JP6743299B2 - 試料保持具 - Google Patents

Description

本開示は、例えば半導体集積回路の製造工程などで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。

半導体集積回路の製造工程などで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としては、上面に試料保持面を有する板状の絶縁基体と、絶縁基体の下面に設けられた発熱抵抗体とを備えたものが知られている。このような試料保持具においては、絶縁基体と発熱抵抗体との熱膨張差により生じる熱応力によって、発熱抵抗体が絶縁基体から剥離してしまうという課題を有しているものがあった。

この課題を解決するための手段として、例えば、特開２００６−１３１９９号公報（以下、特許文献１という）に開示されているウエハ加熱装置は、一方の主面に試料保持面を有する板状のセラミック体と、セラミック体の他方の主面に設けられており、表面が凹凸面である発熱抵抗体とを備えている。特許文献１に開示されたウエハ加熱装置は、発熱抵抗体の表面が凹凸面であることによって、ヒートサイクル下において発熱抵抗体に生じる熱応力を分散させることができるため、セラミック体から発熱抵抗体が剥がれるおそれを低減することができるようになっていた。

本開示の一態様の試料保持具は、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、該発熱抵抗体の表面には格子状に複数の溝が設けられているとともに、該複数の溝の伸びる方向が前記発熱抵抗体の部位ごとに異なることを特徴とする。

本開示の試料保持具の一例を示す縦断面図である。 （ａ）は図１のＡに示す部位において発熱抵抗体の表面をセラミック体の反対側から平面視した図であり、（ｂ）は図１のＢに示す部位において発熱抵抗体の表面をセラミック体の反対側から平面視した図である。 （ａ）はセラミック体の他方の主面を複数のブロックに分けたときの一例を示す図である。（ｂ）はセラミック体の他方の主面を複数のブロックに分けたときの他の例を示す図である。（ｃ）はセラミック体の他方の主面を複数のブロックに分けたときの他の例を示す図である。 別の例における発熱抵抗体の表面をセラミック体の反対側から平面視した図である。 別の例における発熱抵抗体の縦断面図である。 別の例における発熱抵抗体のパターンの一例を示す図である。 別の例における発熱抵抗体のパターンの一部を拡大した図である。 別の例の試料保持具の一例を示す縦断面図である。

本開示の試料保持具１０の一例について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本開示の一例である試料保持具１０を示す縦断面図である。図１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の他方の主面に設けられた発熱抵抗体２とを備えている。

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の形状は、例えば円板状である。セラミック体１は、一方の主面に試料保持面１１を有している。セラミック体１は、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素またはイットリア等のセラミック材料を有する。セラミック体１の寸法は、例えばセラミック体１が円板状の場合は、主面の直径を２００〜５００ｍｍに、厚みを０．５〜１５ｍｍにすることができる。

試料保持具１０が静電気力によって試料を保持する場合においては、セラミック体１は内部に吸着電極（図示せず）を備えていてもよい。吸着電極は、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、セラミック体１の内部に配置される。これら２つの電極が合わさって、吸着電極全体の外形が円形状となっている。この吸着電極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することができる。吸着電極は、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、電圧を印加することによって発熱する部材である。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、試料保持面１１に到達する。これにより、発熱抵抗体２は、試料を加熱することができる。発熱抵抗体２は、セラミック体１の他方の主面に設けられている。発熱抵抗体２は、例えば複数の折返し部を有する線状のパターンを有する。発熱抵抗体２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有する。また、発熱抵抗体２は、珪素、アルミニウム、ビスマス、カルシウム、ホウ素または亜鉛等の材料の酸化物等のガラス成分を含んでいてもよい。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を０．３〜２．０ｍｍに、厚みを０．２〜１．０ｍｍに、全長を１０００〜２００００ｍｍにすることができる。

発熱抵抗体２の表面には、図２（ａ）に示すように、格子状の溝３が設けられている。発熱抵抗体２の形状が帯状の場合においては、格子状の溝３は、例えば発熱抵抗体２のうちセラミック体の反対側の面に設けられている。これにより、ヒートサイクル下において発熱抵抗体２に生じる熱応力を分散させることができる。そのため、セラミック体１から発熱抵抗体２が剥がれるおそれを低減することができる。

格子状の溝３の寸法は、例えば溝の幅を０．０１〜０．０６ｍｍに、深さを０．０１〜０．３ｍｍに、長さを０．３〜４ｍｍにすることができる。格子状の溝３は、例えば１ｍｍあたり２０〜１５０本設けられており、隣り合う溝の間隔は、例えば０．０１〜０．０６ｍｍである。

