JP7185544B2

JP7185544B2 - セラミックヒータ

Info

Publication number: JP7185544B2
Application number: JP2019018640A
Authority: JP
Inventors: 亮介平田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-02-05
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2022-12-07
Anticipated expiration: 2039-02-05
Also published as: JP2020126770A

Description

本発明は、セラミックヒータに関する。

半導体製造装置においては、ウエハを加熱するためのセラミックヒータが採用されることがある。こうしたセラミックヒータとしては、特許文献１に示されるように、セラミックプレートと冷却プレートとを備えたものが知られている。セラミックプレートは、上面にウエハ載置面が設けられ、所定パターンのヒータ電極を有する。冷却プレートは、セラミックプレートの下面に接着層を介して取り付けられている。冷却プレートには、セラミックプレートの温度を検出する温度センサを配置するのに用いられる貫通穴が設けられている。そして、ウエハにプラズマ処理を施す際には、ウエハ載置面にウエハを載置した状態でプラズマを発生させ、発生したプラズマによりウエハを処理する。このとき、温度センサで検出された温度が目標温度と一致するようにヒータ電極へ供給する電力を制御する。

特開２０１４－１３２５６０号公報

しかしながら、特許文献１のセラミックヒータでは、ウエハのうち冷却プレートの貫通穴の直上部分は冷却プレートによる熱引きがないため局所的に高温になりやすく、ウエハの面内温度が不均一になることがあった。

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、ウエハの面内温度を均一にすることを主目的とする。

本発明のセラミックヒータは、
上面にウエハ載置面が設けられ、ヒータ電極を有するセラミックプレートと、
前記セラミックプレートの下面に取り付けられた冷却プレートと、
前記冷却プレートを上下方向に貫通し、前記セラミックプレートの温度を検出する温度センサを配置するのに用いられる貫通穴と、
を備えたセラミックヒータであって、
前記ヒータ電極のうち前記貫通穴の直上部分を含む所定領域の発熱密度は、前記所定領域以外の部分の発熱密度よりも小さい、
ものである。

このセラミックヒータでは、ヒータ電極のうち冷却プレートの貫通穴の直上部分を含む所定領域の発熱密度を所定領域以外の部分の発熱密度よりも小さくしている。ウエハ載置面に載置されるウエハのうち冷却プレートの貫通穴の直上部分は冷却プレートによる熱引きがないが、ヒータ電極のうち貫通穴の直上部分を含む所定領域の発熱は所定領域以外の部分の発熱よりも小さい。そのため、ウエハのうち貫通穴の直上部分が局所的に高温になるのを抑制することができる。したがって、ウエハ載置面に載置されるウエハの面内温度を均一にすることができる。なお、所定領域以外の部分は、所定領域に隣接する部分としてもよい。

なお、本明細書において、「上」「下」は、絶対的な位置関係を表すものではなく、相対的な位置関係を表すものである。そのため、セラミックヒータの向きによって「上」「下」は「左」「右」になったり「前」「後」になったりする。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記ヒータ電極のうち前記貫通穴の直上部分を含む所定領域の電極断面積は、前記所定領域以外の部分の電極断面積よりも大きくしてもよい。こうすれば、比較的簡単に、ヒータ電極のうち貫通穴の直上部分を含む所定領域の発熱密度を、所定領域以外の部分の発熱密度よりも小さくすることができる。この場合、前記ヒータ電極は、厚みが一定で前記所定領域の幅が前記所定領域以外の部分の幅よりも広くしてもよいし、幅が一定で前記所定領域の厚みが前記所定領域以外の部分の厚みよりも厚くしてもよい。ヒータ電極を印刷で作製する場合、前者については１回の印刷で作製できるが、後者については厚みの厚い部分は複数回の印刷が必要になる。そのため、前者を採用するのが好ましい。前者において、前記ヒータ電極は、前記所定領域の幅を前記所定領域以外の部分の幅と同じにした場合でも前記貫通穴の直上部分と重なることが好ましい。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記ヒータ電極は、前記セラミックプレートを複数のゾーンに分けたときのゾーンごとに設けられていてもよい。こうしたセラミックヒータでは、ヒータ電極ごとに温度センサを配置する必要があるため、ヒータ電極ごとに冷却プレートに貫通穴を設ける必要がある。そのため、ウエハの複数の箇所で面内温度が不均一になりやすい。したがって、本発明を適用する意義が高い。

プラズマ処理装置１０の構成の概略を示す説明図。静電チャックヒータ２０の斜視図。図２のＡ－Ａ断面図。静電チャックヒータ２０の平面図。内周側ヒータ電極２６の部分平面図。外周側ヒータ電極２８の部分平面図。内周側ヒータ電極２６の別例の部分平面図。

