JP4590393B2

JP4590393B2 - 基板保持体及びその製造方法

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Publication number: JP4590393B2
Application number: JP2006348395A
Authority: JP
Inventors: 正雄西岡
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: JP2008159932A

Description

本発明は、製造装置の基板保持体及びその製造方法に関する。

半導体装置や液晶装置等の電子装置の製造工程で用いられる半導体基板やガラス基板等の基板は、製造装置で処理される。例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のプラズマエッチング装置では、基板を耐蝕性の高いセラミックス製の基板保持体に載置して処理が行われる。例えば、基板は基板保持体に埋め込まれた電極により静電チャックされる。基板保持体は、処理により基板に発生する熱を奪うための冷却板に取り付けられる。

基板保持体の冷却板への取り付け方法として、接着材による貼り付けやボルト止めが採用されている(例えば、特許文献１参照。)。耐プラズマ性や電気絶縁性、コンタミネーションフリー、熱伝導性の観点から、基板保持体には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等が用いられる。

接着材による取り付けでは、接着材の熱伝導率が小さいため、熱を奪う機能が劣る。一般に、接着材として多用される有機物の熱伝導率はセラミックスの数十分の一である。そのため、接着材層が大きな熱抵抗となって、効率よく基板の温度を下げることが困難となる。また、接着材のプラズマ耐性や熱耐性が低いので、長期間の使用中に接着強度が劣化してしまう。そのため、気密性劣化や熱伝達率の面内分布等が発生し、基板保持体として使用ができなくなる恐れがある。

一方、ボルト止めによる取り付けでは、ボルトの締め付け力によりセラミックス基体にクラックが発生しやすく、取り扱いが難しい。基板保持体は、ボルト止めで取り付けられる処理室等の面との間で気密シールを取る。具体的には、静電チャック用電極の端子部等の外部との接続が必要な部分と基板保持体の基板載置面との間の気密隔離のため、基板保持体と対向面との間にＯリング等のガスケットが設けられる。このようなガスケットによって、基板保持体の取り付けの際のボルトの締め付け作業においてボルトの片当たりが生じることが多い。片当たりにより、セラミックス基体のボルトと接触している部分に局所的に力が加わり、セラミックス基体の角部が破損してしまう。また、片当たりがおこると、ヤング率の非常に高いセラミックス基体では局所的に過大な応力が発生して基板保持体が割れてしまうこともある。一旦クラックが発生すると、セラミックス基体は修復不可能で、使用できなくなる。

しかしながら、ボルト止めによる取り付け方法は、クラックの発生を防止することができるならば、セラミックス自体の強度は高いので、安定的に使用可能である。また、セラミックス基体と冷却板を直接接触させることができるので、良好な熱伝導を得ることができ熱を奪う機能は高い。また、ボルトやセラミックスには耐蝕性の高い材料を用いることができるので、プラズマ等による劣化の心配が少ない。

更に、基板保持体には気密シールの内外の気圧差で、大気圧が基板保持体に作用し、基板保持体に応力が発生する。このような応力は、外縁領域と基板の載置領域との境界部分で極大となり、セラミックス基体の強度を越えた時点で破損が生じる。したがって、強度確保のため外縁領域の厚さを薄くすることができず、信頼性に乏しいという問題がある。
特開平７−１８３２７７号公報

本発明の目的は、ボルト止めによる破損を抑制し、信頼性の高い基板保持体及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、（イ）被処理基板載置領域の外縁領域に設けられた複数の貫通孔を有するセラミックス基体と、（ロ）貫通孔のそれぞれに挿入され、ボルト穴を有する複数の円筒状金属ソケットと、（ハ）円筒状金属ソケット及び貫通孔の間に設けられ、円筒状金属ソケット及びセラミックス基体を接合する第１ロウ材と、（ニ）セラミックス基体の外周側壁に嵌めこまれた、セラミックス基体より大きな熱膨張係数を有する金属リングと、（ホ）金属リング及びセラミックス基体の外周側壁の間に設けられ、金属リング及びセラミックス基体を接合する第２ロウ材とを備え、（へ）外縁領域の表面側において円筒状金属ソケットの端部が、外縁領域の表面よりも高い基板保持体が提供される。

