JP2007317756A - 半導体製造装置用ウエハ保持体とその製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 常温以下の温度でのウエハの処理に適用することができ、特にＣＶＤ装置での使用に適したウエハ保持体を提供する。
【解決手段】 ウエハを載置するためのウエハ載置面を有するウエハ保持体であって、ウエハ載置面側に設置されるセラミックス製のウエハ載置台と、そのウエハ載置台のウエハ載置面と反対側の面に設置された金属製の冷却モジュールとを具備している。冷却モジュールには、ウエハ保持体を冷却するための冷媒を流す流路が形成されている。また、セラミックス製ウエハ載置台には、高周波発生用電極が埋設されている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、半導体製造装置に使用されるウエハ保持体に関するものであり、より特定的には常温より低い温度でウエハを処理するためのウエハ保持体、及びそれを搭載した半導体製造装置に関する。

従来から半導体製造プロセスにおいて、例えばＣＶＤ装置などにおいて、ウエハを加熱し、あるいはプラズマを発生させるなどして、ウエハ表面に絶縁膜や導体膜などの成膜を行っている。それらの処理を行うためのウエハ保持体、いわゆるサセプタとして、セラミックス製のウエハ保持体が知られている。

例えば、特公平０６−０２８２５８号公報などには、セラミックス製のウエハ保持体に発熱体を埋設し、更には凸状支持部を取り付けることで、信頼性の高いウエハ保持体が得られるとしている。また、特開２００２−０２５９１３公報には、セラミックスヒータに金属放熱板が取り付けられたサセプタが開示され、セラミックスヒータと金属放熱板は簡単な手法で取り付けられるとしている。

特公平０６−０２８２５８号公報 特開２００２−０２５９１３公報

近年では、このようなＣＶＤ装置について、成膜温度の低温化が進み、場合によっては室温以下の温度で成膜する必要が生じている。また、チャンバー内の金属成分がコンタミネーションとなり、ウエハを汚染することがあるため、コンタミネーションの発生を抑えることが要望されている。

しかしながら、上記した従来のウエハ保持体は、いずれも常温以上の温度、例えば４００℃以上の高温でウエハを処理することを想定したウエハ保持体であるため、近年における常温以下の温度での処理に適用することは困難であった。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、常温以下の温度でのウエハの処理に適用することができ、特にＣＶＤ装置での使用に適したウエハ保持体を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明が提供する半導体製造装置用ウエハ保持体は、ウエハを載置するためのウエハ載置面を有するウエハ保持体であって、ウエハ載置面側に設置されるセラミックス製のウエハ載置台と、該ウエハ載置台のウエハ載置面と反対側の面に設置される金属製の冷却モジュールとを具備し、該冷却モジュールにはウエハ保持体を冷却するための冷媒を流す流路が形成されていることを特徴とする。

本発明は、また、上記したウエハ保持体を搭載したことを特徴とする半導体製造装置を提供するものである。

本発明によれば、セラミックス製ウエハ載置台のウエハ載置面とは反対側に、冷媒を流す流路を有する金属製冷却モジュールを具備しているために、半導体製造工程における常温以下の温度での成膜などの処理に使用することができる。しかも、ウエハ載置台がセラミックス製であることから、金属成分によるコンタミネーションをなくし、成膜時やクリーニング時に使用する腐食性ガスに対しても高い耐食性を有するため、信頼性の高いウエハ保持体及び半導体製造装置を提供することができる。

本発明のウエハ保持体においては、ウエハ載置台をセラミックスにより形成する。セラミックスは金属に比較して半導体製造装置に使用される腐食性の反応ガスなどに対して高い耐食性を有するため、ウエハ載置台の腐食によって生じるパーティクルの発生が少ない。また、セラミックス製ウエハ載置台の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。これにより、ウエハ載置台の下部（ウエハ載置面と反対側の面）に取り付けられた冷却モジュールによって、均一にウエハ載置台を冷却することができるためである。

ウエハ載置台に使用するセラミックス材料としては、特に制約はなく、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、ムライト、コージェライトなどを使用することができる。これらのセラミックス材料の中では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好適である。窒化アルミニウムは半導体製造装置に使用される腐食性ガスに対する耐食性が高いため、チャンバー内におけるパーティクルの発生を極力抑制することができる。また、窒化アルミニウムは比較的熱伝導率が高く、比熱も小さいため、均一且つ効率的にウエハ保持体を冷却することができる。

