KR20080059501A - 정전 척이 부착된 세라믹 히터 - Google Patents
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Abstract
(과제) 흡착력의 면내 분포가 균일하고, 피가열물의 면내 온도 분포의 균일화가 향상된 정전 척이 부착된 세라믹 히터를 제공한다.
(해결 수단) 기재의 한 면에 정전 척용 전극, 다른 면에 가열용 전극을 갖는 정전 척이 부착된 세라믹 히터에 있어서, 기재가 탄소 혹은 탄소 복합 재료로 이루어지고, 정전 척용 전극은 유전체층으로 이루어지는 보호막에 의해 덮어져 있으며, 상기 보호막(유전체층)의 막 두께가 50~200㎛이고, 또한 상기 보호막(유전체층)의 정전 척용 전극을 덮는 부분의 최대 막 두께와 최소 막 두께의 차가 30㎛이내인 것을 특징으로 한다. 상기 보호막(유전체층)이 열 분해 질화 붕소로 이루어지는 것, 상기 정전 척용 전극 및 가열용 전극(발열층)이 열 분해 그래파이트 또는 붕소가 첨가된 열 분해 그래파이트인 것이 바람직하다.
정전 척, 세라믹 히터
Description
본 발명은 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 CVD 장치나 스퍼터 장치, 또는 생성 박막을 에칭하는 에칭 장치 등에 사용되는, 피가열물인 반도체 웨이퍼를 가열하면서 유지 고정하기 위한 정전 척이 부착된 세라믹 히터에 관한 것이다.
종래 반도체용 디바이스를 제작할 때에는 반도체 웨이퍼 상에 폴리실리콘막이나 산화막, 도전체막, 유전체막 등의 박막을 CVD 장치나 스퍼터 장치로 형성하거나, 반대로 에칭 장치에 의해 이들 박막을 에칭하거나 하는 기술이 사용되고 있다.
그리고 이들 장치에 있어서 상기 박막의 형성이나 에칭의 품질을 유지하기 위해서는, 피가열물인 반도체 웨이퍼를 원하는 온도로 균일하고 일정하게 유지하는 것이 필요하며, 반도체 웨이퍼를 유지 고정하여 가열하는 척이 부착된 히터가 사용된다.
박막체의 유지 고정에는 진공(감압) 척 기구가 사용되어 왔지만, 상술의 처리를 실시하는 반도체 웨이퍼의 가열에 있어서는 감압 분위기에서 행해지므로 진공(감압) 척 기구는 사용할 수 없고, 히터 상에 반도체 웨이퍼를 고정하기 위해 정 전 흡착 장치가 사용되고 있으며, 프로세스의 고온화에 따라 그 재질은 수지로부터 세라믹으로 이행되고 있다(특허문헌 1, 특허문헌 2 참조).
또 최근에는 이들 세라믹 일체형 웨이퍼 히터와 정전 흡착 장치를 합체한 정전 흡착 기능을 갖는 웨이퍼 히터가 제안되어 있다.
기재로서 세라믹이 사용되는 경우도 있었다(특허문헌 3 참조). 세라믹은 원료 분체에 소결 조제를 첨가해서 소결된 소결체가 사용되고 있다. 이러한 세라믹 기재는 발열체 등의 이종 재료와의 열 팽창율차에 의해 생기는 열 응력에 의해 변형이 생긴다.
이 세라믹 기재와 발열체 등의 이종 재료로 이루어지는 정전 척이 부착된 세라믹 히터 상에, 예를 들면 반도체 웨이퍼 등을 얹어서 가열할 경우, 상기 변형이 원인으로 되어서 상기 웨이퍼와의 면 접촉 불량을 발생시켜 온도 분포를 흩트리는 원인으로 된다.
이러한 변형을 억제하는 방법으로서, 세라믹 기재를 두껍게 해서 강성을 높이고, 대좌와의 고정을 강화하는 방법이 있다.
