半導体加熱ヒータ用容器及びそれを備えた半導体製造装置
【課題】 ヒータについて温度の均一性を向上させることができ、特に加熱保持中はもちろんのこと、加熱開始から冷却終了までの間においても、ヒータ温度の高い均一性が得られる半導体加熱ヒータ用容器を提供する。
【解決手段】 開口部にヒータ２を設置する半導体加熱ヒータ用の容器１であって、容器１の構成部材の表面粗さがＲａで１０μｍ以下、好ましくはＲａで５μｍ以下である。この容器１は、ヒータ２と共に、冷却モジュール４を具備することができ、冷却モジュール４は流体が流通可能であることが好ましい。また、ヒータ２は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウムのいずれかを主成分とするセラミックスヒータが好ましい。
【解決手段】 開口部にヒータ２を設置する半導体加熱ヒータ用の容器１であって、容器１の構成部材の表面粗さがＲａで１０μｍ以下、好ましくはＲａで５μｍ以下である。この容器１は、ヒータ２と共に、冷却モジュール４を具備することができ、冷却モジュール４は流体が流通可能であることが好ましい。また、ヒータ２は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウムのいずれかを主成分とするセラミックスヒータが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加熱物を搭載して熱処理するためのヒータを収容支持する容器、及びこれを搭載した装置に関する。更に詳しくは、半導体ウェハを加熱するためのヒータを収容支持する半導体加熱ヒータ用容器であって、特にフォトリソグラフィー工程に使用されるコータデベロッパ等に好ましく使用されるヒータに適用される半導体加熱ヒータ用容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程では、被処理物である半導体基板（ウェハ）に対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。このような半導体基板に対する処理を行う半導体製造装置では、半導体基板を保持し、加熱するためのセラミックスヒータが用いられている。
【０００３】
例えば、フォトリソグラフィー工程においては、ウェハ上にレジスト膜パターンが形成される。この工程では、ウェハを洗浄後、加熱乾燥し、冷却後ウェハ表面にレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー処理装置内のセラミックスヒータ上にウェハを搭載し、乾燥した後、露光、現像などの処理が施される。このフォトリソグラフィー工程では、レジストを乾燥するときの温度が塗膜の品質に大きな影響を与えるので、処理時におけるセラミックスヒータの温度の均一性が重要である。
【０００４】
また、これらのウェハの処理はスループットを向上させるために、できるだけ短時間で終わらせることが要求される。このため、発明者らは、加熱したヒータを短時間で冷却するために冷却手段を有する半導体製造装置を検討してきた。例えば、特開２００４−０１４６５５号公報では、ヒータのウェハ搭載面とは反対側の面に、当接、分離が可能な板状構造物を備えた半導体製造装置を提案した。また、特開２００５−１５０５０６号公報では、板状構造物に冷却用液体の流路を形成し、冷却速度を更に向上させると共に、冷却開始から冷却終了までのヒータの温度の均一性を保つような半導体製造装置を提案した。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−０１４６５５号公報
【特許文献２】特開２００５−１５０５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近の電子デバイスなどの半導体製造プロセスにおいては、更なるヒータの温度分布の均一性が要求されており、加熱保持中はもちろんのこと、加熱開始から冷却終了までの間においても、ヒータの温度分布について更に高い均一性が要求されている。また、昇温及び冷却速度の更なる向上も要求されている。
【０００７】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、半導体を加熱するためのヒータについて温度の均一性を向上させることができ、特に加熱保持中はもちろんのこと、加熱開始から冷却終了までの間においても、ヒータ温度の高い均一性が得られる半導体加熱ヒータ用容器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明が提供する半導体加熱ヒータ用容器は、半導体を加熱するためのヒータを収容支持する容器であって、その開口部にヒータを設置し、その構成部材の表面粗さがＲａで１０μｍ以下であることを特徴とするものであり、特に前記構成部材の表面粗さがＲａで５μｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
また、上記本発明の本発明が提供する半導体加熱ヒータ用容器に収容支持する前記ヒータは、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウムのいずれかを主成分とするセラミックスヒータであることが好ましい。
【００１０】
更に、上記本発明の本発明が提供する半導体加熱ヒータ用容器は、前記ヒータと共に、冷却モジュールを具備することができる。前記冷却モジュールは、流体が流通可能であることが好ましい。
【００１１】
本発明は、また、上記したヒータを収容支持した本発明の半導体加熱ヒータ用容器を搭載したことを特徴とする半導体製造装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体を加熱するためのヒータを収容支持するための容器の表面粗さを制御することにより、ヒータの温度の均一性が改善され、加熱保持中はもちろんのこと、加熱開始から冷却終了までの間においても、高い均一性が得られる。また、この半導体加熱ヒータ用容器にヒータを収容支持して半導体製造装置に搭載することによって、半導体ウェハの処理時における温度の均一性が向上し、半導体製造プロセス、特にフォトリソグラフィー工程において、高スループットで高品質の生産が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
半導体加熱用ヒータの温度の均一性（均熱性）を高めるには、ヒータの周辺部材など、環境の影響を可能な限り抑制することが重要である。即ち、ヒータの発熱を均一にすると同時に、周辺環境など他の影響を最小限にすることによって、優れたヒータの均熱性が得られる。そして、周辺環境からの熱の影響を抑制するには、熱の伝わり方を考慮しなければならない。
【００１４】
熱の伝わりには伝熱、輻射、対流の３つのモードがあり、これらを考慮する必要がある。伝熱に関しては、ヒータに接する部品の量を最小限にすることで抑制される。また、対流に対しては、周辺からの気体の流れを抑制することが有効である。気体の流れを抑制するため、特にフォトリソグラフィー工程に使用されるコータデベロッパ等に好ましく使用されるヒータでは、例えば図１に示すように、ヒータ２を囲うように収容支持する容器１が使用され、その容器１の開口部に支持足部３などによりヒータ２を設置する構造となっている。
【００１５】
更に、輻射に関しては、対向する物質間で発生するため、半導体を加熱するときのヒータから発せられる熱は、容器との輻射の影響を受けることになる。即ち、図１の構造の容器１では、ヒータ２は容器１の開口部に設置されるため、ヒータ２の側面及び下面は基本的に容器１に対向している。本発明者らの研究によれば、容器を構成する部材の表面粗さを制御することで、輻射による影響を抑制することができ、ヒータの均熱性が著しく向上することが明らかになった。
【００１６】
即ち、本発明においては、容器を構成する部材の表面粗さをＲａで１０μｍ以下にすることで、容器が与える熱的な影響を抑制し、ヒータの均熱性を高めることができる。この効果は容器とヒータの間の輻射だけでなく、容器とその外部、例えば、雰囲気を制御するチャンバなどとの間の輻射によるヒータの均熱性への影響も抑制することが判った。更に好ましくは、容器を構成する部材の表面粗さＲａを５μｍ以下とすれば、ヒータの均熱性が一層向上する。
【００１７】
本発明の半導体加熱ヒータ用容器を構成する部材の材質は、収容支持するヒータの温度に対して耐熱性を満たすものであれば、特に制限はない。一般的には、金属によるものが望ましく、アルミニウム、銅、鉄、ステンレスなどが一般的であるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００１８】
また、容器に収容支持するヒータの材質は、セラミックスが好ましい。金属のヒータを用いた場合には、ウェハ上にパーティクルが付着するという問題があるため好ましくない。セラミックスとしては、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウムのいずれかを主成分とするものが好ましい。例えば、温度分布の均一性を重視するならば、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや炭化珪素が好ましい。信頼性を重視するならば、窒化珪素が高強度で熱衝撃にも強いので好ましい。コストを重視するのであれば、酸化アルミニウムが好ましい。これらのセラミックスの中でも、性能とコストのバランスを考慮すれば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好適である。
