JP2011210931A

JP2011210931A - 半導体製造装置用基板保持体

Info

Publication number: JP2011210931A
Application number: JP2010076914A
Authority: JP
Inventors: Kenji Niima; 健司新間; 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: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】大型の基板保持体であっても、所定の温度まで加熱することができ、かつ大型化した基板載置面の温度均一性を確保することが可能な基板保持体を提供する。
【解決手段】本発明の基板保持体は、被処理物である基板を載置する基板載置面と、基板載置面の反対側の面あるいは内部に抵抗発熱体回路を有しており、該抵抗発熱体回路は、発熱部、および発熱部に電力を供給する非発熱部とからなり、前記発熱部と前記非発熱部との境界部分が、前記基板保持体の中心に対して略対称な位置に１組または２組以上の対となって存在しており、前記抵抗発熱体回路は、前記境界部分それぞれにおいて２個の回路に分岐することにより、対となる境界部分同士の間で並列回路をなし、前記並列回路それぞれにおいて、並列をなす２個の回路の抵抗値が、該２個の回路の抵抗値の平均値に対して、±１０％の範囲内で略等しい抵抗値を持つことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、メタルＣＶＤなどの半導体基板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抵抗発熱体を有する基板保持体に関する。

半導体製造における成膜などの工程では、従来から被処理物であるシリコンウェハなどの基板を保持し加熱する目的で、基板保持体が用いられている。この基板保持体には、その表面に基板を載置するための基板載置面が設けられ、基板載置面とは反対側の面または内部に、基板を加熱するための抵抗発熱体回路が設けられている。

加熱される基板の温度は、例えば成膜工程であれば、基板上に成膜される膜の膜厚や膜質に大きな影響を与える。そのため、基板温度の均一性を確保することは、半導体製造の生産性を向上させるために極めて重要である。

基板の温度の均一性を確保、向上させるために、これまで様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、並列接続された複数の線状発熱体からなる抵抗発熱体群を連続して形成し、さらに線状発熱体を適宜切断することにより抵抗発熱体群の抵抗値を調整し、温度均一性を向上させる技術が開示されている。また、特許文献２には、抵抗値を調整するネジ付きの抵抗値調整手段を備えた抵抗発熱体が開示されている。

特開平１１−３１７２８３号公報特開２００５−１９７１６１号公報

これまで半導体製造に供せられる基板は一貫して大型化が進んでおり、現在主流の直径８インチ、１２インチのものから、近年は１８インチへの移行が進みつつある。直径１８インチの基板においても、これまで同様、基板の温度均一性は重要であるが、基板の大型化に伴い温度均一性とは別の新たな問題が判明してきている。

すなわち、基板の大型化に伴い、これを保持する基板保持体も大型化する必要があり、基板載置面全体を加熱するために、抵抗発熱体回路も長尺化する必要がある。さらに、基板および基板保持体の表面積が増えるため、これらからの放熱量が増えるので、所定の温度まで加熱するためにこれまで以上により多くの電力が必要となる。

抵抗発熱体には、コイル状あるいは導体ペーストを基板保持体に塗布した箔状のものが用いられることが多いが、このような抵抗発熱体の断面積をそのままに長尺化すると、長さに比例して抵抗発熱体回路の抵抗値が増加し、これまでと同じ電力を供給するためには、より高い電圧が必要になる。その一方で、上記のように所定の温度まで加熱するために必要な電力も増加するため、加熱に必要な電圧が容易に定格を上回ってしまい、その結果、基板保持体を所定の温度まで加熱することができなくなるという問題が新たに判明した。

上記の問題を解決するためには、抵抗発熱体の断面積を増やすことにより、抵抗発熱体回路の抵抗値を低下させることが考えられる。しかし、抵抗発熱体回路の長尺化および必要電力の増加に対応するためには、断面積を数倍から十数倍程度まで大幅に増やす必要がある。

抵抗発熱体が箔状である場合は、断面積を増やすためには、箔の幅あるいは厚みを増やすことが考えられるが、幅を大幅に増やすと抵抗発熱体回路のパターンが極めて大雑把なものになってしまい、載置される基板の温度均一性の確保が難しくなる。また、厚みを大幅に増やすと導体ペーストの厚みの制御が難しくなり抵抗発熱体の抵抗値のバラツキが大きくなるため、基板の温度均一性の確保が難しくなる。