ここでいう格子状の溝３とは、複数の並列する溝に対して別の複数の並列する溝が交差するように設けられている状態を意味している。例えば、図２（ａ）に示す発熱抵抗体２の一部分においては、２本の並列する溝に対して、３本の並列する溝が交差するように設けられている。

本開示の試料保持具１０によれば、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように格子状の溝３の伸びる方向が発熱抵抗体２の部位によって異なる。これにより、格子状の溝３の伸びる方向を、発熱抵抗体２の部位によってずらすことができる。そのため、ヒートサイクル下において発熱抵抗体２に熱応力が生じたときに、熱応力が格子状の溝３の伸びる方向に集中するおそれを低減することができる。したがって、特定の方向に向かって、セラミック体１から発熱抵抗体２が剥がれるおそれを低減することができる。

また、格子状の溝３の伸びる方向が発熱抵抗体２の部位によって異なることによって、仮に発熱抵抗体２に外力が加わることによって発熱抵抗体２にクラックが生じたとしても、クラックが溝の伸びる方向に沿って一気に進展するおそれを低減することができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。

格子状の溝３の伸びる方向が発熱抵抗体２の部位によって異なっている構造としては、例えば、セラミック体１の他方の主面を複数のブロックに分けた場合において、複数のブロックごとに格子状の溝３の伸びる方向が異なっている構造がある。図３は、セラミック体１の他方の主面を複数のブロックに分ける例を示している。また、図３に示すセラミック体１においては、理解を助けるために、発熱抵抗体２を省略している。

例えば、図３（ａ）は、セラミック体１の他方の主面を、周方向に複数等分することで、セラミック体１の他方の主面を複数のブロックに分けている。このときに、各ブロックにおいて、格子状の溝３の伸びる方向が異なっていれば、格子状の溝３の伸びる方向が発熱抵抗体２の部位によって異なっているとすることができる。例えば、図３（ａ）においては、セラミック体１の他方の主面を周方向に六等分した場合において、ＡのブロックとＢのブロックとを比較している。

なお、ここでいう等分とは、厳密な意味での等分である必要はなく、各ブロックの面積の差が各ブロックの面積の２０％以内であれば、周方向に等分されているとみなす。また、隣り合うブロックの間に、わずかに格子状の溝３が設けられていない領域があってもよい。

また、複数のブロックは、図３（ａ）に示す例よりも細かく分割されていてもよい。例えば図３（ｂ）に示すように、まず、セラミック体１の他方の主面を径方向に二分割して、円状の部分と円環状の部分とに分ける。この場合において、円状の部分を周方向に複数等分したときに、円状の部分の各ブロックにおける格子状の溝３の伸びる方向が異なっていれば、格子状の溝３の伸びる方向が発熱抵抗体２の部位によって異なっているとすることができる。図３（ｂ）においては、ＣのブロックとＤのブロックとを比較している。また、円環状の部分を周方向に複数等分したときに、円環状の各ブロックにおける格子状の溝３の伸びる方向が異なっている場合も同様に、格子状の溝３の伸びる方向が発熱抵抗体２の部位によって異なっているとすることができる。図３（ｂ）においては、ＥのブロックとＦのブロックとを比較している。

また、別の例として、図３（ｃ）に示すように、セラミック体１の他方の主面を、径方向に三以上のブロックに分割した場合を考える。このときに、セラミック体１の他方の主面は、円状の部分と、複数の円環状の部分に分けられる。この場合において、複数の円環状の部分のうち１部分を周方向に複数等分したときに、各ブロックにおいて格子状の溝３の伸びる方向が異なっていれば、格子状の溝３の伸びる方向が発熱抵抗体２の部位によって異なっているとすることができる。図３（ｃ）においては、ＧのブロックとＨのブロックとを比較している。

なお、発熱抵抗体２の表面に格子状の溝３を設けるためには、レーザートリミング装置を用いることができる。さらに、レーザートリミングをする方向を上記のブロックごとにずらすことによって、格子状の溝３の伸びる方向が発熱抵抗体２の部位によって異なる形状を形成できる。また、格子状の溝３の伸びる方向は、例えば、発熱抵抗体２の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で観察することによって調べることができる。

