JP4744016B2

JP4744016B2 - セラミックヒータの製造方法

Info

Publication number: JP4744016B2
Application number: JP2001197641A
Authority: JP
Inventors: 政生吉田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP2003017377A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に半導体装置の製造工程におけるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤ、などの成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置に用いられるセラミックヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造工程で使用されるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置や、プラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置においては、デポジッション用ガスやエッチング用ガス、あるいはクリーニング用ガスとして塩素系やフッ素系の腐食性ガスが使用されている。
【０００３】
そして、これら腐食性ガス雰囲気中で大きく腐食することなく半導体ウエハ（以下、ウエハと略称する。）を支持し、且つ所定の温度に加熱するため、円盤状をした緻密質の板状セラミック体の一方の主面を、ウエハを載せる載置面とするとともに、板状セラミック体中に高融点金属からなる抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータが提案されており、この種のセラミックヒータは、抵抗発熱体を載置面から一定距離離れた位置に埋設し、載置面の中心を通る平面にて板状セラミック体を切断した時、その切断面に現れる抵抗発熱体は載置面と平行に位置するように埋設されていた（特開平４−１０１３８１号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、半導体装置の集積度の向上に伴ってウエハの外径が当初６インチであったものが８インチ、１２インチと大きくなっており、ウエハの大型化に伴ってウエハを加熱するセラミックヒータも大型のものが要求されるようになっている。
【０００５】
また、ウエハの処理温度と共に要求均熱精度も年々厳しくなり、例えば、ウエハの面内温度を５００℃とする場合、そのバラツキを±５℃以下に抑えることが要求されている。
【０００６】
しかしながら、従来のセラミックヒータにおいて、その外径が８インチを超えると、板状セラミック体の外周部における熱引けが中央部と比較して大きく、載置面の周縁部が中央部より低くなるため、この上に載置するウエハの面内温度のバラツキを±５℃以下に抑えることが難しいといった課題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、板状セラミック体の一方の主面を、ウエハを載せる載置面とするとともに、上記板状セラミック体中に帯状の抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータにおいて、
（Ａ）上記載置面の中心を通る平面にて上記板状セラミック体を切断した時の切断面を見たときに、上記抵抗発熱体を結ぶ線分が下凸に湾曲した構造であり、かつ上記切断面中央部に位置する抵抗発熱体から上記載置面までの距離を、上記切断面外周部に位置する抵抗発熱体から上記載置面までの距離よりも長くし、且つ上記載置面に対する上記抵抗発熱体の平行度が０．０２〜０．６ｍｍの範囲にあるセラミックヒータ、
（Ｂ）上記載置面の中心を通る平面にて上記板状セラミック体を切断した時の切断面を見たときに、上記抵抗発熱体が下凸に湾曲した湾曲線上にあり、かつ上記切断面中央部に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離が、上記切断面外周部に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離よりも長く、且つ上記載置面に対する上記抵抗発熱体の平行度が０．０２〜０．６ｍｍの範囲にあるセラミックヒータ、
および、
（Ｃ）上記載置面の中心を通る平面にて上記板状セラミック体を切断した時の切断面を見たときに、上記切断面中央部側に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離が、上記切断面外周部側に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離よりも長く、且つ上記載置面に対する上記抵抗発熱体の平行度が０．０２〜０．６ｍｍの範囲にあるセラミックヒータ、
のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法であって、成形体またはグリーンシート積層体中に上記抵抗発熱体を、上記成形体またはグリーンシート積層体の上面からの距離が同じ距離に位置するように埋設する工程と、上記成形体またはグリーンシート積層体をドーム状の敷き板上に上記上面が上記敷き板に対向するように載せた状態で焼成することにより湾曲した板状セラミック体を製作する工程と、該湾曲した板状セラミック体の上下面を平面研削して上下面が平行となるように加工する工程と、を有する
ことを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明のセラミックヒータの製造方法においては、抵抗発熱体がどのようなパターン形状を有するものであっても良いが、ウエハが円形をしたものである場合、その面内温度を均一にするため、抵抗発熱体が存在する領域の外形を略円形とするとともに、板状セラミック体の外形も略円形とすることが望ましく、また、載置面と抵抗発熱体との間にあるセラミック部は、５００℃における熱伝導率が１０〜７０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲にある窒化アルミニウム質焼結体により形成することが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
図１はサセプタと呼ばれる本発明のセラミックヒータを示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【００１１】
このセラミックヒータ１は、円盤状をした緻密質の板状セラミック体２からなり、その上面を、ウエハＷを載せる載置面３とするとともに、板状セラミック体２の内部に帯状又は線状の抵抗発熱体４を埋設したもので、板状セラミック体２としては、直径Ｌが２０ｍｍ〜３５０ｍｍ、厚みＴが２〜２５ｍｍ程度の大きさを有し、ウエハＷの直径に対して１．１倍程度の大きさを有するものを用いることが好ましい。
【００１２】
また、板状セラミック体２中に埋設する帯状又は線状の抵抗発熱体４のパターン形状としては、図２に示すような同心円状に配置された円弧部と、隣り合う円弧部を結ぶ直線部とからなるパターン形状を有するものや、図３に示すような中央から外周へ向かう渦巻状をしたもの、あるいは図４に示すような押し返しパターン形状を有するものなど、様々なパターン形状を採用することができるが、その外形状は略円形をなし、抵抗発熱体４が存在する領域Ｐの大きさは、ウエハＷの直径に対して１．０７倍程度の大きさとすることが良い。
【００１３】
なお、５は板状セラミック体２の下面側に接合され、抵抗発熱体４と電気的に接続された給電端子である。
【００１４】
そして、このセラミックヒータ１にてウエハＷを加熱するには、載置面３にウエハＷを載せるとともに、給電端子５に通電して抵抗発熱体４を発熱させることにより、載置面３に載せたウエハＷを所定の温度に加熱するようになっている。
【００１５】
また、本発明のセラミックヒータ１によれば、載置面３の中心を通る平面にて板状セラミック体２を切断した時の切断面中央部に位置する抵抗発熱体４の載置面３からの距離（Ｔ１）を、切断面外周部に位置する抵抗発熱体４の載置面３からの距離（Ｔ２）よりも長くする（Ｔ１＞Ｔ２）とともに、載置面３に対する全ての抵抗発熱体４の平行度が０．０２ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲に入るように構成してあり、図１（ｂ）では、切断面を見たときの各抵抗発熱体４を結ぶ線分が下凸に湾曲した構造となるようにしてある。
【００１６】
その為、本発明のセラミックヒータ１によれば、外周部に位置する抵抗発熱体４を、中央部に位置する抵抗発熱体４より載置面３に近づけることができるため、外周部からの熱引けが発生したとしても載置面３の周縁部における温度が低くなることを防止することができ、載置面３の中央部と周縁部の温度差を小さくすることができるため、載置面３に載せたウエハを均一に加熱することができる。
【００１７】
ただし、載置面３に対する抵抗発熱体４の平行度が０．０２ｍｍより小さくなると、載置面３の単位面積あたりの発熱量は均一となるが、中央部に位置する抵抗発熱体４から載置面３までの距離（Ｔ１）を、外周部に位置する抵抗発熱体４から載置面３までの距離（Ｔ２）よりも長くした効果が得られず、板状セラミック体２の外周部からの放熱量が板状セラミック体２の中央部に比べ大きくなるため、載置面３の中央部に比べ周縁部の温度が低下し、例えば、載置面３の設定温度を５００℃とした場合、載置面３の温度バラツキがレンジで１％を超えることになり均熱化が阻害され、逆に、載置面３に対する抵抗発熱体４の平行度が０．６ｍｍを超えると、載置面３から抵抗発熱体４までの距離が離れすぎたり、近づき過ぎたりするため、載置面３の温度が部分的に高くなるホットスポットや部分的に低くなるクールスポットが発生し、例えば、載置面３の設定温度を５００℃とした場合、載置面３の温度バラツキがレンジで１％を超えて均熱化が阻害されることになる。
【００１８】
その為、本発明によれば、載置面３の中心を通る平面にて板状セラミック体２を切断した時の切断面中央部に位置する抵抗発熱体４の載置面３からの距離（Ｔ１）は、切断面外周部に位置する抵抗発熱体４の載置面３からの距離（Ｔ２）よりも長くするとともに、載置面３に対する全ての抵抗発熱体４の平行度を０．０２ｍｍ〜０．６ｍｍとすることが重要である。
【００１９】
