JPWO2018230232A1 - ウエハ加熱ヒータ及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

上面をウエハ載置面とするセラミックス製の円板状部材を有し、内面側壁の一部に壁面低温部を有するチャンバー内にて用いられるウエハ加熱ヒータであって、ウエハ載置面は上面側から見た複数のゾーンに画定されている。円板状部材は複数のゾーンのそれぞれにおいて、それぞれ個別の発熱回路を備える。複数のゾーンの少なくとも１つは、周縁が壁面低温部に向かい合う位置に配置されるように構成されている。

Description

本開示は、ウエハ加熱ヒータ及び半導体製造装置に関する。本出願は、２０１７年６月１４日出願の日本出願第２０１７−１１６６０５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ウエハ加熱ヒータが搭載されている。

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いる。該ウエハ載置台の内部には電熱コイルや薄膜状の抵抗発熱体等からなる発熱回路がウエハ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ウエハ載置台の下面側に設けた１対の端子部が電気的に接続しており、この１対の端子部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。

上記したウエハ加熱ヒータでは、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、ウエハ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、ウエハ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

本開示に係るウエハ加熱ヒータは、上面をウエハ載置面とするセラミックス製の円板状部材を有し、内面側壁の一部に壁面低温部を有するチャンバー内にて用いられるウエハ加熱ヒータである。ウエハ載置面は上面側から見た複数のゾーンに画定されており、円板状部材は複数のゾーンのそれぞれにおいて、それぞれ個別の発熱回路を備える。複数のゾーンの少なくとも１つは、周縁が壁面低温部に向かい合う位置に配置されるように構成されている。

また本願は、上記ウエハ加熱ヒータと、内面側壁の一部に壁面低温部を有するチャンバーとを備える半導体製造装置を開示する。

図１は、本開示の一具体例のウエハ加熱ヒータを備えた半導体製造装置の模式的な断面模式図である。 図２は、図１の半導体製造装置の平面模式図である。 図３は、図１の半導体製造装置の代替例の平面模式図である。 図４Ａは、本開示の実施例の半導体製造装置の平面模式図である。 図４Ｂは、比較例の半導体製造装置の平面模式図である。

［本開示が解決しようとする課題］
ウエハ加熱ヒータが搭載されるチャンバー内の構造は、ウエハ加熱ヒータ―のウエハ載置面の周方向に関して一様ではない。例えばチャンバーの壁部の一部には、ウエハの出し入れを行うロードロックの開閉部が設けられている。そのため、ウエハ載置面のうち該ロードロックの開閉部近傍の部位は、それ以外の部位に比べて温度が局所的に低下することがあった。

従来、上記のようなチャンバー内の構造がウエハ載置面の均熱性に及ぼす影響は無視できるほど小さく、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、ウエハ載置面の温度分布に対してより精密な制御が求められるようになってきており、上記のチャンバー内の構造によるウエハ載置面の均熱性への悪影響を抑える必要が生じている。本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ウエハ加熱ヒータがそのウエハ載置面の周方向に関して一様でない構造を有するチャンバー内に搭載されるような場合であっても、該ウエハ載置面の均熱性を維持することが可能なウエハ加熱ヒータを提供することを目的とする。

［本開示の効果］
本開示によれば、ウエハ加熱ヒータをそのウエハ載置面の周方向に関して一様でない構造を有するチャンバー内に搭載する場合であっても、該ウエハ載置面の均熱性を維持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。本開示の実施形態は、上面をウエハ載置面とするセラミックス製の円板状部材を有し、内面側壁の一部に壁面低温部を有するチャンバー内にて用いられるウエハ加熱ヒータである。上記ウエハ載置面は上面側から見た複数のゾーンに画定されており、上記円板状部材は上記複数のゾーンのそれぞれにおいて、それぞれ個別の発熱回路を備える。上記複数のゾーンの少なくとも１つは、周縁が上記壁面低温部に向かい合う位置に配置されるように構成されている。これにより、ウエハ加熱ヒータをそのウエハ載置面の周方向に関して一様でない構造を有するチャンバー内に搭載する場合であっても、該ウエハ載置面の均熱性を維持することができる。
発熱回路は、円板状部材の内部に埋設されている。発熱回路は、電熱コイルや薄膜状の抵抗発熱体等からなり、円板状部材においてウエハ載置面に平行な面内に埋設されていると良い。それぞれの発熱回路の両端部にはウエハ載置台の下面側に設けた１対の端子部が電気的に接続しており、この１対の端子部を通じて外部電源から給電が行われる。

