JPWO2014175425A1 - 試料保持具 - Google Patents

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。

本発明の実施形態の一例である試料保持具を示す断面図である。 本発明の実施形態の一例である試料保持具の変形例１を示す断面図である。

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ＣＯ_２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

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。

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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