JP2005333127A

JP2005333127A - 試料加熱装置および処理装置ならびにそれを用いた試料の処理方法

Info

Publication number: JP2005333127A
Application number: JP2005126859A
Authority: JP
Inventors: Masao Yoshida; 政生吉田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2018-07-01
Also published as: JP4157541B2

Abstract

【課題】加熱、冷却の繰り返しに伴う熱サイクルによってセラミックヒータ２とセラミック筒状支持体１２との接合部１０にクラックが発生することを防止する。
【解決手段】抵抗発熱体４を埋設してなる板状セラミック体３の一方の主面を試料Ｗの載置面５とし、他方の主面に上記抵抗発熱体４と電気的に接続された給電端子６を有するセラミックヒータ４の上記他方の主面に、前記給電端子６を包囲するようにセラミック筒状支持体１２を焼結により接合一体化するとともに、上記セラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁及び／又は内周縁に沿って環状溝２ａを刻設して試料加熱装置１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、スパッタリングなどの成膜装置やプラズマエッチング、光エッチング等のエッチング装置において、半導体ウエハ等の試料を保持した状態で各種処理温度に加熱する試料加熱装置およびこれを用いた処理装置に関するものである。

従来、半導体装置の製造工程において、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、スパッタリングなどの成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置では、試料となる半導体ウエハ（以下、ウエハと称す。）を保持しつつ各種処理温度に加熱するために試料加熱装置が使用されている。

例えば、図７に従来の試料加熱装置を真空処理室内に取り付けた状態を示すように、２０はプロセスガスを供給するためのガス供給孔２１と真空引きするための排気孔２２を備えた真空処理室で、該真空処理室２０内にはセラミックヒータ３２とセラミック筒状支持
体４２とからなる試料加熱装置３１が設置されている。この種のセラミックヒータ３２は、円盤状をなし上下面が平滑かつ平坦に形成された板状セラミック体３３からなり、該板状セラミック体３３中には抵抗発熱体３４を埋設するとともに、一方の主面をウエハＷの載置面３５とし、他方の主面には上記抵抗発熱体３４と電気的に接続された給電端子３６が接合されている。また、上記板状セラミック体３３の他方の主面には、前記給電端子３６を包囲するようにセラミック筒状支持体４２がガラス接合でもって接合一体化され、給電端子３６へ接続されるリード線３７を真空処理室２０外へ取り出すようになっていた（特開平４−７８１３８号公報参照）。

そして、この試料加熱装置３１によりウエハＷに成膜やエッチング等の処理を施すには、まず、真空処理室２０内を真空状態とするとともに、セラミックヒータ３２の載置面３５にウエハＷを載せ、給電端子３６に通電して抵抗発熱体３４を発熱させることによりウエハＷを４００℃以上の設定温度まで加熱し、この状態でガス供給孔２１よりデポジッション用ガスやエッチング用ガスなどのプロセスガスを真空処理室２０内へ導くことで、ウエハＷに各種処理を施すようになっていた。

ところが、上記セラミックヒータ３２の発熱によって試料加熱装置３１に室温域（２５℃）から４００℃以上の温度範囲で繰り返し熱サイクルが加わると、セラミックヒータ３２とセラミック筒状支持体４２との接合部における気密性が損なわれるため、真空処理室２０内の真空度が低下し、その結果、成膜精度やエッチング精度に悪影響を与えるといった課題があった。

即ち、試料加熱装置３１は大型で構造が複雑であるためにセラミックヒータ３２とセラミック筒状支持体４２とを一体物として成形、焼成して製作することは難しく、両者を個別に製作したのちガラス接合によって一体的に接合してあるのであるが、セラミックヒー
タ３２と接合部４０及びセラミック筒状支持体４２と接合部４０との間にはそれぞれ接合界面が存在するとともに、セラミックヒータ３２とセラミック筒状支持体４２との間には熱伝達特性の異なるガラスが介在することから、これらの接合界面には熱応力が集中し易く、その結果、繰り返し加わる熱応力によって接合部４０にクラックが発生することを防ぐことができなかった。

また、成膜装置やエッチング装置では、デポジッション用ガス、エッチング用ガス、あるいはクリーニング用ガスとして腐食性の高いハロゲン系ガスが使用されているのであるが、接合部４０がガラスからなるために上記ハロゲン系ガスに曝されると腐食摩耗し易
く、短期間のうちに気密性が損なわれるとともに、この腐食摩耗により発生した摩耗粉がウエハＷへの処理精度に悪影響を与えるといった課題もあった。

