半導体装置部品用セラミックヒーター

半導体製造のフロントエンド・オブ・ライン（FEOL）プロセスでは、温度の均一性が製品の歩留まりに重大な影響を与えるため、ウェーハはさまざまな処理ステップを経ますが、特に厳格な要件に従って特定の温度に加熱されます。さらに、半導体装置は真空、プラズマ、化学ガスが存在する環境で動作する必要があるため、セラミック ヒーターの使用が必要になります。 セラミックヒーター 半導体薄膜堆積装置の重要なコンポーネントであり、ウェーハに直接接触するプロセス チャンバーに適用され、安定した均一なプロセス温度を提供し、ウェーハ表面での薄膜形成のための高精度の反応を可能にします。

セラミックヒーターは、高温にさらされるため、通常、主に次のようなセラミック材料を使用します。 窒化アルミニウム（AlN）。これは、窒化アルミニウムが電気絶縁性を有しており、 熱伝導性に優れたセラミック素材。また、熱膨張率がシリコンに近く、耐プラズマ性にも優れているため、半導体装置の部品として最適です。

ヒーターの基本構造

セラミックヒーターは、ウェーハを支持するセラミックベースと、裏面の支持体である円筒形の支持体で構成されています。セラミックス基体の内部または表面には、加熱するための発熱体（発熱層）だけでなく、RF電極（RF層）も存在します。急速加熱・急速冷却を実現するにはセラミックス基体の厚みを薄くする必要がありますが、薄くしすぎると剛性が低下します。の ヒーターの支持体 支持体は通常、ベースと同様の熱膨張係数を持つ材料で作られています。そのため、支持体は窒化アルミニウムで作られることが多いのです。ヒーターは独自のシャフト接合構造を採用し、プラズマや腐食性化学ガスの影響から端子や電線を守ります。支持体には熱伝導のためのガス入口および出口チャネルが装備されており、ヒーター全体に均一な温度分布を確保します。基材と支持体とは、接着層により化学的に結合されている。

セラミックヒーターベースには抵抗発熱体が埋め込まれています。これらの要素は、導体ペースト (タングステン、モリブデン、タンタルなど) をスクリーン印刷法を使用して形成し、スパイラルまたは同心円状の回路パターンを作成します。あるいは、金属ワイヤ、金属メッシュ、または金属箔を使用することもできる。スクリーン印刷法では、同じ形状のセラミック板を2枚用意し、一方の表面に導体ペーストを塗布します。次に、ペーストを焼結して抵抗加熱素子を形成します。次に、2 番目のセラミック プレートを使用して抵抗加熱素子を挟み、ベース内に抵抗素子を埋め込むプロセスが完了します。

プラズマ化学気相成長 (PECVD) 装置を使用して薄膜を作製する場合、膜の均一性と厚さに影響を与える主な要因はプラズマ特性とプロセス温度です。まず、プラズマの密度と分布は膜の均一性と堆積速度に直接影響します。均一に分布したプラズマにより、反応性ガスが基板表面で完全に反応し、均一な膜が形成されます。プラズマ分布の均一性は、ヒーターに埋め込まれた RF メッシュと密接に関係しています。第二に、特定のプロセス温度により優れた熱均一性が保証されます。セラミックヒーターによりウエハ表面温度の変動を±1.0%以内に抑えます。たとえば、日本の日本ガイシが製造するヒーターの温度変動は 0.1% 未満であり、優れた性能指標と考えられています。

セラミックヒーターを製造する場合、次の要件もあります。 高純度の窒化アルミニウム（AlN）素材。組成のわずかな変化により、特定の条件下でヒーターの色が変化する可能性があり、またヒーターの電気的特性も変化する可能性があります。当然、これは結合プラズマの特性にも影響を与えます。さらに、窒化アルミニウム材料の密度、熱伝導率、バルク抵抗率はすべてヒーターの性能に影響します。

文献によると、500°C でのヒーターのバルク抵抗率は 5.0E+9 ～ 1.0E+10 Ω・cm の範囲内である必要があり、600°C ～ 700°C の温度ではバルク抵抗率は1.0E+8～1.0E+9Ω・cmの範囲内。一般的な窒化アルミニウムセラミックヒーターのバルク抵抗率は 500°C から急速に低下する傾向があり、漏れ電流が発生する可能性があります。

市場調査レポートによると、半導体用窒化アルミニウムセラミックヒーターの世界市場規模は2022年に3,300万ドルで、2031年までに7,853万ドルに達すると予想されており、予測期間中の年間平均成長率(CAGR)は10%です。期間。半導体用窒化アルミニウムセラミックヒーターの主なメーカーとしては、日本ガイシ、MiCo Ceramics、Boboo Hi-Tech、AMAT、住友電工、CoorsTek、Semixicon LLC などが挙げられます。 2023年には上位5社で市場シェアの約91.0％を占めた。製品タイプ別では、現在8インチヒーターが市場を独占しており、シェア約45.9％を占めています。用途面では化学気相成長（CVD）装置が主な需要源であり、シェアの約73.7％を占めている。