(57)【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静電チャックステージであって、前記複合材プレートは、鋳込み成形により作製されるセラミック分散アルミニウム複合材プレートであり、かつ前記複合材プレート中のセラミックの体積割合は、２０〜４０ｖｏｌ％であることを特徴とする静電チャックステージ。
【請求項２】
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であって、前記複合材プレートは、鋳込み成形により作製されるセラミック分散アルミニウム複合材プレートであり、かつ前記複合材プレート中のセラミックの体積割合は、２５〜３４ｖｏｌ％であることを特徴とする静電チャックステージ。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の静電チャックステージにおいて、前記複合材プレート中のセラミックはＳｉＣであることを特徴とする静電チャックステージ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の静電チャックステージであって、前記静電チャック用セラミックス焼結体プレートと、前記複合材プレートとは、融点または液層温度が２４５℃以下であるハンダまたはろう材を用いて接合されていることを特徴とする静電チャックステージ。
【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２０００〜６０００Ｗ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ＳｉＣ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１５０Ｗ／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】
本発明にあっては、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、２０〜４０ｖｏｌ％または２５〜３４ｖｏｌ％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】
参考例として、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】
参考例として、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、５００℃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９０％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】
ここで、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が好ましい。
【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−Ａｌ２０３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（ＡｌＯＯＨ）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ＴｉＯ２の合計が４０％以下、焼結助剤としてＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯを１０％以下含有するセラミックス［以下Ａｌ２０３又はアルミナとと表記］又は（２）ＡｌＮを９７％、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】
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【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ＳｉＣ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
【図１】
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