JP2008305968A - ウェハ保持体の電極接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 充分な接合強度を実現できると同時に、金属製部材とセラミックス製部材との接合部におけるクラック等の発生を抑制でき、高い信頼性を有するウェハ保持体を提供する。
【解決手段】 セラミックス製ウェハ保持体は、上部セラミックス基板１とセラミックス基板３の間に埋設電極２を有し、その反対側にセラミックス基体４が接合してある。表面メタライズされた上部セラミックス基板１と同一材質のセラミックス製接続端子５ａが、セラミックス基板３の貫通穴に挿入されて埋設電極２と電気的に接続している。また、給電用導電部材７を備えた金属端子６ａが、セラミックス基体４のネジ穴に螺合され、セラミックス製接続端子５ａに接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置やそのサセプタに用いるウェハ保持体に関するものであり、より詳しくは、高い信頼性を有するセラミックス製のウェハ保持体の電極接続に関するものである。

従来、半導体装置の製造工程では、被処理物である半導体基板に対して成膜処理やエッチング処理などが行われる。このような基板に対する処理を行う処理装置では、処理の際に半導体基板を保持するためのウェハ保持体であるサセプタが設置されている。

このような従来のサセプタの例として、例えば、特開平１０−２７３３７１号公報には、加熱用のヒータ回路などに対応する導電性部材が埋め込まれたセラミックス部材を備えるサセプタが開示されている。セラミックス部材に開口部が形成され、この開口部の内部に導電性部材に電力を供給するための金属製部材が配置されている。導電性部材と金属製部材とは活性金属ロウ材（以下、ロウ材とも言う）を用いて接合され、金属製部材に対するロウ材の「流れ性」を制御することにより、所定の接合強度を得ることができるとしている。

また、他の例として、特開平１１−０１２０５３号公報には、ヒータ回路などに対応する導電性部材が埋め込まれたセラミックス部材を備えるサセプタであって、このセラミックス部材に開口部が形成され、この開口部の内部に導電性部材に電力を供給するための金属製部材が配置されたものが記載されている。開口部の底面には導電性の端子が配置され、この端子を介して導電性部材と金属製部材が電気的に接続されている。

これらの金属製部材は、ロウ材を用いて開口部内に固定されると共に、端子とも接続される。また、モリブデン(Ｍｏ)やモリブデン（Ｍｏ）を含む金属製部材を空気などの酸化性雰囲気から保護するため、開口部の内部に金属製部材を囲むように雰囲気保護体が配置されている。上記特開平１１−０１２０５３号公報には、このような雰囲気保護体を配置することにより、金属製部材を酸化性雰囲気から保護することが記載されている。

一方、特開２００３−０８６６６３号公報には、電気回路を有するセラミックス基材にネジ穴を設け、このネジ穴に金属端子（アンカー部材）をねじ込んで電気回路と接続すると共に、その金属端子に給電用導電部材を接続して、高い接合強度を得ると共に、電気回路との電気的接続を確保することができるセラミックスサセプタが提案されている。

特開平１０−２７３３７１号公報 特開平１１−０１２０５３号公報 特開２００３−０８６６６３号公報

上記特開平１０−２７３３７１号公報や特開平１１−０１２０５３号公報に記載されたサセプタでは、開口部の内部において金属製部材とセラミックス部材表面との間にロウ材の「溜り」が発生した場合、ロウ材とセラミックス部材を構成するセラミックスとの熱膨張係数の差によって、ロウ付け後またはサセプタに対するヒートサイクル試験を実施した際に、セラミックス部材にクラックが発生してしまう。

その結果、金属製部材とセラミックス部材との接合部の接合強度が低下し、更には接合部からサセプタが破壊する恐れもあるため、サセプタの信頼性が低下するという問題があった。このロウ付け部でのクラックの発生を抑制するため、ロウ材の使用量を少なくすることも考えられるが、その場合は金属製部材とセラミックス部材との接合強度が低下するという問題が発生する。このように、金属製部材とセラミックス部材との接合部において、クラック等の発生を抑制すると同時に充分な接合強度を実現することにより、高い信頼性を有するウェハ保持体としてのサセプタを実現することは困難であった。

この対策の一つとして、上記特開２００３−０８６６６３号公報に記載されるように、電気回路を有するセラミックス基材にネジ穴を設け、このネジ穴に金属端子をねじ込んで電気回路と接続すると共に、金属端子に給電用導電部材を接続したセラミックスサセプタがある。しかしながら、現在では、更なる成膜温度の高温化やプラズマによる成膜の高効率化が求められており、その結果として、セラミックス基板に埋設された電極上の部分（上部セラミックス基板）を更に薄くする必要が生じている。

