JPWO2019155652A1 - 半導体製造装置用ヒータ - Google Patents

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Abstract

本発明の半導体製造装置用ヒータは、AlNセラミック基体の内部に発熱体が埋設された半導体製造装置用ヒータであって、AlNセラミック基体は、不純物元素としてO,C,Ti,Ca,Yを含み、Ti/Caの質量比が0.13以上であり、XRDプロファイルではTiN相が確認されないものである。

Description

本発明は、半導体製造装置用ヒータに関する。
半導体製造装置用ヒータとしては、特許文献1に示されるように、AlNセラミック基体と、そのAlNセラミック基体の内部に埋設された発熱体とを備えたものが知られている。こうした半導体製造装置用ヒータは、AlNセラミック基体の表面に載置したウエハを加熱するのに用いられる。また、半導体製造装置用ヒータとしては、特許文献2に示されるように、AlNセラミック基体の内部に発熱体と静電電極とが埋設されたものも知られている。
一方、特許文献3,4には、AlNセラミック基体として、CaOやTiO2などを原料に配合して焼結させたものが開示されている。例えば、文献3では原料にCaOを2重量%、TiO2 を0.5重量%配合した例(Ti/Ca質量比0.21)が開示され、文献4では原料にCaOを1重量%、TiO2 を0.2重量%配合した例(Ti/Ca質量比0.15)が開示されている。
特開2008−153194号公報 特開2005−281046号公報 特開平8−157261号公報 特開平8−157262号公報
特許文献1,2の半導体製造装置用ヒータでは、発熱体からウエハへ電流がリークしたり静電電極からウエハへ電流がリークしたりすると、ウエハがダメージを受けることになる。そのため、AlNセラミック基体の体積抵抗率を高い値(例えば7×108Ωcm以上)に制御することが好ましい。しかしながら、AlNセラミック基体の体積抵抗率は不純物の影響によって変動することがあり、体積抵抗率を制御することは難しかった。特に、AlNセラミック基体は不純物元素としてO,C,Ti,Ca,Yを含むことがあるが、これらの元素が体積抵抗率にどのような影響を与えるかについては、これまで知られていない。
また、特許文献3,4のAlNセラミック基体は、TiやCaを含んでいるが、Tiの配合量が多すぎるため、焼結時に体積抵抗率の極めて低い(2〜6×10-5Ωcm)TiN相が生成し、AlNセラミック基体全体の体積抵抗率が低下するという問題があった。
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、AlNセラミック基体を用いた半導体製造装置用ヒータにおいて、AlNセラミック基体が不純物元素としてO,C,Ti,Ca,Yを含むものであっても高温で高い体積抵抗率を持つようにすることを主目的とする。
本発明の半導体製造装置用ヒータは、
AlNセラミック基体の内部に発熱体が埋設された半導体製造装置用ヒータであって、
前記AlNセラミック基体は、不純物元素としてO,C,Ti,Ca,Yを含むと共に結晶相としてイットリウムアルミネート相を含み、Ti/Caの質量比が0.13以上であり、CuKα線を用いて測定したXRDプロファイルではTiN相が確認されない、
ものである。
この半導体製造装置用ヒータでは、用いられるAlNセラミック基体が不純物元素としてO,C,Ti,Ca,Yを含むものであっても高温で高い体積抵抗率を持つ。その理由は、以下のように考察される。イットリウムアルミネート相(例えばY4Al29(YAM)やYAlO3(YAL)など)にCaが固溶すると、2価のCaが3価のYを置換するため価数バランスの関係で酸素欠損が生成し、酸素イオン伝導パスが増え、体積抵抗率は低下する。一方、イットリウムアルミネート相にTiが固溶すると、4価のTiが3価のAlを置換するため価数バランスの関係で酸素欠損が補填されて酸素イオン伝導パスが減少する。Ti/Caの質量比が0.13以上であれば、Caによって酸素イオン伝導パスが増えるのをTiが適切に抑制するため、AlNセラミック基体の高温での体積抵抗率は高くなると考えられる。
