JP4524268B2 - 静電チャック機能付きセラミックヒーター及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスの製造工程におけるＣＶＤ装置やスパッタ装置、又は、生成薄膜をエッチングするエッチング装置等に使用される、被加熱物である半導体ウエハを加熱するための静電チャック機能付きセラミックヒーターに関する。

従来、半導体用のデバイスを作製する際には、半導体ウエハ上にポリシリコン膜や酸化膜、導体膜、誘電体膜等をＣＶＤ装置やスパッタ装置で形成したり、逆にエッチング装置により、これらの薄膜をエッチングしたりする技術が利用されることはよく知られている。そして、これらに用いられる装置において、上記の薄膜の形成やエッチングの品質を保持するには、被加熱物である半導体ウエハを所望の温度に一定に維持することが必要であり、この温度調節を行うには半導体ウエハを加熱するヒーターが必要とされる。

また、半導体ウエハの加熱にあたっては、ヒーター上に半導体ウエハを固定するために減圧雰囲気では静電吸着装置が使用されており、プロセスの高温化に伴ってその材質は樹脂からセラミックに移行している（特許文献１参照）。
また最近では、これらのセラミック一体型ウエハヒーターと静電吸着装置を合体した静電吸着機能を有するウエハヒーターが提案されている。例えば、エッチング工程などの低温域では静電吸着装置の絶縁体層にＴｉＯ_２添加アルミナを用いたもの（非特許文献１参照）、ＣＶＤ工程などの高温域においては静電吸着装置の絶縁体層に熱分解窒化ホウ素を用いたもの（特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５）が使用されている。

通常、セラミック基材は、原料粉体に焼結助剤を添加して焼結された焼結体が用いられている。このようなセラミック基材は、発熱体などの異種材料との熱膨張率差によって生じる熱応力によって歪が生じる。このセラミック基材と発熱体などの異種材料からなる静電チャック機能付きセラミックヒーター基体上に、例えば半導体ウエハ等を載せて加熱する場合、上記歪が原因となって該ウエハとの面あたり不良を生じさせて温度分布を乱す原因となる。
このような歪を抑える方法として、セラミック基材を厚くして剛性を上げ、台座との固定を強化する方法がある。しかしながら、このようにして歪を抑えると、セラミック基材内部、及びセラミック基材と発熱体との境界面に熱応力集中を引き起こし、昇降温を繰り返すと、焼結粒界や、セラミック基材と発熱体との境界面で破損するといった問題が生じるおそれがある。また、セラミック基材を厚くすると熱容量が大きくなり、昇降温に時間がかかってしまうという問題もある。

このような問題を解消するヒーターとして、炭素あるいは炭素複合材料からなる支持基材の上に、熱化学気相蒸着法（熱ＣＶＤ法）によって熱分解窒化ホウ素からなる絶縁層を形成し、さらに熱ＣＶＤ法によって成膜された熱分解グラファイトからなるヒーターパターンが接合され、さらに該ヒーターパターンの上に熱分解窒化ホウ素等の緻密な層状の保護膜によって覆われた一体型の抵抗加熱方式の複層の静電チャック機能付きセラミックヒーターが開発されている（特許文献６参照）。
この抵抗加熱方式の複層の静電チャック機能付きセラミックヒーターは、高純度で化学的に安定しており、且つ熱衝撃に強いため、急速な昇降温を必要とする様々な分野で使用されている。例えば半導体ウエハの製造分野、具体的には、半導体ウエハ等を枚葉式で１枚ずつ処理し、温度を段階的に変えて処理する連続プロセスで幅広く使用されている。この複層の静電チャック機能付きセラミックヒーターは、前記したように全体的にＣＶＤ法で作製されているため、粒界が無く、従って脱ガスが無く、真空内プロセスで加熱したときにプロセスに悪影響を与えないことから使用が広がっている。

前記複層の静電チャック機能付きセラミックヒーターは、支持基板、電極層、配線、誘電体層、導電層等の数種類の材料による層構造をもつ。加工歪みにより各工程で反りが発生し易い。この反りがある状態では、ウエハ等を載せて加熱すると、面あたり不良を生じ、温度分布ムラを生じさせてしまう問題が生じる。
そのため従来の技術では、この反りを解消するために載置面を機械加工等により平面化させ、吸着力の均一化を図っていた。しかし載置面のみを平面化しただけでは、面内に膜厚分布を生じ、さらに装置に取り付ける際に装置に固定すると裏面の反りの影響で、載置面の平面度は低くなり、結果的に吸着力の低下を招くことがあった。

