(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱体が埋設された板状の金属製のヒータと、
セラミックス製の板状の静電チャックと、
前記ヒータと前記静電チャックとの間にこれらに接合されて設けられ、セラミックス−金属複合体製の一方の熱膨張緩衝層と、
前記ヒータの、前記静電チャックと反対側の表面に接合され、セラミックス−金属複合体製の他方の熱膨張緩衝層と、を具備し、
前記一方の熱膨張緩衝層は、前記静電チャックの熱膨張係数と前記ヒータの熱膨張係数との間の熱膨張係数を有し、
前記セラミックス−金属複合体は、炭化珪素−アルミニウム複合体、窒化アルミニウム−アルミニウム複合体又はアルミナ−アルミニウム複合体であり、前記セラミックスと前記金属としてのアルミニウムとの体積比率が５０：５０〜７５：２５であることを特徴とする保持装置。
【請求項２】
前記他方の熱膨張緩衝層は、前記一方の熱膨張緩衝層と等しい熱膨張率を有することを特徴とする請求項１に記載の保持装置。
【請求項３】
前記一方の熱膨張緩衝層の厚さは前記ヒータの厚さと同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の保持装置。
【請求項４】
前記静電チャックの材料は、アルミナ、窒化アルミニウム又は窒化ホウ素であり、前記ヒータの材料はアルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の保持装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の保持装置を装着して成ることを特徴とする処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、保持装置及びこの保持装置を備えた処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置であるエッチング装置、ＣＶＤ装置及びスパッタリング装置などに用いる静電チャック及びヒータを備えた保持装置においては、静電チャックとヒータとが一体物として形成されている。即ち、静電チャッキング用の櫛形電極と加熱用の渦巻き線状の加熱体がセラミックス材に埋設されており、この一体物が静電チャックとヒータとを兼ねたものになっている。この場合には、セラミックス材は、耐蝕性という観点からは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）であれば良いが、この一体物は、電極と加熱体とが埋め込まれているために厚くならざるを得ない。ところが、アルミナは熱伝導率が悪く熱勾配が高いことと耐熱衝撃性が低いことのために、この一体物がこのように厚くなると割れてしまって静電チャックとしてもヒータとしても使用できなくなるという不具合があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、高温になっても割れが生じにくく、静電チャックが熱歪みによって金属製ヒータからはずれることもない、静電チャック及びヒータを備えた保持装置とこの保持装置を備えた処理装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明の保持装置は、
加熱体が埋設された板状の金属製のヒータと、
セラミックス製の板状の静電チャックと、
前記ヒータと前記静電チャックとの間にこれらに接合されて設けられ、セラミックス−金属複合体製の一方の熱膨張緩衝層と、
前記ヒータの、前記静電チャックと反対側の表面に接合され、セラミックス−金属複合体製の他方の熱膨張緩衝層と、を具備し、
前記一方の熱膨張緩衝層は、前記静電チャックの熱膨張係数と前記ヒータの熱膨張係数との間の熱膨張係数を有し、
