JP3447495B2 - ウエハ保持装置の給電構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハなど
のウエハを保持する静電チャックやヒータ内蔵型サセプ
タなど、セラミック基体の内部に吸着用電極やヒータ電
極、あるいは高周波発生用電極を備えるウエハ保持装置
の給電構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造工程において
は、半導体ウエハ（以下、ウエハと略称する）を高精度
に保持するために静電チャックやヒータ内蔵型サセプタ
などのウエハ保持装置が使用されている。

【０００３】例えば、図５に静電チャック５１の縦断面
図を示すように、セラミック基体５２の上面を保持面５
５とし、内部の上方に吸着用電極５３を、下方にヒータ
電極５４をそれぞれ埋設したものがあった。そして、上
記静電チャック５１の保持面５５にウエハ５０を載置
し、ウエハ５０と吸着用電極５３との間に電圧を印加す
ることで、誘電分極によるクーロン力や微小な漏れ電流
によるジョンソン・ラーベック力を発現させてウエハ５
０を保持面５５に吸着保持するとともに、ヒータ電極５
４に通電することによりウエハ５０を加熱するようにな
っていた。

【０００４】また、上記セラミック基体５２に埋設する
吸着用電極５３やヒータ電極５４などの内部電極への給
電構造は、セラミック基体５２の裏面５６に給電端子５
７，５８を取り付けるための固定孔５６ａ，５６ｂを前
記内部電極５３，５４と連通するように穿設し、該固定
孔５６ａ，５６ｂの側壁面にメタライズ層５９を形成し
たあと、外径が３〜１０ｍｍ程度の給電端子５７，５８
を挿入し、固定孔５６ａ，５６ｂ及び内部電極５３，５
４とロウ付け固定することにより導通をとるようにした
ものがあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前述のよう
な給電構造をもった静電チャック５１では次のような課
題があった。

【０００６】給電端子５７，５８をロウ付け固定する場
合、９００℃程度の高温に加熱しなければならないこと
から、大きな断面積を有する給電端子５７，５８をセラ
ミック基体５２の固定孔５６ａ，５６ｂにロウ付け固定
すると、給電端子５７，５８とセラミック基体５２との
間の熱膨張差に起因して接合部分に歪みが残留し、十分
な設計、検証がなされていないとセラミック基体５２が
破損する恐れがあった。

【０００７】しかも、セラミック基板５２に埋設する内
部電極５３，５４は厚みが数μｍから数十μｍと極めて
薄い金属膜であることから、内部電極５３，５４に直接
接合した給電端子５７，５８に数アンペアから数十アン
ペアもの電流を印加しながら加熱および冷却を繰り返す
と、繰り返し疲労により内部電極５３，５４の断線を生
じるといった課題があった。特に、セラミック基体５２
を金属との熱膨張差が大きく、かつ他のセラミックスに
比べて機械的強度が若干劣る窒化アルミニウムにより形
成したものでは、これらの問題は顕著であった。

【０００８】また、内部電極５３，５４への他に給電構
造として、内部電極５３，５４と給電端子５７，５８と
をかしめ圧着したり、給電端子５７，５８を焼き嵌めに
より固定する方法も提案されている（特開平４−１０４
４９４号公報参照）が、かしめ圧着や焼き嵌めでは、製
作上のばらつきが大きく信頼性に欠けるものであった。

【０００９】

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、セラミック基体の上面を保持面とし、内部に
吸着用電極、ヒータ電極、高周波発生用電極の少なくと
も一つの電極を備えてなるウエハ保持装置の給電構造と
して、上記セラミック基体の裏面に給電端子を取り付け
るための固定孔を前記電極を貫通して穿設し、その内壁
にメタライズ層を形成するとともに、上記固定孔の内壁
の側壁面又は底面のいずれか一方と給電端子をロウ付け
固定したものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１２】図１（ａ）は本発明に係る給電構造を有す
るウエハ保持装置の一例である静電チャック１を示す斜
視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図であり、セラミ
ック基体２の上面を保持面５とするとともに、内部の上
方に吸着用電極３を、下方にヒータ電極４をそれぞれ埋
設してあり、セラミック基体２の裏面６には上記吸着用
電極３及びヒータ電極４にそれぞれ通電するための給電
端子７，８を固定してある。

