JP2023027641A - ウエハ載置台 - Google Patents

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Abstract

【課題】ウエハを高温で処理することとウエハから効率よく抜熱することとを両立させる。【解決手段】ウエハ載置台１０は、セラミック基材２０と、第１冷却基材３０と、第２冷却基材５０とを備える。セラミック基材２０は、ウエハ載置面２２ａを有し、ウエハ吸着用電極２５とヒータ電極２６とを内蔵する。第１冷却基材３０は、セラミック基材２０のうちウエハ載置面２２ａとは反対側の面に金属接合層４０を介して接合され、第１冷媒の供給及び供給停止を切り替え可能な第１冷媒流路３１を有する。第２冷却基材５０は、第１冷却基材３０のうち金属接合層４０とは反対側の面に、伝熱ガスを供給可能なスペース層４２を介して取り付けられ、第２冷媒の供給及び供給停止を切り替え可能な第２冷媒流路５１を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ウエハ載置台に関する。
ウエハにプラズマを利用してＣＶＤやエッチングなどを行うためにウエハ載置台が用いられる。例えば、特許文献１に開示されたウエハ載置台は、冷媒用の流路が形成された金属製の冷却台と、冷却台の下面に接続された高周波伝送用の給電体と、冷却台の上面に設けられた導電性の基台と、基台の上に金属接合された静電チャックとを備えている。静電チャックは、吸着用電極及びヒータを内蔵している。冷却台と基台とは、Ｏリングを介して金属製の締付部材により挟持されている。締付部材は、冷却台と基台との導通を確保している。冷却台と基台とＯリングとによって形成される空間には、伝熱ガスが供給される。
特開２０１７－６３０１１号公報
しかしながら、こうしたウエハ載置台は、ウエハを高温で処理するのには適するものの、その後にウエハから効率よく抜熱するのには適さないという問題があった。
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、ウエハを高温で処理することとウエハから効率よく抜熱することとを両立させることを主目的とする。
本発明のウエハ載置台は、
ウエハ載置面を有し、静電電極とヒータ電極とを内蔵するセラミック基材と、
前記セラミック基材のうち前記ウエハ載置面とは反対側の面に金属接合層を介して接合され、第１冷媒の供給及び供給停止を切り替え可能な第１冷媒流路を有し、金属を含有する第１冷却基材と、
前記第１冷却基材のうち前記金属接合層とは反対側の面に、伝熱ガスを供給可能なスペース層を介して取り付けられ、第２冷媒の供給及び供給停止を切り替え可能な第２冷媒流路を有し、金属を含有する第２冷却基材と、
を備えたものである。
このウエハ載置台によれば、ウエハを高温で処理することとウエハから効率よく抜熱することとを両立させることができる。例えば、ウエハの高温化が要求されるプロセスでは、第１冷却基材の第１冷媒流路には第１冷媒を流通させず、第２冷却基材の第２冷媒流路に第２冷媒を流通させてもよい。こうすることにより、ヒータ電極に通電して加熱されたウエハの熱は、セラミック基材に近い第１冷却基材によってはそれほど奪われず、セラミック基材から遠い第２冷却基材によって奪われる。そのため、ウエハを高温に維持しながら処理することができる。また、例えば、ウエハの高抜熱化が要求されるプロセスでは、第１冷却基材の第１冷媒流路に第１冷媒を流通させてもよい。こうすることにより、ヒータ電極に通電して加熱されたウエハの熱は、セラミック基材に近い第１冷却基材によって奪われるため、ウエハの抜熱を効率よく行うことができる。なお、スペース層には、第１冷却基材と第２冷却基材との熱伝導を良好にしたい場合に伝熱ガスが供給される。
本発明のウエハ載置台において、前記スペース層は、真空状態と伝熱ガス充填状態とで切替可能であってもよい。スペース層を真空状態にすれば、第１冷却基材と第２冷却基材とを断熱することができ、スペース層に伝熱ガスを充填すれば、第１冷却基材と第２冷却基材との熱伝導を良好にすることができる。
本発明のウエハ載置台において、前記第１冷媒の温度は、前記第２冷媒の温度よりも低くしてもよい。例えば、ウエハの高抜熱化が要求されるプロセスでは、第１冷却基材によって熱をより奪いやすくなるため、ウエハの抜熱をより効率よく行うことができる。
本発明のウエハ載置台において、前記第１冷媒流路は、第１冷媒の循環及び循環停止を切替可能であってもよく、前記第２冷媒流路は、第２冷媒の循環及び循環停止を切替可能であってもよい。例えば、ウエハの高抜熱化が要求されるプロセスでは、第１冷媒流路に第１冷媒を循環させてもよく、ウエハを高温で処理するプロセスでは、第１冷媒流路の第１冷媒の循環を停止して第２冷媒流路の第２冷媒を循環させてもよい。
本発明のウエハ載置台において、前記第１及び第２冷却基材の少なくとも一方は、プラズマ発生用電極を兼ねるようにしてもよい。こうすれば、セラミック基材にプラズマ発生電極を埋設する場合に比べて構造を簡素化することができる。
