JP6023829B2 - セラミックス−金属接合体 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス−金属接合体に関する。

静電チャックは、半導体加工プロセスの一つであるエッチングの工程で用いられる部品であり、詳しくは、真空中でジョンソン・ラーベック力あるいはクーロン力により、シリコンウエハーを吸着し、エッチングで発生する熱を均一に冷却することで、シリコンウエハーに均一なエッチング加工を施すための部品である。この部品に必要な機能は、（１）真空保持力、（２）シリコンウエハーの吸着・脱着の応答性、（３）吸着しているシリコンウエハーの全面を均一な温度にする均熱性、（４）エッチングに使用される薬品に対する耐腐食性などが挙げられる。こうした静電チャックとしては、セラミックス製のプレートとアルミニウムなどの金属からなる支持台とをシリコーン樹脂からなる接合材を介して接合したものが知られている（例えば特許文献１）。

特開平４−２８７３４４号公報

しかしながら、従来の静電チャックは、８０℃以上の高温使用時に接合材からガスが発生し、プレートと接合材との間や支持台と接合材との間に気泡が生成し、この気泡によりプレートと支持台との間の接触面積が低下したり接着性にバラツキが生じたりすることがあり、吸着しているウエハーの均熱性が悪化することがあった。また、プレートにヒーターを埋め込んでウエハーの温度を一定に保つよう制御することがあるが、気泡の発生による熱伝達量の変化により、温度制御が困難になることがあった。こうした問題は、静電チャックと同様の構造をもつ部品、つまりセラミックス−金属接合体においても発生する。静電チャックと類似の構造をもつ部品としては、例えばシャワーヘッドなどが挙げられる。シャワーヘッドとは、半導体加工プロセスの一つの工程であるプラズマ処理装置において、反応ガスをチャンバー容器に分散供給するのに使用される部品である。

本発明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−金属接合体のプレートと支持台との間の接触面積の低下や接着性のバラツキを防止することを主目的とする。

本発明のセラミックス−金属接合体の製法は、セラミックス製のプレートと金属製の支持台とを樹脂を主成分とする接合シートで接合することによりセラミックス−金属接合体を製造する方法であって、前記接合シートをあらかじめ大気中、不活性ガス中または真空中で加熱して前記接合シート中の揮発成分を減らすプリベイク工程と、前記プレートと前記支持台と前記接合シートとを減圧した気密バッグに入れ、前記プレートと前記支持台との間に前記接合シートを配置してオートクレーブ中で圧力を掛けながら前記プリベイク工程よりも低い温度で加熱接合する接合工程と、を含むものである。

この製法では、接合シートをあらかじめ加熱して接合シート中の揮発成分を減らしてからプレートと支持台と接合シートとを減圧した気密バッグに入れ、プレートと支持台との間に接合シートを配置してオートクレーブ中で加圧しながら接合するため、得られたセラミックス−金属接合体を高温で使用した場合でも、接合シートからガスが発生せず、プレートと接合材との間や支持台と接合材との間に気泡が生成しない。その結果、プレートと支持台との間の接触面積が低下したり接着性にバラツキが生じたりすることがなくなる。

ここで、プレートとしては、例えば炭化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウムなどのセラミックスからなるものが挙げられる。支持台としては、例えばアルミニウム製やシリコン製のもののほか、多孔質セラミックスからなる母材に金属を含浸させて得られる金属基複合材製のものなどが挙げられる。接合シートとしては、例えばアクリル樹脂製やシリコーン樹脂製のものなどが挙げられる。プリベイク工程で加熱するときの条件は、接合シートの材質に応じて適宜設定すればよい。具体的には、接合シートの材質ごとに雰囲気ガス、真空度、加熱温度及び加熱時間がプレートと支持台との接合界面に与える影響を事前に実験で調べ、接合界面に影響がなく高温に加熱しても接合シートから気泡が発生しない数値範囲を設定すればよい。プリベイク工程における雰囲気としては、大気よりも不活性ガス、さらには真空中の方が、より高温で使用したときでも接合界面に剥がれや気泡が発生することのないセラミックス−金属接合体を得ることができる。また、接合シートは、厚さが０．１〜０．３ｍｍであることが好ましく、金属フィラー（例えばアルミニウム）を含んでいることが好ましい。接合工程では、オートクレーブで加圧加熱処理することで十分な接着強度を得ることができる。

本発明のセラミックス−金属接合体の製法において、前記プリベイク工程では、前記接合シートを前記支持台に貼り付け、前記接合シートを貼り付けた支持台を加熱して前記接合シート中の揮発成分を減らしてもよいし、あるいは、前記接合シートを前記プレートに貼り付け、前記接合シートを貼り付けたプレートを加熱して前記接合シート中の揮発成分を減らしてもよい。こうすれば、新たな治具を用いることなく本発明の製法を適用することができる。

本発明のセラミックス−金属接合体の製法において、前記プリベイク工程では、前記セラミックス−金属接合体の前記接合シートと同形状の穴をくりぬいた板であるフレームと前記接合シートになる大判シートとを用意し、前記大判シートが前記フレームの穴を塞ぐように前記大判シートを前記フレームに貼り付け、前記大判シートを貼り付けたフレームを加熱して前記大判シートの揮発成分を減らしてもよい。こうすれば、接合シートを支持台に貼り付けたあと加熱したり接合シートをプレートに貼り付けたあと加熱したりして揮発成分を減らす場合に比べて、プリベイク工程での加熱時間を短くすることができる。これは、前２者ではシートの片面から揮発成分が揮発するのに対して、後者ではシートの両面から揮発成分が揮発するためである。

