JP6525763B2 - 試料保持具 - Google Patents

Description

本発明は、試料保持具に関するものである。

半導体製造装置等に用いられる試料保持具として、例えば、特許文献１に記載の試料保持具が知られている。特許文献１に記載の試料保持具においては、一方の主面に試料保持面を有するとともに、他方の主面に発熱抵抗体が設けられている。発熱抵抗体の配線パターンは、円周方向に設けられた部分と、これらを繋ぐ中心方向に設けられた部分とによって構成されている。

近年、集積度の向上に伴い、半導体の配線パターンが微細化している。そのため、より均一な成膜またはエッチングが求められるようになってきている。試料の成膜およびエッチングは高周波プラズマ中で行なわれる。

特開２００５−３２９３３号公報

円周方向に設けられた部分および中心方向に設けられた部分から成る折り返し部においては、円周方向に設けられた部分や中心方向に設けられた部分とは異なる性質の電磁波（以下、「異質な電磁波」という）が発熱抵抗体から放出される。これは、折り返し部においては電流の流れる方向が急激に変化するためだと考えられる。そして、特許文献１に記載の試料保持具においては、円周方向に設けられた部分が半円状に設けられていることから、折り返し部が特定の部分に集中していた。そのため、このような試料保持具を用いて成膜およびエッチングを行なった場合には、この折り返し部から放出される異質な電磁波がプラズマに対して影響を及ぼすことによって、折り返し部が集中している領域においては、プラズマの立ち方が他の領域と異なる状況になってしまうおそれがあった。その結果、試料保持面の全体で見たときにプラズマが均一に立たず、試料の成膜およびエッチングの厚みにばらつき生じてしまうおそれがあった。

本発明の試料保持具は、一方の主面に試料保持面を有するセラミック体と、該セラミック体の内部における前記試料保持面に平行な面または前記セラミック体の他方の主面に設けられた発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体の配線パターンは、前記セラミック体の中心部に中心を有する複数の仮想円の仮想円の円周上に、中央で折り返した二重の方形渦巻状の形状を有する複数の渦巻状部が並置されており、それぞれの前記仮想円上の渦巻状部同士が電気的に接続されているとともに、前記複数の仮想円のうち、外側の前記仮想円の円周上に位置している前記渦巻状部の前記仮想円の円周方向における長さが、内側の前記仮想円の円周上に位置している前記渦巻状部の前記円の円周方向における長さよりも長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、発熱抵抗体の配線パターンが中央で折り返した二重の方形渦巻状の形状を有する複数の渦巻状部を有していることにより、細かく折り返した複数の折り返し部を有している。そのため、上述した異質な電磁波が出る部分を主面の広範囲に略均一に広げることができる。これにより、異質な電磁波がプラズマに影響をおよぼしたとしても、この影響が主面の広範囲に分散して生じることになるので、全体として見ればプラズマを略均一に立たせることができるようになる。そして、発熱抵抗体の配線パターンが中央で折り返した二重の方形渦巻状であることで、この渦巻状部において
はそれぞれの配線パターンが反対方向に電流が流れる隣接する配線パターンを有することになる。そのため、折り返し部以外の部分から放出された電磁波のうち方向性のあるものを互いに打ち消し合うことができる。これらの結果、試料の成膜およびエッチングの際に厚みにばらつきが生じてしまうおそれを低減することができる。

本発明の一実施形態の試料保持具を示す断面図である。 図１に示した試料保持具における発熱抵抗体の配線パターンの一部を示す模式図である。 試料保持具の変形例における発熱抵抗体の配線パターンを示す模式図である。 比較例の試料保持具における発熱抵抗体の配線パターンを示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態に係る試料保持具１０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、一方の主面に試料保持面１１を有するセラミック体１と、セラミック体１の他方の主面に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の内部に設けられた吸着電極３とを備えている。本実施形態においては、「一方の主面」がセラミック体１における上面であり、「他方の主面」がセラミック体１における下面に対応している。そのため、以下では説明の都合上、上面および下面の文言を用いて説明する。なお、「一方の主面」は上面に限定されるものではなく、セラミック体１の向きに応じて下面または側面等、上面以外の面であっても何ら問題ない。また、「他方の主面」も下面に限定されるものではなく、同じくセラミック体１の向きに応じて上面または側面等、下面以外の面であっても何ら問題ない。

