JP7182083B2 - ウエハ保持体 - Google Patents

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Description

本開示は、ウエハ保持体に関する。本出願は、２０１６年１１月２９日出願の日本出願２０１６－２３０８０６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。これら薄膜処理は加熱状態の半導体ウエハに対して施すことが多く、そのため当該薄膜処理を行うチャンバー内には処理対象の半導体ウエハを載置してその下面から加熱するサセプタとも称されるウエハ加熱ヒータが一般的に搭載されている。
上記ウエハ加熱ヒータは、例えば特許文献１に示されるように上面に平坦なウエハ載置面を備えたセラミックス製の円板状部材からなるウエハ載置台と、これを下面側から支持する円筒状の支持部材とから構成されており、該ウエハ載置台の内部に埋設された抵抗発熱体で半導体ウエハを加熱するようになっている。ウエハ載置台の内部には、更にプラズマを発生させる高周波（ＲＦ）電極や半導体ウエハをウエハ載置面に電気的に吸着固定させる静電チャック（ＥＳＣ）電極が設けられることもある。
特開２００３－１７２２４号公報
被処理物の載置面を上面に備えた載置台と載置台を下面側から支持する支持部材と、一方の端部が載置台の下面側に気密に接合されている第１筒状部材と、第１筒状部材の内側に配置され、かつ、一方の端部が載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材と、を有するウエハ保持体。
図１は、本開示に係るウエハ保持体の一具体例としてのウエハ加熱ヒータの模式的な縦断面図である。 図２Ａは、図１のウエハ加熱ヒータが有する第１筒状部材及び第２筒状部材の気密接合部分の第１の形態を示す部分断面図である。 図２Ｂは、図１のウエハ加熱ヒータが有する第１筒状部材及び第２筒状部材の気密接合部分の第２の形態を示す部分断面図である。 図２Ｃは、図１のウエハ加熱ヒータが有する第１筒状部材及び第２筒状部材の気密接合部分の第３の形態を示す部分断面図である。 図２Ｄは、図１のウエハ加熱ヒータが有する第１筒状部材及び第２筒状部材の気密接合部分の第４の形態を示す部分断面図である。
上記したようにウエハ加熱ヒータのウエハ載置台は内部に抵抗発熱体等の電極を有しているため、これに給電する端子部がウエハ載置台の下面側に設けられている。また、ウエハ載置台には熱電対等の温度センサーが取り付けられることがあり、この場合もその端子部が下面側に設けられることになる。これら端子部は半導体ウエハの処理の際にウエハ載置台と共に６００℃程度まで昇温するので、ＣＶＤやエッチング等に用いる反応性ガスとしてチャンバー内に導入されるハロゲンガス等の腐食性ガスから保護することが必要となる。
そこで、抵抗発熱体等に設けられる電極の端子部やそれに接続される引出線を筒状部材の内側に収納すると共に、該筒状部材の両端部をそれぞれウエハ載置台の底面及びチャンバーの床面に気密シールすることが考えられる。しかし、ウエハ載置台は一般に昇温と降温が繰り返されるため、筒状部材とウエハ載置台との接合部分がこのヒートサイクルによって破損することがあった。更に、メンテナンスを行う際に筒状部材に横方向の外部応力がかかって上記接合部分が破損することがあった。
また、ウエハ載置台には冷却のための冷媒の循環路を内部に設けたり、ウエハ載置面に載置した半導体ウエハを真空吸引するための溝をウエハ載置面に設けたりすることがあり、前者の場合は当該冷媒の供給・排出用流路を、後者の場合は当該溝に連通する流路をウエハ載置台の下面側に設けることが必要になる。これら流路もリークが生じないようにウエハ載置台に確実に気密シールする必要があるが、上記したヒートサイクル等の応力によって破損することがあった。本開示は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、被処理物の載置台とこれを支持する支持部材とからなるウエハ保持体において、該載置台に設けられた筒状部材にヒートサイクルなどの応力がかかっても破損しにくい構造を提供する。
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。本開示のウエハ保持体は、被処理物の載置面を上面に備えた載置台と載置台を下面側から支持する支持部材と、一方の端部が載置台の下面側に気密に接合されている第１筒状部材と、第１筒状部材の内側に配置され、かつ、一方の端部が載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材と、を有するウエハ保持体である。これにより載置台と第２筒状部材との接合部分の強度を向上させることができる。
