JP7565735B2 - Substrate holding member, manufacturing method thereof, and electrostatic chuck member - Google Patents
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Description
本発明は、基板保持部材、その製造方法、および静電チャック部材に関する。 The present invention relates to a substrate holding member, a manufacturing method thereof, and an electrostatic chuck member.
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 semiconductor processing.
特許文献1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 1 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.
また、特許文献2には、第1の部材と、前記第1の部材と熱膨張係数が異なる第2の部材との間に、ヤング率が150GPa以下でありかつ融点が1500K以下である第3の部材を、金属ろう材を介して配設してろう付接合することを特徴とする異材接合体の製造方法が開示されている。 Patent Document 2 also discloses a method for manufacturing a dissimilar material joint, which is characterized by disposing a third member having a Young's modulus of 150 GPa or less and a melting point of 1500 K or less between a first member and a second member having a thermal expansion coefficient different from that of the first member, via a metal brazing material, and brazing the first member to the second member.
また、特許文献3には、セラミックス多孔体にアルミニウム合金を含浸してなる平板状のアルミニウム-セラミックス複合体を接合して3層構造とした放熱部品であって、ウォ-タジェット加工又は放電加工により、表裏を貫通する冷却用の溝を中間層に設けたことを特徴とする放熱部品であり、アルミニウム-セラミックス複合体が高圧鍛造法で製造されたことを特徴とする放熱部品であり、セラミックス多孔体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの群から選ばれる少なくとも1種以上からなることを特徴とする放熱部品が開示されている。 Patent Document 3 also discloses a heat dissipation component having a three-layer structure formed by bonding a flat aluminum-ceramic composite made by impregnating a ceramic porous body with an aluminum alloy, the heat dissipation component being characterized in that a cooling groove penetrating the front and back is provided in the middle layer by water jet machining or electric discharge machining, the heat dissipation component being characterized in that the aluminum-ceramic composite is manufactured by high-pressure forging, and the ceramic porous body is characterized in that it is made of at least one material selected from the group consisting of silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, and alumina.
また、特許文献4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 4 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.
従来、静電チャック等の基板保持部材を冷却するための冷却プレートは、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。また、基板保持部材は、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 cooling plates for cooling substrate holding members such as electrostatic chucks because of their workability and cooling effect. In addition, ceramic sintered bodies made of Al2O3 or AlN have been used for substrate holding members. To integrate these members, organic adhesives have been proposed because of their ease of integration. However, when using organic adhesives as a bonding layer, their heat resistance becomes an issue, and they could not be used, especially when using electrostatic chucks in processes at 200°C or higher, because the organic adhesive layer reaches a temperature at which it decomposes.
しかしながら、特許文献1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、特許文献2は、金属ろう材を用いた接合をしているため、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3は、放熱部品の熱膨張率に注目しているものの、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、特許文献4は、絶縁性接着剤層の耐熱性は考慮していない。 However, Patent Document 1 does not take into account the bonding between the insulating layer and the base material or between the insulating layer and the heater section, and therefore does not take into account the heat resistance when an organic adhesive is used. Patent Document 2 uses a metal brazing material for bonding, and therefore does not take into account the heat resistance when an organic adhesive is used. Patent Document 3 focuses on the thermal expansion coefficient of the heat dissipation component, but does not take into account the heat resistance when an organic adhesive is used. Patent Document 4 does not take into account the heat resistance of the insulating adhesive layer.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板の温度が接着層の有機接着剤の耐熱温度以上となるプロセスで使用しても、接着層の温度が有機接着剤の耐熱温度以下となる基板保持部材、その製造方法、および静電チャック部材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, a manufacturing method thereof, and an electrostatic chuck member, which, even when used in a process in which the temperature of the substrate reaches or exceeds the heat resistance temperature of the organic adhesive in the adhesive layer, keeps the temperature of the adhesive layer below the heat resistance temperature of the organic adhesive.
(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、前記溶射膜と前記冷却部材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。これにより、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、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、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 thermal spray film formed on the other main surface of the ceramic member, a metal cooling member having a refrigerant flow path inside, and a silicone adhesive layer that bonds the thermal spray film and the cooling member. As a result, 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 the flexibility of the silicone adhesive layer can relieve stress generated between the substrate holding member and the cooling member. As a result, it becomes possible to use the substrate holding member in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer.
