JPWO2019008889A1 - 半導体基板加熱用の基板載置台 - Google Patents
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Abstract
半導体基板加熱用の基板載置台は、上面に半導体基板を載置するように構成された載置面を有するセラミックス製の円板形状部と、載置面側から見て、同心円状に区分することで画定される複数の領域内に載置面に対して平行に延在するように円板形状部にそれぞれ埋設された複数の発熱回路と、を備える。複数の発熱回路のうち外側の発熱回路よりも内側の発熱回路の方が載置面に近い位置に配置されている。
Description
本開示は半導体基板加熱用基板載置台に関する。本出願は、２０１７年７月７日出願の日本出願２０１７−１３３４９６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施すのが一般的であるため、当該処理が行われる真空チャンバー内には薄膜処理の際に半導体基板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基板加熱ヒータが搭載されている。
この基板加熱ヒータは、かつては特許文献１に示されるように、石英などの反応ガスを透過しない材質からなるケーシングの中に抵抗発熱体を封じ込める構造が基板載置台に用いられていた。この構造はケーシング内部に空間部が存在しており、この空間部において抵抗発熱体と電極端子との電気的接続を容易に行うことができるという利点があったが、この空間部では伝熱が阻害されるので、基板載置面における均熱性を高めることが追及された結果、近年ではこれに代わってセラミックス製の円板状部材の内部に薄膜抵抗発熱体などの発熱回路を埋設した一体化構造の基板加熱ヒータが主流になっている。
この一体化構造の基板加熱ヒータは、例えば特許文献２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おり、該基板載置台の内部には所定の回路パターンを有する抵抗発熱体や電熱コイル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電極端子が電気的に接続しており、こ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。
本開示の半導体基板加熱用の基板載置台は、上面に半導体基板を載置するように構成された載置面を有するセラミックス製の円板形状部と、載置面側から見て、同心円状に区分することで画定される複数の領域内に載置面に対して平行に延在するように円板形状部にそれぞれ埋設された複数の発熱回路と、を備える。複数の発熱回路のうち外側の発熱回路よりも内側の発熱回路の方が載置面に近い位置に配置されている。
上記したような一体化構造の基板加熱ヒータでは、製品となる半導体デバイスの品質がばらつかないように、基板載置面での均熱性を高めて薄膜処理時に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領域（マルチゾーンとも称する）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区分した領域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。
しかしながら、上記の発熱回路に接続される電極端子は、腐食性のチャンバー内雰囲気から保護するために筒状支持体の内側に設置する必要があり、特許文献２に示すように、２つの発熱回路を基板載置面の外周領域と中央領域にそれぞれ埋設する場合は、前者の外周領域に埋設する発熱回路の両端部を筒状支持体の内側の電極端子に電気的に接続させる必要がある。そのため、該両端部を中央領域内に引き込むと共に、その先端部に接続させる電極端子は該中央領域における発熱回路の埋設面を貫通させることが必要となる。その結果、中央領域の発熱回路は精密な温度制御が困難になり、基板載置面の均熱性が低下することがあった。
［本開示が解決しようとする課題］
［本開示が解決しようとする課題］
本開示は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、基板載置台の略円形の基板載置面を同心円状に区分することで画定される複数の領域の各々に発熱回路を埋設する場合であっても、該基板載置面の内側の領域に埋設されている発熱回路の温度分布がそれよりも外側の領域に埋設されている発熱回路の影響を受けにくく、よって基板載置面の均熱性を高めることが可能な半導体基板加熱用基板載置台を提供することを目的とする。
［本開示の効果］
［本開示の効果］
本開示によれば、基板載置面を精密に温度制御することが可能になり、よって基板載置面の均熱性を高めることが可能になる。
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。本開示の実施形態は、上面に半導体基板を載置するように構成された載置面を有するセラミックス製の円板形状部と、載置面側から見て、同心円状に区分することで画定される複数の領域内に載置面に対して平行に延在するように円板形状部にそれぞれ埋設された複数の発熱回路と、を備える。複数の発熱回路のうち外側の発熱回路よりも内側の発熱回路の方が載置面に近い位置に配置されている、半導体基板加熱用の基板載置台である。これにより、基板載置面を精密に温度制御することが可能になり、よって基板載置面の均熱性を高めることが可能になる。
上記の半導体基板加熱用の基板載置台の実施形態においては、円板形状部において載置面とは反対側の下面に複数の発熱回路の端部にそれぞれ接続する複数の電極端子をさらに備えてもよい。また、複数の発熱回路の各々は個別に制御可能であるように構成されることが好ましい。これにより基板載置台の載置面の均熱性を乱すような状況が生じても該基板載置台の均熱性を維持することが可能になる。
