JP6979016B2

JP6979016B2 - セラミックヒータ

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Publication number: JP6979016B2
Application number: JP2018511503A
Authority: JP
Inventors: 豊海野; 央史竹林
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2021-12-08
Anticipated expiration: 2037-08-08
Also published as: US10566218B2; KR20210014764A; TWI710000B; CN108028220A; US20180204748A1; WO2018030433A1; JPWO2018030433A1; CN108028220B; TW201826324A; KR20180059761A

Description

本発明は、セラミックヒータに関する。

従来より、円板状のセラミックプレートの上面にウエハを載置するためのウエハ載置面を有するセラミックヒータが知られている。この種のセラミックヒータとしては、セラミックプレートの内周領域に内周側ヒータエレメントが埋設され、外周領域に外周側ヒータエレメントが埋設されたものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−８８４８４号公報

ところで、特許文献１の円板状のセラミックプレートを用いて、ウエハの表面処理をプラズマ処理にて行う工程において、ウエハの加熱温度及びウエハ面内での温度均一性は、成膜された被膜の性状やエッチングされたウエハ表面の性状に影響を及ぼし、その結果、半導体デバイスの特性や歩留まりに影響を及ぼす。ウエハの表面処理をプラズマ処理にて行う場合、ウエハは、セラミックプレートだけでなく、プラズマによっても加熱され、セラミックプレート上方にあるシャワープレートからのガス流分布も加わるので、プラズマでの表面処理中のウエハは、中央領域と比較して外側領域の温度が低く（又は高く）なる。従って、プラズマ処理中のウエハ面内での温度を均一にするには、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面に載置したウエハの中央領域の温度分布は概ねフラットで、中央領域より外側の領域の温度分布は外周に行くほど温度が高く（又は低く）なるような温度勾配プロファイルを持つセラミックヒータが必要である。

しかしながら、ウエハの中央領域の温度分布は概ねフラットで、中央領域より外側の領域の温度分布は外周に行くほど温度が高く（又は低く）なるような温度勾配プロファイルを持つセラミックヒータは、セラミックヒータ内部の熱伝導があるため難易度が高く、加えて破損リスクを伴うため具現化できていなかった。

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、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面に載置されたウエハの中央領域の温度分布は概ねフラットで、中央領域より外側の領域の温度分布は外周に行くほど温度差が大きくなるような温度勾配プロファイルを持つセラミックヒータを提供することを主目的とする。

本発明のセラミックヒータは、
円板状のセラミックプレートの上面にウエハを載置するためのウエハ載置面を有し、前記セラミックプレートの内周領域に１以上の内周側ヒータエレメントが埋設され、外周領域に１以上の外周側ヒータエレメントが埋設されたセラミックヒータであって、
前記セラミックプレートのうち所定領域の厚さは、前記セラミックプレートの直径の３．９％以下であり、
前記所定領域は、前記内周領域と前記外周領域とのゾーン境界線を含む領域である、
ものである。

このセラミックヒータによれば、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面に載置されたウエハの中心と最外周とで所定の温度差となるように内周側ヒータエレメント及び外周側ヒータエレメントを制御したとき、ウエハのうち温度境界線の内側の領域（温度境界内側領域）の温度分布はフラットに近くなり、温度境界線の外側の領域（温度境界外側領域）の温度分布は外周に行くほど温度が高く（又は低く）なるような温度勾配プロファイルを得ることができる。なお、温度境界線とは、セラミックプレートと同心円の線であり、その同心円の直径はセラミックプレートの直径の５４．５％に設定される。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記所定領域は、前記セラミックプレートの外周から前記ゾーン境界線を越えた内側までの領域であってもよい。こうすれば、本発明の効果をより有効に得ることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記内周領域のうち中心に近い領域に、シャフトに接合されるシャフト接合部が設けられ、前記所定領域は、前記セラミックプレートのうち前記シャフト接合部よりも外側の全領域であってもよい。こうすれば、本発明の効果をより一層有効に得ることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記所定領域の厚さは、前記セラミックプレートの直径の３．３％以下であることが好ましい。こうすれば、本発明の効果を顕著に得ることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記所定領域の厚さは、前記セラミックプレートの直径の１．８％以上であることが好ましい。こうすれば、セラミックヒータの強度を十分確保することができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記ゾーン境界線は、前記セラミックプレートと同心円であって、前記同心円の直径は、前記セラミックプレートの直径の７５〜８５％の範囲に設定されていてもよい。こうすれば、ウエハの中央領域の温度分布をよりフラットに近づけることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記内周領域と前記外周領域との間には、ヒータエレメントのない非加熱領域が設けられていることが好ましい。こうすれば、非加熱領域は熱抵抗が大きいため、ウエハの温度境界内側領域の温度分布は外周側ヒータエレメントの影響を受けにくくなる。そのため、ウエハの中央領域の温度分布をよりフラットにすることができる。こうした非加熱領域は、前記セラミックプレートの直径の４．０％以上７．６％以下の幅を有する環状の領域であることが好ましい。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記外周領域のうち前記セラミックプレートの前記ウエハ載置面とは反対側の面には、環状の溝又は段差を備えた薄肉部が設けられていてもよい。こうすれば、環状の溝又は段差を備えた薄肉部は熱抵抗が大きいため、ウエハの温度境界内側領域の温度分布は外周側ヒータエレメントの影響を受けにくくなる。

