JP7565734B2 - Substrate holding member and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、基板保持部材、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a substrate holding member and a method for manufacturing the same.
半導体製造装置に用いられる基板保持部材、例えば、静電チャックは、半導体のプロセス中に基板を所定の温度に保つために、冷却部材が備えられているものがある。 Some substrate holding members used in semiconductor manufacturing equipment, such as electrostatic chucks, are equipped with cooling members to keep the substrate at a predetermined temperature during the semiconductor process.
特許文献1には、表面に溶射によって絶縁体膜が形成された金属プレートと、表面に電極が形成された誘電体基板とが、電極が対向するように絶縁性接着剤を介在して接合され、絶縁体膜の厚みが0.3mm以上、0.6mm以下であり、また、絶縁性接着剤の熱伝導率が1W/mK以上であり、絶縁体膜の熱伝導率は絶縁性接着剤の熱伝導率より大きい静電チャックが開示されている。 Patent Document 1 discloses an electrostatic chuck in which a metal plate having an insulating film formed on its surface by thermal spraying and a dielectric substrate having electrodes formed on its surface are joined with an insulating adhesive so that the electrodes face each other, the thickness of the insulating film is 0.3 mm or more and 0.6 mm or less, the thermal conductivity of the insulating adhesive is 1 W/mK or more, and the thermal conductivity of the insulating film is greater than that of the insulating adhesive.
また、特許文献2には、冷却流路を有する基材と、基材の上方に配置され、発熱体を有するヒータ部と、基材とヒータ部との間に配置された断熱層と、を有するヒータユニットが開示されている。また、断熱層の熱伝導率は、基材の熱伝導率よりも低くてもよい、と記載され、断熱層は、気孔を包含するSUSであってもよい、と記載され、ヒータユニットは発熱体を覆う絶縁体をさらに有し、断熱層の熱伝導率は絶縁体の熱伝導率よりも低くてもよい、と記載されている。 Patent Document 2 also discloses a heater unit having a substrate having a cooling flow path, a heater section arranged above the substrate and having a heating element, and a heat insulating layer arranged between the substrate and the heater section. It also describes that the thermal conductivity of the heat insulating layer may be lower than that of the substrate, that the heat insulating layer may be SUS containing pores, that the heater unit further has an insulator covering the heating element, and that the thermal conductivity of the heat insulating layer may be lower than that of the insulator.
従来、静電チャックの冷却プレートは、その加工性および冷却効果より金属材料、とりわけAl合金が用いられてきた。静電チャックは、Al2O3やAlNからなるセラミックス焼結体が用いられてきた。これらを一体化するには、一体化の簡便さから有機接着剤が提案されてきた。しかし、接合層として有機接着材を使用する場合、その耐熱性が問題となり、特に200℃以上のプロセスで静電チャックを使用すると、有機接着層が分解する温度に到達するため使用することができなかった。 Conventionally, metal materials, especially Al alloys, have been used for the cooling plate of an electrostatic chuck because of their workability and cooling effect. Electrostatic chucks have used ceramic sintered bodies made of Al2O3 or AlN . To integrate these, organic adhesives have been proposed because of their ease of integration. However, when using an organic adhesive as a bonding layer, its heat resistance becomes an issue, and it was not possible to use an electrostatic chuck in a process at 200°C or higher, because the temperature would reach a point where the organic adhesive layer would decompose.
また、近年のプロセスのハイパワー化にともない、静電チャックの基板載置面の温度分布の均熱性の要求が高度化しているが、金属製冷却プレートを使用する場合はそれ自体熱伝導がよいため金属プレート内部に設けられた冷媒流路の影響が静電チャックの載置面に現れ載置面の温度分布均一性が阻害されることが生じていた。 In addition, with the increasing power of recent processes, there is an increasing demand for uniform temperature distribution on the substrate mounting surface of the electrostatic chuck. However, when using a metal cooling plate, the metal plate itself has good thermal conductivity, and the influence of the coolant flow path provided inside the metal plate appears on the mounting surface of the electrostatic chuck, hindering the uniformity of the temperature distribution on the mounting surface.
しかしながら、特許文献1は、絶縁性接着剤層の耐熱性は考慮していない。また、特許文献2は、断熱層と基材または断熱層とヒータ部との接合を考慮していないため、有機接着剤を使用した場合の耐熱性は考慮していない。また、引用文献1も2も基板を冷却する際の温度分布均一性は考慮していない。 However, Patent Document 1 does not take into account the heat resistance of the insulating adhesive layer. Furthermore, Patent Document 2 does not take into account the bonding between the heat insulating layer and the base material or the heat insulating layer and the heater section, and therefore does not take into account the heat resistance when an organic adhesive is used. Furthermore, neither Patent Document 1 nor Patent Document 2 takes into account the uniformity of the temperature distribution when cooling the substrate.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板の温度がシリコーン接着層の耐熱温度以上となるプロセスで使用しても、シリコーン接着層の温度が耐熱温度以下となり、かつ、基板載置面の温度分布均一性が高い基板保持部材、およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of these circumstances, and aims to provide a substrate holding member and a method for manufacturing the same, in which the temperature of the silicone adhesive layer is kept below the heat-resistant temperature even when used in a process in which the temperature of the substrate reaches or exceeds the heat-resistant temperature of the silicone adhesive layer, and in which the temperature distribution of the substrate mounting surface is highly uniform.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の基板保持部材は、基板保持部材であって、セラミックスにより平板状に形成され、一方の主面に基板載置面を有するセラミックス部材と、前記セラミックス部材の他方の主面に形成された第1の溶射膜と、内部に冷媒の流路を有する金属製の冷却部材と、前記冷却部材の平面状の主面に形成された第2の溶射膜と、前記第1の溶射膜と前記第2の溶射膜とを接合するシリコーン接着層と、を備えることを特徴としている。このように、セラミックス部材とシリコーン接着層との接合面および冷却部材とシリコーン接着層との接合面にそれぞれ溶射膜を設けることで、シリコーン接着層の耐熱温度より高い温度のプロセスで基板保持部材を使用しても、シリコーン接着層の温度を耐熱温度以下にすることができ、シリコーン接着層の劣化を防ぐことができると共に、基板保持部材の基板載置面の熱ムラを低減することができる。同時にシリコーン接着層の有する柔軟性により基板保持部材と冷却部材間に生じる応力を緩和することができる。その結果、基板保持部材の基板載置面の温度分布の均一化をしつつ、シリコーン接着層の耐熱温度より高い温度のプロセスで基板保持部材を使用することが可能となる。 (1) In order to achieve the above object, the substrate holding member of the present invention is characterized in that it comprises a ceramic member formed in a flat plate shape from ceramics and having a substrate mounting surface on one main surface, a first sprayed film formed on the other main surface of the ceramic member, a metal cooling member having a refrigerant flow path inside, a second sprayed film formed on the planar main surface of the cooling member, and a silicone adhesive layer bonding the first sprayed film and the second sprayed film. In this way, by providing a sprayed film on each of the bonding surface between the ceramic member and the silicone adhesive layer and the bonding surface between the cooling member and the silicone adhesive layer, even if the substrate holding member is used in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer, the temperature of the silicone adhesive layer can be kept below the heat resistance temperature, and deterioration of the silicone adhesive layer can be prevented and thermal unevenness on the substrate mounting surface of the substrate holding member can be reduced. At the same time, the flexibility of the silicone adhesive layer can relieve stress generated between the substrate holding member and the cooling member. As a result, it is possible to use the substrate holding member in processes at temperatures higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer while equalizing the temperature distribution on the substrate mounting surface of the substrate holding member.
(2)また、本発明の基板保持部材において、前記セラミックス部材はAlNを主成分とするセラミックスで形成され、前記セラミックス部材の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRe(m2K/W)、前記第1の溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf1(m2K/W)、前記シリコーン接着層の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRb(m2K/W)、前記第2の溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf2(m2K/W)、前記冷却部材の前記シリコーン接着層側の主面から前記冷媒の流路までの領域における厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRm(m2K/W)としたとき、0.75≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.24であることを特徴としている。このように、セラミックス部材を形成するセラミックスの材料に応じて、セラミックス部材、第1の溶射膜、シリコーン接着層、第2の溶射膜、および冷却部材の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、250℃以上の高温のプロセスであっても基板保持部材を使用できる。 (2) In the substrate holding member of the present invention, the ceramic member is formed of a ceramic containing AlN as a main component, and when the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re ( m2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the first sprayed film is Rf1 ( m2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the silicone adhesive layer is Rb ( m2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the second sprayed film is Rf2 ( m2 K/W), and the thermal resistance per unit area in the thickness direction in the region from the main surface of the cooling member on the silicone adhesive layer side to the coolant flow path is Rm ( m2 K/W), 0.75≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.24. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area of the ceramic member, first sprayed film, silicone adhesive layer, second sprayed film, and cooling member depending on the ceramic material that forms the ceramic member, the substrate holding member can be used even in high-temperature processes of 250°C or higher.
(3)また、本発明の基板保持部材において、前記セラミックス部材はAl2O3を主成分とするセラミックスで形成され、前記セラミックス部材の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRe(m2K/W)、前記第1の溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf1(m2K/W)、前記シリコーン接着層の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRb(m2K/W)、前記第2の溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf2(m2K/W)、前記冷却部材の前記シリコーン接着層側の主面から前記冷媒の流路までの領域における厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRm(m2K/W)としたとき、0.77≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.20であることを特徴としている。このように、セラミックス部材を形成するセラミックスの材料に応じて、セラミックス部材、第1の溶射膜、シリコーン接着層、第2の溶射膜、および冷却部材の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、250℃以上の高温のプロセスであっても基板保持部材を使用できる。 (3) In the substrate holding member of the present invention, the ceramic member is formed of a ceramic containing Al2O3 as a main component, and when the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re ( m2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the first sprayed film is Rf1 (m2 K /W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the silicone adhesive layer is Rb ( m2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the second sprayed film is Rf2 ( m2 K/W), and the thermal resistance per unit area in the thickness direction in the region from the main surface of the cooling member on the silicone adhesive layer side to the coolant flow path is Rm ( m2 K/W), 0.77≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.20. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area of the ceramic member, first sprayed film, silicone adhesive layer, second sprayed film, and cooling member depending on the ceramic material that forms the ceramic member, the substrate holding member can be used even in high-temperature processes of 250°C or higher.
