JPWO2018180329A1 - 試料保持具 - Google Patents

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Abstract

本開示の試料保持具１０は、セラミックス材料を有し、一方の主面に試料保持面１１を有する絶縁基板１と、該絶縁基板１の他方の主面に設けられた発熱抵抗体２と、前記絶縁基板１の前記他方の主面を覆う接着層４と、該接着層４を介して前記絶縁基板１の他方の主面に設けられた金属部材３とを備えており、前記接着層４は、前記絶縁基板１に接する第１層４１と、前記金属部材３に接する第２層４２とを有しており、該第２層４２は前記第１層４１よりも弾性率が低いとともに、前記第１層４１と前記金属部材３との間に位置する層状部と、前記第１層４１を囲む環状部とを有している。

Description

本開示は、プラズマエッチング等の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において、半導体ウエハ等の試料を保持する際に用いられる試料保持具に関するものである。
試料保持具として、例えば、特開２０１１−９１２９７号公報（以下、特許文献１という）に記載の静電チャックが知られている。特許文献１に開示された静電チャックは、金属性のベース基板と、静電チャック基板と、ベース基板と静電チャック基板との間に位置するヒータと、ヒータをベース基板に接着させる接着層とを備えている。また、接着層は、第１の接着剤層と、第１の接着剤層よりも粘度の低い接着剤を硬化させてゲル状にした第２の接着剤層とからなる。
本開示の試料保持具は、セラミックス材料を有し、一方の主面に試料保持面を有する絶縁基板と、該絶縁基板の他方の主面に設けられた発熱抵抗体と、前記絶縁基板の前記他方の主面を覆う接着層と、該接着層を介して前記絶縁基板の前記他方の主面に設けられた金属部材とを備えており、前記接着層は、前記絶縁基板に接する第１層と、前記金属部材に接する第２層とを有しており、該第２層は、前記第１層よりも弾性率が低いとともに、前記第１層と前記金属部材との間に位置する層状部と、前記第１層を囲む環状部とを有している。
試料保持具の一例を示す断面図である。 試料保持具の他の例を示す断面図である。 試料保持具の他の例を示す断面図である。 試料保持具の他の例を示す部分拡大図である。 試料保持具の他の例を示す部分拡大図である。 試料保持具の他の例を示す部分拡大図である。
本開示の試料保持具の一例について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本開示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、セラミックスからなり、一方の主面に試料保持面１１を有する絶縁基板１と、絶縁基板１の他方の主面に設けられた発熱抵抗体２と、絶縁基板１の他方の主面を覆うように接着層４を介して設けられた金属部材３とを備えている。
絶縁基板１は、試料を保持するための部材である。絶縁基板１の形状は、例えば円板状である。絶縁基板１は、一方の主面に試料保持面１１を有する。絶縁基板１は、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素またはイットリア等のセラミックスを有する。絶縁基板１の寸法は、例えば形状が円板状のときに、主面の直径を２００〜５００ｍｍに、高さを０．５〜１５ｍｍにすることができる。絶縁基板１の内部には、必要に応じて、静電吸着用電極を設けることができる。
発熱抵抗体２は、電気が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、試料保持面１１に保持された試料を加熱するために設けられている。発熱抵抗体２は、絶縁基板１の他方の主面に設けられている。発熱抵抗体２は、例えば絶縁基板１の他方の主面のほぼ全面に設けられている。発熱抵抗体２は、例えば複数の折り返し部を有する線状のパターンを有する。これにより、発熱抵抗体２は、試料保持面１１の全面を均等に加熱することができる。発熱抵抗体２は、例えば銀パラジウム、白金、アルミニウムまたは金等の金属材料を有する。また、発熱抵抗体２は、ケイ素、アルミニウム、ビスマス、カルシウム、ホウ素または亜鉛等の材料の酸化物等のガラス成分を含んでいてもよい。発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を０．５〜３ｍｍに、厚みを０．０１〜０．１ｍｍに、全長を２５〜３５ｍにすることができる。
