JP7244329B2 - 試料保持具 - Google Patents

Description

本開示は、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用いられる、半導体ウエハ等の試料を保持する試料保持具に関する。

半導体製造装置等に用いられる試料保持具として、静電チャックが知られている。静電チャックは、ウエハ等の試料（被処理物またはワークともいう）を載置して吸着保持するための試料保持面を有する、試料保持部材（基体またはセラミック体ともいう）と、この試料保持部材を下側から支承する、金属製の支持部材（ベースプレートともいう）とを、接着剤等の接合材により接合して構成されている。

試料保持具は、試料保持面に試料を載置または保持した状態で複数の処理工程を経ることから、試料を各処理に適した温度に変更および維持する必要がある。そのため、試料保持面に載置された試料の温度分布を均一にするための機構を備えている。なお、試料の温度分布が均一なことを均熱と、試料の温度分布を均一に維持または制御する機器性能を均熱性という場合がある。

たとえば、試料保持具は、試料を目標とする温度まで上昇させるために、上側の試料保持部材の中に、該試料保持部材を通して試料を加熱し昇温させるための、ヒータ等の加熱装置を備える。また、下側の支持部材の中には、該支持部材および試料保持部材を介して試料を冷却または降温させるための、液体等の流体（熱媒体）を冷媒として流通させる流路と循環系とを備える冷却装置が、配設されている（特許文献１を参照）。

特開２０１７－１４３１８２号公報

ところで、試料の処理または加工のために、雰囲気温度等の環境が制御されている試料保持具上側（試料保持面側）の空間に対して、試料保持具下側（支持部材底面側）の環境は、それほど厳密な温度制御がなされているわけではない。

そのため、試料保持具下側の環境温度の影響を受けて、試料保持面に保持された試料の温度分布がばらついたり、前述の加熱装置または冷却装置による加熱（昇温）または冷却（降温）の効率や、反応応答の早さが低下したりする場合があることが、分かってきた。

本開示の目的は、外部環境の影響を受け難く、試料温度の変更と、試料における温度分布の均一とを、素早く達成して維持することのできる試料保持具を提供することである。

本開示の試料保持具は、試料を載置可能な上面を有し、内部にヒータを備えた平板状の試料保持部材と、前記試料保持部材を下側から支承する支持部材と、該支持部材の内部に形成された冷媒の流路と、前記冷媒の流路の下側に配設された断熱材と、を備え、前記支持部材は、金属からなり、前記試料保持部材側に位置する円板状の第１支持体と、該第１支持体の下側に位置する円板状の第２支持体と、を含み、前記第１支持体の直径は、前記第２支持体の直径よりも小さく、前記断熱材は、前記第１支持体と前記第２支持体との間に配設され、前記支持部材の端面から露出しており、鉛直方向に対して傾斜する傾斜面または曲面を有する。

本開示によれば、試料保持面に保持された試料は、試料保持具下方の外部環境から、熱あるいは温度の影響を受けることが抑制される。そのため、本開示の試料保持具は、試料温度の変更と、試料における温度分布の均一とを、素早く達成して維持することができる。

実施形態の試料保持具の分解斜視図である。 実施形態の試料保持具の組み立て後の斜視図である。 第１実施形態の試料保持具の要部構成の配置を示す断面図である。 第２実施形態の試料保持具の要部構成の配置を示す断面図である。 第３実施形態の試料保持具の要部構成の配置を示す断面図である。 第４実施形態の試料保持具の要部構成の配置を示す断面図である。 第５実施形態の試料保持具の要部構成の配置を示す断面図である。 第６実施形態の試料保持具の要部構成の配置を示す断面図である。 （ａ）は第７実施形態の試料保持具の断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＰ部拡大図、（ｃ）は（ｂ）の変形例を示す。 （ａ）は第８実施形態の試料保持具の断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＱ部拡大図、（ｃ）は（ｂ）の変形例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を用いて説明する。
なお、各図面において説明を行わない試料保持具の構成、たとえば、ヘリウム等の気体が流過するガス流路やガスの噴気口、電気配線、および試料保持具に冷媒を供給する機構等は、図示を省略している。

実施形態で説明する第１～第８実施形態の試料保持具１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０は、半導体集積回路の製造工程において、セラミック基体１の内部に配設された半円状の電極Ｅ１，Ｅ２間に電流を印加することにより発生する静電力によって、試料保持面である基体上面１ａに載置された半導体ウエハ等の試料（通称ワーク：図示省略）を、静電吸着して試料保持面上に位置固定する、静電チャックである。

