JP4749072B2 - ウェハ保持体 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン基板等の半導体ウェハや液晶基板等といったウェハを保持するウェハ保持体に関し、特に、半導体ウェハを保持しながら加熱する機能を有したウェハ保持体、あるいはウェハを静電吸着する機能を備えたヒータ付の静電チャックに関するものである。

従来、半導体の製造工程において、半導体ウェハへの露光処理や、ＰＶＤ，ＣＶＤ，スパッタリング等による成膜処理や、プラズマエッチングや光エッチング等によるエッチング処理や、ダイシング処理では、いずれもウェハを精度良く保持するためウェハ保持体が用いられている。

そして、このウェハ保持体は減圧下で使用されることが多く、成膜処理では成膜時の反応ガスによりウェハが加熱され、また、エッチング処理ではプラズマエッチングガスや光励起エッチング時の紫外線や可視光によりウェハが加熱されることから、ウェハの表面温度が高くならない様にウェハに加えられた熱をウェハ保持体によって効率良く逃がす必要があった。

そこで、ウェハの熱を効率良く逃がすために、冷却機能を有するベース部材を備えたウェハ保持体を用いることが提案されている。

例えば、図１５に断面図で示すウェハ保持体１００は、円板状をした板状セラミック体２の一方の主面をウェハを載せるウェハ載置面３とし、板状セラミック体２の中に静電吸着用電極９を埋設した静電チャック部のウェハ載置面３と、反対側のベース部材４とが、介在層６０を介して接着されたもので、ベース部材４の冷却通路５に冷却ガスや冷却水を流してベース部材４を冷やすことで、ウェハ載置面３に吸着保持した不図示のウェハに与えられた熱を逃がすようになっている。

また、図１４に断面図で示すように、特許文献１に開示されたウェハ保持体１００は、円板状をした板状セラミック体２の一方の主面をウェハを載せるウェハ載置面３とし、他方の主面に静電吸着用電極９を備えた静電チャック部と、この静電チャック部のウェハ載置面３と反対側のベース部材４とが、介在層６０を介して接着されている。そして、ベース部材４に形成された冷却通路５に冷却ガスや冷却水を流してベース部材４を冷やすことで、ウェハ保持体１００に吸着保持した不図示のウェハに加えられた熱を逃がすようになっている。

ところで、ウェハの表面全体に均質な膜を形成したり、レジスト膜の加熱による反応硬化状態を均質にしたりするためには、ウェハの表面の温度を均一にすることが要求されている。

一方、ウェハとウェハ載置面３とが直接接したり近接していることから、ウェハ面内の温度分布は、ウェハ載置面３の面内温度と高い相関関係を有している。この点から、ウェハ保持体のウェハ載置面３の表面の温度が均一であることが重要である。
特開２００３−２２４１８０号公報

しかし、特許文献１に記載の従来のウェハ保持体１００は、プラズマ等によりウェハが急速に加熱された場合、ベース部材４へ熱を速やかに逃がすことは可能であるが、ウェハの表面およびウェハ載置面３の表面の温度差が大きく、ウェハの面内の温度を一定の温度（例えば６０℃）に、精度良く均一に保つことが困難であった。そして、ウェハの面内の温度が均一でないことからウェハの中の一部分の半導体素子が不良となり、半導体素子の歩留まりが低下する虞があった。

また、従来のウェハ保持体１００は、ウェハ保持体１００を組み立てた後にウェハ載置面３の面内の温度差を小さく調整することができないことから、ウェハ保持体のウェハ載置面３の面内温度差が例えば３℃以下と要求が厳しくなると、ウェハ保持体１００の製造歩留まりが著しく低下する虞があった。

また、ランプ加熱やプラズマ加熱等によりウェハを加熱する方式では、設定温度の高低によりウェハ面内の温度差が大きく異なる虞があった。また、ウェハの温度が８０℃以上に高くなると、ウェハ載置面３の均熱性が悪く、載置面内の温度差が３℃を超える虞があった。

また、ウェハ保持体１００を半導体製造装置に組み込み、ランプ加熱やプラズマ加熱等によりウェハ表面を実際に加熱してみないと、ウェハ表面およびウェハ載置面３の温度分布を確認することができないことから、ウェハ保持体１００の載置面内の温度差を小さくすることが極めて困難であった。

本発明のウェハ保持体は、上面をウェハ載置面とした板状セラミック体を、該板状セラミック体を下面側から冷却するベース部材の上面に、熱伝導率の異なる領域を有する介在層を介して配置するとともに前記板状セラミック体と前記ベース部材との間に前記板状セラミック体を下面側から加熱する板状のヒータ部材を配置してなるウェハ保持体であって、前記熱伝導率の異なる領域は空隙であり、前記介材層は前記ヒータ部材と前記ベース部材との間であって周辺部に前記空隙を配置したしたことを特徴とする。

また、本発明のウェハ保持体は、上記構成において、前記ヒータ部材と前記ベース部材との間に前記介在層を配置したことを特徴とする。

また、本発明のウェハ保持体は、上記各構成において、前記介在層が接着剤からなることを特徴とする。

また、本発明のウェハ保持体は、上記各構成において、前記介在層の前記熱伝導率の異なる領域は、前記ヒータ部材による加熱時の温度分布に対して、温度が低い部分に対応させて熱伝導率の小さい領域として配置したことを特徴とする。

また、本発明のウェハ保持体は、上記各構成において、前記板状セラミック体の下面または内部に、前記ウェハ載置面にウェハを吸着するための吸着用電極を備えたことを特徴とする。