金属部材３は、絶縁基板１を支持するために設けられている。金属部材３は、絶縁基板１の他方の主面を覆うように接着層４を介して設けられている。金属部材３は、絶縁基板１を冷却させるための冷却板としても機能させることができる。金属部材３は、気体または液体などの熱媒体を循環させるための冷却用流路を備えていてもよい。この場合には、熱媒体として、水またはシリコーンオイル等の液体あるいはヘリウムまたは窒素等の気体を用いることができる。金属部材３の形状は、例えば円板状または角板状である。金属部材３は、例えば金属部材３の一方の主面が、接着層４により、絶縁基板１の他方の主面に接合されていてもよい。
金属部材３は、熱伝導率が比較的大きい金属を有する。ここでいう「金属」とは、セラミックスと金属との複合材料および繊維強化金属等の、金属からなる複合材料も含むものとする。金属部材３は、ハロゲン系の腐食性ガス等に曝される環境下において試料保持具１０を用いる場合には、アルミニウム、銅、ステンレス鋼またはニッケルあるいはこれらの金属の合金からなっていてもよい。金属部材３の寸法は、例えば金属部材３が円板状のとき、直径を２００〜５００ｍｍに、厚みを１５〜５０ｍｍにすることができる。また、金属部材３に冷却用流路を設ける場合には、流路の寸法は、例えば幅を３〜１０ｍｍに、高さを５〜１５ｍｍに、全長を２〜８ｍにすることができる。
なお、試料保持具１０をプラズマエッチング装置として用いる場合においては、金属部材３は、高周波印加用電極（図示せず）を備えていてもよい。
接着層４は、絶縁基板１と金属部材３とを接合するための部材である。接着層４は、絶縁基板１と金属部材３との間に設けられている。接着層４は、絶縁基板１の他方の主面に広がるように設けられている。また、接着層４は、絶縁基板１の他方の主面に設けられた発熱抵抗体２を覆うように設けられている。また、接着層４は、熱伝導率を向上させるために、セラミックス粒子等のフィラー成分を含んでいてもよい。フィラーとしては、例えばアルミニウム等の金属材料またはアルミナ、炭化ケイ素、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素等のセラミック材料を用いることができる。
接着層４は、絶縁基板１に接する第１層４１と、金属部材３に接する第２層４２とを有している。第１層４１は、第２層４２よりも弾性率が高い。これにより、発熱抵抗体２を覆う部分の弾性率を高くすることができる。そのため、ヒートサイクル下において、発熱抵抗体２に熱膨張が生じたときに、発熱抵抗体２の熱膨張を第１層４１によって押さえ込むことができる。これにより、絶縁基板１と発熱抵抗体２との間に熱応力が集中し、絶縁基板１と発熱抵抗体２との間にクラックが生じるおそれを低減することができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。第１層４１としては、例えばエポキシまたはシリコーン等の樹脂材料を用いることができる。なお、ここでいう弾性率とは、接着層４を形成する母材の弾性率ではなく、フィラー等を含んだ状態における接着層４の弾性率を意味している。
また、第２層４２は、第１層４１よりも弾性率が低い。これにより、接着層４のうち金属部材３に接する部分の弾性率を低くすることができる。ヒートサイクル下においては、熱膨張係数が大きい金属部材３がより熱膨張しやすい傾向にあるが、第２層４２の弾性率が低いことにより、金属部材３が熱膨張したときに、第２層４２が変形することができる。そのため、金属部材３と接着層４との間に熱応力が集中するおそれを低減することができる。これにより、金属部材３と接着層４との間に剥がれが生じるおそれを低減することができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を高めることができる。
第２層４２としては、例えば第１層４１にエポキシ樹脂を用いた場合においては、エポキシまたはシリコーン等の樹脂材料を用いることができる。第１層４１と第２層４２とが同じ材料から成る場合は、例えば弾性率が高いフィラーを第１層４１に加えることによって、第１層４１の弾性率を第２層４２の弾性率よりも高くすることができる。また、第２層４２は、第１層４１よりも弾性率が低い材料からなり、弾性率が高いフィラーを含んでおり、フィラーを含んだ状態における第２層４２の弾性率が、第１層４１の弾性率よりも低くてもよい。