上記本開示のウエハ加熱ヒータの実施形態においては、上記複数のゾーンは、上記ウエハ載置面を上記ウエハ載置面の周方向に区分することで画定される複数の扇形ゾーンを有しており、上記複数の扇形ゾーンの少なくとも１つは、扇形の周方向における端から端までの角度範囲内に、上記壁面低温部が含まれるように配置されていることが好ましい。上記壁面低温部は、代表的にはロードロックの開閉部が例示される。これにより、該ロードロックの開閉部が開閉することによりウエハ載置面が局所的に冷却されるような状況が生じてもウエハ載置面の均熱性を保つことができる。
なお、本明細書において扇形ゾーンとは、円形状を２つの半径とその間の円弧で区切った領域、および、当該領域の内の２つの円弧で区切られた円環の一部である領域を含む。

上記複数のゾーンは、上記ウエハ載置面の中心を同心とする円形状のゾーンと、上記ウエハ載置面において上記円形状のゾーンの周囲を囲む円環状の部分を周方向に区分した複数の扇形ゾーンを有し、上記複数の扇形ゾーンの少なくとも１つは、扇形の周方向における端から端までの角度範囲内に、上記壁面低温部が含まれるように配置されていることが好ましい。また、上記複数の発熱回路は、個々に一対の給電用の端子部を有すると良い。

また、本開示の半導体製造装置の実施形態は、上記ウエハ加熱ヒータと、上記ウエハ加熱ヒータを内部に備え、内面側壁の一部に壁面低温部を有するチャンバーとを有する。この半導体製造装置は、ロードロックの開閉部が開閉することによりウエハ載置面が局所的に冷却されるような状況が生じて、チャンバー内壁側の一部の温度が低下して壁面低温部となってもウエハ載置面の均熱性を保つことができるので、品質にばらつきが生じにくい半導体デバイスを作製することが可能になる。

次に図面を参照しながら、本開示のウエハ加熱ヒータを搭載した半導体製造装置の一具体例について説明する。図１は、本開示の一具体例のウエハ加熱ヒータを備えた半導体製造装置の模式的な断面模式図である。なお、図１は半導体製造装置に縦断面を正面から見た状態を示している。ただし、ウエハ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。図１に示すように、この本開示の一具体例の半導体製造装置３が有するウエハ加熱ヒータ１は、半導体ウエハＷを載置するウエハ載置面１０ａを上面に備えた好適にはセラミックスからなる円板状部材としての略円板状のウエハ載置台１０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２０とを有しており、チャンバー２内に設置されている。

支持部材２０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おり、それら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、該上下両端部はウエハ載置台１０の下面及びチャンバー２の底面にそれぞれ気密に接合されている。これにより、支持部材２０の内側をチャンバー２内の腐食性ガス雰囲気から隔離することが可能になる。

上記のウエハ載置台１０や支持部材２０の好適な材質であるセラミックスとしては、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。ウエハ載置台１０と支持部材２０は互いに同じ材質からなるのが好ましい。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、熱応力によるウエハ載置面１０ａの反りやウエハ載置台１０と支持部材２０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。

本開示の一具体例のウエハ加熱ヒータ１は、ウエハ載置台１０の内部におけるウエハ載置面１０ａに平行な面内に、ウエハ載置面１０ａの中央領域を主に加熱する中央発熱回路１１と、該中央領域の周りの環状の外周領域を主に加熱する外周発熱回路１２、１３とが埋設されている。これら３つの発熱回路１１、１２、１３の各々は、両端部に１対の端子部１１ａ、１２ａ、１３ａが電気的に接続しており、これら合計３対の端子部１１ａ、１２ａ、１３ａ及びそれらの引出線１１ｂ、１２ｂ、１３ｂを介して図示しない外部電源から個別に給電できるようになっている。よって、これら３つの発熱回路１１〜１３の各々は個別に温度制御できるようになっている。

図２は、図１の半導体製造装置３を平面視した場合のウエハ載置台の上面側の構成を説明する平面模式図である。上記の３つの発熱回路１１〜１３が埋設されているウエハ載置台１０は、図２に示すように、ウエハ加熱ヒータ１が設置されるチャンバー２内の構造に応じて、ウエハ載置面１０ａの中央部に位置する円形中央ゾーンＺ１と、該円形中央ゾーンＺ１の周りに位置する環状の外周領域をその周方向に分割して得られる２つの扇形外周ゾーンＺ２、Ｚ３とに区分されている。そして、この円形中央ゾーンＺ１に中央発熱回路１１（図２では図示せず）が埋設されており、扇形外周ゾーンＺ２、Ｚ３にそれぞれ外周発熱回路１２、１３（図２では図示せず）が埋設されている。

