JP3974841B2 - ステージ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体の製造プロセス等のプロセスガス雰囲気中において、ウェーハを加熱するステージに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体は、製造プロセスにおいて、CVD(Chemical Vapor Deposition)、PVD(Plasma Vapor Deposition)、エッチングなどの処理が施される。各プロセスで使用される装置は、円板状に切り出されたウェーハを保持するステージを備えている。このステージは、ウェーハを保持するプレートと、このプレートを支持するステムを備えている。各プロセスに応じてヒータや高周波用の電極などがプレートに埋設されている。プレートから露出するヒータや電極の端子には、配線が接続されている。ステムは、端子や配線を囲う筒状に形成されている。
【0003】
ステージは、プロセスチャンバに入れられて、プロセスガスに曝される。金属部品は、プロセスガスに腐食され、金属パーティクルが飛散する原因となる。したがって、プレートとステムは、セラミックで造られるとともに、端子や配線などの金属部品がプロセスガスに曝されないように、ステムは、プレートに対して気密に接合される(例えば、特許文献1参照。)。そして、プレートとステムとの接合力を大きくするために、ステムにフランジを設け、プレートとの接触面積を大きくしたものがある(例えば、特許文献2参照。)。
【0004】
また、プレート(セラミックヒータ)とステム(円筒状体)のいずれかに損傷が生じた場合に両者を分離し故障したほうだけを交換できるようにしたステージがある(例えば、特許文献3参照。)。このステージは、ステムの端面に形成されたフランジとプレートとの間に軟質金属からなる円環状部材を挿入し、ボルトで締付けることで気密にシールしている。
【0005】
【特許文献1】
特公平6−28258号公報(第3頁の右欄の第2行−第4行、第2図)
【0006】
【特許文献2】
特許第2525974号公報(段落0017、第1図)
【0007】
【特許文献3】
特許第3131010号公報(段落0007−0008、段落0014、第1図)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プレートとステムを一体に接合すると、温度が上がったときに接合部に応力が働き破損してしまう恐れがある。また、接合部を通してヒータの熱がステムに伝わるので、プレート上の温度斑が生じやすく、半導体製造プロセスの処理条件が不安定となる。
【0009】
軟質金属の円環状部材をステム(円筒状体)とプレート(セラミックヒータ)との間に挿入し、気密にシールをするとともに、応力を緩和させたものは、円筒状体の内側が外気に曝されている。したがって、端子や配線が酸化しやすい。また、外気と接する部分から放熱し、セラミックヒータの温度分布に斑が生じる。特に、セラミックヒータから円筒状体へ軟質金属の円環状部材を伝わって熱が逃げやすく、温度差による熱応力が作用して、セラミックヒータが破損する恐れがある。
【0010】
また、円環状部材を円筒状体とセラミックヒータの間で押圧するために、セラミックヒータの外周を支持部材で押えている。しかし、セラミックヒータが大径化し、円環状部材とセラミックヒータの外周までの距離が離れるほど、セラミックヒータが撓みやすい。そのため、セラミックヒータの平坦度が損なわれたり、気密状態を維持するために必要な押圧力が得られなくなったりする恐れがある。また、各部材の線膨張係数の差により、加熱時にシール部がずれ、気密性が損なわれる恐れがある。そのため、円環状部材に対するセラミックヒータと円筒状体との押し付け力を安定させるために、複雑な機構を必要としている。
【0011】
