JP4744015B2

JP4744015B2 - ウエハ支持部材

Info

Publication number: JP4744015B2
Application number: JP2001197512A
Authority: JP
Inventors: 博範井之上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP2003017551A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に半導体ウエハや液晶基板等のウエハを静電吸着力によって吸着保持するのに使用するウエハ支持部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、半導体装置の製造工程において、シリコンウエハ等の半導体ウエハ（以下、単にウエハという）に微細加工を施すエッチング工程、ウエハに薄膜を形成する成膜工程、あるいは各種処理工程間への搬送等においては、ウエハを高精度に保持する必要があることから静電チャックを使用したウエハ支持部材が使用されている。
【０００３】
このようなウエハ支持部材の構造は、図４に示すように、板状セラミック体１１の一方の主面を、ウエハＷを載せる設置面１１ａとするとともに、上記板状セラミック体１１中に静電吸着用電極１２を内蔵した静電チャック１０と、この静電チャック１０を形成する板状セラミック体１１の他方の主面に接合された金属台座１３とからなり、静電チャック１０と金属台座１３とは、アルミニウム合金からなるロウ材、有機接着剤、ガラス等からなる接合層１４を介して接合したものがあった。
【０００４】
そして、このウエハ支持部材２０を用いてウエハＷを保持するには、静電吸着用電極１２とウエハＷとの間に電圧を印加することによって、両者間に静電吸着力を発現させ、ウエハＷを設置面１１ａに吸着固定するようになっていた。
【０００５】
また、金属台座１３は、装置への組み付けを容易にするとともに、金属台座１３の内部に冷却用水路等の冷却機構を設けることにより、静電チャック１０に吸着保持したウエハＷを冷却したり、あるいは金属台座１３に高周波電力を印加したりすることにより、別に設けたプラズマ発生用電極との間でプラズマを発生させ、各種処理速度を高めるようになっていた。
【０００６】
しかしながら、接合層１４として、アルミニウム合金からなるロウ材、有機接着剤、ガラス等を用いたものでは、温度変化が生じると、金属台座１３と静電チャック１０を形成する板状セラミック体１１との熱膨張差によって接合部に発生した熱応力によって静電チャック１０が割れたり、あるいは接合層１４の剥離が発生したりするといった課題があった。
【０００７】
そこで、静電チャック１０と金属台座１３との間の熱膨張差に伴う熱応力を吸収緩和するため、接合層１４として層厚みを２０〜１００μｍとした軟質のインジウム又はインジウム合金を用いることが提案されている（特開平９−４５７５７号公報参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、接合層１４に軟質のインジウム又はインジウム合金を用いたとしても、その層厚みが５０μｍ未満では、温度変化が発生した時に静電チャック１０と金属台座１３との間に発生する熱応力を十分に吸収緩和することができず、依然として静電チャック１０が割れたり、あるいは接合層１４の剥離が発生したりするといった課題があり、逆に、接合層１４の層厚みを５０μｍ以上とすると、静電チャック１０が金属台座１３の接合面に対して傾いて接合され、金属台座１３の接合面に対して静電チャック１０の設置面１１ａの平行度が損なわれたり、あるいは応力の偏りが発生したりした状態で接合され、設置面１１ａの平面度が損なわれるといった課題があった。
【０００９】
即ち、静電チャック１０と金属台座１３とをインジウムロウ又はインジウム合金ロウによって接合する接合温度が高いと、インジウムロウ又はインジウム合金ロウが軟質材であること、及び接合層１４の層厚みが厚いことによって静電チャック１０と金属台座１３との間隔を一定に保つことが難しく、静電チャック１０の傾きが発生し易く、また、接合温度をインジウムロウ又はインジウム合金ロウの軟化点より若干高い程度の温度に制御して接合すると、部分的に接合層１４の層厚みに偏りが発生し、この状態で静電チャック１０が接合されると、静電チャック１０が反ったり、歪んだりした状態で接合されるため、設置面１１ａの平面度が損なわれていた。
【００１０】
【発明の目的】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、その目的は静電チャックを金属台座に精度良く接合することができ、且つ繰り返し熱サイクルが加わっても剥離することなく長期間にわたって使用することができるウエハ支持部材を提供することにある。
