JP5524213B2 - 調整可能な電気抵抗率を有するウェーハ処理装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に、窒化アルミニウムコーティングが施された半導体ウェーハ処理設備で主に使用するための装置に関連する。より具体的には、それらの実施形態は、加熱装置（または発熱体）、ウェーハキャリア（wafer carrier）、抵抗率がそれぞれ異なる複数の領域を有するコーティングが施された静電チャックに関連する。

半導体ウェーハを加熱された静電チャックの表面に静電的に固定している間に、該半導体ウェーハを１００〜６００℃に加熱する必要がある用途があるが、１つの側面において、本発明によるウェーハ処理装置は、かかる用途のためのそのような加熱された静電チャックとして特に有用である。このときのチャック力（chucking force。チャックによって固定する力。固定力ともいう）は、チャック電極とウェーハの間の層の抵抗率が、ジョンソン・ラーベック（Johnson-Rahbeck）型（図７参照）として定義された範囲内にあるときに得られる。本発明によれば、該層のバルク抵抗率（bulk resistivity）を、所与の温度範囲において、ジョンソン・ラーベック型の範囲に入るように調整することができる。

窒化アルミニウム材料を使用する従来技術の静電ジョンソン・ラーベックチャックは、室温でのチャック用途のために使用されており、１５０〜５００℃というより高温での用途では使用されていない。これは、これらの従来技術のチャックが、一般に、そのような高温用途には耐えられないポリマー製の（すなわち、高分子材料からなる）接着剤またはシリコン製の接着剤を有するからである。

従来技術には、また、Advanced Ceramics Corporationによる炭素ドープ型熱分解窒化ホウ素（pyrolitic boron nitride。パイロリティックボロンナイトライドともいう）チャック（米国特許第4,574,8436号などに詳述されている）などの高温用ジョンソン・ラーベックチャックや、Shin-Etsu Chemical社所有の米国特許第5,663,865号に記載されている、シリコンなどの他の材料がドープされた他の熱分解窒化ホウ素チャックがある。しかしながら、そのようなチャックは、熱分解窒化ホウ素中のドーパントレベルを厳密に制御する必要があるため、製造するのが難しい。

さらに、いくつかの加熱式静電チャックが公表されているが、この場合は、焼結バルクセラミック基板がコアに埋め込まれた発熱体とともに使用される。しかしながら、これらのタイプの基板の温度を急激に高くすることはできない。なぜなら、かなり高いレート（たとえば、１０℃／分より高いレート）で温度が上昇すると、埋め込まれている電極が欠陥品として作動することによってクラック（ひび割れ）が生じる場合があるからである。基板の表面に層状の電極が設けられている場合には、該基板が加熱されてもこのような制限は受けず、２０℃／分を十分に超える（３００℃／分までの）上昇レートが測定されている。

ウェーハ処理装置の外面における薄膜コーティングの重要な特性は、それがハロゲンプラズマ環境にさらされたときの耐（腐）食性にある。ハロゲンプラズマ環境にさらされたときの耐食性が高いために、窒化アルミニウムは、高温でのウェーハ処理のための支持体を製作するための最先端の材料になっている。

米国特許第4,574,8436号明細書 米国特許第5,663,865号明細書

AlN（窒化アルミニウム）薄膜の典型的な抵抗率の値は、１０^１１〜１０^１４Ω（オーム）・ｃｍの範囲内にあり、温度が１００℃上がるごとに約１／２０だけ減少する。したがって、高温用途では、これらのAlN薄膜の抵抗率は十分に小さくなり、電極路の電位の高い部分と低い部分の間、または、加熱電極とウェーハ処理中にAlN上に堆積された任意の導電性薄膜との間、または、該電極とウェーハ自体の間において過大な漏れ電流が生じる場合がある。この漏れ電流によって、ウェーハ加熱装置の有効な温度範囲が制限される。AlN薄膜をより高い電気抵抗率を有する材料で置き換えることができるが、その場合には、ハロゲンプラズマに対する耐性が低くなりうる。処理温度は徐々に高くなっているので、AlNよりも抵抗率が高く、かつ、それでも優れた耐食性を維持する薄膜が必要とされている。本発明は、典型的なAlN薄膜の優れた耐食性を維持しつつ、薄膜コーティングのバルク抵抗率を変更し、これによって、有効な動作温度をより高くすることが可能な方法を提供する。この方法では、それぞれの領域の抵抗率が異なる複数の領域を有する薄膜コーティングが使用される。したがって、薄膜の各領域の相対的な量（または大きさ）を単に変えることによって、所与の温度における薄膜のバルク抵抗率を変更することができ、しかも、これは、ある所定の温度において異なるバルク抵抗率を有するチャックを製造するための新たな薄膜材料を開発することなく可能である。

本実施形態のヒーター、ジョンソン・ラーベックタイプの静電チャック、及び、ウェーハキャリアは、高温において所望のバルク抵抗率を維持するという必要性を満たし、製造が比較的簡単であり、十分に高い温度上昇レートでの加熱が可能であり、さらに、静電チャックによる固定が所望される場合には、高パワーかつ比較的低い電圧で固定することが可能である。

