JP2004289137A - 半導体製造装置用ウェハ保持体及びそれを搭載した半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェハ搭載面を有するウェハ保持体のウェハ保持面の均熱性を高めた半導体製造用ウェハ保持体およびそれを搭載した半導体製造装置を提供する。
【解決手段】 ウェハ搭載面を有するウェハ保持体において、前記ウェハ保持体のウェハ保持面の直径ａを、ウェハ保持面と反対側の面の直径ｂ以下にすることにより、ウェハ表面の温度分布を±０．５％以内にすることができる。更に、ｂ−ａ≧５０μｍとすれば、温度分布を±０．４％以内にすることができる。前記ウェハ保持体は、セラミックスヒータであることが望ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エッチング装置、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置、減圧プラズマＣＶＤ装置、メタルＣＶＤ装置、絶縁膜ＣＶＤ装置、低誘電率膜（Ｌｏｗ−Ｋ）ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパなどの半導体製造装置に使用されるウェハ保持体、更にはそれを搭載した処理チャンバー、半導体製造装置に関するものである。

従来、半導体の製造工程では、被処理物である半導体基板（ウェハ）に対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。このような半導体基板に対する処理を行う半導体製造装置では、半導体基板を保持し、半導体基板を加熱するためのセラミックスヒータが用いられている。

このような従来のセラミックスヒータは、例えば特開平４−７８１３８号公報に開示されている。特開平４−７８１３８号公報に開示されたセラミックスヒータは、抵抗発熱体が埋設され、容器内に設置され、ウェハー加熱面が設けられたセラミックス製のヒータ部と、このヒータ部のウェハー加熱面以外の面に設けられ、前記容器との間で気密性シールを形成する凸状支持部と、抵抗発熱体へと接続され、容器の内部空間へと実質的に露出しないように容器外へ取り出された電極とを有する。

この発明では、それ以前のヒータである金属製のヒータで見られた汚染や、熱効率の悪さの改善が図られているが、半導体基板の温度分布については触れられていない。しかし、半導体基板の温度分布は、前記様々な処理を行う場合に、歩留りに密接な関係が生じるので重要である。そこで、例えば特開２００１−１１８６６４号公報では、セラミック基板の温度を均一化することができるセラミックヒータが開示されている。この発明では、セラミック基板面の最高温度と最低温度の温度差は、数％以内であれば、実用に耐えるとされている。

しかし、近年の半導体基板は大型化が進められている。例えば、シリコン（Ｓｉ）ウェハでは８インチから１２インチへと移行が進められている。この半導体基板の大口径化に伴って、セラミックスヒータの半導体基板の加熱面（保持面）の温度分布は、±１．０％以内が必要とされるようになり、更には、±０．５％以内が望まれるようになってきた。

更に近年では、ウエハ上に形成する配線幅が更に微小化し、それに伴って更なるウェハ表面温度の均熱性に対する要求は高まってきている。例えば、ウェハ上にレジスト膜をスピンコートなどの手法で塗布し、これを硬化させる、あるいはレジスト膜を現像した後、硬化させる場合、例えば２００℃で熱処理する場合には、ウェハの温度分布として±０．３％以内、更に好ましくは±０．１％以内の温度分布が要求されるようになってきた。
特開平０４−０７８１３８号公報 特開２００１−１１８６６４号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、ウェハ保持面の均熱性を高めた半導体製造装置用ウェハ保持体およびそれを搭載した半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体製造装置用ウェハ保持体は、ウェハ保持体のウェハ保持面の直径ａが、ウェハ保持体のウェハ保持面の反対側の面の直径ｂ以下であることを特徴とする。さらに、前記直径ｂが、前記直径ａよりも５０μｍ以上大きいことが好ましい。前記ウェハ保持体は、その内部又は表面に抵抗発熱体が形成されたセラミックスヒータであることが望ましい。

上記のようなウェハ保持体を搭載した半導体製造装置は、被処理物であるウェハの温度が従来のものより均一になるので、歩留り良く半導体を製造することができる。

本発明によれば、ウェハ保持面の直径ａがウェハ保持面と反対側の面の直径ｂ以下にすることにより、均熱性に優れたウェハ保持体及び半導体製造装置を提供することができる。更に、ｂ−ａ≧５０μｍとすることにより、より均熱性を高めることができる。このようなウェハ保持体を搭載した半導体製造装置は、従来の装置よりもウェハ保持体の温度分布がより均一になるので、半導体の特性や歩留り、信頼性あるいは集積度の向上が図れる。