(4)また、本発明の基板保持部材は、前記基板保持部材において、前記セラミックス部材はAlNを主成分とするセラミックスで形成され、(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83であることを特徴としている。このように、セラミックス部材を形成するセラミックスの材料に応じて、セラミックス部材、第1の溶射膜、シリコーン接着層、第2の溶射膜、および冷却部材の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、所定のプロセス温度を保つために必要な供給熱量を低減することができる。 (4) Furthermore, the substrate holding member of the present invention is characterized in that, in the substrate holding member, the ceramic member is formed of a ceramic mainly composed of AlN, and (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member, the first sprayed film, the silicone adhesive layer, the second sprayed film, and the cooling member according to the ceramic material forming the ceramic member, the amount of heat supply required to maintain a predetermined process temperature can be reduced.
(5)また、本発明の基板保持部材は、前記基板保持部材において、前記セラミックス部材はAl2O3を主成分とするセラミックスで形成され、(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63であることを特徴としている。このように、セラミックス部材を形成するセラミックスの材料に応じて、セラミックス部材、第1の溶射膜、シリコーン接着層、第2の溶射膜、および冷却部材の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、所定のプロセス温度を保つために必要な供給熱量を低減することができる。 (5) The substrate holding member of the present invention is characterized in that the ceramic member is formed of a ceramic containing Al 2 O 3 as a main component, and (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63. In this way, the amount of heat supply required to maintain a predetermined process temperature can be reduced by adjusting the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member, the first sprayed film, the silicone adhesive layer, the second sprayed film, and the cooling member according to the ceramic material forming the ceramic member.
(6)また、本発明の基板保持部材の製造方法は、基板保持部材の製造方法であって、セラミックス原料粉を成形して焼成し、セラミックス部材を作製する工程と、複数の金属部材を準備し、冷媒の流路となる溝部を形成する工程と、前記溝部が形成された前記複数の金属部材を接合し、前記流路を有する冷却部材を作製する工程と、前記セラミックス部材の基板載置面に対向する面に所定のセラミックスを含む第1の溶射原料粉を溶射し、第1の溶射膜を形成する工程と、前記冷却部材の一方の主面に所定のセラミックスを含む第2の溶射原料粉を溶射し、第2の溶射膜を形成する工程と、前記第1の溶射膜または前記第2の溶射膜の少なくとも一方にシリコーン接着剤を塗布し、前記セラミックス部材および前記冷却部材を接着する工程と、前記シリコーン接着剤を硬化させシリコーン接着層とする工程と、を含むことを特徴としている。このように、セラミックス部材とシリコーン接着層との接合面および冷却部材とシリコーン接着層との接合面にそれぞれ溶射膜を設けることで、シリコーン接着層の耐熱温度より高い温度のプロセスで基板保持部材を使用しても、シリコーン接着層の温度を耐熱温度以下にすることができ、シリコーン接着層の劣化を防ぐことができると共に、基板保持部材の基板載置面の熱ムラを低減することができる。同時にシリコーン接着層の有する柔軟性により基板保持部材と冷却部材間に生じる応力を緩和することができる。その結果、基板保持部材の基板載置面の温度分布の均一化をしつつ、シリコーン接着層の耐熱温度より高い温度のプロセスで静電チャックを使用することが可能となる。 (6) The method for manufacturing a substrate holding member of the present invention is characterized in that it includes the steps of forming and sintering ceramic raw material powder to produce a ceramic member, preparing a plurality of metal members and forming a groove portion that serves as a flow path for a refrigerant, joining the plurality of metal members with the groove portion formed therein to produce a cooling member having the flow path, spraying a first thermal spray raw material powder containing a predetermined ceramic onto a surface of the ceramic member facing the substrate mounting surface to form a first thermal spray film, spraying a second thermal spray raw material powder containing a predetermined ceramic onto one main surface of the cooling member to form a second thermal spray film, applying a silicone adhesive to at least one of the first thermal spray film or the second thermal spray film to bond the ceramic member and the cooling member, and curing the silicone adhesive to form a silicone adhesive layer. In this way, by providing a thermal spray film on the bonding surface between the ceramic member and the silicone adhesive layer and on the bonding surface between the cooling member and the silicone adhesive layer, the temperature of the silicone adhesive layer can be kept below the heat resistance temperature even when the substrate holding member is used in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer, and deterioration of the silicone adhesive layer can be prevented and thermal unevenness on the substrate mounting surface of the substrate holding member can be reduced. At the same time, the flexibility of the silicone adhesive layer can reduce stress generated between the substrate holding member and the cooling member. As a result, it is possible to use the electrostatic chuck in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer while uniforming the temperature distribution on the substrate mounting surface of the substrate holding member.
本発明によれば、シリコーン接着層の耐熱温度より高い温度のプロセスで基板保持部材を使用しても、シリコーン接着層の温度を耐熱温度以下にすることができ、シリコーン接着層の劣化を防ぐことができると共に、基板保持部材の基板載置面の熱ムラを低減することができる。その結果、基板保持部材の基板載置面の温度分布の均一化をしつつ、シリコーン接着層の耐熱温度より高い温度のプロセスで静電チャックを安定して使用することが可能となる。 According to the present invention, even if the substrate holding member is used in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer, the temperature of the silicone adhesive layer can be kept below the heat resistance temperature, preventing deterioration of the silicone adhesive layer and reducing thermal unevenness on the substrate mounting surface of the substrate holding member. As a result, it is possible to stably use the electrostatic chuck in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer while homogenizing the temperature distribution on the substrate mounting surface of the substrate holding member.
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. To facilitate understanding of the description, the same reference numbers are used for the same components in each drawing, and duplicate descriptions will be omitted. Note that in the configuration diagrams, the size of each component is shown conceptually and does not necessarily represent the actual dimensional ratio.
[実施形態]
[基板保持部材の構成]
図1は、基板保持部材10を示す正断面図である。基板保持部材10は、セラミックス部材12と、第1の溶射膜14と、冷却部材16と、第2の溶射膜18と、シリコーン接着層20と、を備える。また、基板保持部材10は、必要に応じて、1または複数の電極が埋設されていてもよい。基板保持部材10は、例えば、静電チャック、ヒーター等に適用することができる。
[Embodiment]
[Configuration of the substrate holding member]
1 is a front cross-sectional view showing a substrate holding member 10. The substrate holding member 10 includes a ceramic member 12, a first sprayed film 14, a cooling member 16, a second sprayed film 18, and a silicone adhesive layer 20. The substrate holding member 10 may also have one or more electrodes embedded therein as necessary. The substrate holding member 10 can be used, for example, in an electrostatic chuck, a heater, etc.
セラミックス部材12は、セラミックスにより平板状に形成され、一方の主面に基板載置面28を有する。セラミックス部材12を構成するセラミックスは、AlN、またはAl2O3を主成分とするセラミックスであることが好ましい。主成分とするとは、セラミックス部材12の重量に対する主成分の重量割合が90wt%以上であることをいう。セラミックス部材12は、主成分とするセラミックス以外に、熱伝導率を上げる等、種々の目的のために添加物が含まれていてもよい。例えば、熱伝導率や体積抵抗率を調整するために2a族元素や3a族元素の酸化物や遷移金属酸化物からなる添加物を添加してもよい。 The ceramic member 12 is formed of ceramics in a flat plate shape, and has a substrate mounting surface 28 on one of its main surfaces. The ceramics constituting the ceramic member 12 are preferably ceramics containing AlN or Al 2 O 3 as the main component. The term "main component" means that the weight ratio of the main component to the weight of the ceramic member 12 is 90 wt % or more. In addition to the ceramics as the main component, the ceramic member 12 may contain additives for various purposes, such as increasing thermal conductivity. For example, additives made of oxides of Group 2a elements or Group 3a elements or transition metal oxides may be added to adjust thermal conductivity or volume resistivity.
一般的に、AlNを主成分とするセラミックスの場合、Y2O3等の添加物の添加量は、量を増やすと熱伝導率が高くなるが、一定量以上添加すると熱伝導率の低下を引き起こすことが知られている。したがって、2a族元素、3a族元素の酸化物や遷移金属酸化物からなる添加物の含有量は、10wt%以下とすることが望ましい。Al2O3を主成分とするセラミックスの場合も、2a族元素、3a族元素の酸化物や遷移金属酸化物からなる添加物の含有量は、10wt%以下とすることが望ましい。2a族元素の添加物としては、Mg、Ca、Sr、Ba等が挙げられ、3a族元素の添加物としては、Y、La、Sm、Ce等が挙げられる。遷移金属の添加物としてはTi、Cr、Mn、Ni等が挙げられる。 In general, in the case of ceramics mainly composed of AlN, it is known that the thermal conductivity increases when the amount of additives such as Y 2 O 3 is increased, but adding more than a certain amount causes a decrease in thermal conductivity. Therefore, it is desirable to set the content of additives consisting of oxides of 2a group elements and 3a group elements and transition metal oxides to 10 wt% or less. In the case of ceramics mainly composed of Al 2 O 3 , it is also desirable to set the content of additives consisting of oxides of 2a group elements and 3a group elements and transition metal oxides to 10 wt% or less. Examples of additives of 2a group elements include Mg, Ca, Sr, Ba, etc., and examples of additives of 3a group elements include Y, La, Sm, Ce, etc. Examples of additives of transition metals include Ti, Cr, Mn, Ni, etc.
