JP7063334B2 - 半導体基板加熱用基板載置台および半導体基板加熱ヒータ - Google Patents

半導体基板加熱用基板載置台および半導体基板加熱ヒータ Download PDF

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Description

本開示は、半導体基板加熱用基板載置台および半導体基板加熱ヒータに関する。本出願は、２０１７年６月１４日出願の日本出願第２０１７－１１６６０６号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
ＬＳＩなどの半導体デバイスを製造する半導体製造装置では、被処理物である半導体基板（半導体ウエハ）に対してＣＶＤやスパッタリングに代表される成膜処理やエッチング処理など、様々な薄膜処理が施される。これらの薄膜処理は、半導体基板を所定の温度に加熱した状態で処理を行うのが一般的である。そのため、当該処理が行われる真空チャンバー内には、載置面に載置された半導体基板をその下面から加熱するサセプタとも称する基板加熱ヒータが搭載されている。
上記基板加熱ヒータは、例えば特許文献１に示されるように、上面に平坦な基板載置面を備えたセラミックス製の円板状部材からなる基板載置台と、これを下面側から支持する筒状支持体とから構成されている。該基板載置台の内部には電熱コイルやパターニングされた金属薄膜等の発熱回路が基板載置面に平行な面内に埋設されている。該発熱回路の両端部には基板載置台の下面側に設けた１対の電極端子が電気的に接続しており、この１対の電極端子及びその引出線を介して外部電源から該発熱回路に給電が行われる。
上記した基板加熱ヒータでは、製品となる半導体デバイスの品質にばらつきが生じないように、基板載置面での均熱性を高めて半導体基板を全面に亘って均一に加熱することが求められている。そのため、該発熱回路の回路パターンを緻密にして温度ムラが生じないようにしたり、基板載置面を複数のゾーン（マルチゾーン）に区分してそれらの各々に配した発熱回路に個別に給電することでゾーンごとにきめ細かく温度制御したりすることが行われている。
特開２００３－１７２２４号公報
本開示に係る半導体基板加熱用基板載置台は、一方の面を半導体基板の載置面とし、前記載置面とは反対側の面に筒状支持体の接続部を有するセラミックス製の半導体基板加熱用基板載置台であって、前記基板載置台の内部に設けられた複数の発熱回路と、前記基板載置台の前記載置面とは反対側の面の中央部において、前記筒状支持体が接続される内側領域に設けられた複数の電極端子とを備え、前記発熱回路のうちの少なくとも２つの発熱回路のそれぞれの片端部は、前記電極端子のうちの１つである共用電極端子と、共通する延長部分を介して接続されている、半導体基板加熱用基板載置台である。
また本願は、上記半導体基板加熱用基板載置台と筒状支持体とを有する半導体基板加熱ヒータを開示する。
図１は、本開示に係る基板載置台を有する半導体基板加熱ヒータの実施形態の縦断面模式図である。 図２は、図１の基板載置台の中央ゾーンに埋設されている発熱回路の回路パターンの一具体例である。 図３は、図１の基板載置台の外周ゾーンに埋設されている発熱回路の回路パターンの第１の具体例である。 図４は、従来の基板載置台の外周ゾーンに埋設されている発熱回路の回路パターンの第１の具体例である。 図５は、図１の基板載置台の外周ゾーンに埋設されている発熱回路の回路パターンの第２の具体例である。 図６は、従来の基板載置台の外周ゾーンに埋設されている発熱回路の回路パターンの第２の具体例である。 図７は、図１の基板載置台の外周ゾーンに埋設されている発熱回路の回路パターンの第３の具体例である。 図８は、従来の基板載置台の外周ゾーンに埋設されている発熱回路の回路パターンの第３の具体例である。
[本開示が解決しようとする課題]