本発明のウエハ載置台において、前記セラミック基材と前記第１冷却基材との熱膨張係数差は１×１０-6／Ｋ以下としてもよい。こうすれば、ウエハ載置台を高温と低温とで繰り返し使用したとしても、セラミック基材と第１冷却基材との接合に支障が生じるのを抑制することができる。例えば、セラミック基材がアルミナ製の場合には、第１冷却基材はＳｉＳｉＣＴｉ製かＡｌＳｉＣ製が好ましい。
本発明のウエハ載置台において、前記スペース層の厚さは０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。スペース層の厚さが下限値以上であれば、面内のスペース層厚みばらつきを制御でき、熱抵抗ばらつきの影響低減を図れる点で好ましく、スペース層の厚さが上限値以下であれば、熱抵抗が大きくない点で温度制御の応答性の観点で好ましい。
本発明のウエハ載置台において、前記スペース層は、前記第１冷却基材と前記第２冷却基材との間に配置されたシールリングによって区画されていてもよい。この場合、シールリングは、金属リングであってもよいし、樹脂リングであってもよいし、金属リング及び樹脂リングを併用したものであってもよい。金属リング及び樹脂リングを併用した場合、樹脂リングの変形量を金属リングで規制することができる。シールリングは、第１冷却基材及び第２冷却基材のうち直径の小さい方の外縁に沿って設けられていてもよい。また、スペース層には、スペース層の厚みを規制するスペーサが設けられていてもよい。こうすれば、スペース層の全体の厚みを維持しやすくなる。
本発明のウエハ載置台において、前記第１冷媒流路は、前記第２冷媒流路に比べて、断面積が小さく流路長が長くなるようにしてもよい。こうすれば、第１冷媒流路による熱引きが良好になる。
ウエハ載置台１０の縦断面図。 ウエハ載置台１０の平面図。 ウエハ載置台１０の製造工程図。 ウエハ載置台１０の製造工程図。 ウエハＷを高温で処理するときのウエハ載置台１０の説明図。 ウエハＷから高効率で抜熱するときのウエハ載置台１０の説明図。
本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図１はウエハ載置台１０の縦断面図（ウエハ載置台１０の中心軸を含む面で切断したときの断面図）、図２はウエハ載置台１０の平面図である。以下の説明において、上下、左右、前後などを用いて説明することがあるが、上下、左右、前後は、相対的な位置関係に過ぎない。また、本明細書において数値範囲を示す「～」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。
ウエハ載置台１０は、ウエハＷにプラズマを利用してＣＶＤやエッチングなどを行うために用いられるものであり、半導体プロセス用のチャンバ８０の内部に設けられた設置板８１に固定されている。ウエハ載置台１０は、セラミック基材２０と、第１冷却基材３０と、金属接合層４０と、スペース層４２と、第２冷却基材５０と、クランプ部材７０とを備えている。
セラミック基材２０は、円形のウエハ載置面２２ａを有する中央部２２の外周に、環状のフォーカスリング載置面２４ａを有する外周部２４を備えている。以下、フォーカスリングは「ＦＲ」と略すことがある。ウエハ載置面２２ａには、ウエハＷが載置され、ＦＲ載置面２４ａには、フォーカスリング７８が載置される。セラミック基材２０は、アルミナ、窒化アルミニウムなどに代表されるセラミック材料で形成されている。ＦＲ載置面２４ａは、ウエハ載置面２２ａに対して一段低くなっている。
セラミック基材２０の中央部２２は、ウエハ載置面２２ａに近い側から順に、ウエハ吸着用電極２５とヒータ電極２６とを内蔵している。これらの電極２５，２６は、例えばＷ、Ｍｏ、ＷＣ、ＭｏＣなどを含有する材料によって形成されている。ウエハ吸着用電極２５は、円板状又はメッシュ状の単極型の静電電極である。セラミック基材２０のうちウエハ吸着用電極２５よりも上側の層は誘電体層として機能する。ウエハ吸着用電極２５には、図示しないウエハ吸着用直流電源が給電端子６２及び給電棒６３を介して接続されている。給電端子６２の上面は、ウエハ吸着用電極２５の下面に接合され、給電端子６２の下面は、バネ６３ａで上向きに付勢された給電棒６３の上面と接触している。給電端子６２及び給電棒６３は、ヒータ電極２６、第１冷却基材３０、金属接合層４０、第２冷却基材５０及び設置板８１のそれぞれに設けられた上下方向に貫通する穴に、電気的に絶縁された状態で挿入されている。ヒータ電極２６は、平面視でウエハ載置面２２ａの全面に行き渡るように、一端から他端まで一筆書きの要領で配線されている。ヒータ電極２６の一端には、図示しないヒータ電源が給電端子６４及び給電棒６５を介して接続されている。給電端子６４の上面は、ヒータ電極２６の一端の下面に接合され、給電端子６４の下面は、バネ６５ａで上向きに付勢された給電棒６５の上面と接触している。給電端子６６及び給電棒６７は、第１冷却基材３０、金属接合層４０、第２冷却基材５０及び設置板８１のそれぞれに設けられた上下方向に貫通する穴に、電気的に絶縁された状態で挿入されている。ヒータ電極２６の他端も、図示しないが、ヒータ電極２６の一端と同様にして給電端子及び給電棒を介してヒータ電源に接続されている。セラミック基材２０の中央部２２は、バックサイドガス（ＢＳガス）をウエハＷの裏面に供給するためのＢＳガス通路２３を有する。ＢＳガス通路２３は、セラミック基材２０の中央部２２を上下方向に貫通している。
