JP2007173828A - エッチング耐性ウェーハ加工装置及びその製造方法 - Google Patents

エッチング耐性ウェーハ加工装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
フッ素エッチング耐性に優れ、裏側粒子発生が低減し、かつウェーハプロセスの汚染の少ない改良型ウェーハ加工装置の提供。
【解決手段】
ウェーハ加工装置の製造に当たり、ベース基板の表面上にフィルム電極を堆積し、この構造を次にＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなる保護コーティングフィルム層で被覆する。フィルム電極の熱膨張係数は、下側のベース基板層の熱膨張係数及び保護コーティング層の熱膨張係数と略合致する。
【選択図】 図１

Description

本発明は一般に、半導体の製造に用いるウェーハ取扱い装置に関する。
例えばヒータや静電チャック（ＥＳＣ）のようなウェーハ取扱い装置は、分子線エピタキシ、宇宙実験、電子顕微鏡用及び超電導フィルム成長用の基板ヒータなど多数のシステム用途に用いられている。ウェーハ取扱い装置には、ウェーハを支持するサセプタと、サセプタの下に配置されたウェーハ加熱用の複数のヒータとを含むものがある。半導体ウェーハは、比較的高温の（そして往々にして腐食性の高い雰囲気の）加工処理容器内の密閉環境で加熱される。
ＡｌＮは優れたエッチング耐性を示し、ウェーハ取扱い装置用の建造材料として有力な候補になっている。米国特許第６７４４６１８号には、焼結セラミック基板の表面にフィルム電極をスクリーン印刷法によって堆積し、フィルム電極構造上に焼結セラミック層をオーバーモールド成形してなる静電チャックが開示されている。フィルム電極はＷ、Ｍｏ又はこれらの合金を含む。セラミック層はＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４及びこれらの組合せなどの材料を含んでなるが、ＡｌＮが好ましい。
従来技術の焼結ＡｌＮエッチング耐性ヒータの周知の問題は、その耐熱衝撃性が低く、そのため最大昇温速度が約１２〜２０℃／分に限定されることである。さらに、裏側での粒子の発生は、焼結ＡｌＮが加工中のウェーハに接触するときに深刻な問題となる。
米国特許第５６６３８６５号明細書 米国特許第６７４４６１８号明細書 米国特許第５２８０１５６号明細書 米国特許第４９６０７３４号明細書 米国特許第５８８６８６３号明細書 特開平１１−０４０３３０号公報 特開平０７−１５３８２０号公報
本発明は、少なくともＡｌＮフィルム層をトップコーティングとして有する層構造を有し、従来の焼結層構造に比べて、フッ素エッチング耐性に優れ、裏側粒子発生が低減し、かつウェーハプロセスの汚染の少ない改良型ウェーハ取扱い装置に関する。
一つの態様では、本発明は、ベース基板の表面にフィルム電極を堆積し、この構造体を次に保護コーティングフィルム層で被覆することによって製造されるウェーハ加工装置であって、保護コーティングフィルム層がＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなり、フィルム電極がベース基板層の熱膨張係数（ＣＴＥ）及び保護コーティング層のＣＴＥに略合致するＣＴＥを有するウェーハ加工装置に関する。
本発明の一つの態様では、フィルム電極は、モリブデン、タングステン、ルテニウム及びこれらの合金の少なくとも１種を含んでなり、保護コーティング層は窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム又はこれらの組合せの少なくとも１種を含んでなる。
本発明の別の態様では、フィルム電極はベース基板層の熱膨張係数（ＣＴＥ）及び保護コーティング層のＣＴＥの０．７５〜１．２倍のＣＴＥを有する。
さらに他の態様では、本発明は、ウェーハ加工装置の製造方法であって、（ａ）グラファイト、高融点金属及び合金、並びにＢ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属からなる群から選択される元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物もしくは酸窒化物、又はアルミニウムの酸化物、酸窒化物及びこれらの組合せを含んでなるベース基板を、電気絶縁層と共に又は電気絶縁層なしで、用意し、（ｂ）ベース基板層の熱膨張係数の０．７５〜１．２５倍の熱膨張係数を有するフィルム電極をベース基板上に堆積し、（ｃ）フィルム電極の熱膨張係数の０．７５〜１．２５倍の熱膨張係数を有するコーティングフィルム層をフィルム電極上に積層する工程を含む方法に関する。
本明細書で用いる「第一」、「第二」などの用語は順序又は重要度を表すものではなく、ある構成要素を他の構成要素から区別するために用いられる。単数形で記載したものであっても、その数を限定するものではなく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味する。本明細書に開示した範囲はすべて上下限を含み、独立に組合せ可能である。また、本明細書及び特許請求の範囲で用いる用語「含んでなる」又は「備える」という用語には、「からなる」及び「から実質的になる」という実施形態も包含される。
また、本明細書で用いる近似表現は、関連する基本的機能を変化させずに変更し得る量的表現の修飾に適用することもある。したがって、「約」、「実質的に」などの用語で修飾された値は、場合によっては、記載された正確な値に限定されないこともある。少なくとも一部の例では、近似表現はその値の測定装置の精度に対応する。
