JPWO2013179936A1 - 流路部材ならびにこれを用いた吸着装置および冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本発明の一形態における流路部材（１）は、流体が流れる第１流路（６）が内部に形成されたセラミック焼結体からなる本体（４）を備え、本体（４）は、第１流路（６）の内壁に、セラミック焼結体の一部からなる凸部（１０）を有する。本発明の一形態における吸着装置は、被処理物（２）を吸着する、流路部材（１）と、流路部材（１）の第１流路（６）に流体を供給する流体供給手段とを備えている。本発明の一形態における冷却装置は、対象物を冷却する、流路部材（１）と、流路部材（１）の第１流路（６）に冷却用流体である流体を供給する流体供給手段とを備えている。
Description
本発明は、例えば半導体製造装置やフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）製造装置に用いられる流路部材ならびにこれを用いた吸着装置および冷却装置に関する。
従来、半導体ウェハやガラス基板などの被処理物を加工することによって、半導体デバイスやＦＰＤを製造するために、半導体製造装置やＦＰＤ製造装置が用いられている。これらの製造装置には、流体が流れる流路が形成された流路部材が用いられることがある。
例えば、バックグラインド加工（裏面研削加工）を行なう半導体製造装置において、被処理物の加工による熱が発生すると、被処理物が熱膨張するため、被処理物の加工精度が低下しやすい。被処理物の加工精度が低下すると、被処理物に損傷が生じることがある。
これに対し、例えば、特開２０００−１０８０２０号公報に示すように、冷却用流体が流れる流路が形成された流路部材によって被処理物を冷却することが提案されている。
近年、半導体デバイスやＦＰＤの薄型化や配線の微細化に伴い、被処理物に求められる加工精度が高くなっており、流路部材による被処理物の冷却効率を高めることが要求されている。
本発明は、被処理物の冷却効率を高める流路部材ならびにこれを用いた吸着装置および冷却装置を提供するものである。
本発明の一形態における流路部材は、流体が流れる流路が内部に形成されたセラミック焼結体からなる本体を備え、該本体は、前記流路の内壁に、前記セラミック焼結体の一部からなる凸部を有する。
本発明の一形態における吸着装置は、被処理物を吸着する前記流路部材と、前記流路部材の流路に前記流体を供給する流体供給手段とを備えている。
本発明の一形態における冷却装置は、対象物を冷却する前記流路部材と、該流路部材の流路に前記流体を供給する流体供給手段とを備えている。
本発明の一形態における流路部材によれば、セラミック焼結体からなる本体が流路の内壁にセラミック焼結体の一部からなる凸部を有するため、この凸部が流路を流れる流体に乱流を起こすことによって、流体の流速を低減し、ひいては流路部材による被処理物の冷却効率を高めることができる。
本発明の一形態における吸着装置によれば、上記流路部材を備えるため、吸着する被処理物の冷却効率を高めることができる。
本発明の一形態における冷却装置によれば、上記流路部材を備えるため、被処理物の冷却効率を高めることができる。
以下に、本発明の一実施形態における流路部材１を、図１および図２を参照し、詳細に説明する。
本実施形態の流路部材１は、半導体ウェハである被処理物２のバックグラインド（裏面研削）工程やポリッシング工程で被処理物２を保持する真空吸着装置において、真空チャック（吸着部材）として用いられ、吸着面である上面に載置された被処理物２を吸着する。この流路部材１は、図１および図２に示すように、上面に開口した凹部３が形成された板状の本体４と、本体４の凹部３に収容され、被処理物２の吸着部をなす多孔質体５とを備えている。
本体４は、緻密質のセラミック焼結体からなり、多孔質体５を支持するとともに凹部３から空気を排気することによって被処理物２を吸引するものである。さらに、本実施形態の本体４は、被処理物２を冷却する機能を有する。この本体４を構成するセラミック焼結体としては、例えば、アルミナ質焼結体、コージェライト質焼結体または炭化珪素質焼結体を用いることができ、中でもアルミナ質焼結体を用いることが望ましい。
