JP6122323B2 - 試料保持具 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の製造工程または液晶表示装置の製造工程等において用いられる、半導体ウエハ等の各試料を保持する際に用いられる試料保持具に関するものである。

半導体集積回路の製造に用いられるシリコンウエハを始めとする半導体ウエハまたは液晶表示装置の製造に用いられるガラス基板等の板状の試料は、それらの製造工程において製造装置または検査装置の支持台の上に保持されて、加工処理または検査等が行なわれる。製造工程では、複数の製造装置および検査装置を使用することが一般的であり、シリコンウエハ等の試料を支持台に保持するための手段は、製造工程中の製造装置および検査装置の種類ならびに次の装置にまで搬送するための搬送装置の種類に応じて様々な形態のものが提案されている。

半導体集積回路を例にとると、半導体集積回路の微細化および高密度化の要求は、近年さらに高まっている。これに伴って、試料保持具は、試料を保持する面における均熱性がさらに求められている。

特許文献１には、複数のセラミック層からなる静電チャックが開示されており、この静電チャックには、中間のセラミック層に冷媒を流すための流路が形成されている。これによって、各部における加熱と冷却とのバランスを調整することで、静電チャックの表面における均熱性を高めることができるというものである。

特開平３−１０８７３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された静電チャックのように、基体がセラミック層の積層体で構成される場合には、流路に冷媒等の熱媒体を流したときに、熱媒体との接触によってセラミック層が劣化することがあり、流路の内表面が熱媒体によって磨耗する場合があった。そして、この磨耗によって生じた粉末が流路の内部に堆積することによって、部分的に熱媒体と基体との間の熱伝導が低下する場合があった。その結果、静電チャックの表面において均熱性が低下してしまう場合があった。

そこで、流路の内表面に被覆膜を設けることによって、流路の内表面の摩耗を低減する方法が考えられる。しかしながら、流路の内表面に被覆膜を設けた場合であっても、流体の脈動等によって流路表面に生じる振動によって、基体に亀裂が発生してしまう場合があった。その結果、静電チャックの長期信頼性を向上させることが困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、静電チャックの長期信頼性を向上させることにある。

本発明の一態様の試料保持具は、セラミックスからなり外表面に試料保持面を有するとともに内部に流路を有する基体と、前記流路の内表面を被覆している被覆膜とを具備しており、該被覆膜は、前記内表面から前記基体に伸びて入り込んだ伸入部を有しており、前記被覆膜の前記流路に面する面のうち、前記伸入部に対向する領域に張出部を有することを特徴とする。

本発明の一態様の試料保持具によれば、被覆膜が内表面から基体に伸びて入り込んだ伸入部を有していることによって、基体と被覆膜との界面の面積が広くなる。その結果、流体の脈動等によって流路表面に振動が生じたとしても、この振動を良好に基体および流路内に分散することができる。これにより、基体に亀裂が発生することを抑制できる。その結果、試料保持具の長期信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態の一例である試料保持具の外観を示す図である。 試料保持具の内部の流路の配置を平面的に示す模式図である。 図２に示した試料保持具のＡ−Ａ’断面の断面図である。 図３に示した断面図における１つの流路断面を拡大した部分拡大断面図である。 図４に示した試料保持具のＢ−Ｂ’断面の部分拡大断面図である。 本発明の試料保持具の変形例１を示す部分拡大断面図である。 本発明の試料保持具の変形例２を示す部分拡大断面図である。 本発明の試料保持具の変形例３を示す部分拡大断面図である。 本発明の試料保持具の変形例４のうち伸入部近傍を示す部分拡大断面図である。 本発明の試料保持具の変形例５のうち伸入部近傍を示す部分拡大断面図である。

図１は、本発明の実施形態の一例である試料保持具１の外観を示す図である。図１（ａ）は、試料保持具１の斜視図であり、図１（ｂ）は、試料保持具１の平面図である。

試料保持具１は、外表面（ここでは上面）に試料保持面１０ａを有するとともに内部に流路１１を有する基体１０と、基体１０の内部に設けられた電極層２０とを有する。試料保持具１は、基体１０に設けられた電極層２０に電圧を印加することによって、例えば、シリコンウエハ等の試料を静電気力によって基体１０の試料保持面１０ａに保持するようにして用いられる。

