JP2017174853A - Manufacturing method of holding device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示される技術は、対象物を保持する保持装置の製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a method of manufacturing a holding device that holds an object.
例えば半導体製造装置において、ウェハを保持する保持装置として、静電チャックが用いられる。静電チャックは、例えば、板状のセラミックス板と板状のベース板とが接合層により接合された構成を有する。静電チャックは、内部電極を有しており、内部電極に電圧が印加されることにより発生する静電引力を利用して、セラミックス板の表面(以下、「吸着面」という)にウェハを吸着して保持する。 For example, in a semiconductor manufacturing apparatus, an electrostatic chuck is used as a holding device that holds a wafer. The electrostatic chuck has a configuration in which, for example, a plate-shaped ceramic plate and a plate-shaped base plate are bonded by a bonding layer. The electrostatic chuck has an internal electrode, and attracts the wafer to the surface of the ceramic plate (hereinafter referred to as “adsorption surface”) by using electrostatic attraction generated by applying a voltage to the internal electrode. And hold.
静電チャックに保持されたウェハの温度分布が不均一になると、ウェハに対する各処理(成膜、エッチング、露光等)の精度が低下するため、静電チャックにはウェハの温度分布を均一にする性能が求められる。そのため、静電チャックの使用時には、セラミックス板の内部に設けられたヒータによる加熱や、ベース板に形成された冷媒流路に冷媒を供給することによる冷却によって、セラミックス板の吸着面の温度制御が行われる。 If the temperature distribution of the wafer held on the electrostatic chuck becomes non-uniform, the accuracy of each process (film formation, etching, exposure, etc.) on the wafer will be reduced. Performance is required. Therefore, when the electrostatic chuck is used, the temperature of the adsorption surface of the ceramic plate can be controlled by heating with a heater provided inside the ceramic plate or cooling by supplying a refrigerant to the refrigerant flow path formed in the base plate. Done.
静電チャックは、使用時に、熱サイクルにさらされる。一般に、ベース板は金属により形成されることが多いため、セラミックス板とベース板との間の熱膨張率の差は比較的大きい。そのため、静電チャックが熱サイクルにさらされると、セラミックス板とベース板との間に熱膨張差が繰り返し発生し、接合層と被接合部材(セラミックス板およびベース板)との界面等で剥離が発生するおそれがある。そのような剥離が発生すると、剥離箇所において、ベース板とセラミックス板との間の伝熱性が低下することによって、ベース板に形成された冷媒流路に供給される冷媒によるセラミックス板の冷却効果が低下し、セラミックス板の吸着面の温度分布の均一性が低下するおそれがある。 The electrostatic chuck is subjected to a thermal cycle during use. In general, since the base plate is often made of metal, the difference in coefficient of thermal expansion between the ceramic plate and the base plate is relatively large. Therefore, when the electrostatic chuck is exposed to a thermal cycle, a difference in thermal expansion occurs repeatedly between the ceramic plate and the base plate, and peeling occurs at the interface between the bonding layer and the member to be bonded (ceramic plate and base plate). May occur. When such delamination occurs, the heat transfer between the base plate and the ceramic plate decreases at the delamination location, and the cooling effect of the ceramic plate by the refrigerant supplied to the refrigerant flow path formed in the base plate is reduced. There is a risk that the uniformity of the temperature distribution on the adsorption surface of the ceramic plate will decrease.
従来、セラミックス板とベース板とを、弾性変形能力が比較的高い有機系接着剤を含む接合層により接合する技術が知られている。この技術では、弾性変形能力が比較的高い接合層によってセラミックス板とベース板との間の熱膨張差を緩和することができ、接合層と被接合部材との界面等で剥離が発生することを抑制することができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a technique for joining a ceramic plate and a base plate with a joining layer containing an organic adhesive having a relatively high elastic deformation capability is known. In this technology, the difference in thermal expansion between the ceramic plate and the base plate can be mitigated by the bonding layer having a relatively high elastic deformation capability, and peeling occurs at the interface between the bonding layer and the member to be bonded. Can be suppressed.
また、多孔質セラミックスに金属を浸透させた複合材料によりベース板を形成し、セラミックス板とベース板とを金属ろう材によりろう付け接合する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。この技術によれば、ベース板の熱膨張率をセラミックス板の熱膨張率に近付けることによって、セラミックス板とベース板との間の熱膨張差を低減することができ、接合層と被接合部材との界面等で剥離が発生することを抑制することができる。 In addition, a technique is known in which a base plate is formed of a composite material in which a metal is infiltrated into porous ceramics, and the ceramic plate and the base plate are brazed and joined with a metal brazing material (see, for example, Patent Document 1). According to this technique, by making the thermal expansion coefficient of the base plate close to the thermal expansion coefficient of the ceramic plate, the difference in thermal expansion between the ceramic plate and the base plate can be reduced. The occurrence of peeling at the interface or the like can be suppressed.
近年、半導体プロセスの多様化に伴い、静電チャックが従来よりも高温(例えば250℃以上)の環境で使用されることがあり、そのような場合には、静電チャックは、より大きな温度差の熱サイクルにさらされる。上述した有機系接着剤を含む接合層を用いる技術では、静電チャックがより高い温度にさらされると、接合層に含まれる有機系接着剤が分解温度まで到達し、接合層と被接合部材との界面等で剥離が発生するおそれがある。また、上述した複合材料により形成されたベース板とセラミックス板とをろう付け接合する技術では、接合層の耐熱性は向上するものの、接合層の弾性変形能力が比較的低いため、静電チャックが多数の熱サイクルにさらされると、やはりセラミックス板とベース板との間の熱膨張差によって、接合層と被接合部材との界面等で剥離が発生するおそれがある。 In recent years, along with diversification of semiconductor processes, electrostatic chucks are sometimes used in an environment of higher temperature than conventional (for example, 250 ° C. or more), and in such cases, electrostatic chucks have a larger temperature difference. Exposed to the thermal cycle. In the technique using the bonding layer including the organic adhesive described above, when the electrostatic chuck is exposed to a higher temperature, the organic adhesive included in the bonding layer reaches the decomposition temperature, and the bonding layer and the bonded member There is a possibility that peeling occurs at the interface or the like. Further, in the technique of brazing and joining the base plate and the ceramic plate formed of the composite material described above, although the heat resistance of the bonding layer is improved, the elastic deformation capability of the bonding layer is relatively low. When exposed to a large number of thermal cycles, peeling may occur at the interface between the bonding layer and the member to be bonded due to the difference in thermal expansion between the ceramic plate and the base plate.
なお、このような課題は、セラミックス板とベース板との接合に限らず、セラミックス板と静電チャックを構成する他の部材との接合にも共通の課題である。また、このような課題は、静電引力を利用してウェハを保持する静電チャックに限らず、セラミックス板とセラミックス板に接合される他の部材とを備え、セラミックス板の表面上に対象物を保持する保持装置に共通の課題である。 Such a problem is not limited to the bonding of the ceramic plate and the base plate, but is common to bonding of the ceramic plate and other members constituting the electrostatic chuck. Such a problem is not limited to an electrostatic chuck that holds a wafer using electrostatic attraction, and includes a ceramic plate and another member bonded to the ceramic plate, and an object on the surface of the ceramic plate. This is a problem common to the holding device that holds the.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, the following forms.
