JP5382602B2 - ウエハ保持体および半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置に使用されるウエハ保持体に関するものであり、特に急速加熱、急速冷却を要求される分野に使用される枚葉式ウエハ保持体、およびそれを搭載した半導体製造装置に関する。また特に成膜用に使用されるＣＶＤ用サセプタやプラズマＣＶＤ用サセプタ、エッチング用サセプタ、アッシング用サセプタとして好適に用いることができるウエハ保持体、およびそれを搭載した半導体製造装置に関する。

従来から半導体製造プロセスにおいては、ウエハを加熱したり、あるいはプラズマを発生させ、成膜やエッチング、アッシング等の処理を行っている。これらのプロセスに使用するウエハ保持体としては、金属製や耐食性に優れたセラミックス製のウエハ保持体が知られている。

例えば特公平６−２８２５８号公報には、容器内に設置され、加熱体が埋設され、ウエハ加熱面が設けられたセラミックス製のヒーター部と、このヒーター部に設けられ、前記容器との間に気密性シールを形成するセラミックス製の凸状筒状支持体とを有するウエハ保持体が記載されている。

また、通常、複数のチャンバーがセットとなっている装置の中で、プロセス温度に応じて低温用、高温用のチャンバーとして使用されている。このようにプロセスの温度を変更する場合は、複数のチャンバーを準備することが通常良く取られる手法である。

また、特開２００４−１４６５５号公報には、可動式の冷却モジュールが開示されている。この手法によれば、一つのウエハ保持体で昇温も冷却もできるようになっている。
特公平６−２８２５８号公報 特開２００４−１４６５５号公報

近年、半導体製造プロセスにおいては、スループットの向上が求められ、それに伴ってウエハ保持体の冷却速度、昇温速度の向上が求められている。しかしながら上記のウエハ保持体の場合、ウエハに対して、ウエハを加熱するためのセラミックスヒータ、及びそれを冷却するための冷却モジュールが取り付けられているものの、必ずしも充分な冷却速度、昇温速度が得られているとは言えない状況になりつつある。

ウエハ載置台の冷却速度を上げるには、冷却モジュールを素早く冷却することが考えられ、そのため金属等で形成された冷却モジュールの内部に冷媒の流路を形成し、流路に冷媒を通して冷却する構成も提案されている。しかしながら、かかる構成を採用しても、ウエハ載置台は、冷却モジュールをウエハ載置台と接触させて冷却する、即ち、冷却モジュールを介して間接的に冷却する方法であるため、ウエハ載置台の冷却速度の飛躍的な向上は望めなかった。また、加熱時においても、冷却モジュールがウエハ載置台と接触しているため、ウエハ載置台のほかに冷却モジュールも加熱され、ウエハ載置台の加熱に関して充分な昇温速度を得ることはできなかった。

そこで本願においては、従来に比較して、ウエハ載置台の冷却速度を飛躍的に向上させると共に、昇温速度の向上をも図ることが可能なウエハ保持体、およびそれを搭載した半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明においては、高温になったウエハ載置台に対して直接冷媒を噴射することによって冷媒で直接ウエハ載置台を冷却することにより、上記課題を解決することができる。

すなわち、本発明に関連する第１の技術は、
ウエハを載置するウエハ載置面、および加熱体を備えたウエハ載置台と、
前記ウエハ載置台を前記ウエハ載置面の反対側から支持するウエハ載置台支持体とが設けられ、
さらに、前記ウエハ載置台の前記ウエハ載置面の反対側の面に向けて冷媒を噴射する冷媒噴射モジュールが設けられていることを特徴とするウエハ保持体を提供する。

第１の技術においては、冷媒噴射モジュールを用いて、ウエハ載置台に冷媒を直接噴射して、直接的にウエハ載置台を冷却するため、冷却速度を格段に速くすることができる。即ち、冷却モジュール内部に冷媒を流して、ウエハ載置台と接触させることにより間接的に冷却する従来の方法に対し、冷媒噴射モジュールからウエハ載置台に冷媒を直接噴射し、冷却する方法であるため、効率的に冷却することができる。
また、加熱時にも、加熱体から発生した熱が、ウエハ載置台と接触している冷却モジュールの加熱に使用される無駄がなく、ウエハ載置台を加熱するため、従来に比べ、効率的にウエハ載置台を加熱することができる。

本発明に関連する第２の技術は、
前記ウエハ載置台支持体が、前記ウエハ載置台に結合された筒状支持体であって、
前記冷媒噴射モジュールが、前記ウエハ載置台と前記筒状支持体とで形成される空隙部に設けられていることを特徴とする第１の技術に記載のウエハ保持体である。

第２の技術においては、一体の筒状支持体でウエハ載置台支持体としているため、ウエハ保持体の構造を複雑にする必要がなく、製造コストの低減を図ることができる。
また、冷媒噴射モジュールが、ウエハ載置台と前記ウエハ載置台に結合された筒状支持体とで形成される空隙部に設けられているため、冷媒噴射モジュールより噴射された冷媒が空隙部より外に漏れることが少なく、冷媒の回収時に効率よく回収することができる。