本体４には、図２（ａ）および（ｃ）に示すように、平面方向（ＸＹ平面方向）に沿った細長形状の第１流路６と、厚み方向（Ｚ方向）に沿った細長形状の第２流路７とが形成されている。
第１流路６は、純水などの液体や気体などの冷却用流体が流れる流路であり、被処理物２の冷却用流路として機能するものである。この第１流路６は、本体４の側面または下面に開口した流入口（図示せず）と、本体４の側面または下面に開口した流出口（図示せず）とを有している。そして、流入口を介して流体供給手段から第１流路６に冷却用流体が供給し、流出口を介して第１流路６から流体供給手段に冷却用流体を排出することによって、第１流路６に冷却用流体を流すことができる。
この第１流路６は、前述した如く本体４の平面方向に沿って細長形状に形成されているため、冷却用流体が本体４の平面方向に沿って流れる。したがって、流路部材１の吸着面を構成する多孔質体３の上面および本体４の上面を均一に冷却することができ、ひいては被処理物２を均一に冷却することができる。なお、第１流路６の平面形状は、本体４の平面方向に沿って細長形状されていれば良く、例えば渦巻き状やミアンダ状に形成することができる。また、第１流路６の厚み（Ｚ方向）は、例えば２ｍｍ以上８ｍｍ以下に設定されている。また、第１流路６の長手方向に垂直であるとともに平面方向（ＸＹ平面）に沿った幅は、例えば２ｍｍ以上８ｍｍ以下に設定されている。
一方、第２流路７は、凹部３から空気を排気する流路であり、被処理物２の吸着用流路として機能する。この第２流路７は、本体４の側面または下面に開口した排気口８と、凹部３の底面に開口した吸引口９とを有している。そして、排気口８を介して第２流路７から排気手段（図示せず）に空気を排出し、吸引口９を介して凹部３から第２流路７に空気を吸引することによって、第２流路７を介して凹部３から外部へ空気を排気することができる。
第２流路７は、本体４において凹部３の底部をなす領域を厚み方向に貫通するように複数形成されている。また、第２流路７は、第１流路６と独立の流路となっており、第１流路６とはつながっていない。
多孔質体５は、被処理物２を支持するとともに、第２流路７によって凹部３内の空気が外部へ排気されることによって、被処理物２を吸着する。この多孔質体５は、開気孔の間隙を有する多孔質セラミックスからなる。この多孔質セラミックスとしては、例えば、本体４のセラミック焼結体と同質材料であるセラミックスからなる複数のセラミック粒子と、このセラミック粒子同士を結合するガラスとからなり、セラミック粒子同士の間に開気孔の間隙が形成されたものを用いることができる。
上述した流路部材１は、以下のようにして、被処理物２を吸着することができる。まず、流路部材１の上面に被処理物２を載せる。この際、図２（ａ）に示すように、被処理物２の内側の領域を、多孔質体５全体を覆うように多孔質体５の上面に載せて、被処理物２の外縁の領域を本体４の上面に載せる。次に、本体４の第２流路７を介して凹部３から空気を外部へ排気する。その結果、凹部３内の気圧を低下させることによって、多孔質体５の間隙を介して被処理物２が吸引されるため、流路部材１の上面に被処理物２が吸着される。
さらに、流路部材１は、第１流路６に冷却用流体を流すことによって、吸着した被処理物２を冷却することができる。その結果、被処理物２を加工する際に、被処理物２の温度を均一に保ち、被処理物２の加工精度を高めることができる。
本実施形態の本体４は、図２（ｂ）に示すように、第１流路６の内壁に、本体４を構成するセラミック焼結体の一部からなる凸部１０を有する。すなわち、本実施形態の流路部材１は、セラミック焼結体からなる本体４と、本体４の内部に形成された、冷却用流体が流れる第１流路６と、第１流路６の内壁に配された、セラミック焼結体の一部からなる凸部１０とを備える。
