JP2008182129A - 半導体製造装置用ウェハ保持体、その製造方法およびそれを搭載した半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェハ上に均一にプラズマを発生させ、近年の半導体回路の微細化に対応できる均一な膜厚をウェハ全面に形成することができる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、セラミックス焼結体中に高周波発生用電極を埋設しているウェハ保持体であって、前記高周波発生用電極とウェハ載置面までの距離が一定ではないことを特徴とする。距離を一定にしないとは、前記高周波発生用電極と、ウェハ載置面までの距離が、ウェハ載置面の中心部から端部に向かって長くなってもよいし、短くなってもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置に用いられるウェハ保持体、その製造方法および該ウェハ保持体を搭載した半導体製造装置に関する。

従来から、半導体製造装置用ウェハ保持体（サセプタ）として、セラミックスヒータが使用されてきた。例えば特開平０４−０７８１３８号公報に記載されているように、発熱体が埋設されているセラミックスヒータの実用化が進められてきた。更に近年ではセラミックス中に高周波発生用電極を埋設し、プラズマを発生させ、ウェハ上に成膜する技術が開発されている。

例えば、特開平０６−２９１０４９号公報には、高周波発生用電極を埋設した窒化アルミニウムヒータが開示されている。この公報では、明細書の段落００２１に記載されているように、窒化アルミニウムのグリーンシートに窒化チタンやタングステンのペーストを塗布し、グリーンシートを積層することで高周波発生用電極を形成している。

また、ウェハ上に形成される膜の厚みを均一にするために、シミュレーションを使用して、ヒータに形成される発熱パターンを最適化する手法も開示されている。

上記のように、高周波発生用電極を埋設したサセプタにおいて、均一にプラズマを発生させるために、ウェハから埋設されている高周波発生用電極までの距離を一定にしたりすることで解決しようとされているが、実際には埋設された高周波発生用電極自身のインピーダンスの影響もあり、ウェハ上に均一にプラズマを発生させ、近年の半導体回路の微細化に対応できる均一な膜厚をウェハ全面に形成するには至っていない。
特開平０４−０７８１３８号公報 特開平０６−２９１０４９号公報

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、ウェハ上に均一にプラズマを発生させ、近年の半導体回路の微細化に対応できる均一な膜厚をウェハ全面に形成することができるウェハ保持体を提供することを目的とする。また、該ウェハ保持体の製造方法ならびに該ウェハ保持体を搭載した半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明のウェハ保持体は、セラミックス焼結体中に高周波発生用電極を埋設しているウェハ保持体であって、前記高周波発生用電極とウェハ載置面までの距離が一定ではないことを特徴とする。該距離を一定にしないことによって、ウェハ上に均一にプラズマを発生させ、近年の半導体回路の微細化に対応できる均一な膜厚をウェハ全面に形成することができる。

前記距離を一定にしないとは、前記高周波発生用電極と、ウェハ載置面までの距離が、ウェハ載置面の中心部から端部に向かって長くなってもよいし、短くなってもよい。

ウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離の最大値が３ｍｍ以下であり、最小値が０．２ｍｍ以上であることが好ましい。また、ウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離の最大値と最小値の差が２ｍｍ以下であることが好ましい。このような範囲にすることによって、より均一なプラズマを発生できるようになる。

前記高周波発生用電極は、タングステンやモリブデン、タンタルなどの高融点金属や、ステンレス、ニクロム等を用いることができる。この中でも、タングステンを主成分とすることが好ましく、該タングステンは厚膜印刷により形成されていることが好ましい。また、前記高周波発生用電極のシート抵抗値は５０ｍΩ/□以下であることが好ましい。高周波発生用電極をタングステンを主成分とすることにより、１２インチやそれ以上の大きさのウェハに対しても、窒化アルミニウムなどのセラミックスとの熱膨張係数差が少ないため、ウェハ保持体の製造時の反りや、使用時の反り、変形などを最も低く抑えることができるため好ましい。また、シート抵抗値を５０ｍΩ／□以下とすることによって、より均一なプラズマを発生できるようになる。シート抵抗値は、３０ｍΩ／□がより好ましく、１０ｍΩ／□であれば、更に好ましい。

前記高周波発生用電極の厚みが３μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。３μｍ未満であれば、高周波発生用電極の抵抗が大きくなるので、高周波発生用電極が発熱してウェハ保持体の均熱性が損なわれる。また、１００μｍを超えると、ウェハ保持体を構成するセラミックスと高周波発生用電極との密着性が悪くなりセラミックスと高周波発生用電極との間に隙間が生じて均一なプラズマを発生できなくなる。

前記高周波発生用電極に接続される外部接続電極が、前記高周波電極の略中心部に存在することが好ましい。

上記のようなウェハ保持体が搭載されている半導体製造装置は、プラズマを均一に発生させることができるので、製造する半導体の歩留りを向上させることができ、また半導体の性能もよくすることができる。

上記のようなウェハ保持体は、高周波発生用電極を埋設した未焼成のセラミックス成形体を、湾曲した治具に挟み込み、０．９８ｋＰａ以上の圧力を加え焼結することによって得ることができる。また、高周波発生用電極を形成したセラミックス焼結体と、高周波発生用電極上に接合するセラミックス焼結体を、接合層を介して加熱接合する際に、前記両方のセラミックス焼結体を湾曲した治具に挟み込み、９８ｋＰａ以上の圧力を加え、前記両方のセラミックス焼結体を接合することによっても得ることができる。更に、高周波発生用電極を埋設したセラミックス焼結体を、湾曲した治具に挟み込み、９８ｋＰａ以上の圧力を加え、加熱することによっても得ることができる。

