JP6843320B1

JP6843320B1 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP6843320B1
Application number: JP2020570587A
Authority: JP
Inventors: 賢一郎相川; 祐司赤塚; 央史竹林; 孝浩安藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: JPWO2021054323A1

Abstract

本発明のセラミックヒータは、アルミナ基板の上面にウエハ載置面が設けられ、ウエハ載置面側から、ゾーンごとに設けられた抵抗発熱体及び抵抗発熱体に給電する多段のジャンパ線がこの順にアルミナ基板に埋設され、抵抗発熱体とジャンパ線とを上下方向に連結する発熱体連結ビア及びジャンパ線へ給電するために外部へ取り出す給電ビアを備える。発熱体連結ビアの比抵抗は、抵抗発熱体の比抵抗よりも小さい。発熱体連結ビアの熱膨張係数とアルミナ基板の熱膨張係数との差の絶対値は、抵抗発熱体の熱膨張係数とアルミナ基板の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい。

Description

本発明は、セラミックヒータに関する。

従来、半導体ウエハを加工するにあたり、ウエハを吸着保持する静電チャックヒータが使用される。こうした静電チャックヒータとして、特許文献１に示すように、セラミックス焼結体に静電電極が埋設された静電チャックと、複数の抵抗発熱体を有する樹脂シートであって一方の面が静電チャックに樹脂接着されたシートヒータと、を備えたものが知られている。シートヒータは、複数の抵抗発熱体のそれぞれに給電するジャンパ線、抵抗発熱体とジャンパ線とを上下方向に連結する発熱体連結ビア、ジャンパ線へ給電するために外部へ取り出す給電ビアなども備えている。

国際公開第２０１７／０２９８７６号パンフレット

こうした静電チャックヒータにおいて、樹脂シートでは耐熱性や抜熱能力が十分得られないことから、セラミック焼結体に静電電極を埋設した構造に変更したいという要望があったが、セラミックとしてアルミナを用いる場合、通電によるビアの発熱が大きくてウエハの均熱性が悪化したり、ビアの周辺で破損したりするという問題があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、アルミナ基板に抵抗発熱体、ジャンパ及びビアを内蔵するセラミックヒータにおいて、ウエハの均熱性を向上すると共にビアの周辺での破損を防止することを主目的とする。

本発明のセラミックヒータは、
アルミナ基板の上面にウエハ載置面が設けられ、前記ウエハ載置面側から、ゾーンごとに設けられた抵抗発熱体及び前記抵抗発熱体に給電する多段のジャンパ線がこの順に前記アルミナ基板に埋設され、前記抵抗発熱体と前記ジャンパ線とを上下方向に連結する発熱体連結ビア及び前記ジャンパ線へ給電するために外部へ取り出す給電ビアを備えたセラミックヒータであって、
前記発熱体連結ビアの比抵抗は、前記抵抗発熱体の比抵抗よりも小さく、
前記発熱体連結ビアの熱膨張係数と前記アルミナ基板の熱膨張係数との差の絶対値は、前記抵抗発熱体の熱膨張係数と前記アルミナ基板の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい、
ものである。