こうした薄肉部は、ヒータエレメントのない非加熱領域に設けられていてもよい。こうすれば、薄肉部は熱抵抗が一段と大きくなるため、ウエハの温度境界内側領域の温度分布は外周側ヒータエレメントの影響を一段と受けにくくなる。

半導体製造装置用部材１０の縦断面図。セラミックヒータ２０の平面図。制御装置４０の電気的接続を示すブロック図。バッファ領域Ａｂｕｆを備えたセラミックヒータ２０の縦断面図。環状の溝５２を備えたセラミックヒータ２０の縦断面図。環状の段差５４を備えたセラミックヒータ２０の縦断面図。セラミックヒータ２０の変形例の縦断面図。セラミックヒータ２０の変形例の縦断面図。実験例１〜８の寸法や測温結果をまとめたテーブル。実験例１〜６の温度勾配プロファイル。実験例２，７，８の温度勾配プロファイル。実験例６，９，１０の寸法や測温結果をまとめたテーブル。実験例６，９，１０の温度勾配プロファイル。

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は半導体製造装置用部材１０の縦断面図、図２はセラミックヒータ２０の平面図、図３は制御装置４０の電気的接続を示すブロック図である。

半導体製造装置用部材１０は、セラミックヒータ２０とシャフト３０と制御装置４０とを備えている。

セラミックヒータ２０は、円形のセラミックプレート２２の上面にウエハＷを載置するためのウエハ載置面２０ａを有している。ここでは、ウエハ載置面２０ａの直径は、ウエハＷより大きく設計されている。セラミックプレート２２のうち、セラミックプレート２２と同心円のゾーン境界線ＬＺの内側の領域を内周領域Ａｉｎ、ゾーン境界線ＬＺの外側の領域を外周領域Ａｏｕｔという。内周領域Ａｉｎには、内周側ヒータエレメント２４が埋設され、外周領域Ａｏｕｔには、外周側ヒータエレメント２６が埋設されている。ゾーン境界線ＬＺは、内周側ヒータエレメント２４の最外周部と外周側ヒータエレメント２６の最内周部との間の環状領域の中心線（円）である。ゾーン境界線ＬＺの直径は、セラミックプレート２２の直径φの７５％以上８５％以下の範囲に設定されていることが好ましい。セラミックプレート２２の直径φは、特に限定するものではないが、例えば３３０〜３８０ｍｍの範囲で設定してもよい。

セラミックプレート２２のうち、内周領域Ａｉｎのうち中心に近い領域は、シャフト３０に接合されるシャフト接合部２２ａとなっている。シャフト接合部２２ａは、セラミックプレート２２のうちセラミックプレート２２と同軸の円柱凸部をウエハ載置面２０ａとは反対側の面２０ｂに備えた部分である。セラミックプレート２２のうちシャフト接合部２２ａよりも外側の全領域であるプレート主要部２２ｂは、シャフト接合部２２ａの厚さと比べて薄くなっている。プレート主要部２２ｂは、ゾーン境界線ＬＺを含む領域であり、セラミックプレート２２の外周からゾーン境界線ＬＺを越えた内側までの領域でもある。このプレート主要部２２ｂの厚さｔは、セラミックプレート２２の直径φの３．９％以下、好ましくは３．３％以下である。また、厚さｔは、セラミックプレート２２の直径φの１．８％以上であることが好ましい。