第1の溶射膜14は、セラミックス部材12の基板載置面28に対向する面に形成される。第1の溶射膜14は、セラミックスで形成される。また、第1の溶射膜14は、Al2O3、Y2O3、ZrO2などの熱伝導率の小さいセラミックスで形成されることが好ましい。第1の溶射膜14は、プラズマ溶射法や乾式のプラズマ溶射法のほか既知の溶射法により作製することができる。第1の溶射膜14の厚みは、0.05mm以上2mm以下であることが好ましい。 The first sprayed film 14 is formed on the surface of the ceramic member 12 facing the substrate mounting surface 28. The first sprayed film 14 is made of ceramics. The first sprayed film 14 is preferably made of ceramics having low thermal conductivity, such as Al2O3 , Y2O3 , or ZrO2 . The first sprayed film 14 can be produced by a known spraying method, such as a plasma spraying method or a dry plasma spraying method. The thickness of the first sprayed film 14 is preferably 0.05 mm or more and 2 mm or less.
第1の溶射膜14は所定の気孔率を有することが好ましい。これにより、断熱効果をより発揮する。気孔率は2%以上であることが好ましく、5%以上であることがより好ましい。気孔率の上限は、第1の溶射膜14の熱伝導率を所定の範囲にすることができればよいため、特に限定する必要はないが、例えば、10%以下とすることができる。 It is preferable that the first sprayed film 14 has a predetermined porosity. This enhances the heat insulating effect. The porosity is preferably 2% or more, and more preferably 5% or more. The upper limit of the porosity does not need to be particularly limited as long as the thermal conductivity of the first sprayed film 14 is within the predetermined range, but it can be, for example, 10% or less.
冷却部材16は、金属により形成され、内部に冷媒の流路22を有する。冷却部材16を構成する金属は加工性や高い熱伝導率からAl合金が最も好適であるが、銅、チタン、ニッケルを含む合金、SUSなどを用いてもよい。冷媒は水、エチレングリコール、フロンなどが使用でき、冷媒温度は沸点未満で使用できる。 The cooling member 16 is made of metal and has a refrigerant flow path 22 inside. The metal that constitutes the cooling member 16 is most preferably an aluminum alloy because of its workability and high thermal conductivity, but alloys containing copper, titanium, nickel, and stainless steel may also be used. The refrigerant may be water, ethylene glycol, or freon, and the refrigerant temperature may be below the boiling point.
第2の溶射膜18は、冷却部材16の一方の主面に形成される。冷却部材16の第2の溶射膜18が形成される主面は、平面である。第2の溶射膜18は、セラミックスで形成される。また、第2の溶射膜18は、Al2O3、Y2O3、ZrO2などのセラミックスで形成されることが好ましい。第2の溶射膜は、熱伝導率が低すぎると冷却部材の効果が弱くなることから、熱伝導率がある程度高いことが好ましい。よって、気孔率は5%以下であることが好ましく、2%以下であることがより好ましい。第2の溶射膜18の厚みは、0.05mm以上2mm以下であることが好ましい。第1の溶射膜14と第2の溶射膜18を形成する材料や厚みは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。 The second sprayed film 18 is formed on one of the main surfaces of the cooling member 16. The main surface of the cooling member 16 on which the second sprayed film 18 is formed is a flat surface. The second sprayed film 18 is made of ceramics. The second sprayed film 18 is preferably made of ceramics such as Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , and ZrO 2. The second sprayed film preferably has a relatively high thermal conductivity because the effect of the cooling member is weakened if the thermal conductivity is too low. Therefore, the porosity is preferably 5% or less, and more preferably 2% or less. The thickness of the second sprayed film 18 is preferably 0.05 mm or more and 2 mm or less. The materials and thicknesses of the first sprayed film 14 and the second sprayed film 18 may be the same or different.
第1の溶射膜14と第2の溶射膜18に気孔率は、同一の値であってもよいし、異なる値であってもよい。 The porosity of the first sprayed film 14 and the second sprayed film 18 may be the same value or different values.
シリコーン接着層20は、第1の溶射膜14と第2の溶射膜18とを接合する。これにより、セラミックス部材12と冷却部材16とを接合することができる。シリコーン接着層20は、シリコーン樹脂や変性シリコーン樹脂、などシリコーンを主成分とするシリコーン接着剤により形成される。シリコーン接着剤の硬化型は脱水、脱アルコール、付加重合タイプなどが選択できる。また一液硬化、二液硬化、紫外線硬化などが選択できる。シリコーン接着剤は、熱伝導調整のためAl2O3やAlNなどのセラミックスやCuなどの金属フィラーが添加されていてもよい。シリコーン接着層20の厚みは、0.1mm以上、2.0mm以下であることが好ましい。シリコーン接着層はヤング率がセラミックスや金属に比べ十分に小さいため柔軟性を保たせることができる。 The silicone adhesive layer 20 bonds the first sprayed film 14 and the second sprayed film 18. This allows the ceramic member 12 and the cooling member 16 to be bonded. The silicone adhesive layer 20 is formed of a silicone adhesive containing silicone as a main component, such as silicone resin or modified silicone resin. The curing type of the silicone adhesive can be selected from dehydration, dealcoholization, and addition polymerization types. One-component curing, two-component curing, and ultraviolet curing types can also be selected. The silicone adhesive may contain ceramics such as Al 2 O 3 and AlN or metal fillers such as Cu to adjust thermal conduction. The thickness of the silicone adhesive layer 20 is preferably 0.1 mm or more and 2.0 mm or less. The silicone adhesive layer has a sufficiently small Young's modulus compared to ceramics and metals, so it can maintain flexibility.
図1に示されるセラミックス部材12は、2の電極24、26が埋設されている。図1の電極24は、静電吸着用電極であり、電極26は発熱抵抗体としての電極である。このように、基板保持部材10は、必要に応じて、1または複数の電極が埋設されていてもよい。図1に示される基板保持部材10は、発熱抵抗体を有する静電チャックである。 The ceramic member 12 shown in FIG. 1 has two electrodes 24, 26 embedded therein. The electrode 24 in FIG. 1 is an electrode for electrostatic attraction, and the electrode 26 is an electrode that functions as a heating resistor. In this way, the substrate holding member 10 may have one or more electrodes embedded therein as necessary. The substrate holding member 10 shown in FIG. 1 is an electrostatic chuck having a heating resistor.
このように、セラミックス部材12とシリコーン接着層20との接合面および冷却部材16とシリコーン接着層20との接合面にそれぞれ第1の溶射膜14、および第2の溶射膜18を設けることで、シリコーン接着層20の耐熱温度より高い温度のプロセスで基板保持部材10を使用しても、シリコーン接着層20の温度を耐熱温度以下にすることができ、シリコーン接着層20の劣化を防ぐことができると共に、基板保持部材10の基板載置面28の熱ムラを低減することができる。同時にシリコーン接着層の有する柔軟性により基板保持部材と冷却部材間に生じる応力を緩和することができる。その結果、基板保持部材10の基板載置面28の温度分布の均一化をしつつ、シリコーン接着層20の耐熱温度より高い温度のプロセスで基板保持部材10を使用することが可能となる。 In this way, by providing the first sprayed film 14 and the second sprayed film 18 on the bonding surface between the ceramic member 12 and the silicone adhesive layer 20 and the bonding surface between the cooling member 16 and the silicone adhesive layer 20, respectively, even if the substrate holding member 10 is used in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer 20, the temperature of the silicone adhesive layer 20 can be kept below the heat resistance temperature, preventing deterioration of the silicone adhesive layer 20 and reducing thermal unevenness on the substrate mounting surface 28 of the substrate holding member 10. At the same time, the flexibility of the silicone adhesive layer can relieve stress generated between the substrate holding member and the cooling member. As a result, it is possible to use the substrate holding member 10 in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer 20 while uniformizing the temperature distribution on the substrate mounting surface 28 of the substrate holding member 10.
(熱抵抗の設計)
上記の構成により、シリコーン接着層20の耐熱温度より高い温度のプロセスで基板保持部材10を使用することが可能となるが、さらに、高い温度のプロセスでの使用や、所定のプロセス温度を保つために必要な供給熱量を低減することを考慮する場合、基板保持部材10の熱抵抗の設計をすることが好ましい。基板保持部材10の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗(m2K/W)を下記のような計算により設定する(以下熱抵抗は単位面積当たりの値とする)。セラミックス部材12の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗Re(m2K/W)は、セラミックスの厚さ(m)/セラミックスの熱伝導率(W/mK)とする。第1の溶射膜14の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗Rf1(m2K/W)は、第1の溶射膜の厚さ(m)/第1の溶射膜の熱伝導率(W/mK)とする。冷却部材16の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗Rm(m2K/W)は、冷媒の流路と冷却部材表面までの距離(m)/冷却部材の熱伝導率(W/mK)とする。シリコーン接着層の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗Rb(m2K/W)は、シリコーン接着層の厚さ(m)/シリコーン接着層の熱伝導率(W/mK)とする。なお、厚み方向とは、基板保持部材10の基板載置面28に垂直な方向とする。
(Thermal resistance design)
The above configuration allows the substrate holding member 10 to be used in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer 20. However, when considering use in a process at a higher temperature or reducing the amount of heat supply required to maintain a predetermined process temperature, it is preferable to design the thermal resistance of the substrate holding member 10. The thermal resistance per unit area in the thickness direction of the substrate holding member 10 (m 2 K/W) is set by the following calculation (hereinafter, the thermal resistance is a value per unit area). The thermal resistance Re (m 2 K/W) per unit area in the thickness direction of the ceramic member 12 is the thickness of the ceramic (m)/thermal conductivity of the ceramic (W/mK). The thermal resistance Rf1 (m 2 K/W) per unit area in the thickness direction of the first sprayed film 14 is the thickness of the first sprayed film (m)/thermal conductivity of the first sprayed film (W/mK). The thermal resistance Rm ( m2K /W) per unit area in the thickness direction of the cooling member 16 is defined as the distance (m) between the coolant flow path and the cooling member surface/thermal conductivity (W/mK) of the cooling member. The thermal resistance Rb ( m2K /W) per unit area in the thickness direction of the silicone adhesive layer is defined as the thickness (m) of the silicone adhesive layer/thermal conductivity (W/mK) of the silicone adhesive layer. The thickness direction is defined as the direction perpendicular to the substrate mounting surface 28 of the substrate holding member 10.
