CN110945640B - 基板保持构件和半导体制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的基板保持构件，是具备由板状的陶瓷构成的主体，和覆盖所述主体的表面的覆膜的基板保持构件，其中，设所述陶瓷的断裂韧性为K1C，热膨胀系数为α1，厚度为t1，杨氏模量为E1，设所述覆膜的热膨胀系数为α2，厚度为t2，杨氏模量为E2，压缩强度为σ，设所述基板保持构件的安全率为Sp时，t1为0.5mm以上且30mm以下，t2为3μm以上且0.1t1以下，由式1表示的F值为1×1022以上。另外，本发明的半导体制造装置具备上述的基板保持构件。
Description
技术领域
本发明涉及在半导体制造装置等中，基板的保持所使用的基板保持构件。
背景技术
在半导体元件和液晶显示装置的制造工序中，使用曝光装置、CVD装置、干式蚀刻装置等的半导体制造装置，在基板上形成元件和电路。在这些装置中，重复如下的循环：将基板搬入装置的处理部，实施希望的处理后，进行搬出。处理时，由于基板被加热，所以需要使基板的温度处于与基板接触而进行保持或搬送的构件(以下，称为基板保持构件)的耐热温度以下而进行搬送，基板保持构件的耐热性影响到节拍时间。在专利文献1中，作为用于涂覆陶瓷构件的树脂，记载有PTFE(聚四氟乙烯)。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2000－183133号公报
发明内容
本发明的基板保持构件，是具备由板状的陶瓷构成的主体，和覆盖所述主体的表面的覆膜的基板保持构件，其中，设所述陶瓷的断裂韧性为K1C，热膨胀系数为α1，厚度为t1，杨氏模量为E1，设所述覆膜的热膨胀系数为α2，厚度为t2，杨氏模量为E2，压缩强度为σ，设所述基板保持构件的安全率为Sp时，t1为0.5mm以上且30mm以下，t2为3μm以上且0.1t1以下，由式1表示的F值为1×1022以上。另外，本发明的半导体制造装置具备上述的基板保持构件。
附图说明
图1是作为本发明的一个实施方式的基板保持构件的概略图，(a)是顶视图，(b)是A－A′的剖视图。
图2是表示用于应力分析的模型的概略图。
图3是PI的化学结构的一例。
图4是PBI的化学结构。
具体实施方式
以下，对于本发明的实施方式进行说明。
基板保持构件，是在半导体制造装置中基板的保持、搬送所使用的构件，例如，处理室、加载互锁真空室中用于保持基板的保持销，在装置内用于搬送基板的搬送臂等。图1中表示作为本发明的一个实施方式的基板保持构件1(搬送臂)的概略图。
本发明的基板保持构件1具备：由陶瓷构成的主体3：和覆盖主体3的表面的覆膜5。而且，主体3的厚度t1在0.5mm～30mm的范围，覆膜5的厚度t2在3μm以上且主体3的厚度t1的1/10以下的范围。
使主体3的厚度为0.5mm以上，是由于这样能够维持基板保持构件1的力学强度、刚性。另外，使主体3的厚度t1在30mm以下，是由于这样能够使基板保持构件1的重量比较小。
使覆膜5的厚度t2为3μm以上，是由于这样能够抑制覆膜5的破损。另外，使覆膜5的厚度t2为主体3的厚度t1的1/10以下，是由于这样能够抑制基板保持构件1的重量的增加。
另外，在本发明的基板保持构件1中，设陶瓷的断裂韧性为K1C，热膨胀系数为α1，厚度为t1，杨氏模量为E1，威布尔系数为m，设覆膜5的热膨胀系数为α2，厚度为t2，杨氏模量为E2，压缩强度为σ时，由式1表示的F值为1×1022以上。还有，树脂的压缩强度为屈服强度。
【式1】
还有，式1中的Sp值(也称为安全率)，如式2所示，是用形成覆膜5的树脂的压缩强度σ，除以使用シーメンス社制的运用了有限元法的应力分析软件NX(版本11.0.0.33)计算出的σf而得到的值。该σf是使用模型，计算所发生的应力时的最大值。
【式2】
Sp＝σ/σf
使用图2所示的形状的模型2，使主体3和覆膜5的厚度变化，计算出σf。另外，使主体3和覆膜5的热膨胀系数、杨氏模量的值也分别变化。
