JP2018060834A - 静電チャック、基板固定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温下で使用した際にも静電チャックを構成する部材にクラックが発生し難くする。【解決手段】本静電チャックは、一方の面に吸着対象物を吸着保持する吸着保持部と、前記吸着保持部の他方の面に設けられた発熱部と、を備えた静電チャックであって、前記吸着保持部は、一方の面が前記吸着対象物の載置面である基体と、前記基体に設けられ、前記発熱部側に開口する溝と、を有し、前記溝の底面には温度センサが設けられ、前記溝の内壁面には雌ねじが切られ、前記溝には、側面に雄ねじが切られた埋め込み部が螺合され、前記基体と前記埋め込み部とが同一材料により形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、静電チャック、基板固定装置に関する。

従来、ＩＣやＬＳＩ等の半導体装置を製造する際に使用される成膜装置（例えば、ＣＶＤ装置やＰＶＤ装置等）やプラズマエッチング装置は、ウェハを真空の処理室内に精度良く保持するためのステージを有する。このようなステージとして、例えば、ベースプレートに搭載された静電チャックによりウェハを吸着保持する基板固定装置が提案されている。

静電チャックには、ウェハの温度調節をするための発熱体を設けた構造のものがある。この場合、静電チャックに形成した溝内に、静電チャックの表面温度を検出するための温度センサを設け、温度センサでモニタした静電チャックの表面温度に基づいて発熱体を制御し、ウェハの温度調節が行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−７２４７８号公報

上記の構造において、静電チャックに形成した溝内に、温度センサを被覆する樹脂を充填する場合がある。この場合、静電チャックを構成する材料（セラミックス等）と樹脂との間に熱膨張率のミスマッチが存在するため、高温下で使用した際に、周囲の部材にクラックが発生する場合ある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、高温下で使用した際にも静電チャックを構成する部材にクラックが発生し難くすることを課題とする。

本静電チャックは、一方の面に吸着対象物を吸着保持する吸着保持部と、前記吸着保持部の他方の面に設けられた発熱部と、を備えた静電チャックであって、前記吸着保持部は、一方の面が前記吸着対象物の載置面である基体と、前記基体に設けられ、前記発熱部側に開口する溝と、を有し、前記溝の底面には温度センサが設けられ、前記溝の内壁面には雌ねじが切られ、前記溝には、側面に雄ねじが切られた埋め込み部が螺合され、前記基体と前記埋め込み部とが同一材料により形成されていることを要件とする。

開示の技術によれば、高温下で使用した際にも静電チャックを構成する部材にクラックが発生し難くすることができる。

本実施の形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する図である。 本実施の形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その１）である。 本実施の形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その２）である。 比較例に係る基板固定装置を簡略化して例示する断面図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

［基板固定装置の構造］
図１は、本実施の形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する図であり、図１（ａ）は全体の断面図、図１（ｂ）〜図１（ｄ）は溝及び埋め込み部の部分拡大断面図である。但し、図１（ｂ）は溝のみを、図１（ｃ）は埋め込み部のみを、図１（ｄ）は溝に埋め込み部が螺合されている状態を示している。

図１を参照するに、基板固定装置１は、主要な構成要素として、ベースプレート１０と、接着層２０と、静電チャック７０とを有している。

ベースプレート１０は、静電チャック７０を搭載するための部材である。ベースプレート１０の厚さは、例えば、２０〜５０ｍｍ程度とすることができる。ベースプレート１０は、例えば、アルミニウムから形成され、プラズマを制御するための電極等として利用することもできる。ベースプレート１０に所定の高周波電力を給電することで、発生したプラズマ状態にあるイオン等を静電チャック７０上に吸着されたウェハに衝突させるためのエネルギーを制御し、エッチング処理を効果的に行うことができる。

