JP2001358207A

JP2001358207A - シリコンウェハ支持部材

Info

Publication number: JP2001358207A
Application number: JP2000174662A
Authority: JP
Inventors: Shigeko Muramatsu; 滋子村松; Shinichiro Aonuma; 伸一朗青沼; Mitsuhiro Fujita; 光広藤田; Masahiko Ichijima; 雅彦市島
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2001-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化アルミニウムなどの高熱伝導性セラミッ
ク基板を用いたヒーター、静電チャック、ヒーターカバ
ープレートなどのシリコンウェハ支持部材において、高
温における絶縁性などを改善するために表面層に設ける
ＹＡＧ層が剥離し脱落することを防止する。【解決手段】高熱伝導性を特徴とする窒化アルミニウ
ム製基材１と、ＹＡＧ層３との間に、熱膨張率がこれら
の両材料の中間にある材料層２を介装させ、熱膨張率差
をこの中間層が緩和して、高温時におけるＹＡＧ層の剥
離を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、半導体製造工程に
おいて用いられるセラミック面状ヒーター、セラミック
静電チャック、ヒーターカバープレート、ヒーター付き
静電チャックなどのシリコンウェハ支持部材に関し、特
に高絶縁性で高抵抗のコーティングを施して改良された
支持部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造工程において
は、シリコンウェハに、加熱処理、エッチング処理、酸
化処理、ＣＶＤ処理、ＰＶＤ処理、プラズマＣＶＤ処
理、スパッタリング処理、イオン注入処理、アッシング
処理などの処理が行われている。これらの処理工程にお
いては、処理されるシリコンウェハは、セラミック面状
ヒーター、セラミック静電チャック、ヒーターカバープ
レート、ヒーター付き静電チャックのような支持部材上
に載置され、支持されて、加熱、酸化処理、プラズマ処
理などの処理を施される。

【０００３】これらの加工処理においては、密閉が可能
で雰囲気制御を行うことができる装置内に配置した支持
部材上に、シリコンウェハのような被加工体を位置決め
配置し、被加工体に加熱を施しながら処理を行うのが一
般的であるが、これらの処理工程で装置内はハロゲン系
ガスが多用されており、高温、腐食性ガス雰囲気、ある
いはプラズマなど、装置内部の部材材料の劣化をもたら
す環境に晒されることとなり、シリコンウェハ支持部材
にとっても長期間の使用によって材料の劣化が進行す
る。そこで、ヒーター、静電チャックなどのシリコンウ
ェハ支持部材の材料としては、ハロゲン系ガスに対する
耐食性に優れており、更に耐熱性、熱伝導性が良好であ
ることなどの理由から、窒化アルミニウム焼結体が広く
用いられている。

【０００４】また、窒化アルミニウム面状ヒーターや窒
化アルミニウム静電チャック、ヒーターカバープレート
などは、高温で使用され、また、高電圧を印加して使用
するものであることから、高い高温電気絶縁性が要求さ
れており、今後より配線の細密化にともないプロセス温
度が高くなるため、より一層の高絶縁性を求められるこ
とになる。

【０００５】一方、このような腐食性環境に対する耐性
及び高温における電圧印加部分で使用される材料とし
て、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡ
Ｇ）が知られている。ＹＡＧは高絶縁性の材料で、高温
でも高い抵抗を示す材料であることから、高温で使用さ
れるヒーター、静電チャックなどの基材として使用する
と、リーク電流によるウェハ破壊が生じにくいという長
所を持っている。

【０００６】しかしながら、ＹＡＧは、主成分がレアア
ースであるイットリウムであるため、原料がアルミニウ
ム系セラミックスと比較して非常に高価で、その上密度
が、アルミナが約４ｇ／ｃｍ³であるのに対し、ＹＡＧ
が４．６ｇ／ｃｍ^３と高く、ＹＡＧ単体で支持部材を作
製すると、大量の原料を必要とするためアルミニウム系
セラミックスと比較して非常に高価となってしまう。ま
た、ＹＡＧはもろい材料で加工歩留まりを低下させてし
まう欠点もある。さらにシリコンウェハの大口径化に伴
う部材の大型化は、更なる製造コストの上昇はもとよ
り、部材の大重量化を招き、昨今の省資源化も考慮に入
れると高絶縁性という利点を生かすことができない。

