JP2013232642A

JP2013232642A - 半導体製造装置用部材

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Publication number: JP2013232642A
Application number: JP2013088545A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Takasaki; 秀明高崎; Shun Kataigi; 俊片居木
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: JP5989593B2; US20130286533A1; US9438140B2

Abstract

【課題】半導体製造装置用部材において、繰り返し使用したとしても均熱性がほとんどシフトしない。
【解決手段】半導体製造装置用部材１０は、静電チャック２０と冷却装置４０との間にギャップ４８を確保するためのスペーサ（Ｏリング４８や外周スペーサ５８など）を配置し、静電チャック２０の外周上面に載置されたクランプリング５０を冷却装置４０にネジ６０で締結したものである。ネジ６０は、締結の緩みが発生するのを防止するコイルスプリング６６に挿通されてナット６８に締結されている。コイルスプリング６６は、クランプリング側ではなく冷却装置側に装着されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造装置用部材に関する。

従来より、ウエハ載置面を有する静電チャックが冷却装置上に設けられた半導体製造装置用部材が知られている。こうした半導体製造装置用部材としては、静電チャックに載置したウエハから熱を奪う目的で、ウェハの裏面にヘリウム（Ｈｅ）等のバックサイドガスを流すものも知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−３１５６８０号公報

こうした半導体製造装置用部材において、静電チャックと冷却装置との間にギャップを確保するためのスペーサを配置し、静電チャックの外周上面に載置されたクランプリングを冷却装置にネジで締結することにより静電チャックと前記冷却装置とを固定したものが考えられる（ダブルギャップタイプ）。ネジで締結する際、作業者はスプリングワッシャにネジ足を通したあと、ネジ足をクランプリング側から差し入れてクランプリングを通過させ、冷却装置に設けられたネジ穴にねじ込んで締結する。スプリングワッシャは、ネジの締結の緩みが発生するのを防止する役割を果たす。

しかし、この半導体製造装置用部材では、繰り返し使用するにしたがって均熱性がシフトすることがあった。均熱性とは、半導体製造装置用部材の評価指標の一つであり、ウエハの複数箇所の温度を測定したときの最高温度と最低温度との差である。この均熱性がシフトすると、ウエハを均一に処理することが困難になるため好ましくない。

本発明は、こうした問題を解決することを課題とするものであり、半導体製造装置用部材において、繰り返し使用したとしても均熱性がほとんどシフトしないものを提供することを主目的とする。

本発明の半導体製造装置用部材は、
静電チャックと冷却装置との間にギャップを確保するためのスペーサを配置し、前記静電チャックの外周上面に載置されたクランプリングを前記冷却装置にネジで締結することにより前記静電チャックと前記冷却装置とを固定した半導体製造装置用部材であって、
前記ネジは、締結の緩みが発生するのを防止するバネ部材に挿通されて締結され、
前記バネ部材は、前記クランプリング側ではなく前記冷却装置側に装着されている
ものである。

本発明の半導体製造装置用部材では、バネ部材が冷却装置側に配置されているため、バネ部材がクランプリング側に配置されている場合に比べて熱によるへたりが起きにくい。バネ部材が熱によってへたると、締め付けトルクが初期と比べて低下してしまい、静電チャックと冷却装置とを押圧する圧力が変化し、それに伴ってスペーサを介して伝わる熱量も変化し、均熱性が影響を受ける。本発明では、そのようなバネ部材の熱によるへたりが起きにくいため、繰り返し使用したとしても均熱性がほとんどシフトしない。

本発明の半導体製造装置用部材において、前記バネ部材は、コイルスプリングであることが好ましい。こうずれば、バネ部材がスプリングワッシャの場合に比べて、初期の均熱性が良好となる。スプリングワッシャの場合には、所定の締め付けトルクで締め付けたとしても、静電チャックと冷却装置とを押圧する圧力が一定になりにくい。これに対して、コイルスプリングの場合には、こうした圧力が一定になりやすく、初期の均熱性が良好となる。

本発明の半導体製造装置用部材において、前記ネジは、前記クランプリング側からネジ足が前記クランプリング及び前記冷却装置を通過し、前記冷却装置を通過した前記ネジ足に前記バネ部材を介してナットがねじ込まれていてもよい。こうすれば、バネ部材を冷却装置側に配置した構造を容易に構築できる。

