JP2001144167A

JP2001144167A - 半導体保持装置

Info

Publication number: JP2001144167A
Application number: JP32272299A
Authority: JP
Inventors: Shinji Yamaguchi; 慎治山口
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】高温においてもウエハ内の面内温度分布が均一
となり、均一な特性の半導体薄膜を得ることができる半
導体保持装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体保持装置は、半導体ウエハ
１を保持するための窒化物セラミックス基材３を具える
静電チャック２と、ステンレスからなる冷却装置１１と
を具える。そして、静電チャック２と冷却装置１１との
間おいて、冷却装置１１の厚さ方向における温度分布を
減少させるために、冷却装置１１に隣接させて熱抵抗層
９が形成されている。この熱抵抗層９は、複数のシート
が積層されてなり、複数の界面を有する多層構造、ある
いは接触部と非接触部とを有するように構成されてい
る。または、ヤング率が１００〜５００ＰＧａの剛性の
板状物から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体保持装置に
関し、特に、インラインの半導体製造装置に好適に使用
することのできる半導体保持装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセスにおいては、ウエハ
を半導体保持装置に設置し、ＣＶＤ法やスパッタリング
法などの成膜工程において半導体薄膜を作製した後、エ
ッチング処理などを施すことによって最終的な半導体を
作製するが、前記成膜工程においては、半導体保持装置
を加熱してウエハを所定温度にまで加熱する必要があ
る。

【０００３】半導体の薄膜特性をウエハ内で均一にする
必要があることに加え、大量生産において半導体保持装
置へウエハを着脱する際の、ウエハの加熱及び冷却に対
する応答性を向上させる必要があることから、前記半導
体保持装置は、一般に、加熱装置を具えた静電チャック
などの半導体保持部材と冷却装置とから構成されてい
る。

【０００４】特開平３−３２４９号公報には、静電チャ
ックを水冷式の金属冷却板に対して金属ボンディングに
よって結合した半導体保持装置が開示されている。ま
た、特開平３−１０８７３７号公報には、静電チャック
自体を複数のセラミックス層から構成し、中間に位置す
るセラミックス層に冷媒の流通路を形成するとともに、
この流通路に冷媒を流すようにした半導体保持装置が開
示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体保持装置を、特に２００℃以上の高温で使用
すると、半導体保持装置に設置したウエハの面内温度分
布が均一でなくなり、その結果、ＣＶＤ法などで前記ウ
エハ上に半導体薄膜を形成した場合、半導体の薄膜特性
がウエハ内で均一でなくなるという、上記冷却装置を設
けた本来の目的に反する結果が生じていた。

【０００６】本発明は、高温においてもウエハ内の面内
温度分布が均一となり、均一な特性の半導体薄膜を得る
ことができる半導体保持装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体ウエハ
を保持するためのセラミックス基材を具えた半導体保持
部材と、金属製の冷却装置とを具えた半導体保持装置で
あって、前記半導体保持部材と前記冷却装置との間にお
いて、前記冷却装置の厚さ方向における温度分布を減少
させるために、複数のシートが積層されてなり、複数の
界面を有する多層構造の熱抵抗層を形成したことを特徴
とする、半導体保持装置である。

【０００８】また本発明は、半導体ウエハを保持するた
めのセラミックス基材を具えた半導体保持部材と、金属
製の冷却装置とを具えた半導体保持装置であって、前記
半導体保持部材と前記冷却装置との間において、前記冷
却装置の厚さ方向における温度分布を減少させるため
に、接触部と非接触部とを具えた熱抵抗層を形成したこ
とを特徴とする、半導体保持装置である。

【０００９】さらに本発明は、半導体ウエハを保持する
ためのセラミックス基材を具えた半導体保持部材と、金
属製の冷却装置とを具えた半導体保持装置であって、前
記半導体保持部材と前記冷却装置との間において、前記
冷却装置の厚さ方向における温度分布を減少させるため
に、ヤング率が１００〜５００ＧＰａである剛性の板状
物からなる熱抵抗層を形成するとともに、前記半導体保
持部材、前記冷却装置及び前記板状物を互いに固定した
ことを特徴とする、半導体保持装置である。

【００１０】本発明者らは、上記問題点を解決すべく鋭
意検討した結果、以下の事実を発見した。一般に、冷却
装置を具えていない半導体保持装置では、ウエハの外周
部に対して、内周部の温度が高くなる傾向があるが、上
記のような冷却装置を具えた半導体保持装置を、２００
℃以上の高温で使用した場合は、ウエハの外周部に対し
て内周部の温度が低くなる。

