(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、温度調整機能を備えたアルミニウム−セラミックス複合材プレートとを接合してなる静電チャックステージであって、
前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの接合面には、ろう材層との濡れ性が良好な金属からなる金属薄膜が形成され、この金属薄膜中の前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの表面に達する開気孔の少なくとも上部は閉孔され、この閉孔された金属薄膜上に前記ろう材層が形成され、該ろう材層の上には前記セラミックス焼結体プレートが載置され、該セラミックス焼結体プレートと前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートとは加熱により接合されて一体化され、
前記セラミックス焼結体プレートと前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートとの接合率が９５％以上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、温度調整機能を備えたアルミニウム−セラミックス複合材プレートとを、ろう材層を介して接合する静電チャックステージの製造方法であって、
前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの接合面に、前記ろう材層との濡れ性が良好な金属からなる金属薄膜を形成し、次いで、この金属薄膜中の前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの表面に達する開気孔の少なくとも上部を閉孔し、次いで、この閉孔した金属薄膜上にろう材層を形成し、次いで、該ろう材層の上に前記セラミックス焼結体プレートを載置し、これらを加熱することにより、前記セラミックス焼結体プレートと前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートとを接合し一体化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。
【請求項３】
前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートを構成するセラミックスは炭化珪素であることを特徴とする請求項２記載の静電チャックステージの製造方法。
【請求項４】
前記濡れ性が良好な金属は、銅、ニッケル、銅−ニッケル合金のいずれかであることを特徴とする請求項２または３記載の静電チャックステージの製造方法。
【請求項５】
前記開気孔の少なくとも上部を閉孔する手段は、研磨法、圧延法、熱処理法のいずれかであることを特徴とする請求項２、３または４記載の静電チャックステージの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等の半導体装置を製造する半導体製造装置のシリコンウエハ固定用として好適に用いられる静電チャックステージ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、ＩＣ、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等の半導体装置を製造する半導体製造過程においては、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が高温になり、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プレートを接合して一体化し、この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。
また、前記プレートには、静電チャックステージを構成するセラミックス焼結体、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）焼結体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有し、剛性に優れて変形を防止することが可能である等の理由により、アルミニウム−セラミックス複合材（以下、Ａｌ複合材と略記することもある）が好適に用いられている。
【０００３】
そして、前記静電チャックステージを構成するセラミックス焼結体プレートと、Ａｌ複合材プレートとを、Ｉｎ、Ｉｎ合金等のろう材を用いて効率よく接合するに際しては、Ａｌ複合材へのろう材の濡れ性を改善した後、ろう材を用いて接合する必要がある。
