JP2987085B2

JP2987085B2 - 半導体ウエハー保持装置、その製造方法およびその使用方法

Info

Publication number: JP2987085B2
Application number: JP16195795A
Authority: JP
Inventors: 直仁山田
Original assignee: NIPPON GAISHI KK
Current assignee: NIPPON GAISHI KK
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 1999-12-06
Anticipated expiration: 2014-12-06
Also published as: JPH0917849A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置用の半
導体ウエハー保持装置、その製造方法およびその使用方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法、
エッチング法等の半導体プロセスにおいては、いわゆる
サセプターの上に半導体ウエハーを設置し、このサセプ
ターを加熱して半導体ウエハーを加熱している。この
際、最近は、セラミックス製の静電チャックをサセプタ
ーとして使用し、半導体ウエハーをサセプターに対して
吸着しながら加熱処理を行うことが開示されている（特
開昭５９−１２４１４０号公報）。また、セラミックス
ヒーターをサセプターとして使用し、このセラミックス
ヒーターの上に半導体ウエハーを設置し、これを直接加
熱することが知られている。しかし、半導体ウエハーの
生産量を向上させるためには、サセプター上の半導体ウ
エハーを、着脱サイクルにおける温度変化を抑制するた
めの加熱と冷却とを応答性良く行うことが必要であり、
このためにはサセプターに対して冷却装置を結合する必
要がある。

【０００３】また、本出願人は、セラミックスサセプタ
ーの内部に高周波電極を埋設し、この高周波電極に対す
る対向電極をサセプターに対向する位置に設置し、これ
らの間にプラズマを発生させて半導体膜を育成すること
を開示した（特願平６−１４９２７３号明細書、本出願
時未公開）。この装置においては、プラズマの熱量が半
導体ウエハーに対して加わり、その温度が変動するの
で、プラズマから入射する熱量の冷却機構を設けること
によって半導体ウエハーの温度制御を行うことが望まれ
る。

【０００４】静電チャックを水冷式の金属冷却板に対し
て金属ボンディングによって結合する技術が提案されて
いる（特開平３−３２４９号公報）。また、複数のセラ
ミック層を備えた静電チャックにおいて、これらのうち
の中間のセラミック層に冷媒の流通路を形成し、この流
通路に冷媒を流すことによって静電チャックの表面温度
を低下させる技術が提案されている（特開平３−１０８
７３７号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者は、
これら２種類の公知の技術がいずれも問題を有している
ことを確認した。即ち、特開平３−３２４９号公報記載
の技術においては、具体的には、アルミナ等からなる静
電チャックとアルミニウム製の水冷冷却板とをインジウ
ムで結合している。しかし、インジウムの融点は約１６
０℃であり、その使用温度範囲はせいぜい１５０℃以下
と低いために、半導体製造装置では適用範囲がきわめて
狭い。また、もっと高融点の金属ろうを使用して両者を
接合することを試みたが、接合後に、静電チャックを構
成するセラミックスと水冷冷却板を構成する金属との間
での熱膨張差によって両者の界面に多大な残留応力が発
生し、破壊が生ずるために、製造が困難であった。むろ
ん、インジウムのような低融点の金属を使用すればこの
残留応力を減少させることができるが、この場合には前
述したように使用温度範囲が狭くなってしまう。また、
樹脂によって静電チャックと水冷冷却板とを結合する技
術もあるが、これも耐熱性が低く、使用温度範囲が非常
に狭い。

【０００６】更に、半導体製造装置においては、デポジ
ション用ガス、エッチング用ガス、クリーニング用ガス
として、塩素系ガス、フッ素系ガス等の腐食性ガスが使
用されている。これらの腐食性ガスにさらされても腐食
されにくい金属ボンディング材料を選定することは困難
である。

【０００７】特開平３−１０８７３７号公報の技術につ
いても検討した。しかし、静電チャックの表面側へと、
プラズマや電子ビームからの熱量が入ってくるので、静
電チャックの表面が加熱される。基材を熱伝導性の低い
セラミックスで形成し、高密度プラズマを使用すると、
基材の表面の温度が７００〜８００℃まで上昇して基材
が割れるおそれがある。この熱を奪って温度を制御する
ために、冷媒通路に冷媒を流すわけであるが、この際に
静電チャックの表面と冷媒の流通路との間に温度差が発
生する。特に、静電チャックの表面側でプラズマを発生
させる場合にはこの温度差が大きくなる。このために、
静電チャックの内部での温度勾配が顕著に増大し、多大
な熱応力が発生するので、セラミックス基材に破壊が発
生するおそれがあることが判明してきた。