第１の側面において、本体（ボディ）を含むウェーハキャリアが提供される。該本体は、基板と該基板に搭載された電極要素（電極素子ともいう）を有し、該物品（すなわち該キャリア）はさらに、該本体を収容する（またはすっぽり包む）誘電材料（誘電体）からなる外側コーティングを有し、該外側コーティングは、電気抵抗率（または電気固有抵抗。以下同じ）が異なる少なくとも２つの領域を有する（これは、少なくとも２つの領域間で電気抵抗率が異なることを意味し、任意の２つの領域間で電気抵抗率が互いに異なる場合も含む。以下同じ）。

第２の側面において、本体、該本体に堆積されたチャック電極、及び、該チャック電極の上に堆積された外側コーティングを含む静電チャックが提供される。該外側コーティングは、異なる抵抗率を有する複数の層を含み、かつ、AlNから構成された外側層（外層）を有する。

第３の側面では、ウェーハキャリアを形成する方法が提供される。該方法は、ａ）ベース基板を提供するステップと、ｂ）該ベース基板上に電極を配置するステップと、ｃ）該ベース基板及び電極の上に外側コーティング（外側にあるコーティング）を堆積（または付着）するステップであって、異なる抵抗率を有する複数の材料を堆積（または付着）するステップを含む。所与の温度におけるこの外側コーティングの全体のバルク抵抗率を、堆積された各々の材料の相対的な量を変更することによって制御することができる。

本発明の１実施形態によるウェーハキャリアの斜視図である。 電気的絶縁性のベース基板本体を有するウェーハキャリアの断面図である。 電気的絶縁性のベース基板本体を有するウェーハキャリアの断面図である。 導電性のベース基板本体を有するウェーハキャリアの断面図である。 導電性のベース基板本体を有するウェーハキャリアの断面図である。 別の実施形態によるウェーハキャリアの断面図である。 さらに別の実施形態によるウェーハキャリアの断面図である。 抵抗率がそれぞれ異なる複数の層を有する、本発明の保護膜の１実施形態の断面図である。 温度スペクトルに沿った種々の材料の体積抵抗率を示すグラフである。 体積抵抗率が異なる２つのタイプのAlNの３つの層からなるAlN保護膜の断面を示す顕微鏡写真である。

本明細書及び特許請求の範囲で使用されている「隣接する」という用語は、直接接触している場合と近くに存在する場合の両方を含み、近くに存在する状態には、中間の層が、２つの層または２つの物体の間に存在する場合や、他の層または物体の側に沿って存在する場合などが含まれる。本明細書で使用されている「ウェーハキャリア」という用語は、ヒーター、または、静電チャック、または、ヒーター／静電チャックの組み合わせを意味するために使用されている場合がある。

本明細書で使用されている「回路」という用語は、「電極」と交換可能に用いることができ、「発熱体」という用語は、「加熱電極」、「電極」、「抵抗器」「発熱抵抗器（または発熱エレメント）」、または、「ヒーター」と交換可能に用いることができる。「回路」という用語は、単一の形態または複数の形態で用いることができ、少なくとも１つのユニット（または構成単位）が存在することを示す。「回路」という用語は「電極」という用語と交換可能に用いることができ、「電極」という用語は、単一の形態または複数の形態を示すために用いることができ、少なくとも１つのユニット（または構成単位）が存在することを示す。「発熱体」という用語は、「加熱電極」、「抵抗器」、「発熱抵抗器（または発熱エレメント）」、または、「ヒーター」と交換可能に用いることができる。

本発明の実施形態は、処理チャンバー（プロセスチャンバーともいう）中でウェーハを支持するためのコーティングされた物品に関する。このコーティングされた物品を、ヒーター、静電チャック、ウェーハキャリア、または、これらに類似の物品とすることができる。それぞれの場合において、該物品は、ベース基板を含む本体（ボディ）、及び、該ベース基板に堆積（または付着）された電極要素を有し、さらに、窒化アルミニウムなどの誘電材料からなる隣接する外側コーティングを有する。この場合、該コーティングを、化学蒸着（化学気相成長法）または（反応性物理蒸着（または反応性気相成長法）、プラズマスプレー（プラズマ溶射）、プラズマ強化CVD、有機金属CVD、光強化（photo-enhanced）CVDなどの）他の手段によって設けることができる。この外側コーティングは、電気抵抗率がそれぞれ異なる複数の区域すなわち領域を有する。それぞれの領域の厚みまたは相対的なサイズ（大きさ）によって、該コーティング全体のバルク電気抵抗率が決まる。

以下、図面をより詳細に参照するが、図面は、本発明の主題の新規な概念の好適な実施形態を例示するためのものに過ぎず、本発明の概念を限定するためのものではない。図１は、円盤状（ディスク形状）の金属製またはグラファイト製またはセラミック製の本体１２（電極（不図示）が該本体の内部または該本体上に配置されている）を備えるウェーハキャリア３３を示す。該本体の上面１３は、基板（たとえば、３００ｍｍなどといった典型的な直径を有するウェーハＷ）の支持面として機能する。１実施形態では、上面１３は、ウェーハＷの温度制御性をさらに高めるために、高い平面性（表面の変動が０．０５ｍｍ以内）を有するように作製される。ウェーハキャリアに電気を供給するための電気端子１５を、本体１２の底面の中央部に取り付けることができ、あるいは、１実施形態では、本体１２の側部（または側部）に取り付けることができる。

