JP3622353B2 - Electrostatic chuck stage and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に用いられるシリコンウェハ固定用の静電チャックステージ、詳しくは高温下で使用可能な静電チャックステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造過程において、プラズマ雰囲気下でシリコンウエハにエッチング処理等を施す場合、プラズマの熱によりシリコンウエハの表面は高温になり、表面のレジスト膜がバーストする等の問題が生じる。そこで、シリコンウエハを固定している静電チャックの下面に金属プレートを設け一体化し、金属プレート内に設けられた流路に冷媒を循環させて熱交換を行い、シリコンウエハの冷却を行っている。
【０００３】
この静電チャックと金属プレートを一体化する方法として、樹脂等の接着剤により静電チャックと金属プレートとを接合するもの、特開平３−３２４９号のように、アルミニウムからなる水冷電極とセラミックからなる静電チャックの接合する夫々の面にＩｎ層をメッキして、１７０℃以下で融着させるもの、あるいは特開平８−８３３０のように、誘電体セラミックと金属板をＭｏからなる中間層を介して２００℃で加熱接合するもの等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
静電チャックとその下面に設置されるプレートとを樹脂等の接着剤で接合した場合、高温下での使用ができないばかりか、比較的低温下の使用でも、樹脂の熱伝導率が低いため、接着界面で大きな熱抵抗が生じ、ウエハの温度制御が困難になるという問題があった。
また、熱伝導を良くするために、プレートの材質としてアルミニウムを利用した場合、アルミニウムとセラミックスの熱膨張率の大きな違いにより、低温にて接合せざるを得ず、熱膨張率の差に起因するセラミックの破損を避けるため、半導体製造過程の中で高温下で使用されるものには利用できないといった問題点もあった。
さらに、Ｍｏ等を中間層に利用して接合する場合、接合前にＭｏの両面にもＮｉメッキ等が必要となり、工程が増え、接合に手間がかかるという問題もあった。
【０００５】
別の観点からは、ＬＳＩの設計ルールが０、１８ｕｍ以下となれば、ＥＣＲ、ＩＣＰ、ヘリコン波プラズマ等の高密度プラズマプロセスにおいて、プラズマによる供給熱量が、従来の５００Ｗ程度から２０００〜６０００Ｗ程度へと増加することが想定され、熱通過が良好である静電チャックステージや、高温でも使用出来る静電チャックステージの要望が強くなると考えられる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題に鑑みなされたもので、
静電チャック用セラミックス焼結体プレートと、セラミックとアルミニウムとの複合材プレートとを接合したことを特徴とする静電チャックステージを提供する。
セラミックとアルミニウムとの複合材はアルミニウムに比べ、熱膨張率が小さく、静電チャック用セラミックス焼結体の熱膨張率に近いため、高温で接合しても熱膨張率差により割れる恐れがない。また、高温接合が可能なことから、ハンダ又はろう材の選定種類が増え、ハンダ又はろう材の選択により高温下で使用可能な静電チャックステージとなる。尚、ここで述べる高温とは、接合温度に関して少なくとも２００℃以上、静電チャックステージの使用環境としては少なくとも１２０℃以上のことをいう。
【０００７】
本発明のより好ましい態様においては、セラミックス焼結体プレートと、セラミックとアルミニウムとの複合材プレートとの接合はハンダ又はろう材を介して行われる。
ハンダ又はろう材を介することにより、セラミック焼結体プレートと複合材プレートの接合不良をなくすことが可能となる。また、ハンダ又はろう材を利用することにより、接合をボルトで行う場合、あるいは樹脂で行う場合に比べセラミック焼結体プレートから複合材プレートへの熱伝導を向上させ、静電チャック用のセラミック焼結体プレート効率良い冷却が可能となる。
【０００８】
本発明のより好ましい態様においては、セラミックとアルミニウムとの複合材のセラミックはＳｉＣである。
ＳｉＣは他のセラミックに比べ、熱伝導性が良く、アルミニウムとの複合材化による熱伝導率の低下が少ない。また、複合材化によりアルミニウムに比べ高い弾性率となり、加工時の表面精度を向上させることが可能となる。
【０００９】
本発明のより好ましい態様においては、セラミックとアルミニウムとの複合材の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。
セラミック焼結体と接合する複合材の熱伝導率を１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることにより、セラミック焼結体プレートの効率良い冷却が可能となる。
【００１０】
本発明にあっては、セラミックとアルミニウムとの複合材中のセラミックの体積割合は、２０〜４０ｖｏｌ％または２５〜３４ｖｏｌ％である。熱膨張率を重視する場合は、セラミックの体積割合を高くし、熱伝導率を重視する場合はセラミックの体積割合を少なくする等あらゆるニーズに対応できる静電チャックステージを容易に得ることができる。
【００１１】
本発明のより好ましい態様においては、セラミックとアルミニウムとの複合材の表面を陽極酸化被膜処理する。
