JP3151528U - 加圧治具セット - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス基体と予め凹部が形成されたベース基体との機械的圧接による接合を良好に実施する加圧治具セットを提供する。【解決手段】リング状の窪み４４を上向きにした加圧治具４０の上に、グラファイトシート５０、基板載置面を下向きにしたセラミックス基体２２、アルミニウム合金シート３８、凹部３４を上向きにしたベース基体３２、グラファイトシート５０及びリング状の窪み４４を下向きにした加圧治具４０を、この順に積層していき、ワークＷとする。このワークＷは、セラミックス基体２２とアルミニウム合金シート３８とベース基体３２とが積層された積層体６０を一対の加圧治具４０で挟んだものである。その後、このワークＷを加圧加熱装置に入れ、アルミニウム合金シート３８に所定の加圧荷重が加わるようにすると共に、真空中でアルミニウム合金シート３８をその固相線温度以上液相線温度以下に加熱し、その後冷却する。【選択図】図５

Description

本考案は、加圧治具セットに関し、詳しくは、半導体ウエハなどの基板を載置する基板載置台の製造工程で用いられる加圧治具セットに関する。

従来より、半導体デバイスの製造プロセスにおいて、半導体ウエハなどの基板を載置する基板載置台が使用されている。基板載置台としては、例えば、セラミックスヒータや静電チャックなどが知られている。近年、こうした基板載置台を用いて低温エッチングを行ったり高温処理後に短時間に基板の温度を低下させたり基板の面内温度分布を制御したりする場合には、基板載置台に載置された基板を強制冷却することが要求されている。こうしたことから、表面が基板載置部であるセラミックス基体の裏面に、多孔質セラミックスと金属とのコンポジット材（複合材）からなるベース基体を接合し、ベース基体をヒートシンクとして使用した基板載置台が提案されている。ベース基体は、コンポジット材で作製されているため、熱膨張係数をセラミックス基体に近づけることができ、セラミックス基体との接合後に反りや剥がれを生じにくくすることができる。また、加工性も良好なため、冷媒を流通させる冷媒流路を形成する場合の加工負担が少なてすむ。更に、金属が充填されているため、セラミックス単体よりも高い熱伝導性を示し、効率よくセラミックス基体を冷却することができる。こうした基板載置台の作製方法は、例えば特許文献１に開示されている。具体的には、セラミックス基体とベース基体との接合面にアルミニウム合金シートを挿入し、真空下、温度５００〜５６０℃、加圧加重４．９〜１９．６ＭＰａ（５０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ²）という条件で接合を行う。こうすることにより、アルミニウム合金シートを溶融させることなく機械的圧接により接合させることができる。

特開２００５−１０１１０８号公報

しかしながら、ベース基体のうちセラミックス基体と接合する接合面とは反対側の面に予め冷媒流路としての凹部が形成されている場合、セラミックス基体とこのベース基体との接合面にアルミニウム合金シートを挿入して上述した条件で接合すると、セラミックス基体に割れが発生するという問題があった。こうした問題が発生する原因は、セラミックス基体のうちベース基体の凹部を投影した部分に曲げ応力が加わることにあると考えられる。

本考案はこのような課題を解決するためになされたものであり、セラミックス基体と予め凹部が形成されたベース基体との機械的圧接による接合を良好に実施可能な加圧治具セットを提供することを主目的とする。

本考案は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採用した。

すなわち、本考案の加圧治具セットは、
表裏両面が平坦であるセラミックス基体と、表面が平坦で裏面に凹部が形成されているベース基体とを、前記セラミックス基体の裏面と前記ベース基体の表面との間に加熱加圧処理で接合される接合シートを介在させた状態で積層して積層体とし、その積層体を挟んで加圧するための一対の加圧治具からなる加圧治具セットであって、一方の加圧治具は、前記積層体のうち前記ベース基体の裏面と接触する面に窪みを有し、該窪みは、前記ベース基体に投影したときの投影パターンが該ベース基体の凹部と一致する形状に形成され、他方の加圧治具は、前記積層体のうち前記セラミックス基体の表面と接触する面に窪みを有し、該窪みは、前記ベース基体に投影したときの投影パターンが該ベース基体の凹部と一致する形状に形成されている。

この加圧治具セットでは、一方の加圧治具は、積層体のうちベース基体の裏面と接触する面に窪みを有し、他方の加圧治具は、積層体のうちセラミックス基体の表面と接触する面に窪みを有している。そして、両加圧治具の窪みは、積層体のベース基体に投影したときの投影パターンが該ベース基体の凹部と一致する形状に形成されている。この一対の加圧治具を介して積層体を加圧した場合、ベース基体の凹部やセラミックス基体のうちこの凹部を投影した部分には、直接圧力が加わらない。このため、セラミックス基体のうちベース基体の凹部を投影した部分に曲げ応力が加わることはほとんどない。したがって、セラミックス基体と予め凹部が形成されたベース基体との機械的圧接による接合を良好に実施することができる。