本発明の半導体製造装置用部材において、前記ギャップには、熱伝導用ガスが供給されていてもよい。こうすれば、静電チャックと冷却装置との熱交換が熱伝導用ガスを介して行われるため、均熱性が一層向上する。

本発明の半導体製造装置用部材において、前記ギャップのうち前記静電チャックの外周に沿ったギャップ外周部には、前記静電チャックの中心から前記ネジに向かう半径方向と交差する位置にドット状の外周スペーサが配置されていてもよい。こうすれば、クランプリングをネジで締結した際に、片持ち梁状に静電チャックが押されることがないため、静電チャックが破損するのを防止することができる。この場合、ドット状の外周スペーサは、ギャップから外側へはみ出す位置にリング状に形成されたスペーサ支持体と一体化されていることが好ましい。外周スペーサがドット状の場合には、外周スペーサが位置ずれを起こすことがあるが、ここではドット状の外周スペーサがリング状のスペーサ支持体と一体化されているため、そのような位置ずれを起こすことはない。また、スペーサ支持体がギャップから外側へはみ出しているため、スペーサ支持体が静電チャックと冷却装置との熱伝導を促進することはほとんどない。このため、外周スペーサが均熱性に影響を及ぼすことはほとんどない。

本発明の半導体製造装置用部材において、前記ギャップのうち前記静電チャックの外周に沿ったギャップ外周部には、リング状の外周スペーサが配置されていてもよい。この場合も、クランプリングをネジで締結した際に、片持ち梁状に静電チャックが押されることがないため、静電チャックが破損するのを防止することができる。また、外周スペーサがドット状の場合には、外周スペーサが位置ずれを起こすことがあるが、ここでは外周スペーサがリング状であるため、そのような位置ずれを起こすことはない。

本発明の半導体製造装置用部材において、前記外周スペーサを備えている場合、その外周スペーサは、ポリイミド樹脂製であることが好ましい。ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂製であってもよいが、ポリイミド樹脂製の方が硬いため、外周スペーサの変形が少なく、ネジが緩みにくい。その結果、均熱性がシフトしにくくなる。

半導体製造装置用部材１０の縦断面図。クランプリング周辺の拡大図。比較例１のクランプリング周辺の拡大図。実施例２のクランプリング周辺の拡大図。実施例４のクランプリング周辺の拡大図。実施例５のクランプリング周辺の拡大図。

次に、本発明の好適な一実施形態について、図面を用いて説明する。図１は半導体製造装置用部材１０の縦断面図、図２はクランプリング周辺の拡大図である。

半導体製造装置用部材１０は、静電チャック２０の外周上面に載置されたクランプリング５０を冷却装置４０にネジ６０で締結することにより、静電チャック２０と冷却装置４０とを固定したものである。

静電チャック２０は、アルミナなどのセラミックス製の円盤状の部材であり、ウエハ載置面２２を有している。このウエハ載置面２２には、図示しない複数のエンボス（小突起）が設けられ、このエンボスにプラズマ処理が施されるウエハＷが載置される。また、静電チャック２０は、内部に静電電極２４、ＲＦ電極２６及び抵抗発熱体（ヒーター）２８を有している。

冷却装置４０は、アルミニウムなどの金属製の円盤状の部材であり、内部に冷媒を循環可能な冷媒通路４２を有している。冷却装置４０と静電チャック２０との間には、静電チャック２０の外周に沿った形状のＯリング４４と、Ｏリング４４の内側に複数配置されたドット部材４６とが配置され、それによってギャップ４８が形成されている。Ｏリング４４の材質は、例えばフッ素ゴムやシリコーンゴム、ドット部材の材質はポリテトラフルオロエチレンやポリイミドである。

クランプリング５０は、冷却装置４０の外周部分の上面に位置している。図２に示すように、クランプリング５０の内周面には段差５２が設けられ、この段差５２が静電チャック２０の外壁に設けられた段差２３を絶縁性のリングシート５６を介して上から押さえるように配置されている。また、クランプリング５０は、ネジ６０を挿通可能な縦穴５３を有している。冷却装置４０も、ネジ６０を挿通可能な縦穴４３を有しており、この縦穴４３は冷却装置４０の下面側に設けられた凹部４９に連通している。ネジ６０は、クランプリング側からネジ足６２がクランプリング５０の縦穴５３及び冷却装置４０の縦穴４３を通過し、冷却装置４０の凹部４９に達したネジ足６２にコイルスプリング６６を介してナット６８にねじ込まれている。このねじ込み作業は、所定の締め付けトルクとなるまで行われる。こうしたネジ６０は、クランプリング５０の周方向に沿って複数箇所（例えば３箇所とか４箇所）設けられている。静電チャック２０と冷却装置４０との間のうち、Ｏリング４４の外側には、外周スペーサ５８が配置されている。外周スペーサ５８はリング形状やドット形状である。リングシート５６や外周スペーサ５８の材質は、例えばポリテトラフルオロエチレンや非付着性ポリイミド貼り合せ材料などである。