ウェーハキャリアにおいて、１つ以上の電極を利用することができる。用途に依存して、これらの電極の各々は、抵抗発熱体（または抵抗性発熱素子）、電磁シールド電極、プラズマ生成電極（plasma-generating electrode）、静電チャック電極、または、電子ビーム電極（electron-beam electrode）として機能することができる。１実施形態では、２つの異なる電極が存在し、一方が発熱体として機能し、他方が静電チャック電極として機能する。該電極（複数の場合あり）を、ウェーハキャリアのベース基板の（ウェーハ基板の近くの）上部側において、または、該ベース基板の（ウェーハ基板から離れた）底部側において、該ベース基板内または該ベース基板上に配置することができる。加熱電極の底部における配置は、該電極のパターンによって生成される局所的な熱を拡散させて、ウェーハ基板への熱分配（heat distribution）を促進するのに役立ちうる。

１実施形態では、電極は、薄膜電極の形態であり、スクリーン印刷、スピンコーティング（spin coating）、プラズマスプレー、溶射（または熱スプレー）、噴霧熱分解（spray pyrolysis）、反応性スプレー析出法（reactive spray deposition）、ゾル-ゲル法（sol-gel deposition：ゾル-ゲル）、燃焼トーチ（combustion torch）、電気アーク法（electric arcdeposition：電気アーク被着）、イオンプレーティング（ion plating。イオンめっきともいう） 、物理蒸着法、スパッタ蒸着（sputtering deposition）、レーザーアブレーション、熱蒸着(thermal evaporation)、電気めっき法（electroplating）、レーザー表面合金化（lasersurface alloying）を含む、当該技術分野で既知の処理によって形成される。１実施形態では、薄膜電極は、高い融点を有する金属、たとえば、鉄、ニッケル、タングステン、タンタル、モリブデン、レニウム、プラチナ（白金）、または、これらの合金から構成される。別の実施形態では、薄膜電極は、炭化ハフニウム（carbides of hafnium。またはハフニウム炭化物。以下同じ）または酸化ハフニウム（oxides of hafnium。またはハフニウム酸化物。以下同じ）、ジルコニウム、セリウム、及び、それらの混合物のうちの少なくとも１つから構成される。

別の実施形態では、電極は、熱分解グラファイト（pyrolytic graphite）の細長い連続した細片（ストリップ）の形態である。熱分解グラファイト（「PG」）は、先ず、化学蒸着法などの当該技術分野で既知の処理を用いて、ウェーハキャリアのベース基板上に堆積させられる。PGは、次に、たとえば、螺旋状や蛇状（Ｓ字形など）などの予め決められたパターンをなすように機械加工される。加熱領域、すなわち、電気的に絶縁された抵抗性のヒーター経路の電気パターンの形成は、マイクロマシニング、マイクロブレーディング（micro-brading）、レーザー切断、化学エッチング、または、電子ビームエッチング（e-beam etching）を含む（但し、これらには限定されない）当該技術分野で既知の技術によって行うことができる。

上記の実施形態におけるウェーハキャリアの本体１２の構造及び組成は、最終製品に要求される必要性及び特性に依存して変わりうる。１実施形態では、本体のベース基板を、セラミックなどの絶縁性のバルク材料から構成することができる。別の実施形態では、ベース基板を、絶縁層でコーティングされることになる導電性材料から作製することができる。

セラミックコアウェーハキャリア：セラミックコアを有する本体１２を備えるウェーハキャリアの１実施形態を、図２Ａ及び図２Ｂに示すセラミックコアヒーターを参照して説明する。セラミックコアを有するウェーハキャリア３３において、本体のベース基板１１を電気絶縁材料（たとえば、焼結基板（sintered substrate））から構成することができ、該電気絶縁材料を、Ｂ、Al、Hf、Si、Ga、Yからなるグループから選択された元素の酸化物、窒化物、炭化物（またはカーバイド）、炭窒化物、及び酸窒化物と、耐火硬質金属（または耐火硬質合金）と、遷移金属と、これらの組み合わせとを含むグループから選択することができる。ベース基板１１を、高い耐摩耗性及び高い耐熱性を有するものとして特徴付けることができる。１実施形態では、ベース基板は、９９％より高い純度のAlN、並びに、Y₂O₃、Er₂O₃、及びこれらの組み合わせから選択される最大５％の焼結助剤から構成される。別の実施形態では、ベース基板は、熱分解窒化ホウ素（pBN：パイロリティックボロンナイトライドともいう）から構成される。

代替として、pBNベース基板を、（１）pBNコーティングされたグラファイトプレート（該グラファイトプレートの厚さは約０．１０〜０．７５インチで、０．１２〜０．５０インチの厚さのものを選択することも可能であり、pBNコーティングの厚さは、約０．００５〜０．０３５インチであって、約０．０１５〜０．０２０インチの厚さがより好ましい）、または、（２）厚さが約０．１０〜０．７５インチ、より好ましくは、厚さが約０．２５〜０．５０インチのホットプレス窒化ホウ素（BN）（または加熱プレスされた窒化ホウ素）プレート、または、（３）pBNコーティングされたホットプレスBNプレート（このホットプレスBNプレートの厚さは約０．１０〜０．７５インチであって、約０．２５〜０．５０インチの厚さがより好ましく、pBNコーティングの厚さは、約０．００５〜０．０３５インチであって、約０．０１〜０．０２インチの厚さがより好ましい）で置き換えることができる。

