JP6005579B2

JP6005579B2 - 半導体製造装置用部材

Info

Publication number: JP6005579B2
Application number: JP2013086803A
Authority: JP
Inventors: 俊片居木; 昂谷村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2033-04-17
Also published as: US9165813B2; JP2013232640A; US20130286532A1

Description

本発明は、半導体製造装置用部材に関する。

従来より、ウエハ載置面を有する静電チャックが冷却装置上に設けられた半導体製造装置用部材が知られている。こうした半導体製造装置用部材としては、静電チャックに載置したウエハから熱を奪う目的で、ウエハの裏面にヘリウム（Ｈｅ）等のバックサイドガスを流すものも知られている。こうした半導体製造装置用部材において、冷却装置のうち静電チャックに接合された接合面と該接合面とは反対側の面とを連通するガス供給孔と、静電チャックのうちガス供給孔に対向する面からウエハ載置面に向かって形成されたザグリ穴と、このザグリ穴の底面からウエハ載置面まで貫通する細孔と、ザグリ穴に充填された通気性プラグとを備えたものが考えられる（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−３１５６８０号公報

近年、静電チャックから冷却装置への熱の移動を促進するために、静電チャックの厚さを薄くする方向にある。

これに伴い、従来の半導体製造装置用部材では、冷却装置とウエハ載置面に載置されたウエハとの間の距離が小さくなり、冷却装置とウエハとの間で絶縁破壊が発生することがあった。特に、静電チャックの厚さが１．５ｍｍ程度のように薄い場合には、ウエハから冷却装置までの絶縁部分を沿うようにして起こる放電（沿面放電）よりも、ガス供給孔と細孔とを結んだ直線距離で起こる放電（プラグ内放電）の方が支配的になることがあることがわかった。さらに、プラズマパワーが高くなると、ウエハと冷却装置間の電位差がより大きくなり、プラグ内放電が起こりやすくなることがわかった。放電が起こると、ウエハ上に放電痕が生じ、パーティクル等の原因となるばかりでなく、ウエハ上の回路を破壊することもある。

本発明は、こうした問題を解決することを課題とするものであり、半導体製造装置用部材において、絶縁耐圧を大きくすることを主目的とする。

本発明の半導体製造装置用部材は、
ウエハ載置面を有する静電チャックが冷却装置上に設けられた半導体製造装置用部材であって
前記冷却装置のうち前記静電チャックに接合された接合面と該接合面とは反対側の面とを連通するガス供給孔と、
前記静電チャックと前記冷却装置との間に設けられ、前記ガス供給孔と対向する位置に貫通穴を有する絶縁性のボンディングシートと、
前記静電チャックのうち前記ガス供給孔に対向する面から前記ウエハ載置面に向かって形成され、前記ガス供給孔と連通する凹部と、
前記凹部の底面から前記ウエハ載置面まで貫通する細孔と、
前記凹部に充填された絶縁材料からなる通気性プラグと、
前記凹部の底面と前記通気性プラグとの間に設けられ、前記細孔と対向する位置に貫通穴を有する絶縁性の接着層と、
を備え、
前記細孔から前記通気性プラグを横切って前記ガス供給孔へ至る最短距離は、前記通気性プラグの厚さより長く、
前記接着層の貫通穴の縁から前記接着層に沿って前記通気性プラグの外周面に至る最短距離と前記通気性プラグの外周面から前記ボンディングシートに沿って前記ボンディングシートの貫通穴の縁に至る最短距離の和も、前記通気性プラグの厚さより長い
ものである。

