JP2005210039A - 静電チャック接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】接合層の密着性を高め、同時にたわみ、そりなどを発生させない誘電体層と基盤あるいはジャケットの接合方法を安価に提供し、冷却特性の優れた静電チャックを製造する。
【解決手段】アルミニウム製のブレージングシートを接合層とし、できるだけ低い圧力（５×１０^−５〜１×１０^−５Ｔｏｒｒ，５９０〜６０５℃，加圧力０〜１０ｋｇｆ／ｃｍ^２）でセラミック製の誘電体層とアルミニウム製基盤あるいはジャケットを接合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子製造プロセスで用いられているエッチング処理、化学気相蒸着（ＣＶＤ）による薄膜形成などのプラズマ処理装置、電子露光装置、イオン描写装置、イオン注入装置、また液晶パネル製造に使用されるイオンドーピング装置などに具備されている半導体ウエハの静電吸着機構、いわゆる静電チャックの技術に関する。

半導体製造装置では被処理物である半導体ウエハをその装置内で位置決め、そして支持面への確固な保持を確保する必要がある。また、同時にこの行為は被処理半導体ウエハになんら損傷を与えるものであってはならない。一世代前には半導体ウエハの表面を爪などで支持面へ抑えるクランプ方式が一般的であった。現在は処理基準が厳しく制限され、被処理半導体ウエハへの汚染量を管理する必要がある。これは、クランプ自身の材質、多くの場合はアルミニウム合金材、が処理プラズマ中にさらされることにより遊離、あるいはイオン注入ではそのイオン照射によりクランプ母材からスパッタされ浮遊し、被処理半導体ウエハに降りかかることにより、半導体素子の特性、歩留まりに著しく影響を与えるからである。

そこで考案されたのが前述のような機械的でない、電気的な静電吸着力を利用した被処理ウエハの支持面への保持方法である。この方法では支持面下、いわゆる吸着面下、に組み込まれた電極に高電位を与え、この面を構成する誘電体に分布した静電気と、被処理ウエハに分極帯電した電荷による静電気のクーロン力あるいはジョンソン・ラーベック力によって、被処理ウエハを吸着させる方法である。従い、被処理ウエハの表面上には前述のクランプは存在しない。特許出願の傾向から判断すると、日本国ではこの関連の技術進歩はおよそ１９８０年代の後半から始まっていると考えられ、現在半導体製造装置では不可欠なものに成長している。

静電チャックはそれ自身を冷却する必要があり、又構造的に製造装置に取り付け易いように、二部から構成されている。一つは誘電体層で、他は基盤、あるいはジャケットと呼ばれる部分である。誘電体層の内部には静電力を発生させるための吸着電極が具備され、外部電源から高電圧を印加することにより、誘電体層に分極電荷を誘起することにより、半導体ウエハを吸着し、保持する。半導体ウエハの処理は、ＣＶＤではプラズマの中、イオン注入では目的のイオンだけを照射することにより行うが、いずれの場合も、半導体ウエハ単位面積の熱負荷が大きく、また直接半導体ウエハを冷却することは難しいため、これを保持している誘電体を冷却する。いわゆる間接冷却である。しかし、誘電体層はセラミックであるため加工が難しく、又冷媒を流すことによって吸着に係わる電気的特性への影響、さらには高圧の放電が問題となるため、誘電体層には冷媒を流すことは行わず、これを間接冷却する方法がとられる。すなわち、基盤あるいはジャケットと呼ぶ金属製の部材に冷媒が流れる構造を作り、この基盤に誘電体層を密着させることで、半導体ウエハを冷却する。この構造により、装置への着脱機構、吸着電極への電気フィードスルーなどを基盤に加工できるため、静電チャック全体としての保守性を向上させることができる。

半導体ウエハは近年直径８インチが主流であるが、１２インチへの移行が最先端の試験ラインあるいは製造ラインで普及している。一方、半導体素子の構造は微細化が進み０．１３μｍのデザインルールが主流になろうとしている。これらは、半導体ウエハの冷却において重要な課題である。すなわち、大口径のウエハ全面にわたって均一な冷却が必要であるため、様々な技術提案が、以下のように例示されている。

特許第３２８８９２２号では誘電体層と基盤である金属部材の接合方法が提示されている。誘電体層と基盤の融着性を高めるために、加熱すると同時に、高い圧力１０Ｋｇｆ／ｃｍ■以上で加圧することが特徴である。直径１２インチウエハでは総圧力は１トン程度以上にまで上昇させることが必要で、特別な加圧機が必要となることと、加圧による内部応力により誘電体層のゆがみが接合後の冷却時に発生することが問題となる。このゆがみはウエハ裏面を同等圧に吸着面に保持できなくなるため、冷却を不均一にする。特に大口径のものでは致命的な欠陥となる。 特開２０００−３１２５４号では前記同様に融着性を高めるため、そして高温耐性を高めるため、接合層として溶融温度の低いゲルマニウムとアルミニウム合金の共晶合金材料を使うことを提案している。この場合接合の前処理として、誘電体層と基盤にゲルマニウム材料をＣＶＤなどで成長させる必要があるため、そのプロセス管理が難しく、静電チャックの製造コストを上げてしまう要因となる。その他接合層の素材に特徴があるものとして、 特開２０００−２１６２３２号のイットリウムアルミネートを使用するもの、また 特開２００３−１７５５１号のインジウムを使うものなどが公開されている。前者はその処理温度が１９００℃と非常に高いため、基盤の材料として金属を使用することが極めて困難となる。後者は接合の処理温度は低くできるが、接合層の厚みを一定にするために金属のスペーサーを包含させることが必要となり、新たな問題発生の懸念がある。また、接合温度が１５０℃付近であるため、使用温度が１００℃を超えるような場合には適用不能である。