ここで、セラミックス部材12がAlNを主成分とするセラミックスで形成されている場合、0.75≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.24であることが好ましい。このように、セラミックス部材12を形成するセラミックスの材料に応じて、セラミックス部材12、第1の溶射膜14、シリコーン接着層20、第2の溶射膜18、および冷却部材16の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、250℃以上の高温のプロセスであっても基板保持部材10を使用できる。(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)の値は、シリコーン接着層20の温度の程度を示すと考えられる。(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)の値は、シリコーン接着層20と第1の溶射膜14の界面の温度に関連し、この値が大きいとシリコーン接着層20の温度は低くなり、値が小さいと温度は高くなる傾向にある。 Here, when the ceramic member 12 is formed of a ceramic mainly composed of AlN, it is preferable that 0.75 ≧ (Re + Rf1) / (Re + Rf1 + Rb + Rf2 + Rm) ≧ 0.24. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member 12, the first sprayed film 14, the silicone adhesive layer 20, the second sprayed film 18, and the cooling member 16 according to the ceramic material forming the ceramic member 12, the substrate holding member 10 can be used even in a high-temperature process of 250 ° C or more. The value of (Re + Rf1) / (Re + Rf1 + Rb + Rf2 + Rm) is considered to indicate the degree of temperature of the silicone adhesive layer 20. The value of (Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm) is related to the temperature of the interface between the silicone adhesive layer 20 and the first sprayed film 14; if this value is large, the temperature of the silicone adhesive layer 20 tends to be low, and if this value is small, the temperature tends to be high.
また、セラミックス部材がAl2O3を主成分とするセラミックスで形成されている場合、0.77≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.20であることが好ましい。このように、セラミックス部材12を形成するセラミックスの材料に応じて、セラミックス部材12、第1の溶射膜14、シリコーン接着層20、第2の溶射膜18、および冷却部材16の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、250℃以上の高温のプロセスであっても基板保持部材10を使用できる。 Furthermore, when the ceramic member is formed of a ceramic containing Al 2 O 3 as a main component, it is preferable that 0.77 ≥ (Re + Rf1) / (Re + Rf1 + Rb + Rf2 + Rm) ≥ 0.20. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member 12, the first sprayed film 14, the silicone adhesive layer 20, the second sprayed film 18, and the cooling member 16 according to the ceramic material forming the ceramic member 12, the substrate holding member 10 can be used even in high-temperature processes of 250° C. or more.
また、セラミックス部材12がAlNを主成分とするセラミックスで形成されている場合、(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83であることが好ましい。このように、セラミックス部材12を形成するセラミックスの材料に応じて、セラミックス部材12、第1の溶射膜14、シリコーン接着層20、第2の溶射膜18、および冷却部材16の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、所定のプロセス温度を保つために必要な供給熱量を低減することができる。(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)の値は、半導体プロセスへの適用の容易性の程度を示すと考えられる。(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)の値が小さいと所定の基板処理温度に到達させるために必要な供給熱量が過大となり、半導体のプロセスに使用することが困難になる傾向にある。 In addition, when the ceramic member 12 is formed of a ceramic mainly composed of AlN, it is preferable that (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member 12, the first sprayed film 14, the silicone adhesive layer 20, the second sprayed film 18, and the cooling member 16 according to the ceramic material forming the ceramic member 12, it is possible to reduce the amount of heat supply required to maintain a predetermined process temperature. The value of (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm) is considered to indicate the degree of ease of application to semiconductor processes. If the value of (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm) is small, the amount of heat supply required to reach a predetermined substrate processing temperature becomes excessive, and it tends to be difficult to use in semiconductor processes.
また、セラミックス部材12がAl2O3を主成分とするセラミックスで形成される場合、セラミックス部材12の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗Re、冷却部材16のシリコーン接着層18側の主面から冷媒の流路までの領域における厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗Rmに対して、(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63であることが好ましい。このように、セラミックス部材12を形成するセラミックスの材料に応じて、セラミックス部材12、第1の溶射膜14、シリコーン接着層20、第2の溶射膜18、および冷却部材16の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、所定のプロセス温度を保つために必要な供給熱量を低減することができる。 Furthermore, when the ceramic member 12 is made of a ceramic mainly composed of Al 2 O 3 , it is preferable that (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63 is satisfied, where Re is the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member 12, and Rm is the thermal resistance per unit area in the thickness direction in the region from the main surface of the cooling member 16 on the silicone adhesive layer 18 side to the coolant flow path. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member 12, the first sprayed film 14, the silicone adhesive layer 20, the second sprayed film 18, and the cooling member 16 according to the ceramic material forming the ceramic member 12, the amount of heat supply required to maintain a predetermined process temperature can be reduced.
なお、上記の熱抵抗の設計に当たっては、各部材の厚みおよび熱伝導率は、以下の範囲であることが好ましい。セラミックス部材12の厚みは1mm以上30mm以下であることが好ましく、セラミックス部材12の熱伝導率は4W/mK以上250W/mKであることが好ましい。また、第1の溶射膜14の厚みは0.3mm以上、2.0mm以下であることが好ましく、第1のセラミックス溶射膜14の熱伝導率は0.4W/mK以上16.0W/mK以下であることが好ましい。また、第2のセラミックス溶射膜18の厚みは0.1mm以上、2.0mm以下であることが好ましく、第2のセラミックス溶射膜18の熱伝導率は0.4W/mK以上、16.0W/mK以下であることが好ましい。また、シリコーン接着層20の厚みは0.1mm以上、2.0mm以下であることが好ましく、シリコーン接着層20の熱伝導率は0.1W/mK以上、4.0W/mK以下であることが好ましい。また、冷却部材16のシリコーン接着層側の主面から冷媒の流路までの厚み(最短距離)は2mm以上30mm以下であることが好ましく、冷却部材16の熱伝導率は10W/mK以上300W/mK以下であることが好ましい。各部の熱伝導率は、25℃で測定した値を採用する。 In addition, when designing the above thermal resistance, the thickness and thermal conductivity of each member are preferably in the following ranges. The thickness of the ceramic member 12 is preferably 1 mm or more and 30 mm or less, and the thermal conductivity of the ceramic member 12 is preferably 4 W/mK or more and 250 W/mK or less. The thickness of the first ceramic sprayed film 14 is preferably 0.3 mm or more and 2.0 mm or less, and the thermal conductivity of the first ceramic sprayed film 14 is preferably 0.4 W/mK or more and 16.0 W/mK or less. The thickness of the second ceramic sprayed film 18 is preferably 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and the thermal conductivity of the second ceramic sprayed film 18 is preferably 0.4 W/mK or more and 16.0 W/mK or less. The thickness of the silicone adhesive layer 20 is preferably 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and the thermal conductivity of the silicone adhesive layer 20 is preferably 0.1 W/mK or more and 4.0 W/mK or less. The thickness (shortest distance) from the main surface of the cooling member 16 on the silicone adhesive layer side to the refrigerant flow path is preferably 2 mm or more and 30 mm or less, and the thermal conductivity of the cooling member 16 is preferably 10 W/mK or more and 300 W/mK or less. The thermal conductivity of each part is measured at 25°C.
[基板保持部材の製造方法]
次に、上記のように構成された基板保持部材の製造方法を説明する。セラミックス部材の製造方法、冷却部材の製造方法、溶射方法、およびシリコーン接着層の形成方法の順に説明する。
[Method of manufacturing the substrate holding member]
Next, a method for manufacturing the substrate holder configured as described above will be described in the following order: a method for manufacturing the ceramic member, a method for manufacturing the cooling member, a thermal spraying method, and a method for forming the silicone adhesive layer.
(セラミックス部材の製造方法)
以下のセラミックス部材の製造方法は、AlNを主成分とする原料から粉末ホットプレス法によりセラミックス部材を作製する方法について説明するが、原料、製法は本方法に限られず、Al2O3を主成分とするセラミックス部材にも適用できる。また、粉末ホットプレス法のほかグリーンシート積層法やその他従前の製法を採用することが可能である。まず、AlNセラミックス原料粉を造粒する。造粒粉は、内比で0.3wt%以上6wt%以下のY2O3を添加し、バインダを添加して造粒粉を造粒する。次に、造粒粉を有底のカーボン型(成形型)充填し、カーボン型のパンチを載せた後、焼成する。
(Method of manufacturing ceramic member)
The following method for producing a ceramic member will be described as a method for producing a ceramic member from a raw material mainly composed of AlN by a powder hot pressing method, but the raw material and manufacturing method are not limited to this method, and can also be applied to a ceramic member mainly composed of Al 2 O 3. In addition to the powder hot pressing method, a green sheet lamination method or other conventional manufacturing methods can be adopted. First, the AlN ceramic raw material powder is granulated. The granulated powder is added with 0.3 wt % to 6 wt % Y 2 O 3 in an internal ratio, and a binder is added to granulate the granulated powder. Next, the granulated powder is filled into a bottomed carbon mold (molding die), a punch of the carbon mold is placed on it, and then sintered.
このとき、セラミックス部材には静電吸着用電極や発熱抵抗体としての電極を埋設してもよい。静電吸着用電極または発熱抵抗体としては、タングステン、モリブデン等の耐熱金属を用いることができる。例えば、板、箔、線またはメッシュ等で形成された静電吸着用電極または発熱抵抗体を成形時に埋設し焼結する。例えば、1層の電極を埋設する場合は、成形型にセラミックス部材の絶縁層に対応する造粒粉を充填し、一軸プレス後に電極を成形体上に配置する。その上に同じ造粒粉を充填しカーボン型のパンチを載せた後、焼成する。2層以上の電極を埋設する場合は、造粒粉を充填し、一軸プレス後に電極を成形体上に配置する工程を繰り返す。 At this time, an electrode for electrostatic attraction or an electrode serving as a heating resistor may be embedded in the ceramic member. Heat-resistant metals such as tungsten and molybdenum can be used as the electrode for electrostatic attraction or the heating resistor. For example, an electrode for electrostatic attraction or a heating resistor formed of a plate, foil, wire, mesh, or the like is embedded during molding and sintered. For example, when embedding one layer of electrodes, the mold is filled with granulated powder corresponding to the insulating layer of the ceramic member, and the electrode is placed on the molded body after uniaxial pressing. The same granulated powder is filled on top of that, a carbon punch is placed on top, and then sintered. When embedding two or more layers of electrodes, the process of filling with granulated powder and placing the electrode on the molded body after uniaxial pressing is repeated.
