JP6603153B2

JP6603153B2 - 試料保持具

Info

Publication number: JP6603153B2
Application number: JP2016031938A
Authority: JP
Inventors: 陽平堀
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: JP2017152469A

Description

本発明は、半導体集積回路の製造工程などで半導体ウェハ等の各試料を保持するために用いられる試料保持具に関するものである。

半導体製造装置等に用いられる試料保持具として、例えば、特許文献１に記載の基板載置装置が知られている。この基板載置装置は、一方の面に基板載置面を持つ板状のセラミックス基材と、セラミックス基材の他方の面上に形成された接合層と、セラミックス基材の他方の面に対し接合層を介して接合される基台とを有している。

特開２００６−１３３０２号公報

しかしながら、近年、半導体集積回路の配線の微細化に伴い、より高出力のプラズマ中でウェハの処理が行なわれている。そのため、プラズマの影響で試料保持具の接合層の外表面が帯電し易くなる。セラミックス基材の下面には、試料を加熱するための発熱抵抗体や試料を静電吸着するための吸着電極などの外部導体層が設けられている。接合層の外表面に帯電した電荷によって、この外部導体層間で絶縁破壊してしまう虞があった。

本発明の試料保持具は、基体と、基体の下面に設けられた外部導体層と、金属から成り上面で前記基体の下面を前記外部導体層ごと覆う支持体と、前記基体の下面と前記支持体とを接合する樹脂材料から成る接合層とを備えており、前記接合層は、少なくとも一部が中央側に設けられた第１部分と、前記接合層の外周側に位置する第２部分を有するとともに、該第２部分は前記第１部分よりも炭素を多く含んでい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、接合層の外周側に位置する第２部分が炭素を多く含んでいることにより、第２部分は、導電性が高く、帯電しにくくなるので、高出力のプラズマ雰囲気中で使用しても、基体の下面に設けられた発熱抵抗体等の外部導体層間における絶縁破壊の可能性が低減された試料保持具とすることができる。

本実施形態の一例の試料保持具を示す断面図である。試料保持具の実施形態の他の例を示す断面図である。図１または図２の要部（Ａ部）を拡大して示す断面図である。試料保持具の変形例の要部を示す断面図である。試料保持具の変形例の要部を示す断面図である。試料保持具の変形例の要部を示す断面図である。試料保持具の変形例の要部を示す断面図である。

以下、本実施形態に係る一例の試料保持具１０について、図面を参照して説明する。

図１は本実施形態の一例の試料保持具１０を示す断面図である。図１に示すように、試料保持具１０は、基体１と、基体１の下面に設けられた外部導体層４と、金属から成り上面で基体１の下面を外部導体層４ごと覆う支持体２と、基体１の下面と支持体２とを接合する樹脂材料から成る接合層３とを備えている。なお、ここでいう「上面」および「下面」とは、説明の都合上、用いた表現であって、試料保持具１０の使用方法を限定するものではない。すなわち、試料保持具１０は、例えば、上面を下側になるようにして（下面を上側になるようにして）用いてもよいし、上面が横側になるようにして用いてもよい。

基体１は、上面に試料保持面を有する板状の部材である。基体１は、上面の試料保持面において、例えば、シリコンウエハ等の試料を保持する。試料保持具１０は、平面視したときの形状が円形状の部材である。基体１は、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素またはイットリア等のセラミック材料、あるいはアルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料から成る。基体１の寸法は、例えば、径を２００ｍｍ〜５００ｍｍ、厚みを０．５ｍｍ〜１５ｍｍに設定することができる。

基体１の下面には、外部導体層４が設けられている。外部導体層４は、基体１がセラミックス材料から成る場合であれば吸着電極または発熱抵抗体であり、基体１が金属材料から成る場合であれば発熱抵抗体である。図２は本実施形態の他の例の試料保持具１０を示す断面図である。この例では、試料保持具１０は、外部導体層４に加えて基体１の内部に内部導体層５が設けられている。この場合の内部導体層５は例えば吸着電極であり、外部導体層４は例えば発熱抵抗体であり、図２はそのような例を示している。

