JP6228031B2

JP6228031B2 - 試料保持具およびこれを用いたプラズマエッチング装置

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Publication number: JP6228031B2
Application number: JP2014034030A
Authority: JP
Inventors: 相起李
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: JP2015159232A

Description

本発明は、例えば、半導体集積回路の製造工程等において半導体ウエハ等を保持するための試料保持具およびこれを用いたプラズマエッチング装置に関するものである。

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、半導体ウエハ等の各試料を保持するための部品として試料保持具が知られている。試料保持具としては、例えば、特許文献１に記載された半導体製造・検査装置用セラミック基板が挙げられる。特許文献１に記載された半導体製造・検査装置用セラミック基板は、セラミック基板の内部に導電体が埋設されており、この導電体を起点としてセラミック基板の表面に向けて円柱状の導電性接続パッドが設けられている。この導電性接続パッドには孔が形成されており、この孔に外部端子接続用ピンが取り付けられている。

特開２００１−１１０８７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された半導体製造・検査装置用セラミック基板は、外部端子接続用ピンを導電性接続パッドに押し当てるように取り付けた場合に、導電性接続パッドが損傷してしまう場合があった。そのため、導電性接続パッドの抵抗が局所的に変化して、内部の導電体への電力の供給が安定しなくなってしまう可能性があった。その結果、半導体製造・検査装置用セラミック基板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、長期信頼性を向上した試料保持具およびこれを用いたプラズマエッチング装置を提供することにある。

本発明の一様態の試料保持具は、セラミックスから成り外表面に試料保持面を有する基体と、該基体の内部に設けられた第１電極とを備えており、前記基体は、外表面に開口するとともに前記第１電極を底部の少なくとも一部とする穴部を有しており、該穴部の内部に全体が位置するとともに前記第１電極上に設けられた第２電極をさらに備えており、前記第１電極と前記第２電極とは、前記穴部の内部において接合材によって接合されており、前記第２電極は、前記第１電極よりも弾性率が小さいとともに、前記穴部の開口側の面が前記接合材によって覆われていないことを特徴とする。

本発明の一態様のプラズマエッチング装置は、真空チャンバと、該真空チャンバ内に配置された高周波印加用電極を有するベースプレートと、該ベースプレートに搭載された上記の試料保持具とを含むことを特徴とする。

本発明の一態様の試料保持具によれば、第１電極上に第２電極をさらに備えている。そのため、第１電極のみしか設けられていない場合と比較して、外部端子接続用ピンが押し当てられる部分の電極を厚くすることができ、また、第２電極としてピンの接触による損傷に対する耐久性が高いものを用いることもできる。そのため、外部端子接続用ピンが押し当てられることによって第１電極および第２電極が損傷して、これらの抵抗が局所的に変化してしまい第１電極への電力の供給が安定しなくなってしまう可能性を低減できる。その結果、試料保持具の長期信頼性を向上させることができる。

本発明の一態様のプラズマエッチング装置によれば、上記の試料保持具を含むことによって、長期信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態の試料保持具およびこれを用いたプラズマエッチング装置を示す断面図である。図１に示した試料保持具の領域Ａを拡大した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１０およびこれを用いたプラズマエッチング装置１００について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態の試料保持具１０を示す断面図である。図１に示すように、本発明の一実施形態の試料保持具１０は、基体１と、基体１の内部に設けられた第１電極２と、第１電極２上に設けられた第２電極３と、基体１の下面に設けられた発熱抵抗体４とを備えている。

基体１は、外表面（上面）に試料保持面１１を有する板状の部材である。基体１は、上面の試料保持面１１で、例えばシリコンウエハ等の試料を保持する。基体１は、平面視したときの形状が円形状の部材である。基体１は、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素またはイットリア等のセラミック材料からなる。基体１の下面には、発熱抵抗体４が設けられている。基体１の寸法は、例えば、径を２００〜５００ｍｍ、厚みを２〜１５ｍｍに設定できる。試料保持面１１に試料を保持する方法としては、様々な方法を用いることができるが、本実施形態の試料保持具１０は静電気力によって試料を保持する。そのため、試料保持具１０は、基体１の内部に静電吸着用の電極である第１電極２を備えている。

