JP7329917B2 - 基板固定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、基板固定装置に関する。
従来、ＩＣやＬＳＩ等の半導体装置を製造する際に使用される成膜装置（例えば、ＣＶＤ装置やＰＶＤ装置等）やプラズマエッチング装置は、ウェハを真空の処理室内に精度良く保持するためのステージを有する。
このようなステージとして、例えば、ベースプレートに搭載された静電チャックにより、吸着対象物であるウェハを吸着保持する基板固定装置が提案されている。
基板固定装置の一例として、ウェハの温度調節をするための発熱体を設けた構造のものが挙げられる。この基板固定装置において、発熱体は、例えば、静電チャックに隣接して設けられた絶縁層に内蔵されている。
特開２０１４－７８７３１号公報
しかしながら、基板固定装置において、発熱体の厚さ方向のばらつき等により発熱ムラが発生し、静電チャック表面の温度の均一性を阻害する場合があった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、静電チャック表面の温度の均一性を向上した基板固定装置を提供することを課題とする。
本基板固定装置は、ベースプレートと、前記ベースプレート上に設けられた発熱部と、前記発熱部上に設けられた静電チャックと、を有し、前記発熱部は、発熱体と、前記発熱体よりも前記静電チャックに近い側に配置された金属層と、前記発熱体及び前記金属層を被覆する樹脂製の絶縁層と、を備え、前記金属層の側面及び上下面は、全体が前記絶縁層により被覆され、前記金属層は、電気的に独立しており、前記金属層は、前記絶縁層よりも熱伝導率の高い材料から形成されていることを要件とする。
開示の技術によれば、静電チャック表面の温度の均一性を向上した基板固定装置を提供できる。
第１実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する断面図である。 第１実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その１）である。 第１実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その２）である。 第１実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その３）である。 基板固定装置１が奏する効果について説明する図である。 発熱部に設けられる金属層のパターンのバリエーションを例示する図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第１実施形態〉
［基板固定装置の構造］
図１は、第１実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する断面図である。図１を参照するに、基板固定装置１は、主要な構成要素として、ベースプレート１０と、接着層２０と、発熱部３０と、静電チャック４０とを有している。
ベースプレート１０は、発熱部３０や静電チャック４０を搭載するための部材である。ベースプレート１０の厚さは、例えば、２０～５０ｍｍ程度とすることができる。ベースプレート１０は、例えば、アルミニウムから形成され、プラズマを制御するための電極等として利用することもできる。ベースプレート１０に所定の高周波電力を給電することで、発生したプラズマ状態にあるイオン等を静電チャック４０上に吸着されたウェハに衝突させるためのエネルギーを制御し、エッチング処理を効果的に行うことができる。
ベースプレート１０の内部には、水路１５が設けられている。水路１５は、一端に冷却水導入部１５ａを備え、他端に冷却水排出部１５ｂを備えている。水路１５は、基板固定装置１の外部に設けられた冷却水制御装置（図示せず）に接続されている。冷却水制御装置（図示せず）は、冷却水導入部１５ａから水路１５に冷却水を導入し、冷却水排出部１５ｂから冷却水を排出する。水路１５に冷却水を循環させベースプレート１０を冷却することで、静電チャック４０上に吸着されたウェハを冷却することができる。ベースプレート１０には、水路１５の他に、静電チャック４０上に吸着されたウェハを冷却する不活性ガスを導入するガス路等を設けてもよい。
