JPWO2014175425A1 - 試料保持具 - Google Patents
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Abstract
試料保持具は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスから成り外表面に試料保持面を有する基体と、該基体の内部に設けられた、前記試料保持面に対向する導体とを備えており、前記基体の内部のうち前記導体よりも前記試料保持面側において、前記セラミックスにおける酸素の含有量が、前記導体の外周の外側に位置する領域よりも内側に位置する領域の方が少ない。
Description
本発明は、例えば、成膜装置に用いられる試料保持具に関するものである。
半導体集積回路等の製造工程において、成膜装置が用いられている。この成膜装置には、例えば、半導体ウエハ等の各試料を保持するための部品として試料保持具が用いられている。試料保持具としては、例えば、特開平7−130826号公報(以下、特許文献1という)に開示された静電チャックが挙げられる。特許文献1に開示された静電チャックは、セラミック基体と、セラミック基体の内部に設けられた電極とを備えている。この静電チャックは、セラミック基体の主面に被加熱物を搭載する。
しかしながら、特許文献1に開示された静電チャックにおいては、電極に高周波の交流電流を流したときに、電極が発熱することによって、セラミック基体中の分子がセラミック基体中の酸素と反応する場合があった。これにより、セラミック基体中において誘電正接が部分的に大きくなることがあった。その結果、セラミック基体が部分的に大きく発熱し、セラミック基体の主面の均熱性が低下する場合があった。
本発明の一態様の試料保持具は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスから成り外表面に試料保持面を有する基体と、該基体の内部に設けられた、前記試料保持面に対向する導体とを備えており、前記基体の内部のうち前記導体よりも前記試料保持面側において、前記セラミックスにおける酸素の含有量が、前記導体の外周の外側に位置する領域よりも内側に位置する領域の方が少ない。
以下、本発明の一実施形態に係る試料保持具10について、説明する。
図1は、本発明の実施形態の一例である試料保持具10を示す断面図である。図1に示すように、試料保持具10は、基体1と基体1の内部に設けられた導体とを備えている。本実施形態においては、導体は発熱抵抗体3である。そして、基体1は、さらに静電吸着用電極2を備えている。試料保持具10は、半導体集積回路の製造工程または液晶表示装置の製造工程等に用いられる。試料保持具10は、例えば、半導体ウエハ等の試料(以下、被吸着物4ともいう)を保持するための部材である。
基体1は、上面に試料保持面1aを有する板状の部材である。試料保持具10は、基体1の試料保持面1aにおいて、被吸着物4を保持する。基体1は、平面視したときの形状が円形状の部材である。基体1は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスから成る。基体1の寸法は、例えば、径を200〜500mm、厚みを2〜15mmに設定できる。基体1の試料保持面1aは、必要に応じてガス溝を形成したり、エンボス形状に加工したりすることができる。
被吸着物4である試料を保持する方法としては、様々な方法を用いることができる。本実施形態の試料保持具10においては、静電気力によって試料を保持する。そのため、試料保持具10は、基体1の内部に静電吸着用電極2を備えている。
静電吸着用電極2は、被吸着物4との間に静電気力を発生させるための部材である。静電吸着用電極2は、試料保持具10の内部に設けられている。静電吸着用電極2は、例えばモリブデン(Mo)またはタングステン(W)等の高融点金属から成る。静電吸着用電極2は、メッシュ状または板状等のバルク状の金属から、あるいは金属ペーストを焼成したものから成る。静電吸着用電極2がバルク状の金属から成る場合には、静電吸着用電極2を高周波スパッタリングまたはプラズマCVDにおける高周波電極としても使用することができる。
静電吸着用電極2は、分割された2つの電極を有する、いわゆる双極型の電極である。なお、静電吸着用電極2は、1つの電極のみを有する、いわゆる単極型の電極であっても構わない。また、静電吸着用電極2は、3つ以上の電極を有するものであっても構わない。また、被吸着物4を保持するタイプとしては、クーロン力を利用するタイプまたはジョンソンラーベック力を利用するタイプ等を用いることができる。このとき、基体1のセラミック材料が窒化アルミニウムを主成分としていることによって、残留電荷の除去による帯電除去が容易であるとともに、試料保持具10としての必要な吸着力が得やすくなっている。