焼成工程は、常圧焼成、一軸ホットプレス焼成が好ましい。常圧焼成では1800℃以上、一軸ホットプレス焼成では1700℃以上、1MPa以上の圧力、温度条件で焼成する。尚、焼成方法はこれらに限られない。焼成後は、基板を載置する基板載置面および第1の溶射膜を設ける裏面を形成するほか、所定の形状に加工する。セラミックス部材の外形は、円形、四角形等、被載置基板の形状に応じて選択することができる。 Preferably, the firing process is atmospheric firing or uniaxial hot press firing. Normal pressure firing is performed at 1800°C or higher, and uniaxial hot press firing is performed at 1700°C or higher, with pressure and temperature conditions of 1 MPa or higher. However, the firing method is not limited to these. After firing, the substrate mounting surface on which the substrate is to be placed and the back surface on which the first sprayed film is to be provided are formed, and the substrate is processed into a predetermined shape. The external shape of the ceramic member can be selected according to the shape of the substrate to be mounted, such as circular or rectangular.
(冷却部材の製造方法)
まず、複数の金属部材を準備し、冷媒の流路となる溝部を形成する。次に、溝部が形成された複数の金属部材を接合し、流路を有する冷却部材を作製する。流路の形成は複数の金属部材に所定の機械加工を行った後、ロウ付、電子ビーム溶接や拡散接合など従前の金属の接合方法を用いて作製される。金属は加工性や高い熱伝導率からAl合金が最も好適であるが、銅、チタン、ニッケルを含む合金、SUSなどが使用できる。金属製冷却部材の内部には冷媒を流す流路を形成する。冷媒の流路の大きさ、形状は、セラミックス部材を均一に冷却できる大きさ、形状であれば、どのようなものであってもよい。
(Method of manufacturing cooling member)
First, a plurality of metal members are prepared, and a groove portion that serves as a flow path for the refrigerant is formed. Next, the plurality of metal members with the groove portion formed therein are joined to prepare a cooling member having a flow path. The flow path is formed by performing a predetermined machining process on the plurality of metal members, and then using a conventional metal joining method such as brazing, electron beam welding, or diffusion bonding. The metal is most preferably an Al alloy because of its workability and high thermal conductivity, but alloys containing copper, titanium, and nickel, SUS, etc. can also be used. A flow path for the refrigerant is formed inside the metal cooling member. The size and shape of the flow path for the refrigerant may be any size and shape that can uniformly cool the ceramic member.
(溶射方法)
セラミックス部材の基板載置面に対向する面に所定のセラミックスを含む第1の溶射原料粉を溶射し、第1の溶射膜を形成する。また、これとは別に、冷却部材の一方の主面に所定のセラミックスを含む第2の溶射原料粉を溶射し、第2の溶射膜を形成する。溶射膜は、セラミックス原料粉を含むスラリーを用いた大気プラズマ溶射法や、原料粉を顆粒にしてフィードする乾式のプラズマ溶射法のほか既知の溶射法により作製することができる。第1の溶射膜および第2の溶射膜の膜種は、Al2O3、Y2O3、ZrO2などが好適である。溶射膜は一定の気孔率を有し、気孔が断熱効果を発揮する。そのため、特に第1の溶射膜は、気孔率は2%以上であることが好ましく、5%以上であることがより好ましい。これらの原料、気孔率により第1の溶射膜および第2の溶射膜の熱伝導率は、0.4~16W/mKで調節することができる。溶射膜の厚みは0.05mm以上2mm以下であることが好ましい。
(Thermal spraying method)
A first sprayed raw material powder containing a predetermined ceramic is sprayed on the surface of the ceramic member facing the substrate mounting surface to form a first sprayed film. Separately, a second sprayed raw material powder containing a predetermined ceramic is sprayed on one main surface of the cooling member to form a second sprayed film. The sprayed film can be produced by a known spraying method, such as an air plasma spraying method using a slurry containing a ceramic raw material powder, or a dry plasma spraying method in which the raw material powder is granulated and fed. The film type of the first sprayed film and the second sprayed film is preferably Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2, etc. The sprayed film has a certain porosity, and the pores exert a heat insulating effect. Therefore, the porosity of the first sprayed film in particular is preferably 2% or more, and more preferably 5% or more. The thermal conductivity of the first sprayed film and the second sprayed film can be adjusted to 0.4 to 16 W/mK depending on these raw materials and porosity. The thickness of the sprayed film is preferably 0.05 mm or more and 2 mm or less.
(シリコーン接着層の形成方法)
シリコーン接着剤の硬化型は脱水、脱アルコール、付加重合タイプなどが選択できる。また一液硬化、二液硬化、紫外線硬化などが選択できる。これらの中で、シリコーン接着層を形成するシリコーン接着剤は、熱硬化するものが好ましい。以下の説明では、熱硬化するシリコーン接着剤を使用したシリコーン接着層の形成方法を説明する。
(Method of forming silicone adhesive layer)
The curing type of the silicone adhesive can be selected from dehydration, dealcoholization, addition polymerization, etc. Also, one-component curing, two-component curing, ultraviolet curing, etc. can be selected. Of these, the silicone adhesive forming the silicone adhesive layer is preferably a heat-curing one. The following description will explain a method of forming a silicone adhesive layer using a heat-curing silicone adhesive.
シリコーン接着剤は、適量秤量撹拌の後、第1のセラミックス溶射膜または第2のセラミックス溶射膜の少なくとも一方に塗布され、脱気後両者を積層し荷重を負荷して大気中または窒素雰囲気または減圧下、オーブン中で熱硬化させる。シリコーン接着剤からのシロキサン成分のアウトガスを抑制するために100℃以上で硬化後200℃以上で一定時間処理することが好ましい。また、シリコーン接着層の厚みを調整するために所定の厚みのスペーサーを同時に配置してもよい。上記処理により第1のセラミックス溶射膜を裏面に被覆したセラミックス部材と第2のセラミックス溶射膜を表面に被膜した金属製冷却部材は、シリコーン接着剤で接着され、シリコーン接着層が形成される。なお、シリコーン接着剤は、溶射膜の中心線平均粗さRaが1μm以上であれば、溶射膜の粗さ曲線の間隙に浸透し良好に密着することができる。 After weighing and stirring an appropriate amount of silicone adhesive, it is applied to at least one of the first ceramic sprayed film or the second ceramic sprayed film, and after degassing, the two are stacked and heat-cured in an oven under a load in air, nitrogen atmosphere, or reduced pressure. In order to suppress outgassing of siloxane components from the silicone adhesive, it is preferable to cure at 100°C or higher and then treat at 200°C or higher for a certain period of time. In addition, a spacer of a specified thickness may be placed at the same time to adjust the thickness of the silicone adhesive layer. By the above treatment, the ceramic member coated with the first ceramic sprayed film on the back side and the metal cooling member coated with the second ceramic sprayed film on the front side are bonded with the silicone adhesive to form a silicone adhesive layer. Note that if the center line average roughness Ra of the sprayed film is 1 μm or more, the silicone adhesive can penetrate into the gaps in the roughness curve of the sprayed film and adhere well.
このような方法により、基板保持部材を製造することができる。 This method allows the production of a substrate holder.
[実施例および比較例]
[試料a1~a15]
次に、実施例および比較例について説明する。まず、セラミックス部材の材料としてAlNを用いた試料として、静電チャック用電極を埋設したAlNを主成分とするセラミックス部材とAl合金製の冷却部材とをシリコーン接着層により接着した静電チャックを作製した。第1の溶射膜または第2の溶射膜の有無、材料、厚み、シリコーン接着層の熱伝導率、厚みを様々変化させて、試料a1~a15とした。以降、試料a1~a15を合わせて試料aという。図2は、試料a1~a15の各試料の製造条件および温度の測定値を示す表である。
[Examples and Comparative Examples]
[Samples a1 to a15]
Next, examples and comparative examples will be described. First, as a sample using AlN as the material of the ceramic member, an electrostatic chuck was produced in which a ceramic member mainly composed of AlN in which an electrostatic chuck electrode was embedded and a cooling member made of an Al alloy were bonded with a silicone adhesive layer. Samples a1 to a15 were produced by varying the presence or absence of the first sprayed film or the second sprayed film, the material, the thickness, the thermal conductivity of the silicone adhesive layer, and the thickness. Hereinafter, samples a1 to a15 are collectively referred to as sample a. FIG. 2 is a table showing the manufacturing conditions and temperature measurements for each sample of samples a1 to a15.