発明者は、ウェハ保持面の温度分布を±０．５％以内にするためには、図１に示すようにウェハ保持体１のウェハ保持面の直径ａが、その反対側の面の直径ｂ以下にすれば良いことを見出した。

ウェハ保持体は、その内部もしくはウェハ保持面以外の表面に形成した抵抗発熱体（図示せず）によってウェハを加熱し、ウェハに所定の処理を施す。しかし、前記直径ａが、前記直径ｂよりも大きい図３のようになると、ウェハ保持面の外周付近から熱の逃げ量が大きくなり、ウェハ保持面の温度分布が不均一となりやすいことを見出した。ウェハ保持面の温度が部分的に低下すると、搭載したウェハの温度も部分的に低下するので、例えばウェハに成膜処理を施す場合には形成した膜の厚みや性質がばらつくことになる。また、例えばエッチング処理の場合には、エッチング速度がばらつくことになる。

このため、ウェハ表面の温度分布は少なければ少ないほどよいが、現状では、温度分布は±１．０％以内の均熱性、更には、±０．５％以内やそれ以上の均熱性が求めれれている。このような均熱性を得るためには、前記直径ａが、前記直径ｂ以下である図１または図２のようにすればよいことを見出した。

セラミックスヒータによって発熱された熱は、ウェハ保持面を加熱するだけでなく、ウェハ保持面以外の面にも放散される。この時、ウェハ保持面の直径ａが、図３のようにその反対側の面の直径ｂよりも大きい場合は、ウェハ保持面の温度分布が大きくなり、図１（ａ＜ｂ）又は図２（ａ＝ｂ）の場合に、ウェハ保持面の温度分布が良くなり、ウェハ保持面の均熱性が高まり、その結果搭載したウェハ表面の均熱性が高まることを見出した。

ウェハ保持体においては、その側面からの放熱が大きく、ウェハ外周部の温度が低下する傾向にあるが、ウェハ保持面の直径を、その反対側の面の直径より相対的に小さくすることにより、放熱面積を小さくすることができるので、ウェハ保持面の温度分布をより均一にすることができ、ウェハ表面の温度分布を均一にすることができる。すなわち、ウェハ保持面の外周部においては、抵抗発熱体からの距離が最も遠い位置にあり、かつ放熱面積が大きいため、温度が低下しやすい傾向にある。このため、外周部の発熱体からの距離を近づけ、かつ放熱面積を少なくすることによって、均熱性を良くすることができるのである。

ウェハ表面の温度分布を±０．５％以内の均熱性にしようとすれば、ａ≦ｂとすればよい。更に、直径ｂが直径ａより５０μｍ以上大きく、つまりｂ−ａ≧５０μｍとすれば、ウェハ表面の温度分布を±０．４％以下の均熱性にできるので好ましい。

直径ｂと直径ａとの差を形成するためには、図１に示した手法のほか、図４に示すように、ウエハ保持体に段差を設けることによって均熱性を向上させることができる。また更には図５に示すように、ウエハ保持体の側面の段差に傾斜を形成させることも可能であり、直径ｂが直径ａよりも長ければ形状に関しては特に制約はない。

上記に記載したように、ウエハ保持体の側面の形状や、直径ｂと直径ａとの差は、要求される均熱性や要求コスト、更には搭載される装置形状により適宜選択すればよい。但し、ウエハ保持面の直径ａの長さは、搭載するウエハの直径よりも５ｍｍ以上大きくする必要がある。これより直径ａの長さが小さくなると、ウエハ保持体の外周部の温度低下が温度分布に影響し、逆に均熱性が低下するため好ましくない。

本発明のウェハ保持体の材質は、セラミックスが好ましい。金属を用いた場合は、ウェハ上にパーティクルが付着するという問題があるので好ましくない。セラミックスとしては、温度分布の均一性を重視するならば、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや炭化珪素が好ましい。信頼性を重視するならば、窒化珪素が高強度で熱衝撃にも強いので好ましい。コストを重視するのであれば、酸化アルミニウムが好ましい。

これらのセラミックスの中でも、性能とコストのバランスを考慮すれば、熱伝導率が高く、耐食性にも優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好適である。以下に、本発明のウェハ保持体の製造方法をＡｌＮの場合で詳述する。

