JP7319153B2

JP7319153B2 - 保持装置

Info

Publication number: JP7319153B2
Application number: JP2019172530A
Authority: JP
Inventors: 考史山本
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: JP2021052040A

Description

本開示は、対象物を保持する保持装置に関する。

半導体を製造する際にウェハを保持する保持装置として、例えば静電チャックが用いられる。静電チャックは、吸着面を有するセラミックス部材と、セラミックス部材の内部に設けられたチャック電極と、を備えており、チャック電極に電圧が印加されることにより発生する静電引力を利用して、セラミックス部材の吸着面にウェハを吸着して保持する。

静電チャックの吸着面に保持されたウェハの温度が所望の温度にならないと、ウェハに対する各処理（成膜、エッチング等）の精度が低下するおそれがあるため、静電チャックにはウェハの温度分布を制御する性能が求められる。そのため、例えば、セラミックス部材の内部に複数のヒータ電極が設けられる。各ヒータ電極に電圧が印加されると、各ヒータ電極が発熱することによってセラミックス部材が加熱され、これにより、セラミックス部材の吸着面の温度分布の制御（吸着面に保持されたウェハの温度分布の制御）が実現される。

例えば、特開２００４－７１６４７号公報（下記特許文献１）の実施例２に記載の複合ヒータでは、セラミックヒータと金属ベースとが、耐熱性の高いシリコン樹脂からなるボンド材によって全面にわたって接合されて一体化されている。プラズマ雰囲気下でドライエッチングを行う場合、ボンド材がプラズマによって腐食することから、ボンド材の近傍には耐プラズマ性の高いシール材を配置する必要がある。これにより、ボンド材の腐食を低減、防止することができる。

特開２００４－７１６４７号公報

しかしながら、シール材を配置すると熱引きが発生するため、ウェハの温度分布の制御が困難になる。熱引きを低減するにはシール材の体積を減少することが考えられるが、その場合、シール材とセラミックヒータの接触面積、およびシール材と金属ベースの接触面積が小さくなり、シール性能が低下してしまう。したがって、シール材による接触面積を小さくすることなく、熱引きを低減することが求められていた。

本開示の保持装置は、絶縁体及び前記絶縁体の内部又は表面に配された発熱体を有するヒータ部材と、前記ヒータ部材の下方に配されたベース部材と、前記ヒータ部材と前記ベース部材を接合するボンド材と、前記ボンド材に隣り合う配置で前記ヒータ部材と前記ベース部材との間をシールする環状のシール部材と、を備える、保持装置であって、前記シール部材は、前記ボンド材と離間して配置され、前記ヒータ部材に接触するシール上面と、前記ベース部材に接触するシール下面と、前記シール上面と前記シール下面との間を接続し前記ボンド材とは反対側に配される第１面と、前記シール上面と前記シール下面との間を接続し前記ボンド材側に配される第２面と、を有し、前記シール上面及び前記シール下面を通る断面視で、前記第１面と前記第２面との間に、前記シール上面及び前記シール下面の幅よりも小さく、前記シール部材の最小幅となる部分が形成されている、保持装置である。

本開示によれば、シール部材による接触面積を小さくすることなく、熱引きを低減できる。

図１は実施形態１における保持装置を示す斜視図である。図２は図１の保持装置を一部破断して示す斜視断面図である。図３は図１の保持装置の内部構造を示す断面図である。図４は図３の第１シール部材を拡大して示す断面図である。図５は図３の第２シール部材を拡大して示す断面図である。図６は実施形態２における第１シール部材を拡大して示す断面図である。図７は実施形態２における第２シール部材を拡大して示す断面図である。図８は従来のシール部材を拡大して示す断面図である。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
（１）本開示の保持装置は、絶縁体及び前記絶縁体の内部又は表面に配された発熱体を有するヒータ部材と、前記ヒータ部材の下方に配されたベース部材と、前記ヒータ部材と前記ベース部材を接合するボンド材と、前記ボンド材に隣り合う配置で前記ヒータ部材と前記ベース部材との間をシールする環状のシール部材と、を備える、保持装置であって、前記シール部材は、前記ボンド材と離間して配置され、前記ヒータ部材に接触するシール上面と、前記ベース部材に接触するシール下面と、前記シール上面と前記シール下面との間を接続し前記ボンド材とは反対側に配される第１面と、前記シール上面と前記シール下面との間を接続し前記ボンド材側に配される第２面と、を有し、前記シール上面及び前記シール下面を通る断面視で、前記第１面と前記第２面との間に、前記シール上面及び前記シール下面の幅よりも小さく、前記シール部材の最小幅となる部分が形成されている、保持装置である。

