JP6027140B2

JP6027140B2 - 試料保持具

Info

Publication number: JP6027140B2
Application number: JP2014553220A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　政宏; 政宏佐藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: JPWO2014098224A1; WO2014098224A1

Description

本発明は、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用いられる、半導体ウエハ等の各試料を保持するための試料保持具に関するものである。

半導体集積回路の製造に用いられるシリコンウエハを始めとする半導体ウエハまたは液晶表示装置の製造に用いられるガラス基板等の板状の試料は、それらの製造工程において製造装置または検査装置の支持台の上に保持されて、加工処理または検査等が行なわれる。製造工程では、複数の製造装置および検査装置を使用することが一般的であり、シリコンウエハ等の試料を支持台に保持するための手段は、製造工程中の製造装置および検査装置の種類ならびに次の装置にまで搬送するための搬送装置の種類に応じて様々な形態のものが提案されている。

半導体集積回路を例にとると、半導体集積回路の微細化および高密度化の要求は、近年さらに高まっている。これに伴って、試料保持具は、試料を保持する面における均熱性がさらに求められている。

特開平３−１０８７３７号公報（以下、特許文献１という）には、試料保持具として複数のセラミック層からなる静電チャックが開示されており、この静電チャックには、中間のセラミック層に冷媒を流すための流路が形成されている。これによって、各部における加熱と冷却とのバランスを調整することで、静電チャックの表面における均熱性を高めることができる。

しかしながら、特許文献１に開示された静電チャックのように、基体がセラミック層の積層体で構成される場合には、流路に冷媒等の熱媒体を流したときに、熱媒体との接触によってセラミック層が劣化することがあり、そのために流路の内表面が熱媒体によって磨耗する場合があった。そして、この磨耗によって生じた粉末が流路の内部に堆積することによって、部分的に熱媒体と基体との間の熱伝導が低下する場合があった。その結果、静電チャックの表面において均熱性が低下してしまう場合があった。

本発明の一態様の試料保持具は、セラミックスからなり上面に試料保持面を有するとともに内部に熱媒体の流路を有する基体と、前記流路の内表面を被覆している被覆膜とを具備しており、該被覆膜は、前記基体のセラミックスよりも硬度が高いセラミックスからなる。

本発明の実施形態の一例である試料保持具の外観を示す図である。試料保持具の内部の流路の配置を平面的に示す模式図である。図２に示した試料保持具のＡ−Ａ’断面の断面図である。図３に示した断面図における１つの流路断面を拡大した部分拡大断面図である。本発明の他の実施形態である試料保持具の１つの流路断面を拡大した部分拡大断面図である。

図１は、本発明の実施形態の一例である試料保持具１の外観を示す図である。図１（ａ）は、試料保持具１の斜視図であり、図１（ｂ）は、試料保持具１の平面図である。

試料保持具１は、主面（ここでは上面）に試料保持面１０ａを有するとともに内部に流路１１を有する基体１０と電極層２０と流路１１の内表面を被覆している被覆膜３０とを有する。試料保持具１は、基体１０に設けられた電極層２０に電圧を印加することによって、例えば、シリコンウエハ等の試料を静電気力によって基体１０の試料保持面１０ａに保持するようにして用いられる。

本実施形態では、基体１０は、セラミック層が複数積層された積層体からなる。基体１０の内部には、熱媒体を流すための流路１１が設けられている。この試料保持具１は、流路１１に熱媒体を流すことにより、試料保持面１０ａに保持した試料を加熱、冷却または保温することができる。流路１１に流す熱媒体としては、基体１０の流路１１から試料保持面１０ａとなる一方主面までのセラミック層と電極層２０とを介して保持した試料と熱交換可能な物質であれば、どのような熱媒体を用いてもよい。このような熱媒体としては、各種の流体、例えば温水、冷水またはスチーム等の水系媒体、エチレングリコール等の有機系媒体、あるいは空気を含む気体等を用いることができる。

