JP2005166451A - 通電発熱ヒータ及び該ヒータを搭載した半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度分布の均一性を変えることができ、様々な用途に対して同一の設計で対応できる通電発熱ヒータを提供することである。
【解決手段】 本発明の通電発熱ヒータは、通電発熱が可能な発熱体を有するヒータにおいて、該発熱体に給電するための電極が複数個設けられており、該電極に接続される電極端子を着脱可能とすることにより、電極数を２個からｎ個（ｎは３以上の任意の整数）まで変更可能とする。このようにすることによって、前記発熱体の発熱領域を（電極数−１）個の領域に分けてそれぞれ独立に発熱させ、個別に温度制御することが可能となり、様々な要求の温度分布の均一性に同一の設計で対応することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通電発熱ヒータに関し、特にエッチング装置、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置、減圧プラズマＣＶＤ装置、メタルＣＶＤ装置、絶縁膜ＣＶＤ装置、低誘電率膜（Ｌｏｗ−Ｋ）ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパなどにおいて、被処理物を搭載し、所定の処理を施すために被処理物を加熱する通電発熱ヒータ及びそれを搭載した半導体製造装置に関するものである。

従来、半導体の製造工程では、被処理物である半導体基板（ウェハ）に対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。このような半導体基板に対する処理を行う半導体製造装置では、半導体基板を保持し、半導体基板を加熱するためのセラミックスヒータが用いられている。

例えば、フォトリソグラフィー工程においては、ウェハ上にレジスト膜パターンが形成される。この工程では、ウェハを洗浄後、加熱乾燥し、冷却後ウェハ表面にレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー処理装置内のセラミックスヒータ上にウェハを搭載し、乾燥した後、露光、現像などの処理が施される。このフォトリソグラフィー工程では、レジストを乾燥するときの温度が塗膜の品質に大きな影響を与えるので、セラミックスヒータの処理時の温度の均一性が重要である。

また、ＣＶＤ工程では、ウェハを洗浄、乾燥した後、ＣＶＤ装置内のセラミックスヒータ上にウェハを搭載し、ウェハ表面に化学反応によって絶縁膜や金属膜を成膜する。この化学反応時の温度が、絶縁膜や金属膜の品質に大きく影響するので、やはりセラミックスヒータの温度の均一性が重要である。

このように、セラミックスヒータの温度分布を均一にするための提案が、特許文献１や特許文献２でなされている。また、特に高い均一性が要求される分野では、特許文献３で提案されているように、セラミックスヒータの発熱領域を複数に分割して各領域毎に温度制御を行う方法がある。
特開平０４−０８７１８０号公報 特開２００１−１１８６６４号公報 特開２００１−１３５４６０号公報

前記特許文献によれば、セラミックスヒータの温度分布の均一性は向上し、特に発熱領域を複数に分割して各領域毎に温度制御を行えば、温度分布はさらに均一となる。しかし、前記各種半導体製造装置の種類や用途によって、使用する温度領域や要求される温度分布の均一性の程度が異なっている。そこで、各用途毎に専用に設計したセラミックスヒータが用いられている。

専用の設計とすることによって、各用途に最適な温度分布の均一性を有するセラミックスヒータが供給されることになるが、専用のため他の用途に転用することは不可能であった。そのために、各用途間の設計や製造プロセスや部品等の共通化を阻害し、セラミックスヒータの製造コスト低減を阻害していた。

そこで、本発明の目的は、設計や製造プロセスや部品等を共通化でき、様々な用途に用いることができる、つまり温度分布の均一性を変えることができる通電発熱ヒータを提供することである。

本発明の通電発熱ヒータは、通電発熱が可能な発熱体を有するヒータにおいて、該発熱体に給電するための電極が複数個設けられており、該電極に接続される電極端子を着脱可能とすることにより、電極数を２個からｎ個（ｎは３以上の任意の整数）まで変更可能とする。このようにすることによって、前記発熱体の発熱領域を（電極数−１）個の領域に分けてそれぞれ独立に発熱させることが可能となる。

