JP6105746B2

JP6105746B2 - 試料保持具

Info

Publication number: JP6105746B2
Application number: JP2015547779A
Authority: JP
Inventors: 義浩芦原; 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: WO2015072496A1; JPWO2015072496A1

Description

本発明は、半導体集積回路の製造工程や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際に用いられる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や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。

ここで、シリコンウエハ表面に成膜等の処理をする装置（以下、試料処理装置という）に使用される試料保持具を例にとる。試料処理装置は、下側に開口する貫通孔を有する筺体と筺体の内部に設けられた試料保持具とを有する。試料保持具は、上面に試料保持面を有するセラミック体とセラミック体の下面に設けられた金属部材とを備えている。

セラミック体の内部には、発熱抵抗体または静電吸着用の電極等が設けられており、これらに接続された配線がセラミック体の下面から筺体の貫通孔を通って外部に引き出されている。

金属部材は、筒状の部材であって、その内側で筺体の貫通孔を囲むように配置されるとともに、試料保持面が露出する空間を筺体およびセラミック体と共に封止している。

特開２０００−２１９５７８号公報（以下、特許文献１という）には、このような試料保持具が開示されており、特に金属部材が筒部と鍔部とを有する構成が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の試料保持具においては、ヒートサイクル下においてセラミック体と金属部材との間にセラミック体と金属部材との熱膨張率の違いに起因する熱応力が発生する場合があった。そのため、セラミック体にクラックが入ったりする場合があった。その結果、ヒートサイクル下における試料保持具の長期信頼性を向上させることが困難であるという問題点があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミック体と金属部材との間に生じる熱応力による影響をさらに低減することができる試料保持具を提供することにある。

本発明の一態様の試料保持具は、上面と下面とを有し、前記上面に試料保持面を有するセラミック体と、該セラミック体の前記下面に接合された鍔部および該鍔部の内周から下
方に向かって内周面の間隔が次第に狭くなっている部分を含む筒部を有する金属部材とを備えており、前記狭くなっている部分の前記内周面と前記セラミック体の前記下面との間に隙間があり、前記鍔部の厚みが、前記筒部の厚みよりも小さい。

本発明の一実施形態の試料保持具およびこれを用いた試料処理装置の断面図である。図１に示す試料保持具の斜視図である。図１に示す試料保持具の部分拡大断面図である。試料保持具の変形例を示す部分拡大断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る試料保持具１およびこれを用いた試料処理装置１０について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る試料保持具１およびこれを備える試料処理装置１０を示す断面図である。図１に示すように、試料処理装置１０は、筺体２と、筺体２の内部に設けられた試料保持具１とを備えている。試料処理装置１０は、例えば、半導体製造装置として用いられる。この場合には、筺体２はいわゆるチャンバーとして用いられ、試料保持具１には、例えば、シリコンウエハ等が保持される。

筺体２は、下側に開口する貫通孔２０を有しており、この貫通孔２０を囲うように試料保持具１が取り付けられている。具体的には、試料保持具１は、試料保持面３０を有するセラミック体３と、セラミック体３の下側に設けられた金属部材４とを備えており、この金属部材４が筺体２の貫通孔２０を囲んでいる。金属部材４は、筺体２に接合されるとともに、セラミック体３の試料保持面３０が露出する筺体２内の空間を筺体２およびセラミック体３と共に封止している。

セラミック体３は、試料を保持するための部材である。図１および図２に示すように、セラミック体３は、例えば、円板状の部材である。セラミック体３は、上面に試料保持面３０を有する。なお、図２および図３においては、上下方向を反転させて示している。つまり、図２および図３における上方が図１における下方である。なお、ここでいう「上方」および「下方」とは説明の都合上定めた方向であることから、試料処理装置１０の仕様に応じて試料保持面３０を上方以外の方向（例えば、下方または側方等）に向けて試料保持具１を使用することに関しては何ら問題ない。

セラミック体３は、例えば、窒化アルミニウム等のセラミック材料から成る。セラミック体３は、例えば、複数のグリーンシートを積層して、これをホットプレス法等で焼成することによって得ることができる。また、必要に応じて、セラミック体３の内部に、静電吸着用の電極またはヒータ用の電極等が設けられていてもよい。このような構成にするためには、上述した焼成前の複数のグリーンシートのうち所望のグリーンシートにスクリーン印刷法等を用いて、焼成後に電極と成るパターンを印刷しておけばよい。セラミック体３の寸法は、試料保持面３０に保持される試料の大きさに応じて設定される。セラミック体３の寸法は、例えば、上面の直径を３０〜５００ｍｍ程度に、厚みを５〜２５ｍｍ程度に設定できる。

