JP2004207465A

JP2004207465A - ステージ

Info

Publication number: JP2004207465A
Application number: JP2002374333A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Hanamachi; 年彦花待; Toshihiro Tachikawa; 俊洋立川
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP3955813B2

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構造で、昇温時にステムの内側と外側との間の気密性を保つとともに、プレートの温度分布が均一一定なステージを提供する。
【解決手段】ステージ１は、プレート２とステム３とシールリング４と蓋５と排気装置６とを備える。プレート２は、ヒータ８を内蔵している。ヒータ８の端子１０は、プレート２から露出している。ステム３は、端子１０を囲う筒状に設ける。ステム３に面したプレート２には、第１シール面１４を形成し、プレート２に面したステム３には第２シール面１５を形成する。シールリング４は、第１シール面１４と第２シール面１５の間に挿入する。蓋５は、ステム３の内側に通じる流路２４を備える。排気装置６は、流路２４に設ける。排気装置６でステム３の内側を真空引きする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体の製造プロセスのプロセスガスにおいて半導体のウェーハを保持するステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体は、製造プロセスにおいて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＰＶＤ（Plasma Vapor Deposition）、エッチングなどの処理が施される。各プロセスで使用される装置は、円板状に切り出されたウェーハを保持するステージを備えている。このステージは、ウェーハを保持するプレートとこのプレートを支持するステムとを備えている。プレートは、各プロセスに応じてヒータや高周波の電極などを内蔵している。ヒータや電極の端子は、プレートから露出している。端子には、それぞれリード線が接続されている。ステムは、端子及びリード線を囲う筒状に形成されている。ステージは、プロセスチャンバに入れられて、プロセスガスに曝される。端子やリード線などの金属部品は、プロセスガスに曝されると、プロセスガスに腐食され、金属パーティクルを飛散させる原因となる場合がある。
【０００３】
そこで、セラミック製のプレート（セラミックヒータ）と無機質絶縁材料からなるステム（筒状体）とが気密に接合されたステージ（半導体ウェーハ加熱装置）がある（例えば、特許文献１参照。）。また、プレート（セラミックス基体）とステム（円筒状体）の接合力を大きくするために、円筒状体の端部にリング状のフランジを設け、プレートとの接触面積を大きくしたステージがある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
さらに、プレート（セラミックヒータ）とステム（円筒状体）とを分離できる構造にしたステージがある（例えば、特許文献３参照。）。このステージは、プレートとステムとの間に軟質金属で造られた円環状部材を備え、ボルトで締付けることで気密にシールしている。また、軟質金属として、白金を使用している。
【０００５】
【特許文献１】
特公平６−２８２５８号公報（第３頁の右欄第２行−第４行、図２）
【０００６】
【特許文献２】
特許第２５２５９７４号公報（段落００１７、図１）
【０００７】
【特許文献３】
特許第３１３１０１０号公報（段落０００７−０００８、段落００１４、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プレートとステムを一体に接合すると、温度が上がったときに接合部に応力が作用し破損してしまう恐れがある。また、接合部を通してヒータの熱がステムに伝わるので、プレート上の温度斑が生じやすく、半導体製造プロセスの処理条件が不安定となる。
【０００９】
円環状部材をステム（円筒状体）とプレート（セラミックヒータ）との間に挿入し、気密にシールをするとともに、応力を緩和させたものは、円筒状体の内側が外気に曝されている。したがって、端子や配線が酸化しやすい。また、外気と接する部分から放熱し、セラミックヒータの温度分布に斑が生じる。特に、セラミックヒータから円筒状体へ軟質金属の円環状部材を伝わって熱が逃げやすく、温度差による熱応力が作用して、セラミックヒータが破損する恐れがある。
【００１０】