そこで、本発明は、簡単な構造で、昇温時にステムの内側と外側との間の気密性を保つとともに、プレートの温度分布が均一なステージを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るステージは、抵抗過熱によって発熱するヒータが埋設されたプレートと、ヒータに接続されてプレートから露出する端子と、端子を囲む環状にプレートに形成される第1シール面と、端子を囲む筒状に形成されてプレートを支持するステムと、プレートを支持する側のステムの端面に環状に形成された第2シール面と、プレートと反対側のステムの開口端を塞ぐ蓋と、蓋を貫通して端子に接続される配線と、第1シール面と第2シール面の間に挿入され、プレート及びステムの線膨張係数よりも線膨張係数が大きいシールリングと、シールリングと第1シール面との間に取り付けられる第1シール部材と、シールリングと第2シール面との間に取り付けられる第2シール部材と、プレートとステムとを固定する締結部材とを備える。
【0014】
第1シール面をステムから離れる方向に凹んだ第1溝に形成し、第2シール面をプレートから離れる方向に凹んだ第2溝に形成する。そして、第1シール部材として、第1溝の内径側の壁と底とに接する第1シール内径部材と、第1溝の外径側の壁と底とに接する第1シール外径部材とを設け、第2シール部材として、第2溝の内径側の壁と底とに接する第2シール内径部材と、第2溝の外径側の壁と底とに接する第2シール外径部材とを設ける。
【0015】
または、第1シール面を締結部材よりも内径側で、ステムから離れる方向に凹んだ第1凹部の少なくとも外周壁に形成し、第2シール面を締結部材よりも内径側で、プレートから離れる方向に凹んだ第2凹部の少なくとも外周壁に形成し、シールリングは、第1凹部の内径側に入り込んだ第1凸部と、第2凹部の内径側に入り込んだ第2凸部を備える。
また、シールリングのずれを防止するために、締結部材をシールリングに貫通させる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第1の実施形態のステージ1について、図1及び図2を参照して説明する。図1に示すステージ1は、プレート2とステム3とシールリング4と第1シール部材5と第2シール部材6とを備えている。このステージ1は、半導体のウェーハWをプレート2上に保持する。ステージ1は、プロセスチャンバ7の中に配置され、ウェーハWを保持した状態で、そのプロセスに応じたプロセスガスに曝される。
【0017】
プレート2は、セラミックで造られており、ヒータ8と電極9とを内蔵している。ヒータ8は、抵抗加熱によって発熱する。ヒータ8は、耐熱性に優れ、線膨張係数の小さい金属、線膨張係数がプレート2を形成するセラミックの線膨張係数に近い金属であることが好ましく、具体的には、モリブデンやタングステンなどが挙げられる。ヒータ8に電力を供給する端子10は、プレート2から露出している。電極9は、プラズマ処理をウェーハWに施すときなどに使用するグランド用の電極であって、ウェーハWを保持する面に近い位置に埋設されている。電極9は、ヒータ8用の端子10と同じ側に露出する電極9用の端子11に接続されている。また、プレート2には、ヒータ8の温度管理をするために、端子10,11が露出する側に熱電対12を差し込むソケット13が取り付けられている。なお、熱電対12は、プレート2の端子10,11が露出する側に直接取付けても良い。さらに、ヒータ8用の端子10と電極9用の端子11とソケット13とを囲んで環状に、第1溝14がプレート2に設けられ、第1シール面15が第1溝14に形成されている。
【0018】
ステム3は、セラミックで造られており、ヒータ8用の端子10と電極9用の端子11及び熱電対12用のソケット13を囲う十分な太さの筒状に形成されている。ステム3は、両端にフランジ3a,3bが形成されている。プレート2に面したフランジ3aには、第1溝14と向かい合わせの位置に第2溝16が形成され、第2シール面17がこの第2溝16に形成されている。また、もう一方のフランジ3bには、Oリング溝18が形成されている。Oリング溝18には、Oリング19が装着され、ねじ20で蓋21が取り付けられる。
【0019】
端子10,11に接続される配線22,23とソケット13に差し込まれる熱電対12とは、蓋21を貫通して設けられる。配線22,23および熱電対12と蓋21との隙間は、パッキングなど、例えばOリング24が取り付けられて気密に封じられる。また、蓋21には、ステム3の内部に不活性ガスを充満させるノズル25が取り付けられている。ノズル25には、圧力調整弁26や流量調整弁、及び不活性ガスが入ったボンベなどが接続される。ステム3の内部は、プロセスチャンバ7の内部に充満するプロセスガスの圧力よりも高い圧力で不活性ガスが供給される。
