JP2006279061A

JP2006279061A - 半導体製造装置用セラミックスヒーター

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Publication number: JP2006279061A
Application number: JP2006141087A
Authority: JP
Inventors: Yoshibumi Kachi; 義文加智; Hiroshi Hiiragidaira; 啓柊平; Hirohiko Nakada; 博彦仲田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2006-10-12

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

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、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。

（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、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（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、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Ｓｉ_３Ｎ_４基板の表面にはＳｉＯ_２系接着剤の層を形成し、温度５００℃で脱脂した後、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℃に加熱して接合することにより、Ｓｉ_３Ｎ_４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。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。

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、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。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。

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、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、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。

（注）表中の＊を付した試料は比較例である。

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／ｃｍ^２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／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。

（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

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。