CN104956474B - 试样保持件以及使用了该试样保持件的等离子体蚀刻装置 - Google Patents

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Abstract

试样保持件具备：基体，其由陶瓷构成，并在一个主面具有试样保持面，和发热电阻体，其设置于该基体的另一个主面，并包含玻璃成分，所述基体在所述发热电阻体的附近区域包含所述玻璃成分。

Description

试样保持件以及使用了该试样保持件的等离子体蚀刻装置
技术领域
本发明涉及试样保持件以及使用了该试样保持件的等离子体蚀刻装置。
背景技术
在半导体集成电路的制造工序或液晶显示装置的制造工序等中，作为用于保持半导体晶片等各试样的部件而已知试样保持件。作为试样保持件，可以列举出例如JP特开2005-286106号公报(以下称为专利文献1)中所记载的加热基板。专利文献1中所记载的加热基板具备陶瓷基体和形成在陶瓷基体的背面的发热体电路。加热基板将被加热物搭载于陶瓷基体的主面来使用。
但是，专利文献1中所记载的加热基板在热循环下，存在陶瓷基体与发热体电路之间产生热应力的情况。由此，发热体电路有可能从陶瓷基体剥离。结果，难以提高加热基板的长期可靠性。
发明内容
本发明的一方式的试样保持件特征在于，具备：基体，其由陶瓷构成，并在一个主面具有试样保持面；和发热电阻体，其设置于该基体的另一个主面，并包含玻璃成分，所述基体在所述发热电阻体的附近区域包含所述玻璃成分。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的试样保持件以及使用了该试样保持件的等离子体蚀刻装置的剖面图。
图2是将图1所示的试样保持件的区域A进行了放大的部分放大剖面图。
图3是表示本发明的试样保持件的变形例的部分放大剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的一实施方式所涉及的试样保持件10以及使用了该试样保持件10的等离子体蚀刻装置100。
图1是表示本发明的一实施方式的试样保持件10以及使用了该试样保持件1的等离子体蚀刻装置100的剖面图。如图1所示，本发明的一实施方式的试样保持件10具备：基体1，其在一个主面具有试样保持面11；发热电阻体2，其设置于基体1的另一个主面；和吸附电极3，其设置于基体1的内部。在本实施方式中，“一个主面”是基体1的上表面，“另一个主面”对应于基体1的下表面。因此，以下中为了说明的方便，使用上表面以及下表面的措词来进行说明。另外，“一个主面”并不限定于上表面，根据基体1的朝向也可以是下表面或侧面等除了上表面以外的面。此外，“另一个主面”也不限定于下表面，同样根据基体1的朝向也可以是上表面或侧面等除了下表面以外的面。
基体1是在上表面具有试样保持面11的板状构件。基体1在上表面的试样保持面11，保持例如硅晶片等试样。试样保持件10是俯视时的形状为圆形的构件。基体1例如由氧化铝、氮化铝、氮化硅或氧化钇等的陶瓷材料构成。在基体1的下表面，设置有发热电阻体2。基体1的尺寸例如能够将直径设定为200～500mm，将厚度设定为2～15mm。
虽然作为使用基体1来保持试样的方法能够使用各种各样的方法，但本实施方式的试样保持件10通过静电力来保持试样。因此，试样保持件10在基体1的内部具备吸附电极3。吸附电极3由2个电极构成。2个电极中的一方与电源的正极连接，另一方与负极连接。2个电极分别形成为大致半圆板状，并配置于基体1的内部使得半圆的弦彼此对置。这2个电极合在一起，吸附电极3整体的外形成为圆形。该吸附电极3整体所成的圆形的外形的中心被设定为与相同的圆形的基体1的外形的中心相同。吸附电极3例如由钨或钼等金属材料构成。
