KR102508959B1 - 정전 척 장치 - Google Patents

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스미토모 오사카 세멘토 가부시키가이샤
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Abstract

고온 환경하에서도 사용하는 것이 가능한 내열성이 높은 정전 척 장치의 제공을 목적으로 한다. 일주면에 판 형상 시료(W)를 재치하는 재치면(19)을 가짐과 함께 정전 흡착용 전극(13)을 구비한 정전 척부(2)와, 정전 척부(2)에 대하여 재치면(19)과는 반대측에 배치되어 정전 척부(2)를 냉각하는 온도 조절용 베이스부(3)와, 정전 척부(2)와 온도 조절용 베이스부(3) 사이에 층 형상으로 배치된 히터 엘리먼트(5)와, 히터 엘리먼트(5)와 정전 척부(2) 사이에 마련되어, 히터 엘리먼트(5)와 정전 척부(2)를 접착하는 제1 접착층(4a)을 구비하고, 제1 접착층(4a)은, 무기 유리 또는 일부 결정화된 유리 구조를 갖는 무기물로 이루어지는 정전 척 장치(1)이다.

Description

정전 척 장치
본 발명은 정전 척 장치에 관한 것이다.
종래, 플라즈마 에칭 장치, 플라즈마 CVD 장치 등의 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치에 있어서는, 시료대(試料臺)에 간단하게 웨이퍼를 장착하여 고정함과 함께, 이 웨이퍼를 원하는 온도로 유지하는 장치로서 정전 척 장치가 사용되고 있다.
정전 척 장치는, 예를 들면 내부에 정전 흡착용 판 형상 전극을 매설한 세라믹 기체(基體), 내부에 냉매 순환용 냉매 유로가 형성된 온도 조정용 베이스부, 웨이퍼의 온도 제어에 이용하는 히터 등 복수의 부재가 층 구조를 형성하고, 각층 사이를 접착층으로 접합하여 일체화한 구조가 알려져 있다.
정전 척 장치는, 사용 시에는 고온 환경하에 노출되어 가열되기 때문에, 내열성이 요구된다. 또한, 최근 반도체의 다양한 성능의 향상에 따라, 정전 척 장치에 요구되는 내열성도 높아지는 경향이 있다. 따라서, 종래보다 고온(150 이상)의 환경하에서 사용 가능한 정전 척 장치가 검토되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본 공개특허공보 2013-120835호
상기 특허문헌 1에서는, 히터(발열체)를 형성하는 방법으로서, 세라믹제의 기체의 표면에 도금법, 스퍼터링법, 증착법, 용사법 등의 다양한 성막법에 의하여 니켈이나 구리의 박막을 형성한 후, 불필요한 부분을 에칭으로 제거하는 방법이 기재되어 있다.
이 방법에서는, 기체의 표면에 형성되는 박막의 두께에 편차가 발생하기 쉽고, 결과적으로 형성되는 히터에 두께가 다른 부분이 포함된다. 히터가 두께 편차를 갖고 있으면, 히터의 부위에 따라 발열량이 달라, 웨이퍼의 면내에서 온도 차가 발생하는 원인이 된다.
따라서, 본원의 발명자는, 세라믹제의 기체의 표면에 미리 두께 편차가 허용 범위에 있는 금속 박막을 첩부하고, 다음으로 금속 박막을 에칭하는 것에 의하여 히터 패턴을 형성함으로써, 히터의 두께 편차를 해소시킨 정전 척 장치를 제조할 수 있는 것을 제안했다. 이 방법에 있어서는, 기체와 금속 박막을 첩부할 때에, 에폭시계, 폴리이미드계, 실리콘계 등 내열성이 높은 유기계 접착제를 이용하여, 내열성이 높은 접착층을 형성하고 있었다.
또한, "접착층의 내열성"이란, 가해진 열에 대하여 접착층이 용해 또는 분해되지 않고, 일정한 상태를 유지할 수 있는 것을 의미한다. 예를 들면, "접착층이 200 이상의 내열성을 갖는다"란, 접착층이 200의 온도가 되어도, 용해 또는 분해되지 않는 것을 의미한다.
