JP2003282685A

JP2003282685A - 冷却プレート

Info

Publication number: JP2003282685A
Application number: JP2002088451A
Authority: JP
Inventors: Yasuki Yoshitomi; 靖樹吉富
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】露光処理時などにおいて、ウェハの温度を一
定にして熱歪みを防ぐための排熱性と、高い処理精度を
実現するための高剛性および低熱膨張性をいずれも兼ね
備えるセラミックス製冷却プレートを提供する。【解決手段】本発明の冷却プレートは、ウェハを固定
する真空チャックを保持するための冷却プレートであっ
て、熱伝導率が１０Ｗ／Ｋ・ｍ以上、０℃〜５０℃間の
熱膨張係数が７×１０^-6／℃以下、ヤング率が２００Ｇ
Ｐa以上のセラミックス基材からなり、内部に真空吸引
経路および冷却媒体経路が配設されていることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置に
使用される冷却プレートであって、ウェハを固定する真
空チャックを保持するための冷却プレートに関する。特
に、高熱伝導性、低熱膨張性および高剛性をいずれも兼
ね備えるセラミックス製冷却プレートに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩなどの高集積化に伴い、回路の超
微細化が進められ、その線幅は半導体においては０．１
ミクロンを切るレベルにまで到達しようとしている。半
導体を製造する場合、たとえば、半導体リソグラフィ工
程においては、露光装置によりマスクを介してウェハ上
にパターンを転写形成しているが、回路の超微細化に対
応して高精度なパターンを形成するために、たとえば、
ウェハ載置用真空チャックにおいては、特開平１１−２
０９１７１号公報や特開平１１−３４３１６８号公報に
開示されるように０〜４０℃における熱膨張係数が1×
１０^-6／℃以下である低熱膨張セラミックス基材を使用
することにより、処理中の真空チャックの熱膨張を極力
排除することができ、高精度な微細加工を実現すること
ができる。

【０００３】また、この真空チャックに高剛性の高熱伝
導性材料である炭化ケイ素を使用することにより、処理
中に発生するウェハの熱を真空チャックに速やかに逃が
すことができ、ウェハの熱膨張を低減することができ、
高精度な微細加工が実現可能である。

【０００４】さて、これらの真空チャックを固定保持す
る部材(冷却プレート)は、熱伝導性の良さとコストメリ
ットの点から、鋳鉄などの金属材料を使用し、真空チャ
ックから冷却プレートに熱を逃すことで真空チャックお
よびウェハの温度の均一化が図られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、金属製冷却プ
レートでは、熱膨張係数が極めて高いため、数℃程度の
温度差が生じても、発生する冷却プレートの歪みが無視
できず、冷却プレート上の真空チャックおよびＳｉウェ
ハの精度が低下する。

【０００６】また、真空チャックと冷却プレートとをボ
ルトにより固定をすると、固定部のみが接触し、非固定
部には浮きが生じるため、冷却プレート上の真空チャッ
クおよびＳｉウェハの精度が低下する。

【０００７】また、冷却プレートより真空チャックの方
が高硬度であるため、冷却プレート上の真空チャックの
着脱により、冷却プレートが摩耗し精度が低下し、真空
チャックおよびＳｉウェハの精度も低下する。

【０００８】本発明の課題は、処理中のウェハの温度を
一定にして熱歪みを防ぐための排熱性と、高い処理精度
を実現するための高剛性および低熱膨張性をいずれも兼
ね備えるセラミックス製冷却プレートを提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の冷却プレート
は、ウェハを固定する真空チャックを保持するための冷
却プレートであって、熱伝導率が１０Ｗ／Ｋ・ｍ以上、
０℃〜５０℃間の熱膨張係数が７×１０^-6／℃以下、ヤ
ング率が２００ＧＰａ以上のセラミックス基材からな
り、内部に真空吸引経路および冷却媒体経路が配設され
ていることを特徴とする。