特に高体積固有抵抗値をもつ誘電体膜の場合、その吸着力はクーロン力に支配され誘電体膜厚の２乗分の１に比例する。つまり載置面の誘電体膜の膜厚分布は面内の吸着力分布に直結する非常に重要な因子であり、膜厚分布が大きくなると吸着力の面内バラツキを招き、結果的に被加熱物の温度分布ムラを生じさせてしまう。
一方、吸着力の向上のために膜厚分布を一定にしようとすると載置面の形状が凹形状や凸形状になり、これも被加熱物の温度分布ムラを生じさせる。さらに載置面が凹凸形状をしていると、被加熱物が吸着された際に凹凸に沿った形で吸着されるため中心部と外周部では吸着速度及び吸着力が異なる。これにより被加熱物と載置面の間で中心から外周に向かう摩擦力が発生し、パーティクルの発生が大きくなる。半導体製造における歩留まり向上にはパーティクルの発生を極力抑えることが非常に重要な課題である。

特開昭５２− ６７３５３号公報 特開平 ４−３５８０７４号公報 特開平 ５−１０９８７６号公報 特開平 ５−１２９２１０号公報 特開平 ７− １０６６５号公報 特開平 ９− ４０４８１号公報 渡部俊也「セラミック静電チャックの静電力特性」，ＮＥＷ ＣＥＲＡＭＩＣＳ（１９９４）Ｎｏ．２，ｐ４９〜５３、１９９４

以上のような事情から、吸着力の面内分布が均一で、被加熱物の面内温度分布を向上させるとともにパーティクルの発生を減少させる技術が所望されている。したがって、本発明は、半導体デバイスの製造工程におけるＣＶＤ装置やスパッタ装置、又は、生成薄膜をエッチングするエッチング装置等に設置された際に載置面が平面形状となる静電チャック機能付きセラミックヒーターを提供することを課題とする。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、本発明のセラミックヒーター（静電チャック機能付きセラミックヒーター）は、炭素あるいは炭素複合材料からなる支持基材の表面に少なくとも１層の絶縁層を形成し、該絶縁層の上に導電層を形成し、かつ該導電層の上に少なくとも１層の誘電体層を形成し、一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面（加熱面）もしくは内部に抵抗発熱体を有し、載置面の裏面を加熱面とする静電チャック機能付きセラミックヒーターにおいて、載置面の面形状と加熱面の面形状が逆の反り形状を持つように加工したセラミックヒーターであって、前記載置面の載置面端部での高さを基準とし、基準の高さから中央部の高さまでの垂直距離の絶対値をＨｃとし、他方の主面（加熱面）の端部の高さを基準とし、基準の高さから中央部の高さまでの垂直距離の絶対値をＨｈとした場合、ＨｃとＨｈはともに１００μｍ以下であり、かつ、ＨｃとＨｈの差、Ｈｃ−Ｈｈの絶対値が１０μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明の静電チャック機能付きセラミックヒーターの製造方法は、炭素あるいは炭素複合材料からなる支持基材の表面に少なくとも１層の絶縁層を形成し、該絶縁層の上に導電層を形成し、かつ該導電層の上に少なくとも１層の誘電体層を形成し、一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面（加熱面）もしくは内部に抵抗発熱体を有し、載置面の裏面を加熱面とする静電チャック機能付きセラミックヒーターにおいて、載置面の面形状と加熱面の面形状が逆の反り形状を持つように加工したセラミックヒーターであって、前記載置面の最外層の誘電体層の膜厚が均一になるように加工し、セラミックヒーター厚が均一になるように、他方の主面（加熱面）を加工することを特徴とする。

本発明によれば、載置面の面形状と加熱面の面形状が逆の反り形状を持ち、装置に設置された際に載置面が平面形状とさせることにより、被加熱物の温度分布が向上し、被加熱物に付着するパーティクルの低減化が可能な静電チャック機能付きセラミックヒーターを提供できる。

機械加工による平面化の追求によっては、前述のとおり、膜厚分布に不都合が生じる傾向があり、かつ、端部にダレも生じ易いという従来の探求の方向と異なり、本発明は、載置面および加熱面の反りを逆にすることにより、装置に設置された際に載置面が平面形状となる、との知見に基づいて発明されたものである。
以下に、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の静電チャック機能付きセラミックヒーターの層構造を示す説明図である。
図２は、本発明の、両面が研磨された状態の静電チャック機能付きセラミックヒーターを示す説明図である。
図３は、静電チャック機能付きセラミックヒーターを装置に設置された状態を示す説明図である。

