(57)【要約】【課題】圧力差に耐えうる十分な強度と、温度応答性の向上と、熱膨張による静電チャックの湾曲防止とが並立可能なウェハーステージ、およびこれを備えた半導体製造装置、ウェハーステージの製造方法を提供する。【解決手段】半導体ウェハーを支持するウェハーステージであって、前記半導体ウェハーが一面に載置される静電チャック板と、前記静電チャック板の他面に接合された上部支持板と、前記上部支持板に重ねて配された下部支持板と、前記上部支持板および前記下部支持板の間に配された加熱冷却手段と、を少なくとも有し、前記静電チャック板は、セラミックスを含む材料からなり、前記上部支持板は、アルミニウム又はアルミニウム合金と前記セラミックスまたはカーボンとの複合材料からなり、前記静電チャック板と前記上部支持板とは、常温固体接合によって直接接合されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハーを支持するウェハーステージであって、
前記半導体ウェハーが一面に載置される静電チャック板と、前記静電チャック板の他面に接合された上部支持板と、前記上部支持板に重ねて配された下部支持板と、前記上部支持板および前記下部支持板の間に配された加熱冷却手段と、を少なくとも有し、
前記静電チャック板は、セラミックスを含む材料からなり、
前記上部支持板は、アルミニウム又はアルミニウム合金と前記セラミックスまたはカーボンとの複合材料からなり、
前記静電チャック板と前記上部支持板とは、常温固体接合によって直接接合されていることを特徴とするウェハーステージ。
【請求項２】
前記セラミックスは、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮのうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載のウェハーステージ。
【請求項３】
前記上部支持板は、気孔率が１％以下であることを特徴とする請求項１または２記載のウェハーステージ。
【請求項４】
前記上部支持板は、前記静電チャック板に対する熱膨張係数の差が±５％以内になる材料によって形成したことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項記載のウェハーステージ。
【請求項５】
前記加熱冷却手段は、ペルチェ素子であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項記載のウェハーステージ。
【請求項６】
前記ペルチェ素子は、複数形成され、各々のペルチェ素子は独立して制御されることを特徴とする請求項５記載のウェハーステージ。
【請求項７】
前記ペルチェ素子は、前記下部支持板の一面の面積の４５％以上を占めるように配列形成されていることを特徴とする請求項５または６記載のウェハーステージ。
【請求項８】
前記ペルチェ素子は、前記静電チャック板の一面において３０℃から８０℃の加熱速度を１℃／秒以上、冷却速度を０．６℃／秒以上となるものを用いることを特徴とする請求項５ないし７いずれか一項記載のウェハーステージ。
【請求項９】
前記ペルチェ素子と前記上部支持板の間には、弾性を有する熱伝導性シートが更に設けられていることを特徴とする請求項５ないし８いずれか一項記載のウェハーステージ。
【請求項１０】
前記熱伝導性シートは、熱伝導率が１ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項９記載のウェハーステージ。
【請求項１１】
前記熱伝導性シートは、荷重が加わらない状態での厚みが０．３ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項９または１０記載のウェハーステージ。
【請求項１２】
前記熱伝導性シートは、硬さがアスカーＣ２０以下であることを特徴とする請求項９ないし１１いずれか一項記載のウェハーステージ。
【請求項１３】
前記下部支持板の内部には、冷媒を流すための冷媒流路が形成されていることを特徴とする請求項１ないし１２いずれか一項記載のウェハーステージ。
【請求項１４】
