(57)【要約】  本開示の基板保持部材は、板状のセラミックスからなる本体と、前記本体の表面を被覆する被覆膜とを備えた基板保持部材であって、前記セラミックスの破壊靱性をＫ１Ｃ、熱膨張係数をα１、厚みをｔ１、ヤング率をＥ１とし、前記被覆膜の熱膨張係数をα２、厚みをｔ２、ヤング率をＥ２、圧縮強度をσとし、前記基板保持部材の安全率をＳｐとしたとき、ｔ１は、０．５ｍｍ以上、３０ｍｍ以下であり、ｔ２は、３μｍ以上、０．１ｔ１以下であり、式１で表されるＦ値が、１×１０２２以上である。また、本開示の半導体製造装置は、上記の基板保持部材を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のセラミックスからなる本体と、
前記本体の表面を被覆する被覆膜とを備えた基板保持部材であって、
前記セラミックスの破壊靱性をＫ１Ｃ、熱膨張係数をα１、厚みをｔ１、ヤング率をＥ１とし、
前記被覆膜の熱膨張係数をα２、厚みをｔ２、ヤング率をＥ２、圧縮強度をσとし、
前記基板保持部材の安全率をＳｐとしたとき、
ｔ１は、０．５ｍｍ以上、３０ｍｍ以下であり、
ｔ２は、３μｍ以上、０．１ｔ１以下であり、
式１で表されるＦ値が、１×１０２２以上である、基板保持部材。
【数１】
2019022258.tif 000016
【請求項２】
上記Ｆ値が、１×１０３０以上である、請求項１に記載の基板保持部材。
【請求項３】
前記被覆膜は、ガラス転移温度が２７０℃以上である、請求項１または２に記載の基板保持部材。
【請求項４】
前記被覆膜は、ＰＢＩまたはＰＩである、請求項１乃至３のいずれかに記載の基板保持部材。
【請求項５】
前記被覆膜は、導電性を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の基板保持部材。
【請求項６】
前記セラミックスは、アルミナ質セラミックス、炭化珪素質セラミックス、コージェライト質セラミックスから選ばれるいずれかである、請求項１乃至５のいずれかに記載の基板保持部材。
【請求項７】
前記セラミックスは、導電性を有する、請求項１乃至６のいずれかに記載の基板保持部材。
【請求項８】
請求項１〜７に記載の基板保持部材を備えた半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置などで、基板の保持に使用される基板保持部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や液晶表示装置の製造工程では、露光装置、ＣＶＤ装置、ドライエッチング装置などの半導体製造装置を用いて、基板に素子や回路を形成する。これらの装置では、基板を装置の処理部に搬入し、所望の処理を施した後、搬出するというサイクルを繰り返す。処理の際、基板が加熱されることから、基板の温度を、基板に接触して保持、または搬送する部材（以下、基板保持部材という）の耐熱温度以下にして搬送する必要があり、基板保持部材の耐熱性がタクトタイムに影響する。特許文献１には、セラミックス部材をコートするための樹脂として、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１８３１３３号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示の基板保持部材は、板状のセラミックスからなる本体と、前記本体の表面を被覆する被覆膜とを備えた基板保持部材であって、前記セラミックスの破壊靱性をＫ１Ｃ、熱膨張係数をα１、厚みをｔ１、ヤング率をＥ１とし、前記被覆膜の熱膨張係数をα２、厚みをｔ２、ヤング率をＥ２、圧縮強度をσとし、前記基板保持部材の安全率をＳｐとしたとき、ｔ１は、０．５ｍｍ以上、３０ｍｍ以下であり、ｔ２は、３μｍ以上、０．１ｔ１以下であり、式１で表されるＦ値が、１×１０２２以上である。また、本開示の半導体製造装置は、上記の基板保持部材を備えたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明の一実施形態である基板保持部材の概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ´における断面図である。
【図２】応力解析に用いたモデルを示す概略図である。
【図３】ＰＩの化学構造の一例である。