なお、接着層４がフィラー等を含んでいる場合は、超音波パルス法で接着層４の弾性率を測定することができる。測定方法としては、例えば第２層４２の弾性率を測定する場合は、試料保持具１０から絶縁基板１、発熱抵抗体２、第１層４１を研削して削り落とし、第２層４２を面積１０ｍｍ２以上の試料に加工し、超音波パルスレシーバから振動子を通して数ＭＨｚの縦波および横波信号を試料表面に入射し，試料底面からの反射波を検出し、超音波が試料中を伝播する時間から縦波および横波音速を求めることにより、弾性率を算出することができる。測定装置としては、例えばＰＡＮＡＭＥＴＲＩＣＳ製のＨＶＰＵＬＳＥＲ／ＲＥＣＥＩＶＥＲ（５０５８ＰＲ）を用いることができる。なお、接着層４１を測定する場合も上記と同様の方法で測定できる。
また、接着層４の寸法は、例えば第１層４１の厚みを０．０５〜１ｍｍに、第２層４２の厚みを０．１〜３ｍｍにすることができる。なお、接着層４は、第１層４１と第２層４２との間に、第１層４１および第２層４２以外の層を有していてもよい。このときに、第１層４１および第２層４２以外の層は、第１層４１よりも弾性率が高くてもよいし、第２層４２よりも弾性率が低くてもよい。
本開示の試料保持具１０によれば、図１に示すように、第２層４２は、第１層４１の外周面を覆うように絶縁基板１側に回り込んでいる。これにより、接着層４の外周面に力が加わったときに、第２層４２のうち第１層４１の外周面を覆うように絶縁基板１側に回り込んでいる部分が変形することによって、接着層４の外周面に加わった力を吸収することができる。そのため、第２層４２のうち回り込んでいる部分を除く部分と第１層４１とに加わる力を低減することができる。これにより、第２層４２のうち回り込んでいる部分を除く部分と第１層４１とにクラックが生じるおそれを低減することができる。そのため、絶縁基板１と金属部材３との接合の信頼性を向上させることができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。
ここでいう第２層４２のうち第１層４１の外周面を覆うように絶縁基板１側に回り込んでいる部分とは、第２層４２のうち第１層４１の外周面を覆っている部分と、第２層４２のうち第１層４１の外周面を覆うために第１層４１の外周よりも外側まで広がる部分との両方を意味している。第２層４２のうち第１層４１の外周面を覆うように絶縁基板１側に回り込んでいる部分の寸法は、例えば厚みを０．１〜３ｍｍに、幅を０．５〜５ｍｍにすることができる。
また、第２層４２が第１層４１の外周面を覆うように絶縁基板１側に回り込んでいることによって、第１層４１と第２層４２のうち回り込んでいる部分を除く部分との境界面を、第２層４２のうち回り込んでいる部分で覆うことができる。そのため、接着層４の外周面においてクラックが生じたときに、第１層４１と第２層４２のうち回り込んでいる部分を除く部分との境界面においてクラックが一直線に進展するおそれを低減することができる。そのため、絶縁基板１と金属部材３との接合の信頼性を向上させることができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。
なお、図１に示す試料保持具１０においては、第２層４２が絶縁基板１の外周より外側まで広がっているが、図２に示すように第１層４１が絶縁基板１の外周より内側までしか広がっておらず、第２層４２が絶縁基板１の外周より内側において、第１層４１の外周面を覆うように絶縁基板１側に回り込んでいてもよい。また、接着層４の外周面は、図２に示すように、丸みを帯びていてもよい。
また、図３に示すように、第２層４２が第１層４１の外周面の全体を覆っているとともに、絶縁基板１の他方の主面に接していてもよい。これにより、仮に絶縁基板１と第１層４１との間にクラックが生じてしまっても、第２層４２が絶縁基板１の他方の主面に接していているため、発熱抵抗体２が外部に露出してしまうおそれを低減することができる。そのため、外気等がクラックに浸入し、発熱抵抗体２と反応してしまうおそれを低減することができる。これにより、発熱抵抗体２の抵抗値が変化してしまい、発熱量が変化してしまうおそれを低減することができる。その結果、試料保持具１０の均熱性を向上させることができる。