また、AlNセラミック基体中のTiが多すぎると、TiNが生成する。TiNは、室温の体積抵抗率が2〜6×10-5Ωcm、600℃ではその約1.1倍である(文献1:日本セラミックス協会学術論文誌、99巻4号、pp286−291(1991)、文献2:電学論A、114巻12号、pp886−891(1994)]。つまり、TiNは、室温でも高温でも極めて体積抵抗率の低い化合物である。そのため、AlNセラミック基体が高温で高い体積抵抗率を持つようにするにはTiN相を含まないのが好ましい。また、TiNが生成すると、絶縁破壊が起きやすく耐食性も低下するため、こうした観点からもAlNセラミック基体はTiN相を含まないのが好ましい。TiN相のXRDプロファイルは、JCPDS38−1420に掲載されている。AlNセラミック基体のXRDプロファイルにおいてTiN相が確認されなければ、TiNによる体積抵抗率の低下が抑制されるためAlNセラミック基体の高温での体積抵抗率を高くすることができるし、TiNによる絶縁破壊や耐食性低下も抑制することができる。なお、XRDプロファイルはCuKα線を用いて測定した(より詳しくはCuKα線を用いて管電圧40kV、管電流40mAで測定した)。
なお、TiN相はTiNにAlが固溶した相として存在している可能性があるが、その場合であっても体積抵抗率は極めて低く、絶縁破壊や耐食性低下を招くおそれがあると考えられる。
AlNセラミック基体は、Ti/Caの質量比が0.13以上0.5以下であることが好ましい。AlNセラミック基体のTi含有率は18質量ppm以上95質量ppm以下であることが好ましい。AlNセラミック基体はYAM及びYALを含むことが好ましく、その場合、YAM/YALの質量比が2.8以上5.3以下であることが好ましい。AlNセラミック基体は、O/Cの質量比が48以上65以下であることが好ましい。
本発明の半導体製造装置用ヒータは、例えば、不純物元素としてO,C,Ti,Caを含むAlN原料粉末と焼結助剤としてのY23粉末との混合粉末を用いて、内部に発熱体を埋設して成形することにより成形体を作製し、この成形体を焼成することにより、作製することができる。AlN原料粉末は、O/Cの質量比が20〜30、Ti/Caの質量比が0.13以上であることが好ましい。こうすれば、Y23粉末を焼結助剤として用いてAlN原料粉末を焼成した後のAlNセラミック基体が、上述したAlNセラミック基体になりやすい。こうしたAlN原料粉末は、O,C,Ti,Caを含むAl23粉末に、必要に応じてC,TiO2,CaOを適量添加した粉末を窒化・酸化することにより得ることができる。AlN原料粉末中、Oは0.70〜0.75質量%、Cは220〜380質量ppm、Tiは18〜95質量ppm、Caは150〜250質量ppm含まれるようにするのが好ましい。
本発明の半導体製造装置用ヒータにおいて、AlNセラミック基体の540℃における体積抵抗率は1.0×109Ωcm以上であることが好ましい。こうすれば、発熱体からAlNセラミック基体に載置されるウエハへのリーク電流を十分に低減することができる。
本発明の半導体製造装置用ヒータにおいて、AlNセラミック基体の曲げ強度は300MPa以上であることが好ましく、310MPa以上であることがより好ましい。こうすれば、半導体製造装置に用いられる構造部材として要求される強度を十分に有するものになる。
本発明の半導体製造装置用ヒータにおいて、AlNセラミック基体の熱伝導率は170W/m・K以上であることが好ましい。こうすれば、AlNセラミック基体に載置されるウエハの均熱性が高くなる。
静電チャックヒータ10の構成を概略的に示す縦断面図。 O/C質量比と体積抵抗率との関係を表すグラフ。 Ti/Ca質量比と体積抵抗率との関係を表すグラフ。 YAM/YAL質量比と体積抵抗率との関係を表すグラフ。 実験例1のAlN焼結体のXRDプロファイルを表すグラフ。 実験例7のAlN焼結体のXRDプロファイルを表すグラフ。
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は静電チャックヒータ10の構成を概略的に示す縦断面図である。
静電チャックヒータ10は、本発明の半導体製造装置用ヒータの一例であり、セラミック基体12と、発熱体14と、静電電極16とを備えている。
