(57)【要約】【課題】        ヒータの冷却速度を向上させるとともに、ヒータの温度分布の均一性を高めた半導体製造装置を提供する。【解決手段】    本発明の半導体製造装置は、半導体ウェハを熱処理するためのヒータと、該ヒータを冷却するための冷却ブロックを備えており、該冷却ブロックには、挿入物を挿入するための貫通孔が設置されており、該貫通孔の内面から、前記挿入物までの距離が５０ｍｍ以下であることを特徴とする。前記冷却ブロックは、前記ヒータのウェハ搭載面とは反対側の面に、当接、分離が可能なように設置される。また、前記挿入物はヒータ回路に給電するための給電電極や温度計測手段等である。【選択図】      図１
2005209825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハを熱処理するためのヒータと、該ヒータを冷却するための冷却ブロックを備えた半導体製造装置において、該冷却ブロックには、挿入物を挿入するための貫通孔が設置されており、該貫通孔の内面から、前記挿入物までの距離が５０ｍｍ以下であることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記貫通孔の内面から前記挿入物までの距離が、０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記冷却ブロックが、熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の材質から成ることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記冷却ブロックが、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の材質から成ることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチング装置、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置、減圧プラズマＣＶＤ装置、メタルＣＶＤ装置、絶縁膜ＣＶＤ装置、低誘電率膜（Ｌｏｗ−Ｋ）ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパなどにおいて、ウェハを搭載し、所定の処理を施すためにウェハを加熱するヒータ及び該ヒータを冷却するための冷却ブロックを備えた半導体製造装置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、半導体基板を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、セラミックスヒータの処理時の温度の均一性が重要である。
【０００４】
また、ＣＶＤ工程では、ウェハを洗浄、乾燥した後、ＣＶＤ装置内のセラミックスヒータ上にウェハを搭載し、ウェハ表面に化学反応によって絶縁膜や金属膜を成膜する。この化学反応時の温度が、絶縁膜や金属膜の品質に大きく影響するので、やはりセラミックスヒータの温度の均一性が重要である。
【０００５】
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、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が工夫されている。例えば、特許文献１では、ヒータ内部に冷媒ガスを流すための冷却流路が形成された半導体製造装置が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２では、ヒータのウェハ搭載面とは反対側の面に、当接、分離が可能な冷却ブロックを備えた半導体製造装置を提案した。
【特許文献１】特開平０６−３４６２５６号公報
【特許文献２】特願２００２−１６３７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献２では、ヒータを冷却するときに、冷却ブロックをヒータに当接することにより、ヒータの冷却速度を飛躍的に向上させることができる。しかし、冷却ブロックを備えたことによって、ヒータの温度分布が不均一となり、用途によってはこのヒータの温度分布の不均一が障害となることが明らかになってきた。このため、特許文献２の技術は、ヒータの温度分布の均一性の要求が比較的厳しくない用途に限定されるのが現状である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ヒータの冷却速度を向上させるとともに、ヒータの温度分布の均一性を高めた半導体製造装置を提供することである。このような半導体製造装置は、より広い用途に使用可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体製造装置は、半導体ウェハを熱処理するためのヒータと、該ヒータを冷却するための冷却ブロックを備えており、該冷却ブロックには、挿入物を挿入するための貫通孔が設置されており、該貫通孔の内面から、前記挿入物までの距離が５０ｍｍ以下であることを特徴とする。前記冷却ブロックは、前記ヒータのウェハ搭載面とは反対側の面に、当接、分離が可能なように設置される。また、前記挿入物はヒータ回路に給電するための給電電極や温度計測手段等である。
【００１０】
また、前記貫通孔の内面から前記挿入物までの距離が、０．１ｍｍ以上であると、ヒータの温度分布は更に均一になるので好ましい。
【００１１】
また、前記冷却ブロックが、熱伝導率３０Ｗ／ｍＫ以上の材質から成ることが好ましく、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の材質から成ることが更に好ましい。
【００１２】
