JP4596883B2

JP4596883B2 - 環状ヒータ

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Publication number: JP4596883B2
Application number: JP2004314233A
Authority: JP
Inventors: 達也前原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: JP2006127900A

Description

本発明は、半導体、液晶、ＰＤＰ、有機ＥＬ等の基板製造装置用の環状ヒータに関するものである。

図７に示すウェハ処理装置１００の処理室１０２は、接地された気密な処理容器１０４内に形成されている。処理室１０２内には、ウェハＷの載置台を兼ねた下部電極１０６が配置されている。この下部電極１０６は、熱伝導率が良く導電性の金属、例えばアルミニウムから成り、略円筒形状に形成されている。また、下部電極１０６の載置面には、例えばポリイミド製の薄膜１０８ａで電極１０８ｂを挟持して成る静電チャック１０８が設けられており、その電極１０８ｂには、１．５ｋＶの高電圧を出力する高圧直流電源１１０が接続されている。

また、下部電極１０６の上部には、静電チャック１０８上に載置されるウェハＷの周囲を囲むように略環状のリング体１１２が設けられている。このリング体１１２は、例えばＳｉやＳｉＣやＣ（カーボン）など導電性材料から成る内側リング体（導電性リング体）１１２ａと、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２など絶縁性材料から成る外側リング体（環状ヒータ）１１２ｂから構成されている。また、内側リング体１１２ａは、図示の例では、静電チャック１０８の周囲と、静電チャック１０８のチャック面上に載置されるウェハＷの周囲を囲むように配置されている。さらに、外側の環状ヒータ１１２ｂは、図示の例では、内側リング体１１２ａの周囲を囲むと共に、下部電極１０６の外縁部と、その側部の一部を覆うように配置されている。また、内側リング体１１２ａと外側の環状ヒータ１１２ｂは、不図示の締結部材、例えばボルトによって下部電極１０６に固定されている。

また、静電チャック１０８のチャック面には、静電チャック１０８とウェハＷとの間に伝熱ガス、例えばＨｅを供給する第１および第２ガス供給孔１１４、１１６が設けられており、図示の例では、第１ガス供給孔１１４は、ウェハＷの中央部にＨｅを供給可能な位置に所定間隔ごとに配置され、第２ガス供給孔１１６は、ウェハＷの外縁部にＨｅを供給可能な位置に所定間隔ごとに配置されている。また、第１ガス供給孔１１４と第２ガス供給孔１１６には、それぞれに対応して第１ガス供給管１１８と第２ガス供給管１２０が接続されており、これら第１ガス供給管１１８と第２ガス供給管１２０には、それぞれに対応して第１圧力調整ユニット１６４と第２圧力調整ユニット１６６が介装されている。

第１圧力調整ユニット１６４は、図８に示すように、第１ガス供給孔１１４とガス供給源１３８との間に第１開閉バルブ１２１と流量調整バルブ（マスフローコントローラ）１２２と第２開閉バルブ１２４が介装され、第１開閉バルブ１２１と流量調整バルブ１２２との間に圧力計（キャパシタンスマノメータ）１６８と第１排気管１７０が介装されている。さらに、第１排気管１７０には、圧力調整バルブ１７２と第３開閉バルブ１７４が介装されており、その圧力調整バルブ１７２には、上記圧力計１６８が接続されている。さらにまた、流量調整バルブ１２２と圧力調整バルブ１７２には、制御器１４０が接続されている。また、第２圧力調整ユニット１６６は、同図に示す第１圧力調整ユニット１６４と同一に構成されている。

また、図７に示すように、内側リング体１１２ａと接する下部電極１０６の表面には、Ｏリング１８４で気密にシールされた内側リング体１１２ａと下部電極１０６との間に伝熱ガス、例えばＨｅガスを供給する第３ガス供給孔１３０が設けられており、図示の例では、第３ガス供給孔１３０は、内側リング体１１２ａの底面にＨｅを供給可能な位置に、所定間隔ごとに配置されている。さらに、第３ガス供給孔１３０には、第３ガス供給管１３２が接続されており、この第３ガス供給管１３２には、第３圧力調整ユニット１８６が介装されている。また、第３圧力調整ユニット１８６は、図８に示す第１圧力調整ユニット１６４と同一に構成されている。

また、制御器１４０には、図７に示すようにウェハＷの温度を検出する第１温度センサ１４２と、内側リング体１１２ａの温度を検出する第２温度センサ１４４と、外側の環状
ヒータ１１２ｂの温度を検出する第３温度センサ１４６が接続されている。これら第１〜第３温度センサ１４２，１４４，１４６は、図示の例では、ファイバ式接触温度計から構成されており、第１の温度センサ１４２は、ウェハＷと接触する静電チャック１０８のチャック面に露出するように配置され、第２温度センサ１４４は、内側リング体１１２ａと接触する下部電極１０６の表面に露出するように配置され、第３温度センサ１４６は、外側の環状ヒータ１１２ｂと接触する下部電極１０６の表面に露出するように配置されている。