上記のウエハ保持体においては、載置台に少なくとも一部が埋設されている電極を有し、電極は第２筒状部材の内側に収容されていてもよい。
さらに、上記のウエハ保持体においては、載置台に少なくとも一部が埋設されている温度センサーと、温度センサーから引き出された引出線とを有し、温度センサーと引出線とが第２筒状部材の内側に収容されていてもよい。
さらに、上記のウエハ保持体においては、載置台に少なくとも一部が埋設されている電極と載置台に少なくとも一部が埋設されている温度センサーと、温度センサーから引き出された引出線とを有し、電極と温度センサーと引出線とが第２筒状部材の内側に収容されていてもよい。これにより、電極、温度センサーやその引出線を腐食性雰囲気から隔離することができる。あるいは、載置台は内部に流路を有し、載置面は溝を有し、第２筒状部材の内側が流路又は溝に連通する流路として構成されていてもよい。これにより、第２筒状部材の内側の流路と外側との間のリークを確実に防ぐことができる。
また、上記のウエハ保持体においては、載置台は半導体ウエハ載置用のセラミックス製の円板形状を有し、載置台の内部に埋設された抵抗発熱体をさらに有してもよい。この場合は、ウエハ保持体を搭載する半導体製造装置の信頼性を向上させることができる。なお、「円板形状」とは、図形的に正確な円板を意図するものではなく、外観として円板と認識される構成であることが意図される。以降、同様の意味で「略円板状」と記載することもある。
次に、本開示のウエハ保持体の一具体例として、図１に示す半導体製造装置１００に搭載されるウエハ加熱ヒータ２をとりあげて説明する。図１に示す半導体製造装置１００は、半導体ウエハ３０に対してエッチング処理やＣＶＤ処理などの薄膜処理が行われるチャンバー１と、その内部に搭載されたウエハ加熱ヒータ２とから主に構成され、ウエハ加熱ヒータ２は、ウエハ載置面２１ａ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ウエハ載置台２１と、これを下面から支持する好適にはセラミックスからなる略円筒形状の支持部材２２とを有している。上記のウエハ載置台２１や支持部材２２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。
ウエハ載置台２１の内部には、所定の回路パターンを有する抵抗発熱体２１ｂがウエハ載置面２１ａに対して平行に埋設されている。抵抗発熱体２１ｂの形態には特に制約はない。例えばステンレス箔などの金属箔をパターニング加工したものやタングステン等の金属粉を含んだペーストをスクリーン印刷及び焼成して形成したものでもよいし、モリブデンコイルでもよい。ウエハ載置台２１の内部には、更に熱電対２１ｃが設けられている。熱電対２１ｃの一部は支持部材２２の内側でウエハ載置台２１の下面側から突出している。なお、抵抗発熱体２１ｂの両端部に接続する図示しない電極も支持部材２２の内側でウエハ載置台２１の下面側から同様に突出している。
熱電対２１ｃには引出線２３の一端部が接続しており、引出線２３は支持部材２２の内側を下端まで延在し、チャンバー１の底面に設けられている貫通孔１ａを通ってチャンバー１の外部に引き出されている。支持部材２２の両端部は外側に屈曲したフランジ形状になっており、支持部材２２の上端部では該フランジ形状の上端面とウエハ載置台２１の下面とを焼結により接合してもよいし、該フランジ形状部分を貫通するネジ等の結合手段によってウエハ載置台２１の下面に接合してもよい。一方、支持部材２２の下端部では上記した上端部と同様にしてチャンバー１の底面に接合してもよいが、クランプ等の結合手段により取外し自在に結合することが好ましい。
熱電対２１ｃ及びその引出線２３を収容する好適にはセラミックで形成される外径６～３０ｍｍ程度、肉厚０．５～５ｍｍ程度の第２筒状部材２４が支持部材２２の内側に設けられている。第２筒状部材２４の上端部は、ウエハ載置台２１の下面側に気密に接合されている。第２筒状部材２４の下端部は貫通孔１ａを通ってチャンバー１の下部から突出している。そして、第２筒状部材２４のウエハ載置台２１との接続部（第２筒状部材２４の外側）に、好適にはセラミックで形成される内径６～３０ｍｍ程度、肉厚０．５～５ｍｍ程度、長さ１～３０ｍｍ程度の第１筒状部材２５が配置されている。第１筒状部材２５は第２筒状部材２４よりも短く構成されている。第１筒状部材２５の一方の端部である上端部は、ウエハ載置台２１の下面側に気密に接合されている。つまり、ウエハ加熱ヒータ２は、第１筒状部材２５の内側に配置され、かつ、一方の端部が載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材２４を備えている。