このような接合方法としては、例えば、Ａｌ複合材プレートの接合面に、ろう材との濡れ性が良好なＣｕやＮｉ等の金属薄膜を金属溶射法を用いて形成し、この金属薄膜上にろう材層を形成し、両者を加熱して接合し一体化することが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の接合方法においては、得られるＡｌ複合材プレートとセラミックス焼結体プレートとの接合界面における接合面積の、Ａｌ複合材プレートとセラミックス焼結体プレートとの重なる面積に対する割合（以下、接合率と略記することもある）が高々９０％程度であり、接合強度も充分なものではなく、また、シリコンウエハの冷却効率も充分でなく、冷却性能の均一性も充分でないため、接合率の更なる向上が求められている。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、接合率を改善することで、シリコンウエハの冷却効率、冷却性能の均一性が大幅に改善され、しかも容易に製造することが可能な静電チャックステージ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討した結果、ＣｕやＮｉ等の金属薄膜の気孔を制御すれば、上記の課題を効率よく解決し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の請求項１記載の静電チャックステージは、静電チャック用セラミックス焼結体プレートと、温度調整機能を備えたアルミニウム−セラミックス複合材プレートとを接合してなる静電チャックステージであって、前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの接合面には、ろう材層との濡れ性が良好な金属からなる金属薄膜が形成され、この金属薄膜中の前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの表面に達する開気孔の少なくとも上部は閉孔され、この閉孔された金属薄膜上に前記ろう材層が形成され、該ろう材層の上には前記セラミックス焼結体プレートが載置され、該セラミックス焼結体プレートと前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートとは加熱により接合されて一体化され、前記セラミックス焼結体プレートと前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートとの接合率が９５％以上であることを特徴とする。
【０００８】
この静電チャックステージでは、前記セラミックス焼結体プレートと前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートとの接合率を９５％以上としたことにより、これらのプレート間の接合強度が優れたものとなることは勿論のこと、熱伝導率も向上する。これにより、この静電チャックステージを用いてシリコンウエハを固定すれば、シリコンウエハを効率よく、かつ均一に冷却することが可能になる。よって、この静電チャックステージを用いて製造される半導体装置の製品歩留まりが向上する。
【００１０】
また、金属薄膜に形成された前記アルミニウム−セラミックス複合材に達する開気孔の上部を閉孔し、この閉孔された金属薄膜上にろう材層を形成したことにより、この金属薄膜とろう材層との接合率が向上し、これらの間の接合強度が向上する。これにより、このアルミニウム−セラミックス複合材とセラミックス焼結体との接合体における接合率が向上し、接合強度が充分得られたものとなる。
【００１１】
請求項２記載の静電チャックステージの製造方法は、静電チャック用セラミックス焼結体プレートと、温度調整機能を備えたアルミニウム−セラミックス複合材プレートとを、ろう材層を介して接合する静電チャックステージの製造方法であって、前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの接合面に、前記ろう材層との濡れ性が良好な金属からなる金属薄膜を形成し、次いで、この金属薄膜中の前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの表面に達する開気孔の少なくとも上部を閉孔し、次いで、この閉孔した金属薄膜上にろう材層を形成し、次いで、該ろう材層の上に前記セラミックス焼結体プレートを載置し、これらを加熱することにより、前記セラミックス焼結体プレートと前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートとを接合し一体化することを特徴とする。
【００１２】
この静電チャックステージの製造方法では、前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの接合面に形成された金属薄膜中の前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの表面に達する開気孔の少なくとも上部を閉孔し、次いで、この閉孔した金属薄膜上にろう材層を形成することにより、プレート間の接合強度が優れかつ熱伝導率も向上した静電チャックステージを特別な装置を用いることなく容易に作製することが可能になる。
【００１３】
ここで、前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートを構成するセラミックスは炭化珪素であることが好ましい。
また、前記濡れ性が良好な金属は、銅、ニッケル、銅−ニッケル合金のいずれかであることが好ましい。
また、前記開気孔の少なくとも上部を閉孔する手段は、研磨法、圧延法、熱処理法のいずれかであることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の静電チャックステージ及びその製造方法の一実施の形態について図面に基づき説明する。