発熱体の発熱領域を（電極数−１）個の領域に分けてそれぞれ独立に発熱させ、温度制御を行うことができるので、様々な要求の温度分布の均一性に対応することができる。

前記複数個の電極のうち、給電に使用されない電極に、電極端子と略同形状の部材が設置されているが好ましい。また、前記電極と電極端子との取り付け部の少なくとも一部が、ネジ構造になっていることが好ましい。

前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のうちのいずれかであることが好ましく、特に、窒化アルミニウムであることが好ましい。これらの通電発熱ヒータを搭載した半導体製造装置では、各種処理を歩留り良く行うことができる。

本発明によれば、同じ設計の通電発熱ヒータで、電極端子を着脱することにより、様々な温度分布を有する通電発熱ヒータとすることができる。このため、本発明の通電発熱ヒータを、エッチング装置、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置、減圧プラズマＣＶＤ装置、メタルＣＶＤ装置、絶縁膜ＣＶＤ装置、低誘電率膜ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパ等の各種半導体製造装置に装着すれば、各装置に必要十分な温度分布を有する通電発熱ヒータとすることができる。

本発明の実施の形態を、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態の一例であり、ヒータ基板１上に発熱体回路２を形成し、電極３、４、５、６、７を５個設けた場合の平面模式図である。これらの電極のうち、発熱体回路の両端の電極３と電極４とに、電極端子（図示せず）を接続して給電すれば、この発熱体回路は、一つの領域で発熱する。

また、例えば、発熱体回路の両端の電極３と電極４と、中間の電極５とに、電極端子を接続して給電すれば、この発熱体回路は、二つの領域で発熱制御することができる。この場合、例えば、両端の電極３と電極４とをプラス極とし、中間の電極５をマイナス極とすることにより、電極３と電極５との間の発熱体回路と、電極４と電極５との間の発熱体回路とを別個に制御することができる。この電気回路の概念図を図２に示す。

図２において、電極２２の数は３個であり、発熱体回路２１が２つである。３個の電極のうち、２個をプラス極、残る１個をマイナス極となるように電源２３を接続すれば、２つの発熱体回路を別個に制御することができる。

また、５個の電極の全てに電極端子を接続して給電すれば、この発熱体回路は、四つの領域で発熱制御することができる。この場合の電気回路の概念図を図３に示す。また、図４に概念図を示すように、プラス、マイナスの位相を共通の電極において一致させれば、交流電源でも問題なく使用できる。

図４（ａ）において、４個の交流電源のうち、交流電源２４の２つの交流電源の位相を一致させ、残る交流電源２５の位相を一致させる。電源２４と電源２５の位相は、図４（ｂ）に示すように、反転させれば共通電極において、プラスとマイナスの位相を一致させることができ、それぞれ別個に制御することができる。

このように、本発明によれば、電極端子を取り付けた電極数より１つ少ない発熱領域で、それぞれ独立に発熱制御を行うことができるので、目的に応じた温度分布を得ることが容易になる。また、電極端子を着脱するだけで、発熱領域の数を容易に変更できるので、同じ設計の通電発熱ヒータを様々な用途の半導体製造装置に用いることができる。なお、電極数は、５個の場合で説明したが、目的によってその数は適宜決められる。

以上のように本発明では、複数の電極を設けるが、給電に使用するのは全部の電極の場合もあれば、一部の電極の場合もある。一部の電極を給電に使用した場合、給電に使用しない電極は、電極端子をはずしたままでも使用できるが、電極端子と略同形状の部材を設置した方が、温度分布の均一性をさらに向上することができるので、好ましい。

すなわち、電極に接続した電極端子からも放熱するので、電極端子の有無は、温度分布の均一性に影響を与える。そこで、電極に電極端子が全て接続された状態において、最良の温度分布になるように発熱体回路等の設計を行い、実際の運用の際には一部の電極を給電に使用しない場合、電極端子を接続しない電極付近の温度分布は、電極端子を接続した場合とは異なり、温度分布の均一性が損なわれる。そこで、給電に使用しない電極に、電極端子と略同形状の部材を取り付ければ、最良の温度分布を再現することができる。