本発明に関連する第３の技術は、
前記ウエハ載置台支持体が、前記ウエハ載置台に結合された支持柱、および前記支持柱を支持する筒状の支持柱支持体よりなり、
カバー部材により、前記ウエハ載置台の外周部から前記支持柱支持体の外周部まで覆われ、
前記冷媒噴射モジュールが、前記ウエハ載置台と前記カバー部材とで形成される空隙部に設けられていることを特徴とする第１の技術に記載のウエハ保持体である。

第３の技術においては、支持柱および支持柱支持体でウエハ載置台支持体とし、さらに外周をカバー部材により覆っているため、一度にウエハ載置台支持体全体を交換する必要がなく、メンテナンスも容易である。
また、冷媒噴射モジュールが、ウエハ載置台とカバー部材とで形成される空隙部に設けられているため、冷媒噴射モジュールより噴射された冷媒が空隙部より外に漏れることが少なく、冷媒の回収時に効率よく回収することができる。

本発明に関連する第４の技術は、
さらに、前記冷媒噴射モジュールから噴射された前記冷媒を回収する冷媒回収部を備えていることを特徴とする第１の技術ないし第３の技術のいずれか一つに記載のウエハ保持体である。

第４の技術においては、噴射後の冷媒を回収する冷媒回収部を備えているため、冷媒の再利用が可能となり、冷媒の効率的利用を図ることができる。また、冷媒の大気中への飛散を抑制することができ好ましい。

本発明に関連する第５の技術は、
前記冷媒回収部が、前記筒状支持体を兼ねていることを特徴とする第４の技術に記載のウエハ保持体である。

第５の技術においては、冷媒回収部が筒状支持体を兼ねているため、ウエハ保持体の構造をより複雑にする必要がなく、部品点数の増加も抑制できるため、製造コストの低減を図ることができる。

本発明に関連する第６の技術は、
前記冷媒噴射モジュールから噴射される前記冷媒が、前記加熱体により加熱されたウエハ載置台との接触により気化する冷媒であることを特徴とする第１の技術ないし第５の技術のいずれか一つに記載のウエハ保持体である。

第６の技術においては、冷媒噴射モジュールから噴射される冷媒として、ウエハ載置台との接触により気化する冷媒、即ち、加熱されたウエハ載置台の温度よりも低い沸点の冷媒を用いるため、噴射された冷媒は、ウエハ載置台に接触すると、瞬間的に沸騰し、気化する。そして、冷媒が気化する際に、ウエハ載置台より気化熱が奪われるため、ウエハ載置台から短時間に大量の熱を奪うことが可能となり、ウエハ載置台を急速に冷却することができ、より効率的である。

本発明に関連する第７の技術は、
前記ウエハ載置台と前記筒状支持体とが、気密にシールされている、
または、
前記ウエハ載置台と前記カバー部材、および前記カバー部材と前記支持柱支持体とが、気密にシールされている
ことを特徴とする第２の技術ないし第６の技術のいずれか一つに記載のウエハ保持体である。

第７の技術においては、ウエハ載置台と筒状支持体やカバー部材、およびカバー部材と支持柱支持体とが気密にシールされているため、冷媒が空隙部より外に漏れることがなく、載置されたウエハに悪影響を及ぼすことがない。また、冷媒の大気中への飛散を抑制することができ、冷媒の使用量の増加を抑制することができる。

本発明に関連する第８の技術は、
さらに、前記ウエハ載置台および前記筒状支持体のそれぞれと気密にシールされ、
または、
前記ウエハ載置台および前記支持柱支持体のそれぞれと気密にシールされ、
内部に、前記加熱体への給電部材および／または昇温状況を監視する測温部材を配置することができる筒状保護部材が前記空隙部に設けられていることを特徴とする第２の技術ないし第７の技術のいずれか一つに記載のウエハ保持体である。

第８の技術においては、ウエハ載置台および筒状支持体や支持柱支持体のそれぞれと気密にシールされた筒状保護部材を設けているため、電極等の給電部材や熱電対等の測温部材等を冷媒から遮断することができ、これら部材が冷媒と接触することにより絶縁性等の機能が低下することを防止することができる。即ち、ウエハ保持体としての信頼性の低下を防止することができ好ましい。

本発明に関連する第９の技術は、
さらに、前記ウエハ載置台を支持する支持部材が、前記空隙部の、前記ウエハ載置台と前記筒状支持体の下方部との間に設けられていることを特徴とする第２の技術または第４の技術ないし第８の技術のいずれか一つに記載のウエハ保持体である。

第９の技術においては、ウエハ載置台を支持する支持部材が、前記空隙部の、前記ウエハ載置台と前記筒状支持体の下方部との間に設けられていることにより、ウエハ載置台が、筒状支持体の上方部だけでなく、支持部材によっても支持されるため、よりウエハ載置台の変形を防止することができ、均熱性をより向上させることができる。
なお、支持部材は複数設けられていることが好ましい。また、筒状支持体の下方部は、ウエハ載置台と、できるだけ、平行となる構造としておくことにより、容易に支持部材を設けることができ好ましいが、冷媒を回収することも考慮して、適宜設計すればよい。

