JP6914170B2

JP6914170B2 - セラミックス基材の保護方法

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Publication number: JP6914170B2
Application number: JP2017214694A
Authority: JP
Inventors: 石川　淳; 淳石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: JP2019087637A

Description

本発明は、セラミックス基材の保護方法に関する。

半導体製造プロセスにおいて、ウエハ（基板）を多数枚処理すると、製膜やエッチングの際に生じた残留物がプロセスチャンバ（反応容器）の内壁に付着する。この付着物が落下するなどしてウエハに付着すると、パーティクルが発生する原因となる。そのため、一般的に、一定枚数のウエハを処理するごとに、プロセスチャンバの内壁の付着物を除去するためのプラズマクリーニングを行う。

プラズマクリーニング時には、ヒータや静電チャックなどの基板保持装置（サセプタ）の上面側（基板載置面側）に保護カバーを載せて基板載置面をプラズマによる浸食から保護する。

なお、特許文献１には、セラミックヒータの加熱処理対象物を載置する側の表面に、該表面の略全体を覆うように形成されたカバープレートを着脱可能に設け、クリーニングガスによって腐食したカバープレートのみを交換することが開示されている。

特開２００１−２９８０２０号公報

しかしながら、基板保持装置のウエハ載置面（上面）側とウエハとの間を一定の圧力に制御されたＨｅガスなどで封止するために、基板保持装置のウエハ載置面側には環状リブが形成されている。

保護カバーによって保護されることにより、プラズマクリーニング中は基板載置面が直接的にＮＦ_３などのクリーニングガスが曝されないが、保護カバーはクリーニングガスに曝され、経年使用によって浸食される。保護カバーの浸食域が環状リブの内周端と接触すする部分にまで及ぶと浸食が環状リブに及び、Ｈｅガスなどの封止状態が維持できないので、その前に保護カバーを交換する必要がある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであり、保護カバーの長寿命化が可能なセラミックス基材の保護方法を提供することを目的とする。

本発明は、上面にて基板を保持する円板状のセラミックス基材の保護方法であって、前記セラミックス基材の上面に形成された環状凸部の上面に、円板状の保護カバーを載置する工程を備え、前記保護カバーの外周端部の下縁にＣ［ｍｍ］の面取りが形成されており、前記環状凸部の高さをＨ［ｍｍ］、前記環状凸部の外周端から前記保護カバーの外周端及び前記セラミックス基材の外周端の何れか近いほうまでの距離をＤ［ｍｍ］としたとき、式Ｈ／Ｄ≦０．００６×Ｃ^−１．５が成立することを特徴とする。

本発明によれば、後述する実施例及び比較例から、上記の式が成立する場合、クリーニングガスが環状凸部を超えてセラミックス基材の内方側に侵入することを長期間に亘って防止でき、保護カバーの高寿命化を図ることが可能となることが分かった。
本発明において、式Ｈ／Ｄ≦０．００４×Ｃ^−１．５が成立することが好ましい。

この場合、後述する実施例及び比較例から、上記の式が成立する場合、クリーニングガスが環状凸部を超えてセラミックス基材の内方側に侵入することをさらに長期間に亘って防止でき、保護カバーのさらなる高寿命化を図ることが可能となることが分かった。

また、本発明において、前記保護カバーの体積抵抗率が室温で１×１０^１５［Ω・ｃｍ］以上であることが好ましい。

この場合、プラズマクリーニング中に高周波電力が印加されることにより、保護カバーに自己バイアスが発生しても、保護カバーは体積抵抗率が高いので、静電吸着力がほとんど発生しない。そのため、保護カバーはセラミックス基材の上面にただ載った状態となるので、保護カバーと環状凸部との間に強い接触が生じて摺動摩耗が引き起されることを抑制することが可能となる。これにより、セラミックス基材及び保護カバーの長寿命化を図ることが可能となる。

また、本発明において、前記保護カバーの下面が、中央部が外周端部に対して５０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下だけ上方に突出する凸状となっていることが好ましい。

この場合、接合されてなるセラミックス基材が接合層の緩和などによって生じる経年使用の変形に適用するように、接合カバーの下面の形状が形成されているので、セラミックス基材及び保護カバーの長寿命化を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る基板保持装置の模式図。図１のＡ部を拡大した模式図。ＣとＨ／Ｄとの関係を示すグラフ。

