JP6995019B2

JP6995019B2 - 試料保持具

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Publication number: JP6995019B2
Application number: JP2018122146A
Authority: JP
Inventors: 拓郎牧迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: JP2020004820A

Description

本開示は、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。

半導体製造装置等に用いられる試料保持具として、例えば、一方の面に基板を載置する加熱面を有する板状のセラミックス基体と、加熱面を複数ゾーンに分割して得られる各ゾーンに対応してセラミックス基体中に埋設された、独立した入出力端子を持つ複数の抵抗発熱体と、各入出力端子に接続され、セラミックス基体の加熱面以外の外表面上に沿って配線される複数の引き出し線（導通部）とを有する基板加熱装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００５－３０３０１４号公報

ここで、導通部の発熱による試料保持面の均熱性の低下を抑制するために、導通部を線状ではなく板状部を有する導体で形成することが考えられる。しかしながら、このような構成にした場合、温度サイクルをかけると、導通部と当該導通部に隣接する部材との間で生じる熱膨張差により、剥がれが生じて耐久性が低下するという問題があった。

本開示は上記の事情に鑑みてなされたもので、導通部と当該導通部に隣接する部材との間で剥がれが生じにくく、耐久性の向上する試料保持具を提供することを目的とする。

本開示の試料保持具は、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、第１面と該第１面の反対に位置する第２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導通部と、を備えており、該導通部は、前記セラミック基板の前記他方の主面から離れて位置し、前記セラミック基板の前記他方の主面に対して向かい合って位置する板状部と、該板状部を覆う膜状部材とを有しており、該膜状部材は表面に凹部を有することを特徴とする。

本開示の試料保持具によれば、導通部を構成する膜状部材の凹部に接合層の一部が入り込み、これらの間で剥がれが生じにくくなるため、耐久性が向上する。

試料保持具の一例を示す断面図である。図１に示す試料保持具の導通部の一例を幅方向に切断した拡大断面図である。図１に示す試料保持具の導通部の他の例を拡大した平面図である。図１に示す試料保持具の導通部の他の例を拡大した平面図である。図１に示す試料保持具の導通部の他の例を拡大した平面図である。試料保持具の導通部の配置例の説明する平面透視図である。図１に示す試料保持具の導通部の他の例を拡大した平面図である。

以下、試料保持具１０の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、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を備えている。セラミック基板１は、例えば平面視したときの外周形状が円形状であり、被保持物と同程度の径を有する円板状に形成されている。セラミック基板１は、一方の主面（上面）に被保持物となる試料を保持する試料保持面１１を有している。セラミック基板１の材質としては、アルミナ、サファイア、アルミナ－チタニア複合材またはチタン酸バリウムのような酸化物系セラミックスあるいは窒化アルミニウム等の窒化物系セラミックスを用いることができる。セラミック基板１の寸法は、例えば、直径を２００ｍｍ～５００ｍｍ、厚みを２ｍｍ～１５ｍｍに設定できる。

ここで、試料保持具１０は、シリコンウェハ等の被保持物（試料）を保持するもので、例えば静電チャックである。このとき、セラミック基板１は内部に静電吸着用電極を有する。静電吸着用電極は、例えば、白金またはタングステン等の材料を有している。静電吸着用電極にはリード線が接続されている。静電吸着用電極は、このリード線を介して、電源に接続されている。一方、試料保持面１１に吸着される被保持物は、アースに接続されている。これにより、静電吸着用電極と被保持物（試料）との間に静電吸着力が発生して、被保持物（試料）を試料保持面１１に吸着固定できる。

セラミック基板１の内部または他方の主面には、発熱抵抗体２が設けられている。図１に示す形態の試料保持具１０においては、発熱抵抗体２はセラミック基板１の他方の主面（下面）に設けられている。

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、後述する導通部６を通してリード端子５と電気的に接続されており、これらを介してこの発熱抵抗体２に電流を流すことで、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の他方の主面（下面）のほぼ全面に設けられている。また、発熱抵抗体２は、均熱性を向上させるために最適に設計されたパターン形状を持っている。要求される抵抗や電力量で発熱抵抗体２の寸法が設計され、例えば、発熱抵抗体２の幅は０．１ｍｍ～１０ｍｍ、厚みは１０μｍ～５ｍｍ、長さは５０ｍｍ～５ｍに設定される。

これにより、試料保持具１０の一方の主面（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、例えば銀、パラジウム、白金、アルミニウム、金等の導体成分を含んでいる。また、発熱抵抗体２はガラス成分を含んでいてもよい。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挙げることができる。なお、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。