【００１３】そして、上記静電チャック１の保持面５に
半導体ウエハ５０（以下、ウエハと略称する）を載置
し、上記吸着用電極３との間に電圧を印加することで誘
電分極によるクーロン力や微小な漏れ電流によるジョン
ソン・ラーベック力を発現させ、ウエハ５０を保持面５
の平坦精度にならわせて吸着保持させるとともに、ヒー
タ電極４に電圧を印加することで、ウエハ５０を均一に
加熱するようにしてある。

【００１４】このような静電チャック１を構成するセラ
ミック基体２としては、アルミナ、窒化アルミニウム、
窒化珪素、炭化珪素、チタン酸バリウム、チタン酸カル
シウム、イットリウム−アルミニウム−ガーネット、イ
ットリアなどのセラミックスを採用すれば良い。この中
でも特に窒化アルミニウムは、セラミックスの中でも高
い熱伝導率を有することから、保持面５に吸着保持した
ウエハ５０を所望の温度に直ちに加熱し、加熱ムラを生
じることなく均一に加熱することができるとともに、成
膜工程やエッチング工程で使用されているハロゲン系腐
食性ガスに対して優れた耐蝕性を有することから、静電
チャック１を構成するのに好適である。

【００１５】なお、上記静電チャック１の保持面５は、
ウエハ５０を歪ませることなく吸着保持するために平坦
度が１０μｍ以下の極めて平坦な面に仕上げてある。

【００１６】ところで、セラミック基体２に埋設する吸
着用電極３やヒータ電極４などの内部電極への給電構造
としては、セラミック基体２の裏面６に給電端子７，８
を取り付けるための固定孔６ａ，６ｂを前記内部電極
３，４を貫通して穿設するとともに、給電端子７，８を
固定孔６ａ，６ｂの内壁の側壁面又は底面のいずれか一
方とロウ付け固定すれば良い。

【００１７】以下、内部電極３，４への給電構造の詳細
について、ヒータ電極４への給電構造を例にとって説明
する。

【００１８】図２は、図１のＡ部を示す拡大図であり、
セラミック基体２の裏面６に給電端子８を取り付けるた
めの固定孔６ｂをヒータ電極４を貫通して穿設するとと
もに、上記吸着用電極３を含む固定孔６ｂの側壁面６１
ｂ及び底面６２ｂにメタライズ層１５を形成してある。
なお、メタライズ層１５の層厚みとしては数十μｍ程度
あれば良い。

【００１９】そして、上記固定孔６ｂの側壁面６１ｂに
ロウ材９を塗布しつつ給電端子８を挿入し、所定の高温
雰囲気で加熱することでロウ付け固定するのであるが、
上記給電端子８は内部に内孔８ａを持った中空構造の給
電端子８を固定したものである。

【００２０】即ち、給電端子８をロウ付け固定するには
９００℃程度の高温で加熱する必要があることから、内
孔を有していない中実構造の給電端子８を用いると給電
端子８の軸方向ならびに軸に対して垂直な方向における
セラミック基体２との間の熱膨張差が大きすぎるため
に、固定孔６ｂのコーナー部６３に応力が集中してクラ
ックが発生するのであるが、本発明は、中空構造の給電
端子８を用いて固定孔６ｂの側壁面６１ｂとのみロウ付
け固定し、底面６２ｂとはロウ付けしていないことか
ら、給電端子８の軸方向と垂直な方向の応力を緩和して
固定孔６ｂのコーナー部６３における応力集中を抑制す
るとともに、固定孔６ｂの側壁面６１ｂにはメタライズ
層１５を形成してロウ材９が分散し易くしてあるため、
熱膨張差に伴う応力を吸収してセラミック基体２の破損
を防止することができる。

【００２１】しかも、給電端子８を固定する固定孔６ｂ
は薄肉のヒータ電極４を貫通して穿設し、かつ上記ヒー
タ電極４を含む固定孔６ｂの側壁面６１ｂにメタライズ
層１５を形成してヒータ電極４と導通がとれるようにし
てあることから、静電チャック１を高温に加熱するため
に大きな電圧を印加してもヒータ電極４の断線を生じる
ことなく確実に通電することができる。

【００２２】このように、本発明によれば、固定孔６ｂ
をヒータ電極４を貫通して形成し、その側壁面６１ｂ及
び底面６２ｂにメタライズ層１５を形成するとともに、
中空構造の給電端子８をロウ付け固定して、固定孔６ｂ
の側壁面６１ｂとのみロウ付け固定する構造としてある
ことから、ロウ付け固定時における加熱においてセラミ
ック基体２を破損することがなく、また、ヒータ電極４
への通電による加熱、冷却の繰り返しにおいてもヒータ
電極４の断線及びセラミック基体２の破損を生じること
がない。

