(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体を支持する平面を有する半導体支持部材、金属部材、および前記半導体支持部材と前記金属部材とを接合する接合層を備えている半導体支持装置であって、
前記接合層が接着シートからなり、
前記接着シートが、樹脂マトリックスおよびこの樹脂マトリックス中に分散されているフィラーを含み、
前記樹脂マトリックスが、アクリル酸、アクリル酸エステルのホモポリマーまたはコポリマーからなる部分架橋物であり、
前記接着シートのヤング率が１００MPａ以下であり、
前記接着シートの伸びが１００％以上であることを特徴とする、半導体支持装置。
【請求項２】
前記フィラーが、アルミナ、窒化アルミニウム、シリカ、および炭化珪素からなる群から選ばれる１種類以上の物質からなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体支持装置。
【請求項３】
前記フィラーは、平均粒径が５μｍ以上の粒子であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体支持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体支持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＶＤ法、スパッタリング法、エッチング法等の半導体プロセスにおいては、いわゆるサセプターの上に半導体ウエハーを設置し、このサセプターを加熱して半導体ウエハーを加熱している。セラミックス製の静電チャックをサセプターとして使用し、半導体ウエハーをサセプターに対して吸着しながら加熱処理する方法が知られている。しかし、半導体ウエハーの生産量を向上させるためには、サセプター上の半導体ウエハーの着脱サイクルにおける温度変化を抑制するために、加熱と冷却とを応答性良く行うことが必要であり、このためにはサセプターに対して冷却装置を結合する必要がある。
【０００３】
特開平４−２８７３４４号公報においては、ペースト状のシリコーン樹脂からなる接着剤組成物を使用し、サセプターと金属冷却板とを接着している。また、特開平９−４５７５７号公報においては、サセプターと金属冷却板とをインジウムを用いて結合している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、樹脂からなる接着剤組成物やインジウムを用いて、セラミックス製静電チャックと金属製の水冷フランジとを接合する際には、接合時の圧力が小さいと、接合後に、静電チャックの半導体ウエハー吸着面の平面度が低下することがあった。ウエハー処理時には、ウエハーが静電チャックの吸着面に対して吸着するので、吸着面の平面度が低下すると使用できなくなり、歩留り低下の原因となる。また、静電チャックの表面側へとバックサイドガスを供給することが多いが、静電チャックと金属部材との間の接合部分の気密性を高く維持することは難しい問題である。特に半導体製造システムの内部では熱サイクルが印加されるが、熱サイクル印加後にも接合部分の気密性を高度に維持することが求められている。一方、接合時の圧力を大きくすると、静電チャックと水冷フランジとの界面から接着剤が外部へとはみ出すおそれがある。また、接着剤の厚さが不均一になったり、製品ごとに不揃いになったりするおそれがある。この場合には、半導体支持部材と金属部材との間の熱伝導性能が不均一になるので、製造歩留りが低下する。
【０００５】
また、シリコーン樹脂からなる接着剤組成物は、伸びが少ないため熱応力を逃がすことができず、接合後にそりが大きくなったり、接合面が剥離したりする場合がある。
【０００６】
本発明の課題は、半導体を支持する平面を有する半導体支持部材、金属部材、および半導体支持部材と金属部材とを接合する接合層を備えている半導体装置において、半導体支持部材の表面の平面度を向上させるのと共に、ウエハー表面の温度を制御可能とすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体を支持する平面を有する半導体支持部材、金属部材、および半導体支持部材と金属部材とを接合する接合層を備えている半導体支持装置であって、接合層が接着シートからなり、接着シートが、樹脂マトリックスおよびこの樹脂マトリックス中に分散されているフィラーを含み、樹脂マトリックスが、アクリル酸、アクリル酸エステルのホモポリマーまたはコポリマーからなる部分架橋物であり、接着シートのヤング率が１００MPａ以下であり、接着シートの伸びが１００％以上であることを特徴とする。
【０００８】