本発明の実施形態に係る基板保持装置（サセプタ）１０の保護方法について図面を参照して説明する。本方法は、プラズマクリーニング時に、基板保持装置１０の上に保護カバー２０を載置する工程を備えることにより、基板保持装置１０の上面１１ａを保護する方法である。

図１を参照して、基板保持装置１０は、半導体製造プロセスにおいてウエハ（基板）を保持するために使用される。基板保持装置１０は、ウエハが上面（表面）１１ａに載置される円板状の基体１１と、基体１１の下面（裏面）に接合層１２を介して接合されている冷却盤（冷却台座）１３とを備えている。基板保持装置１０、特に基体１１は、本発明のセラミックス部材に相当する。

基体１１は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなるセラミックス焼結体からなっている。表面１１には、多数のピン（凸部）１１ｂが形成されており、このピン１１ｂの上端面でウエハを保持する。ピン１１ｂの上端面が、基体１０の上面１１ａを構成する。

さらに、基体１１の上面１１ａには、環状リブ（環状凸部）１１ｃが形成されている。環状リブ１１ｃは本発明の環状凸部に相当する。本実施形態では、環状リブ１１ｃは、ピン１１ｂを半径方向外側から取り囲む同一幅の円環状になっており、基体１１の外周縁部に位置し、上方に向って突出している。環状リブ１１ｃの上端面も基体１１の上面１１ａの一部を構成する。

環状リブ１１ｃの上端面によって環状にウエハを保持することにより、基体１１の上面側とウエハとの隙間を真空に維持することができ、基板保持装置１０を真空チャックとして機能させることが可能となる。

さらに、基体１１には、ウエハをクーロン力により上面１１ａに向けて吸引するために電極１４が埋設されており、基板保持装置１０は静電チャックとして機能する。なお、基体１１内に抵抗発熱体が埋設されたものであってもよく、この場合、基板保持装置１０はヒータとして機能する。また、基体１１内に抵抗発熱体及び電極１４が埋設されたものであってもよく、この場合、基板保持装置１０はヒータ機能付きの静電チャックとして機能する。

冷却盤１３は、熱伝導率が高い材質からなることが好ましく、少なくとも基体１１より熱伝導率が高い材質からなる。このような材質として、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン等の金属、セラミックスとアルミニウムとの複合材料、セラミックスとシリコンとの複合材料等が挙げられる。冷却盤１３が金属からなる場合、ほぼ単一の材料からなる高純度な金属であっても、合金であってもよい。例えば機械的特性を向上させるために、適宜な元素を添加した合金であってもよい。

基体１１及び冷却盤１３の材質は、熱伝導率の他、プラズマ処理時に使用するガスに対する耐食性等の使用環境に応じて定めればよい。

接合層１２は、例えば、有機系接着剤、無機系接着剤等の接着剤が固化してなるものである。

接着剤の種別等は、ウエハの使用温度、プラズマ処理時に使用するガスに対する耐食性、基体１１と冷却盤１３との気密性といった必要な性能に応じて選択すればよい。例えば、有機系接着剤であれば、エポキシ系、アクリル系、シリコーン系、ポリイミド系の接着剤を使用することができる。無機系接着剤であれば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、カルシア、窒化アルミニウムのどれか１種以上を含む接着剤を使用することができる。

なお、基体１１と冷却盤１３との接合は、接着剤を使用した方法に限定されず、既知の方法で行ってもよい。例えば、基体１１と冷却盤１３とは、インジウムなどの低融点金属又は低融点合金などを用いて接合してもよい。

冷却盤１３は、冷却路１３ａを内部に備えている。冷却路１３ａは、図示しない冷却媒体供給手段から水、フロン、エチレングリコールなどの冷却冷媒等の冷却媒体が供給され、その内部を冷却媒体が流れる。