图2的模型2，是在被一分为二的基板支承部2a之上载置基板的搬送臂2，基板支承部2a相反侧的端部是将搬送臂2安装于基板搬送装置的安装部2b。
在图2的模型2中，覆膜5覆盖主体3的单面的整个面。而且，在图2中，使斜线所示的范围以外的基板支承部2a的覆膜5为300℃，使斜线所示的范围的安装部2b为20℃时，以NX计算出在模型2中发生的σf。
NX的设定中，作为网格类型选择3D四面体，网格参数的单元尺寸为4mm。另外，选择自由映射网格的试行。重力加速度为9.810mm/sec2。没有使用多边形几何的高分辨率化、切点的连接。
用形成覆膜5的树脂的压缩强度除以如此计算出的σf，计算出Sp值。而后，再将用NX计算出的Sp值代入式1，也一并代入主体3和覆膜5的厚度、热膨胀系数、杨氏模量的值。另外，关于主体3，代入断裂韧性，关于覆膜5，代入强度。
由该式1计算出的F值越大，意味着基板保持构件1的寿命越长。
该式1，以由于基板保持构件1的构件中所包含的自然缺陷而发生的寿命预测为基础，使基板保持构件1内在的自然缺陷的偏差，和基板保持构件1与覆膜5的热膨胀系数差等的参数带给基板保持构件1的耐久性的影响数值化。
还有，满足式1的关系时，基板保持构件1的构成要素之中最初由树脂构成的覆膜5破裂。因此，为了使算式简化，将没有破坏的陶瓷的强度从式1中除掉。另外，出于同样的理由，陶瓷的威布尔系数m，无论陶瓷的种类而作为15进行了计算。
在式1中，所代入的关于陶瓷的各值，由表1所示的方法测量。还有，后述的模拟中，关于陶瓷的各值使用了表1中记载的值。
【表1】
| 项目 | 规格 | Al2O3 | SiC | Si3N4 | 堇青石 |
| 杨氏模量(E1)：GPa | JIS R1602 | 370 | 440 | 300 | 140 |
| 热膨胀系数(α1)：1×10-6/℃ | JIS R1618 | 7.2 | 3.7 | 2.8 | 1.5 |
| 断裂韧性(K1C)：MPa·m0.5 | JIS R1607 | 4 | 2 | 7 | 1 |
另外，代入式1的关于树脂的各值，由表2所示的方法测量。还有，在后述的模拟中，形成覆膜5的树脂相关的各值使用了表2中记载的值。树脂的杨氏模量是根据弯曲弹性模量计算出的值。
【表2】
| 项目 | 规格 | PTFE | PI | PBI |
| 杨氏模量(E2)：GPa | ASTM D790 | 5 | 5 | 0.4 |
| 热膨胀系数(α2)：1×10-6/℃ | ASTM D696 | 23 | 52 | 100 |
| 压缩强度(σ)：MPa | ASTM D695 | 340 | 127 | 14 |
还有，求代入式1的各值时，不满足由表1、2所示的测量方法决定的大小等的试验条件时，不能从基板保持构件1直接测量各值。在这种情况下，可以准备与基板保持构件1不同的试验片进行测量。
另外，也可以使用由陶瓷和树脂的供给源提供的数据。或者，例如也可以使用表1、2中记载的值。另外，例如，也可以使用财团法人日本标准协会发行的JIS用法系列新版塑料材料选择的要点第二版中记载的值。另外，使用这些中没有记载的材料时，也可以使用朝仓书店出版的塑料百科词典的数据。
还有，陶瓷的确定，例如能够使用XRD进行。另外，树脂的确定，例如能够使用红外光谱法(IR)、核磁共振法(NMR)、热裂解气相色谱-质谱分析法(Py-GC-MS)等进行。
满足式1的本发明的基板保持构件1具有优异的耐久性。
此外，F值满足1×1030以上即可。若是这样的构成，则会成为具有更优异的耐久性的基板保持构件1。
另外，作为覆膜5，若使用玻璃化温度为270℃以上的树脂，则成为耐热性优异，可以在高温下使用的基板保持构件1。作为玻璃化温度高的树脂，例如可列举聚酰亚胺(PI)和聚苯并咪唑(PBI)。
图3中显示代表性的PI的化学结构。PI是在重复单元中含有酰亚胺键的高分子的总称。
图4中显示PBI的化学结构。苯并咪唑是由分子式C7H6N2表示的有机化合物，是苯环和咪唑环共用一边结合而成的杂环化合物。