本実施形態では、基体１０は、セラミック層が複数積層された積層体からなる。基体１０の内部には、熱媒体を流すための流路１１が設けられている。この試料保持具１は、流路１１に熱媒体を流すことにより、試料保持面１０ａに保持した試料を加熱、冷却または保温することができる。流路１１に流す熱媒体としては、基体１０の流路１１から試料保持面１０ａとなる一方主面までのセラミック層と電極層２０とを介して、保持した試料と熱交換可能な物質であれば、どのような熱媒体を用いてもよい。そのような熱媒体としては、各種の流体、例えば温水、冷水またはスチーム等の水系媒体、エチレングリコール等の有機系媒体、あるいは空気を含む気体等を用いることができる。

流路１１は、図１（ａ）に示すように、基体１０の端面に、外部空間に開口する開口部１１ａを有している。また、図１（ａ）には図示していないが、開口部１１ａの反対側の端面にも外部空間に通じる開口部を有している。流路１１内を流れる熱媒体は、例えば、供給口となる開口部１１ａから流路１１へと流入し、開口部１１ａの反対側の開口部から排出される。試料保持具１を半導体の製造装置または検査装置等に用いる場合は、熱媒体を供給するための供給装置から延びる供給管を開口部１１ａに接続し、供給装置から所定
の流量および流速で流路１１内に熱媒体を供給する。開口部１１ａと反対側の排出口には排管を接続し、流路１１を流れて試料と熱交換を行なった熱媒体を流路１１から排出する。または、排出口に戻り管を接続し、流路１１を流れて試料と熱交換を行なった熱媒体を流路１１から排出するとともに、供給装置に戻して熱媒体を循環させるようにしてもよい。

図２は、基体１０の内部における流路１１の配置を平面的に示す模式図である。流路１１を流れる熱媒体が試料保持面１０ａに保持される試料と効率よく熱交換するためには、流路１１が試料保持面１０ａに対応して広範囲に形成されていることが好ましい。また、試料保持面１０ａの全体にわたる均熱性の観点からも、流路１１は広範囲に形成されていることが重要である。そこで、本実施形態の試料保持具１においては、図２に示すように、開口部１１ａから開口部１１ａの反対側に位置する開口部１１ｂまでの流路１１が試料保持面１０ａの全体に行き渡るように蛇行形状となっている。このように流路１１を配置しておいて、流路１１の幅を大きくしたり、流路１１を蛇行させるときの湾曲部の曲率半径を小さくしたりすることで、保持される試料との熱交換をより効率的に行なうことができる。なお、蛇行させた場合の直線部分と直線部分との間の折返し部分の距離を短くし過ぎると、流路１１の側壁となる部分が細くなり、機械的強度が低下するので、強度を考慮しつつ流路１１を形成することが好ましい。

図２に示す例では、流路１１を蛇行形状としているが、流路１１の配置形状はこれに限られない。例えば、流路１１は渦巻き状であってもよく、また、複数の同心円とこの円同士を繋ぐ径方向に延びる直線とを組み合せた形状等であってもよい。

流路１１を基体１０の主面に垂直な断面で見たときの形状は、四角形状または円形状等にすることができる。特に、製造のしやすさからは四角形状が好ましい。

基体１０は、例えば、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウム等を主成分とするセラミックス（セラミック焼結体）からなる。これらの中でも特に、窒化アルミニウム質焼結体からなることが好ましい。

窒化アルミニウム質焼結体は、室温における熱伝導率を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすることができ、他のセラミック材料に比べて熱伝導率が高い。そのため、保持した試料に局所的に熱が加わった場合でも試料の熱を基体１０によって伝導させて放熱させることができるので、熱膨張に伴う試料の歪みが生じにくい。これによって、半導体製造工程のうち、例えば露光工程において、発熱による試料の歪みに起因する露光精度の劣化を低減することができる。

