JPH11163109A - ウエハ保持装置 - Google Patents

ウエハ保持装置

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JPH11163109A
JPH11163109A JP9330680A JP33068097A JPH11163109A JP H11163109 A JPH11163109 A JP H11163109A JP 9330680 A JP9330680 A JP 9330680A JP 33068097 A JP33068097 A JP 33068097A JP H11163109 A JPH11163109 A JP H11163109A
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JP
Japan
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wafer holding
ceramic body
base
substrate
electrode
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JP9330680A
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Koichi Nagasaki
浩一 長崎
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Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
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    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67103—Apparatus for thermal treatment mainly by conduction

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却又は加熱機能を有する金属製の温度制御装
置との接合において、接合部の熱伝達特性を損なうこと
なく、強固に接合することができるウエハ保持装置を提
供する。 【解決手段】静電吸着用電極、ヒータ電極、プラズマ発
生用電極をなす内部電極５，６を備えたセラミック体３
の上面をウエハＷの保持面４としてなるウエハ保持基体
２と、該ウエハ保持基体２を構成するセラミック体３と
の熱膨張差が３×１０-6／℃以下であり、気孔部13に金
属14を充填した多孔質セラミック体12からなるベース基
体11よりなり、上記ウエハ保持基体２の下面にアルミニ
ウムを主成分とするロウ材９を介して上記ベース基体11
をロウ付け接合してウエハ保持装置１を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、成膜装置、エッチ
ング装置、露光装置などに用いられるウエハ保持装置に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体装置の製造工程において、
半導体ウエハ（以下、ウエハと称す。
【０００３】）に薄膜を形成するための成膜装置や微細
加工を施すためのエッチング装置、あるいは露光処理を
施す露光装置においては、ウエハを保持するために様々
なウエハ保持装置が使用されている。
【０００４】例えば、セラミック体の内部に電極を埋設
するとともに、その上面をウエハの保持面とし、この保
持面に載置したウエハと電極との間に直流電圧を印加す
ることで、誘電分極によるクーロン力や微少な漏れ電流
によるジョンソン・ラーベック力と呼ばれる吸着力を発
現させ、ウエハを保持面に吸着させる静電吸着機能を備
えたものや、上記電極に交流電圧を印加して保持面に載
置したウエハを加熱する加熱機能を備えたもの、さらに
はセラミック体中に埋設した電極と、別に設けた電極と
の間に高周波を印加することでプラズマを発生させるよ
うにしたプラズマ発生機能を備えたものなどがあり、こ
れらの機能を全て含むウエハ保持装置も提案されてい
た。
【０００５】また、ウエハの温度分布が不均一である
と、各処理工程（成膜、加工、露光等）における精度に
大きな影響を与えることから、上記ウエハ保持装置には
保持面上のウエハの温度制御を行うための加熱又は冷却
機能を有する金属製の台座が設けられていた。
【０００６】そして、この金属製の台座とセラミック製
のウエハ保持装置とを接合する方法としては、ウエハ保
持装置の裏面にナットを埋め込み、台座をボルトによっ
て締結したり、接着剤によって接合したものがあった
（特開平２−２７７４８号参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、ボルトによ