すなわち、ウエハ加熱ヒータ１が設置されるチャンバー２内の構造は、該ウエハ加熱ヒータ１のウエハ載置台１０の周方向に関して一様ではない。図２の具体例では、ウエハ加熱ヒータ１を囲むチャンバー２の壁部は上から見て四角形になっているうえ、図２の紙面上側の壁部にはチャンバー２の壁面低温部となるロードロックの開閉部２ａが設けられている。このため、このロードロックの開閉部２ａの影響を受けて、ウエハ載置面１０ａのうちロードロックの開閉部２ａに近い部分が局所的に低温になることがある。なお、壁面低温部はロードロック開閉部に限定されるものではなく、壁面構造の他の要因によっても温度が部分的に低下する部分を含む。

このような場合であっても、上記したように、ウエハ載置面１０ａの環状の外周領域を周方向に２つに区分して得た扇形外周ゾーンＺ２、Ｚ３のうち、図２に示す紙面上側の扇形外周ゾーンＺ２には、当該扇形形状の周方向における端から端までの角度範囲Ａ１内にロードロックの開閉部２ａが位置しているので、この扇形外周ゾーンＺ２に埋設されている発熱回路１２は他の発熱回路よりも発熱量を高く設定することができる。これにより、ウエハ載置面１０ａの均熱性を維持することができる。

上記の一具体例では、ウエハ載置面を円形の中央領域と環状の外周領域に分け、更に該外周領域を周方向に均等に２分割した例について説明したが、ウエハ載置面の分割パターンはこれに限定されるものではなく、ウエハ載置面の均熱性を乱す要因となりうるチャンバー内の構造に応じて様々な分割パターンを採用することができる。

例えば図３に示すように、ウエハ載置台１００のウエハ載置面１００ａを円形中央ゾーンＺ１１と、その周りの環状中間ゾーンＺ１２と、最も外側の環状の外周領域を周方向に４等分して得られる４つの扇形外周ゾーンＺ１３〜Ｚ１６とに分割してもよい。この場合は、当該４つの扇形外周ゾーンのうち、最もロードロックの開閉部２ａに近い扇形外周ゾーンＺ１３を上から見た時、当該扇形形状の周方向における端から端までの角度範囲Ａ２内にロードロックの開閉部２ａを位置させることができるうえ、ウエハ載置面１１０ａの中心点から該扇形外周ゾーンＺ１３の周方向の両端部に向かって引いた２本の直線Ｌ１、Ｌ２上に、それぞれロードロックの開閉部２ａの両端部をほぼ位置させることができるので、ウエハ載置面１１０ａの均熱性をより一層高めることが可能になる。なお、ゾーンをさらに細かく分割して、ロードロック開閉部２ａに対応する範囲、すなわち図３での直線Ｌ１とＬ２に挟まれる範囲に複数のゾーンが含まれていても良い。

以上、本発明のウエハ加熱ヒータ及びこれを搭載した半導体製造装置について具体例を挙げて説明したが、本発明は係る具体例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。

図４Ａに示すような半導体製造装置３を作製してウエハ載置面の均熱性について評価した。具体的には、先ず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の１枚に対して、その一方の面の直径１６０ｍｍの円形中央ゾーンＺ２１に、同心円状の複数の円形導電部と、これら円形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した線幅４ｍｍ、厚み２０μｍの回路パターンを、タングステンペーストをスクリーン印刷することにより形成した。また、その反対側の面において、その中央部の直径１６０ｍｍの円形中央ゾーンＺ２１よりも外周側の環状領域を周方向に均等に４分割した４つの扇形外周ゾーンＺ２２〜Ｚ２５の各々に、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した線幅４ｍｍ、厚み２０μｍの回路パターンを、タングステンペーストでスクリーン印刷することにより形成した。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。

そして、残る２枚の焼結体の各々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脱脂した後、この接着材料の塗布側が内側となるように上記３枚の焼結体を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下面に、各発熱回路の両端部が露出するようにザグリ穴を設け、このザグリ穴にタングステン製の電極端子を嵌合させた。

このようにして作製したウエハ載置台２００に対して、両端部にフランジ部を有する内径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。そして、支持部材の他端部を、図４（ａ）に示すように、扇形外周ゾーンＺ２２がロードロックの開閉部２ａに対向するようにしてチャンバーの底部に固定した。なお、ゾーンごとに設けた発熱回路には、個別に給電できるように電源に接続した。このようにして試料１の半導体製造装置３を作製した。

比較のため、上記試料１の半導体製造装置３で用いたものと同じウエハ載置台２００を作製し、これを図４Ｂに示すように隣接する２つの扇形外周ゾーンＺ２２〜Ｚ２３の中間部分がロードロックの開閉部２ａの中央部に対向するようにチャンバー内に固定した以外は上記試料１と同様にして試料２の半導体製造装置３を作製した。

