JP5127378B2 - 窒化アルミニウム焼結体およびそれを用いた基板載置装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置、フラットパネルディスプレイ製造装置に使用される基板載置装置に関する発明である。

半導体プロセス用ヒータ等の基板載置装置としてセラミックス製のものが多くのプロセスに用いられてきた。これは、セラミックスの熱的、電気的、機械的特性がこれらの工程に好適だからである。特に、セラミックスは耐摩耗性に優れるため、基板との接触によるパーティクルが少ないため有利であった。近年では低パーティクル性の要求は非常に厳しくなっており、セラミックスを用いるだけでは、要求を満たすことが難しいことから、基板との接触面積を小さくすることが行われている（例えば、特許文献１）。
特開平５−２６７４３６号公報

しかしながら、接触面積が小さいと基板を加熱するときの熱応答性が低下するため、問題となっていた。この問題に対して、接触面積を小さくするために設けた突起により基体と基板との間に形成された空間にガスを対流させて加熱することが行われているが、基板の処理効率を上げるためには、より熱応答性を高めることが求められていた。

また、基板の処理工程には、加熱だけでなく、冷却しなければならない工程もある。例えば、プラズマエッチングを行う場合には、投入されたエネルギーが熱に変化されるため基板が発熱する。この場合には、エッチング処理を一定条件で行うために、基板載置装置に冷媒を流して基板を冷却することが行われる。このような場合も、冷却時の熱応答性を高めることで精度よく基板の温度を制御することが可能となる。

このように、基板載置装置においては、低パーティクル性と同時に熱応答性も要求されるが、パーティクル低減のために接触面積を小さくすれば、熱応答性が低下することになるため、低パーティクル性と熱応答性とを両立させることは困難であった。

本発明では、これらの課題を解決し、パーティクルの発生が少なく、しかも、熱応答性に優れた基板載置装置を提供する。

本発明者らは、上述の課題を解決するために鋭意研究した結果、以下の発明をするに至った。

すなわち、本発明は、窒化アルミニウムの含有量が９９．４体積％以上であり、表面粗さＲａが０．０１〜０．１μｍであり、かつ、２００℃における全放射率が６０％以上である窒化アルミニウム焼結体からなる基体と、前記基体の表面に形成され、その先端部に基板が載置される突起と、を備え、前記基体の２００℃における全放射率が、前記突起の先端部の２００℃における全放射率よりも大きいことを特徴とする基板載置装置を提供するものである。全放射率の大きい窒化アルミニウムを用いれば、熱応答性に優れた基板載置装置を得ることができる。しかも、２００℃以上の使用温度範囲における全放射率が大きいことから、高温域においても充分な熱応答性を発揮できる。

基板載置装置が、前記基体に埋設されている、又は前記表面とは反対側に露出している発熱抵抗体をさらに備えていることが好ましい。

本発明の基板載置装置は、基板が２００℃以上となるような処理工程に好適に用いられる。セラミックスは、温度が高くなると、熱伝導性が低下するため、基板との接触部での熱伝導に対して、非接触部分からの放射の効果が高温になるほど大きくなる。しかも、本発明の基板載置装置のように非接触部分の放射が接触部分の放射よりも大きいときに熱応答性が高いことを見出した。この理由は、高温ほど直接接触による熱伝導よりも輻射の効果が大きくなるからである。この効果は、基板との接触面積が小さく、熱媒体も少ない減圧下での加熱や冷却には特に有効である。

基体の放射率については、先端部の全放射率よりも大きくすることにより、基板の熱応答性を高めることができる。したがって、均熱のためのガスを用いなくとも基体からの放射により充分な均熱を図ることができ、均熱のためのガスを用いた場合にも、より効率よく均熱を図ることができる。

さらに、基体の全放射率を高めることにより、基板が載置された突起の先端部と基体との温度差を素早く低減することができる。これにより、熱膨張差による突起先端部への応力集中を抑制できる結果、基板との接触による機械的な応力と熱応力とを合わせた複合応力が低減できることからパーティクルの発生を少なくすることが可能となる。

本発明によれば、高温における全放射率が高く、基板載置装置に適した窒化アルミニウム焼結体を提供し、また、高温域においても充分な熱応答性を有する低パーティクル性の基板載置装置を提供することができる。

本発明の窒化アルミニウム焼結体においては、窒化アルミニウムの含有量は９０体積％以上とするのが望ましい。窒化アルミニウムの含有量が９０体積％未満であると全放射率は急激に低下するため好ましくない。窒化アルミニウムは、熱伝導率をあげるために２ａ族元素や３ａ族元素の酸化物からなる焼結助剤を添加することが多い。一般的に、焼結助剤の添加量は、量を増やすと熱伝導率が高くなるが、一定量以上添加すると熱伝導率の低下を引き起こすことが知られている。しかし、本発明者等の検討によれば、２ａ族元素や３ａ族元素の酸化物からなる焼結助剤の含有量が一定量以上になると熱伝導率が低下するだけでなく、全放射率の低下も生じることがわかった。したがって、２ａ族元素や３ａ族元素の酸化物からなる焼結助剤の含有量は、１０体積％以下とすることが望ましい。２ａ族元素の添加物としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等が挙げられ、３ａ族元素の添加物としては、Ｙ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｃｅ等が挙げられる。

