JP7214843B2 - セラミックヒータ - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックヒータに関する。
従来より、半導体製造プロセスにおいて、プラズマＣＶＤ工程が採用されることがある。プラズマＣＶＤ工程では、セラミックヒータのウエハ載置面にウエハを載置する。セラミックヒータのセラミックプレートには、プラズマ電極とヒータ電極とが埋設されている。一方、ウエハの上方空間には、上部電極が配置されている。そして、上部電極とプラズマ電極との間に高周波電圧を印加すると、これらの電極の間にプラズマが発生し、このプラズマを利用してウエハに薄膜が蒸着される。こうしたセラミックヒータでは、プラズマ電極に印加した高周波電圧の漏れ電流がヒータ電極に伝わると、ヒータ電極への通電が制御できなくなるという問題があった。この点に鑑み、特許文献１には、プラズマ電極とヒータ電極との間に高抵抗の絶縁層（漏れ電流防止層）を設けることが提案されている。
特許第３６０２９０８号公報
しかしながら、上述したセラミックヒータでは、セラミックプレートのうちウエハ載置面とは反対側の面（裏面）側に回り込んだプラズマがヒータ電極とカップリングすることがあった。そのようなカップリングが起きると、ヒータ電極に高周波電流が流れ込むため好ましくない。
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、セラミックプレートの裏面側に回り込んだプラズマがヒータ電極とカップリングするの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、
表面にウエハ載置面を備え、前記ウエハ載置面に近い方からプラズマ電極、ヒータ電極がこの順に離間した状態で埋設された円盤状のセラミックプレートと、
前記セラミックプレートの裏面から前記セラミックプレートを支持する円筒状シャフトと、
前記円筒状シャフトの内部に配置され、前記プラズマ電極に接続されたプラズマ電極接続部材と、
前記円筒状シャフトの内部に配置され、前記ヒータ電極に接続されたヒータ電極接続部材と、
前記セラミックプレートの裏面に配置されるか又は前記セラミックプレートのうち前記ヒータ電極よりも裏面側に埋設され、グランドに接続された平面シールド部と、
を備えたものである。
このセラミックヒータでは、セラミックプレートの裏面側に回り込んだプラズマとヒータ電極とのカップリングを平面シールド部が防止する。したがって、そのようなカップリングに起因する不具合の発生（例えばヒータ電極の異常発熱とか異常膨張など）を防止することができる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記平面シールド部は、導電性セラミックコーティング膜、金属メッシュ又は金属板としてもよい。こうすれば、平面シールド部を比較的簡単に設けることができる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記平面シールド部は、前記円筒状シャフトの内表面又は外表面に設けられた円筒状の導電体を介して前記グランドに接続されていてもよい。こうすれば、円筒状シャフトの内部に、平面シールド部をグランドに接続するための部材を通す必要がないため、円筒状シャフトの内部の空間に他の部材（例えばヒータ電極接続部材やプラズマ電極接続部材など）を配置しやすくなる。さらに、円筒状シャフトの内表面又は外表面に設けられた円筒状の導電体をグランドに接続することにより、プラズマから発生するノイズが、ヒータ電極接続部材やプラズマ電極接続部材などに流れるのを防止することもできる。尚、平面シールド部と円筒状シャフトの内表面又は外表面に設けられた円筒状の導電体が接続されていなくてもノイズ防止することができる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記平面シールド部は、前記ウエハ載置面に平行なものとしてもよい。なお、「平行」とは、完全に平行な場合のほか、実質的に平行（例えば公差の範囲に入る場合など）も含む（以下同じ）。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記平面シールド部は、前記ヒータ電極よりも外径が大きいものとしてもよい。こうすれば、プラズマとヒータ電極の外周部分とのカップリングを防止し易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、前記セラミックプレート及び前記円筒状シャフトは、ＡｌＮセラミック製であり、前記平面シールド部は、Ａｌ製又はＡｌ合金製であってもよい。