セラミックス製ウエハ載置台のウエハ載置面と反対側の面には、金属製の冷却モジュールを備えることが必要である。冷却モジュールは、セラミックス製ウエハ載置台上に載置するか、又は機械的に結合することができる。この冷却モジュールには冷媒を流すための流路が形成され、ウエハ載置台と密着することで、ウエハ載置台を含むウエハ保持体並びにウエハを常温以下に冷却するものである。即ち、流路を流れる冷媒がウエハ載置台から熱を奪い、また例えば成膜中にウエハの温度が上昇しても、その温度上昇を抑えることができ、均一な厚みの成膜を実現することができる。

上記冷却モジュールの構成としては、座繰り加工などで流路を形成した金属板に、更にもう１枚の金属板を接合することで、内部に流路を有する冷却モジュールとすることができる。２枚の金属板の接合方法に関しては特に制約はなく、流路の周囲にＯ−リングを設置し、両方の金属板をネジ止めなどの手法によって接合することもできる。また、２枚の金属板を溶接やロウ付けの手法で接合することもできる。

また、冷媒を流すための流路となる冷却管（パイプ）を金属板に取り付けることで、冷却モジュールとすることもできる。この場合、パイプの断面形状に近い形状の座繰り溝を金属板に形成し、この座繰り溝内にパイプを挿入して金属板に密着させることで、更に冷却効率を上げることができる。また、冷却パイプと金属板の密着性を向上させるために、両者の間に介在層として熱伝導性の樹脂やセラミックス等を挿入してもよい。

上記冷却モジュールに使用する金属板としては、特に制約はないが、効率的な冷却を実現するためには熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることが望ましい。このような金属板の材料としては、銅、アルミニウム、及びこれらの合金を挙げることができ、これらは比較的熱伝導率が高く且つ安価であるため好ましい。また、冷却管を使用する場合にも、効率的な冷却という観点から、冷却管として使用する材料の熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。好ましい冷却管の材料としては、金属板と同様に、銅やアルミニウムが挙げられる。

上記冷却モジュールの好ましい一例として、アルミニウム板に冷却管を設置するための座繰り溝を形成し、この溝内に銅製の冷却管を機械的に取り付けることによって、高効率な冷却モジュールとすることができる。また、別の例として、座繰り加工により銅板に流路を直接形成し、この銅板に流路を覆うように別の銅板を重ね、ロウ付けにて接合することで冷却モジュールとすることができる。尚、必要に応じて、金属板や冷却管には、ニッケルなどの耐食性を有する金属をメッキなどの手法によって被覆することもできる。

冷却モジュールの流路に流す冷媒としては、特に制限はないが、水や有機溶剤などがあげられる。しかし、近年における成膜温度の低温化の傾向から、水は０℃以下では使用できないため、ガルデンやアルコールなどの有機溶剤を用いることが好ましい。また、これらの冷媒よりも冷却効率は劣るものの、低温の気体、例えば窒素やヘリウム、空気なども使用することが可能である。

冷却モジュールに形成する流路については、特に制限はないが、搭載するウエハの直径に対して８０％以上の領域に流路が形成されていることが好ましい。例えば、ウエハの直径が２００ｍｍの場合には、少なくともウエハ保持体の中心から直径１６０ｍｍの領域まで流路が存在することが好ましい。この領域まで流路が存在しない場合、ウエハ保持体の外周部が雰囲気の熱を吸収し、ウエハの外周部付近の温度が上昇するため、均一な成膜が難しくなる。特に、中心から少なくともウエハの直径と同じ領域まで流路が形成されていることが更に好ましい。この程度の領域まで流路が形成されると、ウエハ端部の温度上昇もなく、均一な成膜をすることができる。

また、流路あるいは冷却管の内壁の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下であることが好ましい。内壁の表面粗さが５μｍよりも大きくなると、特に冷媒が液体の場合には、内壁表面が冷媒で侵食されやすくなり、壁面が劣化しやすくなるため好ましくない。逆に、ウエハ載置台の表面粗さは、Ｒａで０.０１μｍ以上であることが好ましい。ウエハ載置台の表面粗さがこれ以上であれば、表面の微小な突起から熱交換が行われるため、広い表面積で熱交換ができるため、効率的にウエハ載置台を冷却することができる。

