JP6683555B2

JP6683555B2 - 試料保持具

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Publication number: JP6683555B2
Application number: JP2016126144A
Authority: JP
Inventors: 泰広中井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-06-27
Also published as: JP2018006359A

Description

本発明は、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に用いられる、試料保持具に関するものである。

試料保持具として、例えば、特許文献１に開示された静電チャックが知られている。特許文献１に開示された静電チャックにおいては、試料保持面を有するセラミック体とセラミック体の内部に設けられた吸着電極とを備えている。セラミック体のうち吸着電極よりも試料保持面側に位置する領域には、遷移金属酸化物が添加されている。これにより、試料保持面と吸着電極との間の絶縁抵抗値を調整することができるので、静電チャックの吸着特性を調整できる。

特開平５−１３５５５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された静電チャックにおいては、吸着電極よりも試料保持面側に位置する領域の全体の絶縁抵抗値を低くしてしまうことによって、セラミック体のうち吸着電極の近傍において絶縁破壊を生じさせてしまう場合があった。具体的には、例えば、吸着電極が複数の電極から成る場合には、複数の電極間で絶縁破壊が生じる場合があった。また、セラミック体の外部に別の電極端子が設けられている場合には、セラミック体のうち絶縁抵抗値を低くした部位に電気が流れてしまうことによって、吸着電極と別の電極端子との間で絶縁破壊が生じる場合があった。その結果、静電チャックの信頼性を向上させることが困難になる場合があった。

本発明の試料保持具は、上面が試料を保持する試料保持面となるセラミック体と、該セラミック体の内部の前記上面側に設けられた吸着電極とを備え、前記セラミック体における前記上面と前記吸着電極との間の上面側領域に抵抗値を減少させる抵抗調整成分が含ま
れており、該抵抗調整成分の含有量は前記吸着電極に近接する部位よりも前記上面に近接する部位のほうが多く、前記吸着電極は電極端子を介して外部回路と電気的に接続されており、前記上面側領域を平面透視したときに、前記抵抗調整成分の含有量が多い第１の部位と前記抵抗調整成分の含有量が少ない第２の部位とに分かれており、前記第１の部位が前記電極端子の配置された部位を除く前記吸着電極の配置された部位に設けられており、前記第２の部位が前記電極端子の配置された部位と前記吸着電極の配置されていない部位とに設けられていることを特徴とする。

本発明の試料保持具は、抵抗調整成分の含有量が吸着電極に近接する部位よりも上面に近接する部位のほうが多い。このように、抵抗調整成分が上面に近接する部位において多いことによって、試料保持面と吸着電極との間の絶縁抵抗値を調整することができ、試料保持具の吸着特性を調整できる。さらに、抵抗調整成分が吸着電極に近接する部位において少ないことによって、吸着電極の近傍において絶縁破壊が生じる可能性を低減できる。これにより、試料保持具の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試料処理装置の概略断面図である。図１に示す試料保持具の縦断面図である。変形例の試料保持具を示す縦断面図である。図３に示す試料保持具を平面透視したときの模式図である。変形例の試料保持具を示す縦断面図である。図５に示す試料保持具を平面透視したときの模式図である。

本発明の一実施形態の試料保持具１０およびこれを備えた試料処理装置１００について詳細に説明する。

図１に示すように、試料処理装置１００は、筐体５と筐体５の内部に設けられた試料保持具１０とを備えている。試料処理装置１００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、筐体５はいわゆるチャンバーとして用いられ、試料保持具１０には、例えば、シリコンウエハ等が保持される。

筐体５は、下側に開口する貫通孔５０を有しており、この貫通孔５０を塞ぐように試料保持具１０が取り付けられている。具体的には、試料保持具１０のうち金属部材４が筐体５の貫通孔５０を囲んでいるとともに、金属部材４とセラミック体１とによって貫通孔５０を塞いでいる。金属部材４は、筐体５に接合されるとともに、セラミック体１の試料保持面１１が露出する筐体５内の空間を筐体５およびセラミック体１と共に封止している。

図２に示すように、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の内部に設けられたヒータ電極２および吸着電極３を備えている。試料保持具１０は、セラミック体１の他方の主面に設けられた金属部材４をさらに備えている。なお、図２は、断面図であるが理解を助けることを目的としてハッチングを施していない（図３、５も同様）。

セラミック体１は、試料を保持するための部材である。セラミック体１は、例えば、セラミック層の積層体から成る。セラミック体１は、例えば、円板状の部材である。セラミック体１は一方の主面に試料保持面１１を有する。

セラミック体１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１は、例えば、複数のグリーンシートを積層して、これを窒素雰囲気中で焼成することによって得ることができる。セラミック体１の内部にはヒータ電極２および吸着電極３が設けられている。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、焼成後にヒータ電極２または吸着電極３と成るパターンを印刷しておけばよい。セラミック体１の寸法は、例えば、主面の直径を３０〜５００ｍｍ程度に、厚みを５〜２５ｍｍ程度に設定できる。

