JP4148180B2 - 半導体製造装置用ウェハ保持体 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置用ウェハ保持体に関し、特に、ウェハを保持しながら加熱する機能を有したヒータ保持体あるいはヒータ付静電チャック保持体に関するものである。

半導体ウェハの表面をエッチングしたり成膜したりする際、ウェハをラックに多数個保持してバッチ式でエッチングや成膜用のガスを流し、必要に応じて外周からヒータで加熱する（ホットウォール式）という手法が用いられていた。

しかし近年、半導体に対する高集積化、高速化の要求が厳しくなるに従い、装置内の場所による温度やガスの流れの不均一に起因するエッチングや形成される膜の品質のばらつきが問題になってきた。そこで複数のエッチング装置や成膜装置を並べて、それら装置間をローダを用いてウェハを自動送りで１枚ずつ処理する枚葉式（サセプタ加熱）に切換わりつつある。その際、ローダでエッチング装置や成膜装置チャンバ内の保持体にウェハを載せて、保持体に静電チャックで固定するか、または保持体のウェハ支持面の面精度を上げて静置密着させた状態で保持体から熱を直接与えてウェハを均一に加熱する方法が採られている。したがって、保持体は少なくともウェハに接する部分は、腐食性の高いハロゲンガスなどのガスに対する耐食性と高い熱伝導率を有する材料で構成され、かつ保持体自身に静電チャック機能や機械固定機能、およびヒータ機能を付与する必要がある。

そこで、保持体の材料としては、耐食性、高熱伝導率を有する窒化アルミニウムが注目されてきた。窒化アルミニウムは高熱伝導率ゆえヒータ配線で発生した熱を素早く拡散させるため、ウェハを素早く加熱できるだけでなく、窒化アルミニウム保持体内が均熱化されるためウェハの均一加熱に適している。

しかし、上記の保持体では、ヒータで発生した熱はウェハ保持面方向だけでなく全方位に素早く伝わっていく。このため、熱はウェハ保持面と逆方向の背面側にも伝わっていき、エネルギが無駄に消費され、エネルギロスが大きかった。

かつ背面側には配線の電極や温度制御のための温度測定端子の配線類やチャンバとのシールが存在するため、加熱すると劣化が著しくなるという問題もあった。

しかし、窒化アルミニウム成形体の間にＭｏなどのワイヤーやコイルを挟み込んでホットプレスしたり、窒化アルミニウム成形体の表面にＷやＭｏなどの高融点金属のペーストを塗布して、複数の窒化アルミニウムを積層して同時焼結するという手法では、ヒータの上側と下側とは同じ窒化アルミニウム素材となり、ヒータで発生した熱は下側にも同量拡散していっていた。

そこで、形状的に背面側を絞った構造にして熱が拡散しにくくするなどの工夫が成されていたが、その部分が高熱伝導率の窒化アルミニウムである限り自ずと限界があった。

それゆえ本発明の目的は、ウェハ保持面の背面側への熱の拡散を防止できる半導体製造装置用ウェハ保持体を提供することである。

本発明の一の局面に従う半導体製造装置用ウェハ保持体は、ヒータとそのヒータを挟み込む１対のセラミックス基材とを備え、かつヒータを挟んで互いに対面するウェハ保持面と背面とを有するものであって、ヒータより背面側のセラミックスはウェハ保持面の部分と比較して低い熱伝導率を有し、ヒータとウェハ保持体の背面との間に空隙部による断熱部を有することを特徴とする。

本発明の一の局面に従う半導体製造装置用ウェハ保持体では、ヒータ下部に空隙部があり、空隙部が断熱構造として働くため、ヒータ下部（背面側）へ熱が逃げることを防止でき、ウェハ保持面に載置されたウェハを効率的に加熱することができる。これにより、ウェハを素早く加熱できるだけでなく、保持体下部に配置されたシールの劣化を抑制することもできる。

上記の半導体製造装置用ウェハ保持体において好ましくは、１対のセラミックス基材のうち背面側のセラミックス基材は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以下の材質よりなる。

これにより、背面側のセラミックス基材に断熱作用を付与することができる。

上記の半導体製造装置用ウェハ保持体において好ましくは、１対のセラミックス基材のうち背面側のセラミックス基材とヒータとの間には介在層が形成されており、介在層は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以下の接着層である。

