JP7400854B2 - 静電チャック部材、静電チャック装置、および静電チャック部材の製造方法 - Google Patents
静電チャック部材、静電チャック装置、および静電チャック部材の製造方法 Download PDFInfo
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Description
また、各図には、Z軸を図示する。本明細書において、Z軸は載置面と直交するする方向である。また、載置面10sが向く方向を+Z方向、および上側とする。本明細書では、載置面10sを上側に向けた姿勢を基に、上下方向を規定して各部を説明するが、静電チャック装置1の使用時の姿勢は、この方向に制限されない。
図1は、本実施形態の静電チャック装置1を示す断面模式図である。
静電チャック装置1は、ウエハ(試料)Wを搭載する載置面10sが設けられる静電チャック部材2と、静電チャック部材2を載置面10sの反対側から支持するベース部材3と、静電チャック部材2に電圧を付与する端子部材35と、を備える。なお、静電チャック部材2の上面の外周部には、ウエハWを囲むフォーカスリングが配置されていてもよい。
静電チャック部材2は、円盤状である。静電チャック部材2は、基体10に設けられる載置面10sでウエハWを吸着する。
基体10は、平面視で円形の板状である。基体10には、ウエハWが載置される載置面10sと載置面10sの反対側に位置する下面10tと、が設けられる。載置面10sには、例えば複数の突起部(図示略)が所定の間隔で形成されている。載置面10sは、複数の突起部の先端部でウエハWを支持する。
第1板体11aと第2板体11bとは、第1絶縁性接合層16dおよび第1電極層13を介して接合される。
第1板体11a、第2板体11b、および第3板体11cは、機械的に十分な強度を有し、かつ腐食性ガスおよびそのプラズマに対する耐久性を有するセラミックス焼結体からなる。板体11を構成する材料としては、機械的な強度を有し、しかも腐食性ガスおよびそのプラズマに対する耐久性を有するセラミックスが好適に用いられる。
特に、高温での誘電特性、高耐食性、耐プラズマ性、耐熱性の観点から、第1板体11a、第2板体11b、第3板体11cの主成分は、酸化アルミニウム(Al2O3)であることが好ましい。
第1絶縁性接合層16d、および第2絶縁性接合層16eは、機械的に十分な強度を有し、かつ腐食性ガスおよびそのプラズマに対する耐久性を有する焼結体からなる。
なお、ここで、「異なる材料」とは、構成する材料の組成が異なる場合のみならず、構成する材料の組成が同じであっても、粒径が異なる場合も含む概念である。
第1電極層13、第2電極層14、および給電部接合層15は、それぞれ載置面10sに沿って層状に延びる。第1電極層13は、第1板体11aと第2板体11bとの間に位置し、それぞれの接している面が接合している。したがって、第1電極層13は、第1絶縁性接合層16dと同一平面上に配置される。第1絶縁性接合層16dは、基体10の外縁に沿って円環状に配置される。第1電極層13は、厚さ方向から見て第1絶縁性接合層16dの内側に配置される。
なお、第1絶縁性接合層16dを設けずに第1板体11aと第2板体11bを接合する場合は第1板体11a又は(および)第2板体11bに凹部を設けて第1電極層13を設置する。
なお、第2絶縁性接合層16eを設けずに第2板体11bと第3板体11cを接合する場合は第2板体11b又は(および)第3板体11cに凹部を設けて第2電極層14および給電部接合層15を設置する。
なお、第1電極層13、第2電極層14、および給電部接合層15を構成する複合材料は、材料の種類、および構成比率が互いに異なっていてもよい。
第1給電部31、第2給電部32、および第3給電部33は、基体10の厚さ方向に沿って柱状に延びる。本実施形態の第1給電部31、第2給電部32、および第3給電部33は、円柱状であることが好ましい。給電部30を円柱状にすることで給電部30に電流を流す際の電流の分布が給電部30の垂直方向で一定になるため、給電部30内での発熱を抑制できる。また、給電部30側面の凹凸を少なくすることで、電界集中による放電を防ぐことができる。
なお、第1給電部31、第2給電部32、および第3給電部33を構成する複合材料は、材料の種類、および構成比率が互いに異なっていてもよい。