その結果、第１流路６に冷却用流体を流す際に、冷却用流体の流れが凸部１０によって乱されるため、冷却用流体に乱流が生じやすくなる。その結果、凸部１０が形成されている領域において冷却用流体の流速が低下しやすくなるため、第１流路６における冷却用流体と本体４との熱交換の時間を長くし、ひいては流路部材１による被処理物２の冷却効率を高めることができる。また、冷却用流体が凸部１０によって攪拌されることから、冷却用流体を本体４との熱交換に効率良く利用することができるので、これによっても冷却効率を高めることができる。
さらに、凸部１０が本体４を構成するセラミック焼結体の一部からなることから、凸部１０と本体４との接着強度が高い。したがって、冷却用流体によって加わる圧力に起因して第１流路６の内壁から凸部１０が剥離することを低減し、凸部１０に起因した被処理物２の冷却効率を良好に維持することができる。
ところで、流路部材１によって被処理物２の冷却を均一に行なうために第１流路６を平面視にて高密度に形成すると、第１流路６の長手方向に沿った断面積が小さくなり、第１流路６を流れる冷却用流体の流速が高くなりやすいが、本実施形態の本体４においては、上述した如く、凸部１０によって冷却用流体における乱流を生じやすくしているため、このように第１流路６の長手方向に沿った断面積を小さくした場合においても、流路部材１による被処理物２の冷却効率を高めることができる。
なお、第１流路６の長手方向に垂直な断面、すなわち本体４の厚み方向（Ｚ方向）に沿った断面において、凸部１０の突出方向に沿った長さ（突出量）は、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定され、凸部１０の突出方向に垂直な長さ（幅）は、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。
また、本実施形態の凸部１０は、第１流路６の長手方向に沿った細長形状である。その結果、冷却用流体によって凸部１０に加わる圧力を高めることなく、凸部１０と本体４との接合強度を高めることができるため、第１流路６の内壁から凸部１０が剥離することを低減することができる。
この凸部１０は、第１流路６の長手方向に沿って互いに離れるように、複数形成されている。その結果、凸部１０を複数形成することによって、乱流を生じやすくすることができる。
また、本実施形態の第１流路６は、図２（ｃ）に示すように、平面視において細長形状であるとともに、平面視において少なくとも一部に曲がった曲部を有する。そして、本体４は、曲部１１において、第１流路６の長手方向に沿って互いに離れた複数の凸部１０を有する。その結果、流速の低下しやすい曲部１１において、複数の凸部１０によって乱流を生じやすくして流速をさらに低下させることができるため、流路部材１による被処理物２の冷却効率を高めることができる。
また、本実施形態の凸部１０は、内部に閉気孔である空隙１２を有する。その結果、空隙１２によって製品を軽量化するとともに、空隙１２が閉気孔であるため、冷却用流体が空隙１２内に入り込むことに起因した凸部１０の損傷を低減することができる。この空隙１２は、例えば、第１流路６の長手方向に垂直な断面において円形状であり、空隙１２の幅（直径）は、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。また、本実施形態において、１つの凸部１０は、第１流路６の長手方向に垂直な断面において１つの空隙１２を有する。
また、本実施形態の本体４は、第１流路６の長手方向に垂直な断面において、第１流路６の内壁に、互いに対向する一対の凸部１０を有する。その結果、第１流路６の長手方向に垂直な断面において、冷却用流体に生じる複数の乱流の位置の偏りを低減し、第１流路６における熱交換の効率をより均一にすることができる。
ところで、第１流路６の長手方向に垂直な断面において、凸部１０が角部を有すると、この角部の周囲で冷却用流体に渦が生じて冷却用流体が滞留することがある。この場合、冷却用流体の流速が低下するどころか、冷却用流体の流れが角部の周囲で止まってしまうため、冷却用流体による熱交換の効率が低下しやすい。
一方、本実施形態の凸部１０の表面は、第１流路６の長手方向に垂直な断面において、凸曲線状である。その結果、冷却用流体の滞留を抑制することができるため、冷却用流体による熱交換の効率を高めることができる。