また、外側の環状ヒータ１１２ｂ内には、発熱体１４８が内装されており、この発熱体１４８には、可変電源１５０が接続されている。さらに、その可変電源１５０には、上記制御器１４０が接続されている。また、下部電極１０６には、下部電極１０６の温度を適宜調整するための温度調整機構を構成する冷媒循環路１５２が内装されており、この冷媒循環路１５２内に例えば−２０℃の冷媒が循環する。さらに、下部電極１０６には、整合器１５４を介して、例えば１３．５６ＭＨｚで１７００Ｗのプラズマ生成用高周波電力を出力する高周波電源１５６が接続されている。

また、下部電極１０６の載置面に対向する処理室１０２の天井部には、接地された上部電極１５８が配置されている。また、上部電極１５８は、多数のガス吐出孔１５８ａが形成されており、このガス吐出孔１５８ａには、不図示の処理ガス供給源と連通する処理ガス供給管１６０が接続されている。従って、処理ガス供給源から、例えば１０ｓｃｃｍのＣ_４Ｆ _８と、５０ｓｃｃｍのＣＯと、３００ｓｃｃｍのＡｒと、５ｓｃｃｍのＯ_２との混合ガスが、ガス吐出孔１５８ａを介して処理室１０２内に供給される。また、処理容器１０４の下部には、不図示の真空引き機構と連通する第２排気管１６２が接続されており、その真空引き機構の作動により、処理室１０２内は、例えば４０ｍＴｏｒｒの減圧雰囲気に維持される。

そして、内側リング体１１２ａと下部電極１０６との間にＨｅなどの伝熱ガスを供給すれば、処理時の減圧雰囲気下でも、それら内側リング体１１２ａと下部電極１０６との間の熱伝導率を高めることができるため、内側リング体１１２ａで生じた熱を下部電極１０６に確実に吸収させることができる。

そして、所定圧力に調整されたＨｅが、第１ガス供給孔１１４からウェハＷの中央部と静電チャック１０８との間に供給され、第２ガス供給孔１１６からウェハＷの外縁部と静電チャック１０８との間に供給され、第３ガス供給孔１３０から内側リング体１１２ａと下部電極１０６との間に供給され、ウェハＷの温度と内側リング体１１２ａの温度が略同一となる。

外側の環状ヒータ１１２ｂは、内側リング体１１２ａとは異なり、絶縁性材料から形成されているため、プラズマ雰囲気に曝されてもプラズマ中のイオンがあまり衝突せず、上記の如く複数のウェハＷに連続的に処理を行なう場合でも、外側の環状ヒータ１１２ｂの温度上昇は、緩慢である。すなわち、外側の環状ヒータ１１２ｂの温度は、所定枚数のウェハＷに処理を施した後には、１５０℃〜２００℃程度にまで上昇し、安定するが、連続処理の開始から５枚〜１０枚程度のウェハＷに処理を施した後でないと、上記温度で安定しない。その結果、外側の環状ヒータ１１２ｂの温度上昇中には、内側リング体１１２ａの周辺のラジカル密度が一定にならず、ウェハＷの処理に影響を及ぼす。

そこで、外側の環状ヒータ１１２ｂの温度を、ヒータ１４８によって処理開始前に予め、例えば１８０℃程度まで加熱すると共に、その外側の環状ヒータ１１２ｂが上記所定温度に達した後は、外側の環状ヒータ１１２ｂがその１８０℃程度の温度に維持されるように、制御器１４０が第３温度センサ１４６で検出された外側の環状ヒータ１１２ｂの温度
情報に基づいてヒータ１４８を調整し、外側の環状ヒータ１１２ｂの温度を制御する。また、外側の環状ヒータ１１２ｂは、内側リング体１１２ａとは異なり、絶縁性材料から形成されているため、上記イオンの衝突に起因する発熱は比較的少なく、また外側の環状ヒータ１１２ｂで生じた熱は、下部電極１０６に放熱され易いため、ヒータ１４８の発熱量の調整のみで、外側の環状ヒータ１１２ｂを所定温度に調整していた。しかし、ウェハＷ上と内側リング体１１２ａ周辺のラジカル密度の安定が不十分であった。

特許文献１の外側の環状ヒータ１１２ｂは、以上のように複雑に構成されており、処理開始直後からウェハＷ上とリング体１１２周辺のラジカル密度を均一化するように制御することが繁雑で、最新のウェハデザインに適用される超微細加工を必要とするウェハＷでは中央部と外縁部とでエッチングレートの差が大きく、ウェハＷ全面に均一な処理を施すことができないと共に、スループットの向上が不十分であった。

また、上記の環状ヒータをセラミックスで製造する際には、特許文献２に開示されているように高融点金属からなるワイヤーを巻回して巻回体を製造し、この巻回体の両端に端子を接続する。一方、プレス成型機内にセラミックス粉末を充填し、予備成型を行なっておく。その際、予備成型体の表面に所定の平面的パターンに沿って連続的凹部または溝を設ける。巻回体をこの凹部に収容し、この上にセラミックス粉末を充填し、この粉末を一軸加圧成型して円盤状成型体を作製し、円盤状成型体を焼結させ、研削加工を経て、円盤状セラミックスヒータを製造していた。
特開２０００−３６４９０号公報特開平７−２０１４５８号公報

従来の環状ヒータ１１２ｂは、静電チャック１０８の周囲に導電性内側リング体１１２ａが配置され、その外側に配置する必要があり、環状ヒータ１１２ｂが直接プラズマ雰囲気に晒され長時間使用できないとの問題や、外径が大きくしかもその構造から厚みが大きく、装置に組み込んだときにコンパクトにできないという問題があった。