セラミック体１は、上面に試料保持面１１を有する板状の部材である。セラミック体１は、上面の試料保持面１１において、例えば、シリコンウエハ等の試料を保持する。試料保持具１０は、平面視したときの形状が円形状の部材である。セラミック体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。セラミック体１の下面には、発熱抵抗体２が設けられている。セラミック体１の寸法は、例えば、径を２００〜５００ｍｍ、厚みを２〜１５ｍｍに設定できる。

セラミック体１を用いて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はセラミック体１の内部に吸着電極３を備えている。吸着電極３は、２つの電極から構成される（図示せず）。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、半円の弦同士が対向するように、セラミック体１の内部に配置される。それら２つの電極が合わさって、吸着電極３全体の外形が円形状となっている。この吸着電極３全体による円形状の外形の中心は、同じく円形状のセラミック体１の外形の中心と同一に設定される。吸着電極３は、例えば白金、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２は、セラミック体１の上面の試料保持面１１に保持された試料を加熱するための部材である。発熱抵抗体２は、セラミック体１の下面に設けられている。発熱抵抗体２に電圧を印加することによって、発熱抵抗体２を発熱させることができる。発熱抵抗体２で発せられた熱は、セラミック体１の内部を伝わって、セラミック体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２は、複数の折り返し部を有する線状のパターンであって、セラミック体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。なお、本実施形態の試料保持具１０においては、発熱抵抗体２はセラミック体１の下面に設けられているが、これに限られない。例えば、発熱抵抗体２は、セラミック体１の内部において試料保持面１１に平行な面に設けられていてもよい。

発熱抵抗体２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。ガラス成分が発泡してしまうことを抑制するために、金属材料としては大気中で焼結可能な金属を選択することが好ましい。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。また発熱抵抗体２がセラミック体１の内部に設けられる場合は、導体成分はタングステン、または炭化タングステン等であってもよい。

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、セラミック体１に熱電対を接触させることによって温度を測定できる。また、セラミック体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発熱抵抗体２の温度を測定できる。以上のようにして測定した発熱抵抗体２の温度に基づいて、発熱抵抗体２に印加する電圧を調整することによって、試料保持具１０の温度が一定になるように発熱抵抗体２の発熱を制御することができる。

ここで、本実施形態の試料保持具１０においては、図２に示すように、発熱抵抗体２の配線パターンは、セラミック体１の中心部に中心Ｃを有する仮想円の円周上に、中央で折り返した二重の方形渦巻状の形状を有する複数の渦巻状部２１が並置されている。なお、図２は、発熱抵抗体２の配線パターンを部分的に示している。具体的には、発熱抵抗体２の配線パターンは、大まかには円状の領域に形成されるが、この円状の領域を四等分した四分円の状態を示している。

本実施形態の試料保持具１０によれば、発熱抵抗体２の配線パターンが中央で折り返した二重の方形渦巻状部を複数有していることにより、細かく折り返した複数の折り返し部を有している。そのため異質な電磁波が出る部分を試料保持面１１の広範囲に略均一に広げることができる。これにより、異質な電磁波がプラズマに影響をおよぼしたとしても、この影響が試料保持面１１の広範囲に分散して生じることになるので、全体として見ればプラズマを略均一に立たせることができるようになる。