なお、本実施の形態は発明の趣旨をより良く理解させるためのものであり、特に限定がない限り、発明の内容を制限するものでない。
【００１５】
「静電チャックステージ」
図１は、本発明の一実施形態の静電チャックステージを示す断面図であり、内部に静電吸着用の内部電極２が配設された静電チャック用セラミックス焼結体プレート１と、内部に温度調整機能である冷媒流路（図示略）が形成されたアルミニウム−セラミックス複合材プレート（Ａｌ複合材プレート）５と、絶縁材料６に囲繞されて、Ａｌ複合材プレート５を貫通して内部電極２に接する電圧印加用端子３とを有している。そして、セラミックス焼結体プレート１とＡｌ複合材プレート５とは接合材層４を介して接合一体化され、セラミックス焼結体プレート１とＡｌ複合材プレート５との接合率が９５％以上、例えば１００％となっている。
【００１６】
この静電チャックステージでは、接合強度に優れるのは勿論のこと、熱伝導率が向上してシリコンウエハを効率よく冷却することができ、また、シリコンウエハを均一に冷却することができ、もって、この静電チャックステージを用いて製造される半導体装置の製品歩留まりが向上する。
【００１７】
Ａｌ複合材プレート５は、アルミニウムとセラミックスとを含有する複合材であれば特に制限されるものではなく、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）が２０〜７０重量％分散し、残部がアルミニウム（Ａｌ）であるＡｌ複合材を例示することができる。この炭化珪素が分散したＡｌ複合材は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）焼結体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有し、剛性に優れて変形を防止することが可能であるので好適である。
また、セラミックス焼結体プレート１も、特に制限されるものではなく、例えば、アルミナ焼結体や窒化アルミニウム焼結体を用いることができる。
【００１８】
「静電チャックステージの製造方法」
本実施形態に係る静電チャックステージの製造方法について、図２〜図４に基づき説明する。
ここでは、Ａｌ複合材プレートとセラミックス焼結体プレートとの接合方法に重点を置き、説明する。
【００１９】
この接合方法は、図２に示すように、まず、Ａｌ複合材プレート１１の接合面に、後述するろう材層１３との濡れ性が良好な金属薄膜１２を形成する。この金属薄膜１２には、Ａｌ複合材プレート１１の表面に達する開気孔１４が多数形成されている。これら開気孔１４の上部１５は開放されている。
そこで、図２に示すように、これら開気孔１４の少なくとも上部１５を閉孔する。
【００２０】
次いで、図３に示すように、この閉孔した金属薄膜１２上にろう材層１３を形成し、次いで、このろう材層１３上にセラミックス焼結体プレート１６を載置し、これらＡｌ複合材プレート１１〜セラミックス焼結体プレート１６を加熱し、接合して一体化する。
【００２１】
ここで、ろう材層１３を構成するろう材は、Ａｌ複合材プレート１１を接合することが可能なろう材であれば特に制限されるものではなく、例えば、ＩｎあるいはＩｎを含有するＩｎ合金等を好適に用いることができる。Ｉｎ合金としては、より具体的には、Ｉｎ―Ｓｎ系、Ｉｎ―Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｉｎ−Ａｇ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｇ系合金等が好適に用いられる。
【００２２】
ろう材層１３との濡れ性が良好な金属薄膜１２は、ろう材層１３に濡れ、かつ、塑性変形し易い金属であれば特に制限されるものではなく、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｕ−Ｎｉ合金を、特にＣｕを好適に用いることができる。
そして、これらの金属を用い、従来公知の溶射法、スパッタリング法、メッキ法等にて、Ａｌ複合材プレート１１の接合面に金属薄膜１２を形成する。この金属薄膜１２の膜厚は、例えば１〜１００μｍとする。なお、金属薄膜１２を形成する前に、Ａｌ複合材プレート１１の接合面をアルコール、アセトン等の有機溶剤等を用いて脱脂・洗浄しておくことが好ましい。
【００２３】
このようにして形成された金属薄膜１２には、Ａｌ複合材プレート１１の表面に達する開気孔１４が多数存在しているので、この開気孔１４の少なくとも上部１５、即ちセラミックス焼結体プレート１６に接する側を閉孔する。
閉孔する手段としては、研磨法、圧延法、熱処理法を挙げることができ、特に研磨法は特別な装置を必要とせず簡便であることから好ましい。
【００２４】
閉孔する際の条件は、開気孔１４の上部１５、即ち、セラミックス焼結体プレート１６に接する側が閉気孔となり、かつ、金属薄膜１２がＡｌ複合材プレート１１から剥離されない条件であれば、何ら制限されない。
例えば、金属薄膜１２の表面をアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の砥粒で研磨すると、この金属薄膜１２の表面に砥粒によって応力が加えられて塑性変形し、開気孔１４が閉孔する。研磨の具体的手段としては、例えば、砥石や研磨布を用いた機械研磨、紙ヤスリ等を用いた手研磨等を例示することができる。