【０００７】また、窒化アルミニウムの熱伝導率は７０
〜２００Ｗ／ｍＫであるのに対して、ＹＡＧの熱伝導率
が１０Ｗ／ｍＫ程度と低く、サセプターやヒーター、静
電チャックなど熱特性を要求される部材でスループット
を低下させるといった大きな欠点を有している。ＹＡＧ
におけるこのような欠点を解消する方法として、例えば
窒化アルミニウム焼結体などを用いて、その上にＹＡＧ
などの高耐食性材料をコーティングすることも試みられ
ている（特開平１０−４５４６７号公報）。しかし、窒
化アルミニウム焼結体に直接ＹＡＧをコーティングする
と、加熱時に材質の熱膨張差によりＹＡＧ膜の剥離が発
生しダスト発生の原因となったり、熱伝導性が低下した
り、ヒーターや静電チャックの発熱体配線や電極を埋設
することが困難になるなど、ＹＡＧの特徴である高絶縁
性を発揮するだけの膜厚のＹＡＧ層を形成することは困
難であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
かかる問題点を改良すべくなされたもので、高熱伝導性
を特徴とする窒化アルミニウム製基材表面にＹＡＧ層を
形成したシリコンウェハ支持部材において、高温使用に
よるＹＡＧ層の剥離を防止し、高温における絶縁性が良
好で高い抵抗値を持ち熱伝導が良好なシリコンウェハ支
持部材を実現することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１の発
明は、高熱伝導性を特徴とする窒化アルミニウム製基材
の表面にＹＡＧ層を形成するシリコンウェハ支持部材に
おいて、該窒化アルミニウム製基材とＹＡＧ層の間に、
両材料の中間的な熱膨張率を有する中間層を形成したシ
リコンウェハ支持部材である。

【００１０】また、請求項３の発明は、請求項２の発明
において、中間的な特性を有する中間層として、窒化ア
ルミニウムとＹＡＧとの混合物を用いることを特徴とす
るものである。

【００１１】さらに、請求項１〜３に記載の発明におけ
るシリコンウェハ支持部材としては、面状ヒーター、静
電チャック、ヒーターカバープレート、ヒーター付き静
電チャックなどがあげられ、本発明はこれらの半導体製
造装置において用いられるシリコンウェハ支持部材に適
用することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。本発明の支持部材は、高熱伝導性を特徴とする窒
化アルミニウム製基材の表面に、中間層を介してＹＡＧ
層を形成するものである。そして、本発明のシリコンウ
ェハ支持部材が、面状ヒーターであれば内部発熱体を、
また静電チャックであれば内部電極板をそれぞれ備え、
また、これらの内部電極層を外部に電気的に接続するた
めの外部端子部を備えたものである。

【００１３】本発明において、該窒化アルミニウム製基
材としては、各種性状のものを用いることができるが、
製造の容易性等から焼結体基材とすることが好ましい。
そして、本発明の支持部材は、２０ｃｍ（８インチ）サ
イズのウェハに用いるためのものであれば直径が約２０
０〜２３０ｍｍ、厚さが約５〜２０ｍｍの円盤状の焼結
体基材とすることができる。この円盤状焼結体基材の熱
伝導率は約１１０Ｗ／Ｋ・ｍ程度以上、気孔率０．５％
程度以下のものとすることが望ましい。

【００１４】次に、本発明の中間層の材料としては、熱
膨張率が上記窒化アルミニウム製基材とＹＡＧとの中間
になるように混合した窒化アルミニウムとＹＡＧとの混
合物層とすることが望ましい。この層によって、該窒化
アルミニウム製基材とＹＡＧ層との熱膨張率差を緩和す
ることができ、高温加熱時の表面層の膜剥離を防止する
ものである。

