JP2003273202A - 半導体支持装置 - Google Patents
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Abstract
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。 【解決手段】半導体を支持する平面を有する半導体支持
部材1、金属部材7、および半導体支持部材1と金属部
材7とを接合する接合層27を備えている半導体支持装
置12であって、接合層27が接着シート4からなり、
接着シート4が、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を含
む。
Description
関するものである。
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。
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。
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。
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。
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。
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むことを特
徴とする。
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。
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。
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。
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。
MPa以下であることが好ましく、接着シートの伸びが1
00%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。
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−100
mm)/100mm×100(%)を「伸び」とした。
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。
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。
却フランジである。冷却フランジ7にはガス供給孔乙1
8b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)。
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。
伸縮性のある樹脂が好ましく、具体的には、アクリル樹
脂、エポキシ樹脂からなることが好ましい。アクリル樹
脂の種類は特に限定されない。一般的には、アクリル樹
脂は、アクリル酸およびアクリル酸の誘導体の重合体の
総称であり、ホモポリマーとコポリマーとの両者を含
み、架橋物、部分架橋物、未架橋物のいずれも含む。ア
クリル酸の誘導体は、アクリル酸エステル、アクリルア
ミド、アクリロニトリル、メタクリル酸、メタクリル酸
エステルを含む。エポキシ樹脂の種類も特に限定されな
い。
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3
0μm以上であることが好ましい。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
施形態においてはオートクレーブである。
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。
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。
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1
1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。
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。
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。
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。
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φ30
0mm、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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φ10
mm、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。
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。
体を製造した。ただし、アクリルシートの厚さは130
μmである。測定結果を表2に示す。
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。
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。
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。
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。
大図である。
に示す断面図である。
る。
7の平面図である(半導体支持部材1は図示省略してあ
る)。
示す。
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
Claims (7)
- 【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むことを特
徴とする、半導体支持装置。 - 【請求項2】前記フィラーが、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】前記フィラーが、アルミナ、窒化アルミニ
ウム、シリカ、および炭化珪素の群から選ばれる1種類
以上の物質からなることを特徴とする、請求項2に記載
の半導体支持装置。 - 【請求項4】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1〜3のいずれか
一つの請求項に記載の半導体支持装置。 - 【請求項5】前記樹脂マトリックスが、アクリル樹脂ま
たはエポキシ樹脂からなることを特徴とする、請求項1
〜4のいずれか一つの請求項に記載の半導体支持装置。 - 【請求項6】前記接着シートのヤング率が100MPa以
下であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一
つの請求項に記載の半導体支持装置。 - 【請求項7】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、請求項1〜6のいずれか一つの請
求項に記載の半導体支持装置。
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
JP2002075818A JP4034096B2 (ja) | 2002-03-19 | 2002-03-19 | 半導体支持装置 |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002075818A JP4034096B2 (ja) | 2002-03-19 | 2002-03-19 | 半導体支持装置 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003273202A true JP2003273202A (ja) | 2003-09-26 |
JP4034096B2 JP4034096B2 (ja) | 2008-01-16 |
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ID=28035388
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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US (1) | US6831307B2 (ja) |
JP (1) | JP4034096B2 (ja) |
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