JP2004228471A

JP2004228471A - 半導体ウェハ保持装置

Info

Publication number: JP2004228471A
Application number: JP2003017244A
Authority: JP
Inventors: Hideyoshi Tsuruta; 英芳鶴田; Yasuki Imai; 康喜今井; Ikuhisa Morioka; 育久森岡
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-27
Also published as: JP4165745B2

Abstract

【課題】導通端子部での放電を防ぎ、かつ導通端子部がプロセスガスによって腐食し装置寿命が短くなることを防ぐのに加えて、半導体ウェハ保持部の加熱面の温度を迅速に変化させ得るのに加えて、保持部の半導体ウェハ加熱面の温度を均一化させる点で有効な保持装置を提供する。
【解決手段】半導体ウェハ保持装置２０Ａは、半導体ウェハ保持部１、半導体ウェハ保持部１の背面に気密に接合されている筒状支持部材９、保持部１を冷却するための冷却部材４、および保持部１と冷却部材４との間に設けられた伝熱空間１２にガスＡを供給することによって、保持部１からの放熱量を制御するためのガス供給手段６を備えている。伝熱空間１２内に供給されたガスの排出は、排出防止手段５によって防止される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハ保持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】エッチング、ＰＶＤ、ＣＶＤやイオン注入等の半導体製造プロセスでは、デバイスのデザインルールの変化に伴い益々高度な特性が要求されている。半導体製造プロセスの特性を向上しかつ安定的に生産するためにはエッチング、成膜やイオン注入されるウェハの温度を高い精度で制御することが重要である。しかしながら、ウェハ温度はプロセス中で発生しているプラズマや成膜・注入物質の衝突による入熱によって上昇するため、その温度を制御することは容易ではない。特許文献１や特許文献２には、低温プロセスのウェハ保持装置を樹脂や低融点金属で冷却部材と接着又は接合し入熱を逃がす装置が記載されている。また、特許文献３には、半導体ウェハの冷却速度を向上させるための冷却機能付きの保持部材が記載されている。この装置は、最高１２００℃まで加熱可能なサセプターと、サセプターの背面側に設置された冷却部材とを備えている。冷却部材は、例えばサセプターの背面へと冷却ガスを噴射するガス供給装置である。
【特許文献１】
特開平３−３２４９号公報
【特許文献２】
特開平４−２８７３４４号公報
【特許文献３】
特開平７−２１１６０６号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高温プロセスでプロセスからの入熱を逃がしながらウェハ温度を高い精度で制御できるウェハ保持装置の実現は困難であった。その理由は、ウェハ保持装置と冷却部材とを樹脂で接着した場合、接着樹脂の耐熱性から例えば２００℃以上では使用できないからである。また、ウェハ保持装置と冷却部材を低融点金属で接合した場合、ウェハ保持装置を高温まで昇温するとウェハ保持装置と冷却部材との熱膨張差によってウェハ保持装置が破損してしまうという問題があった。また、半導体ウェハ用のサセプターにおいては、加熱面の温度を設定温度にしたときに、加熱面の温度差を高度に低減することが求められている。特許文献３に記載の半導体ウェハ保持装置は、高温から低温領域へと保持部材の加熱面の温度を急速に低下させ得る点で優れたものである。しかし、サセプターの半導体ウェハ加熱面の温度を均一化させるという点は検討されていない。更に、保持部材背面に抵抗発熱体、静電チャック電極や高周波発生用電極から取り出した端子を備えた構造の場合、保持部材冷却のために例えば不活性ガスを導入すると端子部分で放電が発生し、電極が短絡して使用できないという問題があった。また、端子部がプロセスガスに曝されることによって腐食され装置寿命が短くなるという問題があった。
【０００４】本発明の課題は、半導体ウェハ保持部の加熱面の温度を迅速に変化させ得るのに加えて、保持部の半導体ウェハ加熱面の温度を均一化させる点で有効な保持装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体ウェハ保持部、ウェハ保持部に気密に接合されている筒状支持部材、半導体ウェハ保持部を冷却するための冷却部材、および半導体ウェハ保持装置と冷却部材との間に設けられた伝熱空間にガスを供給することによって、半導体ウェハ保持部からの放熱量を制御するためのガス供給手段、および伝熱空間からのガス排出を防止する排出防止手段を備えていることを特徴とする、半導体ウェハ保持装置に係るものである。