【００１０】冷却プレートは、溝加工を施したセラミッ
クス基材を含む複数のセラミックス基材を積層した状態
で、各基材同士が金属系接合材層または無機系接合材層
を介して接合されることにより、溝加工を施したセラミ
ックス基材との接合面に真空吸引経路または冷却媒体経
路が配設されているものが好ましい。また、セラミック
ス基材は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素および窒
化アルミニウムのうちのいずれか１つを主成分とし、主
成分の含有量が８０質量％以上であることが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】（冷却プレート）本発明の冷却プ
レートは、熱伝導率が１０Ｗ／Ｋ・ｍ以上、０℃〜５０
℃間の熱膨張係数が７×１０^-6／℃以下、ヤング率が２
００ＧＰａ以上のセラミックス基材からなり、内部に真
空吸引経路および冷却媒体経路が配設されていることを
特徴とする。冷却プレートの材料の特性と構造を特定す
ることにより、半導体製造装置における処理時の温度上
昇に対しても冷却プレートの熱膨張を抑え、ウェハの温
度を一定に保ち、回路の微細化への対応が可能となる。

【００１２】図１に示すように、本発明の冷却プレート
１は、ウェハ３を固定する真空チャック２に接合し、真
空チャック２を保持する。冷却プレート１の内部には、
真空吸引経路１２および冷却媒体経路１１が配設されて
いる。冷却媒体は、図１における矢印に示すように、冷
却媒体経路１１の中を流れる。図１に示す例では、冷却
プレート１の上面には多数の凸部１３があり、真空チャ
ック２を保持し、真空吸引経路１２を介して真空吸引す
ることにより真空チャック２を固定する。

【００１３】図２（ａ）に、冷却プレートの平面図を示
す。この例では、冷却プレートの上面には多数の凸部２
３が配設されているが、図２（ｂ）に示すように、真空
吸引経路２２がおよそ同心円状である態様とすることも
できる。本発明の冷却プレートはこれらの態様に限定さ
れるものではない。本発明の冷却プレートは内部に真空
吸引経路２２を有し、真空吸引口２６を介して、冷却プ
レートの上に載せる真空チャックを吸引し固定する。従
来から行なわれているようにボルトにより締結すると、
締結部のみの接触となるため、非締結部に浮きが生じ、
露光精度が低下する。本発明では、真空チャックを真空
吸引により固定するため、接合面に浮きが生じにくく、
冷却プレートの取付け精度が向上し、これに伴い露光精
度が向上する。図１および図２においては、冷却プレー
トの中央部で真空チャックを吸引保持する態様を例示す
るが、本発明はかかる態様に限定されるものではない。

【００１４】また、図１においては、冷却プレートと真
空チャックの外径はほぼ同一径となっているが、真空チ
ャックの固定精度を上げるために冷却プレートの外径を
大きくし、段を付与し、真空チャックをこの段の中に据
え付ける形状としてもよく、また、その逆のはめ込みの
形状としてもよい。

【００１５】２枚のセラミックス基材を積層してなる冷
却プレートを製造する場合に、下側に積層するセラミッ
クス基材（ベース側）の平面図を図３に示す。冷却媒体
は、冷却媒体入口３７から入り、冷却媒体経路３１を通
過して、冷却媒体出口３８から排出される。本発明の冷
却プレートは、内部に冷却媒体経路３１を有するため、
露光処理中に効率的に排熱し、ウェハの温度を一定に
し、熱歪みを抑制することができる。したがって、回路
の微細化に対応することができる。図３の例では、冷却
媒体経路３１はおよそ同心円状をなしているが、他の態
様とすることもできる。また、図１および図３には、冷
却媒体が冷却プレートの中央部から注入され、冷却プレ
ートの周縁部から排出する態様が例示されているが、本
発明の冷却プレートはこれらの態様に限定されるもので
はない。

【００１６】本発明の冷却プレートは、熱伝導率が１０
Ｗ／Ｋ・ｍ以上、０℃〜５０℃間の熱膨張係数が７×１
０^-6／℃以下、ヤング率が２００ＧＰａ以上のセラミッ
クス基材からなる。かかる特性を有するセラミックス基
材からなる冷却プレートは、露光処理に際してウェハの
温度を一定にして熱歪みを防ぐための排熱性と、高い処
理精度を実現するための高剛性と、低熱膨張性と、をい
ずれも兼ね備え、総合的に優れている。

