JP4311910B2 - 半導体製造装置用保持体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に用いる保持体に関するものであり、特にコータデベロッパでのフォトリソグラフィー用樹脂膜の加熱硬化や、Ｌｏｗ−ｋのような低誘電率の絶縁膜の加熱焼成に好適に用いられる半導体製造装置用保持体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造においては、シリコンウエハ上のＡｌ回路やＣｕ回路はＡｌスパッタやＣｕメッキ等によって形成されるが、近年の半導体の高集積化や小型化に伴って配線幅及び配線間幅は年々細くなってきている。
【０００３】
Ａｌ回路やＣｕ回路の配線パターンはフォトリングラフィー技術により形成される。例えばＡｌ膜上に樹脂を均一に塗布した後、ステッパと呼ばれる露光装置で樹脂膜にパターンが刷り込まれ、樹脂膜を加熱硬化させて不要部分を除去することにより、配線用のＡｌ膜上に抜きパターン樹脂膜を形成する。その後、エッチング装置で抜きパターン部分に沿ってＡｌ膜をエッチングし、樹脂膜を除去することでパターン化されたＡｌ配線が得られる。
【０００４】
また、配線同士が近づくと配線間の信号の相互作用が生じるため、配線間や積層した層間は低誘電率の絶縁材料で埋めることにより、配線間の相互作用を無くすことが必要である。従来このための絶縁材料として酸化ケイ素が用いられていたが、更に誘電率の低い絶縁膜としてＬｏｗ−ｋと呼ばれる材料が用いられるようになってきた。Ｌｏｗ−ｋの絶縁膜は、その材料を溶いてスラリー状にし、これをスピンコートして均一膜を形成し、上記と同様にフォトリングラフィー技術によりパターン形成した後、ヒータで加熱焼成して固化させる方法によって形成されている。
【０００５】
上記のようなフォトリソグラフィー用樹脂膜の加熱硬化や、Ｌｏｗ−ｋ膜のような低誘電率の絶縁膜の加熱焼成に用いるヒータとしては、例えば抵抗発熱体であるＳＵＳ箔を石英板でサンドイッチしたヒータを用いていた。しかし、ヒータの均熱性や耐久性に問題があるため、均熱性に優れ且つ耐久性の高い加熱装置が望まれていた。
【０００６】
一方、各種薄膜の形成に用いるＣＶＤ装置においては、高熱伝導率で高耐食性のＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４中にＭｏコイルを埋設したセラミックス製ヒータが使用されている。このセラミックス製ヒータは、そのウエハ保持面の裏側に筒状のＡｌＮ支持体の一端を接合し、他端をチャンバ−にＯ−リング封止して支持される。また、耐腐食性の低い電極端子や電極供給用の引出線は、チャンバー内で用いる腐食性ガスに曝されないように、筒状のＡｌＮ支持体の内側に収納されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体製造におけるコスト低減のためシリコンウエハの大型化が進められており、近年では８インチから１２インチへと移行している。そのため、フォトリソグラフィー用樹脂膜の加熱硬化や、Ｌｏｗ−ｋのような低誘電率の絶縁膜の加熱焼成に用いるヒータに対して均熱性向上の要求が高まってきている。具体的には、ヒータのウエハ保持面における均熱性が±１.０％以内、望むらくは±０.５％以内とすることが要望されている。
【０００８】
一般に、セラミックス製のヒータでは、ウエハ保持部を安定させたり、電極端子をチャンバー内雰囲気から保護したりするために、ウエハ保持部と支持体を接合する場合がある。その場合、ウエハ保持部と支持体の熱膨張率が異なると、昇温や冷却の過程で材料間の熱膨張率の違いにより熱応力が発生し、脆性材料であるセラミックスに割れが発生するため、ウエハ保持部と支持体は同じ材料を用いて接合していた。
【０００９】
しかし、ウエハ保持面の均熱性を高めるためウエハ保持部に高熱伝導率の材料を用いると、支持体も高熱伝導率の同一材料にする必要があるため、ウエハ保持部の抵抗発熱体で発生した熱は高熱伝導率の支持体を介して極めて効率的に逃げていく。そのため、ウエハ保持部の温度が支持体との接合部分で大きく低下し、ウエハ保持部の均熱性は低くならざるを得なかった。
【００１０】
また、接合した支持体に熱が逃げることによってウエハ保持部の均熱性が低下することを防ぐため、低熱伝導率で且つウエハ保持部と熱膨張率の異なる支持体を接合すると、熱膨張率差による熱応力により脆性材料であるセラミックス製のウエハ保持部にクラックが入るという問題があった。
【００１１】
