專利名稱：半導(dǎo)體生產(chǎn)系統(tǒng)用的陶瓷加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造設(shè)備中用于支持和加熱晶片的陶瓷基座(susceptor)，在半導(dǎo)體制造過程中此設(shè)備對(duì)晶片實(shí)施特殊的處理。
背景技術(shù)：
迄今為止已經(jīng)提出了各種用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的陶瓷基座的結(jié)構(gòu)。例如，日本已審查的專利申請(qǐng)公開H06-28258提出裝備有陶瓷基座的半導(dǎo)體晶片加熱設(shè)備，陶瓷基座內(nèi)置電阻加熱元件，被安裝在反應(yīng)室內(nèi)部，裝在基座表面上的柱狀支撐構(gòu)件遠(yuǎn)離晶片加熱面，并在它和反應(yīng)室之間形成不漏氣的密封。
為了降低制造成本，晶片向更大直徑跨度—外徑8英寸-12英寸—的轉(zhuǎn)化正在進(jìn)行中，造成支持晶片的陶瓷基座的直徑增加到300mm或更大。同時(shí)，要求被陶瓷基座加熱的晶片表面溫度均勻性在±1.0％之內(nèi)，優(yōu)選在±0.5％之內(nèi)。
為了滿足改善溫度均勻性的要求，研究已經(jīng)集中在如何改善陶瓷基座裝備的電阻加熱元件的電路圖案。然而因?yàn)樘沾苫睆降脑黾?，滿足這種改善晶片表面溫度均勻性的要求變得愈加地困難。
專利參考文獻(xiàn)1日本已審查的專利申請(qǐng)公開H06-28258。
如上述，通常改善溫度均勻性努力的方向是改善陶瓷基座中電阻加熱元件的電路圖案，以便均勻地加熱晶片載面。然而，近年來由于晶片直徑的增加，維持整個(gè)晶片表面所需的溫度均勻性就變得愈加困難。
例如，設(shè)計(jì)和安排在陶瓷基座表面或其內(nèi)部形成的電阻加熱元件的圖案，以便能均勻地加熱支撐晶片的表面。另一方面，陶瓷基座本身的形狀設(shè)計(jì)是以下列假設(shè)為基礎(chǔ)制定的即假設(shè)熱傳導(dǎo)沿著圓周方向及來自外圍區(qū)域的熱輻射是均衡的。
在陶瓷基座制造過程中，基座外圍被機(jī)器打磨加工成指定的外徑，這里的問題是規(guī)定的尺寸僅僅是外徑的平均值。這意味隨同向更大直徑晶片的轉(zhuǎn)化，實(shí)踐中基座形狀的不規(guī)則性增加了—包括陶瓷基座外徑更大的波動(dòng)—以及這種不規(guī)則性已經(jīng)變成了改善基座處理的晶片表面溫度均勻性的障礙。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到目前的這種情況，本發(fā)明的目標(biāo)是制造半導(dǎo)體制造設(shè)備中有用的陶瓷基座，通過控制陶瓷基座形狀—特別是外徑隨基座厚度的波動(dòng)—的不規(guī)則性，使用這種基座使得晶片表面溫度的均勻性得以提高。
為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，本發(fā)明給半導(dǎo)體制造設(shè)備提供的陶瓷基座在其陶瓷基片的表面或內(nèi)部有電阻加熱元件，此陶瓷基座的特征是不加熱時(shí)基座沿厚度的最大外徑和最小外徑之差，是沿基座晶片載面?zhèn)鹊钠骄鈴降?.8％或更小。
本發(fā)明上述半導(dǎo)體制造設(shè)備用陶瓷基座中的陶瓷基片，優(yōu)選地是由至少一種選自氮化鋁、氮化硅、氮氧化鋁、及碳化硅的陶瓷制備的。