また、図７に示す環状ヒータ１１２ｂは、成膜、エッチング、クリーニング等の各種処理を施すにあたり、下部電極１０６に冷媒を流し、かつ、静電チャック１０８のチャック面とウェハＷとの間にＨｅ等のガスを供給し、かつ、環状ヒータ１１２ｂに電圧を印加し、加熱することで、ウェハＷの温度分布を均一にするが、ウェハＷの外周部は導電性内側リング体１１２ａが配されている為、各種処理の初期段階では導電性内側リング体１１２ａに奪われる熱量が大きく、ウェハＷの外周部は中心部より、温度が低くなりやすい。しかも、プラズマ中のイオンの衝突割合が高い為、時間の経過と共に導電性内側リング体１１２ａの温度が上昇し、ウェハＷの外周部は中心部より温度が高くなり易いとの課題があった。

また、環状ヒータ１１２ｂに電圧を印加して加熱するが、ポーラスセラミックス等で製造された環状ヒータの場合、安価ではあるがパーティクルの発生が多いという課題があった。

さらに、緻密質セラミックスで製造された環状ヒータ１１２ｂの場合、従来の製造方法では高融点金属からなるワイヤーを巻回して巻回体を製造し、環状ヒータ１１２ｂに埋設するといった方法の為、環状ヒータ１１２ｂ自体の体積が大きくなり、環状ヒータ１１２ｂ自体を加熱するために大きな熱量が必要となるとの課題があった。

そして環状ヒータ１１２ｂにおける環状セラミックス体と巻回体において、加熱状態を
調整するために環状セラミックスに対する高融点金属からなる巻回体の割合が増す程、熱膨脹係数差による内部応力が大きくなり、製作が困難となる、あるいは製作可能であっても、残留応力が大きい為、昇降温による熱応力が加わることで、抵抗発熱体１４８の断線や環状ヒータ１１２ｂ自体のクラック、破損といった問題が発生しやすいとの課題があった。

また、環状ヒータ１１２ｂの内径側から外径側まで設計値通りの温度分布にしたいのであるが巻回体８の螺旋形状の直径が大きいほど、内径側及び外径側の端部は電力密度が下がる為、温度が低くなり易いとの課題があった。

さらに、緻密質セラミックス自体はプラズマに対する腐食性は高いのであるが、巻回体の両端に端子を接続するといった方法では、ハロゲン系ガスの回り込みによる腐食性の問題、熱サイクルによる応力の問題から通電抵抗の増大、断線の危険性があった。

さらにまた、急速に加熱昇温を行なうとクラックが発生する危険性が高い為、緩やかに昇温しなければならない。この為、各種処理を施せる状態、すなわちウェハＷの温度が均一になるまでの時間を要することになり、スループットを高めることが困難であった。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、一方の主面を加熱面とし、他方の主面は上記加熱面に平行に形成されている環状絶縁体の内部に上記加熱面に平行に帯状の抵抗発熱体を備えてなり、凸状の下部電極の周辺上部の表面に、上記下部電極の突出部を取り囲むとともに上記他方の主面が上記周辺上部の表面と対向して載置される環状ヒータにおいて、上記環状絶縁体の上記他方の主面に、上記帯状の抵抗発熱体へ給電可能な導電膜を形成するとともに、該導電膜と上記帯状の抵抗発熱体とを複数のビヤホール導体を介して接続し、さらに上記導電膜を取り囲む溝部を形成し、かつ、該溝部にＯリングを設置し、該Ｏリングと上記周辺上部の表面と上記他方の主面とで上記導電膜を封止可能としたことを特徴とする。

また、一方の主面を加熱面とし、他方の主面は上記加熱面に平行に形成されている環状絶縁体の内部に上記加熱面に平行に帯状の抵抗発熱体を備えてなり、凸状の下部電極の周辺上部の表面に、上記下部電極の突出部を取り囲むとともに上記他方の主面が上記周辺上部の表面と対向して載置される環状ヒータにおいて、上記環状絶縁体の上記他方の主面に上記帯状の抵抗発熱体を貫通し、内面にメタライズ層が被着された穴を形成し、上記メタライズ層と給電端子とを接続可能に構成するとともに、上記穴を取り囲む溝部を形成し、かつ、該溝部にＯリングを設置し、該Ｏリングと上記周辺上部の表面と上記他方の主面とで上記穴を封止可能としたことを特徴とする。

さらに、上記他方の主面に複数の凸部を設けたことを特徴とする。

以上のように本発明による環状ヒータを用いることで、給電を安定させることができ、線幅０．１３μｍ以下の超微細加工を必要とするウェハＷにおいて、ウェハＷ及びウェハＷ周辺部の温度差を小さくすることができることから、ウェハＷ周辺のプラズマ密度を一定に短時間で制御することが可能となり、ウェハＷの全面に均一に成膜処理やエッチング処理を行なうことができる。

また、環状ヒータにおいて、繰り返し加熱や冷却が行なわれても、封止用のリングが配置できるのでパーティクルの発生量が少なく、ヒータのクラック、破損という問題を引き起こすことなく、さらに給電部の通電抵抗が増大したり断線したりするといった問題を防
止できる。