前記下部支持板は、ヤング率が１２０ＭＰａ以上の材料によって形成されていることを特徴とする請求項１ないし１３いずれか一項記載のウェハーステージ。
【請求項１５】
前記下部支持板は、ＴｉまたはＴｉ合金、カーボン、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＺｒＯ２のうち、少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１４記載のウェハーステージ。
【請求項１６】
前記上部支持板の前記加熱冷却手段に対向する他面から、前記静電チャック板の一面までの熱容量の合計値は、単位面積当たり３．０Ｊ／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１ないし１５いずれか一項記載のウェハーステージ。
【請求項１７】
前記上部支持板と前記下部支持板とは、ネジによって締結されることを特徴とする請求項１ないし１６いずれか一項記載のウェハーステージ。
【請求項１８】
前記ネジの周囲には、前記上部支持板と前記下部支持板との間隔を一定に保つスペーサーが更に形成されていることを特徴とする請求項１７記載のウェハーステージ。
【請求項１９】
前記ネジには、緩み止め部材が更に形成されていることを特徴とする請求項１７または１８記載のウェハーステージ。
【請求項２０】
請求項１ないし１９いずれか一項記載のウェハーステージと、前記半導体ウェハーを加工する加工手段と、を備えたことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２１】
請求項１ないし１９いずれか一項記載のウェハーステージの製造方法であって、
前記静電チャック板と前記上部支持板との間に中間膜を配置して、常温固体接合によって直接接合する工程を有することを特徴とするウェハーステージの製造方法。
【請求項２２】
前記中間膜は、Ａｌ,Ｔｉ,Ｎｉ,Ａｕ,Ａｇ,Ｃｕ,Ｉｎ,Ｓｎ、Ｓｉ、ＳｉＯ２の内、少なくとも一種類を含むことを特徴とする請求項２１記載のウェハーステージの製造方法。
【請求項２３】
前記中間膜は、少なくとも２層以上設けることを特徴とする請求項２１または２２記載のウェハーステージの製造方法。
【請求項２４】
前記上部支持板は、アルミニウム又はアルミニウム合金と前記セラミックスまたはカーボンとを、加圧含浸法または真空含浸法によって一体化させて形成することを特徴とする請求項２１ないし２３いずれか一項記載のウェハーステージの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハ―を載置するウェハーステージ、およびこれを用いた半導体製造装置、ウェハーステージの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体製造装置を用いて半導体ウェハーに加工を行う半導体ウェハー製造工程において、半導体素子の微細化やアスペクト比の増加によって、例えばエッチングを行う際の温度依存性が大きくなっている。即ち、半導体ウェハーの温度制御のマージンが狭くなり、極めて高精度の温度制御が必要になりつつある。
【０００３】
従来の半導体製造装置、例えば、エッチング装置では、エッチング工程において半導体ウェハーを支持する静電チャック付きのウェハーステージは、半導体ウェハーの温度制御を行うために、加熱、冷却を行う加熱冷却手段が設けられている。従来、こうしたウェハーステージの加熱冷却手段として、加熱には抵抗加熱方式の加熱器、冷却には冷媒流路に冷媒を流す熱交換器をそれぞれ用いて温度制御を行っていた（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
しかしながら、こうした抵抗加熱方式の加熱および熱交換方式の冷却は、半導体ウェハー全体を一律に加熱、冷却することは容易であるものの、半導体ウェハーの任意の領域だけを加熱、冷却することは難しい。例えば、半導体ウェハーにプラズマエッチングを行う際には、プラズマもガスの流れも均一ではないため、半導体ウェハーの面内の温度が不均一になりやすいが、抵抗加熱方式の加熱および熱交換方式の冷却では、ウェハーステージを細分化された領域ごとに温度制御を行って、半導体ウェハーの面内全体を均一な温度に保つことは困難であった。また、半導体ウェハーの温度変化に追従した応答速度も遅く、高精度に温度制御を行うことが困難であった。
