JP2019009270A - 基板固定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】接着層のクラックや界面剥離の発生を抑制し、かつＺ方向の熱応答性を向上した基板固定装置を提供すること。
【解決手段】本基板固定装置は、吸着対象物を吸着保持する静電チャックと、前記静電チャックを搭載するベースプレートと、を備えた基板固定装置であって、ベースプレートと、前記ベースプレート上に設けられた接着層と、前記接着層上に設けられた静電チャックと、を有し、前記接着層は、前記ベースプレート側に設けられた第１層と、前記静電チャック側に設けられた第２層と、含み、前記第１層は、前記ベースプレート、前記接着層、及び前記静電チャックが積層される積層方向の熱伝導率が、前記積層方向に垂直な平面方向の熱伝導率よりも高く、前記第２層は、前記平面方向の熱伝導率が前記積層方向の熱伝導率よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板固定装置に関する。
従来、ベースプレート上に接着層を介して静電チャックが搭載され、吸着対象物であるウェハを静電チャックの表面に吸着保持する基板固定装置が知られている。ここで、ベースプレート、接着層、静電チャックの積層方向をＺ方向とし、静電チャックの表面はＺ方向に垂直なＸＹ平面であるとする。
このような、基板固定装置では、例えば、静電チャックは静電電極や発熱体を内蔵しており、ベースプレートは冷却機構を備えている。そして、静電チャックに内蔵された発熱体とベースプレートの冷却機構を用いて、ウェハを吸着保持する静電チャックの表面温度の面内分布を制御している。静電チャックの表面温度のムラを緩和する（ＸＹ方向の均熱性を向上する）ため、接着層は、金属粒子やセラミックス粒子等のフィラーを含有している（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１２−１２９５３９号公報
ところで、上記の基板固定装置において、接着層の厚みを薄くした場合、Ｚ方向の熱抵抗が小さくなり、Ｚ方向の熱応答性が良くなる。しかし、静電チャック（例えば、セラミックス製）とベースプレート（例えば、金属製）との熱膨張率の違いによる熱応力差により、接着層にクラックが発生する問題や、静電チャックと接着層との界面や接着層とベースプレートとの界面で剥離が発生する問題が生じる。
一方、接着層の厚みを厚くすることで、静電チャックとベースプレートとの熱膨張率の違いによる熱応力差を緩和し、クラックや剥離を抑制することは可能であるが、Ｚ方向の熱応答性が悪くなる問題がある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、接着層のクラックや界面剥離の発生を抑制し、かつＺ方向の熱応答性を向上した基板固定装置を提供することを課題とする。
本基板固定装置は、吸着対象物を吸着保持する静電チャックと、前記静電チャックを搭載するベースプレートと、を備えた基板固定装置であって、ベースプレートと、前記ベースプレート上に設けられた接着層と、前記接着層上に設けられた静電チャックと、を有し、前記接着層は、前記ベースプレート側に設けられた第１層と、前記静電チャック側に設けられた第２層と、含み、前記第１層は、前記ベースプレート、前記接着層、及び前記静電チャックが積層される積層方向の熱伝導率が、前記積層方向に垂直な平面方向の熱伝導率よりも高く、前記第２層は、前記平面方向の熱伝導率が前記積層方向の熱伝導率よりも高いことを要件とする。
開示の技術によれば、接着層のクラックや界面剥離の発生を抑制し、かつＺ方向の熱応答性を向上した基板固定装置を提供できる。
第１の実施の形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する断面図である。 第１の実施の形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その１）である。 第１の実施の形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その２）である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第１の実施の形態〉
［基板固定装置の構造］
