JP2015162481A - 試料保持具 - Google Patents

Abstract

【課題】静電吸着力を確保しつつ、絶縁基板に生じる反りを低減できる試料保持具を提供する。
【解決手段】試料保持具１０は、セラミックスから成る、主面に試料保持面１１を有する絶縁基板１と、絶縁基板１の内部に試料保持面１１に対向して設けられた、試料保持面１１側に分布した複数の凸部２１を有する静電吸着用電極２とを備えており、静電吸着用電極２は、中央部３と周縁部４とを有しており、中央部３における複数の凸部２１が周縁部４における複数の凸部２１よりも高い。これにより、静電吸着力を確保しつつ、絶縁基板１に生じる反りを低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路の製造工程などで半導体ウェハ等の各試料を保持するために用いられる試料保持具に関するものである。

半導体集積回路の製造工程または液晶表示装置の製造工程等において、半導体ウェハ等の各試料を保持するための部品として試料保持具が知られている。試料保持具としては、例えば、特開２０１０−４０６４４号公報（以下、特許文献１という）に記載の静電チャック装置が挙げられる。特許文献１に記載の静電チャック装置は、セラミック板と、セラミック板の内部に設けられた静電吸着用電極とを備えている。

特開２０１０−４０６４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の静電チャック装置は、ヒートサイクル下において、セラミック板と静電吸着用電極との熱膨張差に起因して、セラミック板に熱応力が発生する場合があった。その結果、セラミック板に反りが生じてしまい、保持する試料と試料保持面との密着性が低下することによって、静電吸着力が低下してしまうという問題があった。

ここで、セラミック板に生じる反りは、セラミック板の外周側において特に生じやすい傾向にある。そこで、反りを低減することを目的として、静電吸着用電極をセラミック板の中央側にのみ設けて外周側には設けない構成を採用することも考えられる。しかしながら、この場合には、試料を保持するための静電吸着力を十分に得ることができないという問題があった。

また、静電吸着力を大きくすることを目的として、静電吸着用電極の全体を試料保持面に近付けた構成を採用することも考えられるが、この場合には、試料保持面と静電吸着用電極との絶縁距離が全体的に短くなるために、試料保持面と静電吸着用電極との間で絶縁破壊が生じやすくなるという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、静電吸着力を十分に確保しつつセラミック板に生じる反りが低減された信頼性の高い試料保持具を提供することにある。

本発明の一態様の試料保持具は、セラミックスから成る、主面に試料保持面を有する絶縁基板と、該絶縁基板の内部に前記試料保持面に対向して設けられた、前記試料保持面側に分布した複数の凸部を有する静電吸着用電極とを備えており、該静電吸着用電極は、中央部と周縁部とを有しており、前記中央部における前記複数の凸部が前記周縁部における前記複数の凸部よりも高いことを特徴とする。

本発明の一態様の試料保持具によれば、静電吸着用電極が分布した複数の凸部を有する
。そして、静電吸着用電極の中央部において凸部が高いことによって、静電吸着力を大きくすることができる。さらに、静電吸着用電極の周縁部において凸部が低いことによって、周縁部における静電吸着用電極を薄くできるので、絶縁基板と静電吸着用電極との熱膨張差に起因する熱応力を低減することができる。そのため、絶縁基板に生じる反りを小さくすることができる。これらの結果、静電吸着力を十分に確保しつつセラミック板に生じる反りが低減された信頼性の高い試料保持具を提供することができる。

本発明の試料保持具の一実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る試料保持具１０について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る試料保持具１０を示す断面図である。図１に示すように、本発明の一実施形態の試料保持具１０は、主面に試料保持面１１を有する絶縁基板１と、絶縁基板１の内部に試料保持面１１に対向して設けられた静電吸着用電極２とを備えている。

絶縁基板１は、主面に試料保持面１１を有する板状の部材である。絶縁基板１は、主面の試料保持面１１において、例えばシリコンウェハ等の試料を保持する。絶縁基板１は、平面視したときの形状が円形状の部材である。絶縁基板１は、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素またはイットリア等のセラミック材料からなる。絶縁基板１の寸法は、例えば、直径を２００〜５００ｍｍに、厚みを２〜１５ｍｍに設定できる。