ベースプレート１０の内部には、水路１５が設けられている。水路１５は、一端に冷却水導入部１５ａを備え、他端に冷却水排出部１５ｂを備えている。水路１５は、基板固定装置１の外部に設けられた冷却水制御装置（図示せず）に接続されている。冷却水制御装置（図示せず）は、冷却水導入部１５ａから水路１５に冷却水を導入し、冷却水排出部１５ｂから冷却水を排出する。水路１５に冷却水を循環させベースプレート１０を冷却することで、静電チャック７０上に吸着されたウェハを冷却することができる。ベースプレート１０には、水路１５の他に、静電チャック７０上に吸着されたウェハを冷却する不活性ガスを導入するガス路等を設けてもよい。

静電チャック７０は、接着層２０を介して、ベースプレート１０上に固着されている。接着層２０は、例えば、第１層２１及び第２層２２の２層構造とすることができる。第１層２１及び第２層２２としては、例えば、シリコーン系接着剤を用いることができる。第１層２１及び第２層２２のそれぞれの厚さは、例えば、１ｍｍ程度とすることができる。第１層２１及び第２層２２の熱伝導率は２Ｗ／ｍＫ以上とすることが好ましい。接着層２０は、１層から形成してもよいが、熱伝導率が高い接着剤と弾性率が低い接着剤とを組み合わせた２層構造とすることで、アルミニウム製のベースプレートとの熱膨張差から生じるストレスを低減させる効果が得られる。

静電チャック７０は、発熱部３０と、吸着保持部４０と、温度センサ５０と、埋め込み部６０とを有しており、吸着対象物であるウェハを吸着保持する。静電チャック７０の吸着対象物であるウェハの直径は、例えば、８、１２、又は１８インチ程度とすることができる。静電チャック７０は、例えば、ジョンセン・ラーベック型静電チャックである。但し、静電チャック７０は、クーロン力型静電チャックであってもよい。

発熱部３０は、一方の面に吸着対象物を吸着保持する吸着保持部４０の他方の面に設けられている。発熱部３０は、絶縁層３１と、絶縁層３１に内蔵された発熱体３２とを有している。発熱体３２の周囲は、絶縁層３１に被覆され、外部から保護されている。発熱体３２としては、圧延合金を用いることが好ましい。圧延合金を用いることにより、発熱体３２の厚さのばらつきを低減することが可能となり、発熱分布を改善することができる。なお、発熱体３２は、必ずしも絶縁層３１の厚さ方向の中央部に内蔵される必要はなく、要求仕様に応じて絶縁層３１の厚さ方向の中央部よりもベースプレート１０側又は吸着保持部４０側に偏在してもよい。

発熱体３２の比抵抗は、１０〜７０μΩ／ｃｍであることが好ましく、１０〜５０μΩ／ｃｍであることが更に好ましい。従来の基板固定装置では、比抵抗が１００μΩ／ｃｍ程度であるＮｉＣｒ系の発熱体を使用していたため、２０〜５０Ωの配線設計をした場合、配線幅１〜２ｍｍ、厚さ５０μｍ程度となり、発熱体のパターンのファイン化が困難であった。発熱体３２の比抵抗をＮｉＣｒ系の発熱体の比抵抗よりも低い１０〜７０μΩ／ｃｍとすることにより、上記と同様の２０〜５０Ωの配線設計をした場合、従来よりも発熱体３２のパターンのファイン化が可能となる。なお、比抵抗が１０μΩ／ｃｍよりも小さいと発熱性が低下するため好ましくない。

発熱体３２に用いると好適な具体的な圧延合金としては、例えば、ＣＮ４９（コンスタンタン）（Ｃｕ／Ｎｉ／Ｍｎ／Ｆｅの合金）、ゼラニン （Ｃｕ／Ｍｎ／Ｓｎの合金）、マンガニン（Ｃｕ／Ｍｎ／Ｎｉの合金）等を挙げることができる。なお、ＣＮ４９（コンスタンタン）の比抵抗は約５０μΩ／ｃｍ、ゼラニンの比抵抗は約２９μΩ／ｃｍ、マンガニンの比抵抗は約４４μΩ／ｃｍである。発熱体３２の厚さは、エッチングによる配線形成性を考慮し、６０μｍ以下とすることが好ましい。

