JP6947932B2 - 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）に開示の試料保持具が知られている。試料保持具は、上面に試料保持面を有するセラミック基体と、セラミック基体の下面に設けられた発熱抵抗体と、セラミック基体の下面に接合層を介して接合された金属製の支持体とを備える構成が知られている。
本開示の試料保持具は、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、前記セラミック基板の前記他方の主面と前記金属部材の前記一方の主面とを接着する接着層と、前記金属部材に挿入されたリード端子と、前記接着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、前記導通部および前記リード端子を接合する金属製の接合部材と、前記接着層よりも熱伝導率が小さく、前記接合部材を覆う低熱伝導部材と、を備えている。
試料保持具の一例を示す断面図である。 試料保持具の他の例を示す断面図である。
以下、試料保持具１０について図面を参照して説明する。
図１に示すように、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を備えている。セラミック基板１は、例えば平面視したときの外周形状が円形状であり、被保持物と同程度の径を有する円板状に形成されている。セラミック基板１は、一方の主面（上面）に被保持物を保持する試料保持面１１を有している。セラミック基板１の材質としては、アルミナ、サファイア、アルミナ−チタニア複合材またはチタン酸バリウムのような酸化物系セラミックスあるいは窒化アルミニウム等の窒化物系セラミックスを用いることができる。セラミック基板１の寸法は、例えば、直径を２００ｍｍ〜５００ｍｍ、厚みを２ｍｍ〜１５ｍｍに設定できる。
ここで、試料保持具１０は、シリコンウェハ等の被保持物（試料）を保持するもので、例えば静電チャックである。このとき、セラミック基板１は内部に静電吸着用電極を有する。静電吸着用電極は、例えば、白金またはタングステン等の材料を有している。静電吸着用電極にはリード線が接続されている。静電吸着用電極は、このリード線を介して、電源に接続されている。一方、試料保持面１１に吸着される被保持物（試料）は、アースに接続されている。これにより、静電吸着用電極と被保持物との間に静電吸着力が発生して、被保持物（試料）を試料保持面１１に吸着固定できる。
セラミック基板１の内部または他方の主面には、発熱抵抗体２が設けられている。図１に示す形態の試料保持具１０においては、発熱抵抗体２はセラミック基板１の他方の主面（下面）に設けられている。
発熱抵抗体２は、セラミック基板１の一方の主面（上面）である試料保持面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、後述する導通部６を通してリード端子５と電気的に接続されており、これらを介してこの発熱抵抗体２に電流を流すことで、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の他方の主面（下面）のほぼ全面に設けられている。また、発熱抵抗体２は、均熱性を向上させるために最適に設計されたパターン形状を持っている。要求される抵抗や電力量で発熱抵抗体２の寸法が設計され、例えば、発熱抵抗体２の幅は０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、厚みは１０μｍ〜５ｍｍ、長さは５０ｍｍ〜５ｍに設定される。これにより、試料保持具１０の一方の主面（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、例えば銀、パラジウム、白金、アルミニウム、金等の導体成分を含んでいる。また、発熱抵抗体２はガラス成分を含んでいてもよい。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挙げることができる。なお、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。
ここで、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。
そして、セラミック基板１の他方の主面を覆うように金属部材３が設けられている。また、金属部材３は一方の主面と他方の主面とに開口する貫通孔３１を有している。
金属部材３は、セラミック基板１を支持するために設けられている。この金属部材３は、一方の主面（上面）がセラミック基板１の他方の主面（下面）に対向するように当該他方の主面を覆っている。具体的には、セラミック基板１の他方の主面（下面）と金属部材３の一方の主面（上面）とが、接着層４によって接合されている。ここでいう金属部材３の「金属」とは、セラミックスと金属との複合材料，繊維強化金属等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３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できる。
金属部材３は、例えば平面視したときの外周形状が円形状であり、セラミック基板１と同程度の径を有する円板状に形成されている。金属部材３は、例えば１０ｍｍ〜１００ｍｍの厚さである。また金属部材３は、一方の主面（上面）と他方の主面（下面）とに開口する貫通孔３１を有していて、この貫通孔３１の内部を通過するようにリード端子５が設けられている。言い換えると、リード端子５が金属部材３に挿入されている。貫通孔３１の形状は、例えば内部空間が円柱状となる形状である。貫通孔３１の直径は、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍに設定することができる。