尚、流路あるいは冷却管の断面形状に関しては、特に制約はなく、円形、四角形、楕円形、半円形、三角形などさまざまな形状を取ることができる。また、ウエハ保持体における温度制御は、例えば、ウエハ載置台に形成された凹部に熱電対などの測温素子を挿入し、その測温素子の温度に基づいて冷媒を冷却するチラーなどの温度を制御すればよい。

セラミックス製ウエハ載置台には、高周波発生用電極を備えることができる。高周波発生用電極を備えることによって、ウエハ上にプラズマを発生させ、膜生成することができるため好ましい。この高周波発生用電極の形態としては、金属メッシュや金属箔、あるいは金属膜などをあげることができる。これらのうち特に金属膜が好ましい。高周波発生用電極が金属膜の場合、高周波が金属膜下部に漏れにくいため、安定したプラズマの発生が比較的簡単に得られる。この膜状電極の形成に関しては、特にスクリーン印刷が好ましい。スクリーン印刷は、膜厚が比較的均一であり、コストも安く、量産性に優れている。印刷の手法としては、タングステンやモリブデン、タンタルなどの高融点金属粉末に、バインダーや有機溶剤、必要に応じて可塑剤などを加えて、ペースト状にしたものを使用すればよい。

高周波発生用電極は、セラミックス製ウエハ載置台内に埋設されていることが好ましい。ウエハ載置台に埋設できる高周波発生用電極の材質としては、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングが必要なため、金属の中でも比較的熱膨張係数の小さな金属、例えばタングステンやモリブデン、タンタルなどの金属や合金であることが好ましい。また、高周波発生用電極を埋設する手法としては、例えば、セラミックス基板上に高周波発生用電極をスクリーン印刷などの手法で形成し、その上に別のセラミックス基板を接合することで形成することができる。

例えば、スクリーン印刷によりセラミックス基板上に形成した高周波発生用電極は、乾燥した後、非酸化性雰囲気中において１６００〜２０００℃の温度範囲で焼成する。焼成後、他のセラミックス基板を重ねて接合することにより、高周波発生用電極を埋設したセラミックス製ウエハ載置台を比較的容易に作製することができる。また当然のことであるが、前記した冷媒用の流路を形成するための接合と、高周波発生用電極を埋設するための接合を同時に実施することができ、この場合は比較的安価にセラミックス製ウエハ載置台を形成することができる。

上記セラミックス基板の接合には、公知の接合材を用いることができる。例えば、セラミックス製載置台が窒化アルミニウムである場合、その接合材は窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、希土類酸化物の混合物であることが好ましい。これらの混合物は、熱処理して接合する際、窒化アルミニウム焼結体との濡れ性がよいばかりでなく、出来上がった接合層の主成分が窒化アルミニウムとなるため、耐食性にも優れるので特に好ましい。

上記接合材の各接合成分の組成としては、窒化アルミニウムの含有量が１重量％より少ないと、接合後の接合層成分中に窒化アルミニウムが少なくなるため耐食性に劣ることがあり、逆に４０重量％を超えると密着強度の低下を引き起こすため好ましくない。従って、また窒化アルミニウムの含有量は１〜４０重量％が好ましく、５〜３０重量％が更に好ましく、１５〜２５重量％が特に安定した接合層が得られるため一層好ましい。

また、上記接合材に含有される酸化アルミニウムは、２０〜８０重量％であることが好ましい。酸化アルミニウムの含有量が２０重量％より少ない場合、および８０重量％より多い場合には、接合するための液相の出現温度が高くなり、接合する窒化アルミニウム基板の変形が生じやすくなるため好ましくない。特に好ましい酸化アルミニウムの含有量としては４０〜６０重量％であり、この程度の含有量であれば、窒化アルミニウムの焼結温度より低い温度で接合することができ、変形を抑制することができるため好ましい。

更に、上記接合材に含有される希土類酸化物の含有量に関しては、１０〜５０重量％であることが好ましい。この範囲の含有量であれば、酸化アルミニウムと液相を発生しやすくなるため好ましい。特に希土類酸化物は窒化アルミニウムとの濡れ性に優れているため、その含有量が２０〜４０重量％であれば安定した接合を実現でき、しかも接合層自身と窒化アルミニウムとの接合界面を気密に接合することができるため好ましい。

上記接合材に使用する希土類酸化物としては、特に制約はないが、使用する窒化アルミニウム基板の製造に使用された焼結助剤と同じ種類であることが好ましい。また、窒化アルミニウムに焼結助剤が含まれていない場合には、特に希土類の種類は問わない。希土類酸化物の中では、耐食性や、窒化アルミニウムとの濡れ性の面で、酸化イットリウムが特に優れている。