発熱部３０は、接着層２０を介して、ベースプレート１０上に固着されている。接着層２０としては、例えば、シリコーン系接着剤を用いることができる。接着層２０の厚さは、例えば、２ｍｍ程度とすることができる。接着層２０の熱伝導率は２Ｗ／ｍＫ以上とすることが好ましい。接着層２０は、複数の接着層が積層した積層構造としてもよい。例えば、接着層２０を熱伝導率が高い接着剤と弾性率が低い接着剤とを組み合わせた２層構造とすることで、アルミニウム製のベースプレートとの熱膨張差から生じるストレスを低減させる効果が得られる。
発熱部３０は、絶縁層３１と、絶縁層３１に内蔵された発熱体３２と金属層３３とを有している。発熱体３２及び金属層３３の周囲は、絶縁層３１に被覆され、外部から保護されている。
絶縁層３１としては、例えば、高熱伝導率及び高耐熱性を有するエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等を用いることができる。絶縁層３１の熱伝導率は３Ｗ／ｍＫ以上とすることが好ましい。絶縁層３１にアルミナや窒化アルミニウム等のフィラーを含有させることで、絶縁層３１の熱伝導率を向上させることができる。又、絶縁層３１のガラス転移温度（Ｔｇ）は２５０℃以上とすることが好ましい。又、絶縁層３１の厚さは１００～１５０μｍ程度とすることが好ましく、絶縁層３１の厚さばらつきは±１０％以下とすることが好ましい。
発熱体３２は、基板固定装置１の外部から電圧を印加することで発熱し、後述の基体４１の載置面４１ａが所定の温度となるように加熱する。発熱体３２は、例えば、基体４１の載置面４１ａの温度を２５０℃～３００℃程度まで加熱することができる。発熱体３２の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、コンスタンタン（Ｃｕ／Ｎｉ／Ｍｎ／Ｆｅの合金）等を用いることができる。発熱体３２の厚さは、例えば、２０～１００μｍ程度とすることができる。発熱体３２は、例えば、同心円状のパターンとすることができる。
なお、発熱体３２と絶縁層３１との高温下での密着性を向上するため、発熱体３２の少なくとも一つの面（上下面の一方又は双方）が粗化されていることが好ましい。もちろん、発熱体３２の上下面の両方が粗化されていてもよい。この場合、発熱体３２の上面と下面で異なる粗化方法を用いてもよい。粗化の方法は特に限定されないが、エッチングによる方法、カップリング剤系の表面改質技術を用いる方法、波長３５５ｎｍ以下のＵＶ－ＹＡＧレーザによるドット加工を用いる方法等を例示することができる。
金属層３３は、絶縁層３１内において、発熱体３２よりも静電チャック４０に近い側に配置されている。金属層３３は、発熱体３２の発する熱を均一化して拡散する（不均一な発熱状態の緩和を行う）層であり、絶縁層３１よりも熱伝導率の高い材料から形成されている。金属層３３の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、コンスタンタン（Ｃｕ／Ｎｉ／Ｍｎ／Ｆｅの合金）等を用いることができる。金属層３３の平面形状は、例えば、円形とすることができる。この場合、金属層３３の平面形状は、絶縁層３１の平面形状よりも１回り小さく形成することができる。金属層３３の厚さは、例えば、２０～１００μｍ程度とすることができる。金属層３３と発熱体３２とが同一の材料により形成されてもよい。
金属層３３の側面及び上下面は絶縁層３１により被覆されている。このため、金属層３３の側面が外部に露出することはなく、プラズマガスに対する金属層３３の耐食性を高めることができる。