(1)本明細書に開示される保持装置の製造方法は、第1の表面と、前記第1の表面とは反対側の第2の表面と、を有する板状のセラミックス板と、第3の表面を有する板状であり、前記第3の表面が前記セラミックス板の前記第2の表面に対向するように配置され、セラミックスと、固相線温度Ts1(℃)および液相線温度Tl1(℃)を有する第1のアルミニウム合金との複合材料により形成された複合板と、前記セラミックス板の内部に配置されたヒータと、前記セラミックス板と前記複合板との間に配置され、前記セラミックス板と前記複合板とを接合する接合層と、を備え、前記セラミックス板の前記第1の表面上に対象物を保持する保持装置の製造方法において、固相線温度Ts2(℃)(ただし、Ts2≦Ts1−40)を有する第2のアルミニウム合金により形成された箔材を準備する工程と、前記セラミックス板と前記複合板との間に前記箔材を配置する工程と、前記セラミックス板と前記複合板と前記箔材とを、加圧しつつ、下限温度Tmin(ただし、Tmin=Ts1−30)以上、上限温度Tmax(ただし、Tmaxは、Ts1+30とTl1との低い方)以下の温度範囲で加熱することにより、前記箔材の少なくとも一部を溶融させることによって前記接合層を形成する工程と、を備える。加熱温度が下限温度Tminより低い、すなわち、加熱温度が複合板に含まれる第1のアルミニウム合金の固相線温度Ts1−30℃未満の低さであると、第2のアルミニウム合金により形成された箔材において生じた液相が複合板の第1のアルミニウム合金内に十分に拡散せず、接合層による接合強度が低くなる。反対に、加熱温度が上限温度Tmaxより高い、すなわち、加熱温度が複合板に含まれる第1のアルミニウム合金の固相線温度Ts1+30℃を超える高さであるか、第1のアルミニウム合金の液相線温度Tl1より高いと、複合板内の第1のアルミニウム合金が流れ出し、複合板の内部に隙間ができたり複合板が変形したりするおそれがある。また、加熱温度が下限温度Tmin以上、上限温度Tmax以下であっても、第1のアルミニウム合金の固相線温度Ts1と第2のアルミニウム合金の固相線温度Ts2との差が40℃未満であると、加熱・加圧接合の際に生ずる液相の量が少なくなって互いの反応性が乏しくなり、接合層による接合強度が低くなる。本製造方法によれば、第1のアルミニウム合金と第2のアルミニウム合金とを固相線温度Tsの点から適切に選択し、かつ、加熱温度を適切に設定することにより、接合層による接合強度を強固にすることができ、温度差の大きい熱サイクルにさらされても接合面で剥離が発生することを抑制することができ、さらに、複合板の内部に隙間ができたり複合板が変形したりすることを抑制することができる。 (1) A method for manufacturing a holding device disclosed in the present specification includes a plate-shaped ceramic plate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a third surface And is arranged such that the third surface faces the second surface of the ceramic plate, and ceramics, a solidus temperature Ts1 (° C.) and a liquidus temperature Tl1 ( And a ceramic plate disposed between the ceramic plate and the composite plate, a composite plate formed of a composite material with a first aluminum alloy having a temperature of 1 ° C.), a heater disposed inside the ceramic plate, and the ceramic plate. And a bonding layer for bonding the composite plate, and in a method of manufacturing a holding device for holding an object on the first surface of the ceramic plate, the solidus temperature Ts2 (° C.) (where Ts2 ≦ Ts1-40) A step of preparing a foil material formed of a second aluminum alloy, a step of arranging the foil material between the ceramic plate and the composite plate, the ceramic plate, the composite plate, and the foil material, Is heated in a temperature range not lower than the lower limit temperature Tmin (where Tmin = Ts1-30) and not higher than the upper limit temperature Tmax (where Tmax is the lower of Ts1 + 30 and Tl1). And forming the bonding layer by melting at least a part thereof. When the heating temperature is lower than the lower limit temperature Tmin, that is, when the heating temperature is lower than the solidus temperature Ts1-30 ° C. of the first aluminum alloy included in the composite plate, the second aluminum alloy is formed. The liquid phase generated in the foil material does not sufficiently diffuse into the first aluminum alloy of the composite plate, and the bonding strength by the bonding layer is lowered. Conversely, the heating temperature is higher than the upper limit temperature Tmax, that is, the heating temperature is higher than the solidus temperature Ts1 + 30 ° C. of the first aluminum alloy contained in the composite plate, or the liquid phase of the first aluminum alloy When the temperature is higher than the linear temperature Tl1, the first aluminum alloy in the composite plate flows out, and there is a possibility that a gap is formed in the composite plate or the composite plate is deformed. Even if the heating temperature is not less than the lower limit temperature Tmin and not more than the upper limit temperature Tmax, the difference between the solidus temperature Ts1 of the first aluminum alloy and the solidus temperature Ts2 of the second aluminum alloy is less than 40 ° C. If it exists, the quantity of the liquid phase which arises at the time of heating and pressurizing will decrease, the mutual reactivity will become poor, and the joint strength by a joining layer will become low. According to this manufacturing method, the first aluminum alloy and the second aluminum alloy are appropriately selected from the viewpoint of the solidus temperature Ts, and the heating temperature is appropriately set, so that the bonding strength by the bonding layer is obtained. It is possible to suppress the occurrence of delamination on the joint surface even when exposed to a thermal cycle with a large temperature difference. Further, a gap is formed inside the composite plate or the composite plate is deformed. Can be suppressed.
(2)上記保持装置の製造方法において、前記接合層を形成する工程における加圧は、真空中で0.1MPa以上、15MPa以下の圧力範囲で行われる構成としてもよい。本保持装置の製造方法によれば、圧力が0.1MPaより低いと、部材表面にうねり等があった場合に部材間に接合されない隙間が生じ、初期の接合強度が低下するおそれがある。また、圧力が15MPaより高いと、セラミックス板の割れや複合板の変形が発生するおそれがある。圧力を上記範囲に設定することにより、初期の接合強度の低下を抑制することができると共に、セラミックス板の割れや複合板の変形の発生を抑制することができる。 (2) In the manufacturing method of the holding device, the pressurization in the step of forming the bonding layer may be performed in a pressure range of 0.1 MPa or more and 15 MPa or less in vacuum. According to the method for manufacturing the holding device, when the pressure is lower than 0.1 MPa, a gap that is not bonded between the members is generated when the surface of the member is wavy, and the initial bonding strength may be reduced. On the other hand, if the pressure is higher than 15 MPa, the ceramic plate may be cracked or the composite plate may be deformed. By setting the pressure within the above range, it is possible to suppress a decrease in initial bonding strength and to suppress the occurrence of cracks in the ceramic plate and deformation of the composite plate.
(3)上記保持装置の製造方法において、前記第2のアルミニウム合金は、アルミニウム(Al)を主成分とし、3.0wt%以上、5.0wt%以下の銅(Cu)と、0.3wt%以上、2.0wt%以下のマグネシウム(Mg)と、0.1wt%以上、1.0wt%以下のマンガン(Mn)と、を含有し、前記第1のアルミニウム合金は、アルミニウム(Al)を主成分とし、5.0wt%以上、20wt%以下のケイ素(Si)を含有する構成としてもよい。本保持装置の製造方法によれば、Ts2≦Ts1−40を満たすように第2のアルミニウム合金および第1のアルミニウム合金を選択することができ、接合層による接合強度を強固にすることができ、温度差の大きい熱サイクルにさらされても接合面で剥離が発生することを抑制することができる。 (3) In the manufacturing method of the holding device, the second aluminum alloy contains aluminum (Al) as a main component, copper (Cu) of 3.0 wt% or more and 5.0 wt% or less, and 0.3 wt%. As described above, 2.0 wt% or less of magnesium (Mg) and 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less of manganese (Mn) are contained, and the first aluminum alloy is mainly made of aluminum (Al). It is good also as a structure which contains 5.0 wt% or more and 20 wt% or less of silicon (Si) as a component. According to the manufacturing method of the holding device, the second aluminum alloy and the first aluminum alloy can be selected so as to satisfy Ts2 ≦ Ts1-40, the bonding strength by the bonding layer can be strengthened, Even if it is exposed to a thermal cycle with a large temperature difference, it is possible to suppress the occurrence of peeling at the joint surface.
(4)上記保持装置の製造方法において、前記上限温度Tmaxは、Ts1+30と、Tl1と、前記第2のアルミニウム合金の液相線温度Tl2と、の内の最も低い温度である構成としてもよい。本保持装置の製造方法によれば、加熱温度が第2のアルミニウム合金の液相線温度Tl2より高いと、第2のアルミニウム合金により形成された箔材において生じる液相の量が過大となって流れ出し、特に外周部において接合層による接合強度が低くなる。加熱温度を第2のアルミニウム合金の液相線温度Tl2より低くすると、接合層による接合強度を強固にすることができ、温度差の大きい熱サイクルにさらされても接合面で剥離が発生することを抑制することができる。 (4) In the method for manufacturing the holding device, the upper limit temperature Tmax may be the lowest temperature among Ts1 + 30, Tl1, and the liquidus temperature Tl2 of the second aluminum alloy. According to the method for manufacturing the holding device, when the heating temperature is higher than the liquidus temperature Tl2 of the second aluminum alloy, the amount of the liquid phase generated in the foil material formed of the second aluminum alloy becomes excessive. Flowing out, particularly at the outer periphery, the bonding strength by the bonding layer is lowered. When the heating temperature is lower than the liquidus temperature Tl2 of the second aluminum alloy, the bonding strength by the bonding layer can be strengthened, and peeling occurs at the bonding surface even when exposed to a thermal cycle with a large temperature difference. Can be suppressed.
