KR20170067719A - 정전 척 장치 - Google Patents

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Abstract

판 형상 시료를 정전 흡착용 전극에 의하여 흡착함과 함께 판 형상 시료를 냉각하는 정전 척 장치로서, 세라믹 소결체를 형성 재료로 하고, 일 주면이 판 형상 시료를 재치하는 재치면인 정전 척부를 가지며, 재치면에는, 판 형상 시료를 지지하는 복수의 돌기부가 마련되고, 돌기부는, 정면에서 판 형상 시료와 접하여 판 형상 시료를 지지하며, 또한 정면의 높이 위치로부터 하방으로 단면적이 점증하고 있고, 돌기부의 정면의 하단으로부터 0.6μm 하방의 단면적이, 정면의 하단의 단면적에 대하여 110% 이하인 정전 척 장치.

Description

정전 척 장치{ELECTROSTATIC CHUCK DEVICE}
본 발명은, 정전 척 장치에 관한 것이다.
본원은, 2014년 9월 30일에, 일본에 출원된 특원 2014-201304호에 근거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
최근, 반도체 제조 프로세스에 있어서는, 소자의 고집적화나 고성능화에 따라, 미세 가공 기술의 추가적인 향상이 요구되고 있다. 반도체 제조 프로세스 중에서도 에칭 기술은, 미세 가공 기술의 중요한 하나이며, 최근에는, 에칭 기술 중에서도, 고효율적이고 또한 대면적의 미세 가공이 가능한 플라즈마 에칭 기술이 주류가 되고 있다.
종래, 플라즈마 에칭 장치 등의 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치에 있어서는, 시료대(臺)에 간단하게 웨이퍼를 장착하여, 고정시킴과 함께, 웨이퍼를 원하는 온도로 유지하는 장치로서 정전 척 장치가 사용되고 있다.
정전 척 장치로서는, 판 형상 시료가 재치(載置)되는 재치면에 복수의 돌기부가 마련된 것이 알려져 있다(특허문헌 1~4). 이와 같은 정전 척 장치는, 돌기부에 지지된 판 형상 시료의 하면측에 냉각 가스를 도입하는 구조를 갖는다. 판 형상 시료는, 정전 척의 재치면에 정전 흡착됨과 함께, 냉각 가스의 유동에 의하여 일정한 온도를 유지한다.
일본 공개특허공보 2005-191561호 일본 공개특허공보 2003-86664호 일본 공개특허공보 2002-329776호 일본 공개특허공보 2014-27207호
정전 척 장치는, 판 형상 시료의 흡착과 이탈을 반복하여 행하기 때문에, 판 형상 시료에 접촉하여 지지하는 돌기부가 마모된다. 종래의 돌기부는, 정점(頂点)을 향하여 경사져 있었기 때문에, 마모에 의하여 판 형상 시료와의 접촉 면적이 증대되어, 돌기부와 판 형상 시료의 접촉 면적이 증가해 버린다. 따라서, 종래의 정전 척 장치는, 돌기부와 판 형상 시료의 사이의 열전도가, 마모에 따라 서서히 변화하여 동일한 가스 압력으로 판 형상 시료를 소정의 온도로 제어할 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 이루어졌으며, 돌기부의 마모에 따른 돌기부와 판 형상 시료의 사이의 접촉 면적의 증가를 억제하여, 열전도 특성의 경시적 변동을 보다 작게 할 수 있는 정전 척 장치의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 이하와 같다.
(1) 판 형상 시료를 정전 흡착용 전극에 의하여 흡착함과 함께 상기 판 형상 시료를 냉각하는 정전 척 장치로서, 세라믹 소결체를 형성 재료로 하고, 일 주면(主面)이 상기 판 형상 시료를 재치하는 재치면인 정전 척부를 가지며, 상기 재치면에는, 상기 판 형상 시료를 지지하는 복수의 돌기부가 마련되고, 상기 돌기부는, 정면(頂面)에서 상기 판 형상 시료와 접하여 상기 판 형상 시료를 지지하며, 또한 상기 정면의 높이 위치로부터 하방으로 단면적이 점증(漸增)하고 있고, 상기 돌기부의 상기 정면의 하단(下段)으로부터 0.6μm 하방의 단면적이, 상기 정면의 하단의 단면적에 대하여 110% 이하인 정전 척 장치.
(2) 상기 돌기부의 상기 정면의 하단으로부터 2.6μm 하방의 단면적이, 상기 정면의 하단의 단면적에 대하여 120% 이하인 (1)에 기재된 정전 척 장치.
(3) 상기 돌기부의 높이가 6μm 이상 50μm 이하이며, 상기 돌기부의 1/2의 높이에서의 단면적이, 상기 정면의 하단의 단면적에 대하여 140% 이하인 (1) 또는 (2)에 기재된 정전 척 장치.
(4) 상기 돌기부의 상기 정면은, 상기 돌기부의 정점으로부터 하방으로 0.4μm까지의 영역인 (1)에 기재된 정전 척 장치.
(5) 상기 재치면이, 산화 알루미늄-탄화 규소 복합 소결체, 산화 알루미늄 소결체, 질화 알루미늄 소결체, 또는 산화 이트륨 소결체로 이루어지는 (1)에 기재된 정전 척 장치.
(6) 상기 돌기부의 상기 정면의 표면 조도 Ra가, 0.1μm 이하이며, 상기 재치면에 있어서, 상기 돌기부가 형성되어 있지 않은 바닥면의 표면 조도 Ra가, 1.0μm 이하인, (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 정전 척 장치.
(7) 상기 재치면을 평면에서 본 면적에 대하여, 복수의 상기 정면의 하단에 있어서의 단면적의 총합이 차지하는 비율을 0.1% 이상 20% 이하로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 정전 척 장치.
본 발명의 정전 척 장치에 의하면, 돌기부의 마모에 따른 돌기부와 판 형상 시료의 사이의 접촉 면적의 증가를 억제하여, 열전도 특성의 경시적 변동을 작게 할 수 있고, 판 형상 시료의 온도 제어를 안정적으로 행할 수 있다.
도 1은 실시형태의 정전 척 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 실시형태의 정전 척 장치를 나타내는 평면도이다.
도 3a는 실시형태의 정전 척 장치에 마련된 돌기부(30)의 평면도를 나타낸다.
도 3b는 판 형상 시료를 지지하는, 실시형태의 정전 척 장치에 마련된 돌기부(30)의 측면도이다.
도 4는 실시형태의 정전 척 장치에 마련된 돌기부가 마모된 상태를 나타내는 측면도이다.
도 5a는 실시형태의 정전 척 장치에 마련된 돌기부의 형성 방법에 있어서, 마스크를 형성한 상태를 나타낸다.
도 5b는 실시형태의 정전 척 장치에 마련된 돌기부의 형성 방법에 있어서, 샌드 블라스트 공정 후의 상태를 나타낸다.
도 5c는 실시형태의 정전 척 장치에 마련된 돌기부의 형성 방법에 있어서, 마스크를 제거하고 버프 연마를 행한 후의 상태를 나타낸다.
도 6은 실시예와 비교예의 돌기부의 형상의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 예를 설명하지만, 본 발명은 이들 예에 한정되지 않는다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 부가, 생략, 치환, 및 그 외의 변경이 가능하다.
본 발명의 정전 척 장치는, 판 형상 시료를 정전 흡착용 전극에 의하여 흡착함과 함께 상기 판 형상 시료를 냉각하는 정전 척 장치로서, 세라믹 소결체를 형성 재료로 하고, 일 주면이 상기 판 형상 시료를 재치하는 재치면인 정전 척부를 가지며, 상기 재치면에는, 상기 판 형상 시료를 지지하는 복수의 돌기부가 마련되고, 상기 돌기부는, 정면에서 상기 판 형상 시료와 접하여 상기 판 형상 시료를 지지하며, 또한 상기 정면의 높이 위치로부터 하방으로 단면적이 점증하고 있고, 상기 돌기부의 상기 정면의 하단으로부터 0.6μm 하방의 단면적이, 상기 정면의 하단의 단면적에 대하여 110% 이하이다.