絶縁基板１を用いて試料を保持する方法としては様々な方法を用いることができるが、本実施形態の試料保持具１０は静電気力によって試料を保持する。そのため、試料保持具１０は絶縁基板１の内部に静電吸着用電極２を備えている。静電吸着用電極２は、２つの電極（図１には一方の電極しか図示していない。）から構成される。２つの電極は、一方が電極の正極に接続され、他方が負極に接続される。２つの電極は、それぞれ略半円形状に形成され、半円の弦同士が隙間をあけて対向するように、絶縁基板１の内部に配置される。これら２つの電極の弧によって静電吸着用電極２の全体の外形が円形状となっている。この静電吸着用電極２の全体による円形状の外形の中心は、同じく円形状の絶縁基板１の外形の中心と同一に設定される。静電吸着用電極２は、例えばタングステンまたはモリブデン等の金属材料から成る。

静電吸着用電極２は、試料保持面１１側に複数の凸部２１を有している。複数の凸部２１は静電吸着用電極２のうち試料保持面１１側の全体に分布して設けられている。本実施形態における静電吸着用電極２の凸部２１は試料保持面１１側に向かうにつれて細くなっている。凸部２１は、例えば、円錐形状である。ここで、静電吸着用電極２は、中央部３と中央部３を囲む周縁部４とを有している。本実施形態の試料保持具１０のように、静電吸着用電極２が円形状の場合には、静電吸着用電極２と中心が同じであり直径が半分の大きさである円の外周を構成する仮想線を静電吸着用電極２上に引いたときに、仮想線の内側に位置する領域を中央部３と見なすことができ、仮想線の外側に位置する領域を周縁部４と見なすことができる。

そして、静電吸着用電極２のうち中央部３における複数の凸部２１は、周縁部４における複数の凸部２１よりも高い。なお、ここでいう凸部２１の高さとは、静電吸着用電極２のうち凸部２１が設けられていない部分の試料保持面１１側の面から見て、試料保持面１１に対して垂直な方向にどの程度凸部２１が突出しているかを表している。つまり、凸部２１が高いほど、凸部２１の先端が試料保持面１１に近い。

本実施形態の試料保持具１０は、静電吸着用電極２の中央部３において凸部２１が高いことによって、試料保持面１１と静電吸着用電極２との間で絶縁破壊が起こりやすくなるという問題を低減しつつ、静電吸着力を大きくすることができる。さらに、静電吸着用電極２の周縁部４において凸部２１が低いことによって、周縁部４における静電吸着用電極２を薄くできるので、絶縁基板１と静電吸着用電極２との熱膨張差に起因する絶縁基板１の熱応力を低減することができる。そのため、絶縁基板１に生じる反りを小さくすることができる。これらの結果、静電吸着力を十分に確保しつつ絶縁基板１に生じる反りを低減することができる。

凸部２１の高さは、以下のように設定できる。具体的には、中央部３においては、例えば４〜１０μｍ程度の高さに設定できる。周縁部４においては例えば、２〜６μｍ程度の高さに設定できる。特に、中央部３における高さを５〜８μｍ、周縁部４における高さを３〜５μｍに設定することが好ましい。このように、中央部３における高さを周縁部４における高さの１．５〜２．５倍程度に設定しておくことによって、周縁部４と中央部３との熱応力の差が小さくなる。その結果、絶縁基板１に生じる反りをさらに低減できる。また、凸部２１の太さ（静電吸着用電極２の上面における幅）は、例えば２〜１０μｍ程度に設定できる。このような大きさの凸部２１は、静電吸着用電極２を静電吸着用電極２に垂直な方向の断面のうち水平方向の長さ０．１ｍｍの領域内において、２〜８個程度設けられていることが好ましい。２個よりも多いことによって静電吸着力を高めつつ、８個よりも少ないことによって静電吸着用電極２と試料保持面１１との間で絶縁破壊が生じる可能性を低減できる。

凸部２１の高さは、以下の方法で確認することができる。具体的には、試料保持面１１に垂直な方向の面であって静電吸着用電極２を通る面で絶縁基板１を切断する。そして、光学顕微鏡等を用いることによって、凸部２１の高さを求めることができる。なお、凸部２１の高さの比較は、例えば、以下の方法で行なうことができる。具体的には、静電吸着用電極２の断面のうち水平方向の長さ０．１ｍｍの領域内に位置する高さが２μｍ以上の凸部２１に関して平均の高さを求める。これを、中央部３および周縁部４において行なうことによって、中央部３および周縁部４における凸部２１の高さの比較を行なうことができる。

また、本実施形態の試料保持具１０は、凸部２１の高さが、静電吸着用電極２の中心から外周に向かうにつれて小さくなっている。これにより、周縁部４における絶縁基体１の反りをさらに低減できる。これは、凸部２１の高さを中心から外周に向かうにつれて小さくすることによって、熱応力が特に生じやすい部分である静電吸着用電極２の外周側において、静電吸着用電極２を薄くすることができるためである。

