JP2019040939A - ウエハ載置台 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力による破損等の問題が生じにくい構造のウエハ載置台を提供する。【解決手段】ウエハ載置面を上面側に備えた円板状のセラミック基材１２と、セラミック基材１２の内部に埋設された抵抗発熱体１３やＲＦ電極回路１４などの導電体回路と、これら導電体回路に一端部が接続すると共に他端部がセラミック基材１２の下面側から突出する電極端子１５、１６とを有するセラミック製のウエハ載置台であって、電極端子１５、１６は各々材質の異なる３個以上の金属片１５ａ〜１５ｃ、１６ａ〜１６ｃが連結した構造を有しており、これら金属片１５ａ〜１５ｃ、１６ａ〜１６ｃは、好適にはタングステン又はモリブデンからなる第１の金属、ニオブからなる第２の金属、及びニッケル又は鉄を主成分とする第３の金属の順のように熱膨張係数が小さい順に前記導電体回路との接続部分から並べられている。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造装置のチャンバー内に搭載されるウエハ載置台に関する。

ＬＳＩなどの半導体デバイスを製造する半導体製造装置では、半導体ウエハに対してＣＶＤ、スパッタリングなどの成膜処理やエッチング処理など、各種の薄膜処理が施される。これら薄膜処理を行う半導体製造装置のチャンバー内には、被処理物である半導体基板を上面側に載置して加熱する略円板形状のセラミック製のウエハ載置台と、これを下面側から支持する略円筒形状の支持部とを有するウエハ保持体が搭載されている。このウエハ載置台の内部には、上記した加熱用の抵抗発熱体が埋設されている。また、上記の薄膜成膜時に半導体基板の上方をプラズマ雰囲気にするためのＲＦ電極やウエハ載置台の載置面にウエハを確実に保持するため静電チャック用電極が設けられることもある。

例えば特許文献１には、加熱用のヒータ電極などに対応する導電性部材が埋め込まれたセラミックス部材を備えたサセプタが開示されている。このセラミックス部材にはザグリ穴が設けられており、このザグリ穴の底部に露出した導電性部材に電力を供給するため、ザグリ穴の内側に金属製部材が配置されている。この金属製部材は活性金属ロウ材を用いて導電性部材に接合されており、金属製部材に対するロウ材の「流れ性」を制御することにより所望の接合強度が得られると記載されている。

また、特許文献２には、電気回路を内部に有する円板状のセラミックス基材の下面側にネジ穴を設けて該電気回路を露出させ、このネジ穴に金属端子（アンカー部材）をねじ込んでその一端部を電気回路に接続すると共に、その他端部を給電用導電部材に接続したセラミック製のサセプタが提案されている。このサセプタは高い接合強度が得られると共に、電気回路との良好な電気的接続を確保できると記載されている。

さらに特許文献３には、セラミック製のウエハ保持体中に埋設された電極に対して、ウエハ保持体の下面側から挿入した金属端子を接続端子を介して接続させる技術が開示されている。この接続端子は、ウエハ保持体と同一材質のセラミック製部材の表面にメタライズを施したものが用いられており、表面をメタライズすることで埋設電極と金属端子とを電気的に導通させることができるうえ、接続端子とウエハ保持体との熱膨張差がほとんど生じないのでウエハ保持体を薄くすることが可能になると記載されている。

特開平１０−２７３３７１号公報 特開２００３−０８６６６３号公報 特開２００８−３０５９６８号公報

上記のような半導体製造装置のチャンバー内に搭載されるウエハ保持体は、処理対象物である半導体ウエハに対して効率よく薄膜処理を施すため、ウエハ載置台の内部に埋設した抵抗発熱体に給電して例えば１０００℃程度まで加熱することが行われている。その際、抵抗発熱体に電源からの給電線を接続するためにウエハ載置台の下面側から突出させている電極端子も伝熱により昇温し、該電極端子の先端部における給電線との電気的接続部が高温により早期に接触不良等の問題を生じることがあった。そこで、電極端子においてウエハ載置台の下面から突出している部分を細長にすることでその表面から放熱させ、これにより給電線との電気的接続部の温度を下げることが行われている。