一方、抵抗発熱体がコイル状である場合には、コイルを構成する抵抗線を太くすることになるが、その結果コイルの曲率半径を大きくせざるを得ず、やはり抵抗発熱体回路のパターンが極めて大雑把なものになってしまい、載置される基板の温度の均一性の確保が難しくなる。

以上の問題点は、基板の大型化、特に近年の直径１８インチへの移行に伴って顕著になったものであり、これまでの直径１２インチ以下では特に考慮する必要がなかったことである。

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、大型の基板を載置するための大型の基板保持体であっても、抵抗発熱体回路の抵抗値が過大になることがなく、所定の温度まで加熱することができ、かつ大型化した基板載置面の温度均一性を確保することが可能な基板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、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、次のような抵抗発熱体回路を有する基板保持体とすれば良いことを見出した。本発明の基板保持体は、被処理物である基板を載置する基板載置面と、基板載置面の反対側の面あるいは内部に抵抗発熱体回路を有しており、該抵抗発熱体回路は、発熱部、および発熱部に電力を供給する電極や引出線などからなる非発熱部とからなり、前記発熱部と前記非発熱部との境界部分が、前記基板保持体の中心に対して略対称な位置に１組または２組以上の対となって存在しており、前記抵抗発熱体回路は、前記境界部分それぞれにおいて２個の回路に分岐することにより、対となる境界部分同士の間で並列回路をなし、前記並列回路それぞれにおいて、並列をなす２個の回路の抵抗値が、該２個の回路の抵抗値の平均値に対して、±１０％の範囲内で略等しい抵抗値を持つことを特徴とする。

本発明によれば、大型の基板であっても、抵抗発熱体回路の抵抗値が過大になることがなく、所定の温度まで加熱することができ、かつ大型化した基板載置面の温度均一性を確保することができる基板保持体を提供することができる。

本発明の一実施形態における基板保持体の縦断面図を示す。図１におけるＸ−Ｘ線上の横断面模式図で、本発明の一実施形態の抵抗発熱体回路を示す。従来の基板保持体の抵抗発熱体回路の一例を示す。従来の基板保持体の抵抗発熱体回路の別な一例を示す。本発明の抵抗発熱体回路の別な一例を示す。本発明の抵抗発熱体回路の別な一例を示す。本発明の別な実施形態における基板保持体の断面構造の模式図を示す。温度均一性を評価するウェハ温度計の測温素子の配置を示す模式図である。

図１は、本発明の一実施形態における基板保持体の縦断面の概略的模式図である。基板保持体１の内部には、導体ペーストを塗布するなどして形成された抵抗発熱体回路２が設置されており、基板保持体１の略中央には抵抗発熱体回路２と電気的に接続された電極３が設置されている。この電極３は図示しない導体ロッドやリード線を介して、図示しない外部電源に接続されている。

この基板保持体１が半導体製造装置（図示せず）のチャンバ内に設置され、半導体製造に供される。成膜工程等の際には、基板載置面４の上に基板Ｗが載置された状態で、外部電源から電極３を介して抵抗発熱体回路２に電力が供給され、基板保持体１および基板Ｗが所定の温度まで加熱される。

図２は、図１におけるＸ−Ｘ線上の横断面図であり、本発明の一実施形態における抵抗発熱体回路の概略図を示す。基板保持体１の略中央に設置された電極３から、基板保持体の中心に対して対称（図２では左右対称）に、外周に向かって引出線２１が延びており、電極３および引出線２１が非発熱部を形成している。発熱部は、２３Ａと２３Ｂである。発熱部と非発熱部の境界部分２２Ａと２２Ｂが基板保持体１の中心に対して対称な位置に存在しており、その位置でそれぞれ上下２方向に分岐することにより、引出線２１を境にして上半分２３Ａと下半分２３Ｂが並列回路となっている。

従来の基板保持体では、図３に示すように抵抗発熱体回路全体が直列となっている。特許文献１のように、回路の途中で並列になる例はあっても、図２に示すように抵抗発熱体回路全体を大きく分割するような並列回路にはなっていない。

図２と図３を比較すると、抵抗発熱体の幅と間隔は同じであり、回路の総延長もほぼ同じである。しかし、両者の抵抗値を比較すると、図２の回路は図３に比べて回路が並列であることにより抵抗値は１／２になる。更に、図３の回路では、一方の電極から他方の電極に到達するまでに約７周するのに対し、図２の回路では約３．５周となっており、一方の電極から他方の電極に到達するまでに辿る回路の長さが約半分であるので、抵抗値は更に１／２となる。つまり、図２の回路は、図３の回路に比べて抵抗値が１／４になっているため、同じ電圧を負荷したときに供給できる電力が４倍となり、電圧の定格オーバーによる電力不足の心配がない。

