(57)【要約】【課題】        均熱性に優れた半導体製造装置用セラミックスヒータを提供する。【解決手段】    本発明の半導体製造装置用セラミックスヒータは、被加熱物を搭載して加熱処理するセラミックスヒータの被加熱物搭載面にザグリ穴が形成され、その中に被加熱物を支持する支持体が挿入されており、該支持体の被加熱物との当接面が球面であり、かつ該支持体の外寸法が１０ｍｍ以下であり、前記ザグリ穴の内寸法を前記支持体の外寸法より０．０１ｍｍから１．０ｍｍの範囲で大きくしたことを特徴とする。被加熱物を球面で支持するので、温度分布の均一性に優れた半導体製造装置用セラミックスヒータを得ることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を搭載して加熱処理するセラミックスヒータの被加熱物搭載面にザグリ穴が形成され、その中に被加熱物を支持する支持体が挿入されており、該支持体の被加熱物との当接面が球面であり、かつ該支持体の外寸法が１０ｍｍ以下であり、前記ザグリ穴の内寸法を前記支持体の外寸法より０．０１ｍｍから１．０ｍｍの範囲で大きくしたことを特徴とする半導体製造装置用セラミックスヒータ。
【請求項２】
前記支持体の、ザグリ穴の底に当接する面が球面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用セラミックスヒータ。
【請求項３】
前記支持体の、セラミックスヒータの被加熱物搭載面からの突出量のバラツキが、突出量の１０％以内であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体製造装置用セラミックスヒータ。
【請求項４】
前記支持体が球形であって、前記ザグリ穴の深さが、該支持体の半径よりも深いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体製造装置用セラミックスヒータ。
【請求項５】
前記支持体の熱伝導率が、前記セラミックスヒータの熱伝導率より低い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用セラミックスヒータ。
【請求項６】
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１乃至５のいずれかに記載の半導体製造装置用セラミックスヒータ。
【請求項７】
前記支持体の主成分が、アルミナ、ジリコニア、炭化珪素、窒化珪素、ムライトあるいは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６のいずれかに記載の半導体製造装置用セラミックスヒータ。
【請求項８】
前記支持体に含有されるアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、ホウ素、リンの含有量が、いずれも１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体製造装置用セラミックスヒータ。
【請求項９】
前記セラミックスヒータの被加熱物搭載面の面粗さが、Ｒａで２．０μｍ以下、０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体製造装置用セラミックスヒータ。
【請求項１０】
前記支持体の表面粗さが、Ｒａで２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体製造装置用セラミックスヒータ。
【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の半導体製造装置に関し、特に、半導体ウェハを載置し、加熱処理を施すためにウェハを加熱するセラミックスヒータ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載置し、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、処理時のウェハ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載置し、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、やはりウェハの温度の均一性が重要である。
【０００５】