また、格子状の溝３は垂直に交差するように設けられているものに限定されず、斜めに交差するように設けられていてもよい。また、溝は、幅が一定であるものに限定されない。線状に伸びるものであり、深さと幅を有しているものであれば、溝とみなすことができる。例えば、図４に示すように、格子状の溝３は部分的に外側に広がっている幅広部分３１を有していてもよい。さらに、格子状の溝３は、溝と溝とに囲まれた部分の角部を無くすように幅広部分３１を有していてもよい。また、格子状の溝３に囲まれた部分が、凸部になっており、発熱抵抗体２の表面に等間隔に並んでいてもよい。

また、図４に示すように、発熱抵抗体２を平面視したときに、格子状の溝３に囲まれた部分の角部がＲ形状であってもよい。発熱抵抗体２の表面に格子状の溝３が設けられている場合においては、格子状の溝３の囲まれた部分の角部に熱応力が集中しやすいため、格子状の溝３の囲まれた部分の角部を起点としてクラックが生じやすい傾向にあった。これに対し、格子状の溝３に囲まれた部分の角部がＲ形状であることにより、格子状の溝３に囲まれた部分の角部に生じる応力を分散させることができる。そのため、格子状の溝３の囲まれた部分の角部を起点として、発熱抵抗体２にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。

また、図５に示すように、発熱抵抗体２が帯状であるとともに、発熱抵抗体２を長さ方向に対して垂直な断面で見たときに、発熱抵抗体２のうち中央よりも両端が薄くてもよい。発熱抵抗体２が帯状であるときは、発熱抵抗体２を長さ方向に対して垂直な断面で見たときの両端に引っ張り応力が加わりやすい傾向にあった。発熱抵抗体２の両端が薄いことにより、発熱抵抗体２の両端に加わる熱応力を低減することができる。そのため、発熱抵抗体２の両端に剥がれが生じるおそれを低減することができる。また、発熱抵抗体２の両端より中央が厚いことにより、発熱抵抗体２を長さ方向に対して垂直な断面で見たときの断面積を調整することができる。そのため、発熱抵抗体２の単位長さ辺りの抵抗値が変化するおそれを低減することができる。その結果、試料保持面１１の均熱性を保ちつつ、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。

ここで、発熱抵抗体２の中央のうち一部分でも両端より厚い部分があれば、発熱抵抗体２が中央よりも両端が薄いとみなすことができる。また、ここでいう発熱抵抗体２の中央とは、発熱抵抗体２の幅を三等分したときの中央の部分を指す。

また、発熱抵抗体２は、図６に示すように、セラミック体１の中心部に中心を有する円の円周上に複数並んだ、中央で折り返した二重の方形渦巻状部２１が電気的に接続された配線郡を有していてもよい。これにより、細かく折り返した複数の折り返し部を設けることができる。発熱抵抗体２が折返し部を有する場合においては、折返し部において異質な電磁波が放出されるおそれがあったが、細かく折り返した複数の折り返し部を設けることによって、異質な電磁波が放出される部分を主面の広範囲に略均一に広げることができる。そのため、試料の成膜またはエッチングを行なう際に、異質な電磁波が試料に対して不均一に影響を及ぼし、試料の厚みにばらつきが生じるおそれを低減することができる。

ここで、図６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、セラミック体１の他方の主面において円状の領域に形成された配線パターンのうち、円状の領域を四等分した四分円の状態を示している。図６に示すように、発熱抵抗体２の配線パターンは、複数の方形渦巻状部２１が電気的に接続された配線郡を有していている。このときに、発熱抵抗体２の配線パターンのうち、方形であって、発熱抵抗体２の配線が中央で折り返して二重になっている１つのブロックを、方形渦巻状部２１とすることができる。また、ここでいう方形とは、厳密な意味で方形である必要は無く、例えば、図６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の表面に設けられた格子状の溝３の伸びる方向が、方形渦巻状部２１ごとに異なっていてもよい。この場合においては、１つの方形渦巻状部２１が、図３（ｃ）に示した仮想的な複数のブロックのうちの１つのブロックに対応する。前述の通り、発熱抵抗体２の配線パターンが上記のような配線郡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設けることができるため、成膜およびエッチングを行なう際に、試料の厚みにばらつきが生じるおそれを低減することができる。これに加えて、１つの方形渦巻状部２１内において、格子状の溝３の伸びる方向が揃っていることにより、方形渦巻状部２１内における電磁波の方向性のばらつきを抑制することができる。その結果、試料保持具１０の均熱性を向上させることができる。

さらに、格子状の溝３の伸びる方向が方形渦巻状部２１ごとに異なっていていることにより、発熱抵抗体２の全体では、格子状の溝３の伸びる方向が揃わないようにすることができる。これにより、発熱抵抗体２の全体では、発熱抵抗体２に生じる熱応力が特定の方向に集中するおそれを低減することができる。したがって、熱応力が集中する部分においてセラミック体１と発熱抵抗体２との間にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。

