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JP2023141972A - セラミックス基板及びその製造方法、静電チャック、基板固定装置、半導体装置用パッケージ - Google Patents

セラミックス基板及びその製造方法、静電チャック、基板固定装置、半導体装置用パッケージ Download PDF

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Abstract

【課題】セラミックス基板の導電体パターンを従来よりも低い温度で焼結可能とする。【解決手段】本セラミックス基板は、基体と、前記基体に内蔵された導電体パターンと、を有し、前記基体は、セラミックスであり、前記導電体パターンは、タングステンに銅が固溶した体心立方格子構造の固溶体を主成分とする。【選択図】図６

Description

本発明は、セラミックス基板及びその製造方法、静電チャック、基板固定装置、半導体装置用パッケージに関する。
従来、半導体装置を製造する際に使用される成膜装置やプラズマエッチング装置は、ウェハを真空の処理室内に精度良く保持するためのステージを有する。このようなステージとして、例えば、ベースプレートに搭載された静電チャックによりウェハを吸着保持する基板固定装置が提案されている。
静電チャックは、基体、基体に内蔵された静電電極等を有するセラミックス基板からなる。静電電極は、例えば、タングステンを主成分とし、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、及び二酸化ケイ素を含む焼結体である（例えば、特許文献１参照）。
特開２０２０－４３３３６号公報
上記の焼結体では、セラミックスとタングステンを同一条件で焼結させるが、タングステンは高融点（３３００℃以上）のため焼結するのが難しく、適切な焼結助剤の添加が必要である。上記の焼結体では、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、及び二酸化ケイ素が焼結助剤として機能する。添加する焼結助剤により液相化温度が変化するが、比較的低温での焼結を可能とする、従来よりも液相化温度を低くできる焼結助剤が求められている。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、セラミックス基板の導電体パターンを従来よりも低い温度で焼結可能とすることを目的とする。
本セラミックス基板は、基体と、前記基体に内蔵された導電体パターンと、を有し、前記基体は、セラミックスであり、前記導電体パターンは、タングステンに銅が固溶した体心立方格子構造の固溶体を主成分とする。
開示の技術によれば、セラミックス基板の導電体パターンを従来よりも低い温度で焼結可能となる。
第１実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する断面図である。 第１実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する平面図である。 第１実施形態に係る静電チャックの製造工程について例示する斜視図（その１）である。 第１実施形態に係る静電チャックの製造工程について例示する斜視図（その２）である。 液相化温度の検討結果（その１）である。 液相化温度の検討結果（その２）である。 液相化温度の検討結果（その３）である。 第２実施形態に係る半導体装置用パッケージを例示する断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置用パッケージを例示する平面図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第１実施形態〉
［基板固定装置の構造］
図１は、第１実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する断面図である。図１を参照すると、基板固定装置１は、主要な構成要素として、ベースプレート１０と、静電チャック２０とを有している。基板固定装置１は、静電チャック２０により吸着対象物である基板Ｗ（例えば、半導体ウェハ等）を吸着保持する装置である。