なお、超音波探傷試験機を用いて前記の測定条件で、給電部30の外周から1mmの範囲に、給電部30と板体11との間の空隙に起因する反射波が確認できる領域は全周の30%以下であることがより好ましく、全周の10%以下であることがよりさらに好ましい。反射波が確認される領域が全周の10%以下である場合は、さらに緻密に接合していると判断することができる。
端子部材35は、基体10の下側に配置される。端子部材35を構成する材料は、銅(Cu)、銀(Ag)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ニオブ(Nb)、金(Au)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)などの金属やこれらを主成分とした合金が好適に用いられる。
ベース部材3は、静電チャック部材2を下側から支持する。ベース部材3は、平面視で円板状の金属部材である。ベース部材3を構成する材料は、熱伝導性、導電性、加工性に優れた金属、またはこれらの金属を含む複合材であれば特に制限されるものではない。ベース部材3を構成する材料としては、例えば、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、ステンレス鋼(SUS)、チタン(Ti)等の金属やこれらを主成分とした合金、これらの金属とセラミックスの複合材料等が好適に用いられる。ベース部材3を構成する材料は、熱伝導性、導電性、加工性の観点からアルミニウム合金が好ましい。ベース部材3における少なくともプラズマに曝される面は、アルマイト処理またはポリイミド系樹脂による樹脂コーティングが施されていることが好ましい。また、ベース部材3の全面が、前記のアルマイト処理または樹脂コーティングが施されていることがより好ましい。ベース部材3にアルマイト処理または樹脂コーティングを施すことにより、ベース部材3の耐プラズマ性が向上するとともに、異常放電が防止される。したがって、ベース部材3の耐プラズマ安定性が向上し、また、ベース部材3の表面傷の発生も防止することができる。
図2は、本実施形態の第3給電部33と端子部材35の接続部の断面模式図である。なお、第2給電部32と端子部材35の接続部についても、図2と同様の構造を有する。第2給電部32と端子部材35との接続部については、図示および説明を省略する。
さらに、凹部33aの底面33bの深さ(基体10の下面10tとの垂直方向の距離)は0mm以上2mm以下であることが好ましく、0mm以上1mm以下であることがより好ましく、0.05mm以上0.5mm以下であることがより好ましい。凹部33aの底面33bの深さを前記の値とすることで、凹部33aに起因する均熱性の悪化をさらに防ぐことができる。また、凹部33aの深さを0.05mm以上とすることで給電部30と端子部材35との接合を良好に行うことが可能となり、接続部に起因する放電を防ぐことができる。
なお、均熱性は、静電チャックとして使用して基体10上面を一定の温度に保った際に、基体10上面において、給電部30の上部に位置する温度と、他の部位の温度との差が、2℃以下であることがより好ましく、1℃以下であることが最も好ましい。
図3は、上述の実施形態に採用可能な、変形例1の第3給電部133と端子部材135の接続部の断面模式図である。
なお、上述の実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。また、本変形例の構成は、上述の実施形態において、第2給電部32と端子部材135との接続部に採用してもよい。
図4は、上述の実施形態に採用可能な、変形例2の第3給電部233と端子部材235の接続部の断面模式図である。本変形例の接続部は、基体210の下面210tに凹部が設けられない点が、上記変形例1と異なる。
なお、上述の実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。また、本変形例の構成は、上述の実施形態において、第2給電部32と端子部材235との接続部に採用してもよい。
次に、本実施形態の静電チャック部材2の製造方法について図1などを基に説明する。本実施形態の静電チャック部材2の製造方法は、板体焼結工程と給電部焼結工程、加工工程、スクリーン印刷工程、接合焼結工程とロウ付け工程とを有する。
板体焼結工程は、第1板体11a、第2板体11b、第3板体11cとなるセラミックス板を焼結する工程である。板体焼結工程では、炭化ケイ素粉末および酸化アルミニウム粉末を含む混合粉末を円盤状に成形し、その後、ホットプレス装置を用いて、例えば1500℃~2000℃の温度、非酸化性雰囲気、好ましくは不活性雰囲気下にて圧力1Mpa~50MPaの温度で所定時間、加圧しながら焼結することにより、第1板体11a、第2板体11b、第3板体11cとなる複合焼結体を得る。
