JP6657426B2 - 試料保持具 - Google Patents
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Description
本開示は、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、特開2016−103560号公報(以下、特許文献1という)に記載の試料保持具が知られている。特許文献1に記載の試料保持具は、上面に試料保持面を有する基体と、基体の下面に設けられた発熱抵抗体と、基体の下面に接合層を介して接合された支持体とを備えている。近年、試料保持具は試料保持面における更なる均熱性の向上が求められている。
本開示の一態様の試料保持具は、一方の主面が試料保持面であるセラミック基板と、該セラミック基板の内部または他方の主面に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック基板の前記他方の主面を覆うように接合層を介して設けられており、一方の主面と他方の主面とに開口する貫通孔を有する金属部材と、前記金属部材に挿入されたリード端子と、前記接合層の内部に設けられており、前記発熱抵抗体と前記リード端子とを電気的に接続するとともに、前記セラミック基板の前記他方の主面から離れて、前記他方の主面に沿った方向に伸びる領域を有する導通部と、を備えている。
図1は試料保持具10の一例を示す断面図である。図1に示すように、本例の試料保持具10は、一方の主面が試料保持面11であるセラミック基板1と、金属を有し上面でセラミック基板1の他方の主面を覆う金属部材4と、セラミック基板1の他方の主面および金属部材4の一方の主面を接合する接合層5とを備えている。また、試料保持具10は、セラミック基板1の内部または他方の主面に設けられた発熱抵抗体2と、セラミック基板1の内部に設けられた吸着電極3とを備えている。なお、以下、「一方の主面」を「上面」として、「他方の主面」を「下面」として説明を行なうこともあるが、これは理解を助けるための表現であって、試料保持具10の使用方法を限定するものではない。
セラミック基板1は、上面に試料保持面11を有する板状の部材である。セラミック基板1は、上面の試料保持面11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。セラミック基板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を有する。セラミック基板1の下面には、発熱抵抗体2が設けられている。セラミック基板1の寸法は、例えば、径を200〜500mm、厚みを2〜15mmに設定できる。
セラミック基板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、本例の試料保持具10は静電気力によって試料を保持する。そのため、試料保持具10はセラミック基板1の内部に吸着電極3を備えている。吸着電極3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、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、セラミック基板1の内部に配置される。それら2つの電極が合わさって、吸着電極3全体の外形が円形状となっている。この吸着電極3全体による円形状の外形の中心は、同じく円形状のセラミック基板1の外形の中心と同一に設定される。吸着電極3は、例えば白金、タングステンまたはモリブデン等の金属材料を有する。
発熱抵抗体2は、セラミック基板1の上面の試料保持面11に保持された試料を加熱するための部材である。発熱抵抗体2は、セラミック基板1の内部または下面に設けることができる。本例の試料保持具10においては、発熱抵抗体2は、セラミック基板1の下面に設けられている。発熱抵抗体2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2で発せられた熱は、セラミック基板1の内部を伝わって、セラミック基板1の上面における試料保持面11に到達する。これにより、試料保持面11に保持された試料を加熱することができる。
発熱抵抗体2は、複数の折り返し部を有する線状のパターンであって、セラミック基板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。
発熱抵抗体2は、導体成分およびガラス成分を含んでいる。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してもよい。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2がセラミック基板1の内部に設けられる場合は、導体成分はタングステン、または炭化タングステン等であってもよい。
試料保持具10の温度制御には以下の方法を用いることができる。具体的には、セラミック基板1に熱電対を接触させることによって温度を測定できる。また、セラミック基板1に、測温抵抗体を接触させて抵抗を測定することによっても発熱抵抗体2の温度を測定できる。以上のようにして測定した発熱抵抗体2の温度に基づいて、発熱抵抗体2に印加する電圧を調整することによって、試料保持具10の温度が一定になるように発熱抵抗体2の発熱を制御することができる。
金属部材4は、セラミック基板1を支持するために設けられている。金属部材4は、金属を有し、上面でセラミック基板1の下面を覆っている。セラミック基板1の下面と金属部材4の上面とは接合層5によって接合されている。金属部材4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、金属部材4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してもよい。また、金属部材4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(N2)等の気体を用いることができる。