図１において、１は、最終成形前の静電チャック機能付きセラミックヒーター素形、２は基材、３は、基材２の表面に形成された絶縁層、４、５は、絶縁層３の上に形成された導電層であって、それぞれのパターンを形成して、一方の４は静電チャック体とし、他方の５は、抵抗発熱体とする。導電層４、５の上に、さらに誘電体層６が形成される。なお、抵抗発熱体５上の誘電体層６は、省略されても差し支えない。この、静電チャック機能付きセラミックヒーターの層構造そのものは、従来のものと基本的に同じである。
基材２としては、炭素あるいは炭素複合材料とし、等方性黒鉛、炭素繊維強化炭素等が挙げられる。
第１の絶縁層３としては、熱分解窒化ホウ素が挙げられる。

導電層４、５としては、熱分解グラファイト、ホウ素が添加された熱分解グラファイトが好ましい。
誘電体層６としては、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の混合体、熱分解窒化ホウ素、炭素が添加されてなる熱分解窒化ホウ素及び炭素とケイ素が添加されてなる熱分解窒化ホウ素のいずれかからなることが好ましい。

最終成形前の静電チャック機能付きセラミックヒーター素形１は、形状・表面性能等を整えるために、機械加工されて、図２に示す静電チャック機能付きセラミックヒーター７に成形される。
静電チャック機能付きセラミックヒーター７は、被処理材（ウエハ）を載置する載置面（静電チャック体４の側の面）と加熱面（抵抗発熱体５の側の面）とで、逆の反り形状となるように機械加工される。いずれの面を凸面形状とするか、は、必ずしも必須ではないが、載置面を中央部が最も低く周辺部へ近づく程高くなる凹面形状を有し、他方の主面（加熱面）が中央部が最も高く周辺部へ近づく程低くなる凸面形状を有していることが、経験上好ましいことが判った。
機械加工としては、旋盤、フライス盤、ラップ盤等の公知の適宜の方式が用いられるが、旋盤によるバイト研削とすることが好ましい。

この反りが大きすぎても装置に積載された際の曲げ応力がかかりすぎ、基板の破壊が起きるおそれがあるため、凹面形状および凸面形状の程度は、面端部での高さを基準とし、基準の高さから中央部の高さまでの垂直距離が両面共に１００μｍ以下であり、かつ、凹凸それぞれの値の絶対値の差が１０μｍ以下であることが好ましい。
このような形状をとることにより、静電チャック機能付きセラミックヒーター７自身は反りがある形状となる。しかし、装置に積載される際には数カ所を締め付ける事により固定されるが、この際、図３に示すように、反りが吸収され、結果的には載置面が理想的な平面度となり、吸着力が向上し、パーティクルの低減化が達成される。なお、図３において、８はＣＶＤ装置やスパッタ装置、又は、生成薄膜をエッチングするエッチング装置等の装置、９は固着具である。

本発明の静電チャック機能付きセラミックヒーターの製造方法としては、載置面の最外層の誘電体層の膜厚が均一になるように加工し、その形状に合わせ板（静電チャック機能付きセラミックヒーター）の厚みが均一になるよう、もう一方の主面（加熱面）を加工することにより装置に設置された際に載置面が平面形状となるよう加工するのが好ましい。
これを達成するためには、はじめに載置面の最外層の誘電体層の膜厚を測定し、この膜厚が均一になるよう載置面を加工する。通常、熱化学気相蒸着法（熱ＣＶＤ法）によって製造された熱分解窒化ホウ素からなる誘電体層成膜は、その製法上、基板の中央部の膜厚が厚く生成されるため、中央部の削り量が大きくなり、加工後の載置面は中央部が最も低く周辺部へ近づく程高くなる凹面形状となる。ついでこの形状に合わせて裏面を加工することにより、他方の主面（加熱面）が中央部が最も高く周辺部へ近づく程低くなる凸面形状となり、静電チャック機能付きセラミックヒーターの厚さが均一で、なおかつ装置に積載された際の載置面形状の平面化が達成される。

以下、実施例および比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［実施例１］
直径２００ｍｍ、厚さ１５ｍｍのグラファイト基材を用意し、アンモニアと三塩化ホウ素とを含むガスを１８００℃、１００Ｔｏｒｒの条件下で反応させて基材上に熱分解窒化ホウ素からなる保護層を形成した。次いで、この上にメタンガスを２２００℃、５Ｔｏｒｒの条件下で熱分解し、厚さ１００μｍの熱分解グラファイト層を形成した。この熱分解グラファイト層の表面側を電極パターンに加工して静電吸着用電極とし、裏面側をヒーターパターンに加工して発熱層とした。さらに、この両面上に、アンモニアと三塩化ホウ素の混合ガスを２０００℃、５Ｔｏｒｒの条件下で反応させて、厚さ２００μｍの熱分解窒化ホウ素からなる絶縁体層を形成させた。

