JP6231443B2

JP6231443B2 - 接合体およびこれを用いたウエハ支持部材

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Publication number: JP6231443B2
Application number: JP2014132475A
Authority: JP
Inventors: 鶴丸　尚文; 尚文鶴丸
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: JP2016012608A

Description

本発明は、セラミック板と金属板との接合体およびこれを用いたウエハ支持部材に関するものである。

半導体集積回路の製造工程または液晶表示装置の製造工程等において、半導体ウエハ等の各試料を保持するための部品としてウエハ支持部材が知られている。ウエハ支持部材としては、金属板とセラミック板との接合体から成るものが知られている。このような接合体としては、例えば、特許文献１に開示されたセラミックス−金属接合体が挙げられる。特許文献１に開示されたセラミックス−金属接合体は、セラミックス部材と金属部材との間に、流動性接着剤組成物の硬化物から成る接着部と、この接着部よりも硬い材料から成るスペーサー部とを含んでいる。これによれば、セラミックス部材と金属部材とを圧力をかけながら接合する際に、スペーサー部がセラミックス部材と金属部材との間隔を確保することができるので、硬化前の接着部が外部に流れ出てしまうことを防止できるというものである。

特開２００３−２５８０７２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたセラミックス−金属接合体においては、セラミックス部材と金属部材とを圧力をかけながら接合する際に、スペーサー部に圧力が集中することになる。この状態でセラミックス部材と金属部材とを接合すると、セラミックス部材とスペーサー部とが押し合った状態で接合されることになる。このように接合されたセラミックス−金属接合体をヒートサイクル下において繰り返し使用すると、セラミックス部材のうちスペーサー部に接触する部分に圧力が集中することによって、セラミックス部材にクラックが生じるおそれがあった。その結果、セラミックス−金属接合体の長期信頼性を向上させることが困難であるという問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたものであり、その目的はセラミックス部材にクラックが生じることを抑制して、セラミックス−金属接合体の長期信頼性を向上させることにある。

本発明の一態様の接合体は、金属板、該金属板の上面に対向するように設けられたセラミック板および前記金属板と前記セラミック板とを接合する接合層を備えている接合体であって、前記接合層が、前記金属板の上面に接して配置された複数のスペーサー、該スペーサーの上面および下面に設けられた第１接着層、ならびに前記スペーサーの周囲に設けられた第２接着層から成る第１接合層と、該第１接合層の上面の全体および前記セラミック板の下面に接して配置された第２接合層とから成ることを特徴とする。

本発明の一態様の接合体によれば、セラミック板と金属板とを接合したときにスペーサーに圧力が集中したとしても、第１接合層を覆う第２接合層が設けられていることによって、スペーサーから加わる圧力を第２接合層において分散させて吸収させることができる
。これにより、セラミック板にクラックが生じることを抑制できる。その結果、接合体の長期信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態の接合体およびこれを用いたウエハ支持部材を示す断面図である。図１に示したウエハ支持部材の領域Ａを拡大した部分拡大断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る接合体およびこれを用いたウエハ支持部材について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態の接合体１０およびこれを用いたウエハ支持部材１００を示す断面図である。図１に示すように、本発明の一実施形態の接合体１０は、金属板１、金属板１の上面に対向するように設けられたセラミック板２および金属板１とセラミック板２とを接合する接合層３を備えている。ウエハ支持部材１００は、上述の接合体１０に加えて、さらに発熱抵抗体４および静電吸着用電極５を備えている。

金属板１は、内部に冷却媒体用の流路（図示せず）およびウエハ支持部材１００の上面にヘリウムやアルゴン等の伝熱ガスを流す流路（図示せず）を内蔵した板状の部材である。金属板１としては、例えばアルミニウムまたはチタン等の金属材料を用いることができる。