第１電極２は、２つの電極（図１には一方の電極しか図示していない。）から構成される。２つの電極は、一方が電源の正極に接続され、他方が負極に接続される。２つの電極は、それぞれ略半円板状に形成され、半円の弦同士が隙間をあけて対向するように、基体１の内部に配置される。これら２つの電極の弧によって第１電極２全体の外形が円形状となっている。この第１電極２全体による円形状の外形の中心は、同じく円形状の基体１の外形の中心と同一に設定される。第１電極２は、例えばタングステンまたはモリブデン等の金属材料からなる。

発熱抵抗体４は、基体１の上面の試料保持面１１に保持した試料を加熱するための部材である。発熱抵抗体４は、基体１の下面に設けられている。発熱抵抗体４に電圧を印加することによって、発熱抵抗体を発熱させることができる。発熱抵抗体４で発せられた熱は、基体１の内部を伝わって、基体１の上面における試料保持面１１に到達する。これにより、試料保持面１１に保持された試料を加熱することができる。発熱抵抗体４は、例えば複数の湾曲部を有する線状のパターンであって、基体１の下面のほぼ全面に形成されている。これにより、試料保持具１０の上面において熱分布にばらつきが生じることを抑制できる。

発熱抵抗体４は、導体成分およびガラス成分を含んでいる。導体成分としては、例えば銀パラジウム、白金、アルミニウムまたは金等の金属材料を含んでいる。また、ガラス成分としては、ケイ素、アルミニウム、ビスマス、カルシウム、ホウ素および亜鉛等の材料の酸化物を含んでいるガラスを用いることができる。

試料保持具１０の温度制御には以下の方法を用いることができる。具体的には、基体１に熱電対を接触させて起電力を測定することによって基体１の温度を測定できる。また、基体１に測温抵抗体を接触させて抵抗を測定することによっても、基体１の温度を測定できる。以上のようにして測定した基体１の温度に基づいて、発熱抵抗体４に印加する電圧を調整することによって、試料保持面１１の温度が一定になるように制御することができる。

本実施形態の試料保持具１０は、基体１が、外表面（下面）に開口するとともに第１電極２を底部の少なくとも一部とする穴部１２を有している。穴部１２は、外部端子接続用ピン５を挿入するために設けられている。穴部１２の形状は、例えば円柱状である。

穴部１２の寸法は、挿入される外部端子接続用ピン５の寸法に対応して定められる。具体的には、外部端子接続用ピン５の外周面と穴部１２の内周面との間に外部端子接続用ピン５を容易に挿入できる程度の隙間を形成するように、穴部１２の寸法は設定される。外部端子接続用ピン５が外径１．５ｍｍの円柱状の場合には、穴部１２の径は２〜１０ｍｍに設定することができる。

そして、図２に示すように、試料保持具１０は、穴部１２の内部において第１電極２上に設けられた第２電極３を有している。なお、ここでいう第１電極２「上」とは、必ずしも上方向である必要はなく、第１電極の表面に配置されている状態をいう。具体的には、図２に示すように、本実施形態においては、第２電極３は、第１電極２の下面に第２電極３の上面が接触するようにして第１電極２上に設けられている。この第２電極３は、第１電極２を保護するための板状の部材である。第２電極３が、例えば、めっき膜等の層状の部材ではなく、金属板等の板状の部材であることによって、外力に対する第２電極３の強度を高いものとすることができる。これにより、外部端子接続用ピン５を第２電極３に押し当てたときに第２電極３に生じる損傷あるいは変形を抑制することができる。

