JP4252231B2

JP4252231B2 - 半導体ウェハー支持部材接合体の製造方法および半導体ウェハー支持部材接合体

Info

Publication number: JP4252231B2
Application number: JP2001268899A
Authority: JP
Inventors: 知之藤井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: US20030047589A1; JP2003080375A; US6820795B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハー支持部材接合体の製造方法および半導体ウェハー支持部材接合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＶＤ法、スパッタリング法、エッチング法等の半導体プロセスにおいては、いわゆるサセプターの上に半導体ウエハーを設置し、このサセプターを加熱して半導体ウエハーを加熱している。この際、最近は、セラミックス製の静電チャックをサセプターとして使用し、半導体ウエハーをサセプターに対して吸着しながら加熱処理を行うことが開示されている（特開昭５９−１２４１４０号公報）。また、セラミックスヒーターをサセプターとして使用し、このセラミックスヒーターの上に半導体ウエハーを設置し、これを直接加熱することが知られている。しかし、半導体ウエハーの生産量を向上させるためには、サセプター上の半導体ウエハーの着脱サイクルにおける温度変化を抑制するために、加熱と冷却とを応答性良く行うことが必要であり、このためにはサセプターに対して冷却装置を結合する必要がある。
【０００３】
静電チャックを水冷式の金属冷却板に対して金属ボンディングによって結合する技術が提案されている（特開平３−３２４９号公報）。この技術においては、アルミナからなる静電チャックとアルミニウム製の水冷冷却板とをインジウムで結合している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、インジウムを接合材として用い、セラミックス製静電チャックと金属製の水冷フランジとを接合する際には、接合時の圧力が小さいと、接合欠陥が生じ、接合層の気密性の信頼性が低下する。静電チャックと水冷フランジとの界面の気密性が損なわれると、接合界面から装置内の腐食性ガスが外部へと漏洩する懸念がある。また、半導体ウエハーの裏面側にバックサイドガスを流す場合には、静電チャックと水冷フランジとの接合界面からバックサイドガスが漏洩することが懸念される。従って、静電チャックと水冷フランジとの接合界面の気密性については、高い信頼性を確保する必要がある。また、静電チャックと金属との熱膨張差によって、接合後に、静電チャックの半導体ウエハー吸着面の平坦度が低下することがあった。ウエハー処理時には、ウエハーが吸着面に対して吸着するので、吸着面の平坦度が低下すると使用できなくなり、歩留り低下の原因となる。
【０００５】
本発明の課題は、セラミックス製の半導体ウェハー支持部材、金属部材、および半導体ウェハー支持部材と金属部材とを接合する接合層を備えている接合体において、接合面の気密性の信頼性を向上させるのと共に、半導体ウェハー支持部材の支持面の平坦度が接合時に低下するのを抑制することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体を支持するセラミックス製の半導体ウェハー支持部材、金属部材、および支持部材と金属部材とを接合する接合層を備えている接合体を製造する方法であって、
支持部材の接合面に第一の金属膜を形成し、金属部材の接合面に第二の金属膜を形成し、第一の金属膜と第二の金属膜との間に金属接合材を介在させることによって積層体を得、この積層体を等方加圧しながら金属接合材の融点以下の温度で加熱することによって、半導体ウェハー支持部材と金属部材とを拡散接合することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、前記の方法によって得られたことを特徴とする、半導体ウェハー支持部材接合体に係るものである。
【０００８】
本発明者は、半導体支持部材、金属部材および金属接合材を含む積層体を等方加圧しながら金属接合材の融点以下の最高温度で加熱し、金属接合材と第一の金属膜および金属接合材と第二の金属膜とを拡散接合することで、接合面の気密性を高く保持でき、かつ半導体ウェハー支持部材の支持面の平坦度が接合工程後に劣化しないことを見いだし、本発明に到達した。
【０００９】
以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る接合体を模式的に示す図である。本接合体２５は、静電チャック１０、冷却フランジ１２および接合層１４からなる。静電チャック１０内には静電チャック電極１８が埋設されている。電極１８には端子２０が接続されている。静電チャック１０の吸着面に半導体ウエハー１６を支持し、吸着する。本例においては、冷却フランジ１２および静電チャック１０を貫通する貫通孔２４が設けられており、貫通孔２４から矢印２２のようにバックサイドガス、例えばアルゴンガスや窒素ガスを供給可能となっている。また、冷却フランジ１２および静電チャック１０には、半導体ウエハーを持ち上げるためのリフトピン用の貫通孔を形成する（図示せず）。