本発明の半導体製造装置用部材において、ウエハ載置面に載置されたウエハと冷却装置との間で放電経路となり得るのは、細孔から通気性プラグを横切ってガス供給孔へ至る最短経路（第１経路という）か、細孔から接着層に沿って通気性プラグの外周面に最短経路を通って至り、その外周面に沿ってボンディングシートに至り、そこからボンディングシートに沿ってガス供給孔に最短経路を通って至る経路（第２経路という）である。いま、比較基準として、第１経路が通気性プラグの厚さ方向と平行な場合を考えると、比較基準では、第１経路の長さは通気性プラグの厚さと一致する。これに対して、本発明では、第１経路の長さが比較基準より長いため、その分、絶縁耐圧が比較基準に比べて向上する。また、本発明では、第２経路のうち、絶縁耐圧に寄与するのは、電気的に絶縁されている部分、つまり、接着層の貫通穴の縁から接着層に沿って通気性プラグの外周面に至る最短経路（接着層側の部分という）と、通気性プラグの外周面からボンディングシートに沿ってボンディングシートの貫通穴の縁に至る最短経路（シート側の部分という）である。通気性プラグの外周面と静電チャックの凹部の内面との間には微小な隙間が存在するため、通気性プラグの外周面は電気的に絶縁されていないとみなされる。本発明では、接着層側の部分の長さとシート側の部分の長さの和が、比較基準の第１経路の長さより長いため、その分、絶縁耐圧が比較基準に比べて向上する。つまり、第１及び第２経路のいずれを通って放電したとしても、絶縁耐圧は比較基準に比べて向上する。

本発明の半導体製造装置用部材において、前記細孔は、複数形成され、前記接着層が有する貫通穴は、前記複数の細孔と対向する位置に形成され、前記複数の細孔のうち前記ガス供給孔に最も近い細孔から前記通気性プラグを横切って前記ガス供給孔に至る最短距離は、前記通気性プラグの厚さより長くなるようにしてもよい。こうすれば、細孔が複数存在するため、細孔が一つの場合に比べてウエハの裏面全体にガスを均一に供給することができる。

こうした構成において、前記複数の細孔は、前記凹部の中心から所定半径を持つ円形領域内に設けられていてもよい。こうすれば、上述した第２経路のうち接着層側の部分を長くしやすい。

半導体製造装置用部材１０の縦断面図。図１のＡ部拡大図。半導体製造装置用部材１０の平面図（部分）。寸法Ａ〜Ｅの説明図。絶縁耐圧の測定装置の説明図。

次に、本発明の好適な一実施形態について、図面を用いて説明する。図１は半導体製造装置用部材１０の縦断面図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は半導体製造装置用部材１０の平面図（部分）である。

半導体製造装置用部材１０は、ウエハ載置面２２を有する静電チャック２０が冷却装置４０の上に設けられた部材である。ウエハ載置面２２には、複数のエンボス（小突起）２３が設けられ、このエンボス２３にプラズマ処理が施されるウエハＷが載置される。

冷却装置４０は、アルミニウムなどの金属製の円盤状の部材であり、ガス供給孔４２を有している。このガス供給孔４２は、冷却装置４０のうち静電チャック２０に接合された接合面４４と該接合面４４とは反対側の面４６とを連通している。

静電チャック２０は、アルミナなどのセラミックス製の緻密な円盤状の部材であり、ザグリ穴（凹部）２６と、このザグリ穴２６に連通する複数の細孔３４とを有している。ザグリ穴２６は、ウエハ載置面２２と反対側の面２４のうちガス供給孔４２に対向する位置からウエハ載置面２２に向かって形成されている。このため、ザグリ穴２６は、ガス供給孔４２と連通している。また、ザグリ穴２６の内部空間は、円筒形となっている。細孔３４は、ザグリ穴２６より小径であり、ザグリ穴２６の底面２７からウエハ載置面２２まで貫通している。この細孔３４は、ウエハ載置面２２のうちエンボス２３の形成されていない箇所に開口している。また、細孔３４は、１つのザグリ穴２６に対して、複数個（例えば７つ）設けられている。ザグリ穴２６には、絶縁材料からなる通気性プラグ３６が充填されている。この通気性プラグ３６は、ザグリ穴２６の底面２７のうち細孔３４が形成されていない部分に絶縁性の接着層３８を介して接着されている。接着層３８は、通気性プラグ３６の表面を覆う大きさを有しているが、複数個の細孔３４と対向する位置には円形の貫通穴３９が形成されている。通気性プラグ３６としては、例えば、絶縁性のセラミックスを細かく砕いたものを通気性を有するように無機接着剤で固めたものとか、セラミックスの多孔質体などが挙げられる。さらには、グラスファイバーや、耐熱性テフロン樹脂スポンジなどであっても良い。セラミックス多孔質体が非常に細かい通気孔を形成しやすいので好ましい。接着層３８としては、例えばシリコーンシートやポリイミド接着剤などが用いられる。