(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、前記溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf、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としたとき、Rf/Rb≧0.32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、溶射膜の単位面積当たりの熱抵抗とシリコーン接着層の単位面積当たりの熱抵抗の比を調整することで、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 addition, in the substrate holding member of the present invention, the ceramic member is formed of a ceramic mainly composed of AlN, and is characterized in that, when the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the sprayed film is Rf and the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the silicone adhesive layer is Rb, Rf/Rb is ≧0.32. In this way, by adjusting the ratio of the thermal resistance per unit area of the sprayed film to the thermal resistance per unit area of the silicone adhesive layer according to the ceramic material forming the ceramic member, the substrate holding member can be used even in high-temperature processes of 250°C or more.
(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、前記溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf、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としたとき、Rf/Rb≧0.25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、溶射膜の単位面積当たりの熱抵抗とシリコーン接着層の単位面積当たりの熱抵抗の比を調整することで、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 mainly composed of Al2O3 , and when the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the sprayed film is Rf and the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the silicone adhesive layer is Rb, Rf/Rb ≥ 0.25. In this way, by adjusting the ratio of the thermal resistance per unit area of the sprayed film to the thermal resistance per unit area of the silicone adhesive layer according to the ceramic material forming 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において、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、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としたとき、(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.84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、溶射膜、シリコーン接着層、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、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) In addition, in the substrate holding member of the present invention, when the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re, 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 refrigerant flow path is Rm, (Rf + Rb) / (Re + Rf + Rb + Rm) ≧ 0.84 is satisfied. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area of the ceramic member, the sprayed film, the silicone adhesive layer, and the cooling member according to the ceramic material that forms 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において、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、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としたとき、(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.71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、溶射膜、シリコーン接着層、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、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) In addition, in the substrate holding member of the present invention, when the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re, 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 refrigerant flow path is Rm, (Rf + Rb) / (Re + Rf + Rb + Rm) ≧ 0.71. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area of the ceramic member, the sprayed film, the silicone adhesive layer, and the cooling member according to the ceramic material that forms the ceramic member, the amount of heat supply required to maintain a predetermined process temperature can be reduced.
(6)また、本発明の静電チャック部材は、静電チャック部材であって、AlNを主成分とする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、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溶射膜と、を備え、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、前記溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRfとしたとき、0.38≧Re/Rf≧0.03であることを特徴としている。このような裏面に溶射膜が設けられた静電チャック部材において、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、および溶射膜の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、静電チャック表面に入熱した熱量が冷却部材に向かって伝熱する際に、溶射膜の表裏で温度差(温度勾配)を大きくすることができる。その結果、静電チャック部材を耐熱性接着剤によって冷却部材と接着したときに、溶射膜の下面(接着剤側)の温度を耐熱性接着剤の耐熱温度より低くすることができるようになる。 (6) The electrostatic chuck member of the present invention is an electrostatic chuck member, which is formed in a flat shape from ceramics mainly composed of AlN, has a substrate mounting surface on one main surface, and is characterized in that it comprises a ceramic member with an electrode embedded therein, and a thermal spray film formed on the other main surface of the ceramic member, and is characterized in that, when the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re and the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the thermal spray film is Rf, 0.38 ≧ Re / Rf ≧ 0.03. In such an electrostatic chuck member with a thermal spray film on the back surface, by adjusting the thermal resistance per unit area of the ceramic member and the thermal spray film according to the ceramic material forming the ceramic member, the temperature difference (temperature gradient) between the front and back of the thermal spray film can be increased when the heat input to the electrostatic chuck surface is transferred to the cooling member. As a result, when the electrostatic chuck member is attached to the cooling member with a heat-resistant adhesive, the temperature of the underside (adhesive side) of the sprayed film can be made lower than the heat resistance temperature of the heat-resistant adhesive.