本発明によれば、セラミックス焼結体に埋設された高周波発生用電極のウェハ載置面までの距離が一定ではない。すなわち、高周波発生用電極のウェハ載置面までの距離を制御することによって、プラズマの発生を均一にし、ウェハ上に形成される膜の厚みを均一にすることができる。

通常セラミックス焼結体中に埋設された、高周波発生用電極は、セラミックスの外部に存在するアース地点、例えばサセプタが設置される容器など、接地されている部分に接続される。このとき、セラミックス中に埋設された高周波発生用電極には、接地点まで接続されるアース線が接続される。実際のウェハ上に発生するプラズマの強度は、ウェハ上の各ポイントにおけるアース線までのインピーダンスの影響を強く受ける。すなわち、一般にはインピーダンスが小さい部分では、プラズマが強くなるため、膜厚が厚くなり、インピーダンスが大きい部分ではプラズマが相対的に弱くなるため、膜厚が薄くなりやすい傾向がある。但し、チャンバー内のガスの種類や、その流量、圧力、ウェハの温度によってプラズマの挙動が変化するため、上記と逆の傾向を示す場合もある。しかしながら、所定の反応ガスを、例えばシャワーヘッドなどを使用して、ウェハ上に均一に供給する場合は、やはり、上記のインピーダンス及びウェハの温度の影響を強く受けるのである。但し、ウェハの温度に関しては、近年開発がすすみ、シミュレーション技術などを駆使して、均熱特性の向上が図られている。

上記ウェハ上の各ポイントにおけるアース線までのインピーダンスに影響を与える因子としては、ウェハ温度、及びウェハの厚みが一定の場合、ウェハから高周波発生用電極までの雰囲気や、誘電体（高周波発生用電極とウェハ載置面との間のセラミックス焼結体）の厚み、すなわち、成膜するウェハ表面から高周波発生用電極までのインピーダンスと、高周波発生用電極からアース地点までのインピーダンスが挙げられる。すなわちこれらの因子を合算した値によってウェハ上のプラズマの強度、ウェハ上に形成される膜の厚みが決定される。

上記影響を与える因子の内、高周波発生用電極のインピーダンスに関しては、セラミックス中に埋設された高周波発生用電極の単位距離の抵抗値が均一であるなら、アース線に接続される地点までの距離に比例することになる。このため、ウェハ上の各地点におけるセラミックス中に埋設された高周波発生用電極までの距離が一定である場合、上記のようにアース線までの距離が各地点で異なるため、インピーダンスは一定にはなりえない。このため、膜形成するウェハ面から高周波発生用電極までの距離を調整することで、ウェハ上に発生するプラズマの強度を一定にすることを見出した。すなわち、本発明はウェハから高周波発生用電極までの距離が一定ではないことを特徴としている。このようにウェハ面から、埋設された高周波発生用電極までの距離を制御（設計）することでプラズマの強度をウェハ全面で均一にすることができるのである。

例えば、ウェハ載置面が、均一な平面であり、ウェハ載置面に対してウェハが平行に存在する場合、ウェハの各地点からのアース線までのインピーダンスを一定にするためには、ウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離を、ウェハの外周部へ向かう方向に対して徐々に小さくなるように制御すればよい。すなわち、高周波発生用電極からアース地点までのインピーダンスの各地点における差異を高周波発生用電極からウェハまでの誘電体の厚みによって制御することで、均一なプラズマ強度を実現することができるのである。

すなわち、図１に示すように、高周波発生用電極２と発熱体３とを埋設したセラミックス焼結体４において、ウェハ載置面１から高周波発生用電極２までの距離が、中心部から端部に向かって短くなるようにする。従来は、図３に示すように、ウェハ載置面１と高周波発生用電極２と発熱体３は略平行であった。

また近年、ウェハの温度を均一にし、更にサセプタの破損などに対する信頼性を向上させるために、載置面の形状を、凹形状にしたサセプタが提案されている。このようなサセプタにおいては、ウェハに反りがない場合においては、ウェハとセラミックス製サセプタのウェハ載置面との間に空間が存在する。この場合ウェハと高周波発生用電極までのインピーダンスは、空間部分におけるインピーダンスと、セラミックス部分のインピーダンスの和になる。

この空間部分におけるインピーダンスは、ウェハとウェハ載置面表面との間に存在する気体の種類と、その圧力に依存するが、おおむねその誘電率は１程度である。それに対してセラミックスの誘電率は、種類によって異なるが、おおむね４〜１２程度である。インピーダンスは１／ωＣ（ω：周波数、Ｃ：誘電率）に比例するため、誘電率が小さいものほどインピーダンスに与える影響は大きくなる。このため、高周波発生用電極の単位距離における抵抗値を考慮する必要はあるが、おおむね高周波発生用電極の埋設位置は、アース地点に近いほどウェハ載置面に近くなり、逆にアース線から遠いほどウェハ載置面から遠くなるという上記とは逆の図２のようにウェハ載置面１から高周波発生用電極２までの距離が、中心部から端部に向かって長くなるような形状にする。

このようにウェハと載置面との間に空間が存在する場合には、載置面上にエンボスなどの突起を形成し、ウェハを支持することでウェハのたわみによる影響を最小限にすることができる。エンボスの形状としては、特に制約はないが、ウェハがたわまない程度のピッチ、具体的には５０ｍｍ以内の間隔で形成すればよい。５０ｍｍを超える間隔を有する場合は、エンボス間でウェハがたわむことがあり、プラズマの発生に影響を及ぼすことがあるため好ましくない。更に好ましいエンボスの間隔としては、３０ｍｍ以下である。この程度の間隔であれば、ウェハのたわみによる影響をほぼ無くすことができるため好ましい。