複合材の陽極酸化被膜処理により、静電チャックステージをプラズマプロセスに使用した場合、複合材の表面、側面へのプラズマの回り込みや異常放電を防ぐことが可能となり、プラズマプロセスの効率を向上させることができる。
【００１２】
本発明では、静電チャック用セラミックス焼結体プレートと、セラミックとアルミニウムとの複合材プレートとをハンダ又はろう材を介して接合する静電チャックステージの製造方法において、該複合材中のセラミックの割合に応じて、接合温度を１５０〜６３０℃の範囲で選択して一体に接合する静電チャックステージの製造方法を提供する。
セラミックとアルミニウムの複合材は、複合材中のセラミックの体積割合に応じて熱膨張率が変化する。したがって、熱膨張率がセラミック焼結体プレートの熱膨張率に近い複合材であれば、多種類のハンダ又はろう材から選択して接合することが可能となり、より高温下で静電チャックステージを使用する場合、その中で最も高温のろう材を採用し、対応することが可能となる。
【００１３】
本発明の他の態様としては、静電チャック用セラミックス焼結体プレートと、２５〜３４ｖｏｌ％のセラミックを含有するアルミニウム複合材プレートとを、融点または液層温度が２４５℃以下であるハンダを用いて接合する。セラミックの割合を少なくすることにより、アルミニウムの靭性を活かした複雑形状のプレートの作製が容易となる。
【００１４】
参考例として、静電チャック用セラミックス焼結体プレートと、３５〜６０ｖｏｌ％のセラミックを含有するアルミニウム複合材プレートとを、融点または液層温度が４５１℃以下であるハンダを用いて接合する。こうすることにより、高温下で使用可能な静電チャックステージの作製が可能となる。
【００１５】
参考例として、静電チャック用セラミックス焼結体プレートと、６１〜７０ｖｏｌ％のセラミックを含有するアルミニウム複合材プレートとを、融点または液層温度が６１５℃以下であるハンダまたはろう材を用いて接合する。こうすることにより、５００℃を越える非常に高温下で使用可能な静電チャックステージの作製が可能となり、その用途が広がる。
【００１６】
本発明の他の態様としては、静電チャック用セラミックス焼結体プレート下面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなる活性金属メタライズを施した後、ハンダまたはろう材で接合する。
活性金属でメタライズすることにより、よりセラミック焼結体プレートと複合材プレートの接合が容易となる。
【００１７】
本発明の他の態様としては、静電チャック用セラミックス焼結体プレートとアルミニウム複合材プレートとの接合面積の割合が両者の重なる面積に対し９０％以上とする。
接合面積の割合を９０％以上とすることにより、セラミックス焼結体プレートひいてはシリコンウェハの冷却効率を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
静電チャック用セラミック焼結体プレートと、熱膨張率の近似したセラミック分散アルミニウム複合材プレートとを接合すると、複合材プレートの裏面から直接媒体（水、フロン、シリコンオイル等）に熱放散することが可能となり、大出力のプラズマプロセスや高温での使用に際してもセラミックス焼結体プレートにクラックを生じることがなくなる。また、ハンダまたはろう材の熱伝導率は樹脂系の接着剤が１Ｗ／ｍＫ程度であるのに比べ非常に高く、接触界面での熱抵抗を小さくすることができるので、媒体を介して効率の良い冷却又は保温と行った温度調整が行える。さらに接合が面接触であるため、残留応力や熱応力による応力集中を回避でき、接合時や半導体プロセス時の熱応力による静電チャック自体にクラックが発生するのを抑えることができる。
【００１９】
ここで、静電チャック用セラミック焼結体プレートと、静電チャック用バックプレートであるセラミック・アルミニウム複合材プレートとの線膨張率差を小さくし、接合による残留応力を小さくするとともに、高温で使用できるハンダまたはろう材をその使用される温度（ウェハ温度）を考慮して選択することが好ましい。
【００２０】
セラミックとアルミニウムの複合材は、主としてＳｉＣを分散したアルミニウム複合材であり、溶融金属と大気中の酸素の酸化反応により、ＳｉＣの割合が４０％以下の場合は砂型に鋳込んで作製することができる。 この作製方法はＡｌ２Ｏ３等の他のセラミックス材料にも適用できる。一方、静電チャック用のセラミックスにはプラズマに対する耐食性やウェハの吸着に関するハンドリングの良さから一般にアルミナを主原料としたセラミックス焼結体が用いられるが、用途に応じてＡＩＮやＳｉＣを主成分としたセラミックス焼結体を用いることもできる。これらのセラミック焼結体は概してアルミニウムの線膨張係数の約２３×１０−６／℃に比べ小さく、アルミナが約７〜８×１０−６／℃、ＡＩＮ、ＳｉＣが約５×１０−６／℃程度である。
【００２１】
以下に図面に基き本発明に係る静電チャックステージの構造を説明をする。
