JP2008004926A - Wafer holder, manufacturing method thereof, and semiconductor manufacturing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体製造装置に使用されるウエハ保持体に関するものであり、より特定的には常温より低い温度でウエハを処理するためのウエハ保持体、及びそれを搭載した半導体製造装置に関する。 The present invention relates to a wafer holder used in a semiconductor manufacturing apparatus, and more particularly to a wafer holder for processing a wafer at a temperature lower than room temperature, and a semiconductor manufacturing apparatus on which the wafer holder is mounted.
従来から半導体製造プロセスにおいて、例えばＣＶＤ装置などにおいては、ウエハを加熱し、あるいはプラズマを発生させるなどして、ウエハ表面に絶縁膜や導体膜などの成膜を行っている。それらの処理を行うためのウエハ保持体、いわゆるサセプタとして、セラミックス製のウエハ保持体が知られている。 Conventionally, in a semiconductor manufacturing process, for example, in a CVD apparatus or the like, an insulating film or a conductor film is formed on the wafer surface by heating the wafer or generating plasma. Ceramic wafer holders are known as wafer holders for performing these processes, so-called susceptors.
例えば、特公平０６−０２８２５８号公報などには、セラミックス製のウエハ保持体に発熱体を埋設し、更には凸状支持部を取り付けることが記載され、信頼性の高いウエハ保持体が得られるとしている。また、特開２００２−２５９１３号報には、セラミックスヒータに金属放熱板が取り付けられたサセプタが開示され、セラミックスヒータと金属放熱板は簡単な手法で取り付けられるとしている。 For example, Japanese Patent Publication No. 06-028258 and the like describe that a heating element is embedded in a ceramic wafer holder, and further a convex support portion is attached, so that a highly reliable wafer holder can be obtained. Yes. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2002-25913 discloses a susceptor in which a metal heat sink is attached to a ceramic heater, and the ceramic heater and the metal heat sink are attached in a simple manner.
近年では、このようなＣＶＤ装置について、成膜温度の低温化が進み、場合によっては室温以下の温度で成膜する必要が生じている。また、チャンバー内の金属成分がコンタミネーションとなり、ウエハを汚染することがあるため、コンタミネーションの発生を抑えることも要望されている。 In recent years, the film formation temperature of such a CVD apparatus has been lowered, and in some cases, it is necessary to form the film at a temperature of room temperature or lower. Further, since the metal component in the chamber becomes a contamination and may contaminate the wafer, it is desired to suppress the occurrence of the contamination.
しかしながら、上記した従来のウエハ保持体は、いずれも常温以上の温度、例えば４００℃以上の高温でウエハを処理することを想定したウエハ保持体であるため、近年における常温以下の温度での処理に適用することは困難であった。 However, since the conventional wafer holders described above are wafer holders that are assumed to process wafers at a temperature of room temperature or higher, for example, a high temperature of 400 ° C. or higher, in recent years, processing at a temperature of room temperature or lower is recommended. It was difficult to apply.
本発明は、このような従来の事情に鑑み、常温以下の温度でのウエハの処理に適用することができ、特にＣＶＤ装置での使用に適したウエハ保持体を提供することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of such conventional circumstances, the present invention is applicable to wafer processing at room temperature or lower, and an object thereof is to provide a wafer holder particularly suitable for use in a CVD apparatus. It is.
上記目的を達成するため、本発明は、ウエハを載置するためのウエハ載置面を有するウエハ保持体であって、該ウエハ保持体がセラミックスからなり、その内部に冷媒を流すための流路を有することを特徴とする半導体製造装置用ウエハ保持体を提供するものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a wafer holder having a wafer placement surface for placing a wafer, the wafer holder being made of ceramics, and a flow path for allowing a coolant to flow inside the wafer holder. The present invention provides a wafer holder for a semiconductor manufacturing apparatus.
また、本発明は、セラミックスからなり、その内部に冷媒を流すための流路を有するウエハ保持体の製造方法であって、１枚のセラミックス基板上に流路を形成し、少なくとも該流路を覆うように該セラミックス基板の上及び／又は下に更に少なくとも１枚のセラミックス基板を接合することを特徴とする半導体製造装置用ウエハ保持体の製造方法を提供する。 The present invention is also a method for manufacturing a wafer holder made of ceramics and having a flow path for flowing a coolant therein, wherein the flow path is formed on a single ceramic substrate, and at least the flow path is formed. Provided is a method for manufacturing a wafer holder for a semiconductor manufacturing apparatus, wherein at least one ceramic substrate is further bonded on and / or below the ceramic substrate so as to cover the substrate.
更に、本発明は、上記したウエハ保持体を搭載したことを特徴とする半導体製造装置、特にＣＶＤ装置を提供するものである。 Furthermore, the present invention provides a semiconductor manufacturing apparatus, particularly a CVD apparatus, on which the above-described wafer holder is mounted.
