JP2003269421A - セラミック部材の取付構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】温度変化に曝露されるべきセラミック部材の金
属部材に対する取付構造であって、熱サイクル印加後に
もセラミック部材の締結部材周辺におけるチッピングや
クラックを抑制できるような構造を提供する。 【解決手段】温度変化に曝露されるべきセラミック部材
２の金属部材７に対する取付構造１を提供する。取付構
造１は、セラミック部材２を金属部材７に取り付けるた
めの締結部材３を備えている。締結部材３が、セラミッ
ク部材２を貫通し、金属部材７中に係止されている。締
結部材３が、セラミック部材２、金属部材７および締結
部材３（５ｅ）に面する空隙６が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度変化に曝露さ
れるべきセラミック部材、たとえばセラミックヒーター
の金属部材に対する取付構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、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。この
際、最近は、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を行うことが開示されている（特
開昭５９−１２４１４０号公報）。また、セラミックス
ヒーターをサセプターとして使用し、このセラミックス
ヒーターの上に半導体ウエハーを設置し、これを直接加
熱することが知られている。

【０００３】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る。このために、セラミック
ヒーターを金属製の冷却装置に対して取り付けることが
行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、セラミッ
ク部材をボルトによって金属部材に対して締結すること
を検討した。このボルトは、半導体製造装置内の腐食性
ガスに対して耐蝕性を有する金属によって形成する。そ
して、ボルトをセラミック部材に貫通させ、さらにボル
トの先端を金属部材中にネジ込み、固定する。

【０００５】しかし、セラミック部材が加熱−冷却サイ
クルに対して曝露される場合には、セラミック部材の背
面（金属部材に対する接触面）側において、チッピング
やクラックが生ずることがあった。このような場合に
は、製品の歩留りが低下する。従って、セラミック部材
を金属部材に対して締結するのに際して、熱サイクル印
加後にもセラミック部材の締結部材周辺におけるチッピ
ングやクラックを抑制することが求められた。

【０００６】本発明の課題は、温度変化に曝露されるべ
きセラミック部材の金属部材に対する取付構造であっ
て、熱サイクル印加後にもセラミック部材の締結部材周
辺におけるチッピングやクラックを抑制できるような構
造を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、温度変化に曝
露されるべきセラミック部材の金属部材に対する取付構
造であって、セラミック部材を金属部材に取り付けるた
めの締結部材を備えており、この締結部材が、セラミッ
ク部材を貫通し、金属部材中に係止されており、セラミ
ック部材および金属部材に面する空隙が締結部材の周囲
に設けられていることを特徴とする。

【０００８】本発明の取付構造によれば、熱サイクル印
加後にもセラミック部材の締結部材周辺におけるチッピ
ングやクラックを抑制できる。

【０００９】以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更
に詳細に説明する。

【００１０】本発明者は、セラミック部材を締結部材に
よって金属部材に対して締結した後に、得られた取付構
造の全体を熱サイクルに供した場合に、チッピングやク
ラックが発生する理由について種々検討し、次の発見に
到達した。

【００１１】図５は、本発明者が検討した取付構造のモ
デルを示す断面図である。この取付構造１１は、平板状
のセラミック部材２を、締結部材３によって平板状の金
属部材７に対して取り付けたものである。セラミック部
材２には所定箇所に貫通孔２ｄが形成されている。貫通
孔２ｄは、セラミック部材２の表面２ａから背面２ｂへ
と向かって貫通している。金属部材７の表面７ａ側には
セラミック部材２の背面２ｂが設置されている。金属部
材７内には冷却機構１５が設けられている。

【００１２】本例で使用する締結部材３は、ボルト５と
ワッシャー４とからなる。ボルト５の頭部５ａはワッシ
ャー４上に設置されている。ボルト５のネジ部５ｂは、
ワッシャー４を貫通し、セラミック部材２の貫通孔２ｄ
を貫通している。更に、ネジ部５ｂの先端部分５ｄが金
属部材７のボルト孔７ｃに挿入され、固定されている。
ボルト５のセラミック部材２および金属部材７への締結
はネジ止めによって行われている。