本発明のセラミックヒータは、前記平面シールド部の外縁から前記ウエハ載置面に向かって設けられた側面シールド部を備えていてもよい。こうすれば、セラミックプレートの側面側に回り込んだプラズマとヒータ電極とのカップリングを側面シールド部が防止する。したがって、そのようなカップリングに起因する不具合の発生（例えばヒータ電極の異常発熱とか異常膨張など）を防止することができる。この場合、前記側面シールド部は、Ａｌ製又はＡｌ合金製であってもよい。また、この場合、前記平面シールド部及び前記側面シールド部は、前記セラミックプレートに埋設されていてもよく、前記側面シールド部の先端は、前記ウエハ載置面と前記ヒータ電極との間に位置するものとしてもよい。こうすれば、セラミックプレートの側面側に回り込んだプラズマとヒータ電極とのカップリングを確実に防止することができる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記平面シールド部は、前記セラミックプレートに埋設されていてもよく、前記裏面から前記平面シールド部までの距離は、前記ウエハ載置面から前記プラズマ電極までの距離よりも大きいものとしてもよい。裏面から平面シールド部までの距離は、ウエハ載置面のプラズマ密度に影響を及ぼす。そのため、裏面からプラズマ電極までの距離を大きく定めることで、平面シールド部がウエハ載置面側のプラズマに与える影響を小さくすることができる。また、裏面側に回り込んだプラズマとヒータ電極とのカップリング容易に防止することができる。この場合、前記裏面から前記平面シールド部までの距離は、前記ウエハ載置面から前記プラズマ電極までの距離よりも２．０ｍｍ以上長いものとしてもよい。例えば、ウエハ載置面からプラズマ電極までの距離が１．０ｍｍの場合、裏面から平面シールド部までの距離を、３．０ｍｍ以上に定めればよい。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記平面シールド部は、前記セラミックプレートに埋設されていてもよく、前記裏面から前記平面シールド部までの距離は、前記平面シールド部から前記ヒータ電極までの距離よりも大きいものとしてもよい。こうすれば、裏面から回り込んだプラズマをヒータ電極付近に位置する平面シールド部がより効果的に防止することができる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記平面シールド部は、前記セラミックプレートの前記裏面に配置されていてもよく、前記側面シールド部は、前記セラミックプレートの側面に配置されていてもよく、前記側面シールド部の先端は、前記ヒータ電極が設けられた面よりも前記裏面側に位置するものとしてもよい。こうすれば、ウエハ載置面の均熱性を維持し易くすることができる。この場合、前記平面シールド部は、前記セラミックプレートの裏面に、前記セラミックプレートよりも熱伝導性の低い低熱伝導層を介して配置されていてもよい。こうすれば、セラミックプレートの熱が平面シールド部に直接伝わるのを低熱伝導層が防止するため、平面シールド部の軟化又は溶融を防止することができる。
本発明のセラミックヒータにおいて、前記プラズマ電極と前記ヒータ電極との間には、平面シールド部が設けられないことが好ましい。プラズマ電極に印加される高周波パワーは、他の導電体に流れて無駄に消費された場合にはウエハ載置面のプラズマ密度に影響を及ぼす。このため、プラズマ電極から平面シールド部へ高周波パワーが流れないよう、平面シールド部は裏面とヒータ電極との間に設けられることが好ましい。
プラズマ処理装置１０の縦断面図。 プラズマ処理装置１０の変形例の縦断面図。 プラズマ処理装置１０の変形例の縦断面図。 プラズマ処理装置１０の変形例の縦断面図。 プラズマ処理装置１０の変形例の縦断面図。 プラズマ処理装置１０の変形例の縦断面図。