前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のうちのいずれかであることが好ましく、窒化アルミニウムであることが特に好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ヒータ冷却時に冷却ブロックをヒータに当接することにより、ヒータの冷却速度を飛躍的に向上させることができるとともに、温度分布の均一性に優れたヒータを有する半導体製造装置を得ることができる。このため、本発明の半導体製造装置は、エッチング装置、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置、減圧プラズマＣＶＤ装置、メタルＣＶＤ装置、絶縁膜ＣＶＤ装置、低誘電率膜ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパ等の各種半導体製造装置に適用すれば、各装置に必要十分な温度分布を有する半導体製造装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
発明者らは、特許文献２の技術で、ヒータの温度分布が不均一となる原因を検討した。その結果、冷却ブロックの貫通孔の内面から、挿入物までの距離が大き過ぎると、ヒータの温度分布が不均一になることを見出した。本発明の実施の形態を、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態の一例であり、半導体製造装置の容器１の内部に、ヒータ２と冷却ブロック３とを備える。ヒータ２には、ヒータ回路に給電するための給電電極４や、熱電対や測温抵抗体等の温度測定手段５が接続される。これらの給電電極や温度測定手段は容器１の外へ引き出され、図示しない温度制御装置に接続される。
【００１５】
冷却ブロック３は、エアーシリンダなどの昇降手段６によって容器１内に設置され、必要に応じてヒータ２に当接および分離ができるようになっている。図１は冷却ブロック３が分離した状態を表し、図２は冷却ブロック３がヒータ２に当接した状態を示す。この冷却ブロック３には、前記電極や温度測定手段などの挿入物を貫通するための貫通孔７が設けられている。
【００１６】
冷却ブロック３がヒータ２から分離している場合には、貫通孔７の内面から電極や温度測定手段などの挿入物４、５までの距離が大き過ぎると、貫通孔７を通じて流出または流入する気体によって、ヒータ２の温度分布の均一性が低下する。
【００１７】
例えば、ヒータ２を高温で保持している状態では、容器１の内部の気体が、ヒータ２によって加熱され、容器内部に気体の対流が発生する。この対流は、ヒータ２から立上り、容器天井に到達し、容器側面にそって、冷却されながら容器天井から容器側面へと流れ、冷却ブロック３の下に回り込んで、冷却ブロック３の貫通孔７の内部を上昇していく。この対流に巻き込まれる形で、貫通孔を通して容器外部から気体が流入してくる。容器外部の気体の温度は、ヒータ２の温度よりも低いので、この外部からの気体が、ヒータ２に接触することにより、ヒータ２の温度が局部的に低下し、ヒータ２の温度分布の均一性が低下する。
【００１８】
また、図１と図２では、容器１の内部と外部との間で気体が出入りできる構造になっているが、図３に示すように、封止材８を用いて、容器１を封止して、気体の出入りを防いでも、冷却ブロック３の貫通孔７の内面から、挿入物までの距離が大き過ぎると、やはりヒータ２の温度分布の均一性は低下する。これは、封止しても、容器内部に対流が発生することに変わりはなく、気体が冷却ブロックの貫通孔内部を上昇し、ヒータに触れることによるものである。なお、図３は、冷却ブロックがヒータと分離した状態を示す。
【００１９】
また、図３のように容器１を封止し、容器内部を低圧または真空にした場合、気体の対流はほとんどなくなるが、冷却ブロック３の貫通孔７の内面から、挿入物までの距離が大き過ぎると、やはりヒータ２の温度分布の均一性は低下する。これは、輻射による放熱が原因である。ヒータ２から放射され、冷却ブロックに到達した赤外線は、冷却ブロックの貫通孔以外の部分では、あまり吸収、散乱することなくヒータ２に反射されるのに対し、貫通孔部分では、貫通孔内部で反射を繰り返すうちに吸収され、ほとんどヒータに反射されない。このため、ヒータ表面において、冷却ブロックの貫通孔に近い部分は、貫通孔から遠い部分に比べて、輻射による放熱量が増加し、温度が低下する。
【００２０】
一方、冷却ブロックがヒータに当接している場合、ヒータは冷却されるが、冷却ブロックの貫通孔に当接するヒータ部分は、貫通孔以外の部分に当接する部分に比べて、冷却速度が低下するので、冷却ブロックの貫通孔に当接するヒータ部分付近は、温度が高いままとなり、ヒータの温度分布の均一性が低下する。
【００２１】
このように、冷却ブロックがヒータに当接した場合も分離した場合も、また、容器が封止された場合も封止されない場合も、冷却ブロック３の貫通孔７の内面から、挿入物までの距離が大き過ぎると、ヒータ２の温度分布の均一性は低下する。発明者等は、鋭意検討の結果、冷却ブロックの貫通孔の内面から挿入物までの距離を、５０ｍｍ以下とすればヒータの温度分布の高い均一性を得られることを見出した。
【００２２】
また逆に、冷却ブロック３の貫通孔７の内面から、挿入物までの距離が小さ過ぎても、ヒータ２の温度分布の均一性は低下する。その原因は、ヒータ２の熱が、電極や温度測定手段などの挿入物を伝わって、冷却ブロックの貫通孔部分で、冷却ブロックへ逃げるためである。このため、ヒータの電極や温度測定手段などを接続した部分付近の温度が低下する。
【００２３】
冷却ブロック３の貫通孔７の内面から、挿入物までの距離が小さ過ぎる場合の、ヒータの温度分布の均一性に与える影響は、前記距離が大き過ぎる場合よりは小さいが、温度分布に高い均一性が要求される用途では、大きな障害となり得る。このため、冷却ブロック３の貫通孔７の内面から、挿入物までの距離が極端に小さいことは好ましくなく、０．１ｍｍ以上とすることが好ましいことを見出した。
【００２４】
以上のように、冷却ブロック３の貫通孔７の内面から、挿入物までの距離が０．１ｍｍ以上、５０ｍｍ以下とすれば、広い用途で使用可能な半導体製造装置とすることができる。温度分布の特に高い均一性を要求される用途には、前記距離を０．２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２ｍｍ以上、１０ｍｍ以下とすれば、更に高い均一性を得ることができる。
【００２５】