ここで、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。

そして、セラミック基板１の他方の主面を覆うように金属部材３が設けられている。金属部材３は、一方の主面と他方の主面とに開口する貫通孔３１を有している。

金属部材３は、セラミック基板１を支持するために設けられている。この金属部材３は、一方の主面（上面）がセラミック基板１の他方の主面（下面）に対向するように当該他方の主面を覆っている。具体的には、セラミック基板１の他方の主面（下面）と金属部材３の一方の主面（上面）上面とが、接合層４によって接合されている。ここでいう金属部材３の「金属」とは、セラミックスと金属との複合材料，繊維強化金属等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３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することができる。

金属部材３は、例えば平面視したときの外周形状が円形状であり、セラミック基板１と同程度の径を有する円板状に形成されている。金属部材３は、例えば１０ｍｍ～１００ｍｍの厚さである。また金属部材３は、一方の主面（上面）と他方の主面（下面）とに開口する貫通孔３１を有していて、この貫通孔３１の内部を通過するようにリード端子５が設けられている。言い換えると、リード端子５が金属部材３に挿入されている。貫通孔３１の形状は、例えば内部空間が円柱状となる形状である。貫通孔３１の直径は、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍに設定することができる。

リード端子５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（図示せず）に接続されている。リード端子５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。リード端子５と導通部６とは、電気伝導性を有する例えばはんだ，ろう材等を用いて接続することができる。

なお、金属部材３は、気体または液体等の熱媒体を循環させるため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。

セラミック基板１の他方の主面と金属部材３の一方の主面との間には、これらを接着する接合層４が設けられている。言い換えると、セラミック基板１の他方の主面（下面）と金属部材３の一方の主面（上面）とが、接合層４によって接合されている。

接合層４は、高分子材料を有している。高分子材料として、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂を有している。接合層４は、高分子材料以外に、高分子材料中に分散されたフィラーを有していてもよい。フィラーとしては、例えば、セラミック粒子を用いることができる。セラミック粒子としては、例えば、アルミナまたは窒化アルミニウム等を用いることができる。

接合層４の厚みは、例えば０．０５ｍｍ～２．０ｍｍに設定することができる。ここで、試料保持具１０は、セラミック基板１の上面から接合層４を通って金属部材３の下面まで貫通する貫通孔を有していてもよい。

試料保持具１０は、接合層４の内部に設けられた導通部６を備えている。導通部６は、例えば銅、アルミニウム等の電気伝導性を有する金属材料で構成されている。導通部６は、発熱抵抗体２とリード端子５とを電気的に接続し、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５に接続されている。導通部６は、セラミック基板１の他方の主面（下面）から離れて位置し、当該他方の主面に沿った方向に伸びる領域であって当該他方の主面に対して向かい合って位置する板状部６１と、板状部６１を覆う膜状部材６２とを有している。また、導通部６は上下方向に伸びた部分６３も有している。導通部６のうちの板状部６１としては、例えば金属板、金属箔などを用いることができる。また、導通部６のうち上下方向に伸びた部分６３は、発熱抵抗体２と板状部６１とを電気的に接続するもので、例えばビアホール導体、金属箔などを用いることができる。

膜状部材６２は、図２に示すように、例えば板状部６１におけるリード端子５との接合部を除き、他方の主面に沿った方向に伸びるすべての領域の表面を覆うように設けられる。膜状部材６２は、導通部６の上下方向に伸びた部分６３まで覆っていなくてもよい。膜状部材６２の形成材料としては、例えばポリイミド、フッ素系などの樹脂からなるフィルムが挙げられる。また、膜状部材６２の厚さ（凹部６２１以外の部分の厚さ）は、例えば３０μｍ～１００μｍに設定される。

膜状部材６２を設けることで、発熱抵抗体２と導通部６との間の絶縁性をより確実なものとする効果を奏する。

ここで、この膜状部材６２は、エポキシ樹脂等の接着剤を介して設けられてもよく、この場合は接着剤も膜状部材６２の一部を構成するものとする。

なお、膜状部材６２の材質は、接合層４と熱伝導率の近いものであるのがよく、接合層４の材質と同じでもよい。

そして、図２に示すように、膜状部材６２は表面に凹部６２１を有している。凹部６２１の深さは、例えば１μｍ～２０μｍに設定される。凹部６２１としては、例えば図３に示すような導通部６の幅方向に延びる溝または図４に示すような導通部６の長さ方向に延びる溝が挙げられる。凹部６２１が溝である場合の平面視したときの溝の幅は、例えば１０μｍ～１００μｍに設定される。