図２に示すように、内周側ヒータエレメント２４は、円形の内周領域Ａｉｎの全体にわたって一筆書きの要領で形成された抵抗線である。その抵抗線の両端には、端子２４ａ，２４ｂが設けられている。端子２４ａ，２４ｂは、図示しないが、ウエハ載置面２０ａとは反対側の面２０ｂからシャフト３０の内部空間に露出している。端子２４ａ，２４ｂの間に電圧が印加されると、内周側ヒータエレメント２４は発熱して内周領域Ａｉｎを加熱する。外周側ヒータエレメント２６は、環状の外周領域Ａｏｕｔの全体にわたって一筆書きの要領で形成された抵抗線である。その抵抗線の両端には端子２６ａ，２６ｂが設けられている。端子２６ａ，２６ｂは、図示しないが、ウエハ載置面２０ａとは反対側の面２０ｂからシャフト３０の内部空間に露出している。端子２６ａ，２６ｂの間に電圧が印加されると、外周側ヒータエレメント２６は発熱して外周領域Ａｏｕｔを加熱する。端子２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂは、後述する温度境界内側領域ＴＡｉｎに設けられている。各ヒータエレメント２４，２６は、コイル形状、リボン形状、メッシュ形状、板状又は膜状であり、例えばＷ、ＷＣ、Ｍｏなどによって形成されている。

セラミックプレート２２は、図１に示すように、平板電極２８も内蔵している。平板電極２８は、ウエハ載置面２０ａと内周側及び外周側ヒータエレメント２４，２６との間に埋設されている。平板電極２８は、図示しない端子に直流電圧が印加されるとウエハＷはクーロン力又はジョンソン・ラーベック力によりウエハ載置面２０ａに吸着固定され、直流電圧の印加を解除するとウエハＷのウエハ載置面２０ａへの吸着固定が解除される。このように、平板電極２８は、静電電極として利用される。平板電極２８は、プラズマを発生させる際にはＲＦ電極としても利用される。

セラミックプレート２２の材料は、特に限定するものではないが、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、サイアロン、アルミナ、炭化ケイ素などが挙げられる。このうち、窒化アルミニウムやアルミナは、ハロゲン系ガスなどの腐食性ガスに対して高い耐腐食性を示すため、好ましい。

シャフト３０は、円筒部材であり、上下両端にそれぞれフランジを有している。シャフト３０の上端側のフランジは、セラミックプレート２２のシャフト接合部２２ａにろう接又は直接接合により接合されている。シャフト３０の内部には、端子２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂのそれぞれに電気的に接続される給電線（図示せず）や、平板電極２８の端子に電気的に接続される給電線（図示せず）が配置されている。シャフト３０は、セラミックプレート２２と同種材料で形成されている。

制御装置４０は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えた周知のマイクロコンピュータを内蔵している。制御装置４０は、図３に示すように、ウエハＷの中心温度を測定する第１温度センサ４１やウエハＷの最外周温度を測定する第２温度センサ４２から検出信号を入力すると共に、入力装置４３（キーボードやマウスなど）からオペレータが入力した指令を入力する。また、制御装置４０は、各ヒータエレメント２４，２６や平板電極２８に電源装置４４を介して電力を出力する。電源装置４４は、交流電源と直流電源と高周波電源とを内蔵している。各ヒータエレメント２４，２６には、交流電源から交流電圧が印加される。平板電極２８には、ウエハ載置面２０ａにウエハＷを吸着する際には直流電源から直流電圧が印加され、プラズマを発生させる際には高周波電源から高周波電圧が印加される。

次に、こうして構成された半導体製造装置用部材１０の使用例について説明する。まず、図示しない真空チャンバ内にセラミックヒータ２０を設置し、ウエハＷをウエハ載置面２０ａに載置する。そして、平板電極２８に直流電圧をかけてクーロン力又はジョンソン・ラーベック力を発生させてウエハＷをウエハ載置面２０ａに吸着固定する。また、真空チャンバ内を真空ポンプにより減圧して所定の真空度になるように調整する。次に、真空チャンバ内を所定圧力（例えば数１０〜数１００Ｐａ）の反応ガス雰囲気とし、この状態で、真空チャンバ内の上部電極とセラミックプレート２２に内蔵された平板電極２８との間に高周波電圧を印加し、プラズマを発生させる。ウエハＷの表面は、発生したプラズマによってエッチングされる。制御装置４０は、予めプラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度が目標温度Ｔとなり、最外周の温度が中心温度よりも所定温度差ΔＴ（＞０）だけ高い温度となるように設定されている。目標温度Ｔ及び所定温度差ΔＴは、オペレータが入力装置４３を操作して設定したものである。所定温度差ΔＴは、熱応力による不具合の発生を防止する観点から１０℃が良い。制御装置４０は、第１温度センサ４１の出力値が目標温度Ｔと一致するように内周側ヒータエレメント２４に電力を供給すると共に、第２温度センサ４２の出力値が温度Ｔ＋ΔＴとなるように外周側ヒータエレメント２６に電力を供給する。つまり、内周側ヒータエレメント２４と外周側ヒータエレメント２６は個別に制御される。昇温速度は、特に限定するものではないが、例えば４０℃／ｍｉｎまでの範囲内で適宜設定すればよい。

このようにプラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度が目標温度Ｔ，最外周温度が温度Ｔ＋ΔＴとなるように制御する場合、高温の外周領域Ａｏｕｔから低温の内周領域Ａｉｎに向かって熱が移動する。セラミックプレート２２のプレート主要部２２ｂの厚さｔがセラミックプレート２２の直径φの５〜６％の場合には、高温の外周領域Ａｏｕｔから低温の内周領域Ａｉｎに向かって熱が移動しやすいため、ウエハＷの中心から最外周に向かってほぼリニアに温度が高くなる。これに対して、本実施形態では、プレート主要部２２ｂの厚さｔがセラミックプレート２２の直径φの３．９％以下（好ましくは３．３％以下）に設定されている。このようにプレート主要部２２ｂの厚さｔを薄くすることにより、プレート主要部２２ｂの断面積が小さくなるため熱抵抗が増大し、高温の外周領域Ａｏｕｔから低温の内周領域Ａｉｎに向かって熱が移動しにくくなる。その結果、ウエハＷのうち温度境界線ＬＴ（図１参照）の内側の領域（温度境界内側領域ＴＡｉｎ）の温度分布はフラットに近くなり、温度境界線ＬＴの外側の領域（温度境界外側領域ＴＡｏｕｔ）の温度分布は外周に行くほど温度が高くなるような温度勾配プロファイルを得ることができる。なお、温度境界線ＬＴとは、セラミックプレート２２と同心円の線であり、その同心円の直径は例えばセラミックプレート２２の直径φの５４．５％に設定される。また、プレート主要部２２ｂ（セラミックプレート２２のうちシャフト接合部２２ａから外側の全領域）の厚さが全体にわたって薄くなっているため、熱容量が小さくなり、熱応答性も良くなる。加えて、プレート主要部２２ｂの裏面は段差のない平滑な形状となっているため、段差のある場合に比べて表面積が小さくなり、プレート主要部２２ｂの裏面からの放熱量を抑制できる。更に、ガス流が乱流になりにくいため、局所的に放熱量が増大するのを回避でき、局所的なクール部の発生も防止できる。

一方、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度が目標温度Ｔ，最外周温度が温度Ｔ−ΔＴ（ΔＴ＞０）となるように制御する場合、本実施形態では、高温の内周領域Ａｉｎから低温の外周領域Ａｏｕｔに向かって熱が移動しにくくなる。その結果、ウエハＷのうち温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布はフラットに近くなり、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど温度が低くなるような温度勾配プロファイルを得ることができる。

以上詳述したセラミックヒータ２０によれば、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心と最外周とで所定温度差ΔＴとなるように各ヒータエレメント２４，２６を制御したとき、ウエハＷのうち温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布はフラットに近くなり、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど温度が高く（又は低く）なるような温度勾配プロファイルを得ることができる。これにより、温度境界内側領域ＴＡｉｎに設けられる端子２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂにおける熱応力も大きく減少し、破損しにくくなる。

また、プレート主要部２２ｂの厚さｔを、セラミックプレート２２の直径Φの１．８％以上に設定した場合、セラミックヒータ２０の強度を十分確保することができる。そのため、セラミックヒータ２０の使用時にセラミックヒータ２０が割れたり破損したりするのを回避することができる。

更に、ゾーン境界線ＬＺの直径を、セラミックプレート２２の直径Φの７５％以上８５％以下の範囲に設定した場合、ウエハＷの温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布をよりフラットに近づけることができる。

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、上述した実施形態のセラミックヒータ２０において、内周領域Ａｉｎと外周領域Ａｏｕｔとの間には、図４に示すように、ヒータエレメントのないバッファ領域（非加熱領域）Ａｂｕｆが設けられていてもよい。なお、図４において、上述した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。バッファ領域Ａｂｕｆは熱抵抗が大きいため、ウエハＷの温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は外周側ヒータエレメント２６の影響を更に受けにくくなる。そのため、ウエハＷの温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布をよりフラットにすることができる。こうしたバッファ領域Ａｂｕｆは、セラミックプレート２２の直径φの４．０％以上７．６％以下の幅を有する環状の領域であることが好ましい。

