CN105392758B - 陶瓷板与金属制圆筒部件的接合结构 - Google Patents

陶瓷板与金属制圆筒部件的接合结构 Download PDF

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Abstract

半导体制造装置用部件具备作为AlN制陶瓷板的基座10和与基座10接合的气体导入管20。在基座10中与气体导入管20的凸缘22相对的位置上，形成有环状的管接合用倾斜部14。此外，在凸缘22与管接合用倾斜部14之间，形成有管钎焊部24。凸缘22的宽度为3mm以上，厚度为0.5mm以上2mm以下。管接合用倾斜部14的高度优选为0.5mm以上，与凸缘22的外缘相对置的角的倒角在为C倒角时优选为C0.3以上，在为R倒角时优选为R0.3以上。

Description

陶瓷板与金属制圆筒部件的接合结构
技术领域
本发明涉及陶瓷板与金属制圆筒部件的接合结构。
背景技术
静电卡盘作为用于吸附晶片并在半导体制造工艺中控制晶片温度的保持部件而使用。作为这样的静电卡盘，已知有从设有气体导入孔的圆板状陶瓷板的背面侧接合金属制气体导入管，向晶片的吸附面供给He气等，使导热性提高的静电卡盘(例如专利文献1)。
另外，作为陶瓷板与金属制气体导入管的接合方法，已知有如图7所示那样，在陶瓷板110和气体导入管120之间填充钎料，并且将钎料从气体导入管120的侧面涂布至静电卡盘的背面，进行钎焊的方法(例如专利文献2)。钎焊后，钎料成为圆角状的钎焊部124。在陶瓷板110与气体导入管120之间产生由热膨胀差导致的应力，为了尽量减小该应力，用具有与陶瓷板110相近的热膨胀系数的金属来形成气体导入管120。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-297103号公报
专利文献2：日本特开2000-219578号公报(图3)
发明内容
发明所要解决的问题
然而，图7的接合结构中，即使用具有与陶瓷板110相近的热膨胀系数的金属来形成气体导入管120，若在使用静电卡盘时施加热循环，则有时也会产生接合部的剥离。其原因在于，气体导入管120、钎焊部124在冷却时比陶瓷板110收缩得更大。因此，有时仅反复数次热循环就在陶瓷板110产生裂纹，无法维持气密性而从气体导入孔产生泄漏。另一方面，在陶瓷板110的背面，除了气体导入管120以外，有时还钎焊有直径比陶瓷板110略小的金属制的环(未图示)，在该环与陶瓷板110的接合部，也存在如上述那样产生裂纹而无法维持气密性这样的问题。
本发明是为了解决这样的课题而完成的，其主要目的在于，在陶瓷板与金属制圆筒部件的接合结构中提高对热循环的耐久性。
用于解决课题的方法
本发明的接合结构是陶瓷板与金属制圆筒部件的接合结构，其具备：
形成于所述圆筒部件的端部的凸缘、
设置于所述陶瓷板中与所述凸缘相对置的位置的环状的倾斜部、以及
形成于所述凸缘与所述倾斜部之间的钎焊部，
所述凸缘的宽度为3mm以上，厚度为0.5mm以上2mm以下，
所述倾斜部中，与所述凸缘的外缘相对置的角的倒角为C倒角或R倒角。
该接合结构中，圆筒部件的凸缘与陶瓷板的环状的倾斜部通过钎焊部接合。此外，凸缘的大小、厚度在恰当的数值范围内，倾斜部中，与凸缘的外缘相对置的角的倒角为C倒角或R倒角。因此，能够用倾斜部的侧面承受由圆筒部件与陶瓷板的热膨胀差导致的应力，成为抗应力强的结构。此外，接合面积增大，密封距离变长。因此，即使对具有这样的接合结构的接合体反复进行热循环，也能够抑制在接合部分产生裂纹。据此，根据这样的接合结构，对热循环的耐久性提高。