이 구성에 의하면, 돌기부의 정면의 하단의 단면적에 대하여, 정면으로부터 0.6μm 하방의 높이 위치의 단면적이 110% 이하로 되어 있다. 따라서, 돌기부의 높이가 0.6μm 정도 마모된 경우이더라도, 돌기부와 판 형상 시료의 접촉 면적(즉 정면의 면적)의 증가를 억제할 수 있다. 따라서, 돌기부의 마모가 진행된 경우이더라도, 돌기부와 판 형상 시료의 접촉 면적이 큰 폭으로 증가하지 않고, 열전도 특성의 변화를 억제할 수 있다.
또, 상기의 정전 척 장치는, 상기 돌기부의 상기 정면의 하단으로부터 2.6μm 하방의 단면적이, 상기 정면의 하단의 단면적에 대하여 120% 이하여도 된다.
이 구성에 의하면, 돌기부의 정면의 하단의 단면적에 대하여, 정면으로부터 0.6μm 하방의 높이 위치의 단면적이 120% 이하로 되어 있다. 일반적으로, 돌기부가 마모되어 높이가 1μm~3μm 정도 감소된 경우에는, 냉각 가스에 의한 냉각 효과 상태가 변화하는 것을 염려하여, 정전 척부, 또는 정전 척 장치 자체의 교환이 행해진다. 따라서, 정면으로부터 2.6μm 하방의 높이 위치의 단면적을 120% 이하로 함으로써, 교환이 행해질 때까지의 접촉 면적의 증가를 충분히 억제할 수 있다.
또, 상기의 정전 척 장치는, 상기 돌기부의 높이가 6μm 이상 50μm 이하이며, 상기 돌기부의 1/2의 높이에서의 단면적이, 상기 정면의 하단의 단면적에 대하여 140% 이하여도 된다.
이 구성에 의하면, 돌기부의 정면의 하단의 단면적에 대하여, 돌기부의 높이의 1/2의 위치의 단면적이 140% 이하로 되어 있다. 따라서, 돌기부의 높이의 반이 마모된 경우이더라도, 돌기부와 판 형상 시료의 접촉 면적(즉 정면의 면적)의 증가를 억제할 수 있다. 이로써, 돌기부의 마모가 진행된 경우이더라도 돌기부와 판 형상 시료의 열전도 특성의 변화를 억제할 수 있다.
또, 상기의 정전 척 장치는, 상기 돌기부의 상기 정면은, 상기 돌기부의 정점으로부터 하방으로 0.4μm까지의 영역이어도 된다.
정면은, 돌기부의 선단에 있어서, 판 형상 시료와 접촉하는 영역이다. 돌기부의 정면은, 완만한 곡면에 의하여 형성되어 있고, 판 형상 시료는 정면을 따라 변형되어 지지되어 있다.
판 형상 시료의 변형의 정도는, 정전 척 장치의 흡착력이나 냉각 가스의 도입 압력 등에 의존하기 때문에, 돌기부와 판 형상 시료의 접촉 면적도 이에 따라 변화한다. 정전 척 장치의 흡착력 및 냉각 가스의 도입 압력을 조정함으로써, 정면을 정점으로부터 하방의 0.4μm까지의 영역으로 할 수 있고, 이와 같이 정면을 설정함으로써, 판 형상 시료와 돌기부의 접촉 면적을 적당한 크기로 할 수 있다.
또, 상기의 정전 척 장치는, 상기 돌기부의 상기 정면의 표면 조도 Ra가, 0.03μm 이하이며, 상기 재치면에 있어서, 상기 돌기부가 형성되어 있지 않은 바닥면의 표면 조도 Ra가, 1.0μm 이하여도 된다.
이 구성에 의하면, 돌기부의 정면의 표면 조도 Ra가, 0.03μm 이하로 되어 있는 것에 의하여, 돌기부와 판 형상 시료의 접촉이 원활해진다. 판 형상 시료와 돌기부의 마찰이 작아져, 판 형상 시료를 정전 척에 흡착 또는 이탈시킬 때에, 돌기부의 마모가 진행되기 어려워진다. 따라서, 돌기부의 높이가 낮아지기 어려울 뿐만 아니라, 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 이 구성에 의하면, 재치면의 바닥면의 표면 조도 Ra가, 1.0μm 이하인 것에 의하여, 판 형상 시료의 부분적인 변형 등에 따라, 판 형상 시료가 바닥면에 접촉된 경우이더라도, 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
또, 상기의 정전 척 장치는, 상기 재치면을 평면에서 본 면적에 대하여, 복수의 상기 정면의 하단에 있어서의 단면적의 총합이 차지하는 비율을 0.1% 이상 20% 이하로 해도 된다.
이 구성에 의하면, 재치면 전체에 대하여 돌기부의 정면의 하단의 단면적이 차지하는 비율을 20% 이하로 한다. 판 형상 시료의 온도 제어는, 돌기부와의 열전도와, 냉각 가스에 의한 열전달에 의하여 행해진다. 돌기부의 정면의 하단의 단면적이 차지하는 비율을 20% 이하로 함으로써, 판 형상 시료와 돌기부의 열전도의 영향을 작게 하여, 냉각 가스의 열전달의 영향을 상대적으로 크게 할 수 있다. 이로써, 마모가 진행된 경우의 돌기부와 판 형상 시료의 접촉 면적의 변화의 영향을 작게 할 수 있다.
또, 이 구성에 의하면, 재치면 전체에 대하여 돌기부의 정면의 하단의 단면적이 차지하는 비율을 0.1% 이상으로 한다. 이로써, 과도하게 판 형상 시료를 변형시키지 않는 충분한 접촉 면적을 확보하여 판 형상 시료를 돌기부에 의하여 지지할 수 있다.
이하에, 본 발명의 일 실시형태인 정전 척 장치(1)에 대하여, 도면에 근거하여 설명한다.
이하의 설명에서 이용하는 도면은, 특징 부분을 강조할 목적으로, 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있으며, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다고는 한정지을 수 없다. 또, 동일한 목적으로, 특징이 되지 않는 부분을 생략하여 도시하고 있는 경우가 있다.
<정전 척 장치>
도 1은, 정전 척 장치(1)의 단면도이며, 도 2는, 정전 척 장치(1)의 평면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 정전 척 장치(1)는, 원판 형상의 정전 척부(2)와, 정전 척부(2)를 원하는 온도로 조정하는 두께감이 있는 원판 형상의 냉각 베이스부(3)와, 정전 척부(2)의 하면(다른 주면)에 접착된 소정의 패턴을 갖는 접착재(4)와, 접착재(4)의 하면에 접착된 상기 접착재(4)와 동일 형상 패턴의 히터 엘리먼트(5)와, 냉각 베이스부(3)의 상면에 접착재(6)를 통하여 접착된 절연 부재(7)와, 정전 척부(2)의 하면의 히터 엘리먼트(5)와 냉각 베이스부(3) 상의 절연 부재(7)를 대향시킨 상태에서 이들을 접착 일체화시키는 유기계 접착제 등으로 이루어지는 수지층(8)을 갖고 있다.
정전 척 장치(1)는, 냉각 베이스부(3), 수지층(8), 정전 척부(2)가 이 순서로 도 1의 +Z 방향(높이 방향)으로 적층된 구조를 갖는다.
정전 척 장치(1)에는, 정전 척부(2), 수지층(8), 절연 부재(7), 접착재(6), 및 냉각 베이스부(3)를 관통하는 냉각 가스 도입 구멍(18)이 형성되어 있다. 냉각 가스 도입 구멍(18)으로부터는, He 등의 냉각 가스가 공급된다. 냉각 가스는, 정전 척부(2)의 재치면(19)과 판 형상 시료(W)의 하면의 간극을 흘러, 판 형상 시료(W)의 온도를 낮추는 기능을 한다.
정전 척부(2)는, 상면(일 주면)이 반도체 웨이퍼 등의 판 형상 시료(W)를 재치하는 재치면(19)으로 된 재치판(11)과, 재치판(11)과 일체화되어 상기 재치판(11)을 지지하는 지지판(12)과, 이들 재치판(11)과 지지판(12)의 사이에 마련된 정전 흡착용 내부 전극(13) 및 정전 흡착용 내부 전극(13)의 주위를 절연하는 절연재층(14)과, 지지판(12)을 관통하도록 하여 마련되고 정전 흡착용 내부 전극(13)에 직류 전압을 인가하는 급전용 단자(15)를 갖고 있다.