以上のように構成された基板保持装置１０を用いてウエハに対して様々な処理を行うが、ウエハの処理枚数が多くなると、製膜やエッチング゛時の残留物がプロセスチャンバ（反応容器）の内壁に付着する。この付着物が落下などしてウエハに付着すると、パーティクルが発生する原因となる。そのため、一般的には、一定枚数のウエハを処理するごとに、プロセスチャンバの内壁の付着物を除去するために、プラズマクリーニングを行う。プラズマクリーニングは、ＮＦ_３などの腐食性ガスからなるクリーニングガスをプロセスチャンバ内に導入してプラズマを発生させることにより行う。

このとき、クリーニングガスによる基板保持装置１０の腐食を防ぐために、保護カバー２０を基板保持装置１０の上面１１ａに載置する。

保護カバー２０は、円板状であって、その外径はウエハとほぼ同一であり、厚みは１．４ｍｍ以下であることが好ましい。これは、保護カバー２０は、普段はウエハと共にストッカーに保管されており、プラズマクリーニングを行う際にウエハを搬送するためのシステムを用いて搬送し、基板保持装置１０の上面１１ａに載置することを可能とするためである。なお、保護カバー２０の外径と基体１１の外径とは何れか大きくてもよい。

保護カバー２０の材質は、例えば電気絶縁性セラミックスであり、特に、プラズマ耐性が高い窒化アルミニウムセラミックスであることが好ましい。また、プラズマ種に対する耐性があれば、アルミナ、酸化イットリウム、石英、酸化マグネシウムの他、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）のような複酸化物や窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）のような窒化物からなるセラミックスであってもよい。

保護カバー２０の体積抵抗率は、室温で１×１０^１５［Ω・ｃｍ］以上であることが好ましい。これは、プラズマクリーニング中に高周波電力が印加されることにより、保護カバー２０に自己バイアスが発生しても、保護カバー２０は体積抵抗率が高いので、静電吸着力がほとんど発生しない。そのため、保護カバー２０は基板保持装置１０の上面１１ａにただ載った状態となるので、保護カバー２０と環状リブ１１ｃとの間に強い接触が生じて摺動摩耗が引き起されることを抑制することが可能となる。これにより、基板保持装置１０及び保護カバー２０の長寿命化を図ることが可能となる。

図２に拡大図を示すように、保護カバー１０の外周端部の下縁には面取りが形成されている。この面取りは、４５°面取り（Ｃ面取り）でも丸み面取り（Ｒ面取り）であってもよく、さらに、他の面取り、例えば４５°以外の角度の角面取りであってもよい。

図１及び図２を参照して、基体１０と保護カバー２０の寸法を以下のように定義する。
基体１１の外周端の半径：Ｒｅ［ｍｍ］
保護カバー２０の外周端の半径：Ｒ［ｍｍ］
環状リブ１１ｃの外周端の半径：Ｒ１［ｍｍ］
環状リブ１１ｃの高さ：Ｈ［ｍｍ］
保護カバー２０の外周端の下面側の面取り寸法：Ｃ［ｍｍ］
Ｄｔ（＝Ｒ−Ｒ１）又はＤｂ（＝ＲｅーＲ１）の小さいほうの値：Ｄ［ｍｍ］

ここで、Ｄ［ｍｍ］は、環状リブ１１ｃの外周端から保護カバー２０の外周端及び基体１１の外周端の何れか近いほうまでの距離となっている。なお、面取り寸法Ｃ［ｍｍ］は、４５°以外の角度の角面取りなどの場合、外周端から面取りした部分の最内側に位置する点までの水平方向の距離を示す。

後述する実施例及び比較例から、以下の式（１）が成立する場合、クリーニングガスが環状リブ１１ｃを超えて基体１１の内方側に侵入することを長期間に亘って防止でき、保護カバー２０の高寿命化を図ることが可能となることが分かった。
Ｈ／Ｄ≦０．００６×Ｃ^−１．５・・・（１）

さらに、後述する実施例及び比較例から、以下の式（２）が成立する場合、保護カバー２０の高寿命化をさらに図ることが可能となることが分かった。
Ｈ／Ｄ≦０．００４×Ｃ^−１．５・・・（２）

