JP6240028B2

JP6240028B2 - 試料保持具

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Publication number: JP6240028B2
Application number: JP2014104014A
Authority: JP
Inventors: 潔小関
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: JP2015220385A

Description

本発明は、半導体集積回路の製造工程などで半導体ウェハ等の各試料を保持するため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、半導体ウェ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に記載された静電チャックが知られている。特許文献１に記載の静電チャックは、複数のセラミック層から成り、上面に半導体ウェハ等を保持するための試料保持面を有している。さらに、複数のセラミック層のうちの中間のセラミック層に冷媒流路が形成されている。静電チャックは、冷媒流路に冷媒が流されることによって試料保持面の均熱性が向上している。

特開平３−１０８７３７号公報

冷媒流路に冷媒を流したときに冷媒とセラミック層との間で熱伝達が行なわれる。このとき、試料保持面の冷却（温度調節）に特に寄与するのは、冷媒流路のうち主に天井面を介して行なわれる熱伝達である。反対に、冷媒流路のうち底面を介して行なわれる熱伝達は試料保持面の温度調節に寄与しにくい。これは、冷媒流路のうち底面よりも天井面の方が試料保持面の近くに位置しているためである。そのため、より効率的に試料保持面の温度調節を行なうためには、冷媒流路のうち天井面における熱伝達を向上させつつ、底面における熱伝達を抑制する必要がある。

しかしながら、特許文献１に記載の静電チャックにおいては、冷媒流路の断面形状が長方形であることから、天井面の幅の大きさと底面の幅の大きさとの間に大きな差が無い。そのため、天井面の面積と底面の面積との間に大きな差が無いことから、天井面だけではなく底面においても冷媒とセラミック層との間で天井面と同様に熱伝達が行なわれてしまうことで、温度調節におけるエネルギーのロスが生じてしまうおそれがあった。その結果、試料保持面の温度調節の効率を向上させることが困難になってしまう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、冷媒流路（流路）の底面とセラミック層との間の熱伝達を抑制することによって、試料保持面の温度調節の効率を向上できる試料保持具を提供することにある。

本発明の一態様に基づく試料保持具は、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試料保持具であって、前記流路は、直線部分と折返し部分とを有しており、前記熱媒体の進行方向に直交する断面で見たときに、前記試料保持面側に位置する天井面、該天井面に対向する底面および前記天井面と前記底面との間に位置する一対の壁面を有している四角形状であり、前記天井面の幅が前記底面の幅よりも大きく、前記直線部分は、前記流路の前記断面の形状が左右対称であり、前記折返し部分は、前記一対の壁面のうち内側に位置する壁面よりも外側に位置する壁面が、前記底面となす角が小さいことを特徴とする。

本発明の一態様の試料保持具によれば、天井面の幅が底面の幅よりも大きいことによって、底面の面積を小さくすることができるので、基体を介して天井面における熱媒体と試料保持面との熱伝達を良好に行なうとともに、底面における熱媒体と基体との間の熱伝達を抑制することができる。その結果、試料保持面の温度調節の効率を向上させることができる。

本発明の試料保持具の一実施形態を示す斜視図である。本発明の試料保持具の一実施形態のうち電極層の配置を平面的に示す模式図である。本発明の試料保持具の一実施形態のうち流路の配置を平面的に示す模式図である。図３に示した試料保持具のＡ−Ａ’断面の断面図である。本発明の試料保持具の他の実施形態を示す断面図である。本発明の試料保持具の他の実施形態を示す断面図である。

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に係る試料保持具１を示す斜視図である。また、図２は、本発明の試料保持具１の一実施形態のうち電極層２０の配置を平面的に示す模式図である。また、図３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。試料保持具１は、上面に試料保持面１０ａを有するとともに内部に熱媒体の流路１１を有する基体１０と、基体１０の内部に設けられた電極層２０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、シリコンウェ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。

