JP7477371B2 - 保持装置 - Google Patents

Description

本開示は、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。このため、静電チャックはウェハの温度を制御する必要があり、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（吸着面に保持されたウェハの温度）が所望の温度に近づくように制御される。

例えば、特開２０１６－７２４７７号公報（下記特許文献１）の図２に記載の静電チャック１では、本体基板１１の内部に複数のヒータ４１が配設されている。ヒータ４１は、本体基板１１の内部において吸着用電極２１よりも下方に配置されている。ヒータ４１の直下には、ヒータ４１の温度を測定するための温度センサ３４１が設けられているため、温度センサ３４１によってヒータ４１の温度を測定し、測定された温度に基づいて基板表面１１１の温度を制御する。

特開２０１６－７２４７７号公報

しかしながら、基板表面１１１の温度を制御するのであれば、基板表面１１１の温度を精度よく測定することが好ましく、基板表面１１１の温度を精度よく測定するには、温度センサ３４１を基板表面１１１に近づけることが好ましい。ところが、温度センサ３４１を基板表面１１１に近づけていくと、温度センサ３４１が収容される内部穴３４がその分だけ長くなるため、内部穴３４における熱引き性能が悪化する。この結果、内部穴３４の近傍がその周囲よりも高温になり、基板表面１１１の温度がばらつくことになる。このように基板表面１１１の温度を精度よく測定することで、基板表面１１１の温度ばらつきをなくすことは困難であった。

本開示の保持装置は、表面および裏面を有する絶縁体と、前記絶縁体の内部または前記裏面に配された発熱体を有するヒータ部材と、前記絶縁体の前記裏面側に配された測温素子と、を備え、前記絶縁体の前記表面上に対象物を保持する保持装置において、前記絶縁体を形成する材料よりも熱伝導率が大きい材料によって構成され、かつ、前記絶縁体における前記測温素子近傍から前記絶縁体の前記表面側に向かって配置される伝熱部を備えた保持装置である。

本開示によれば、対象物の温度を精度よく測定でき、対象物の温度ばらつきを低減できる。

図１は、実施形態の静電チャックを一部破断して示す斜視図である。 図２は、実施形態の静電チャックを厚み方向に破断しその一部を示す断面図である。

［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、表面および裏面を有する絶縁体と、前記絶縁体の内部または前記裏面に配された発熱体を有するヒータ部材と、前記絶縁体の前記裏面側に配された測温素子と、を備え、前記絶縁体の前記表面上に対象物を保持する保持装置において、前記絶縁体を形成する材料よりも熱伝導率が大きい材料によって構成され、かつ、前記絶縁体における前記測温素子近傍から前記絶縁体の前記表面側に向かって配置される伝熱部を備えた保持装置である。

測温素子が絶縁体の裏面側に配されているから、絶縁体の内部に測温素子を配するための大きな空間が不要になり、測温素子の近傍で熱引き性能が低下することを抑制できる。絶縁体の表面の熱は伝熱部を伝って裏面側に向かい、測温素子によって測温されるため、絶縁体の表面の温度を精度よく測定できる。

（２）前記絶縁体は、前記裏面に対して前記表面側に凹んで設けられた凹部を有し、前記凹部の底面は、前記ヒータ部材よりも前記裏面側に配されており、前記測温素子の先端は前記凹部に配されていることが好ましい。
凹部の底面はヒータ部材よりも裏面側に設けられているから、凹部の大きさを最小限に留めることができ、凹部によって熱引き性能が低下することを抑制できる。

（３）前記絶縁体の前記表面と略直交する方向を上下方向とし、前記表面側を上側とした場合に、前記絶縁体は、前記凹部と上下方向に重なり合う直上部分を有しており、前記伝熱部は、前記直上部分に配されていることが好ましい。
伝熱部が直上部分に配されているから、伝熱部の長さを最短にすることができ、絶縁体の表面の温度を迅速に測定できる。

（４）前記伝熱部は、前記絶縁体の外部に露出した端子接続部を備え、前記測温素子の先端は前記端子接続部に接触していることが好ましい。
測温素子の先端が端子接続部に接触しているため、伝熱部からの熱を測温素子の先端に直接伝えることができる。