前記セラミックス−金属複合体は、炭化珪素−アルミニウム複合体、窒化アルミニウム−アルミニウム複合体又はアルミナ−アルミニウム複合体であり、前記セラミックスと前記金属としてのアルミニウムとの体積比率が５０：５０〜７５：２５であることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、他方の熱膨張緩衝層は、一方の熱膨張緩衝層と等しい熱膨張率を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、一方の熱膨張緩衝層の厚さはヒータの厚さと同じであることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、静電チャックの材料はアルミナ、窒化アルミニウム又は窒化ホウ素であり、ヒータの材料をアルミニウムとすることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明の処理装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の保持装置を装着して成ることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態（以下、「実施形態」という）を詳述する。図１は本発明の保持装置の１実施形態を示し、図２はこの保持装置の熱膨張緩衝層に適する材料の一つである炭化珪素−アルミニウム複合体の炭化珪素とアルミニウムとの体積比対線膨張係数特性を示し、図３及び図４は、それぞれ、この実施形態の保持装置を用い、半導体製造装置に属するエッチング装置及びＣＶＤ装置並びにスパッタリング装置の実施形態である。
【００１３】
図１に縦断面図で示すように、保持装置１は、片面（図１では下面）中央に円筒フランジ部２が形成された円盤状のヒータ３を有する。このヒータ３は、窒化ホウ素ＢＮのような絶縁体の外被膜４で被覆された渦巻状の線状加熱体５（例えば、カンタル線）を埋設した状態でアルミニウムを鋳造して形成される。ただし、ヒータ３はアルミニウムに限らず、耐熱性と熱伝導率が高い金属、例えば、ステンレススチールＳＵＳＣ３を用いてもよい。
【００１４】
ヒータ３の両端面８、９には、ヒータ３と同径で互いに実質的に同厚の円盤状熱膨張緩衝層６，７を接合する。これらの熱膨張緩衝層６，７の材質及び用途は後に説明する。
【００１５】
一方の熱膨張緩衝層６（図１では上側のもの）の外面１０にヒータ３ないしは熱膨張緩衝層６と共軸に円盤状の静電チャック１１の一端面（図１では下端面）を接合する。この静電チャック１１は、櫛形の電極１２，１３が埋設されているだけで、従来のもののようにヒータを内蔵しないから、例えば、従来の静電チャックとヒータを一体にしたものの厚さの１／１０にすることができる。
【００１６】
静電チャック１１の材料は、熱衝撃性が高く高熱によって歪みが生じても割れないことが望ましい。ところが、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）は処理媒体又は活性体と化学反応をしない利点があるが、熱衝撃性が低く、肉厚が大きくなると熱による破損が生じやすいものである。しかし、アルミナでも、この場合のように肉厚が小さくなると、高熱になっても割れを生じることがなくなる。従って、この発明の静電チャック１１には、耐熱衝撃性のよくないアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を用いることができる。だだし、この静電チャック１１の材料は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような他のセラミックスであってもよい。
【００１７】
上述の通り、静電チャック１１はセラミックス製であり、ヒータ３は金属製であるから、両者の熱膨張係数の差が非常に大きい。例えば、静電チャック１１をアルミナ製にした場合、アルミナの線熱膨張係数は７．８〜８．１  ｘ  １０-6、ヒータ３をアルミニウム製にした場合、アルミニウムの線熱膨張係数は２２〜２４  ｘ  １０-6で、両者の間に大差がある。そのため、両者を高温で直接接合すると、冷却後、熱膨張係数の差によって静電チャック１１とヒータ３とに反りが発生して静電チャック１１に歪みが生じてしまう。この結果、静電チャック１１が割れてしまったりヒータ３からはがれてしまったりする不具合が生じる。
【００１８】
これに対して、静電チャック１１とヒータ３との熱膨張係数の中間の熱膨張係数を持ち、かつ、耐熱衝撃性の高いセラミックス−金属複合体を材料とする熱膨張緩衝層６を静電チャック１１とヒータ３の間に設けてそれぞれに接合させると、静電チャック１１とヒータ３との熱膨張係数の差は、静電チャック１１と熱膨張緩衝層６との間の熱膨張係数の小さな差とヒータ３と熱膨張緩衝層６との間の熱膨張係数間の小さな差に分散され、静電チャック１１にかかる熱膨張係数の差による応力乃至は歪みが軽減され、静電チャック１１の破損やヒータ３からのはずれを防止できる。なお、熱膨張緩衝層６の厚さは、静電チャック１１及びヒータ３との熱膨張係数の差によって熱膨張緩衝層６にかかる歪みを緩和するために、例えば、ヒータ３と同じ厚さにする。他方、ヒータ３の、熱膨張緩衝層６と反対側の端面にも熱膨張緩衝層６と同じ材質で同じ寸法の熱膨張緩衝層７が接合されているが、これは、ヒータ３に熱膨張緩衝層６を接合する時にヒータ３に曲りが生じるのを避けるためのものである。