なお、室温における熱伝導率とは、測定雰囲気温度を２２℃から２４℃の室温の範囲内として測定した熱伝導率の値であり、この温度範囲内のうちいずれかの設定温度で測定した熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを示す。さらに、窒化アルミニウム質焼結体は、室温を超える環境においても、熱伝導率を高い値で保持することができる。具体的には、例えば６００℃以上での雰囲気温度における熱伝導率を、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすることができる。

この窒化アルミニウム質焼結体は、平均結晶粒径が３〜１０μｍの範囲内であることが好ましい。平均結晶粒径が３μｍ以上であると、窒化アルミニウム質焼結体中の結晶粒子が比較的十分に充填され、焼結体の機械的特性が比較的良好にされる。また、平均結晶粒径が１０μｍ以下のサイズの結晶とすることで、結晶間に存在するボイド（空孔）の残留を少なくすることができる。したがって、平均結晶粒径は３〜１０μｍの範囲が好ましい。より好ましい平均結晶粒径の範囲は３〜７μｍである。

図１に戻って、電極層２０は、基体１０の内部に設けられ、１つもしくは２つの分離された電極２１と電極２２とから構成される。電極層２０は、静電吸着のために設けられている。電極２１および電極２２は、一方が電源の正極に接続され、他方が負極に接続される。一例として、正極に接続される側の電極を電極２１（以下では「正電極２１」という）とし、負極に接続される側の電極を電極２２（以下では「負電極２２」という）とする。なお、電極層２０は、電極２１が負極に接続され、電極２２が正極に接続されていてもよい。

正電極２１および負電極２２は、それぞれ略半円板状に形成され、半円の弦同士が対向するように基体１０の内部に配置される。正電極２１および負電極２２の２つの電極が合わさって、電極層２０全体の外形が略円形状となっている。この電極層２０全体の外形である略円形の中心は、基体１０の外形である円形の中心と同一に設定される。

正電極２１および負電極２２には、それぞれ外部電源と電気的に接続するための接続端子２１ａおよび接続端子２２ａが設けられる。本実施形態では、正電極２１および負電極２２のいずれも、円弧と弦とが交差する部分に弦に沿って延びるように接続端子２１ａおよび接続端子２２ａが設けられている。正電極２１に設けられた接続端子２１ａと、負電極２２に設けられた接続端子２２ａとは、正電極２１の半円の弦および負電極２２の半円の弦同士の間隔と同じ間隔を空けて隣り合うように設けられるとともに、これらの半円の弦の延長線に沿って基体１０の外周面にまで延びている。また、接続端子２１ａおよび接続端子２２ａは、基体１０の端面にその一部が露出するように設けられる。正電極２１および負電極２２は、この接続端子２１ａおよび接続端子２２ａが露出した部分を介して外部電源と接続される。

電極層２０は、例えばタングステンまたはモリブデン等の導電性材料からなり、これら導電性材料を含むペーストのスクリーン印刷等によって、基体１０のセラミック層の層間に位置するように形成される。本実施形態の電極層２０の厚みは、例えば１〜１００μｍ程度である。

図３は、図２に示す切断面線Ａ−Ａ’における試料保持具１の断面図である。図４は、図３に示す断面図における１つの流路１１の断面を拡大した部分拡大断面図である。基体１０は、４つのセラミック層１２，１３，１４，１５を積層した積層体からなり、内部に電極層２０が設けられている。なお、ここでいうセラミック層１２，１３，１４，１５は、必ずしも１枚のグリーンシートからなる必要はない。具体的には、セラミック層１２，１３，１４，１５がそれぞれ複数のグリーンシートの積層体であってもよい。本実施形態では、電極層２０は流路１１よりも試料を保持する一方主面（試料保持面１０ａ）側に設けられる。

以下では、最外層のセラミック層１５を最外層１５、最外層１５との間に電極層２０が設けられるセラミック層１２を上層１２、上層１２とはセラミック層１３を挟んで反対側に設けられるセラミック層１４を下層１４、上層１２と下層１４とに挟持されるセラミック層１３を中間層１３という。これら各層の名称は説明をわかり易くするために便宜上付したものであって、必ずしも上層１２が鉛直方向上側に位置するものではなく、下層１４が鉛直方向下側に位置するものではない。また、図２に示したように、熱媒体は供給口となる開口１１ａから排出口となる開口１１ｂまで流れるので、図３および図４において、熱媒体の流れ方向は紙面に垂直な方向となる。