【００１９】
本発明による半導体加熱ヒータ用容器は、上記ヒータと共に、冷却モジュールを具備するが好ましい。例えば、図２に示すように、容器１は、セラミックス基体２ａの裏面に発熱体回路２ｂと該発熱体回路２ｂを保護する絶縁層２ｃとが形成されたヒータ２と、冷却モジュール４とを収容支持することができる。冷却モジュール４は、内部に流体が流通可能であることが望ましい。また、冷却モジュール４は、エアーシリンダなどの昇降手段５によって、必要に応じてヒータ２の裏面側に当接又は分離できるようになっている。尚、冷却モジュール４には、支持足部３を挿通するための貫通孔や、ヒータ２への給電のための電極や温度測定手段のリード線などを挿通するための貫通孔（図示せず）が設けられている。
【００２０】
ところで、従来は、被加熱物を搭載するヒータ主面（ウェハ載置面）の平面度や表面粗さを良くして、被加熱物の温度分布を均一にする提案はされていたが、冷却モジュールを有するヒータユニットにおいて、ヒータと冷却モジュールとのそれぞれの当接面の平面度を向上させることにより温度分布を均一にし、冷却速度も向上させる提案はなかった。
【００２１】
本発明者らの研究によれば、ヒータの冷却モジュールとの当接面の平面度と、冷却モジュールのヒータとの当接面の平面度の両方を平坦化することによって、ヒータと冷却モジュールとが全面均一に当接でき、両者の密着性がより高まることによって、熱伝達率が向上し、冷却モジュールをヒータに当接させた時の冷却速度が向上すると共に、ヒータ裏面全面が均一に冷却されるので、冷却時におけるヒータの温度分布の均一性が一層向上することが分かった。
【００２２】
具体的には、ヒータと冷却モジュールの互いの当接面について、ヒータの冷却モジュールとの当接面の平面度と、冷却モジュールのヒータとの当接面の平面度とを、両者の合計が０.８ｍｍ以下となるように平坦化することが好ましく、更に０.４ｍｍ以下であれば一層好ましい。ヒータの冷却モジュールとの当接面の平面度、あるいは冷却モジュールのヒータとの当接面の平面度のいずれか一方だけを平坦にしても、上記効果は得られない。両者の平面度の合計を０.８ｍｍ以下とすることによって、初めて上記効果を得ることができる。
【００２３】
また、図２に示すように、内部に発熱体回路２ｂが形成されており、主面に被加熱物のウェハを搭載して加熱処理するヒータ２の場合であっても、上記と同様に、ヒータ２の冷却モジュール４との当接面（即ち絶縁層２ｃ）の平面度と、冷却モジュール４のヒータ２との当接面の平面度との合計を０.８ｍｍ以下にすることによって、ヒータの温度分布の均一性と、冷却速度の向上という効果を得ることができる。この場合も、両者の平面度の合計が０.４ｍｍ以下であることが更に好ましい。
【００２４】
ヒータと冷却モジュールのそれぞれの当接面を平坦にするには、公知のラップ研磨法や、砥石による研削などの加工方法を取ることができる。加工後の両者の表面粗さは、それぞれＲａで５μｍ以下であることが好ましい。ヒータと冷却モジュールのそれぞれの当接面について、表面粗さをＲａで５μｍ以下にすることによって、ヒータと冷却ブロックの密着性が向上し、ヒータの温度分布の均一性と冷却速度が向上する。
【００２５】
特に、ヒータの冷却モジュールとの当接面の表面粗さを良くして、鏡面状態に近づけると、その面の輻射率が低下する。輻射率が低下すると、その面からの放熱量が減少するので、ヒータを加熱するための電力の省エネルギー化を図ることができ好ましい。また、ヒータ基板がセラミックスの場合、表面粗さが粗いと、冷却ブロックと当接したときの摩擦などによって、セラミックス粒子の脱落が多くなり、これがパーティクルとなって被加熱物の品質に悪影響を与える。このため、セラミックスヒータの表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であることが更に好ましい。
【００２６】
また、図２に示すように、裏面に発熱体回路２ｂを保護する絶縁層２ｃが形成されたヒータ２の場合、冷却モジュールとの当接面を平坦化するために加工しすぎると、絶縁層２ｃの厚みが薄くなり、場合によっては発熱体回路２ｂが露出して短絡事故を起こす可能性がある。これを防ぐためには、絶縁層の厚みを厚くすればよいが、絶縁層は熱伝導率が低いことが多いので、厚みが厚いと熱抵抗が増大し、冷却速度が遅くなる。そこで、絶縁層の厚みについては、平坦化後で１５μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。更に、平坦化後の絶縁層の厚みにバラツキがあると、熱抵抗が変化して冷却速度がばらつくので、ヒータの温度分布が不均一になりやすい。従って、平坦化後の絶縁層の厚みは均一であることが望ましく、絶縁層の厚みの最大値と最小値の差は２００μｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
次に、ヒータの製造方法について、ＡｌＮの場合を例に詳述する。ＡｌＮの原料粉末は、比表面積が２.０〜５.０ｍ２／ｇのものが好ましい。比表面積が２.０ｍ２／ｇ未満の場合はＡｌＮの焼結性が低下し、逆に５.０ｍ２／ｇを超えると粉末の凝集が非常に強くなるため取扱いが困難になる。更に、原料のＡｌＮ粉末に含まれる酸素量は、２重量％以下が好ましい。酸素量が２重量％を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、２０００ｐｐｍ以下が好ましい。金属不純物量が上記範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物として、Ｓｉなどの４族元素や、Ｆｅなどの鉄族元素は、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、その含有量はそれぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
また、ＡｌＮは難焼結性材料であるので、ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中にＡｌＮ粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるいはアルミニウム酸窒化物と反応して、ＡｌＮの緻密化を促進すると共に、ＡｌＮ焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、得られるＡｌＮ焼結体の熱伝導率を向上させることができる。
【００２９】
焼結助剤としての希土類元素化合物の添加量は、０.０１〜５重量％の範囲が好ましい。添加量が０.０１重量％未満では、緻密な焼結体を得ることが困難であると共に、焼結体の熱伝導率が低下する。また、５重量％を超えると、ＡｌＮ焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に好ましくは焼結助剤の添加量は、１重量％以下である。１重量％以下であれば、粒界の３重点にも焼結助剤が存在しなくなるので、耐食性が向上する。
【００３０】
上記希土類元素化合物の中では、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。また、希土類元素化合物は、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。これらの中で、酸化物は安価で入手が容易であるため好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、ＡｌＮ原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。
【００３１】
これらのＡｌＮ原料粉末や焼結助剤粉末に、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加して、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合などが可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。得られたスラリーを成形し、焼結することによって、ＡｌＮ焼結体を得ることができる。その際のヒータ作製方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の２種類の方法がある。
【００３２】
まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作製する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時のプレス圧力は、９.８ＭＰａ未満では成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなるため、９.８ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００３３】