그러나 이렇게 해서 변형을 억제하면 세라믹 기재 내부, 및 세라믹 기재와 발열체의 경계면에 열 응력 집중을 일으키고, 온도의 승강을 반복하면 소결 입계나 세라믹 기재와 발열체의 경계면에서 파손된다는 문제가 생길 우려가 있다. 또한 세라믹 기재를 두껍게 하면 열 용량이 커져 온도의 승강에 시간이 걸려버린다는 문제도 있다.
이러한 문제를 해소하는 히터로서, 탄소 혹은 탄소 복합 재료로 이루어지는 (지지)기재 상에 열 화학 기상 증착법(열 CVD 법)에 의해 열 분해 질화 붕소로 이루어지는 절연층을 형성하고, 또한 열 CVD 법에 의해 성막된 열 분해 그래파이트로 이루어지는 도전층이 히터 패턴으로 가공되어 접합되며, 또 상기 히터 패턴 상에 열 분해 질화 붕소 등의 치밀한 층형상의 보호막에 의해 덮여진 일체형 저항 가열 방식의 복층 정전 척이 부착된 세라믹 히터가 개발되어 있다(특허문헌 4, 특허문헌 5 참조).
이 저항 가열 방식의 복층 정전 척이 부착된 세라믹 히터는 고순도이고 화학적으로 안정되어 있으며, 또한 열 충격에 강하므로 급속한 온도의 승강을 필요로 하는 다양한 분야에서 사용되고 있다.
예를 들면 반도체 웨이퍼의 제조 분야, 구체적으로는 반도체 웨이퍼 등을 매엽식으로 1장씩 처리하고, 온도를 단계적으로 바꾸어서 처리하는 프로세스에서 폭넓게 사용되고 있다.
이 복층 정전 척이 부착된 세라믹 히터는 상기한 바와 같이 전체적으로 CVD 법에 의해 제작되어 있으므로 입계가 없고, 따라서 탈가스가 없어 진공 내 프로세스에서 가열했을 때에 프로세스에 악영향을 주지 않기 때문에 사용이 확대되고 있다.
[특허문헌1] 일본 특허 공개 소52-67353호 공보
[특허문헌2] 일본 특허 공개 소59-124141호 공보
[특허문헌3] 일본 특허 공개 평4-358074호 공보
[특허문헌4] 일본 특허 공개 평5-129210호 공보
[특허문헌5] 일본 특허 공개 평7-10665호 공보
상기 복층 정전 척이 부착된 세라믹 히터는 (지지)기재, 전극·배선(도전체층), 절연·보호막(유전체층) 등의 복수 종류의 재료에 의한 층 구조를 갖는다. 이들 층은 상술한 바와 같이 CVD법에 의해 형성되지만, 그 반응 온도는 1500~2000℃에나 달하여 이 공정에서 휘어짐이 발생해버린다.
종래는 이 휘어짐을 해소하기 위해 적재면을 기계 가공 등에 의해 평면화시키고 있었다.
특히 체적 고유 저항값으로서 높은 값을 갖는 유전체층(보호막)의 경우, 정전 척의 흡착력은 쿨롱의 힘에 지배되므로 유전체층(보호막)의 막 두께의 2승분의 1에 비례한다. 즉 적재면을 덮는 보호막의 막 두께가 두꺼워지면 흡착력은 급속하게 저하된다. 또한 막 두께 분포는 면 내의 흡착력 분포에 직결되어 막 두께 분포가 커지면 흡착력의 면내 편차를 초래하고, 결과적으로 피가열물의 온도 분포 편차를 발생시켜 버린다.
한편, 흡착력의 향상을 위해 막 두께 분포를 일정하게 하고자 하면 적재면의 형상이 오목형상이나 볼록형상으로 되기 쉽고, 이것도 피가열물의 온도 분포 편차를 발생시킨다. 또한 적재면이 상술의 요철형상을 하고 있으면, 피가열물이 흡착되었을 때에 요철을 따른 형태로 흡착되므로 중심부와 외주부에서는 승온 속도 및 흡착력이 다르다.
이것에 의해 피가열물과 적재면 사이에서 중심으로부터 외주를 향하는 마찰력이 발생하여 파티클 발생의 확률이 커진다. 반도체 제조에 있어서의 수율 향상에 는 파티클의 발생을 최대한 억제하는 것이 매우 중요한 과제이다.