【0020】
シールリング4は、プレート2及びステム3よりも伝熱抵抗が大きく、断熱性に優れたセラミックで造られている。また、プレート2やステム3に使用するセラミックよりも、線膨張係数が大きいセラミックをシールリング4に使用する。シールリング4は、プレート2に形成された第1溝14とステム3に形成された第2溝16に嵌り込み、第1シール面15と第2シール面17との間に挿入される。
【0021】
図2に示すように、第1シール部材5は、シールリング4と第1シール面15との間に挿入される。この第1シール部材5には、第1溝14の内径側の壁14aと底14bとに接する第1シール内径部材5aと、第1溝14の外径側の壁14cと底14bとに接する第1シール外径部材5bとがある。同様に、第2シール部材6は、シールリング4と第2シール面17の間に挿入される。この第2シール部材6には、第2溝16の内径側の壁16aと底16bとに接する第2シール内径部材6aと、第2溝16の外径側の壁16cと底16bとに接する第2シール外径部材6bとが有る。つまり、シールリング4の四角に第1及び第2シール部材5,6が配置された状態となっている。第1シール部材5(第1シール内径部材5a、第1シール外径部材5b)と第2シール部材6(第2シール内径部材6a、第2シール外径部材6b)とは、軟質金属で造られる。軟質金属の具体的な例として、ニッケル、インコネル合金(商品名:インコ社)、ハステロイ(商品名:Haynes Stellite社)ステンレス鋼など、耐熱性、耐食性に優れた合金を焼鈍して軟化させたものが挙げられる。
【0022】
プレート2とステム3とは、締結部材であるねじ27で固定される。このねじ27は、シールリング4を貫通している。第1シール内径部材5aと第2シール内径部材6aとは、ねじ27よりも内径側に、第1シール外径部材5bと第2シール外径部材6bとは、ねじ27よりも外径側に位置している。また、ねじ27は、温度変化によってねじ山を破損しないように、プレート2と同じ線膨張係数の部材、好ましくは、異なる硬さで同じ線膨張係数のセラミックで造られることが好ましい。
【0023】
以上のように構成されたステージ1において、図1に示すように、ヒータ8や電極9の配線22,23及び熱電対12は、制御装置28に接続される。制御装置28は、熱電対12で検出される温度を基に、ヒータ8に供給する電流を制御することで、プレート2の温度を制御する。また、制御装置28は、プロセスチャンバ7に供給されるプロセスガスの圧力とステム3の内側に供給される不活性ガスの圧力差を検出する差圧計29の信号を基に、不活性ガスの圧力調整弁26を制御する。
【0024】
プロセスチャンバ7内において、プレート2が加熱されると、第1溝14に接している第1シール部材5を伝わった熱でシールリング4が温められて膨張する。シールリング4の線膨張係数は、プレート2及びステム3の線膨張係数よりも大きいので、同じように温度が上昇した場合、シールリング4の周長の伸びは、第1溝14及び第2溝16の周長の伸びよりも大きい。そのため、シールリング4は、第1溝14及び第2溝16に対して、半径が大きくなる外径方向に移動する。また、シールリング4は、軸方向にも膨張する。ステージ1が使用されるプロセスの処理温度に昇温することで、シールリング4が膨張し、第1シール部材5を第1溝14に、第2シール部材6を第2溝16にそれぞれ押し当てる。つまり、第1及び第2シール外径部材5b、6bは、第1溝14及び第2溝16の外周面14c、16cとシールリング4の外周面とによって、それぞれ半径方向に押圧され、第1及び第2シール内径部材5a,6aは、第1溝14及び第2溝16の底面14b,16bとシールリング4の上下面とによって、それぞれ軸方向に押圧される。
【0025】
その結果、第1シール部材5と第2シール部材6がシールリング4と第1溝14及び第2溝16とに密着し、ステム3の内側と外側とは、気密に遮断される。
【0026】
ウェーハWが均質に処理されるために、プレート2が所望する温度に加熱されたことが制御装置28によって確認されて、はじめて、プロセスガスは、プロセスチャンバ7内に供給される。ステージ1は、プレート2が所望の温度に加熱された状態で、ステム3の内側と外側を気密に遮断する。したがって、プロセスチャンバ7内のプロセスガスが、ステム3内に浸入しない。つまり、端子10,11、配線22,23、ソケット13、および熱電対12がプロセスガスに曝されない。
