以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
本実施形態に係る静電チャック10は、例えばCVD成膜装置のような不図示の半導体製造装置の内部において、処理対象となる基板Wを静電力によって吸着し保持するものである。基板Wは、例えばシリコンウェハである。静電チャック10は、半導体製造装置以外の装置に用いられてもよい。
図1には、基板Wを吸着保持した状態の静電チャック10の構成が、模式的な断面図として示されている。静電チャック10は、誘電体基板100と、ベースプレート200と、接合層300と、を備える。
誘電体基板100は、セラミック焼結体からなる略円盤状の部材である。誘電体基板100は、例えば高純度の酸化アルミニウム(Al2O3)を含むが、他の材料を含んでもよい。誘電体基板100におけるセラミックスの純度や種類、添加物等は、半導体製造装置において誘電体基板100に求められる耐プラズマ性等を考慮して、適宜設定することができる。
誘電体基板100のうち図1における上方側の面110は、基板Wが載置される「載置面」となっている。また、誘電体基板100のうち図1における下方側の面120は、後述の接合層300を介してベースプレート200に接合される「被接合面」となっている。面110に対し垂直な方向に沿って、面110側から静電チャック10を見た場合の視点のことを、以下では「上面視」のようにも表記する。
誘電体基板100の内部には吸着電極130が埋め込まれている。吸着電極130は、例えばタングステン等の金属材料により形成された薄い平板状の層であり、面110に対し平行となるように配置されている。吸着電極130の材料としては、タングステンの他、モリブデン、白金、パラジウム等を用いてもよい。給電路13を介して外部から吸着電極130に電圧が印加されると、面110と基板Wとの間に静電力が生じ、これにより基板Wが吸着保持される。吸着電極130は、本実施形態のように所謂「双極」の電極として2つ設けられていてもよいが、所謂「単極」の電極として1つだけ設けられていてもよい。
図1においては、給電路13の全体が簡略化して描かれている。給電路13のうち誘電体基板100の内部の部分は、例えば、導電体の充填された細長いビア(穴)として構成されており、その下端には不図示の電極端子が設けられている。給電路13のうち後述のベースプレート200を貫いている部分は、上記の電極端子に一端が接続された導電性の金属部材(例えばバスバー)である。ベースプレート200には、給電路13を挿通するための不図示の貫通穴が形成されている。当該貫通穴の内面と給電路13との間には、例えば円筒状の絶縁部材が設けられていてもよい。
図1に示されるように、誘電体基板100と基板Wとの間には空間SPが形成されている。半導体製造装置において成膜等の処理が行われる際には、空間SPには、後述のガス穴140等を介して外部から温度調整用のヘリウムガスが供給される。誘電体基板100と基板Wとの間にヘリウムガスを介在させることで、両者間の熱抵抗が調整され、これにより基板Wの温度が適温に保たれる。尚、空間SPに供給される温度調整用のガスは、ヘリウムとは異なる種類のガスであってもよい。
図2は、誘電体基板100を上面視で描いた図である。同図に示されるように、載置面である面110上にはシールリング111やドット112が設けられており、上記の空間SPはこれらの周囲に形成されている。
シールリング111は、空間SPを区画する壁であり、上面視において同心円状に並ぶように複数設けられている。それぞれのシールリング111の上端は、面110の一部となっており、基板Wに当接する。本実施形態では、計4つのシールリング111が設けられており、これにより空間SPは4つに分けられている。このような構成とすることで、それぞれの空間SPにおけるヘリウムガスの圧力を個別に調整し、処理中における基板Wの表面温度分布を均一に近づけることが可能となる。
図1や図2において符号「116」が付されている部分は、空間SPの底面である。以下では、当該部分のことを「底面116」とも称する。シールリング111は、次に述べるドット112と共に、面110の一部を底面116の位置まで掘り下げた結果として形成されている。
ドット112は、底面116から突出する円形の突起である。図2に示されるように、ドット112は複数設けられており、誘電体基板100の載置面において略均等に分散配置されている。それぞれのドット112の上端は、面110の一部となっており、基板Wに当接する。このようなドット112を複数設けておくことで、基板Wの撓みが抑制される。
空間SPの底面116には、溝113が形成されている。溝113は、底面116から更に面120側へと後退させるように形成された溝である。溝113は、ガス穴140から供給されるヘリウムガスを、空間SP内に素早く拡散させ、空間SP内の圧力分布を短時間のうちに略均一とすることを目的として形成されている。
