JP2022148714A - 静電チャック、基板固定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】均熱性をさらに向上した静電チャックを提供する。【解決手段】本静電チャックは、吸着対象物が載置される載置面を有する基体と、前記基体の前記載置面とは反対側に位置する裏面に形成された絶縁層と、前記絶縁層に内蔵された発熱体と、前記基体に内蔵された熱拡散層と、を有し、前記熱拡散層は、前記基体よりも熱伝導率の高い材料から形成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、静電チャック、基板固定装置に関する。
従来、ICやLSI等の半導体装置を製造する際に使用される成膜装置(例えば、CVD装置やPVD装置等)やプラズマエッチング装置は、ウェハを真空の処理室内に精度良く保持するためのステージを有する。
このようなステージとして、例えば、ベースプレートに搭載された静電チャックにより、吸着対象物であるウェハを吸着保持する基板固定装置が提案されている。静電チャックは、例えば、発熱体や、発熱体からの熱を均一化させる金属層を備えている。
特開2020-88304号公報
しかしながら、近年は、静電チャックに、さらなる均熱性向上が求められており、従来の構造では均熱性向上の要求を満足することは困難であった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、均熱性をさらに向上した静電チャックを提供することを課題とする。
本静電チャックは、吸着対象物が載置される載置面を有する基体と、前記基体の前記載置面とは反対側に位置する裏面に形成された絶縁層と、前記絶縁層に内蔵された発熱体と、前記基体に内蔵された熱拡散層と、を有し、前記熱拡散層は、前記基体よりも熱伝導率の高い材料から形成されている。
開示の技術によれば、均熱性をさらに向上した静電チャックを提供できる。
第1実施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実施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実施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。 第1実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図(その3)である。 第1実施形態の変形例1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。 シミュレーション結果を示す図である。
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。
[基板固定装置の構造]
図1は、第1実施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を参照すると、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、接着層20と、静電チャック30とを有している。
ベースプレート10は、静電チャック30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30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)に接続されている。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30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30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。
静電チャック30は、吸着対象物であるウェハを吸着保持する部分である。静電チャック30の平面形状は、例えば、円形とすることができる。静電チャック30の吸着対象物であるウェハの直径は、例えば、8、12、又は18インチ程度とすることができる。
静電チャック30は、接着層20を介して、ベースプレート10の一方の面に搭載されている。接着層20としては、例えば、シリコーン系接着剤を用いることができる。接着層20の厚さは、例えば、2mm程度とすることができる。接着層20の熱伝導率は2W/mK以上とすることが好ましい。接着層20は、複数の接着層が積層した積層構造としてもよい。例えば、接着層20を熱伝導率が高い接着剤と弾性率が低い接着剤とを組み合わせた2層構造とすることで、アルミニウム製のベースプレートとの熱膨張差から生じるストレスを低減させる効果が得られる。
静電チャック30は、基体31と、静電電極32と、熱拡散層33と、絶縁層34と、発熱体35とを有している。静電チャック30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30は、クーロン力型静電チャックであってもよい。