図１に示すウェハ処理装置５０の処理室１０は、気密な処理容器５１内に形成されている。処理室１０内には、下部電極４が配設されている。この下部電極４は熱伝導率が大きく導電性の金属、例えばアルミニウムからなり円盤状に形成され、冷却媒体を流す流路５６が形成されている。下部電極４の上面には、例えば吸着電極３を埋設したセラミックス製のウェハ保持部材５４が設けられている。このウェハ保持部材５４の上面をウェハＷを載せる設置面５とし、設置面５とウェハＷの間にＨｅ等のガスを流す溝９が形成され、ウェハＷの熱を効率よく下部電極４に導くことができる。そして、この吸着電極３に１ｋＶの直流電圧を印加してウェハＷを設置面５に吸着することができる。

また、下部電極４の周辺上部には、設置面５に載せられたウェハＷの周囲を囲むように環状ヒータ７０が配設されている。そして、必要に応じて環状ヒータ７０の上面に絶縁性環状リング６が設けられている。

そして、ウェハＷに各種処理を施すには、設置面５にウェハＷを載せるとともに、一対の静電吸着用の吸着電極３に直流電圧を印加することにより、ウェハＷと吸着電極３との間に誘電分極によるクーロン力や微少な漏れ電流によるジョンソン・ラーベック力等の静電吸着力を発現させ、設置面５上のウェハＷを強制的に吸着して固定するとともに、下部電極４の流路５６に冷却液を流し、かつ、設置面５の溝９にＨｅ等のガスを供給する。また、環状ヒータ７０に電圧を印加し加熱して、プラズマ発生用対向電極１１と下部電極４の間に高周波電圧を印加することでプラズマを発生させ、処理容器内１０内に成膜用ガスを供給し、ウェハＷ上に薄膜を形成することができる。また、真空処理室１０内にエッチング用ガスを供給し、ウェハＷの表面に微細な回路パターンを形成することができる。

本発明の環状ヒータ７０は、主面を加熱面７ａとした環状絶縁体７に抵抗発熱体８を備えてなる環状ヒータ７０において、上記抵抗発熱体８は帯状に形成されており、上記環状絶縁体７の内部に上記加熱面７ａに平行に抵抗発熱体８が配置することで、環状ヒータ７０の厚みを小さくすることができ、しかも帯状の抵抗発熱体８は厚みが数百μｍ以下と小さく幅は１〜１０ｍｍ程とすることができることから、加熱面７ａの温度を制御してウェハＷの周辺の温度低下を防止してウェハＷ面と略同じ温度として、ウェハＷ周辺部をウェハ上面と同様にプラズマ密度を均一にすることができることから、ウェハＷの表面に一様に成膜処理やエッチング処理ができる。

また、本発明の環状ヒータ７０は、上記環状絶縁体７の加熱面７ａに対向する他方の主面７ｂが、加熱面７ａに平行に形成されていることが好ましい。その理由は、ウェハＷに覆われていない従来の環状ヒータ１１２ｂの上面は直接プラズマに晒されることから腐食したり成膜物が堆積したりすることから、頻繁に交換する必要があり長時間使用することができないが、本発明の環状ヒータ７０の加熱面７ａに対向する他方の主面７ｂが平行に形成されていることから、下部電極４の主面に平行に加熱面７ａの上に絶縁性環状リング６を載せることが可能となり、この絶縁性環状リング６は容易に交換可能であり、長時間に渡り環状ヒータ７０を配設した状態で使用することができるからである。そして、環状ヒータ７０を交換する作業が省け、装置の稼働率をアップすることが可能となる。

また、本発明の環状ヒータ７０の抵抗発熱体８への給電方法は、環状ヒータ７０を使用する上での重要な要素である。

本発明の環状ヒータ７０は、図２に示すように記環状絶縁体７の他方の主面７ｂに上記帯状の抵抗発熱体８を貫通する穴７ｃを形成し、該穴７ｃの内面にメタライズ層２１を形
成し、該メタライズ層２１とロウ材２２を介して上記抵抗発熱体８と給電端子２０とを接続することが好ましい。このような給電構造とすることで、給電端子２０から抵抗発熱体８に確実に給電できる。具体的には穴７ｃ内面に銀・銅・チタン等のメタライズ処理２１を行ない、環状絶縁体と熱膨張差の小さいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やモリブデン、タングステン、モリブデン合金、タングステン合金等で作製された給電端子２０をアルミ、銀、銅、またはこれらの金属合金等のロウ材２２でロウ付けすると、温度変化に対し耐久性があり、強固に給電端子２０を接続できて好ましい。

また、穴７ｃの内面にメタライズ処理２１を行なった状態でコイルスプリング２３等の応力緩和材を付帯した給電端子２０を挿入し、給電することも可能である。

また、図３（ｂ）に示すように、上記環状絶縁体７の他方の主面７ｂに上記抵抗発熱体８へ給電可能な導電膜２４を形成することが好ましい。導電膜２４を通して抵抗発熱体８へ給電するには、導電膜２４が環状絶縁体７の表面から大きく突出することがなく、給電端子２０等の嵌め合わせが必要なく、環状ヒータ７０を下部電極４に容易に短時間でセットすることが可能となり好ましい。