例えば、特開２００１−２３７０５３号公報では、ウェハを、セラミックスヒータのウェハ載置面から離間させて保持することにより、ウェハの温度分布を均一化する方法が開示されている。この方法では、セラミックスヒータに貫通孔を形成し、その穴に支持ピンを挿通させ、ウェハを加熱（載置）面から５〜５０００μｍ離間して支持している。そして、支持ピンの先端を尖塔状あるいは半球状にし、材質をアルミナ、シリカ等の熱伝導率の低いものにすることによって、ウェハとの接触面からの熱の逃げを最小限に抑える構造となっている。しかし、この方法では、支持ピン自体の熱容量が大きく、支持ピンとセラミックスヒータとの接触面積も比較的大きい。更に、セラミックスヒータに貫通孔を形成して支持ピンを設置するため、支持ピンが存在する部分にはセラミックスヒータに発熱体を形成することができない。このため、支持ピン自体が、いわゆる放熱フィンのような役割を果たしてしまい、支持部のウェハ温度を低下させてしまい、ウェハ温度の均一化が阻害されるという問題があった。
【０００６】
また、特開２００１−３１３２４３号公報には、同様にウェハをウェハ載置面から離間させて載置し、ウェハを支持する支持ピンの突出高さを一定に制御することが提案されている。この方法では、貫通孔ではなく、ザグリ穴に支持ピンを挿入することにより、前記問題点を解決している。しかし、この方法でも、支持ピンとウェハとの接触面積が大きいので、ウェハの温度分布にバラツキがでることがあった。
【０００７】
更に、特開２００２−２４６２８６号公報では、ウェハを載置面から離間させて支持するための支持ピンの具体的な構造や材質が開示されている。しかし、支持ピンの先端を尖塔形状にしているものの、やはり支持ピンとセラミックスヒータとの接触面積が大きいため、ウェハ面内の温度分布が発生しやすいという問題があった。
【特許文献１】特開２００１−２３７０５３号公報
【特許文献２】特願２００１−３１３２４３号公報
【特許文献３】特願２００２−２４６２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、ウェハの温度分布をより均一化できるようにした半導体製造装置用セラミックスヒータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体製造装置用セラミックスヒータは、被加熱物を搭載して加熱処理するセラミックスヒータの被加熱物搭載面にザグリ穴が形成され、その中に被加熱物を支持する支持体が挿入されており、該支持体の被加熱物との当接面が球面であり、かつ該支持体の外寸法が１０ｍｍ以下であり、前記ザグリ穴の内寸法を前記支持体の外寸法より０．０１ｍｍから１．０ｍｍの範囲で大きくしたことを特徴とする。
【００１０】
前記支持体の、ザグリ穴の底に当接する面が球面であることが好ましい。また、前記支持体の、セラミックスヒータの被加熱物搭載面からの突出量のバラツキが、突出量の１０％以内であることが好ましい。更に、前記支持体が球形であって、前記ザグリ穴の深さが、該支持体の半径よりも深いことが好ましい。
【００１１】
また、前記支持体の熱伝導率が、前記セラミックスヒータの熱伝導率より低いことが好ましく、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り、前記支持体の主成分が、アルミナ、ジリコニアあるいは窒化アルミニウムであることが好ましい。更に、前記支持体に含有されるアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、ホウ素、リンの含有量が、いずれも１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
前記セラミックスヒータの被加熱物搭載面の面粗さは、Ｒａで２．０μｍ以下、０．１μｍ以上であることが好ましく、前記支持体の表面粗さは、Ｒａで２．０μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被加熱物を球面で支持するので、温度分布の均一性に優れた半導体製造装置用セラミックスヒータを得ることができる。このため、本発明の半導体製造装置用セラミックスヒータを、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、被加熱物を搭載して加熱処理するセラミックスヒータの被加熱物搭載面にザグリ穴が形成され、その中に被加熱物を支持する支持体が挿入されており、該支持体の被加熱物との当接面が球面であり、かつ該支持体の外寸法が１０ｍｍ以下であり、前記ザグリ穴の内寸法を前記支持体の外寸法より０．０１ｍｍから１．０ｍｍの範囲で大きくすれば、被加熱物の温度分布が均一になることを見出した。
【００１５】
前記支持体の、被加熱物との当接面を球面にすることによって、被加熱物と支持体との接触が、点接触となるため、被加熱物から支持体へ逃げる熱量を少なくすることができるので、被加熱物の温度分布が均一になるものと思われる。
【００１６】