本発明によれば、セラミックス製のウエハ保持体の内部に直接冷媒を流す流路を具備しているために、常温以下の温度での成膜などの処理に使用することができる。しかも、ウエハ保持体はセラミックス製であることから、金属成分によるコンタミネーションをなくし、成膜時やクリーニング時に使用する腐食性ガスに対しても高い耐食性を有しているため、信頼性の高いウエハ保持体及び半導体製造装置を提供することができる。 According to the present invention, since the flow path for allowing the coolant to flow directly into the ceramic wafer holder is provided, it can be used for processing such as film formation at room temperature or lower. In addition, since the wafer holder is made of ceramics, it eliminates contamination by metal components and has high corrosion resistance against corrosive gases used during film formation and cleaning. A holding body and a semiconductor manufacturing apparatus can be provided.
本発明においては、セラミックス製のウエハ保持体の内部に、ウエハ保持体を冷却するための冷媒が流れる流路が形成されている。そのため、流路を流れる冷媒がウエハ保持体から熱を奪い、ウエハ保持体を常に効率的に低温に維持することができる。従って、近年に特に要望されている室温以下の温度での成膜その他の処理に好適に使用することができ、例えば成膜中にウエハの温度が上昇しても室温以下の温度に抑えることができるため、均一な膜厚での成膜を実現することができる。 In the present invention, a flow path through which a coolant for cooling the wafer holder flows is formed inside the ceramic wafer holder. For this reason, the coolant flowing in the flow path takes heat from the wafer holder, and the wafer holder can be efficiently maintained at a low temperature at all times. Therefore, it can be suitably used for film formation and other processing particularly required in recent years at temperatures below room temperature. For example, even if the temperature of the wafer rises during film formation, it can be suppressed to a temperature below room temperature. Therefore, film formation with a uniform film thickness can be realized.
ウエハ保持体内の流路に流す冷媒としては、特に制限はないが、水や有機溶剤などがあげられる。しかし、近年における成膜温度の低温化の傾向から、水は０℃以下では使用できないため、ガルデンやアルコールなどの有機溶剤を用いることが好ましい。これらの溶剤を用いることによって、凝固点降下させることで使用することもできる。例えば水とアルコールを混合させることで、０℃以下の温度でも使用することができる。特に水は比熱が他の冷媒に比較して大きいため、効率的な冷却が期待される。また、これらの冷媒よりも冷却効率は劣るものの、低温の気体、例えば窒素やヘリウム、空気なども使用することが可能である。 There is no particular limitation on the coolant flowing through the flow path in the wafer holder, but examples thereof include water and organic solvents. However, since water cannot be used at 0 ° C. or lower due to the recent trend of lowering the film formation temperature, it is preferable to use an organic solvent such as Galden or alcohol. By using these solvents, they can be used by lowering the freezing point. For example, it can be used at a temperature of 0 ° C. or lower by mixing water and alcohol. In particular, since water has a larger specific heat than other refrigerants, efficient cooling is expected. Moreover, although it is inferior to these refrigerants in cooling efficiency, low temperature gas, for example, nitrogen, helium, air, etc., can also be used.
ウエハ保持体内に形成される流路については、搭載するウエハの直径に対して８０％以上の領域に流路が形成されていることが好ましい。例えば、ウエハの直径が２００ｍｍの場合には、少なくともウエハ保持体の中心から直径１６０ｍｍの領域まで流路が存在することが好ましい。この領域まで流路が存在しない場合、ウエハ保持体の外周部が周囲の雰囲気から熱を吸収し、ウエハの外周部付近の温度が上昇するため、均一な成膜が難しくなる。特に、ウエハ保持体の中心から少なくともウエハの直径と同じ領域まで流路が形成されていることが更に好ましい。この程度の領域まで冷媒の流路が形成されていると、ウエハ端部の温度上昇もなく、均一な成膜をすることができる。 As for the flow path formed in the wafer holder, the flow path is preferably formed in an area of 80% or more with respect to the diameter of the wafer to be mounted. For example, when the diameter of the wafer is 200 mm, it is preferable that a flow path exists at least from the center of the wafer holder to a region having a diameter of 160 mm. When there is no flow path up to this region, the outer peripheral portion of the wafer holder absorbs heat from the surrounding atmosphere, and the temperature near the outer peripheral portion of the wafer rises, so that uniform film formation becomes difficult. In particular, it is more preferable that the flow path is formed from the center of the wafer holder to at least the same area as the diameter of the wafer. If the refrigerant flow path is formed up to this level, uniform film formation can be achieved without temperature rise at the edge of the wafer.
また、流路の内壁の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下であることが好ましい。流路内壁の表面粗さが５μｍよりも大きくなると、特に冷媒が液体の場合には、流路の内壁表面が冷媒で侵食されやすくなり、壁面が劣化しやすくなるため好ましくない。尚、流路の断面形状に関しては、特に制約はなく、円形、四角形、楕円形、半円形、三角形などさまざまな形状を取ることができる。 Moreover, it is preferable that the surface roughness of the inner wall of a flow path is 5 micrometers or less by Ra. When the surface roughness of the inner wall of the flow path is larger than 5 μm, particularly when the refrigerant is a liquid, the inner wall surface of the flow path is easily eroded by the refrigerant and the wall surface is likely to deteriorate, which is not preferable. In addition, there is no restriction | limiting in particular regarding the cross-sectional shape of a flow path, It can take various shapes, such as circular, a square, an ellipse, a semicircle, and a triangle.