そこで、本発明では、接合層の密着性を高め、同時にたわみ、そりなどを発生させない誘電体層と基盤あるいはジャケットの接合方法を安価に提供し、冷却特性の優れた静電チャックを製造することを課題とする。

本発明では、アルミニウム合金製のブレージングシートを接合層とし、できるだけ低い圧力でセラミック製の誘電体層とアルミニウム合金製基盤あるいはジャケットを接合させ、接合処理後すなわち冷却後に内部応力でたわみが発生しないようにする。

本発明を実施した静電チャック接合体の接合面の密着性は高く、上層と下層の面積の大部分について良好であることが断面の目視で確認されている。接合処理後に発生する、巣についても皆無である。低機械的圧力での接合であるため、圧力を引いたときの応力などで、誘電体層がたわむこともなく、平坦度は誘電体層の１２インチ面平均で５０μｍ以下が得られる。また、機械的圧力がほとんどないような状態でも、温度さえ管理できる状況ならば、均一な品質の高い接合層がえられる。冷却性能も良好で常温〜４００℃のサイクル試験で、十分な冷却性能が確認されていることから、４００℃の高温でも使用に耐える大口径次世代向け静電チャックが提供可能となる。

発明の実施するための最良の形態

本発明の実施形態を図１により説明する。誘電体層２はアルミナ、窒化アルミ（ＡＩＮ）などのセラミック材を使用する。誘電体層２はアルミニウム合金を含有するものを使う必要があり、基盤７の材質と同程度の熱膨張率を持つことが好ましい。熱歪による、誘電体層２のたわみを最小にするためである。誘電体層２の内部には吸着電極１が形成される。電極形成は様々な方法がある。接着剤で金属フィルム、あるいは板を貼り付ける方法。あるいは金属をペースト状にしたもの、例えばタングステン、チタン、銅、アルミニウムなど、を塗布し硬化させる方法。通常のめっき、あるいは無電界めっきなどを使うことある。誘電体層２の下部に基盤７を接合する。基盤７には冷却水を流すための冷媒経路８が設けられている。基盤７はアルミニウム合金を含浸させた多孔質セラミックでできている。この多孔質セラミックは炭化シリコン（ＳｉＣ）でできており、ポーラスの直径は平均２０μｍ程度である。アルミニウム合金は溶融状態のものを高圧下でポーラスに強制含浸させる。このアルミニウム合金を含浸させた多孔質炭化シリコン（ＳｉＣ）材はメタルマトリックスコンポジットと呼ばれ非常に強固な材質で割れにくく、かつ熱膨張係数が４．５×１０^−６／Ｋと誘電体層２の窒化アルミ（ＡＩＮ）の同系数４．４〜４．７×１０^−６／Ｋと同等な値に設定できる特徴をもつ。また多孔質炭化シリコン（ＳｉＣ）材の熱伝導率は非常に高く、アルミニウム合金を上回り、多孔質炭化シリコン（ＳｉＣ）に匹敵する２００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋである。これらの理由により、誘電体層２と基盤７を接合させても、高温でのそり、たわみ、熱サイクルの機械ストレスなどがまったく生じず、低温から４００℃以上の高温までの幅広い温度範囲での使用に耐えるものとなる。誘電体層２と基盤７はブレージングシート６で接合する。ブレージングシート６はアルミニウム合金製で三層から成り、総厚み０．２〜２．０ｍｍである。基本的に中間層４はＡ３００３番、上層３と下層５はＡ４００４番のアルミニウム合金でできている。ロウ付け性を増すため、上層３と下層５は様々な化学成分比のものが使用されることもできる。Ａ４００４番のアルミニウム合金はＡ３００３番にくらべシリコン含有率が高く、より低い温度で融ける性質をもつため、中間層４のみ残して、上層３と下層５をロウとして溶かして溶融接合させる。接合にあたっては、誘電体層２と基盤７の接合面洗浄処理の後、ブレージングシート７をはさみ、高温真空炉に入れる。
５×１０^−５〜１×１０^−５Ｔｏｒｒの真空状態にて温度範囲５９０〜６０５℃に被接合体を昇温する。このとき誘電体層２と基盤７を互いに押し付ける圧力はそれらの自重のみでもよいし、最大１０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力をかける場合もある。ブレージングシート７の溶融状態を確認した後、炉内を冷却し、接合層を固化し、誘電体層２と基盤７の接合が完了する。

本発明の一実施例を示す静電チャック接合体の模式図。

符号の説明

１ 吸着電極
２ 誘電体層
３ 上層
４ 中間層
５ 下層
６ ブレージングシート
７ 基盤
８ 冷媒径路
９ 半導体ウエハ

Claims (4)

1. 誘電体層と基盤を具備する静電チャックにおいて、金属性のブレージングシートを前期誘電体層と前記冷却基盤の間に配置し、５×１０^−５〜１×１０^−５Ｔｏｒｒの真空雰囲気中、かつ前記ブレージングシートを含む前記誘電体層と前記基盤を温度５９０〜６０５℃に昇温し、ブレージングシートに加える圧力を無加圧０ｋｇｆ／ｃｍ^２を含む１０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の範囲で接合することを特徴とする静電チャック。
2. 前記誘電体層は、アルミナ、窒化アルミニウムのセラミックからなる請求項１記載の静電チャック。
3. 前記基盤は、アルミニウムと多孔質セラミックから成る複合材質であることを特徴とする請求項１の静電チャック。
4. 前記金属性ブレージングシートは、アルミニウム材質で三層から成り、二つの外層部は内層部より溶融温度が低いことを特徴とする、請求項１の静電チャック。

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