此外，本發(fā)明上述半導(dǎo)體制造設(shè)備用陶瓷基座中的電阻加熱元件優(yōu)選地由至少一種選自鎢、鉬、鉑、鈀、銀、鎳和鉻的金屬制成可進(jìn)一步在本發(fā)明用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的陶瓷基座中陶瓷基片的表面或內(nèi)部另外安裝等離子體電極。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是說明本發(fā)明陶瓷基座一個(gè)具體實(shí)例的截面示意圖；及圖2是說明本發(fā)明陶瓷基座另一個(gè)具體實(shí)施例的截面示意圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模式研究陶瓷基座本身形狀是約束改善晶片表面溫度均勻性的一個(gè)因素，本發(fā)明者將研究集中在外徑沿著陶瓷基座厚度的不規(guī)則性方面。更具體而言，本發(fā)明者認(rèn)識(shí)到盡管對(duì)于半導(dǎo)體制造設(shè)備用的陶瓷基座通常僅僅規(guī)定平均外徑，但如果基座被制造成橢圓形，其長(zhǎng)軸和短軸之差，及基座圓周表面垂直度方面發(fā)生的外徑沿基座厚度的不規(guī)則性，都會(huì)相當(dāng)?shù)赜绊懢砻鏈囟染鶆蛐浴?br> 在陶瓷基座的實(shí)際制造中，外徑沿厚度的波動(dòng)有變大的傾向。因?yàn)槊繂挝幻娣e的熱輻射是常數(shù)，在基座外徑較大的部分—即外圍單位面積較大的部分—輻射熱的量將較大；相反在基座外徑較小的部分，輻射熱的量也將較小。在陶瓷基座外徑較小的部分熱發(fā)射較小，及在外徑較大的部分熱發(fā)射也較大，這引起了基座溫度的不均衡，對(duì)直徑更大的陶瓷基座有明顯的影響，這是不能忽視的。
在致力于此項(xiàng)研究中，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)使得陶瓷基座在不加熱時(shí)(即在正常溫度下)，沿厚度的最大外徑和最小外徑之差為沿晶片載面平均外徑的0.8％或更小，在晶片加熱處理過程中晶片表面的溫度均勻性可改進(jìn)到±1.0％或更好。
更具體而言，讓D平均表示陶瓷基座晶片載面的平均外徑，D最大和D最小為基座任意平面上沿著厚度的最大外徑和最小外徑，則外徑波動(dòng)參數(shù)Dp被定義為Dp＝(D最大-D最小)/D平均。這樣通過控制外徑波動(dòng)參數(shù)Dp到0.8％或更小，可使得晶片表面的溫度均勻性對(duì)于導(dǎo)熱率為100W/mK或更大的陶瓷基座在±0.5％之內(nèi)，及對(duì)于導(dǎo)熱率為10-100W/mK的陶瓷基座在±1.0％之內(nèi)。
下文將參考圖1和圖2說明本發(fā)明陶瓷基座的具體結(jié)構(gòu)。圖1出示的陶瓷基座1在其陶瓷基片2a的一個(gè)表面上裝備有預(yù)定電路圖案的電阻加熱元件3，及在陶瓷基片2a的同一表面上依靠玻璃或陶瓷的粘合劑層4粘結(jié)另一片陶瓷基片2b。這里，限定電阻加熱元件3的電路圖案，使其線路寬和線路間距為例如5mm或更小，更優(yōu)選1mm或更小。
圖2出示的陶瓷基座11裝有內(nèi)置的電阻加熱元件13和等離子體電極15。更具體而言，一片表面上有電阻加熱元件13的陶瓷基片12a，與圖1出示的陶瓷基座類似，通過粘合劑層14a與陶瓷基片12b粘結(jié)，同時(shí)另一片裝有等離子體電極15的陶瓷基片12c依靠玻璃或陶瓷的粘合劑層14b粘結(jié)到陶瓷基片12a的另外一面上。