更に、支持体をチャンバーに設置する箇所の温度を下げて、チャンバー側の材料の熱劣化を防ぐため、チャンバーの支持体設置部近傍を水などで冷却することが通常行われている。その場合に、支持体が短いと温度勾配がきつくなるため、その熱衝撃で支持体が割れやすかった。熱衝撃による割れを防ぐためには支持体を通常３００ｍｍ程度に長くする必要があり、従ってこの支持体を収納するチャンバーの高さも大きくせざるを得ず、装置全体の小型化に制約があった。
【００１２】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、ウエハ保持面の均熱性に優れ、コータデベロッパでのフォトリソグラフィー用樹脂膜の加熱硬化や、Ｌｏｗ−ｋのような低誘電率の絶縁膜の加熱焼成に好適に使用でき、装置全体の小型化が可能な半導体製造装置用保持体を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する半導体製造装置用保持体は、抵抗発熱体を有するセラミックス製のウエハ保持部と、ウエハ保持部を支持する支持体とからなり、支持体の熱伝導率がウエハ保持部の熱伝導率よりも低く、ウエハ保持部と支持体が接合されており、ウエハ保持部と支持体の熱膨張率差が２.０×１０^−６／℃以下であって、前記ウエハ保持部がＡｌＮであり、前記支持体がＡｌＮ又はムライトを主成分とすることを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明は、上記した半導体製造装置用保持体のいずれかを用いた半導体製造装置を提供するものである。また、この本発明が提供する前記半導体製造装置は、フォトリソグラフィー用樹脂膜の加熱硬化、又は低誘電率の絶縁膜の加熱焼成に用いられる装置であることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
半導体製造過程において、コータデベロッパに用いるフォトリソグラフィー用樹脂膜の加熱硬化や、Ｌｏｗ−ｋの加熱焼成は、ハロゲン元素を含む腐食性ガスを用いるＣＶＤ装置やエッチング装置と異なり、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈ_２等を雰囲気として用いるため、ハロゲンに腐食されやすい材料を主成分とする電極でも腐食されず、チャンバーへのコンタミ等の問題も発生しない。
【００１９】
従って、これらの非腐食性雰囲気を用いる半導体製造装置では、必ずしも支持体を筒状にし、その内部にウエハ保持部に設けたヒータの電極端子や引出線を収納し、チャンバー内雰囲気から完全にシールして分離する必要はない。そのため、ウエハ保持部と支持体とを気密接合することが必須ではなく、ウエハ保持部を支持体に接合せず、例えば支持体上に載置するだけで支持することが可能である。
【００２１】
支持体を通じた熱の逃げを抑制するという観点からは、上記のようにウエハ保持部と支持体は接合せず、例えば載置するだけの方が良い。しかしながら、ウエハ保持部を安定させたり、ウエハ保持部に露出した電極端子をチャンバー内雰囲気から保護したりするために、ウエハ保持部と支持体とを接合して固定することが好ましい場合もある。
【００２２】
ウエハ保持部と支持体を接合して固定する場合、ウエハ保持部と支持体の熱膨張率が大きく異なると、熱膨張収縮量の違いから接合部に熱応力が発生し、脆性材料であるセラミックスにクラックが入ることがある。これを防ぐため、本発明においては、ウエハ保持部と支持体とを接合する場合に、ウエハ保持部と支持体の熱膨張率差を２.０×１０^−６／℃以下にすることにより、熱膨張収縮量の違いによって発生する熱応力を抑制でき、ヒートサイクル時の熱応力による割れを抑えることができる。
【００２３】
上記したウエハ保持部と支持体を接合する本発明において、ウエハ保持部の均熱性を上げ、且つ支持体の長さを短くするためには、ウエハ保持部はできるだけ高熱伝導率の材料、少なくとも支持体よりも高熱伝導率の材料を用いると同時に、支持体にはできるだけ熱伝導率の低い材料を用いることが好ましい。
【００２４】
ウエハ保持部の材料は、具体的には、高熱伝導率、耐熱性、絶縁性の観点から、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４から選ばれた少なくとも１種のセラミックスが好ましい。その中でも、特に熱伝導率が高く、耐熱性、耐食性に優れたＡｌＮがより好ましい。
【００２５】
ウエハ保持部にＡｌＮを用いた場合、支持体の材料としては、ＡｌＮの熱膨張率４．５×１０^−６／℃に近い熱膨張率４.０×１０^−６／℃をもつムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）を主成分とする材料を用いることが好ましい。ムライトは熱伝導率も４Ｗ／ｍＫと非常に低く、熱の逃げを抑制する効果も大きいため、ウエハ保持部の均熱性がより一層向上する。しかも、支持体の長さを短くしても、ウエハ保持部と支持部と容器設置部の温度勾配がきつくならず、熱衝撃による支持体の割れが抑制できるため信頼性が向上する。