また、円環状部材を円筒状体とセラミックヒータの間で押圧するために、セラミックヒータの外周を支持部材で押えている。しかし、セラミックヒータが大径化し、円環状部材とセラミックヒータの外周までの距離が離れるほど、セラミックヒータが撓みやすい。そのため、セラミックヒータの平坦度が損なわれたり、気密状態を維持するために必要な押圧力が得られなくなったりする恐れがある。
また、各部材の線膨張係数の差により、加熱時にシール部がずれ、気密性が損なわれる恐れがある。そのため、円環状部材に対するセラミックヒータと円筒状体との押し付け力を安定させるために、複雑な機構を必要としている。
【００１１】
そこで、本発明は、簡単な構造で、昇温時にステムの内側と外側との間の気密性を保つとともに、プレートの温度分布が均一なステージを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるステージは、ヒータが埋設されプロセスガスに曝されるプレートと、ヒータに接続されてプレートから露出する端子と、端子を囲う環状にプレートに形成される第１シール面と、端子を囲う筒状に形成されてプレートを支持するステムと、プレートを支持する側のステムの端面に沿って環状に形成された第２シール面と、プレートを支持する側と反対側のステムの開口端を塞ぐ蓋と、蓋を貫通してステムの内側に通されて端子に接続される導体と、ステムの内部に通じる流路と、この流路に設けられてステムの内側を減圧する排気装置とを備える。
【００１３】
プレートからステムへの熱の伝達を抑制するために、第１シール面と第２シール面との間にプレート及びステムよりも伝熱抵抗の大きいシールリングを装着する。また、熱伝達面積を小さくするために、シールリングは、第１シール面および第２シール面に対し、内周寄りの部分及び外周寄りの部分を接触させる。
【００１４】
シールリングの位置がずれないようにするために、シールリングは、第１シール面と第２シール面との少なくとも一方が他方から離れる方向に凹む凹部に嵌め込まれる。また、シールリングは、プレートとステムとを固定する締結部材で貫通されていても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１の実施形態のステージについて、図１及び図２を参照して説明する。図１に示すステージ１は、プレート２とステム３とシールリング４と蓋５と排気装置６とを備えている。このステージ１は、半導体のウェーハＷをプレート２上に保持する。ステージ１は、プロセスチャンバ７の中に配置され、ウェーハＷを保持した状態で、各プロセスに応じたプロセスガスに曝される。
【００１６】
プレート２は、セラミックで造られており、ヒータ８と電極９とを内蔵している。ヒータ８は、抵抗加熱によって発熱する。ヒータ８は、耐熱性に優れ、熱膨張係数の小さい金属、または、線膨張係数がプレート２を形成するセラミックの線膨張係数に近い金属であることが好ましく、具体的には、モリブデンやタングステンなどが挙げられる。ヒータ８に電力を供給するために端子１０は、プレート２から露出している。電極９は、ウェーハＷを保持する面に近い位置に埋設されており、プラズマ処理をウェーハＷに施す場合にグランドとして使用される。
電極９は、ヒータ８用の端子１０と同じ側に露出する電極９用の端子１１に接続されている。また、プレート２には、ヒータ８の温度管理をするために、端子１０，１１が露出する側に熱電対１２を差し込むソケット１３が取付けられている。なお、熱電対１２は、プレート２に直接取付けられていても良い。ヒータ８用の端子１０と電極９用の端子１１とソケット１３とを囲んで環状に、第１シール面１４がプレート２に形成されている。第１シール面１４は、平坦に研磨されている。研磨された第１シール面１４の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）において０．５μｍ以下に仕上げられていることが好ましい。
【００１７】
ステム３は、セラミックで造られており、ヒータ８用の端子１０と電極９用の端子１１及び熱電対用のソケット１３を囲う十分な太さの筒状に形成されている。ステム３は、両端にフランジ３ａ，３ｂが形成されている。プレート２に面したフランジ３ａには、第２シール面１５が設けられおり、もう一方のフランジ３ｂには、Ｏリング溝１６が形成されている。第２シール面１５は、平坦に研磨されている。研磨された第２シール面１５の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）において０．５μｍ以下に仕上げられていることが好ましい。Ｏリング溝１６には、Ｏリング１７が装着される。
【００１８】