【０００５】
このため、例えば、ウェハーステージの加熱冷却手段として、静電チャックの下部に多数のペルチェ素子を配列し、個々のペルチェ素子（熱電素子）を独立して動作させることによって、ウェハーステージを細分化された領域ごとに温度制御する方法も知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１０２１３５号公報
【特許文献２】特開２０１５−００８２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このようなウェハーステージを半導体製造装置に設置する際には、一般的に、加熱冷却手段の上部に形成される上部支持板を境にして、半導体ウェーハを載置する静電チャック側を真空、他方の側を大気圧にするために、上部支持板が少なくとも１気圧程度の圧力差に耐えうる強度を持つ必要がある。また、温度応答性を高めるために、上部支持板および静電チャックの熱容量を小さくする必要がある。また、静電チャックによる半導体ウェハ―の吸着を確実に行うために、上部支持板と静電チャックの熱膨張率が異なることによる湾曲の発生を低減する必要もある。
【０００８】
しかしながら、従来のウェハーステージは、真空環境と大気圧環境との圧力差に耐えうる十分な強度と、熱容量の最小化による温度応答性の向上と、熱膨張による静電チャックの湾曲防止とを全て満足させることが困難であるという課題があった。
【０００９】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、圧力差に耐えうる十分な強度と、温度応答性の向上と、熱膨張による静電チャックの湾曲防止とが並立可能なウェハーステージ、およびこれを備えた半導体製造装置、ウェハーステージの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明のウェハーステージは、半導体ウェハーを支持するウェハーステージであって、前記半導体ウェハーが一面に載置される静電チャック板と、前記静電チャック板の他面に接合された上部支持板と、前記上部支持板に重ねて配された下部支持板と、前記上部支持板および前記下部支持板の間に配された加熱冷却手段と、を少なくとも有し、前記静電チャック板は、セラミックスを含む材料からなり、前記上部支持板は、アルミニウム又はアルミニウム合金と前記セラミックスまたはカーボンとの複合材料からなり、前記静電チャック板と前記上部支持板とは、常温固体接合によって直接接合されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一実施形態のウェハーステージによれば、上部支持板をアルミニウム又はアルミニウム合金とセラミックスまたはカーボンとの複合材料から構成することによって、例えば大気圧環境と真空環境との圧力差に耐えうる十分な強度を確保することができる。
【００１２】
そして、静電チャック板と上部支持板とを常温固体接合によって直接接合することによって、接着剤を介在させて接合した場合と比較して、静電チャック板と上部支持板との間の熱伝導性を高め、温度応答性を向上させることができる。また、直接接合することによって、静電チャック板と上部支持板との接合強度が向上し、熱膨張による静電チャックの湾曲を防止し、半導体ウェハーを確実に吸着することができる。
【００１３】
また、本発明では、前記セラミックスは、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮのうち、少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００１４】
また、本発明では、前記上部支持板は、気孔率が１％以下であってもよい。
【００１５】
また、本発明では、前記上部支持板は、前記静電チャック板に対する熱膨張係数の差が±５％以内になる材料によって形成してもよい。
【００１６】
また、本発明では、前記加熱冷却手段は、ペルチェ素子であってもよい。
【００１７】