本発明者は、接合層に接着剤組成物を用いることも検討した。しかし、この場合には、接着剤組成物に流動性があるので、加圧すると接着剤がはみ出してしまう。このため、加圧して接合層の平面度を高くするのが困難である。樹脂マトリックスからなる接着シートは、すでに硬化処理されているので、加熱時に加圧しても接合層から樹脂マトリックスがはみ出すことがない。従って、接合時に加圧することによって、半導体支持面の平面度を高くすることができる。
【０００９】
しかし、接着シートは樹脂で形成されているため、熱伝導性が低い。また、接着シートはある程度の厚みを有している。このため、接合層における熱伝導性が低く、ウエハー表面において発生する熱を接合層を介して逃がすことができない。従って、ウエハー表面における温度が上昇し過ぎてしまう。
【００１０】
そこで、発明者は、接着シートにフィラーを添加することを想致した。フィラーを添加することによって、接合層における熱伝導性が高くなる。従って、これにより、半導体支持部材の表面の平面度を向上させるのと共に、ウエハー表面の温度を制御することができる。
【００１１】
前記フィラーが前記樹脂マトリックスよりも熱伝導性の高い材質からなることが好ましい。このように、樹脂マトリックス中に樹脂マトリックスよりも熱伝導性の高い材質からなるフィラーを添加することによって、接着シートにおける熱伝導性を高めることができる。
【００１２】
また、前記接着シートのヤング率が１００MPａ以下であり、接着シートの伸びが１００％以上であり、さらに１５０％以上であることがより好ましい。このように、接着シートの伸縮性が高いので、半導体支持部材と金属部材との間の気密性を保つことができる。また、接着シートが伸びることにより熱応力を逃がすことができる。従って、熱応力により接合後にそりが大きくなったり、接合面が剥離したりするのを防ぐことができる。
【００１３】
なお、接着シートの伸びとは、以下のようにして測定されたものである。
幅２５ｍｍの接着シートの上下端を治具でつかむ。この際、上端と下端との把持箇所の間隔（つかみ間隔）が１００ｍｍになるようにする。上端と下端とを３００ｍｍ／分の速度で接着シートが切断するまで引張る。（切断時のつかみ間隔−１００ｍｍ）／１００ｍｍ×１００（％）を「伸び」とした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更に説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態において使用する半導体支持部材１を概略的に示す断面図であり、図１（ｂ）は金属部材７の断面図である。図２は、金属部材７に接合されている接着シート４の拡大図である。
【００１５】
半導体支持部材１は、静電チャックであり、セラミックス製の基体２と、基体２内に埋設された静電チャック電極３とを備えている。電極３には端子６が接続されている。基体２の吸着面２ａに半導体ウエハーを支持し、吸着する。また、半導体支持部材１には、半導体ウェハーを冷却するために、金属部材から導入されるバックサイドガスを供給するガス供給孔甲１８ａが設けられている。
【００１６】
本例の金属部材７は、冷却機能を有する冷却フランジである。冷却フランジ７にはガス供給孔乙１８ｂが設けられており、ガス供給孔乙１８ｂからバックサイドガス、例えばアルゴンガスや窒素ガスを供給可能となっている。また、金属部材７には、端子６を外部電源と接続するための端子接続孔２０が設けられている。また、冷却フランジ７および半導体支持部材１には、半導体ウエハーを持ち上げるためのリフトピン用の貫通孔を形成できる（図示せず）。
【００１７】
基体２の接合面２ｂと、金属部材７の接合面７ａとのいずれか一方に、接着シート４を設ける。接合面４ｂが金属部材７と接合し、接合面４ａが基体２と接合する。接合面４ａ、４ｂは、粘着性や接着性を有している。接着シート４は、樹脂マトリックス１１およびこの樹脂マトリックス１１中に分散されているフィラー１０を有する。
【００１８】
樹脂マトリックス１１を構成する樹脂は、アクリル酸、アクリル酸エステルのホモポリマーまたはコポリマーであり、部分架橋物である。
【００１９】
熱伝導性を高めるという観点からは、接着シート４の厚さは２００μｍ以下であることが好ましく、７０μｍ以下であることがさらに好ましい。また、接着シート４の厚さは伸び性を十分発揮させるために３０μｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
また、接着シート４を介して基体２および金属部材７を接合するときの熱サイクルにおいて発生する熱応力を低減させる観点からは、接着シート４のヤング率が１００MPａ以下であることが好ましい。また、接着シート４の伸びが１００％以上であることが好ましく、さらに１５０％以上であることがより好ましく、さらに２００％以上であることが一層好ましい。