ウエハ保持体に使用する材料は、セラミックスであれば特に制約はなく、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、ムライト、コージェライトなどを使用することができる。しかし、これらの中では窒化アルミニウムが好適である。窒化アルミニウムは半導体製造装置で使用される腐食性ガスに対する耐食性が高いため、チャンバー内におけるパーティクルの発生を極力抑制することができる。また、窒化アルミニウムは比較的熱伝導率が高く、比熱も小さいため、均一且つ効率的にウエハ保持体を冷却することができる。 The material used for the wafer holder is not particularly limited as long as it is ceramic, and aluminum nitride, silicon carbide, silicon nitride, alumina, mullite, cordierite, and the like can be used. Of these, however, aluminum nitride is preferred. Since aluminum nitride has high corrosion resistance against the corrosive gas used in the semiconductor manufacturing apparatus, generation of particles in the chamber can be suppressed as much as possible. In addition, since aluminum nitride has a relatively high thermal conductivity and a small specific heat, the wafer holder can be cooled uniformly and efficiently.
また、ウエハ保持体自体の表面粗さは、Ｒａで０.０１μｍ以上であることが好ましい。表面粗さが０.０１μｍ以上であれば、表面の微小な突起から熱交換が行われるため、広い表面積での熱交換が可能となり、効率的にウエハ保持体を冷却することができるからである。尚、ウエハ保持体における温度制御は、例えばウエハ保持体に形成された凹部に熱電対などの測温素子を配置し、その測温素子で測定した温度に基づいて冷媒を冷却するチラーなどの温度を制御すればよい。 Further, the surface roughness of the wafer holder itself is preferably 0.01 μm or more in terms of Ra. If the surface roughness is 0.01 μm or more, heat exchange is performed from minute protrusions on the surface, so heat exchange with a large surface area is possible, and the wafer holder can be efficiently cooled. . The temperature control in the wafer holder is performed by, for example, placing a temperature measuring element such as a thermocouple in a recess formed in the wafer holder and cooling the coolant based on the temperature measured by the temperature measuring element. Can be controlled.
本発明のウエハ保持体の内部には、高周波発生用電極を備えることができる。高周波発生用電極を備えることによって、ウエハ載置面の近くにプラズマを発生させ、ウエハ上に膜生成することができる。高周波発生用電極は、ウエハ保持体内に埋設されていることが好ましい。 A high frequency generating electrode can be provided inside the wafer holder of the present invention. By providing the high-frequency generating electrode, plasma can be generated near the wafer mounting surface to form a film on the wafer. The high frequency generating electrode is preferably embedded in the wafer holder.
高周波発生用電極の形態としては、金属メッシュや金属箔、あるいは金属膜などをあげることができるが、これらのうち特に膜状の金属が好ましい。膜状金属からなる高周波発生用電極の場合、使用する高周波が膜の下部に漏れにくいため、安定したプラズマの発生が比較的簡単に得られる。セラミックス製のウエハ保持体中に埋設できる高周波発生用電極の材質としては、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングが必要なため、金属の中でも比較的熱膨張係数の小さな金属、例えばタングステン、モリブデン、タンタルなどの金属や合金であることが好ましい。 Examples of the form of the high-frequency generating electrode include a metal mesh, a metal foil, and a metal film. Among these, a film-like metal is particularly preferable. In the case of a high-frequency generating electrode made of a film-like metal, it is difficult for the high frequency to be used to leak to the lower part of the film, so that stable plasma generation can be obtained relatively easily. As the material of the high frequency generating electrode that can be embedded in the ceramic wafer holder, it is necessary to match the thermal expansion coefficient with ceramics. Therefore, among metals, metals with a relatively small thermal expansion coefficient, such as tungsten, molybdenum, and tantalum. It is preferable that they are metals and alloys, such as.
本発明のウエハ保持体は、半導体製造装置のチャンバー内に設置するために、ウエハ載置面とは反対側の面に、支持体を設けることが好ましい。例えば、支持体を円筒形などの筒状とすれば、その筒状支持体内に、冷媒を供給するための冷却配管、高周波発生用電極に接続された電極部品、ウエハ保持体の温度を測定するための測温素子などを収納することができる。 In order to install the wafer holder of the present invention in the chamber of the semiconductor manufacturing apparatus, it is preferable to provide a support on the surface opposite to the wafer mounting surface. For example, if the support has a cylindrical shape such as a cylindrical shape, the temperature of the cooling pipe for supplying the coolant, the electrode components connected to the high frequency generating electrode, and the wafer holder are measured in the cylindrical support. It is possible to store a temperature measuring element for the purpose.
上記筒状支持体は、ウエハ保持体に対して気密にシールし、更にチャンバーに対しても気密にシールすることができる。このような気密シールの構造にする場合、筒状支持体の材質をウエハ保持体の材質と同一にすることにより、熱膨張係数差による応力の発生を抑えることができ、信頼性の高い接合構造とすることができる。また、筒状支持体内に収納した金属部品がチャンバー内に露出せず、金属コンタミネーションの発生を抑制することができるため好ましい。 The cylindrical support can be hermetically sealed with respect to the wafer holder and further hermetically sealed with respect to the chamber. In the case of such a hermetic seal structure, by making the material of the cylindrical support the same as the material of the wafer holder, it is possible to suppress the occurrence of stress due to the difference in thermal expansion coefficient, and a highly reliable joining structure It can be. Moreover, the metal component accommodated in the cylindrical support body is not exposed in the chamber, and the occurrence of metal contamination can be suppressed, which is preferable.
