JP2023130998A - ウエハ保持体およびウエハ保持体用の支持ピン - Google Patents

Abstract

【課題】より簡便な方法で確実に支持ピンの取り付けが可能なウエハ保持体を得る。【解決手段】上面に複数の有底孔を有する板状の基体と、複数の前記有底孔のそれぞれに配置された支持ピンと、を備えるウエハ保持体であって、前記有底孔は、前記上面に開口部を有し、前記支持ピンは、本体部と腕部とを有し、前記本体部と前記腕部とは同一材料の一体部品であり、前記本体部は、前記上面から突出する第一端部と前記有底孔の底面に対向する第二端部とを有し、前記腕部は、前記本体部と繋がる第三端部を固定端とし、前記第三端部とは反対側の第四端部を自由端とする片持ち構造である、ウエハ保持体とした。【選択図】図２

Description

本発明は、ウエハ保持体およびウエハ保持体用の支持ピンに関するものである。

特許文献１は、セラミック基板の表面または内部に発熱体が形成されたセラミックヒータに関するものである。特許文献１には、セラミック基板の加熱面には凹部が設けられ、凹部に支持ピンが固定された構造が開示されている。支持ピンの固定は、凹部への嵌合、またはＣリングにより行われている。

特開２００２－２４６２８６号公報

特許文献１では、支持ピンを確実に固定するために別部品であるＣリングを組み合わせる必要がある。Ｃリングを用いない方法では凹部と支持ピンの本体部とを直接嵌め合わせるために寸法公差や熱膨張などに起因して固定力や突起寸法にばらつきが生じる。そこで、より簡便な方法で確実に組み立てが可能な支持ピンの取り付け方法が望まれている。

本開示のウエハ保持体は、
上面に複数の有底孔を有する板状の基体と、
複数の前記有底孔のそれぞれに配置された支持ピンと、を備えるウエハ保持体であって、
前記有底孔は、前記上面に開口部を有し、
前記支持ピンは、本体部と腕部とを有し、
前記本体部と前記腕部とは同一材料の一体部品であり、
前記本体部は、前記上面から突出する第一端部と前記有底孔の底面に対向する第二端部とを有し、
前記腕部は、前記本体部と繋がる第三端部を固定端とし、前記第三端部とは反対側の第四端部を自由端とする片持ち構造である。

また、本開示に係るウエハ保持体用の支持ピンは、
本体部と腕部とを有し、
前記本体部と前記腕部とは同一の樹脂材料による一体部品であり、
前記本体部は、第一方向の両端に第一端部と第二端部とを有し、
前記腕部は、前記第一方向に直交する面内において第三端部から第四端部まで延在する曲線形状の片持ち構造を有し、
前記第三端部は前記本体部に繋がる固定端であり、前記第四端部は自由端であり、
前記第四端部は、把持部を有し、
前記把持部は、孔、突起または切り欠きのいずれかの形状を有し、
前記樹脂材料は、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、四フッ化エチレン樹脂、または四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂のいずれかである。

本開示によれば、より簡便な方法で確実に支持ピンの取り付けが可能なウエハ保持体、およびウエハ保持体に簡便な方法で確実に取り付け可能な支持ピンを得ることができる。

図１は、本実施形態に係るウエハ保持体の平面図である。 図２は、図１に示すウエハ保持体の断面図である。 図３Ａは、本実施形態に係る支持ピンの一例を示す平面図である。 図３Ｂは、本実施形態に係る支持ピンの一例を示す平面図である。 図３Ｃは、本実施形態に係る支持ピンの一例を示す平面図である。 図３Ｄは、本実施形態に係る支持ピンの一例を示す平面図である。 図４Ａは、本実施形態に係る支持ピンの把持部の構造を説明する断面図である。 図４Ｂは、本実施形態に係る支持ピンの把持部の構造を説明する断面図である。 図４Ｃは、本実施形態に係る支持ピンの把持部の構造を説明する平面図である。 図５Ａは、本実施形態に係る支持ピンの本体部の形状を例示する断面図である。 図５Ｂは、本実施形態に係る支持ピンの本体部の形状を例示する断面図である。 図５Ｃは、本実施形態に係る支持ピンの本体部の形状を例示する断面図である。 図６Ａは、本実施形態に係る支持ピンの先端形状を例示する断面図である。 図６Ｂは、本実施形態に係る支持ピンの先端形状を例示する断面図である。 図７Ａは、本実施形態に係る有底孔と支持ピンの構造を説明する断面図である。 図７Ｂは、本実施形態に係る有底孔と支持ピンの構造を説明する断面図である。 図８は、本実施形態に係るウエハ保持体を用いる半導体製造装置の一例を説明する断面模式図である。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

（１）本開示の実施形態に係るウエハ保持体は、上面に複数の有底孔を有する板状の基体と、複数の前記有底孔のそれぞれに配置された支持ピンと、を備えるウエハ保持体であって、前記有底孔は、前記上面に開口部を有し、前記支持ピンは、本体部と腕部とを有し、前記本体部と前記腕部とは同一材料の一体部品であり、前記本体部は、前記上面から突出する第一端部と前記有底孔の底面に対向する第二端部とを有し、前記腕部は、前記本体部と繋がる第三端部を固定端とし、前記第三端部とは反対側の第四端部を自由端とする片持ち構造である。

