JP2006279060A - 半導体製造装置用セラミックスヒーター - Google Patents

Abstract

【課題】 抵抗発熱体の配線間距離を最適化することによって、加熱処理時に損傷が発生せず、しかもウエハ表面の均熱性を高めた半導体製造装置用セラミックスヒーターを提供する。
【解決手段】 セラミックス基板２ａ、２ｂの表面又は内部に抵抗発熱体３を有する半導体製造装置用セラミックスヒーター１であって、抵抗発熱体３の互いに隣り合う配線間の距離を０．１〜５ｍｍ、好ましくは１．０〜５ｍｍとする。セラミックスヒーター１は、セラミックス基板２ａ、２ｂの表面又は内部に、更にプラズマ電極が配置されていても良い。また、セラミックス基板２ａ、２ｂは、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸窒化アルミニウム、炭化珪素から選ばれた少なくとも１種が好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造工程においてウエハに所定の処理を行う半導体製造装置に使用され、ウエハを保持して加熱するセラミックスヒーターに関する。

従来から、半導体製造装置に使用されるセラミックスヒーターに関しては、種々の構造が提案なされている。例えば、特公平６−２８２５８号公報には、抵抗発熱体が埋設され、容器内に設置されたセラミックスヒーターと、このヒーターのウエハ加熱面以外の面に設けられ、反応容器との間で気密性シールを形成する凸状支持部材とを備えた半導体ウエハ加熱装置が提案されている。

また、最近では、製造コスト低減のために、ウエハの外径は８インチから１２インチヘ大口径化が進められており、これに伴ってウエハを保持するセラミックスヒーターも直径３００ｍｍ以上になってきている。同時に、セラミックスヒーターにウエハを載置して加熱したとき、ウエハの表面温度のバラツキ、即ちウエハ表面の均熱性は±１．０％以下、更に望ましくは±０．５％以下が求められている。
特公平０６−０２８２５８号公報

セラミックスヒーターの表面又は内部に形成される抵抗発熱体は、ウエハを載置する面を均一に加熱できるようにパターン設計され配置されている。即ち、ウエハ表面の均熱性を向上させるためには、抵抗発熱体の線幅及び隣接する抵抗発熱の配線間隔を極力狭くし、抵抗発熱体を密に配置することが考えられる。

しかしながら、余り抵抗発熱体の配線間隔を狭くすると、抵抗発熱体の配線間に生じる電位差によって部分放電現象が生じ、これが更に進行すると抵抗発熱体の配線間での短絡が起こり、セラミックスヒーターの損傷にいたる。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、抵抗発熱体のパターン設計を最適化することにより、加熱処理時に損傷が発生せず、しかもウエハ表面の均熱性を高めた半導体製造装置用セラミックスヒーターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、セラミックス基板の表面又は内部に抵抗発熱体を有する半導体製造装置用セラミックスヒーターであって、該抵抗発熱体の互いに隣り合う配線間の距離が０．１〜５ｍｍであること、好ましくは１．０〜５ｍｍであることを特徴とする、半導体製造装置用セラミックスヒーターを提供するものである。

上記本発明の半導体製造装置用セラミックスヒーターにおいて、前記セラミックス基板は、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸窒化アルミニウム、炭化珪素から選ばれた少なくとも１種からなることが好ましい。

また、上記本発明の半導体製造装置用セラミックスヒーターにおいて、前記抵抗発熱体は、タングステン、モリブデン、白金、パラジウム、銀、ニッケル、クロムから選ばれた少なくとも１種からなることが好ましい。

更に、上記本発明の半導体製造装置用セラミックスヒーターは、前記セラミックス基板の表面又は内部に、更にプラズマ電極が配置されていても良い。

本発明によれば、抵抗発熱体の配線間距離を最適化することにより、加熱処理時に損傷が発生せず、しかもウエハ表面の均熱性を高めた半導体製造装置用セラミックスヒーターを提供することができる。