さらに、本実施形態の試料保持具１０は、静電吸着用電極２の内部に複数のボイド（空孔）を有している。そして、周縁部４における複数のボイドが中央部３における複数のボイドよりも大きい。これにより、周縁部４において、静電吸着用電極２の熱膨張を小さくすることができるので、静電吸着用電極２と絶縁基板１との間の熱膨張差を小さくすることができる。これにより、絶縁基板１に生じる反りを低減することができる。ボイドの形状は、例えば、円形状であってもよいし、楕円形状であってもよい。

ボイドの大きさは、以下のように設定できる。例えば、ボイドが円形状の場合には、中央部３において１〜３μｍ程度の大きさにすることができ、また、周縁部４において３〜６μｍ程度の大きさにすることができる。ボイドの大きさの比較は、以下の方法で行なうことができる。具体的には、絶縁基体１を試料保持面１１に垂直な方向の面であって、静電吸着用電極２を通る面で切断して、これを走査型電子顕微鏡で確認することによって、
ボイドの大きさを比較することができる。

なお、本実施形態の試料保持具１０においては、導体として静電吸着用の電極のみが設けられていたが、これに限られない。例えば、試料保持具１０の下面等に試料保持面１１を加熱するための発熱抵抗体が設けられていてもよい。

以下、本発明の試料保持具１０の製造方法について説明する。なお、絶縁基板１のセラミック材料がアルミナセラミックスの場合を例に説明するが、窒化アルミニウムセラミックス等の他のセラミック材料の場合であっても同様の方法で作製できる。

まず、主原料となるアルミナ粉末を所定量秤量し、ボールミル中でイオン交換水、有機溶媒等または有機分散剤と金属またはセラミックスからなるボールと共に２４〜７２時間湿式粉砕混合をする。

こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはアクリル樹脂等の有機バインダーおよび補助的な有機材料として可塑剤ならびに消泡剤を所定量添加し、さらに２４〜４８時間混合する。混合された有機−無機混合スラリーを、ドクターブレード法、カレンダーロール法、プレス成形法または押出成形法などによってセラミックグリーンシートに成形する。

そして、絶縁基板１を形成するセラミックグリーンシートに複数の針状の部分を有する剣山状の部材を押し当てて複数の凹みを形成する。

このとき、中央部３に対応する箇所においては周縁部４に対応する箇所よりも凹みが深くなるように針状の部分の高さを高くしておく。そして、静電吸着用電極２を形成するための白金またはタングステン等のペースト状電極材料を公知のスクリーン印刷法等により印刷成形する。ペースト状電極材料をセラミックグリーンシートの凹みに流し込むことにより、複数の凸部２１を備えた静電吸着用電極２を成形する。なお、針状の部分の太さを変更することによって、凸部２１の太さを適宜変更することができる。

また、ペースト状電極材料を作製する際には、真空容器内で真空引きを行なうことによって、ペースト状電極材料を脱泡させることが好ましい。このとき、中央部３に対応する箇所においては、脱泡の時間を長くすることによって、静電吸着用電極２を形成したときのボイドの大きさを小さくできる。また、周縁部４に対応する箇所においては、脱泡の時間を短くすることによって、静電吸着用電極２を形成したときのボイドの大きさを大きくできる。

ここで、絶縁基板１における所定の位置に静電吸着用電極２が形成されるように、ペースト状電極材料が印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極材料が印刷された電極形成グリーンシートとを重ねて積層する。積層は、セラミックグリーンシートの降伏応力値以上の圧力を印加しながら、所定の温度で積層する。圧力印加手法としては、一軸プレス法または等方加圧法（乾式、湿式法）等の公知の技術を応用すればよい。

次に、得られた積層体を所定の温度、雰囲気中にて焼成して、静電吸着用電極２が埋設された絶縁基板１を作製する。

次に、絶縁基板１をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状、厚みに加工する。

絶縁基板１の試料保持面１１とは異なる他面に、マシニングセンターまたはボール盤な
どで静電吸着用電極２の一部が露出するような凹部を設ける。そして、凹部に給電用の外部端子を挿入して、外部端子を静電吸着用電極２にろう付けする。

以上のようにして、本実施形態の試料保持具１０を作製することができる。

本実施形態の試料保持具１０を実施例として作製して、静電吸着力と耐久性とを評価した。比較例として、静電吸着用電極２の試料保持面１１側が平坦であって、凸部２１を有していない試料保持具を作成した。