本明細書で用いる「基板」は「ベース表面」や「ベース層」と同義に用いられる。
また、本明細書で用いる「ウェーハ取扱い装置」という用語は、単数形又は複数形のいずれにおいても「ヒータ」、「チャック」、「静電チャック」、「ＥＳＣ」及び「サセプタ」と同義に用いられ、半導体装置の製造に際してウェーハ、基板その他の種類の加工品を支持する装置をいう。ウェーハ取扱い装置の一実施形態では、ウェーハは、外部電極とウェーハ取扱い装置内に埋設された電極との間で発生する静電力によってチャック面に固定される。ＥＳＣはクーロン型のものでも、ジョンソン・ラーベック型のものでもよい。
本明細書で用いる「保護コーティング」層は、単数形又は複数形のいずれにおいても「保護フィルムコーティング層」、「コーティング層」、「コーティングフィルム」、「保護層」又は「保護コーティング層」と同義に用いられ、ウェーハ取扱い装置を被覆する１以上の層をいう。
図１の線図に示すような一実施形態では、本発明のウェーハ加工装置１０はヒータの形態であり、ベース基板８と、その上に設けられたフィルム電極６と、構造全体を被覆する保護コーティングフィルム５とを備える。
図２に示すような第二の実施形態では、ウェーハ加工装置１０は、ベース層９で被覆された基板８と、ベース層９上に設けられたフィルム電極６と、構造全体を被覆する保護コーティングフィルム５とを備える。
図３に示すような第三の実施形態では、ウェーハ加工装置１０は、まず結合層２で次いでベース層９で被覆された基板８と、ベース層９上に設けられたフィルム電極６と、構造全体を被覆する保護コーティングフィルム５とを備える。
図４に示すような第四の実施形態では、ウェーハ加工装置１０は、加熱すべき加工品を支持するプラットホーム２０を備える。プラットホーム２０は、上面と下面を有する基板８を有していて、基板８の下面にフィルム電極６が配置される。プラットホーム２０は、プラットホームに略直交するシャフト３０で支持される。シャフト２０は基板８と同じ材料からなるものでも、異なる材料からなるものでもよく、さらに同心形その他のパターンの２つの導体又は電気リード１１を含む。ウェーハ加工装置を装着構造、ポストもしくはペデスタルポストと共に支持するため、シャフト３０に金属バイアホールもしくはコンタクトホール１２がロウ付けされる。
以下、本発明の装置の最外層から内側に向かって、つまり保護コーティングフィルムから、フィルム電極、幾つかの実施形態で適宜設けられるベースコーティング層及び結合層、最も内側の基板について、さらに詳細に本発明を説明する。
保護コーティングフィルム
一実施形態では、保護コーティングフィルム５は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなるもので、２５〜１０００℃の温度範囲で２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／Ｋの範囲の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。
一実施形態では、窒化物は、熱分解窒化ホウ素、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、窒化ケイ素又はこれらの複合体から選択される。本明細書で用いる窒化アルミニウムとは、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ又はこれらの組合せをいう。一実施形態では、保護コーティング層５は、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ａｌ２Ｏ３又はこれらの組合せの単層である。別の実施形態では、保護コーティング層５は、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ａｌ２Ｏ３などの同一材料からなる複数のコーティングの多層構造、又はＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ｐＢＮ、ＳｉＮなどを順次被覆した複数の異なる層からなる多層構造である。
保護コーティング層５は、膨張熱プラズマ（ＥＴＰ；ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｌａｓｍａ）、イオンプレーティング、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ励起化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、金属・有機化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）（有機金属化学気相堆積ＯＭＣＶＤともいう。）、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、並びにスパッタリング、反応性電子ビーム（ＥＢ）堆積及びプラズマ溶射のような物理蒸着法などの方法によって基板に堆積させることができる。典型的な方法は、ＥＴＰ、ＣＶＤ及びイオンプレーティングである。