また、上記導電膜２４と抵抗発熱体８とが複数のビヤホール導体２６を介して接続されていることが好ましい。具体的には環状絶縁体７の他方の主面に穿孔した複数の穴７ｄに埋設され、抵抗発熱体８と接続したビヤホール導体２６に直接、不図示の給電端子を機械的に押し付けて接続し給電する方法も採れるが、抵抗発熱体８が露出した複数の穴７ｄに、抵抗発熱体８の露出部と接続するように導体粒子を充填し環状絶縁体７と同時焼成してビヤホール導体２６を形成することが好ましい。そして、ビヤホール導電体２６の露出部にメタライズ層やメッキ層で導電膜２４を形成して、給電の信頼性を高めることが好ましい。

尚、環状絶縁体７を焼成後、該複数の穴７ｄを設け、例えばタングステン製のワイヤーをビヤホール導体２６としてロウ付けして形成することも可能であるが、焼成前の環状絶縁体に該複数の穴７ｄを設け、例えば、タングステンの原料粉末にＡｌＮ原料粉末と有機バインダーを混練し、ペースト状にしたものを該複数の穴７ｄに充填し、同時焼成してビヤホール導体２６を形成することがより好ましい。

また、本発明の環状ヒータ７０は、環状絶縁体７の他方の主面７ｂに形成した上記導電膜２４または上記給電端子２０の周囲を囲むように溝部３７が形成されていることが好ましい。給電端子２０や導電膜２４、ビヤホール導体２６等の給電部を腐食性ガスから保護する構造としては図４に示すように環状絶縁体７の他方の主面にこれらの給電部の周囲を囲むように溝部３７を設けることが好ましい。その理由は、溝部３７が腐食性ガスとの沿面距離を稼げるのはいうまでもないが、腐食性ガスは異方性が高い為、腐食性ガスの回り込み防止に有効であるからである。さらに溝部３７に耐熱性、耐腐食性の高いＯリング３８を設置し、機械的に環状絶縁体を固定、Ｏリングシールすることで、より確実に腐食性ガスの回り込みを防止できる。

また、図５のように環状絶縁体７の他方の主面に点在する凸部４９を設け、下部電極４との接触面積を低減することで、下部電極４からの吸熱を防止することが可能となり、結果的に環状ヒータ７０の加熱電源の低容量化が計れると共に温度差による熱応力を低減できるので、クラックや破損という問題に対する信頼性を高めることができる。

また、図６に示す環状リング体６がシリコン等の導電体の場合、各種プロセスが進むにつれてウェハＷと同様、プラズマ中のイオンが激しく衝突する為、環状リング体６自体の温度が上昇していく。プロセス初期の環状ヒータ７０の加熱状態から加熱停止状態にして
も、環状リング体６は冷却され難いため、ウェハＷよりも温度が高くなる場合がある。これを防止する為に環状絶縁体７の一方の主面に凹部３９を設け、そこにＨｅ、Ａｒといった不活性ガスを貫通孔４１、４０を通し流すことで冷却し、ウェハＷの周辺の温度を均一に保つことができる。

次に、本発明の環状ヒータ７０のその他の構成について説明する。

本発明の環状ヒータ７０はその加熱面７ａの幅が５〜２０ｍｍであり、好ましくは１０〜１５ｍｍとすると、ウェハＷの周辺温度の低下を防ぐことができて好ましい。環状絶縁体７は、環状ヒータ７０とプラズマ間の絶縁破壊を回避できる絶縁性の緻密質セラミックが好ましい。その中でも絶縁抵抗が１０^１０Ωｃｍ以上と大きく耐腐食性、パーティクル発生低減といった観点から窒化アルミニウム、アルミナ、イットリア、ＹＡＧ、ＹＡＧ分散アルミナがより好ましく、熱伝導性、耐腐食性、パーティクル発生低減といった観点から窒化アルミニウムが更に好ましい。

また、抵抗発熱体８は高融点金属であるタングステン、モリブデン、これらの合金等を主成分とするセラミックが好ましい。

また、環状ヒータ７０の厚みは２０ｍｍ以下であることが好ましい。２０ｍｍを超えると、加熱に要する熱容量が増すため、加熱用電源の容量を大きくする必要があり、また加熱中、環状ヒータの厚み方向に温度差がつき易く、熱応力によってクラックが発生したり破損したりする虞があった。そこで、２０ｍｍ以下の厚みとすることで、加熱に必要な熱容量を低減することができることから温度制御が容易となり好ましい。より好ましくは１５ｍｍ以下で、急速な昇温、降温を行なっても、厚み方向での温度差がつき難いため、クラックや破損という問題に対して高い信頼性を得ることが可能となる。さらに好ましくは１０ｍｍ以下とすることで、ウェハ保持部材５４と下部電極４とからなる基板支持部材全体の厚みを薄くすることができるので、更に熱効率を高め、信頼性を高めることができる。また、帯状の抵抗発熱体８の埋設位置は、環状絶縁体７の二つの主面の間の、好ましくは厚みの４０〜６０％の位置に設けると、加熱時の熱応力が均一に発生して破損の虞が少なく、また、厚みが２０ｍｍ以下であれば、加熱面７ａと抵抗発熱体８との間の距離を１０ｍｍ以下とすることができて、抵抗発熱体８の熱が加熱面７ａへ迅速に伝わり、応答性が優れることから好ましい。

