３の実施形態において、第２層の厚さは少なくとも５００μｍである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここで使用するように、近似的な表現が、その表現が関係する基本機能の変化をもたらすことなく変化してもよい任意の量的表現を修飾するために適用されるかも知れない。従って、「およそ」および「実質上」のような用語（複数可）によって修飾される値は、ある場合には指定された正確な値に制限されることはない。
【００１２】
ここで使用するように、用語「ターゲット」または「基板」は、本発明の加熱アセンブリーに支持／加熱される半導体ウエハーまたは型を指す。また、ここに使用するように、「処理装置」は、「ヒーター」、「ヒーターアセンブリー」、「加熱装置」、または「プロセシング装置」、その上に支持された基板の温度を調整する少なくとも１つの発熱体および／または冷却装置を含むアセンブリーを参照して同義的に使用することができる。
【００１３】
ここに使用するように、用語「回路」は「電極」と同義的に使用することができ、また用語「発熱体」は、「抵抗器」、「加熱抵抗器」または「ヒーター」と同義的に使用することができる。用語「回路」は、少なくとも１単位が存在することを示し、単数形または複数形のどちらかで使用することができる。
【００１４】
ここに使用するように、用語「シート」は「層」と同義的に使用することができる。
【００１５】
加熱装置のようなアセンブリーは、発熱体とターゲットとの間に有効な熱伝導を提供するものであり、例えばウエハー基板加熱型、または試料容器の他の形態を加熱して加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃まで加熱する。装置は不完全な、例えば起伏がある接触面を有する要素を加熱するときでさえ、ターゲットに比較的均一な温度分布を供給する。アセンブリーの実施形態は、使用する材料、構成要素のアセンブリー、その製造工程を通して、また図を参照して以下のように説明される。
【００１６】
＜セラミック発熱体の一般的な実施形態＞
１実施形態において、アセンブリーは図１に示すようなセラミック発熱体３３を含む。セラミック発熱体３３は、図示しない加熱抵抗器１６を埋めこんだ円盤状の稠密なセラミック基板１２から成り、その上面１３は加熱ターゲット、すなわちウエハー、型、他の試料容器Ｓ用の支持面として役立つ。発熱エレメントに電気を供給する電気端子１５は、セラミック基板１２の底面の中心に、または、１実施形態においてはセラミック基板１２の横に取り付けることができる。
【００１７】
１実施形態において、図２Ａに示すように、導電性材料を包含し、電気絶縁性のオーバーコート層１９、また層１９とベース基板１８との間の密着性の向上を支援する任意の結束層（不図示）を有するセラミック基板はディスクまたはベース基板１８から成る。導電性材料の例としては、黒鉛；ＷおよびＭｏのような耐火金属、遷移金属、希土類金属合金および合金；ハフニウム、ジルコニウム、およびセリウムの酸化物および炭化物、ならびにその混合物が挙げられる。オーバーコート層１９に関し、層はＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｙ、耐火硬質合金、遷移金属から成る群から選択した元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物、またはオキシ窒化物；アルミニウムの酸化物、オキシ窒化物；またその組み合わせの少なくとも１つから成る。任意の結束層に関し、層は：Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏを含む耐火金属、チタン、クロム、鉄を含む遷移金属から選択した元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、オキシ窒化物；およびその混合物の少なくとも１つから成る。例としては、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＳｉＣ、ＭｏＣ、およびその混合物が挙げられる。
【００１８】
１実施形態において、図２Ｂに示すように、ベース基板１８は、例えばＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｙから成る群から選択した元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物、またはオキシ窒化物、ＮａＺｒ２（ＰＯ４）３のＮＺＰ構造を有する高耐熱性燐酸ジルコニウム、耐火硬質合金、遷移金属；アルミニウムの酸化物、オキシ窒化物；および高耐摩耗性と高耐熱性を有するその組み合わせの群から選択した焼結セラミックを含む電気的絶縁材料から成る。１実施形態において、ベース基板１８は、９９．７％超の純度を有するＡｌＮ、およびＹ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３から選択した焼結剤、ならびにその組み合わせから成る。
【００１９】
１実施形態において、図２Ｃに示すように、最適化された回路設計を有する電極１６はセラミック基板１２に「埋めこまれ」ている。発熱体１６は、熱分解黒鉛、タングステン、モリブデン、レニウムおよび白金またはその合金の群から選択した材料；周期律表の群Ｖａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する金属の炭化物および窒化物；ハフニウム、ジルコニウムおよびセリウムの炭化物または酸化物、およびその組み合わせから成る。１実施形態において、発熱体１６は基板（またはその塗工層）の熱膨張率（ＣＴＥ）と緊密に一致するＣＴＥを有する材料から成る。
【００２０】
図２Ａ〜２Ｂに示すような別の実施形態において、発熱体３３は、厚さ５〜１,０００μｍのフィルム電極１６を含み、電極３３はスクリーン印刷、スピンコーティング、プラズマスプレー、噴霧熱分解、反応性スプレー蒸着、ゾル・ゲル、燃焼トーチ、電気アーク、イオンプレーティング、イオン注入、スパッタリング蒸着、レーザアブレーション、蒸発、電気鍍金およびレーザー表面合金化を含む技術において既知のプロセスによって、（図２Ｂの）電気的絶縁ベース基板１８または（図２Ａの）被膜層１９の上に形成される。１実施形態において、フィルム電極１６は、例えばタングステン、モリブデン、レニウム、および白金、またはその合金のように高融点を有する金属から成る。別の実施形態において、フィルム電極１６は、ハフニウム、ジルコニウム、セリウムの炭化物または酸化物、およびその混合物の少なくとも１つから成る。
【００２１】
本発明のヒーターアセンブリーにおいては、１つ以上の電極を使用することができる。その用途によっては、電極は抵抗加熱要素、プラズマ発生電極、静電気チャック電極、または電子ビーム電極として機能しうる。
【００２２】