【００１１】かかる事実に基づいて、ウエハの面内温度
分布を不均一にしている原因の探索を行った。静電チャ
ックなどの半導体保持部材は窒化アルミニウムなどの比
較的熱伝導率の高い材料から構成されているが、冷却装
置はステンレスなどの比較的熱伝導率の低い材料から構
成されている。

【００１２】したがって、このような半導体保持装置を
用いてウエハの加熱を行った場合、特に２００℃以上の
高温領域においては、半導体保持部材の厚さ方向の温度
分布はほぼ均一に保たれるが、冷却装置の厚さ方向の温
度分布は不均一となる。すなわち、冷却装置の半導体保
持部材に近接した部分においては、半導体保持部材の温
度とほぼ同じ温度を示すが、半導体保持部材から離れた
部分においては、この半導体保持部材の温度よりも低く
なる。この結果、冷却装置の上部は膨張し冷却装置の下
部は収縮するため、冷却装置は凸上に湾曲する。

【００１３】このため、半導体保持部材と冷却装置との
接触は中心部分で密となるが、中心から離れた部分で
は、冷却装置の湾曲のために接触が疎になる。よって、
半導体保持部材の中心部分、すなわち、半導体保持部材
の内周部は冷却装置によって効率よく冷却されるが、半
導体保持部材の外側部分、すなわち、外周部での冷却効
率が劣り、かかる部分が効率よく冷却されない。この結
果、上述したように、ウエハの外周部での温度は高くな
るが、ウエハの中心部での温度が低くなる。

【００１４】図１は、本発明の半導体保持装置の一例を
示す断面図である。図１に示す半導体保持装置は、半導
体保持部材としての静電チャック２と冷却装置１１とか
ら構成されており、両者はその端部において突出部材９
を介することによってボルト７とナット８とによって接
続固定されている。

【００１５】静電チャック２の内部には抵抗発熱体１８
が埋設されており、抵抗発熱体１８の端部２０を介して
電力供給装置２１から電流を供給することにより、静電
チャック２、すなわち半導体ウエハ１を加熱できるよう
に構成されている。冷却装置１１には、冷媒の流通路１
２、冷媒の供給孔１３、及び冷媒の排出孔１４が形成さ
れており、冷却装置１１の内部を矢印Ａ、Ｂ、Ｃの方向
に冷媒が循環することにより、静電チャック２、さらに
は半導体ウエハ１を冷却するように構成されている。さ
らに、静電チャック２と冷却装置１１との間には熱抵抗
層９が形成されている。

【００１６】このように本発明の半導体保持装置では、
半導体保持部材である静電チャック２と冷却装置１１と
の間に熱抵抗層９を形成して、静電チャック２から冷却
装置１１への熱の移動を著しく遅延させ、冷却装置１１
の厚さ方向に熱が伝導して冷却装置の厚さ方向の温度が
ほぼ均一になった後に、静電チャック２から熱の伝達が
行われるように構成しているので、冷却装置１１の厚さ
方向における温度分布が著しく減少する。

【００１７】したがって、冷却装置１１が凸状に湾曲す
ることがなくなり、冷却装置１１の主面１１ａと熱抵抗
層９の主面９ｂとの接触、すなわち、冷却装置１１の主
面１１ａと静電チャック２の主面２ｂとの接触の度合い
が内側及び外側で均一となる。その結果、静電チャック
２は、冷却装置１１から内側及び外側で均一な冷却作用
を受けるため、ウエハの加熱冷却が均一に行われ、ウエ
ハの面内温度分布を極めて均一にすることができる。

【００１８】熱抵抗層９は、本発明にしたがって複数の
シートが積層されてなり、複数の界面を有するように形
成する。すると、この複数の界面が熱の伝達に対しての
抵抗の役割を果たすようになる。

【００１９】また、熱抵抗層９は、接触部と非接触部と
を有するように形成する。すると、静電チャック２及び
冷却装置１１との接触面積が減少するため、熱の伝達に
対して抵抗の役割を果たすようになる。

【００２０】さらに、熱抵抗層９をヤング率が１００〜
５００ＧＰａである剛性の板状物から構成する。そし
て、静電チャック２と冷却装置１１と熱抵抗層９とを接
着剤などで互いに固定する。すると、この剛性の板状物
は上述のような加熱冷却によって変形せず、冷却装置１
１が湾曲した場合においても、これに追随することがな
い。したがって、静電チャック２から冷却装置１１への
熱の伝導に対して抵抗層として作用する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面と関連させな
がら、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。本
発明の半導体保持装置では、上述のように半導体保持部
材と冷却装置との間に熱抵抗層を形成する。そして、こ
の熱抵抗層は、複数のシートを積層し、複数の界面を有
する多層構造、あるいは接触部と非接触部とを有するよ
うに形成する。さらにはヤング率が１００〜５００ＧＰ
ａである剛性の板状物から構成する。

