WO2024004040A1 - ウエハ載置台 - Google Patents

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WO2024004040A1
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cooling base
cooling
mounting table
wafer
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達也 久野
征樹 石川
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日本碍子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a wafer mounting table.
  • a wafer mounting table in which a ceramic base material such as alumina in which electrostatic electrodes are embedded and a cooling base material made of metal such as aluminum are bonded via a resin layer (for example, see Patent Document 1). .
  • a wafer mounting table According to such a wafer mounting table, the effect of the difference in thermal expansion between the ceramic base material and the cooling base material can be alleviated by the resin layer.
  • a wafer mounting table in which a ceramic base material and a cooling base material provided with a coolant flow path therein are joined using a metal bonding layer instead of a resin layer (for example, Patent Documents 2 and 3).
  • the metal bonding layer Since the metal bonding layer has higher thermal conductivity than the resin layer, it can achieve the heat removal ability required when processing wafers with high-power plasma. On the other hand, since the metal bonding layer has a larger Young's modulus and lower stress relaxation properties than the resin layer, it is hardly able to alleviate the influence of the difference in thermal expansion between the ceramic base material and the cooling base material. Therefore, in Patent Documents 2 and 3, a composite material of metal and ceramic, which has a small difference in thermal expansion coefficient from the ceramic base material, is used as the material of the cooling base material.
  • composite materials of metal and ceramic are more expensive than metals such as aluminum, are difficult to process, and have a high cost for forming coolant channels, so the manufacturing cost of the wafer mounting table has sometimes increased.
  • a composite material of metal and ceramic it is possible to use a low thermal expansion metal material with a small difference in coefficient of thermal expansion from the ceramic base material, but low thermal expansion metal materials are also expensive, difficult to process, and coolant does not flow easily. Since the cost of forming the channels is also high, the manufacturing cost of the wafer mounting table may become high.
  • the present invention was made to solve these problems, and its main purpose is to reduce the manufacturing cost of a wafer mounting table that is highly efficient in cooling wafers.
  • the wafer mounting table of the present invention includes: a ceramic base material having a wafer placement surface on the top surface and incorporating electrodes; a first cooling base material made of a composite material of metal and ceramic or a low thermal expansion metal material; a metal bonding layer bonding the lower surface of the ceramic base material and the upper surface of the first cooling base material; a second cooling base material having a refrigerant flow path formed therein; a heat dissipation sheet disposed between the lower surface of the first cooling base material and the upper surface of the second cooling base material; a screw hole opened on the lower surface of the first cooling base material; a through hole provided at a position opposite to the screw hole and vertically penetrating the second cooling base material; a screw member inserted into the through hole from the lower surface of the second cooling base material and screwed into the screw hole; It is equipped with the following.
  • the first cooling base material is bonded to the ceramic base material with a metal bonding layer, and the efficiency of cooling the wafer is high, and the first cooling base material and the second cooling base material are fastened with screw members.
  • a heat dissipation sheet is arranged between the first cooling base material and the second cooling base material. Since the heat dissipation sheet firmly adheres to the first cooling base material and the second cooling base material by fastening the first cooling base material and the second cooling base material with screw members, the heat of the first cooling base material is It conducts quickly to the second cooling substrate. Therefore, the efficiency of cooling the wafer is high.
  • the ceramic base material and the second cooling base material are joined by a screw member, when the ceramic base material deteriorates due to the use of the wafer mounting table, the ceramic base material and the first cooling base material It is possible to replace only the member to which the metal parts are bonded, and to reuse the second cooling base material in which the refrigerant flow path is formed as is. Therefore, the manufacturing cost of the wafer mounting table can be reduced.
  • the present invention may be described using terms such as up and down, left and right, front and back, but up and down, left and right, and front and back are merely relative positional relationships. Therefore, when the orientation of the wafer mounting table is changed, the top and bottom may become left and right, and the left and right may become up and down, but such cases are also included in the technical scope of the present invention.
  • the heat radiation sheet may have a thermal resistance of 0.35 K ⁇ cm 2 /W or less. In this way, the heat of the first cooling base material is conducted to the second cooling base material more quickly, so that the efficiency of cooling the wafer is further increased.
  • the Young's modulus of the heat dissipation sheet may be 100 MPa or less. The smaller the Young's modulus of the heat dissipation sheet, the more evenly the fastening force of the screw member is transmitted over the entire surface of the heat dissipation sheet. As a result, the heat dissipation sheet tightly adheres to the first cooling base material and the second cooling base material, thereby further increasing the efficiency of cooling the wafer.
  • the wafer mounting table described above (the wafer mounting table according to any one of [1] to [3] above) is provided with a plurality of the screw holes, and the distance between the centers of two adjacent screw holes is 100 mm or less. It may be something. In this way, the first cooling base material and the second cooling base material can be more tightly connected, and since the heat dissipation sheet is firmly attached to the first cooling base material and the second cooling base material, the wafer can be cooled.
  • the depth of the screw hole is 1.5 times or less the nominal diameter of the screw member. It may be something. In this way, the thickness of the first cooling base material can be reduced. Thereby, it is possible to shorten the heat transfer distance from the lower surface of the ceramic base material to the upper surface of the second cooling base material, and it is possible to further improve the efficiency of cooling the wafer.
  • the thickness of the first cooling base material may be 4 mm or more and 8 mm or less. If the thickness of the first cooling base material is 4 mm or more, the warpage of the first cooling base material is suppressed, and the heat dissipation sheet tightly adheres to the first cooling base material and the second base material, thereby increasing the efficiency of cooling the wafer. becomes higher. Moreover, if the thickness of the first cooling base material is 8 mm or less, the heat transfer distance from the bottom surface of the ceramic base material to the top surface of the first cooling base material is short, so that the efficiency of cooling the wafer can be further improved.
  • the second cooling base material may be made of an easily processable material. In this way, the refrigerant flow path can be easily formed in the second cooling base material, so that processing costs can be reduced.
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of the wafer mounting table 10 installed in the chamber 94.
  • FIG. 3 is a plan view of the wafer mounting table 10.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a cross section of the wafer mounting table 10 cut along a horizontal plane passing through a coolant flow path 35 when viewed from above.
  • FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the wafer mounting table 10 (manufacturing process of the upper base material 20).
  • FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the wafer mounting table 10 (manufacturing process of the second cooling base material 30).
  • FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the wafer mounting table 10 (assembly process of the wafer mounting table 10).
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of a wafer mounting table 110 installed in a chamber 94.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of the wafer mounting table 10 installed in the chamber 94 (a cross-sectional view taken along a plane including the central axis of the wafer mounting table 10),
  • FIG. 2 is a plan view of the wafer mounting table 10, and
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a cross section of the wafer mounting table 10 cut along a horizontal plane passing through a coolant flow path 35, viewed from above.
  • ⁇ indicating a numerical range is used to mean that the numerical values described before and after it are included as lower and upper limits.
  • the wafer mounting table 10 is used to perform CVD, etching, etc. on the wafer W using plasma, and is fixed to a mounting plate 96 provided inside a chamber 94 for semiconductor processing.
  • the wafer mounting table 10 includes a ceramic base material 21, a first cooling base material 23, a metal bonding layer 25, a second cooling base material 30, a heat dissipation sheet 40, and a screw member 50.
  • the member in which the ceramic base material 21 and the 1st cooling base material 23 were joined by the metal bonding layer 25 is also called the upper base material 20.
  • the upper base material 20 includes a ceramic base material 21, a first cooling base material 23, and a metal bonding layer 25 that joins the lower surface of the ceramic base material 21 and the upper surface of the first cooling base material 23.
  • the thickness of the upper base material 20 is preferably 8 mm or more or 10 mm or more in consideration of strength, and preferably 25 mm or less in consideration of cooling efficiency.
  • the ceramic base material 21 includes a circular wafer mounting surface 21a. A wafer W is placed on the wafer placement surface 21a.
  • the ceramic base material 21 is made of a ceramic material typified by alumina, aluminum nitride, or the like.
  • the ceramic base material 21 has a built-in wafer adsorption electrode 22 on the side closer to the wafer mounting surface 21a.
  • the wafer adsorption electrode 22 is made of a material containing, for example, W, Mo, WC, MoC, or the like.
  • the wafer suction electrode 22 is a disk-shaped or mesh-shaped unipolar electrostatic electrode.
  • a layer of the ceramic base material 21 above the wafer adsorption electrode 22 functions as a dielectric layer.
  • a wafer suction DC power source 52 is connected to the wafer suction electrode 22 via a power supply terminal 54 .
  • the power supply terminal 54 passes through an insulating tube 55 disposed in a through hole vertically penetrating the second cooling base material 30, the heat dissipation sheet 40, the first cooling base material 23, and the metal bonding layer 25, and then passes through the ceramic base material. It is provided so as to extend from the lower surface of 21 to the wafer adsorption electrode 22.
  • a low pass filter (LPF) 53 is provided between the wafer suction DC power supply 52 and the wafer suction electrode 22.