発熱抵抗体3は、基体1の試料保持面1aに保持された被吸着物4を加熱するための部材である。発熱抵抗体3は基体1の内部に設けられている。発熱抵抗体3は、試料保持面1aを上面としたときに、静電吸着用電極2よりも下側に設けられている。言い換えると、静電吸着用電極2は、発熱抵抗体3よりも試料保持面1a側に設けられている。なお、発熱抵抗体3は基体1の下面に設けられていても構わない。
発熱抵抗体3に電圧を印加して電流を流すことによって、発熱抵抗体3を発熱させることができる。発熱抵抗体3によって発せられた熱は、基体1の内部を伝わって、基体1の上面における試料保持面1aに到達する。これにより、試料保持面1aに搭載された被吸着物4を加熱することができる。発熱抵抗体3は、複数の湾曲部を有する線状のパターンである。発熱抵抗体3は基体1の内部の全面に形成されている。これにより、試料保持面1aにおいて熱分布にばらつきが生じることを抑制できる。発熱抵抗体3は、例えばWまたはMo等の金属材料から成る。
試料保持具10の温度制御には以下の方法を用いることができる。具体的には、基体1に熱電対を接触させてこの熱電対の熱気電力を測定することによって、発熱抵抗体3によって加熱された基体1の温度を測定することができる。以上のようにして測定した基体1の温度に基づいて、発熱抵抗体3に印加する電圧を調整する。これにより、基体1の試料保持面1aの温度を一定に制御できる。
本実施形態の試料保持具10においては、基体1の内部のうち発熱抵抗体3よりも試料保持面1a側において、基体1中のセラミックスにおける酸素の含有量が、発熱抵抗体3の外周の外側に位置する領域よりも内側に位置する領域(以下、低酸素領域1bという)の方が少なくなっている。基体1が発熱抵抗体3よりも試料保持面1a側に低酸素領域1bを有していることによって、発熱抵抗体3よりも試料保持面1a側の領域において、基体1中の分子が基体1中の酸素と反応してしまう可能性を低減できる。これにより、発熱抵抗体3よりも試料保持面1a側であって、発熱抵抗体3の外周よりも内側に位置する領域において、基体1の誘電正接が部分的に大きくなることを抑制できる。その結果、基体1に予期しない発熱が生じることを抑制できるので、試料保持面1aのうち導体の直上に位置する領域において、温度調整をしやすくすることができる。
なお、一般的に、静電吸着用電極2を高周波スパッタリングまたはプラズマCVDにおける高周波電極としても使用する際には、静電吸着用電極2の周囲に位置するセラミックス中の分子がプラズマによって不安定になる傾向がある。しかしながら、本実施形態の試料保持具10は、静電吸着用電極2の周囲に低酸素領域1bを有していることによって、プラズマを生じさせる環境下においてセラミックス中の分子が不安定になったとしても、この分子とセラミックス中の酸素とが反応してしまう可能性を低減できる。そのため、部分的に誘電率が変化してしまうことを抑制できるので、発生させるプラズマの均一性を保つことができる。その結果、成膜後の厚みのばらつきの発生を低減することができる。
低酸素領域1bの存在は、例えば、以下の方法で確認することができる。具体的には、基体1を切断して、基体1のうち測定したい部分を非酸化物製のすり鉢等で粉砕して粉体状にする。得られた粉体をHORIBA製の酸素・窒素・水素分析装置(EMGA−930)を用いて赤外線検出法による酸素量測定を行なう。測定の結果、例えば、基体1の内部のうち発熱抵抗体3よりも試料保持面1a側において、発熱抵抗体3の外周の外側に位置する領域よりも内側に位置する領域の方が基体1中のセラミックスにおける酸素の含有量が10%以上少ない場合には、酸素の含有量が少ないと見なすことができる。
さらに、静電吸着用電極2が低酸素領域1bに設けられていることが好ましい。前述した通り、低酸素領域1bは基体1の誘電正接が大きくなることを抑制している。そのため、静電吸着用電極2に高周波の交流電流を流したときに生じる発熱を抑制できる。
さらに、低酸素領域1bにおけるセラミックス中の酸素の含有量が、静電吸着用電極2から離れるにつれて大きくなっていることが好ましい。これにより、静電吸着用電極2と基体1との熱膨張差による歪みを生じにくくすることができる。その結果、試料保持具10の長期信頼性を向上できる。
また、低酸素領域1bのうち静電吸着用電極2の近傍におけるセラミックスの粒径が、試料保持面1aにおけるセラミックスの粒径よりも大きいことが好ましい。セラミックスの粒径を大きくすることによって、セラミックスの粒子の界面を減らすことができるので、熱伝導を良好に行なうことができる。これにより、高周波の交流電流を印加したときに静電吸着用電極2の周囲に生じる熱を基体1に良好に分散させることができる。さらに、試料保持面1aにおける粒径を小さくしておくことによって、試料保持面1aの強度を向上させることができる。これは以下の理由によるものである。
基体1の外部から試料保持面1aに力が加わると、試料保持面1aにクラックが入る場合があるが、この表面のクラックが微細な場合には、クラックの進行が粒界で止まるとともに、加わった力は粒界を通して分散される。つまり、微細なクラックの長さはセラミックスの粒径の大きさに比例することになる。したがって、試料保持面1aにおける粒径を小さくしておくことによって、試料保持面1aが破損する可能性を低減できる。