ベースプレート１０は、静電チャック２０を搭載するための部材である。ベースプレート１０の厚さは、例えば、２０～４０ｍｍ程度である。ベースプレート１０は、例えば、アルミニウムや超硬合金等の金属材料や、その金属材料とセラミックス材との複合材料等から形成され、プラズマを制御するための電極等として利用できる。例えば、入手のし易さ、加工のし易さ、熱伝導性が良好である等の点から、アルミニウム又はその合金を使用し、その表面にアルマイト処理（絶縁層形成）を施したものが好適に使用できる。
例えば、ベースプレート１０に所定の高周波電力を給電することで、発生したプラズマ状態にあるイオン等を静電チャック２０上に吸着された基板Ｗに衝突させるためのエネルギーを制御し、エッチング処理を効果的に行うことができる。
ベースプレート１０の内部に、静電チャック２０上に吸着された基板Ｗを冷却する不活性ガスを導入するガス供給路が設けられてもよい。基板固定装置１の外部からガス供給路に、例えば、ＨｅやＡｒ等の不活性ガスが導入され、静電チャック２０上に吸着された基板Ｗの裏面に不活性ガスが供給されると、基板Ｗを冷却できる。
ベースプレート１０の内部に、冷媒流路が設けられてもよい。冷媒流路は、例えば、ベースプレート１０の内部に環状に形成された孔である。基板固定装置１の外部から冷媒流路に、例えば、冷却水やガルデン等の冷媒が導入される。冷媒流路に冷媒を循環させベースプレート１０を冷却することで、静電チャック２０上に吸着された基板Ｗを冷却できる。
静電チャック２０は、吸着対象物である基板Ｗを吸着保持する部分である。静電チャック２０の平面形状は、基板Ｗの形状に応じて形成されるが、例えば、円形である。静電チャック２０の吸着対象物であるウェハの直径は、例えば、８、１２、又は１８インチである。
なお、平面視とは対象物をベースプレート１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物をベースプレート１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
静電チャック２０は、接着層を介して、ベースプレート１０の上面１０ａに設けられている。接着層は、例えば、シリコーン系接着剤である。接着層の厚さは、例えば、０．１～２．０ｍｍ程度である。接着層は、ベースプレート１０と静電チャック２０を接着すると共に、セラミックス製の静電チャック２０とアルミニウム製のベースプレート１０との熱膨張率の差から生じるストレスを低減させる効果を有する。なお、ベースプレート１０に対して静電チャック２０をネジにより固定してもよい。
静電チャック２０は、主要な構成要素として、基体２１と、静電電極２２と、発熱体２４とを有するセラミックス基板である。基体２１の上面は、吸着対象物が載置される載置面２１ａである。静電チャック２０は、例えば、ジョンセン・ラーベック型静電チャックである。但し、静電チャック２０は、クーロン力型静電チャックであってもよい。
基体２１は、誘電体である。基体２１の厚さは、例えば、５～１０ｍｍ程度、基体２１の比誘電率（１ｋＨｚ）は、例えば、９～１０程度である。基体２１は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）等からなるセラミックスである。これらの中でも、焼結が容易で比較的低コストであり電気抵抗が高い酸化アルミニウムからなるセラミックスを用いることが好ましい。ここで、「酸化アルミニウムからなるセラミックス」とは、酸化アルミニウム以外の無機成分を添加していないセラミックスを意味する。
基体２１は、酸化アルミニウムの純度が９９．５％以上であることが好ましい。純度が９９．５％以上であることは、焼結助剤を添加することなく形成されることを示す。又、純度が９９．５％以上であることは、製造工程等において意図しない不純物を含む場合もあることを意味している。基体２１は、酸化アルミニウムに対する相対密度が９７％以上であることが好ましい。基体２１は、酸化アルミニウムの平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。