成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、１.５〜２.５ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。成形体密度が１.５ｇ／ｃｍ３未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行し難くなる。また、成形体密度が２.５ｇ／ｃｍ３を超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となるため、前述のように緻密な焼結体を得ることが難しくなる。
【００３４】
次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、ＡｌＮ粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。脱脂処理の加熱温度は、５００℃以上１０００℃以下が好ましい。５００℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができず、脱脂処理後の成形体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、１０００℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、ＡｌＮ粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、１.０重量％以下であることが好ましい。１.０重量％を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。
【００３５】
次いで、成形体の焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中において、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時、使用する非酸化性雰囲気ガス中に含有される水分は、露点で−３０℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時にＡｌＮが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、０.００１体積％以下であることが好ましい。酸素量が多いとＡｌＮの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。
【００３６】
更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有すると共に、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に成形体が収縮する際の治具と成形体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない焼結体を得ることができる。
【００３７】
得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程で導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さはＲａで５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが５μｍを超えるとスクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみやピンホールなどの欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはＲａで１μｍ以下であれば更に好適である。
【００３８】
上記表面粗さを得るための研磨加工は、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と共に反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。
【００３９】
また、焼結体の両加工面の平行度は、０.５ｍｍ以下であることが好ましい。平行度が０.５ｍｍを超えると、スクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は０.１ｍｍ以下であることが特に好適である。更に、スクリーン印刷する面の平面度は、０.５ｍｍ以下であることが好ましい。平面度が０.５ｍｍを超える場合には、やはり導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も０.１ｍｍ以下であれば特に好適である。
【００４０】
上記のごとく研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導体ペーストは、金属粉末に、必要に応じて酸化物粉末と、バインダー及び溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末としては、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。また、ＡｌＮとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、２Ａ族元素や３Ａ族元素の酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などが好ましい。特に酸化イットリウムは、ＡｌＮに対する濡れ性が非常に良好であるため好ましい。これらの酸化物の添加量は、０.１〜３０重量％が好ましい。０.１重量％未満の場合、形成した電気回路である金属層とＡｌＮとの密着強度が低下する。また、３０重量％を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００４１】
導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、５〜１００μｍであることが好ましい。厚みが５μｍ未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎると共に、密着強度が低下する。また、形成する回路パターンが、ヒータ回路（発熱体回路）の場合は、パターンの間隔は０.１ｍｍ以上とすることが好ましい。０.１ｍｍ未満の間隔では、発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートすることがある。特に、５００℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は１ｍｍ以上とすることが好ましく、３ｍｍ以上であれば更に好ましい。
【００４２】
次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成して電気回路を形成する。導電ペーストの脱脂は窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。また、脱脂温度は５００℃以上が好ましい。脱脂温度が５００℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分なため、金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００４３】
また、導電ペーストの焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１５００℃以上の温度で行うのが好適である。１５００℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中に含有される焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。
【００４４】
次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、電気回路との反応性が小さく、ＡｌＮとの熱膨張係数差が５.０×１０−６／Ｋ以下であれば特に制約はない。例えば、結晶化ガラスやＡｌＮ等が使用できる。これらの材料を、例えばペースト状にして、所定の厚みのスクリーン印刷を行い、必要に応じて脱脂を行った後、所定の温度で焼成することにより絶縁性コートを形成することができる。
【００４５】
更に、必要に応じて、セラミックス基板を積層することができる。セラミックス基板の積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤としては、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、２Ａ族元素化合物や３Ａ族元素化合物とバインダー及び溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。
【００４６】