このセラミックヒータでは、発熱体連結ビアの比抵抗は、抵抗発熱体の比抵抗よりも小さい。そのため、抵抗発熱体の通電による発熱は大きいが、発熱体連結ビアの通電による発熱は小さい。したがって、ウエハの均熱性が向上する。また、発熱体連結ビアの熱膨張係数とアルミナ基板の熱膨張係数との差の絶対値は、抵抗発熱体の熱膨張係数とアルミナ基板の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい。そのため、厚みが薄い抵抗発熱体に起因するクラックの発生を防止することができるし、通電による発熱を抑えるために発熱体連結ビアの断面積を大きくしたとしても製造時や使用時の破損のリスクを小さくすることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記発熱体連結ビアの比抵抗は、前記抵抗発熱体の比抵抗の０．７５倍よりも小さいことが好ましい。こうすれば、ウエハの均熱性がより向上する。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記抵抗発熱体の熱膨張係数は、アルミナの熱膨張係数に対し±４ｐｐｍ／Ｋ以内であり、前記発熱体連結ビアの熱膨張係数は、アルミナの熱膨張係数に対し±０．６ｐｐｍ／Ｋ以内であることが好ましい。抵抗発熱体は、厚みが薄いため、母材であるアルミナの熱膨張係数に対し±４ｐｐｍ／Ｋ以内であればクラックの発生を十分防止することができる。発熱体連結ビアは、通電による発熱を抑えるために断面積を大きくするのが好ましいが、その場合、母材であるアルミナとの熱膨張係数差が±０．６ｐｐｍ／Ｋ以内と小さい方が製造時や使用時の破損のリスクを十分小さくすることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記発熱体連結ビアは、金属ルテニウムを含むことが好ましい。アルミナの熱膨張係数は４０〜８００℃で７．９ｐｐｍ／Ｋ、金属ルテニウムの熱膨張係数は４０〜８００℃で７．２ｐｐｍ／Ｋである。そのため、アルミナ基板とビアとの熱膨張差は非常に小さい。したがって、金属ルテニウムを含む発熱体連結ビアを用いれば、製造時や使用時において発熱体連結ビアに起因するクラックの発生を抑制することができる。発熱体連結ビアは、１０重量％以上９５重量％以下含むことが好ましく、２０重量％以上９５重量％以下含むことがより好ましく、６０重量％以上９５重量％以下含むことが更に好ましい。発熱体連結ビアは、金属ルテニウム以外にフィラー成分を含んでいてもよい。フィラー成分としては、アルミナ及び／又はジルコニアが好ましい。アルミナは、母材（アルミナ基板）と同じ材料であるため、発熱体連結ビアと母材との界面強度が改善される。ジルコニアは、熱膨張係数がアルミナよりも大きいため、少量のジルコニア添加で発熱体連結ビアの熱膨張係数をアルミナ基板の熱膨張係数に合わせることができる。フィラー成分としてアルミナとジルコニアの両方を添加した場合、両方の効果が得られる。

なお、４０〜８００℃の熱膨張係数は、４０℃から８００℃にしたときの１ｍあたりの膨張量（単位：μｍ）を温度差７６０℃（あるいはＫ）で割った値である（以下同じ）。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記発熱体連結ビアから前記抵抗発熱体への拡散の方が、前記抵抗発熱体から前記発熱体連結ビアへの拡散よりも多いことが好ましい。こうすれば、抵抗発熱体から発熱体連結ビアへの拡散が少ないため、発熱体連結ビアの熱膨張係数がアルミナの熱膨張係数からかけ離れてしまうのを防止することができる。したがって、製造時や使用時に発熱体連結ビアを起点とする割れが発生したり発熱体連結ビアの周辺にクラックが発生したりするのを防止することができる。また、発熱体連結ビアから抵抗発熱体への拡散によって両者の接合を確保することができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記抵抗発熱体は、主成分が炭化タングステン又は金属ルテニウムであり、前記発熱体連結ビアは、主成分が金属ルテニウムであることが好ましい。なお、「主成分」とは、５０体積％以上の体積割合を占める成分又は全成分のうち最も体積割合の高い成分のことをいう。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記給電ビア及び前記ジャンパ線は、前記発熱体連結ビアと同じ材料で作製されていてもよい。

静電チャックヒータ１０の縦断面図。

本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態では、本発明のセラミックヒータの一例として、静電チャックヒータ１０を示す。図１は静電チャックヒータ１０の縦断面図である。

静電チャックヒータ１０は、図１に示すように、アルミナ基板１２の上面にウエハ載置面１２ａが設けられ、ウエハ載置面１２ａ側から静電電極（ＥＳＣ電極）１４、ゾーンごとに設けられた抵抗発熱体１６及び抵抗発熱体１６に給電する多段（ここでは２段）のジャンパ線１８がこの順にアルミナ基板１２に埋設されている。アルミナ基板１２には、抵抗発熱体１６とジャンパ線１８とを上下方向に連結する発熱体連結ビア２０及びジャンパ線１８へ給電するために外部へ取り出す給電ビア２２が設けられている。