さらに、支持部材として、ウエハ載置台と筒状支持体とを結合する、ねじ等の結合部材を用いることもできる。このように構成すれば、ウエハ載置台は結合部材を介して筒状支持体で支持されることになってウエハ載置台の変形をより防止でき、ウエハの温度分布のばらつきをより小さくすることができる。

本発明に関連する第１０の技術は、
チャンバー内に収容されるウエハ保持体であって、
前記空隙部が、前記チャンバー内の雰囲気と遮断されていることを特徴とする第２の技術ないし第９の技術のいずれか一つに記載のウエハ保持体である。

第１０の技術においては、空隙部とチャンバー内の雰囲気とが遮断されているため、チャンバー内で使用されるフッ素や塩素等のハロゲン系腐食ガスから、空隙部に配置された各部材を保護して、ウエハ保持体の耐久性を維持でき好ましい。

本発明に関連する第１１の技術は、
第１の技術ないし第１０の技術のいずれか一つに記載のウエハ保持体が搭載されていることを特徴とする半導体製造装置である。

第１１の技術においては、冷却速度が向上すると共に、昇温速度の向上をも図ることが可能なウエハ保持体を搭載した半導体製造装置であるため、ウエハの処理能力を向上させることができ、生産性を高めることができる。

本発明は上記の各技術に基づいてなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
ウエハを載置するウエハ載置面、および加熱体を備えたウエハ載置台と、
前記ウエハ載置台を前記ウエハ載置面の反対側から支持するウエハ載置台支持体とが設けられ、
さらに、前記ウエハ載置台の前記ウエハ載置面の反対側の面に向けて冷媒を噴射する冷媒噴射モジュールが設けられており、
前記ウエハ載置台支持体が、前記ウエハ載置台に結合された筒状支持体であって、
前記冷媒噴射モジュールが、前記ウエハ載置台と前記筒状支持体とで形成される空隙部に設けられており、
さらに、前記冷媒噴射モジュールから噴射された前記冷媒を回収する冷媒回収部を備えており、
前記冷媒回収部が、前記筒状支持体を兼ねていることを特徴とするウエハ保持体である。

請求項２に記載の発明は、
前記冷媒噴射モジュールから噴射される前記冷媒が、前記加熱体により加熱されたウエハ載置台との接触により気化する冷媒であることを特徴とする請求項１に記載のウエハ保持体である。

請求項３に記載の発明は、
前記ウエハ載置台と前記筒状支持体とが、気密にシールされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のウエハ保持体である。

請求項４に記載の発明は、
さらに、前記ウエハ載置台および前記筒状支持体のそれぞれと気密にシールされ、
内部に、前記加熱体への給電部材および／または昇温状況を監視する測温部材を配置することができる筒状保護部材が前記空隙部に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のウエハ保持体である。

請求項５に記載の発明は、
さらに、前記ウエハ載置台を支持する支持部材が、前記空隙部の、前記ウエハ載置台と前記筒状支持体の下方部との間に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のウエハ保持体である。

請求項６に記載の発明は、
チャンバー内に収容されるウエハ保持体であって、
前記空隙部が、前記チャンバー内の雰囲気と遮断されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のウエハ保持体である。

請求項７に記載の発明は、
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のウエハ保持体が搭載されていることを特徴とする半導体製造装置である。

本発明によれば、従来に比較して、ウエハ載置台の冷却速度を飛躍的に向上させると共に、昇温速度の向上をも図ることが可能なウエハ保持体およびそれを搭載した半導体製造装置を提供することができる。

以下、本発明をその実施の形態につき、具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１につき、図１を用いて説明する。なお、図１は、チャンバー内に収容されたウエハ保持体の概略的断面図であり、ウエハ載置台支持体としてウエハ載置台に結合された筒状支持体を採用している。

図１において、ウエハ保持体１には、ウエハ載置面２を備え、内部に加熱体９を備えたウエハ載置台３と、気密シール部４ａでウエハ載置台３と結合されて、ウエハ載置面２の反対側からウエハ載置台３を支持する筒状支持体４とが設けられており、ウエハ載置台３と筒状支持体４とが形成する空隙部５には、ウエハ載置台３に向けて冷媒を噴射してウエハ載置台３を冷却するための冷媒噴射モジュール６が設けられている。
そして、筒状支持体４は、回収部７を兼ねており、下部はロート状に形成されて、底部は回収部７における冷媒の排出口８となっている。
また、空隙部５は、気密シール部４ａおよび１５によって、チャンバー内（チャンバーの壁面部１３によって囲まれた部分）の雰囲気とは遮断されている。