例えばプラズマが第１面に接触した場合、シール上面とシール下面によってプラズマがボンド材に侵入することが抑制される。このとき、シール上面とシール下面によるシール性能はシール上面とシール下面の接触面積によって決定される。一方、ヒータ部材からシール部材を介してベース部材に伝わる熱の伝熱速度は、シール上面及びシール下面を通る断面視におけるシール部材の最小幅となる部分が律速となる。
上記の保持装置によると、シール上面及びシール下面を通る断面視で、第１面と第２面との間に、シール部材の最小幅となる部分が形成されているから、この最小幅となる部分が律速となる。したがって、最小幅となる部分が、シール上面及びシール下面の幅よりも小さい場合、伝熱速度を小さくできる。よって、シール部材による接触面積を小さくすることなく、熱引きを低減できる。

（２）前記第１面は前記シール部材の内部に向けて凹んでおり、前記第２面は前記シール部材の内部に向けて凹んでいることが好ましい。
第２面は凹んでおり、シール部材とボンド材は互いに離間しているから、ボンド材がヒータ部材とベース部材の間に挟まれてシール部材側に膨らんだとしても、シール部材とボンド材が干渉することはない。
また、第１面は凹んでいるから、シール部材がヒータ部材とベース部材の間に挟まれて第１面が膨らんだとしても、シール部材と他の部材が干渉することはない。

（３）前記ヒータ部材と前記ベース部材の双方を貫く貫通孔が設けられており、前記シール部材は、前記ヒータ部材の貫通孔及び前記ベース部材の貫通孔と連通する空間を画定する第１シール部材を有することが好ましい。
例えばプラズマが貫通孔を通ってボンド材に侵入することが、第１シール部材によって抑制される。

（４）前記シール部材は、前記ボンド材の外周を取り囲む第２シール部材を有することが好ましい。
例えばプラズマがヒータ部材の外周からボンド材に侵入することが、第２シール部材によって抑制される。

［本開示の実施形態１の詳細］
本開示の保持装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜静電チャック＞
本開示の保持装置は、半導体ウェハ、ガラス基板など（以下「ウェハ８０」という）を吸着保持できる静電チャック１０である。静電チャック１０は、図１に示すように、図示上方に向けられたチャック面２１にて加熱対象（ワーク）であるウェハ８０を吸着できるものであり、（例えば直径３００ｍｍ×厚み３ｍｍの）円盤状のヒータ部材２０と、（例えば直径３４０ｍｍ×厚み２０ｍｍの）円盤状のベース部材５０とが、ボンド材７０およびシール部材６０によって接合されたものである。

静電チャック１０は、減圧されたチャンバー内でプラズマを用いてエッチングなどを行うプロセスでウェハ８０を載置するテーブルとして使用される。静電チャック１０には、セラミック基板３０とベース部材５０の双方を上下方向に貫くピン挿通孔１１が形成されている。このピン挿通孔１１にはリフトピン１２が挿通されている。リフトピン１２を上方に移動させることでウェハ８０をチャック面２１から持ち上げることができる。

＜ヒータ部材＞
ヒータ部材２０は、絶縁体からなるセラミック基板３０と、セラミック基板３０の内部に配されたヒータ電極４０と、セラミック基板３０の内部においてヒータ電極４０とチャック面２１との間に配されたチャック電極４１と、を有する。ヒータ電極４０とチャック電極４１は上下方向に並んで配置され、チャック面２１に近い側にチャック電極４１が配置され、チャック電極４１の下側にヒータ電極４０が配置されている。