【００１５】この中間層１３は、単一混合比層として形
成してもよいが、複数の中間層を積層して用いてもよ
い。複数の中間層を介在させる場合は、個々の中間層の
熱膨張率を上記窒化アルミニウム製基材とＹＡＧの熱膨
張率に段階的に近似させることにより、隣接する層の熱
膨張率の差を緩和することができ、より高温時の熱膨張
率差による剥離を防止する効果が強化されるので、好ま
しい。かかる中間層において、該窒化アルミニウムとＹ
ＡＧとの配合比率は、混合物の熱膨張率が、該窒化アル
ミニウム製基材とＹＡＧとの中間値に相当するものであ
れば任意であるが、おおむね、該窒化アルミニウムとＹ
ＡＧ粉末の配合の比率は、中間層を１層のみとする場合
には、ほぼ１：１の割合で混合するのが好ましい。ま
た、中間層を２層の積層構造とする場合には、ほぼ１：
２及び２：１の比率で混合した２種類の中間層材料を用
いることが好ましい。以下、中間層の積層数を３層以上
とする場合においても、積層数に応じて案分して配合す
ればよい。

【００１６】本発明において、上記中間層の膜厚は、１
０〜３００μｍの範囲とすることが望ましい。中間層の
膜厚がこの範囲を下回った場合、該窒化アルミニウム製
基材とＹＡＧ層との熱膨張差を十分吸収できず、加熱焼
成により膜剥離を生じるおそれが大きい。また、中間層
の膜厚が上記範囲を上回わっても、熱伝導率の低下や静
電チャックでは吸着力の低下が生じ、厚膜とするメリッ
トはない。かかる中間層を複数の層の積層体として形成
する場合例えば２層積層では、個々の中間層の膜厚は、
５〜１５０μｍの範囲とすることが好ましい。この中間
層の膜厚が、この範囲を下回ると、熱膨張差を吸収でき
ず膜剥離の問題が発生し、また上回ると熱伝導性低下や
吸着力の低下の問題が発生する。

【００１７】本発明において、表面層であるＹＡＧ層の
膜厚は、５０〜３００μｍの範囲とすることが望まし
い。膜厚がこの範囲を下回ると、絶縁性低下の問題が発
生し、またＹＡＧ層がこの範囲を上回ると、熱伝導性が
下がること、吸着力が低下すること、ＹＡＧの使用量が
増加して、コスト的に望ましくないといった欠点があ
る。

【００１８】次に、本発明の支持部材の構造について、
図面に基づき説明する。図１が、本発明をヒーターカバ
ープレートに適用する例の概略断面図である。図中、１
は高熱伝導性である窒化アルミニウム製基材であり、２
が中間層であり、３がＹＡＧ層である。

【００１９】また、図２及び図３が、面状ヒーターある
いは静電チャックなど、本発明を内部電極層を備えた支
持部材に適用した場合の概略断面図である。図２が、内
部電極層を上記窒化アルミニウム製基材である焼結体基
材材料中に埋め込んだ例であり、また図３が、内部電極
層を焼結体基材と中間層の間に介装した例である。な
お、図２、３において、図１と同一の部分には同一の番
号を付している。図２及び図３中、４は内部発熱体ある
いは内部電極板などの内部電極層であり、５は内部電極
層から外部へ電極を引き出すために用いられる電極端子
部である。

【００２０】次に、本発明の支持部材の製造方法を説明
する。まず、高熱伝導性を特徴としている窒化アルミニ
ウム製基材を準備する。前述したように本発明の窒化ア
ルミニウム基材としては、窒化アルミニウム焼結体を用
いることが好ましく、以下焼結体基材として説明する。
前述したように、面状ヒーターあるいは静電チャックの
ようなシリコンウェハ支持部材を製造する場合は、この
焼結体基材に、内部電極層から外部へ電気的に接続する
ために焼結体基材に形成された貫通孔にタングステンな
どの耐熱性金属で形成された電極端子部５を挿入しタン
グステンペーストなどを用いて固定される。