また、ウェハの温度を均一にし、ウェハの載置面への吸着を防ぐために、ウェハ載置面上にエンボスを形成することがある。このような場合も、上記と同様のエンボス間隔にし、エンボスの高さに応じて、ウェハ上の各地点におけるインピーダンスを考慮したうえで、高周波発生用電極の埋設位置を決定すればよく、基本的には、上記のウェハ載置面の形状を凹形状にした場合と同様の計算をすればよい。

すなわち、本発明においては、上記２つの例を示したように、高周波発生用電極の設置位置を、ウェハ載置面の形状や高周波発生用電極自身のインピーダンスを考慮し、ウェハ載置面までの距離を一定ではないことによりウェハ上のプラズマの強度を均一化し、一定の厚みの膜をウェハ上に形成することができる。

ウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離は、０．２ｍｍ以上であること好ましい。０．２ｍｍ未満になる場合には、高周波発生用電極とウェハ載置面までの間に存在する誘電体の強度が小さくなり、好ましくない。すなわち、ウェハ保持体に加わる温度サイクルや、ウェハを載置面に載置する際に加わる温度衝撃によって、誘電体が破損することがあるため好ましくない。また、誘電体層の最大の厚みとしては３ｍｍ以下であることが好ましい。高周波発生用電極からウェハ載置面までの距離が３ｍｍを超えると、どうしてもウェハから高周波発生用電極までのインピーダンスが大きくなり、プラズマの発生強度が低下するために、成膜速度が低下し、スループットが低下するため好ましくない。以上のことから誘電層の厚みとしては、０．２ｍｍから３ｍｍが好ましく、特に０．３ｍｍから２ｍｍであれば、誘電体強度も確保でき、かつ、比較的強度の強いプラズマを均一に発生させることができるため好ましい。

更に、ウェハ載置面から、ウェハまでの距離は１ｍｍ以下であることが好ましい。上記のように、ウェハ載置面からウェハまでの間に空間を形成すると、ウェハ保持体の温度分布の影響が小さくなり、均熱性を向上させることができる。しかしながら、空間部分は、上記に述べたように、インピーダンスが大きいため、ウェハ載置面からウェハまでの距離を大きくとれば、結果的に、ウェハ面の各地点におけるインピーダンスのばらつき具合は小さくすることができる。しかしこれは、上記で述べたように、ウェハと載置面までの空間は、誘電率が低く、インピーダンスが大きくなりすぎ、このため、ウェハが載置面から離れすぎると、発生するプラズマの強度が弱くなるため、スループットが低下し好ましくない。

プラズマの発生強度を低下しないようにするためには、エンボスの高さを０．５ｍｍ以下にすることが更に好適である。またエンボスがない状態であっても、プラズマの強度は高く保つことができる。しかし、ウェハが載置面に吸着してしまい、載置面から離れなくなってしまい、例えばリフターピンでウェハを載置面から離す際にウェハが破損することがあるため好ましくない。好ましい高さとしては２μｍ以上が好ましく、更にエンボスの間隔は上記に述べたように５０ｍｍ以下であることが好ましい。この程度以下の間隔と高さであれば、ウェハの載置面に対する吸着を防止でき、しかも均熱性に優れたウェハ保持体とすることができるため好ましい。均熱性も考慮すると、エンボスの高さは５μｍ以上であることが好ましい。

ウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離の最大値と最小値の差は２ｍｍ以下であることが好ましい。２ｍｍを超える間隔差を有する場合、このインピーダンス差をウェハ載置面とウェハとの間隔で調整すればよいが、部分的にウェハと載置面との間の空間が大きくなる。例えば誘電率が８〜９程度の窒化アルミニウムの場合、上記の差を調整するには、ウェハ載置面とウェハの距離を少なくとも０．２ｍｍ以上形成する必要がある。この場合、部分的にウェハ載置面とウェハとの距離が大きくなりすぎる部分が出現するため、ウェハを載置面に搭載した際に、ウェハの面内に温度分布が発生しやすくなり、ウェハ面内の温度が均一になるまでに時間が掛かり、スループットが低下するため好ましくない。好ましい距離の差は１．５ｍｍ以内である。この程度になると、ウェハ内の温度分布のばらつきも小さくなり、スループットの低下も小さくなるため好ましい。

また高周波発生用電極の形状としては、特に制約はなく、メッシュ状の金属や、膜状や箔状の金属などが選択することができる。このため、埋設する高周波発生用電極の材質やその厚み、表面積などによってインピーダンスが決まる。しかしながら、最もインピーダンスの低いメッシュの場合であっても、セラミックス内に埋設できるメッシュの線径には限界がある。ホットプレスなどの手法で埋設する場合は、メッシュの線径が１ｍｍ以下である。１ｍｍを超える線径を有する場合は、ウェハ保持体に加わる温度サイクルによって、セラミックスとメッシュとの間が剥離することがあるため好ましくない。この場合のウェハ載置面からウェハまでの距離を一定とするならば、アース線までの距離を８インチウェハの大きさで考慮すると、アース線付近のウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離と、高周波発生用電極端部におけるウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離の差は０．００１ｍｍは必要である。

また、近年では、ウェハ保持体に付着した膜を除去するために、フッ素系のガスを用いて、ウェハ保持体を含めたチャンバー内をクリーニングする。このため、ウェハ保持体の材質としてはセラミックスであることが必要である。使用できるセラミックスとしては、アルミナや炭化珪素、窒化珪素、ムライト、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどを上げることができる。この中では、比較的熱伝導率が高く、均熱性に優れ、更に耐食性にも優れる窒化アルミニウムがもっとも好ましい。