＜セラミック基板＞
セラミック基板３０は、アルミナ、窒化アルミニウム、イットリア、またはアルミナと炭化珪素の複合材などを主成分として構成されている。セラミック基板３０の熱膨張係数は、６から８ｐｐｍ／℃の範囲（例えば７．６ｐｐｍ／℃）であり、その熱伝導率は、１８Ｗ／ｍ・Ｋである。

セラミック基板３０の内部には、ヘリウムなどのガスを流すガス流路３１が形成されている。ガス流路３１は、縦孔と横孔とから構成されている。セラミック基板３０の表面には、ガス流路３１と連通する噴出口３２が形成されている。図示しないガス供給源からガス流路３１に供給されたガスは、縦孔と横孔を経由して噴出口３２から排出される。これにより、ウェハ８０とセラミック基板３０との間の空間にガスが導入される。この空間にガスを導入することでウェハ８０とセラミック基板３０との間の熱伝導を向上させることができる。

図２に示すように、ヒータ電極４０とチャック電極４１には、それぞれ端子４２が接続されている。各端子４２はベース部材５０を上下方向に貫通する形態で配置され、各端子４２の下端はベース部材５０の下面に露出している。各端子４２は図示しない電源にそれぞれ接続されており、各電源からの電力は各端子４２を通じてチャック電極４１とヒータ電極４０とに供給可能とされている。

＜ヒータ電極＞
ヒータ電極４０は、タングステン、モリブデン、またはこれらの合金、またはこれらの炭化物を主成分として構成されている。本開示のヒータ電極４０はセラミック基板３０の内部に配置されているものの、セラミック基板３０の表面やセラミック基板３０とは別体のヒータ部材（ポリイミドヒータ）の内部に配置されているものでもよい。本開示のヒータ電極４０としては、導体ペーストを印刷した導体層が焼結したメタライズを使用しているものの、金属箔、金属メッシュなどを使用してもよい。

チャック電極４１は、タングステン、モリブデン、またはこれらの合金を主成分として構成されている。チャック電極４１は、電圧を印加することで静電吸着力を発現するものである。静電吸着力の種類としては、クーロン力、ジョンセン・ラーベック力、またはグラディエント力などを用いることができる。本開示のチャック電極４１としては、導体ペーストを印刷した導体層が焼結したメタライズを使用しているものの、金属箔、金属メッシュなどを使用してもよい。

＜ベース部材＞
ベース部材５０は、アルミニウム、アルミニウム合金、金属とセラミックスの複合体（Ａｌ－ＳｉＣ）、またはセラミックス（ＳｉＣ）を主成分として構成されている。本開示のベース部材５０はＡｌ－ＳｉＣを主成分として構成され、アルミニウム成分（重量％）が、３０≦Ａｌ≦９０の範囲（例えば３０重量％）であり、シリカ成分（重量％）が、１０≦Ｓｉ≦７０の範囲（例えば７０重量％）である。ベース部材５０は、ヒータ部材２０の全体を載置できるように、ヒータ部材２０より大径とされている。ベース部材５０は、冷媒を流す冷媒流路５１と、セラミック基板３０のガス流路３１と連通するガス導入路５２と、を有している。

ベース部材５０の熱膨張係数は、５から９ｐｐｍ／℃の範囲（例えば６．９ｐｐｍ／℃）で、熱伝導率は、１８０Ｗ／ｍ・Ｋであり、セラミック基板３０と比べて高い熱伝導性を有している。特に、本開示では、セラミック基板３０とベース部材５０との材料として、上述した組成の材料を用いることにより、熱膨張差が、５ｐｐｍ／℃以内（例えば０．７ｐｐｍ／℃）と非常に小さく設定されている。

＜ボンド材＞
ベース部材５０の上面とセラミック基板３０の下面との間には、ボンド材７０が配置されている。ボンド材７０は、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂を主成分として構成されている。本開示のボンド材７０は、ペースト状やシート状のシリコーン接着剤を使用したものである。ボンド材７０は、セラミック基板３０とベース部材５０を接着する役割以外に、セラミック基板３０とベース部材５０との間の熱伝導を行う役割と、セラミック基板３０とベース部材５０の熱膨張に起因する応力を緩和する役割と、を果たしている。