【0027】
また、シールリング4は、伝熱抵抗が大きい断熱性に優れたセラミックでできている。シールリング4は、プレート2とステム3との間に挿入されている。そして、シールリング4と第1シール面15の間に第1シール部材5が取り付けられ、シールリング4と第2シール面17の間に第2シール部材6が取り付けられている。第1溝14と第1シール部材5、第1シール部材5とシールリング4、シールリング4と第2シール部材6、第2シール部材6と第2溝16のそれぞれの接触面積、すなわち伝熱面積は、小さい。したがって、ヒータ8の熱が、ステム3に伝わり難く、プレート2の温度が安定する。
【0028】
なお、設定温度よりもやや低い温度でステム3の外部と内部とが気密に遮断されるように、シールリング4、第1溝14、第2溝16、第1シール部材5、第2シール部材6の寸法を決めることで、加熱された状態で各部材に大きな応力が作用しないので良い。
【0029】
次に、本発明に係る第2の実施形態のステージ1について、図3を参照して説明する。なお、図3に示すシールリング31の周辺の構成以外については、第1の実施形態と同じであるので、その説明を省略する。
【0030】
図3に示すように、第1シール面15は、ねじ27よりも内径側で、ステム3から離れる方向に凹んだプレート2の第1凹部32の外周壁32aと底32bに形成されている。第2シール面17は、プレート2から離れる方向に凹んだステム3の第2凹部33の外周壁33aと底33bに形成されている。それぞれ第1凹部32は、第1の実施形態の第1溝14に相当し、第2凹部33は、第1の実施形態の第2溝16に相当する。したがって、それぞれ溝であっても良い。
【0031】
シールリング31の内周端31aは、第1凹部32及び第2凹部33について、深さ方向に入り込んだ第1凸部31bと第2凸部31cが形成されている。いいかえると、シールリング31の内周端31aは、リングを横切る断面が、いわゆるT形をしている。第1シール部材34は、第1凹部32の外周壁32a及び底32bと第1凸部31bとの間に配置され、第2シール部材35は、第2凹部33の外周壁33a及び底33bと第2凸部31cとの間に配置されている。シールリング31は、ねじ27に貫通されている。
【0032】
シールリング31は、プレート2及びステム3に使用しているセラミック材料の線膨張係数よりも線膨張係数が大きいセラミック材料を適用する。そして、ステージ1が使用されるプロセスの処理温度に昇温された状態で、シールリング31が、第1シール部材34を第1凹部32の第1シール面15に、第2シール部材35を第2凹部33の第2シール面17に、それぞれ押し当てる寸法に、第1凹部32と第2凹部33とシールリング31とが形成されている。また、シールリング31の材料は、伝熱抵抗が大きく、断熱性に優れているセラミックを適用する。
【0033】
以上のように構成されたステージ1は、プレート2上にウェーハWを支持し、プロセスチャンバ7の中に配置される。シールリング31の材料は、プレート2及びステム3の材料よりも線膨張係数が大きく、処理温度で第1シール部材34を第1シール面15に、第2シール部材35を第2シール面17にそれぞれ押し付ける。そして、プレート2、第1シール部材34、シールリング31、第2シールリング35、ステム3によって、ステム3の内側と外側とを気密に遮断する。
【0034】
プロセスチャンバ7は、ヒータ8が所望する温度に加熱されたあと、プロセスガスで満たされる。つまり、ステム3の内側は、プロセスガスが供給される前に気密に遮断されている。したがって、ステム3の内側にある端子10,11、配線22,23、熱電対12などの金属部品は、プロセスガスに曝されない。また、ノズル25によって、不活性ガスがステム3の内側に供給されているので、端子10,11、配線22,23、熱電対12等の金属部品が酸化されることもない。さらに、プレート2とステム3との間に、伝熱抵抗の大きいシールリング4が挿入されている。したがって、ヒータ8の熱が、ステム3に伝わり難く、プレート2の温度が安定する。
【0035】
