JP5557164B2 - 静電チャック - Google Patents
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Description
これに対し、接合剤の熱伝導率を高めるため、熱伝導フィラーを接合剤に混合分散させた構造が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
例えば、セラミック誘電体とセラミック基板とは、その間に接合剤を介在させて、接合剤をホットプレスによって硬化させて接着する。この際、無定形フィラーの大きさにばらつきがあると、接合剤の厚さは無定形フィラーの大きさで決定されてしまう。
特に、大きい形状の無定形フィラーが存在すると、ホットプレス硬化時には、この無定形フィラーに圧力が集中し、無定形フィラーが当接するセラミック誘電体に過剰な応力が印加される。その結果、セラミック誘電体側にクラックが発生する場合がある。
本発明の課題は、接合剤が薄く、高い熱伝導率を有し、かつ、静電チャックの構成部品にクラックが発生し難い静電チャックを提供することである。
また、第1の球形フィラーおよび第1の無定形フィラーは、無機材料のため、それぞれの大きさ(例えば、径)を制御し易い。このため、第1の接合剤の第1の主剤との混合分散が容易になる。第1の接合剤の第1の主剤、第1の無定形フィラー、および第1の球形フィラーは電気絶縁性材料であるため、電極周囲の電気絶縁性が確保できる。
さらに、第1の球形フィラーの平均直径は、全ての第1の無定形フィラーの短径の最大値よりも大きい。このため、第1の球形フィラーによって第1の接合剤の厚さを第1の球形フィラーの平均直径と同じか、もしくは平均直径よりも大きく制御することができる。これにより、第1の接合剤のホットプレス硬化時には、無定形フィラーによってセラミック誘電体に局部的な応力が印加されず、セラミック誘電体のクラック発生を防止することができる。
また、第1の接合剤の上下に位置するセラミック基板とセラミック誘電体の平面度、厚みのばらつきが10μm以下(例えば、5μm)である場合、第1の球形フィラーの平均直径を第1の無定形フィラーの短径の最大値よりも10μm以上にするここで、セラミック基板およびセラミック誘電体の表面凹凸を第1の接合剤によって吸収(緩和)することができる。
さらに、セラミック基板の表面に設けられた電極の平面度、厚みのばらつきが10μm以下(例えば、5μm)である場合、第1の球形フィラーの平均直径が第1の無定形フィラーの短径の最大値よりも10μm以上にすることで、電極の表面凹凸を第1の接合剤によって吸収(緩和)することができる。この場合、第1の球形フィラーは、セラミック基板、セラミック誘電体に接触せず、電極の表面に当接する。このため、セラミック誘電体のクラック発生を抑制することができる。
また、その体積濃度(vol%)を42.0vol%未満とすることで、第1の球形フィラーを、第1の無定形フィラーを含有させた第1の接合剤内で充分に攪拌することができる。すなわち、体積濃度(vol%)が42.0vol%未満であれば、第1の無定形フィラーを含有させた第1の接合剤内での第1の球形フィラーの分散が均一になる。
このように、各目的に合致したより良い材質を選択することで、より高いパフォーマンスを得ることができる。
第1の球形フィラーの熱伝導率を、第1の無定形フィラーと第1の主剤との混合物の熱伝導率の0.4倍未満とすると、第1の球形フィラーおよびその周辺の第1の接合剤の熱伝導率が低くなる。その結果、セラミック誘電体および被吸着物である被処理基板に熱流束を与えた際、第1の接合剤内にホットスポットが生じる。
第1の球形フィラーの熱伝導率を、第1の無定形フィラーと第1の主剤との混合物の熱伝導率の1.0倍より大きくすると、第1の球形フィラーおよびその周辺の第1の接合剤の熱伝導率が高くなる。その結果、セラミック誘電体および被吸着物である被処理基板に熱流束を与えた際、第1の接合剤内にコールドスポットを生じる。
また、セラミック基板に温調部(温調プレート)を接着することにより、セラミック基板の剛性が増加する。また、セラミック誘電体を加工するときには、セラミック誘電体の割れ発生を防止できる。第2の接合剤には、球形フィラーが分散配合されることで、均一な厚さでセラミック基板を保持固定できる。その結果、セラミック誘電体に加工を施しても、セラミック誘電体の割れ発生を防止できる。