그러나, 기체와 히터 사이의 접착층의 형성 재료에 상술과 같은 유기계 접착제를 이용한 정전 척 장치의 경우, 접착층의 열화나, 세라믹제의 기체와 접착층의 열팽창 계수의 차이에 기인하여, 기체의 변형이나 히터의 박리 등 다양한 문제가 발생할 우려가 있다. 이와 같은 문제는, 200 이상의 고온 환경하에서 정전 척 장치를 사용한 경우, 표면화되기 쉬워, 개선하는 기술이 요구되고 있었다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 고온 환경하에서도 사용하는 것이 가능한 내열성이 높은 정전 척 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 양태는, 일주면(一主面)에 판 형상 시료를 재치하는 재치면, 및 정전 흡착용 전극을 구비한 정전 척부, 상기 정전 척부에 대하여 상기 재치면과는 반대측에 배치되어 상기 정전 척부를 냉각하는 온도 조절용 베이스부, 상기 정전 척부와 상기 온도 조절용 베이스부 사이에 층 형상으로 배치된 히터 엘리먼트와, 상기 히터 엘리먼트와 상기 정전 척부 사이에 마련되어 상기 히터 엘리먼트와 상기 정전 척부를 접착하는 제1 접착층을 구비하고, 상기 제1 접착층은, 무기 유리 또는 일부 결정화된 유리 구조를 갖는 무기물로 이루어지는 정전 척 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 히터 엘리먼트와 상기 온도 조절용 베이스부 사이에, 무기 세라믹막이 추가로 마련되고, 상기 히터 엘리먼트는, 상기 제1 접착층과 상기 무기 세라믹막으로 매설되어 있는 구성으로 해도 된다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 무기 세라믹막은 세라믹 용사막인 구성으로 해도 된다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 세라믹 용사막은 산화 알루미늄 또는 산화 이트륨의 용사막인 구성으로 해도 된다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 무기 세라믹막과 상기 온도 조절용 베이스부 사이에, 제2 접착층이 추가로 마련되고, 상기 제2 접착층은, 유기 접착제를 포함하는 구성으로 해도 된다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 정전 척부의 열팽창 계수를 A, 상기 히터 엘리먼트의 열팽창 계수를 B, 상기 제1 접착층의 열팽창 계수를 C로 했을 때, A＜C＜B 또는 A＞C＞B인 구성으로 해도 된다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 제1 접착층은, 그린 시트인 구성으로 해도 된다.
본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 히터 엘리먼트의 열팽창 계수를 B, 상기 제1 접착층의 열팽창 계수를 C, 상기 무기 세라믹막의 열팽창 계수를 D로 했을 때, B＜D＜C 또는 B＞D＞C인 구성으로 해도 된다.
본 발명에 의하면, 고온 환경하에서도 사용하는 것이 가능한 내열성이 높은 정전 척 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시형태의 정전 척 장치의 단면도이다.
도 2는 본 실시형태의 정전 척 장치의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
이하, 도 1, 2를 참조하면서, 본 실시형태에 관한 정전 척 장치에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 모든 도면에 있어서는, 도면을 보기 쉽게 하기 위하여, 각 구성 요소의 치수나 비율 등은 적절히 다르게 하고 있다.
도 1은 정전 척 장치(1)의 단면도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 정전 척 장치(1)는, 원판 형상의 정전 척부(2)와, 정전 척부(2)를 원하는 온도로 조정하는 두께가 있는 원판 형상의 온도 조절용 베이스부(3)와, 정전 척부(2)의 하면에 접착된 히터부(10)를 구비하고 있다. 또한, 온도 조절용 베이스부(3)의 상면에 접착재(6)를 통하여 접착된 절연 부재(7)와, 정전 척부(2)의 하면의 히터부(10)와 온도 조절용 베이스부(3) 상의 절연 부재(7)를 대향시킨 상태에서 이들을 접착 일체화하는 유기계 접착제 등으로 이루어지는 제2 접착층(8)을 갖고 있다.
정전 척 장치(1)에는, 정전 척부(2), 제2 접착층(8), 절연 부재(7), 접착재(6)와, 온도 조절용 베이스부(3)를 관통하는 냉각 가스 도입 구멍(18)이 형성되어 있다. 냉각 가스 도입 구멍(18)으로부터는, He 등의 냉각 가스가 공급된다. 냉각 가스는, 정전 척부(2)의 재치면(19)과 판 형상 시료(W)의 하면과의 간극을 흘러, 판 형상 시료(W)의 온도를 낮추는 작용을 한다.
정전 척부(2)는, 상면이 반도체 웨이퍼 등의 판 형상 시료(W)를 재치하는 재치면(19)인 재치판(11)과, 재치판(11)과 일체화되어 당해 재치판(11)을 지지하는 지지판(12)과, 이들 재치판(11)과 지지판(12) 사이에 마련된 정전 흡착용 내부 전극(13) 및 정전 흡착용 내부 전극(13)의 주위를 절연하는 절연재층(14)과, 지지판(12)을 관통하도록 하여 마련되고 정전 흡착용 내부 전극(13)에 직류 전압을 인가하는 급전용 단자(15)를 갖고 있다.
도면에 나타내는 바와 같이, 정전 척부(2)의 재치면(19)에는, 직경이 판 형상 시료(W)의 두께보다 작은 돌기부(30)가 복수 개 형성되어 있다. 정전 척 장치(1)는 복수의 돌기부(30)가 판 형상 시료(W)를 지지하는 구성으로 되어 있다.
또 재치면(19)의 둘레 가장자리 부분에는, 둘레 가장자리 벽(17)이 형성되어 있다. 둘레 가장자리 벽(17)은, 돌기부(30)와 동일한 높이로 형성되어 있고, 돌기부(30)와 함께 판 형상 시료(W)를 지지한다. 둘레 가장자리 벽(17)은, 재치면(19)과 판 형상 시료(W) 사이에 도입되는 냉각 가스가 누출되는 것을 억제하기 위하여 마련되어 있다.