應(yīng)該理解，代替粘接各陶瓷基片制造陶瓷基座的方法，可選擇通過制備厚度大約為0.5mm的生片，使用導(dǎo)電糊劑將電阻加熱元件的電路圖案和/或等離子體電極印刷涂布到各自的生片上，然后這些生片以及如果需要加上其他生片一起層壓達(dá)到所需要的厚度，然后同時(shí)將此多層生片燒結(jié)成整體，來制造圖1和圖2所示的陶瓷基座。
實(shí)施方案實(shí)施方案1氮化鋁(AlN)粉末中加入燒結(jié)添加劑和粘結(jié)劑，用球磨機(jī)將它們分散在氮化鋁(AlN)粉末中并與之混合。用噴霧干燥機(jī)將其干燥后，此粉末混合物被模壓成厚度為1mm及直徑為380mm的圓片。模壓的圓片在溫度為800℃的非氧化氣氛中脫脂，然后此模壓物在1900℃燒結(jié)4小時(shí)，生成燒結(jié)的AlN壓塊。所生成的AlN燒結(jié)物的導(dǎo)熱率為170W/mK。然后各燒結(jié)的AlN壓塊的圓周表面被磨削到其外徑為300mm，這樣為每個(gè)陶瓷基座制備兩片AlN基片。
鎢粉末和燒結(jié)添加劑與粘結(jié)劑一起捏制成糊劑，將糊劑印刷涂布到這些AlN基片中一片的表面上，形成電阻加熱元件專門的電路圖案。此AlN基片在溫度800℃的非氧化氣氛下脫脂，然后在1700℃溫度下烘焙，形成鎢電阻加熱元件。將Y2O3粘合劑和粘結(jié)劑捏制混合成糊劑，此糊劑被印刷涂布到剩余的AlN基片表面上，然后在溫度500℃下脫脂。然后將此AlN基片的粘合劑層覆蓋到上述形成電阻加熱元件的AlN基片的表面上，這些基片在800℃溫度下加熱粘合在一起，從而生成AlN陶瓷基座。
粘結(jié)生成的陶瓷基座的圓周表面被再一次打磨，以便得到正常溫度下預(yù)定的外徑波動(dòng)參數(shù)Dp。如上所述，制備了七個(gè)具有圖1表示的結(jié)構(gòu)的陶瓷基座樣品，表I表明了它們外徑波動(dòng)參數(shù)Dp的變化。
這里將理解外徑波動(dòng)參數(shù)Dp的定義是Dp＝(D最大-D最小)/D平均，其中分別是D平均表示陶瓷基座晶片載面外徑的平均值；D最大表示任意平面中沿厚度的最大外徑；及D最小表示任意平面中沿厚度的最小外徑(下文所有實(shí)施方案都如此)。
然后，通過基座與晶片載面相反的表面上形成的兩個(gè)電極，在200V電壓下使電流流過電阻加熱元件，將這樣生成的各基座樣品的溫度上升到500℃。這時(shí)將0.8mm厚、直徑300mm的硅晶片放到陶瓷基座的晶片載面上，測(cè)量晶片表面的溫度分布以得到溫度的均勻性，各樣品所得結(jié)果在表I中列出。
表I

注解表中星號(hào)(*)標(biāo)記的樣品是比較例。
由表I列出的結(jié)果將可理解，使AlN陶瓷基座沿厚度的最大外徑和最小外徑之差為晶片載面平均外徑的0.8％或更小時(shí)，可使得晶片加熱時(shí)晶片表面的溫度均勻性在±0.5％之內(nèi)。
實(shí)施方案2氮化硅(Si3N4)粉末中加入燒結(jié)添加劑和粘結(jié)劑，用球磨機(jī)將它們分散在氮化硅(Si3N4)粉末中并與之混合。用噴霧干燥機(jī)干燥后，此粉末混合物被模壓成為1mm厚和直徑為380mm的圓片。此模壓圓片在溫度為800℃的非氧化氣氛下脫脂，然后在1550℃的溫度下燒結(jié)4小時(shí)，生成燒結(jié)Si3N4壓塊。所生成的Si3N4燒結(jié)塊的導(dǎo)熱率為20W/mK。然后打磨各燒結(jié)Si3N4壓塊的圓周表面，使其外徑為300mm，這樣為每個(gè)陶瓷基座制備兩片Si3N4基片。