複数の細孔３４は、ザグリ穴２６の中心位置及びその周囲に設けられている。ガス供給孔４２は、ザグリ穴２６の中心位置からずれた位置に設けられている。これらの細孔３４は、図３に示すように、ザグリ穴２６の底面２７の中心から所定半径を持つ円形領域３５内に設けられている。なお、所定半径は、ザグリ穴２６の半径未満、例えばザグリ穴２６の半径の１／１０〜１／２となるようにすればよい。

冷却装置４０と静電チャック２０とは、絶縁性のボンディングシート５０を介して接合されている。ボンディングシート５０のうち、ガス供給孔４２に対向する部分には貫通穴５２が開けられている。

この半導体製造装置用部材１０において、ウエハ載置面２２に載置されたウエハＷと冷却装置４０との間で放電経路となり得るのは、第１経路Ｒ１と第２経路Ｒ２の２つである。第１及び第２経路Ｒ１，Ｒ２は、図２においてそれぞれ点線で示した経路である。具体的には、第１経路Ｒ１は、複数の細孔３４のうちガス供給孔４２に最も近い細孔３４ａから通気性プラグ３６を横切ってガス供給孔４２へ至る最短経路である。また、第２経路Ｒ２は、いずれかの細孔３４から接着層３８に沿って通気性プラグ３６の外周面に最短経路を通って至り、その外周面に沿ってボンディングシート５０に至り、そこからボンディングシート５０に沿ってガス供給孔４２に最短経路を通って至る経路である。本実施形態では、第１経路Ｒ１の長さが通気性プラグ３６の厚みより長くなるように設計されている。また、第２経路Ｒ２のうち、絶縁耐圧に寄与するのは、電気的に絶縁されている部分、つまり、接着層３８の貫通穴３９の縁から接着層３８に沿って通気性プラグ３６の外周面に至る最短経路（接着層側の部分Ｒ２ａ）と、通気性プラグ３６の外周面からボンディングシート５０に沿ってボンディングシート５０の貫通穴５２の縁に至る最短経路（シート側の部分Ｒ２ｂ）である。通気性プラグ３６の外周面とザグリ穴２６の内周面との間には微小な隙間が存在するため、通気性プラグ３６の外周面は電気的に絶縁されていないとみなされる。本実施形態では、接着層側の部分Ｒ２ａの長さとシート側の部分Ｒ２ｂの長さの和（Ｒ２ａ＋Ｒ２ｂ）が、通気性プラグ３６の厚みより長い。

こうした半導体製造装置用部材１０は、図示しないチャンバ内に設置される。そして、ウエハ載置面２２にウエハＷを載置し、チャンバー内に原料ガスを導入すると共に冷却装置４０にプラズマを立てるためのＲＦ電圧を印加することにより、プラズマを発生させてウエハＷの処理を行う。このとき、ガス供給孔４２には、ガスボンベ（図示せず）からヘリウム等のバックサイドガスが導入される。バックサイドガスは、ガス供給孔４２、ザグリ穴２６内の通気性プラグ３６、細孔３４を通ってウエハＷの裏面側の空間５４に供給される。

このようにプラズマを発生させているときに、ウエハＷと冷却装置４０との間で放電が起きることがある。放電経路は、図２を用いて既に説明したように、第１経路Ｒ１と第２経路Ｒ２とがある。いま、比較基準として、細孔とガス供給孔とを結ぶ線分が通気性プラグ３６の厚さ方向と平行な場合（表２の比較例１参照）を考えると、比較基準では、第１経路Ｒ１の長さは通気性プラグ３６の厚さと一致する。これに対して、本実施形態では、第１経路Ｒ１の長さは通気性プラグ３６の厚さより長いため、その分、比較基準と比べて絶縁耐圧が向上する。また、第２経路Ｒ２のうち、絶縁耐圧に寄与するのは、上述したように接着層側の部分Ｒ２ａとシート側の部分Ｒ２ｂである。本実施形態では、接着層側の部分Ｒ２ａの長さとシート側の部分Ｒ２ｂの長さの和が通気性プラグ３６の厚みより長いため、その分、比較基準と比べて絶縁耐圧が向上する。つまり、第１及び第２経路Ｒ１，Ｒ２のいずれを通って放電したとしても、絶縁耐圧は比較基準に比べて向上する。