このような凹部６２１を膜状部材６２の表面に設けることで、接合層４の一部が凹部６２１に入り込み、これらの間で剥がれが生じにくくなるため、耐久性が向上する。

さらに、凹部６２１は、図５に示すように格子状の凹部６２１（平面視したときに格子状となる溝）であってもよい。膜状部材６２の表面に格子状の凹部６２１を設けることで、接合層４の一部が格子状の凹部６２１に交互に入り込み、接合層４の厚みが交互に変化する為、熱引きも交互に良いところと悪いところが発生する。したがって、部分的な発熱のしすぎや冷え過ぎを抑制することができかつ熱応力を分散させることができるため、均熱性が向上し、耐久性が向上する。

また、図６に示すように、導通部６を第１導通部６とすると、接合層４の内部に設けられた第２導通部７をさらに備えていてもよい。ここで、第１導通部６の板状部６１を第１板状部６１、膜状部材６２を第１膜状部材６２、凹部６２１を第１凹部６２１としたときに、第２導通部７は、セラミック基板１の他方の主面（下面）から離れて位置し、他方の主面に対して向かい合って位置する第２板状部７１と、第２板状部７１を覆う第２膜状部材７２とを有しており、第２膜状部材７２は表面に格子状の第２凹部７２１を有していてもよい。

さらに、図７に示すように、第１凹部６２１が伸びる方向は、第２凹部７２１が伸びる方向に対して傾いていてもよい。具体的には、第１導通部６の幅方向に延びる第１凹部６２１に対して、第２導通部７の幅方向に伸びる第２凹部７２１は例えば１０度～８０度の範囲で傾いていてもよい。同様に、第１導通部６の長さ方向に延びる第１凹部６２１に対して、第２導通部７の長さ方向に延びる第２凹部７２１は例えば１０度～８０度の範囲で傾いていてもよい。言い換えると、例えば、第１導通部６の長さ方向（Ｘ１方向）と格子状の第１凹部６２１の延びる方向（Ｘ２方向）とが一致しているとき（傾きが０度のとき）、第２導通部７の長さ方向（Ｘ３方向）に対して、格子状の第２凹部７２１の延びる方向（Ｘ４方向）が１０～８０度の範囲で傾いていてもよい。

格子状の凹部の方向を導通部ごとに変えることで、導通部と接合層の熱膨張差による熱応力が特定の方向に集中せず分散されるため、より剥がれにくくなり、耐久性が向上する。

以下、試料保持具１０の製造方法について説明する。なお、アルミナセラミックスを例に説明するが、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方法で作製できる。

まず、主原料となるアルミナ粉末を所定量秤量し、ボールミル中でイオン交換水、有機溶媒等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２４～７２Ｈｒ湿式粉砕混合をする。

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、さらに２４～４８Ｈｒ混合する。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し出し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、静電吸着用電極を成形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り印刷成形する。また、セラミックグリーンシートを３～１０枚積層しボール盤などでφ０．１ｍｍ～０．８ｍｍのビアホール導体を埋め込む穴を設ける。その穴にペースト状電極材料を埋め込み、ビアホール導体を成形する。更に、ビアホール導体の直下にφ１ｍｍ～２ｍｍで厚み２０μｍ～３０μｍの第１の導体パターンを印刷成形する。更に、前記印刷にて成形した第１の導体パターンの上から、φ５ｍｍ～１５ｍｍで２０μｍ～３０μｍの第２の導体パターンを印刷成形する。

ここで、第１の導体パターンおよび第２の導体パターンを成形したセラミックグリーンシートとビアホール導体が埋め込まれたセラミックグリーンシート積層体とペースト状電極材料が印刷成形されていないグリーンシートとを重ねて積層する。積層に際しては、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ればよい。圧力印加手法としては、一軸プレス法または等方加圧法（乾式、湿式法）等の公知の技術を応用すればよい。

次に、得られた積層体を所定の温度、雰囲気中にて焼成して、静電吸着用電極が埋設されたセラミック基板１を作製する。

次に、セラミック基板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。

更に、発熱抵抗体２をセラミック基板１の内部または裏面（他方の主面）に設ける。発熱抵抗体２は電流を通電することでジュール発熱を生じ、被加熱対象を加熱するための部材である。発熱抵抗体２をセラミック基板１の内部に設ける場合は、静電吸着用電極と同様の方法で形成する。発熱抵抗体２をセラミック基板１の裏面に設ける場合は、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ものが良い。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。発熱抵抗体は線状であり、均熱性を向上させるために最適に設計されたパターン形状を持つ。要求される抵抗や電力量で寸法が設計され、例えば、幅は０．１～１０ｍｍ、厚みは１０μｍ～５ｍｍ、長さは５０ｍｍ～５ｍに設定される。