接合剤を塗布したセラミックス基板を、非酸化性雰囲気中にて５００℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス基板を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス基板同士を接合する。その際の荷重は、５ｋＰａ以上であることが好ましい。５ｋＰａ未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、若しくは前記した接合欠陥が生じやすい。接合するための加熱温度は、セラミックス基板同士が接合層を介して十分密着する温度であれば特に制約はないが、１５００℃以上であることが好ましい。１５００℃未満では十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂並びに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。
【００４７】
以上のようにして、ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。尚、電気回路としては、上述した導電ペーストを用いずに、例えば、ヒータ回路であればモリブデン線（コイル）を使用し、静電吸着用電極やＲＦ電極などの場合にはモリブデンやタングステンのメッシュ（網状体）を用いることも可能である。この場合、ＡｌＮ原料粉末中に上記モリブデンコイルやメッシュを内蔵させ、ホットプレス法により作製することができる。ホットプレスの温度や雰囲気は、前記ＡｌＮの焼結温度及び焼結雰囲気に準ずればよいが、ホットプレス圧力は０.９８ＭＰａ以上加えることが望ましい。０.９８ＭＰａ未満の圧力では、モリブデンコイルやメッシュとＡｌＮの間に隙間が生じ、ヒータやウェハ保持体としての性能が出なくなることがある。
【００４８】
次に、コファイアー法について説明する。まず、前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは乾燥後で３ｍｍ以下が好ましい。シートの厚みが３ｍｍを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。
【００４９】
このシート上に、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより、所定形状の電気回路となる金属層を形成する。導電ペーストとしては、上述のポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障は少ない。
【００５０】
次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。シートを重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は１５０℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は１〜１００ＭＰａの範囲が好ましい。１ＭＰａ未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、１００ＭＰａを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなり過ぎるため好ましくない。
【００５１】
このシート積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結における温度及び炭素量等は、ポストメタライズ法の場合と同じである。尚、前述した導電ペーストをシートに印刷する際に、複数のシートにそれぞれヒータ回路や静電吸着用電極等を印刷し、それらを積層することによって、複数の電気回路を有するヒータを容易に作製することも可能である。また、発熱体回路などの電気回路が、セラミックス積層体の最外層に形成されている場合には、電気回路の保護と絶縁性の確保のために、前述のポストメタライズ法の場合と同様に、電気回路の上に絶縁性コートを形成することができる。このようにして、ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。
【００５２】
得られたセラミックス積層焼結体は、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、半導体製造装置で要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物のウェハを搭載するウェハ載置面の平面度は０.５ｍｍ以下が好ましく、０.１ｍｍ以下が更に好ましい。平面度が０.５ｍｍを超えると、ウェハとヒータとの間に隙間が生じやすくなり、ヒータの熱がウェハに均一に伝わらなくなるため、ウェハの温度ムラが発生しやすくなる。
【００５３】
また、ウェハ載置面の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。Ｒａで５μｍを超えると、ヒータと被処理物との摩擦によって、ＡｌＮの脱粒が多くなることがある。この時、脱粒した粒子はパーティクルとなり、ウェハへの成膜やエッチングなどの処理に対して悪影響を与えることになる。表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば更に好適である。
【実施例】
【００５４】
図１に示すように、セラミックス基体と発熱体回路と絶縁層から構成され、被処理物であるウェハを載置して加熱するヒータ２と、このヒータ２を収容支持する容器１とを作製した。即ち、容器１として、外径３５０ｍｍ、内径３３５ｍｍ、高さ３５ｍｍのステンレス製の容器を作製した。その際、下記表１に示すように、内面（内周面と内側底面）及び外面（外周面と外側底面）の全てに対して、表面粗さをＲａで１.２μｍ、３.１μｍ、４.５μｍ、６.２μｍ、８.７μｍ、１０.４μｍの６種類となるように加工した。
【００５５】
一方、ヒータ２のセラミックス基体２ａとしては、直径３３０ｍｍ、厚さ１２ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を用いた。セラミックス基体２ａの裏面には、発熱体回路２ｂと絶縁層２ｃを形成した。発熱体回路２ｂは、導電ペーストをスクリーン印刷により塗布して作製した。導体ペーストは、金属粉末と、必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより調製した。金属粉末は、ＡｌＮとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンを用いた。絶縁層については、ガラス粉末に有機溶剤とバインダーを添加したペーストをスクリーン印刷により塗布した後、焼成して形成した。
【００５６】
これら試料１〜６の各容器１に、図１に示すように、上記ヒータ２を支持足部３で収容支持し、ヒータの均熱性の測定を行った。即ち、均熱性の測定は、１７点式のウェハ温度計を用いて、ヒータを１５０℃、２００℃、２５０℃までに通電加熱し、それぞれの温度に達してから３分後の最大温度と最小温度の差を測定し、その温度差を均熱性として下記表１に示した。
【００５７】
【表１】
【００５８】
上記の結果から、容器の表面粗さＲａが１０μｍを超える比較例の試料６に比べて、Ｒａが１０μｍ以下である本発明の試料１〜６はヒータの均熱性が優れていること、特にＲａが５μｍ以下の試料１〜３では均熱性が特に優れていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】ヒータを収容支持した容器を示す概略の断面図である。
【図２】ヒータと冷却モジュールを具備した容器を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 容器
２ ヒータ
２ａ セラミックス基体
２ｂ 発熱体回路
２ｃ 絶縁層
３ 支持足部
４ 冷却モジュール
５ 昇降手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加熱物を搭載して熱処理するためのヒータを収容支持する容器、及びこれを搭載した装置に関する。更に詳しくは、半導体ウェハを加熱するためのヒータを収容支持する半導体加熱ヒータ用容器であって、特にフォトリソグラフィー工程に使用されるコータデベロッパ等に好ましく使用されるヒータに適用される半導体加熱ヒータ用容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程では、被処理物である半導体基板（ウェハ）に対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。このような半導体基板に対する処理を行う半導体製造装置では、半導体基板を保持し、加熱するためのセラミックスヒータが用いられている。
【０００３】
例えば、フォトリソグラフィー工程においては、ウェハ上にレジスト膜パターンが形成される。この工程では、ウェハを洗浄後、加熱乾燥し、冷却後ウェハ表面にレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー処理装置内のセラミックスヒータ上にウェハを搭載し、乾燥した後、露光、現像などの処理が施される。このフォトリソグラフィー工程では、レジストを乾燥するときの温度が塗膜の品質に大きな影響を与えるので、処理時におけるセラミックスヒータの温度の均一性が重要である。