ここで、図４に示すように、流路１１の内表面には被覆膜３０が設けられている。被覆膜３０は、流路１１の内表面が熱媒体によって摩耗することを防ぐために設けられている
。被覆膜３０は、基体１との接合力が十分に得られるものであれば、特に限定されない。被覆膜３０としては、例えば、セラミック材料または金属材料を用いることができる。特に、強度の観点から金属材料であることが好ましい。金属材料である場合には、製造の都合上、基体１０と同時焼成が可能になるように、タングステンまたはモリブデンのような、セラミック材料の焼結温度よりも融点が高い高融点金属であることが好ましい。被覆膜３０は、内表面から基体１０に入り込んだ伸入部３１を有している。本実施形態においては、図４および図５に示すように、伸入部３１は流路１１における熱媒体の進行方向に沿って層状に設けられている。なお、図６に示すように、伸入部３１が突起状に設けられるとともに、複数設けられた構成であってもよい。本実施形態の試料保持具１は、被覆膜３０が内表面から基体１０に伸びて入り込んだ伸入部３１を有していることによって、基体１０と被覆膜３０との界面の面積が広くなる。その結果、流体の脈動等によって流路１１の表面に振動が生じたとしても、この振動を良好に基体１０に分散することができる。これにより、基体１０に亀裂が発生することを抑制できる。その結果、試料保持具１の長期信頼性を向上させることができる。

被覆膜３０は、例えば、１０〜１００μｍ程度の厚みに形成することができる。また、伸入部３１は、例えば、図４に示した断面で見たときに、流路１１の内表面付近における厚みを５〜５０μｍ、基体１０に入り込んでいる長さを０．１〜０．５ｍｍ程度に設定できる。

さらに、伸入部３１と基体１０との界面は、流路１１の内表面とは異なる方向に伸びていることから、振動を流路１１の表面に対して垂直な方向と平行な方向との両方に分散させることができる。その結果、基体１０に亀裂が発生する可能性をさらに低減できる。

また、伸入部３１は、試料保持面１０ａと平行な方向に伸びていることが好ましい。これにより、基体１０の内部における試料保持面１０ａに平行な方向の均熱性を向上できる。その結果、試料保持面１０ａの均熱性を向上させることができる。

また、図７に示すように、伸入部３１は流路１１の角部の近傍に位置していることが好ましい。これにより、流路１１の表面に振動が生じたときに応力が集中しやすくなる角部の近傍に伸入部３１を位置させることによって、伸入部３１に応力を集中させることができる。ここで、伸入部３１は基体１０の内部にまで伸びている。そのため、伸入部３１は、広範囲にわたって応力を吸収することができる。その結果、基体１０に亀裂が発生する可能性をさらに低減できる。

さらに、図８に示すように、試料保持具１が基体１０の厚み方向において伸入部３１を複数有していることが好ましい。これにより基体１０と被覆膜３０との界面の面積がさらに広くなり、また流路１１の内表面とは異なる方向に伸びている界面の面積も広くなるため、振動をさらに分散することができる。その結果、基体１０に亀裂が発生する可能性をさらに低減できる。

さらに、図９に示すように、被覆膜３０の流路１１に面する面のうち、伸入部３１に対向する領域に張出部３２を有することが好ましい。これにより、被覆膜３０のうち基体１０の内部に向かう伸入部３１の付け根に生じる振動を張出部３２によって良好に伸入部３１の付け根に到達する前に、伸入部３１の付け根以外の方向へ分散させることができる。

また、図１０に示すように、被覆膜３０の流路１１に面する面のうち、伸入部３１に対向する領域に溝部３３を有することが好ましい。これにより、伸入部３１の付け根（上下２ヶ所）に振動によって高い応力が発生しやすかったものが、溝部３３にも分散されることになる。これにより、発生する応力が低減され、被覆膜３０の伸入部３１の付け根から
の破損が発生しにくくなる。その結果、被覆膜３０における振動の分散の効果を長期にわたって維持することが出来る。