発熱体連結ビア２０の比抵抗は、抵抗発熱体１６の比抵抗よりも小さい。発熱体連結ビア２０の比抵抗は、抵抗発熱体１６の比抵抗の０．７５倍以下であることが好ましい。発熱体連結ビア２０の熱膨張係数とアルミナ基板１２の熱膨張係数との差の絶対値は、抵抗発熱体１６の熱膨張係数とアルミナ基板１２の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい。抵抗発熱体１６の熱膨張係数は、アルミナ基板１２の熱膨張係数に対し±４ｐｐｍ／Ｋ以内であることが好ましく、発熱体連結ビア２０の熱膨張係数は、アルミナ基板１２の熱膨張係数に対し±０．６ｐｐｍ／Ｋ以内であることが好ましい。

抵抗発熱体１６は、主成分が炭化タングステンであることが好ましい。抵抗発熱体１６は、炭化タングステンのほかにフィラー成分としてアルミナを含有していてもよい。炭化タングステンの熱膨張係数は４０〜８００℃で４．０ｐｐｍ／Ｋであり、アルミナの熱膨張係数は４０〜８００℃で７．９ｐｐｍ／Ｋである。そのため、炭化タングステンの熱膨張係数は、アルミナの熱膨張係数の±４ｐｐｍ／Ｋ以内である。抵抗発熱体１６は、フィラー成分として、アルミナに代えて又は加えてジルコニアを含有していてもよい。アルミナの熱膨張係数は、４０〜８００℃で７．９ｐｐｍ／Ｋであり、ジルコニアの熱膨張係数は、４０〜８００℃で１０．５ｐｐｍ／Ｋである。そのため、アルミナやジルコニアは、抵抗発熱体１６の熱膨張係数を高くしたい場合のフィラー成分として有用である。抵抗発熱体１６のフィラー成分の含有量を調整することにより、発熱体連結ビア２０の熱膨張係数とアルミナ基板１２の熱膨張係数との差の絶対値を、抵抗発熱体１６の熱膨張係数とアルミナ基板１２の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さくしたり、抵抗発熱体１６の熱膨張係数を、アルミナ基板１２の熱膨張係数に対し±４ｐｐｍ／Ｋ以内に調整したりすることができる。

発熱体連結ビア２０は、主成分が金属ルテニウムであることが好ましい。金属ルテニウムの熱膨張係数は４０〜８００℃で７．２ｐｐｍ／Ｋであり、アルミナの熱膨張係数は４０〜８００℃で７．９ｐｐｍ／Ｋである。そのため、金属ルテニウムの熱膨張係数は、アルミナの熱膨張係数の±０．６ｐｐｍ／Ｋ以内である。また、金属ルテニウムの比抵抗は、２×１０^-5Ωｃｍであり、炭化タングステンの比抵抗は３×１０^-5Ωｃｍである。そのため、金属ルテニウムの比抵抗は、炭化タングステンの比抵抗の０．７５倍以下である。また、金属ルテニウムから炭化タングステンへの拡散の方が、炭化タングステンから金属ルテニウムへの拡散よりも多い。発熱体連結ビア２０は、金属ルテニウムのほかにフィラー成分としてアルミナ及び／又はジルコニアを含有していてもよい。アルミナやジルコニアは、抵抗発熱体１６の熱膨張係数を高くしたい場合のフィラー成分として有用である。発熱体連結ビア２０のフィラー成分の含有量を調整することにより、発熱体連結ビア２０の熱膨張係数とアルミナ基板１２の熱膨張係数との差の絶対値を、抵抗発熱体１６の熱膨張係数とアルミナ基板１２の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さくしたり、発熱体連結ビア２０の熱膨張係数を、アルミナ基板１２の熱膨張係数に対し±０．６ｐｐｍ／Ｋ以内に調整したりすることができる。

ジャンパ線１８及び給電ビア２２は、発熱体連結ビア２０と同じ材料で作製されていることが好ましい。

以上詳述した静電チャックヒータ１０では、発熱体連結ビア２０の比抵抗は、抵抗発熱体１６よりも小さい。そのため、抵抗発熱体１６の通電による発熱は大きいが、発熱体連結ビア２０の通電による発熱は小さい。したがって、ウエハの均熱性が向上する。また、発熱体連結ビア２０の熱膨張係数とアルミナ基板１２の熱膨張係数との差の絶対値は、抵抗発熱体１６の熱膨張係数とアルミナ基板１２の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい。そのため、厚みが薄い（例えば１０〜１００μｍ）抵抗発熱体１６に起因するクラックの発生を防止することができるし、通電による発熱を抑えるために発熱体連結ビア２０の断面積を大きくしたとしても製造時や使用時の破損のリスクを小さくすることができる。