シールリング４は、プレート２及びステム３よりも伝熱抵抗が大きく、断熱性に優れたセラミックで造られている。シールリング４は、プレート２に形成された第１シール面１４とステム３に形成された第２シール面１５との間に挿入される。第１シール面１４と第２シール面１５とに接触するシールリング４の外表面は、平坦に研磨されている。シールリング４の研磨された面の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）において、０．５μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
図２に示すように、プレート２とステムと３とを固定する締結部材としてのボルト１８は、シールリング４を貫通している。このボルト１８は、ヒータ８の熱による膨張を考慮して、プレート２やステム３と同じ線膨張係数のセラミック材でできている。ボルト１８は、セラミック製であるので、プレート２の放熱を抑えることができる。なお、ねじ部の焼付き防止のために、ボルト１８は、プレート２と共材を使用することを避け、プレート２よりも軟らかいか硬いセラミックが良い。
【００２０】
蓋５は、プロセスガスに対する耐食性に優れた材料、例えば、セラミックでできている。また、蓋５は、図１に示すように、ステム３のフランジ３ｂにボルト１９で取付けられる。ヒータ８用の端子１０と電極９用の端子１１には、ろう付けなどにより導体２０，２１が電気的に接続されている。なお、端子１０，１１と導体２０，２１との接続方法は、ろう付け以外に、端子１０，１１にねじ部を設けてこのねじ部に導体２０，２１が接続されたワッシャをナットで締付けるなどの方法でも良い。導体２０，２１、及び熱電対１２は、蓋５を通して、プロセスチャンバ７の外に取り出される。導体２０，２１及び熱電対１２と蓋５との隙間は、パッキングなど、例えばＯリング２２が取付けられ、ブッシュ２３で締付けられて気密に封じられている。さらに、蓋５は、ステム３の内側に通じる流路２４を備えている。
【００２１】
排気装置６は、吸引ポンプ２５と圧力ゲージ２６と制御装置２７とを備える。
吸引ポンプ２５は、流路２４に繋がっている。吸引ポンプ２５の排気流量は、第１シール面と第２シール面とシールリングの外表面の表面粗さに起因して、プレート２とシールリング４の間、及びステム３とシールリング４の間にできるわずかな隙間からステム３の内側に侵入する流量よりも多い。圧力ゲージ２６は、ステム３の内側の圧力を計測する。制御装置２７は、圧力ゲージ２６の値を基に、吸引ポンプ２５を制御する。
【００２２】
以上のように構成されたステージ１は、プロセスチャンバ７内において、ウェーハＷとプロセスガスの反応を促進させるために、ウェーハＷをヒータ８で加熱する。ヒータ８の温度は、熱電対１２で検出された値を基に制御される。第１シール面１４と第２シール面１５とこれらシール面に接するシールリング４の外表面とは、それぞれ平坦に研磨されている。そして、第１シール面１４とシールリング４、第２シール面１５とシールリング４のそれぞれの合せ部を通ってステム３の内側に浸入するプロセスガスの流量は、吸引ポンプ２５の排気流量よりも十分に小さい。
【００２３】
したがって、ステム３の内側は、排気装置６によって、真空引きすることができる。ステム３の内側が減圧されると、プレート２は、ステム３の方向へ押し当てられる。排気装置６は、圧力ゲージ２６の値を基に制御装置２７で吸引ポンプ２５を制御し、ステム３の内側の圧力を１×１０^−５torr以下の真空状態にする。ステム３の内側に侵入したプロセスガスは、排気装置６でステム３の内側から排出されるので、ステージ１は、端子１０，１１や導体２０，２１並びに熱電対１２が腐食されることを防止することができる。
【００２４】
第１シール面１４、第２シール面１５、及びこれらシール面に接するシールリング４の外表面の表面粗さは、中心線平均粗さにおいて、０．５μｍ以下に仕上げると、Ｏリングなどでシールした場合と同じ程度の時間で、ステム３の内側を真空引きすることができる。
【００２５】
シール面１４，１５とシールリング４の接触部の気密性について、次の方法でＨｅリークテストを実施した。まず、ステージ１をプロセスチャンバ７の中に設置し、プロセスチャンバ７の中を排気した。１×１０^−５torr以下にプロセスチャンバ７の中が排気された後、５０ｌ／secの排気能力を有したＨｅリークディテクタをプロセスチャンバ７に接続し、ステム３の内側に流路２４を通してＨｅガスを大気圧で供給した。この結果、１×１０^−７torr・ｌ／sec以下のリークレートを実現できることを確認した。
【００２６】
また、ステム３の内側が減圧されるので、プレート２からステム３の内側のガスへの熱伝達は、少なくなる。そして、プレート２とステム３の間には、伝熱抵抗の大きいシールリング４が挿入されているので、プレート２からステム３への熱伝達も少ない。したがって、プレート２の温度は、ヒータ８によって効率よく上昇するとともに、制御しやすい。また、部分的な熱損失が生じないので、プレート２の温度分布は、均一になる。
【００２７】