静電電極２２は、導電体パターンにより形成された薄膜電極であり、基体２１に内蔵されている。本実施形態では、静電電極２２は双極タイプであり、第１静電電極２２ａと第２静電電極２２ｂを有している。なお、静電電極２２として、１つの静電電極からなる単極タイプが使用されてもよい。静電電極２２は、タングステンに銅が固溶した体心立方格子構造の固溶体を主成分とする。ここで主成分とは、静電電極２２を構成する全物質の５０ｗｔ％以上を占める成分のことを意味する。静電電極２２において、タングステンに対する銅の割合が０．０５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であることが好ましい。
第１静電電極２２ａは、基板固定装置１の外部に設けられた電源４０ａの正極側に接続されている。又、第２静電電極２２ｂは、基板固定装置１の外部に設けられた電源４０ｂの負極側に接続されている。電源４０ａの負極側と電源４０ｂの正極側が基板固定装置１の外部で接続されており、接続点が接地電位となる。
第１静電電極２２ａに電源４０ａからプラス（＋）の電圧が印加され、第２静電電極２２ｂに電源４０ｂからマイナス（－）の電圧が印加される。これにより、第１静電電極２２ａにプラス（＋）電荷が帯電し、第２静電電極２２ｂにマイナス（－）電荷が帯電する。これに伴って、第１静電電極２２ａに対応する基板Ｗの部分Ｗａにマイナス（－）電荷が誘起され、第２静電電極２２ｂに対応する基板Ｗの部分Ｗｂにプラス（＋）電荷が誘起される。
基板Ｗと静電電極２２とその間に配置される静電チャック２０（基体２１）のセラミックス部２５とをコンデンサとみなした場合、セラミックス部２５が誘電層に相当する。そして、セラミックス部２５を介して静電電極２２と基板Ｗとの間に発生したクーロン力によって基板Ｗが静電チャック２０の上に静電吸着される。吸着保持力は、静電電極２２に印加される電圧が高いほど強くなる。
発熱体２４は、基体２１に内蔵されており、電流が流れると発熱して基体２１の載置面２１ａが所定の温度となるように加熱するヒータである。発熱体２４は、第１静電電極２２ａ及び第２静電電極２２ｂの下側（ベースプレート１０側）に配置されている。発熱体２４は、膜状に形成された導電体である。発熱体２４は、基体２１を平面的に複数の領域（ヒータゾーン）を独立して加熱制御することが可能な複数のヒータ電極として設けられる。
なお、発熱体２４が１つのヒータ電極として設けられてもよい。発熱体２４は、例えば、タングステンに銅が固溶した体心立方格子構造の固溶体を主成分とする。
基板固定装置１の外部に設けられた電源から発熱体２４に電流が供給されると、発熱体２４が発熱して静電チャック２０が加熱される。静電チャック２０の温度により、基板Ｗが所定の温度に制御される。静電チャック２０の加熱温度は、５０℃～２００℃の範囲内で、例えば１５０℃に設定される。
図２は、第１実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する平面図である。図２を参照すると、基板固定装置１では、円盤状のベースプレート１０の上に静電チャック２０が配置され、静電チャック２０の周囲においてベースプレート１０の周縁部が露出している。ベースプレート１０の周縁部には、半導体製造装置のチャンバに取り付けるための取付孔１１が周縁部に沿って配列されている。
又、静電チャック２０及びベースプレート１０は、中央部に複数（図２では３つ）のリフトピン用開口部１２を有している。リフトピン用開口部１２には、基板Ｗを上下方向に移動するリフトピンが挿通される。リフトピンで基板Ｗを載置面２１ａより上昇させることにより、搬送装置による基板Ｗの自動搬送が可能になる。
［静電チャックの製造方法］
次に、静電チャック２０の製造方法について説明する。図３及び図４は、第１実施形態に係る静電チャックの製造工程について例示する斜視図である。
まず、図３（ａ）に示すように、セラミックス材料と有機材料からなるグリーンシート５１を準備する。グリーンシート５１は、例えば、矩形板状に形成されている。グリーンシート５１のセラミックス材料は酸化アルミニウムからなり、焼結助剤を含まない。グリーンシート５１は、有機成分が除去されセラミックス材料が焼結し、緻密化することにより、図１に示す基板Ｗが搭載される部分の基体２１となるものである。
次に、図３（ｂ）に示すように、グリーンシート５１と同様の材料及び同様の形状からなるグリーンシート５２を準備し、グリーンシート５２の上面に、例えば印刷法（スクリーン印刷）により導電性ペーストを印刷して導電体パターン５５を形成する。導電体パターン５５は、後述する工程において焼成されることにより、図１に示す静電電極２２となるものである。なお、導電体パターン５５は、グリーンシート５１の下面に形成されてもよい。