図１は本発明に係る静電チャックステージの一実施例の断面図であり、内部電極２はタングステン、モリブデン等の耐熱金属をセラミックス体中に埋設又は挟持され構成される。内部電極２には、電圧を印加するためのスルーホール３が設けられており、図示しない電源に導線により接続されている。尚、図１では内部電極に１つの電圧を印加することにより静電吸着する単極静電チャックを図示したが、内部電極が複数有る場合でも良い。セラミックス焼結体プレートの下面にはハンダまたはろう材の接合材４を介して、前記セラミックスプレートと熱膨張率の近似するセラミック・アルミニウム複合材プレート５が接合してある。接合材４は、ステージを使用する温度（ウェハ温度）によって適宜選択することが望ましく、セラミックス焼結体表面にメタライズをした後にハンダまたはろう材を用いて接合するのが好ましい。メタライズの方法に関しては、セラミックスプレート裏面をあらかじめＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等の活性金属ろうにより真空熱処理しメタライズ而を形成しておくか、Ｃｒ、Ｔｉ等の金属のスパッタリング等によりメタライズしておくとよい。さらにＣｕ、Ｎｉメッキをしておけばよい。必要であれば接合する材料と同じハンダによりハンダメッキをしておいてもよい。
【００２２】
ハンダ又はろう材の形態としては、シート状に成形されたものやペースト状のもの等を適宜選択して用いればよく、シート状のものを用いた場合には、セラミックス焼結体プレートとセラミック・アルミニウム複合材プレートの間に介在させる。ペースト状のものを用いた場合には、セラミックス焼結体又は、セラミック・アルミニウム複合材プレートにスクリーン印刷、スピンコート、刷毛塗り等により塗布した後、両者を合わせ、熱処理を行い接合する。熱処理は大気中または湿潤窒素・水素ガス中または真空中で行う。熱処理温度はハンダ又はろう材の融点または液相温度に１０〜５０℃加えた温度が好ましい。
複合材表面の陽極酸化被膜処理は以下のプロセスで行う。蓚酸または硫酸等の酸にセラミック・アルミニウム複合材を陽極として、炭素等を陰極として浸し電気分解すると、該複合材の表面にγ−Ａｌ２０３が被膜として生成する。この被膜は多孔質状であるため、該被膜複合材を沸騰水に浸す、あるいは加熱蒸気と反応させることにより緻密なベーマイト（ＡｌＯＯＨ）被膜となる。この被膜は耐蝕性、絶縁性に優れ、プラズマの異常放電等の防止に有効であり、複合材に施されるのがより好ましい。
【００２３】
尚、上記セラミックス焼結体中に電極を設けずに、セラミック・アルミニウム複合材プレート５自体を、内部電極の代わりまたは高周波電極代わりに利用してもよい。即ち、内部電極を設けないセラミックス焼結体プレートの下面にセラミック・アルミニウム複合材プレートを接合し、このセラミック・アルミニウム複合材プレートに直流電圧や高周波電圧を印加するようにする。この際、セラミックス焼結体の厚みは、十分な吸着力を得るために、またはインピーダンスを小さくするために２ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００２４】
【実施例】
以下に本発明の静電チャックステージに係る静電チャック用セラミック焼結体プレートとセラミック・アルミニウム複合材プレートとの接合試験について説明する。
静電チャック用セラミック焼結体プレートには、（１）Ａｌ２０３を５０％、Ｃｒ２Ｏ３及びＴｉＯ２の合計が４０％以下、焼結助剤としてＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯを１０％以下含有するセラミックス［以下Ａｌ２０３又はアルミナとと表記］又は（２）ＡｌＮを９７％、Ｙ２０３を３％含有するセラミック［以下ＡｌＮ又は窒化アルミと表記］で、大きさはφ２００ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板を用いた。
また、セラミック・アルミニウム複合材プレートには、表１に示す各種組成で、大きさφ２２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板を用いた。セラミック・アルミニウム複合材の組成ごとに、実験に供したハンダ又はろう材の組成と接合温度を表１に示した。
【００２５】
【表１】
（接合試験）
静電チャックを使用する温度（ウェハ温度）を想定して表１に示す組み合わせの接合試験を行なった。尚、最高接合温度は接合に用いたハンダまたはろう材のうち接合時の温度が最も高い温度を記載した。
（接合の評価方法）
接合後の接合面の状態を調べるため、超音波探傷装置（日立建機製、ＡＰ５０００）のＣモード（超音波の反射強度の面分布）で測定した。本測定は接合面で接触不良個所があれば音響インピーダンスが大きく変化し不良界面で超音波が反射してくる原理を利用した方法であり、静電チャック用セラミックス焼結体プレートとアルミニウム複合材プレートとの接合面積の、両者の重なる面積に対する割合をを求めた。９０％の接触面積を基準として、９０％以上の接合品を接合良好、９０％未満の接合品又は接合時の静電チャックの破損品を接合不良と考え、表１には夫々○、×で記載した。
【００２７】
（結果）
表１より、
（１）Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）製静電チャックの場合
ＳｉＣが２０ｖｏｌ％では、融点又は液相温度が１５７℃以下の、
ＳｉＣが３０ｖｏｌ％では、融点又は液相温度が２４５℃以下の、
ＳｉＣが５０ｖｏｌ％では、融点又は液相温度が４５１℃以下の、
ＳｉＣが７０ｖｏｌ％では、融点又は液相温度が６１５℃以下の、
ハンダ又はろう材で接合が可能であることがわかった。
（２）ＡｌＮ（窒化アルミ）製静電チャックの場合
ＳｉＣが３０ｖｏｌ％では、融点又は液相温度が２０９℃以下の、