本発明のセラミックス−金属接合体の製法において、前記樹脂はアクリル樹脂であり、プリベイク工程での加熱条件は、大気中で１２０〜１３０℃で１５〜３０時間としてもよい。大気の代わりに窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気１気圧とするのが好ましい。さらに真空雰囲気２０００Ｐａ以下（好ましくは１０Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以下）、１２０〜１３０℃で１５〜３０時間としてもよい。接合工程の接合条件としては、被接合体を耐熱性の樹脂バッグに入れ、樹脂バッグ内を脱気した上で樹脂バッグをシールし、このバッグごと被接合体をオートクレーブ中で加圧加熱処理により接合してもよい。加圧加熱接合条件はプリベイク工程の温度より低い温度、例えば１００℃で１０〜２０ＭＰａの圧力で行うのが好ましい。こうすれば、アクリル樹脂製の接合シートを用いた場合において、接合界面に剥がれや気泡が発生することのないセラミックス−金属接合体を得ることができる。ここで、プリベイク工程における加熱温度が１２０℃未満だと、得られた接合体を高温で使用したときに接合界面に気泡が発生するため好ましくなく、１３０℃を超えると、接合シートが変質して接着性が低下するため好ましくない。また、プリベイク工程における加熱時間が１５時間未満だと、得られた接合体を高温で使用したときに接合界面に気泡が発生するおそれがあるため好ましくなく、３０時間を超えると、得られる接合体の性能は問題ないが、必要以上に時間が長くなり生産性が低下するため好ましくない。

本発明のセラミックス−金属接合体の製法において、前記樹脂はシリコーン樹脂であり、プリベイク工程での加熱条件は、大気中で１４０〜１７０℃で１５〜３０時間としてもよい。大気の代わりに窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気１気圧とするのが好ましい。さらには真空中２０００Ｐａ以下（好ましくは１０Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以下）、１４０〜１７０℃で１５〜３０時間としてもよい。接合工程の接合条件としては、被接合体を耐熱性の樹脂バッグに入れ、樹脂バッグ内を脱気した上で樹脂バッグをシールし、このバッグごと被接合体をオートクレーブ中で加圧加熱処理により接合してもよい。加圧加熱接合条件はプリベイク工程の温度より１０〜３０℃低い温度、例えば１２０〜１４０℃で１０〜２０ＭＰａの圧力で行うのが好ましい。こうすれば、シリコーン樹脂製の接合シートを用いた場合において、接合界面に剥がれや気泡が発生することのないセラミックス−金属接合体を得ることができる。ここで、プリベイク工程における加熱温度が１４０℃未満だと、得られた接合体を高温で使用したときに接合界面に気泡が発生するため好ましくなく、１７０℃を超えると、接合シートが変質して接着性が低下するため好ましくない。また、プリベイク工程における加熱時間が１５時間未満だと、得られた接合体を高温で使用したときに接合界面に気泡が発生するおそれがあるため好ましくなく、３０時間を超えると、得られる接合体の性能は問題ないが、必要以上に時間が長くなり生産性が低下するため好ましくない。

本発明のセラミックス−金属接合体の製法において、前記セラミックス−金属接合体は、半導体プロセスにおいてウエハーを吸着固定するのに使用する静電チャックであってもよいし、半導体プロセスにおいて反応ガスをチャンバー容器に流し込むのに使用するシャワーヘッドであってもよい。

本発明のセラミックス−金属接合体は、セラミックス製のプレートと金属製の支持台とを樹脂からなる接合シートで接合した接合体であって、１２０℃，１００Ｐａの真空環境下で３００時間加熱した場合の前記接合シートの重量変化が５０μｇ／ｃｍ²（ここで単位は接合面平方センチあたり）以下のものであるか、その場合の前記プレートと前記接合シートとの接合界面及び前記支持台と前記接合シートとの接合界面に気泡が発生しないものである。

このセラミックス−金属接合体は、本発明のセラミックス−金属接合体の製法によって得ることができるが、製造時に接合シートの揮発成分が低減したことにより、高温下に晒しても接合シートの重量変化はわずかしか起こらない。

本発明のセラミックス−金属接合体は、半導体プロセスにおいてウエハーを吸着固定するのに使用する静電チャックであってもよいし、半導体プロセスにおいて反応ガスをチャンバー容器に流し込むのに使用するシャワーヘッドであってもよい。

静電チャック２０を含むプラズマ処理装置１０の構成の概略を示す断面図である。 静電チャック２０の第１の製造手順を示す説明図である。 静電チャック２０の第２の製造手順を示す説明図である。 静電チャック２０の第３の製造手順の前半を示す説明図である。 静電チャック２０の第３の製造手順の後半を示す説明図である。 プリベイク処理の温度履歴の一例を示すグラフである。 プリベイク処理の温度履歴の一例を示すグラフである。 ガス成分のＧＣ−ＭＳの分析結果を示すチャートである。 制御開始からの経過時間と電力のシフト量との関係を示すグラフである。 制御開始からの経過時間と電力のシフト量との関係を示すグラフである。

次に、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１は静電チャック２０及びシャワーヘッド６０を含むプラズマ処理装置１０の構成の概略を示す断面図である。

プラズマ処理装置１０は、図１に示すように、内圧を調整可能な金属製（例えばアルミニウム合金製）のチャンバー１２の内部に、静電チャック２０とシャワーヘッド６０とが設置されている。

チャンバー１２は、ガス供給路１４から反応ガスをシャワーヘッド６０に供給可能であると共に、排気通路１６に接続された真空ポンプによってチャンバー１２の内圧を所定の真空度まで減圧可能である。

静電チャック２０は、プラズマ処理を施すシリコン製のウエハーＷを吸着可能なプレート２２と、このプレート２２の裏面に配置された支持台としての冷却板２８と、プレート２２と冷却板２８とを接合する接合シート３２とを備えている。