前記支持体の被加熱物との当接面の球面の曲率半径は、特に制約はないが、５ｍｍ以下が好ましい。曲率半径が５ｍｍを超えると、支持体と被加熱物との距離が相対的に近い部分が増加するので、支持体の影響が大きくなり、被加熱物の温度分布を乱す原因となるので好ましくない。前記支持体の曲率半径は、２ｍｍ以下が好適であり、１．５ｍｍ以下であればさらに好適である。曲率半径は、小さいほど熱の伝熱などの観点から好ましいが、０．２ｍｍ未満になると、ハンドリングによって支持体の先端にカケ等が発生しやすくなるので、０．２ｍｍ以上が好ましい。
【００１７】
前記ザグリ穴の内寸法は、前記支持体の外寸法より、０．０１ｍｍから１．０ｍｍの範囲で、大きくすることが好ましい。内寸法が支持体の外寸法より０．０１ｍｍ未満だけ大きい場合は、ザグリや支持体の加工精度によって、支持体がザグリ穴の底面に接触しない場合が発生し、このため被加熱物の温度分布が不均一になる可能性がある。また、内寸法が、外寸法より１．０ｍｍを超えて大きい場合は、被加熱物をセラミックスヒータに搭載した時に、支持体がザグリ穴の中で動くので、被加熱物の位置がずれてしまって、適切な被加熱物の処理を行えなくなる。
【００１８】
また、前記支持体の、ザグリ穴の底に当接する面も球面であることが好ましい。このようにすることによって、ザグリ穴の底と支持体との接触が点接触となるので、被加熱物の温度分布が均一となる。点接触ではない場合、支持体とザグリ穴の底との接触面積が大きくなるので、複数個の支持体の個々のザグリ穴底との接触のバラツキが大きくなり、支持体の温度バラツキが大きくなる。
【００１９】
例えば、支持体とザグリ穴の底とが面で接触している場合、面接触が充分な支持体の温度は、セラミックスヒータの温度とほぼ同じになるが、面接触が充分でなく点接触に近い支持体の温度は、セラミックスヒータの熱が充分伝熱されないので、セラミックスヒータの温度より低い温度になる。このため、支持体に支持される被加熱物の温度分布が不均一となりやすい。
【００２０】
前記支持体の、ザグリ穴の底との当接面の球面の曲率半径は、特に制約はないが、５ｍｍ以下が好ましい。曲率半径が５ｍｍを超えると、支持体とザグリ穴の底との距離が相対的に近い部分が増加するので、支持体に対する影響が大きくなり、被加熱物の温度分布を乱す原因となるので好ましくない。前記支持体の曲率半径は、２ｍｍ以下が好適であり、１．５ｍｍ以下であればさらに好適である。曲率半径は、小さいほど熱の伝熱などの観点から好ましいが、０．２ｍｍ未満になると、ハンドリングによって支持体の先端にカケ等が発生しやすくなるので、０．２ｍｍ以上が好ましい。
【００２１】
また、図１に示すように、被加熱物を搭載して加熱処理するセラミックスヒータ１の被加熱物搭載面にザグリ穴２を形成し、その中に支持体３を挿入して、該支持体の上に被加熱物を載置する。この時、ザグリ深さは、支持体の先端がセラミックスヒータの被加熱物搭載面に対して突出するように形成する。その突出量ｔのバラツキは、突出量の１０％以内であることが好ましい。なお、図１は、１個の支持体の部分のみを示す。
【００２２】
セラミックスヒータの熱は、セラミックスヒータの被加熱物搭載面から、輻射熱や対流あるいは伝導によって、被加熱物に伝えられ、被加熱物が加熱される。このことは、セラミックスヒータの被加熱物搭載面と被加熱物との距離が変化すると、輻射、対流、伝導による熱の伝わり量が変化し、被加熱物の温度が変化することを意味する。具体的には、セラミックスヒータの被加熱物搭載面と被加熱物との距離が小さいと、熱の伝熱量が大きくなり、被加熱物の温度は高くなる。逆にセラミックスヒータの被加熱物搭載面と被加熱物との距離が大きいと、熱の伝熱量が小さくなり、被加熱物の温度は低くなる。
【００２３】
前記突出量にバラツキがあると、前記距離の小さい部分の被加熱物の温度と、前記距離の大きい部分の被加熱物の温度の差が大きくなり、被加熱物全面の温度分布が不均一となる。発明者等は、前記突出量のバラツキが、１０％を超えると、被加熱物の全面にわたる温度分布の均一性が大きく悪くなることを見出した。
【００２４】
また、前記突出量は、０．０３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。突出量が０．０３ｍｍ未満の場合は、前記突出量のバラツキを１０％以内にすることが困難となり、被加熱物の温度バラツキが生じやすくなる。また、突出量が０．５ｍｍを超えると、温度のバラツキは少なくできるが、セラミックスヒータの温度と被加熱物の温度との乖離が大きくなるとともに、セラミックスヒータの温度を変化させたときに、被加熱物の温度の変化が非常に鈍感になるので、被加熱物の温度を制御することが困難となる。このため、前記突出量は０．０３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下が好ましく、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であることが更に好ましい。