【００２１】
接着シート４における熱伝導性を高くするという観点からは、フィラー１０は、樹脂マトリックス１１よりも熱伝導性の高い材質からなることが好ましい。フィラー１０としては例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、シリカ、または炭化珪素を利用できる。
【００２２】
また、接着シート４における熱伝導性を向上させる観点から、フィラー１０の平均粒径が５μｍ以上であることが好ましい。また、フィラー１０の平均粒径が５０μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
フィラーの形態、材質は特に限定されない。フィラーの形態は、例えば粒子状、鱗片状、ウィスカー状であってよい。フィラーの材質は、セラミックスや金属が好ましい。このセラミックスとしては、アルミナ，窒化アルミニウム、シリカ、炭化珪素が好ましく、金属としてはアルミニウムおよびアルミニウム合金が好ましい。
【００２４】
接着層内のフィラーの含有量は、接着層の熱伝導を促進するという観点からは、３ｖｏｌ％以上が好ましく、８ｖｏｌ％以上が更に好ましい。また、接着部分の気密性を一層向上させること、および伸び性を維持するという観点からは、５０ｖｏｌ％以下が好ましく、３０ｖｏｌ％以下が更に好ましい。
【００２５】
本実施の形態における半導体支持部材１は、静電チャックであるが、これに特に限定されない。半導体支持部材１は半導体ウエハーを設置するサセプターであればよく、種々の機能を有していてよい。基体の内部に抵抗発熱体を設けた場合には、この保持部材をセラミックスヒーターとして使用できる。更に、基体中にプラズマ発生用の電極を設けた場合には、この保持部材をプラズマ発生用電極として使用できる。
【００２６】
半導体支持部材１の基体２を構成するセラミックスとしては、アルミナのような酸化物系セラミックス、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、窒化物セラミックスを例示できる。窒化物セラミックスとしては、窒化珪素およびサイアロンが、耐熱衝撃性の点で好ましい。また、窒化アルミニウムは、フッ素系腐食性ガスに対する耐蝕性、および熱伝導性の点で好ましい。
【００２７】
金属部材７の材質は特に制限はないが、ハロゲン系腐食性ガスに対して冷却装置がさらされる場合には、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケルまたはこれらの金属の合金を使用することが好ましい。
【００２８】
冷却装置において使用できる冷媒は、水、シリコンオイル等の液体であってよく、また空気、不活性ガス等の気体であってもよい。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、半導体支持部材１を支持棒９によって支持し、半導体支持部材１の接合面２ｂを金属部材７の接合面７ａに対向させる。
【００３０】
次いで、図３に示すように、半導体支持部材１と金属部材７とを積層して積層体２８を作製する。そして、積層体２８を加熱および加圧し、接合する。この時点においては、積層体２８を等方加圧しながら加熱することが好ましい。なお、加圧の方向は、図３におけるＡの方向である。ここで、積層体２８の等方加圧方法や加熱方法は特に限定されない。典型的には、図３に示すように、積層体２８を被膜１９内に真空パックし、不活性雰囲気の充填された密閉容器内に収容し、この密閉容器内で不活性雰囲気によって積層体を等方加圧する。しかし、液体によって積層体を等方加圧することも可能である。
【００３１】
被膜１９の材質は、弾性および加熱温度での耐熱性を有する限り、特に限定されない。不活性気体としては、窒素、アルゴン、窒素とアルゴンとの混合気体を例示できる。
【００３２】
密閉容器は特に限定されないが、好適な実施形態においてはオートクレーブである。
【００３３】
本発明においては、少なくとも、加熱時の最高温度時に等方加圧を行っていることが好ましい。即ち、図６に示すように、加熱時の最高温度（Ｔ１）時（時間ｔ２からｔ３の間）には、圧力が所定圧力Ｐ１に達している必要がある。
【００３４】
好適な実施形態においては、最高温度Ｔ１からの降温時（ｔ３以降）にも等方加圧を継続する。特に好適な実施形態においては、室温ＴＲへの温度降下時（ｔ４）まで等方加圧を継続する。これによって、接合後の半導体支持部材１の吸着面２ａの平面度が一層向上する。
【００３５】