給電部焼結工程は、第1給電部31、第2給電部32、第3給電部33となる導電性焼結体を焼結する工程である。給電部焼結工程では、酸化アルミニウム粉末および炭化タンタルを含む混合粉末を円盤状に成形し、その後、ホットプレス装置を用いて、例えば1500℃~2000℃の温度、非酸化性雰囲気、好ましくは不活性雰囲気下にて、圧力1Mpa~50MPaの温度で所定時間、加圧しながら焼結することにより、第1給電部31、第2給電部32、第3給電部33となる複合導電性焼結体を得る。
加工工程は、1板体11a、第2板体11b、第3板体11cとなる複合焼結体を所望の形状の円盤状に加工する円盤加工手順と、第2板体11bに第1貫通孔12aを、第3板体11cに第2貫通孔12b、および第3貫通孔12cを設ける穿孔手順と、第1給電部31、第2給電部32、第3給電部33を所望の形状とする給電部加工手順と、を有する。
スクリーン印刷工程は、絶縁性接合層16を形成するための絶縁層用ペースト16dA、16eA、電極層13、14および給電部接合層15を形成するための導電層用ペースト(電極層用ペースト13A、14A、給電部接合層用ペースト15A)をスクリーン印刷により塗布して層状に形成した後、ペーストに含まれる溶媒を乾燥して揮発させる工程である(図5参照)。絶縁層用ペースト16dA、16eAは絶縁層の原材料粉末と溶媒からなり接合焼結工程により絶縁性接合層16となる。導電層用ペースト13A、14A、15Aは電極層13、14および給電部接合層15の原材料粉末と溶媒からなり接合焼結工程により電極層13、14または給電部接合層15となる。なお以下は電極層用ペースト13A、14Aと給電部接合層用ペースト15Aとに、同じペースト(導電層用ペースト13A、14A、15A)を用いる場合を説明するが、電極層用ペースト13A、14Aと給電部接合層用ペースト15Aは異なる材料を用いても良い。
スクリーン印刷後の乾燥は溶媒が揮発する温度であればよいが、100~300℃の温度で、真空中で乾燥することが好ましい。
ここでは、乾燥後の導電層用ペースト13A、14A、15Aの成形体密度を第1成形体密度P13と呼ぶ。また、乾燥後の絶縁層用ペースト16dA、16eAの成形体密度を第2成形体密度P16と呼ぶ。
図5に示すように、接合焼結手順は、第1板体11a、第2板体11bを、および第3板体11cを、ペーストを塗布した面を挟んで重ね合わせ、高温、高圧下にてホットプレスして接合一体化する手順である。
ロウ付け工程は、図2に示すように、第3給電部33の下端面33tに端子部材35を接続する工程である。また、図2においての図示およびここでの説明を省略するが、第2給電部32の下端面32tにも、第3給電部33と同様の手順で端子部材35を接続する(図1参照)。
静電チャック部材2は、以上の工程を経ることで製造される。また、製造された静電チャック部材2は、端子用碍子23を設けたベース部材3に搭載される。これにより、静電チャック装置1が製造される。
各サンプルの静電チャック部材は、後段に特記する以外の工程を除いて、上述の製造方法に記載した通りの工程を経て作製した。作製される基体の直径は300mm、第1板体の厚さは0.4mm、第2板体の厚さは5mm、第3板体の厚さは5mmとなるように作製した。第1絶縁性接合層16dおよび第2絶縁性接合層16eの幅は1mmとした。
また、各サンプルの詳細な構成については、後段の表1に記載した。表1中の各サンプルのパラメータについて説明する。
表1において、「ホットプレスの回数」とは、接合焼結工程において、ホットプレスを行った回数を表す。ホットプレスの回数が1回である場合、導電層用ペースト、および絶縁層用ペーストを塗布した状態で、第1板体、第1給電部を挿入した第2板体、および第2給電部と第3給電部を挿入した第3板体を積層して厚さ方向に加圧した。ホットプレス回数が2回である場合、第1板体と第1給電部を挿入した第2板体を1回目のホットプレスで接合した後、次いでおよび第2給電部と第3給電部を挿入した第3板体を2回目のホットプレスで接合した。