薄膜処理の際、真空チャンバー内の雰囲気は腐食環境になるので、基板載置台の下面側に突出するようにして設けられている電極端子は、真空チャンバー内の雰囲気から隔離するのが好ましい。そこで、筒状支持体の上下端部を基板載置台の下面及び真空チャンバーの底部にそれぞれ気密にシールすると共に、該電極端子を筒状支持体の内側に設置することが行われている。この場合、基板載置面を例えば中央ゾーンとこれを囲む環状の外周ゾーンとの２ゾーンに区分してそれらの各々に発熱回路を設ける構造では、一般に該中央ゾーンの直径よりも筒状支持体の内径の方が小さい。当該外周ゾーンを加熱する発熱回路の両端部を延長して上記の中央ゾーン内を通過させ、筒状支持体の内側に設置した電極端子に接続させる必要がある。
この延長部分からもジュール熱が生ずるため、該延長部分は基板載置面の均熱性に影響を及ぼす。従来はその影響は無視できる程度に小さかったため問題視されることはほとんどなかった。しかし近年の半導体デバイスの微細化に伴い、基板載置面の温度分布にはより精密な制御が求められるようになってきており、これまで問題視されていなかった該延長部分の影響を低減する必要が生じている。
［本開示の効果］
本開示によれば、基板載置面の中央部に配される電極端子に接続する複数の発熱回路の端部の構造を簡素化できるので、該基板載置面の均熱性への悪影響を抑えながら該基板載置面をより精密に温度制御することが可能になる。
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。本開示の半導体基板加熱用基板載置台の実施形態は、一方の面を半導体基板の載置面とし、前記載置面とは反対側の面に筒状支持体の接続部を有するセラミックス製の半導体基板加熱用基板載置台であって、上記基板載置台の内部に設けられた複数の発熱回路と、上記基板載置台の上記載置面とは反対側の面の中央部において、上記筒状支持体が接続される内側領域に設けられた複数の電極端子とを備え、上記発熱回路のうちの少なくとも２つの発熱回路のそれぞれの片端部は、上記電極端子のうちの１つである共用電極端子と、共通する延長部分を介して接続されている。これにより、基板載置面の中央部に配される電極端子に接続する発熱回路の端部の構造を簡素化できるので、該基板載置面の均熱性への悪影響を抑えながら該基板載置面をより精密に温度制御することができる。
上記本開示の半導体基板加熱用基板載置台の実施形態においては、上記複数の発熱回路は各々個別に温度制御されるのが好ましい。これにより基板載置面をより細かく温度制御することができる。また、上記本開示の半導体基板加熱用基板載置台の実施形態においては、上記複数の発熱回路は、上記載置面の中央ゾーンを加熱する中央ゾーン発熱回路と、上記中央ゾーンの周りを加熱する複数の外周ゾーン発熱回路とからなり、上記少なくとも２つの発熱回路は、上記外周ゾーン発熱回路であることが好ましい。これにより、基板載置面の内周ゾーンの均熱性への悪影響を抑えながら、その周りの外周ゾーンをきめ細かく温度制御することができる。
また、上記中央ゾーン発熱回路と上記外周ゾーン発熱回路とは上記基板載置台の厚み方向において異なる平面内に埋設されているとよい。発熱回路同士および電極端子への延長配線部分の干渉を無くし、構成を簡素化できる。
ここで、上記中央ゾーン発熱回路は、上記ウエハ載置面の中心を中心とする同心円状の複数の湾曲導電部と、隣接する上記湾曲導電部を接続する直線導電部とで構成されると良い。さらに、上記外周ゾーン発熱回路は、上記中央ゾーン発熱回路の周囲を囲む円環状の部分を周方向に区分した複数のゾーンにおいて、それぞれ上記ウエハ載置面の中心を中心とする同心円状の複数の湾曲導電部と、隣接する上記湾曲導電部を接続する直線導電部とで構成されていると良い。基板載置面の中央部に配される電極端子に接続する複数の発熱回路の端部の構造を簡素化しつつ、基板載置面の均熱性を確保することができる。
また、本開示は、上記の半導体基板加熱用基板載置台と、筒状支持体とを有する、半導体基板加熱ヒータを含む。