セラミック基体12は、AlN製の円盤部材であり、直径は例えば200〜450mmである。セラミック基体12の上面は、ウエハWを載置するためのウエハ載置面12aとなっている。セラミック基体12は、AlNを主成分とする基体であるが、不純物元素としてO,C,Ti,Ca,Yを含むと共に結晶相としてイットリウムアルミネート相を含み、Ti/Caの質量比が0.13以上であり、XRDプロファイルではTiN相が確認されないものである。XRDプロファイルでTiN相が確認されるか否かは、セラミック基体12のXRDプロファイルとTiN相の全ピークとを照合することにより決定される。セラミック基体12は、Ti/Caの質量比が0.13以上0.5以下であることが好ましい。セラミック基体12のTi含有率は18質量ppm以上95質量ppm以下であることが好ましい。セラミック基体12はイットリウムアルミネート相としてYAM及びYALを含むことが好ましく、その場合、YAM/YALの質量比が2.8以上5.3以下であることが好ましい。セラミック基体12は、O/Cの質量比が48以上65以下であることが好ましい。
発熱体14は、セラミック基体12の内部に埋設されている。発熱体14は、金属コイルを一筆書きの要領でウエハ載置面12aの全面にわたって所定のパターンとなるように配線したものである。発熱体14は、金属コイルに限定されるものではなく、例えばリボン状、メッシュ状、シート状等の種々の形態を採用することができる。発熱体の材料としては、Mo,W,Nb等の高融点導電材料が好ましい。
静電電極16は、セラミック基体12の内部に埋設されている。静電電極16は、ウエハ載置面12aと発熱体14との間に配置されている。静電電極16の形状は、特に限定されるものではなく、例えば平面状やメッシュ状のほか、パンチングメタルでもよい。静電電極16の材料としては、Mo,W,Nb等の高融点導電材料が好ましい。
次に、静電チャックヒータ10の使用例について説明する。まず、静電チャックヒータ10を図示しないチャンバ内に設置する。そして、静電チャックヒータ10のウエハ載置面12aにウエハWを載置し、静電電極16に電圧を印加して静電電極16とウエハWとの間にジョンソン・ラーベック等の静電吸着力を発生させることによりウエハ載置面12a上にウエハWを吸着固定する。また、発熱体14である金属コイルに外部端子を接続して電圧を印加して発熱体14を発熱させることによりウエハWを所定温度に加熱する。この状態でウエハWに半導体チップを作製するために必要な各種処理を施す。処理終了後、静電電極16への電圧印加や発熱体14への電圧印加を終了し、ウエハWをウエハ載置面12aから取り外す。
次に、静電チャックヒータ10の製造例について説明する。まず、不純物元素としてO,C,Ti,Caを含むAlN原料粉末を用意する。AlN原料粉末は、O/Cの質量比が20〜30、Ti/Caの質量比が0.13以上であることが好ましい。こうしたAlN原料粉末は、O,C,Ti,Caを含むAl23粉末に、必要に応じてC,TiO2,CaOを適量添加した粉末を窒化・酸化することにより得ることができる。AlN原料粉末中、Oは0.70〜0.75質量%、Cは220〜380質量ppm、Tiは18〜95質量ppm、Caは150〜250質量ppm含まれるようにするのが好ましい。
続いて、用意したAlN原料粉末に焼結助剤としてY23粉末を添加して混合して混合粉末とし、これをスプレードライにて顆粒にする。Y23 は混合粉末全体に対して4.5〜5.5質量%となるように添加する。混合方法としては、有機溶剤を使用した湿式混合を採用してもよいし、ボールミルや振動ミル、乾式袋混合等に例示される乾式混合を採用してもよい。
続いて、混合粉末の顆粒を用いて、内部に発熱体14及び静電電極16を埋設して成形することにより、成形体を作製する。そして、この成形体を焼成することによりAlN焼結体とする。これにより、静電チャックヒータ10が得られる。焼成方法は、特に限定するものではないが、例えばホットプレス焼成などを用いることができる。ホットプレス焼成を行う場合は、焼成時の最高温度(焼成温度)は1700〜1900℃、焼成温度でのキープ時間は0.5〜100時間、プレス圧力は5〜50MPa、雰囲気は窒素雰囲気か真空雰囲気(例えば0.13〜133.3Pa)とすることが好ましい。