(5)上記保持装置の製造方法において、前記複合板には、冷媒流路が形成されていることを特徴とする構成としてもよい。本保持装置の製造方法によれば、保持装置が温度差の大きい熱サイクルにさらされても接合面で剥離が発生することを抑制することができる結果、複合板とセラミックス板との間の伝熱性が低下して複合板に形成された冷媒流路に供給される冷媒によるセラミックス板の冷却効果が低下するという事態の発生を抑制することができ、セラミックス板の第1の表面における温度分布の均一性が低下することを抑制することができる。 (5) In the manufacturing method of the holding device, the composite plate may have a refrigerant flow path. According to the method for manufacturing the holding device, even if the holding device is exposed to a thermal cycle with a large temperature difference, it is possible to suppress the occurrence of peeling at the joint surface. It is possible to suppress the occurrence of a situation in which the cooling effect of the ceramic plate by the refrigerant supplied to the refrigerant flow path formed in the composite plate is lowered and the temperature distribution on the first surface of the ceramic plate is reduced. It can suppress that a uniformity falls.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、保持装置、静電チャック、ヒータ、真空チャック、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, in the form of a holding device, an electrostatic chuck, a heater, a vacuum chuck, a manufacturing method thereof, and the like. Is possible.
A.実施形態:
A−1.静電チャック100の構成:
図1は、本実施形態における静電チャック100の外観構成を概略的に示す斜視図であり、図2は、本実施形態における静電チャック100のXZ断面構成を概略的に示す説明図であり、図3は、第1実施形態における静電チャック100のXY断面構成を概略的に示す説明図である。図2には、図3のII−IIの位置におけるXZ断面構成が示されており、図3には、図2のIII−IIIの位置におけるXY断面構成が示されている。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向といい、Z軸負方向を下方向というものとするが、静電チャック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。
A. Embodiment:
A-1. Configuration of the electrostatic chuck 100:
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an external configuration of the
静電チャック100は、対象物(例えばウェハW)を静電引力により吸着して保持する装置であり、例えば半導体製造装置の真空チャンバー内でウェハWを固定するために使用される。静電チャック100は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向(Z軸方向))に並べて配置されたセラミックス板10およびベース板20を備える。セラミックス板10とベース板20とは、セラミックス板10の下面(以下、「セラミックス側接合面S2」という)とベース板20の上面(以下、「ベース側接合面S3」という)とが上記配列方向に対向するように配置されている。静電チャック100は、さらに、セラミックス板10のセラミックス側接合面S2とベース板20のベース側接合面S3との間に配置された接合層30を備える。ベース板20は、特許請求の範囲における複合板に相当し、セラミックス板10のセラミックス側接合面S2は、特許請求の範囲における第2の表面に相当し、ベース板20のベース側接合面S3は、特許請求の範囲における第3の表面に相当する。
The
セラミックス板10は、例えば円形平面の板状部材であり、セラミックスにより形成されている。セラミックス板10の直径は、例えば50mm〜500mm程度(通常は200mm〜350mm程度)であり、セラミックス板10の厚さは、例えば2mm〜10mm程度である。
The
セラミックス板10の形成材料としては、種々のセラミックスが用いられ得るが、強度や耐摩耗性、耐プラズマ性、後述するベース板20の形成材料との関係等の観点から、例えば、酸化アルミニウム(アルミナ、Al2O3)または窒化アルミニウム(AlN)を主成分とするセラミックスが用いられることが好ましい。なお、ここでいう主成分とは、含有割合(重量割合)の最も多い成分を意味する。
Various ceramics can be used as the material for forming the
セラミックス板10の内部には、導電性材料(例えば、タングステンやモリブデン等)により形成された一対の内部電極40が設けられている。一対の内部電極40に電源(図示せず)から電圧が印加されると、静電引力が発生し、この静電引力によってウェハWがセラミックス板10の上面(以下、「吸着面S1」という)に吸着固定される。セラミックス板10の吸着面S1は、特許請求の範囲における第1の表面に相当する。
A pair of
また、セラミックス板10の内部には、導電性材料(例えば、タングステンやモリブデン等)により形成された抵抗発熱体で構成されたヒータ50が設けられている。ヒータ50に電源(図示せず)から電圧が印加されると、ヒータ50が発熱することによってセラミックス板10が温められ、セラミックス板10の吸着面S1に保持されたウェハWが温められる。これにより、ウェハWの温度制御が実現される。なお、図3に示すように、ヒータ50は、セラミックス板10の吸着面S1をできるだけ満遍なく温めるため、例えばZ方向視で略同心円状に配置されている。
In addition, a
ベース板20は、例えばセラミックス板10と同径の、または、セラミックス板10より径が大きい円形平面の板状部材であり、セラミックスとアルミニウム合金とから構成された複合材料により形成されている。ベース板20の直径は、例えば220mm〜550mm程度(通常は220mm〜350mm程度)であり、ベース板20の厚さは、例えば20mm〜40mm程度である。
The
ベース板20の形成材料としては、種々の複合材料が用いられ得るが、炭化ケイ素(SiC)を主成分とする多孔質セラミックスに、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を溶融して加圧浸透させた複合材料が用いられることが好ましい。複合材料に含まれるアルミニウム合金は、Si(ケイ素)やMg(マグネシウム)を含んでいてもよいし、性質等に影響の無い範囲でその他の元素を含んでいてもよい。
Various composite materials can be used as a material for forming the
ベース板20の形成材料である複合材料のセラミックスとアルミニウム合金との体積比を調整することにより、ベース板20の熱膨張率を調整することができ、ベース板20の熱膨張率とセラミックス板10の熱膨張率との差を小さくすることができる。例えば、セラミックス板10がアルミナ(Al2O3)を主成分とするセラミックスにより形成され、ベース板20が炭化ケイ素(SiC)を主成分とするセラミックスにアルミニウム合金を浸透させた複合材料により形成される場合、複合材料におけるセラミックスとアルミニウム合金との体積比を80:20〜55:45の範囲に調整すれば、ベース板20の熱膨張率とセラミックス板10の熱膨張率との差の絶対値を2.0×10−6(/℃)以下とすることができるため好ましい。
The coefficient of thermal expansion of the
ベース板20の内部には冷媒流路21が形成されている。冷媒流路21に冷媒(例えば、フッ素系不活性液体や水等)が流されると、ベース板20が冷却され、接合層30を介したベース板20とセラミックス板10との間の伝熱によりセラミックス板10が冷却され、セラミックス板10の吸着面S1に保持されたウェハWが冷却される。これにより、ウェハWの温度制御が実現される。
A
接合層30は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金により形成されており、セラミックス板10とベース板20とを接合している。接合層30の厚さは、例えば0.03mm〜1mm程度である。接合層30の形成材料であるアルミニウム合金は、Cu(銅)やMg(マグネシウム)、Mn(マンガン)、Si(ケイ素)を含んでいてもよいし、性質等に影響の無い範囲でその他の元素を含んでいてもよい。
The
なお、以下の説明では、ベース板20の形成材料である複合材料に含まれるアルミニウム合金と、接合層30の形成材料であるアルミニウム合金とを区別するために、前者を複合材用アルミニウム合金AA1といい、後者を接合用アルミニウム合金AA2という場合がある。複合材用アルミニウム合金AA1は、特許請求の範囲における第1のアルミニウム合金に相当し、接合用アルミニウム合金AA2は、特許請求の範囲における第2のアルミニウム合金に相当する。
In the following description, in order to distinguish between an aluminum alloy contained in a composite material that is a forming material of the
ここで、アルミニウム合金の固相線温度Ts(固相の状態から固相および液相が共存する状態に移行する温度)や液相線温度Tl(液相の状態から液相および固相が共存する状態に移行する温度)は、アルミニウム合金の組成によって異なる。本実施形態では、接合用アルミニウム合金AA2の固相線温度Ts2(℃)が複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1(℃)より40℃以上低くなるように、接合用アルミニウム合金AA2および複合材用アルミニウム合金AA1の組成が選択される。すなわち、本実施形態の静電チャック100では、下記の条件C1が満たされている。
条件C1:Ts2≦Ts1−40
Here, the solidus temperature Ts of the aluminum alloy (temperature at which the solid phase and the liquid phase coexist) and the liquidus temperature Tl (the liquid phase and the solid phase coexist from the liquid state). The temperature at which the state shifts to a different state depends on the composition of the aluminum alloy. In the present embodiment, the joining aluminum alloy AA2 and the joining aluminum alloy AA2 are set so that the solidus temperature Ts2 (° C.) of the joining aluminum alloy AA2 is 40 ° C. or more lower than the solidus temperature Ts1 (° C.) of the composite aluminum alloy AA1. The composition of the composite aluminum alloy AA1 is selected. That is, in the
Condition C1: Ts2 ≦ Ts1-40
A−2.静電チャック100の製造方法:
次に、本実施形態における静電チャック100の製造方法を説明する。図4は、本実施形態における静電チャック100の製造方法を示すフローチャートである。はじめに、セラミックス板10とベース板20とを準備する(S110)。上述したように、セラミックス板10はセラミックスにより形成され、ベース板20はセラミックスと複合材用アルミニウム合金AA1とから構成される複合材料により形成される。なお、セラミックス板10およびベース板20は、公知の製造方法によって製造可能であるため、ここでは製造方法の説明を省略する。
A-2. Method for manufacturing electrostatic chuck 100:
Next, a method for manufacturing the