図２Ａおよび２Ｂに示すような本発明の１実施形態において、セラミック発熱体３３はさらに：Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｙから成る群から選択する元素の窒化物、炭化物、炭窒化物またはオキシ窒化物、耐火硬質合金、遷移金属、およびその組み合わせ；ＮａＺｒ２（ＰＯ４）３のＮＺＰ構造を有する燐酸ジルコニウム；２ａ族、３ａ族および４ａ族の元素から成る群から選択した少なくとも１つの元素を含有するガラスセラミック組成物；ＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラス；およびＳｉＯ２の混合物、およびＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｄｙの酸化物またはフッ化物およびイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）から成る耐プラズマ性材料の少なくとも１つから成る耐腐食性防食皮膜フィルム２５で被覆される。１実施形態において、塗膜は、２５〜１０００℃の温度範囲において２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／Ｋの範囲のＣＴＥを有する材料から成る。別の実施形態において、層２５は、ＮａＺｒ２（ＰＯ４）３のＮＺＰ構造を有する高い熱的安定性の燐酸ジルコニウムおよび等構造のリン酸塩および同様の結晶構造を有するケイリン酸塩から成る。第３の実施形態において、層２５は、元素周期律表の２ａ族、３ａ族および４ａ族の元素から成る群から選択した少なくとも１つの元素を含有するガラスセラミック組成物を含む。適切なガラスセラミック組成の例としては、ケイ酸アルミン酸ランタン（ＬＡＳ）、ケイ酸アルミン酸マグネシウム（ＭＡＳ）、ケイ酸アルミン酸カルシウム（ＣＡＳ）、およびケイ酸アルミン酸イットリウム（ＹＡＳ）が挙げられる。保護皮膜層２５の厚さは用途および使用するプロセス、例えばＣＶＤ、イオンプレーティング、ＥＴＰ等により異なり、用途により１μｍから数百μｍまで変化する。
【００２３】
＜アセンブリーの一般的な実施形態＞
１実施形態において、温度調整装置、例えば発熱体３３は、ヒーターケースで全体的または部分的に取り囲まれ、また、発熱体とヒーターケースとの間の伝熱モードは伝導に支配される。別の実施形態においては、ヒーターケースを透明とし、伝導に加えてヒーターケースを介した加熱ターゲットＳへの直接放射加熱を可能とする。さらに別の実施形態においては、ヒーターケースを不透明とする。１実施形態において、加熱ターゲットＳの処理は一般に不完全真空において実行され、基板Ｓとセラミック発熱体１０との間の伝熱を向上するために背面ガスを使用する。
【００２４】
図３は、ヒーターアセンブリーの実施形態の分解立体図を表す。上から下まで、ヒーターケース３７を備えたアセンブリーは、ターゲット支持部材３１、第１の熱伝導性シート３２、発熱体３３、第２のシート３４、任意の断熱材層３５、およびプラットフォーム３６から成る。支持部材３１は加熱ターゲットＳを支持するために備えられる。１実施形態において、支持部材３１およびプラットフォーム３６は機械的締結具または他の固定手段３８で連結され、それにより残りの部品を完全に取り囲むヒーターケース３７を形成する。機械的締結具の例としては、ロッド、ねじ、ボルト等が挙げられる。１実施形態において、支持部材３１はセラミックボンド、接着剤などを使用してプラットフォーム３６に連結される。１実施形態において、スプリングまたは他の弾性手段を固定手段３８として使用することができる。
【００２５】
１実施形態において、作動中、第１および第２のシートの双方は、０．０５〜３０ｐｓｉの範囲の発熱体３３に対する付勢力でシートと発熱体とを緊密に接触させるために発熱体３３および支持部材３１を付勢（押圧）する。１実施形態において、発熱体３３（または冷却装置等の温度調整装置）に対する付勢力は０．１０〜２０ｐｓｉの範囲にある。
【００２６】
他の実施形態において、図５に示すように、ヒーターケース３７は内側のアセンブリーを部分的にカバーする。図において、電力は発熱体３３の電源部３９を介して供給される。図４および図５において、電源供給手段は発熱体３３から一体的に延長されている。さらに、別の実施形態（不図示）において、電源供給手段３９は発熱体３３に接続された可撓電線から成る。１実施形態において、電源供給手段は、発熱体３３の鉛直変位を制限せずに、カーボンシートまたはヒーターアセンブリーの他の部品の熱膨張と共に発熱体３３が自由に移動できるように構成される。１実施形態において、図４および図５に示すように、加熱ターゲット側Ｓの第１の熱伝導性シート３２を第２のシート３４より薄くし、従って、熱抵抗を差別化することにより加熱ターゲットＳへのより有効な伝熱が可能になる。
【００２７】
１実施形態において、アセンブリーは、より多くの熱抵抗を加えるために第２のシート３４の下に配置された断熱材３５の任意の層をさらに含む。１実施形態（不図示）においては、断熱層を第２のシート３４と発熱体３３との間に配置する。さらに別の実施形態においては、付加的な断熱層３５を第２の熱伝導性シート３４の下に配置する。
【００２８】
図５の１実施形態において、電源供給手段は、導電性のネジ棒を受け入れるように設計されたヒーター３３から伸びるねじ穴を備えた黒鉛ポストを含む。導電性ネジ棒は、さらに可撓電線（不図示）と接続されてもよい。１実施形態において、埋め込まれた熱分解黒鉛（ＰＧ）電極は、ヒーター３３における発熱体として使用される。プロセス負荷からＰＢＮセラミック発熱体を保護する別の実施形態において、プラットフォーム４０に面する支持ボスが、ターゲット支持部材３１から突出している。
【００２９】
作動中、発熱体３３から第１の熱伝導性シート３２、ターゲット支持部材３１、基板Ｓに熱（すなわち熱エネルギー）を渡すことにより基板Ｓを熱的に調整する。ターゲット支持部材３１およびプラットフォーム３６は、銅、ステンレス鋼、高速度鋼、タングステン、モリブデン、Ｋｏｖａｒ（登録商標）、またはその合金の群から選択される同じまたは異なる材料を含む。２つの構成要素が異なる材料を含む場合、それらの材料は熱膨張（ＣＴＥ）係数が合っていること、すなわち１つの材料のＣＴＥが第２の材料のＣＴＥの０．７５〜１．２５の範囲にあることが好ましい。あるいは、セラミックスまたは超硬合金を選択してもよい。例としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化タングステン、黒鉛等を挙げることができるが、これらに限定されない。
【００３０】
断熱材層３５は、典型的には低熱伝導率の材料から製造する。例としては、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、石英ガラス等が挙げられるが、これらに限定されない。層の厚さは５０μｍから１ｃｍの範囲とする。１実施形態においては、絶縁体層３５の厚さは少なくとも１００μｍである。第２の実施形態においては、厚さは５ｍｍ未満である。第３の実施形態においては、断熱材層の厚さは１００〜２０００μｍの範囲にある。
【００３１】
第１の熱伝導性シート３２および第２のシート３４の双方は展性があること、すなわち、温度調整装置、例えば発熱体３３をケース３２に対して発熱体に最小または全く損傷がないように弾力的に変形し押し付けるために、シートに緩衝作用またはばねのような特質を与える弾性特性／たわみ性を備えた材料から成ることを特徴とする。典型的な材料としては、優れた展性を備えたカーボンシート、セラミック織物、セラミックフェルト、セラミック発泡体、黒鉛発泡体等が挙げられるが、これらに限定されない。１実施形態において、第１および第２のシートは、少なくとも５％の伸長特性を有する構成材料であって、同じまたは異なる材料から成る。第２の実施形態において、材料の弾性率は１０ＧＰａ未満である。第３の実施形態において、シートは弾性率５ＧＰａ未満の材料から成る。
第４番の実施形態において、シートの弾性率は１ＧＰａ未満である。第５の実施形態において、シートは少なくとも圧縮性２０％を備えた材料から成る。第６の実施形態において、シートは少なくとも圧縮性４０％を備えた材料から成る。
【００３２】
