JP2004087206A

JP2004087206A - 面状セラミックスヒーター

Info

Publication number: JP2004087206A
Application number: JP2002244308A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Aonuma; 青沼　伸一朗; Mitsuhiro Fujita; 藤田　光広; Hideo Nakanishi; 中西　秀夫; Akira Miyazaki; 宮崎　晃
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

ハロゲン系腐食性ガスやハロゲン系プラズマ活性種に対する耐食性に優れ、かつパッティクル発生が抑制され、常時、安定した発熱・放熱が得られる耐久性の優れた面状セラミックスヒーターの提供。
【解決手段】一主面が放熱・発熱面５をなす面状のセラミックス基材１と、前記セラミックス基材１に埋め込み・配置された抵抗発熱体２と、前記抵抗発熱体２に一端が接続し他端側がセラミックス基材１の他主面側に導出された電力供給端子３と、前記セラミックス基材１の一主面周縁部及び側面を嵌合的に被覆する耐食性材料部材４とを有することを特徴とする面状セラミックスヒーターである。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面状セラミックスヒーターに係り、さらに詳しくは耐食性の優れた面状セラミックスヒーターに関する。
【０００２】
たとえば半導体の製造に当たっては、半導体ウェハーに対するＰＶＤ、プラズマＣＶＤ、プラズマエッチング、光エッチングなどの成膜加工処理が施される。また、これらの加工処理は、一般的に、面状セラミックスヒーター（発熱体）面上に被加工体を配置し、被加工体に加熱を施しながら行われる。すなわち、ＣｌＦ_３などのノンプラズマクリーニングガスや、ＮＦ_３ガスなどをプラズマ励起させたハロゲン系をエッチング剤とし、不要領域の膜を選択的に除去する工程が採られている。そして、高性能ないし高信頼性を有する半導体を歩留まりよく、しかも量産的に得るためには、加熱処理が一つの重要なファクターとなる。
【０００３】
図２は、従来この種の加工処理に使用されている面状セラミックスヒーターの構成例を断面的に示したもので、緻密でガスタイトなセラミックス焼結体（セラミックス基材）１の内部に、タングステン線やモリブデン線などの抵抗発熱線（もしくはコイル）２を、たとえば螺旋状やジグザグ状に埋設したものである。そして、抵抗発熱体２に対する電力供給端子（たとえばタングステン、モリブデン、ニッケル製）３をセラミックス基材１外に導出させた構造を採っている。なお、セラミックス基材１は、たとえばアルミナ系やシリカ系、窒化アルミニウム系、窒化ケイ素系、あるいはサイアロンなどが挙げられるが、特に、窒化アルミニウム系が熱伝導性や耐食性などの点で注目されている。
【０００４】
そして、この種の面状セラミックヒーターは、一般的に、次のような手段で製造されている。第１の手段は、セラミックベース用基材（グリーンシート）の一主面に、前記抵抗発熱線で形成した抵抗発熱体を配置し、その抵抗発熱体面にヒーターカバーシートを積層する一方、電力供給端子をカバーシートに貫挿・組み込んだ後、所定の条件での脱脂、及び所要温度でのホットプレス処理などを施して焼結・一体化させて製作する方法である。
【０００５】
第２の手段は、予め、放熱・発熱面を成す板状のセラミック基材、及びヒーターカバーを成す板状のセラミック基材をそれぞれ作製し、このセラミック基材面間に、前記抵抗発熱線で形成した抵抗発熱体を配置する一方、接合剤層を介挿して接合一体化させて製作する方法である。ここで、ヒーターカバーを成す板状のセラミック基材には、抵抗発熱体の被接続部に対応させた孔が穿設されており、この穿設孔に電力供給端子を装着し、かつ導電性ペーストを充填して電気的な接続を行っている。なお、第１及び第２のいずれの手段においても、抵抗発熱体の形成は、抵抗発熱体用のペーストのスクリーン印刷、タングステン板のレーザー加工やパンチ型打ち抜き加工などでも行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体の製造工程における加熱処理では、加工稼働率や低コスト化などの点から、熱源として使用する面状セラミックスヒーターの耐久性及び良好な歩留まりの確保が前提となる。つまり、面状セラミックスヒーターにおいては、安定した放熱・発熱容量の維持、及び面内温度分布の一様性、長寿命などが要求される。しかし、従来の面状セラミックスヒーターは、成膜加工で使用されるハロゲン系ガスによって、面状セラミックスヒーターの腐食・劣化が起こり易く、耐久性及び安定した放熱・発熱などの点で問題がある。
【０００７】