次に、本開示の基板載置台を有する半導体基板加熱ヒータの一実施形態として、半導体基板に対してエッチング処理やＣＶＤ処理などを行う半導体製造装置の真空チャンバー内に搭載される半導体基板加熱ヒータについて説明する。図１は、本開示に係る基板載置台を有する半導体基板加熱ヒータ３の実施形態の縦断面模式図である。なお、図１は円板状の基板載置台の中心を通る１つの直線で切断した断面を正確に示す図ではなく、構成要素の埋設状態を説明しやすくするために模式的に断面の状態を示した図である。この本開示の一実施形態の半導体基板加熱ヒータ３は、図１に示すように半導体基板Ｗを載置する基板載置面１ａを上面に備えた好適にはセラミックスからなる略円板状の基板載置台１と、これを下面から支持するように接続部１ｂにて接続され、好適にはセラミックスからなる略円筒形状の筒状支持体２とを有している。
筒状支持体２の上下両端部には外側に屈曲したフランジ部が形成されている。フランジ部の環状端面に設けた図示しないＯ－リング、ガスケット等のシール材及び該フランジ部を貫通する図示しないネジ等の結合手段によって、該上下両端部は基板載置台１の下面及び真空チャンバー（図示せず）の底面にそれぞれ気密に接合されている。これにより、筒状支持体２の内側を真空チャンバー内の腐食性ガス雰囲気から隔離することが可能になる。
上記の基板載置台１や筒状支持体２の好適な材質であるセラミックとしては、例えば窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム等を挙げることができる。
これらの中では熱伝導率の高い窒化アルミニウムが好ましい。基板載置台１と筒状支持体２は互いに同じ材質からなるのが好ましく、これにより加熱や冷却の際に同様に膨張や縮小させることができるので、熱応力による基板載置面１ａの反りや基板載置台１と筒状支持体２との接合部の破損等の問題を生じにくくすることができる。
本開示の一実施形態の半導体基板加熱ヒータ３では、この基板載置台１の内部に、基板載置面１ａの中央ゾーンを加熱する中央ゾーン発熱回路１０と、該中央ゾーンの周りの環状の外周ゾーンを加熱する２つの外周ゾーン発熱回路２１、２２とが埋設されている。これら外周ゾーン発熱回路２１、２２は、基板載置面１ａに平行な同一平面内に埋設されており、この同一平面よりも基板載置面１ａに近い面内に上記の中央ゾーン発熱回路１０が埋設されている。すなわち、中央ゾーン発熱回路１０と外周ゾーン発熱回路２１、２２とは基板載置台１の厚み方向において互いに異なる平面内にそれぞれ埋設されている。よって、これら中央ゾーン発熱回路１０と外周ゾーン発熱回路２１、２２とが互いに物理的に干渉することはない。
これら複数の発熱回路のうち、中央ゾーン発熱回路１０は例えば図２に示すような回路パターンを有している。すなわち、この図２に示す中央ゾーン発熱回路１０は、同心円状の複数の湾曲導電部と、これら湾曲導電部の隣接するもの同士を接続する直線導電部とで一筆書き状に形成されており、その両端部は共に基板載置面１ａの中心部に配設されている。そして、この両端部にそれぞれ電極端子３０ａ、３０ｂが接続している。
一方、２つの外周ゾーン発熱回路２１、２２は例えば図３に示す第１の具体例の回路パターンを有している。すなわち、この図３に示す回路パターンでは、２つの外周ゾーン発熱回路２１、２２は前述した環状の外周ゾーンをその周方向に２等分して得られる２つの扇形ゾーンにそれぞれ埋設されている。これら２つの外周ゾーン発熱回路２１、２２の各々は、同心円状の複数の湾曲導電部と、これら湾曲導電部の隣接するもの同士を接続する直線導電部とで一筆書き状に形成されており、これら外周ゾーン発熱回路２１、２２の一端部は、基板載置面１ａの中心に向って互いに平行に延在する２本の非共有延長部分２１ａ、２２ａを介して２つの電極端子３１、３２にそれぞれ接続している。一方、これら２つの外周ゾーン発熱回路２１、２２の他端部は、基板載置面１ａの中心に向う１本の幅広の共有延長部分２０を共有しており、この共有延長部分２０を介して１つの共用電極端子３３に接続している。