る締結方法では、取り付け作業は容易であるものの、ウ
エハ保持装置と台座との間に隙間が生じやすく、加熱あ
るいは冷却時の熱伝達率が悪いといった課題があった。
【０００８】また、接着剤を用いたものにおいては、一
般的に接着剤の熱伝導率が小さいことから加熱あるいは
冷却時の熱伝達特性を高めることができず、さらには１
５０℃以上の温度域では使用することができなかった。
【０００９】さらに、他の接合方法として、モリブデン
（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニ
ッケル（Ｎｉ）など熱膨張差を緩和することができる金
属層によって接合することも考えられるが、これらの金
属層も熱伝導率（５４〜１６７Ｗ／ｍｋ）がそれ程高く
なく、高温域では熱伝導率（６４〜１２０Ｗ／ｍｋ）が
さらに低下することから、加熱あるいは冷却時の熱伝達
特性を十分に高めることができなかった。
【００１０】本発明の目的は、加熱又は冷却機能を有す
る金属製の台座と強固に接合することができるととも
に、その接合部において優れた熱伝達特性を有するウエ
ハ保持装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、内部電極を備えたセラミック体の上面をウエ
ハの保持面としてなるウエハ保持基体と、該ウエハ保持
基体を構成するセラミック体との熱膨張差が３×１０-6
／℃以下であり、気孔部に金属を充填した多孔質セラミ
ック体からなるベース基体よりなり、上記ウエハ保持基
体の下面にアルミニウムを主成分とするロウ材を介して
上記ベース基体をロウ付け接合してウエハ保持装置を構
成したものである。
【００１２】また、本発明は上記ウエハ保持基体の内部
電極を静電吸着用電極とし、ウエハを保持面に吸着固定
したり、上記内部電極をヒータ用電極とし、保持面に載
置したウエハを加熱したり、上記内部電極をプラズマ発
生用電極とし、プラズマを発生させるようにしたもので
ある。
【００１３】さらに、本発明は、上記ウエハ保持基体を
構成するセラミック体と上記ベース基体を構成する多孔
質セラミック体とを、窒化アルミニウム、窒化珪素、ア
ルミナ、炭化硼素のうちいずれか一種を主成分とする同
種のセラミックスにより形成するとともに、上記多孔質
セラミックスの気孔部にアルミニウム又はアルミニウム
合金を充填したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１（ａ）は本発明に係るウエハ保持装置１
の一実施形態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線
断面図であり、ウエハ保持基体２は円盤状をしたセラミ
ック体３からなり、その上面をウエハＷの保持面３とす
るとともに、上記セラミック体３の上面側内部には静電
吸着用の電極５を、下面側内部にはヒータ用の電極６を
それぞれ埋設してある。なお、上記静電吸着用の電極５
のパターン形状は、図２（ａ）に示すように２枚の半円
状をした膜状体を円を構成するように配置し、ヒータ用
の電極６のパターン形状は、図２（ｂ）に示すように直
線状の帯状体と円弧状の帯状体とでほぼ同心円を構成す
るように配置してある。そして、セラミック体３の下面
には上記静電吸着用の電極５及びヒータ用の電極６と連
通する凹部を穿設し、該凹部に各電極５，６へ通電する
ための給電端子７，８をそれぞれ接合してある。
【００１５】また、上記ウエハ保持基体２の下面には、
該ウエハ保持基体２を構成するセラミック体３との熱膨
張差が３×１０-6／℃以下であり、セラミック体３と同
径の円盤状をしたベース基体１１を接合してある。この
ベース基体１１は図３に示すように、上下面に連通する
開気孔１３を備えた三次元編目構造を有する多孔質セラ
ミック体１２を骨格とし、その気孔部１３に隙間なく金
属１４を充填した複合材料からなる。この構造によれ
ば、ベース基体１１の熱膨張係数は骨格をなす多孔質セ
ラミック体１２の熱膨張係数に依存するところが大き
く、また、ベース基体１１の熱伝導率は気孔部１３に充
填した金属１４の熱伝導率に依存するところが大きいた
め、両者の配合比をそれぞれ変えることにより、ベース
基体１１の熱膨張係数と熱伝導率を適宜調整することが
できる。
【００１６】そして、ウエハ保持基体２を構成するセラ
ミック体３との熱膨張差を３×１０-6／℃以下とするこ
とにより、後述するロウ付け固定時に発生する熱応力を
緩和し、ウエハ保持基体２とベース基体１１との接合を
強固なものとすることができる。なお、セラミック体３
との熱膨張差を３×１０-6／℃以下とするには、ベース
基体１１の骨格をなす多孔質セラミック体１２を、ウエ
ハ保持基体２を構成するセラミック体３と近似した熱膨
張係数を有するセラミックスあるいはセラミック体３と