しかも、ガラス接合ではせいぜい４００℃程度の温度域までしか使用に耐えられず、近年要求されている６００℃以上の温度域での処理には対応することが出来なかった。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、第１の発明は、抵抗発熱体を埋設してなる板状セラミック体の一方の主面を試料の載置面とし、他方の主面に上記抵抗発熱体と電気的に接続された給電端子を有するセラミックヒータと、上記給電端子を包囲するように前記セラミックヒータの他方の主面に気密に接合一体化され、上記セラミックヒータを真空処理室内に設置するセラミック筒状支持体とからなる試料加熱装置において、上記セラミックヒータの他方の主面のうち、上記セラミック筒状支持体との接合部の外周縁及び／又は内周縁に沿って環状溝を刻設したことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、抵抗発熱体を埋設してなる板状セラミック体の一方の主面を試料の載置面とし、他方の主面に上記抵抗発熱体と電気的に接続された給電端子を有するセラミックヒータと、上記給電端子を包囲するように前記セラミックヒータの他方の主面に焼結によって気密に接合一体化され、上記セラミックヒータを真空処理室内に設置するセラミック筒状支持体とからなる試料加熱装置において、上記セラミックヒータの他方の主面のうち、上記セラミック筒状支持体との接合部の外周縁及び／又は内周縁に沿って環状溝を刻設するか、あるいは上記セラミックヒータの他方の主面の中央部に凸状部を形成し、該凸状部にセラミック筒状支持体を接合したことから、セラミックヒータとセラミック筒状支持体との接合部における温度勾配を小さくし、接合部に作用する熱応力を低減することができるため、接合部にクラックを生じることがなく、優れた気密性を維持することがきる。しかも、真空処理室内に露出するセラミックヒータ、接合部、及びセラミック筒状支持体は、いずれも緻密で耐熱性、耐食性、耐プラズマ性に優れたセラミックスからなるため、長寿命であるとともに、ウエハ等の試料に悪影響を与えることがなく、さらに成膜精度やエッチング精度を劣化させることがない。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明の試料加熱装置を真空処理室に取り付けた状態を示す断面図、図２は試料加熱装置のみを示す斜視図、図３は試料加熱装置の分解図である。

図１において、２０はプロセスガスを供給するためのガス供給孔２１と真空引きするための排気孔２２を備えた真空処理室で、該真空処理室２０内にはセラミックヒータ２とセラミック筒状支持体１２とからなる試料加熱装置１を設置してある。このセラミックヒータ２は、図２に示すように円盤状をなし上下面が平滑な板状セラミック体３からなり、その大きさとしてはウエハＷのサイズにもよるが外径１５０〜３５０ｍｍ、厚み８〜２５ｍｍ程度のものを用いることができる。また、板状セラミック体３中にはタングステンやモリブデンあるいは白金等の金属からなる抵抗発熱体４を埋設してあり、一方の主面をウエハＷの載置面５とするとともに、他方の主面には上記抵抗発熱体４と電気的に接続される給電端子６を接合してある。なお、本発明において主面とは、板状セラミック体３のうち最も広い表面のことであり、他方の主面とは、一方の主面と反対側の表面のことを言う。

また、上記板状セラミック体３の中心には熱電対等の温度検出手段８が内蔵してあり、載置面５の温度を検出するようになっている。

そして、上記板状セラミック体３の他方の主面には、給電端子６及び温度検出手段８のリード線９を包囲するように円筒状をしたセラミック筒状支持体１２が焼結によって気密に接合一体化してあり、給電端子６及び温度検出手段８へ接続されるリード線７，９を真空処理室２０外へ取り出すようになっている。

ここで、セラミックヒータ２を構成する板状セラミック体３及びセラミック筒状支持体１２としては、緻密で耐熱性、耐蝕性、さらには耐プラズマ性に優れたセラミックスにより形成することが必要であり、このようなセラミックスとしては窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、窒化硼素を主成分とする窒化物系セラミックスを用いることができる。これらの中でも特に窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスは、他のセラミックスと比較して高い熱伝導率を有することから、急速昇温が可能であるとともに、腐食性の高いハロゲン系ガスやプラズマに対して優れていることから好適である。

また、板状セラミック体３とセラミック筒状支持体１２とは、焼結によって接合一体化する観点から同種（主成分が同じ）のセラミックスにより形成することが必要であり、好ましくは同一組成のセラミックスにより形成することが良い。これにより両者の熱膨張差を極めて小さくすることができるため、接合界面に発生する熱応力を大幅に低減することができ、接合部１０にクラックが発生するのを抑えることができる。