  • the first cooling base material 23 is a disk one size larger than the ceramic base material 21, and is made of a composite material of metal and ceramic (hereinafter also referred to as a metal-ceramic composite material) or a low thermal expansion metal material.
  • metal-ceramic composite materials include metal matrix composites (metal matrix composites (MMC)) and ceramic matrix composites (ceramic matrix composites (CMC)).
  • MMC metal matrix composites
  • CMC ceramic matrix composites
  • Specific examples of such metal-ceramic composite materials include materials containing Si, SiC, and Ti, and materials in which a porous SiC body is impregnated with Al and/or Si.
  • a material containing Si, SiC, and Ti is called SiSiCTi
  • a material in which a porous SiC body is impregnated with Al is called AlSiC
  • a material in which a porous SiC body is impregnated with Si is called SiSiC.
  • a specific example of the low thermal expansion metal material includes Mo.
  • the material used for the first cooling base material 23 must have an absolute value of the difference in linear thermal expansion coefficient between 40 and 400°C of 1.5 ⁇ 10 -6 /K or less with the ceramic material used for the ceramic base material 21. is preferable, more preferably 1.0 ⁇ 10 ⁇ 6 /K or less, still more preferably 0.5 ⁇ 10 ⁇ 6 /K or less.
  • the material used for the first cooling base material 23 preferably has high thermal conductivity from the viewpoint of increasing the efficiency of cooling the wafer W.
  • the thermal conductivity of the material used for the first cooling base material 23 is, for example, preferably 50 W/(m ⁇ K) or more, more preferably 70 W/(m ⁇ K) or more, and 80 W/(m ⁇ K) or more is more preferable.
  • the thickness of the first cooling base material 23 is preferably, for example, 3 mm or more, and more preferably 4 mm or more, from the viewpoint of exhibiting its function as a cooling base material and from the viewpoints of strength and rigidity.
  • the thickness of the first cooling substrate 23 is preferably 20 mm or less, and 10 mm or less. More preferably, it is 8 mm or less.
  • a plurality of screw holes 24 are opened in the lower surface of the first cooling base material 23 .
  • the screw holes 24 are provided at one location in the center of the first cooling base material 23, six locations on the outer periphery at equal intervals along the circumferential direction of the first cooling base material 23, and further on the outer periphery of the first cooling base material 23. Although six locations are provided at equal intervals along the circumferential direction of the base material 23, the number is not limited thereto.
  • the screw holes 24 are formed by providing a cylindrical hole on the lower surface of the first cooling base material 23 and cutting a screw groove (not shown) directly into the cylindrical hole, but this is not particularly limited. Not done.
  • the screw hole 24 may be formed by inserting a spiral screw insert into a cylindrical hole, or a female threaded terminal (for example, a cap nut, etc.) may be inserted into the cylindrical hole and soldered.
  • a female threaded terminal for example, a cap nut, etc.
  • the depth of the screw hole 24 is not particularly limited, it may be at most twice the nominal diameter of the screw member 50, or may be at most 1.5 times the nominal diameter of the screw member 50. In this way, the thickness of the first cooling base material 23 can be reduced.
  • the depth of the screw hole 24 is preferably one or more times the nominal diameter of the screw member 50 from the viewpoint of sufficiently generating the axial force of the screw member 50.
  • the distance between the centers of two adjacent screw holes 24 is not particularly limited, but is preferably 100 mm or less, for example.
  • the distance between the centers of two adjacent screw holes 24 may be, for example, 50 mm or more.
  • the screw holes 24 are preferably arranged on the lower surface of the first cooling base material 23 at a ratio of 150 holes/m 2 or more, and more preferably at a ratio of 200 holes/m 2 or more. In this way, the first cooling base material 23 and the second cooling base material 30 can be more tightly fastened by the screw member 50, and the thermal conductivity of the heat dissipation sheet 40 is improved.
  • the screw holes 24 only need to be open on the lower surface of the first cooling base material 23, and may be blind holes as shown in FIG. It can also be a hole.
  • the metal bonding layer 25 bonds the lower surface of the ceramic base material 21 and the upper surface of the first cooling base material 23.
  • the metal bonding layer 25 may be, for example, a layer formed of solder or a metal brazing material.
  • the metal bonding layer 25 is formed by, for example, TCB (thermal compression bonding).
  • TCB is a known method in which a metal bonding material is sandwiched between two members to be joined, and the two members are pressure bonded while being heated to a temperature below the solidus temperature of the metal bonding material.
  • the second cooling base material 30 is a disc member made of an easily processable material.
  • the outer diameter of the second cooling base material 30 is the same as the outer diameter of the first cooling base material 23.
  • a refrigerant channel 35 is provided inside the second cooling base material 30 .
  • the coolant flow path 35 is provided in a spiral shape in a single stroke from the inlet 35a to the outlet 35b so as to cover the entire area where the ceramic base material 20 is arranged (FIG. 3).
  • the inlet 35a and outlet 35b of the refrigerant flow path 35 penetrate the lower surface of the second cooling base 30 and the bottom surface of the refrigerant flow path 35.
  • the inlet 35a and outlet 35b of the refrigerant flow path 35 are connected to a refrigerant cooling device (not shown), and the refrigerant discharged from the outlet 35b is temperature-adjusted by the refrigerant cooling device, and then returned to the inlet 35a to cool the refrigerant flow. 35.
  • the refrigerant flowing through the refrigerant channel 35 is preferably liquid and preferably electrically insulating. Examples of the electrically insulating liquid include fluorine-based inert liquids.
  • the thickness of the portion above the refrigerant flow path 35 may be, for example, 1 mm or more or 2 mm or more from the viewpoint of increasing the strength of the portion, and the refrigerant flow from the upper surface of the second cooling base material 30 From the viewpoint of shortening the heat transfer distance to the channel 35, the length may be, for example, 10 mm or less or 5 mm or less.
  • the easily processable material used for the second cooling base material 30 is preferably one that is easier to process than the first cooling base material 23.
  • As an index of machinability for example, the machinability index shown in JIS B 0170 (2020) can be used.
  • the easily processable material preferably has a machinability index of 40 or more, more preferably 100 or more, and even more preferably 140 or more. Examples of easily processable materials include aluminum, aluminum alloy, stainless steel (SUS material), and the like.
  • the material used for the second cooling base material 30 preferably has high thermal conductivity from the viewpoint of increasing the efficiency of cooling the wafer W.
  • the thermal conductivity of the material used for the second cooling base material 30 is preferably 80 W/(m ⁇ K) or more, more preferably 100 W/(m ⁇ K) or more, and 150 W/(m ⁇ K), for example. ⁇ K) or more is preferable.
  • the second cooling base material 30 is connected to an RF power source 62 via a power supply terminal 64. Therefore, the second cooling base material 30 also functions as a radio frequency (RF) electrode for plasma generation.
  • RF radio frequency
  • a high pass filter (HPF) 63 is arranged between the second cooling base material 30 and the RF power source 62.
  • the second cooling base material 30 has a plurality of through holes 36.
  • the through hole 36 is provided at a position facing the screw hole 24 and passes through the second cooling base material 30 in the vertical direction.
  • the through hole 36 is a stepped hole having a large diameter on the lower side and a small diameter on the upper side.
  • the through hole 36 has a large diameter portion 36a that accommodates the head portion 50a of the screw member 50, and a small diameter portion 36b through which the foot portion 50b of the screw member 50 passes, but through which the head portion 50a cannot pass.
  • the heat dissipation sheet 40 is a circular sheet disposed between the lower surface of the first cooling base material 23 and the upper surface of the second cooling base material 30.
  • the heat dissipation sheet 40 is sandwiched between the first cooling base material 23 and the second cooling base material 30 and compressed in the vertical direction. By doing so, the heat dissipation sheet 40 is firmly attached to the lower surface of the first cooling base material 23 and the upper surface of the second cooling base material 30, so that the heat of the first cooling base material 23 is quickly transferred to the lower base material 30. do.
  • the thermal resistance of the heat dissipation sheet 40 is more preferably 0.35 K ⁇ cm 2 /W or less, and preferably 0.1 K ⁇ cm 2 /W or less.
  • the thermal conductivity of the heat dissipation sheet 40 is preferably 3 W/(m ⁇ K) or more, and more preferably 10 W/(m ⁇ K) or more. In this way, the efficiency of cooling the wafer W can be further increased.
  • the thermal resistance and thermal conductivity of the heat dissipation sheet 40 are the thermal resistance and thermal conductivity in the vertical direction when the heat dissipation sheet 40 is assembled (that is, the heat dissipation sheet 40 is compressed in the vertical direction with a predetermined pressure). , can be measured according to ASTM-D5470.
  • the Young's modulus of the heat dissipation sheet 40 is preferably 100 MPa or less, more preferably 20 MPa or less, and even more preferably 5 MPa or less.
  • the Poisson's ratio of the heat dissipation sheet 40 is preferably 0.4 or less, more preferably 0.3 or less, and even more preferably 0.2 or less.
  • the Shore hardness (ShoreOO) of the heat dissipation sheet 40 may be 50 or more and 80 or less.