なお、第１経路Ｒ１の長さ、及び、第２経路Ｒ２のうち接着層側の部分Ｒ２ａの長さとシート側の部分Ｒ２ｂの長さの和のいずれか一方が、通気性プラグ３６の厚み以下の場合には、比較基準と比べて絶縁耐圧は向上しない。というのは、例えば、第１経路Ｒ１の長さが通気性プラグ３６の厚みと同じだとすると、部分Ｒ２ａの長さと部分Ｒ２ｂの長さの和が通気性プラグ３６の厚みより長くても、放電経路は第１経路Ｒ１が支配的になるからである。また、上述した長さの和が通気性プラグ３６の厚み以下だとすると、第１経路Ｒ１の長さが通気性プラグ３６の厚みより長くても、放電経路は第２経路Ｒ２が支配的になるからである。

以上説明した本実施形態の半導体製造装置用部材１０によれば、ウエハＷと冷却装置４０との間の絶縁耐圧を大きくすることができる。また、細孔３４が複数存在するため、細孔３４が一つの場合に比べてウエハＷの裏面全体にバックサイドガスを均一に供給することができる。更に、複数の細孔３４はザグリ穴２６の底面２７の中心から所定半径を持つ円形領域３５内に設けられているため、第２経路Ｒ２のうち接着層側の部分Ｒ２ａの距離を長くしやすくなり、ひいては上述した長さの和（Ｒａ＋Ｒ２ｂ）を通気性プラグ３６の厚みより長くしやすくなる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、複数の細孔３４を備えた円形領域３５の中心をザグリ穴２６の底面２７の中心と一致するようにしたが、円形領域３５の中心をザグリ穴２６の底面２７の中心からずらしてもよい。また、ガス供給孔４２の中心がザグリ穴２６の中心からずれるようにしたが、ザグリ穴２６の中心と一致させてもよい。更に、円形領域３５を考慮することなく、ウエハ載置面２２のうちエンボス２３が形成されていない場所にまんべんなく複数の細孔３４を設けてもよい。これらのいずれかを採用する場合、第１経路Ｒ１の長さが通気性プラグ３６の厚さより長く、かつ、接着層側の部分Ｒ２ａの長さとシート側の部分Ｒ２ｂの長さの和が通気性プラグ３６の厚みより長くなる条件を満たすことが前提となる。

上述した実施形態では、複数の細孔３４を設けたが、細孔３４を一つだけ設けてもよい。その場合、上述した実施形態に比べて、ウエハＷの裏面全体にバックサイドガスを均一に供給し難くなるものの、ウエハＷと冷却装置４０との間の絶縁耐圧を大きくすることができるという効果は得ることができる。

上述した半導体製造装置用部材１０を、表１に示す実施例１〜３の寸法になるように作製した。半導体製造装置用部材を、表２に示す比較例１〜３の寸法になるように作製した。表１，２の寸法Ａ〜Ｅがどこを指すかについては、図４に示した。実施例１〜３では、寸法Ｃ及び寸法Ｄ＋Ｅを寸法Ｂ（通気性プラグ３６の厚み）より長くした。比較例１では、ガス供給孔４２をザグリ穴２６の中心位置に設けた。この比較例１では、寸法Ｄ＋Ｅは寸法Ｂより長いが、寸法Ｃは寸法Ｂと一致した。比較例２では、複数の細孔３４が形成された円形領域３５の中心をザグリ穴２６の中心からガス供給孔４２とは反対方向へずらした。この比較例２では、寸法Ｃは寸法Ｂより長いが、寸法Ｄ＋Ｅは寸法Ｂより短かった。比較例３では、接着層３８をなくした。この比較例３では、寸法Ｃは寸法Ｂより長いが、寸法Ｄ＋Ｅは寸法Ｂより短かった。なお、実施例１〜３及び比較例１〜３とも、静電チャック２０は緻密質窒化アルミニウム製、冷却装置４０はアルミニウム製、通気性プラグ３６は多孔質アルミナ製のものを用いた。