セラミック基材２０の外周部２４は、ＦＲ吸着用電極２７を内蔵している。ＦＲ吸着用電極２７は、例えばＷ、Ｍｏ、ＷＣ、ＭｏＣなどを含有する材料によって形成されている。ＦＲ吸着用電極２７は、環状又はメッシュ状の単極型の静電電極である。セラミック基材２０のうちＦＲ吸着用電極２７よりも上側の層は誘電体層として機能する。ＦＲ吸着用電極２７には、図示しないＦＲ吸着用直流電源が給電端子６６及び給電棒６７を介して接続されている。給電端子６６の上面は、ＦＲ吸着用電極２７の下面に接合され、給電端子６６の下面は、バネ６７ａで上向きに付勢された給電棒６７の上面と接触している。給電端子６６及び給電棒６７は、第１冷却基材３０、金属接合層４０、第２冷却基材５０及び設置板８１のそれぞれに設けられた上下方向に貫通する穴に、電気的に絶縁された状態で挿入されている。
第１冷却基材３０は、金属を含有する導電性の円板部材であり、下側に第１フランジ３０ａを備える。第１冷却基材３０は、内部に第１冷媒が循環可能な第１冷媒流路３１を備えている。第１冷媒流路３１は、平面視でセラミック基材２０の全面に行き渡るように、一端から他端まで一筆書きの要領で形成されている。第１冷媒流路３１の一端は、第１冷媒供給路３２に連通している。第１冷媒流路３１の他端は、第１冷媒排出路に連通している。第１冷却基材３０は、セラミック基材２０のＢＳガス通路２３に連通するＢＳガス連通路３３を有する。ＢＳガス連通路３３は、第１冷却基材３０を上下方向に貫通している。ＢＳガス連通路３３は、第１冷却基材３０の上から小径穴、テーパ穴及び大径穴が連なって形成されたものである。小径穴は、ＢＳガス通路２３よりも径が大きい。第１冷却基材３０は、金属を含有する導電材料で作製されている。導電材料としては、例えば、複合材料や金属などが挙げられる。複合材料としては、金属複合材料（メタル・マトリックス・コンポジット（ＭＭＣ）ともいう）などが挙げられ、ＭＭＣとしては、Ｓｉ，ＳｉＣ及びＴｉを含む材料やＳｉＣ多孔質体にＡｌ及び／又はＳｉを含浸させた材料などが挙げられる。Ｓｉ，ＳｉＣ及びＴｉを含む材料をＳｉＳｉＣＴｉといい、ＳｉＣ多孔質体にＡｌを含浸させた材料をＡｌＳｉＣといい、ＳｉＣ多孔質体にＳｉを含浸させた材料をＳｉＳｉＣという。金属としては、Ｍｏが挙げられる。
金属接合層４０は、セラミック基材２０の下面と第１冷却基材３０の上面とを接合する。金属接合層４０は、例えば、はんだや金属ロウ材で形成された層であってもよい。金属接合層は、例えばＴＣＢ（Ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ）により形成される。ＴＣＢとは、接合対象の２つの部材の間に金属接合材を挟み込み、金属接合材の固相線温度以下の温度に加熱した状態で２つの部材を加圧接合する公知の方法をいう。
スペース層４２は、第１冷却基材３０と第２冷却基材５０との間に設けられている。スペース層４２は、第１冷却基材３０の下面と第２冷却基材５０の上面と大径シールリング４３とによって形成されている。スペース層４２の厚さは、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。大径シールリング４３は、スペース層４２を区画するものであり、外径が第１冷却基材３０の下面の直径よりもやや小さいリングである。大径シールリング４３は、金属リングであってもよいし、樹脂リング（絶縁リング）であってもよいし、金属リング及び樹脂リングを併用したものであってもよい。金属リング及び樹脂リングを併用した場合、樹脂リングの変形量を金属リングで規制することができる。スペース層４２には、スペース層４２の厚みを規制するスペーサが設けられていてもよい。スペーサは金属製でもよいし樹脂製でもよい。
第２冷却基材５０は、スペース層４２を介して第１冷却基材３０に取り付けられている。第２冷却基材５０は、金属を含有する導電性の円板部材であり、下側に第２フランジ５０ａを備える。第２冷却基材５０は、内部に第２冷媒が循環可能な第２冷媒流路５１を備えている。第２冷媒流路５１は、平面視でセラミック基材２０の全面に行き渡るように、一端から他端まで一筆書きの要領で形成されている。第２冷媒流路５１の一端は、第２冷媒供給路５２に連通している。第２冷媒流路５１の他端は、第２冷媒排出路に連通している。第２冷却基材５０は、第１冷却基材３０のＢＳガス連通路３３に連通するＢＳガス連通路５３を有する。ＢＳガス連通路５３は、第２冷却基材５０を上下方向に貫通する円筒状の穴である。ＢＳガス連通路３３とＢＳガス連通路５３とは、第１冷却基材３０と第２冷却基材５０との間に配置された小径シールリング４４によって気密に連結されている。そのため、ＢＳガス連通路３３及びＢＳガス連通路５３は、スペース層４２とは連通していない。なお、小径シールリング４４は、本実施形態では図１に示すように二重に設けたが、一重であってもよい。