なお、閉孔後には、アルコール、アセトン等の有機溶剤等を用いて閉孔面を脱脂・洗浄しておくことが好ましい。
【００２５】
その後、開気孔１４の少なくとも上部１５が閉孔した金属薄膜１２上に、上述したろう材を用いてろう材層１３を形成する。ろう材層１３を形成する手段は、特に制限されるものでなく、例えば、ろう材としてシート状のものを用いるときは只単に載置すればよく、また、ろう材としてペースト状のものを用いるときはスクリーン印刷法、スピンコート法等を用いて印刷すればよい。ろう材層１３の層厚は、例えば５０〜５００μｍとする。
【００２６】
次いで、このろう材層１３上に、セラミックス焼結体プレート１６を載置し、加熱することにより接合し一体化する。加熱する温度、及び加熱する際の雰囲気は、常法に従えばよく、例えば、用いるろう材の組成、Ａｌ複合材プレート１１の組成、セラミックス焼結体プレート１６の組成等により定まる。また、加熱する際に加圧しても良く、その際の加圧力は特に制限されない。
【００２７】
このように、接合率が高く、接合強度も優れた接合体が得られる理由は必ずしも明確ではないが、次のように考えられる。
即ち、従来の様に、金属薄膜１２にＡｌ複合材プレート１１の表面に達する開気孔１４が存在すると、この開気孔１４の部分ではろう材の濡れが悪く、ろう材が弾かれて接合していない領域が形成され、もって接合率が低下する。
一方、本実施形態にあっては、金属薄膜１２中に存在する開気孔１４の少なくとも上部１５を閉孔するようにしているから、開気孔１４の上部１５でろう材の濡れが悪くなるおそれが無くなり、したがって、ろう材が弾かれて接合率が低下することはない。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
先ず、以下の実施例、比較例に共通して用いる静電チャック用セラミックス焼結体プレート、即ち、板状試料を載置する載置板と、この載置板と一体化される支持板と、これら載置板と支持板との間に設けられた内部電極と、この内部電極に接するように前記支持板に貫通して設けられた電圧印加用端子からなる静電チャックを、次のようにして作製した。
【００２９】
「支持板の作製」
アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末（平均粒径０．２μｍ：大明化学工業（株）製）を成形、焼結し、直径２３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤状のアルミナ焼結体を得た。
焼結は、温度１７００℃、圧力２０ＭＰａの条件でのホットプレスによる加圧焼結とした。
次いで、この円盤状のアルミナ焼結体に、電圧印加用端子を組み込み固定するための固定孔（直径２．５ｍｍ）を、ダイヤモンドドリルによって孔あけ加工することによって穿設し、アルミナ焼結体製の支持板を得た。
【００３０】
「載置板の作製」
上記支持板の作製方法に準じて、直径２３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円盤状のアルミナ焼結体を得た。次いで、この円盤状のアルミナ焼結体の一面（板状試料の載置面）を平坦度が１０μｍ以下となるように研磨し、アルミナ焼結体製の載置板を得た。
【００３１】
「電圧印加用端子の作製」
アルミナ粉末（平均粒径０．２μｍ：大明化学工業（株）製）４０重量部、タンタルカーバイト（ＴａＣ）粉末（平均粒径１μｍ：日本新金属（株）製）６０重量部からなる混合粉末を成形、焼結し、上記支持板の固定孔に固定可能な棒状アルミナ−タンタルカーバイト複合導電性焼結体を得、これを電圧印加用端子とした。焼結条件は、支持板の場合と同様である。
【００３２】
「一体化」
上記支持板に穿設された固定孔に、前記電圧印加用端子を押し込み、組み込み固定した。
次いで、この電圧印加用端子が組み込み固定された支持板上に、後の加圧下での熱処理工程で内部電極となるよう、４０重量部のアルミナ粉末（平均粒径０．２μｍ：大明化学工業（株）製）と６０重量部のタンタルカーバイト粉末（平均粒径１μｍ：日本新金属（株）製）を含む塗布剤を、スクリーン印刷法にて印刷塗布し、乾燥して、内部電極形成層とした。
【００３３】
そして、この内部電極形成層を挟み込むように、また、前記載置板の研磨面が上面となるように、前記支持板と載置板とを重ね合わせ、その後、ホットプレスにて加圧下にて熱処理し一体化して静電チャック、即ち、静電チャック用セラミックス焼結体プレートを作製した。このときの加圧、熱処理条件は、温度１７５０℃、圧力７．５ＭＰａである。
【００３４】
「実施例１」
炭化珪素が３０重量％、残部がアルミニウムである、大きさがφ２３０ｍｍ×２０ｍｍのＡｌ複合材プレートを、砂型に鋳込んで作製した。このＡｌ複合材プレートの内部には冷媒を循環させる流路が形成されている。
次いで、このＡｌ複合材プレートの接合面をアセトンを用いて充分脱脂・洗浄し、この面に、次のようにして膜厚５０μｍのＣｕ溶射膜をアーク溶射法を用いて形成した。このＣｕ溶射膜の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察したところ、Ａｌ複合材の表面に達する開気孔が多数存在していた。
【００３５】
次いで、このＣｕ溶射膜の表面を、＃４００番の紙ヤスリを用いて手作業により研磨した。