導電体パターン５５の形成に用いられる導電性ペーストは、例えば、タングステンを主成分とし、酸化銅を含む。導電体パターン５５の形成に用いられる導電性ペーストは、さらに有機材料等を含んでもよい。酸化銅の添加量は、例えば、タングステン１００ｇに対して、０．１ｇ以上１０ｇ以下であることが好ましい。すなわち、導電性ぺーストにおいて、タングステンに対する酸化銅の割合が０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であることが好ましい。タングステンに対する酸化銅の割合が０．１ｗｔ％以上であると、導電性ペーストの液相化温度を約１１００℃とすることができる。
タングステンに対する酸化銅の割合が１０ｗｔ％より多くても、導電性ペーストの液相化温度が約１１００℃となることに変わりはない。しかし、タングステンに対する酸化銅の割合が１０ｗｔ％より多くなると、導電性ペーストを焼結して作製されるタングステンと銅の固溶体において、タングステンの電気的特徴が出にくくなる。そのため、タングステンに対する酸化銅の割合が１０ｗｔ％以下であることが好ましい。なお、導電性ペーストとグリーンシートとを同時焼成する上で、タングステンの平均粒径は、０．５μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。
次に、図３（ｃ）に示すように、グリーンシート５１と同様の材料及び同様の形状からなるグリーンシート５３を準備し、グリーンシート５３の上面に、例えば印刷法（スクリーン印刷）により、導電性ペーストを印刷して導電体パターン５７を形成する。導電体パターン５７を形成する導電性ペーストは、上述の導電体パターン５５を形成する導電性ペーストと同じ材料の導電性ペーストを用いることができる。グリーンシート５３は、焼成されることにより、図１に示す発熱体２４を形成するためのものであり、ベースプレート１０に接着される部分の基体２１となるものである。導電体パターン５７は、後述する工程において焼成されることにより、発熱体２４となるものである。なお、導電体パターン５７は、上述のグリーンシート５２の下面に形成されてもよい。
次に、図４（ａ）に示すように、各グリーンシート５１～５３が積層されて構造体７１ａが形成される。各グリーンシート５１～５３は、加熱しながら加圧することにより、互いに接着される。次に、図４（ｂ）に示すように、構造体７１ａの周囲を切断して円盤状の構造体７１ｂが形成される。
次に、図４（ｂ）に示す構造体７１ｂを焼成して、図４（ｃ）に示すセラミックス基板７２ａが得られる。焼成する際の温度は、例えば、１６００℃である。この工程では、導電体パターン５５を焼結することで静電電極２２が得られ、導電体パターン５７を焼結することで発熱体２４が得られる。タングステンに酸化銅を添加した導電性ペーストの液相化温度は約１１００℃であるため、セラミックス基板７２ａを焼成する際の温度（例えば、１６００℃）で容易に焼結する。これにより、タングステンに銅が固溶した体心立方格子構造の固溶体を主成分とする静電電極２２及び発熱体２４が形成される。
次に、セラミックス基板７２ａに対して各種の加工が施され、静電チャック２０が完成する。例えば、セラミックス基板７２ａの上下両面が研磨されて載置面と接着面とが形成される。又、セラミックス基板７２ａに、図１に示すリフトピン用開口部１２が形成される。
以下、実施例及び比較例を挙げて基板固定装置等について更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
［液相化温度の検討］
まず、比較例として、タングステン１００ｇに、酸化ニッケル１ｇ、酸化アルミニウム１ｇ、二酸化ケイ素１ｇを添加し、窒素及び水素の雰囲気中で焼成を行った場合の液相化温度について、Ｆａｃｔ Ｓｔａｇｅ（株式会社計算力学研究センター製）により計算した。なお、Ｆａｃｔ Ｓｔａｇｅは、多成分系の熱力学的平衡状態を定量的に予測するソフトウェアである。