１実施形態では、最適化された回路構成を有する加熱電極１４は、セラミック（製の）ベース基板１１上に形成されているか、または、該基板１１に埋め込まれている。電極１４は、鉄、ニッケル、タングステン、タンタル、モリブデン、レニウム、プラチナ（白金）、または、これらの合金、並びに、周期表のIVA、VA、及びVIA族に属する金属炭化物（carbides of metals）及び金属窒化物（nitridesof metals）、並びに、炭化ハフニウム（carbides of hafnium）または酸化ハフニウム（oxides of hafnium）、ジルコニウム、セリウム、及び、それらの組み合わせ、からなるグループから選択された材料から構成することができる。別の実施形態では、電極１４は、熱分解グラファイト（「PG」）または熱処理熱分解グラファイト（thermalpyrolytic graphite：「TPG」）から構成することができる。１実施形態では、電極１４は、ベース基板１１の熱膨張係数（CTE）に非常に近いCTEを有する材料から構成される。CTEが非常に近い材料とは、ベース基板のCTEの０．７５〜１．２５倍の範囲のCTEを有する材料を意味する。電極とベース基板のCTEを非常に近い値にすることによって、装置を損傷させたり、装置の完全性を損なったりすることなく、装置の加熱と冷却を均一に繰り返すことが可能になる。

ヒーターに代えて、または、ヒーターに加えて、ウェーハキャリアは、静電チャックとして機能することもできる。この実施形態では、チャック電極１６（たとえば、上記の材料から形成された導電層、または、金属製の薄膜（または金属蒸着フィルム）、または、TPG電極）が、当該技術分野で既知の製造技術を用いてベース基板１１に形成される。静電チャックの設計、構造、及び動作については、米国特許第5,591,269号、同5,566,043号、同5,663,865号、同5,606,484号、同5,155,652号、同5,665,260号、同5,909,355号、及び同5,693,581号を参照されたい。尚、これらの米国特許の内容全体は、参照におより本明細書に組み込まれるものとする。

ベース基板１１及び電極（複数の場合あり）は、それぞれが異なる電気抵抗率を有する複数の区域または領域を備え、かつ、電気絶縁性を有するAlNから構成された（またはAlNを含む）保護膜（またはオーバーコート）２０でコーティング（被膜）される。１実施形態では、保護膜層２０とベース基板１１との間の接着性を高めるのを容易にするためにオプションの結合層（tie-layer）（不図示）が設けられる。

１実施形態では、図２Ａに示すように、ヒーター電極１４を（ウェーハ基板から離れた）ベース基板の下面に配置して、ウェーハキャリア内で熱をより容易に空間的に分散させ、かつ、該キャリア内で熱をより容易に調整できるようにしている。別の実施形態では、ヒーター電極１４及びチャック電極１６がベース基板の上面（または上部）に配置される。この場合には、チャック電極を配置する前にベース基板及びヒーター電極上に、別個の絶縁層２０をコーティング（被膜）することができる。絶縁層を、ベース基板または保護膜と同じ材料で形成することができ、または、異なる材料で形成することができる。

導電性コアウェーハキャリア：以下、たとえばグラファイト（製の）ベース基板などの導電性ベース基板１１１を有するウェーハキャリアの１実施形態について図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。ベース基板を構成するものとしてグラファイトを提示するが、用途に応じて、グラファイト、並びに、Ｗ及びMoなどの耐火金属、遷移金属、希土類金属及び合金、並びに、酸化ハフニウム及び炭化ハフニウム、ジルコニウム、セリウム、及びこれらの混合物など（但しこれらには限定されない）の他の導電性材料を用いることもできる。ベース基板１１１は、電気的絶縁性の絶縁層１３０でコーティング（被膜）され、また、オプションとして、該絶縁層１３０とベース基板１１１の間の接着性を高めるのを容易にする結合層（tie-layer）（不図示）でコーティングされる。

絶縁層１３０については、該層を、Hf、B、Al、Si、Ga、Y、耐火硬質金属、遷移金属からなるグループから選択された元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物、もしくは酸窒化物、並びに、アルミニウム酸化物、アルミニウム酸窒化物、並びにこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから構成することができる。１つの例は、熱分解窒化ホウ素（パイロリティックボロンナイトライド：pBN）である。オプションの結合層に関しては、該層を、Ta、W、Moを含む耐火金属、チタン、クロム、鉄を含む遷移金属、及び、Al、Siから選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、並びにそれらの混合物の少なくとも１つから構成することができる。いくつかの例として、TiC、TaC、SiC、MoC、及び、これらの混合物がある。

１つ以上の電極１３４、１３６が絶縁層１３０に堆積（または被着）されている。これらの電極の構造及び機能を、上述の実施形態における加熱電極１３４及びチャック電極１３６の構造及び機能と同様（または類似）のものとすることができる。１実施形態では、図３Ａに示すように、２つの電極１３４と１３６は、ベース基板の対向する側（互いに反対の側）にある。別の実施形態では、それらの電極は同じ側にあり、絶縁層１２０がそれらの電極の間に配置される。

