JP2006245611A

JP2006245611A - 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

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Publication number: JP2006245611A
Application number: JP2006146237A
Authority: JP
Inventors: Masuhiro Natsuhara; 益宏夏原; Hirohiko Nakada; 博彦仲田; Manabu Hashikura; 学橋倉
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2006-09-14

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、前記ウェハ保持体を支持するシャフトが前記ウェハ保持体に接合されており、前記シャフトのウェハ保持体との接合面の面積を、搭載するウェハの面積の２０％以下にすれば、搭載したウェハ表面の温度分布を±１．０％以内にすることができる。更に、前記面積比は、１０％以下であれば温度分布を±０．５％以内にすることができ、更に、６％以下にすれば、温度分布を±０．４％以内にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、メタルＣＶＤ、絶縁膜ＣＶＤ、イオン注入、エッチング、Ｌｏｗ−Ｋ成膜、ＤＥＧＡＳ装置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処理装置では、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、例えば特開平１１−３３９９３９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、温度バラツキを１０％以内にできるとされるが、接合するシャフトの材質や形状によって、抵抗発熱体のパターンの設計を変更する必要があるので、製造上の制約が非常に大きい。

しかも、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によって加熱された半導体基板表面の温度分布は、±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。
特開平０４−０７８１３８号公報特開平１１−３３９９３９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。

前記特許文献１に記載の半導体製造装置用ウェハ保持体は、ヒータ回路で発生した熱が、シャフトに伝わり、その結果シャフト直上のウェハ搭載面の温度が相対的に低下するためにウェハ保持体のウェハ搭載面の温度分布が不均一になり、搭載したウェハ表面の温度分布が不均一になることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、ウェハ搭載面を有するウェハ保持体において、前記ウェハ保持体を支持するシャフトのウェハ保持体との接合面の面積を、搭載するウェハの面積に対して所定の比率以下にすることによって、ウェハ表面の温度分布を均一にすることができることを見出したものである。すなわち、ウェハ搭載面を有するウェハ保持体において、前記ウェハ保持体を支持するシャフトのウェハ保持体との接合面の面積を、前記ウェハ保持体に搭載されるウェハの面積の２０％以下とする。

前記接合面の面積は、ウェハ面積の１０％以下であればより好ましく、６％以下であれば、更に好ましい。前記ウェハ保持体は、少なくとも抵抗発熱体を有するセラミックスヒータであることが望ましい。

更に、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、シャフトのウェハ保持体との接合面の面積を、搭載するウェハの面積の２０％以下とすることにより、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。

発明者は、搭載するウェハの温度分布を±１．０％以内にするためには、ウェハ保持体１を支持するシャフト２のウェハ保持体との接合面の面積を、搭載するウェハの面積の２０％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搭載面以外の表面に形成した抵抗発熱体（３）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、ウェハ保持体を支持するシャフトのウェハ保持体との接合面の面積が、搭載するウェハの面積の２０％を超えると、抵抗発熱体で発生した熱が、シャフトを介して逃げ易くなるので、ウェハ保持面の温度分布が不均一となりやすい。ウェハ搭載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、ウェハ搭載面の温度分布は少なければ少ないほどよいが、現状では、搭載したウェハ表面の温度分布は±１．０％以内の均熱性、望むべくは±０．５％以内の均熱性が求められている。このような均熱性を得るためには、シャフトのウェハ保持体との接合面の面積を、ウェハ面積の２０％以下にすればよいことを見出した。

抵抗発熱体に通電することにより、ウェハ保持体は加熱される。この時、抵抗発熱体で発生した熱は、ウェハ保持体に広がる。また、ウェハ保持体に接合されたシャフトにも伝わる。シャフトに伝わった熱は、シャフトから輻射、伝熱、対流といったかたちでシャフト外部に放出される。シャフトへの熱の流出量は、シャフトとウェハ保持体との接合面積が大きく影響する。該接合面積が大きくなれば、シャフトへの熱の流出量が多くなるので、シャフト直上のウェハ保持体の温度が低下し、ウェハ保持体に温度分布が発生する。ウェハ保持体に温度分布が発生すると、搭載したウェハ表面にも温度分布が発生する。

このため、発明者らは、シャフトの接合面積を小さくすれば、ウェハ保持体の均熱性が良くなると考えて、鋭意実験した結果、本発明に至ったものである。シャフトの接合面積を変えて実験した結果、シャフトの接合面積が、搭載するウェハの面積の２０％以下であれば、シャフトの流出する熱量が少なくなり、搭載したウェハ表面の温度分布が±１．０％以内になることを見出した。更に、該比率が、１０％以下であれば、温度分布は±０．５％以内にできる。更に、該比率が６％以下であれば、温度分布は±０．４％以内にできるので、好ましい。

