CN113632589A - 陶瓷加热器 - Google Patents
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Abstract
陶瓷加热器(31)中，在具备晶片载置面(32a)的AlN陶瓷基体(32)中从接近晶片载置面(32a)的一侧起以分开的状态依次埋设有等离子体产生用的RF电极(33)、加热器电极(34)。AlN陶瓷基体(32)具备设置于RF电极(33)与加热器电极(34)之间的AlN陶瓷高电阻层和高电阻层以外的AlN陶瓷低电阻层。高电阻层和低电阻层均包含Si、Mg和Ti。高电阻层与低电阻层相比，Mg和Ti的含量多，体积电阻率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷加热器。
背景技术
一直以来，在半导体制造工艺中，有时采用等离子体CVD工序。在等离子体CVD工序中，将晶片载置于陶瓷加热器的晶片载置面上。在陶瓷加热器的陶瓷基体中埋设有等离子体产生用电极和加热器电极。另一方面，在晶片的上方空间配置有上部电极。而且，若在上部电极与等离子体产生用电极之间施加高频电压，则在这些电极之间产生等离子体，利用该等离子体在晶片上蒸镀薄膜。对于这样的陶瓷加热器，存在如下问题：若对等离子体产生用电极施加的高频电压的漏电流传导至加热器电极，则无法控制对加热器电极的通电。鉴于这一点，在专利文献1中提出了在等离子体产生用电极与加热器电极之间设置高电阻的绝缘层(漏电流防止层)的方案。另外，作为一个例子，提出了陶瓷基体本身由氮化铝陶瓷形成，作为绝缘层，由电阻值比氮化铝大的氮化硅陶瓷形成的方案。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3602908号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，由于氮化硅陶瓷的热膨胀率只有氮化铝陶瓷的热膨胀率的6成左右，因此在反复进行陶瓷加热器的升温和降温的过程中，绝缘层有可能会剥离。
本发明是为了解决这样的课题而完成的，其主要目的在于长期防止等离子体产生用电极与加热器电极之间的漏电流。
用于解决课题的方案
本发明的陶瓷加热器为在具备晶片载置面的AlN陶瓷基体中，从接近所述晶片载置面的一侧起以分开的状态依次埋设有等离子体产生用电极、加热器电极的陶瓷加热器，
所述AlN陶瓷基体具备：
设置在所述等离子体产生用电极与所述加热器电极之间的AlN陶瓷高电阻层、以及
所述高电阻层以外的AlN陶瓷低电阻层，
所述高电阻层和所述低电阻层均包含Si、Mg和Ti，
所述高电阻层与所述低电阻层相比，Mg和Ti的含量多，体积电阻率高。
在该陶瓷加热器中，AlN陶瓷基体具备设置于等离子体产生用电极与加热器电极之间的AlN陶瓷高电阻层和高低电阻层以外的AlN陶瓷低电阻层。高电阻层和低电阻层均包含Si、Mg和Ti。高电阻层与低电阻层相比，Mg和Ti的含量多，体积电阻率高。因此，高电阻层防止漏电流流过等离子体产生用电极与加热器电极之间。高电阻层较多地含有Mg和Ti以使体积电阻率比低电阻层高。另外，构成AlN陶瓷基体的高电阻层和低电阻层基本上都是AlN陶瓷，因此热膨胀率不会产生大的差异。因此，即使反复进行陶瓷加热器的升温和降温，也难以在高电阻层与低电阻层的层间产生剥离。因此，根据该陶瓷加热器，能够长期防止等离子体产生用电极与加热器电极之间的漏电流。
在本发明的陶瓷加热器中，优选所述高电阻层与所述低电阻层相比，Si的含量少。
在本发明的陶瓷加热器中，优选所述低电阻层是含有10质量ppm以上且50质量ppm以下的Ti的AlN陶瓷层，所述高电阻层是含有1000质量ppm以上且1500质量ppm以下的Ti的AlN陶瓷层。这样，能够使高电阻层的体积电阻率比低电阻层的体积电阻率高，并且能够使高电阻层的热导率与低电阻层的热导率为同等程度。
