JP2012169458A

JP2012169458A - ウェハ保持体

Info

Publication number: JP2012169458A
Application number: JP2011029250A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kimura; 功一木村; Daisuke Shimao; 大介島尾; Akira Mikumo; 晃三雲; Hirohiko Nakada; 博彦仲田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】複数の部品の組み合わせからなる電極部材の信頼性を高めたウェハ保持体を提供する。
【解決手段】本発明のウェハ保持体は、内部もしくは表面に導電回路を有するウェハ保持体であって、該導電回路に接続される電極部材が複数の部品の組み合わせからなり、該各部品の表面全面に耐食性被膜が形成されており、該耐食性被膜が形成された各部品を組み合わせて電極部材とした後、該電極部材の表面全面に耐食性被膜が形成されていることを特徴とする。前記電極部材は、前記各部品をネジで螺合されて組み合わされていることが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、メタルＣＶＤなどの半導体基板に所定の処理を行うための半導体製造装置に用いられるウェハ保持体に関し、特にウェハ保持体の導電回路に接続される電極部材に関するものである。

半導体製造における成膜などの工程では、従来から被処理物であるシリコンウェハなどの基板を保持し加熱する目的で、ウェハ保持体が用いられている。このウェハ保持体として、従来からセラミックスが検討されてきた。例えば、引用文献１では、セラミックスとして窒化珪素、酸窒化アルミニウム、窒化アルミニウムが提案されている。

このウェハ保持体には、その表面に基板を載置するための基板載置面が設けられ、基板載置面とは反対側の面または内部に、導電回路が設けられている。導電回路は、例えば、加熱するための抵抗発熱体であったり、静電チャックとして使用するための静電チャック用電極であったり、プラズマを発生させるための高周波発生用電極（ＲＦ電極）であったりする。

これらの導電回路へ給電するために、導電回路には電極が接続される。電極は、セラミックスとの熱膨張係数差の少ない金属、例えばタングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属が用いられてきた。これらの高融点金属は、比較的高価であるため、必要最小限の大きさにして、外部への取り出しのためにニッケルなどの他の比較的安価な金属を電極部品として接続していた。

この電極はチャンバー内の腐食性雰囲気や、大気雰囲気に曝されるので、耐食性が要求される。このため、特許文献２では、電極にニッケルメッキを施すことにより耐食性を向上させることが提案されている。

特開平０４−０７８１３８号公報特開２００２−００８９８４号公報

高融点金属の電極の表面にニッケルや金などのメッキを行い、ニッケルの電極部品を接続する場合、ネジなどの方法で結合すると、互いにこすれあう部分でメッキがはがれ、使用中にその部分から腐食がおこり、導電回路への給電ができなくなるなどの問題が発生した。

また、電極の表面にメッキを施すと、メッキによって雄ネジのネジ山が大きくなったり、雌ネジのネジ谷が小さくなるので、電極と電極部品のネジ同士がうまく接続できない問題が発生した。電極と電極部品の接続部分が十分に接続されていないと、その部分から腐食が発生したり、使用する電圧によってはスパークが発生することがあった。また、不十分な接続により、局部的に抵抗値が高くなり、異常発熱を引き起こすことがあった。これらの事態が進行すると、給電ができなくなるなどの問題が発生した。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、複数の部品の組み合わせからなる電極部材の信頼性を高めたウェハ保持体を提供することを目的とする。

本発明のウェハ保持体は、内部もしくは表面に導電回路を有するウェハ保持体であって、該導電回路に接続される電極部材が複数の部品の組み合わせからなり、該各部品の表面全面に耐食性被膜が形成されており、該耐食性被膜が形成された各部品を組み合わせて電極部材とした後、該電極部材の表面全面に耐食性被膜が形成されていることを特徴とする。

前記電極部材は、前記各部品をネジで螺合されて組み合わされており、前記耐食性被膜が形成される前の前記各部品の雄ネジは、所定のネジ山より小さく形成されていることが好ましい。

また、前記電極部材は、前記各部品をネジで螺合されて組み合わされており、前記耐食性被膜が形成される前の前記各部品の雌ネジは、所定のネジ谷より大きく形成されていることが好ましい。

以上のようなウェハ保持体を搭載した半導体製造装置は信頼性に優れたものとなる。

本発明によれば、複数の部品の組み合わせからなる電極部材の、各部品の表面全面に耐食性被膜を形成し、耐食性被膜を形成した各部品を組み合わせて電極部材とした後、この電極部材の表面全面に耐食性被膜を形成しているので、非常に耐食性に優れた電極部材とすることができるので、このような電極部材を有するウェハ保持体は非常に信頼性に優れたものとなる。