誘電体基板100には、面120から面110側に向かって垂直に伸びるガス穴140が形成されている。図2に示されるように、ガス穴140のうち面110側の端部は、溝113の底面において開口している。誘電体基板100において、ガス穴140は複数形成されており、これらが溝113に沿って並んでいる。本実施形態では、4つに区分された空間SPのそれぞれに対して、ガス穴140が複数個ずつ繋がっている。
尚、図2においては図示の便宜上、ガス穴140の直径が溝113の幅よりも大きくなっているように描かれているが、図1に示されるように、実際のガス穴140の直径は溝113の幅よりも小さい。ガス穴140が溝113の内側に収まるように、ガス穴140の位置において、溝113の幅が局所的に大きくなっていてもよい。
図1に示されるように、ガス穴140のうち面120側の部分は、面110側の部分に比べて拡径されており、その内側には通気プラグ145が配置されている。通気プラグ145は、例えばアルミナにより形成された多孔質体であり、全体が通気性を有している。このような通気プラグ145をガス穴140の内側に配置することで、ガス穴140におけるガスの流れを確保しながらも、ガス穴140を通じた経路での絶縁破壊の発生を抑制することができる。
図2において符号「115」が付されているのは、半導体製造装置に設けられた不図示のリフトピンが挿通される穴である。当該穴のことを、以下では「リフトピン穴115」とも称する。リフトピン穴115は計3つ形成されており、これらが120度等配となるように配置されている。リフトピン穴115を通じて上下に移動するリフトピンにより、誘電体基板100の面110に対する基板Wの着脱が行われる。
ベースプレート200は、誘電体基板100を支持する略円盤状の部材である。ベースプレート200は、例えばアルミニウムのような金属材料により形成されている。ベースプレート200のうち、図1における上方側の面210は、接合層300を介して誘電体基板100に接合される「被接合面」となっている。
図1に示されるように、ベースプレート200には、面210から、その反対側の面220側に向かって垂直に伸びるガス穴240が形成されている。ガス穴240は、上面視において誘電体基板100のガス穴140と重なる位置、のそれぞれに形成されており、接合層300に設けられた貫通穴310を介してガス穴140に連通されている。ガス穴240は、誘電体基板100のガス穴140と共に、空間SPに向けてヘリウムガスを供給するための経路の一部となっている。
図1に示されるように、ガス穴240のうち面210側の部分は、面220側の部分に比べて拡径されており、その内側には通気プラグ245が配置されている。通気プラグ245は、例えばアルミナにより形成された多孔質体であり、全体が通気性を有している。このような通気プラグ245をガス穴240の内側に配置することで、ガス穴240におけるガスの流れを確保しながらも、ガス穴240を通じた経路での絶縁破壊の発生を抑制することができる。
尚、ガス穴240は、本実施形態のように全体が直線状に伸びるように形成されていてもよいが、面220に向かう途中で屈曲するように形成されていてもよい。また、面210側の複数のガス穴240を、ベースプレート200の内部において少数の流路に集約した上で、当該流路を面220側まで伸ばすような構成としてもよい。
ベースプレート200の内部には、冷媒を流すための冷媒流路250が形成されている。半導体製造装置において成膜等の処理が行われる際には、外部から冷媒が冷媒流路250に供給され、これによりベースプレート200が冷却される。処理中において基板Wで生じた熱は、空間SPのヘリウムガス、誘電体基板100、及びベースプレート200を介して冷媒へと伝えられ、冷媒と共に外部へと排出される。
ベースプレート200のうち、上面視においてリフトピン穴115と重なる位置のそれぞれには、リフトピンを通すための不図示の貫通穴が形成されている。
ベースプレート200の表面には絶縁膜が形成されていてもよい。絶縁膜は、ベースプレート200の表面のうち、少なくとも面210の全体を含む範囲に形成されることが好ましい。絶縁膜としては、例えば、溶射により形成されたアルミナの膜を用いることができる。ベースプレート200の表面を絶縁膜で覆っておくことにより、ベースプレート200の絶縁耐圧を高めることができる。
接合層300は、誘電体基板100とベースプレート200との間に設けられた層であって、両者を接合している。接合層300は、絶縁性の材料からなる接着材を硬化させたものである。本実施形態では、上記接着剤としてシリコーン接着剤を用いている。ただし、接合層300は、他の種類の接着剤を硬化させたものであってもよい。いずれの場合であっても、誘電体基板100とベースプレート200との間の熱抵抗が小さくなるように、接合層300の材料としては、可能な限り熱伝導率が高い材料を用いるのが好ましい。
誘電体基板100は、面120がベースプレート200の面210に対し平行となっている状態で、ベースプレート200に接合される。このため、接合層300の厚さは全体で均等となっている。接合層300の厚さを「μm」の単位で表した数値のことを、以下では「T」と表記する。例えば、接合層300の厚さが0.1mmである場合には、T=100である。