流路１１は、図１（ａ）に示すように、基体１０の端面に、外部空間に開口する開口部１１ａを有している。また、図１（ａ）には図示していないが、開口部１１ａの反対側の端面にも外部空間に通じる開口部を有している。流路１１内を流れる熱媒体は、例えば、供給口となる開口部１１ａから流路１１へと流入し、開口部１１ａの反対側の開口部から排出される。試料保持具１を半導体の製造装置または検査装置等に用いる場合は、熱媒体を供給するための供給装置から延びる供給管を開口部１１ａに接続し、供給装置から所定の流量、流速で流路１１内に熱媒体を供給する。開口部１１ａと反対側の排出口には、排管を接続し、流路１１を流れて試料と熱交換を行なった熱媒体を流路１１から排出する。または、排出口に戻り管を接続し、流路１１を流れて試料と熱交換を行なった熱媒体を流路１１から排出するとともに、供給装置に戻して熱媒体を循環させるようにしてもよい。

図２は、基体１０の内部における流路１１の配置を平面的に示す模式図である。流路１１を流れる熱媒体が試料保持面１０ａに保持される試料と効率よく熱交換するためには、流路１１が試料保持面１０ａに対応して広範囲に形成されていることが好ましい。また、試料保持面１０ａの全体にわたる均熱性の観点からも、流路１１は広範囲に形成されていることが重要である。そこで、本実施形態の試料保持具１においては、図２に示すように、開口部１１ａから開口部１１ａの反対側に位置する開口部１１ｂまでの流路１１が試料保持面１０ａの全体に行き渡るように蛇行形状となっている。このように流路１１を配置しておいて、流路１１の幅を大きくしたり、流路１１を蛇行させるときの湾曲部の曲率半径を小さくしたりすることで、保持される試料との熱交換をより効率的に行なうことができる。なお、蛇行させた場合の直線部分と直線部分との間の折返し部分の距離を短くし過ぎると、流路１１の側壁となる部分が細くなり、機械的強度が低下するので、強度を考慮しつつ流路１１を形成することが好ましい。

図２に示す例では流路１１を蛇行形状としているが、流路の配置形状はこれに限られない。例えば、流路１１は渦巻き状であってもよく、また、複数の同心円とこの円同士を繋ぐ径方向に延びる直線とを組み合わせた形状等であってもよい。

流路１１を基体１０の主面に垂直な断面で見たときの形状は、四角形状または円形状等にすることができる。特に、製造のしやすさからは四角形状が好ましい。

基体１０は、例えば、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウム等を主成分とするセラミックス（セラミック焼結体）からなる。これらの中でも特に、基体１０は、窒化アルミニウム質焼結体からなることが好ましい。窒化アルミニウム質焼結体は、他のセラミック材料に比べて熱伝導率が高い。具体的には、窒化アルミニウム質焼結体は、室温における熱伝導率を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすることができる。そのため、保持した試料に局所的に熱が加わった場合でも試料の熱を基体１０によって伝導させて放熱させることができるので、熱膨張に伴う試料の歪みが生じにくい。これによって、半導体製造工程のうち、露光工程において、発熱による試料の歪みに起因する露光精度の劣化を低減することができる。

なお、室温における熱伝導率とは、測定雰囲気温度を２２℃から２４℃の室温の範囲内として測定した熱伝導率の値であり、この温度範囲内のうちいずれかの設定温度で測定した熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを示す。さらに、窒化アルミニウム質焼結体は、室温を超える環境においても、熱伝導率を高い値で維持することができる。具体的には、例えば６００℃以上での雰囲気温度における熱伝導率を、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすることができる。

この窒化アルミニウム質焼結体は、平均結晶粒径が３〜１０μｍの範囲内であることが好ましい。平均結晶粒径が３μｍ以上であると、窒化アルミニウム質焼結体中の結晶粒子が比較的十分に充填され、焼結体の機械的特性が比較的良好になる。また、平均結晶粒径が１０μｍ以下のサイズの結晶とすることで、結晶間に存在するボイドの残留を少なくすることができる。したがって、平均結晶粒径は３〜１０μｍの範囲が好ましい。より好ましい平均結晶粒径の範囲は３〜７μｍである。

