专利名称：半导体生产系统用的陶瓷加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造设备中用于支持和加热晶片的陶瓷基座(susceptor)，在半导体加工过程中在设备中对晶片实施预定的处理程序。
背景技术：
迄今为止已经提出了各种用于半导体制造设备的陶瓷基座的结构。例如，日本已审查的专利申请公开H06-28258提出装备有陶瓷基座的半导体晶片加热设备，陶瓷基座内置电阻加热元件，被安装在反应室内部，装在基座表面上的柱状支撑构件远离晶片加热面，并在它和反应室之间形成不漏气的密封。
同时为了降低制造成本，晶片正在向更大直径跨度—外径8英寸～12英寸—转化，连同晶片一起，支持晶片的陶瓷基座的直径变为300mm或更大。同时，要求被陶瓷基座加热的晶片表面的等温精度在±1.0％之内，更要求在±0.5％之内。
假定晶片被插到陶瓷基座的位置上，晶片载面和晶片之间出现的间隙使得加热不可能均衡，作为对上述等温特性要求的响应，要求精确加工基座的晶片载面以提高其平面度。然而随着晶片向更大直径跨度的转化，已认识到上述对晶片表面等温质量的要求被证实是有问题的。
专利参考文献1日本专利申请公开H06-28258。
虽然如上述，迄今为止为了改善晶片的等温精度，一直在寻求提高基座晶片载面的平面度。近年来，由于晶片直径不断增大，证明要满足等温质量的要求是很困难的。
例如，正如上述日本专利申请公开H06-28258所述，由于支撑构件被连接到陶瓷基座上，电流流过电阻加热元件产生的热量从基座传导通过支撑构件，并传导出来进入反应室，与其晶片载面相比，基座支撑构件末端的热膨胀系数是小的，基座受到的应力往往会使晶片载面凸起。因此即使在室温精确加工晶片载面以提高其平面度，当在基座上处理晶片时，晶片的表面等温质量没有被提高，因为实际上晶片载面的形状在其高温区域变形为凸起形状，在它和晶片之间产生间隙，使得向晶片热传导的不均衡性增加。
发明内容
考虑到目前的情况，在制造半导体的过程中，晶片是在晶片载面上的高温区域被处理的，本发明的目标之一是提高陶瓷基座晶片载面上高温区域的平面度，提供一种半导体制造设备用的基座，它在加热操作过程中提高了晶片表面的等温质量。
为了达到上述目标，本发明提出的半导体制造设备用的陶瓷基座在其陶瓷基片的表面或陶瓷基片内部装有电阻加热元件，此半导体制造设备用的陶瓷基座的特征是在未加热时，其拱形的晶片载面的凹度为0.001～0.7mm/300mm。
上述本发明的半导体制造设备的陶瓷基座中，陶瓷基片优选地由至少一种选自氮化铝、氮化硅、氮氧化铝和碳化硅的陶瓷制成。
同样，在上述本发明的半导体制造设备的陶瓷基座中，电阻加热元件优选地由至少一种选自钨、钼、铂、钯、银、镍和铬的金属制成。
此外，在中，等离子体电极可安置在用于本发明半导体制造设备的陶瓷基座的陶瓷基片的表面或陶瓷基片的内部。
附图简述
图1是说明本发明陶瓷基座的一个具体实例的剖面示意图；及图2是说明本发明陶瓷基座的另一个具体实例的剖面示意图。
实施本发明的最佳模式作为研究半导体制造设备中陶瓷基座的晶片载面平面度的结果，本发明人发现常规的陶瓷基座的晶片载面在常温下一般是弯曲的状态，其中往往趋向凸起(下文中也称作“正向”)，当电流通过电阻加热元件使温度上升时，杨氏模量降低，正向弯曲变得更大。