【００２２】熱抵抗層を多層構造に形成する場合、各シ
ートの厚さは０．５ｍｍ〜１０ｍｍであることが好まし
く、積層数は２〜６０枚であることが好ましい。

【００２３】また、熱抵抗層を接触部と非接触部とを有
するように形成する場合、本発明の目的を達成すること
ができれば、その具体的な手段は限定されない。しかし
ながら、以下に示すような手段によって接触部及び非接
触部を形成することにより、半導体保持部材から冷却装
置への熱伝導を簡易に遅延させることができる。

【００２４】第１の手段としては、熱抵抗層を複数の開
口部を有する板状物から構成する。この場合において
は、開口部が非接触部として作用し、その他の板状部分
が接触部分として作用する。開口部の直径は１〜４０ｍ
ｍであることが好ましく、板状物全体に占める開口部の
割合が５〜５０％であることが好ましい。これによっ
て、板状物を構成する材料の種類によらず、半導体保持
部材から冷却装置への熱伝導を効果的に遅延させること
ができる。このような板状物としてはパンチングメメタ
ルなどを挙げることができる。

【００２５】第２の手段としては、熱抵抗層をエンボス
加工された主面を有する板状物から構成する。この場合
は、凸状のエンボス部分が接触部として作用し、その他
の部分が非接触部として作用する。エンボスの形状は円
柱状あるいは四角柱状であることが好ましい。また、エ
ンボスの大きさは直径又は一辺が１〜４０ｍｍであるこ
とが好ましく、板状物の主面の全体に占める割合が５〜
５０％であることが好ましい。これにより、前記同様に
して半導体保持部材から冷却装置への熱伝導を効果的に
遅延させることができる。

【００２６】第３の手段としては、熱抵抗層を波形状の
主面を有する板状物から構成する。この場合は、波形の
凸状部分が接触部として作用し、その他の部分が非接触
部として作用する。この場合、波形のピッチは０．５〜
２０ｍｍであることが好ましい。これによって、上述の
ような効果を得ることができる。

【００２７】さらに、ヤング率が１００〜５００ＧＰａ
の剛性の板状物から熱抵抗層を構成する場合、この剛性
の板状物は冷却装置を構成する金属よりも熱伝導率の小
さい材料からなることが好ましい。剛性の板状物を用い
た場合においても、板状物を固定せず自由な状態にして
おくと、静電チャック２と冷却装置１１との温度差に起
因して若干湾曲してしまう。したがって、この場合は、
静電チャック２及び冷却装置１１に接着剤などによって
固定して使用する。一般に、冷媒に対する耐食性を付与
すべく冷却装置はステンレスから構成される場合が多
い。したがって、剛性の板状物としてはステンレスより
も熱伝導率の小さい材料から構成することが好ましい。
具体的には、アルミナ、石英、ジルコニア、及びインコ
ネルを例示することができる。また、この場合において
は、前記剛性の板状物を厚さ１〜４０ミリに形成する。

【００２８】半導体保持部材は、半導体ウエハ１を効率
よく加熱するために比較的高い熱伝導性が要求されるこ
と、及び実際のハンドリングにおいて適度な強度が必要
であることからセラミックス基材を具えることが必要で
ある。図１に示すように半導体保持部材を静電チャック
２から構成する場合は、半導体保持部材自体をセラミッ
クスから構成する。そして、半導体の製造工程において
使用されるハロゲン系腐食性ガスに対する耐腐食性を付
与するためには、前記セラミックスは窒化物セラミック
スであることが好ましい。窒化物セラミックスとして
は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素な
ど、公知の窒化物セラミックスを例示することができ
る。

【００２９】冷却装置としては、上述したように冷媒に
対する耐食性の観点からステンレスが好ましくは用いら
れる。

【００３０】本発明の、例えば図１に示す半導体保持装
置は、以下のようにして使用する。最初に、冷媒の供給
孔１３、冷媒の流通路１２、及び冷媒の排出孔１４の間
を、矢印Ａ、Ｂ、Ｃの方向に循環させるようにして、冷
却装置１１に冷媒を供給する。次いで、抵抗発熱体１８
の端部に接続した端子２０を介して電力供給装置２１か
ら抵抗発熱体１８に電流を供給するとともに、半導体ウ
エハ１を静電チャック２の主面２ａ上に載置する。次い
で、直流電源１５から端子５を介して静電チャック電極
４に直流電圧を印加し、半導体ウエハ１を静電チャック
２の主面２ａ上に吸着する。そして、ウエハが所定の温
度になったところで所定のプロセスを施す。