이상과 같이 흡착력의 면내 분포가 균일하고, 피가열물의 면내 온도 분포의 균일화를 향상시키는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 이 요구되고 있는 기술을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 정전 척이 부착된 세라믹 히터는 기재의 한 면에 정전 척용 전극, 다른 면에 가열용 전극을 갖는 정전 척이 부착된 세라믹 히터에 있어서, 기재가 탄소 혹은 탄소 복합 재료로 이루어지고, 정전 척용 전극은 유전체층으로 이루어지는 보호막에 의해 덮어져 있으며, 상기 보호막(유전체층)의 정전 척용 전극을 덮는 부분의 막 두께가 50㎛이상, 200㎛이하이고, 또한 상기 보호막(유전체층)의 정전 척용 전극을 덮는 부분의 최대 막 두께와 최소 막 두께의 차가 30㎛이내인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보호막(유전체층)이 열 분해 질화 붕소로 이루어지는 것, 상기 정전 척용 전극 및 가열용 전극(발열층)이 열 분해 그래파이트 또는 붕소가 첨가된 열 분해 그래파이트인 것이 바람직하다.
(발명의 효과)
유전체층의 막 두께가 50㎛이상, 200㎛이하이고, 또한 상기 유전체층(보호막)의 정전 척용 전극을 덮는 부분의 최대 막 두께와 최소 막 두께의 차를 30㎛이내로 하게 함으로써 피가열물의 승온 속도 및 면내 온도 분포의 균일화가 향상되어, 반도체 제조 프로세스에 중요한 택트 타임의 단축과 함께 디바이스 제조의 수율 향상이 가능한 정전 척이 부착된 세라믹 히터를 제공할 수 있게 되었다.
본 발명자는 정전 척용 전극을 덮는 유전체층(보호막)의 막 두께에 바람직한 범위가 있고, 또한 그 최대 막 두께와 최소 막 두께의 차를 소정값 내로 포함함으로써 피가열물의 승온 속도 및 면내 온도 분포가 향상되며, 반도체 제조 프로세스에 중요한 택트 타임의 단축과 함께 디바이스 제조의 수율을 향상시킬 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 이루기에 이르렀다.
이하에 도면을 참조해서 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1에 본 발명의 정전 척이 부착된 세라믹 히터의 일실시형태를 나타낸다.
도 1에 나타내는 본 발명에 속하는 정전 척이 부착된 세라믹 히터(1)는 탄소 혹은 탄소 복합 재료로 이루어지는 지지 기재(2)의 표면에 적어도 1층의 절연층(3, 4)이 형성되고, 상기 절연층(3, 4) 상에 도전체층(5, 6)이 형성되며, 또한 상기 도전체층(5, 6) 상에 적어도 1층의 유전체층(7, 8)이 형성되어 있다.
한쪽의 주면, 예를 들면 도 1의 상면을 웨이퍼의 적재면(9)으로 하고, 다른 쪽의 주면, 예를 들면 도 1의 하면을 가열면(10)으로 한다. 적재면(9)측의 도전체층(5)은 정전 척용 전극이며, 가열면(10)측의 도전체층(6)은 가열용 전극이다. 유전체층(7, 8)은 보호막이다.
도 1에서는, 가열용 전극인 도전체층(6)은 보호막인 유전체층(8)의 내부에 설치되어 있지만 반드시 이것에 한정되지 않으며, 보호막이 형성되지 않고, 가열용 전극인 도전체층(6)이 표면에 형성되어 있는 것이여도 지장이 없다.
기재(2)는 열 분해 질화 붕소와 열 팽창율이 비슷하고, 내열충격에 뛰어난 것이 필요하여 탄소 혹은 탄소 복합 재료로 이루어진다. 탄소로서는 그래파이트 등을 들 수 있고, 탄소 복합 재료의 예로서는 C/C 컴포지트 등을 들 수 있다.