【００２１】次いで、該焼結体基材表面に中間層及びＹ
ＡＧ層を形成する。これらの層の形成は、ＣＶＤや、ス
パッタなど公知の成膜方法も採用できるが、中間層、Ｙ
ＡＧ層、内部発熱体や内部電極板等の内部電極層を連続
的に形成できることから、スクリーン印刷法が最も適し
ている。このスクリーン印刷法による成膜は、セラミッ
ク粉末あるいは内部発熱体、内部電極用材料粉末など
に、バインダー、溶剤、可塑剤などを混合して印刷用ペ
ーストを作製し、これを該焼結体基材表面に所定の膜厚
の層となるまでスクリーン印刷を繰り返し行った後、乾
燥し、窒素などの不活性雰囲気中で４００〜５００℃で
ペースト中の有機成分を脱脂した後、窒素などの不活性
雰囲気中で１６００〜１９００℃で１〜５時間焼成する
ことによって行うことができる。

【００２２】本発明で用いられる印刷用ペーストとして
は、バインダー樹脂としては、アクリル樹脂やメチルセ
ルロース樹脂などを、溶剤としてはジエチレングリコー
ルモノブチルエーテル（ＢＤＧ）などを用いることがで
きペースト粘性が３００ポイズになるようセラミック粉
末を混合、調整する。これらの配合量は、セラミック粉
末を１００部とした場合、バインダー樹脂は５〜１０
部、溶剤は３０〜４０部の範囲が望ましい。バインダー
樹脂が、上記範囲を超えた場合には、焼結体の密度が低
下してしまい、一方上記範囲に満たない場合には成膜時
に強度が足りず膜表面が荒れてしまう欠点がある。さら
に、溶剤が上記範囲を超えた場合には、膜強度が低下し
成膜が困難になる。一方溶剤の量が上記範囲に満たない
場合には、粘性が上がり成膜が困難になる。

【００２３】以下に、上記内部電極層を備えた本発明の
支持部材の製造方法について説明する。図２に示した内
部電極層を上記窒化アルミニウム製基材である焼結体基
材内部に設けた支持部材を製造するには、種々の方法が
あるが例えば、まず、内部電極層を形成すべき該焼結体
基材の厚みの半分程度に相当する板状体を準備する。こ
の板状体には、外部電極取り出し用の電極端子部を埋め
込む貫通孔を備え、例えばタングステンのような耐熱性
金属で形成された電極端子部を嵌装しタングステンペー
ストで固定する。ついで、この電極端子部と内部電極層
を電気的に導通させるために両層が接触するように、内
部電極層のパターンをスクリーン印刷する。この内部電
極層のスクリーン印刷は、タングステンのような高融点
金属の粉末をバインダー、溶剤、可塑剤とともに混練し
てペースト状にし、これを通常の方法によりスクリーン
印刷をすればよい。１回のスクリーン印刷で十分な電流
容量のパターンを形成することが困難な場合は、複数回
のスクリーン印刷により内部電極層の電流容量を増加さ
せることができる。ついで、内部電極層パターン上に、
該焼結体基材の残部を形成するために、ウェハ支持側基
材に接着剤を配合した印刷用ペーストを用いてスクリー
ン印刷を所要回数行い、バインダー分を脱脂後、接合熱
処理にて、ヒーター、静電チャックを得ることができ
る。その後、中間層、及びＹＡＧ層をウェハ支持面上に
それぞれスクリーン印刷して成膜する。ついで、定法に
従い、乾燥・脱脂・焼成工程を施すことによりＹＡＧコ
ーティング層を有する窒化アルミニウム製支持部材が得
られる。