尚、誘電体基板100の面120側に電極端子が埋め込まれている場合や、ベースプレート200の面210の一部に溝が形成されている場合等のように、接合層300の厚さが全体で均等とはなっていない場合もあり得る。その場合は、接合層300のうち、上記のように局所的に厚さが他と異なっている部分を除外した範囲の厚さのことを、「接合層300の厚さ」と定義し、これをTで表せばよい。
接合層300は、誘電体基板100やベースプレート200に比べると小さなヤング率(縦弾性係数)を有している。誘電体基板100とベースプレート200との間で熱膨張差が生じても、接合層300が変形し熱膨張差を吸収するため、誘電体基板100等における熱応力を小さく抑えることができる。
接合層300のヤング率は、接合層300の温度に応じて変化する。接合層300の温度が-100℃となっているときにおける接合層300のヤング率を、「MPa」の単位で表した数値のことを、以下では「E」と表記する。例えば、-100℃における接合層300のヤング率が0.01GPaである場合には、E=10である。尚、上記における「-100℃」という温度は、接合層300の物性(ヤング率)を特定するための便宜上の基準に過ぎず、冷媒流路250に実際に供給される冷媒の温度について何ら限定するものではない。
近年では、処理中において基板Wに入射するエネルギーの増大等に伴って、ベースプレート200には従来よりも高い冷却性能が求められる傾向がある。例えば、ベースプレート200の冷媒流路250には、-60℃もしくはそれ以下の温度の冷媒が供給されることもある。プラズマの高出力化等に伴って冷媒の温度は更に低くなるので、将来的には-100℃程度の冷媒が供給されるようになる可能性もある。
基板Wの処理の開始に伴う各部の温度変化や、誘電体基板100とベースプレート200との間の温度差等に起因して、誘電体基板100には大きな熱応力が加わる。特に、誘電体基板100のうちガス穴140の出口部分においては熱応力が集中しやすく、当該部分を起点として誘電体基板100の破損が生じる可能性がある。
接合層300の材料として、可能な限りヤング率の小さな材料を用いれば、誘電体基板100に加わる熱応力を小さくすることができる。しかしながら、接合層300に求められる伝熱性能等に鑑みれば、接合層300のヤング率をいくらでも小さくできるわけではない。接合層300の材料は、ヤング率が所定の上限値以下であるという条件の下で、求められる伝熱性能等を考慮して適宜選定する必要がある。
接合層300の厚さ(T)を厚くするほど、誘電体基板100に加わる熱応力は小さくなるので、許容され得るヤング率(E)の上限値は大きくなる。このように、接合層300の厚さ(T)と、-100℃における接合層300のヤング率(E)の上限値とは、互いに相関のあるパラメータとなっている。本発明者らは、種々の実験及び解析等を行うことにより、上記の相関について以下に示すような新たな知見を得ることができた。
図3に示される5つのグラフは、-100℃における接合層300のヤング率(横軸)と、誘電体基板100で生じる最大応力(縦軸)との関係を、接合層300の厚さ(T1~T5)毎に表すものである。横軸のヤング率は、先に述べた「E」の個別の値であり、「T1」や「T5」等は、先に述べた「T」の個別の値である。
図3のそれぞれのグラフは、接合層300のヤング率(具体的には、-100℃におけるヤング率)の値を変化させながら都度解析を行い、低温時において誘電体基板100で生じる応力の最大値をプロットして行くことにより得られたものである。上記の「低温時」とは、具体的には、静電チャック10全体の温度が40℃の状態で接合層300を硬化させた後に、静電チャック10全体の温度を-100℃まで低下させた時のことである。いずれの解析においても、誘電体基板100のうち最も熱応力が高くなると算出された部分は、最外周に配置されたガス穴140の、面110側の端部近傍の部分であった。
各グラフの右側に付された「T1」や「T2」等の文字列は、接合層300の厚さを表している。これらのうち、T1が最も薄く、T5が最も厚くなっている。
図3に示されるように、接合層300のヤング率が大きくなるに従って、低温時に誘電体基板100で生じる最大応力は大きくなることがわかる。また、接合層300のヤング率を同一とした条件の下で比較すると、接合層300の厚さが薄くなるほど、低温時に誘電体基板100で生じる最大応力は大きくなることがわかる。
図3の縦軸に示される「閾値」は、誘電体基板100において破損が生じることの無い最大応力の範囲、の上限値のことである。
同図の「E1」は、接合層300の厚さが「T1」の静電チャック10において、最大応力の値が上記閾値となるようなヤング率(E)の値である。「E2」は、接合層300の厚さが「T2」の静電チャック10において、最大応力の値が上記閾値となるようなヤング率(E)の値である。「E3」、「E4」、「E5」についてもこれらと同様である。E1乃至E5のそれぞれは、誘電体基板100の破損を生じさせないために、「-100℃におけるヤング率」の値として許容し得る範囲の上限値、ということができる。このようなヤング率の上限値のことを、以下では「許容ヤング率」とも称する。図3から明らかなように、許容ヤング率(E1乃至E5)は、接合層300の厚さ(T1乃至T5)に応じて異なる値となる。