図１に戻って、電極層２０は、基体１０の内部に設けられ、１つまたは２つの分離された電極２１と電極２２とから構成される。電極層２０は、静電吸着のために設けられている。電極２１および電極２２は、一方が電源の正極に接続され、他方が負極に接続される。一例として、正極に接続される側の電極を電極２１（以下では「正電極２１」という）とし、負極に接続される側の電極を電極２２（以下では「負電極２２」という）とする。なお、電極層２０は、電極２１が負極に接続され、電極２２が正極に接続されていてもよい。

正電極２１および負電極２２は、それぞれ略半円板状に形成され、半円の弦同士が対向するように、基体１０の内部に配置される。正電極２１および負電極２２の２つの電極が合わさって、電極層２０全体の外形が略円形状を成す。この電極層２０全体の外形が成す略円形の中心は、基体１０の外形が成す円の中心と同一に設定される。

正電極２１および負電極２２には、それぞれ外部電源と電気的に接続するための接続端子２１ａおよび接続端子２２ａが設けられる。本実施形態では、正電極２１および負電極２２のいずれも、円弧と弦とが交差する部分に弦に沿って延びるように接続端子２１ａおよび接続端子２２ａが設けられている。正電極２１に設けられた接続端子２１ａと、負電極２２に設けられた接続端子２２ａとは、正電極２１の半円の弦および負電極２２の半円の弦同士の間隔と同じ間隔を空けて隣り合うように設けられるとともに、これらの半円の弦の延長線に沿って基体１０の外周面にまで延びている。また、接続端子２１ａおよび接続端子２２ａは、基体１０の端面にその一部が露出するように設けられる。正電極２１および負電極２２は、この接続端子２１ａおよび接続端子２２ａが露出した部分を介して外部電源と接続される。

電極層２０は、例えばタングステンまたはモリブデン等の導電性材料からなる。電極層２０は、これら導電性材料を含むペーストのスクリーン印刷等によって、基体１０のセラミック層の層間に位置するように形成される。本実施形態の電極層２０の厚みは、例えば１〜１００μｍ程度である。

図３は、図２に示す切断面線Ａ−Ａ’における試料保持具１の断面図である。図４は、図３に示す断面図における１つの流路１１の断面を拡大した部分拡大断面図である。基体１０は、４つのセラミック層１２，１３，１４，１５を積層した積層体からなり、内部に電極層２０が設けられている。本実施形態では、電極層２０は流路１１よりも試料を保持する一方主面（試料保持面１０ａ）側に設けられる。

以下では、最外層のセラミック層１５を最外層１５、最外層１５との間に電極層２０が設けられるセラミック層１２を上層１２、上層１２とはセラミック層１３を挟んで反対側に設けられるセラミック層１４を下層１４、上層１２と下層１４とに挟持されるセラミック層１３を中間層１３という。これら各層の名称は説明をわかり易くするために便宜上付したものであって、必ずしも上層１２が鉛直方向上側に位置するものではなく、下層１４が鉛直方向下側に位置するものではない。また、図２で示したように、熱媒体は供給口となる開口１１ａから排出口となる開口１１ｂまで流れるので、図３および図４において、熱媒体の流れる方向は紙面に垂直な方向となる。

ここで、試料保持具１は、流路１１の内表面の一部または全面を被覆している被覆膜３０を具備している。被覆膜３０は、基体１０のセラミックスよりも硬度が高いセラミックスからなる。

流路１１の内表面が硬度の高いセラミックスで被覆されていることによって、流路１１を流れる熱媒体によって基体１０が磨耗されにくくなる。これにより、流路１１の内部に基体１０の摩耗に起因して堆積する粉末の量を減らすことができる。そのため、部分的に熱媒体と基体１０との間の熱伝導が低下する可能性を低減できる。その結果、試料保持具１の表面すなわち試料保持面１０ａにおける均熱性の低下を抑制できる。

硬度は、以下の方法で確認することができる。具体的には、硬度を測定したい部分の表面をダイヤモンドペーストを用いて研磨する。その後、硬度計を用いて硬度を測定する。硬度計としては、例えば、明石製作所製硬度計（ＭＶＫ−Ｈ３）を用いることができる。この硬度計を用いることで、硬度としてビッカース硬さを測定することができる。