図１は、第１の実施の形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する断面図である。
図１を参照するに、基板固定装置１は、主要な構成要素として、ベースプレート１０と、ベースプレート１０上に設けられた接着層２０と、接着層２０上に設けられた静電チャック４０とを有している。
なお、図１では、ベースプレート１０の上面１０ａと平行な平面に含まれる互いに直交する方向をＸ方向及びＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向（基板固定装置１の厚さ方向）をＺ方向とする。又、ベースプレート１０、接着層２０、及び静電チャック４０が積層される方向（Ｚ方向）を積層方向、積層方向（Ｚ方向）に垂直な方向を平面方向（ＸＹ方向）と称する場合がある。
ベースプレート１０は、静電チャック４０を搭載するための部材である。ベースプレート１０の厚さは、例えば、２０〜５０ｍｍ程度とすることができる。ベースプレート１０は、例えば、アルミニウムから形成され、プラズマを制御するための電極等として利用することもできる。ベースプレート１０に所定の高周波電力を給電することで、発生したプラズマ状態にあるイオン等を静電チャック４０上に吸着されたウェハに衝突させるためのエネルギーを制御し、エッチング処理を効果的に行うことができる。
ベースプレート１０の内部には、水路１５が設けられている。水路１５は、一端に冷却水導入部１５ａを備え、他端に冷却水排出部１５ｂを備えている。水路１５は、基板固定装置１の外部に設けられた冷却水制御装置（図示せず）に接続することができる。冷却水制御装置（図示せず）は、冷却水導入部１５ａから水路１５に冷却水を導入し、冷却水排出部１５ｂから冷却水を排出する。水路１５に冷却水を循環させベースプレート１０を冷却することで、静電チャック４０上に吸着されたウェハを冷却することができる。ベースプレート１０には、水路１５の他に、静電チャック４０上に吸着されたウェハを冷却する不活性ガスを導入するガス路等を設けてもよい。
接着層２０は、ベースプレート１０側に設けられた第１層２１と、静電チャック４０側に設けられた第２層２２の２層を少なくとも含む構成とされている。
第１層２１は、ベースプレート１０の上面１０ａに積層されている。第１層２１の厚さは、例えば、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度とすることができる。第１層２１は、積層方向（Ｚ方向）の熱伝導率が平面方向（ＸＹ方向）の熱伝導率よりも高くなるように形成されている。具体的には、第１層２１は、例えば、樹脂２１１に、Ｚ方向の熱伝導率がＸＹ方向の熱伝導率よりも高い異方性の伝熱材料２１２を多数含有する構造とすることができる。樹脂２１１としては、例えば、高熱伝導率及び高耐熱性を有するエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂、シリコーン系樹脂、フェノール系樹脂等を用いることができる。
伝熱材料２１２としては、例えば、長手方向が積層方向（Ｚ方向）を向くように樹脂２１１中に配置されたカーボンナノチューブを用いることができる。カーボンナノチューブは、直径が０．７〜７０ｎｍ程度の略円筒形状（線状）をした炭素の結晶であり、長手方向の熱伝導率は、例えば３０００Ｗ／ｍＫ程度とすることができる。
但し、ここで、『長手方向が積層方向（Ｚ方向）を向く』とは、第１層２１の積層方向（Ｚ方向）の熱伝導率が平面方向（ＸＹ方向）の熱伝導率よりも高くなるように、各々の伝熱材料２１２の長手方向が大よそ積層方向（Ｚ方向）を向くことを意味している。すなわち、各々の伝熱材料２１２の長手方向が厳密に積層方向（Ｚ方向）を向くことを意味するものではない。
第２層２２は、第１層２１の上面に積層されている。第２層２２は、第１層２１よりも薄く形成されており、例えば、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の厚さとすることができる。第２層２２は、平面方向（ＸＹ方向）の熱伝導率が積層方向（Ｚ方向）の熱伝導率よりも高くなるように形成されている。具体的には、第２層２２は、例えば、樹脂２２１に、ＸＹ方向の熱伝導率がＺ方向の熱伝導率よりも高い異方性の伝熱材料２２２を多数含有する構造とすることができる。樹脂２２１としては、例えば、高熱伝導率及び高耐熱性を有するエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂、シリコーン系樹脂、フェノール系樹脂等を用いることができる。