＜シール部材＞
シール部材６０は、フッ素樹脂またはエポキシ樹脂を主成分として構成されている。本開示のシール部材６０は、フッ素樹脂製のＯリングである。シール部材６０は、ボンド材７０の外周に配置され、ボンド材７０のプラズマによる浸食抑制のために用いられている。シール部材６０は環状をなし、ボンド材７０に隣り合うように配置されている。

シール部材６０は、第１シール部材６０Ａと第２シール部材６０Ｂとを備える。第１シール部材６０Ａは、図４に示すように、セラミック基板３０のガス流路３１の開口縁部３４と、ベース部材５０のガス導入路５２の開口縁部５３と、の間に配置されている。すなわち、第１シール部材６０Ａは、ヒータ部材２０のガス流路３１及びベース部材５０のガス導入路５２と連通する空間Ｓを画定している。

一方、第２シール部材６０Ｂは、図５に示すように、ボンド材７０の外周を取り囲む位置であって、セラミック基板３０の外周縁部３３とベース部材５０との間の位置に設けられている。第１シール部材６０Ａと第２シール部材６０Ｂは同じ構成であるため、以下においてはシール部材６０としてまとめて説明を行う。

シール部材６０は、ボンド材７０と離間して配置され、ヒータ部材２０に接触するシール上面６３と、ベース部材５０に接触するシール下面６４と、シール上面６３とシール下面６４との間を接続しボンド材７０とは反対側に配される第１面６１と、シール上面６３とシール下面６４との間を接続しボンド材７０側に配される第２面６２と、を有している。

シール上面６３及びシール下面６４を通る断面視で、第１面６１と第２面６２との間に、シール上面６３及びシール下面６４の幅よりも小さく、シール部材６０の最小幅となる部分（以下「幅狭部６５」という）が形成されている。幅狭部６５は、上下方向における第１面６１と第２面６２の間の中央に位置している。第１面６１はシール部材６０の内部に向けて凹んでおり、第２面６２はシール部材６０の内部に向けて凹んでいる。

＜シール部材の作用＞
上述した静電チャック１０を使用する場合には、チャック用電源を用いてチャック電極４１に電圧を印加し、これにより、ウェハ８０を吸着する静電吸着力を発生させ、この静電吸着力を用いてウェハ８０をチャック面２１に吸着して固定する。また、エッチングなどの加工を行う場合には、ヒータ用電源を用いてヒータ電極４０に電流を流してヒータ電極４０の温度を上昇させ、ヒータ電極４０からセラミック基板３０を介してウェハ８０を加熱する。

ここで、従来のシール部材６について簡単に説明する。図８に示すように、シール部材６が第１面１から第２面２にわたって同一幅で形成されているとした場合、シール部材６による熱引き（セラミック基板３０の熱がシール部材６を介してベース部材５０に逃げる現象）が発生し、ウェハ８０の表面温度のバラツキが大きくなる結果、エッチング速度のバラツキが発生してしまう。熱伝導性は、シール部材６の断面積に比例するため、熱引きを低減するためにシール部材６の体積を減少することも考えられる。しかしながら、同一幅形状を維持したままシール部材６の体積を減少すると、第１面１の接触面積と第２面２の接触面積も減少してシール性能が低下することになるため、プラズマがボンド材７０側に侵入しやすくなり、得策とは言えなかった。

そこで、本開示では第１面６１と第２面６２の間に、最小幅となる幅狭部６５を設けたから、幅狭部６５が伝熱速度を決定する際の律速となり、同一幅形状のシール部材６よりも熱引きを低減することができる。また、第１面６１の接触面積と第２面６２の接触面積は従来のシール部材６と同じであるから、プラズマの侵入を防ぐプロテクト効果を低減させることもない。

また、ボンド材７０は、セラミック基板３とベース部材５との間に挟持された際の圧力によって横方向に広がるため、シール部材６が位置ずれする可能性がある。シール部材６が位置ずれすると、シール部材６が本来のシール性能を発揮できなくなるおそれがある。その点、本開示ではシール部材６０とボンド材７０が離間して配置され、ボンド材７０と対向する第２面６２が凹んでいるため、ボンド材７０が横方向に広がったとしても第２面６２にぶつかることはなく、シール部材６０が位置ずれするおそれはない。