また、温調部が金属製の場合には、温調部の線膨張係数がセラミック基板の線膨張係数よりも大きくなる。第2の球形フィラーの平均直径を第1の球形フィラーの平均直径よりも大きくすることにより、第2の接合剤の厚みは、第1の接合剤の厚みよりも厚くなる。これにより、セラミック基板と温調部との間の熱膨張収縮差が第2の接合剤内で吸収され易くなり、セラミック基板の変形や、セラミック基板と温調部との剥離が生じ難くなる。
(セラミック基板、セラミック誘電体)
セラミック基板(支持基板、中間基板とも称する。)とは、セラミック誘電体を支持するステージである。セラミック誘電体とは、被処理基板を載置するためのステージである。セラミック基板およびセラミック誘電体においては、その材質がセラミック焼結体であり、厚さが均一に設計されている。セラミック基板およびセラミック誘電体の主面の平面度においても、所定の範囲内に設計されている。それぞれの厚さが均一、またはそれぞれの主面の平面度が確保されていれば、ホットプレス硬化時にセラミック基板およびセラミック誘電体に局所的な応力が印加され難い。また、セラミック基板およびセラミック誘電体で挟まれた接合剤の厚さを球形フィラーの平均直径によって制御できる。
接合剤とは、セラミック基板とセラミック誘電体、またはセラミック基板と温調部とを接着するための接合剤である。接合剤(接着剤、接合層とも称する。)においては、加熱硬化温度が低く、硬化後の柔軟性を確保する都合上、有機材料の接合剤が好ましい。接合剤の主剤の材質は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂のいずれかである。例えば、接合剤として、比較的硬度の低いシリコーン樹脂接合剤またはフッ素系樹脂接合剤が用いられる。シリコーン樹脂接合剤の場合、2液付加型がより好ましい。シリコーン樹脂接合剤を2液付加型にすると、脱オキシム型や、脱アルコール型に比べて接合剤の深部における硬化性が高く、また、硬化時に気体(ボイド)が発生し難くなる。また、2液付加型にすると、1液付加型より硬化温度が低くなる。これにより、接合剤内で発する応力がより小さくなる。なお、接合剤に高い剛性を求める場合は、エポキシ樹脂接合剤またはフッ素系樹脂が用いられる。また、接合剤に高い耐プラズマ耐久性を求める場合は、フッ素系接合剤が用いられる。
無定形フィラーは、接合剤の熱伝導率の増加を図るための添加材である。このため、その形状は、無定形であることが好ましい。接合剤の主剤と無定形フィラーを混合分散させた接合剤では、主剤のみの接合剤に比べ、熱伝導率が高くなる。例えば、接合剤の主剤単体では、熱伝導率が0.2(W/mK)程度であったのに対して、シリコーン主剤とアルミナ無定形フィラーを混合した場合、熱伝導率が0.8〜1.7(W/mK)まで増加する。また、接合剤の主剤への充填率を向上するため、2種類以上の平均径の無定形フィラーを混合分散させてもよい。無定形フィラーの材質は、無機材料である。具体的な材質としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、シリカ等が該当する。無定形フィラーと接合剤の主剤との親和性を高めるために、無定形フィラー表面を処理する場合もある。無定形フィラーの重量濃度は、接合剤の主剤に対し、70〜80(wt%)である。
球形フィラーは、接合剤の厚みを制御するための添加材である。接合剤の厚さを精度よくコントロールするためは、その形状は球形であることが好ましい。球形フィラーの材質は無機材料である。但し、球形フィラーの材質と無定形フィラーの材質とは異なる。球形フィラーの材質は、例えば、ガラス等が該当する。フィラー形状が球形になると、接合剤への混合分散が容易になる。さらに、接着時において、球形フィラーと、セラミック基板またはセラミック誘電体との間に無定形フィラーが存在しても、球形フィラーの形状が球形であるために、無定形フィラーが接合剤中で動き易くなる。球形フィラーの形状は、真球形に近く、かつ、直径の分布が狭い方が好ましい。これにより、接合剤の厚さをより正確にコントロールできる。また、無定形フィラーよりも球形フィラーの径が大きいことが、接合剤の厚みをコントロールする上でより好ましい。
平均直径とは、例えば、全ての球形フィラーの直径を足しあわせた数値を全ての球形フィラーの数で割った値である。
(短径)
短径とは、無定形フィラーの長手方向に直交する短手方向の長さである(図4参照)。 (短径の最大値)
短径の最大値とは、全ての無定形フィラーの短径のうちの最大の短径値である。
第1の球形フィラーのビッカース硬度は、セラミック誘電体のビッカース硬度より小さいことが好ましい。