なお、図１（ｂ）では、切断面を見たときの各抵抗発熱体４を結ぶ線分が下凸に湾曲した構造となるようにした例を示したが、各抵抗発熱体４を結ぶ線分がなべ底状をしたものや、逆ハット形をしたものなど、板状セラミック体２の大きさや抵抗発熱体４のパターン形状等に応じて適宜設定すれば良い。
【００２０】
ところで、セラミックヒータ１を形成する板状セラミック体２の材質としては、耐摩耗性、耐熱性に優れるアルミナ、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム等を主成分とするセラミック焼結体を用いることができるが、これらの中でも高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム質焼結体を用いることが好ましく、載置面３の均熱化を高めるためには、載置面３と抵抗発熱体４の間に位置するセラミック部を、５００℃における熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上を有する窒化アルミニウム質焼結体により形成することが好ましい。
【００２１】
これは、載置面３と抵抗発熱体４の間にあるセラミック焼結体の５００℃における熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋより低くなると、抵抗発熱体４から載置面３への熱伝導が良くないため、載置面３へ効率良く熱を伝えることができず、特に板状セラミック体２の中央部よりも放熱量が大きい外周部への熱の伝わりが悪いため、載置面３の温度バラツキが大きくなるからである。
【００２２】
ただし、窒化アルミニウム質焼結体においても熱伝導率を高めるためには、ＣｅやＹ等の希土類元素の酸化物を含有させる必要があるが、５００℃における熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋを超えると、主成分以外の成分の含有量が多くなり、ウエハ処理中のプラズマやハロゲン系腐食性ガスによって主成分以外の成分が腐食され、板状セラミック体２からパーティクルが発生し、ウエハのプロセス中に混入する不純物量が多くなり、デバイスの不良率が高くなる。
【００２３】
その為、載置面３と抵抗発熱体４との間のセラミック部は、５００℃における熱伝導率が１０〜７０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲にある窒化アルミニウム質焼結体により形成することが好ましい。
【００２４】
また、板状セラミック体２に埋設する抵抗発熱体４の形態としては、線材や膜材からなるものを用いることができるが、線材を用いる場合には、その断面積が０．０３ｍｍ²以上、１．８ｍｍ²以下であるものを用いることが好ましい。これは、線材の断面積が０．０３ｍｍ²より小さいと、板状セラミック体２中に埋設する際、線材の断線等の不具合が発生し易いからであり、逆に断面積が１．８ｍｍ²より大きくなると、線材と板状セラミック体２との熱膨張差によって作用する熱応力が大きくなり、昇温時に板状セラミック体２にクラック等が発生するからである。
【００２５】
また、膜材を用いる場合には、膜厚が５μｍ以上、１００μｍ以下であるものを用いることが好ましい。これは、膜厚が５μｍより薄いと、板状セラミック体２中に埋設する際、抵抗発熱体４の断線等の不具合が発生し易いからであり、逆に膜厚が１００μｍを超えると、膜材と板状セラミック体２との熱膨張差によって作用する熱応力が大きくなり、昇温時に板状セラミック体２にクラック等が発生するからである。
【００２６】
なお、抵抗発熱体４を構成する材質としては、タングステン、モリブデン、レニュウム、白金等の高融点金属やこれらの合金、あるいは周期表第４ａ属、第５ａ属、第６ａ属の炭化物や窒化物を用いることができ、板状セラミック体２との熱膨張差の小さいものを適宜選択して使用すれば良い。
【００２７】
次に、図１に示すセラミックヒータ１を製造するには、まず、板状セラミック体２を製作するのであるが、抵抗発熱体４が線材であるときには、セラミック粉末に、バインダーや溶媒等を加えて混練乾燥した後、造粒して顆粒を製作し、この顆粒を金型内に充填し、上パンチにてプレス成形する際、成形体上に図３〜図５に示すようなパターン形状を有する溝を形成した後、この溝に抵抗発熱体４をなす線材を配置し、さらに顆粒を充填してホットプレス成形することにより、線材からなる線状の抵抗発熱体４を埋設した板状セラミック体２を形成する。
【００２８】
また、抵抗発熱体４が薄い膜材である時には、セラミック粉末に、バインダーや溶媒等を加えてスラリーと呼ばれる泥しょうを作製し、ドクターブレード法などのテープ成形法により複数枚のグリーンシートを形成した後、予め数枚のグリーンシートを積層し、その上面に抵抗発熱体４をなす金属ペーストをスクリーン印刷機にて図３〜図５に示すようなパターン形状に形成した後、残りのグリーンシートを積層してグリーンシート積層体を製作し、その後、円盤状に切削する。しかる後、グリーンシートを焼結させることができる温度で焼成することにより、膜材からなる帯状の抵抗発熱体４を埋設した板状セラミック体２を形成する。
【００２９】