冷媒噴射モジュール６は、冷媒供給管６１、冷媒供給管６１の先端に取り付けられた冷媒噴射ヘッド６２、および冷媒供給管６１の他端に接続された冷媒供給源（図示せず）より構成されている。冷媒供給管６１は、筒状支持体４内に下方より導入されて、空隙部５において、冷媒噴射ヘッド６２がウエハ載置台３の下方に位置するように配置されている。

そして、冷媒噴射ヘッド６２は、冷媒供給管６１に供給された冷媒が、図１の矢印に示すように、ウエハ載置台３の下面の全面にわたって均等に吹き付けられる、即ち、ウエハ載置台３下面の単位面積当たりの吹き付け量が同じになるように設計されている。これは、冷却時においても、ウエハ載置面２に載置されたウエハの均熱性が要求されることが多く、偏って冷媒が吹き付けられると、その部分だけが急速に冷却され、吹き付けられない他の部分は冷却速度が大幅に遅くなり、冷却速度にむらが生じてウエハの均熱性が乱されるからである。

冷媒噴射ヘッド６２の形状としては、特に限定はされない。例えば、図２や図３に示す形状の冷媒噴射ヘッドを用いてもよい。
図２において、冷媒噴射ヘッド６２は、中空円盤状に形成されており、その上面（ウエハ載置台３に向かう側）には、多数の噴射孔６２ａが、設けられている。また、下面には、冷媒供給管６１が接続されている。
冷媒は、冷媒供給管６１から冷媒噴射ヘッド６２に圧送され、多数の噴射孔６２ａからウエハ載置台３に向けて放射状に噴射されるため、冷媒をウエハ載置台３に均等に吹き付けることができる。

図３においては、冷媒噴射ヘッド６２は、渦巻状のパイプで形成されており、その上面（ウエハ載置台３に向かう側）には、一定のピッチで多数の噴射孔６２ａが、設けられている。パイプの先端は閉塞されており、他端には冷媒供給管６１が接続されている。
冷媒は、冷媒供給管６１から冷媒噴射ヘッド６２に圧送され、多数の噴射孔６２ａからウエハ載置台３に向けて放射状に噴射されるため、冷媒をウエハ載置台３に均等に吹き付けることができる。

冷媒噴射モジュールの材料としては、ウエハ載置台と接した後の高温の冷媒に接触するため、冷媒に対して耐食性のある材料であれば特に制約はなく、ステンレスやアルミニウムや銅等の金属を例示することができる。

使用できる冷媒としては、特に制約はなく、ウエハ載置台の冷却温度や処理目的に合わせて適宜選択すれば良く、例えば、水、アルコール、アセトン、及びその混合溶剤、あるいはフロリナート等のハロゲン系の溶剤等を用いることができるが、冷媒が噴射されるウエハ載置台の温度よりも低い沸点の溶媒を用いると、噴射された冷媒は、ウエハ載置台下面に接すると同時に、沸騰、気化して、ウエハ載置台から熱を奪うため、冷却速度をより早くすることができ好ましい。
しかし、ウエハ載置台の材料によっては、局部に冷媒を吹き付けることによって、ウエハ載置台内での温度分布が乱れ、ウエハ載置台が変形することがある。ウエハ載置台が変形すると、均熱性が乱れるだけでなく、熱衝撃が大きいと、最悪の場合、ウエハ載置台が破損することもあるため、好ましくない。

そして、冷媒は、冷媒噴射モジュールから連続的に噴射されることが好ましい。連続的に噴射されることにより、ウエハ載置台の熱を奪って気化した高温の冷媒は、新たに噴射された冷媒によって冷却され、再び液化する。その結果、気化した冷媒が空隙部に充満することによる冷却効果の低下等を抑制することができる。液化された冷媒を排出口８より回収して冷媒供給源に戻すことにより、冷媒を再利用することができ、冷媒消費量を抑制することができる。
冷媒の噴射量についても、特に制約はなく、冷却速度を速くするには、できるだけ低い温度の冷媒を大きな流量で吹き付けることが好ましい。

ウエハ載置台３としては、材料に特に制限はないが、加熱時および冷却時にウエハ載置面２に載置されたウエハの温度分布が均一になるようにするために、熱伝導率の高い材料、具体的には熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上である材料が用いられる。また、このときのウエハ載置台３の密度×比熱は４未満であることが好ましい。このような特性を有することでウエハ載置台の熱容量を小さくすることができ、効率よく昇温、冷却することができる。

また、冷媒が吹き付けられて急速に冷却された際に、ウエハ載置台３が変形して均熱性の乱れを生じたり、熱衝撃によってウエハ載置台３が破損することのないよう、耐熱衝撃性に優れた材料が用いられる。

好ましい材料として、具体的には、アルミニウムや銅、タングステン、モリブデン等の高熱伝導率を有するこれらの材料やその混合物、合金等を使用することができる。また、セラミックスとしては、高熱伝導率を有する炭化ケイ素や窒化アルミニウム等を挙げることができる。また、高強度を有するセラミックスとしては、窒化珪素を挙げることができる。
そして、セラミックスと金属の複合体についても、比較的熱伝導率が高いものやあるいは強度が高いもの、熱膨張係数の小さなものは熱衝撃係数が高いために好ましく使用することができる。例えばＡｌ−ＳｉＣやＳｉ−ＳｉＣ、Ａｌ−ＡｌＮ、Ａｌ−Ｓｉ−ＳｉＣ等を挙げることができる。