上述した実施形態のセラミックヒータ２０において、外周領域Ａｏｕｔのうちセラミックプレート２２のウエハ載置面２０ａとは反対側の面２０ｂには、図５に示すように、環状の溝５２を備えた薄肉部が設けられていてもよい。なお、図５において、上述した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。図５の溝５２は、セラミックプレート２２と同心円となる環状の溝である。溝５２の深さは、特に限定するものではないが、例えばセラミックプレート２２の直径φ１．８％以上３．３％以下としてもよいし、プレート主要部２２ｂの厚さｔの１０％以上３０％以下としてもよい。溝５２の幅も、特に限定するものではないが、例えばセラミックプレート２２の直径φの１％以上５％以下としてもよい。溝５２の内周エッジは、ゾーン境界線ＬＺと一致していてもよい。このような溝５２を備えた薄肉部は熱抵抗が大きいため、ウエハＷの温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は外周側ヒータエレメント２６の影響を一層受けにくくなる。こうした溝５２は、ヒータエレメントのない非加熱領域に設けてもよい。こうすれば、溝５２を備えた薄肉部は熱抵抗が一段と大きくなるため、ウエハＷの温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は外周側ヒータエレメント２６の影響を一段と受けにくくなる。

上述した実施形態のセラミックヒータ２０において、外周領域Ａｏｕｔのうちセラミックプレート２２のウエハ載置面２０ａとは反対側の面２０ｂには、図６に示すように、環状の段差５４を備えた薄肉部が設けられていてもよい。なお、図６において、上述した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。図６の段差５４の段差境界線５４ａは、セラミックプレート２２と同心円である。段差５４の深さは、特に限定するものではないが、例えばセラミックプレート２２の直径φの１．８％以上３．３％以下としてもよいし、プレート主要部２２ｂの厚さｔの１０％以上３０％以下としてもよい。段差５４の幅も、特に限定するものではないが、段差境界線５４ａがゾーン境界線ＬＺと一致していてもよい。このような段差５４を備えた薄肉部は熱抵抗が大きいため、ウエハＷの温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は外周側ヒータエレメント２６の影響を一層受けにくくなる。こうした段差５４は、ヒータエレメントのない非加熱領域に設けてもよい。こうすれば、段差５４を備えた薄肉部は熱抵抗が一段と大きくなるため、ウエハＷの温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は外周側ヒータエレメント２６の影響を一段と受けにくくなる。

上述した実施形態のセラミックヒータ２０において、図７に示すように、セラミックプレート２２のうちゾーン境界線ＬＺを含む境界領域ＡＺに環状の溝１５２を設け、その境界領域ＡＺの厚さをセラミックプレート２２の直径の３．９％以下（好ましくは３．３％以下）とし、境界領域ＡＺ以外の厚さをセラミックプレート２２の直径の３．９％を超えるようにしてもよい。図７において、上述した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。このようにしても、高温の外周領域Ａｏｕｔから低温の内周領域Ａｉｎに向かって熱が移動しにくくなる。その結果、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷのうち温度境界線ＬＴの内側の領域（温度境界内側領域ＴＡｉｎ）の温度分布はフラットに近くなり、温度境界線ＬＴの外側の領域（温度境界外側領域ＴＡｏｕｔ）の温度分布は外周に行くほど温度が高くなるような温度勾配プロファイルを得ることができる。但し、上述した実施形態の方がこうした温度勾配プロファイルをより明確に得ることができる。なお、境界領域ＡＺの厚さは、強度を考慮すると、セラミックプレート２２の直径の１．８％以上とすることが好ましい。

上述した実施形態のセラミックヒータ２０において、図８に示すように、セラミックプレート２２のうち外周からゾーン境界線ＬＺを越えた内側までの領域ＡＸに環状の段差１５４を設け、その領域ＡＸの厚さをセラミックプレート２２の直径の３．９％以下（好ましくは３．３％以下）とし、それ以外の厚さをセラミックプレート２２の直径の３．９％を超えるようにしてもよい。図８において、上述した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。このようにしても、高温の外周領域Ａｏｕｔから低温の内周領域Ａｉｎに向かって熱が移動しにくくなる。その結果、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷのうち温度境界線ＬＴの内側の領域（温度境界内側領域ＴＡｉｎ）の温度分布はフラットに近くなり、温度境界線ＬＴの外側の領域（温度境界外側領域ＴＡｏｕｔ）の温度分布は外周に行くほど温度が高くなるような温度勾配プロファイルを図７よりも明確に得ることができる。但し、上述した実施形態の方がこうした温度勾配プロファイルをより明確に得ることができる。なお、セラミックプレート２２のうち外周からゾーン境界線ＬＺを越えた内側までの領域の厚さは、強度を考慮すると、セラミックプレート２２の直径の１．８％以上とすることが好ましい。