第２冷却基材５０は、スペース層４２に連通する伝熱ガス給排路５４を有する。伝熱ガス給排路５４は、第２冷却基材５０を上下方向に貫通する円筒状の穴である。伝熱ガス給排路５４は、スペース層４２に伝熱ガス（例えばヘリウムガス）を充填したりスペース層を真空状態にするのに用いられる。第２冷却基材５０は、第１冷却基材３０の第１冷媒供給路３２に連通する第１冷媒連通路５５を有する。第１冷媒連通路５５は、第２冷却基材５０を上下方向に貫通する円筒状の穴である。第１冷媒供給路３２と第１冷媒連通路５５とは、第１冷却基材３０と第２冷却基材５０との間に配置された小径の第１冷媒用シールリング４５によって液密に連結されている。そのため、第１冷媒供給路３２及び第１冷媒連通路５５は、スペース層４２と連通していない。第２冷却基材５０は、プラズマを発生させるための高周波電源８７に接続されており、高周波電極として用いられる。第２冷却基材５０は、金属を含有する導電材料で作製されている。導電材料としては、例えば、複合材料や金属などが挙げられるが、ＡｌやＴｉなどが好ましい。
クランプ部材７０は、断面が略Ｚ字状の環状で金属製の部材であり、内周段差面７０ａと外周段差面７０ｂとを有する。第１冷却基材３０と第２冷却基材５０とは、クランプ部材７０によって一体化されている。すなわち、第１冷却基材３０と第２冷却基材５０との間に各種のシールリング４３～４９が配置され、クランプ部材７０の内周段差面７０ａが第１冷却基材３０の第１フランジ３０ａの上に配置され、クランプ部材７０の下面が第２冷却基材５０の第２フランジ５０ａの上に配置されている。そして、第２フランジ５０ａの下面からボルト７２が差し込まれてクランプ部材７０の下面に設けられたネジ穴に螺合されている。ボルト７２は、第２フランジ５０ａの円周方向に沿って等間隔に設けられた複数箇所（例えば８箇所とか１２箇所）に取り付けられる。シールリング４６には給電棒６３が挿入され、シールリング４７には給電棒６５が挿入され、シールリング４８には給電棒６７が挿入されている。各シールリング４６～４８の内側空間は、スペース層４２と連通していない。シールリング４４～４８は、金属リングであってもよいし、樹脂リングであってもよいし、金属リングと樹脂リングとを併用したものであってもよい。また、シールリング４４～４８は、スペース層４２の厚みを規制するスペーサの役割を果たすようにしてもよい。第１冷却基材３０と第２冷却基材５０とは、導電性のクランプ部材７０によって一体化されているため、第１冷却基材３０と第２冷却基材５０とは同電位になる。第２冷却基材５０は高周波電極として機能するため、第１冷却基材３０も高周波電極として機能する。
こうしたウエハ載置台１０は、チャンバ８０の内部に設けられた設置板８１に取付部材７４を用いて取り付けられる。設置板８１は、第１冷媒導入路８２，第２冷媒導入路８３，ＢＳガス導入路８４及び伝熱ガス入出路８５を備えている。第１冷媒導入路８２は、第１冷媒連通路５５に対向する位置に設置板８１を上下方向に貫通するように設けられ、第２冷却基材５０と設置板８１との間のシールリング９２によって第１冷媒連通路５５と液密に連通されている。第２冷媒導入路８３は、第２冷媒供給路５２に対向する位置に設置板８１を上下方向に貫通するように設けられ、第２冷却基材５０と設置板８１との間のシールリング９３によって第２冷媒供給路５２と液密に連通されている。ＢＳガス導入路８４は、ＢＳガス連通路５３に対向する位置に設置板８１を上下方向に貫通するように設けられ、第２冷却基材５０と設置板８１との間のシールリング９４によってＢＳガス連通路５３と気密に連通されている。伝熱ガス入出路８５は、伝熱ガス給排路５４に対向する位置に設置板８１を上下方向に貫通するように設けられ、第２冷却基材５０と設置板８１との間のシールリング９５によって伝熱ガス給排路５４と気密に連通されている。設置板８１は、給電棒６３，６５，６７をそれぞれ挿通する貫通穴や第１冷却基材３０の温度を測定する温度センサ８６を備えている。温度センサ８６の先端（測温部）は、第１冷却基材３０と第２冷却基材５０とシールリング４９とによって囲まれた測温空間に露出している。この測温空間は、スペース層４２と連通していない空間であり、実質的に第１冷却基材３０の温度と同じ温度になる。第２冷却基材５０と設置板８１との間には、大径シールリング４３と略同じ大きさのシールリング９１が第２冷却基材５０の外周縁に沿って配置されている。