保護コーティング層５の厚さは、用途及び用いる堆積法（例えばＣＶＤ、イオンプレーティング、ＥＴＰなど）に応じて変わり、例えば用途に応じて１μｍ乃至数百μｍである。一般に、用いる保護層が厚いほど、サイクル寿命が長くなると予想される。一実施形態では、保護コーティング層の厚さは約１〜約５μｍであり、概してウェーハと静電チャックとの良好な熱接触が可能となるが、もっと厚いコーティングほど長くもたない。厚さが５μｍを超えるコーティングは、厚さ５μｍ未満のコーティングよりもサイクル寿命が長い。一実施形態では、コーティングの厚さは約２μｍ以上である。別の実施形態では、保護コーティングの厚さは約１０μｍ以上である。第三の実施形態では、厚さは約５０μｍ以上である。さらに他の実施形態では、厚さは約７５μｍ以上である。
保護コーティング層５は、エッチング耐性である、つまりハロゲン含有環境中又はプラズマエッチング、反応性イオンエッチング、プラズマクリーニング及びガスクリーニングに暴露されたときのエッチング速度が低いことを特徴とする。保護コーティングのエッチング速度は、従来法で焼結した化学組成の類似したコーティングのエッチング速度以下であり、ウェーハ加工装置の寿命が延びる。
一実施形態では、保護コーティング層５のハロゲン含有環境でのエッチング速度は１０００Å／ｍｉｎ未満である。第二の実施形態では、このエッチング速度は５００Å／ｍｉｎ未満である。第三の実施形態では、エッチング速度は１００Å／ｍｉｎ未満である。第四の実施形態では、ハロゲン含有クリーニング環境中又は反応性イオンエッチング環境暴露時のエッチング耐性保護コーティングのエッチング速度は３０Å／ｍｉｎ以下である。一実施形態では、このエッチング速度は約２０Å／ｍｉｎ以下である。別の実施形態では、このエッチング速度は約１５Å／ｍｉｎ以下である。他の実施形態では、エッチング速度は約５Å／ｍｉｎ以下である。さらに他の実施形態では、エッチング速度は約２Å／ｍｉｎ以下である。
半導体加工処理作業で、ホットプレート、静電チャック、ウェーハキャリヤなどの物品を用いる場合、ヒータ／チャックの接触表面に粒子が発生することが多々あり、往々にしてウェーハの裏側に移る。こうした粒子の発生は、加工中のウェーハの裏側に付着しかねないので望ましくない。本発明の保護フィルムコーティング層５を有するウェーハ加工装置では、かかる粒子の発生は格段に低減する。
一実施形態では、保護コーティングで被覆された物品の裏側で発生する粒子の数は、焼結オーバーモールド又はトップコーティング層を有する従来のウェーハ加工装置よりも２５％以上低減する。別の実施形態では、粒子発生数は、本保護コーティングで被覆されていない同様の物品よりも５０％以上低減する。第三の実施形態では、粒子発生数は、本保護コーティングで被覆されていない同様の物品よりも７５％以上低減する。
保護コーティング層５は、耐食性やエッチング耐性に悪影響を与えない低濃度の窒素、酸素及び／又は水素のような他の非金属元素を含んでいてもよい。一実施形態では、コーティング層は約２０原子％以下の水素及び／又は酸素を含有する。別の実施形態では、保護コーティングは約１０原子％以下の水素及び／又は酸素を含有する。
フィルム電極
本発明の装置１０のフィルム電極６は、１５００℃超の融点並びに該フィルム電極を堆積させる隣接ベース層９（又は図１に示すような基板８）の熱膨張係数（ＣＴＥ）及び保護コーティング層５のＣＴＥと略合致するＣＴＥ、つまり２５〜１０００℃の温度範囲で２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／Ｋの範囲のＣＴＥを有する金属を含んでなることを特徴とする。
本明細書において、略合致するＣＴＥを有するとは、フィルム電極のＣＴＥが、ベースコーティング層又は保護コーティング層のような隣接層のＣＴＥの０．７５〜１．２５倍の範囲内にあることをいう。本発明の一実施形態では、フィルム電極は、ベースコーティング層又は保護コーティング層のような隣接層のＣＴＥの０．９０〜１．１０倍のＣＴＥを有する。第三の実施形態では、フィルム電極は、隣接層のＣＴＥの０．９５〜１．０５倍のＣＴＥを有する。
ベース層９又は保護コーティング層５に異なる材料、例えばＡｌＮとグラファイトのような第二相との組合せを用いる実施形態では、ＡｌＮの理論平均ＣＴＥが４．９×１０−６／Ｋであり、グラファイトの理論ＣＴＥが５．３×１０−６／Ｋであるので、得られるＣＴＥは、平均の体積比例則を用いる通常の混合則を用いて計算できる。
一実施形態では、フィルム電極６は金属、例えば、特に限定されないが、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）又はこれらの組合せを含む。Ｍｏの２０〜１０００℃の範囲での理論平均ＣＴＥは４．５×１０−６／Ｋである。Ｗの理論平均ＣＴＥは４．５×１０−６／Ｋ、Ｒｕの理論平均ＣＴＥは６．４×１０−６／Ｋである。本発明のフィルム電極６のＣＴＥは隣接ベース層９（又は図１のようにベース基板８）のＣＴＥに略合致するので、ベース層に対する接着性に優れ、電極層における層間剥離や亀裂欠陥が低減する。
一実施形態では、フィルム電極６の厚さは約５μｍ〜約２５０μｍである。第二の実施形態では、フィルム電極６の厚さは０．１μｍ〜１０μｍである。
フィルム電極６は、スクリーン印刷、スピンコーティング、プラズマ溶射、溶射熱分解、反応性溶射、ゾル−ゲル、燃焼トーチ、電気アーク、イオンプレーティング、イオンインプランテーション、スパッタリング、レーザーアブレーション、蒸着、電気メッキ、レーザー表面合金化を始めとする公知の方法でベース層上に形成できる。