本発明のウェハ保持体は、板状セラミック体の一方の主面（上面）をウェハを載せる載置面とし、この板状セラミック体の他方の主面（下面）側に冷却用のベース部材を備え、これら板状セラミック体とベース部材との間に、熱伝導率の異なる領域を有する介在層を備えていることで、板状セラミック体とベース部材との介在層からなる界面の熱の伝わり方が異なることによって、この介在層の面内の熱伝導率を調整できることから、ベース部材から冷却媒体を介して熱を外部に放出することができるとともに、プラズマ等によるウェハの表面の部分的な過熱やウェハ表面の温度差が大きくなることを防止することができる。さらに、熱伝導率の異なる領域を有する介在層は、熱伝導率の違いによって、板状セラミック体とベース部材との界面にある介在層の各部の熱伝導率を大きくしたり小さくしたりすることで介在層の各部を通過する熱量を調整できることから、室温から１００℃程度の低温領域において、ウェハの面内温度差が３℃以下と小さいウェハ保持体を提供できる。そして、このウェハ保持体を使用して製造されたウェハから切り出された半導体素子の歩留を向上させることができる。

また、ヒータ部材とベース部材との間に介在層を配置すると、この介在層を通過する熱量が大きいので熱伝導率の違いによる介在層の面内で熱の伝わり方の違いが大きくなるので、この介在層の面内における熱量の変化を大きくすることができることから載置面内のより大きな温度差を小さくすることができるようになる。

また、この介在層が接着剤からなるときには、介在層とヒータ部材やベース部材の間に不要な空隙が発生する虞がなくなり、設計通りに載置面の面内温度差が小さなウェハ保持体が得られ易い。

また、ヒータ部材による加熱時の温度分布に対して、温度が低い部分に対応させて熱伝導率の小さい領域を配置したときには、この領域からベース部材への熱の流れを低下させ、この領域に対向する載置面の温度低下を防ぐことができることからウェハ載置面の表面温度差が小さくなる。

また、ウェハ保持体においては周辺部の温度が低下し易いとの傾向があるが、ヒータ部材とベース部材との間であって周辺部に熱伝導率の小さい領域を配置したときには、周辺部からベース部材への熱の伝達量が低下し、載置面の周辺部の温度を高めることができることから載置面の面内温度差を小さくすることができる。さらに、この周辺部の熱伝導率の小さい領域が空隙であるときには、一般的には空隙の熱伝導率が非常に小さいことからより効率的に周辺からの熱の伝達量を小さくすることができる。

また、ヒータ部材による加熱時の温度分布に対して、温度が高い部分に対応させて介在層に熱伝導率の大きな領域を配置したときには、熱伝導率の大きな領域でヒータ部材からベース部材への熱が逃げ易いことから、この領域に対向するヒータ部材の温度を低下させることができ、これに対応して載置面内の温度差が小さくすることができる。

また、上記板状セラミック体の下面または内部に吸着用電極を備えたときには、ウェハと載置面との間に吸着力が働きウェハを載置面に良好に密着させることができるので載置面の温度がウェハに容易に伝わり、ウェハ面内の温度差が小さくなり好ましい。

また、本発明のウェハ保持体の製造方法によれば、上面をウェハ載置面とした板状セラミック体と、該板状セラミック体を下面側から冷却するベース部材と、前記板状セラミック体と前記ベース部材との間に配置され、前記板状セラミック体を下面側から加熱する板状のヒータ部材とを準備する工程と、前記ヒータ部材を加熱状態にして温度分布を測定する工程と、前記ヒータ部材の前記温度分布に対して温度が低い部分に対応させて熱伝導率の小さい領域を配置するかまたは温度が高い部分に対応させて熱伝導率の大きい領域を配置した介在層を介して、前記ベース部材の上面に前記ヒータ部材を配置する工程と、前記ヒータ部材の上面に介在層を介して前記板状セラミック体を配置する工程とを備えることで、温度分布に対して熱伝導率の異なる領域を配置することで載置面の面内温度差を小さくなるように調整できることから載置面の面内温度差の小さなウェハ保持体を安定して製造することができる。

以下、本発明のウェハ保持体１の実施の形態の一例として、ウェハを静電吸着する機能を備えた静電チャック１０を例に説明する。

図１（ａ）は本発明のウェハ保持体１の実施の形態の一例を示す概略の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線概略断面図である。

このウェハ保持体１は、板状セラミック体２とベース部材４との間に介在層６を備えている。板状セラミック体２の一方の主面（上面）はウェハを載せるウェハ載置面３としてあり、他方の主面（下面）側に介在層６を介してウェハ載置面３を冷却する冷却用のベース部材４を備えている。

本発明のウェハ保持体１において、板状セラミック体２は、上面をウェハ載置面３としており、このウェハ載置面３に不図示のウェハを高精度に保持できるように、変形が小さなヤング率が２００ＧＰａ以上のセラミック焼結体で構成されている。また、ウェハ載置面３内の温度を均一に保ち易いことから、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と大きな窒化物セラミックスや炭化物セラミックス等からなることが好ましい。

また、ウェハ保持体１には、ウェハ載置面３に不図示の凹部を設けるとともにこの凹部と連通する不図示のガス供給口を設け、ウェハの下面とウェハ載置面３とで形成される空間にガス供給口からガスを充填することで、ウェハ載置面３からウェハへの熱の伝達効率を高めることもできる。

ベース部材４は、アルミニウムや超硬合金等の金属材料、あるいはそれら金属材料とセラミック材料との複合材料からなり、ベース部材４は導電性を有することが好ましい。導電性を備えたベース部材４は、ウェハ載置面３の上方にプラズマを発生させる際の電極として機能させることもできる。また、ベース部材４の内部には、冷却媒体を通す冷却通路５を備え、この冷却通路５に冷却ガスや冷却水等の冷却媒体を流すことにより、ウェハ載置面３やウェハ載置面３に載せたウェハの温度を所望の温度となるように調整することができる。

