CN108738173B - 陶瓷构件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供陶瓷构件，其能抑制漏电流的产生并能容易谋求将晶圆加热至期望温度。陶瓷加热器(100)是通过将具有能够载置晶圆的载置面(11)且由埋设有射频电极(30)的陶瓷烧结体制成的射频板(10)和由埋设有加热器(40)的陶瓷烧结体制成的加热板(20)在射频板(10)的与载置面相反的一侧以隔有空间(S)的状态接合起来而成的。空间在与载置面(11)垂直的方向上的最小高度(H(mm))、射频板(10)与加热板(20)相接合的部分的总面积相对于沿着被载置面(11)的外缘所限定的载置面(11)的平面的面积之比(A)、以及射频电极(30)与加热器(40)之间的距离(D(mm))的关系，满足H/A≤1000，且满足H/A+(D－H)/(1－A)≥14。

Description

陶瓷构件
技术领域
本发明涉及一种陶瓷构件，该陶瓷构件包含埋设有电极和发热电阻体的陶瓷烧结体。
背景技术
有一种像基座等那样的陶瓷构件，其是通过将设有射频电极的射频板和设有发热电阻体的加热板接合起来而做成的。
专利文献1中描述了下述内容：将载置用基座构件、上层基座板和下层基座板层叠起来，在该层叠的状态下，利用粘接剂或通过热熔接的方法将它们固定在一起，从而形成基座。在上层基座板的上表面形成有呈凹状的加热器设置空间，在该加热器设置空间设有加热器(发热电阻体)，在下层基座板的上表面形成有呈凹状的电极设置空间，在该电极设置空间设有可改变阻抗的电极(射频电极)。
载置用基座构件和两个基座板均由石英形成，加热器设置空间与大气相连通，在上层基座板与加热器之间存有间隙。理由是，在利用加热器对载置在载置用基座构件的上表面的基板进行加热时，要利用红外线通过辐射来传热。
专利文献2中描述了下述内容：在由氮化铝等陶瓷形成的基座的内部埋设有射频电极和加热器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4347295号公报
专利文献2：日本特开2001－274102号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，就专利文献1所述的基座而言，由于需要使红外线穿透，因此，基座的母材被限定为石英等红外线能够穿透的材料。而且，从加热器发出的热量难以经由母材进行传导，因此，还存在加热器升温过度导致断线的可能。
另一方面，在像专利文献2所述的那样，将射频电极和加热器埋设于以氮化铝等热导率较高的材料为母材的基座的情况下，虽然来自加热器的热量容易经由母材进行传导，但是，随着基座的使用温度变高，氮化铝的绝缘性会降低，从而会在射频电极与加热器之间产生漏电流。其结果，即使向加热器供给规定电力，也难以将载置于基座的基板(晶圆)加热至期望温度。
本发明即是鉴于该情况做成的，其目的在于，提供一种陶瓷构件，该陶瓷构件能够抑制漏电流的产生并且能够容易谋求将晶圆加热至期望温度。
用于解决问题的方案
本发明是一种陶瓷构件，其是通过将具有能够载置晶圆的载置面且由埋设有电极的陶瓷烧结体制成的第一基体、和由埋设有发热电阻体的陶瓷烧结体制成的第二基体在所述第一基体的与载置面相反的一侧以隔有空间的状态接合起来而成的，其特征在于，所述空间在与所述载置面垂直的方向上的最小高度H(mm)、所述第一基体与所述第二基体相接合的部分的总面积相对于沿着被所述载置面的外缘所限定的所述载置面的平面的面积之比A、以及所述电极与所述发热电阻体之间的距离D(mm)的关系，满足H/A≤1000，且满足H/A+(D－H)/(1－A)≥14。
采用本发明，能够利用介于第一基体与第二基体之间的空间来抑制从发热电阻体向载置面的传热被过度阻碍的情况发生，并且，能够抑制可能会在电极与发热电阻体之间流动的漏电流的产生。
本发明中，优选的是，所述关系满足H/A+(D－H)/(1－A)≥100。
在该情况下，能够进一步抑制可能会在电极与发热电阻体之间流动的漏电流的产生。
而且，本发明中，优选的是，构成为：所述空间的至少一部分被热导率高于空气的介质所填充，或所述空间能够与该介质的供给源相连结。