一実施形態では、フィルム電極６はスクリーン印刷法で形成される。スクリーン印刷は当技術分野で公知である。スクリーン印刷に関する概説は、例えばＳｃｒｅｅｎｓ ａｎｄ Ｓｃｒｅｅｎ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ， ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， １９９１に記載されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。本発明の一実施形態では、タングステン、モリブデン、ルテニウム又はこれらの合金を含むペーストを用いて電極６を形成する。シルクスクリーンその他の細かいメッシュを使用できる。従来のシルクスクリーン用ペーストの多くは、接着性を向上させるためのガラスフリットを含んでいる。本発明の別の実施形態では、フィルム電極６は、ガラスを含まないシルクスクリーン用導電性ペーストを用いて形成される。ガラスフリットを含有する従来のペーストに比べて、ガラスを含まないペーストから形成した電極は抵抗率が格段に低く、プラズマ発生（ＲＦ）電極又はチャック電極として用いたときのフィルム電極６の過熱が防止される。
一実施形態では、フィルム電極６は、例えば化学気相堆積（ＣＶＤ）又は物理気相堆積（ＰＶＤ）のような気相堆積法で形成してもよい。これらの技術も当技術分野で公知である。スクリーン印刷法で製造したフィルムは「厚膜」と呼ばれ、気相堆積法で製造したフィルムは「薄膜」と呼ばれることが多い。
別の実施形態では、フィルム電極６は反応性溶射法（ＲＳＤＴ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｐｒａｙ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を用いて形成される。ＲＳＤＴはフレーム支援堆積もしくはプラズマ溶射としても知られ、制御可能な寸法、形態及び結晶性をもつフィルムを堆積するための低コストな燃焼法である。
Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ又はこれらの組合せを含んでなるフィルム層をベース層上に堆積した後、例えばレーザー加工、印刷、マスキング、レーシング（ｌａｔｈｉｎｇ）、ドライ／ウェットエッチング又はグリットブラスティングなどの様々な方法で、電極パターン設計をＭｏ（Ｗ）フィルム上に精密に再現できる。したがって、精密なパターニングによって精密な加熱制御を簡単に達成でき、そのため加熱均一性が達成される。
任意構成要素としてのベースコーティング層
本発明の第二の実施形態を図２に示すが、この実施形態では、ベースコア基板８は、グラファイト、高融点金属及び合金（例えばＭｏ、Ｗなど）からなる群から選択される１種以上の導電性材料からなるコア材料を含んでなり、基板８は最初にベースコーティング層９で被覆してから、その上にフィルム電極６を形成する。グラファイト、高融点金属／合金からなるコア８はベースコーティング層９に機械的健全性を与え、作業に必要な支持を与える。ベースコーティング層９は電気絶縁性であり、導電層６とベース基板８の間に電気絶縁及び合致したＣＴＥをもたらす。
一実施形態では、電気絶縁コーティング層９（高い体積抵抗率をもつ）は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の窒化物、ホウ化物、酸化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなる。
ベースコーティング層９の抵抗率は、金属成分及びその誘導体を堆積する際の酸化物、酸窒化物、窒化物及びホウ化物の形成量を制御することによって、制御される。一実施形態では、層９は２５℃で＞１０８Ω・ｃｍの体積抵抗率を有する。第二の実施形態では、層９は２５℃で＞１０１０Ω・ｃｍの体積抵抗率を有する。第三の実施形態では、層９は２５℃で＞１０１２Ω・ｃｍの体積抵抗率を有する。一実施形態では、ベースコーティング層の２５〜１０００℃の範囲で２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／ＫのＣＴＥを有する。
ベースコーティング層９は、膨張熱プラズマ（ＥＴＰ）、イオンプレーティング、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ励起化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、金属・有機化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）（有機金属化学気相堆積ＯＭＣＶＤともいう。）、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、並びにスパッタリング、反応性電子ビーム（ＥＢ）堆積及びプラズマ溶射のような物理蒸着法の方法で、ベースコア８上に堆積できる。典型的な方法は、ＥＴＰ、ＣＶＤ及びイオンプレーティングである。
任意構成要素としての結合層
図３に示すような本発明の第三の実施形態では、層９をベースコア基板８上に堆積する前に、中間結合層２をベース基板８上に導入する。中間結合層２は、電気絶縁性ベースコーティング層９とベース基板８との接着性を高めるのに有効である。一実施形態では、中間結合層２は、Ａｌ、Ｓｉ、高融点金属（Ｔａ、Ｗ、Ｍｏなど）、遷移金属（チタン、クロム、鉄など）及びこれらの混合物からなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなる。一実施形態では、結合層はＴｉＣ、ＴａＣ、ＳｉＣ、ＭｏＣ及びこれらの混合物の少なくとも１種を含んでなる。
