JP4331427B2 - 半導体製造装置に使用される給電用電極部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、また一般に、半導体製造装置に関するものであり、より特定的には、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、メタルＣＶＤ、絶縁膜ＣＶＤ、イオン注入、エッチングなどに使用される半導体製造装置および液晶用基板製造装置に関する。この発明は、また、そのような装置に使用される給電用電極部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から半導体製造プロセスにおいて、たとえばＣＶＤ法、エッチング等において、サセプタ上に半導体ウエハを搭載し、このサセプタを加熱して、搭載しているウエハを加熱している。このために、一般にサセプタには、ウエハを加熱するためのヒータ回路、ウエハをサセプタに密着させるための静電チャック電極、あるいはプラズマを発生させるためのＲＦ電極などが必要に応じて単独ないしは複数形成されている。さらに、これらの電気回路に外部から給電させるための電極の構造が各種提案されている。
【０００３】
たとえば、特開平１１−１２０５３号公報には、モリブデンを電極材として用いた電極構造が開示されている。この先行技術では、モリブデンを含む金属からなる埋設部材がセラミックス部材に埋設されており、セラミックス部材中の埋設部材と金属接合部材とを接合する構造において、高温領域で長時間運転しながら、空気等にさらされても、埋設部材の浸食や絶縁不良などが生じない構造が提案されている。
【０００４】
また、特開平１０−２７３３７１号公報では、電極を活性金属ろうによる電極の接合が開示されている。この方法によると、ロウ材の電極に対する「流れ性」を制御することによって、所定の接合強度が得られるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平１１−１２０５３号公報に開示の技術では、ろう付け箇所が非常に多く、１箇所でもろう付けが不十分な所があると、雰囲気がリークするため、電極の酸化が発生し、信頼性に乏しい部分があり、製造時の歩留りが低下するなどの問題点があった。
【０００６】
また、特開平１０−２７３３７１号公報に開示の技術では、接合部における金属部材と、セラミックスとの間にロウ材の「たまり」が発生した場合、ロウ材とセラミックス（ＡｌＮ）との熱膨張係数の差によって、ろう付け後、ないしはヒートサイクル試験を実施した際に、セラミックス側にクラックが発生し、接合強度が大幅に低下し、さらには接合部分から破壊するなど信頼性に欠ける部分があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、耐酸化性が向上された給電用電極部材を提供することを目的とする。
【０００８】
この発明の他の目的は、そのような給電用電極部材を用いた半導体製造装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、セラミックスで形成されたサセプタ上にウエハを搭載し、該ウエハを処理する半導体製造装置に使用されるものであり、一方の端部がサセプタに固定された給電部品の他方の端部に機械的に接続され、サセプタとの間が封止されるように、熱膨張係数が３．０×１０ ^-6 ／Ｋ以上８．０×１０ ^-6 ／Ｋ以下のガラスからなる封止材によってサセプタに接着され、かつ前記サセプタに埋め込まれた電気回路に給電するための給電用電極部材に係る。当該給電用電極部材は、室温から５００℃までの熱膨張係数が３．０×１０^-6／Ｋ以上、８．０×１０^-6／Ｋ以下である。また、室温における電気導電率が１０^-3Ωｃｍ以下であり、当該給電用電極部材の、５００℃大気中における酸化による重量増加が０．１％／時間以下である。
【００１１】
本発明においては、給電用電極部材として、耐酸化性および電気伝導性、セラミックスとの良好な接着を実現するための適度な熱膨張係数を有する材料を使用している。具体的には、二ホウ化チタン、炭化珪素−ホウ化ジルコニウム複合体、モリブデン−酸化ジルコニウム複合体が挙げられる。また、タングステン、またはモリブデンを主成分とする金属または合金からなり、その表面にニッケル、金、またはニッケル−金メッキされているものも使用できる。