同種のセラミックスにより形成すれば良い。
【００１７】また、このベース基体１１は、ウエハ保持
基体２を構成するセラミック体３と比較して硬度が小さ
いことから加工性が良く、放電加工を施すこともでき
る。しかも、多孔質セラミック体１２には一様に金属１
４が充填されているため、この金属１４に高周波電力を
印加することでベース基体１１をプラズマ発生用電極と
しても用いることができるとともに、他の金属部材（例
えば、冷却パイプ、アルミニウムヒーター、チャンバー
の隔壁など）と熔接やロウ付け等によって容易に接合す
ることもできる。
【００１８】ただし、多孔質セラミック体１２の配合比
が５０％より少なくなると（金属１４の配合比が５０％
より多くなると）、ベース基体１１の強度が大きく低下
するとともに、ベース基体１１の熱膨張係数が多孔質セ
ラミック体１２よりも金属１４の熱膨張係数による依存
度が高くなり、ウエハ保持基体２との熱膨張差が大きく
なりすぎ、逆に、多孔質セラミック体１２の配合比が８
０％より多くなると（金属１４の配合比が２０％より少
なくなると）、気孔部１３の占める割合が少なくなるた
めに金属１４の充填量が減少し、ベース基体１１の熱伝
導率が大きく低下する。
【００１９】従って、多孔質セラミック体１２と金属１
４の配合比は５０：５０〜８０：２０が良く、さらに気
孔部１３に隙間なく金属１４を充填するためには、気孔
径が１０〜１００μｍ、気孔率が２０〜５０％である多
孔質セラミック体１２を用いることが望ましい。
【００２０】なお、多孔質セラミック体１２の気孔部１
３に金属１４を充填する方法としては、予め多孔質セラ
ミック体１２を入れて加熱しておいたプレス機に溶融金
属を注入し、加圧プレスすれば良い。この場合、多孔質
セラミック体１２の外表面は金属１４で覆われることに
なるが、充填する金属１４がアルミニウムなどのように
優れた耐プラズマ性を有する時には、ウエハ保持基体２
との接合面を除いて金属層を残しておけば良い。
【００２１】そして、これらウエハ保持基体２とベース
基体１１とをアルミニウムを主成分とするロウ材９を介
して接合することによりウエハ保持装置１を構成する。
【００２２】アルミニウムを主成分とするロウ材９は熱
膨張係数が２４〜２７×１０-6／℃とウエハ保持基体２
やベース基体１１を構成するセラミック体３，１２と比
較して高いものの、ウエハ保持基体２とベース基体１１
との熱膨張差を３×１０-6／℃以下に近似させてあるこ
とから、両者を強固に接合することができるとともに、
熱伝導率が２３８Ｗ／ｍｋと高く、さらには耐プラズマ
性にも優れるため、ベース基体１１がプラズマに曝され
るような場合でも使用可能で、かつウエハ保持基体２と
ベース基体１１との間の熱伝達特性を高めることができ
る。
【００２３】ところで、ウエハ保持基体２を構成するセ
ラミック体３としては、緻密で耐熱性に優れるととも
に、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐食性を有するもの
が良く、このようなセラミックスとしてはアルミナ、窒
化珪素、窒化アルミニウム、炭化硼素を用いることがで
き、より好ましくは耐プラズマ性にも優れるアルミ
ナ、、窒化アルミニウム、炭化硼素を用いることが良
く、さらに望ましくは高い熱伝導率を有する窒化アルミ
ニウムや炭化硼素が良い。
【００２４】例えば、窒化アルミニウムとして、純度９
９重量％以上、さらに９９．５重量％以上を有するもの
は、焼結体中にほとんど粒界相が存在しないため耐食
性、耐プラズマ性に優れ、また、Ｅｒ2 Ｏ3 やＹ2 Ｏ3
などの希土類酸化物を１〜９重量％の範囲で含んだもの
は熱伝導率が１５０Ｗ／ｍｋ以上と優れた熱伝達特性を
有しており、セラミック体３として好適である。
【００２５】また、セラミック体３中に埋設する内部電
極５，６としては、ウエハ保持基体２の反りや割れ等を
防ぐためにセラミック体３と熱膨張係数が近似した材質
が良く、例えば、４〜６×１０-6／℃の熱膨張係数を有
するタングステン（Ｗ）やモリンブデン（Ｍｏ）などの
高融点金属やこれらの合金、あるいは炭化タングステン
（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（Ｔｉ
Ｎ）を用いることができる。なお、セラミック体３中に
埋設する内部電極５，６は膜状のものに限らず、金属箔
などの板状体やメッシュ体、さらにはコイルであっても
良く、そのパターン形状も図２（ａ）（ｂ）にそれぞれ
示したものに限らず、内部電極５，６の機能に合わせて
様々なパターン形状に形成することができる。
【００２６】一方、ベース基体１２の骨格をなす多孔質
セラミック体１２としては、前述したように、ウエハ保
持基体２を構成するセラミック体３の熱膨張係数と近似
したセラミックス又はセラミック体３と同種のセラミッ
クスにより形成することが良い。なお、同種のセラミッ