本実施形態に係るウエハ保持体によれば、支持ピンに備わる片持ち構造の腕部によって支持ピンが有底孔内に保持される。固定のための別部品を用いること無く、より簡便な方法で確実にウエハ保持体への支持ピンの取り付けが可能となる。

（２）前記上面に垂直な断面において、前記有底孔は前記底面の幅よりも狭い幅の中間部を有し、前記腕部は前記有底孔の前記底面と前記中間部との間に配置されており、前記上面に平行な断面における前記中間部の最小内接径は、前記支持ピンの前記腕部に外接する平行な２本の直線の最大間隔よりも小さくてもよい。

中間部の最小内接径が支持ピンの腕部の最大間隔よりも小さいことで、支持ピンが有底孔から容易に抜け落ちることがない。支持ピンを有底孔内に確実に保持することが可能である。ここで、中間部の最小内接径とは、中間部を構成する孔の側面である内壁面に内接する円の直径の内で最小の直径とする。また、腕部の最大間隔とは、腕部に外接する平行な２本の直線を描いた際の２本の直線間の距離の内で最大の距離とする。腕部に外接するとは、腕部を含む平面において少なくとも１本の直線が腕部に接する直線であることをいう。２本の直線の双方が腕部に接している場合と、１本は腕部に接し、もう１本は本体部に接している場合を含む。

（３）前記腕部は、前記第四端部を含む領域に把持部を有し、前記把持部に加わる前記上面に平行な方向の外力によって前記腕部が弾性変形する構造であってもよい。

把持部に力を加えることで腕部が弾性的に変形する。腕部同士の間隔あるいは腕部と本体部との間隔が小さくなるように把持部に力を加えることにより、腕部の最大間隔を小さくする。変形した状態で支持ピンを有底孔内に挿入し、その後に力を解放することによって腕部が有底孔内に留まる。変形前の腕部の最大間隔が有底孔の内壁面の内径よりも大きい場合は、腕部の弾性力により腕部が有底孔の内壁面に突っ張る状態で固定される。変形前の腕部の最大間隔が有底孔の内壁面の内径よりも小さく、かつ有底孔の中間部の最小内接径よりも大きい場合は、有底孔の中間部と底面との間に支持ピンが保持される。これにより、簡便な方法で確実にウエハ保持体への支持ピンの取り付けが可能となる。

（４）前記把持部は、前記腕部に設けられた孔、突起または切り欠きのいずれかであってもよい。

把持部は、腕部の径が小さくなる方向に腕部に力を加えやすい形状であればよい。把持部に工具を用いて力を加えることができる。このような把持部の形状として、腕部に設けられた孔、突起または切り欠きが例示される。ここでの孔とは、支持ピンが有底孔に配置された状態で有底孔の深さ方向に凹部または貫通穴となる形状である。突起とは有底孔の深さ方向に腕部から突出する形状であればよい。切り欠きとは、腕部が延在する面内において腕部の一部が欠けた形状をいう。

（５）前記ウエハ保持体は、前記腕部を複数備えていてもよい。

腕部は複数であってもよい。例えば、２つの腕部に設けられた把持部の間に力を加えることによって腕部を容易に変形させることができる。例えば第一の腕部が備える把持部と、第二の腕部が備える把持部とを工具で挟むように力を加えることで、第一の腕部と第二の腕部が近づくように変形する。

（６）前記上面に垂直な方向から見た前記腕部は、前記第三端部から前記第四端部に至る円弧形状であってもよい。

腕部が円弧形状であることで支持ピンの全体形状が円形に近い形状となり、支持ピンを有底孔内に挿入しやすい。特に有底孔が円形の孔であれば、腕部が有底孔の側壁に沿った形状の円弧形状であることによって、支持ピンを有底孔内に挿入しやすく、かつ有底孔内に保持しやすい。

（７）前記第一端部の先端形状が曲面または平面であってもよい。

支持ピンの第一端部は、載置されるウエハに接する部分である。支持ピンとウエハとが接する面積が小さいほど、ウエハの面内の温度分布にクールスポットが生じ難い。この観点では第一端部は鋭利な先端を有するか、または曲面であるとよい。先端が曲面であればウエハと第一端部とは点接触に近い状態となる。一方で、先端が鋭利過ぎると、ウエハとの接触により支持ピン自体やウエハが削れて粉塵が生じやすい。この観点では第一端部は平面であってもよい。

（８）前記第一端部の表面粗さＲａが５μｍ以下であってもよい。

ウエハと接触する第一端部が滑らかであるほど、ウエハとの接触により粉塵を生じさせ難い。

（９）前記支持ピンを構成する材料は、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、四フッ化エチレン樹脂、または四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂のいずれかであり、前記材料の熱伝導率が１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であってもよい。