【００１９】
静電チャック１１が接合された上方の熱膨張緩衝層６の外端面の、静電チャック１１が接合されていない部分と、下方の熱膨張緩衝層７の外端面と、両熱膨張緩衝層６，７及びヒータ３の外周面とにアルミニウムを鋳造して保護層１４を形成し、この保護層１４と静電チャック１１とで熱膨張緩衝層６，７の外表面を完全に覆う。そのため、保持装置１が半導体製造装置などの処理装置の処理室内に設置されて、この処理室内に上述の処理媒体（処理ガス）が導入された場合に、熱膨張緩衝層６，７がこの処理媒体又は活性フッ素などのような上述の活性体に接触することがない。従って、熱膨張緩衝層６，７の材料は、熱膨張係数が上記の中間の値を持つ限り、上述の処理媒体又は活性体と化学反応を起こすものであってもよい。なお、保護層１４は、処理媒体又は活性フッ素などのような上述の活性体と化学反応を起こさず、かつ、機械的強度が高い限り、例えば、ステンレススチールＳＵＳ３のような金属、又は、セラミックスのような他の材料であってもよい。
【００２０】
保護層１４の、静電チャック１１と反対側の端面（図１で下端面）の中央部に給電パイプ１５が設けられている。また、熱膨張緩衝層６の中央部及びヒータ３の中央部及び円筒フランジ部２を他の給電パイプ１６が貫通している。電極１２，１３からリード線１７が給電パイプ１５，１６を貫通して延びており、加熱体５からはリード線１８が給電パイプ１５を貫通して延びている。これらのリード線１７，１８はそれぞれ所定の電源（図示せず）に接続されている。
【００２１】
熱膨張緩衝層６，７の材料は、例えば、炭化珪素−アルミニウム複合体（ＳｉＣ−Ａｌ複合体）の中からアルミニウムとアルミナとの線熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する組成のものを選択するのが望ましい。図２は、この炭化珪素−アルミニウム複合体（ＳｉＣ−Ａｌ複合体）の炭化珪素とアルミニウムとの体積比対線膨張係数特性を示す。炭化珪素−アルミニウム複合体では、炭化珪素対アルミニウム体積比率が５０：５０未満では、破損率が高くなり、この体積比が７５：２５を越えると製造コストが急激に高くなるために、上述の中間熱膨張係数として、炭化珪素対アルミニウム体積比率が５０：５０乃至７５：２５の範囲のものが考えられる。
【００２２】
他方、この体積比が５０：５０以上になると静電チャック１１と熱膨張緩衝層６との間の熱膨張係数の差がヒータ３と熱膨張緩衝層６との間の熱膨張係数の差の半分以下になる。そのため、静電チャック１１が熱膨張緩衝層６によってヒータ３に接合された場合は、静電チャック１１にかかる応力乃至は歪みが静電チャック１１をヒータ３に直接接合した場合の応力乃至は歪みの実質的に半分以下になる。従って、５０：５０以上の体積比の炭化珪素−アルミニウム複合体を静電チャック１１の材料として用いれば、静電チャック１１の破損またはヒータ３からのはがれを防止するのに効果的である。
【００２３】
以上の説明から理解されるように、静電チャック１１の破損及びヒータ３からのはがれ防止と炭化珪素−アルミニウム複合体の破損率及び製造コストを考慮すれば、炭化珪素−アルミニウム複合体は、炭化珪素対アルミニウム体積比率が５０：５０乃至７５：２５の範囲のものが適切な中間熱膨張係数を有する熱膨張緩衝層６，７の材料として採用できることになる。
【００２４】
熱膨張緩衝層６，７の材料として適したものに、上記の炭化珪素−アルミニウム複合体の他に、例えば、窒化アルミニウム−アルミニウム（ＡｌＮ−Ａｌ）複合体、又は、アルミナ−アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3−Ａｌ）複合体がある。窒化アルミニウム及びアルミナの熱膨張係数は、それぞれ、４．５  ｘ  １０-6  及び７．８〜８．１  ｘ  １０-6（窒化炭素は４  ｘ  １０-6）であるが、これらの複合体体積比対線熱膨張係数特性は両複合体とも炭化珪素−アルミニウム複合体の成分の体積比対線熱膨張係数特性に類似のものであるから、両複合体の成分の体積比の使用範囲は炭化珪素−アルミニウム複合体の成分の体積比の使用範囲と実質的に同様の範囲が選択される。なお、上記の中間的な熱膨張係数を有する他のセラミックス−金属複合体も用いることができる。