本考案の加圧治具セットにおいて、前記加圧治具は、表裏両面が平坦な治具本体の裏面に所定形状の治具付加体を接合することにより該治具付加体以外の部分が前記凹部を形成するようにしてもよい。こうすれば、切削加工などにより凹部を形成する場合に比べて容易に凹部を形成することができる。

基板載置台の説明図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）は裏面図である。 加圧治具の説明図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は裏面図である。 グラファイトシートの説明図であり、（ａ）は表面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は裏面図である。 一対の加圧治具４０に基板載置台２０の構成部品をセットする様子を示す説明図である。 ワークＷの断面図である。 別の方法で作製した加圧治具の断面図である。

本考案の好適な実施形態を図面を用いて以下に説明する

まず、基板載置台２０について説明する。図１は基板載置台２０の説明図である。基板載置台２０は、静電チャック機能を有するものであり、表面が基板載置面２２ａであるセラミックス基体２２と、セラミックスと金属とのコンポジット材で形成されたベース基体３２と、両基体２２，３２を接合する接合層３６とを備えている。この基板載置台２０は、基板載置面２２ａに対して半導体ウエハを上下動させるリフトピン（図示せず）を挿通可能な３つのリフトピン挿通孔２６と、セラミックス基体２２に埋設された抵抗発熱体２４の両端から電極端子を引き出すための端子孔２８，３０とを有している。このうち、端子孔２８は、基板載置台２０の中心に設けられている。

セラミックス基体２２は、表裏両面とも平坦に形成され、基板載置面２２ａに載置する半導体ウエハの大きさに合わせて、例えば直径８０〜３００ｍｍの円盤形状に形成されている。このセラミックス基体２２には、モリブデンやタングステンなどの高融点金属からなる抵抗発熱体２４が埋設されている。抵抗発熱体２４は、ヒータ線の一端がセラミックス基体２２の中心に配置され、そこからセラミックス基体２２内で複数の同心円に沿って面全体を引き回されたあとヒータ線の他端がセラミックス基体２２の中心近傍に戻るように形成されている。この抵抗発熱体２４の両端からは電極端子（図示せず）が端子孔２８，３０を介して外部に引き出される。こうしたセラミックス基体２２は、アルミナ等の酸化物セラミックス、窒化アルミニウムや窒化ケイ素、サイアロンなどの窒化物セラミックス、炭化ケイ素などの炭化物セラミックスなどから選ばれたセラミックス材で作製されるが、ここでは窒化アルミニウムで作製されているものとする。

ベース基体３２は、セラミックス基体２２の大きさに合うように形成されている。このベース基体３２は、セラミックス基体２２と接合する面は平坦に形成され、その面とは反対側の面にはリング状の凹部３４が形成されている。凹部３４には、冷媒が流通可能な冷媒ユニット（図示せず）が配置される。こうしたベース基体３２は、セラミックスと金属とのコンポジット材で形成されているが、セラミックスとしては、セラミックス基体２２と同質又は異質の多孔質セラミックス材料を使用することができる。また、金属は、多孔質セラミックス材料の孔に充填されており、例えばアルミニウムやアルミニウムとシリコンとの合金を使用することができる。ここで、セラミックス基体２２は窒化アルミニウム（熱膨張係数が約４．５ｐｐｍ／Ｋ）で作製されているとしたため、ベース基体３２は、炭化ケイ素と金属アルミニウムとのコンポジット材（熱膨張係数約４〜７ｐｐｍ／Ｋ）で作製されているものとする。この場合、お互いの熱膨張係数差が小さいため、接合層３６での残留応力を低減できる。

接合層３６は、セラミックス基体２２とベース基体３２との間に厚さ５０〜２００μｍのアルミニウム合金シート３８（図４参照）を挟み、加熱・加圧することでアルミニウム合金シート３８を機械的に圧接したものである。このように接合層３６は、機械的な圧接により形成されているため、ろう付けを用いた場合のようなポアが生じず、実質的に広い接合面積を確保できる。なお、アルミニウム合金シート３８は、３つのリフトピン挿通孔２６に対向する位置及び端子孔２８，３０に対向する位置にそれぞれ貫通孔を有している。