窒化アルミニウム基板を接合する方法としては、所定量の窒化アルミニウム粉末、酸化アルミニウム粉末、希土類酸化物粉末を混合し、これに有機溶剤、バインダー、必要に応じて可塑剤などを添加し、ペーストを作製する。このペーストを接合すべき基板の表面に塗布し、場合に応じて脱脂処理を行い、その塗布面に他方の基板を搭載し、熱処理を行うことで強固な接合層を形成することができる。熱処理温度は、ペースト組成にもよるが、１６００〜２０００℃程度が好適である。この接合方法においては、熱処理時に接合面に対して垂直方向に圧力を加えることで、欠陥の少ない接合層を形成することができるため好ましい。加える圧力としては、１ｋｇ／ｃｍ^２以上が好ましく、１０ｋｇ／ｃｍ^２以上が更に好ましい。圧力の上限に特に制約はないが、上記熱処理温度で基板が変形しない程度の圧力であればよい。

本発明のウエハ保持体は、半導体製造装置のチャンバー内に設置するために、ウエハ載置面とは反対側の面に、支持体を設けることができる。例えば、支持体を円筒形などの筒状とすれば、その筒状支持体内に、流路に冷媒を供給するための冷却配管、高周波発生用電極に接続された電極部品、ウエハ保持体の温度を測定するための測温素子などを収納することができる。

上記筒状支持体は、ウエハ保持体に対して気密にシールし、更にチャンバーに対しても気密にシールすることができる。このような気密シールの構造にする場合、筒状支持体の材質を、筒状支持体を接合する冷却モジュールの材質と同一にすることにより、熱膨張係数差による応力の発生を抑えることができ、信頼性の高い接合構造とすることができる。また、筒状支持体をセラミックスで作製すれば、その筒状支持体内に収納した金属部品がチャンバー内に露出せず、金属コンタミネーションの発生を抑制することができるため好ましい。

ただし、上記気密シールの構造において、筒状支持体内が大気に開放されていると、ウエハ保持体を冷却している場合には、冷媒を供給する冷却配管を中心に結露が発生しやすくなり、金属部品やセラミックスの腐食が進むことがある。その場合には、筒状支持体内に乾燥した気体を供給することによって、結露を防止することができる。また、筒状支持体内を外気と遮断し、内部に乾燥気体を供給することで結露を防止することも可能である。いずれの場合も、筒状支持体内の雰囲気の露点は、少なくとも０℃以上であることが必要である。

また、上記気密シールとは別の形態として、筒状支持体内の雰囲気を、チャンバー内の雰囲気と実質的に同一にすることができる。この場合の筒状支持体は、例えば、ウエハ保持体に複数のネジで固定することができる。この手法のメリットは、筒状支持体内の部品が結露せず、比較的簡単な構造とすることができる点にある。勿論この構造の場合にも、筒状支持体内に不活性ガスを送り込み、相対的に筒状支持体内の雰囲気をチャンバー内の圧力よりも高くすることで、金属部品の腐食を低減することができる。この場合においても、筒状支持体内の雰囲気は、露点が０℃以下であることが必要である。

本発明によるウエハ保持体は、ウエハを冷却する、特に常温以下に冷却する必要がある半導体製造工程において好ましく利用することができる。例えば、エッチングやアッシング、ＣＶＤなどの工程に好適である。また、特にＣＶＤ装置においては、ウエハ載置台に高周波発生用電極を埋設すれば、より効率的な成膜の実現が可能なＣＶＤ装置を提供することができる。

窒化アルミニウム粉末９９.５重量％に、焼結助剤として酸化イットリウム粉末を０.５重量％加え、更に有機溶剤、バインダーを加えて、ボールミル混合し、スラリーを作製した。得られたスラリーをスプレードライして顆粒を作製し、プレス成形により成形体を作製した。この成形体を窒素雰囲気中にて８００℃で脱脂し、窒素雰囲気中にて１９００℃で焼結して窒化アルミニウム焼結体とした。このようにして、２個の窒化アルミニウム焼結体を製造した。