【００２６】
更に、ムライトにアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を添加して支持体の熱膨張率を調整し、ウエハ保持部を構成するＡｌＮの熱膨張率に近似させることもできる。例えば、ムライトにアルミナを添加して、熱膨張率をほぼ４.５×１０^−６／℃に調整した支持体を用いると、ウエハ保持部と支持体との接合部に掛かる熱応力が大幅に減少するため、接合後の冷却や昇降温のヒートサイクルが掛かっても熱応力を大幅に減少させることができ、信頼性を大幅に向上させることができる。
【００２７】
【実施例】
実施例１
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に、焼結助剤として０.５重量％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を加え、更に有機バインダーを添加して分散混合した後、スプレードライにより造粒した。この造粒粉末を、焼結後に直径３５０ｍｍ×厚み５ｍｍとなる寸法に、一軸プレスにより２枚成形した。この成形体を温度８００℃の窒素ガス気流中で脱脂し、窒素気流中にて温度１９００℃で６時間焼結した。得られたＡｌＮ焼結体の熱伝導率は１８０Ｗ／ｍＫであった。２枚の焼結体の表面を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨した。
【００２８】
片方のＡｌＮ焼結体上に、Ｗ粉末に焼結助剤とエチルセルロース系のバインダーを添加混練したＷスラリーを用いて抵抗発熱体回路を印刷し、９００℃の窒素気流中で脱脂した後、１８５０℃で１時間加熱して焼き付けた。残りの焼結体上には、接合用のガラスにエチルセルロース系のバインダーを添加混練したスラリーを塗布し、９００℃の窒素気流中で脱脂した。
【００２９】
これら２枚のＡｌＮ焼結体の接合用ガラス面と抵抗発熱体面を重ね合わせ、ずれ防止のため５０ｇ／ｃｍ^２の荷重を掛けた状態で、１８００℃で２時間加熱して接合することにより、図１に示すように、内部に抵抗発熱体２が埋設されたＡｌＮ製のウエハ保持部１を作製した。このウエハ製保持部１の裏面に、内部の抵抗発熱体２に接続される電極端子（図示せず）を接合し、更に系外の電源に電気的に接続される電力供給用の引出線３を接合した。
【００４７】
上記ウエハ保持部の作製に用いたＡｌＮ粉末に、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を５重量％添加し、押出し用のバインダーを添加して、焼結後に外径１００ｍｍ×内径９０ｍｍ×長さ１００ｍｍの円筒形状になるように成形した。これを９００℃の窒素気流中で脱脂し、１８５０℃で６時間焼結し、両端部を研磨加工して支持体とした。このＡｌＮ焼結体の熱伝導率は８０Ｗ／ｍＫ、及び熱膨張率は４.６×１０^−６／℃であった。
【００４８】
このＡｌＮ製の支持体の片端部にＢ−Ｓｉ系のガラスを塗布し、上記したＡｌＮ製のウエハ保持部（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、熱膨張率は４.５×１０^−６／℃）に８００℃で接合した。図１に示すように、この支持体４の片端をチャンバー５にクランプ固定し、チャンバー５内をＮ _２ 雰囲気で０.１ｔｏｒｒの減圧にし、系外から抵抗発熱体２に電力を供給して５００℃に加熱し、支持体４のチャンバー５に固定した竿部を水冷しながら、ウエハ保持体１のウエハ７を保持する面全体の均熱性を測定したところ、５００℃±０.５％であった。また、同じ保持体を１０個作製し、室温と５００℃の間を５００回昇降温してヒートサイクル試験を行ったが、ヒートサイクル後も１０個全て問題無かった。
【００４９】
実施例２
ウエハ保持部を支持する支持体として、ムライト（３Ａｌ _２ Ｏ _３ ・２ＳｉＯ _２ ）からなり、外径１００ｍｍ×内径９０ｍｍ×長さ１００ｍｍの円筒形の支持体を準備した。このムライト製支持体の熱伝導率は４Ｗ／ｍＫであった。支持体の両端部を研磨加工し、片端部にＢ−Ｓｉ系のガラスを塗布して、実施例１と同じＡｌＮ製のウエハ保持部に８００℃で接合した。尚、上記ＡｌＮとムライトの熱膨張率差は０.５×１０^−６／℃であった。
【００５０】
得られた保持体について実施例１と同じ評価を行ったところ、均熱性は５００℃±０.４３％であった。また、同じ保持体を１０個作製し、実施例１と同様にヒートサイクル試験を行ったが全て問題無かった。
【００５１】
実施例３
ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）にＡｌ_２Ｏ_３を添加して熱膨張率が４.５×１０^−６／℃になるように調整した複合体からなり、外径１００ｍｍ×内径９０ｍｍ×長さ１００ｍｍの円筒形の支持体を準備した。この支持体の両端部を研磨加工し、片端部にＢ−Ｓｉ系のガラスを塗布して、実施例１と同じＡｌＮ製のウエハ保持部に８００℃で接合した。
【００５２】
得られた保持体について実施例１と同じ評価を行ったところ、均熱性は５００℃±０.４１％であった。また、同じ保持体を１０個作製し、実施例１と同様にヒートサイクル試験を行ったが全て問題無かった。
【００５３】
実施例４
実施例１と同じＡｌＮ製のウエハ保持部を準備した。また、支持体には実施例３と同じ材料を用い、下記の形状の支持体を作製した。即ち、支持体ａは外径３５０ｍｍ×内径３３０ｍｍ×長さ１００ｍｍの１本、及び支持体ｂは外径１０ｍｍ×内径９ｍｍ×長さ１００ｍｍのものを２本作製した。
【００５４】
これらの支持体ａ及び支持体ｂの両端部を研磨加工し、片端部にＢ−Ｓｉ系のガラスを塗布して、ＡｌＮ製のウエハ保持部に窒素中にて８００℃で接合した。ただし、支持体ａはウエハ保持部の裏面中央に、２本の支持体ｂはウエハ保持部の裏面でそれぞれ各電極端子に被せるように接合した。
【００５５】
得られた各保持体について実施例１と同じ評価を行ったところ、支持体ａを用いた保持体の均熱性は５００℃±０.４４％であり、２本の支持体ｂを用いた保持体の均熱性は５００℃±０.４０％であった。また、それぞれ同じ保持体を１０個作製し、実施例１と同様にヒートサイクル試験を行ったが全て問題無かった。
【００５６】
比較例１
実施例１と同じ方法でＡｌＮ製のウエハ保持部を作製した。支持体はウエハ保持体と同じＡｌＮ製で、外径１００ｍｍ×内径９０ｍｍ×長さ３００ｍｍとした。これらのウエハ保持部と支持体の熱伝導率は共に１８０Ｗ／ｍＫであった。支持体の両端部を研磨加工し、片端部にＢ−Ｓｉ系のガラスを塗布して、ウエハ保持部に８００℃で接合した。
【００５７】
得られた保持体について実施例１と同じ評価を行ったところ、均熱性は５００℃±１.５％であった。また、同じ保持体を１０個作製し、実施例１と同様にヒートサイクル試験を行ったが全て問題無かった。
【００５８】
比較例２
支持体の長さを１００ｍｍに短くした以外は、比較例１と同じ方法でウエハ保持部及び支持体を作製した。ウエハ保持部及び支持体ともＡｌＮ製であり、熱伝導率は１８０Ｗ／ｍＫであった。この支持体とウエハ保持部を、比較例１と同様に接合した。
【００５９】
得られた保持体について実施例１と同じ評価を行ったところ、均熱性は５００℃±２.０％であった。また、同じ保持体を５００℃で１時間保持したところ、保持体端部の水冷による熱衝撃で支持体が破損した。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、ウエハ保持面の均熱性を±１.０％以内、好ましくは±０.５％以内とすることができ、装置全体の小型化が可能な半導体製造装置用保持体を提供することができる。この半導体製造装置用保持体は、コータデベロッパでのフォトリソグラフィー用樹脂膜の加熱硬化や、Ｌｏｗ−ｋのような低誘電率の絶縁膜の加熱焼成に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】チャンバー内に本発明の保持体を固定した状態を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
１ ウエハ保持部
２ 抵抗発熱体
３ 引出線
４ 支持体
５ チャンバー

Claims (4)

1. 抵抗発熱体を有するセラミックス製のウエハ保持部と、ウエハ保持部を支持する支持体とからなり、支持体の熱伝導率がウエハ保持部の熱伝導率よりも低く、ウエハ保持部と支持体が接合されており、ウエハ保持部と支持体の熱膨張率差が２.０×１０^−６／℃以下であって、前記ウエハ保持部がＡｌＮであり、前記支持体がＡｌＮ又はムライトを主成分とすることを特徴とする半導体製造装置用保持体。
2. 前記支持体がムライトとアルミナの複合体であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体製造装置用保持体。
3. 請求項１又は２に記載の半導体製造装置用保持体を用いた半導体製造装置。
4. フォトリソグラフィー用樹脂膜の加熱硬化、又は低誘電率の絶縁膜の加熱焼成に用いられる装置であることを特徴とする、請求項３に記載の半導体製造装置。

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