(7)また、本発明の静電チャック部材は、静電チャック部材であって、Al2O3を主成分とする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、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溶射膜と、を備え、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、前記溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRfとしたとき、1.33≧Re/Rf≧0.13であることを特徴としている。このような裏面に溶射膜が設けられた静電チャック部材において、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、および溶射膜の単位面積当たりの熱抵抗を調整することで、静電チャック表面に入熱した熱量が冷却部材に向かって伝熱する際に、溶射膜の表裏で温度差(温度勾配)を大きくすることができる。その結果、静電チャック部材を耐熱性接着剤によって冷却部材と接着したときに、溶射膜の下面(接着剤側)の温度を耐熱性接着剤の耐熱温度より低くすることができるようになる。 (7) The present invention also provides an electrostatic chuck member, comprising a ceramic member formed in a flat plate shape from ceramics mainly composed of Al 2 O 3 , having a substrate mounting surface on one main surface, and having an electrode embedded therein, and a thermal sprayed film formed on the other main surface of the ceramic member, wherein Re is the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member, and Rf is the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the thermal sprayed film, and the relationship is 1.33 ≧ Re/Rf ≧ 0.13. In such an electrostatic chuck member having a thermal sprayed film on its back surface, by adjusting the thermal resistances per unit area of the ceramic member and the thermal sprayed film according to the ceramic material forming the ceramic member, it is possible to increase the temperature difference (temperature gradient) between the front and back of the thermal sprayed film when the amount of heat input to the electrostatic chuck surface is transferred to the cooling member. As a result, when the electrostatic chuck member is bonded to the cooling member by a heat-resistant adhesive, the temperature of the lower surface (adhesive side) of the sprayed film can be made lower than the heat resistance temperature of the heat-resistant adhesive.
(8)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溶射原料粉を溶射し、溶射膜を形成する工程と、前記溶射膜または前記冷却部材の接合面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。これにより、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、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、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。 (8) 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 spray raw material powder containing a predetermined ceramic on a surface facing the substrate mounting surface of the ceramic member to form a sprayed film, applying a silicone adhesive to at least one of the sprayed film or the joining surface of the cooling member to bond the ceramic member and the cooling member, and curing the silicone adhesive to form a silicone adhesive layer. As a result, 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, deterioration of the silicone adhesive layer can be prevented, and the flexibility of the silicone adhesive layer can alleviate stress generated between the substrate holding member and the cooling member. As a result, it becomes possible to use the substrate holding member in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer.
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。その結果、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。 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, and deterioration of the silicone adhesive layer can be prevented. As a result, it becomes possible to use the substrate holding member in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer.
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、溶射膜14と、冷却部材16と、シリコーン接着層18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 sprayed film 14, a cooling member 16, and a silicone adhesive layer 18. 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26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が添加されていてもよい。 The ceramic member 12 is formed of ceramics in a flat plate shape, and has a substrate mounting surface 26 on one of its main surfaces. The ceramics constituting the ceramic member 12 are preferably ceramics mainly composed of AlN or Al 2 O 3. The term "mainly composed" means that the weight ratio of the main component to the weight of the ceramic member 12 is 90 wt % or more. The ceramic member 12 may contain additives for various purposes, such as increasing thermal conductivity, in addition to the ceramics mainly composed of ceramics. 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.
溶射膜14は、セラミックス部材12の基板載置面26に対向する面に形成される。溶射膜14は、セラミックスで形成される。また、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。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。溶射膜14の厚みは、0.3mm以上3mm以下であることが好ましい。 The sprayed film 14 is formed on the surface of the ceramic member 12 facing the substrate mounting surface 26. The sprayed film 14 is made of ceramics. The sprayed film 14 is preferably made of ceramics having low thermal conductivity, such as Al2O3 , Y2O3 , or ZrO2 . The 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 sprayed film 14 is preferably 0.3 mm or more and 3 mm or less.
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、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 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 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20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 20 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, freon, etc., and the refrigerant temperature may be below the boiling point.
シリコーン接着層18は、溶射膜14と冷却部材16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18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18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18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 18 bonds the sprayed film 14 and the cooling member 16. This allows the ceramic member 12 and the cooling member 16 to be bonded. The silicone adhesive layer 18 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 18 is preferably 0.1 mm or more and 2.0 mm or less. The silicone adhesive layer 18 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つの電極22、24が埋設されている。図1の電極22は、静電吸着用電極であり、電極24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 22, 24 embedded therein. The electrode 22 in FIG. 1 is an electrode for electrostatic attraction, and the electrode 24 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18との接合面に溶射膜14を設けることで、シリコーン接着層18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18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18の劣化を防ぐことができる。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26の温度分布の均一化をしつつ、シリコーン接着層18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 a sprayed film 14 on the bonding surface between the ceramic member 12 and the silicone adhesive layer 18, 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 18, the temperature of the silicone adhesive layer 18 can be kept below the heat resistance temperature, and deterioration of the silicone adhesive layer 18 can be prevented. 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 substrate holding member 10 in a process at a temperature higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer 18 while homogenizing the temperature distribution of the substrate mounting surface 26 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18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。溶射膜14の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗Rf(m2K/W)は、溶射膜の厚さ(m)/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18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26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 processes at temperatures higher than the heat resistance temperature of the silicone adhesive layer 18. However, when considering use in processes at higher temperatures or reducing the amount of heat 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, 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 Rf (m 2 K/W) per unit area in the thickness direction of the thermal spray film 14 is the thickness of the thermal spray film (m)/thermal conductivity of the thermal spray 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 18 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 26 of the substrate holding member 10.