第１冷媒導入路８２には、第１冷媒循環器３６が取り付けられている。第１冷媒循環器３６は、温度調節機能を有する循環ポンプであり、所望の温度に調節された第１冷媒を第１冷媒導入路８２へ導入し、第１冷媒流路３１の第１冷媒排出路から排出された第１冷媒を所望の温度に調節したあと再び第１冷媒導入路８２へ導入する。第２冷媒導入路８３には、第２冷媒循環器５６が取り付けられている。第２冷媒循環器５６は、温度調節機能を有する循環ポンプであり、所望の温度に調節された第２冷媒を第２冷媒導入路８３へ導入し、第２冷媒流路５１の第２冷媒排出路から排出された第２冷媒を所望の温度に調節したあと再び第２冷媒導入路８３へ導入する。ＢＳガス導入路８４には、ＢＳガス供給源９６が取り付けられている。ＢＳガス供給源９６は、ＢＳガス導入路８４、ＢＳガス連通路５３、ＢＳガス連通路３３及びＢＳガス通路２３を介してウエハＷの裏面に伝熱ガスを供給する。伝熱ガス入出路８５には、伝熱ガス供給源９８と真空ポンプ９９とが切替弁９７を介して接続されている。伝熱ガス供給源９８は、伝熱ガス入出路８５を介してスペース層４２に伝熱ガスを供給する。真空ポンプ９９は、伝熱ガス入出路８５を介してスペース層４２の内部を真空（減圧）にする。
取付部材７４は、断面が略逆Ｌ字状の環状部材であり、内周段差面７４ａを有する。ウエハ載置台１０と設置板８１とは、取付部材７４によって一体化されている。ウエハ載置台１０のクランプ部材７０の外周段差面７０ｂに、取付部材７４の内周段差面７４ａを載置した状態で、取付部材７４の上面からボルト７６が差し込まれて設置板８１の上面に設けられたネジ穴に螺合されている。ボルト７６は、取付部材７４の円周方向に沿って等間隔に設けられた複数箇所（例えば８箇所とか１２箇所）に取り付けられる。取付部材７４やボルト７６は、絶縁材料で作製されていてもよいし、導電材料（金属など）で作製されていてもよい。
次に、ウエハ載置台１０の製造例を図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４はウエハ載置台１０の製造工程図である。まず、モールドキャスト法によって円盤状の第１～第３セラミック成形体１１１～１１３を作製し、第２及び第３セラミック成形体１１２，１１３の上面にそれぞれ電極ペーストを印刷して電極パターン１１４，１１５を形成する（図３Ａ参照）。モールドキャスト法とは、セラミック原料粉末とモールド化剤とを含むセラミックスラリーを成形型内に注入し、その成形型内でモールド化剤を化学反応させてセラミックスラリーをモールド化させることにより成形体を得る周知の方法をいう。モールド化剤としては、例えば、イソシアネート及びポリオールを含み、ウレタン反応によりモールド化するものとしてもよい。電極ペーストは、例えばＷ、Ｍｏ、ＷＣ、ＭｏＣなどの導電材にセラミック粉末を添加したスラリーである。第２セラミック成形体１１２の上面に印刷された電極パターン１１４はウエハ吸着用電極２５と同形状であり、第３セラミック成形体１１３の上面に印刷された電極パターン１１５はヒータ電極２６及びＦＲ吸着用電極２７を合わせた形状である。
続いて、第１セラミック成形体１１１と、上面に電極パターン１１４が印刷された第２セラミック成形体１１２と、上面に電極パターン１１５が印刷された第３セラミック成形体１１３とを積層し、得られた積層体をホットプレス焼成することにより、セラミック焼結体１２０を得る（図３Ｂ参照）。これにより、電極パターン１１４はウエハ吸着用電極２５になり、電極パターン１１５はヒータ電極２６及びＦＲ吸着用電極２７になる。
続いて、得られたセラミック焼結体１２０の両面に研削加工又はブラスト加工等を施すことにより形状や厚みを調整すると共に、上下方向の穴（給電端子６２，６４，６６を挿入するための穴やＢＳガス通路２３など）を形成する（図３Ｃ参照）。
続いて、セラミック焼結体１２０のウエハ吸着用電極２５に通じる穴に給電端子６２を挿入してウエハ吸着用電極２５に接合し、ヒータ電極２６に通じる穴に給電端子６４を挿入してヒータ電極２６に接合し、ＦＲ吸着用電極２７に通じる穴に給電端子６６を挿入してＦＲ吸着用電極２７に接合する（図３Ｄ）。その後、第１冷却基材３０を用意し、セラミック焼結体１２０と第１冷却基材３０とを金属接合層４０によって接合して接合体１２２を得る（図３Ｅ）。第１冷却基材３０には、予めセラミック焼結体１２０の給電端子６２，６４，６６のそれぞれと対向する位置に上下方向に貫通する穴を設けておき、接合する際、給電端子６２，６４，６６を各穴（内壁に絶縁膜が形成済み）に挿入する。また、接合する際に、第１冷却基材３０のＢＳガス連通路３３をセラミック基材２０のＢＳガス通路２３と一致させる。セラミック焼結体１２０がアルミナで形成されている場合、第１冷却基材３０はＳｉＳｉＣＴｉで形成されていることが好ましい。４０～５７０℃の線熱膨張係数は、アルミナが７．７×１０-6／Ｋであり、ＳｉＳｉＣＴｉが７．８×１０-6／Ｋである。
ＳｉＳｉＣＴｉプレートは、例えば、平均粒径が１０μｍ以上２５μｍ以下の炭化珪素原料粒子を３９～５１質量％含有すると共に、Ｔｉ及びＳｉが含まれるように選択された１種以上の原料を含有し、炭化珪素を除く原料に由来するＳｉ及びＴｉについてＳｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の質量比が０．２６～０．５４である粉体混合物を作製する。原料としては、例えば炭化珪素と金属Ｓｉと金属Ｔｉとを用いることができる。その場合、炭化珪素を３９～５１質量％、金属Ｓｉを１６～２４質量％、金属Ｔｉを２６～４３質量％となるように混合するのが好ましい。次に、得られた粉体混合物を一軸加圧成形により円盤状の成形体を作製し、その成形体を不活性雰囲気下でホットプレスにより１３７０～１４６０℃で焼結させることにより、ＳｉＳｉＣＴｉプレートを得る。