【００１７】熱伝導率は１０Ｗ／Ｋ・ｍ以上であり、１
５Ｗ／Ｋ・ｍ以上が好ましく、２０Ｗ／Ｋ・ｍ以上がよ
り好ましい。熱伝導度が１０Ｗ／Ｋ・ｍ未満であると、
露光処理時の排熱性が不十分になり、ウェハの温度を一
定に保つことができず、熱歪みを抑えることが難しくな
る。

【００１８】０℃〜５０℃間の熱膨張係数は７×１０^-6
／℃以下であり、６．５×１０^-6／℃以下が好ましく、
６×１０^-6／℃以下がより好ましい。０℃〜５０℃間の
熱膨張係数が７×１０^-6／℃より大きいと、露光処理時
に高い精度を必要とする微細回路の製造に十分に対応す
ることができない。

【００１９】ヤング率は２００ＧＰａ以上であり、２５
０ＧＰａ以上が好ましく、３００ＧＰａ以上がより好ま
しい。たとえば露光装置に使用される真空チャックは、
ＸＹ方向にステッピング可能なステージ上に載置され、
ＸＹ方向に移動しながら露光処理がなされる。そのた
め、冷却プレートを構成するセラミックス基材のヤング
率が２００ＧＰａ未満であると、移動時の振動が減衰せ
ず、露光不良が発生しやすい。また、本発明における冷
却プレートは内部に冷却媒体を通過させる構造であるた
め、セラミックス基材のヤング率が２００ＧＰａ未満で
あると、媒体通過により発生する振動を抑えることがで
きずに、露光不良が発生しやすくなる。

【００２０】セラミックス基材の気孔率は、冷却媒体の
洩れなどに支障がない範囲であればよく、たとえば１％
以下が好ましい。

【００２１】このような特性を有するセラミックス基材
としては、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素および窒
化アルミニウムのうちのいずれか１つを主成分とし、主
成分の含有量が８０質量％以上であることが好ましい。
これらの含有量を８０質量％以上とすることにより、熱
伝導率、ヤング率および熱膨張係数に対して、適切な特
性を有する冷却プレートを容易に得ることができる。

【００２２】一方、たとえばジルコニア、石英は、熱伝
導率が１０Ｗ／Ｋ・ｍ未満であり、熱の排出が低いため
好ましくはない。また、たとえばセラミックスではジル
コニア、フォルステライトなど、金属では鋳鉄、アルミ
ニウム、ＳＵＳなどは、０℃〜５０℃間の熱膨張係数が
７×１０^-6／℃より大きく、温度差により発生する熱歪
みにより精度悪化が生じるため好ましくはない。さら
に、たとえばセラミックスでは石英、金属ではアルミニ
ウムなどは、ヤング率が２００ＧＰａ未満であり、剛性
不足による露光精度の悪化が生じるため、好ましくな
い。

【００２３】本発明の冷却プレートは、複数のセラミッ
クス基材を積層することにより形成することができる
が、積層するセラミックス基材は同一種類であっても、
また、異なる種類であってもよい。たとえば、真空チャ
ックを吸引する面となるべき面の材質は熱伝導率が高い
材質とし、真空吸引と関係のない面の材質はヤング率が
高い材質としてもよい。また、熱膨張係数を変えた材質
としてもよい。さらには、体積抵抗率などを変えた材質
としてもよい。

【００２４】（冷却プレートの製造方法）たとえば、ア
ルミナを主成分とする場合には、純度９９〜９９．９９
％、粒径０．１〜２μｍのアルミナ粉末に、焼結助剤と
して粒径１μｍ以下のたとえばＭｇＯ粉末やＳｉＯ₂粉
末などを０〜２０質量％配合する。配合した原料に、有
機バインダを添加し、水を加えた後、ボ−ルミルでスラ
リー化し、スプレードライヤーで造粒（顆粒化）する。
得られた顆粒は、金型またはＣＩＰ（冷間等方圧プレス
成形）により成形し、必要に応じて切削加工を施し、大
気雰囲気中で１３００〜１７００℃の温度で焼結し、焼
結体を得る。