セラミック板２は、上面にウエハ支持面２０を有する板状の部材である。セラミック板２は、上面のウエハ支持面２０において、例えばシリコンウエハ等の試料を保持する。ウエハ支持部材１００は、平面視したときの形状が円形状の部材である。セラミック板２は、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素またはイットリア等のセラミック材料から成る。セラミック板２の内部には、発熱抵抗体４および静電吸着用電極５が埋設されている。セラミック板２の寸法は、例えば、径を２００〜５００ｍｍに、厚みを２〜１５ｍｍに設定できる。試料を保持する方法としては、様々な方法を用いることができるが、本実施形態のウエハ支持部材１００は静電気力によって試料を保持する。静電吸着用電極５は、２つの電極から構成される。２つの電極は、一方が電源の正極に接続され、他方が負極に接続される。２つの電極は、それぞれ略半円板状に形成され、半円の弦同士が対向するように、セラミック板２の内部に配置される。２つの電極が合わさって、静電吸着用電極５全体の外形が円形状となっている。この静電吸着用電極５全体による円形状の中心は、同じく円形状のセラミック板２の中心と同一に設定される。静電吸着用電極５は、例えばタングステンまたはモリブデン等の金属材料から成る。

発熱抵抗体４は、セラミック板２の上面のウエハ支持面２０に保持された試料を加熱するための部材である。発熱抵抗体４は、セラミック板２の内部において静電吸着用電極５よりも下方に設けられている。発熱抵抗体４に電圧を印加することによって、発熱抵抗体４を発熱させることができる。発熱抵抗体４で発せられた熱は、セラミック板２の内部を伝わって、セラミック板２の上面におけるウエハ支持面２０に到達する。これにより、ウエハ支持面２０に搭載された試料を加熱することができる。発熱抵抗体４は、複数の湾曲部を有するパターンを有しており、セラミック板２の広範囲に配置されるように形成されている。これにより、ウエハ支持面２０において熱分布にばらつきが生じることを抑制できる。発熱抵抗体４は、例えば白金またはタングステン等の金属材料によって形成されている。

接合層３は、金属板１とセラミック板２とを接合するための部材である。図２に示すよ
うに、接合層３は、金属板１の上面に接して配置された第１接合層６、ならびに第１接合層６の上面およびセラミック板２の下面に接して配置された第２接合層７を有している。

第１接合層６は、金属板１とセラミック板２との間隔を保ちながら、これらを第２接合層７とともに接合するための部材である。

第１接合層６は、複数のスペーサー６０、スペーサー６０の上面および下面に設けられた第１接着層６１、ならびにスペーサー６０の周囲に設けられた第２接着層６２から成る。

スペーサー６０は、金属板１とセラミック板２とを圧力を加えながら接合する際に、金属板１とセラミック板２との間隔を確保して、金属板１とセラミック板２との間隔を一定に保つための部材である。そのため、スペーサー６０は、接合時の圧力によって変形することが無いように、周囲の第２接着層６２および第２接合層７よりも変形しにくい部材であることが望ましい。具体的には、スペーサー６０は、第２接着層６２および第２接合層７よりもヤング率が大きいことが望ましい。また、ウエハ支持面２０の均熱性を向上させるために、スペーサー６０は熱伝導率が良好である材料から成ることが望ましい。

スペーサー６０に用いられる材料としては、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等の樹脂材料が挙げられる。特に、硬さがＪＩＳ規格（ＪＩＳＫ６２５３）のタイプＡにおいて６０度以上である材料を用いることが望ましい。

また、スペーサー６０に用いられるその他の材料としては、熱伝導率の高い銅またはアルミニウム等の金属材料が挙げられる。これらの材料を用いることによって、ウエハ支持面２０の均熱性を向上させることができる。

スペーサー６０の形状は、例えば円柱状または直方体状にすることができる。スペーサー６０が円柱状の場合には、スペーサー６０の軸方向がウエハ支持面２０に対して垂直な方向になるように配置される。この場合には、スペーサー６０の寸法は、軸方向の高さを、例えば０．３〜２ｍｍ程度に設定できる。また、スペーサー６０が金属板１とセラミック板２との間隔を安定して保つためには、スペーサー６０の直径が軸方向の高さと等しいか、または軸方向の高さよりも大きいことが好ましい。具体的には、スペーサー６０の直径を、例えば０．３〜３ｍｍ程度に設定できる。

スペーサー６０は、金属板１の上面のうち接合層３が設けられている領域の全体に分散していることが好ましい。また、金属板１の上面のうち接合層３が設けられている領域の面積に対して、複数のスペーサー６０の下面の面積の合計が０．１〜３０％程度になるように設けられていることが好ましい。