【００２５】
更に、熱膨張緩衝層６，７の材料として適したものとして、チタン（熱膨張係数は８．６  ｘ  １０-6でアルミナの熱膨張率に近い）がある。他の金属でもこの範囲の熱膨張率を有するものがあるが、活性フッ素のプラズマに対する耐性が高い点でチタンが最適である。
【００２６】
以上の通り、本実施形態においては、静電チャックとヒータを別体にすることにより、静電チャックを薄く形成できるので、耐熱衝撃性が低いセラミックスでも静電チャックの材料として使用できるという効果がある。また、静電チャックはセラミックス製で、ヒータは金属製であることから両者の熱膨張係数の差が大きいので、これらの間に両者の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する熱膨張緩衝層を間に挟んで両者を接合し、高温時の熱膨張係数の差による静電チャックに発生する歪みを小さくしてその破損及びヒータからのはがれを防止できるという効果もある。さらに、熱膨張緩衝層の外表面を処理媒体と化学反応を起こさない金属層で被覆しているので、熱膨張緩衝層は、前記の中間の熱膨張率が得られる限りは、処理媒体と化学変化を起こすセラミックス−金属複合体をもその材料とすることができるという効果がある。加えて、ヒータは耐熱性と熱伝導性の高い金属製であるから、熱を効率的に伝達できるという効果もある。
【００２７】
以上に、保持装置として、ヒータの上下面に熱膨張緩衝層を接合し、熱膨張緩衝層の外表面を、静電チャックと共に覆う保護層を具備するものについて述べたが、ヒータの、静電チャックと反対側の表面の熱膨張緩衝層と保護層がないもの、又は保護層がないものもこの発明の範囲に属する。
【００２８】
次に、本実施形態の保持装置を用いる処理装置を、半導体製造装置に属するエッチング装置、ＣＶＤ装置及びスパッタリング装置を実施形態として順次に説明する。
【００２９】
図３は、この発明の処理装置の１実施形態であるエッチング装置の１例の縦断面図である。エッチング装置１００は、アルミニウム等の処理容器１０１を有する。この処理容器１０１内の処理室１０２内に、上方電極１０３と、この下方に処理空間Ｓを隔てて静電チャック１１を対向させた保持装置１が設けられている。また、静電チャック１１上に、処理のつど、ウエハＷが載置される。この保持装置１は図１を参照して説明したものと同じであるから、他の部分については図１の部分と同一の参照番号を付して示しそれらの説明を省略する。上方電極１０３内にチャンバ状の処理ガスヘッダ１０４が形成されており、これに処理ガス入口１０５が連通している。上方電極１０３の下面部には処理ガスヘッダ１０４と処理空間Ｓとを連通させる複数のガス孔１０６が形成されている。また、処理容器１０１の側壁に処理室１０２に通じる処理ガス排出口１０７が形成されている。１０８は、所定の電源（図示せず）に上方電極１０３を接続するリード線である。ウエハＷは、静電チャック１１に載置された時に、リード線１０９を介して所定の電源（図示せず）から電圧がかけられて、静電チャック１１の電極１２，１３と協働する電極になり、これらの電極が作用する時には、ウエハＷが静電チャック１１にチャックされる。
【００３０】
次に、エッチング装置１００の作用を保持装置１の作用と共に説明する。所定のエッチング用ガスを、処理ガス入口１０５から処理ガスヘッダ１０４内へシャワー状に供給し、更に、上方電極１０３のガス孔１０６から処理空間Ｓへ供給する。これと共に、エッチングが施されるべきウエハＷを静電チャック１１上に載置した状態で、保持装置１の加熱体５にリード線１８を介して通電してヒータ３を所定温度に加熱し、所定の電圧をリード線１０９及び１７を介してウエハＷと保持装置１の電極１２及び１３とにかけて静電チャック１１でウエハＷをチャックすると共に、リード線１０８，１７を通じて上方電極１０３及び下方電極を構成する静電チャック１１の電極１２，１３に所定の高周波電流を流す。この状態で、処理空間Ｓの圧力を所定の低圧に維持すると、この処理空間Ｓにプラズマが生じ、ウエハＷ表面にエッチング用ガスによりエッチングが行われる。エッチングの終了後、ウエハＷの拘束状態が解かれ、使用済みのエッチング用ガスは処理ガス排出口１０７から排出される。最後に、ウエハＷを静電チャックから取り外すことによってエッチング加工の１サイクルが完了する。
