JP2006279061A - 半導体製造装置用セラミックスヒーター - Google Patents
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Abstract
【課題】 セラミックスヒーターの形状、特に常温時の厚み方向における外径の変動を抑え、加熱処理時における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、非加熱時において、セラミックスヒーターの厚み方向における最大外径と最少外径の差を、ウエハ載置面における平均外径の0.8%以下とする。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
【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、非加熱時において、セラミックスヒーターの厚み方向における最大外径と最少外径の差を、ウエハ載置面における平均外径の0.8%以下とする。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。また同時に、セラミックスヒーターで加熱される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。
このような均熱性向上の要求に対して、セラミックスヒーターに設ける抵抗発熱体の回路パターンの改良研究等が行われてきた。しかしながら、セラミックスヒーターの大ロ径化に伴い、ウエハ表面の均熱性に対する上記要求の実現は困難になりつつある。
特公平06−028258号公報
上記したように、従来から均熱性向上のために、セラミックスヒーターに設け抵抗発熱体の回路パターンを改良して、ウエハ載置面を均一に加熱することが追求されてきた。しかし、近年においてウエハの大口径化が進むに伴って、要求されるウエハ表面の均熱性を満たすことが難しくなりつつある。
例えば、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するようにパターン設計され配置されている。一方、セラミックスヒーターの形状の設計については、円周方向への熱伝導や、外周部からの熱輻射は均一と仮定して設計されている。
しかし、セラミックスヒーターの製造過程においては、外周を研磨加工により所定の外径に加工するが、規定される寸法は平均外径のみであった。そのため、ウエハの大口径化に伴って、実際にはセラミックスヒーターの外径の変動も大きくなるなど、セラミックスヒーターの形状のバラツキが増し、これがウエハ表面の均熱性向上の妨げとなっていた。
本発明は、このような従来の事情に鑑み、セラミックスヒーターの形状のバラツキ、特に厚み方向における外径の変動を抑え、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、非加熱時において、該セラミックスヒーターの厚み方向における最大外径と最少外径の差が、ウエハ載置面における平均外径の0.8%以下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、常温時のセラミックスヒーターの厚み方向における外径の変動を抑えることにより、加熱処理時における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。
本発明者らは、ウエハ表面の均熱性の向上を妨げているセラミックスヒーター自身の形状について検討した結果、セラミックスヒーターの厚み方向における外径のバラツキに着目した。即ち、半導体製造装置用セラミックスヒーターの外径については、平均外径のみが規定されていたが、ヒーターが楕円状となった場合の長径と短径の差や、ヒーター外周面の垂直度に起因する厚さ方向での外径のバラツキが、ウエハ表面の均熱性に少なからず影響していることが分った。
実際のセラミックスヒーターの製造においては、厚み方向における外径の変動が大きくなりやすい。単位面積当たりの熱輻射は一定であるから、外径の大きい部分、即ち外周単位面積の大きい部分では熱輻射量が大きくなり、逆に外径の小さい部分では熱輻射量が小さくなる。その結果、外径が小さい部分では放熱が小さくなり、外径が大きい部分では放熱が大きくなるため、セラミックスヒーターに温度の不均一が生じ、特に大口径のセラミックスヒーターにあっては看過出来ない影響を与えていた。
これに対して、本発明者らは、非加熱時(常温)において、セラミックスヒーターの厚み方向における最大外径と最少外径の差を、ウエハ載置面における平均外径の0.8%以下とすることによって、加熱処理時におけるウエハ表面の均熱性を±1.0%以上に向上させ得ることを見出した。
即ち、セラミックスヒーターのウエハ載置面の平均外径をDave、厚さ方向における任意の面の最大外径をDmax及び最小外径をDminとし、外径変動パラメーターDp=(Dmax−Dmin)/Daveと定義する。この外径変動パラメーターDpを0.8%以下に制御することにより、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%以下に、また熱伝導率10〜100w/mKのセラミックスヒーターでは±1.0%以下にすることができる。
次に、本発明に係わ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の一表面上に所定回路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をガラスあるいはセラミックスからなる接着層4により接合してある。尚、抵抗発熱体3の回路パターンは、例えば線幅と線間隔が5mm以下、更に好ましくは1mm以下になるように形成されている。
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、一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14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lmm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、所定の発熱体回路パターンを形成した。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、Wの抵抗発熱体を形成した。残り1枚の上記AlN基板の表面に、Y2O3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、AlN製のセラミックスヒーターを得た。
接合して得られたセラミックスヒーターの外周面を、常温において所定の外径変動パラメーターDpが得られるよう再度研磨した。このようにして、図1に示す構成のセラミックスヒーターについて、外径変動パラメーターDpを下記表1に示すように変化させた7種類の試料を準備した。
尚、外径変動パラメーターDpは、Dp=(Dmax−Dmin)/Daveと定義する。ここで、Dave:セラミックスヒーターのウエハ載置面の平均外径、Dmax:ヒーターの厚さ方向における任意の面の最大外径、及びDmin:ヒーターの厚さ方向における任意の面の最小外径、をそれぞれ表す(以下、全ての実施例において同じ)。
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、そのウエハの表面温度分布を測定して均熱性を求め、得られた結果を試料毎に下記表1に示した。
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、厚さ方向における最大外径と最少外径の差をウエハ載置面の平均外径の0.8%以下とすることによって、ウエハ加熱時におけるウエハ表面の均熱性を±0.5%以下にすることができた。
窒化珪素(Si3N4)粉末に、焼結助剤とバインダーを添加して、ボールミルで分散混合した。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、Si3N4焼結体を得た。このSi3N4焼結体の熱伝導率は20W/mKであった。このSi3N4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Si3N4基板2枚を準備した。
