JP2007095716A - 複合体およびそれを備えた半導体製造装置用サセプタ並びにパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 基板上にエアロゾル法で形成された膜の密着力に優れ、信頼性に優れた複合体、半導体製造装置用サセプタ、パワーモジュール基板、を提供する。
【解決手段】 本発明の複合体は、複数の金属からなる複合体の表面に、エアロゾル法で形成された膜を具備してなることを特徴とする。あるいは、金属とセラミックスからなる複合体の表面に、エアロゾル法で形成された膜を具備してなることを特徴とする。前記複合体の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、前記エアロゾル法で形成された膜の熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、表面にエアロゾル法で形成された膜を具備する、複数の金属からなる複合体もしくはセラミックスと金属の複合体であって、半導体製造装置用サセプタやパワーモジュール基板に好ましく用いられる。

従来から、半導体素子や受発光素子、受動素子などを搭載する各種のパワーモジュール基板が検討されてきた。例えば特開２００４−３４２８３１号公報では、基板上にエアロゾル法で誘電体膜、抵抗体膜、及び導電体膜が形成されている回路基板が開示されている。この文献によれば、ベース基板としてＦｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を含む合金や樹脂、セラミックスが開示されている。また誘電体膜としてはＡｌ_２Ｏ_３やＴｉＯ_２などが開示されている。しかしながら、上記ベース基板とエアロゾルで形成された膜の密着強度が温度サイクルの影響を受けると剥離してしまうなど信頼性が低いという問題点があった。

また半導体製造装置用部材として、特開２００５−１０９２３４号公報には、導電性基材表面に絶縁層を形成し、静電チャックとして適用できることが開示されている。この手法においては、基板上に絶縁層を形成し、その絶縁層上に更に電極を薄膜法などの手法で形成し、更に絶縁層を形成させるものである。しかしながら、この手法においても温度サイクルに対しても強い膜は得られていなかった。このため、用途が限られてしまうという問題点があった。
特開２００４−３４２８３１号公報 特開２００５−１０９２３４号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち本発明は基板上にエアロゾル法で形成された膜の密着力に優れ、信頼性に優れた複合体、半導体製造装置用サセプタ、パワーモジュール基板、を提供することを目的とする。

本発明の複合体は、複数の金属からなる複合体の表面に、エアロゾル法で形成された膜を具備してなることを特徴とする。あるいは、金属とセラミックスからなる複合体の表面に、エアロゾル法で形成された膜を具備してなることを特徴とする。

前記複合体の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、前記エアロゾル法で形成された膜の熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。

前記複合体の主成分は、銅とタングステン（Ｃｕ−Ｗ）、銅とモリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）、アルミニウムと炭化ケイ素（Ａｌ−ＳｉＣ）、シリコンと炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）、アルミニウムと窒化アルミニウム（Ａｌ−ＡｌＮ）のいずれかであることが好ましく、前記エアロゾル法で形成された膜の主成分は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）のいずれかであることは好ましい。

前記エアロゾル法で形成された膜の上に、さらに、導電性の膜を形成し、導電性の膜が、パターニングされており、該膜が、エアロゾル法で形成されていることが好ましい。

本発明の複合体は、半導体製造装置用サセプタやパワーモジュール用基板に好ましく用いられる。

本発明によれば、金属の複合体もしくは金属-セラミックス複合体上にエアロゾル法で膜形成することで、信頼性に優れた複合体を提供することができる。

本発明の複合体は、複数の金属、又は金属とセラミックスの複合体の表面に、エアロゾル法で形成された膜を具備してなることを特徴とする複合体である。通常、例えば銅やアルミニウムの金属を基板として用いて、これらの金属上にエアロゾル法にて、アルミナやＡｌＮ、ＳｉＯ_２などの膜を形成した場合、膜形成は常温で行われるので、膜形成は容易に行うことができる。しかし、膜を形成した基板を熱サイクルの加わる部品として使用した場合、銅やアルミニウムの熱膨張係数と、アルミナやＡｌＮ、ＳｉＯ_２などの膜の熱膨張係数の差が大きいので、膜が基板から剥離してしまうことがある。

本発明では、基板を、複数の金属の複合体、あるいは金属とセラミックスの複合体にすることによって、基板と膜の熱膨張係数を一致させることができる。このため、熱サイクルが加わる部品に用いた場合の、膜の剥離を防止することができる。

基板として用いる複数の金属の複合体は、熱膨張係数を形成する膜の熱膨張係数に一致させるための金属材料と、エアロゾル法で形成した膜との密着強度を確保するための金属材料を組み合わせることが好ましい。密着強度を確保するための金属材料は軟質金属であることが好ましい。