次に、接合層30の形成材料である接合用アルミニウム合金AA2の箔材を準備する(S120)。なお、上述したように、本実施形態では、上記条件C1が満たされるように、複合材用アルミニウム合金AA1および接合用アルミニウム合金AA2の組成が選択される。次に、セラミックス板10とベース板20との間に、準備された接合用アルミニウム合金AA2の箔材を配置する(S130)。
Next, a foil material of a joining aluminum alloy AA2 which is a material for forming the joining
次に、接合用アルミニウム合金AA2の箔材を介したセラミックス板10とベース板20との積層体をホットプレス炉内に配置し、真空中で加圧しつつ加熱する(S140)。これにより、接合用アルミニウム合金AA2の箔材が溶融して接合層30が形成され、セラミックス板10とベース板20とが接合層30により接合される。なお、この加熱・加圧接合は、ろう付けとも呼ばれ、接合用アルミニウム合金AA2の箔材は、ろう材とも呼ばれる。
Next, the laminated body of the
この加熱・加圧接合における圧力(以下、「接合圧力BP」という)は、0.1MPa以上、15MPa以下の範囲内に設定されることが好ましい。接合圧力BPが0.1MPa以上に設定されると、被接合部材(セラミックス板10やベース板20)の表面にうねり等があった場合でも被接合部材間に接合されない隙間が生じることが抑制され、初期の接合強度が低下することを抑制することができる。また、接合圧力BPが15MPa以下に設定されると、セラミックス板10の割れやベース板20の変形が発生することを抑制することができる。
The pressure in this heating / pressurizing bonding (hereinafter referred to as “bonding pressure BP”) is preferably set within a range of 0.1 MPa or more and 15 MPa or less. When the bonding pressure BP is set to 0.1 MPa or more, it is possible to suppress a gap that is not bonded between the members to be bonded even when the surface of the member to be bonded (the
また、この加熱・加圧接合における温度(以下、「接合温度BT」という)は、下限温度Tmin以上、上限温度Tmax以下の範囲内に設定される。具体的には、この温度範囲の下限温度Tminは、複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1(℃)より30℃低い温度である。また、この温度範囲の上限温度Tmaxは、複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1(℃)より30℃高い温度と、複合材用アルミニウム合金AA1の液相線温度Tl1(℃)との低い方である。すなわち、本実施形態では、下記の条件C2が満たされるように、接合温度BTが設定される。
条件C2:Tmin≦BT≦Tmax
(ただし、Tmin=Ts1−30であり、Tmaxは、Ts1+30とTl1との低い方である。)
Further, the temperature in the heating / pressurizing joining (hereinafter referred to as “joining temperature BT”) is set within the range of the lower limit temperature Tmin or more and the upper limit temperature Tmax or less. Specifically, the lower limit temperature Tmin of this temperature range is a
Condition C2: Tmin ≦ BT ≦ Tmax
(However, Tmin = Ts1-30, and Tmax is the lower of Ts1 + 30 and Tl1.)
S140の加熱・加圧接合の後、必要により後処理(外周や上下面の研磨、端子の形成等)を行う。以上の製造方法により、上述した構成の静電チャック100が製造される。
After the heating and pressure bonding in S140, post-processing (polishing of the outer periphery and upper and lower surfaces, formation of terminals, etc.) is performed as necessary. With the above manufacturing method, the
A−3.性能評価:
上述した構成の静電チャック100を対象に、以下に説明する性能評価を行った。図5は、性能評価の結果を示す説明図である。
A-3. Performance evaluation:
The performance evaluation described below was performed on the
A−3−1.各実施例および各比較例について:
図5に示すように、性能評価では、実施例1〜9および比較例1〜4の静電チャック100が用いられた。各実施例および各比較例の静電チャック100は、以下の点で共通している。
(セラミックス板10の構成)
・材料:アルミナ(Al2O3)を主成分とするセラミックス
・直径:350mm
・厚さ:4mm
(ベース板20の構成)
・材料:炭化ケイ素(SiC)を主成分とする多孔質セラミックスにアルミニウムを主成分とする複合材用アルミニウム合金AA1を浸透させた複合材料
・直径:350mm
・厚さ:35mm
(接合層30の構成)
・材料:アルミニウムを主成分とする接合用アルミニウム合金AA2の箔材
・箔材の厚さ:50〜70μm
(セラミックス板10とベース板20との接合方法)
・接合用アルミニウム合金AA2の箔材を介したセラミックス板10とベース板20との積層体をホットプレス炉内に配置し、真空中で加熱・加圧して接合する。
A-3-1. For each example and each comparative example:
As shown in FIG. 5, in the performance evaluation, the
(Configuration of ceramic plate 10)
・ Material: Ceramics mainly composed of alumina (Al 2 O 3 ) ・ Diameter: 350 mm
・ Thickness: 4mm
(Configuration of base plate 20)
・ Material: Composite material in which aluminum alloy AA1 for composite material mainly composed of aluminum is infiltrated into porous ceramics composed mainly of silicon carbide (SiC) ・ Diameter: 350 mm
・ Thickness: 35mm
(Configuration of bonding layer 30)
-Material: Foil material of aluminum alloy AA2 for joining mainly composed of aluminum-Thickness of foil material: 50-70 µm
(Joining method between
The laminated body of the
一方、図5に示すように、各実施例および各比較例の静電チャック100は、接合用アルミニウム合金AA2および複合材用アルミニウム合金AA1の組成と、ベース板20の形成材料である複合材料の全体積に対するアルミニウム合金の体積の割合(以下、「アルミニウム合金割合」という)と、接合温度BTおよび接合圧力BPとが互いに異なっている。
On the other hand, as shown in FIG. 5, the
(接合用アルミニウム合金AA2および複合材用アルミニウム合金AA1の組成について)
図6は、性能評価に用いられたアルミニウム合金の種類を示す説明図である。図6には、性能評価に用いられたアルミニウム合金の各種類(アルミニウム合金A〜D)について、組成(重量%)と、固相線温度Ts(℃)と、液相線温度Tl(℃)とが示されている。図6に示すように、アルミニウム合金A〜Dは、組成が互いに異なっており、その結果、固相線温度Ts(℃)および液相線温度Tl(℃)が互いに異なっている。
(Composition of aluminum alloy AA2 for bonding and aluminum alloy AA1 for composite material)
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the types of aluminum alloys used for performance evaluation. FIG. 6 shows the composition (weight%), the solidus temperature Ts (° C.), and the liquidus temperature Tl (° C.) for each type of aluminum alloy (aluminum alloys A to D) used for performance evaluation. Is shown. As shown in FIG. 6, the aluminum alloys A to D have different compositions, and as a result, the solidus temperature Ts (° C.) and the liquidus temperature Tl (° C.) are different from each other.
なお、各アルミニウム合金の固相線温度Tsおよび液相線温度Tlは、DSC測定(示差走査熱量分析)により実測した。図7は、アルミニウム合金の固相線温度Tsの測定結果の一例を示す説明図である。図7には、図6に示すアルミニウム合金Cを対象としたDSC分析を行うことにより得られたチャートが示されている。図7に示すように、固相のアルミニウム合金の温度を上昇させたときに得られるチャートの吸熱ピーク(複数の吸熱ピークが確認された場合には最も低温側のピーク)の初期の立ち下がり箇所の温度を、固相線温度Ts(アルミニウム合金Cについは553℃)として特定した。他のアルミニウム合金についても同様に固相線温度Tsを実測した。また、液相線温度Tlについても同様に、液相のアルミニウム合金の温度を低下させたときに得られるチャートの発熱ピーク(複数の発熱ピークが確認された場合には最も高温側のピーク)の初期の立ち上がり箇所の温度を、液相線温度Tlとして特定した。 The solidus temperature Ts and the liquidus temperature Tl of each aluminum alloy were measured by DSC measurement (differential scanning calorimetry). FIG. 7 is an explanatory view showing an example of the measurement result of the solidus temperature Ts of the aluminum alloy. FIG. 7 shows a chart obtained by performing DSC analysis on the aluminum alloy C shown in FIG. As shown in FIG. 7, the initial fall point of the endothermic peak (the lowest temperature peak when multiple endothermic peaks are confirmed) of the chart obtained when the temperature of the solid-state aluminum alloy is raised Was determined as the solidus temperature Ts (553 ° C. for aluminum alloy C). Similarly, the solidus temperature Ts was measured for other aluminum alloys. Similarly, for the liquidus temperature Tl, the exothermic peak of the chart obtained when the temperature of the liquid phase aluminum alloy is lowered (the highest temperature peak when a plurality of exothermic peaks are confirmed). The temperature at the initial rising point was specified as the liquidus temperature Tl.