【０００６】これによって、本発明では、ガス導入量を制御することによって、ウェハ保持部から冷却部材への伝熱量を制御することができ、これによってウェハ温度を高い精度で制御できる。また、さらには、ウェハ保持部の加熱面の均熱性を改善することができる。特に、伝熱空間からのガス排出を防止する排出防止手段を設け、伝熱空間内にガスを密封することによって、伝熱空間における圧力を調整し、伝熱空間における熱伝達の度合いを容易かつ正確に制御し、加熱面の温度の均一性を向上させることができる。例えば特許文献３に記載の発明では、伝熱空間中に供給されたガスがそのまま排出されており、従ってサセプターを急速に冷却することには適している。しかし、伝熱空間内の圧力調整は考慮されていないので、伝熱空間における熱伝達を制御することで加熱面の温度を均一化することはできない。
【０００７】また、ウェハ保持部に対して筒状支持部を気密に接合し、伝熱空間にガスを導入することができる。この実施形態では、導通端子部の放電やプロセスガスによる腐食を発生させることなく、ウェハ保持部からの伝熱量を制御することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態に係る保持装置２０Ａを概略的に示す断面図である。保持装置２０Ａは、略平板状のセラミックサセプター１と、サセプター１の背面２ｂに接合された支持部材９と、背面２ｂ側に設置された冷却部材４とを備えている。
【０００９】保持部１は、略平板状の基体２と、基体２内に埋設された機能性部材３と、部材３に接続された端子１５とを備えている。サセプターの基体２は、平坦な加熱面２ａと、加熱面２ａの反対側の背面２ｂと、側面２ｃとを備えている。支持部材９は略円筒形状をなしている。支持部材９の一端９ａが基体２の背面２ｂに接合されており、他端９ｂがチャンバー１０に接合されている。この結果、チャンバー１０の開口１０ａと支持部材９の内側空間１７とが連通し、支持部材９の内側空間１７がチャンバー１０内に対して気密に封止される。端子１５に対して、例えば棒状の電力供給手段１１が接続されている。
【００１０】基体２の背面２ｂ側には冷却部材４が設置されている。本例では、冷却部材４は平面的に見て略リング状をしており、支持部材９を包囲するように設けられている。冷却部材４は基体２の背面２ｂに対して排出防止手段５によって封止されており、冷却部材４と背面２ｂとの間に伝熱空間１２が形成されている。
【００１１】稼働時には、加熱面２ａや加熱面２上の半導体ウェハの温度分布を観測装置８によって観測する。そして、この観測結果を制御装置７に伝送し、制御装置７によってガス供給装置６の稼働状態を制御する。ガス供給装置６から矢印Ａのようにガスを伝熱空間１２内へと供給する。
【００１２】以下、本発明の作用効果について更に述べる。チャンバー１０内は減圧状態であるので、基体２の背面２ｂと冷却部材４との間の隙間も減圧状態になる。減圧状態ないし真空状態下では、基体２と冷却部材４との間で、対流による熱伝達がほとんどなく、ほぼ純粋に輻射による熱伝達しか行われないために、高い断熱効果がある。ここで、冷却部材４と背面２ｂとの間に伝熱空間１２を設け、伝熱空間１２内にガスを供給すると、冷却部材４と基体２の背面２ｂとの間で対流による熱伝達が行われる。この結果、基体２から冷却部材４への熱量の移動を、加熱面の温度分布が最小となるように制御することが可能になる。この際、伝熱空間からのガスの排出を排出防止手段５で防止することで、伝熱空間内の圧力を正確に調整でき、これによって基体２から冷却部材４への熱量の移動を、加熱面の温度分布が最小となるように制御できる。
【００１３】ガスとしては不活性ガスが好ましい。特に、半導体ウェハを加熱する用途においては、気体とセラミックス等との反応を防止するという観点から、不活性ガスが特に好ましい。不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、窒素が好ましい。ガス導入時の温度は、室温であってよく、加熱されていてよく、室温よりも冷却されていてもよい。また、ウェハ冷却やウェハの均熱性改善等のためにウェハ裏面に導入されるガスを同時に伝熱空間１２に導入してもよい。
【００１４】伝熱空間１２内の圧力は特に限定されない。なぜなら、断熱効果を優先したい場合には圧力を例えば１０^−２Ｔｏｒｒ以下と低くするか、ガスを導入しなくても良く、熱伝達を促進したい場合には圧力を増大させることが必要だからである。
【００１５】図２の保持装置２０Ｂは、図１の装置２０Ａとほぼ同様のものであるので、同じ構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。図２の保持装置２０Ｂにおいては、伝熱空間１２内に伝熱補助プレート１３が収容されている。本例では、プレート１３は冷却部材４上に設置されている。