＜本実施形態の効果＞
以上のように本実施形態の静電チャック１０は、セラミック基板３０及びセラミック基板３０の内部に配されたヒータ電極４０を有するヒータ部材２０と、ヒータ部材２０の下方に配されたベース部材５０と、ヒータ部材２０とベース部材５０を接合するボンド材７０と、ボンド材７０に隣り合う配置でヒータ部材２０とベース部材５０との間をシールする環状のシール部材６０と、を備える、静電チャック１０であって、シール部材６０は、ボンド材７０と離間して配置され、ヒータ部材２０に接触するシール上面６３と、ベース部材５０に接触するシール下面６４と、シール上面６３とシール下面６４との間を接続しボンド材７０とは反対側に配される第１面６１と、シール上面６３とシール下面６４との間を接続しボンド材７０側に配される第２面６２と、を有し、シール上面６３及びシール下面６４を通る断面視で、第１面６１と第２面６２との間に、シール上面６３及びシール下面６４の幅よりも小さく、シール部材６０の最小幅となる部分が形成されている。

例えばプラズマが第１面６１に接触した場合、シール上面６３とシール下面６４によってプラズマがボンド材７０に侵入することが抑制される。このとき、シール上面６３とシール下面６４によるシール性能はシール上面６３とシール下面６４の接触面積によって決定される。一方、ヒータ部材２０からシール部材６０を介してベース部材５０に伝わる熱の伝熱速度は、シール上面６３及びシール下面６４を通る断面視におけるシール部材６０の最小幅となる部分である幅狭部６５が律速となる。

上記の静電チャック１０によると、シール上面６３及びシール下面６４を通る断面視で、第１面６１と第２面６２との間に、シール部材６０の最小幅となる部分である幅狭部６５が形成されているから、この幅狭部６５が律速となる。したがって、幅狭部６５が、シール上面６３及びシール下面６４の幅よりも小さい場合、伝熱速度を小さくできる。よって、シール部材６０による接触面積を小さくすることなく、熱引きを低減できる。

第１面６１はシール部材６０の内部に向けて凹んでおり、第２面６２はシール部材６０の内部に向けて凹んでいることが好ましい。
第２面６２は凹んでおり、シール部材６０とボンド材７０は互いに離間しているから、ボンド材７０がヒータ部材２０とベース部材５０の間に挟まれてシール部材６０側に膨らんだとしても、シール部材６０とボンド材７０が干渉することはない。
また、第１面６１は凹んでいるから、シール部材６０がヒータ部材２０とベース部材５０の間に挟まれて第１面６１が膨らんだとしても、シール部材６０と他の部材が干渉することはない。

ヒータ部材２０とベース部材５０の双方を貫く貫通孔（ガス流路３１、ガス導入路５２）が設けられており、シール部材６０は、ヒータ部材２０のガス流路３１及びベース部材５０のガス導入路５２と連通する空間Ｓを画定する第１シール部材６０Ａを有することが好ましい。
例えばプラズマがガス流路３１を通ってボンド材７０に侵入することが、第１シール部材６０Ａによって抑制される。

シール部材６０は、ボンド材７０の外周を取り囲む第２シール部材６０Ｂを有することが好ましい。
例えばプラズマがヒータ部材２０の外周からボンド材７０に侵入することが、第２シール部材６０Ｂによって抑制される。

［本開示の実施形態２の詳細］
実施形態２は、実施形態１のシール部材６０の形状を一部変更したものであって、その他の構成については実施形態１と同じである。実施形態２のシール部材９０は、図６および図７に示すように、第１シール部材９０Ａと第２シール部材９０Ｂとを備える。第１シール部材９０Ａと第２シール部材９０Ｂは同じ構成であるため、以下においてはシール部材９０としてまとめて説明を行う。また、実施形態１のシール部材６０と同じ構成については、その説明を省略するものとし、実施形態１のシール部材６０と対応する構成については、符号の数字部分を６から９に変更した符号を用いるものとする。