発明者らは、セラミックスヒーターの抵抗発熱体に通電加熱して昇温させた際に、セラミックスヒーターに割れが発生する現象を詳細に検討した結果、抵抗発熱体の互いに隣り合う配線がその電位差の最も高い部位で短絡し、セラミックスヒーターの破壊に至っていることを見出した。

そこで、本発明者においては、このような抵抗発熱体での短絡現象を回避するため、互いに隣接する抵抗発熱体の配線間距離に着目した。即ち、短絡現象は、抵抗発熱体の配線間の距離が大きいほど発生し難い。しかしながら、前述のとおり、抵抗発熱体の配線間の距離を大きくすると、ウエハ表面での均熱性の要求を満たすことが難しくなる。

そのため、均熱性と配線間絶縁強度の両立性を検討した結果、配線間の短絡防止の観点からは隣接する配線間距離Ｒとして０．１ｍｍ以上が必要であること、また均熱性の要求からは隣接する配線間距離Ｒは５ｍｍ以下とすべきことを見出した。即ち、本発明においては、抵抗発熱体の配線において、互いに隣り合う配線間の距離を０．１〜５ｍｍとし、好ましくは１．０〜５ｍｍとする。

本発明のセラミックスヒーターでは、このように抵抗発熱体のパターン設計を最適化することにより、加熱処理時に配線間の短絡及びそれによる割れなどの損傷が発生せず、しかもウエハ表面の均熱性を改善向上することができる。具体的には、ウエハ表面の均熱性を、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上のセラミックスヒーターでは±０．５％以下、及び１０〜１００Ｗ／ｍＫのセラミックスヒーターでは±１．０％以下とすることができる。

次に、本発明によるセラミックスヒーターの具体的な構造を、図１〜図２により説明する。図１に示すセラミックスヒーター１は、セラミックス基板２ａの表面上に所定の配線パターンの抵抗発熱体３が設けてあり、その表面上に別のセラミックス基板２ｂがガラス又はセラミックスからなる接着層４により接合されている。抵抗発熱体３の配線パターンは、配線間距離Ｒを０．１〜５ｍｍとし、配線幅は好ましくは５ｍｍ以下、更に好ましくは１ｍｍ以下とする。

また、図２に示すセラミックスヒーター１１は、その内部に抵抗発熱体１３と共にプラズマ電極１５を備えている。即ち、図１のセラミックスヒーターと同様に、表面上に抵抗発熱体１３を有するセラミックス基板１２ａとセラミックス基板１２ｂを接着層１４ａで接合すると共に、そのセラミックス基板１２ａの他表面に、プラズマ電極１５を設けた別のセラミックス基板１２ｃがガラス又はセラミックスからなる接着層１４ｂにより接合してある。

尚、図１及び図２に示したセラミックスヒーターの製造においては、それぞれのセラミックス基板を接合する方法以外にも、厚さ約０．５ｍｍのグリーンシートを準備し、各グリーンシート上に導電性ペーストを抵抗発熱体及び／又はプラズマ電極の回路パターンを印刷塗布した後、これらのグリーンシート並びに必要に応じて通常のグリーンシートを所要の厚さが得られるよう積層し、同時に焼結して一体化しても良い。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に、焼結助剤とバインダーを添加し、ボールミルによって分散混合した。この混合粉末をスプレードライ乾燥した後、直径３８０ｍｍ、厚み１ｍｍの円板状にプレス成形した。得られた成形体を非酸化性雰囲気中にて温度８００℃で脱脂した後、温度１９００℃で４時間焼結することにより、ＡｌＮ焼結体を得た。このＡｌＮ焼結体の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫであった。このＡｌＮ焼結体の外周面を外径３００ｍｍになるまで研磨して、セラミックスヒーター用のＡｌＮ基板２枚を準備した。

１枚の上記ＡｌＮ基板の表面上に、タングステン粉末と焼結助剤をバインダーに混練したペーストを印刷塗布し、所定の抵抗発熱体の配線パターンを形成した。このとき、印刷スクリーンを変えることにより、抵抗発熱体の隣接する配線間距離Ｒを変化させた。その後、このＡｌＮ基板を非酸化雰囲気中にて温度８００℃で脱脂した後、温度１７００℃で焼成して、それぞれ配線間距離Ｒが異なるＷの抵抗発熱体を形成した。

