JP2022123983A - 基板加熱装置、基板加熱方法、および基板加熱部の製造方法 - Google Patents

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達夫 波多野
Tatsuo Hatano
直樹 渡辺
Naoki Watanabe
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Tokyo Electron Ltd
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Abstract

【課題】温度制御性が良好で、熱衝撃による損傷が生じ難い基板加熱装置、基板加熱方法、および基板加熱部の製造方法を提供する。【解決手段】基板の処理を行う処理容器内において基板を加熱する基板加熱装置は、基板を載置する載置面を有し、ヒータにより載置面に載置された基板を加熱する基板加熱部と、冷却空間を介して基板加熱部の底部を覆うように設けられたジャケット部と、冷却空間に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部とを有する。【選択図】 図１

Description

本開示は、基板加熱装置、基板加熱方法、および基板加熱部の製造方法に関する。
半導体ウエハのような基板に対して加熱をともなう処理を行う場合には、基板を載置して加熱する基板加熱装置（ヒータ）が用いられる。例えば、特許文献１には、抵抗発熱体が埋設された窒化アルミニウム製の基板載置台と、基板載置台の裏面に接合されたシャフトとを有する基板加熱装置（ヒータ）が記載されている。
特開２０１０－４０４２２号公報
本開示は、温度制御性が良好で、熱衝撃による損傷が生じ難い基板加熱装置、基板加熱方法、および基板加熱部の製造方法を提供する。
本開示の一態様に係る基板加熱装置は、板の処理を行う処理容器内において基板を加熱する基板加熱装置であって、基板を載置する載置面を有し、ヒータにより前記載置面に載置された基板を加熱する基板加熱部と、冷却空間を介して前記基板加熱部の底部を覆うように設けられたジャケット部と、前記冷却空間に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、を有する。
本開示によれば、温度制御性が良好で、熱衝撃による損傷が生じ難い基板加熱装置、基板加熱方法、および基板加熱部の製造方法が提供される。
一実施形態に係る基板加熱装置を示す断面図である。 基板加熱部の他の例を示す断面図である。 図１の基板加熱装置のIII－III線による断面図である。 従来の基板加熱装置における冷却手法を説明するための断面図である。 基板加熱部の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。 図５に示す製造方法で得られた基板加熱部を模式的に示す断面図である。
以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。
図１は一実施形態に係る基板加熱装置を示す断面図である。
本実施形態において基板加熱装置１００は、基板Ｗ、例えば半導体ウエハを加熱するためのものであり、成膜処理（ＣＶＤ、ＣＶＤ）やエッチング処理等の基板処理を行うための処理容器内に設けられる。本実施形態の基板加熱装置１００は、特に、基板処理としてプラズマ処理を行う場合に好適である。
基板加熱装置１００は、基板Ｗを載置する載置面１１を有し、載置面１１に載置された基板Ｗを加熱する基板加熱部１０と、冷却空間３０を介して基板加熱部１０の底部を覆うように設けられたジャケット部２０とを有する。
基板加熱部１０は略円板状をなし、内部にはヒータ１２が埋設されている。ヒータ１２は抵抗発熱体として構成され、例えばタングステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）で形成されており、ヒータ電源４１から給電線を介して給電されることにより発熱する。基板加熱部１０は、基材１３と、基材１３上に設けられた静電チャック１４とを有する。基材１３は、本体部の下面中央部に、下方に突出するようにフランジ状をなす突出部１３ａが形成された、段付き形状となっている。フランジ部１３ｂには、周方向に沿って複数のネジ挿通穴が形成され、本体部とフランジ部１３ｂとの間には円環状のねじ止め部材５１が嵌め込まれて、後述するようにジャケット２０がねじ止め可能となっている。