図5に示すように、実施例1〜6および比較例3,4の静電チャック100では、接合用アルミニウム合金AA2としてアルミニウム合金Aが用いられ、複合材用アルミニウム合金AA1としてアルミニウム合金Dが用いられた。そのため、これらの実施例および比較例では、複合材用アルミニウム合金AA1(アルミニウム合金D)の固相線温度Ts1(575℃)と接合用アルミニウム合金AA2(アルミニウム合金A)の固相線温度Ts2(510℃)との差は65℃であった。また、実施例8,9の静電チャック100では、接合用アルミニウム合金AA2としてアルミニウム合金Aが用いられ、複合材用アルミニウム合金AA1としてアルミニウム合金Cが用いられた。そのため、これらの実施例では、複合材用アルミニウム合金AA1(アルミニウム合金C)の固相線温度Ts1(553℃)と接合用アルミニウム合金AA2(アルミニウム合金A)の固相線温度Ts2(510℃)との差は43℃であった。また、実施例7の静電チャック100では、接合用アルミニウム合金AA2としてアルミニウム合金Bが用いられ、複合材用アルミニウム合金AA1としてアルミニウム合金Dが用いられた。そのため、この実施例では、複合材用アルミニウム合金AA1(アルミニウム合金D)の固相線温度Ts1(575℃)と接合用アルミニウム合金AA2(アルミニウム合金B)の固相線温度Ts2(532℃)との差は43℃であった。このように、実施例1〜9および比較例3,4の静電チャック100では、上述した条件C1(Ts2≦Ts1−40)が満たされるように、接合用アルミニウム合金AA2と複合材用アルミニウム合金AA1とが選択された。
As shown in FIG. 5, in the
一方、比較例1の静電チャック100では、接合用アルミニウム合金AA2としてアルミニウム合金Cが用いられ、複合材用アルミニウム合金AA1としてアルミニウム合金Dが用いられた。そのため、この比較例では、複合材用アルミニウム合金AA1(アルミニウム合金D)の固相線温度Ts1(575℃)と接合用アルミニウム合金AA2(アルミニウム合金C)の固相線温度Ts2(553℃)との差は22℃であった。また、比較例2の静電チャック100では、接合用アルミニウム合金AA2および複合材用アルミニウム合金AA1として、共にアルミニウム合金Dが用いられた。そのため、この比較例では、複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1と接合用アルミニウム合金AA2の固相線温度Ts2との差は0℃であった。このように、比較例1,2の静電チャック100では、上述した条件C1(Ts2≦Ts1−40)が満たされないように、接合用アルミニウム合金AA2と複合材用アルミニウム合金AA1とが選択された。
On the other hand, in the
(アルミニウム合金割合について)
図5に示すように、実施例4を除くすべての実施例および比較例では、ベース板20の形成材料である複合材料のアルミニウム合金割合は30(%)とされた。また、実施例4では、ベース板20の形成材料である複合材料のアルミニウム合金割合は40(%)とされた。
(About aluminum alloy ratio)
As shown in FIG. 5, in all the examples and comparative examples except Example 4, the aluminum alloy ratio of the composite material that is the forming material of the
(接合温度BTについて)
図5に示すように、実施例1,3〜8では、接合温度BTは550℃とされた。また、実施例2,9および比較例1,2では、接合温度BTは580℃とされた。そのため、これら実施例1〜9および比較例1,2では、接合温度BTと複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1との差(BT−Ts1)は、−30℃以上、30℃以下である。また、これら実施例1〜9および比較例1,2では、複合材用アルミニウム合金AA1としてアルミニウム合金CまたはDが用いられるため、接合温度BTは、複合材用アルミニウム合金AA1の液相線温度Tl1(603℃または584℃)より低い。このように、実施例1〜9および比較例1,2では、上述した条件C2が満たされるように、接合温度BTが設定された。
(About junction temperature BT)
As shown in FIG. 5, in Examples 1 and 3 to 8, the bonding temperature BT was 550 ° C. In Examples 2 and 9 and Comparative Examples 1 and 2, the bonding temperature BT was 580 ° C. Therefore, in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2, the difference (BT-Ts1) between the bonding temperature BT and the solidus temperature Ts1 of the composite aluminum alloy AA1 is -30 ° C or higher and 30 ° C or lower. It is. In Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2, since the aluminum alloy C or D is used as the composite aluminum alloy AA1, the bonding temperature BT is equal to the liquidus temperature Tl1 of the composite aluminum alloy AA1. (603 ° C or 584 ° C). Thus, in Examples 1-9 and Comparative Examples 1 and 2, the junction temperature BT was set so that the above-described condition C2 was satisfied.
一方、比較例3では、接合温度BTは630℃とされた。そのため、比較例3では、接合温度BTと複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1との差(BT−Ts1)は、30℃以上である。また、比較例3では、複合材用アルミニウム合金AA1としてアルミニウム合金Dが用いられるため、接合温度BTは、複合材用アルミニウム合金AA1の液相線温度Tl1(584℃)より高い。また、比較例4では、接合温度BTは520℃とされた。そのため、比較例4では、接合温度BTと複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1との差(BT−Ts1)は、−30℃以下である。このように、比較例3,4では、上述した条件C2が満たされないように、接合温度BTが設定された。 On the other hand, in Comparative Example 3, the bonding temperature BT was 630 ° C. Therefore, in Comparative Example 3, the difference (BT−Ts1) between the bonding temperature BT and the solidus temperature Ts1 of the composite aluminum alloy AA1 is 30 ° C. or higher. In Comparative Example 3, since the aluminum alloy D is used as the composite aluminum alloy AA1, the bonding temperature BT is higher than the liquidus temperature Tl1 (584 ° C.) of the composite aluminum alloy AA1. In Comparative Example 4, the bonding temperature BT was 520 ° C. Therefore, in Comparative Example 4, the difference (BT−Ts1) between the bonding temperature BT and the solidus temperature Ts1 of the composite aluminum alloy AA1 is −30 ° C. or less. Thus, in Comparative Examples 3 and 4, the junction temperature BT was set so that the above-described condition C2 was not satisfied.
(接合圧力BPについて)
図5に示すように、実施例6を除くすべての実施例および比較例では、接合圧力BPは、0.1MPa以上、15MPa以下の範囲内の値とされた。一方、実施例6では、接合圧力BPは、0.05MPaとされた。
(About bonding pressure BP)
As shown in FIG. 5, in all the examples and comparative examples except Example 6, the bonding pressure BP was set to a value within the range of 0.1 MPa or more and 15 MPa or less. On the other hand, in Example 6, the bonding pressure BP was set to 0.05 MPa.