静電チャック４０はプラズマに曝されるため、プラズマガスに対する耐食性が低いと、発熱体３２や金属層３３の成分とプラズマガスによって形成された反応生成物がパーティクルとなって基体４１上に付着し、コンタミネーション等の悪影響を与える。金属層３３と発熱体３２とが同一の材料により形成されている場合、コンタミネーションによるリスクを低減することができる。
なお、金属層３３は、絶縁層３１内において、絶縁層３１の厚さ方向に所定の間隔を空けて複数層設けてもよい。又、金属層３３は、絶縁層３１内において、発熱体３２よりも静電チャック４０に近い側、及び発熱体３２よりも接着層２０に近い側の両方に設けてもよい。複数の金属層により熱拡散性を向上できる。
静電チャック４０は、吸着対象物であるウェハを吸着保持する部分である。静電チャック４０の平面形状は、例えば、円形とすることができる。静電チャック４０の吸着対象物であるウェハの直径は、例えば、８、１２、又は１８インチ程度とすることができる。
静電チャック４０は、発熱部３０上に設けられている。静電チャック４０は、基体４１と、静電電極４２とを有している。静電チャック４０は、例えば、ジョンセン・ラーベック型静電チャックである。但し、静電チャック４０は、クーロン力型静電チャックであってもよい。
基体４１は誘電体であり、基体４１としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックスを用いることができる。基体４１の厚さは、例えば、１～１０ｍｍ程度、基体４１の比誘電率（１ｋＨｚ）は、例えば、９～１０程度とすることができる。静電チャック４０と発熱部３０の絶縁層３１とは直接接合されている。発熱部３０と静電チャック４０とを接着剤を介すことなく直接接合することにより、基板固定装置１の耐熱温度を向上することができる。発熱部３０と静電チャック４０とを接着剤で接合する従来の基板固定装置の耐熱温度は１５０℃程度であるが、基板固定装置１では耐熱温度を２００℃程度とすることができる。
静電電極４２は、薄膜電極であり、基体４１に内蔵されている。静電電極４２は、基板固定装置１の外部に設けられた電源に接続され、電源から所定の電圧が印加されると、ウェハとの間に静電気による吸着力を発生させる。これにより、静電チャック４０の基体４１の載置面４１ａ上にウェハを吸着保持することができる。吸着保持力は、静電電極４２に印加される電圧が高いほど強くなる。静電電極４２は、単極形状でも、双極形状でも構わない。静電電極４２の材料としては、例えば、タングステン、モリブデン等を用いることができる。
［基板固定装置の製造方法］
図２～図４は、第１実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図である。図２～図４を参照しながら、基板固定装置１の製造工程について、発熱部３０の形成工程を中心に説明する。なお、図２（ａ）～図４（ａ）は、図１とは上下を反転した状態で描いている。
まず、図２（ａ）に示す工程では、グリーンシートにビア加工を行う工程、ビアに導電ペーストを充填する工程、静電電極となるパターンを形成する工程、他のグリーンシートを積層して焼成する工程、表面を平坦化する工程等を含む周知の製造方法により、基体４１に静電電極４２を内蔵する静電チャック４０を作製する。なお、後述の絶縁樹脂フィルム３１１との密着性を向上するために、静電チャック４０の絶縁樹脂フィルム３１１がラミネートされる面にブラスト処理等を施し、粗化してもよい。
次に、図２（ｂ）に示す工程では、静電チャック４０上に、絶縁樹脂フィルム３１１を直接ラミネートする。絶縁樹脂フィルム３１１は、真空中でラミネートすると、ボイドの巻き込みを抑制できる点で好適である。絶縁樹脂フィルム３１１は、硬化させずに、半硬化状態（Ｂ－ステージ）としておく。半硬化状態である絶縁樹脂フィルム３１１の粘着力により、絶縁樹脂フィルム３１１は静電チャック４０上に仮固定される。