【００１１】
【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、板状セラミック体の一方の主面を、ウエハを載せる設置面とするとともに、上記板状セラミック体中に静電吸着用電極を内蔵した静電チャックと、該静電チャックを形成する板状セラミック体の、表面が平坦な他方の主面にインジウム又はインジウム合金からなり、端部が外部に露出した接合層を介して接合した、接合面が平坦な金属台座とからなるウエハ支持部材において、上記接合層の層厚みを５０μｍ以上とするとともに、上記接合層中に、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫等の金属またはこれらを主成分とする合金からなり、上記接合層の層厚みより厚みの小さいスペーサを配置し、上記静電チャックと上記金属台座との間隔を等間隔に保持するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
【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。
【００１３】
図１は本発明に係るウエハ支持部材を示す断面図、図２は図１のＡ部を拡大した断面図である。なお、従来例と同一部分については同一符号で示す。
【００１４】
このウエハ支持部材１は、板状セラミック体１１の一方の主面を、ウエハＷを載せる設置面１１ａとするとともに、上記板状セラミック体１１中に静電吸着用電極１２を内蔵した静電チャック１０と、この静電チャック１０を形成する板状セラミック体１１の他方の主面に接合された金属台座１３とからなり、静電チャック１０と金属台座１３とを、インジウム又はインジウム合金からなる接合層１４を介して接合したもので、その詳細は図２に示すように、静電チャック１０を形成する板状セラミック体１１の他方の主面にメタライズ層３を形成するとともに、金属台座１３の接合面にメッキ層４を形成し、これらの間にインジウム又はインジウム合金からなる接合層１４を介して接合してある。なお、メタライズ層３及びメッキ層４には、インジウムとの塗れ性の良い、銀、銅、ニッケル等を主体とする金属を用いてある。
【００１５】
また、接合層１４の層厚みＴは５０μｍ以上とするとともに、接合層１４中には、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫等の金属またはこれらを主成分とする合金からなるスペーサ２を配置し、静電チャック１０と金属台座１３との間隔を等間隔に保持するようにしてある。
【００１６】
そして、このウエハ支持部材１を用いてウエハＷを保持するには、静電吸着用電極１２とウエハＷとの間に電圧を印加することによって、両者間に静電吸着力を発現させ、ウエハＷを設置面１１ａに吸着固定するようになっている。
【００１７】
また、静電チャック１０の設置面１１ａと反対側の面には金属台座１３を接合してあることから、各種装置への組み付けを容易に行うことができるとともに、金属台座１３の内部に冷却用水路等の冷却機構を設ければ、静電チャック１０に吸着保持したウエハＷを効率良く冷却することができ、また金属台座１３に高周波電力を印加すれば、別に設けたプラズマ発生用電極との間でプラズマを発生させ、ウエハＷへの各種加工速度を高めることができる。
【００１８】
さらに、本発明のウエハ支持部材１は、静電チャック１０と金属台座１３とを接合する接合層１４に、軟質のインジウム又はインジウム合金を用いるとともに、接合層１４の層厚みＴを５０μｍ以上と十分な厚みを持たせてあることから、温度変化によって静電チャック１０と金属台座１３との間に熱応力が作用しても、熱応力を接合層１４によって吸収緩和し、静電チャック１０が破損したり、接合層１４が剥離したりすることを効果的に防止することができる。
【００１９】
ただし、接合層１４に軟質のインジウム又はインジウム合金を用い、その層厚みＴを５０μｍ以上と厚くすると、接合層１４に部分的な偏りが発生し、厚みバラツキを生じるため、金属台座１３の接合面に対して静電チャック１０の設置面１１ａの平行度が損なわれたり、あるいは設置面１１ａの平面度が損なわれたりするといった問題が発生するのであるが、本発明のウエハ支持部材１は、接合層１４中にスペーサ２を介在させ、静電チャック１０と金属台座１３との間隔を等間隔に保持するようにしてあることから、静電チャック１０を金属台座１３に対して精度良く保持することができるとともに、設置面１１ａの平面度が損なわれるようなことがない。
【００２０】