在该情况下，能够通过控制存在于空间内的介质压力，来抑制漏电流的产生，并且能够控制第一基体与第二基体之间的传热。
附图说明
图1是本发明的实施方式的陶瓷加热器的示意剖视图。
图2是作为本发明的实施方式的变形例的陶瓷加热器的示意剖视图。
图3是作为本发明的实施方式的又一变形例的陶瓷加热器的示意剖视图。
图4是实施例41的陶瓷加热器的俯视角度示意剖视图。
附图标记说明
10、射频板(第一基体)；11、载置面(上表面)；12、下表面；20、加热板(第二基体)；21、上表面；22、下表面；23、24、凹状部；30、射频电极(电极)；31、供电端子；40、加热器(发热电阻体)；41、供电端子；50、轴；51、圆筒部；52、扩径部；60、连结构件；61、上表面；62、下表面；100、陶瓷加热器(陶瓷构件)；S、空间。
具体实施方式
参照附图，对作为本发明的陶瓷构件的实施方式的陶瓷加热器100进行说明。另外，为了明确陶瓷加热器100的结构，在下面要说明的附图中，对各结构部件进行了变形，附图中并不代表实际比率。
如图1所示，陶瓷加热器100是通过将射频板10和加热板20层叠起来而构成的，其中，射频板10具有作为上表面的载置面11，能够在载置面11载置未图示的、作为被加热对象的晶圆(基板)。另外，射频板10相当于本发明的第一基体，加热板20相当于本发明的第二基体。
在射频板10埋设有射频电极30，在加热板20埋设有加热器(发热电阻体)40。射频电极30是在对晶圆实施等离子处理时要使用的高频电极。
本实施方式中，射频电极30由钼(Mo)或钨(W)等耐热金属等做成的箔制成，且呈平坦状的形态。但也可以是，射频电极30是由耐热金属等做成的膜状、板状、网状、纤维状等结构。
射频板10和加热板20例如是由矾土、氮化铝、氮化硅等陶瓷烧结体形成的陶瓷基材。作为射频板10和加热板20，特别优选的是，能够使用含氧化钇等烧结助剂的、纯度为90％以上的氮化铝烧结体。制作射频板10和加热板20时，将上述材料放入规定形状的模具中进行成形，并且，为了使材质变得致密，例如只要通过热压烧制等方法制成圆板状等板状即可。
本实施方式中，加热器40由钼(Mo)或钨(W)等耐热金属等做成的网制成，且呈平坦状的形态。但也可以是，加热器40是由耐热金属等做成的箔状、膜状、板状、线状、纤维状、盘绕状、带状等结构。
利用待成为射频板10的陶瓷材料将射频电极30夹在中间，在该状态下，烧制成射频板10。并且，利用待成为加热板20的陶瓷材料将加热器40夹在中间，在该状态下，烧制成加热板20。
在分别制完射频板10和加热板20之后，以使射频板10的下表面12与加热板20的上表面21相接触的方式将射频板10和加热板20接合在一起。但是，射频板10的下表面12和加热板20的上表面21并不是整个面都相接触的，而是在射频板10与加热板20之间至少隔有空间(间隙)S。
射频板10和加热板20通过扩散接合、借助粘接剂、使用螺钉等固定工具进行的机械结合等方式固定在一起。
而且，陶瓷加热器100具有用于向射频电极30供给电力的供电用的端子(供电端子)31和埋设于射频板10的未图示的电流供给构件。
而且，陶瓷加热器100具有用于向加热器40供给电力的供电用的端子(供电端子)41和埋设于加热板20的未图示的电流供给构件。
端子31与电流供给构件之间以及端子41与电流供给构件之间均通过钎焊(日文：ろう付け)或焊接(日文：溶接)连在一起。端子31、端子41由呈杆状或线状的镍(Ni)、kovar(注册商标)(Fe－Ni－Co)、钼(Mo)、钨(W)、或以钼(Mo)和钨(W)为主成分的耐热合金等耐热金属构成。电流供给构件由钼(Mo)或钨(W)等构成。另外，也可以是，端子31与电流供给构件之间借助由与端子31同样的耐热金属形成的连接构件连接起来，端子41与电流供给构件之间借助由与端子41同样的耐热金属形成的连接构件连接起来。
陶瓷加热器100还具有与加热板20的下表面22的中心部相连接的呈空心的轴50。
轴50呈大致圆筒形状，轴50具有扩径部52，该扩径部52是待与加热板20相接合的部分，该部分的外径大于作为轴50的其他部分的圆筒部51的外径，扩径部52的上表面为待与加热板20相接合的接合面。轴50的材质与加热板20的材质相同较佳，然而，为了提高绝热性，也可以用与加热板20的材料相比热导率较低的材料来形成轴50。