  • the thickness of the heat dissipation sheet 40 is, for example, preferably 0.05 mm or more and 1 mm or less, more preferably 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the heat dissipation sheet 40 is preferably a sheet containing carbon and resin.
  • carbon examples include graphite, carbon fiber, carbon nanotubes, etc.
  • resin examples include silicone resin.
  • the carbon is graphite, it is preferable to arrange it so that the surface direction of the graphene constituting the graphite runs along the vertical direction, and in the case of carbon fibers or carbon nanotubes, it is preferable to arrange it so that the axial direction runs along the up-down direction.
  • thermal interface material TIM
  • heat dissipation sheet 40 examples include the EX20000C9 series and the EX20000C4S series (all manufactured by Dexerials), GraphitePAD and GraphiteTIM (registered trademark) (all manufactured by Panasonic), and the like.
  • the screw member 50 has a large-diameter head portion 50a and a small-diameter foot portion 50b.
  • the screw member 50 is inserted into the through hole 36 from the lower surface of the second cooling base material 30 and is screwed into the screw hole 24 of the first cooling base material 23 .
  • the head 50a of the screw member 50 is housed in the large diameter portion 36a so as not to protrude below the lower surface of the second cooling base 30.
  • the material of the screw member 50 is preferably a material with good electrical conductivity and thermal conductivity, such as stainless steel.
  • the nominal diameter of the screw member 50 may be, for example, 3 mm or more and 10 mm or less, 4 mm or more and 8 mm or less, or 4 mm or more and 5 mm or less.
  • the side surface (outer peripheral surface) of the metal bonding layer 25, the top surface and side surface of the first cooling base material 23, and the side surface of the second cooling base material 30 may be covered with an insulating film as necessary.
  • the insulating film include thermally sprayed films of alumina, yttria, and the like.
  • FIGS. 4 to 6 are manufacturing process diagrams of the wafer mounting table 10, FIG. 4 shows the manufacturing process of the upper base material 20, FIG. 5 shows the manufacturing process of the second cooling base material 30, and FIG. 6 shows the manufacturing process of the wafer mounting table 10. The assembly process of the stand 10 is shown.
  • the upper base material 20 is produced, for example, as follows. First, a ceramic base material 21 is produced by hot press firing a molded body of ceramic powder (FIG. 4A). The ceramic base material 21 has a built-in electrode 22 for attracting a wafer. Next, a hole 21b is made from the bottom surface of the ceramic base material 21 to the wafer suction electrode 22 (FIG. 4B), and the power supply terminal 54 is inserted into the hole 21b to join the power supply terminal 54 and the wafer suction electrode 22 ( Figure 4C).
  • a disk-shaped first cooling base material 23 is produced (FIG. 4D), and a through hole 23b penetrating the first cooling base material 23 in the vertical direction is formed.
  • a screw hole 24 is formed at a predetermined position on the lower surface (FIG. 4E).
  • the first cooling base material 23 is preferably made of SiSiCTi or AlSiC. This is because if SiSiCTi or AlSiC is used, the coefficient of thermal expansion can be made approximately the same as that of alumina.
  • the first cooling base material 23 made of SiSiCTi can be produced, for example, as follows. First, a powder mixture is prepared by mixing silicon carbide, metal Si, and metal Ti. Next, the obtained powder mixture is uniaxially pressed to produce a disc-shaped compact, and the compact is hot-press sintered in an inert atmosphere to form a first cooling base made of SiSiCTi. Get 23.
  • a metal bonding material is placed on the upper surface of the first cooling base material 23.
  • a through hole communicating with the through hole 23b of the first cooling base material 23 is provided in the metal bonding material.
  • the ceramic base material 21 is placed on the metal bonding material.
  • a laminate is obtained in which the first cooling base material 23, the metal bonding material, and the ceramic base material 21 are laminated in this order from the bottom.
  • an upper base material 20 is obtained (FIG. 4F).
  • the upper base material 20 includes a ceramic base material 21 bonded to the upper surface of a first cooling base material 23 via a metal bonding layer 25 .
  • TCB is performed as follows. That is, the laminate is pressed and bonded at a temperature below the solidus temperature of the metal bonding material (for example, at least 20° C. subtracted from the solidus temperature and below the solidus temperature), and then returned to room temperature. Thereby, the metal bonding material becomes a metal bonding layer (or a conductive bonding layer).
  • the metal bonding material at this time an Al--Mg-based bonding material or an Al--Si--Mg-based bonding material can be used.
  • the laminate is pressurized while being heated in a vacuum atmosphere. It is preferable to use a metal bonding material having a thickness of about 100 ⁇ m.
  • the second cooling base material 30 is produced, for example, as follows. First, two disk-shaped disk members 31 and 32 made of an easily processable material are prepared to become the basis of the second cooling base material 30 (FIG. 5A). It is preferable that the disc members 31 and 32 are made of aluminum, aluminum alloy, or stainless steel. Next, a groove 35c that will eventually become the coolant flow path 35 is formed on the lower surface of the upper disk member 31 (FIG. 5B). Thereafter, the lower surface of the upper disc member 31 and the upper surface of the lower disc member 32 are joined using a bonding material (for example, brazing material, etc.) not shown, to produce the second cooling base material 30 (FIG. 5C). .
  • a bonding material for example, brazing material, etc.
  • an inlet 35a and an outlet 35b that vertically penetrate from the bottom surface of the second cooling base material 30 to the bottom surface of the coolant flow path 35 are formed, and terminal holes 30b that vertically penetrate the second cooling base material 30 are formed.
  • a through hole 36 having a large diameter portion 36a and a small diameter portion 36b is formed at a predetermined position of the second cooling base material 30 (FIG. 5D).
  • the wafer mounting table 10 is produced by fastening the upper base material 20 and the second cooling base material 30 produced as described above with screw members 50. Specifically, first, as shown in FIG. 6A, the heat dissipation sheet 40 is placed on the upper surface of the second cooling base material 30.
  • the heat dissipation sheet 40 is a circular sheet having the same diameter as the first cooling base material 23.
  • the upper base material 20 is placed on the heat dissipation sheet 40 arranged on the upper surface of the second cooling base material while inserting the power supply terminal 54 of the upper base material 20 into the terminal hole 30b.
  • a screw member 50 is inserted into each through hole 36 from the lower surface of the second cooling base material 30 and screwed into the screw hole 24 of the first cooling base material 23 .
  • the heat dissipation sheet 40 is compressed between the first cooling base material 23 and the second cooling base material 30, and exhibits high heat conduction performance. Thereafter, an insulating tube 55 through which the power supply terminal 54 is inserted is placed in the terminal hole 30b (FIG. 6B). In the manner described above, the wafer mounting table 10 can be obtained.
  • the wafer mounting table 10 is installed on the installation plate 96 of the chamber 94.
  • the screw member 70 is screwed into the screw hole 38 provided on the lower surface of the second cooling base material 30 through the screw insertion hole 97 from the lower surface of the installation plate 96. In this way, the wafer mounting table 10 is fixed to the installation plate 96 by the screw members 70.
  • a disk-shaped wafer W is placed on the wafer placement surface 21a of the wafer placement table 10 installed on the installation plate 96.
  • a DC voltage from the wafer suction DC power supply 52 is applied to the wafer suction electrode 22 to attract the wafer W to the wafer mounting surface 21a.
  • the temperature-adjusted refrigerant is supplied to the inlet 35a of the refrigerant flow path 35, and the refrigerant is discharged from the outlet 35b.
  • the interior of the chamber 94 is set to a predetermined vacuum atmosphere (or reduced pressure atmosphere), and while supplying process gas from the shower head 98, an RF voltage from the RF power source 62 is applied to the second cooling base material 30. do.
  • plasma is generated between the wafer W and the shower head 98.
  • CVD film formation or etching is performed on the wafer W.
  • the first cooling base material 23 is bonded to the ceramic base material 21 with the metal bonding layer 25, and the efficiency of cooling the wafer W is high.
  • the base material 30 is fastened with a screw member 50, and a heat dissipation sheet 40 is arranged between the first cooling base material 23 and the second cooling base material 30.
  • the heat dissipation sheet 40 firmly adheres to the first cooling base material 23 and the second cooling base material 30 by fastening the first cooling base material 23 and the second cooling base material 30 with the screw members 50.
  • the heat of the cooling base material 23 is quickly conducted to the second cooling base material 30. Therefore, the efficiency of cooling the wafer W is high.
  • the ceramic base material 21 deteriorates due to the use of the wafer mounting table 10
  • the ceramic base material 21 It is possible to replace only the upper base material 20, which is a member metal-bonded to the first cooling base material 23, and reuse the second cooling base material 30 in which the coolant flow path 35 is formed as is. Therefore, the manufacturing cost of the wafer mounting table can be reduced.
  • the thermal resistance of the heat dissipation sheet 40 is 0.35 K ⁇ cm 2 /W or less. In this way, the heat of the first cooling base material 23 is conducted to the second cooling base material 30 more quickly, so that the efficiency of cooling the wafer W is further increased.