【００２５】また、たとえば、窒化アルミニウムを主成
分とする場合には、純度９９〜９９．９％、平均粒径
０．４〜２μｍの窒化アルミニウム粉末に、Ｙ₂Ｏ₃粉末
とＣａＯ粉末とを、それぞれ０〜４％、０〜３％配合す
る。配合した原料に、有機バインダを添加し、エタノー
ルを加えてボールミルでスラリー化し、スプレードライ
ヤーで造粒（顆粒化）する。得られた顆粒は、金型また
はＣＩＰ(冷間等方圧プレス成形)により成形し、必要に
応じて切削加工を施し、大気雰囲気中で４００〜７００
℃の温度で脱バインダの熱処理をしてから、１７００〜
１９００℃の温度で焼結し、焼結体を得る。

【００２６】基材の焼結の方法については、たとえば、
所定の配合をした原料を所定温度でホットプレス焼成す
る方法、焼成後にＨＩＰ（高温等方加圧焼結）を実施し
てさらに緻密化をはかる方法などがあるが、本発明はこ
れらの方法に限定されるものではない。

【００２７】助剤量は、２０質量％未満とすることが好
ましい。助剤の量が２０質量％以上であると、たとえ
ば、ヤング率、熱伝導率などの特性が不十分になるおそ
れがあるためである。

【００２８】焼結後、接合前に所望の形状に機械加工す
る。機械加工においては、冷却媒体通過部をたとえば溝
形状にして掘り下げたり、真空チャック吸引側の面に吸
引用の溝などを掘り下げるなどの加工を施工する。

【００２９】本発明の冷却プレートは、溝加工を施した
セラミックス基材を含む複数のセラミックス基材を積層
し、各基材同士を金属系接合材層または無機系接合材層
を介して接合することにより、溝加工を施したセラミッ
クス基材との接合面に真空吸引経路または冷却媒体経路
を設ける態様が好ましい。

【００３０】真空吸引経路または冷却媒体経路の形成方
法としては、接合による方法を取ることなく、真空チャ
ックの外周から２本以上の孔を内部で交差するように形
成する方法や、あらかじめ溝加工した基材と溝加工して
いない基材とを積層し、接合することにより形成する方
法がある。形成する経路の形状や大きさを容易に設計す
ることができる点では、後者の接合方法が好ましい。

【００３１】接合することにより真空吸引経路または冷
却媒体経路を形成する方法としては、エポキシ樹脂など
の樹脂接合材により接合する方法と、ガラスなどの無機
系接合材により接合する方法、金属接合材により接合す
る方法の３種類があるが、樹脂接合材による方法は、樹
脂分の経時劣化による接合強度の低下、接合部の剛性低
下、熱抵抗の増大などが生じやすいため、無機系接合材
による方法や金属接合材による方法が好ましい。

【００３２】無機系接合材により接合する方法では、典
型的には、無機系接合材としてガラスが使用される。本
発明による基材は多岐にわたるが、接合用のガラスと基
材の熱膨張差により界面のクラックや剥離を回避するた
め、それぞれの基材の熱膨張係数に応じたガラスを選択
する必要がある。たとえば、セラミックス基材の主成分
がアルミナであれば、ホウケイ酸鉛ガラスなどによる接
合が望ましい。施工温度は６００℃〜９００℃が好まし
い。かかる温度によりガラスの溶融を進行させ、気泡が
排除され、接合後の冷却溶媒のモレを避けることができ
る。また、接合後のガラスの厚さは、接合界面に発生す
る応力緩和の必要性から、５μｍ〜１００μｍが好まし
く、５μｍ〜５０μｍがより好ましい。

【００３３】金属接合方法によるときは、接合材はセラ
ミックス基材の特性に合わせて、たとえば銀を主成分と
するロウ材やチタンを主成分とするロウ材、あるいはア
ルミニウム材などを使用することができる。ロウ材は、
たとえば接合強度や使用する冷却溶媒による耐食性など
を基準として選択することが好ましい。また、接合後の
冷却溶媒のモレは確実に避ける必要があるため、ロウ材
は粒状よりも均一な厚みの箔状で使用することが好まし
い。ロウ材の厚さは１０〜５０μｍが好ましく、１０〜
３０μｍとするのがより好ましい。