ＳｉＣが７０ｖｏｌ％では、融点又は液相温度が６１５℃以下の、
ハンダ又はろう材で接合が可能であることがわかった。
以上より、セラミック・アルミニウム複合材であるＳｉＣ分散アルミニウム複合材料は、ＳｉＣの割合により線膨張係数が変えられるので、静電チャック用セラミックスの線膨張率に近い組成を選択することで接合後の残留応力をなくすことが可能となり、その結果クラックのない良好な接合が行えることがわかった。
また、本発明のセラミック・アルミニウム複合材プレートを利用すれば、高温下で使用可能な静電チャックステージ得られ、より詳しくは、ＳｉＣの割合が高いセラミック・アルミニウム複合材料を選択し、さらに融点または液層温度が高いハンダまたはろう材を接合材料に選択すればよいことがわかった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明では、セラミックス焼結体プレートの下面にハンダを介して、前記セラミックス焼結体プレートの熱膨張率と近似するセラミック分散アルミニウム複合材プレートを接合させたので、静電チャック自体の温度が上昇しても、セラミックス側に働く熱応用力は小さく熱破壊のおそれがなくなり、更に、セラミック分散アルミニウム複合材プレートが直接接合されているために、セラミック分散アルミニウム複合材プレート下部に位置する冷却ジャケット等との組立が容易になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電チャックステージの一例の断面図
【符号の説明】
１ 静電チャック用セラミック焼結体プレート
２ 電極
３ スルーホール
４ 接合材
５ セラミック・アルミニウム複合材プレート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrostatic chuck stage for fixing a silicon wafer used in a semiconductor manufacturing apparatus, and more particularly to an electrostatic chuck stage that can be used at high temperatures.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor manufacturing process, when a silicon wafer is subjected to an etching process or the like in a plasma atmosphere, the surface of the silicon wafer becomes a high temperature due to the heat of the plasma, causing a problem that the resist film on the surface bursts. Therefore, a metal plate is provided and integrated on the lower surface of the electrostatic chuck that fixes the silicon wafer, and the silicon wafer is cooled by circulating heat through a flow path provided in the metal plate. .
[0003]
As a method for integrating the electrostatic chuck and the metal plate, a method in which the electrostatic chuck and the metal plate are joined with an adhesive such as a resin, a water-cooled electrode made of aluminum and a ceramic as disclosed in JP-A-3-3249. An In layer is plated on each surface of the electrostatic chuck to be bonded and fused at 170 ° C. or lower, or an intermediate layer made of Mo is formed of a dielectric ceramic and a metal plate as disclosed in JP-A-8-8330. There are those that are heat-bonded at 200 ° C.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When the electrostatic chuck and the plate installed on its lower surface are joined with an adhesive such as resin, it cannot be used at high temperatures, and the resin has low thermal conductivity even at relatively low temperatures. There is a problem that a large thermal resistance is generated at the bonding interface, making it difficult to control the temperature of the wafer.