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。図１はプラズマ処理装置１０の縦断面図である。図１中、点線矢印はプラズマ又はプラズマ電流を示す。
プラズマ処理装置１０は、図１に示すように、チャンバ１２と、上部電極１４と、セラミックヒータ２０とを備えている。
チャンバ１２は、アルミニウム合金等によりボックス状に形成された容器である。このチャンバ１２は、図示しない圧力調整弁や真空ポンプ等を備えており、チャンバ１２の内部を所望の圧力に調整できるようになっている。
上部電極１４は、チャンバ１２の天井に取り付けられている。上部電極１４には、プラズマ発生用のＲＦ電源１６が接続されている。
セラミックヒータ２０は、セラミックプレート２１と、円筒状シャフト２６と、導電膜３０とを備えている。
セラミックプレート２１は、表面にウエハ載置面２１ａを備えた円盤状のＡｌＮセラミック製部材である。セラミックプレート２１には、ウエハ載置面２１ａに近い方からプラズマ電極２２とヒータ電極２４とがこの順に離間した状態で埋設されている。
円筒状シャフト２６は、セラミックプレート２１の裏面２１ｂからセラミックプレート２１を支持する。円筒状シャフト２６は、穴付きのメタルパーツ２８に載置されている。円筒状シャフト２６の内部とメタルパーツ２８の穴とは連通している。メタルパーツ２８は、グランドに接続されている。円筒状シャフト２６の内部には、プラズマ電極２２に接続されたプラズマ電極接続部材２３と、ヒータ電極２４に接続されたヒータ電極接続部材２５とが配置されている。プラズマ電極接続部材２３は、グランドに接続されている。ヒータ電極接続部材２５は、ヒータ電極２４の両端に電圧を印加してヒータ電極２４を発熱させる。
導電膜（本発明の平面シールド部に相当）３０は、セラミックプレート２１の裏面２１ｂのうち円筒状シャフト２６を除く環状領域に設けられている。導電膜３０は、ウエハ載置面２１ａに平行であることが好ましい。導電膜３０は、導電性セラミックのコーティング膜としてもよい。導電性セラミックとしては、例えばＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮなどが挙げられる。導電膜３０は、円筒状シャフト２６の外壁上に上下方向に沿って設けられた導電線３１を介してメタルパーツ２８（グランド）に接続されている。導電線３１は、導電性セラミックの線状のコーティング膜としてもよい。
以上説明した本実施形態のセラミックヒータ２０では、セラミックプレート２１の裏面側から作用するプラズマ電流は導電膜３０を介してグランドに流れる。すなわち、セラミックプレート２１の裏面側に回り込んだプラズマとヒータ電極２４とのカップリングを導電膜３０が防止する。したがって、そのようなカップリングに起因する不具合の発生（例えばヒータ電極２４の異常発熱とか異常膨張など）を防止することができる。
また、導電線３１が円筒状シャフト２６の外壁上に上下方向に沿って設けられた導電性セラミックの線状のコーティング膜だった場合には、円筒状シャフト２６の内部に導電線を配線する必要がない。また、チャンバ１２内に導電線を設ける場合に比べて、導電線３１がチャンバ側へ与える影響も小さい。
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、上述した実施形態の導電膜３０及び導電線３１の代わりに、図２に示すメタルカバー４０及び導電線４１を採用してもよい。なお、図２では、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。メタルカバー４０（本発明の平面シールド部に相当）は、ドーナツ状の金属板であり、セラミックプレート２１の裏面２１ｂのうち円筒状シャフト２６を除く環状領域に設けられている。メタルカバー４０は、セラミックプレート２１よりも熱伝導率の低い低熱伝導層４２を介してセラミックプレート２１の裏面２１ｂにネジ４３で止められている。メタルカバー４０は、ウエハ載置面２１ａと平行であることが好ましい。低熱伝導層４２の材質としては、例えばセラミックプレート２１がＡｌＮセラミック製の場合、アルミナセラミックが挙げられる。