プレート２２は、外周に段差を備えたセラミックス製の円盤部材であり、ウエハー載置面２３の外径がウエハーＷの外径よりも小さい。このプレート２２は、静電電極２４と抵抗加熱素子２６とを内蔵している。静電電極２４は、図示しない外部電源により直流電圧を印加可能な平面状の電極である。この静電電極２４に直流電圧が印加されると、ウエハーＷはクーロン力又はジョンソン・ラーベック力によりウエハー載置面２３に吸着固定され、直流電圧の印加を解除すると、ウエハーＷのウエハー載置面２３への吸着固定が解除される。抵抗加熱素子２６は、プレート２２の全面にわたって配線されるように例えば一筆書きの要領でパターン形成され、電圧を印加すると発熱してウエハーＷを加熱する。抵抗加熱素子２６には、冷却板２８の裏面から抵抗加熱素子２６の一端及び他端にそれぞれ到達する棒状端子（図示せず）によって電圧を印加可能である。このプレート２２をアルミナで形成した場合には、体積抵抗率が高いためクーロン型の静電チャックとして機能し、窒化アルミニウムで形成した場合には、アルミナよりも体積抵抗率が低いためジョンソン・ラーベック型の静電チャックとして機能する。

冷却板２８は、外周に段差を備えたアルミニウム製の円盤部材であり、プレート２２と対向する上面の外径がプレート２２の下面の外径と一致している。この冷却板２８は、図示しない外部冷却装置で冷却された冷媒（例えば水）が循環する冷媒通路３０を有している。この冷媒通路３０は、冷却板２８の全面にわたって冷媒が通過するように例えば一筆書きの要領で形成されている。また、冷却板２８は、チャンバー１２の底面に図示しないボルトにより固定されている。これにより、静電チャック２０の全体がチャンバー１２内に固定されている。なお、冷却板２８の外周に設けられた段差には、図示しない保護リングを配置してもよい。保護リングは、ウエハーＷと接触しないように形成され、ウエハーＷのプラズマ処理時に冷却板２８をプラズマから保護するためのものであり、必要に応じて交換が可能である。保護リングの材質としては、石英、アルミナ、金属シリコン等が使用できる。

接合シート３２は、プレート２２と冷却板２８とを接合する層であり、外径がプレート２２の下面の外径や冷却板２８の上面の外径と一致している。この接合シート３２は、後述するプリベイク処理を施したあと、プレート２２と冷却板２８とで挟んだ状態で気密バッグに入れてバッグ内を減圧して真空パックし、オートクレーブに気密バッグごと入れて加圧加熱条件で処理されたものである。接合シート３２としては、アクリル樹脂製のものやシリコーン樹脂製のものが好ましい。また、接合シート３２の厚みは１００〜３００μｍが好ましい。

シャワーヘッド６０は、反応ガスをチャンバー１２に分散供給するのに利用されるセラミックス製で円盤状のプレート６２と、プラズマを発生させるための上部電極として機能する円錐台形状の金属電極板６４と、プレート６２と金属電極板６４とを接合する接合シート６６とを備えている。このシャワーヘッド６０は、プレート６２、接合シート６６及び金属電極板６４を上下方向に貫通する多数の小穴６０ａを備えている。金属電極板６４は、シースヒーター６５を内蔵している。このシースヒーター６５は、金属電極板６４の全面にわたって一筆書きの要領で形成されている。接合シート６６は、後述するプリベイク処理を施したあと、プレート６２と金属電極板６４とで挟んだ状態で真空パックし、オートクレーブに入れて加圧加熱条件で処理されたものである。接合シート６６としては、アクリル樹脂製のものやシリコーン樹脂製のものが好ましい。こうしたシャワーヘッド６０は、チャンバー１２に取り付けられた冷却板６８に金属電極板６４の上面が接触するように配置・固定されている。この冷却板６８は、図示しない外部冷却装置で冷却された冷媒（例えば水）が循環する冷媒通路７２を有している。また、冷却板６８は、チャンバー１２に接続されたガス供給路１４からガス溜め７６を介して供給される反応ガスを分配通路７４を介してシャワーヘッド６０の小穴６０ａに供給するように構成されている。

次に、こうして構成されたプラズマ処理装置１０の使用例について説明する。まず、冷媒通路３０，７２に図示しない外部冷却装置で所定温度（例えば２５℃）に冷却された冷媒を循環させる。続いて、ウエハーＷをプレート２２のウエハー載置面２３に載置する。そして、チャンバー１２内を真空ポンプにより減圧して所定の真空度になるように調整し、静電電極２４に直流電圧をかけてクーロン力又はジョンソン・ラベック力を発生させ、ウエハーＷをウエハー載置面２３に吸着固定する。次に、チャンバー１２内を所定圧力（例えば数１０〜数１００Ｐａ）の反応ガス雰囲気とし、この状態で、チャンバー１２内のシャワーヘッド６０の金属電極板６４と静電チャック２０の静電電極２４との間に高周波電圧を印加し、プラズマを発生させる。なお、静電電極２４には静電気力を発生させるための直流電圧と高周波電圧の両方が印加されるものとしたが、高周波電圧は静電電極２４の代わりに冷却板２８に印加されるものとしてもよい。そして、発生したプラズマによってウエハーＷの表面がエッチングされる。このとき、抵抗加熱素子２６に供給する電力量を調節したり、冷却板２８の冷媒通路３０に循環させる冷媒の流量を調節したりすることにより、ウエハーＷの温度が一定になるように制御する。また、シースヒーター６５に供給する電力量を調節したり、冷却板６８の冷媒通路７２に循環させる冷媒の流量を調節したりすることにより、シャワーヘッド６０の温度が一定になるように制御する。

次に、静電チャック２０の製造手順について説明する。図２は静電チャック２０の第１の製造手順を示す説明図、図３は静電チャック２０の第２の製造手順を示す説明図、図４及び図５は静電チャック２０の第３の製造手順を示す説明図である。