シール部材９０は、第１面９１と、第２面９２と、シール上面９３と、シール下面９４と、を有している。シール上面９３及びシール下面９４を通る断面視で、第１面９１と第２面９２との間に、シール上面９３及びシール下面９４の幅よりも小さく、シール部材９０の最小幅となる部分（以下「くびれ部９５」という）が形成されている。くびれ部９５は、上下方向における第１面９１と第２面９２の中央に位置している。

第１面９１と第２面９２は、くびれ部９５の両側のみがシール部材９０の内部に向けて鋭角に凹んだ形態とされている。したがって、第１面９１と第２面９２においてくびれ部９５以外の部分では上下方向に延びる同一幅形状とされている。言い換えると、実施形態１の第１面６１と第２面６２は全体的に緩やかに湾曲した形状とされているのに対して、実施形態２の第１面９１と第２面９２は部分的に鋭く凹んだ形状とされている。

本実施形態によると、セラミック基板３０からベース部材５０に伝熱する際に、くびれ部９５が律速となるから、熱引きを低減することができる。また、第１面９１および第２面９２における上下方向の一部を除肉するだけでよいから、シール部材９０の剛性低下を最小限に留めることができ、シール上面９３とシール下面９４におけるシール性能を維持したまま熱引きを低減することができる。

シール部材９０を製造するにあたっては、くびれ部９５を境にして上下一対のパーツに分けて成形しておき、これらのパーツを互いに接着させることが形成することができる。このようにすれば、くびれ部９５を成形する鋭角なピンが不要になり、そのようなピンが破損することを回避できる。

［他の実施形態］
（１）実施形態１では第１面６１と第２面６２の双方が凹んだ形状とされているものの、第１面６１と第２面６２のいずれか一方のみが凹んだ形状であってもよい。

（２）実施形態２ではくびれ部９５が１つだけ設けられたシール部材９０を例示しているものの、くびれ部９５が２つ以上設けられたシール部材としてもよい。

１…第１面２…第２面６…シール部材
１０…静電チャック（保持装置）
１１…ピン挿通孔１２…リフトピン
２０…ヒータ部材２１…チャック面
３０…セラミック基板（絶縁体）３１…ガス流路（貫通孔）３２…噴出口３３…外周縁部３４…開口縁部
４０…ヒータ電極（発熱体）４１…チャック電極４２…端子
５０…ベース部材５１…冷媒流路５２…ガス導入路（貫通孔）５３…開口縁部
６０…シール部材６０Ａ…第１シール部材６０Ｂ…第２シール部材６１…第１面６２…第２面６３…シール上面６４…シール下面６５…幅狭部
７０…ボンド材
８０…ウェハ
９０…シール部材９０Ａ…第１シール部材９０Ｂ…第２シール部材９１…第１面９２…第２面９３…シール上面９４…シール下面９５…くびれ部
Ｓ…空間

Claims

絶縁体及び前記絶縁体の内部又は表面に配された発熱体を有するヒータ部材と、
前記ヒータ部材の下方に配されたベース部材と、
前記ヒータ部材と前記ベース部材を接合するボンド材と、
前記ボンド材に隣り合う配置で前記ヒータ部材と前記ベース部材との間をシールする環状のシール部材と、を備える、保持装置であって、
前記シール部材は、前記ボンド材と離間して配置され、前記ヒータ部材に接触するシール上面と、前記ベース部材に接触するシール下面と、前記シール上面と前記シール下面との間を接続し前記ボンド材とは反対側に配される第１面と、前記シール上面と前記シール下面との間を接続し前記ボンド材側に配される第２面と、を有し、
前記シール上面及び前記シール下面を通る断面視で、前記第１面と前記第２面との間に、前記シール上面及び前記シール下面の幅よりも小さく、前記シール部材の最小幅となる部分が形成されている、保持装置。
前記第１面は前記シール部材の内部に向けて凹んでおり、前記第２面は前記シール部材の内部に向けて凹んでいる、請求項１に記載の保持装置。
前記ヒータ部材と前記ベース部材の双方を貫く貫通孔が設けられており、
前記シール部材は、前記ヒータ部材の貫通孔及び前記ベース部材の貫通孔と連通する空間を画定する第１シール部材を有する、請求項１または請求項２に記載の保持装置。
前記シール部材は、前記ボンド材の外周を取り囲む第２シール部材を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の保持装置。