【０００４】
また、これらのウェハの処理はスループットを向上させるために、できるだけ短時間で終わらせることが要求される。このため、発明者らは、加熱したヒータを短時間で冷却するために冷却手段を有する半導体製造装置を検討してきた。例えば、特開２００４−０１４６５５号公報では、ヒータのウェハ搭載面とは反対側の面に、当接、分離が可能な板状構造物を備えた半導体製造装置を提案した。また、特開２００５−１５０５０６号公報では、板状構造物に冷却用液体の流路を形成し、冷却速度を更に向上させると共に、冷却開始から冷却終了までのヒータの温度の均一性を保つような半導体製造装置を提案した。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−０１４６５５号公報
【特許文献２】特開２００５−１５０５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近の電子デバイスなどの半導体製造プロセスにおいては、更なるヒータの温度分布の均一性が要求されており、加熱保持中はもちろんのこと、加熱開始から冷却終了までの間においても、ヒータの温度分布について更に高い均一性が要求されている。また、昇温及び冷却速度の更なる向上も要求されている。
【０００７】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、半導体を加熱するためのヒータについて温度の均一性を向上させることができ、特に加熱保持中はもちろんのこと、加熱開始から冷却終了までの間においても、ヒータ温度の高い均一性が得られる半導体加熱ヒータ用容器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明が提供する半導体加熱ヒータ用容器は、半導体を加熱するためのヒータを収容支持する容器であって、その開口部にヒータを設置し、その構成部材の表面粗さがＲａで１０μｍ以下であることを特徴とするものであり、特に前記構成部材の表面粗さがＲａで５μｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
また、上記本発明の本発明が提供する半導体加熱ヒータ用容器に収容支持する前記ヒータは、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウムのいずれかを主成分とするセラミックスヒータであることが好ましい。
【００１０】
更に、上記本発明の本発明が提供する半導体加熱ヒータ用容器は、前記ヒータと共に、冷却モジュールを具備することができる。前記冷却モジュールは、流体が流通可能であることが好ましい。
【００１１】
本発明は、また、上記したヒータを収容支持した本発明の半導体加熱ヒータ用容器を搭載したことを特徴とする半導体製造装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体を加熱するためのヒータを収容支持するための容器の表面粗さを制御することにより、ヒータの温度の均一性が改善され、加熱保持中はもちろんのこと、加熱開始から冷却終了までの間においても、高い均一性が得られる。また、この半導体加熱ヒータ用容器にヒータを収容支持して半導体製造装置に搭載することによって、半導体ウェハの処理時における温度の均一性が向上し、半導体製造プロセス、特にフォトリソグラフィー工程において、高スループットで高品質の生産が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
半導体加熱用ヒータの温度の均一性（均熱性）を高めるには、ヒータの周辺部材など、環境の影響を可能な限り抑制することが重要である。即ち、ヒータの発熱を均一にすると同時に、周辺環境など他の影響を最小限にすることによって、優れたヒータの均熱性が得られる。そして、周辺環境からの熱の影響を抑制するには、熱の伝わり方を考慮しなければならない。
【００１４】
熱の伝わりには伝熱、輻射、対流の３つのモードがあり、これらを考慮する必要がある。伝熱に関しては、ヒータに接する部品の量を最小限にすることで抑制される。また、対流に対しては、周辺からの気体の流れを抑制することが有効である。気体の流れを抑制するため、特にフォトリソグラフィー工程に使用されるコータデベロッパ等に好ましく使用されるヒータでは、例えば図１に示すように、ヒータ２を囲うように収容支持する容器１が使用され、その容器１の開口部に支持足部３などによりヒータ２を設置する構造となっている。
【００１５】
更に、輻射に関しては、対向する物質間で発生するため、半導体を加熱するときのヒータから発せられる熱は、容器との輻射の影響を受けることになる。即ち、図１の構造の容器１では、ヒータ２は容器１の開口部に設置されるため、ヒータ２の側面及び下面は基本的に容器１に対向している。本発明者らの研究によれば、容器を構成する部材の表面粗さを制御することで、輻射による影響を抑制することができ、ヒータの均熱性が著しく向上することが明らかになった。
【００１６】
即ち、本発明においては、容器を構成する部材の表面粗さをＲａで１０μｍ以下にすることで、容器が与える熱的な影響を抑制し、ヒータの均熱性を高めることができる。この効果は容器とヒータの間の輻射だけでなく、容器とその外部、例えば、雰囲気を制御するチャンバなどとの間の輻射によるヒータの均熱性への影響も抑制することが判った。更に好ましくは、容器を構成する部材の表面粗さＲａを５μｍ以下とすれば、ヒータの均熱性が一層向上する。
【００１７】
本発明の半導体加熱ヒータ用容器を構成する部材の材質は、収容支持するヒータの温度に対して耐熱性を満たすものであれば、特に制限はない。一般的には、金属によるものが望ましく、アルミニウム、銅、鉄、ステンレスなどが一般的であるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００１８】
また、容器に収容支持するヒータの材質は、セラミックスが好ましい。金属のヒータを用いた場合には、ウェハ上にパーティクルが付着するという問題があるため好ましくない。セラミックスとしては、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウムのいずれかを主成分とするものが好ましい。例えば、温度分布の均一性を重視するならば、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや炭化珪素が好ましい。信頼性を重視するならば、窒化珪素が高強度で熱衝撃にも強いので好ましい。コストを重視するのであれば、酸化アルミニウムが好ましい。これらのセラミックスの中でも、性能とコストのバランスを考慮すれば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好適である。
【００１９】
本発明による半導体加熱ヒータ用容器は、上記ヒータと共に、冷却モジュールを具備するが好ましい。例えば、図２に示すように、容器１は、セラミックス基体２ａの裏面に発熱体回路２ｂと該発熱体回路２ｂを保護する絶縁層２ｃとが形成されたヒータ２と、冷却モジュール４とを収容支持することができる。冷却モジュール４は、内部に流体が流通可能であることが望ましい。また、冷却モジュール４は、エアーシリンダなどの昇降手段５によって、必要に応じてヒータ２の裏面側に当接又は分離できるようになっている。尚、冷却モジュール４には、支持足部３を挿通するための貫通孔や、ヒータ２への給電のための電極や温度測定手段のリード線などを挿通するための貫通孔（図示せず）が設けられている。
【００２０】
ところで、従来は、被加熱物を搭載するヒータ主面（ウェハ載置面）の平面度や表面粗さを良くして、被加熱物の温度分布を均一にする提案はされていたが、冷却モジュールを有するヒータユニットにおいて、ヒータと冷却モジュールとのそれぞれの当接面の平面度を向上させることにより温度分布を均一にし、冷却速度も向上させる提案はなかった。
【００２１】
本発明者らの研究によれば、ヒータの冷却モジュールとの当接面の平面度と、冷却モジュールのヒータとの当接面の平面度の両方を平坦化することによって、ヒータと冷却モジュールとが全面均一に当接でき、両者の密着性がより高まることによって、熱伝達率が向上し、冷却モジュールをヒータに当接させた時の冷却速度が向上すると共に、ヒータ裏面全面が均一に冷却されるので、冷却時におけるヒータの温度分布の均一性が一層向上することが分かった。
【００２２】
具体的には、ヒータと冷却モジュールの互いの当接面について、ヒータの冷却モジュールとの当接面の平面度と、冷却モジュールのヒータとの当接面の平面度とを、両者の合計が０.８ｍｍ以下となるように平坦化することが好ましく、更に０.４ｍｍ以下であれば一層好ましい。ヒータの冷却モジュールとの当接面の平面度、あるいは冷却モジュールのヒータとの当接面の平面度のいずれか一方だけを平坦にしても、上記効果は得られない。両者の平面度の合計を０.８ｍｍ以下とすることによって、初めて上記効果を得ることができる。
【００２３】