第1の球形フィラーの熱伝導率は、第1の無定形フィラーと第1の主剤の混合物の熱伝導率と同じか、もしくは小さくする。より好ましくは、第1の球形フィラーの熱伝導率を、第1の無定形フィラーと第1の主剤の混合物の熱伝導率の0.4倍から1.0倍までの範囲に設定する。この範囲において、第1の接合剤内の熱伝導率がより均一になる。その結果、熱伝導時の第1の接合剤内でのホットスポットまたはコールドスポットといった温度の特異点の発生が抑制される。
図1は、静電チャックの要部断面模式図であり、(b)は、(a)の矢印Aで示す部分の拡大図であり、(c)は、(b)の矢印Bで示す部分の拡大図である。
静電チャック1は、電極60が表面に形成されたセラミック誘電体10と、セラミック誘電体10を支持するセラミック基板20と、セラミック誘電体10とセラミック基板20とを接合する第1の接合剤40と、を備える。
上述したように、セラミック誘電体10と、セラミック基板20との間には、第1の接合剤40が設けられ、セラミック基板20と、温調部30との間には、第2の接合剤50が設けられている。
球形フィラー42および無定形フィラー43は、無機材料のため、それぞれの大きさ(例えば、径)を制御し易く、接合剤40の主剤41との混合分散が容易になる。接合剤40の主剤41、無定形フィラー43および球形フィラー42は電気絶縁性材料であるため、電極60周囲の電気絶縁性が確保できる。
第1の接合剤40に混合分散されている球形フィラー42の平均直径については、以下のごとく検証されている。
実際に、次に示す(1)〜(5)の製造プロセスで静電チャックを製造すると、無定形フィラー43のみを主剤41に混合分散させた接合剤40を用いた場合には、セラミック誘電体10にクラックの発生が見られた。
(1)まず、セラミック誘電体10、セラミック基板20、温調部30を各々単独で製作する。
(2)次に、接合剤40の主剤41に無定形フィラー43を混合分散させて、さらに、球形フィラー42を混合分散させる。混合分散は、混練機で行う。
(3)次に、セラミック誘電体10と、セラミック基板20のそれぞれの接着面に、接合剤40を塗布し、真空チャンバ内にセットする。真空チャンバを真空にし、塗布した接合剤40同士を合わせ、真空接着を行なう。
(4)次に、真空接着後、ホットプレス硬化機でホットプレス硬化を行う。この工程では、接合剤40の厚さを適宜調整する。ホットプレス硬化後、オーブンで接合剤40の硬化を行なう。
(5)硬貨後、セラミック誘電体10を所定の厚さまで研削加工し、静電チャックの吸着面を形成する。例えば、セラミック誘電体10を規定の厚さ(1mm)まで研削し、ポリッシュ加工を行う。
図2(a)に示すセラミック誘電体10は、表面研削加工後の表面模式図である。図示するように、クラック15は、セラミック誘電体10の内部から発し、その末端をセラミック誘電体10の内部で終えている。
図2(b)に示すごとく、60μm程度の大きい無定形フィラー43がセラミック誘電体10とセラミック基板20との間に介在したまま、ホットプレス硬化がなされると、無定形フィラー43がセラミック誘電体10に当接した部分に応力が集中する。この部分が始点となって、クラック15が発生すると推定される。
実際に、上述した(1)〜(5)の製造プロセスで静電チャックを製造したところ、球形フィラー42および無定形フィラー43を主剤41に混合分散させた接合剤40を用いた場合には、セラミック誘電体10にクラックの発生が見られなかった。
このように、球形フィラー42の体積濃度は、無定形フィラー43を含有させた接合剤40に対して、0.025vol%より大きく、42.0vol%未満であることが好ましい。
ガラスの圧縮強度:832MPa、ガラス(2)の圧縮強度:466MPa
アルミナの圧縮強度:3200MPa、○:接着可能、×:接着不可
図3は、接合剤の断面SEM像であり、(a)は、球形フィラーおよび無定形フィラーが混合分散された接合剤の断面SEM像であり、(b)は、無定形フィラーが混合分散された接合剤の断面SEM像である。断面SEM像の視野は、800倍である。
表4から、無定形フィラー43の短径の最大値は、9.73μm〜26.73μmの範囲でばらついている。球形フィラー42の平均直径は、70μmなので、球形フィラーの平均直径は、全ての無定形フィラー43の短径の最大値よりも大きいことが分かる。
無定形フィラー43の短径とは、無定形フィラー43の長手方向(矢印C)に直交する短手方向の長さである。例えば、図中のd1、d2、d3等が該当する。短径の最大値とは、複数ある全ての無定形フィラー43の短径のうちの最大の短径値をいう。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせたり、複合したりすることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