各実施形態の試料保持具は、共通の基本構成を有する。代表して示す、第１実施形態の試料保持具１０の分解斜視図である図１、および、その組み立て後の斜視図である図２に示すように、各試料保持具は、上側の、絶縁体からなる円板状の基体（セラミック基体１）の下側に、後述する接着剤等を接合材４として用いて、金属からなる円板状の支持体（ベースプレート２）を接合し、構成されている。セラミック基体１は、本開示の試料保持部材の一例であり、ベースプレート２は、本開示の支持部材の一例である。

なお、隠れ線（点線）で示す、ベースプレート２の内部に形成された冷媒の流路（以下、冷媒流路Ｒ）およびその導入口（インレット）および導出口（アウトレット）は、代表的な形状のものを簡略化して描いている。たとえば、実施形態においては同心円状の複数の流路として例示しているが、その配列・配置はこれに限定されるものではなく、蛇行状や放射状に配置されていてもよい。また、導入口および導出口も、流路の形状・配置に対応して、他の位置に設けられる場合がある。

そして、各実施形態の試料保持具に共通の構成は、図３の第１実施形態に示すように、試料保持面（基体上面１ａ）を有するセラミック基体１と、支持部材であるベースプレート２の内部に形成された冷媒流路Ｒとを含む試料保持具１０において、冷媒流路Ｒの下方または下側の位置に、断熱層を形成する断熱材３を備える点である。

試料保持具の詳細な構成について、試料保持具１０（図３）を用いて説明する。なお、後記の試料保持具２０～８０に関する、試料保持具１０と同じ構成は、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

試料保持具１０のセラミック基体１は、全体形状が円板状で、主面である基体上面１ａが、試料保持面となっている。セラミック基体１（試料保持部材）の構成材料は、たとえばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、またはイットリア等とすることができる。

セラミック基体１は、その内部に、前述の静電吸着用の電極Ｅ１，Ｅ２を備える。さらに、セラミック基体１は、その内部に、基体上面１ａに載置された試料を加熱し昇温させるための、ヒータＨ等の加熱装置を備えている。

なお、セラミック基体１は、板状の部材であるが、外形形状は限定されず、例のような円板（円盤）状のほか、角板状、多角形状等としてもよい。

セラミック基体１と後記のベースプレート２との間は、接合材４を用いて接合される。接合材４としては、シリコーン樹脂またはフッ素樹脂等からなる接着剤を用いることができる。

ベースプレート２は、セラミック基体１を下側から支持・支承する部材である。ベースプレート２を構成する材料としては、アルミニウム等の金属を用いることができる。ベースプレート２の外形形状は特に限定されず、円形状のほか、四角形状、多角形状等、前述のセラミック基体１の形状に対応した外形形状とされる。

ベースプレート２は、その内部、この例ではベースプレート２の厚み（高さ）方向でかつ図示上下方向の中央付近に、１つ（１本）以上の溝形状の冷媒流路Ｒが設けられている。なお、先にも述べたが、冷媒流路Ｒは、水平方向（平面視）において同心円状または、蛇行状や放射状等に配置されるため、縦方向断面を表す図３～図８における冷媒流路Ｒの図示本数は、実際の溝形状の本数とは必ずしも一致しない。

さらに、実施形態におけるベースプレート２は、前述の冷媒流路Ｒの溝形状の形状加工（彫り込み形成または型成形等）のために、少なくとも流路の上端位置または下端位置で、上下方向に複数のブロックに分割される場合がある。

実施形態においては、分割可能なベースプレート２のブロックのうち、上側の、セラミック基体１側に位置するものを第１支持体２Ａと呼び、下側の、試料保持具外側に位置するブロックを第２支持体２Ｂと呼ぶ。なお、第１支持体２Ａと第２支持体２Ｂとは、材質等を含め、形状以外の性質に特に差異はない。したがって、後記の図４および図６～図８のように、分離・分割可能ではあるが、構成上、特に分ける必要がなく、一体と見なすことができる場合は、上記のような個別の呼称は使用せず、図面では同じハッチングを続けて施して、１つの部材名称（ベースプレート２）として呼称する場合もある。断面図中の点線は、一体化されたベースプレート２中の、分割可能な位置を示す。

また、第１～第６実施形態は、上側の第１支持体２Ａと下側の第２支持体２Ｂとが同じ外径、同じ直径のベースプレート２を用いた例であるが、これら両者の直径・寸法が異なっている場合を、後記の第７，第８実施形態において説明する。

前述のように、ベースプレート２が、上側の第１支持体２Ａと下側の第２支持体２Ｂとに分割可能な、第１実施形態の試料保持具１０においては、冷媒流路Ｒを構成する溝構造または溝構造部は、第２支持体２Ｂと対向する第１支持体２Ａの下面に、上向き凹状、すなわち下方に向けて下面に開口する溝形状に、形成されている。