基体31は誘電体であり、吸着対象物が載置される載置面31aを有する。基体31としては、例えば、酸化アルミニウム(Al)、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31の厚さTは、例えば、4~10mm程度、基体31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32は、薄膜電極であり、基体31に内蔵されている。静電電極32は、基体31に内蔵された垂直配線と電気的に接続されている。垂直配線は、交互に積層されたパッド36とビア37を複数組含む。最下層のパッド36は、基体31の裏面側に開口する凹部31x内に露出している。最下層のパッド36は、基板固定装置1の外部に設けられた電源に接続され、電源から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を発生させる。これにより、静電チャック30の基体31の載置面31a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32に印加される電圧が高いほど強くなる。静電電極32は、単極形状でも、双極形状でも構わない。静電電極32、パッド36、及びビア37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。
熱拡散層33は、基体31に内蔵されている。熱拡散層33は、発熱体35の発する熱を均一化して拡散する層であり、基体31よりも熱伝導率の高い材料から形成されている。熱拡散層33の熱伝導率は、400W/m・k以上であることが好ましい。このような熱伝導率を達成できる材料としては、例えば、銅(Cu)、銅合金、銀(Ag)、銀合金等の金属やカーボンナノチューブ等が挙げられる。熱拡散層33の厚さは、例えば、5μm~20μm程度とすることができる。
熱拡散層33を基体31内に最低1層設けることで、発熱体35の発する熱を基体31の全体に均一に拡散する効果が得られる。複数の熱拡散層33を基体31の厚さ方向に積層することで、発熱体35の発する熱を基体31の全体に均一に拡散する効果が一層大きくなる。熱を拡散する効果を向上する観点から、熱拡散層33は、基体31内の水平方向(載置面31aと平行な方向)の全体に配置することが好ましい。
第1実施形態では、一例として、熱拡散層33をパッド36が配置される全層に配置している。図1の例では、7層の熱拡散層33が所定間隔で積層されている。上下に隣接する熱拡散層33の間隔は、例えば、0.45mmである。各層の熱拡散層33は、パッド36と導通しないように、パッド36と離隔して配置されている。パッド36の平面形状が円形であれば、例えば、パッド36よりも大径の円形の開口が熱拡散層33に形成され、開口内にパッド36が位置する。
第1実施形態では、一例として、熱拡散層33は、パッド配置領域を除き、基体31内の水平方向の全体に配置されており、熱拡散層33の全外周面は、基体31の外周面に露出している。すなわち、熱拡散層33は、基体31の最外周まで形成されている。ここで、パッド配置領域とは、パッド36の外縁から100μm外側の範囲までの領域を指す。
なお、従来の静電チャックでは、熱拡散層として機能する金属層等が接着層を介して基体に固定されていたり、金属層が所定形状にパターニングされたりしており、十分な均熱性が達成できていなかった。
絶縁層34は、基体31の裏面(載置面31aとは反対側に位置する面)に直接形成されている。絶縁層34は、基体31と発熱体35とを絶縁する層である。絶縁層34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等を用いることができる。絶縁層34の熱伝導率は3W/mK以上とすることが好ましい。絶縁層34にアルミナや窒化アルミニウム等のフィラーを含有させることで、絶縁層34の熱伝導率を向上させることができる。又、絶縁層34のガラス転移温度(Tg)は250℃以上とすることが好ましい。又、絶縁層34の厚さは100~150μm程度とすることが好ましく、絶縁層34の厚さばらつきは±10%以下とすることが好ましい。
発熱体35は、絶縁層34に内蔵されている。発熱体35の周囲は、絶縁層34に被覆され、外部から保護されている。発熱体35は、基板固定装置1の外部から電圧を印加することで発熱し、基体31の載置面31aが所定の温度となるように加熱する。発熱体35は、例えば、基体31の載置面31aの温度を250℃~300℃程度まで加熱することができる。発熱体35の材料としては、例えば、銅(Cu)、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、コンスタンタン(Cu/Ni/Mn/Feの合金)等を用いることができる。発熱体35の厚さは、例えば、20~100μm程度とすることができる。発熱体35は、例えば、同心円状のパターンとすることができる。