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までのセラミック層および電極層２０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。そ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に示すように、基体１０の側面に、外部空間に開口する開口部１１ａを有している。また、図１には図示していないが、開口部１１ａの反対側の側面にも外部空間に通じる開口部１１ｂ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１１ｂ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および流速で流路１１内に熱媒体を供給する。開口部１１ａと反対側の開口部１１ｂには、排出管を接続し、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、必要に応じて温度を調節し、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。

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３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、保持される試料と熱媒体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、基体１０の機械的強度が低下するので、基体１０の強度を考慮しつつ流路１１を形成することが好ましい。

図３に示す例では、流路１１を蛇行形状としているが、流路１１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。

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、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、室温における熱伝導率を１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすることができ、他のセラミック材料に比べて熱伝導率が高い。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低下を抑制することができる。

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のいずれかの測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、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確保される。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２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、試料保持面１０ａに試料を静電吸着する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２２を電極（以下では「負電極２２」という）とする。また、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の半円の弦の間隔と同じ間隔を空けて隣り合うように設けられているとともに、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の側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に接続される。

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り、これら導電性材料を含むペーストを基体１０となるセラミックグリーンシートにスクリーン印刷することによって、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である。

図４に示すように、本実施形態の試料保持具１においては、流路１１が、熱媒体の進行方向に直交する断面で見たときに、試料保持面１０ａ側に位置する天井面１１ｃおよび天井面１１ｃに対向する底面１１ｄを有している四角形状である。そして、四角形状の流路１１のうち天井面１１ｃの幅が底面１１ｄの幅よりも大きい。これにより、天井面１１ｃの面積と比較して、底面１１ｄの面積を小さくすることができるので、基体１０を介して天井面１１ｃにおける熱媒体と試料保持面１０ａとの熱伝達を良好に行なうとともに、底面１１ｄにおける熱媒体と基体１０との間の熱伝達を抑制することができる。その結果、試料保持面１０ａの温度調節の効率を向上させることができる。流路１１のうち天井面１１ｃの幅は、例えば、２〜６ｍｍ程度に設定できる。また、流路１１のうち底面１１ｄの幅は、例えば、１．５〜５．５ｍｍ程度の設定できる。天井面１ｃの幅は底面１１の幅よりも０．５ｍｍ以上大きいことが好ましく、特に、１ｍｍ以上大きいことが好ましい。

また、流路１１の直線部分においては、流路１１の断面の形状が左右対称であることが好ましい。これにより、流路１１の直線部分における幅方向の熱媒体の流量を一定にすることができる。その結果、天井面１１ｃにおける熱伝達を均一に行なうことができる。また、流路１１の折返し部分においては、天井面１１ｃと底面１１ｄとを繋ぐ一対の壁面１１ｅのうち、内側に位置する壁面１１ｅよりも外側に位置する壁面１１ｅの方が、底面１１ｄと成す角の大きさが小さいことが好ましい。これにより、流路１１の折返し部分における幅方向の熱媒体の流量を一定にすることができる。その結果、天井面１１ｃにおける熱伝達を均一に行なうことができる。

なお、ここでいう四角形状とは、必ずしも厳密な四角形である必要はない。具体的には、四角形のうち角に相当する部分が丸みを帯びている形であってもよいし、また、四角形のうち辺に相当する部分が直線ではなく、多少の凹凸が形成されていてもよい。例えば、図５に断面図で示す変形例の試料保持具１のように、天井面１１ｃと底面１１ｄとを繋ぐ一対の壁面１１ｅが複数の段差を有していても構わない。このように、壁面１１ｅが複数の段差を有しているときには、それぞれの段差の間隔が例えば０．５ｍｍ以下の場合であれば、流路１１の断面を四角形状と見なすことができる。また、四角形のうち角に相当する部分が丸みを帯びている場合には、例えば、角部の曲率半径が０．５ｍｍ以下であれば、流路１１の断面を四角形状と見なすことができる。