【０００８】本発明の課題は、セラミックス製のサセプ
ターの表面温度、更には半導体ウエハーの温度を、冷却
媒体で熱量を奪うことによって制御できるようにするこ
とである。更には、セラミックス製のサセプターを高
温、特に２００℃以上の高温領域でも使用し、その温度
制御をできるようにすることであり、またその破壊を防
止できるようにすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体ウエハ
ーを保持するための、窒化物セラミックス基材を備えた
半導体ウエハー保持部材と、金属製の冷却装置と、半導
体ウエハー保持部材と冷却装置との間に挟まれている、
耐熱材料製の繊維の結合体または発泡体からなる介在層
とを備えていることを特徴とする、半導体ウエハー保持
装置に係るものである。

【００１０】また、本発明では、上記の半導体ウエハー
保持部材を製造するのに際して、半導体ウエハー保持部
材と冷却装置との間に介在層を挟んで固定し、次いで半
導体保持部材と冷却装置と介在層を機械的に固定して一
体化する。

【００１１】また、本発明では、上記の半導体ウエハー
保持部材を使用するのに際して、介在層に圧力を加え、
この圧力を調整することによって半導体ウエハー保持部
材と前記冷却装置との間の熱伝達量を調整する。

【００１２】本発明者は、半導体ウエハー保持部材と金
属製の冷却装置との間に、耐熱材料製の繊維の結合体ま
たは発泡体からなる介在層を挟んでみた。ここで、繊維
の結合体とは、繊維を編んで製造した結合体を含んでお
り、具体的には繊維の網や織布である。また、繊維を編
むことなく、多数の繊維を互いにからみ合わせたり、熱
や接着剤によって結合して製造した結合体を含んでお
り、具体的にはフェルト、ウエブ、不織布等がある。ま
た、発泡体とは、内部に多数の気孔を有している材料を
言い、この気孔は閉気孔または開気孔であってよい。こ
こで、耐熱材料とは、少なくとも２００℃で溶融しない
材料を言い、具体的にはこうした金属やセラミックスが
好ましい。

【００１３】これらの材料は、通常は断熱材や電池の電
極材料として使用されているものである。しかし、本発
明者は、こうした繊維の結合体ないし発泡体を半導体ウ
エハー保持部材と冷却装置との間に介在させて両者の間
で熱伝達を行えるということを見いだした。即ち、半導
体ウエハー保持部材の表面には、プラズマ等から多量の
熱量が短時間に入ってくるが、この熱によって半導体ウ
エハー保持部材の基材の温度は全体に上昇する。即ち、
セラミックス基材中に冷媒流通路を設けていないので、
この基材における温度勾配は小さく、内部での熱応力が
小さいので、基材中で破壊やクラックが発生するおそれ
はない。

【００１４】これと同時に、金属製の冷却装置の方も、
セラミックス基材に対して直接に金属結合されていない
ために、冷却装置の方が特に加熱されることがないので
その熱変形は小さく、また冷却装置とセラミックス基材
との界面に大きな残留応力が残ることはない。これと共
に、繊維の結合体または発泡体からなる介在層によって
熱を伝達するが、このとき介在層が過度の熱伝達を行わ
ないために、介在層が接触する基材の背面側の温度は高
くして表面側の温度との差を小さくすることができ、即
ち、基材内部での温度勾配を小さくし、かつ冷却装置へ
と所定の熱を伝達することができる。従って、本発明に
よって、セラミックス基材の破壊やクラックのおそれを
完全に防止し、かつ高温領域でも安定して半導体ウエハ
ー保持部材の表面温度を制御することができた。

【００１５】この半導体ウエハー保持装置を製造する際
には、半導体保持部材と冷却装置と介在層を機械的に固
定して一体化することができる。

【００１６】また、上記の半導体ウエハー保持装置によ
れば、介在層に圧力を加え、この圧力を調整することに
よって、半導体ウエハー保持部材と冷却装置との間の熱
伝達量を調整できることを確認した。即ち、この圧力を
大きくすると、半導体ウエハー保持部材から冷媒への熱
伝達量を増大させうるようになった。これに対して、前
記の圧力を小さくすると、半導体ウエハー保持部材と冷
媒との間で熱が伝達しにくいようになり、また介在層に
おける温度勾配を一層大きくすることができる。このよ
うに、介在層へと加える圧力を制御することによって、
半導体ウエハー保持部材の表面温度、更には半導体ウエ
ハーの温度を自由に制御できることを発見した。

