JP2007088498A - 半導体製造装置用セラミックスヒーター - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体製造工程でウエハを処理する高温域においてウエハ載置面の平面度を高め、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（常温）のウエハ載置面の反り形状が０.００１〜０.７ｍｍ／３００ｍｍの凹状である。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インチへ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。

このような均熱性の要求に対して、セラミックスヒーターにウエハを載置した際に、ウエハ載置面とウエハの間に隙間が生じると均一な加熱が出来なくなることから、精密加工によりウエハ載置面の平面度を上げることが追求されてきた。しかしながら、セラミックスヒーターの大口径化に伴い、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６−２８２５８号公報

上記したように、従来から均熱性向上のためにウエハ載置面の平面度を上げることが追求されてきたが、近年においてウエハの大口径化が進むとともに、均熱性の要求を満たすことが難しくなりつつある。

例えば、上記特公平６−２８２５８号公報記載のように、セラミックスヒーターに支持部材を接合すると、抵抗発熱体に電流を流して発熱させた熱がセラミックスヒーターから支持部材を伝わって反応容器側へ逃げるため、ウエハ載置面に比べて支持部材側の熱膨張が小さくなり、ウエハ載置面が凸状になるような応力が掛かる。従って、精密加工により室温でのウエハ載置面の平面度を上げても、実際にウエハを処理する際の高温域においてはウエハ載置面が凸の形状に反るため、ウエハとの間に隙間が生じてウエハへの熱伝導に不均一性を生じ、ウエハ表面の均熱性は上がらなかった。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、半導体製造工程でウエハを処理する高温域においてウエハ載置面の平面度を高め、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、ウエハ載置面の反り形状が非加熱時において０.００１〜０.７ｍｍ／３００ｍｍの凹状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。

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、半導体製造工程でウエハを処理する高温域においてウエハ載置面の平面度を高めることにより、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、半導体製造装置用セラミックスヒーターのウエハ載置面における平面度について検討した結果、従来のセラミックスヒーターはウエハ載置面が一般に常温で凸（以下、＋方向とも言う）になるような反りの状態にあるうえ、抵抗発熱体に通電することにより温度が上昇し、ヤング率が低下すると、更に＋方向の反りが大きくなることを見出した。

そこで、本発明においては、セラミックスヒーターの常温における反りの状態を、ウエハ載置面が凹（以下、−方向とも言う）になるように調整することにより、実際のウエハ処理時の高温域においてウエハ載置面の平面度を従来よりも高めることができた。即ち、本発明のセラミックスヒーターでは、ウエハ載置面の反り形状を、非加熱時（常温）において、ウエハ載置面の長さ３００ｍｍ当たり０.００１〜０.７ｍｍの凹状とする。

このような常温での反り形状とすることによって、実際のウエハ処理時の高温域においては、セラミックスヒーターが＋方向に反るため、そのウエハ載置面の平面度が向上してウエハとの間の隙間をほぼ無くすことができる。その結果、本発明においては、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％以下に、及び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１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４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用いて抵抗発熱体及び／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、全体を同時に焼結して一体化しても良い。

［実施例１］
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って、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ＡｌＮ基板の一表面上に、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ＡｌＮ基板の一表面に、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。

また、上記窒化アルミニウムのスプレードライ粉末を、１ｔｏｎ／ｃｍ^２でのＣＩＰ成形により、焼結後の寸法が外径１００ｍｍ、内径９０ｍｍ、長さ２００ｍｍになるように成形加工し、非酸化性雰囲気中にて８００℃で脱脂した後、１９００℃で４時間焼成して、ＡｌＮ焼結体からなるパイプ状の支持部材を得た。

このＡｌＮ製のパイプ状支持部材の一端面を前記ＡｌＮ製のセラミックスヒーターの中央にあてがい、温度８００℃で２時間加熱してホットプレス接合した。このとき、ホットプレス接合時の治具の反り量を調整することにより、接合後におけるセラミックスヒーターの初期反り量を試料毎に下記表１に示す値となるように変化させた。

このようにして得られた図１の構造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って、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について、５００℃での反り量を測定した。

また、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、上記５００℃加熱時におけるウエハの表面温度分布を測定し、ウエハ表面の均熱性を求めた。得られた結果を、試料毎に下記表１に示した。尚、表１の各反り量の欄において、＋は反り方向が＋方向（凸状）であることを、−は反り方向が−方向（凹状）であることを表す（以下の各表において同じ）。

上記表１に示すように、ＡｌＮ製のセラミックスヒーターに要求されるウエハ表面の均熱性（±０.５％以下）を得るためには、セラミックスヒーターのウエハ載置面の初期反り形状を−方向に０.００１〜０.７ｍｍ／３００ｍｍの範囲内の凹状とすることが必要であった。

［実施例２］
窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）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Ｓｉ_３Ｎ_４基板の一表面上に、実施例１と同じ方法で、Ｗの抵抗発熱体を形成した。残り１枚のＳｉ_３Ｎ_４基板の表面にはＳｉＯ_２系接着剤の層を形成し、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。

また、上記窒化珪素のスプレードライ粉末を、１ｔｏｎ／ｃｍ^２でのＣＩＰ成形により、焼結後の寸法が外径１００ｍｍ、内径９０ｍｍ、長さ２００ｍｍになるように成形加工し、非酸化性雰囲気中にて８００℃で脱脂した後、１９００℃で４時間焼成して、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体からなるパイプ状支持部材を得た。