また、複数の部品がネジで螺合されている場合、耐食性被膜の厚みを考慮したネジ形状としておけば、ネジ接続の信頼性を高くすることができる。

このようなウェハ保持体を搭載した半導体製造装置は信頼性に優れたものとなる。

実施例１のＡｌＮ焼結体の断面図実施例１の部品実施例１の他の部品実施例１のウェハ保持体の断面図実施例２の部品実施例２の部品実施例２の部品実施例２のウェハ保持体の断面図

本発明のウェハ保持体の材質は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、炭化珪素などのセラミックスとすることができる。これらのセラミックスの内部もしくは表面に導電回路が形成される。

導電回路の種類は、抵抗発熱体、静電チャック用電極、高周波発生用（ＲＦ）電極などであり、これらの導電回路の内、ひとつあるいは複数の導電回路が形成されている。

導電回路の形成は、例えば、セラミックス基板の表面に、金属粉末のペーストをスクリーン印刷によって塗布し、焼成することで焼き付ける方法や、ＣＶＤや蒸着、スパッタなどの薄膜法で形成することができる。

あるいは、高融点金属のワイヤーあるいはメッシュをセラミックス粉末、あるいは造粒したセラミックス顆粒の中に埋設し、ホットプレスなどの方法によって焼成することもできる。

これらの導電回路に給電するための電極が接続される。電極はセラミックスとの熱膨張係数差の少ないタングステンやモリブデン、タンタルなどが用いられる。これらの高融点金属は比較的高価であるので、必要最小限の大きさにして、外部への取り出しには、比較的安価なニッケルなどを用いる。

これらの複数の部品を組み合わせて電極部材として導電回路に接続する。本発明においては、これらの複数の各部品に耐食性被膜を形成し、耐食性被膜が形成された各部品を組み合わせて電極部材とした後、この電極部材に更に耐食性被膜を形成する。

耐食性被膜としては、導電性が良く、耐食性に優れた金属が好ましい。例えば、ニッケル、金、銀、白金、パラジウムなどを挙げることができる。この中では、コストを考慮すると、ニッケルが最も好ましい。

これらの金属は、メッキ、溶射、スパッタなどの方法によって、各部品あるいは電極部材に耐食性被膜として形成することができる。

耐食性被膜の厚みは、使用環境や使用温度によって適宜選択することができる。例えば、最高温度２００℃、大気中で使用する場合は、ニッケルであれば膜厚は１．０μｍ、好ましくは３．０μｍ以上であれば充分な耐食性を得ることができる。使用温度が高くなれば、耐食性被膜の厚みは厚くする方が好ましい。例えば、最高温度５００℃、大気中で使用する場合は、ニッケルであれば１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ程度の厚みとすることが好ましい。

ニッケルメッキで、耐食性被膜を形成する場合、要求される耐熱温度によって各種のニッケルメッキを行うことができる。耐熱温度が３００℃までであれば、ニッケル−リンメッキ、耐熱温度が４００℃程度までであれば、ニッケル−ボロンメッキ、これ以上の耐熱温度であれば、電気ニッケルメッキとすることが好ましい。

また、各部品の下地に、ニッケル−リンメッキ、ニッケル−ボロンメッキを施し、その上に電気ニッケルメッキを施すこともできる。この場合、耐熱温度が４００℃以上必要であれば、下地メッキの厚みは、耐食性被膜の厚みとして考慮しない方が好ましい。

これら部品を組み合わせる前後のメッキにおいては、ピットやピンホール、フクレなどの欠陥が発生しないように、メッキ前に十分な洗浄を行うことが必要である。

このようにして、耐食性被膜を形成した各部品を組み合わせた後、更に耐食性被膜を形成するので、各部品を組み合わせたとき、接続部分に発生する欠陥を耐食性被膜で覆うため、非常に信頼性の高い電極部材とすることができる。

なお、各部品の耐食性被膜と、組み合せた後の耐食性被膜は、材質が異なっていてもかまわない。上記においては、ニッケルメッキで説明したが、各部品にニッケルメッキを施し、組み合わせた後に、金メッキを施すことも可能である。ニッケルメッキと金メッキの両方を施すこともできる。