ベース基板８がグラファイトのような材料を含んでなり、結合層が金属炭化物を含んでなる一実施形態では、グラファイト基板との平衡に達するように炭素を表面から金属炭化物中へ拡散させることによって、結合層表面をさらに炭化してその化学量論的組成を回復して、層同士の接着性を高める。一実施形態では、高融点金属炭化物を含有する結合層は、炭素と平衡状態にある炭素／金属の原子比をもつことを特徴とする。
中間結合層２は、グラファイト基板を収容した加熱反応器に、金属ハロゲン化物（金属塩化物など）の蒸気を、水素のような還元剤と共に或いは還元剤なしで導入することにより通常の化学気相堆積（ＣＶＤ）法で、ベースコア基板８上に析出させることができる。結合層２は、スパッタリング、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、金属・有機化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）又はプラズマ蒸着（ＰＣＶＤ）を始めとする他の慣用コーティング法で基板８上に被覆することもできる。一実施形態では、メタンのような炭素源を金属ハロゲン化物蒸気と共に導入して、堆積時のＣ／金属比を制御することができる。
ベースコア基板８を結合層２で被覆した後、例えばＣＶＤ、ＥＴＰ、イオンプレーティング、ＰＥＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＯＭＣＶＤ、ＭＯＶＰＥ、スパッタリング、電子線堆積及びプラズマ溶射などの上述の方法のいずれかを用いて、ベースコーティング層９を結合層２上に導入してもよい。
ベース基板層
図２及び図３に示すような本発明の実施形態では、ベース基板８は導電性であり、グラファイト、高融点金属（Ｗ、Ｍｏなど）、遷移金属、希土類金属及び合金及びこれらの混合物の少なくとも１種を含んでなる。ベースコーティング層９（場合によっては層９と追加の結合層２）がベース基板８と電極５の間に介在するので、ベース基板８の熱膨張係数が電極層５の熱膨張係数に略合致する必要はない。
電極がベース基板上に直接設けられた図１に示すような本発明の別の実施形態では、ベース基板８は電気絶縁性であり、Ｂ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属からなる群から選択される元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物又は酸窒化物、アルミニウムの酸化物、酸窒化物並びにこれらの組合せの少なくとも１種を含んでなる。一実施形態では、電気絶縁性基板は、半導体の絶縁体領域の体積抵抗率、例えば２５℃で１０８Ω・ｃｍ超の体積抵抗率を有する。第二の実施形態では、電気絶縁性基板は、２５℃で＞１０１０Ω・ｃｍの体積抵抗率を有する。第三の実施形態では、体積抵抗率は２５℃で＞１０１２Ω・ｃｍである。一実施形態では、ベース基板８は２５〜１０００℃の範囲で２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／Ｋの熱膨張係数を有する。
図１の装置の一実施形態では、ベース基板８は、優れた機械加工性及び電気絶縁性を有することを特徴とする材料を含んでなる。一実施形態では、ベース基板８は窒化ホウ素と窒化アルミニウムのブレンドからなり、ベース基板に必要な一体性と所望の形状への機械加工性とを付与する。一実施形態では、焼結ブレンドは、高い熱伝導性及び高い電気絶縁性を保ちながら、比較的小さい熱膨張係数、低い誘電率、優れた機械加工性を有する、４５〜５重量％のＡｌＮと５５〜９５重量％のＢＮとからなる組成について開示した米国特許第４９６０７３４号に記載の組成を有する。
別の実施形態では、焼結ベース基板はさらに焼結助剤、金属もしくは炭素ドーパント、及び不純物を含んでいてもよい。適当な焼結助剤の例としては、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、その他当技術分野で公知のものがあるが、これらに限らない。金属ドーパントには、鉄、銅、ニッケル、亜鉛、クロム、コバルト、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、チタン、バナジウム及びジルコニウムが挙げられる。
電気接点の形成
本発明の一実施形態では、装置１０はさらに電気接点１２を含む。電極６に電気接点１２を形成する方法は当技術分野で公知である。当技術分野で公知のロウ材を用いて電気接点１２を電極６にロウ付けすればよい。一実施形態では、電気接点１２は電極６と共通の金属を含む合金である。
本発明の装置の用途
保護コーティング層及び略合致する熱膨張係数の電極を有する本発明の装置は、半導体加工部品、例えば基板、加熱素子、ウェーハキャリヤ、静電チャック、サセプタなどに好適に用いられる。本装置は、室温乃至１０００℃以上に短時間で加熱する加熱ステージを含む用途、並びに約２００℃以上の温度でのフッ素プラズマクリーニングのような苛酷な環境での用途に特に適している。
用途の一例では、装置１０は機械的サポートを介して加工チャンバ内に配置される。電極６を電源に接続する接点１２を介して装置１０に電圧を印加し、もって半導体ウェーハなどの加工品をチャック表面１に固定する。