第２電極３の形状は、例えば円板状である。第２電極３の寸法は、挿入される外部端子接続用ピン５を受け止めることができるように、かつ、穴部１２内に第２電極３が配置可能なように設定される。第２電極３が円板状の場合であって、外部端子接続用ピン５の外径が１．５ｍｍであり、穴部１２の径が３ｍｍの場合には、第２電極３の径を１．５〜２．５ｍｍ程度、厚みを１ｍｍ程度に設定することができる。

本実施形態の試料保持具１０は、第１電極２上に第２電極３をさらに備えている。そのため、第２電極３に外部端子接続用ピン５を取り付けて、第１電極２のみしか設けられていない場合と比較して外部端子接続用ピン５が押し当てられる部分の電極の厚みを厚くすることができる。また、第２電極３として、外部端子接続用ピン５の接触による損傷に対して、第１電極２よりも耐久性に優れたものを用いることもできる。そのため、外部端子接続用ピン５が押し当てられることによって第１電極２および第２電極３が損傷して、これらの抵抗が局所的に変化してしまい第１電極２への電力の供給が安定しなくなってしまう可能性を低減できる。その結果、試料保持具１０の長期信頼性を向上させることができる。

第２電極３は、例えば、銅、アルミニウム、真鍮、鉄―ニッケルーコバルト合金または銀等の電気伝導が良好な金属材料から成る。これにより、第１電極２と外部端子接続用ピン５との間の電気伝導を良好に行なうことができる。そのため、第２電極３で不要な発熱が生じる可能性を低減できる。さらに、第２電極３が非磁性体から成ることが好ましい。非磁性体としては、例えば銅、銀、真鍮またはアルミニウム等が挙げられる。第２電極３が非磁性体から成ることによって、試料保持具１０をプラズマエッチング装置１００に用いた場合に、第２電極３に高周波が印加されたときに第２電極３において発熱が生じてし
まう可能性を低減できる。

また、第２電極３の表面には、第２電極３を覆う被覆層が設けられていてもよい。例えば、第２電極３が銅から成る場合には、ニッケルから成る被覆層を設けることが好ましい。これにより、半田等の接合材６との濡れ性を向上させることができるので、第２電極３と外部端子接続用ピン５との接合強度を向上できる。

また、第２電極３は第１電極２よりも弾性率が小さいことが好ましい。第２電極３の弾性率が第１電極２の弾性率よりも小さいことによって、外部端子接続用ピン５から第２電極３に力が加わった際に第２電極３を変形させることができる。これにより、第２電極３が外部端子接続用ピン５から伝わった力を吸収できるので、第１電極２が損傷してしまう可能性を低減できる。第２電極３の弾性率を第１電極２の弾性率よりも小さくする方法としては、例えば以下の方法を用いることができる。具体的には、第１電極２が銀−パラジウムからなる場合には、第２電極３を銅で形成すればよい。なお、第１電極２が銀−パラジウムから成り、第２電極３が銅から成る場合には、第１電極２の弾性率を約１３０ＧＰａ、第２電極３の弾性率を約１１０ＧＰａに設定できる。

また、本実施形態の試料保持具１０においては、第１電極２と第２電極３とが、第２電極３よりも弾性率が小さい接合材６によって接合されている。具体的には、例えば、第２電極３が銅から成る試料保持具１０において、接合材６として錫、銀および銅を含む半田が用いられる。これにより、第１電極２と第２電極３とを接合する接合材６に熱応力が生じたときに、接合材６が変形することによって、これを吸収することができる。これにより、第１電極２および第２電極３が損傷してしまう可能性を低減できる。

さらに、図２に示すように、試料保持具１０は、第２電極３の側面と穴部１２の内周面との間に接合材６が充填されているとともに、第２電極３のうち外部端子接続用ピン５に接触する部分には接合材６が設けられていないことが好ましい。これにより、第１電極２を封止しつつ、外部端子接続用ピン５と第２電極３との接触抵抗が高くなる可能性を低減できる。これは、第２電極３のうち外部端子接続用ピン５に接触する部分に接合材６が設けられていると、接合剤６が不均一に設けられてしまった場合に、外部端子接続用ピン５と第２電極３との接続が悪化してしまうためである。