かかる構造により、基板載置面１ａの中央部に配される電極端子群３０ａ、３０ｂ、３１～３３に接続する複数の発熱回路の端部の構造を簡素化することができ、基板載置面１ａの均熱性への悪影響を抑えながら基板載置面１ａをより精密に温度制御することが可能になる。すなわち、上記の幅広の共有延長部分２０を採用しない場合は、例えば図４に示す基板載置台１００のように、２つの外周ゾーン発熱回路１２１、１２２の各々に２本の非共有延長部分１２１ａ、１２１ｂ、１２２ａ、１２２ｂを設ける必要があるので、基板載置面１ａの中央部の構造が複雑になる。
本開示の実施形態の基板載置台の外周ゾーン発熱回路の回路パターンは図３の場合に限定されるものではなく、図５に示す第２の具体例の回路パターンでもよい。この図５に示す回路パターンでは、基板載置台２００の基板載置面の中心点に関して対称な４つの扇形ゾーンに４つの略同形状の外周ゾーン発熱回路２２１～２２４がそれぞれ設けられている。これら４つの外周ゾーン発熱回路２２１～２２４の各々は、同心円状の複数の湾曲導電部と、これら湾曲導電部の隣接するもの同士を接続する直線導電部とで一筆書き状に形成されている。これら外周ゾーン発熱回路２２１～２２４の一端部は、基板載置面の中心に向って２つずつ平行に延在する４本の非共有延長部分２２１ａ～２２４ａを介して４つの電極端子２３１～２３４にそれぞれ接続している。一方、これら４つの外周ゾーン発熱回路２２１～２２４の他端部は、基板載置面の中心に向う幅広の２本の共有延長部分２２０ａ、２２０ｂを２つずつで共有しており、これら共有延長部分２２０ａ、２２０ｂを介して１つの共用電極端子２３５に接続している。
かかる構造により、基板載置面の中央部に配される電極端子群に接続する発熱回路の端部の構造を簡素化することができる。これにより基板載置面をより精密に温度制御することができる。すなわち、上記の幅広の共有延長部分２２０ａ、２２０ｂを採用しない場合は、例えば図６に示す基板載置台３００のように、４つの外周ゾーン発熱回路３２１～３２４の各々に２本の非共有延長部分３２１ａ、３２１ｂ、３２２ａ、３２２ｂ、３２３ａ、３２３ｂ、３２４ａ、３２４ｂを設ける必要があるので、基板載置面の中央部の構造が複雑になる。
本開示の実施形態の基板載置台の外周ゾーン発熱回路の回路パターンは更に図７に示す第３の具体例の回路パターンでもよい。この図７に示す回路パターンでは、基板載置台４００の基板載置面の中心点に関して対称な６つの扇形ゾーンに６つの略同形状の外周ゾーン発熱回路４２１～４２６がそれぞれ設けられている。これら６つの外周ゾーン発熱回路４２１～４２６の各々は、同心円状の複数の湾曲導電部と、これら湾曲導電部の隣接するもの同士を接続する直線導電部とで一筆書き状に形成されている。これら外周ゾーン発熱回路４２１～４２６の一端部は、基板載置面の中心に向って２本ずつ平行に延在する６本の非共有延長部分４２１ａ～４２６ａを介して６つの電極端子４３１～４３６にそれぞれ接続している。一方、これら６つの外周ゾーン発熱回路４２１～４２６の他端部は、基板載置面の中心に向う３本の幅広の共有延長部分４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｃを２つずつで共有しており、これら共有延長部分４２０ａ～４２０ｃを介して１つの共用電極端子４３７に接続している。
かかる構造により、基板載置面の中央部に配される電極端子群に接続する発熱回路の端部の構造を簡素化することができる。これにより基板載置面をより精密に温度制御することができる。すなわち、上記の幅広の共有延長部分４２０ａ～４２０ｃを採用しない場合は、例えば図８に示す基板載置台５００のように、６つの外周ゾーン発熱回路５２１～５２６の各々に２本の非共有延長部分５２１ａ、５２１ｂ、５２２ａ、５２２ｂ、５２３ａ、５２３ｂ、５２４ａ、５２４ｂ、５２５ａ、５２５ｂ、５２６ａ、５２６ｂを設ける必要があるので、基板載置面の中央部の構造が複雑になる。
本開示の実施形態の半導体基板加熱ヒータは、上記した基板載置台に埋設されている全ての発熱回路の各々が独立して制御されるのが好ましい。これにより基板載置面を局所的に加熱することができるので、例えばロードロックの開閉等により基板載置面が部分的に冷却されるような場合であっても均熱性を良好に維持することが可能になる。なお、各発熱回路の端部と電極端子との接続は、カシメ、溶接、ロウ接、ネジ止め等の接合手段で接続することができる。