メタルカバー４０は、円筒状シャフト２６の外側に設けられた導電線４１を介してメタルパーツ２８（グランド）に接続されている。図２においては、セラミックプレート２１の裏面側に回り込んだプラズマとヒータ電極２４とのカップリングをメタルカバー４０が防止する。したがって、そのようなカップリングに起因する不具合の発生（例えばヒータ電極２４の異常発熱とか異常膨張など）を防止することができる。また、セラミックプレート２１の熱がメタルカバー４０に直接伝わるのを低熱伝導層４２が防止するため、メタルカバー４０の軟化又は溶融を防止することができる。特に、メタルカバー４０をＡｌ製又はＡｌ合金製とし、低熱伝導層４２をアルミナ層にすると、こうした効果が有効に得られる。なお、図２の導電線４１を、図１の導電線３１のように、円筒状シャフト２６の外壁上に上下方向に沿って設けてもよい。
あるいは、上述した実施形態の導電膜３０及び導電線３１の代わりに、図３に示すシールド電極５０及び導電線５１を採用してもよい。なお、図３では、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。シールド電極５０（本発明の平面シールド部に相当）は、セラミックプレート２１のうちヒータ電極２４よりも裏面側に埋設された金属製の面状部材である。シールド電極５０は、ウエハ載置面２１ａと平行であることが好ましい。シールド電極５０は、金属（例えばＭｏなど）製のメッシュとしてもよい。シールド電極５０は、円筒状シャフト２６の内部に設けられた導電線５１を介してメタルパーツ２８（グランド）に接続されている。図３においては、セラミックプレート２１の裏面側に回り込んだプラズマとヒータ電極２４とのカップリングをシールド電極５０が防止する。したがって、そのようなカップリングに起因する不具合の発生（例えばヒータ電極の異常発熱とか異常膨張など）を防止することができる。
図３のシールド電極５０の代わりに、図４に示すシールド電極５４を採用してもよい。シールド電極５４は平面シールド部５２と側面シールド部５３とを備える。平面シールド部５２はセラミックプレート２１のうちヒータ電極２４よりも裏面２１ｂ側に埋設された、ヒータ電極２４よりも外径が大きい金属製の面状部材である。平面シールド部５２は、ウエハ載置面２１ａに平行である。裏面２１ｂから平面シールド部５２までの距離Ｄ２は、ウエハ載置面２１ａからプラズマ電極２２までの距離Ｄ１よりも大きいことが好ましく、距離Ｄ２は距離Ｄ１よりも２．０ｍｍ以上大きいことがより好ましい。また、距離Ｄ２は、平面シールド部５２からヒータ電極２４までの距離Ｄ３よりも大きい。平面シールド部５２は、円筒状シャフト２６の内部に設けられた導電線５１を介してメタルパーツ２８（グランド）に接続されている。側面シールド部５３は、平面シールド部５２の外縁からウエハ載置面２１ａに向かって設けられた金属製の円筒部材である。側面シールド部５３の先端は、ウエハ載置面２１ａとヒータ電極２４との間（具体的にはプラズマ電極２２とヒータ電極２４との間）に位置している。平面シールド部５２及び側面シールド部５３は、金属（例えばＭｏなど）製のメッシュとしてもよい。図４においては、セラミックプレート２１の裏面側に回り込んだプラズマとヒータ電極２４とのカップリングを平面シールド部５２が防止する。したがって、そのようなカップリングに起因する不具合の発生（例えばヒータ電極の異常発熱とか異常膨張など）を防止することができる。また、平面シールド部５２は、ヒータ電極２４よりも外径が大きいため、プラズマとヒータ電極２４の外周部分とのカップリングを防止し易くすることができる。更に、セラミックプレート２１の側面側に回り込んだプラズマとヒータ電極２４とのカップリングを側面シールド部５３が防止する。したがって、そのようなカップリングに起因する不具合の発生を防止することができる。そして、側面シールド部５３の先端は、ウエハ載置面２１ａとヒータ電極２４との間に位置している。そのため、セラミックプレート２１の側面側に回り込んだプラズマとヒータ電極２４とのカップリングを確実に防止することができる。更にまた、裏面２１ｂから平面シールド部５２までの距離Ｄ２は、ウエハ載置面２１ａからプラズマ電極２２までの距離Ｄ１よりも大きい。そのため、平面シールド部５２がウエハ側のプラズマに与える影響を小さくすることができる。そしてまた、裏面２１ｂから平面シールド部５２までの距離Ｄ２は、平面シールド部５２からヒータ電極２４までの距離Ｄ３よりも大きい。そのため、裏面２１ｂから平面シールド部５２へプラズマが流れ込み難くなり、平面シールド部５２がウエハ載置面側のプラズマに与える影響を小さくすることができる。