次に、本発明のセラミックヒータの好適な一実施形態である静電チャックヒータ２０について以下に説明する。図１は静電チャックヒータ２０を含むプラズマ処理装置１０の構成の概略を示す説明図、図２は静電チャックヒータ２０の斜視図、図３は図２のＡ－Ａ断面図、図４は静電チャックヒータ２０の平面図である。なお、図４では、便宜上、内周側及び外周側ヒータ電極２６，２８を網掛けで示した。

プラズマ処理装置１０は、図１に示すように、内圧を調整可能な金属製（例えばアルミニウム合金製）の真空チャンバ１２の内部に、静電チャックヒータ２０とプラズマを発生させるときに用いる上部電極６０とが設置されている。上部電極６０のうち静電チャックヒータ２０と対向する面には、反応ガスをウエハ面に供給するための多数の小穴が開いている。真空チャンバ１２は、反応ガス導入路１４から反応ガスを上部電極６０に導入可能であると共に、排気通路１６に接続された真空ポンプによって真空チャンバ１２の内圧を所定の真空度まで減圧可能である。

静電チャックヒータ２０は、図２及び図３に示すように、ウエハＷを吸着保持可能なウエハ載置面２２ａが上面に設けられたセラミックプレート２２と、セラミックプレート２２の下面２２ｂに取り付けられた冷却プレート３０とを備えている。ウエハ載置面２２ａには、全面にわたって高さが数μｍの図示しない突起が多数形成されている。ウエハ載置面２２ａに載置されたウエハＷは、これら突起の上面に支持される。また、ウエハ載置面２２ａのうち突起が設けられていない平面の数カ所には、プラズマ処理装置１０の外部からＨｅガスが導入されるようになっている。

セラミックプレート２２は、外径がウエハＷの外径よりも小さいセラミック製（例えばアルミナ製とか窒化アルミ製）の円形プレートである。このセラミックプレート２２には、図３に示すように、静電電極２４と内周側ヒータ電極２６と外周側ヒータ電極２８とが埋設されている。静電電極２４は、ＥＳＣ電源５４により直流電圧を印加可能な平面状の電極である。この静電電極２４に電圧が印加されるとウエハＷはクーロン力又はジョンソン・ラーベック力によりウエハ載置面２２ａに吸着保持され、直流電圧の印加を解除するとウエハＷのウエハ載置面２２ａへの吸着保持が解除される。内周側ヒータ電極２６は、セラミックプレート２２と同じ中心を持ち直径がセラミックプレート２２よりも小さい円形の内周側ゾーンＺ１（図４の境界線２２ｃの内側）に、一筆書きの要領でパターン形成されたリボン状（平板状）の抵抗発熱体である。内周側ヒータ電極２６の両端に設けられた図示しない端子にヒータ電源５６の電圧を印加すると、内周側ヒータ電極２６は発熱して内周側ゾーンＺ１を加熱する。外周側ヒータ電極２８は、内周側ゾーンＺ１を取り囲む環状の外周側ゾーンＺ２（図４の境界線２２ｃの外側）に、一筆書きの要領でパターン形成されたリボン状の抵抗発熱体である。外周側ヒータ電極２８の両端に設けられた図示しない端子にヒータ電源５８の電圧を印加すると、外周側ヒータ電極２８は発熱して外周側ゾーンＺ２を加熱する。各ヒータ電極２６，２８は、例えばＷ、ＷＣ、Ｍｏなどを含むペーストを印刷することによって形成されている。ペーストには、ヒータ電極２６，２８とセラミックプレート２２との熱膨張係数差を小さくするために、セラミックプレート２２と同種のセラミック粉末が含まれていてもよい。各ヒータ電極２６，２８の端子には、冷却プレート３０の裏面から差し込まれた図示しない給電部材によってヒータ電源５６，５８から電圧を印加可能である。