この場合、取り付ける部材は、電極端子と同形状である必要はなく、放熱特性が電極端子と概ね同じであればよい。もちろん、部材の代わりに電極端子を取り付け、給電用の配線をしないのが、最も設計通りの温度分布が得られる。

電極端子を着脱可能にするための構造は様々なものが考えられる。例えば、図５に示すように、発熱体回路２の一部を露出させて電極とし、露出部にバネ１２で支えた電極端子９を押し付ける構造として、電極端子をバネとともに取り外せるようにすれば、構造が簡単である上に、容易に電極端子を着脱することができる。この場合、電極端子とバネとの間は、絶縁体１０を入れて、電気的に絶縁する方がよい。また、バネの電極端子と反対側は、装置底部１１に、バネ固定部１３を介して設置してもよいし、バネ固定部無しでバネを直接装置底部に設置してもよい。なお、電極端子には、給電配線８が取り付けられ、装置外の電源に接続される。

しかし、バネの耐熱性は、一般的なバネでは２００℃程度であり、耐熱バネでも５００℃程度である。従って、２００℃以上、あるいは５００℃以上で使用する場合は、電極端子を押し付ける力が低下して、発熱体回路と電極端子との間で、接触不良が生じる可能性がある。

５００℃以上の高温でも接触不良を生じる可能性が少なく着脱可能な構造として、ネジ構造がある。例えば、図６に示すように、発熱体回路２の一部を露出させて電極とし、電極端子１４の少なくとも一部をネジとして、通電発熱ヒータにねじ込み固定すれば、電極端子の着脱が容易であるだけでなく電極端子を強固に固定でき、高温における発熱体回路と電極端子との接触も確実にできるので好ましい。この場合も、給電配線８が取り付けられる。

通電発熱ヒータを複数の発熱領域に分けて個別に温度制御を行う場合、各発熱領域の温度を測定する必要があるが、その測定方法には特に制約はない。最も一般的な温度測定方法としては、熱電対を直接または間接的に通電発熱ヒータに接触させる方法がある。この方法によれば、１０００℃程度の高温まで高い精度での温度測定が可能である。また、例えば、５００℃における測定精度は±２．０℃程度である。

より高い測定精度が必要であれば、熱電対の代わりに測温抵抗体を用いればよい。測温抵抗体を用いた場合の測定精度は、５００℃で±１．０℃程度まで向上する。しかし、測温抵抗体は、熱電対ほどの耐熱性がないので、使用可能な最高温度は、６５０℃程度まで低下する。

また、熱電対や測温抵抗体のような接触式の温度測定方法ではなく、通電発熱ヒータの表面から放射される赤外線の強度を測定することによる非接触式の温度測定方法を用いてもよい。接触式の場合は、接触した部分で通電発熱ヒータの温度が若干低下し、温度分布の均一性が低下するが、非接触式の場合は、このような温度分布の均一性の低下の心配がない。

しかし、熱電対などによる測定方法を併用するなどして、赤外線の輻射率を補正する必要があるので、測定方法や測定装置が複雑になる。温度測定方法は、これらの方法の中から、通電発熱ヒータが使用される温度や、必要とされる測定精度並びにコストなどを考慮して、適宜選択すればよい。

通電発熱ヒータには、工程のスループットの向上を目的として、強制冷却手段を装備してもよい。すなわち、強制冷却手段を備えることにより、通電発熱ヒータの冷却に要する時間を短縮し、工程全体に要する時間を短縮することができる。強制冷却手段として、空冷、液冷、あるいは蓄熱体による吸熱等がある。

例えば、液冷の場合は、通電発熱ヒータの内部に液体が流れるための流路を設けて、必要に応じて流路内に液体を流す構造とすることができる。通電発熱ヒータを昇温する時や高温に保持する時には、昇温速度の低下防止及び消費電力の低減を目的として液体を流さず、冷却する時のみ液体を流すという運用とすることが好ましい。

