JP4986830B2 - 基板保持体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製造装置の基板保持体及びその製造方法に関する。

半導体装置や液晶装置等の電子装置の製造工程において、半導体被処理基板やガラス被処理基板等の被処理基板が製造装置で処理される。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のプラズマエッチング装置では、被処理基板を基板保持体に載置して処理が行われる。基板保持体は、耐蝕性の高いセラミックス基体を備える。セラミックス基体には静電チャック（ＥＳＣ）電極及び発熱体が埋め込まれている。基板保持体は、金属冷却板上に取り付けられる。プラズマエッチング処理中において、基板保持体上面に吸着された被処理基板は、冷却板中に設けられた流路に冷媒を流すことにより冷却されながら、発熱体により加熱されて処理温度に制御される。

セラミックス基体の金属冷却板への取り付け方法として、接着剤等の樹脂による接合が採用されている(特許文献１参照。)。しかしながら、樹脂接合では、樹脂の熱伝導率が小さいため、冷却効率が劣る。一般に、樹脂の熱伝導率はセラミックスの数十分の一である。そのため、樹脂層が大きな熱抵抗となって、効率よく被処理基板を冷却することが困難となる。

また、セラミックス基体と金属冷却板をインジウム（Ｉｎ）等の低融点金属を用いて接合しているものがある（特許文献２参照。）。低融点金属接合の場合、接合の際の加熱工程でセラミックス基体と金属冷却板との熱膨張の差からセラミックス基体に反り等の変形が発生し、接合強度に劣る恐れがあり、長期的な信頼性に欠ける嫌いがある。

熱膨張の差による変形を防止するためは、金属冷却板に代えて、流路が形成されたセラミックス板に流路を設けて冷却板として用いればよい。セラミックス板の少なくとも一方に溝を設けて接合してセラミックス冷却板を作製する。通常、セラミックス板の接合には固相拡散接合が用いられる（特許文献３参照。）。更に、セラミックス基体とセラミックス冷却板を固相拡散接合により接合することができる。この場合、セラミックス基体とセラミックス冷却板に同種のセラミックスを用いることができ、熱膨張の差に起因する変形を防止することは可能である。

しかしながら、固相拡散接合では、セラミックスのクリープ温度に近い高温、約１８００℃以上で接合が行われる。そのため、セラミックス基体やセラミックス冷却板の高温処理に起因する変形が発生しやすい。変形が生じると、接合後に機械加工等を施さねばならず、製造工程の増加を招く。また、固相拡散接合は高温処理であるため、樹脂接合や低融点金属接合に比べて製造コストが増加する。
特開平３−６３７８号公報 特許第２６９４６６８号公報 特開平８−７３２８０号公報

本発明の目的は、冷却効率の低下を抑制し、製造コストの低減が可能な基板保持体及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、（イ）上面に被処理基板を載置する第１のセラミックス焼結体からなる第１基体と、（ロ）第１基体の下面に上面を接合されたアルミニウムを含む金属の接合膜と、（ハ）接合膜の下面に上面を接合された第２のセラミックス焼結体の上面に被処理基板を冷却する冷媒を流すための流路を有する第２基体とを備える基板保持体が提供される。

本発明の第２の態様によれば、（イ）上面に被処理基板を載置する第１のセラミックス焼結体からなる第１基体を作製し、（ロ）第２のセラミックス焼結体の上面に被処理基板を冷却する冷媒を流す流路に対応する溝を形成して第２基体を作製し、（ハ）第１基体の下面と第２基体の上面との間にアルミニウムを含む金属の接合膜を挟んでアルミニウムを含む金属の液相線温度未満の接合温度に加熱しながら、４ＭＰａ〜２０ＭＰａの圧力で熱圧接して第１及び第２基体のそれぞれと接合膜とを接合することを含む基板保持体の製造方法が提供される。

本発明によれば、冷却効率の低下を抑制し、製造コストの低減が可能な基板保持体及びその製造方法を提供することが可能となる。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る基板保持体１０は、図１及び図２に示すように、第１基体１２と、接合膜１８、及び第２基体２０等を備える。第１のセラミックス焼結体からなる第１基体１２の下面に、アルミニウム（Ａｌ）を含む金属からなる接合膜１８の上面が接合される。接合膜１８の上面に、第２のセラミックス焼結体からなる第２基体２０の下面が接合される。第１及び第２基体１２、２０と接合膜１８との接合は、熱圧接により行われる。