また、冷却時のヒータの温度分布に高い均一性を要求される用途では、冷却ブロックの材質として、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上のものを用いると、冷却ブロックの温度分布の均一性が向上するので、ヒータが均一に冷却されることにより、冷却時のヒータの温度分布の均一性を高くすることができる。更に高い均一性を要求される用途では、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上のものを用いることが望ましい。
【００２６】
冷却ブロックの内部には、冷却媒体を流してもよい。冷却ブロックの内部に冷却媒体が流れるための流路を設けて、必要に応じて冷却媒体を流す構造とすることができる。ヒータを昇温する時や高温に保持する時には、昇温速度の低下防止及び消費電力の低減を目的として、冷却媒体を流さず、ヒータを冷却する時のみ冷却媒体を流すという運用とすることが好ましい。冷却媒体は、液体であることが取扱い上好ましい。
【００２７】
冷却媒体を流す流路を設けていない冷却ブロックは、その熱容量に上限があることから、連続的にヒータの冷却を行った場合に、冷却能力が徐々に低下する可能性がある。これに対して、冷却媒体を用いて冷却するようにした冷却ブロックでは、ヒータの冷却を連続的に行った場合でも、冷却能力は低下することがない。しかし、流路を設けて冷却媒体で冷却可能とした冷却ブロックは、冷却ブロックの構造自体が複雑であり、冷却媒体を循環させ、また冷却媒体を冷却するための設備も必要となる。冷却媒体を用いるかどうかは、これらの特徴を考慮して適宜選択することができる。
【００２８】
本発明のヒータの材質は、セラミックスが好ましい。金属を用いた場合は、ウェハ上にパーティクルが付着するという問題があるので好ましくない。セラミックスとしては、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。
【００２９】
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。以下に、本発明のヒータの製造方法をＡｌＮの場合で詳述する。
【００３０】
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、窒化アルミニウムの焼結性が低下する。また、５．０ｍ２／ｇを超えると、粉末の凝集が非常に強くなるので取扱いが困難になる。更に、原料粉末に含まれる酸素量は、２ｗｔ％以下が好ましい。酸素量が２ｗｔ％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。金属不純物量がこの範囲を超えると、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ＩＶ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、含有量は、それぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
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、焼結中に窒化アルミニウム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、窒化アルミニウムの緻密化を促進するとともに、窒化アルミニウム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、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上させることができる。
【００３２】
希土類元素化合物は、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。添加量は、０．０１〜５ｗｔ％が好ましい。０．０１ｗｔ％未満であると、緻密な焼結体を得ることが困難であるとともに、焼結体の熱伝導率が低下する。また、５ｗｔ％を超えると、窒化アルミニウム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、１ｗｔ％以下である。１ｗｔ％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。
【００３３】
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。この中で、酸化物は安価で入手が容易であり好ましい。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、窒化アルミニウム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。
【００３４】
次に、これら窒化アルミニウム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、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等が可能である。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。
【００３５】
得られたスラリーを成形し、焼結することによって窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。その方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の２種類の方法が可能である。
【００３６】
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、顆粒を作成する。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、プレス圧力は、９．８ＭＰａ以上であることが望ましい。９．８ＭＰａ未満の圧力では、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。
【００３７】
