(57)【要約】【課題】本発明は、簡単な構造的で、プレートからの熱損失を低減できるとともに、端子などの金属部品を腐食性の高いプロセスガスから保護することのできるステージを提供する。【解決手段】ステージ１は、ヒータ６が埋設されてこのヒータ６に電力を供給するための端子８が一方の面に露出しているプレート２と、端子８を囲う環状にプレート２に形成される第１シール面１２と、端子８を囲う筒状に形成されてプレート２を支持するステム３と、プレート２を支持する側のステム３の端面に環状に形成された第２シール面１３と、プレート２を支持する側と反対側の開口端を塞ぐ蓋１７と、蓋１７を貫通してステム３の内側に通されて端子８に接続される導体１９と、蓋１７に設けられてステム３の外側のプロセスガスと同じかそれよりも高い圧力の不活性ガスをステムの内側に供給する流路２２とを備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗加熱によって発熱するヒータが埋設されてプロセスガスに曝されるプレートと、
前記プレートの一方の面に露出して前記ヒータに電力を供給する端子と、
前記端子を囲う環状に前記プレートに形成される第１シール面と、
前記端子を囲う筒状に形成されて前記プレートを支持するステムと、
前記プレートを支持する側の前記ステムの端面に沿って環状に形成された第２シール面と、
前記プレートを支持する側と反対側の前記ステムの開口端を塞ぐ蓋と、
前記蓋を貫通して前記ステムの内側に通されて前記端子に接続される導体と、
前記蓋に設けられて不活性ガスを前記ステムの内側に供給する流路とを備えることを特徴とするステージ。
【請求項２】
前記第１シール面と前記第２シール面の間に装着され、前記プレート及び前記ステムよりも伝熱抵抗の大きいシールリングを備えることを特徴とする請求項１に記載のステージ。
【請求項３】
前記シールリングは、前記プレートと前記ステムを固定する締結部材によって貫通されていることを特徴とする請求項２に記載のステージ。
【請求項４】
前記シールリングの内縁寄りの部分と外縁寄りの部分は、それぞれ前記第１シール面と前記第２シール面に接触することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のステージ。
【請求項５】
前記シールリングは、
前記第１シール面と前記第２シール面の少なくともどちらか一方が他方から離れる方向に凹む凹部に挿入されることを特徴とする請求項２から請求項４に記載のステージ。
【請求項６】
前記シールリングは、アルミナ系のセラミックで形成されることを特徴とする請求項２から請求項５の内のいずれか１項に記載のステージ。
【請求項７】
前記シールリングは、マグネシア系のセラミックで形成されることを特徴とする請求項２から請求項５の内のいずれか１項に記載のステージ。
【請求項８】
前記締結部材は、アルミナ系のセラミックで形成されることを特徴とする請求項３から請求項７の内のいずれか１項に記載のステージ。
【請求項９】
前記第１シール面と前記第２シール面の少なくともどちらか一方が他方に向かって凸状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の内のいずれか１項に記載のステージ。
【請求項１０】
前記第１シール面と前記第２シール面の少なくともどちらか一方が他方に向かって断面が円弧状に膨らんだ凸状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の内のいずれか１項に記載のステージ。
【請求項１１】
前記端子と前記導体を包む鞘を前記プレートと前記蓋との間に備え、
前記鞘の中に前記流路から前記不活性ガスが供給されることを特徴とする請求項１から請求項１０の内のいずれか１項に記載のステージ。
【請求項１２】
前記プレートは、前記ヒータに対して前記端子と反対側に埋設された高周波のグランド用の電極を備えることを特徴とする請求項１から請求項１１の内のいずれか１項に記載のステージ。
【請求項１３】
前記プレートは、前記ヒータの温度を検出する温度検出部を備えることを特徴とする請求項１から請求項１２の内のいずれか１項に記載のステージ。
【請求項１４】
前記プレートに埋設された高周波のグランド用の電極と、
この電極に接続されて前記端子と同じ側に露出する前記電極用の端子と、
前記蓋を貫通して前記電極用の端子に接続される高周波ケーブルと、
前記蓋を貫通して前記プレートに差し込まれ、前記ヒータの温度を検出するシース熱電対と、
前記プレートと前記蓋の間に露出する前記電極用の端子と前記高周波ケーブルと前記シース熱電対とを包み、前記流路から不活性ガスが供給される鞘とを備えることを特徴とする請求項１から請求項１０の内のいずれか１項に記載のステージ。
【請求項１５】