基材１３を構成する材料としては、快削性セラミックスを好適に用いることができる。快削性セラミックスは耐熱性が高く基板Ｗを３００℃以上に加熱する用途に好適であり、しかも、従来用いられている窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）よりも耐熱衝撃性が高く、加工が容易である。さらに、比較的高い耐食性を有する。快削性セラミックスとしては、ＳｉＣ、ＳｉＯ、これらの混合体等のＳｉ系のものや、ＢＮ系のものを好適に用いることができる。基材１３を構成する材料としては、グラファイト、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）も好適に用いることができる。これらは、熱伝導性が高く、温度制御性が高い。ただし、グラファイトは適用が非酸化性雰囲気に限定され、Ａｌ、Ｃｕは２００℃程度以下の比較的低温に加熱される用途に限定される。基材１３は、ＡｌＮやＡｌ２Ｏ３等の耐食性の高い材料で構成された被覆層で被覆されていてもよい。
静電チャック１４は、プラズマ処理の際に基板Ｗを静電吸着するものであり、絶縁体１５と、その内部に埋設された吸着電極１６とを有する。絶縁体１５としてはＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＮ等のセラミックスが用いられ、吸着電極１６としてはヒータと同様、ＷやＭｏ等を用いることができる。また、吸着電極１６としてはメッシュ構造のものを用いることができる。そして、直流電源４４から給電線を介して吸着電極１６に直流電圧が印加されることにより、プラズマを介してクーロン力等の静電吸着力により基板Ｗを吸着する。本実施形態では加熱処理のためのヒータ１２が静電チャック１４の絶縁体１５内の吸着電極１６の下方位置に設けられている。
静電チャック１４を構成する絶縁体１５および吸着電極１６、ならびにヒータ１２は、例えば、ＣＶＤ、ＡＬＤ、溶射のような膜形成技術で形成された膜として構成することができる。
静電チャック１４の載置面１１近傍には、温度センサとしての熱電対４２が設けられている。熱電対４２の信号は信号線を介して温調器４３に送られ、温調器４３からヒータ電源４１に温度を制御する制御信号が送られる。
本実施形態では、基板加熱部１０においてヒータ１２を静電チャック１４内に設けた例を示しているが、図２に示すように、基材１３内に形成してもよい。ただし、基材１３が導電性の場合は、ヒータ１２を絶縁体で覆う必要がある。
ジャケット２０は金属製をなし、冷却空間３０を介して基板加熱部１０の底部のほぼ全体を覆うように設けられ、基板加熱部１０の基材１３の中央部に複数のねじ５２によりねじ止めされる。複数のねじ５２は突出部１３ａのフランジ部１３ｂに周方向に沿って設けられたねじ挿通穴に挿通され、図３に示す図１のIII－III断面図のように、ねじ止め部材５１に螺合される。このような締結方法は、基材１３がセラミックスの場合に特に有効である。基材１３が金属製の場合は、基材１３にねじ５２を直接螺合させてもよい。
ジャケット２０は、基板加熱部１０に締結された際に中央部分から下方へ突出するように設けられたシャフト２２を有し、シャフト２２内には、給電線および信号線が挿通される。シャフト２２の下端にはフランジ２２ａが形成され、フランジ２２ａは処理容器（図示せず）の底面に取り付けられる。
ジャケット２０の上面の外周部には、冷却空間３０を規定するための、上方に突出する円環状をなす外周突出部２０ａが形成されており、外周突出部２０ａと基材１３の下面外周部との間はシールリング５３により気密にシールされている。また、ジャケット２０のシャフト２２は、冷却空間３０を規定するための、上方に突出する内周突出部２２ｂを有しており、内周突出部２２ｂと基材１３の突出部１３ａとの間はシールリング５４により気密にシールされている。基板加熱部１０は２００℃以上に加熱されるため、シールリング５３，５４としては耐熱性を有するカルレッツ（登録商標）またはカルレッツ（登録商標）相当の耐熱性を有するものであることが好ましい。
ジャケット２０は基材１３に対応した段付き形状となっており、ジャケット２０と基材１３との間の冷却空間３０も同様に段付き形状となっている。
冷却空間３０には、冷却ガス供給部３１から冷却ガスが供給される。冷却ガスとしては、Ｈｅガス、Ｎ２ガス、Ａｒガス等の不活性ガスが用いられる。冷却空間３０に供給された冷却ガスによる熱交換により基板加熱部１０が冷却される。冷却空間３０にはガス排出部（図示せず）が設けられており、冷却空間３０に対するガス供給量および排出量を調整することにより、冷却空間３０の圧力が制御可能である。