재치판(11) 및 지지판(12)은, 중첩시킨 면의 형상을 동일하게 하는 원판 형상이며, 산화 알루미늄-탄화 규소(Al2O3-SiC) 복합 소결체, 산화 알루미늄(Al2O3) 소결체, 질화 알루미늄(AlN) 소결체, 산화 이트륨(Y2O3) 소결체 등의 기계적인 강도를 갖고, 또한 부식성 가스 및 그 플라즈마에 대한 내구성을 갖는 절연성의 세라믹스 소결체로 이루어지는 것이다.
세라믹스 소결체 중의 세라믹스 입자의 평균 입경은 10μm 이하가 바람직하고, 2μm 이하가 보다 바람직하다. 정전 척부(2)의 재치면(19)에 마련되는 돌기부(30)의 형성 과정에서 샌드 블라스트 가공을 행한다. 샌드 블라스트 공정은, 재치면(19)의 표면에 데미지를 부여하여, 굴삭하는 공정이기 때문에, 돌기부(30)의 내부에 크랙이 잔류한다. 크랙은, 샌드 블라스트 공정 후에 행해지는 버프 연마에 의하여, 강제적으로 진행되어, 사전에 제거된다.
크랙은, 세라믹 소결체 중의 세라믹 입자의 입계(粒界)에 형성된다. 따라서, 세라믹 입자의 입경이 큰 경우에는, 버프 연마를 거침으로써, 입계를 따라 크게 모서리부가 제거된다. 세라믹 입자의 입경이 커질수록, 돌기부(30)는 보다 둥그스름한 형상이 된다. 이후 단락에 있어서, 설명하는 바와 같이, 본 실시형태의 돌기부(30)는, 높이 방향에 단면적의 변화가 없는 것이 바람직하기 때문에, 돌기부(30)는 둥그스름하지 않은 것이 바람직하다. 세라믹스 입자의 평균 입경은 10μm 이하(보다 바람직하게는 2μm 이하)로 함으로써, 높이 방향에 따른 단면적의 변화를 억제한 돌기부(30)를 재치면(19)에 형성할 수 있다.
재치판(11), 지지판(12), 정전 흡착용 내부 전극(13) 및 절연재층(14)의 합계의 두께, 즉 정전 척부(2)의 두께는 0.5mm 이상 또한 5.0mm 이하가 바람직하다. 정전 척부(2)의 두께가 0.5mm를 하회하면, 정전 척부(2)의 기계적 강도를 확보할 수 없다. 한편, 정전 척부(2)의 두께가 5.0mm를 상회하면, 정전 척부(2)의 열용량이 너무 커져, 재치되는 판 형상 시료(W)의 열응답성이 열화되고, 나아가서는 정전 척부(2)의 횡방향의 열전도의 증가에 의하여, 판 형상 시료(W)의 면내 온도를 원하는 온도 패턴으로 유지하는 것이 곤란해진다.
특히, 재치판(11)의 두께는 0.3mm 이상 또한 2.0mm 이하가 바람직하다. 재치판(11)의 두께가 0.3mm를 하회하면, 정전 흡착용 내부 전극(13)에 인가된 전압에 의하여 방전될 우려가 있다. 한편, 2.0mm를 넘으면, 판 형상 시료(W)를 충분히 흡착 고정하지 못하고, 따라서 판 형상 시료(W)를 충분히 가열하는 것이 곤란해진다.
정전 흡착용 내부 전극(13)은, 전하를 발생시켜 정전 흡착력으로 판 형상 시료(W)를 고정하기 위한 정전 척용 전극으로서 이용되는 것이며, 그 용도에 따라, 그 형상이나 크기가 적절히 조정된다.
정전 흡착용 내부 전극(13)은, 산화 알루미늄-탄화 탄탈럼(Al2O3-Ta4C5) 도전성 복합 소결체, 산화 알루미늄-텅스텐(Al2O3-W) 도전성 복합 소결체, 산화 알루미늄-탄화 규소(Al2O3-SiC) 도전성 복합 소결체, 질화 알루미늄-텅스텐(AlN-W) 도전성 복합 소결체, 질화 알루미늄-탄탈럼(AlN-Ta) 도전성 복합 소결체, 산화 이트륨-몰리브데넘(Y2O3-Mo) 도전성 복합 소결체 등의 도전성 세라믹스, 혹은 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브데넘(Mo) 등의 고융점 금속에 의하여 형성되어 있다.
정전 흡착용 내부 전극(13)의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.1μm 이상 또한 100μm 이하가 바람직하고, 특히 바람직하게는 5μm 이상 또한 20μm 이하이다.
두께가 0.1μm를 하회하면, 충분한 도전성을 확보할 수 없다. 한편, 두께가 100μm를 넘으면, 정전 흡착용 내부 전극(13)과 재치판(11) 및 지지판(12)과의 사이의 열팽창률 차에 기인하여, 정전 흡착용 내부 전극(13)과 재치판(11) 및 지지판(12)의 접합 계면에 크랙이 발생하기 쉬워진다.
이와 같은 두께의 정전 흡착용 내부 전극(13)은, 스퍼터링법이나 증착법 등의 성막법, 혹은 스크린 인쇄법 등의 도공법에 의하여 용이하게 형성할 수 있다.
