JP6657426B2 - 試料保持具 - Google Patents

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Description

本開示は、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、特開２０１６−１０３５６０号公報（以下、特許文献１という）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は、上面に試料保持面を有する基体と、基体の下面に設けられた発熱抵抗体と、基体の下面に接合層を介して接合された支持体とを備えている。近年、試料保持具は試料保持面における更なる均熱性の向上が求められている。
本開示の一態様の試料保持具は、一方の主面が試料保持面であるセラミック基板と、該セラミック基板の内部または他方の主面に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック基板の前記他方の主面を覆うように接合層を介して設けられており、一方の主面と他方の主面とに開口する貫通孔を有する金属部材と、前記金属部材に挿入されたリード端子と、前記接合層の内部に設けられており、前記発熱抵抗体と前記リード端子とを電気的に接続するとともに、前記セラミック基板の前記他方の主面から離れて、前記他方の主面に沿った方向に伸びる領域を有する導通部と、を備えている。
試料保持具の一例を示す断面図である。 試料保持具の一例のうち導通部を下方向から見た図である。 試料保持具の他の例を示す断面図である。 試料保持具の他の例のうち導通部および膜状部材を示す断面図である。 試料保持具の他の例のうち導通部および膜状部材を上方から見た図である。 試料保持具の他の例のうち導通部および膜状部材を下方から見た図である。 試料保持具の他の例のうち導通部を下方から見た図である。
図１は試料保持具１０の一例を示す断面図である。図１に示すように、本例の試料保持具１０は、一方の主面が試料保持面１１であるセラミック基板１と、金属を有し上面でセラミック基板１の他方の主面を覆う金属部材４と、セラミック基板１の他方の主面および金属部材４の一方の主面を接合する接合層５とを備えている。また、試料保持具１０は、セラミック基板１の内部または他方の主面に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック基板１の内部に設けられた吸着電極３とを備えている。なお、以下、「一方の主面」を「上面」として、「他方の主面」を「下面」として説明を行なうこともあるが、これは理解を助けるための表現であって、試料保持具１０の使用方法を限定するものではない。
セラミック基板１は、上面に試料保持面１１を有する板状の部材である。セラミック基板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。セラミック基板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を有する。セラミック基板１の下面には、発熱抵抗体２が設けられている。セラミック基板１の寸法は、例えば、径を２００〜５００ｍｍ、厚みを２〜１５ｍｍに設定できる。
セラミック基板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、本例の試料保持具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はセラミック基板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。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、セラミック基板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基板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を有する。
発熱抵抗体２は、セラミック基板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、セラミック基板１の内部または下面に設けることができる。本例の試料保持具１０においては、発熱抵抗体２は、セラミック基板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、セラミック基板１の内部を伝わって、セラミック基板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、セラミック基板１の下面のほぼ全面に設けられている。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してもよい。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がセラミック基板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、セラミック基板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、セラミック基板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。