本発明の第２の態様によれば、（イ）第１及び第２ロウ材により円筒状金属ソケット及び金属リングとセラミックス基体とを接合するロウ付け温度が５００℃以上であり、（ロ）金属リングのロウ付け温度における内径が前記セラミックス基体のロウ付け温度における外径と第２ロウ材の厚みの和と実質的に等しい基板保持体の製造方法が提供される。

本発明によれば、ボルト止めによる破損を抑制し、信頼性の高い基板保持体及びその製造方法を提供することが可能となる。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る基板保持体１０は、図１及び図２に示すように、セラミックス基体１２と、円筒状金属ソケット２２と、金属リング２６、電極１６等を備える。セラミックス基体１２は、被処理基板を載置する載置領域１４の外縁領域２０に設けられた複数の貫通孔２８を有する。円筒状金属ソケット２２は、複数の貫通孔２８のそれぞれに挿入され、処理室に固定するためのボルト穴２４を有する。金属リング２６は、セラミックス基体１２の外周側壁に嵌めこまれる。電極１６は、載置領域１４に載置される被処理基板を静電チャックするようにセラミックス基体１２の内部に埋め込まれる。電極１６には、電極端子１８が接続される。

図３に示すように、円筒状金属ソケット２２と貫通孔２８の間に、円筒状金属ソケット２２とセラミックス基体１２とを接合する第１ロウ材３０が設けられる。また、金属リング２６とセラミックス基体１２の外周側壁との間に、金属リング２６とセラミックス基体１２とを接合する第２ロウ材３２が設けられる。セラミックス基体１２の外縁領域２０の表面側において、円筒状金属ソケット２２の端部は、外縁領域２０の表面よりも高さＨだけ高い。高さＨとしては、約０．２ｍｍ以上が望ましい。

図４に示すように、図１及び図２に示した基板保持体１０は、例えばプラズマエッチング装置の処理室４０の下部電極４２上に取り付けられる。基板保持体１０は、ボルト穴２４を通して下部電極４２に設けられたネジ穴４４にボルト６０を締めこんで取り付けられる。

基板７０が、基板保持体１０の載置領域１４に載置され、電極１６により静電チャックされる。電極１６は、電極端子１８を介して処理室４０外部の直流電源６２に接続される。下部電極４２のガスケット溝４６に設けられたＯリング等のガスケット４８により、基板保持体１０の外部に通じた裏面側に対して、処理室４０内の載置領域１４の表面側が気密シールされる。

下部電極４２の内部には、基板保持体１０の載置領域１４に載置された基板７０に発生する熱を奪うための冷却板として機能させるため、温度調整部５０が設けられる。基板７０と対向するように、上部電極５４が設けられる。上部電極５４の内部にはガス配管５８より、エッチングガス等が導入される。上部電極５４の基板７０と対向する面には、複数のガス導入孔５６が設けられる。ガス導入孔５６から処理室４０内にエッチングガスを導入し、下部電極４２に接続された高周波電源６４により基板７０表面と接地された上部電極５４との間にプラズマを励起する。

セラミックス基体１２として、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ボロン（ＢＮ）等のセラミックス材料が用いられる。セラミックス基体１２には、円筒状金属ソケット２２及び金属リング２６が、それぞれ第１及び第２ロウ材３０、３２によりロウ付けで接合される。

円筒状金属ソケット２２として、セラミックス基体１２と同程度の熱膨張係数を有する金属が望ましい。例えば、セラミックス基体１２がＡｌＮであれば、円筒状金属ソケット２２としてモリブデン(Ｍｏ)等が用いられる。セラミックス基体１２がＡｌ２Ｏ３であれば、円筒状金属ソケット２２としてチタン（Ｔｉ）等が用いられる。