即ち、静電チャック１０と金属台座１３とをインジウムロウ又はインジウム合金ロウによって接合する接合温度がインジウムロウ又はインジウム合金ロウの軟化点より若干高い温度に制御して接合すると、部分的に接合層１４の層厚みＴに偏りが発生し、設置面１１ａの平面度が損なわれるおそれがあるが、本発明では、接合温度をインジウムロウ又はインジウム合金ロウの軟化点よりも高くしてもスペーサ２の介在によって静電チャック１０と金属台座１３の間隔を一定に保つことができるため、接合層１４の層厚みＴにばらつきを生じたり、偏りが発生するようなことがない。
【００２１】
また、スペーサ２を形成する材質として、接合層１４を形成するインジウムやインジウム合金との濡れ性の良い、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫等の金属またはこれらを主成分とする合金を用いていることから、インジウムやインジウム合金との間で反応層を形成し、強固に密着させることができるため、接合層１４とスペーサ２との熱膨張差によって作用する熱応力により、接合層１４とスペーサ２との接合部に剥離が発生し、この剥離が進展して静電チャック１０と接合層１４との間や金属台座１３と接合層１４との間にも剥離が発生することを効果的に防止することができる。
【００２２】
しかも、スペーサ２を形成する、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫等の金属またはこれらを主成分とする合金は、接合層１４を形成するインジウムやインジウム合金と同様に優れた熱伝導性を有することから、静電チャック１０と金属台座１３との間の熱伝達性能を阻害するようなことがなく、かつ接合部全体にわたって一様に熱伝達を行うことができるため、例えば、金属台座１３に冷却用水路等の冷却機構を設けたものにおいては、静電チャック１０に吸着保持したウエハＷを効率良く冷却することができるとともに、ウエハＷの温度分布を一様にすることができる。その為、ウエハＷへの成膜やエッチング等の各種加工精度を高めることができる。
【００２３】
なお、インジウム又はインジウム合金との濡れ性が良い金属とは、インジウムやインジウム合金と反応層を形成することができるような金属のことであり、例えば、スペーサ２の材質としてＷやＭｏを用いたものでは、インジウムやインジウム合金と反応性が悪く、スペーサ２を起点として破損するために用いることができない。
【００２４】
ところで、このようなウエハ支持部材１の静電チャック１１を形成する板状セラミック体１１としては、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、サイアロン、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（以下、ＹＡＧという）等を主成分とするセラミック焼結体を用いることができるが、これらの中でもウエハＷを吸着した際に高い均熱性が要求されるような場合には、優れた熱伝導率を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とするセラミック焼結体を用いることが好ましく、また、安価なものが要求されるような場合には、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とするセラミック焼結体を用いることが好ましい。しかも、これら窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とするセラミック焼結体は、優れた耐食性や耐プラズマ性も兼ね備えていることから、ハロゲン系腐食性ガスが用いられるような成膜工程やエッチング工程等においても好適に用いることができる。
【００２５】
また、板状セラミック体１１中に埋設する静電吸着用電極１２を形成する材質としては、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属を用いれば良く、これらは上述したセラミック焼結体との熱膨張差が小さいため、板状セラミック体１１中に密着性良く埋設することができる。
【００２６】
さらに、金属台座１３を形成する材質としては、熱伝導率の高いアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）あるいはこれらを主体とする合金を用いることができるが、さらにハロゲン系ガスに曝されるような場合には、これらのガスに対して腐食性の高いアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金を用いることが良い
なお、接合層１４を形成するインジウムとは、インジウムの含有量が１００重量％であるものであり、また、インジウム合金とは、４０〜９９重量％のインジウム（Ｉｎ）に対し、Ｓｎ、Ａｇ、Ｐｂ、Ａｂ、Ｚｎ、Ａｌ等の少なくとも一種の金属を含んだもののことを言い、軟質であるとは、各種金属のなかでも硬度が低く、柔軟性に優れていることを言う。