【００１７】

【発明の実施の形態】半導体ウエハー保持部材の基材を
構成するセラミックスとしては、熱伝導率の高い窒化物
セラミックスが適している。例えば、アルミナのような
酸化物セラミックスは、熱伝導率が低く、プラズマから
の熱を蓄積してしまい、温度が過度に上昇し易いが、窒
化アルミニウムは少なくとも９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝
導率を有している。こうした窒化物セラミックスとして
は、窒化珪素およびサイアロンが、耐熱衝撃性の点で好
ましい。また、窒化アルミニウムは、ＮＦ₃等のフッ素
系腐食性ガスに対してさらされると、その表面にＡｌＦ
₃からなるパッシベーション膜が生成し、このパッシベ
ーション膜がハロゲン系腐食性ガスに対して高い耐食性
を有している。

【００１８】半導体ウエハー保持部材は、半導体ウエハ
ーを設置するサセプターであれば、他の機能を有してい
てよい。例えば、基材の内部に静電チャック用電極を設
けた場合には、この半導体ウエハー保持部材は静電チャ
ックとして使用できる。また、基材の内部に抵抗発熱体
を設けた場合には、この保持部材をセラミックスヒータ
ーとして使用することができる。更に、基材中にプラズ
マ発生用の電極を設けた場合には、この保持部材をプラ
ズマ発生用電極として使用することができるが、この態
様については更に後述する。

【００１９】このように、基材の内部に電極や発熱体の
ような導電性材料を設け、この導電性材料に対して電力
を供給する場合には、基材に端子を設置し、この端子を
導電性材料に対して接続することが好ましい。こうした
端子および導電性材料の材質としては、タングステン、
モリブデン、白金、ニッケル等の高融点金属が好まし
く、これらの高融点金属の合金も好ましい。基材の形状
は特に制限はないが、好ましくは盤状であり、盤状基材
の平面的形状は、円形、円環形状、正方形、長方形、六
角形等の形状にすることができる。

【００２０】この導電性材料として抵抗発熱体を使用す
る場合には、この抵抗発熱体の形態は、線状、板状、箔
状であってよく、線状の抵抗発熱体をコイルスプリング
状に巻回することが好ましい。この巻回体を使用した場
合には、この巻回体をその中心軸方向に見たときの形状
は、円形、三角形、四辺形等であってよい。

【００２１】前記の導電性材料として静電チャック電極
を使用する場合には、この形態は、平板状、網状とする
ことができる。また、単極式であってよく、双極式であ
ってよい。

【００２２】プラズマ発生電極装置の場合について説明
する。この電磁波透過層の厚さの最小値は０．１ｍｍ以
上とすることが必要であり、これによって、プラズマシ
ース領域が拡大し、均一で安定なプラズマを生成させる
ことができた。しかも、このように電磁波透過層を厚く
しても、この電磁波透過層がセラミックスからなってお
り、電磁波透過層の誘電率εは、真空の誘電率に比べて
数倍以上大きい。この結果、電極間の電界強度の低下も
なく、プラズマ中のイオンをプラズマシースにおいて十
分に加速することができ、プラズマ放電が安定すること
を確認した。

【００２３】電磁波透過層の誘電率は一般に大きいが、
電磁波透過層の厚さの平均値が大きくなりすぎると、電
磁波透過層の誘電体損失による自己発熱量が大きくな
り、プラズマパワーの効率が低下してくる傾向があっ
た。この観点から、電磁波透過層の厚さの平均値は、特
に５．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

【００２４】好ましくは、基材内に埋設する電極がバル
ク状の面状電極であり、この面状電極を包囲する基材
が、接合面のない一体焼結品である。面状の金属バルク
体とは、例えば、線体あるいは板体をらせん状、蛇行状
に配置することなく、一体の面状として形成したものを
いう。

【００２５】面状の電極を金属バルク体によって構成す
ることにより、電極の抵抗値を小さくすることが容易で
ある。例えば、スクリーン印刷電極は、厚さが高々数十
μｍ程度なので、抵抗値が必然的に大きくなる。例えば
電極がタングステンであり、周波数が１３．５６ＭＨｚ
の場合、電極の厚さは２０μｍ以上が望ましい。この厚
さの電極を、スクリーン印刷法で形成することは困難で
ある。

【００２６】電極の形態は、金属平板であって良いが、
金属線材の結合体からなる板状体、または多数の小孔が
形成された板状体とすることが特に好ましい。これによ
って、基材を焼結させる段階で、セラミックス粉末が流
動して、結合体の孔の中に回り込み、充填されるので、
板状体の両側におけるセラミックスの接合力が大きくな
り、基材の強度が向上する。