第1及び第2の実施形態におけるプレート2、ステム3、シールリング4,31、ねじ27に使われるセラミック材料の具体的な組合せの一例を挙げる。プレート2には、窒化アルミニウム系、ステム3には、アルミナ系、シールリング4,31には、マグネシア系を用いる。なお、セラミック材料として、この他にジルコニア系、窒化珪素系、サイアロン系、窒化チタン系、チタニア系などを適用することができるので、用途に応じて、これらの材料を選択することも可能である。
【0036】
また、プレート2とステム3とがねじ27で固定されているので、どちらかに不具合が生じた場合に、不具合の生じている側のみを交換するだけでよい。したがって、ステージ1の保全費用を少なく抑えることができる。
【0037】
また、第1溝14や第1凹部32を形成せずに第1シール面15をプレート2の端子10,11が露出する側に直接形成し、第2溝16や第2凹部33を形成せずに第2シール面をステム3のフランジ3aに直接形成し、ステム3の内部と外部とを気密に遮断することもできる。シールリング4,31は、加熱されたヒータ8の熱が伝わって、半径方向及び軸方向に膨張する。シールリング4,31の線膨張係数はプレート2やステム3の線膨張係数よりも大きい。またシールリング4,31は、軸方向の寸法よりも直径の寸法の方が大きい。従って、シールリング4,31は、温度が上がることで、プレート2やステム3に対して半径方向に拡がる。第1シール面14および第2シール面16に沿う方向に拡がるので、ステム3の内側と外側の気密を損なうことはない。
【0038】
【発明の効果】
本発明にかかるステージによれば、プレートとステムとはねじによって固定されているので分離可能である。また、プレートに形成された第1シール面とステムに形成された第2シール面の間には、プレート及びステムよりも線膨張係数が大きいシールリングが挿入されている。さらに、シールリングと第1シール面との間に第1シール部材が挿入され、シールリングと第2シール面との間に第2シール部材が挿入されている。プレートに内蔵されるヒータなどに接続されてプレートから露出する端子及びこの端子に接続された配線は、筒状に形成されたステムの内側に通されている。ヒータによってプレートが処理温度に加熱されると、第1シール部材を伝った熱でシールリングが膨張する。シールリングは、体積膨張することで、直径が大きくなるとともに、断面積が大きくなる。その結果、第1シール部材と第2シール部材は、シールリングによって、第1シール面及び第2シール面に押し付けられ、ステムの内側と外側とが気密に遮断される。プロセスガスは、プレートの温度が処理温度になってから供給されるので、端子や配線などステムの内側にある金属部品は、プロセスガスに曝されて腐食することがない。
【0039】
また、熱は、第1シール部材、シールリング、第2シール部材を介して、プレートからステムに伝わる。また、プレートと第1シール部材、第1シール部材とシールリング、シールリングと第2シール部材、第2シール部材とステムの間の接触面積、すなわち伝熱面積が小さいので、プレートの熱がステムに伝わり難い。したがって、プレートの温度分布が均一になる。
【0040】
さらに、プレートの第1溝或いは第1凹部に第1シール面を設け、ステムの第2溝或いは第2凹部に第2シール面を設けた発明によれば、シールリングが直径方向に大きくなることによって、第1シール部材及び第2シール部材をより強固にシール面に押し付ける事ができるので、ステムの内側と外側との気密性が増す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1の実施形態のステージを備える半導体プロセス装置を示す断面図。
【図2】図1のステージのシールリングとその周辺を示す断面図。
【図3】本発明に係る第2の実施形態のステージのシールリングとその周辺を示す断面図。
【符号の説明】
1…ステージ
2…プレート
3…ステム
4,31…シールリング
5,34…第1シール部材
6,35…第2シール部材
8…ヒータ
10…端子
14…第1溝
14a…内径側の壁
14b…底
14c…外径側の壁
15…第1シール面
16…第2溝
16a…内径側の壁
16b…底
16c…外径側の壁
17…第2シール面
22…配線
27…ねじ(締結部材)
32…第1凹部
32a…外周壁
33…第2凹部
33a…外周壁
Claims (5)