しかる後、得られた板状セラミック体２の上面に研磨加工を施してウエハＷの載置面３を形成するとともに、下面に研磨加工を施し、抵抗発熱体４の電極取出部を貫通する２つの下穴をそれぞれ穿設した後、この下穴に給電端子５をロウ付けすることにより、抵抗発熱体４と給電端子５とを電気的に接続することにより製造することができる。
【００３０】
そして、本発明の製法によれば、成形体やグリーンシート積層体中に埋設する抵抗発熱体４は、その上面からの距離が同じ距離に位置するように埋設するのであるが、ホットプレス焼結時あるいは雰囲気焼成時に、成形体又はグリーンシート積層体をドーム状の敷き板上に載せた状態で焼成することにより湾曲した板状セラミック体２を製作し、その後、板状セラミック体２の上下面を平面研削して上下面が平行となるように加工することで、板状セラミック体２の中心を通る平面にて切断した時の切断面中央部に位置する抵抗発熱体４から載置面３までの距離（Ｔ１）を、切断面外周部に位置する抵抗発熱体４から載置面３までの距離（Ｔ２）より長くすることができ、上記敷き板の高さを調整することにより、載置面３に対する抵抗発熱体4の平面度が０．０２〜０．６ｍｍの範囲内となるように制御すれば良い。
【００３１】
以上、本発明の実施形態について示したが、本発明のセラミックヒータ１は、図１に示した構造だけに限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、載置面３と抵抗発熱体４との間に静電吸着用やプラズマ発生用としての膜状電極６を埋設したものであっても構わない。
【００３２】
また、これ以外にも本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、改良や変更したものにも適用できることは言うまでもない。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
ここで、中央部に位置する抵抗発熱体から載置面までの距離と、外周部に位置する抵抗発熱体から載置面までの距離を異ならせたセラミックヒータを製作し、５００℃の温度に加熱した時の載置面の温度バラツキを測定する実験を行った。
【００３４】
本実験では、直径３００ｍｍ、厚み１７ｍｍの円盤状をした板状セラミック体２を、窒化アルミニウムの純度が９９％で、５００℃における熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋである窒化アルミニウム質焼結体により形成し、その内部にタングステンからなる帯状の抵抗発熱体を埋設した。抵抗発熱体のパターン形状は、図３に示す同心円状の円弧部と、隣り合う円弧部を結ぶ直線部とからなるパターン形状を有するものを用いた。
【００３５】
そして、各セラミックヒータに電圧を印加して載置面中心の飽和温度が５００℃となるように発熱させ、載置面上の温度分布を赤外線温度測定装置で測定し、載置面の温度バラツキを測定した。具体的には最大温度と最小温度の差が平均温度に対して何％であるかを温度バラツキとして求めた。
【００３６】
その後、載置面の中心を通る平面にて板状セラミック体を切断し、切断面を研削及びポリッシングした後、切断面中央部に位置する抵抗発熱体から載置面までの距離（Ｔ１）と、切断面外周部に位置する抵抗発熱体から載置面までの距離（Ｔ２）をそれぞれ測定するとともに、載置面に対する抵抗発熱体の平行度を測定した。
【００３７】
結果は表１に示す通りである。
【００３８】
【表１】

【００３９】
この結果、表１より判るように、切断面中央部に位置する抵抗発熱体から載置面までの距離（Ｔ１）が、切断面外周部に位置する抵抗発熱体から載置面までの距離（Ｔ２）より長く、かつ載置面に対する平行度が０．０２〜０．６ｍｍの範囲にある試料Ｎｏ．３〜７のみ、載置面における温度バラツキを１．０％以下に抑えることができ、優れた温度分布を達成することができた。
（実施例２）
そこで、表１の試料Ｎｏ．４の構造（Ｔ１＞Ｔ２：載置面に対する平行度が０．３）を有するセラミックヒータにおいて、板状セラミック体を形成する窒化アルミニウム質焼結体にＹ₂Ｏ₃を添加したり、その含有量を調整することで５００℃における熱伝導率を異ならせ、実施例１と同様に載置面の温度バラツキを測定するとともに、ウエハのプロセス中に不純物が混入して発生するパーティクルによるデバイスの不良率を調べた。
【００４０】
なお、本実験における温度バラツキは、表１の試料Ｎｏ．４における値を基準とし、測定した温度バラツキを表１の試料Ｎｏ．４における温度バラツキで除した値で評価した。
【００４１】
結果は表２に示す通りである。
【００４２】
【表２】

【００４３】
この結果、板状セラミック体の載置面と抵抗発熱体との間のセラミック焼結体の５００℃における熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・ｋ以上であれば、載置面における温度バラツキの悪化を招くことはなく、その温度バラツキを表１の試料Ｎｏ．４における値と同等以下とすることができ、特に優れていた。
【００４４】
ただし、板状セラミック体の５００℃における熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋより大きくなると、セラミック焼結体の主成分である窒化アルミニウム以外の成分の含有量が多くなり、デバイスの不良率が１％を超え悪かった。
【００４５】