また、蓄熱体による吸熱を用いる場合には、所定の熱容量を持った蓄熱体を通電発熱ヒータの任意の面に当接及び分離可能な構造とすることができる。通電発熱ヒータを昇温する時や高温に保持する時には、昇温速度の低下防止及び消費電力の低減を目的として蓄熱体を分離させておき、冷却する時のみ蓄熱体を当接し吸熱するという運用とすることが好ましい。

更に、例えば液冷と蓄熱体による吸熱を組み合せてもよい。すなわち、例えば液体が流れる流路を蓄熱体内部に設けて蓄熱体を液冷できるようにしておき、必要に応じて蓄熱体を通電発熱ヒータに当接させる構造としてもよい。

蓄熱体に吸熱させる方法は、液冷に比べて、冷却のための液体を流すための流路を形成する必要がなく、また液体を供給したり循環したりするための設備や液体を冷却するための設備も不要であるので、比較的安価でかつ簡単な構造で実現できる。

更に、熱媒体である蓄熱体の熱容量を、液冷よりも大きくすることが容易であるので、冷却速度を大きくすることができる。その一方で、蓄熱体に吸熱させる方法は、蓄熱体の熱容量に上限があることから、連続的にヒータの冷却を行った場合に、冷却能力が徐々に低下する可能性がある。液冷と蓄熱体による吸熱を組み合せて用いる方法は、構造がもっとも複雑となるが、冷却速度が大きく、且つヒータの冷却を連続的に行っても冷却能力が低下することもない。強制冷却手段は、これらの特徴を考慮して適宜選択することができる。

本発明の通電発熱ヒータの材質は、セラミックスが好ましい。金属を用いた場合は、ウェハ上にパーティクルが付着するという問題があるので好ましくない。セラミックスとしては、温度分布の均一性を重視するならば、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや炭化珪素が好ましい。信頼性を重視するならば、窒化珪素が高強度で熱衝撃にも強いので好ましい。コストを重視するのであれば、酸化アルミニウムが好ましい。

これらのセラミックスの中でも、性能とコストのバランスを考慮すれば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好適である。以下に、本発明の通電発熱ヒータの製造方法をＡｌＮの場合で詳述する。

ＡｌＮの原料粉末は、比表面積が２．０〜５．０ｍ^２／ｇのものが好ましい。比表面積が２．０ｍ^２／ｇ未満の場合は、窒化アルミニウムの焼結性が低下する。また、５．０ｍ^２／ｇを超えると、粉末の凝集が非常に強くなるので取扱いが困難になる。更に、原料粉末に含まれる酸素量は、２ｗｔ％以下が好ましい。酸素量が２ｗｔ％を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、２０００ｐｐｍ以下が好ましい。金属不純物量がこの範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物として、ＳｉなどのＩＶ族元素や、Ｆｅなどの鉄族元素は、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、含有量は、それぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

ＡｌＮは難焼結性材料であるので、ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中に窒化アルミニウム粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるいはアルミニウム酸窒化物と反応して、窒化アルミニウムの緻密化を促進するとともに、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上させることができる。

希土類元素化合物は、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。添加量は、０．０１〜５ｗｔ％が好ましい。０．０１ｗｔ％未満であると、緻密な焼結体を得ることが困難であるとともに、焼結体の熱伝導率が低下する。また、５ｗｔ％を超えると、窒化アルミニウム焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に、好ましくは焼結助剤の添加量は、１ｗｔ％以下である。１ｗｔ％以下であれば、粒界の３重点にも焼結助剤が存在しなくなるので、耐食性が向上する。

また、希土類元素化合物は、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。この中で、酸化物は安価で入手が容易であり好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、窒化アルミニウム原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。

次に、これら窒化アルミニウム原料粉末や焼結助剤粉末に、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加し、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合等が可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。

得られたスラリーを成形し、焼結することによって窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。その方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の２種類の方法が可能である。

まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作成する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時、プレス圧力は、９．８ＭＰａ以上であることが望ましい。９．８ＭＰａ未満の圧力では、成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなる。