【００２３】ところで、中空構造の給電端子８とは、図
３（ａ）〜（ｃ）に示すような、断面形状が円形や楕円
形をしたもの、あるいは四角形などの多角形をした内孔
８ａを有するものなど、少なくとも給電端子８の先端部
に内孔８ａを有するものであれば良く、必ずしも貫通し
ている必要はない。さらに、図３（ｄ）に示すように、
円筒状をした給電端子８にスリット８１を設けることで
さらに応力を緩和することができる。また、給電端子８
の外形状においても円筒状をしたものだけに限らず、楕
円や角柱をしたものであっても構わない。

【００２４】なお、給電端子８の好ましい寸法として
は、内径ｄに対する最大外径Ｄの割合が２以下の範囲に
あるものが良い。

【００２５】これは、内径ｄに対する外径Ｄの割合が２
より大きくなると、給電端子８の先端部における肉厚が
厚くなりすぎるために、固定孔６ｂのコーナー部６３に
発生する応力を充分に吸収することができなくなるから
である。

【００２６】ただし、給電端子８の内径ｄとは内孔８ａ
の最も短い部分の長さのことであり、外径Ｄとは外周部
において最も長い部分の長さのことである。

【００２７】さらに、セラミック基体２の裏面６と給電
端子８との間に逆Ｒ状のメニスカスを形成すれば、熱膨
張差に起因する応力集中をさらに吸収することができ
る。

【００２８】なお、上記給電端子８とリード線１１の接
続は、図２に示すように、給電端子８の内孔８ａの後端
部に雌ネジ部８ｂを設け、該雌ネジ部８ｂにリード線１
１を接続した雄ネジ１０ａをもった取付金具１０を螺合
して通電すれば良く、また、リード線１１を給電端子８
の内孔８ａに直接接合しても良い。

【００２９】次に、ヒータ電極４への他の給電構造を説
明する。

【００３０】図４は図２と同様にヒータ電極４への他の
給電構造を示す拡大図であり、セラミック基体２の裏面
６に給電端子８を取り付けるための固定孔６ｂをヒータ
電極４を貫通して穿設するとともに、上記ヒータ電極４
を含む固定孔６ｂの側壁面６１ｂ及び底面６２ｂにメタ
ライズ層１５を形成してある。なお、メタライズ層１５
の層厚みとしては数十μｍ程度あれば良い。

【００３１】そして、上記固定孔６ｂの底面６２ｂにの
みロウ材９を塗布して給電端子８をロウ付け固定したも
のである。

【００３２】このように、給電端子８の先端面と固定孔
６ｂの底面６２ｂにのみロウ付け固定すれば、熱膨張差
に伴う給電端子８の軸方向の応力が皆無となるために、
固定孔６ｂのコーナー部６３における応力集中を抑制
し、セラミック基体２の破損を防ぐことができる。

【００３３】しかも、給電端子８を固定する固定孔６ｂ
は薄肉のヒータ電極４を貫通して穿設するとともに、上
記ヒータ電極４を含む固定孔６ｂの側壁面６１ｂ及び底
面６２ｂにはメタライズ層１５を形成してヒータ電極４
と導通がとれるようにしてあることから、静電チャック
１を高温に加熱するために大きな電圧を印加してもヒー
タ電極４の断線を生じることなく確実に通電することが
できる。

【００３４】なお、このような構造とすれば、給電端子
８は中空構造だけに限らず図４に示すように中実構造の
ものであっても構わない。また、上記給電端子８とリー
ド線１１の接続は、図４に示すように、給電端子８の雄
ネジ８ｃと、リード線１１を接合した円筒状の取付金具
１０の内孔１０ｂに形成する雌ネジ１０ｃとを螺合して
導通をとるようにすれば良い。

【００３５】また、図４では、給電端子８の先端面と固
定孔６ｂの底面６２ｂにのみロウ付け固定した例を示し
たが、逆に、給電端子８の外周面と固定孔６ｂの側壁面
６１ｂにのみロウ付け固定しても良く、この場合、熱膨
張差に伴う給電端子８の軸方向に対して垂直な方向の応
力が皆無となるために、図４に示す給電構造と同様に固
定孔６ｂのコーナー部６３における応力集中を抑制して
セラミック基体２の破損を防ぐことができる。