さらに、発熱抵抗体２の配線パターンが中央で折り返した二重の方形渦巻状であることで、この渦巻状部２１においてはそれぞれの配線パターンが反対方向に電流が流れる隣接する配線パターンを有することになる。図２においては電流の流れを矢印で示している。そのため、折り返し部以外の部分から放出された電磁波のうち方向性のあるものを互いに打ち消し合うことができる。これらの結果、試料の成膜およびエッチングの際に厚みにばらつきが生じてしまうおそれを低減することができる。なお、ここでいう方形渦巻状とは厳密な意味で方形である必要はなく、例えば、図２に示すように、方形のうち辺に相当する部分が緩やかに円弧状になっていてもよい。

また、発熱抵抗体２の配線パターンが方形渦巻状の渦巻状部２１を有することにより、図２に示すように、発熱抵抗体２の配線パターンを無駄な間隔を空けることなく形成することができる。そのため、発熱抵抗体２の配線密度を向上させることができる。

さらに、セラミック体１の中心部に中心を有する複数の仮想円の円周上にそれぞれ複数
の渦巻状部２１が並置されており、それぞれの仮想円上の渦巻状部２１が電気的に接続されて、仮想円の円周方向に並んでいる。これにより、同様の配線パターンが繰り返されて配置されていることによって、形成される磁場が周方向に均一になる。これにより、試料の成膜およびエッチングの際に、周方向における厚みのばらつきをさらに低減できる。なお、それぞれの仮想円上の渦巻状部２１は、任意の場所にて隣り合う仮想円上の渦巻状部２１と電気的に接続することができる。

なお、図２においては、隣り合う渦巻状部２１同士が直接的繋がっているが、これに限られない。例えば、図３に示すように、隣り合う渦巻状部２１を連結する連結部２３が設けられていてもよい。図２に示す発熱抵抗体２の場合には、隣り合う渦巻状部２１が線対称の関係になるように配置されている。そのため、２種類の配線パターンの渦巻状部２１が交互に配置されていた。これに対して、図３に示すように、発熱抵抗体２が渦巻状部２１同士を繋ぐ連結部２３を有していることにより、同じ形状の１種類の配線パターンの渦巻状部２１が繰り返されて配置されている。その結果、形成される磁場をさらに均一にできる。

さらに、複数の仮想円のうち、外側の仮想円の円周上に位置している渦巻状部２１の仮想円の円周方向における長さを、内側の仮想円の円周上に位置している渦巻状部２１の仮想円の円周方向における長さよりも長くすることができる（図示せず）。具体的には、全周の長さが短くなる内側においては、渦巻状部２１の円周方向の長さを短くすることによって、仮想円の円周上に並置される渦巻状部２１の数を増やすことができ、周方向において折り返し部を分散させることができる。さらに、全周の長さが長くなる外側においては、渦巻状部２１の円周方向の長さを長くすることで、１つの渦巻状部２１が広範囲に形成されることになるので、１つ１つの渦巻状部２１におけるトリミングを行ないやすくすることができる。そのため、プラズマを均一に立てつつ均熱性を向上させることができる。なお、ここでいう渦巻状部２１の円周方向における長さとは、例えば、それぞれの渦巻状部２１のうち最も外側に位置する辺の長さを測定することによって、確認することができる。

さらに、仮想円の円周上に隣り合う渦巻状部２１のうち、中心方向に設けられた部分同士が、長さが同一であるとともに、さらに電流が流れる向きが逆方向であることが好ましい。これにより、隣り合う渦巻状部２１同士で中心方向に設けられた部分同士から発せられる磁界を打ち消しあうことができる。これにより、試料の成膜およびエッチングの際に、周方向における厚みのばらつきをさらに低減できる。

さらに、渦巻状部２１のうち中心方向に設けられた部分は、他の部分と比べて温度差が生じやすい傾向にある。そこで、複数の仮想円上の渦巻状部２１において、径方向に渦巻状部２１を見たときに、それぞれの仮想円上において、中心方向に設けられた部分をずらすように渦巻状部２１を配置することが好ましい。これにより、試料保持面１１における均熱性を向上させることができる。