成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、１．５ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。１．５ｇ／ｃｍ^３未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行しにくくなる。また、成形体密度は、２．５ｇ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。２．５ｇ／ｃｍ^３を超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となる。このため、前述のように緻密な焼結体を得ることが困難となる。

次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、ＡｌＮ粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。脱脂処理の加熱温度は、５００℃以上、１０００℃以下が好ましい。５００℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができないので、脱脂処理後の積層体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、１０００℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、ＡｌＮ粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。

また、脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。１．０ｗｔ％を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。

次いで、焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時、使用する窒素などの雰囲気ガスに含有する水分は、露点で−３０℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時にＡｌＮが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、０．００１ｖｏｌ％以下であることが好ましい。酸素量が多いと、ＡｌＮの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。

更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有するとともに、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に積層体が収縮する際の治具と積層体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない焼結体を得ることができる。

得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程の導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下であることが好ましい。５μｍを超えるとスクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみやピンホールなどの欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはＲａで１μｍ以下であればさらに好適である。

上記表面粗さを研磨加工する際には、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。

また、この時、両加工面の平行度は０．５ｍｍ以下であることが好ましい。平行度が０．５ｍｍを超えるとスクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。さらに、スクリーン印刷する面の平面度は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍを超える平面度の場合にも、導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。

研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導体ペーストは、金属粉末と必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末は、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。

また、ＡｌＮとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、ＩＩａ族元素やＩＩＩａ族元素の酸化物やＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などが好ましい。特に、酸化イットリウムはＡｌＮに対する濡れ性が非常に良好であるので、好ましい。これらの酸化物の添加量は、０．１〜３０ｗｔ％が好ましい。０．１ｗｔ％未満の場合、形成した電気回路である金属層とＡｌＮとの密着強度が低下する。また３０ｗｔ％を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。

導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、５μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。厚みが５μｍ未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎるとともに、密着強度も低下する。また、１００μｍを超える場合も、密着強度が低下する。

また、形成する回路パターンが、ヒータ回路（発熱体回路）の場合は、パターンの間隔は０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。０．１ｍｍ未満の間隔では、発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートする。特に、５００℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は１ｍｍ以上とすることが好ましく、３ｍｍ以上であれば更に好ましい。

次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成する。脱脂は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。脱脂温度は５００℃以上が好ましい。５００℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分で金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。

焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１５００℃以上の温度で行うのが好適である。１５００℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中の含有する焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。

次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、電気回路との反応性が小さく、ＡｌＮとの熱膨張係数差が、５．０ｘ１０^−６／Ｋ以下であれば特に制約はない。例えば、結晶化ガラスやＡｌＮ等が使用できる。これらの材料を例えばペースト状にして、所定の厚みのスクリーン印刷を行い、必要に応じて脱脂を行った後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。

次に、必要に応じて更にセラミックス基板を積層することができる。積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、ＩＩａ族元素化合物やＩＩＩａ族元素化合物とバインダーや溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。

接合剤を塗布したセラミックス基板を、非酸化性雰囲気中、５００℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス基板を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス基板同士を接合する。荷重は、５ｋＰａ以上であることが好ましい。５ｋＰａ未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、もしくは前記接合欠陥が生じやすい。

接合するための加熱温度は、セラミックス基板同士が接合層を介して十分密着する温度であれば、特に制約はないが、１５００℃以上であることが好ましい。１５００℃未満では、十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂ならびに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。

以上のようにして、通電発熱ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。なお、電気回路は、導電ペーストを用いずに、例えば、ヒータ回路であれば、モリブデン線（コイル）、静電吸着用電極やＲＦ電極などの場合には、モリブデンやタングステンのメッシュ（網状体）を用いることも可能である。

この場合、ＡｌＮ原料粉末中に上記モリブデンコイルやメッシュを内蔵させ、ホットプレス法により作製することができる。ホットプレスの温度や雰囲気は、前記ＡｌＮの焼結温度、雰囲気に準ずればよいが、ホットプレス圧力は、０．９８ＭＰａ以上加えることが望ましい。０．９８ＭＰａ未満では、モリブデンコイルやメッシュとＡｌＮの間に隙間が生じることがあるので、ウェハ保持体の性能が出なくなることがある。