【００２７】こうした板状体としては、パンチングメタ
ル、金網、フェルトを例示できる。ただし、電極が高融
点金属からなり、かつパンチングメタルである場合に
は、金属の硬度が高いので、高融点金属からなる板に多
数の小孔をパンチによって開けることは困難であり、加
工コストも非常に高くなる。

【００２８】この点、電極が網状電極である場合には、
高融点金属からなる線材が容易に入手できるので、この
線材を編組すれば網状電極を製造できる。従って、電極
の製造が容易である。

【００２９】プラズマ発生電極装置においては、基材の
中に、高融点金属からなる抵抗発熱体を埋設し、この抵
抗発熱体に電力を供給することによって、基体のプラズ
マ発生側の表面を発熱させうるように構成することがで
きる。これによって、ウエハーをプラズマ発生電極装置
上に直接載置し、保持した状態で、直接にウエハーを加
熱できるので、均熱性および加熱時のレスポンスを向上
させることができる。特に、プラズマを発生させる直前
までウエハーを予熱しておき、プラズマ発生と同時に抵
抗発熱体へと供給する電力を減少させれば、プラズマの
発生の有無に関係なく、ウエハーの温度を一定に維持す
ることができる。

【００３０】介在層を構成する繊維の結合体としては、
網、不織布、フェルト等を例示できるが、これらに限定
されない。この具体例としては次のようなものがある。
この繊維の材質としては、ニッケル、アルミニウム、
銅、真鍮、ステンレス鋼、これらの合金、カーボン、ア
ルミナ等とすることが好ましく、特に半導体製造装置中
で腐食性ガスに対してさらされる場合には、これらの材
質が好適である。

【００３１】介在層を構成する発泡体は、粉末焼結法の
通常法に従って、金属粉末またはセラミックス粉末と発
泡材の粉末とを混合し、この混合物を焼成することによ
って、製造できる。この金属粉末またはセラミックス粉
末としては、ニッケル、アルミニウム、銅、真鍮、ステ
ンレス鋼、これらの合金、カーボン、アルミナ等とする
ことが好ましく、特に半導体製造装置中で腐食性ガスに
対してさらされる場合には、これらの材質が好適であ
る。また発泡材としては、通常のものを使用できる。

【００３２】金属冷却装置を構成する金属としては、特
に制限はないが、ハロゲン系腐食性ガスに対して冷却装
置がさらされる場合には、アルミニウム、銅、ステンレ
ス鋼、ニッケルを使用することが好ましい。

【００３３】冷却装置において使用できる冷媒として
は、水、シリコンオイル等の液体であってよく、また空
気、不活性ガス等の気体であってもよい。また、この流
量は、当業者が適宜選択することができる。

【００３４】冷却装置と半導体ウエハー保持部材とを互
いに機械的に固定する方法は通常法でよい。また、介在
層を冷却装置に対して接合することができ、また半導体
ウエハー保持部材に対して接合することができるが、こ
の接合は必ずしも必要ない。

【００３５】図１は、静電チャックを半導体ウエハー保
持部材として使用した半導体ウエハー保持装置の一例を
示す断面図である。静電チャック２の基材３の中に静電
チャック電極４が埋設されており、基材３の表面２ａ側
に半導体ウエハー１が設置されている。表面２ａの反対
側の背面２ｂ側には、円形のフランジ部２ｃが基材３の
側面に延設されている。端子５が基材３中に埋設されて
おり、端子５の一端が静電チャック４に対して接続され
ており、端子５の他端が背面２ｂに露出している。

【００３６】静電チャック２の背面２ｂ側に冷却装置１
１が設置されている。この冷却装置１１の表面１１ｂと
背面１１ｃとの間の内部に冷媒の流通路１２が設けられ
ており、背面１１ｃ側に冷媒供給孔１３と冷媒排出孔１
４とが設けられている。冷媒流通路１２は、平面的に見
て盤状の冷却装置の面内をほぼ均等の流速で冷媒が流れ
るように、隔壁等を設けて蛇行させることが好ましい。
好ましくは金属製の固定具６が冷却装置１１の表面１１
ｂ上に設置されており、この固定具６の突出部６ａがフ
ランジ部２ｃに対して対向している。固定具６の貫通孔
６ｂと冷却装置１１の貫通孔１１ａとが位置合わせされ
ており、この各貫通孔の中に共通のボルト７が挿入され
ており、このボルト７の両端がナット８によって締結さ
れている。