さらに、ステージ１は、プレート２とステム３とがボルト１８で固定されているので、どちらか一方が破損した場合に、破損した側のみを交換することができる。また、ステム３の内側を真空状態に減圧しており、プロセスチャンバ７内のプロセスガスの圧力でプレート２がステム３に押し当てられる。したがって、ボルト１８は、きつく締めなくても良い。ボルトが膨張してプレート２とステム３とを拘束しなくても、プロセスガス圧力によって一定にプレート２がステム３に押し当てられる。
【００２８】
本発明に係る第２の実施形態のステージについて、図３を参照して説明する。
第２の実施形態のステージは、シールリング３１とその周辺が第１の実施形態のステージと異なる。その他の部分については、第１の実施形態のステージと同じであるので、説明を省略する。また、第１の実施形態と同じ構成要素について、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
図３に示すように、ステージは、プレート２とステム３との合せ部に、第１溝３２と第２溝３３を備えている。第１溝の底には第１シール面１４が形成され、第２溝３３の底には第２シール面１５が形成されている。第１の溝３２と第２の溝３３は、第１シール面１４と第２シール面１５とが互いに離れる方向に凹む凹部の一例である。第１溝３２と第２溝３３は、それぞれ半径方向について、シールリング３１よりも幅広に形成されている。したがって、プレート２及びステム３とシールリング３１との間の温度差で各部材の寸法変化が生じても、プレート２及びステム３とシールリング３１とが衝突して破損することはない。
【００３０】
また、シールリング３１は、外表面のうち、内周寄りの部分３１ａ，３１ｂと外周寄りの部分３１ｃ，３１ｄが第１シール面１４及び第２シール面１５のそれぞれと接触するように形成されており、断面がいわゆるＨ形をしている。内周寄りの部分３１ａ，３１ｂ及び外周寄りの部分３１ｃ，３１ｄは、平坦に研磨されている。各部分３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）において０．５μｍ以下に仕上げられることが好ましい。
【００３１】
このシールリング３１は、プレート２との接触面積が、第１実施形態のシールリング４よりも小さいので、プレート２からシールリング３１に伝わる熱をさらに少なく抑えることができる。また、ステージは、第１溝３２と第２溝３３とを備え、シールリング３１がこれらに嵌り込むので、プレート２とステム３との位置を合せやすい。
【００３２】
さらに、シールリング３１は、内周寄りの部分３１ａ，３１ｂと外周寄りの部分３１ｃ，３１ｄとで二重にシール部を形成している。したがって、内周寄りの部分３１ａ，３１ｂと外周寄りの部分３１ｃ，３１ｄとの間の空間が、バッファーとして機能し、ステム３の内側と外側の気密性を維持しやすい。そのため、接触面積を効果的に小さくすることができる。
【００３３】
シールリング３１と第１シール面１４および第２シール面１５との接触面積は、小さい方が熱の伝達を抑制できるが、半径方向の幅が大きいほうがリークパスは、長くなるので、気密性は向上する。したがって、プレート２とシールリング３１、シールリング３１とステム３のそれぞれの部材間における伝熱係数及び各面の仕上がり表面粗さに応じて接触面積を適正化すると良い。
【００３４】
また、第１の実施形態のステージ１のように第１溝３２と第２溝３３が無い場合にも、本実施形態のシールリング３１を適用することができる。またその逆も同様である。
【００３５】
表面粗さを中心線平均粗さについて０．５μｍ以下に仕上げたシールリング３１と第１シール面１４及び第２シール面１５との接触部の気密性について、第１の実施形態と同様のＨｅリークテストを実施した。その結果、１×１０^−７torr・ｌ／sec以下のリークレートを実現できることを確認した。
【００３６】
第１及び第２の実施形態のいずれにおいても、締結部材であるボルト１８が、シールリング４，３１を貫通しているが、ボルト１８よりも内径側に第１シール面１４及び第２シール面１５を設けてシールリング４，３１を取付けても良い。
【００３７】
また、第１シール面１４と第２シール面１５を直接合せても良い。ただし、この場合、プレート２からステム３への熱伝達を小さく抑えるために、シール面を凸状に形成するなど、接触面積が小さくなるように配慮することが好ましい。
【００３８】
プレート２、ステム３、シールリング４、ボルト１８に使用されるセラミックの具体的な組合せとして、プレート２には、窒化アルミニウム系、ステム３には、アルミナ系、シールリング４には、アルミナ系、または、マグネシア系を用いることが好ましい。なお、セラミック材料として、この他、ジルコニア系、窒化珪素系、サイアロン系、窒化チタン系などを適用することもできる。
【００３９】