支持ピンは、樹脂材料であってもよい。樹脂材料であれば、一体成型にて本体部と腕部を形成しやすい。上記の樹脂材料は、ウエハ保持体に求められる耐熱性能を有し、かつ、ウエハとウエハ保持体との間の十分な断熱性能を有する。支持ピンの熱伝導率が小さいほど、ウエハの面内の温度分布にホットスポットが生じ難い。

（１０）前記第一端部が前記上面から突出する高さは、３０μｍ以上２００μｍ以下であってもよい。

上記の突出高さであることで、支持ピンをプロキシミティ加熱の目的で使用することができる。プロキシミティ加熱は、基体からの熱放射によりウエハを加熱する方式であり、ウエハの均熱性やウエハへの粉塵等の影響防止に効果がある。

（１１）また、本開示の実施形態に係る支持ピンは、本体部と腕部とを有し、前記本体部と前記腕部とは同一の樹脂材料による一体部品であり、前記本体部は、第一方向の両端に第一端部と第二端部とを有し、前記腕部は、前記第一方向に直交する面内において第三端部から第四端部まで延在する曲線形状の片持ち構造を有し、前記第三端部は前記本体部に繋がる固定端であり、前記第四端部は自由端であり、前記第四端部は、把持部を有し、前記把持部は、孔、突起または切り欠きのいずれかの形状を有し、前記樹脂材料は、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、四フッ化エチレン樹脂、または四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂のいずれかであるとよい。

上記の支持ピンによれば、支持ピンに備わる片持ち構造の腕部によって支持ピンが有底孔内に保持される。別部品を用いること無く、より簡便な方法で確実にウエハ保持体への支持ピンの取り付けが可能となる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係るウエハ保持体および支持ピンが、以下に図面を参照しつつ説明される。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にする目的で表現されており、必ずしも実際の寸法関係等を表すものではない。また、ウエハが載置される側を上側、その反対側を下側として方向を表す。

［ウエハ保持体］
図１および図２を参照して本実施形態に係るウエハ保持体１の構成が説明される。ここでのウエハＳは代表的には半導体ウエハである。図１は、ウエハ保持体の一例を示す平面図である。図２は、図１に示すウエハ保持体１のＡ－Ａ断面を模式的に示す断面図である。ウエハ保持体１は、基体１０と支持ピン２０を有する。基体１０は、平面視が円形の板状体である。基体１０の上面にウエハＳが載置される。基体１０の上面１１は平面であり、複数の有底孔３０が設けられている。有底孔３０は上面１１に開口部３１を有し、基体１０内に底面３２を有する孔である。

有底孔３０の孔内に支持ピン２０が配置される。支持ピン２０は本体部２１と腕部２２とにより構成されている。本体部２１の先端は開口部３１から突出している。本体部２１の先端を除く大部分および腕部２２は有底孔３０の内部に収納されている。本体部２１の先端が上面１１から突出する高さは、３０μｍ以上２００μｍ以下であればよく、５０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。高さが小さすぎると、ウエハＳの自重による撓みによりウエハＳと基体１０が局所的に接触してしまう。このように上面１１とウエハＳとの間隙のばらつきが大きくなると、ウエハＳ全面に亘る均熱が保ちにくい。高さが大きすぎると、基体１０からの熱がウエハＳに伝わり難い。

本実施形態では、有底孔３０は基体１０の中心の１カ所および基体１０と同心状に配置された６カ所の計７カ所に設けられている。６つの有底孔３０は、基体１０の中心から基体１０の半径の２／３の半径の円周上に、６０°間隔で正六角形状に配置されている。上面１１における有底孔３０および支持ピン２０の個数と配置は、ウエハＳの平面を保ちつつ、かつ上面１１とウエハＳとの距離を一定に保つようにウエハＳを上面１１に保持できるものであれば限定されない。例えば正三角形状に配置された３つの支持ピン２０によってウエハＳを保持してもよい。支持ピン２０の数が少ないと、ウエハＳと基体１０との間の熱伝導を抑制する効果が得られる。また、より多くの支持ピン２０によってウエハＳを支持してもよい。多数の支持ピン２０を上面１１に均等に配置することによってウエハＳの平面度が保たれやすい。

基体１０の材料は、高い温度均一性を実現すべく熱伝導率の高い材質が用いられる。基体１０の大きさは、載置されるウエハＳのサイズに応じて選択可能である。代表的には基体１０の直径は２００ｍｍから５００ｍｍ、厚さは１ｍｍから１０ｍｍである。基体１０の材料は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属であってもよい。基体１０の材料は、窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素などのセラミックスやこれらセラミックスとシリコンとの複合体などであってもよい。これらの材料を用いることにより平面度を常時高く維持することが可能になる。