次に、コファイアー法について説明する。前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは、乾燥後で３ｍｍ以下が好ましい。シートの厚みが３ｍｍを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。

上述したシート上に所定形状の電気回路となる金属層を、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより形成する。導電ペーストは、ポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障はない。

次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は、１５０℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は、１〜１００ＭＰａの範囲が好ましい。１ＭＰａ未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、１００ＭＰａを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなりすぎる。

この積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結の温度や、炭素量等はポストメタライズ法と同じである。前述した、導電ペーストをシートに印刷する際に、複数のシートにそれぞれヒータ回路や静電吸着用電極等を印刷し、それらを積層することで、複数の電気回路を有する通電発熱ヒータを容易に作成することも可能である。このようにして、通電発熱ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。

なお、発熱体回路などの電気回路が、セラミックス積層体の最外層に形成されている場合は、電気回路の保護と絶縁性の確保のために、前述のポストメタライズ法と同様に、電気回路の上に絶縁性コートを形成することができる。

得られたセラミックス積層焼結体は、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、半導体製造装置で要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物搭載面の平面度は０．５ｍｍ以下が好ましく、さらには０．１ｍｍ以下が特に好ましい。平面度が０．５ｍｍを超えると、被処理物とセラミックスヒータとの間に隙間が生じやすくなり、セラミックスヒータの熱が被処理物に均一に伝わらなくなり、被処理物の温度ムラが発生しやすくなる。

また、被処理物搭載面の面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。Ｒａで５μｍを超えると、通電発熱ヒータと被処理物との摩擦によって、ＡｌＮの脱粒が多くなることがある。この時、脱粒した粒子はパーティクルとなり、被処理物上への成膜やエッチングなどの処理に対して悪影響を与えることになる。さらに、表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば、好適である。

１００重量部の窒化アルミニウム粉末と０．６重量部のステアリン酸イットリウム粉末を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ１０重量部、５重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作成後、プレス成形し、７００℃窒素雰囲下で脱脂し、窒素雰囲気中、１８５０℃で焼結し、窒化アルミニウム焼結体を作成した。なお、窒化アルミニウム粉末は、平均粒径０．６μｍ、比表面積３．４ｍ^２／ｇのものを使用した。前記窒化アルミニウム焼結体を加工し、直径３３０ｍｍ、厚み１５ｍｍとした。

また、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末を１００重量部として、Ｙ_２Ｏ_３を１重量部と、５重量部のバインダーであるエチルセルロースと、溶剤としてブチルカルビトールを用いてＷペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このＷペーストをスクリーン印刷で、前記加工した窒化アルミニウム焼結体上に、図１に示す発熱体回路パターンを形成した。その後、９００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中１８００℃で焼成した。

別な窒化アルミニウム焼結体を用意した。焼結体の作成方法は、前記と同じ方法とし、直径３３０ｍｍ、厚み３ｍｍに加工するとともに、図１に示す電極位置に、Ｍ３のネジを貫通させた。また、図１に示す温度測定位置１６に、直径３．３ｍｍ、深さ２ｍｍの穴を開けシース型熱電対または測温抵抗体を取付可能とした。

前記発熱体回路を形成した窒化アルミニウム焼結体の発熱体回路形成面に接合層を１５μｍの厚みで塗布し、前記Ｍ３ネジなどの加工を施した窒化アルミニウム焼結体の直径３．３ｍｍの穴を形成した面とは反対側の面を前記接合層に重ね、６００℃、窒素雰囲気中で脱脂した後、２０ｋＰａの荷重をかけながら、窒素雰囲気中１６００℃で加熱し、接合した。接合層は、ＡｌＮ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３系のペーストを用いた。