【００１０】
図２、図３を参照しつつ、図１のような接合体の製法について述べる。ただし、図２、図３においては、本発明の製法を一般的に説明するという目的から、図１に示すような静電チャックや冷却フランジの内部構造は図示しない。
【００１１】
半導体ウェハー支持部材１０は、半導体ウエハーを設置するサセプターであればよく、種々の機能を有していてよい。例えば、基材の内部に静電チャック電極を設けた場合には、この半導体ウェハー支持部材は静電チャックとして使用できる。また、基材の内部に抵抗発熱体を設けた場合には、この保持部材をセラミックスヒーターとして使用できる。更に、基材中にプラズマ発生用の電極を設けた場合には、この保持部材をプラズマ発生用電極として使用できる。好適な実施形態では半導体ウェハー支持部材が静電チャックである。
【００１２】
半導体ウェハー支持部材１０の基材を構成するセラミックスとしては、アルミナのような酸化物系セラミックス、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、窒化物セラミックスを例示できる。窒化物セラミックスとしては、窒化珪素およびサイアロンが、耐熱衝撃性の点で好ましい。また、窒化アルミニウムは、フッ素系腐食性ガスに対する耐蝕性、および熱伝導性の点で好ましい。
【００１３】
金属部材１２の種類は特に限定されない。好適な実施形態においては、金属部材が、冷却機構を備えた金属部材である。金属部材の材質は特に制限はないが、ハロゲン系腐食性ガスに対して冷却装置がさらされる場合には、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケルまたはこれらの金属の合金を使用することが好ましい。
【００１４】
冷却装置において使用できる冷媒としては、水、シリコンオイル等の液体であってよく、また空気、不活性ガス等の気体であってもよい。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、半導体ウェハー支持部材１０の接合面１０ｂに第一の金属膜１Ａを設け、金属部材１２の接合面１２ａに第二の金属膜１Ｂを設ける。これらの金属膜の形成方法は特に限定されず、イオンプレーティング法、化学的気相成長法、物理的気相成長法、有機金属化学的気相成長法、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法を例示できる。
【００１６】
金属膜１Ａ、１Ｂの厚さは、接合層の気密性の向上という観点からは、０．５μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることが更に好ましい。また、生産性の観点からは、金属膜１Ａ、１Ｂの厚さは３．０μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
金属膜１Ａ、１Ｂの材質は、金属接合材と相互拡散可能である限りは特に限定されない。しかし、半導体の汚染を抑制するという観点からは、インジウム、金、ニッケル、銅およびチタンからなる群より選ばれた少なくとも一種の金属を含むことが好ましい。ここで、少なくとも一種の金属を含むとは、実質的にこの金属のみからなる純金属の場合と、選択された金属の合金との両者を含む。ただし、これらの金属、合金は、不純物金属を許容する。合金の場合には、合金を構成する実質的にすべての金属を、インジウム、金、ニッケル、銅、チタンの中から選択することが特に好ましい。
【００１８】
次いで、図２（ａ）に示すように、接合面１０ｂと１２ａとの間に、金属接合材からなるシート２を挟む。金属接合材２の材質は、金属膜１Ａ、１Ｂと相互拡散可能な材質である。具体的には、インジウム、金、銅が好ましい。
【００１９】
金属接合材２の材質は、インジウムの純金属またはインジウムの合金であることが好ましい。インジウムの純金属には、不可避的不純物が含有されていてよい。インジウムと合金化される金属としては、金、銀、スズを例示できる。また、インジウムと合金化される金属の割合は、１０重量％以下とすることが好ましい。
【００２０】
金属接合材からなるシート２の厚さは限定されない。接合界面の気密性を向上させるという観点からは、シート２の厚さを１０μｍ以上とすることが好ましい。また、厚さ寸法公差の管理という観点からは、シート２の厚さを１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２１】
次いで、積層体１３を等方加圧しながら加熱する。ここで、積層体１３の等方加圧方法や加熱方法は特に限定されない。典型的には、図２（ｂ）に示すように、積層体１３を被膜３内に真空パックし、不活性雰囲気の充填された密閉容器内に収容し、この密閉容器内で不活性雰囲気によって積層体を等方加圧する。しかし、液体によって積層体を等方加圧することも可能である。
【００２２】
被膜３の材質は、弾性および加熱温度での耐熱性を有する限り、特に限定されない。不活性気体としては、窒素、アルゴン、窒素とアルゴンとの混合気体を例示できる。また、不活性気体の圧力は、接合体において充分な気密性が得られる程度の圧力であれば良い。一般的に、接合体の気密性を向上させるという観点からは、気体圧力を５ａｔｍ以上とすることが好ましい。気体圧力の上限は特にないが、実用的には１０ａｔｍ以下が好ましく、２０ａｔｍ以下が更に好ましい。