发热电阻体2是用于对被保持于基体1的上表面的试样保持面11的试样进行加热的构件。发热电阻体2设置在基体1的下表面。通过对发热电阻体2施加电压，能够使发热电阻体2发热。由发热电阻体2所发出的热传到基体1的内部，到达基体1的上表面的试样保持面11。由此，能够对被保持于试样保持面11的试样进行加热。发热电阻体2为具有多个弯曲部的线状的图案，形成在基体1的下表面的大致整个面。由此，能够抑制在试样保持件10的上表面热分布产生偏差。
发热电阻体2包含导体成分以及玻璃成分。作为导体成分，例如包含银钯、铂、铝或金等金属材料。为了抑制玻璃成分起泡，作为金属材料，优选选择在大气中能够烧结的金属。此外，作为玻璃成分，包含硅、铝、铋、钙、硼以及锌等材料的氧化物。
在试样保持件10的温度控制中可以采用以下方法。具体来说，通过使热电偶接触基体1并测量电动势能够测量发热电阻体2的温度。此外，通过使测温电阻体接触基体1并测量电阻也能够测量发热电阻体2的温度。基于以上述方式测量出的发热电阻体2的温度，调整对发热电阻体2施加的电压，由此能够控制发热电阻体2的发热使得试样保持件10的温度恒定。
如上所述，发热电阻体2作为原料而包含玻璃成分。发热电阻体2通过包含玻璃成分，从而烧结所需要的温度降低。此外，发热电阻体2通过具有玻璃成分，从而与基体1的密接性提高。
在此，发热电阻体2与烧结后的基体1烧接在一起而形成。此时，发热电阻体2中所包含的玻璃成分扩展，进入到基体1的表面的凹凸。结果，通过在发热电阻体2与基体1之间产生固着效果(anchor effect)，能够将发热电阻体2牢固地固定于基体1。进而，在基体1的表面扩展的玻璃成分与基体1的陶瓷发生反应而扩散到基体1中。因此，如图2中将图1所示的试样保持件的区域A进行了放大的部分放大剖面图所示，基体1中发热电阻体2的附近区域会包含玻璃成分。以下，将基体1中发热电阻体2的附近的包含玻璃成分的区域称为玻璃扩散区域12。这样，基体1中的发热电阻体2的附近区域(玻璃扩散区域12)以及发热电阻体2分别包含玻璃成分，从而发热电阻体2的玻璃成分与玻璃扩散区域12的玻璃成分的密接性提高。结果，即使由于基体1与发热电阻体2的热膨胀差而导致在发热电阻体2产生了热应力，也能够抑制发热电阻体2从基体1剥离的可能性。玻璃成分在发热电阻体2中包含例如5～30vol％。
在将基体1设为体积电阻率在常温下为1016Ωcm以上的高绝缘体的情况下，能够使发热电阻体2周边的玻璃扩散区域12的体积电阻率比不包含玻璃的区域更低。作为1016Ωcm以上的高绝缘体，可以列举出氧化铝、氮化铝、氮化硅或氧化钇等高绝缘陶瓷材料。
作为试样的晶片的吸附通过对吸附电极3施加高电压来进行。然后，晶片的脱离通过使吸附电极3下降到大地(接地)来进行。此时，在接通/断开(ON-OFF)电压时产生电场变动。在此，通过在发热电阻体2周边设置玻璃成分，从而发热电阻体2周边的电阻会降低。结果，在产生了电场变动时，在发热电阻体2周边，变得难以施加电场。即，产生电场屏蔽效应。由此，能够抑制噪声进入到发热电阻体2的电压中。结果，能够使发热电阻体2的温度控制稳定化。
进而，基体1的下表面的发热电阻体2的附近区域的玻璃成分是从发热电阻体2扩散到基体1的玻璃扩散区域12的玻璃成分，由此能够使基体1的玻璃成分与发热电阻体2的玻璃成分相连。结果，能够进一步抑制在基体1与发热电阻体2之间发生剥离的可能性。
此外，如图2所示，从基体1的下表面中发热电阻体2所相接的部分来看，优选玻璃扩散区域12所包含的玻璃成分在相对于基体1的下表面水平的方向上扩展。由此，能够使基体1中包含玻璃成分的部分与不包含的部分的分界线120的水平方向上的位置、和发热电阻体2的端部30的水平方向上的位置不同。在热循环下，有热应力容易集中于上述的分界线120与端部30的倾向，但通过使它们的位置不同，能够防止较大的热应力施加于一处。由此，能够抑制发热电阻体2发生剥离的可能性。