这些树脂因为强度、耐热性优异，所以成为耐久性优异的基板保持构件1。
PBI的耐热温度(玻璃化温度)约为427℃，PI的耐热温度约为285℃～410℃，比聚四氟乙烯树脂(PTFE)的耐热温度(约260℃)高。图3所示的这一结构的PI的耐热温度为410℃。因此，作为树脂若使用PI，则即使基板达到超过260℃的温度也可以使用。
PBI的抗拉强度约为160MPa，PI的抗拉强度约为86MPa，比PTFE的抗拉强度(约20～35MPa)高。因此，即使有装置的振动等，在基板保持构件1与基板的接触部的树脂剥落也难以发生。
另外，作为覆膜5，可以使用具有导电性的树脂。若使用这样的树脂，则能够抑制基板的静电击穿。作为具有导电性的树脂，可列举在各种树脂中添加有碳和金属等的导电性赋予剂的树脂。
对覆膜5赋予导电性时，例如，将金属粉末和碳粉末添加到树脂中即可。这时代入式1的树脂的各值，使用除去金属粉末和碳粉末的树脂的主成分的各值即可。总之，树脂为基体，添加物分散在基体中时，作为基体的树脂的特性为支配性的，因此能够无视添加物对F值的计算造成的影响。
覆膜5的表面电阻率为104Ω/□以上且1010Ω/□以下为宜。如果表面电阻率在上述范围，则难以发生电火花，并且，能够充分除去静电。若使覆膜5的厚度为10μm以上，则容易覆盖主体3。
赋予导电性添加物(以下，也称为添加物)通过添加到树脂中，而赋予树脂以导电性。若添加物是碳、金属、金属氧化物、金属盐等的无机材料，则与有机材料相比，导电率易于调节，即使温度上升，变质和脱气也少。特别是添加物像碳、金属这样，若添加物自身具有导电性，则导电率高。作为添加的金属，钛、锌、锡、碱金属、碱土金属及它们的合金等适宜。而且，通过调整金属添加物相对于树脂的总量的量，使覆膜5的表面电阻率为104Ω/□以上且1010Ω/□以下，则能够具有除静电作用。
覆膜5可以覆盖主体3的整个表面，并至少配置于基板支承部2a的一部分上即可。此外，在从基板支承部2a至安装部2b被连续配置，覆膜5具有导电性时，能够抑制基板的静电击穿。
作为构成主体3的陶瓷，能够使用各种材质。例如，可列举氧化铝质陶瓷(也表述为Al2O3)、碳化硅质陶瓷(也表述为SiC)、堇青石质陶瓷(也表述为2MgO·2Al2O3·5SiO2、CO)，氮化硅质陶瓷(也表述为Si3N4)。特别是可以使用氧化铝质陶瓷、碳化硅质陶瓷、堇青石质陶瓷。若使用这些陶瓷，则可成为耐久性优异的基板保持构件1。
另外，出于与覆膜5同样的理由，陶瓷也可以具有导电性。
以下，对于运用了式1的模拟进行说明。
作为陶瓷使用Al2O3、SiC、Si3N4、CO，作为树脂使用PTFE、PI、PBI，将它们进行组合，基于表1、2中记载的各自的特性，对与基于有限元法的基板保持构件1的耐久性的关系进行了调查。
使表1的陶瓷与表2的树脂组合，使主体的厚度在0.5～30mm的范围变化，使覆膜5的厚度在0.003mm(3μm)至3mm的范围变化，将以上情况下的式1的F值显示在表3～表11中。还有，省略了一部分组合。另外，在表中，1×1022表述为1.0E+22。
【表3】
如表3所示，作为树脂使用PTFE，作为陶瓷使用Al2O3时，在t1与t2的全部的组合中，F值低于1×1022。同样，作为陶瓷使用SiC、Si3N4、CO，作为树脂使用PTFE时，t1与t2的全部的组合中，F值低于1×1022，因此关于Al2O3与PTFE以外的组合，省略表述。
还有，以下将表中t1与t2的一个组合(框)表现为一个区域。
接着，作为树脂使用PI，将其与四种陶瓷组合时的F值显示在表4～7中。
【表4】
【表5】
【表6】
【表7】
如表4所示，作为树脂使用PI，作为陶瓷使用Al2O3时，在表中的5个区域中F值为1×1022以上。还有，1×1022以上的F值在表中用粗字表述。
另外，如表5所示，作为树脂使用PI，作为陶瓷使用SiC时，在表中的10个区域中F值为1×1022以上。另外，如表6所示，作为树脂使用PI，作为陶瓷使用Si3N4时，没有F值为1×1022以上的区域。如表7所示，作为树脂使用PI，作为陶瓷使用CO时，在表中的10个区域中F值为1×1022以上。