本发明的接合结构中，所述倾斜部的高度优选为0.5mm以上。这样，对热循环的耐久性进一步提高。
本发明的接合结构中，对于所述倾斜部，与所述凸缘的外缘相对置的角的倒角在为C倒角时，优选为C0.3以上，在为R倒角时，优选为R0.3以上。这样，对热循环的耐久性进一步提高。
本发明的接合结构中，优选的是，所述陶瓷板为AlN制，所述圆筒部件为科瓦合金(Kovar)制，所述钎焊部由含有Ag、Cu和Ti的钎料或Al钎料形成。如果采用这样的材料的组合，能够更切实地得到本发明的效果。
本发明的接合结构中，所述陶瓷板具有在所述环状的倾斜部的内侧开口且在厚度方向上贯通的气体导入孔，所述圆筒部件可以是向所述气体导入孔供给气体的气体导入管。这样，在热循环后也能够防止从气体导入管供给的气体向气体导入管、气体导入孔的外侧泄漏。
本发明的接合结构中，所述环状的倾斜部沿着所述陶瓷板的外周缘形成，所述圆筒部件可以是支持所述陶瓷板的支持环。这样，在热循环后也能够维持支持环内部的气密性。
附图说明
图1为表示半导体制造装置用部件1的概略构成的截面图。
图2为图1的A部放大图。
图3为图1的B部放大图。
图4为其他实施方式的局部放大截面图。
图5为试验用样品的截面图。
图6为试验用样品的截面图。
图7为以往的接合结构的截面图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的合适的实施方式进行说明。图1为表示半导体制造装置用部件1的概略构成的截面图，图2为图1的A部放大图，图3为图1的B部放大图。
如图1所示，半导体制造装置用部件1设置于腔2的内部。该半导体制造装置用部件1具备：具有载置晶片W的晶片载置面10a的基座10、接合到基座10的与晶片载置面10a相反侧的背面10b上的小径的气体导入管20、同样与背面10b接合的大径的支持环30。此外，半导体制造装置用部件1在支持环30下端与腔2的内面以成为气密的方式进行接合。
基座10为圆板状的AlN制陶瓷板。该基座10具备在厚度方向上贯通的气体导入孔12。在气体导入孔12的背面10b侧的开口周围，形成有环状的管接合用倾斜部14。管接合用倾斜部14设置于与气体导入管20的凸缘22相对置的位置。此外，在基座10中与支持环30的凸缘32相对置的位置，形成有环状的环接合用倾斜部16。环接合用倾斜部16在比基座10的外周缘更稍微靠内侧地沿着该外周缘形成。
气体导入管20为科瓦合金制，如图2所示，在与基座10的背面10b接合的端部具有凸缘22。科瓦合金具有与AlN同等的热膨胀系数。顺便一提，AlN的热膨胀系数为4.3×10-6/℃(40℃～400℃)，科瓦合金的热膨胀系数为9×10-6/℃(40℃～400℃)。在凸缘22与管接合用倾斜部14之间，形成有管钎焊部24。管钎焊部24由例如Ag-Cu-Ti钎料或Al钎料形成。对于Ag-Cu-Ti钎料的热膨胀系数，当其组成为Ag 63重量％、Cu 32.25重量％、Ti 1.75重量％时为18.5×10-6/℃(40℃～400℃)，Al钎料的热膨胀系数为19.5×10-6/℃(40℃～400℃)。
支持环30为科瓦合金制，如图3所示，在与基座10的背面10b接合的端部具有凸缘32。该支持环30的直径比基座10的直径略小。在凸缘32与环接合用倾斜部16之间，形成有环钎焊部34。环钎焊部34由例如Ag-Cu-Ti钎料或Al钎料形成。
如图2和图3所示，凸缘22、32的宽度A为3mm以上，厚度B为0.5mm以上2mm以下。凸缘22、32的宽度A小于3mm时，由于密封距离不足、接合面积不足导致无法维持气密性，因此不优选。此外，如果凸缘22、32的厚度B超过2mm，则在热循环时在接合部分产生的应力变得过大，导致接合部分产生裂纹，因此不优选。考虑到该应力的大小，凸缘22、32的厚度越薄越好，但厚度小于0.5mm时，制造变得困难，因此不优选。