また、図２に示すように、内部に発熱体回路２ｂが形成されており、主面に被加熱物のウェハを搭載して加熱処理するヒータ２の場合であっても、上記と同様に、ヒータ２の冷却モジュール４との当接面（即ち絶縁層２ｃ）の平面度と、冷却モジュール４のヒータ２との当接面の平面度との合計を０.８ｍｍ以下にすることによって、ヒータの温度分布の均一性と、冷却速度の向上という効果を得ることができる。この場合も、両者の平面度の合計が０.４ｍｍ以下であることが更に好ましい。
【００２４】
ヒータと冷却モジュールのそれぞれの当接面を平坦にするには、公知のラップ研磨法や、砥石による研削などの加工方法を取ることができる。加工後の両者の表面粗さは、それぞれＲａで５μｍ以下であることが好ましい。ヒータと冷却モジュールのそれぞれの当接面について、表面粗さをＲａで５μｍ以下にすることによって、ヒータと冷却ブロックの密着性が向上し、ヒータの温度分布の均一性と冷却速度が向上する。
【００２５】
特に、ヒータの冷却モジュールとの当接面の表面粗さを良くして、鏡面状態に近づけると、その面の輻射率が低下する。輻射率が低下すると、その面からの放熱量が減少するので、ヒータを加熱するための電力の省エネルギー化を図ることができ好ましい。また、ヒータ基板がセラミックスの場合、表面粗さが粗いと、冷却ブロックと当接したときの摩擦などによって、セラミックス粒子の脱落が多くなり、これがパーティクルとなって被加熱物の品質に悪影響を与える。このため、セラミックスヒータの表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であることが更に好ましい。
【００２６】
また、図２に示すように、裏面に発熱体回路２ｂを保護する絶縁層２ｃが形成されたヒータ２の場合、冷却モジュールとの当接面を平坦化するために加工しすぎると、絶縁層２ｃの厚みが薄くなり、場合によっては発熱体回路２ｂが露出して短絡事故を起こす可能性がある。これを防ぐためには、絶縁層の厚みを厚くすればよいが、絶縁層は熱伝導率が低いことが多いので、厚みが厚いと熱抵抗が増大し、冷却速度が遅くなる。そこで、絶縁層の厚みについては、平坦化後で１５μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。更に、平坦化後の絶縁層の厚みにバラツキがあると、熱抵抗が変化して冷却速度がばらつくので、ヒータの温度分布が不均一になりやすい。従って、平坦化後の絶縁層の厚みは均一であることが望ましく、絶縁層の厚みの最大値と最小値の差は２００μｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
次に、ヒータの製造方法について、ＡｌＮの場合を例に詳述する。ＡｌＮの原料粉末は、比表面積が２.０〜５.０ｍ２／ｇのものが好ましい。比表面積が２.０ｍ２／ｇ未満の場合はＡｌＮの焼結性が低下し、逆に５.０ｍ２／ｇを超えると粉末の凝集が非常に強くなるため取扱いが困難になる。更に、原料のＡｌＮ粉末に含まれる酸素量は、２重量％以下が好ましい。酸素量が２重量％を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、２０００ｐｐｍ以下が好ましい。金属不純物量が上記範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物として、Ｓｉなどの４族元素や、Ｆｅなどの鉄族元素は、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、その含有量はそれぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
また、ＡｌＮは難焼結性材料であるので、ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中にＡｌＮ粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるいはアルミニウム酸窒化物と反応して、ＡｌＮの緻密化を促進すると共に、ＡｌＮ焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、得られるＡｌＮ焼結体の熱伝導率を向上させることができる。
【００２９】
焼結助剤としての希土類元素化合物の添加量は、０.０１〜５重量％の範囲が好ましい。添加量が０.０１重量％未満では、緻密な焼結体を得ることが困難であると共に、焼結体の熱伝導率が低下する。また、５重量％を超えると、ＡｌＮ焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に好ましくは焼結助剤の添加量は、１重量％以下である。１重量％以下であれば、粒界の３重点にも焼結助剤が存在しなくなるので、耐食性が向上する。
【００３０】
上記希土類元素化合物の中では、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。また、希土類元素化合物は、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。これらの中で、酸化物は安価で入手が容易であるため好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、ＡｌＮ原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。
【００３１】
これらのＡｌＮ原料粉末や焼結助剤粉末に、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加して、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合などが可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。得られたスラリーを成形し、焼結することによって、ＡｌＮ焼結体を得ることができる。その際のヒータ作製方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の２種類の方法がある。
【００３２】
まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作製する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時のプレス圧力は、９.８ＭＰａ未満では成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなるため、９.８ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００３３】
成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、１.５〜２.５ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。成形体密度が１.５ｇ／ｃｍ３未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行し難くなる。また、成形体密度が２.５ｇ／ｃｍ３を超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となるため、前述のように緻密な焼結体を得ることが難しくなる。
【００３４】
次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、ＡｌＮ粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。脱脂処理の加熱温度は、５００℃以上１０００℃以下が好ましい。５００℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができず、脱脂処理後の成形体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、１０００℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、ＡｌＮ粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、１.０重量％以下であることが好ましい。１.０重量％を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。
【００３５】
次いで、成形体の焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中において、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時、使用する非酸化性雰囲気ガス中に含有される水分は、露点で−３０℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時にＡｌＮが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、０.００１体積％以下であることが好ましい。酸素量が多いとＡｌＮの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。
【００３６】