Ｃのー１．５乗とＨ／Ｄとの間に上記式（１）又は式（２）のような関係がある場合に、保護カバー２０の高寿命化を図ることが可能となる理由については定かではない。

ただし、発明者が推測するに、保護カバー２０の外周端部の下縁の面取りＣが小さければ、基体１１と保護カバー２０との接触端部における面取りによる空間Ｓが小さい。そのため、この隙間をクリーニングガスが流れ難く滞留が生じるので、クリーニングガスが基体１１の内方に向って流れることが抑制され、保護カバー２０の浸食の進行が遅くなる。その結果、基板保持装置１０の環状リブ１１ｃの内周端に相当する位置まで保護カバー２０が浸食を受けるまでの時間の長期化を図ることが可能になると考えられる。

このようにプロセスチャンバ内で使用される基板保持装置１０の基板載置面をプラズマクリーニングプロセスにおけるクリーニングガスから保護できるので、保護カバー２０を長期間に亘って使用することが可能となり、保護カバー２０の交換頻度の減少を図ることが可能となる。さらに、基板保持装置１０のクリーニングガスによる腐食の確実な抑制を図ることが可能となる。

なお、式（１）及び式（２）において、面取り寸法Ｃ［ｍｍ］の下限は０に限りなく近いものであってもよい。ただし、保護カバー２０の下面は表面粗さを小さくする必要があるので、その切削加工や研磨加工の都合上、保護カバー２０の外周端の下面側に面取りを行う必要が生じる。

ところで、上記のような接合層１２を介して接合されてなる基板保持装置１０においては、経年使用によって接合層１２の緩和などのために、その上面が１００μｍ程度凸状に盛り上がるように変形する。このような変形が生じると、環状リブ１１ｃと保護カバー２０との間に隙間が生じ得る。

そこで、保護カバー２０がこの変形を予め予測して、保護カバー２０の下面を上方向に凸状に突出するように湾曲した形状としておくことにより、経年使用しても保護カバー２０が基体１１の上面１１ａの形状に倣い密着状態を維持することができる。これにより、基板保持装置１０及び保護カバー２０の長寿命化を図ることが可能となる。

そこで、保護カバー２０は、その下面が、中央部が外周端部に対して少しだけ上方に突出する凸状となっていることが好ましい。例えば具体的には、保護カバー２０が直径３００ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状である場合、その下面が、中央部が外周端部に対して５０μｍ以上１５０μｍ以下だけ上方に突出する凸状となっていることが好ましい。

（実施例１）
基板保持装置１０として、アルミナセラミックスからなる基材１１と、アルミニウム合金（Ａ６０６１）からなる冷却盤１３とが、シリコーン樹脂の接着剤が固化してなる接合層１２によって接合されてなるものを用意した。

基材１１は、半径Ｒｅが１４９［ｍｍ］、厚さ６［ｍｍ］の円板状であった。基材１１の上面には、外周端の半径Ｒ１が１４７［ｍｍ］、高さＨが０．０３５［ｍｍ］、幅が０．５［ｍｍ］の円環状の環状リブ１１ｃを形成した。

保護カバー２０として、窒化アルミニウムからなり、半径Ｒが１５０［ｍｍ］、厚さが１［ｍｍ］の円板状のものを用意した。保護カバー２０の外周端の下面側に、面取り寸法Ｃが０．２［ｍｍ］のＣ面取り加工を行った。

保護カバー２０の室温での体積抵抗率は１×１０^１５［Ω・ｃｍ］であった。また、保護カバー２０の下面は、中央部が外周端部に対して１００［μｍ］上方に突出する凸状となるように加工した。

以上の寸法は、上記の式（１）及び式（２）の関係を満足す。

上記した基板保持装置１０を用いてウエハを保持した、従来と同様の半導体製造プロセスを行った。そして、ウエハを２０枚処理するごとに、ＮＦ_３をクリーニングガスとしてプラズマクリーニングを行った。

さらに、ウエハを１００枚処理するごとに、基板保持装置１０の上面１１ａに保護カバー２０を載置した状態で、Ｈｅガスを圧力制御バルブを介して１０Ｔｏｒｒで封止し、マスフローメーターによって、Ｈｅのリーク量を測定した。Ｈｅのリーク量が２［ｓｃｃｍ］（＝３．３８×１０^−３［Ｐａ・ｍ^３／ｓ］）を超えるまでリーク試験を行った。