【００２７】
また、スペーサ２の形状としては、静電チャック１０を金属台座１３上に精度良く接合することができる形状であれば、特に限定するものではなく、リング状体や板状体をしたものでも良いが、この場合、リング状体や板状体の上下面に平面度を高精度に仕上げることが難しいため、スペーサ２の形状を円柱状体や球状体とし、３点以上で支持するようにすることが好ましく、その際、静電チャック１０の中心線が３つのスペーサ２を結ぶ三角形の内側に位置するように配置すれば良い。
【００２８】
次に、本発明のウエハ支持部材１の製造方法を説明する。
【００２９】
まず、静電チャック１０は、複数枚のセラミックグリーンシートの間に静電吸着用電極１２を挟み込んで積層し、一体焼結することによって板状セラミック体を製作し、一方の主面に研磨加工を施してウエハＷの設置面１１ａを形成することにより製作する。
【００３０】
そして、この静電チャック１０の設置面１１ａと反対側の表面に、銀、銅、ニッケル等を主体とする金属ペーストを塗布し、焼き付けることによりメタライズ層３を形成する。
【００３１】
一方、金属台座１３の接合面には、銀、銅、ニッケル等を主体とする金属のメッキ層４を形成する。
【００３２】
そして、静電チャック１０に形成したメタライズ層３及び金属台座１３のメッキ層１４上にそれぞれインジウム又はインジウム合金の粉末をアルコールで溶かしたペーストを塗布する。塗布する方法としてはスクリーン印刷法を用いれば良く、最終的な厚みが所定の厚みとなるように印刷する。その後、アルコールを乾燥蒸発させる。
【００３３】
次に、静電チャック１０と金属台座１３とを貼り合わせるのであるが、この間に、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫等の金属またはこれらを主成分とする合金からなるスペーサ２を配置し、インジウムやインジウム合金の軟化温度（１５７℃）よりも高い温度まで加熱してインジウムやインジウム合金がメタライズ層３やメッキ層４と充分に濡れた状態とした後、冷却して硬化させることにより図１に示すウエハ支持部材１を製造することができる。
【００３４】
なお、接合層１４の形成にあたってはインジウムの箔を用いても構わない。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
ここで、静電チャックと金属台座を接合する接合層にインジウムを用いたウエハ支持部材を製作し、上記接合層の層厚みを異ならせた時に接合部に作用する応力を有限要素法による解析と実験による検証を行った。
【００３６】
測定条件としては、静電チャックを形成する板状セラミック体を、直径２００ｍｍ、厚み３ｍｍの円板状体とし、その材質として窒化アルミニウム質焼結体とアルミナ質焼結体を用い、また、金属台座を、直径２００ｍｍ、厚み５０ｍｍ、鍔部の直径３００ｍｍの略円板状体とし、その材質としてアルミニウムを用いた。
なお、アルミニウムの熱膨張係数は１５×１０^-6／℃、アルミナ質焼結体の熱膨張係数は７×１０^-6／℃、窒化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数は５×１０^-6／℃とした。
【００３７】
そして、常温（２５℃）から１００℃の熱サイクルを加えた時に静電チャックと金属台座との間に作用する熱応力を有限要素法により算出した。
結果は表１に示す通りである。
【００３８】
【表１】

【００３９】
この結果、表１より判るように、接合層の層厚みを厚くすることにより応力を小さくできることが判る。そして、接合層の層厚みを５０μｍ以上とすることで、応力を６０ＭＰａ以下にまで小さくすることができ、接合層の層厚みを１００μｍ以上とすれば、応力を３０〜４０ＭＰａにまで小さくすることができた。
【００４０】
そこで、ウエハ支持部材を実際に製作し、その時の設置面の平面度を測定するとともに、熱サイクルを加えた時の耐久性について調べる実験を行った。
【００４１】
本実験にあたり、静電チャックを形成する板状セラミック体は、直径２００ｍｍ、厚み３ｍｍの円板状体とし、窒化アルミニウム質焼結体により形成したものを用いた。また、金属台座は、直径２００ｍｍ、厚み５０ｍｍ、鍔部の直径３００ｍｍの略円板状体とし、アルミニウムにより形成したものを用いた。
【００４２】
そして、静電チャックと金属台座を接合する接合層としてインジウムを用い、接合層中には材質を異ならせたスペーサを配置したものと、スペーサを介在させないものを用意した。なお、スペーサを用いたものにあっては、スペーサを、直径１２０μｍの円柱状体とし、このスペーサを３つ金属台座の接合面に等配置するようにした。
【００４３】