前記不活性ガスは、前記ステムの外側の前記プロセスガスと同じ圧力、または前記プロセスガスよりも高い圧力で供給されることを特徴とする請求項１から請求項１４の内のいずれか１項に記載のステージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体の製造プロセス等のプロセスガス雰囲気中において、ウェーハを保持するステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体は、製造プロセスにおいて、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、エッチングなどの処理が施される。各プロセスで用いられる装置には、円板状に切り出された半導体のウェーハを保持するステージがある。このステージは、各工程に合せてヒータや高周波電極が埋設されたプレートと、このプレートを支持するステムとを備えている。ヒータや高周波電極は、円筒状に形成されたステムの中を通してリード線が接続されている。
【０００３】
プレートとステムは、フッ素ガス雰囲気中に曝されるとともにヒータで加熱されるため、窒化アルミニウムからなるセラミックでできている。プレート（サセプタブロック）とステム（支持台）は、ねじで固定されている（例えば、特許文献１参照。）。また、プレートとステムの間から流入したフッ素ガス等のプロセスガスによってリード線が腐食されないように、周囲のガスの気圧よりも高い圧力でアルゴンガスなどの不活性ガスがステムの内部に流し込まれている。
【０００４】
また、円筒状体（ステム）とセラミックヒータ（プレート）を備える半導体ウエハー加熱装置が有る（例えば、特許文献２参照。）。円筒状体は、端面にフランジが形成されている。セラミックヒータは、抵抗発熱体（ヒータ）が埋設されており、端子が背面から露出している。この半導体ウェーハ加熱装置は、フランジと背面の間に軟質金属からなるＯリング状の円環状部材を備えている。セラミックヒータの外周部に形成されたフランジに掛けられた支持部材と円筒状体のフランジに掛けられた押え板とをボルトで締付けることで、円筒状体とセラミックヒータの間に負荷を加え、気密にシールしている。そして、円筒状体とセラミックスヒータとが別体であるので、いずれかにクラックが生じた場合に、両者を分離し、故障した方だけを交換できる。円環状部材を構成する軟質金属として、白金を使用している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１５３７０６号公報（段落００３２−００３４、第４図）
【０００６】
【特許文献２】
特許第３１３１０１０号公報（段落０００７−０００８、００１４、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サセプタブロックと支持台とをボルトで直接固定した場合、内部の不活性ガスがサセプタブロックと支持台の間にできる隙間から流出するとともに、ヒータの熱が接触部から伝わって、熱損失が生じるため、サセプタブロックの表面に温度差が生じる場合がある。温度差が生じると、半導体製造プロセスの処理条件が不安定なるとともに、サセプタブロックそのものが熱応力で破損する恐れがある。
【０００８】
円環状部材として白金の金属Ｏリングを設け、セラミックヒータと円筒状体との間を気密に保持する場合、円筒状体の内側は、外気に晒されているため、放熱しやすいとともに、端子や導体が酸化しやすい。また、セラミックヒータの外周を支持部材で押えているので、円環状部材とセラミックヒータの外周までの距離が離れるほど、セラミックヒータが撓みやすく、セラミックヒータの平坦度が損なわれたり、円環状部材におけるシール性が低下したりする。また、各部材の熱膨張係数の差により、気密性が損なわれることがある。そのため、円環状部材に対するセラミックヒータと円筒状体の押し付け力を安定させるために複雑な機構を必要としている。
【０００９】
そこで、本発明は、簡単な構造的で、プレートからの熱損失を低減できるとともに、端子などの金属部品を腐食性の高いプロセスガスから保護することのできるステージを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるステージは、抵抗加熱によって発熱するヒータが埋設されてこのヒータに電力を供給するための端子が一方の面に露出しているプレートと、端子を囲う環状にプレートに形成される第１シール面と、端子を囲う筒状に形成されてプレートを支持するステムと、プレートを支持する側のステムの端面に沿って環状に形成された第２シール面と、プレートを支持する側と反対側のステムの開口端を塞ぐ蓋と、蓋を貫通してステムの内側に通されて端子に接続される導体と、蓋に設けられて不活性ガスをステムの内側に供給する流路とを備える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に係るステージ１について、図１から図３を参照して説明する。図１に示すステージ１は、プレート２とステム３とシールリング４とを備えており、ウェーハＷをプレート２上に保持する。ステージ１は、プロセスチャンバ５の中に入れられ、ウェーハＷを保持した状態で各プロセスに応じたプロセスガスに曝される。プロセスガスは、図示しない供給経路を通してチャンバ５内に所定の圧力で供給される。