도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 정전 척부(2)의 재치면(19)에는, 직경이 판 형상 시료(W)의 두께보다 작은 돌기부(30)가 복수 개 형성되어 있다. 정전 척 장치(1)는, 복수의 돌기부(30)가 판 형상 시료(W)를 지지하는 구성으로 되어 있다. 돌기부(30)의 형상에 대해서는, 후단에 있어서 상세하게 설명한다.
또 재치면(19)의 둘레 가장자리에는, 둘레 가장자리 벽(17)이 형성되어 있다. 둘레 가장자리 벽(17)은, 돌기부(30)와 동일한 높이로 형성되어 있고, 돌기부(30)와 함께 판 형상 시료(W)를 지지한다. 둘레 가장자리 벽(17)은, 재치면(19)과 판 형상 시료(W)의 사이에 도입되는 냉각 가스가 누출되는 것을 억제하기 위하여 마련되어 있다.
재치판(11) 및 지지판(12)은, 중첩시킨 면의 형상을 동일하게 하는 원판 형상의 것이며, 산화 알루미늄-탄화 규소(Al2O3-SiC) 복합 소결체, 산화 알루미늄(Al2O3) 소결체, 질화 알루미늄(AlN) 소결체, 산화 이트륨(Y2O3) 소결체 등의 기계적인 강도를 갖고, 또한 부식성 가스 및 그 플라즈마에 대한 내구성을 갖는 절연성의 세라믹스 소결체로 이루어진다.
세라믹스 소결체 중의 세라믹스 입자의 평균 입경은 10μm 이하가 바람직하고, 2μm 이하가 보다 바람직하다. 정전 척부(2)의 재치면(19)에 마련되는 돌기부(30)의 형성 과정에서 샌드 블라스트 가공을 행한다. 샌드 블라스트 공정은, 재치면(19)의 표면에 데미지를 부여하여, 굴삭하는 공정이기 때문에, 돌기부(30)의 내부에 크랙이 잔류한다. 크랙은, 샌드 블라스트 공정 후에 행해지는 버프 연마에 의하여, 강제적으로 진행되어, 사전에 제거된다.
크랙은, 세라믹 소결체 중의 세라믹 입자의 입계에 형성된다. 따라서, 세라믹 입자의 입경이 큰 경우에는, 버프 연마를 거침으로써, 입계를 따라 크게 모서리부가 제거된다. 세라믹 입자의 입경이 커질수록, 돌기부(30)는 보다 둥그스름한 형상이 된다. 후술하는 바와 같이, 본 실시형태의 돌기부(30)는, 높이 방향에 단면적의 변화가 없는 것이 바람직하기 때문에, 돌기부(30)는 둥그스름하지 않은 것이 바람직하다. 세라믹스 입자의 평균 입경은 10μm 이하(보다 바람직하게는 2μm 이하)로 함으로써, 높이 방향을 따른 단면적의 변화를 억제한 돌기부(30)를 재치면(19)에 형성할 수 있다.
재치판(11), 지지판(12), 정전 흡착용 내부 전극(13) 및 절연재층(14)의 합계의 두께, 즉, 정전 척부(2)의 두께는 0.5mm 이상이고 또한 5.0mm 이하가 바람직하다. 정전 척부(2)의 두께가 0.5mm를 하회하면, 정전 척부(2)의 기계적 강도를 확보할 수 없다. 한편, 정전 척부(2)의 두께가 5.0mm를 상회하면, 정전 척부(2)의 열용량이 너무 커져, 재치되는 판 형상 시료(W)의 열응답성이 열화되고, 나아가서는, 정전 척부(2)의 가로 방향의 열전도의 증가에 의하여, 판 형상 시료(W)의 면내 온도를 원하는 온도 패턴으로 유지하는 것이 곤란해진다.
특히, 재치판(11)의 두께는, 0.3mm 이상이고 또한 2.0mm 이하가 바람직하다. 재치판(11)의 두께가 0.3mm를 하회하면, 정전 흡착용 내부 전극(13)에 인가된 전압에 의하여 방전될 위험성이 높아진다. 한편, 2.0mm를 넘으면, 판 형상 시료(W)를 충분히 흡착 고정하지 못하고, 따라서, 판 형상 시료(W)를 충분히 가열하는 것이 곤란해진다.
정전 흡착용 내부 전극(13)은, 전하를 발생시켜 정전 흡착력으로 판 형상 시료(W)를 고정하기 위한 정전 척용 전극으로서 이용되므로, 그 용도에 따라, 그 형상이나, 크기가 적절히 조정된다.
정전 흡착용 내부 전극(13)은, 산화 알루미늄-탄화 탄탈럼(Al2O3-Ta4C5) 도전성 복합 소결체, 산화 알루미늄-텅스텐(Al2O3-W) 도전성 복합 소결체, 산화 알루미늄-탄화 규소(Al2O3-SiC) 도전성 복합 소결체, 질화 알루미늄-텅스텐(AlN-W) 도전성 복합 소결체, 질화 알루미늄-탄탈럼(AlN-Ta) 도전성 복합 소결체, 산화 이트륨-몰리브데넘(Y2O3-Mo) 도전성 복합 소결체 등의 도전성 세라믹스, 혹은 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브데넘(Mo) 등의 고융점 금속에 의하여 형성되어 있다.
정전 흡착용 내부 전극(13)의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.1μm 이상이며 또한 100μm 이하가 바람직하고, 특히 바람직하게는 5μm 이상이며 또한 20μm 이하이다.
두께가 0.1μm를 하회하면, 충분한 도전성을 확보할 수 없다. 한편, 두께가 100μm를 넘으면, 정전 흡착용 내부 전극(13)과 재치판(11) 및 지지판(12)과의 사이의 열팽창률 차에 기인하여, 정전 흡착용 내부 전극(13)과 재치판(11) 및 지지판(12)과의 접합 계면에 크랙이 발생하기 쉬워진다.
이와 같은 두께의 정전 흡착용 내부 전극(13)은, 스퍼터링법이나 증착법 등의 성막법, 혹은 스크린 인쇄법 등의 도공법에 의하여 용이하게 형성할 수 있다.
절연재층(14)은, 정전 흡착용 내부 전극(13)을 포위하여 부식성 가스 및 그 플라즈마로부터 정전 흡착용 내부 전극(13)을 보호한다. 또, 절연재층(14)은, 재치판(11)과 지지판(12)의 경계부, 즉 정전 흡착용 내부 전극(13) 이외의 외주부 영역을 접합 일체화시킨다. 절연재층(14)은, 재치판(11) 및 지지판(12)을 구성하는 재료와 동일 조성 또는 주성분이 동일한 절연 재료에 의하여 구성되어 있다.
급전용 단자(15)는, 정전 흡착용 내부 전극(13)에 직류 전압을 인가하기 위하여 마련된 봉 형상의 것이며, 급전용 단자(15)의 재료로서는, 내열성이 우수한 도전성 재료이면 특별히 제한되는 것은 아니다. 급전용 단자(15)는, 열팽창 계수가 정전 흡착용 내부 전극(13) 및 지지판(12)의 열팽창 계수에 근사한 것이 바람직하고, 예를 들면 정전 흡착용 내부 전극(13)을 구성하고 있는 도전성 세라믹스, 혹은 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브데넘(Mo), 나이오븀(Nb), 코바르 합금 등의 금속 재료가 적합하게 이용된다.
급전용 단자(15)는, 절연성을 갖는 애자(23)에 의하여 냉각 베이스부(3)에 대하여 절연되어 있다.
급전용 단자(15)는 지지판(12)에 접합 일체화되고, 또한 재치판(11)과 지지판(12)은, 정전 흡착용 내부 전극(13) 및 절연재층(14)에 의하여 접합 일체화되어 정전 척부(2)를 구성하고 있다.
냉각 베이스부(3)는, 정전 척부(2)를 원하는 온도로 조정하고, 두께감이 있는 원판 형상이다.
냉각 베이스부(3)로서는, 예를 들면 그 내부에 물을 순환시키는 유로(도시하지 않음)가 형성된 수랭 베이스 등이 적합하다.