基体１を用いて試料を保持する方法としては様々な方法を用いることができるが、１つの方法としては静電気力によって試料を保持する方法がある。吸着電極はそのためのものである。吸着電極は、２つの電極から構成される。２つの電極は、一方が電源の正極に接続され、他方が負極に接続される。２つの電極は、平面視の形状がそれぞれ略半円状に形成され、半円の弦同士が対向するように配置される。それら２つの電極が合わさって、吸着電極全体の外形が円形状となっている。この吸着電極全体による円形状の外形の中心は、同じく円形状の基体１の外形の中心と同一に設定される。吸着電極は、セラミックス材料から成る基体１の下面、あるいは基体１の内部において試料保持面である上面に平行に設けられていてもよい。

発熱抵抗体は、基体１の上面の試料保持面に保持された試料を加熱するためのものである。発熱抵抗体に電圧を印加することによって、発熱抵抗体２を発熱させることができる。発熱抵抗体で発せられた熱は、基体１の内部を伝わって、試料保持面である基体１の上面に到達する。これにより、試料保持面に保持された試料を加熱することができる。発熱抵抗体は、複数の折り返し部を有する線状のパターンであって、基体１の下面のほぼ全面に設けられている。これにより、試料保持具１０の上面において熱分布にばらつきが生じることを抑制できる。なお、発熱抵抗体は、基体１の内部において試料保持面に平行に設けられていてもよい。すなわち、外部導体層４および内部導体層５の両方が発熱抵抗体であってもよい。

基体１がセラミックス材料から成る場合であれば、外部導体層４（発熱抵抗体または吸着電極）は、導体成分に加えてガラス成分を含んでいてもよい。導体成分としては、例えば銀パラジウム、白金、アルミニウムまたは金等の金属材料を含んでいる。ガラス成分が発泡してしまうことを抑制するために、金属材料としては大気中で焼結可能な金属を選択することが好ましい。また、ガラス成分としては、ケイ素、アルミニウム、ビスマス、カルシウム、ホウ素および亜鉛等の材料の酸化物を含んでいる。また発熱抵抗体が基体１の内部に設けられる場合は、導体成分はタングステン、モリブデン、または炭化タングステン等であってもよい。基体１となるセラミックス材料を主成分とするグリーンシートに外
部導体層４となる成分を含むペーストで外部導体層４のパターンを形成して、これらの同時焼成で形成することができる。あるいは、セラミックス材料から成る基体１を作製した後に、基体１の下面にペーストを焼き付けることでも作製することができる。

基体１が金属から成る場合は、外部導体層４は発熱抵抗体であり、例えばニッケルをベースとし、鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等を含有した合金から成る。基体１の一方の面にポリイミドフィルムを貼り、その上に上記のような合金を上記したような線状のパターン形状としたものを配置し、更にその上にポリイミドフィルムを被せることで外部導体層４（発熱抵抗体）を備える基体１を作製することができる。

支持体２は、基体１を支持するために設けられている。支持体２は、金属から成り、上面で基体１の下面を覆っている。基体１の下面と支持体２の上面とは接合層３によって接合されている。また、支持体２は基体１を冷却するための冷却板としても機能させることができる。そのため、支持体２は熱伝導率が比較的大きい金属から成る。支持体２を構成する金属は特に制限されない。ここでいう「金属」とは、セラミックスと金属との複合材料および繊維強化金属等の、金属から成る複合材料も含んでいる。一般的に、ハロゲン系の腐食性ガス等に曝される環境下において試料保持具１０を用いる場合には、支持体２を構成する金属として、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼またはニッケル（Ｎｉ）あるいはこれらの金属の合金を使用することが好ましい。また、支持体２の構造は、特に限定されるものではないが、気体または液体等の熱媒体を循環させるための冷却用の流路を備えていてもよい。この場合には、熱媒体として水またはシリコーンオイル等の液体あるいはヘリウム（Ｈｅ）または窒素（Ｎ_２）等の気体を用いることができる。

接合層３は、基体１と支持体２とを接合するために設けられている。接合層３は、基体１の下面と支持体２の上面とを接合している。

ここで、接合層３は、少なくとも一部が中央側に設けられた第１部分３１と、接合層３の外周側に位置する第２部分３２を有するとともに、第２部分３２は第１部分３１よりも炭素を多く含んでいる。炭素を多く含む第２部分３２は導電性が高くなり、接合層３の外表面に帯電しにくくなるので、高出力のプラズマ雰囲気中で使用しても、基体１の下面に設けられた発熱抵抗体等の外部導体層４間における絶縁破壊の可能性が低減されたものとなる。