これにより、接着層に断熱作用を付与することができる。

上記の半導体製造装置用ウェハ保持体において好ましくは、接着層の厚みは１０μｍ以上である。

これにより、接着層の断熱作用をより向上させることができる。

上記の半導体製造装置用ウェハ保持体において好ましくは、セラミックス基材の材質は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素よりなる群から選ばれる１種以上よりなる。

これにより、耐食性および高熱伝導性を有する材質を適切に選択することができる。

上記の半導体製造装置用ウェハ保持体において好ましくは、空隙部の厚みは、０．０１ｍｍ以上である。

これにより、空隙部の断熱作用をより向上させることができる。

以上説明したように本発明では、ヒータより背面側のセラミックスがヒータよりウェハ保持面側の部分と比べて熱伝導率が低いセラミックスよりなる構成、またはヒータより背面側の部分に断熱層が形成された構成、またはヒータとウェハ保持体の背面との間に空隙部がある構成が採られている。これらの構成が単独で、または組合せられることにより、ヒータ背面側へ熱が逃げることを防止でき、保持体上に配置されたウェハを効率的に加熱することができる。これにより、ウェハを素早く加熱できるだけでなく、保持体下部に配置されたシールの劣化を抑制することもできる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態におけるウェハ保持体を備えた半導体製造装置の構成を概略的に示す断面図である。図１を参照して、半導体製造装置は、真空容器５０内に、ウェハ保持体１０と、プラズマ発生用上部電極３０と、ガスシャワー体４０とを主に備えた構成を有している。

ウェハ保持体１０は、その表面にウェハ２０を保持するものであり、ウェハ２０を加熱するためのヒータ１と、プラズマ発生用下部電極２と、ウェハ２０を静電チャックするための静電チャック用電極３とを有している。

図２は、本発明の一実施の形態におけるウェハ保持体の構成を概略的に示す断面図である。図２を参照して、本実施の形態のウェハ保持体１０は、ヒータ１とプラズマ発生用下部電極２と静電チャック用電極３との各々をセラミックス基材４で挟み込んで積層した構成を有している。各セラミックス基材４同士は、たとえばガラスなどの酸化物よりなる接着層５により接着されている。

本実施の形態では、図２に示す構成において、ヒータ１の背面側構造Ａに断熱効果が付与されている。

断熱構造として、背面側構造Ａを、ウェハ保持面側構造Ｂと比べて低い熱伝導率を有する構造とすることにより、背面側構造Ａに断熱効果を付与する手法がある。上記構造は、ウェハ保持面側構造Ｂのセラミックス基材４にたとえば１５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材質（たとえば窒化アルミニウム）を用い、背面側構造Ａのセラミックス基材４にそれよりも小さい１００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有するセラミックスを用いることで実現できる。特に背面側構造Ａに用いられるセラミックス基材４の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以下であれば、断熱効果が大きくなるため好ましい。また、背面側構造Ａに用いられるセラミックス基材４の材質としては、耐食性などを考慮すると、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素よりなる群から選ばれる１種以上であることが好ましいが、特に窒化アルミニウムであることが好ましい。

また背面側構造Ａの側面も面積が小さいとはいえ、腐食ガスにさらされる可能性があるため、１００Ｗ／ｍＫ以下の窒化アルミニウムとすることが好ましい。

なお、窒化アルミニウムは通常、１７０Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を有している。この窒化アルミニウムの熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以下に調整するには、たとえば窒化アルミニウムに酸素、Ｓｉ、遷移金属などを添加して焼結するという手法が最も簡単であるが、低い熱伝導率を実現する手法はこの方法に特に限定されない。

また背面側構造Ａの接着層５が１０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有することにより、断熱効果が大きくなるため好ましい。またその接着層５の膜厚Ｔ１は１０μｍ以上であることが好ましい。また、１層当り１０μｍ以上の膜厚の接着層５を２層以上設けて熱を伝え難くすることもできる。

また背面側構造Ａは、図３に示すようにウェハ保持面側構造Ｂと略同一の外形状を有する断熱構造をなしていてもよい。この場合、背面側構造Ａの外周面とウェハ保持面側構造Ｂの外周面とは連続した表面を構成することになる。