また、ウェハ保持体内に埋設する高周波発生用電極の材質としては、ウェハ保持体にセラミックスを使用するため、熱膨張が上記セラミックスに近いものが好ましい。例えばタングステンやモリブデン、タンタルなどの高融点金属やステンレス、ニクロムなどを上げることができる。また上記に記載したように、特に耐食性と均熱に優れる窒化アルミニウムをウェハ保持体として使用する場合には、熱膨張係数の差が比較的少ないモリブデンやタンタルが特に好ましい。またこれらの材質は融点が非常に高いため、窒化アルミニウムと同時に焼結することができる。これらの材質はまた、メッシュや箔に加工することができる。そして成形体の中にこれらを埋設し、焼結することでウェハ保持体とすることができる。

また高周波発生用電極の形態としては、スクリーン印刷などの方法で形成することも可能である。スクリーン印刷においては、面内で比較的均一な膜を形成することができる。また金属のメッシュを高周波発生用電極として使用した場合、ウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離は、ウェハ載置面の直下に金属メッシュを構成する金属ワイヤーが存在する場合と、存在しない場合とにおいて高周波発生用電極までの距離が微妙に異なるため、プラズマの不均一さを生じることがある。また金属メッシュでは、アース線に対して同一の距離にあるウェハ載置面であっても、金属ワイヤーを編んでいるために、一直線でアース線に繋がっている部分と、２直線で繋がっている部分とが、インピーダンスが異なることなる。この現象は、メッシュが粗いと特に顕著であり、５メッシュ以下では特に顕著である。また、高周波発生用電極を金属箔で形成すれば上記のような課題を解決することが出来る。

すなわちウェハ載置面のどの場所においてもその直下に高周波発生用電極が存在し、かつアース線までどの場所をとっても直線で結ぶことが出来る。しかし、金属箔をセラミックス中に挿入する場合、たとえば成形体中に金属箔を設置し、ホットプレスなどの手法で、セラミックスを焼結させるが、金属箔とセラミックスとの間に充分な密着強度が得られないことがある。以上のことから、高周波発生用電極としては、上記のような問題が生じにくいスクリーン印刷などの手法で塗布された膜が好ましい。

セラミックス中に形成する高周波発生用電極のシート抵抗値としては、５０ｍΩ/□以下が好ましい。これは近年のウェハの大型化（１２インチ化）に伴い、高周波発生用電極の面積も大きくなっている。このときアース線までの距離は必然的に長くなり、インピーダンスの絶対値が大きくなってしまう。このためウェハ上に発生するプラズマの強度が弱くなり、所定の膜厚に成膜する時間が長くなり、スループットの低下を引き起こすことがあり、好ましくない。好適なシート抵抗値としては１０ｍΩ/□以下であれば、充分に低いインピーダンスとすることが出来るため特に好ましい。

また、高周波発生用電極の膜厚は、３μｍ以上が好ましい。近年のウェハの大型化に伴い、高周波発生用電極に印加される電力が大きくなり、場合によっては数アンペア（Ａ）を超える電流が高周波発生用電極に流れるため、３μｍ未満の膜厚では、高周波発生用電極自身が発熱し、ウェハの均熱性を損なうことがある。最悪の場合は、ＲＦ回路自体が焼ききれることがあるため、好ましくない。好ましくは５μｍ以上であり、更には１０μｍ以上である。１０μｍ以上の厚みを有すれば、２０Ａ程度の電流が流れても、発熱量は比較的小さいため好ましい。しかし膜厚が１００μｍを超えると、今度はセラミックスに対する高周波発生用電極の密着性が低下しはじめ、場合によっては、セラミックスと電極の間に空隙が生じることがあり、所定のインピーダンス値が大きくなってしまうことがある。最も好ましい膜厚としては１０μｍから５０μｍ程度である。

またアース線の設置位置は、特に制約はないが、ウェハ保持体の略中心部であることが好ましい。アース線が中心部付近に存在することで、高周波発生用電極自身のインピーダンスの分布が同心円状になる。このため、比較的どの部分においても、所定値以下のインピーダンス値に制御しやすくなるため好ましい。また中心部付近に設置することで、アース線に対して各方向から印加される高周波の流れも一定になり、アース線の方向による高周波のばらつきも小さくなるため好ましい。

中心部に接続するアース線については、その表面積が大きいほうが好ましい。特に１ＭＨｚ以上の高周波を高周波発生用電極に印加する場合、高周波は金属の外表面を流れる比率が高くなる。このため、アース線を高周波が流れる断面で切断したときに、その外周部の長さは３．１４ｍｍ以上であることが好ましい。たとえば、アース線が直径１ｍｍで１本の場合は、その切断面の外表面の長さは３．１４ｍｍとなる。このため特に１２インチ用のウェハ保持体で１０ＭＨｚ以上の高周波を印加する場合においては、６．２８ｍｍ以上の外周部の長さを有することが必要である。この長さを有するために、たとえば直径２ｍｍのアース線を使用することも考えられるし、直径１ｍｍのアース線を２本使用することも可能である。上記のような外周長を満たさない場合においては、アース線自身が発熱し、ウェハ保持体への均熱性が低下することがあり、最悪の場合アース線が溶断してしまうことがある。

またアース線は、高周波が伝達するため、アース線自身にプラズマが発生する場合がある。このような場合、アース線自身を構成する金属原子がプラズマ化することがあるため、これを避けるために絶縁パイプなどの被覆材を使用することが好ましい。またプラズマが発生してもウェハに対するコンタミネーションにはなりにくいニッケルなどの金属を被覆させることが好ましい。被覆の方法としては、溶射やメッキが挙げられる。