本発明の一実施形態では、装置１０は、ヒータ上に載置したウェーハ基板を８００℃以下の温度に＞１５℃／分の速度で急速に加熱することができる。別の実施形態では、装置１０はウェーハ基板を＞２０℃／分の昇温速度で加熱することができる。第三の実施形態では、＞３０℃／分の昇温速度が可能である。高い昇温速度であっても、保護コーティング層とフィルム電極とベース基板の熱膨張係数が合致しているので、本発明の装置は亀裂を生じることなく、温度サイクリングに耐える。保護コーティングはほとんど亀裂を生じず、この特徴は格段のエッチング耐性を与える。一実施形態では、保護コーティングを８００℃もの高温での温度サイクリングに付しても亀裂は全く生じない。
以下の実施例によって本発明を例証するが、これらの実施例は本発明の範囲を限定するものではない。
実施例１
直径４インチ、厚さ０．１２５インチの焼結ＡｌＮディスクをベース基板基準として用いて、図１に示す構造のヒータを製造した。基板上にＭｏ−Ｍｎ（３０％フリット）電極をフィルム厚さ５０μｍにスクリーン印刷した。この構造体を厚さ５０〜１００μｍの化学気相堆積（ＣＶＤ）ＡｌＮ層で被覆した。ＡｌＮコーティングを形成するＣＶＤ法は約１０００℃の温度の炉内で行い、１〜３ｓｌｍの範囲のＣｌ２の流れを約３５０〜５００℃の高温Ａｌバーに流し、さらに１〜１０ｓｌｍの流量のＮＨ３、５〜８ｓｌｍのＮ２及び０．８〜５ｓｌｍのＨ２と混合した。
ディスクヒータに電力を加えて、２００℃〜６００℃の範囲で５℃、１５℃及び３０℃の昇温速度で昇温を繰り返した。ヒータは、優れた耐熱衝撃性を示し、加熱試験後でも機械的健全性を示した。しかし、急速加熱中に、接点が中心部より著しく低温である（＞５０℃の差）と、亀裂が発生し、その亀裂はだいたい直径方向両端の２つの低温接点の間に起こることが観察された。
図５は昇温試験の結果を示すグラフであり、本発明のヒータが、焼結コーティング層を有する従来のヒータで達成される最高速度をはるかに凌ぐ速度で、急速に立ち上がることが分かる。
実施例２
厚さ０．２５インチのグラファイトコア及び厚さ１００〜２００μｍの化学気相堆積（ＣＶＤ）ＡｌＮコーティング層を有する直径４インチのディスクをベース基板として用いて、図２に示す構造のヒータを製造した。化学気相堆積ＡｌＮ層とグラファイトコアの間に厚さ１０μｍのＴａＣ結合層を使用した。これらの基板上にＭｏ−Ｍｎ（３０％フリット）電極をフィルム厚さ５０μｍにスクリーン印刷し、最後にフィルム厚さ５０〜１００μｍのもう一つの化学気相堆積ＡｌＮ層を被覆した。このプロトタイプ・ディスクヒータに電力を加えて、４００℃〜６００℃の範囲で１５℃〜３０℃の昇温速度で昇温を繰り返した。ＡｌＮを被覆するＣＶＤ法は実施例１と同じであった。
図６は昇温試験の結果を示すグラフであり、ヒータが短期間に急速に立ち上がること、しかも優れた耐熱衝撃性及び機械的健全性を維持することを示している。多数回の熱寿命サイクルを行ったところ、この構造の格段の信頼性が実証された。
以上、本明細書では、具体例を用いて、最良の形態を含む本発明を開示するとともに、当業者が本発明を実施し、利用できるようにした。本発明の特許の範囲は、特許請求の範囲に記載の通りであり、当業者に想起できる他の実施形態も包含する。このような他の実施形態は、特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素をもつか、特許請求の範囲の文言から実質的な違いのない均等な構造要素をもつならば、本発明の要旨に包含される。すべての引用文献は先行技術として援用するものである。
本発明のウェーハ取扱い装置の一実施形態の断面図である。 ベース基板を電気絶縁層で被覆した、本発明のウェーハ取扱い装置の第二の実施形態の断面図である。 ベース基板と電気絶縁層間に中間結合層が介在する、本発明のウェーハ取扱い装置の第二の実施形態の断面図である。 支持用の中心シャフトを有する、本発明の実施形態のヒータの断面図である。 図１の実施形態に係るディスクヒータの昇温速度を示すグラフである。 図２の実施形態に係るディスクヒータの昇温速度を示すグラフである。
符号の説明
２ 結合層
５ 保護コーティングフィルム
６ フィルム電極
８ ベース基板
９ ベース層
１０ ウェーハ加工装置
１２ 接点ホール
２０ プラットホーム
３０ シャフト

Claims (20)

  1. 様々な寸法の加工品を載置するためのプラットホームを備えるウェーハ加工装置であって、上記プラットホームが、
    グラファイト、高融点金属、遷移金属、希土類金属及びこれらの合金の少なくとも１種を含んでなるベース基板と、
    ベース基板上に堆積した電気絶縁層であって、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の酸化物、窒化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなる電気絶縁層と、
    電気絶縁層上に設けられたフィルム電極と、
    フィルム電極上に設けられたコーティング層であって、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなるコーティング層と
    を備えており、
    上記フィルム電極が電気絶縁層及びコーティング層各々の熱膨張係数の０．７５〜１．２５倍の熱膨張係数を有しており、
    上記電気絶縁層とコーティング層が同一又は異なる材料からなり、
    上記フィルム電極が、スクリーン印刷、スピンコーティング、プラズマ溶射、溶射熱分解、反応性溶射、ゾル−ゲル、燃焼トーチ、電気アーク、イオンプレーティング、イオンインプランテーション、スパッタリング、レーザーアブレーション、蒸着、電気メッキ及びレーザー表面合金化の少なくと１つの方法で堆積したものであり、