また、本発明では、前記ペルチェ素子は、複数形成され、各々のペルチェ素子は独立して制御されるようにしてもよい。
【００１８】
また、本発明では、前記ペルチェ素子は、前記下部支持板の一面の面積の４５％以上を占めるように配列形成されていてもよい。
【００１９】
また、本発明では、前記ペルチェ素子は、前記静電チャック板の一面において３０℃から８０℃の加熱速度を１℃／秒以上、冷却速度を０．６℃／秒以上となるものを用いてもよい。
【００２０】
また、本発明では、前記ペルチェ素子と前記上部支持板の間には、弾性を有する熱伝導性シートが更に設けられていてもよい。
【００２１】
また、本発明では、前記熱伝導性シートは、熱伝導率が１ｗ／ｍＫ以上であってもよい。
【００２２】
また、本発明では、前記熱伝導性シートは、荷重が加わらない状態での厚みが０．３ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲であってもよい。
【００２３】
また、本発明では、前記熱伝導性シートは、硬さがアスカーＣ２０以下であってもよい。
【００２４】
また、本発明では、前記下部支持板の内部には、冷媒を流すための冷媒流路が形成されていてもよい。
【００２５】
また、本発明では、前記下部支持板は、ヤング率が１２０ＭＰａ以上の材料によって形成されていてもよい。
【００２６】
また、本発明では、前記下部支持板は、ＴｉまたはＴｉ合金、カーボン、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＺｒＯ２のうち、少なくともいずれか１つを含んでいてもよい。
【００２７】
また、本発明では、前記上部支持板の前記加熱冷却手段に対向する他面から、前記静電チャック板の一面までの熱容量の合計値は、単位面積当たり３．０Ｊ／Ｋ以下であってもよい。
【００２８】
また、本発明では、前記上部支持板と前記下部支持板とは、ネジによって締結されていてもよい。
【００２９】
また、本発明では、前記ネジの周囲には、前記上部支持板と前記下部支持板との間隔を一定に保つスペーサーが更に形成されていてもよい。
【００３０】
また、本発明では、前記ネジには、緩み止め部材が更に形成されていてもよい。
【００３１】
本発明の半導体製造装置は、前記各項記載のウェハーステージと、前記半導体ウェハーを加工する加工手段と、を備えたことを特徴とする。
【００３２】
本発明のウェハーステージの製造方法は、前記各項記載のウェハーステージの製造方法であって、前記静電チャック板と前記上部支持板との間に中間膜を配置して、常温固体接合によって直接接合する工程を有することを特徴とする。
【００３３】
また、本発明では、前記中間膜は、Ａｌ,Ｔｉ,Ｎｉ,Ａｕ,Ａｇ,Ｃｕ,Ｉｎ,Ｓｎ、Ｓｉ、ＳｉＯ２の内、少なくとも一種類を含んでいればよい。
【００３４】
また、本発明では、前記中間膜は、少なくとも２層以上設けてもよい。
【００３５】
また、本発明では、前記上部支持板は、アルミニウム又はアルミニウム合金と前記セラミックスまたはカーボンとを、加圧含浸法または真空含浸法によって一体化させて形成することもできる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、圧力差に耐えうる十分な強度と、温度応答性の向上と、熱膨張による静電チャックの湾曲防止とが並立可能なウェハーステージ、およびこれを備えた半導体製造装置、ウェハーステージの製造方法を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態のウェハーステージを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態のウェハーステージを示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施例の結果を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態のウェハーステージ、およびこれを備えた半導体製造装置、ウェハーステージの製造方法について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００３９】