【００３７】静電チャック２の背面２ｂと冷却装置１１
の表面１１ｂとの間に介在層９が挟まれており、フラン
ジ部２ｃと固定具６との間に介在層１０が挟まれてお
り、フランジ部２ｃと固定具６の突出部６ａとの間に介
在層２０が挟まれている。端子５に対しては電線１６が
接続されており、この電線１６が直流電源１５に対して
接続されている。半導体ウエハー１に対しては、電源１
５の他極またはアースが電線１７を介して接続されてい
る。

【００３８】半導体ウエハーを処理する際には、半導体
ウエハー１を表面２ａに設置し、静電チャック電極４に
対して電力を供給し、ウエハー１をチャックする。この
状態で、プラズマを発生させてＣＶＤなどの成膜やエッ
チング処理などを行う。冷却装置１１の冷媒供給孔１３
から矢印Ａのように冷媒を流通孔１２内へと供給する
と、冷媒はこの中を大略矢印Ｂのように流れ、排出孔１
４から矢印Ｃのように排出される。ボルト７に対する締
結力を調整することによって、介在層９に対して加わる
圧力を調整することができる。

【００３９】図２は、静電チャックの内部に更に抵抗発
熱体を埋設することによって、半導体ウエハーをチャッ
クしつつ同時に加熱するできるように半導体保持装置を
構成した例を示す断面図である。図１に示したものと同
じ部材には同じ符号を付け、その説明は省略することが
ある。このヒーター付き静電チャック１８においては、
基材３の表面１８ａ側の内部に静電チャック電極４が埋
設されており、電極４よりも背面１８ｂ側に抵抗発熱体
１９が埋設されている。この抵抗発熱体１９から背面側
に例えば一対の端子３０が埋設されており、各端子３０
の端面が背面１８ｂに露出している。抵抗発熱体１９の
両端部が各端子３０に対して結合されており、各端子３
０が電線２１に対して電気的に接続されている。各電線
２１は、それぞれサイリスタレギュレーター付きの電力
供給装置２２に対して接続されている。１８ｃは基材の
フランジ部である。

【００４０】半導体ウエハーを処理する際には、半導体
ウエハー１を表面１８ａに設置し、静電チャック電極４
に対して電力を供給し、ウエハー１をチャックする。そ
して、抵抗発熱体１９に対して電力を供給して発熱さ
せ、ウエハー１を吸着しつつ加熱する。この状態で、半
導体ウエハー１を加熱し、またエッチング処理などを行
う。あるいは、プラズマを発生させる場合には、プラズ
マからの熱がウエハーに入射されるのと同時に、抵抗発
熱体の発熱量を減少させて、ウエハーの温度を一定に保
つように制御する。冷却装置１１の冷媒供給孔１３から
矢印Ａのように冷媒を流通孔１２内へと供給すると、冷
媒はこの中を矢印Ｂのように流れ、排出孔１４から矢印
Ｃのように排出される。

【００４１】図３は、プラズマ発生電極装置２５、介在
層および冷却装置１１をチャンバー３２内に設置した状
態を模式的に示す部分断面図である。図４は、図３のプ
ラズマ発生電極装置２５のうち一部を切り欠いて示す斜
視図である。図１に示したものと同じ部材には同じ符号
を付け、その説明は省略することがある。

【００４２】本実施例の装置２５においては、図４に示
すような網状電極２６を使用している。網状電極２６
は、全体として円形をなしており、繊維ないし線体２６
ａを編組したものである。図４において、２６ｂは編み
目である。

【００４３】図４においては、略円盤形状の基材２１の
背面側の側周面にリング状のフランジ部２５ｃが設けら
れており、基材２１の内部に、網状電極２６からなる高
周波電極が埋設されている。表面２５ａ側には、電磁波
透過層３６が形成されている。基材２１の内部の背面２
５ｂ側には端子２７が埋設されており、端子２７が高周
波電極２６に接続されている。端子２７の端面が、基材
２１の背面２５ｂに露出している。

【００４４】プラズマ発生電極装置２５は、本実施例で
は、高周波電極２６が上面側となるように設置されてお
り、この表面２５ａにウエハー１が載置されている。電
力供給用のケーブル３８の一端が端子２７に接続されて
おり、ケーブル３８の他端がチャンバー３２外に引き出
されており、高周波電源２９に接続されている。電極２
６と対向する位置に、所定間隔を置いて平行に、対向電
極２４が設置されている。電力供給用のケーブル３７の
一端が対向電極２４に接続されており、ケーブル３７の
他端がチャンバー３２の外へと引き出されており、高周
波電源２９およびアース３１へと接続されている。な
お、プラズマ発生電極装置２５においては、高周波電源
２９に直流電源を組み合わせて接続し、この直流電源に
よって電極を静電チャック電極として機能させることが
できる。この場合には、ウエハーはプラズマを通じてア
ース３１へと接続される。