절연재층(14)은, 정전 흡착용 내부 전극(13)을 둘러싸 부식성 가스 및 그 플라즈마로부터 정전 흡착용 내부 전극(13)을 보호한다. 또, 절연재층(14)은, 재치판(11)과 지지판(12)의 경계부, 즉 정전 흡착용 내부 전극(13) 이외의 외주부 영역을 접합 일체화하는 것이다. 절연재층(14)은, 재치판(11) 및 지지판(12)을 구성하는 재료와 동일 조성 또는 주성분이 동일한 절연 재료에 의하여 구성되어 있다.
급전용 단자(15)는, 정전 흡착용 내부 전극(13)에 직류 전압을 인가하기 위하여 마련된 봉 형상의 것이고, 급전용 단자(15)의 재료로서는, 내열성이 우수한 도전성 재료이면 특별히 제한되는 것이 아니다. 급전용 단자(15)는, 열팽창 계수가 정전 흡착용 내부 전극(13) 및 지지판(12)의 열팽창 계수에 근사한 것이 바람직하고, 예를 들면 정전 흡착용 내부 전극(13)을 구성하고 있는 도전성 세라믹스, 혹은 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브데넘(Mo), 나이오븀(Nb), 코바르 합금 등의 금속 재료가 적합하게 이용된다.
급전용 단자(15)는, 절연성을 갖는 애자(23)에 의하여 온도 조절용 베이스부(3)에 대하여 절연되어 있다.
그리고, 급전용 단자(15)는 지지판(12)에 접합 일체화되고, 또한 재치판(11)과 지지판(12)은, 정전 흡착용 내부 전극(13) 및 절연재층(14)에 의하여 접합 일체화되어 정전 척부(2)를 구성하고 있다.
정전 척부(2)의 열팽창 계수는, 특별히 한정되지 않는다. 정전 척 장치(1)에 있어서는, 에칭이나 CVD 등, 각종 용도에 맞추어 정전 척부(2)의 재치판(11)이나 지지판(12)의 형성 재료를 변경하는 경우가 있다. 또, 정전 척부(2)에 있어서는, 정전 척부(2) 전체의 열팽창 계수에 대하여, 재치판(11)이나 지지판(12)의 열팽창 계수의 영향이 지배적이다. 이로 인하여, 정전 척부(2)의 열팽창 계수는, 정전 척 장치(1)의 각종 용도에 맞추어 선택된 세라믹 재료의 열팽창 계수와 대략 동일해진다.
온도 조절용 베이스부(3)는, 정전 척부(2)를 원하는 온도로 조정하기 위한 것으로, 두께가 있는 원판 형상이다.
온도 조절용 베이스부(3)로서는, 예를 들면 그 내부에 물을 순환시키는 유로(도시 생략)가 형성된 수랭 베이스 등이 적합하다.
온도 조절용 베이스부(3)를 구성하는 재료로서는, 열전도성, 도전성, 가공성이 우수한 금속, 또는 이들 금속을 포함하는 복합재이면 특별히 제한은 없고, 예를 들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 구리(Cu), 구리 합금, 스테인리스강(SUS) 등이 적합하게 이용된다. 온도 조절용 베이스부(3)의 적어도 플라즈마에 노출되는 면은, 알루마이트 처리가 실시되어 있거나, 혹은 알루미나 등의 절연막이 성막되어 있는 것이 바람직하다.
히터부(10)는, 정전 척부(2)의 하면에 접착된 제1 접착층(4a)과, 제1 접착층(4a)의 하면에 접착되어, 소정의 패턴을 갖는 히터 엘리먼트(5)와, 히터 엘리먼트(5)의 하면으로부터 히터 엘리먼트(5)를 덮어 마련된 무기 세라믹막(4b)을 갖고 있다.
제1 접착층(4a)은, 무기 접착제를 형성 재료로 하고, 히터 엘리먼트(5)를 정전 척부(2)에 접착하는 층이다. 제1 접착층(4a)의 두께는 5μm~100μm가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10μm~50μm이다.
제1 접착층(4a)의 형성 재료인 무기 접착제는, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2) 등을 주성분으로 하고, 열 등에 의하여 경화됨으로써 유리질 혹은 일부 결정화된 구조가 되는 접착제이다. 무기 접착재에는, 열전도율의 조절을 위하여, 탄화 규소(SiC), 질화 알루미늄(AlN) 등의 필러를 도입해도 된다.
이와 같은 무기계 접착제로서, 구체적으로는 도아 고세이사제의 아론 세라믹, 아사히 가가쿠 고교사제의 수미세람 S, 아렘코사제의 세라마본드, 스리본드사제의 내열성 무기 접착제 3700 시리즈 등의 젤 형상의 접착재를 들 수 있다.
또, 정전 척부(2) 및 그 위에 재치하는 실리콘 웨이퍼(W)의 면내 온도를 균일하게 하기 위해서는, 접착층(4a)의 층두께를 균일하게 하고, 정전 척부(2) 하부로부터의 열전도를 균일하게 하는 구성이 바람직하다. 이로 인하여, 제1 접착층(4a)의 형성 재료로서, 상기의 젤 형상의 접착제가 아닌, 일반적으로 그린 시트라고 칭해지는 시트 형상의 무기계 접착제를 사용하는 것이 바람직하다. 그린 시트는, 실리카나 알루미나 등의 무기 산화물의 입자와 수지 바인더를 균일한 두께의 시트 형상으로 성형하여 이루어지는 것이다. 그린 시트를 이용하면, 젤 형상의 접착재와 달리, 도포 불균일에 기인한 층두께의 변화가 발생하지 않기 때문에, 접착층(4a)의 층두께를 용이하게 균일하게 하는 것이 가능해진다.