ＡｌＮの原料粉末は、比表面積が２．０〜５．０ｍ^２／ｇのものが好ましい。比表面積が２．０ｍ^２／ｇ未満の場合は、窒化アルミニウムの焼結性が低下する。また、５．０ｍ^２／ｇを超えると、粉末の凝集が非常に強くなるので取扱いが困難になる。更に、原料粉末に含まれる酸素量は、２ｗｔ％以下が好ましい。酸素量が２ｗｔ％を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、２０００ｐｐｍ以下が好ましい。金属不純物量がこの範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物として、ＳｉなどのＩＶ族元素や、Ｆｅなどの鉄族元素は、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、含有量は、それぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

ＡｌＮは難焼結性材料であるので、ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中に窒化アルミニウム粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるいはアルミニウム酸窒化物と反応して、窒化アルミニウムの緻密化を促進するとともに、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上させることができる。

希土類元素化合物は、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。添加量は、０．０１〜５ｗｔ％が好ましい。０．０１ｗｔ％未満であると、緻密な焼結体を得ることが困難であるとともに、焼結体の熱伝導率が低下する。また、５ｗｔ％を超えると、窒化アルミニウム焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に、好ましくは焼結助剤の添加量は、１ｗｔ％以下である。１ｗｔ％以下であれば、粒界の３重点にも焼結助剤が存在しなくなるので、耐食性が向上する。

また、希土類元素化合物は、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。この中で、酸化物は安価で入手が容易であり好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、窒化アルミニウム原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。

次に、これら窒化アルミニウム原料粉末や焼結助剤粉末に、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加し、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合等が可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。

得られたスラリーを成形し、焼結することによって窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。その方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の２種類の方法が可能である。

まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作成する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時、プレス圧力は、９．８ＭＰａ以上であることが望ましい。９．８ＭＰａ未満の圧力では、成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなる。

成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、１．５ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。１．５ｇ／ｃｍ^３未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行しにくくなる。また、成形体密度は、２．５ｇ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。２．５ｇ／ｃｍ^３を超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となる。このため、前述のように緻密な焼結体を得ることが困難となる。

次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、ＡｌＮ粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。脱脂処理の加熱温度は、５００℃以上、１０００℃以下が好ましい。５００℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができないので、脱脂処理後の積層体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、１０００℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、ＡｌＮ粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。

また、脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。１．０ｗｔ％を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。

次いで、焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時、使用する窒素などの雰囲気ガスに含有する水分は、露点で−３０℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時にＡｌＮが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、０．００１ｖｏｌ％以下であることが好ましい。酸素量が多いと、ＡｌＮの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。

更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有するとともに、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に積層体が収縮する際の治具と積層体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない焼結体を得ることができる。

得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程の導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下であることが好ましい。５μｍを超えるとスクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみやピンホールなどの欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはＲａで１μｍ以下であればさらに好適である。

上記表面粗さを研磨加工する際には、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。

また、この時、両加工面の平行度は０．５ｍｍ以下であることが好ましい。平行度が０．５ｍｍを超えるとスクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。さらに、スクリーン印刷する面の平面度は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍを超える平面度の場合にも、導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。

研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導電ペーストは、金属粉末と必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末は、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。

また、ＡｌＮとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、ＩＩａ族元素やＩＩＩａ族元素の酸化物やＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などが好ましい。特に、酸化イットリウムはＡｌＮに対する濡れ性が非常に良好であるので、好ましい。これらの酸化物の添加量は、０．１〜３０ｗｔ％が好ましい。０．１ｗｔ％未満の場合、形成した電気回路である金属層とＡｌＮとの密着強度が低下する。また３０ｗｔ％を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。

導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、５μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。厚みが５μｍ未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎるとともに、密着強度も低下する。また、１００μｍを超える場合も、密着強度が低下する。

また、形成する回路パターンが、ヒータ回路（発熱体回路）の場合は、パターンの間隔は０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。０．１ｍｍ未満の間隔では、発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートする。特に、５００℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は１ｍｍ以上とすることが好ましく、３ｍｍ以上であれば更に好ましい。

次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成する。脱脂は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。脱脂温度は５００℃以上が好ましい。５００℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分で金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。

焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１５００℃以上の温度で行うのが好適である。１５００℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中の含有する焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。

次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、電気回路との反応性が小さく、ＡｌＮとの熱膨張係数差が、５．０ｘ１０^−６／Ｋ以下であれば特に制約はない。例えば、結晶化ガラスやＡｌＮ等が使用できる。これらの材料を例えばペースト状にして、所定の厚みのスクリーン印刷を行い、必要に応じて脱脂を行った後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。