介在層６は、例えばシリコーン，ポリイミドまたはエポキシ等の樹脂接着剤、あるいはインジウム等による金属接合部材、あるいはシート状の樹脂またはロー材等からなり、介在層６の面内の一部に所望の形状や大きさの熱伝導率の異なる領域６ｂを備えている。

また、板状セラミック体２の他方の主面（下面）にウェハを吸着するための吸着用電極９を備えている。そして、ウェハ載置面３にウェハを載せて吸着用電極９に直流電圧を印加すると、静電気力によりウェハを強固にウェハ載置面３に吸着することができる。また、ベース部材４の冷却通路５に冷却媒体を流し、ウェハに加わった熱を冷却媒体を通して外部に排出することができる。なお、この吸着用電極９は板状セラミック体２の内部に埋設してもよい。

本発明のウェハ保持体１は、上面をウェハ載置面３とした板状セラミック体２を、この板状セラミック体２を下面側から冷却するベース部材４の上面に、熱伝導率の異なる領域６ｂを有する介在層６を介して配置することでウェハ載置面３やウェハ面内の温度差を小さくすることができる。その理由は、介在層６の中に熱伝導率の異なる領域６ｂを設けることで、領域６ｂからベース部材４の上面への熱の伝わり方を領域６ａと異ならせることができることから、領域６ｂに対向するウェハ載置面３やウェハの表面へ加わる熱量が部分的に異なってもウェハ面内やウェハ載置面３内の温度差が小さくなるように熱量の流れを調整することができるからである。例えば、ウェハの表面に加わる熱が多い部分では、この部分に対向する介在層の熱伝導率を大きくして熱をベース部材４へ流れやすくすることでウェハ表面の部分的な温度上昇を防止することができる。そして、介在層６に熱伝導率の異なる領域６ｂを設けて板状セラミック体２とベース部材との間の介在層６の各部の熱伝導率を異ならしめることで、ウェハやウェハ載置面３の面内の温度差を小さくすることができ、好ましくは３℃以下とすることができる。

例えば、半導体製造装置用のウェハ保持体１のウェハ載置面３にウェハを載せてウェハ載置面３上でプラズマを発生させた場合に、プラズマ密度の違いにより、ウェハ面内の特定の部分が常に高温となることがある。そこで、板状セラミック体２を挟んでウェハの高温部分に対向する介在層６に熱伝導率の異なる領域６ｂとして熱伝導率の大きい領域を配置することで、ウェハ面内の高温部の温度を低下させ、ウェハ面内の温度差を小さくすることができる。

介在層６内に配置する領域６ｂや領域６ａの熱伝導率は、ウェハあるいはウェハ載置面３の面内の温度差から実験的に求めたり計算から求めたりすることができる。熱伝導率の異なる領域６ｂとして熱伝導率の大きい領域を配置することによって、この領域６ｂを通じてウェハ載置面３からベース部材４へ速やかに熱を伝えてウェハ載置面３の面内温度差を小さく調整できることから、ウェハ載置面３の面内温度差を例えば３℃以下と小さくすることができる。

また、ウェハ表面の一部に温度の低い部分があり、これに対向してウェハ載置面３の面内の一部に低温となる領域が生じる場合には、温度の低い部分に対向して介在層６内に熱伝導率の異なる領域６ｂとして熱伝導率の小さい領域を配置することで、領域６ｂからベース部材４へ逃げる熱量が抑えられ、ウェハ載置面３の低温となる部分の温度の低下を抑えて温度を高めることができることから、ウェハ面内やウェハ載置面３の面内の温度差を例えば３℃以下と小さくすることができる。そして、この様なウェハ保持体１を使ってウェハに各種の加工処理を行なうと、ウェハ面内の各部に複数形成された素子間の温度差がなくなり素子間の膜質や厚み等の均一な素子が形成されるので、ウェハに作製した半導体素子の製造歩留を向上させることができて好ましい。

次に、ベース部材４に設けられた冷却通路５の形状による影響からウェハの表面温度が部分的に低温となりウェハ面内の温度差が大きくなることがあるが、これを防止してウェハの面内温度差を小さくした本発明のウェハ保持体１の実施の形態の他の例を説明する。

図２は本発明のウェハ保持体の冷却通路の概略の形状を示す概略上面図である。また、図１６は従来のウェハ保持体１００の概略の断面図を示す。そして、図１７は従来のウェハ保持体１００のウェハ載置面３の温度分布を示す概略上面図である。板状セラミック体２をウェハ載置面３側から見て、図２中に点線で示すような渦巻き状の形状をした冷却通路５を備えたベース部材４を均一な介在層６０を介して固定した、図１６に示す従来のウェハ保持体１００のウェハ載置面３の温度分布は、図１７に示すようになる。すなわち、図１７の領域１０１の温度は６０〜６１．５℃と高く、領域１０２の温度が５８．５〜６０℃、そして領域１０３の温度が５７〜５８．５℃と順に温度が低くなり、冷却通路５の配置に対向して温度の低い領域が発生することがある。

一方、図３は本発明のウェハ保持体１における介在層６の一例を示す概略上面図である。そして、図４はこの介在層６を備えた本発明のウェハ保持体１のウェハ載置面３の温度分布を示す概略の上面図である。本発明における介在層６は、図３に示すように熱伝導率の小さい領域６ｂを冷却通路５の配置に対向して配置することで、ベース部材４の温度の低い冷却通路５の上面からより多くの熱が伝わりこの領域に対向するウェハ載置面３の温度が低下する虞があるが、この領域に対向して熱伝導率の小さい領域があると熱伝達量が低下して温度の低い冷却通路５の形状が載置面に現れることがなく、ウェハ載置面の面内温度差を図４に示すように小さくすることができる。図４に示す領域１０４の温度は５８．５〜６０℃で、領域１０５の温度は５７〜５８．５℃となり、ウェハ載置面３の面内温度差が３℃以内と小さくなって、冷却通路５の影響によるウェハ載置面３内の温度差の発生を防止することができる。