为解决此问题，本发明中，通过调整常温下陶瓷基座的弯曲状态，使得晶片载面倾向于凹陷(下文中也将此称作“负向”)，与常规水平比较，有可能在实际处理晶片时提高晶片载面高温区域的平面度。特别是，本发明陶瓷基座的晶片载面在不加热时(常温时)为拱形，沿着晶片载面每300mm长的凹度为0.001～0.7mm。
在实际生产晶片时，基座的高温区域向正向弯曲，从而通过在常温下在陶瓷基座中加工成这种拱形，提高了晶片载面的平面度，并在实际上消除了它和晶片之间的间隙。作为结果，在本发明中对于导热率为100W/mK或更大的陶瓷基座，产生的晶片表面的等温精度可在±5％之内，对于导热率为10～100W/mK的陶瓷基座则在±1.0％之内。
其次，将根据图1和2解释本发明给出的陶瓷基座的具体结构。图1描述的陶瓷基座1装在陶瓷基片2a的一个表面上，陶瓷基片2a带有预定电路图案的电阻加热元件3，以及另外的陶瓷基片2b依靠粘接层4结合到此表面上，粘接层4由玻璃或陶瓷制备。这里，所形成的电阻加热元件3的电路图案为如线宽及线间距为5mm或小于5mm，更优选1mm或小于1mm。
同样，图2描述了陶瓷基座11，在其内部装有电阻加热元件13及同时装有等离子体电极15。特别是，与图1的陶瓷基座1类似，一个表面上装有电阻加热元件13的陶瓷基片12a，通过粘接层4连接到陶瓷基片12b上，但同时装有等离子体电极15的独立的陶瓷基片12c，依靠玻璃或陶瓷制成的粘接层14b连接到陶瓷基片12a的另一个表面上。
应该理解，制造图1和图2表示的陶瓷基座，除了粘接各陶瓷基片的方法外，可制备厚度大约为0.5mm的生片，使用导电糊剂将电阻加热元件的电路图案和/或等离子体电极印刷涂布到各生片上，然后这些生片以及如果需要加上普通生片层压可产生所需要的厚度，同时将它们烧结成整体。
实施方案实施方案1氮化铝(AlN)粉末中加入烧结添加剂和粘结剂，用球磨机将它们分散在氮化铝(AlN)粉末中并与之混合。用喷雾干燥机将其干燥后，此粉末混合物被模压成直径为380mm及厚度为1mm的圆片。得到的模压物在温度为800℃的非氧化气氛中脱脂，然后此模压物在1900℃烧结4小时，生成烧结AlN压块。此AlN烧结物的导热率为170W/mK。打磨烧结AlN压块的圆周表面，使其外径变小到300mm，从而制备了陶瓷基座AlN基片的圆片对。
钨粉末和烧结添加剂与粘结剂捏制混合成糊剂，将糊剂印刷涂布到AlN基片对中第一圆片的表面上，形成预定的加热元件电路图案。将AlN基片在温度800℃的非氧化气氛下脱脂，然后在1700℃温度下烘焙，形成钨制的电阻加热元件。
将Y2O3粘合剂和粘结剂捏制混合成糊剂，此糊剂被印刷涂布到AlN基片对中剩余的第二圆片的表面上，并在温度500℃下脱脂。将此AlN基片第二圆片上的粘合剂层覆盖到第一AlN基片圆片形成电阻加热元件的表面上，在温度800℃加热第一/第二圆片对，使它们粘合在一起，生成AlN制成的陶瓷基座。
此外，管形支撑构件由烧结的AlN材料制成，在冷的等压压机(CIP)上在1吨/cm2的压力下压紧上述喷雾干燥的氮化铝粉末，将其模压成烧结后尺寸为外径100mm、内径90mm及长200mm的压块，此压块在800℃非氧化气氛中脱脂，并在1900℃将它们烘焙4小时生成管形支撑构件。
AlN管形支撑构件的一个端面插入AlN陶瓷基座中心的位置上，在800℃的温度下加热2小时使其热压连接到基座上。在此操作中，在热压接合点形成的时候调整样品支架的弯曲度，使得此接合点形成之后陶瓷基座的初始弯曲度随样品变化，其值在下文表I中列出。