この時、添加する焼結助剤量は、０．０１ｗｔ％以上であることが好ましい。０．０１ｗｔ％未満では、絶縁性コートが緻密化せず、金属層の絶縁性を確保することが困難となる。また、焼結助剤量は２０ｗｔ％を超えないことが好ましい。２０ｗｔ％を超えると、過剰の焼結助剤が金属層中に浸透するので、金属層の電気抵抗値が変化してしまうことがある。塗布する厚みに特に制限はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満では、絶縁性を確保することが困難となるからである。

また、導電ペーストとして、銀やパラジウム、白金などの混合物や合金を使用することも可能である。これらの金属は、銀の含有量に対してパラジウムや白金を添加することによって、導体の体積抵抗率が増加するため、回路パターンに応じてその添加量を調整すればよい。またこれらの添加物は回路パターン間のマイグレーションを防止する効果があるため、銀１００重量部に対して、０.１重量部以上添加することが好ましい。

これらの金属粉末に、ＡｌＮとの密着性を確保するために、金属酸化物を添加することが好ましい。例えば酸化アルミニウムや酸化ケイ素、酸化銅、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化鉛、希土類酸化物、遷移金属元素酸化物、アルカリ土類金属酸化物などを添加することができる。添加量としては、０.１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下が好ましい。含有量がこれより少ないと、窒化アルミニウムとの密着性が低下するため好ましくない。また、含有量がこれより多いと、銀等の金属成分の焼結が阻害されるため好ましくない。

これら金属粉末と無機物の粉末を混合し、更に有機溶剤やバインダーを添加し、ペースト状にし、上記同様スクリーン印刷により回路形成することができる。この場合、形成した回路パターンに対して、窒素などの不活性ガス雰囲気中もしくは大気中にて７００℃から１０００℃の温度範囲にて焼成する。

更にこの場合、回路間の絶縁を確保するために、結晶化ガラスやグレーズガラス、有機樹脂などを塗布し、焼成、もしくは硬化させることで絶縁層を形成することができる。ガラスの種類としては硼珪酸ガラス、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、などが使用できる。これら粉末に有機溶剤やバインダーを添加し、ペースト状にし、スクリーン印刷により塗布する。塗布する厚みに特に制限はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満では、絶縁性を確保することが困難となるからである。また焼成温度としては、上記回路形成時の温度より低温であることが好ましい。上記回路焼成時より高い温度で焼成すると、回路パターンの抵抗値が大きく変化するため好ましくない。

次に、必要に応じて更にセラミックス基板を積層することができる。積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、ＩＩａ族元素化合物やＩＩＩａ族元素化合物とバインダーや溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。

接合剤を塗布したセラミックス基板を、非酸化性雰囲気中、５００℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス基板を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス基板同士を接合する。荷重は、５ｋＰａ以上であることが好ましい。５ｋＰａ未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、もしくは前記接合欠陥が生じやすい。

接合するための加熱温度は、セラミックス基板同士が接合層を介して十分密着する温度であれば、特に制約はないが、１５００℃以上であることが好ましい。１５００℃未満では、十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂ならびに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。

以上のようにして、ウェハ保持体となるセラミックス積層焼結体を得ることができる。なお、電気回路は、導電ペーストを用いずに、例えば、ヒータ回路であれば、モリブデン線（コイル）、静電吸着用電極やＲＦ電極などの場合には、モリブデンやタングステンのメッシュ（網状体）を用いることも可能である。

この場合、ＡｌＮ原料粉末中に上記モリブデンコイルやメッシュを内蔵させ、ホットプレス法により作製することができる。ホットプレスの温度や雰囲気は、前記ＡｌＮの焼結温度、雰囲気に準ずればよいが、ホットプレス圧力は、０．９８ＭＰａ以上加えることが望ましい。０．９８ＭＰａ未満では、モリブデンコイルやメッシュとＡｌＮの間に隙間が生じることがあるので、ヒータの性能が出なくなることがある。

次に、コファイアー法について説明する。前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは、乾燥後で３ｍｍ以下が好ましい。シートの厚みが３ｍｍを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。

上述したシート上に所定形状の電気回路となる金属層を、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより形成する。導電ペーストは、ポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障はない。

次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は、１５０℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は、１〜１００ＭＰａの範囲が好ましい。１ＭＰａ未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、１００ＭＰａを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなりすぎる。

