JP2011176064A

JP2011176064A - ウェハ保持体

Info

Publication number: JP2011176064A
Application number: JP2010038036A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kimura; 功一木村; Akira Mikumo; 晃三雲; Hirohiko Nakada; 博彦仲田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-09-08

Abstract

【課題】セラミックス基体中に埋設された導電体に給電するための電極部材の腐蝕をなくし、長期に使用しても信頼性の高いウェハ保持体を提供する。
【解決手段】本発明のウェハ保持体は、セラミックス基体中に埋設された導電体に接続された導電端子と、導電端子に接続された変形能を有する電極接続導電体が、ウェハ保持体に接続された筒状セラミックス部材に包囲され、該筒状セラミックス部材の内部が非酸化性雰囲気に封止された構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、メタルＣＶＤなどの半導体ウェハに所定の処理を行うための半導体製造装置に用いられるウェハ保持体に関する。

半導体の製造工程では、被処理物である半導体ウェハに対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。このような半導体ウェハに対する処理を行う処理装置では、半導体ウェハを保持するためのウェハ保持体が用いられている。

このような従来のウェハ保持体は、近年窒化アルミニウム等のセラミックスを用いたものが実用化されている。これらのセラミックス製ウェハ保持体では、セラミックスの内部もしくは表面に、ＲＦ電極や静電チャック用電極や抵抗発熱体回路などの導電体が形成されている。これらの導電体へ給電するために、各種の電極が提案されている。

特許文献１には、セラミックスヒータ部と、このセラミックスヒータ部を保持するために反応容器内に設置された保持部材と、ヒータ端子に連結されたリードとを有する半導体ウェハ加熱装置であって、リードの少なくとも１つを無機質絶縁材料からなる筒状体によって包囲し、この筒状体の一端をセラミックスヒータに対して気密に接合し、且つ筒状体の他端を反応容器に設けられた貫通孔に挿通して気密にシールしている。

特許文献１の構造においては、リードを収納した筒状体はセラミックスヒータ部に接合され且つ反応容器を挿通して容器と気密に封止されているため、必然的に筒状体内部は大気圧となる。このため、セラミックスヒータ部に給電するためのリードは、大気雰囲気に曝されると共に、セラミックスヒータ部の加熱によってリードのセラミックスヒータ部側の温度が高温になる。このため、高温になったリード部が、空気中の酸素の影響で腐蝕されやすいという問題があった。

また、リードは棒状の金属で構成されており、容器などに固定されていないが、リードを容器からの取り出し口付近で、容器に固定した場合、セラミックスヒータの加熱と冷却によって、リードが熱膨張と熱収縮を繰り返すことになる。リードが熱膨張と熱収縮を繰り返すと、抵抗発熱体との接合部分が外れたり、あるいはセラミックスヒータ部を破損させるといった問題があった。

特開平０５−００９７４０号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、セラミックス基体中に埋設された導電体に給電するための電極部材の腐蝕をなくし、長期に使用しても信頼性の高いウェハ保持体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、発明者らは、セラミックス基体中に埋設された導電体に給電するための電極の少なくとも一部を変形能を有した金属加工部品とし、導電体との接続部から容器までの間の電極を筒状セラミックス部材で包囲し、筒状セラミックス部材とセラミックス基体を接続すると共に、筒状セラミックス部材の他端を封止して、筒状セラミックス部材の内部を非酸化性雰囲気とすれば、電極の腐蝕を完全に防止することができ、長期に使用してもセラミックス基体の破損などが発生せず、信頼性の高いウェハ保持体とすることができることを見出した。

すなわち、本発明のウェハ保持体は、被処理物保持面を有するセラミックス基体中に導電体が埋設されたウェハ保持体であって、被処理物保持面以外の面に露出し前記導電体に接続された導電端子と、該導電端子に接続された電極接続導電体とを有し、該電極接続導電体は、変形能を有した金属加工部品を有しており、前記導電端子と電極接続導電体が、前記ウェハ保持体に接続された筒状セラミックス部材に包囲されており、該筒状セラミックス部材のウェハ保持体と反対側の他端が封止され、前記筒状セラミックス部材の内部が非酸化性雰囲気であることを特徴とする。