接合層5は、セラミック基板1と金属部材4とを接合するために設けられている。接合層5は、セラミック基板1の下面および金属部材4の上面を接合している。接合層5の厚みは、例えば、0.1〜1mm程度に設定される。接合層としては、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料を用いることができる。
導通部6およびリード端子7は、発熱抵抗体2に電力を供給するための部材である。導通部6は、一端が発熱抵抗体2に接続されるとともに、他端がリード端子7に接続されている。リード端子7は、一端が導通部6に接続されるとともに、他端が外部電源に接続されている。導通部6としては、例えば、銅等の電気伝導性を有する金属材料を用いることができる。リード端子7としては、例えば、ニッケル等の電気伝導性を有する金属材料を用いることができる。
より具体的には、金属部材4は、上面と下面とに開口する貫通孔41を有している。接合層5は、下面に凹部51を有している。金属部材4の貫通孔41と接合層5の凹部51とは、それぞれの内周面が連続するように、繋がっている。導通部6は、接合層5の内部に設けられており、セラミック基板1の下面に沿った部分を有している。導通部6のうちセラミック基板1の下面に沿った部分としては、例えば、金属板を用いることができる。また、本例においては、導通部6と発熱抵抗体2とは、ビアホール導体61によって接続されている。ビアホール導体としては、例えば、半田またはろう材等の導電性材料を用いることができる。
なお、本例においては、導通部6は、全体がセラミック基板1の下面に沿っているが、これに限られない。例えば、導通部6は、セラミック基板1の下面に沿った部分と、上下方向に伸びる部分との両方を有していてもよい。このような場合には、発熱抵抗体2と導通部6とがビアホール導体61を介さずに直接接続されていてもよい。なお、ここでいう上下方向とは、セラミック基板1の上面に対して垂直な方向を意味している。
図2に示すように、導通部6は、例えば、セラミック基板1の下面に沿った面を見たときに、帯形状を有していてもよい。より具体的には、導通部6は、大部分が帯形状であるとともに、ビアホール導体61に接続される第1領域62、および、リード端子7に接続される第2領域63を有していてもよい。そして、第1領域62と第2領域63との間に、第1領域62および第2領域63よりも細い、第3領域64を有していてもよい。導通部6が第3領域64を有していることによって、第1領域62と発熱抵抗体2とをはんだ等のビアホール導体61で接続したときに、硬化前のビアホール導体61が第2領域63に濡れ広がってしまうおそれを低減できる。これにより、導通部6と発熱抵抗体2との接続信頼性を向上できる。
導通部6は、ビアホール導体61とリード端子7とを接続している。導通部6のうちセラミック基板1の下面に沿った部分は凹部51の底面に露出している。言い換えると、導通部6の他端は凹部51の底面に露出している。
リード端子7は、金属部材4の貫通孔41に金属部材4の下面側から挿入されており、凹部51の底面に達している。リード端子7は、金属部材4との絶縁性を確保するために、金属部材4に接触しないように間隔を空けて設けられている。リード端子7は、凹部51の底面において導通部6に接続されている。リード端子7と導通部6との接続には、例えば、電気伝導性を有する接合材を用いることができる。接合材としては、例えば、ろう材や半田を用いることができる。
本例の試料保持具10においては、一方の主面が試料保持面11であるセラミック基板1と、セラミック基板1の内部または他方の主面に設けられた発熱抵抗体2と、セラミック基板1の他方の主面を覆うように接合層5を介して設けられており、一方の主面と他方の主面とに開口する貫通孔41を有する金属部材4と、金属部材4に挿入されたリード端子7と、接合層5の内部に設けられており、発熱抵抗体2とリード端子7とを電気的に接続するとともに、セラミック基板1の他方の主面から離れて、他方の主面に沿った方向に伸びる領域を有する導通部6と、を備えている。導通部6がセラミック基板1の他方の主面から離れて他方の主面に沿った方向に伸びる領域を有することによって、導通部6において生じた発熱がセラミック基板1に伝わりにくくすることができる。これにより、試料保持面11における均熱性を向上できる。
また、導通部6の全体が接合層5に覆われている構成であってもよい。これにより、導通部6を外部と絶縁することができるので、試料保持具10信頼性を向上できる。なお、ここでいう「導通部6の全体が接合層5に覆われている」とは、厳密な意味で全体が接合層5に覆われている必要はない。具体的には、導通部6と発熱抵抗体2との接続部、導通部6とリード端子7との接続部、および、その他の電気的な接続を必要とする部位においては、電気的な接続を行なうために部分的に接合層5に覆われていない部分があってもよい。
また、接合層5は、セラミック基板1よりも熱伝導率が小さくてもよい。これにより、導通部6で生じた熱が接合層5を介してセラミック基板1に伝わってしまうことを低減できる。その結果、試料保持面11における均熱性を向上できる。