具体的には、上記のようにして複数のセラミックグリーンシートを作製して、実施例の試料保持具１０にのみ、複数のセラミックグリーンシートのうち静電吸着用電極２の上面に接することになるセラミックグリーンシートにのみ剣山状の部材を押し当てて凹みを形成した。中央部３には深さ６〜１０μｍで凹み加工をし、周縁部４には深さ２〜４μｍで凹み加工を行なった。また、中央部３における太さを６μｍ〜１２μｍ程度に、周縁部４における太さを３μｍ〜５μｍ程度に形成した。なお、静電吸着用電極２をφ３００ｍｍに設定するとともに、中央部３は中心からφ１５０ｍｍの範囲とし、周縁部４はφ１５０〜３００ｍｍまでの範囲とした。比較例の試料保持具１０には、静電吸着用電極２に凹みを形成せずに、試料保持面１１側の表面が平坦になるように形成した。

セラミックグリーンシートに白金を主成分とするペースト状電極材料を印刷した。実施例の試料保持具１０においては、凹みにペースト状電極材料の一部を入り込ませることによって、静電吸着用電極２の凸部２１を形成した。さらに、印刷をしていないセラミックグリーンシートと共に積層し、絶縁基板１を作製した。このとき、絶縁基板１の下面となる領域に発熱抵抗体となるペーストを印刷した。発熱抵抗体は、試料保持面１１を均一に加熱できるように、絶縁基板１の下面の広範囲に形成した。

さらに、絶縁基板１を酸化炉にて１５７０℃で焼成した後に、マシニングセンター、ロータリー加工機および円筒研削盤を用いて加工した。そして、絶縁基板１の試料保持面１１とは違う他面に、静電吸着用電極２が露出するように凹部を設けた。さらに、凹部に給電用の外部端子を挿入して、外部端子を静電吸着用電極２にろう付けした。

そして、作製した試料保持具１０の試料保持面１１に試料として半導体ウェハ（以下、単にウェハともいう）を載せて、静電吸着用電極２にプラズマ発生用の１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加してウェハを吸着するとともに、発熱抵抗体に電流を流すことによって発熱させて、ウェハの表面における温度分布を確認する実験を行なった。確認は、ウェハの表面の９点をサーモグラフィを用いて測定し、その温度の最大値と最小値との差を求めることで評価した。

また、作製した試料保持具１０に対してヒートサイクル下における耐久試験を行なった。具体的には、乾燥機において常温から１５０℃まで加熱した後に１５０℃から常温まで冷却するサイクルを１サイクルとして、これを１００サイクル行なう耐久試験を行なった。そして、サイクル試験後に試料保持具１０を切断して絶縁基板１の状態を確認した。

その結果を表１に示す。

この表１に示すように、実施例の試料保持具１０においてはウェハの温度差（温度の最大値と最小値との差）が３℃であったが、比較例の試料保持具においては５℃であった。これは、比較例の試料保持具１０においては、絶縁基板１に反りが生じてしまい、ウェハと試料保持面１１との密着性が低下したことにより、静電吸着力が低下してしまったのに対して、実施例の試料保持具１０においては、絶縁基板１に生じる反りが低減されていたことにより、静電吸着力の低下が抑制されていたためと考えられる。

また、耐久試験の結果、比較例の試料保持具１０においては、絶縁基板１の周縁部４において、静電吸着用電極２から絶縁基板１の試料保持面側にむかってクラックが生じていたが、実施例の試料保持具１０においては、絶縁基板１にクラックが生じていなかった。

以上の結果から、本実施形態の試料保持具１０の構成を採用することによって、静電吸着力を十分に確保しつつ、試料保持具１０の信頼性を向上させることができることが確認できた。

１：絶縁基板
１１：試料保持面
２：静電吸着用電極
２１：凸部
３：中央部
４：周縁部
１０：試料保持具

Claims (2)

1. セラミックスから成る、主面に試料保持面を有する絶縁基板と、該絶縁基板の内部に前記試料保持面に対向して設けられた、前記試料保持面側に分布した複数の凸部を有する静電吸着用電極とを備えており、該静電吸着用電極は、中央部と周縁部とを有しており、前記中央部における前記複数の凸部が前記周縁部における前記複数の凸部よりも高いことを特徴とする試料保持具。
2. 前記静電吸着用電極は、内部に複数のボイドを有しており、前記周縁部における前記複数のボイドが前記中央部における前記複数のボイドよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の試料保持具。

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