金属部材４は、セラミック基板１を支持するために設けられている。金属部材４は、金属を有し、上面でセラミック基板１の下面を覆っている。セラミック基板１の下面と金属部材４の上面とは接合層５によって接合されている。金属部材４を構成する金属は特に制限されない。ここでいう「金属」とは、セラミックスと金属との複合材料および繊維強化金属等の、金属から成る複合材料も含んでいる。一般的に、ハロゲン系の腐食性ガス等に曝される環境下において試料保持具１０を用いる場合には、金属部材４を構成する金属として、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼またはニッケル（Ｎｉ）あるいはこれらの金属の合金を使用してもよい。また、金属部材４の構造は、特に限定されるものではないが、気体または液体等の熱媒体を循環させるための冷却用の流路を備えていてもよい。この場合には、熱媒体として水またはシリコーンオイル等の液体あるいはヘリウム（Ｈｅ）または窒素（Ｎ２）等の気体を用いることができる。
接合層５は、セラミック基板１と金属部材４とを接合するために設けられている。接合層５は、セラミック基板１の下面および金属部材４の上面を接合している。接合層５の厚みは、例えば、０．１〜１ｍｍ程度に設定される。接合層としては、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料を用いることができる。
導通部６およびリード端子７は、発熱抵抗体２に電力を供給するための部材である。導通部６は、一端が発熱抵抗体２に接続されるとともに、他端がリード端子７に接続されている。リード端子７は、一端が導通部６に接続されるとともに、他端が外部電源に接続されている。導通部６としては、例えば、銅等の電気伝導性を有する金属材料を用いることができる。リード端子７としては、例えば、ニッケル等の電気伝導性を有する金属材料を用いることができる。
より具体的には、金属部材４は、上面と下面とに開口する貫通孔４１を有している。接合層５は、下面に凹部５１を有している。金属部材４の貫通孔４１と接合層５の凹部５１とは、それぞれの内周面が連続するように、繋がっている。導通部６は、接合層５の内部に設けられており、セラミック基板１の下面に沿った部分を有している。導通部６のうちセラミック基板１の下面に沿った部分としては、例えば、金属板を用いることができる。また、本例においては、導通部６と発熱抵抗体２とは、ビアホール導体６１によって接続されている。ビアホール導体としては、例えば、半田またはろう材等の導電性材料を用いることができる。
なお、本例においては、導通部６は、全体がセラミック基板１の下面に沿っているが、これに限られない。例えば、導通部６は、セラミック基板１の下面に沿った部分と、上下方向に伸びる部分との両方を有していてもよい。このような場合には、発熱抵抗体２と導通部６とがビアホール導体６１を介さずに直接接続されていてもよい。なお、ここでいう上下方向とは、セラミック基板１の上面に対して垂直な方向を意味している。
図２に示すように、導通部６は、例えば、セラミック基板１の下面に沿った面を見たときに、帯形状を有していてもよい。より具体的には、導通部６は、大部分が帯形状であるとともに、ビアホール導体６１に接続される第１領域６２、および、リード端子７に接続される第２領域６３を有していてもよい。そして、第１領域６２と第２領域６３との間に、第１領域６２および第２領域６３よりも細い、第３領域６４を有していてもよい。導通部６が第３領域６４を有していることによって、第１領域６２と発熱抵抗体２とをはんだ等のビアホール導体６１で接続したときに、硬化前のビアホール導体６１が第２領域６３に濡れ広がってしまうおそれを低減できる。これにより、導通部６と発熱抵抗体２との接続信頼性を向上できる。
導通部６は、ビアホール導体６１とリード端子７とを接続している。導通部６のうちセラミック基板１の下面に沿った部分は凹部５１の底面に露出している。言い換えると、導通部６の他端は凹部５１の底面に露出している。
リード端子７は、金属部材４の貫通孔４１に金属部材４の下面側から挿入されており、凹部５１の底面に達している。リード端子７は、金属部材４との絶縁性を確保するために、金属部材４に接触しないように間隔を空けて設けられている。リード端子７は、凹部５１の底面において導通部６に接続されている。リード端子７と導通部６との接続には、例えば、電気伝導性を有する接合材を用いることができる。接合材としては、例えば、ろう材や半田を用いることができる。
本例の試料保持具１０においては、一方の主面が試料保持面１１であるセラミック基板１と、セラミック基板１の内部または他方の主面に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック基板１の他方の主面を覆うように接合層５を介して設けられており、一方の主面と他方の主面とに開口する貫通孔４１を有する金属部材４と、金属部材４に挿入されたリード端子７と、接合層５の内部に設けられており、発熱抵抗体２とリード端子７とを電気的に接続するとともに、セラミック基板１の他方の主面から離れて、他方の主面に沿った方向に伸びる領域を有する導通部６と、を備えている。導通部６がセラミック基板１の他方の主面から離れて他方の主面に沿った方向に伸びる領域を有することによって、導通部６において生じた発熱がセラミック基板１に伝わりにくくすることができる。これにより、試料保持面１１における均熱性を向上できる。
また、導通部６の全体が接合層５に覆われている構成であってもよい。これにより、導通部６を外部と絶縁することができるので、試料保持具１０信頼性を向上できる。なお、ここでいう「導通部６の全体が接合層５に覆われている」とは、厳密な意味で全体が接合層５に覆われている必要はない。具体的には、導通部６と発熱抵抗体２との接続部、導通部６とリード端子７との接続部、および、その他の電気的な接続を必要とする部位においては、電気的な接続を行なうために部分的に接合層５に覆われていない部分があってもよい。
また、接合層５は、セラミック基板１よりも熱伝導率が小さくてもよい。これにより、導通部６で生じた熱が接合層５を介してセラミック基板１に伝わってしまうことを低減できる。その結果、試料保持面１１における均熱性を向上できる。