更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有すると共に、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に成形体が収縮する際の治具と成形体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない焼結体を得ることができる。
【００３７】
得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程で導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さはＲａで５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが５μｍを超えるとスクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみやピンホールなどの欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはＲａで１μｍ以下であれば更に好適である。
【００３８】
上記表面粗さを得るための研磨加工は、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と共に反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。
【００３９】
また、焼結体の両加工面の平行度は、０.５ｍｍ以下であることが好ましい。平行度が０.５ｍｍを超えると、スクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は０.１ｍｍ以下であることが特に好適である。更に、スクリーン印刷する面の平面度は、０.５ｍｍ以下であることが好ましい。平面度が０.５ｍｍを超える場合には、やはり導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も０.１ｍｍ以下であれば特に好適である。
【００４０】
上記のごとく研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導体ペーストは、金属粉末に、必要に応じて酸化物粉末と、バインダー及び溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末としては、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。また、ＡｌＮとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、２Ａ族元素や３Ａ族元素の酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などが好ましい。特に酸化イットリウムは、ＡｌＮに対する濡れ性が非常に良好であるため好ましい。これらの酸化物の添加量は、０.１〜３０重量％が好ましい。０.１重量％未満の場合、形成した電気回路である金属層とＡｌＮとの密着強度が低下する。また、３０重量％を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００４１】
導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、５〜１００μｍであることが好ましい。厚みが５μｍ未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎると共に、密着強度が低下する。また、形成する回路パターンが、ヒータ回路（発熱体回路）の場合は、パターンの間隔は０.１ｍｍ以上とすることが好ましい。０.１ｍｍ未満の間隔では、発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートすることがある。特に、５００℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は１ｍｍ以上とすることが好ましく、３ｍｍ以上であれば更に好ましい。
【００４２】
次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成して電気回路を形成する。導電ペーストの脱脂は窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。また、脱脂温度は５００℃以上が好ましい。脱脂温度が５００℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分なため、金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００４３】
また、導電ペーストの焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１５００℃以上の温度で行うのが好適である。１５００℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中に含有される焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。
【００４４】
次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、電気回路との反応性が小さく、ＡｌＮとの熱膨張係数差が５.０×１０−６／Ｋ以下であれば特に制約はない。例えば、結晶化ガラスやＡｌＮ等が使用できる。これらの材料を、例えばペースト状にして、所定の厚みのスクリーン印刷を行い、必要に応じて脱脂を行った後、所定の温度で焼成することにより絶縁性コートを形成することができる。
【００４５】
更に、必要に応じて、セラミックス基板を積層することができる。セラミックス基板の積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤としては、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、２Ａ族元素化合物や３Ａ族元素化合物とバインダー及び溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。
【００４６】
接合剤を塗布したセラミックス基板を、非酸化性雰囲気中にて５００℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス基板を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス基板同士を接合する。その際の荷重は、５ｋＰａ以上であることが好ましい。５ｋＰａ未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、若しくは前記した接合欠陥が生じやすい。接合するための加熱温度は、セラミックス基板同士が接合層を介して十分密着する温度であれば特に制約はないが、１５００℃以上であることが好ましい。１５００℃未満では十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂並びに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。
【００４７】
以上のようにして、ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。尚、電気回路としては、上述した導電ペーストを用いずに、例えば、ヒータ回路であればモリブデン線（コイル）を使用し、静電吸着用電極やＲＦ電極などの場合にはモリブデンやタングステンのメッシュ（網状体）を用いることも可能である。この場合、ＡｌＮ原料粉末中に上記モリブデンコイルやメッシュを内蔵させ、ホットプレス法により作製することができる。ホットプレスの温度や雰囲気は、前記ＡｌＮの焼結温度及び焼結雰囲気に準ずればよいが、ホットプレス圧力は０.９８ＭＰａ以上加えることが望ましい。０.９８ＭＰａ未満の圧力では、モリブデンコイルやメッシュとＡｌＮの間に隙間が生じ、ヒータやウェハ保持体としての性能が出なくなることがある。
【００４８】
次に、コファイアー法について説明する。まず、前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは乾燥後で３ｍｍ以下が好ましい。シートの厚みが３ｍｍを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。
【００４９】
このシート上に、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより、所定形状の電気回路となる金属層を形成する。導電ペーストとしては、上述のポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障は少ない。
【００５０】