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、１．５ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。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、焼結が進行しにくくなる。また、成形体密度は、２．５ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。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。このため、前述のように緻密な焼結体を得ることが困難となる。
【００３８】
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。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。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。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ないので、脱脂処理後の積層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。
【００３９】
また、脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。１．０ｗｔ％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。
【００４０】
次いで、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で、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時、使用する窒素などの雰囲気ガスに含有する水分は、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、０．００１ｖｏｌ％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。
【００４１】
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ともに、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に積層体が収縮する際の治具と積層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。
【００４２】
得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程の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。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以下であればさらに好適である。
【００４３】
上記表面粗さを研磨加工する際には、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。
【００４４】
また、この時、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以下であれば特に好適である。さらに、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。０．５ｍｍを超える平面度の場合にも、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。
【００４５】
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得ることができる。金属粉末は、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。
【００４６】
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、ＩＩａ族元素やＩＩＩａ族元素の酸化物や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ので、好ましい。これらの酸化物の添加量は、０．１〜３０ｗｔ％が好ましい。０．１ｗｔ％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３０ｗｔ％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。
【００４７】
導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、５μｍ以上、１００μｍ以下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ともに、密着強度も低下する。また、１００μｍを超える場合も、密着強度が低下する。
【００４８】
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。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。
【００４９】
次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成する。脱脂は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。脱脂温度は５００℃以上が好ましい。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で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。
【００５０】
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、セラミックス中の含有す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。
【００５１】
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、５．０ｘ１０−６／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形成することができる。