また、発熱体連結ビア２０の比抵抗は、抵抗発熱体１６の比抵抗の０．７５倍よりも小さいことが好ましい。こうすれば、ウエハの均熱性がより向上する。

更に、抵抗発熱体１６の熱膨張係数は、アルミナ基板１２の熱膨張係数に対し±４ｐｐｍ／Ｋ以内であり、発熱体連結ビア２０の熱膨張係数は、アルミナ基板１２の熱膨張係数に対し±０．６ｐｐｍ／Ｋ以内であることが好ましい。抵抗発熱体１６は、厚みが薄い（例えば１０〜１００μｍ）ため、母材であるアルミナの熱膨張係数に対し±４ｐｐｍ／Ｋ以内であればクラックの発生を十分防止することができる。発熱体連結ビア２０は、通電による発熱を抑えるために断面積を大きくするのが好ましいが、その場合、母材であるアルミナとの熱膨張係数差が±０．６ｐｐｍ／Ｋ以内と小さい方が製造時や使用時の破損のリスクを十分小さくすることができる。

更にまた、発熱体連結ビア２０（主成分が金属ルテニウム）から抵抗発熱体１６（主成分が炭化タングステン）への拡散の方が、抵抗発熱体１６から発熱体連結ビア２０への拡散よりも多い。つまり、抵抗発熱体１６から発熱体連結ビア２０への拡散が少ない。そのため、発熱体連結ビア２０の熱膨張係数がアルミナの熱膨張係数からかけ離れてしまうのを防止することができる。したがって、製造時や使用時に発熱体連結ビア２０を起点とする割れが発生したり発熱体連結ビア２０の周辺にクラックが発生したりするのを防止することができる。また、発熱体連結ビア２０から抵抗発熱体１６への拡散によって両者の接合を確保することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、発熱体連結ビア２０は、主成分が金属ルテニウムであることが好ましいと説明したが、特にこれに限定されない。例えば、発熱体連結ビア２０は、金属ルテニウムを含んでいるものとしてもよい。その場合、発熱体連結ビア２０は、金属ルテニウムを１０重量％以上９５重量％以下含むことが好ましく、２０重量％以上９５重量％以下含むことがより好ましく、６０重量％以上９５重量％以下含むことが更に好ましい。発熱体連結ビア２０は、金属ルテニウム以外にフィラー成分を含んでいてもよい。フィラー成分としては、アルミナ及び／又はジルコニアが好ましい。

上述した実施形態において、抵抗発熱体１６は、金属ルテニウムを含んでいるものとしてもよく、主成分を金属ルテニウムとしてもよい。抵抗発熱体１６は、金属ルテニウム以外にフィラー成分を含んでいてもよい。フィラー成分としては、アルミナ及び／又はジルコニアが好ましい。

実験例１〜７として、図１の静電チャックヒータ１０を作製した。静電チャックヒータ１０は、直径３００ｍｍ、厚さ４ｍｍのアルミナ基板１２に、直径２９０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの静電電極１４と、内周側及び外周側の抵抗発熱体１６と、幅５ｍｍのリボン状のジャンパ線１８と、直径１．２ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのビア２０，２２とが埋設されたものとした。内周側の抵抗発熱体１６は、アルミナ基板１２と同心円の直径２００ｍｍの円形領域に一筆書きの要領で配線されたものとし、外周側の抵抗発熱体１６は、円形領域の外側の環状領域に一筆書きの要領で配線されたものとした。静電電極１４の材料は炭化タングステン、抵抗発熱体１６の材料は炭化タングステン、ジャンパ線１８の材料は金属ルテニウムとした。また、ビア２０，２２に用いるフィラー成分の材料は、アルミナか、ジルコニアか、アルミナとジルコニアの両方とした。実験例１〜７では、発熱体連結ビア２０及び給電ビア２２の材料としてそれぞれ表１に示す材料を用いた以外は、すべて同じ条件で静電チャックヒータ１０を作製した。