また、接合層３の外周側に位置する第２部分３２が内周側に位置する第１部分３１よりも炭素を多く含んでいることで、接合層３の外周部は基体１の表面の均熱性が向上する。プラズマは試料保持具１０（基体１）の上面だけでなく側方にも回り込んでくるので、回り込んだプラズマによって接合層３の外周面の表面温度が上がりやすい。一方、接合層３の外周面を含む外周部である第２部分３２は、炭素を多く含むので熱伝導率が高くなるので、接合層３の外周部から支持体２へ熱が逃げやすい。そのため、接合層３の熱伝導率が中央側と外周側とで同じであれ場合に比較すると、接合層３の外周部における温度上昇が抑えられるので、基体１の表面全体としては均熱性が向上する。

接合層３の寸法は、例えば、直径を基体１と同じく２００ｍｍ〜５００ｍｍ程度に、また、厚みを例えば、０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ程度に設定することができる。第２部分３２は、例えば、接合層３のうちの、外周から０．５ｍｍ〜４０ｍｍ程度の幅の円環状の部分に設定することができる。言い換えれば、第２部分３２は、外径が２００ｍｍ〜５００ｍｍで、内径が１２０ｍｍ〜４９９ｍｍの円環状に設定することができる。第２部分３２の幅は接合層３の厚み方向で異なる場合があるが、厚み方向の中心で測定されるものを第２部分３２の幅とする。第１部分３１は、接合層３のうち第２部分３２の内側に位置する。

接合層３は樹脂材料から成るものであり、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂を用いることができる。第１部分３１と第２部分３２とは同じ種類の樹脂材料で炭素の含有量が異なるものであってもよいし。異なる樹脂材料で炭素の含有量が異なるものあってもよい。また、接合層３は、熱伝導率を向上させるために、セラミックス粒子等のフィラー成分を含んでいてもよい。

ここで、「第２部分３２は第１部分３１よりも炭素を多く含む」ことは、ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）を用いることで確認できる。炭素（Ｃ）に関するカラーマッピングを行なうことで、炭素量の多い第２部分３２と炭素量の少ない第１部分３１とを確認することができる。また、ＥＰＭＡに付属のＷＤＳ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて炭素量を定量分析することができる。例えば、接合層３の外周面から０．３ｍｍの領域内の任意の箇所で測定した炭素量を第２部分３２の炭素量とし、外周面からの距離が５０ｍｍ〜６０ｍｍの領域内の任意の箇所で測定した炭素量を第１部分３１の炭素量とすればよい。測定箇所は、接合層３の厚み方向の中心とすればよい。第１部分３１の炭素量は０．５質量％以下、第２部分３２の炭素量は２〜１０質量％であればよい。特に第２部分３２の炭素量が２質量％以上であれば、接合層３の外表面が帯電し難くなる。より好ましくは、が第２部分３２の炭素量は５質量％以上である。また、第２部分３２の炭素量１０質量％以下であると、外部導体層４が第２部分３２に覆われている場合であっても、外部導体層４間や外部導体層４と支持体２との間で絶縁性が低下して短絡するおそれがない。また、基体１が金属材料から成る場合であっても、基体１と支持体２との間で絶縁性が低下し、短絡するおそれがない。そして、接合層３の中央側より外周側の方が熱伝導率が大きくなり、基体１の表面の均熱性がよくなる。

また、図４に示す例のように、基体１の下面に垂直な断面を見たときに、第２部分３２が第１部分３１と基体１との間および第１部分３１と支持体２との間に入り込むとともに、第２部分３２が入り込んでいる部分において、第２部分３２が凹むように弧状に曲がっていてもよい。言い換えれば、基体１の下面に垂直な断面を見たときに、第１部分３１と第２部分３２との境界は外側に凸の曲線状（孤状）であってもよい。これにより、第１部分３１と第２部分３２との間で熱伝導率が異なっていても第１部分３１と第２部分３２との境界付近における温度勾配を緩やかにでき、試料保持面である基体１の上面における均熱性が向上する。また、第１部分３１と第２部分３２との境界を弧状にしておくことによって、ヒートサイクル下において境界において熱応力が生じたときに、クラック等が生じるおそれを低減できる。特に、外部への熱引きが大きいような環境で用いる際には、第１部分３１が第２部分３２と比較して大きく熱膨張することになるので、境界を第２部分３２が凹むような弧状にしておくことによって、第１部分３１の熱膨張で生じた応力を第２部分３２で吸収しやすくできる。