１実施形態では、これらの電極の一方または両方は、当該技術分野で既知のプロセスによって電気絶縁層（実施形態に応じて１３０または１２０）に形成される厚さが５〜１０００μｍの範囲にある薄膜電極である。１実施形態では、該薄膜電極は、たとえば、鉄、ニッケル、タンタル、タングステン、モリブデン、レニウム、及びプラチナ（白金）、または、これらの合金などの融点が高い金属から構成される。別の実施形態では、該薄膜電極は、ハフニウム、ジルコニウム、セリウムの炭化物または酸化物、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つから構成される。１例では、１８μｍの膜厚を有する電解銅箔が電極として使用される。さらに、ベース基板及びヒーターが耐腐食性（またはエッチング耐性）の保護膜１１８でコーティングされる。該保護膜は、ベース基板とヒーターを包み込んで、それらの構成要素と動作時の大気（周囲の大気）との間にバリア（防壁）を形成する。

オプションの結合層については、該層を、Ta、W、Moを含む耐火金属、チタン、クロム、鉄を含む遷移金属、及びAl、Siから選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物、酸窒化物、並びにそれらの混合物のうちの少なくとも１つから構成することができる。いくつかの例として、TiC、TaC、SiC、MoC、及び、これらの混合物がある。

他の実施形態では、ウェーハキャリアは、図４に示すようなサーミスターまたは熱電対２５０、及び／または、図５に示すような電磁シールド２５２を含むこともできる。電磁シールドは、チャック電極２３６と発熱体２３４の間、または、発熱体とウェーハの間の電気的干渉を除去するように作用することができる。

保護膜（上記実施形態の１８及び１１８）については、該保護膜は、それぞれが異なる体積抵抗率を有する１つ以上の領域または層から構成される。１実施形態では、該保護膜は、Hf、B、Al、Si、Ga、Y、耐火硬質金属、遷移金属からなるグループから選択された元素の酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物、もしくは酸窒化物、並びに、アルミニウム酸化物もしくはアルミニウム酸窒化物、並びに、これらの組み合わせ、並びに、NaZr_２（PO_４）_３というNZP構造を有する熱安定性（または耐熱性）の高いリン酸ジルコニウム、並びに、２ａ族、３ａ族、及び４ａ族の元素からなるグループから選択された少なくとも１つの元素を含むガラスセラミック合成物、並びに、BaO-Al_２Ｏ_３-B_２O_３-SiO_２ガラス、並びに、SiO_２と、Y、Sc、La、Ce、Gd、Eu、Dyなどの酸化物からなる耐プラズマ性（またはプラズマ耐食性）材料との混合物、もしくは、これらの金属のうちの１つのフッ化物、もしくは、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG：yttrium-aluminum-garnet）、並びに、これらの組み合わせ、を含むグループから選択された少なくとも２つの異なる材料から構成される。好ましくは、保護膜はAlNから構成され、及び、２つ以上の領域または区域を有し、各領域または区域が、２５℃で１０^６〜１０^１５Ω-ｃｍのそれぞれ異なる体積抵抗率を有する材料から形成される。

１実施形態では、図６に示すように、それぞれに異なる体積抵抗率を有するこれらの２つ以上の領域は、層８０、８２、８４から構成され、これらの層の各々は、それぞれ異なる抵抗率R_１、R_２、Ｒ_３を有する材料から形成される。ここで、R_１、R_２、Ｒ_３は、層の厚さＬに該層中の材料の固有抵抗（抵抗率）を単に乗じたものである。したがって、

であるので、コーティング（被膜）の全バルク抵抗率RTは、RT＝R_１＋R_２＋Ｒ_３である。

説明のために、層８０は、ウェーハキャリア本体または電極に隣接する層であり、層８４は、ウェーハが処理されるチャンバー環境に接触している外側層であるとする。図６に示す実施形態は３つの異なる層を有しているが、本発明では層の数は、これに限定されず、２つ以上の任意の数とすることができる。しかしながら、層の数が増えるにつれて、一般に、製造コスト及び複雑さが増すことが理解されよう。

種々の層は、それらの組成及び堆積（または被着）方法に応じて、それらの層の間に比較的細かい別個の境界線を有することができ、または、それらの層を拡散させ、もしくは、徐々に次の層に移行するようにすることができ、この場合、各層は互いに他の層に大きく貫入して、それらの層の間に外見上識別可能な境界線はない。

これらの層の各々を、AlNから構成することができ、または、類似のCTEを有する他の材料から構成することができる。しかしながら、一番外側の層８４はAlNから構成するのが好ましい。これは、AlNがウェーハの処理環境において優れた耐腐食性を有するからである。１実施形態では、これらの層の各々は、AlNを含む材料から構成される。この場合、各々の層中のAlNの体積抵抗率は異なる。異なる層間で体積抵抗率が異なる材料を用い、及び、各層の厚さを独立に制御することによって、ウェーハキャリアの意図されている動作温度においてジョンソン・ラーベック型の範囲内の所望のバルク抵抗を有し、かつ、AlN外側層が依然として優れた耐腐食性を呈するように、コーティングを施すことができる。