逆に窒化アルミニウムが９０体積％以上であれば、その残部に、窒化アルミニウムよりも全放射率が小さい物質であって窒化アルミニウムと反応しない物質を添加しても影響を及ぼさないことがわかった。このような物質としては、例えば、窒化チタン、炭化チタン、炭化ケイ素、カーボン、タングステン、モリブデン等が該当する。このような物質を添加することによって、高い全放射率を維持しつつ、窒化アルミニウムの熱伝導率、体積抵抗率、強度等の制御が可能となる。これらの添加物の含有量としては、焼結助剤と同様に１０体積％以下が好ましい。

突起の基板と接触する先端部の窒化アルミニウムの含有量は、基体同様９０体積％以上であることが望ましいが、基体の窒化アルミニウムの含有量より少なくてもよい。

以下、図面を参照して、本発明の基板載置装置の一例としてセラミックスヒータをとりあげ、より詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るセラミックスヒータの概略構成を示す断面図である。セラミックスヒータ１は、基体２の載置面側に基板を載置する複数のピン状突起２を有している。突起２の高さは、ほぼ同一で、突起の先端部は平面加工されており、この先端部に基板Ｗが載置される。

窒化アルミニウムの全放射率の制御方法としては、上記のような窒化アルミニウムの含有量、添加物の種類および添加量の他、窒化アルミニウム焼結体の表面粗さを調整することによっても、制御することができる。表面粗さＲａ（ＪＩＳＢ０６０１）は０．０１〜３の範囲で調整することが好ましい。０．０１より小さいと、２００℃における全放射率が６０％以上とならないからである。また、３より大きいと、パーティクルが著しく増加するため、好ましくない。ここでいう全放射率とは、波数４００〜６０００ｃｍ^−１における放射率を指す。

突起の先端部と基体の全放射率を制御する方法としては、基体の成形時に、基体部分と先端部との配合を調整しても良いし、基体部分と先端部を同一配合で作成し、表面粗さを調整しても良い。

なお、本発明のセラミックスヒータは上記の一実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、突起の大きさ、高さ、数、および配置は限定されるものではなく任意に選択されて良い。さらには、載置部の外形も円形、四角形等、被載置基板の形状に応じて選択されて良い。

突起の形状は、上述のようなピン形状の他、リング状、格子状、網状、またはこれらの組み合わせ等、特に限定しない。ただし、先に述べたように、基板と先端部の接触面積は小さいほうが良いので、ピン形状が最も望ましい。ピン形状は、角柱、円柱等種々の形状を採用でき、基板との接触面積を基板の面積の１０％以下にすることが望ましい。

突起の高さは特に限定されないが、５〜５０μｍとすることが望ましい。基体からの放射に加えて、熱媒体としてセラミックスヒータと基板の間にＨｅガスを流して熱応答性を高めようとする場合、基板を固定しないと基板がセラミックスヒータから離脱してしまうため、セラミックスヒータに静電チャック機能を付与し、基板を静電吸着固定する必要がある。このとき、突起高さが５μｍより小さいと、Ｈｅガスの対流が不十分になることがあり、熱応答に不利になることがあるからである。この場合は均熱性も著しく低下する。また、突起高さが５０μｍより大きいと、静電吸着力が急激に低下するため、基板がセラミックスヒータから離脱しやすくなるからである。

基体に突起を形成する方法としては特に限定されず、突起を形成する部分にマスクをして、それをブラスト加工する方法の他、エッチング処理したり、マシニングにより形成したりする方法が採用できる。

また、突起を形成する基体の載置面以外の部分については、基体と同一のセラミックスであっても良いし、その他のセラミックス、金属、金属とセラミックスの複合材料等であっても良い。したがって、セラミックスの製造方法としては、常圧、ホットプレスのような焼結法の他、溶射、ＣＶＤ、ＡＤ法等の周知の方法が採用できる。

所定の全放射率を得るには、相対密度が９８％以上、気孔率は０．５％以下が望ましい。この範囲外では、範囲内に比べてパーティクルが発生し易くなる。したがって、相対密度はより大きいことが好ましく、気孔率もより小さいことが好ましい。

発熱抵抗体としては、タングステン、モリブデン等の耐熱金属を用いることができる。窒化アルミニウム焼結体からなる基体内部に埋設してあっても、表面（載置面と反対側の面）に露出していても構わない。たとえば板、箔、線または網状等の発熱抵抗体を成形時に埋設し焼結しても良いし、耐熱金属粉末のペーストを窒化アルミニウム焼結体に塗布して焼き付けても良い。