また、残り１枚の上記ＡｌＮ基板の表面に、Ｙ_２Ｏ_３系接着剤とバインダーを混練したペーストを印刷塗布し、温度５００℃で脱脂した。このＡｌＮ基板の接着剤の層を、上記ＡｌＮ基板の抵抗発熱体を形成した面に重ね合わせ、温度８００℃に加熱して接合した。このようにして、図１の構造を有し、下記表１に示すように配線間距離Ｒが異なる各試料のセラミックスヒーターを作製した。

このようにして得られた各試料のセラミックスヒーターについて、ウエハ載置面の反対側表面に形成した２つの電極から、２００Ｖの電圧で抵抗発熱体に電流を流すことにより、セラミックスヒーターの温度を５００℃まで昇温した。その際、セラミックスヒーターのウエハ載置面上に厚み０．８ｍｍ、直径３００ｍｍのシリコンウエハを載せ、その表面温度分布を測定して均熱性を求めた。得られた結果を、試料毎に下記表１に示した。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。

上記表１に示す結果から分るように、窒化アルミニウム製のセラミックスヒーターにおいて、抵抗発熱体の配線間距離Ｒを０．１〜５ｍｍの範囲内に調整することによって、ウエハ表面の均熱性を±０．５％以内とすることができ、且つ加熱昇温時のヒーターの損傷を回避することができた。

窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末に、焼結助剤とバインダーを添加して、ボールミルによって分散混合した。この混合粉末をスプレードライ乾燥した後、直径３８０ｍｍ、厚み１ｍｍの円板状にプレス成形した。この成形体を非酸化性雰囲気中にて温度８００℃で脱脂した後、温度１５５０℃で４時間焼結することによって、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体を得た。このＳｉ_３Ｎ_４焼結体の熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫであった。このＳｉ_３Ｎ_４焼結体の外周面を外径３００ｍｍになるまで研磨して、セラミックスヒーター用のＳｉ_３Ｎ_４基板２枚を準備した。

１枚の上記Ｓｉ_３Ｎ_４基板の表面上に、タングステン粉末と焼結助剤をバインダーに混練したペーストを印刷塗布して、所定の抵抗発熱体の配線パターンを形成した。このとき、印刷スクリーンを変えることにより、抵抗発熱体の隣接する配線間距離Ｒを変化させた。その後、このＳｉ_３Ｎ_４基板を非酸化雰囲気中にて温度８００℃で脱脂した後、温度１７００℃で焼成して、それぞれ配線間距離Ｒが異なるＷの抵抗発熱体を形成した。

また、残り１枚の上記Ｓｉ_３Ｎ_４基板の表面に、ＳｉＯ_２系接着剤とバインダーを混練したペーストを印刷塗布し、温度５００℃で脱脂した。このＳｉ_３Ｎ_４基板の接着剤の層を、上記Ｓｉ_３Ｎ_４基板の抵抗発熱体を形成した面に重ね合わせ、温度８００℃に加熱して接合した。このようにして、図１の構造を有し、下記表２に示すように配線間距離Ｒが異なる各試料のセラミックスヒーターを作製した。

このようにして得られた各試料のセラミックスヒーターについて、２００Ｖの電圧で抵抗発熱体に電流を流すことにより、セラミックスヒーターの温度を５００℃まで昇温した。その際、セラミックスヒーターのウエハ載置面上に厚み０．８ｍｍ、直径３００ｍｍのシリコンウエハを載せ、その表面温度分布を測定して均熱性を求めた。得られた結果を、試料毎に下記表２に示した。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。

上記表２から分るように、窒化珪素製のセラミックスヒーターにおいても、抵抗発熱体の配線間距離Ｒを０．１〜５ｍｍの範囲内に調整することによって、ウエハ表面の均熱性を±１．０％以内とすることができ、しかも加熱昇温時のヒーターの損傷を回避することができた。

酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）粉末に、焼結助剤とバインダーを添加し、ボールミルによって分散混合した。この混合粉末をスプレードライ乾燥した後、直径３８０ｍｍ、厚み１ｍｍの円板状にプレス成形した。この成形体を非酸化性雰囲気中にて温度８００℃で脱脂した後、温度１７７０℃で４時間焼結することによって、ＡｌＯＮ焼結体を得た。このＡｌＯＮ焼結体の熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫであった。得られたＡｌＯＮ焼結体の外周面を外径３００ｍｍになるまで研磨して、セラミックスヒーター用のＡｌＯＮ基板２枚を準備した。

１枚の上記ＡｌＯＮ基板の表面上に、タングステン粉末と焼結助剤をバインダーに混練したペーストを印刷塗布し、所定の抵抗発熱体の配線パターンを形成した。このとき、印刷スクリーンを変えることにより、抵抗発熱体の隣接する配線間距離Ｒを変化させた。その後、このＡｌＯＮ基板を非酸化雰囲気中にて温度８００℃で脱脂した後、温度１７００℃で焼成して、それぞれ配線間距離Ｒが異なるＷの抵抗発熱体を形成した。

また、残り１枚の上記ＡｌＯＮ基板の表面に、ＳｉＯ_２系接着剤とバインダーを混練したペーストを印刷塗布し、温度５００℃で脱脂した。このＡｌＯＮ基板の接着剤の層を、上記ＡｌＯＮ基板の抵抗発熱体を形成した面に重ね合わせ、温度８００℃に加熱して接合した。このようにして、図１の構造を有し、下記表３に示すように配線間距離Ｒが異なる各試料のセラミックスヒーターを作製した。

このようにして得られた各試料のセラミックスヒーターについて、２００Ｖの電圧で抵抗発熱体に電流を流すことにより、セラミックスヒーターの温度を５００℃まで昇温した。その際、セラミックスヒーターのウエハ載置面上に厚み０．８ｍｍ、直径３００ｍｍのシリコンウエハを載せ、その表面温度分布を測定して均熱性を求めた。得られた結果を、試料毎に下記表３に示した。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。

上記表３から分るように、酸窒化アルミニウム製のセラミックスヒーターにおいても、抵抗発熱体の配線距離Ｒを０．１〜５ｍｍの範囲内に調整することによって、ウエハ表面の均熱性を±１．０％以内とすることができ、しかも加熱昇温時のヒーターの損傷を回避することができた。

実施例１と同様の方法により、窒化アルミニウム焼結体からなる外径３００ｍｍのセラミックスヒーター用のＡｌＮ基板を２枚作製した。次に、この２枚のＡｌＮ基板を用いてセラミックスヒーターを作製するに際して、１枚のＡｌＮ基板の表面上に設ける抵抗発熱体の材料をＭｏ、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｎｉ−Ｃｒに変化させた以外は実施例１と同様にして、それぞれ配線間距離Ｒが異なるＷの抵抗発熱体を形成した。

次に、残り１枚のＡｌＮ基板の表面には、ＳｉＯ_２系接合ガラスを塗布し、非酸化性雰囲気にて温度８００℃で脱脂した。このＡｌＮ基板の接合ガラス層を、上記ＡｌＮ基板の抵抗発熱体を形成した面に重ね合わせ、温度８００℃に加熱して接合することにより、図１の構造を有し、下記表４に示すように配線間距離Ｒが異なる各試料のＡｌＮ製のセラミックスヒーターを得た。

このようにして得られた各試料のセラミックスヒーターについて、２００Ｖの電圧で抵抗発熱体に電流を流すことにより、セラミックスヒーターの温度を５００℃まで昇温した。その際、セラミックスヒーターのウエハ載置面上に厚み０．８ｍｍ、直径３００ｍｍのシリコンウエハを載せ、その表面温度分布を測定して均熱性を求めた。得られた結果を、試料毎に下記表４に示した。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。