更に、発熱抵抗体２をセラミック基板１の内部または裏面（他方の主面）に設ける。発熱抵抗体２は電流を通電することでジュール発熱を生じ、被加熱対象を加熱するための部材である。発熱抵抗体２をセラミック基板１の内部に設ける場合は、静電吸着用電極と同様の方法で形成する。発熱抵抗体２をセラミック基板１の裏面に設ける場合は、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ものが良い。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。

次に、セラミック基板１体の試料保持面１１とは異なる裏面（他方の主面）に、マシニングセンターまたはボール盤などで静電吸着用電極の一部が露出するような給電用の凹部を設ける。

更に、アルミニウム等で作製された金属部材３とセラミック基板１とを接合する。発熱抵抗体２がセラミック基板１の裏面に設けられている場合、セラミック基板１の裏面にエポキシ系のペーストを塗布しスキージ等で余分なペーストを除去し硬化させる。ここで、発熱抵抗体２の両端の給電部は目止めをしてペーストが給電部に付着しないようにしておく。次に、ロータリー加工等で平面度よく加工し、接合層４の第１層を形成する。

次に、接合層４の第１層の上に銅やアルミニウム等の例えば金属箔からなる導通部６を配置する。導通部６は、上下方向に伸びた部分６３において発熱抵抗体２との接続をはんだなどで行なう。また、セラミック基板１の下面に沿った部分において、リード端子５と接続可能な領域への引き回しを行なっている。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の他端は凹部の底面に露出している。そして、当該他端をリード端子５とはんだなどで接合する。

ここで、導通部６は板状部６１と膜状部材６２とを含む。膜状部材６２の表面にエポキシ接着剤を塗布し、塗布面を板状部６１の表面に接触するように板状部６１に巻きつける。このとき、導通部６とリード端子５とははんだ接合されており、このはんだ接合部もシリコーン樹脂でコートする。このとき、膜状部材６２の表面に例えば繊維状のワイヤー又は格子状に編み込まれた布やメッシュを押し付けながら、エポキシ接着剤を硬化させることで、膜状部材６２の表面に凹部６２１を形成できる。このとき、接着剤も含めて膜状部材６２となる。

次に、金属部材３にシリコーンペーストを塗布し、スキージ等で余分なペーストを除去し、セラミック基板１を真空中で金属部材３と接着し、所定の厚みまで加圧し、１００℃
２時間硬化させる。接合層４となる接着材の硬化は、触媒などをいれて常温で硬化してもよい。このとき、金属部材３に設けられた貫通孔３１に導通部６の端部が位置するように位置合わせして接着する。

そして、貫通孔３１に給電用のリード端子５を挿入し、導通部６の端部に発熱抵抗体２用のリード端子５を挿入してはんだ等で接合する。

次に、ロータリー加工、ラップ加工などでセラミック基板１の厚みを所定の厚みに仕上げる。このとき、吸着面にブラストマスクを貼付または形成し、ブラスト加工によりシール部及び凸部を形成してもよい。

このようにして本実施形態の試料保持具１０を作製することができる。

１：セラミック基板
２：発熱抵抗体
３：金属部材
３１：貫通孔
４：接合層
５：リード端子
６：導通部（第１導通部）
６１：板状部（第１板状部）
６２：膜状部材（第１膜状部材）
６２１：凹部（第１凹部）
６３：上下方向に伸びた部分
７：第２導通部
７１：第２板状部
７２：第２膜状部材
７２１：第２凹部

Claims

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、第１面と該第１面の反対に位置する第２面とに開口する貫通孔を有する金属部材と、該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導通部と、を備えており、
該導通部は、前記セラミック基板の前記他方の主面から離れて位置し、前記セラミック基板の前記他方の主面に対して向かい合って位置する板状部と、該板状部を覆う膜状部材とを有しており、
該膜状部材は、表面に凹部を有することを特徴とする試料保持具。
前記凹部は、格子状であることを特徴とする請求項１に記載の試料保持具。
前記導通部を第１導通部、前記板状部を第１板状部、前記膜状部材を第１膜状部材、前記凹部を第１凹部としたときに、
接合層の内部に設けられた第２導通部をさらに備えており、
該第２導通部は、前記セラミック基板の前記他方の主面から離れて位置し、前記セラミック基板の前記他方の主面に対して向かい合って位置する第２板状部と、該第２板状部を覆う第２膜状部材とを有しており、
該第２膜状部材は、表面に格子状の第２凹部を有するとともに、
前記第１凹部が伸びる方向は、前記第２凹部が伸びる方向に対して傾いていることを特徴とする請求項２に記載の試料保持具。