かかる構成により、上記したヒートサイクル等により第２筒状部材２４に対してその延在方向に垂直な方向の応力がかかっても、第２筒状部材２４の上端部とウエハ載置台２１の下面側との接合部に働く力を第２筒状部材２４の上端部の接合部分と第１筒状部材２５の上端部の接合部分とに分散させることができる。これにより、当該応力に対する強度を向上させることができるので、第２筒状部材２４の内側において高い気密性を確保することができ、ウエハ加熱ヒータ２を搭載する半導体製造装置１００の信頼性が向上する。
第２筒状部材２４の上端部及び第１筒状部材２５の上端部は、図２Ａ～Ｄ（第１の形態～第４の形態）に示すように、ガラスなどの封止機能を有する封止材２６によってウエハ載置台２１の下面側に接合することが好ましい。封止材２６による接合では、図２Ａ（第１の形態）に示すように、ウエハ載置台２１の下面にそのまま第２筒状部材２４及び第１筒状部材２５の上端部を好適にはそろえた状態で接合してもよい。また、図２Ｂ～Ｄに示すように、ウエハ載置台２１の下面に環状の溝を設けてその内側に第２筒状部材２４及び第１筒状部材２５の少なくとも一方の上端部を嵌め込んでもよい。
図２Ａに示す構造は、ウエハ載置台２１の下面に溝を形成しないので製作コストを抑えることができる。一方、より高い強度が求められる場合は図２Ｂ（第２の形態）、図２Ｃ（第３の形態）に示す構造が好ましい。なお、図２Ｂに示す構造は、第２筒状部材２４のみを溝に嵌め込む場合である。図２Ｃに示す構造は、第１筒状部材２５のみを溝に嵌め込む場合である。図２Ｄ（第４の形態）に示す構造は、第２筒状部材２４と第１筒状部材２５の両方を溝に嵌め込む場合である。第２筒状部材２４と第１筒状部材２５の両方を溝に嵌め込む場合は、図２Ｄに示すように溝内に第２筒状部材２４を第１筒状部材２５よりも深く挿入させる場合に限定するものではなく、その逆でもよいし両方の先端部を同じ深さで挿入してもよい。
上記のウエハ保持体であるウエハ加熱ヒータ２では、第２筒状部材２４の内側に熱電対２１ｃ及びその引出線２３である電気線を収容する場合について説明した。なお、ウエハ載置台２１に埋設されている抵抗発熱体２１ｂ、ＲＦ回路、ＥＳＣ回路などに設けられる電極及びその給電線を第２筒状部材２４の内側に収容してもよい。あるいは、ウエハ載置台２１の内部やウエハ載置面２１ａに設けた冷媒の循環路や吸引チャック用の溝に連通する流路として第２筒状部材２４の内側空間を使用してもよい。また、第１筒状部材２５で接合部を補強した第２筒状部材２４は、支持部材２２の内側のみならず支持部材２２の外側に設けてもよい。
更に、支持部材２２の両端部を気密にシールし、腐食性雰囲気になる支持部材２２の外側から支持部材２２の内側を隔離してもよい。この場合、支持部材２２の内側を不活性ガス雰囲気にしてもよい。また、上記した第２筒状部材２４の内側に電極等を収容する場合は、第２筒状部材２４の内側を不活性ガス雰囲気にしてもよい。不活性ガスとしては、電極等の構成材料を劣化させるような反応を起こさないガスであれば特に制約はない。具体的には、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎのような希ガスや、Ｎ２ガスなどを使用することができる。これらの中では、コストなどの観点からＮ２やＡｒが好ましい。
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２枚の同形状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、２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２枚の窒化アルミニウム焼結体のうち、一方の焼結体の片面に抵抗発熱体を形成すべくＷ（タングステン）ペーストを線幅が全て４ｍｍとなるようにスクリーン印刷により塗布してから窒素雰囲気中にて７００℃で脱脂した後、窒素雰囲気中にて１８３０℃で焼成した。これにより略同心円状の回路パターンを有する抵抗発熱体を形成した。次に、もう一方の窒化アルミニウム焼結体の片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を行った。そして、これら２枚の窒化アルミニウム焼結体を抵抗発熱体を覆うように重ね合わせて接合させた。このようにして得た接合体に対してその片面に抵抗発熱体の両端部にそれぞれ達する２つの穴をザグリ加工し、各穴に抵抗発熱体の端部に当接するようにＷ（タングステン）製電極を嵌入した。
図２Ｄに示すように、接合体の同じ片面に熱電対用の穴をザグリ加工し、熱電対２１ｃを取り付けた。また、この熱電対用のザグリ穴を囲むように、後述する第２筒状部材２４及び第１筒状部材２５の上端部の嵌入用の環状の溝をザグリ加工した。なお、この環状の溝の穴の底部には段差を設けて第２筒状部材２４の溝の深さが５ｍｍ、第１筒状部材２５の溝の深さが３ｍｍとなるようにした。