1枚の上記Si3N4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て混練したペーストを印刷塗布し、非酸化性雰囲気中にて温度800℃で脱脂した後、温度1650℃で焼成して抵抗発熱体を形成した。残り1枚の上記Si3N4基板の表面にはSiO2系接着剤の層を形成し、温度500℃で脱脂した後、上記Si3N4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、Si3N4製のセラミックスヒーターを得た。
接合して得られたセラミックスヒーターの外周面を、常温において所定の外径変動パラメーターDpが得られるよう再度研磨した。このようにして、図1に示す構成のセラミックスヒーターについて、外径変動パラメーターDpを下記表2に示すように変化させた各試料を準備した。
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載せた厚み0.8mm、直径300mmのシリコンウエハについて、その表面温度分布を測定して均熱性を求め、得られた結果を試料毎に下記表2に併せて示した。
上記表2に示す結果から分るように、熱伝導率が20W/mKである窒化珪素製のセラミックスヒーターにおいても、厚さ方向における最大外径と最少外径の差をウエハ載置面での平均外径の0.8%以下とすることによって、要求される±1.0%以下のウエハ表面の均熱性を得ることができた。
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、所定の発熱体回路パターンを形成した。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、抵抗発熱体を形成した。残り1枚の上記AlON基板の表面に、Y2O3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て、温度500℃で脱脂した。このAlON基板の接着剤層を、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℃に加熱して接合することにより、AlON製のセラミックスヒーターを得た。
接合して得られたセラミックスヒーターの外周面を、常温において所定の外径変動パラメーターDpが得られるよう再度研磨した。このようにして、図1に示す構成のセラミックスヒーターについて、外径変動パラメーターDpを下記表3に示すように変化させた各試料を準備した。
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載せた厚み0.8mm、直径300mmのシリコンウエハについて、その表面温度分布を測定して均熱性を求め、得られた結果を試料毎に下記表3に併せて示した。
上記表3に示す結果から分るように、熱伝導率が20W/mKである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、厚さ方向における最大外径と最少外径の差をウエハ載置面での平均外径の0.8%以下とすることによって、要求される±1.0%以下のウエハ表面の均熱性を得ることができた。
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。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際に、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、それぞれのペーストを印刷塗布して非酸化性雰囲気中で焼き付けた。
次に、残り1枚のAlN基板の表面には、SiO2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、それぞれAlN製のセラミックスヒーターを得た。
得られたセラミックスヒーターの外周面を、常温において所定の外径変動パラメーターDpが得られるよう再度研磨した。このようにして、図1に示す構成のセラミックスヒーターについて、外径変動パラメーターDpを下記表4に示すように変化させた各試料を準備した。
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載せた厚み0.8mm、直径300mmのシリコンウエハについて、その表面温度分布を測定して均熱性を求め、得られた結果を試料毎に下記表4に併せて示した。
上記表3に示す結果から分るように、抵抗発熱体がMo、Pt、Ag−Pd、又はNi−Cr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、厚さ方向における最大外径と最少外径の差をウエハ載置面での平均外径の0.8%以下とすることによって、ウエハ加熱時のウエハ表面の均熱性において良好な結果を得ることができた。
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の複数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、所定回路パターンの抵抗発熱体層を形成した。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、同様に乾燥した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/cm2の圧力をかけながら温度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温度600℃で5時間脱脂した後、100〜150kg/cm2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になるまで研磨して、内部にWの抵抗発熱体とプラズマ電極を有する図2の構造のセラミックスヒーターを得た。
得られたセラミックスヒーターの外周面を、常温において所定の外径変動パラメーターDpが得られるよう再度研磨した。このようにして、図2に示す構成のセラミックスヒーターについて、外径変動パラメーターDpを下記表5に示すように変化させた各試料を準備した。
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載せた厚み0.8mm、直径300mmのシリコンウエハについて、その表面温度分布を測定して均熱性を求め、得られた結果を試料毎に下記表5に併せて示した。
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セラミックスヒーターであっても、セラミックスヒーターの厚さ方向における最大外径と最少外径の差をウエハ載置面での平均外径の0.8%以下とすることにより、ウエハ加熱時のウエハ表面の均熱性において良好な結果を得ることができた。
本発明によれば、常温時のセラミックスヒーターの厚み方向における外径の変動を抑えることにより、加熱処理時における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。
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
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 (4)
- 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、非加熱時において、該セラミックスヒーターの厚み方向における最大外径と最少外径の差が、ウエハ載置面における平均外径の0.8%以下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。
- 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に記載の半導体製造装置用セラミックスヒーター。
- 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。
- 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1〜3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。
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JP2001118664A (ja) * | 1999-08-09 | 2001-04-27 | Ibiden Co Ltd | セラミックヒータ |
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