냉각 베이스부(3)를 구성하는 재료로서는, 열전도성, 도전성, 가공성이 우수한 금속, 또는 이들 금속을 포함하는 복합재이면 특별히 제한은 없고, 예를 들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 구리(Cu), 구리 합금, 스테인리스강(SUS) 등이 적합하게 이용된다. 냉각 베이스부(3) 중 적어도 플라즈마에 노출되는 면은, 알루마이트 처리가 실시되어 있거나, 혹은 알루미나 등의 절연막이 성막되어 있는 것이 바람직하다.
접착재(4)는, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등의 내열성 및 절연성을 갖고 후술하는 히터 엘리먼트(5)와 동일한 패턴 형상의 시트 형상 또는 필름 형상의 접착성 수지이며, 두께는 5μm~100μm가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10μm~50μm이다.
접착재(4)의 면내의 두께의 편차는 10μm 이내가 바람직하다. 접착재(4)의 면내의 두께의 편차가 10μm를 넘으면, 정전 척부(2)와 히터 엘리먼트(5)의 면내 간격에 10μm를 넘는 편차가 발생한다. 그 결과, 히터 엘리먼트(5)로부터 정전 척부(2)에 전해지는 열의 면내 균일성이 저하되어, 정전 척부(2)의 재치면(19)에 있어서의 면내 온도가 불균일하게 되므로, 바람직하지 않다.
히터 엘리먼트(5)는, 지지판(12)의 하면에 접착재(4)에 의하여 접착 고정되어 있다. 히터 엘리먼트(5)는, 폭이 좁은 띠 형상의 금속 재료를 사행(蛇行)시킨 1개의 연속적인 띠 형상의 히터 패턴이다. 띠 형상의 히터 엘리먼트(5)의 양 단부에는, 도 1에 나타내는 급전용 단자(22)가 접속되고, 급전용 단자(22)는, 절연성을 갖는 애자(23)에 의하여 냉각 베이스부(3)에 대하여 절연되어 있다.
히터 엘리먼트(5)의 히터 패턴은, 1개의 히터 패턴에 의하여 구성해도 되지만, 서로 독립적인 2개 이상의 히터 패턴에 의하여 구성해도 된다. 서로 독립적인 복수의 히터 패턴을 개별로 제어함으로써, 처리 중의 판 형상 시료(W)의 온도를 자유롭게 제어할 수 있다.
히터 엘리먼트(5)는, 두께가 0.2mm 이하, 바람직하게는 0.1mm 이하의 일정한 두께를 갖는 비자성 금속 박판, 예를 들면 타이타늄(Ti) 박판, 텅스텐(W) 박판, 몰리브데넘(Mo) 박판 등을 포트리소그래피법에 의하여, 원하는 히터 패턴으로 에칭 가공함으로써 형성된다.
패턴으로 유지하는 것이 용이해지므로 바람직하다.히터 엘리먼트(5)의 두께를 0.2mm 이하로 한 이유는, 두께가 0.2mm를 넘으면, 히터 엘리먼트(5)의 패턴 형상이 판 형상 시료(W)의 온도 분포로서 반영되어, 판 형상 시료(W)의 면내 온도를 원하는 온도 패턴으로 유지하는 것이 곤란해진다.
또, 히터 엘리먼트(5)를 비자성 금속으로 형성하면, 정전 척 장치(1)를 고주파 분위기 중에서 이용해도 히터 엘리먼트(5)가 고주파에 의하여 자기 발열하지 않고, 따라서, 판 형상 시료(W)의 면내 온도를 원하는 일정 온도 또는 일정한 온도 패턴으로 유지하는 것이 용이해지므로 바람직하다.
또, 일정한 두께의 비자성 금속 박판을 이용하여 히터 엘리먼트(5)를 형성함으로써, 히터 엘리먼트(5)의 두께가 가열면 전역에서 일정해진다. 이로써, 히터 엘리먼트(5)의 발열량을 가열면 전역에서 일정하게 할 수 있어, 정전 척부(2)의 재치면(19)에 있어서의 온도 분포를 균일화할 수 있다.
접착재(6)는, 냉각 베이스부(3)의 상면에 절연 부재(7)를 접착시키고, 접착재(4)와 마찬가지로, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등의 내열성 및 절연성을 갖는 시트 형상 또는 필름 형상의 접착성 수지이며, 두께는 5μm~100μm가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10μm~50μm이다.
접착재(6)의 면내의 두께의 편차는 10μm 이내가 바람직하다. 접착재(6)의 면내의 두께의 편차가 10μm를 넘으면, 냉각 베이스부(3)와 절연 부재(7)의 간격에 10μm를 넘는 편차가 발생한다. 그 결과, 냉각 베이스부(3)에 의한 정전 척부(2)의 온도 제어의 면내 균일성이 저하되어, 정전 척부(2)의 재치면(19)에 있어서의 면내 온도가 불균일하게 되므로, 바람직하지 않다.
절연 부재(7)는, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등의 절연성 및 내전압성을 갖는 필름 형상 또는 시트 형상의 수지이며, 절연 부재(7)의 면내의 두께의 편차는 10μm 이내가 바람직하다.
절연 부재(7)의 면내의 두께의 편차가 10μm를 넘으면, 두께의 대소에 따라 온도 분포에 높낮이의 차가 발생한다. 그 결과, 절연 부재(7)의 두께 조정에 의한 온도 제어에 악영향을 미치므로, 바람직하지 않다.
절연 부재(7)의 열전도율은, 0.05W/mk 이상이며 또한 0.5W/mk 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1W/mk 이상이며 또한 0.25W/mk 이하이다.
열전도율이 0.1W/mk 미만이면, 정전 척부(2)로부터 냉각 베이스부(3)로의 절연 부재(7)를 통한 열전도가 일어나기 어려워져, 냉각 속도가 저하되므로 바람직하지 않다. 한편, 열전도율이 1W/mk를 넘으면, 히터부로부터 냉각 베이스부(3)로의 절연 부재(7)를 통한 열전도가 증가하여, 승온 속도가 저하되므로 바람직하지 않다.
수지층(8)은, 정전 척부(2)의 하면과 냉각 베이스부(3)의 상면의 사이에 개재된다. 수지층(8)은, 히터 엘리먼트(5)가 접착된 정전 척부(2)와 냉각 베이스부(3)를 접착 일체화시킴과 함께, 열응력의 완화 작용을 갖는다.
수지층(8)은, 그 내부나, 정전 척부(2)의 하면, 히터 엘리먼트(5)의 하면, 및 냉각 베이스부(3)의 상면과의 계면에 공극(空隙)이나 결함이 적은 것이 바람직하다. 공극이나 결함이 형성되어 있으면, 열전도성이 저하되어 판 형상 시료(W)의 균열성이 저해될 우려가 있다.
수지층(8)은, 예를 들면 실리콘계 수지 조성물을 가열 경화한 경화체 또는 아크릴 수지로 형성되어 있다. 수지층(8)은, 유동성이 있는 수지 조성물을 정전 척부(2)와 냉각 베이스부(3)의 사이에 충전시킨 후에 가열 경화시킴으로써 형성하는 것이 바람직하다. 정전 척부(2)의 하면에는 히터 엘리먼트(5)가 마련되어 있으며, 이에 의하여 요철이 형성되어 있다.
또, 냉각 베이스부(3)의 상면 및 정전 척부(2)의 하면은 반드시 평탄하지만은 않다. 유동성의 수지 조성물을 냉각 베이스부(3)와 정전 척부(2)의 사이에 충전시킨 후에 경화시켜 수지층(8)을 형성함으로써, 정전 척부(2)와 냉각 베이스부(3)의 요철에 기인하여 수지층(8)에 공극이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 수지층(8)의 열전도 특성을 면내에 균일하게 할 수 있어, 정전 척부(2)의 균열성을 높일 수 있다.
<돌기부>
도 3a는, 돌기부(30)의 평면도이며, 도 3b는, 판 형상 시료(W)를 지지하는 돌기부(30)의 측면도이다. 도 3a, 도 3b는, 특징 부분을 강조할 목적으로, 실제의 형상과는 다른 치수 비율로 도시되어 있다.
돌기부(30)는, 재치판(11)의 상면인 재치면(19)에 복수 마련되어 있으며, 재치면(19)의 바닥면(19a)으로부터 상방으로 돌출되어 형성되어 있다. 돌기부(30)는, 대체로 원뿔대형상을 갖고 있으며, 바닥면(19a)을 따르는 단면이 원 형상이다. 돌기부(30)의 형상은, 원뿔대형상에 한정되지 않는다. 또, 돌기부(30)의 단면 형상은, 원 형상에 제한되지 않고, 직사각형상, 삼각형상이어도 된다.