为了评价这样生成的具有图1结构的陶瓷基座，通过一对在基座晶片<p>
这些数据清楚证明，WO 00/28071的“第二个实施方案”所述单独还原步骤的必要性。还原剂的存在干扰用于测定丙酮酸的丙酮酸氧化酶检测系统。因此，这里所列数据确定费时的单独脱机还原步骤在“第二个实施方案”中必需。此外，WO 00/28071所述脱机还原步骤相对本发明可能显著提高测定复杂性和成本。
尽管上述发明通过说明和例子详细描述以使理解透彻，显然可在所附权利要求范围内进行一些变化和修改。因此，发明范围不应参照上面描述确定，而应参照所附权利要求以及它们的等价物的全部范围确定。
本专利申请引用的所有出版物和专利文件全部纳入供参考，在相同程度上用于所有目的，似乎各单独出版物或专利文件被单独地表示。
使用与实施方案1相同的方法，在Si3N4基片对中第一圆片的表面上形成钨制的电阻加热元件。在Si3N4基片对中剩余的第二圆片的表面上形成SiO2粘合剂层，将其覆盖到第一Si3N4基片圆片上形成电阻加热元件的表面上，及在800℃的温度下将它们加热，使第一/第二圆片对结合在一起，由此生成Si3N4制的陶瓷基座。
此外，由烧结Si3N4材料制造管形支撑构件，在CIP中在1吨/cm2的压力下压紧上述喷雾干燥的氮化硅粉末，使其模压成烧结后尺寸为外径100mm、内径90mm及长200mm的压块，此压块在温度为800℃的非氧化气氛中脱脂并在1900℃烘焙4小时，生成管形支撑构件。
Si3N4管形支撑构件的一个端面插入Si3N4陶瓷基座中心的位置上，在800℃的温度下加热2小时使其连接到基座上。在此操作中，当热压接合点形成的时候调整样品支架的弯曲度，使得此接合点形成之后陶瓷基座的初始弯曲度随样品变化，其值在下文表II中列出。
为了评价这样生成的具有图1结构的陶瓷基座，通过一对在基座晶片载面反面一侧的表面上形成的电极，在200V电压下使电流流过电阻加热元件，将基座温度提高到500℃，测量其中晶片载面在500℃的弯曲度。此外将厚度0.8mm及直径300mm的硅晶片放置在陶瓷基座的晶片载面顶上，测量晶片表面的温度分布，就可得到该硅晶片的等温精度。各样品所得到的结果在下文表II中列出。
表II
注解表中星号(*)标记的样品是比较例。
如上述表II指出，对于导热率为20W/mK的氮化硅陶瓷基座，将此基座晶片载面在初始拱形轮廓方面加工成负向的范围为0.001～0.7mm/300mm的凹度，就可得到受欢迎的晶片表面等温精度(在±1.0％之内)。
实施方案3氮氧化铝(AlON)粉末中加入烧结添加剂和粘结剂，用球磨机将它们分散到氮氧化铝(AlON)粉末中并与之混合。用喷雾干燥机干燥后，此粉末混合物被模压成直径为380mm和厚度为1mm的圆片。此模压物在温度为800℃的非氧化气氛下脱脂，然后在1770℃的温度下烧结4小时，生成烧结的AlON压块。烧结AlON压块的导热率为20W/mK。打磨所得到的烧结AlON压块的圆周表面，使得它们的外径变小为300mm，从而制备了陶瓷基座AlON基片的圆片对。
使用与实施方案1相同的方法，在AlON基片对中第一圆片的面上形成钨制的电阻加热元件。在AlON基片对剩余的第二圆片的表面上形成SiO2粘合剂层，将其覆盖到第一AlON基片圆片形成电阻加热元件的表面上，在800℃的温度下将它们加热，使第一/第二圆片对结合在一起，由此生成AlON制的陶瓷基座。