【００１２】
本発明に使用する給電用電極部材は、セラミックスであるサセプタに密着し、セラミックスから取出された給電部品に、機械的接続される、もしくはロウ材等で接続される。この給電部品は、一般にセラミックスとの熱膨張係数と合致させるために、高融点金属、具体的には、タングステンやモリブデンを含有する金属が使用される。
【００１３】
また、本発明の給電用電極材料は、上記タングステンやモリブデンを含有する給電部品（ワッシャ，アンカー部材）を酸化から防ぐために、給電部品と接続した後に、セラミックスと接着させる。接着の手法としては、セラミックスと比較的熱膨張係数差の少ないガラスを用いて封止する。封止時の雰囲気が真空ないしは不活性ガスであれば、給電部品が酸化されることはない。
【００１４】
このため、本発明に要される給電用電極部材は、室温から５００℃までの熱膨張係数が３．０×１０^-6／Ｋ以上であることが必要である。熱膨張係数がこれ以下の場合、サセプタを形成するセラミックスとの熱膨張係数差が大きくなるため、セラミックスと密着するガラス封止部分のガラスにクラックが発生し、電極部材内に外気が侵入し、給電部品が酸化されるために好ましくない。
【００１５】
また同様に、熱膨張係数が８．０×１０^-6／Ｋ以上の場合も、セラミックスおよびガラスとの熱膨張係数差が大きくなりすぎ、ガラスにクラックが発生するために好ましくない。
【００１６】
さらに、該給電用電極部材の電気導電率が１０^-3Ωｃｍ以下である必要がある。これ以上の電気導電率を有する場合、電気回路に電気を流す際、該給電用電極部材が発熱し、サセプタの均熱性を乱すおそれがあるため好ましくない。
【００１７】
また、５００℃における酸化による重量増が０．１％／時間以下であることが必要である。本発明の給電用電極部材は大気中で使用されるため、これ以上の速度で酸化が進めば、サセプタ使用時に電極が酸化し始め、劣化され、ついには電気が流れなくなる、あるいは流れにくくなるため、酸化部分が異常発熱するなどの弊害が発現するために好ましくない。
【００１８】
上記特性を満たす物質としては、具体的には、二ホウ化チタン、炭化珪素−ホウ化ジルコニウム複合体、モリブデン−酸化ジルコニウム複合体などが挙げられる。これらの物質は、熱膨張係数が３〜８×１０^-6／Ｋであり、さらに電気導電率、５００℃における酸化による重量増による特性が上記条件を満たすため好ましい。
【００１９】
また、上記特性を満たす物質としては、タングステン、またはモリブデンを主成分とする金属または合金からなり、さらにその表面にニッケル、金またはニッケル−金メッキされているものも使用できる。これらタングステンやモリブデンを主成分とする金属または合金は、５００℃大気中に放置すると、表面に酸化皮膜が形成されるため、電極としては使用できないが、耐酸化性のあるニッケルや金を表面にメッキすることで、上記特性を満たすことができる。
【００２０】
また、サセプタを形成するセラミックスとして、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウムが挙げられる。これらのうち酸化アルミニウムは比較的安価な材料であるため、低コストでサセプタを作製できる。さらには、窒化アルミニウム、炭化珪素は、熱伝導率が高く、サセプタ内にヒータ回路を形成した場合、温度分布が均一になりやすいというメリットがある。また、窒化珪素は素材自体の強度が高いため、急速な温度の上昇や降下に対して、セラミックスが熱衝撃によって破損することが少ない。
【００２１】
また、これら給電用電極材料に関しては、熱膨張係数がセラミックスに比較的近いことから、サセプタを形成しているセラミックスに直接接着することができる。このようにすることで、タングステンやモリブデン等の給電部品の酸化を防止することができる。
【００２２】