进而，优选基体1的玻璃成分在相对于基体1的下表面水平的方向上比在垂直的方向上更扩展。即，从基体1的下表面中发热电阻体2所相接的部分的端部来看，优选玻璃扩散区域12在相对于基体1的下表面水平的方向上比在垂直的方向上扩展得更大。对于玻璃扩散区域12而言，由于玻璃扩展以填补基体1中的陶瓷的间隙，因而与基体1中的玻璃扩散区域12以外的区域相比较，热传导变得良好。通过将该热传导良好的区域在水平方向上较大地形成，从而能够使基体1的水平方向的均热性提高。更具体来说，优选玻璃扩散区域12在水平方向上与在垂直方向上相比扩展2～5倍左右。
在此情况下，优选基体1中使用的陶瓷材料采用粒径较小的陶瓷材料。具体来说，优选采用2～10μm的粒径的陶瓷材料，并优选烧结密度为98％以上的致密度。由此，能够抑制玻璃在相对于基体1的下表面垂直的方向上发生扩散。关于相对于基体1的下表面水平的方向，优选通过喷砂等使基体1的下表面成为粗糙面以产生微细的裂纹。通过使玻璃成分传到该裂纹中，能够使玻璃成分在相对于基体1的下表面水平的方向上良好地扩散。更具体来说，若通过旋转加工机等对基体1的下表面进行加工，则下表面的算数平均粗糙度Ra成为0.2～0.7μm。进而，通过对基体1的下表面实施喷砂等，能够使下表面的算数平均粗糙度Ra成为1～5μm。由此能够使玻璃扩散区域12的水平方向的扩展度与垂直方向的扩展度相比大2～5倍左右。
此外，优选基体1的下表面的发热电阻体2的附近区域在包含玻璃成分的同时还包含发热电阻体2的导体成分。通过包含导体成分，能够使发热电阻体2的附近区域的热传导率提高，所以能够使多个发热电阻体2间的热传递提高。结果，能够提高基体1的试样保持面11的均热性。由此，能够在等离子体蚀刻装置100中使蚀刻率更均匀。
进而，优选该导体成分相对于玻璃成分的比例随着远离发热电阻体2而变小。由此，能够使基体1中的发热电阻体2的附近区域与其他区域之间的热膨胀系数缓慢地变化。结果，能够在发热电阻体2的附近区域降低在基体1产生的热应力。更具体来说，优选在发热电阻体2的附近，导体成分相对于玻璃成分存在大约10％左右，在从发热电阻体2远离0.1mm左右的区域成为大约7％，在远离0.2mm左右的地方成为大约0％左右。
此外，优选将发热电阻体2设置于基体1的下表面的周缘部。在热循环下基体1发生了热膨胀或热收缩使得翘曲的情况下，在周缘部热应力尤其大。通过在该周缘部，设置发热电阻体2，并且预先使该发热电阻体2的附近区域的基体1包含玻璃成分，能够抑制在试样保持件10的基体1产生裂纹的可能性。
此外，如图3所示，优选具有与发热电阻体2相邻设置的多个区域，并且从该多个区域扩散的玻璃成分彼此相连。即，优选与发热电阻体2相邻设置的区域有多个，玻璃扩散区域12遍及这些多个区域而设置。由于玻璃成分还扩展到相邻的区域之间的区域、即在相邻设置的区域彼此之间相邻的发热电阻体2之间的区域，从而能够在等离子体中的工艺中使用试样保持件10时，使等离子体密度均匀。以下说明理由。
返回到图1，对使用了上述试样保持件10的等离子体蚀刻装置100的一部分进行说明。等离子体蚀刻装置100具备真空室(未图示)、配置在真空室内的具有高频施加用电极(未图示)的底板4、以及搭载于底板4的试样保持件10。
底板4是在内部内置了冷却介质用的流路(未图示)以及使氦或氩等传热气体流过试样保持件10的上表面的传热气体用的流路(未图示)的板状构件。作为底板4，可以使用例如铝或钛等金属材料、碳化硅等陶瓷材料或者碳化硅与铝的复合材料等。
试样保持件10的下表面的发热电阻体2由绝缘层5覆盖。作为绝缘层5，可以使用含有陶瓷填料的粘接材料或陶瓷材料等。该绝缘层5通过树脂层6而被粘接于底板4的上表面。