展性特性に加えて、第１シート３２はさらに優れた熱伝導率特性で特徴づけられる。熱伝導性は第２のシートに対する要件ではない。しかしながら、１実施形態において、第２のシート３４は黒鉛のように熱伝導性であり展性がある材料から成る。１実施形態において、第２のシート３４はセラミックのフェルトまたは発泡体のように熱絶縁であり展性がある材料から成る。
【００３３】
１実施形態において、第１シート３２は、発熱体と平行な平面において約２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する炭素のような延性材料から成る。第２の実施形態において、第１および第２のシートの少なくとも１方は、少なくとも熱伝導率１００Ｗ／ｍＫの黒鉛発泡体層から成る。第３の実施形態において、第１および第２のシートの各々は、複数の異なる材料層、例えばカーボンシートと黒鉛発泡体の中間層から成る。１実施形態において、第１および第２のシートは、圧縮性特性４３％（ＡＳＴＭ Ｆ−３６）および弾性率１３８０ＭＰａを有し、Ｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）として市販される黒鉛シートから成る。別の実施形態において、第１シートはＧｒａｆｏｉｌ（登録商標）シートであり、第２のシートは、弾性率２ＧＰａ未満および空孔率２０容積％未満のセラミック織物から成る。
【００３４】
１実施形態において、第１の熱伝導性シート３２および第２のシート３４の厚さは各々５０μｍから１０ｍｍの範囲にある。第２の実施形態において、各シートの厚さは１００μｍから５ｍｍの範囲にある。第３の実施形態において、各シートの厚さは１００μｍから２ｍｍの範囲にあり、第２のシート３４の厚さは第１熱伝導性シート３２の厚さの１．５〜４倍である。第４の実施形態において、第１のシート３２の厚さは２００μｍであり、第２のシート３２の厚さは６００μｍである。
【００３５】
発熱体３３は、各々優れたクッション性を有する２つのシート３２と３４の間にはさまれるので、シートは、高温での熱膨張に起因するセラミック発熱体３３とヒータ-ケースとの間の空間を満たす。さらに発熱体３３の両面上のシートがヒーター３３の両面の全表面積に対する支持さえ提供するので、発熱体３３上のいかなる湾曲も、発熱体３３の部分的な場所に過度の力を印加せずに真っすぐに設定されるが、このことは発熱体３３が脆いセラミックス材料から構成されるときには特に重要な機能となる。さらに、炭素、黒鉛等の材料から成る第１のシート３２の異方性熱伝導率により、第１のシート３２は、熱の加熱ターゲットＳへの伝達を許容する間に平面方向に熱を広げる。
【００３６】
六方晶系の炭素および／または黒鉛の熱伝導率は層と平行な方向に高いが、厚さ方向には低いので、この異方性の特性はターゲット支持部材３１、従って加熱ターゲットＳ上の温度均一性をさらに向上させる。さらに、発熱体において発生した熱は第１の熱伝導性シート３２および第２のシート３４を介して導かれるので、第１および第２のシート間の熱抵抗差を制御することにより、例えば第２のシート３４をはるかに厚くするか、第２のシート３４にセラミックフェルトのような断熱材を使用することにより、より多くの熱伝達を第１のシート３２の方に向けることができる。
【００３７】
シート３２および３４の双方に熱伝導性材料を使用した本発明の１実施形態において、ヒーターの伝熱能力を高い精度を持って予測することができる。ヒーターアセンブリーにおける部品間の接触熱抵抗は、製品ごとのばらつき、アセンブリー・オペレーターのばらつき、表面および平坦性の条件等に起因する、繰返し精度および再現性の低さにより典型的に予測することが難しい。加熱装置を設計する際、そのような予測不可能性が問題であった。実験で接触熱抵抗を見出すことがしばしば要求されるが、これは多くの場合、費用と時間を要する。しかしながら、双方のシート３２および３４に同じ熱伝導率および弾性を有する延性材料を使用すると、発熱体３３は同等な熱伝導性材料のシートの間にあり、ヒーターの両面上の接触条件は常に均一になる。所定電力が発熱体において発生する限り、それはついには転送され、温度３００〜７００℃の範囲で基板を熱する優れた伝熱能力モデルリングを可能にし、一方、接触熱抵抗変化に起因する性能ばらつきを最小限にする。
【００３８】
ここに説明した実施形態は、加熱ターゲットを熱する少なくとも１つの発熱体を備えたアセンブリーに対してなされたものである。しかしながら、冷却装置を備える実施形態は、ここに記述した発熱体の代わりにアセンブリーに組み込まれる冷却装置を備える本発明と共に本発明の範囲内にある。１実施形態において、冷却板は基板温度を−８０℃に調整するために発熱体の代わりに使用される。第２の実施形態において、ターゲット温度を−８０℃〜６００℃に調整するために発熱体に加えて冷却板を使用する。第１の熱伝導性シート３２および第２のシート３４を半導体ウエハーホルダーのようなアセンブリーにおける冷却装置と共に使用すると、基板の温度を均一に調整することができる。
【００３９】
この書面による明細は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、いかなる当業者にも本発明を実施し使用することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】セラミック発熱体の１実施形態を示す透視図である。
【図２】Ａ、Ｂ、およびＣは、異なる階層状の構成を備えた図１のセラミック発熱体の種々の実施形態の横断面図である。
【図３】本発明のヒーターアセンブリーの１実施形態の１実施形態の分解立体図である。
【図４】本発明のヒーターアセンブリーの別の実施形態の横断面図である。
【図５】本発明のヒーターアセンブリーの第３の実施形態の横断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１２ セラミック基板
１６ 加熱抵抗器
１８ 電気的絶縁ベース基板
１９ オーバーコート層
３１ ターゲット支持部材
３２ 第１のシート
３３ 発熱体
３４ 第２のシート
３５ 断熱材
３６ プラットフォーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に半導体処理中の基板の温度調整、ガラス成形を含む金属またはセラミック型の温度調整、脱気、合金化、または温度調整を必要とする他の工業的プロセスのためのアセンブリーに関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗ヒーターは、その高エネルギー効率、容易な測定および制御により、ターゲットを加熱するためのよく知られた手段である。従来の金属ヒーターが耐えられる温度より高温度を必要とするときには、それらの抵抗ヒーターの中でもセラミック発熱体が典型的に選択されている。セラミック発熱体は、金属汚染に敏感な諸プロセスにも使用されている。半導体プロセス、金属またはセラミック成形、脱気および合金化は、セラミック発熱体が典型的に使用される分野の例である。それらの分野での適用において、典型的にはターゲットが６００℃以上の温度に達することが要求される。加熱ターゲット、すなわち半導体ウエハーまたは型の温度制御は、要求されるプロセス性能に対応ために決定的に重要な意味を持つ。
【０００３】