はじめに、図２の説明図にしたがって第１の製造手順を説明する。まず、プレート２２と、冷却板２８と、樹脂製で両面粘着性の接合シート３２とを用意する（図２（ａ）参照）。接合シート３２は、プレート２２の下面や冷却板２８の上面と同じ形状のものを用意する。次に、冷却板２８の上面に接合シート３２を貼り付ける（図２（ｂ）参照）。そして、接合シート３２を貼り付けた冷却板２８を乾燥機内に設置し、大気雰囲気中、もしくは乾燥機内の大気を窒素あるいはアルゴン等の不活性ガスに置換して、もしくは乾燥機内圧力を２０００Ｐａ以下（好ましくは１０Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以下）に減圧し、その状態でプリベイク処理を行う（図２（ｃ）参照）。プリベイク処理では、接合シート３２がアクリル樹脂製の場合には、１２０〜１３０℃で１５〜３０時間処理し、その後乾燥機中で自然冷却する。このときの温度履歴の一例を図６に示す。一方、接合シート３２がシリコーン樹脂製の場合には、１４０〜１７０℃で１５〜３０時間処理し、その後乾燥機真空中で自然冷却する。このときの温度履歴の一例を図７に示す。こうしたプリベイク処理により、接合シート３２中の揮発成分が低減する。プリベイク処理後、冷却板２８に貼り付けられた接合シート３２の上面にプレート２２の下面が一致するように積層し（図２（ｄ）参照）、それを耐熱樹脂バッグ中に入れたあとオートクレーブに入れ、プリベイク処理の温度より１０〜３０℃低い温度で、１０〜２０ＭＰａの加圧加熱下で３〜６時間処理することにより、プレート２２が接合シート３２を挟んで冷却板２８と密着して接合され、静電チャック２０を得る（図２（ｅ）参照）。

次に、図３の説明図にしたがって第２の製造手順を説明する。まず、プレート２２と、冷却板２８と、樹脂製で両面粘着性の接合シート３２とを用意する（図３（ａ）参照）。接合シート３２は、第１の製造手順と同様のものを用意する。次に、プレート２２の下面に接合シート３２を貼り付ける（図３（ｂ）参照）。そして、接合シート３２を貼り付けたプレート２２を乾燥機内に設置し、大気雰囲気中で、もしくは乾燥機内の大気を窒素あるいはアルゴン等の不活性ガスに置換して、もしくは乾燥機内圧力を２０００Ｐａ以下（好ましくは１０Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以下）に減圧し、その状態でプリベイク処理を行う（図３（ｃ）参照）。プリベイク処理は、第１の製造手順と同じ条件で行う。これにより、接合シート３２中の揮発成分が低減する。プリベイク処理後、プレート２２に貼り付けられた接合シート３２の下面に冷却板２８の上面が一致するように積層し（図３（ｄ）参照）、それを耐熱樹脂バッグ中に入れたあとオートクレーブに入れ、加圧加熱下で数時間処理することにより、静電チャック２０を得る（図３（ｅ）参照）。

次に、図４及び図５の説明図にしたがって第３の製造手順を説明する。まず、接合シート３２と同形状の穴７０ａをくりぬいた板であるフレーム７０と、樹脂製で両面粘着性の大判シート３１とを用意する（図４（ａ）参照）。大判シート３１は、プレート２２の下面や冷却板２８の上面よりも大きな形状のものを用意する。次に、大判シート３１がフレーム７０の穴７０ａを塞ぐように大判シート３１をフレーム７０に貼り付ける（図４（ｂ）参照）。そして、大判シート３１を貼り付けたフレーム７０を乾燥機内に設置し、大気雰囲気中で、もしくは乾燥機内の大気を窒素あるいはアルゴン等の不活性ガスに置換して、もしくは乾燥機内圧力を２０００Ｐａ以下（好ましくは１０Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以下）に減圧し、その状態でプリベイク処理を行う（図４（ｃ）参照）。プリベイク処理は、第１の製造手順と同じ条件で行う。但し、大判シート３１は両面から揮発成分が揮発するため、第１及び第２の製造手順に比べて処理時間を短くしてもよい。これにより、大判シート３１中の揮発成分が低減する。続いて、プレート２２と冷却板２８とを用意し（図５（ａ）参照）、大判シート３１のうちフレーム７０の穴７０ａを塞いでいる部分をプレート２２と冷却板２８とで挟み込む（図５（ｂ）参照）。そして、大判シート３１を冷却板２８の外縁に沿って切断することで大判シート３１を接合シート３２とし（図５（ｃ）参照）、それを耐熱樹脂バッグ中に入れたあとオートクレーブに入れ、加圧加熱下で数時間処理することにより、静電チャック２０を得る（図５（ｄ）参照）。

第１〜第３の製造手順によって得られた静電チャック２０を１２０℃、１００Ｐａの真空環境下で３００時間加熱したところ、接合シート１平方センチメートルあたりの重量変化が２５μｇ／ｃｍ²（ここで単位は接合面平方センチあたり）以下であり、プレート２２と接合シート３２との接合界面や冷却板２８と接合シート３２との接合界面には気泡は発生しなかった。