図4には、接合層300の厚さであるT1乃至T5(横軸)と、許容ヤング率であるE1乃至E5(縦軸)との対応関係が示されている。同図に示されるように、両者の間には概ね一次の相関があることがわかる。図4に示される一次の相関は、以下の式(1)で表すことができる。
(許容ヤング率)=0.04×(接合層300の厚さ)-0.04・・・(1)
従って、-100℃における接合層300のヤング率であるEと、接合層300の厚さあるTとが、以下の式(2)で示される条件を満たすのであれば、誘電体基板100で生じる最大応力の値は図3の「閾値」以下に収まり、誘電体基板100の破損は確実に防止されることとなる。
E≦0.04×T-0.04・・・(2)
以上のように、本発明者らが今般行った解析等により、接合層300の厚さ及びヤング率を適切なものとするための条件として、上記の式(2)を得ることができた。上記の式(2)の条件を満たすように接合層300の厚さ及びヤング率を選定しておけば、基板Wの処理中等における誘電体基板100の熱応力を、破損が生じない程度に低減することができる。具体的なEやTの値は、接合層300に求められる伝熱性能等の要求仕様を満たしつつ、且つ上記(2)の条件を満たす範囲内の値として、適宜設定すればよい。
上記の知見は、本実施形態のように、誘電体基板100にガス穴140のような貫通穴が形成されている場合において特に有用である。このような構成においては、貫通穴のうち特に基板W側の端部近傍の部分で熱応力が大きくなる傾向がある。しかしながら、上記の式(2)の条件を満たすように接合層300の厚さ及びヤング率を設定しておけば、誘電体基板100に貫通穴が形成されている場合であっても、誘電体基板100の破損が生じない程度に熱応力を抑制できることが、解析等により確認されている。
尚、ガス穴140等の貫通穴のうち、接合層300とは反対側の端部(つまり面110側の端部)における直径が小さくなる程、誘電体基板100で生じる熱応力は大きくなることが判明している。ガス穴140のように、不活性ガスの供給を目的とする貫通穴は、絶縁破壊を防止するために、直径が0.2mm以下の小さな穴とされることが多い。上記の式(2)の条件を満たすように接合層300の厚さ及びヤング率を設定しておけば、貫通穴の直径が0.2mm以下となっている場合であっても、誘電体基板100の破損が生じない程度に熱応力を抑制できることが、解析等により確認されている。尚、上記の記載は、貫通穴の直径を0.2mm以上とすることについて何ら否定するものではない。
接合層300の厚さが薄くなるほど、誘電体基板100に加わる熱応力は大きくなる。しかしながら、接合層300の厚さを100μm以下まで薄くした場合であっても、上記の式(2)の条件を満たすように接合層300の材料を選定しておけば、誘電体基板100の破損が生じない程度に熱応力を抑制することができる。つまり、本発明者らによって得られた上記知見によれば、接合層300の厚さを、従来よりも薄い100μm以下まで抑え、これにより接合層300における伝熱性能を十分に高めながらも、熱応力による誘電体基板100の破損を防止することが可能となる。尚、上記の記載は、接合層300の厚さを100μm以上とすることについて何ら否定するものではない。
接合層300としては、上記の式(2)の条件を満たし得るものであれば、様々な種類の接着剤を用いることができる。例えば、本実施形態のようなシリコーン接着剤のほか、エポキシ、ポリイミド、アクリル、変性シリコーン樹脂等の様々な接着剤を用いて接合層300を形成することができる。ただし、シリコーン接着剤は硬化後におけるヤング率が比較的小さいので、様々な種類のシリコーン接着剤の中から、上記の式(2)の条件を満たすものを容易に選定することができる。このため、本実施形態のように、接合層300はシリコーン接着剤を硬化させたものであることが好ましい。
接合層300を形成するための接着剤としては、市販されている既存の接着剤をそのまま用いてもよいが、式(2)の条件を満たすように、既存の接着剤に対しヤング率の調整を施したものを用いてもよい。接着剤のヤング率を調整する方法としては、公知となっている種々の方法を採用することができる。例えば、接着剤に対し官能基やフィラーを添加することとし、それぞれの種類や添加量を調整することで、-100度のような低温域におけるヤング率を変化させ所望の値とすることができる。一例として、接着剤がシリコーン樹脂の場合には、フェニル基の添加量を調整することで、特に低温域でのヤング率を調整することができる。また無機フィラーの添加量を減らすことでヤング率を低下させることもできる。
以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。