実施例１〜３及び比較例１〜３につき、各々３つずつ作製し、絶縁耐圧（ｋＶ）を測定した。その結果を表１及び表２に示す。なお、絶縁耐圧は、ウエハＷと冷却装置４０間に直流電圧をかけ、ウエハＷと冷却装置４０との間でアーク放電が起きたときの電圧を測定した。その測定装置を図５に示す。図５には、実施例１の半導体製造装置用部材１０を例示した。測定装置は、アクリルボックス８０内に組み立てた。具体的には、半導体製造装置用部材１０のウエハ載置面２２にウエハＷを載せた状態で、冷却装置４０の面４６及びウエハＷの中央部分を除いて熱収縮チューブ６０で覆い、冷却装置４０に設けた取付穴４８へパイプ６２を差し込み、ウエハＷにもパイプ６８を取り付けた。取付穴４８は、ガス供給孔４２に連通する穴である。パイプ６２はパッキンを介して気密に冷却装置４０に装着した。このパイプ６２には、金属継手６４及びフッ素樹脂チューブ６６を繋ぎ、４０ＴｏｒｒのＨｅガスを供給した。パイプ６８は熱収縮チューブ６０によって気密にウエハＷに装着した。このパイプ６８には、金属継手７０及びフッ素樹脂チューブ７２を繋ぎ、４０ＴｏｒｒのＨｅガスを供給した。

実施例１〜３では、寸法Ｃ（孔間距離）が寸法Ｂ（通気性プラグ３６の厚さ）より長く、しかも、寸法Ｄ＋Ｅ（接着層側の部分Ｒ２ａの長さ＋シート側の部分Ｒ２ｂの長さ）も寸法Ｂより長かったため、絶縁耐圧は比較例１より高い値が得られた。また、比較例２，３では、寸法Ｃは寸法Ｂより長かったものの、寸法Ｄ＋Ｅは寸法Ｂより短かったため、絶縁耐圧は比較例１と同等かそれより低い値となった。

本発明は、半導体製造装置に利用可能であり、例えば、ウエハを支持するサセプタや静電チャック、セラミックヒータなどに利用可能である。

１０半導体製造装置用部材、２０静電チャック、２２ウエハ載置面、２３エンボス、２４面、２６ザグリ穴、２７底面、３４，３４ａ細孔、３５円形領域、３６通気性プラグ、３８接着層、３９貫通穴、４０冷却装置、４２ガス供給孔、４４接合面、４６面、４８取付穴、５０ボンディングシート、５２貫通穴、５４空間、６０熱収縮チューブ、６２パイプ、６４金属継手、６６フッ素樹脂チューブ、６８パイプ、７０金属継手、７２フッ素樹脂チューブ、８０アクリルボックス、Ｒ１第１経路、Ｒ２第２経路、Ｒ２ａ第２経路の接着層側の部分、Ｒ２ｂ第２経路のシート側の部分。

Claims

ＲＦ電圧が印加される冷却装置上に、ウエハ載置面を有する静電チャックが設けられた半導体製造装置用部材であって、
前記冷却装置のうち前記静電チャックに接合された接合面と該接合面とは反対側の面とを連通するガス供給孔と、
前記静電チャックと前記冷却装置との間に設けられ、前記ガス供給孔と対向する位置に貫通穴を有する絶縁性のボンディングシートと、
前記静電チャックのうち前記ガス供給孔に対向する面から前記ウエハ載置面に向かって形成され、前記ガス供給孔と連通する円筒形状の凹部と、
前記凹部の底面から前記ウエハ載置面まで貫通する細孔と、
前記凹部に充填された絶縁材料からなる通気性プラグと、
前記凹部の底面と前記通気性プラグとの間に設けられ、前記細孔と対向する位置に貫通穴を有する絶縁性の接着層と、
を備え、
前記細孔から前記通気性プラグを横切って前記ガス供給孔へ至る最短距離は、前記通気性プラグの厚さより長く、
前記接着層の貫通穴の縁から前記接着層に沿って前記通気性プラグの外周面に至る最短距離と前記通気性プラグの外周面から前記ボンディングシートに沿って前記ボンディングシートの貫通穴の縁に至る最短距離の和も、前記通気性プラグの厚さより長い
半導体製造装置用部材。
前記細孔は、複数形成され、
前記接着層が有する貫通穴は、前記複数の細孔と対向する位置に形成され、
前記複数の細孔のうち前記ガス供給孔に最も近い細孔から前記通気性プラグを横切って前記ガス供給孔へ至る最短距離は、前記通気性プラグの厚さより長い、
請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
前記複数の細孔は、前記凹部の中心から所定半径を持つ円形領域内に設けられている、
請求項２に記載の半導体製造装置用部材。