絶縁樹脂フィルム３１１としては、例えば、高熱伝導率及び高耐熱性を有するエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等を用いることができる。絶縁樹脂フィルム３１１の熱伝導率は３Ｗ／ｍＫ以上とすることが好ましい。絶縁樹脂フィルム３１１にアルミナや窒化アルミニウム等のフィラーを含有させることで、絶縁樹脂フィルム３１１の熱伝導率を向上させることができる。又、絶縁樹脂フィルム３１１のガラス転移温度は２５０℃以上とすることが好ましい。又、熱伝導性能を高める（熱伝導速度を速める）観点から、絶縁樹脂フィルム３１１の厚さは６０μｍ以下とすることが好ましく、絶縁樹脂フィルム３１１の厚さばらつきは±１０％以下とすることが好ましい。
次に、図２（ｃ）に示す工程では、絶縁樹脂フィルム３１１上に金属層３３を配置する。金属層３３は、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、コンスタンタン（Ｃｕ／Ｎｉ／Ｍｎ／Ｆｅの合金）等の金属箔を絶縁樹脂フィルム３１１上にラミネートすることで形成できる。金属層３３は、上記の材料を用いて、スパッタ法やめっき法等により形成してもよい。金属層３３の平面形状や厚さは、前述の通りである。金属層３３は、半硬化状態である絶縁樹脂フィルム３１１の粘着力により、絶縁樹脂フィルム３１１上に仮固定される。
次に、図２（ｄ）に示す工程では、絶縁樹脂フィルム３１１上に、金属層３３を被覆する絶縁樹脂フィルム３１２をラミネートする。絶縁樹脂フィルム３１２は、真空中でラミネートすると、ボイドの巻き込みを抑制できる点で好適である。絶縁樹脂フィルム３１２の材料は、例えば、絶縁樹脂フィルム３１１と同様とすることができる。但し、絶縁樹脂フィルム３１２の厚さは、金属層３３を被覆できる範囲内で適宜決定することができ、必ずしも絶縁樹脂フィルム３１１と同じ厚さにする必要はない。
次に、図３（ａ）に示す工程では、絶縁樹脂フィルム３１２上に金属箔３２１を配置する。金属箔３２１は最終的に発熱体３２となる層であるため、金属箔３２１の材料は、既に例示した発熱体３２の材料と同様である。金属箔３２１の厚さは、エッチングによる配線形成性を考慮し、１００μｍ以下とすることが好ましい。金属箔３２１は、半硬化状態である絶縁樹脂フィルム３１２の粘着力により、絶縁樹脂フィルム３１２上に仮固定される。
なお、絶縁樹脂フィルム３１２上に配置する前に、金属箔３２１の少なくとも一つの面（上下面の一方又は双方）を粗化しておくことが好ましい。もちろん、金属箔３２１の上下面の両方が粗化されていてもよい。この場合、金属箔３２１の上面と下面で異なる粗化方法を用いてもよい。粗化の方法は特に限定されないが、エッチングによる方法、カップリング剤系の表面改質技術を用いる方法、波長３５５ｎｍ以下のＵＶ－ＹＡＧレーザによるドット加工を用いる方法等を例示することができる。
又、ドット加工を用いる方法では、金属箔３２１の必要な領域を選択的に粗化することができる。そこで、ドット加工を用いる方法では、金属箔３２１の全領域に対して粗化を行う必要はなく、最低限、発熱体３２として残す領域に対して粗化を行えば足りる（つまり、エッチングで除去される領域に対してまで粗化を行う必要はない）。
次に、図３（ｂ）に示す工程では、金属箔３２１をパターニングし、発熱体３２を形成する。発熱体３２は、例えば、同心円状のパターンとすることができる。具体的には、例えば、金属箔３２１上の全面にレジストを形成し、レジストを露光及び現像し、発熱体３２として残す部分のみを被覆するレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンに被覆されていない部分の金属箔３２１をエッチングにより除去する。例えば、金属箔３２１の材料が銅である場合には、金属箔３２１を除去するエッチング液としては、塩化第二銅エッチング液や塩化第二鉄エッチング液等を用いることができる。
その後、レジストパターンを剥離液により剥離することにより、絶縁樹脂フィルム３１２の所定位置に発熱体３２が形成される（フォトリソグラフィ法）。フォトリソグラフィ法により発熱体３２を形成することにより、発熱体３２の幅方向の寸法のばらつきを低減することが可能となり、発熱分布を改善することができる。なお、エッチングにより形成された発熱体３２の断面形状は、例えば、略台形状とすることができる。この場合、絶縁樹脂フィルム３１２に接する面と、その反対面との配線幅の差は、例えば、１０～５０μｍ程度とすることができる。発熱体３２の断面形状をシンプルな略台形状とすることにより、発熱分布を改善することができる。