また、前記電極接続導電体は、前記筒状セラミックス部材の外部に導電性接続部品を有しており、該導電性接続部品は、変形能を有する金属加工部品を有していてもよい。

前記変形能を有する金属加工部品とは、熱膨張や熱収縮を吸収することができる金属加工部品である。具体的には、金属の細線、金属の細線を撚った撚り線、金属箔、金属ベローズのいずれかであることが好ましい。

本発明によれば、セラミックス基体中に埋設された導電体に給電するための電極部材の腐蝕をなくし、長期に使用しても信頼性の高いウェハ保持体を提供することができる。

本発明のウェハ保持体の断面構造の模式図を示す。本発明のウェハ保持体の断面構造の他の模式図を示す。

図１を参照して、本発明のウェハ保持体１０は、被処理物保持面１ａを有するセラミックス基体１中に導電体２が埋設されている。導電体は、抵抗発熱体、プラズマ発生用電極、静電チャック用電極の少なくとも１つである。導電体には、被処理物保持面以外の面に露出した前記導電体に接続された導電端子３と、導電端子に接続された電極接続導電体４とを有しており、該電極接続導電体は、変形能を有した金属加工部品を有している。

そして、導電端子と電極接続導電体とが、ウェハ保持体に接続された筒状セラミックス部材５に包囲されており、この筒状セラミックス部材のウェハ保持体と反対側の端部が封止部材６によって封止され、筒状セラミックス部材の内部が非酸化性雰囲気となっている。

電極接続導電体には、封止部材を貫通し、電源に接続するためのケーブル７が接続されている。なお、電極接続導電体が前記封止部材を貫通し、前記封止の外側で前記ケーブルと接続されていてもよい。あるいは、封止部材を介して、電極接続導電体とケーブルが接続される構造でも良い。更には、電極接続導電体を加工して、電極接続導電体の一部を封止部材とする構造でも良い。なお、図は、模式図として電極接続導電体等は１つしか示していないが、実際には電気回路として必要な数を設置する。

また、図２に示すように、前記電極接続導電体とケーブルとの間に、導電性接続部品８を挿入する構成であってもよく、導電接続部品は、変形能を有する金属加工部品を有する。

電極接続導電体あるいは導電性接続部品が有する変形能を有する金属加工部品とは、熱膨張あるいは熱収縮によって、自由に伸び縮み可能な金属加工部品である。このような金属加工部品は、棒状の金属とは異なり、熱膨張あるいは熱収縮による伸び縮みによってセラミックス基体に負荷をかけることがない。また、導電体と導電端子との接続部分や導電端子と電極接続導電体との接続部分が外れることを防止することができる。

変形能を有する金属加工部品とは、具体的には、金属の細線、金属の細線を撚った撚り線、金属箔、金属ベローズのいずれかである。

前記電極接続導電体あるいは導電性接続部品の全体が、前記変形能を有する金属加工部品であっても良いし、電極接続導電体あるいは導電性接続部品の一部が、変形能を有する金属加工部品であっても良い。但し、接続箇所を少なくした方が、腐蝕防止の効果がより高くなるので、電極接続導電体あるいは導電性接続部品の全体が、変形能を有する金属加工部品であることの方が好ましい。

導電端子と電極接続導電体とが、筒状セラミックス部材に包囲される。筒状セラミックス部材は、前記セラミックス基体に接続され、セラミックス基体に接続されたのとは反対側の筒状セラミックス部材の他端は封止され、筒状セラミックス部材の内部は、非酸化性雰囲気とする。

筒状セラミックス部材とセラミックス基体との接続、並びに筒状セラミックス部材の他端の封止は、結晶化ガラスなどの融点の高い材料を用いて気密に封止する。樹脂等は、耐熱性が低いので、好ましくない。

また、前記他端の封止は、結晶化ガラスのみで行ってもよく、この場合は結晶化ガラスが封止部材となる。他端の封止のハンドリングを容易にするために、封止部材と結晶化ガラスを組み合わせて行う方が好ましい。筒状セラミックス部材の内側あるいは他端に封止部材をはめ込みあるいはあてがって、これらを結晶化ガラス等で、封止することが好ましい。この封止部材は、筒状セラミックス部材との熱膨張係数の差が小さいことが好ましく、同じ材質であることがより好ましい。

非酸化性雰囲気は、電極や筒状セラミックス部材と反応しなければ、特に限定されないが、コスト面からは、窒素やアルゴンが好ましい。特に、窒素であれば、前記他端の封止のための結晶化ガラスの焼成時の雰囲気を窒素としておけば、他端の封止と同時に筒状セラミックス部材の内部を非酸化性雰囲気とすることができるので、コストの観点からより好ましい。