このような電極部材をウェハ保持体の導電回路に接続する。導電回路に耐食性がない場合は、導電回路と電極部材の接続部分が外部に露出しないように、セラミックスやガラスなどを用いて、接続部分を封止することが好ましい。

各部品の組み合わせに、ネジを用いる場合、耐食性被膜の厚みによっては、雄ネジと雌ネジがねじ込めないことがある。このため、雄ネジのピッチは変えずに、ネジ山の外径を耐食性被膜の厚み分だけ小さく加工しておくことが好ましい。また、雌ネジのピッチは変えずに雌ネジのネジ谷の内径を耐食性被膜の厚み分だけ大きく加工しておくことが好ましい。

雄ネジと雌ネジの両方を加工してもよいが、どちらか片方だけを耐食性被膜の厚み分だけ加工することも可能である。雄ネジ側と雌ネジ側のそれぞれの加工のしやすさ、コストを考慮して選択することができる。例えば、モリブデン部品とタングステン部品を組み合わせる場合、モリブデンの方が加工しやすいので、モリブデン部品の方だけを加工する方がコスト的に有利である。

また、熱膨張係数差をできるだけ小さくするために、接続する部品をセラミックス側から、タングステン、モリブデン、ニッケルとすることが好ましい。この場合、少なくともタングステン部品とモリブデン部品には、耐食性被膜を形成する。耐食性被膜の厚みは、上述のように、使用環境によって適宜選択することができるが、以下では、２０μｍとした場合について述べる。

タングステン部品とモリブデン部品の雄ネジと雌ネジは、４０μｍの厚みの耐食性被膜を形成したときに所定の形状となるように加工しておく。耐食性被膜として、ニッケルメッキを施す場合、タングステン部品とモリブデン部品にそれぞれ２０μｍの厚みのニッケルメッキを施す。ニッケル部品についてはニッケルメッキを施す必要はない。無論ニッケルメッキを施してもかまわない。

そして、タングステン部品、モリブデン部品、ニッケル部品をネジ止めによって組み合わせた後、更に、ニッケルメッキを２０μｍの厚みで形成する。このように、各部品を組み合わせた後に、更に耐食性被膜を全面に形成することにより、組合せ時に発生した欠陥や、例えば電気めっき時の接点付近で発生する膜厚の薄い部分にも耐食性被膜を重ねて形成することになるので、信頼性の高い電極部材とすることができる。

このように、耐食性被膜を形成した電極部材は、チャンバー内の腐食性雰囲気、例えば、ＳＦ_６、ＮＦ_２、ＣＦ_４などの雰囲気に曝されても、十分に耐食性を有する。例えば、耐食性被膜がニッケルの場合、ニッケルとフッ素が反応して、フッ化ニッケルとなる。フッ化ニッケルは不動態膜となり、腐食の進行を止めることができる。また、腐食性被膜が金や白金の場合は、上記のガスと反応しないので、腐食が進行することがない。

このような、電極部材を備えたウェハ保持体を搭載した半導体製造装置は、非常に寿命が長く、信頼性の高いものとなる。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９７重量部に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を、３重量部添加し、アクリルバインダー、有機溶剤を加え、ボールミルにて２４時間混合して、ＡｌＮスラリーを作製した。このスラリーを、スプレードライにてＡｌＮ顆粒を作製し、焼結後の直径が３４０ｍｍになるように、厚み１０ｍｍのプレス体を成形した。

発熱体としてモリブデン（Ｍｏ）コイルを準備し、プレス体の発熱体が挿入される部分に溝加工を施し、Ｍｏコイルの発熱体を設置した。発熱体の両端には、直径６ｍｍのＭｏ端子を設置した。次いで、さらに顆粒をプレス体上に投入し、厚み１５ｍｍのプレス体を作製した。更に、このプレス体の上に直径３１０ｍｍのＭｏメッシュを高周波発生用電極として設置し、発熱体同様Ｍｏ端子を設置した。各Ｍｏ端子は、成形体の概ね中心部に設置した。

次いで、Ｍｏメッシュの上にＡｌＮ顆粒を投入し、厚み１８ｍｍのプレス体を成形した。このプレス体を７００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、１８００℃、９．８ＭＰａの圧力でホットプレスすることにより、図１に示すように、抵抗発熱体１０と高周波発生用電極１１が埋設され、それぞれの導電回路にはＭｏ端子２０が接続された窒化アルミニウム焼結体２を作製した。そして、焼結体内に埋設されたＭｏ端子を機械加工により露出させ、Ｍ３の雌ネジ加工を施した。