吸着電極３は、静電吸着力によって試料を保持するための部材である。吸着電極３はセラミック体１の内部に設けられている。この吸着電極３は、試料保持面１１に対向するように設けられている。吸着電極３の材質および構造は特に限定されないが、例えば、スクリーン印刷法を用いて白金またはタングステン等の金属を所定の形状（例えば、円状）に形成することで作製することができる。また、金属箔をセラミック体１に埋設することによって吸着電極３を形成してもよい。吸着電極３から試料保持面１１までの距離は、例えば、０．１〜２ｍｍに設定することができる。

金属部材４は、セラミック体１を保持するための部材である。図２に示すように、金属部材４は、セラミック体１の他方の主面に設けられた鍔部４１および鍔部４１からセラミック体１から離れるように伸びる筒部４２を有する。鍔部４１はセラミック体１の他方の主面に接合されている。鍔部４１および筒部４２は一体的に形成することができる。鍔部４１および筒部４２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。

金属部材４において、鍔部４１は、セラミック体１の他方の主面に接合される部位である。鍔部４１は、環状の部位であって、セラミック体１の他方の主面に設けられている。より詳しくは、鍔部４１は円環状の部位である。鍔部４１の寸法は、例えば、内径を２０〜４５０ｍｍ程度に、円環の幅を２〜２０ｍｍ程度に設定できる。鍔部４１と筒部４２の厚みは、例えば、０．２〜２ｍｍに設定できる。なお、鍔部４１の内径は、セラミック体１の他方の主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１００の内部にガスを導入するためにセラミック体１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１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。

鍔部４１とセラミック体１とはろう材によって接合されている。ろう材としては、例えば、銀ろう、または、銀銅ろうを用いることができる。鍔部４１とセラミック体１との接合をより良好に行なうために、セラミック体１の他方の主面にはメタライズ層（図示せず）が設けられている。メタライズ層は、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、メタライズ層も円環状である。メタライズ層としては、例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金等を用いることができる。

ヒータ電極２は、セラミック体１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。ヒータ電極２は、セラミック体１の内部に設けられている。ヒータ電極２に電圧を印加することによって、ヒータ電極２を発熱させることができる。ヒータ電極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の主面（図２における上面）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。ヒータ電極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の層間のほぼ全面に形成されている。

ヒータ電極２は、導体成分およびセラミック成分を含んでいる。導体成分としては、例えばタングステンまたは炭化タングステンを含んでいる。セラミック成分としては、窒化アルミニウム等のセラミック体１と同じ成分からなる粉末を含んでいる。

本実施形態の試料保持具１０においては、上面が試料を保持する試料保持面１１となるセラミック体１と、セラミック体１の内部の上面側に設けられた吸着電極３とを備え、セラミック体１における上面と吸着電極３との間の上面側領域１２に抵抗値を減少させる抵抗調整成分７が含まれており、抵抗調整成分７の含有量は吸着電極３に近接する部位よりも上面に近接する部位のほうが多い。これにより、試料保持面１１と吸着電極３との間の絶縁抵抗値を調整することができ、静電チャック１０の吸着特性を調整できつつも、吸着電極３の近傍において絶縁破壊が生じる可能性を低減できる。これにより、試料保持具１０の信頼性を向上させることができる。

また、上面側領域１２の抵抗値が低いことによって、試料の吸着時に試料保持面１１に発生した残留電荷を除去しやすくすることができる。これにより、試料を速やかに取り外すことができるようになる。

抵抗調整成分７としては、例えば、ＴｉまたはＳｉ等の窒化物または、Ｉｎ、ＳｎまたはＺｎ等の酸化物が挙げられる。また、その他の抵抗調整成分７としては、例えば、Ｃ等の非金属元素を用いることができる。

抵抗調整成分７は、例えば、使用環境下において試料保持面１１と吸着電極３との間の抵抗が１０^６〜１０^１０Ωｍになるように、分布させることができる。また、吸着電極３
が複数の電極からなる場合には、使用環境下において隣り合う電極同士の間の抵抗が１０^１１Ωｍ以上になるように、分布させることができる。

また、抵抗調整成分７の分布の確認は、以下の方法で行なうことができる。具体的には、セラミック体１の上面側領域１２を上面に対して垂直な方向（厚み方向）に切断する。得られた断面を鏡面研磨する。鏡面研磨後の断面を、例えば、堀場製作所製の電子線マイクロアナライザ（ＥＭＡＸ−７０００）を用いて、吸着面側から吸着電極側へ向けて、電子ビームを照射する。電子ビームと、抵抗調整成分７を構成する少なくとも１種の元素との相互作用により発生する固有のＸ線（特性Ｘ線）の強度をモニターする。これにより、上面側領域１２における抵抗調整成分７の分布を確認することができる。