【００４５】装置２５の背面２５ｂと冷却装置１１の表
面１１ｂとの間に介在層９が挟まれており、フランジ部
２５ｃと固定具６との間に介在層１０が挟まれており、
フランジ部２５ｃと固定具６の突出部６ａとの間に介在
層２０が挟まれている。

【００４６】チャンバー内に所定のガスを導入し、一対
のケーブル３７、３８を介して高周波電力を供給するこ
とにより、ウエハー１の上のプラズマ発生領域３５に、
プラズマを発生させることができる。この際、プラズマ
発生領域３５と表面２５ａとの間に、プラズマシースが
発生する。このプラズマからの熱量が半導体ウエハーお
よび基材２１に向かって放射されるが、このとき冷却装
置１１内へと所定の冷媒を供給することによって、半導
体ウエハーの温度を安定して制御することができる。

【００４７】

【実施例】（実施例１）図１に示すような半導体保持装置を実際に製造し、その
特性を試験した。ただし、１５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を
有する窒化アルミニウムによって基材３を製造した。こ
の半導体ウエハー保持部材２の直径を２００ｍｍとし、
厚さを１０ｍｍとした。介在層として厚さ１ｍｍのシー
ト状の不織布を使用した。この不織布は、線径数十μｍ
のニッケル繊維を編むことによって製造しており、その
空隙率は６０％とした。静電チャック電極４はモリブデ
ン製の金網の平板によって形成し、端子５はモリブデン
製の直径５ｍｍの円柱状端子を使用した。冷却装置１１
はアルミニウムによって形成した。

【００４８】真空中において、この基材の表面２ａ側か
ら、図示しない加熱ヒーターによって２ｋＷの熱を入射
した。これは、実際の半導体製造装置において、表面上
で発生するプラズマの熱量を模擬するためのものであ
る。冷却装置中には冷媒として２０℃の水を流した。こ
の状態で、基材の表面２ａ、背面２ｂ、冷却装置の表面
１１ｂの温度をそれぞれ測定したところ、それぞれ４２
０℃、４１５℃、３５℃であった。即ち、基材２中では
わずか５℃の温度差しか発生しておらず、この温度差に
よる応力はほとんど存在しない。このために長時間駆動
させても、まったくクラック等は発生しなかった。一
方、厚さ１ｍｍの介在層の中で４１５℃から３５℃への
温度勾配が生じていることになる。

【００４９】また、冷却装置の表面の温度も３５℃であ
って、高温には加熱されていないので、金属製の冷却装
置の熱膨張もほとんど生じておらず、変位がきわめて少
ない。一方、セラミックスの線熱膨張係数は金属に比較
して一般的に小さい。例えば、窒化アルミニウムの線熱
膨張係数は５×１０^-6／℃であり、アルミニウムの線熱
膨張係数は２４×１０^-6／℃であって、５倍程度の相違
がある。従って、ウエハー保持装置の全体の熱膨張によ
る変形も少なかった。また、たとえセラミックス基材の
熱膨張量と冷却装置の熱膨張量とが異なっていても、不
織布が柔らかいために、両者の変位の差を吸収すること
ができる。このように、不織布は温度勾配と変位による
歪みを吸収し、装置を機械的に安全な状態に保持する役
割を果たす。本実施例では、ニッケルからなる不織布
は、１平方センチメートル当たり６Ｗの熱量を伝達する
ことができた。

【００５０】（実施例２）実施例１において、セラミッ
クス基材と冷却装置との間を機械的にクランプする圧力
を増大させ、ニッケルからなる不織布を圧縮変形させ
た。この状態で実施例１と同様に、基材の表面２ａ、背
面２ｂ、冷却装置の表面１１ｂの温度をそれぞれ測定し
たところ、それぞれ３４０℃、３３５℃、４０℃であっ
た。即ち、基材２中ではわずか５℃の温度差しか発生し
ておらず、この温度差による応力はほとんど存在しな
い。一方、介在層の中で３４０℃から４０℃への大きな
温度勾配が生じていた。また、実施例１と比較すると、
不織布の気孔率が減少し、不織布中での温度勾配が少な
くなっており、保持部材の表面における温度が低下し
た。このように、不織布への圧力を変更してその気孔率
を制御することによって、保持部材の表面の温度を制御
することができた。