Ｗ製の長さ３ｍｍのＭ３のネジを用意し、電極端子として、電極部にねじ込んで固定し、発熱体回路と電気的に接続した。また、給電配線を、例えば、電極端子数２個の場合は、図１の電極３と４の位置の電極端子に配線した。なお、給電しない電極端子をダミー電極と称する。また、電極端子数３個の場合は、図１の電極５の位置の電極端子にも配線した。このようにして、外側から順に配線する電極端子を増やして、表１に示すように、電極端子数を２個から５個まで変化させて温度分布を測定した。なお、給電しない電極端子をはずした場合も温度分布を測定した。

温度分布は、前記温度測定位置に、測温抵抗体を取り付けて、温度制御した。通電発熱ヒータを５００℃に加熱し、通電発熱ヒータ上に載置したウェハ温度計の測定値の最大値と最小値の差を通電発熱ヒータの温度分布の指標とした。ウェハ温度計１７の温度測定点１８は、図１１に示す。

更に、同様にして、表１に示すように、図７乃至図１０に示す発熱体回路を有する窒化アルミニウム接合体を作成し、同様にして温度分布を測定した。これらの結果をまとめて表１に示す。なお、図７乃至図１０に示す発熱体回路は、従来の複数領域を有するように専用に設計されたものであって、電極１５の着脱はできないタイプである。

表１から判るように、本発明であるＮｏ．１乃至７は、配線する電極端子を増やして、個別制御可能な発熱領域が増加するに従い、温度分布の均一性が向上する。その均一性は、ダミー電極を取付けた場合、従来の専用に設計し、固定された複数の発熱領域を有するヒータと同等である。本発明は、同一の設計で、発熱領域の数を容易に変更することができ、発熱領域数を増加させることによって、温度分布の均一性を向上させることができる。

実施例１と同様にして、図１に示す発熱体回路を有するＡｌＮ製の通電発熱ヒータを用意した。また、実施例１と同様ネジ固定構造の電極端子を３０個と、バネ固定構造の電極端子を３０個用意した。用意した通電発熱ヒータに実施例１と同様に、３個の電極端子を取り付け、発熱領域を２個とした。なお、給電しない電極にはダミー電極を取り付けた。通電発熱ヒータを６００℃まで加熱し、６００℃で２時間保持した後、室温まで冷却し、３個の電極端子を交換し、再度加熱、冷却するというサイクルを１０回繰り返して電極部に接触不良が発生するかを調べた。なお、電極端子は、ネジ、バネともにタングステンとし、バネはインコネルＸ−７５０を用いた。

その結果、ネジ構造では、３０個とも接触不良は発生しなかったが、バネ構造では３０個中５個に接触不良が発生した。

実施例１と同様に、図１の発熱体回路を有する通電発熱ヒータを作成した。材質は、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素の３種類とした。電極端子は、実施例１と同様に、タングステンとし、ネジ固定構造とした。電極端子を３個取り付け、発熱領域を２個とした。なお、給電しない電極には、ダミー電極を取り付けた。

実施例１で用いた窒化アルミニウム製の通電発熱ヒータを加えた４種類の通電発熱ヒータを、２０℃から５００℃まで毎分２０℃の速度で加熱昇温し、５００℃で３０分保持して、ウェハ温度計で温度分布を測定した。その後、２００℃まで毎分２０℃の速度で降温し、２００℃から５００℃まで毎分２０℃の速度で昇温し、５００℃で３０分保持、５００℃から２００℃まで毎分２０℃の速度で降温するというサイクルを１０００回繰り返して、通電発熱ヒータの破損するまでの回数を調べた。それらの結果を表２に示す。

表２から判るように、温度の均一性では、窒化アルミニウムと炭化珪素が優れている。また、酸化アルミニウム以外は、サイクル試験で破損せず、信頼性が高いことが判る。更に、窒化アルミニウムは、温度の均一性と信頼性の両方で優れていることが判った。