돌기부(30)는, 높이(H)(즉, 바닥면(19a)으로부터 정점(41)까지의 거리)가, 6μm 이상 50μm 이하로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 6μm 이상 20μm 이하로 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.
돌기부(30)는, 선단에 위치하는 선단부(31)와, 대략 일정한 기울기로 선단측을 향하여 단면 직경이 작아져 가는 기둥부(32)와, 기둥부(32)와 바닥면(19a)을 완만한 곡률로 접속하는 스커트부(34)를 갖고 있다.
선단부(31)는, 완만한 곡면으로 융기되어 있고, 선단부(31)의 최선단에는, 정점(41)이 위치한다. 선단부(31)의 표면은, 선단부(31)의 둘레 가장자리에 있어서 기둥부(32)와 원활하게 접속되는 모서리 곡면(31a)과, 모서리 곡면(31a)의 내측에 위치하는 완곡면(31b)을 포함한다.
모서리 곡면(31a)의 곡률 반경은 1μm 미만인 것이 바람직하고, 0.5μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 또, 완곡면(31b)의 곡률 반경은, 크면 클수록 바람직하고, 곡면으로 되어 있지 않은 평탄면인 것이 가장 바람직하다.
선단부(31)는, 판 형상 시료(W)와 맞닿는다. 선단부(31)에 있어서, 판 형상 시료(W)는, 완만한 곡면에 추종하여, 변형된 상태가 된다. 선단부(31)에 있어서, 판 형상 시료(W)와 돌기부(30)가 접촉하는 영역을 정면(40)으로 한다.
정면(40)은, 돌기부(30)에 있어서 정점(41)으로부터 하방으로 거리 h1까지의 일정 영역이다.
정면(40)의 크기는, 판 형상 시료(W)의 변형의 정도에 따라 변화한다. 판 형상 시료(W)는, 정전 척 장치(1)의 흡착력과, 판 형상 시료(W)의 하면과 바닥면(19a)의 사이를 흐르는 냉각 가스의 압력과의 밸런스에 의하여, 변형의 정도가 변화한다. 판 형상 시료(W)는, 정전 척 장치(1)의 흡착력이 큰 경우, 또는 냉각 가스 압력이 높은 경우에, 더 침입된다. 따라서, 정면(40)의 크기는, 정전 척 장치(1)의 흡착력과 냉각 가스의 도입 압력에 의존한다.
일례로서, 정면(40)은, 돌기부(30)의 정점(41)으로부터 하방으로 거리 h1을 0.4μm로 하는 영역이다.
정면(40)은, 흡착력이나 가스 압력에 의하여, 선단부(31)의 완곡면(31b)만으로 형성되어 있는 경우와, 완곡면(31b) 전체와 모서리 곡면(31a)의 일부를 덮도록 형성되어 있는 경우가 있다.
정면(40)의 표면 조도 Ra는, 0μm 이상 0.1μm 이하로 하는 것이 바람직하고, 0μm 이상 0.05μm 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 0μm 이상 0.03μm 이하로 하는 것이 보다 더 바람직하고, 0μm 이상 0.015μm 이하로 하는 것이 더욱 더 바람직하다. 정면(40)의 표면 조도 Ra를 0μm 이상 0.1μm 이하(보다 바람직하게는 0μm 이상 0.05μm 이하, 보다 더 바람직하게는 0μm 이상 0.03μm 이하, 더욱 더 바람직하게는 0μm 이상 0.015μm 이하)로 함으로써, 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 마찰을 억제할 수 있다. 이로써, 판 형상 시료(W)와의 접촉에 의하여 판 형상 시료(W)가 손상되는 것을 방지한다. 또, 판 형상 시료(W)를 정전 척에 흡착 또는 이탈시킬 때에, 돌기부(30)의 마모가 진행되기 어려워져, 마모에 기인하는 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
표면 조도 Ra는, 조도 곡선으로부터 그 평균선의 방향으로 기준 길이 l만을 뽑아내고, 이 뽑아낸 부분의 평균선의 방향으로 x축을, 세로 방향으로 y축을 취하여, 조도 곡선을 y=f(x)로 나타냈을 때에, 이하의 식에 의하여 구해지는 값을 마이크로미터(μm)로 나타낸 것을 말한다.
[수학식 1]
Figure pct00001
정면(40)의 면적이 작은 경우에는 표면 조도 Ra를 측정하기 위한 측정 길이를 충분히 확보할 수 없는 경우가 있다. 이 경우에는, 돌기부(30)와 동등한 조건으로 형성한 다른 부위의 측정에 따라, 정면(40)의 표면 조도 Ra를 추정할 수 있다. 구체적으로는, 재치면(19)의 둘레 가장자리에 마련된 둘레 가장자리 벽(17)(도 1, 도 2 참조)의 상면을 측정함으로써, 정면(40)의 표면 조도 Ra를 추정할 수 있다.
본 실시형태의 돌기부(30)는, 정면(40)의 하단(40a)(즉, 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 접촉 영역의 경계)에 있어서의 단면 형상이 원형이다. 정면(40)의 하단(40a)에 있어서의 단면의 직경(d1)은, 100μm 이상 3000μm 이하인 것이 바람직하고, 200μm 이상 2000μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 정면(40)의 하단(40a)에 있어서의 단면적은, 직경(d1)을 이용하여, π×(d1/2)2로서 나타난다. 따라서, 정면(40)의 하단(40a)에 있어서의 단면적은, 7.9×10-3mm2 이상 7.1mm2 이하인 것이 바람직하고, 3.1×10-2mm2 이상 3.1mm2인 것이 보다 바람직하다.
기둥부(32)는, 선단부(31)를 향하여 바닥면(19a)측으로부터, 단면적이 점감(漸減)하도록 형성되어 있다. 기둥부(32)의 단면적의 변화율, 즉 기둥부(32)의 둘레면의 기울기는 높이 방향을 따라 일정해도 되고, 변화율(기울기)이 높이 방향을 따라 변화해도 된다.
스커트부(34)는, 바닥면(19a)과 기둥부(32)를 완만하게 접속한다. 스커트부(34)를 크게 함(즉, 측면도(도 3b)의 시야에 있어서의 스커트부(34)의 곡률 반경을 크게 함)에 따라, 돌기부(30)와 재치판(11)의 열의 이동량을 보다 많게 할 수 있다. 따라서, 스커트부(34)를 크게 함으로써, 돌기부(30)의 열응답성이 높아져, 판 형상 시료(W)의 온도 제어의 제어를 고속으로 행할 수 있다. 또, 스커트부(34)를 크게 함으로써, 돌기부(30)의 마모 등에 의하여 발생한 파티클이, 바닥면(19a)과 기둥부(32)의 사이에 체류되기 어려워지기 때문에, 파티클의 제거성을 높일 수 있다.
재치면(19)의 바닥면(19a)은, 돌기부(30)가 마련되어 있지 않은 영역에 위치한다. 바닥면(19a)의 표면 조도 Ra는, 0μm 이상 1.0μm 이하로 하는 것이 바람직하고, 0μm 이상 0.8μm 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이로써, 판 형상 시료(W)의 부분적인 변형 등에 따라, 판 형상 시료(W)가 바닥면(19a)에 접촉된 경우이더라도, 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
돌기부(30)는, 정전 척 장치(1)가 판 형상 시료(W)의 흡착과 이탈을 반복함으로써 마모된다.
도 4는, 마모 후의 돌기부(130)를 나타내는 도이다. 도 4에 있어서, 마모 전의 돌기부(30)를 파선(破線)으로 나타낸다.
마모 후의 돌기부(130)에는, 마모 전에 의하여 새로운 선단부(131)가 형성되어 있다. 마모 후의 선단부(131)의 형상은, 마모에 의하여 평탄화되어, 마모 전의 선단부(31)의 형상과 비교하여, 곡률 반경이 커지는 경우나, 곡률 반경이 거의 변화하지 않는 경우 등이 있다.
마모 후의 돌기부(130)는, 선단부(131)에 의하여 판 형상 시료(W)를 지지한다. 선단부(131)에는, 판 형상 시료(W)와의 접촉 영역인 새로운 정면(140)이 포함된다.