基板保持部材10は、セラミックス部材12がAlNを主成分とする場合、Rf/Rb≧0.32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、溶射膜14の単位面積当たりの熱抵抗とシリコーン接着層18の単位面積当たりの熱抵抗の比を調整することで、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。Rf/Rbの値は、シリコーン接着層18の温度の程度を示すと考えられる。Rf/Rbの値は、シリコーン接着層18と溶射膜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18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。 When the ceramic member 12 is mainly composed of AlN, the substrate holding member 10 preferably has an Rf/Rb of 0.32 or more. In this way, by adjusting the ratio of the thermal resistance per unit area of the sprayed film 14 to the thermal resistance per unit area of the silicone adhesive layer 18 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. The value of Rf/Rb is considered to indicate the temperature of the silicone adhesive layer 18. The value of Rf/Rb is related to the temperature of the interface between the silicone adhesive layer 18 and the sprayed film 14; a large value of Rf/Rb tends to lower the temperature of the silicone adhesive layer 18, and a small value tends to raise the temperature.
基板保持部材10は、セラミックス部材がAl2O3を主成分とする場合、Rf/Rb≧0.25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、溶射膜14の単位面積当たりの熱抵抗とシリコーン接着層18の単位面積当たりの熱抵抗の比を調整することで、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。 When the ceramic member of the substrate holding member 10 is mainly composed of Al 2 O 3 , it is preferable that Rf/Rb ≧ 0.25. In this way, by adjusting the ratio of the thermal resistance per unit area of the thermal sprayed film 14 to the thermal resistance per unit area of the silicone adhesive layer 18 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、基板保持部材10は、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、(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.84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、溶射膜14、シリコーン接着層18、および冷却部材16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。(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+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。(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+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, the substrate holding member 10 preferably has (Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.84. In this way, by adjusting the thermal resistance per unit area of the ceramic member 12, the sprayed film 14, the silicone adhesive layer 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. The value of (Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm) is considered to indicate the degree of ease of application to semiconductor processes. If the value of (Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+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、基板保持部材10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ている場合、(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.71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、溶射膜14、シリコーン接着層18、および冷却部材16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 of the substrate holding member 10 is formed of a ceramic containing Al 2 O 3 as a main component, it is preferable that (Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.71. In this manner, by adjusting the thermal resistance per unit area of the ceramic member 12, the sprayed film 14, the silicone adhesive layer 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、溶射膜14の厚みは0.3mm以上、3.0mm以下であることが好ましく、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、シリコーン接着層18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18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 sprayed film 14 is preferably 0.3 mm or more and 3.0 mm or less, and the thermal conductivity of the sprayed film 14 is preferably 0.4 W/mK or more and 16.0 W/mK or less. The thickness of the silicone adhesive layer 18 is preferably 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and the thermal conductivity of the silicone adhesive layer 18 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 the method can also be applied to a ceramic member mainly composed of Al 2 O 3. In addition to the powder hot pressing method, it is also possible to adopt a green sheet lamination method or other conventional manufacturing methods. 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 placed and the back surface on which the sprayed film is provided are formed, and the substrate is processed into a specified 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溶射原料粉を溶射し、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。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、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0.3mm以上3.0mm以下であることが好ましい。
(Thermal spraying method)
A sprayed film is formed by spraying a sprayed raw material powder containing a predetermined ceramic on the surface of the ceramic member facing the substrate mounting surface. The sprayed film can be produced by a known spraying method, such as a plasma spraying method using a slurry containing ceramic raw material powder, a dry plasma spraying method in which raw material powder is granulated and fed, or other known spraying methods. The film type of the 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 sprayed film is preferably 2% or more, and more preferably 5% or more. The thermal conductivity of the 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 0.3 mm or more and 3.0 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、溶射膜または冷却部材の接合面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。上記処理により溶射膜を裏面に被覆したセラミックス部材と金属製冷却部材は、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 joint surfaces of the sprayed film or the cooling member, and after degassing, the two are stacked and a load is applied to heat cure in an oven in air, nitrogen atmosphere, or under 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 on the back side with the sprayed film and the metal cooling member 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.