ジャケット２０内には、液体状の冷媒（例えば冷却水、ＣＦ系流体（例えばガルデン（登録商標）））が通流可能な冷媒流路２１が形成されており、冷媒流路２１には冷媒供給部２３から冷媒が循環供給可能となっている。冷媒流路２１に冷媒を通流させることにより、より効率的に基板加熱部１０を冷却することができる。ただし、冷却空間３０への冷却ガスの供給のみで基板加熱部１０の温度制御が可能な場合は、冷媒流路２１は不要である。
次に、以上のように構成される基板加熱装置１００による加熱処理動作について説明する。
まず、基板Ｗを処理容器（図示せず）内に搬入し、基板加熱部１０の載置面１１に載置する。載置された基板Ｗには、成膜処理（ＣＶＤ、ＣＶＤ）やエッチング処理等の基板処理、典型的にはプラズマ処理が施される。
基板の処理に際して、基板加熱部１０内のヒータ１２により基板Ｗを加熱する。そして、この際に基板加熱部１０とジャケット２０との間の冷却空間３０に冷却ガスを供給して基板加熱部１０を冷却する。
このように基板加熱部１０を冷却するのは、例えばプラズマからの入熱（プラズマ中のイオンおよび電子が基板Ｗに衝突することによる入熱）により基板Ｗの温度が、設定温度よりも上昇してしまうことがあるからである。基板Ｗの温度が設定温度よりも上昇すると、例えば結晶性のような膜質の変化や、反応速度の増加による処理量（膜厚またはエッチング量）の増加が発生し、所期のプロセス結果が得られない場合が生じる。
従来は、基板Ｗの加熱温度が２００℃程度の場合、基板加熱部に冷却水等の冷媒を通流させる冷却ジャケットを接続して基板加熱部を冷却する手法がとられている。一方、基板を３００℃以上の高温に加熱する場合、特許文献１に示すように、基板を載置する基板加熱部としてＡｌＮのようなセラミックスを用い、基板加熱部の中央部に下方に延びるシャフトを有する基板加熱装置が用いられる。ＡｌＮのようなセラミックスは耐熱衝撃性が低いため、３００℃以上に加熱した状態で冷却ジャケットにより冷却すると、プラズマに曝された部位と冷却された部位との温度差により基板加熱部が破壊してしまうおそれがある。このため、基板加熱部を、熱衝撃による破壊を抑制しつつ冷却する手法として、図４に示すように、ヒータ１１２が埋設された基板加熱部１１０をシャフト１２０を介して冷却する冷却ジャケット１３０を設ける手法をとらざるを得なかった。しかし、この場合はシャフト１２０を介した熱交換となり、温度制御性が十分でないことが判明した。
これに対して、本実施形態では、冷却空間３０を介して基板加熱部１０の底部のほぼ全体を覆うようにジャケット２０を設け、冷却ガス供給部３１から冷却空間３０に冷却ガスを通流させて基板加熱部１０を冷却する。これにより、基板加熱部１０の底部の全体に冷却ガスを接触させて熱交換することができるので、高い温度制御性を得ることができる。また、ガスを介しての冷却なので、冷媒を通流させる冷却ジャケットを基板加熱部１０へ直接接続して冷却するよりも熱衝撃性が低い。
この場合に、ジャケット２０を冷媒流路２１が設けられたものとし、冷媒流路２１に冷媒を通流させることができる。これにより、ジャケット２０自体を冷却することができ、冷却効率をより高めることができる。
さらに、基板加熱部１０の基材１３を快削性セラミックスで構成することにより、高い耐熱性が得られ、基板Ｗを３００℃以上に加熱する用途に適したものとなる。しかも、快削性セラミックスは、従来用いられているＡｌＮやＡｌ２Ｏ３よりも耐熱衝撃性が高いため熱衝撃により損傷する可能性をより低くすることができ、しかも加工が容易であるため製造コストを低減できる。
基材１３の材料としてグラファイト、Ａｌ、Ｃｕのような熱伝導性の高い材料を用いることにより、温度制御性を高くすることができる。これらの中で、グラファイトは非酸化性雰囲気であれば高温での適用も可能である。Ａｌ、Ｃｕは耐熱性に劣るが２００℃程度以下の比較的低温での処理に対しては好適である。
次に、基板加熱部１０の製造方法の一例について図５を参照して説明する。図５は基板加熱部１０の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。
最初に、素材を加工して得られた基材１３を準備する（図５（ａ））。基材１３としては、快削性セラミックス、グラファイト、Ａｌ、Ｃｕを用いることができる。