本発明のウェハ保持体の材質については、絶縁性のセラミックスであれば特に制約はないが、熱伝導率が高く、耐食性にも優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好ましい。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、０．１ｔ／ｃｍ^２以上であることが望ましい。０．１ｔ／ｃｍ^２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。導体ペーストは、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（抵抗発熱体回路）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、抵抗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、金属層が形成されているセラミックスと同じ材質であることが好ましい。該セラミックスと絶縁性コートの材質が大幅に異なると、熱膨張係数の差から焼結後に反りが発生するなどの問題が生じる。例えば、ＡｌＮの場合、ＡｌＮ粉末に焼結助剤として所定量のＩＩａ族元素あるいはＩＩＩａ族元素の酸化物や炭酸化物を加え、混合し、これにバインダーや溶剤を加え、ペーストとして、該ペーストをスクリーン印刷により、前記金属層の上に塗布することができる。

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。

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、０．０５ｋｇ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。０．０５ｋｇ／ｃｍ^２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、１０ｋｇ／ｃｍ^２以上加えることが望ましい。１０ｋｇ／ｃｍ^２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、ウェハ保持体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ウェハ保持体を容易に作成することも可能である。このようにして、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。

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、ウェハ搭載面の平面度は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、ウェハーとウェハ保持体との間に隙間が生じやすくなり、ウェハ保持体の熱がウェハに均一に伝わらなくなり、ウェハの温度ムラが発生しやすくなる。

また、ウェハ搭載面の面粗さは、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５×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましい。

熱膨張係数の差が、５×１０^−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。

また、接合層の成分として、ＺｎＯ系の結晶化ガラスを用いることもできる。この場合、ガラスの結晶化温度が、７００〜８００℃であるので、比較的低温で接合することができるので好ましい。しかし、該ガラス成分が半導体製造装置のチャンバー内の雰囲気ガスに侵される場合もあるので、半導体製造の条件によっては、結晶化ガラスを使用できない場合もある。

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は、外径３４０ｍｍで、厚みは２０ｍｍである。

次に、ウェハ保持面とは反対側の面に、ＡｌＮ製で、表１に示す内外径の長さ３００ｍｍの円筒状のシャフトを取り付けた。接合層は、ＡｌＮ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３系のペーストを用いた。なお、表１で、内径が０ｍｍとは、円筒形状ではなく、円柱形状のシャフトであることを示す。

ウェハ保持面の反対側の面から、前記ヒータ回路まで２ヶ所ザグリ加工を行い、ヒータ回路を一部露出させた。露出したヒータ回路部にＷ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、１２インチ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。均熱性の結果を、表１に示す。また、表１には、シャフトの接合面積と、搭載したウェハ（直径１２インチ）の面積の比率を面積比としてあわせて示す。

表１から判るように、シャフトの接合面の面積を、搭載したウェハの面積の２０％以下にすることにより、ウェハ表面の温度分布を±１％以内にすることができる。更に、前記面積比を１０％以下とすれば、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、前記面積比を６％以下にすれば、ウェハ表面の温度分布を±０．４％以内にすることができる。

実施例１と同じＡｌＮ製のウェハ保持体と、表２に示す材質で、内外径の長さ３００ｍｍのシャフトを用いて、実施例１と同様に、５５０℃での均熱性を測定した。均熱性の測定結果を表２に示す。また、シャフトの接合面の面積と、ウェハの面積の比率を、面積比として表２にあわせて示す。

表２から判るように、シャフトの材質を変えても、接合面の面積をウェハの面積の２０％以下にすることにより、ウェハ表面の温度分布を±１％以内にすることができる。更に、前記面積比を１０％以下とすれば、ウェハ表面の温度分布を±０．５％以内にすることができる。またさらに、前記面積比を６％以下にすれば、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．１１、１２、１４、１５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。

以上のように、本発明によれば、シャフトのウェハ保持体との接合面の面積を、搭載するウェハの面積の２０％以下とすることにより、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。

本発明のウェハ保持体の断面構造の一例を示す。

符号の説明

１ウェハ保持体
２シャフト
３抵抗発熱体
４電極

Claims

ウェハ搭載面を有するウェハ保持体において、前記ウェハ保持体を支持するシャフトが前記ウェハ保持体に接合されており、前記シャフトのウェハ保持体との接合面の面積が、搭載するウェハの面積の２０％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。
前記ウェハ保持体が、少なくとも抵抗発熱体を有する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。
請求項１または２に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。