この結果より、載置面と抵抗発熱体との間のセラミック部は、５００℃における熱伝導率が１０〜７０Ｗ／ｍ・Ｋである窒化アルミニウム質焼結体を用いることが良く、さらには、デバイスの不良率を考慮すると、５００℃における熱伝導率が１０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋである窒化アルミニウム質焼結体を用いることが良いことが判る。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、板状セラミック体の一方の主面を、ウエハを載せる載置面とするとともに、板状セラミック体中に帯状の抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータにおいて、上記載置面の中心を通る平面にて上記板状セラミック体を切断した時の切断面を見たときに、上記抵抗発熱体を結ぶ線分が下凸に湾曲した構造であり、かつ上記切断面中央部に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離が、上記切断面外周部に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離よりも長く、且つ上記載置面に対する上記抵抗発熱体の平行度が０．０２〜０．６ｍｍとなるようにしたことから、例えば、載置面の温度が５００℃となるように加熱した時の載置面における温度バラツキを１．０％以下とすることができ、載置面の温度分布を均一化することができる。
【００４７】
また、載置面と抵抗発熱体との間にあるセラミック部を、５００℃における熱伝導率が１０〜７０Ｗ／ｍ・ｋである窒化アルミニウム質焼結体により形成することによって、載置面の温度分布を均一化することができるとともに、パーティクルの発生を抑え、デバイスの不良率を抑えることができる。
【００４８】
その為、本発明のセラミックヒータを半導体製造装置に用いれば、半導体装置の生産効率を向上させることができるとともに、常に品質の高い半導体装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サセプタと呼ばれる本発明のセラミックヒータを示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】抵抗発熱体のパターン形状を示す平面図である。
【図３】抵抗発熱体の他のパターン形状を示す平面図である。
【図４】抵抗発熱体のさらに他のパターン形状を示す平面図である。
【図５】本発明に係るセラミックヒータの他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…セラミックヒータ
２…板状セラミック体
３…載置面
４…抵抗発熱体
５…給電端子
６…膜状電極
Ｔ１：切断面中央部に位置する抵抗発熱体から載置面までの距離
Ｔ２：切断面外周部に位置する抵抗発熱体から載置面までの距離

Claims

板状セラミック体の一方の主面を、ウエハを載せる載置面とするとともに、上記板状セラミック体中に帯状の抵抗発熱体を埋設したセラミックヒータにおいて、
（Ａ）上記載置面の中心を通る平面にて上記板状セラミック体を切断した時の切断面を見たときに、上記抵抗発熱体を結ぶ線分が下凸に湾曲した構造であり、かつ上記切断面中央部に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離が、上記切断面外周部に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離よりも長く、且つ上記載置面に対する上記抵抗発熱体の平行度が０．０２〜０．６ｍｍの範囲にあるセラミックヒータ、
（Ｂ）上記載置面の中心を通る平面にて上記板状セラミック体を切断した時の切断面を見たときに、上記抵抗発熱体が下凸に湾曲した湾曲線上にあり、かつ上記切断面中央部に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離が、上記切断面外周部に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離よりも長く、且つ上記載置面に対する上記抵抗発熱体の平行度が０．０２〜０．６ｍｍの範囲にあるセラミックヒータ、
および、
（Ｃ）上記載置面の中心を通る平面にて上記板状セラミック体を切断した時の切断面を見たときに、上記切断面中央部側に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離が、上記切断面外周部側に位置する抵抗発熱体の上記載置面からの距離よりも長く、且つ上記載置面に対する上記抵抗発熱体の平行度が０．０２〜０．６ｍｍの範囲にあるセラミックヒータ、
のいずれかのセラミックヒータの製造方法であって、成形体またはグリーンシート積層体中に上記抵抗発熱体を、上記成形体またはグリーンシート積層体の上面からの距離が同じ距離に位置するように埋設する工程と、上記成形体またはグリーンシート積層体をドーム状の敷き板上に上記上面が上記敷き板に対向するように載せた状態で焼成することにより湾曲した板状セラミック体を製作する工程と、該湾曲した板状セラミック体の上下面を平面研削して上下面が平行となるように加工する工程と、を有することを特徴とするセラミックヒータの製造方法。