【００２５】
更に好ましい形態としては、前記支持体が直径１０ｍｍ以下の球形であって、前記ザグリ穴の深さが、該支持体の半径よりも深いことである。支持体を球形にすれば、被加熱物及びザグリ穴の底面と支持体との当接面はいずれも球面となり、点接触とすることができる。ザぐリ穴の深さが、支持体の半径よりも小さい場合、ウェハをセラミックスヒータ上に脱着するときに、支持体がザグリ穴から飛び出すことがあるので、ザグリ穴の深さは、支持体の半径よりも深くすることが好ましい。
【００２６】
また、支持体の材質は、セラミックスヒータに比較して、熱伝導率の低い材料とすることが好ましい。熱伝導率がセラミックスヒータより低いことで、被加熱物との接触面から支持体への熱の逃げが相対的に小さくなり、被加熱物の温度バラツキを小さくすることができるからである。
【００２７】
支持体の具体的な材質としては、アルミナ、ジリコニア、炭化珪素、窒化珪素、ムライトあるいは窒化アルミニウムが好適である。これらの材質は、セラミックスであるので、金属や樹脂に比較して、被加熱物とのこすれによって発生するパーティクルの発生量を少なくできるので好ましい。
【００２８】
しかし、これらの材質に関しては、セラミックスヒータの材質（熱伝導率）を考慮した上で、決定する必要がある。アルミナは、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ程度と低く、しかも、被加熱物である例えばシリコン等のウェハに対する摩耗量も小さいので、好適である。また、ジリコニアは硬度が高く、アルミナと同様に摩耗量も小さいので好適である。窒化アルミニウムは、耐食性、耐熱衝撃性に優れるので、セラミックスヒータの温度変化が激しい場合においても、あるいはセラミックスヒータが高温時に被加熱物を搭載しても破損することがないので、好適である。
【００２９】
また、支持体には、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、ホウ素またはリンといった周期律表３族や５族の元素を極力含まない方が好ましい。これらの元素は、シリコンやガリウム−砒素などの被加熱物中に非常に拡散しやすい元素であるので、加熱処理を施すときに、被加熱物中に拡散して、被加熱物の特性に悪影響を与える。しかし、これらの元素が、各元素とも１０００ｐｐｍ以下であれば、その影響は小さいものとすることができる。また、支持体と被加熱物あるいは支持体とセラミックスヒータとは、それぞれ球面で接触しており、低接触であるので、前記被加熱物に悪影響を与える元素の被加熱物への拡散は、最小限に抑えることができる。
【００３０】
前記、ジリコニアの場合は、安定化剤としてＣａＯなどのアルカリ土類金属化合物が含有されていないことが必要である。また、前記窒化アルミニウムの場合は、通常焼結助剤を使用するが、焼結助剤として、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、ホウ素化合物、リン化合物を含有しないか含有しても必要最小限に留める必要がある。
【００３１】
また、支持体の表面粗さは、少なくとも被加熱物との当接面において、セラミックスヒータの被加熱物搭載面の面粗さより小さい方が好ましく、Ｒａで２．０μｍ以下とすることが好ましい。支持体の表面粗さが、Ｒａで２．０μｍを超えると、支持体から被加熱物へ反射される熱量が少なくなるので、部分的な温度低下をまねきやすくなる。また、支持体の表面粗さが大きいと、被加熱物との接触および擦れ等によって、支持体表面から脱落する粒子が多くなるので、パーティクルが発生しやすくなる。
【００３２】
また、セラミックスヒータの被加熱物搭載面の面粗さは、Ｒａで０．１μｍ以上、２．０μｍ以下であることが好ましい。面粗さが０．１μｍより小さい場合、セラミックスの加工（研磨）コストが非常に高くなる。また、表面粗さを０．１μｍより小さくするためには、加工（研磨）時にセラミックス自身に多大な応力がかかるため、セラミックスヒータに反りが発生する。
【００３３】
また、セラミックスヒータの被加熱物搭載面の面粗さが、２．０μｍを超えると、表面粗さが粗すぎるので、セラミックスヒータの被加熱物搭載面の粒子が脱落しやすくなるので、パーティクル発生の原因となる。このため、セラミックスヒータの被加熱物搭載面の面粗さは、Ｒａで０．１μｍ以上、２．０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、０．３μｍ以上、１．５μｍ以下である。表面粗さがこの範囲であれば、加工時の応力による反りの発生がなく、加工コストが高くならず、パーティクルの発生も抑制することができる。
【００３４】