クスとは主成分が同じ材質からなるセラミックスのこと
である。
【００２７】また、上記多孔質セラミック体１２の気孔
部１３に充填する金属１４としてはアルミニウム（Ａ
ｌ）やインジウム（Ｉｎ）を用いることができ、さらに
は充填性を良くするためにＳｉを含む合金としても良
い。
【００２８】なお、図１に示すウエハ保持装置１におい
ては、ウエハ保持基体２として静電吸着用の電極５と、
ヒータ用の電極６を備えた例を示したが、静電吸着用電
極、ヒータ用電極、プラズマ発生用電極の少なくとも１
つの内部電極を備えていれば良く、さらにはこれらの電
極を全て備えたものであっても構わない。
【００２９】（実施例）以下、図１に示すウエハ保持装
置１の具体例を示す。
【００３０】まず、ウエハ保持基体２を製作するため
に、平均結晶粒子径が１．２μｍ程度である純度９９．
９％以上の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末にバインダ
ーと溶媒を添加混合して泥漿を作製したあと、ドクター
ブレード法により厚さ０．４ｍｍ程度のグリーンシート
を複数枚形成した。
【００３１】このうち、２枚のグリーンシートに、比表
面積が２ｍ2 ／ｇ以上のタングステン（Ｗ）粉末に窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）粉末を１５重量％添加して粘土
調整した金属ペーストを印刷機でもって図２（ａ）
（ｂ）に示すようなパターン形状となるようにそれぞれ
印刷したあと、他のグリーンシートとともに積層し、８
０℃、５０ｋｇ／ｃｍ2 程度の圧力で熱圧着することに
よりセラミック積層体を得た。次に、このセラミック積
層体に切削加工を施して円盤状としたのち真空脱脂を施
し、さらに２０００℃程度の真空雰囲気下で焼成するこ
とにより、純度９９％以上を有し、熱伝導率６０Ｗ／ｍ
ｋ、熱膨張係数５×１０-6／℃の窒化アルミニウムの内
部に静電吸着用の電極５とヒータ用の電極６をそれぞれ
埋設してなるセラミック体３を形成した。そして、静電
吸着用の電極５が埋設されている側のセラミック基体３
の表面に研摩加工を施して保持面４を形成するととも
に、他方の表面には静電吸着用の電極５とヒータ用の電
極６にそれぞれ連通する凹部を穿設し、この凹部に給電
端子７，８を接合することウエハ保持基体２を製作し
た。
【００３２】一方、ベース基体１１を製作するために、
平均結晶粒子径が８０μｍ程度である純度９５％の窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に対し、酸化珪素（ＳｉＯ
2 ）粉末とバインダー及び溶媒を添加混練したあとスプ
レードライヤーにて顆粒を製作した。そして、この顆粒
をラバープレス成形法にて円盤状の成形体を形成したあ
と、真空雰囲気下にて通常の焼成温度より低い１２００
℃程度の温度で焼成することにより、気孔率５０％、平
均気孔径８０μｍを有する、窒化アルミニウム製の多孔
質セラミック体１２を得た。
【００３３】そして、この多孔質セラミック体１２をプ
レス機のダイに装填し、このダイを６８０℃まで加熱し
たあと、溶融させた純度９９％以上のアルミニウムをダ
イに充填し、パンチを降下させて１００ｋｇ／ｃｍ2 に
て加圧した。そして、この加圧状態のまま冷却すること
により、気孔部１３に金属１４としてアルミニウムが充
填された多孔質セラミック体１２を形成し、このうち一
方の表面に研削加工を施して接合面を形成することによ
りベース基体１１を製作した。
【００３４】なお、多孔質セラミック体１２との隙間の
クリアランスが２ｍｍとなるようにダイの大きさを設計
しておけば、この隙間にはアルミニウムのみが介在する
ことから、図３に示すように、ベース基体１１をなす多
孔質セラミック体１２の外周をアルミニウムの金属層で
被覆することができる。
【００３５】しかるのち、粒子径が５μｍ程度のアルミ
ニウム合金（ＪＩＳ ＡＣ９Ｂ）粉末にバインダーを添
加混練して製作した金属ペーストを、上記ベース基体１
１の接合面に塗布したあとウエハ保持基体２を載置し、
５５０℃の温度に加熱することで、アルミニウムのロウ
材９にてウエハ保持基体２とベース基体１１を接合した
図１に示すウエハ保持装置１を製作した。
【００３６】（実験例）上記実施例におけるウエハ保持
装置において、ベース基体１１を構成する多孔質セラミ
ック体１２と金属１４の配合比を変化させ、ウエハ保持
基体２との熱膨張差をそれぞれ変化させた時の接合具合
と、接合部の熱伝達特性についてそれぞれ実験を行っ
た。
【００３７】なお、接合部における熱伝達特性について
は、ウエハ保持装置に冷却機能を備えたアルミニウム製
の台座を熔接したものを、ヘリコン波をプラズマ源とす
るＣＶＤ装置に組み込み、プラズマを発生させた状態で
ウエハ保持基体２のヒータ用電極６に６０Ｈｚ、８０Ｖ