加热板20的下表面和轴50的上端面通过扩散接合的方式、或者通过利用陶瓷或玻璃等接合用材料进行的固相接合的方式接合在一起。另外，也可以是，加热板20和轴50通过螺纹固定、钎焊等方式连接起来。
在图1所示的实施方式中，在加热板20的上表面21形成有多个凹状部23，在射频板10的下表面12与这些凹状部23之间形成空间S。另外，虽未图示，但也可以是，在射频板10的下表面12形成凹状部，而且，还可以是，在射频板10的下表面12和加热板20的上表面21这两者都形成凹状部。而且，空间S既可以是密闭空间，也可以是与外部相连通的空间，空间S之间也可以是相互连通的，还可以是相互间不连通的。
能够利用介于射频板10与加热板20之间的空间S来抑制漏电流从加热器40流向射频电极30的情况发生。
但是，由于需要从加热器40发出的热量进行传递，对被支承于载置面11的晶圆进行加热，因此，介于射频板10与加热板20之间的空间S的大小不能超出所需大小。发明人根据后述的实施例和比较例，发现：在将空间S在与载置面11垂直的方向上的最小高度设为H[mm]，将射频板10与加热板20的接触面积之比设为A的情况下，需要使下面的关系式(1)成立。
H/A≤1000···(1)
另外，比A是射频板10的下表面12与加热板20的上表面21相接触的部分的总面积相对于沿着被载置面11的外缘所限定的载置面11的平面的面积之比。
而且，也可以是，像图3所示的变形例那样，在加热板20的上表面21形成有多个凹状部24，在这些凹状部24配置有轴线方向长度大于凹状部24的深度的销等连结构件60，连结构件60的上表面61与射频板10的下表面12相接合，连结构件60的下表面62与凹状部24的底面相接合。另外，也可以是，像图3所示的那样，凹状部24的底面形成在与加热器40相比远离加热板20的上表面21的位置。
由此，射频板10的下表面12和加热板20的上表面21完全不接触，在该射频板10的下表面12与加热板20的上表面21之间形成绕着连结构件60存在的空间S。另外，虽未图示，但也可以是，在射频板10的下表面12形成凹状部，在该凹状部的底面配置连结构件60，而且，还可以是，在射频板10的下表面12和加热板20的上表面21中的任一者的平面上或二者的平面上直接接合连结构件60。
另外，连结构件60的材质既可以与射频板10和加热板20相同，也可以不同于射频板10和加热板20。也可以是，射频板10、加热板20和连结构件60通过扩散接合的方式或利用粘接剂等接合在一起。在连结构件60的材质与射频板10和加热板20相同的情况下，也可以是，通过对陶瓷基材进行切削加工等方法，将连结构件60与射频板10或加热板20形成为一体。而且，连结构件60的形状是圆柱状、方柱状、圆筒状等较佳，其形状不受限定，其布局也不限定于散点状。
在上述这样的情况下，能够将连结构件60视为是构成本发明的第一基体的一部分或第二基体的一部分的构件，比A为射频板10的下表面12与连结构件60的上表面61的总接触面积以及加热板20的上表面21与连结构件60的下表面62的总接触面积中的较小那一者的面积相对于沿着被载置面11的外缘所限定的载置面11的平面的面积之比。
而且，加热器40发热时会传热，由此，会对射频板10和加热板20进行加热，使得射频板10和加热板20的温度变高，与此相伴地，射频板10和加热板20的母材的绝缘性降低。由此，在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流变大，而当漏电流变得过大时，会导致用于向陶瓷加热器100供电的电源的容量不足，温度控制变得非常困难。
因而，为了抑制可能会在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流的产生，设有空间S。发明人根据后述的实施例和比较例，发现：在将空间S在与载置面11垂直的方向上的最小高度设为H[mm]，将射频板10与加热板20的接触面积之比设为A，将射频电极30与加热器40之间的在与载置面11垂直的铅垂方向上的距离设为D[mm]的情况下，为了抑制过大的漏电流，需要使下面的关系式(2)成立。