此外，由烧结的AlON材料制造管形支撑构件，在CIP中在1吨/cm2的压力下压紧上述喷雾干燥的氮氧化铝粉末，使其模压成烧结后尺寸是外径100mm、内径90mm及长200mm的压块，此压块在温度为800℃的非氧化气氛中脱脂并在1900℃烘焙4小时，生成管形支撑构件。
将AlON管形支撑构件的一个端面插入AlON陶瓷基座中心的位置，在800℃的温度下加热2小时使其连接到基座上。在如此操作中，当热压接合点形成的时候调整样品支架的弯曲度，使得此接合点形成之后陶瓷基座的初始弯曲度随样品变化，其值在下文表III中列出。
为了评价这样生成的具有图1结构的陶瓷基座，通过一对在基座晶片载面反面一侧的表面上形成的电极，在200V电压下使电流流过电阻加热元件，将基座温度提高到500℃，测量其中晶片载面在500℃的弯曲度。此外将厚度0.8mm及直径300mm的硅晶片放置在陶瓷基座的晶片载面顶上，测量晶片表面的温度分布，就可得到该硅晶片的等温精度。各样品所得到的结果在下文表III中列出。
表III
注解表中星号(*)标记的样品是比较例。
如上述表III指出，对于导热率为20W/mK的氮氧化铝陶瓷基座，将此基座晶片载面在初始拱形轮廓方面加工成负向的范围为0.001～0.7mm/300mm的凹度，就可得到受欢迎的晶片表面等温精度(在±1.0％之内)。
实施方案4用与实施方案1相同的方法制造由烧结的氮化铝材料加工的直径为300mm的陶瓷基座AlN基片的圆片对以及AlN制的管形支撑构件。
其次，使用AlN基片对制作陶瓷基座，安装在AlN基片对中第一圆片表面上的电阻加热元件的材料分别转变为Mo、Pt、Ag-Pd及Ni-Cr，印刷涂布其各自的糊剂并在非氧化气氛中分别烧制成第一圆片的表面。
然后，将SiO2粘接剂涂在AlN基片对中剩余的第二圆片上，并覆盖到第一AlN基片圆片形成电阻加热元件的表面上，以与实施方案1相同的方式生成AlN陶瓷基座，此外还将SiO2粘接剂用到与AlN制成的管形支撑构件结合的接合点上，基座在800℃非氧化气氛中脱脂使得接合点在800℃接合。在如此操作中，在形成接合点的时候调整样品支架的弯曲度，使得此接合点形成之后陶瓷基座的初始弯曲度随样品变化，其值在下文表IV中列出。
为了评价如此生成的电阻加热元件基质不同的陶瓷基座，通过一对在基座晶片载面反面一侧的表面上形成的电极，在200V电压下使电流流过电阻加热元件，将基座温度提高到500℃，测量其中晶片载面在500℃的弯曲度。此外将厚度0.8mm及直径300mm的硅晶片放置在陶瓷基座的晶片载面顶上，测量晶片表面的温度分布，就可得到该硅晶片的等温精度。各样品所得到的结果在下文表IV中列出。
表IV
注解表中星号(*)标记的样品是比较例。
如上述表IV指出，在电阻加热元件是Mo、Pt、Ag-Pd及Ni-Cr的实例中，将此基座晶片载面在初始拱形轮廓方面加工成范围为0.001～0.7mm/300mm的负向凹度，就可在加热操作过程中在晶片表面等温精度方面得到与实施方案1相同的受欢迎的结果。
实施方案5在氮化铝粉末中加入烧结添加剂、粘结剂、分散剂和醇，捏制混合成一种糊剂，该糊剂使用刮涂技术成型制成厚度大约为0.5mm的生片。