作为树脂层6，可以使用粘接性的树脂。具体来说，可以使用有机硅树脂、环氧树脂或丙烯树脂等。另外，树脂层6也可以含有填料。通过含有填料，能够使树脂层6的热传导性提高。作为填料，只要是陶瓷材料或金属材料等具有比树脂材料更高的热传导性的填料即可。具体来说，在填料由金属构成的情况下，可以使用例如由铝构成的填料。此外，在填料由陶瓷材料构成的情况下，可以使用氧化铝、碳化硅、氮化铝或氮化硅。
等离子体蚀刻装置100具备底板4以及在室内对置的高频施加用电极(未图示)。对该对置的高频施加用电极施加例如13.56MHz等的高频而使其产生等离子体。高频会通过树脂层6、绝缘层5、发热电阻体2以及基体1。在此，在基体1的下表面，存在设置有发热电阻体2的部分和未设置发热电阻体2的部分。此时，在基体1中仅发热电阻体2的正上方有玻璃成分的情况下，由于基体1的下表面附近的介电常数的差而导致等离子体密度变得不均匀，试样上的蚀刻率出现差异。因此，使包含玻璃成分的区域沿基体1的下表面的面方向扩展、并且从与发热电阻体2相邻设置的多个区域当中的相邻的区域扩散的玻璃成分彼此相连，这作为对策是有效的。由此，能够减小基体1的下表面附近的介电常数的差，从而能够使等离子体密度均匀。结果，能够抑制蚀刻率的偏差。
关于与发热电阻体2相邻设置的多个区域，相邻的区域的间隔例如设定为0.5～10mm即可，为了使等离子体密度更均匀而优选设定为0.5～2mm。发热电阻体2的宽度设定为0.5～10mm即可，为了使等离子体密度更均匀而优选设定为0.5～2mm。
以下，说明图1所示的试样保持件10的制造方法的一例。另外，以在基体1中使用了氧化铝陶瓷的情况为例来进行说明，但在氮化铝陶瓷等其他的陶瓷材料的情况下也能够采用同样的方法来制造。
首先，将成为主要原料的0.1～2μm的粒径的氧化铝粉末和微量的烧结助剂称量给定量，并在球磨机中与离子交换水或有机溶剂以及高纯度氧化铝制球一起进行24～72小时的湿式粉碎混合。
向这样粉碎混合后的原料浆料中，添加给定量的聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛或丙烯树脂等的有机粘合剂以及作为辅助的有机材料的增塑剂和消泡剂，又进行24～48小时的混合。通过采用刮刀法、压延辊法、冲压成型法或挤出成型法等，将混合后的有机-无机混合浆料成型为厚度20μm～20mm的陶瓷生片。
然后，通过公知的丝网印刷法等，将用于形成吸附电极3的铂或钨等的膏状电极材料印刷在形成基体1的陶瓷生片上。
在此，将未印刷膏状电极材料的陶瓷生片与印刷了膏状电极材料的电极形成生片进行层叠，使得在基体1的给定位置形成吸附电极3。层叠是一边施加陶瓷生片的屈服应力值以上的压力一边在给定温度下进行层叠。作为施加压力的方法，可以使用单轴压制法或各向同性加压法等公知的技术。通过将所得到的层叠体在给定温度以及给定气氛中进行烧成，能够制作埋设了吸附电极3的基体1。
接着，使用多工序自动数字控制机床(Machining Center)、旋转加工机或圆筒磨床将基体1加工成给定的形状、厚度。
接着，在通过喷砂使该基体1的下表面成为粗糙面之后，涂敷添加了银钯等金属成分、和由硅、铋、钙、铝以及硼等材料的氧化物构成的玻璃成分的膏剂，之后通过在大约800℃的温度下进行烧成而形成发热电阻体2。进而，通过激光等加工对发热电阻体2进行修剪，由此将发热电阻体2的电阻值调整为所希望的电阻值。通过以上方式，能够制造试样保持件10。
实施例
制作了作为本发明的实施例的试样No.1～5以及比较例的试样。在本实施例以及比较例中，作为基体1而使用了氧化铝陶瓷。