(試料aに用いるセラミックス部材の作製)
AlNに添加物として5wt%のY2O3を添加した原料を用い、電極としてMoのメッシュ(線径0.1mm、メッシュサイズ#50)を裁断した電極を埋設した。一軸ホットプレス焼成後所定の形状に機械加工し、表面に基板載置面を、表面に対向する裏面に溶射膜を溶射する平面を設け、直径300mm、厚さ15mmのセラミックス部材を作製した。基板載置面の表面粗さRaは0.5μm、溶射面の表面粗さRaは1.5μmとした。これらはJIS B 0601およびISO25178に準拠して測定した。セラミックス部材単体で測定した熱伝導率は、25℃で160W/mKであった。なお、熱伝導率の測定は、JIS R 1611-1997に準拠したレーザーフラッシュ法を用いて行なった。
(Preparation of ceramic member used for sample a)
A raw material containing 5 wt% Y 2 O 3 added as an additive to AlN was used, and an electrode made by cutting a mesh of Mo (wire diameter 0.1 mm, mesh size #50) was embedded as an electrode. After uniaxial hot press sintering, it was machined into a predetermined shape, and a substrate mounting surface was provided on the front surface, and a flat surface on which a thermal spray film was sprayed was provided on the back surface opposite the front surface, to produce a ceramic member with a diameter of 300 mm and a thickness of 15 mm. The surface roughness Ra of the substrate mounting surface was 0.5 μm, and the surface roughness Ra of the sprayed surface was 1.5 μm. These were measured in accordance with JIS B 0601 and ISO25178. The thermal conductivity measured for the ceramic member alone was 160 W/mK at 25°C. The thermal conductivity was measured using a laser flash method in accordance with JIS R 1611-1997.
[試料b1~b6]
また、セラミックス部材の材料としてAl2O3を用いた試料として、静電チャック用電極を埋設したAl2O3を主成分とするセラミックス部材とAl合金製の冷却部材とをシリコーン接着層により接着した静電チャックを作製した。第1の溶射膜または第2の溶射膜の材料、厚み、シリコーン接着層の熱伝導率、厚みを様々変化させて、試料b1~b6とした。以降、試料b1~b6を合わせて試料bという。図3は、試料b1~b6の各試料の製造条件および温度の測定値を示す表である。
[Samples b1 to b6]
In addition, as a sample using Al 2 O 3 as the material of the ceramic member, an electrostatic chuck was produced in which a ceramic member mainly composed of Al 2 O 3 in which an electrostatic chuck electrode is embedded is bonded to an Al alloy cooling member by a silicone adhesive layer. Samples b1 to b6 were produced by varying the material and thickness of the first sprayed film or the second sprayed film, and the thermal conductivity and thickness of the silicone adhesive layer. Hereinafter, samples b1 to b6 will be collectively referred to as sample b. Figure 3 is a table showing the manufacturing conditions and measured temperatures for each of samples b1 to b6.
(試料bに用いるセラミックス部材の作製)
Al2O3に添加物として0.05wt%のMgOを添加した原料を用い、電極としてMoのメッシュ(線径0.1mm、メッシュサイズ#50)を裁断した電極を埋設した。一軸ホットプレス焼成後所定の形状に機械加工し、表面に基板載置面を、表面に対向する裏面に溶射膜を溶射する平面を設け、直径300mm、厚さ15mmのセラミックス部材を作製した。基板載置面の表面粗さRaは0.4μm、溶射面の表面粗さRaは1.2μmとした。セラミックス部材単体で測定した熱伝導率は、25℃で30W/mKであった。
(Preparation of ceramic member used for sample b)
A raw material containing 0.05 wt% MgO added to Al2O3 was used, and an electrode made of cut Mo mesh (wire diameter 0.1 mm, mesh size #50) was embedded as an electrode. After uniaxial hot press sintering, it was machined into a predetermined shape, and a substrate mounting surface was provided on the front surface, and a flat surface on which a thermal spray film was sprayed was provided on the back surface opposite the front surface, to produce a ceramic member with a diameter of 300 mm and a thickness of 15 mm. The surface roughness Ra of the substrate mounting surface was 0.4 μm, and the surface roughness Ra of the sprayed surface was 1.2 μm. The thermal conductivity measured for the ceramic member alone was 30 W/mK at 25°C.
(冷却部材の作製)
金属としてAl合金(6061T6)を使用した。冷媒の流路は断面が幅10mm、高さ5mmの矩形とし、半径方向に20mm離間して配置した。冷却部材の表面から流路までの垂直方向の最短距離は15mmとした。冷却部材の溶射面の表面粗さRaは1.6μmとした。冷却部材は、試料aと試料bとで共通である。冷却部材の熱伝導率は、25℃で138W/mKであった。
(Preparation of cooling member)
An Al alloy (6061T6) was used as the metal. The coolant flow passages had a rectangular cross section with a width of 10 mm and a height of 5 mm, and were arranged at a distance of 20 mm in the radial direction. The shortest vertical distance from the surface of the cooling member to the flow passages was 15 mm. The surface roughness Ra of the sprayed surface of the cooling member was 1.6 μm. The cooling member was common to sample a and sample b. The thermal conductivity of the cooling member was 138 W/mK at 25° C.
(溶射膜の形成)
セラミックス部材の基板載置面に対向する面および冷却部材の平面で形成された主面に、それぞれ第1の溶射膜または第2の溶射膜を形成するためのスラリー原料としてAl2O3、Y2O3、またはZrO2を用いた。ZrO2溶射膜の熱伝導率は0.8(W/mK)、Y2O3溶射膜の熱伝導率は2(W/mK)、Al2O3溶射膜の熱伝導率は4(W/mK)となるような気孔率に調整して溶射した。なお、上記の熱伝導率は、同一の条件で作製された単体の溶射膜について25℃で測定した。溶射膜の厚みは、300μm~2000μmとした。
(Formation of sprayed film)
Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , or ZrO 2 was used as a slurry raw material for forming a first sprayed film or a second sprayed film on the surface of the ceramic member facing the substrate mounting surface and the main surface formed by the flat surface of the cooling member . The porosity was adjusted so that the thermal conductivity of the ZrO 2 sprayed film was 0.8 (W/mK), the thermal conductivity of the Y 2 O 3 sprayed film was 2 (W/mK), and the thermal conductivity of the Al 2 O 3 sprayed film was 4 (W/mK). The above thermal conductivities were measured at 25°C for a single sprayed film produced under the same conditions. The thickness of the sprayed film was 300 μm to 2000 μm.
試料の溶射膜の製造方法を詳しく説明する。高速プラズマ溶射機を用いて非酸化性ガスプラズマをセラミックス静電チャックの裏面の被溶射面に対して照射または噴射し、被溶射面の予熱を行った。非酸化性ガスとして、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスが用いられた。溶射機を構成するノズルに対するArガスの供給量が100l/minに制御され、N2ガスの供給量70l/minに制御され、かつ、H2ガスの供給量が60l/minに制御された。高速プラズマ溶射機を構成するノズルに対する印加電流を250Aに制御することにより、当該ノズルへの供給電力が65kWに調節された。ノズルの先端とセラミックス部材または冷却部材の被溶射面との間隔を75mmに調節した。セラミックス部材または冷却部材に対するノズルの走査速度または変位速度を850mm/sに調節した。これにより、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスのプラズマが生成され、当該プラズマがノズルの先端からセラミックス部材または冷却部材の被溶射面に対して照射または噴射された。プラズマの照射または噴射による被溶射面の予熱は、10分間行った。 The manufacturing method of the sprayed film of the sample will be described in detail. A non-oxidizing gas plasma was irradiated or sprayed onto the back surface of the ceramic electrostatic chuck using a high-speed plasma spraying machine, and the surface to be sprayed was preheated. A mixed gas of Ar gas, N2 gas, and H2 gas was used as the non-oxidizing gas. The supply rate of Ar gas to the nozzle constituting the spraying machine was controlled to 100 l/min, the supply rate of N2 gas was controlled to 70 l/min, and the supply rate of H2 gas was controlled to 60 l/min. The current applied to the nozzle constituting the high-speed plasma spraying machine was controlled to 250 A, so that the power supplied to the nozzle was adjusted to 65 kW. The distance between the tip of the nozzle and the surface to be sprayed of the ceramic member or cooling member was adjusted to 75 mm. The scanning speed or displacement speed of the nozzle with respect to the ceramic member or cooling member was adjusted to 850 mm/s. This generated plasma of a mixed gas of Ar gas, N2 gas, and H2 gas, and the plasma was irradiated or sprayed from the tip of the nozzle onto the surface to be sprayed of the ceramic member or cooling member. The preheating of the surface to be sprayed by the plasma irradiation or spraying was carried out for 10 minutes.
そして、高速プラズマ溶射機をそのまま用いて、溶射原料粉を含むセラミックススラリーを、非酸化性ガスを用いてセラミックス静電チャックの裏面の被溶射面に対してプラズマ溶射した。スラリーは、平均粒子径D50が0.5μmである純度99.9%以上のセラミックス原料粉末300gと、水700gとを混合することによりスラリーを調整した。非酸化性ガスとして、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスが用いられた。溶射機を構成するノズルに対するArガスの供給量を100l/minに制御し、N2ガスの供給量を70l/minに制御し、かつ、H2ガスの供給量を60l/minに制御した。これにより、溶射速度が600~700mm/sに制御された。高速プラズマ溶射機を構成するノズルに対する印加電流を250Aに制御することにより、当該ノズルへの供給電力が65kWに調節された。ノズルの先端とセラミックス部材または冷却部材の被溶射面との間隔を75mmに調節した。セラミックス部材または冷却部材に対するノズルの走査速度または変位速度を850mm/sに調節した。これにより、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスのプラズマが生成され、当該プラズマにより溶融された原料粉末がノズルの先端からセラミックス部材または冷却部材の被溶射面に対して噴射された。このように、セラミックス部材または冷却部材の一方の面がセラミック溶射膜により被覆されているセラミックス部材および冷却部材を形成した。 Then, the high-speed plasma spraying machine was used as it was, and the ceramic slurry containing the spraying raw material powder was plasma sprayed onto the sprayed surface on the back surface of the ceramic electrostatic chuck using a non-oxidizing gas. The slurry was prepared by mixing 300 g of ceramic raw material powder with a purity of 99.9% or more and an average particle diameter D50 of 0.5 μm with 700 g of water. As the non-oxidizing gas, a mixed gas of Ar gas, N 2 gas, and H 2 gas was used. The supply amount of Ar gas to the nozzle constituting the spraying machine was controlled to 100 l/min, the supply amount of N 2 gas was controlled to 70 l/min, and the supply amount of H 2 gas was controlled to 60 l/min. As a result, the spraying speed was controlled to 600 to 700 mm/s. The applied current to the nozzle constituting the high-speed plasma spraying machine was controlled to 250 A, and the power supplied to the nozzle was adjusted to 65 kW. The distance between the tip of the nozzle and the surface of the ceramic member or cooling member to be sprayed was adjusted to 75 mm. The scanning speed or displacement speed of the nozzle relative to the ceramic member or cooling member was adjusted to 850 mm/s. This generated a plasma of a mixed gas of Ar gas, N2 gas, and H2 gas, and the raw material powder melted by the plasma was sprayed from the tip of the nozzle onto the surface of the ceramic member or cooling member to be sprayed. In this way, a ceramic member and a cooling member were formed in which one surface of the ceramic member or cooling member was covered with a ceramic sprayed film.