上述した実施形態では、セラミックプレート２２に平板電極２８を埋設した構造を採用したが、平板電極２８を埋設しない構造を採用してもよい。また、上述した実施形態では、平板電極２８は、静電電極とＲＦ電極の両方の役割を果たすようにしたが、静電電極とＲＦ電極のいずれか一方の役割を果たすようにしてもよい。また、セラミックプレート２２に静電電極とＲＦ電極を別々に埋設してもよい。

上述した実施形態では、セラミックプレート２２のシャフト接合部２２ａの厚さをその周囲のプレート主要部２２ｂの厚さｔに比べて厚くなるようにしたが、シャフト接合部２２ａの厚さをプレート主要部２２ｂの厚さと同じにしてもよい。

［実験例１］
実験例１では、図１のセラミックヒータ２０を作製した。但し、平板電極２８は省略した。具体的には、セラミックプレート２２として、直径φが３３０ｍｍ（半径ｒが１６５ｍｍ）の窒化アルミニウム焼結体製のプレートを用いた。ゾーン境界線ＬＺは、直径２６０ｍｍ（セラミックプレート２２の直径φの７９％）の円で、セラミックプレート２２と同心円とした。シャフト接合部２２ａの直径は７４ｍｍ、シャフト接合部２２ａの厚さは１８ｍｍとした。プレート主要部２２ｂの厚さｔは１３ｍｍ（厚さｔ／直径φの比率は３．９％）とした。各ヒータエレメント２４，２６は、モリブデン製のコイルスプリング形状のものを用いた。実験例１で用いたセラミックプレート２２の寸法を図９のテーブルに示す。

制御装置４０において、予めプラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面に載置されたウエハＷの中心温度を目標温度Ｔ（ここでは６００℃）に設定し、ウエハＷの最外周の温度が中心温度よりも所定温度差ΔＴ（ここでは１０℃）だけ高い温度となるように設定した。ウエハＷの中心温度及び最外周の温度がそれぞれ設定温度に到達した時点で、ウエハＷの直径のうち中心から右端までの間（ウエハ中心からの距離が０〜１５０ｍｍの間）の８箇所と、中心から他端までの間（ウエハ中心からの距離が０〜−１５０ｍｍの間）の８箇所で測温を行った。その結果を図１０のグラフに示す。温度境界線ＬＴは、直径が１８０ｍｍの円（セラミックプレート２２と同心円、セラミックプレート２２の直径φの５４．５％、中心から９０ｍｍの距離にある）とした。

実験例１では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は３．０℃であり、評価は良好であった。なお、この差が３．０℃以下だった場合は端子部における熱応力が十分に小さいので良好と評価し、３．０℃を超えた場合を不良と評価した。実験例１の温度勾配プロファイルは、図１０に示すとおりであった。すなわち、温度境界内側領域ＴＡｉｎでは温度分布はフラットに近く、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔでは温度分布は外周に行くほど温度が高くなった。

［実験例２］
実験例２では、プレート主要部２２ｂの厚さｔを１１ｍｍ（厚さｔ／直径φの比率は３．３％）とした以外は、実験例１と同様にしてセラミックヒータ２０を作製し、実験例１と同様にして測温を行った。その結果を図９のテーブル及び図１０のグラフに示す。実験例２では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は２．７℃（≦３．０℃）であり、評価は良好であった。実験例２の温度勾配プロファイルは、図１０に示すとおりであった。すなわち、温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は実験例１と比べてよりフラットに近く、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど温度が高くなった。

［実験例３］
実験例３では、プレート主要部２２ｂの厚さｔを９ｍｍ（厚さｔ／直径φの比率は２．７％）とした以外は、実験例１と同様にしてセラミックヒータ２０を作製し、実験例１と同様にして測温を行った。その結果を図９のテーブル及び図１０のグラフに示す。実験例３では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は２．２℃（≦３．０℃）であり、評価は良好であった。実験例３の温度勾配プロファイルは、図１０に示すとおりであった。すなわち、温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は実験例１，２と比べてよりフラットに近く、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど温度が高くなった。

［実験例４］
実験例４では、プレート主要部２２ｂの厚さｔを６ｍｍ（厚さｔ／直径φの比率は１．８％）とした以外は、実験例１と同様にしてセラミックヒータ２０を作製し、実験例１と同様にして測温を行った。その結果を図９のテーブル及び図１０のグラフに示す。実験例４では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は１．４℃（≦３．０℃）であり、評価は良好であった。実験例４の温度勾配プロファイルは、図１０に示すとおりであった。すなわち、温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は実験例１〜３と比べてよりフラットに近く、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど温度が高くなった。