すなわち、上記面状セラミックスヒーターは、半導体ウェハーを載置・処理するために雰囲気を適宜調整できる処理室内に装着配置し、ハロゲン系ガス雰囲気下で半導体ウェハーに成膜加工を施した場合、ハロゲン系ガスに曝露する載置面の外周縁部及び側面が同時に腐食作用を受け易い状況にある。特に、配線パターンの微細化、半導体ウェハーの大形化などに伴う成膜温度の高温化、プラズマの高密度化が進められている現状では、腐食作用を受け易さので、由々しい問題の提起と言える。つまり、成膜温度の高温化やプラズマの高密度化は、セラミックス基材１の腐食速度を増大させる一方、パーティクルの発生増大となって、加工製品の品質低下を招来する。また、極端な場合は、セラミックスヒーターの抵抗発熱体２の露出を招来し、被加工体である半導体ウェハーとの間でスパークを発生して、半導体ウェハーの破壊などを引き起こし、製造歩留まりの低下となる恐れもある。
【０００８】
上記耐食性の改善策として、セラミックスヒーターの表面をＭｇＦなどの耐食性材料膜で被覆する手段が知られている。すなわち、セラミックスヒーター表面に、厚さ数μｍ〜１０数μｍ程度の耐食性材料膜をコーティング形成し、ハロゲン系プラズマなどによる腐食を防止し（耐食性向上）、結果的に、パーティクル発生などの不具合の解消・低減を図る試みもなされている。しかし、この耐食性材のコーティング手段は、セラミックスヒーターの昇降温に伴うサーマルショックによって、耐食性材料膜がセラミックス基材から剥離し易く、耐食性材料膜自体がパーティクルの発生源になる場合がある。
【０００９】
上記面状セラミックスヒーターの不具合は、セラミックスヒーターの清浄化処理・交換装着など保守操作を要するので、結果的に、加工処理装置の稼動停止を招来し、生産性などを損なうことになるので、製造コストの観点からも有効な解決策が期待される。つまり、信頼性の高い半導体ウェハーの生産性や歩留まり向上の観点から、使用する面状セラミックスヒーターについて、耐久的、かつ安定的な放熱・加熱機能などに対する有効な改善策が待たれている。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ハロゲン系腐食性ガスやハロゲン系プラズマ活性種に対する耐食性に優れ、かつパッティクル発生が抑制され、常時、安定した発熱・放熱が得られる耐久性の優れた面状セラミックスヒーターの提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一主面が放熱・発熱面をなす面状のセラミックス基材と、前記セラミックス基材に埋め込み・配置された抵抗発熱体と、前記抵抗発熱体に一端が接続し他端側がセラミックス基材の他主面側に導出された電力供給端子と、前記セラミックス基材の一主面周縁部及び側面を嵌合的に被覆する耐食性材料部材とを有することを特徴とする面状セラミックスヒーターである。
【００１２】
上記第１の本発明の面状セラミックスヒーターにおいて、耐食性材料部材がイットリウムを含む酸化物であることが好ましい。
さらに本発明の面状セラミックスヒーターにおいて、耐食性材料部材のセラミック基材に対する対接面が鏡面的に加工されていることが好ましい。
【００１３】
上記本発明は、面状のセラミックス基材に抵抗発熱体が埋め込み・配置され、この抵抗発熱体に一端が接続する電力供給端子の他端側をセラミックス基材外に導出させた面状セラミックスヒーターの構成において、被加工体を載置する面の周縁部及び側面を、高耐食性材料を素材とした断面逆Ｌ字形のリング状部材の嵌合的な装着で被覆した構成を採ったことを骨子とする。すなわち、ハロゲン系ガスなどの腐食性ガスに曝され、かつ腐食性ガスによって腐食され易い面状のセラミックス基材の放熱面周縁部、及びセラミックス基材の外周側面を、選択的に、高耐食性材料製のリング状部材で嵌合的に被覆し、腐食性ガスによる腐食を防止・抑制して、パーティクルの発生などを解消する一方、安定した発熱・放熱性の確保ないし耐久性の付与を図ったものである。
【００１４】
また上記本発明において、面状のセラミックス基材は、たとえばアルミナ系やシリカ系、窒化アルミニウム系、窒化ケイ素系、あるいはサイアロンなどが挙げられるが、特に、窒化アルミニウム系が昇降温速度を左右する耐熱衝撃性、熱伝導性、耐食性などの点で好ましい。また、セラミックス基材中に埋設・配置される抵抗発熱体は、たとえばタングステン線、モリブデン線、ニクロム線などの抵抗発熱線（もしくはコイル）を、螺旋状やジグザグ状に形成したものである。さらに、セラミックス基材外に導出させた構造を採る電力供給端子は、たとえばタングステン、モリブデン、ニッケル、インコネル、コバール、スーパーインバーなどを素材としたものである。
【００１５】
さらに上記本発明において、面状のセラミックス基材の放熱面（一主面）周縁部及び外側面（外周面）を嵌合的に被覆する耐食性材料部材は、たとえば断面逆Ｌ字形のリング状に構成されている。つまり、耐食性材料部材は、被加工体を載置（セット）したとき、その載置面の周縁露出部及び外側面を被覆できる嵌合形の断面逆Ｌ字形リング状である。ここで、断面逆Ｌ字形のリング状部材（耐食性材料部材）は、取扱操作上の機械的な強度など考慮すると、たとえば肉厚１〜５ｍｍ程度でよい。また、面状のセラミックス基材面に対して摺動的、かつ嵌合・装着されるように、対接する面をたとえば鏡面仕上げなどしておくことが望ましい。