【００２３】
積層体の加熱時の最高温度は、金属膜１Ａ、１Ｂと金属接合材２との間での相互拡散が生ずるような温度領域であれば、特に限定されない。好適な実施形態においては、金属接合材２の融点をＴ（℃）としたとき、拡散は金属接合材の融点の絶対温度と相関があり、（Ｔ＋２７３×０．９）℃以上、Ｔ℃未満である。
【００２４】
金属接合材２が純インジウムである場合には、加熱時の最高温度は、
１１３−１５５℃とすることが好ましく、１４０−１５５℃がさらに好ましい。
【００２５】
密閉容器は特に限定されないが、好適な実施形態においてはオートクレーブである。
【００２６】
好適な実施形態においては、図３に示すように、オートクレーブ４内に、真空パックされた積層体１３を収容し、加熱および加圧する。ここで、オートクレーブ４内にはガス流路５を介してガス供給源６が接続されている。また、オートクレーブ４内にはヒーター７が収容されており、ヒーター７の発熱量を電源コントローラー８によって制御する。またヒーター７の前面にはファン９があり、炉内を均熱化している。
【００２７】
本発明においては、少なくとも、加熱時の最高温度時に等方加圧を行っている必要がある。即ち、図４に示すように、加熱時の最高温度（Ｔ１）時（時間ｔ２からｔ３の間）には、圧力が所定圧力Ｐ１に達している必要がある。
【００２８】
好適な実施形態においては、最高温度Ｔ１からの降温時（ｔ３以降）にも等方加圧を継続する。特に好適な実施形態においては、室温ＴＲへの温度降下時（ｔ４）まで等方加圧を継続する。これによって、接合後の半導体支持部材の支持面の平坦度が一層向上することを見いだした。
【００２９】
本発明の接合体において、半導体ウェハー支持部材の支持面の平坦度は、好ましくは３０μｍ以下であり、更に好ましくは１０μｍ以下である。
【００３０】
【実施例】
（実験Ａ）
図１に示すような接合体を製造した。具体的には、図２（ａ）に示すように、静電チャック１０と水冷フランジ１２とを準備した。静電チャック１０の基材は、直径φ３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板形状をしている。静電チャックの基材は窒化アルミニウムであり、基材の内部にモリブデン製の金網からなる電極が埋設されている。水冷フランジ１２はアルミニウム合金製であり、寸法φ３００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの円板形状をしている。水冷フランジ１２の内部には水冷溝が形成されており、かつ端子用の孔、リフトピン用の貫通孔、バックサイドガス用の貫通孔が設けられている。静電チャック１０の吸着面１０ａの平坦度は１０μｍである。接合面１０ｂ、１２ａの平坦度は３０μｍ以下である。
【００３１】
各接合面１０ｂ、１２ａに、それぞれインジウムをイオンプレーティングによって成膜した（厚さ３μｍ）。接合面１０ｂと１２ａとの間にインジウム箔を挟んだ。インジウム箔の材質は、純度９９．９％の純インジウムであり、箔の形状は円板状であり、寸法は直径φ３００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ（厚さの公差±１０％）であった。次いで、積層体１３を真空パックし、真空状態に保持されたオートクレーブ４内に収容した。
【００３２】
次いで、図４に示すスケジュールに従って加熱および等方加圧を行った。即ち、圧力を１４ａｔｍまで上昇させ（ｔ１）、次いで温度を室温から１５４℃まで上昇させた。そして、５時間にわたって、１５４℃および１４ａｔｍを維持し、次いで圧力を１４ａｔｍに維持しつつ、温度を室温にまで降下させた。最後に圧力を１ａｔｍに下げ、オートクレーブから接合体を取り出した。
【００３３】
次いで、ヘリウムリーク検知装置を使用し、端子用の孔、リフトピン用の貫通孔、バックサイドガス用の貫通孔について、それぞれヘリウムリーク試験を行った。この結果、いずれの孔についても、リーク量は１×１０^−１０Ｐａｍ３／ｓ台であった。
【００３４】
また、静電チャックの吸着面の平坦度を測定した。この測定方法を説明する。定盤の上に静電チャック１０あるいは接合体を設置する。この際、吸着面が上向きになるようにする。そして、吸着面の各測定点の高さをハイトゲージによって測定する。静電チャックの吸着面の中心点を測定するのと共に、中心点からＸ軸方向に沿って８点選択して測定し、中心点からＹ軸方向に沿って８点選択して測定する。合計１７点についての高さの測定値を得た後、最高高さと最低高さとの差を算出し、平坦度とする。
【００３５】
この結果、接合後における静電チャックの吸着面の平坦度は１０μｍであり、接合前に比べて変化しなかった。
【００３６】
（実験Ｂ）
実験Ａと同様にして各試料を製造し、支持面の平坦度とヘリウムガスリーク量とを測定した。ただし、静電チャックの代わりに、窒化アルミニウムのホットプレス焼結体からなる角形板１０を使用し、板１０の内部には電極は埋設していない。この板１０の寸法は、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ５ｍｍとした。板１０の中央部分に直径φ５ｍｍの貫通孔を設けた。板１０の支持面１０ａの平坦度は１０μｍである。