【００１２】
プレート２は、セラミックでできており、ヒータ６と電極７とが埋設されている。ヒータ６は、抵抗加熱によって発熱する。ヒータ６は、耐熱性に優れ、熱膨張係数の小さい金属、または、熱膨張係数がプレート２を形成するセラミックの熱膨張係数に近い金属であることが好ましく、具体的には、モリブデンやタングステンなどが挙げられる。ヒータ６に電力を供給するための端子８は、プレート２の一方の面、図１においては下面から露出している。電極７は、プラズマ処理をウェーハＷに施すときに使用するグランド用の電極７であって、ウェーハＷを保持する面に近い位置に埋設されている。電極７は、ヒータ６用の端子８と同じ側であるプレート２の下面から露出した電極７用の端子９に接続されている。また、プレート２には、ヒータ６の温度管理をするために、端子８，９が露出する側に熱電対１０を差し込むソケット１１が取り付けられている。なお、熱電対１０は、直接プレート２に取り付けても良い。そして、ヒータ６用の端子８と電極７用の端子９とソケット１１を囲んで環状の第１シール面１２がプレート２に形成されている。第１シール面は、平坦に研磨されている。
【００１３】
ステム３もまたプレート２と同様のセラミックでできている。ステム３は、ヒータ６用の端子８と電極７用の端子９及び熱電対１０を囲う十分な太さの円筒状に形成されている。ステム３は、両端にフランジ３ａ，３ｂが形成されている。プレート２に面したフランジ３ａには、第２シール面１３が形成されており、もう一方のフランジ３ｂには、Ｏリング溝１４が形成されている。第２シール面は、平坦に研磨されている。Ｏリング溝１４には、Ｏリング１５が装着され、フランジ３ｂには、ねじ１６で蓋１７が取り付けられる。
【００１４】
シールリング４は、プレート２及びステム３よりも伝熱抵抗が大きく、断熱性に優れたセラミックで作られており、プレート２に形成された第１シール面１２とステム３のフランジ３ａに形成された第２シール面１３との間に挿入される。図２に示すように、プレート２とステム３とを固定する締結部材としてのねじ１８は、シールリング４を貫通している。このねじ１８は、ヒータ６の熱による膨張を考慮して、セラミック製である。また、ねじ１８は、セラミック製であるので、放熱量を押えることができる。シールリング４の外表面は、研磨されることでシール面を形成している。
【００１５】
ヒータ６用の端子８と電極７用の端子９には、ろう付けなどにより導体１９，２０が接続されている。接続された導体１９，２０は、図３に示すような配置で、蓋１７を通してプロセスチャンバ５の外に取り出される。また、熱電対１０は、図１に示すようにソケット１１に差し込まれ、導体１９，２０と同様に蓋１７を通してプロセスチャンバ５の外に取り出される。導体１９，２０及び熱電対１０と蓋１７との隙間は、パッキングなど、例えばＯリング２１が取り付けられ、ブッシュなどで締付けて気密に封じられる。
【００１６】
また、蓋１７には、ステム３の内部に不活性ガスを充満させる流路２２が取り付けられている。流路２２には、図示しない圧力調整弁や流量調整弁、および不活性ガスが充填されたボンベなどが接続される。ステム３の内部は、プロセスチャンバ５内部に充満するプロセスガスの圧力と同じ、またはそれよりも高い圧力で、不活性ガスが供給される。したがって、ステム３の内部にプロセスガスが浸入することはない。なお、図３に示した導体１９，２０と熱電対１０と流路２２の配置は、一例であって、流路２２が中央に位置していても良い。また、ステム３の内側のガスを排気できるように、別途排気用の流路を設けても良い。
【００１７】
プレート２、ステム３、シールリング４、ねじ１８は、それぞれセラミックでできている。プレート２とねじ１８の線膨張係数は、ほぼ同じであり、ヒータ６によって温度が上昇したときにねじ山が破損しない。ステム３とシールリング４の線膨張係数は、プレート２及びねじ１８の線膨張係数と同じかそれよりも大きい。ヒータ６の温度が上がった場合、第１シール面１２及び第２シール面１３とシールリング４との間に隙間ができることを防止する。
【００１８】
以上のように構成されたステージ１は、制御装置（図示せず）に接続され、プロセスチャンバ５内において、ウェーハＷとプロセスガスとの反応を促進させるためにウェーハＷを加熱する。制御装置は、熱電対１０でプレート２の温度を検出し、ヒータ６に流す電流を制御する。また、制御装置は、プロセスチャンバ５内に供給されるプロセスガスの圧力と、ステム３の内部に供給される不活性ガスの圧力を監視しており、ステム３の内部の圧力がプロセスチャンバ５内の圧力と同じかそれよりも高くなるように流路２２から不活性ガスを供給する。