外部端子接続用ピン５は、外部電源（図示せず）と第１電極２とを電気的に接続するための部材である。外部端子接続用ピン５は、例えば円柱状の部材であって、穴部１２に挿入されて用いられる。外部端子接続用ピン５は、穴部１２の内部において、先端が第２電極３に押し当てられることによって、第２電極３を介して第１電極２に電気的に接続されている。外部端子接続用ピン５の先端は、尖った形状になっている。これにより、第２電極３の表面に外部端子接続用ピン５を接触させやすくなっている。そのため、第２電極３と外部端子接続用ピン５との間の接続抵抗が大きくなってしまう可能性を低減できる。

図１に戻って、上述した試料保持具１０を用いたプラズマエッチング装置１００の一部を説明する。プラズマエッチング装置１００は、真空チャンバ（図示せず）と、真空チャンバ内に配置された高周波印加用電極（図示せず）を有するベースプレート７と、ベースプレート７に搭載された試料保持具１０とを備えている。

ベースプレート７は、内部に冷却媒体用の流路（図示せず）および試料保持具１０の上面にヘリウムまたはアルゴン等の伝熱ガスを流す流路を内蔵した板状の部材である。ベースプレート７としては、例えば、アルミニウムまたはチタン等の金属材料、炭化ケイ素等のセラミック材料あるいは炭化ケイ素とアルミニウムとの複合材等を用いることができる。

試料保持具１０の発熱抵抗体４は絶縁層８によって覆われている。絶縁層８としては、セラミックフィラー入りの接着材またはセラミック材料等が用いられる。この絶縁層８は、樹脂層９によってベースプレート７の上面に接着されている。

樹脂層９としては、接着性の樹脂を用いることができる。具体的には、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂等を用いることができる。なお、樹脂層９はフィラーを含有していても構わない。フィラーを含有することによって、樹脂層９の熱伝導性を向上させることができる。フィラーとしては、セラミック材料または金属材料等の樹脂材料よりも高い熱伝導性を有しているものであればよい。具体的には、フィラーが金属から成る場合には、例えばアルミニウムから成るものを用いることができる。また、フィラーがセラミック材料から成る場合には、アルミナ、炭化ケイ素、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素を用いることができる。

なお、樹脂層９、絶縁層８およびベースプレート７には、基体１の穴部１２に外部端子接続用ピン５を挿入できるように、穴部１２に繋がる貫通孔が設けられている。これにより、基体１の下面に樹脂層９、絶縁層８およびベースプレート７を設けた場合であっても、外部端子接続用ピン５を基体１の下面から穴部１２に挿入することができる。

プラズマエッチング装置１００は、上記の試料保持具１０を備えていることによって、長期信頼性が向上する。

＜試料保持具の製造方法＞
以下では、図１に示した試料保持具１０の製造方法の一例について説明する。なお、基体１にアルミナセラミックスを用いた場合を例に説明するが、窒化アルミニウムセラミックス等の他のセラミック材料の場合であっても同様の手法で製造できる。

まず、主原料となる０．１〜２μｍの粒径のアルミナ粉末と微量の焼結助剤とを所定量秤量し、ボールミル中でイオン交換水または有機溶媒および高純度アルミナ製ボールと共に２４〜７２時間の湿式粉砕混合を行なう。

こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはアクリル樹脂等の有機バインダおよび補助的な有機材料として可塑剤ならびに消泡剤を所定量添加し、さらに２４〜４８時間混合する。混合された有機−無機混合スラリーは、ドクターブレード法、カレンダーロール法、プレス成形法または押し出し成形法等によって、厚さ２０μｍ〜２０ｍｍのセラミックグリーンシートに成形される。