また、図３に示すように、発熱抵抗体２がセラミック基板１の下面に設けられており、接合層５が、セラミック基板１に接合された第１層５２と金属部材４に接合された第２層５３とを有する積層構造であるとともに、第１層５２が、第２層５３よりも弾性率が大きくてもよい。これにより、弾性率が大きい第１層５２で発熱抵抗体２を覆うことによってセラミック基板１と発熱抵抗体２とを強固に拘束することができるので、ヒートサイクル下において発熱抵抗体２に剥がれが生じる可能性を低減できる。また、弾性率が小さい第２層５３で金属部材４を接合することによって、熱膨張の大きい金属部材４と接合層５との間で生じる熱応力を低減できる。第１層５２としては、例えば、エポキシ樹脂を、第２層５３としては、例えば、シリコーン樹脂を用いることができる。
また、導通部６が、第１層５２と第２層５３との間に設けられていてもよい。第１層５２と第２層５３との間に導通部６を設けることによって、第１層５２の内部に導通部６を設けた場合、または、第２層５３の内部に導通部６を設けた場合と比較して、接合層５の内部における界面の面積を減らすことができる。そのため、試料保持面１１の温度を降下させる際に、セラミック基板１に残った熱を金属部材４に素早く逃がすことができるので、試料保持具１０の降温速度を向上させることができる。
また、図４に示すように、導通部６の少なくとも一部が接合層５よりも熱伝導率が小さな膜状部材８で覆われていてもよい。これにより、導通部６で生じた熱が接合層５を介してセラミック基板１に伝わるおそれを低減できる。膜状部材８としては、例えば、ポリイミドのフィルムを用いることができる。
膜状部材８は、巻きつけるようにして接合層５に取り付けることができる。また、膜状部材８は、複数の部材から成っていてもよい。具体的には、膜状部材８が凹状部８１および凹状部８１の両側に伸びる鍔部８２を有する２つの部材から成るとともに、２つの部材の凹状部８１によって導通部６が覆われていてもよい。このとき、鍔部８２同士を固定することによって２つの部材を強固に固定できるので、膜状部材８が導通部６から剥がれてしまうおそれを低減できる。
より具体的には、例えば、図５および図６に示すように、導通部６は第１領域６２、第２領域６３および第３領域６４を有しており、第２領域６３の下面がリード端子７に接続される接続領域６５を有していてもよい。このとき、第２領域６３のうち接続領域６５以外が膜状部材８によって覆われていてもよい。なお、図５および図６においては、膜状部材８と導通部６との位置関係を明確にするために、膜状部材８を透過して示している。第２領域６３のうち接続領域６５以外が膜状部材８で覆われていることによって、第１領域６２と発熱抵抗体２とをはんだ等のビアホール導体６１で接続したときに、硬化前のビアホール導体６１が第２領域６３に濡れ広がってしまうおそれを低減できる。これにより、導通部６と発熱抵抗体２との接続信頼性を向上できる。
また、図７に示すように、第１領域６２の下面に、低熱伝導部材６６が設けられていてもよい。低熱伝導部材６６としては、接合層５よりも熱伝導率が小さい部材が用いられる。接合層５よりも熱伝導率が小さい部材としては、例えば、ポリイミド等を用いることができる。これにより、発熱抵抗体２で生じた熱が、ビアホール導体６１および第１領域６２を伝わって、接合層５に伝わるおそれを低減できる。その結果、試料保持面１１の均熱性を向上できる。なお、図７においては、第１領域６２の下面のうち一部分が低熱伝導部材６６で覆われているが、これに限られない。例えば、第１領域６２の下面の全体が低熱伝導部材６６で覆われていてもよい。これにより、発熱抵抗体２で生じた熱が、ビアホール導体６１および第１領域６２を伝わって、接合層５に伝わるおそれをさらに低減できる。
また、第１領域６２の下面の全体および側面の一部が低熱伝導部材６６で覆われていてもよい。これにより、発熱抵抗体２で生じた熱が、ビアホール導体６１および第１領域６２を伝わって、接合層５に伝わるおそれをさらに低減できる。
１：セラミック基板
２：発熱抵抗体
３：吸着電極
４：金属部材
４１：貫通孔
５：接合層
５１：凹部
６：導通部
７：リード端子
８：膜状部材
８１：凹状部
８２：鍔部
１０：試料保持具
１１：試料保持面

Claims (6)

  1. 一方の主面が試料保持面であるセラミック基板と、該セラミック基板の内部または他方の主面に設けられた発熱抵抗体と、前記セラミック基板の前記他方の主面を覆うように接合層を介して設けられており、一方の主面と他方の主面とに開口する貫通孔を有する金属部材と、前記金属部材に挿入されたリード端子と、前記接合層の内部に設けられており、前記発熱抵抗体と前記リード端子とを電気的に接続するとともに、前記セラミック基板の前記他方の主面から離れて、前記他方の主面に沿った方向に伸びる領域を有する導通部と、を備えている試料保持具。
  2. 前記導通部の全体が前記接合層に覆われている請求項１に記載の試料保持具。
  3. 前記接合層は、前記セラミック基板よりも熱伝導率が小さい請求項１または請求項２に記載の試料保持具。
  4. 前記発熱抵抗体が前記セラミック基板の前記他方の主面に設けられており、
    前記接合層が、前記セラミック基板に接合された第１層と前記金属部材に接合された第２層を有する積層構造であるとともに、前記第１層が、前記第２層よりも弾性率が大きい請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の試料保持具。
  5. 前記導通部が、前記第１層と前記第２層との間に設けられている請求項４に記載の試料保持具。
  6. 前記導通部の少なくとも一部が前記接合層よりも熱伝導率が小さな膜状部材で覆われている請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の試料保持具。
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