A−3−2.評価手法:
(初期の接合状態の評価について)
初期の接合状態の評価として、実施例および比較例の静電チャック100の製造直後に、外観検査、接合面の超音波探傷検査、面内温度差検査を行った。外観検査では、ベース板20の変形や、ベース板20からのアルミニウム合金の流れ出し等の有無を確認した。超音波探傷検査では、接合面からの超音波の反射レベルに基づき、接合面に未接合箇所があるか否かを判定した。面内温度差検査では、セラミックス板10の内部に配置されたヒータ50に通電してセラミックス板10の吸着面S1を250℃とし、ベース板20の冷媒流路21に80℃の冷媒を流した状態で、放射温度計を用いてセラミックス板10の吸着面S1における複数点の温度を測定し、ホットスポット(吸着面S1の各点の平均温度より10℃以上高温の点)の有無を確認した。一般に、セラミックス板10とベース板20との接合部に剥離や隙間が無い状態では、吸着面S1の各点の温度は、平均温度±5℃以内の範囲に収まるが、接合部に剥離や隙間が発生すると、その部分でベース板20とセラミックス板10との間の伝熱性が低下し、吸着面S1にホットスポットは発生する。なお、吸着面S1における初期の温度分布は、ヒータ50のデザイン(ヒータ50の場所による発熱量の制御、ヒータ50の多ゾーン化による個別制御等)や、ベース板20の冷媒流路21のデザイン等を最適化することにより制御可能である。
A-3-2. Evaluation method:
(Evaluation of initial bonding state)
As an evaluation of the initial bonding state, immediately after the production of the
(熱サイクル後の接合状態の評価について)
熱サイクル後の接合状態の評価は、以下のように行った。熱サイクル環境を作るため、実施例または比較例の静電チャック100を評価用チャンバーに設置し、ベース板20の冷媒流路21に80℃のチラーを供給しつつ、ヒータ50のオン・オフを交互に繰り返した。具体的には、放射温度計を用いてセラミックス板10の吸着面S1における複数点の温度を測定し、各点での温度測定値の内の最高値(以下、「最高点温度HT」という)が250℃まで上昇するとヒータ50をオフ状態にし、吸着面S1の最高点温度HTが100℃まで低下するとヒータ50をオン状態にする制御を1000サイクル繰り返した。その後、吸着面S1において、初期状態では存在しなかった新たなホットスポットの発生の有無を確認した。また、ホットスポットが発生するほどではないが、吸着面の温度分布の均一性が低下していないかを確認するため、初期状態時と、熱サイクルを1000回繰り返した時点とで、セラミックス板10の吸着面S1の各点での温度測定値の内の最高値(最高点温度HT)と最低値(以下、「最低点温度LT」という)との差である温度差ΔTを算出した。そして、熱サイクルを1000回繰り返した時点での温度差ΔTと初期状態時における温度差ΔTとの差を、温度差変化量Ctとして算出した。
(Regarding evaluation of bonding state after thermal cycling)
Evaluation of the bonding state after the thermal cycle was performed as follows. In order to create a thermal cycle environment, the
A−3−3.評価結果:
図5に示すように、実施例1〜9では、初期状態において、外観検査や超音波探傷検査で異常は見られず、合格(〇)と判定された。また、ホットスポットも無く、良好な接合状態であった。また、1000回の熱サイクル後も、新たなホットスポットの発生は無く、温度差変化量Ctも2℃より小さく、良好な接合状態が維持されていた。
A-3-3. Evaluation results:
As shown in FIG. 5, in Examples 1 to 9, in the initial state, no abnormality was observed in the appearance inspection and the ultrasonic flaw detection inspection, and it was determined as acceptable (◯). Moreover, there was no hot spot and the bonding state was good. Further, even after 1000 thermal cycles, no new hot spots were generated, and the temperature difference change Ct was smaller than 2 ° C., and a good bonding state was maintained.
なお、実施例6では、初期状態において、外観検査で異常は見られず、ホットスポットも無かったが、超音波探傷検査においてごく微小な領域に未接合箇所があることが確認された。これは、実施例6では、接合圧力BPが0.05MPaとやや低いため、セラミックス板10やベース板20の表面のうねりが十分に緩和されずに隙間が発生し、未接合箇所が発生したものと考えられる。ただし、未接合箇所のサイズは小さく、かつ、未接合箇所が確認された領域も接合面全体の5%以下と小さいため、合格(〇)と判定された。また、1000回の熱サイクル後も、新たなホットスポットの発生は無く、温度差変化量Ctも5℃より小さく、おおむね良好な接合状態が維持されていた。
In Example 6, in the initial state, no abnormality was observed in the appearance inspection and there were no hot spots, but it was confirmed in the ultrasonic flaw inspection that there was an unjoined portion in a very small region. In Example 6, since the bonding pressure BP is as low as 0.05 MPa, the undulations on the surface of the
一方、比較例1,2では、初期状態では異常は確認されなかったが、1000回の熱サイクル後では、新たなホットスポットの発生が確認され、温度差変化量Ctも10℃より大きくなり、良好な接合状態が維持されていなかった。比較例1,2では、複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1と接合用アルミニウム合金AA2の固相線温度Ts2との差(Ts1−Ts2)が40℃未満である(すなわち、上述した条件C1が満たされていない)。そのため、比較例1,2では、接合温度BTを、上述した条件C2に従い複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1±30℃以内の範囲に設定すると、加熱・加圧接合の際に、複合材用アルミニウム合金AA1および接合用アルミニウム合金AA2において生成される液相の量が少なくなり、お互いの反応性が低下することによって接合強度が低下し、1000回の熱サイクル後に良好な接合状態が維持されなかったものと考えられる。 On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, no abnormality was confirmed in the initial state, but after 1000 thermal cycles, the occurrence of a new hot spot was confirmed, and the temperature difference change amount Ct was also greater than 10 ° C. A good bonding state was not maintained. In Comparative Examples 1 and 2, the difference (Ts1−Ts2) between the solidus temperature Ts1 of the composite aluminum alloy AA1 and the solidus temperature Ts2 of the joining aluminum alloy AA2 is less than 40 ° C. (that is, as described above). Condition C1 is not satisfied). Therefore, in Comparative Examples 1 and 2, when the bonding temperature BT is set within the range of the solidus temperature Ts1 ± 30 ° C. of the aluminum alloy AA1 for composites according to the above-described condition C2, during the heating and pressure bonding, The amount of the liquid phase generated in the aluminum alloy AA1 for composite material and the aluminum alloy AA2 for bonding decreases, and the bonding strength decreases by reducing the reactivity between each other, and a good bonding state is obtained after 1000 thermal cycles. It is thought that it was not maintained.
また、比較例3では、加熱・加圧接合後に、複合材用アルミニウム合金AA1が複合部材の多孔質セラミックスの骨格から流れ出し、複合部材に多数の空隙が発生したため、評価を中止し不合格(×)と判定した。比較例3では、接合温度BTが、複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1(℃)+30℃を超える高さである(すなわち、上述した条件C2が満たされていない)。そのため、比較例3では、加熱・加圧接合の際に複合材用アルミニウム合金AA1が大量に液相化し、多孔質セラミックスの骨格内に留まることができず、多孔質セラミックスの表面に流れ出したものと考えられる。このような状態では、ベース板20に多数の空隙ができ、ベース板20を加圧すると大きく変形するため、実用に耐えない。
Further, in Comparative Example 3, the aluminum alloy AA1 for composite material flows out from the porous ceramic skeleton of the composite member after heating and pressure bonding, and a number of voids are generated in the composite member. ). In Comparative Example 3, the bonding temperature BT is higher than the solidus temperature Ts1 (° C.) + 30 ° C. of the aluminum alloy AA1 for composite material (that is, the above-described condition C2 is not satisfied). For this reason, in Comparative Example 3, the aluminum alloy AA1 for composite material became a large amount of liquid phase during heating and pressure bonding, and could not stay in the skeleton of the porous ceramic, but flowed out to the surface of the porous ceramic. it is conceivable that. In such a state, a large number of gaps are formed in the
また、比較例4では、初期状態では異常は確認されなかったが、1000回の熱サイクル後では、新たなホットスポットの発生が確認され、温度差変化量Ctも10℃より大きくなり、良好な接合状態が維持されていなかった。比較例4では、接合温度BTが、複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1(℃)−30℃未満の低さである(すなわち、上述した条件C2が満たされていない)。そのため、比較例4では、接合用アルミニウム合金AA2において生じた液相が複合材用アルミニウム合金AA1内に拡散しにくくなって接合強度が低下し、1000回の熱サイクル後に良好な接合状態が維持されなかったものと考えられる。 In Comparative Example 4, no abnormality was confirmed in the initial state, but after 1000 heat cycles, the occurrence of a new hot spot was confirmed, and the temperature difference change amount Ct was also larger than 10 ° C. The bonded state was not maintained. In Comparative Example 4, the bonding temperature BT is as low as the solidus temperature Ts1 (° C.) − 30 ° C. of the aluminum alloy AA1 for composite material (that is, the above-described condition C2 is not satisfied). Therefore, in Comparative Example 4, the liquid phase generated in the bonding aluminum alloy AA2 is difficult to diffuse into the composite aluminum alloy AA1, the bonding strength is reduced, and a good bonding state is maintained after 1000 thermal cycles. It is thought that there was not.
上述した性能評価結果から、上述した条件C1が満たされるように接合用アルミニウム合金AA2および複合材用アルミニウム合金AA1が選択され、かつ、上述した条件C2が満たされるように接合温度BTが設定されると、静電チャック100のセラミックス板10とベース板20とを接合層30による強固に接合することができ、温度差の大きい熱サイクルにさらされても接合面で剥離等が発生することを抑制することができ、さらに、ベース板20の内部に隙間ができたりベース板20が変形したりすることを抑制することができることが確認された。
From the performance evaluation results described above, the joining aluminum alloy AA2 and the composite aluminum alloy AA1 are selected so as to satisfy the above-described condition C1, and the joining temperature BT is set so as to satisfy the above-described condition C2. In addition, the
また、上述した性能評価結果から、接合圧力BPが0.1MPa以上に設定されると、部材表面にうねり等があった場合でも部材間に接合されない隙間が生じることが抑制され、初期の接合強度が低下することを抑制することができることが確認された。 Further, from the performance evaluation results described above, when the bonding pressure BP is set to 0.1 MPa or more, even when there is a undulation or the like on the surface of the member, a gap that is not bonded between the members is suppressed, and the initial bonding strength It was confirmed that it can suppress that falls.