金属部材４は、セラミック体３を保持するための部材である。図１および図２に示すように、金属部材４は、鍔部４１および鍔部４１から下方に向かう筒部４２を有する。鍔部４１と筒部４２とは、一体的に形成することができる。鍔部４１と筒部４２とは、例えば、絞り加工または切削加工等によって形成することができる。金属部材４は、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ等の耐熱性および生産性に優れた金属材料から成る。

鍔部４１は、セラミック体３の下面に接合される部位である。鍔部４１は、円環状の部位であって、セラミック体３の下面に設けられている。鍔部４１は、上面がセラミック体３の下面に対向している。鍔部４１の寸法は、例えば、内径を２０〜４５０ｍｍ程度に、円環の幅を２〜１５ｍｍ程度に設定できる。なお、鍔部４１の内径は、セラミック体３の下面に配置される各種の端子（図示せず）の配置および試料処理装置１０の内部にガスを導入するためにセラミック体３に設けられるガス供給孔（図示せず）等の配置等を踏まえて設定される。また、鍔部４１の円環の幅は、セラミック体３と金属部材４との接合強度を十分に確保できるように設定される。

図３に示すように、鍔部４１とセラミック体３とはろう材５によって接合されている。ろう材５は、筒部４２の内周面側および鍔部４１の外周側でそれぞれメニスカス状に設けられており、筒部４２の内周面側で大きなメニスカス状になっている。ろう材５としては、例えば、銀ろうを用いることができる。鍔部４１とセラミック体３との接合を良好に行なうために、セラミック体３の下面には、メタライズ層６が設けられている。メタライズ層６は、鍔部４１の形状に対応して設けられている。具体的には、円環状の鍔部４１に対応するように、メタライズ層６も円環状である。メタライズ層６としては、例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金等を用いることができる。

鍔部４１の下面には、セラミックリング７が設けられていてもよい。セラミックリング７は、鍔部４１の全周に沿った円環状の部材である。セラミックリング７とセラミック体３とによって鍔部４１を挟むことによって、より強固に鍔部４１を固定することができる。さらに、セラミックリング７は、セラミック体３と同じセラミック材料から成ることが好ましい。これにより、セラミックリング７とセラミック体３との熱膨張率を近づけることができるので、両者に挟まれた鍔部４１のヒートサイクル下における変形を低減することができる。セラミックリング７と鍔部４１との固定は、セラミック体３と鍔部４１とを固定する場合と同様に、ろう材５による接合を用いることができる。セラミックリング７と鍔部４１との接合を良好に行なうために、セラミックリング７の上面（セラミック体３側の面）には、セラミック体３の下面にメタライズ層６を設ける場合と同様にメタライズ層が設けられていることが好ましい。

また、鍔部４１は、上面の表面粗さよりも下面の表面粗さを大きくしておくことが好ましい。このように、上面の表面粗さを小さくしておくことによって、鍔部４１とセラミック体３とを水平に接合しやすくできる。そして、下面の表面粗さを大きくしておくことによって、鍔部４１とセラミックリング７とのろう材５による接合を強固に行なうことができる。鍔部４１の上面の表面粗さは、例えば、算術平均粗さＲａで０．１μｍ〜２．０μｍに設定できる。鍔部４１の下面の表面粗さは、例えば、例えば、算術平均粗さＲａで０．５μｍ〜５μｍに設定できる。表面粗さの調整は、例えば、研磨によって行なうことができる。

また、セラミックリング７の外周側の端部は、鍔部４１の外周側の端部よりも、外周側にあることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において応力が集中しやすい鍔部４１の外周側の端部をセラミックリング７とセラミック体３とで挟みこむことができるので、鍔部４１に生じる変形をさらに低減できる。

筒部４２は、筺体２の内部においてセラミック体３を支えるための筒状の部位である。図３に示すように、筒部４２は、内径が鍔部４１の内周から下方に向かって内周面の間隔が次第に狭くなっている部分を含む。筒部４２の上端は、円環状の鍔部４１の内側と連続している。すなわち、筒部４２は円筒状である。筒部４２の下端は、例えば、試料処理装置１０における筺体２の内側底面に接合される。すなわち、金属部材４は、鍔部４１の上面がセラミック体３の下面に接合されるとともに、筒部４２の下方の部位が筺体２に接合されて用いられる。