在本发明的陶瓷加热器中，优选所述低电阻层是含有90质量ppm以上且180质量ppm以下的Mg的AlN陶瓷层，所述高电阻层是含有200质量ppm以上且400质量ppm以下的Mg的AlN陶瓷层。
在本发明的陶瓷加热器中，优选所述高电阻层的体积电阻率为所述低电阻层的体积电阻率的1.2倍以上。这样，更容易防止等离子体产生用电极与加热器电极之间的漏电流。
在本发明的陶瓷加热器中，优选所述高电阻层的热导率为所述低电阻层的热导率的90％以上。这样，由于高电阻层的热导率比较高，因此晶片的均热性变得良好。
在本发明的陶瓷加热器中，优选的是，所述AlN陶瓷基体为依次层叠有所述低电阻层、所述高电阻层和所述低电阻层的3层结构，且所述高电阻层的厚度小于2个所述低电阻层的厚度的合计。通常，陶瓷具有体积电阻率高时热导率降低的倾向，但如果采用这样的结构，则作为整体能够使热导率比较高，晶片的均热性变得良好。
附图说明
图1是表示等离子体处理装置10的概略构成的剖视图。
图2是图1中的单点划线的圆内部分的放大图。
图3是另一实施方式的圆内部分的放大图。
图4是另一实施方式的圆内部分的放大图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1是表示等离子体处理装置10的概略构成的剖视图，图2是图1中的单点划线的圆内部分的放大图。
如图1所示，等离子体处理装置10具备腔室12、喷头20和晶片载置装置30。
腔室12是由铝合金等形成为箱状的容器。该腔室12在底面的大致中央具有圆孔14。另外，腔室12在底面具有排气管16。排气管16在中途具备未图示的压力调整阀、真空泵等，能够将腔室12的内部调整为期望的压力。腔室12的顶部开口。
喷头20以封闭腔室12的顶部的开口的方式安装。在腔室12的顶部的开口边缘与喷头20之间设置有绝缘部件22。利用喷头20封闭了开口的腔室12的内部构成为保持气密。喷头20将从气体导入管24导入的气体从多个气体喷射孔26朝向载置于陶瓷加热器31的晶片W喷射。喷头20与等离子体产生用的RF电源60连接。因此，喷头20作为等离子体产生用的电极发挥功能。RF电源60的频率例如优选为13MHz或27MHz。
晶片载置装置30具备陶瓷加热器31和中空轴38。
陶瓷加热器31中，在具备晶片载置面32a的圆板状的AlN陶瓷基体32中从接近晶片载置面32a的一侧起以分开的状态依次埋设有等离子体产生用的RF电极33和加热器电极34。
如图2所示，AlN陶瓷基体32具备设置于RF电极33与加热器电极34之间的AlN陶瓷高电阻层321和高电阻层321以外的AlN陶瓷低电阻层322、323。高电阻层321和低电阻层322、323均包含Si、Mg和Ti。在此，AlN陶瓷基体32为依次层叠有低电阻层322、高电阻层321和低电阻层323的3层结构，高电阻层321的厚度小于2个低电阻层322、323的厚度的合计。高电阻层321与低电阻层322、323相比，Mg和Ti的含量多，体积电阻率高。高电阻层321与低电阻层322、323相比，Ti含量多，因此在外观上看起来发黑。高电阻层321与低电阻层322、323相比，优选Si的含量少。低电阻层322、323优选为含有10质量ppm以上且50质量ppm以下的Ti的AlN陶瓷层，高电阻层321优选为含有1000质量ppm以上且1500质量ppm以下的Ti的AlN陶瓷层。低电阻层322、323是含有90质量ppm以上且180质量ppm以下的Mg的AlN陶瓷层，高电阻层321优选为含有200质量ppm以上且400质量ppm以下的Mg的AlN陶瓷层。另外，高电阻层321的体积电阻率优选为低电阻层322、323的体积电阻率的1.2倍以上，高电阻层321的热导率优选为低电阻层322、323的热导率的90％以上。高电阻层321的热膨胀率α1优选与低电阻层322、323的热膨胀率α2为同等程度(例如α2±10％的范围内，优选为α2±5％的范围内)。