なお、実施例1〜9では、接合用アルミニウム合金AA2として、アルミニウム合金AまたはBが用いられ、複合材用アルミニウム合金AA1として、アルミニウム合金DまたはCが用いられている。図6に示されたアルミニウム合金A〜Dの組成を参照すると、接合用アルミニウム合金AA2として、アルミニウム(Al)を主成分とし、3.0wt%以上、5.0wt%以下の銅(Cu)と、0.3wt%以上、2.0wt%以下のマグネシウム(Mg)と、0.1wt%以上、1.0wt%以下のマンガン(Mn)とを含有するアルミニウム合金を使用し、複合材用アルミニウム合金AA1として、アルミニウム(Al)を主成分とし、5.0wt%以上、20wt%以下のケイ素(Si)を含有するアルミニウム合金を使用すると、上述した条件C1(Ts2≦Ts1−40)が満たされると言うことができる。なお、接合用アルミニウム合金AA2のケイ素(Si)の含有量は、3.0wt%以下であることが好ましい。 In Examples 1 to 9, an aluminum alloy A or B is used as the bonding aluminum alloy AA2, and an aluminum alloy D or C is used as the composite aluminum alloy AA1. Referring to the compositions of aluminum alloys A to D shown in FIG. 6, as aluminum alloy AA2 for bonding, aluminum (Al) as a main component, and 3.0 wt% or more and 5.0 wt% or less of copper (Cu) and Aluminum alloy containing 0.3 wt% or more and 2.0 wt% or less of magnesium (Mg) and 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less of manganese (Mn) When an aluminum alloy containing aluminum (Al) as a main component and containing silicon (Si) of 5.0 wt% or more and 20 wt% or less is used as AA1, the above-described condition C1 (Ts2 ≦ Ts1-40) is satisfied. I can say that. In addition, it is preferable that content of silicon (Si) of aluminum alloy AA2 for joining is 3.0 wt% or less.
また、上述した性能評価では、いずれの実施例・比較例でも、接合温度BTは接合用アルミニウム合金AA2の液相線温度Tl2(℃)以下であるが、仮に接合温度BTが接合用アルミニウム合金AA2の液相線温度Tl2(℃)より高いと、加熱・加圧接合の際に接合用アルミニウム合金AA2における液相の量が過大となって接合用アルミニウム合金AA2が流れ出し、特に外周部において接合層30による接合強度が低くなると考えられる。そのため、接合温度BTは接合用アルミニウム合金AA2の液相線温度Tl2(℃)以下であることが好ましい。 In the performance evaluation described above, in any of the examples and comparative examples, the bonding temperature BT is equal to or lower than the liquidus temperature Tl2 (° C.) of the bonding aluminum alloy AA2, but the bonding temperature BT is assumed to be the bonding aluminum alloy AA2. When the temperature is higher than the liquidus temperature Tl2 (° C.), the amount of the liquid phase in the joining aluminum alloy AA2 becomes excessive at the time of heating and pressurizing joining, and the joining aluminum alloy AA2 flows out, particularly in the outer peripheral portion. The bonding strength due to 30 is considered to be low. Therefore, the bonding temperature BT is preferably equal to or lower than the liquidus temperature Tl2 (° C.) of the bonding aluminum alloy AA2.
また、上述した性能評価では、いずれの実施例・比較例でも、セラミックス板10がアルミナ(Al2O3)を主成分とするセラミックスにより形成され、ベース板20が炭化ケイ素(SiC)を主成分とするセラミックスにアルミニウム合金を浸透させた複合材料により形成され、複合材料におけるアルミニウム合金の体積比は20〜45%の範囲内である。静電チャック100をこのような構成とすれば、接合層30と被接合部材(セラミックス板10およびベース板20)との界面等で剥離が発生することを抑制することができる。
In the above-described performance evaluation, in any of the examples and comparative examples, the
A−4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の静電チャック100は、セラミックス板10と、ベース板20と、ヒータ50と、接合層30とを備える。セラミックス板10は、吸着面S1と、吸着面S1とは反対側のセラミックス側接合面S2とを有する板状部材である。ベース板20は、ベース側接合面S3を有する板状部材であり、ベース側接合面S3がセラミックス板10のセラミックス側接合面S2に対向するように配置される。また、ベース板20は、セラミックスと、固相線温度Ts1(℃)および液相線温度Tl1(℃)を有する複合材用アルミニウム合金AA1と、の複合材料により形成される。ヒータ50は、セラミックス板10の内部に配置される。接合層30は、セラミックス板10とベース板20との間に配置され、セラミックス板10とベース板20とを接合する。
A-4. Effects of this embodiment:
As described above, the
また、本実施形態の静電チャック100の製造方法は、固相線温度Ts2(℃)(ただし、Ts2≦Ts1−40)を有する接合用アルミニウム合金AA2により形成された箔材を準備する工程と、セラミックス板10とベース板20との間に該箔材を配置する工程と、セラミックス板10とベース板20と該箔材とを、加圧しつつ、下限温度Tmin(ただし、Tmin=Ts1−30)以上、上限温度Tmax(ただし、Tmaxは、Ts1+30とTl1との低い方)以下の温度範囲で加熱することにより、該箔材の少なくとも一部を溶融させることによって接合層30を形成する工程とを備える。接合温度BTが下限温度Tminより低い、すなわち、ベース板20に含まれる複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1−30℃未満の低さであると、接合用アルミニウム合金AA2により形成された箔材において生じた液相がベース板20の複合材用アルミニウム合金AA1内に十分に拡散せず、接合層30による接合強度が低くなる。反対に、接合温度BTが上限温度Tmaxより高い、すなわち、ベース板20に含まれる複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1+30℃を超える高さであるか、複合材用アルミニウム合金AA1の液相線温度Tl1より高いと、ベース板20内の複合材用アルミニウム合金AA1が流れ出し、ベース板20の内部に隙間ができたりベース板20が変形したりするおそれがある。また、接合温度BTが下限温度Tmin以上、上限温度Tmax以下であっても、複合材用アルミニウム合金AA1の固相線温度Ts1と接合用アルミニウム合金AA2の固相線温度Ts2との差が40℃未満であると、加熱・加圧接合の際に生ずる液相の量が少なくなって互いの反応性が乏しくなり、接合層30による接合強度が低くなる。本実施形態の静電チャック100の製造方法によれば、複合材用アルミニウム合金AA1と接合用アルミニウム合金AA2とを固相線温度Tsの点から適切に選択し、かつ、接合温度BTを適切に設定することにより、接合層30による接合強度を強固にすることができ、温度差の大きい熱サイクルにさらされても接合面で剥離が発生することを抑制することができ、その結果、ベース板20とセラミックス板10との間の伝熱性が低下してセラミックス板10の吸着面S1における温度分布の均一性が低下することを抑制することができ、さらに、ベース板20の内部に隙間ができたりベース板20が変形したりすることを抑制することができる。
Moreover, the manufacturing method of the
また、本実施形態の静電チャック100の製造方法において、加熱・加圧接合は、真空中で0.1MPa以上、15MPa以下の圧力範囲で行われることが好ましい。接合圧力BPが0.1MPaより低いと、部材表面にうねり等があった場合に部材間に接合されない隙間が生じ、初期の接合強度が低下するおそれがある。また、接合圧力BPが15MPaより高いと、セラミックス板10の割れやベース板20の変形が発生するおそれがある。接合圧力BPを上記範囲に設定することにより、初期の接合強度の低下を抑制することができると共に、セラミックス板10の割れやベース板20の変形の発生を抑制することができる。
Moreover, in the manufacturing method of the
なお、接合用アルミニウム合金AA2が、アルミニウム(Al)を主成分とし、3.0wt%以上、5.0wt%以下の銅(Cu)と、0.3wt%以上、2.0wt%以下のマグネシウム(Mg)と、0.1wt%以上、1.0wt%以下のマンガン(Mn)と、を含有し、複合材用アルミニウム合金AA1が、アルミニウム(Al)を主成分とし、5.0wt%以上、20wt%以下のケイ素(Si)を含有することが好ましい。このようにすれば、上述した条件C1(Ts2≦Ts1−40)を満たすように接合用アルミニウム合金AA2および複合材用アルミニウム合金AA1を選択することができ、接合層30による接合強度を強固にすることができ、温度差の大きい熱サイクルにさらされても接合面で剥離が発生することを抑制することができる。
The joining aluminum alloy AA2 is mainly composed of aluminum (Al), 3.0 wt% or more and 5.0 wt% or less copper (Cu), and 0.3 wt% or more and 2.0 wt% or less magnesium (Cu). Mg) and 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less of manganese (Mn), and the aluminum alloy AA1 for composite material is mainly composed of aluminum (Al) and is 5.0 wt% or more and 20 wt%. % Or less of silicon (Si) is preferably contained. If it does in this way, aluminum alloy AA2 for joining and aluminum alloy AA1 for composite materials can be selected so that the above-mentioned conditions C1 (Ts2 <= Ts1-40) may be satisfied, and the joint strength by joining
また、接合温度BTの上限温度Tmaxは、Ts1+30と、Tl1と、接合用アルミニウム合金AA2の液相線温度Tl2と、の内の最も低い温度であることが好ましい。接合温度BTが接合用アルミニウム合金AA2の液相線温度Tl2より高いと、接合用アルミニウム合金AA2により形成された箔材において生じる液相の量が過大となって流れ出し、特に外周部において接合層30による接合強度が低くなる。接合温度BTを接合用アルミニウム合金AA2の液相線温度Tl2より低くすると、接合層30による接合強度を強固にすることができ、温度差の大きい熱サイクルにさらされても接合面で剥離が発生することを抑制することができる。
The upper limit temperature Tmax of the bonding temperature BT is preferably the lowest temperature among Ts1 + 30, Tl1, and the liquidus temperature Tl2 of the bonding aluminum alloy AA2. When the joining temperature BT is higher than the liquidus temperature Tl2 of the joining aluminum alloy AA2, the amount of the liquid phase generated in the foil material formed by the joining aluminum alloy AA2 becomes excessive and flows out, particularly in the outer peripheral portion. The bonding strength due to becomes low. When the bonding temperature BT is lower than the liquidus temperature Tl2 of the bonding aluminum alloy AA2, the bonding strength by the
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで一例であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記実施形態における複合材用アルミニウム合金AA1の組成と接合用アルミニウム合金AA2の組成との組合せは、あくまで一例であり、上記条件C1を満たす限り、任意の組合せに変更可能である。 The material which forms each member in the said embodiment is an example to the last, and each member may be formed with another material. For example, the combination of the composition of the composite aluminum alloy AA1 and the composition of the bonding aluminum alloy AA2 in the above embodiment is merely an example, and can be changed to any combination as long as the condition C1 is satisfied.