絶縁層３１としては、例えば、高熱伝導率及び高耐熱性を有するエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等を用いることができる。絶縁層３１の熱伝導率は３Ｗ／ｍＫ以上とすることが好ましい。絶縁層３１にアルミナや窒化アルミニウム等のフィラーを含有させることで、絶縁層３１の熱伝導率を向上させることができる。又、絶縁層３１のガラス転移温度（Ｔｇ）は２５０℃以上とすることが好ましい。又、絶縁層３１の厚さは１００〜１５０μｍ程度とすることが好ましく、絶縁層３１の厚さばらつきは±１０％以下とすることが好ましい。

なお、発熱体３２と絶縁層３１との高温下での密着性を向上するため、発熱体３２の少なくとも一つの面（上下面の一方又は双方）が粗化されていることが好ましい。もちろん、発熱体３２の上下面の両方が粗化されていてもよい。この場合、発熱体３２の上面と下面で異なる粗化方法を用いてもよい。粗化の方法は特に限定されないが、エッチングによる方法、カップリング剤系の表面改質技術を用いる方法、波長３５５ｎｍ以下のＵＶ−ＹＡＧレーザによるドット加工を用いる方法等を例示することができる。

吸着保持部４０は、基体４１と、静電電極４２とを有している。基体４１の一方の面は、吸着対象物の載置面である。基体４１は誘電体であり、基体４１としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックスを用いることができる。基体４１の厚さは、例えば、１〜１０ｍｍ程度、基体４１の比誘電率（１ｋＨｚ）は、例えば、９〜１０程度とすることができる。

吸着保持部４０と発熱部３０の絶縁層３１とは直接接合されている。発熱部３０と吸着保持部４０とを耐熱性の低い接着剤を介すことなく直接接合することにより、基板固定装置１の耐熱温度を向上することができる。発熱部３０と吸着保持部４０とを接着剤で接合する従来の基板固定装置の耐熱温度は１５０℃程度であるが、基板固定装置１では耐熱温度を２００℃程度とすることができる。

静電電極４２は、薄膜電極であり、基体４１に内蔵されている。静電電極４２は、基板固定装置１の外部に設けられた電源に接続され、所定の電圧が印加されると、ウェハとの間に静電気による吸着力が発生し、吸着保持部４０上にウェハを吸着保持することができる。吸着保持力は、静電電極４２に印加される電圧が高いほど強くなる。静電電極４２は、単極形状でも、双極形状でも構わない。静電電極４２の材料としては、例えば、タングステン、モリブデン等を用いることができる。

基体４１には、発熱部３０側に開口する溝４１ｘが設けられている。溝４１ｘの平面形状は、例えば、円形とすることができる。溝４１ｘの直径φ_１は、例えば、１〜５ｍｍ程度とすることができる。

なお、平面視とは対象物を基体４１の一方の面（吸着対象物の載置面）の法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基体４１の一方の面（吸着対象物の載置面）の法線方向から視た形状を指すものとする。

溝４１ｘの底面（静電チャック７０の表面側の面）には温度センサ５０が設けられている。温度センサ５０は、静電チャック７０の表面の温度を検出し、図示しない配線により基板固定装置１の外部に検出結果を出力することができる。温度センサ５０としては、例えば、サーミスタやダイオード等を用いることができる。温度センサ５０の大きさは、例えば、０．５ｍｍ〜数ミリ角程度である。なお、溝４１ｘの直径は、温度センサ５０の大きさに合わせて適宜決定すればよい。静電チャック７０の表面の温度の検出精度を高めるためには、溝４１ｘの底面が静電チャック７０の表面に近い方が好ましい。