【００１６】図３は、プレート１３の拡大図である。伝熱補助プレート１３は、複数の凸部１３と複数の凹部１３ｂとを備えており、凸部１３ａと凹部１３ｂとが交互に設けられている。ここで、凸部１３ａと背面２ｂとの間隔ａは、凹部１３ｂと背面２ｂとの間隔ｂに比べて小さくする必要がある。この結果、凸部１３ａでは、伝熱補助プレート１３と背面２ｂとの間隔ａが小さく、基体２から冷却部材４への放熱量が大きい。凹部１３ｂでは、伝熱補助プレート１３と背面２ｂとの間隔ｂが相対的に大きく、基体２から冷却部材４への放熱量が相対的に小さくなる。このため、凸部１３ａの個数、高さ、平面形状、凹部１３ｂの個数、高さ、平面形状を変更することによって、平面的に見て基体２から冷却部材４への放熱量の大きい部分と小さい部分とを生じさせることができる。この結果、ウェハ保持部１の加熱面の温度が高いホットな部分では、基体２から冷却部材４への放熱量を大きくし、クールな部分では基体２から冷却部材４への放熱量を小さくすることによって、ウェハ保持部１の均熱性を改善することができる。
【００１７】伝熱空間１２の幅ｔは、伝熱の促進という観点からは、ガスの平均自由工程以下が好ましい。ここで言う平均自由工程は、伝熱空間に気体分子が圧力Ｐ（１０^−３ｍｍＨｇ）で封止された場合を仮定している。この時、ガスの平均自由工程Ｌ（ｃｍ）は以下のように表される。
Ｌ＝８．６×１０^３η／Ｐ√（Ｔ／Ｍ）
η：ガスの粘性度（ｐｏｉｓｅ）
Ｔ：絶対温度
Ｍ：分子量
【００１８】例えば、室温のヘリウムガスを使用すると平均自由工程Ｌは１５μｍ程度になる。
【００１９】この平均自由工程が伝熱空間の幅ｔと同等以上の場合、ガスによる伝熱は気体分子と物体（ここではウェハ保持部と冷却部材）との間の熱交換が支配的となる。逆に平均自由工程が幅ｔよりもはるかに小さい場合、伝熱は気体分子間の熱伝導が支配的になる。一般に前者の方が後者よりも伝熱量が大きいので幅ｔがガスの平均自由工程と同程度以下にすることによって伝熱量を大きくすることができる。ただし、伝熱空間１２の幅ｔが小さくなりすぎると、冷却部材４の表面と背面１２ａとが部分的に接触したり、あるいは局所的に伝熱量が著しく大きくなるおそれがある。これを防止するという観点からは、伝熱空間１２の幅ｔは、０．００５ｍｍ以上が好ましい。
【００２０】半導体ウェハ保持部の材質は用途に応じて選択できるので、特に限定されない。ただし、ハロゲン系腐食性ガスに対して耐蝕性を有するセラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウムまたは緻密質アルミナが好ましく、９５％以上の相対密度を有する窒化アルミニウム質セラミックス、アルミナが一層好ましい。半導体ウェハ保持部中には、抵抗発熱体、静電チャック用電極、プラズマ発生用電極などの機能性部品を埋設することができる。機能性部品の材質は限定されないが、高融点金属であることが好ましく、モリブデン、タングステン、モリブデン−タングステン合金が特に好ましい。
【００２１】支持部材の材質は特に限定しないが、ハロゲン系腐食性ガスに対して耐蝕性を有するセラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウムまたは緻密質アルミナが好ましい。半導体ウェハ保持部と支持部材との接合方法は限定されず、固相接合、固液接合、ろう付け、ねじ止めなどの機械的締結であってよい。固液接合法は、特開平１０−２７３３７０号公報に記載された方法である。
【００２２】また、冷却装置４の種類は特に限定されない。好ましくは、冷媒を循環させるタイプの冷却装置である。この冷媒は、空気、不活性ガスのような気体や、水、オイルなどの液体であってよい。
【００２３】好適な実施形態においては、チャンバー１０と冷却部材との間を封止する封止手段を設けることができ、または、筒状支持部材と冷却部材との間を封止する封止手段を設けることができる。この実施形態の作用効果について、図４の例を参照しつつ説明する。
【００２４】図４においては、冷却装置４Ａの寸法が比較的に大きくなっている。そして、冷却装置４Ａとチャンバー１０の内壁面１０ｂとの間が封止部材２１によって封止されており、冷却装置４Ａと支持部材９との間が封止部材２２によって封止されている。
【００２５】こうした例によれば、図１〜３の実施形態に比べて、伝熱空間１２の封止が容易になる。なぜなら、稼働時には、サセプター１は通常は高温となるので、排出防止手段５には耐熱性が必要である。しかし、高度の耐熱性と気密性とを併有する封止材料は少なく、また高価である。これに対して、本実施形態では、排出防止手段５ではなく、別の封止部材２１、２２によって、チャンバー１０内の雰囲気とチャンバー外とを封止している。そして、封止部材２１、２２は比較的に低温である。従って、冷却部材と支持部材およびチャンバーとの間の封止部材は耐熱性は低くともよく、従って気密性が高くかつ低コストの封止部材を採用できる。また、排出防止手段５は、耐熱性は必要であるが、封止性能はさほど高い必要はない。