また、図５に示す例のように、外部導体層４が発熱抵抗体である場合には、第２部分３２が、第１部分３１と支持体２との間よりも、第１部分３１と基体１との間に深く入り込んでいてもよい。言い換えれば、第２部分３２は、第１部分３１との境界が凹状であり、支持体２側の内端よりも基体１側の内端ほうがより内側に位置していてもよい。これにより、発熱抵抗体が設けられた基体１の下面側は、第１部分３１と第２部分３２とが接合層３の厚み方向に重なる領域が大きくなるため、発熱抵抗体の設けられた基体１の下面の直下における温度勾配をより緩やかにできるので、試料保持面である基体１の上面における均熱性が向上する。

図４および図５に示す例の場合における、基体１の下面に垂直な方向で見たときに第１部分３１と第２部分３２とが重なっている領域の幅は０．１〜１０ｍｍ程度に設定することができる。図５に示す例のように、第２部分３２が、第１部分３１と支持体２との間よ
りも、第１部分３１と基体１との間に深く入り込んでいる場合には、例えば、基体１側の端部（内端）の位置は支持体２側の端部（内端）の位置より０．０５ｍｍ〜５ｍｍ程度内側に入り込んでいればよい。

また、図６に示す例のように、本発明の試料保持具１０は、第１部分３１と第２部分３２とが隣接しているとともに、第１部分３１と第２部分３２との境界が凹凸形状であってもよい。これにより、アンカー効果で第１部分３１と第２部分３２との密着力が向上し、基体１と支持体２との接着強度が向上する。凹凸の程度は、例えば山と谷の差が０．０２ｍｍ〜２ｍｍ程度で、山と山の間隔が０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度に設定することができる。

また、図１〜図７に示す例のように、外部導体層４が、第１部分３１に覆われた部分と、第２部分３２に覆われた部分とを有していてもよい。これにより、外部導体層４のうち基体１の外周側に位置する部分は、第２部分３２に覆われることになる。第１部分３１より炭素を多く含んでいる第２部分３２は、第１部分３１より熱伝導率が大きい。外部導体層４の外周側に位置する部分はプラズマの影響で温度が上昇しやすいが、熱伝導率の大きい第２部分３２を介して支持体２へ放熱し易いので、全体的な均熱性が良くなる。

また、図７に示す例のように、接合層３が、第１部分３１と第２部分３２との間に位置する第３部分３３を有するとともに、第３部分３３の密度が第１部分３１の密度および第２部分３２の密度よりも小さくてもよい。第２部分３２と第１部分３１とがこれらより密度の小さい第３部分３３で接続されていることから、第２部分３２と第１部分３１との間の熱膨張差による応力を第３部分３３で緩和されるので、接合層３の耐久性が向上する。

第３部分３３の材料としては、例えば、第１部分３１および第２部分３２と同じ樹脂材料で、第１部分３１および第２部分３２よりも気孔を多く含むものを用いることができる。気孔（空気）を多く含むことで第１部分３１および第２部分３２よりも密度が小さいものとなる。第１部分３１、第２部分３２および第３部分３３のそれぞれの密度の測定は、それぞれの部分を切り出した試料を用いてアルキメデス法（ＪＩＳＫ７１１２のＡ法）により測定できる。第３部分３３の密度は、第１部分３１、第２部分３２と比較して５〜３０％程度小さく設定することができる。また、接合層３の断面を観察して得られる、第３部分３３の気孔率と第１部分３１の気孔率および第２部分３２の気孔率との大小関係を、第３部分３３の密度と第１部分３１の密度および第２部分３２の密度との大小関係とみなしてもよい。接合層３の断面観察による気孔率は、断面画像における気孔の面積比率を気孔率とすればよい。この気孔率が、例えば、第１部分３１は１％以下で、第２部分３２は５％〜３０％程度であればよい。画像処理ソフト等を用いて測定することもできる。また、気孔率はアルキメデス法によって求めることもできる。