溝４１ｘには、埋め込み部６０が埋め込まれている。より詳しくは、溝４１ｘの内壁面の発熱部３０側には雌ねじが切られており、埋め込み部６０の側面には雄ねじが切られている。そして、溝４１ｘに埋め込み部６０が螺合されている。なお、埋め込み部６０の先端が温度センサ５０に接触しないように、埋め込み部６０の先端と温度センサ５０との間には、埋め込み部６０の熱膨張率を考慮した隙間が形成されている。

部材間の熱膨張率のミスマッチが存在しないようにするため、埋め込み部６０は、基体４１を構成する材料と同一材料により形成されている。例えば、基体４１を構成する材料が酸化アルミニウムである場合には埋め込み部６０は酸化アルミニウムにより形成され、基体４１を構成する材料が窒化アルミニウムである場合には埋め込み部６０は窒化アルミニウムにより形成される。

溝４１ｘ、温度センサ５０、及び埋め込み部６０は２組には限定されず、必要な組数を適宜設けることができる。なお、静電チャック７０を平面視において複数のゾーンに分割し、分割したゾーン毎に発熱体３２を設け、ゾーン毎の温度を独立に制御する場合がある。この場合、ゾーン毎に溝４１ｘを設け、温度センサ５０及び埋め込み部６０を配置することが好ましい。

［基板固定装置の製造方法］
図２及び図３は、本実施の形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図である。図２及び図３を参照しながら、基板固定装置１の製造工程について説明する。なお、図２（ａ）〜図３（ｃ）は、図１とは上下を反転した状態で描いている。

まず、図２（ａ）に示す工程では、グリーンシートにビア加工を行う工程、ビアに導電ペーストを充填する工程、静電電極となるパターンを形成する工程、他のグリーンシートを積層して焼成する工程、表面を平坦化する工程等を含む周知の製造方法により、基体４１に静電電極４２を内蔵する吸着保持部４０を作製する。なお、絶縁樹脂フィルム３１１との密着性を向上するために、吸着保持部４０の絶縁樹脂フィルム３１１がラミネートされる面にブラスト処理等を施し、粗化してもよい。

次に、図２（ｂ）に示す工程では、ドリル加工等により、基体４１に溝４１ｘを形成する。そして、溝４１ｘの内壁面の発熱部３０側（この図では上側）に、ダイス等を用いて雌ねじを切る。溝４１ｘの形状については、前述の通りである。

次に、図２（ｃ）に示す工程では、溝４１ｘの底面にサーミスタ等の温度センサ５０を固定する。温度センサ５０は、検出結果を外部に出力するための図示しない配線に、はんだ等により接続する。

次に、図２（ｄ）に示す工程では、吸着保持部４０の基体４１と同一材料により埋め込み部６０を形成し、埋め込み部６０の側面に、ダイス等を用いて雄ねじを切る。そして、溝４１ｘに埋め込み部６０を螺合する。この際、埋め込み部６０が温度センサ５０と接触しないように位置調整を行う。

次に、図３（ａ）に示す工程では、吸着保持部４０上に、絶縁樹脂フィルム３１１を直接ラミネートする。絶縁樹脂フィルム３１１は、真空中でラミネートすると、ボイドの巻き込みを抑制できる点で好適である。絶縁樹脂フィルム３１１は、硬化させずに、半硬化状態（Ｂ−ステージ）としておく。半硬化状態である絶縁樹脂フィルム３１１の粘着力により、絶縁樹脂フィルム３１１は吸着保持部４０上に仮固定される。

絶縁樹脂フィルム３１１としては、例えば、高熱伝導率及び高耐熱性を有するエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等を用いることができる。絶縁樹脂フィルム３１１の熱伝導率は３Ｗ／ｍＫ以上とすることが好ましい。絶縁樹脂フィルム３１１にアルミナや窒化アルミニウム等のフィラーを含有させることで、絶縁樹脂フィルム３１１の熱伝導率を向上させることができる。又、絶縁樹脂フィルム３１１のガラス転移温度は２５０℃以上とすることが好ましい。又、熱伝導性能を高める（熱伝導速度を速める）観点から、絶縁樹脂フィルム３１１の厚さは６０μｍ以下とすることが好ましく、絶縁樹脂フィルム３１１の厚さばらつきは±１０％以下とすることが好ましい。