エアロゾル法で形成した膜は、膜材料が基板表面に衝突し、そのアンカー効果で基板に密着しながら堆積していく。基板が軟質材料である方が、膜材料がより基板へ食い込むので、アンカー効果が大きくなるので、膜の密着強度は、高くなる。例えば軟質金属としては、銅やアルミニウム、ニッケル、金、銀、あるいはシリコンなどを列挙することができる。しかし、これらの材料はシリコンを除くと比較的熱膨張係数の大きな材料であり、比較的熱膨張係数の小さいセラミックス膜を形成した場合、温度サイクルにより膜の剥離が生じやすい。

そこで、この問題を解決するために、軟質金属と、比較的熱膨張係数の小さな金属やセラミックスの複合体を形成して基板とすることで、エアロゾル法で形成された膜との密着強度を確保しながら、なおかつ基材の熱膨張係数をエアロゾルで形成された膜の熱膨張を一致させることで、温度サイクルに対しても剥がれ等の問題が発生しにくくすることができる。

これら複合体の作製方法は、公知の手法が使用できる。例えば、セラミックスや比較的熱膨張係数の小さな金属の多孔質体を基板のベースとし、そこに上記のような軟質金属を溶浸などの手法で多孔質のベースに含浸させればよい。比較的熱膨張係数の小さな金属やセラミックスとしては、例えばタングステンやモリブデン、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナなどが上げられる。これらの材料は、比較的硬い材料であるために、エアロゾル法にてセラミックス膜を形成しても、その密着力は上記のような軟質金属の場合と比較して劣る。しかしこれらの材料は熱膨張係数がアルミナやＡｌＮ、あるいはＳｉＯ_２といった膜材料と熱膨張係数が比較的近いため、温度サイクルによる膜の剥離は発生しにくい。

そこで銅やアルミニウム、ニッケル、金、銀、あるいはシリコンのような軟質金属材料と熱膨張係数の小さなセラミックスや金属を組み合わせた複合体を使用すれば、エアロゾル法で形成された膜の密着力を確保し、なおかつ温度サイクルによる膜の剥離や密着強度の低下といった問題の発生しない信頼性に優れた複合体を得ることができる。

エアロゾル法では、膜形成する微粒子材料をエアロゾル化するエアロゾル発生器と、エアロゾル化された微粒子の膜材料を噴射して基板上に膜形成する成膜室からなる。エアロゾル発生器にはキャリアガスとして高圧のアルゴン等を充填したガスボンベとマスフローコントローラが配管を通じて接続されている。なお、膜形成する材料がアルミナやＳｉＯ_２などの酸化物を用いる場合においては、キャリアガスとして酸化性ガス、例えば空気などを使用してもよい。またエアロゾル発生器には、超音波振動や電磁振動、機械的振動により微粒子の凝集をほぐし、一次粒子化するための振動機が設けられていることが好ましい。膜形成する際に、粒子が凝集していると、基板材料に対してアンカー効果を得られにくいためである。

膜材料として使用する材料の粒径としては１μｍ以下であることが好ましい。１μｍを超える粒子では、基板に粉末を衝突させても、基板材料に対して十分なアンカー効果が得られないため好ましくない。また微粒子の噴射速度としては５００ｍ／ｓ以下であることが好ましい。これを超える噴射速度の場合は、膜形成を行う基材に損傷を与える恐れがあるため好ましくない。また噴射速度は３ｍ／ｓ以上であることが好ましい。これ未満の速度では、十分なアンカー効果は得られない。また膜形成する基材の表面は当然のことながら清浄であることが必要である。油等の汚れが存在すると、微粉末が基材に衝突した際に十分なアンカー効果が得られないため好ましくない。

基板の熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。これ未満の熱伝導率では、本複合体をパワーモジュール基板として使用した場合には、近年の半導体チップの発熱量の増加に伴う放熱効果を十分に発現することが難しいため、好ましくない。また半導体製造装置用サセプタとして使用する場合においても、サセプタのウェハ載置面における均熱性が要求される場合においても、均熱姓が得られにくいため好ましくない。このため、本発明における複合体の具体的な材料としては、アルミニウムと炭化ケイ素の複合体であるＡｌ−ＳｉＣや、シリコンと炭化ケイ素の複合体であるＳｉ−ＳｉＣ、アルミニウムと窒化アルミニウムの複合体であるＡｌ−ＡｌＮあるいはタングステンやモリブデンと銅の複合体であるＣｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏなどを列挙することができる。これらの材料はいずれも熱伝導率が高く、これら材料を組み合わせても比較的熱伝導率が高いため、好ましい。