セラミック焼結体１２０と第１冷却基材３０との接合は、金属接合材を用いて行う。例えば、アルミナ製のセラミック焼結体１２０とＳｉＳｉＣＴｉ製の第１冷却基材３０との間に金属接合材を挟んでＴＣＢ接合を行う。具体的には、金属接合材の固相線温度以下（例えば、固相線温度から２０℃引いた温度以上固相線温度以下）の温度でセラミック焼結体１２０と第１冷却基材３０との積層体を加圧してＴＣＢ接合し、その後室温に戻す。これにより、金属接合材は金属接合層４０になる。このときの金属接合材としては、Ａｌ－Ｍｇ系接合材やＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系接合材を使用することができる。例えば、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系接合材（８８．５重量％のＡｌ、１０重量％のＳｉ、１．５重量％のＭｇを含有し、固相線温度が約５６０℃）を用いてＴＣＢ接合する場合、真空雰囲気下、５４０～５６０℃に加熱した状態でセラミック焼結体１２０を０．５～２．０ｋｇ／ｍｍ2 の圧力で数時間かけて加圧する。金属接合材は、厚みが１００μｍ前後のものを用いるのが好ましい。
続いて、接合体１２２のセラミック焼結体１２０の外周を切削して段差を形成することにより、中央部２２と外周部２４とを備えたセラミック基材２０とし、接合体１２４を得る（図３Ｆ）。続いて、第２冷却基材５０を用意し、その第２冷却基材５０の上面に各シールリング４３～４９を仮止めし、下面に各シールリング９１～９５を仮止めし、その第２冷却基材５０と接合体１２４の第１冷却基材３０とをクランプ部材７０を用いてボルト７２で締結する（図４Ａ）。これにより、ウエハ載置台１０を得る。なお、シールリング４３～４９，９１～９５は、例えばフッ素樹脂製やシリコーン樹脂製のＯリングとしてもよい。続いて、 第１冷媒導入路８２、第２冷媒導入路８３、ＢＳガス導入路８４及び伝熱ガス入出路８５を備えると共に温度センサ８６と給電棒６３，６５，６７とを組み付けた設置板８１を用意する。そして、ウエハ載置台１０を設置板８１に載せて取付部材７４を用いてボルト７６で締結する（図４Ｂ参照）。このようにして、ウエハ載置台１０を設置板８１に固定する。
なお、金属接合層４０、第１冷却基材３０及びクランプ部材７０のうち外部に露出している面については、絶縁膜で被覆することが好ましい。絶縁膜は、例えばセラミック粉末を用いて溶射することにより形成することができる。また、ＢＳガス通路２３に繋がる経路（金属接合層４０の貫通穴、ＢＳガス連通路３３，５３及びＢＳガス導入路８４など）を形成する面も、絶縁膜で被覆するのが好ましい。
次に、ウエハ載置台１０の使用例について図１を用いて説明する。チャンバ８０の設置板８１には、上述したようにウエハ載置台１０が設置されている。チャンバ８０の天井面には、プロセスガスを多数のガス噴射孔からチャンバ８０の内部へ放出するシャワーヘッド８０ａが配置されている。
ウエハ載置台１０のＦＲ載置面２４ａには、フォーカスリング７８が載置され、ウエハ載置面２２ａには、円盤状のウエハＷが載置される。フォーカスリング７８は、ウエハＷと干渉しないように上端部の内周に沿って段差を備えている。この状態で、ウエハ吸着用電極２５に直流電圧を印加してウエハＷをウエハ載置面２２ａに吸着させると共に、ＦＲ吸着用電極２７に直流電圧を印加してフォーカスリング７８をＦＲ載置面２４ａに吸着させる。また、ＢＳガス通路２３からウエハＷの裏面にＢＳガス（例えばヘリウムガス）を供給し、ヒータ電極２６に通電してウエハＷを高温（例えば４００℃）になるように制御する。そして、チャンバ８０の内部を所定の真空雰囲気（又は減圧雰囲気）になるように設定し、シャワーヘッド８０ａからプロセスガスを供給しながら、第２冷却基材５０に高周波電源８７からの高周波電圧を印加する。すると、第１冷却基材３０（第２冷却基材５０と同電位）とシャワーヘッド８０ａとの間でプラズマが発生する。そして、そのプラズマを利用して高温のウエハＷに処理を施す。
このようにウエハＷの高温化が要求されるプロセスでは、図５に示すように、第１冷却基材３０の第１冷媒流路３１に第１冷媒を流通させず、第２冷却基材５０の第２冷媒流路５１に第２冷媒を流通させる。つまり、第１冷媒循環器３６の作動を止めて第１冷媒を第１冷媒流路３１に循環させるのを停止し、第２冷媒循環器５６を作動させて第２冷媒を第２冷媒流路５１に循環させる。また、スペース層４２に伝熱ガスを供給して、スペース層４２の熱伝導性を高める。こうすることにより、ヒータ電極２６に通電して加熱されたウエハＷの熱は、セラミック基材２０に近い第１冷却基材３０によってはそれほど奪われず、セラミック基材２０から遠い第２冷却基材５０によって奪われる。そのため、ウエハＷを高温に維持しながら処理することができる。