また、図４に示すように、第１層４１と第２層４２との境界面が、滑らかであってもよい。言い換えると、断面視したとき、第１層４１の外周面に第２層４２が回りこむことにより生じる境界面が丸みを帯びていてもよい。ヒートサイクル下においては、第１層４１と第２層４２との熱膨張係数の差によって、第１層４１と第２層４２との境界面に力が加わるおそれがあるが、第１層４１と第２層４２との境界面が滑らかであることによって、第１層４１と第２層４２との境界面に加わる力を分散させることができる。これにより、接着層４にクラックが生じるおそれを低減することができる。そのため、絶縁基板１と金属部材３との接合の信頼性を向上させることができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。
また、第１層４１は第２層４２よりも熱伝導率が小さくてもよい。これにより、昇温時に、発熱抵抗体２で生じた熱が、第１層４１から第２層４２に伝わってしまうおそれを低減することができる。そのため、発熱抵抗体２で生じた熱を、効率的に試料保持面１１に伝えることができる。その結果、試料保持面１１における昇温の速度を上げることができる。また、第２層４２の熱伝導率が第１層４１の熱伝導率よりも大きいことにより、降温時に、第１層４１が有する熱が、第２層４２から金属部材３に伝わりやすくすることができる。そのため、絶縁基板１が有する熱を、効率的に金属部材３に伝えることができる。その結果、試料保持面１１における降温の速度を上げることができる。
また、図５に示すように、試料保持面に垂直な断面を見たときに、第２層４２が、絶縁基板１の他方の主面に沿ったメニスカス部４２１を有していてもよい。これにより、図５に示す断面で見たときに、第２層４２がメニスカス部４２１の先端まで平坦に設けられている場合と比較して、第２層４２のうち第１層４１の外周面を覆うように絶縁基板１側に回り込んでいる部分の体積を増やすことなく、絶縁基板１の他方の主面のうち第２層４２に接する部分の面積を広くすることができる。そのため、第２層４２のうち第１層４１の外周面を覆うように絶縁基板１側に回り込んでいる部分に生じる熱応力を低減しつつ、絶縁基板１と接着層４との接合強度を高めることができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。
また、メニスカス部４２１は、絶縁基板１の他方の主面の周方向の全体に設けられていてもよい。これにより、発熱抵抗体２で生じた熱がメニスカス部４２１を介して絶縁基板１に均等に伝わるため、試料保持面１１の均熱性を高めることができる。なお、ここでいうメニスカス部４２１とは、メニスカス形状であって、絶縁基板１の外周に向かうにつれて厚みが薄くなる部位である。メニスカス部４２１の寸法は、例えば厚みを０．１〜３ｍｍに、幅を０．５〜５ｍｍにすることができる。
また、図６に示すように、接着層４を周方向に囲むように設けられたリング部材５をさらに備えていてもよい。これにより、試料保持具１０をプラズマエッチング装置として用いた場合において、プラズマガスが接着層４に触れるおそれを低減することができる。また、リング部材５は、メニスカス部４２１との間に隙間を有しながら第２層４２（メニスカス部４２１以外の部位）に接していてもよい。リング部材５は、メニスカス部４２１との間に隙間を有しながら第２層４２に接していていることにより、リング部材５に外力が加わったときに、メニスカス部４２１に外力が伝わるおそれを低減することができる。そのため、絶縁基板１とメニスカス部４２１との間にクラックが生じるおそれを低減することができる。これにより、絶縁基板１と第２層４２との間に剥がれが生じるおそれを低減することができる。そのため、絶縁基板１と接着層４の接合の信頼性を向上させることができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。
また、リング部材５は、メニスカス部４２１との間に隙間を有しながら、絶縁基板１と第２層４２とに接していてもよい。これにより、リング部材５に外力が加わったときに、外力を絶縁基板１と接着層４とに分散させることができる。そのため、接着層４に大きい力が加わるおそれを低減することができる。これにより、接着層４と絶縁基板１との接合部が破損するおそれを低減することができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。
