JPH06291049A

JPH06291049A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH06291049A
Application number: JP7328293A
Authority: JP
Inventors: Tsugio Kagohara; 次雄篭原; Hironori Inoue; 博範井之上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1994-10-18

Abstract

(57)【要約】【構成】半導体ウェハなどの基板表面上に、加熱状態下
にて薄膜を形成させる装置であって、上記基板の加熱手
段を窒化アルミニウム質セラミックスにより構成する。【効果】熱伝導性が高く、機械的強度に優れ、かつ電気
絶縁性や耐熱性を持つ加熱手段を有する薄膜形成装置を
提供することが可能となる。また、高純度窒化アルミニ
ウム質セラミックスよりなる加熱手段とすることによ
り、基板を汚染しない薄膜形成装置を提供することが可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウェハなどの基
板を加熱状態下にて薄膜を形成させるための装置に関
し、特に上記基板の加熱手段に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、シリコンウェハに代表される
ような半導体部品などの基板に薄膜を形成させるような
場合には、基板を加熱状態とする必要がある。例えば、
ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）法は、気体の原料あるいは液体や固体の原料
を高温空間において気化させ、気相中または基板表面上
で化学反応させて薄膜を形成する方法であり、薄膜形成
時には基板も同様に高温状態であることが必要である。
ここで、基板を高温状態にする方法としては、図４に示
すように、基板Ｗを支持部材（サセプタ）９上に載置し
て、支持部材９の下部に発熱体８を備えたアルミナや炭
化珪素に代表されるセラミックスなどよりなるヒータ５
を介して支持部材９より基板Ｗへ熱を伝導させて加熱さ
せる構成、さらに必要に応じて支持部材９とヒータ５の
間に電極を挟む構成が一般的である。そして、従来の支
持部材９は、耐熱性を有する石英を使用していたが、強
度が小さくて割れやすく、しかも機械的加工が困難であ
るために、物を支持するような機械構造物として使用す
るには不向きであった。これより、通常は機械的強度に
優れ、かつ耐熱性や電気絶縁性を有するアルミナ、炭化
珪素、または窒化珪素などのセラミックスを使用してい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような薄膜形成装
置において、基板Ｗ上に均一な厚みで、かつムラのない
高密度な薄膜を形成るためには、基板Ｗ全面の温度が均
一であることが必要であり、そのためには支持部材９全
面が同一温度となり、しかも発熱体８の熱を早く均一に
伝導させることが必要となる。これより、支持部材９は
高熱伝導性が要求されるにもかかわらず、上記セラミッ
クスでは熱伝導性が低いことから、精密な薄膜を形成す
ることが出来ないという問題点があった。

【０００４】そこで、石英からなる支持部材９上に、高
い熱伝導性を有する窒化アルミニウムの被覆層を形成し
たものが提案されている（特開昭６１−２４６３８２号
公報参照）。しかし、石英からなる支持部材９と窒化ア
ルミニウムの被覆層は、熱膨張係数の差が大きく、高温
時に剥がれやすく長期間使用できないという問題点があ
った。また、支持部材９自体は、依然として熱伝導性が
低い状態のままであり、発熱体８からの熱が均一に伝導
する時間が遅いという問題点があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点に
鑑みてなされたものであり、半導体ウェハなどの基板表
面上に、加熱状態下にて薄膜を形成させる装置であっ
て、上記基板の加熱手段を窒化アルミニウム質セラミッ
クスで構成したものである。

【０００６】なお、窒化アルミニウム質セラミックス
は、本来難焼結材であり、単味の焼結体を得ることがや
や困難であるために、一般的には窒化アルミニウム粉末
に焼結助剤を加え、１６００〜１９００℃の非酸化性雰
囲気中で焼成している。その場合には、以下の条件を満
たすものが、支持部材としてより良いものとなる。

【０００７】（１）焼結体中に、周期律表第３ａ族元素
化合物が０．０１〜１０重量％存在する、（２）焼結体
中に、アルカリ土類元素化合物が０．００１〜１０重量
％存在する、（３）焼結体の平均結晶粒径が１〜５０μ
ｍである、（４）焼結体中の陽イオン不純物が０．５重
量％以下である、（５）粒界相がガーネット型結晶およ
び／またはペロブスカイト型結晶である。