(シリコーン接着層)
一般のシリコーン樹脂に熱伝導率を高めるためアルミナや金属などのフィラーが分散配合されたものを用いた。シリコーン接着層の熱伝導率は0.9W/mK~2.0W/mK、シリコーン接着層の厚みは500μm~2000μmとした。
(Silicone adhesive layer)
A general silicone resin was used with fillers such as alumina and metal dispersed therein to increase the thermal conductivity. The thermal conductivity of the silicone adhesive layer was 0.9 W/mK to 2.0 W/mK, and the thickness of the silicone adhesive layer was 500 μm to 2000 μm.
(評価方法)
得られた静電チャックを所定の評価プロセスに供試した。このとき、冷媒は水とエチレングリコールを混合したものを使用し、熱伝達率が2500W/mKとなるように調整した。また、冷媒温度は20℃とし、冷媒の流量は3L/minとした。そして、以下の評価を行った。
(Evaluation Method)
The obtained electrostatic chuck was subjected to a predetermined evaluation process. At this time, a mixture of water and ethylene glycol was used as the coolant, and the heat transfer coefficient was adjusted to 2500 W/mK. The coolant temperature was set to 20° C., and the flow rate of the coolant was set to 3 L/min. Then, the following evaluations were performed.
静電チャック載置面に熱量供給用の別のAlNセラミックス製のプレート状外部ヒーターを載置して加熱した。試料a1~a7、a11~a13、a15および試料b1、b2、b4、b6では、静電チャックの基板載置面の平均温度が250℃の定常状態となるように制御した。試料a8、a9およびa14では、供給熱量を10000(W/m2)とした。試料a10では、静電チャックの基板載置面の平均温度が300℃の定常状態となるように制御した。試料b3では、静電チャックの基板載置面の平均温度が240℃の定常状態となるように制御した。なお、試料b3は、静電チャックの基盤載置面の温度が250℃のときはシリコーン接着層の温度が200℃を超えていた。試料b5では、静電チャックの基板載置面の平均温度が400℃の定常状態となるように制御した。そして、そのときの静電チャックの側面に露出している各部の温度とともにシリコーン接着層の温度を熱電対を用いて直接接触して測定する方法、または光温度計で側面の各部の温度を測定する方法を適宜併用した。 The electrostatic chuck mounting surface was heated by placing another plate-shaped external heater made of AlN ceramics for supplying heat. In the samples a1 to a7, a11 to a13, a15 and the samples b1, b2, b4, and b6, the average temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck was controlled to be in a steady state of 250°C. In the samples a8, a9, and a14, the amount of heat supplied was 10,000 (W/m 2 ). In the sample a10, the average temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck was controlled to be in a steady state of 300°C. In the sample b3, the average temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck was controlled to be in a steady state of 240°C. In the sample b3, when the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck was 250°C, the temperature of the silicone adhesive layer exceeded 200°C. In the sample b5, the average temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck was controlled to be in a steady state of 400°C. The temperature of each part exposed on the side surface of the electrostatic chuck and the temperature of the silicone adhesive layer were measured by directly contacting the electrostatic chuck with a thermocouple, or by measuring the temperature of each part on the side surface with an optical thermometer, as appropriate.
(評価結果)
試料a8は、第1の溶射膜が形成されていない静電チャックである。試料8は、静電チャックの基板載置面の温度が232℃になったときに、シリコーン接着層の温度が206℃となり、シリコーン接着層の耐熱温度を超えた。これに対し、第1の溶射膜および第2の溶射膜が形成された試料a1~a6、a9~a15および試料b1~b6では、静電チャックの基板載置面の温度を240℃以上としたときに、シリコーン接着層の温度を200℃以下にすることができた。なお、試料a6は、静電チャックの基盤載置面の温度が250℃のときはシリコーン接着層の温度が200℃を超えたが、基板載置面の温度が240℃のときはシリコーン接着層の温度は200℃を下回っていた。すなわち、第1の溶射膜および第2の溶射膜が形成された試料a1~a6、a9~a15および試料b1~b6は、シリコーン接着層の耐熱温度より高い温度のプロセスで静電チャック(基板保持部材)を使用しても、シリコーン接着層の温度を耐熱温度以下にすることができ、シリコーン接着層の劣化を防ぐことができることが分かった。
(Evaluation Results)
Sample a8 is an electrostatic chuck without the first sprayed film. When the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck of sample 8 reached 232°C, the temperature of the silicone adhesive layer reached 206°C, exceeding the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer. In contrast, in samples a1 to a6, a9 to a15, and b1 to b6 on which the first and second sprayed films were formed, the temperature of the silicone adhesive layer could be kept below 200°C when the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck was set to 240°C or higher. In sample a6, the temperature of the silicone adhesive layer exceeded 200°C when the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck was 250°C, but the temperature of the silicone adhesive layer was below 200°C when the temperature of the substrate mounting surface was 240°C. In other words, it was found that for samples a1 to a6, a9 to a15 and samples b1 to b6 on which a first and second sprayed films were formed, the temperature of the silicone adhesive layer could be kept below the heat-resistant temperature even when an electrostatic chuck (substrate holding member) was used in a process at a temperature higher than the heat-resistant temperature of the silicone adhesive layer, and deterioration of the silicone adhesive layer could be prevented.
試料a7は、第2の溶射膜が形成されていない静電チャックである。第1の溶射膜および第2の溶射膜が形成された試料a1、b1は、基板載置面の温度分布ΔTは、それぞれ1.2℃、1.0℃であったのに対し、試料a7の基板載置面の温度分布ΔTは、2.1℃であった。これは、静電チャックから冷却部材の冷媒流路に向かう熱流が冷却部材表面に形成された第2のセラミックス溶射膜によって影響を受け、静電チャックの基板載置面にもその影響が表れたものと推定される。これにより、第1の溶射膜および第2の溶射膜が形成された試料a1、b1は、静電チャックの基板載置面の熱ムラを低減することができることが分かった。第1の溶射膜および第2の溶射膜が形成された試料a2~a6、a9~a15および試料b2~b6も同様の効果を奏するものと推定される。なお、基板載置面の温度分布ΔTは、赤外線(IR)カメラで直径290mmより内側領域で最大値-最小値として求めた。 Sample a7 is an electrostatic chuck without the second sprayed film. Samples a1 and b1 with the first and second sprayed films had a temperature distribution ΔT of 1.2°C and 1.0°C, respectively, on the substrate mounting surface, whereas sample a7 had a temperature distribution ΔT of 2.1°C. This is presumed to be because the heat flow from the electrostatic chuck toward the refrigerant flow path of the cooling member was affected by the second ceramic sprayed film formed on the surface of the cooling member, and this effect was also seen on the substrate mounting surface of the electrostatic chuck. As a result, it was found that samples a1 and b1 with the first and second sprayed films were able to reduce the thermal unevenness on the substrate mounting surface of the electrostatic chuck. It is presumed that samples a2 to a6, a9 to a15, and samples b2 to b6 with the first and second sprayed films have the same effect. The temperature distribution ΔT on the substrate placement surface was measured using an infrared (IR) camera as the maximum value minus the minimum value in the area inside the 290 mm diameter.
また、試料a1~a5、a9~a15では、供給される熱量を調節することによって静電チャックの基板載置面の温度を250℃とすることができ、そのときのシリコーン接着層の温度を200℃以下にすることができた。このとき、試料a1~a5、a11~a13は、セラミックス部材がAlNを主成分とするセラミックスで形成され、0.75≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.24を満たしていた。これにより、セラミックス部材がAlNを主成分とするセラミックスで形成され、0.75≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.24を満たす基板保持部材は、少なくとも250℃以上のプロセスで使用することができることが確かめられた。なお、当該条件を満たす試料a9およびa14は、供給熱量を10000(W/m2)で固定したため基板載置面の温度を250℃にできなかったが、試料a9およびa14とそれぞれ同一の静電チャックで供給熱量を増大させた試料a11およびa15は、基板載置面の温度を250℃にできた。また、当該条件を満たす試料a10は、基板載置面の温度を300℃とした場合であっても、シリコーン接着層の温度を200℃以下にすることができた。 In addition, in the samples a1 to a5 and a9 to a15, the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck could be set to 250°C by adjusting the amount of heat supplied, and the temperature of the silicone adhesive layer at that time could be set to 200°C or less. In this case, the ceramic members of the samples a1 to a5 and a11 to a13 were formed of ceramics mainly composed of AlN, and satisfied 0.75 ≧ (Re + Rf1) / (Re + Rf1 + Rb + Rf2 + Rm) ≧ 0.24. This confirmed that the substrate holding member, whose ceramic member is formed of ceramics mainly composed of AlN and satisfies 0.75 ≧ (Re + Rf1) / (Re + Rf1 + Rb + Rf2 + Rm) ≧ 0.24, can be used in processes at least at 250°C or higher. In addition, since the amount of heat supplied was fixed at 10,000 (W/m 2 ) in samples a9 and a14, which satisfied the above condition, the temperature of the substrate mounting surface could not be raised to 250° C., but samples a11 and a15, which were produced by increasing the amount of heat supplied using the same electrostatic chucks as samples a9 and a14, respectively, were able to raise the temperature of the substrate mounting surface to 250° C. Furthermore, sample a10, which satisfied the above condition, was able to lower the temperature of the silicone adhesive layer to 200° C. or lower even when the temperature of the substrate mounting surface was set to 300° C.