H/A+(D－H)/(1－A)≥14···(2)
为了进一步抑制漏电流，优选使下面的关系式(3)成立。
H/A+(D－H)/(1－A)≥100···(3)
另外，距离D是射频电极30与加热器40之间的沿铅垂方向的相隔长度，无论射频电极30和加热器40从铅垂方向上看是重合的还是不重合的，该距离D的值都相同。而且，距离D是射频电极30的下端与加热器40的上端之间的沿铅垂方向的距离，例如，在加热器40形成在铅垂方向上的不同位置的情况下，距离D是指从处于最上层的加热器40的上端开始算的距离。
另外，像图3所示的变形例那样，不经过空间S地将射频电极30和加热器40连结起来的最短路径具有与载置面11垂直的铅垂方向上的重复部分，在该情况下，距离D变为在射频电极30与加热器40之间的沿铅垂方向的相隔长度D1上加该重复部分的铅垂方向长度(从凹状部24的底面至加热器40的距离)D2的2倍之后得到的值，因此，构成式(4)所示的内容。
D＝D1+2×D2···(4)
而且，优选像图3所示的变形例那样，在沿铅垂方向将射频电极30和加热器40连结起来的范围中隔有空间S。由此，能够有效地抑制可能会在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流的产生。在该情况下，也可以是，在沿铅垂方向将射频电极30和加热器40连结起来的范围中的局部位置隔有空间S。
而且，虽未图示，但也可以构成为，在空间S连接配管，从连接于该配管的气体供给源供给氦、氩、氮等气体，来调整空间S的气体压力。在该情况下，能够抑制漏电流的产生，并且，能够调整空间S的气体压力，由此，能够容易控制射频板10与加热板20之间的传热的容易度。另外，即使在该情况下，仍然是：空间S既可以是密闭空间也可以是开放空间。
而且，虽未图示，但也可以是，在加热板20的下方追加埋设有反射构件的反射板，还可以是，在加热板20内的比加热器40靠下方处埋设反射构件。反射构件能够有效地使来自加热器40的辐射热量反射，从而，具有能够抑制加热器40的功耗的效果。反射构件例如由镍、钼、钨、铂、钯、铂钯合金等高熔点金属形成，反射构件的上表面为镜面。
实施例
下面，具体列举本发明的实施例和比较例，来说明本发明。
实施例1～实施例40
在实施例1～实施例40中，将由埋设有射频电极30氮化铝(AlN)烧结体构成的射频板10和由埋设有加热器40的氮化铝构成的加热板20层叠起来并接合在一起，从而获得图1所示的陶瓷加热器100。
制作陶瓷加热器
射频板10由直径为340mm且厚度为4mm的、纯度为95％以上的氮化铝烧结体构成，在射频板10的厚度方向中间部埋设有由厚度为0.1mm且直径为300mm的、俯视时呈圆形的Mo箔构成的射频电极30。在氮化铝烧结体中添加有作为烧结助剂的氧化钇。
加热板20由直径为340mm的纯度为95％以上的氮化铝烧结体构成，在加热板20中的比其下表面22靠上方8mm处埋设有由Mo网(线径0.1mm，#50，平纹)构成的加热器40。在氮化铝烧结体中添加有作为烧结助剂的氧化钇。如图4所示，加热器40具有呈同心圆状配置的多个圆弧状图案和将在径向相邻的圆弧状图案彼此连接起来的直线状图案，处于最外周的圆弧状图案的直径为310mm。在实施例1～实施例34中，加热板20的厚度为16mm，在实施例35～实施例40中，加热板20的厚度为26mm。氮化铝烧结体在650℃下的体积电阻率为1.0×108Ω·cm。
通过使用加工中心进行的研磨加工，在加热板20的上表面21形成有多个凹状部23。凹状部23的高度即空间S的最小高度H为0.02mm～12mm，射频板10与加热板20的接触面积之比A为0.001(0.1％)～0.5(50％)。
射频板10和加热板20的接合是通过下述的扩散接合方法进行的：对接合面施加8MPa的压力，同时在真空中加热至1700℃。通过扩散接合方法，将由氮化铝烧结体构成的轴50的上端面接合在加热板20的下表面22。此时的扩散接合是通过下述过程进行的：对接合面施加达到8MPa的压力，同时在真空中加热至1600℃。