【００３６】これら図２及び図４に示す給電構造のよう
に、固定孔６ｂをヒータ電極４を貫通して穿設し、その
側壁面６１ｂ及び底面６２ｂにメタライズ層１５を形成
したあと、上記側壁面６１ｂ又は底面６２ｂのいずれか
一方のみに給電端子８をロウ付け固定する構造とすれ
ば、接合時及び使用時においてセラミック基体２の破損
及びヒータ電極４の断線を生じることがない。

【００３７】ただし、固定孔６ｂに形成するメタライズ
層１５は少なくとも側壁面６１ｂに形成してあれば良
く、底面６２ｂに給電端子８をロウ付けする場合には、
底面６２ｂにもメタライズ層１５を形成すれば良い。

【００３８】なお、本発明に係る給電構造において、ヒ
ータ電極４に通電するための給電端子８の材質として
は、高い耐熱性を有するとともに、セラミック基体２の
熱膨張係数に近似したものが良く、例えば、タングステ
ン、モリブデン、タンタル、コバールなどの金属により
形成すれば良い。これらの金属は５００℃程度の高温下
でも使用可能であるとともに、熱膨張係数が３×１０^-6
〜７×１０^-6／℃とセラミック基体２の熱膨張係数（３
×１０^-6〜７．８×１０^-6／℃）と近似していることか
ら、セラミック基体２に加わる応力を軽減することがで
きる。

【００３９】また、図２又は図４においてはヒータ電極
４への給電構造を例にとって説明したが、図１の静電チ
ャック１における吸着用電極３への給電構造も同様の構
造としてあり、給電端子７の接合時は勿論のこと、大き
く吸着力を得るために吸着用電極３に大きな電圧を印加
してもセラミック基体２の破損及び吸着用電極３の断線
を生じることがない。

【００４０】さらに、図１にはセラミック基体２の内部
に吸着用電極３とヒータ電極４を埋設した例を示した
が、さらに、高周波発生用電極を埋設しても良く、この
電極への給電構造も図２に示すヒータ電極４と同様の給
電構造を用いれば良い。

【００４１】以上のように、図１では静電チャック１を
例にとって説明したが、本発明はヒータ電極や高周波発
生用電極を内蔵したサセプタなど、セラミック基体２の
内部に電極を内蔵するウエハ保持装置にも適用できるこ
とは言うまでもない。

【００４２】

【実施例】

（実施例１）ここで、図２及び図４に示す本発明の給電
構造を用いた図１の静電チャック１と、従来の給電構造
を用いた図５の静電チャック５１を試作し、給電端子
７，８，５７，５８の接合実験を行った。

【００４３】本実験で使用する静電チャック１，５１
は、まず、平均粒子径が１．２μｍ程度である純度９
９．９％のＡｌＮ粉末にバインダーと溶媒のみを添加混
合して泥漿を製作し、ドクターブレード法により厚さ
０．４ｍｍ程度のグリーンシートを複数枚成形した。こ
のうち２枚のグリーンシートにＡｌＮ粉末を混ぜたタン
グステン（Ｗ）のペーストをスクリーン印刷機でもって
敷設して吸着用電極３，５３をなす金属ペースト膜とヒ
ータ電極４，５４をなす金属ペースト膜をそれぞれに形
成した。そして、各金属ペースト膜を敷設したグリーン
シートと残りのグリーンシートを積層して８０°Ｃ、５
０ｋｇ／ｃｍ² の圧力で熱圧着してグリーンシート積層
体を形成したあと切削加工を施して円板状とし、該円板
状のグリーンシート積層体を真空脱脂し、しかるのち、
真空雰囲気にて２０００℃程度の温度で５時間焼成し
て、外径２００ｍｍ、肉厚１０ｍｍで、かつ内部に膜厚
１５μｍ程度の吸着用電極３，５３とヒータ電極４，５
４をそれぞれ備えるセラミック基体２，５２を形成し、
吸着用電極３，５３が埋設されている側のセラミック基
体２，５２の表面に研磨加工を施して保持面５を形成す
ることにより製作した。

【００４４】そして、本発明のものとして、静電チャッ
ク１の裏面６に前記吸着用電極３及びヒータ電極４を貫
通する固定孔６ａ，６ｂをそれぞれ穿設し、この側壁面
６１ｂ及び底面６２ｂにメタライズ層１５を形成したあ
と、図２及び図４の給電構造を用いてモリブデンからな
る給電端子７，８をロウ付け固定し、比較例として、静
電チャック５１の裏面５６に給電端子５７，５８を取り
付けるための固定孔５６ａ，５６ｂを前記内部電極５
３，５４を貫通することなく連通するように穿設し、該
固定孔５６ａ，５６ｂの側壁面にメタライズ層５９を形
成したあと、モリブデンからなる給電端子７，８をロウ
付け固定した。