金属リング２６として、セラミックス基体１２より熱膨張係数の大きく塑性変形しにくく耐蝕性の高い比較的硬質な金属を用いるのが好ましい。室温からロウ付け温度までの熱膨張率がセラミックスに対し、０．１×１０^−６〜２．２×１０^−６／Ｋ大きく、強度６００ＭＰａ以上、ヤング率８０ＧＰａ以上であることが好ましい。具体的には、セラミックス基体が窒化アルミニウムである場合、コバール、パーマロイ等の低膨張合金、モリブデンもしくはその合金が好適に用いられる。セラミックス基体がアルミナである場合にはチタン、クロム、ニッケル等の金属もしくは合金が好適に用いられる。第２ロウ材３２のロウ付け温度、例えば約５００℃以上で、金属リング２６の内径は、セラミックス基体１２の外周側壁に巻かれた第２ロウ材３２の外径と実質的に等しいことが好ましい。ロウ付け温度に加熱した金属リング２６を、ロウ付け温度以下の温度の第２ロウ材３２を巻いたセラミックス基体１２に嵌めこみロウ付けを行うと、室温では金属リング２６の熱収縮によりセラミックス基体１２に残留圧縮応力が発生する。

図４に示したように、基板保持体１０を処理室４０の下部電極４２にボルト止めする際に、ボルト６０は円筒状金属ソケット２２の上端にだけ接触し、セラミックス基体１２とは直接接触しない。したがって、セラミックス基体１２のクラックの発生を防止することができる。また、ボルト６０を締めこむと、円筒状金属ソケット２２の径方向に拡がるように力が発生する。しかし、セラミックス基体１２には金属リング２６による残留圧縮応力があるため、ボルト穴２４と金属リング２６との間の外縁領域２０でのクラックの発生が抑制される。

また、ボルト穴２４と金属リング２６との間の外縁領域２０にクラックが発生しても、金属リング２６がセラミックス基体１２の外周側壁に設けられているため、セラミックス基体１２が破損することを防止することが可能となる。なお、金属リング２６は、少なくともセラミックス基体１２の外周側壁全体を覆うように設けることが望ましい。外縁領域２０の残留圧縮応力分布を均一化して、セラミックス基体１２の強度を確保することができるからである。

第１及び第２ロウ材３０、３２として、Ａｌロウ、Ａｇロウ、Ａｕロウ等が用いられる。Ａｌロウは、ロウ付け温度が約５００℃〜約６００℃の範囲であり、取り扱いが容易である。Ａｇロウ及びＡｕロウは、それぞれロウ付け温度が約６００℃以上及び約１０００℃以上と高いため、製造工程としては不利である。しかし、金属リング２６によるセラミックス基体１２に対する圧縮応力がより高くなるので、より信頼性の高い基板保持体１０を実現することが可能となる。

次に、図１及び図２に示した基板保持体１０の製造方法を、図５及び図６を用いて説明する。

（イ）ＡｌＮ等のセラミックス粉末を加圧成形機の内部に充填して加圧成形することにより、予備成形体を製造する。予備成形体の上に金属膜を載せる。次いで、金属膜を埋め込むように予備成形体の上にＡｌＮ等のセラミックス粉末を充填して加圧成形することにより、成形体を製造する。成形体をホットプレス法等により焼成して金属膜が埋設された焼結体を得る。

（ロ）図５に示すように、焼結体の機械加工により載置領域１４及び外縁領域２０を有するセラミックス基体１２を形成する。金属膜は、載置領域１４の中に埋め込まれた電極１６となる。載置領域１４の中央部に裏面から電極１６に至る掘削孔１１８を形成する。更に、外縁領域２０に貫通孔２８を形成する。

（ハ）掘削孔１１８及び貫通孔２８の内壁面、並びにセラミックス基体１２の外周壁面に、無電界メッキにより約１μｍ〜約２μｍの厚さでニッケル（Ｎｉ）等のメッキ層を形成する。その後、図６に示すように、第１ロウ材３０を巻いたＭｏ等の円筒状金属ソケット２２を貫通孔２８に挿入する。第２ロウ材３２をセラミックス基体１２の外周側壁に巻く。また、第３ロウ材３４を巻いた金属製の電極端子１８を掘削孔１１８に挿入する。第１〜第３ロウ材３０、３２、３４として、Ａｌロウ材が用いられる。次いで、Ａｌロウ材のロウ付け温度、例えば約５００℃〜約６００℃において、セラミックス基体１２に巻かれた第２ロウ材３２の外径と実質的に等しい内径を有するコバール合金製の金属リング２６が準備される。金属リング２６を約２５０℃のオーブンで加熱して、室温のセラミックス基体１２に嵌める。