  • the pressure with which the heat dissipation sheet 40 is compressed in the vertical direction is set to, for example, 0.05 MPa or more or 0.2 MPa or more. In this way, the heat dissipation sheet 40 tightly adheres to the first cooling base material 23 and the second cooling base material 30, so that the thermal resistance of the heat dissipation sheet 40 can be reduced.
  • the pressure for vertically compressing the heat dissipation sheet 40 is preferably, for example, 0.6 MPa or less or 0.55 MPa or less, from the viewpoint of suppressing damage to the heat dissipation sheet 40.
  • the pressure that compresses the heat dissipation sheet 40 in the vertical direction tends to decrease as the distance from the screw member 50 increases, and the pressure has a range in the in-plane direction.
  • the value obtained by dividing this pressure width [MPa] by the surface pressure [MPa] applied to the heat dissipation sheet 40 when the axial force of the screw member 50 is evenly applied to the heat dissipation sheet 40 is defined as the pressure variation [-].
  • the pressure variation is preferably 2.0 or less, more preferably 1.7 or less, and even more preferably 1.0 or less.
  • a large number of screw holes 24 will be required, which may make it difficult to arrange the screw holes 24.
  • the Young's modulus of the heat dissipation sheet 40 is 80 MPa or less, if the distance between the centers of the screw holes 24 is set to 70 mm or less, the pressure variation becomes 2.0 or less, and if the distance between the centers of the screw holes 24 is set to 55 mm or less. If this is done, the pressure variation will be 1.0 or less. Further, when the Young's modulus of the heat dissipation sheet 40 is 10 MPa or less, the pressure variation is approximately 1 even if the distance between the centers of the screw holes 24 is 100 mm.
  • the Young's modulus of the heat dissipation sheet 40 is preferably 80 MPa or less, more preferably 10 MPa or less.
  • the number and arrangement of the screw holes 24 are desirably set by taking into account the pressure required to compress the heat dissipation sheet 40 and pressure variations.
  • the second cooling base material 30 is made of an easily processable material. In this way, the refrigerant flow path 35 can be easily formed in the second cooling base material 30, so that processing costs can be reduced. Moreover, the material cost can be kept low compared to the case where the second cooling base material 30 is formed of a composite material of metal and ceramic (for example, MMC or CMC).
  • the heat dissipation sheet 40 has electrical conductivity.
  • the second cooling base material 30 has the same potential as the first cooling base material 23 and the metal bonding layer 25, so the first cooling base material 23 and the metal bonding layer 25 can be used as RF electrodes, and the wafer W It becomes easier to generate plasma above the Note that a conductive screw member 50 may be used so that the second cooling base material 30 and the first cooling base material 23 have the same potential via the screw member 50.
  • the wafer mounting table 10 in which the first cooling base material 23 and the second cooling base material 30 are fastened together by the screw members 50 is installed on the installation plate 96 of the chamber 94, but the present invention is not particularly limited thereto.
  • the second cooling base material 30 may also be used as the installation plate 96 of the chamber 94.
  • the same reference numerals are attached to the same components as in the embodiment described above.
  • the heat dissipation sheet 40 is exemplified as having conductivity, but the heat dissipation sheet 40 may be insulating.
  • the wafer adsorption electrode 22 is built into the ceramic base material 21, but instead of or in addition to this, an RF electrode for plasma generation may be built into the ceramic base material 21.
  • the high frequency power source is connected to the RF electrode instead of the second cooling base material 30.
  • the ceramic base material 21 may have a built-in heater electrode (resistance heating element). In this case, a heater power source is connected to the heater electrode. In this way, the ceramic base material 21 may contain one layer of electrodes, or may contain two or more layers of electrodes.
  • the refrigerant channel 35 is provided in a spiral shape from the inlet 35a to the outlet 35b, but the shape of the channel groove 35 is not particularly limited. Further, in the embodiment described above, one refrigerant flow path 35 is provided, but a plurality of refrigerant flow paths 35 may be provided.