そして、ウェハ載置面３の面内温度差が３℃以下のウェハ保持体１を量産しようとすると、従来のウェハ保持体を用いた場合ではウェハ載置面内の温度差が小さくないためにその製造歩留まりが４０％程度であったものが、本発明のウェハ保持体１では温度差を小さくできるので製造歩留まりが７０％以上となり効率の良い量産が可能となる。

また、本発明のウェハ保持体１は、板状セラミック体２とベース部材４との間に板状セラミック体２を下面側から加熱する板状のヒータ部材８を配置することが好ましい。図５に概略断面図で示す板状のヒータ部材８を配置した本発明のウェハ保持体１は、ヒータ部材８がウェハ載置面３を加熱するための熱源であり、ウェハ載置面３を介して不図示のウェハが加熱される。本発明者は、ベース部材４を冷却しながらヒータ部材８を発熱させてウェハを加熱すると、ウェハの加熱設定温度が変わってもウェハ表面の温度分布が同じ傾向を示すことを見出した。また、ベース部材４から熱が外部に常に排出される状態でヒータ部材８から熱が供給されると、ウェハ上方からウェハが加熱されてウェハ載置面３に熱が加わっても、ウェハ表面の温度が変化し難いことが判明した。その理由は、ヒータ部材８からベース部材４へ伝わる熱量Ａが大きく、ウェハ上方からウェハを介してウェハ載置面３に伝わる熱量Ｂが比較的小さくできることから熱量Ｂによるウェハ面内の温度変化が小さいからと推測できる。そこで、ヒータ部材８の単体の温度分布をあらかじめ測定してから、ヒータ部材８の温度の高い部分や低い部分に対向して介在層６中に熱伝導率の異なる領域６ｂを配置することで、ウェハ表面およびウェハ載置面３の面内温度差をより小さいものとすることができる。そして、ウェハ表面の上方から供給される熱量のばらつきが大きくてもウェハ面内の温度差を小さくすることができると考えられる。

具体的な例として、図６に概略上面図で示すように、ヒータ部材８の表面の温度が、領域１０６の温度が６１．５〜６３℃と高く、これと連続して領域１０８の温度が５５．５〜５７℃と低い場合には、図７に概略上面図で示す介在層６の領域６ａの熱伝導率が０．５３Ｗ／（ｍ・Ｋ）に対して、領域１０６に対向して熱伝導率が１．０６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と大きな領域６ｂと、領域１０８に対向して熱伝導率が０．２７Ｗ／（ｍ・Ｋ）と小さな領域６ｃを介在層６として配置する。そして、このような介在層６と図６に示すヒータ部材８とを図５に示すように配置したウェハ保持体１のウェハ載置面３の温度分布は、図８に概略上面図で示すように、領域１０２ａで６０〜６０．７５℃、領域１０２で５８．５〜６０℃、領域１０２ｂで５７．７５〜５８．５℃となり、ウェハ載置面３の面内の温度差が３℃と小さくなり好ましいものとなった。

さらに、このヒータ部材８を設けた構成のウェハ保持体１を量産すると、ウェハ載置面３の面内温度差について３℃以下と小さな基準を設定しても、ウェハ保持体１の製造歩留まりが８０％以上と高くなり優れた生産性を示すことが実証された。

また、前記ヒータ部材８と前記ベース部材４との間に熱伝導率の異なる領域を有する介在層６を配置することが好ましい。ヒータ部材８を、板状セラミック体２とベース部材４の間に備えたウェハ保持体１の例を図９に示す。このウェハ保持体１では、板状セラミック体２とヒータ部材８との間の介在層７と、ヒータ部材８とベース部材４との間の介在層６とがそれぞれ配置されている。熱伝導率の異なる領域６ｂ，７ｂを有する介在層６，７として、介在層６および／または介在層７に配設することが考えられるが、ヒータ部材８の熱を強制的に逃がす面の介在層６に熱伝導率の異なる領域６ｂを配置することが好ましい。その理由は、領域６ｂと領域６ａの熱伝導率の差が小さくとも、また、領域６ｂの熱伝導率の大きさが小さくとも、介在層６を流れる熱量が介在層７を流れる熱量より大きいことから領域６ｂと領域６ａとの熱伝導率の差が小さくとも熱量の変化が大きくなるので、ウェハ載置面３の広い範囲の大きな温度差が小さくなるように調整することができるからである。そして、領域７ａと領域７ｂとを設けるよりも、領域６ａと領域６ｂとを設ける方が、介在層６は介在層７より通過する熱量が大きいことから領域７ｂより領域６ｂによるウェハ載置面３内の温度を変化させる効果が大きいので、領域６ｂと領域６ａとの熱伝導率の違いにより、ウェハ載置面３のより大きな温度差をより小さくなるように領域６ｂの作用が効果的に働き、ウェハ載置面３の温度差を小さくすることができることから好ましい。

ヒータ部材８で発生した熱は、ウェハ載置面３を加熱するとともにベース部材４から熱を流出させながらウェハ載置面３の面内温度を調整している。ヒータ部材８と介在層６または介在層７との温度差が大きいほど、介在層６，７を通して流れる熱量は大きくなる。ベース部材８は通常冷却されていることから、ヒータ部材８と介在層７との間に比べ、ヒータ部材８と介在層６との間の温度差が大きくなる。そして、介在層７より介在層６を流れる熱量が大きいことから、介在層７より介在層６に熱伝導率の異なる領域６ｂを設けると熱量の変化が大きく、この影響でウェハ載置面３の温度変化が大きく変わると考えられる。ヒータ部材８との温度差がより大きいのは、介在層７よりも介在層６であることから、介在層６に熱伝導率の異なる領域６ｂを配置した方が、ウェハ載置面３内のより大きな温度差を小さくなるように調整できることから好ましい。