RF电极33为网格形状、板状或膜状，例如通过以W、Mo、Ti、Si、Ni的单质或化合物(碳化物等)为主成分的材料、将它们组合得到的材料、或者它们与陶瓷基体32所使用的陶瓷原料的混合材料等来制作。RF电极33经由从陶瓷基体32中与晶片载置面32a相反一侧的面(背面)插入的供电杆35与等离子体产生用的RF电源60连接。
加热器电极34为线圈形状或带状，例如由将W、Mo、Ti、Si、Ni的单质或化合物(碳化物等)作为主成分的材料、将它们组合得到的材料、或者它们与陶瓷基体32所使用的陶瓷原料的混合材料等来制作。加热器电极34以遍及整个晶片载置面32a的方式以一笔画的要领从一端34a配线至另一端34b。在加热器电极34的一端34a和另一端34b分别连接有供电杆36、37。在2个供电杆36、37之间连接有加热器电源62。加热器电极34在由加热器电源62供给电力时，对吸附保持于晶片载置面32a上的晶片W进行加热。
中空轴38与陶瓷基体32同样地为AlN制，在两端的开口周围设置有凸缘38a、38b。中空轴38经由一端的凸缘38a通过扩散接合或TCB(Thermal compression bonding，热压接合)而接合于陶瓷基体32的背面。TCB是指在接合对象的2个部件之间夹入金属接合材料，加热至金属接合材料的固相线温度以下的温度，并在该状态下对2个部件进行加压接合的公知的方法。需要说明的是，如果使用温度低，则中空轴38也可以经由有机粘接层而粘接于陶瓷基体32的背面。另外，中空轴38经由另一端的凸缘38b而气密地安装于在腔室12的底面设置的圆孔14的周围。因此，中空轴38的内部和腔室12的内部成为完全被隔断的状态。在中空轴38的凸缘38b的背面安装有杆固定器39。杆固定器39通过未图示的夹持机构而固定贯通的供电杆35、36、37。
接着，对等离子体处理装置10的制造例进行说明。在此，对晶片载置装置30的制造例进行说明。需要说明的是，该制造例应用了公知的技术，因此仅说明概要。首先，准备具备扁平的圆柱状空间的成形模具。在该成型模具内投入烧成时成为低电阻层的低电阻层用原料并铺满。接着，在其上配置RF电极33，进一步投入低电阻层用原料，并在RF电极33上铺满。接着，在其上投入烧成时成为高电阻层的高电阻层用原料并铺满，暂时成形为圆板状。接着，在高电阻层用原料上配置加热器电极34，进一步投入低电阻层用原料并在加热器电极34上铺满，再次成形为圆板状。对得到的圆板状的成型体进行烧成，得到陶瓷加热器31。烧成可以是加压烧成(例如热压烧成)，也可以是常压烧成。接着，对于陶瓷加热器31的与晶片载置面32a相反侧的面，进行用于连接供电杆35、36、37的开孔等切削。在进行切削后的陶瓷加热器31上接合另行制作的中空轴38后，将供电棒35与RF电极33连接，并且将供电棒36、37与加热器电极34的一端34a及另一端34b连接，得到晶片载置装置30。
接着，对等离子体处理装置10的使用例进行说明。如图1所示，在腔室12内配置等离子体处理装置10，在晶片载置面22a上载置晶片W。然后，从喷头20供给反应气体，将腔室12内设为预定压力(例如数10～数100Pa)的反应气体气氛。在该状态下，从RF电源60向喷头20与埋设于陶瓷基体32的RF电极33之间供给高频电力。由此，在由喷头20和RF电极33构成的平行平板电极间产生等离子体。利用该等离子体对晶片W实施CVD成膜或实施蚀刻。另外，基于未图示的热电偶的检测信号求出晶片W的温度，控制向加热器电极34施加的加热器电源62的电压，以使该温度成为设定温度(例如350℃或300℃)。