[静電チャック部材の構成]
図2は、静電チャック部材30を示す正断面図である。静電チャック部材30は、電極22が埋設されたセラミックス部材12と、溶射膜14と、を備える。セラミックス部材12および溶射膜14の詳細は、上記の基板保持部材10と同様である。電極22は、静電吸着用電極である。また、静電チャック部材30は、必要に応じて、ヒーター用電極等その他の電極が埋設されていてもよい。
[Configuration of electrostatic chuck member]
2 is a front cross-sectional view showing the electrostatic chuck member 30. The electrostatic chuck member 30 includes a ceramic member 12 in which an electrode 22 is embedded, and a thermal sprayed film 14. Details of the ceramic member 12 and the thermal sprayed film 14 are similar to those of the above-described substrate holding member 10. The electrode 22 is an electrode for electrostatic attraction. In addition, the electrostatic chuck member 30 may have other electrodes, such as a heater electrode, embedded therein as necessary.
本発明の静電チャック部材30は、シリコーン接着剤に限らない耐熱性接着剤を使用して一般的な冷却部材と接着したときに、耐熱性接着剤の耐熱温度以上のプロセスで使用できる静電チャック部材30とするため、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と溶射膜14の熱抵抗を設計した。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、および溶射膜14の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗Rfは、上記の基板保持部材10と同様である。 When the electrostatic chuck member 30 of the present invention is attached to a general cooling member using a heat-resistant adhesive, not limited to silicone adhesive, it is possible to use the electrostatic chuck member 30 in processes above the heat resistance temperature of the heat-resistant adhesive. Therefore, the thermal resistance of the ceramic member 12 and the sprayed film 14 is designed according to the ceramic material that forms the ceramic member 12. The thermal resistance Re per unit area in the thickness direction of the ceramic member 12 and the thermal resistance Rf per unit area in the thickness direction of the sprayed film 14 are the same as those of the substrate holding member 10 described above.
(熱抵抗の設計)
静電チャック部材30は、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、0.38≧Re/Rf≧0.03である。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、および溶射膜14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、シリコーン接着剤に限らず耐熱温度が200℃以上の接着剤であれば一般的な冷却プレートに接着して一体化することができ、耐熱温度以上のプロセスに使用できる。
(Thermal resistance design)
When the ceramic member 12 is formed of a ceramic containing AlN as a main component, the electrostatic chuck member 30 satisfies 0.38≧Re/Rf≧0.03. In this manner, by adjusting the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member 12 and the sprayed film 14 in accordance with the ceramic material forming the ceramic member 12, the ceramic member 12 can be bonded and integrated with a general cooling plate using any adhesive having a heat resistance temperature of 200° C. or higher, not limited to silicone adhesive, and can be used in processes at or above the heat resistance temperature.
また、静電チャック部材30は、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、1.33≧Re/Rf≧0.13である。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、および溶射膜14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、シリコーン接着剤に限らず耐熱温度が200℃以上の接着剤であれば一般的な冷却プレートに接着して一体化することができ、耐熱温度以上のプロセスに使用できる。 Furthermore, when the ceramic member 12 is formed of a ceramic containing Al 2 O 3 as a main component, the electrostatic chuck member 30 satisfies 1.33≧Re/Rf≧0.13. In this manner, by adjusting the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member 12 and the sprayed film 14 in accordance with the ceramic material forming the ceramic member 12, the electrostatic chuck member 30 can be bonded and integrated with a general cooling plate using any adhesive having a heat resistance temperature of 200° C. or higher, not limited to silicone adhesive, and can be used in processes at or above the heat resistance temperature.