（ニ）円筒状金属ソケット２２、金属リング２６、及び電極端子１８が設けられたセラミックス基体１２を真空炉の中に載置する。例えば、真空炉を約５７０℃に昇温して約１５分加熱する。第１〜第３ロウ材３０、３２、３４が溶解して円筒状金属ソケット２２、金属リング２６、及び電極端子１８がセラミックス基体１２と接合される。このようにして、図１及び図２に示した基板保持体１０が製造される。

製造された基板保持体１０は、例えばセラミックス基体１２の外径が約３６０ｍｍ、載置領域１４の直径が約２９０ｍｍ、外縁領域２０の幅が約３５ｍｍである。貫通孔２８は、直径が約１０．１５ｍｍで、ピッチ円径（ＰＣＤ）約３３０ｍｍ上に均等に１６個設けられている。載置領域１４の厚さは約１６ｍｍで、外縁領域２０の厚さは約８ｍｍである。円筒状金属ソケット２２は、高さが約８．５ｍｍ、外径約１０ｍｍ、内径約８ｍｍである。即ち、円筒状金属ソケット２２端部は、外縁領域２０の表面より約０．５ｍｍ高い。

金属リング２６は、内径が約３６０．１ｍｍ、厚さが約１．３ｍｍである。金属リング２６をセラミックス基体１２に嵌める際に、金属リング２６は約２５０℃に加熱されている。加熱によって金属リング２６が膨張して内径が拡がる。したがって、第２ロウ材３２を巻かれたセラミックス基体１２に容易に嵌めることができる。

また、金属リング２６をセラミックス基体１２に接合するロウ付け温度において、金属リング２６とセラミックス基体１２の外周側壁の間に溶解した第２ロウ材３２が充填される。室温まで冷却されると、金属リング２６とセラミックス基体１２の熱膨張係数の違いに対応して金属リング２６の収縮量が大きいため、セラミックス基体１２に残留圧縮応力が発生する。

製造された基板保持体１０を、図７に示すように、対向フランジ１４２に取り付けてボルト止め強度の評価を行っている。対向フランジ１４２は、ステンレス鋼製で、直径が約２９０ｍｍの中心部を外縁部よりも約２ｍｍ高くしてある。基板保持体１０は、ボルト穴２４に通したＪＩＳ規格Ｍ７のボルト６０を対向フランジ１４２のネジ穴１４４に締めこんで取り付けられる。ボルト６０の締めトルクを徐々に増加させてセラミックス基体１２にクラックが発生するトルクを調べている。このような評価方法により、ボルト止め時のトルクによって、発生する応力や衝撃力、オーリング等の気密シールの内外で発生する気圧差による応力、による破壊を模擬することが可能である。

比較例として、図８に示すように、基板保持体１０と同様のセラミックス基体１２を有し、円筒状金属ソケット及び金属リングを使用しない構造の基板保持体１１０を製造している。なお、基板保持体１１０のボルト穴１２４は、内径が約８ｍｍであり、端部には面取り加工が施されている。

図７に示した基板保持体１０では、約１２０ｋｇ・ｃｍ以上の締めトルクでクラックが発生する。クラックはボルト穴２４から外周端に向かって直線的に延びている。クラックが発生しても、セラミックス基体１２が欠け落ちることはない。

一方、図８に示した基板保持体１１０の場合、約２７ｋｇ・ｃｍの締めトルクでクラックが発生している。一部のボルト穴１２４においては、セラミックス基体１２の厚さ方向にクラックが発生し、ボルト穴１２４の外周部が欠け落ちている。

このように、本発明の実施の形態に係る基板保持体１０では、ボルト止めの際にボルト６０は円筒状金属ソケット２２の上端にだけ接触し、セラミックス基体１２とは直接接触しない。したがって、セラミックス基体１２のクラックの発生を防止することができる。また、ボルト６０を締めこむと、円筒状金属ソケット２２の径方向に拡がるように力が発生する。しかし、セラミックス基体１２には金属リング２６による残留圧縮応力があるため、ボルト穴２４とセラミックス基体１２の外周端の間でのクラックの発生を抑制することが可能となる。さらには、セラミックス基体１２に印加される気圧差による応力に対し、気密を保持するに十分な締め付けトルクを掛けることを可能ならしめる。したがって、基板保持体１０を半導体製造装置等の圧力隔壁に直接使用することが可能となる。