また複合体上に形成する膜の材質としては特に制約はないが、用途がパワーモジュール基板である場合には、熱伝導率は高いほうが好ましく、１Ｗ／ｍＫ以上であることが特に好ましい。膜材料としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などを列挙することができる。これらの材料は比較的熱伝導率が高いため、パワーモジュール基板として使用した場合の熱伝導に優れるため、好ましい。また半導体製造装置用サセプタに関してもウェハ載置面の均熱性を確保する意味から、熱伝導率が高いほうが好ましく上記と同様の材料をあげることができる。更に半導体製造装置用サセプタとして使用する場合には、使用する雰囲気によっては耐食性が要求されることがある。その場合、膜の材質として例えばＹ_２Ｏ_３などの希土類酸化物を好ましく使用することができる。

また、パワーモジュール基板を作製する場合、複数の金属、もしくは金属−セラミックスの複合体上に絶縁膜を形成する。その後絶縁膜上に導体膜を形成することが可能である。この導体膜は、例えば部品等のロウ付けや半田付けに使用するためのものであってもよいし、配線パターンであってもよい。特にパワーのジュール基板として使用する場合においては冷却する素子に電気信号などを送る配線パターンであることが好ましい。

また、半導体製造装置用サセプタを作製する場合は、使用する複合体に対して上記のような材質の膜を所定の厚みに形成する。例えば、複合体基板上にアルミナの膜をエアロゾル法にて形成し、その後、エアロゾル法を含む各種の方法で発熱体などの回路パターンを形成する。一般にアルミナは金属との濡れ性に優れているため、回路パターンとの密着性を良好に保つことができる。更に回路パターンのオーバーコート層としてアルミナをエアロゾル法にて形成する。そしてその上に更にＹ_２Ｏ_３の膜を形成すれば、耐食性に優れ、回路パターンの密着性などの信頼性に優れた半導体製造装置用サセプタを作製することができる。

上記のように複合体上に絶縁膜を形成した後、導体膜を形成する方法に関しては特に制約はなく、蒸着法やスパッタ、ＣＶＤなどの薄膜法や、スクリーン印刷等の厚膜法などを選択することができる。またエアロゾル法によって導体膜を形成してもよい。エアロゾル法で膜形成する場合には、例えば膜形成を行いたい基板上に感光性樹脂を用いてパターンニングし、膜形成したい部分にのみ導体膜を形成する。その後樹脂を剥離させることでパターン形成することができる。この場合導体として使用する膜については特に制約はないが、銅やアルミニウム、ニッケル、金、銀などを使用することができる。また導体膜上に更にエアロゾル法で絶縁膜を形成し多層構造とすることも可能である。このように絶縁層、導体層ともにエアロゾル法で形成すれば同一の設備ですべての膜形成が可能となるため、比較的安価にパワーモジュール基板や半導体製造装置用サセプタを作製することができる。

そしてこのようにして作製されたパワーモジュール基板や半導体製造装置用サセプタ基板は、基板上に形成された膜の密着力に優れ、かつ温度サイクルなどの信頼性にも優れたものとすることができる。

表１に示す材質の５０ｍｍ×５０ｍｍで、厚さ３ｍｍの基板を準備し、エアロゾル法にて表１に示す各材質の膜を０．０５ｍｍの厚みに形成した。各材質の平均粒径はいずれも０．１μｍ以下とした。また噴射速度は２００ｍ／ｓに設定した。出来上がった基板を−７０℃から＋１５０℃までのヒートサイクル試験を２０回実施し、その膜の状態を観察した。その結果を表１に示す。膜の状態は、剥離がなく、強い密着力を保っているものを○、剥離はないが、ケガキ試験で剥がれたものを△、膜の一部が剥離しているものを×で示す。

以上のことから、金属の複合体、および金属-セラミックスの複合体にエアロゾル法で膜形成した場合、非常に良好な膜の密着性を実現できると共に、温度サイクル性にも非常に優れていることがわかる。

実施例１と同様にして、表２に示す基板にエアロゾル法でアルミナ膜を０．０５ｍｍ積層し、その上にエアロゾル法にてニッケル膜を２μｍ積層し、そこに１０ｍｍ角の半導体チップを半田付けし、半導体チップを発熱させて、各基板の冷却能力を比較した。その結果を表２に示す。なお、半導体チップが問題なく動作したものを○、半導体チップが熱により破壊したものを×で示す。

以上のことから、本発明の複合体をヒートシンクとして用いる場合には、基板の熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましいことが判る。

実施例２と同様にして、Ｓｉ−ＳｉＣ基板にエアロゾル法で表３に示す材質の膜を０．０５ｍｍ積層し、その上にエアロゾル法にてニッケル膜を２μｍ積層し、そこに１０ｍｍ角の半導体チップを半田付けし、半導体チップを発熱させて、各基板の冷却能力を比較した。その結果を表２に示す。なお、半導体チップが問題なく動作したものを○、半導体チップが熱により破壊したものを×で示す。