なお、静電チャック部材30は、シリコーン接着剤、ポリイミド系ワニス接着剤、耐火性セラミックスと無機ポリマーを主成分とする耐熱性無機接着剤で接着する場合、250℃以上のプロセスで使用することができる。また、冷却部材はAl合金が使用されることが多いが、それ以外にも、SUSやTi、Cu、真鍮等の金属や、セラミックスを用いてもよい。本発明の静電チャック部材30は、これらのどれであっても溶射膜の表裏での温度差が大きいため接着剤の温度を耐熱温度以下にすることができる。 When the electrostatic chuck member 30 is bonded with a silicone adhesive, a polyimide-based varnish adhesive, or a heat-resistant inorganic adhesive whose main components are fire-resistant ceramics and an inorganic polymer, it can be used in processes at 250°C or higher. In addition, while an Al alloy is often used for the cooling member, other metals such as SUS, Ti, Cu, brass, and ceramics may also be used. Regardless of which of these materials is used, the electrostatic chuck member 30 of the present invention has a large temperature difference between the front and back of the sprayed film, so the temperature of the adhesive can be kept below the heat-resistant temperature.
[実施例および比較例]
[試料a1~a14]
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。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~a14とした。以降、試料a1~a14を合わせて試料aという。図3は、試料a1~a14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 a14]
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 a14 were produced by varying the presence or absence of a sprayed film, the material, the thickness, the thermal conductivity and the thickness of the silicone adhesive layer. Hereinafter, samples a1 to a14 are collectively referred to as sample a. FIG. 3 is a table showing the manufacturing conditions and the measured temperature values of each sample of samples a1 to a14.
(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~b13]
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。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b1~b13とした。以降、試料b1~b13を合わせて試料bという。図4は、試料b1~b13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 b13]
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 with a silicone adhesive layer. Samples b1 to b13 were produced by varying the presence or absence of a sprayed film, the material, thickness, and the thermal conductivity and thickness of the silicone adhesive layer. Hereinafter, samples b1 to b13 will be collectively referred to as sample b. Figure 4 is a table showing the manufacturing conditions and measured temperatures for each of samples b1 to b13.
(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に、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~3000μm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 thermal sprayed film on the surface of the ceramic member opposite to the substrate mounting surface. The porosity was adjusted so that the thermal conductivity of the ZrO 2 thermal sprayed film was 0.8 (W/mK), the thermal conductivity of the Y 2 O 3 thermal sprayed film was 2 (W/mK), and the thermal conductivity of the Al 2 O 3 thermal sprayed film was 4 (W/mK). The above thermal conductivities were measured at 25°C for a single thermal sprayed film produced under the same conditions. The thickness of the thermal sprayed film was 300 μm to 3000 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の被溶射面との間隔を75mmに調節した。セラミックス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 applied current 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 was adjusted to 75 mm. The scanning speed or displacement speed of the nozzle with respect to the ceramic 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 of the ceramic member to be sprayed. 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 resulted in the generation of 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 to be sprayed. In this way, a ceramic member was formed in which one surface of the ceramic 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2000~3000W/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 2000 to 3000 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~a8、a11~a14および試料b1~b8、b10~b12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a9、および試料b9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。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 samples a1 to a8, a11 to a14 and samples b1 to b8, b10 to b12, the average temperature of the electrostatic chuck substrate mounting surface was controlled to be in a steady state of 250°C. In samples a9 and b9, the amount of heat supplied was 10,000 (W/m 2 ). In sample a10, the average temperature of the electrostatic chuck substrate mounting surface was controlled to be in a steady state of 300°C. The temperature of each part exposed on the side surface of the electrostatic chuck at that time was measured by directly contacting the silicone adhesive layer 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)
セラミックス部材に溶射膜が形成された試料a1~a13および試料b1~b12では、静電チャックの基板載置面の温度を220℃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。すなわち、溶射膜が形成された試料a1~a13および試料b1~b12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)
In samples a1 to a13 and samples b1 to b12 in which a sprayed film was formed on the ceramic member, the temperature of the silicone adhesive layer could be kept at 200° C. or less when the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck was set at 220° C. or more. That is, it was found that, in samples a1 to a13 and samples b1 to b12 in which a sprayed film was formed, the temperature of the silicone adhesive layer could be kept at or below the heat-resistant temperature even when the electrostatic chuck (substrate holding member) was used in a process in which the temperature was higher than the heat-resistant temperature of the silicone adhesive layer, and deterioration of the silicone adhesive layer could be prevented.
一方、セラミックス部材に溶射膜が形成されなかった試料a14および試料b13では、静電チャックの基板載置面の温度を250℃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なかった。 On the other hand, in samples a14 and b13, in which no sprayed film was formed on the ceramic member, the temperature of the silicone adhesive layer could not be reduced to below 200°C when the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck was set to 250°C.