また、本実施形態の第１流路６は、長手方向に垂直な断面において、矩形状である。そして、本体４は、第１流路６の長手方向に垂直な断面において、第１流路６の角部に凸部１０を有する。その結果、第１流路６の長手方向に垂直な断面において、矩形状である第１流路６の角部に凸部１０が配されているため、冷却用流体の滞留を抑制することができる。
以上のように、本実施形態の流路部材１によれば、第１流路６によって被処理物２を効率良く冷却することができる。
次に、上述した流路部材１の製造方法を説明する。
（１）図３（ａ）に示すように、凹部３が上面に形成された上部成形体４ａと、第１流路６となる窪み部６ａが上面に形成された下部成形体４ｂとを作製する。具体的には、例えば以下のように行なう。
まず、セラミック粉末に純水と有機バインダーとを加えた後、ボールミルで湿式混合してスラリーを作製する。次に、スラリーをスプレードライにて造粒する。次に、造粒したセラミック粉末を種々の成形方法を用いて成形して成形体を作製する。この際に、上部成形体４ａ用の成形体および下部成形体４ｂ用の成形体を、セラミック成分が互いに同じ組成となるように作製する。次に、これらの成形体を切削加工することによって、上面に凹部３を形成するとともに下面を平坦面としたものを上部成形体４ａとし、上面に窪み部６ａを形成するとともに下面を平坦面としたものを下部成形体４ｂとする。
（２）図３（ｂ）に示すように、上部成形体４ａの下面と下部成形体４ｂの上面とをセラミックペースト（図示せず）を介して接合した後、上部成形体４ａ、下部成形体４ｂおよびセラミックペーストを同時焼成することによって、１つのセラミック焼結体からなる本体４を作製する。具体的には、例えば以下のように行なう。
まず、下部成形体４ｂの上面において窪み部６ａ同士の間に位置する領域にセラミックペーストを塗布する。次に、この塗布したセラミックペーストを介して、上部成形体４ａの下面と下部成形体４ｂの上面とを接合させる。次に、この接合した成形体を例えば１４００℃以上１８００℃以下で焼成することによって、上部成形体４ａ、下部成形体４ｂおよびセラミックペーストを同時焼成して、１つのセラミック焼結体を作製する。次に、このセラミック焼結体を研削加工することによって、所望の形状のセラミック焼結体からなる本体４を作製することができる。
このように、上部成形体４ａの平坦面である下面と下部成形体４ｂの窪み部６ａが形成された上面とを接合させた後に焼成することによって、内部に第１流路６ａが形成されたセラミック焼結体からなる本体４を作製することができる。
上述したセラミックペーストは、セラミック粉末と純水とを混合させたものである。このセラミック粉末は、本体４の成形体に用いるセラミック粉末と同じ組成のものが用いられる。その結果、このセラミックペーストを上部成形体４ａおよび下部成形体４ｂと同時焼成することによって、全体のセラミック成分が同じ組成である１つのセラミック焼結体からなる本体４を作製することができる。
ここで、本実施形態においては、本体４の第１流路６に凸部１０が形成されている。この凸部１０は、以下のようにして形成される。
まず、セラミックペーストの含水率（セラミックペースト全体における純水の占める割合）を４０質量％以上８０質量％以下であるセラミックペーストを得る。なお、セラミックペーストは、有機物などの増粘剤によって粘度が調整されていても構わない。
次に、このセラミックペーストを、塗布後の厚みが０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下となるように、下部成形体４ｂの上面における窪み部６ａの間の領域に塗布する。この際、下部成形体４ｂの上面にメッシュを配置した後、メッシュを介してセラミックペーストを塗布することによって、セラミックペーストを均一に塗布するとともに、セラミックペーストの厚みを調節する。また、塗布する際に、湿度を５０％ＲＨ以上にすることによって、セラミックペーストの乾燥を抑制し、セラミックペーストの含水率を保つ。