【図４】ＰＢＩの化学構造である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【０００７】
基板保持部材は、半導体製造装置で基板の保持、搬送に使用される部材であり、例えば、処理室、ロードロック室で基板を保持するための保持ピン、装置内で基板を搬送するための搬送アームなどである。図１に本発明の一実施形態である基板保持部材１（搬送アーム）の概略図を示す。
【０００８】
本開示の基板保持部材１は、セラミックスからなる本体３と、本体３の表面を被覆する被覆膜５とを備えている。そして、本体３の厚みｔ１は、０．５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲であり、被覆膜５の厚みｔ２は、３μｍ以上であり、本体３の厚みｔ１の１／１０以下の範囲である。
【０００９】
本体３の厚みを０．５ｍｍ以上としたのは基板保持部材１の機械的な強度、剛性を維持できるからである。また、本体３の厚みｔ１を３０ｍｍ以下としたのは、基板保持部材１の重量を比較的小さくすることができるからである。
【００１０】
被覆膜５の厚みｔ２を３μｍ以上としたのは、被覆膜５の破損を抑制することができるからである。また、被覆膜５の厚みｔ２を本体３の厚みｔ１の１／１０以下としたのは、基板保持部材１の重量の増加を抑制できるからである。
【００１１】
また、本開示の基板保持部材１は、セラミックスの破壊靱性をＫ１Ｃ、熱膨張係数をα１、厚みをｔ１、ヤング率をＥ１、ワイブル係数をｍとし、被覆膜５の熱膨張係数をα２、厚みをｔ２、ヤング率をＥ２、圧縮強度をσとしたとき、式１で表されるＦ値が、１×１０２２以上となる。なお、樹脂の圧縮強度は、降伏強度である。
【００１２】
【数１】
2019022258.tif 000003
【００１３】
なお、式１中のＳｐ値（安全率ともいう）は、式２に示すように、被覆膜５を形成する樹脂の圧縮強度σを、シーメンス社製の有限要素法を用いた応力解析ソフトであるＮＸ（バージョン１１．０．０．３３）を用いて算出したσｆで割った値である。このσｆは、モデルを用いて、発生する応力を計算したときの最大値である。
【００１４】
【数２】
2019022258.tif 000004
【００１５】
図２に示す形状のモデル２を用いて、本体３と被覆膜５の厚みを変化させて、σｆを算出した。また、本体３と被覆膜５の熱膨張係数、ヤング率の値もそれぞれ変化させた。
【００１６】
図２のモデル２は、２つに分かれた基板支持部２ａの上に基板を載置する搬送アーム２であり、基板支持部２ａと反対側の端部が搬送アーム２を基板搬送装置に取り付ける取り付け部２ｂである。
【００１７】
図２におけるモデル２では、被覆膜５は、本体３の片面の全面を覆っている。そして、図２において、斜線で示す範囲の基板支持部２ａの被覆膜５が３００℃であり、斜線で示す範囲の取り付け部２ｂを２０℃としたとき、モデル２に発生するσｆをＮＸで算出した。
【００１８】
ＮＸの設定は、メッシュタイプとして３Ｄ四面体を選択し、メッシュパラメータの要素サイズは４ｍｍとした。また、フリーマップドメッシュの試行を選択した。重力加速度は９．８１０ｍｍ／ｓｅｃ２とした。多角形ジオメトリの高解像度化、接点の接続は、使わなかった。
【００１９】
このようにして算出したσｆで、被覆膜５を形成する樹脂の圧縮強度を割って、Ｓｐ値を算出した。そして、さらに、ＮＸを用いて算出したＳｐ値を式１に代入し、あわせて、本体３と被覆膜５の厚み、熱膨張係数、ヤング率の値も代入した。また、本体３については、破壊靱性を代入し、被覆膜５については、強度を代入した。
【００２０】
この式１から算出したＦ値が大きいほど、基板保持部材１の寿命が長くなることを意味する。
【００２１】
この式１は、基板保持部材１の部材中に含まれる自然欠陥から発生した寿命予測を基礎とするものであり、基板保持部材１に内在する自然欠陥のバラツキや、基板保持部材１と被覆膜５の熱膨張係数差等のパラメータが基板保持部材１の耐久性に与える影響を数値化したものである。
【００２２】
なお、式１の関係を充足するとき、基板保持部材１の構成要素のうち最初に樹脂からなる被覆膜５が壊れる。そこで、式を単純化するため、破壊しないセラミックスの強度は数１から除外した。また、同様の理由から、セラミックスのワイブル係数ｍは、セラミックスの種類によらず１５として計算した。