第１接着層６１は、スペーサー６０の上下面に設けられている。第１接着層６１は、スペーサー６０と金属板１または第２接合層７とが接触することを避けるための部材である。スペーサー６０と金属板１との間またはスペーサー６０と第２接合層７との間に第１接着層６１が設けられていることによって、接合時にスペーサー６０と金属板１またはスペーサー６０と第２接合層７とに生じる応力を低減できる。

したがって、第１接着層６１のヤング率は、スペーサー６０のヤング率よりも小さいことが好ましい。また、第１接着層６１は、第２接着層６２との良好な混和性を有していることが望ましい。

第１接着層６１は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等の樹脂材料か
ら成る。第１接着層６１の厚みは、例えばスペーサー６０の厚みの１０％以下であることが好ましい。

第２接着層６２は、金属板１と第２接合層７とを接合するための部材である。第２接着層６２は、第１接着層６１および第２接合層７と良好な混和性を有し、ヤング率がスペーサー６０のヤング率よりも小さいことが好ましい。第２接着層６２は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等の樹脂材料から成る。

第２接合層７は、スペーサー６０から加わる圧力を分散して吸収するための部材である。第２接合層７は、第１接合層６の上面およびセラミック板２の下面に接して配置されている。第２接合層７は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等の樹脂材料から成る。第２接着層７は、第１接着層６１および第２接着層６２よりもヤング率が大きい材料から成る。具体的には、第１接着層６１および第２接着層６２がシリコーン樹脂から成る場合には、第２接着層７を例えばエポキシ樹脂で形成すればよい。

第２接合層７の厚みは、第１接合層６の厚みの５０％以下が望ましい。また、第２接合層７を形成した後に第２接合層の表面にロータリー研磨等によって研磨処理を施すことによって、第２接合層７の平坦度を高めておくことが好ましい。

本実施形態の接合体１０によれば、第１接合層６を覆う第２接合層７が設けられていることによって、セラミック板２と金属板１とが接合されたときにスペーサー６０に圧力が集中したとしても、スペーサー６０から加わる圧力を第２接合層７に分散させて吸収させることができる。これにより、セラミック板２にクラックが生じることを抑制できる。その結果、接合体１０の長期信頼性を向上させることができる。

さらに、第２接合層７は、第１接着層６１よりもヤング率が大きく、セラミック板２よりもヤング率が小さいことが好ましい。これにより、スペーサー６０から加わる圧力を第１接着層６１および第２接合層７で段階的に吸収することができる。そのため、セラミック板２にクラックが生じるおそれを低減できるので、接合体１０の長期信頼性を向上させることができる。

さらに、第２接合層７は、第１接着層６１よりも熱膨張率が小さく、セラミック板２よりも熱膨張率が大きいことが好ましい。このように、第２接合層７の熱膨張率を第１接着層６１の熱膨張率とセラミック板２の熱膨張率との間に設定することによって、第２接合層７と第１接着層６１との間および第２接合層７とセラミック板２との間で熱膨張量の差による剥がれが生じるおそれを低減できる。

さらに、第１接着層６１と第２接着層６２とが同じ材料から成ることが好ましい。これにより、第１接合層６のうち第２接合層７と接する面を、第２接合層７と同一の材料によって形成することができる。これにより、ヒートサイクル下において、第１接合層６と第２接合層７との界面に熱応力が生じる可能性を低減できる。

＜製造方法＞
以下では、接合層３を用いた金属板１とセラミック板２との接合方法を説明する。

まず、スペーサー６０および第１接着層６１を形成するために、直方体状のスペーサー６０を準備する。そして、スペーサー６０の表面に第１接着層６１と成るシリコーン接着剤を塗布し、金属板１の所定の位置に配置する。次に、乾燥機で１００℃の温度環境下で８時間の乾燥を行なうことによって、シリコーン樹脂を硬化させて第１接着層とする。その後、第２接着層６２と成るシリコーン樹脂を金属板１上にスクリーン印刷で塗布する。
このとき、スペーサー６０の位置にはシリコーン樹脂が塗布されないように注意する。ここで、第２接着層６２と成るシリコーン樹脂の上面が、第１接着層６１の上面よりも上方に位置してしまった場合には、第１接着層６１の上面にさらにシリコーン樹脂を補充することによって第１接着層６１の厚みを増して、第１接着層６１の上面と第２接着層６２の上面とが同一面上に位置するように調整する。このようにして、硬化前の第１接合層６を形成することができる。