なお、上記説明では、セラミックス基体１２の表面に対して垂直に切った断面において、貫通孔２８の内壁面及び円筒状金属ソケット２２の外周面は垂直である。しかし、段差を有する貫通孔２８を用いることも可能である。例えば、図９に示すように、貫通孔２８は、外縁領域２０の裏面側に比べて外縁領域２０の表面側で開口径が大きい。段差を有する貫通孔２８に合わせて、円筒状金属ソケット２２ａの外周面にも、外縁領域２０の裏面側に比べて外縁領域２０の表面側で直径が大きくなるような段差が付けられる。例えば、円筒状金属ソケット２２ａは、表面側の外径が約１１ｍｍ、裏面側の外径が約９ｍｍであり、内径は約８ｍｍである。

図９に示した段付き円筒状金属ソケット２２ａを用いた基板保持体に対する締めトルクを評価している。締めトルクが約１２０ｋｇ・ｃｍ以上でクラックが発生している。このように、段付き円筒状金属ソケット２２ａを用いても、セラミックス基体１２のクラックの発生を防止することができる。

また、上記の説明では、静電チャック用の電極１６がセラミックス基体１２に埋め込まれた構造を示している。しかし、セラミックス基体１２に温度調整が可能な加熱源等が埋め込まれていてもよい。あるいは、電極等が埋め込まれていないセラミックス基体だけの構造を用いてもよい。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明の実施の形態においては、基板保持体１０はプラズマエッチング装置に用いられている。しかし、基板保持体１０は、プラズマエッチング装置に限定されず、他の製造装置に用いることが可能である。例えば、ガスフローエッチング装置、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置、熱ＣＶＤ装置等の製造装置に用いてもよい。

このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る基板保持体の一例を示す図である。図１に示した基板保持体のＡ−Ａ断面を示す概略図である。本発明の実施の形態に係る基板保持体の外縁領域の一例を示す断面図である。本発明の実施の形態の説明に用いる製造装置の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その１）である。本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その２）である。本発明の実施の形態に係る基板保持体のボルト止め強度の評価の一例を示す図である。比較例による基板保持体のボルト止め強度の評価の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る基板保持体の他の例を示す図である。

符号の説明

１０…基板保持体
１２…セラミックス基体
１４…載置領域
１６…電極
２０…外縁領域
２２…円筒状金属ソケット
２４…ボルト穴
２６…金属リング
２８…貫通孔
３０…第１ロウ材
３２…第２ロウ材

Claims

被処理基板載置領域の外縁領域に設けられた複数の貫通孔を有するセラミックス基体と、
前記貫通孔のそれぞれに挿入され、ボルト穴を有する複数の円筒状金属ソケットと、
前記円筒状金属ソケット及び前記貫通孔の間に設けられ、前記円筒状金属ソケット及び前記セラミックス基体を接合する第１ロウ材と、
前記セラミックス基体の外周側壁に嵌めこまれた、前記セラミックス基体より大きな熱膨張係数を有する金属リングと、
前記金属リング及び前記セラミックス基体の外周側壁の間に設けられ、前記金属リング及び前記セラミックス基体を接合する第２ロウ材とを備え、
前記外縁領域の表面側において前記円筒状金属ソケットの端部が、前記外縁領域の表面よりも高いことを特徴とする基板保持体。
前記貫通孔が、段差を有し、前記外縁領域の裏面側に比べ、前記表面側で開口径が大きいことを特徴とする請求項１に記載の基板保持体。
前記セラミックス基体の内部に前記被処理基板を静電チャックするための電極を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の基板保持体。
前記第１及び第２ロウ材により前記円筒状金属ソケット及び前記金属リングと前記セラミックス基体とを接合するロウ付け温度が５００℃以上であり、前記ロウ付け温度において、前記金属リングの内径が前記セラミックス基体の外周側壁に巻かれた前記第２ロウ材の外径と実質的に等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板保持体の製造方法。