そして、第１支持体２Ａと第２支持体２Ｂとの間を断熱する断熱材３は、第１支持体２Ａと第２支持体２Ｂとの間に配設され、第１支持体２Ａの下面に当接して、この下面に開口する溝構造の開口を覆うまたは塞ぐことにより、冷媒流路Ｒからの冷媒の漏れを防止している。これにより、第１支持体２Ａと断熱材３との接触する面積を減らすことができる。その結果、試料保持具下方の外部環境の熱が試料まで伝わりにくくすることができる。

断熱材３を構成する材料としては、たとえば、樹脂からなる発泡体等を好適に使用することができる。具体例としては、シリコーン樹脂系の接着剤、ウレタン樹脂製の発泡体（シート）、あるいは、ポリエステル樹脂の不織布等があげられる。

また、前述した断熱材３を構成する材料は、ベースプレート２（第１支持体２Ａおよび第２支持体２Ｂを含む）を構成する材料（この例ではアルミ）より、線膨張係数の低い材料が選択されている。これにより、第１支持体２Ａ側から第２支持体２Ｂ側に伝わる応力あるいは第２支持体２Ｂ側から第１支持体２Ａ側に伝わる応力が緩和されるため、断熱材３に剥がれまたは剥離が生じるのを抑制することができる。

以上の試料保持具１０の構成によれば、試料保持面１ａに保持された試料（図示省略）が、試料保持具１０の下方の外部環境から、熱あるいは温度の影響を受けることを抑制することができる。したがって、第１実施形態の試料保持具１０は、セラミック基体１に内蔵されたヒータＨ等の加熱装置および冷媒流路Ｒ内を流れる冷媒を使用する冷却装置による試料温度の変更と、試料における温度分布の均一（均熱）とを、素早く達成し維持することができる。

従来、断熱材３が冷媒流路Ｒの上方に設けられる場合は、冷媒流路Ｒと試料保持面（上面１ａ）と間に、断熱材３が位置するため、冷媒による試料保持面の冷却が妨げられるおそれがあった。

しかしながら、本開示によれば、冷媒流路Ｒの下方または下側の位置に、断熱材３が位置しているため、冷媒流路Ｒと試料保持面と間に、断熱材が配設されることなく、試料保持具１０の下方の外部の環境から、熱あるいは温度の影響を受けることを抑制することができる。その結果、冷媒による試料保持面の冷却を妨げることなく、試料の均熱を、素早くかつ効率的に達成することができた。

なお、断熱材３の配置は、冷媒流路Ｒの下側または下方に配設されていればよく、種々の変更が可能である。

たとえば、図４に示す第２実施形態の試料保持具２０の場合、冷媒流路Ｒは、第１支持体２Ａの下面ではなく、第１支持体２Ａの上下（高さ）方向中央付近に配置されている。この場合も、試料保持具１０と同じく、断熱材３を第１支持体２Ａと第２支持体２Ｂとの間に配設すれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、図５に示す第３実施形態の試料保持具３０のように、試料保持具３０の下面（底面）、すなわち、冷媒流路Ｒの下方に離れた第２支持体２Ｂの下面に断熱材３を取り付けても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

さらに、図６に示す第４実施形態の試料保持具４０、図７に示す第５実施形態の試料保持具５０および図８に示す第６実施形態の試料保持具６０のように、断熱材３の端部（端面）が試料保持具の端面に露出せず、断熱材３の全体が試料保持具の中に埋没するよう形成されている場合も、同様である。

すなわち、図６に示す第４実施形態の試料保持具４０の場合、断熱材３は、第１実施形態の試料保持具１０と同様、冷媒流路Ｒの溝構造部の下側に当接するよう配置されている。

また、図７に示す第５実施形態の試料保持具５０の場合、図中に点線で示す分割可能な位置に沿って、その上側の部材（第２実施形態の試料保持具２０における第１支持体２Ａに相当）の下面に形成された上向き凹部（開口は下向き）の空間の中に、断熱材３が嵌め込まれている。

さらに、図８に示す第６実施形態の試料保持具６０の場合も、図中に点線で示す分割可能な位置に沿って、その下側の部材（第２実施形態の試料保持具２０における第２支持体２Ｂに相当）の上面に形成された凹部（開口上向き）の空間の中に、断熱材３が嵌め込まれている。

以上の、断熱材３の全体が各試料保持具４０，５０，６０の中に埋没するよう配設された実施形態においても、断熱材３はいずれも、冷媒流路Ｒの下側あるいは下方に配設されていることから、第１，第２実施形態と同様の効果を奏することができる。

前述の第１，第２実施形態は、ベースプレート２を構成する、上側の第１支持体２Ａと下側の第２支持体２Ｂとが、同じ外形形状で同径の場合について述べたものであるが、つぎに、第１支持体２Ａの直径第２支持体２Ｂの直径とが異なっている、すなわち、両者が同径でない場合について説明する。