（５）前記伝熱部は、前記表面側に位置する表面側端部を有し、前記表面側端部は、前記ヒータ部材よりも前記表面側に配されていることが好ましい。
伝熱部の表面側端部を絶縁体の表面に近づけることができるため、絶縁体の表面の温度をさらに精度よく測定できる。

［本開示の実施形態の詳細］
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２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）円盤状のセラミック基板２０と、（例えば直径３４０ｍｍ×厚み２０ｍｍの）円盤状のベース部材６０とが、ボンド材７０によって接合されたものである。ベース部材６０は、セラミック基板２０の下側に配されている。

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２０とベース部材６０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には図示しないリフトピンが挿通されており、このリフトピン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。

静電チャック１０には、ピン挿通孔１１とは別に、不活性ガスをチャック面２１側に供給するための図示しない流路（ガス孔）が設けられている。不活性ガスとしては、例えばヘリウムガスや窒素ガス等の不活性ガスなどを用いることができる。ウェハ８０とセラミック基板２０との間に不活性ガスを流すことによって、ウェハ８０とセラミック基板２０との間の熱伝導を向上させることができる。

＜セラミック基板＞
セラミック基板２０は、セラミックからなる絶縁体３０と、絶縁体３０の内部に配されたヒータ電極４０と、絶縁体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５０と、を有する。ヒータ電極４０とチャック電極５０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５０が配置され、チャック電極５０の下側にヒータ電極４０が配置されている。

ヒータ電極４０とチャック電極５０には、それぞれ図示しない端子が接続されている。各端子はベース部材６０を上下方向に貫通する形態で配置されている。各端子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を通じてチャック電極５０とヒータ電極４０とに供給可能とされている。

＜絶縁体＞
絶縁体３０は上面３４および下面３５を有し、複数のセラミック層が積層されたものである。以下においては絶縁体３０の上面３４と直交する軸線の方向を上下方向として説明する。ここで、直交とは、軸線と上面３４が９０°の角度で交わる場合のみならず、８５から９０°の角度で交わる場合も含むものとする。絶縁体３０の上面３４は、図２に示すように、セラミック基板２０のチャック面２１より下方に位置している。一方、絶縁体３０の下面３５は、セラミック基板２０の下面と同じ高さに位置している。絶縁体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する焼結体である。絶縁体３０の熱膨張係数は、３から８ｐｐｍ／℃の範囲（例えば７．６ｐｐｍ／℃）であり、その熱伝導率は、１０から１５０Ｗ／ｍ・Ｋである。

＜ヒータ電極＞
絶縁体３０の内部には、ヒータ電極４０を構成する複数の発熱体４１が配されている。発熱体４１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は絶縁体３０の内部に配されているものの、絶縁体３０の表面や絶縁体３０とは別体のヒータ部材（ポリイミドヒータ）の内部に配されているものでもよい。本開示の発熱体４１としては、導体ペーストを印刷した導電パターンを焼結した導電体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＞
チャック電極５０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５０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５０としては、導体ペーストを印刷した導電パターンを焼結した導電体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６０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。ベース部材６０は、セラミック基板２０の全体を載置できるように、セラミック基板２０より大径とされている。ベース部材６０は、冷媒を流す冷媒流路６１を有している。ベース部材６０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、絶縁体３０と比べて高い熱伝導性を有している。

＜ボンド材＞
ベース部材６０の上面６２とセラミック基板２０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２０とベース部材６０を接着する役割以外に、セラミック基板２０とベース部材６０との間の熱伝導を行う役割と、セラミック基板２０とベース部材６０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。

＜温度センサ＞
本開示の静電チャック１０は、絶縁体３０の上面３４およびセラミック基板２０のチャック面２１の温度を測定するための温度センサ９０を備えている。温度センサ９０は、ベース部材６０の内部からセラミック基板２０の下端部にかけて上下方向に長い棒状とされており、熱電対やサーミスタなどの測温素子を有している。温度センサ９０の先端は、温度を検知するための端子９１とされている。なお、本開示の温度センサ９０に代えて、チップ状のサーミスタを絶縁体３０の下端部に埋設するようにしてもよい。

ベース部材６０の内部には、温度センサ９０を収容するための内部孔６３が設けられており、内部孔６３の内周には、温度センサ９０の外周を囲むように、電気絶縁性を有する絶縁筒６４が配置されている。絶縁体３０の下面３５において内部孔６３と対応する位置には、端子９１を収容するための凹部３１が設けられている。