【００５１】（比較例１）実施例１において、介在層を
取り除き、セラミックス基材と冷却装置との間の間隔を
１ｍｍあけた状態で両者を固定装置６によって機械的に
固定した。そして実施例１と同様にして真空中で試験を
行った。この際入射熱量を４００Ｗとしたときには、セ
ラミックス基材の表面の温度が４００℃を越えてしまっ
た。また、入射熱量を２ｋＷとした場合には、この温度
が７００℃を越えてしまった。また、基材と冷却装置と
の間の空間における熱伝達は熱輻射のみによって行われ
ている。

【００５２】（実施例３）図２に示す半導体ウエハー保
持装置を製造した。基材３の形状は円板状とし、１５０
Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する窒化アルミニウムによって
製造した。抵抗発熱体１９は、コイルスプリング状に巻
回された巻回体を使用した。また、円板状の基材を平面
的に見ると、抵抗発熱体が渦巻き状をなすように埋設さ
れている。この半導体ウエハー保持部材１８の直径を２
００ｍｍとし、厚さを２０ｍｍとした。介在層として、
ステンレス製の網状シートを使用した。この網状シート
は、線径０．２ｍｍのステンレス細線を縦横に編んで作
成した。目開きは１インチ当たり５０本相当のものを使
用した。冷却装置をアルミニウムによって製造した。

【００５３】この保持装置について、実施例１と同様の
試験を行った。即ち、基材の表面側から、別体の加熱ヒ
ーターによって２ｋＷの熱量を入射した。冷却装置の流
通路には冷媒として２０℃の水を流した。基材の表面１
８ａ、背面１８ｂ、冷却装置の表面１１ｂの温度をそれ
ぞれ測定したところ、それぞれ３５０℃、３４５℃、２
５℃であった。このウエハー保持装置は、基材中にまっ
たく破壊が発生せず、不具合は認められなかった。

【００５４】（実施例４）実施例３において、基材の表
面側から、別体の加熱ヒーターによって２ｋＷの熱量を
入射し、同時に、抵抗発熱体に対して電力を供給するこ
とによって発熱させ、かつ、冷却装置の流通路に冷媒と
して２０℃の水を流した。電力供給装置の出力を制御
し、表面１８ａの温度を測定しつつこの温度を電源にフ
ィードバックすることによって、表面１８ａの温度を４
００℃に制御することができた。即ち、表面ないしウエ
ハー設置面１８ａに対して入射している熱量と、基材内
の抵抗発熱体からの熱量の総和と、冷却装置内を流れる
冷媒による熱量の奪い取りとによって、基材の表面１８
ａの温度を安定して制御することができた。

【００５５】（比較例２）実施例３において、セラミッ
クス製の基材と冷却装置とをアルミニウムろうによって
接合した。ろう付けを行って接合体を製造し、この接合
体の温度を室温にまで降下させると、基材と冷却装置と
の熱膨張差によって基材に破壊が見られた。

【００５６】（比較例３）実施例３において、セラミッ
クス製の基材と冷却装置とをアルミニウムろうによって
接合した。ただし、冷却装置と基材との熱膨張差による
破壊を防止するために、冷却装置を熱膨張係数が低いモ
リブデンによって形成した。そして、実施例１と同様に
して、２ｋＷの熱量を表面１８ａ側に入射し、冷却装置
の流通路に冷媒として２０℃の水を流した。この結果、
セラミックス製静電チャック１８の表面１８ａの温度は
４５℃まで低下した。

【００５７】しかし、半導体プロセスに必要な温度は、
低温を必要とするプロセスを除き、通常は一層高温であ
る。このため、プロセスに必要な温度が例えば４００℃
であると考え、表面１８ａの温度を４００℃に制御する
ために、基材１８中の抵抗発熱体に対して電力を供給
し、発熱させた。しかし、このためには供給する電力を
著しく増大させる必要があったので、冷却水の流量を減
少させて温度を制御することを試みた。しかし、このよ
うな制御を行って保持部材の表面の温度を上昇させよう
とすると、基材中に温度勾配が生じ、クラックが発生し
てしまった。このとき、ウエハー保持部材と冷却装置と
を接合しているアルミニウムろうの接合層によって、１
平方センチメートル当たり１００Ｗ以上の熱を伝達した
ことになる。