なお、本実施形態の試料保持具10においては、導体が発熱抵抗体3であったが、これに限られない。具体的には、図2に示すように、試料保持具10が発熱抵抗体3を有しておらず、導体として静電吸着用電極2を備えたものであってもよい。試料保持具10は、静電吸着用電極2よりも試料保持面1a側において、基体1中のセラミックスにおける酸素の含有量が、静電吸着用電極2の外周の外側に位置する領域よりも内側に位置する領域(以下、低酸素領域1cという)の方が少なくなっている。前述した通り、低酸素領域1cは誘電正接が大きくなることが抑制されている。そのため、静電吸着用電極2に高周波の交流電流を流したときに生じる発熱を抑制できる。
以下、本発明の試料保持具10の製造方法について説明する。まず、主原料となる窒化アルミニウム粉末と微量の焼結助剤とを、ウレタンまたはナイロン等の樹脂で内張りを施したボールミル中に投入し、イオン交換水または有機溶媒等の溶媒および金属またはセラミックスから成るボールと共に24〜72時間の湿式粉砕混合を行なう。
こうして、粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはアクリル樹脂等の有機バインダおよび可塑剤ならびに消泡剤を添加して、さらに24〜48時間の混合を行なう。混合された有機−無機混合スラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法、プレス成形法または押出成形法等によって、厚さ20μm〜20mmのセラミックグリーンシートに成形する。ここで、低酸素領域1bを形成することになる部分のグリーンシートには、セラミックグリーンシート中の酸素と反応しやすいカーボン等の粉末を添加しておく。
そして、基体1を形成するセラミックグリーンシートに静電吸着用電極2および発熱抵抗体3を形成するためのペースト状電極材料を印刷成形する。ペースト状電極材料としては、白金(Pt)またはW等を用いることができる。ここで、静電吸着用電極2を低酸素領域1bに位置させるために、静電吸着用電極2を形成するためのペースト状電極材料の周囲に、焼成中にセラミックグリーンシート中の酸素と反応しやすい粉末を設けておく。粉末としては、例えばカーボン等を用いることができる。
ここで、基体1における所定の位置に静電吸着用電極2および発熱抵抗体3が形成されるように、ペースト状電極材料が印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極が印刷されたセラミックグリーンシートとを積層する。得られた積層体を所定の温度および所定の雰囲気中にて焼成することによって、静電吸着用電極2および発熱抵抗体3が埋設された基体1を作製できる。このとき、静電吸着用電極2の周囲に設けたカーボン粉末は、セラミックグリーンシート中の酸素と反応してCOまたはCO2等を生じる。
その結果、反応した酸素がセラミックス中から除去されることによって、静電吸着用電極2の上側を低酸素領域1bにすることができる。
本実施例では、基体11に窒化アルミニウムセラミックスを用いた試料保持具10について説明する。本実施例においては、図2に示すように導体として静電吸着要電極2を有する試料保持具10について説明する。まず、主原料となる粒径が0.1〜2μmの窒化アルミニウム粉末と微量の焼結助剤とを、ウレタンまたはナイロン等の樹脂で内張りを施したボールミル中に投入して、イオン交換水または有機溶媒等の溶媒および金属またはセラミックスから成るボールと共に48時間の湿式粉砕混合を行なった。
こうして、粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはアクリル樹脂等の有機バインダおよび可塑剤ならびに消泡剤を添加して、さらに3時間の混合を行なった。混合された有機−無機混合スラリーをドクターブレード法によって、厚さ300μmのセラミックグリーンシートに成形した。ここで、低酸素領域1cを形成することになる静電吸着用電極2の近傍部分になるグリーンシートには、セラミックグリーンシート中の酸素と反応しやすいカーボン粉末を添加した。具体的には、表1に示すように、試料No.1−2には0.2質量%、試料No.1−3には0.5質量%、試料No.1−4には1.0質量%のカーボン粉末を添加した。また、比較例として、カーボン粉末を添加していない試料No.1−1を準備した。
これらのグリーンシートをそれぞれ積層した後に、2000℃の温度で水素ガス雰囲気中にて焼成した。基体1をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状に加工した。さらに、上面を所定の表面粗さに加工し、ブラスト加工機等で試料保持面1aとなる面に溝を形成して、試料保持具10を作製した。