［支持ピン］
支持ピン２０は、本体部２１と腕部２２とを有する。本体部２１と腕部２２とは同一材料の一体部品である。すなわち、本体部２１と腕部２２とは連続した一体の部品である。図３Ａから図３Ｄおよび図５Ａから図５Ｃを参照して、本体部２１は、基体１０の上面１１から突出する第一端部２１１と有底孔３０の底面３２に対向する第二端部２１２とを有する。腕部２２は、本体部２１と繋がる第三端部２２１を固定端とし、第三端部２２１とは反対側の第四端部２２２を自由端とする片持ち構造である。以下、図面を参照して支持ピン２０の具体的な構造例が説明される。支持ピン２０は以下に説明される構造に限定されるものではなく、他の変形例であってもよい。

図３Ａから図３Ｄは、本実施形態に係る支持ピン２０の一例を示す平面図である。図３Ａを参照して、本例では本体部２１に２つの腕部２２が設けられている。本体部２１とそれぞれの腕部２２は、腕部２２の第三端部２２１において連続している。腕部２２のもう一方の端部である第四端部２２２には把持部２３が設けられている。腕部２２は、第三端部２２１を固定端とし、第四端部２２２を自由端とする片持ち構造である。よって、第四端部２２２に外力を加えることによって、腕部２２は第三端部２２１を基準として撓むように変形する。加えた外力が一定の大きさ以下であれば、当該外力を解放することで、腕部２２は元の形状に戻る。すなわち腕部２２は弾性変形する。腕部２２を有する目的は、支持ピン２０が有底孔３０から抜けにくくすることである。支持ピン２０と有底孔３０との配置関係については後述する。

有底孔３０が上面に垂直な方向から見た平面視で円形の孔の場合、支持ピン２０も円形に近い形状であると孔の内部に納まりやすい。腕部２２は、上面に垂直な方向から見て前記第三端部２２１から前記第四端部２２２に至る円弧形状であってもよいが、これには限られない。

図３Ａに示される支持ピン２０は、本体部２１に２本の腕部２２が相反する方向に接続されており、全体としてＣ字形状である。２カ所の把持部２３の間を近づけるように外力を加えることにより腕部２２は本体部２１に近づく方向に変形する。すなわち、支持ピン２０の腕部２２の最大間隔が小さくなる方向に変形する。ここで支持ピン２０の外径とは上述の通り腕部２２の腕部２２の最大間隔である。その後、当該外力を解放することで、腕部２２の形状は元に戻る。なお、腕部２２の間隔は、図３Ａに例示されるように、腕部２２に外接する平行な２本の直線を描いた際の２本の直線間の距離Ｗｐである。２本の直線の内の一方は本体部２１に外接する直線であってもよい。外接するあらゆる２本の平行な直線の組み合わせについて距離Ｗｐを求め、当該間隔の内で最も大きい値を腕部２２の最大間隔とする。

図３Ｂに示される支持ピン２０は、本体部２１に２本の腕部２２が同じ方向に接続されており、全体としてＳ字形状である。２カ所の把持部２３の間を近づけるように外力を加えることにより腕部２２は本体部２１に近づく方向に変形する。すなわち、支持ピン２０の外径が小さくなる方向に変形する。その後、当該外力を解放することで、腕部２２の形状は元に戻る。

図３Ｃに示される支持ピン２０は、本体部２１に１本の腕部２２のみが接続されている。腕部２２の反対側には本体部２１が拡がっており、本体部２１にも把持部２３が設けられている。本体部２１と腕部２２の把持部２３の間を近づけるように外力を加えることにより腕部２２は本体部２１に近づく方向に変形する。すなわち、支持ピン２０の外径が小さくなる方向に変形する。その後、当該外力を解放することで、腕部２２の形状は元に戻る。

図３Ｄに示される支持ピン２０は、本体部２１に４本の腕部２２が接続されている。４カ所の把持部２３の間を近づけるように外力を加えることにより腕部２２は本体部２１に近づく方向に変形する。すなわち、支持ピン２０の外径が小さくなる方向に変形する。その後、当該外力を解放することで、腕部２２の形状は元に戻る。腕部２２の数と形態は、これらの例示に限定されるものではなく、基体１０の上面１１に平行な方向の力により弾性変形する機能を有する形状であればよい。

図４Ａから図４Ｃは、本実施形態に係る支持ピン２０の把持部２３の構造を説明する図である。図４Ａおよび図４Ｂに示される断面は、図３Ａに示すＣ－Ｃ断面を例示するものである。図４Ａは腕部２２の第四端部２２２に把持部２３として孔が設けられた構造である。この図では孔は貫通孔であるが有底孔であってもよい。例えばピンセットのような工具を把持部２３としての孔に挿入することで、２カ所の把持部２３を近づけるように力を加えることができる。

図４Ｂは腕部２２の第四端部２２２に把持部２３として突起が設けられた構造を例示する図である。突起の平面形状は限定されないが、例えばピンセットのような工具でつまみやすい形状であればよい。工具により２カ所の把持部２３を近づけるように力を加えることができる。

図４Ｃは把持部２３として別の構造を例示する図である。図４Ｃは図３Ａと同様に支持ピン２０の一例を平面図として示す。腕部２２の腕の外縁に把持部２３としての切り欠きが設けられている。例えば工具により２カ所の把持部２３を近づけるように力を加えることができる。切り欠きの形状は限定されず、工具でつまみやすい形状であればよい。切り欠きの形状は円弧状、矩形状、Ｖ字状などが例示される。