【００２６】図５の例においては、図４の例において、前述した伝熱補助プレート１３を伝熱空間１２内に設置している。
【００２７】排出防止手段５としては、例えばＣ−リング、Ｏ−リング等が使用可能で、カーボンシートのようなシート材であっても良い。伝熱空間の封止は気密な封止である必要はなく、多少のガスリークがあってもよい。例えば、ウェハ裏面へ導入するガスを同時に伝熱空間にも導入し冷却する場合には、ウェハとウェハ保持装置との間でのガスリーク量と同等のガスリーク量を許容できる。筒状支持部材と冷却部材との間の封止部材２１、２２は気密性が必要であるので、Ｏ−リング等の高度に気密性の封止部材を使用する。
【００２８】
【実施例】図１に示す保持装置２０Ａを作製した。ただし、基体２内に、抵抗発熱体としてＭｏ製のコイルを埋設すると共に、φ０．１２ｍｍ、＃５０メッシュのＭｏ製メッシュ状静電チャック電極を埋設した。この其体２の背面には窒化アルミニウムからなる筒状指示部材を接合した。この基体２の背面２ｂ側に冷却部材４を設置し、冷却部材４と背面２ｂとの間に伝熱空間１２を設け、Ｃ−リング５でシールした。筒状支持部材の側面と冷却部材の間をＯ−リングで気密にシールし、チャンバー外気と伝熱空間を隔離した。冷却装置４は水冷フランジである。伝熱空間１２の幅ｔは０．１ｍｍであった。基体２の加熱面２ａの平均温度を３００ ℃に加熱した。また、ガスＡとしてはヘリウムを使用し、ガスを伝熱空間１２内に供給した。導通端子部で放電や腐食が発生することなく運転が可能で、導入ガス圧や伝熱プレート等の制御によって熱逃げ量は約０．２Ｗ／ｍｍ２で制御できた。
【００２９】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、導通端子部で放電や腐食が発生することなく半導体ウェハ保持部の加熱面の温度を迅速に変化させ得るのに加えて、保持部の半導体ウェハ加熱面の温度を均一化させる点で有効な保持装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る保持装置２０Ａを概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る保持装置２０Ｂを概略的に示す断面図である。
【図３】伝熱補助プレート１３を示す拡大図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態に係る保持装置２０Ｃを概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態に係る保持装置２０Ｄを概略的に示す断面図である。
【符号の説明】１半導体ウェハ保持部２基体２ａ加熱面２ｂ背面２ｃ側面３機能性部材４冷却装置５排出防止部材６ガス供給装置７ガス供給の制御装置８加熱面の温度観測装置９支持部材１０チャンバー１２伝熱空間１３伝熱補助プレート１３ａ伝熱補助プレートの凸部１３ｂ伝熱補助プレートの凹部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ半導体ウェハ保持装置２１、２２封止部材Ａガス

Claims

半導体ウェハ保持部、前記半導体ウェハ保持部を冷却するための冷却部材、および前記半導体ウェハ保持部と前記冷却部材との間に設けられた伝熱空間にガスを供給することによって、前記半導体ウェハ保持部からの放熱量を制御するためのガス供給手段、および前記伝熱空間からの前記ガスの排出を防止する排出防止手段を備えていることを特徴とする、半導体ウェハ保持装置。
前記伝熱空間に収容されている伝熱補助プレートを備えていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
チャンバーと前記冷却部材との間を封止する封止手段を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
半導体ウェハ保持部の背面に気密に接合されている筒状支持部材を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記筒状支持部材と前記冷却部材との間を封止する封止手段を備えていることを特徴とする、請求項４記載の装置。
前記半導体ウェハ保持装置が、燒結セラミックスからなる基体を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記基体に、抵抗発熱体、静電チャック電極および高周波発生用電極のうち少なくとも一つが設けられていることを特徴とする、請求項６記載の装置。