次に、シャワーヘッド６０の製造手順について説明する。シャワーヘッド６０は、静電チャック２０の第１〜第３の製造手順に準じて製造することができる。

はじめに、シャワーヘッド６０を、静電チャック２０の第１の製造手順（図２参照）に準じて製造する場合について説明する。まず、セラミックス製のプレート６２と、金属電極板６４と、樹脂製で両面粘着性の接合シート６６とを用意する。接合シート６６は、接合シート３２と同様のものである。プレート６２，金属電極板６４及び接合シート６６には、あらかじめ小穴６０ａに対応する位置に穴を開けておく。次に、金属電極板６４に接合シート６６を穴の位置が一致するようにして貼り付ける。そして、接合シート６６を貼り付けた金属電極板６４を乾燥機内に設置し、大気雰囲気中で、もしくは乾燥機内の大気を窒素あるいはアルゴン等の不活性ガスに置換して、もしくは乾燥機内圧力を２０００Ｐａ以下（好ましくは１０Ｐａ以下、より好ましくは０．１Ｐａ以下）に減圧し、その状態で上述したプリベイク処理を行う。プリベイク処理により、接合シート６６中の揮発成分が低減する。プリベイク処理後、金属電極板６４に貼り付けられた接合シート６６にプレート６２を穴が一致するようにして積層し、それを耐熱樹脂バッグ中に入れたあと樹脂バッグ内を減圧してバッグを気密にシールし、バッグごと被接合体をオートクレーブに入れ、プリベイク処理の温度より１０〜３０℃低い温度で、１０〜２０ＭＰａの加圧加熱下で３〜６時間処理することにより、シャワーヘッド６０を得る。

次に、シャワーヘッド６０を、静電チャック２０の第２の製造手順（図３参照）に準じて製造する場合について説明する。まず、プレート６２と、金属電極板６４と、樹脂製で両面粘着性の接合シート６６とを用意する。接合シート６６は、接合シート３２と同様のものである。プレート６２，金属電極板６４及び接合シート６６には、あらかじめ小穴６０ａに対応する位置に穴を開けておく。次に、プレート６２に接合シート６６を穴の位置が一致するようにして貼り付ける。そして、接合シート６６を貼り付けたプレート６２を乾燥機内に設置し、大気雰囲気中で、もしくは乾燥機内の大気を窒素あるいはアルゴン等の不活性ガスに置換して、もしくは乾燥機内圧力を２０００Ｐａ以下（好ましくは１０Ｐａ以下、より好ましくは０．１Ｐａ以下）に減圧し、その状態で上述したプリベイク処理を行う。プリベイク処理により、接合シート６６中の揮発成分が低減する。プリベイク処理後、プレート６２に貼り付けられた接合シート６６に金属電極板６４を穴が一致するようにして積層し、それを耐熱樹脂バッグ中に入れたあとオートクレーブに入れ、加圧加熱下で数時間処理することにより、シャワーヘッド６０を得る。
照）。

次に、シャワーヘッド６０を、静電チャック２０の第３の製造手順（図４及び図５参照）に準じて製造する場合について説明する。まず、接合シート６６と同形状の穴をくりぬいた板であるフレームと、樹脂製で両面粘着性の大判シート（接合シート６６よりも大きな形状のシート）とを用意する。なお、大判シートには、小穴６０ａに相当する位置に穴を開けておく。次に、大判シートがフレームの穴を塞ぐように大判シートをフレームに貼り付ける。そして、大判シートを貼り付けたフレームを乾燥機内に設置し、大気雰囲気中で、もしくは乾燥機内の大気を窒素あるいはアルゴン等の不活性ガスに置換して、もしくは乾燥機内圧力を２０００Ｐａ以下（好ましくは１０Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以下）に減圧し、その状態で上述したプリベイク処理を行う。但し、処理時間は第１及び第２の製造手順に比べて短くしてもよい。これにより、大判シート中の揮発成分が低減する。続いて、プレート６２と金属電極板６４とを用意し、大判シートのうちフレームの穴を塞いでいる部分をプレート６２と金属電極板６４とで挟み込む。このとき、それぞれに設けた穴の位置が一致するようにする。そして、大判シートを金属電極板６４の外縁に沿って切断することで大判シートを接合シート６６とし、それを耐熱樹脂バッグ中に入れたあとオートクレーブに入れ、加圧加熱下で数時間処理することにより、シャワーヘッド６０を得る。

以上詳述した本実施形態の静電チャック２０やシャワーヘッド６０の製法によれば、プレート２２と冷却板２８との接触面積やプレート６２と金属電極板６４との接触面積が低下したり接触面の接着強度にバラツキが生じたりすることがなくなる。具体的には、静電チャック２０についていえば、接合シート３２をあらかじめ真空中で加熱して接合シート３２中の揮発成分を減らしてからプレート２２と冷却板２８とを加圧加熱処理により接合するため、得られた静電チャック２０を高温で使用した場合でも、接合シート３２からガスが発生せず、プレート２２と接合シート３２との間や冷却板２８と接合シート３２との間に気泡が生成しない。その結果、プレート２２と冷却板２８との間の接触面積が低下したり接着性にバラツキが生じたりすることがなくなり、吸着しているウエハーＷの均熱性が良好になる。また、ウエハーＷの温度を一定に制御するにあたり、抵抗加熱素子２６に供給する電力が安定化するため、温度制御が容易になる。これらの効果は、シャワーヘッド６０においても同様に得られる。なお、静電チャック２０の場合には、更に、発生したガスがプレート２２の表面に付着することがないため、ウエハーＷの吸着・脱着の応答性を良好に保つことができる。

また、静電チャック２０の第１及び第２の製造手順では、プリベイク処理時に接合シート３２の片面から揮発成分が揮発していくのに対して、第３の製造手順では、大判シート３１の両面から揮発成分が揮発していくため、短時間でプリベイク処理を終了することができる。この点は、シャワーヘッド６０においても同様である。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明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、上述した実施形態では、静電チャック２０としてプレート２２に抵抗加熱素子２６を埋め込んだものを採用したが、この抵抗加熱素子２６を省略してもよい。また、シャワーヘッド６０として金属電極板６４にシースヒーター６５を埋設したものを採用したが、このシースヒーター６５を省略してもよい。