  • the first cooling base material 23 has a larger diameter than the ceramic base material 21, but it may have the same diameter as the ceramic base material 21. Further, although the second cooling base material 30 was made to have the same diameter as the first cooling base material 23, it may have a larger diameter than the first cooling base material 23.
  • the ceramic base material 21 was produced by hot press firing a ceramic powder compact, but the compact at that time may be produced by laminating a plurality of tape compacts, It may be manufactured by a mold casting method or by compacting ceramic powder.
  • the second cooling base material 30 is made of an easily processable material, but the lower base material 80 may be made of a composite material of metal and ceramic, or may be made of a low thermal expansion metal material such as molybdenum. Good too.
  • the difference in coefficient of thermal expansion between the second cooling base material 30 and the upper base material 20 is small, it is possible to suppress warping and damage of the upper base material 20 and the second cooling base material 30 due to thermal stress.
  • a hole may be provided that penetrates the wafer mounting table 10 from the lower surface of the second cooling base material 30 to the wafer mounting surface 21a.
  • holes include gas supply holes for supplying thermally conductive gas (for example, He gas) to the back surface of the wafer W, and lift pin holes for inserting lift pins that move the wafer W up and down with respect to the wafer mounting surface 22a.
  • the thermally conductive gas is supplied to a space formed by the wafer W and a large number of small protrusions (not shown) provided on the wafer mounting surface 21a (supporting the wafer W).
  • a sealing member may be provided in addition to the heat dissipation sheet 40 between the lower surface of the first cooling base material 23 and the upper surface of the second cooling base material 30.
  • the sealing member prevents the gas supplied to the gas supply hole described above from leaking to the outside through between the first cooling base material 23 and the second cooling base material 30. It exhibits sealing properties by being compressed in this direction.
  • the sealing member is, for example, a ring made of metal or resin, and is arranged outside the gas supply hole, outside the lift pin hole, outside the insulating tube 55, slightly inside the outer periphery of the first cooling base material 23, etc.
  • the seal member may be conductive or insulative.
  • the present invention can be used, for example, in a wafer mounting device used to perform CVD or etching on a wafer.

Abstract

ウエハ載置台１０は、上面にウエハ載置面２１ａを有し、電極２２を内蔵するセラミック基材２１と、金属とセラミックとの複合材料製又は低熱膨張金属材料製の第１冷却基材２３と、セラミック基材２１の下面と第１冷却基材２３の上面とを接合する金属接合層２５と、内部に冷媒流路３５が形成された第２冷却基材３０と、第１冷却基材２３の下面と第２冷却基材３０の上面との間に配置された放熱シート４０と、第１冷却基材２３の下面に開口したネジ穴２４と、ネジ穴２４に対向する位置に設けられ第２冷却基材３０を上下方向に貫通する貫通孔３６と、貫通孔３６に第２冷却基材３０の下面から挿入され、ネジ穴２４に螺合されたネジ部材５０と、を備える。

Description

ウエハ載置台
　本発明は、ウエハ載置台に関する。
　従来、静電電極を埋設したアルミナなどのセラミック基材と、アルミニウムなどの金属からなる冷却基材とを、樹脂層を介して接合したウエハ載置台が知られている（例えば特許文献１参照）。こうしたウエハ載置台によれば、樹脂層によってセラミック基材と冷却基材との熱膨張差の影響を緩和することができる。樹脂層の代わりに金属接合層を用いてセラミック基材と内部に冷媒流路を備えた冷却基材とを接合したウエハ載置台も知られている（例えば特許文献２，３）。金属接合層は、樹脂層に比べて熱伝導率が高いため、ハイパワープラズマでウエハを処理する場合に要求される抜熱能力を実現することができる。その一方、金属接合層は、樹脂層に比べてヤング率が大きく応力緩和性が低いため、セラミック基材と冷却基材との熱膨張差の影響を緩和することがほとんどできない。そのため、特許文献２，３では、冷却基材の材料として、セラミック基材と熱膨張係数差の小さい、金属とセラミックとの複合材料を用いている。
特開平４－２８７３４４号公報 特許第５６６６７４８号公報 特許第５６６６７４９号公報
　しかしながら、金属とセラミックとの複合材料はアルミニウムなどの金属よりも、高価であり、難加工性で冷媒流路の形成コストも高いため、ウエハ載置台の製造コストが高くなることがあった。また、金属とセラミックとの複合材料に代えて、セラミック基材と熱膨張係数差の小さい低熱膨張金属材料を用いることも考えられるが、低熱膨張金属材料も高価であり、難加工性で冷媒流路の形成コストも高いため、ウエハ載置台の製造コストが高くなることがあった。
　本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ウエハを冷却する効率が高いウエハ載置台の製造コストを低減することを主目的とする。
［１］本発明のウエハ載置台は、
　上面にウエハ載置面を有し、電極を内蔵するセラミック基材と、
　金属とセラミックとの複合材料製又は低熱膨張金属材料製の第１冷却基材と、
　前記セラミック基材の下面と前記第１冷却基材の上面とを接合する金属接合層と、
　内部に冷媒流路が形成された第２冷却基材と、
　前記第１冷却基材の下面と前記第２冷却基材の上面との間に配置された放熱シートと、
　前記第１冷却基材の下面に開口したネジ穴と、
　前記ネジ穴に対向する位置に設けられ前記第２冷却基材を上下方向に貫通する貫通孔と、
　前記貫通孔に前記第２冷却基材の下面から挿入され、前記ネジ穴に螺合されたネジ部材と、
　を備えたものである。
　このウエハ載置台では、セラミック基材に第１冷却基材が金属接合層で接合されていてウエハを冷却する効率が高いうえ、第１冷却基材と第２冷却基材とがネジ部材で締結され、第１冷却基材と第２冷却基材との間には放熱シートが配置されている。放熱シートは第１冷却基材と第２冷却基材とがネジ部材によって締結されることにより第１冷却基材と第２冷却基材にしっかりと密着するため、第１冷却基材の熱は第２冷却基材へ速やかに伝導する。したがって、ウエハを冷却する効率が高い。また、第１冷却基材と第２冷却基材とはネジ部材で接合されているため、ウエハ載置台の使用に伴いセラミック基材が劣化したときに、セラミック基材と第１冷却基材とが金属接合された部材のみを交換し、内部に冷媒流路が形成された第２冷却基材をそのまま再利用することができる。そのため、ウエハ載置台の製造コストを低減できる。
　なお、本明細書では、上下、左右、前後などを用いて本発明を説明することがあるが、上下、左右、前後は、相対的な位置関係に過ぎない。そのため、ウエハ載置台の向きを変えた場合には上下が左右になったり左右が上下になったりすることがあるが、そうした場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
［２］上述したウエハ載置台（前記［１］に記載のウエハ載置台）において、前記放熱シートの熱抵抗は、０．３５Ｋ・ｃｍ2／Ｗ以下であるものとしてもよい。こうすれば、第１冷却基材の熱が第２冷却基材へより速やかに伝導するため、ウエハを冷却する効率がより高まる。