In addition, when aluminum is used as the material of the plate to improve heat conduction, it must be joined at a low temperature due to the large difference in thermal expansion coefficient between aluminum and ceramics, resulting in the difference in thermal expansion coefficient. In order to avoid breakage of the ceramic, there is also a problem that it cannot be used for semiconductors used at high temperatures.
Furthermore, when joining using Mo etc. for an intermediate | middle layer, Ni plating etc. were needed also on both surfaces of Mo before joining, and there also existed a problem that a process increased and joining took time.
[0005]
From another point of view, if the LSI design rule is 0, 18 um or less, the amount of heat supplied by the plasma in the high-density plasma process such as ECR, ICP, helicon wave plasma, etc., from the conventional 500 W to about 2000-6000 W. The demand for an electrostatic chuck stage with good heat passage and an electrostatic chuck stage that can be used even at high temperatures will increase.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above-described problems.
There is provided an electrostatic chuck stage characterized in that a ceramic sintered body plate for an electrostatic chuck and a composite material plate of ceramic and aluminum are joined.
A composite material of ceramic and aluminum has a smaller coefficient of thermal expansion than aluminum and is close to the coefficient of thermal expansion of the ceramic sintered body for electrostatic chucks. In addition, since high-temperature bonding is possible, the number of selection types of solder or brazing material increases, and an electrostatic chuck stage that can be used at high temperatures is selected by selection of solder or brazing material. The high temperature described here means at least 200 ° C. or more with respect to the bonding temperature, and at least 120 ° C. or more as an environment in which the electrostatic chuck stage is used.
[0007]
In a more preferred embodiment of the present invention, the ceramic sintered body plate and the composite plate of ceramic and aluminum are joined via solder or brazing material.