ただし、上記気密シールの構造において、筒状支持体内が大気に開放されていると、ウエハ保持体を冷却している場合には、冷媒を供給する冷却配管を中心に結露が発生しやすくなり、金属部品やセラミックスの腐食が進むことがある。その場合には、筒状支持体内に乾燥した気体を供給することによって、結露を防止することができる。また、筒状支持体内を外気と遮断し、内部に乾燥気体を供給することで結露を防止することも可能である。いずれの場合も、筒状支持体内の雰囲気の露点は、少なくとも０℃以下であることが必要である。 However, in the structure of the hermetic seal, when the cylindrical support body is open to the atmosphere, when the wafer holder is cooled, condensation tends to occur mainly in the cooling pipe that supplies the coolant, Corrosion of metal parts and ceramics may progress. In that case, dew condensation can be prevented by supplying a dry gas into the cylindrical support. It is also possible to prevent dew condensation by blocking the inside of the cylindrical support body from the outside air and supplying a dry gas to the inside. In any case, the dew point of the atmosphere in the cylindrical support body needs to be at least 0 ° C. or less.
また、上記気密シールとは別の形態として、筒状支持体内の雰囲気を、チャンバー内の雰囲気と実質的に同一にすることができる。この場合の筒状支持体は、例えば、ウエハ保持体に複数のネジで固定することができる。この手法のメリットは、筒状支持体内の部品が結露せず、比較的簡単な構造とすることができる点にある。勿論この構造の場合にも、筒状支持体内に不活性ガスを送り込み、相対的に筒状支持体内の雰囲気をチャンバー内の圧力よりも高くすることで、金属部品の腐食を低減することができる。この場合においても、筒状支持体内の雰囲気は、露点が０℃以下であることが必要である。 As another form different from the hermetic seal, the atmosphere in the cylindrical support body can be made substantially the same as the atmosphere in the chamber. The cylindrical support in this case can be fixed to the wafer holder with a plurality of screws, for example. The merit of this method is that the components in the cylindrical support body do not condense, and a relatively simple structure can be obtained. Of course, also in this structure, corrosion of metal parts can be reduced by sending an inert gas into the cylindrical support body and relatively setting the atmosphere in the cylindrical support body higher than the pressure in the chamber. . Even in this case, the atmosphere in the cylindrical support body needs to have a dew point of 0 ° C. or lower.
次に、本発明によるウエハ保持体の製造方法を説明する。内部に冷媒の流路を備えるウエハ保持体は、複数枚のセラミックス基板を接合して製造するが、その際に、１枚のセラミックス基板上に流路を形成し、このセラミックス基板の少なくとも流路を形成した面に、流路を覆うように別のセラミックス基板を載せて接合することにより、製造することができる。 Next, a method for manufacturing a wafer holder according to the present invention will be described. A wafer holder having a coolant flow path therein is manufactured by bonding a plurality of ceramic substrates. At this time, a flow path is formed on one ceramic substrate, and at least the flow path of the ceramic substrate is formed. It can be manufactured by placing and bonding another ceramic substrate on the surface on which is formed so as to cover the flow path.
この方法においては、焼結したセラミックス基板に流路を形成するため、比較的精度良く流路が形成できると共に、流路の変形が生じにくいため好ましい。例えば、未焼成のセラミックス成形体に流路を形成した後、これを焼結する方法では、部分的に流路が狭くなったり広くなったりする。このような流路の場合、特に冷媒が液体である場合には、部分的に流速が速くなったり遅くなったりするため、冷媒による流路の壁面の腐食が進みやすくなる。 In this method, since the flow path is formed in the sintered ceramic substrate, the flow path can be formed with relatively high accuracy, and the flow path is hardly deformed, which is preferable. For example, in the method of forming a flow path in an unfired ceramic molded body and then sintering the flow path, the flow path is partially narrowed or widened. In the case of such a flow path, particularly when the refrigerant is a liquid, the flow velocity is partially increased or decreased, so that the wall surface of the flow path is easily corroded by the refrigerant.
セラミックス基板の接合には、公知の接合ペーストを用いることができる。特に、ウエハ保持体が窒化アルミニウムである場合、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、希土類酸化物の混合物からなるペーストの使用が好ましい。このペーストは、熱処理して接合する際に、窒化アルミニウム基板との濡れ性が良いばかりでなく、出来上がった接合層の主成分が窒化アルミニウムとなるため、耐食性にも優れるので特に好ましい。 A known bonding paste can be used for bonding the ceramic substrates. In particular, when the wafer holder is aluminum nitride, it is preferable to use a paste made of a mixture of aluminum nitride, aluminum oxide, and rare earth oxide. This paste is particularly preferable because it has not only good wettability with the aluminum nitride substrate when bonded by heat treatment, but also has excellent corrosion resistance because the main component of the completed bonding layer is aluminum nitride.