冷却プレート３０は、金属製（例えばアルミニウム製とかアルミニウム合金製）の円形プレートであり、図２に示すように、セラミックプレート２２の下面２２ｂに接着シート４０を介して接着されている。この冷却プレート３０は、図示しない外部冷却装置で冷却された冷媒（冷却水）が循環する冷媒流路３２を有している。冷媒流路３２は、冷却プレート３０の全体にわたって一筆書きの要領で設けられている。冷却プレート３０は、内周側センサ穴３６と外周側センサ穴３８とを備えている。内周側センサ穴３６は、冷却プレート３０を上下方向（厚さ方向）に貫通し、内周側ゾーンＺ１に向かって開口している。この内周側センサ穴３６には、内周側ゾーンＺ１の温度を検出する内周側温度センサＳ１が配置される。内周側温度センサＳ１は、セラミックプレート２２の下面２２ｂのうち内周側センサ穴３６に露出している箇所の温度を検出する。外周側センサ穴３８は、冷却プレート３０を上下方向に貫通し、外周側ゾーンＺ２に向かって開口している。この外周側センサ穴３８には、外周側ゾーンＺ２の温度を検出する外周側温度センサＳ２が配置される。外周側温度センサＳ２は、セラミックプレート２２の下面２２ｂのうち外周側センサ穴３８に露出している箇所の温度を検出する。各温度センサＳ１，Ｓ２は、温度を測定可能なセンサであれば特に限定されず、例えば、接触温度計（熱電対など）や非接触温度計（ＩＲセンサなど)などが挙げられる。

接着シート４０は、絶縁性樹脂からなる層であり、セラミックプレート２２と冷却プレート３０とを接着する役割を果たしている。この接着シート４０は、内周側連通穴４６と外周側連通穴４８とを備えている。内周側連通穴４６は、接着シート４０を厚さ方向に貫通する円形の穴であり、内周側センサ穴３６に連通している。外周側連通穴４８は、接着シート４０を厚さ方向に貫通する円形の穴であり、外周側センサ穴３８に連通している。

内周側及び外周側ヒータ電極２６，２８の詳細について、図５及び図６を用いて説明する。図５は内周側ヒータ電極２６の部分平面図、図６は外周側ヒータ電極２８の部分平面図である。内周側ヒータ電極２６のうち内周側センサ穴３６の直上部分２６ａ（図５の濃い網掛部分及び薄い網掛部分）を含む所定領域２６Ａの発熱密度は、所定領域２６Ａ以外の部分の発熱密度よりも小さくなるように設計されている。具体的には、内周側ヒータ電極２６は、厚みが一定で所定領域２６Ａの幅Ｍが所定領域２６Ａ以外の部分の幅ｍよりも広くなっている。本実施形態では、所定領域２６Ａ以外の部分は、所定領域２６Ａに隣接する部分とした。直上部分２６ａは、所定領域２６Ａの幅Ｍを所定領域２６Ａ以外の部分の幅ｍと同じにした場合でも、内周側センサ穴３６の直上部分と重なっている（図５の濃い網掛部分）。幅Ｍは幅ｍの１．２～２．６倍とするのが好ましい。これにより、内周側ヒータ電極２６の所定領域２６Ａの電極断面積は、所定領域２６Ａ以外の部分の電極断面積よりも大きくなっている。そのため、所定領域２６Ａの長手方向の両端間（長さＬ１）の電気抵抗は、所定領域２６Ａ以外の部分の同じ長さＬ１の電気抵抗よりも低い。長さＬ１は内周側センサ穴３６の直径の１．５倍以下とするのが好ましい。

外周側ヒータ電極２８のうち外周側センサ穴３８の直上部分２８ａ（図６の濃い網掛部分及び薄い網掛部分）を含む所定領域２８Ａの発熱密度は、所定領域２８Ａ以外の部分の発熱密度よりも小さくなるように設計されている。具体的には、外周側ヒータ電極２８は、厚みが一定で所定領域２８Ａの幅Ｎが所定領域２８Ａ以外の部分の幅ｎよりも広くなっている。本実施形態では、所定領域２８Ａ以外の部分は、所定領域２８Ａに隣接する部分とした。直上部分２８ａは、所定領域２８Ａの幅Ｎを所定領域２８Ａ以外の部分の幅ｎと同じにした場合でも、外周側センサ穴３８の直上部分と重なっている（図６の濃い網掛部分）。幅Ｎは幅ｎの１．２～２．６倍とするのが好ましい。これにより、外周側ヒータ電極２８の所定領域２８Ａの電極断面積は、所定領域２８Ａ以外の部分の電極断面積よりも大きくなっている。そのため、所定領域２８Ａの長手方向の両端間（長さＬ２）の電気抵抗は、所定領域２８Ａ以外の部分の同じ長さＬ２の電気抵抗よりも低い。長さＬ２は外周側センサ穴３８の直径の１．５倍以下とするのが好ましい。

制御装置５０は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えた周知のマイクロコンピュータを内蔵しており、各温度センサＳ１，Ｓ２から出力された信号や入力装置５２（キーボードやマウスなど）からオペレータが入力した指令を入力すると共に、静電電極２４にＥＳＣ電源５４を介して電力を出力したり各ヒータ電極２６，２８に各ヒータ電源５６，５８を介して電力を出力したりする。なお、静電電極２４には交流の電力も供給可能であり、プラズマを発生させる際には静電電極２４に高周波電圧を印加可能である。