このようにして作製したウエハ載置台２１の上記Ｗ製電極及び熱電対２１ｃを嵌入させた面に、両端部にフランジ部を有する内径６０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ、肉厚２ｍｍのＡｌＮ製の円筒状の支持部材２２の一端部をネジで接合した。なお、フランジ部とウエハ載置台の接合面との間はＯ－リングを用いて気密にシールした。そして、支持部材の内側でウエハ載置台２１の下面から突出している電極に給電線を接続した。
支持部材２２の一端部が接合されたウエハ載置台２１をＣＶＤ装置のチャンバー内に搭載し、支持部材２２の他端部をチャンバーの底部にＯ－リングで気密シールした状態でクランプを用いて固定した。更に、図１および図２Ｄに示すように、熱電対２１ｃ及びその引出線２３を収容する外径１０ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ１７５ｍｍのセラミック製の第２筒状部材２４の上端部を上記ウエハ載置台２１の下面側の環状の溝に嵌入させた。更に第２筒状部材２４の上部に外径１４ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ８ｍｍのセラミック製の第１筒状部材２５を配置し、その上端部をウエハ載置台２１の下面側の環状の溝に嵌入させた。つまり、第２筒状部材２４を第１筒状部材２５の内側に配置した。
この環状の溝内に封止用ガラスを入れ、第２筒状部材２４及び第１筒状部材２５の上端部とウエハ載置台２１の下面側とを封止用ガラスを溶融させ気密に接合した。なお、第２筒状部材２４の下側はチャンバーの底部に設けた貫通孔を通り、該貫通孔と第２筒状部材２４の外周面との間はＯ－リングで気密にシールした。このようにして試料１のウエハ加熱ヒータ２を作製した。
比較のため、第１筒状部材２５を使用せずに第２筒状部材２４のみを用いて熱電対２１ｃ及びその引出線２３を収容した以外は上記試料１と同様にして試料２のウエハ加熱ヒータを製作した。試料１及び２のウエハ加熱ヒータ２の各々に対して、抵抗発熱体に給電したり該給電を停止したりすることでウエハ載置台２１の温度を室温と５００℃との間で昇降温させるヒートサイクルを１０サイクル繰り返した。その結果、試料１では第２筒状部材２４とウエハ載置台２１の下面側との間で気密シールが確保されていたが、試料２では第２筒状部材２４とウエハ載置台２１の下面側との間にリークが発生した。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ チャンバー
１ａ 貫通孔
２ ウエハ加熱ヒータ
２１ ウエハ載置台
２１ａ ウエハ載置面
２１ｂ 抵抗発熱体
２１ｃ 熱電対
２２ 支持部材
２３ 引出線
２４ 第２筒状部材
２５ 第１筒状部材
２６ 封止材
３０ 半導体ウエハ
１００ 半導体製造装置

Claims (14)

  1. 被処理物の載置面を上面に備えた載置台と、
    一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第１筒状部材と、
    前記第１筒状部材の内側に配置され、かつ、一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材と、を有し、
    前記第１筒状部材の長さは前記第２筒状部材の長さよりも短く、
    前記第１筒状部材と前記第２筒状部材とは前記載置台の下面側において一体の連続した封止材を用いて接合されている、ウエハ保持体。
  2. 前記載置台の下面側に環状の溝を有し、前記第１筒状部材および前記第２筒状部材のいずれか一方または両方が、前記溝に嵌め込まれている、請求項１に記載のウエハ保持体。
  3. 被処理物の載置面を上面に備えた載置台と、
    一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第１筒状部材と、
    前記第１筒状部材の内側に配置され、かつ、一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材と、を有し、
    前記第１筒状部材の長さは前記第２筒状部材の長さよりも短く、
    前記載置台の下面側に環状の溝を有し、前記第１筒状部材と前記第２筒状部材の両方が前記溝に嵌め込まれており、前記第１筒状部材の前記溝への挿入深さと前記第２筒状部材の前記溝への挿入深さが異なる、ウエハ保持体。
  4. 被処理物の載置面を上面に備えた載置台と、
    一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第１筒状部材と、
    前記第１筒状部材の内側に配置され、かつ、一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材と、を有し、
    前記第１筒状部材の長さは前記第２筒状部材の長さよりも短く、