これらの試料保持具10に対して、静電吸着用電極2の近傍の酸素量および誘電正接(tanδ)の測定を行なった。酸素量の測定は、HORIBA製の酸素・窒素・水素分析装置(EMGA−930)によって行なった。また、誘電正接の測定は、ブリッジ回路法によって行なった。その結果を表1に示す。
本発明の実施例である試料No.1−2、試料No.1−3および試料No.1−4と比較例である試料No.1−1とを比較すると、試料No.1−2、試料No.1−3および試料No.1−4においては、電極の外周側面から約100μmの領域で酸素量が少なくなっていることが確認できた。さらに、カーボンの添加量を多くする程、酸素量が少なくなっていることが確認できた。また、試料No.1−2、試料No.1−3および試料No.1−4に関しては、誘電正接が低減されていることが確認できた。
低酸素領域1cを形成するための別の方法として、静電吸着用電極2となるペースト状電極材料の表面に厚さ10μmのカーボン層を設けた試料保持具10を作製した。カーボン粒子をカーボン層に変更した以外は、実施例1と同様の方法で作製した。本発明の実施例である試料No.2−2に関しては、静電吸着用電極2をWで形成して、同じく実施例である試料No.2−4に関しては、静電吸着用電極2をMoで形成した。また、比較例として、静電吸着用電極2をWで形成して、カーボン層を設けていない試料No.2−1と、静電吸着用電極2をMoで形成して、カーボン層を設けていない試料No.2−3とを作製した。
これらの試料保持具10の試料に対して、静電吸着用電極2の近傍の酸素量および誘電正接の測定を行なった。その結果を表2に示す。
試料No.2−2と試料No.2−1とを比較すると、試料No.2−2において、電極の外周側面から約100μmの領域で酸素量が少なくなっていることが確認できた。また、試料No.2−4と試料No.2−3とを比較すると、試料No.2−4において、電極の外周側面から約100μmの領域で酸素量が少なくなっていることが確認できた。また、試料No.2−2および試料No.2−4に関しては、誘電正接が低減されていることが確認できた。
さらに、上述した実施例1および実施例2の複数の試料に対して、シリコンウエハを搭載するとともに、高周波の交流電流を試料保持具10の静電吸着用電極2に流した場合のシリコンウエハ面の温度ばらつきを測定した。
本発明の実施例である試料No.1−2、試料No.1−3、試料No.1−4、試料No.2−2および試料No.2−4においては、温度ばらつきが低減されていることが確認できた。これらの結果から、本発明の実施例の試料保持具10は、試料保持面1aの均熱性が向上していることを確認できた。
1:基体
1a:試料保持面
1b:低酸素領域
2:静電吸着用電極
3:発熱抵抗体
4:被吸着物(試料)
10:試料保持具
1a:試料保持面
1b:低酸素領域
2:静電吸着用電極
3:発熱抵抗体
4:被吸着物(試料)
10:試料保持具
本発明の一態様の試料保持具は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスから成
り外表面に試料保持面を有する基体と、該基体の内部に設けられた、前記試料保持面に対向する導体とを備えており、前記基体の内部のうち前記導体よりも前記試料保持面側において、前記セラミックスにおける酸素の含有量が、前記導体の外周の外側に位置する領域よりも内側に位置する領域の方が少なく、前記導体の近傍に位置する前記セラミックスの粒径が、前記試料保持面における前記セラミックスの粒径よりも大きい。
り外表面に試料保持面を有する基体と、該基体の内部に設けられた、前記試料保持面に対向する導体とを備えており、前記基体の内部のうち前記導体よりも前記試料保持面側において、前記セラミックスにおける酸素の含有量が、前記導体の外周の外側に位置する領域よりも内側に位置する領域の方が少なく、前記導体の近傍に位置する前記セラミックスの粒径が、前記試料保持面における前記セラミックスの粒径よりも大きい。
Claims (5)
- 窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスから成り外表面に試料保持面を有する基体と、該基体の内部に設けられた、前記試料保持面に対向する導体とを備えており、
前記基体の内部のうち前記導体よりも前記試料保持面側において、前記セラミックスにおける酸素の含有量が、前記導体の外周の外側に位置する領域よりも内側に位置する領域の方が少ない試料保持具。 - 前記導体が静電吸着用電極である請求項1に記載の試料保持具。
- 前記導体が発熱抵抗体であって、
前記基体は、前記発熱抵抗体よりも前記試料保持面側に設けられた静電吸着用電極をさらに備えている請求項1に記載の試料保持具。 - 前記酸素の含有量が、導体から離れるにつれて大きくなっている請求項1に記載の試料保持具。
- 前記導体の近傍に位置する前記セラミックスの粒径が、前記試料保持面における前記セラミックスの粒径よりも大きい請求項1に記載の試料保持具。
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