本発明のセラミックスヒータの材質は、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。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）が最も好適である。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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【実施例１】
【００６８】
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。なお、この窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の熱伝導率は、１８５Ｗ／ｍＫであった。
【００６９】
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。
【００７０】
この窒化アルミニウム焼結体の被加熱物搭載面の表面粗さをＲａで１．０μｍとし、被加熱物を支持する支持体を挿入するザグリ穴を所定の位置に１０箇所形成した。このザグリ穴の直径は、表１に示すサイズで、深さは、１．８ｍｍとした。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、セラミックスヒータを完成させた。
【００７１】
次に、支持体として、直径２ｍｍの表１に示す材質で、図２に示すような形状のボール（球）を用意した。各材質とも、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、ホウ素、リンの各元素の含有量は、それぞれ２００ｐｐｍ以下であった。また、各ボールの表面粗さを表１に示す。これらのボールを前記セラミックスヒータの所定の穴に挿入し、突出高さのバラツキを測定した。その結果、いずれのボールでも突出高さのバラツキは、表１に示すように１０μｍ以下であった。
【００７２】
次に、前記セラミックスヒータを半導体製造装置の容器内に設置し、センサレー製の測温ウェハ（１７点の温度測定点、１２インチサイズ）を、ヒータの上に搭載し、ヒータを２００℃に昇温し、測温ウェハ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て、均熱性を測定した。その結果を表１に示す。
【００７３】
【表１】
2005259917.tif 000003
【００７４】
表１のＮｏ．４と５は、半導体製造装置に搭載して、半導体ウェハを自動で搭載するとウェハの位置が動いた。特にＮｏ．５が大きく動いた。このように、ザグリ穴の直径を支持体の直径より、０．１ｍｍから１．０ｍｍの範囲で大きくすれば、優れた均熱性が得られ、ウェハの位置ずれなどの不具合も発生しないことが判った。
【実施例２】
【００７５】
支持体の形状を図３あるいは図４の形状にした以外は、実施例１と同様にして２００℃での均熱性を測定した。図３は被加熱物と当接する先端部が曲率半径１ｍｍの球面で、下側が直径２ｍｍの円柱状である。また、図４は、図３と上下が逆で、セラミックスヒータのザグリ穴の底との当接面が球面である。これらの測定結果を表２に示す。
【００７６】
【表２】
2005259917.tif 000004
【００７７】
表２から判るように、支持体の、ウェハ当接面あるいはザグリ部底面との当接面のいずれかだけを球面にすれば、両方が球面である実施例１よりは、均熱性が劣る。しかし、支持体の、ウェハ当接面側を球面にした方が、均熱性に優れていた。
【実施例３】
【００７８】
実施例１と同様に、窒化アルミニウム製のセラミックスヒータを作成した。ザグリ深さを変えて、表３に示すように、突出高さのバラツキを変えた。なお、ザグリ穴の直径は、２．２ｍｍとした。実施例１で用いたアルミナ製ボールを用いて、実施例１と同様に２００℃での均熱性を測定した。その結果を表３に示す。
【００７９】
【表３】
2005259917.tif 000005
【００８０】
表３から判るように、突出高さのバラツキが、±２５μｍすなわち突出高さ２００μの１０％を超えると均熱性が２００℃±０．３℃を超えて悪くなった。
【実施例４】
【００８１】
実施例１と同様の窒化アルミニウム製ヒータとアルミナボールを使用した。ヒータのザグリ深さを変えて、温度分布の均熱性を測定した。なお、ザグリ穴の直径は、２．２ｍｍとし、ザグリ深さのバラツキは、±５％以内とした。その結果、ザグリ深さが１ｍｍ未満のヒータでは、半導体税蔵装置の容器内の雰囲気が変化すると、ウェハが位置ずれを起こし、また温度安定性も低かった。
【実施例５】
【００８２】