第１基体１２の内部には、上面側に静電チャック電極（ＥＳＣ電極）１４、下面側に発熱体１６が埋め込まれる。ＥＳＣ電極１４及び発熱体１６のそれぞれには、電極端子３０、３２が接続される。第２基体２０の上面には、第１基体１２の上面に載置された被処理基板を冷却する冷媒が流れる流路２２として渦巻状の溝が設けられる。流路２２には、第２基体２０上面から下面へ貫通する貫通孔３４、３５が、冷媒の供給及び排気孔として接続される。図３に示すように、接合膜１８には、流路２２に沿って渦巻状にカットされた開口部２４と、電極端子３０、３２に対応する位置にカットされた開口部２６、２８とが設けられる。なお、図４に示すように、流路２２を塞ぐように開口部がカットされていない接合膜１８ａを用いてもよい。冷却効率の観点から、流路２２に供給された冷媒が第１基体１２の下面と直接接触する図２の構造であることがより好ましい。しかし、接合膜１８に用いるアルミニウムを含む金属の熱伝導率は十分高いため、接合膜１８による冷却効率の低下は小さい。

例えば、基板保持体１０は、プラズマエッチング装置等に取り付けられる。ＥＳＣ電極１４は、電極端子３０を介して外部の直流電源（図示省力）に接続される。発熱体１６は、電極端子３２を介して外部の温度制御器（図示省略）に接続される。流路２２は、貫通孔３４、３５を介して冷媒を供給循環する外部の供給装置（図示省略）に接続される。

被処理基板は、第１基体１２の上面に載置され、ＥＳＣ電極１４により静電チャックされる。流路２２に冷媒が供給され、被処理基板が冷却される。発熱体１６により被処理基板の温度が制御される。

第１及び第２基体１２、２０として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）等のセラミックス焼結体が用いられる。第１及び第２基体１２、２０は、熱圧接時の変形を防止するため、同種のセラミックス材料、又は熱膨張率の差が約０．５×１０^-6Ｋ^-1以内のセラミックス材料を用いることが好ましい。

接合膜１８として、Ａｌ、又はＡｌ合金等の金属が用いられる。Ａｌ合金は、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン（Ｓｉ）等を含むことが望ましい。特に、Ｍｇを約０．５重量％〜約５重量％含むＡｌ合金が望ましい。

熱圧接処理は、接合膜１８に用いるＡｌを含む金属の液相線温度未満の温度、例えば約５００℃〜約６００℃で真空中で行われる。Ａｌを含む金属の中で、Ｍｇは、約５００℃以上の温度で有意な蒸気圧を有する。また、Ｍｇは強い還元力を有する。そのため、約５００℃以上での熱圧接の際に、Ａｌ合金の表面酸化膜を除去してＡｌ合金表面を活性化することができる。その結果、第１及び第２基体１２、２０と接合膜１８との密着性を向上することができ、より良好な接合状態を実現することが可能となる。なお、Ｍｇの含有量が約０．５重量％未満では、Ｍｇの還元効果が低下してＡｌ合金表面の活性化が不十分となる。Ｍｇの含有量が約５重量％を越えると、Ｍｇ酸化物が生成されるようになり、Ａｌ合金表面の活性化が反って低下するとともに、Ｍｇを含むＡｌ合金の水冷媒に対する耐腐食性が急激に低下する。さらに、蒸発するＭｇが過剰となって不要な部位に析出することが生じることから、Ｍｇの含有量は５重量％以下が好ましい。