なお、半導体製造装置用部材１０は、図１に示すように、冷却装置４０の下面側から静電チャック２０内の静電電極２４へ電力を供給する給電端子７４、冷却装置４０の下面側から静電チャック２０内のＲＦ電極２６へＲＦ電圧を供給する給電端子７６、冷却装置４０の下面側から静電チャック２０抵抗発熱体２８へ電力を供給する給電端子７８、冷却装置４０の下面側からヘリウムガス（熱伝導用ガス）をギャップ４８やウエハＷの裏面側の空間へ供給するガス供給孔８０，８２などを備えている。

こうした半導体製造装置用部材１０は、図示しないチャンバ内に設置される。そして、ウエハ載置面２２にウエハＷを載置し、静電電極２４にウエハＷを吸着するための電圧を印加する。また、ウエハＷを加熱するために抵抗発熱体２８に電圧を印加する。更に、チャンバー内に原料ガスを導入すると共にＲＦ電極２６にプラズマを立てるためのＲＦ電圧を印加することにより、プラズマを発生させてウエハＷの処理を行う。このとき、ガス供給孔８０，８２には、ガスボンベ（図示せず）からヘリウム等のバックサイドガスが導入される。

本実施形態の半導体製造装置用部材１０によれば、繰り返し使用したとしても均熱性がほとんどシフトしない。その理由は、コイルスプリング６６が冷却装置側に配置されているため、コイルスプリング６６がクランプリング側に配置されている場合に比べて熱によるへたりが起きにくいからである。コイルスプリング６６が熱によってへたると、締め付けトルクが初期と比べて低下してしまい、静電チャック２０と冷却装置４０とを押圧する圧力が変化してしまう。押圧する圧力が変化すると、それに伴って、Ｏリング４４やドット部材４６を介して伝わる熱量も変化し、均熱性が影響を受ける。

また、コイルスプリング６６を用いているため、スプリングワッシャを用いた場合に比べて、初期の均熱性が良好となる。スプリングワッシャを用いた場合には、所定の締め付けトルクで締め付けたとしても、静電チャック２０と冷却装置４０とを押圧する圧力が一定になりにくい。これに対して、コイルスプリングを用いた場合には、こうした圧力が一定になりやすい。

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。

［実施例１、比較例１］
上述した半導体製造装置用部材１０を作製し、これを実施例１とした。また、半導体製造装置用部材１０のクランプリング周辺の構造を図３に示すように変更したものを作製し、これを比較例１とした。図３では、冷却装置４０に凹部４９を設ける変わりにネジ穴１４９を設けた。図３の半導体製造装置用部材において、静電チャック２０と冷却装置４０とを以下の手順で固定した。すなわち、まず、ネジ６０のネジ足６２にスプリングワッシャ１６６を挿通した。続いて、ネジ足６２をクランプリング５０の縦穴５３に挿通し、ネジ足６２をネジ穴１４９に所定の締め付けトルクとなるまでねじ込んだ。このとき、スプリングワッシャ１６６は、ネジ頭６４とクランプリング５０とによって押しつぶされた状態となっていた。なお、実施例１も比較例１も、クランプリング５０をネジ６０で締結したときに静電チャック２０が段差２３で破損することはなかった。

実施例１及び比較例１につき、初期状態の均熱性及び投入パワーバラツキを測定した。初期状態の均熱性は、半導体製造装置用部材１０を組み立てた直後にウエハ載置面２２が２５０℃となるように電力を供給し、電力供給開始から３０分後のウエハ載置面２２の最高温度と最低温度との差とした。実施例１については同じサンプルを３つ作製し（ｎ＝３）、比較例１については同じサンプルを４つ作製し（ｎ＝４）、それぞれについて測定を行った。投入パワーバラツキは、実施例１の３つ、及び比較例１の４つについて電力供給開始から３０分後の電力量を計測し、それぞれの標準偏差とした。その結果を表１に示す。均熱性測定は各サンプルを赤外線カメラで撮影することにより行われた。