抵抗ヒーターを含む熱調整装置は、さらにターゲットと抵抗ヒーターとの間にターゲット支持部材という分離した部分を含み得る。例えば苛酷なプロセス環境、機械的負荷あるいは汚染から抵抗ヒーターを保護する必要があるときには、そのような構造が望まれる。加熱ターゲット上に高度の温度均一性が必要なときにも、そのようなターゲット支持部材が望まれる。そのような構造では、一般に、加熱ターゲットの温度制御に関して重要な２つの領域がある。第１の重要性は加熱ターゲットとターゲット支持体の表面との間の熱移動にあり、第２はアセンブリー構造内部からのターゲット支持体の熱の調整にある。組み立てられた熱装置には典型的な接触熱抵抗の問題がある。ガスによる対流熱移動がそれほど効果をもたらさない真空または低ガス圧（２０Ｐａ以下）環境下では、それはより重要な問題になる。一般に、アルゴンまたはヘリウムのような背面ガスは、そのような伝熱困難性を補うために基板とターゲット支持体との間の熱媒体として使用される。
【０００４】
ターゲット支持部材は機能性、例えばある位置に加熱ターゲットを保持する真空または静電チャックを有しうる。機能性の別の例として、ターゲット支持体はプラズマ処理用のＲＦ電極として機能しうる。
【０００５】
第２の重要性はターゲット支持体の熱的調整にある。アセンブリー内部からのターゲット支持体の熱的調整は、一般にアセンブリー内に位置する金属製冷却板によって提供される。固体材料を介した熱伝導は、合わせ面のむら（平面度、粗さ、等）によって生じるギャップを含むエアギャップまたは空隙を介した熱伝達とは対照的により高速に行なわれるので、固体−固体接触を有する材料を介した伝導性熱伝達を促進することによって、より高い熱伝達率が得られる。これはエネルギー効率の向上、より速い加熱／冷却、およびエラストマーｏ−リングのようなアセンブリー内の非耐熱部分の保護のために望ましいことである。
【０００６】
熱的インターフェース材料（ＴＩＭ）層がセラミック支持体と冷却板との間の固体−固体接触を最大化するために使用されている。特許文献１は、厚さ５００μｍ未満の金属箔またはカーボンシートの使用を開示している。特許文献２は、熱伝導度を向上するために共形黒鉛介在層の使用を開示している。しかしながら、黒鉛または炭素層から最良の性能を得るためには、合わせ面のエアギャップまたは空隙を最小化するために発熱体およびターゲット支持部材を十分に圧縮することが要求される。
【特許文献１】米国特許６，２９２，３４６号
【特許文献２】米国特許６，５６３，６８６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上に引用した特許が開示する単一のＴＩＭ層を使用する方法は、セラミック発熱体には容易に適用することができない。セラミック発熱体は従来の金属ヒーターを超える多くの長所を持つが、セラミック部品には共通して脆性という固有の欠点がある。発熱体を破損しないで、ＴＩＭ層の性能を最大化するためにヒーターを十分に圧縮することは難しい。不十分な圧縮に起因する伝熱不良はセラミック発熱体に共通する問題である。さらに、先行技術においてＴＩＭ圧縮による解決法は、半導体プロセスとレンズの成型加工の要件である加熱ターゲット上の均一温度分布を提供できない。繰返し精度と再現精度はＴＩＭに対する接触不足に関して別の問題を提起する。その性能は、部品ごとのばらつきおよびアセンブリー・オペレーターのばらつきに左右される実際の接触面積に影響を受けやすい。
【０００８】
従って、発熱体への影響が最小化される伝熱特性を向上させたヒーターアセンブリーが必要性とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１態様において、本発明はウエハー処理室または高温成形室のようなプロセス室内においてターゲットの温度を調整しターゲットを支持するアセンブリーに関し、アセンブリーはウエハー基板または型を支持するターゲット支持体と；ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体と；ターゲット支持体とセラミック発熱層との間に配置された第１の熱伝導層と；セラミック発熱層の下に配置された第２層とから成る。第１層と第２層は双方とも、基板に均一で優れた加熱を供給しつつ、セラミックス層に損傷をもたらさずにセラミック発熱層を付勢する５ＧＰａ未満の弾性率を有する材料から成る。
【００１０】
１実施形態において、第１層と第２層の双方は、黒鉛のような同じ材料から成る。第２の実施形態において、第１層は黒鉛シートから成り、第２層はセラミックフェルト材から成る。第３の実施形態において、第２層の厚さは少なくとも５００μｍである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここで使用するように、近似的な表現が、その表現が関係する基本機能の変化をもたらすことなく変化してもよい任意の量的表現を修飾するために適用されるかも知れない。従って、「およそ」および「実質上」のような用語（複数可）によって修飾される値は、ある場合には指定された正確な値に制限されることはない。
【００１２】
ここで使用するように、用語「ターゲット」または「基板」は、本発明の加熱アセンブリーに支持／加熱される半導体ウエハーまたは型を指す。また、ここに使用するように、「処理装置」は、「ヒーター」、「ヒーターアセンブリー」、「加熱装置」、または「プロセシング装置」、その上に支持された基板の温度を調整する少なくとも１つの発熱体および／または冷却装置を含むアセンブリーを参照して同義的に使用することができる。
【００１３】
ここに使用するように、用語「回路」は「電極」と同義的に使用することができ、また用語「発熱体」は、「抵抗器」、「加熱抵抗器」または「ヒーター」と同義的に使用することができる。用語「回路」は、少なくとも１単位が存在することを示し、単数形または複数形のどちらかで使用することができる。
【００１４】
ここに使用するように、用語「シート」は「層」と同義的に使用することができる。
【００１５】
加熱装置のようなアセンブリーは、発熱体とターゲットとの間に有効な熱伝導を提供するものであり、例えばウエハー基板加熱型、または試料容器の他の形態を加熱して加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃まで加熱する。装置は不完全な、例えば起伏がある接触面を有する要素を加熱するときでさえ、ターゲットに比較的均一な温度分布を供給する。アセンブリーの実施形態は、使用する材料、構成要素のアセンブリー、その製造工程を通して、また図を参照して以下のように説明される。
【００１６】
＜セラミック発熱体の一般的な実施形態＞
１実施形態において、アセンブリーは図１に示すようなセラミック発熱体３３を含む。セラミック発熱体３３は、図示しない加熱抵抗器１６を埋めこんだ円盤状の稠密なセラミック基板１２から成り、その上面１３は加熱ターゲット、すなわちウエハー、型、他の試料容器Ｓ用の支持面として役立つ。発熱エレメントに電気を供給する電気端子１５は、セラミック基板１２の底面の中心に、または、１実施形態においてはセラミック基板１２の横に取り付けることができる。
【００１７】
１実施形態において、図２Ａに示すように、導電性材料を包含し、電気絶縁性のオーバーコート層１９、また層１９とベース基板１８との間の密着性の向上を支援する任意の結束層（不図示）を有するセラミック基板はディスクまたはベース基板１８から成る。導電性材料の例としては、黒鉛；ＷおよびＭｏのような耐火金属、遷移金属、希土類金属合金および合金；ハフニウム、ジルコニウム、およびセリウムの酸化物および炭化物、ならびにその混合物が挙げられる。オーバーコート層１９に関し、層はＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｙ、耐火硬質合金、遷移金属から成る群から選択した元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物、またはオキシ窒化物；アルミニウムの酸化物、オキシ窒化物；またその組み合わせの少なくとも１つから成る。任意の結束層に関し、層は：Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏを含む耐火金属、チタン、クロム、鉄を含む遷移金属から選択した元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、オキシ窒化物；およびその混合物の少なくとも１つから成る。例としては、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＳｉＣ、ＭｏＣ、およびその混合物が挙げられる。