また、これらの材料をフッ素系ガスや塩素系ガス等のハロゲン化ガス雰囲気で使用する場合、耐食性を向上させる目的で、ニッケルやフッ化ニッケル等の膜をウエハ載置台３の表面に形成することも可能である。
ウエハ載置台３の表面にニッケルメッキを施す場合、ニッケルのメッキ厚に関しては０．５μｍ以上であることが好ましい。０．５μｍ未満のニッケルメッキ厚の場合は、表面の酸化や、傷等でメッキが剥離しやすく、その部分から腐食されることがある。またメッキ厚としては２μｍ以上あれば、上記のような問題は起きにくいためより好ましい。

本実施の形態においては、ウエハ載置台３は加熱体９を備えている。加熱体９の形成方法に関しては特に限定はされず、公知の手法を採用することができるが、加熱体９に冷媒が直接吹き付けられた場合、冷媒の種類によっては、加熱体９が絶縁不良を起こすことがある。

そこで、例えば、窒化アルミニウムや窒化珪素等絶縁性のセラミックスの場合には、パターン印刷により形成される高融点金属の加熱体９を埋設することが考えられる。また、ウエハ載置面２の反対側に加熱体９の回路パターンを印刷等の手法により形成し、さらに、回路パターンをガラス等の絶縁体で覆うことができる。また、金属、金属とセラミックスの複合体、炭化ケイ素等の導電性を有する材料に対しては、ステンレスやニクロム等の金属箔をエッチング等の手法で回路形成し、耐熱性の樹脂やマイカ等で被覆し、ウエハ載置台３のウエハ載置面２とは反対側の面にねじ止め等の手法で設置することもできる。また、背面側にセラミックスや金属板等の板を設置し、ねじ止めにより加熱体９をウエハ載置台３に均一に密着させることもできる。また、ウエハ載置台３を厚み方向に２分割し、その分割面で加熱体９を挟み込むこともできる。

筒状支持体４に関しては、ウエハ載置台３よりも熱伝導率の低い材料を用いる。これは例えばウエハ載置台３の温度を急速に下げる場合、筒状支持体４の熱伝導率が高いと、筒状支持体４からの熱がウエハ載置台３に供給されて冷却速度が低下するためである。特に、加熱体９でウエハ載置台３を加熱して使用した後、冷却する場合には、特にその傾向が顕著となる。これらのことを考え合わせると、筒状支持体４としては、金属ではステンレスなどが熱伝導率の面から好適である。また必要に応じて耐食性を向上させるために、表面にニッケルメッキを施しても良い。またセラミックス材料は、金属に比較して、耐食性が高いため、各種熱伝導率の低い材料を選択することができる。例えばアルミナやムライト、及びこれらの複合体や、窒化珪素、コージェライト、石英などを使用することができる。これらの中でも、特にムライト−アルミナ複合体は、熱伝導率が低く、断熱性に優れているため、ウエハ載置台３の加熱時にウエハ載置台３からの熱の逃げを防止し、素早い昇温を実現することができる。また冷却時にはチャンバーやその他の部品からの熱の伝わりを遮断することができ、急速に冷却することができるため好ましい。また、アルミナは剛性が高く、薄肉化できるため熱容量を低減でき、効率よく昇温、冷却することができるので好ましい。

ウエハ載置台３と筒状支持体４とは、気密シール部４ａを介して結合されて、空隙部５を形成している。気密シールとしては、Ｏ−リングや、耐熱性のあるガスケットなどを使用することができる。一般に、ウエハ載置台３の使用温度が２５０℃程度以下であればＯ−リングが使用でき、それ以上の温度で使用する場合は、雰囲気ガスからの腐食を考慮してニッケルやステンレス製のガスケットを使用することができる。

空隙部５は気密シール部４ａによってチャンバー内の雰囲気とは遮断されており、これによりチャンバー内で使用されるフッ素や塩素などのハロゲン系腐食ガスから、空隙部５に設置される加熱体用の給電部材や、熱電対等の測温素子、冷媒噴射モジュール６等が保護されている。

また、空隙部５はチャンバー外の雰囲気と同一の大気圧雰囲気となっている。空隙部５を減圧雰囲気にすると、電気回路間でショートやスパークが発生するので、それを防止するためである。

空隙部５は、図外の減圧手段によって減圧雰囲気や真空にすることもできる。この場合、電極部材に関しては、回路間のスパークを防止するために、絶縁被覆することが好ましい。絶縁被覆に対する制約は特にないが、例えば、電極部の温度が２００℃程度までの温度なら、耐熱性の樹脂、例えばフッ素系の熱収縮性の樹脂などを使用することができる。また、高温の場合、セラミックス材料を電極に溶射し、あるいはセラミックスパイプを設置することなどができる。いずれの場合においても、例えば２本の電極があれば少なくとも片側の電極を絶縁しておくことが好ましい。また空隙部５をチャンバー内と同程度の真空にすることでウエハ載置台３の変形が抑えられるため、より信頼性を高くできる。