また断熱構造として、図４に示すようにヒータ１とウェハ保持体１０の背面との間に空隙部４Ａを設けた構造とする手法があり、これにより背面側構造Ａの断熱効果が飛躍的に向上する。空隙部４Ａが真空であれば断熱に最も効果があるが、空隙部４Ａにガスが入っていても十分な断熱の効果が得られる。空隙部４Ａを設けない場合に比べ、ウェハ加熱面の設定温度を同じにすると、必要発熱量が半分近くに軽減され、背面側への断熱効果は非常に高い。厚みが０．０１ｍｍ以上の空隙部４Ａを設けるとその断熱効果は特に顕著になる。空隙部４Ａを２層以上設け、任意の断面における空隙部４Ａの厚みの合計が０．０１ｍｍ以上になるようにされてもよい。

なお背面側構造Ａの構成材料に多孔質材料を用いて、任意の断面における隙間（空隙部）の有効厚み合計が０．０１ｍｍとされても構わない。

空隙部４Ａは基板の一方あるいは他方に窪みを形成して接合することによって形成される。しかし、空隙部４Ａを設けると保持体１０の機械的な強度は低下する可能性がある。そこで、図５および図６に示すように空隙部４Ａに複数個の支持部４Ｂを設けた複合構造にすることにより、必要な機械的強度を保ちながら断熱効果を上げるという方法もある。

なお、図６は図５の上下の部材を重ね合わせた構造の断面図である。また図３、図５および図６においては、説明の便宜上、プラズマ発生用下部電極２や静電チャック用電極３の図示は省略してある。

なお上記の断熱構造は、図７や図８に示すようにヒータ層１とプラズマ発生用下部電極２または静電チャック用電極３との２層構造からなるものにも適用され得る。また２層構造の場合、ヒータ１の上方の導電層にプラズマ発生用下部電極および静電チャック用電極としての双方の機能を併せ持たせてもよい。

また上記の断熱構造は、図９や図１０に示すようにヒータ層１の１層のみの構成にも適用され得る。

また上記の断熱構造は、図１１に示すようにプラズマ発生用電極を用いない半導体製造装置に適用されるウェハ保持体１０に適用されてもよい。この場合、ウェハ保持体１０にはプラズマ発生用下部電極は形成されない。

なお、ウェハ保持面側構造Ｂのセラミックス基材４の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが、ウェハを素早く加熱する上で好ましい。ウェハ保持面側構造Ｂのセラミックス基材４の材質としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素よりなる群から選ばれる１種以上であることが好ましいが、特に窒化アルミニウムであることが好ましい。

また、背面側構造Ａのセラミックス基材４をウェハ保持面側構造Ｂのセラミックス基材４と比べて低い熱伝導率を有するセラミックスとする構成、背面側構造Ａに断熱層が形成された構成、およびヒータ１とウェハ保持体１０の背面との間に空隙部が設けられた構成のすべての構成の組合せ、または任意の各２つの構成の組合せにより、各断熱効果が組合されて、高い断熱効果を得ることができる。

次に、本実施の形態のウェハ保持体の製造方法について説明する。

窒化アルミニウム焼結体は従来の手法で製造することができる。その方法では、通常は、まず窒化アルミニウム粉末に焼結用の助剤の粉末を混合する。しかし、実用時の耐食性を考えると同助剤は少ない方が望ましい。またその際、必要に応じて成形のため有機質のバインダーが添加される。これらの成形は粉末プレス、シート成形など従来の手法が用いられる。次にヒータ回路が形成される。ヒータ回路の形成方法は２種類あり、１つの方法はポストメタライズ法である。

ポストメタライズ法では、この成形体が脱脂された後、所定の温度で焼結される。焼結はホットプレス、常圧焼結、ＨＩＰなど公知の手法のいずれを用いてもよい。この基板上に高融点金属であるＷ、Ｍｏ、あるいは配線材料として公知のＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ｎｉ−Ｃｒが必要なパターンに形成される。パターンの形成はたとえば前記金属粉末に焼成用の助剤とバインダーを含んだペーストとを高精度パターンにて印刷塗布することにより行なわれる。これが乾燥、脱脂された後、焼成される。

もう１つの方法は、コファイアー法である。コファイアー法では、上記未焼結の成形体上に上で述べたＷやＭｏなどの高融点金属を含んだペーストが塗布され、脱脂された後、塗布された金属層と窒化アルミニウムとが同時に焼結される。

いずれかの手法で作製したメタライズ基板同士、あるいはメタライズ基板と非メタライズ基板とが接合されてヒータ１を埋設した構造が得られる。メタライズ基板同士の接合ではメタライズ面同士を合せて接合することはない。

