JP6711738B2 - 支持装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハなどの対象物を支持する支持装置に関する。

成膜又はエッチング等の処理の対象となる半導体ウエハなどの対象物をセラミックスからなる基材の上面上に支持する支持装置が知られている。このような支持装置においては、例えば基材に埋設した発熱パターンの発熱によって、対象物全体を均一に加熱する。そのため、基材上面の温度の均一化を図る必要がある。

例えば、特許文献１には、基材の中央部の下面に筒状支持体（シャフト）が接合されたセラミックスヒータにおいて、発熱パターンのうち筒状支持体より内側に位置する領域の面積をＳ１、筒状支持体より内側に位置する領域における発熱パターンの抵抗値をＲ１、発熱パターンのうち筒状支持体より外側に位置する領域の面積をＳ２、筒状支持体より外側に位置する領域における発熱パターンの抵抗値をＲ２としたとき、Ｒ１／Ｓ１をＲ２／Ｓ２に対して３％〜６０％として、筒状支持体を介して熱引きされる温度を補い基材上面の温度を均一化することが記載されている。

特許第３６３１６１４号公報

しかしながら、近年、筒状支持体の内部に外部のプロセスガスが漏入しないように、基材と筒状支持体との接合面積を十分に確保するために、筒状支持体の上端部を拡径して拡径部（フランジ部）を設けることが多い。拡径部を設けると、この拡径部からも熱逃げが生じるので、筒状支持体からの熱逃げが大きくなる。

上記特許文献１に記載の技術においては、筒状支持体の拡径部からの熱逃げは考慮されておらず、拡径部を設けた場合における基材上面の温度の均一化を十分に図ることができない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、上端部に拡径部を有する筒状支持体で支持された基材において、上面の温度の均一化を図ることが可能な支持装置を提供することを目的とする。

また、上記特許文献１に開示されている発明は、発熱パターンが一平面内に配置されたいわゆるシングルゾーンの発熱パターンである。そのため外部電源によって発熱パターンに流れる電流は発熱パターン内で均一となるため、筒状支持体の内側、外側の各領域ごとの発熱量を外部電源の電流値で調節することができなかった。そのような構成のもとでヒータにおいて筒状支持体の内外の最適な範囲を求めたものであった。

本発明は、筒状支持体の内側及び外側の各領域での温度分布を、各領域の抵抗と発熱パターン面積の比率によってのみ確定させるのではなく発熱パターンが独立した複数であるいわゆるマルチゾーンヒータについても適用できるようにしたものである。

本発明は、セラミックスからなり、上面及び該上面の反対側に位置する下面を有する板状の基材と、セラミックスからなり、前記基材の下面に上面が接続され、上端部の筒状体は他の部分の筒状体と比較して水平方向の断面積が大きい筒状支持体と、前記基材の内部に埋設された発熱パターンとを備え、前記基材の上面上に対象物を支持する支持装置であって、前記発熱パターンの上面視における前記筒状支持体の前記上端部の筒状体の外周面より内側の部分の抵抗値、面積をそれぞれＲ１、Ａ１とし、前記発熱パターンの上面視における前記筒状支持体の前記他の部分の筒状体の外周面より外側の部分の抵抗値、面積をそれぞれＲ２、Ａ２としたとき、（Ｒ１／Ａ１）／（Ｒ２／Ａ２）が３以上８以下であることを特徴とする。

本発明によれば、下記の実施例から分かるように、（Ｒ１／Ａ１）／（Ｒ２／Ａ２）が３以上８以下であれば、基材上面の温度が均一化する。

また、本発明において、前記筒状支持体の前記上端部の筒状体の高さ、断面積をそれぞれｔ、Ｓｆとし、前記筒状支持体の長さをＬとし、前記筒状支持体の前記他の部分の筒状体の断面積をＳｓとしたとき、比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）が０．００１以上０．０６以下である。