そして、基体１を形成するセラミックグリーンシートに、第１電極２を形成するための白金またはタングステン等のペースト状電極材料を公知のスクリーン印刷法等によって印刷する。

次に、基体１における所定の位置に第１電極２が形成されるように、ペースト状電極材料の印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極材料の印刷された電極形成グリーンシートとを重ねて積層する。積層は、セラミックグリーンシートの降伏応力値以上の圧力を印加しながら所定の温度で積層するが、圧力印加手法としては、一軸プレス法または等方加圧法等の公知の技術を応用すればよい。得られた積層体を所定の温度および所定の雰囲気中にて焼成することで、第１電極２が埋設された基体１が作製される。

次に、基体１をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状、厚みに加工する。さらに、試料保持面１１を規定の表面粗さに加工した後に、ブ
ラスト加工機等で試料保持面１１に溝を形成する。

次に、その基体１の下面をサンドブラストで粗面にした後に、銀パラジウム等の金属成分と、ケイ素、ビスマス、カルシウム、アルミニウムおよびホウ素等の材料の酸化物から成るガラス成分とを添加したペーストを塗布して、約８００℃の温度で焼成して発熱抵抗体４を形成する。さらに、発熱抵抗体４をレーザー等の加工でトリミングして抵抗の調整を行なう。

基体１の外表面（下面）に、マシニングセンター、ボール盤等の穴あけ用装置を用いて、開口することによって、第１電極２を底部の少なくとも一部とする穴部１２を形成する。そして、穴部１２に銅から成る円板状の第２電極３を挿入して第１電極２に錫、銀および銅を含む半田を用いて接合する。以上のようにして、試料保持具１０を製造することができる。

本実施例では基体１にアルミナセラミックスを用いた試料保持具１０について説明する。

まず、主原料となる粒径が０．１〜２μｍのアルミナ粉末と微量の焼結助剤を所定量秤量し、ボールミル中でイオン交換水、有機溶媒または有機分散剤および高純度アルミナ製ボールと共に４８時間の湿式粉砕混合を行なった。こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂等の有機バインダおよび補助的な有機材料として可塑剤および消泡剤を所定量添加し、さらに３時間の混合を行なった。混合された有機−無機混合スラリーを、ドクターブレード法で１００μｍのセラミックグリーンシートに成形した。

そして、基体１を形成するセラミックグリーンシートに第１電極２を形成するためのタングステンのペースト状電極材料をスクリーン印刷によって形成した。ここで、基体１における所定の位置に第１電極２が形成されるように、ペースト状電極材料の印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極材料の印刷された電極形成グリーンシートとを積層して、一軸プレスで加圧して積層体を成形した。次に、得られた積層体を１５７０℃の温度で水素ガスの還元雰囲気中にて焼成した。基体１をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状にして、第１電極２から試料保持面１１までの厚みが０．３ｍｍ、基体１の全体の厚みが２ｍｍになるように加工した。その後、上面を所定の表面粗さに加工して、さらに、ブラスト加工機等で上面に溝を形成して基体１を完成させた。

その基体１の下面を一定の表面粗さに仕上げて、金属成分とガラス成分を含むペーストを塗布して、８００℃の温度で焼成した。この焼成により、発熱抵抗体４を形成する。発熱抵抗体４の幅は１．５ｍｍ、発熱抵抗体４のうち隣り合う領域の間隔は３ｍｍに設定した。さらにその発熱抵抗体４にセラミックフィラー入りの接着材を０．１ｍｍ厚みになるよう塗布し、１００℃で硬化し、絶縁層８を形成した。第１電極を底部とするようにφ５ｍｍの穴部１２を形成した。穴部１２の形成にはマシニングセンターを用いた。

ベースプレート７は、内部に冷却媒体用の流路および試料保持具１１の上面にヘリウムやアルゴン等の伝熱ガスを流す流路を内蔵するようにアルミニウムを用いて形成した。このベースプレート７は樹脂層９によって、絶縁層８の面に接着した。樹脂層９は、シリカ入りシリコーン樹脂を用いて、０．１ｍｍの厚みになるよう塗布し、１００℃で硬化させた。