実験例１〜７のビア２０，２２の４０〜８００℃におけるＣＴＥ、ビア２０，２２の４０〜８００℃におけるＣＴＥとアルミナ基板１２の４０〜８００℃におけるＣＴＥとの差（第１のＣＴＥ差）、抵抗発熱体１６の４０〜８００℃におけるＣＴＥとアルミナ基板１２の４０〜８００℃におけるＣＴＥとの差（第２のＣＴＥ差）、及び、抵抗発熱体１６の比抵抗に対するビア２０，２２の比抵抗の比率（比抵抗の割合）を表１に示す。また、実験例４，５については、ビア２０，２２の比抵抗も表１に示す。

実験例１〜７の静電チャックヒータ１０を個別に真空チャンバ内に設置し、予め定めた基準点が６０℃になったときのウエハ載置面１２ａの温度分布をチャンバ外部から赤外線放射温度計（ＩＲカメラ）で測定し、ビア２０，２２の直上におけるウエハ載置面１２ａの温度と基準点の温度との差（＝表１の発熱［℃］）を求めた。また、アルミナ基板１２内の割れの有無を調べた。具体的には、断面研磨したあとＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察することにより割れの有無を調べた。その結果を表１に示す。

表１からわかるように、実験例１〜７では、ビア２０，２２の直上点の発熱を２．０［℃］以下に抑えることができると共に、割れも発生しなかった。特に、実験例２〜７では、ビア２０，２２の直上点の発熱を１．８［℃］以下に抑えることができ、実験例４〜７では、ビア２０，２２の直上点の発熱を１．０［℃］以下に抑えることができた。実験例１〜７が本発明の実施例に相当する。なお、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。

本出願は、２０１９年９月１８日に出願された日本国特許出願第２０１９−１６９３４９号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。

本発明は、例えば半導体ウエハを加工する技術に利用可能である。

１０静電チャックヒータ、１２アルミナ基板、１２ａウエハ載置面、１４静電電極、１６抵抗発熱体、１８ジャンパ線、２０発熱体連結ビア、２２給電ビア。

Claims

アルミナ基板の上面にウエハ載置面が設けられ、前記ウエハ載置面側から、ゾーンごとに設けられた抵抗発熱体及び前記抵抗発熱体に給電する多段のジャンパ線がこの順に前記アルミナ基板に埋設され、前記抵抗発熱体と前記ジャンパ線とを上下方向に連結する発熱体連結ビア及び前記ジャンパ線へ給電するために外部へ取り出す給電ビアを備えたセラミックヒータであって、
前記発熱体連結ビアの比抵抗は、前記抵抗発熱体の比抵抗よりも小さく、
前記発熱体連結ビアの熱膨張係数と前記アルミナ基板の熱膨張係数との差の絶対値は、前記抵抗発熱体の熱膨張係数と前記アルミナ基板の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい、
セラミックヒータ。
前記発熱体連結ビアの比抵抗は、前記抵抗発熱体の比抵抗の０．７５倍よりも小さい、
請求項１に記載のセラミックヒータ。
前記抵抗発熱体の熱膨張係数は、前記アルミナ基板の熱膨張係数に対し±４ｐｐｍ／Ｋ以内であり、
前記発熱体連結ビアの熱膨張係数は、前記アルミナ基板の熱膨張係数に対し±０．６ｐｐｍ／Ｋ以内である、
請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
前記発熱体連結ビアは、金属ルテニウムを１０重量％以上９５重量％以下含む、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
前記発熱体連結ビアから前記抵抗発熱体への拡散の方が、前記抵抗発熱体から前記発熱体連結ビアへの拡散よりも多い、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
前記抵抗発熱体は、主成分が炭化タングステン又は金属ルテニウムであり、
前記発熱体連結ビアは、主成分が金属ルテニウムである、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
前記給電ビア及び前記ジャンパ線は、前記発熱体連結ビアと同じ材料で作製されている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。