図４の導電線５１の代わりに、図５に示す導電体５６を採用してもよい。導電体５６は、円筒状シャフト２６の内表面の全面を覆うように設けられている。平面シールド部５２は、図５に示すように、セラミックプレート２１に埋設された導電線６１を介して導電体５６に接続されており、導電体５６は、メタルパーツ２８（グランド）に接続されている。導電体５６は、導電性セラミックのコーティング膜としてもよい。導電性セラミックとしては、例えばＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮなどが挙げられる。図５においては、円筒状シャフト２６の内部に、シールド電極５４をメタルパーツ２８に接続するための部材を通す必要がないため、円筒状シャフト２６の内部の空間に他の部材（例えばヒータ電極接続部材やプラズマ電極接続部材など）を配置しやすくなる。なお、図５においては、導電体５６は円筒状シャフト２６の内表面に設けられたが、円筒状シャフト２６の外表面に設けられてもよい。また、導電体５６は円筒状シャフト２６の内表面全面に設けられたが、全面でなく円筒状シャフト２６の上端から下端（メタルパーツ２８に接する位置）まで直線状に設けられていてもよい。
図２のメタルカバー４０及び導電線４１の代わりに、図６に示すメタル構造体７０を採用してもよい。メタル構造体７０は、メタルスリーブ７１とメタルカバー７４とが一体となったものである。メタルスリーブ７１は、円筒状シャフト２６の外表面の全面を覆っている。メタルスリーブ７１は、円筒状シャフト２６の下端に設けられたフランジ２７を介して、導電性を有するボルト５５でメタルパーツ２８に固定されている。そのため、メタル構造体７０は、ボルト５５を介してメタルパーツ２８（グランド）に接続されている。メタルカバー７４は、ドーナツ状の金属板である平面シールド部７２と、その外縁から上方向に設けられた側面シールド部７３とを備えている。平面シールド部７２は、裏面２１ｂに低熱伝導層４２を介して配置され、ウエハ載置面２１ａに平行で、ヒータ電極２４よりも外径が大きいものである。側面シールド部７３の先端は、ヒータ電極２４が設けられた面と裏面２１ｂとの間に位置している。メタル構造体７０を円筒状シャフト２６に取り付けるには、例えばメタル構造体７０を縦に２つに割った半割部材を用意し、２つの半割部材を円筒状シャフト２６を囲うように配置したあと締結具７５（ボルトや結束バンドなど）で固定すればよい。図６においては、セラミックプレート２１の裏面側に回り込んだプラズマとヒータ電極２４とのカップリングを平面シールド部７２が防止する。また、平面シールド部７２は、ヒータ電極２４よりも外径が大きいため、プラズマとヒータ電極２４の外周部分とのカップリングを防止し易くすることができる。更に、セラミックプレート２１の側面側に回り込んだプラズマとヒータ電極２４とのカップリングを側面シールド部７３が防止する。したがって、そのようなカップリングに起因する不具合の発生を防止することができる。そして、側面シールド部７３の先端はヒータ電極２４が設けられた面と裏面２１ｂとの間に位置しているため、ウエハ載置面２１ａの均熱性を維持し易くすることができる。更にまた、セラミックプレート２１の熱がメタルカバー７４に直接伝わるのを低熱伝導層４２が防止するため、メタルカバー７４の軟化又は溶融を防止することができる。特に、メタルカバー７４をＡｌ製又はＡｌ合金製とし、低熱伝導層４２をアルミナ層にすると、こうした効果が有効に得られる。そして、メタルカバー７４は一体化されたメタルスリーブ７１によって支持されるため、図２のネジ４３を省略することもできる。ネジ４３を省略することにより、セラミックプレート２１の均熱性が維持し易くなる。なお、図２のメタルカバー４０に側面シールド部を設けてもよい。また、図１の導電線３１や図２の導電線４１の代わりに、円筒状シャフト２６の外表面の全面を覆う導電膜やメタルスリーブを採用してもよい。