    上記コーティング層が膨張熱プラズマ（ＥＴＰ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ励起化学気相堆積、有機金属化学気相堆積、有機金属気相エピタキシ、スパッタリング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つの方法でフィルム電極上に堆積したものである、
    ウェーハ加工装置。
  2. 前記電気絶縁層が、膨張熱プラズマ（ＥＴＰ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ励起化学気相堆積、有機金属化学気相堆積、有機金属気相エピタキシ、スパッタリング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つの方法でベース基板上に堆積したものである、請求項１記載のウェーハ加工装置。
  3. 前記プラットホームがさらに、Ａｌ、Ｓｉ、高融点金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、酸化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなる結合層を備えていて、
    上記結合層がベース基板上に堆積されていてベース基板と電気絶縁層の間に配置され、
    上記結合層が、膨張熱プラズマ（ＥＴＰ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ励起化学気相堆積、有機金属化学気相堆積、有機金属気相エピタキシ、スパッタリング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つの方法でベース基板上に堆積したものであり、
    上記電気絶縁層が、膨張熱プラズマ（ＥＴＰ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ励起化学気相堆積、有機金属化学気相堆積、有機金属気相エピタキシ、スパッタリング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つの方法で結合層上に堆積したものである、
    請求項１記載のウェーハ加工装置。
  4. 前記結合層が少なくとも、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＭｏＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ及びこれらの混合物からなる群から選択される高融点金属炭化物を含んでなる、請求項３記載のウェーハ加工装置。
  5. 前記結合層が炭素の拡散によって炭化され、該結合層が炭素と平衡状態にある炭素／高融点金属原子比を有することを特徴とする、請求項３又は請求項４記載のウェーハ加工装置。
  6. 前記ベース基板がグラファイトを含んでなり、前記結合層がＴｉＣ、ＳｉＣ、ＭｏＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ及びこれらの混合物の少なくとも１種を含んでなり、結合層がグラファイトベース基板上にＥＴＰ及びＣＶＤの少なくとも１つの方法で堆積したものである、請求項３乃至請求項５のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  7. 前記電気絶縁層がコーティング層と同じ材料からなる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  8. 前記電気絶縁層が２５℃で＞１０８Ω・ｃｍの体積抵抗率を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  9. 前記電気絶縁層が２５〜１０００℃の範囲で２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／Ｋの熱膨張係数を有する、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  10. 前記ベース基板がグラファイトを含んでなり、電気絶縁層及びコーティング層が窒化アルミニウムを含んでなる、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  11. 前記フィルム電極が電気絶縁層及びコーティング層各々の熱膨張係数の０．８０〜１．１５倍の熱膨張係数を有する、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  12. 様々な寸法の加工品を載置するためのプラットホームを備えるウェーハ加工装置であって、上記プラットホームが、
    Ｂ、Ｓｉ、Ｇａ及びこれらの組合せの酸化物、窒化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなるベース基板と、
    ベース基板上に堆積したフィルム電極と、
    フィルム電極上に設けられたコーティング層であって、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなるコーティング層と
    を備えており、
    上記フィルム電極がベース基板及びコーティング層各々の熱膨張係数の０．７５〜１．２５倍の熱膨張係数を有しており、