また、実施例１の１つのサンプル及び比較例１の１つのサンプルの各々に、１００℃から２５０℃の熱サイクルをかけ、再度均熱性を測定し、そのときの均熱性と初期の均熱性との差を均熱性シフト量とした。サイクル数は、実施例１は１５サイクル、比較例１では１４サイクルとした。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、初期の均熱性は、比較例１に比べて実施例１の方が良好な結果が得られた。その理由は、締結の緩みが発生するのを防止するバネ部材として、比較例１ではスプリングワッシャ、実施例１ではコイルスプリングを用いたからである。スプリングワッシャを用いた場合には、所定の締め付けトルクで締め付けたとしても、静電チャックと冷却装置とを押圧する圧力が一定になりにくい。これに対して、コイルスプリングを用いた場合には、こうした圧力が一定になりやすい。押圧する圧力が変化すると、それに伴って、スペーサ（Ｏリングやドット部材）を介して伝わる熱量も変化し、均熱性が影響を受ける。その結果、比較例１では、実施例１よりも均熱性が悪化したと考えられる。

また、均熱性シフト量も、比較例１に比べて実施例１の方が良好な結果が得られた。その理由は、実施例１では、バネ部材（コイルスプリング）が冷却装置側に配置されているため、バネ部材（スプリングワッシャ）がクランプリング側に配置されている比較例１に比べて熱によるへたりが起きにくかったからである。バネ部材が熱によってへたると、締め付けトルクが初期と比べて低下してしまい、静電チャックと冷却装置とを押圧する圧力が変化してしまう。押圧する圧力が変化すると、それに伴って、スペーサ（Ｏリングやドット部材）を介して伝わる熱量も変化し、均熱性が影響を受ける。その結果、比較例１では、実施例１よりも均熱性シフト量が大きくなったと考えられる。

［実施例２］
図４は、実施例２の説明図であり、（ａ）はクランプリング周辺の縦断面の拡大図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、図４（ｂ）では、静電チャック２０の外周縁を太線で示した。実施例２では、実施例１の外周スペーサ５８の代わりに、ポリテトラフルオロエチレンで作製したドット状の外周スペーサ１５８を採用した。この外周スペーサ１５８は、ギャップ４８のうち静電チャック２０の外周に沿ったギャップ外周部４８ａに配置されている。具体的には、外周スペーサ１５８は、ギャップ外周部４８ａのうち静電チャック２０の中心からネジ６０に向かう半径方向Ｐと交差する位置に配置されている。この実施例２では、クランプリング５０をネジ６０とコイルスプリング６６とナット６８を用いて締結したときに静電チャック２０が段差２３で破損することはなかった。また、外周スペーサ１５８は、ドット状ではあるが、材質がやや柔らかく、ネジ締結時にわずかに変形したため、位置ずれを起こすことはなかった。また、外周スペーサ１５８は、ドット状のため、静電チャック２０の外周部にクールスポットが発生したりすることはなかった。しかし、外周スペーサ１５８は、材質がやや柔らかいため、経時的に変形してネジ６０がわずかに緩み、均熱性がわずかにシフトする傾向がみられた。

［実施例３］
外周スペーサ１５８の材質をポリイミドに変更した以外は、実施例２（図４）と同じものを作製した。実施例３では、クランプリング５０をネジ６０とコイルスプリング６６とナット６８を用いて締結したときに静電チャック２０が段差２３で破損することはなかった。また、外周スペーサ１５８は、ドット状のため、静電チャック２０の外周部にクールスポットが発生することはなかった。また、外周スペーサ１５８は、材質が硬いため、経時的に変形することもなく、ネジ６０の緩みにより均熱性がシフトすることもなかった。しかし、外周スペーサ１５８は、材質が硬くネジ締結時に変形しにくいため、位置ずれを起こすことがあった。