図５Ａから図５Ｃは、本実施形態に係る支持ピン２０の本体部２１の形状を例示する断面図である。図５Ａから図５Ｃに示される支持ピン２０の断面は、図３Ａに示すＢ－Ｂ断面を例示するものである。

第二端部２１２は有底孔３０内に配置された際に有底孔３０の底面３２に対向する面である。図５Ａと図５Ｂに示される第二端部２１２は、いずれも平面形状である。図５Ａでは第二端部２１２と腕部２２の下側の面が同一面内にある。図５Ｂでは腕部２２は第二端部２１２よりも第一端部２１１側に設けられている。すなわち図５Ｂの形状では有底孔３０内において腕部２２は底面３２には接していない。図５Ｃに示す第二端部２１２は凹部を有する。第二端部２１２の凹部以外の部分のみが底面３２に接する。

図５Ａにおいては、第一端部２１１の形状は半球形状の一部である。図６Ａおよび図６Ｂは、第一端部２１１の別な先端形状を例示する断面図である。本体部２１は第一端部２１１と第二端部２１２とを有する柱状形状を有する。第一端部２１１は基体１０の上面１１から突出し、ウエハＳを支持する先端を有する。第一端部２１１の形状は図５Ａのような半球形状、図６Ａのような円錐の先端を任意の曲率で丸めた形状、図６Ｂのような平面形状とすることができる。第一端部２１１の先端は支持されるウエハＳと接触する部分である。

先端が図５Ａや図６Ａのような曲面である場合は、理想的には支持ピン２０とウエハＳが点接触となる。接触面積が小さいほど、支持ピン２０からウエハＳへの熱伝導で伝わる熱量が少なくなり、ウエハＳの均熱性が良くなる。一方で先端が鋭利過ぎると、支持ピン２０とウエハＳとの接触により支持ピン２０が削られ、粉塵が生じやすい。粉塵が異物となってウエハ処理に悪影響を及ぼす懸念がある。

先端が鋭利ではなく、かつ点接触に近づけるために、先端が円弧形状の場合は曲率半径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であるとよい。さらには、先端の曲率半径は１．５ｍｍ以下であってもよい。また、先端を図６Ｂのような平面にすることもできる。平面部分の縁となる角部は鋭利になり過ぎない程度に面取りが施される。面取りの形状は半径１０μｍ以上１ｍｍ以下の曲線であるとよい。先端を平面にすることで接触部分の面積を任意に設計することが可能である。いずれの場合においても、支持ピン２０とウエハＳとの接触で生じる粉塵を低減するために、先端部分の表面粗さＲａは５μｍ以下、さらには１μｍ以下であるとよい。表面粗さの調整は、成型金型の面粗さの調整や、成型後の研磨による調整などにより行うことができる。表面粗さＲａはＪＩＳ Ｂ ０６０１－２００１に規定される算術平均粗さである。

支持ピン２０を構成する材料は、使用されるウエハ保持体１に求められる使用温度範囲に適用可能な材料である。熱伝導率が１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である材料であるとよい。熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、さらには０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であってもよい。ウエハ保持体１からの熱が支持ピン２０を通して直接伝わらない方が、載置されるウエハの面内温度の均一性が保ちやすい。また、用途によっては、支持ピン２０は絶縁材料であることが求められる。支持ピン２０の材料としてはセラミックス材料や樹脂材料を用いることができる。樹脂材料は加工性に優れる。また、樹脂材料は一般に載置されるウエハＳや基体１０よりも硬度が低い。支持ピン２０の硬度が低いことにより、支持ピン２０がウエハＳの損傷や、損傷によるパーティクルの発生を抑制することができる。

このような条件を満たす樹脂材料は例えば、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂（ＰＦＡ）が挙げられる。その他、支持ピン２０として基体１０と同じセラミックス材料が用いられてもよい。ＰＩの熱伝導率は、代表的には０．３Ｗ／ｍ・Ｋである。ＰＥＥＫの熱伝導率は、０．２Ｗ／ｍ・Ｋから０．９Ｗ／ｍ・Ｋである。ＰＴＦＥの熱伝導率は、代表的には０．２３Ｗ／ｍ・Ｋ、またＰＦＡの熱伝導率は代表的には０．１９Ｗ／ｍ・Ｋである。セラミックス材料の熱伝導率は、代表的には炭化珪素が２００Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウムが１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、アルミナが３２Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化ケイ素が２７Ｗ／ｍ・Ｋなどである。