上記で述べたウェハ保持体の作製方法としては、３通りある。先ず一つはセラミックスのグリーンシートを準備する。たとえばその厚みは０．５ｍｍとしておく。ここにスクリーン印刷で高周波発生用電極を塗布し形成する。そこに印刷していないシートを積層し、ラミネートする。またこのとき発熱体回路パターンを印刷したシートを積層することも可能である。これを脱脂し、焼結するが、そのとき使用する治具を形成したい高周波発生用電極の形状にし、その上に成形体をセットし、更に成形体の下側にセットした治具とは反対の形状を有する治具をセットし、脱脂、焼結することで、所定のＲＦ形状を有するウェハ保持体を形成することが可能である。このとき、焼結時に、成形体に所定の圧力を加えることで、所定の形状に形成することができる。

このとき圧力を加える温度は、焼結温度より、低い温度から加えるが、５００℃以上低い温度で圧力を加えると、成形体が破損することがあるため、好ましくない。焼結時に加える圧力は０．９８ｋＰａ以上であれば良い。これ以下の圧力の場合、焼結時に所定の形状に変形しない場合があるため、好ましくない。また圧力は、焼結温度より２００℃以上低い温度まで加え続けることが好ましい。もし、これより高い温度で圧力を開放すると、所定の形状に変化しないことがあるため好ましくない。

このような製造方法をとることで、高周波発生用電極のセラミックス中における埋設位置は、設計値に対して、０．５ｍｍ以下のばらつきに抑えることができる。これは、上記のように高温中でセラミックスを変形させるため、容易に治具の形状に沿って変形することができるためである。更に４．９ｋＰａ以上の圧力を加えると、所定の設計値に対して埋設位置を０．１ｍｍ以下の形状に形成できるため特に好ましい。

また、脱脂の際に使用する治具は、多孔質の治具が好ましく、たとえばカーボンやグラファイト、ＢＮの成形体等が上げられる。また焼結時に関しては、常圧焼結する場合は、ＢＮ成形体などの潤滑性を有する治具が好ましく、ホットプレスなどを使用する場合は、カーボンやグラファイトの治具が好ましい。

また積層するシートの間に、金属箔や、メッシュを挟み込んでラミネートし、ホットプレスすることで作製することもできる。このようにして出来あがったウェハ保持体の表面を加工することでウェハ保持体とすることが出来る。

また別の手法として、成形体や脱脂体に平坦な治具を使用し、まずは高周波発生用電極とウェハ載置面が平行な焼結体を作製する。その後、上記と同様設計した高周波発生用電極形状になるように設計された治具を用いてホットプレスする手法もある。この場合は、ホットプレス時、焼結体に圧力を加え始める温度は、焼結体が焼結された温度より２００℃以下低い温度である必要がある。この程度の温度であれば、セラミックス自身も比較的軟化しており、ホットプレスによる加重でセラミックス焼結体が破損しないため好ましい。２００℃を越えて低い温度で急激に圧力を加えると、焼結体が破損する恐れがあるため好ましくない。また加える圧力は９８ｋＰａ以上であることが好ましい。９８ｋＰａ未満の低い圧力の場合、焼結体が所定の形状に変形しないことがあるため好ましくない。このような製造方法をとることで、高周波発生用電極のセラミックス中における埋設位置は、設計値に対して、０．５ｍｍ以下のばらつきに抑えることができる。これについても、上記のように高温中でセラミックス焼結対を変形させるため、容易に治具の形状に沿って変形することができるためである。更に圧力を４９０ｋＰａ以上の圧力を加えると、所定の設計値に対して埋設位置を０．１ｍｍ以下の形状に形成できるため特に好ましい。

また予めプレス成形などの手法を用いて成形体を作製し、成形体の間に金属箔や、金属メッシュを挟み込みホットプレスする手法もある。このときにおいても、成形体の形状を予め設計したＲＦの形状に合わせて変形させ、ホットプレスすればよい。このときに加える圧力は金属メッシュや箔を挟み込んでいるため、９８ｋＰａ以上の圧力が必要である。９８ｋＰａ未満の圧力ではメッシュや金属箔などがセラミックスに十分に密着しない場合があるため好ましくない。このような製造方法をとることで、高周波発生用電極のセラミックス中における埋設位置は、設計値に対して、０．５ｍｍ以下のばらつきに抑えることができる。これは、上記のように高温中でセラミックスを変形させるため、容易に治具の形状に沿って変形することができるためである。更に圧力を４９０ｋＰａ以上の圧力を加えると、所定の設計値に対して埋設位置を０．１ｍｍ以下の形状に形成できるため特に好ましい。

また、予めプレス成形や、シート成形などの手法で、複数の焼結体を形成し、焼結体の表面にスクリーン印刷にて高周波発生用電極を形成し、別の焼結体を焼結体に含有される成分を少なくとも一つ有し、なおかつ軟化温度が焼結体よりも低い物質を接合剤として焼結体の表面に塗布し、接合する。このときホットプレスにより、上記と同様高周波発生用電極形状に形成した治具を用いて、ホットプレスを行えば、所定の形状を有した高周波発生用電極を得ることが出来る。また加える圧力は９８ｋＰａ以上であること好ましい。９８ｋＰａ未満の圧力の場合、焼結体が所定の形状に変形しないことがあるため好ましくない。このような製造方法をとることで、高周波発生用電極のセラミックス中における埋設位置は、設計値に対して、０．５ｍｍ以下のばらつきに抑えることができる。これは、上記のように高温中でセラミックスを変形させるため、容易に治具の形状に沿って変形することができるためである。更に圧力を４９０ｋＰａ以上の圧力を加えると、所定の設計値に対して埋設位置を０．１ｍｍ以下の形状に形成できるため特に好ましい。

また上記の手法のうち、ホットプレスを行う場合は、少なくとも焼結体の軟化温度まで圧力を加え続ける必要がある。具体的には、焼結体を形成したときの焼結温度よりも少なくとも２００℃以上低い温度まで圧力を加え続ける必要がある。途中で圧力を開放すると、所定の形状から変形してしまうことがあるため好ましくない。