By using the solder or brazing material, it becomes possible to eliminate the bonding failure between the ceramic sintered body plate and the composite material plate. Also, by using solder or brazing material, the heat conduction from the ceramic sintered plate to the composite plate is improved compared to the case where the bonding is performed with bolts or resin, and the ceramic firing for the electrostatic chuck is performed. The combined plate can be cooled efficiently.
[0008]
In a more preferred embodiment of the present invention, the ceramic of the composite of ceramic and aluminum is SiC.
SiC has better thermal conductivity than other ceramics, and there is little decrease in thermal conductivity due to the composite material with aluminum. Also, the composite material provides a higher elastic modulus than aluminum, and the surface accuracy during processing can be improved.
[0009]
In a more preferred embodiment of the present invention, the thermal conductivity of the composite material of ceramic and aluminum is 150 W / m · K or more.
By setting the thermal conductivity of the composite material to be joined to the ceramic sintered body to 150 W / m · K or more, the ceramic sintered body plate can be efficiently cooled.
[0010]
In this invention , the volume ratio of the ceramic in the composite material of a ceramic and aluminum is 20-40 vol% or 25-34 vol% . When emphasizing the coefficient of thermal expansion, it is possible to easily obtain an electrostatic chuck stage that can respond to various needs, such as increasing the volume ratio of ceramic, and reducing the volume ratio of ceramic when emphasizing thermal conductivity.
[0011]
In a more preferred embodiment of the present invention, the surface of the composite material of ceramic and aluminum is subjected to an anodic oxide coating treatment.
When an electrostatic chuck stage is used for the plasma process by anodizing the composite material, it is possible to prevent the plasma from wrapping around the surface and side surfaces of the composite material and abnormal discharge, thereby improving the efficiency of the plasma process. Can do.
[0012]
According to the present invention, in a method of manufacturing an electrostatic chuck stage in which a ceramic sintered body plate for an electrostatic chuck and a composite material plate of ceramic and aluminum are joined via solder or brazing material, the ceramic in the composite material is Provided is an electrostatic chuck stage manufacturing method in which the bonding temperature is selected in the range of 150 to 630 ° C. according to the ratio and bonded together.
The thermal expansion coefficient of the composite material of ceramic and aluminum changes according to the volume ratio of the ceramic in the composite material. Therefore, if the thermal expansion coefficient is a composite material close to the thermal expansion coefficient of the sintered ceramic plate, it is possible to select and join from a variety of solder or brazing materials, and the electrostatic chuck stage can be bonded at higher temperatures. When using it, it becomes possible to adopt the hottest brazing material among them and cope with it.
[0013]
As another aspect of the present invention, a ceramic sintered body plate for an electrostatic chuck and an aluminum composite material plate containing 25 to 34 vol% ceramic are used with solder having a melting point or a liquid layer temperature of 245 ° C. or lower. And join. By reducing the ratio of ceramic, it becomes easy to produce a plate having a complicated shape utilizing the toughness of aluminum.
[0014]
As a reference example, a ceramic sintered body plate for an electrostatic chuck and an aluminum composite plate containing 35 to 60 vol% ceramic are joined using solder having a melting point or a liquid layer temperature of 451 ° C. or lower. This makes it possible to produce an electrostatic chuck stage that can be used at high temperatures.
[0015]
As a reference example, a ceramic sintered body plate for an electrostatic chuck and an aluminum composite material plate containing 61 to 70 vol% ceramic are joined using solder or brazing material having a melting point or a liquid layer temperature of 615 ° C. or lower. To do. By doing so, it becomes possible to produce an electrostatic chuck stage that can be used at a very high temperature exceeding 500 ° C., and its application is expanded.
[0016]
As another aspect of the present invention, active metal metallization made of Ag-Cu-Ti is applied to the lower surface of the ceramic sintered body plate for electrostatic chucks, and then joined with solder or brazing material.
By metallizing with an active metal, the ceramic sintered body plate and the composite material plate can be more easily joined.
[0017]
As another aspect of the present invention, the ratio of the bonding area between the ceramic sintered body plate for an electrostatic chuck and the aluminum composite material plate is 90% or more with respect to the overlapping area.