［３］上述したウエハ載置台（前記［１］又は［２］に記載のウエハ載置台）において、前記放熱シートのヤング率は、１００ＭＰａ以下であるものとしてもよい。放熱シートのヤング率が小さいほど、ネジ部材の締結力が放熱シートの全面にわたって均等に伝わる。それにより、放熱シートは第１冷却基材と第２冷却基材にしっかりと密着するため、ウエハを冷却する効率がより高まる。
［４］上述したウエハ載置台（前記［１］～［３］のいずれかに記載のウエハ載置台）において、前記ネジ穴を複数備え、隣接する２つのネジ穴の中心間間隔が１００ｍｍ以下であるものとしてもよい。こうすれば、第１冷却基材と第２冷却基材とをより緊密に締結することができ、放熱シートは第１冷却基材と第２冷却基材にしっかりと密着するため、ウエハを冷却する効率がより高まる。
［５］上述したウエハ載置台（前記［１］～［４］のいずれかに記載のウエハ載置台）において、前記ネジ穴の深さは、前記ネジ部材の呼び径の１．５倍以下であるものとしてもよい。こうすれば、第１冷却基材の厚さを薄くすることができる。それにより、セラミック基材の下面から第２冷却基材の上面までの伝熱距離を短くすることが可能であり、ウエハを冷却する効率をより高めることができる。
［６］上述したウエハ載置台（前記［１］～［５］のいずれかに記載のウエハ載置台）において、前記第１冷却基材の厚さは４ｍｍ以上８ｍｍ以下であるものとしてもよい。第１冷却基材の厚みが４ｍｍ以上であれば、第１冷却基材の反りが抑制され、放熱シートは第１冷却基材と第２基材にしっかりと密着するため、ウエハを冷却する効率がより高まる。また、第１冷却基材の厚みが８ｍｍ以下であれば、セラミック基材の下面から第１冷却基材の上面までの伝熱距離が短いため、ウエハを冷却する効率をより高めることができる。
［７］上述したウエハ載置台（前記［１］～［６］のいずれかに記載のウエハ載置台）において、前記第２冷却基材は、易加工性材料製であるものとしてもよい。こうすれば、第２冷却基材に冷媒流路を容易に形成することができるため、加工コストを低減できる。
チャンバ９４に設置されたウエハ載置台１０の縦断面図。 ウエハ載置台１０の平面図。 冷媒流路３５を通る水平面でウエハ載置台１０を切断した断面を上から見た断面図。 ウエハ載置台１０の製造工程図（上部基材２０の製造工程）。 ウエハ載置台１０の製造工程図（第２冷却基材３０の製造工程）。 ウエハ載置台１０の製造工程図（ウエハ載置台１０の組立工程）。 チャンバ９４に設置されたウエハ載置台１１０の縦断面図。
　本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図１はチャンバ９４に設置されたウエハ載置台１０の縦断面図（ウエハ載置台１０の中心軸を含む面で切断したときの断面図）、図２はウエハ載置台１０の平面図、図３は冷媒流路３５を通る水平面でウエハ載置台１０を切断した断面を上から見た断面図である。本明細書において数値範囲を示す「～」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。
　ウエハ載置台１０は、ウエハＷにプラズマを利用してＣＶＤやエッチングなどを行うために用いられるものであり、半導体プロセス用のチャンバ９４の内部に設けられた設置板９６に固定されている。ウエハ載置台１０は、セラミック基材２１と、第１冷却基材２３と、金属接合層２５と、第２冷却基材３０と、放熱シート４０と、ネジ部材５０とを備えている。なお、以下では、セラミック基材２１と第１冷却基材２３とが金属接合層２５で接合された部材を、上部基材２０とも称する。
　上部基材２０は、セラミック基材２１と、第１冷却基材２３と、セラミック基材２１の下面と第１冷却基材２３の上面とを接合する金属接合層２５とを備えている。上部基材２０の厚みは、強度を考慮すると８ｍｍ以上や１０ｍｍ以上であることが好ましく、冷却効率を考慮すると２５ｍｍ以下であることが好ましい。
　セラミック基材２１は、円形のウエハ載置面２１ａを備えている。ウエハ載置面２１ａには、ウエハＷが載置される。セラミック基材２１は、アルミナ、窒化アルミニウムなどに代表されるセラミック材料で形成されている。
　セラミック基材２１は、ウエハ載置面２１ａに近い側に、ウエハ吸着用電極２２を内蔵している。ウエハ吸着用電極２２は、例えばＷ、Ｍｏ、ＷＣ、ＭｏＣなどを含有する材料によって形成されている。ウエハ吸着用電極２２は、円板状又はメッシュ状の単極型の静電電極である。セラミック基材２１のうちウエハ吸着用電極２２よりも上側の層は誘電体層として機能する。ウエハ吸着用電極２２には、ウエハ吸着用直流電源５２が給電端子５４を介して接続されている。給電端子５４は、第２冷却基材３０、放熱シート４０、第１冷却基材２３及び金属接合層２５を上下方向に貫通する貫通穴に配置された絶縁管５５を通過して、セラミック基材２１の下面からウエハ吸着用電極２２に至るように設けられている。ウエハ吸着用直流電源５２とウエハ吸着用電極２２との間には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５３が設けられている。
　第１冷却基材２３は、セラミック基材２１よりも一回り大きな円板であり、金属とセラミックとの複合材料（以下、金属－セラミック複合材料とも称する）又は低熱膨張金属材料で作製されている。金属－セラミック複合材料としては、金属マトリックス複合材料（メタル・マトリックス・コンポジット（ＭＭＣ））やセラミックマトリックス複合材料（セラミック・マトリックス・コンポジット（ＣＭＣ））などが挙げられる。こうした金属－セラミック複合材料の具体例としては、Ｓｉ，ＳｉＣ及びＴｉを含む材料やＳｉＣ多孔質体にＡｌ及び／又はＳｉを含浸させた材料などが挙げられる。Ｓｉ，ＳｉＣ及びＴｉを含む材料をＳｉＳｉＣＴｉといい、ＳｉＣ多孔質体にＡｌを含浸させた材料をＡｌＳｉＣといい、ＳｉＣ多孔質体にＳｉを含浸させた材料をＳｉＳｉＣという。低熱膨張金属材料の具体例としては、Ｍｏなどが挙げられる。第１冷却基材２３に使用する材料は、セラミック基材２１に使用するセラミック材料との４０～４００℃の線熱膨張係数差の絶対値が１．５×１０-6／Ｋ以下であることが好ましく、１．０×１０-6／Ｋ以下であることがより好ましく、０．５×１０-6／Ｋ以下であることが更に好ましい。第１冷却基材２３に使用する材料は、ウエハＷを冷却する効率を高める観点からは、熱伝導率が高いものが好ましい。第１冷却基材２３に使用する材料の熱伝導率は、例えば５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましく、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。第１冷却基材２３の厚さは、冷却基材としての機能を発揮させる観点及び強度や剛性の観点からは、例えば３ｍｍ以上が好ましく、４ｍｍ以上がより好ましい。また、第１冷却基材２３の厚さは、セラミック基材２１の下面と第２冷却基材３０の上面との間の伝熱距離を短くする観点からは、２０ｍｍ以下が好ましく、１０ｍｍ以下がより好ましく、８ｍｍ以下がさらに好ましい。
　第１冷却基材２３の下面には、複数のネジ穴２４が開口している。ここでは、ネジ穴２４は、第１冷却基材２３の中央に１箇所、それよりも外周に第１冷却基材２３の円周方向に沿って等間隔に６箇所、さらに外周に第１冷却基材２３の円周方向に沿って等間隔に６箇所設けられているが、これに限定されない。また、ここでは、ネジ穴２４は、第１冷却基材２３の下面に円柱穴を設けてその円柱穴に直接ネジ溝（図示は省略）を切ることにより形成されているが、特にこれに限定されない。例えば、ネジ穴２４を、円柱穴に螺旋状のネジインサートを挿入することにより形成してもよいし、円柱穴に雌ネジ付き端子（例えば袋ナットなど）を挿入してろう接してもよい。ネジ穴２４の深さは、特に限定するものではないが、ネジ部材５０の呼び径の２倍以下としてもよく、１．５倍以下としてもよい。こうすれば、第１冷却基材２３の厚さを薄くすることができる。ネジ穴２４の深さは、ネジ部材５０の軸力を十分に発生させる観点からは、ネジ部材５０の呼び径の１倍以上が好ましい。隣接する２つのネジ穴２４の中心間間隔は、特に限定するものではないが、例えば１００ｍｍ以下であることが好ましい。こうすれば、ネジ部材５０によって第１冷却基材２３と第２冷却基材３０とを緊密に締結することができ、ひいては放熱シート４０の熱伝導性が向上する。隣接する２つのネジ穴２４の中心間間隔は、例えば５０ｍｍ以上としてもよい。ネジ穴２４は、第１冷却基材２３の下面に１５０個／ｍ2以上の割合で配置されていることが好ましく、２００個／ｍ2以上の割合で配置されていることがより好ましい。こうすれば、ネジ部材５０によって第１冷却基材２３と第２冷却基材３０とをより緊密に締結することができ、ひいては放熱シート４０の熱伝導性が向上する。なお、ネジ穴２４は、第１冷却基材２３の下面に開口していればよく、図１に示すような止まり穴でもよいし、第１冷却基材２３の下面から上面までを貫通する貫通穴でもよい。
　金属接合層２５は、セラミック基材２１の下面と第１冷却基材２３の上面とを接合する。金属接合層２５は、例えば、はんだや金属ろう材で形成された層であってもよい。金属接合層２５は、例えばＴＣＢ（Ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｂｏｎｄｉｎｇ）により形成される。ＴＣＢとは、接合対象の２つの部材の間に金属接合材を挟み込み、金属接合材の固相線温度以下の温度に加熱した状態で２つの部材を加圧接合する公知の方法をいう。
　第２冷却基材３０は、易加工性材料製の円板部材である。第２冷却基材３０の外径は第１冷却基材２３の外径と同じである。第２冷却基材３０の内部には、冷媒流路３５が設けられている。冷媒流路３５は、セラミック基材２０が配置された全域に行き渡るように、入口３５ａから出口３５ｂまで一筆書きの要領で渦巻状に設けられている（図３）。冷媒流路３５の入口３５ａ及び出口３５ｂは、第２冷却基材３０の下面と冷媒流路３５の底面とを貫通している。冷媒流路３５の入口３５ａ及び出口３５ｂは、図示しない冷媒冷却装置に接続されており、出口３５ｂから排出された冷媒は、冷媒冷却装置で温度調整されたあと再び入口３５ａに戻されて冷媒流路３５内に供給される。冷媒流路３５を流れる冷媒は、液体が好ましく、電気絶縁性であることが好ましい。電気絶縁性の液体としては、例えばフッ素系不活性液体などが挙げられる。第２冷却基材３０において、冷媒流路３５よりも上側の部分の厚みは、当該部分の強度を高める観点から例えば１ｍｍ以上や２ｍｍ以上としてもよく、第２冷却基材３０の上面から冷媒流路３５までの伝熱距離を短くする観点から例えば１０ｍｍ以下や５ｍｍ以下としてもよい。