在以上详述的陶瓷加热器31中，高电阻层321防止在RF电极33与加热器电极34之间流过漏电流。高电阻层321较多地含有Ti，以使体积电阻率比低电阻层322、323高。AlN陶瓷的Ti含量过多时，体积电阻率变低，但若Ti含量为适量，则存在体积电阻率变高的倾向。在本实施方式中利用了该性质。另外，构成AlN陶瓷基体32的高电阻层321和低电阻层322、323基本上均为AlN陶瓷，因此热膨胀率不会产生大的差异。因此，即使反复进行陶瓷加热器31的升温和降温，也难以在高电阻层321与低电阻层322、323的层间产生剥离。因此，根据该陶瓷加热器31，能够长期防止RF电极33与加热器电极34之间的漏电流。
另外，在RF电极33的周边，由于在RF电极33中流动的RF电流而产生的RF磁场的时间变化，感应出RF电场。高电阻层321防止该RF电场与加热器电极34耦合。因此，能够充分防止RF噪声对包含加热器电极34的加热器电路的影响。其结果是，能够高精度地进行加热器电极34的温度控制。
高电阻层321与低电阻层322、323相比，优选Si的含量少。这样，如后述的实验例的测定数据所示，即使Ti的含量多，也能够成为高电阻。低电阻层322、323是含有30质量ppm以上120质量ppm以下的Si的AlN陶瓷层，高电阻层321是含有20质量ppm以上100质量ppm以下的Si的AlN陶瓷层，低电阻层322、323优选Si的含量比高电阻层321多。
优选低电阻层322、323是含有10质量ppm以上且50质量ppm以下的Ti的AlN陶瓷层，高电阻层321是含有1000质量ppm以上且1500质量ppm以下的Ti的AlN陶瓷层。这样，能够使高电阻层321的体积电阻率比低电阻层322、323的体积电阻率高，并且使高电阻层321的热导率与低电阻层322、323的热导率为同等程度。
优选低电阻层322、323是含有90质量ppm以上且180质量ppm以下的Mg的AlN陶瓷层，高电阻层321是含有200质量ppm以上且400质量ppm以下的Mg的AlN陶瓷层。这样，如后述的实验例的测定数据所示，即使Ti的含量多，也能够成为高电阻。
另外，高电阻层321的体积电阻率优选为低电阻层322、323的体积电阻率的1.2倍以上。这样，更容易防止RF电极33与加热器电极34之间的漏电流。
另外，高电阻层321的热导率优选为低电阻层322、323的热导率的90％以上。这样，高电阻层321的热导率比较高，因此晶片W的均热性变得良好。
而且，AlN陶瓷基体32成为低电阻层322、高电阻层321和低电阻层323依次层叠而成的3层结构，高电阻层321的厚度比2个低电阻层322、323的厚度的合计小。通常，陶瓷具有当体积电阻率高时热导率降低的倾向，但由于采用这样的结构，因此作为整体能够使热导率比较高，晶片W的均热性变得良好。
需要说明的是，不言而喻，本发明不受上述实施方式的任何限定，只要属于本发明的技术范围，就能够以各种方式实施。
例如，在上述的实施方式中，将高电阻层321配置为比RF电极33的下表面靠下侧且与加热器电极34的上表面接触，但并不特别限定于此。例如，如图3所示，也可以将高电阻层321配置为与RF电极33的下表面以及加热器电极34的上表面接触。或者，也可以将RF电极33和加热器电极34中的至少一方埋设于高电阻层321。图4表示将加热器电极34埋设于高电阻层321的例子。在图3和图4中，对与上述实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记。在任一情况下，都能够得到与上述的实施方式同样的效果。
在上述的实施方式中，也可以将晶片载置面32a分为多个区域，在各区域配置加热器电极34。
在上述的实施方式中，也可以在AlN陶瓷基体32内内置静电电极，使晶片W静电吸附于晶片载置面32a。
实施例
按照上述实施方式中说明的陶瓷加热器31的制造例制造4种陶瓷加热器31(实验例1～4)，评价各个AlN陶瓷基体32的Ti含有率和特性。将其结果示于表1。Si、Mg和Ti的含有率按照ICP发光分光分析法(ICP-AES)求出。体积电阻率是在室温下测定时的值，按照JIS-C2141求出。热导率是在室温下测定时的值，按照JIS-R1611求出。热膨胀率为室温～1000℃的值，按照JIS-R1618求出。