以上、本発明の半導体基板加熱用基板載置台について一実施形態を挙げて説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲の種々の態様で実施することが可能である。すなわち、本発明の技術的範囲は、請求の範囲及びその均等物に及ぶものである。
窒化アルミニウム粉末９９.５質量部に焼結助剤として酸化イットリウム０.５質量部を加え、更にバインダー、有機溶剤を加えて、ボールミル混合することにより、スラリーを作製した。得られたスラリーをスプレードライ法で噴霧することにより顆粒を作製し、これをプレス成形して３枚の成形体を作製した。これら成形体を窒素雰囲気中にて７００℃の条件で脱脂した後、窒素雰囲気中において１８５０℃で焼結して、３枚の窒化アルミニウム焼結体を得た。得られた焼結体を、直径３３０ｍｍ、厚み８ｍｍの円板状に加工した。このときの表面粗さはＲａで０.８μｍ、平面度は５０μｍであった。
これら３枚の窒化アルミニウム焼結体のうち、中間に位置する焼結体の上面の直径１６０ｍｍの円形の中央ゾーンに、図２に示す円形同心円の回路パターンを線幅４ｍｍ、厚み２０μｍで形成すべくタングステンペーストを用いてスクリーン印刷により塗布した。更に同じ焼結体の下面の直径１６０ｍｍの中央ゾーンよりも外側の環状の外周ゾーンに、図３に示す環状同心円の回路パターンを線幅４ｍｍ、厚み２０μｍで形成すべくタングステンペーストを用いてスクリーン印刷により塗布した。なお、共有延長部分については線幅を８ｍｍにした。そして、これらタングステンペーストを窒素雰囲気中の７００℃での脱脂と１８３０℃での焼成を行って発熱回路を形成した。
この中間に位置する焼結体を、対向面に接着用の窒化アルミニウムを主成分とする接着材料を塗布してから脱脂した残る２枚の焼結体で挟み込んで接合させた。このようにして得た接合体に対してその下面に、上記の発熱回路の端部が露出するように有底穴を設け、そこにタングステン製の外部端子を嵌入して発熱回路に電気的に接続した。このようにして試料１の基板載置台を作製した。更に、環状の外周ゾーンに図３に示す回路パターンに代えてそれぞれ図４～８の回路パターンを形成した以外は上記試料１の場合と同様にして試料２～６の基板載置台を作製した。
このようにして作製した試料１～６の基板載置台の各々に対して、両端部がフランジ状に形成された内径６０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ、肉厚２ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の円筒状の支持部材の一端部をネジで接合した。なお、フランジ状部分と基板載置台の接合面との間はガスケットを用いて気密にシールした。そして、支持部材の内側に位置する外部端子に引出線を接続すると共に、支持部材の他端部をチャンバーの底部にガスケットで気密シールした状態でクランプを用いて固定した。
そして、試料１～６の基板載置台の各々に対して、発熱回路に給電して基板載置台を加熱して載置面の均熱性を評価した。具体的には、基板載置台の発熱回路に給電して基板載置台を５００℃に加熱した。この状態で、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ社のＳｅｎｓＡｒｒａｙシリーズの３００ｍｍ、１７点基板測温計を用いて基板載置面の温度分布を測定した。その結果を下記表１に示す。
Figure 0007063334000001
上記表１から分かるように、温度の高低差は試料１、３、５では１.９～２.２℃であるのに対して試料２、４、６はこれらよりほぼ倍の３.７～５.０℃である。本開示の要件を満たす試料１、３、５の基板載置台の方が本開示の要件を満たしていない試料２、４、６の基板載置台よりも均熱性に優れていることが分かった。