なお、本発明において、焼結により接合一体化するとは、接合部１０も板状セラミック体３やセラミック筒状支持体１２と同種あるいは同一組成のセラミックスからなり、板状セラミック体３と接合部１０及び接合部１０とセラミック筒状支持体１２とがいずれも焼結されていることを言う。焼結によって接合一体化する方法としては、板状セラミック体３やセラミック筒状支持体１２を構成するセラミックスと同種あるいは同一組成のセラミックスペーストをいずれか一方の接合面に塗布し、他方を上記接合面に当接させたあと押圧した状態で加熱して焼結させるホットプレス法により接合するか、あるいは上記セラミックペーストをいずれか一方の接合面に塗布し、他方を上記接合面に当接させたあと押圧した状態で超音波振動を加えて焼結させる超音波振動法により接合することができる。

このように、板状セラミック体３とセラミック筒状支持体１２とを焼結によって接合一体化すれば、板状セラミック体３と接合部１０との間、接合部１０とセラミック筒状支持体１２との間の熱膨張差を極めて小さくできるため、接合部１０に集中する熱応力を大幅に低減することができる。しかも、接合部１０は耐蝕性、耐プラズマ性にも優れることから腐食摩耗が少なく、摩耗粉の発生が少ないことからウエハＷに悪影響を与えることもない。

さらに、本発明の試料加熱装置１には、図１や図３に示すようにセラミックヒータ３の他方の主面のうち、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁に沿って上記セラミック筒状支持体１２の外形状と相似なリング状をした環状溝２ａを刻設してあり、接合部１０近傍の表面積を大きくして冷却効果を高めてある。

その為、セラミックヒータ２の発熱によって室温域から４００℃以上の温度範囲で繰り返し熱サイクルが加わったとしても接合部１０に集中する熱応力を緩和してクラックの発生を防ぐことができるため、長期使用においても気密性を維持することができる。

即ち、セラミックヒータ２とセラミック筒状支持体１２とを焼結によって接合一体化してもセラミックヒータ２と接合部１０との間、及び接合部１０とセラミック筒状支持体１２との間にはそれぞれ接合界面が存在し、これらの接合界面の存在によりセラミックヒータ１とセラミック筒状支持体１２を同種のセラミックスにより形成して熱膨張差を小さくしたとしても熱伝達が悪いために熱応力が集中するのであるが、本発明は、セラミックヒータ２の他方の主面のうち、接合部１０の外周縁に環状溝２ａを設けて表面積を大きくすることで、接合部１０の放熱性を高めてあることから、接合部１０に熱応力が集中したとしてもその熱応力の大きさを低減し、クラックの発生を防ぐことができる。

ところで、このような効果を得るためには、環状溝２ａの寸法、特に深さＴが重要であり、１ｍｍ未満では浅すぎるために熱応力を緩和する効果が小さい。その為、環状溝２ａの深さＴは少なくとも１ｍｍ以上とすることが良く、例えば、板状セラミック体３及びセラミック筒状支持体１２が高熱伝導率を有する窒化アルニウムを主成分とするセラミックスである場合、環状溝２ａの深さＴを４〜６ｍｍとすることで最も熱応力を緩和する効果を得ることができる。ただし、環状溝２ａの深さＴが板状セラミック体３の厚みの１／２ｍｍより大きくなると、セラミックヒータ２の強度が大きく低下するとともに、載置面５の温度分布を均一にすることが難しくなるため、上限は板状セラミック体３の厚みの１／２ｍｍ以下とすることが良い。

また、環状溝２ａの幅Ｌは、１〜２５ｍｍの範囲で設定することが良い。これは１ｍｍ未満では幅Ｌが狭すぎるために環状溝２ａの深さＴを１ｍｍ以上としても環状溝２ａ内に熱がこもり、熱応力を緩和する効果が小さいからであり、逆に２５ｍｍより広くなると、載置面５の温度分布にばらつきを生じる恐れがあるからである。

さらに、環状溝２ａの断面形状は、クラックの発生を防ぐ観点から図１に示すような底面を曲面状に形成したものが好ましく、その曲率半径Ｒ1 は０．５〜１２．５ｍｍの範囲が良い。このような環状溝２ａを形成する方法としては、研削、ショットブラスト、超音波加工等の加工方法を用いることで形成することができる。