さらに、これらの材料は給電用電極として使用する際に、電極表面にメッキを施すことも可能である。たとえば、ＮｉメッキやＡｕメッキ、さらにはＮｉ−Ａｕメッキを施すことで、さらに耐酸化性を向上させるとともに、若干ではあるが電気導電性も向上させることができるため好ましい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【００３５】
実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る半導体製造装置の概略断面図である。
【００３６】
半導体製造装置は、セラミックスで形成されたサセプタ１を備える。サセプタ１の一方の面に、ウエハ２が搭載される。サセプタ１内に、ＲＦ／静電チャック電極３とヒータ回路９等の電気回路が埋め込まれている。
【００３７】
サセプタ１の他方の面に、電気回路の外部電源接続用端子を露出させるように凹部４が設けられている。凹部４を通って、電気回路に配線１３が接続されている。サセプタ１は、シャフト６によって、真空チャンバ７の底部にＯ―リング２０を介在させて固定されている。サセプタ１の厚みｔは、例えば、３〜２０ｍｍである。真空チャンバ７内は通常真空にされる。シャフト６内は、大気に晒される。
【００３８】
図２は、サセプタ１の平面図である。ウエハ２は、サセプタ１の表面に設けられた凹部８の上に置かれる。静電力により、ウエハ２は凹部８の上に固定される。
【００３９】
シャフト６は、通常、サセプタ１と同じ材料で形成され、たとえばＡｌＮ／Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＣで形成される。
【００４０】
次に、配線１３と電気回路との接続部分、例えば図１におけるＡ部分の拡大図である図３を用いて、さらに、その詳細な構造を説明する。
【００４１】
図３を参照して、サセプタ１の他方の面に、ヒータ回路９の外部電源接続用端子９ａを露出させるように凹部４が設けられている。凹部４に、ヒータ回路９の外部電源接続用端子９ａに接続され、給電端子として機能するワッシャ１０が嵌まり込んでいる。凹部４に蓋をするように、給電用電極部材１１が設けられている。給電用電極部材１１は、ワッシャ１０に、アンカー部材１２によって電気的接続されている。
【００４２】
アンカー部材１２は、その一方端がワッシャ１０内にねじ込まれ、さらに給電用電極部材１１にねじ込まれ、その他方端が、凹部４の底部に固定されている。アンカー部材１２の他方端と凹部４の底部との固定については、後述する。
【００４３】
給電用電極部材１１は、上述のように、その凹部がサセプタ１の凹部４に面する碗状の壁部材１１ａを含む。碗状の壁部材１１ａが、ワッシャ１０およびアンカー部材１２を外気から封じるように、サセプタ１の凹部４に蓋をしている。サセプタ１の凹部４には、壁部材１１ａの縁部を受入れる段差４ａが設けられている。給電用電極部材１１は、配線１３の中にねじ込まれている。
【００４４】
給電用電極部材１１の露出面とサセプタ１の他方の面に跨って、凹部４内に外気が入らないように、ガラス封止材１５がシールしている。配線１３より、給電用電極部材１１およびワッシャ１０を通って、ヒータ回路に通電される。図中の矢印１４は電流が流れていく経路を示している。
【００４５】
給電用電極部材１１の、室温から５００℃までの熱膨張係数は、３．０×１０^-6／Ｋ以上、８．０×１０^-6／Ｋ以下に選ばれている。熱膨張係数がこれ以下の場合、サセプタを形成するセラミックスとの熱膨張係数差が大きくなるため、セラミックスと密着するガラス封止部分（ガラスの熱膨張係数：３．０〜８．００×１０^-6／Ｋ）にクラックが発生し、給電用電極部材１１内に外気が侵入し、給電部品１０、１２が酸化されるために好ましくない。
【００４６】
また、給電用電極部材１１の材料として、室温における電気導電率が１０^-3Ωｃｍ以下のものを選んでいる。これ以上の電気導電率を有する場合、電気回路９に電気を流す際、該給電用電極部材１１が発熱し、サセプタ１の均熱性を乱すおそれがあるため好ましくない。
【００４７】