기재 상에 형성되는 절연층(3, 4)은 열 팽창율이 기재와 비슷한 것이 필요하여 열 분해 질화 붕소 등으로 이루어지는 것이 추천된다. 그 층 두께는 100~400㎛인 것이 바람직하다.
절연층(3, 4) 상에 형성시키는 도전체층(5, 6)은 열 팽창율이 절연층과 비슷한 것이 추천되어 열 분해 그래파이트가 바람직하다. 그 층 두께는 50~150㎛인 것이 바람직하다. 열 분해 그래파이트 또는 붕소가 첨가된 열 분해 그래파이트로 이루어지는 도전체층(5, 6)의 형성 방법은 CH4의 열 분해, 또는 CH4 및 BCl3의 열 분해법이 있다.
도전체층(5, 6)은 균일한 층으로서 우선 형성하고, 그리고 한쪽의 도전체층(5)은 정전 척용 전극으로서, 다른 쪽의 도전체층(발열층)(6)은 저항 가열용 전극으로서 각각 전극 패턴으로 가공한다.
도전체층(5)(정전 척용 전극)은 유전체층(7)으로 피복되어 보호막으로 된다.
유전체층(7)은 내열성, 열 전도율이 높은 것이 필요하여 질화알루미늄, 질화붕소 등으로 이루어지는 것이 추천되고, 그 중에서도 화학 기상 증착법(열 CVD법)에 의해 제조된 열 분해 질화 붕소로 이루어지는 것이 특히 바람직하다.
열 분해 질화 붕소는 고순도이고 화학적으로 안정되어 있어 고온에 있어서도 고저항을 유지할 수 있으므로 리크 전류도 적고, 디바이스에 주는 영향도 거의 없 다.
유전체층(7)의 막 두께는 50㎛이상 200㎛이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80㎛이상 120㎛이하이다. 200㎛보다 두꺼워지면 흡착력이 저하되고, 피가열물의 승온 속도가 극단적으로 늦어져 생산성이 나빠진다.
또 50㎛보다 얇아지면, 고전압을 인가한 경우에 유전체층(7)이 절연 파괴를 일으켜 버린다. 즉, 높은 흡착력과 절연 파괴 내전압 특성 양쪽을 만족시키기 위해서는 이 막 두께 범위인 것이 중요하다.
또한 유전체층(7)의 최대 막 두께와 최소 막 두께의 차가 30㎛이내인 것이 바람직하고, 30㎛보다 커지면 면 내의 흡착량이 불규칙해짐으로써 결과적으로 피흡착물의 면내 온도 분포도 불규칙해져 디바이스 제조 등의 수율의 저하로 연결된다. 이 경우, 유전체층(7)의 막 두께의 측정 방법은 초음파식 막압계에 의한다.
도전체층(6)은 유전체층(8)으로 피복되어 대좌와의 사이의 절연층으로 된다. 유전체층(8)(절연층)은 열 분해 질화 붕소(PBN)를 일체 코팅하는 것이 바람직하다. 그 막 두께는 100~300㎛인 것이 바람직하다.
(실시예)
이하, 실시예 및 비교예를 나타내서 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
[실시예1]
지름 200㎜, 두께 15㎜의 그래파이트 기재(지지 기재)를 준비하고, 암모니아와 3염화붕소를 함유하는 가스를 1800℃, 약 13.33㎪(100Torr)의 조건하에서 반응 시켜서 (지지)기재 상에 열 분해 질화 붕소로 이루어지는 보호층을 형성했다.
이어서, 이 위에 메탄가스를 2200℃, 약 666.6㎪(5Torr)의 조건하에서 열 분해하여 두께 100㎛의 열 분해 그래파이트층을 형성했다.
이 열 분해 그래파이트층의 표면측을 전극 패턴으로 가공해서 정전 흡착용 전극으로 하고, 이면측을 히터 패턴으로 가공해서 발열층으로 했다.
또한 이 양면 상에 암모니아와 3염화붕소의 혼합 가스를 2000℃, 약 666.6㎪(5Torr)의 조건하에서 반응시켜서 두께 200㎛의 열 분해 질화 붕소로 이루어지는 절연층을 형성시켰다.