実施例１と同様の窒化アルミニウム製ヒータを用い、直径２ｍｍの支持体の材質を表４に示すものにした以外は、実施例１と同様にした。なお、ザグリ穴直径は２．２ｍｍとし、ザグリ深さは１．８ｍｍで、突出量のバラツキは、５％以内とした。直径１２インチのＳｉウェハを搭載し、ヒータを４００℃に加熱して熱処理を行い、熱処理後のＳｉウェハ裏面の支持体との接触部の元素分析を行った。その結果を表４に示す。
【００８３】
【表４】
2005259917.tif 000006
【００８４】
表４から判るように、支持体に含有されるアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、ホウ素、リンの量が、１０００ｐｐｍを超えると、Ｓｉウェハにその元素が拡散しており、Ｓｉウェハに悪影響がでていた。
【実施例６】
【００８５】
実施例１と同様に窒化アルミニウム製のヒータを作成した。ただし、被加熱物搭載面の面粗さを表５に示すものとした。実施例１と同様の直径２ｍｍのアルミナ支持体を用い、ザぐリ穴の直径を２．２ｍｍとし、その深さは１．８ｍｍで、突出量のバラツキは４％以内とした。実施例１と同様に２００℃での均熱性を測定した。その結果を表５に示す。
【００８６】
【表５】
2005259917.tif 000007
【００８７】
表５から判るように、セラミックスヒータの被加熱物搭載面の表面粗さが．Ｒａで０．１〜２．０μｍの範囲では、好適な均熱性を得ることができた。特に、表面粗さが、０．３〜１．５μｍの範囲では、±０．２５℃以内の良好な均熱性を得ることができた。
【実施例７】
【００８８】
実施例１と同様に窒化アルミニウム製のヒータを作成した。実施例１と同様の直径２ｍｍのアルミナ支持体を用い、ザぐリ穴の直径を２．２ｍｍとし、その深さは１．８ｍｍで、突出量のバラツキは４％以内とした。支持体の表面粗さを表６に示すものとし、実施例１と同様に２００℃での均熱性を測定した。その結果を表６に示す。
【００８９】
【表６】
2005259917.tif 000008
【００９０】
表６から判るように、支持体の表面粗さが、Ｒａ２．０μｍ以下であれば、均熱性に優れる。
【実施例８】
【００９１】
実施例１と同様に窒化アルミニウム製のヒータを作成した。ただし、原料粉末に、アルミナを０．２ｗｔ％、０．４ｗｔ％添加することによって、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍＫと１４０Ｗ／ｍＫのものも作成した。また、実施例１と同様の形状の、直径２ｍｍのＡｌＮ製の支持体を用い、ザぐリ穴の直径を２．２ｍｍとし、その深さは１．８ｍｍで、突出量のバラツキは４％以内とした。ＡｌＮ支持体の熱伝導率もアルミナを添加して、表７に示すものとし、実施例１と同様に２００℃での均熱性を測定した。その結果を表７に示す。
【００９２】
【表７】
2005259917.tif 000009
【００９３】
表７から判るように、支持体の熱伝導率が、セラミックスヒータの熱伝導率より低い場合は、セラミックスヒータの均熱性が優れる。
【実施例９】
【００９４】
実施例１と同様に窒化アルミニウム製のヒータを作成した。また、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素製のヒータも用意した。また、図２の形状の、直径２ｍｍのムライト製の支持体を用い、ザぐリ穴の直径を２．２ｍｍとし、その深さは１．８ｍｍで、突出量のバラツキは±１０μｍ以内とした。支持体の表面粗さはＲａ０．１０μｍとし、各ヒータの被加熱物搭載面の表面粗さは、Ｒａ１．０μｍとした。実施例１と同様に２００℃での均熱性を測定した。その結果を表８に示す。
【００９５】
【表８】
2005259917.tif 000010
【００９６】
表８から判るように、ヒータの熱伝導率が高いほど、均熱性に優れる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明によれば、被加熱物を球面で支持するので、温度分布の均一性に優れた半導体製造装置用セラミックスヒータを得ることができる。このため、本発明の半導体製造装置用セラミックスヒータを、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】
【００９８】
【図１】本発明のセラミックスヒータの一例を示す部分断面模式図である。
【図２】本発明の支持体の形状を示す断面図である。
【図３】本発明の支持体の他の形状を示す断面図である。
【図４】他の支持体の形状を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１    セラミックスヒータ
２    ザグリ穴
３    支持体
【図１】
2005259917.tif 000011
【図２】
2005259917.tif 000012
【図３】
2005259917.tif 000013
【図４】
2005259917.tif 000014