上述した実施形態では、上部電極１４をＲＦ電源１６に接続し、プラズマ電極２２をグランドに接続したが、プラズマ電極２２をＲＦ電源１６に接続し、上部電極１４をグランドに接続してもよい。この点は、図２～図６でも同様である。
本出願は、２０１９年１２月４日に出願された日本国特許出願第２０１９－２１９５４５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、例えば半導体製造装置用部材に利用可能である。
１０ プラズマ処理装置、１２ チャンバ、１４ 上部電極、１６ ＲＦ電源、２０ セラミックヒータ、２１ セラミックプレート、２１ａ ウエハ載置面、２１ｂ 裏面、２２ プラズマ電極、２３ プラズマ電極接続部材、２４ ヒータ電極、２５ ヒータ電極接続部材、２６ 円筒状シャフト、２７ フランジ、２８ メタルパーツ、３０ 導電膜、３１ 導電線、４０ メタルカバー、４１ 導電線、４２ 低熱伝導層、４３ ネジ、５０ シールド電極、５１ 導電線、５２ 平面シールド部、５３ 側面シールド部、５４ シールド電極、５５ ボルト、７０ メタル構造体、７１ メタルスリーブ、７２ 平面シールド部、７３ 側面シールド部、７４ メタルカバー、７５ 連結部、Ｄ１～Ｄ３ 距離。

Claims (8)

  1. 表面にウエハ載置面を備え、前記ウエハ載置面に近い方からプラズマ電極、ヒータ電極がこの順に離間した状態で埋設された円盤状のセラミックプレートと、
    前記セラミックプレートの裏面から前記セラミックプレートを支持する円筒状シャフトと、
    前記円筒状シャフトの内部に配置され、前記プラズマ電極に接続されたプラズマ電極接続部材と、
    前記円筒状シャフトの内部に配置され、前記ヒータ電極に接続されたヒータ電極接続部材と、
    前記セラミックプレートの裏面に配置されるか又は前記セラミックプレートのうち前記ヒータ電極よりも裏面側に埋設され、グランドに接続された平面シールド部と、
    前記平面シールド部の外縁から前記ウエハ載置面に向かって設けられた側面シールド部と、
    を備え、
    前記平面シールド部及び前記側面シールド部は、前記セラミックプレートに埋設されており、
    前記側面シールド部の先端は、前記プラズマ電極の高さに達しておらず、前記プラズマ電極と前記ヒータ電極との間に位置する、
    セラミックヒータ。
  2. 前記平面シールド部は、金属メッシュである、
    請求項１に記載のセラミックヒータ。
  3. 前記平面シールド部は、前記円筒状シャフトの内表面又は外表面に設けられた円筒状の導電体を介して前記グランドに接続されている、
    請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
  4. 前記平面シールド部は、前記ヒータ電極よりも外径が大きい、
    請求項１～３のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
  5. 前記セラミックプレート及び前記円筒状シャフトは、ＡｌＮセラミック製であり、前記平面シールド部は、Ａｌ製又はＡｌ合金製である、
    請求項１～４のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
  6. 前記側面シールド部は、Ａｌ製又はＡｌ合金製である、
    請求項１～５のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
  7. 前記裏面から前記平面シールド部までの距離は、前記ウエハ載置面から前記プラズマ電極までの距離よりも大きい、
    請求項１～６のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
  8. 前記裏面から前記平面シールド部までの距離は、前記ウエハ載置面から前記プラズマ電極までの距離よりも２．０ｍｍ以上長い、
    請求項７に記載のセラミックヒータ。
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