伝熱材料２２２としては、例えば、炭素シートを用いることができる。具体的には、例えば、伝熱材料２２２として単層のグラファイトシートやグラファイトシートの積層体を用い、主面が平面方向（ＸＹ平面）と平行になるように、樹脂２２１中に平面方向（ＸＹ平面）に所定の間隔で配置することができる。グラファイトシートは、例えば、ＸＹ方向の熱伝導率を３００Ｗ／ｍＫ以上、Ｚ方向の熱伝導率を３Ｗ／ｍＫ程度とすることができる。又、グラファイトシートの積層体は、例えば、ＸＹ方向の熱伝導率を１５００Ｗ／ｍＫ以上、Ｚ方向の熱伝導率を８Ｗ／ｍＫ程度とすることができる。
但し、ここで、『主面が平面方向（ＸＹ平面）と平行』とは、第２層２２の平面方向（ＸＹ方向）の熱伝導率が積層方向（Ｚ方向）の熱伝導率よりも高くなるように、各々の伝熱材料２２２の主面が平面方向（ＸＹ平面）と大よそ平行であることを意味している。すなわち、各々の伝熱材料２２２の主面が平面方向（ＸＹ平面）と厳密に平行であることを意味するものではない。
伝熱材料２２２として、単層又は積層体のグラファイトシートに代えて、単層又は積層体のグラフェンシート等の他の炭素シートを用いてもよい。
静電チャック４０は、接着層２０上に設けられている。静電チャック４０は、基体４１と、静電電極４２と、発熱体４３とを有している。静電チャック４０は、例えば、ジョンセン・ラーベック型静電チャックである。但し、静電チャック４０は、クーロン力型静電チャックであってもよい。
基体４１は誘電体であり、基体４１としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックスを用いることができる。基体４１の厚さは、例えば、１〜１０ｍｍ程度、基体４１の比誘電率（１ＫＨｚ）は、例えば、９〜１０程度とすることができる。
静電電極４２は、薄膜電極であり、基体４１に内蔵されている。静電電極４２は、基板固定装置１の外部に設けられた電源に接続され、所定の電圧が印加されると、ウェハとの間に静電気による吸着力が発生し、静電チャック４０上にウェハを吸着保持することができる。吸着保持力は、静電電極４２に印加される電圧が高いほど強くなる。静電電極４２は、単極形状でも、双極形状でも構わない。静電電極４２の材料としては、例えば、タングステン、モリブデン等を用いることができる。
発熱体４３は、基体４１に内蔵されている。発熱体４３は、基板固定装置１の外部から電圧を印加されることで発熱し、基体４１の載置面が所定の温度となるように加熱する。発熱体４３は、例えば、基体４１の載置面の温度を２５０℃〜３００℃程度まで加熱することができる。発熱体４３の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）等を用いることができる。
［基板固定装置の製造方法］
図２及び図３は、第１の実施の形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図である。
まず、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す工程では、予め水路１５等を形成したベースプレート１０を準備し、ベースプレート１０の上面１０ａに、樹脂２１１に伝熱材料２１２を含有する第１層２１を形成する。
例えば、伝熱材料２１２がカーボンナノチューブである場合には、図２（ａ）に示すように、ベースプレート１０の上面１０ａにカーボンナノチューブである伝熱材料２１２を林立させる。具体的には、例えば、ベースプレート１０の上面１０ａにスパッタリング法等によって、金属触媒層（図示せず）を形成する。金属触媒層の材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉ等を用いることができる。金属触媒層の厚さは、例えば、数ｎｍ程度とすることができる。