上記窒化アルミニウム基板の接合ペーストでは、窒化アルミニウムの含有量が１重量％以上であることが好ましい。窒化アルミニウムの含有量が１重量％未満では、接合層成分中に窒化アルミニウムが少ないため、耐食性に劣ることがある。また、窒化アルミニウムの含有量が４０重量％を超えると密着強度の低下を引き起こすため、４０重量％以下であることが好ましい。特に好ましい窒化アルミニウムの含有量は５〜３０重量％であり、更に１５〜２５重量％の範囲において特に安定した接合層が得られるため一層好ましい。 In the aluminum nitride substrate bonding paste, the aluminum nitride content is preferably 1% by weight or more. When the aluminum nitride content is less than 1% by weight, the bonding layer component contains a small amount of aluminum nitride, which may result in poor corrosion resistance. Moreover, since the fall of adhesive strength will be caused when content of aluminum nitride exceeds 40 weight%, it is preferable that it is 40 weight% or less. The aluminum nitride content is particularly preferably 5 to 30% by weight, and more preferably 15 to 25% by weight because a particularly stable bonding layer can be obtained.
また、上記接合ペースト中の酸化アルミニウムの含有量は、２０〜８０重量％であることが好ましい。酸化アルミニウムの含有量が２０重量％より少ない場合、あるいは８０重量％より多い場合には、接合するための液相の出現温度が高くなり、窒化アルミニウム基板の変形が生じやすくなるため好ましくない。特に好ましい含有量は４０〜６０重量％であり、この程度の含有量であれば、窒化アルミニウムの焼結温度より低い温度で接合することができるため、窒化アルミニウム基板の変形を抑制することができる。 Moreover, it is preferable that content of the aluminum oxide in the said joining paste is 20 to 80 weight%. When the content of aluminum oxide is less than 20% by weight or more than 80% by weight, the appearance temperature of the liquid phase for bonding becomes high and deformation of the aluminum nitride substrate tends to occur, which is not preferable. A particularly preferable content is 40 to 60% by weight, and if this content is such a level, bonding can be performed at a temperature lower than the sintering temperature of aluminum nitride, so that deformation of the aluminum nitride substrate can be suppressed. .
更に、上記接合ペースト中の希土類酸化物の含有量は、１０〜５０重量％であることが好ましい。この範囲の含有量であれば、酸化アルミニウムと反応して液相を発生しやすくなるため好ましい。特に希土類酸化物は窒化アルミニウムとの濡れ性に優れているため、その含有量が２０〜４０重量％であれば、安定した接合を実現でき、しかも接合層と窒化アルミニウム基板との接合界面を気密に接合することができるため更に好ましい。 Furthermore, the content of the rare earth oxide in the bonding paste is preferably 10 to 50% by weight. A content in this range is preferable because it easily reacts with aluminum oxide to generate a liquid phase. In particular, since rare earth oxides are excellent in wettability with aluminum nitride, if the content is 20 to 40% by weight, stable bonding can be realized, and the bonding interface between the bonding layer and the aluminum nitride substrate is airtight. It is more preferable because it can be bonded to the substrate.
上記接合ペーストに使用する希土類酸化物としては、特に制約はないが、接合すべき窒化アルミニウム基板に使用されている焼結助剤と同じ種類であることが好ましい。窒化アルミニウム基板に焼結助剤が含まれていない場合には、希土類酸化物の種類は問わない。希土類酸化物の中では、イットリウムの酸化物が耐食性や、窒化アルミニウムとの濡れ性の面で優れているため、特に好ましい。 The rare earth oxide used in the bonding paste is not particularly limited, but is preferably the same type as the sintering aid used in the aluminum nitride substrate to be bonded. When the aluminum nitride substrate does not contain a sintering aid, the type of rare earth oxide is not limited. Among rare earth oxides, yttrium oxide is particularly preferable because it is excellent in corrosion resistance and wettability with aluminum nitride.
具体的な窒化アルミニウム基板の接合方法としては、所定量の窒化アルミニウム粉末、酸化アルミニウム粉末、希土類酸化物粉末を混合し、これに有機溶剤、バインダー、必要に応じて可塑剤などを添加し、混練してペーストを作製する。このペーストを接合すべき窒化アルミニウム基板の表面に塗布し、必要に応じて脱脂処理を行い、その塗布面に別の窒化アルミニウム基板を載せて、熱処理を行うことにより、強固な接合層を形成することができる。 As a specific method for joining an aluminum nitride substrate, a predetermined amount of aluminum nitride powder, aluminum oxide powder, and rare earth oxide powder are mixed, and an organic solvent, a binder, and a plasticizer as necessary are added and kneaded. To make a paste. The paste is applied to the surface of the aluminum nitride substrate to be bonded, degreased as necessary, another aluminum nitride substrate is placed on the coated surface, and heat treatment is performed to form a strong bonding layer. be able to.