次いで、基材１３の表面に絶縁層６１を形成する（図５（ｂ））。絶縁層６１としてはＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、窒化ボロン（ＢＮ）、窒化珪素（ＳｉＮ）等のセラミックスを用いることができる。これらは耐食性材料でもある。絶縁層６１は、ＣＶＤ、ＡＬＤ、溶射等の膜形成技術で形成される。絶縁層６１は基材１３の全面に形成される。
次いで、絶縁層６１の上面に絶縁層６１と同様の膜形成技術によりヒータ１２となる抵抗発熱体層６２を形成する（図５（ｃ））。抵抗発熱体層６２は、例えばＷまたはＭｏで形成される。
次いで、抵抗発熱体層６２の上面および露出している絶縁層６１の全面に、絶縁層６１と同じ材料で同様の膜形成技術により絶縁層６３を形成する（図５（ｄ））。絶縁層６３のうち絶縁層６１の上に形成された部分は、絶縁層６１と一体となった絶縁層として構成される。
次いで、絶縁層６３の上面に、絶縁層６１と同様の膜形成技術により吸着電極１６となる電極層６４を形成する（図５（ｅ））。電極層６４は、例えばＷまたはＭｏで形成される。
次いで、電極層６４の上面および露出している絶縁層６３の全面に、絶縁層６１と同じ材料で同様の膜形成技術により絶縁層６５を形成する（図５（ｆ））。絶縁層６５のうち絶縁層６３上に形成された部分は絶縁層６１、６３と一体となった絶縁層として構成される。
以上の工程により、基材１３上面に形成された絶縁層６１、６３、６５の間に抵抗発熱体層６２および電極層６４が形成され、基材１３の側面および底面にも絶縁層６１、６３、６５が形成された構成が得られる。すなわち、図６に示すように、基材１３上面に形成された絶縁層６１、６３、６５が静電チャック１４の絶縁体１５となり、抵抗発熱層６２がヒータ１２となり、電極層６４が吸着電極１６となって、ヒータ１２および静電チャック１４が形成される。また、基材１３の側面および底面に形成された絶縁層は、耐食性を高めるための被覆層６６となる。
このように、膜形成技術により、ヒータ１２、静電チャック１４、および耐食性を高めるための被覆層６６を一括して形成することができ、工程の簡略化を図ることができる。
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、上記実施形態では、プラズマ処理を行う処理容器内に用いられる基板加熱装置を中心に説明したが、例えば熱ＣＶＤのようなプラズマを用いない処理に適用することもできる。また、上記実施形態では静電チャックにより基板を吸着する例を示したが、静電チャックは用いなくてもよい。
１０；基板加熱部
１１；載置面
１２；ヒータ
１３；基材
１４；静電チャック
１５；絶縁体
１６；吸着電極
２０；ジャケット
２１；冷媒流路
２２；シャフト
３０；冷却ガス空間
３１；冷却ガス供給部
５３，５４；シールリング
５２；ねじ
６１，６３，６５；絶縁層
６２；抵抗発熱層
６４；電極層
６６；被覆層
１００；基板加熱装置
Ｗ；基板

Claims (19)

  1. 基板の処理を行う処理容器内において基板を加熱する基板加熱装置であって、
    基板を載置する載置面を有し、ヒータにより前記載置面に載置された基板を加熱する基板加熱部と、
    冷却空間を介して前記基板加熱部の底部を覆うように設けられたジャケット部と、
    前記冷却空間に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、
    を有する、基板加熱装置。
  2. 前記処理容器内での基板の処理はプラズマ処理である、請求項１に記載の基板加熱装置。
  3. 前記基板加熱部は、
    基材と、
    前記基材の上面に設けられ、絶縁体および該絶縁体内部に設けられた吸着電極を有し、該吸着電極に直流電圧を印加することにより前記載置面に前記基板を静電吸着する静電チャックと、
    を有する、請求項２に記載の基板加熱装置。
  4. 前記静電チャックの前記絶縁体および前記吸着電極は、膜として構成される、請求項３に記載の基板加熱装置。
  5. 前記ヒータは、前記静電チャックの前記絶縁体の内部に設けられる、請求項３または請求項４に記載の基板加熱装置。
  6. 前記ヒータは、膜として構成される、請求項５に記載の基板加熱装置。
  7. 前記基材は、快削性セラミックス、グラファイト、アルミニウム、および銅のいずれかで構成される、請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の基板加熱装置。