また、介在層６および介在層７の両方に領域６ｂや領域７ｂを備える場合もあるが、介在層６のみに備える場合に比べて領域６ｂ，７ｂの配置が複雑となり調整が難しくなる虞があるとともに、ウェハ保持体１の生産コストが上昇することから、ヒータ部材８とベース部材４の間の介在層６に熱伝導率の異なる領域６ｂを備えることがより好ましい。

また、介在層６，７が接着剤からなることを特徴とすることが好ましい。その理由は、接着剤で介在層６，７を構成すると、板状セラミック体２やヒータ部材８、ベース部材４との密着性が良いことから、板状セラミック体２と介在層７との界面、介在層７とヒータ部材８との界面、ヒータ部材８と介在層６との界面や介在層６とベース部材４との界面に空隙が生じ難いことから、これらの界面での熱伝導率が部分的にばらつく虞がないからである。例えば、介在層６，７をシート状の樹脂で構成したウェハ保持体１に比べ、介在層６，７を接着剤で構成したウェハ保持体１のウェハ載置面３内の温度差は小さくより好ましいことが分かった。介在層６をシート状の樹脂で構成した場合には、板状セラミック体２とベース部材４に挟まれた介在層６はボルト等で機械的に固定されるが、上記板状セラミック体２あるいは上記ベース部材４と上記介在層６との界面に空隙が生じる場合があり、介在層６の面内で熱伝導率が部分的なばらつきを発生してウェハ載置面３の面内温度差が大きくなる虞があるからである。

また、介在層６の熱伝導率の異なる領域６ｂは、ヒータ部材８による加熱時の温度分布に対して、温度が低い部分に対応させて熱伝導率の小さい領域６ｂを配置することが好ましい。ヒータ部材８の低温領域に対向する領域６ｂを通過して、ベース部材４の上面からベース部材４に熱が伝わり上記低温領域の熱が吸収されるが、上記低温領域の温度を低下させないように上記低温領域に対向する介在層６ｂに熱伝導率の小さい領域６ｂを配置することで、上記低温領域の熱の伝達を抑えて温度を高める作用を働かせることができる。そして、ヒータ部材８をウェハ保持体１に組み込んでも低温領域がウェハ載置面３に現れることがなく、ウェハ載置面３の面内温度差を小さくできることから好ましい。

また、図１１に概略断面図で示すように、本発明のウェハ保持体１の介在層６は、ヒータ部材８とベース部材４との間であって周辺部に熱伝導率の小さい領域６ｃを配置することが好ましい。介在層６の周辺に熱伝導率の小さい領域６ｃを配置した場合には、中心部に比べその効果は比較的狭い範囲に作用する。そして、周辺部の場合は、取り囲まれる範囲が中心部に比べて半分以下と狭く、外周への熱の流出が少ないため、ウェハ載置面３の温度を上げる効果がより大きくなる。そして、周辺部に熱伝導率の小さい部材を配置すると、ウェハ載置面３の温度を上昇させる効果がより大きく現れることから周辺部に領域６ｃを配置することがより好ましい。

また、周辺部の環状の領域の全周に熱伝導率の小さい領域６ｃを配置した場合には、ウェハ載置面３の周辺部全周の温度を上昇させる効果があり好ましい。これまでのウェハ保持体１００は、ウェハ載置面３の周辺部はヒータ部材８やウェハの上方のプラズマの中心から距離が大きく離れてことから温度が低くなる傾向があり、ウェハ面内の温度差が大きくなる要因の一つであったが、環状に領域６ｃを配置することでウェハ面内の温度差を小さく改善することができる。

また、領域６ｃはウェハ保持体１の周辺部であるため、ベース部材４とヒータ部材８とを一体化または接着した後、あるいはベース部材４とヒータ部材８と板状セラミック体２とを一体化または接着した後に、介在層６の周辺の一部を低熱伝導部材に置き換えることができる。また、ウェハ載置面３の温度分布を確認しながらウェハ載置面３の面内温度差を小さく均一に調整することが可能であることから、ウェハの面内温度差をさらに小さく調整することができる。

また、熱伝導率の小さい領域６ｂが空隙６ｄであることが好ましい。熱伝導率の小さい領域６ｄを介在層６に配置する場合、ウェハ載置面３の温度差が小さくなるように領域６ｄを配置するのであるが、領域６ｄと領域６ｄを除く介在層６との熱伝導率の差が大きい方が温度差を調整できる範囲が大きい。介在層６としてシリコン樹脂やポリイミド樹脂を用いることが好ましいが、これらの介在層６の領域６ｄに配置する熱伝導率の小さい材料としては上記介在層６との熱伝導率の差が大きい空隙を領域６ｄに用いることで効果的に領域６ｄの作用を発揮することができる。特に、介在層６の周辺に空隙からなる領域６ｄを配置すると、形状保持機能が小さい空隙でも領域６ｄの形状の変化が殆どなく耐久性が優れるとともに、ウェハ載置面３の温度差を補正する作用が大きく好ましい。

また、本発明の介在層６の熱伝導率の異なる領域６ｂは、ヒータ部材８による加熱時の温度分布に対して、温度が高い部分に対応させて熱伝導率の大きい領域６ｂとして配置することが好ましい。ヒータ部材８の面内温度が高い部分に対向してウェハ載置面３に高温部分が発生する虞があるが、ウェハ載置面３の面内において高温となり易い部分に伝わるヒータ部材８からの熱量を低下させることでウェハ載置面３の面内温度差を小さくすることができる。ウェハ載置面３の温度の高い部分やヒータ部材８の温度の高い部分からの発生する熱をベース部材４へより多く伝えることでウェハ載置面３の温度の高い部分の温度を低下させる作用が働き、ウェハ載置面３の面内温度差を小さくすることができる。そしてウェハ載置面３の温度が高い部分に対向させてヒータ部材８とベース部材４との間の介在層６に熱伝導率の大きな領域６ｂを配置することで、ヒータ部材８からの熱をベース部材４へ流しヒータ部材８の温度を低下させることでウェハ載置面３の面内温度差を小さく一定とすることができることから好ましい。