在接合完轴50之后，通过使用金钎料进行的真空钎焊，在1000℃下将镍制的供电端子31接合于射频电极30，将镍制的供电端子41接合于加热器40。
评价方法
将发黑的假晶圆放置于陶瓷加热器100的载置面11，向供电端子41供给电力，使加热器40升温，利用红外相机测量假晶圆的表面温度。使向供电端子41供给的电力在从假晶圆的表面温度达到600℃时起经过15分钟的期间里都相同。另外，使射频电极30接地。
之后，测量射频板10和加热板20的温度，求出二者之差。具体地讲，预先将热电偶测量用孔(未图示)设于陶瓷加热器100的中央区域，其中，该热电偶测量用孔在射频板10和加热板20各自的厚度方向中间位置具有底部，将铠装热电偶(K型，直径为1.6mm的不锈钢铠装)插入热电偶测量用孔，从而来测量射频板10和加热板20的温度。
而且，测量在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流。通过将交流电流表连接在与射频电极30相连接的供电端子31和接地之间的路径，来测量漏电流。
评价结果
射频板10与加热板20的温度差为1.5℃～185.5℃，小于200℃，较小，H/A为0.04～1000，满足关系式(1)。
在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流为0.01mA～0.99mA，小于1mA，较小，H/A+(D－H)/(1－A)为14.3～1010，满足关系式(2)。
而且，在实施例8、实施例12、实施例17、实施例18、实施例22、实施例26、实施例30、实施例34、实施例35和实施例38中，在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流为0.01mA～0.13mA，小于0.15mA，非常小，H/A+(D－H)/(1－A)为109～1010，满足关系式(3)。
表1和表2中汇总了实施例1～实施例40的结果。
表1
Figure BDA0001634188850000111
表2
Figure BDA0001634188850000121
比较例1
加热板20的厚度为20mm，在该加热板20中的比其下表面22靠上方8mm处埋设加热器40，并且，未在加热板20的上表面21形成凹状部23，未设空间S，使射频板10的下表面12的整个面与加热板20的上表面21的整个面完全接合。除此以外，以与实施例1～实施例34相同的方式制成陶瓷加热器。
评价结果
射频板10与加热板20的温度差为1.5℃，较小，较为良好。但是，在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流为1.41mA，较大，且大于1mA。
比较例2～比较例5
像表3所示的那样，对形成在加热板20的上表面21的凹状部23的形态进行了变更。除此以外，以与实施例1～实施例34相同的方式制成陶瓷加热器。
评价结果
射频板10与加热板20的温度差为1.5℃～1.8℃，小于200℃，较小，H/A为0.2～2.0，满足关系式(1)。
在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流为1.17mA～1.25mA，较大，且大于1mA。H/A+(D－H)/(1－A)为11.3～12.1，不满足关系式(2)。
比较例6～比较例11
像表3所示的那样，对形成在加热板20的上表面21的凹状部23的形态进行了变更。除此以外，在比较例6～比较例8中，以与实施例1～实施例34相同的方式制成陶瓷加热器，在比较例9～比较例11中，以与实施例35～实施例40相同的方式制成陶瓷加热器。
评价结果
在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流为0.01mA以下，较小，且小于1mA。H/A+(D－H)/(1－A)为1208～12008，满足关系式(2)。
但是，射频板10与加热板20的温度差大于200℃，且H/A为1200～12000，不满足关系式(1)。
表3中汇总了比较例1～比较例11的结果。