そして、上記のように作製されたウェハ保持体においては、高周波発生用電極が所定の形状を有しており、その形状に合わせて、ウェハ載置面の表面加工を行い、ウェハポケットやエンボスなどを形成し、ウェハ保持体を完成させることが出来るのである。

更に出来上がったウェハ保持体の高周波発生用電極に対して、所定の形状を有するアース線を接続し、必要に応じてヒータ電極を接続し、ウェハ保持体を完成させることが出来る。

以上述べてきたように、本発明のウェハ保持体は、高周波発生用電極のウェハ載置面までの距離が、従来のように一定ではないことにより、ウェハ上に常に安定したプラズマを発生させることが可能となる。すなわち、本発明のウェハ保持体を搭載した半導体製造装置は、ウェハ上に発生するプラズマを均一にし、またプラズマＣＶＤ装置においては、ウェハ上に従来以上に均一な膜を形成することができる。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９９．５重量部に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を、０．５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顆粒を作製し、プレス成形した後、７００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、１９００℃、窒素雰囲気中で焼結した。焼結体は、直径３３０ｍｍで、厚みは２ｍｍが１枚と１０ｍｍが２枚である。

厚さ１０ｍｍの焼結体の片面にスクリーン印刷にてＷペーストをで発熱体を形成した。用いたＷペーストは、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末に、Ｙ_２Ｏ_３を０．５重量％加え、更にバインダーと、溶剤を加えＷペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。次に、反対側の面に直径３２０ｍｍの高周波発生用電極を前記発熱体と同様にスクリーン印刷にて形成した。両面の印刷後、窒素雰囲気中で脱脂を行い、１８５０℃、窒素雰囲気中で、発熱体と高周波発生用電極を焼成した。焼成後の高周波発生用電極の厚みは２０μｍであった。

次に両面に窒化アルミニウムペーストをスクリーン印刷にて塗布した。このときに使用した窒化アルミニウムペーストは、窒化アルミニウム９９．５％に酸化イットリウム０．５％加えたものを使用した。これを脱脂を行った後、窒素雰囲気中１８５０℃で焼成し、基板の両面に接合ペーストとしてＡｌＮ（２０ｗｔ％）−Ａｌ_２Ｏ_３（５０ｗｔ％）−Ｙ_２Ｏ_３（３０ｗｔ％）のペーストを塗布し、高周波発生用電極形成側の面に厚み２ｍｍのＡｌＮ焼結体、発熱体側に厚み１０ｍｍのＡｌＮ焼結体を取り付け、ホットプレスにて１８００℃の熱処理を行い、ウェハ保持体を形成した。このときホットプレスに使用するＢＮ冶具やカーボン治具、グラファイト治具などのＡｌＮ焼結体との接触面の形状を曲面にしてその曲率を変えることによって、高周波発生用電極の埋設位置を各種に変えた。また接合時は、１７５０℃までは圧力を加えず、１７５０℃から圧力を加え、最終的に２．２ＭＰａ（２０ｔ）の圧力を加え、圧力を加えたままで常温まで冷却した。できあがった保持体に研磨等の加工を施し、必要に応じてエンボスなどを形成することができる。

できあがったウェハ保持体の形状を表１に示す。表１では、ウェハ載置面の中心部の座標を０としたときの座標位置で表記している。座標位置は、渦電流計を用いて誘電体層の厚みを測定した。なお、いずれのウェハ保持体でも、高周波発生用電極のシート抵抗値は、５ｍΩ／□であった。

高周波発生用電極に接続する外部接続電極は、ウェハ保持体の中心部に直径５ｍｍのＷロッドを用いた。このＷロッドは、ウェハ保持体のウェハ保持面の反対側面からザグリ加工を行い、高周波発生用電極に、Ｗ電極を接触させ、銀ロウ付けすることで接続した。また表面にはニッケルメッキを３μｍ形成している。

ウェハ載置面に、直径５ｍｍのエンボスを１インチピッチで形成した。エンボスの高さは２０μｍとなるように形成した。エンボスの下端で構成する面が湾曲している場合は、一番短いエンボスの高さが２０μｍとなるようにした。

これらのウェハ保持体に、発熱体回路パターンの端部に、ウェハ載置面からザグリ加工を行い、給電用のＷ電極を、ロウ付けした。上記高周波発生用電極に接続したＷ電極をウェハ保持体がセットされるチャンバー部（アース）に接続した。

そして、ウェハ保持体の発熱体に最大２００Ｖの電圧を印加して、ウェハ保持体を５００℃に加熱した。そして１２インチのＳｉウェハをウェハ保持体に搭載し、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を印加し、プラズマを発生させ、シランガスと、窒素ガスを流し、Ｓｉ_３Ｎ_４の成膜を行った。膜厚は中心値が２μｍになる様に成膜し、成膜終了後に、ウェハに堆積された膜の厚みばらつきを測定した。その結果を表１に示す。

＊：比較例

試料１ではウェハ載置面（ウェハ）と高周波発生用電極が平行であり、このときの膜厚ばらつきは１１％と非常に大きな値になっている。それに対して高周波発生用電極の端部をウェハ載置面に近づけるような形状（試料２）にすると、ウェハの均熱性については変化がないものの、試料１に比較して端部のインピーダンスが低下するため、膜厚ばらつきが小さくなっていることが分かる。また試料３では、ウェハ載置面における端部のウェハとの距離を均一にすることで、ウェハの均熱性を向上したが、相対的にウェハから高周波発生用電極までの距離が大きいため、成膜時間が長くなっていることが分かる。更に試料４では均熱性に低下が見られるものの、成膜の膜厚バラツキは、比較例よりも小さいことがわかる。