【００１３】本発明者は、セラミック部材２内に金属線
を埋設し、セラミックヒーターを製造した。そして、図
５のような取付構造を製造した後に、冷却機構１５に冷
却水を流しながら、セラミックヒーターを発熱させた。
セラミックヒーターの表面２ａの平均温度を室温と２５
０℃との間で交互に変化させ、熱サイクルに曝露した。
ここで、１サイクルにおいては、室温から２５０℃まで
昇温し、２５０℃で１時間保持し、次いで室温まで降温
した。この熱サイクルを３０回繰り返した。そして、セ
ラミックヒーター２を金属部材７から取り外し、セラミ
ックヒーター２の背面２ｂを観察した。この結果、一部
のセラミックヒーター２においては、締結部材５ｃ、５
ｄの周辺においてチッピングやクラックが観測された。
セラミック部材の強度から考えると、このようなチッピ
ングやクラックは生じにくいものと思われる。

【００１４】本発明者は、このようなチッピングやクラ
ックの原因について調査し、次の発見にいたった。即
ち、セラミックヒーター２の背面２ｂをよく観察する
と、締結部材５ｃ、５ｄの周辺に若干の凹みがあること
がわかった。これは、高温下において、金属部材７の表
面７ａがセラミック部材２の背面２ｂ側へと向かって隆
起し、変形した後、室温に戻るときに収縮し、凹みとな
ったことを示しているものと考えられる。この観測結果
から、次のような仮説が考えられる。

【００１５】即ち、図５、図６において、セラミック部
材２が昇温すると、セラミックスは矢印Ａのように若干
膨張する。これと同時に締結部材３が矢印Ｂのように膨
張する。ここで、金属部材７および締結部材３を構成す
る金属の熱膨張係数は、一般にセラミックスの熱膨張係
数よりも大きい。このため、締結部材３の頭部５ａが上
方へと引っ張られ、ボルト５が矢印Ｄのように増し締め
され、矢印Ｃ、Ｄのように応力が働く。この結果、図６
に示すように、締結部材５ｃ、５ｄの周りで金属部材７
の表面８が点線のように（矢印Ｆのように）隆起し、隆
起部９を構成する。言い換えると、金属部材７の一部が
締結部材５ｄおよび５ｃの周りで隆起し、セラミック部
材２の貫通孔２ｄ内へと向かって食い込もうとする。こ
の状態でセラミック部材２が矢印Ｅのように横方向に膨
張すると、セラミック部材２内に引張応力が作用し、ク
ラック、更にはチッピングを生じさせるものと思われ
る。ボルト５Ｃも熱膨張すると考えられるが、金属部材
７に熱が逃げるため、温度が上がらず、熱膨張しにくい
と推定される。

【００１６】本発明者は、図１−図３に示すような取付
構造を作製し、前述のようなクラックやチッピングを著
しく低減することに成功した。ここで、図１は、本取付
構造を示す断面図であり、図２は図１の部分拡大図であ
り、図３（ａ）は、図１のＩＩＩａ−ＩＩＩａ線断面図
であり、図３（ｂ）は、図１のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線断
面図である。

【００１７】この取付構造１は、平板状のセラミック部
材２を、締結部材３によって平板状の金属部材７に対し
て取り付けたものである。セラミック部材２には所定箇
所に貫通孔２ｄが形成されている。貫通孔２ｄは、セラ
ミック部材２の表面２ａから背面２ｂへと向かって貫通
している。金属部材７の表面７ａ側にはセラミック部材
２の背面２ｂが設置されている。金属部材７内には冷却
機構１５が設けられている。７ｂは背面である。

【００１８】本例では、金属部材７の表面７ａ側に凹部
６を設けた。ここで、凹部６は、図３（ｂ）に示すよう
に、締結部材５ｅを包囲するように形成する。

【００１９】締結部材３は、ボルト５とワッシャー４と
からなる。ボルト５の頭部５ａはワッシャー４上に設置
されている。ボルト５のネジ部５ｂは、ワッシャー４を
貫通し、セラミック部材２の貫通孔２ｄを貫通してい
る。更に、ネジ部５ｂの先端部分５ｄが金属部材７のボ
ルト孔７ｃに挿入され、固定されている。５ｅは凹部６
に面する露出部分である。ボルト５のセラミック部材２
および金属部材７への締結はネジ止めによって行われて
いる。