図１は、本発明の一実施形態のウェハーステージを示す断面図である。また、図２は、本発明の一実施形態のウェハーステージを示す分解斜視図である。
本実施形態のウェハーステージ１０は、上から積層された順に、静電チャック板１１、上部支持板１２、加熱冷却手段の一例であるペルチェ素子１３、および下部支持板１４を備えている。また、それぞれのペルチェ素子１３と上部支持板１２との間には、更に熱伝導性シート１５が配されていることが好ましい。
【００４０】
静電チャック板１１は、半導体装置に設置されたウェハーステージ１０の使用時において、一面１１ａに半導体ウェハーＷ、例えばシリコンウェハ―が載置される。静電チャック板１１は、セラミックスを含む材料、例えば、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＡｌＮのうち、少なくとも１つを含む材料から構成されている。
【００４１】
本実施形態では、静電チャック板１１は、アルミナとＳｉＣとの複合材料から構成されている。静電チャック板１１は、ＪＲ（ジョンセン・ラーベック）力型静電チャック、またはクーロン力型静電チャックのいずれであってもよい。静電チャック板１１の厚み方向の内部には、静電吸着力を生じさせる内部電極（図示略）が形成されており、この内部電極に対して、ＪＲ力型静電チャックにあっては±１００〜５００Ｖ程度、クーロン力型静電チャックにあっては±１０００〜８０００Ｖ程度の電圧を印加する。
【００４２】
また、静電チャック板１１には熱伝導性ガス流路２１が形成されている。この熱伝導性ガス流路２１は、静電チャック板１１の一面１１ａに熱伝導性ガス、例えば、率伝導率が高いヘリウム（０．１４４２Ｗ／ｍｋ（０℃））を供給することによって、静電チャック板１１の一面１１ａに載置された半導体ウェハーＷと、静電チャック板１１の一面１１ａとの間で、ペルチェ素子１３からの熱を効率的に伝熱させることができる。
【００４３】
上部支持板１２は、ウェハーステージ１０が半導体装置に設置された際に、半導体装置の真空チャンバー内の真空環境と、真空チャンバー外の大気圧環境との境界部分に設けられ、一面１２ａ側が真空環境、他面１２ｂ側が大気圧環境となる。このため、上部支持板１２は、少なくとも１気圧程度圧力差に対する耐圧性を有する材料および厚みを有する。
【００４４】
上部支持板１２は、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金と、セラミックスまたはカーボンとからなる複合材料から構成されている。セラミックスとしては、例えば、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＡｌＮのうち、少なくとも１つを含む材料が挙げられる。
【００４５】
上部支持板１２は、静電チャック板１１に対して、熱膨張率が±５以内になるような組成が選択される。本実施形態では、上部支持板１２は、Ａｌ（２９％）−ＳｉＣ（７１％）の複合材（ＭＭＣ）から構成されている。このような組成のＭＭＣは、Ａｌの熱伝導率と電気抵抗をほぼ保ちつつ、静電チャック板１１の構成材料、例えばアルミナとＳｉＣとの複合材料の熱膨張係数に近似した値になっている。よって、互いに接合された上部支持板１２と静電チャック板１１との間で熱膨張差による湾曲や剥離を防止できる。
【００４６】
このような上部支持板１２を構成するＭＭＣは、ＳｉＣ多孔体にＡｌを加圧によって含浸させる加圧含浸法や、真空中でＳｉＣ多孔体にＡｌを含浸させる真空含浸法によって作製される。これにより得られる上部支持板１２を構成するＭＭＣは、気孔率が例えば１％以下であり、加熱によって空隙からガスが膨張することがない。
【００４７】
このような上部支持板１２の一面１２ａと、静電チャック板１１の他面１１ｂとは、常温固体接合によって直接接合されている。上部支持板１２と静電チャック板１１とを常温固体接合する際には、上部支持板１２と静電チャック板１１との間に中間膜（図示略）を配置して、常温下で上部支持板１２と静電チャック板１１とを互いに加圧し、中間膜の成分を拡散させて直接接合を行う。
【００４８】
