JPH1032239A

JPH1032239A - 静電チャックステージ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1032239A
Application number: JP21585496A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kitabayashi; 徹夫北林; Atsushi Miyaji; 淳宮地; Hiroaki Hori; 裕明堀
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 1998-02-03
Anticipated expiration: 2016-07-12
Also published as: JP3622353B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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、特に高温下で使用可能な
静電チャックステージを提供する。【解決手段】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
を接合した静電チャックステージを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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２００
０〜６０００Ｗ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Ｓｉ
Ｃ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１５０
Ｗ／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中のセラミックの体
積割合は、２０〜７０ｖｏｌ％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】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、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】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、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、５
００℃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９
０％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】本発明のポイントは、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
とである。

【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、ＳｉＣの割合が
４０％以上の場合はＳｉＣで多孔質のプリフオームを成
形しそのあとで溶融アルミニウムを含浸させて作製する
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−Ａｌ
２０３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（ＡｌＯＯ
Ｈ）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ＴｉＯ
２の合計が４０％以下、焼結助剤としてＳｉＯ２、Ｍｇ
Ｏ、ＣａＯを１０％以下含有するセラミックス［以下Ａ
ｌ２０３又はアルミナとと表記］又は（２）ＡｌＮを９
７％、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】

【００２６】（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Ｓｉ
Ｃ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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。
【請求項２】前記静電チャックステージにおいて、接合
はハンダ又はろう材を介して行われることを特徴とする
請求項１に記載の静電チャックステージ。
【請求項３】前記セラミックとアルミニウムとの複合材
において、セラミックはＳｉＣであることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の静電チャックステー
ジ。
【請求項４】前記セラミックとアルミニウムとの複合材
において、該複合材の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれ
か１項に記載の静電チャックステージ。
【請求項５】前記セラミックとアルミニウムとの複合材
において、複合材中のセラミックの体積割合は、２０〜
７０ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１から請求
項４のいずれか１項に記載の静電チャックステージ。
【請求項６】前記セラミックとアルミニウムとの複合材
において、該複合材の表面を陽極酸化被膜処理したこと
を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記
載の静電チャックステージ。
【請求項７】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ことを特徴とする静電チャックステ
ージの製造方法。