本発明の実施の形態に係る基板保持体１０では、接合膜１８にＡｌを含む金属を用いて、第１及び第２基体１２、２０と接合膜１８とが、Ａｌを含む金属が溶融しない温度で熱圧接により接合される。液相線温度（組成によるが、約５００℃〜約６００℃）未満がＡｌを含む金属が溶融しない温度である。そして、第１及び第２基体１２、２０に同種のセラミックス焼結体を用いる。したがって、熱膨張率の差及び高温処理に起因する第１及び第２基体１２、２０の変形を抑制し、且つ、接合膜が固体のままで接合するため、接合体すなわち基板保持体の寸法精度を向上することができる。さらに、接合膜が固体のままで接合され、溶融に伴う流動がないため、接合界面における引け巣やボイドがなく、シール性に優れた均一な接合界面が得られる。また、被処理基板を冷却する冷媒は、第１基体１２の下面がその一部を形成する流路２２に供給循環される。したがって、冷媒が第１基体１２の下面に直接接触し効率よく第１基体上面の被処理基板を冷却することができる。

ＥＳＣ電極１４及び発熱体１６として、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ(Ｎｂ)等の高融点金属、又は炭化タングステン（ＷＣ）等の高融点金属炭化物等の導電材料が用いられる。発熱体１６の形状は、コイル状や、メッシュ、スクリーン印刷体、あるいは箔等の平面型形状が用いられる。

次に、図１及び図２に示した基板保持体１０の製造方法の一例を、図５〜図８を用いて説明する。

（イ）図５に示すように、セラミックス粉体を加圧成形機の内部に充填して加圧成形することにより、予備成形体を製造する。予備成形体の上に発熱体１６を載せ、発熱体１６を埋め込むように予備成形体の上にセラミックス粉体を充填して加圧成形する。更に発熱体１６が埋め込まれた成形体の上にＥＳＣ電極１４を載せ、ＥＳＣ電極１４を埋め込むようにセラミックス粉体を充填して加圧成形する。その後、焼結を行って第１基体１２を作製する。その後、第一基体１２の基板保持面の反対側の面の所定の位置にＥＳＣ電極１４及び発熱体１６に到達する座繰り孔を研削加工により開口する。ロウ材を用いて電極端子３０、３２をＥＳＣ電極１４及び発熱体１６にそれぞれ接合する。

（ロ）図６に示すように、セラミックス粉体を加圧成形機の内部に充填して加圧成形することにより、予備成形体を製造する。予備成形体を機械加工等により円板状に整形する。機械加工等により、円盤状の予備成形体の上面に流路２２となる溝を形成し、更に、溝の一端に貫通孔３４を形成する。その後、焼結を行って、流路２２及び貫通孔３４を有する第２基体２０を作製する。その後、機械加工等により、第２基体２０の下面側からＥＳＣ電極１４及び発熱体１６それぞれの端子接続部に達する貫通孔４０、４２を形成する。

（ハ）図７に示すように、厚さが約０．０５ｍｍ〜約０．３ｍｍのＡｌを含む金属からなる接合膜１８に、レーザ加工等により開口部２４、２６、２８を形成する。Ａｌを含む金属は、Ｍｇを約０．５重量％〜約５重量％含有するＡｌ合金である。開口部２４は、第２基体２０の流路２２に沿った形状にカットされる。開口部２６、２８は、それぞれ第１基体１２に埋め込まれたＥＳＣ電極１４及び発熱体１６の端子接続部に対応する位置に設けられる。

（ニ）図８に示すように、第１基体１２の下面と第２基体２０の上面との間に接合膜１８を挟む。この状態で、接合膜１８の液相線温度未満の温度、例えば約５５０℃に加熱しながら、約４ＭＰａ〜約２０ＭＰａの圧力で熱圧接して第１及び第２基体１２、２０と接合膜１８とをそれぞれ接合する。このようにして、図１及び図２に示した基板保持体１０が製造される。

図９には、製造された基板保持体１０の平面度や冷却特性等を評価した結果が示されている。本発明の実施の形態に係る熱圧接による基板保持体である試料として実施例１〜実施例５の評価結果が示されている。また、樹脂接合法による基板保持体である比較例１及び比較例２の評価結果が示されている。比較例では、図１０に示すように、第２基体１２０としてＡｌが用いられ、流路１２２は第２基体１２０中に作製されている。したがって、比較例１及び比較例２においては、流路１２２を流れる冷媒は、第１基体１２に接触せず、流路１２２の上方の第２基体１２０を介して第１基体を冷却する。