セラミックス基体の材質は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリコンと炭化ケイ素の複合体、アルミニウムと炭化ケイ素の複合体などを用いることができる。熱伝導がよいことの観点からは、窒化アルミニウム、シリコンと炭化ケイ素の複合体、アルミニウムと炭化ケイ素の複合体が好ましい。剛性が高いことの観点からは、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリコンと炭化ケイ素の複合体が好ましい。

導電体は、ステンレス、ニッケルクロム合金、インコネル、モリブデン、タングステンなどの金属箔あるいは、それらの金属の線材（コイル）であってもよい。また、モリブデン、タングステン、タンタルなどの金属粉末にバインダーと溶剤を混合した導電性ペーストをスクリーン印刷によって塗布し、焼成することにより形成してもよい。

筒状セラミックス部材の材質は、無機質のセラミックスであれば、特に制約はないが、セラミックス基体と接続するので、熱膨張係数がセラミックス基体に近いものが好ましく、セラミックス基体の材質と同一であることがより好ましい。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９９．５重量部に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を、０．５重量部添加し、アクリルバインダー、有機溶剤を加え、ボールミルにて２４時間混合して、ＡｌＮスラリーを作製した。このスラリーを、スプレードライにて顆粒を作製し、プレス成形した後、７００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、１８５０℃、窒素雰囲気中で焼結し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を複数作製した。このＡｌＮ焼結体を機械加工して、直径３３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍとした。このＡｌＮ焼結体の上下面の表面粗さはＲａ０．８μｍ、平面度は５０μｍであった。

平均粒径が２．０μｍのタングステン（Ｗ）粉末を１００重量部として、Ｙ_２Ｏ_３を１重量部と、５重量部のバインダーであるエチルセルロースと、溶剤としてブチルカルビトールを混合してＷペーストを作製した。このＷペーストをスクリーン印刷で、前記ＡｌＮ焼結体の一方の面に抵抗発熱体回路を、他方の面に高周波電極回路（プラズマ発生用電極）を形成した。これを窒素雰囲気中８００℃で脱脂した後、窒素雰囲気中１８００℃で６時間焼成し、ＡｌＮ焼結体の片方の面に抵抗発熱体、他方の面に高周波電極回路を作製した。

また、ＡｌＮ２０重量部、Ｙ_２Ｏ_３３０重量部、Ａｌ_２Ｏ_３残部からなる粉末に、バインダーと有機溶剤を加え、セラミックスペースとを作製した。このセラミックスペーストを、前記ＡｌＮ焼結体の抵抗発熱体及び高周波電極回路が形成された上下面全面に、スクリーン印刷にて塗布し、乾燥後窒素雰囲気中８００℃で脱脂した。

脱脂後、別途作製したＡｌＮ焼結体を前記ＡｌＮ焼結体の上下面に重ね合わせ、２ＭＰａの圧力で、窒素雰囲気中１８００℃、２時間ホットプレスを行い、ウェハ保持体を作製した。なお、抵抗発熱体側のＡｌＮ焼結体の厚みは９ｍｍとし、高周波電極回路側のＡｌＮ焼結体の厚みは１ｍｍとした。

このウェハ保持体の抵抗発熱体側の面から、抵抗発熱体と高周波電極回路が露出するようにザグリ加工を行った。露出した抵抗発熱体及び高周波電極回路にそれぞれニッケルメッキを施したＷ製の導電端子を接続した。さらに導電端子にニッケル撚り線を含む電極接続導電体を接続した。

これらの導電端子と電極接続導電体を覆うように、ＡｌＮ製の筒状セラミックス部材（外径１０ｍｍで厚み２ｍｍ）を設置し、結晶化ガラスを用いて、筒状セラミックス部材とウェハ保持体を接合した。接合は、窒素雰囲気中８００℃、１時間筒状セラミックス部材の端部に重しを載せて行った。

筒状セラミックス部材のウェハ保持体と接合した側と反対側の他端を封止した。具体的には、筒状セラミックス部材の内側にＷ製のリングをはめ込み、電極接続導電体を貫通させた状態で、窒素雰囲気中８００℃、１時間にて結晶化ガラスを焼成することによって封止した。このように封止することによって、筒状セラミックス部材の内部は、窒素雰囲気となった。