【００５２】
次に、必要に応じて更にセラミックス基板を積層することができる。積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、ＩＩａ族元素化合物やＩＩＩａ族元素化合物とバインダーや溶剤を加え、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。
【００５３】
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、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。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、もしくは前記接合欠陥が生じやすい。
【００５４】
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。前記脱脂なら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。
【００５５】
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。なお、電気回路は、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）、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。
【００５６】
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、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の間に隙間が生じることがあるので、ヒータの性能が出なくなることがある。
【００５７】
次に、コファイアー法について説明する。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。
【００５８】
上述したシート上に所定形状の電気回路となる金属層を、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形成する。導電ペーストは、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ない。
【００５９】
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。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すぎる。
【００６０】
この積層体を、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。脱脂処理や焼結の温度や、炭素量等はポストメタライズ法と同じである。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で、複数の電気回路を有する通電発熱ヒータを容易に作成することも可能である。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。
【００６１】
なお、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。
【００６２】
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、被処理物搭載面の平面度は０．５ｍｍ以下が好ましく、さらには０．１ｍｍ以下が特に好ましい。平面度が０．５ｍｍを超えると、被処理物とセラミックスヒータとの間に隙間が生じやすくなり、セラミックスヒータの熱が被処理物に均一に伝わらなくなり、被処理物の温度ムラが発生しやすくなる。
【００６３】
また、被処理物搭載面の面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。Ｒａで５μｍを超えると、通電発熱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、被処理物上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。さらに、表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば、好適である。
【実施例１】
【００６４】
１００重量部の窒化アルミニウム粉末と０．６重量部のステアリン酸イットリウム粉末を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ１０重量部、５重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作成後、プレス成形し、７００℃窒素雰囲下で脱脂し、窒素雰囲気中、１８５０℃で焼結し、窒化アルミニウム焼結体を作成した。なお、窒化アルミニウム粉末は、平均粒径０．６μｍ、比表面積３．４ｍ２／ｇのものを使用した。前記窒化アルミニウム焼結体を加工し、直径３３０ｍｍ、厚み１５ｍｍとした。
【００６５】
また、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末を１００重量部として、Ｙ２Ｏ３を１重量部と、５重量部のバインダーであるエチルセルロースと、溶剤としてブチルカルビトールを用いてＷペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このＷペーストをスクリーン印刷で、前記加工した窒化アルミニウム焼結体上に、発熱体回路パターンを形成した。その後、９００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中１８００℃で焼成した。発熱体回路パターンを形成した面に、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系のガラスペーストを用いて、給電部を除いて１００μｍの厚さに塗布し、窒素雰囲気中７００℃で焼成した。また、給電部には、金ロウでタングステン端子を取付け、タングステン端子にニッケル電極をネジ止めし、ヒータを完成させた。