【００３１】
この発明の処理装置の他の１実施形態であるＣＶＤ装置は、その構造がエッチング装置と基本的に同じであるから、図３の機構をそのまま用いることができるので、図３の装置１００を本発明のＣＶＤ装置の一例とする。このＣＶＤ装置１００がエッチング装置１００と違う点は、処理ガスがＣＶＤ用処理ガスであり、これによってウエハＷの表面にＣＶＤ処理が施されることである。その他の構造及び作用はエッチング装置１００と同じであるので、それらの説明は省略する。
【００３２】
図４は、この発明の処理装置の更に他の１実施形態であるスパッタリング装置の１例の縦断面図である。スパッタリング装置２００は、アルミニウム等の処理容器２０１を有する。この処理容器２０１内の処理室２０２に、アルミニウム等のターゲット２０３と、その上方に設けられたマグネット２０４と、ターゲット２０３の下方に処理空間Ｓを隔てて静電チャック１１を対向させた保持装置１とが設けられている。ウエハＷは処理のつど、静電チャック１１上に載置される。処理容器２０１の側面に互いに対向して処理ガス入口２０５及び処理ガス排出口２０６が形成されている。２０７はウエハＷを所定の電源（図示せず）に接続するリード線で、上述のエッチング装置１００におけるリード線１０８と同様に、ウエハＷに電極としての機能を与えこのウエハＷを静電チャック１１にチャックさせるために用いられる。
【００３３】
次に、スパッタリング装置２００の作用を保持装置１の作用と共に説明する。例えば、アルゴン（Ａｒ）等の所定の不活性ガス（処理ガス）を、処理ガス入口２０５から処理空間Ｓへ供給する。これと共に、スパッタリングが施されるべきウエハＷを静電チャック１１上に載置した状態で、保持装置１の加熱体５にリード線１８を介して通電してヒータ３を所定温度に加熱し、リード線２０７及び１７を介して所定の電圧を、それぞれ、ウエハＷと保持装置１の電極１２及び１３にかけて静電チャック１１でウエハＷをチャックすると共に、処理空間Ｓ（処理容器２０１）内の所定の低圧に維持しつつマグネット２０４を励磁する。このようにすると、処理空間Ｓ内で上記不活性ガス（処理媒体）がプラズマ化される。これによってターゲット２０３からターゲット２０３を構成しているアルミニウム等の物質の粒子が叩き出され、ウエハＷ上にスパッタリングされる。スパッタリング加工の終了後、ウエハＷの拘束状態が解かれ、最後にウエハＷを静電チャック１１から取り外すことによってスパッタリング加工の１サイクルが完了する。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によれば、高温になっても割れが生じにくく、静電チャックが熱歪みによって金属製ヒータからはずれることもない保持装置とこの保持装置を備えた処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の保持装置の１実施形態の縦断概略図である。
【図２】図１の保持装置の使用されている熱膨張緩衝膜の材料の一種である窒化炭素−アルミニウム複合体の窒化炭素とアルミニウムの体積比対線熱膨張係数の特性を示すグラフである。
【図３】図１の保持装置を設けたエッチング装置及びＣＶＤ装置の実施形態の縦断概略図である。
【図４】図１の保持装置を設けたスパッタリング装置の縦断概略図である。
【符号の説明】
１        保持装置
３        ヒータ
５        加熱体
６，７    熱膨張緩衝層
１１        静電チャック
１２，１３  電極
１４        保護層
１００        エッチング装置、ＣＶＤ装置
１０１        処理容器
１０２        処理室
１０３        上方電極
１０４        処理ガスヘッダ
１０５        処理ガス入口
１０７        処理ガス排出口
２００        スパッタリング装置
２０１        処理容器
２０２        処理室
２０３        ターゲット
２０４        マグネット
２０５        処理ガス入口
２０６        処理ガス排出口
Ｓ            処理空間
Ｗ            ウエハ
【図１】
0004173212.tif 000002
【図２】
0004173212.tif 000003
【図３】
0004173212.tif 000004
【図４】
0004173212.tif 000005