接着シート４の加熱温度Ｔ１は、特に限定されないが、冷却時の熱応力を低減させるという観点からは、１２０℃以下である。なお、樹脂マトリックス１１の種類によっては、加熱は必ずしも必要なく、あるいは６０℃以下の低温加熱でも十分に硬化する場合がある。低温の方が、半導体支持部材と金属部材の熱膨張差による熱応力の発生を低減できるので有利である。
【００３６】
また、半導体支持部材１および金属部材７を安定に接合させるという観点からは、所定の圧力Ｐ１は、５ａｔｍ以上である。
【００３７】
この結果、図４に示すような半導体支持装置１２が得られる。図５は、図４の半導体支持装置１２に含まれる接合層２７の平面図であり、従って半導体支持部材１は図示省略してある。この装置１２においては、基体２の接合面２ｂと金属部材７の接合面７ａとが接合層２７によって接合されている。
【００３８】
本発明において、半導体支持部材１の吸着面２ａの平面度は、好ましくは３０μｍ以下であり、更に好ましくは１０μｍ以下である。
【００３９】
【実施例】
（実施例１）
図１〜図４を参照しつつ説明した方法に従って、図４、図５に示す半導体支持装置１２を製造した。具体的には、半導体支持部材１と水冷フランジ７とを準備した。半導体支持部材１の基体２は、直径φ３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板形状をしている。基体２は窒化アルミニウムからなり、基体２の内部にモリブデン製の金網からなる電極３が埋設されている。水冷フランジ７はアルミニウム合金製であり、寸法φ３００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの円板形状をしている。水冷フランジ７の内部には水冷溝が形成されており、かつ端子用の孔、リフトピン用の貫通孔、バックサイドガス用のガス供給孔が設けられている。半導体支持部材１の吸着面２ａの平面度は１０μｍである。接合面２ｂ、７ａの平面度は３０μｍ以下である。半導体支持部材１を、アセトン、イソプロピルアルコールおよび純水の順番で超音波洗浄した。
【００４０】
アクリルからなる接着シート４を使用した。このアクリル中には、平均粒径１０μｍのアルミナ粒子からなるフィラーが、１０ｖｏｌ％添加されている。接着シート４の厚さは５０μｍである。
【００４１】
次いで、真空容器中に水冷フランジ７を設置し、その上に半導体支持部材１を貼り合わせて積層体２８を得た。この積層体２８を真空パックし、オートクレーブ中に収容し、図６に示した圧力および温度スケジュールに沿って５０℃、１４３ａｔｍで２時間加熱および加圧し、接着シート４を介して半導体支持部材１と水冷フランジ７とを接合した。
【００４２】
得られた半導体支持装置１２について、初期と熱サイクル印加後との双方について、ウエハー吸着面２ａの平面度とヘリウムリーク量とを測定した。ただし、熱サイクル印加時には、室温から５０℃まで２０℃／分で温度を上昇させ、次いで５０℃で３０分間保持し、−２０℃まで２０℃／分で温度を降下させた。これを１サイクルとし、５０サイクル繰り返した。
【００４３】
吸着面２ａの平面度は、以下のように測定した。定盤の上に半導体支持装置１２を設置する。この際、吸着面２ａが上向きになるようにする。そして、吸着面２ａの各測定点の高さをハイトゲージによって測定する。吸着面２ａの中心点を測定するのと共に、中心点からＸ軸方向に沿って８点選択して測定し、中心点からＹ軸方向に沿って８点選択して測定する。合計１７点についての高さの測定値を得た後、最高高さと最低高さとの差を算出し、平面度とする。
【００４４】
バックサイドガス用のガス供給孔甲１８ａをふさいだ状態でガス供給孔乙１８ｂを利用し、ヘリウムリーク試験を行った。測定結果を表１に示す。
【００４５】
（実施例２）
実施例１と同様にして、図４、図５に示す半導体支持装置１２を製造した。ただし、接着シート４の厚さは１３０μｍである。接着シート４中には、平均粒径１０μｍのアルミナ粒子からなるフィラーが、１０vol％添加されている。接合時の温度は５０℃とし、圧力は１４ｋｇ／ｃｍ２とした。測定結果を表１に示す。
【００４６】
（実施例３）
実施例１と同様にして、図４、図５に示す半導体支持装置１２を製造した。ただし、接着シート４の厚さは５０μｍである。接着シート４中には、平均粒径１０μｍの窒化アルミニウム粒子からなるフィラーが、１０vol％添加されている。接合時の温度は５０℃とし、圧力は１４ｋｇ／ｃｍ２とした。測定結果を表１に示す。
【００４７】
（比較例１）
実施例１と同様にして、図４、図５に示す半導体装置１２を製造した。ただし、接着シート４のかわりにポリイミドテープを使用した。ポリイミドテープの厚さは１３０μｍである。また、フィラーは添加しなかった。接合時の温度は１２０℃とし、圧力１４ｋｇ／ｃｍ２で２時間加熱および加圧した。測定結果を表１に示す。