このＳｉ_３Ｎ_４製のパイプ状支持部材の一端面を前記Ｓｉ_３Ｎ_４製のセラミックスヒーターの中央にあてがい、温度８００℃で２時間加熱して接合した。このとき、ホットプレス接合時の治具の反り量を調整することにより、接合後におけるセラミックスヒーターの初期反り量を試料毎に下記表２に示す値となるように変化させた。

このようにして得られた図１の構造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って、セラミックスヒーターの温度を５００℃まで昇温した。その際、ウエハ載置面の５００℃での反り量を測定した。また、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、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。

上記表２に示すように、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、そのウエハ載置面の初期反り形状を−方向に０.００１〜０.７ｍｍ／３００ｍｍの範囲内の凹状にすることにより、要求されるウエハ表面の均熱性（±１.０％以下）を得ることができた。

［実施例３］
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ＡｌＯＮ基板の一表面上に、実施例１と同じ方法で、Ｗの抵抗発熱体を形成した。残り１枚のＡｌＯＮ基板の表面にはＳｉＯ_２系接着剤の層を形成し、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。

また、上記酸窒化アルミニウムのスプレードライ粉末を、１ｔｏｎ／ｃｍ^２でのＣＩＰ成形により、焼結後の寸法が外径１００ｍｍ、内径９０ｍｍ、長さ２００ｍｍになるように成形加工し、非酸化性雰囲気中にて８００℃で脱脂した後、１９００℃で４時間焼成して、ＡｌＯＮ焼結体からなるパイプ状支持部材を得た。

このＡｌＯＮ製のパイプ状支持部材の一端面を前記ＡｌＯＮ製のセラミックスヒーターの中央にあてがい、温度８００℃で２時間加熱して接合した。このとき、ホットプレス接合時の治具の反り量を調整することにより、接合後におけるセラミックスヒーターの初期反り量を試料毎に下記表３に示す値となるように変化させた。

このようにして得られた図１の構造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って、セラミックスヒーターの温度を５００℃まで昇温した。その際、ウエハ載置面の５００℃での反り量を測定した。また、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、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。

上記表３に示すように、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、そのウエハ載置面の初期反り形状を−方向に０.００１〜０.７ｍｍ／３００ｍｍの範囲内の凹状にすることにより、要求されるウエハ表面の均熱性（±１.０％以下）を得ることができた。

［実施例４］
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２枚、及びＡｌＮ製のパイプ状支持部材を製造した。

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基板の一表面上に設ける抵抗発熱体の材料をそれぞれ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。

その後、残り１枚のＡｌＮ基板にはＳｉＯ_２系接着剤を塗布し、上記ＡｌＮ基板の抵抗発熱体を形成した面に重ね合わせると共に、ＡｌＮ製のパイプ状支持部材との接合部にもＳｉＯ_２系接着剤を塗布し、非酸化性雰囲気にて８００℃で脱脂して８００℃で接合した以外は実施例１と同様にして、ＡｌＮ製のセラミックスヒーターを得た。このとき、接合時の治具の反り量を調整することにより、接合後におけるセラミックスヒーターの初期反り量を試料毎に下記表４に示す値となるように変化させた。

このようにして得られた抵抗発熱体の材質が異なる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って、セラミックスヒーターの温度を５００℃まで昇温した。その際、ウエハ載置面の５００℃での反り量を測定した。また、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、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。

上記表４に示すように、抵抗発熱体がＭｏ、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｎｉ−Ｃｒの場合においても、そのウエハ載置面の初期反り形状を−方向に０.００１〜０.７ｍｍ／３００ｍｍの範囲内の凹状にすることによって、実施例１と同様に加熱処理時のウエハ表面の均熱性について良好な結果が得られた。

［実施例５］
窒化アルミニウム粉末に焼結助剤、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、Ｗ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一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。また、別の１枚のグリーンシートを同様に乾燥し、その一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の窒化アルミニウム板状体を得た。これを直径３８０ｍｍの円板状に切り出し、外周部を直径３００ｍｍになるまで研磨して、内部に抵抗発熱体とプラズマ電極を有する図２の構造のＡｌＮ製セラミックスヒーターを得た。

また、実施例１と同様の方法で製作したＡｌＮ製のパイプ状支持部材の端面を上記セラミックスヒーターの中央にあてがい、温度８００℃で２時間加熱して接合した。尚、この接合時の治具の反り量を調整することにより、接合後におけるセラミックスヒーターの初期反り量を試料毎に下記表５に示す値となるように変化させた。

このようにして得られた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って、セラミックスヒーターの温度を５００℃まで昇温した。その際、ウエハ載置面の５００℃での反り量を測定した。また、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、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。

上記表５に示すように、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においても、そのウエハ載置面の初期反り形状を−方向に０.００１〜０.７ｍｍ／３００ｍｍの範囲内の凹状にすることにより、加熱処理時のウエハ表面の均熱性に関して良好な結果が得られた。

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 (4)

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、ウエハ載置面の反り形状が非加熱時において０.００１〜０.７ｍｍ／３００ｍｍの凹状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。
3. 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。
4. 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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