次に、こうして構成されたプラズマ処理装置１０の使用例について説明する。まず、真空チャンバ１２内に静電チャックヒータ２０を設置した状態で、ウエハＷをセラミックプレート２２のウエハ載置面２２ａに載置する。そして、真空チャンバ１２内を真空ポンプにより減圧して所定の真空度になるように調整し、セラミックプレート２２の静電電極２４に直流電圧をかけてクーロン力又はジョンソン・ラーベック力を発生させ、ウエハＷをセラミックプレート２２のウエハ載置面２２ａに吸着保持する。また、ウエハ載置面２２ａ上の図示しない突起に支持されたウエハＷとウエハ載置面２２ａとの間にＨｅガスを導入する。次に、真空チャンバ１２内を所定圧力（例えば数１０～数１００Ｐａ）の反応ガス雰囲気とし、この状態で、真空チャンバ１２内の上部電極６０とセラミックプレート２２の静電電極２４との間に高周波電圧を印加し、プラズマを発生させる。なお、静電電極２４には静電気力を発生させるための直流電圧と高周波電圧の両方が印加されるものとしたが、高周波電圧は静電電極２４の代わりに冷却プレート３０に印加されるものとしてもよい。そして、発生したプラズマによってウエハＷの表面がエッチングされる。制御装置５０には、予めウエハＷの目標温度Ｔが設定されている。目標温度Ｔは、オペレータが入力装置５２を操作して設定したものである。制御装置５０は、内周側温度センサＳ１の出力値が目標温度Ｔと一致するように内周側ヒータ電極２６に電力を供給すると共に、外周側温度センサＳ２の出力値が目標温度Ｔと一致するように外周側ヒータ電極２８に電力を供給する。つまり、内周側ヒータ電極２６と外周側ヒータ電極２８とは個別に制御される。

このようにしてウエハＷをプラズマで処理する場合、ウエハＷは両ヒータ電極２６，２８によって加熱されると共にプラズマによっても加熱される（プラズマ入熱）。また、ウエハＷの熱はセラミックプレート２２及び接着シート４０を介して冷却プレート３０に移動する。ウエハＷのうち内周側及び外周側センサ穴３６，３８の直上部分は冷却プレート３０による熱引きがない。しかし、内周側及び外周側ヒータ電極２６，２８のうち内周側及び外周側センサ穴３６，３８の直上部分２６ａ，２８ａを含む所定領域２６Ａ，２８Ａの発熱は所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の発熱よりも小さい。そのため、ウエハＷのうち内周側及び外周側センサ穴３６，３８の直上部分が局所的に高温になるのを抑制することができる。

以上詳述した実施形態によれば、内周側及び外周側ヒータ電極２６，２８を備えた静電チャックヒータ２０において、ウエハＷのうち内周側及び外周側センサ穴３６，３８の直上部分が局所的に高温になるのを抑制することができる。したがって、ウエハＷの面内温度を均一にすることができる。

また、内周側及び外周側ヒータ電極２６，２８の所定領域２６Ａ，２８Ａの電極断面積を、所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の電極断面積よりも大きくしたため、比較的簡単に、所定領域２６Ａ，２８Ａの発熱密度を、所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の発熱密度よりも小さくすることができる。

更に、内周側及び外周側ヒータ電極２６，２８は、厚みが一定で所定領域２６Ａ，２８Ａの幅を所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の幅よりも広くしたため、これらのヒータ電極２６，２８を印刷で作製する場合、１回の印刷で作製できる。

更にまた、セラミックプレート２２の２つのゾーンＺ１，Ｚ２のそれぞれに内周側及び外周側ヒータ電極２６，２８を設けたため、ウエハＷの複数の箇所で面内温度が不均一になりやすい。したがって、本発明を適用する意義が高い。

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、セラミックプレート２２を内周側ゾーンＺ１と外周側ゾーンＺ２の２つに分割して各ゾーンＺ１，Ｚ２に各ヒータ電極２６，２８を配置したが、セラミックプレート２２を３つ以上に分割して、ゾーンごとにヒータ電極を配置すると共に、ヒータ電極ごとに冷却プレートにセンサ穴を設けてもよい。その場合も、ヒータ電極のうちセンサ穴の直上部分を含む所定領域の発熱密度を所定領域以外の部分の発熱密度よりも小さくする。こうすれば、セラミックプレート２２が３つ以上のゾーンに分割された場合でも、ウエハＷの面内温度を均一にすることができる。なお、ゾーンの形状は、特に限定されず、円形や環状のほか、半円形、扇形、円弧状などとしてもよい。