마모 후의 돌기부(130)의 정면(140)은, 마모 전의 돌기부(30)의 정면(40)보다 하방에 위치한다. 돌기부(30)는, 하방으로 단면적이 점증되는 원뿔대형상을 갖고 있기 때문에, 마모 후의 정면(140)은, 마모 전의 정면(40)보다 표면적이 커진다. 즉, 마모 후의 돌기부(130)와 판 형상 시료(W)의 접촉 면적은, 마모 전과 비교하여 커진다.
돌기부(30)는, 정면(40)의 하단(40a)으로부터의 높이 방향의 거리 h2=0.6μm에서의 단면적을, 하단(40a)의 단면적에 대하여 100% 이상 110% 이하로 하는 것이 바람직하고, 100% 이상 105% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이로써, 높이가 0.6μm 정도 마모된 후의 돌기부(130)는, 마모 전의 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 접촉 면적의 증가를 억제할 수 있다. 따라서 마모가 진행된 후이더라도, 돌기부(130)와 판 형상 시료(W)의 접촉 면적이 큰 폭으로 증가하지 않아, 마모 전후에서의 열전도 특성의 변화를 억제할 수 있다.
본 실시형태의 돌기부(30)에 있어서, 정면(40)의 하단(40a)으로부터의 0.6μm 하방 위치에서의 단면적은, 정면(40)의 하단(40a)으로부터의 0.6μm 하방 위치의 직경(d2)을 이용하여, 단면적은 π×(d2/2)2으로서 나타난다.
또한, 돌기부(30)는, 정면(40)의 하단(40a)으로부터의 높이 방향의 거리 h3=2.6μm에서의 단면적을, 하단(40a)의 단면적에 대하여 100% 이상 120% 이하로 하는 것이 바람직하고, 100% 이상 110% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
일반적으로, 돌기부(30)가 마모되어 높이가 1μm~3μm 정도 감소된 경우에는, 냉각 가스에 의한 냉각 효과 상태가 변화하는 것을 염려하여, 정전 척부(2), 또는 정전 척 장치(1) 자체의 교환이 행해진다. 따라서, 정면(40)으로부터 2.6μm 하방의 높이 위치의 단면적을 100% 이상 120% 이하, 보다 바람직하게는 100% 이상 110% 이하로 함으로써, 교환이 행해질 때까지의 접촉 면적의 증가를 충분히 억제할 수 있다.
본 실시형태의 돌기부(30)에 있어서, 정면(40)의 하단(40a)으로부터의 2.6μm 하방 위치에서의 단면적은, 정면(40)의 하단(40a)으로부터의 2.6μm 하방 위치의 직경(d3)을 이용하여, 단면적은 π×(d3/2)2으로서 나타난다.
또한, 돌기부(30)는, 돌기부(30)의 높이(H)의 절반(H/2)에서의 단면적이, 정면(40)의 하단(40a)의 단면적에 대하여 100% 이상 140% 이하인 것이 바람직하고, 100% 이상 110% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이로써, 돌기부(30)의 높이(H)의 절반이 마모된 경우이더라도, 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 접촉 면적의 증가를 억제할 수 있다.
본 실시형태의 돌기부(30)에 있어서, 돌기부(30)의 높이(H)의 절반(H/2)에서의 단면적은, 돌기부(30)의 높이(H)의 절반(H/2)의 위치의 직경(d4)을 이용하여, 단면적은 π×(d4/2)2으로서 나타난다.
정면(40)이 구성되는 선단부(31)는, 완곡면(31b) 및 모서리 곡면(31a)을 갖는다. 완곡면(31b) 및 모서리 곡면(31a)의 곡률 반경은, 정면(40)의 하단(40a)의 직경에 대하여 충분히 크다. 이 점에서, 정면(40)의 표면적(즉, 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 접촉 면적)은, 정면(40)의 하단(40a)의 단면적에 근사될 수 있다. 또, 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 사이에서 전열하는 단위 시간당 열량은, 접촉 면적에 비례한다.
따라서, 도 4에 나타내는 마모 전후의 정면(40, 140)의 하단(40a, 140a)의 단면적의 변화는, 마모 전후의 돌기부(30, 130)와 판 형상 시료(W)의 사이에서 단위 시간당 전해지는 열량의 변화와 비례한다.
마모 후의 돌기부(130)에 있어서의 정면(140)의 하단(140a)의 단면적은, 마모 전에 있어서의 돌기부(30)의 정면(40)의 하단(40a)의 단면적에 대하여, 140% 이하인 것이 바람직하고, 120% 이하인 것이 보다 바람직하며, 110% 이하인 것이 더 바람직하다.
이로써, 마모 후의 돌기부(130)와 판 형상 시료(W)의 사이에 전해지는 열량을, 마모 전의 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 사이에 전해지는 열량과 비교하여, 각각, 140% 이하, 120% 이하, 110% 이하로 할 수 있다.
마모 전후에서의 단위 시간당 전해지는 열량의 변화가, 140% 이하이면, 냉각 가스의 도입 압력을 조정함으로써, 판 형상 시료(W)의 온도의 변화를 억제할 수 있다. 즉, 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 열전도의 변화를, 냉각 가스와 판 형상 시료(W)의 열전달에 의하여 보완하여, 조정할 수 있다. 따라서, 마모가 진행된 후여도, 당초와 동일한 온도 제어가 가능하다.
또, 마모 전후에서의 단위 시간당 전해지는 열량의 변화가, 120% 이하인 경우에는, 판 형상 시료(W)의 온도에 대한 영향이 충분히 작게 허용될 수 있다. 따라서, 냉각 가스의 도입 압력을 조정할 필요없이, 마모 전과 동일한 온도 제어가 가능해진다.
또한, 마모 전후에서의 단위 시간당 전해지는 열량의 변화가, 110% 이하인 경우에는, 판 형상 시료(W)의 온도에 대한 영향을 거의 무시할 수 있다.
재치면(19)에는, 복수의 돌기부(30)가 마련되고, 각 돌기부(30)에 대응하여 복수의 정면(40)이 존재한다. 복수의 정면(40)의 하단(40a)에 있어서의 단면적의 총합은, 재치면(19)을 평면에서 본 면적에 대하여 0.1% 이상 20% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.1% 이상 10% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
판 형상 시료(W)의 온도 제어는, 돌기부(30)와의 열전도와, 냉각 가스에 의한 열전달에 의하여 행해진다. 돌기부(30)의 정면(40)의 하단(40a)의 단면적이 차지하는 비율을 20% 이하(보다 바람직하게는 10% 이하)로 함으로써, 판 형상 시료(W)와 돌기부(30)의 열전도의 영향을 작게 하여, 냉각 가스의 열전달의 영향을 상대적으로 크게 할 수 있다. 이로써, 마모가 진행된 경우의 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 접촉 면적의 변화의 영향을 작게 할 수 있다.
또, 복수의 정면(40)의 하단(40a)에 있어서의 단면적의 총합이 너무 작은 경우에는, 접촉 면적이 부족하여 돌기부(30)와 접촉하는 판 형상 시료(W)가 과도하게 변형될 우려가 있다. 돌기부(30)의 정면(40)의 하단(40a)의 단면적이 차지하는 비율을 0.1% 이상으로 함으로써, 과도하게 판 형상 시료(W)를 변형시키지 않는 충분한 접촉 면적을 확보하여 판 형상 시료(W)를 돌기부(30)에 의하여 지지할 수 있다.
다음으로, 돌기부(30)를 재치판(11)의 재치면(19)에 형성하는 방법을, 도 5a~도 5c에 근거하여 설명한다.
돌기부(30)는, 예를 들면 숫돌 가공, 레이저 조각 등의 기계적 가공, 혹은 샌드 블라스트 가공 등을 이용하여 행할 수 있다. 또, 마무리로서의 연마는, 미소 연마 입자와 버프재를 이용한 버프 연마, 또는 미소 연마 입자와 초음파를 이용한 초음파 연마에 의하여, 효율적으로 행할 수 있다.
또, 돌기부(30)의 형성 공정에 있어서, 동일한 공정을 재치면(19)의 둘레 가장자리에 실시함으로써, 둘레 가장자리 벽(17)(도 1, 도 2 참조)을 동시에 형성할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 샌드 블라스트 가공을 행한 후에 연마 공정으로서 버프 연마를 행하는 경우에 대하여, 설명한다.