さらに、セラミック板２の下面に第２接合層７と成るエポキシ樹脂をスクリーン印刷して、１２０℃の温度環境下で８時間の乾燥を行なうことによってエポキシ樹脂を硬化させて第２接合層７を形成する。その後、ロータリー研削機で第２接合層７を所定の厚みになるまで研削することによって、平坦な面を得ることができる。

そして、硬化前の第１接合層６と硬化後の第２接合層７とを真空中で貼り合わせて、押し付け合うように加圧する。この状態で、乾燥機で１００℃の温度環境下で８時間の加熱を行なうことによって、第１接合層６を硬化させて金属板１とセラミック板２とを接合できる。

本実施例においては、アルミニウムから成る金属板１と内部に発熱抵抗体４を有するアルミナセラミックスから成るセラミック板２とを接合層３によって接合した接合体１０（試料１）に関して説明する。セラミック板２としては、直径が３００ｍｍの円板を用いた。このセラミック板２の下面の全面を金属板１に接合した。その製造方法は、上記の製造方法と同様の方法を用いた。スペーサー６０としては、ガラスエポキシから成る直径が５ｍｍで厚みが０．５ｍｍの円柱状の部材を２０個用いた。第１接着層６１としては、シリコーン樹脂から成る層を用いて厚みを０．０１ｍｍに設定した。また、第２接着層６２としては、シリコーン樹脂から成る層を用いた。また、第２接合層７としては、エポキシ樹脂から成る層を用いて、厚みを０．１５ｍｍに設定した。

また、比較例として、第２接合層７を有していない接合体１０（試料２）を作製した。

これら試料１と試料２とに対して、発熱抵抗体４に電圧を加えることによって発熱させるヒートサイクル試験を行なった。具体的には、セラミック板２の上面の中央部の温度を常温から２５０℃まで上昇させて、その後、常温まで自然冷却することを１サイクルとしてサイクル試験を行なった。その結果、試料１に関しては、５０００サイクルの試験後であってもセラミック体２にクラックが生じていなかった。これに対して、試料２に関しては、７５０サイクルの試験後にセラミック板のスペーサー６０の角部の直上にクラックが生じていた。以上の結果から、第２接合層７を設けることによって、接合体１０の長期信頼性を向上できることがわかった。

また、試料１においては、サイクル試験前のセラミック体２の表面の温度のばらつきと試験後のセラミック体２の表面の温度ばらつきとが共に１℃以下であった。これに対して、試料２においては、サイクル試験前のセラミック体の表面の温度ばらつきは１℃以下であったが、試験後のセラミック体の表面の温度ばらつきは３℃程度にまで悪化していた。これは、試料２においてはセラミック体にクラックが生じたことによって均熱性が低下したためと考えられる。以上の結果からも、第２接合層７を設けることによって接合体１０の長期信頼性を向上できることがわかった。

金属板：１
セラミック板：２
ウエハ支持面：２０
接合層：３
発熱抵抗体：４
静電吸着用電極：５
第１接合層：６
スペーサー：６０
第１接着層：６１
第２接着層：６２
第２接合層：７
接合体：１０
ウエハ支持部材：１００

Claims

金属板、該金属板の上面に対向するように設けられたセラミック板および前記金属板と前記セラミック板とを接合する接合層を備えている接合体であって、
前記接合層が、前記金属板の上面に接して配置された複数のスペーサー、該スペーサーの上面および下面に設けられた第１接着層、ならびに前記スペーサーの周囲に設けられた第２接着層から成る第１接合層と、該第１接合層の上面の全体および前記セラミック板の下面に接して配置された第２接合層とから成ることを特徴とする接合体。
前記第２接合層が、前記第１接着層よりもヤング率が大きいことを特徴とする請求項１に記載の接合体。
前記第２接合層が、前記第１接着層よりも熱膨張率が小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合体。
前記第１接着層と前記第２接着層とが同じ材料から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の接合体。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の接合体を有することを特徴とするウエハ支持部材。