このように、セラミックス基板中の埋設電極上に存在する上部セラミックス基板が薄くなると、ヒータの発熱及びプラズマによって発生する熱によって、金属端子とセラミックス基板との熱膨張率の差による応力が発生し、上部セラミックス基板が金属端子により加圧されて破損する可能性が高くなる。また、金属端子と上部セラミックス基板の間に極わずかな隙間がある場合、その隙間へのプラズマの進入により、上記セラミックス基板が破損する可能性がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、金属製部材とセラミックス製部材との接合部などにおいて、充分な接合強度を実現できると同時に、クラックなどの破損をなくすことによって、高い信頼性を有するウェハ保持体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供するウェハ保持体の電極接続構造は、セラミックス製ウェハ保持体中に埋設された電極に対する接続構造であって、前記ウェハ保持体と同一材質のセラミックス製接続端子が該ウェハ保持体内部に密着して挿入され、該セラミックス製接続端子には電気的導通を確保するための表面メタライズが施され、該表面メタライズは前記埋設電極に接続されると同時に金属端子に電気的に接続されていることを特徴とする。

上記本発明のウェハ保持体の電極接続構造において、より具体的には、前記ウェハ保持体は、前記埋設電極を表面上に形成したセラミックス基板と、該埋設電極を覆って該セラミックス基板上に接合された上部セラミックス基板とを含むことを特徴とするものである。

このウェハ保持体の電極接続構造においては、前記セラミックス製接続端子と前記上部セラミックス基板が密着し、両者の間に空隙がないことが好ましい。また、前記セラミックス基板と前記セラミックス製接続端子との間にも空隙がないことが好ましく、そのため、前記上部セラミックス基板の前記セラミックス製接続端子と接触する面に、前記セラミックス製接続端子の径よりも大きく且つ前記埋設電極と電気的に接続している金属層が形成されていることが好ましい。

また、このウェハ保持体の電極接続構造においては、前記セラミックス製接続端子は前記セラミックス基板と同じ厚さを有し、且つ該セラミックス基板の貫通穴内に挿入されていて、前記セラミックス製接続端子の表面メタライズが前記埋設電極と同一面内で接続されていることが好ましい。また、前記セラミックス製接続端子は、前記セラミックス基板と機械的に接合されていると同時に、電気的に接続されている。更に、前記セラミックス製接続端子と前記金属端子は、該金属端子の凸部により電気的に接続されていることことが好ましい。

上記本発明のウェハ保持体の電極接続構造において、前記セラミックスウェハ保持体及び前記セラミックス製接続端子は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種を含むセラミックスからなることが好ましい。また、前記金属端子及び前記埋設電極は、タングステン、モリブデン、銅、及びこれらの合金からなる群から選ばれた少なくとも１種からなることが好ましい。更に、前記埋設電極は、ＲＦプラズマ形成用電極、ヒータ電極、静電チャック用電極から選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。

本発明によれば、埋設電極上の上部セラミックス基板を薄くしても、ヒートサイクルやプラズマで発生する熱によるクラックが発生し難くなり、同時に埋設電極との導電性も確保することができるため、高い信頼性を有するセラミックス製ウェハ保持体を提供することができる。

本発明によるセラミックス製ウェハ保持体中の埋設電極に対する接続構造においては、ウェハ保持体と同一材質のセラミックス製接続端子がウェハ保持体内部に密着して挿入され、そのセラミックス製接続端子には電気的導通を確保するための表面メタライズが施されている。そして、この表面メタライズは埋設電極に接続されると同時に金属端子に電気的に接続され、金属端子は更に給電用導電部材に接続されている。

更に具体的な態様として、上記ウェハ保持体は、埋設電極を表面上に形成したセラミックス基板と、この埋設電極を覆ってセラミックス基板上に接合された上部セラミックス基板とを含むことができる。表面メタライズされたセラミックス製接続端子は、セラミックス基板の貫通穴内に挿入されて、埋設電極と電気的に接続される。同時に、表面メタライズされたセラミックス製接続端子は、給電用導電部材を備えた金属端子に接続される。

上記セラミックス製接続端子は、セラミックス基板と同じ厚さを有し、セラミックス基板の貫通穴内にセラミックス基板と互いの表面が同一面となるように挿入されている。セラミックス基板とセラミックス製接続端子は同一材質のセラミックスであるため、高温領域でも熱膨張による段差を生じず、従って上部セラミックス基板は板厚が薄くなっても部分的に応力を受けることがなくなり、破損する可能性が極めて少なくなる。また、セラミックス製接続端子と上部セラミックス基板が密着し、両者の間の空隙をなくすことで、プラズマの進入を防ぐことができる。