이와 같이 하여 형성한 제1 접착층(4a)은, 무기 유리 및 일부 결정화된 유리 구조를 갖는 무기물로 이루어진다.
제1 접착층(4a)의 열팽창 계수는, 정전 척부(2)의 열팽창 계수보다 크고, 히터 엘리먼트(5)에 사용되는 금속의 열팽창 계수보다 작거나, 또는 정전 척부(2)의 열팽창 계수보다 작고, 히터 엘리먼트(5)에 사용되는 금속의 열팽창 계수보다 큰 것이 바람직하다. 즉, 본 실시형태의 정전 척 장치(1)에서는, 정전 척부(2)의 열팽창 계수를 A, 히터 엘리먼트(5)의 열팽창 계수를 B, 제1 접착층(4a)의 열팽창 계수를 C로 했을 때, A＜C＜B, 또는 A＞C＞B라는 관계를 충족시키면 된다.
또한, 정전 척부(2)의 열팽창 계수 A와 히터 엘리먼트(5)의 열팽창 계수 B의 평균값(산술 평균값)을 X=(A+B)/2, 열팽창 계수 A와 평균값 X의 차의 절댓값 또는 열팽창 계수 B와 평균값 X의 차의 절댓값을 Y=｜B-A｜/2로 했을 때, 제1 접착층(4a)의 열팽창 계수 C는, X-0.8Y≤C≤X+0.8Y가 바람직하고, X-0.6Y≤C≤X+0.6Y가 더 바람직하다. 이로써, 제1 접착층(4a)을 이용하여 정전 척부(2)와 히터 엘리먼트(5)에 사용되는 금속을 접착한 경우, 반복 사용(승강 온도)에 의해서도 박리하기 어려워진다.
제1 접착층(4a)의 면내의 두께 편차는 10μm 이내가 바람직하다. 제1 접착층(4a)의 면내의 두께 편차가 10μm를 넘으면, 정전 척부(2)와 히터 엘리먼트(5)의 면내 간격에 10μm를 넘는 편차가 발생한다. 그 결과, 히터 엘리먼트(5)로부터 정전 척부(2)에 전해지는 열의 면내 균일성이 저하되어, 정전 척부(2)의 재치면(19)에 있어서의 면내 온도가 불균일하게 되므로 바람직하지 않다.
히터 엘리먼트(5)는, 지지판(12)의 하면에 제1 접착층(4a)에 의하여 접착 고정되어 있다. 히터 엘리먼트(5)는, 폭이 좁은 띠 형상의 금속 재료를 사행(蛇行)시킨 1개의 연속된 띠 형상의 히터 패턴이다. 띠 형상의 히터 엘리먼트(5)의 양단부에는, 도 1에 나타내는 급전용 단자(22)가 접속되고, 급전용 단자(22)는, 절연성을 갖는 애자(23)에 의하여 온도 조절용 베이스부(3)에 대하여 절연되어 있다.
히터 엘리먼트(5)의 히터 패턴은, 1개의 히터 패턴에 의하여 구성해도 되지만, 서로 독립적인 2개 이상의 히터 패턴에 의하여 구성해도 된다. 서로 독립적인 복수의 히터 패턴을 개개로 제어함으로써, 처리 중의 판 형상 시료(W)의 온도를 자유롭게 제어할 수 있다.
히터 엘리먼트(5)는, 두께가 0.2mm 이하, 바람직하게는 0.1mm 이하의 일정한 두께를 갖는 비자성 금속 박판, 예를 들면 타이타늄(Ti) 박판, 텅스텐(W) 박판, 몰리브데넘(Mo) 박판 등을 포트리소그래피법에 의하여, 원하는 히터 패턴으로 에칭 가공함으로써 형성된다.
히터 엘리먼트(5)의 열팽창 계수는, 특별히 한정되지 않는다. 히터 엘리먼트(5)의 열팽창 계수는, 상술한 바와 같은 정전 척 장치(1)의 각종 용도에 맞추어, 통전 시의 저항 발열에 의하여, 원하는 온도까지 승온 가능한 금속 재료의 열팽창 계수가 된다.
히터 엘리먼트(5)의 두께를 0.2mm 이하로 한 이유는, 두께가 0.2mm를 넘으면, 히터 엘리먼트(5)의 패턴 형상이 판 형상 시료(W)의 온도 분포로서 반영되어, 판 형상 시료(W)의 면내 온도를 원하는 온도 패턴으로 유지하는 것이 곤란해지기 때문이다.
또, 히터 엘리먼트(5)를 비자성 금속으로 형성하면, 정전 척 장치(1)를 고주파 분위기 중에서 이용해도 히터 엘리먼트(5)가 고주파에 의하여 자기(自己) 발열하지 않는다. 따라서, 판 형상 시료(W)의 면내 온도를 원하는 일정한 온도 또는 일정한 온도 패턴으로 유지하는 것이 용이해지므로 바람직하다.