基体１０を構成するセラミックスは、流路１１に流れる熱媒体に対して安定なセラミックスであることが好ましい。これにより、熱媒体との化学反応による腐食を抑制することができる。その結果、腐食粉の堆積による試料保持面１０ａの均熱性の劣化を低減することができる。

また、被覆膜３０に用いられるセラミックスは、導電性のセラミックスであることが好ましい。この場合には、被覆膜３０を外部の接地電位となる部材に電気的に接続することによって、熱媒体のイオン化を抑制することができる。具体的には、電極層２０に電圧を加えると、電極層２０の周辺に電界が生じる。このとき、流路１１の周辺にも電界が生じる。この電界が、流路１１を流れる熱媒体を電気分解させる場合がある。例えば、熱媒体が水である場合には、熱媒体が水酸化イオンおよび水素イオンならびに酸素に電気分解する。この電気分解によって生じた酸素が被覆膜３０を腐食させる場合がある。そこで、被覆膜３０を導電性のセラミックスで形成するとともに、被覆膜３０を外部の接地電位となる部材に接続しておくことによって、被覆膜３０を電界に対するシールドとして機能させることができる。これにより、電極層２０に電圧を加えることによって生じる電界が、流路１１を流れる熱媒体におよぼす影響を低減することができる。そのため、熱媒体が電気分解する可能性を低減できるので、被覆膜３０が腐食する可能性を低減できる。その結果、被覆膜３０の腐食に起因する腐食粉の堆積による試料保持面１０ａの均熱性の劣化を低減することができる。

具体的には、基体１０に窒化アルミニウム（硬度１４ＧＰａ）が用いられる場合には、被覆膜３０に用いられるセラミックスは炭化タングステン（硬度１８ＧＰａ）であることが好ましい。炭化タングステンは硬度が高く、導電性を有することから、上述の効果を得ることができる。これに加え、硬度が高い炭化タングステンを硬度の低い窒化アルミニウムと組み合わせることにより、被覆膜３０と基体１０との界面で振動を吸収しやすくなることから、流路１１に熱媒体を流すことによって発生する脈動を抑制することができる。

さらに、被覆膜３０に炭化タングステンを用いた場合には、炭化タングステンが焼結助剤を含むことが好ましい。これにより、基体１０と被覆膜３０との密着性を高めることができる。焼結助剤が炭化タングステン自体の緻密化を促進するとともに、一部が母材に拡散することにより、界面の結合が強化されるためである。

また、炭化タングステンが焼結助剤として、IIIａ族化合物を含むことによって、炭化タングステンの緻密化を促進することができる。その結果、被覆膜３０の表面のボイドの発生を抑制できる。これにより、被覆膜３０が磨耗する可能性をさらに抑制できる。

さらに、炭化タングステンが焼結助剤としてIIIａ族化合物を含むことにより、炭化タングステンの緻密化を促進できることから、炭化タングステンの水との反応性を低下させることができる。これにより、熱媒体として冷却水を用いた場合において、被覆膜３０が腐食してしまう可能性を低減できる。IIIａ族化合物としては、例えば、酸化エルビウム、酸化イットリビウムまたは酸化セリウム等が挙げられる。

被覆膜３０は、流路１１の内表面を被覆するものであれば、その形状は特に限定されない。被覆膜３０の厚みは１μｍから１００μｍ程度が好ましい。厚みが１μｍ以上であることによって、長期間の使用によっても基体１０が露出する可能性を抑制できる。また、厚みが１００μｍ以下であることによって、被覆膜３０と基体１０との界面で振動を吸収しやすくなる。そのため、上述した脈動の発生を抑制する効果を良好に発揮することができる。

硬度が高く、熱媒体に対して安定で、導電性のあるセラミックスとしては、例えば、タングステン、モリブデン、チタン、ニオブまたはタンタル等の高融点金属の炭化物、窒化物またはホウ化物等が好ましい。これらのセラミックスのように硬度が１４ＧＰａ以上、電気伝導率が１００×１０^４／Ωｍ以上のセラミックスを被覆膜３０として用いることが好ましい。