しかしながら、この場合は電極端子において抵抗発熱体に接続している端部とその反対側の先端部とでは大きな温度差が生じることになり、その結果、電極端子の長さ方向に不均一な熱膨張が発生して曲がりや割れなどの問題を生じることがあった。本発明は、このような従来のウエハ保持体が抱える問題に鑑みてなされたものであり、セラミック製のウエハ載置台の内部に埋設されている抵抗発熱体等の導電体回路に電気的に接続されている電極端子において、熱応力による破損等の問題が生じにくい構造のウエハ載置台を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明が提供するウエハ載置台は、ウエハ載置面を上面側に備えた円板状のセラミック基材と、前記セラミック基材の内部に埋設された導電体回路と、前記導電体回路に一端部が接続すると共に他端部が前記セラミック基材の下面側から突出する電極端子とを有するセラミック製のウエハ載置台であって、前記電極端子は材質の異なる３個以上の金属片が連結した構造を有しており、前記金属片は熱膨張係数が小さい順に前記導電体回路との接続部分から並べられていることを特徴としている。

本発明によれば、セラミック基材の内部に埋設されている導電体回路に接続している電極端子において、熱応力に起因する問題が発生するのを抑えることができる。

本発明のウエハ載置台を備えたウエハ保持体の一具体例を示す模式的な縦断面図である。 図１のウエハ載置台における導電体回路と電極端子との接続部分を示す部分断面図である。

最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明の実施形態のウエハ載置台は、ウエハ載置面を上面側に備えた円板状のセラミック基材と、前記セラミック基材の内部に埋設された導電体回路と、前記導電体回路に一端部が接続すると共に他端部が前記セラミック基材の下面側から突出する電極端子とを有するセラミック製のウエハ載置台であって、前記電極端子は材質の異なる３個以上の金属片が連結した構造を有しており、前記金属片は熱膨張係数が小さい順に前記導電体回路との接続部分から並べられていることを特徴としている。これにより、セラミック基材の内部に埋設されている導電体回路とこれに電気的に接続される電極端子とを確実に接続することが可能になる。

上記した本発明の実施形態のウエハ載置台においては、前記電極端子は３個の金属片からなり、前記３個の金属片はタングステン又はモリブデンからなる第１の金属、ニオブからなる第２の金属、及びニッケル又は鉄を主成分とする第３の金属の順に前記導電体回路との接続部分から並べられているのが好ましい。これにより電極端子において両端部で数百℃程度の温度差が生じても、熱応力による割れ等の問題が生じにくくなる。また、上記した本発明の実施形態のウエハ載置台においては、前記３個以上の金属片は、互いに隣接するもの同士が前記セラミック基材の外部でニッケルロウ接続されているが好ましい。これによりこれにより接合部分における電気抵抗の上昇を抑えつつ確実に電気的接続を行うことが可能になる。

また、上記した本発明の実施形態のウエハ載置台においては、前記３個以上の金属片は、一方の凹部に他方の凸部が嵌合することで互いに隣接するもの同士が接続しているのが好ましい。金属片同士をより強固に接合することが可能になる。更に、上記した本発明の実施形態のウエハ載置台は、前記導電体回路が、抵抗発熱体、ＲＦプラズマ形成用電極、又は静電チャック用電極のいずれであってもよい。電極がこれらのいずれであっても上記した各種の効果を得ることができる。

次に、図１を参照しながら本発明の一具体例のウエハ保持体１について説明する。この図１に示すウエハ保持体１は、半導体製造装置の真空チャンバー内に搭載され、処理対象物である半導体ウエハＷを載置して加熱するセラミック製のウエハ載置台１０と、このウエハ載置台１０を支持する支持部２０とを有している。このウエハ載置台１０は、ウエハ載置面１１を上面側に備えた略円板状のセラミックからなるセラミック基材１２と、該セラミック基材１２に埋設され、上記した半導体ウエハＷを加熱する抵抗発熱体１３及びプラズマを形成するＲＦ電極１４と、該セラミック基材１２の下面側から挿入され、これら抵抗発熱体１３及びＲＦ電極１４にそれぞれ電気的に接続している電極端子１５、１６とを有している。これら電極端子１５、１６の先端部には、給電用の導電線１７、１８がそれぞれ接続している。

上記のウエハ保持体１を構成する要素の各々について、以下具体的に説明する。上記のウエハ載置台１０のセラミック基材１２は、その内部に埋設されている抵抗発熱体１３やＲＦ電極１４の電気的絶縁性を確保するため、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウムなどのセラミックスで形成されており、これらの中では剛性及び熱伝導性に優れた窒化アルミニウムが好ましい。このウエハ載置台１０が、好適にはセラミック基材１２と同じ材質で形成された略円筒形状の支持部２０によって下面側から水平に支持されている。