以上説明した本実施形態の静電チャックヒータ10によれば、O/Cの質量比、Ti/Caの質量比及びYAM/YALの質量比がいずれも適切な数値範囲内にあるため、セラミック基体12の体積抵抗率が高くなり、セラミック基体12のウエハ載置面12aに載置されるウエハへの発熱体14や静電電極16からのリーク電流を低減することができる。
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、上述した実施形態では、本発明の半導体製造装置用ヒータとして静電チャックヒータ10を例示したが、静電電極16を省略してもよいし、静電電極16をRF電極に置き換えてもよい。
[実験例1〜11]
各実験例につき、表1に示すAlN原料粉末を用意した。AlN原料粉末に含まれる不純物元素の質量は、次のように測定した。不純物元素の質量分析は、JIS R1675に準じて実施した。具体的には、酸素はサンプル約0.05g程度をNiカプセルに採取し黒鉛るつぼに投入、加熱・燃焼させ、COとして抽出し、非分散赤外線検出器にて定量した。炭素は約0.5g程度サンプルを採取し助燃剤(Sn等)を添加後加熱・燃焼させ、発生するCO+CO2を非分散赤外線検出器にて定量した。金属不純物は、サンプル約1gを採取し、硝酸・塩酸・過酸化水素水を所定量加え、加熱溶解した溶液をICP発光分析法で測定した。
用意したAlN原料粉末に焼結助剤としてY23粉末を添加してボールミルにより混合して混合粉末とし、これをスプレードライにて顆粒化した。Y23 は混合粉末全体に対して5質量%となるように添加した。続いて、混合粉末の顆粒を用いて、円盤形状の成形体を作製した。そして、この成形体をホットプレス焼成することによりAlN焼結体を作製した。ホットプレス焼成では、焼成時の最高温度(焼成温度)を1850〜1890℃、焼成温度でのキープ時間を2時間、プレス圧力を20MPa、雰囲気を窒素雰囲気とした。得られたAlN焼結体に含まれる不純物元素の質量、YAMの質量及びYALの質量を測定した。
AlN焼結体中の不純物元素の質量は、AlN原料粉末中の不純物元素の質量と同様の方法で測定した。YAM及びYALの質量は、次のように測定した。まず、粉末X線回折で10deg〜120deg以上の高角側まで精密測定し、XRDプロファイルを取得し、取得したXRDプロファイルを用いて結晶相の同定を行い、同定された結晶相を仮定してリートベルト解析し、各結晶相の定量値を算出した。AlN焼結体の540℃における体積抵抗率は、次のように測定した。Agペーストで電極部を印刷したサンプル(50mm×50mm×1mm)を540℃まで加熱した後、1kVの電圧を印加した際の1分後の電流値を測定することにより、体積抵抗率を求めた。曲げ強度は、JIS R1601に従った四点曲げ試験により測定した。熱伝導率は、JIS R1611に従い、レーザーフラッシュ法にて室温で測定した。それらの結果を表2に示す。また、O/C質量比と体積抵抗率との関係を図2に示し、Ti/Ca質量比と体積抵抗率との関係を図3に示し、YAM/YAL質量比と体積抵抗率との関係を図4に示す。
X線回折は、0.5g程度の粉末をBruker AXS製D8 ADVANCEで測定した。測定条件は、CuKα線源、管電圧40kV、管電流40mAとした。測定結果をリートベルト解析し、結晶相の同定と定量化を行った。それらの結果を図5,図6及び表2に示す。図5及び図6は、実験例1,7のXRDプロファイルを表すグラフである。実験例1,7のXRDプロファイルから同定された結晶相はAlN,YAM,YALであり、TiNは確認されなかった。実験例2〜6,8,9については、XRDプロファイルの図示を省略するが、同様の結果が得られた。
実験例1〜9のAlN焼結体は、不純物元素としてO,C,Ti,Ca,Yを含むと共に結晶相としてYAMとYALを含み、Ti/Caの質量比が0.13以上であり、XRDプロファイルではTiN相が確認されなかった。これらのAlN焼結体は、いずれも540℃における体積抵抗率が1.0×109(=1.0E+09)[Ωcm]以上と高かった。そのため、図1に示す静電チャックヒータ10のセラミック基体12として使用した場合に、ウエハ載置面12aに載置されるウエハWへの発熱体14や静電電極16からのリーク電流を低減することができる。なお、実験例1〜9のAlN焼結体は、いずれもTi/Caの質量比が0.13以上0.5以下であり、Ti含有率が18質量ppm以上95質量ppm以下であり、YAM/YALの質量比が2.8以上5.3以下であり、O/Cの質量比が48以上65以下であった。