なお、図１では、セラミックヒータ２の他方の主面のうち、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁に沿って環状溝２ａを設けた例を示したが、図４に示すように、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の内周縁に沿ってのみ環状溝２ａを設けたものでも良く、さらには図示していないがセラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁及び内周縁に沿ってそれぞれ環状溝２ａを設けたものでも構わない。

かくして、本発明の試料加熱装置１を用いてウエハＷに成膜やエッチング等の処理を施せば、室温域から４００℃以上の温度範囲で繰り返し熱サイクルが加わったとしてもセラミックヒータ２とセラミック筒状支持体１２との接合部１０における気密性を損なうことがなく、載置面５の温度分布を常に均一に保つことができるため、長期間にわたって精度の高い成膜やエッチングを安定して施すことができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

図５は本発明の試料加熱装置１の他の例を示す断面図で、セラミックヒータ２を構成する板状セラミック体３の他方の主面の中央部に円錐台状の凸状部２ｂを形成し、この凸状部２ｂにセラミック筒状支持体１２を焼結によって気密に接合一体化したものである。

このように、板状セラミック体３の他方の主面の中央部に凸状部２ｂを形成しておくことで接合部１０の外周縁の表面積を大きくしたことと同様の効果が得られ、接合部１０の放熱性を高めることができるため、接合部１０に集中する熱応力を緩和してクラックの発生を防ぐことができる。

ただし、この構造の場合、凸状部２ｂの高さＱが１ｍｍ未満では熱応力を緩和する効果が小さく、逆に、１０ｍｍより高くなると板状セラミック体３における中央部の厚みと周縁部の厚みの差が大きくなり過ぎるために、板状セラミック体３中に埋設されている抵抗発熱体４の抵抗値を中央部と周縁部で調整したとしても載置面５の温度分布を均一にすることが難しい。その為、凸状部２ｂの高さＱは１〜１０ｍｍの範囲で設けることが良い。

また、板状セラミック体３の他方の主面と凸状部２ｂの側面とのエッジは、クラックの発生を防ぐ観点から滑らかな曲面状に形成することが良く、その曲率半径Ｒ2 は０．３ｍｍ以上とすることが好ましい。

このように、図５では板状セラミック体３の他方の主面の中央部に円錐台状の凸状部２ｂを形成した例を示したが、図６に示すように、板状セラミック体３の他方の主面の中央部に、セラミック筒状支持体１２の接合部の形状と合致したリング状の凸状部２ｂを形成
し、この凸状部２ｂにセラミック筒状支持体１２を焼結によって接合一体化しても、接合部１０の気密性を長期間にわたって維持することができる。

（実施例１）ここで、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁及び／又は内周縁に沿って環状溝２ａを設けることによる効果を確認するために、環状溝２ａを持たない従来の試料加熱装置３１を真空処理室２０に設置し、セラミックヒータ３２の平均温度が８００℃となるまで加熱したあと、赤外線放射温度計にて載置面３５の温度を１０点測定して温度分布を測定し、この温度分布をもとに有限要素法を用いたシミュレーション解析を行うことにより、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁に沿って環状溝２ａを設けた試料加熱装置１、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の内周縁に沿って環状溝２ａを設けた試料加熱装置１、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の内周縁及び外周縁に沿って環状溝２ａをそれぞれ設けた試料加熱装置１、及び環状溝２ａを持たない従来の試料加熱装置３１について、板状セラミック体３，３３とセラミック筒状支持体１２，４２との接合部１０，４０に発生する熱応力を各々解析した。

なお、モデルの寸法は、板状セラミック体３，３３が外径３００ｍｍ、厚み１５ｍｍ、セラミック筒状支持体１２，４２が外径５０ｍｍ、肉厚８ｍｍとし、板状セラミック体３，３３及びセラミック筒状支持体１２，４２はいずれも２５℃における熱伝導率が６４Ｗ／ｍｋ、８００℃における熱伝導率が３２Ｗ／ｍｋである窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスを想定して実験を行った。

それぞれの結果は表１〜表３に示す通りである。

これらの結果、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の内周縁及び／又は外周縁に沿って環状溝２ａを設けることで、接合部１０に発生する熱応力を大きく緩和できることが判る。しかも、環状溝２ａの深さＴが深くなるほど熱応力が小さくなる傾向にあり、環状溝２ａの深さは深い方が良いことが判る。

さらに、環状溝２ａは、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の内周縁に設けるよりも外周縁に設けた方が熱応力を小さくできることが判る。

次に、環状溝２ａの幅Ｌを変えた時の効果を確認するため、環状溝２ａの深さＴを４ｍｍに固定し、環状溝２ａの幅Ｌを５ｍｍより小さい２ｍｍと逆に５ｍｍより大きい１０ｍｍとした時の熱応力について有限要素法により解析したところ、熱応力には変化が見られなかった。