このセラミック基材１２の内部に、ウエハ載置面１１に載置された半導体ウエハＷを加熱する抵抗発熱体１３と、ウエハ載置面１１の上方の空間をプラズマ雰囲気にするためのＲＦ電極１４とがウエハ載置面１１に対して平行に且つセラミック基材１２の厚み方向において互いに離間するように埋設されている。これら抵抗発熱体１３及びＲＦ電極１４に給電するため、細長の棒状の電極端子１５、１６の一端部がそれぞれ接続しており、これら一端部とは反対側の他端部がセラミック基材１２の下面側から突出している。そして、これら突出する電極端子１５、１６の先端に設けた凹部に、好適にはニッケル製の撚り線からなる導電線１７、１８がそれぞれ挿入されている。セラミック基材１２の内部には更に静電チャック用の電極が埋設されていてもよく、この電極への給電は抵抗発熱体１３やＲＦ電極１４と同様の構造でもよいし一般的な端子構造でもよい。

上記の電極端子１５、１６の構造について、図２を参照しながらより詳細に説明する。電極端子１５、１６はいずれも外径５〜１０ｍｍ程度、長さ１０〜５０ｍｍ程度の細長の略円柱形状を有しており、各々材質の異なる３個の略円柱形状の金属片が連結した構造を有している。すなわち、電極端子１５は材質の異なる第１金属片１５ａ、第２金属片１５ｂ、及び第３金属片１５ｃが連結した構造を有しており、電極端子１６は材質の異なる第１金属片１６ａ、第２金属片１６ｂ、及び第３金属片１６ｃが連結した構造を有している。これら電極端子１５及び電極端子１６は基本的には同様の構造を有しているので、以降の説明では代表として電極端子１５を採り上げて説明する。

上記の金属片１５ａ〜１５ｃは、熱膨張係数の小さい順に抵抗発熱体１３との接続部分側から並べられている。すなわち、第１金属片１５ａ、第２金属片１５ｂ、及び第３金属片１５ｃの熱膨張係数をそれぞれａ１、ａ２、及びａ３としたとき、ａ１＜ａ２＜ａ３になっている。これにより、ウエハ載置台１０の昇温時に第１金属片１５ａが高温側となって第３金属片１５ｃとの間で温度差が生じても、電極端子１５の外径方向（ラジアル方向）および長さ方向における極端な熱膨張差を抑えることができ、よって熱応力による曲がりや割れ等の問題の発生を抑えることができる。

上記のように、金属片１５ａ〜１５ｃの熱膨張係数が抵抗発熱体１３との接続部分側から小さい順となるような好適な材質の並び方としては、タングステン又はモリブデンからなる第１の金属、ニオブからなる第２の金属、及びニッケル又は鉄を主成分とする第３の金属の順を挙げることができる。金属片１５ａ〜１５ｃにこれらの材質を用いることで、金属片１５ａと金属片１５ｃとの間に数百℃程度の温度差が生じても、熱応力による割れ等の問題が生じにくくなる。

上記の金属片１５ａ〜１５ｃのうち、ニッケル又はその化合物で形成されている金属片以外については表面がニッケルメッキされているのが好ましい。これにより、耐腐食性を高めることができる。また、上記の金属片１５ａ〜１５ｃは、互いに隣接するもの同士がウエハ載置台の外部でニッケルロウ接続されているのが好ましい。これにより接合部分における電気抵抗の上昇を抑えつつ確実に電気的接続を行うことが可能になる。

更に上記の金属片１５ａ〜１５ｃの互いに隣接するもの同士の対向部分では、一方の凹部に他方の凸部が嵌合することで接続しているのが好ましい。これにより、金属片同士が互いに位置ズレを生じにくくなり、より強固に接合することが可能になる。例えば図２の電極端子１５では、互いに対向する金属片の端面のうち、上側に凸部が形成されており、下側には該上側の凸部に嵌合する凹部が形成されている。なお、接続構造はこれに限定されるものではなく、凸部と凹部の上下関係が逆でもよいし、真ん中に位置する第２金属片１５ｂの両端部に凸部又は凹部が設けられていてもよい。

以上、本発明のウエハ保持体について一具体例を挙げて説明したが、本発明はかかる一具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲の種々の態様で実施可能である。例えば、上記の説明では３個の略円柱形状の金属片が連結した構造について説明したが、これに限定されるものではなく、略円柱形状の金属片の数は４個以上でもよい。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲及びその均等物に及ぶものである。

本発明の効果を確認するため、図２に示すような３個の金属片からなる電極端子が抵抗発熱体に接続された構造のウエハ保持体を作製し、これを半導体製造装置に搭載してヒートサイクル試験を行った。具体的には、先ずセラミック基材となる外径３３０ｍｍで厚みがそれぞれ１０ｍｍの２枚の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の円板を用意した。これら２枚のうち、一方のセラミック板の表面に、タングステンペーストのパターニング層をスクリーン印刷により塗布した後、乾燥させてから８００℃程度の窒素雰囲気中で脱脂し、焼成することで抵抗発熱体回路を形成した。この抵抗発熱体回路が内側になるようにしてもう一方の基板を重ね合わせ、窒素雰囲気中でホットプレスを行って一体化させた。