【００３４】金属接合における熱処理は、たとえば処理
中の炉内の真空度が１０^-1Ｐａよりも高真空の環境で実
施するのが好ましい。また、処理温度は、たとえばチタ
ンを含有するロウ材であれば７００〜９５０℃が好まし
い。１０^-1Ｐａよりも真空度が低いと、接合部の気泡の
排除が不十分になったり、接合材の酸化により溶融しな
くなるおそれがある。また、処理温度が７００℃よりも
低いと接合材が溶融せず、一方、９５０℃よりも高い
と、接合材の揮発が盛んになり、接合が不十分になる可
能性がある。

【００３５】セラミックス基材の接合後、必要に応じて
仕上げ加工をし、製品化する。特に、真空チャックとの
締結部は真空チャックの精度を確保するため、高精度に
仕上げ加工することが好ましい。また、本発明の冷却プ
レートは、さらに公知の手法により追加改良を加えても
よい。

【００３６】

【実施例】焼結後、表１に示す割合となるように、主材
および、必要に応じて助剤を配合した後、エタノールを
溶媒として使用し、ボールミルで２４時間混合した。得
られた混合物を乾燥した後、表１に示す温度および雰囲
気下で焼結し、セラミックス基材を得た。得られたセラ
ミックス基材の物性を表１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１の結果から明らかなとおり、本発明の
セラミックス基材は、熱伝導率が１０Ｗ／Ｋ・ｍ以上、
０℃〜５０℃間の熱膨張係数が７×１０^-6／℃以下、ヤ
ング率が２００ＧＰａ以上であった。したがって、この
ようなセラミックス基材からなる冷却プレートを使用す
ることにより、露光処理時などの温度上昇に対しても十
分な排熱性を示し、熱膨張を低く抑えて、高精度のウェ
ハの加工を可能とし、回路の微細化にも十分に対応でき
ることがわかった。

【００３９】その後、図１〜図３に示すように、溝加工
などの機械加工をし、表２に示す条件で接合した。接合
後、仕上げ加工をし、冷却プレートを得た。得られた冷
却プレートに３気圧の水を注入したが、水漏れは起こら
なかった。

【００４０】

【表２】

【００４１】今回開示された実施の形態および実施例は
すべての点で例示であって制限的なものではないと考え
られるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではな
くて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と
均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれるこ
とが意図される。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、露光処理時などにおい
て、ウェハの温度を一定にして熱歪みを防ぐための排熱
性と、高い処理精度を実現するための高剛性および低熱
膨張性をいずれも兼ね備えるセラミックス製冷却プレー
トを提供することができる。この冷却プレートは、特
に、露光装置用真空チャック、ウェハ研磨装置用真空チ
ャックなどの真空チャックを保持する冷却プレートとし
て有用であり、半導体製造装置や液晶製造装置に利用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷却プレートと、真空チャックと、
ウェハと、を積層する前の状態を示す断面図である。

【図２】冷却プレートの平面図を示し、（ａ）は、冷
却プレートの上面に多数の凸部が配設されている例を示
し、（ｂ）は、真空吸引経路がおよそ同心円状である例
を示す。

【図３】２枚のセラミックス基材を積層してなる冷却
プレートを製造する場合に、下側に積層するセラミック
ス基材の平面図を示す。

【符号の説明】

１冷却プレート、２真空チャック、３ウェハ、１
１，３１冷却媒体経路、１２，２２真空吸引経路、
１３，２３凸部、２６真空吸引口、３７冷却媒体入
口、３８冷却媒体出口。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウェハを固定する真空チャックを保持す
るための冷却プレートであって、熱伝導率が１０Ｗ／Ｋ
・ｍ以上、０℃〜５０℃間の熱膨張係数が７×１０^-6／
℃以下、ヤング率が２００ＧＰａ以上のセラミックス基
材からなり、内部に真空吸引経路および冷却媒体経路が
配設されている冷却プレート。
【請求項２】溝加工を施したセラミックス基材を含む
複数のセラミックス基材を積層した状態で、各基材同士
が金属系接合材層または無機系接合材層を介して接合さ
れることにより、前記溝加工を施したセラミックス基材
との接合面に真空吸引経路または冷却媒体経路が配設さ
れている請求項１に記載の冷却プレート。
【請求項３】前記セラミックス基材は、アルミナ、炭
化ケイ素、窒化ケイ素および窒化アルミニウムのうちの
いずれか１つを主成分とし、該主成分の含有量が８０質
量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷却
プレート。