【００１９】
ステージ１は、プレート２とステム３の間に断熱性に優れたセラミックでできたシールリング４を有しているので、プレート２からの熱損失が抑制され、プレート２の温度分布にばらつきが発生しない。したがって、熱応力によるプレート２の破損を防げるとともに、ウェーハＷを加熱する温度が安定する。また、ステム３の内部には不活性ガスがプロセスガスと同じかそれよりも高い圧力で供給されているので、プロセスガスがステム３の内部に浸入することはない。したがって、端子８，９、導体１９，２０、熱電対１０が、プロセスガスに曝されることを防止することができる。したがって、金属に対して腐食性の強いプロセスガス雰囲気中で使用されるステージ１として適している。また、不活性ガスがステム３内に供給されているので、プレート２の熱で端子８，９、導体１９，２０、熱電対１０が酸化することを防止することができる。
【００２０】
プレート２の第１シール面１２及びステム３の第２シール面１３とシールリング４の合せ面は、研磨され、面当たりするように設けられているので、プロセスチャンバ５内に漏れ出る不活性ガスを最小限に抑えることができる。
【００２１】
本発明の第２の実施形態にかかるステージ１のプレート２とステム３の合せ部を図４に示す。なお、この他の構成は、第１の実施形態のステージ１と同じであるので、説明を省略する。
【００２２】
図４に示すように、プレート２とステム３の合せ部には、シールリング４が嵌り込む溝２ａ，３ｃが形成されている。この溝２ａ，３ｃは、半径方向についてシールリング４より幅広に形成されている。したがって、温度変化によって、プレート２及びステム３とシールリング４の間において寸法変化が生じても、プレート２やステム３が破損することはない。
【００２３】
また、第１シール面１２は、プレート２の溝２ａの底に形成されており、第２シール面１３は、ステム３の溝３ｃの底に形成されている。シールリング４は、外縁寄りの部分と内縁寄りの部分が第１シール面１２及び第２シール面１３と接触するように形成されており、断面が、いわゆるＨ形をしている。このシールリング４は、プレート２との接触面積が第１の実施形態のシールリング４よりも小さいので、プレート２からシールリング４に伝わる熱をさらに少なく押えることができる。また、溝２ａ，３ｃが形成されているので、プレート２とステム３の位置を合せやすい。なお、第１の実施形態にこのシールリング４を適用することもできる。
【００２４】
本発明の第３の実施形態に係るステージ１のプレート２とステム３との合せ部を図５に示す。本実施形態のステージ１は、シールリングを持たない。第１シール面１２は、平坦に形成されており、第２シール面１３は、第１シール面１２に向かって突出している。なお、第２シール面１３を平坦に形成し、第１シール面１２を第２シール面３に向かって突出させても良い。また、交換される頻度が少ない方を凸状に形成し、交換された側のシール面に合せて、凸状のシール面を摺合加工できるようにしても良い。この他の構成は、第１や第２の実施形態と同じ構成であるので説明を省略する。
【００２５】
以上のように構成されたステージ１は、プレート２とステム３の接触面積が小さいので、プレート２からステム３への熱伝達が少ない。したがって、プレート２の温度が安定しやすい。また、プレート２とステム３の接触面積が小さいので、第１シール面１２と第２シール面１３の仕上げ加工が容易であり、加工コストを低減できる。
【００２６】
さらに、図６に示すように第２シール面１３、つまり、突出するシール面、の先端を断面が円弧状になるように形成することで、第１シール面１２と第２シール面１３の接触部は、線状になり、プレート２からステム３への熱伝達を最小限に抑えることができるとともに、摺り合せが容易になる。また、シールリングを持たないので、部品点数が少なく、低コストである。
【００２７】
本発明の第４の実施形態にかかるステージ１を図７に示す。なお、第１の実施形態のステージ１と同一の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。また、プレート２とステム３の合せ部は、図２に示す。なお、プレート２とステム３の合せ部は、図４、図５、図６の形態であっても良い。
【００２８】
ステージ１は、第１の実施形態のステージ１に加えて、さらに、分配板２５とセラミック製の鞘２６とを備える。分配板２５は、ステム３と蓋１７との間に挿入され、流路２２から供給される不活性ガスを各鞘２６に分配する。鞘２６は、プレート２と分配板２５の間において、端子８，９と導体１９，２０、及び熱電対１０を個々に覆っている。