また、図７に示すように、隣り合う方形渦巻状部２１の間において発熱抵抗体２が厚くなっていてもよい。ここで、隣り合う方形渦巻状部２１の間の部分を接続部分２２とする。接続部分２２は、例えば、発熱抵抗体２の表面に設けられた格子状の溝３の伸びる方向が方形渦巻状部２１ごとに異なっていている場合においては、格子状の溝３の伸びる方向が変化する部位である。つまり、接続部分２２は、応力が加わりやすい方向が変化する部位である。したがって、接続部分２２は、方形渦巻状部２１と比較して応力が加わりやすい傾向にある。

本開示の一形態の試料保持具１０によると、接続部分２２において発熱抵抗体２が厚くなっていることにより、方形渦巻状部２１と比較して応力が加わりやすい傾向にある接続部分２２の強度を効率的に高めることができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。具体的には、方形渦巻状部２１における発熱抵抗体２の厚みを、例えば０．２〜０．５ｍｍに、接続部分２２における発熱抵抗体２の厚みを、０．４〜１．０ｍｍにすることができる。また、接続部分２２には格子状の溝３が設けられていなくてもよい。

また、図８に示すように、セラミック体１の他方の主面に、セラミック体１の他方の主面を発熱抵抗体２ごと覆う接合層４を介して、金属プレート５が接合されていてもよい。これにより、接合層４が発熱抵抗体２の表面に設けられた格子状の溝３に入りこむことができる。そのため、アンカー効果によって接合層４と発熱抵抗体２との接合強度を高めることができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を高めることができる。

また、接合層４が発熱抵抗体２の表面に設けられた格子状の溝３に入りこむことによって、発熱抵抗体２と接合層４との接触面積を増やすことができる。これにより、発熱抵抗体２で生じた熱が接合層４を介して金属プレート５に伝わりやすくすることができる。その結果、金属プレート５の冷却性能を高めることができる。

接合層４は、セラミック体１と金属プレート５を接合するための部材である。接合層４は、セラミック体１の他方の主面と金属プレート５の主面とを接合している。接合層４は、例えばエポキシまたはシリコーン等の樹脂材料を用いることができる。接合層４の厚みは、例えば０．１〜２．０ｍｍにすることができる。

金属プレート５は、発熱抵抗体２で生じた熱を、接合層４を介して下面に逃がすことを目的として設けられている。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、金属プレート５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。金属プレート５の寸法は、例えば直径を５０〜４００ｍｍに、厚みを１０〜４０ｍｍにすることができる。また、金属プレート５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（Ｎ_２）等の気体を用いることができる。

なお、セラミック体１の他方の主面に、セラミック体１の他方の主面を発熱抵抗体２ごと覆う接合層４を介して、金属プレート５が接合されていている場合においては、接合材４と金属プレート５とを発熱抵抗体２から分離した後に、発熱抵抗体２の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で見ることによって、発熱抵抗体２の表面を分析することができる。

１：セラミック体
１１：試料保持面
２：発熱抵抗体
２１：方形渦巻状部
２２：接続部分
３：格子状の溝
３１：幅広部分
４：接合層
５：金属プレート
１０：試料保持具

Claims (5)

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、
   該発熱抵抗体の表面には格子状に複数の溝が設けられているとともに、該複数の溝の伸びる方向が前記発熱抵抗体の部位ごとに異なり、
   平面視したときに、前記発熱抵抗体は、前記複数の溝に囲まれた部分の角部がＲ形状である試料保持具。
2. 前記発熱抵抗体が帯状であるとともに、前記発熱抵抗体を長さ方向に対して垂直な断面で見たときに、前記発熱抵抗体のうち中央よりも両端が薄い請求項１に記載の試料保持具。
3. 前記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円の円周上に複数並んだ、中央で折り返した二重の方形渦巻状部が電気的に接続された配線郡を有しており、前記複数の溝の伸びる方向が前記方形渦巻状部ごとに異なる請求項１または請求項２に記載の試料保持具。
4. 前記発熱抵抗体は、複数の前記方形渦巻状部を接続する接続部分を有し、
   該接続部分は、前記方形渦巻状部よりも厚い請求項３に記載の試料保持具。
5. 前記他方の主面に、前記他方の主面を前記発熱抵抗体ごと覆う接合層を介して、金属プレートが接合されている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の試料保持具。