＜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、セラミック体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、セラミック体１を形成するセラミックグリーンシートに吸着電極３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成形する。

ここで、セラミック体１における所定の位置に吸着電極３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、吸着電極３が埋設されたセラミック体１が作製される。

次に、セラミック体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溝を形成する。

次に、そのセラミック体１の下面に、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作製し、そのペーストを所定のパターンでスクリーン印刷法等によって印刷成形する。その後、約８００℃の温度で焼成して発熱抵抗体２を形成する。このセラミック体１下面にアルミニウム、マグネシウム、ステンレスなどから成るベースプレートにシリコーン接着剤等の接合材を用いて接合する。さらに、吸着電極３と発熱抵抗体２に金属から成る端子部材を導電性接合材又は半田材料等で接合する。以上のようにして試料保持具を製造することができる。

本実施例ではセラミック体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、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、セラミック体１を形成するセラミックグリーンシートに吸着電極３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、セラミック体１における所定の位置に吸着電極３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。セラミック体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、
吸着電極３から試料保持面１１までの厚みが０．３ｍｍ、セラミック体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セラミック体１を完成させた。

次に、金属成分として銀パラジウムを含み、ガラス成分として、ケイ素、ホウ素およびビスマスの各酸化物を含むペーストを作製し、セラミック体１の下面に中央で折り返した二重の方形渦巻状の形状を有する複数の渦巻状部２１を有するパターンをスクリーン印刷し塗布して、７８０〜８５０℃の温度で焼成した。この焼成により、発熱抵抗体２を形成した。このセラミック体１の下面にシリコーン接着剤を塗布し、アルミニウムから成るベースプレート４に接着した。接着は、１００℃の温度でシリコーン接着剤を硬化させ接合層５を形成することによって行なった。さらに、吸着電極３および発熱抵抗体２に銅から成る端子部材を導電性接合材で１００℃にて接合した。以上のようにして試料保持具Ａを製造することができた。また比較例として、図４に示すように折り返し部が特定の部分に集中した発熱抵抗体２の配線パターンを有する試料保持具Ｂを同様の方法で作製した。

試料保持具Ａ、ＢをＰＶＤ装置内に入れて、ウェハの面内のＴａ成膜レートの均一性を確認した。試料保持具Ａを用いたウェハの平均成膜厚みは７０ｎｍで面内ばらつきは２．０％であったが、試料保持具Ｂは平均成膜厚み７０ｎｍで面内ばらつきは７．８％であった。試料保持具Ｂで成膜したウェハの膜厚分布を解析すると、発熱抵抗体２の折り返し部直上で膜厚がばらついていることが分かった。さらに発熱抵抗体２に電圧をかけている時の電磁波を電磁波測定器で測定したところ、発熱抵抗体２の折り返し部直上で電磁波が大きくなっていることが分かった。一方、試料保持具Ａは電磁波が全体的に小さく、面内でもばらつきがなかった。以上の結果より、発熱抵抗体２の折り返し部からの電磁波の影響で成膜厚み分布に影響が出たと考えられる。

セラミック体：１
発熱抵抗体：２
吸着電極：３
ベースプレート：４
接合層：５
試料保持具：１０
試料保持面：１１

Claims (1)

1. 一方の主面に試料保持面を有するセラミック体と、該セラミック体の内部における前記試料保持面に平行な面または前記セラミック体の他方の主面に設けられた発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体の配線パターンは、前記セラミック体の中心部に中心を有する複数の仮想円の仮想円の円周上に、中央で折り返した二重の方形渦巻状の形状を有する複数の渦巻状部が並置されており、それぞれの前記仮想円上の渦巻状部同士が電気的に接続されているとともに、前記複数の仮想円のうち、外側の前記仮想円の円周上に位置している前記渦巻状部の前記仮想円の円周方向における長さが、内側の前記仮想円の円周上に位置している前記渦巻状部の前記円の円周方向における長さよりも長いことを特徴とする試料保持具。