F值为1×1022以上的组合，比现有所用的以PTFE覆盖陶瓷的基板保持构件具有更优异的耐久性。
若对于作为树脂使用PI，与4种陶瓷加以组合的情况进行研究，则作为树脂，使用PI时，通过作为陶瓷而组合Al2O3、SiC、CO，可成为耐久性优异的基板保持构件1。
其次，作为树脂，使用PBI，与4种陶瓷组合时的F值显示在表8～11中。
【表8】
【表9】
【表10】
【表11】
如表8所示，作为树脂使用PBI，作为陶瓷使用Al2O3时，在表中的17个区域中F值为1×1022以上。另外，如表9所示，作为树脂使用PBI，作为陶瓷使用SiC时，在表中的全部区域中F值为1×1022以上。另外，如表10所示，作为树脂使用PBI，作为陶瓷使用Si3N4时，在表中的15个区域中F值为1×1022以上。如表11所示，作为树脂使用PBI，作为陶瓷使用堇青石时，表中的全部的区域中F值为1×1022以上。
若作为树脂使用PBI，则与使用PI的情况相比，F值为1×1022以上的区域增加。
如以上说明，可知若作为树脂使用PI、PBI，则使能够提高基板保持构件1的耐久性的主体3和覆膜5的厚度的组合的幅度扩大。
本发明的基板保持构件1，能够作为搬送臂使用。作为树脂，若使用耐热性优异的PBI、PI，则无需等待因各种加工而被加热的基板的温度降至常温就能够进行处理，因此能够缩短节拍时间。
使用上述的基板保持构件1的半导体制造装置，耐久性优异。
半导体制造装置，在半导体元件和液晶显示装置的制造工序中使用。作为半导体制造装置，例如有曝光装置、CVD装置、干式蚀刻装置等。在这些装置中，重复如下循环从而在基板上形成元件和电路：将基板搬入装置的处理部，实施希望的处理后搬出。在半导体制造装置中，通过使覆膜5与地线电连接，从而基板保持构件1能够具有静电的除去作用。
以上，对于本发明的实施方式进行了说明，但本发明不受上述的实施方式限定，在不脱离本发明的要旨的范围，也可以进行各种改良和变更。例如，覆膜5不需要覆盖主体3的整个面，也可以使主体3和覆膜5的厚度根据位置发生变化。例如，将基板支承部2a中与基板接触的部分的主体3和覆膜5的厚度控制在本发明的范围内即可。主体3和覆膜5的厚度变化的方式，在使用式1、2的计算中，使用在基板支承部2a中，与基板接触的部分的主体3和覆膜5的厚度即可。
【符号说明】
1：基板保持构件
2：模型
2a：基板支承部
2b：安装部
3：主体
5：覆膜
Claims (8)
1.一种基板保持构件，其具备由板状的陶瓷构成的主体和覆盖所述主体的表面的覆膜，其中，
设所述陶瓷的断裂韧性为K1C，热膨胀系数为α1，厚度为t1，杨氏模量为E1，威布尔系数为m，
设所述覆膜的热膨胀系数为α2，厚度为t2，杨氏模量为E2，压缩强度为σ，
设所述基板保持构件的安全率为由下式2表示的Sp时，
t1为0.5mm以上且30mm以下，
t2为3μm以上且0.1t1以下，
由式1表示的F值为1×1022以上，
【式1】
【式2】
Sp＝σ/σf
式2中，σ表示所述压缩强度，σf表示计算所发生的应力时的最大值。
2.根据权利要求1所述的基板保持构件，其中，所述F值为1×1030以上。
3.根据权利要求1或2所述的基板保持构件，其中，所述覆膜的玻璃化温度为270℃以上。
4.根据权利要求1或2所述的基板保持构件，其中，所述覆膜是聚苯并咪唑PBI或聚酰亚胺PI。
5.根据权利要求1或2所述的基板保持构件，其中，所述覆膜具有导电性。
6.根据权利要求1或2所述的基板保持构件，其中，所述陶瓷是从氧化铝质陶瓷、碳化硅质陶瓷、堇青石质陶瓷中选择的任意一种。
7.根据权利要求1或2所述的基板保持构件，其中，所述陶瓷具有导电性。
8.一种半导体制造装置，其具备权利要求1～7中任一项所述的基板保持构件。
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