実施例１と同様のウェハ保持体を作製した。但し、曲面を有さない平坦な治具を用いてホットプレス焼結を行った。できあがったウェハ保持体を更に、ＡｌＮ焼結体と接触する面を曲面にしたＢＮ治具を用いてホットプレスを行い、高周波発生用電極の埋設位置を変えた。

できあがったウェハ保持体の形状を表２に示す。表２では、ウェハ載置面の中心部の座標を０としたときの座標位置で表記している。なお、いずれのウェハ保持体でも、高周波発生用電極のシート抵抗値は、４ｍΩ／□であった。

ウェハ載置面を実施例１と同様にエンボス加工を行い、実施例１と同様にＳｉ_３Ｎ_４を成膜して評価した。その結果を表２に示す。

＊比較例

実施例２では、接合したウェハ保持体を更にホットプレスしたので、高周波発生用電極のシート抵抗値が低下したことにより、成膜時間が実施例１よりも長くなったが、均熱性や膜厚ばらつきに大きな差はなかった。

実施例１と同様にスラリーを作製した。その後、ドクターブレード法にて厚み０．５ｍｍのグリーンシートを作製した。出来上がったグリーンシートに実施例１と同様にスクリーン印刷にて高周波発生用電極を印刷した。またこれとは別のシートにヒータ回路パターンをスクリーン印刷にて形成した。印刷したシートとは別に印刷していないシートを１３０℃でラミネートし、実施例１と同様の方法で脱脂した。出来上がった脱脂体をＢＮ治具にセットした。このときのＢＮ治具は高周波発生用電極の形状を想定して湾曲しているものを用いている。そして１８００℃まで加熱した後、ＢＮ治具に９８ｋＰａの圧力を加え、１９００℃まで昇温し、窒化アルミニウムを焼結させた。このとき圧力は常温に冷却するまで加え続けた。これを実施例１と同様の手法で加工し、評価を行った。その結果を表３に示す。なお、出来上がったウェハ保持体の高周波発生用電極の膜厚は２０μｍ、シート抵抗値は５ｍΩ／□であった。

＊比較例

上記の結果から分かるように、実施例１とほぼ同様の結果が得られていることが分かる。

実施例１と同様の組成の顆粒を作製した。そして、プレス成形にてプレス体を作製し、成形体にザグリ加工を施し、ヒータとしてモリブデンコイルを設置し、その上に更に顆粒を補充しプレスすることでヒータを埋設した。また更に線径３００μｍ、２０メッシュのモリブデンメッシュを設置し、顆粒を補充しプレスすることで、ウェハ保持体の成形体を作製した。その後実施例３と同様の手法で焼結し、表面を所定の形状に加工しウェハ保持体を得た。これを実施例１と同様の手法で評価を行った。その結果を表４に示す。

発熱体にモリブデンコイルを用いると、実施例１と比較して均熱性が若干悪くなり、膜厚バラツキが若干大きくなっていることが分かる。

実施例１の試料２と同様の高周波発生用電極形状を有するウェハ保持体を作製した。但し、このときのウェハ載置面と高周波発生用電極との距離を変化させて実施例１と同様の評価を行った。その結果を表５に示す。

試料１８は、５回成膜を行うと、ウェハ載置面にクラック発生

表５の結果から、高周波発生用電極からウェハ載置面までの距離の最小値が０．２ｍｍ未満になる（試料１８）と、誘電体の強度が低下する為、５回成膜を行うと、ウェハ載置面にクラックが発生した。また高周波発生用電極からウェハ載置面までの距離が３ｍｍを超える（試料２３）と、成膜時間が長くなり、スループットが低下することが分かる。また、高周波発生用電極のウェハ載置面の距離の最大値と最小値の差が２．０ｍｍを超える（試料２７）と、膜厚バラツキが大きくなっていることが分かる。

実施例１の試料３と同様の高周波発生用電極形状を有するウェハ保持体を作製した。但し、このときのウェハ載置面と高周波発生用電極との距離を変化させて実施例１と同様の評価を行った。その結果を表６に示す。

上記の結果から、高周波発生用電極のウェハ載置面の距離の最大値と最小値の差が２．０ｍｍを超える（試料３１）と、膜厚バラツキが大きくなっていることが分かる。

実施例１と同様の手法でウェハ保持体を作製した。但し、高周波発生用電極をスクリーン印刷にて作製するが、このときの膜厚、およびペーストに添加する添加剤によってシート抵抗値を調整し、実施例１と同様の試験を行った。その結果を表７に示す。なお、試料３２の高周波発生用電極は、試料２と同様のペーストを用い、膜厚を１０μｍとした。また試料３３は同様に膜厚を５μｍとし、試料３４の膜厚は３μｍ、試料３５の膜厚は２μｍとした。この内、試料３５については、印刷膜の焼成時にＷ膜の一部に剥離が見られたため、成膜評価はできなかった。なお、膜厚の調整は、印刷時に使用するスクリーンメッシュのメッシュを小さくすることで対応している。

また試料３６は、上記のＷペースト組成に窒化アルミニウム粉末を同量加えたものを使用した。このときの膜厚は２０μｍであった。また試料３７は、試料３６と同様のペーストを用い、膜厚を１０μｍとし、試料３７は膜厚を５μｍ、試料３８は膜厚を３μｍ、試料３９は膜厚を２μｍとした。このうち、試料３９に関しては、試料３５と同様にＷ膜に剥離が見られたため、成膜評価は出来なかった。更に試料４０は試料２と同様のＷペーストを用い、その膜厚を５０μｍとした。また試料４１は膜厚を１００μｍ、試料４２は膜厚を１５０μｍとした。試料４１に関しては、Ｗ膜の一部に剥離が見られたものの、実施例１と同様にホットプレスすることで、上部基板と密着することができた。しかし、試料４２はＷ膜の一部に剥離が見られ、基板を実施例１と同様の手法でホットプレスを実施しても接合することができなかったため、ウェハ保持体を形成することはできなかった。