【００５８】（実施例５）実施例１において不織布の材
質と厚さとを変更することによって、この介在層におけ
る熱量の伝達量を種々変更した結果、４００Ｗ〜４ｋＷ
の入射熱量の範囲内で、ウエハー保持部材の表面の温度
を４００℃に安定して制御できることを確認した。この
範囲内であれば、特に、半導体製造プロセスにおいて使
用される通常のプラズマ及び高密度プラズマによる入射
熱量に対しては好適であることがわかった。

【００５９】（実施例６）実施例１において、介在層と
して、ニッケルの発泡体を使用した。この発泡体は、粉
末冶金分野の通常の方法に従って製造した。この結果、
ウエハー保持部材の表面の温度を４００℃に安定して制
御できることを確認した。

【００６０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、例
えばプラズマや電子ビームからの熱量が半導体ウエハー
保持部材に対して入射し、これが著しく加熱されても、
冷却装置によって適切に冷却しつつ、ウエハー保持部材
中の温度勾配による熱応力による破壊や、保持部材と冷
却装置との熱膨張差に起因する変位やこれに基づく破壊
等の不具合を回避することができる。また、介在層に対
する圧力を調節することによって、ウエハー保持部材の
表面の温度を適切に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例において、セラミックス静電チ
ャックと冷却装置との間に介在層９を設けた半導体ウエ
ハー保持装置を概略的に示す断面図である。

【図２】本発明の実施例において、ヒーター付きのセラ
ミックス静電チャックと冷却装置との間に介在層９を設
けた半導体ウエハー保持装置を概略的に示す断面図であ
る。

【図３】本発明の実施例において、プラズマ発生電極装
置と冷却装置との間に介在層９を設けた半導体ウエハー
保持装置を概略的に示す断面図である。

【図４】図３のプラズマ発生電極装置を切り欠いたとき
の破断面を示す斜視図である。

【符号の説明】

１半導体ウエハー、２セラミックス静電チャック、
２ａ, １８ａ基材の表面、２ｂ, １８ｂ背面、３,
２１基材、４静電チャック電極、５静電チャック
の端子、６固定装置、９, １０, ２０介在層、１１
冷却装置、１２冷媒の流通路、１３冷媒の供給孔、
１４冷媒の排出孔、１５静電チャックの電源、１８
ヒーター付きの静電チャック、１９抵抗発熱体、２
５プラズマ発生電極装置、２６高周波電極、３６
電磁波透過層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウエハーを保持するための、窒化物
セラミックス基材を備えた半導体ウエハー保持部材と、
金属製の冷却装置と、前記半導体ウエハー保持部材と前
記冷却装置との間に挟まれている、耐熱材料製の繊維の
結合体または発泡体からなる介在層とを備えていること
を特徴とする、半導体ウエハー保持装置。
【請求項２】前記半導体ウエハー保持部材が、窒化物セ
ラミックス基材と、この基材の内部の静電チャック用電
極とを備えた静電チャックであることを特徴とする、請
求項１記載の半導体ウエハー保持装置。
【請求項３】前記半導体ウエハー保持部材が、窒化物セ
ラミックス基材と、この基材の内部の高周波電極とを備
えたプラズマ発生用電極装置であることを特徴とする、
請求項１記載の半導体ウエハー保持装置。
【請求項４】前記半導体ウエハー保持部材が、窒化物セ
ラミックス基材と、この基材の内部の抵抗発熱体とを備
えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一
つの請求項に記載の半導体ウエハー保持装置。
【請求項５】前記繊維の結合体が不織布または網状シー
トであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一
つの請求項に記載の半導体ウエハー保持装置。
【請求項６】前記介在層に対して圧力が加えられている
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求
項に記載の半導体ウエハー保持装置。
【請求項７】半導体ウエハーを保持するための、窒化物
セラミックス基材を備えた半導体ウエハー保持部材と、
金属製の冷却装置との間に、耐熱材料製の繊維の結合体
または発泡体からなる介在層を挟んで固定し、次いで前
記半導体保持部材と前記冷却装置と前記介在層を機械的
に固定して一体化することを特徴とする、半導体ウエハ
ー保持装置の製造方法。
【請求項８】半導体ウエハーを保持するための、窒化物
セラミックス基材を備えた半導体ウエハー保持部材と、
金属製の冷却装置と、前記半導体ウエハー保持部材と前
記冷却装置との間に挟まれている、耐熱材料製の繊維の
結合体または発泡体からなる介在層とを備えている半導
体ウエハー保持装置を使用するのに際して、前記介在層
に圧力を加え、この圧力を調整することによって前記半
導体ウエハー保持部材と前記冷却装置との間の熱伝達量
を調整することを特徴とする、半導体ウエハー保持装置
の使用方法。