如图2和图3所示，对于管接合用倾斜部14和环接合用倾斜部16，优选台阶高度C为0.5mm以上，对于与凸缘22、32的外缘相对置的角的倒角尺寸D，在C倒角时优选为C0.3以上，在R倒角时优选为R0.3以上。如果满足该条件，则对热循环的耐久性足够高。另外，图2和图3中，例示了各倾斜部14、16的角的倒角为C倒角的情况。
但是，即使各倾斜部14、16的台阶高度C小于0.5mm，与没有各倾斜部14、16的情况相比，对热循环的耐久性也提高。此外，即使各倾斜部14、16的角的倒角尺寸D在C倒角时为小于C0.3，在R倒角时为小于R0.3，与没有进行角的倒角的情况相比，对热循环的耐久性也提高。
接着，对如此构成的半导体制造装置用部件1的使用例进行说明。半导体制造装置用部件1配置于腔2内，用于通过在该腔2内产生的等离子体对晶片W的表面进行蚀刻。此时，根据需要，通过气体导入管20和气体导入孔12将He气供给至晶片W的背面。由此，晶片W的均热性提高。
在此，明确本实施方式的构成要素与本发明的构成要素的对应关系。本实施方式的基座10相当于本发明的陶瓷板，气体导入管20和支持环30分别相当于圆筒部件。
以上详述的本实施方式的半导体制造装置用部件1中，气体导入管20的凸缘22与基座10的管接合用倾斜部14通过管钎焊部24接合，支持环30的凸缘22与基座10的环接合用倾斜部16通过环钎焊部34接合。此外，凸缘22、32的大小、厚度在恰当的数值范围内，倾斜部14、16中，与凸缘22、32的外缘相对置的角的倒角为C倒角或R倒角。因此，能够用倾斜部14、16的侧面承受由支持环30与基座10的热膨胀差导致的应力，成为抗应力强的结构。此外，接合面积变大，密封距离变长。因此，即使对具有这样的接合结构的半导体制造装置用部件1反复进行热循环，也能够抑制在接合部分产生裂纹。据此，根据该半导体制造装置用部件1，对热循环的耐久性提高。
此外，基座10为AlN制，气体导入管20、支持环30为科瓦合金制，管钎焊部24和环钎焊部34由Ag-Cu-Ti钎料或Al钎料形成，因此能够将因热膨胀差而产生的应力抑制得低，能够切实地提高对热循环的耐久性。
进而，在热循环后，能够防止从气体导入管20供给的气体向气体导入管20、气体导入孔12的外侧泄漏，还能够维持支持环30的内部的气密性。
另外，本发明不受上述实施方式的任何限定，不言而喻，只要属于本发明的技术范围，可以以各种方式实施。
例如，可以使用埋设有静电电极、加热器电极和等离子体发生电极中的至少一种的陶瓷板来替代上述实施方式的基座10。
上述实施方式中，以从基座10的背面10b突出的方式设置管接合用倾斜部14，但也可以如图4所示，在背面10b中的气体导入孔12的开口周边设置圆周槽13来形成管接合用倾斜部14。这种情况下，管接合用倾斜部14的顶面的高度为与背面10b的高度相同。这样操作，也能够得到与上述实施方式同样的效果。另外，关于环接合用倾斜部16，也可以与此同样地形成。即，设置小径的圆周槽和大径的圆周槽，将两槽之间作为环接合用倾斜部16。
上述实施方式中，作为基座10的材料，采用了AlN，但也可以采用AlN以外的陶瓷(例如氧化铝等)。该情况下，气体导入管20、支持环30的材料优选为热膨胀系数与基座10的材料同等的材料(例如，基座10材料的热膨胀系数的±10％的材料)。此外，对于管钎焊部24、环钎焊部34的钎料，也优选为热膨胀系数与基座10的材料同等的材料。