接合時の温度と圧力に関しては、特に制約はないが、窒化アルミニウム基板が変形しない程度の温度と圧力であればよい。具体的には、熱処理温度は、ペーストの組成にもよるが、１６００〜２０００℃程度が好適である。また、熱処理の際に、接合面に対して垂直方向に圧力を加えることにより、欠陥の少ない接合層を形成することができるため好ましい。加える圧力としては、１ｋｇ／ｃｍ２以上が好ましく、１０ｋｇ／ｃｍ２以上が更に好ましい。 There are no particular restrictions on the temperature and pressure at the time of bonding, but any temperature and pressure that do not deform the aluminum nitride substrate may be used. Specifically, the heat treatment temperature is preferably about 1600 to 2000 ° C., although it depends on the composition of the paste. Further, it is preferable to apply pressure in a direction perpendicular to the bonding surface during heat treatment because a bonding layer with few defects can be formed. The applied pressure is preferably 1 kg / cm 2 or more, more preferably 10 kg / cm 2 or more.
ウエハ保持体内に高周波発生用電極を形成する場合には、特にスクリーン印刷により金属膜の電極を形成することが好ましい。スクリーン印刷によれば、得られる膜厚が比較的均一であり、コストも安く、量産性に優れている。スクリーン印刷に用いる電極形成用ペーストは、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属粉末に、バインダーや有機溶剤、必要に応じて可塑剤などを加え、ペースト状にしたものを使用すればよい。 When the high frequency generating electrode is formed in the wafer holder, it is particularly preferable to form the metal film electrode by screen printing. According to screen printing, the obtained film thickness is relatively uniform, the cost is low, and the mass productivity is excellent. The electrode forming paste used for screen printing may be a paste obtained by adding a binder, an organic solvent, and, if necessary, a plasticizer to a high melting point metal powder such as tungsten, molybdenum, or tantalum.
具体的には、セラミックス基板上にスクリーン印刷により上記電極形成用ペーストを塗布し、乾燥した後、非酸化性雰囲気中にて１６００〜２０００℃の温度で焼成することにより、金属膜の高周波発生用電極が得られる。その後、上記した接合方法を用いてセラミックス基板を接合すれば、内部に高周波発生用電極を有するウエハ保持体を比較的容易に製造することができる。また当然のことであるが、冷媒を流す流路を形成するための接合と、高周波発生用電極を埋設するための接合を同時に実施することができ、この同時接合によって比較的安価にウエハ保持体を製造することができる。 Specifically, the electrode-forming paste is applied on a ceramic substrate by screen printing, dried, and then fired at a temperature of 1600 to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere to generate high-frequency metal films. An electrode is obtained. Thereafter, if the ceramic substrate is bonded using the bonding method described above, a wafer holder having a high-frequency generating electrode therein can be manufactured relatively easily. As a matter of course, the bonding for forming the flow path for flowing the refrigerant and the bonding for embedding the high-frequency generating electrode can be performed at the same time. Can be manufactured.
本発明によるウエハ保持体は、ウエハを冷却する必要がある半導体製造工程において好適に使用することができる。例えば、半導体製造装置に搭載して、エッチングやアッシング、ＣＶＤなどの処理を実施することができる。また、特にＣＶＤ装置においては、高周波発生用電極を埋設したウエハ保持体を搭載することにより、効率的な成膜を実現することができる。 The wafer holder according to the present invention can be suitably used in a semiconductor manufacturing process in which the wafer needs to be cooled. For example, it can be mounted on a semiconductor manufacturing apparatus to carry out processes such as etching, ashing, and CVD. In particular, in a CVD apparatus, an efficient film formation can be realized by mounting a wafer holder in which a high frequency generating electrode is embedded.
［実施例１］
窒化アルミニウム粉末９９.５重量％に焼結助剤として酸化イットリウム粉末０.５重量％加え、更に有機溶剤とバインダーを加え、ボールミル混合してスラリーを作製した。得られたスラリーをスプレードライにより顆粒とし、プレス成形により成形体を作製した。その成形体を窒素雰囲気中にて８００℃で脱脂した後、窒素雰囲気中において１９００℃で焼結し、窒化アルミニウム焼結体を得た。
[Example 1]
0.5% by weight of yttrium oxide powder was added as a sintering aid to 99.5% by weight of aluminum nitride powder, an organic solvent and a binder were further added, and a ball mill was mixed to prepare a slurry. The obtained slurry was granulated by spray drying, and a compact was produced by press molding. The molded body was degreased at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere and then sintered at 1900 ° C. in a nitrogen atmosphere to obtain an aluminum nitride sintered body.
上記手法により３枚の窒化アルミニウム焼結体を形成し、それぞれ窒化アルミニウム基板とした。即ち、そのうちの１枚を直径３３０ｍｍ、厚み１０ｍｍに加工した後、機械加工により深さ３ｍｍ、幅６ｍｍの冷媒用の流路を形成した。ウエハ保持体に搭載するウエハの直径は３００ｍｍであるため、流路の形成領域は中心から直径３１０ｍｍの領域とした。また、流路内壁の表面粗さは、Ｒａで１.０μｍとした。また、流路の入口と出口は、基板の中心部付近になるように形成した。 Three aluminum nitride sintered bodies were formed by the above-described method, and each was used as an aluminum nitride substrate. That is, one of them was processed into a diameter of 330 mm and a thickness of 10 mm, and then a flow path for refrigerant having a depth of 3 mm and a width of 6 mm was formed by machining. Since the diameter of the wafer to be mounted on the wafer holder is 300 mm, the flow path formation region is a region having a diameter of 310 mm from the center. Further, the surface roughness of the inner wall of the flow path was set to 1.0 μm in Ra. Further, the inlet and outlet of the channel were formed so as to be near the center of the substrate.