【００１６】
ここで、耐食性材料部材は、たとえばＺｒＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３を主とした希土類酸化物類，イットリウムアルミニウムガーネットなど、ハロゲン系ガスやハロゲン系プラズマなどに優れた耐腐食性を有する材料である。特に、Ｙ_２Ｏ_３、イットリウムアルミニウムガーネットは、より優れた耐食性を呈すること、熱膨張率がセラミックスヒーター基材に近似することなどから好ましい。なお、これらの場合、他の希土類酸化物類を少量添加配合しておくと、焼結性の向上によってより緻密質で、耐食性が改善された耐食性材料部材を歩留まりよく得られる。
【００１７】
上記本発明において、抵抗発熱体を埋め込み・内蔵するセラミックス系焼結体は、一般的に、次のような手段で得られる。たとえば窒化アルミニウム系焼結体は、平均粒径０．０１〜５μｍ程度の窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤およびバインダーを添加・混合して得たスラリーから造粒し、これを所要の形状寸法の成形体に成形し、有機成分を熱脱脂処理後、１８００℃以上の高温不活性雰囲気中で焼結することにより作製される。
【００１８】
ここで、焼結助剤としては、酸化イットリウムなどが例示され、また、バインダーとしては、ポリビニルブチラールなどが例示される。なお、高温焼結に先立って、成形体の一主面に、抵抗発熱体の配置・埋め込み用の溝などを予め設けておくことが望ましい。
【００１９】
また、窒化アルミニウム系基材に対する抵抗発熱体の埋め込みは、組み合わせる窒化アルミニウム系部材の対向面間に、抵抗発熱素子を位置決め配置する一方、前記窒化アルミニウム系部材の対向する面に、たとえば窒化アルミニウム−酸化イットリウム−酸化リチウム系ペーストなどの接合剤を印刷や塗布して接合層を設け、不活性雰囲気中もしくは減圧雰囲気下で、１５５０〜１７５０℃程度の温度で加熱することにより行われる。なお、セラミックス基材の外周縁部に嵌合的に装着する耐食性部材の製作も、上記セラミックス基材の製作手段に準じた操作で行える。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して実施例を説明する。
【００２１】
図１は、第１の実施例に係る面状セラミックスヒーターの要部構成を拡大して示す断面図である。図１において、１は径２３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの窒化アルミニウム系基材で、一主面が放熱・発熱面を成す窒化アルミニウム系基材層１ａと、電力供給端子３を他主面側に導出する窒化アルミニウム系基材層１ｂとの接合剤層（図示省略）を介したホットプレスで、接合・一体に構成されている。また、２は径０．４ｍｍのタングステン線を素材とした抵抗発熱体で、前記窒化アルミニウム系基材層１ａ、１ｂ間に埋め込まれており、その被接続端子部に対応する電力供給端子３が接続している。なお、セラミックスヒーター表面は、研削加工してある。
【００２２】
さらに、４は前記窒化アルミニウム系基材１の放熱面側５の周縁部及び側面を嵌合的に被覆する断面逆Ｌ字形のリング状耐食性部材である。ここで、リング状耐食性部材４は、たとえばイットリウムアルミニウムガーネット系製で、円筒部の内径２３２ｍｍ、リング状の内径２１０ｍｍ、約厚さ１ｍｍ程度に設定されている。
【００２３】
つまり、この面状セラミックスヒーターの構成においては、たとえばＳｉウェハーなどの被加工体を載置する面側５の周縁部及び側面に、断面逆Ｌ字形のリング状耐食性部材４を嵌合的に装着した構成と成っている。さらに言及すると、面状セラミックスヒーターの放熱面側５に被加工体を載置し、腐食性ガスによってエッチング加工を行うとき、面状セラミックスヒーターの腐食性ガスに曝される領域の腐食を防止・低減するため、断面逆Ｌ字形のリング状耐食性部材４で対応する部分を選択的に被覆した構成を採っている。
【００２４】
次に、上記構成の面状セラミックスヒーターを、半導体製造用装置の成膜処理室内に位置決め装着し、この面状セラミックスヒーターの放熱面（被加工体載置面）５に、径８インチの窒化アルミニウム製のダミーウェハーをセットした。その後、面状セラミックスヒーターに電力を供給して、処理室内温度を５００℃に保持設定する一方、ＮＦ_３ガスをプラズマ化したラジカルエッチング処理を１０時間行った。
【００２５】
このエッチング処理後、ダミーウェハー及びリング状耐食性部材４を取り除き、面状セラミックスヒーターの周縁部（リング状耐食性部材４の被嵌合部）の表面粗さを測定した。ここで、表面粗さの測定は、ダイヤモンドカンチレバーの接触式であり、５箇所について行い、エッチング処理前後の表面粗さの変化を比較した結果を表に示す。なお、セラミックスヒーター（セラミックス基材１）表面は、当初、研削加工したものである。
【００２６】
【表１】