また、本発明のウェハ保持体１は、板状セラミック体２の他方の主面または内部に、ウェハ載置面３にウェハを吸着するための吸着用電極９を備えることが好ましい。ウェハ載置面３にウェハを静電気力により吸着することでウェハ載置面３とウェハとの密着性がよくなり、ウェハ載置面３の熱がより速やかにウェハに伝えられることからウェハ載置面３の温度分布がそのままウェハ表面の温度分布に反映されてウェハ面内の温度差がより小さくなり好ましい。

次に、本発明のウェハ保持体１の製造方法について、図９に示すウェハ保持体１を例に説明する。本発明のウェハ保持体１は、上面をウェハ載置面３とした板状セラミック体２と、板状セラミック体２を下面側から冷却するベース部材４と、板状セラミック体２とベース部材４との間に配置され、板状セラミック体２を下面側から加熱する板状のヒータ部材８とを準備する工程と、ヒータ部材８を加熱状態にして温度分布を測定する工程と、ヒータ部材８の前記温度分布に対して温度が低い部分に対応させて熱伝導率の小さい領域６ｂを配置するかまたは温度が高い部分に対応させて熱伝導率の大きい領域６ｂを配置した介在層６を介して、ベース部材４の上面にヒータ部材８を配置する工程と、ヒータ部材８の上面に介在層７を介して板状セラミック体２を配置する工程とから製造することができる。

具体的には、吸着用電極９を備えた板状セラミック体２と、板状のヒータ部材８と、冷却通路５を備えたベース部材４とを準備する。次に、上記ベース部材４の表面にシリコンやエポキシ等の接着剤を、スクリーン印刷等により複数回塗布して積層し、加熱硬化させて介在層６を形成する。そして、ヒータ部材８単体で発熱させてから表面の温度分布を測定して、温度の高い部分に対向して介在層６の一部をカッターナイフ等の工具を用いて切り取る。介在層６ａよりも熱伝導率の小さいシリコンやエポキシ等の接着剤、或いはシート状の樹脂等を上記切り取った部分に配置する。この部分は熱伝導率の異なる領域６ｂとなる。領域６ｂは熱伝導率の小さな部材を充填したが、ウェハ載置面３の変形等の虞がなければ空隙のままで使用することもできる。次に、介在層６の上面に介在層６ａと同じシリコンやエポキシ等の接着剤をスクリーン印刷等により塗布してもよい。次に、上記介在層６の上にヒータ部材８を減圧下で接着する。減圧下で接着するのは接着界面の空隙を防ぎ、熱伝導のバラツキを防ぐためである。ヒータ部材８の上表面にシリコン接着剤を、スクリーン印刷等により均一に塗布し介在層７とする。更に、上記介在層７の上に吸着用電極９を備えた板状セラミック体２を接着してウェハ保持体１を作製することができる。

また、作製したウェハ保持体１の介在層６の周辺部を調整することでウェハ載置面３の面内温度差をさらに小さくすることができる。介在層６の周辺部を調整する方法について以下に述べる。先ず、ベース部材４の冷却通路５に冷却媒体を流しながらヒータ部材８に通電し加熱する。そして、ウェハ載置面３の温度分布をサーモビュアにて観察しながら、ウェハ載置面３の平均温度が例えば６０℃になるようにヒータ部材８にかける電圧を調整する。その後、ウェハ載置面３の面内温度を測定する。ウェハ載置面３の外周部の一部が温度が低い場合には、対向する介在層６の周辺部の領域の一部分を、カッターナイフ等の工具を用いて切り取る。そして、再びウェハ載置面３の温度分布をサーモビュアにて同様に測定する。ウェハ載置面３の温度の低い部分に対向して介在層６に熱伝導率の小さい領域６ｃ、６ｄを形成することでウェハ載置面３の面内温度差を小さくなるように調整することができる。

また、本実施形態では、ヒータ部材８を内在するものについて説明したが、ヒータ部材８を内在していない場合についても同様の効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について示したが、本発明は前述した実施形態だけに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で改良や変更したものにも適用することができることは言うまでもない。

ここで、図１に示す本発明のウェハ保持体１と図１５に示す従来のウェハ保持体１００をそれぞれ各１０個作製し実験グループＮｏ．１とＮｏ．２とした。そして、それぞれのウェハ載置面３の温度分布を測定した。

板状セラミック体２は、板厚が２ｍｍで直径２００ｍｍの窒化アルミニウム質焼結体を用いた。そして、この板状セラミック体２の一方の表面にメッキ法によりＮｉからなる一対の吸着用電極９を形成した。また、図２のような冷却通路５を形成したアルミニウム製のベース部材４を準備した。

板状セラミック体２およびベース部材４は、実験グループＮｏ．１，２ともに同じものを使用した。

また、熱伝導率が０．５３Ｗ/（ｍ・Ｋ）のシリコンシートＡと、シリコンシートＡの熱伝導率の約２分の１で、熱伝導率が０．２７Ｗ/（ｍ・Ｋ）のシリコンシートＢを介在層として準備した。

実験グループＮｏ．１の試料Ｎｏ．１０〜１９は、シリコンシートＡを介在層６ａとして、冷却通路５に対抗させて熱伝導率の小さなシリコンシートＢを熱伝導率の小さい領域６ｂとして配置した。