次に、もう１枚の基板は、直径３３０ｍｍ、厚み５ｍｍに加工した。この片側の面の中心から直径３２０ｍｍの領域に、タングステン粉末、バインダー、有機溶剤などからなるタングステンペーストをスクリーン印刷により塗布し、８００℃で脱脂した後、１８５０℃で焼成して、高周波発生用電極を形成した。更に、残り１枚の基板は、直径３３０ｍｍ、厚み３ｍｍに加工した。 Next, another substrate was processed into a diameter of 330 mm and a thickness of 5 mm. A tungsten paste made of tungsten powder, a binder, an organic solvent, etc. is applied to a region having a diameter of 320 mm from the center of this one surface by screen printing, degreased at 800 ° C., and baked at 1850 ° C. Formed. Further, the remaining one substrate was processed to have a diameter of 330 mm and a thickness of 3 mm.
これら３枚の窒化アルミニウム基板のうち、高周波発生用電極を形成した基板の両面に、２０重量％窒化アルミニウム-３０重量％酸化イットリウム-５０重量％酸化アルミニウムからなる接合ペーストをスクリーン印刷により塗布し、８００℃の窒素雰囲気中で脱脂した。その後、この基板の高周波発生用電極を形成した面に上記厚み３ｍｍの基板を載せ、反対側の面には上記流路を形成した基板を流路が内側になるように重ねて、接合面に対し垂直方向に２０ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加えながら、窒素雰囲気中において１８００℃で加熱処理して接合した。最後に、上下面を研磨して、窒化アルミニウム製のウエハ保持体とした。 Of these three aluminum nitride substrates, a bonding paste composed of 20% by weight aluminum nitride-30% by weight yttrium oxide-50% by weight aluminum oxide is applied to both surfaces of the substrate on which the high frequency generating electrode is formed by screen printing. Degreasing was performed in a nitrogen atmosphere at 800 ° C. Thereafter, the substrate having the thickness of 3 mm is placed on the surface of the substrate on which the high-frequency generating electrode is formed, and the substrate on which the flow path is formed is stacked on the opposite surface so that the flow path is on the inner surface. On the other hand, while applying a pressure of 20 kg / cm 2 in the vertical direction, the heat treatment was performed at 1800 ° C. in a nitrogen atmosphere, and bonding was performed. Finally, the upper and lower surfaces were polished to obtain a wafer holder made of aluminum nitride.
得られたウエハ保持体は、図１に示すように、ウエハ保持体１のウエハ載置面の反対側から高周波発生用電極２まで座繰り加工を行い、これにタングステン電極を取り付けた。また、ウエハ保持体１の流路３に、ステンレス製の冷却配管４を取り付けた。更に、ウエハ保持体１のウエハ載置面とは反対側の面に凹部を形成し、シース型の熱電対５を取り付けた。尚、上記高周波発生用電極２のタングステン電極には、上部側の周壁に貫通孔を設けたニッケル製の電極パイプ６を接合し、その内側に不活性ガスを供給できるようにした。
As shown in FIG. 1, the obtained wafer holder was countersunk from the opposite side of the wafer mounting surface of the wafer holder 1 to the high frequency generating electrode 2, and a tungsten electrode was attached thereto. A stainless
上記ウエハ保持体１のウエハ載置面と反対側の面に、筒状支持体７のフランジ部をネジ止めにより接合した。この筒状支持体７は窒化アルミニウム製であり、フランジ部の直径８０ｍｍ、外径６０ｍｍ及び内径５０ｍｍ、高さ２００ｍｍである。尚、この筒状支持体７の内部に、上記の冷却配管４、熱電対５、電極パイプ６を収納した。
The flange portion of the cylindrical support 7 was joined to the surface of the wafer holder 1 opposite to the wafer mounting surface by screwing. The cylindrical support 7 is made of aluminum nitride and has a flange portion with a diameter of 80 mm, an outer diameter of 60 mm, an inner diameter of 50 mm, and a height of 200 mm. The
このウエハ保持体１を、ＣＶＤ装置のチャンバー内に設置した。筒状支持体７内に収納した冷却配管４を通して冷媒のガルデンを供給し、ウエハ保持体１の流路３に流した。また、電極パイプ６には不活性ガスとして露点−７０℃のヘリウムガスを毎分２リットルの割合で供給し、上部側の貫通孔から筒状支持体７内に循環させることにより、筒状支持体７内での結露の発生を防ぐと共に、筒状支持体７内に腐食性ガスが侵入することを防止した。
The wafer holder 1 was placed in a chamber of a CVD apparatus. The coolant, Galden, was supplied through the
上記ウエハ保持体１の温度を−２０℃に制御した。そのウエハ載置面に直径３００ｍｍのウエハを載置して、チャンバー内に成膜用のガスを導入した。高周波発生用電極２に１３.５６ＭＨｚの高周波を印加してプラズマを発生させることにより、ウエハ上に膜形成を行ったところ、ウエハ上に均一な膜を形成することができた。このときのウエハの温度分布は、温度計によって測定した結果、−２０℃±１℃に制御することができた。 The temperature of the wafer holder 1 was controlled at -20 ° C. A wafer having a diameter of 300 mm was placed on the wafer placement surface, and a film forming gas was introduced into the chamber. When a film was formed on the wafer by applying a high frequency of 13.56 MHz to the high frequency generating electrode 2 to generate plasma, a uniform film could be formed on the wafer. At this time, the temperature distribution of the wafer was measured with a thermometer, and as a result, it could be controlled to −20 ° C. ± 1 ° C.