の交流電圧を印加してウエハ保持基体２を加熱し、加熱
させるのに与えた熱量Ｑ、ベース基体１１における接合
面の面積Ｓ、ウエハ保持基体２とベース基体１１との間
の温度差ΔＴによって、熱伝達率を数１により測定し
た。
【００３８】
【数１】
【００３９】ベース基体１１を構成する多孔質セラミッ
ク体１２と金属１４の配合比と結果はそれぞれ表１に示
す通りである。
【００４０】
【表１】
【００４１】この結果、ウエハ保持基体２を構成するセ
ラミック体３との熱膨張差を３×１０-6／℃以下とすれ
ば、ロウ付けしてもウエハ保持基体２とベース基体１１
とを強固に接合することができた。
【００４２】ただし、ベース基体１１を構成する多孔質
セラミック体１２と金属１４の配合比が９０：１０で
は、金属１４の占める割合が少なすぎるために、熱伝達
率は２００Ｗ／ｍｋと低かった。
【００４３】これに対し、ベース基体１１を構成する多
孔質セラミック体１２と金属１４の配合比が５０：５０
〜８０：２０の範囲にあるものでは、熱伝導率が４５０
〜５００Ｗ／ｍｋ以上と高い熱伝達率を有していた。
【００４４】このことから、ベース基体１１を構成する
多孔質セラミック体１２と金属１４の配合比は５０：５
０〜８０：２０の範囲にあれば良いことが判る。
【００４５】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、静電吸
着用電極、ヒータ電極、プラズマ発生用電極をなす内部
電極を備えたセラミック体の上面をウエハの保持面とし
てなるウエハ保持基体と、該ウエハ保持基体を構成する
セラミック体との熱膨張差が３×１０-6／℃以下であ
り、気孔部に金属を充填した多孔質セラミック体からな
るベース基体よりなり、上記ウエハ保持基体の下面にア
ルミニウムを主成分とするロウ材を介して上記ベース基
体をロウ付け接合してウエハ保持装置を構成したことに
より、冷却あるいは加熱機能を備えた金属製の台座と熔
接やロウ付けなどの方法により簡単にかつ強固に接合す
ることができる。しかも、ベース基体はセラミックスと
金属の複合材料からなり、高い熱伝達率を有するととも
に、接合も優れた熱伝達特性を有するアルミニウムを主
成分とするロウ材を介して接合してあることから、ウエ
ハ保持基体とベース基体及びベース基体と台座との間の
熱伝達特性を高めることができるため、ウエハ保持基体
の保持面に載置したウエハの温度分布を均一にすること
ができる。
【００４６】その為、本発明のウエハ保持装置を成膜装
置、エッチング装置、露光装置等に用いれば、ウエハへ
の成膜、加工、露光精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るウエハ保持装置の一実施
形態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図で
ある。
【図２】図１のウエハ保持基体に備える内部電極のパタ
ーン形状を示す図で、（ａ）は静電吸着用の電極パター
ン、（ｂ）はヒータ用の電極パターンである。
【図３】図１（ｂ）のベース基体のみを拡大した断面図
である。
【符号の説明】
１・・・ウエハ保持装置 ２・・・ウエハ保持基体 ３
・・・セラミック体 ４・・・保持面 ５・・・静電吸着用の電極 ６・・・
ヒータ用の電極 ７，８・・・給電端子 ９・・・ロウ材 11・・・ベー
ス基体 12・・・多孔質セラミック体 13・・・気孔部 14・・
・金属 Ｗ・・・ウエハ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内部電極を備えたセラミック体の上面をウ
    エハの保持面としてなるウエハ保持基体と、該ウエハ保
    持基体を構成するセラミック体との熱膨張差が３×１０
    -6／℃以下であり、気孔部に金属を充填した多孔質セラ
    ミック体からなるベース基体よりなり、上記ウエハ保持
    基体の下面にアルミニウムを主成分とするロウ材を介し
    て上記ベース基体をロウ付け接合してなるウエハ保持装
    置。
  2. 【請求項２】上記ウエハ保持基体の内部電極が、静電吸
    着用電極、ヒータ用電極、プラズマ発生用電極のいずれ
    かである請求項１に記載のウエハ保持装置。
  3. 【請求項３】上記ウエハ保持基体を構成するセラミック
    体と上記ベース基体を構成する多孔質セラミック体と
    が、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、炭化硼素
    のうちいずれか一種を主成分とする同種のセラミックス
    からなり、上記多孔質セラミックスの気孔部に充填され
    る金属がアルミニウム又はアルミニウム合金である請求
    項１及び２に記載のウエハ保持装置。
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