【００１８】
１実施形態において、図２Ｂに示すように、ベース基板１８は、例えばＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｙから成る群から選択した元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物、またはオキシ窒化物、ＮａＺｒ２（ＰＯ４）３のＮＺＰ構造を有する高耐熱性燐酸ジルコニウム、耐火硬質合金、遷移金属；アルミニウムの酸化物、オキシ窒化物；および高耐摩耗性と高耐熱性を有するその組み合わせの群から選択した焼結セラミックを含む電気的絶縁材料から成る。１実施形態において、ベース基板１８は、９９．７％超の純度を有するＡｌＮ、およびＹ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３から選択した焼結剤、ならびにその組み合わせから成る。
【００１９】
１実施形態において、図２Ｃに示すように、最適化された回路設計を有する電極１６はセラミック基板１２に「埋めこまれ」ている。発熱体１６は、熱分解黒鉛、タングステン、モリブデン、レニウムおよび白金またはその合金の群から選択した材料；周期律表の群Ｖａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する金属の炭化物および窒化物；ハフニウム、ジルコニウムおよびセリウムの炭化物または酸化物、およびその組み合わせから成る。１実施形態において、発熱体１６は基板（またはその塗工層）の熱膨張率（ＣＴＥ）と緊密に一致するＣＴＥを有する材料から成る。
【００２０】
図２Ａ〜２Ｂに示すような別の実施形態において、発熱体３３は、厚さ５〜１,０００μｍのフィルム電極１６を含み、電極３３はスクリーン印刷、スピンコーティング、プラズマスプレー、噴霧熱分解、反応性スプレー蒸着、ゾル・ゲル、燃焼トーチ、電気アーク、イオンプレーティング、イオン注入、スパッタリング蒸着、レーザアブレーション、蒸発、電気鍍金およびレーザー表面合金化を含む技術において既知のプロセスによって、（図２Ｂの）電気的絶縁ベース基板１８または（図２Ａの）被膜層１９の上に形成される。１実施形態において、フィルム電極１６は、例えばタングステン、モリブデン、レニウム、および白金、またはその合金のように高融点を有する金属から成る。別の実施形態において、フィルム電極１６は、ハフニウム、ジルコニウム、セリウムの炭化物または酸化物、およびその混合物の少なくとも１つから成る。
【００２１】
本発明のヒーターアセンブリーにおいては、１つ以上の電極を使用することができる。その用途によっては、電極は抵抗加熱要素、プラズマ発生電極、静電気チャック電極、または電子ビーム電極として機能しうる。
【００２２】
図２Ａおよび２Ｂに示すような本発明の１実施形態において、セラミック発熱体３３はさらに：Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｙから成る群から選択する元素の窒化物、炭化物、炭窒化物またはオキシ窒化物、耐火硬質合金、遷移金属、およびその組み合わせ；ＮａＺｒ２（ＰＯ４）３のＮＺＰ構造を有する燐酸ジルコニウム；２ａ族、３ａ族および４ａ族の元素から成る群から選択した少なくとも１つの元素を含有するガラスセラミック組成物；ＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラス；およびＳｉＯ２の混合物、およびＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｄｙの酸化物またはフッ化物およびイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）から成る耐プラズマ性材料の少なくとも１つから成る耐腐食性防食皮膜フィルム２５で被覆される。１実施形態において、塗膜は、２５〜１０００℃の温度範囲において２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／Ｋの範囲のＣＴＥを有する材料から成る。別の実施形態において、層２５は、ＮａＺｒ２（ＰＯ４）３のＮＺＰ構造を有する高い熱的安定性の燐酸ジルコニウムおよび等構造のリン酸塩および同様の結晶構造を有するケイリン酸塩から成る。第３の実施形態において、層２５は、元素周期律表の２ａ族、３ａ族および４ａ族の元素から成る群から選択した少なくとも１つの元素を含有するガラスセラミック組成物を含む。適切なガラスセラミック組成の例としては、ケイ酸アルミン酸ランタン（ＬＡＳ）、ケイ酸アルミン酸マグネシウム（ＭＡＳ）、ケイ酸アルミン酸カルシウム（ＣＡＳ）、およびケイ酸アルミン酸イットリウム（ＹＡＳ）が挙げられる。保護皮膜層２５の厚さは用途および使用するプロセス、例えばＣＶＤ、イオンプレーティング、ＥＴＰ等により異なり、用途により１μｍから数百μｍまで変化する。
【００２３】
＜アセンブリーの一般的な実施形態＞
１実施形態において、温度調整装置、例えば発熱体３３は、ヒーターケースで全体的または部分的に取り囲まれ、また、発熱体とヒーターケースとの間の伝熱モードは伝導に支配される。別の実施形態においては、ヒーターケースを透明とし、伝導に加えてヒーターケースを介した加熱ターゲットＳへの直接放射加熱を可能とする。さらに別の実施形態においては、ヒーターケースを不透明とする。１実施形態において、加熱ターゲットＳの処理は一般に不完全真空において実行され、基板Ｓとセラミック発熱体１０との間の伝熱を向上するために背面ガスを使用する。
【００２４】
図３は、ヒーターアセンブリーの実施形態の分解立体図を表す。上から下まで、ヒーターケース３７を備えたアセンブリーは、ターゲット支持部材３１、第１の熱伝導性シート３２、発熱体３３、第２のシート３４、任意の断熱材層３５、およびプラットフォーム３６から成る。支持部材３１は加熱ターゲットＳを支持するために備えられる。１実施形態において、支持部材３１およびプラットフォーム３６は機械的締結具または他の固定手段３８で連結され、それにより残りの部品を完全に取り囲むヒーターケース３７を形成する。機械的締結具の例としては、ロッド、ねじ、ボルト等が挙げられる。１実施形態において、支持部材３１はセラミックボンド、接着剤などを使用してプラットフォーム３６に連結される。１実施形態において、スプリングまたは他の弾性手段を固定手段３８として使用することができる。
【００２５】
１実施形態において、作動中、第１および第２のシートの双方は、０．０５〜３０ｐｓｉの範囲の発熱体３３に対する付勢力でシートと発熱体とを緊密に接触させるために発熱体３３および支持部材３１を付勢（押圧）する。１実施形態において、発熱体３３（または冷却装置等の温度調整装置）に対する付勢力は０．１０〜２０ｐｓｉの範囲にある。
【００２６】