【００２０】本発明者は、セラミック部材２内に金属線
を埋設し、セラミックヒーターを製造した。そして、図
１−図３のような取付構造を製造した後に、冷却機構１
５に冷却水を流しながら、セラミックヒーターを発熱さ
せた。セラミックヒーターの表面２ａの平均温度を室温
と２５０℃との間で交互に変化させ、熱サイクルに曝露
した。ここで、１サイクルにおいては、室温から２５０
℃まで昇温し、２５０℃で１時間保持し、次いで室温ま
で降温した。この熱サイクルを３０回繰り返した。そし
て、セラミックヒーター２を金属部材７から取り外し、
セラミックヒーター２の背面２ｂを観察した。この結
果、セラミックヒーター２においては、締結部材５ｄの
周辺において、チッピングやクラックが観測されなかっ
た。

【００２１】この理由は以下のように推定される。即
ち、図２に示すように、金属部材７のボルト孔７ｃの周
辺が点線８のように隆起したものとする。ここで、空隙
６を締結部材５ｅの周囲に設けることによって、隆起部
９がセラミック部材２に対して接触しないか、あるいは
接触した際の圧力を低く抑えることができる。この結
果、セラミック部材２が矢印Ｅのように膨張変形したと
きに、締結部材５ｅの周辺で、セラミック部材２内にク
ラック、チッピングを生じさせるような引張応力が発生
しにくい。

【００２２】セラミック部材の種類は特に限定されな
い。好ましくは、セラミック部材が、その内部または外
部の熱源によって加熱される部材である。こうした加熱
源は限定されず、内部の熱源（例えばサセプター内に埋
設されたヒーター）と外部の熱源（例えば赤外線ラン
プ）とを含む。

【００２３】また、セラミック部材の用途は限定されな
いが、半導体製造装置内に設置されるべきセラミック部
材であることが好ましい。これは、例えば、半導体素
子、液晶パネル、シリコン単結晶ウエハー等の半導体の
製造や処理に使用できる。

【００２４】セラミック部材を構成するセラミックス
は、用途に応じて選択できるので、特に限定されない。
ただし、ハロゲン系腐食性ガスに対して耐蝕性を有する
セラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウムまたは
緻密質アルミナが好ましく、９５％以上の相対密度を有
する窒化アルミニウム質セラミックス、アルミナが一層
好ましい。また、セラミック部材中には、抵抗発熱体、
静電チャック用電極、プラズマ発生用電極などの機能性
部品を埋設することができる。また、本セラミック部材
は、セラミックヒーターを支持する支持部材であってよ
い。

【００２５】セラミック部材が曝露されるべき温度変化
の範囲は特に限定されない。これは、例えば０℃から８
００℃の範囲内であってよい。

【００２６】金属部材は特に限定されない。好適な実施
形態においては、金属部材が何らかの冷却機構を備えて
おり、セラミック部材からの熱を放熱する機能を有して
いる。こうした冷却機構としては、冷媒を流す冷却フラ
ンジが好ましいが、雰囲気への放熱機構、例えば放熱フ
ィンであってもよい。

【００２７】冷却装置において使用できる冷媒として
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。また、この流
量は、当業者が適宜選択することができる。

【００２８】セラミック部材を金属部材に取り付けるた
めの締結部材は特に限定されない。締結部材の金属部材
への係止方法は，ネジ止めによる締結が特に好ましい
が、摩擦による係止であってもよい。好ましくは締結部
材がボルトを備えている。また、締結部材は、セラミッ
ク部材に対して、ネジ止め等によって締結されているこ
とが好ましい。しかし、締結部材がセラミック部材に対
して締結されていることは必須ではなく、締結部材はセ
ラミック部材を貫通しているだけでもよい。

【００２９】金属部材の材質は、所定の耐熱性を有する
限り、特に限定されない。しかし、半導体関連用途にお
いては、耐蝕性金属であることが好ましい。好適な金属
としては、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル
およびこれらの合金を例示できる。

【００３０】締結部材の材質は弾性を有する必要があ
り、また所定の耐熱性を有する必要がある。この観点か
らは金属であることが好ましく、前述のような耐蝕性金
属であることが特に好ましい。好適な金属としては、ア
ルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケルおよびこれら
の合金を例示できる。