    上記ベース基板が電気絶縁性であり、
    上記コーティング層が膨張熱プラズマ（ＥＴＰ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ励起化学気相堆積、有機金属化学気相堆積、有機金属気相エピタキシ、スパッタリング、イオンプレーティング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つの方法でフィルム電極上に堆積したものである、
    ウェーハ加工装置。
  13. 前記ベース基板が４５〜５重量％のＡｌＮと５５〜９５重量％のＢＮからなる焼結セラミック材料を含んでなる、請求項１２記載のウェーハ加工装置。
  14. 前記ベース基板が２５〜１０００℃の温度範囲で２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／Ｋの熱膨張係数を有する、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  15. 前記フィルム電極がモリブデン、タングステン、ルテニウム及びこれらの合金の少なくとも１種を含んでなる、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  16. 前記フィルム電極が２５〜１０００℃の温度範囲で２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／Ｋの熱膨張係数を有する、請求項１乃至請求項１５のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  17. コーティング層が２５〜１０００℃の温度範囲で２．０×１０−６／Ｋ〜１０×１０−６／Ｋの熱膨張係数を有する、請求項１乃至請求項１６のいずれか１項記載のウェーハ加工装置。
  18. ウェーハ加工装置の製造方法であって、
    Ｂ、Ｓｉ、Ｇａ及びこれらの組合せの酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなるベース基板であって、２５℃で＞１０１０Ω・ｃｍの体積抵抗率を有するベース基板を用意し、
    スクリーン印刷、スピンコーティング、プラズマ溶射、溶射熱分解、反応性溶射、ゾル−ゲル、燃焼トーチ、電気アーク、イオンインプランテーション、スパッタリング、レーザーアブレーション、蒸着、電気メッキ及びレーザー表面合金化の少なくとも１つの方法によって、ベース基板層の熱膨張係数の０．７５〜１．２５倍の熱膨張係数を有するフィルム電極をベース基板上に堆積し、
    膨張熱プラズマ、プラズマ励起化学気相堆積、有機金属化学気相堆積、有機金属気相エピタキシ、スパッタリング、イオンプレーティング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つの方法によって、フィルム電極の熱膨張係数の０．７５〜１．２５倍の熱膨張係数を有するコーティングフィルム層をフィルム電極上に積層する
    工程を含んでなる方法。
  19. ウェーハ加工装置の製造方法であって、
    グラファイト、高融点金属、遷移金属、希土類金属及びこれらの合金の少なくとも１種を含んでなるベース基板を用意し、
    膨張熱プラズマ、プラズマ励起化学気相堆積、有機金属化学気相堆積、有機金属気相エピタキシ、スパッタリング、イオンプレーティング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つの方法によって、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の酸化物、窒化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなる電気絶縁層をベース基板上に堆積し、
    スクリーン印刷、スピンコーティング、プラズマ溶射、溶射熱分解、反応性溶射、ゾル−ゲル、燃焼トーチ、電気アーク、イオンプレーティング、イオンインプランテーション、スパッタリング、レーザーアブレーション、蒸着、電気メッキ及びレーザー表面合金化の少なくとも１つの方法によって、ベース基板層の熱膨張係数の０．７５〜１．２５倍の熱膨張係数を有するフィルム電極をベース基板上に堆積し、
    膨張熱プラズマ、プラズマ励起化学気相堆積、有機金属化学気相堆積、有機金属気相エピタキシ、スパッタリング、イオンプレーティング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つの方法によって、フィルム電極の熱膨張係数の０．７５〜１．２５倍の熱膨張係数を有するコーティングフィルム層をフィルム電極上に積層する
    工程を含んでなる方法。
  20. さらに、電気絶縁層の堆積に先立って、Ａｌ、Ｓｉ、高融点金属、遷移金属及びこれらの組合せからなる群から選択される元素の窒化物、酸化物及び酸窒化物の少なくとも１種を含んでなる結合層をベース基板上に堆積する工程を含んでいて、
    上記結合層上への電気絶縁層の堆積を、膨張熱プラズマ、プラズマ励起化学気相堆積、有機金属化学気相堆積、有機金属気相エピタキシ、スパッタリング、イオンプレーティング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つの方法によって行う、
    請求項１９記載の方法。
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