この積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結の温度や、炭素量等はポストメタライズ法と同じである。前述した、導電ペーストをシートに印刷する際に、複数のシートにそれぞれヒータ回路や静電吸着用電極等を印刷し、それらを積層することで、複数の電気回路を有する通電発熱ヒータを容易に作成することも可能である。このようにして、ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。

なお、発熱体回路などの電気回路が、セラミックス積層体の最外層に形成されている場合は、電気回路の保護と絶縁性の確保のために、前述のポストメタライズ法と同様に、電気回路の上に絶縁性コートを形成することができる。

得られたセラミックス積層焼結体は、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、半導体製造装置で要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物搭載面の平面度は０．５ｍｍ以下が好ましく、さらには０．１ｍｍ以下が特に好ましい。平面度が０．５ｍｍを超えると、被処理物とセラミックスヒータとの間に隙間が生じやすくなり、セラミックスヒータの熱が被処理物に均一に伝わらなくなり、被処理物の温度ムラが発生しやすくなる。

また、ウェハ保持面の面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。Ｒａで５μｍを超えると、ウェハ保持体とウェハとの摩擦によって、ＡｌＮの脱粒が多くなることがある。この時、脱粒した粒子はパーティクルとなり、ウェハ上への成膜やエッチングなどの処理に対して悪影響を与えることになる。さらに、表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば、好適である。

以上のようにして、ウェハ保持体本体を作製することができる。さらに、このウェハ保持体にシャフトを取り付ける。シャフトの材質は、ウェハ保持体のセラミックスの熱膨張係数と大きく違わない熱膨張係数のものであれば特に制約はないが、ウェハ保持体との熱膨張係数の差が５ｘ１０^−６／Ｋ以下であることが好ましい。

熱膨張係数の差が、５ｘ１０^−６／Ｋを超えると、取付時にウェハ保持体とシャフトの接合部付近にクラックなどが発生したり、接合時にクラックが発生しなくても、繰り返し使用しているうちに接合部に熱サイクルが加わり、割れやクラックが発生することがある。例えば、ウェハ保持体がＡｌＮの場合、シャフトの材質は、ＡｌＮが最も好適であるが、窒化珪素や炭化珪素あるいはムライト等が使用できる。

取付は、接合層を介して接合する。接合層の成分は、ＡｌＮ及びＡｌ_２Ｏ_３並びに希土類酸化物からなることが好ましい。これらの成分は、ウェハ保持体やシャフトの材質であるＡｌＮなどのセラミックスと濡れ性が良好であるので、接合強度が比較的高くなり、また接合面の気密性も得られやすいので好ましい。

接合するシャフト並びにウェハ保持体それぞれの接合面の平面度は０．５ｍｍ以下であることが好ましい。これを超えると接合面に隙間が生じやすくなり、十分な気密性を持つ接合を得ることが困難となる。平面度は０．１ｍｍ以下がさらに好適である。なお、ウェハ保持体の接合面の平面度は０．０２ｍｍ以下であればさらに好適である。また、それぞれの接合面の面粗さは、Ｒａで５μｍ以下であることが好ましい。これを超える面粗さの場合、やはり接合面に隙間が生じやすくなる。面粗さは、Ｒａで１μｍ以下がさらに好適である。

次に、ウェハ保持体に電極を取り付ける。取付は、公知の手法で行うことができる。例えば、ウェハ保持体のウェハ保持面と反対側から電気回路までザグリ加工を施し、電気回路にメタライズを施すかあるいはメタライズなしで直接活性金属ろうを用いて、モリブデンやタングステン等の電極を接続すればよい。その後必要に応じて電極にメッキを施し、耐酸化性を向上させることができる。このようにして半導体製造装置用ウェハ保持体を作製することができる。

また、本発明のウェハ保持体を半導体装置に組み込んで、半導体ウェハを処理することができる。本発明のウェハ保持体は、ウェハ保持面の温度が均一であるので、ウェハの温度分布も従来より均一になるので、形成される膜や熱処理等に対して、安定した特性を得ることができる。

９９重量部の窒化アルミニウム粉末と１重量部のＹ_２Ｏ_３粉末を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ１０重量部、５重量部混合して、ドクターブレード法にて直径４３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのグリーンシートを成形した。なお、窒化アルミニウム粉末は、平均粒径０．６μｍ、比表面積３．４ｍ^２／ｇのものを使用した。また、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末を１００重量部として、Ｙ_２Ｏ_３を１重量部と、５重量部のバインダーであるエチルセルロースと、溶剤としてブチルカルビトールを用いてＷペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このＷペーストをスクリーン印刷で、前記グリーンシート上に、ヒータ回路パターンを形成した。