［有底孔］
図７Ａおよび図７Ｂは、本実施形態に係る有底孔３０の形状と支持ピン２０との配置関係とを説明する模式的な断面図である。図７Ａおよび図７Ｂは、図２の断面図における有底孔３０に支持ピン２０が収納された部分の一つを拡大した断面に相当する。基体１０には有底孔３０が設けられている。有底孔３０は、円形の開口縁を有する開口部３１と、底面３２、および開口縁から底面３２に繋がる内壁面３３とを有する。また、図７Ａにおいては、有底孔３０は、内壁面３３が内側に突出した部分である中間部３４を備える。図７Ａにおいて、中間部３４の幅Ｗ２は底面３２の幅Ｗ１よりも小さい。ここで底面３２の幅とは、内壁面３３と底面３２との接続点間の距離である。図７Ａにおいては底面３２の幅は開口部３１の幅に等しい。中間部３４は内壁面３３の全周に亘って突出している必要はなく、一部のみが突出した構造であってもよい。中間部の最小内接径とは平面視において突出した部分に内接する円の内で最小の円の直径である。図７Ｂの有底孔３０は中間部３４を有さない。図７Ｂの内壁面３３は開口部３１の縁から底面３２に向かって延びる上面１１に垂直な面である。

支持ピン２０は有底孔３０の内部に配置され、支持ピン２０の本体部２１の第一端部２１１のみが有底孔３０の開口部３１から上面１１の上に突出する。上記の通り、支持ピン２０の腕部２２は弾性変形することができる。

図７Ｂに示される有底孔３０の構造の場合について、支持ピン２０の有底孔３０への配置が説明される。上面１１に垂直な方向から見た平面視において、変形前の腕部２２の外径は開口部３１の内径よりも大きい。ここで腕部２２の外径とは腕部の最大間隔であり、開口部３１の内径とは最小内接径であり、以下同様である。腕部２２に工具などにより外力を加えて外径が開口部３１の内径よりも小さくなるように変形させて、支持ピン２０を有底孔３０内に挿入する。支持ピン２０が有底孔３０の底面３２に到達した状態で外力を解放することにより、腕部２２は元の形状に戻るように弾性力が働く。つまり、腕部２２が有底孔３０の内壁面３３に接触して突っ張る状態となる。このような突っ張りの力により、支持ピン２０は有底孔３０から簡単には抜け落ちないように固定される。

図７Ａの有底孔３０の構造において、腕部２２に工具などにより外力を加えて外径を小さくなるように変形させて支持ピン２０を有底孔３０内に挿入する。図７Ｂの構造とは異なり、図７Ａの構造の場合は、外径を中間部３４の内径よりも小さくなるように変形させる必要がある。また、挿入された後の支持ピン２０の腕部２２は、中間部３４の内径よりも大きい大きさであればよい。すなわち、上面１１に垂直な方向から見た平面視において、変形前の腕部２２の外径は中間部３４の内径よりも大きいが、必ずしも開口部３１の内径よりも大きい必要はない。挿入後の腕部２２は有底孔３０の内壁面３３に接して突っ張っている状態であってもよいし、有底孔３０の内壁面３３には突っ張っていない状態であってもよい。いずれにしても、腕部２２の外径は中間部３４の内径よりも大きいため、有底孔３０からは容易には抜け落ちない。

平面視における有底孔３０の形状は円形であると製造が容易であるが、多角形などでもよい。開口の大きさは小さいほど面内均一性への悪影響を小さくすることができる。一方で開口が小さすぎると支持ピン２０の挿入が困難になる。有底孔３０の開口部３１の円相当径は、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、さらには６ｍｍ以上１０ｍｍ以下であってもよい。有底孔３０の断面形状は、上記に例示した形状に限定されない。内壁面３３は上面１１に垂直ではなくてもよい。たとえば、内壁面３３が、開口部３１から底面３２に向かって拡がるようなテーパ形状であってもよい。

有底孔３０の深さは、基体１０の厚さと支持ピン２０の形状から任意に選択することができる。有底孔３０の深さが、基体１０の厚さの３／４以下、さらには２／３以下であると、基体１０の強度を保ちやすい。具体的には有底孔３０の深さは、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であるとよい。

［半導体製造装置］
図８は、本実施形態に係るウエハ保持体を用いる半導体製造装置１００の一例を説明する模式図である。本開示のウエハ保持体１は半導体製造装置１００の一部として用いることができる。

図８を参照して、半導体製造装置１００は、ウエハ保持体１を備える。ウエハ保持体１は前述の構造を備えている。基体１０の上面１１には有底孔３０と支持ピン２０が配置されている。支持ピン２０の先端は上面１１から突出しており、ウエハＳを支持する。基体１０の下面にはヒータ５０が接している。ヒータ５０はシート形状の発熱体である。ヒータ５０は、通電により発熱するヒータ回路５１が２枚の絶縁シート５２で挟み込まれた構造である。通電のための電力は図示しない通電端子および電極を通じて外部から供給される。支持板６０は、シート状のヒータ５０を基体１０との間に保持するとともに、基体１０の剛性を補う役割を担う。基体１０と支持板６０とは、図示しないボルト等の締結構造により固定されている。以上の構造により、ウエハ保持体１に載置されたウエハＳは平面状に保持されつつ、ヒータ５０からの熱により加熱される。支持板６０の下面は冷却ステージ８０に設けられた支柱８１により支えられている。冷却板７０は、支柱８１が貫通する穴を備えており、冷却ステージ８０に接する状態と支持板６０に接する状態との間で位置を変えることができる。支柱８１の固定構造および冷却板７０の駆動構造は図示されず、既知の構造が適用される。