また、実験グループＮｏ．２の試料Ｎｏ．２０〜２９は、シリコンシートＡを介在層６０として配置した。

次に、作製したウェハ保持体の評価方法について説明する。

実験グループＮｏ．１およびＮｏ．２の各ウェハ保持体はランプ加熱によってウェハ載置面を約６０℃に加熱した。その後、ベース部材４に温度３０℃に制御した冷却水を流し、５秒後のウェハ載置面の温度を測定した。そして、ウェハ載置面の面内温度の最高温度から最低温度を差し引いた値を面内最大温度差とした。測定した結果を表１に示す。

上面をウェハ載置面３とした板状セラミック体２を、この板状セラミック体２を下面側から冷却するベース部材の上面に、熱伝導率の異なる領域を有する介在層を介した実験グループＮｏ．１は、ウェハ載置面３内の面内最大温度差の平均値が２．９℃と実験グループＮｏ．２の３．６℃と比べ小さく、面内最大温度差が３℃以下であった試料は１０個中７個であり、製造歩留まり７０％と優れていることが分かった。これは、介在層６に熱伝導の異なる領域６ｂを配置することで、ウェハ載置面３の局部的な冷却を抑え、ウェハ載置面３の面内温度差を小さくすることができたからである。

一方、実験グループＮｏ．２は、ウェハ載置面３内の面内最大温度差２．７〜４．７℃と大きく、３℃以下であった試料は１０個中４個と少なく製造歩留まり４０％と劣ることが分かった。

次に、板状セラミック体２とベース部材４とは、実施例１と同様なものを使用して板状セラミック体２とベース部材４との間にヒータ部材８を配置した。

そして、板状セラミック体２とヒータ部材８との間に介在層７を配置し、ヒータ部材８とベース部材４の間に介在層６を配置した。介在層６または介在層７のいずれかに熱伝導率の異なる領域６ｂと領域７ｂを配置した。領域６ｂ、７ｂの形状は実施例１と同様に冷却通路５に沿った形状とした。また領域６ｂは実施例１と同様にシリコンシートＢを用い、その他の介在層６ａにはシリコンシートＡを使用した。また、領域７ｂは熱伝導率が１．０６Ｗ／（ｍ・Ｋ）のシリコンシートＣを用いた。

実験グループＮｏ．３の試料Ｎｏ．３０〜３９は、図１０のように介在層７に領域７ｂを配置し介在層６は均一な熱伝導率のシートを用いた。

また、実験グループＮｏ．４の試料Ｎｏ．４０〜４９は、図９のように介在層６に領域６ｂを配置した。

そして実施例１と同様に評価した。実験した結果を表２に示す。

実験グループＮｏ．３は、ウェハ載置面３の面内最大温度差の平均値が２．９℃であり、面内最大温度差が３℃を越える試料は１０個中８個であり製造歩留まり８０％であった。この製造歩留まり８０％は、実験グループＮｏ．１の製造歩留まり７０％より大きく好ましいことが分かった。

実験グループＮｏ．４は、ウェハ載置面３の面内最大温度差の平均値が２．６℃と小さく、それが３℃以下であった試料は１０個中９個でありさらに好ましいことがわかった。

実験グループＮｏ．３に対し実験グループＮｏ．４は、熱伝導の異なる部材を熱源であるヒータ部材８とベース部材４との間に配置したことで、ウェハ載置面３方向へ向かう熱量のコントロールが容易になり、より効率良く面内最大温度差を小さくすることができたと考えられる。

実施例１、２の介在層６，７はシリコンシートを使用したが、本実施例ではシリコンシートをシリコン接着剤に変えて実験を行った。シリコン接着剤からなる介在層６、７を使い作製したウェハ保持体１は、実験グループＮｏ．５とした。そして、実施例２で作製した実験グループＮｏ．４のウェハ支持体１と比較した。

実験グループＮｏ．５の板状セラミック体２およびベース部材４は、実施例１と同様なものを使用した。試料Ｎｏ．５０〜５９は、図９に示す実験グループＮｏ．４の場合と同様な部材の配置とした。介在層６、７は熱伝導率０．５３Ｗ／（ｍ・Ｋ）のシリコン接着剤Ａを使用した。介在層の厚みは実施例１，２と同様に７００μｍとした。また、熱伝導率の小さい領域６ｂには、シリコン接着剤Ａの熱伝導率の約２分の１の０．２７Ｗ/（ｍ・Ｋ）の接着剤Ｂを使用した。

具体的には、図２に示す冷却通路５に対向させて図３の介在層６ａをシリコン接着剤Ａとして介在層６ｂをシリコン接着剤Ｂとした。また、外周部についても、周辺部の環状の領域をシリコン接着剤Ｂと置き換えた。

評価方法は、実施例２と同様に行なった。実験した結果を表３に示す。

実験グループＮｏ．４の面内最大温度差の平均値は、２．６℃に対し、実験グループＮｏ．５の面内最大温度差の平均値が２．３℃と小さく好ましいことが分かった。また、実験グループＮｏ．４は、面内最大温度差が３℃以下である試料が１０個中９個であるのに対し、実験グループＮｏ．５は、面内最大温度差が３℃以下である試料が１０個中１０個の全ての試料で特性が優れていることが分かった。これは、接着剤で介在層６を構成したため、シリコンシートで構成した場合のようなシートの厚みバラツキによる空隙が介在層の境界面に生じることがないからと考えられる。

次に、あらかじめヒータ部材８単体で温度分布を測定した。そして、温度の低い部分に対向する介在層６の一部をシリコン接着剤Ａからシリコン接着剤Ｂに置き換えた。

なお、実験グループＮｏ．６の試料は、図９に示す実験グループＮｏ．５の場合と同様な部材の配置とした。また、熱伝導率の異なる領域６ｂ（シリコン接着剤Ｂ）の配置は、冷却通路とヒータ部材の温度分布を考慮してそれぞれ温度の低い部分に対向する介在層６に熱伝導率の小さい領域を配置した。