上述した実施形態では、セラミックプレート２２を内周側ゾーンＺ１と外周側ゾーンＺ２の２つに分割したが、セラミックプレート２２を複数のゾーンに分割せず、１つのヒータ電極をセラミックプレート２２の全体にわたって一筆書きの要領で配線してもよい。

上述した実施形態では、セラミックヒータとして静電チャックヒータ２０を例示したが、静電電極２４を省略してもよいし、静電電極２４に代えて又は加えて高周波電圧を印加するためのＲＦ電極を埋設してもよい。

上述した実施形態では、各ヒータ電極２６，２８は厚さを一定とし所定領域２６Ａ，２８Ａの幅を所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の幅よりも広くしたが、各ヒータ電極２６，２８の幅を一定とし所定領域２６Ａ，２８Ａの厚さを所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の厚さよりも厚くしてもよい。このようにしても、所定領域２６Ａ，２８Ａの発熱密度を所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の発熱密度よりも小さくすることができる。但し、ヒータ電極２６，２８を印刷で作製する場合、所定領域２６Ａ，２８Ａは複数回印刷することで厚さを厚くする必要がある。

上述した実施形態において、各ヒータ電極２６，２８の厚さも幅も一定とし、所定領域２６Ａ，２８Ａの材料に所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の材料よりも低抵抗のものを用いることにより、所定領域２６Ａ，２８Ａの発熱密度を所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の発熱密度より小さくしてもよい。

上述した実施形態では、各ヒータ電極２６，２８はリボン状（平板状）のものを用いたが、コイル状のものを用いてもよい。この場合、所定領域２６Ａ，２８Ａのコイルを粗く巻き、所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分のコイルを密に巻くことにより、所定領域２６Ａ，２８Ａの発熱密度を所定領域２６Ａ，２８Ａ以外の部分の発熱密度より小さくしてもよい。

上述した実施形態において、ヒータ電極２６と内周側センサ穴３６との位置関係を図７のようにしてもよい。図７でも、内周側ヒータ電極２６のうち内周側センサ穴３６の直上部分２６ａ（図７の濃い網掛部分及び薄い網掛部分）を含む所定領域２６Ａの幅Ｍは、所定領域２６Ａ以外の部分の幅ｍよりも広くなっている。また、直上部分２６ａは、所定領域２６Ａの幅Ｍを所定領域２６Ａ以外の部分の幅ｍと同じにした場合でも、内周側センサ穴３６の直上部分と重なっている（図７の濃い網掛部分）。このようにしても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。なお、ヒータ電極２８も図７と同様にしてもよい。

１０プラズマ処理装置、１２真空チャンバ、１４反応ガス導入路、１６排気通路、２０静電チャックヒータ、２２セラミックプレート、２２ａウエハ載置面、２２ｂ下面、２２ｃ境界線、２４静電電極、２６内周側ヒータ電極、２６Ａ所定領域、２６ａ直上部分、２８外周側ヒータ電極、２８Ａ所定領域、２８ａ直上部分、３０冷却プレート、３２冷媒流路、３６内周側センサ穴、３８外周側センサ穴、４０接着シート、４６内周側連通穴、４８外周側連通穴、５０制御装置、５２入力装置、５４ＥＳＣ電源、５６，５８ヒータ電源、６０上部電極、Ｓ１内周側温度センサ、Ｓ２外周側温度センサ、Ｚ１内周側ゾーン、Ｚ２外周側ゾーン。

Claims

上面にウエハ載置面が設けられ、ヒータ電極を有するセラミックプレートと、
前記セラミックプレートの下面に取り付けられた冷却プレートと、
前記冷却プレートを上下方向に貫通し、前記セラミックプレートの温度を検出する温度センサを配置するのに用いられる貫通穴と、
を備えたセラミックヒータであって、
前記ヒータ電極のうち前記貫通穴の直上部分を含む所定領域の発熱密度は、前記所定領域以外の部分の発熱密度よりも小さく、
前記ヒータ電極は、平面視で前記貫通穴と重複するように設けられ、
前記ヒータ電極のうち前記貫通穴の直上部分を含む所定領域の電極断面積は、前記所定領域以外の部分の電極断面積よりも大きく、
前記ヒータ電極は、厚みが一定で前記所定領域の幅が前記所定領域以外の部分の幅よりも広い、
セラミックヒータ。
前記ヒータ電極は、前記セラミックプレートを複数のゾーンに分けたときのゾーンごとに設けられている、
請求項１に記載のセラミックヒータ。