なお、発熱体35と絶縁層34との高温下での密着性を向上するため、発熱体35の少なくとも一つの面(上下面の一方又は双方)が粗化されていることが好ましい。もちろん、発熱体35の上下面の両方が粗化されていてもよい。この場合、発熱体35の上面と下面で異なる粗化方法を用いてもよい。粗化の方法は特に限定されないが、エッチングによる方法、カップリング剤系の表面改質技術を用いる方法、波長355nm以下のUV-YAGレーザによるドット加工を用いる方法等を例示することができる。
[基板固定装置の製造方法]
図2~図4は、第1実施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。図2~図4を参照しながら、基板固定装置1の製造工程について、静電チャックの形成工程を中心に説明する。なお、図2(a)~図4(a)は、図1とは上下を反転した状態で描いている。
まず、図2(a)に示す工程では、グリーンシート311を準備する。例えば、基体31を構成するセラミックスが酸化アルミニウムである場合、グリーンシート311を構成する材料は酸化アルミニウムの粒子を含む。グリーンシート311を構成する材料は、バインダや溶剤等を含んでもよい。グリーンシート311の厚さは、例えば、0.58~0.62mmである(焼成後は0.45mm程度となる)。次に、グリーンシート311の一方の面に、金属ペースト321を所定パターンで印刷する。金属ペースト321は、焼成により静電電極32となる材料である。金属ペースト321は、例えば、タングステンペーストやモリブデンペーストである。
次に、図2(b)に示す工程では、グリーンシート311の一方の面に、金属ペースト321を被覆するグリーンシート312を積層する。グリーンシート312の大きさや材料は、グリーンシート311と同様である。次に、グリーンシート312にビア加工を行い、ビアに金属ペースト371を充填する。金属ペースト371は、焼成によりビア37となる材料である。金属ペースト371は、例えば、タングステンペーストやモリブデンペーストである。
次に、図2(c)に示す工程では、グリーンシート312の一方の面に、金属ペースト331及び361を所定パターンで印刷する。金属ペースト331は、焼成により熱拡散層33となる材料である。金属ペースト361は、焼成によりパッド36となる材料である。金属ペースト331及び361は、例えば、タングステンペーストやモリブデンペーストである。金属ペースト331と金属ペースト361は、異なる材料であってもよい。
次に、図2(d)に示す工程では、図2(b)及び図2(c)の工程を必要数繰り返し、その後、さらグリーンシートを必要数積層する。例えば、グリーンシート1枚当たりの厚さが0.58~0.62mmである場合、0.58~0.62mm厚くするごとに熱拡散層33となる金属ペースト331を1層形成することができる。次に、必要に応じて表面研磨等を行った後、焼成により、各グリーンシートが一体化し、基体31が形成される。また、焼成により、各金属ペーストから静電電極32、熱拡散層33、パッド36、及びビア37が形成される。焼成後、凹部31xを形成する。凹部31xは、例えば、ブラスト処理やドリル加工等により形成できる。なお、ガス導入部等の他の溝や孔がある場合にも同様に加工する。
次に、図3(a)に示す工程では、基体31の載置面31aとは反対側の面(図3(a)では上面)に、絶縁樹脂フィルム341を直接配置する。絶縁樹脂フィルム341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341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341の粘着力により、絶縁樹脂フィルム341は基体31上に仮固定される。
絶縁樹脂フィルム341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等を用いることができる。絶縁樹脂フィルム341の熱伝導率は3W/mK以上とすることが好ましい。絶縁樹脂フィルム341にアルミナや窒化アルミニウム等のフィラーを含有させることで、絶縁樹脂フィルム341の熱伝導率を向上させることができる。又、絶縁樹脂フィルム341のガラス転移温度は250℃以上とすることが好ましい。又、熱伝導性能を高める(熱伝導速度を速める)観点から、絶縁樹脂フィルム341の厚さは60μm以下とすることが好ましく、絶縁樹脂フィルム341の厚さばらつきは±10%以下とすることが好ましい。
次に、図3(b)に示す工程では、絶縁樹脂フィルム341上に金属箔を配置し、金属箔をパターニングして発熱体35を形成する。発熱体35は、例えば、同心円状のパターンとすることができる。具体的には、例えば、金属箔上の全面にレジストを形成し、レジストを露光及び現像し、発熱体35として残す部分のみを被覆するレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンに被覆されていない部分の金属箔をエッチングにより除去する。例えば、金属箔の材料が銅である場合には、金属箔を除去するエッチング液としては、塩化第二銅エッチング液や塩化第二鉄エッチング液等を用いることができる。