また、給電用電極部材１１の材料として、５００℃における酸化による重量増が０．１％／時間以下のものを選んでいる。給電用電極部材１１は大気中で使用されるため、これ以上の速度で酸化が進めば、サセプタ１の使用時に電極が酸化し始め、劣化され、ついには電気が流れなくなる、あるいは流れにくくなるため、酸化部分が異常発熱するなどの弊害が発現するために好ましくない。
【００４８】
具体的には、給電用電極部材１１の主成分として、二ホウ化チタン、炭化珪素−ホウ化ジルコニウム複合体、モリブデン−酸化ジルコニウム複合体の少なくともいずれか１種が選ばれる。
【００４９】
また、給電用電極部材１１の材料として、タングステン、またはモリブデンを主成分とする金属または合金からなり、さらに、その表面がニッケル、金、またはニッケル−金でメッキされているものも使用できる。
【００５０】
さらに、サセプタ１を形成するセラミックスの主成分は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウムから選ばれる。
【００５１】
これらの選択は、まずサセプタの熱膨張係数に合わせるように、ガラス封止材の材料を選び、このガラス封止材の熱膨張係数に合わせるように、給電用電極部材の材料を選ぶという考え方に基づいている。すなわち、ガラス封止材１５と給電用電極部材１１とサセプタ１の熱膨張係数を、互いに近づけることによって、これらのクラックの発生を防止しているのである。
【００５２】
実施の形態２
図４は、実施の形態２に係る半導体製造装置の、図１装置のＡ部付近の、さらなる具体的態様を示す図である。
【００５３】
なお、図３における部材と同一または相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。以下に述べる、実施の形態３〜６を説明する図面においても同様である。
【００５４】
実施の形態１では、サセプタの凹部に、壁部材１１ａの縁部を受入れる段差が設けられる例を示したが、この発明はこれに限られるものでない。すなわち、図４に示すように、サセプタの凹部４に段差を設けず、壁部材１１ａの縁部が、サセプタ１の他方面の平面部に接するように構成してもよい。
【００５５】
実施の形態３
図５は、実施の形態３に係る、図１装置のＡ部付近の断面図である。本実施の形態では、アンカー部材１２の他方端と凹部４の底部との固定を、ねじ止め１６によって行なわれている。このような実施の形態であっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００５６】
実施の形態４
図６は、実施の形態４に係る、図１装置のＡ部付近の断面図である。本実施の形態では、アンカー部材１２の他方端と凹部４の底部との固定が、ガラス付け１７によって行なわれている。このような実施の形態であっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００５７】
実施の形態５
図７は、実施の形態５に係る半導体装置の、図１装置におけるＡ部の拡大図である。
【００５８】
図７を参照して、凹部４に、給電用電極部材１１が嵌まり込んでいる。給電用電極部材１１は、ヒータ回路９の外部電源接続用端子９ａに直接電気的接続されている。すなわち、本実施の形態では、図３の装置において用いられたワッシャ１０が省略されている。給電用電極部材１１の露出面とサセプタ１の他方の面に跨って、凹部４内に外気が入らないようにガラス封止材１５がシールしている。給電用電極部材１１に、配線１３が接続されている。配線１３より、給電用電極部材１１を通って、直接的に、ヒータ回路９に給電されている。このような実施の形態であっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００５９】
実施の形態６
図８は、実施の形態６に係る半導体製造装置の、図１のＡ部の拡大図である。
【００６０】
実施の形態５では、アンカー部材１２を用いていたが、本実施の形態では、アンカー部材もまた省略している。配線１３より、給電用電極部材１１を通って、ヒータ回路９に、給電される。このような実施の形態であっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００６１】
【実施例】
以下、この発明の実施例を説明する。