［実施例４］
図５は、実施例４の説明図であり、（ａ）はクランプリング周辺の縦断面の拡大図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。なお、図５（ｂ）では、静電チャック２０の外周縁を太線で示した。実施例４では、実施例１の外周スペーサ５８の代わりに、ポリイミドで作製したリング状の外周スペーサ２５８を採用した。この外周スペーサ２５８は、ギャップ４８のうち静電チャック２０の外周に沿ったギャップ外周部４８ａに配置されている。この実施例４では、クランプリング５０をネジ６０とコイルスプリング６６とナット６８を用いて締結したときに静電チャック２０が段差２３で破損することはなかった。また、外周スペーサ２５８は、材質が硬いため、経時的に変形することもなく、ネジ６０の緩みにより均熱性がシフトすることもなかった。また、外周スペーサ２５８は、リング状のため、位置ずれを起こすもなかった。しかし、外周スペーサ２５８と静電チャック２０の外周部との接触面積が増加したため、わずかにクールスポットが発生する傾向が見られた。

［実施例５］
図６は、実施例５の説明図であり、（ａ）はクランプリング周辺の縦断面の拡大図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。なお、図５（ｂ）では、静電チャック２０の外周縁を太線で示した。実施例５では、実施例３のポリイミド製でドット状の外周スペーサ１５８を、ギャップ４８から外側へはみ出す位置にリング状に形成されたスペーサ支持体１５９と一体化し、内歯形状のリング１６０とした。実施例５では、クランプリング５０をネジ６０とコイルスプリング６６とナット６８を用いて締結したときに静電チャック２０が段差２３で破損することはなかった。また、外周スペーサ１５８は、材質が硬いため、経時的に変形することもなく、ネジ６０の緩みにより均熱性がシフトすることもなかった。また、ドット状の外周スペーサ１５８はリング状のスペーサ支持体１５９と一体化されているため、外周スペーサ１５８が位置ずれを起こすもなかった。更に、外周スペーサ１５８と静電チャック２０の外周部との接触面積は実施例２，３と同等のため、クールスポットが発生することもなかった。実施例１〜５の中では、この実施例５がベストモードである。

本発明は、半導体製造装置に利用可能であり、例えば、ウエハを支持するサセプタや静電チャック、セラミックヒータなどに利用可能である。

１０半導体製造装置用部材、２０静電チャック、２２ウエハ載置面、２３段差、２４静電電極、２６ＲＦ電極、２８抵抗発熱体、４０冷却装置、４２冷媒通路、４３縦穴、４４Ｏリング、４６ドット部材、４８ギャップ、４８ａギャップ外周部、４９凹部、５０クランプリング、５２段差、５３縦穴、５６リングシート、５８外周スペーサ、６０ネジ、６２ネジ足、６４ネジ頭、６６コイルスプリング、６８ナット、７４給電端子、７６給電端子、７８給電端子、８０ガス供給孔、１４９ネジ穴、１５８外周スペーサ、１５９スペーサ支持体、１６０内歯形状のリング、１６６スプリングワッシャ、２５８外周スペーサ。

Claims

静電チャックと冷却装置との間にギャップを確保するためのスペーサを配置し、前記静電チャックの外周上面に載置されたクランプリングを前記冷却装置にネジで締結することにより前記静電チャックと前記冷却装置とを固定した半導体製造装置用部材であって、
前記ネジは、締結の緩みが発生するのを防止するバネ部材に挿通されて締結され、
前記バネ部材は、前記クランプリング側ではなく前記冷却装置側に装着されている、
半導体製造装置用部材。
前記バネ部材は、コイルスプリングである、
請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
前記ネジは、前記クランプリング側からネジ足が前記クランプリング及び前記冷却装置を通過し、前記冷却装置を通過した前記ネジ足に前記バネ部材を介してナットがねじ込まれている、
請求項１又は２に記載の半導体製造装置用部材。
前記ギャップには、熱伝導用ガスが供給される、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
前記ギャップのうち前記静電チャックの外周に沿ったギャップ外周部には、前記静電チャックの中心から前記ネジに向かう半径方向と交差する位置にドット状の外周スペーサが配置されている、
請求項１〜４のいずれか1項に記載の半導体製造装置用部材。
前記外周スペーサは、前記ギャップから外側へはみ出す位置にリング状に形成されたスペーサ支持体と一体化されている、
請求項５に記載の半導体製造装置用部材。
前記ギャップのうち前記静電チャックの外周に沿ったギャップ外周部には、リング状の外周スペーサが配置されている、
請求項１〜４のいずれか1項に記載の半導体製造装置用部材。
前記外周スペーサは、ポリイミド樹脂製である、
請求項５〜７のいずれか1項に記載の半導体製造装置用部材。