基体１０を構成するセラミックスは、流路１１に流れる熱媒体に対して安定なセラミックスであることが好ましい。これにより、熱媒体との化学反応による腐食を抑制することができる。その結果、腐食粉の堆積による試料保持面１０ａの均熱性の劣化を低減することができる。

次に、試料保持具１に伸入部３１を形成する方法について簡単に述べる。

本実施形態の試料保持具１の基体１０は、前述のように複数のセラミック層が積層された積層体であり、所定の形状に予め成形した複数のグリーンシートを積層して、焼成して得られるものである。中間層１３となるグリーンシートは、流路１１に対応した形状に形成されている。具体的には、上下方向に貫通した貫通孔が設けられている。上層１２となるグリーンシートにおける中間層１３に接する側の表面のうち、中間層１３となるグリーンシートに設けられた貫通孔に臨む面１２１と、下層１４となるグリーンシートにおける中間層１３に接する側の表面のうち、中間層１３となるグリーンシートに設けられた貫通孔に臨む面１４１と、中間層１３となるグリーンシートにおける貫通孔の内側面１３１とが、焼成後に流路１１の内表面となる。ここで、内表面の大きさおよび形状は特に限定されず、流路１１に流す熱媒体の量あるいは必要な冷却速度等によって決められる。ここで、中間層１３となるグリーンシートは、流路１１の形状に沿って切り欠きが設けられている。

被覆膜３０としてセラミック材料を用いる場合には、グリーンシートを作製する場合と同様に有機系バインダーとセラミック粒子と添加材等とを混合してスラリーを作製し、このスラリーをグリーンシートを積層する工程よりも前の工程または積層する工程中に、被覆膜３０を設けたい箇所に印刷等によって部分的に塗布するとともに、グリーンシートと共に焼成することによって、被覆膜３０を流路１１の内表面に形成することができる。このとき、スラリーを塗布するときに中間層１３となるグリーンシートに設けた切り欠きの内部にスラリーを浸透させておくことによって、焼成後に伸入部３１を形成することができる。

被覆膜３０として金属材料を用いる場合には、有機系バインダーと金属粉末とを混合した金属ペーストを予め作製し、この金属ペーストをグリーンシートを積層する工程よりも前の工程または積層する工程中に、被覆膜３０を設けたい箇所に印刷等によって部分的に塗布するとともに、グリーンシートを共に焼成することによって、被覆膜３０を流路１１の内表面に形成することができる。このとき、金属ペーストを塗布するときに中間層１３となるグリーンシートに設けた切り欠きの内部に金属ペーストを浸透させておくことによって、焼成後に伸入部３１を形成することができる。

また、被覆膜３０として金属材料を用いる場合の他の例としては、例えば、めっきによって被覆膜３０を形成してもよい。具体的には、焼成後の基体１０の流路１１および前述した切り欠きに対して、無電解めっきによって金属薄膜を形成し、さらにこの金属薄膜に電流を流して電気めっきを施せばよい。これにより、伸入部３１を有する被覆膜３０を形成することができる。

本発明の実施例の試料保持具１を以下のようにして作製した。

出発原料として、アルミナ還元窒化法により製造した平均粒径１．５μｍ、酸素含有量
０．８％、炭素含有量３００ｐｐｍの窒化アルミニウム粉末を準備した。そして、この窒化アルミニウム粉末に対して、有機系のバインダーと溶剤とを混合した後に、６０℃で乾燥させて造粒粉を製作した。

次に、この造粒粉を型内に充填して１００ＭＰａの成形圧にて半径５０ｍｍ、厚み１ｍｍの円板状の成形体を８枚作製した。

しかる後に、中間層１２となる厚さ１ｍｍの２枚の成形体に対して、後に伸入部３１が形成される部位において、角部の面取りを行ない、面取りを行なった部分にさらにＣ面を形成した。これら２枚の面取りを行なった成形体をそれぞれのＣ面が対向するように積層して、８０ＭＰａの成形圧にて密着させ、厚さ２ｍｍの成形体とした。このようにして、対向する２つのＣ面によって切り欠きが形成された中間層１２を得た。