【０００８】以下は、上記条件が好ましいとする根拠を
示す。

【０００９】（１）周期律表第３ａ族元素は、焼結体の
密度を高めるために必須の成分である。また、焼結助剤
を使用して製造したＡｌＮ焼結体の相組織は、ＡｌＮ粒
子とこの粒子相を結合している粒界相とからなり、この
第３ａ族元素化合物は、酸素を酸化物系の結晶相として
粒界にトラップして、ＡｌＮ粒子内への酸素の固溶を抑
制する。これより、ＡｌＮ結晶中および結晶の表面に存
在する酸素を極力抑えることができ、熱伝導性を高くす
ることができる。ただし、第３ａ族元素化合物が０．０
１重量％未満であると、焼結体の密度を高めることが難
しいとともに熱伝導性も低下し、逆に１０重量％よりも
大きいと、焼結体中の粒界量が多くなるために、熱伝導
性が大きく低下してしまう。これより、０．０１〜１０
重量％であることが好ましい。

【００１０】なお、第３ａ族元素化合物の中でも、イッ
トリア（Ｙ₂Ｏ₃）やエルビア（Ｅｒ₂Ｏ₃）を使用す
ると、分散不良による焼結体表面のシミが発生すること
がなく、より安定的なものとなる。

【００１１】（２）アルカリ土類元素の添加により、
（１）と同様に酸素を粒界にトラップして、ＡｌＮ粒子
内への酸素の固溶を抑制するとともに、低温焼成をする
ことができる。このアルカリ土類元素化合物が、０．０
０１重量％未満であると、焼結体の密度を高めることが
難しく熱伝導性も低下し、逆に１０重量％よりも大きい
と、焼結体中の粒界量が多くなるために、熱伝導性が大
きく低下してしまう。これより、０．００１〜１０重量
％であることが好ましい。

【００１２】なお、アルカリ土類元素化合物の中でも、
カルシア（ＣａＯ）を使用すると、低温焼成効果が顕著
となる。

【００１３】（３）焼結体の平均結晶粒径は、大きいほ
ど熱伝導性が高くなるが、大きすぎると焼結体の強度が
小さくなり、かつ緻密化が困難となる。また、小さいと
高温時の変形が大きくなる。これより、１〜５０μｍで
あることが好ましく、より好適には２〜２０μｍがよ
い。

【００１４】（４）鉄やシリコンなどの陽イオン不純物
は、原料粉末や焼結助剤中または焼結体製作工程中に入
ることにより存在するが、焼結体中に陽イオン不純物が
０．５重量％よりも多いと、高い熱伝導性を実現させる
ことが難しくなることより、０．５重量％以下であるこ
とが好ましく、より好適には０．１重量％以下がよい。

【００１５】（５）粒界中にモノクリニック型結晶が存
在すると、酸素の吸収が悪くなり焼結助剤成分の残存に
より、焼結体の表面の不純物にシミや色ムラができるた
めに、焼結体中の全酸素量を制御するガーネット型結晶
および／またはペロブスカイト型結晶の粒界相であるこ
とが好ましい。

【００１６】また、焼結助剤を添加せずに、窒化アルミ
ニウム粉末にバインダーのみを加えて、１９００〜２２
００℃の非酸化性雰囲気中で焼成した高純度窒化アルミ
ニウム質セラミックスを製作することも可能である。こ
のように窒化アルミニウム粉末とバインダーのみで製作
することにより、陽イオン不純物が０．１重量％以下の
窒化アルミニウム質セラミックスを得ることができ、基
板を汚染することがない。なお、このような高純度窒化
アルミニウム質セラミックスを支持部材として用いるた
めには、焼結体の平均結晶粒径を５〜５０μｍとするこ
とが好ましく、さらには２０〜３０μｍとすることがよ
り好ましい。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００１８】薄膜形成装置の１例である二極放電形プラ
ズマＣＶＤ法による装置は、図１に示すように、真空室
１内に、ガス送出口２を有し、高圧電源（不図示）に接
続されている放電電極３と、放電電極３に平行に存在す
るようにして電極４を配置し、その下部にヒータ５、上
部に加熱手段６を配置し、ヒータ５をアースされている
支持体７に接続することにより構成されている。

【００１９】上記二極放電形プラズマＣＶＤ法は、加熱
手段６の上部に基板Ｗを載置して、真空室１内の放電電
極３と電極４間に高周波電界を印加させてエネルギーの
高いプラズマを発生させ、製作しようとする薄膜の元素
を含んだ反応ガスをガス送出口２から真空室１内に送り
込み、反応ガスの化学結合を低温で分解して活性度の高
い化学状態の粒子を作り出し、活性化された粒子間の反
応により薄膜を形成する方法である。この二極放電形プ
ラズマＣＶＤ法による薄膜形成時には、基板Ｗを加熱状
態とする必要があるために、ヒータ５より加熱手段６に
熱を伝導させ、４００〜６００℃に加熱する。