또, 일정한 두께의 비자성 금속 박판을 이용하여 히터 엘리먼트(5)를 형성함으로써, 히터 엘리먼트(5)의 두께가 가열면 전역에서 일정하게 된다. 이로써, 히터 엘리먼트(5)의 발열량을 가열면 전역에서 일정하게 할 수 있어, 정전 척부(2)의 재치면(19)에 있어서의 온도 분포를 균일화할 수 있다.
무기 세라믹막(4b)은, 하면으로부터 히터 엘리먼트(5)를 덮어 마련되어 있다. 무기 세라믹막(4b)은, 히터 엘리먼트(5)의 히터 패턴의 간극을 매설하고 있다. 이로 인하여, 히터 엘리먼트(5)는, 제1 접착층(4a)과 무기 세라믹막(4b)으로 주위를 둘러싸고, 제1 접착층(4a)과 무기 세라믹막(4b)에 의하여 봉지(封止)되어 있다.
무기 세라믹막(4b)은, 알루미나 또는 이트리아(Y2O3)을 주성분으로 한 것을 이용할 수 있다. 또, 무기 세라믹막(4b)은, 단상(單相)이어도 되고, 혼상(混相)이어도 된다. 또한, 무기 세라믹막(4b)은, 단층이어도 되고, 2층 이상의 다층 구조여도 된다.
무기 세라믹막(4b)은, 프레임 용사, 플라즈마 용사, 레이저 용사 등에 의하여 세라믹을 플라즈마 용사하여 마련된 용사막을 적합하게 이용할 수 있다. 또, 무기 세라믹막(4b)은, 용사한 세라믹 입자의 결합을 위하여 이용되는 에폭시 등의 바인더나, 히터 엘리먼트(5)와의 접착 성분을 포함해도 된다. 나아가서는, 제1 접착층(4a)에서 기재한 무기 유리 및 일부 결정화된 유리 구조를 갖는 무기물을 이용할 수 있다.
무기 세라믹막(4b)의 열팽창 계수는, 제1 접착층(4a)의 열팽창 계수보다 크고, 또한 히터 엘리먼트(5)에 사용되는 금속의 열팽창 계수보다 작은 것으로 하거나, 또는 제1 접착층(4a)의 열팽창 계수보다 작고, 히터 엘리먼트(5)에 사용되는 금속의 열팽창 계수보다 큰 것으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 본 실시형태의 정전 척 장치(1)에서는, 히터 엘리먼트(5)의 열팽창 계수를 B, 제1 접착층(4a)의 열팽창 계수를 C, 무기 세라믹막(4b)의 열팽창 계수를 D로 했을 때, B＜D＜C, 또는 B＞D＞C라는 관계를 충족시키면 된다.
또한, 제1 접착층(4a)의 열팽창 계수 C와 히터 엘리먼트(5)의 열팽창 계수 B의 평균값(산술 평균값)을 M=(B+C)/2, 열팽창 계수 B와 평균값 M의 차의 절댓값 또는 열팽창 계수 C와 평균값 M의 차의 절댓값을 N=｜B-C｜/2로 했을 때, 무기 세라믹막(4b)의 열팽창 계수 D는, M-0.8N≤D≤M+0.8N이 바람직하고, M-0.6N≤D≤M+0.6N이 더 바람직하다. 이로써, 제1 접착층(4a)과 히터 엘리먼트(5)를 접착한 경우, 반복 사용(승강 온도)에 의해서도 박리하기 어려워진다.
접착재(6)는, 온도 조절용 베이스부(3)의 상면에 절연 부재(7)를 접착하기 위한 것이다. 접착재(6)는, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등의 내열성 및 절연성을 갖는 시트 형상 또는 필름 형상의 접착성 수지이며, 두께는 5μm~100μm가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10μm~50μm이다.
접착재(6)의 면내의 두께 편차는 10μm 이내가 바람직하다. 접착재(6)의 면내의 두께 편차가 10μm를 넘으면, 온도 조절용 베이스부(3)와 절연 부재(7)의 간격에 10μm를 넘는 편차가 발생한다. 그 결과, 온도 조절용 베이스부(3)에 의한 정전 척부(2)의 온도 제어의 면내 균일성이 저하되어, 정전 척부(2)의 재치면(19)에 있어서의 면내 온도가 불균일해지므로 바람직하지 않다.
절연 부재(7)는, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등의 절연성 및 내전압성을 갖는 필름 형상 또는 시트 형상의 수지이며, 절연 부재(7)의 면내의 두께 편차는 10μm 이내가 바람직하다.
절연 부재(7)의 면내의 두께 편차가 10μm를 넘으면, 두께의 대소에 따라 온도 분포에 높낮이의 차가 발생한다. 그 결과, 절연 부재(7)의 두께 조정에 의한 온도 제어에 악영향을 미치므로 바람직하지 않다.
절연 부재(7)의 열전도율은, 0.05W/mK 이상 또한 0.5W/mK 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1W/mK 이상 또한 0.25W/mK 이하이다.