【００２７】
上記第１の実施例において、リング状耐食性部材４をＹ_２Ｏ_３製とした他は、同一条件として面状セラミックスヒーター（第２の実施例）を作成した。そして、この面状セラミックスヒーターについて、第１の実施例の場合と同一条件でエッチング処理試験を行って、エッチング処理前後での表面粗さを測定し、その変化を比較した結果を表に併せて示す。
【００２８】
また、上記第１の実施例において、リング状耐食性部材４を嵌合・配置しなかった他は、同一条件として面状セラミックスヒーター（比較例…図２参照）を作成した。この面状セラミックスヒーターについて、第１の実施例の場合と同一条件でエッチング処理試験を行って、エッチング処理前後での表面粗さを測定し、その変化を比較した結果を表に併せて示す。
【００２９】
上記面状セラミックスヒーターの実装動作において、実施例に係る面状セラミックスヒーターの場合は、比較例の面状セラミックスヒーターに較べ、腐食性ガスに曝される前後において、その腐食性ガス曝露による表面粗さ状態の変化が極めて少なく、プラズマ性ガスなどによる腐食が効果的に防止・抑制されている。つまり、腐食製ガスに曝露される使用状態において、その曝露面に耐食性部材４が嵌合・配置されているため、腐食製ガスによる腐食・損傷が抑えられ、パーティクルの発生も抑止されので、被加工体の汚染などの現象も回避される。また、耐食性部材４は、セラミックス基材（ヒーター本体）１に対して嵌合的配置で、熱サイクルによる剥離現象の発生もないため、耐久・耐食性が優れ、かつ安定した放熱・発熱を容易に確保できる。
【００３０】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を採ることができる。たとえば、抵抗発熱体の形状・材質、入力電力端子の材質、あるいはセラミックス系基材の材質、形状・寸法など用途に応じて選択・設定できる。その他、静電チャックや電極内蔵形のサセプターなどの構成にも適用できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体ウェハーなどの成膜加工を腐食性ガスのエッチング作用で行う際の加熱維持において、腐食性ガスに曝される放熱面周縁部及び側面が、耐食性に優れたリング状部材の嵌合で被覆されている。したがって、腐食によるセラミックスヒーターの損傷・パーティクル発生などが解消されので、信頼性の高い半導体の製作加工に適する耐久性の優れた面状セラミックスヒーターを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る面状セラミックスヒーターの要部構成を示す断面図。
【図２】従来の面状セラミックスヒーターの要部構成を示す断面図。
【符号の説明】
１……セラミックス基材
１ａ，１ｂ……セラミックス基材層
２……抵抗発熱体
３……電力供給端子
４……リング状耐食性部材
５……放熱面側

Claims

一主面が放熱・発熱面をなす面状のセラミックス基材と、前記セラミックス基材に埋め込み・配置された抵抗発熱体と、前記抵抗発熱体に一端が接続し他端側がセラミックス基材の他主面側に導出された電力供給端子と、前記セラミックス基材の一主面周縁部及び側面を嵌合的に被覆する耐食性材料部材とを有することを特徴とする面状セラミックスヒーター。
耐食性材料部材がイットリウムを含む酸化物製であることを特徴とする請求項１記載の面状セラミックスヒーター。
耐食性材料部材のセラミックス基材に対する対接面が鏡面的に加工されていることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の面状セラミックスヒーター。