上述实施方式中，作为金属制的圆筒部件例示了气体导入管20、支持环30，但也可以接合其他的圆筒部件。例如，也可以接合用于插入测定基座10的表面温度的热电偶的圆筒部件。
实施例
[试验用样品No.1～16]
制作了如图5所示的试验用样品。即，首先，准备模拟基座10的AlN制块体50。在块体50中设置模拟气体导入孔12的气体导入孔52和模拟管接合用倾斜部14的管接合用倾斜部54。并且，通过管钎焊部24将科瓦合金制的气体导入管20的凸缘22接合到管接合用倾斜部54，制成试验用样品。钎料使用Ag-Cu-Ti钎料(Ag 63重量％、Cu 32.25重量％、Ti 1.75重量％)。对于气体导入管20，使用的是内径约7.5mm、外径约9.5mm的气体导入管。制作具有表1所示的凸缘宽度A、凸缘厚度B、倾斜部台阶高度C、倒角尺寸D的样品No.1～16作为试验用样品。
表1
[评价]
将各样品提供给热循环试验。对于热循环试验，以在大气中从150℃升温至450℃然后降温至150℃作为1个循环，以此进行50个循环。在热循环试验后，进行接合部的密封性确认和根据截面观察的裂纹确认。对于接合部的密封性确认如下进行，堵住气体导入孔52的开口52a，使用He泄漏检测器从气体导入管20的入口进行抽真空，从接合部侧面吹喷He来测定He的泄漏量。如果泄漏量小于阈值(这里为1×10-8Pa·m3/sec)，则判定为密封性良好，如果为阈值以上，则判断为密封性不良。并且，对于密封性良好且在截面观察中没有裂纹的情况，评价为“OK”，对于密封性不良或在截面观察中有裂纹的情况，评价为“NG”。将其结果示于表1中。
从样品No.1～4的评价结果来看，如果凸缘宽度A为3mm以上，则接合面积足够大且密封距离也足够长，因此密封性良好且未见到裂纹。
从样品No.5～8的评价结果来看，如果凸缘厚度B为2mm以下，则热循环试验中不产生大的应力，因此密封性良好且未见到裂纹。另外，如果凸缘厚度B薄于0.5mm，则制造变得困难。
从样品No.9～12的评价结果来看，如果管接合用倾斜部的台阶高度C为0.5mm以上，则热循环试验中产生的应力被缓和，因此密封性良好且未见到裂纹。
从样品No.13～16的评价结果来看，如果倒角尺寸D(这里为C倒角)为0.3mm以上(即C0.3以上)，则热循环试验中产生的应力被缓和，因此密封性良好且未见到裂纹。此外，进行R倒角来替代C倒角时，也得到了同样的结果。
另外，制作用上述Ag-Cu-Ti钎料将不具有管接合用倾斜部54的块体50与不具有凸缘22的气体导入管20以成为图7所示的接合结构的方式进行接合的样品，并提供于上述热循环试验后进行密封性确认，结果泄漏量超过了阈值(密封性不良)。此外，进行了截面观察，结果产生了如图7的虚线所示的裂纹。
[试验用样品No.17～24]
制作图6所示的试验用样品。即，首先，准备模拟基座10的AlN制的板60和模拟支持环30的科瓦合金制的环70。在板60中设置模拟环接合用倾斜部16的环接合用倾斜部66，在环70中设置模拟凸缘32的凸缘72。并且，通过环钎焊部74将环70的凸缘72接合到环接合用倾斜部66，制成试验用样品。钎料使用上述Ag-Cu-Ti钎料。此外，对于环70的尺寸使用的是内径约228mm、外径约229.5mm。制作具有表2所示的凸缘宽度A、凸缘厚度B、倾斜部的台阶高度C、倒角尺寸D的样品No.17～24作为试验用样品。
表2
[评价]