図９に示す第７実施形態は、下側の第２支持体２Ｂの直径が上側の第１支持体２Ａの直径よりも大きい試料保持具７０について説明する図であり、図１０に示す第８実施形態は、下側の第２支持体２Ｂの直径が上側の第１支持体２Ａの直径よりも小さい試料保持具８０について説明する図である。

まず、図９（ａ）に示す試料保持具７０において、断熱材３は、冷媒流路Ｒよりも下側で、かつ、ベースプレート２（第２支持体２Ｂ）の下面よりも上側の位置に配設されている。また、断熱材３の水平方向の端面３ａは、ベースプレート２の端面２ｃから露出している。

ここで、ベースプレート２を構成する、第１支持体２Ａの直径は、第２支持体２Ｂの直径よりも小さい。そのため、ヒータに近い第１支持体２Ａの体積を小さく、第２支持体２Ｂの体積を大きくできる。言い換えれば、ヒータに近い第１支持体２Ａの熱膨張を低減しつつ、第２支持体２Ｂの熱容量を増やすことができる。

したがって、この構成により、第１支持体２Ａの熱膨張により第１支持体２Ａと第２支持体２Ｂとの間に応力が集中し、破損してしまうおそれを低減しつつ、試料保持具下方の外部環境の熱が試料まで伝わりにくくすることができる。

加えて、断熱材３の端面３ａは、図９（ｂ）に示すように、上下方向（鉛直方向）に対して傾斜する傾斜面になっている。すなわち、断熱材３のうち、ヒータの近くに位置する第１支持体２Ａに接する部分が小さく、試料保持具下方の外部装置の近くに位置する第２支持体２Ｂに接する部分が大きくなっている。

これにより、第１支持体２Ａの熱膨張によって第１支持体２Ａと断熱材３との間に応力が集中し、破損してしまうおそれを低減しつつ、試料保持具下方の外部環境の熱が第２支持体２Ｂを介して第１支持体２Ａまで伝わりにくくすることができる。

なお、断熱材３の端面３ａは、図９（ｃ）に示すように、湾曲する曲面で構成してもよい。

このように、断熱材３の端面３ａの形状を、角部に応力の集中することのない形状とすることにより、断熱材３の端部（露出部）を起点に発生する、断熱材３の、第１支持体２Ａまたは第２支持体２Ｂからの剥がれの発生を、抑制することができる。

また、第１支持体２Ａの直径が、第２支持体２Ｂの直径よりも大きい場合も同様である。すなわち、図１０（ａ）に示す試料保持具８０において、ベースプレート２の端面２ｃから露出する、断熱材３の端面３ａは、図１０（ｂ）に示すように、上下方向（鉛直方向）に対して傾斜する傾斜面になっている。

なお、第７実施形態と同様、試料保持具８０の断熱材３の端面３ａも、図１０（ｃ）に示すように、湾曲する曲面としてもよい。

以上の構成により、応力が集中することに起因する、断熱材３の端部（露出部）を起点に発生する断熱材３の剥離を、抑制することができる。

１ セラミック基体
１ａ 基体上面（試料保持面）
２ ベースプレート
２Ａ 第１支持体
２Ｂ 第２支持体
２ｃ 端面
３ 断熱材
３ａ 端面
４ 接合材
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ 試料保持具
Ｈ ヒータ
Ｒ 冷媒流路

Claims (4)

1. 試料を載置可能な上面を有し、内部にヒータを備えた平板状の試料保持部材と、
   前記試料保持部材を下側から支承する支持部材と、
   該支持部材の内部に形成された冷媒の流路と、
   前記冷媒の流路の下側に配設された断熱材と、を備え、
   前記支持部材は、金属からなり、前記試料保持部材側に位置する円板状の第１支持体と、
   該第１支持体の下側に位置する円板状の第２支持体と、を含み、
   前記第１支持体の直径は、前記第２支持体の直径よりも小さく、
   前記断熱材は、前記第１支持体と前記第２支持体との間に配設され、前記支持部材の端面から露出しており、鉛直方向に対して傾斜する傾斜面または曲面を有する、試料保持具。
2. 前記断熱材は、前記支持部材よりも線膨張係数が小さい、請求項１に記載の試料保持具。
3. 前記第１支持体は、前記第２支持体と対向する下面に、前記冷媒の流路となる上向き凹状の溝構造部を含む、請求項１または請求項２に記載の試料保持具。
4. 前記第１支持体の鉛直方向に対する厚みは、前記第２支持体の鉛直方向に対する厚みよりも大きい、請求項１～３のいずれか１つに記載の試料保持具。

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