次に、加圧治具４０について説明する。加圧治具４０は、本考案の一実施形態である加圧治具セットを構成する部品であり、この加圧治具４０が一対となったものが加圧治具セットである。図２は加圧治具４０の説明図である。加圧治具４０は、カーボンプレート製であり、ベース基体３２の裏面の大きさに合うように形成されている。この加圧治具４０には、図３に示すように、３つのリフトピン挿通孔２６（図１参照）に対向する位置にそれぞれ貫通孔４６が設けられている。また、加圧治具４０は、一方の面４０ａは平坦になっているが、他方の面４０ｂにはベース基体３２のリング状の凹部３４と同形状の窪み４４が形成されている。なお、面４０ｂのうち、窪み４４以外の部分は中央の円形凸部４１と外周のリング状凸部４３となっている。

次に、グラファイトシート５０について説明する。グラファイトシート５０は、加圧治具４０によってセラミックス基体２２やベース基体３２の当接面が傷つけられないようにするためのものであり、加圧治具４０とセラミックス基体２２との間や加圧治具４０とベース基体３２との間に挿入される。図３はグラファイトシートの説明図である。グラファイトシート５０は、天然の膨張黒鉛を原料とするシートであり、黒鉛本来の耐熱・耐薬品・異方性といった長所をそのまま保持すると共に、軽量・柔軟性・弾性などの性質を兼ね備えているものである。こうしたグラファイトシート５０としては、例えばグラフテック（Graftech）社のグラフォイルなどを使用することができる。このグラファイトシート５０には、３つのリフトピン挿通孔２６（図１参照）に対向する位置にそれぞれ貫通孔５６が設けられている。なお、グラファイトシート５０は、表裏両面とも平坦に形成されている。

次に、加圧治具セットを用いて基板載置台２０を製造する工程について説明する。図４は一対の加圧治具４０に基板載置台２０の構成部品をセットする様子を示す説明図である。まず、作業台６２に加圧治具４０をリング状の窪み４４が上向きになるように載せる。この加圧治具４０の３つの貫通孔４６にそれぞれ位置決めピンＰを挿入する。続いて、グラファイトシート５０を、３つの貫通孔５６が位置決めピンＰに挿入されるように位置を調整して加圧治具４０に重ね合わせる。続いて、基板載置面２２ａを下向きにしたセラミックス基体２２、アルミニウム合金シート３８、凹部３４を上向きにしたベース基体３２、グラファイトシート５０及びリング状の窪み４４を下向きにした加圧治具４０を、この順に位置決めピンＰに挿入していき、ワークＷとする。図５はワークＷの断面図である。このワークＷは、セラミックス基体２２とアルミニウム合金シート３８とベース基体３２とが積層された積層体６０を一対の加圧治具４０で挟んだものである。このとき、一対の加圧治具４０の窪み４４は、いずれもベース基体３２に投影したときの投影パターンがベース基体３２の凹部３４と一致する。その後、ワークＷの側面の数カ所を焼成用仮止めテープで固定し、位置決めピンＰを外して図示しない加圧加熱装置に入れる。加圧加熱装置は加熱部に一軸加圧方式の円柱形状をした上下ラムがあり、ラムは油圧により加圧される。上下ラムの間に加圧冶具４０を挟みこむ。そして、一対の加圧治具４０が互いに接近する方向に力を付与してアルミニウム合金シート３８に所定の加圧荷重（例えば４．９〜１９．６ＭＰａ（５０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ²））が加わるようにすると共に、１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下の真空中でアルミニウム合金シート３８をその固相線温度以上液相線温度以下に加熱する。加熱温度は、アルミニウム合金シート３８がＳｉを１０ｗｔ％、Ｍｇを１．５ｗｔ％含むアルミニウム合金製の場合には、固相線温度が５６０℃であるため、５００〜５６０℃とする。こうすることにより、アルミニウム合金シート３８は機械的な圧接により接合層３６となり、セラミックス基体２２とベース基体３２とが接合層３６で接合された基板載置台２０が得られる。

実際に、このワークＷを加圧加重９．８ＭＰａ（１００ｋｇｆ／ｃｍ²）で加圧すると共に、約１Ｐａの真空中、５３０〜５５５℃で処理したあと室温まで冷却し、加熱加圧装置から取りだしたところ、セラミックス基体２２のうちベース基体３２の凹部３４を投影した凹部投影部２３（図５の網掛け部）にもその他の箇所にも破損のない基板載置台２０が得られた。これに対して、表裏両面とも平坦な一対の加圧治具を用いて同じ条件で加熱加圧処理を行ったところ、セラミックス基体２２は凹部投影部２３で破損していた。