【００２３】
式１に、代入するセラミックスに関する各値は、表１に示す方法で測定する。なお、後述するシミュレーションでは、セラミックスに関する各値は表１に記載した値を用いた。
【００２４】
【表１】
2019022258.tif 000005
【００２５】
また、式１に代入する樹脂に関する各値は、表２に示す方法で測定する。なお、後述するシミュレーションでは、被覆膜５を形成する樹脂に関する各値は表２に記載した値を用いた。樹脂のヤング率は、曲げ弾性率から算出した値である。
【００２６】
【表２】
2019022258.tif 000006
【００２７】
なお、式１に代入する各値を求めるにあたり、表１、２に示す測定方法に定められている大きさなどの試験条件を満たさない場合には、各値を基板保持部材１から直接測定することはできない。その様な場合、基板保持部材１とは別に試験片を準備して測定してもよい。
【００２８】
また、セラミックスや樹脂の供給元から提供されたデータを用いてもよい。あるいは、例えば、表１、２に記載した値を用いてもよい。また、例えば、財団法人日本規格協会が発行するＪＩＳ使い方シリーズ新版プラスチック材料選択のポイント第２版に記載された値を用いてもよい。また、これらに記載されていない材料を用いる場合には、朝倉書店が出版しているプラスチック事典のデータを用いてもよい。
【００２９】
なお、セラミックスの特定は、例えば、ＸＲＤを用いて行うことができる。また、樹脂の特定は、例えば、赤外分光法（ＩＲ）、核磁気共鳴法（ＮＭＲ）、熱分解ガスクロマトグラフ-質量分析法（Ｐｙ−ＧＣ−ＭＳ）などを用いて行うことができる。
【００３０】
式１を充足する本開示の基板保持部材１は優れた耐久性を有している。
【００３１】
さらに、Ｆ値が１×１０３０以上を充足するとよい。このような構成であるとさらに優れた耐久性を有する基板保持部材１となる。
【００３２】
また、被覆膜５としてガラス転移温度が２７０℃以上の樹脂を用いると、耐熱性に優れ、高温での使用が可能な基板保持部材１となる。ガラス転移温度が高い樹脂として、例えば、ポリイミド（ＰＩ）やポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）が挙げられる。
【００３３】
図３に代表的なＰＩの化学構造を示す。ＰＩは、繰り返し単位にイミド結合を含む高分子の総称である。
【００３４】
図４にＰＢＩの化学構造を。ベンゾイミダゾールは分子式Ｃ７Ｈ６Ｎ２で表される有機化合物で、ベンゼン環とイミダゾール環が一辺を共有して結合した複素環式化合物である。
【００３５】
これらの樹脂は強度、耐熱性に優れるため、耐久性に優れた基板保持部材１となる。
【００３６】
ＰＢＩの耐熱温度（ガラス転移温度）は約４２７℃、ＰＩの耐熱温度は約２８５℃〜４１０℃であり、テトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）の耐熱温度（約２６０℃）よりも高い。図３に示す構造のＰＩの耐熱温度は４１０℃である。そのため、樹脂としてＰＩを用いると、基板が２６０℃を越える温度となっても使用可能である。
【００３７】
ＰＢＩの引張強度は、約１６０ＭＰａ、ＰＩの引張強度は約８６ＭＰａであり、ＰＴＦＥの引張強度（約２０〜３５ＭＰａ）よりも高い。そのため、装置の振動などがあっても、基板保持部材１と基板との接触部での樹脂はがれが起こりにくい。
【００３８】
また、被覆膜５として、導電性を有する樹脂を用いてもよい。このような樹脂を用いると、基板の静電破壊を抑制することができる。導電性を有する樹脂としては、種々の樹脂にカーボンや金属などの導電性付与剤を添加したものが挙げられる。
【００３９】
被覆膜５に導電性を付与する場合、例えば、金属粉末や炭素粉末を樹脂に添加すればよい。その場合の式１に代入する樹脂の各値は、金属粉末や炭素粉末を除く、樹脂の主成分の各値を用いればよい。つまり、樹脂がマトリックスで添加物がマトリックス中に分散している場合には、マトリックスである樹脂の特性が支配的となるため、Ｆ値の算出に与える影響は無視することができる。
【００４０】
被覆膜５の表面抵抗率が１０４Ω／□以上１０１０Ω／□以下であれば好適である。表面抵抗率が上記範囲であれば、スパークが生じにくく、かつ、静電気を充分に除去できる。被覆膜５の厚みを、１０μｍ以上とすると、本体３を被覆することが容易となる。