【００２４】次に図３に示す内部電極層を上記窒化アル
ミニウム製基材である焼結体基材と中間層との間に形成
した支持部材を製造するには、電極端子部を備えた該焼
結体基材表面に、該電極端子部と内部電極層が電気的に
導通するように、内部電極層形成用のタングステンペー
ストを内部電極層パターンに印刷し、次いで中間層、及
び表面層を順次スクリーン印刷により成膜し、以下、定
法に従い、乾燥・脱脂・焼成工程を施すことによりＹＡ
Ｇコーティング層を有する窒化アルミニウム製支持部材
を製造する。

【００２５】上記窒化アルミニウム製シリコンウェハ支
持部材の内部電極層として発熱体を用いることによっ
て、面状ヒーターが得られる。該面状ヒーターにおい
て、内部発熱体のパターンは、ヒーター上に載置するシ
リコンウェハが均一な温度で加熱されるよう、例えばス
パイラル状など、シリコンウェハ載置面内に平均的に発
熱体が分布するように配置することが望ましい。

【００２６】この面状ヒーターを製造するには、上記本
発明の支持部材の製造方法をそのまま適用することによ
って容易に製造できるが、面状ヒーターの内部発熱体パ
ターンの終端部と電極端子部が電気的に導通するよう
に、パターン印刷の際に位置あわせを厳密に行う必要が
ある。また、内部発熱体には、比較的大容量の電流を流
す必要があるため、内部発熱体パターンのスクリーン印
刷時に印刷ペーストの発熱体金属含有量を増加させる
か、パターンの断面積を大きくする必要がある。

【００２７】また、上記窒化アルミニウム製シリコンウ
ェハ支持部材の内部電極層として電極板を用いることに
より、静電チャックを得ることができる。静電チャック
は、誘電材料の層で被覆した平坦な電極からなってお
り、電極間に電解を印加して、誘電材料層上に載置され
たシリコンウェハと電極層との間に静電力を生じさせ、
これによってシリコンウェハを誘電材料層に固定させる
ものである。かかる静電チャックにおいては、内部電極
板と表面層上に載置されるシリコンウェハとの間の誘電
体層の厚さが薄いほど静電気による保持力が増加するた
め、中間層及びＹＡＧ層は薄い方が望ましい。また、該
静電チャックに保持されるシリコンウェハと内部電極板
が平行となっていないと、シリコンウェハにかかる静電
力は不均一になるため、可能な限り平行となるように、
内部電極、中間層、及びＹＡＧ層の成膜に当たっては平
行性に十分留意する必要がある。

【００２８】

【実施例】実施例１基材となるφ２００×５ｔの窒化アルミニウム製ヒータ
ーカバープレート上にＡｌＮ：ＹＡＧ＝５０：５０の比
率で作製した中間層用印刷ペーストでスクリーン印刷、
積層した。その上にＹＡＧペーストを印刷、表面層を形
成、ペースト有機成分を４５０℃窒素雰囲気中で脱脂除
去し、１８５０℃で３時間窒素雰囲気中の条件で焼き付
け熱処理をして中間層５０μｍ、ＹＡＧ層１００μｍの
高絶縁性コーティング膜を得た。この窒化アルミニウム
ヒーターカバープレートについて、室温〜８００℃の熱
処理を５回繰り返したが、膜の剥離は生じなかった。

【００２９】実施例２基材となるφ２００×１０ｔの窒化アルミニウムセラミ
ックス面状ヒーターの表面上にＡｌＮ：ＹＡＧ＝５０：
５０の比率で作製した中間層用印刷ペーストでスクリー
ン印刷し、積層した。その上にＹＡＧペーストを印刷
し、表面層を形成した後、ペーストの有機成分を４５０
℃窒素雰囲気中で脱脂除去し、１８５０℃で３時間窒素
雰囲気中の条件で焼き付け熱処理をして中間層５０μ
ｍ、ＹＡＧ層１００μｍの高絶縁性コーティング膜付き
ヒーターを得た。この面状ヒーターについて、室温〜８
００℃の加熱試験を５回繰り返したが、膜の剥離は生じ
なかった。