以上のことから、本発明の複合体をヒートシンクとして用いる場合、膜の熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましいことが判る。

実施例１の基板のうちＣｕ−Ｗ基板を用いて、基板全面にＡｌＮ膜を０．０５ｍｍ積層した後、全面にレジスト膜をコーティングし、露光、現像することで回路パターンを形成した。そこに銅をエアロゾル法にて５μｍの厚みに形成し、回路パターンを形成した。次に不要となったレジスト膜を剥離し、更に半導体チップ及び外部電源と接続する部分をレジスト膜によって上記と同様にコーティングし、ＡｌＮ膜を０．０５ｍｍエアロゾル法にて形成した。そしてレジスト膜を取り除き、１０ｍｍ各の半導体チップを半田付けにより取り付け、回路を接続し、半導体チップの動作を連続１０時間実施した。その結果半導体素子は十分に放熱されているため、問題なく動作しつづけることができた。

回路パターンの材質をアルミニウムとした以外は実施例４と同様にして基板を作製し、実施例４と同様に半導体チップを評価した。その結果半導体素子は十分に放熱されているため、問題なく動作しつづけることができた。

直径３３０ｍｍ、厚み１０ｍｍのＡｌ−ＳｉＣ複合体基板上の片面にアルミナ膜をエアロゾル法で０．０３ｍｍの厚みに形成した。次に膜形成した面にレジスト膜を形成し、露光、現像し、発熱体パターンを形成した。次にその上に発熱体としてＮｉ-Ｃｒ合金の微粉末をエアロゾル法にて１０μｍの厚みに形成し、レジスト膜を剥離し発熱体とした。そして更に発熱体を形成した面全体にアルミナ膜を０．０３ｍｍの厚みにエアロゾル法で形成した。出来上がったヒータを、半導体のレジスト膜硬化用ヒータとして使用した。温度条件として室温と２００℃の間で１００回繰り返し使用したが、膜の剥離はなく、信頼性の高いサセプタが得られた。

直径３３０ｍｍ、厚み１０ｍｍのＳｉ−ＳｉＣ基板上にＡｌＮ膜を０．０３μｍの厚みにエアロゾル法で形成した。その上にレジスト膜を塗布し、露光、現像し、発熱体パターンを形成した。次に反対面側に高周波発生用電極として直径３００ｍｍのレジストパターンを形成した。そしてパターン形成された基板の両面にＷ膜をエアロゾル法にて１０μｍの厚みに形成した。そしてレジスト膜を除去し、更に両面にＡｌＮ膜を３０μｍ形成した。そしてこれをウェハのＣＶＤ膜形成用のサセプタとして室温から５４０℃までの環境で１００時間使用したが膜の剥がれは生じなかった。

実施例７と同様にしてサセプタを作成した。出来上がったサセプタの両面に厚み１０μｍのＹ_２Ｏ_３膜を形成した。そしてこれを腐食性ガスであるＣＦ_４ガス中５４０℃で耐蝕試験を行った。また、実施例７で作製したサセプタについても同条件で耐蝕試験を行った。その結果Ｙ_２Ｏ_３膜を形成したものの方が、ＣＦ_４に対するエッチング速度が半分であることがわかった。

本発明によれば、金属の複合体もしくは金属-セラミックス複合体上にエアロゾル法で膜形成することで、信頼性に優れた複合体を提供することができる。本発明の複合体は、耐蝕性や信頼性の高い半導体製造装置用サセプタや、冷却能力の高いパワーモジュール基板に用いることができる。

Claims (12)

1. 複数の金属からなる複合体の表面に、エアロゾル法で形成された膜を具備してなることを特徴とする複合体。
2. 金属とセラミックスからなる複合体の表面に、エアロゾル法で形成された膜を具備してなることを特徴とする複合体。
3. 熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の複合体。
4. 前記エアロゾル法で形成された膜の熱伝導率が、１Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒータユニット。
5. 前記複合体の主成分が、銅とタングステンまたは銅とモリブデンのいずれかであることを特徴とする請求項１、３、４のいずれかに記載の複合体。
6. 前記複合体の主成分が、アルミニウムと炭化ケイ素、シリコンと炭化ケイ素、アルミニウムと窒化アルミニウムのいずれかであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の複合体。
7. 前記エアロゾル法で形成された膜の主成分が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の複合体。
8. 前記エアロゾル法で形成された膜の上に、導電性の膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の複合体。
9. 前記導電性の膜が、パターニングされていることを特徴とする請求項８に記載の複合体。
10. 前記導電性の膜が、エアロゾル法で形成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の複合体。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載した複合体を備えたことを特徴とする半導体製造装置用サセプタ。
12. 請求項１乃至１０のいずれかに記載した複合体を備えたことを特徴とするパワーモジュール。