［実施例２］
上記実施例１と同様に窒化アルミニウム基板に対して流路加工を行った。その際、流路の形成領域をそれぞれ下記表１のように変化させ、各ウエハ保持体の温度を−２０℃に制御したときの温度分布を測定した。得られた結果を下記表１に示す。なお、下記表１には、参考のために上記実施例１の結果も併せて示した。また、ウエハの温度測定には、２９点測定ポイントのある直径３００ｍｍのウエハ温度計を使用した。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, the flow path processing was performed on the aluminum nitride substrate. At that time, the flow channel formation region was changed as shown in Table 1 below, and the temperature distribution was measured when the temperature of each wafer holder was controlled to -20 ° C. The obtained results are shown in Table 1 below. In Table 1, the results of Example 1 are also shown for reference. A wafer thermometer with a diameter of 300 mm having 29 measurement points was used for the wafer temperature measurement.
［実施例３］
上記実施例１と同様に窒化アルミニウム製ウエハ保持体を作製した。ただし、流路の表面粗さを変化させ、−１０℃に温度調整した水−アルコール混合溶媒を１０００時間流し、試験後の冷媒のＰＨを測定することで窒化アルミニウムの腐食性を確認した。なお、窒化アルミニウムは、通常、大気中では表面に酸化物系の膜が形成されるため比較的安定であるが、破断面や研磨面などの酸化物系の膜が形成されていない部分が水に触れるとアンモニアが発生するために、ｐＨがアルカリ性側にふれれば流路の腐食が進んでいるものと判断した。得られた結果を下記表２に示す。なお、試験前のｐＨは全て７であった。
[Example 3]
An aluminum nitride wafer holder was prepared in the same manner as in Example 1 above. However, the corrosivity of the aluminum nitride was confirmed by changing the surface roughness of the flow channel, flowing a water-alcohol mixed solvent whose temperature was adjusted to −10 ° C. for 1000 hours, and measuring the pH of the refrigerant after the test. Aluminum nitride is generally stable because an oxide film is formed on the surface in the air, but the portion where no oxide film such as a fracture surface or a polished surface is formed is water. Since ammonia is generated when it is touched, if the pH touches the alkaline side, it was judged that the corrosion of the flow path has progressed. The obtained results are shown in Table 2 below. The pH before the test was all 7.
［実施例４］
上記実施例１と同様にウエハ保持体を作製し、電極パイプ内にヘリウムガスを供給した。このときヘリウムガスの露点を変化させ、ウエハ保持体の温度を−１０℃に制御して、１０００時間耐久試験を行った。この耐久試験後に、ステンレス製の冷却配管とニッケル製の電極パイプの腐食状態を目視にて確認し、その結果を下記表３に示した。
[Example 4]
A wafer holder was prepared in the same manner as in Example 1, and helium gas was supplied into the electrode pipe. At this time, the dew point of helium gas was changed, and the temperature of the wafer holder was controlled to −10 ° C., and a 1000 hour durability test was performed. After this endurance test, the corrosion state of the stainless steel cooling pipe and the nickel electrode pipe was visually confirmed, and the results are shown in Table 3 below.
また、上記１０００時間の耐久試験後、各ウエハ保持体を用いて成膜試験を行い、その影響を確認した。その結果、露点が０℃以下のヘリウムガスを用いたものでは、耐久試験後も問題なく成膜できたが、露点が１５℃の場合はウエハにステンレスやニッケルのパーティクルが付着した。 In addition, after the 1000 hour durability test, a film formation test was performed using each wafer holder to confirm the influence. As a result, when using a helium gas having a dew point of 0 ° C. or less, a film could be formed without problems after the durability test, but when the dew point was 15 ° C., stainless steel or nickel particles adhered to the wafer.
［実施例５］
上記実施例１と同様にウエハ保持体を作製したが、その材質を窒化珪素、アルミナ、ムライト、コージェライト、炭化珪素に変えた。これらのウエハ保持体を実施例１と同様に温度制御し、その温度分布を測定した。得られた結果を実施例１における結果と併せて下記表４に示した。この結果から分るように、ウエハの均熱性は、窒化アルミニウムが最も優れていた。
[Example 5]
A wafer holder was prepared in the same manner as in Example 1, but the material was changed to silicon nitride, alumina, mullite, cordierite, or silicon carbide. The temperature of these wafer holders was controlled in the same manner as in Example 1, and the temperature distribution was measured. The obtained results are shown in Table 4 below together with the results in Example 1. As can be seen from this result, aluminum nitride was most excellent in the thermal uniformity of the wafer.
１ ウエハ保持体
２ 高周波発生用電極
３ 流路
４ 冷却配管
５ 熱電対
６ 電極パイプ
７ 筒状支持体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wafer holder 2 Electrode for
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