上記埋設電極は、セラミックス基板の貫通穴内にセラミックス製接続端子を表面が同一面となるように挿入した状態で形成する。そのため、セラミックス製接続端子の表面メタライズが埋設電極と同一面内で接続され、セラミックス基板とセラミックス製接続端子の間には隙間が発生し難く、プラズマの進入を防止することができる。更に、セラミックス基板とセラミックス製接続端子の間の空隙をなくし、より一層プラズマの進入を防ぐために、上部セラミックス基板のセラミックス製接続端子と接触する面に、セラミックス製接続端子の径よりも大きく且つ埋設電極と電気的に接続する金属層を形成することができる。

セラミックス基板とセラミックス製接続端子は焼成することで固定されるが、その固定力を更に強化するために、セラミックス製接続端子の形状をテーパー状にしても良い。この場合、セラミックス製接続端子が上部セラミックス基板方向に移動して加圧しないように、セラミックス基板に設ける貫通穴は上部セラミックス基板側の直径を反対側よりも小さくしたテーパー穴形状とする。

また、セラミックス製接続端子の下部にのみ、ネジを切ることも有効である。この場合、セラミックス基板とのネジ止めによる固定力によって、上部セラミックス基板への応力が減少し、破損の可能性が低くなる。更に、セラミックス基板のメタライズ面と、セラミックス製接続端子の表面メタライズとが同一面状になるよう調整することが可能となるように、セラミックス製接続端子の上面を皿形状とすることが望ましい。

上記セラミックス基板には、上部セラミックス基板と反対側の面にセラミックス基体を接合する。このセラミックス基体にネジ穴を設け、このネジ穴に金属端子をねじ込んで取り付けることにより、金属端子をセラミックス基板中のセラミックス製接続端子に電気的に接続することができる。

この場合、上部セラミックス基板の板厚が薄くなっても、同一材質であるセラミックス製接続端子は厚みが５ｍｍから１５ｍｍあり且つセラミックス基板と結合しているため、セラミックス基体のネジ穴に金属端子がねじ込まれても、上部セラミックス基板が破損する可能性は非常に少ない。また、金属端子をセラミックス基体のネジ穴にねじ込んで機械的に接合することにより、金属端子とセラミックス基体の接合部の接合強度を充分高くすることができる。

金属端子をねじ込むセラミックス基体のネジ穴は、ネジを切っていない部分を１〜３ｍｍ残すことが望ましい。この場合、金属端子は、セラミックス基体のネジを切っていない部分の長さより僅かに長い凸部を持つことが望ましい。この凸部により、セラミックス製接続端子と金属端子との電気的接続をすると共に、金属端子が膨張しても過度に上部セラミックス基板を加圧することがなくなり、上部セラミックス基板の破損の割合が大幅に減少する。

更に、この金属端子に給電用導電部材を取り付けることによって、給電用導電部材から埋設電極へと確実に電力を供給することができる。給電用導電部材は、金属端子に接続された際に接触する凸部を有していてもよい。また、金属端子と給電用導電部材とは、一体となっていてもよい。

上記埋設電極用の電気回路は、スクリーン印刷法を利用したメタライズ法により形成されることが好ましい。電極の回路パターンについては、任意のパターンを容易に形成でき、回路パターンの選択の自由度を大きくすることができる。また、セラミックス基板上に形成する電極回路の一部は、セラミックス製接続端子が挿入される貫通穴の側面まで回り込んでいることが好ましい。これにより、セラミックス製接続端子と埋設電極及び金属端子との導通を確実にすることが可能であり、導通抵抗を下げることが可能となる。ここで、上記貫通穴側面に設ける電極部分は、例えば、タングステンペーストを所定の領域に塗布した上で、メタライズ法により形成することができる。

上記埋設電極及び金属層は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びこれらの合金からなる群から選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。タングステン、モリブデン、及びこれらの合金は、いずれもセラミックス基板やセラミックス基体を構成するセラミックスとの熱膨張係数の差が比較的小さい材料である。そのため、これらの材料により電極を形成すれば、この電極の存在に起因してセラミックス基体が反るといった不良の発生を抑制することができる。

また、上記金属端子及び給電用導電材料としては、タングステン、モリブデン、及びこれらの合金、ニッケル、コバール、銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金、銅−ニッケル−鉄−タングステン合金からなる群から選ばれた少なくとも１種が好ましい。

また、ウェハ保持体、即ち、セラミックス基板、上部セラミックス基板、及びセラミックス基体は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種が好ましい。また、セラミックス製接続端子は、上記ウェハ保持体と同一材質とする。

ウェハ保持体に埋設される電極（埋設電極）は、ＲＦプラズマ形成用電極、ヒータ電極、静電チャック用電極からなる群から選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。

以下、図面に基づいて、本発明によるウェハ保持体の電極接続構造を更に詳しく説明する。図１及び図２は、いずれも本発明によるセラミックス製ウェハ保持体の部分拡大図である。図２に示すセラミックス製接続端子５ｂは、図１のセラミックス製接続端子５ａの下部に雄ネジを切ってある例であり、セラミックス基板３の貫通穴の一部には雌ネジを切り、螺合することによって両者を機械的に固定することができる。