また、試料a1~a8、a10~a13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、Rf/Rb≧0.32を満たしていた。なお、試料a9は、Rf/Rb≧0.32を満たしており、試料a9と同一の熱抵抗の設計で供給熱量を増大させた試料a11では、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、Rf/Rb≧0.32を満たす静電チャックは、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ことが分かった。 In addition, in samples a1 to a8 and a10 to a13, 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 kept below 200°C. In samples a1 to a5 and a11 to a13, the ceramic member was made of ceramics mainly composed of AlN, and Rf/Rb ≧ 0.32 was satisfied. Sample a9 satisfied Rf/Rb ≧ 0.32, and in sample a11, which had the same thermal resistance design as sample a9 but had an increased amount of heat supplied, the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck could be set to 250°C, and the temperature of the silicone adhesive layer at that time could be kept below 200°C. This shows that electrostatic chucks whose ceramic members are made of ceramics mainly composed of AlN and which satisfy Rf/Rb ≧ 0.32 can be used as substrate holders even in high-temperature processes at 250°C or higher.
また、試料b1~b8、b10~b12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~b8、b10~b12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、Rf/Rb≧0.25を満たしていた。なお、試料b9は、Rf/Rb≧0.25を満たしており、試料b9と同一の熱抵抗の設計で供給熱量を増大させた試料b10では、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、Rf/Rb≧0.25を満たす静電チャックは、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ことが分かった。 In addition, in the samples b1 to b8 and b10 to b12, 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 the samples b1 to b8 and b10 to b12, the ceramic member was formed of ceramics mainly composed of Al 2 O 3 , and Rf/Rb ≧ 0.25 was satisfied. In addition, the sample b9 satisfied Rf/Rb ≧ 0.25, and in the sample b10, which had the same thermal resistance design as the sample b9 but had an increased amount of heat supplied, the temperature of the substrate mounting surface of the electrostatic chuck could be set to 250°C, and the temperature of the silicone adhesive layer at that time could be set to 200°C or less. This shows that the electrostatic chuck, in which the ceramic member is formed of ceramics mainly composed of Al 2 O 3 and Rf/Rb ≧ 0.25 is capable of using the substrate holding member even in a high-temperature process of 250°C or more.
また、試料a1~a8、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~a8、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、(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.84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、(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.84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 case of samples a1 to a8, 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 samples a1 to a8, a10, a12, and a13 were formed of ceramics containing AlN as the main component, and satisfied (Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.84. This confirmed that an electrostatic chuck whose ceramic member is formed of ceramics containing AlN as the main component and which satisfies (Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.84 can reduce the amount of heat supplied necessary to maintain a predetermined process temperature.
また、試料b1~b8、b11、b12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~b8、b11、b12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、(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.71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、(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.71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 to b8, b11, and b12, 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 to b8, b11, and b12 had ceramic members formed of ceramics containing Al 2 O 3 as a main component, and satisfied (Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.71. This confirmed that an electrostatic chuck whose ceramic member is formed of ceramics containing Al 2 O 3 as a main component and satisfies (Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.71 can reduce the amount of heat supplied necessary to maintain a predetermined process temperature.
また、試料a1~a13は、電極が埋設された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、0.38≧Re/Rf≧0.03を満たしていた。このような静電チャック部材は、様々な種類の耐熱性接着剤を使用して冷却部材と一体化するのに最適な静電チャック部材であることが分かった。 In addition, for samples a1 to a13, the ceramic member in which the electrodes are embedded is made of ceramics whose main component is AlN, and the relationship 0.38 ≧ Re/Rf ≧ 0.03 is satisfied. It was found that such electrostatic chuck members are optimal for integrating with cooling members using various types of heat-resistant adhesives.
また、試料b1~b12は、電極が埋設され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、1.33≧Re/Rf≧0.13を満たしていた。このような静電チャック部材は、様々な種類の耐熱性接着剤を使用して冷却部材と一体化するのに最適な静電チャック部材であることが分かった。 In addition, in samples b1 to b12, the ceramic members in which the electrodes are embedded are formed of ceramics containing Al 2 O 3 as a main component, and satisfy 1.33 ≧ Re/Rf ≧ 0.13. It was found that such electrostatic chuck members are optimal for integration with a cooling member using various types of heat-resistant adhesives.