基板保持体１０表面の平面度は、３次元測定器により測定した。また、プラズマ処理装置に基板保持体１０を装着し、冷却特性や基板保持体１０表面の温度分布を測定した。プラズマを約４ｋＷの高周波電力で励起して、基板保持体１０表面の温度を約３０℃の一定温度に制御可能となる冷媒温度を測定した。この冷媒温度が低いほど、冷却効率が悪いということであり、３０℃に近いほど冷却効率が高いということになる。冷媒温度は、冷媒供給循環装置（図示省略）で熱電対により測定された冷媒の温度である。また、基板保持体１０表面の温度を約３０℃に制御しながら、基板保持体１０表面の均熱性を評価した。均熱性は、基板保持体上方に設置した赤外線放射温度計（ＩＲカメラ）の温度測定器で測定された温度分布から評価した。ここで、冷媒は不凍液を混合した水である。

図９の表に示すように、実施例１、実施例２及び比較例１は、セラミックス焼結体としてＡｌＮが用いられている。実施例３、実施例４及び比較例２は、セラミックス焼結体としてＡｌ₂Ｏ₃が、実施例５は、セラミックス焼結体としてＳｉＣが、それぞれ用いられている。

第１基体の厚さは、実施例１、実施例２、実施例５及び比較例１が約１０ｍｍで、実施例３、実施例４及び比較例２が約６ｍｍである。第２基体の厚さは全試料共に約１５ｍｍである。

流路の幅は、実施例１、実施例３、実施例５、比較例１及び比較例２が約１０ｍｍで、実施例２及び実施例４が約５ｍｍである。また、接合膜は、実施例１、実施例３及び実施例５では流路状にカットされ、実施例２、実施例４、比較例１及び比較例２では流路状のカットはない。

実施例１〜実施例５の平面度は、約０．００６〜約０．０１５ｍｍである。一方、比較例１及び比較例２の平面度は、約０．２ｍｍより大きくなっている。このように、熱圧接による基板保持体の表面は、平面度を向上させることができる。

冷媒温度に関して、ＡｌＮを用いた実施例１及び実施例２が約１２℃と最も冷却効率が良く、ＳｉＣを用いた実施例５が約６℃であり、Ａｌ₂Ｏ₃を用いた実施例３及び実施例４は約−１８℃である。これらの相違はそれぞれのセラミックス材料の熱伝導率の大小によると考えられる。すなわち、最も熱伝導率の良いＡｌＮを用いた場合、最も冷却効率が良くなっている。一方、比較例１及び比較例２では、同様のセラミックス材料を用いているにも関わらず、冷媒温度は約−２８℃及び約−３３℃である。接合膜が比較例１及び比較例２では樹脂であるため、熱伝導率が小さく冷却効率が低下しているためである。また、比較例１及び比較例２では、セラミックス製の第１基体と冷媒が直接接触しないので、冷却効率が悪い。

均熱性に関しても、実施例１〜実施例５が約２℃〜約２．８℃であるのに対し、比較例１及び比較例２は約３．６℃及び約４℃と悪化している。また、接合膜を流路状にカットした実施例１及び実施例３の方が、流路状のカットがない実施例２及び実施例４に比べて均熱性がよい。実施例１及び実施例３では第２基体の冷却溝が開口しており、冷却溝の一面が第１基体から形成されているため、冷媒が直接、第１基体に接触するとともに、冷却溝近傍の第２基体のセラミックス部分が熱伝導率の良い金属接合膜を熱が移動しやすいので、比較例に比べ、より冷却効率を高くすることができる。冷却効率が高いので、プロセス中の被処理基板の温度を一定に保ち、且つ、保持面の均熱性をより均一にすることができる。特に処理温度をプロセス中に変化させる場合など、被処理基板の温度制御を素早くすることも可能になる。

このように、本発明の実施の形態に係る基板保持体では、表面の平面度を向上させることができる。また、流路に供給循環する冷媒による冷却を効率よく行うことができ、基板保持体表面の均熱性も向上させることができる。また、熱圧接処理は、金属接合膜の液相線温度未満の温度で行われる。Ａｌ又はＡｌ合金を用いて、熱圧接温度を約６００℃以下の低温にすることができる。その結果、第１及び第２基体と接合膜との接合が、基板保持体を変形させることなく行える。また、低温処理であるため、製造コストを低減することが可能である。