以上詳述した本実施形態の加圧治具セットによれば、一対の加圧治具４０を介して積層体６０を加圧した場合、セラミックス基体２２のうちベース基体３２の凹部３４を投影した凹部投影部２３に曲げ応力が加わることはほとんどないため、セラミックス基体２２とベース基体３２との機械的圧接による接合を良好に実施することができる。

また、加圧治具４０とセラミックス基体２２との間や加圧治具４０とベース基体３２との間には柔軟性のあるグラファイトシート５０が挿入されているため、加熱加圧処理を行うときに各基体２２，３２が加圧治具４０によって傷つけられることがない。

更に、一対の加圧治具４０は、ベース基体３２の凹部３４以外の部分つまり中央の円形凸部４１と外周のリング状凸部４３とを加圧するため、アルミニウム合金シート３８のうちこの円形凸部４１及びリング状凸部４３に対向する部分が強く圧接されて緊密に接合される。こうした円形凸部４１及びリング状凸部４３に対向する部分には、リフトピン挿通孔２６や端子孔２８，３０（図１参照）が形成されるため高い気密性が要求されるが、一対の加圧治具４０を用いた場合にはこの部分が緊密に接合されるため、その要求に応えることができる。

なお、本考案は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本考案の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態の加圧治具４０は、図６に示すように、表裏両面が平坦な治具本体１４０の裏面に、円形凸部４１と同形状の第１治具付加体１４１及びリング状凸部４３と同形状の第２治具付加体１４３を接合することにより作製されたものであってもよい。こうすれば、一枚のカーボンプレートの裏面に切削加工などによりリング状の窪み４４を形成する場合に比べて容易に窪み４４を形成することができる。

上述した実施形態では、ベース基体３２の凹部３４を冷媒ユニットを配置するためのものとしたが、凹部３４の用途は冷媒ユニットを配置するために限定されるものではなく、例えば何らかの部品を設置するためのスペースであってもよい。

上述した実施形態では、セラミックス基体２２とベース基体３２とをアルミニウム合金シート３８を介して接合する場合を例示したが、ベース基体３２とグラファイトシート５０との間に、アルミニウム合金シートと高融点金属シート（例えばモリブデンシート）とを挿入して、セラミックス基体２２とベース基体３２とをアルミニウム合金シート３８を介して接合すると同時に、ベース基体３２と高融点金属シートとをアルミニウム合金シートを介して接合するようにしてもよい。ベース基体３２とグラファイトシート５０との間に挿入する各シートは、円形凸部４１とリング状凸部４３に対応する大きさのものを使用する。こうすれば、特開２００８−１０３７１３号公報に開示されている金属板付きの基板載置台を作製することができる。

上述した実施形態では、ベース基体３２はコンポジット材製であるとしたが、セラミックス基体２２と同質又は異質のセラミックス材で作製されたものを使用してもよい。

２０ 基板載置台、２２ セラミックス基体、２２ａ 基板載置面、２３ 凹部投影部、２４ 抵抗発熱体、２６ リフトピン挿通孔、２８，３０ 端子孔、３２ ベース基体、３４ 凹部、３６ 接合層、３８ アルミニウム合金シート、４０ 加圧治具、４０ａ 一方の面、４０ｂ 他方の面、４１ 円形凸部、４３ リング状凸部、４４ 窪み、４６，５６ 貫通孔、５０ グラファイトシート、６０ 積層体、６２ 作業台、１４０ 治具本体、１４１ 第１治具付加体、１４３ 第２治具付加体。

Claims (2)

1. 表裏両面が平坦であるセラミックス基体と、表面が平坦で裏面に凹部が形成されているベース基体とを、前記セラミックス基体の裏面と前記ベース基体の表面との間に加熱加圧処理で接合される接合シートを介在させた状態で積層して積層体とし、その積層体を挟んで加圧するための一対の加圧治具からなる加圧治具セットであって、
   一方の加圧治具は、前記積層体のうち前記ベース基体の裏面と接触する面に窪みを有し、該窪みは、前記ベース基体に投影したときの投影パターンが該ベース基体の凹部と一致する形状に形成され、
   他方の加圧治具は、前記積層体のうち前記セラミックス基体の表面と接触する面に窪みを有し、該窪みは、前記ベース基体に投影したときの投影パターンが該ベース基体の凹部と一致する形状に形成されている、
   加圧治具セット。
2. 前記加圧治具は、表裏両面が平坦な治具本体の裏面に所定形状の治具付加体を接合したものであり該治具付加体以外の部分が前記窪みを形成している、
   請求項１に記載の加圧治具セット。
   
   

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