また、前記ＡｌＮ顆粒を用いて、外径８０ｍｍ、内径７２ｍｍ、長さ２００ｍｍで端部にフランジ加工されたＡｌＮ筒状体を準備し、ＡｌＮ粉末にＹ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３を加えたペーストをフランジ部に塗布し、１７００℃窒素雰囲気中で、前記ＡｌＮ焼結体に接合した。

図２に示すように、Ｍ３の雄ネジ加工を両端に施しフランジ部を形成したＭｏ部品２１と、図３に示すように、Ｍ３の雌ネジ加工を施したＮｉ部品２２を準備した。Ｍｏ部品には、電気ニッケルメッキと電気ニッケルメッキ後に８００℃水素雰囲気中でシンターを繰り返し、表１に示す厚みのニッケルメッキを施した。なお、Ｍｏ部品の雄ネジは、メッキ厚みを考慮した寸法にネジ加工した。そして、Ｍｏ部品とＮｉ部品を所定のトルクでねじ込み、電極部材とした。この電極部材に表１に示す厚みのニッケルメッキを施した。

図４に示すように、Ｍｏ部品２１とＮｉ部品２２を組み合せニッケルメッキを施した電極部材を、ＡｌＮ焼結体のＭｏ端子にねじ込み取り付けた。Ｍｏ端子の周囲にＡｌＮのリング４０を設置し、結晶化ガラスにより封止して、Ｍｏ端子が露出しないようにした。このようにして、ウェハ保持体１を完成させた。

ウェハ保持体をチャンバー内に設置し、ヒータを所定の温度に昇温氏、１０００時間保持した。ＡｌＮ筒状体内は、大気雰囲気とした。また、ヒータの通電と同時に高周波発生用電極を用いて、プラズマも発生させた。１０００時間後の電極部材の変化を確認した。その結果を表１に示す。

Ｍｏ部品のニッケルメッキおよび電極部材のニッケルメッキが厚い程、高温でも電極部材に変色は発生しなかった。電極部材のニッケルメッキを施さなかった比較例であるＮｏ.１０とＮｏ.１１は電極部材が酸化して、途中で通電できなくなった。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９７重量部に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を、３重量部添加し、アクリルバインダー、有機溶剤を加え、ボールミルにて２４時間混合して、ＡｌＮスラリーを作製した。このスラリーを、スプレードライにてＡｌＮ顆粒を作製し、焼結後の直径が３４０ｍｍになるようにプレス体を成形した。プレス体は、焼結後の厚みが１１ｍｍになるようにしたものを２枚、焼結後の厚みが６ｍｍになるようにしたものを１枚作製した。

これらのプレス体を窒素雰囲気中７００℃で脱脂し、窒素雰囲気中１８５０℃で焼結し、ＡｌＮ焼結体を作製した。ＡｌＮ焼結体に両面研磨加工を行った。厚み１０ｍｍのＡｌＮ焼結体の１枚の片面にヒータ回路、他方の面に高周波発生用電極を、タングステンペーストをスクリーン印刷して形成し、１８００℃窒素雰囲気中で焼成した。

ＡｌＮ粉末を主成分とするセラミックスペーストを作製した。このセラミックスペーストを、前記ＡｌＮ焼結体の上下面全面に、スクリーン印刷にて塗布し、乾燥後窒素雰囲気中７００℃で脱脂した。高周波発生用電極の側に厚さ５ｍｍのＡｌＮ焼結体を、ヒータ回路側に厚さ１０ｍｍのＡｌＮ焼結体を設置し、ホットプレスにて、０．９８ＭＰａの圧力、１８００℃の温度で接合した。接合後、電極部材を取り付ける位置に座グリ加工を施し、高周波発生用電極とヒータ回路を露出させた。

また、前記ＡｌＮ顆粒を用いて、外径８０ｍｍ、内径７２ｍｍ、長さ２００ｍｍで端部にフランジ加工されたＡｌＮ筒状体を準備し、ＡｌＮ粉末を主成分とするペーストをフランジ部に塗布し、１７００℃窒素雰囲気中で、前記ＡｌＮ焼結体に接合した。

図５に示すように、Ｍ３の雄ネジ加工を両端に施しフランジ部を形成したタングステン（Ｗ）部品５０、図６に示すように、Ｍ３の雄ネジ加工と雌ネジ加工を施したＭｏ部品５１、図７に示すように、Ｍ３の雌ネジ加工を施したＮｉ部品５２を用意した。