さらに、本発明の基板載置装置の実施形態としては、上述のような窒化アルミニウム焼結体からなる基体の内部または表面に発熱抵抗体を備えたセラミックスヒータの他、基体の内部に冷却媒体を流して、基板を冷却する載置装置、例えばエッチングに用いられる窒化アルミニウム静電チャック等にも適用することができる。放射率が高い物質は、吸収率も良いため、エッチング中に熱せられたウエハから熱を吸収し、エッチング処理の温度条件を一定に保つことができるという効果も期待できる。

さらに、上記のような冷却装置においても、基体の全放射率を高めることにより、基板が載置された突起の先端部と基体との温度差を素早く低減することができるので、突起先端部の熱応力を抑制し、基板との接触による機械的な応力と熱応力とを合わせた複合応力が低減できることからパーティクルの発生を少なくすることが可能となる。

窒化アルミニウムに酸化イットリウムを添加して、所定の窒化アルミニウム含有量（表１）の原料粉末を準備した。次にこの原料粉末を用いてＣＩＰ成形し、得られた成形体を還元雰囲気で焼成し、１００×１００×１０ｍｍの焼結体を得た。これらの焼結体を所定の表面粗さになるように、研削、研磨を実施した。得られた焼結体を、フーリエ変換赤外分光光度計と積分球を用いて全放射率を測定した。結果を表１に示す。なお、測定領域は波数４００〜６０００ｃｍ^−１である。

試験例１〜５では、２００℃における全放射率が６０％以上の窒化アルミニウム焼結体が得られた。一方、試験例６、７では、２００℃における全放射率が６０％よりも小さかった。

次にセラミックスヒータの実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。表１のNo1とNo.7の窒化アルミニウム含有量になるように、窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウムを添加した原料粉末を用い、モリブデン製の発熱抵抗体を埋設し焼成することで、φ210×10mmの焼結体を得た。各焼結体の相対密度は９９％、気孔率は０．５％であった。

次にこの焼結体について、円筒および平面研削を行って、絶縁層厚さを１ｍｍに、外形をφ200×8mmに加工した。さらに載置面が形成される面について平面度が３μｍ以下となるようラップ加工を行った。次に絶縁層に、図２に示したような直径Dが０．５ｍｍ、間隔Pが２ｍｍ、千鳥60°のピンパターンのマスクを貼り、ブラスト加工により高さ３０μmのピン状突起を形成した。突起の先端部および基体の研磨は、化学繊維製のクロス研磨盤を用い、砥粒を混合した研削液を用いて研磨を行い、所定の放射率になるように表面粗さＲａを調整した。

しかる後に、突起の先端部について、研磨定盤を用いたラップ加工を施し、突起先端からなる平面の平面度を１μｍ以下に調整した。載置面と反対の面に発熱抵抗体への給電端子接続のための有底孔を加工して発熱抵抗体を露出させ、ろう付けにより発熱抵抗体と端子を接続した。

ヒータを真空中に設置し、給電端子を介して発熱抵抗体に電圧を印加してセラミックスヒータの温度を４００℃に加熱しておき、そこに室温（２３℃）のウエハを載せ、ウエハが４００℃に達するまでに要した時間をそれぞれのヒータについて比較した。また、レーザー散乱方式の異物検査装置によりウエハに付着した０．２〜１．０μｍサイズのパーティクル測定を実施した。結果を表２に示す。

２００℃における基体の放射率が６０％以上である試験例８〜１０では、ウエハが４００℃に達するまでの時間が早く、またパーティクルも少なかった。一方、基体の放射率が６０％に満たない試験例１１と１２では、ウエハが４００℃に達するまでの時間が試験例８〜１０よりも長かった。また、試験例８〜１０と比べてパーティクルが多く発生した。

以上より、本発明によれば、高温域においても充分な熱応答性を有し、パーティクルの発生が抑えられた基板載置装置を提供できることが示された。

セラミックスヒータの模式断面図である。 ピン状突起の配置例を示す平面図である。

符号の説明

１；セラミックスヒータ
２；突起
３；基体
４；発熱抵抗体
５；有底孔
６；給電端子
Ｗ；ウエハ

Claims (2)

1. 窒化アルミニウムの含有量が９９．４体積％以上であり、表面粗さＲａが０．０１〜０．１μｍであり、かつ、２００℃における全放射率が６０％以上である窒化アルミニウム焼結体からなる基体と、前記基体の表面に形成され、その先端部に基板が載置される突起と、を備え、前記基体の２００℃における全放射率が、前記突起の先端部の２００℃における全放射率よりも大きいことを特徴とする基板載置装置。
2. 請求項１記載の基板載置装置において、前記基体に埋設されている、又は前記表面とは反対側に露出している発熱抵抗体をさらに備えていることを特徴とする基板載置装置。

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