对于样品No.17～24，也与样品No.1～16同样地进行评价，将其结果示于表2中。从样品No.17、18的评价结果来看，如果凸缘宽度A为3mm以上，则接合面积足够大且密封距离也足够长，因此密封性良好且未见到裂纹。从样品No.19、20的评价结果来看，如果凸缘厚度B为2mm以下，则热循环试验中不产生大的应力，因此密封性良好且未见到裂纹。从样品No.21、22的评价结果来看，如果环接合用倾斜部的台阶高度C为0.5mm以上，则热循环试验中产生的应力被缓和，因此密封性良好且未见到裂纹。从样品No.23、24的评价结果来看，如果倒角尺寸D(这里为C倒角)为0.3mm以上(即C0.3以上)，则热循环试验中产生的应力被缓和，因此密封性良好且未见到裂纹。此外，在进行R倒角替代C倒角时，也能得到同样的结果。
本申请以于2014年3月27日提出的日本国专利申请第2014-065541号为优先权主张的基础，通过引用，其内容的全部包含在本说明书中。
产业上的可利用性
本发明能够作为静电卡盘、静电卡盘加热器、陶瓷加热器等半导体制造装置用部件而利用。
符号说明
1半导体制造装置用部件、2腔、10基座、10a晶片载置面、10b背面、12气体导入孔、13圆周槽、14管接合用倾斜部、16环接合用倾斜部、20气体导入管、22凸缘、24管钎焊部、30支持环、32凸缘、34环钎焊部、50块体、52气体导入孔、52a开口、54管接合用倾斜部、60板、66环接合用倾斜部、70环、72凸缘、74环钎焊部、110陶瓷板、120气体导入管、124钎焊部。

Claims (8)

1.一种接合结构，其包含与金属制的圆筒部件接合的陶瓷板，所述接合结构具备：
凸缘，形成于所述圆筒部件的端部，且具有外缘和与陶瓷板的背面平行地延伸的表面，
环状的倾斜部，以从所述陶瓷板的背面突出的方式设置，使得所述倾斜部具有倒角为C倒角或R倒角的角、以及与所述背面平行地延伸的表面，所述倾斜部的表面与所述凸缘的表面相对置，以及
钎焊部，形成于所述凸缘与所述倾斜部的相对置的表面之间，
所述凸缘的宽度为3mm以上，厚度为0.5mm以上2mm以下，所述倾斜部中，倒角为C倒角或R倒角的角与所述凸缘的外缘相对置。
2.如权利要求1所述的接合结构，所述倾斜部的高度为0.5mm以上。
3.如权利要求1或2所述的接合结构，所述倾斜部中，与所述凸缘的外缘相对置的角的倒角尺寸在为C倒角时为0.3mm以上，在为R倒角时为0.3mm以上。
4.如权利要求1或2所述的接合结构，
所述陶瓷板为AlN制，
所述圆筒部件为科瓦合金制，
所述钎焊部由含有Ag、Cu和Ti的钎料或Al钎料形成。
5.如权利要求1或2所述的接合结构，
所述陶瓷板具有在所述倾斜部的内侧开口且在厚度方向上贯通的气体导入孔，
所述圆筒部件为向所述气体导入孔供给气体的气体导入管。
6.如权利要求1或2所述的接合结构，
所述倾斜部沿着所述陶瓷板的外周缘形成，
所述圆筒部件为支持所述陶瓷板的支持环。
7.如权利要求1所述的接合结构，所述倾斜部的高度为0.5mm以上，与所述凸缘的外缘相对置的角的倒角尺寸在为C倒角时为0.3mm以上，在为R倒角时为0.3mm以上，
所述陶瓷板为AlN制，其具有在所述倾斜部的内侧开口且在厚度方向上贯通的气体导入孔，
所述圆筒部件为科瓦合金制，其是向所述气体导入孔供给气体的气体导入管，
所述钎焊部由含有Ag、Cu和Ti的钎料或Al钎料形成。
8.如权利要求1所述的接合结构，所述倾斜部的高度为0.5mm以上，与所述凸缘的外缘相对置的角的倒角尺寸在为C倒角时为0.3mm以上，在为R倒角时为0.3mm以上，所述倾斜部沿着所述陶瓷板的外周缘形成，
所述陶瓷板为AlN制，
所述圆筒部件为科瓦合金制，其为支持所述陶瓷板的支持环，
所述钎焊部由含有Ag、Cu和Ti的钎料或Al钎料形成。
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