Ｗ部品５０とＭｏ部品５１には、電気ニッケルメッキと電気ニッケルメッキ後のシンターを繰り返して、表２に示す厚みのニッケルメッキを施した。なお、Ｗ部品の雄ネジは、各メッキ厚みを考慮した寸法の雄ネジ加工をあらかじめ施した。

ニッケルメッキを施したＷ部品とＭｏ部品とニッケル部品を所定のトルクでねじ込み、電極部材とした。この電極部材に、電気ニッケルメッキで、表２に示す厚みのニッケルメッキを施した。

図８に示すように、ニッケルメッキを施した電極部材を前記座グリ加工部にねじ込み、その周囲にＡｌＮリング４０を設置して、結晶化ガラスにより封止して、導電回路が露出しないようにした。このようにして、ウェハ保持体１を完成させた。

これらのウェハ保持体をチャンバー内に設置して、実施例１と同様に評価した。その結果を表２に示す。

Ｗ部品とＭｏ部品のニッケルメッキおよび電極部材のニッケルメッキが厚い程、高温でも電極部材に変色は発生しなかった。電極部材のニッケルメッキを施さなかった比較例であるＮｏ.２１とＮｏ.２２は電極部材が酸化して、途中で通電できなくなった。

Ｗ部品の雄ネジ加工をメッキ厚みを考慮しないで、所定の寸法にしたこと以外は、実施例２と同様のウェハ保持体を作製し、同様の評価を行った。その結果を表３に示す。

メッキの厚みを考慮しない場合、メッキの厚みが厚いＮｏ．２７からＮｏ．３１は組み合わせることはできたが、十分にねじ込むことはできなかった。メッキの厚みが厚い場合は、メッキの厚みを考慮しないネジ加工にすると、変色が激しくなった。

電極部材のメッキを金（Ａｕ）メッキにしたこと以外は、実施例２と同様のウェハ保持体を作製し、同様の評価を行った。その結果を表４に示す。

表４に示すように、金メッキの場合は、変色がなく、非常に優れた耐食性を示した。

ＡｌＮの筒状体を接合せずにＡｌＮの棒３本で支えた以外は実施例２と同様のウェハ保持体を作成し、実施例２と同様であるが、ＳＦ_６のプラズマ雰囲気での評価を行った。その結果を表５に示す。

電極部材としてからＮｉメッキを施さなかったものは、結合部分がひどく腐食されており、より短時間で通電できなくなった。それ以外のものは、若干の変色はあったが、通電に影響はなかった。変色部分をＸＲＤにて分析すると、ＮｉＦ_２が生成していることが判明した。

本発明によれば、複数の部品の組み合わせからなる電極部材の、各部品の表面全面に耐食性被膜を形成し、耐食性被膜を形成した各部品を組み合わせて電極部材とした後、この電極部材の表面全面に耐食性被膜を形成しているので、非常に耐食性に優れた電極部材とすることができるので、このような電極部材を有するウェハ保持体は非常に信頼性に優れたものとなる。このようなウェハ保持体を備えた半導体製造装置は、非常に信頼性の高いものとすることができる。

１ウェハ保持体
２ＡｌＮ焼結体
１０導電回路（抵抗発熱体）
１１導電回路（高周波発生用電極）
２０Ｍｏ端子
３０筒状体
４０ＡｌＮリング
２１、２２、５０〜５２電極部品

Claims

内部もしくは表面に導電回路を有するウェハ保持体であって、該導電回路に接続される電極部材が複数の部品の組み合わせからなり、該各部品の表面全面に耐食性被膜が形成されており、該耐食性被膜が形成された各部品を組み合わせて電極部材とした後、該電極部材の表面全面に耐食性被膜が形成されていることを特徴とするウェハ保持体。
前記電極部材は、前記各部品をネジで螺合されて組み合わされており、前記耐食性被膜が形成される前の前記各部品の雄ネジは、所定のネジ山より小さく形成されていることを特徴とする請求項１に記載のウェハ保持体。
前記電極部材は、前記各部品をネジで螺合されて組み合わされており、前記耐食性被膜が形成される前の前記各部品の雌ネジは、所定のネジ谷より大きく形成されていることを特徴とする請求項１に記載のウェハ保持体。
請求項１乃至３のいずれかに記載のウェハ保持体を搭載したことを特徴とする半導体製造装置。