これにより、下記の実施例から分かるように、基材の温度分布が均一化する。

本発明の実施形態に係るセラミックスヒータの模式縦断面図。 図１のＡ−Ａ断面における模式断面図。 図１のＢ−Ｂ断面における模式断面図。

まず、本発明の支持装置の実施形態に係るセラミックスヒータ１００について図１を参照して、説明する。

セラミックスヒータ１００は、ウエハ（基板）などの対象物Ｘを保持するための略円板状のセラミックスからなる基材１０と、相互に短絡しないように基材１０に埋設されている上側発熱パターン２０及び下側発熱パターン３０と、基材１０の下面に接続された筒状のシャフト（筒状支持体）４０とを備えている。

基材１０は、対象物Ｘを上に保持する上面（表面）１１と、上面１１の反対側の面である下面（裏面）１２を有している。図示しないが、上面１１には、多数の凸部が形成されており、この凸部の上面で対象物Ｘを保持する。

基材１０は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなるセラミックス焼結体である。基材１０は、上記の材料を所定形状の型に入れて成形し、緻密化させるため、例えばホットプレス焼成等によって円板状に作製すればよい。

なお、基材１０には、発熱パターン２０，３０のほか、ウエハをジョンセン−ラーベック力により上面（保持面）１１に引き付けるための静電チャック電極及び基材１０の上方にプラズマを発生させるためのプラズマ電極のうち少なくとも一方が埋設されていてもよい。

発熱パターン２０，３０は、本実施形態では、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）等の耐熱金属などのメッシュからなり、面状の形態をしている。ただし、発熱パターン２０，３０は、耐熱金属などからなる膜、板、線、箔、繊維、コイル、リボン状など構成であってもよく、螺旋、折返し状などの形態であってもよい。そして、本実施形態では、発熱パターン２０，３０の厚さは一定となっている。

基材１０の間に発熱パターン２０，３０を挟み込んだ状態で、基材１０は焼成される。

シャフト４０は、大略円筒形状であり、基材１０の中央部の下面１２の接続されている上端面４１と、上端面４１と反対側に位置する下端面４２とを備えている。

シャフト４０は、上下方向中央部に位置する円筒部４３と、円筒部４３より拡径した円筒状の拡径部４４を上下両端部に有している。シャフト４０の上端面４１は、拡径部４４の上端面からなり、基材１０との接合面となっている。

基材１０の下面１２とシャフト４０の上端面４１とが、拡散接合又はセラミックス若しくはガラス等の接合材による固相接合によって接合されている。なお、基材１０とシャフト４０とは、ねじ止めやろう付けなどによって接続されてもよい。

シャフト４０の材質は、基材１０の材質と同等でよいが、断熱性を高めるために、基材１０の素材より熱伝導率の低い素材から形成されていてもよい。

発熱パターン２０，３０のパターンの一例を説明する。

上側発熱パターン２０は、図示しない一対の上側用端子とそれぞれ接続された第１上側発熱抵抗要素２１と、第１上側発熱抵抗要素２１と接続され、第１上側発熱抵抗要素２１を重畳的に囲む相互に離間し、同円心状に配置されている複数の半円弧状の第２上側発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｅと、隣り合う第２上側発熱抵抗要素同士２２ａ〜２２ｅをそれぞれ接続する直線状の第３上側発熱抵抗要素２３ａ〜２３ｄとにより構成されている。そして、最も外側の第２上側発熱抵抗要素２２ｅは、その端部同士が接続されている。

下側発熱パターン３０は、図示しない一対の下側用端子とそれぞれ接続された略半円状の第１下側発熱抵抗要素３１と、第１下側発熱抵抗要素３１と接続され、第１下側発熱抵抗要素３１を同心円状に離間し外側から囲む一の部分で欠けた略円環状の第２下側発熱抵抗要素３２と、第１下側発熱抵抗要素３１と第２下側発熱抵抗要素３２とを接続する直線状の第３下側発熱抵抗要素３３とにより構成されている。

上面視でシャフト４０の拡径部４４より内側、外側の発熱パターン２０，３０の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２と、上面視でシャフト４０の拡径部４４より内側、外側の発熱パターン２０，３０の面積をそれぞれＡ１，Ａ２としたとき、比（Ｒ１／Ａ１）／（Ｒ２／Ａ２）が３以上８以下であれば、これら各領域内で発熱パターン２０，３０が埋設されている領域と埋設されていない領域での温度差を小さくすることが可能であるので好ましい。