そして、研磨終了後、アセトンを溶剤として超音波洗浄を行い、研磨面を脱脂・洗浄した。
この研磨後のＣｕ溶射膜の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察したところ、Ａｌ複合材の表面に達する開気孔は完全に閉孔し、閉気孔となっていることが確認された。
【００３６】
この研磨後のＣｕ溶射膜上に、Ｉｎが１００重量％の組成を有するろう材を塗布し、その後、大気中、２００℃の温度下で加熱処理し、厚みが１００μｍのろう材層とした。
【００３７】
その後、このろう材層上にセラミックス焼結体プレートを載置し、大気雰囲気中、２００℃の温度下で加熱処理し、Ａｌ複合材プレートとセラミックス焼結体プレートとを接合し一体化した。
さらに、電圧印加用端子とＡｌ複合材プレートとの間にシリコーン樹脂を充填して絶縁し、実施例１の静電チャックステージを得た。
【００３８】
「実施例２」
炭化珪素が７０重量％、残部がアルミニウムである、大きさがφ２３０ｍｍ×２０ｍｍのＡｌ複合材プレートを、炭化珪素で多孔質のプリフォームを成形し、溶融アルミニウムを含浸させることにより作製した。冷媒を循環させる流路は実施例１と同様である。
そして、このＡｌ複合材プレートを用いた他は、実施例１に準じることで、実施例２の静電チャックステージを得た。
【００３９】
「実施例３」
溶射膜をＮｉとした他は、実施例１に準じることで、実施例３の静電チャックステージを得た。
【００４０】
「比較例１〜３」
溶射膜の研磨を行わなかった他は実施例１〜３にそれぞれ準じることで、比較例１〜３の静電チャックステージを得た。
【００４１】
「評価」
実施例１〜３、比較例１〜３それぞれの静電チャックステージの、静電チャック用セラミックス焼結体プレート（即ち、静電チャック）と、Ａｌ複合材プレートとの接合面における接合率を、超音波画像解析装置を用いて評価した。その結果を表１に示す。
【００４２】
また、プラズマ（高周波電力：１０００Ｗ）雰囲気下において、シリコンウエハの面内温度が４０℃となるように前記冷媒流路に１０℃の冷媒を流しつつ、φ２００ｍｍのシリコンウエハを板状試料載置面に静電吸着（印加電圧：ＤＣ＋５００Ｖ）し、１分後のシリコンウエハ面内の温度のバラツキを熱電対を用いて測定した。このときの最大温度と最小温度の差Δｔを表１に示す。
【００４３】
【表１】
0003883805.tif 000002
【００４４】
表１の結果より、実施例１〜３の静電チャックステージは、比較例１〜３の静電チャックステージよりも、接合率が高く、シリコンウエハ面内の温度バラツキが小さいことが判明した。
【００４５】
以上、本発明の静電チャックステージ及びその製造方法の一実施の形態について図面に基づき説明してきたが、具体的な構成は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計の変更等が可能である。
例えば、前記Ａｌ複合材プレートは、炭化珪素（ＳｉＣ）を３０重量％または７０重量％含有し、残部をアルミニウム（Ａｌ）としたが、このＡｌ複合材プレートは、炭化珪素（ＳｉＣ）を含むものであればよく、炭化珪素（ＳｉＣ）の含有量は上記に限定されない。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の静電チャックステージによれば、セラミックス焼結体プレートとアルミニウム−セラミックス複合材プレートとの接合率を９５％以上としたので、これらのプレート間の接合強度が優れたものとなり、熱伝導率も向上させることができる。したがって、この静電チャックステージを用いてシリコンウエハを固定すれば、シリコンウエハを効率よく、かつ均一に冷却することができ、よって、この静電チャックステージを用いて製造される半導体装置の製品歩留まりを向上させることができる。
【００４７】
本発明の静電チャックステージの製造方法によれば、アルミニウム−セラミックス複合材プレートの接合面に、ろう材層との濡れ性が良好な金属からなる金属薄膜を形成し、次いで、この金属薄膜中の前記アルミニウム−セラミックス複合材プレートの表面に達する開気孔の少なくとも上部を閉孔し、次いで、この閉孔した金属薄膜上にろう材層を形成するので、プレート間の接合強度が優れかつ熱伝導率も向上した静電チャックステージを特別な装置を用いることなく容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の静電チャックステージを示す断面図である。
【図２】  本発明の一実施形態の静電チャックステージの製造方法を示す過程図である。
【図３】  本発明の一実施形態の静電チャックステージの製造方法を示す過程図である。
【図４】  本発明の一実施形態の静電チャックステージの製造方法を示す過程図である。
【符号の説明】
１  静電チャック用セラミックス焼結体プレート
２  内部電極
３  電圧印加用端子
４  接合材層
５  Ａｌ複合材プレート
６  絶縁材料
１１  Ａｌ複合材プレート
１２  金属薄膜
１３  ろう材層
１４  開気孔
１５  上部
１６  セラミックス焼結体プレート
【図１】
0003883805.tif 000003
【図２】
0003883805.tif 000004
【図３】
0003883805.tif 000005
【図４】
0003883805.tif 000006