このようにして作製した試料１及び２の半導体製造装置３の各々において、各発熱回路にあらかじめ設定した電圧を印加した。そして、ある程度時間が経過して定常状態になった時点で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、試料１及び試料２のいずれにおいても、ウエハ載置面においてロードロックの開閉部２ａの近傍において局所的に温度が低くなり、ウエハ載置面の最も高温の部位と最も低温の部位との温度差が試料１で１０.５℃、試料２で１０.３℃となった。そこで、この温度差を減らして均熱性を高めるべく試料１及び２の各々において、発熱回路に印加する電圧を調整したところ、試料１では温度差を８.１℃まで減らすことができたが、試料２では逆に１０.７℃となった。

これは、試料１では扇形外周ゾーンＺ２２の周方向における端から端までの角度範囲内にロードロックの開閉部２ａが位置しているので、ほぼ扇形外周ゾーンＺ２２だけがロードロックの開閉部２ａに対向するようになっている。よってロードロックの開閉部２ａに起因する扇形外周ゾーンＺ２２の局所的な温度低下に良好に対処できる。これに対して、試料２は試料１とは異なりロードロックの開閉部２ａに扇形外周ゾーンＺ２２及びＺ２３の両方がいずれも部分的に対向している。局所的に温度が低下したロードロックの開閉部２ａの近傍を加熱する場合は、扇形外周ゾーンＺ２２及びＺ２３のうちのいずれか一方か両方を加熱しなければならない。そのため、ロードロックの開閉部２ａに対向する低温部分を良好に加熱できなかったり、開閉部２ａに対向していない高温部分が加熱されたりして均熱性が悪化する結果になった。このように、本開示の要件を満たす試料１の方が本開示の要件を満たしていない試料２よりもウエハ載置面の均熱性に優れていることが分かった。

Ａ１、Ａ２ 角度範囲
Ｗ 半導体基板
Ｚ１ 円形中央ゾーン
Ｚ２、Ｚ３ 扇形外周ゾーン
Ｚ１１ 円形中央ゾーン
Ｚ１２ 環状中間ゾーン
Ｚ１３〜Ｚ１６ 扇形外周ゾーン
Ｚ２１ 円形中央ゾーン
Ｚ２２〜Ｚ２５ 扇形外周ゾーン
Ｌ１、Ｌ２ 直線
１ ウエハ加熱ヒータ
２ チャンバー
３ 半導体製造装置
２ａ ロードロックの開閉部
１０、１００、２００ ウエハ載置台
２０ 支持部材
１０ａ、１００ａ ウエハ載置面
１１ 中央発熱回路
１２、１３ 外周発熱回路
１１ａ、１２ａ、１３ａ 端子部
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ 引出線

Claims (6)

1. 上面をウエハ載置面とするセラミックス製の円板状部材を有し、内面側壁の一部に壁面低温部を有するチャンバー内にて用いられるウエハ加熱ヒータであって、
   前記ウエハ載置面は前記上面側から見た複数のゾーンに画定されており、
   前記円板状部材は前記複数のゾーンのそれぞれにおいて、それぞれ個別の発熱回路を備え、
   前記複数のゾーンの少なくとも１つは、周縁が前記壁面低温部に向かい合う位置に配置されるように構成されている、
   ウエハ加熱ヒータ。
2. 前記複数のゾーンは、前記ウエハ載置面を前記ウエハ載置面の周方向に区分することで画定される複数の扇形ゾーンを有しており、
   前記複数の扇形ゾーンの少なくとも１つは、扇形の周方向における端から端までの角度範囲内に、前記壁面低温部が含まれるように配置されている、
   請求項１に記載のウエハ加熱ヒータ。
3. 前記複数のゾーンは、前記ウエハ載置面の中心を同心とする円形状のゾーンと、
   前記ウエハ載置面において前記円形状のゾーンの周囲を囲む円環状の部分を周方向に区分した複数の扇形ゾーンを有し、
   前記複数の扇形ゾーンの少なくとも１つは、扇形の周方向における端から端までの角度範囲内に、前記壁面低温部が含まれるように配置されている、
   請求項１または請求項２に記載のウエハ加熱ヒータ。
4. 前記複数の発熱回路は、個々に一対の給電用の端子部を有する、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のウエハ加熱ヒータ。
5. 前記チャンバーはロードロックの開閉部を有し、
   前記壁面低温部は、前記ロードロックの開閉部である、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のウエハ加熱ヒータ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のウエハ加熱ヒータと、前記ウエハ加熱ヒータを内部に備え、内面側壁の一部に壁面低温部を有するチャンバーとを備える、
   半導体製造装置。

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