次に、図３（ｂ）に示す工程では、絶縁樹脂フィルム３１１上に発熱体３２のパターンを形成する。発熱体３２のパターンは、例えば、絶縁樹脂フィルム３１１上に金属箔を配置してフォトリソグラフィ法によりパターニングすることで形成できる。金属箔の材料としては、発熱体３２の材料として例示した圧延合金を用いることができる。金属箔の厚さは、エッチングによる配線形成性を考慮し、６０μｍ以下とすることが好ましい。金属箔は、半硬化状態である絶縁樹脂フィルム３１１の粘着力により、絶縁樹脂フィルム３１１上に仮固定される。

なお、絶縁樹脂フィルム３１１上に配置する前に、金属箔の少なくとも一つの面（上下面の一方又は双方）を粗化しておくことが好ましい。もちろん、金属箔の上下面の両方が粗化されていてもよい。この場合、金属箔の上面と下面で異なる粗化方法を用いてもよい。粗化の方法は特に限定されないが、エッチングによる方法、カップリング剤系の表面改質技術を用いる方法、波長３５５ｎｍ以下のＵＶ−ＹＡＧレーザによるドット加工を用いる方法等を例示することができる。

又、ドット加工を用いる方法では、金属箔の必要な領域を選択的に粗化することができる。そこで、ドット加工を用いる方法では、金属箔の全領域に対して粗化を行う必要はなく、最低限、発熱体３２として残す領域に対して粗化を行えば足りる（つまり、エッチングで除去される領域に対してまで粗化を行う必要はない）。

なお、フォトリソグラフィ法により発熱体３２を形成することにより、発熱体３２の幅方向の寸法のばらつきを低減することが可能となり、発熱分布を改善することができる。なお、エッチングにより形成された発熱体３２の断面形状は、例えば、略台形状とすることができる。この場合、絶縁樹脂フィルム３１１に接する面と、その反対面との配線幅の差は、例えば、１０〜５０μｍ程度とすることができる。発熱体３２の断面形状をシンプルな略台形状とすることにより、発熱分布を改善することができる。

次に、図３（ｃ）に示す工程では、絶縁層３１を形成する。絶縁層３１は、例えば、絶縁樹脂フィルム３１１上に、発熱体３２を被覆する他の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、絶縁樹脂フィルム３１１及び他の絶縁樹脂フィルムを吸着保持部４０側に押圧しながら硬化温度以上に加熱して硬化させる。これにより、絶縁樹脂フィルム３１１及び他の絶縁樹脂フィルムが一体化して絶縁層３１となり、発熱体３２の周囲が絶縁層３１に被覆された発熱部３０が形成され、発熱部３０の絶縁層３１と吸着保持部４０とが直接接合される。常温に戻った時のストレスを考慮し、絶縁樹脂フィルム３１１及び他の絶縁樹脂フィルムの加熱温度は、２００℃以下とすることが好ましい。

なお、絶縁樹脂フィルム３１１及び他の絶縁樹脂フィルムを吸着保持部４０側に押圧しながら加熱硬化させることにより、発熱体３２の有無の影響による絶縁層３１の上面（吸着保持部４０と接しない側の面）の凹凸を低減して平坦化することができる。絶縁層３１の上面の凹凸は、７μｍ以下とすることが好ましい。絶縁層３１の上面の凹凸を７μｍ以下とすることにより、次工程で絶縁層３１と接着層２０（第２層２２）との間に気泡を巻き込むことを防止できる。つまり、絶縁層３１と接着層２０（第２層２２）との間の接着性が低下することを防止できる。