次いで載置面の膜厚が均一になるよう載置面の加工、発熱面の加工を行い、表１に示すような形状で装置に取り付けた際に載置面がほぼ平面となるような静電吸着機能を有する静電チャック機能付きセラミックヒーターを製造した。
このヒーターを３００℃に加熱し、±２０００Ｖの電圧を印加し、温度測定用の熱電対が埋め込まれたシリコンウエハを吸着させ、電圧印加１分後の面内の温度分布を測定したところ、温度分布ΔＴは５℃と良好な吸着力を示した。
なお、ヒーター形状及びウエハの温度分布を表１に示す。

［実施例２］
最上層の絶縁体層を形成する際に、アンモニアと三塩化ホウ素とメタンとの混合ガスを反応させて、炭素１重量％を含有し、１０^１１Ω・ｃｍの電気抵抗率を有する厚さ２００μｍの熱分解窒化ホウ素からなる絶縁体層を形成した以外は実施例１に従い、静電吸着機能を有する静電チャック機能付きセラミックヒーターを製造した。
このヒーターによる５００℃におけるウエハの温度分布ΔＴは４℃で良好な吸着力を示した。
なお、ヒーター形状及びウエハの温度分布を表１に示す。

［比較例１］
載置面の形状が平面形状となるように最上層の絶縁体層を加工し、発熱面の加工は行わなかった以外は実施例１に従い、静電吸着機能を有する静電チャック機能付きセラミックヒーターを製造した。
このヒーターによる３００℃におけるウエハの温度分布ΔＴは１５℃であった。
なお、ヒーター形状及びウエハの温度分布を表１に示す。

［比較例２］
載置面の形状が平面形状となるように最上層の絶縁体層を加工する以外は実施例２に従い、静電吸着機能を有する静電チャック機能付きセラミックヒーターを製造した。
このヒーターによる５００℃におけるウエハの温度分布ΔＴは１２℃であった。
なお、ヒーター形状及びウエハの温度分布を表１に示す。

本発明によれば、 静電チャック機能付きセラミックヒーターの試料載置面の平滑度が向上するので、試料により精度の高い加工を行うことができ、半導体機器製造等の技術分野に寄与するところ大である。

本発明の静電チャック機能付きセラミックヒーターの層構造を示す説明図である。 本発明の、両面が研磨された状態の静電チャック機能付きセラミックヒーターを示す説明図である。 静電チャック付き機能セラミックヒーターを装置に設置された状態を示す説明図である。

１：最終成形前の（静電チャック機能付き）セラミックヒーター素形
２：基材
３：絶縁層
４：（絶縁層２の上に形成された導電層から成形された）静電チャック体
５：（絶縁層２の上に形成された導電層から成形された）抵抗発熱体
６：誘電体層
７：（静電チャック機能付き）セラミックヒーター
８：（ＣＶＤ装置やスパッタ装置、又は、生成薄膜をエッチングするエッチング装置等の）装置
９：固着具

Claims (2)

1. 炭素あるいは炭素複合材料からなる支持基材の表面に少なくとも１層の絶縁層を形成し、該絶縁層の上に導電層を形成し、かつ該導電層の上に少なくとも１層の誘電体層を形成し、一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面（加熱面）もしくは内部に抵抗発熱体を有し、載置面の裏面を加熱面とする静電チャック機能付きセラミックヒーターにおいて、載置面の面形状と加熱面の面形状が逆の反り形状を持つように加工した静電チャック機能付きセラミックヒーターであって、前記載置面の載置面端部での高さを基準とし、基準の高さから中央部の高さまでの垂直距離の絶対値をＨｃとし、他方の主面（加熱面）の端部の高さを基準とし、基準の高さから中央部の高さまでの垂直距離の絶対値をＨｈとした場合、ＨｃとＨｈはともに１００μｍ以下であり、かつ、ＨｃとＨｈの差、Ｈｃ−Ｈｈの絶対値が１０μｍ以下であることを特徴とする静電チャック機能付きセラミックヒーター。
2. 炭素あるいは炭素複合材料からなる支持基材の表面に少なくとも１層の絶縁層を形成し、該絶縁層の上に導電層を形成し、かつ該導電層の上に少なくとも１層の誘電体層を形成し、一方の主面をウエハの載置面とし、他方の主面（加熱面）もしくは内部に抵抗発熱体を有し、載置面の裏面を加熱面とする静電チャック機能付きセラミックヒーターにおいて、載置面の面形状と加熱面の面形状が逆の反り形状を持つように加工したセラミックヒーターであって、前記載置面の最外層の誘電体層の膜厚が均一になるように加工し、セラミックヒーター厚が均一になるように、他方の主面（加熱面）を加工することを特徴とする静電チャック機能付きセラミックヒーターの製造方法。

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