なお、ここでいう内周面の間隔とは、例えば、筒部４２の横断面の形状が円形状の場合には、対応する円の直径を内周面の間隔として見なすことができる。また、筒部４２の断面の形状が多角形状の場合には、角と角とを結ぶ対角線の中で最も長い対角線の長さを間隔として見なすことができる。また、筒部４２の断面の形状が三角形状である場合には、角と角に対向する辺に対して下した垂線のうち、最も長い垂線の長さを間隔として見なすことができる。

本実施形態の試料保持具１は、筒部４２の内周面の間隔が下方に向かって次第に狭くなる形状である。そして、狭くなっている部分の内周面とセラミック体３の下面との間に隙間４３がある。例えば、図３においては、筒部４２のうち狭くなっている部分の一部にろう材５が這い上がっているが、狭くなっている部分の全体にはろう材５は這い上がっていない。すなわち、筒部４２のうち狭くなっている部分の内周面のうちの途中にまでろう材５が設けられている場合、狭くなっている部分の内周面のうちろう材５が設けられていない残りの領域とセラミック体３の下面との間に隙間４３が設けられている。このように、狭くなっている部分とセラミック体３との間に隙間４３が形成されていることによって、筒部４２が上下方向の力に対して撓みやすくなっている。そのため、筒部４２を弾性変形しやすくすることができる。そのため、セラミック体３と金属部材４との間に熱応力が生じたとしても、筒部４２を弾性変形させることによって、熱応力を吸収することができる。その結果、ヒートサイクル下における試料保持具１の長期信頼性を向上させることができる。

特に、上下方向で見たときに、筒部４２の全体の５０％以上が次第に狭くなっている部分であることが好ましい。これにより、より効果的に熱応力を吸収できる。さらに、筒部４２の次第に狭くなっている部分のうち５０％以上の領域が、ろう材５に接していないことが好ましい。これにより、隙間４３を広く確保することができるので、より効果的に筒部４２を弾性変形させることができる。

なお、ここでいう「次第に狭くなっている」とは、例えば、セラミック体３の下面に垂直な仮想線に対する筒部４２の内周面の傾斜角が２°以上になるように、筒部４２の内周面が傾斜している状態を意味している。この場合には、筒部４２の内周面のうち傾斜角が８０°以下の領域とセラミック体３の下面との間であって、ろう材５が設けられていない領域を隙間４３として見なすことができる。

筒部４２の内周面の間隔は急激に狭くする必要はなく、例えば、鍔部４１の内径が４５０ｍｍの場合には、筒部４２の下端の内径は４４５ｍｍ程度に設定できる。また、筒部４２の長さは１０〜４０ｍｍ程度に設定できる。

さらに、本実施形態の試料保持具１は、筒部４２の内周面のセラミック体３の下面に垂直な仮想線に対する傾斜角が、下方に向かうにつれて小さくなっている。これにより、筒部４２のうち下側の領域を、セラミック体３の下面に垂直な方向に沿わせることができる。これにより、筒部４２の上下方向の力に対する剛性を高くすることができる。その結果、試料保持具１の外部から上下方向の振動が伝わってきたとしても、この振動を小さく抑えることができる。傾斜角としては、例えば、筒部４２の上端においては８０°程度、下端においては２°程度に設定することができる。

また、筒部４２は、内周面が間隔が次第に狭くなっているのと対応するように、外周面の間隔も次第に狭くなっている。内周面の間隔が狭くなっているだけではなく、外周面においても間隔が狭くなっていることによって、筒部４２をより効果的に弾性変形させやすくすることができる。

さらに、本実施形態の試料保持具１は、筒部４２の厚みがセラミック体３側（上側）の端部において反対側（下側）の端部よりも薄くなっている。このように、筒部４２のセラミック体３側を薄くすることによって、筒部４２を弾性変形しやすくすることができるので、鍔部４１とセラミック体３との間に生じた熱応力を筒部４２のセラミック体３側（上側）で吸収することができるとともに、筒部４２の反対側を厚くすることによって、筒部４２と筺体２とを接合するときの接合部位の強度を高めることができる。これにより、試料保持具１の長期信頼性をさらに高めることができる。さらに、セラミック体３の内部にヒータ用の電極を設けている場合には、筒部４２のセラミック体３側を薄くしておくことによって、ヒータで生じた熱が筒部４２を伝わって筺体２に逃げてしまうことを低減できる。筒部４２の厚みとしては、下端近傍の厚みを０．４〜３ｍｍ程度に設定することができる。また、上端近傍の厚みは、下端近傍の厚みの２５〜９０％程度の厚さに設定することができる。