【００２０】そして、薄膜形成装置は、加熱手段６を窒
化アルミニウム質セラミックス（以下、窒化アルミニウ
ムと略称する）により形成したものである。

【００２１】このように、加熱手段６を窒化アルミニウ
ムにより形成することによって、熱伝導性が高く、機械
的強度に優れ、かつ電気絶縁性や耐熱性を有するように
なり、その結果、薄膜を均一な厚みで、かつムラのない
高密度に形成できる。なお、上記実施例では、加熱手段
６、電極４、ヒータ５とを分けて構成しているが、例え
ば、図２の断面図に示すように、加熱手段６に電極４を
内蔵させ、ヒータ５と組み合わせることもでき、あるい
は、図３の断面図に示すように、加熱手段６に電極４と
発熱体８を内蔵させることもできる。さらには、加熱手
段６にヒータを内蔵させ、電極４と組み合わせることも
できる。ここで、この電極４あるいはヒータ５などの導
電層を内蔵させた加熱手段６を製作するには、窒化アル
ミニウムよりなる厚さ０．５ｍｍ程度のシート成形体を
複数製作し、シート成形体の数枚に窒化チタンやタング
ステンなどの粉末を粘度調整した導電ペーストとしてス
クリーン印刷することによりなり、電極の場合は、スル
ーホール加工あるいは研削により複数の成形体をつなぐ
ことによりなる。そして、２０枚程度の成形体を約５０
ｋｇ／ｃｍ²の圧力で加圧圧着し、常圧、窒素雰囲気下
でのガス加圧、またはホットプレスなどにより同時焼結
すればよい。また、各導電層へのリード線の取り付け
は、メタライズ層を介してロウ付けにて取り付ければよ
い。

【００２２】さらに、上記実施例では、二極放電形プラ
ズマＣＶＤ法によるものを示したが、他の薄膜形成方法
においても、基板Ｗを高温とする場合は、加熱手段６や
電極４、ヒータ５または発熱体８の配置は全て同様であ
る。また、電極４、あるいはヒータ５を使用しない場合
でも、基板Ｗの周辺を高温とすることが必要な場合に
は、上記窒化アルミニウム製の加熱手段６を使用するこ
とが可能である。これより、本発明の窒化アルミニウム
よりなる加熱手段６は、加熱状態で使用し、かつ高い熱
伝導性が要求される場合であれば様々な装置に使用で
き、例えば、薄膜形成後の次工程であるエッチング加工
の際にも使用することができる。

【００２３】実験例１ここで、本発明の窒化アルミニウムからなる加熱手段６
の熱伝導性と機械的強度、そして基板Ｗへの汚染度合い
を調べるために実験を行った。表１に示すように、比較
例として従来の石英（ＳｉＯ₂）と窒化珪素、炭化珪
素、アルミナなどのセラミックスからなる支持部材９、
そして本発明の焼結助剤の種類と量をさまざまに変化さ
せた窒化アルミニウム、および高純度窒化アルミニウム
質セラミックス（以下、高純度窒化アルミニウムと略称
する）からなる加熱手段６を使用して、シリコンウェハ
を基板Ｗとして載置した状態で実験を行った。実験は、
各支持部材９と加熱手段６の熱伝導率と曲げ強度を測定
し、また６００℃で１時間使用後の支持部材９や加熱手
段６の不純物が基板Ｗに付着することによる汚染度合い
を調べて、汚染がほとんど無ければ○、多少あれば□、
顕著ではあるが使用可能であれば△、使用不可能であれ
ば×とした。また、上記熱伝導率、曲げ強度、そして汚
染度合いの３条件により総合評価を行い、支持部材９ま
たは加熱手段６として非常に適するものであれはＡ、適
するものはＢ、適さないものをＣとした。