Ｗ 半導体基板
１、１００、２００、３００、４００、５００ 基板載置台
１ａ 基板載置面
１ｂ 接続部
２ 筒状支持体
３ 半導体基板加熱ヒータ
１０ 中央ゾーン発熱回路
２０ 共有延長部分
２１、２２ 外周ゾーン発熱回路
２１ａ、２２ａ 非共有延長部分
３０ａ、３０ｂ、３１、３２ 電極端子
３３ 共用電極端子
１２１、１２２ 外周ゾーン発熱回路
１２１ａ、１２１ｂ、１２２ａ、１２２ｂ 非共有延長部分
２２０ａ、２２０ｂ 共有延長部分
２２１～２２４ 外周ゾーン発熱回路
２２１ａ～２２４ａ 非共有延長部分
２３１～２３４ 電極端子
２３５ 共用電極端子
３２１～３２４ 外周ゾーン発熱回路
３２１ａ、３２１ｂ、３２２ａ、３２２ｂ、３２３ａ、３２３ｂ、３２４ａ、３２４ｂ 非共有延長部分
４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｃ 共有延長部分
４２１～４２６ 外周ゾーン発熱回路
４２１ａ～４２６ａ 非共有延長部分
４３１～４３６ 電極端子
４３７ 共用電極端子
５２１～５２６ 発熱回路
５２１ａ、５２１ｂ、５２２ａ、５２２ｂ、５２３ａ、５２３ｂ、５２４ａ、５２４ｂ、５２５ａ、５２５ｂ、５２６ａ、５２６ｂ 延長部分

Claims (5)

  1. 一方の面を半導体基板の載置面とし、前記載置面とは反対側の面に筒状支持体との接続部を有するセラミックス製の半導体基板加熱用基板載置台であって、
    前記基板載置台の内部に設けられた複数の発熱回路と、
    前記基板載置台の前記載置面とは反対側の面の中央部において、前記筒状支持体が接続される内側領域に設けられた複数の電極端子とを備え、
    前記複数の発熱回路は、前記載置面の中央ゾーンを加熱する中央ゾーン発熱回路と、前記中央ゾーンの周りを加熱する複数の外周ゾーン発熱回路とからなり、
    前記中央ゾーン発熱回路の直径よりも前記筒状支持体の内径の方が小さく、
    前記発熱回路のうちの少なくとも２つの発熱回路のそれぞれの片端部は、前記電極端子のうちの１つである共用電極端子と、前記中央ゾーンを通る共通する延長部分を介して接続され、
    前記少なくとも２つの発熱回路は、前記外周ゾーン発熱回路である、半導体基板加熱用基板載置台。
  2. 前記複数の発熱回路は各々個別に温度制御される、請求項１に記載の半導体基板加熱用基板載置台。
  3. 前記中央ゾーン発熱回路は、前記載置面の中心を中心とする同心円状の複数の中央湾曲導電部と、隣接する前記中央湾曲導電部を接続する中央直線導電部とで構成され、
    前記外周ゾーン発熱回路は、前記中央ゾーン発熱回路の周囲を囲む円環状の部分を周方向に区分した複数のゾーンにおいて、それぞれ前記載置面の中心を中心とする同心円状の複数の外周湾曲導電部と、隣接する前記外周湾曲導電部を接続する外周直線導電部とで構成されている、請求項２に記載の半導体基板加熱用基板載置台。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体基板加熱用基板載置台と、筒状支持体とを有する、半導体基板加熱ヒータ。
  5. 一方の面を半導体基板の載置面とするセラミックス製の基板載置台と、
    前記基板載置台の前記載置面とは反対側の面の中央部に接続されたセラミックス製の筒状支持体とを有し、
    前記基板載置台は、中央ゾーン発熱回路と、
    前記中央ゾーン発熱回路とは前記基板載置台の厚み方向において異なる平面内に埋設された複数の外周ゾーン発熱回路と、
    前記基板載置台の前記載置面とは反対側の面において、前記筒状支持体が接続される内側領域に設けられた複数の電極端子とを備え、
    前記外周ゾーン発熱回路のうちの少なくとも２つの発熱回路のそれぞれの片端部は、前記電極端子のうちの１つの共用電極端子と、前記中央ゾーン発熱回路の領域を通る共通する延長部分を介して接続されている、半導体基板加熱ヒータ。
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