【００４１】
導電性付与添加物（以下、添加物ともいう）は、樹脂に添加することで、樹脂に導電性を付与する。添加物が、炭素、金属、金属酸化物、金属塩などの無機材料であると、有機材料と比べて、導電率調整がし易く、温度が上がっても変質および脱ガスが少ない。特に添加物が、炭素、金属のように、添加物自体が導電性を有していると導電率が高くなる。添加する金属としては、チタン、亜鉛、錫、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびそれらの合金などが好適である。そして、被覆膜５の表面抵抗率が１０４Ω／□以上１０１０Ω／□以下となるように、樹脂の総量に対する金属添加物の量を調整することで、静電気の除去作用を有することができる。
【００４２】
被覆膜５は、本体３の表面全体を被覆していてもよいが、少なくとも、基板支持部２ａの一部に配置されているとよい。さらに、基板支持部２ａから取り付け部２ｂまで連続して配置されており、被覆膜５が導電性を有する場合には、基板の静電破壊を抑制することができる。
【００４３】
本体３を構成するセラミックスとして、種々の材質を用いることができる。例えば、アルミナ質セラミックス（Ａｌ２Ｏ３とも表記する）、炭化珪素質セラミックス（ＳｉＣとも表記する）、コージェライト質セラミックス（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２、ＣＯとも表記する）、窒化珪素質セラミックス（Ｓｉ３Ｎ４とも表記する）が挙げられる。特に、アルミナ質セラミックス、炭化珪素質セラミックス、コージェライト質セラミックスを用いてもよい。これらのセラミックスを用いると耐久性に優れた基板保持部材１となる。
【００４４】
また、セラミックスは、被覆膜５と同様の理由により、導電性を有するものとしてもよい。
【００４５】
以下に、数１を用いたシミュレーションについて、説明する。
【００４６】
セラミックスとして、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＣＯ、樹脂として、ＰＴＦＥ、ＰＩ、ＰＢＩを組み合わせ、表１、２に記載した、それぞれの特性に基づいて、有限要素法に基づく基板保持部材１の耐久性との関係を調査した。
【００４７】
表１のセラミックスと表２の樹脂とを組み合わせ、本体の厚みを０．５〜３０ｍｍの範囲で変化させ、被覆膜５の厚みを０．００３ｍｍ（３μｍ）から３ｍｍの範囲で変化させた場合の式１におけるＦ値を表３〜表１１に示す。なお、一部の組み合わせについては割愛した。また、表中において、１×１０２２は、１．０Ｅ＋２２と表記している。
【００４８】
【表３】
2019022258.tif 000007
【００４９】
表３に示すように、樹脂としてＰＴＦＥを用い、セラミックスとしてＡｌ２Ｏ３を用いた場合、ｔ１とｔ２の全ての組み合わせでＦ値は１×１０２２未満となった。同様に、セラミックスとして、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＣＯを用い、樹脂としてＰＴＦＥを用いた場合、ｔ１とｔ２の全ての組み合わせでＦ値は１×１０２２未満となったため、Ａｌ２Ｏ３とＰＴＦＥ以外の組み合わせについては、表を割愛した。
【００５０】
なお、以下では、表中でｔ１とｔ２の一つの組み合わせ（枠）を一つの領域と表現する。
【００５１】
次に、樹脂として、ＰＩを用い、４種のセラミックスと組み合わせた場合のＦ値を表４〜７に示す。
【００５２】
【表４】
2019022258.tif 000008
【００５３】
【表５】
2019022258.tif 000009
【００５４】
【表６】
2019022258.tif 000010
【００５５】
【表７】
2019022258.tif 000011
【００５６】
表４に示すように、樹脂としてＰＩを用い、セラミックスとしてＡｌ２Ｏ３を用いた場合、表中の５つの領域でＦ値が１×１０２２以上となった。なお、１×１０２２以上のＦ値は、表中において太字で表記した。
【００５７】
また、表５に示すように、樹脂としてＰＩを用い、セラミックスとしてＳｉＣを用いた場合、表中の１０の領域でＦ値が１×１０２２以上となった。また、表６に示すように、樹脂としてＰＩを用い、セラミックスとしてＳｉ３Ｎ４を用いた場合は、Ｆ値が１×１０２２以上の領域はなかった。表７に示すように樹脂としてＰＩを用い、セラミックスとしてＣＯを用いた場合は、表中の１０の量域でＦ値が１×１０２２以上となった。