そして、厚みが２０ｍｍ以下の環状ヒータ７０を得る為には、抵抗発熱体８を同一平面状に形成することが好ましい。特許文献２に記載のような高融点金属からなるワイヤーを巻回して巻回体を得て、連続的凹部または溝を設けた予備成型体に巻回体を収容し、この上にセラミックス粉末を充填し、一軸加圧成型を行ない、焼成、加工を行なうという工程では、環状ヒータの厚みを２０ｍｍを超えて必要以上に厚くしなくてはならない。しかし、本発明の抵抗発熱体８は、例えば図２（ｂ）の様な環状ヒータ７０の断面を示すように抵抗発熱体８を帯状に同一平面状に配置することで、環状ヒータ７０の厚みを小さくすることができる。

また、本発明の帯状の抵抗発熱体８の厚みは１〜５００μｍが好ましい。埋設された抵抗発熱体８の厚みが１μｍ未満でも、製造は可能であるが、例えば抵抗発熱体８の厚みが０．５μｍの抵抗発熱体８を製作すると、その厚みのばらつきが０．１μｍ程となり、その抵抗値は単純に考えても２０％程ばらつく虞があり、設計値通りの抵抗発熱体８を歩留まり良く作製することが困難となるからである。また、５００μｍを超えた抵抗発熱体８を埋設しようとすると、抵抗発熱体８と環状絶縁体７との熱膨脹差から製作途中で破損し、作製が困難であった。また、ホットプレス法等を用いて製作したとしても、残留応力が大きいことから、加熱冷却により熱応力が大きくなり、クラックや破損の危険性が大きか
った。

以上のように厚みが小さく、体積が小さい環状ヒータ７０を使用することで、ウェハ温度の不均一を素早く補正し、かつ高い信頼性の下にウェハの表面の全域を均一に加熱することができる。

また、抵抗発熱体８は、図２（ａ）のような帯状に円弧状のパターンと接続パターンを組み合わせて作製したり、渦巻状に配設したりすることで、加熱面７ａの温度差を小さく制御することができる。

本発明の環状ヒータ７０の製造方法は、ドクターブレード法、ロールコンパクション法等を用いて成形したセラミックグリーンシートに１〜５００μｍ厚みの箔状かつ帯状の抵抗発熱体８を挟持し、熱圧着を行なった後、その成形体を真空炉、高圧炉、ホットプレス等で焼成し、製造することが好ましい。この様な製造方法で作製すると、厚みの小さい、抵抗発熱体８周辺の残留応力を抑えた環状ヒータ７０を作製できる。そして、クラックや割れの問題に対して信頼性の高い環状ヒータ７０を提供できる。

さらに、帯状の抵抗発熱体８をスクリーン印刷法で形成することで、抵抗発熱体８の厚みをサブミクロン単位で細かく、かつ容易に制御することができ、結果として、狙い通りの抵抗値の抵抗発熱体８を備えた環状ヒータ７０を製作することができる。

本発明の実施例を以下に示す。

純度９９％平均粒径１．２μｍのＡｌＮ原料粉末に有機バインダーと溶媒のみを加えて泥しょうを作製し、ドクターブレード法により厚さ約０．５ｍｍのグリーンシートを複数枚成形した。また、抵抗発熱体となる電極用のペーストは純度９９％以上、平均粒径約２μｍのタングステンの原料粉末に５重量％のＡｌＮ原料粉末と有機バインダー混練し、作製した。このペーストを用いてグリーンシート上に、スクリーン印刷法を用いて厚み２０μｍの図３（ａ）の形状のパターンを印刷した。

そして、グリーンシートと抵抗発熱体用の電極を備えたグリーンシートとを積層し、その積層体を５０℃、５０００Ｐａの圧力で熱圧着し、グリーンシート間の密着性を高めた積層体を切削加工にて環状に加工し、該環状の積層体を真空脱脂した後、窒素雰囲気下において２０００℃にて焼成することにより、タングステンより形成された帯状の抵抗発熱体を埋設した環状セラミックス体を作製した。

さらに、この環状セラミックス体を外径３２０ｍｍ、内径２９６ｍｍ、厚み１６ｍｍ、抵抗発熱体の位置が両主面からともに８ｍｍとなるように研削加工した後、抵抗発熱体を貫通する直径４ｍｍ深さ９ｍｍの穴を設け、この穴の内面に銀・銅・チタンでメタライズ層を形成し、その後、低熱膨張合金であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製の給電端子をＡｇ−Ｃｕを主成分とするロウ材を用いて真空中約８００℃にてロウ付し、試料Ｎｏ．１を作製した。

また、試料Ｎｏ．１と外径、内径、厚みが同じ大きさで環状絶縁体がＳｉＯ_２からなり、直径５ｍｍのコイル状モリブデンを円環状に埋設した環状ヒータを準備し、試料Ｎｏ．２とした。

次に、吸着電極用としての一対の内部電極を埋設してある直径２９５ｍｍのＡｌＮ製のウェハ支持部材を作製した。また、アルミニウムの表面を酸化、絶縁処理した下部電極と
シリコン接着した。尚、下部電極には環状ヒータを載置できる段と冷却媒体用の流路とを形成した。