図３と同様の直列回路で、抵抗値を１／４にするためには、例えば図４に示すように抵抗発熱体の幅を大幅に増やし、かつ回路の周回数を減らす（図３の約７周に対し、図４では約５周）必要があるが、図４のような大雑把な粗い回路では温度均一性の悪化が避けられない。また、抵抗発熱体の厚みを４倍にする方法も考えられるが、厚みの制御が困難になるため、現実的ではない。

基板保持体には、基板搬送の際に基板を昇降させるためのリフトピン用の孔や、基板保持体の温度を測るための測温素子などを配置する必要がある。これらを配置するために、発熱部と非発熱部の境界部分が、基板保持体の中心に対して厳密に対称な位置に配置できない場合がある。この境界部分は、基板保持体の中心に対して、厳密に対称な位置にする必要はなく、実質的に基板保持体の中心に対して対称な位置であれば良い。

また、設計上、厳密に対称な位置に配置しても、抵抗発熱体の厚み制御の限界のため、実際の基板保持体では、対応する２個の並列回路の間（図２では、上半分の２３Ａの回路と下半分の２３Ｂの回路の間）で抵抗値が異なる場合がある。

これらの場合でも、回路幅を調整するなどして、２個の回路の抵抗値を両者の平均値に対して±１０％の範囲に収まる程度にまで等しくすれば、温度均一性に悪影響を与えることがない。

また、図２では、発熱部と非発熱部の境界部分は、２２Ａと２２Ｂが対となった１組であるが、境界部分の数は２組以上であってもよい。２組である場合を例示すると、図５に示すような回路となる。図５では、境界部分は、２２Ａと２２Ｂ、２２Ｃと２２Ｄがそれぞれ対となっており、２３Ａと２３Ｂ、２３Ｃと２３Ｄが、それぞれ並列回路を形成する。発熱部と非発熱部の境界部分の組数が増え、並列回路が増加すれば、抵抗値が低減されるため、同一電圧で高出力が可能となり、より高温での使用に対応できる。

また、図２と図５では、引出線２１が存在しているが、非発熱部に引出線を含まなくても良い。例えば、図６に示すような抵抗発熱体回路であっても良い。この場合、電極３が発熱部２３Ａおよび２３Ｂに接続されている部分が、発熱部と非発熱部の境界部分となる。図６のような抵抗発熱体回路であっても、図２の抵抗発熱体回路と同様に大きな電力の供給が可能となる。

更に、抵抗発熱体回路は、図７に示すように、基板載置面４から異なる距離の位置に複数個配置されてもよい。図７では、抵抗発熱体回路５および６の２個の抵抗発熱体が配置されている。この場合、抵抗発熱体回路５および６は、両方とも図２、図５あるいは図６に示すような並列回路であってもよく、いずれか片方のみが並列回路であっても良い。

このように複数個の抵抗発熱体回路を配置した場合、電力の供給量が増えるため、さらに高い温度への対応が可能となる。また、図２、図５あるいは図６に示すような並列回路に加えて、基板保持体の外周近くに付加的に抵抗発熱体を配置して、基板保持体の外周側からの放熱量が大きい場合に熱の供給を補うことで、温度均一性を維持、向上させることが可能となる。

なお、「電気回路は並列化すると抵抗が下がる」ことは公知であるが、本発明のように、広い面積を加熱することを目的として、並列化と同時に回路の短縮を可能として、定格電圧下での高温までの対応を可能とすること、さらには温度均一性を鑑みて抵抗発熱体回路の粗密さや対称性までを考慮することは一般的な事項とはいえない。

基板保持体の材質は、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。

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４８０ｍｍ、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図２に示す抵抗発熱体回路を形成した。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回路を作製した。なお、スクリーン印刷の際のＷペーストの厚みを制御して、図２の上半分（２３Ａ）の抵抗値を低めに、下半分（２３Ｂ）の抵抗値を高めにして、両者の抵抗値の差を平均値の±２％に調整した。

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トを作製した。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回路が形成された面全面に、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、別途作製した直径４８０ｍｍで厚み１０ｍｍのＡｌＮ焼結体を前記ＡｌＮ焼結体の抵抗発熱体回路が形成された面に重ね合わせ、２ＭＰａの圧力で、窒素雰囲気中１８００℃、２時間ホットプレスを行い、基板保持体を作製した。