【００３１】「締結部材がセラミック部材を貫通する」
とは、締結部材がセラミック部材の表面から背面へと向
かって貫通していることを意味している。

【００３２】ここで、図１に示すように、締結部材は、
セラミック部材２の貫通孔２ｄ内に挿入されていてもよ
く、この貫通孔２ｄはセラミック部材２の側面２ｃに向
かって開放されていない。しかし、締結部材を挿入する
べき貫通孔２ｄは、セラミック部材の側面に向かって閉
じられていることは必須ではない。例えば、図４（ａ）
に示す例においては、セラミック部材２に貫通孔１０を
設け、貫通孔１０内に締結部材５ｃを挿入している。こ
こで、貫通孔１０は、締結部材５ｃと接触する接触部１
０ａを有しており、これと共に、側面２ｃに向かう開口
１０ｂを有している。なお、本例においては、図４
（ｂ）に示すように、金属部材７に凹部（空隙）６Ａが
設けられており、凹部６Ａが金属部材７の側面７ｅに向
かって開く開口６ａを有する。

【００３３】本発明においては、セラミック部材、金属
部材および締結部材に面する空隙６を設ける。この空隙
は、前述した金属部材の締結部材における隆起がセラミ
ック部材に強く影響することを抑制できるような形状お
よび寸法を有していればよく、その具体的形状は限定さ
れない。しかし、前記隆起の影響を抑制するという観点
からは、空隙の厚さｄ（図２参照）は０．１ｍｍ以上で
あることが好ましく、０．５ｍｍ以上であることが更に
好ましい。また、セラミック部材と金属部材との接合強
度への影響を少なくするという観点からは、空隙の厚さ
ｄは２０ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下で
あることが更に好ましい。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、温
度変化に曝露されるべきセラミック部材の金属部材に対
する取付構造であって、熱サイクル印加後に、締結部材
周辺におけるセラミック部材のチッピングやクラックを
抑制できるような構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る取付構造１を概略的
に示す断面図である。

【図２】図１の取付構造の一部拡大断面図である。

【図３】（ａ）は、図１の取付構造のＩＩＩａ−ＩＩＩ
ａ線断面図であり、（ｂ）は、図１の取付構造のＩＩＩ
ｂ−ＩＩＩｂ線断面図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）は、他の実施形態に係る取付構
造の断面図であり、それぞれ図１においてＩＩＩａ−Ｉ
ＩＩａ線断面、ＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に相当する。

【図５】本発明者が検討した取付構造１１を示す断面図
である。

【図６】図５の取付構造の一部拡大図である。

【符号の説明】

１ 取付構造 ２ セラミック部材 ２ａ
セラミック部材２の表面 ２ｂ セラミック部
材２の背面 ２ｃ セラミック部材２の側面
２ｄ セラミック部材２の貫通孔（側面２ｃに開口
していない貫通孔） ３ 締結部材 ４
ワッシャー ５ ボルト ６ 空隙（金属
部材７の側面７ｅに開口していない空隙） ７ 金属部材 ７ａ 金属部材７の表面
７ｂ 金属部材７の背面７ｃ ボルト孔 ７ｅ
金属部材７の側面 ８ 金属部材７の表面側の隆
起面 ９ 隆起部 １０ セラミック
部材２の貫通孔（側面２ｃに開口している貫通孔）
１５ 冷却機構 Ａ、Ｅ セラミック部材２
の熱膨張の方向 Ｂ 締結部材の熱膨張の方向 Ｃ、Ｄ 締結部材の増し締めに伴う応力の方向

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J001 FA02 GA01 GA09 GB01 HA02 JA03 KA25 3K092 PP20 QA05 QB02 QB26 RF03 RF11 RF19 RF27 SS12 SS17 SS24 SS30 TT08 TT09 TT16 TT17 VV31 VV34 VV36 5F031 HA03 HA37 HA38 MA28 MA29 MA32

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】温度変化に曝露されるべきセラミック部材
   の金属部材に対する取付構造であって、 前記セラミック部材を前記金属部材に取り付けるための
   締結部材を備えており、この締結部材が、前記セラミッ
   ク部材を貫通し、前記金属部材中に係止されており、前
   記セラミック部材および前記金属部材に面する空隙が前
   記締結部材の周囲に設けられていることを特徴とする、
   セラミック部材の取付構造。
2. 【請求項２】前記空隙が前記金属部材に設けられている
   ことを特徴とする、請求項１記載の取付構造。
3. 【請求項３】前記セラミック部材が、半導体製造装置内
   に設置されるべきセラミック部材であることを特徴とす
   る、請求項１または２記載の取付構造。
4. 【請求項４】前記金属部材が冷却機構を備えていること
   を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に
   記載の取付構造。
5. 【請求項５】前記締結部材がボルトを備えていることを
   特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記
   載の取付構造。