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る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。また、本発明の静電チャック部材は、様々な種類の耐熱性接着剤を使用して冷却部材と一体化するのに最適な静電チャック部材であることが分かった。 From the above, it was confirmed that the substrate holding member of the present invention maintains a temperature of the silicone adhesive layer below its heat-resistant temperature even when used in a process in which the substrate temperature exceeds the heat-resistant temperature of the silicone adhesive layer. It was also confirmed that the manufacturing method of the present invention can produce such a substrate holding member. It was also found that the electrostatic chuck member of the present invention is an optimal electrostatic chuck member for integration with a cooling member using various types of heat-resistant adhesives.
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 溶射膜
16 冷却部材
18 シリコーン接着層
20 流路
22、24 電極
26 基板載置面
30 静電チャック部材
REFERENCE SIGNS LIST 10: Substrate holding member 12: Ceramic member 14: Thermally sprayed film 16: Cooling member 18: Silicone adhesive layer 20: Flow path 22, 24: Electrode 26: Substrate mounting surface 30: Electrostatic chuck member
Claims (8)
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、
前記溶射膜と前記冷却部材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 thermal spray coating formed on the other main surface of the ceramic member;
A metal cooling member having a coolant flow path therein;
a silicone adhesive layer that bonds the thermal sprayed film and the cooling member.
前記溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf(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)としたとき、
Rf/Rb≧0.32
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 sprayed coating is Rf (m 2 K/W) and the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the silicone adhesive layer is Rb (m 2 K/W),
Rf/Rb≧0.32
2. The substrate holding member according to claim 1,
前記溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf(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)としたとき、
Rf/Rb≧0.25
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 sprayed coating is Rf (m 2 K/W) and the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the silicone adhesive layer is Rb (m 2 K/W),
Rf/Rb≧0.25
2. The substrate holding member according to claim 1,
(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.84
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。 When the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re (m 2 K/W) and the thermal resistance per unit area in the thickness direction in a region from the main surface of the cooling member on the silicone adhesive layer side to the flow path of the refrigerant is Rm (m 2 K/W),
(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.84
3. The substrate holding member according to claim 2, wherein
(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.71
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。 When the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re (m 2 K/W) and the thermal resistance per unit area in the thickness direction in a region from the main surface of the cooling member on the silicone adhesive layer side to the flow path of the refrigerant is Rm (m 2 K/W),
(Rf+Rb)/(Re+Rf+Rb+Rm)≧0.71
4. The substrate holding member according to claim 3 , wherein
AlNを主成分とする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、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溶射膜と、を備え、
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)、前記溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf(m2K/W)としたとき、
0.38≧Re/Rf≧0.03
であることを特徴とする静電チャック部材。 An electrostatic chuck member,
a ceramic member formed in a flat plate shape from a ceramic mainly composed of AlN, having a substrate mounting surface on one main surface thereof, and having an electrode embedded therein;
a thermal spray coating formed on the other main surface of the ceramic member,
When the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re (m 2 K/W) and the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the sprayed coating is Rf (m 2 K/W),
0.38≧Re/Rf≧0.03
Electrostatic chuck member characterized by:
Al2O3を主成分とする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、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溶射膜と、を備え、
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)、前記溶射膜の厚み方向の単位面積当たりの熱抵抗をRf(m2K/W)としたとき、
1.33≧Re/Rf≧0.13
であることを特徴とする静電チャック部材。 An electrostatic chuck member,
a ceramic member formed in a flat plate shape from a ceramic mainly composed of Al 2 O 3 , having a substrate mounting surface on one of its main surfaces, and having an electrode embedded therein;
a thermal spray coating formed on the other main surface of the ceramic member,
When the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the ceramic member is Re (m 2 K/W) and the thermal resistance per unit area in the thickness direction of the sprayed coating is Rf (m 2 K/W),
1.33≧Re/Rf≧0.13
Electrostatic chuck member characterized by:
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溶射原料粉を溶射し、溶射膜を形成する工程と、
前記溶射膜または前記冷却部材の接合面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 thermal spray raw material powder containing a predetermined ceramic onto a surface of the ceramic member facing the substrate mounting surface to form a thermal sprayed film;
applying a silicone adhesive to at least one of the joining surfaces of the thermal sprayed film and the cooling member to bond the ceramic member and the cooling member;
and curing the silicone adhesive to form a silicone adhesive layer.
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