【００４５】なお、給電端子７，８の寸法はいずれも外
径Ｄ１０ｍｍの円柱状をしたものを使用し、図２の給電
構造に用いる給電端子７，８には外径Ｄ１０ｍｍ、内径
ｄ６ｍｍの円筒状をしたものを使用した。また、メタラ
イズ層１５，５９を構成する金属には、銀、銅、チタン
の合金を、ロウ材９には銅と銀を重量比で８：２の割合
で含有してなる銀銅ロウを使用し、それぞれ９００℃の
温度でロウ付け固定した。

【００４６】この結果、従来の給電構造を有する静電チ
ャック５１では、給電端子５８とセラミック基体５２と
の間の熱膨張差に起因する熱応力が大きすぎるためにセ
ラミック基体５２にクラックが発生したのに対し、図２
及び図４に示す本発明の給電構造を有する静電チャック
１においてはセラミック基体２の破損は見られなかっ
た。

【００４７】（実施例２）次に、図１に示す静電チャッ
ク１のヒータ電極４に、図２に示す給電構造を用いて外
径Ｄ／内径ｄ比が異なる円筒状の給電端子８をロウ付け
固定し、該給電端子８に２ｋＷの電力を印加して、１０
０℃／分の急加熱を行う実験を行った。

【００４８】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００４９】

【表１】

【００５０】この結果、外径Ｄ／内径ｄ比が２より大き
くなると円筒状の給電端子８を使用したとしても給電端
子８とセラミック基体２との間の熱膨張差に起因する応
力を緩和する効果が小さく、固定孔６ｂのコーナー部６
３を起点とするクラックが発生した。

【００５１】これに対し、外径Ｄ／内径ｄ比が２より小
さい範囲では急加熱を繰り返したとしてもセラミック基
体２の破損は見られなかった。

【００５２】このことから、中空構造の給電端子８を用
いる場合、外径Ｄ／内径ｄ比が２より小さい給電端子８
を用いれば、加熱、冷却の繰り返しにおいてもセラミッ
ク基体２にクラックを生じることなく強固に固定できる
ことが判る。

【００５３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、セラミ
ック基体の上面を保持面とし、内部に吸着用電極、ヒー
タ電極、高周波発生用電極などの内部電極を備えてなる
ウエハ保持装置の給電構造として、上記セラミック基体
の裏面に給電端子を取り付けるための固定孔を前記電極
を貫通して穿設し、その内壁にメタライズ層を形成する
とともに、上記固定孔の内壁の側壁面又は底面のいずれ
か一方のみにロウ付けでもって給電端子を接合したこと
から、給電端子のロウ付け固定時におけるセラミック基
体の破損を防ぐことができるとともに、ロウ付け固定後
の内部応力を緩和することができるため、熱サイクルに
伴う急加熱の繰り返しにおいてもセラミック基体を破損
させたり、内部電極の断線を生じることなく、強固に固
定することができ、各電極に確実に通電することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る給電構造を有するウエハ
保持装置の一例である静電チャック１を示す斜視図であ
り、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

【図２】図１のＡ部を示す拡大図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る給電構造に用い
るさまざまな形状を有する給電端子を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明に係る他の給電構造を示す拡大図であ
る。

【図５】従来の静電チャックを示す縦断面図である。

【符号の説明】

１…静電チャック ２…セラミック基体 ３…吸着用電
極 ４…ヒータ電極 ５…保持面 ６…裏面 6a，6b…固定孔 61b …側壁面
62b …底面 ７，８…給電端子 ９…ロウ材 10…取付金具 11…リ
ード線 15…メタライズ層 50…半導体ウエハ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック基体の上面を保持面とし、内部
   に少なくとも一つの電極を備えてなるウエハ保持装置に
   おいて、上記セラミック基体の裏面に給電端子を取り付
   けるための固定孔を前記電極を貫通して穿設し、その内
   壁にメタライズ層を形成するとともに、上記固定孔の内
   壁の側壁面又は底面のいずれか一方と給電端子をロウ付
   け固定してなるウエハ保持装置の給電構造。
2. 【請求項２】上記給電端子が中空構造をしたものである
   請求項１に記載のウエハ保持装置の給電構造。
3. 【請求項３】上記セラミック基体の内部に備える電極
   が、吸着用電極、ヒータ電極、高周波発生用電極のいず
   れかである請求項１に記載のウエハ保持装置の給電構
   造。