鎢粉末和燒結(jié)添加劑與粘結(jié)劑一起捏制成糊劑，然后將糊劑印刷涂布到上述Si3N4基片中一片的表面上。此Si3N4基片在溫度800℃的非氧化氣氛下脫脂，然后在1650℃溫度下烘焙，形成鎢電阻加熱元件。在剩余的Si3N4基片表面上形成一層SiO2粘合劑層，然后在溫度500℃下脫脂。然后將此Si3N4基片的粘合劑層覆蓋到上述形成電阻加熱元件的Si3N4基片的表面上，這些基片在800℃溫度下加熱粘合在一起，從而生成Si3N4陶瓷基座。
粘結(jié)生成的陶瓷基座的圓周表面被再一次打磨，以便得到正常溫度下預(yù)定的外徑波動(dòng)參數(shù)Dp。如上所述，制備了具有圖1表示的結(jié)構(gòu)的陶瓷基座樣品，表II表明了它們外徑波動(dòng)參數(shù)Dp的變化。
然后，通過基座中與晶片載面相反的表面上形成的兩個(gè)電極，在200V電壓下使電流流過電阻加熱元件，將這樣生成的各基座樣品的溫度上升到500℃。這時(shí)測(cè)量放在陶瓷基座晶片載面上的0.8mm厚、直徑300mm的硅晶片表面的溫度分布，以得到溫度的均勻性，各樣品所得結(jié)果在表II中列出。
表II

注解表中星號(hào)(*)標(biāo)記的樣品是比較例。
由表II列出的結(jié)果可理解，導(dǎo)熱率為20W/mK的氮化硅陶瓷基座中，使沿厚度的最大外徑和最小外徑之差為晶片載面平均外徑的0.8％或更小，就可得到廣受歡迎的晶片表面±1.0％之內(nèi)的溫度均勻性。
實(shí)施方案3
氮氧化鋁(AlON)粉末中加入燒結(jié)添加劑和粘結(jié)劑，用球磨機(jī)將它們分散到氮氧化鋁(AlON)粉末中并與之混合。用噴霧干燥機(jī)干燥后，此粉末混合物被模壓成1mm厚和直徑為380mm的圓片。此模壓的圓片在溫度為800℃的非氧化氣氛下脫脂，然后在1770℃的溫度下燒結(jié)4小時(shí)，生成燒結(jié)AlON壓塊。所生成的AlON燒結(jié)塊的導(dǎo)熱率為20W/mK。然后將各燒結(jié)的AlON壓塊的圓周表面打磨成外徑為300mm，為每個(gè)陶瓷基座制備兩片AlON基片。
鎢粉末和燒結(jié)添加劑與粘結(jié)劑一起捏制成糊劑，將糊劑印刷涂布到上述AlON基片中一片的表面上，形成加熱元件預(yù)定的電路圖案。然后此AlON基片在溫度為800℃的非氧化氣氛下脫脂，并在1700℃溫度下烘焙，生成鎢電阻加熱元件。將Y2O3粘合劑和粘結(jié)劑捏制成的糊劑印刷涂布到剩余AlON基片的表面上，然后在溫度500℃下脫脂。然后將此AlON基片的粘合劑層覆蓋到上述形成電阻加熱元件的AlON基片的表面上，這些基片在800℃溫度下加熱粘合在一起，從而生成AlON陶瓷基座。
粘結(jié)生成的陶瓷基座的圓周表面被再一次打磨，以便得到正常溫度下預(yù)定的外徑波動(dòng)參數(shù)Dp。如上所述，制備了具有圖1表示的結(jié)構(gòu)的陶瓷基座樣品，表III表明了它們外徑波動(dòng)參數(shù)Dp的變化。
然后，通過基座中與晶片載面相反的表面上形成的兩個(gè)電極，在200V電壓下使電流流過電阻加熱元件，將這樣生成的各基座樣品的溫度上升到500℃。這時(shí)測(cè)量放在陶瓷基座晶片載面上的0.8mm厚、直徑300mm的硅晶片表面的溫度分布，以得到溫度的均勻性，各樣品所得結(jié)果集中在表III中列出。
表III

注解表中星號(hào)(*)標(biāo)記的樣品是比較例。