次に、この一体化した基板の下面側から抵抗発熱体回路が埋設されている深さまでザグリ穴を機械加工で形成し、抵抗発熱体回路の両端部を露出させた。そして、この露出した両端部の各々に、図２に示すようなタングステン、ニオブ、及びニッケルからそれぞれ形成した略円柱形状の第１金属片１５ａ、第２金属片１５ｂ、及び第３金属片１５ｃをニッケルロウ接続した電極端子１５を螺合により接続した。これら３個の金属片のうち、隣接するもの同士の対向部分は図２に示すように一方の凹部に他方の凸部が嵌合する構造にし、ニッケルロウを用いて接続した。なお、第１金属片１５ａ及び第２金属片１５ｂについては電気めっきにより厚み２０μｍのニッケルメッキを施しておいた。

このようにして作製したウエハ載置台の下面部に筒状の支持部を取り付けて試料１のウエハ保持体とし、これを半導体製造装置の真空チャンバー内に設置した。この筒状支持部の内側に導電線を通してセラミック基材の下面から突出している電極端子の端部に接続した。そして、真空チャンバー内を真空雰囲気にしてヒータ電極用の導電線に給電して試料１のウエハ保持体に対して６００℃までの昇温と１００℃までの降温を５０回繰り返した。このヒートサイクル試験後、電極端子を目視にて検査したところ、曲がりや割れが生じていなかった。

比較のため、３個の金属片の材質がタングステン（ニッケルメッキ２０μｍ）、ニッケル、及びニオブ（ニッケルメッキ２０μｍ）の順に抵抗発熱体回路との接続部分側から並ぶように組合せた電極端子１５を用いた以外は上記試料１のウエハ保持体と同様にして作製した試料２のウエハ保持体と、タングステン（ニッケルメッキ２０μｍ）、モリブデン（ニッケルメッキ２０μｍ）、及びニッケルの順に抵抗発熱体回路との接続部分側から並ぶように組合せた電極端子１５を用いた以外は上記試料１のウエハ保持体と同様にして作製した試料３のウエハ保持体とを用意した。

これら試料２及び試料３のウエハ保持体の各々を半導体製造装置の真空チャンバー内に設置して上記試料１のウエハ保持体と同様のヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験後に電極端子を目視にて検査したところ、試料２のウエハ保持体ではタングステンからなる金属片とニッケルからなる金属片とのニッケルロウ付部に割れが生じていた。一方、試料３のウエハ保持体ではモリブデンからなる金属片とニッケルからなる金属片とのニッケルロウ付部に割れが生じていた。

Ｗ 半導体ウエハ
１ ウエハ保持体
１０ ウエハ載置台
１１ ウエハ載置面
１２ セラミック基材
１３ 抵抗発熱体回路
１４ ＲＦ電極回路
１５、１６ 電極端子
１５ａ、１６ａ 第１金属片
１５ｂ、１６ｂ 第２金属片
１５ｃ、１６ｃ 第３金属片
１７、１８ 導電線
２０ 支持部

Claims (5)

1. ウエハ載置面を上面側に備えた円板状のセラミック基材と、前記セラミック基材の内部に埋設された導電体回路と、前記導電体回路に一端部が接続すると共に他端部が前記セラミック基材の下面側から突出する電極端子とを有するセラミック製のウエハ載置台であって、前記電極端子は材質の異なる３個以上の金属片が連結した構造を有しており、前記金属片は熱膨張係数が小さい順に前記導電体回路との接続部分から並べられているウエハ載置台。
2. 前記電極端子は３個の金属片からなり、前記３個の金属片はタングステン又はモリブデンからなる第１の金属、ニオブからなる第２の金属、及びニッケル又は鉄を主成分とする第３の金属の順に前記導電体回路との接続部分から並べられている、請求項１に記載のウエハ載置台。
3. 前記３個以上の金属片は、互いに隣接するもの同士が前記セラミック基材の外部でニッケルロウ接続されている、請求項１又は請求項２に記載のウエハ載置台。
4. 前記３個以上の金属片は、一方の凹部に他方の凸部が嵌合することで互いに隣接するもの同士が接続している、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のウエハ載置台。
5. 前記導電体回路が、抵抗発熱体、ＲＦプラズマ形成用電極、又は静電チャック用電極である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のウエハ載置台。
   
   
   

Images