このようにして電極等と筒状セラミックス部品が接続されたウェハ保持体を、反応容器の中に設置し、筒状セラミックス部品を反応容器の底部にクランプ固定し、Ｏ−リングで反応容器と筒状セラミックス部材とを気密シールした。

反応容器内を真空にし、抵抗発熱体に電力を供給して、ウェハ保持体を５５０℃に加熱した。ウェハ保持体の被処理物保持面の温度分布を市販のウェハ温度計で測定した結果、保持面の均熱性は±０．４％であった。その後、ウェハ保持体の温度を室温（２５℃）まで下げて、また５５０℃に昇温し、降温するというヒートサイクルを１０００回繰り返したが、導電端子、電極接続導電体及びそれらの接続部に変色等の異常の発生はなかった。

次に、長期信頼性試験として、次のような試験を行った。ウェハ保持体を５５０℃に加熱して、高周波電極回路に電力を供給して、上部電極との間で、プラズマを発生させた。半導体の製造プロセスでは、プラズマを発生させる際、反応ガスを供給するが、信頼性試験の為、反応ガスの代わりに窒素ガスを供給した。プラズマを１分間発生させ、その後１分間プラズマを止め、再びプラズマを１分間発生させるという高周波印加サイクルを１０００００回行ったが、導電端子や電極接続導電体及びそれらの接続部に変色や外れ等の異常は発生せず、プラズマを安定的に発生させることができた。

電極接続導電体として、表１に記載の材質にした以外は、実施例１と同様のウェハ保持体を作製した。更に、電極接続導電体とケーブルとの間に表１に示す部品を導電性接続部品として接続した保持体も作製した。また、比較のために、電極接続導電体として、直径６ｍｍのニッケル棒（ロッド）にしたものも作製した。これらのウェハ保持体を、実施例１と同様に、均熱性の測定と、ヒートサイクル及び高周波印加サイクルを行った。その結果を表１に示す。なお、表１のＮｏ．１は実施例１の結果である。また、表１中のＮｉ箔とは、厚み０．１ｍｍで、幅１０ｍｍのＮｉ箔を螺旋状にしたものである。

表１から、本発明の実施例であるＮｏ．１〜７では、Ｎｉ箔にやや変色があったものの、ヒートサイクルや高周波印加サイクルで異常は発生せず、試験後の外観にも変色はなかった。しかし、電極接続導電体をＮｉロッドにしたものでは、導電性接続部品をつないだＮｏ．８とＮｏ．９では、本発明と同様にヒートサイクルと高周波印加サイクルは所定の回数行うことができたが、Ｎｉロッドの高温部すなわち抵抗発熱体に近い部分に変色が発生していた。

更に、導電性接続部品を用いなかったＮｏ．１０では、７６０回のヒートサイクルでセラミック基体にクラックが発生した。これは、Ｎｉロッドの熱膨張により、繰返しセラミックス基体に応力がかかったためであると考えられる。また。高周波印加サイクルでは、６００００回で、ヒートサイクルと同様にセラミックス基体にクラックが発生した。また、どちらの試験でもＮｉロッド全体の変色は大きかった。

１セラミックス基体
２導電体
３導電端子
４電極接続導電体
５筒状セラミックス部材
６封止部材
７ケーブル
８導電性接続部品

Claims

被処理物保持面を有するセラミックス基体中に導電体が埋設されたウェハ保持体であって、被処理物保持面以外の面に露出し前記導電体に接続された導電端子と、該導電端子に接続された電極接続導電体とを有し、該電極接続導電体は、変形能を有した金属加工部品を有しており、前記導電端子と前記電極接続導電体が、前記ウェハ保持体に接続された筒状セラミックス部材に包囲されており、該筒状セラミックス部材の前記ウェハ保持体と反対側の他端が封止され、前記筒状セラミックス部材の内部が非酸化性雰囲気であることを特徴とするウェハ保持体。
前記電極接続導電体は、前記筒状セラミックス部材の外部に導電性接続部品を有しており、該導電性接続部品は、変形能を有する金属加工部品を有することを特徴とする請求項１に記載のウェハ保持体。
前記変形能を有する金属加工部品は、金属の細線、金属の細線を撚った撚り線、金属箔、金属ベローズのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載のウェハ保持体。