首先，将成为主要原料的粒径为0.1～2μm的氧化铝粉末和微量的烧结助剂称量给定量，并在球磨机中与离子交换水、有机溶剂或有机分散剂以及高纯度氧化铝制球一起进行了48小时的湿式粉碎混合。向这样粉碎混合后的原料浆料中，添加给定量的聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、丙烯树脂等有机粘合剂、作为辅助的有机材料的增塑剂以及消泡剂，又进行了3小时的混合。通过刮刀法将混合后的有机-无机混合浆料成型为100μm的陶瓷生片。
然后，在形成基体1的陶瓷生片上，通过丝网印刷而形成了用于形成吸附电极3的钨的膏状电极材料。在此，将未印刷膏状电极材料的陶瓷生片与印刷了膏状电极材料的电极形成生片进行层叠，使得在基体1的给定位置形成吸附电极3，并通过单轴压制进行加压来对层叠体进行了成型。接着，将所得到的层叠体在1570℃的温度下、氢气的还原气氛中进行了烧成。使用多工序自动数字控制机床、旋转加工机或圆筒磨床使基体1成为给定形状，并加工成从吸附电极3到试样保持面11的厚度成为0.3mm、基体1的整体厚度成为2mm。
[表1]
然后，以表1所示那样的条件形成了发热电阻体2。具体来说，首先，对基体1的下表面进行了加工使其成为表1所示那样的算数平均粗糙度Ra。之后，对成为发热电阻体2的膏剂进行了印刷使其成为表1所示的间隔以及宽度。在此，关于试样No.1～5，作为成为发热电阻体2的膏剂，使用了作为主要成分而包含银钯、且作为玻璃成分而包含硅、硼以及铋的各氧化物的膏剂。此外，关于比较例的试样，作为成为发热电阻体2的膏剂，使用了作为主要成分而包含钨的膏剂。然后，以表1所示那样的条件对发热电阻体2进行了烧成。通过该烧成，形成发热电阻体2，并且关于试样No.1～5，在发热电阻体2的附近区域使玻璃成分进行了扩散。
另外，通过以下方法来进行了基体1的下表面的算数平均粗糙度Ra的调整。具体来说，在如试样No.1、2那样使Ra成为0.05μm的情况下，通过使用锡制的研磨盘(lappingmachine)以及含有平均粒径为1μm的金刚石的研磨液来实施了研磨加工。在如试样No.3那样使Ra成为0.4μm的情况下，通过使用铸铁制的研磨盘以及含有平均粒径为15μm的金刚石的研磨液来实施了研磨加工。此外，在如试样No.4、5那样使Ra成为2.2μm的情况下，通过使用磨粒来实施了喷砂加工。
在此，为了使玻璃成分从发热电阻体2扩散到基体1中，以下方面很重要。具体来说，现有技术一般是在对银钯进行烧成时以700～750℃左右进行加热，但在作为本发明的实施例的试样No.1～5中，以780～850℃进行了加热。由此，能够使发热电阻体2的玻璃成分良好地扩散到基体1中。
而且，为了对发热电阻体2以及发热电阻体2的附近区域集中进行加热，使用了以下方法。具体来说，与基体1的下表面相对置、且与发热电阻体2不接触地配置了陶瓷板。由此，能够使从发热电阻体2附近向外部放射的热变得难以逃到外部。由此，能够更高效地对发热电阻体2进行加热，因而能够使发热电阻体2的玻璃成分更加良好地扩散到基体1中。
发热电阻体2的宽度设定为1.5mm，与发热电阻体2相邻设置的多个区域中相邻的区域的间隔设定为3mm。然后，通过调整基体1的下表面的算数平均粗糙度Ra，从而如表1的No.1～4所示，制作出了使包含玻璃成分的区域在相对于基体1的下表面垂直的方向和相对于基体1的下表面水平的方向上发生了变化的试样保持件10的试样。
另外，作为比较例而制作出的试样通过使用钨膏剂在1500℃下进行烧成而形成了发热电阻体。
接着，对制作出的试样保持件10的试样进行了耐久试验。在此，在将试样保持件10的下表面冷却至25℃的状态下，对发热电阻体2施加了200V的电压。具体来说，施加电压直到试样保持件10的温度达到120℃为止，在达到120℃的时间点停止电压的施加而进行冷却直到试样保持件10达到50℃为止，再次施加200V的电压使试样保持件10达到120℃，将这样的处理作为1个循环，进行了反复10000次该循环的耐久试验。然后，将发热电阻体发生了破损的循环数作为耐久试验结果。