【００４８】
（比較例２）
実施例１と同様にして、図４、図５に示す半導体装置１２を製造した。ただし、接着シート４のかわりにシリコーン樹脂組成物を使用した。シリコーン樹脂組成物の塗膜の厚さは８０μｍである。接着シート４中には、平均粒径１０μｍのアルミナ粒子からなるフィラーが、３０vol％添加されている。そして、両者の積層体を真空パックしてオートクレーブに収容する工程は行わず、積層体上に１５ｇ／ｃｍ２の圧力のおもりを乗せた状態で、１２０℃で接合した。測定結果を表１に示す。
【００４９】
実施例１、２、３においては、初期、熱サイクル後共に吸着面の平面度が高く、ヘリウムリーク量が２−１０Ｐａ・ｍ３／ｓ程度である。比較例１においては、吸着面の平面度が十分に高くなるような加圧は可能であった。しかし、熱サイクル後のヘリウムリーク量が大きくなり、気密性が低下していた。比較例２においては、初期、熱サイクル後ともに吸着面の平面度が低い。
【００５０】
【表１】
0004034096.tif 000002
【００５１】
（実施例４）
窒化アルミニウムとアルミニウムの接合体をそれぞれ製造した。接合材としてアクリルシートを利用した。窒化アルミニウムは、直径φ１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板形状をしている。アルミニウムは、直径φ１０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板形状をしている。アクリルシートの厚さは５０μｍである。このアクリルシート中には、平均粒径１０μｍのアルミナ粒子からなるフィラーが、１０vol％添加されている。
【００５２】
この接合体を真空パックし、オートクレーブ中に収容し、図６に示した圧力および温度スケジュールに沿って５０℃、１４ａｔｍで２時間加熱および加圧し、アクリルシートを介して窒化アルミニウムとアルミニウムとを接合した。これらの接合体について、レーザフラッシュ法を利用して熱伝導率を測定した。測定結果を表２に示す。
【００５３】
（実施例５）
実施例４と同様にして、接合体を製造した。ただし、アクリルシートの厚さは１３０μｍである。測定結果を表２に示す。
【００５４】
（比較例３）
実施例４と同様にして接合体を製造した。ただし、アクリルシートのかわりにポリイミドテープを利用した。また、ポリイミドテープの厚さは１３０μｍであり、フィラーは添加しなかった。また、接合時の加熱温度は１２０℃である。測定結果を表２に示す。
【００５５】
【表２】
0004034096.tif 000003
【００５６】
実施例４および５の熱伝導率は、比較例３の熱伝導率に比べて高い。また、実施例４の熱伝導率は、実施例５の熱伝導率に比べて高い。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体支持部材、金属部材、および半導体支持部材と金属部材とを接合する接合層を備えている半導体支持装置において、半導体支持部材の表面の平面度を向上させるのと共に、ウエハー表面の温度を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態で使用する半導体支持部材１を概略的に示す断面図であり、（ｂ）は、金属部材７を概略的に示す断面図である。
【図２】金属部材７に接合されている接着シート４の拡大図である。
【図３】製造工程における半導体支持装置１２を概略的に示す断面図である。
【図４】半導体支持装置１２を概略的に示す断面図である。
【図５】図４の半導体支持装置１２に含まれる接合層２７の平面図である（半導体支持部材１は図示省略してある）。
【図６】接合時の圧力および温度スケジュールの一例を示す。
【符号の説明】
１  半導体支持部材（静電チャック）        ２  基体
２ａ  表面（吸着面）        ２ｂ  接着面        ３  電極        ４  接着シート        ４ａ、４ｂ  接着面        ６  端子        ７  金属部材（冷却フランジ）        ７ａ  接着面        １０  フィラー        １１  樹脂マトリックス        １２  半導体支持装置        １８ａ  ガス供給孔甲
１８ｂ  ガス供給孔乙    ２０  端子接続孔              ２７  接合層
Ａ  加圧の方向        Ｂ  ガスの流れ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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