【００５８】
Ｆ値が１×１０２２以上の組み合わせは、従来、用いられていたＰＴＦＥでセラミックスを被覆した基板保持部材よりも優れた耐久性を有することになる。
【００５９】
樹脂としてＰＩを用い、４種のセラミックスと組み合わせた場合について検討すると、樹脂として、ＰＩを用いた場合には、セラミックスとしてＡｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＣＯを組み合わせることによって、耐久性の優れた基板保持部材１となる。
【００６０】
次に、樹脂として、ＰＢＩを用い、４種のセラミックスと組み合わせた場合のＦ値を表８〜１１に示す。
【００６１】
【表８】
2019022258.tif 000012
【００６２】
【表９】
2019022258.tif 000013
【００６３】
【表１０】
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【００６４】
【表１１】
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【００６５】
表８に示すように、樹脂としてＰＢＩを用い、セラミックスとしてＡｌ２Ｏ３を用いた場合、表中の１７の領域でＦ値が１×１０２２以上となった。また、表９に示すように、樹脂としてＰＢＩを用い、セラミックスとしてＳｉＣを用いた場合、表中の全ての領域でＦ値が１×１０２２以上となった。また、表１０に示すように、樹脂としてＰＢＩを用い、セラミックスとしてＳｉ３Ｎ４を用いた場合は、表中の１５の領域でＦ値が１×１０２２以上となった。表１１に示すように樹脂としてＰＩを用い、セラミックスとしてコージェライトを用いた場合は、表中の全ての量域でＦ値が１×１０２２以上となった。
【００６６】
樹脂としてＰＢＩを用いると、ＰＩを用いた場合よりも、Ｆ値が１×１０２２以上の領域が増加した。
【００６７】
以上説明したとおり、樹脂としてＰＩ、ＰＢＩを用いると、基板保持部材１の耐久性を向上させることができる本体３および樹脂５の厚みの組み合わせの幅が広がることがわかる。
【００６８】
本開示の基板保持部材１は、搬送アームとして用いることができる。樹脂として、耐熱性に優れるＰＢＩやＰＩを用いると、種々の加工により加熱された基板の温度が常温に下がるまで待つことなく、取り扱うことができるためタクトタイムを短くすることができる。
【００６９】
上記の基板保持部材１を用いた半導体製造装置は、耐久性に優れたものとなる。
【００７０】
半導体製造装置は、半導体素子や液晶表示装置の製造工程で使用される。半導体製造装置として、例えば露光装置、ＣＶＤ装置、ドライエッチング装置などがある。これらの装置では、基板を装置の処理部に搬入し、所望の処理を施した後、搬出するというサイクルを繰り返して、基板に素子や回路を形成する。半導体製造装置において、被覆膜５が、アースと電気的に接続されることで、基板保持部材１は静電気の除去作用を有することができる。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。例えば、被覆膜５は本体３の全面を覆う必要はなく、本体３および被覆膜５の厚みも位置によって変化させてもよい。例えば、基板支持部２ａにおいて基板と接触する部分の本体３および被覆膜５の厚みを本開示の範囲に制御すればよい。本体３や被覆膜５の厚みが変化している形態では、数１、２を用いた計算では、基板支持部２ａにおいて、基板と接触する部分の本体３および被覆膜５の厚みを用いればよい。
【符号の説明】
【００７２】
１  ：基板保持部材
２  ：モデル
２ａ：基板支持部
２ｂ：取り付け部
３  ：本体
５  ：被覆膜
【図１】
2019022258.tif 000017
【図２】
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【図３】
2019022258.tif 000019
【図４】
2019022258.tif 000020
【国際調査報告】
2019022258.tif 000021
2019022258.tif 000022