- 抵抗過熱によって発熱するヒータが埋設されたプレートと、
前記ヒータに接続されて前記プレートから露出する端子と、
前記端子を囲む環状に前記プレートに形成される第1シール面と、
前記端子を囲む筒状に形成されて前記プレートを支持するステムと、
前記プレートを支持する側の前記ステムの端面に環状に形成された第2シール面と、
前記プレートと反対側の前記ステムの開口端を塞ぐ蓋と、
前記蓋を貫通して前記端子に接続される配線と、
前記第1シール面と前記第2シール面の間に挿入され、前記プレート及び前記ステムの線膨張係数よりも線膨張係数が大きいシールリングと、
前記シールリングと前記第1シール面との間に取り付けられる第1シール部材と、
前記シールリングと前記第2シール面との間に取り付けられる第2シール部材と、
前記プレートと前記ステムとを固定する締結部材と、を備え、
前記第1シール面は、前記ステムから離れる方向に凹んだ第1溝に形成され、
前記第2シール面は、前記プレートから離れる方向に凹んだ第2溝に形成され、
前記第1シール部材は、前記第1溝の内径側の壁と底とに接触する第1シール内径部材と、前記第1溝の外径側の壁と底とに接触する第1シール外径部材とを有し、
前記第2シール部材は、前記第2溝の内径側の壁と底とに接触する第2シール内径部材と、前記第2溝の外径側の壁と底とに接触する第2シール外径部材とを有している
ことを特徴とするステージ。 - 抵抗過熱によって発熱するヒータが埋設されたプレートと、
前記ヒータに接続されて前記プレートから露出する端子と、
前記端子を囲む環状に前記プレートに形成される第1シール面と、
前記端子を囲む筒状に形成されて前記プレートを支持するステムと、
前記プレートを支持する側の前記ステムの端面に環状に形成された第2シール面と、
前記プレートと反対側の前記ステムの開口端を塞ぐ蓋と、
前記蓋を貫通して前記端子に接続される配線と、
前記第1シール面と前記第2シール面の間に挿入され、前記プレート及び前記ステムの線膨張係数よりも線膨張係数が大きいシールリングと、
前記シールリングと前記第1シール面との間に取り付けられる第1シール部材と、
前記シールリングと前記第2シール面との間に取り付けられる第2シール部材と、
前記プレートと前記ステムとを固定する締結部材と、を備え、
前記第1シール面は、前記締結部材よりも内径側で、前記ステムから離れる方向に凹んだ第1凹部の少なくとも外周壁に形成され、
前記第2シール面は、前記締結部材よりも内径側で、前記プレートから離れる方向に凹んだ第2凹部の少なくとも外周壁に形成され、
前記シールリングは、前記第1凹部の内径側に入り込んだ第1凸部と、前記第2凹部の内径側に入り込んだ第2凸部を備える
ことを特徴とするステージ。 - 前記シールリングは、アルミナ系のセラミックで造られ、前記第1シール部材と前記第2シール部材とは、軟質金属で造られていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のステージ。
- 抵抗過熱によって発熱するヒータが埋設されたプレートと、
前記ヒータに接続されて前記プレートから露出する端子と、
前記端子を囲む環状に前記プレートに形成される第1シール面と、
前記端子を囲む筒状に形成されて前記プレートを支持するステムと、
前記プレートを支持する側の前記ステムの端面に環状に形成された第2シール面と、
前記プレートと反対側の前記ステムの開口端を塞ぐ蓋と、
前記蓋を貫通して前記端子に接続される配線と、
前記第1シール面と前記第2シール面の間に挿入され、前記プレート及び前記ステムの線膨張係数よりも線膨張係数が大きいシールリングと、
前記シールリングと前記第1シール面との間に取り付けられる第1シール部材と、
前記シールリングと前記第2シール面との間に取り付けられる第2シール部材と、
前記プレートと前記ステムとを固定する締結部材と、を備え、
前記シールリングは、マグネシア系のセラミックで造られ、前記第1シール部材と前記第2シール部材とは、軟質金属で造られていることを特徴とするステージ。 - 前記シールリングは、前記締結部材に貫通されていることを特徴とする請求項1から請求項4の内のいずれか1項に記載のステージ。
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