一方、チャンバー内が真空雰囲気になると、空隙部５とチャンバー内との間で最大１気圧の圧力差が生じてウエハ載置台３に大きな圧力が加わるため、ウエハ載置台３が変形するおそれがある。
ウエハ載置台が変形すると、ウエハとウエハ載置台との距離のバラツキが大きくなり、ウエハの温度分布もばらつくことになり、更にはウエハ載置台自身が破損する恐れがある。

そこで、この変形を防ぐために、ウエハ載置台３と筒状支持体４との間に支持部材を設けることができる。筒状支持体４と共に、支持部材がウエハ載置台３を支持、固定するため、支持点が増し、変形を防ぐことができる。

支持部材の一例としては、ねじ等の結合部材を挙げることができ、この場合、ウエハ載置台３側にねじ穴１１を形成し、筒状支持体４側に貫通孔１２を形成し、ねじ１０を貫通孔１２に通してねじ穴１１に固定する。これにより、内外圧力差によるウエハ載置台３の変形を防止することができる。ねじ１０による固定箇所は、例えば１２インチ用のウエハ保持体１においては、少なくとも３箇所、同一円周上に均等に配置することが好ましい。均等に配置することで、変形量を少なくすることができる。さらに、前記の３箇所よりも中心側にもねじ１０を配置することによりウエハ載置台３の変形をより効果的に低減することができる。また、ねじ１０による固定数は多いほうが変形をより効果的に抑えることができるので好ましいが、組み立てが煩雑になるため、要求されるウエハ載置台３の平面度に応じて適宜設計すればよい。

ねじ１０等の支持部材の材料としては、特に制約がなく使用することができる。例えばステンレスやコバール、タングステンやモリブデン、ニッケル、およびこれらの合金を使用することができる。ねじ１０は、ウエハ載置台３と筒状支持体４を結合しているため、高温で使用中は、どうしてもねじ１０を通じて熱が筒状支持体４に伝達される。このため逆にウエハ載置台３を冷却している場合にはねじ１０からウエハ載置台３に向けて熱が伝わり、冷却速度を低下させる原因となる。好ましい材料としては、コバール、ステンレスを主成分とすることが好ましい。これらの材料は、弾性率が比較的高く、特に熱伝導率が低いため、上記の筒状支持体４と同様に断熱効果に優れるため好ましい。また、冷媒に対する耐食性を向上させるために、これらの材料の表面にニッケルやフッ化ニッケルなどの膜を形成することもできる。

支持部材にはセラミックスを使用することもでき、セラミックスは弾性率が比較的高く、特に熱伝導率が低いため好ましい。これら支持部材や結合部材は筒状支持体４と同程度の熱膨張係数を有することが好ましい。昇温時、降温時の熱膨張係数の差が小さいほど、熱膨張係数差による反りを小さくできるからである。

なお、図中の符号１４は筒状保護部材であって、加熱体９への給電部材９ａやウエハ載置台３の温度を測定するための熱電対、測温抵抗体等の測温素子を冷媒による影響から保護するものである。筒状保護部材１４としては、絶縁性を有する材質のものが好ましい。また、ウエハ載置台３の材質がセラミックスやセラミックスと金属の複合体である場合には、アルミナやムライトやこれらの複合体は比較的熱膨張係数が小さいので、好ましく利用することができる。筒状保護部材１４の上端部はウエハ載置台３に気密シール部１４ａを介して接続され、筒状保護部材１４の下端部は筒状支持体４の内壁に気密シール部１４ｂを介して接続されている。なお、冷媒が高温においても常に優れた絶縁体の場合には筒状保護部材１４は不要であるが、水等の導通性を発現しやすいものである場合には筒状保護部材は必要となる。

また、図中の符号３０は筒状支持柱であって、ねじ１０の保護または補強のために設けられる。筒状支持柱３０としては、筒状保護部材１４と同様、アルミナやムライトやこれらの複合体を好ましく利用することができる。なお、用途に応じて、筒状支持柱３０は省略することもできる。

以上のように、本発明で述べてきた冷却システムを有するウエハ保持体１は、従来の冷却モジュールを用いる冷却システムを有するウエハ保持体に比べ、飛躍的にウエハ保持体１の冷却速度を大きくすることができるため、エッチャーやＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、アッシング等の装置に搭載することによって、優れたスループットを実現することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２につき、図４を用いて説明する。なお、図４は、ウエハ保持体の概略的断面図であり、ウエハ載置台支持体は、ウエハ載置台３に結合された支持柱２０および筒状の支持柱支持体２１により構成されている。なお、図４では、主要部のみを記載し、筒状保護部材等は図示していない。