一方、ウエハＷの高抜熱化が要求されるプロセスでは、図６に示すように、ヒータ電極２６への通電を停止し、ウエハ吸着用電極２５に直流電圧を印加してウエハＷをウエハ載置面２２ａに吸着させると共に、ＦＲ吸着用電極２７に直流電圧を印加してフォーカスリング７８をＦＲ載置面２４ａに吸着させる。また、ＢＳガス通路２３からウエハＷの裏面にＢＳガスを供給する。そして、第１冷却基材３０の第１冷媒流路３１に第１冷媒を流通させ、第２冷却基材５０の第２冷媒流路５１に第２冷媒を流通させない。つまり、第１冷媒循環器３６を作動させて第１冷媒を第１冷媒流路３１に循環させ、第２冷媒循環器５６の作動を止めて第２冷媒を第２冷媒流路５１に循環させるのを停止する。また、スペース層４２を真空にして第２冷却基材５０から第１冷却基材３０への熱移動を抑制する。こうすることにより、高温になったウエハＷの熱は、セラミック基材２０に近い第１冷却基材３０によって奪われるため、ウエハＷの抜熱を効率よく行うことができる。なお、第１冷媒の温度は第２冷媒の温度よりも低いことが好ましい。例えば、第１冷媒の温度を－３０℃、第２冷媒の温度を５℃としてもよい。
なお、ウエハＷがプラズマ処理されるのに伴ってフォーカスリング７８も消耗するが、フォーカスリング７８はウエハＷに比べて厚いため、フォーカスリング７８の交換は複数枚のウエハＷを処理したあとに行われる。
以上説明した本実施形態のウエハ載置台１０によれば、ウエハＷを高温で処理することとウエハＷから効率よく抜熱することとを両立させることができる。
また、スペース層４２は、真空状態と伝熱ガス充填状態とで切替可能である。そのため、スペース層４２を真空状態にすれば、第１冷却基材３０と第２冷却基材５０とを断熱することができ、スペース層４２に伝熱ガスを充填すれば、第１冷却基材３０と第２冷却基材５０との熱伝導を良好にすることができる。
更に、第１冷媒の温度は第２冷媒の温度よりも低い。こうすることにより、ウエハＷの高抜熱化が要求されるプロセスでは、第１冷却基材３０によって熱をより奪いやすくなるため、ウエハＷの抜熱をより効率よく行うことができる。
更にまた、第１冷媒流路３１は、第１冷媒の循環及び循環停止を切替可能であり、第２冷媒流路５１は、第２冷媒の循環及び循環停止を切替可能である。これにより、ウエハＷの高抜熱化が要求されるプロセスでは、第１冷媒流路３１に第１冷媒を循環させ、ウエハＷを高温で処理するプロセスでは、第１冷媒流路３１の第１冷媒の循環を停止して第２冷媒流路５１の第２冷媒を循環させることができる。
そしてまた、第１及び第２冷却基材３０，５０は、プラズマ発生用電極を兼ねるようにしたため、セラミック基材２０にプラズマ発生電極を埋設する場合に比べて構造を簡素化することができる。
そして更に、４０～５７０℃でのセラミック基材２０と第１冷却基材３０との熱膨張係数差は１×１０-6／Ｋ以下としたため、ウエハ載置台１０を高温と低温とで繰り返し使用したとしても、セラミック基材２０と第１冷却基材３０との接合に支障が生じるのを抑制することができる。例えば、セラミック基材２０がアルミナ製の場合、第１冷却基材３０はＳｉＳｉＣＴｉ製かＡｌＳｉＣ製が好ましい。
そして更にまた、スペース層４２の厚さは、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。スペース層４２の厚さが下限値以上であれば、面内のスペース層厚みばらつきを制御でき、熱抵抗ばらつきの影響低減を図れる点で好ましく、スペース層４２の厚さが上限値以下であれば、熱抵抗が大きくない点で温度制御の応答性の観点で好ましい。スペース層４２には、スペース層４２の厚みを規制するスペーサが設けられていることが好ましい。こうすれば、スペース層４２の全体の厚みを維持しやすくなる。
加えて、大径シールリング４３は、金属リング及び樹脂リングを併用したもの（例えば外周側が金属リングで内周側が樹脂リングのものや、外周側が樹脂リングで内周側が金属リングのもの）が好ましい。こうすれば、樹脂リングの変形量を金属リングで規制することができる。また、第１冷媒流路３１は、第２冷媒流路５１に比べて、断面積が小さく流路長が長いことが好ましい。こうすれば、第１冷媒流路３１による熱引きが良好になる。
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、第１及び第２冷媒流路３１，５１の状態やスペース層４２の状態を、ウエハＷを高温で処理する場合には図５に示すように設定し、ウエハＷから効率よく抜熱する場合には図６に示すように設定したが、特にこれに限定されない。例えば、第１冷媒を第１冷媒流路３１に循環させるか否かや第２冷媒を第２冷媒流路３２に循環させるか否かは、状況に応じて、適宜設定してもよい。第１冷媒の温度や第２冷媒の温度も、状況に応じて、適宜設定してもよい。スペース層４２を真空にするか伝熱ガスで充填するかも、状況に応じて、適宜設定してもよい。
上述した実施形態では、ヒータ電極２６は、セラミック基材２０の中央部２２を平面視したときに中央部２２の全体にわたって配線したが、中央部２２を複数の領域に分割して各領域にヒータ電極を配線してもよい。また、ウエハ吸着用電極２５やＦＲ吸着用電極２７は、単極型を採用したが、双極型を採用してもよい。