[表1]
在实验例1～4中，高电阻层321和低电阻层322、323均包含Si、Mg和Ti，高电阻层321与低电阻层322、323相比，Mg和Ti的含量多，体积电阻率高，Si的含量低。关于热膨胀率，在实验例1～4中，高电阻层321和低电阻层322、323均为几乎同等程度。关于体积电阻率，在实施例1～4中，高电阻层321均比低电阻层322、323高。在实施例1、2中，高电阻层321的体积电阻率为低电阻层322、323的体积电阻率的约4倍，高电阻层321的热导率为低电阻层322、323的热导率的约95％。在实验例3、4中，高电阻层321的体积电阻率为低电阻层322、323的体积电阻率的约1.2倍，高电阻层321的热导率为低电阻层322、323的热导率的约102％。
本申请将2019年3月18日申请的日本专利申请第2019-049548号作为优先权主张的基础，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。
产业上的可利用性
本发明例如可用于半导体制造工艺。
符号说明
10：等离子体处理装置，12：腔室，14：圆孔，16：排气管，20：喷头，22：绝缘部件，22a：晶片载置面，24：气体导入管，26：气体喷射孔，30：晶片载置装置，31：陶瓷加热器，32：AlN陶瓷基体，321：AlN陶瓷高电阻层，322、323：AlN陶瓷低电阻层，32a：晶片载置面，33：RF电极，34：加热器电极，34a：一端，34b：另一端，35、36、37：供电杆，38：中空轴，38a：凸缘，38b：凸缘，39：杆固定器，60：RF电源，62：加热器电源。
Claims (7)
1.一种陶瓷加热器，其在具备晶片载置面的AlN陶瓷基体中，从接近所述晶片载置面的一侧起以分开的状态依次埋设有等离子体产生用电极、加热器电极，
所述AlN陶瓷基体具备：
设置在所述等离子体产生用电极与所述加热器电极之间的AlN陶瓷高电阻层、以及
所述高电阻层以外的AlN陶瓷低电阻层，
所述高电阻层和所述低电阻层均包含Si、Mg和Ti，
所述高电阻层与所述低电阻层相比，Mg和Ti的含量多，体积电阻率高。
2.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，所述高电阻层与所述低电阻层相比，Si的含量少。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷加热器，其中，所述低电阻层是含有10质量ppm以上且50质量ppm以下的Ti的AlN陶瓷层，
所述高电阻层是含有1000质量ppm以上且1500质量ppm以下的Ti的AlN陶瓷层。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的陶瓷加热器，其中，所述低电阻层是含有90质量ppm以上且180质量ppm以下的Mg的AlN陶瓷层，
所述高电阻层是含有200质量ppm以上且400质量ppm以下的Mg的AlN陶瓷层。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的陶瓷加热器，其中，所述高电阻层的体积电阻率为所述低电阻层的体积电阻率的1.2倍以上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的陶瓷加热器，其中，所述高电阻层的热导率为所述低电阻层的热导率的90％以上。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的陶瓷加热器，其中，所述AlN陶瓷基体为依次层叠有所述低电阻层、所述高电阻层和所述低电阻层的3层结构，所述高电阻层的厚度小于2个所述低电阻层的厚度的合计。
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