このとき、例えば、上面側領域１２を上下方向に少なくとも２つまたはそれ以上の領域に等間隔に分けて、領域ごとに抵抗調整成分７の強度をモニターすることによって、「吸着電極３に近接する部位」と「上面に近接する部位」との抵抗調整成分７の量の比較を行なうことができる。上面側領域１２を上下方向に２つの領域に分ける場合には、下側に位置する領域が「吸着電極３に近接する部位」とみなすことができ、上側に位置する領域が「上面に近接する部位」とみなすことができる。

また、二次イオン質量分析計等を用いて、試料保持面１１側から、深さ方向（上下方向）に抵抗調整成分７を構成する元素の含有量を調べることも可能である。

また、図３、４に示すように上面側領域１２を平面透視したときに、抵抗調整成分７の含有量が多い第１の部位１３と抵抗調整成分７の含有量が少ない第２の部位１４とに分かれていてもよい。これにより、１つの試料保持具１０において、吸着特性が異なる２種類以上の領域を設けることが可能になる。そのため、例えば、試料を保持することが可能な温度範囲が異なる２種類以上の領域を１つの試料保持面１１に設けることができるので、試料保持具１０の使用温度範囲を広くすることができる。

具体的には、図３、４に示すように、第１の部位１３と第２の部位１４とが同一の中心を有する環状に分かれていてもよい。これにより、第１の部位１３を介した静電吸着力によって試料を保持する際も、第２の部位１４を介した静電吸着力によって試料を保持する際も、試料に対する保持力の強さに周方向の偏りが生じることを低減できる。

また、図５、６に示すように、吸着電極３は電極端子６を介して外部回路（図示せず）と電気的に接続されており、上面側領域１２を平面透視したときに、第１の部位１３が電極端子６の配置された部位を除く吸着電極３の配置された部位に設けられており、第２の部位１４が電極端子６の配置された部位と吸着電極３の配置されていない部位とに設けられていてもよい。これにより、吸着電極３に電圧を印加した際に吸着電極３と電極端子６との間で絶縁破壊が生じてしまうおそれを低減できる。

具体的には、図５、６に示す試料保持具１０においては、吸着電極３が一定の間隔を開けて設けられた２つの半円状の部分から成るとともに、２つの半円状の部分のそれぞれに電極端子６が接続されている。そして、第１の部位１３は、吸着電極３の２つの半円状の部分から電極端子６が設けられた部分を除いた領域に対応するように設けられている。また、第２の部位１４は、上面側領域１２のうち第１の部位１３以外の部分に設けられている。

なお、このとき、絶縁破壊が生じるおそれをさらに低減することを目的として、電極端子６が設けられている部分よりも、広めに第２の部位１４を設けてもよい。そして、第２の部位１４が広めに設けられることに対応して、第１の部位１３が狭く設けられていても
よい。

また、抵抗調整成分７が金属、または、その化合物であってもよい。これにより、セラミック体の抵抗の調整範囲を広くすることができる。これは、金属または化合物はそれ自身の体積固有抵抗が低いために、それらを高抵抗のセラミック体１に拡散させる際に、拡散させる量を調整することによって、所望の抵抗値に調整しやすいためである。また、金属またはその化合物は熱処理を施すことによってセラミック体１中に拡散させることが容易であるために、熱処理の条件を調整することによって、抵抗値を所望の値に調整しやすい。

また、セラミック体１の内部の吸着電極３よりも下側にヒータ電極２が設けられており、セラミック体１における上面側領域１２を除く領域における抵抗調整成分７の含有量が、上面側領域１２における吸着電極３に近接する部位における抵抗調整成分７の含有量よりも少なくてもよい。これにより、ヒータ電極２の周囲で絶縁破壊が生じてしまうおそれを低減できる。なお、ここでいう「少なくてもよい」とは、抵抗調整成分７が全く含まれていない場合、すなわち、含有量が０の場合も含んで意味している。

次に、本実施形態の試料保持具１０の製造方法について説明する。なお、セラミック体１の材料が窒化アルミニウムセラミックスの場合を例に説明するが、アルミナ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方法で作製できる。

まず、主原料となる窒化アルミニウム粉末を所定量秤量し、ボールミル中で有機溶媒または有機分散剤と、金属またはセラミックスからなるボールと、共に湿式粉砕を行なう。湿式粉砕は、例えば、２４〜７２時間行なう。

こうして生成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ー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て、さらに２４〜４８時間の混合を行なう。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、カレンダーロール法、プレス成形法または押出成形法などによってセラミックグリーンシートに成形する。

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およびヒータ電極２を形成するためのペースト状電極材料を印刷成形する。ペースト状電極材料としては、白金、タングステンまたはモリブデン等を用いることができる。