먼저, 재치판(11)의 상면인 재치면(19)을 연마 가공하여 평탄면으로 하고, 추가로 세정한다. 세정은, 예를 들면 아세톤, 아이소프로필알코올, 톨루엔 등의 유기 용제로 탈지를 행하고, 그 후, 예를 들면 온수로 세정한다.
이어서, 도 5a에 나타내는 바와 같이, 재치면(19)에 소정의 패턴 형상의 마스크(51)를 형성한다. 마스크(51)의 패턴 형상은, 도 2에 나타내는 돌기부(30) 및 둘레 가장자리 벽(17)을 평면에서 보았을 때의 패턴과 동일하게 한다. 마스크(51)로서는, 감광성 수지나 판 형상 마스크가 적합하게 이용된다.
이어서, 도 5b에 나타내는 바와 같이, 샌드 블라스트 가공을 행하여, 마스크(51)에 의하여 덮여 있지 않은 부분에 오목부(52)를 형성한다. 그 결과로서, 마스크(51)에 의하여 덮여 있는 부분이 남아 볼록부(53)가 된다. 볼록부(53)의 사이이며 오목부(52)의 바닥에는 바닥면(19a)이 형성된다.
이어서, 마스크(51)를 제거한다. 마스크(51)가 감광성 수지로 이루어지는 경우에는, 예를 들면 염화 메틸렌 등의 박리액을 이용하여 마스크(51)를 제거할 수 있다.
이어서, 재치면(19)의 전체에 대하여, 미소 연마 입자와 버프재를 이용한 버프 연마를 행한다. 또, 버프 연마를 행한 후에는, 재치면(19)을 세정한다. 세정은, 예를 들면 아세톤 등의 유기 용제로 행하고, 탈지한다. 탈지 후에는, 예를 들면 온수로 세정한다.
버프 연마 공정을 거침으로써, 재치면(19)의 볼록부(53)가, 도 5c에 나타내는 바와 같은 돌기부(30)가 된다.
전공정인 샌드 블라스트 공정은, 재치면(19)의 표면에 데미지를 부여하여, 마스크(51)가 형성되어 있지 않은 부분을 굴삭하여 제거하는 공정이다. 따라서, 샌드 블라스트 공정에 의하여 형성된 볼록부(53)의 특히 모서리부(53a) 근방에는, 표층부로부터 내부를 향하는 표층 크랙이 잔류하고 있다. 표층 크랙은, 작은 응력으로 진행되어 박리의 기점이 되기 때문에, 파티클 발생의 원인이 된다.
버프 연마를 행함으로써, 샌드 블라스트 공정으로 형성된 표층 크랙을 강제적으로 진행, 박리시켜, 표층 크랙을 제거할 수 있다. 표층 크랙을 기점으로 하여 박리가 진행됨으로써, 볼록부(53)의 상면(53b) 및 모서리부(53a)가 둥그스름해져, 도 5c에 나타내는 바와 같이, 완곡면(31b) 및 모서리 곡면(31a)이 형성된다.
또, 버프 연마를 재치면(19)의 전체에 행함으로써, 정면(40)을 포함하는 돌기부(30)의 전체, 및 재치면(19)의 바닥면(19a)을 동시에 연마할 수 있다. 이로써, 정면(40)의 표면 조도 Ra를 0.03μm 이하(보다 바람직하게는 0.015μm 이하)로 함과 함께, 돌기부(30)의 기둥부(32) 및 스커트부(34)의 둘레면과, 바닥면(19a)을 정면(40)의 표면 조도에 준하는 표면 조도로 할 수 있다. 정면(40)은, 버프 연마 공정에 있어서 버프재가 균일하게 닿지만, 바닥면(19a)은, 버프재가 닿기 어려운 부분이 있기 때문에, 부분적으로 표면 성상(性狀)이 거칠어지는 경우가 있다. 이와 같은 부분도 포함하여, 버프 연마 공정에 의하여, 바닥면(19a)의 표면 조도 Ra는, 0.1μm 이하로 할 수 있다.
샌드 블라스트 가공의 조건, 및 버프 연마의 조건에 대하여 설명한다.
샌드 블라스트 가공에 사용되는 미디어로서는, 알루미나, 탄화 규소, 글라스 비즈 등이 바람직하고, 미디어의 입경은, 400메시 언더(300메시를 통과한 것)로 하는 것이 바람직하다.
샌드 블라스트 가공에 있어서의 미디어의 토출 압력은, 예를 들면 0.1MPa 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.05MPa 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
종래의 샌드 블라스트 공정에서는 가공 효율을 고려하여, 미디어의 입경을 170메시 언더, 미디어의 토출 압력을 0.2MPa 정도로 하고 있었다. 종래와 비교하여 본 실시형태의 샌드 블라스트 공정은, 미디어의 입경을 작게 하고, 토출 압력을 억제하여 행하는 것이 바람직하다.
미디어의 입경을 작게 하고, 또한 미디어의 토출 압력을 0.1MPa 이하(보다 바람직하게는 0.05MPa 이하)로 함으로써, 표층 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
표층 크랙은, 버프 연마 공정에 의하여 제거되지만, 표층 크랙이 대량으로 발생하고 있다고 생각되는 경우에는, 버프 연마 공정을 철저하게 행할 필요가 발생하고, 기둥부(32)의 기울기가 커져 높이 방향을 따른 단면적의 변화가 커질 우려가 있다.
미디어의 입경을 작게 하고, 또한 미디어의 토출 압력을 0.1MPa 이하(보다 바람직하게는 0.05MPa 이하)로 함으로써, 표층 크랙의 발생을 억제하여, 버프 연마 공정을 간소화할 수 있다. 이로써, 버프 연마에 있어서의 돌기부(30)의 연마량이 적어진다. 따라서, 기둥부(32)의 기울기를 작게 할 수 있다. 즉, 돌기부(30)의 정면(40)으로부터 하방으로의 단면적의 증가율을 작게 할 수 있다.
버프 연마에 이용하는 미소 연마 입자로서는, 입경이, 0.125μm 이하인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이로써, 보다 소프트한 조건으로 연마 공정을 행하여 돌기부(30)의 정면(40)으로부터 하방으로의 단면적의 증가율을 작게 할 수 있다. 또, 상기의 버프재로서는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 수지제의 버프재를 이용할 수 있다.
버프 연마 시에는, 단계를 거칠 때마다, 보다 미소한 연마 입자를 이용하여 다단계로 연마하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 800메시의 미소 연마 입자, 1000메시의 미소 연마 입자, 1500메시의 미소 연마 입자 순으로 버프 연마를 행하는 등, 단계를 거쳐 다단계로 연마하는 것이 바람직하다.
실시형태의 정전 척 장치(1)에 의하면, 돌기부(30)가 마모에 따라, 높이(H)가 낮아진 경우이더라도, 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 사이의 접촉 면적의 증가를 억제할 수 있다. 따라서, 마모 전후에서의 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 열전도 특성의 변동을 작게 할 수 있어, 판 형상 시료(W)의 온도 제어를 안정적으로 행할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 나타내어 본 발명을 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 종래의 방법으로, 재치면(19)에 돌기부(30)가 형성되어 있지 않은 정전 척부(2)를 제작했다.
정전 척부(2)는, 내부에 두께 약 10μm의 정전 흡착용 내부 전극(13)이 매설되어 있다. 또, 정전 척부(2)의 재치판(11)은, 탄화 규소를 7.8질량% 함유하는 산화 알루미늄-탄화 규소 복합 소결체이며, 직경은 298mm, 두께는 0.5mm인 원판 형상이었다.
또, 지지판(12)도 재치판(11)과 마찬가지로, 탄화 규소를 7.8질량% 함유하는 산화 알루미늄-탄화 규소 복합 소결체이며, 직경은 298mm, 두께는 2mm인 원판 형상이었다. 이들 재치판(11) 및 지지판(12)을 접합 일체화시킴으로써, 정전 척부(2)의 전체의 두께는 2.5mm로 되어 있었다.
다음으로, 재치판(11)의 상면인 재치면(19)을 연마 가공하여 평탄면으로 하고, 또한 세정했다.
이어서, 재치면(19)에 돌기부(30) 및 둘레 가장자리 벽(17)의 형상에 대응하는 마스크(51)를 형성했다(도 5a 참조).