穴１２に銅板からなる第２電極３を入れて第１電極２と接触させて、外部端子接続用ピン５を第２電極３に押し当てることによって、外部端子接続用ピン５と第１電極を接続した。これを試料Ｎｏ．１とする。また、第１電極２と第２電極３を錫、銀および銅を含む半田で接合して、外部端子接続用ピン５と接続した試料を作製した。これを試料Ｎｏ．２とする。また、比較例として、第１電極２に外部端子接続用ピン５を直接接続した試料を準備した。これを試料Ｎｏ．３とする。また、別の比較例として、第１電極２の表面にニッケルめっきを施して、このニッケルめっきの層に外部端子接続用ピン５を直接接続した試料を準備した。これを試料Ｎｏ．４とする。

次に、作製した試料保持具１０に対して耐久試験を行なった。ベースプレート７の流路に冷却水を流しながら、発熱抵抗体４に電圧を印加することによって、試料保持面１１を一定温度まで加熱した。具体的には、５分間昇温して２５０℃にまで上昇させて、５分間温度を維持した後に、５分間冷却を行ない２０℃にまで低下させることを１サイクルとして５０００サイクルのサイクル試験を行なった。そして、ＬＣＲメータを用いて、試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．２においては外部端子接続用ピン５と第２電極３との接触抵抗を、試料Ｎｏ．３および試料Ｎｏ．４においては外部端子接続用ピン５と第１電極２との接触抵抗を耐久試験の前後で測定した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明の実施例である試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．２においては、耐久試験の前後で接触抵抗の変化がほとんど見られなかった。しかしながら、比較例である試料Ｎｏ．３および試料Ｎｏ．４においては、耐久試験後に接触抵抗が極端に大きくなっていた。試料Ｎｏ．３および試料Ｎｏ．４に関して、第１電極２の表面を観察したところ、第１電極２の下面のうち外部端子接続用ピン５と接触する部分が傷ついて摩耗しており、このために、接触抵抗が大きくなっていることが分かった。試料Ｎｏ．３および試料Ｎｏ.４において、第１電極２の下面が摩耗した原因としては、外部端子接続用ピン５
を第１電極２に直接押し当てた状態で耐久試験を行なったことによって、第１電極２の表面と外部端子接続用ピン５の先端とが擦れ合ってしまったためと考えられる。

以上の結果より、第１電極２の上に第２電極３をさらに備えることにより、外部端子接続用ピン５が押し当てられる部分の電極を厚くすることができるため、耐久性を向上させることができることが分かった。

基体：１
試料保持面：１１
穴部：１２
第１電極：２
第２電極：３
発熱抵抗体：４
外部端子接続用ピン：５
接合材：６
ベースプレート：７
絶縁層：８
樹脂層：９
試料保持具：１０
プラズマエッチング装置：１００

Claims

セラミックスから成り外表面に試料保持面を有する基体と、該基体の内部に設けられた第１電極とを備えており、前記基体は、外表面に開口するとともに前記第１電極を底部の少なくとも一部とする穴部を有しており、該穴部の内部に全体が位置するとともに前記第１電極上に設けられた第２電極をさらに備えており、
前記第１電極と前記第２電極とは、前記穴部の内部において接合材によって接合されており、
前記第２電極は、前記第１電極よりも弾性率が小さいとともに、前記穴部の開口側の面が前記接合材によって覆われていないことを特徴とする試料保持具。
前記接合材が、前記第２電極よりも弾性率が小さいことを特徴とする請求項１に記載の試料保持具。
前記第２電極が非磁性体から成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の試料保持具。
真空チャンバと、該真空チャンバ内に配置された高周波印加用電極を有するベースプレートと、該ベースプレートに搭載された請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の試料保持具とを含むプラズマエッチング装置。