また、本実施形態の試料保持具１は、図４に断面図で示すように、流路１１が天井面１１ｃと底面１１ｄとの間に一対の壁面１１ｅを有しており、一対の壁面１１ｅは、断面で見たときに、天井面１１ｃから底面１１ｄに向かって間隔が狭くなるように傾斜している。これにより、流路１１において熱媒体の停滞が生じてしまうおそれを低減できる。具体的には、図５に示した試料保持具１の場合には、壁面１１ｅが段差を有していることによって、熱媒体の特性によっては、段差の近傍で熱媒体が流れにくくなってしまい停滞が生じることがある。これに対して、本実施形態の試料保持具１のように、壁面１１ｅを傾斜させておくと、熱媒体が流れにくくなってしまうことによる熱媒体の停滞を抑制できる。その結果、試料保持面１０ａの温度調節の効率を向上させることができる。

また、壁面１１ｅが流路１１の内側に向かって凸になるように湾曲していることが好ましい。これにより、流路１１の幅を底面１１ｄに近づくほど小さくするとともに、天井面１１ｃに近づくほど大きくすることができる。その結果、天井面１１ｃ付近を流れる熱媒体を増加させることができるので、天井面１１ｃにおける熱伝達をさらに良好に行なうことができる。

また、図６に示す試料保持具１のように、試料保持具１が上面および下面の間を貫通する貫通孔１２を流路１１の近傍に有していてもよい。貫通孔１２はウェハ等の試料を押し上げるためのリフトピンを通すため、または、ガスを供給するために設けられる。貫通孔１２の寸法は、例えば、直径が１０ｍｍ程度に設定される。そして、一対の壁面１１ｅは、貫通孔１２を通る断面で見たときに、貫通孔１２側に位置する一方が貫通孔１２に沿っている。一般に、試料保持面１０ａのうち貫通孔１２の周辺は、貫通孔１２が設けられていることによって、流路１１を流れる熱媒体との間で熱交換を行ないにくくなる傾向にある。しかしながら、一対の壁面１１ｅのうち貫通孔１２側に位置する一方が貫通孔１２に沿っていることによって、熱媒体と貫通孔１２の壁面との間で熱伝達を起こりやすくすることができる。これにより、貫通孔１２の壁面を通じて試料保持面１０ａにおける貫通孔１２の周辺に熱を伝えることができるので、試料保持面１０ａにおける貫通孔１２の周辺の均熱性を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態の一例として電極層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、本発明の試料保持具はこれに限られない。具体的には、真空吸着によって試料保持面に試料を保持する真空チャック等の、電極層２０を有さない試料保持具にも本発明を適用することができる。

１：試料保持具
１０：基体
１０ａ：試料保持面
１１：流路
１１ｃ：天井面
１１ｄ：底面
１１ｅ：壁面
２０：電極層
２１：正電極
２２：負電極

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試料保持具であって、前記流路は、直線部分と折返し部分とを有しており、前記熱媒体の進行方向に直交する断面で見たときに、前記試料保持面側に位置する天井面、該天井面に対向する底面および前記天井面と前記底面との間に位置する一対の壁面を有している四角形状であり、前記天井面の幅が前記底面の幅よりも大きく、
前記直線部分は、前記流路の前記断面の形状が左右対称であり、前記折返し部分は、前記一対の壁面のうち内側に位置する壁面よりも外側に位置する壁面が、前記底面となす角が小さいことを特徴とする試料保持具。
前記一対の壁面は、前記断面で見たときに、前記天井面から前記底面に向かって間隔が狭くなるように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の試料保持具。
前記試料保持具が上面および下面の間を貫通する貫通孔を前記流路の近傍に有するとともに、前記一対の壁面は、前記貫通孔を通る前記断面で見たときに、前記貫通孔側に位置する一方が該貫通孔に沿っていることを特徴とする請求項２に記載の試料保持具。