さらに、本実施形態の試料保持具１は、筒部４２の厚みが、セラミック体３側の端部から反対側の端部に向かうにつれて厚くなっている。このように、筒部４２の厚みが徐々に変化していくことによって、外部からの振動等によって筒部４２に変形が生じたとしても、応力が局所的に集中することを低減できる。具体的には、筒部４２の厚みが徐々に変化するのではなく、例えば、筒部４２の表面に段差が形成されており、この段差を境に筒部４２の厚みが急激に変化している場合には、筒部４２に変形が生じたときにこの段差に応力が集中することになる。しかしながら、本実施形態の試料保持具１のように、筒部４２の厚みを徐々に変化させておくことによって、筒部４２の広範囲にわたって変化を生じさせることができる。そのため、筒部４２に局所的な応力の集中が発生することを低減できる。そのため、金属部材４に応力集中による破損等が生じる可能性を低減できる。その結果、試料保持具１の長期信頼性を向上できる。

さらに、鍔部４１の厚みが筒部４２の厚みよりも小さくなっている。筒部４２を太くすることによって金属部材４の強度を保ちつつ、鍔部４１を細くすることによってセラミック体３と金属部材４との間に生じる熱応力を低減できる。鍔部４１と筒部４２との境界は、例えば、以下の方法で設定できる。すなわち、筒部４２の内周面および鍔部４１の上面を見たときに、セラミック体３の下面に対する傾斜角度が２°よりも小さくなる部分を鍔部４１と筒部４２との境界として見なすことができる。したがって、この境界よりも内周側を筒部４２と見なすことができ、外周側を鍔部４１と見なすことができる。

また、鍔部４１は筒部４２側の端部において厚みが最も小さいことが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において筒部４２に変形が生じたときに、この変形に連動して鍔部４１が変形してしまうことを低減できる。その結果、鍔部４１とセラミック体３との接合の信頼性を向上できる。

また、本実施形態においては、筒部４２の形状が円筒状であったが、これに限られない。筒部４２は、例えば、多角筒状であってもよい。筒部４２を多角筒状に形成することによって、円筒状である場合と比較して、共振モードが少ないため、外部振動によって金属部材４に共振が引き起こされる可能性を低減できる。その結果、外部環境または試料の移動等に由来する振動によって試料保持面３０に保持される試料の位置精度が悪化する可能性を低減できる。

また、筒部４２の形状は三角筒状であってもよい。三角筒状は、いわゆる三角トラス構造として知られるように、特に剛性が高い構造であることから、試料保持面３０に対して平行な方向の外力が筒部４２に加わった際の変形を低減できる。

さらに、筒部４２の形状が三角筒状である場合には、三角筒の角部に対応する部分において、三角筒の辺に対応する部分よりも、接合に用いるろう材５の量が少ないことが好ましい。三角筒の辺に対応する部分において、ろう材５を多くすることによって接合を強固に行なうことができる。また、三角筒の角に対応する部分はヒートサイクル下において応力が集中しやすい傾向にあるが、三角筒の角に対応する部分においてろう材５を少なくすることによって、ろう材５にクラックが生じるおそれを低減できる。これらの結果、試料保持具の長期信頼性を向上できる。

また、本実施形態の試料保持具１においては、鍔部４１の形状が円環状であり筒部４２の形状が円筒状であるが、これに限られない。鍔部４１と筒部４２とが異なる形状の組み合わせであっても構わない。

また、本実施形態の試料保持具１においては、ろう材５が滑らかなメニスカス状に分布していたが、これに限られない。例えば、図４に示すように、メニスカス状のろう材５の表面に凹部５１が分布しているとともに、この凹部５１がメニスカス状の中央領域において周縁領域よりも多くなっている。この凹部５１は断面図では表れていないが、多数の窪みとして存在している。凹部５１の形状および大きさはメニスカス状の表面に存在できるものとして様々である。その形状としては、例えば、断面形状において主に円弧状である。凹部５１の大きさとしては、ろう材５の厚み方向の幅５１ａが１０μｍ〜２ｍｍであり、ろう材５の厚みの５〜６０％の大きさである。また、ろう材５の中央部に向かう深さ５１ｂが１０μｍ〜２ｍｍであり、ろう材５の厚みの５〜９０％の大きさである。また、金属部材４の筒部４２の周方向に沿った長さは、１０μｍ以上から内周全体に至る長さまでの種々の長さに設定できる。そして、この窪み状の凹部５１がろう材５のメニスカス状の中央領域において周縁領域よりも少なくとも１個以上、好ましくは３個以上存在しているとよい。