ここで、流路１１の内表面を被覆する被覆膜３０を説明するために、基体１０の製造方法について簡単に述べる。

本実施形態の基体１０は、前述のように最外層１５、上層１２、中間層１３および下層１４の４層が積層された積層体である。基体１０は、所定の形状に予め成形した４枚のグリーンシートを、最外層１５となるグリーンシートと上層１２となるグリーンシートとの間に電極層２０となる金属ペーストを塗布して積層し、焼成することによって得ることができる。焼成後に最外層１５、上層１２および下層１４となるグリーンシートは、同一の円板形状であり、焼成後に中間層１３となるグリーンシートは、外形が最外層１５、上層１２および下層１４となるグリーンシートと同一の円形状である。さらに、中間層１３となるグリーンシートは、流路１１に対応した形状に形成され、上下方向に貫通した切欠きが設けられている。

これら４枚のグリーンシートを積層すると、上層１２となるグリーンシートにおける中間層１３に接する側の表面のうち、中間層１３となるグリーンシートに設けられた切欠きに臨む面１２１と、下層１４となるグリーンシートにおける中間層１３に接する側の表面のうち、中間層１３となるグリーンシートに設けられた切欠きに臨む面１４１と、中間層１３となるグリーンシートにおける切欠きの内側面１３１とが、焼成後に流路１１の内表面となる。ここで、内表面の大きさおよび形状は特に限定されず、流路１１に流す熱媒体の量や、必要な冷却速度等によって決められる。

被覆膜３０を形成するには、グリーンシートを作製する場合と同様に、有機系バインダーとセラミック粒子と添加剤等とを混合してスラリーを作製し、このスラリーを、例えば、グリーンシートを積層する工程よりも前の工程、または積層する工程中に、被覆膜３０を設けたい箇所に印刷または浸漬等によって部分的に塗布しておき、積層したグリーンシートと一緒に焼成すればよい。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図５は、本発明の他の実施形態である試料保持具１Ａの１つの流路断面を拡大した部分拡大断面図である。本実施形態の試料保持具１Ａは、図１〜図４で示した上記の実施形態の試料保持具１と比較して、被覆膜３０Ａの構成が異なるだけであるので、図１に相当する全体図、図２に相当する流路１１の配置図、図３に相当する全体の断面図等は省略し、本実施形態の被覆膜３０Ａの構成が最も表れる図４に相当する流路１１の拡大断面図を用いて本実施形態を説明する。

図５に示す例では、上層１２における中間層１３と接する側の表面の全面に被覆膜３０Ａが設けられている。また、下層１４における中間層１３と接する側の表面の全面に被覆膜３０Ａが設けられている。これにより、仮に流路１１を流れる熱媒体が上層１２と中間層１３との間または中間層１３と下層１４との間に浸み出したとしても、その部分に硬度が高い被覆膜３０Ａがあることによって、基体１０の内部に流路１１を中心とした剥がれが生じる可能性を抑制できる。

さらに、被覆膜３０Ａが基体１０の外部に引き出されているとともに、被覆膜３０Ａのセラミックスが導電性であることが好ましい。この場合には、被覆膜３０Ａを外部の接地電位となる部材と容易に電気的に接続させることができる。これにより、被覆膜３０Ａも接地電位とすることができる。その結果、電極層２０に電圧を加えた際に、流路１１に流れる熱媒体に電圧が印加されたとしても、熱媒体がイオン化することを抑制できる。そのため、被覆膜３０Ａおよび基体１０が腐食する可能性を低減できる。これにより、被覆膜３０Ａおよび流路１１の内表面が摩耗する可能性をさらに低減できる。

以下では、図５に示した試料保持具１Ａの製造方法の一例について説明する。

出発原料として、アルミナ還元窒化法によって製造された平均粒径１．５μｍ、酸素含有量０．８％、炭素含有量３００ｐｐｍの窒化アルミニウム粉末を用いる。そして、この窒化アルミニウム粉末に対して焼結助剤を加えずに、有機系のバインダーと溶剤を混ぜて混合した後、６０℃で乾燥させて造粒粉を製作する。