その後、レジストパターンを剥離液により剥離することにより、絶縁樹脂フィルム341の所定位置に発熱体35が形成される(フォトリソグラフィ法)。フォトリソグラフィ法により発熱体35を形成することにより、発熱体35の幅方向の寸法のばらつきを低減することが可能となり、発熱分布を改善することができる。なお、エッチングにより形成された発熱体35の断面形状は、例えば、略台形状とすることができる。この場合、絶縁樹脂フィルム341に接する面と、その反対面との配線幅の差は、例えば、10~50μm程度とすることができる。発熱体35の断面形状をシンプルな略台形状とすることにより、発熱分布を改善することができる。
次に、図3(c)に示す工程では、絶縁樹脂フィルム341上に、発熱体35を被覆する絶縁樹脂フィルム342を配置する。絶縁樹脂フィルム342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342材料は、例えば、絶縁樹脂フィルム341と同様とすることができる。但し、絶縁樹脂フィルム342の厚さは、発熱体35を被覆できる範囲内で適宜決定することができ、必ずしも絶縁樹脂フィルム341と同じ厚さにする必要はない。
次に、図4(a)に示す工程では、絶縁樹脂フィルム341及び342を基体31側に押圧しながら、絶縁樹脂フィルム341及び342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341及び342が一体化して絶縁層34となり、熱拡散層33と直接接合された絶縁層34が形成される。また、発熱体35の周囲は、絶縁層34に被覆される。次に、絶縁層34に貫通孔を形成し、凹部31xに連通させる。なお、常温に戻った時のストレスを考慮し、絶縁樹脂フィルム341及び342の加熱温度は、200℃以下とすることが好ましい。以上により、静電チャック30が完成する。
なお、絶縁樹脂フィルム341及び342を基体31側に押圧しながら加熱硬化させることにより、発熱体35の有無の影響による絶縁層34の上面(静電チャック30と接しない側の面)の凹凸を低減して平坦化することができる。絶縁層34の上面の凹凸は、7μm以下とすることが好ましい。絶縁層34の上面の凹凸を7μm以下とすることにより、次工程で絶縁層34と接着層20との間に気泡を巻き込むことを防止できる。つまり、絶縁層34と接着層20との間の接着性が低下することを防止できる。
次に、図4(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上に接着層20(未硬化)を形成する。そして、図4(a)に示す静電チャック30を上下反転させ、接着層20を介して、ベースプレート10上に配置し、接着層20を硬化させる。これにより、ベースプレート10上に接着層20を介して静電チャック30が積層された基板固定装置1が完成する。
このように、静電チャック30では、基体31に熱拡散層33が内蔵されているため、発熱体35の発する熱を基体31に均一に伝わりやすくすることができる。すなわち、静電チャック30では、基体の外側に熱拡散層を設ける従来の構造と比べて、均熱性をさらに向上することが可能となる。
また、熱拡散層33を基体31の水平方向の全体に形成することで、発熱体35の発する熱を基体31の全体に均一に拡散することができる。また、熱拡散層33の熱伝導率を400W/m・k以上とすることで、基体31の水平方向に対して素早く熱を拡散することができる。そして、熱拡散層33によって均一に拡散された熱は、基体31を均一に加熱することができる。
なお、発熱体35から載置面31aに至る熱の拡散距離が短いと、すなわち基体31の厚さTが薄いほど、発熱体35の寸法ばらつき等の影響が載置面31aに現れやすい。言い換えれば、基体31の厚さTが厚いほど、発熱体35から載置面31aに至る熱の拡散距離が延びるため、載置面31aの温度分布がぼけやすくなり温度分布が改善する。基体31の内部に熱拡散層33を設けること、及び基体31の厚さTを厚くすることを組み合わせることで、より効果的な温度分布改善が望める。従来は、基体31の厚さTは4.5mm程度のものが多かったが、温度分布の改善のためには、基体31の厚さTを4.95mm以上9mm以下程度とすることが好ましい。
〈第1実施形態の変形例1〉
第1実施形態の変形例1では、熱拡散層の積層数を更に増やす例を示す。なお、第1実施形態の変形例1において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図5は、第1実施形態の変形例1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5を参照すると、基板固定装置1Aでは、パッド36が形成される層より下層にも熱拡散層33が設けられている点が、基板固定装置1と相違する。
すなわち、基板固定装置1Aでは、熱拡散層33は、基体31の裏面に最も近い側に配置されたパッド36よりも、さらに基体31の裏面に近い側に配置されている。パッド36が形成される層より下層に熱拡散層33を設けるには、図2(d)の工程において、凹部31xが形成されるグリーンシートを積層するごとに熱拡散層33となる金属ペースト331を1層形成すればよい。