凹部３１は絶縁体３０に設けられ、下方に開口する有底の凹部３１とされている。凹部３１の内面のうち絶縁体３０の上面３４側の内面は底面３２とされている。底面３２は、ヒータ電極４０よりも絶縁体３０の下面３５側に配されている。底面３２には、絶縁体３０の外部に露出した端子接続部２６が形成されており、この端子接続部２６の表面には、めっきが形成されている。温度センサ９０の端子９１は、端子接続部２６に接触した状態で凹部３１に配されている。端子接続部２６の材料としては、例えばタングステン、モリブデン、またはこれらの合金を主に用いられる。

＜伝熱部＞
さて、本開示のセラミック基板２０は、絶縁体３０を形成する材料よりも熱伝導率が大きい材料によって構成され、絶縁体３０における温度センサ９０の端子９１から上面３４側に向かう伝熱部２５を備えている。伝熱部２５は、上記した端子接続部２６と、水平方向に延びる複数の内部配線２７と、上下方向に延びる複数のビア２８と、によって構成されている。伝熱部２５は導電性とされているものの、通電のためには用いられないダミー回路である。伝熱部２５は絶縁体３０の内部に埋設されているため、絶縁体３０の内部に伝熱部２５を収容するための空間は形成されていない。伝熱部２５は、絶縁体３０を形成する材料よりも熱伝導率が大きい材料によって構成されている。伝熱部２５の材料としては、例えばタングステン、モリブデン、またはこれらの合金を主に用いられる。

伝熱部２５は、端子接続部２６の上面にビア２８が接合され、ビア２８の上端に内部配線２７が接合され、以降、ビア２８と内部配線２７が交互に配された構成である。本開示の伝熱部２５の上端は内部配線２７によって構成され、上面側端部２５Ｕとされている。絶縁体３０は、凹部３１と上下方向に重なり合う直上部分３３を有しており、伝熱部２５は、直上部分３３において上下方向に延びる形態で配されている。伝熱部２５の上面側端部２５Ｕは、ヒータ電極４０よりも上方でかつチャック電極５０よりも下方に配されている。

伝熱部２５は絶縁体３０よりも熱伝導率が大きいから、絶縁体３０の上面３４の熱は主として伝熱部２５を介して端子接続部２６に迅速に伝わる。このため、絶縁体３０の上面３４の温度と端子接続部２６の温度とを近づけることができる。端子接続部２６に伝わる熱は、温度センサ９０の端子９１によって測温される。また、絶縁体３０における伝熱部２５の周囲に空間が形成されていないため、熱引き性能の低下によって伝熱部２５の周囲の温度が高くなることはない。この結果、チャック面２１に吸着保持されたウェハ８０の温度を精度よく測定でき、ウェハ８０の温度ばらつきを低減できる。

＜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、上面３４および下面３５を有する絶縁体３０と、絶縁体３０の内部に配された発熱体４１を有するヒータ電極４０と、絶縁体３０の下面３５側に配された温度センサ９０と、を備え、絶縁体３０の上面３４上にウェハ８０を保持する静電チャック１０において、絶縁体３０を形成する材料よりも熱伝導率が大きい材料によって構成され、かつ、絶縁体３０における温度センサ９０近傍から絶縁体３０の上面３４側に向かって配置される伝熱部２５を備えた静電チャック１０である。

温度センサ９０が絶縁体３０の下面３５側に配されているから、絶縁体３０の内部に温度センサ９０を配するための大きな空間が不要になり、温度センサ９０の近傍で熱引き性能が低下することを抑制できる。絶縁体３０の上面３４の熱は伝熱部２５を伝って下面３５側に向かい、温度センサ９０によって測温されるため、絶縁体３０の上面３４の温度を精度よく測定できる。

絶縁体３０は、下面３５に対して上面３４側に凹んで設けられた凹部３１を有し、凹部３１の底面３２は、ヒータ電極４０よりも下面３５側に配されており、温度センサ９０の先端は凹部３１に配されていることが好ましい。
凹部３１の底面３２はヒータ電極４０よりも下面３５側に設けられているから、凹部３１の大きさを最小限に留めることができ、凹部３１によって熱引き性能が低下することを抑制できる。