이어서 적재면의 막 두께가 균일해지도록 적재면의 가공을 행하여 막 두께 분포가 70~90㎛인 히터 기능이 있는 정전 척을 제조했다.
이 히터를 300℃로 가열하고, ±2000V의 전압을 인가하며, 온도 측정용 열전대가 메워 넣어진 실리콘 웨이퍼를 흡착시켜 전압 인가 1분 후의 면 내의 온도 분포를 측정한 결과, 면 내의 온도 분포가 290~295℃로 양호한 온도 분포를 나타냈다.
[실시예2]
면 내의 막 두께 분포를 100~110㎛로 한 것 이외는 실시예1에 따라 정전 척이 부착된 세라믹 히터를 제조했다.
이 히터에 의한 300℃에 있어서의 웨이퍼의 온도 분포의 편차(ΔT)는 4℃로, 양호한 온도 분포를 나타냈다.
또 히터 형상 및 웨이퍼의 온도 분포를 표 1에 나타낸다.
[비교예1]
면내의 막 두께 분포를 100~180㎛로 한 것 이외는 실시예1에 따라 정전 척이 부착된 세라믹 히터를 제조했다.
이 히터에 의한 300℃에 있어서의 웨이퍼의 온도 분포는 255~285℃였다.
[비교예2]
면 내의 막 두께 분포를 40~60㎛로 한 것 이외는 실시예1에 따라 정전 척이 부착된 세라믹 히터를 제조했다.
이 히터를 300℃로 가열하고, 온도 측정용 열전대가 메워 넣어진 실리콘 웨이퍼를 얹어 전압을 가해 간 결과, 전압을 ±300V이상 인가할 수 없게 되었다. 장치로부터 떼어내서 표면을 관찰한 결과 절연 파괴가 확인되었다.
| 최소 막 두께 (㎛) | 최대 막 두께 (㎛) | 면내 막 두께 (㎛) | 히터 설정 온도 (℃) | 가압 전압 (V) | 웨이퍼 온도 분포 (℃) | |
| 실시예1 | 70 | 90 | 20 | 300 | ±2000 | 290~295 |
| 실시예2 | 100 | 110 | 10 | 300 | ±2000 | 292~298 |
| 비교예1 | 100 | 180 | 80 | 300 | ±2000 | 255~285 |
| 비교예2 | 40 | 60 | 20 | 300 | - | 절연 파괴 |
본 발명에 의하면, 반도체 웨이퍼 등의 취급시에 사용되는 정전 척이 부착된 세라믹 히터에 있어서 평면 유지성이 뛰어난 것이 제공될 수 있으므로 반도체 디바이스 제조의 산업 분야에 기여하는 바가 크다.
도 1은 본 발명의 정전 척이 부착된 세라믹 히터의 일실시형태를 나타내는 모식적인 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 정전 척이 부착된 세라믹 히터
2 : (지지)기재
3, 4 : 절연층
5, 6 : 도전체층(전극층)
7, 8 : 유전체층(보호막)
9 : 적재면
10 : 가열면
Claims (3)
- 기재의 한 면에 정전 척용 전극, 다른 면에 가열용 전극을 갖는 정전 척이 부착된 세라믹 히터에 있어서: 기재가 탄소 혹은 탄소 복합 재료로 이루어지고, 정전 척용 전극은 유전체층으로 이루어지는 보호막에 의해 덮어져 있으며, 상기 보호막(유전체층)의 막 두께가 50㎛이상, 200㎛이하이고, 또한 상기 보호막(유전체층)의 정전 척용 전극을 덮는 부분의 최대 막 두께와 최소 막 두께의 차가 30㎛이내인 것을 특징으로 하는 정전 척이 부착된 세라믹 히터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보호막(유전체층)이 열 분해 질화 붕소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전 척이 부착된 세라믹 히터.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 정전 척용 전극 및 가열용 전극(발열층)이 열 분해 그래파이트 또는 붕소가 첨가된 열 분해 그래파이트인 것을 특징으로 하는 정전 척이 부착된 세라믹 히터.
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