【００３０】実施例３基材となるφ２００×５ｔの窒化アルミニウム焼結体上
にＷ金属ペーストを発熱体配線として、ＡｌＮ：ＹＡＧ
＝５０：５０の比率で作製した中間層用印刷ペーストを
発熱体配線パターンを埋設するように各々スクリーン印
刷、積層した。その上にＹＡＧペーストを印刷、表面層
を形成、ペースト有機成分を４５０℃窒素雰囲気中で脱
脂除去し、１８５０℃で３時間窒素雰囲気中の条件で焼
き付け熱処理をして発熱体配線２０μｍ、中間層５０μ
ｍ、ＹＡＧ層１００μｍの高絶縁性コーティング膜を得
た。この面状ヒーターについて、室温〜８００℃の加熱
試験を５回繰り返したが、膜の剥離は生じなかった。

【００３１】比較例１高周波を熱源とする減圧ＣＶＤ装置でイットリウム金属
アルコキシドとアルミニウム金属のアルコキシド、ＣＯ
ガスを原料として反応温度６００℃で窒化アルミニウム
焼結体を基材としたφ２００×５ｔのヒーターカバープ
レート表面にＹＡＧ膜を析出させた。膜厚は５０μｍで
あった。このヒーターカバープレートについて、室温〜
８００℃の熱処理を行ったが、２回目で膜が基材より剥
離した。

【００３２】比較例２基材となるφ２００×１０ｔの窒化アルミニウム焼結体
面状ヒーター表面に、高周波を熱源とする減圧ＣＶＤ装
置でイットリウム金属アルコキシドとアルミニウム金属
のアルコキシド、ＣＯガスを原料として反応温度６００
℃でＹＡＧ膜を析出させた。膜厚は５０μｍであった。
このヒーターについて、室温〜８００℃の加熱試験を行
ったが、２回目で膜が基材より剥離した。

【００３３】比較例３基材となるφ２００×５ｔの窒化アルミニウム焼結体上
に膜厚２０μｍのＷ金属発熱体配線を形成し、この発熱
体配線パターンを埋設するようにスパッタリング装置を
使用して、減圧Ａｒ雰囲気中ＹＡＧをターゲットにし、
ＹＡＧ膜を析出させ、ヒーターを得た。ＹＡＧ膜厚は７
０μｍであった。このヒーターについて、室温〜８００
℃の加熱試験を行ったが、１回目昇温中に膜が基材より
剥離した。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、高温時における表面層
の剥離が改善され高温寿命が向上し、ダストが発生せず
熱伝導性、高温電気絶縁性及び高温抵抗に優れたシリコ
ンウェハ支持部材を実現することができる。高熱伝導性
が特徴の窒化アルミニウムを基材に用いることから、こ
れを用いた装置においてシリコンウェハを昇温・冷却す
る場合に、急速に昇降温することができ、半導体製造に
おけるスループットが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示す概略断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す概略断面図である。

【図３】本発明のさらに他の実施例を示す概略断面図で
ある。

【符号の説明】

１・・・窒化アルミニウム製基材２・・・中間層３・・・ＹＡＧ層４・・・内部電極層５・・・電極端子部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｑ (72)発明者藤田光広神奈川県秦野市曽屋30 東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者市島雅彦神奈川県秦野市曽屋30 東芝セラミックス株式会社開発研究所内Ｆターム(参考） 5F031 CA02 EA01 EA04 HA16 HA37 MA28 MA29 MA30 PA11 PA26 5F103 AA08 BB33 BB42 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム製基材の表面にＹＡＧ層
を形成したシリコンウェハ支持部材において、該窒化ア
ルミニウム製基材とＹＡＧ層の間に、両材料の中間的な
熱膨張率を有する材料からなる中間層を形成することを
特徴とするシリコンウェハ支持部材。
【請求項２】上記中間層を構成する材料が、窒化アルミ
ニウムとＹＡＧとの混合物であることを特徴とする特徴
とする請求項１に記載のシリコンウェハ支持部材。