図４において、ウエハ保持体１には、ウエハ載置面２を備え、内部に加熱体９を備えたウエハ載置台３が設けられており、このウエハ載置台３は、ウエハ載置台３に結合された支持柱２０、および支持柱２０を支持する筒状の支持柱支持体２１により支持されている。そして、ウエハ載置台３の外周から支持柱支持体２１の外周にかけてはカバー部材２２で覆われている。カバー部材２２で覆い、さらに気密シール部４ａ、４ｂをシールすることにより、空隙部５が設けられ、空隙部５には冷媒噴射モジュール６が設けられている。
そして、支持柱支持体２１はロート状に形成されて、図示しない回収部への冷媒の排出口となっている。

支持柱２０は、ウエハ載置台３と支持柱支持体２１の間で、ウエハ保持体１の同心円周上に複数配置されている。図４は、９０度間隔に４本設けられている場合の例である。なお、支持柱２０は、筒状である方が断熱効果が得られ好ましい。

支持柱２０、支持柱支持体２１、カバー部材２２としては、前記筒状支持体における材料と同様に、ウエハ載置台３よりも熱伝導率の低い材料を用いる。その理由は、実施の形態１で述べた理由と同様の理由である。その他ウエハ載置台３や冷媒等についても、実施の形態１の場合と同様のものを使用することが好ましい。
また、冷媒噴射モジュール６については、図４では、図１と同様の冷媒噴射モジュールを用いているが、図２、３に示された冷媒噴射モジュールを用いてもよい。

以下に、実施例を用いて、本発明を、さらに説明する。

本実施例は、図２に示すウエハ保持体を用いた例である。
直径３３０ｍｍ、厚み５ｍｍのＡｌＮ基板に加熱体９の回路としてＷペーストを塗布し、１８００℃で焼成した後、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３−ＡｌＮ粉末を塗布し、もう一枚のＡｌＮ基板を搭載し、１８００℃、２０ｔの圧力で接合し、ＡｌＮヒータ（ウエハ載置台３）を形成した。

また直径３３０ｍｍ、厚み５ｍｍのＳｉＣ、Ｓｉ−ＳｉＣ、Ａｌ−ＳｉＣ基板を各２枚準備し、ステンレス箔をエッチングした抵抗発熱体を加熱体９としてマイカで挟み込み、これらの基板の間にねじ止めによって挟み込み、ウエハ載置台３とした。更に直径３３０ｍｍ、厚み１０ｍｍのシースヒータを埋設したアルミニウムヒータも準備した。

これらのウエハ載置台３に対して、筒状支持体４を取り付け、その内部（空隙部５）に、直径３００ｍｍの中空円盤状のステンレス製容器の上面部（ウエハ載置台３側）に１０ｍｍピッチで直径１ｍｍの冷媒噴射孔６２ａを設けた冷媒噴射ヘッド６２を有する冷媒噴射モジュール６を設置した。そして、筒状支持体４の下部に、冷媒を回収するための排出口８を設けた。

また、ウエハ載置台３を加熱するための加熱体９用の電極は、ムライト−Ａｌ_２Ｏ_３複合体のチューブで被覆し、冷媒と接触しないようにガラスでシールすると共に、筒状支持体４とチャンバーの間は、Ｏ−リングで気密的に封止した。
そして、ウエハ載置台３に直径３００ｍｍのウエハ温度計を設置し、２０℃／分の速度で昇温し、９０℃とした時点で、加熱体９への通電を遮断した。加熱体９の通電遮断と同時に冷媒を吹き付け５０℃まで冷却した。このときの冷却速度（５０℃に達するまでの時間）を測定した。なお、冷媒には沸点９０℃の水と、沸点２１０℃のフッ素系冷媒を使用した。

（比較例）

比較例１として、冷媒に代えて空気を使用した以外は、実施例１と同様にして、同様に冷却速度を測定した。

比較例２として、従来の冷却モジュールを用いた例を示す。ウエハ載置台３に、直径３００ｍｍ、厚み５ｍｍの２枚の銅板を準備し、互いの向かい合う面にザグリ加工を施し、冷媒の流路を形成すると共に、銀ロウにて両者を接合し、冷却モジュールを形成し、この冷却モジュールを、ウエハ載置台３の下面に接触させた状態で、ウエハ載置台３にねじ止めした接触型冷却機構を有するウエハ保持体１を用いた以外は、実施例１と同様にして、同様に冷却速度を測定した。なお、冷媒としては、沸点９０℃の水を用いた。

実施例１、比較例１、２における測定結果を、表１に示す。

表１に示す結果より、本発明の手法によれば、従来の手法（比較例２）に比較して、冷却速度が非常に優れていることが分かる。冷媒とは言えない空気を用いた場合（比較例１）には、冷却速度は非常に遅くなることが分かる。