こうした常温固体接合を行う際に用いる中間膜は、自己活性化エネルギーが小さく相互に拡散しやすい金属、または表面平坦性の維持しやすい非晶質セラミックス（ＳｉＯ２，ＳｉＮ）を用いて、例えばＳｉＣの粒子が大きいために表面の平滑性を高めることに限界がある静電チャック板１１の他面１１ｂと、上部支持板１２の一面１２ａの表面平滑性を高めて、強固な常温固体接合を促進させる。
【００４９】
こうした常温固体接合に用いる中間膜としては、例えば、Ａｌ,Ｔｉ,Ｎｉ,Ａｕ,Ａｇ,Ｃｕ,Ｉｎ,Ｓｎの内、少なくとも一種類を含む金属膜、またはＳｉＯ２，ＳｉＮのような非晶質セラミックスが好ましい。本実施形態では、上部支持板１２と静電チャック板１１との常温固体接合時に、上部支持板１２の一面１２ａにＡｌを１０μｍの厚みで成膜して鏡面を得た後、常温、かつ真空中環境下で２００ｋＮの加圧力を２時間連続して加え、上部支持板１２と静電チャック板１１とを常温固体接合した。
【００５０】
なお、常温固体接合時の前処理として、静電チャック板１１の他面１１ｂを鏡面研磨し、また上部支持板１２の一面１２ａに形成したＡｌ膜は、還元雰囲気で酸化膜を除去することが好ましい。中間膜としては、上記の膜以外にも、上部支持板１２の成分にアルミナを混合した、所謂傾斜材料からなる中間膜を用いることも好ましい。
【００５１】
更に、こうした中間膜として、互いに異なる膜を２層以上重ねて用いることもできる。複数の中間膜を重ねて用いることで、上部支持板１２の他面１２ｂと、静電チャック板１１の一面１１ａのそれぞれを平滑化させるために最適な材質の中間膜を選択することができる。
【００５２】
ペルチェ素子（加熱冷却手段）１３は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する熱電変換素子であり、熱電変換材料の両端に電極等を形成して電極間で電位差を生じさせると、熱電変換材料の両端に温度差が生じる。こうしたペルチェ素子１３は、互いに半導体型が同一の熱電変換材料どうしを接続したユニレグ型ペルチェ素子と、互いに異なる半導体型、即ちｎ型熱電変換材料とｐ型熱電変換材料とを交互に接続したπ（パイ）型ペルチェ素子があるが、本実施形態では、効率よく熱電変換を行うことができるπ型のペルチェ素子１３を用いている。
【００５３】
本実施形態では、複数のペルチェ素子１３が上部支持板１２と下部支持板１４との間に、所定の間隔を開けて配列されている。本実施形態では、直径３００ｍｍの半導体ウェハーＷを載置可能な直径のウェハーステージ１０に対して１５０〜１６０個程度のペルチェ素子１３が配列されている。例えば、ペルチェ素子１３は、下部支持板１４の一面１４ａの面積の４５％以上を占めるように配列形成されていればよい。
【００５４】
個々のペルチェ素子１３は、例えば、静電チャック板１１の一面１１ａにおいて、３０℃から８０℃の加熱速度が１℃／秒以上、冷却速度が０．６℃／秒以上となるものを用いることが好ましい。このような特性のペルチェ素子１３を用いることによって、静電チャック板１１に載置した半導体ウェハーＷを、タイムラグを抑制して速い応答速度で温度制御することができる。
【００５５】
それぞれのペルチェ素子１３はサーミスターを内蔵しており、１５０〜１６０個程度のペルチェ素子１３が、個々に独立して制御にされている。これにより、静電チャック板１１に載置した半導体ウェハーＷが直径３００ｍｍといった大口径であっても、小さな領域、例えば２０ｍｍ×２０ｍｍ程度の領域ごとに正確に加熱、冷却を行うことができ、半導体ウェハーＷ全体を温度の勾配の無い均一な温度に保つことが可能になる。もしくは、意図的に局所的に温度を変化することができる。
【００５６】
なお、本実施形態では、加熱冷却手段としてペルチェ素子１３を例示したが、加熱冷却手段はペルチェ素子１３に限定されるものでは無い。例えば、冷媒流路を備えた下部支持板の上部に薄膜ヒーターを多数配置して、静電チャック板の一面の加熱はこの薄膜ヒーターで行い、冷却は薄膜ヒーターをオフにする事で冷媒で冷却された下部支持板に熱を逃がすといった構成であっても良い。
【００５７】