他の実施形態において、図５に示すように、ヒーターケース３７は内側のアセンブリーを部分的にカバーする。図において、電力は発熱体３３の電源部３９を介して供給される。図４および図５において、電源供給手段は発熱体３３から一体的に延長されている。さらに、別の実施形態（不図示）において、電源供給手段３９は発熱体３３に接続された可撓電線から成る。１実施形態において、電源供給手段は、発熱体３３の鉛直変位を制限せずに、カーボンシートまたはヒーターアセンブリーの他の部品の熱膨張と共に発熱体３３が自由に移動できるように構成される。１実施形態において、図４および図５に示すように、加熱ターゲット側Ｓの第１の熱伝導性シート３２を第２のシート３４より薄くし、従って、熱抵抗を差別化することにより加熱ターゲットＳへのより有効な伝熱が可能になる。
【００２７】
１実施形態において、アセンブリーは、より多くの熱抵抗を加えるために第２のシート３４の下に配置された断熱材３５の任意の層をさらに含む。１実施形態（不図示）においては、断熱層を第２のシート３４と発熱体３３との間に配置する。さらに別の実施形態においては、付加的な断熱層３５を第２の熱伝導性シート３４の下に配置する。
【００２８】
図５の１実施形態において、電源供給手段は、導電性のネジ棒を受け入れるように設計されたヒーター３３から伸びるねじ穴を備えた黒鉛ポストを含む。導電性ネジ棒は、さらに可撓電線（不図示）と接続されてもよい。１実施形態において、埋め込まれた熱分解黒鉛（ＰＧ）電極は、ヒーター３３における発熱体として使用される。プロセス負荷からＰＢＮセラミック発熱体を保護する別の実施形態において、プラットフォーム４０に面する支持ボスが、ターゲット支持部材３１から突出している。
【００２９】
作動中、発熱体３３から第１の熱伝導性シート３２、ターゲット支持部材３１、基板Ｓに熱（すなわち熱エネルギー）を渡すことにより基板Ｓを熱的に調整する。ターゲット支持部材３１およびプラットフォーム３６は、銅、ステンレス鋼、高速度鋼、タングステン、モリブデン、Ｋｏｖａｒ（登録商標）、またはその合金の群から選択される同じまたは異なる材料を含む。２つの構成要素が異なる材料を含む場合、それらの材料は熱膨張（ＣＴＥ）係数が合っていること、すなわち１つの材料のＣＴＥが第２の材料のＣＴＥの０．７５〜１．２５の範囲にあることが好ましい。あるいは、セラミックスまたは超硬合金を選択してもよい。例としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化タングステン、黒鉛等を挙げることができるが、これらに限定されない。
【００３０】
断熱材層３５は、典型的には低熱伝導率の材料から製造する。例としては、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、石英ガラス等が挙げられるが、これらに限定されない。層の厚さは５０μｍから１ｃｍの範囲とする。１実施形態においては、絶縁体層３５の厚さは少なくとも１００μｍである。第２の実施形態においては、厚さは５ｍｍ未満である。第３の実施形態においては、断熱材層の厚さは１００〜２０００μｍの範囲にある。
【００３１】
第１の熱伝導性シート３２および第２のシート３４の双方は展性があること、すなわち、温度調整装置、例えば発熱体３３をケース３２に対して発熱体に最小または全く損傷がないように弾力的に変形し押し付けるために、シートに緩衝作用またはばねのような特質を与える弾性特性／たわみ性を備えた材料から成ることを特徴とする。典型的な材料としては、優れた展性を備えたカーボンシート、セラミック織物、セラミックフェルト、セラミック発泡体、黒鉛発泡体等が挙げられるが、これらに限定されない。１実施形態において、第１および第２のシートは、少なくとも５％の伸長特性を有する構成材料であって、同じまたは異なる材料から成る。第２の実施形態において、材料の弾性率は１０ＧＰａ未満である。第３の実施形態において、シートは弾性率５ＧＰａ未満の材料から成る。
第４番の実施形態において、シートの弾性率は１ＧＰａ未満である。第５の実施形態において、シートは少なくとも圧縮性２０％を備えた材料から成る。第６の実施形態において、シートは少なくとも圧縮性４０％を備えた材料から成る。
【００３２】
展性特性に加えて、第１シート３２はさらに優れた熱伝導率特性で特徴づけられる。熱伝導性は第２のシートに対する要件ではない。しかしながら、１実施形態において、第２のシート３４は黒鉛のように熱伝導性であり展性がある材料から成る。１実施形態において、第２のシート３４はセラミックのフェルトまたは発泡体のように熱絶縁であり展性がある材料から成る。
【００３３】
１実施形態において、第１シート３２は、発熱体と平行な平面において約２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する炭素のような延性材料から成る。第２の実施形態において、第１および第２のシートの少なくとも１方は、少なくとも熱伝導率１００Ｗ／ｍＫの黒鉛発泡体層から成る。第３の実施形態において、第１および第２のシートの各々は、複数の異なる材料層、例えばカーボンシートと黒鉛発泡体の中間層から成る。１実施形態において、第１および第２のシートは、圧縮性特性４３％（ＡＳＴＭ Ｆ−３６）および弾性率１３８０ＭＰａを有し、Ｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）として市販される黒鉛シートから成る。別の実施形態において、第１シートはＧｒａｆｏｉｌ（登録商標）シートであり、第２のシートは、弾性率２ＧＰａ未満および空孔率２０容積％未満のセラミック織物から成る。
【００３４】
１実施形態において、第１の熱伝導性シート３２および第２のシート３４の厚さは各々５０μｍから１０ｍｍの範囲にある。第２の実施形態において、各シートの厚さは１００μｍから５ｍｍの範囲にある。第３の実施形態において、各シートの厚さは１００μｍから２ｍｍの範囲にあり、第２のシート３４の厚さは第１熱伝導性シート３２の厚さの１．５〜４倍である。第４の実施形態において、第１のシート３２の厚さは２００μｍであり、第２のシート３２の厚さは６００μｍである。
【００３５】
発熱体３３は、各々優れたクッション性を有する２つのシート３２と３４の間にはさまれるので、シートは、高温での熱膨張に起因するセラミック発熱体３３とヒータ-ケースとの間の空間を満たす。さらに発熱体３３の両面上のシートがヒーター３３の両面の全表面積に対する支持さえ提供するので、発熱体３３上のいかなる湾曲も、発熱体３３の部分的な場所に過度の力を印加せずに真っすぐに設定されるが、このことは発熱体３３が脆いセラミックス材料から構成されるときには特に重要な機能となる。さらに、炭素、黒鉛等の材料から成る第１のシート３２の異方性熱伝導率により、第１のシート３２は、熱の加熱ターゲットＳへの伝達を許容する間に平面方向に熱を広げる。
【００３６】
六方晶系の炭素および／または黒鉛の熱伝導率は層と平行な方向に高いが、厚さ方向には低いので、この異方性の特性はターゲット支持部材３１、従って加熱ターゲットＳ上の温度均一性をさらに向上させる。さらに、発熱体において発生した熱は第１の熱伝導性シート３２および第２のシート３４を介して導かれるので、第１および第２のシート間の熱抵抗差を制御することにより、例えば第２のシート３４をはるかに厚くするか、第２のシート３４にセラミックフェルトのような断熱材を使用することにより、より多くの熱伝達を第１のシート３２の方に向けることができる。
【００３７】