この下部電極の段部に試料Ｎｏ．１もしくは試料２を載置し、さらに環状ヒータ上に、基板支持部材上に載置される３００ｍｍウェハの外周側から片側２ｍｍを支持出来る環状リング体６が載置されたウェハ支持部材を、プラズマエッチング可能な真空チャンバー内に設置した。

そして、以下の条件でエッチング処理を行なった後、ウェハの表面で中心から周辺へ向けて、ウェハの端面から１ｍｍの位置までのエッチング量をウェハの直径方向で測定した。そして、１０等間隔で測定した１１箇所のエッチング量の平均値Ａｖと最大値ＡｍａｘＭＡＸと最小値ＡｍｉｎからバラツキＫ＝（Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ）／Ａｖを求めた。

尚、その他の条件は下記とした。

１）真空度：１×１０ ^−５Ｐａ
２）プロセスガス：アルゴン
３）プロセス時間：２分
４）プラズマパワー：３００Ｗ
５）ウェハ吸着電圧：±４００Ｖ
６）ウェハ温度：８０℃
７）ヒータ温度：８０℃
そして、それぞれの結果を表１に示す。

表１のように、本発明の環状絶縁体に二つの平行な主面を備え、一方の主面が加熱面で、上記環状絶縁体の内部に上記加熱面に平行な帯状の抵抗発熱体を備えた環状ヒータ試料Ｎｏ．１は、エッチング量のバラツキが０．８８％以下と小さく、優れた特性を示すことが分かった。

しかし、従来の環状ヒータ試料Ｎｏ．２は、エッチング量のバラツキが７．６３％と大きく、精度良くエッチングできない事が分かった。

実施例１の試料Ｎｏ．１と同様の製法に準じて、その厚みがそれぞれ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍの環状ヒータを作製した。尚、厚みは環状ヒータの周方向に等間隔に５箇所測定し、その平均値とした。

そして、試料Ｎｏ．１と同じ構造で、同じ真空チャンバーに設置し、以下の条件で環状ヒータを急速昇温試験して、何℃/分で加熱した場合に環状ヒータにクラックが発生し断
線が発生するかを調べた。

１）真空度：１×１０^−５Ｐａ
２）プロセスガス：アルゴン
３）プラズマパワー：３００Ｗ
４）ウェハ吸着電圧：±４００Ｖ
５）ウェハ温度：１００℃
６）冷却水温度：４０℃
それぞれの結果を表２に示す。

以上のように、１０ｍｍ、２０ｍｍの厚みの環状ヒータ試料Ｎｏ．２１〜２５は、昇温速度２５０℃／分でも断線がなく好ましい特性を示した。

しかし、試料Ｎｏ．２８の厚みが２５ｍｍの環状ヒータは、２５０℃／分で断線が発生した。

実施例１に示したＡｌＮヒータの製法に準じて、その抵抗発熱体の厚みがそれぞれ、０．５μｍ、１μｍ、５００μｍ、６００μｍの、全体厚み１０ｍｍの環状ヒータを作製した。尚、抵抗発熱体の設計値はすべて１０Ωとした。

また、抵抗発熱体の厚みは環状絶縁体の断面で５箇所測定し、その平均値とした。

それぞれのヒータが設計値に対して、どれだけの精度で製作できたかを評価した。

その結果を表３に示す。

表３から、試料Ｎｏ．３１は抵抗発熱体の厚みが０．５μｍで、設計値１０Ωに対して９．２Ωと８％のばらつきが生じた。

また、試料Ｎｏ．３２、３３は、１μｍと５００μｍで９．９Ωと、１％のばらつきで略設計値通りの抵抗値が得られた。

尚、試料Ｎｏ．３４は６００μｍとしたが、熱膨脹差による応力が大きかったことから環状ヒータにクラックが生じた。

以上の結果から、抵抗発熱体の厚みは１〜５００μｍが好ましいことが分かった。

環状ヒータの製法として、純度９９％平均粒径１．２μｍのＡｌＮ原料粉末に有機バインダーと溶媒のみを加えて泥しょうを作製し、ドクターブレード法により厚さ約０．５ｍｍのグリーンシートを複数枚成形した。また、抵抗発熱体となる電極用のペーストは純度９９％以上、平均粒径約２μｍのタングステンの原料粉末に５重量％のＡｌＮ原料粉末と有機バインダー混練し、作製した。このペーストを用いてグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて厚み２０μｍのパターンを印刷した。

次に、グリーンシートと抵抗発熱体用の電極を備えたグリーンシートとを積層し、その積層体を５０℃、５０００Ｐａの圧力で熱圧着し、グリーンシート間の密着性を高めた積層体を切削加工にて環状に加工し、さらに、ヒータ電極の給電開始端部、終点端部それぞれに図３（ｂ）に示すような貫通する直径０．４ｍｍの穴を各６個、各直径６ｍｍの範囲内に均等に設け、その穴内部に電極用ペーストを充填した。

そして、該環状の積層体を真空脱脂した後、窒素雰囲気下において２０００℃にて焼成することにより、タングステンより形成された帯状の抵抗発熱体を埋設した環状セラミックス体を作製した。

さらに、この環状セラミックス体を外径３２０ｍｍ、内径２９６ｍｍ、厚み１０ｍｍ、抵抗発熱体の位置が両主面からともに５ｍｍとなるように研削加工した後、図３に示すような、直径８ｍｍの導電膜をＡｇ−Ｃｕを主成分とするロウ材を用いて真空中約８００℃にてロウ付し、試料Ａを作製した。