【００６２】
実施例１
まず、本発明に用いられるセラミックスの製造方法について説明する。
【００６３】
下記に示す組成比の粉末に、バインダ、溶剤を加え、これらをボールミル混合することによってスラリーを作製した。
【００６４】
組成１…ＡｌＮ：９５ｗｔ％−Ｙ₂Ｏ₃：５ｗｔ％
組成２…Ｓｉ₃Ｎ₄：９５ｗｔ％−Ｙ₂Ｏ₃：２．５ｗｔ％−Ａｌ₂Ｏ₃：２．５ｗｔ％
組成３…Ａｌ₂Ｏ₃：９８ｗｔ％−ＣａＯ：１．０ｗｔ％−ＭｇＯ：１．０ｗｔ％
組成４…ＳｉＣ：９８ｗｔ％−Ｂ₂Ｏ₃：２．０ｗｔ％
このスラリーをドクターブレード法により、グリーンシートを作製した。次に作製したグリーンシートを焼結後の寸法が直径３５０ｍｍの円形になるように切断した。切断したシートにヒータ回路をスクリーン印刷法によりＷペーストを用いて形成した。
【００６５】
次に、ヒータ回路を形成したシートに複数のヒータ回路を形成していないシートを積層し、さらにＲＦ用電極、静電チャック用電極をＷペーストをスクリーン印刷することによって形成したシートを積層し、７００℃窒素中で脱脂した。
【００６６】
次に、組成１は、１８００℃窒素雰囲気中、組成２は窒素雰囲気中１７００℃、組成３は窒素雰囲気中１６００℃、組成４は窒素雰囲気中２０００℃でそれぞれ焼結し、サセプタを作製した。
【００６７】
次に、上記組成１〜４のスラリーから、スプレードライ法にて顆粒を作製した。出来上がった顆粒から、ドライプレス法にて円柱状成形体を作製した。これを窒素気流中７００℃で脱脂し、上記シート焼結時と同一の条件で焼結を行なった。その後、出来上がった円柱状焼結体を、機械加工にて、内径５０ｍｍ、外径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍの筒状部材を作製した。この円柱状成形体は、図１を参照して、シャフト６として用いられる。
【００６８】
図１を参照して、この筒状部材６の片面に、Ａｌ₂Ｏ₃−Ｙ₂Ｏ₃−ＡｌＮのスラリーを塗布し、サセプタ１と密着させ、上記焼結条件と同一の条件で、筒状部材６とサセプタ１を接合した。このとき、ヒータ回路９、ＲＦ/静電チャック電極３に外部から給電する給電端子部１０，１１，１２は、すべて筒状部材内６に設置できるようにした。
【００６９】
その後、給電部品１０としてＷまたはモリブデンを電気回路９に対して、チタンを含有する活性金属ろうによって接続した。これに給電用電極部材１１として二ホウ化チタン、炭化珪素−ホウ化ジルコニウム複合体、モリブデン−酸化ジルコニウム複合体を取付け、さらにはこれら電極材料をガラス１５にて封止した。その後、各電極材料に給電部材（配線）１３としてニッケルを取付け、サセプタ１を完成した。
【００７０】
このとき、給電端子１０と電極１１、および給電部材１３とはそれぞれねじによって機械的に接続した。その後出来上がったサセプタ１をチャンバ７内にセットし、シリコンウエハ２に膜形成を実施した。このときサセプタ１の温度は５００℃、シャフト６内の雰囲気は大気で実施した。その結果、各電極材料とも不具合なく、シリコンウエハ２を処理することができた。ただし、各材料とも薄い酸化皮膜が形成されていた。
【００７１】
実施例２
上記と同様の方法でサセプタ１を作製した。ただし、このときの電極材料に関しては、各材料ともニッケルメッキを施したもの、Ａｕメッキを施したもの、ニッケル−Ａｕメッキを施したものを使用した。その結果、実施例１と同様に、各電極材料とも不具合なく、シリコンウエハを処理できるとともに、酸化皮膜の形成は全く見られなかった。
【００７２】
実施例３
実施例１と同様の手法でサセプタ１を作製した。ただし、このときの電極材料に関してはタングステン、モリブデンを使用し、それぞれニッケル、ないしはＡｕメッキを施したものを使用した。条件を、表１に整理する。
【００７３】
【表１】

【００７４】
結果として、実施例１と同様に、各電極材料とも不具合なく、シリコンウエハを処理できた。
【００７５】
比較例１
上記と同様の方法でサセプタを作製した。ただし、このときに使用した電極材料はタングステンあるいはニッケルを使用した。その結果、タングステンはサセプタの昇温中に電極が酸化され、シリコンウエハを処理することはできなかった。またニッケルに関しては、ガラス封止時にガラスにクラックが形成され、給電端子であるタングステンが酸化され、シリコンウエハを処理することができなかった。