そのうちの１個の焼結体を直径３３０ｍｍ、厚み１０ｍｍに加工し、他の焼結体は直径３３０ｍｍ、厚さ５ｍｍに加工して、２個の窒化アルミニウム基板とした。片方の基板の片面にスクリーン印刷により直径３２０の領域にタングステンペーストを塗布し、８００℃で脱脂した後、１８５０℃で焼成して、高周波発生用電極を形成した。

次に、高周波発生用電極を形成した面に、２０重量％窒化アルミニウム−３０重量％酸化イットリウム−５０重量％酸化アルミニウムからなる接合材のペーストをスクリーン印刷により塗布し、窒素雰囲気中にて８００℃で脱脂した。このペースト塗布面に他方の基板を載せ、接合面に対して垂直方向の圧力が２０ｋｇ／ｃｍ^２となる圧力を加えながら、窒素雰囲気中において１８００℃で加熱して接合した。その後、上下面を研磨して、窒化アルミニウム製のウエハ載置台とした。

また、冷却モジュールとして、厚み１０ｍｍ、直径３３０ｍｍのアルミニウム板を用意した。このアルミニウム板の直径３１０ｍｍの領域に座繰り加工により溝を形成し、この溝内に冷却管としてニッケルメッキを施した直径６ｍｍのパイプをネジ止めにて固定した。このパイプを覆うように、同様に座繰り加工を施した厚み１０ｍｍのアルミニウム板を溶接して、内部に冷媒を流すための流路としてパイプの冷却管を備えた冷却モジュールを作製した。

この冷却モジュールに、支持体として外径１００ｍｍ、内径９０ｍｍ、長さ２００mmのアルミニウム製の筒状支持体を溶接した。この筒状支持体内に、冷媒を供給する冷却配管や熱電対を収容し、他端をＣＶＤ装置のチャンバーに対してＯ−リングを用いて気密にシールした。尚、筒状支持体内には、露点−７０℃の窒素ガスを毎分１リットルの割合で流すことにより、筒状支持体内に結露することを防いだ。

チャンバーに固定した冷却モジュール上に、上記した窒化アルミニウム製のウエハ載置台を搭載し、冷却モジュールの流路に冷媒としてガルデンを流し、ウエハ保持体の温度を−２０℃に制御した。このウエハ載置台に直径３００ｍｍのウエハを載置して、高周波発生用電極に１３.５６ＭＨｚの高周波を印加してプラズマを発生させ、ウエハ上に膜形成を行った。その結果、ウエハ上に均一な膜を形成することができた。尚、このときのウエハの温度分布は、温度計によって測定した結果、−２０±１℃に制御することができた。

Claims (13)

1. ウエハを載置するためのウエハ載置面を有するウエハ保持体であって、ウエハ載置面側に設置されるセラミックス製のウエハ載置台と、該ウエハ載置台のウエハ載置面と反対側の面に設置される金属製の冷却モジュールとを具備し、該冷却モジュールにはウエハ保持体を冷却するための冷媒を流す流路が形成されていることを特徴とする半導体製造装置用ウエハ保持体。
2. 前記セラミックス製ウエハ載置台には高周波発生用電極が埋設されてい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ウエハ保持体。
3. 前記セラミックス製ウエハ載置台の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であ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ウエハ保持体。
4. 前記セラミックス製ウエハ載置台が窒化アルミニウムを主成分とす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ウエハ保持体。
5. 前記冷却モジュールは、金属板に直接流路を形成したものであ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ウエハ保持体。
6. 前記冷却モジュールは、金属板に冷媒を流す冷却管を配置したものであ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ウエハ保持体。
7. 前記金属板の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項５又は６に記載の半導体製造装置用ウエハ保持体。
8. 前記金属板の材質が銅もしくはアルミニウム、又はこれらの合金であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載の半導体製造装置用ウエハ保持体。
9. 前記冷却管の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項６に記載の半導体製造装置用ウエハ保持体。
10. 前記冷却モジュールと前記セラミックス製ウエハ載置台が機械的に結合されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体製造装置用ウエハ保持体。
11. 前記ウエハ保持体を支持するための筒状支持体を有し、該筒状支持体内に、冷媒を供給するための冷却配管、高周波発生用電極に接続された電極部品、及びウエハ保持体の温度を測定するための測温素子の少なくとも１種が収納されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体製造装置用ウエハ保持体。
12. 前記筒状支持体内における雰囲気の露点が０℃以下であることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体製造装置用ウエハ保持体。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体製造装置用ウエハ保持体が搭載されたことを特徴とする半導体製造装置。