その接合は酸化物層（接着層）５を介して、ヒータ回路１が酸化物層５とウェハ保持面との間に存在するように行なわれる。ヒータ回路１とウェハ保持面との間に酸化物層５がくるように接合してしまうと、保持体上に半導体ウェハを載せて、同ウェハを加熱する際のヒータとなる層からの伝熱効率が低下し、かつ背面への熱のロスが大きくなる。酸化物層５はメタライズ面あるいは非メタライズ面に塗布して焼付けることによって形成することもできるし、溶射によって塗布することもできる。蒸着やＣＶＤ、ＰＶＤなどを用いた方法でもよいが、その方法では、厚膜形成効率が悪い。印刷や溶射により塗布するのは酸化物粉末でもよいし、加熱により酸化物に変化する材料なら、有機塩や無機塩または窒化物、フッ化物、炭化物が用いられてもかまわない。酸化物粉末がガラス粉末でもかまわない。最終的に形成された酸化物層５の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以下になり、基板同士を接合できる材料であれば特に制約がない。

（実施例１）
窒化アルミニウム粉末に焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃を５質量％、バインダーとしてポリビニルアルコールを添加してエタノールを溶媒としてボールミルにて分散混合した。これをスプレードライ乾燥後、焼結上がりでφ３０５ｍｍ×１ｍｍになるように２枚プレス成形した。これを８００℃窒素中で脱脂し、１８００℃で４時間焼結した。焼結体の熱伝導率は１７５Ｗ／ｍＫであった。得られた焼結体の上下面をダイヤモンド砥粒にて研磨し、φ３００ｍｍになるまで外周を研磨した。

Ｗ粉末と焼成助剤をエチルセルロースバインダーにて混練した高融点金属ペーストを、１枚の焼結体上にヒータ線幅が１ｍｍ、線間隔が１ｍｍの渦巻き状配線を全面に形成したパターンで塗布した。これを窒素中８００℃で脱脂し、窒素中１６００℃にて焼付けてヒータ配線を形成した。また、もう１枚のφ３００×１ｍｍの焼結体上に０．５Ｗ／ｍＫのガラス粉末をエチルセルロースバインダーで混練し５０μｍの厚みに印刷した。これを５００℃で脱脂した後、ヒータ配線を形成した上記焼結体と重ねて、Ｍｏ製の治具で固定し、５００ｇの重しを載せて、８００℃にて窒素中で接合した。

２００Ｖの電圧で電流を流すことによって保持体表面が７００℃になるように設定した。その際のヒータ発熱量は２．０Ｗ／ｍｍ²になった。

（比較例１）
実施例１と同じ方法で成形体を準備した。Ｗ粉末と焼成助剤をエチルセルロースバインダーにて混練した高融点金属ペーストを、この成形体上に塗布した。同ペーストの印刷パターンは、焼結収縮後に実施例１と同じパターンになるように設計した。８００℃窒素中で脱脂した後、この上に同ペーストを印刷していない成形体を重ね、加圧して密着させた。その後、１８００℃で４時間焼結した。

２００Ｖの電圧で電流を流すことによって保持体表面が７００℃になるように設定した。その際のヒータ発熱量は２．６Ｗ／ｍｍ²になった。

（比較例２）
実施例１と同じ手法にて成形体を作製した。この上に０．５ｍｍのＭｏワイヤーを渦巻状に曲げて作製した発熱体を置いた。この上に同じ形状の成形体を載せ、８００℃の窒素中で脱脂し、カーボン製の型に入れて１８００℃で４時間ホットプレスした。得られた焼結体の上下面をダイヤモンド砥粒にて研磨し、φ３００ｍｍになるまで外周を研磨した。窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫであり、厚みは２ｍｍであった。

２００Ｖの電圧で電流を流すことによって保持体表面が７００℃になるように設定した。その際のヒータ発熱量は２．８Ｗ／ｍｍ²になった。

（実施例２）
実施例１と同じ手法にて、熱伝導率が１７５Ｗ／ｍＫの焼結体を作製した。Ｗ粉末と焼成助剤をエチルセルロースバインダーにて混練した高融点金属ペーストを、この焼結体上に実施例１と同じパターンで塗布した。これを窒素中８００℃で脱脂し、窒素中１６００℃にて焼付けてヒータ配線を形成した。また、もう１枚のφ３００×１ｍｍで熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫの非メタライズの窒化アルミニウム焼結体上に、ＳｉＯ₂系のガラス粉末をエチルセルロースバインダーで混練し印刷した。これを５００℃で脱脂した後、ヒータ配線を形成した上記焼結体と重ねて、Ｍｏ製の治具で固定し、５００ｇの重しを載せて７００℃にて窒素中で接合した。