열전도율이 0.1W/mK 미만이면, 정전 척부(2)로부터 온도 조절용 베이스부(3)로의 절연 부재(7)를 통한 열전도가 어려워져, 냉각 속도가 저하되므로 바람직하지 않다. 한편, 열전도율이 1W/mK를 넘으면, 히터부로부터 온도 조절용 베이스부(3)로의 절연 부재(7)를 통한 열전도가 증가하여, 승온 속도가 저하되므로 바람직하지 않다.
제2 접착층(8)은, 정전 척부(2)의 하면과 온도 조절용 베이스부(3)의 상면 사이에 개재한다. 제2 접착층(8)은, 히터 엘리먼트(5)가 접착된 정전 척부(2)와 온도 조절용 베이스부(3)를 접착 일체화함과 함께, 열응력의 완화 작용을 갖는다.
제2 접착층(8)은, 그 내부나, 정전 척부(2)의 하면, 히터 엘리먼트(5)의 하면과, 온도 조절용 베이스부(3)의 상면과의 계면에 공극이나 결함이 적을 것이 요망된다. 공극이나 결함이 형성되어 있으면, 열전도성이 저하되어 판 형상 시료(W)의 균열성이 저해될 우려가 있다.
제2 접착층(8)은, 예를 들면 실리콘계 수지 조성물을 가열 경화한 경화체 또는 아크릴 수지로 형성되어 있다. 제2 접착층(8)은, 유동성 있는 수지 조성물을 정전 척부(2)와 온도 조절용 베이스부(3) 사이에 충전한 후에 가열 경화시킴으로써 형성하는 것이 바람직하다. 정전 척부(2)의 하면에는 히터 엘리먼트(5)가 마련되어 있고, 이로써 요철이 형성되어 있다.
또, 온도 조절용 베이스부(3)의 상면 및 정전 척부(2)의 하면은 반드시 평탄하지는 않다. 유동성의 수지 조성물을 온도 조절용 베이스부(3)와 정전 척부(2) 사이에 충전시킨 후에 경화시켜 제2 접착층(8)을 형성함으로써, 정전 척부(2)와 온도 조절용 베이스부(3)의 요철에 기인하여 제2 접착층(8)에 공극이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 제2 접착층(8)의 열전도 특성을 면내에 균일하게 할 수 있어, 정전 척부(2)의 균열성을 높일 수 있다.
본 실시형태의 정전 척 장치(1)는, 이상과 같은 구성으로 되어 있다.
종래의 정전 척 장치에 있어서는, 유기계 접착제를 이용하여 히터 엘리먼트를 세라믹판(정전 척부)에 첩부하는 구성이 알려져 있었다. 그러나, 이와 같은 구성의 경우, 고온(예를 들면 200 이상)의 사용 조건에서 정전 척 장치를 이용하면, 유기계 접착제를 경화시켜 이루어지는 접착층이, 열에 의하여 열화 또는 연화되어, 접착력이 저하되는 결과, 히터 엘리먼트와 접착층의 계면에서 박리가 발생하는 경우가 있었다. 또, 접착층이 열에 의하여 경화 수축하고, 히터 엘리먼트와 정전 척부의 이간 거리나 열전달률이, 장소에 따라 불균일해지는 경우가 있었다. 그와 같은 열화가 발생한 정전 척 장치에서는, 판 형상 시료(웨이퍼)의 면내에서 온도 차가 발생하기 쉬웠다.
이에 비하여, 본 실시형태의 정전 척 장치에서는, 히터 엘리먼트(5)와 정전 척부(2)의 접착에, 무기 접착제를 이용하여 형성하는 제1 접착층(4a)을 이용하고 있다. 이로 인하여, 고온의 사용 조건에 있어서도, 종래의 정전 척 장치와 같이 제1 접착층(4a)의 열열화(熱劣化)에 기인한 문제가 발생하지 않고 사용하는 것이 가능하다.
또, 유기계 접착제를 경화시켜 이루어지는 접착층의 열팽창 계수는, 정전 척부나 히터 엘리먼트의 열팽창 계수에 대하여 상당히 크다. 이로 인하여, 상기 종래의 정전 척 장치의 구성의 경우, 고온의 사용 조건에 있어서 접착층이 크게 열팽창하여, 정전 척부가 변형되는 경우가 있었다.
이에 비하여, 본 실시형태의 정전 척 장치(1)에서는, 정전 척부(2), 제1 접착층(4a), 무기 세라믹막(4b), 히터 엘리먼트(5)의 각 열팽창 계수는 상술한 바와 같이 되어 있다. 구체적으로는 본 실시형태의 정전 척 장치(1)에서는, 정전 척부(2)의 열팽창 계수를 A, 히터 엘리먼트(5)의 열팽창 계수를 B, 제1 접착층(4a)의 열팽창 계수를 C로 했을 때, A＜C＜B, 또는 A＞C＞B라는 관계를 충족시키면 된다.
또, 본 실시형태의 정전 척 장치(1)에서는, 히터 엘리먼트(5)의 열팽창 계수를 B, 제1 접착층(4a)의 열팽창 계수를 C, 무기 세라믹막(4b)의 열팽창 계수를 D로 했을 때, B＜D＜C, 또는 B＞D＞C라는 관계를 충족시키면 된다.