By setting the proportion of the bonding area to 90% or more, the cooling efficiency of the ceramic sintered body plate and thus the silicon wafer can be improved.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
When a ceramic sintered ceramic plate for electrostatic chuck and a ceramic-dispersed aluminum composite plate with similar thermal expansion coefficients are joined, heat is directly dissipated from the back of the composite plate to the medium (water, chlorofluorocarbon, silicon oil, etc.). This makes it possible to prevent cracks in the sintered ceramics plate even during high-power plasma processes or use at high temperatures. In addition, the thermal conductivity of solder or brazing material is much higher than that of resin-based adhesives of about 1 W / mK, and the thermal resistance at the contact interface can be reduced. Good cooling or heat insulation and temperature adjustment can be performed. Furthermore, since the bonding is surface contact, stress concentration due to residual stress or thermal stress can be avoided, and the occurrence of cracks in the electrostatic chuck itself due to thermal stress during bonding or semiconductor processing can be suppressed.
[0019]
Here, the difference in linear expansion coefficient between the ceramic sintered body plate for electrostatic chucks and the ceramic / aluminum composite plate that is the back plate for electrostatic chucks is reduced, residual stress due to bonding is reduced, and it is used at high temperatures. It is preferable to select a solder or brazing material that can be used in consideration of the temperature (wafer temperature) used .
[0020]
Composite of ceramic and aluminum is mainly an aluminum composite material containing dispersed SiC, by the oxidation reaction of oxygen in the molten metal and the atmosphere, if the proportion of SiC is 40% or less that Seisuru work cast in a sand mold Can do. This manufacturing method can also be applied to other ceramic materials such as Al2O3. On the other hand, for ceramics for electrostatic chucks, ceramic sintered bodies mainly made of alumina are generally used because of their good corrosion resistance against plasma and good handling for wafer adsorption. However, AIN and SiC are the main components depending on the application. Ceramic sintered bodies can also be used. These ceramic sintered bodies are generally smaller than the linear expansion coefficient of aluminum of about 23 × 10 −6 / ° C., alumina is about 7 to 8 × 10 −6 / ° C., and AIN and SiC are about 5 × 10 −6 / ° C. It is about ℃.
[0021]
The structure of the electrostatic chuck stage according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of an electrostatic chuck stage according to the present invention, and an
[0022]
As the form of the solder or brazing material, a sheet-shaped one or a paste-like one may be appropriately selected and used. When a sheet-like one is used, the ceramic sintered body plate and the ceramic Intervene between aluminum composite plates. When a paste-like material is used, it is applied to a ceramic sintered body or a ceramic / aluminum composite material plate by screen printing, spin coating, brush coating, and the like, and then combined and heat-treated for bonding. The heat treatment is performed in the air, in wet nitrogen / hydrogen gas, or in a vacuum. The heat treatment temperature is preferably a temperature obtained by adding 10 to 50 ° C. to the melting point or liquid phase temperature of the solder or brazing material.
The anodic oxide film treatment on the surface of the composite material is performed by the following process. When a ceramic / aluminum composite material is immersed in an acid such as oxalic acid or sulfuric acid as an anode and carbon or the like is immersed in an electrolysis, γ-Al203 is formed as a coating on the surface of the composite material. Since this coating is porous, it becomes a dense boehmite (AlOOH) coating by immersing the coating composite in boiling water or reacting with heated steam. This coating is excellent in corrosion resistance and insulation, is effective in preventing abnormal discharge of plasma, and is more preferably applied to the composite material.
[0023]
The ceramic / aluminum composite plate 5 itself may be used in place of the internal electrode or the high-frequency electrode without providing an electrode in the ceramic sintered body. That is, a ceramic / aluminum composite plate is bonded to the lower surface of a ceramic sintered body plate not provided with an internal electrode, and a DC voltage or a high frequency voltage is applied to the ceramic / aluminum composite plate. At this time, the thickness of the ceramic sintered body is desirably 2 mm or less in order to obtain a sufficient adsorption force or to reduce the impedance.