また、リング部材５は、全周において絶縁基板１と金属部材３とに接していてもよい。これにより、試料保持具１０をプラズマエッチング装置として用いた場合において、プラズマガスが接着層４に触れるおそれを低減することができる。そのため、プラズマガスが接着層４に入り込み、発熱抵抗体２と反応してしまうおそれを低減することができる。これにより、発熱抵抗体２の抵抗値が変化してしまい、発熱量が変化してしまうおそれを低減することができる。その結果、試料保持具１０の均熱性を向上させることができる。
ここで、リング部材５の形状は、例えば図６に示す断面で見たときの形状を、円形または楕円形にすることができる。リング部材５は、エポキシ、シリコーンまたはフッ素樹脂等の樹脂材料を用いることができる。リング部材５の寸法は、例えば図６に示す断面で見たときの形状が円形のときに、半径を０．０７５〜２ｍｍにすることができる。また、リング部材５の寸法は、試料保持面１１に水平な面で平面視したときに、例えば内径を１９６〜５００ｍｍに、外径を２００〜５０４ｍｍにすることができる。
また、図１から図６に示すように、第２層４２は、第１層４１と金属部材３との間に位置する層状部４２２と、第１層４１を囲む環状部４２３とを有していてもよい。これにより、環状部４２３に力が加わったときに、環状部４２３が変形することによって、環状部４２３に加わった力を吸収することができる。そのため、第１層４１と層状部４２２とに加わる力を低減することができる。これにより、第１層４１と層状部４２２とにクラックが生じるおそれを低減することができる。そのため、絶縁基板１と金属部材３との接合の信頼性を向上させることができる。その結果、試料保持具１０の耐久性を向上させることができる。
ここで、層状部４２２とは、例えば第２層４２のうち回り込んでいる部分を除く部分であってもよい。また、環状部４２３とは、例えば第２層４２のうち第１層４１の外周面を覆っている部分であってもよい。なお、第２層４２は、層状部４２２および環状部４２３以外の部分を有していてもよい。
また、図３に示すように、環状部４２３は、第１層４１の全体を囲むとともに、絶縁基板１の他方の主面に接していてもよい。これにより、仮に絶縁基板１と第１層４１との間にクラックが生じても、第２層４２が絶縁基板１の他方の主面に接していているため、発熱抵抗体２が外部に露出するおそれを低減することができる。そのため、外気等がクラックに浸入し、発熱抵抗体２と反応するおそれを低減することができる。これにより、発熱抵抗体２の抵抗値が変化し、発熱量が変化するおそれを低減することができる。その結果、試料保持具１０の均熱性を向上させることができる。
１：絶縁基板
１１：試料保持面
２：発熱抵抗体
３：金属部材
４：接着層
４１：第１層
４２：第２層
４２１：メニスカス部
４２２：層状部
４２３：環状部
５：リング部材
１０：試料保持具

Claims (5)

  1. セラミックス材料を有し、一方の主面に試料保持面を有する絶縁基板と、該絶縁基板の他方の主面に設けられた発熱抵抗体と、前記絶縁基板の前記他方の主面を覆う接着層と、該接着層を介して前記絶縁基板の前記他方の主面に設けられた金属部材とを備えており、
    前記接着層は、前記絶縁基板に接する第１層と、前記金属部材に接する第２層とを有しており、
    該第２層は、前記第１層よりも弾性率が低いとともに、前記第１層と前記金属部材との間に位置する層状部と、前記第１層を囲む環状部とを有している試料保持具。
  2. 前記環状部は、前記第１層の全体を囲むとともに、前記絶縁基板の前記他方の主面に接している請求項１に記載の試料保持具。
  3. 前記第１層は前記第２層よりも熱伝導率が小さい請求項１または請求項２に記載の試料保持具。
  4. 前記試料保持面に垂直な断面を見たときに、
    前記第２層が、前記絶縁基板の前記他方の主面に沿ったメニスカス部を有している請求項２に記載の試料保持具。
  5. 環状であって前記接着層を周方向に囲むリング部材をさらに備えるとともに、前記リング部材は、前記メニスカス部との間に隙間を有しながら前記第２層に接している請求項４に記載の試料保持具。
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