リード端子５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。リード端子５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。
なお、金属部材３は、気体または液体等の熱媒体を循環させるため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。
セラミック基板１の他方の主面と金属部材３の一方の主面との間には、これらを接着する接着層４が設けられている。言い換えると、セラミック基板１の他方の主面（下面）と金属部材３の一方の主面（上面）とが、接着層４によって接合されている。
接着層４は、高分子材料を有している。高分子材料として、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂を有している。接着層は、高分子材料以外に、高分子材料中に分散されたフィラーを有していてもよい。フィラーとしては、例えば、セラミック粒子を用いることができる。セラミック粒子としては、例えば、アルミナまたは窒化アルミニウム等を用いることができる。
接着層４の厚みは、例えば０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍに設定することができる。ここで、試料保持具１０は、セラミック基板１の上面から接着層４を通って金属部材３の下面まで貫通する貫通孔を有していてもよい。
試料保持具１０は、接着層４の内部に設けられた導通部６を備えている。導通部６は、例えば銅、アルミニウム等の電気伝導性を有する金属材料で構成されている。導通部６は、発熱抵抗体２とリード端子５とを電気的に接続し、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５に接続されている。導通部６は、セラミック基板１の他方の主面から離れて、当該他方の主面に沿った方向に伸びる領域を有している。具体的には、セラミック基板１の下面に沿った部分と、上下方向に伸びた部分とを有している。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、金属箔などを用いることができる。また、導通部６のうち上下方向に伸びた部分は、発熱抵抗体２と導通部６のうちセラミック基板１の下面に沿った部分とを電気的に接続するもので、例えばビアホール導体、金属箔などを用いることができる。
また、試料保持具１０は、導通部６とリード端子５とを接合する金属製の接合部材７を備えている。
導通部６とリード端子５とは接合部材７で電気的に接続されている。接合部材７としては、電気伝導性を有する例えばはんだ，ろう材等を用いることができる。
そして、接合部材７は低熱伝導部材８で覆われている。この低熱伝導部材８は、接着層４よりも熱伝導率が小さい材料を有する。低熱伝導部材８の厚みは、例えば０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍとされる。
本開示の試料保持具１０は、このような構成により、接合部材７から熱が逃げ難くなるため、試料保持面１１の均熱性を高めることができる。
なお、接着層４および低熱伝導部材８の熱伝導率は、これらをサンプリングし、レーザーフラッシュ法（装置名：レーザーフラッシュ法熱物性測定装置、会社名：京都電子工業株式会社、型番：ＬＦＡ５０２）で測定できる。
ここで、低熱伝導部材８が絶縁性の材料であってもよい。これにより、接合部材７の周辺の絶縁性を向上させることができる。例えば、接着層４がエポキシ樹脂を主成分（最も含有量が多い）とするときにはポリイミド、フッ素樹脂、グラファイトが用いられ、接着層４がシリコーン樹脂を主成分（最も含有量が多い）とするときにはポリイミド、フッ素樹脂、グラファイトが用いられる。
また、低熱伝導部材８は、接合部材７よりも弾性率が小さい材料であってもよい。これにより、接合部材７にかかる応力を低熱伝導部材８で緩衝させることができ、耐久性を向上させることができる。
また、図１に示すように、低熱伝導部材８が導通部６におけるセラミック基板１の他方の主面に沿った方向に伸びる領域の一部を覆っていてもよいが、図２に示すように、低熱伝導部材８が少なくとも導通部６におけるセラミック基板１の他方の主面に沿った方向に伸びる領域の全体を覆っていてもよく、低熱伝導部材８が導通部６におけるセラミック基板１の他方の主面に沿った方向に伸びる領域の全体まで覆うことにより、例えば導通部６が金属を有する場合、周囲の接着層４より熱伝導率が高いため発生する熱引きを低熱伝導部材８で覆うことができ、周囲の接着層４との熱伝導率に近づくので、試料保持面１１への熱の影響を抑え、試料保持面１１の均熱性が向上する。
以下、試料保持具１０の製造方法について説明する。なお、アルミナセラミックスを例に説明するが、窒化アルミニウムセラミックス等の他のセラミック材料の場合であっても同様の方法で作製できる。
まず、主原料となるアルミナ粉末を所定量秤量し、ボールミル中でイオン交換水、有機溶媒等または有機分散剤と金属またはセラミックスからなるボールと共に２４〜７２Ｈｒ湿式粉砕混合をする。
こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはアクリル樹脂等の有機バインダーおよび補助的な有機材料として可塑剤ならびに消泡剤を所定量添加し、さらに２４〜４８Ｈｒ混合する。混合された有機−無機混合スラリーを、ドクターブレード法、カレンダーロール法、プレス成形法または押し出し成形法などによってセラミックグリーンシートに成形する。