    前記第１筒状部材は、内径が６ｍｍ以上３０ｍｍ以下、肉厚が０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下、長さが１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の円筒形状である、ウエハ保持体。
  5. 被処理物の載置面を上面に備えた載置台と、
    一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第１筒状部材と、
    前記第１筒状部材の内側に配置され、かつ、一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材と、を有し、
    前記第１筒状部材の長さは前記第２筒状部材の長さよりも短く、
    前記第２筒状部材は、外径が６ｍｍ以上３０ｍｍ以下、肉厚が０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の円筒形状である、ウエハ保持体。
  6. 被処理物の載置面を上面に備えた載置台と、
    一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第１筒状部材と、
    前記第１筒状部材の内側に配置され、かつ、一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材と、を有し、
    前記第１筒状部材の長さは前記第２筒状部材の長さよりも短く、
    前記第１筒状部材の内径と前記第２筒状部材の外径が同じである、ウエハ保持体。
  7. 被処理物の載置面を上面に備えた載置台と、
    一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第１筒状部材と、
    前記第１筒状部材の内側に配置され、かつ、一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材と、を有し、
    前記第１筒状部材の長さは前記第２筒状部材の長さよりも短く、
    前記載置台は内部に抵抗発熱体を有し、
    前記抵抗発熱体によって前記載置台の温度を室温と５００℃との間で昇温と降温を１０回繰り返した後に、
    前記第２筒状部材と前記載置台の下面側との間の気密にリークが発生しない、ウエハ保持体。
  8. 前記第２筒状部材の内側は不活性ガス雰囲気である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
  9. 前記載置台に少なくとも一部が埋設されている電極を有し、前記電極は前記第２筒状部材の内側に収容されている、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
  10. 前記載置台に少なくとも一部が埋設されている温度センサーと、前記温度センサーから引き出された引出線とを有し、前記温度センサーと前記引出線とが前記第２筒状部材の内側に収容されている、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
  11. 前記載置台に少なくとも一部が埋設されている電極および前記載置台に少なくとも一部が埋設されている温度センサーと、前記温度センサーから引き出された引出線とを有し、前記電極と前記温度センサーと前記引出線とが前記第２筒状部材の内側に収容されている、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
  12. 前記載置台は内部に流路を有し、前記載置面は溝を有し、前記第２筒状部材の内側が前記流路又は前記溝に連通する流路として構成されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
  13. 被処理物の載置面を上面に備えた載置台と、
    一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第１筒状部材と、
    前記第１筒状部材の内側に配置され、かつ、一方の端部が前記載置台の下面側に気密に接合されている第２筒状部材と、を有し、
    前記第１筒状部材の長さは前記第２筒状部材の長さよりも短く、
    前記載置台は内部に流路を有し、前記載置面は溝を有し、前記第２筒状部材の内側が前記流路又は前記溝に連通する流路として構成されている、ウエハ保持体。
  14. 前記載置台は半導体ウエハ載置用のセラミックス製の円板形状を有し、その内部に抵抗発熱体が埋設されている、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
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