次に、本開示の半導体基板加熱用の基板載置台を有する基板加熱ヒータの一具体例として、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基板加熱ヒータについて説明する。図１に示すように本開示の基板加熱ヒータ１は、半導体基板Ｗを載置する基板載置面１０ａを上面に備えた好適にはセラミックスからなる略円板状の基板載置台１０と、上面とは反対側の下面の中央部に接合され、該基板載置台１０をその下面側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筒状支持体２０とを有している。
筒状支持体２０の上下両端部には外側に屈曲したフランジ部が設けられている。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、筒状支持体２０の上下両端部は基板載置台１０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２０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１０や筒状支持体２０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１０と筒状支持体２０は互いに同じ材質で形成するのが好ましい。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。よって、熱応力による基板載置面１０ａの反りや基板載置台１０と筒状支持体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。
本開示の基板加熱ヒータ１は、基板載置台１０の略円形の基板載置面１０ａを同心円状に区分することで画定される複数の領域の各々に発熱回路が埋設されている。ここで同心円状に区分とは、略円形の基板載置面１０ａの中心を共有し、半径が様々に異なる円を境界にして基板載置面１０ａを複数のゾーンに区画することであり、図１に示す本発明の一具体例の基板載置台１０ように基板載置面１０ａを２つに区分する場合は、円形の中央領域と、その周りの環状の外周領域に区分することと定義する。
すなわち、本開示の基板載置台１０は、中央領域に中央部発熱回路１１が埋設されており、外周領域に外周部発熱回路１２が埋設されている。これら２つの発熱回路１１、１２の各々は、両端部に１対の端子部１１ａ、１２ａがカシメ、溶接、ロウ接、ネジ止め等の接合手段で電気的に接続している。これら端子部１１ａ、１２ａは基板載置台１０の下面のうち、上記した筒状支持体２０の内側の領域において突出している。これらの突出部分に接続される図示しない引出線を介して発熱回路１１、１２には図示しない外部電源から個別に給電が行われる。これにより、２つの発熱回路１１、１２の各々は個別に温度制御することが可能になる。
上記２つの発熱回路１１、１２は、いずれも基板載置台１０の内部において基板載置面１０ａに対して平行に延在する回路パターンを有している。すなわち、中央部発熱回路１１は図２に示す回路パターンを有している。この図２に示す回路パターンは、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からなる一筆書き状の形態を有している。回路パターンの両端部には、１対の電極端子１１ａが接続している。一方、外周部発熱回路１２は図３に示す回路パターンを有している。すなわち、図３に示す回路パターンは、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。回路パターンの両端部には基板載置面１ａの中心に向って互いに平行に延在する２本の延長部分１２ｂが形成されている。２本の延長部分１２ｂの先端部には、１対の電極端子１２ａが接続している。
本開示の基板載置台１０は、中央部発熱回路１１と基板載置面１０ａとの離間距離が、外周部発熱回路１２と基板載置面１０ａとの離間距離よりも短くなるように埋設されている。かかる構成により、外周部発熱回路１２の２本の延長部分１２ｂと中央部発熱回路１１とが互いに物理的に干渉するのを回避することができる。さらに、外周部発熱回路１２に接続する電極端子１２ａのために中央部発熱回路１１の回路パターンを部分的に疎にする必要がない。よって、基板載置面１０ａをより精密に温度制御することが可能になる。つまり、基板載置面１０ａの均熱性を高めることができる。
これに対して、図４に示す基板載置台１１０のように、中央領域の発熱回路１１１よりも外周領域の発熱回路１１２の方が基板載置面１１０ａまでの距離が短い場合、図５に示すように外周領域の外周部発熱回路１１２の電極端子１１２ａは延長部分１１２ｂの先端部に接続されるため、電極端子１１２ａは中央領域における中央部発熱回路１１１の埋設面を通過して、基板載置台１１０の下面から突出させることが必要になる。そのため、電極端子１１２ａとの物理的な干渉を回避すべく、図６に示すように中央部発熱回路１１１はその回路パターンのうち電極端子１１２ａが横切る部分にスペースを確保しておく必要がある。その結果、載置面１１０ａの中央部の均熱性が乱されることになる。
なお、円板状の基板載置台の場合は、基板載置面の外縁部からの放熱により外周領域が中央領域に比べて低温になりやすい。よって、中央領域の発熱回路よりも外周領域の発熱回路を基板載置面から大きく離間させると、外周領域の温度低下がより顕著になるおそれがある。特に、近年は半導体デバイスがますます微細化しており、従来は問題にならない程度の載置面の局所的な温度低下が問題になることがある。これが問題になる場合は、図３に示すように外周領域の発熱回路の導電線のピッチを中央領域のものより狭くしたり、外周領域の発熱回路への印加電圧を高めに設定したりすることで外縁部からの放熱を補うことができる。