ウエハＳは、支持ピン２０により上面１１から浮いた状態で保持される。ヒータ５０で発生した熱は基体１０に伝熱し、上面１１からの熱輻射によりウエハＳに伝わる。半導体装置を製造する一工程として、ウエハＳには加熱状態で所望の処理が施される。ウエハの処理後は、冷却ステージ８０に接した状態で低温になっている冷却板７０が上方に移動して支持板６０に接した状態となる。低温の冷却板７０が支持板６０に接することにより、基体１０が短時間で冷却される。

支持板６０の材料は同種の装置に適用される既知のセラミックス材を用いることができる。加熱時の成分飛散防止の観点から、アルカリ金属元素や鉛などの低融点金属をなるべく含まないことが好ましい。具体的には、主成分が、窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素などのセラミックスやこれらセラミックスとシリコンとの複合体であるとよい。

ヒータ５０は、平面状に延在するヒータ回路５１を有する。ヒータ回路５１は、基体１０や支持板６０との電気的な絶縁のために、ポリイミドシートなどの絶縁シート５２で上下両面を覆われている。ヒータ回路５１は、例えばステンレス箔等の金属箔にエッチングやレーザ加工でパターニング加工を施すことで形成されており、回路に通電することで発熱する。

以上、半導体製造装置１００の一例としての基本構造を説明した。しかし、本開示のウエハ保持体１が用いられる半導体製造装置１００は例示の装置には限定されない。本開示のウエハ保持体１は、プロキシミティ加熱の目的など、載置面と間隔をあけて半導体ウエハを保持する構造を備える他の用途の装置にも好適に用いることができる。

［半導体製造装置の作製例］
（支持ピンの作製）
図３Ａ、図４Ａ、図５Ａに示される形状の支持ピン２０を作製した。腕部２２はＣ字形状であって、支持ピン２０は全体として円形である。平面視での腕部２２の外径は７ｍｍ、本体部２１の第一端部２１１は直径２ｍｍの半球形状である。本体部２１の第一端部２１１から第二端部２１２の距離、すなわち支持ピン２０の高さは２．２ｍｍである。腕部２２の厚さは０．８ｍｍ、平面視での腕の幅は最小部分で１ｍｍとした。腕部２２に備わる把持部２３は直径０．７ｍｍの貫通孔である。支持ピン２０の材料にはＰＥＥＫを用い、本体部２１と腕部２２とは金型を用いて一体に成型した。使用したＰＥＥＫの熱伝導率は０．３Ｗ／ｍ・Ｋである。作製された支持ピン２０の形状および表面の状態は金型の形状で決まる。作製された第一端部２１１の先端付近の表面粗さＲａは０．２μｍであった。

（基体の作製）
基体１０を以下の通り作製した。直径３２０ｍｍおよび厚さ３ｍｍの円板状の窒化アルミニウム板を準備した。この窒化アルミニウム板の表面に、図１に示すような７カ所の有底孔３０を形成した。有底孔３０は、図７Ａに示す構造である。有底孔３０の開口部３１の開口縁の直径は６．９ｍｍ、底面３２の直径は６．９ｍｍとした。有底孔３０の深さは２ｍｍとした。有底孔３０は中間部３４を有し、中間部３４の内径は６．５ｍｍとした。中間部３４と底面３２との間隔は１ｍｍである。

（ウエハ保持体の作製）
基体１０の７つの有底孔３０のそれぞれに、支持ピン２０を嵌め込んだ。支持ピン２０の２カ所の把持部２３をピンセットでつまみ、把持部２３の外径が小さくなるように保持した状態で、支持ピン２０を有底孔３０に入れる。腕部２２の外径が小さくなることで、支持ピン２０は有底孔３０の中間部３４を通り抜けて底面３２に接するように挿入される。その後、把持部２３を解放することにより腕部２２は元の形状に戻る。今回の例では支持ピン２０の外径と有底孔３０の内径が同じ設計である。よって、公差の範囲で支持ピン２０の外径の方が有底孔３０の内径よりも大きい場合は、腕部２２が有底孔３０の内壁面３３に突っ張るように固定される。支持ピン２０の外径の方が有底孔３０の内径よりも小さい場合は、腕部２２は有底孔３０の内壁面３３との間に隙間が生じる。いずれの場合であっても、中間部３４があることにより支持ピン２０は有底孔３０から抜け落ちることはない。

（半導体製造装置の作製）
以下のように半導体製造装置１００を組み立てた。ヒータ５０を以下の通り作製した。厚さ２０μｍのステンレス箔にエッチングを施してヒータ回路５１を準備した。このヒータ回路５１を上下両面から絶縁シート５２としての厚さ５０μｍのポリイミドシートで覆って熱圧着し、直径３２０ｍｍで平面形状のヒータ５０とした。ヒータ回路５１の両終端部には図示されない給電ケーブルを取り付けた。