次に、セラミックペーストが塗布された下部成形体４ｂの上面に上部成形体４ａの下面を接合し、上下方向に４．９ｋＰａ以上９８ｋＰａ以下の圧力で０．５時間以上加圧することによって、上部成形体４ａおよび下部成形体４ｂの接合界面からセラミックペーストの一部を窪み部６ａ内に向かって突出させて、突出部を形成する。この際、セラミックペーストを塗布した後、すぐに下部成形体４ｂの上面に上部成形体４ａの下面を接合することによって、接合前におけるセラミックペーストの乾燥を抑制し、セラミックペーストの含水率を保つ。
次に、セラミックペーストを上部成形体４ａおよび下部成形体４ｂとともに同時焼成することによって、セラミックペーストからなる突出部を、本体４を構成するセラミック焼結体の一部からなる凸部１０とする。
以上のように、セラミックペーストの含水率および厚みと、上部成形体４ａおよび下部成形体４ｂの加圧条件を適宜調節することによって、セラミックペーストの一部を窪み部６ａ内に向かって突出させることができる。この突出部を、上部成形体４ａ、下部成形体４ｂおよびセラミックペーストとともに同時焼成することによって、凸部１０を形成することができる。
また、このように接合界面１３から突出したセラミックペーストの一部である突出部を焼成して凸部１０としているため、第１流路６の内壁に互いに対向した一対の凸部１０を形成するとともに、凸部１０を第１流路６の長手方向に沿った細長形状とすることができる。
また、前述した如く、セラミックペーストの含水率を調節している。その結果、セラミックペーストが突出する際に、表面張力によって突出部の表面を凸曲線状とし、ひいては凸部１０の表面を凸曲線状とすることができる。また、突出部の表面が凸曲線状となる際に、突出部が表面張力によって丸くなろうとして、突出部の中心に位置するセラミックペーストが外側に引っ張られるため、突出部に閉気孔である空隙１２が形成される。この突出部を焼成することによって、凸部１０に閉気孔である空隙１２を形成することができる。また、セラミックペーストを焼成する際に、突出部が長手方向に沿って収縮して複数の箇所に分断されるため、長手方向に沿って互いに離れた複数の凸部１０を形成することができる。特に、曲部１１においては、収縮の方向が変化することから突出部が長手方向に沿って複数の箇所に分断されやすいため、曲部１１に複数の凸部１０を形成することができる。
（３）図３（ｃ）に示すように、従来周知の方法を用いて、凹部３内に多孔質体５を形成する。
以上のようにして、流路部材１を作製することができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。
例えば、上述した実施形態において、流路部材１を半導体ウェハのバックグラインド工程やポリッシング工程に用いた構成を例に説明したが、流路部材１は、半導体ウェハの露光工程、エッチング工程または成膜工程などの他の半導体製造工程に用いても構わないし、ＦＰＤ製造工程に用いても構わない。
また、上述した実施形態において、吸着部として多孔質体５を有する真空チャック（吸着部材）である流路部材１を例に説明したが、流路部材１として他の構成のものを用いてもよい。流路部材１は、例えば、図４（ａ）に示すように、吸着部として、対象物２の形状に対応した環状のシール部１４、シール部１４の内側に位置した底面１５、および底面１５から突出した複数のピン１６を有していても構わない。このような流路部材１は、真空チャックであっても構わないし、静電チャックやその他の吸着部材であっても構わない。また、流路部材１は、吸着部材でなくてもよく、例えば、真空チャックまたはプラズマ発生用電極などの対象物を冷却する冷却部材であっても構わない。この場合、流路部材１は、冷却部材として冷却装置に用いられる。
また、上述した実施形態において、流体として冷却用流体を用いた構成を例に説明したが、他の流体を用いてよい。流体としては、例えば、プラズマ発生用ガス（気体）を用いても構わない。この場合には、本体１０が第１流路６の内壁にセラミック焼結体の一部からなる凸部１０を有するため、プラズマ発生用ガスに乱流が生じ、プラズマ発生用ガスが凸部１０によって攪拌される。このプラズマ発生用ガスを用いることによって、より均一なプラズマを発生させることができる。