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とヒータ電極２が形成されるように、ペースト状電極材料が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が印刷された電極形成グリーンシートとを積層する。ここで、積層されたセラミックグリーンシート同士を密着させるために、加圧プレスを行なう。具体的には、例えば、プレス面の温度は３５〜１４０℃に、プレス面による圧力は０．２〜２０ＭＰａに設定できる。

次に、得られた積層体を所定の温度および雰囲気中にて焼成して、吸着電極が埋設されたセラミック体１を作製する。その後、試料保持面１１となるセラミック体１の表面に、抵抗を低くするための抵抗調整成分７を含有した物質が配置される。このような物質としては、例えば、所望の金属の粉を含有するペーストを用いることができる。金属粉を含有するペーストをスクリーン印刷等でセラミック体１の表面の所望の位置に塗布する。その後、金属粉を含有するペーストを塗布したセラミック体１を、所定の温度、圧力、雰囲気中で所定の時間加熱して、金属をセラミック体１の中に拡散させる。このように試料保持面１１からセラミック体１の深さ方向に、金属の拡散層、または、金属との反応層が形成
される。拡散した金属は、セラミック体１中において単体で存在する場合もあるが、セラミック体１を構成する元素と反応して抵抗を低下させる化合物として存在する場合もある。

この際、金属は、例えば、セラミック体１の粒界を通じて拡散し、粒界に存在する成分と反応し、粒界部において抵抗が低い化合物を形成することによってセラミック体の抵抗を低くする場合もある。

金属粉として用いる金属は、例えば、窒化物を形成するＴｉやＳｉ等、導電性の酸化物を形成するＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎ等を用いることができる。金属粉としては、セラミック体１に拡散または反応のしやすさを考慮して、金属ナノ粒子を用いることができる。

以上のようにして、試料保持具１０を作製することができる。

なお、上記では、セラミック体１の抵抗を低く調整する方法として、焼成したセラミック体１の試料保持面１１から金属を拡散させる事例を示したが、これに限られない。例えば、焼成前の積層体の試料保持面１１となる表面に、抵抗調整成分７となる金属を含有する溶液を塗布した後、積層体を焼成することによって所望の金属をセラミック体１の中に拡散することができる。

また、試料保持面１１には、試料を保持するための突起部（エンボス）およびその外周部に位置する平坦部を設けてもよい。このとき、試料と接することになるこれらの突起部および平坦部を含む領域にのみ局所的に抵抗調整成分７を含有させてもよい。このような構成にすることによって、抵抗が低い領域を少なくできるために、絶縁破壊を生じにくくすることができる。さらに、試料保持面１１と試料との間に、熱を伝達するためのガスを流すための溝を設けることもできる。このとき、上述の第２の部位１４を溝に沿って形成することによって、溝の底面において絶縁破壊を生じにくくすることができる。

１：セラミック体
１１：試料保持面
１２：上面側領域
１３：第１の部位
１４：第２の部位
２：ヒータ電極
３：吸着電極
４：金属部材
４１：鍔部
４２：筒部
５：筐体
５０：貫通孔
６：電極端子
７：抵抗調整成分
１０：試料処理装置
１００：試料保持具

Claims

上面が試料を保持する試料保持面となるセラミック体と、該セラミック体の内部の前記上面側に設けられた吸着電極とを備え、前記セラミック体における前記上面と前記吸着電極との間の上面側領域に抵抗値を減少させる抵抗調整成分が含まれており、該抵抗調整成分の含有量は前記吸着電極に近接する部位よりも前記上面に近接する部位のほうが多く、前記吸着電極は電極端子を介して外部回路と電気的に接続されており、前記上面側領域を平面透視したときに、前記抵抗調整成分の含有量が多い第１の部位と前記抵抗調整成分の含有量が少ない第２の部位とに分かれており、前記第１の部位が前記電極端子の配置された部位を除く前記吸着電極の配置された部位に設けられており、前記第２の部位が前記電極端子の配置された部位と前記吸着電極の配置されていない部位とに設けられていることを特徴とする試料保持具。
前記抵抗調整成分が金属、または、その化合物であることを特徴とする請求項１に記載の試料保持具。
前記セラミック体の内部の前記吸着電極よりも下側にヒータ電極が設けられており、前記セラミック体における前記上面側領域を除く領域における前記抵抗調整成分の含有量が、前記上面側領域における前記吸着電極に近接する部位における前記抵抗調整成分の含有量よりも少ないことを特徴とする請求項２に記載の試料保持具。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の試料保持具であって、前記セラミック体の下面に金属部材が設けられた試料保持具と、貫通孔を有する筐体とを備えており、前記セラミック体および前記金属部材が前記貫通孔を塞ぐように前記筐体に取り付けられていることを特徴とする試料処理装置。