AlNの抵抗率を変えることができる種々の方法がある。かかる方法には、１）バルク材料内に種々の欠陥または孔（または細孔）を含めることによって、あるいは他の方法によって、AlNの密度を変えること、２）材料内のAlとNの比を変更することによって、該材料の化学量論（たとえば、重量比や体積比といった数量的関係）を変えること、３）酸素または炭素などの不純物またはドーパントをAlN材料中に導入すること、４）AlN結晶の方位、結晶構造、または、結晶の大きさを変えること、及び、５）AlN層中の孔の数、孔の大きさ、孔の形状、または、孔の位置を変えること、が含まれる（但し、これらには限定されない）。これらのうちの方法４）及び５）は、AlNの微細構造を変えるものであると見なすことができる。

密度、結晶構造、化学量論、不純物の組成、及び欠陥を変更する方法には、AlNを堆積（または被着）する条件、たとえば、温度、圧力、前駆体濃度、ガス流量（またはガス流速）、プラズマエネルギー密度、及び、基板の表面状態を変えること、並びに、プロセス条件のその他の変更が含まれる。

このように、１実施形態では、保護膜は３つの層から構成され、一番上と一番下の層は、６００℃において約１０^５Ω-ｃｍの体積抵抗率を有するAlNから構成される。中間の層は、６００℃においてこれらより小さい、たとえば約１０^１０Ω-ｃｍの体積抵抗率を有するAlNとAl_２O_３との混合物から構成される。１実施形態では、コーティング全体の厚さを、約５μｍ〜１０００μｍの範囲内のものとすることができる。個々の層の厚さを、１μｍ〜９９９μｍの範囲内のものとすることができる。全体の厚さは、約２５μｍ〜５００μｍの範囲内であるのが好ましく、個々の層の厚さは、約５μｍ〜４９５μｍの範囲内であるのが好ましい。

他の実施形態では、コーティングは、１）電極に隣接する領域が窒化アルミニウムであり、該電極に接触していない少なくとも１つの領域がアルミニウム酸窒化物である、複数の領域と、２）電極に隣接する領域がバルクコーティングに比べて少なくとも２５％小さい電気抵抗率を有し、該電極に隣接していない少なくとも１つの領域が、該コーティングのバルク抵抗率に比べて少なくとも２５％大きい電気抵抗率を有する、領域と、３）電極に隣接する領域が、０．６wt％未満の酸素を含む窒化アルミニウムから構成され、該電極に隣接していない少なくとも１つの領域（区域）が、０．６wt％より多くの酸素を含む窒化アルミニウムである、領域と、４）電極に隣接する領域が、２５℃において１０^３と１０^１４Ω-ｃｍの間の電気抵抗率を有する窒化アルミニウムから構成され、該電極に隣接していない少なくとも１つの領域（区域）が、２５℃において、第１の領域よりも大きな電気抵抗率であって、１０^９と１０^１５Ω-ｃｍの間の電気抵抗率を有する、領域、を含むことができる。

本発明によるウェーハキャリアは、シリコンウェーハのプロセスで使用される。このプロセスの一部は、化学蒸着法によってウェーハ上に材料を層状に堆積することを含む。また、このプロセス中には、それらの材料がウェーハキャリアに被着しやすい。ウェーハキャリアを定期的にクリーニングすることが必要になる。ウェーハ上に材料を層状に堆積させるプロセスは、一般に、ウェーハキャリアに損傷（ダメージ）を与えない。しかしながら、NF₃プラズマなどの過激なクリーニング組成物が、しばしば、これらの物品の表面をクリーニングするために使用される。このクリーニングは、典型的には、３０〜４０プロセス時間後、すなわち、ウェーハを処理するのに要した時間後に行われる。この場合、ウェーハキャリアは、典型的には、１〜２クリーニング時間またはこれより短い時間の間プラズマクリーニングを受ける。５０〜１００クリーニング時間の間NF₃プラズマにさらされると、一般に、PBNだけでコーティングされたウェーハキャリアは交換が必要な程に十分に損傷（ダメージ）を受ける。CVD−AlNコーティングは、NF₃プラズマによる攻撃（浸食など）に対してPBNコーティングよりもかなり大きな耐性があり、実験では、１２〜２４クリーニング時間後において検出可能な損傷（ダメージ）は示されなかった。本発明によるウェーハキャリアは、有効に持ちこたえるようにするために、すなわち、保護された状態で物品（ここではウェーハキャリア）を維持するために、十分なCVD−AlNコーティングを有するのが好ましく、これによって、少なくとも１０、２５、５０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１５００、２０００、３０００、または、４０００クリーニング時間、すなわち、該物品のクリーニング中のNF₃プラズマによる攻撃（浸食など）にされされている時間、コーティングされた物品を交換しなくてもすむようにする。これを達成するために、外側のコーティング１８、１１８は、CVD−AlNから構成されて、約５〜１０００ミクロン（の厚さ）であるのが好ましく、より好ましくは、約２５〜５００ミクロン（の厚さ）である。

CVD−AlNコーティングを施す（塗布する）プロセスは既知である。たとえば、米国特許第4,950,558号、同5,672,420号、同4,239,819号、同5,178,911号、同4,172,754号、及び、同5,356,608号を参照されたい。尚、これらの米国特許の内容は参照により本明細書に組み込まれるものとする。要約すると、蒸着プロセスは、成長室（deposition chamber。堆積室ともいう）と連絡（連通）する塩素接触槽（chlorination chamber）を有する反応器内で実行される。成長室は、真空室（真空チャンバー）に含まれており、１つ以上の真空ポンプに接続されている。プロセスを開始する前に、コーティング基板が成長室に入れられ、塩素接触槽に、アルミニウム粒子の層が投入される。次に、真空室及び成長室が排気される。