また、シャフト４０の拡径部４４の厚さｔと断面積Ｓｆの比である（ｔ／Ｓｆ）と、シャフト４０の長さＬと円筒部４３の断面積Ｓｓの比である（Ｌ／Ｓｓ）との比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）が０．００１以上０．０６以下であれば、基材１０の温度分布が均一化が図られるので好ましい。

比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）が小さすぎると、基材１０に発生した熱量がシャフト４０を伝熱する際にシャフト４０の拡径部４４から円筒部４３に流れ込む領域で伝熱が悪くなり、ホットスポットになりやすい。一方、比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）が大きすぎると、熱流がシャフト４０の円筒部４３に容易に流れ込み、その結果シャフト４０の円筒部４３の直上領域にコールドスポットが生じやすい。これら何れの場合も、セラミックスヒータ１００の温度分布が悪化する。そのため、比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）を０．００１以上０．０６以下とすることがセラミックスヒータ１００の温度調節を行う上で適切である。

なお、上述した実施形態では、上側発熱パターン２０及び下側発熱パターン３０を基材１０に内蔵した２ゾーンヒータとしてのセラミックスヒータ１００について説明した。しかし、本発明に係るセラミックスヒータは、これに限定されず、一平面上にのみ発熱パターンが内蔵されたシングルゾーンヒータであれも、３ゾーン以上のマルチゾーンヒータであってもよい。

（セラッミクスヒータの構成）
基材１０として、１６０高熱伝導窒化アルミニウムからなる円板状のものを用意した。各基材１０の直径Ｄ及び厚さＴを表１に記載した。

この基材１０には、上面から厚さの５０％の位置に、線径０．１ｍｍの純モリブデン線を用いてレーザ加工して、図２に示した５０メッシュのメッシュ形状とした上側発熱パターン２０を埋設した。さらに、２ゾーンヒータの場合、基材１０に、上面から厚さの７０％の位置に、線径０．１ｍｍの純モリブデン線を用いてレーザ加工して、図３に示した５０メッシュのメッシュ形状とした下側発熱パターン３０を埋設した。

そして、この基材１０の下面に、常温の熱伝導率が８０ｋＷ／（ｍ・ｋ）の窒化アルミ
ニウムからなる円筒形状のシャフト４０の上端面を拡散接合法によって接合した。このようにしてセラミックスヒータ１００を得た。シャフト４０の各部寸法を表１に示した。

発熱パターン２０，３０の上面視におけるシャフト４０の拡径部４４の外周面より内側の部分の面積Ａ１、抵抗値Ｒ１、及び、発熱パターン２０，３０の上面視におけるシャフト４０の拡径部４４の外周面より外側の部分の面積Ａ２、抵抗値Ｒ２をそれぞれ表１に記載した。また、比（Ｒ１／Ａ１）／（Ｒ２／Ａ２）の値も表１に記載した。

（評価方法）
セラミックスヒータ１００を、雰囲気圧力が１０Ｔｏｒｒ（＝約１３３３Ｐａ）のチャンバ内に収容した。

発熱パターンが上側発熱パターン２０のみである場合(シングルゾーンヒータの場合)、１個の電力調節器（電力フィードバック式のサイリスタ）で、基材１０の上面中心部に挿入した熱電対の測定温度に基づいてフィードバック制御した。

発熱パターンが上側発熱パターン２０及び下側発熱パターン３０である場合（いわゆる２ゾーンヒータの場合）、上側発熱パターン２０と下側発熱パターン３０とは、それぞれ独立した２個の電力調節器（電力フィードバック式のサイリスタ）で、基材１０の上面中心部に挿入された熱電対の測定温度に基づいて制御した。なお、上側発熱パターン２０近傍の熱電対が示す温度でフィードバック制御し、上側発熱パターン２０と下側発熱パターン３０との電力比は、サイリスタの勾配器を調節し概ね均温化する比率に調節した。

前記熱電対の測定温度が、室温から４５０℃まで５℃／分で昇温するように、上側発熱パターン２０又は発熱パターン２０，３０に電力を供給した。そして、前記熱電対の測定温度が４５０℃となった状態で、概ね均温化するようにこれら発熱パターンに供給する電力を調節し、その後定常状態になるまで３０分間保持した。