【００３７】
また、水冷フランジ１２の代わりに、アルミニウムＡ６０６１合金製の角板を準備した。ただし、この板１２の寸法は、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ５ｍｍであり、中央部に直径φ５ｍｍの貫通孔を形成した。接合面１０ｂ、１２ａの平坦度は３０μｍ以下である。
【００３８】
インジウム箔の材質は、純度９９．９％の純インジウムであり、箔の形状は角板状であり、寸法は、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ（厚さの公差±１０％）であった。
【００３９】
金属膜１Ａ、１Ｂをイオンプレーティングによって形成した。金属膜１Ａ、１Ｂの材質および厚さは、表１に示すように変更した。また、接合工程における最高温度Ｔ１および圧力Ｐ１を、表１に示すように変更した。得られた各試料について、ヘリウムリーク量と支持面１０ａの平坦度とを測定し、結果を表１に示した。なお、表１において、ヘリウムリーク量の数値は略記法で示した。例えば、「２．５０Ｅ−１０」は、「２．５０×１０^−１０」を意味する。
【００４０】
【表１】

【００４１】
本発明例に係る番号１−６においては、いずれもヘリウムリーク量が小さかった。特に、金属膜の材質をインジウム、金、ニッケルとすることが好ましく、金属膜の材質をインジウムとすることが最も好ましいことが分かる。本発明外の番号７においては、金属膜を形成していないため、ヘリウムリーク量が大きい。本発明外の番号８においては、加熱時の最高温度が１００℃と低く、金属膜と金属接合材との間で相互拡散が生じず、接合プロセスが進行していない。本発明例の番号９においては、接合は形成されているが、下地膜の厚さが０．３μｍと薄いために、気密性が若干劣っていた。本発明例の番号１０においては、窒素圧力が３ａｔｍと低いために、気密性が若干劣っていた。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、セラミックス製の半導体ウェハー支持部材、金属部材、および半導体ウェハー支持部材と金属部材とを接合する接合層を備えている接合体において、接合面の気密性の信頼性を向上させるのと共に、半導体ウェハー支持部材の支持面の平坦度が接合時に低下するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る接合体２５を模式的に示す図である。
【図２】（ａ）は、半導体ウェハー支持部材１０と金属部材１２との間に金属接合材からなるシート２を介在させた状態を示し、（ｂ）は、積層体１３を被膜３によって真空パックした状態を示す。
【図３】真空パックされた積層体１３をオートクレーブ４内に収容している状態を模式的に示す図である。
【図４】加熱および等方加圧時の温度および圧力のスケジュール例を示す。
【符号の説明】
１Ａ第一の金属膜１Ｂ第二の金属膜２金属接合材からなるシート６ガス供給源７ヒーター
１０半導体ウェハー支持部材１０ａ半導体ウェハー支持部材１０の支持面１０ｂ半導体ウェハー支持部材１０の接合面１２金属部材１２ａ金属部材１２の接合面１３積層体

Claims

半導体ウェハーを支持するセラミックス製の半導体ウェハー支持部材、金属部材、および前記半導体ウェハー支持部材と前記金属部材とを接合する接合層を備えている接合体を製造する方法であって、
前記半導体ウェハー支持部材の接合面に第一の金属膜を形成し、前記金属部材の接合面に第二の金属膜を形成し、前記第一の金属膜と前記第二の金属膜との間に金属接合材を介在させて積層体を得、この積層体を等方加圧しながら前記金属接合材の融点以下の温度で加熱することによって、前記半導体ウェハー支持部材と前記金属部材とを拡散接合することを特徴とする、半導体ウェハー支持部材接合体の製造方法。
前記積層体を真空パックし、不活性雰囲気の充填された密閉容器内に収容し、この密閉容器内で前記不活性雰囲気によって前記積層体を等方加圧することを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記金属接合材が、少なくともインジウムを含む金属からなることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
前記第一の金属膜と前記第二の金属膜との少なくとも一方が、インジウム、金、ニッケル、銅およびチタンからなる群より選ばれた金属を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
前記加熱後に前記積層体の温度を室温へと降下させる間、前記積層体の等方加圧を継続することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
前記半導体ウェハー支持部材が静電チャックであり、前記金属部材が冷却用フランジであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の方法。
請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の方法によって得られたことを特徴とする、半導体ウェハー支持部材接合体。