由表III列出的結(jié)果可理解，導(dǎo)熱率為20W/mK的氮氧化鋁陶瓷基座中，通過使沿厚度的最大外徑和最小外徑之差為晶片載面平均外徑的0.8％或更小，就可得到廣受歡迎的晶片表面±1.0％之內(nèi)的溫度均勻性。
實(shí)施方案4用與第一個(gè)實(shí)施方案所述相同的方法，由燒結(jié)的氮化鋁材料制備陶瓷基座外徑300mm的AlN基片對(duì)。使用這些AlN基片對(duì)制造陶瓷基座樣品時(shí)，將在一個(gè)AlN基片表面上形成的電阻加熱元件的原料變更為Mo、Pt、Ag-Pd、和Ni-Cr。這些原料的糊劑被印刷涂布到各對(duì)AlN基片中的一片基片上，并在非氧化氣氛下燒制這些基片。
將SiO2玻璃粘合劑涂布到各基片對(duì)中剩余的AlN基片表面上，這些基片在800℃非氧化氣氛下脫脂。然后將此AlN基片的玻璃粘合劑層覆蓋到上述形成電阻加熱元件的AlN基片的表面上，以及此基片對(duì)在800℃溫度下加熱粘合在一起生成AlN陶瓷基座。
所得各陶瓷基座樣品的圓周表面被再一次打磨，以便得到正常溫度下預(yù)定的外徑波動(dòng)參數(shù)Dp。如上所述，制備了具有圖1表示的結(jié)構(gòu)的陶瓷基座樣品，表IV表明了它們外徑波動(dòng)參數(shù)Dp的變化。
然后，通過基座中與晶片載面相反的表面上形成的兩個(gè)電極，在200V電壓下使電流流過電阻加熱元件，將這樣生成的各基座樣品的溫度上升到500℃。這時(shí)測(cè)量放在陶瓷基座晶片載面上0.8mm厚、直徑300mm的硅晶片表面的溫度分布，以得到溫度的均勻性，各樣品所得結(jié)果集中在表IV中列出。
表IV

注解表中星號(hào)(*)標(biāo)記的樣品是比較例。
由表IV列出的結(jié)果可理解，無論是否由實(shí)施方案1中的鎢或這里的Mo、Pt、Ag-Pd、或Ni-Cr來制造電阻加熱元件，通過使沿厚度的最大外徑和最小外徑之差為晶片載面平均外徑的0.8％或更小，就可在晶片加熱時(shí)使晶片表面具有良好的溫度均勻性。
實(shí)施方案5在氮化鋁粉末中加入燒結(jié)添加劑、粘結(jié)劑、分散劑和醇，捏制混合成一種糊劑，該糊劑經(jīng)受刮涂技術(shù)成型生成大約為0.5mm厚的多層生片。
然后，生片在80℃干燥5小時(shí)。將鎢粉及燒結(jié)添加劑和粘結(jié)劑一起捏制成的糊劑，印刷涂布到上述一單片生片表面上形成預(yù)定電路圖案的電阻加熱元件層。同樣干燥第二片生片，將同樣的鎢糊劑印刷涂布到它的表面上形成等離子體電極層。然后這兩片各具有導(dǎo)電層的生片與同樣干燥但沒有印刷導(dǎo)電層的生片層壓成總的50層，此層壓制品在140℃的溫度及施加70kg/cm2壓力下加熱變成整體。
所得到的層壓制品在600℃的非氧化氣氛中脫脂5小時(shí)，然后在1800℃溫度通過施加100-150kg/cm2壓力熱壓，從而生成3mm厚的AlN平片。然后這些平片被切成直徑380mm的圓片。打磨各圓片的外圓周使其直徑為300mm，生成圖2結(jié)構(gòu)的陶瓷基座，其內(nèi)部具有鎢制的電阻加熱元件和等離子體電極。
然后打磨所得到的陶瓷基座的圓周表面，以便得到正常溫度下預(yù)定的外徑波動(dòng)參數(shù)Dp。如上所述，制備了具有圖2表示結(jié)構(gòu)的陶瓷基座樣品，表V表明了它們外徑波動(dòng)參數(shù)Dp的變化。