プロセスを開始するために、抵抗発熱体によって塩素接触槽が２００〜４００℃の間の温度まで加熱される。塩素（Cl₂）及び窒素（N₂）ガスが、塩素接触槽に導入される。この温度では、アルミニウムと塩素によって塩化アルミニウムガスが形成される。

次に、塩化アルミニウムが、既に、約１〜１０トル、好ましくは約２トルという低い圧力まで排気されている成長室へと移動する。アンモニア（NH₃）及び水素（H₂）も成長室に導入される。温度は、ヒーターによって６００〜１１００℃に維持される。次に、塩化アルミニウムとアンモニアが反応してAlNを形成すると、ウェーハキャリア基板がAlNでコーティングされる。

AlNコーティングは、１時間当たり約１０〜２０マイクロメートルの範囲の速さでウェーハキャリア基板に形成される。化学蒸着法によって形成された窒化アルミニウムコーティングは、高密度、高純度で、かつ、基本的に厚さが均一である点で、焼結やホットプレス（hot-pressing）によって形成された窒化アルミニウムコーティングよりも優れている。上記のように作成されたコーティングは、窒化アルミニウムの理論上の結晶密度（crystalline density）の８５〜９７％の密度である（理論上のAlNの結晶密度は３．２６g／cc）。他の技術及び材料を用いる他のCVD−AlNコーティングプロセスが当該技術分野において既知であり、それらは全て参照により本明細書に組み込まれるものとする。

本発明が上述のように機能することを裏付けるデータを図７に示す。図７は、CVDによって堆積された窒化アルミニウムコーティングの抵抗率がジョンソン・ラーベック型の範囲内のものであって、炭素をドープした熱分解窒化ホウ素（carbon- doped pyroliticboron nitride：CPBN）材料の抵抗率と同等であることを示している。Ａで示されている領域は、Tamagawa（J Vac. Sci. Japan(45)(2002)）によるジョンソン・ラーベック型である。Ｂで示されている領域は、Kahno他（JVSTB 21. pp 2371(2003)）によるジョンソン・ラーベック型である。

例
層状に積み重ねられたAlNの例を表１及び図８に示す。これらの例は、抵抗率が異なるAlN薄膜の３つのタイプを用いている。タイプＡのAlNは、低密度で低抵抗率の薄膜であり、タイプＢのAlNは、高密度で中程度の抵抗率の薄膜であり、タイプＣのAlNは、抵抗率が極めて高いAlN薄膜である。６００℃で測定された各タイプのAlNの抵抗率を表１に示す。サンプル70858は、AlNの３つの層からなり、層１及び層３がタイプＡのAlNであり、層２がタイプＢのAlNである。この例では、３層構造のコーティングの合成抵抗率は、個々の層の抵抗率の間に収まっており、個々の層の厚さを調整（または制御）することによって１．５×１０^７Ω-ｃｍに調整されている。サンプル80153は、２層構造であって、抵抗率が、１．３×１０^１０Ω-ｃｍ（タイプCのAlNのみが使用された場合）〜４．１×１０^９Ω-ｃｍの間に調整された。第３の例は、タイプＢとタイプCのAlNを用いた３層構造であり、該３層構造の合成抵抗率は６．９×１０^８Ω-ｃｍに調整されている。図８は、体積抵抗率がそれぞれ異なる２つのタイプのAlNの３つの層からなるAlN保護膜の断面を示す走査電子顕微鏡写真（SEM micro-graph）である。

本発明の主題の新規な概念をいくつかの実施形態を参照して説明し、特に、本明細書では、開示した実施形態の構成並びにそれらの実施形態の構成要素間の構造上の相互関係にかなりの重点をおいて説明したが、本発明の主題の新規な概念の原理から逸脱することなく、他の実施形態を実施できること、及び、図示し説明した実施形態において多くの変更をおこなうことができることが理解されよう。上記の詳細な説明を読んで理解した当業者には、改良及び変更が想起されるであろうことは明らかである。したがって、上述の事項は、本発明の新規な概念の例示に過ぎないものとして解釈されるべきであって、限定するものとして解釈されるべきではないことが明確に理解されるべきである。それゆえ、本発明の主題の新規な概念には、添付の特許請求の範囲及びそれの等価物の範囲に入る限りにおいて、そのような全ての改良及び変更も含まれることが意図されている。

Claims (22)