【００６６】
次に、冷却ブロックとして、直径３３０ｍｍ、厚み１２ｍｍと７ｍｍの純アルミニウム板を用意した。純アルミニウム板の熱伝導率は、２００Ｗ／ｍＫである。このうち、厚み１２ｍｍのアルミニウム板に、幅５ｍｍ、深さ５ｍｍの冷却媒体を流すための流路を加工により形成した。さらにこの流路の外周に、Ｏ−リングを挿入するための、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を形成した。また冷却媒体の出入り口に貫通孔を形成した。これら２枚のアルミニウム板をＯ−リングを挿入して、ネジ止めにて固定した。これらのアルミニウム板には、給電用電極や熱電対が貫通するように、貫通孔を３ヶ所形成した。
【００６７】
これらのヒータと、冷却ブロックを所定形状の半導体製造装置の容器に取り付け、更に冷却ブロックの貫通孔を通して、給電用電極と熱電対を取り付けて、ヒータを通電加熱できるようにした。なお、半導体製造装置の容器は、図３に示す容器を封止したタイプとした。
【００６８】
冷却ブロックの貫通孔の内面から、給電用電極と熱電対までの距離Ｌが、表１に示すように７種類の冷却ブロックを用意した。ヒータを熱電対の測定値で４００℃まで昇温後、３０分間４００℃で保持して、温度を安定化した後、ヒータの温度バラツキΔＴ１を測定した。この間冷却ブロックは、ヒータから分離しており、冷却媒体は流さなかった。
【００６９】
その後、通電を停止し、冷却媒体として水を流した冷却ブロックをヒータに当接させ、ヒータを冷却して、２００℃に到達したときの温度バラツキΔＴ２を測定した。これらの結果を表１に示す。
【００７０】
なお、温度バラツキの測定は、ウェハ温度計を用いた。ヒータのウェハ搭載面に、ウェハ温度計を載置して、ウェハ温度計の測定値の最大値と最小値の差をヒータの温度バラツキとした。また、いずれの場合も、ヒータの冷却速度は、２８℃／分であった。冷却ブロックを当接させないで冷却した場合の冷却速度は、９℃／分と大変遅かった。
【００７１】
【表１】
2005209825.tif 000003
【００７２】
表１から判るように、本発明であるＮｏ．２乃至７は、冷却ブロックを分離したヒータ温度が保持状態でも、冷却ブロックを当接してヒータを冷却したときでも、いずれにおいても温度バラツキが小さく、ヒータの温度分布の均一性に優れている。このように、本発明では、ヒータ材質が窒化アルミニウムの場合、４００℃に保持した状態でのヒータの温度分布を±０．４％（幅で０．８％）以内とすることができた。また、冷却時の温度分布は、±１．５％（幅で３％）以内とすることができた。
【実施例２】
【００７３】
冷却ブロックの貫通孔の内面から、電極と熱電対などの挿入物までの距離を０．５ｍｍとして、表２に示す５種類の材質の冷却ブロックを用意した。ヒータや冷却流路など、冷却ブロック以外は実施例１と同様にして、４００℃と２００℃でのヒータの温度バラツキを測定した。その結果を表２に示す。なお、冷却ブロックの材質の熱伝導率も表２に示す。
【００７４】
【表２】
2005209825.tif 000004
【００７５】
表２から、冷却ブロックの材質の熱伝導率が、３０Ｗ／ｍＫと１００Ｗ／ｍＫを境にして、ヒータの温度分布の均一性が大きく向上することが判る。
【実施例３】
【００７６】
実施例１と同様に、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素の３種類の材質のヒータを作成した。これに実施例１で作成した窒化アルミニウム製のヒータを加えた４種類のヒータを用いた。冷却ブロックの貫通孔の内面から、電極と熱電対などの挿入物までの距離を０．５ｍｍとし、冷却ブロックの材質を純アルミニウムとして、実施例１と同様に４００℃と２００℃でのヒータの温度バラツキを測定した。
【００７７】
また、ヒータを熱電対での測定値で４００℃まで加熱した後、３０分間４００℃に保持して温度を安定させた後、通電停止とともに、冷却水を流した冷却ブロックをヒータに接触させて、５０℃までヒータを冷却し、再度昇温するという操作を最大１０００回繰り返し、ヒータが破損するまでの回数を調べた。それらの結果を表３に示す。
【００７８】
【表３】
2005209825.tif 000005
【００７９】
表３から判るように、温度の均一性では、窒化アルミニウムと炭化珪素が優れている。また、酸化アルミニウム以外は、サイクル試験で破損せず、信頼性が高いことが判る。更に、窒化アルミニウムは、温度の均一性と信頼性の両方で優れていることが判った。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明によれば、ヒータ冷却時に、冷却ブロックをヒータに当接することにより、ヒータの冷却速度を飛躍的に向上させることができると同時に、温度分布の均一性に優れたヒータを有する半導体製造装置を得ることができる。このため、本発明の半導体製造装置は、エッチング装置、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置、減圧プラズマＣＶＤ装置、メタルＣＶＤ装置、絶縁膜ＣＶＤ装置、低誘電率膜ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパ等の各種半導体製造装置に適用すれば、各装置に必要十分な温度分布を有する半導体製造装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の半導体製造装置の一例を示す断面模式図である。
【図２】図１の半導体製造装置で、冷却ブロックをヒータに当接した状態を示す断面模式図である。
【図３】本発明の半導体製造装置の他の一例を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００８２】
１    容器
２    ヒータ
３    冷却ブロック
４    給電用電極
５    温度測定手段
６    昇降手段
７    貫通孔
８    封止材
【図１】
2005209825.tif 000006
【図２】
2005209825.tif 000007
【図３】
2005209825.tif 000008