あるいは、凹部５１は、筒部４２の内周面の円周に沿った溝状のものであってもよい。溝状の凹部５１としては、以上と同様の幅５１ａおよび深さ５１ｂで、金属部材４の筒部４２の周方に沿った長さが１００μｍ以上であることが好ましい。

メニスカス状のろう材５がこのような形状であることによって、ろう材５が変形しやすくなる。これにより、セラミック体３と金属部材４との間で応力を吸収しやすくできる。また、凹部５１が分布していることによって、ろう材５の表面積が大きくなり、ろう付け部に伝わって来る熱をろう材５の表面から放熱できる。その結果、金属部材４の熱膨張を低減できるので、セラミック体３と金属部材４との間に生じる熱応力をさらに低減できる。

さらに、ろう材５の表面に分布している凹部５１は、図４に示すように筒部４２の下端の厚みの中心を通る線８（二点鎖線で示す）に対して、ろう材５の中央側（線８の外側）に位置することが好ましい。これにより、金属部材４の鍔部４１と筒部４２の曲面部よりも曲率が小さい凹部５１ができることになるので、凹部５１によってより効果的に応力を吸収できる。

また、ろう材の表面の凹部５１は、筒部４２の内周面の円周に沿って連続的に分布していることが好ましい。例えば、金属部材４の筒部４２の外周に沿って、ろう材５の表面の凹部５１の幅５１ａが、１０μｍ〜２ｍｍの範囲で狭くなったり広くなったりして連続的に変化していることが望ましい。また、深さ５１ｂについても、１０μｍ〜２ｍｍの範囲で浅くなったり深くなったりして連続的に変化していることが望ましい。また、これらの幅５１ａおよび深さ５１ｂが連続的に変化している凹部５１が金属部材４の筒部４２の周方向に沿って長さ１０μｍから内周全体に至る長さで形成されていることが好ましい。これにより、金属部材４全体に荷重がかかった場合に鍔部４１の外周に荷重ばらつきによる応力ばらつきが生じたとしても、連続的に分布している凹部５１があることで外周全体にかかる応力を内周側のろう材５によって吸収しやすくなる。その結果、試料保持具１の長期信頼性を向上できる。

１：試料保持具
２：筺体
２０：貫通孔
３：セラミック体
３０：試料保持面
４：金属部材
４１：鍔部
４２：筒部
４３：隙間
５：ろう材
５１：凹部
６：メタライズ層
７：セラミックリング
１０：試料処理装置

Claims

上面と下面とを有し、前記上面に試料保持面を有するセラミック体と、該セラミック体の前記下面に接合された鍔部および該鍔部の内周から下方に向かって内周面の間隔が次第に狭くなっている部分を含む筒部を有する金属部材とを備えており、前記狭くなっている部分の前記内周面と前記セラミック体の前記下面との間に隙間があり、前記鍔部の厚みが、前記筒部の厚みよりも小さい試料保持具。
上面と下面とを有し、前記上面に試料保持面を有するセラミック体と、該セラミック体の前記下面に接合された鍔部および該鍔部の内周から下方に向かって内周面の間隔が次第に狭くなっている部分を含む筒部を有する金属部材とを備えており、前記狭くなっている部分の前記内周面と前記セラミック体の前記下面との間に隙間があり、前記筒部の厚みが、前記セラミック体側の端部において反対側の端部よりも小さい試料保持具。
前記筒部の厚みが、前記セラミック体側の端部から反対側の前記端部に向かうにつれて大きくなっている請求項２に記載の試料保持具。
前記筒部の内周面の前記セラミック体の前記下面に垂直な仮想線に対する傾斜角が、下方に向かうにつれて小さくなっている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の試料保持具。
前記鍔部は前記筒部側の端部において厚みが最も小さくなっている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の試料保持具。
前記筒部の内周面の表面粗さが、前記鍔部の上面の表面粗さよりも大きい請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の試料保持具。