絶縁体３０の上面３４と略直交する方向を上下方向とし、上面３４側を上側とした場合に、絶縁体３０は、凹部３１と上下方向に重なり合う直上部分３３を有しており、伝熱部２５は、直上部分３３に配されていることが好ましい。
伝熱部２５が直上部分３３に配されているから、伝熱部２５の長さを最短にすることができ、絶縁体３０の上面３４の温度を迅速に測定できる。

伝熱部２５は、絶縁体３０の外部に露出した端子接続部２６を備え、温度センサ９０の端子９１は端子接続部２６に接触していることが好ましい。
温度センサ９０の端子９１が端子接続部２６に接触しているため、伝熱部２５からの熱を温度センサ９０の端子９１に直接伝えることができる。

伝熱部２５は、上面３４側に位置する上面側端部２５Ｕを有し、上面側端部２５Ｕは、ヒータ電極４０よりも上面３４側に配されていることが好ましい。
伝熱部２５の上面側端部２５Ｕを絶縁体３０の上面３４に近づけることができるため、絶縁体３０の上面３４の温度をさらに精度よく測定できる。

＜他の実施形態＞
（１）上記実施形態では、伝熱部２５の下面３５側の端部が温度センサ９０の端子９１に接触しているものの、伝熱部の下面３５側の端部が温度センサ９０の端子９１に接触しておらず、端子９１の近傍に配されているものでもよい。

（２）上記実施形態では、温度センサ９０の端子９１が凹部３１に配されているものの、端子９１が絶縁体３０の下面３５に配されているものでもよい。

（３）上記実施形態では、伝熱部２５が凹部３１の直上部分３３において上下方向に延びて配されているものの、伝熱部の一部が凹部３１から斜め上方向に延びて直上部分３３以外の領域に配されているものでもよい。

（４）上記実施形態では、端子接続部２６が絶縁体３０の外部に露出しているものの、端子接続部が下面３５付近において絶縁体３０の内部に埋設されているものでもよい。

（５）上記実施形態では、伝熱部２５の温度が周囲と同じであることを前提にして説明しているが、例えば伝熱部２５が周囲よりも温度が低い温度特異点になる場合には、伝熱部２５の周囲のヒータ電極４０を加熱するように温度調整を行ってもよい。

（６）上記実施形態では、伝熱部２５がビア２８と内部配線２７によって構成されているが、伝熱部として金属のバルク体を入れる形態でもよい。

１０…静電チャック １１…ピン挿通孔
２０…セラミック基板 ２１…チャック面 ２５…伝熱部 ２５Ｕ…上面側端部（表面側端部） ２６…端子接続部 ２７…内部配線 ２８…ビア
３０…絶縁体 ３１…凹部 ３２…底面 ３３…直上部分 ３４…上面（表面） ３５…下面（裏面）
４０…ヒータ電極（ヒータ部材） ４１…発熱体
５０…チャック電極
６０…ベース部材 ６１…冷媒流路 ６２…上面 ６３…内部孔 ６４…絶縁筒
７０…ボンド材
８０…ウェハ（対象物）
９０…温度センサ ９１…端子（先端）

Claims (4)

1. 表面および裏面を有する絶縁体と、
   前記絶縁体の内部または前記裏面に配された発熱体を有するヒータ部材と、
   前記絶縁体の前記裏面側に配された測温素子と、を備え、前記絶縁体の前記表面上に対象物を保持する保持装置において、
   前記絶縁体を形成する材料よりも熱伝導率が大きい材料によって構成され、かつ、前記絶縁体における前記測温素子近傍から前記絶縁体の前記表面側に向かって配置される伝熱部を備え、
   前記伝熱部の前記測温素子近傍の一端は前記絶縁体の内部に埋設される保持装置。
2. 前記絶縁体は、前記裏面に対して前記表面側に凹んで設けられた凹部を有し、
   前記凹部の底面は、前記ヒータ部材よりも前記裏面側に配されており、
   前記測温素子の先端は前記凹部に配されている、請求項１に記載の保持装置。
3. 前記絶縁体の前記表面と略直交する方向を上下方向とし、前記表面側を上側とした場合に、前記絶縁体は、前記凹部と上下方向に重なり合う直上部分を有しており、
   前記伝熱部は、前記直上部分に配されている、請求項２に記載の保持装置。
4. 前記伝熱部は、前記表面側に位置する表面側端部を有し、
   前記表面側端部は、前記ヒータ部材よりも前記表面側に配されている、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。

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