また、図3に示すように、発熱抵抗体2がセラミック基板1の下面に設けられており、接合層5が、セラミック基板1に接合された第1層52と金属部材4に接合された第2層53とを有する積層構造であるとともに、第1層52が、第2層53よりも弾性率が大きくてもよい。これにより、弾性率が大きい第1層52で発熱抵抗体2を覆うことによってセラミック基板1と発熱抵抗体2とを強固に拘束することができるので、ヒートサイクル下において発熱抵抗体2に剥がれが生じる可能性を低減できる。また、弾性率が小さい第2層53で金属部材4を接合することによって、熱膨張の大きい金属部材4と接合層5との間で生じる熱応力を低減できる。第1層52としては、例えば、エポキシ樹脂を、第2層53としては、例えば、シリコーン樹脂を用いることができる。
また、導通部6が、第1層52と第2層53との間に設けられていてもよい。第1層52と第2層53との間に導通部6を設けることによって、第1層52の内部に導通部6を設けた場合、または、第2層53の内部に導通部6を設けた場合と比較して、接合層5の内部における界面の面積を減らすことができる。そのため、試料保持面11の温度を降下させる際に、セラミック基板1に残った熱を金属部材4に素早く逃がすことができるので、試料保持具10の降温速度を向上させることができる。
また、図4に示すように、導通部6の少なくとも一部が接合層5よりも熱伝導率が小さな膜状部材8で覆われていてもよい。これにより、導通部6で生じた熱が接合層5を介してセラミック基板1に伝わるおそれを低減できる。膜状部材8としては、例えば、ポリイミドのフィルムを用いることができる。
膜状部材8は、巻きつけるようにして接合層5に取り付けることができる。また、膜状部材8は、複数の部材から成っていてもよい。具体的には、膜状部材8が凹状部81および凹状部81の両側に伸びる鍔部82を有する2つの部材から成るとともに、2つの部材の凹状部81によって導通部6が覆われていてもよい。このとき、鍔部82同士を固定することによって2つの部材を強固に固定できるので、膜状部材8が導通部6から剥がれてしまうおそれを低減できる。
より具体的には、例えば、図5および図6に示すように、導通部6は第1領域62、第2領域63および第3領域64を有しており、第2領域63の下面がリード端子7に接続される接続領域65を有していてもよい。このとき、第2領域63のうち接続領域65以外が膜状部材8によって覆われていてもよい。なお、図5および図6においては、膜状部材8と導通部6との位置関係を明確にするために、膜状部材8を透過して示している。第2領域63のうち接続領域65以外が膜状部材8で覆われていることによって、第1領域62と発熱抵抗体2とをはんだ等のビアホール導体61で接続したときに、硬化前のビアホール導体61が第2領域63に濡れ広がってしまうおそれを低減できる。これにより、導通部6と発熱抵抗体2との接続信頼性を向上できる。
また、図7に示すように、第1領域62の下面に、低熱伝導部材66が設けられていてもよい。低熱伝導部材66としては、接合層5よりも熱伝導率が小さい部材が用いられる。接合層5よりも熱伝導率が小さい部材としては、例えば、ポリイミド等を用いることができる。これにより、発熱抵抗体2で生じた熱が、ビアホール導体61および第1領域62を伝わって、接合層5に伝わるおそれを低減できる。その結果、試料保持面11の均熱性を向上できる。なお、図7においては、第1領域62の下面のうち一部分が低熱伝導部材66で覆われているが、これに限られない。例えば、第1領域62の下面の全体が低熱伝導部材66で覆われていてもよい。これにより、発熱抵抗体2で生じた熱が、ビアホール導体61および第1領域62を伝わって、接合層5に伝わるおそれをさらに低減できる。
また、第1領域62の下面の全体および側面の一部が低熱伝導部材66で覆われていてもよい。これにより、発熱抵抗体2で生じた熱が、ビアホール導体61および第1領域62を伝わって、接合層5に伝わるおそれをさらに低減できる。
1:セラミック基板
2:発熱抵抗体
3:吸着電極
4:金属部材
41:貫通孔
5:接合層
51:凹部
6:導通部
7:リード端子
8:膜状部材
81:凹状部
82:鍔部
10:試料保持具
11:試料保持面
2:発熱抵抗体
3:吸着電極
4:金属部材
41:貫通孔
5:接合層
51:凹部
6:導通部
7:リード端子
8:膜状部材
81:凹状部
82:鍔部
10:試料保持具
11:試料保持面
Claims (6)
- 一方の主面が試料保持面であるセラミック基板と、該セラミック基板の内部または他方の主面に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック基板の前記他方の主面を覆うように接合層を介して設けられており、一方の主面と他方の主面とに開口する貫通孔を有する金属部材と、前記金属部材に挿入されたリード端子と、前記接合層の内部に設けられており、前記発熱抵抗体と前記リード端子とを電気的に接続するとともに、前記セラミック基板の前記他方の主面から離れて、前記他方の主面に沿った方向に伸びる領域を有する導通部と、を備えている試料保持具。
- 前記導通部の全体が前記接合層に覆われている請求項1に記載の試料保持具。
- 前記接合層は、前記セラミック基板よりも熱伝導率が小さい請求項1または請求項2に記載の試料保持具。
- 前記発熱抵抗体が前記セラミック基板の前記他方の主面に設けられており、
前記接合層が、前記セラミック基板に接合された第1層と前記金属部材に接合された第2層を有する積層構造であるとともに、前記第1層が、前記第2層よりも弾性率が大きい請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の試料保持具。 - 前記導通部が、前記第1層と前記第2層との間に設けられている請求項4に記載の試料保持具。
- 前記導通部の少なくとも一部が前記接合層よりも熱伝導率が小さな膜状部材で覆われている請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の試料保持具。
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