このことから、接合部１０に作用する熱応力は特に環状溝２ａの深さＴに大きく起因し、環状溝２ａを設けることで熱応力を小さくできることが判る。

（実施例２）次に、実施例１での効果を確認するため、セラミック筒状支持体１２との接合部１０の外周縁に沿って深さＴ１ｍｍの環状溝２ａを設けた試料加熱装置１と環状溝２ａを持たない従来の試料加熱装置３１をそれぞれ実際に試作し、これらの試料加熱装置１，３１を真空処理室２０に設置し、セラミックヒータ２，３２を常温域（２５℃）から８００℃の温度範囲で加熱、冷却を繰り返す熱サイクルを行い、Ｈｅリークディテクターにより接合部１０，４０の気密性について確認する実験を行った。なお、セラミックヒータ２，３２を構成する板状セラミック体３，３３及びセラミック筒状支持体１２，４２はいずれも２５℃における熱伝導率が６４Ｗ／ｍｋでかつ、８００℃における熱伝導率が３２Ｗ／ｍｋである高純度窒化アルミニウムセラミックスにより形成するとともに、セラミックヒータ２，３２及びセラミック筒状支持体１２，４２の寸法も実施例１と同様の寸法にて形成したものを使用した。

この結果、環状溝２ａを持たない従来の試料加熱装置３１では、１０回程度の熱サイクルでセラミックヒータ３２とセラミック筒状支持体４２との接合部４０にクラックが発生し、気密性が低下したのに対し、環状溝２ａを設けた本発明の試料加熱装置１は６００回の熱サイクル試験においてもセラミックヒータ３とセラミック筒状支持体１２との接合部１０にクラックは見られず充分な気密性を有することを確認することができた。

本発明の試料加熱装置を真空処理室に取り付けた状態を示す断面図である。本発明の試料加熱装置のみを示す斜視図である。本発明の試料加熱装置の分解図である。図１の試料加熱装置の変形例を示す断面図である。本発明の試料加熱装置の他の例を示す断面図である。図５の試料加熱装置の変形例を示す断面図である。従来の試料加熱装置を真空処理室に取り付けた状態を示す断面図である。

符号の説明

１，３１・・・試料加熱装置
２，３２・・・セラミックスヒータ
２ａ・・・環状溝
２ｂ・・・凸
３，３３・・・板状セラミック体
４，３４・・・抵抗発熱体
５，３５・・・載置面
６，３６・・・給電端子
７，９，３７・・・リード線
８・・・温度検出手段
１０，４０・・・接合部
Ｗ・・・ウエハ

Claims

抵抗発熱体を埋設してなる板状セラミック体の一方の主面を試料の載置面とし、他方の主面側に上記抵抗発熱体と電気的に接続された給電端子を有するセラミックヒータと、上記給電端子を包囲するように前記セラミックヒータの他方の主面に接合された筒状支持体とを備えた試料加熱装置において、上記セラミックヒータの他方の主面のうち、上記筒状支持体との接合部の外周縁及び／又は内周縁に沿って溝を刻設したことを特徴とする試料加熱装置。
上記溝を上記筒状支持体との接合部の内周縁に沿って刻設したことを特徴とする請求項１に記載の試料加熱装置。
上記溝の底面が曲面状であることを特徴とする請求項１または２に記載の試料加熱装置。
上記溝の深さが、上記板状セラミック体の厚みの1／２以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の試料加熱装置。
上記筒状支持体が、セラミックスからなることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の試料加熱装置。
上記板状セラミック体および筒状支持体は同種のセラミックスにより形成されるとともに、焼結により接合一体化されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の試料加熱装置。
請求項１〜６の何れかに記載の試料加熱装置を備えた処理装置であって、少なくとも上記セラミックヒータを処理室内に設置し、上記セラミックヒータの一方の主面に試料を載置するとともに加熱し、処理室内にプロセスガスを導くことにより、試料に成膜またはエッチング処理を施すことを特徴とする処理装置。
請求項１〜７の何れかに記載の試料加熱装置が設置された処理室を真空にする工程と、上記処理室内に設置された上記試料加熱装置の載置面に試料を載置する工程と、試料加熱装置を４００℃以上の温度まで加熱する工程と、上記処理室内にプロセスガスを導くことにより、上記試料に成膜またはエッチング処理を施すことを特徴とする試料の処理方法。