第１部分３１および第２部分３２を有する接合層３は例えば以下のようにして形成することができる。まず、基体１の下面全体と支持体２とを第１部分３１となる樹脂材料で接着して、硬化する。この硬化した樹脂材料の外周から０．５〜１０．０ｍｍの深さまでを削り取るなどの方法で除去して、中央側の第１部分３１を形成する。次に、この第１部分３１の外周面と基体１と支持体２とで囲まれた空間に第２部分３２となる樹脂材料を充填して硬化させることで第２部分３２を形成する。第１部分３１と第２部分３２との境界の形状は、外周部を除去する際に第１部分３１の外周面の形状を調整することでできる。あるいは、例えば、基体１の下面の中央部に第１部分３１となる樹脂材料を塗布し、支持体２の上面に載置して樹脂を硬化させて接着した後に、この第１部分３１の外周面と基体１と支持体２とで囲まれた空間に第２部分３２となる樹脂材料を充填して硬化させることで第２部分３２を形成する。さらには、基体１の下面の中央部に第１部分３１となる樹脂材料を塗布し、これを完全に硬化させる前に、その外側に第２部分３２となる樹脂材料を塗
布し、これを支持体２の上面に載置して２つの樹脂を硬化させて接着してもよい。第１部分３１の外周面の形状は用いる樹脂の粘度で調整することもできるし、型を用いてもよいし、硬化した第１部分３１の外周面を研削してもよい。第３部分３３は、例えば、液状の樹脂材料を攪拌するなどして気泡（空気）を含ませ、これを完全に脱泡せずに第１部分３１と第２部分３２との間に位置するように塗布して硬化させることによって気孔を多く含むものとすることができる。気孔率は攪拌条件や脱泡条件によって調整することができる。

１：基体
２：支持体
３：接合層
３１：第１部分
３２：第２部分
３３：第３部分
４：外部導体層
５：内部導体層
１０：試料保持具

Claims

基体と、基体の下面に設けられた外部導体層と、金属から成り上面で前記基体の下面を前記外部導体層ごと覆う支持体と、前記基体の下面と前記支持体とを接合する樹脂材料から成る接合層とを備えており、前記接合層は、少なくとも一部が中央側に設けられた第１部分と、前記接合層の外周側に位置する第２部分を有するとともに、該第２部分は前記第１部分よりも炭素を多く含み、前記基体の下面に垂直な断面を見たときに、前記第２部分が前記第１部分と前記基体との間および前記第１部分と前記支持体との間に入り込むとともに、前記第２部分が入り込んでいる部分において、前記第２部分が凹むように弧状に曲がっていることを特徴とする試料保持具。
前記外部導体層が発熱抵抗体であり、前記第２部分が、前記第１部分と前記支持体との間よりも、前記第１部分と前記基体との間に深く入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載の試料保持具。
基体と、基体の下面に設けられた外部導体層と、金属から成り上面で前記基体の下面を前記外部導体層ごと覆う支持体と、前記基体の下面と前記支持体とを接合する樹脂材料から成る接合層とを備えており、前記接合層は、少なくとも一部が中央側に設けられた第１部分と、前記接合層の外周側に位置する第２部分を有するとともに、該第２部分は前記第１部分よりも炭素を多く含み、前記第１部分と前記第２部分とが隣接しているとともに、前記第１部分と前記第２部分との境界が凹凸形状であることを特徴とする試料保持具。
前記外部導体層が、前記第１部分に覆われた部分と、前記第２部分に覆われた部分とを有す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。
基体と、基体の下面に設けられた外部導体層と、金属から成り上面で前記基体の下面を前記外部導体層ごと覆う支持体と、前記基体の下面と前記支持体とを接合する樹脂材料から成る接合層とを備えており、前記接合層は、少なくとも一部が中央側に設けられた第１部分と、前記接合層の外周側に位置する第２部分を有するとともに、該第２部分は前記第１部分よりも炭素を多く含み、前記接合層が、前記第１部分と前記第２部分との間に位置する第３部分を有するとともに、該第３部分の密度が前記第１部分の密度および前記第２部分の密度よりも小さいことを特徴とする試料保持具。