上述した実施形態では、接合シート３２，６６としてアクリル樹脂製のものやシリコーン樹脂製のものを例示し、それらのプリベイク処理の条件を詳説したが、他の樹脂で作製したものを用いてもよい。その場合には、その樹脂に合ったプリベイク処理の条件（処理温度や処理時間など）を前もって実験により決定すればよい。具体的には、実施例の欄で説明するように、処理温度と処理時間と接合界面の様子（剥がれの有無など）との関係を調べたうえで決定すればよい。

［参考例］
アクリル樹脂製の接合シートより発生するガス成分を、ダイナミックヘッドスペース−ガスクロマトグラフ−質量分析（ＤＨＳ−ＧＣ−ＭＳ）により分析した。具体的には、アクリル樹脂製の接合シートをチャンバーに設置し、そのチャンバー内を高真空状態とした。続いて、チャンバー内を所定温度（６０℃、８０℃、１００℃、１２０℃）に加熱し、その状態でキャリアガスを流量５００ｍＬ／ｍｉｎで流し、発生したガスを吸着剤に捕集し濃縮したあと、ガスクロマトグラフィー質量分析（ＧＣ−ＭＳ）でガス成分を分析した。なお、質量分析装置のイオン化方式は、電子衝撃法（ＥＩ法；７０ｅＶ）を採用した。分析結果を示すチャートを図８に示す。図８から、この接合シートから発生したガス成分は主に炭化水素化合物であることがわかる。

［実施例１］
静電チャック２０の一例として、φ２９７ｍｍ、厚み３ｍｍのアルミナ製のプレート２２と、φ２９７ｍｍ、厚み１８ｍｍのＡｌ製の冷却板２８とを、厚み０．１５ｍｍのアクリル樹脂製の接合シート３２により接着したものを製造した。この静電チャック２０を上述した第１の製造手順に準じて製造した。具体的には、Ａｌ製の冷却板２８に接合シート６６を貼り付けた後にプリベイク処理を行った。プリベイク処理は、１０Ｐａ以下に減圧された専用の炉の中で、３２℃／ｈｒの速度で昇温させ、１２０℃になったところで温度を一定にし、２０時間キープした。その後は４℃／ｈｒの速度で降温させた。その後、接合シート６６を貼り付けた冷却板２８とプレート２２とを接合した。具体的には、位置を合わせてこれらを仮接合した後、両者を耐熱性の樹脂バッグに入れ、樹脂バッグ内を１０００Ｐａ以下に脱気した上で樹脂バッグをシールした。次に、このバッグごと仮接合体をオートクレーブ中で加圧加熱処理により接合した。加圧加熱接合条件は１００℃で１４ＭＰａの気圧下で４時間行った。

［比較例１］
実施例１の静電チャック２０を、従来法により作製した。具体的には、実施例１のプリベイク処理を実施しなかった点を除いては、実施例１と同様の手順により静電チャック２０を作製した。

［実施例１，比較例１の効果確認］
実施例１と比較例１の静電チャック２０をそれぞれ図１に示すようにチャンバー１２内に設置し、効果確認試験を行った。静電チャック２０の冷却板２８の冷媒通路３０には、４５℃の冷却水を一定量流し、プレート２２に埋設された抵抗加熱素子２６に電力を供給することで、プレート２２の表面温度が所定温度（実施例１は９０℃、比較例１は８０℃）になるように、抵抗加熱素子２６に供給する電力を制御した。プレート２２の表面温度は、プレート２２の中心に熱電対を接触させて測定した。その結果、制御開始から１００時間経過後、比較例１では電力が２０％近く降下したのに対し、実施例１では所定温度が高いにも係わらず電力が１％程度しか低下しなかった。そのときの様子を図９に示す。こうした電力の変化は、接合界面に気泡が発生し、プレート２２と冷却板２８の間の熱伝達が小さくなるように変化していることを意味する。すなわち、チャンバー中で同一の電力を供給した場合、接合界面に気泡が発生した部分でプレート２２の表面温度が大きくなるように変化することとなる。さらに、気泡が面内で不均一に発生し、プレート２２の表面温度分布が変化することとなる。プレート２２の表面の温度もしくは温度分布が変わるとプラズマ中の反応種が大きく変化し、例えば、エッチング工程でウエハー面内のエッチング速度のバラツキが生じ、デバイスの歩留まりが悪くなる。

以上を確認するために、実施例１と比較例１の静電チャック２０を表面温度が６５℃になるように抵抗加熱素子２６に供給する電力を制御し、それぞれの静電チャック表面の温度分布を測定した。実施例１は最高温度６６．２℃、最低温度６２．５℃、平均温度６４．６℃、温度範囲（＝最高温度−最低温度）３．７℃であり、比較例１は最高温度６６．３℃、最低温度６２．７℃、平均温度６４．８℃、温度範囲（＝最高温度−最低温度）３．６℃であり、実施例１と比較例１で差異はなかった。その後、制御開始から３００時間経過した後のプレート２２の表面温度分布を調べたところ、実施例１では最高温度６６．４℃、最低温度６２．５℃、平均温度６４．８℃、温度範囲（＝最高温度−最低温度）３．９℃であったのに対し、比較例１では、最高温度６７．７℃、最低温度６２．３℃、平均温度６５．１℃、温度範囲５．４℃であった。この結果から、比較例１に比べて実施例１の方がプレート２２の均熱性が安定していることがわかる。