ペルチェ素子１３と上部支持板１２との間には、熱伝導性シート１５が配されていることが好ましい。熱伝導性シート１５は、例えば、柔軟性があり、熱伝導率が１ｗ／ｍＫ以上のシート材、例えば、シリコーンシート（シリコーンに炭素を添加して熱伝導性を改善したシート材であり、炭素の添加量で熱伝導性は向上するが、シリコーンの持つ柔軟性はなくなり脆くなっていくことにより炭素の濃度を最適化したシート）からなるシート材を用いることができる。また、熱伝導性シート１５は、硬さがアスカーＣ２０以下であり、荷重が加わらない状態での厚みが０．３ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００５８】
熱伝導性シート１５は、後述するネジ２３による上部支持板１２と下部支持板１４との締結によって、ペルチェ素子１３と上部支持板１２との間で厚み方向に押し潰されて挟持される。こうした熱伝導性シート１５によって、ペルチェ素子１３と上部支持板１２との間の接触熱抵抗を低減し、上部支持板１２の熱変形、熱膨張よる変位を吸収して安定してペルチェ素子１３と半導体ウェハーＷとの間で熱伝導することができる。
【００５９】
下部支持板１４は、一面１４ａ側でペルチェ素子１３と接し、上部支持板１２との間でペルチェ素子１３を挟持する。下部支持板１４は、ヤング率が１２０ＭＰａ以上の材料によって形成されることが好ましい。ヤング率が１２０ＭＰａ以上の材料を用いることによって下部支持板１４の剛性が高められ、大気と真空の圧力差により下部支持板１４が湾曲することを防止できる。
【００６０】
こうした下部支持板１４の構成材料としては、例えば、ＴｉまたはＴｉ合金、カーボン、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＺｒＯ２のうち、少なくともいずれか１つを含む材料が挙げられる。本実施形態では、下部支持板１４は、Ａｌ（２９％）−ＳｉＣ（７１％）の複合材（ＭＭＣ）から構成されている。Ａｌとしては、例えば、Ａ６０６１材を用いている。
【００６１】
このような組成の下部支持板１４を構成するＭＭＣは、ＳｉＣ多孔体にＡｌを加圧によって含浸させる加圧含浸法や、真空中でＳｉＣ多孔体にＡｌを含浸させる真空含浸法によって作製される。これにより得られる下部支持板１４を構成するＭＭＣは、気孔率が例えば１％以下であり、加熱によって空隙からガスが膨張して放出することがない。
【００６２】
下部支持板１４の内部には、冷媒を流すための冷媒流路２２が形成されている。こうした冷媒流路２２を形成するために、下部支持板１４を厚み方向に２分割可能な形態にすることが好ましい。これにより、下部支持板１４を成す一方の部材に複数の溝を形成し、この一方の部材に対して、板状の他方の部材を接合することで、内部に冷媒流路２２が形成された下部支持板１４を得ることができる。
【００６３】
冷媒流路２２には、冷媒、例えば、フロンなどの有機冷媒、水などを流すことができる。こうした冷媒は、外部に設けた放熱器（図示略）によって放熱して循環させればよい。下部支持板１４の内部に冷媒流路２２を形成して冷媒を流すことによって、例えば、ペルチェ素子１３によって半導体ウェハーＷを冷却する際に、下部支持板１４側に生じた熱を速やかに吸収し、ペルチェ素子１３が過熱することを防止し、効率的にペルチェ素子１３による半導体ウェハーＷの冷却を行うことができる。
【００６４】
上部支持板１２と下部支持板１４の間は、ネジ２３によって締結される。ネジ２３は、下部支持板１４に形成したネジ穴２４を貫通し、上部支持板１２の他面１２ｂ側から厚み方向に延びる内ネジ２５に螺合される。これにより、上部支持板１２と下部支持板１４の間に配列された複数のペルチェ素子１３が挟持される。
【００６５】
上部支持板１２と下部支持板１４との間は、印加されるＲＦ電流による異常放電を防止するために大気圧（１気圧）とされているが、こうした上部支持板１２と下部支持板１４との間の大気圧環境と、上部支持板１２よりも静電チャック板１１側の真空環境との間の耐圧確保のため、上部支持板１２と下部支持板１４との間は、本実施形態では、３０〜４０本のネジによって、均等な間隔で締結されている。
【００６６】
また、ネジ２３の周囲には、上部支持板１２と下部支持板１４との間隔を一定に保つスペーサー２６が更に形成されていることが好ましい。こうしたスペーサー２６によって、複数のネジ２３どうしの締め付け圧に差があっても、上部支持板１２と下部支持板１４との間隔を一定に保ち、複数のペルチェ素子１３による熱伝導性に偏りが生じることを防止できる。