これに対して、実験例10,11のAlN焼結体では、540℃での体積抵抗率は4.5×108[Ωcm]以下という低い値であった。実験例10,11では、特にTi/Caの質量比が適正範囲を外れていたことが体積抵抗率低下の原因と考えられる。すなわち、実験例10,11では、Ti/Caの質量比が0.08,0.07と低かったため、YAM、YALへCaが固溶して酸素イオン伝導パスが増加する方が、YAM、YALへTiが固溶して酸素イオン伝導パスが減少するのに比べて勝り、体積抵抗率が低下したと考えられる。実験例10では、Ti含有率が適正範囲を外れていたことやYAM/YALの質量比が適正範囲を外れていたこと、O/Cの質量比が適正範囲を外れていたこと等も体積抵抗率低下の原因と考えられる。実験例11では、Ti含有率が適正範囲を外れていたことやO/Cの質量比が適正範囲を外れていたこと等も体積抵抗率低下の原因と考えられる。
また、実験例10,11のAlN焼結体は、曲げ強度が353MPa,328MPaと高かったが、実験例1〜9のAlN焼結体も、曲げ強度が300MPa以上(詳しくは310MPa以上)であり、実験例10,11と同じくらい高かった。更に、実験例10,11のAlN焼結体は、熱伝導率が190W/m・K,180W/m・Kと高かったが、実験例1〜9のAlN焼結体も、熱伝導率が170〜180W/m・Kであり、実験例10,11と同じくらい高かった。
上述した実験例1〜11のうち、実験例1〜9が本発明の実施例に相当し、実験例10,11が比較例に相当する。
本出願は、2018年2月8日に出願された日本国特許出願第2018−20637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、静電チャックヒータやセラミックヒータなどの半導体製造装置用ヒータに利用可能である。
10 静電チャックヒータ、12 セラミック基体、12a ウエハ載置面、14 発熱体、16 静電電極、W ウエハ。

Claims (8)

  1. AlNセラミック基体の内部に発熱体が埋設された半導体製造装置用ヒータであって、
    前記AlNセラミック基体は、不純物元素としてO,C,Ti,Ca,Yを含むと共に結晶相としてイットリウムアルミネート相を含み、Ti/Caの質量比が0.13以上であり、CuKα線を用いて測定したXRDプロファイルではTiN相が確認されない、
    半導体製造装置用ヒータ。
  2. 前記Ti/Caの質量比が0.5以下である、
    請求項1に記載の半導体製造装置用ヒータ。
  3. 前記AlNセラミック基体のTi含有率が18質量ppm以上95質量ppm以下である、
    請求項1又は2に記載の半導体製造装置用ヒータ。
  4. 前記AlNセラミック基体はYAM及びYALを含み、YAM/YALの質量比が2.8以上5.3以下である、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体製造装置用ヒータ。
  5. 前記AlNセラミック基体中のO/Cの質量比が48以上65以下である、
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体製造装置用ヒータ。
  6. 前記AlNセラミック基体の540℃における体積抵抗率が1.0×109Ωcm以上である、
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体製造装置用ヒータ。
  7. 前記AlNセラミック基体の曲げ強度が300MPa以上である、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体製造装置用ヒータ。
  8. 前記AlNセラミック基体の熱伝導率が170W/m・K以上である、
    請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体製造装置用ヒータ。
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