また、試料b1、b2、b4~b6では、供給される熱量を調節することによって静電チャックの基板載置面の温度を250℃とすることができ、そのときのシリコーン接着層の温度を200℃以下にすることができた。このとき、試料b1、b2、b4~b6は、セラミックス部材がAl2O3を主成分とするセラミックスで形成され、0.77≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.20を満たしていた。これにより、セラミックス部材がAl2O3を主成分とするセラミックスで形成され、0.77≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.20を満たす基板保持部材は、少なくとも250℃以上のプロセスで使用することができることが確かめられた。なお、当該条件を満たす試料b5は、基板載置面の温度を400℃とした場合であっても、シリコーン接着層の温度を200℃以下にすることができた。 In addition, in the samples b1, b2, and b4 to b6, the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck could be set to 250° C. by adjusting the amount of heat supplied, and the temperature of the silicone adhesive layer at that time could be set to 200° C. or less. In this case, the ceramic members of the samples b1, b2, and b4 to b6 were formed of ceramics containing Al 2 O 3 as the main component, and satisfied 0.77≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.20. This confirmed that a substrate holding member whose ceramic member is formed of ceramics containing Al 2 O 3 as the main component and satisfies 0.77≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.20 can be used in processes at least at 250° C. or more. In addition, in the case of sample b5 which satisfied this condition, even when the temperature of the substrate mounting surface was set to 400°C, the temperature of the silicone adhesive layer could be kept at 200°C or less.
また、試料a1~a5、a10、a12、a13では、供給熱量が10000(W/m2)未満であっても静電チャックの基板載置面の温度を250℃とすることができた。このとき、試料a1~a5、a10、a12、a13は、セラミックス部材がAlNを主成分とするセラミックスで形成され、(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83を満たしていた。これにより、セラミックス部材がAlNを主成分とするセラミックスで形成され、(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83を満たす静電チャックは、所定のプロセス温度を保つために必要な供給熱量を低減することができることが確かめられた。 Furthermore, in the samples a1 to a5, a10, a12, and a13, the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck could be raised to 250° C. even when the amount of heat supplied was less than 10,000 (W/m 2 ). In this case, the ceramic members of the samples a1 to a5, a10, a12, and a13 were formed of ceramics containing AlN as the main component, and satisfied (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83. This confirmed that an electrostatic chuck in which the ceramic member is formed of ceramics containing AlN as the main component and which satisfies (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83 can reduce the amount of heat supplied necessary to maintain a predetermined process temperature.
また、試料b1、b2、b4~b6では、供給熱量が10000(W/m2)未満であっても静電チャックの基板載置面の温度を250℃とすることができた。このとき、試料b1、b2、b4~b6は、セラミックス部材がAl2O3を主成分とするセラミックスで形成され、(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63を満たしていた。これにより、セラミックス部材がAl2O3を主成分とするセラミックスで形成され、(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63を満たす静電チャックは、所定のプロセス温度を保つために必要な供給熱量を低減することができることが確かめられた。 Furthermore, in samples b1, b2, and b4 to b6, the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck could be raised to 250° C. even when the amount of heat supplied was less than 10,000 (W/m 2 ). In this case, samples b1, b2, and b4 to b6 had ceramic members formed of ceramics containing Al 2 O 3 as a main component, and satisfied (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63. This confirmed that an electrostatic chuck whose ceramic member is formed of ceramics containing Al 2 O 3 as a main component and satisfies (Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63 can reduce the amount of heat supplied necessary to maintain a predetermined process temperature.
以上により、本発明の基板保持部材は、基板の温度がシリコーン接着層の耐熱温度以上となるプロセスで使用しても、シリコーン接着層の温度が耐熱温度以下となり、かつ、基板載置面の温度分布均一性が高いことが確かめられた。また、本発明の製造方法は、そのような基板保持部材を製造できることが確かめられた。 From the above, it was confirmed that the substrate holding member of the present invention, even when used in a process in which the temperature of the substrate reaches or exceeds the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer, keeps the temperature of the silicone adhesive layer below the heat resistance temperature and has a high degree of uniformity in the temperature distribution on the substrate mounting surface. It was also confirmed that the manufacturing method of the present invention can manufacture such a substrate holding member.
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形および均等物に及ぶことはいうまでもない。また、各図面に示された構成要素の構造、形状、数、位置、大きさ等は説明の便宜上のものであり、適宜変更しうる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that it covers various modifications and equivalents that fall within the spirit and scope of the present invention. Furthermore, the structure, shape, number, position, size, etc. of the components shown in each drawing are for convenience of explanation and may be changed as appropriate.
10 基板保持部材
12 セラミックス部材
14 第1の溶射膜
16 冷却部材
18 第2の溶射膜
20 シリコーン接着層
22 流路
24、26 電極
28 基板載置面
REFERENCE SIGNS LIST 10: Substrate holding member 12: Ceramic member 14: First sprayed film 16: Cooling member 18: Second sprayed film 20: Silicone adhesive layer 22: Flow passages 24, 26: Electrode 28: Substrate mounting surface
Claims (6)
セラミックスにより平板状に形成され、一方の主面に基板載置面を有し、内部に電極が埋設されたセラミックス部材と、
前記セラミックス部材の他方の主面に形成された第1の溶射膜と、
内部に冷媒の流路を有する金属製の冷却部材と、
前記冷却部材の平面状の主面に形成された第2の溶射膜と、
前記第1の溶射膜と前記第2の溶射膜とを接合するシリコーン接着層と、を備えることを特徴とする基板保持部材。 A substrate holding member,
a ceramic member formed in a flat plate shape from ceramics, having a substrate mounting surface on one main surface thereof and having an electrode embedded therein ;
a first thermal spray coating formed on the other main surface of the ceramic member;
A metal cooling member having a coolant flow path therein;
a second sprayed film formed on the planar main surface of the cooling member;
a silicone adhesive layer that bonds the first sprayed film and the second sprayed film.
前記セラミックス部材の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRe(m2K/W)、前記第1の溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf1(m2K/W)、前記シリコーン接着層の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRb(m2K/W)、前記第2の溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf2(m2K/W)、前記冷却部材の前記シリコーン接着層側の主面から前記冷媒の流路までの領域における厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRm(m2K/W)としたとき、
0.75≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.24
であることを特徴とする請求項1に記載の基板保持部材。 The ceramic member is formed of a ceramic mainly composed of AlN,
When the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re (m 2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the first sprayed coating is Rf1 (m 2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the silicone adhesive layer is Rb (m 2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the second sprayed coating is Rf2 (m 2 K/W), and the thermal resistance per unit area in the thickness direction in the region from the main surface of the cooling member on the silicone adhesive layer side to the coolant flow path is Rm (m 2 K/W),
0.75≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.24
2. The substrate holding member according to claim 1,
前記セラミックス部材の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRe(m2K/W)、前記第1の溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf1(m2K/W)、前記シリコーン接着層の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRb(m2K/W)、前記第2の溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf2(m2K/W)、前記冷却部材の前記シリコーン接着層側の主面から前記冷媒の流路までの領域における厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRm(m2K/W)としたとき、
0.77≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.20
であることを特徴とする請求項1に記載の基板保持部材。 The ceramic member is formed of a ceramic mainly composed of Al2O3 ,
When the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re (m 2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the first sprayed coating is Rf1 (m 2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the silicone adhesive layer is Rb (m 2 K/W), the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the second sprayed coating is Rf2 (m 2 K/W), and the thermal resistance per unit area in the thickness direction in the region from the main surface of the cooling member on the silicone adhesive layer side to the coolant flow path is Rm (m 2 K/W),
0.77≧(Re+Rf1)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.20
2. The substrate holding member according to claim 1,
(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83
であることを特徴とする請求項2に記載の基板保持部材。 In the substrate holding member,
(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.83
3. The substrate holding member according to claim 2, wherein
(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63
であることを特徴とする請求項3に記載の基板保持部材。 In the substrate holding member,
(Rf1+Rb+Rf2)/(Re+Rf1+Rb+Rf2+Rm)≧0.63
4. The substrate holding member according to claim 3, wherein
セラミックス原料粉を成形して焼成し、内部に電極が埋設されたセラミックス部材を作製する工程と、
複数の金属部材を準備し、冷媒の流路となる溝部を形成する工程と、
前記溝部が形成された前記複数の金属部材を接合し、前記流路を有する冷却部材を作製する工程と、
前記セラミックス部材の基板載置面に対向する面に所定のセラミックスを含む第1の溶射原料粉を溶射し、第1の溶射膜を形成する工程と、
前記冷却部材の一方の主面に所定のセラミックスを含む第2の溶射原料粉を溶射し、第2の溶射膜を形成する工程と、
前記第1の溶射膜または前記第2の溶射膜の少なくとも一方にシリコーン接着剤を塗布し、前記セラミックス部材および前記冷却部材を接着する工程と、
前記シリコーン接着剤を硬化させシリコーン接着層とする工程と、を含むことを特徴とする基板保持部材の製造方法。 A method for manufacturing a substrate holding member, comprising the steps of:
A step of forming and firing a ceramic raw material powder to produce a ceramic member having an electrode embedded therein ;
A step of preparing a plurality of metal members and forming grooves that serve as a flow path for a coolant;
a step of joining the plurality of metal members having the grooves formed therein to fabricate a cooling member having the flow passage;
a step of spraying a first thermal spraying raw material powder containing a predetermined ceramic onto a surface of the ceramic member facing the substrate mounting surface to form a first thermal sprayed film;
spraying a second thermal spraying raw material powder containing a predetermined ceramic onto one main surface of the cooling member to form a second thermal sprayed film;
applying a silicone adhesive to at least one of the first sprayed film and the second sprayed film to bond the ceramic member and the cooling member;
and curing the silicone adhesive to form a silicone adhesive layer.
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