然后，生片在80℃干燥5小时后，将钨粉和烧结添加剂和粘结剂捏制混合制成糊剂，将此糊剂印刷涂布到上述单片生片表面上形成给定电路图案的电阻加热元件层。此外，将上述钨糊剂印刷涂布到另一片已经同样干燥过的单片生片表面上，形成等离子体电极层。这两片具有导电层的生片与没有印刷导电层的生片层压成总的50层，此层压制件在140℃的温度及70kg/cm2压力下加热变成一个整体。
在600℃非氧化气氛中5小时脱脂后，所得到的层压制件在100～150kg/cm2压力及1800℃温度下热压，生成厚度3mm的氮化铝平板材料。它被切成直径380mm的圆片，打磨其外圆周使直径变小为300mm，生成图2结构的AlN陶瓷基座，其内部具有电阻加热元件和等离子体电极。
以与实施方案1相同的方法制造AlN管形支撑构件，将其一个端面插入上述陶瓷基座的中心位置。在800℃的温度下加热2小时使其连接到基座上。这里，在接合点形成的时候调整样品支架的弯曲度，使得此接合点形成之后陶瓷基座的初始弯曲度随样品变化，其值在下文表V中列出。
为了评价如此生成的陶瓷基座，通过一对在基座晶片载面反面一侧的表面上形成的电极，在200V电压下使电流流过电阻加热元件，将基座温度提高到500℃，测量其中晶片载面在500℃的弯曲度。此外将厚度0.8mm及直径300mm的硅晶片放置在陶瓷基座的晶片载面顶上，测量晶片表面的温度分布，就可得到该硅晶片的等温精度。各样品所得到的结果在下文表V中列出。
表V
注解表中星号(*)标记的样品是比较例。
如上述表V指出，对于具有电阻加热元件和等离子体电极的陶瓷基座，将此基座晶片载面在初始拱形轮廓方面加工成范围为0.001～0.7mm/300mm的负向凹度，就可在加热操作过程中关于晶片表面等温精度方面得到良好的结果。
工业适用性根据本发明，提高了制造半导体过程中陶瓷基座晶片载面在其处理晶片的高温区域的平面度，此平面度的提高为半导体制造设备提供了基座，这种基座提高了加热操作过程中晶片表面的等温精度。
权利要求
1.用于半导体制造设备的一种陶瓷基座，在其陶瓷基片的表面或内部装有电阻加热元件，这种用于半导体制造设备的陶瓷基座的特征在于，在不加热时，其拱形的晶片载面的凹度为0.001～0.7mm/300mm。
2.权利要求1所述的用于半导体制造设备的陶瓷基座，其特征在于，陶瓷基片由至少一种选自氮化铝、氮化硅、氮氧化铝、和碳化硅的陶瓷制成。
3.权利要求1或2所述的用于半导体制造设备的陶瓷基座，其特征在于，电阻加热元件由至少一种选自钨、钼、铂、钯、银、镍、和铬的金属制成。
4.权利要求1～3中任意一项所述的用于半导体制造设备的陶瓷基座，其特征在于，在陶瓷基片的表面或内部还安置了等离子体电极。
全文摘要
提供了半导体制造设备用的陶瓷基座，其中通过提高基座晶片载面在其高温区域的平面度，提高了加热操作过程中晶片表面的等温质量，在半导体制造过程中是在晶片载面的高温区域处理晶片的。用于半导体制造设备的陶瓷基座1在其陶瓷基片2a和2b的表面或内部有电阻加热元件3，其晶片载面在不加热(常温)时为拱形，拱形凹度为每300mm为0.001～0.7mm。陶瓷基座1还进一步在其陶瓷基片2a和2b的表面或内部配置了等离子体电极。此外，优选陶瓷基片2a和2b至少是一种选自氮化铝、氮化硅、氮氧化铝、和碳化硅的陶瓷。
文档编号H01L21/205GK1613139SQ03801909
公开日2005年5月4日 申请日期2003年3月20日 优先权日2002年10月24日
发明者加智义文, 柊平启, 仲田博彦 申请人:住友电气工业株式会社