【００２４】実験には、直径が１５ｃｍ、厚みが６ｍｍ
の円盤状の支持部材９と加熱手段６を使用し、比較例の
セラミックスは、窒化珪素がＳｉ₃Ｎ₄含有量が９２重
量％で平均結晶粒径が５μｍ、炭化珪素がＳｉＣ含有量
が９６重量％で平均結晶粒径が５μｍ、アルミナがＡｌ
₂Ｏ₃含有量が９９重量％で平均結晶粒径が５μｍとし
た。一方、本発明の窒化アルミニウムは平均結晶粒径が
５〜６μｍ、高純度窒化アルミニウムは平均粒径１．５
μｍのＡｌＮ粉体をトルエンを溶媒としてアクリル系バ
インダー８重量％と混合し、焼成後のＡｌＮ含有量が９
９．９重量％、平均結晶粒径が２０μｍとなるものとし
た。それぞれの結果は、表１の通りである。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１より、石英は、熱伝導率が１．４Ｗ／
ｍ・ｋ、曲げ強度が６ｋｇ／ｍｍ²であることより、従
来のように窒化アルミニウムの被覆層を形成しても発熱
体８からの熱伝導が非常に悪いことがわかった。また、
石英の熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃、窒化アルミニ
ウムの熱膨張係数が４×１０^-6〜５×１０^-6／℃である
ことより、熱膨張係数の差が大きく、高温時に剥がれや
すく長期間使用できないことがわかった。

【００２７】また、各セラミックの熱伝導率は、窒化珪
素が２０Ｗ／ｍ・ｋ、炭化珪素が６３Ｗ／ｍ・ｋ、アル
ミナが２５Ｗ／ｍ・ｋであるのに対して、全ての窒化ア
ルミニウムは９０Ｗ／ｍ・ｋ以上となり、非常に高いこ
とがわかる。また、全ての窒化アルミニウムの曲げ強度
が２５ｋｇ／ｍｍ²以上となり、アルミナの曲げ強度の
３０ｋｇ／ｍｍ²とほぼ同じであり、加熱手段６として
の使用には十分であることがわかる。そして、基板Ｗの
汚染度合いは、全てが使用にはさほど影響がないものと
なり、特に高純度窒化アルミニウムを用いたものは優れ
ていることがわかる。

【００２８】結局、窒化アルミニウムからなる加熱手段
６は、熱伝導性が非常に良く、しかも機械的強度が十分
であり、かつ基板Ｗの汚染問題もないことがわかる。

【００２９】実験例２また、実際に本発明の窒化アルミニウムからなる加熱手
段６を用いて、二極放電形プラズマＣＶＤ法により薄膜
形成を行った。

【００３０】シリコンウェハ上に薄膜の形成を複数回行
った結果、均一の厚みで、かつムラの無い高密度な薄膜
を形成することができた。また、窒化アルミニウムは、
プラズマに対して耐浸食性に優れていることがわかっ
た。さらに、シリコン製のウェハを使用する場合、シリ
コンの熱膨張係数が３．５×１０^-6／℃であるのに対
し、窒化アルミニウムの熱膨張係数が４×１０^-6〜５×
１０^-6／℃となり、加熱手段６と基板Ｗの熱膨張が非常
に近く、高温時でも基板Ｗがズレることがほとんど無い
ことがわかった。

【００３１】実験例３さらに、実際に上記実験例１による高純度窒化アルミニ
ウムからなる加熱手段６を用いて、二極放電形プラズマ
ＣＶＤ法により薄膜形成を行った。

【００３２】シリコンウェハ上に薄膜の形成を複数回行
った結果、均一の厚みで、かつムラの無い高密度な薄膜
を形成することができた。さらに、基板Ｗの加熱手段６
との接触面を汚染しないものとすることができた。な
お、窒化アルミニウムよりなる加熱手段６の表面に、Ｐ
ＶＤ法やＣＶＤ法により高純度窒化アルミニウムを形成
させた場合でも、基板Ｗへの汚染を無くすことができる
ことがわかった。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明に係わる薄膜形成
装置によれば、基板表面上の加熱手段を窒化アルミニウ
ム質セラミックスで構成したことによって、熱伝導性が
高く、機械的強度に優れ、かつ電気絶縁性や耐熱性を持
つ加熱手段を有する薄膜形成装置を提供することが可能
となる。

【００３４】また、高純度窒化アルミニウム質セラミッ
クスよりなる加熱手段とすることにより、基板を汚染し
ない薄膜形成装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜形成装置を示す断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図４】従来の薄膜形成装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１：真空室２：ガス送出口３：放電電極４：電極５：ヒータ６：加熱手段７：支持体８：発熱体９：支持部材Ｗ：基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウェハなどの基板表面上に、加熱
状態下にて薄膜を形成させる装置であって、上記基板の
加熱手段が窒化アルミニウム質セラミックスからなるこ
とを特徴とする薄膜形成装置。