次に、金属触媒層が形成されたベースプレート１０を所定の圧力及び温度に調整された加熱炉に入れて、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）により金属触媒層上にカーボンナノチューブを形成する。加熱炉の圧力及び温度は、例えば１００ｐａ及び６００℃とすることができる。又、プロセスガスとしては、例えばアセチレンガス等を用いることができ、キャリアガスとしては、例えばアルゴンガスや水素ガス等を用いることができる。カーボンナノチューブは、金属触媒層上に、ベースプレート１０の上面１０ａに直角な方向に形成されるが、上面１０ａからカーボンナノチューブの先端部までの高さは、カーボンナノチューブの成長時間によって制御することができる。
次に、図２（ｂ）に示すように、ベースプレート１０の上面１０ａにカーボンナノチューブを被覆するように、液状又はペースト状の樹脂２１１をディスペンサ等により塗布し、所定温度に加熱して硬化させる。これにより、ベースプレート１０の上面１０ａに、樹脂２１１に伝熱材料２１２を含有する第１層２１が形成される。なお、樹脂２１１の材料については、前述の通りである。
但し、図２（ａ）に示すように伝熱材料２１２をベースプレート１０の上面１０ａ上に形成することは必須ではない。例えば、ベースプレート１０とは別途に、樹脂２１１に伝熱材料２１２を含有する第１層２１を予め作製しておく。そして、ベースプレート１０の上面１０ａに、他の接着層を介して、樹脂２１１に伝熱材料２１２を含有する第１層２１を接着すればよい。或いは、ベースプレート１０の上面１０ａに、樹脂２１１に伝熱材料２１２を含有する第１層２１を直接熱圧着してもよい。
次に、図３（ａ）に示す工程では、第１層２１上に、第２層２２の樹脂２２１の一部となる絶縁樹脂フィルム２２１ａをラミネートする。絶縁樹脂フィルム２２１ａは、真空中でラミネートすると、ボイドの巻き込みを抑制できる点で好適である。絶縁樹脂フィルム２２１ａは、硬化させずに、半硬化状態（Ｂ−ステージ）としておく。半硬化状態である絶縁樹脂フィルム２２１ａの粘着力により、絶縁樹脂フィルム２２１ａは第１層２１上に仮固定される。
次に、絶縁樹脂フィルム２２１ａ上に伝熱材料２２２を配置する。伝熱材料２２２としては、例えば、単層又は積層体のグラファイトシート、単層又は積層体のグラフェンシート等の炭素シートを用いることができる。伝熱材料２２２は、半硬化状態である絶縁樹脂フィルム２２１ａの粘着力により、絶縁樹脂フィルム２２１ａ上に仮固定される。
次に、図３（ｂ）に示す工程では、絶縁樹脂フィルム２２１ａ上に、伝熱材料２２２を被覆する絶縁樹脂フィルム２２１ｂをラミネートする。絶縁樹脂フィルム２２１ｂは、真空中でラミネートすると、ボイドの巻き込みを抑制できる点で好適である。絶縁樹脂フィルム２２１ｂは、硬化させずに、半硬化状態としておく。
次に、グリーンシートにビア加工を行う工程、ビアに導電ペーストを充填する工程、静電電極を形成する工程、発熱体を形成する工程、他のグリーンシートを積層して焼成する工程等を含む周知の製造方法により、基体４１に静電電極４２及び発熱体４３を内蔵する静電チャック４０を作製する。そして、静電チャック４０を半硬化状態の絶縁樹脂フィルム２２１ｂ上に配置する。
次に、静電チャック４０をベースプレート１０側に押圧しながら、絶縁樹脂フィルム２２１ａ及び２２１ｂを硬化温度以上に加熱して硬化させる。これにより、絶縁樹脂フィルム２２１ａ及び２２１ｂが一体化して樹脂２２１となり、樹脂２２１に伝熱材料２２２を含有する第２層２２が第１層２１上に形成される。これにより、ベースプレート１０の上面１０ａに、接着層２０（第１層２１及び第２層２２）を介して静電チャック４０が積層された基板固定装置１が完成する。
このように、基板固定装置１では、ベースプレート１０と静電チャック４０とを接着する接着層２０は、少なくとも第１層２１及び第２層２２の２層を含む構成とされている。そして、ベースプレート１０側の第１層２１は、積層方向（Ｚ方向）の熱伝導率が平面方向（ＸＹ方向）の熱伝導率よりも高くなるように形成されており、静電チャック４０側の第２層２２は、ＸＹ方向の熱伝導率がＺ方向の熱伝導率よりも高くなるように形成されている。又、第１層２１は、第２層２２よりも厚く形成されている。