이와 같은 관계를 충족시키는 경우, 고온의 사용 조건에 있어서도 장치의 변형을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 2는 본 실시형태의 정전 척 장치(1)의 제조 방법을 나타내는 설명도이며, 제1 접착층(4a), 히터 엘리먼트(5), 무기 세라믹막(4b)을 제조하는 공정에 대하여 설명하는 공정도이다.
먼저, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 정전 척부(2)를 구성하는 지지판(12)의 표면에, 무기 접착재(4x)를 개재하여, 히터 엘리먼트(5)의 재료인 금속 박막(5A)을 배치한다. 무기 접착재(4x)로서는, 예를 들면 시판 중인 유리 그린 시트를 이용할 수 있다.
이어서, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 지지판(12), 무기 접착재(4x), 금속 박막(5A)의 전체를 가열하여 무기 접착재(4x)를 소성하고, 제1 접착층(4a)을 형성한다. 형성된 제1 접착층(4a)은, 금속 박막(5A)을 지지판(12)에 접착한다. 소성 조건은, 이용하는 무기 접착재(4x)에 따라 다르지만, 무기 접착재(4x)에 포함되는 유기계의 바인더가 없어져, 무기 접착재(4x)에 포함되는 실리카나 알루미나의 입자가 소결할 정도의 온도 및 시간을 설정하면 된다.
이어서, 도 2의 (c)에 나타내는 바와 같이, 공지의 포트리소그래피법을 이용하여 마스크를 형성하고, 당해 마스크를 통하여 금속 박막(5A)을 에칭한다. 이로써, 소정의 패턴을 갖는 히터 엘리먼트(5)를 형성한다.
이어서, 도 2의 (d)에 나타내는 바와 같이, 세라믹을 플라즈마 용사함으로써, 히터 엘리먼트(5)의 간극(5x)에 세라믹의 입자(p)를 퇴적시켜 매설한다. 또한 플라즈마 용사를 계속함으로써, 세라믹 용사막을 형성 재료로 하는 무기 세라믹막(4b)을 형성하여, 히터부(10)를 형성한다.
이 후, 얻어진 히터부(10)와 지지판(12)의 적층체에 대하여 소정의 가공을 실시한 후, 당해 적층체를 무기 세라믹막(4b)의 표면에 접하는 제2 접착층(8)(도 1 참조)을 통하여, 온도 조절용 베이스부(3)에 접착한다. 이로써, 본 실시형태의 정전 척 장치(1)를 제조할 수 있다.
이상과 같은 구성의 정전 척 장치에 의하면, 고온 환경하에서도 사용하는 것이 가능한 내열성이 높은 정전 척 장치를 제공할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 적합한 실시형태예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 상술한 예에 있어서 나타낸 각 구성 부재의 제형상이나 조합 등은 일례이며, 본 발명의 주지로부터 일탈하지 않는 범위에 있어서 설계 요구 등에 근거하여 다양하게 변경 가능하다.
본 발명의 정전 척 장치는 내열성이 높고, 고온 환경하에서도 사용하는 것이 가능하다.
1…정전 척 장치
2…정전 척부
4a…접착층
4a…제1 접착층
4b…무기 세라믹막
5…히터 엘리먼트
8…제2 접착층
19…재치면
W…판 형상 시료

Claims (8)

  1. 일주면에 판 형상 시료를 재치하는 재치면, 및 정전 흡착용 전극을 구비한 정전 척부;
    상기 정전 척부에 대하여 상기 재치면과는 반대측에 배치되어 상기 정전 척부를 냉각하는 온도 조절용 베이스부;
    상기 정전 척부와 상기 온도 조절용 베이스부 사이에 층 형상으로 배치된 히터 엘리먼트; 및
    상기 히터 엘리먼트와 상기 정전 척부 사이에 마련되어, 상기 히터 엘리먼트와 상기 정전 척부를 접착하는 제1 접착층을 구비하고,
    상기 제1 접착층은, 무기 유리 또는 일부 결정화된 유리 구조를 갖는 무기물로 이루어지고,
    상기 히터 엘리먼트와 상기 온도 조절용 베이스부 사이에, 무기 세라믹막이 추가로 마련되고,
    상기 히터 엘리먼트는, 상기 제1 접착층과 상기 무기 세라믹막으로 매설되어 있고,
    상기 무기 세라믹막은 세라믹 용사막인, 정전 척 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 용사막은 산화 알루미늄 또는 산화 이트륨의 용사막인, 정전 척 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 무기 세라믹막과 상기 온도 조절용 베이스부 사이에, 제2 접착층이 추가로 마련되고,
    상기 제2 접착층은 유기 접착제를 포함하는, 정전 척 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 정전 척부의 열팽창 계수를 A, 상기 히터 엘리먼트의 열팽창 계수를 B, 상기 제1 접착층의 열팽창 계수를 C로 했을 때, A＜C＜B 또는 A＞C＞B인, 정전 척 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 접착층은 그린 시트인, 정전 척 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 히터 엘리먼트의 열팽창 계수를 B, 상기 제1 접착층의 열팽창 계수를 C, 상기 무기 세라믹막의 열팽창 계수를 D로 했을 때, B＜D＜C 또는 B＞D＞C인, 정전 척 장치.
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