表3
Figure BDA0001634188850000141
实施例41
在实施例41中，凹状部23的形态以及加热器40的形状有所不同，除此以外，以与实施例17～实施例21相同的方式制成陶瓷加热器。
像图4所示的那样，确定加热器40的形状，使射频板10的下表面12与加热板20的上表面21在俯视时不与加热器40重合的部分相接合。即，像图2所示的那样，以在射频电极30与加热器40之间存有空间S的方式构成陶瓷加热器100。射频板10与加热板20的接触面积之比A为0.1(10％)，空间S的最小高度H为1.0mm，射频电极30与加热器40之间的沿铅垂方向的相隔长度即距离D为10mm。
评价结果
射频板10与加热板20的温度差为3.1℃，较小，较为良好，与实施例19中的3.1℃相同，关系式(1)和关系式(2)的值与实施例19中的值相同。
在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流为0.3mA，非常小，比实施例19中的0.71mA还小。
实施例42
在实施例42中，像图3所示的那样，借助连结构件60将射频板10和加热板20接合在一起，除此以外，以与实施例1～实施例34相同的方式制成陶瓷加热器。
连结构件60是通过对氮化铝烧结体进行切削加工而做成的，从而连结构件60与射频板10形成为一体。
射频板10和加热板20与连结构件60的接触面积之比A为0.01(1％)，空间S的最小高度H为1.0mm。此时，D1为5mm，D2为7mm，D为19mm。
评价结果
射频板10与加热板20的温度差为3.1℃，较小，较为良好，H/A为100，满足关系式(1)。
在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流为0.18mA，非常小，H/A+(D－H)/(1－A)为118.1，满足关系式(3)。
实施例43～实施例46
在实施例43～实施例46中，针对与实施例18相同的陶瓷加热器100，在空间S连接未图示的配管，从与该配管相连接的氦(He)供给源供氦，在实施例43中，空间S的氦气压力为1torr，在实施例44中，空间S的氦气压力为5torr，在实施例45中，空间S的氦气压力为10torr，在实施例46中，空间S的氦气压力为50torr。
评价结果
在实施例43中，射频板10与加热板20的温度差为19.7℃，在实施例44中，射频板10与加热板20的温度差为17.2℃，在实施例45中，射频板10与加热板20的温度差为15.2℃，在实施例46中，射频板10与加热板20的温度差为12.4℃，均较小，均较为良好。在实施例18中，空间S的氦气压力为0torr，射频板10与加热板20的温度差为19.7℃，结合实施例18的内容研究发现：空间S的氦气压力越大，温度差就越小。
在射频电极30与加热器40之间产生的漏电流全部都是0.13mA，与实施例18相同，空间S的氦气压力不影响漏电流的大小。

Claims (3)

1.一种陶瓷构件，其是通过将具有能够载置晶圆的载置面且由埋设有电极的陶瓷烧结体制成的第一基体、和由埋设有发热电阻体的陶瓷烧结体制成的第二基体在所述第一基体的与载置面相反的一侧以隔有空间的状态接合起来而成的，
其特征在于，
所述空间在与所述载置面垂直的方向上的最小高度H、所述第一基体与所述第二基体相接合的部分的总面积相对于沿着被所述载置面的外缘所限定的所述载置面的平面的面积之比A、以及所述电极与所述发热电阻体之间的距离D的关系，满足H/A≤1000，且满足H/A+(D－H)/(1－A)≥14，
所述最小高度H和所述距离D的单位都是mm。
2.根据权利要求1所述的陶瓷构件，其特征在于，
所述关系满足H/A+(D－H)/(1－A)≥100。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷构件，其特征在于，
该陶瓷构件构成为：所述空间的至少一部分被热导率高于空气的介质所填充，或所述空间能够与热导率高于空气的介质的供给源相连结。
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