次に、図３（ｃ）に示す工程では、絶縁樹脂フィルム３１２に、発熱体３２を被覆する絶縁樹脂フィルム３１３をラミネートする。絶縁樹脂フィルム３１３は、真空中でラミネートすると、ボイドの巻き込みを抑制できる点で好適である。絶縁樹脂フィルム３１３材料は、例えば、絶縁樹脂フィルム３１１と同様とすることができる。但し、絶縁樹脂フィルム３１３の厚さは、発熱体３２を被覆できる範囲内で適宜決定することができ、必ずしも絶縁樹脂フィルム３１１や３１２と同じ厚さにする必要はない。
次に、図４（ａ）に示す工程では、絶縁樹脂フィルム３１１、３１２、及び３１３を静電チャック４０側に押圧しながら、絶縁樹脂フィルム３１１、３１２、及び３１３を硬化温度以上に加熱して硬化させる。これにより、絶縁樹脂フィルム３１１、３１２、及び３１３が一体化して絶縁層３１となり、発熱体３２及び金属層３３の周囲が絶縁層３１に被覆された発熱部３０が形成され、発熱部３０の絶縁層３１と静電チャック４０とが直接接合される。常温に戻った時のストレスを考慮し、絶縁樹脂フィルム３１１、３１２、及び３１３の加熱温度は、２００℃以下とすることが好ましい。
なお、絶縁樹脂フィルム３１１、３１２、及び３１３を静電チャック４０側に押圧しながら加熱硬化させることにより、発熱体３２の有無の影響による絶縁層３１の上面（静電チャック４０と接しない側の面）の凹凸を低減して平坦化することができる。絶縁層３１の上面の凹凸は、７μｍ以下とすることが好ましい。絶縁層３１の上面の凹凸を７μｍ以下とすることにより、次工程で絶縁層３１と接着層２０との間に気泡を巻き込むことを防止できる。つまり、絶縁層３１と接着層２０との間の接着性が低下することを防止できる。
次に、図４（ｂ）に示す工程では、予め水路１５等を形成したベースプレート１０を準備し、ベースプレート１０上に接着層２０（未硬化）を形成する。そして、図４（ａ）に示す構造体を上下反転させ、接着層２０を介して、ベースプレート１０上に配置し、接着層２０を硬化させる。これにより、ベースプレート１０上に接着層２０を介して発熱部３０及び静電チャック４０が順次積層された基板固定装置１が完成する。
ここで、比較例を交えながら、基板固定装置１が奏する効果について説明する。図５は、基板固定装置１が奏する効果について説明する図である。図５（ａ）では、比較例に係る基板固定装置１Ｘにおいて、発熱体３２が発する熱が広がる様子を楕円で模式的に示している。又、図５（ｂ）では、本実施形態に係る基板固定装置１において、発熱体３２が発する熱が広がる様子を楕円で模式的に示している。
図５（ａ）に示す基板固定装置１Ｘの発熱部３０Ｘは、金属層３３を有していないため、発熱体３２の発する熱を均一化して拡散することができない。そのため、発熱体３２の発する熱に均一性を阻害する要因がある場合、基体４１の載置面４１ａの温度が均一にならない。
これに対して、図５（ｂ）に示す基板固定装置１の発熱部３０は、金属層３３を有している。これにより、発熱体３２の発する熱に均一性を阻害する要因がある場合でも、金属層３３が発熱体３２の発する熱を均一化して拡散する（不均一な発熱状態の緩和を行う）ため、基体４１の載置面４１ａの温度の均一性を向上することができる。
〈第１実施形態の変形例〉
第１実施形態の変形例では、金属層のパターンのバリエーションを例示する。なお、第１実施形態の変形例において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図６は、発熱部に設けられる金属層のパターンのバリエーションを例示する図である。第１実施形態では、金属層３３として平面形状が円形のベタパターンを例示したが、金属層のパターンはベタパターンには限定されない。金属層は、例えば、図６に例示する各種のパターンとしてもよいし、これら以外の任意のパターンとしてもよい。