また、上記実施形態では、冷媒流路21がベース板20の内部に形成されるとしているが、冷媒流路21が、ベース板20の内部ではなく、ベース板20の表面(例えばベース板20と接合層30との間)に形成されるとしてもよい。また、上記実施形態では、セラミックス板10の内部に一対の内部電極40が設けられた双極方式が採用されているが、セラミックス板10の内部に1つの内部電極40が設けられた単極方式が採用されてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態における静電チャック100の製造方法はあくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態の静電チャック100の製造方法における接合温度BTは、あくまで一例であり、上記条件C2を満たす限り任意の温度に変更可能である。
Further, the method of manufacturing the
また、本発明は、セラミックス板と、金属により形成されたベース板と、セラミックス板とベース板との間に配置され、上述した複合材料により形成された中間板とを備える静電チャックにおける、セラミックス板と中間板との接合にも適用可能である。この場合には、中間板が、特許請求の範囲の複合板に相当する。 The present invention also relates to a ceramic in an electrostatic chuck comprising a ceramic plate, a base plate formed of metal, and an intermediate plate disposed between the ceramic plate and the base plate and formed of the composite material described above. It can also be applied to the joining of a plate and an intermediate plate. In this case, the intermediate plate corresponds to the composite plate in the claims.
また、本発明は、静電引力を利用してウェハWを保持する静電チャック100に限らず、セラミックス板とベース板とを備え、セラミックス板の表面上に対象物を保持する他の保持装置(例えば、真空チャックやヒータ等)にも適用可能である。
In addition, the present invention is not limited to the
10:セラミックス板 20:ベース板 21:冷媒流路 30:接合層 40:内部電極 50:ヒータ 100:静電チャック 10: Ceramic plate 20: Base plate 21: Refrigerant flow path 30: Bonding layer 40: Internal electrode 50: Heater 100: Electrostatic chuck
Claims (5)
第3の表面を有する板状であり、前記第3の表面が前記セラミックス板の前記第2の表面に対向するように配置され、セラミックスと、固相線温度Ts1(℃)および液相線温度Tl1(℃)を有する第1のアルミニウム合金との複合材料により形成された複合板と、
前記セラミックス板の内部に配置されたヒータと、
前記セラミックス板と前記複合板との間に配置され、前記セラミックス板と前記複合板とを接合する接合層と、
を備え、前記セラミックス板の前記第1の表面上に対象物を保持する保持装置の製造方法において、
固相線温度Ts2(℃)(ただし、Ts2≦Ts1−40)を有する第2のアルミニウム合金により形成された箔材を準備する工程と、
前記セラミックス板と前記複合板との間に前記箔材を配置する工程と、
前記セラミックス板と前記複合板と前記箔材とを、加圧しつつ、下限温度Tmin(ただし、Tmin=Ts1−30)以上、上限温度Tmax(ただし、Tmaxは、Ts1+30とTl1との低い方)以下の温度範囲で加熱することにより、前記箔材の少なくとも一部を溶融させることによって前記接合層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、保持装置の製造方法。 A plate-like ceramic plate having a first surface and a second surface opposite to the first surface;
A plate having a third surface, the third surface being arranged so as to oppose the second surface of the ceramic plate, ceramics, solidus temperature Ts1 (° C.) and liquidus temperature A composite plate formed of a composite material with a first aluminum alloy having Tl1 (° C.);
A heater disposed inside the ceramic plate;
A bonding layer disposed between the ceramic plate and the composite plate and bonding the ceramic plate and the composite plate;
A method of manufacturing a holding device for holding an object on the first surface of the ceramic plate,
Preparing a foil material formed of a second aluminum alloy having a solidus temperature Ts2 (° C.) (where Ts2 ≦ Ts1-40);
Disposing the foil material between the ceramic plate and the composite plate;
While pressurizing the ceramic plate, the composite plate, and the foil material, the lower limit temperature Tmin (however, Tmin = Ts1-30) or more and the upper limit temperature Tmax (where Tmax is the lower of Ts1 + 30 and Tl1) or less. Forming the bonding layer by melting at least a part of the foil material by heating in a temperature range of
A method for manufacturing a holding device.
前記接合層を形成する工程における加圧は、真空中で0.1MPa以上、15MPa以下の圧力範囲で行われることを特徴とする、保持装置の製造方法。 In the manufacturing method of the holding device according to claim 1,
The method for manufacturing a holding device is characterized in that the pressurization in the step of forming the bonding layer is performed in a pressure range of 0.1 MPa to 15 MPa in vacuum.
前記第2のアルミニウム合金は、アルミニウム(Al)を主成分とし、3.0wt%以上、5.0wt%以下の銅(Cu)と、0.3wt%以上、2.0wt%以下のマグネシウム(Mg)と、0.1wt%以上、1.0wt%以下のマンガン(Mn)と、を含有し、
前記第1のアルミニウム合金は、アルミニウム(Al)を主成分とし、5.0wt%以上、20wt%以下のケイ素(Si)を含有することを特徴とする、保持装置の製造方法。 In the manufacturing method of the holding device according to claim 1 or 2,
The second aluminum alloy has aluminum (Al) as a main component, copper (Cu) of 3.0 wt% or more and 5.0 wt% or less, and magnesium (Mg) of 0.3 wt% or more and 2.0 wt% or less. ), And 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less of manganese (Mn),
The first aluminum alloy contains aluminum (Al) as a main component and contains 5.0 wt% or more and 20 wt% or less of silicon (Si).
前記上限温度Tmaxは、Ts1+30と、Tl1と、前記第2のアルミニウム合金の液相線温度Tl2と、の内の最も低い温度であることを特徴とする、保持装置の製造方法。 In the manufacturing method of the holding device according to any one of claims 1 to 3,
The upper limit temperature Tmax is the lowest temperature among Ts1 + 30, Tl1, and the liquidus temperature Tl2 of the second aluminum alloy.
前記複合板には、冷媒流路が形成されていることを特徴とする、保持装置の製造方法。 In the manufacturing method of the holding device according to any one of claims 1 to 4,
A method of manufacturing a holding device, wherein the composite plate is formed with a refrigerant flow path.
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WO2023037698A1 (en) * | 2021-09-09 | 2023-03-16 | 日本碍子株式会社 | Wafer placement stand |
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