試料３４〜３８は、高周波発生用電極のシート抵抗値が高い分、若干均熱性が悪くなったため、膜厚ばらつきも大きくなっている。シート抵抗値が３０ｍΩ／□を超えると、所定の膜厚に成膜する時間が長くなり、スループットの低下を引き起こすことが判る。また、シート抵抗値が５０ｍΩ／□を超える（試料３５、３９）と、Ｗ膜の一部に剥離が発生した。

実施例１と同様の方法でウェハ保持体を形成した。このとき高周波発生用電極に対する外部接続電極の接続位置を中心部にした場合と、中心位置から離れた場所に設置した場合を比較した。このときの外部接続電極の位置はウェハ保持体の中心部からの距離で表示している。なお、外部接続端子には、ニッケルメッキを５μｍ施している。

以上のことから、外部接続電極は、ウェハ保持体の略中心部付近に設置することが好ましいことが分かる。

実施例１と同様の手法でウェハ保持体を形成した。このとき基板を接合する圧力を変化させ、その接合状態、及び高周波発生用電極の埋設位置がどの程度設計値からずれているかを測定した。その結果を表９に示す。埋設位置のずれ量は、ウェハ保持体の中心部と、直径７０ｍｍの円周上の４箇所及び直径１４０ｍｍの円周上の４箇所の合計９箇所で行い、その平均値で示す。

試料５２は基板端部に未接合部があり、ウェハ保持体を作製することはできなかった。また上記試料４８〜５１はいずれも接合状態は良好であり、試料２と同じ形状に加工し、成膜試験を行ったが、いずれも試料２と差のない結果が得られた。

実施例３と同様の手法でウェハ保持体を形成した。このとき基板を接合する圧力を変化させ、その接合状態、及び高周波発生用電極の埋設位置がどの程度設計値からずれているかを測定した。その結果を表１０に示す。ズレ量の測定は、実施例９と同様に行った。

試料５３〜５７は所定の形状に高周波発生用電極を変形させることができたが、試料５８は変形量が小さく、ほとんど変形していないため、設計どおりの形状のウェハ保持体を形成することはできなかった。

実施例２と同様の手法でウェハ保持体を形成した。このとき基板を接合する圧力を変化させ、その接合状態、及び高周波発生用電極の埋設位置がどの程度設計値からずれているかを測定した。その結果を表１１に示す。ズレ量の測定は、実施例９と同様に行った。

試料５９〜６１は所定の形状に高周波発生用電極を変形させることができたが、試料６２は変形量が小さく、設計どおりの形状のウェハ保持体を形成することはできなかった。

実施例１と同様のウェハ保持体を作製した。このとき、高周波発生用電極に接続する接続端子の直径を変化させて、成膜試験を実施例１と同様に実施した。その結果を表１２に示す。

直径１ｍｍの接続端子を用いた試料６６は、成膜中に接続端子が溶断してしまった。

本発明によれば、セラミックス焼結体に埋設された高周波発生用電極のウェハ載置面までの距離が一定ではない。すなわち、高周波発生用電極のウェハ載置面までの距離を制御することによって、プラズマの発生を均一にし、ウェハ上に形成される膜の厚みを均一にすることができる。

本発明のウェハ保持体の断面構造の一例を示す。 本発明のウェハ保持体の断面構造の他の一例を示す。 従来のウェハ保持体の断面構造の一例を示す。

符号の説明

１ ウェハ保持面
２ 高周波発生用電極
３ 発熱体
４ セラミックス

Claims (12)

1. セラミックス焼結体中に高周波発生用電極を埋設しているウェハ保持体であって、前記高周波発生用電極とウェハ載置面までの距離が一定ではないことを特徴とするウェハ保持体。
2. 前記高周波発生用電極と、ウェハ載置面までの距離が、ウェハ載置面の中心部から端部に向かって長くなることを特徴とする請求項１に記載のウェハ保持体。
3. 前記高周波発生用電極と、ウェハ載置面までの距離が、ウェハ載置面の中心部から端部に向かって短くなることを特徴とする請求項１に記載のウェハ保持体。
4. ウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離の最大値が３ｍｍ以下であり、最小値が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のウェハ保持体。
5. ウェハ載置面から高周波発生用電極までの距離の最大値と最小値の差が２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のウェハ保持体。
6. 前記高周波発生用電極のシート抵抗値が５０ｍΩ/□以下であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のウェハ保持体。
7. 前記高周波発生用電極の厚みが３μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のウェハ保持体。
8. 前記高周波発生用電極に接続される外部接続電極が、前記高周波電極の略中心部に存在することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のウェハ保持体。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のウェハ保持体が搭載されていることを特徴とする半導体製造装置。
10. 高周波発生用電極を埋設した未焼成のセラミックス成形体を、湾曲した治具に挟み込み、０．９８ｋＰａ以上の圧力を加え焼結することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のウェハ保持体の製造方法。
11. 高周波発生用電極を形成しセラミックス焼結体と、高周波発生用電極上に接合するセラミックス焼結体を、接合層を介して加熱接合する際に、前記両方のセラミックス焼結体を湾曲した治具に挟み込み、９８ｋＰａ以上の圧力を加え、前記両方のセラミックス焼結体を接合することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のウェハ保持体の製造方法。
12. 高周波発生用電極を埋設したセラミックス焼結体を、湾曲した治具に挟み込み、９８ｋＰａ以上の圧力を加え、加熱することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のウェハ保持体の製造方法。

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