1. 基板と電極要素からなる本体を備えるウェーハキャリアであって、該ウェーハキャリアがさらに、前記本体の外面の少なくとも一部分に配置された外側コーティングを有し、該外側コーティングは、誘電材料を有し、かつ、電気抵抗率が異なる少なくとも２つの領域を有し、
   前記コーティングが、
   前記電極に隣接する領域であって、前記外側コーティングのバルク抵抗率よりも少なくとも２５％低い電気抵抗率を有する領域と、
   前記外側コーティングのバルク抵抗率よりも少なくとも２５％高い電気抵抗率を有する少なくとも１つの別の領域
   を有する、ウェーハキャリア。
2. 前記外側コーティングの厚さは、２５〜５００マイクロメートルである、請求項１のウェーハキャリア。
3. 前記領域の相対的な大きさは、１５０℃〜６００℃の所望の温度において、前記外側コーティングに、ジョンソン・ラーベック型に入る所望のバルク電気抵抗率を与えるように選択される、請求項１のウェーハキャリア。
4. 前記領域は、前記コーティングの厚さ方向に１つ以上の層を有する、請求項１のウェーハキャリア。
5. 前記電極に隣接する層が窒化アルミニウムから構成され、別の層がアルミニウム酸窒化物から構成される、請求項４のウェーハキャリア。
6. 前記電極に隣接する前記領域が、少なくとも１つの他の領域よりも密度が高い窒化アルミニウムから構成され、前記少なくとも１つの別の領域が、前記電極に隣接する前記領域よりも密度が低い窒化アルミニウムから構成される、請求項１のウェーハキャリア。
7. 前記コーティングが、
   前記電極に隣接する領域であって、０．６wt％未満の酸素を含む窒化アルミニウムから構成された領域と、
   ０．６wt％を超える酸素を含む窒化アルミニウムから構成された少なくとも１つの別の領域
   を有する、請求項１のウェーハキャリア。
8. 前記電極に隣接する前記領域が、２５℃において１０^３Ω-ｃｍと１０^１４Ω-ｃｍの間の電気抵抗率を有するAlNから構成され、
   前記少なくとも１つの別の領域が、２５℃において、前記電極に隣接する前記領域の電気抵抗率よりも大きく、かつ、１０^９Ω-ｃｍと１０^１５Ω-ｃｍの間の電気抵抗率を有する、請求項１のウェーハキャリア。
9. 前記電極に隣接する前記領域が、６００℃において１０^１０Ω-ｃｍ未満の電気抵抗率を有するAlNから構成され、
   前記少なくとも１つの別の領域が、６００℃において１０^６Ω-ｃｍより大きな電気抵抗率を有する、請求項１のウェーハキャリア。
10. 前記電極が熱分解グラファイトから構成される、請求項１のウェーハキャリア。
11. 前記熱分解グラファイトから構成された電極が抵抗発熱体を構成する、請求項１０のウェーハキャリア。
12. 前記基板が導電性材料から構成される、請求項１のウェーハキャリア。
13. 前記基板がグラファイトから構成される、請求項１２のウェーハキャリア。
14. 前記基板と前記電極の間に配置された非導電性の層をさらに有する、請求項１２のウェーハキャリア。
15. 前記非導電性の層が熱分解窒化ホウ素から構成される、請求項１４のウェーハキャリア。
16. 前記基板が、熱分解窒化ホウ素またはAlNから構成される、請求項１のウェーハキャリア。
17. 前記ウェーハキャリアが、第１及び第２の熱分解グラファイト素子から構成され、前記基板が、前記２つの熱分解グラファイト素子の間に配置される、請求項１のウェーハキャリア。
18. 前記第１の熱分解グラファイト素子が抵抗発熱体であり、前記第２の熱分解グラファイト素子がチャック電極である、請求項１７のウェーハキャリア。
19. 前記ウェーハキャリアが、本体、該本体に堆積されたチャック電極、及び、該チャック電極の上に堆積された外側コーティングから構成された静電チャックを有し、前記外側コーティングは、異なる抵抗率を有する複数の層から構成され、前記外側コーティングは、AlNから構成された外側層を有する、請求項１のウェーハキャリア。
20. 前記領域はAlNから構成され、第１の領域におけるAlNと第２の領域におけるAlNとは、密度、Ｎに対するAlの化学量論、結晶構造、または、AlNにおけるドーパントの存在の有無及び量、のうちの少なくとも１つが異なる、請求項１のウェーハキャリア。
21. ウェーハキャリアを形成する方法であって、
    ａ）ベース基板を設けるステップと、
    ｂ）前記ベース基板に電極を配置するステップと、
    ｃ）前記ベース基板及び電極の上に外側コーティングを堆積するステップ
    を含み、
    前記ステップｃ）は、それぞれが異なる体積抵抗率を有する材料からなる複数の領域を堆積するステップを含み、
    前記堆積された材料の各々の相対的な量を変更することによって、所与の温度における前記外側コーティングの全バルク抵抗率を制御することが可能であり、
    前記コーティングが、前記電極に隣接する領域であって、前記外側コーティングのバルク抵抗率よりも少なくとも２５％低い電気抵抗率を有する領域と、前記外側コーティングのバルク抵抗率よりも少なくとも２５％高い電気抵抗率を有する少なくとも１つの別の領域とを有する、方法。
22. 基板と電極要素から構成された本体を有するウェーハキャリアであって、該ウェーハキャリアがさらに、前記本体を収容する誘電材料から構成された外側コーティングを有し、該外側コーティングが、微細構造が異なる少なくとも２つの領域を有し、前記異なる微細構造は、孔の数、孔の大きさ、結晶の形状、孔の形状、孔の位置のうちの少なくとも１つが互いに異なり、
    前記コーティングが、前記電極に隣接する領域であって、前記外側コーティングのバルク抵抗率よりも少なくとも２５％低い電気抵抗率を有する領域と、前記外側コーティングのバルク抵抗率よりも少なくとも２５％高い電気抵抗率を有する少なくとも１つの別の領域とを有する、ウェーハキャリア。