表1において、「給電部接合層」とは、給電部接合層の有無を示す。給電部接合層が「あり」の場合、第1給電部と第2給電部との間に給電部接合層を設けて接合され、第2給電部と第1給電部および第1電極層が電気的に接続される。給電部接合層が「なし」の場合、比較例1は、第1給電部と第2給電部に連通する給電部を第2板体および第3板体に挿入して接合焼結した。比較例2は、接合焼結工程後に、基体の下面から第1給電部まで達する凹部を設けたため、給電部接合層の位置する場所は研削され、凹部の内側となった。比較例3は、第1給電部と第2給電部との間に給電部接合層を設けずに第1給電部と第2給電部を直接接合した。
加工工程において第1貫通孔12aと第1給電部31との境界、第2貫通孔12bと第2給電部32との境界、および第3貫通孔12cと第3給電部との隙間(接合前隙間)を変えたサンプルを作製した。貫通孔と給電部の直径の差は、表1における実施例1,3,4および比較例2では貫通孔が給電部よりも0.05mm大きい値とし、実施例2および比較例1においては貫通孔が給電部よりも0.1mm大きい値とした。
スクリーン印刷工程においては、表1のペースト配合を[A]とした場合は、導電層用ペーストとしては、平均粒径が1μm、嵩密度(タップ密度)が1.4g/cm3、結晶相がα型である酸化アルミニウムと、嵩密度(タップ密度)が0.2g/cm3、結晶相がγ型である酸化アルミニウム粉末と平均粒径が1μmの炭化モリブデン粉末を、スクリーン印刷用の溶媒に分散させたペースト(導電層用ペースト)を用いた。α型の酸化アルミニウム粉末とγ型の酸化アルミニウム粉末はγ型の酸化アルミニウム粉末が3%となるようにα型の酸化アルミニウム粉末と混合して、混合酸化アルミニウム粉末として用いた。導電層用ペースト、および給電部絶縁層用ペーストにおける混合酸化アルミニウム粉末の含有量を65体積%とし、炭化モリブデン粉末の含有量を35体積%とした。
また、絶縁層用ペーストとしては、[A]、[B]ともに平均粒径が0.1μm、嵩密度(タップ密度)が1.0g/cm3、結晶相がα型の酸化アルミニウム粉末をスクリーン印刷用の溶媒に分散させたペースト(絶縁層用ペースト)を用いた。
表1の「給電部の構造」において、各サンプルの上段の欄には、第2電極層に繋がる給電部の構造が記載され、下段には第1電極層に繋がる給電部の構造が記載されている。上段に「第3給電部」と記載されたサンプルでは、上述の実施形態と同様に第3板体に一体的に接合される第3給電部が設けられる、第3給電部の下面に端子部材が接続ロウ付けされる。同様に、下段に「第1、第2給電部」と記載されたサンプルでは、上述の実施形態と同様に、第2板体に第1給電部が設けられ、第3板体に第2給電部が設けられ、これらが給電部接合層によって接続される構造を有し、第2給電部の下面に端子部材がロウ付けされる。下段に「第1給電部」と記載されたサンプルでは、基体の下面から第1給電部に達する凹部を設け、凹部内にて第1給電部の下面に端子が接続ロウ付けされる。
表1において、「接合後隙間」とは、第1給電部、第2給電部、および第3給電部の外周面と基体との境界の隙間を意味する。第1給電部、第2給電部、および第3給電部の外周面と基体との境界が緻密に接合している場合は隙間を「なし」とした。給電部と板体との境界が緻密に接合しているかどうかは、超音波探傷試験機を用いて判断した。給電部の外周から1mmの範囲に、給電部と板体との間の空隙に起因する反射波が確認される領域が全周の50%以下であるかどうかで判断し、給電部の外周から1mmの範囲に、反射波が確認できる領域が20%以下である場合に境界を緻密に接合されていると判断し、隙間を「なし」とした。超音波探傷試験機の測定条件は発信(超音波)周波数を50MHz、焦点距離を40mmとし、水中にて、フォーカスを給電部の下面に合わせて測定した。
表1に示す「給電部-電極層間電気抵抗」は、端子部材をロウ付けにより取り付ける前のサンプルを用い、基体の上面から電極層まで達する貫通孔を設けて電極層を露出させ、露出させ、電極層と給電部下面との間の電気抵抗を測定した。電極層を露出する際には給電部の位置と重ならない位置とし、給電部から10mm離れた位置とした。
耐電圧試験は基体上部と側面に導電性ペーストを塗布し、基体下面に接続した全ての端子部材と導電性ペーストの間に直流電圧を印加することで行った。印加する電圧は8kVから1kV/mm刻みで、各電圧で1分間保持しながら増加させ、電流値が100nA/cm2を超えた場合には測定を終了して直前の電圧を耐電圧値とした。
表1に示す「均熱性」は、各サンプルの静電チャック部材の載置面における均熱性を表している。均熱性の測定は、電気抵抗および耐電圧を測定したサンプルと同様のサンプルを作製して用い、測定するサンプルに端子部材、ベース部材を取り付けて静電チャック装置として行った。