10 セラミック誘電体
15 クラック
20 セラミック基板
30 温調部
30t 媒体経路
40、50 接合剤
41、51 主剤
42、52 球形フィラー
43、53 無定形フィラー
60 電極
Claims (12)
- 電極が表面に形成されたセラミック誘電体と、
前記セラミック誘電体を支持するセラミック基板と、
前記セラミック誘電体と前記セラミック基板とを接合する第1の接合剤と、
を備え、
前記第1の接合剤は、有機材料を含む第1の主剤と、無機材料を含む第1の無定形フィラーと、無機材料を含む第1の球形フィラーと、を有し、
前記第1の主剤中には、前記第1の無定形フィラーと、前記第1の球形フィラーと、が分散配合されてなり、
前記第1の主剤、前記第1の無定形フィラー、および前記第1の球形フィラーは、電気絶縁性材料からなり、
前記第1の球形フィラーの平均直径は、全ての前記第1の無定形フィラーの短径の最大値よりも大きく、
前記第1の接合剤の厚さは、前記第1の球形フィラーの平均直径と同じか、もしくは大きいことを特徴とする静電チャック。 - 前記第1の球形フィラーの平均直径は、前記第1の無定形フィラーの短径の最大値よりも10μm以上大きいことを特徴とする請求項1に記載の静電チャック。
- 前記第1の球形フィラーの体積濃度(vol%)は、前記第1の無定形フィラーを含有させた前記第1の接合剤の体積に対して、0.025vol%より大きく、42.0vol%未満であることを特徴とする請求項1または2に記載の静電チャック。
- 前記第1の接合剤の前記第1の主剤の材質は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂のいずれか1つであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の静電チャック。
- 前記第1の球形フィラーおよび前記第1の無定形フィラーの熱伝導率は、前記第1の接合剤の前記第1の主剤の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の静電チャック。
- 前記第1の球形フィラーの材質と前記第1の無定形フィラーの材質とが異なることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の静電チャック。
- 前記第1の球形フィラーの熱伝導率は、前記第1の無定形フィラーの熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の静電チャック。
- 前記第1の球形フィラーの熱伝導率は、前記第1の無定形フィラーと前記第1の主剤との混合物の熱伝導率と同じか、もしくは小さいことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の静電チャック。
- 前記第1の球形フィラーの熱伝導率は、前記第1の無定形フィラーと前記第1の主剤の前記混合物の熱伝導率の0.4倍から1.0倍までの範囲にあることを特徴とする請求項8記載の静電チャック。
- 前記セラミック誘電体の厚さは、前記セラミック基板の厚さと同じか、もしくは薄いことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の静電チャック。
- 前記第1の球形フィラーのビッカース硬度は、前記セラミック誘電体のビッカース硬度より小さいことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の静電チャック。
- 前記セラミック基板に接合される温調部と、
前記セラミック基板と前記温調部とを接合する第2の接合剤と、
をさらに備え、
前記第2の接合剤は、有機材料を含む第2の主剤と、無機材料を含む第2の無定形フィラーと、無機材料を含む第2の球形フィラーと、を有し、
前記第2の主剤中には、前記第2の無定形フィラーと、前記第2の球形フィラーとが分散配合されてなり、
前記第2の主剤、前記第2の無定形フィラー、および前記第2の球形フィラーは、電気絶縁性材料からなり、
前記第2の球形フィラーの平均直径は、全ての前記第2の無定形フィラーの短径の最大値よりも大きく、
前記第2の接合剤の厚さは、前記第2の球形フィラーの平均直径と同じか、もしくは大きく、
前記第2の球形フィラーの平均直径は、前記第1の球形フィラーの平均直径よりも大きいことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の静電チャック。
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