  8. 前記基板加熱部は、前記基材の側面および底面に設けられた、耐食性材料で構成された被覆層をさらに有する、請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の基板加熱装置。
  9. 前記ジャケット部の上面の外周部には、前記冷却空間を規定するための、上方に突出する円環状をなす外周突出部が形成されており、前記外周突出部と、前記基板加熱部の下面外周部との間は、シールリングにより気密にシールされている、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の基板加熱装置。
  10. 前記ジャケット部は、前記基板加熱部の中央部に複数のねじによりねじ止めされる、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の基板加熱装置。
  11. 前記ジャケット部は、内部に液体状の冷媒を通流する冷媒流路を有する、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の基板加熱装置。
  12. 前記ジャケット部は、中央部分から下方へ突出するように設けられたシャフトを有し、前記シャフトの下端は前記処理容器の底部に取り付けられる、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の基板加熱装置。
  13. 基板の処理を行う処理容器内において基板加熱装置により基板を加熱する基板加熱方法であって、
    前記基板加熱装置は、基板を載置する載置面を有し、ヒータにより前記載置面に載置された基板を加熱する基板加熱部と、冷却空間を介して前記基板加熱部の底部を覆うように設けられたジャケット部と、前記冷却空間に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、を有し、
    前記基板加熱部の前記載置面に基板を載置することと、
    基板の処理に際して、前記基板加熱部の前記ヒータにより前記基板を加熱することと、
    前記冷却空間に前記冷却ガスを供給して前記基板加熱部を冷却することと、
    を有する、基板加熱方法。
  14. 前記処理容器内での基板の処理はプラズマ処理である、請求項１３に記載の基板加熱方法。
  15. 前記基板加熱装置は、前記載置面に基板を静電吸着する静電チャックを有し、前記載置面に前記基板が載置された際に、前記基板を静電吸着する、請求項１４に記載の基板加熱方法。
  16. 基板の処理を行う処理容器内で基板を加熱する基板加熱装置における、基板を載置する載置面を有し、前記載置面に載置された基板を加熱するヒータおよび基板を吸着する静電チャックを有する基板加熱部の製造方法であって、
    基材を準備することと、
    前記基材の全面に第１の絶縁層を形成することと、
    前記第１の絶縁層の上面にヒータとなる抵抗発熱体層を形成することと、
    前記抵抗発熱体層の上面および露出している前記第１の絶縁層の全面に第２の絶縁層を形成することと、
    前記第２の絶縁層の上面に前記静電チャックの吸着電極となる電極層を形成することと、
    前記電極層の上面および露出している前記第２の絶縁層の全面に第３の絶縁層を形成することと、
    を有し、
    前記基材の上面に前記静電チャックおよび前記ヒータが形成され、前記基材の側面および底面に被覆層が形成される、基板加熱部の製造方法。
  17. 前記第１の絶縁層、前記第２の絶縁層、前記第３の絶縁層、前記抵抗発熱体層、および前記電極層は、ＣＶＤ、ＡＬＤ、および溶射のいずれかで形成される、請求項１６に記載の基板加熱部の製造方法。
  18. 前記第１の絶縁層、前記第２の絶縁層、前記第３の絶縁層は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ボロン、および窒化珪素のいずれかで構成される、請求項１６または請求項１７に記載の基板加熱部の製造方法。
  19. 前記基材は、快削性セラミックス、グラファイト、アルミニウム、および銅のいずれかで構成される、請求項１６から請求項１８のいずれか一項に記載の基板加熱部の製造方法。
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