上述した実施形態では、第１冷却基材３０のうち給電端子６２，６４，６６を挿通する貫通穴は、内壁に絶縁膜を備えていたり、給電端子を挿通する絶縁管を備えていたりしてもよいが、こうした絶縁膜や絶縁管を備えておらず、給電端子６２，６４，６６と貫通穴の内壁との距離だけで絶縁を確保してもよい。
上述した実施形態では、クランプ部材７０や取付部材７４を環状部材としたが、環状部材を複数の円弧に分割した円弧部材であってもよい。
上述した実施形態では、第２冷却基材５０に高周波電源を接続したが、第１冷却基材３０に高周波電源を接続してもよい。また、高周波電源として、ウエハＷにイオンを引き込むためのバイアス用電源とプラズマを発生させるためのソース用電源の２つを接続してもよい。
上述した実施形態では、セラミック成形体をモールドキャスト法によって作製したが、特にこれに限定されない。例えば、テープ成形体を複数枚積層してセラミック成形体を作製してもよい。あるいは、図３Ａの第１及び第３セラミック成形体１１１，１１３の代わりに第１及び第３セラミック焼結体を使用し、第１及び第３セラミック焼結体の間にセラミック粉末層を形成し、その状態でホットプレス焼成することにより、ウエハ吸着用電極２５とヒータ電極２６とＦＲ吸着用電極２７とを内蔵したセラミック焼結体１２０を作製してもよい。
上述した実施形態では、第２冷却基材５０を高周波電源８３に接続したが、その代わりに、第１冷却基材３０を高周波電源８３に接続してもよい。
上述した実施形態において、セラミック基材２０の外周部２４はヒータ電極を内蔵してもよい。
１０ ウエハ載置台、２０ セラミック基材、２２ 中央部、２２ａ ウエハ載置面、２３ ＢＳガス通路、２４ 外周部、２４ａ ＦＲ載置面、２５ ウエハ吸着用電極、２６ ヒータ電極、２７ ＦＲ吸着用電極、３０ 冷却基材、３０ａ フランジ、３１ 第１冷媒流路、３２ 第１冷媒供給路、３２ 第１冷媒流路、３３ ＢＳガス連通路、３６ 第１冷媒循環器、４０ 金属接合層、４２ スペース層、４３ 大径シールリング、４４ 小径シールリング、４５ 冷媒用シールリング、４６～４９ シールリング、５０ 第２冷却基材、５０ａ 第２フランジ、５１ 第２冷媒流路、５２ 第２冷媒供給路、５３ ＢＳガス連通路、５４ 伝熱ガス給排路、５５ 第１冷媒連通路、５６ 第２冷媒循環器、６２ 給電端子、６３ 給電棒、６３ａ バネ、６４ 給電端子、６５ 給電棒、６５ａ バネ、６６ 給電端子、６７ 給電棒、６７ａ バネ、７０ クランプ部材、７０ａ 内周段差面、７０ｂ 外周段差面、７２ ボルト、７４ 取付部材、７４ａ 内周段差面、７６ ボルト、７８ フォーカスリング、８０ チャンバ、８０ａ シャワーヘッド、８１ 設置板、８２ 第１冷媒導入路、８３ 第２冷媒導入路、８４ ＢＳガス導入路、８５ 伝熱ガス入出路、８６ 温度センサ、８７ 高周波電源、９１～９５ シールリング、９６ ＢＳガス供給源、９７ 切替弁、９８ 伝熱ガス供給源、９９ 真空ポンプ、１１１ 第１セラミック成形体、１１２ 第２セラミック成形体、１１３ 第３セラミック成形体、１１４，１１５ 電極パターン、１１５ 電極パターン、１２０ セラミック焼結体、１２２ 接合体、１２４ 接合体、Ｗ ウエハ。

Claims (8)

  1. ウエハ載置面を有し、静電電極とヒータ電極とを内蔵するセラミック基材と、
    前記セラミック基材のうち前記ウエハ載置面とは反対側の面に金属接合層を介して接合され、第１冷媒の供給及び供給停止を切り替え可能な第１冷媒流路を有する第１冷却基材と、
    前記第１冷却基材のうち前記金属接合層とは反対側の面に、伝熱ガスを供給可能なスペース層を介して取り付けられ、第２冷媒の供給及び供給停止を切り替え可能な第２冷媒流路を有する第２冷却基材と、
    を備えたウエハ載置台。
  2. 前記第１及び第２冷却基材の少なくとも一方は、プラズマ発生用電極を兼ねる、
    請求項１に記載のウエハ載置台。
  3. 前記セラミック基材と前記第１冷却基材との熱膨張係数差は１×１０-6／Ｋ以下である、
    請求項１又は２に記載のウエハ載置台。
  4. 前記スペース層の厚さは、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下である、
    請求項１～３のいずれか１項に記載のウエハ載置台。
  5. 前記スペース層は、前記第１冷却基材と前記第２冷却基材との間に配置されたシールリングによって区画されている、
    請求項１～４のいずれか１項に記載のウエハ載置台。
  6. 前記シールリングは、金属リング及び樹脂リングを併用したものである、
    請求項５に記載のウエハ載置台。
  7. 前記スペース層には、前記スペース層の厚みを規制するスペーサが設けられている、
    請求項５又は６に記載のウエハ載置台。
  8. 前記第１冷媒流路は、前記第２冷媒流路に比べて、断面積が小さく流路長が長い、
    請求項１～７のいずれか１項に記載のウエハ載置台。
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