このように、パッド36が形成される層より下層の領域を有効活用し、この領域にも熱拡散層33を設けることで、熱拡散層33の層数をさらに増やせるため、均熱性を一層向上することが可能となる。
[シミュレーション]
下記の表1に示す4種類のサンプルに関し、基体の載置面の平均温度が60度になるように制御した場合の、基体の載置面における温度分布(均熱性)のシミュレーションを行った。表1において、Refは、基体の厚さが4.5mmで熱拡散層を有していないサンプルであり、従来の静電チャックに対応するものである。また、Aは、基体の厚さが6.8mmで熱拡散層を有していないサンプルであり、Refとは基体の厚さのみが相違する。また、Bは、基体の厚さが6.8mmで熱拡散層を5層有しているサンプルであり、Aとは熱拡散層の有無のみが相違する。また、Cは、基体の厚さが6.8mmで熱拡散層を14層有しているサンプルであり、Bとは熱拡散層の層数のみが相違する。
Figure 2022148714000002
表2は、シミュレーション結果である。表2において、平均値は基体の載置面の温度の平均値、Rangeは最低温度と最高温度との差、Sigmaは標準偏差である。
Figure 2022148714000003
図6(a)は、表2に示すRangeを、REFの値を基準(100%)として示したものである。図6(b)は、表2に示すSigmaを、REFの値を基準(100%)として示したものである。
図6(a)において、サンプルRefとサンプルAとを比較すると、基体を厚くするとRangeの値が33%程度小さくなっていることがわかる。また、図6(b)において、サンプルRefとサンプルAとを比較すると、基体を厚くするとSigmaの値が20%弱程度小さくなっていることがわかる。
また、図6(a)において、サンプルAとサンプルBとを比較すると、基体に熱拡散層を内蔵するとRangeの値がわずかに改善することがわかる。また、図6(b)において、サンプルAとサンプルBとを比較すると、基体に熱拡散層を内蔵するとSigmaの値がわずかに改善することがわかる。
また、図6(a)において、サンプルBとサンプルCとを比較すると、基体に内蔵される熱拡散層の層数を増やすとRangeの値が更に改善することがわかる。また、図6(b)において、サンプルBとサンプルCとを比較すると、基体に内蔵される熱拡散層の層数を増やすとSigmaの値が更に改善することがわかる。
このように、基体を厚くすることで基体の載置面における温度分布のばらつきが大幅に改善し、基体に熱拡散層を内蔵することで基体の載置面における温度分布のばらつきが更に改善し、均熱性が向上することが確認された。また、基体に内蔵される熱拡散層の層数を増やすことで基体の載置面における温度分布のばらつきが一層改善し、均熱性が一層向上することが確認された。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施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、1A 基板固定装置
10 ベースプレート
15 水路
15a 冷却水導入部
15b 冷却水排出部
20 接着層
30 静電チャック
31 基体
31a 載置面
31x 凹部
32 静電電極
33 熱拡散層
34 絶縁層
35 発熱体
36 パッド
37 ビア
321、331、361、371 金属ペースト
341、342 絶縁樹脂フィルム

Claims (7)

  1. 吸着対象物が載置される載置面を有する基体と、
    前記基体の前記載置面とは反対側に位置する裏面に形成された絶縁層と、
    前記絶縁層に内蔵された発熱体と、
    前記基体に内蔵された熱拡散層と、を有し、
    前記熱拡散層は、前記基体よりも熱伝導率の高い材料から形成されている、静電チャック。
  2. 複数の前記熱拡散層が、前記基体の厚さ方向に積層されている、請求項1に記載の静電チャック。
  3. 前記基体に内蔵された電極と、
    前記基体に内蔵され、前記電極と電気的に接続された垂直配線と、を有し、
    前記垂直配線は、交互に積層されたパッドとビアを複数組含み、
    前記熱拡散層は、前記パッドが配置される全層に、前記パッドと離隔して配置されている、請求項2に記載の静電チャック。
  4. 前記熱拡散層は、パッド配置領域を除き、前記基体内の水平方向の全体に配置されている、請求項3に記載の静電チャック。
  5. 前記熱拡散層は、前記基体の前記裏面に最も近い側に配置された前記パッドよりも、さらに前記基体の前記裏面に近い側に配置されている、請求項3又は4に記載の静電チャック。
  6. 前記熱拡散層の全外周面は、前記基体の外周面に露出している、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の静電チャック。
  7. ベースプレートと、
    前記ベースプレートの一方の面に搭載された請求項1乃至6の何れか一項に記載の静電チャックと、を有する基板固定装置。
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