上記の具体例では、基板載置面を同心円状に２つの領域に区分した場合について説明したが、本開示の半導体基板加熱用の基板載置台はこれに限定されるものではない。基板載置面を略同心円状に３つ以上の複数の領域に区分してもよい。この場合はこれら複数の領域にそれぞれ設けられる複数の発熱回路は基板載置面の外縁部から中央部に向うに従って段階的に基板載置面との距離が短くなるように埋設される。例えば図７には、他の具体例の基板載置台２１０では、基板載置面２１０ａを同心円状に３つの領域に区分した例が示されている。すなわち、基板載置面２１０ａの中央領域に中央部発熱回路２１１が埋設されている。その周りの環状の中間領域に中間部発熱回路２１２が埋設されている。最も外周側の環状の外周領域に外周部発熱回路２１３が埋設されている。
３つの発熱回路２１１、２１２、２１３のうちの隣接するもの同士は、基板載置面２１０ａの外側に位置するものよりも内側に位置するものの方が載置面２１０ａまでの距離が短くなっている。すなわち、基板載置面２１０ａの最外周側に位置する外周部発熱回路２１３よりもその内側に位置する中間部発熱回路２１２の方が基板載置面２１０ａまでの距離が短い。さらに、中間部発熱回路２１２よりもその内側に位置する中央部発熱回路２１１の方が基板載置面２１０ａまでの距離が短い。
３つの発熱回路２１１、２１２、２１３の両端部には、筒状支持体２２０の内側に設けた端子部２１１ａ、２１２ａ、２１３ａが電気的に接続している。なお、中央領域の周りに埋設されている発熱回路２１２、２１３は、基板載置面２１０ａの中心に向って延在する延長部分２１２ｂ、２１３ｂを介して上記の端子部２１２ａ、２１３ａにそれぞれ接続している。上記の合計３対の端子部２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ及びそれらの引出線（図示せず）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。
これにより、３つの発熱回路２１１、２１２、２１３の各々は個別に温度制御することが可能になる。
これにより、３つの発熱回路２１１、２１２、２１３の各々は個別に温度制御することが可能になる。
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た。次に顆粒をプレス成形して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Ｗ（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Ｗペーストを用いてスクリーン印刷により塗布した。そして、これらＷ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Ｗ（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。
比較のため、中央部発熱回路と外周部発熱回路の埋設位置を試料１とは逆にした図５〜６の回路パターンを有する発熱回路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の基板載置台を作製した。また、厚み８ｍｍの３枚の窒化アルミニウム焼結体に代えて厚み１２ｍｍの２枚の窒化アルミニウム焼結体を作製し、それらの間に図８に示す回路パターンを有する発熱回路を形成した以外は上記試料１の場合と同様にして試料３の基板載置台を作製した。
このようにして作製した試料１〜３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ＡｌＮ（窒化アルミニウム）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１〜３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。その結果を表１に示す。
表１から分かるように、温度のばらつきは試料１では２.３℃であるのに対して試料２では７．２℃、試料３では９．８℃と大きくばらついた。この結果から、複数の発熱回路のうち外側の発熱回路よりも内側の発熱回路の方が載置面に近い位置に配置されている試料１の基板載置台の方が、複数の発熱回路のうち外側の発熱回路よりも内側の発熱回路の方が載置面に近い位置に配置されていない試料２及び試料３の基板載置台よりも基板載置面の均熱性に優れていることが分かる。
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。
Ｗ 半導体基板
１ 基板加熱ヒータ
１０、１１０、２１０ 基板載置台
１０ａ、１１０ａ、２１０ａ 基板載置面
１１、１１１、２１１ 中央部発熱回路
１１ａ、１１１ａ、２１１ａ 端子部
１２、１１２ 外周部発熱回路
１２ａ、１１２ａ 電極端子
１２ｂ、１１２ｂ、２１２ｂ、２１３ｂ 延長部分
２１２ 中間部発熱回路
２１３ 外周部発熱回路
１１３ａ 電極端子
２０ 筒状支持体
１ 基板加熱ヒータ
１０、１１０、２１０ 基板載置台
１０ａ、１１０ａ、２１０ａ 基板載置面
１１、１１１、２１１ 中央部発熱回路
１１ａ、１１１ａ、２１１ａ 端子部
１２、１１２ 外周部発熱回路
１２ａ、１１２ａ 電極端子
１２ｂ、１１２ｂ、２１２ｂ、２１３ｂ 延長部分
２１２ 中間部発熱回路
２１３ 外周部発熱回路
１１３ａ 電極端子
２０ 筒状支持体
Claims (3)
- 上面に半導体基板を載置するように構成された載置面を有するセラミックス製の円板形状部と、
前記載置面側から見て、同心円状に区分することで画定される複数の領域内に前記載置面に対して平行に延在するように前記円板形状部にそれぞれ埋設された複数の発熱回路と、を備え、
前記複数の発熱回路のうち外側の発熱回路よりも内側の発熱回路の方が前記載置面に近い位置に配置されている、半導体基板加熱用の基板載置台。 - 前記円板形状部において前記載置面とは反対側の下面に前記複数の発熱回路の端部にそれぞれ接続する複数の電極端子をさらに備えた、請求項１に記載の半導体基板加熱用の基板載置台。
- 前記複数の発熱回路の各々は個別に制御可能であるように構成された、請求項１または請求項２に記載の半導体基板加熱用の基板載置台。
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-
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