実験例１〜４では、いずれもプレート主要部２２ｂの厚さｔがセラミックプレート２２の直径の３．９％以下であるが、温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布をよりフラットに近づけ、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど高くなる傾向をより明確にするためには厚さｔをより薄くすることが好ましい。

［実験例５］
実験例５では、プレート主要部２２ｂの厚さｔを１９ｍｍ（厚さｔ／直径φの比率は５．８％）とした以外は、実験例１と同様にしてセラミックヒータ２０を作製し、実験例１と同様にして測温を行った。その結果を図９のテーブル及び図１０のグラフに示す。実験例５では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は４．９℃（＞３．０℃）であり、評価は不良であった。実験例５の温度勾配プロファイルは、図１０に示すとおり、ウエハＷの中心から最外周にかけてほぼリニアに温度が上昇した。

［実験例６］
実験例６では、プレート主要部２２ｂの厚さｔを１５ｍｍ（厚さｔ／直径φの比率は４．５％）とした以外は、実験例１と同様にしてセラミックヒータ２０を作製し、実験例１と同様にして測温を行った。その結果を図９のテーブル及び図１０のグラフに示す。実験例６では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は３．８℃（＞３．０℃）であり、評価は不良であった。実験例６の温度勾配プロファイルは、図１０に示すとおり、ウエハＷの中心から最外周にかけてほぼリニアに温度が上昇した。

［実験例７］
実験例７では、外周領域Ａｏｕｔのうちセラミックプレート２２のウエハ載置面２０ａとは反対側の面２０ｂに環状の溝５２を備えた薄肉部（図５参照）を設けた以外は、実験例２と同様にしてセラミックヒータ２０を作製し、実験例２と同様にして測温を行った。溝５２の内周エッジは、直径２６０ｍｍの円とし、ゾーン境界線ＬＺと一致させた。溝５２の深さは３ｍｍ、溝５２の幅は１０ｍｍ、薄肉部の厚さｔ’は８ｍｍとした。その結果を図９のテーブル及び図１１のグラフに示す。実験例７では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は２．０℃であり、評価は良好であった。実験例７の温度勾配プロファイルは、図１１に示すとおりであった。すなわち、温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は溝５２のない実験例２と比べてよりフラットに近く、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど温度が高くなった。

［実験例８］
実験例８では、外周領域Ａｏｕｔのうちセラミックプレート２２のウエハ載置面２０ａとは反対側の面２０ｂに環状の段差５４を備えた薄肉部（図６参照）を設けた以外は、実験例２と同様にしてセラミックヒータ２０を作製し、実験例２と同様にして測温を行った。段差５４の段差境界線５４ａは、直径２６０ｍｍの円とし、ゾーン境界線ＬＺと一致させた。段差５４の深さは３ｍｍ、薄肉部の厚さｔ’は８ｍｍとした。その結果を図９のテーブル及び図１１のグラフに示す。実験例８では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は１．７℃であり、評価は良好であった。実験例８の温度勾配プロファイルは、図１１に示すとおりであった。すなわち、温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は段差５４のない実験例２や溝５２を備えた実験例７と比べてよりフラットに近く、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど温度が高くなった。

［実験例９］
実験例９では、外周領域Ａｏｕｔのうちセラミックプレート２２のウエハ載置面２０ａとは反対側の面２０ｂに環状の溝１５２を備えた薄肉部（図７参照）を設けた以外は、実験例６と同様にしてセラミックヒータ２０を作製し、実験例６と同様にして測温を行った。溝１５２の内周エッジは直径２１５ｍｍの円とした。溝１５２の深さは５ｍｍ、溝１５２の幅は３２．５ｍｍ、薄肉部の厚さｔ’は１０ｍｍとした。その結果を図１２のテーブル及び図１３のグラフに示す。実験例９では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は３．０℃であり、評価は良好であった。実験例９の温度勾配プロファイルは、図１３に示すとおりであった。すなわち、温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は溝１５２のない実験例６と比べてよりフラットに近く、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど温度が高くなった。