シート３２および３４の双方に熱伝導性材料を使用した本発明の１実施形態において、ヒーターの伝熱能力を高い精度を持って予測することができる。ヒーターアセンブリーにおける部品間の接触熱抵抗は、製品ごとのばらつき、アセンブリー・オペレーターのばらつき、表面および平坦性の条件等に起因する、繰返し精度および再現性の低さにより典型的に予測することが難しい。加熱装置を設計する際、そのような予測不可能性が問題であった。実験で接触熱抵抗を見出すことがしばしば要求されるが、これは多くの場合、費用と時間を要する。しかしながら、双方のシート３２および３４に同じ熱伝導率および弾性を有する延性材料を使用すると、発熱体３３は同等な熱伝導性材料のシートの間にあり、ヒーターの両面上の接触条件は常に均一になる。所定電力が発熱体において発生する限り、それはついには転送され、温度３００〜７００℃の範囲で基板を熱する優れた伝熱能力モデルリングを可能にし、一方、接触熱抵抗変化に起因する性能ばらつきを最小限にする。
【００３８】
ここに説明した実施形態は、加熱ターゲットを熱する少なくとも１つの発熱体を備えたアセンブリーに対してなされたものである。しかしながら、冷却装置を備える実施形態は、ここに記述した発熱体の代わりにアセンブリーに組み込まれる冷却装置を備える本発明と共に本発明の範囲内にある。１実施形態において、冷却板は基板温度を−８０℃に調整するために発熱体の代わりに使用される。第２の実施形態において、ターゲット温度を−８０℃〜６００℃に調整するために発熱体に加えて冷却板を使用する。第１の熱伝導性シート３２および第２のシート３４を半導体ウエハーホルダーのようなアセンブリーにおける冷却装置と共に使用すると、基板の温度を均一に調整することができる。
【００３９】
この書面による明細は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、いかなる当業者にも本発明を実施し使用することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】セラミック発熱体の１実施形態を示す透視図である。
【図２】Ａ、Ｂ、およびＣは、異なる階層状の構成を備えた図１のセラミック発熱体の種々の実施形態の横断面図である。
【図３】本発明のヒーターアセンブリーの１実施形態の１実施形態の分解立体図である。
【図４】本発明のヒーターアセンブリーの別の実施形態の横断面図である。
【図５】本発明のヒーターアセンブリーの第３の実施形態の横断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１２ セラミック基板
１６ 加熱抵抗器
１８ 電気的絶縁ベース基板
１９ オーバーコート層
３１ ターゲット支持部材
３２ 第１のシート
３３ 発熱体
３４ 第２のシート
３５ 断熱材
３６ プラットフォーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス室内の加熱ターゲットの温度を調整し加熱ターゲットを支持するアセンブリーにおいて、
加熱ターゲットを支持するように構成された上面、および底面を有するターゲット支持部材と；
上面および底面を有し基板温度を調整する温度調整装置と；
温度調整装置の上面に対して付勢され、温度調整装置と平行な平面において少なくとも２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度と１ＧＰａ未満の弾性率を有する材料から成り、基部支持体と温度調整装置との間に配置された第１層と；
温度調整装置の底面に対して付勢され、１ＧＰａ未満の弾性率を有する材料から成り、温度調整装置の下に配置された第２層と
を備えるアセンブリー。
【請求項２】
温度調整装置が基板温度を−８０℃〜６００℃の範囲で調整するセラミック発熱体および冷却板から成る請求項１のアセンブリー。
【請求項３】
温度調整装置が加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体である請求項１〜２いずれかのアセンブリー。
【請求項４】
第１層または第２層のどちらかが少なくとも５％の伸長特性を有する材料から成る請求項１〜３いずれかのアセンブリー。
【請求項５】
第１層または第２層のどちらかが少なくとも２０％の圧縮率を有する材料から成る請求項１〜４いずれかのアセンブリー。
【請求項６】
第１層および第２層の各々が５０μｍ〜１０ｍｍの厚さを有する請求項１〜５いずれかのアセンブリー。
【請求項７】
第２層の厚さが少なくとも５００μｍであり、第１層の厚さが少なくとも１００μｍである請求項１〜６いずれかのアセンブリー。
【請求項８】
第２のシートの厚さが第１のシートの厚さの１．５〜４倍である請求項１〜７いずれかのアセンブリー。
【請求項９】
第１層と第２層の双方が３０ｐｓｉ未満の力でセラミック発熱体に対し付勢されている請求項１〜８いずれかのアセンブリー。
【請求項１０】
第１層が少なくとも黒鉛層から成り、第２層が：黒鉛シート、セラミックフェルト、セラミック発泡体、カーボンシート、セラミック織物、および黒鉛発泡体から選択した材料から成る請求項１〜９いずれかのアセンブリー。
【請求項１１】
温度調整装置が加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体である請求項１〜１０いずれかのアセンブリーにおいて、さらに
第２層の下に配置された断熱層と；
ターゲット支持部材に密封結合され、第１層と第２層、セラミック発熱体および断熱層を収容するケースを形成するプラットフォームとを備えるアセンブリー。
【請求項１２】
第１層および第２層の双方が各々複数の黒鉛シートから成る請求項１〜１１いずれかのアセンブリー。
【請求項１３】
第１のシートがグラファイトシートであり、アセンブリーがウエハー処理室内の半導体ウエハーおよびガラス鋳型の少なくとも１つの温度を調整し支持する請求項１〜１２いずれかのアセンブリー。
【請求項１４】
プロセス室内の加熱ターゲットを加熱し支持するヒーターアセンブリーにおいて、
加熱ターゲットを支持するように構成された上面、および底面を有するターゲット支持部材と；
上面および底面を有し、加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体と；
セラミック発熱体の上面に対して付勢され、セラミック発熱体と平行な平面において少なくとも２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度および１ＧＰａ未満の弾性率を有し、ターゲット支持部材とセラミック発熱体との間に配置された第１層と；
セラミック発熱体の底面に対して付勢され、１ＧＰａ未満の弾性率を有する材料から成り、セラミック発熱体の下に配置された第２層とを備えるアセンブリーであって、
セラミック発熱体が：Ｂ、Aｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｙ、耐火硬質合金、遷移金属から成る群から選択した元素の窒化物、カーバイド、炭窒化物、オキシ窒化物、、およびその組み合わせ；ＮａＺｒ２（ＰＯ４）３のＮＺＰ構造を有する燐酸ジルコニウム；２ａ族、３ａ族および４ａ族の元素から成る族から選択した少なくとも１つの元素を含有するガラスセラミック組成物；ＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラス；およびＳｉＯ２と、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｄｙの酸化物またはフッ化物およびイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）から成る耐プラズマ性の材料との混合物；のうちの１つから成るオーバーコーティング層を備えるアセンブリー。
【請求項１５】
プロセス室内の加熱ターゲットを加熱し支持するヒーターアセンブリーにおいて、
加熱ターゲットを支持するように構成された上面、および底面を有し、透明または不透明な石英材から成るターゲット支持部材と；