図６（ａ）に示す金属層３３Ａは同心円状のパターンである。又、図６（ｂ）に示す金属層３３Ｂは渦巻き状のパターンである。又、図６（ｃ）に示す金属層３３Ｃは図６（ａ）に示す同心円状のパターンに略十字状のスリットを設けたものである。又、図６（ｄ）に示す金属層３３Ｄは図６（ｂ）に示す渦巻き状のパターンに略十字状のスリットを設けたものである。又、図６（ｅ）に示す金属層３３Ｅはメッシュ状のパターンである。又、図６（ｆ）に示す金属層３３Ｆはブロックタイル状のパターンである。
このように、発熱部３０に設けられる金属層をベタパターンではなく、隙間を介して隣接する部分を有する所定形状のパターンとすることで、金属層と他の部位との熱膨張係数の差に起因する静電チャック４０の反りを低減することができる。
又、特に、発熱体３２が同心円状のパターンに形成されている場合には、発熱部３０に設けられる金属層を図６（ａ）のような同心円状のパターンや図６（ｂ）のような渦巻き状のパターンとすることで、発熱体３２が発する熱を効率よく拡散することができる。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、本発明に係る基板固定装置の吸着対象物としては、半導体ウェハ（シリコンウエハ等）以外に、液晶パネル等の製造工程で使用されるガラス基板等を例示することができる。
１ 基板固定装置
１０ ベースプレート
１５ 水路
１５ａ 冷却水導入部
１５ｂ 冷却水排出部
２０ 接着層
３０ 発熱部
３１ 絶縁層
３２ 発熱体
３３、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、３３Ｅ、３３Ｆ 金属層
４０ 静電チャック
４１ 基体
４１ａ 載置面
４２ 静電電極
３１１、３１２、３１３ 絶縁樹脂フィルム

Claims (8)

  1. ベースプレートと、
    前記ベースプレート上に設けられた発熱部と、
    前記発熱部上に設けられた静電チャックと、を有し、
    前記発熱部は、発熱体と、前記発熱体よりも前記静電チャックに近い側に配置された金属層と、前記発熱体及び前記金属層を被覆する樹脂製の絶縁層と、を備え、
    前記金属層の側面及び上下面は、全体が前記絶縁層により被覆され、
    前記金属層は、電気的に独立しており、
    前記金属層は、前記絶縁層よりも熱伝導率の高い材料から形成されている基板固定装置。
  2. ベースプレートと、
    前記ベースプレート上に設けられた発熱部と、
    前記発熱部上に設けられた静電チャックと、を有し、
    前記発熱部は、発熱体と、前記発熱体よりも前記静電チャックに近い側に配置された金属層と、前記発熱体及び前記金属層を被覆する樹脂製の絶縁層と、を備え、
    前記金属層の側面及び上下面は前記絶縁層により被覆され、
    前記金属層は、前記絶縁層よりも熱伝導率の高い材料から形成され、
    前記発熱体と前記金属層とが同一の材料により形成され、
    前記材料は、コンスタンタンである基板固定装置。
  3. 前記絶縁層は、ビスマレイミドトリアジン樹脂から形成されている請求項１又は２に記載の基板固定装置。
  4. 前記絶縁層は、エポキシ樹脂から形成されている請求項１又は２に記載の基板固定装置。
  5. 前記絶縁層は、アルミナ又は窒化アルミニウムのフィラーを含有し、
    前記絶縁層の熱伝導率は、３Ｗ／ｍＫ以上である請求項１乃至４の何れか一項に記載の基板固定装置。
  6. 前記金属層は、隙間を介して隣接する部分を有する所定形状のパターンである請求項１乃至５の何れか一項に記載の基板固定装置。
  7. 前記所定形状のパターンは、同心円状又は渦巻き状のパターンである請求項６に記載の基板固定装置。
  8. 前記発熱体は、同心円状のパターンである請求項７に記載の基板固定装置。
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