２００Ｖの電圧で電流を流すことによって保持体表面が７００℃になるように設定した。その際のヒータ発熱量は２．２Ｗ／ｍｍ²になった。

（実施例３）
実施例１と同じ手法にて、外径が焼結上りでφ３２０ｍｍで熱伝導率が１７５Ｗ／ｍＫの焼結体を作製した。Ｗ粉末と焼成助剤をエチルセルロースバインダーにて混練した高融点金属ペーストを、その焼結体上に実施例１と同じパターンで塗布した。これを窒素中８００℃で脱脂し、窒素中１６００℃にて焼付けてヒータ配線を形成した。また熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫでφ３２０×１ｍｍの非メタライズ基板を準備し、その基板にφ３００ｍｍで０．１ｍｍの深さの窪みを中央に設けた。その非メタライズ基板上に、ＳｉＯ₂系のガラス粉末をエチルセルロースバインダーで混練し印刷した。これを５００℃で脱脂した後、ヒータ配線を形成した上記焼結体と重ねて、１０ｍｍ幅の外周部で接合した。この接合は、Ｍｏ製の治具で双方の基板を固定し、５００ｇの重しを載せて、７００℃にて窒素中で加熱することにより行なった。

２００Ｖの電圧で電流を流すことによって保持体表面が７００℃になるように設定した。その際のヒータ発熱量は１．５Ｗ／ｍｍ²になった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべ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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の一実施の形態におけるウェハ保持体を備えた半導体製造装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態におけるウェハ保持体の構成を概略的に示す断面図である。 ヒータの下側構造が上側構造と略同一の外形を有することを説明するための斜視図である。 空隙部が設けられたウェハ保持体の構成を概略的に示す断面図である。 空隙部に支持部を設けたウェハ保持体の構成を概略的に示す斜視図である。 空隙部に支持部を設けたウェハ保持体の構成を概略的に示す断面図である。 導電層がヒータと別の導電層との２層からなるウェハ保持体の構成を示す概略断面図である。 導電層がヒータと別の導電層との２層からなるウェハ保持体において空隙部が設けられた構成を概略的に示す断面図である。 導電層がヒータ単層からなるウェハ保持体の構成を概略的に示す断面図である。 導電層がヒータ単層からなるウェハ保持体において空隙部が設けられた構成を概略的に示す断面図である。 プラズマ発生用電極を有しない半導体製造装置に本実施の形態のウェハ保持体が適用された様子を示す概略断面図である。

符号の説明

１ ヒータ、２ プラズマ発生用下部電極、３ 静電チャック用電極、４ セラミックス基材、４Ａ 空隙部、４Ｂ 支持部、５ 接着層、１０ ウェハ保持体。

Claims (6)

1. ヒータと前記ヒータを挟み込む１対のセラミックス基材とを備え、かつ前記ヒータを挟んで互いに対面するウェハ保持面と背面とを有する半導体製造装置用ウェハ保持体であって、
   前記ヒータより前記背面側のセラミックスは、前記ウェハ保持面の部分と比較して低い熱伝導率を有し、前記ヒータと前記ウェハ保持体の前記背面との間に空隙部による断熱部を有する、半導体製造装置用ウェハ保持体。
2. 前記１対のセラミックス基材のうち前記背面側のセラミックス基材は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以下の材質よりなる、請求項１に記載の半導体製造装置用ウェハ保持体。
3. 前記１対のセラミックス基材のうち前記背面側のセラミックス基材と前記ヒータとの間には介在層が形成されており、前記介在層は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以下の接着層である、請求項１に記載の半導体製造装置用ウェハ保持体。
4. 前記接着層の厚みは１０μｍ以上である、請求項３に記載の半導体製造装置用ウェハ保持体。
5. 前記セラミックス基材の材質は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素および炭化珪素よりなる群から選ばれる１種以上よりなる、請求項１に記載の半導体製造装置用ウェハ保持体。
6. 前記空隙部の厚みは、０．０１ｍｍ以上である、請求項１に記載の半導体製造装置用ウェハ保持体。

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