ヒータ５０を、上記のウエハ保持体１と支持板６０としてのセラミックス板との間に挟み込み、支持板６０に予め設けておいた貫通孔に固定ねじを挿通してウエハ保持体１の基体１０にねじ止めした。支持板６０は直径３２０ｍｍ、厚さ３ｍｍの窒化アルミニウム製の円板である。なお、固定ねじには、熱膨張量差で基体１０や支持板６０が変形しないように、座面にベアリングを備えた固定ねじを用いた。このようにヒータ５０を挟んでウエハ保持体１と支持板６０とを互いに機械的に結合して加熱ユニットを構成した。

冷却板７０として、直径３２０ｍｍおよび厚さ１２ｍｍの円板状のアルミニウム合金板を準備した。アルミニウム合金板には、基板加熱ユニットのセラミックス板に当接する上面側に、セラミックス板との密着性を向上する目的で、柔軟性を有したシリコーンシートを配置した。

冷却ステージ８０として直径３２０ｍｍおよび厚さ１２ｍｍの円板状のアルミニウム合金板を準備した。冷却ステージ８０用のアルミニウム合金板の下面には、外径６ｍｍ×肉厚１ｍｍのリン脱酸銅パイプを冷媒流路として取り付けた。当該パイプの両端には、冷媒を供給・排出するための継ぎ手を取り付けた。冷却ステージ８０と基板加熱ユニットの下面を構成する支持板６０との間に支柱８１を取り付けた。支柱８１は冷却板７０に設けた貫通孔を貫通している。冷却板７０は別途設けるエアシリンダのロッドにより昇降される。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ウエハ保持体
１０ 基体
１１ 上面
２０ 支持ピン
２１ 本体部
２１１ 第一端部
２１２ 第二端部
２２ 腕部
２２１ 第三端部
２２２ 第四端部
２３ 把持部
３０ 有底孔
３１ 開口部
３２ 底面
３３ 内壁面
３４ 中間部
５０ ヒータ
５１ ヒータ回路
５２ 絶縁シート
６０ 支持板
７０ 冷却板
８０ 冷却ステージ
８１ 支柱
１００ 半導体製造装置
Ｓ ウエハ

Claims (11)

1. 上面に複数の有底孔を有する板状の基体と、
   複数の前記有底孔のそれぞれに配置された支持ピンと、を備えるウエハ保持体であって、
   前記有底孔は、前記上面に開口部を有し、
   前記支持ピンは、本体部と腕部とを有し、
   前記本体部と前記腕部とは同一材料の一体部品であり、
   前記本体部は、前記上面から突出する第一端部と前記有底孔の底面に対向する第二端部とを有し、
   前記腕部は、前記本体部と繋がる第三端部を固定端とし、前記第三端部とは反対側の第四端部を自由端とする片持ち構造である、
   ウエハ保持体。
2. 前記上面に垂直な断面において、前記有底孔は前記底面の幅よりも狭い幅の中間部を有し、前記腕部は前記有底孔の前記底面と前記中間部との間に配置されており、
   前記上面に平行な断面における前記中間部の最小内接径は、前記支持ピンの前記腕部に外接する平行な２本の直線の最大間隔よりも小さい、
   請求項１に記載のウエハ保持体。
3. 前記腕部は、前記第四端部を含む領域に把持部を有し、
   前記把持部に加わる前記上面に平行な方向の外力によって前記腕部が弾性変形する、
   請求項１または請求項２に記載のウエハ保持体。
4. 前記把持部は、前記腕部に設けられた孔、突起または切り欠きのいずれかである、
   請求項３に記載のウエハ保持体。
5. 前記腕部を複数備える、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
6. 前記上面に垂直な方向から見た前記腕部は、前記第三端部から前記第四端部に至る円弧形状である、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
7. 前記第一端部の先端形状が曲面または平面である、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
8. 前記第一端部の表面粗さＲａが５μｍ以下である、
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
9. 前記支持ピンを構成する材料は、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、四フッ化エチレン樹脂、または四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂のいずれかであり、
   前記材料の熱伝導率が１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
10. 前記第一端部が前記上面から突出する高さは、３０μｍ以上２００μｍ以下である、
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のウエハ保持体。
11. 本体部と腕部とを有し、
    前記本体部と前記腕部とは同一の樹脂材料による一体部品であり、
    前記本体部は、第一方向の両端に第一端部と第二端部とを有し、
    前記腕部は、前記第一方向に直交する面内において第三端部から第四端部まで延在する曲線形状の片持ち構造を有し、
    前記第三端部は前記本体部に繋がる固定端であり、前記第四端部は自由端であり、
    前記第四端部は、把持部を有し、
    前記把持部は、孔、突起または切り欠きのいずれかの形状を有し、
    前記樹脂材料は、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、四フッ化エチレン樹脂、または四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂のいずれかである、
    ウエハ保持体用の支持ピン。

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