切削加工していない成形体６枚は、３枚ずつを積層し、８０ＭＰａの成形圧にて密着させて、上層１１および最外層１５に対応する層または下層１３となる厚さ３ｍｍの２枚の成形体とした。

さらにこれら３枚の成形体を上層１１および最外層１５に対応する層、中間層１２および下層１３の順に積層し、８０ＭＰａの成形圧にて密着させ、厚さ８ｍｍの成形体とした。

中間層１２と上層１１と下層１３とによって形成された流路１１の内表面に、有機系バインダーとタングステン粉末とを混ぜた金属スラリーを流し込み、約２０秒放置した後にこれらを排出した。これにより、流路１１の内表面に厚みがおよそ３０μｍの被覆膜３０を形成した。さらに、切り欠きには、深さ０．１〜０．４ｍｍで基体１０に入り込む伸入部３１を形成した。次に、窒素雰囲気中で脱脂し、次いで１９００℃で２時間かけて焼成した。

最後に、最外層１５の上面を研磨加工して、平面度２０μｍ、算術平均粗さＲａ０．１μｍの試料保持面１０ａを形成した。なお、本実施例においては、試料保持具１は、電極層２０を備えていない。

また、比較のために、上記基体１０の製法のうち、切り欠きを設けずに被覆膜を形成した比較例の試料保持具を準備した。すなわち、比較例の試料保持具は、伸入部を有していない。

これらの基体それぞれの流路に温調機に接続された配管を接続して水温が７０℃に調節された水を循環させ、試料保持面の均熱性を評価した。試料保持面における最低温度と最高温度との差は、実施例の試料保持具１で０．１２℃であり、比較例の試料保持具で０．１３℃であった。さらにこれらの試料保持具を加振機の上に設置し、２００時間連続の振動試験を実施した。試験後、それぞれの試料保持具の試料保持面の均熱性を評価したところ、実施例の試料保持具１の試料保持面１０ａにおける最低温度と最高温度との差は０．１２２℃と、試験前からの変化は２％程度であったのに対して、比較例の試料保持具の試料保持面における最低温度と最高温度との差は０．２４５℃と、２倍以上に悪化した。

その後、それぞれの試料保持具の基体の切断面を観察したところ、比較例の試料保持具の流路の角部の一部に長さが最大１ｍｍの亀裂が認められた。これに対して、実施例の試料保持具１では亀裂の発生は確認できなかった。

以上の結果により、流路１１の内表面に形成した被覆膜３０およびその伸入部３１によ
り、基体１０に亀裂が発生することを抑制できることが確認できた。その結果、試料保持具１の長期信頼性を向上させることができた。

１ 試料保持具
１０ 基体
１０ａ 試料保持面
１１ 流路
１１ａ，１１ｂ 開口部
１２ 上層
１３ 中間層
１４ 下層
１５ 最外層
２０ 電極層
２１ 正電極
２２ 負電極
３０ 被覆膜
３１ 伸入部
３２ 張出部
３３ 溝部

Claims (5)

1. セラミックスからなり外表面に試料保持面を有するとともに内部に流路を有する基体と、前記流路の内表面を被覆している被覆膜とを具備しており、該被覆膜は、前記内表面から前記基体に伸びて入り込んだ伸入部を有しており、
   前記被覆膜の前記流路に面する面のうち、前記伸入部に対向する領域に張出部を有することを特徴とする試料保持具。
2. セラミックスからなり外表面に試料保持面を有するとともに内部に流路を有する基体と、前記流路の内表面を被覆している被覆膜とを具備しており、該被覆膜は、前記内表面から前記基体に伸びて入り込んだ伸入部を有しており、
   前記被覆膜の前記流路に面する面のうち、前記伸入部に対向する領域に溝部を有することを特徴とする試料保持具。
3. 前記流路を長さ方向に直交する断面で見たときに、前記流路の内表面が角部を有するとともに、該角部の近傍に前記伸入部が位置していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の試料保持具。
4. 前記伸入部を複数有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の試料保持具。
5. 前記伸入部は、前記基体の前記試料保持面と平行な方向に伸びていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の試料保持具。

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