接着層２０を少なくとも第１層２１及び第２層２２の２層を含む構成とすることで、第１層２１と第２層２２との厚さの設計自由度を向上することができる。例えば、第１層２１を第２層２２よりも厚く形成することで、ベースプレート１０と静電チャック４０の熱膨張率の違いによる熱応力を緩和し、第１層２１を構成する樹脂２１１及び第２層２２を構成する樹脂２２１におけるクラックの発生を抑制することができる。又、ベースプレート１０と樹脂２１１との界面や、樹脂２２１と静電チャック４０との界面における剥離の発生を抑制することができる。
又、ベースプレート１０側の第１層２１では、Ｚ方向の熱伝導率がＸＹ方向の熱伝導率よりも高いため、接着層２０のクラックや界面剥離の発生を抑制するために第１層２１を厚く形成した場合でも、接着層２０のＺ方向の熱応答性を向上することができる。例えば、ＸＹ方向の熱伝導率がＺ方向の熱伝導率よりも高い接着層や、略球状のフィラーを含有する接着層（方向による熱伝導率の差がない接着層）が第１層２１と同一厚さに形成された場合よりも、接着層２０のＺ方向の熱応答性を向上することができる。
又、静電チャック４０側の第２層２２では、ＸＹ方向の熱伝導率がＺ方向の熱伝導率よりも高いため、例えば接着層が略球状のフィラーを含有する場合と比べて、第２層２２のＸＹ方向の均熱性を向上することができる。その結果、静電チャック４０の表面の温度の制御性を向上することができる。
又、接着層２０のクラックや界面剥離の発生は第１層２１を厚く形成することで抑制されているため、第２層２２は極力薄く形成することができる。その結果、第２層２２がＺ方向の熱応答性を妨げることがないため、接着層２０全体としてのＺ方向の熱応答性を確保しやすくなる。
なお、接着層２０は、第１層２１及び第２層２２に加え、更に他の層を備えてもよい。例えば、第１層２１とベースプレート１０の上面１０ａとの間に、ＸＹ方向の熱伝導率がＺ方向の熱伝導率よりも高い第３層を第２層２２と同程度の厚さで設けてもよい。第３層を設けることにより、ベースプレート１０側での均熱性が向上するため、第３層を介して第１層２１とベースプレート１０との間で熱がすばやく移動できるようになる。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、本発明に係る基板固定装置の吸着対象物としては、半導体ウェハ（シリコンウエハ等）以外に、液晶パネル等の製造工程で使用されるガラス基板等を例示することができる。
１ 基板固定装置
１０ ベースプレート
１０ａ ベースプレートの上面
１５ 水路
１５ａ 冷却水導入部
１５ｂ 冷却水排出部
２０ 接着層
２１ 第１層
２２ 第２層
４０ 静電チャック
４１ 基体
４２ 静電電極
４３ 発熱体
２１１、２２１ 樹脂
２１２、２２２ 伝熱材料
２２１ａ、２２１ｂ 絶縁樹脂フィルム

Claims (5)

  1. 吸着対象物を吸着保持する静電チャックと、前記静電チャックを搭載するベースプレートと、を備えた基板固定装置であって、
    ベースプレートと、
    前記ベースプレート上に設けられた接着層と、
    前記接着層上に設けられた静電チャックと、を有し、
    前記接着層は、前記ベースプレート側に設けられた第１層と、前記静電チャック側に設けられた第２層と、含み、
    前記第１層は、前記ベースプレート、前記接着層、及び前記静電チャックが積層される積層方向の熱伝導率が、前記積層方向に垂直な平面方向の熱伝導率よりも高く、
    前記第２層は、前記平面方向の熱伝導率が前記積層方向の熱伝導率よりも高いことを特徴とする基板固定装置。
  2. 前記第２層は、前記第１層よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の基板固定装置。
  3. 前記第１層は、第１の樹脂と、長手方向が前記積層方向を向くように前記第１の樹脂中に配置されたカーボンナノチューブと、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の基板固定装置。
  4. 前記第２層は、第２の樹脂と、主面が前記平面方向と平行になるように、前記第２の樹脂中に配置された炭素シートと、を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の基板固定装置。
  5. 前記炭素シートは、グラファイトシート又はグラフェンシートであることを特徴とする請求項４に記載の基板固定装置。
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