次に、図３（ｄ）に示す工程では、予め水路１５等を形成したベースプレート１０を準備し、ベースプレート１０上に第１層２１及び第２層２２を順次積層して接着層２０（未硬化）を形成する。そして、図３（ｃ）に示す構造体を上下反転させ、接着層２０を介して、ベースプレート１０上に配置し、接着層２０を硬化させる。これにより、ベースプレート１０上に接着層２０を介して静電チャック７０が積層された基板固定装置１が完成する。

ここで、比較例を参照しながら基板固定装置１の奏する特有の効果について説明する。図４は、比較例に係る基板固定装置を例示する断面図である。図４を参照するに、基板固定装置１Ｘは、基体４１に形成された溝４１ｚに樹脂９０が充填されている点が基板固定装置１（図１参照）と相違する。

溝４１ｚは発熱部３０側に開口しており、平面形状は例えば直径が１〜５ｍｍ程度の円形である。樹脂９０は、温度センサ５０を被覆するように溝４１ｚの全体に充填されている。樹脂９０としては、例えば、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂等を用いることができる。

基板固定装置１Ｘでは、基体４１を構成する材料（酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミックス）と樹脂９０との間に熱膨張率のミスマッチが存在する。そのため、基板固定装置１Ｘを高温下で使用すると、樹脂９０が膨張し、樹脂９０の周囲の絶縁層３１や発熱体３２にクラックが発生する場合ある。特に、樹脂９０の直下に発熱体３２が存在していると問題が顕著に発生する。しかし、樹脂９０の直下に発熱体３２を形成しない場合には、発熱体３２が存在しない領域が生じることから、吸着保持部４０に温度むらが生じる。

これに対して、基板固定装置１では、埋め込み部６０が基体４１を構成する材料と同一材料により形成されているため、埋め込み部６０と基体４１との間に熱膨張率のミスマッチは存在しない。その結果、基板固定装置１を高温下で使用しても、埋め込み部６０の周囲の絶縁層３１や発熱体３２にクラックが発生することを防止できる。

又、基板固定装置１では、埋め込み部６０の直下（平面視において埋め込み部６０と重複する位置）に発熱体３２を形成できるため、発熱体３２を吸着保持部４０全体に均一に配置することが可能となり、吸着保持部４０に温度むらが生じ難くすることができる。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、本発明に係る基板固定装置の吸着対象物としては、半導体ウェハ（シリコンウエハ等）以外に、液晶パネル等の製造工程で使用されるガラス基板等を例示することができる。

１ 基板固定装置
１０ ベースプレート
１５ 水路
１５ａ 冷却水導入部
１５ｂ 冷却水排出部
２０ 接着層
２１ 第１層
２２ 第２層
３０ 発熱部
３１ 絶縁層
３２ 発熱体
４０ 吸着保持部
４１ 基体
４１ｘ 溝
４２ 静電電極
５０ 温度センサ
６０ 埋め込み部
７０ 静電チャック
３１１ 絶縁樹脂フィルム

Claims (5)

1. 一方の面に吸着対象物を吸着保持する吸着保持部と、前記吸着保持部の他方の面に設けられた発熱部と、を備えた静電チャックであって、
   前記吸着保持部は、
   一方の面が前記吸着対象物の載置面である基体と、
   前記基体に設けられ、前記発熱部側に開口する溝と、を有し、
   前記溝の底面には温度センサが設けられ、
   前記溝の内壁面には雌ねじが切られ、
   前記溝には、側面に雄ねじが切られた埋め込み部が螺合され、
   前記基体と前記埋め込み部とが同一材料により形成されていることを特徴とする静電チャック。
2. 前記温度センサと前記埋め込み部との間に空間が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記発熱部は、少なくとも一つの面が粗化された発熱体、及び前記発熱体を被覆する絶縁層を備え、
   前記絶縁層と前記吸着保持部とが直接接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電チャック。
4. 平面視において前記埋め込み部と重複する位置に前記発熱体が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の静電チャック。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の静電チャックがベースプレート上に搭載されたことを特徴とする基板固定装置。

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