次に、この造粒粉を型内に充填して、９８ＭＰａの成形圧にて厚み１ｍｍの円板状の成形体１枚と３ｍｍの円板状の成形体３枚とを成形する。しかる後、中間層１３となる３ｍｍ厚の１枚の成形体に対して切削加工にて切欠きを形成する。切削加工していない成形体のうち３ｍｍ厚の２枚の主面それぞれに有機系のバインダーと炭化タングステン粉末とを混ぜたペーストをスクリーン印刷法にて厚み１０μｍで塗布する。次に、切欠きを形成した成形体を、この炭化タングステンペーストを塗布した面に配置する。出来上がった溝部の側面には同じ炭化タングステンペーストを塗布する。さらに、もう１枚の炭化タングステンペーストを塗布した成形体を、ペーストを塗布した面が溝加工した成形体と接触するように配置する。出来上がった積層体は、９８ＭＰａの成形圧でプレス成形して密着させる。さらに、密着させた成形体の一方主面に上記タングステン粉末のペーストをスクリーン印刷することによって電極層２０を形成する。その上に１ｍｍ厚の円板成形体を配置し、９８ＭＰａの成形圧でプレス成形して密着させる。

次に、窒素雰囲気中で脱脂し、次いで１９００℃で２時間かけて焼成して、半径５０ｍｍ、厚み８ｍｍの円板状の焼結体（窒化アルミニウム質焼結体からなる基体）を作製することで、内部に電極層２０および流路１１を有し、流路１１の内表面に被覆膜３０Ａが設けられた基体１０を得ることができる。

上記では、基体１０内部の流路１１よりも一方主面側に電極層２０を設ける構成について説明したが、これに限らず、基体１０内部の流路１１よりも他方主面側にもさらに電極層を設ける構成であってもよい。また、試料保持具１，１Ａの外形を円板状としたが、これに限らず、十分な保持力で試料を保持することができれば、矩形板状であってもよく、その他の多角形板状であってもよい。また、中間層１３については複数層からなる構成でもよいことを説明したが、上層１２、下層１４および最外層１３も中間層１３と同様に複数層からなる構成であってもよい。

上記では、本発明の実施形態として電極層２０を有する試料保持具１、いわゆる静電チャックについて説明したが、これに限られない。具体的には、電極層２０を設けず、真空吸着による真空チャックにも本発明を適用することができる。真空チャックに適用する態様では、流路１１以外に他の流路を基体１０の内部に設けるとともに、基体１０の一方主面に臨んで開口するとともに、他の流路に繋がる吸着孔を複数設け、他の流路を真空ポンプに接続して他の流路を真空状態とすればよい。流路１１は、試料保持具１，１Ａの態様と同様に、試料保持面１０ａに真空吸着保持される試料を冷却または加熱するために、試料と熱交換する熱媒体を流すように構成される。

１，１Ａ試料保持具
１０基体
１０ａ試料保持面
１１流路
１１ａ，１１ｂ開口部
１２上層
１３中間層
１４下層
１５最上層
２０電極層
２１正電極
２２負電極
３０，３０Ａ被覆膜

Claims

セラミックスからなり上面に試料保持面を有するとともに内部に熱媒体の流路を有する基体と、前記流路の内表面を被覆している被覆膜とを具備しており、該被覆膜は、前記基体のセラミックスよりも硬度が高いセラミックスからなる試料保持具。
前記被覆膜は、前記基体のセラミックスよりも前記熱媒体に対して安定なセラミックスからなる請求項１記載の試料保持具。
前記被覆膜が導電性のセラミックスからなる請求項１記載の試料保持具。
前記被覆膜は、前記流路の全面にある請求項１乃至３のいずれかに記載の試料保持具。
前記基体は、内部に設けられた静電吸着用の電極をさらに有する請求項１乃至３のいずれかに記載の試料保持具。
前記基体のセラミックスは窒化アルミニウムからなり、前記被覆膜のセラミックスは炭化タングステンからなる請求項１乃至５のいずれかに記載の試料保持具。
前記炭化タングステンは焼結助剤を含んでなる請求項６記載の試料保持具。
前記焼結助剤はIIIａ族化合物である請求項７記載の試料保持具。