評価方法は、実施例２と同様である。実験した結果を表４に示す。

実験グループＮｏ．５と比べ、実験グループＮｏ．６は、面内最大温度差の平均値が２．３℃から１．９℃と小さくなり、且つ面内最大温度差が３℃以下であった試料は１０個中１０個でありさらに好ましいことが分かった。これは、ヒータ部材８の温度分布をあらかじめ個別に確認しておくことで、そのヒータ部材８と組合せる介在層６中に、熱伝導の異なる領域６ｂを配置する位置を、一対一で対比させて、個別に温度調整できるからと考えられる。

次に、実施例４で作製した実験グループＮｏ．６と同様にウェハ保持体１を作製した。そして、ウェハ保持体１の冷却通路に冷却水を流し、ヒータに通電して加熱し、ウェハ載置面３の温度分布をサーモビュアで測定した。そして、ウェハ載置面３の温度の低い周辺部の一部の介在層を外周側から切り取り、そこへ更に熱伝導の低いシリコン接着剤Ｃ（熱伝導率０．１４Ｗ/（ｍ・Ｋ）、）を図１１のように熱伝導の異なる領域６ｃとして埋め込んだ。その大きさは、中心方向に０．２〜１ｍｍの深さとした。

なお、板状セラミック体２およびベース部材４は、実施例１と同様なものを使用した。

評価方法は、実施例２と同様に行なった。その結果を表５に示す。

実験グループＮｏ．６のウェハ載置面３の面内最大温度差の平均値が１．９℃に比べ、実験グループＮｏ．７のそれは、１．６℃と小さく優れていることが分かった。また、何れの試料も面内最大温度差は３℃以下であり製造歩留まりが１００％であり優れていた。これは、ウェハ載置面３の温度分布を確認しながら、介在層６中に熱伝導率の異なる領域６ｃを配置できたからと考えられる。

次に、実施例４の実験グループＮｏ．６と同様にウェハ保持体１を作製した。そして、実施例５と同様に、作製したウェハ保持体１のウェハ載置面３の温度を測定した。そして、ウェハ載置面３の周辺部で温度の低い部分の介在層を切り取った。そして、この切り取った部分を図１２の領域６ｄとしてそのまま利用した。

そして実施例２と同様に評価した。その結果を表６に示す。

図１１で示すような介在層の周辺部の領域６に熱伝導率の小さい接着剤を充填した実験グループＮｏ．７の面内最大温度差１．６℃に対し、図１２に示すように介在層の周辺に空隙を設けた実験グループＮｏ．８の試料の面内最大温度差は１．４℃と最も小さく好ましいことが分かった。

（ａ）は本発明のウェハ保持体の実施の形態の一例を示す概略の斜視図であり、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線概略断面図である。 本発明のウェハ保持体の冷却通路の概略の形状を示す概略上面図である。 本発明の熱伝導率の異なる領域を有する介在層を示す概略上面図である。 本発明の熱伝導率の異なる領域を有する介在層を配置したウェハ載置面の温度分布を示す概略上面図である。 本発明のウェハ保持体の実施の形態の他の例を示す概略断面図である。 本発明のヒータ部材単体の温度分布を示す概略上面図である。 本発明の熱伝導率の異なる領域を有する介在層を示す概略上面図である。 本発明の熱伝導率の異なる領域を配置したウェハ載置面の温度分布示す概略上面図である。 本発明の他のウェハ保持体を示す概略断面図である。 本発明の他のウェハ保持体を示す概略断面図である。 本発明の他のウェハ保持体を示す概略断面図である。 本発明の他のウェハ保持体を示す概略断面図である。 従来のウェハ保持体を示す断面図である。 従来の他のウェハ保持体を示す断面図である。 従来の他のウェハ保持体を示す断面図である。 従来の他のウェハ保持体を示す断面図である。 従来のウェハ保持体の載置面の温度分布を示す概略上面図である。

符号の説明

１：ウェハ保持体
２：板状セラミック体
３：ウェハ載置面
４：ベース部材
５：冷却通路
６：介在層
７ａ：熱伝導率の異なる領域を除く部分の介在層
６ｂ：熱伝導率の異なる領域
６ｃ：熱伝導率の小さい領域
６ｄ：空隙
７：介在層
７ａ：熱伝導率の異なる領域を除く部分の介在層
７ｂ：熱伝導率の異なる領域
８：ヒータ部材
９：吸着用電極
６０：介在層
１００：ウェハ保持体

Claims (5)

1. 上面をウェハ載置面とした板状セラミック体を、該板状セラミック体を下面側から冷却するベース部材の上面に、熱伝導率の異なる領域を有する介在層を介して配置するとともに前記板状セラミック体と前記ベース部材との間に前記板状セラミック体を下面側から加熱する板状のヒータ部材を配置してなるウェハ保持体であって、前記熱伝導率の異なる領域は空隙であり、前記介材層は前記ヒータ部材と前記ベース部材との間であって周辺部に前記空隙を配置したしたことを特徴とするウェハ保持体。
2. 前記ヒータ部材と前記ベース部材との間に前記介在層を配置したことを特徴とする請求項１に記載のウェハ保持体。
3. 前記介在層が接着剤からなることを特徴とする請求項１または２に記載のウェハ保持体。
4. 前記介在層の前記熱伝導率の異なる領域は、前記ヒータ部材による加熱時の温度分布に対して、温度が低い部分に対応させて熱伝導率の小さい領域として配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のウェハ保持体。
5. 前記板状セラミック体の下面または内部に、前記ウェハ載置面にウェハを吸着するための吸着用電極を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のウェハ保持体。

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