上面および底面を有し、加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体と；
セラミック発熱体の上面に対して付勢され、セラミック発熱体と平行な平面において少なくとも２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度および少なくとも２０％の圧縮率を有する材料から成り、ターゲット支持部材とセラミック発熱体との間に配置された第１層と；
セラミック発熱体の底面に対して付勢され、少なくとも５％の伸長特性を有する材料から成り、セラミック発熱体の下に配置された第２層と；
を備えるアセンブリー。
【請求項１】
プロセス室内の加熱ターゲットの温度を調整し加熱ターゲットを支持するアセンブリーにおいて、
加熱ターゲットを支持するように構成された上面、および底面を有するターゲット支持部材と；
上面および底面を有し基板温度を調整する温度調整装置と；
温度調整装置の上面に対して付勢され、温度調整装置と平行な平面において少なくとも２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度と１ＧＰａ未満の弾性率を有する材料から成り、基部支持体と温度調整装置との間に配置された第１層と；
温度調整装置の底面に対して付勢され、１ＧＰａ未満の弾性率を有する材料から成り、温度調整装置の下に配置された第２層と
を備えるアセンブリー。
【請求項２】
温度調整装置が基板温度を−８０℃〜６００℃の範囲で調整するセラミック発熱体および冷却板から成る請求項１のアセンブリー。
【請求項３】
温度調整装置が加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体である請求項１〜２いずれかのアセンブリー。
【請求項４】
第１層または第２層のどちらかが少なくとも５％の伸長特性を有する材料から成る請求項１〜３いずれかのアセンブリー。
【請求項５】
第１層または第２層のどちらかが少なくとも２０％の圧縮率を有する材料から成る請求項１〜４いずれかのアセンブリー。
【請求項６】
第１層および第２層の各々が５０μｍ〜１０ｍｍの厚さを有する請求項１〜５いずれかのアセンブリー。
【請求項７】
第２層の厚さが少なくとも５００μｍであり、第１層の厚さが少なくとも１００μｍである請求項１〜６いずれかのアセンブリー。
【請求項８】
第２のシートの厚さが第１のシートの厚さの１．５〜４倍である請求項１〜７いずれかのアセンブリー。
【請求項９】
第１層と第２層の双方が３０ｐｓｉ未満の力でセラミック発熱体に対し付勢されている請求項１〜８いずれかのアセンブリー。
【請求項１０】
第１層が少なくとも黒鉛層から成り、第２層が：黒鉛シート、セラミックフェルト、セラミック発泡体、カーボンシート、セラミック織物、および黒鉛発泡体から選択した材料から成る請求項１〜９いずれかのアセンブリー。
【請求項１１】
温度調整装置が加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体である請求項１〜１０いずれかのアセンブリーにおいて、さらに
第２層の下に配置された断熱層と；
ターゲット支持部材に密封結合され、第１層と第２層、セラミック発熱体および断熱層を収容するケースを形成するプラットフォームとを備えるアセンブリー。
【請求項１２】
第１層および第２層の双方が各々複数の黒鉛シートから成る請求項１〜１１いずれかのアセンブリー。
【請求項１３】
第１のシートがグラファイトシートであり、アセンブリーがウエハー処理室内の半導体ウエハーおよびガラス鋳型の少なくとも１つの温度を調整し支持する請求項１〜１２いずれかのアセンブリー。
【請求項１４】
プロセス室内の加熱ターゲットを加熱し支持するヒーターアセンブリーにおいて、
加熱ターゲットを支持するように構成された上面、および底面を有するターゲット支持部材と；
上面および底面を有し、加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体と；
セラミック発熱体の上面に対して付勢され、セラミック発熱体と平行な平面において少なくとも２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度および１ＧＰａ未満の弾性率を有し、ターゲット支持部材とセラミック発熱体との間に配置された第１層と；
セラミック発熱体の底面に対して付勢され、１ＧＰａ未満の弾性率を有する材料から成り、セラミック発熱体の下に配置された第２層とを備えるアセンブリーであって、
セラミック発熱体が：Ｂ、Aｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｙ、耐火硬質合金、遷移金属から成る群から選択した元素の窒化物、カーバイド、炭窒化物、オキシ窒化物、、およびその組み合わせ；ＮａＺｒ２（ＰＯ４）３のＮＺＰ構造を有する燐酸ジルコニウム；２ａ族、３ａ族および４ａ族の元素から成る族から選択した少なくとも１つの元素を含有するガラスセラミック組成物；ＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラス；およびＳｉＯ２と、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｄｙの酸化物またはフッ化物およびイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）から成る耐プラズマ性の材料との混合物；のうちの１つから成るオーバーコーティング層を備えるアセンブリー。
【請求項１５】
プロセス室内の加熱ターゲットを加熱し支持するヒーターアセンブリーにおいて、
加熱ターゲットを支持するように構成された上面、および底面を有し、透明または不透明な石英材から成るターゲット支持部材と；
上面および底面を有し、加熱ターゲットを少なくとも温度３００℃に加熱するセラミック発熱体と；
セラミック発熱体の上面に対して付勢され、セラミック発熱体と平行な平面において少なくとも２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度および少なくとも２０％の圧縮率を有する材料から成り、ターゲット支持部材とセラミック発熱体との間に配置された第１層と；
セラミック発熱体の底面に対して付勢され、少なくとも５％の伸長特性を有する材料から成り、セラミック発熱体の下に配置された第２層と；
を備えるアセンブリー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−７８１０６（Ｐ２００８−７８１０６Ａ）
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００６−３２０９３５（Ｐ２００６−３２０９３５）
【出願日】平成１８年１１月２９日（２００６．１１．２９）
【出願人】（５０６３９０４９８）モーメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・インク (85)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２０９３５（Ｐ２００６−３２０９３５）
【出願日】平成１８年１１月２９日（２００６．１１．２９）
【出願人】（５０６３９０４９８）モーメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・インク (85)
【Ｆターム（参考）】
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