比較例の計算結果を図５に示す。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）の破線で囲まれた部分を拡大したものである。図５に示すように、比較例に係る材料を焼結することで、タングステンにニッケルが固溶した体心立方格子構造の固溶体が形成されることが計算により確認された。また、比較例において、液相化温度は、約１３３０℃であった。
次に、実施例として、タングステン１００ｇに、酸化銅１ｇを添加し、窒素及び水素の雰囲気中で調整を行った場合の液相化温度について、Ｆａｃｔ Ｓｔａｇｅにより計算した。
実施例の計算結果を図６に示す。なお、図６（ｂ）は、図６（ａ）の破線で囲まれた部分を拡大したものである。図６に示すように、実施例に係る材料を焼結することで、タングステンに銅が固溶した体心立方格子構造の固溶体が形成されることが計算により確認された。また、実施例において、液相化温度は、約１１００℃であった。
次に、タングステンに添加する酸化銅の量により液相化温度が変化するか否かをＦａｃｔ Ｓｔａｇｅにより計算した。タングステン１００ｇに酸化銅０．１ｇを添加した場合、２ｇを添加した場合、１０ｇを添加した場合について計算した結果を図７（ａ）～図７（ｃ）に示す。図７（ａ）～図７（ｃ）に示すように、タングステン１００ｇに酸化銅０．１ｇを添加した場合でも液相ができ、液相化温度は、約１１００℃であった。また、タングステン１００ｇに添加する酸化銅の量を増やしても、液相の量が増えるだけで、液相化温度は約１１００℃で一定であることが分かった。すなわち、タングステンに酸化銅を添加して焼成する場合、液相化温度は酸化銅の添加量には依存しないことが計算により確認された。
このように、タングステンに酸化銅を添加して焼成すると、液相化温度を約１１００℃にできるため、従来（比較例）よりも１５０℃程度低い温度で導電体パターンを焼結することが可能となりタングステンの焼結性が向上する。
なお、基体に酸化アルミニウムを用いる場合には、焼結温度は１５００℃～１６００℃程度である。したがって、導電体パターンの液相化温度はそれよりも低ければよいが、より低い方が扱いやすく、また酸化アルミニウム以外のより低い温度で焼結する材料を用いることも可能となる。また、基体の焼成工程における制約から、導電体パターンの液相化温度は８００℃以上であることが好ましい。
〈第２実施形態〉
第２実施形態では、第１実施形態で説明したセラミックス基板を有する半導体装置用パッケージの例を示す。図８は、第２実施形態に係る半導体装置用パッケージを例示する断面図である。図９は、第２実施形態に係る半導体装置用パッケージを例示する平面図である。
図８に示すように、半導体装置用パッケージ１００は、セラミックス基板１１０と、放熱板１５０と、外部接続端子１６０とを有し、放熱板１５０はセラミックス基板１１０にろう付けされている。
セラミックス基板１１０は、積層された複数（本実施形態では４つ）のセラミックス基材１１１，１１２，１１３，１１４と、導電体パターンの一例である配線パターン１２１，１２２，１２３、１２４と、セラミックス基材１１２，１１３，１１４を貫通するビア１３２，１３３，１３４とを有している。ビア１３２は、配線パターン１２１，１２２を互いに接続し、ビア１３３は、配線パターン１２２，１２３を互いに接続し、ビア１３４は配線パターン１２３，１２４を互いに接続する。セラミックス基板１１０において、セラミックス基材１１１～１１４は基体を構成している。
図８及び図９に示すように、セラミックス基板１１０には、セラミックス基材１１２，１１３，１１４の中央部を貫通して半導体素子２００を搭載するキャビティ１７０が設けられている。配線パターン１２１は、キャビティ１７０を囲むように、セラミックス基材１１２の上面に配設されている。セラミックス基材１１１には、配線パターン１２１を露出する開口部１１１Ｘが形成されている。
セラミックス基材１１１～１１４は、酸化アルミニウムからなるセラミックスであり、配線パターン１２１～１２４は、タングステンに銅が固溶した体心立方格子構造の固溶体を主成分とする。又、ビア１３２～１３４は、例えば、モリブデンを主成分とし、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素を含む焼成体である。そして、セラミックス基板１１０は、第１実施形態の静電チャック２０と同様の製造方法により製造することができる。