また、プレート２、ステム３、シールリング４、及び、第１溝３２、第２溝３３などの角部の形状は、熱膨張で応力が集中しないように、丸みを付けておくことが好ましい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係るステージによれば、プレートとステムの合せ部にそれぞれ第１シール面と第２シール面を設け、ステムの内側を真空状態にするように減圧する。
合せ部を横切ってステムの内側に侵入したプロセスガスは、ステムの内側から排気装置によって排出される。したがって、プレートから露出する端子や導体及び熱電対などの金属部品がプロセスガスに腐食されることが無い。また、ヒータによってプレートの温度が上昇しても、ステムの内側が真空状態になるように減圧されており、プロセスチャンバ内のプロセスガスの圧力によってプレートは、ステムに押し当てられる。したがって、ステージの温度状態によらず、簡単な構造で、ステムの内側と外側との間の気密性を維持することができる。
【００４１】
また、第１シール面と第２シール面との間に、プレート及びステムよりも伝熱抵抗の大きいシールリングを設けた発明によれば、プレートからステムに伝わる熱を抑制することができる。その結果、プレートの温度が安定する。
【００４２】
シールリングが、内周寄りの部分及び外周寄りの部分で第１シール面及び第２シール面と接触する発明によれば、プレートからシールリングへの熱伝達面積を小さくすることができる。したがって、プレートからステムへ熱が伝達することをより少なくすることができる。その結果、プレートの温度分布が均一になりやすい。
【００４３】
第１シール面と第２シール面との少なくとも一方を他方から離れる方向に凹む凹部に形成氏、この凹部にシールリングをはめ込む発明によれば、プレートとステムとの互いの位置決めが行ないやすい。
【００４４】
プレートとステムを固定する締結部材がシールリングを貫通する発明によれば、シールリングが第１シール面及び第２シール面からずれ難い。したがって、第１シール面及び第２シール面の仕上げ面積を小さくすることができる。
【００４５】
以上のように、本発明に係るステージは、構造が簡単で、昇温時にもステムの内側と外側の間の気密性を保てる。したがって、端子や導体及び熱電対などプレートから露出する金属性部品の腐食を防止することができる。また、プレートとステムとの間の接触面積が小さいので、プレートの温度分布が均一になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態のステージを示す断面図。
【図２】図１のステージのシールリングとその周辺を示す断面図。
【図３】本発明に係る第２の実施形態のステージのシールリングとその周辺を示す断面図。
【符号の説明】
１…ステージ、２…プレート、３…ステム、４，３１…シールリング、５…蓋、６…排気装置、８…ヒータ、９…電極、１０…端子、１４…第１シール面、１５…第２シール面、１８…ボルト（締結部材）、２０…導体、２４…流路、３１ａ，３１ｂ…（シールリングの）内周寄り部分、３１ｃ，３１ｄ…（スールリングの）外周より部分、３２…第１溝（凹部）、３３…第２溝（凹部）。

Claims

ヒータが埋設されプロセスガスに曝されるプレートと、
前記ヒータに接続されて前記プレートから露出する端子と、
前記端子を囲う環状に前記プレートに形成される第１シール面と、
前記端子を囲う筒状に形成されて前記プレートを支持するステムと、
前記プレートを支持する側の前記ステムの端面に沿って環状に形成された第２シール面と、
前記プレートを支持する側と反対側の前記ステムの開口端を塞ぐ蓋と、
前記蓋を貫通して前記ステムの内側に通されて前記端子に接続される導体と、
前記ステムの内側に通じる流路と、
この流路に設けられて前記ステムの内側を減圧する排気装置とを備えることを特徴とするステージ。
前記第１シール面と前記第２シール面との間に装着され、前記プレート及び前記ステムよりも伝熱抵抗の大きいシールリングを備えることを特徴とする請求項１に記載のステージ。
前記シールリングは、前記第１シール面および前記第２シール面に対し、内周寄りの部分及び外周寄りの部分で接触していることを特徴とする請求項２に記載のステージ。
前記シールリングは、前記第１シール面と前記第２シール面との少なくとも一方が他方から離れる方向に凹む凹部に嵌め込まれることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のステージ。
前記シールリングは、前記プレートと前記ステムとを固定する締結部材によって貫通されていることを特徴とする請求項２から請求項４の内のいずれか１項に記載のステージ。
前記シールリングは、アルミナ系のセラミックで形成されることを特徴とする請求項２から請求項５の内のいずれか１項に記載のステージ。
前記シールリングは、マグネシア系のセラミックで形成されることを特徴とする請求項２から請求項５の内のいずれか１項に記載のステージ。