ウエハの処理枚数が１５００枚に達したとき、Ｈｅのリーク量が２［ｓｃｃｍ］を超えた。これより、基板保持装置１０と保護カバー２０との密着性が長期間に亘って維持されていることが分かった。

（実施例２，３，５，６，１１，１２）
上述した実施例１と比較して、基板保持装置１０の各寸法及び保護カバー２０の面取り寸法Ｃを、表１に示したようにしたことのみが相違する。これらの寸法は式（１）及び式（２）の関係を満たす。

これらの実施例においては、ウエハの処理枚数が１２００枚又は１３００枚に達したとき、Ｈｅのリーク量が２［ｓｃｃｍ］を超えた。これより、実施例１に比較して少し劣るが、基板保持装置１０と保護カバー２０との密着性が長期間に亘って維持されていることが分かった。

（実施例４，７〜１０）
上述した実施例１と比較して、基板保持装置１０の各寸法及び保護カバー２０の面取り寸法Ｃを、表１に示したようにしたことのみが相違する。これらの寸法は、式（１）の関係は満たすが、式（２）の関係は満たさない。

これらの実施例においては、ウエハの処理枚数が１０００枚に達したとき、Ｈｅのリーク量が２［ｓｃｃｍ］を超えた。これより、実施例２，３，５，６，１１，１２に比較しても少し劣るが、基板保持装置１０と保護カバー２０との密着性が長期間に亘って維持されていることが分かった。

（比較例１〜４）
上述した実施例１と比較して、基板保持装置１０の各寸法及び保護カバー２０の面取り寸法Ｃを、表１に示したようにしたことのみが相違する。これらの寸法は式（１）及び式（２）の関係を共に満たさない。

これらの実施例においては、ウエハの処理枚数が５００枚に達したとき、Ｈｅのリーク量が２［ｓｃｃｍ］を超えた。よって、実施例１〜１２に比較して大きく劣り、基板保持装置１０と保護カバー２０との密着性が長期間に亘って維持されないことが分かった。

以上の結果を表１にまとめた。また、図３にＣとＨ／Ｄとの関係を示すグラフを示した。図３において、黒丸は実施例１，２，３，５，６，１１，１２を、三角は実施例４，７〜１０を、×印は比較例１〜４をそれぞれ示している。そして、実線は式（１）を等式とした線を、点線は式（２）を等式とした線をそれぞれ示している。

（実施例１３，１４）
上述した実施例１と比較して、保護カバー２０の下面の中央部が外周端部に対して５０［μｍ］及び１００［μｍ］上方に突出する凸状となるように加工したのみが相違する。

実施例１３においては、ウエハの処理枚数が１６００枚に達したとき、実施例１４においては、ウエハの処理枚数が１７００枚に達したとき、Ｈｅのリーク量が２［ｓｃｃｍ］を超えた。よって、実施例１に比較して、基板保持装置１０と保護カバー２０との密着性が長期間に亘って維持されていることが分かった。

１０…基板保持装置、１１…基体（セラミックス基材）、１１ａ…上面、１１ｂ…ピン（凸部）、１１ｃ…環状リブ（環状凸部）、１２…接合層、１３…冷却盤、１３ａ…冷却路、１４…電極、２０…保護カバー。

Claims

上面にて基板を保持する円板状のセラミックス基材の保護方法であって、
前記セラミックス基材の上面に形成された環状凸部の上面に、円板状の保護カバーを載置する工程を備え、
前記保護カバーの外周端部の下縁にＣ［ｍｍ］の面取りが形成されており、
前記環状凸部の高さをＨ［ｍｍ］、前記環状凸部の外周端から前記保護カバーの外周端及び前記セラミックス基材の外周端の何れか近いほうまでの距離をＤ［ｍｍ］としたとき、
式Ｈ／Ｄ≦０．００６×Ｃ^−１．５が成立することを特徴とする保護方法。
式Ｈ／Ｄ≦０．００４×Ｃ^−１．５が成立することを特徴とする請求項１に記載の保護方法。
前記保護カバーの体積抵抗率が室温で１×１０^１５［Ω・ｃｍ］以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の保護方法。
前記保護カバーの下面が、中央部が外周端部に対して５０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下だけ上方に突出する凸状となっていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の保護方法。