如表1中表示该结果那样，关于比较例的试样，在500个循环中发热电阻体发生了破损，关于作为本发明的实施例的试样No.1～5，关于试样No.1是在1500个循环中发热电阻体破损，关于试样No.2是在2200个循环中发热电阻体破损，关于试样No.3是在3000个循环中发热电阻体破损，关于试样No.4是在5000个循环中发热电阻体破损，关于试样No.5是在10000个循环后发热电阻体也没有破损。这些结果可以认为是如下缘故：由于玻璃扩散区域12存在于发热电阻体2的周边，从而基体1与发热电阻体2的密接性提高，由此发热电阻体2的剥离难以发生。
进而，在进行了上述耐久试验之后对基体1进行切断，通过EPMA的面分析对玻璃扩散区域12进行了确认。结果可知，如表1所示，存在玻璃扩散区域12。在此，表1中的“厚度方向的扩展度”意味着从基体1的下表面向相对于基体1的下表面垂直的方向的玻璃扩散区域12的扩展度。此外，“面方向的扩展度”意味着从基体1的下表面中发热电阻体2所相接的部分的端部来看，相对于基体1的下表面水平的方向的玻璃扩散区域12的扩展度。从表1所示的结果可知，算数平均粗糙度Ra越大的试样，玻璃扩散区域12的面方向的扩展度越大。并且可知，玻璃扩散区域12的面方向的扩展度越大，试样保持件10的耐久性越提高。这可以认为是由于玻璃扩散区域12沿面方向扩展，从而基体1的水平方向的均热性提高了的缘故。
进而，关于试样No.5，根据EPMA的面分析的结果确认了从相邻设置的发热电阻体2扩散的玻璃扩散区域12彼此相连。由于相邻的玻璃扩散区域12彼此相连，因而难以求取各玻璃扩散区域12的面方向的扩展度的准确的大小，所以在表1中，将该试样No.5的面方向的扩展度以发热电阻体2的间隔的一半的值即0.75mm为基准而记载为0.75(mm)以上。上述耐久试验的结果，与试样No.1～4相比较，试样No.5的耐久性尤其优异，这可以认为是因玻璃扩散区域12彼此相连而引起水平方向的热传导提高，从而基体1中的均热性提高，由此在局部热应力产生的情况得到了降低的缘故。
符号说明
基体：1
发热电阻体：2
吸附电极：3
底板：4
绝缘层：5
树脂层：6
试样保持件：10
试样保持面：11
玻璃扩散区域：12
等离子体蚀刻装置：100

Claims (7)

1.一种试样保持件，其具备：
基体，其由陶瓷构成，并在一个主面具有试样保持面；和
发热电阻体，其设置于该基体的另一个主面，并包含玻璃成分，
所述基体在所述发热电阻体的附近区域包含所述玻璃成分，
从所述基体的所述另一个主面中所述发热电阻体所相接的部分来看，与相对于所述基体的所述另一个主面垂直的方向相比，所述玻璃成分在相对于所述基体的所述另一个主面水平的方向上更大地扩展。
2.根据权利要求1所述的试样保持件，其中，
所述基体的所述附近区域所包含的所述玻璃成分是从所述发热电阻体扩散到所述基体的所述附近区域的所述玻璃成分。
3.根据权利要求2所述的试样保持件，其中，
存在与所述发热电阻体相邻设置的多个区域，并且从所述多个区域扩散的所述玻璃成分彼此相连。
4.根据权利要求1或2所述的试样保持件，其中，
所述发热电阻体设置于所述基体的所述另一个主面的周缘部。
5.根据权利要求1或2所述的试样保持件，其中，
所述发热电阻体包含导体成分，并且所述基体的所述附近区域在包含所述玻璃成分的同时包含所述导体成分。
6.根据权利要求5所述的试样保持件，其中，
所述基体的所述附近区域所包含的所述导体成分相对于所述玻璃成分的比例随着远离所述发热电阻体而变小。
7.一种等离子体蚀刻装置，其包含：
真空室；
配置在该真空室内的具有高频施加用电极的底板；和
搭载于该底板的权利要求1～6中任一项所述的试样保持件。
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