この基板保持体の片方の面から、抵抗発熱体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回路にニッケルメッキを施した直径８ｍｍ、長さ２０ｍｍのＷ製の電極を接続した。更に、電極を設置したのと同じ側の面の中央に、温度測定用の測温素子を設置するための内径１．７ｍｍ、深さ７ｍｍの孔を設け、この孔に測温素子を設置して試料１の基板保持体を完成させた。なお、基板載置面は、電極、測温素子を設置した反対側の面になる。

抵抗発熱体回路を作製する際、抵抗値の差を±８％に調整した以外は、上記試料１と同様にして、試料２の基板保持体を作製した。

抵抗発熱体回路を、図３に示す通りにしたこと以外は、試料１と同様にして試料３の基板保持体を作成した。なお、この回路に並列回路は存在しないので、抵抗値の差はない。

抵抗発熱体回路を図４に示す通りにしたこと以外は、試料３と同様にして試料４の基板保持体を作製した。

抵抗発熱体回路を作製する際、抵抗値の差を±１２％にしたこと以外は、試料１と同様にして試料５の基板保持体を作製した。

抵抗発熱体回路を図５に示す通りにしたこと以外は、試料１と同様にして試料６の基板保持体を作製した。なお、外周側の上半分（２３Ａ）と内周側の上半分（２３Ｃ）の抵抗値を低めにし、外周側の下半分（２３Ｂ）と内周側の下半分（２３Ｄ）の抵抗値を高めにし、外周側（２３Ａと２３Ｂ）の抵抗値の差を±７％、内周側（２３Ｃと２３Ｄ）の抵抗値の差を±８％とした。

抵抗発熱体回路を図６に示す通りとしたこと以外は、試料１と同様にして試料７を作成した。なお、抵抗値の差は、±７％とした。

これら試料１〜７の基板保持体を半導体製造装置内に基板載置面を上にして設置した。基板載置面には、直径４５０ｍｍのシリコンウェハに図８に示すような配置で、測温素子８を２５ヶ所設置したウェハ温度計を載置した。装置内を真空にし、抵抗発熱体回路に電力を供給して、基板保持体に設置した測温素子にて測定される温度が４５０℃になるまで基板保持体を昇温した。なお、抵抗発熱体回路への給電に用いた外部電源の定格電圧は、２００Ｖである。４５０℃で１０分間保持した後、ウェハ温度計で示される２５個の温度の最高値と最低値の差（以下温度バラツキ）を測定し、温度均一性の指標とした。

以上の結果を表１に示す。

表１から、本発明の並列回路を形成し、かつ抵抗値の差が±１０％以内である試料１、２、６および７は、４５０℃におけるウェハ温度計の温度バラツキが小さく、良好な温度均一性を示しており、特に抵抗値の差が小さい試料１は良好な結果を示している。

これに対して、試料３は、抵抗発熱体回路の幅が試料１、２と同様で、かつ直列回路であり、抵抗値が高すぎるため、定格電圧の２００Ｖに達しても、基板保持体は３９６℃までしか温度が上がらず、４５０℃に到達することができなかった。

試料４は、直列回路ながら、試料３よりははるかに太く短い回路であるため、抵抗値が高すぎることがなく、４５０℃に到達できているものの、回路が太く大雑把なものであるため、温度均一性が大幅に悪化している。

試料５は、試料１、２と同様の回路でありながら抵抗値の差が±１０％を超えているため、試料４と同様４５０℃に到達できているものの、温度均一性は悪化している。

１基板保持体
２、５、６抵抗発熱体回路
２１引出線
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ境界部分
２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ並列回路
３電極
４基板載置面
７ウェハ温度計
８測温素子
Ｗ基板

Claims

被処理物である基板を載置する基板載置面と、基板載置面の反対側の面あるいは内部に抵抗発熱体回路を有する基板保持体であって、前記抵抗発熱体回路は、発熱部、および発熱部に電力を供給する非発熱部とからなり、前記発熱部と前記非発熱部との境界部分が、前記基板保持体の中心に対して略対称な位置に１組または２組以上の対となって存在しており、前記抵抗発熱体回路は、前記境界部分それぞれにおいて２個の回路に分岐することにより、対となる境界部分同士の間で並列回路をなし、前記並列回路それぞれにおいて並列をなす２個の回路の抵抗値が、該２個の回路の抵抗値の平均値に対して、±１０％の範囲内で略等しい抵抗値を持つことを特徴とする、半導体製造装置用基板保持体。