　第２冷却基材３０に使用する易加工性材料は、第１冷却基材２３よりも加工が容易なものが好ましい。加工性の指標としては、例えば、ＪＩＳ Ｂ ０１７０（２０２０）に示された被削性指数を用いることができる。易加工性材料としては、被削性指数が４０以上の材料が好ましく、１００以上の材料がより好ましく、１４０以上の材料がさらに好ましい。易加工性材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）などが挙げられる。第２冷却基材３０に使用する材料は、ウエハＷを冷却する効率を高める観点からは、熱伝導率が高いものが好ましい。第２冷却基材３０に使用する材料の熱伝導率は、例えば８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましく、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。
　第２冷却基材３０は、ＲＦ電源６２に給電端子６４を介して接続されている。そのため、第２冷却基材３０は、プラズマ発生用の高周波（ＲＦ）電極としても機能する。第２冷却基材３０とＲＦ電源６２との間には、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）６３が配置されている。
　第２冷却基材３０は、複数の貫通孔３６を有する。貫通孔３６は、ネジ穴２４に対向する位置に設けられ、第２冷却基材３０を上下方向に貫通している。貫通孔３６は、下側が大径で上側が小径の段差孔である。貫通孔３６は、ネジ部材５０の頭部５０ａを収容する大径部３６ａと、ネジ部材５０の足部５０ｂは通過するが頭部５０ａは通過不能な小径部３６ｂとを有する。
　放熱シート４０は、第１冷却基材２３の下面と第２冷却基材３０の上面との間に配置された円形のシートである。放熱シート４０は、第１冷却基材２３と第２冷却基材３０との間に挟まれて上下方向に圧縮されている。こうすることにより、放熱シート４０は第１冷却基材２３の下面と第２冷却基材３０の上面にしっかりと密着するため、第１冷却基材２３の熱が下部基材３０へ速やかに伝達する。放熱シート４０の熱抵抗は、０．３５Ｋ・ｃｍ2／Ｗ以下がより好ましく、０．１Ｋ・ｃｍ2／Ｗ以下であることが好ましい。こうすれば、ウエハＷを冷却する効率をより高めることができる。また、放熱シート４０の熱伝導率は、３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。こうすれば、ウエハＷを冷却する効率をより高めることができる。放熱シート４０の熱抵抗及び熱伝導率は、放熱シート４０が組み付けられた状態（つまり放熱シート４０が所定圧力で上下方向に圧縮された状態）における、上下方向の熱抵抗及び熱伝導率であり、ＡＳＴＭ－Ｄ５４７０に準じて測定することができる。放熱シート４０のヤング率は、１００ＭＰａ以下が好ましく、２０ＭＰａ以下がより好ましく、５ＭＰａ以下がさらに好ましい。放熱シート４０のヤング率が小さいほど、ネジ部材５０の締結力が放熱シート４０の全面にわたって均等に伝わるため、放熱シート４０はその全面にわたって第１冷却基材２３と第２冷却基材３０にしっかりと密着する。そのため、ウエハをＷより均一に冷却できる。放熱シート４０のポアソン比は、０．４以下が好ましく、０．３以下がより好ましく、０．２以下がさらに好ましい。放熱シート４０のポアソン比が小さいほど、ネジ部材５０の締結力が放熱シート４０の全面にわたって均等に伝わり、横方向に逃げにくいため、放熱シート４０はその全面にわたって第１冷却基材２３と第２冷却基材３０にしっかりと密着する。そのため、ウエハＷをより均一に冷却できる。放熱シート４０のショア硬度（ＳｈｏｒｅＯＯ）は、５０以上８０以下としてもよい。放熱シート４０の厚さは、例えば０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましく、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下がより好ましい。
　放熱シート４０は、具体的には、カーボン及び樹脂を含むシートであることが好ましい。カーボンとしては、グラファイトやカーボンファイバー、カーボンナノチューブなどが挙げられ、樹脂としては、シリコーン樹脂などが挙げられる。カーボンがグラファイトの場合、グラファイトを構成するグラフェンの面方向が上下方向に沿うように配置するのが好ましく、カーボンファイバーやカーボンナノチューブの場合、軸方向が上下方向に沿うように配置するのが好ましい。放熱シート４０の材料としては、例えばサーマル・インタフェース・マテリアル（ＴＩＭ）を用いることができる。放熱シート４０の具体例としては、ＥＸ２００００Ｃ９シリーズやＥＸ２００００Ｃ４Ｓシリーズ（いずれもデクセリアルズ社製）、ＧｒａｐｈｉｔｅＰＡＤやＧｒａｐｈｉｔｅＴＩＭ（登録商標）（いずれもパナソニック社製）などが挙げられる。
　ネジ部材５０は、大径の頭部５０ａと小径の足部５０ｂとを有する。ネジ部材５０は、貫通孔３６に第２冷却基材３０の下面から挿入され、第１冷却基材２３のネジ穴２４に螺合される。ネジ部材５０の頭部５０ａは、第２冷却基材３０の下面よりも下方へ飛び出さないように大径部３６ａに収納される。ネジ部材５０をネジ穴２４に螺合することにより、第１冷却基材２３と第２冷却基材３０とは放熱シート４０を挟み込んだ状態で締結される。これにより、放熱シート４０は上下方向に圧縮される。ネジ部材５０の材料は、導電性及び熱伝導性の良好な材料が好ましく、例えばステンレス鋼が好ましい。ネジ部材５０の呼び径は、例えば、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下としてもよく、４ｍｍ以上８ｍｍ以下としてもよく、４ｍｍ以上５ｍｍ以下としてもよい。
　なお、金属接合層２５の側面（外周面）、第１冷却基材２３の上面及び側面、第２冷却基材３０の側面は、必要に応じて絶縁膜で被覆してもよい。絶縁膜としては、例えばアルミナやイットリアなどの溶射膜が挙げられる。
　次に、ウエハ載置台１０の製造例を図４～６を用いて説明する。図４～６はウエハ載置台１０の製造工程図であり、図４は、上部基材２０の製造工程を示し、図５は第２冷却基材３０の製造工程を示し、図６はウエハ載置台１０の組立工程を示す。
　上部基材２０は、例えば以下のように作製する。まず、セラミック基材２１を、セラミック粉末の成形体をホットプレス焼成することにより作製する（図４Ａ）。セラミック基材２１は、ウエハ吸着用電極２２を内蔵している。次に、セラミック基材２１の下面からウエハ吸着用電極２２まで穴２１ｂをあけ（図４Ｂ）、その穴２１ｂに給電端子５４を挿入して給電端子５４とウエハ吸着用電極２２とを接合する（図４Ｃ）。
　これと並行して、円板状の第１冷却基材２３を作製し（図４Ｄ）、第１冷却基材２３に上下方向に貫通する貫通孔２３ｂを形成すると共に第１冷却基材２３の下面の所定位置にネジ穴２４を形成する（図４Ｅ）。セラミック基材２１がアルミナ製の場合、第１冷却基材２３はＳｉＳｉＣＴｉ製かＡｌＳｉＣ製であることが好ましい。ＳｉＳｉＣＴｉやＡｌＳｉＣであれば、アルミナの熱膨張係数と概ね同じにすることができるからである。
　ＳｉＳｉＣＴｉ製の第１冷却基材２３は、例えば以下のように作製することができる。まず、炭化珪素と金属Ｓｉと金属Ｔｉとを混合して粉体混合物を作製する。次に、得られた粉体混合物を一軸加圧成形により円板状の成形体を作製し、その成形体を不活性雰囲気下でホットプレス焼結させることにより、ＳｉＳｉＣＴｉ製の第１冷却基材２３を得る。
　次に、第１冷却基材２３の上面に金属接合材を配置する。金属接合材には、第１冷却基材２３の貫通孔２３ｂに連通する貫通孔を設けておく。そして、セラミック基材２１の給電端子５４を第１冷却基材２３の貫通孔２３ｂに挿入しつつ、セラミック基材２１を金属接合材の上に載せる。これにより、第１冷却基材２３と金属接合材とセラミック基材２１とを下からこの順に積層した積層体を得る。この積層体を加熱しながら加圧することにより（ＴＣＢ）、上部基材２０を得る（図４Ｆ）。上部基材２０は、第１冷却基材２３の上面に、金属接合層２５を介してセラミック基材２１が接合されたものである。
　ＴＣＢは、例えば以下のように行われる。すなわち、金属接合材の固相線温度以下（例えば、固相線温度から２０℃引いた温度以上固相線温度以下）の温度で積層体を加圧して接合し、その後室温に戻す。これにより、金属接合材は金属接合層（あるいは導電接合層）になる。このときの金属接合材としては、Ａｌ－Ｍｇ系接合材やＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系接合材を使用することができる。例えば、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系接合材を用いてＴＣＢを行う場合、真空雰囲気下で加熱した状態で積層体を加圧する。金属接合材は、厚みが１００μｍ前後のものを用いるのが好ましい。
　第２冷却基材３０は、例えば以下のように作製する。まず、第２冷却基材３０の元となる円板状で易加工性材料製の２つの円板部材３１，３２を準備する（図５Ａ）。円板部材３１，３２は、アルミニウム製、アルミニウム合金製又はステンレス鋼製であることが好ましい。次に、上側の円板部材３１の下面に最終的に冷媒流路３５となる溝３５ｃを形成する（図５Ｂ）。その後、上側の円板部材３１の下面と下側の円板部材３２の上面とを、図示しない接合材（例えばろう材など）で接合して第２冷却基材３０を作製する（図５Ｃ）。そして、第２冷却基材３０の下面から冷媒流路３５の底面までを上下方向に貫通する入口３５ａ及び出口３５ｂを形成するとともに、第２冷却基材３０を上下方向に貫通する端子孔３０ｂを形成する。また、第２冷却基材３０の所定の位置に大径部３６ａと小径部３６ｂとを有する貫通孔３６を形成する（図５Ｄ）。
　ウエハ載置台１０は、上述のように作製した上部基材２０及び第２冷却基材３０とをネジ部材５０で締結することにより作製する。具体的には、まず、図６Ａに示すように、第２冷却基材３０の上面に、放熱シート４０を配置する。放熱シート４０は、第１冷却基材２３と同径の円形シートである。次に、上部基材２０の給電端子５４を端子孔３０ｂに挿入しながら、第２冷却基材の上面に配置された放熱シート４０の上に上部基材２０を載せる。次に、各貫通孔３６に対して、ネジ部材５０を第２冷却基材３０の下面から挿入して第１冷却基材２３のネジ穴２４に螺合する。これにより、放熱シート４０は第１冷却基材２３と第２冷却基材３０との間で圧縮されて高い熱伝導性能を発揮する。その後、端子孔３０ｂに、給電端子５４を挿通する絶縁管５５を配置する（図６Ｂ）。以上のようにして、ウエハ載置台１０を得ることができる。
　次に、ウエハ載置台１０の使用例について図１を用いて説明する。まず、ウエハ載置台１０をチャンバ９４の設置板９６に設置する。次に、ネジ部材７０を、設置板９６の下面からネジ挿通孔９７を介して第２冷却基材３０の下面に設けられたネジ穴３８に螺合する。こうして、ウエハ載置台１０がネジ部材７０によって設置板９６に固定される。