ヒータ回路を印刷したグリーンシートに、別の１．０ｍｍ厚のグリーンシートを複数積層し、積層体を作製した。積層はモールドにシートを重ねてセットし、プレス機にて５０℃に熱しつつ、１０ＭＰａの圧力で２分間熱圧着することで行った。その後、窒素雰囲気中で６００℃にて脱脂を行い、窒素雰囲気中で１８００℃、３時間の条件で焼結を行いウェハ保持体を作製した。なお、焼結後、ウェハー保持面はＲａで１μｍ以下に、シャフト接合面はＲａで５μｍ以下になるよう研磨加工を施した。また外径も仕上加工を行った。加工後のウェハ保持体の寸法を表１に示す。なお、厚みは２０ｍｍである。

ウェハ保持面の反対側の面から、前記ヒータ回路までザグリ加工を行い、ヒータ回路を一部露出させた。露出したヒータ回路部にＭｏ製の電極を活性金属ろうを用いて直接接合した。この電極に通電することによりウェハ保持体を加熱し、均熱性を測定した。

均熱性の測定は、直径３００ｍｍのウェハ温度計をウェハ保持面に搭載し、その温度分布を測定した。なお、ウェハ温度計の中心部の温度が５５０℃になるように、供給電力を調整した。この結果を、表１に示す。

表１から判るように、直径ｂが直径ａ以上とすることにより、ウェハ表面の温度分布を±０．５％以内にすることができる。更に、直径ｂを直径ａより５０μｍ以上大きくすれば、ウェハ表面の温度分布を±０．４％以内にすることができる。

表１の各ウェハ保持体を半導体製造装置に組み込み、直径１２インチのＳｉウェハの上に、ＴｉＮ膜を形成した。Ｎｏ．１〜８のウェハ保持体を用いた場合は、ＴｉＮの膜厚のバラツキが１５％以上と大きかったが、それ以外のウェハ保持体を用いた場合は、１０％以下と膜厚のバラツキが小さく、良好なＴｉＮ膜を形成することができた。

実施例１と同様にして厚み２０ｍｍのウエハ保持体を作製した。次に図４に示すように、ウエハ保持体に段差を形成し、実施例１と同様の手法で均熱性を測定した。その結果を表２に示す。

表２から判るように、段差を形成した場合でも、直径ｂが直径ａ以上とすることにより、ウェハ表面の温度分布を±０．５％以内にすることができる。更に、直径ｂを直径ａより５０μｍ以上大きくすれば、ウェハ表面の温度分布を±０．４％以内にすることができる。

本発明によれば、ウェハ保持面の直径ａがウェハ保持面と反対側の面の直径ｂ以下にすることにより、均熱性に優れたウェハ保持体及び半導体製造装置を提供することができる。ｂ−ａ≧５０μｍとすることにより、より均熱性を高めることができる。このようなウェハ保持体を搭載した半導体製造装置は、従来の装置よりもヒータの温度分布がより均一になるので、半導体の特性や歩留り、信頼性あるいは集積度や画像品質の向上が図れる。

本発明のウェハ保持体の断面構造（ａ＜ｂ）を示す。 本発明のウェハ保持体の断面構造（ａ＝ｂ）を示す。 本発明外のウェハ保持体の断面構造（ａ＞ｂ）を示す。 本発明のウェハ保持体の断面構造（ａ＜ｂ）の他の例を示す。 本発明のウェハ保持体の断面構造（ａ＜ｂ）の他の例を示す。

符号の説明

１ ウェハ保持体
２ ウェハ

Claims (4)

1. ウェハ保持面を有するウェハ保持体において、前記ウェハ保持体のウェハ保持面の直径ａが、ウェハ保持体のウェハ保持面と反対側の面の直径ｂ以下であることを特徴とする半導体製造装置用ウェハ保持体。
2. 前記直径ｂが、前記直径ａより５０μｍ以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置用ウェハ保持体。
3. 前記ウェハ保持体は、その内部または表面に抵抗発熱体が形成されたセラミックスヒータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体製造装置用ウェハ保持体。
4. 請求項１乃至３記載のウェハ保持体が搭載されていることを特徴とする半導体製造装置。
   
   
   
   
   
   

Images