次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。シートを重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は１５０℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は１〜１００ＭＰａの範囲が好ましい。１ＭＰａ未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、１００ＭＰａを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなり過ぎるため好ましくない。
【００５１】
このシート積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結における温度及び炭素量等は、ポストメタライズ法の場合と同じである。尚、前述した導電ペーストをシートに印刷する際に、複数のシートにそれぞれヒータ回路や静電吸着用電極等を印刷し、それらを積層することによって、複数の電気回路を有するヒータを容易に作製することも可能である。また、発熱体回路などの電気回路が、セラミックス積層体の最外層に形成されている場合には、電気回路の保護と絶縁性の確保のために、前述のポストメタライズ法の場合と同様に、電気回路の上に絶縁性コートを形成することができる。このようにして、ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。
【００５２】
得られたセラミックス積層焼結体は、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、半導体製造装置で要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物のウェハを搭載するウェハ載置面の平面度は０.５ｍｍ以下が好ましく、０.１ｍｍ以下が更に好ましい。平面度が０.５ｍｍを超えると、ウェハとヒータとの間に隙間が生じやすくなり、ヒータの熱がウェハに均一に伝わらなくなるため、ウェハの温度ムラが発生しやすくなる。
【００５３】
また、ウェハ載置面の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。Ｒａで５μｍを超えると、ヒータと被処理物との摩擦によって、ＡｌＮの脱粒が多くなることがある。この時、脱粒した粒子はパーティクルとなり、ウェハへの成膜やエッチングなどの処理に対して悪影響を与えることになる。表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば更に好適である。
【実施例】
【００５４】
図１に示すように、セラミックス基体と発熱体回路と絶縁層から構成され、被処理物であるウェハを載置して加熱するヒータ２と、このヒータ２を収容支持する容器１とを作製した。即ち、容器１として、外径３５０ｍｍ、内径３３５ｍｍ、高さ３５ｍｍのステンレス製の容器を作製した。その際、下記表１に示すように、内面（内周面と内側底面）及び外面（外周面と外側底面）の全てに対して、表面粗さをＲａで１.２μｍ、３.１μｍ、４.５μｍ、６.２μｍ、８.７μｍ、１０.４μｍの６種類となるように加工した。
【００５５】
一方、ヒータ２のセラミックス基体２ａとしては、直径３３０ｍｍ、厚さ１２ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を用いた。セラミックス基体２ａの裏面には、発熱体回路２ｂと絶縁層２ｃを形成した。発熱体回路２ｂは、導電ペーストをスクリーン印刷により塗布して作製した。導体ペーストは、金属粉末と、必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより調製した。金属粉末は、ＡｌＮとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンを用いた。絶縁層については、ガラス粉末に有機溶剤とバインダーを添加したペーストをスクリーン印刷により塗布した後、焼成して形成した。
【００５６】
これら試料１〜６の各容器１に、図１に示すように、上記ヒータ２を支持足部３で収容支持し、ヒータの均熱性の測定を行った。即ち、均熱性の測定は、１７点式のウェハ温度計を用いて、ヒータを１５０℃、２００℃、２５０℃までに通電加熱し、それぞれの温度に達してから３分後の最大温度と最小温度の差を測定し、その温度差を均熱性として下記表１に示した。
【００５７】
【表１】
【００５８】
上記の結果から、容器の表面粗さＲａが１０μｍを超える比較例の試料６に比べて、Ｒａが１０μｍ以下である本発明の試料１〜６はヒータの均熱性が優れていること、特にＲａが５μｍ以下の試料１〜３では均熱性が特に優れていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】ヒータを収容支持した容器を示す概略の断面図である。
【図２】ヒータと冷却モジュールを具備した容器を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 容器
２ ヒータ
２ａ セラミックス基体
２ｂ 発熱体回路
２ｃ 絶縁層
３ 支持足部
４ 冷却モジュール
５ 昇降手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体を加熱するためのヒータを収容支持する容器であって、その開口部にヒータを設置し、その構成部材の表面粗さがＲａで１０μｍ以下であることを特徴とする半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項２】
前記構成部材の表面粗さがＲａで５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項３】
前記構成部材が金属であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項４】
前記ヒータが、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウムのいずれかを主成分とするセラミックスヒータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項５】
前記セラミックスヒータの主成分が窒化アルミニウムであることを特徴とする、請求項４に記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項６】
前記ヒータと共に、冷却モジュールを具備することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項７】
前記冷却モジュールは流体が流通可能であることを特徴とする、請求項６に記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項８】
請求項１〜７に記載のヒータを収容支持した半導体加熱ヒータ用容器を搭載したことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１】
半導体を加熱するためのヒータを収容支持する容器であって、その開口部にヒータを設置し、その構成部材の表面粗さがＲａで１０μｍ以下であることを特徴とする半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項２】
前記構成部材の表面粗さがＲａで５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項３】
前記構成部材が金属であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項４】
前記ヒータが、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウムのいずれかを主成分とするセラミックスヒータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項５】
前記セラミックスヒータの主成分が窒化アルミニウムであることを特徴とする、請求項４に記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項６】
前記ヒータと共に、冷却モジュールを具備することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項７】
前記冷却モジュールは流体が流通可能であることを特徴とする、請求項６に記載の半導体加熱ヒータ用容器。
【請求項８】
請求項１〜７に記載のヒータを収容支持した半導体加熱ヒータ用容器を搭載したことを特徴とする半導体製造装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−８０８９２（Ｐ２００７−８０８９２Ａ）
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６３１８４（Ｐ２００５−２６３１８４）
【出願日】平成１７年９月１２日（２００５．９．１２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月１２日（２００５．９．１２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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