また、上述した実施形態において、第１流路６の長手方向に垂直な断面形状が矩形状である構成を例に説明したが、第１流路６の長手方向に垂直な断面形状は、矩形状でなくてもよく、例えば、図４（ｂ）に示すように、円形状であっても構わない。図４（ｂ）に示す例において、本体４は、第１流路６の長手方向に垂直な断面において、第１流路６の内壁に、第１流路６の中心を挟んで互いに対向する一対の凸部１０を有する。その結果、第１流路６の長手方向に垂直な断面において、冷却用流体に生じる複数の乱流の位置の偏りを低減し、第１流路６における熱交換の効率をより均一にすることができる。このような本体４は、上述した工程（１）において、上部成形体４ａの下面および下部成形体４ｂの上面それぞれの互いに対応する位置に、長手方向に垂直な断面が半円状である窪み部６ａを形成することによって作製することができる。
また、上述した実施形態において、第１流路６の長手方向に垂直な断面形状が矩形状であり、本体４が第１流路６の長手方向に垂直な断面において第１流路６の角部に凸部１０を有する構成を例に説明したが、凸部１０は、第１流路６の角部に配されていなくてもよく、例えば、図４（ｃ）に示すように、第１流路６の側面に配されていても構わない。この場合には、第１流路６の長手方向に垂直な断面において、冷却用流体に生じる複数の乱流の位置の偏りを低減し、第１流路６における熱交換の効率をより均一にすることができる。このような本体４は、上述した工程（１）において、上部成形体４ａの下面および下部成形体４ｂの上面それぞれの互いに対応する位置に、長手方向に垂直な断面が矩形状である窪み部６ａを形成することによって作製することができる。
１ 流路部材
２ 被処理物
３ 凹部
４ 本体
５ 多孔質体
６ 第１流路
７ 第２流路
８ 排気口
９ 吸引口
１０ 凸部
１１ 曲部
１２ 空隙
１３ 接合界面
２ 被処理物
３ 凹部
４ 本体
５ 多孔質体
６ 第１流路
７ 第２流路
８ 排気口
９ 吸引口
１０ 凸部
１１ 曲部
１２ 空隙
１３ 接合界面
Claims (10)
- 流体が流れる流路が内部に形成されたセラミック焼結体からなる本体を備え、
該本体は、前記流路の内壁に、前記セラミック焼結体の一部からなる凸部を有することを特徴とする流路部材。 - 請求項１に記載の流路部材において、
前記凸部は、前記流路の長手方向に沿った細長形状であることを特徴とする流路部材。 - 請求項２に記載の流路部材において、
前記流路は、平面視において細長形状であるとともに、少なくとも一部に曲がった曲部を有しており、
前記本体は、前記曲部において、前記流路の長手方向に沿って互いに離れた複数の前記凸部を有することを特徴とする流路部材。 - 請求項１に記載の流路部材において、
前記凸部は、内部に閉気孔である空隙を有することを特徴とする流路部材。 - 請求項１に記載の流路部材において、
前記本体は、前記流路の長手方向に垂直な断面において、前記流路の内壁に、互いに対向する一対の前記凸部を有することを特徴とする流路部材。 - 請求項１に記載の流路部材において、
前記流路は、長手方向に垂直な断面において、矩形状であり、
前記本体は、前記流路の長手方向に垂直な断面において、前記流路の角部に前記凸部を有することを特徴とする流路部材。 - 請求項６に記載の流路部材において、
前記凸部の表面は、前記流路の長手方向に垂直な断面において、凸曲線状であることを特徴とする流路部材。 - 請求項１に記載の流路部材において、
前記流路は、長手方向に垂直な断面において、円形状であり、
前記本体は、前記流路の長手方向に垂直な断面において、前記流路の内壁に、前記流路の中心を挟んで互いに対向する一対の前記凸部を有することを特徴とする流路部材。 - 被処理物を吸着する、請求項１ないし８のいずれかに記載の流路部材と、前記流路部材の流路に前記流体を供給する流体供給手段とを備えたことを特徴とする吸着装置。
- 対象物を冷却する、請求項１ないし８のいずれかに記載の流路部材と、該流路部材の流路に冷却用流体である前記流体を供給する流体供給手段とを備えたことを特徴とする冷却装置。
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