［実施例２］
シャワーヘッド６０の一例として、φ４３０ｍｍ、厚み４ｍｍのＳｉＣ製のプレート６２と、一面がφ４３０ｍｍで他面がφ４５０ｍｍの外周テーパー形状で厚みが２０ｍｍのＡｌ製の金属電極板６４とからなり、これらが厚み０．２５ｍｍのシリコン樹脂製の接合シート６６により接着されたものを製造した。小穴６０ａは、φ０．１ｍｍであり、隣り合う間隔が４ｍｍとなるようにした。このシャワーヘッド６０を上述した第２の製造手順に準じて製造した。具体的には、ＳｉＣ製のプレート６２に接合シート６６を貼り付けた後にプリベイク処理を行った。プリベイク処理は、１０Ｐａ以下に減圧された専用の炉の中で、プレート６２を１０℃／ｈｒの速度で昇温させ、１５０℃になったところで温度を一定にし、２０時間キープした。その後は５℃／ｈｒの速度で降温させた。その後、接合シート６６を貼り付けたプレート６２と金属電極板６４とを接合した。具体的には、位置を合わせてこれらを仮接合した後、両者を耐熱性の樹脂バッグに入れ、樹脂バッグ内を１０００Ｐａ以下に脱気した上で樹脂バッグをシールした。次に、このバッグごと仮接合体をオートクレーブ中で加圧加熱処理により接合した。加圧加熱接合条件は１００℃で１４ａｔｍの気圧下で５時間行った。

［比較例２］
実施例２のシャワーヘッド６０を、従来法により作製した。具体的には、実施例２のプリベイク処理を実施しなかった点を除いては、実施例２と同様の手順によりシャワーヘッド６０を作製した。

［実施例２，比較例２の効果の確認］
実施例２と比較例２のシャワーヘッド６０をそれぞれ図１に示すチャンバー１２内に入れ、効果確認試験を行った。シャワーヘッド６０は、チャンバー１２に取り付けられた冷却板６８に金属電極板６４の上面が接触するように配置・固定した。次に冷却板６８の冷媒通路７２に６０℃の冷却水を一定量流し、金属電極板６４に埋設されたシースヒーター６５に電力を供給することで、シャワーヘッド６０のプレートの表面温度が９０℃になるように、シースヒーター６５に供給する電力を制御した。なお、プレートの表面温度はプレート表面に熱電対をセラミックボンドで固定して測定し温度制御に用いた。その結果、制御開始から７０時間経過後、比較例２では電力が８％降下したのに対し、実施例２では電力が３％程度しか低下しなかった。そのときの様子を図１０に示す。こうした電力の変化は、シャワーヘッド６０のプレート６２の表面における温度が大きく変化していることを意味する。すなわち、プラズマからの入熱がプレート６２の表面の温度が変わるとプラズマ中の反応種が大きく変化し、例えば、エッチング工程でウエハー面内のエッチング速度のバラツキが生じ、デバイスの歩留まりが悪くなる。実際、比較例２ではエッチング工程の歩留まり（生産総数に対する合格品数の百分率）が８８％だったのに対し、実施例２では歩留まりが９９％以上であった。

［アクリル樹脂製シートのプリベイク条件の検討］
静電チャックのプレートを模擬した透明ガラスにアクリル樹脂製で両面粘着性のある接合シートの片面を貼り付けた。接合シートの他面を暴露したまま、真空乾燥機内に設置し、乾燥機内圧力を１０Ｐａ以下（７〜８Ｐａ）に減圧した。続いて、プリベイク処理を行った。すなわち、この圧力を保ちつつ、下記表１に示す処理温度、処理時間で加熱した。プリベイク処理終了後、透明ガラスに貼り付けられた接合シートの上に冷却板を模擬した透明ガラスを載せ、仮接着して耐熱樹脂バッグ中に入れた。そして、耐熱樹脂バッグ中の空気を１０００Ｐａ以下に脱気し、そのバッグをシールして気密にしたのちオートクレーブ炉に入れ、１００℃、１４ａｔｍで５時間加熱して一対の透明ガラスを接合シートで接合したガラス−ガラス接合体を得た。ここで、ガラスと接合シートとの接合界面における接着性を観察した。その結果を表１に示す。表１に示すように、プリベイク処理時の温度が１１０〜１３０℃では良好に接着していたが、１４０℃では剥がれなどが発生しており接着性は不良であった。

次に、上記のようにして得られたガラス−ガラス接合体を、１２０℃、１００Ｐａで３００時間加熱し、ガラスと接合シートとの接合界面の欠陥の有無（気泡の有無）を調べた（評価試験）。その結果を下記表２に示す。また、透明ガラスの代わりにＡｌ板を用いてＡｌ板−Ａｌ板接合体をガラス−ガラス接合体の製法に準じて作製し、熱伝導率の変化を調べた。その結果を下記表３に示す。なお、熱伝導率は、熱流計法（ＪＩＳ−Ａ１４１２，ＡＳＴＭ−Ｃ５１８，ＩＳＯ８３０１準拠）によって測定した。また、表３の数値（％）は、Ａｌ板−Ａｌ板接合体を製造した直後の値を基準として、上述した評価試験後の値の変化の割合を求めたものである。表２及び表３の結果から、アクリル樹脂製の接合シートを用いた場合のプリベイク条件は、表４にて○で示した処理温度、処理時間が適切であるといえる。なお、プリベイク条件として処理温度１１０〜１３０℃、処理時間４０時間を採用した場合にも良好な結果が得られたが、必要以上に時間が長くなり生産性が低下するというため好ましくない。

［シリコーン樹脂製シートのプリベイク条件の検討］
静電チャックのプレートを模擬した透明ガラスにシリコーン樹脂製で両面粘着性のある接合シートの片面を貼り付けた。接合シートの他面を暴露したまま、真空乾燥機内に設置し、乾燥機内圧力を１０Ｐａ以下（７〜８Ｐａ）に減圧した。続いて、プリベイク処理を行った。すなわち、この圧力を保ちつつ、下記表５に示す処理温度、処理時間で加熱した。プリベイク処理終了後、透明ガラスに貼り付けられた接合シートの上に冷却板を模擬した透明ガラスを載せ、仮接着して耐熱樹脂バッグ中に入れた。そして、耐熱樹脂バッグ中の空気を脱気し、そのバッグをシールして気密にしたのちオートクレーブ炉に入れ、１００℃、１４ａｔｍで５時間加熱して一対の透明ガラスを接合シートで接合したガラス−ガラス接合体を得た。ここで、ガラスと接合シートとの接合界面における接着性を観察した。その結果を表５に示す。表５に示すように、プリベイク処理時の温度が１２０〜１７０℃では良好に接着していたが、１８０℃では剥がれなどが発生しており接着性は不良であった。