［実験例１０］
実験例１０では、外周領域Ａｏｕｔのうちセラミックプレート２２のウエハ載置面２０ａとは反対側の面２０ｂに環状の段差１５４を備えた薄肉部（図８参照）を設けた以外は、実験例６と同様にしてセラミックヒータ２０を作製し、実験例６と同様にして測温を行った。段差１５４の段差境界線は直径１６５ｍｍの円とした。段差１５４の深さは５ｍｍ、薄肉部の厚さｔ’は１０ｍｍとした。その結果を図１２のテーブル及び図１３のグラフに示す。実験例１０では、プラズマ処理を行わない状態でウエハ載置面２０ａに載置されたウエハＷの中心温度と温度境界線ＬＴの温度との差は２．８℃であり、評価は良好であった。実験例１０の温度勾配プロファイルは、図１３に示すとおりであった。すなわち、温度境界内側領域ＴＡｉｎの温度分布は段差１５４のない実験例６と比べてよりフラットに近く、温度境界外側領域ＴＡｏｕｔの温度分布は外周に行くほど温度が高くなった。

なお、実験例１〜１０のうち、実験例１〜４，７〜１０が本発明の実施例に相当し、実験例５，６が比較例に相当する。これらの実施例は本発明を何ら限定するものではない。

本出願は、２０１６年８月１０日に出願された米国仮出願第６２／３７２，８６９号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。

本発明は、半導体製造装置に利用可能である。

１０半導体製造装置用部材、２０セラミックヒータ、２０ａウエハ載置面、２０ｂ反対側の面、２２セラミックプレート、２２ａシャフト接合部、２２ｂプレート主要部、２４内周側ヒータエレメント、２４ａ，２４ｂ端子、２６外周側ヒータエレメント、２６ａ，２６ｂ端子、２８平板電極、３０シャフト、４０制御装置、４１第１温度センサ、４２第２温度センサ、４３入力装置、４４電源装置、５２，１５２溝、５４，１５４段差、５４ａ段差境界線、Ａｉｎ内周領域、Ａｏｕｔ外周領域、Ａｂｕｆバッファ領域、ＬＺゾーン境界線、ＬＴ温度境界線、ＴＡｉｎ温度境界内側領域、ＴＡｏｕｔ温度境界外側領域、Ｗウエハ。

Claims

円板状のセラミックプレートの上面にウエハを載置するためのウエハ載置面を有し、前記セラミックプレートの内周領域に１以上の内周側ヒータエレメントが埋設され、外周領域に１以上の外周側ヒータエレメントが埋設されたセラミックヒータであって、
前記内周領域のうち中心に近い領域に、シャフトに接合されるシャフト接合部が設けられ、
前記セラミックプレートのうち前記シャフト接合部よりも外側の全領域が所定領域であり、
前記所定領域の厚さは、前記シャフト接合部よりも薄く、前記セラミックプレートの直径の３．９％以下であり、
前記所定領域は、前記内周領域と前記外周領域とのゾーン境界線を含む領域であり、
前記ゾーン境界線は、前記セラミックプレートと同心円であって、前記同心円の直径は、前記セラミックプレートの直径の７５〜８５％の範囲に設定され、
前記外周領域のうち前記セラミックプレートの前記ウエハ載置面とは反対側の面には、環状の溝又は段差を備えた薄肉部が設けられている、
セラミックヒータ。
前記セラミックヒータは、前記ウエハの表面処理をプラズマ処理にて行うのに用いられるものであり、前記内周側ヒータエレメント及び前記外周側ヒータエレメントは、予めプラズマ処理を行わない状態で前記ウエハ載置面に載置された前記ウエハの中心温度が目標温度となり、前記ウエハの最外周の温度が中心温度よりも所定温度差だけ高い又は低い温度となるように、制御装置によって電力供給が個別に制御される、
請求項１に記載のセラミックヒータ。
前記薄肉部は、前記環状の溝を備え、前記環状の溝の内周エッジは前記ゾーン境界線と一致するように構成され、前記環状の溝の深さが前記所定領域の厚さの１０％以上３０％以下である、
請求項１又は２に記載のセラミックヒータ。
前記薄肉部は、前記環状の段差を備え、前記環状の段差の境界線は前記ゾーン境界線と一致するように構成され、前記環状の段差の深さが前記所定領域の厚さの１０％以上３０％以下である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
前記所定領域の厚さは、前記セラミックプレートの直径の３．３％以下である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
前記所定領域の厚さは、前記セラミックプレートの直径の１．８％以上である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
前記内周領域と前記外周領域との間には、ヒータエレメントのない非加熱領域が設けられている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミックヒータ。
前記非加熱領域は、前記セラミックプレートの直径の４．０％以上７．６％以下の幅を有する環状の領域である、
請求項７に記載のセラミックヒータ。