そのため、接合焼結後の厚さは導電層と絶縁層で略同一となり、導電層および絶縁層に加わる応力が適切となり、良好な耐電圧特性が得られたと考えられる。一方、実施例3のサンプルは導電層用ペーストに用いる導電性粒子と絶縁性粒子の粒径が大きく異なる。粒度分布が広いほど空間に対する充填率を高くなりやすいため、スクリーン印刷を行い乾燥した後の導電層の成形体密度は、絶縁層よりも高くなる。成形体密度が高いほど焼結時の収縮は小さくなるため、接合焼結後の厚さは導電層の方が厚くなる。
そのため、第1板体に過剰に負荷がかかり、絶縁層に加わる応力が小さくなり、耐電圧特性が実施例1に比べて低くなったと考えられる。
2,102,202…静電チャック部材
3…ベース部材
5,105,205…ロウ付け部
10,110,210…基体
10s…載置面
10t,110t,210t…下面
11…板体
11a…第1板体(板体、セラミックス板)
11b…第2板体(板体、セラミックス板)
11c,111c…第3板体(板体、セラミックス板)
12a…貫通孔
12a…第1貫通孔
12b…第2貫通孔
12c…第3貫通孔
13…第1電極層
14…第2電極層
15…給電部接合層
16…絶縁性接合層
16d…第1絶縁性接合層
16e…第2絶縁性接合層
30…給電部
31…第1給電部(給電部)
32…第2給電部(給電部)
33,133,233…第3給電部(給電部)
33a,111g…凹部
33b,111f…底面
35,135,235…端子部材
W…ウエハ(試料)
Claims (7)
- 試料を搭載する載置面と前記載置面の反対側に位置する下面とが設けられ、厚さ方向に積層され互いに接合された第1板体、第2板体、および第3板体と、
前記第1板体と前記第2板体との間に位置する、第1電極層と、
前記第2板体と前記第3板体との間に位置する給電部接合層と、
前記第2板体に埋め込まれ、前記第1電極層と前記給電部接合層とを繋ぐ柱状の第1給電部と、
前記第3板体に埋め込まれ、前記給電部接合層から前記下面側に延びる柱状の第2給電部と、を備え、
前記第1電極層と前記第2給電部は、前記第1給電部、および前記給電部接合層を介して、電気的に接続されており、
前記第1電極層、前記給電部接合層、前記第1給電部、前記第2給電部は、絶縁性物質と導電性物質の複合焼結体である、
静電チャック部材。 - 前記第2給電部は、前記第1給電部と前記給電部接合層を挟んで対向して配置される、請求項1に記載の静電チャック部材。
- 前記第2板体と前記第3板体との間に位置する、第2電極層と、
前記第3板体に埋め込まれ前記第2電極層から前記下面側に延びる柱状の第3給電部と、を備える、
請求項1又は2に記載の静電チャック部材。 - 前記第1板体と前記第2板体との間であって前記第1電極層とは異なる位置に配置される第1絶縁性接合層、又は、前記第2板体と前記第3板体との間であって前記第2電極層および前記給電部接合層とは異なる位置に配置される第2絶縁性接合層のうち、少なくとも一方を備え、
前記第1絶縁性接合層、および前記第2絶縁性接合層は、前記第1板体、前記第2板体、および前記第3板体とは、異なる材料からなる、
請求項3に記載の静電チャック部材。 - 前記第1給電部の外周面と前記第2板体との境界、および前記第2給電部の外周面と前記第3板体との境界は、緻密に接合されている、
請求項3又は4に記載の静電チャック部材。 - 請求項1~5の何れか一項に記載の静電チャック部材と、
前記静電チャック部材を前記載置面の反対側から支持するベース部材と、を備える、静電チャック装置。 - 第1板体、第2板体、および第3板体を焼結する板体焼結工程と、
第1給電部と第2給電部と第3給電部とを焼結する給電部焼結工程と、
接合焼結工程と、を備え、
前記接合焼結工程は、
前記第1板体と、
前記第2板体と、
前記第3板体と、
前記第2板体の第1貫通孔に挿入される第1給電部と、
前記第3板体の第2貫通孔に挿入される前記第2給電部と、
前記第3板体の第3貫通孔に挿入される前記第3給電部と、
前記第1板体と前記第2板体との間に配置される第1電極層と、
前記第2板体と前記第3板体との間に配置される第2電極層と、
前記第1給電部と前記第2給電部の間に配置される給電部接合層と、を焼結することで相互に接合して一体化する工程である、
静電チャック部材の製造方法。
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