そして、得られたウエハ支持部材の設置面の平面度を３次元測定機によって測定した後、図３に示すように、半導体製造プロセスに用いられるプラズマエッチング装置の真空処理室内に搭載し、ウエハ支持部材にウエハを吸着保持させた後、真空処理室内に設置されたプラズマ発生用電極とウエハ支持部材の金属台座との間に高周波電力を印加してプラズマを発生させるとともに、エッチングガスとしてＣＦ₃ガスを流してエッチング処理を施し、このエッチング処理時に作用する熱によってウエハ支持部材の静電チャックが破損するか、あるいは接合層に剥離が見られるまでの処理回数を調べ、耐久性を評価した。
【００４４】
なお、エッチング処理におけるプラズマの出力は４ｋＷとし、エッチング処理時間はウエハ１枚当たり３分とした。
【００４５】
結果は表２に示す通りである。
【００４６】
【表２】

【００４７】
この結果、接合層の層厚みが５０μｍ以下である試料Ｎｏ．１，２は、設置面の平面度を５μｍ以下とできるものの、表１に見られたように、静電チャックと金属台座との接合部に作用する熱応力が大きいため、１０００回程度のエッチング処理により接合層の剥離が見られ、使用不能となった。
【００４８】
また、接合層の層厚みを５０μｍ以上とし、スペーサ材としてモリブデンやタングステンを用いた試料Ｎｏ．６，７は、設置面の平面度が３０μｍと悪かった。しかも、接合層のインジウムとの濡れ性も悪いため、１５００回程度のエッチング処理により接合層に剥離が発生し、使用不能となった。
【００４９】
これに対し、接合層の層厚みを５０μｍ以上とするとともに、スペーサ材として銅、ニッケル、銀、金、アルミニウム、錫を用いた試料Ｎｏ．３〜５，８〜１２は、設置面の平面度が５μｍ以下と、精度良く静電チャックと金属台座とを接合できるとともに、接合層の層厚みを５０μｍ以上としたものでは、表１に見られるように、静電チャックと金属台座との接合部に作用する熱応力が小さいため、５０００回以上のエッチング処理においても耐え得るものであった。
【００５０】
この結果、静電チャックと金属台座との接合層の層厚みを５０μｍ以上とするとともに、接合層中に、銅、ニッケル、銀、金、アルミニウム、錫からなるスペーサを介在させることにより、静電チャックを金属台座上に精度良く接合することができ、かつ熱サイクルが加わる環境下でも長期間にわたって使用できることが判る。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、板状セラミック体の一方の主面を、ウエハを載せる設置面とするとともに、上記板状セラミック体中に静電吸着用電極を内蔵した静電チャックと、該静電チャックを形成する板状セラミック体の、表面が平坦な他方の主面にインジウム又はインジウム合金からなり、端部が外部に露出した接合層を介して接合した、接合面が平坦な金属台座とからなるウエハ支持部材において、上記接合層の層厚みを５０μｍ以上とするとともに、上記接合層中に、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫等の金属またはこれらを主成分とする合金からなり、上記接合層の層厚みより厚みの小さいスペーサを配置し、上記静電チャックと上記金属台座との間隔を等間隔に保持するようにしたことから、静電チャックを変形させることなく、金属台座に精度良く接合することができるとともに、熱サイクルが繰り返し加わるような環境下で用いたとしても静電チャックの破損や接合層の剥離を防止し、長期間にわたって使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るウエハ支持部材を示す断面図である。
【図２】図１のＡ部を拡大した断面図である。
【図３】耐久性を調べるための実験装置の概略を示す断面図である。
【図４】従来のウエハ支持部材を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２０：ウエハ支持部材２：スペーサ３：メタライズ層４：メッキ層
１０：静電チャック１１：板状セラミック体１１ａ：設置面
１２：静電吸着用電極１３：金属台座Ｗ：ウエハ

Claims

板状セラミック体の一方の主面を、ウエハを載せる設置面とするとともに、上記板状セラミック体中に静電吸着用電極を内蔵した静電チャックと、該静電チャックを形成する板状セラミック体の、表面が平坦な他方の主面にインジウム又はインジウム合金からなり、端部が外部に露出した接合層を介して接合した、接合面が平坦な金属台座とからなるウエハ支持部材において、上記接合層の層厚みを５０μｍ以上とするとともに、上記接合層中に、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫等の金属またはこれらを主成分とする合金からなり、上記接合層の層厚みより厚みの小さいスペーサを配置し、上記静電チャックと上記金属台座との間隔を等間隔に保持するようにしたことを特徴とするウエハ支持部材。