そして、３０分間経過した時点で、基材１０の上面の温度をＩＲカメラで測定した。こ
れらの測定温度のうち最高温度と最低温度との差を求めた。測定結果を表１に記載した。

実施例１〜３のように比（Ｒ１／Ａ１）／（Ｒ２／Ａ２）が３以上８以下である場合、基材１０の上面の最大温度差は２．８℃と小さかった。

比較例２のように、比（Ｒ１／Ａ１）／（Ｒ２／Ａ２）が３を下回ると、シングルゾーンヒータでは、上面視でシャフト拡径部４４より内側領域内における基材１０の温度が低くなりすぎる。

比較例１のようにマルチゾーンヒータにおいても、比（Ｒ１／Ａ１）／（Ｒ２／Ａ２）が８を超えると、上面視でシャフト４０の拡径部４４より内側領域の発熱パターン２０，３０が埋設されている領域と埋設されていない領域での温度差が外部電源では調節が困難になり、上面視でシャフト拡径部４４より内側領域内における基材１０の温度差が大きくなりすぎる。

そのため、マルチゾーンヒータにおいては、さらに、上面視でシャフト拡径部４４より内側、外側の基材１０の面積をそれぞれＡ１，Ａ２としたとき、比（Ｒ１／Ａ１）／（Ｒ２／Ａ２）が３以上８以下であることが、各領域内で発熱パターン２０，３０が埋設されている領域と埋設されていない領域での温度差を小さくするうえで有効であることが分かった。

さらに、シャフト４０の拡径部４４の厚さｔと断面積Ｓｆの比である（ｔ／Ｓｆ）と、シャフト４０の長さＬと円筒部４３の断面積Ｓｓの比である（Ｌ／Ｓｓ）とに一定の関係があれば温度調節が容易になることが分かった。すなわち、比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）の値が０．００１以上０．０６以下であれば温度分布がよくなることが分かった。

比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）が小さすぎると、基材１０に発生した熱量がシャフト４０を伝熱する際にシャフト４０の拡径部４４から円筒部４３に流れ込む領域で伝熱が悪くなりホットスポットになりやすい。比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）が大きすぎると、熱流がシャフト４０の円筒部４３に容易に流れ込み、その結果シャフト４０の円筒部４３の直上領域にコールドスポットが生じやすい。これら何れの場合も、セラミックスヒータ１００の温度分布が悪化する。そのため、比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）を一定の範囲に収めることがセラミックスヒータ１００の温度調節を行う上で適切である。

１０…基材、 １１…上面、 １２…下面、 ２０…発熱パターン（上側発熱パターン）、 ３０…発熱パターン（下側発熱パターン）、４０…シャフト（筒状支持体）、 ４１…上端面、 ４２…下端面、 ４３…円筒部（他の部分の筒状体）、 ４４…拡径部（上端部の筒状体）、 １００…セラミックスヒータ（支持装置）、 Ｘ…対象物。

Claims (1)

1. セラミックスからなり、上面及び該上面の反対側に位置する下面を有する板状の基材と、
   セラミックスからなり、前記基材の下面に上面が接続され、上端部の筒状体は他の部分の筒状体と比較して水平方向の断面積が大きい筒状支持体と、
   前記基材の内部に埋設された発熱パターンとを備え、前記基材の上面上に対象物を支持する支持装置であって、
   前記発熱パターンの上面視における前記筒状支持体の前記上端部の筒状体の外周面より内側の部分の抵抗値、面積をそれぞれＲ１、Ａ１とし、前記発熱パターンの上面視における前記筒状支持体の前記上端部の筒状支持体の外周面より外側の部分の抵抗値、面積をそれぞれＲ２、Ａ２としたとき、比（Ｒ１／Ａ１）／（Ｒ２／Ａ２）が３以上８以下であり、
   前記筒状支持体の前記上端部の筒状体の高さ、断面積をそれぞれｔ、Ｓｆとし、前記筒状支持体の長さをＬとし、前記筒状支持体の前記他の部分の筒状体の断面積をＳｓとしたとき、比（ｔ／Ｓｆ）／（Ｌ／Ｓｓ）が０．００１以上０．０６以下であることを特徴とする支持装置。