【００６７】
更に、個々のネジ２３には、緩み止め部材（図示略）が形成されていることも好ましい。こうした緩み止め部材を設けることで、経時変化でネジ２３が緩み、上部支持板１２と下部支持板１４との締め付け圧が不均一になって複数のペルチェ素子１３による熱伝導性に偏りが生じることを防止できる。
【００６８】
以上のような構成のウェハーステージ１０の上部支持板１２のペルチェ素子１３に対向する他面１２ｂから、静電チャック板１１の一面１１ａまでの熱容量の合計値は、単位面積当たり３．０Ｊ／Ｋ以下になるように構成される。熱容量の合計値を単位面積当たり３．０Ｊ／Ｋ以下に保つことにより、ペルチェ素子１３の熱を静電チャック板１１の一面１１ａに向けて高い応答速度で伝搬させることが可能になり、半導体ウェハーＷの温度変化に追従して高精度に温度制御を行うことが可能になる。
【００６９】
以上のような構成の本発明の一実施形態のウェハーステージ１０によれば、上部支持板１２をアルミニウム又はアルミニウム合金とセラミックスまたはカーボンとの複合材料から構成することによって、例えば大気圧環境と真空環境との圧力差に耐えうる十分な強度を確保することができる。
【００７０】
そして、静電チャック板１１と上部支持板１２とを常温固体接合によって直接接合することによって、接着剤を介在させて接合した場合と比較して、静電チャック板１１と上部支持板１２との間の熱伝導性を高め、温度応答性を向上させることがてきる。また、直接接合することによって、静電チャック板１１と上部支持板１２との接合強度が向上し、熱膨張による静電チャックの湾曲を防止し、半導体ウェハーＷを確実に吸着することができる。
【００７１】
以上のようなウェハーステージ１０に載置された半導体ウェハーＷを加工する加工手段を備えた半導体製造装置として、例えば、エッチング装置、化学気相成長装置、スパッタリング装置が挙げられる。これらの半導体製造装置にウェハーステージ１０を適用することによって、圧力差に耐えうる十分な強度と、温度応答性の向上と、熱膨張による静電チャックの湾曲防止とが並立可能なウェハーステージを備えた半導体製造装置を実現できる。なお、エッチング装置やＣＶＤ装置のように腐食性ガスを用いる場合には、ステージ側面にアルミナ、イットリアのような耐食成膜の表面コートを行うことも好ましい。
【００７２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【実施例】
【００７３】
ウェハーステージの温度の昇降温速度を検証した。昇降温速度はペルチェ素子の駆動能力と上部支持板および静電チャック板の熱伝達率および熱容量に依存する。そこで上部支持板をＳＵＳ３０４で厚さ６ｍｍ（試料１）、ＭＭＣで厚さ１ｍｍ（試料２），３ｍｍ（試料３），６ｍｍ（試料４）の４種類のサンプルを作成して昇降温速度を測定した。下部支持板の温度は５０℃に固定して静電チャック板の一面の温度が３０℃から８０℃の間の変化速度を測定した結果を図３に示す。
【００７４】
ペルチェ素子は７２シリーズ（株式会社フェローテック製）を用い、駆動電力の最大値は１素子あたり４．３Ｖ、３Ａである。プロセス上１℃／ｓｅｃ以上の冷却速度が必要なので、単位面積当たりの上部支持板と静電チャック板の熱容量の合計が６．０Ｊ／ｋ以下が要求される。図４に昇降温の実測値（試料１、試料４）の例を示す。図４に示す結果より、ＭＭＣで厚さ３ｍｍで静電チャック板にアルミナ厚さ１ｍｍのものを固体拡散接合で形成すれば、所望の特性を有するウェハーステージを形成することが可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１０…ウェハーステージ
１１…静電チャック板
１２…上部支持板
１３…ペルチェ素子
１４…下部支持板
１５…熱伝導性シート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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