이어서, 샌드 블라스트 가공을 행하여, 볼록부(53) 및 오목부(52)를 형성했다(도 5b 참조).
이어서, 마스크(51)를 제거했다.
이어서, 재치면(19)의 전체에 대하여, 미소 연마 입자와 버프재를 이용한 버프 연마를 행했다.
이어서, 재치면(19)을 세정한다.
이상의 공정을 거쳐, 재치면(19)에 약 1만개의 돌기부(30)를 형성했다.
이러한 공정을 거쳐 형성된 정전 척부(2)에 있어서, 샌드 블라스트 공정과 버프 공정의 조건을 변경한 실시예 1~4와 비교예를 제작했다. 비교예는, 종래 일반적으로 행해지는 샌드 블라스트 공정 및 버프 공정으로 제작한 샘플이다.
각 공정의 조건을 표 1에 나타낸다. 표 1에 있어서, 비교예의 각 조건을 100%로 하여, 실시예의 조건을 기재한다.
샌드 블라스트 공정 버프 연마
미디어 사이즈 토출 압력 연마 입자 사이즈
비교예 100% 100% 100%
실시예 １ 40% 30% 4%
실시예 ２ 40% 40% 4%
실시예 ３ 40% 60% 4%
실시예 ４ 40% 80% 4%
예비 실험으로서, 실시예 1의 정전 척부(2)를 이용하여 정전 척 장치(1)를 구성하고, 판 형상 시료(W)로서, 실리콘 웨이퍼를 흡착시킨 상태로 냉각 가스를 흘려보냈다. 이 상태에서의 돌기부(30)와 판 형상 시료(W)의 접촉 면적을 확인했다. 이로써, 돌기부(30)의 선단부(31)에 있어서, 정점(41)으로부터 하방으로 0.4μm의 영역까지가 접촉 영역(즉, 정면(40))으로 되어 있는 것이 확인되었다.
이하의 시험 결과에 있어서, 돌기부(30)의 정면(40)은, 돌기부(30)의 정점(41)으로부터 하방으로 0.4μm까지의 영역인 것으로 하여, 고찰한다.
실시예 1~4와 비교예의 돌기부(30)의 형상을 측정한 결과를 표 2 및 도 6에 나타낸다. 형상의 측정은, 재치면(19) 상에 형성된 소정 위치의 돌기부(30)에 대하여, 중심으로부터 외주를 향하여 복수 점의 측정을 행했다.
도 6에 있어서, 가로축이 돌기부(30)의 높이 방향의 값을 나타내고, 세로축이 돌기부(30)의 직경 방향의 값을 나타낸다.
측정점 정면의 하단의 단면적에 대한
단면적의 비율[%]
비교예 실시예 1 실시예 ２ 실시예 ３ 실시예 ４
정점 -0.4 - - - - -
-0.3 - - - - -
정면의 하단 0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
0.6 129.0 101.6 102.3 101.7 102.1
2.6 152.8 104.4 105.2 104.4 104.9
4.6 160.0 106.8 107.2 106.3 106.9
높이의 대략 1/2 6.6 165.6 109.4 109.2 108.4 109.0
8.6 172.1 112.9 111.6 110.8 111.5
10.6 181.1 119.0 114.5 114.1 115.0
12.6 298.3 1977.6 118.8 119.4 121.0
표 2 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 비교예의 돌기부(30)는, 정면(40)의 하단(40a)으로부터 하방을 향하여 단면적이 큰 폭으로 증가해 가는 것이 확인되었다. 이에 비하여, 실시예 1~4의 돌기부(30)는, 단면적의 증가가 적은 것이 확인되었다.
다음으로, 실시예 1~3의 샘플에 대하여, 돌기부(30)의 정면(40)에 대응하는 둘레 가장자리 벽(17)의 상면을 측정했다. 측정은, 둘레 가장자리 벽(17)의 4곳을 행하여, 이들의 측정 결과를 평균냈다.
둘레 가장자리 벽(17)은, 돌기부(30)와 동일한 제조 순서로 형성되어 있으며, 둘레 가장자리 벽(17)의 상면의 표면 조도를 측정 결과는, 돌기부(30)의 정면(40)의 표면 조도로 대체할 수 있다.
표면 조도 Ra(μm)
실시예 1 0.010
실시예 ２ 0.009
실시예 ３ 0.008
표 3에 나타내는 바와 같이, 실시예 1~3의 둘레 가장자리 벽(17)의 상면은, 표면 조도 Ra가 0.010μm 이하로 되어 있다. 이 결과로부터, 실시예 1~3의 돌기부(30)의 정면(40)도, 동등한 표면 조도 Ra로 되어 있다고 추정된다. 이번 측정에 있어서는, 실시예 4의 측정을 생략했지만, 동등한 표면 조도로 되어 있다고 예상된다.
이상으로 나타내는 바와 같이, 실시예 1~4로서, 실시형태에 대응하는 정전 척 장치(1)의 정전 척부(2)를 제작할 수 있었던 것이 확인되었다.
이상으로, 본 발명의 다양한 실시형태를 설명했지만, 각 실시형태에 있어서의 각 구성 및 그들의 조합 등은 일례이며, 본 발명의 취지로부터 일탈하지 않는 범위 내에서, 구성의 부가, 생략, 치환, 및 그 외의 변경이 가능하다. 또, 본 발명은 실시형태에 의하여 한정되지 않는다.
산업상 이용가능성
열전도 특성의 경시적 변동을 보다 작게 할 수 있는 정전 척 장치를 제공할 수 있다.
1 정전 척 장치
2 정전 척부
3 냉각 베이스부
4, 6 접착재
5 히터 엘리먼트
7 절연 부재
8 수지층
11 재치판
12 지지판
13 정전 흡착용 내부 전극
14 절연재층
15, 22 급전용 단자
17 둘레 가장자리 벽
18 냉각 가스 도입 구멍
19 재치면
19a 바닥면
23 애자
30, 130 돌기부
31, 131 선단부
31a 모서리 곡면
31b 완곡면
32 기둥부
34 스커트부
40, 140 정면
40a, 140a 하단
41 정점
51 마스크
52 오목부
53 볼록부
53a 모서리부
53b 상면
W 판 형상 시료

Claims (7)

  1. 판 형상 시료를 정전 흡착용 전극에 의하여 흡착함과 함께 상기 판 형상 시료를 냉각하는 정전 척 장치로서,
    세라믹 소결체를 형성 재료로 하고, 일 주면이 상기 판 형상 시료를 재치하는 재치면인 정전 척부를 가지며,
    상기 재치면에는, 상기 판 형상 시료를 지지하는 복수의 돌기부가 마련되고,
    상기 돌기부는, 정면(頂面)에서 상기 판 형상 시료와 접하여 상기 판 형상 시료를 지지하며, 또한 상기 정면의 높이 위치로부터 하방으로 단면적이 점증하고 있고,
    상기 돌기부의 상기 정면의 하단으로부터 0.6μm 하방의 단면적이, 상기 정면의 하단의 단면적에 대하여 110% 이하인 정전 척 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부의 상기 정면의 하단으로부터 2.6μm 하방의 단면적이, 상기 정면의 하단의 단면적에 대하여 120% 이하인 정전 척 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 돌기부의 높이가 6μm 이상 50μm 이하이며, 상기 돌기부의 1/2의 높이에서의 단면적이, 상기 정면의 하단의 단면적에 대하여 140% 이하인 정전 척 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부의 상기 정면은, 상기 돌기부의 정점으로부터 하방으로 0.4μm까지의 영역인 정전 척 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재치면이, 산화 알루미늄-탄화 규소 복합 소결체, 산화 알루미늄 소결체, 질화 알루미늄 소결체, 또는 산화 이트륨 소결체로 이루어지는 정전 척 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌기부의 상기 정면의 표면 조도 Ra가, 0.1μm 이하이며,
    상기 재치면에 있어서, 상기 돌기부가 형성되어 있지 않은 바닥면의 표면 조도 Ra가, 1.0μm 이하인, 정전 척 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재치면을 평면에서 본 면적에 대하여, 복수의 상기 정면의 하단에 있어서의 단면적의 총합이 차지하는 비율을 0.1% 이상 20% 이하로 하는 정전 척 장치.
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