実施例１で使用したウエハ保持体１を２００℃に昇温し、同様に５０℃までの冷却速度を測定した。その結果を表２に示す。

表２に示す結果から、冷媒に水を使用した場合、水はフッ素系冷媒より沸点がより低く、気化熱を大量に奪うため、より冷却速度が速いことが分かる。

実施例２と同様の試験を行った。但し、ウエハ保持体１は、真空チャンバー内に設置した。このため筒状支持体４とウエハ載置台３との間を、コバールの結合部材で３箇所、ＰＣＤ１７０の部分で固定した。また、筒状支持体４とウエハ載置台３との間、及び筒状支持体４とチャンバーの間は、Ｏ−リングで気密封止し、筒状支持体４内（空隙部５）は、大気雰囲気とした。その結果を表３に示す。

表３に示す結果から、本実施例においても、実施例２と同様の結果が得られ、真空チャンバー内にウエハ保持体を設置した場合でも、本発明の冷却手法が有効であることが分かる。

実施例３で使用したウエハ保持体１を２００℃に加熱し、ウエハ載置面２にウエハ温度計を載置し、２００℃到達後1分後の均熱性を測定した。このとき結合部材のないものも同時に比較した。その結果を表４に示す。
また均熱性測定後、ウエハ温度計を取り除き、２００℃でのウエハ載置面２の平面度をレーザ変位計で測定した。結果を表４に併せて示す。

表４に示す結果から、チャンバー内が真空もしくは減圧雰囲気中では、結合部材を用いた方が、ウエハ載置面２の平面度が安定し、均熱性にも優れることが分かる。

実施例１で使用したウエハ載置台３に対して、電極を覆うムライト−Ａｌ_２Ｏ_３のパイプを取り除き、同様の試験を行った。その結果、フッ素系の冷媒では、実施例１と同様の結果が得られた。また冷媒が水の場合も同様の結果が得られた。そして、冷却（５０℃到達）後、直ぐに加熱体９に通電したところ、冷媒が水のものは、ショートを起こした。しかし、フッ素系冷媒を使用したものは、前回と同じように昇温することができた。またショートした物についても、筒状支持体４内に乾燥空気を導入して、充分に乾燥した後であれば、ショートすることなく昇温することができた。
この結果より、電極を覆うパイプ、即ち筒状保護部材を設けることは必須ではないが、筒状保護部材を設ける方が、水等のような安価な冷媒を問題なく使用でき好ましい。

本発明に係るウエハ保持体の一例の概略的断面図である。 本発明に係るウエハ保持体の別の一例を説明する図であり、（ａ）はウエハ保持体の概略的断面図、（ｂ）は冷媒噴射モジュールの冷媒噴射ヘッドの平面図である。 本発明に係るウエハ保持体の別の一例を説明する図であり、（ａ）はウエハ保持体の概略的断面図、（ｂ）は冷媒噴射モジュールの冷媒噴射ヘッドの平面図である。 本発明に係るウエハ保持体の別の一例の概略的断面図である。

１ ウエハ保持体
２ ウエハ載置面
３ ウエハ載置台
４ 筒状支持体
４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、１５ 気密シール部
５ 空隙部
６ 冷媒噴射モジュール
７ 回収部
８ 排出口
９ 加熱体
９ａ 給電部材
１０ ねじ
１１ ねじ穴
１２ 貫通孔
１３ チャンバーの壁面部
１４ 筒状保護部材
２０ 支持柱
２１ 支持柱支持体
２２ カバー部材
３０ 筒状支持柱
６１ 冷媒供給管
６２ 冷媒噴射ヘッド
６２ａ 噴射孔

Claims (7)

1. ウエハを載置するウエハ載置面、および加熱体を備えたウエハ載置台と、
   前記ウエハ載置台を前記ウエハ載置面の反対側から支持するウエハ載置台支持体とが設けられ、
   さらに、前記ウエハ載置台の前記ウエハ載置面の反対側の面に向けて冷媒を噴射する冷媒噴射モジュールが設けられており、
   前記ウエハ載置台支持体が、前記ウエハ載置台に結合された筒状支持体であって、
   前記冷媒噴射モジュールが、前記ウエハ載置台と前記筒状支持体とで形成される空隙部に設けられており、
   さらに、前記冷媒噴射モジュールから噴射された前記冷媒を回収する冷媒回収部を備えており、
   前記冷媒回収部が、前記筒状支持体を兼ねていることを特徴とするウエハ保持体。
2. 前記冷媒噴射モジュールから噴射される前記冷媒が、前記加熱体により加熱されたウエハ載置台との接触により気化する冷媒であることを特徴とする請求項１に記載のウエハ保持体。
3. 前記ウエハ載置台と前記筒状支持体とが、気密にシールされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のウエハ保持体。
4. さらに、前記ウエハ載置台および前記筒状支持体のそれぞれと気密にシールされ、
   内部に、前記加熱体への給電部材および／または昇温状況を監視する測温部材を配置することができる筒状保護部材が前記空隙部に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
5. さらに、前記ウエハ載置台を支持する支持部材が、前記空隙部の、前記ウエハ載置台と前記筒状支持体の下方部との間に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
6. チャンバー内に収容されるウエハ保持体であって、
   前記空隙部が、前記チャンバー内の雰囲気と遮断されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のウエハ保持体が搭載されていることを特徴とする半導体製造装置。

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