然后，通過基座中與晶片載面相反的表面上形成的兩個(gè)電極，在200V電壓下使電流流過電阻加熱元件，將這樣生成的各基座樣品的溫度上升到500℃。這時(shí)測(cè)量放在陶瓷基座晶片載面上0.8mm厚、直徑300mm的硅晶片的表面溫度分布，以得到溫度的均勻性，各樣品所得結(jié)果集中在表V中列出。
表V

注解表中星號(hào)(*)標(biāo)記的樣品是比較例。
由表V列出的結(jié)果可理解，對(duì)于具有內(nèi)置電阻加熱元件和等離子體電極的陶瓷基座，通過使沿厚度的最大外徑和最小外徑之差為基座晶片載面平均外徑的0.8％或更小，也可得到晶片加熱時(shí)良好的晶片表面的溫度均勻性。
工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明，控制正常溫度下陶瓷基座外徑沿著厚度的波動(dòng)性，可為半導(dǎo)體制造設(shè)備提供一種陶瓷基座，它提高了加熱操作過程中晶片表面的溫度均勻性。
權(quán)利要求
1.一種用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的陶瓷基座，在其陶瓷基片的表面或內(nèi)部裝有電阻加熱元件，這種用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的陶瓷基座的特征在于，在不加熱時(shí)，沿基座厚度的最大外徑和最小外徑之差為沿基座晶片載面的平均外徑的0.8％或更小。
2.權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的陶瓷基座，其特征在于，陶瓷基片由至少一種選自氮化鋁、氮化硅、氮氧化鋁、和碳化硅的陶瓷制成。
3.權(quán)利要求1或2所述的用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的陶瓷基座，其特征在于，電阻加熱元件由至少一種選自鎢、鋁、鉑、鈀、銀、鎳、和鉻的金屬制成。
4.權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的陶瓷基座，其特征在于，在陶瓷基片的表面或內(nèi)部還安置了等離子體電極。
全文摘要
提供了一種用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的陶瓷基座，其中通過控制基座形狀——特別是正常溫度下外徑沿著厚度——的波動(dòng)，提高了在加熱操作過程中晶片表面的溫度均勻性。這種用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的陶瓷基座(1)，在其陶瓷基片(2a)、(2b)的表面或內(nèi)部有電阻加熱元件(3)。不加熱時(shí)陶瓷基座沿厚度的最大外徑和最小外徑之差為沿晶片載面的平均直徑的0.8％或更小。陶瓷基座(1)還可在其陶瓷基片(2a)、(2b)的表面或內(nèi)部安排等離子體電極。陶瓷基片(2a)、(2b)優(yōu)選由至少一種選自氮化鋁、氮化硅、氮氧化鋁、和碳化硅的陶瓷制造。
文檔編號(hào)H05B3/74GK1613274SQ0380191
公開日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2003年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月24日
發(fā)明者加智義文, 柊平啟, 仲田博彥 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社