次に、上記のようにして得られたガラス−ガラス接合体を、１２０℃、１００Ｐａで３００時間加熱し、ガラスと接合シートとの接合界面の欠陥の有無（気泡の有無）を調べた（評価試験）。その結果を下記表６に示す。また、透明ガラスの代わりにＡｌ板を用いてＡｌ板−Ａｌ板接合体をガラス−ガラス接合体の製法に準じて作製し、熱伝導率の変化を調べた。その結果を下記表７に示す。なお、熱伝導率の測定法や表７の数値（％）は既述のとおりである。表６及び表７の結果から、シリコーン樹脂製の接合シートを用いた場合のプリベイク条件は、表８にて○で示した処理温度、処理時間が適切であるといえる。なお、プリベイク条件として処理温度１４０〜１７０℃、処理時間４０時間を採用した場合にも良好な結果が得られたが、必要以上に時間が長くなり生産性が低下するというため好ましくない。

次に、シリコーン樹脂製の接合シートを用いた場合において、ガラス−ガラス接合体を製造するにあたり、プリベイク処理時の乾燥機内圧力を０．０１Ｐａに設定し、この圧力を保ちつつ、下記表９に示す処理温度、処理時間で加熱した以外は、上述した製造手順と同じ手順によってガラス−ガラス接合体を製造した。このガラス−ガラス接合体を、１６０℃、１００Ｐａで３００時間加熱し、ガラスと接合シートとの接合界面の欠陥の有無（気泡の有無）を調べた（評価試験）。その結果を表９に示す。表９から明らかなように、プリベイク処理を０．０１Ｐａという高真空の条件下、表８に示した適切な処理温度、処理時間で実施したガラス−ガラス接合体は、評価試験の温度が１６０℃という高温であっても接合界面に気泡が発生しなかった。

[シリコーン樹脂製シートのプリベイク処理の雰囲気の検討]
上記［シリコーン樹脂製シートのプリベイク条件の検討］において、プリベイク処理時の乾燥機の雰囲気を大気とし、１気圧の雰囲気圧力下、１７０℃で３０時間加熱処理した。それ以外は上記［シリコーン樹脂製シートのプリベイク条件の検討］と全く同じ条件でガラス接合体およびＡｌ接合体を作成し、上記評価試験により評価を行った。その結果、ガラス接合体の接合界面に気泡はなく、Ａｌ接合体の熱伝導率の変化は３％であった。

また、上記［シリコーン樹脂製シートのプリベイク条件の検討］において、プリベイク処理時の乾燥機を窒素ガスとし、窒素１気圧の雰囲気下、１７０℃で１５時間加熱処理した。それ以外は上記［シリコーン樹脂製シートのプリベイク条件の検討］と全く同じ条件でガラス接合体およびＡｌ接合体を作成し、上記評価試験により評価を行った。その結果、ガラス接合体の接合界面に気泡はなく、Ａｌ接合体の熱伝導率の変化は３％であった。なお、窒素の代わりにアルゴンを用いた場合でも窒素のときと全く同じ結果を得た。

以上のことから、プリベイク処理の雰囲気としては、1気圧の大気や窒素、アルゴンでも良く、熱伝導率の変化をより少なくするためには、真空中でプリベイク処理するのがより好ましい。

本出願は、２００９年２月２０日に出願された米国特許出願第６１／１５４０００号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容全てが本明細書に含まれる。

本発明は、例えば静電チャックとして利用可能である。

１０ プラズマ処理装置、１２ チャンバー、１４ ガス供給路、１６ 排気通路、２０ 静電チャック、２２ プレート、２３ ウエハー載置面、２４ 静電電極、２６ 抵抗加熱素子、２８ 冷却板、３０ 冷媒通路、３１ 大判シート、３２ 接合シート、６０ シャワーヘッド、６０ａ 小穴、６２ プレート、６４ 金属電極板、６５ シースヒーター、６６ 接合シート、６８ 冷却板、７０ フレーム、７０ａ 穴、７２ 冷媒通路、７４ 分配通路。

Claims (3)

1. セラミックス製のプレートと金属製の支持台とを樹脂からなる接合シートで接合した、半導体プロセスにおいて使用する接合体であって、
   前記樹脂は、アクリル樹脂又はシリコーン樹脂であり、
   １２０℃，１００Ｐａの真空環境下で３００時間加熱した場合の前記接合シートの重量変化が５０μｇ／ｃｍ²（ここで単位は接合面平方センチあたり）以下である、
   セラミックス−金属接合体。
2. セラミックス製のプレートと金属製の支持台とを樹脂からなる接合シートで接合した、半導体プロセスにおいて使用する接合体であって、
   前記樹脂は、アクリル樹脂又はシリコーン樹脂であり、
   １２０℃，１００Ｐａの真空環境下で３００時間加熱した場合の前記プレートと前記接合シートとの接合界面や前記支持台と前記接合シートとの接合界面に気泡が発生しない、
   セラミックス−金属接合体。
3. 前記セラミックス−金属接合体は、半導体プロセスにおいてウエハーを吸着固定するのに使用する静電チャック、又は、半導体プロセスにおいて反応ガスをチャンバー容器に分散供給するのに使用するシャワーヘッドである、
   請求項１又は２に記載のセラミックス−金属接合体。