上記表４に示すように、抵抗発熱体がＭｏ、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｎｉ−Ｃｒからなる窒化アルミニウム製のセラミックスヒーターにおいても、実施例１に示したＷの抵抗発熱体の場合と同様に、抵抗発熱体の配線間距離Ｒを０．１〜５ｍｍの範囲内に調整することによって、ウエハ表面の均熱性を±０．５％以内とすることができ、しかも加熱昇温時のヒーターの損傷を回避することができた。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に焼結助剤、バインダー、分散剤、アルコールを添加混練したペーストを用い、ドクターブレード法による成形を行って、厚さ約０．５ｍｍのグリーンシートを得た。

次に、このグリーンシートを８０℃で５時間乾燥した後、タングステン粉末と焼結助剤をバインダーにて混練したペーストを、１枚のグリーンシートの表面上に印刷塗布して、所定配線パターンの抵抗発熱体層を形成した。このとき、印刷スクリーンを変えることにより、抵抗発熱体層の隣接する配線間距離Ｒを変化させた。

更に、別の１枚のグリーンシートを同様に乾燥し、その表面上に前記タングステンペーストを印刷塗布して、プラズマ電極層を形成した。これら２枚の導電層を有するグリーンシートと、導電層が印刷されていないグリーンシートを合計５０枚積層し、７０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力をかけながら１４０℃に加熱して一体化した。

得られた積層体を非酸化性雰囲気中にて６００℃で５時間脱脂した後、１００〜１５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力と１８００℃の温度でホットプレスして、厚さ３ｍｍのＡｌＮ板状体を得た。これを直径３８０ｍｍの円板状に切り出し、その外周部を直径３００ｍｍになるまで研磨した。このようにして、内部にＷの抵抗発熱体とプラズマ電極を備えた図２の構造を有し、下記表５に示すように配線間距離Ｒが異なる各試料のセラミックスヒーターを作製した。

このようにして得られた各試料のセラミックスヒーターについて、２００Ｖの電圧で抵抗発熱体に電流を流すことにより、セラミックスヒーターの温度を５００℃まで昇温した。その際、セラミックスヒーターのウエハ載置面上に厚み０．８ｍｍ、直径３００ｍｍのシリコンウエハを載せ、その表面温度分布を測定して均熱性を求めた。得られた結果を、試料毎に下記表５に示した。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。

上記表５に示す結果から分るように、抵抗発熱体とプラズマ電極を有する窒化アルミニウム製のセラミックスヒーターであっても、抵抗発熱体の配線間距離Ｒを０．１〜５ｍｍとすることにより、ウエハ表面の均熱性を±０．５％以内とすることができ、しかも加熱昇温時のヒーターの損傷を無くすことができた。

本発明によれば、抵抗発熱体の配線間距離を最適化することにより、加熱処理時に損傷が発生せず、しかもウエハ表面の均熱性を高めた半導体製造装置用セラミックスヒーターを提供することができる。

本発明によるセラミックスヒーターの一具体例を示す概略の断面図である。 本発明によるセラミックスヒーターの別の具体例を示す概略の断面図である。

符号の説明

１、１１ セラミックスヒーター
２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ セラミックス基板
３、１３ 抵抗発熱体
４、１４ａ、１４ｂ 接着層
１５ プラズマ電極

Claims (5)

1. セラミックス基板の表面又は内部に抵抗発熱体を有する半導体製造装置用セラミックスヒーターであって、該抵抗発熱体の互いに隣り合う配線間の距離が０．１〜５ｍｍであることを特徴とする半導体製造装置用セラミックスヒーター。
2. 前記抵抗発熱体の互いに隣り合う配線間の距離が１．０〜５ｍｍであ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セラミックスヒーター。
3. 前記セラミックス基板が、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸窒化アルミニウム、炭化珪素から選ばれた少なくとも１種からな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セラミックスヒーター。
4. 前記抵抗発熱体が、タングステン、モリブデン、白金、パラジウム、銀、ニッケル、クロムから選ばれた少なくとも１種からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体製造装置用セラミックスヒーター。
5. 前記セラミックス基板の表面又は内部に、更にプラズマ電極が配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体製造装置用セラミックスヒーター。
   
   

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