【００３１】次いで、半導体ウエハ１に対する所定の工
程が終了した後、静電チャック電極４への電力印加を停
止して、半導体ウエハ１を静電チャック２よりとりはず
す。次いで、抵抗発熱体１８への電流の供給を停止して
加熱を停止し、冷却装置１１に対する冷媒の供給を停止
する。半導体ウエハ１の温度は赤外線温度計などを、半
導体保持装置の上方に設置することによってモニタす
る。

【００３２】なお、図１では示していないが、半導体保
持部材である静電チャック２から冷却装置１１への熱伝
達を促進させ、高温で使用した場合に、静電チャック自
体が熱によって発生した内部応力によって破壊されるの
を防止すべく、静電チャック２の主面２ｂと熱抵抗層９
の主面９ａとの間にニッケル、アルミニウム、銅、真
鍮、及びステンレス鋼などの金属箔やカーボンシートな
どを形成することもできる。

【００３３】これによって、静電チャック２内の熱は、
冷却装置１１に隣接して冷却された熱抵抗層９にムラな
く吸収されるため、上記静電チャック２の破壊を防止す
ることができる。また、このように金属箔やカーボンシ
ートを形成した場合においても、静電チャック２と冷却
装置１１との間において、冷却装置１１に隣接させて熱
抵抗層９を形成している限り、前述した作用効果によっ
て本発明の目的を達成することができる。

【００３４】図１では、静電チャック２内部に抵抗発熱
体１８を埋設して半導体ウエハ１を加熱する場合につい
て説明したが、半導体ウエハの加熱方法は特に限定され
るものではなく、抵抗発熱体１８の代わりに半導体保持
装置の上方に赤外線ランプを設け、これによって直接半
導体ウエハを加熱することもできる。

【００３５】さらに、抵抗発熱体１８の代わりに静電チ
ャック電極４に高周波電圧を印加し、静電チャック２の
主面２ａ上にプラズマを発生させることによって、半導
体ウエハを加熱することもできる。

【００３６】さらに、図１では半導体保持部材として静
電チャックを用いているが、ヒータ又はサセプタから半
導体保持装置を構成することもできる。

【００３７】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。実施例１半導体保持部材として静電チャックを用い、この静電チ
ャックを冷媒を循環させることにより前記静電チャック
を冷却するように構成した、ステンレス（熱伝導率：１
５Ｗ／ｍＫ）からなる冷却装置と接続固定して、図１に
示すような半導体保持装置を形成した。冷媒には水を用
いるとともに、熱抵抗層９には厚さ６ｍｍのアルミナ
（熱伝導率：３６Ｗ／ｍＫ）板を用いた。

【００３８】このようにして形成した半導体保持装置に
おいて、静電チャック２の主面２ａ上にシリコンからな
る直径２００ｍｍの半導体ウエハ１を載置し、上記「発
明の実施の形態」で述べた手順にしたがって半導体ウエ
ハ１を静電チャック２の主面２ａ上に吸着させ、半導体
ウエハ１を３００℃まで加熱した。このときの半導体ウ
エハ１の面内温度分布を放射温度計によって測定したと
ころ、温度幅ΔＴは２０℃であることが判明した。ま
た、図２は、上記半導体ウエハ１の面内温度分布を放射
温度計によって示した。

【００３９】実施例２熱抵抗層９をアルミナ板で構成する代わりに厚さ２ｍｍ
のステンレス板を７枚積層させて構成し、さらに、静電
チャック２の主面２ｂと熱抵抗層９の主面９ａとの間に
厚さ５００μｍのカーボンシートを形成した以外は、実
施例１と同様にして実施した。実施例１と同様にして半
導体ウエハ１の面内温度分布を測定したところ、温度幅
ΔＴは１０℃であることが判明した。

【００４０】実施例３熱抵抗層９を、開口部の直径が４３ｍｍであり、全体に
占める開口率が２０％であるステンレス製のパンチング
メタルに代えた以外は、実施例２と同様にして実施し
た。上記同様にして半導体ウエハ１の面内温度分布を測
定したところ、温度幅ΔＴは４℃であることが判明し
た。

【００４１】比較例１熱抵抗層９の代わりに、厚さ５ｍｍのＣｕ（熱伝導率：
３００Ｗ／ｍＫ）板を形成した以外は、実施例１と同様
にして実施した。実施例１と同様にして半導体ウエハ１
の面内温度分布を測定したところ、温度幅ΔＴは５５℃
であることが判明した。また、図３には、本比較例にお
ける上記半導体ウエハの面内温度分布を放射温度計によ
って示した。