　設置板９６に設置されたウエハ載置台１０のウエハ載置面２１ａには、円板状のウエハＷが載置される。この状態で、ウエハ吸着用電極２２にウエハ吸着用直流電源５２の直流電圧を印加してウエハＷをウエハ載置面２１ａに吸着させる。また、温度調節した冷媒を冷媒流路３５の入口３５ａに供給し、出口３５ｂから冷媒を排出する。そして、チャンバ９４の内部を所定の真空雰囲気（又は減圧雰囲気）になるように設定し、シャワーヘッド９８からプロセスガスを供給しながら、第２冷却基材３０にＲＦ電源６２からのＲＦ電圧を印加する。すると、ウエハＷとシャワーヘッド９８との間でプラズマが発生する。そして、そのプラズマを利用してウエハＷにＣＶＤ成膜を施したりエッチングを施したりする。
　以上説明したウエハ載置台１０では、セラミック基材２１に第１冷却基材２３が金属接合層２５で接合されていてウエハＷを冷却する効率が高いうえ、第１冷却基材２３と第２冷却基材３０とがネジ部材５０で締結され、第１冷却基材２３と第２冷却基材３０との間には放熱シート４０が配置されている。放熱シート４０は第１冷却基材２３と第２冷却基材３０とがネジ部材５０によって締結されることにより第１冷却基材２３と第２冷却基材３０にしっかりと密着するため、第１冷却基材２３の熱は第２冷却基材３０へ速やかに伝導する。したがって、ウエハＷを冷却する効率が高い。また、第１冷却基材２３と第２冷却基材３０とはネジ部材５０で接合されているため、ウエハ載置台１０の使用に伴いセラミック基材２１が劣化したときに、セラミック基材２１と第１冷却基材２３とが金属接合された部材である上部基材２０のみを交換し、内部に冷媒流路３５が形成された第２冷却基材３０をそのまま再利用することができる。そのため、ウエハ載置台の製造コストを低減できる。
　また、放熱シート４０の熱抵抗は０．３５Ｋ・ｃｍ2／Ｗ以下であることが好ましい。こうすれば、第１冷却基材２３の熱が第２冷却基材３０へより速やかに伝導するため、ウエハＷを冷却する効率がより高まる。こうした熱抵抗を実現するにあたり、放熱シート４０を上下方向に圧縮する圧力を例えば０．０５ＭＰａ以上や０．２ＭＰａ以上とすることが好ましい。こうすれば、放熱シート４０が第１冷却基材２３と第２冷却基材３０にしっかり密着するため、放熱シート４０の熱抵抗を低減できる。放熱シート４０を上下方向に圧縮する圧力は、放熱シート４０の破損を抑制する観点から、例えば０．６ＭＰａ以下や０．５５ＭＰａ以下が好ましい。ところで、放熱シート４０を上下方向に圧縮する圧力は、ネジ部材５０からの距離が遠いほど小さくなる傾向があり、面内方向で圧力に幅がある。この圧力の幅［ＭＰａ］を、ネジ部材５０の軸力が放熱シート４０に均等にかかったと仮定したときに放熱シート４０にかかる面圧［ＭＰａ］で除した値を、圧力ばらつき［－］として評価したときに、圧力ばらつきは、２．０以下であることが好ましく、１．７以下であることがより好ましく、１．０以下であることがさらに好ましい。圧力ばらつきは、放熱シート４０のヤング率が小さいほど小さく、ネジ穴２４の中心間間隔が小さいほど小さくできる。一方で、圧力ばらつきを小さくするためにネジ穴２４の中心間間隔を小さくしようとすると、ネジ穴２４が多数必要になりネジ穴２４の配置が困難になることがある。シミュレーションによれば、放熱シート４０のヤング率が８０ＭＰａ以下の場合、ネジ穴２４の中心間距離を７０ｍｍ以下とすれば圧力ばらつきが２．０以下となり、ネジ穴２４の中心間距離を５５ｍｍ以下とすれば圧力ばらつきが１．０以下となる。また、放熱シート４０のヤング率が１０ＭＰａ以下の場合、ネジ穴２４の中心間距離が１００ｍｍでも圧力ばらつきがほぼ１となる。このように、ネジ穴２４の中心間距離を小さくしすぎずに圧力ばらつきを低減する観点から、放熱シート４０のヤング率は８０ＭＰａ以下が好ましく、１０ＭＰａ以下がより好ましい。ネジ穴２４の個数や配置は、放熱シート４０を圧縮するのに必要な圧力に、圧力ばらつきを加味して設定することが望ましい。
　更にまた、第２冷却基材３０が易加工性材料製である。こうすれば、第２冷却基材３０に冷媒流路３５を容易に形成することができるため、加工コストを低減できる。また、第２冷却基材３０を金属とセラミックとの複合材料（例えばＭＭＣやＣＭＣ）で形成した場合に比べて、材料コストを低く抑えることができる。
　そして、放熱シート４０は導電性を有している。これにより、第２冷却基材３０は第１冷却基材２３や金属接合層２５と同電位になるため、第１冷却基材２３や金属接合層２５をＲＦ電極として用いることができ、ウエハＷの上方でプラズマを生成しやすくなる。なお、導電性のネジ部材５０を使用し、第２冷却基材３０と第１冷却基材２３とをネジ部材５０を介して同電位となるようにしてもよい。
　なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
　上述した実施形態では、第１冷却基材２３と第２冷却基材３０とをネジ部材５０で締結したウエハ載置台１０をチャンバ９４の設置板９６に設置したが、特にこれに限定されない。例えば、図７に示すウエハ載置台１１０のように、第２冷却基材３０をチャンバ９４の設置板９６と兼用してもよい。なお、図７では、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。
　上述した実施形態では、放熱シート４０は導電性を有するものを例示したが、放熱シート４０は絶縁性であってもよい。
　上述した実施形態では、セラミック基材２１にウエハ吸着用電極２２を内蔵したが、これに代えて又は加えて、プラズマ発生用のＲＦ電極を内蔵してもよい。この場合、第２冷却基材３０ではなくＲＦ電極に高周波電源を接続する。また、セラミック基材２１は、ヒータ電極（抵抗発熱体）を内蔵してもよい。この場合、ヒータ電極にヒータ電源を接続する。このように、セラミック基材２１は、電極を１層内蔵していてもよいし、２層以上内蔵していてもよい。
　上述した実施形態では、冷媒流路３５は入口３５ａから出口３５ｂまで渦巻状に設けられているものとしたが、流路溝３５の形状は特に限定されない。また、上述した実施形態では、１本の冷媒流路３５を設けたが、冷媒流路３５を複数本設けてもよい。
　上述した実施形態では、第１冷却基材２３は、セラミック基材２１よりも大径としたが、セラミック基材２１と同径としてもよい。また、第２冷却基材３０は、第１冷却基材２３と同径としたが、第１冷却基材２３よりも大径としてもよい。
　上述した実施形態では、セラミック基材２１はセラミック粉末の成形体をホットプレス焼成することにより作製したが、そのときの成形体は、テープ成形体を複数枚積層して作製してもよいし、モールドキャスト法によって作製してもよいし、セラミック粉末を押し固めることによって作製してもよい。
　上述した実施形態では、第２冷却基材３０は易加工性材料製としたが、下部基材８０は、金属とセラミックとの複合材料製としてもよいし、モリブデンなどの低熱膨張金属材料製としてもよい。こうすれば、第２冷却基材３０と上部基材２０との熱膨張係数差が小さいため、熱応力による上部基材２０や第２冷却基材３０の反りや破損を抑制できる。
　上述した実施形態において、第２冷却基材３０の下面からウエハ載置面２１ａに至るようにウエハ載置台１０を貫通する穴を設けてもよい。こうした穴としては、ウエハＷの裏面に熱伝導ガス（例えばＨｅガス）を供給するためのガス供給穴や、ウエハ載置面２２ａに対してウエハＷを上下させるリフトピンを挿通するためのリフトピン穴などが挙げられる。熱伝導ガスは、ウエハ載置面２１ａに設けられた図示しない多数の小突起（ウエハＷを支持する）とウエハＷとによって形成される空間に供給される。
　上述した実施形態において、第１冷却基材２３の下面と第２冷却基材３０の上面との間には、放熱シート４０の他に、シール部材を備えていてもよい。シール部材は、例えば、上述したガス供給穴に供給されたガスが、第１冷却基材２３と第２冷却基材３０との間を通って外部に漏出するのを防止するものであり、上下方向に圧縮されることで、シール性を発揮する。シール部材は、例えば、金属製又は樹脂製のリングであり、ガス供給穴の外側、リフトピン穴の外側、絶縁管５５の外側、第１冷却基材２３の外周のやや内側などに配置される。シール部材は、導電性としてもよいし、絶縁性としてもよい。
　本発明は、例えばウエハにＣＶＤやエッチングなどを行うために用いられるウエハ載置装置に利用可能である。
１０　ウエハ載置台、２０　上部基材、２１　セラミック基材、２１ａ　ウエハ載置面、２１ｂ　穴、２２　ウエハ吸着用電極、２３　第１冷却基材、２３ｂ　貫通孔、２４　ネジ穴、２５　金属接合層、３０　第２冷却基材、３０ｂ　端子孔、３１　円板部材、３２　円板部材、３５　冷媒流路、３５ａ　入口、３５ｂ　出口、３５ｃ溝、３６　貫通孔、３６ａ　大径部、３６ｂ　小径部、３８　ネジ穴、４０　放熱シート、５０　ネジ部材、５０ａ　頭部、５０ｂ　足部、５２　ウエハ吸着用直流電源、５３　ローパスフィルタ、５４　給電端子、５５　絶縁管、６２　ＲＦ電源、６３　ハイパスフィルタ、６４　給電端子、９４　チャンバ、９６　設置板、９８　シャワーヘッド、１１０　ウエハ載置台。

Claims (7)

  1. 　上面にウエハ載置面を有し、電極を内蔵するセラミック基材と、
    　金属とセラミックとの複合材料製又は低熱膨張金属材料製の第１冷却基材と、
    　前記セラミック基材の下面と前記第１冷却基材の上面とを接合する金属接合層と、
    　内部に冷媒流路が形成された第２冷却基材と、
    　前記第１冷却基材の下面と前記第２冷却基材の上面との間に配置された放熱シートと、
    　前記第１冷却基材の下面に開口したネジ穴と、
    　前記ネジ穴に対向する位置に設けられ前記第２冷却基材を上下方向に貫通する貫通孔と、
    　前記貫通孔に前記第２冷却基材の下面から挿入され、前記ネジ穴に螺合されたネジ部材と、
    　を備えた、ウエハ載置台。
  2. 　前記放熱シートの熱抵抗は、０．３５Ｋ・ｃｍ2／Ｗ以下である、
    　請求項１に記載のウエハ載置台。
  3. 　前記放熱シートのヤング率は１００ＭＰａ以下である、
    　請求項１又は２に記載のウエハ載置台。
  4. 　前記ネジ穴を複数備え、隣接する２つのネジ穴の中心間間隔が１００ｍｍ以下である、
    　請求項１又は２に記載のウエハ載置台。
  5. 　前記ネジ穴の深さは、前記ネジ部材の呼び径の１．５倍以下である、
    　請求項１又は２に記載のウエハ載置台。
  6. 　前記第１冷却基材の厚さは４ｍｍ以上８ｍｍ以下である、
    　請求項１又は２に記載のウエハ載置台。
  7. 　前記第２冷却基材は、易加工性材料製である、
    　請求項１又は２に記載のウエハ載置台。
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