そして、静電吸着用電極を成形するための白金またはタングステン等のペースト状電極材料を公知のスクリーン印刷法等により印刷成形する。また、セラミックグリーンシートを３〜１０枚積層しボール盤などでφ０．１ｍｍ〜０．８ｍｍのビアホール導体を埋め込む穴を設ける。その穴にペースト状電極材料を埋め込み、ビアホール導体を成形する。更に、ビアホール導体の直下にφ１ｍｍ〜２ｍｍで厚み２０μｍ〜３０μｍの第１の導体パターンをペースト状電極材料を用いて印刷成形する。更に、前記印刷にて成形した第１の導体パターンの上に、φ５ｍｍ〜１５ｍｍで２０μｍ〜３０μｍの第２の導体パターンをペースト状電極材料を用いて印刷成形する。
ここで、第１の導体パターンおよび第２の導体パターンを成形したセラミックグリーンシートとビアホール導体が埋め込まれたセラミックグリーンシートとペースト状電極材料が印刷成形されていないグリーンシートとを重ねて積層する。積層に際しては、セラミックグリーンシートの降伏応力値以上の圧力を印加しながら、所定の温度で積層すればよい。圧力印加手法としては、一軸プレス法または等方加圧法（乾式、湿式法）等の公知の技術を応用すればよい。
次に、得られた積層体を所定の温度、雰囲気中にて焼成して、内部に静電吸着用電極が設けられたセラミック基板１を作製する。
次に、セラミック基板１をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状、厚みに加工する。
更に、発熱抵抗体２をセラミック基板１の内部または裏面（他方の主面）に設ける。発熱抵抗体２は電流を通電することでジュール発熱を生じ、被加熱対象を加熱するための部材である。発熱抵抗体２をセラミック基板１の内部に設ける場合は、静電吸着用電極と同様の方法で形成する。発熱抵抗体２をセラミック基板１の裏面に設ける場合は、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ものが良い。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。
次に、セラミック基板１の試料保持面１１とは異なる裏面（他方の主面）に、マシニングセンターまたはボール盤などで静電吸着用電極の一部が露出するような給電用の凹部を設ける。
更に、アルミニウム等で作製された金属部材３とセラミック基板１とを接合する。発熱抵抗体２がセラミック基板１の裏面（他方の主面）に設けられている場合、セラミック基板１の裏面にエポキシ系の樹脂ペーストを塗布し、スキージ等で余分な樹脂ペーストを除去し硬化させる。ここで、発熱抵抗体２の両端の給電部は目止めをして樹脂ペーストが給電部に付着しないようにしておく。次に、ロータリー加工等で平面度よく加工し、接着層４の第１層を形成する。
次に、接着層４の第１層の上に銅やアルミニウム等の例えば金属箔を有する導通部６を配置する。導通部６は、上下方向に伸びた部分において発熱抵抗体２との接続をはんだなどで行なう。また、セラミック基板１の下面に沿った部分において、リード端子５と接続可能な領域への引き回しを行なっている。導通部６のうちセラミック基板１の下面に沿った部分の一端が上下方向に伸びた部分に接続されていて、セラミック基板１の下面に沿った部分の他端は、リード端子５とはんだなどで接合する。そして、その接合部を周囲の接着層よりも熱伝導率が小さい低熱伝導部材８で覆う。具体的にはポリイミド等の耐熱性の高い部材で覆う。ここで、はんだと低熱伝導部材８の合成熱伝導率が接着層４の熱伝導率と同じだとなお良い。熱伝導率を合わせることにより、セラミック基板１からの熱引きが接着層４と接合部とで同じになるので、セラミック基板１の試料保持面１１の均熱性が向上する。
更に、アルミニウム等で作製された金属部材３とセラミック基板１とを接合する。金属部材３に接着層４の第２層となるシリコーンペーストを塗布し、スキージ等で余分なシリコーンペーストを除去し、セラミック基板１を真空中で金属部材３と接着し、所定の厚みまで加圧し、１００℃２時間硬化させる。接着層４となる接着材の硬化は触媒などをいれて常温で硬化してもよい。このとき、金属部材３に設けられた貫通孔３１にリード端子５を挿入させるように位置合わせして接着する。
このようにして本実施形態の試料保持具を作製することができる。
１：セラミック基板
２：発熱抵抗体
３：金属部材
３１：貫通孔
４：接着層
５：リード端子
６：導通部
７：接合部材
８：低熱伝導部材

Claims (4)

  1. 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、前記セラミック基板の前記他方の主面と前記金属部材の前記一方の主面とを接着する接着層と、前記金属部材に挿入されたリード端子と、前記接着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、前記導通部および前記リード端子を接合する金属製の接合部材と、前記接着層よりも熱伝導率が小さく、前記接合部材を覆う低熱伝導部材と、を備えている試料保持具。
  2. 前記低熱伝導部材は、絶縁性の材料を有する請求項１に記載の試料保持具。
  3. 前記低熱伝導部材は、前記接合部材よりも弾性率が小さい材料を有する請求項１または請求項２に記載の試料保持具。
  4. 前記低熱伝導部材は、少なくとも前記導通部における前記セラミック基板の前記他方の主面に沿った方向に伸びる領域の全体を覆う請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の試料保持具。
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