[0024]
【Example】
The joining test between the ceramic sintered body plate for electrostatic chuck and the ceramic / aluminum composite material plate according to the electrostatic chuck stage of the present invention will be described below.
The ceramic sintered body plate for electrostatic chuck includes (1) ceramics containing 50% Al203, 40% or less in total of Cr2O3 and TiO2, and 10% or less of SiO2, MgO, and CaO as sintering aids [hereinafter referred to as Al203. Or (2) a ceramic containing 97% AlN and 3% Y203 (hereinafter referred to as AlN or aluminum nitride), a disk having a size of φ200 mm and a thickness of 3 mm was used.
As the ceramic / aluminum composite material plate, a disc having various compositions shown in Table 1 and having a size of φ220 mm and a thickness of 5 mm was used. Table 1 shows the composition of the solder or brazing material and the joining temperature for each composition of the ceramic / aluminum composite.
[0025]
[Table 1]
(Joining test)
The combination test shown in Table 1 was performed assuming the temperature (wafer temperature) at which the electrostatic chuck was used. In addition, the highest joining temperature described the temperature with the highest temperature at the time of joining among the solder or brazing material used for joining.
(Joint evaluation method)
In order to investigate the state of the bonded surface after bonding, the measurement was performed in the C mode (surface distribution of ultrasonic reflection intensity) of an ultrasonic flaw detector (manufactured by Hitachi Construction Machinery, AP5000). This measurement is based on the principle that the acoustic impedance changes greatly if there is a contact failure on the joint surface, and the ultrasonic wave is reflected at the defective interface. Ceramic sintered body plate for electrostatic chuck and aluminum composite plate The ratio of the bonding area to the overlapping area of both was determined. Based on the contact area of 90%, 90% or more joined products are considered to be well joined, and less than 90% joined products or damaged electrostatic chucks at the time of joining are considered to be poor joints. Described.
[0027]
(result)
From Table 1,
(1) Al2O3 (alumina) electrostatic chuck When SiC is 20 vol%, the melting point or liquidus temperature is 157 ° C. or lower.
When SiC is 30 vol%, the melting point or liquidus temperature is 245 ° C. or lower.
When SiC is 50 vol%, the melting point or liquidus temperature is 451 ° C. or lower.
When SiC is 70 vol%, the melting point or liquidus temperature is 615 ° C. or lower.
It was found that joining is possible with solder or brazing material.
(2) In the case of an electrostatic chuck made of AlN (aluminum nitride), the melting point or liquidus temperature is 209 ° C. or less when SiC is 30 vol%.
When SiC is 70 vol%, the melting point or liquidus temperature is 615 ° C. or lower.
It was found that joining is possible with solder or brazing material.
From the above, the SiC-dispersed aluminum composite material, which is a ceramic-aluminum composite material, has a linear expansion coefficient that can be changed depending on the ratio of SiC. Therefore, by selecting a composition close to the linear expansion coefficient of the ceramic for electrostatic chuck, It was found that stress can be eliminated, and as a result, good bonding without cracks can be performed.
Further, by using the ceramic / aluminum composite plate of the present invention, an electrostatic chuck stage that can be used at a high temperature can be obtained. More specifically, a ceramic / aluminum composite material having a high SiC ratio is selected, and a melting point or It has been found that a solder or brazing material having a high liquid layer temperature may be selected as the bonding material.
[0028]
【The invention's effect】
In the present invention, since the ceramic-dispersed aluminum composite material plate that approximates the thermal expansion coefficient of the ceramic sintered body plate is joined to the lower surface of the ceramic sintered body plate via solder, the temperature of the electrostatic chuck itself rises. However, the heat applied force acting on the ceramic side is small and there is no risk of thermal destruction. Furthermore, since the ceramic dispersed aluminum composite plate is directly joined, a cooling jacket located under the ceramic dispersed aluminum composite plate, etc. And assembly became easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an example of an electrostatic chuck stage according to the present invention.
1 Ceramic Sintered Plate for
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