なお、熱圧接温度は、金属接合膜の液相線温度未満、かつ固相線温度より約３０℃低い温度以上であることが望ましい。例えば、Ｍｇを約０．５重量％〜約５重量％含有するＡｌ合金の液相線温度は約５９０℃であり、固相線温度は約５６０℃である。したがって、熱圧接温度として、約５９０℃未満、かつ約５３０℃以上の範囲が望ましい。

熱圧接温度が液相線温度以上では、金属接合膜が溶融して接合する液相接合となる。例えば、接合膜の金属にＳｉ等が含まれると、液相接合に際してＳｉが偏析する。ハロゲンプラズマ環境で使用する場合、偏析したＳｉが選択的にエッチングされ接合部が劣化する。

熱圧接温度が固相線温度より約３０℃低い温度未満では、金属接合膜が硬いままなのでセラミックス焼結体と接合膜の金属との接合部に微細な空隙が発生する。その結果、接合強度が低下してしまう。

また、熱圧接の圧力は、上述のように約４ＭＰａ〜約２０ＭＰａの範囲が望ましい。４ＭＰａ未満の圧力では、セラミックス焼結体と接合金属との接合強度が確保できない。２０ＭＰａより大きな圧力では、熱圧接の際にセラミックス焼結体が破損しやすくなる。なお、セラミックス焼結体の破損を抑制する観点からは、熱圧接の圧力は、約４ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲が望ましい。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る基板保持体の一例を示す平面概略図である。 図１に示した基板保持体のＡ−Ａ断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る接合膜の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の他の例を示す断面概略図である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その１）である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その２）である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その３）である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の製造方法の一例を示す断面図（その４）である。 本発明の実施の形態に係る基板保持体の評価結果の一例を示す表である。 比較例による基板保持体の一例を示す断面概略図である。

符号の説明

１０…基板保持体
１２…第１基体
１４…ＥＳＣ電極
１６…発熱体
１８…接合膜
２０…第２基体
２２…流路

Claims (7)

1. 上面に被処理基板を載置する第１のセラミックス焼結体からなる第１基体と、
   前記第１基体の下面に上面を接合されたアルミニウムを含む金属の接合膜と、
   前記接合膜の下面に上面を接合された第２のセラミックス焼結体の上面に前記被処理基板を冷却する冷媒を流すための流路を有する第２基体
   とを備え、
   前記金属は、マグネシウムを含むアルミニウム合金であること特徴とする基板保持体。
2. 前記金属が、マグネシウムを０．５質量％〜５質量％の範囲で含むアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の基板保持体。
3. 前記接合膜が、前記流路に沿ってカットされた開口部を有し、前記冷媒が前記第１基体に直接接触することを特徴とする請求項１又は２に記載の基板保持体。
4. 前記第１基体の内部に、前記被処理基板を静電チャックするための静電チャック電極、及び前記被処理基板を加熱する発熱体が埋め込まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板保持体。
5. 上面に被処理基板を載置する第１のセラミックス焼結体からなる第１基体を作製し、
   第２のセラミックス焼結体の上面に前記被処理基板を冷却する冷媒を流す流路に対応する溝を形成して第２基体を作製し、
   前記第１基体の下面と前記第２基体の上面との間にアルミニウムを含む金属の接合膜を挟んで前記アルミニウムを含む金属の液相線温度未満の温度に加熱しながら、４ＭＰａ〜２０ＭＰａの圧力で熱圧接して前記第１及び第２基体のそれぞれと前記接合膜とを接合する
   ことを含み、
   前記金属は、マグネシウムを含むアルミニウム合金であること特徴とする基板保持体の製造方法。
6. 前記金属が、マグネシウムを０．５質量％〜５質量％の範囲で含むアルミニウム合金であることを特徴とする請求項５に記載の基板保持体の製造方法。
7. 前記接合膜には、前記溝に沿って開口部がカットされることを特徴とする請求項５又は６に記載の基板保持体の製造方法。
   
   

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