また、試料Ｂとしては、実施例１に示した試料１と同じ環状ヒータを準備した。但し、条件を合わせる為に、環状ヒータの厚みは１０ｍｍとした。

そして、試料Ａ、Ｂを用いて実施例１と同じ構造で同じチャンバー内にそれぞれ設置して、以下の条件において何サイクルでクラックや抵抗変化が発生するかの耐久試験を行なった。

１）真空度：１×１０^−５Ｐａ
２）プロセスガス：アルゴン
３）プラズマパワー：３００Ｗ
４）ウェハ吸着電圧：±４００Ｖ
５）ウェハ温度：２０℃
６）温度サイクル：２０℃で１分保持し、８０℃に1分で昇温、２０℃に1分で降温
その結果、５０００回の温度サイクル後の抵抗変化は０．２％以下と極めて小さく、クラックは発生せず、非常に信頼性の高い給電方法であることが分かった。

本発明の環状ヒータを備えたウエハ処理装置の断面図である。（ａ）本発明の環状ヒータの正面図を示す。（ｂ）は(ａ)のＸ−Ｘ線断面図である。 (ａ)本発明の環状ヒータの正面図を示す。（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。本発明の環状ヒータをウェハ処理装置に用いた部分断面図である。本発明の環状ヒータの部分正面図である。本発明の環状ヒータをウェハ処理装置に用いた部分断面図である。従来のウェハ処理装置の断面図である。図７に示す圧力調整ユニットの概略図である。

３：吸着電極
４：下部電極
５：設置面
６：環状リング
７：環状絶縁体
７ａ：加熱面
７ｂ：主面
７ｃ：穴
７ｄ：穴
８：抵抗発熱体
１０：処理室
１１：対向電極
２０：給電端子
２１：メタライズ層
２２：ロウ材
２３：コイルスプリング
２４：導電膜
２６：ビヤホール導体
３７：溝部
３８：Ｏリング
３９：凹部
４０：貫通孔
４１：貫通孔
４９：凸部
５０：ウェハ処理装置
５１：処理容器
５４：ウェハ保持部材
５６：冷却媒体用の流路
７０：環状ヒータ
１００：ウェハ処理装置
１０２：処理室
１０４：処理容器
１０６：下部電極
１０８：静電チャック
１０８ａ：薄膜
１０８ｂ：電極
１１０：高圧電流電源
１１２：リング体
１１２ａ：内側リング体
１１２ｂ：環状ヒータ
１１４：第１ガス供給孔
１１６：第２ガス供給孔
１１８：第１ガス供給管
１２０：第２ガス供給管
１２１：第１開閉バルブ
１２２：流量調整バルブ
１２４：第２開閉バルブ
１３０：第３ガス供給孔
１３２：第３ガス供給管
１３８：ガス供給源
１４０：制御器
１４２：第１温度センサ
１４４：第２温度センサ
１４６：第３温度センサ
１４８：発熱体
１５０：可変電源
１５２：冷媒循環路
１５４：整合器
１５６：高周波電源
１５８：上部電極
１５８ａ：ガス吐出孔
１６０：処理ガス供給管
１６２：第２排気管
１６４：第１圧力調整ユニット
１６６：第２圧力調整ユニット
１６８：圧力計
１７０：第１排気管
１７２：圧力調整バルブ
１７４：第３開閉バルブ
１８４：Ｏリング
１８６：第３圧力調整ユニット
Ｗ：ウェハ

Claims

一方の主面を加熱面とし、他方の主面は上記加熱面に平行に形成されている環状絶縁体の内部に上記加熱面に平行に帯状の抵抗発熱体を備えてなり、凸状の下部電極の周辺上部の表面に、上記下部電極の突出部を取り囲むとともに上記他方の主面が上記周辺上部の表面と対向して載置される環状ヒータにおいて、上記環状絶縁体の上記他方の主面に、上記帯状の抵抗発熱体へ給電可能な導電膜を形成するとともに、該導電膜と上記帯状の抵抗発熱体とを複数のビヤホール導体を介して接続し、さらに上記導電膜を取り囲む溝部を形成し、かつ、該溝部にＯリングを設置し、該Ｏリングと上記周辺上部の表面と上記他方の主面とで上記導電膜を封止可能としたことを特徴とする環状ヒータ。
一方の主面を加熱面とし、他方の主面は上記加熱面に平行に形成されている環状絶縁体の内部に上記加熱面に平行に帯状の抵抗発熱体を備えてなり、凸状の下部電極の周辺上部の表面に、上記下部電極の突出部を取り囲むとともに上記他方の主面が上記周辺上部の表面と対向して載置される環状ヒータにおいて、上記環状絶縁体の上記他方の主面に上記帯状の抵抗発熱体を貫通し、内面にメタライズ層が被着された穴を形成し、上記メタライズ層と給電端子とを接続可能に構成するとともに、上記穴を取り囲む溝部を形成し、かつ、該溝部にＯリングを設置し、該Ｏリングと上記周辺上部の表面と上記他方の主面とで上記穴を封止可能としたことを特徴とする環状ヒータ。
上記他方の主面に複数の凸部を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の環状ヒータ。