【００７６】
なお、上記実施例では、電気回路として、ヒータ回路を例示して説明したが、電気回路が高周波電極および静電チャック電極の場合であっても、同様の効果を奏する。
【００７７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味およ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。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明にかかる給電用電極部材によれば、その材料として、室温から５００℃までの熱膨張係数が３．０×１０^-6／Ｋ以上、８．０×１０^-6／Ｋ以下であり、室温に受ける電気導電率が１０^-3Ωｃｍ以下であるものを選んでいるので、セラミックスで形成されたサセプタに使用できるという効果を奏する。
【００７９】
また、本発明にかかる半導体製造装置においては、ガラス封止材と給電用電極部材とサセプタ１の熱膨張係数を、互いに近づけているので、これらのクラックの発生を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係る半導体製造装置の断面図である。
【図２】 実施の形態１に係る半導体製造装置に用いられるサセプタの平面図である。
【図３】 実施の形態１に係る、図１装置のＡ部拡大図である。
【図４】 実施の形態２に係る、図１装置のＡ部拡大図である。
【図５】 実施の形態３に係る、図１装置のＡ部拡大図である。
【図６】 実施の形態４に係る、図１装置のＡ部拡大図である。
【図７】 実施の形態５に係る、図１装置のＡ部拡大図である。
【図８】 実施の形態６に係る、図１装置のＡ部拡大図である。
【符号の説明】
１ サセプタ、２ ウエハ、３ ＲＦ（静電チャック）電極、４ 凹部、６ シャフト、７ 真空チャンバ、９ ヒータ回路、９ａ ヒータ回路の外部電源接続用端子、１０ ワッシャ、１１ 給電用電極部材、１２ アンカー部材、１３配線、１４ 電流の流れ。

Claims (5)

1. セラミックスで形成されたサセプタ上にウエハを搭載し、該ウエハを処理する半導体製造装置に使用されるものであり、一方の端部が前記サセプタに固定された給電部品の他方の端部に機械的に接続され、前記サセプタとの間が封止されるように、熱膨張係数が３．０×１０ ^-6 ／Ｋ以上８．０×１０ ^-6 ／Ｋ以下のガラスからなる封止材によって前記サセプタに接着され、かつ前記サセプタに埋め込まれた電気回路に給電するための給電用電極部材であって、
   室温から５００℃までの熱膨張係数が３．０×１０^-6／Ｋ以上、８．０×１０^-6／Ｋ以下であり、
   室温における電気導電率が１０^-3Ωｃｍ以下であり、
   当該給電用電極部材の、５００℃大気中における酸化による重量増加が０．１％／時間以下である、半導体製造装置に使用される給電用電極部材。
2. 当該給電用電極部材の主成分が、二ホウ化チタン、炭化珪素−ホウ化ジルコニウム複合体、モリブデン−酸化ジルコニウム複合体の少なくともいずれか１種からなる、請求項１に記載の、半導体製造装置に使用される給電用電極部材。
3. 当該給電用電極部材が、タングステン、またはモリブデンを主成分とする金属または合金からなり、さらに、その表面がニッケル、金、またはニッケル−金でメッキされている、請求項１に記載の、半導体製造装置に使用される給電用電極部材。
4. 前記セラミックスの主成分は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウムから選択される材料からなる、請求項１から３のいずれか１項に記載の、半導体製造装置に使用される給電用電極部材。
5. 当該給電用電極部材がメッキされている、請求項２に記載の、半導体製造装置に使用される給電用電極部材。

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