実施例１で作成した図１の発熱体回路を有する窒化アルミニウム製通電発熱ヒータに、実施例１と同様に給電用電極端子を３個取り付け、ダミー電極も取り付けて、プラズマＣＶＤ装置に搭載した。また、実施例１で作成した図８の発熱体回路を有する窒化アルミニウム製通電発熱ヒータも同様に別のプラズマＣＶＤ装置に搭載した。これらの通電発熱ヒータの発熱領域数は、ともに２個である。各装置で、直径１２インチのＳｉウェハに、ＳｉＯ_２を成膜したところ、ウェハ全体における膜厚のバラツキは、図１のヒータで１σが５．５％であったが、図８のヒータでは、１σが５．４％であった。

次に、上記で使用した図１の発熱体回路を有する窒化アルミニウム製通電発熱ヒータに、給電用電極を５個取り付け、コータデベロッパに搭載した。また、実施例１で作成した図１０の発熱体回路を有する窒化アルミニウム製通電発熱ヒータも同様に別のコータデベロッパに搭載した。両者とも発熱領域数は、４個である。直径１２インチのＳｉウェハにレジストを塗布し、各装置で、それぞれレジストをベークして、ステッパで露光したのち、再び各コータデベロッパでベークして現像を行い、形成されたレジストパターン幅（設計値は１５０ｎｍ）のバラツキを測定した。その結果、図１のヒータでは６．４ｎｍ、図１０のヒータでは６．５ｎｍであった。

このように、本発明の通電発熱ヒータは、電極数が変更可能で発熱領域を（電極数−１）個の領域に分けてそれぞれ独立に制御できるいわゆる汎用設計であるが、従来の専用設計のヒータと同じ程度の性能を発揮することが出来る。

本発明によれば、同じ設計の通電発熱ヒータで、電極端子を着脱することのより、様々な温度分布を有する通電発熱ヒータとすることができる。このため、本発明の通電発熱ヒータを、エッチング装置、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置、減圧プラズマＣＶＤ装置、メタルＣＶＤ装置、絶縁膜ＣＶＤ装置、低誘電率膜ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパ等の各種半導体製造装置に装着すれば、各装置に必要十分な温度分布を有する通電発熱ヒータとすることができる。

本発明の通電発熱ヒータの発熱体回路の一例を示す平面模式図である。 本発明で電極数３個の場合の電気回路の概念図である。 本発明で電極数５個の場合の電気回路の概念図である。 本発明で電極数５個の場合の交流の電気回路の概念図である。 本発明のバネ構造の一例を示す断面模式図である。 本発明のネジ構造の一例を示す断面模式図である。 従来の発熱領域が１個の場合の発熱体回路を示す平面模式図である。 従来の発熱領域が２個の場合の発熱体回路を示す平面模式図である。 従来の発熱領域が３個の場合の発熱体回路を示す平面模式図である。 従来の発熱領域が４個の場合の発熱体回路を示す平面模式図である。 ウェハ温度計の温度測定位置を示す平面模式図である。

符号の説明

１ ヒータ基板
２ 発熱体回路
３、４、５、６、７ 電極
８ 給電配線
９ 電極端子
１０ 絶縁体
１１ 装置底板
１２ バネ
１３ バネ固定部
１４ 電極端子
１５ 電極
１６ 温度測定位置
１７ ウェハ温度計
１８ ウェハ温度計の温度測定位置
２１ 抵抗発熱体
２２ 電極
２３ 直流電源
２４、２５ 交流電源

Claims (6)

1. 通電発熱が可能な発熱体を有するヒータにおいて、該発熱体に給電するための電極が複数個設けられており、該電極に接続される電極端子を着脱可能とすることにより、電極数を２個からｎ個（ｎは３以上の任意の整数）まで変更可能であり、前記発熱体の発熱領域を（電極数−１）個の領域に分けてそれぞれ独立に発熱させることを特徴とする通電発熱ヒータ。
2. 前記複数個の電極のうち、給電に使用されない電極に、電極端子と略同形状の部材が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の通電発熱ヒータ。
3. 前記電極と電極端子との取り付け部の少なくとも一部が、ネジ構造になっていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の通電発熱ヒータ。
4. 前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の通電発熱ヒータ。
5. 前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の通電発熱ヒータ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の通電発熱ヒータを搭載した半導体製造装置。
   
   
   
   
   
   

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