【００４２】比較例２熱抵抗層９の代わりに、厚さ３ｍｍのニッケルフェルト
（熱伝導率：７０Ｗ／ｍＫ）板を形成した以外は、実施
例１と同様にして実施した。実施例１と同様にして半導
体ウエハ１の面内温度分布を測定したところ、温度幅Δ
Ｔは３５℃であることが判明した。

【００４３】以上、実施例及び比較例から明らかなよう
に、本発明にしたがって、半導体保持部材である静電チ
ャックと冷却装置との間において、この冷却装置に隣接
させて熱抵抗層を形成した場合は、半導体ウエハの面内
温度分布ΔＴが極めて小さいことがわかる。したがっ
て、本発明の半導体保持装置を用いることにより、半導
体ウエハをきわめて均一に加熱できることがわかる。

【００４４】一方、図２及び３における放射温度計によ
って測定した温度分布マップからも、本発明の半導体保
持装置によって加熱した半導体ウエハは極めて均一な温
度分布を示すことがわかる。

【００４５】以上、本発明を図面と関連させながら、発
明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は
上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発
明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能
である。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体保
持装置によれば、半導体保持部材から冷却装置への熱の
伝達を熱抵抗層によって著しく遅延させることができる
ので、冷却装置の厚さ方向の温度を均一にすることがで
きる。その結果、冷却装置の湾曲が防止され、静電チャ
ック、すなわち半導体ウエハを均一に加熱冷却できるた
め、半導体ウエハの面内温度分布を極めて低減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体保持装置の一例を示す断面図で
ある。

【図２】本発明の半導体保持装置を用いて加熱した半導
体ウエハの、面内温度分布を示す図である。

【図３】従来の半導体保持装置を用いて加熱した半導体
ウエハの、面内温度分布を示す図である。

【符号の説明】

１半導体ウエハ、２静電チャック、３セラミック
ス基材、４静電チャック電極、５静電チャックの端
子、６突出部材、７ボルト、８ナット、９熱抵
抗層、１１冷却装置、１２冷媒の流通路、１３冷
媒の供給孔、１４冷媒の排出孔、１５直流電源、１
８発熱抵抗体、２０発熱抵抗体の端子、２１電力
供給装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウエハを保持するためのセラミック
ス基材を具えた半導体保持部材と、金属製の冷却装置と
を具えた半導体保持装置であって、前記半導体保持部材
と前記冷却装置との間において、前記冷却装置の厚さ方
向における温度分布を減少させるために、複数のシート
が積層されてなり、複数の界面を有する多層構造の熱抵
抗層を形成したことを特徴とする、半導体保持装置。
【請求項２】半導体ウエハを保持するためのセラミック
ス基材を具えた半導体保持部材と、金属製の冷却装置と
を具えた半導体保持装置であって、前記半導体保持部材
と前記冷却装置との間において、前記冷却装置の厚さ方
向における温度分布を減少させるために、接触部と非接
触部とを具えた熱抵抗層を形成したことを特徴とする、
半導体保持装置。
【請求項３】前記熱抵抗層は、複数の開口部を有する板
状物からなることを特徴とする、請求項２に記載の半導
体保持装置。
【請求項４】前記熱抵抗層は、エンボス加工された主面
を有する板状物からなることを特徴とする、請求項２に
記載の半導体保持装置。
【請求項５】前記熱抵抗層は、波形状の主面を有する板
状物からなることを特徴とする、請求項２に記載の半導
体保持装置。
【請求項６】半導体ウエハを保持するためのセラミック
ス基材を具えた半導体保持部材と、金属製の冷却装置と
を具えた半導体保持装置であって、前記半導体保持部材
と前記冷却装置との間において、前記冷却装置の厚さ方
向における温度分布を減少させるために、ヤング率が１
００〜５００ＧＰａである剛性の板状物からなる熱抵抗
層を形成するとともに、前記半導体保持部材、前記冷却
装置及び前記板状物を互いに固定したことを特徴とす
る、半導体保持装置。
【請求項７】前記剛性の板状物は、前記冷却装置を構成
する金属よりも熱伝導率が小さい材料からなることを特
徴とする、請求項６に記載の半導体保持装置。
【請求項８】前記冷却装置を構成する金属はステンレス
であり、前記剛性の板状物を構成する材料は、アルミ
ナ、石英、ジルコニア、及びインコネルから選ばれる少
なくとも１種であることを特徴とする、請求項７に記載
の半導体保持装置。