【００２９】
鞘２６は、位置がずれないように、プレート２に対してやや差し込まれている。プレート２と鞘２６との当接部は、不活性ガスがわずかに漏れるようになっている。鞘２６と分配板２５の差込部は、ろう付けされている。なお、鞘２６と分配板２５との差込部は、ろう付けせずに鞘２６の中に優先的に不活性ガスが流れる程度に嵌められていてもよい。また、鞘２６に不活性ガスを流す以外に、積極的にステム３の内側に不活性ガスを流しても良い。
【００３０】
分配板２５には、Ｏリング溝２７が形成されている。Ｏリング溝２７には、Ｏリング２８が取り付けられ、分配板２５と蓋１７との間を気密に保持している。なお、電極７用の端子９及び導体２０を覆う鞘２６は省略している。また、熱電対１０の鞘２６も途中から省略している。鞘２６に供給する不活性ガスは、ステム３の内側の圧力と同じかそれよりも高い圧力で供給される。
【００３１】
以上のように構成されたステージ１は、他の実施形態と同様に、プレート２からステム３への熱伝達が少なく、プレート２の温度が安定しやすい。また、端子８，９と導体１９，２０、及び熱電対１０を鞘２６で覆って不活性ガスを供給するので、端子８，９と導体１９，２０、及び熱電対１０がプロセスガスから保護されるとともに、不活性ガスの消費量が少なくてよい。
【００３２】
また、ステム３内のガスを蓋１７の方に排気する流路を別途設けると、鞘２６から漏れ出た不活性ガスが、プレート２とステム３の間からプロセスチャンバ５に排気されなくなる。したがって、プロセスチャンバ５内のプロセスガスの純度を良好に保つことができる。
【００３３】
プレート２、ステム３、シールリング４、ねじ１８に使われるセラミック材料は、具体的な組合せとして、プレート２には、窒化アルミニウム系、ステム３には、アルミナ系、シールリング４には、マグネシア系を用いる。なお、セラミック材料として、この他、ジルコニア系、窒化珪素系、サイアロン系、窒化チタン系等を適用することができる。
【００３４】
また、プレート２、ステム３、シールリング４、溝２ａ，３ｃ、などの形状は、熱膨張によって応力が集中しないように、角部に丸みを付けておくことが好ましい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明にかかるステージによれば、プレートとステムの合せ部にそれぞれ第１シール面と第２シール面を設け、プロセスガスと同じかそれよりも高い圧力の不活性ガスをステムの内部に供給する。したがって、端子や導体などの金属部品がプロセスガスに曝されることがない。また、プレートとステムはシール面を備えているので、プレートとステムの間からプロセスチャンバに流出する不活性ガスの流量を少なくすることができる。
【００３６】
また、第１シール面と第２シール面の少なくともどちらか一方を他方に向けて突出させたステージによれば、プレートとステムの接触面積が小さくなり、プレートからステムへの熱伝達が少なくなる。したがって、ヒータによってプレートが加熱される場合に、温度が安定しやすい。
【００３７】
さらに、プレートの第１シール面とステムの第２シール面の間に、プレート及びステムより伝熱抵抗の大きいシールリングを設ける発明によれば、シールリングを通してプレートからステムへ熱が伝わるので、プレートからステムへの熱伝達が小さくなる。
【００３８】
また、本発明のステージによれば、部品点数が少なく、構造が簡単であるので、製作費用が安い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るステージを示す断面図。
【図２】図１のステージのプレートとステムの合せ部を拡大して示す断面図。
【図３】図１中のＦ３−Ｆ３に沿ってステージの蓋を示す断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るステージのプレートとステムの合せ部を拡大して示す断面図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るステージのプレートとステムの合せ部を拡大して示す断面図。
【図６】図５のプレートとステムの合せ部の変形例を示す断面図。
【図７】本発明の第５の実施形態に係るステージを示す断面図。
【符号の説明】
１…ステージ
２…プレート
３…ステム
４…シールリング
６…ヒータ
７…電極
８…（ヒータ用の）端子
９…（電極用の）端子
１０…熱電対（温度計）
１２…第１シール面
１３…第２シール面
１７…蓋
１８…ねじ（締結部材）
１９…導体
２０…導体（高周波ケーブル）
２２…流路
２６…鞘
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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