半導体装置用パッケージ１００において、半導体素子２００は放熱板１５０に搭載される。半導体素子２００のパッドは、ボンディングワイヤ等によってセラミックス基板１１０の配線パターン１２１と電気的に接続される。これにより、半導体素子２００は、配線パターン１２１～１２４とビア１３２～１３４とを介して外部接続端子１６０に接続される。
半導体装置用パッケージ１００において、配線パターン１２１～１２４は、タングステンを主成分とし酸化銅が添加された導電性ペーストを焼結して形成することができる。これにより、第１実施形態と同様に、従来よりも２３０℃程度低い温度で配線パターンを焼結することが可能となりタングステンの焼結性が向上する。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、第１実施形態において、基板固定装置に含まれる部材や配置を適宜変更してもよい。
又、第１実施形態において、発熱体２４は、静電チャック２０とベースプレート１０との間に配設されてもよい。又、発熱体２４は、ベースプレート１０に内設されてもよい。又、発熱体２４は、静電チャックの下に外付けされてもよい。
又、第１実施形態に係る基板固定装置は、半導体製造装置、例えばドライエッチング装置（例えば平行平板型の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）装置）に適用される。
又、第１実施形態に係る基板固定装置の吸着対象物としては、半導体ウェハ（シリコンウエハ等）以外に、液晶パネル等の製造工程で使用されるガラス基板等を例示できる。
１ 基板固定装置
１０ ベースプレート
１１ 取付孔
１２ リフトピン用開口部
２０ 静電チャック
２１ 基体
２２ 静電電極
２２ａ 第１静電電極
２２ｂ 第２静電電極
２４ 発熱体
２５ セラミックス部
４０ａ、４０ｂ 電源
５１、５２、５３ グリーンシート
５５、５７ 導電体パターン
７１ａ、７１ｂ 構造体
７２ａ セラミックス基板
１００ 半導体装置用パッケージ
１１０ セラミックス基板
１１１～１１４ セラミックス基材
１２１～１２４ 配線パターン
１３２～１３４ ビア

Claims (10)

  1. 基体と、
    前記基体に内蔵された導電体パターンと、を有し、
    前記基体は、セラミックスであり、
    前記導電体パターンは、タングステンに銅が固溶した体心立方格子構造の固溶体を主成分とする、セラミックス基板。
  2. 前記基体は、主成分が酸化アルミニウムである、請求項１に記載のセラミックス基板。
  3. 前記基体は、前記酸化アルミニウムの純度が９９．５％以上である、請求項２に記載のセラミックス基板。
  4. 前記基体は、酸化アルミニウムに対する相対密度が９７％以上である、請求項２又は３に記載のセラミックス基板。
  5. 前記基体は、酸化アルミニウムの平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下である、請求項２乃至４の何れか一項に記載のセラミックス基板。
  6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のセラミックス基板を有する半導体装置用パッケージ。
  7. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のセラミックス基板において、前記導電体パターンが静電電極である静電チャック。
  8. ベースプレートと、
    前記ベースプレートの一方の面に搭載された請求項７に記載の静電チャックと、を有する基板固定装置。
  9. 基体と、前記基体に内蔵された導電体パターンと、を有するセラミックス基板の製造方法であって、
    グリーンシートの上面に、タングステンに酸化銅を添加した導電性ペーストにより導電体パターンを形成する工程と、
    前記グリーンシート及び前記導電体パターンを焼成して、前記基体及び前記導電体パターンを形成する工程と、を有するセラミックス基板の製造方法。
  10. 前記導電性ペーストにおいて、前記タングステンに対する前記酸化銅の割合が０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下である、請求項９に記載のセラミックス基板の製造方法。
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