いずれのウェハ保持体においても、セラミックス基板３の貫通穴内に、セラミックス基板３と同一材質で且つ全面に表面メタライズを施したセラミックス製接続端子５ａ、５ｂが挿入されており、このセラミックス基板３とセラミックス製接続端子５ａ、５ｂの同一面となっている表面上に埋設電極２の電気回路が形成されている。この電気回路を覆うように上部セラミックス基板１が接合されることによって、上部セラミックス基板１とセラミックス基板３の間に埋設電極２が形成されている。

上部セラミックス基板１、セラミックス基板３及びセラミックス基体４は、上記埋設電極２の電気回路の形成後、同時に接合される。そして、セラミックス基体４にネジ穴加工を施し、金属端子６ａ、６ｂをねじ込むことにより、セラミックス製接続端子５ａ、５ｂの表面メタライズと接続させる。金属端子６ａ、６ｂには給電用導電部材７が十分な接合強度で接続されており、金属端子６ａ、６ｂからセラミックス製接続端子５ａ、５ｂを経て埋設電極２に給電できるようになっている。

セラミックス基板３とセラミックス製接続端子５ａ、５ｂは同一材質からなっているため、熱膨張差による応力の発生を抑えることができ、セラミックス製接続端子５ａ、５ｂ上の埋設電極２及び上部セラミックス基板１が応力により破損する可能性を極めて低くすることができる。尚、図１では金属端子６ａの凸部でセラミックス製接続端子５ａに接続しているのに対し、図２では金属端子６ｂに凸部を設けていないが、この場合もセラミックス製接続端子５ｂと良好な導通をとることができる。

一方、図３に示す接続構造は、表面メタライズしたセラミックス製接続端子を用いない例であり、金属端子６ｃがセラミックス基板３及びセラミックス基体４にねじ込まれ、埋設電極２と直接接続している。この場合、埋設電極２上の上部セラミックス基板１が薄くなると、金属端子６ｃとセラミックス基板３との熱膨張率の差による応力が発生し、埋設電極２と上部セラミックス基板１が破損する可能性が高くなる。

本発明の効果を確認するため、本発明によるセラミックス製ウェハ保持体の試料を作製し、それぞれの試料について電気回路としての導通性と、ヒートサイクル試験による耐久性を調査した。以下に、その試料の作製と、試験法及びその結果について説明する。

セラミックス基板及びセラミックス製接続端子の材料として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用した。セラミックス製接続端子は全面で導通がとれるように、全面にタングステンペーストを塗布した後、焼成して表面メタライズを施した。セラミックス製接続端子は、図１に示す５ａ及び図２に示す５ｂ（一部に雄ネジ形成）の２種類を準備した。また、セラミックス製接続端子５ａはテーパー形状（平均直径４ｍｍ）とし、セラミックス製接続端子５ｂは上面を皿形状とした。

これらの表面メタライズしたセラミックス製接続端子を、同一厚さのセラミックス基板に設けたテーパー状の貫通穴あるいは一部にネジを切った貫通穴に挿入し、セラミックス基板とセラミックス製接続端子の表面が同一面となるように調製した。その後、セラミックス製接続端子を含むセラミックス基板の上面に、埋設電極用電気回路をタングステンペーストのスクリーン印刷により形成した後、焼成して埋設電極とした。この時点で、セラミックス製接続端子と埋設電極用の電気回路は全て導通がとれていることを確認した。

その後、このセラミックス基板（ＡｌＮ：厚さ９ｍｍ）上に電気回路を覆うように上部セラミックス基板（ＡｌＮ：厚さ５ｍｍ）を、反対側にはセラミックス基体（ＡｌＮ：厚さ９ｍｍ）をそれぞれ積層し、焼成して接合した。セラミックス基体に機械加工を施し、金属端子をねじ込むためのネジ穴を形成した。その際、２種類のセラミックス製接続端子５ａ、５ｂ用のほか、セラミックス製接続端子なし用など、試料ごとに異なる３種類のネジ穴を形成した。更に、埋設電極の深さが０.５〜３.０ｍｍとなるように、上部セラミックス基板の厚みをそれぞれ変えて切削加工を施した。

得られたウェハ保持体には、接続端子のタイプとして、２種類のセラミックス製接続端子５ａ、５ｂのタイプと、金属端子６ｃのみによるタイプを、各２０箇所作製した。また、温度制御のために、埋設電極をヒータ回路として利用した。このようにして作製したウェハ保持体を試料Ａとする。

また、別のＡｌＮ製の上部セラミックス基板として、セラミックス製接続端子が接続する箇所に直径８ｍｍの円形パターンをタングステンペーストのスクリーン印刷で形成し、焼成して金属層を形成したものを準備した。この上部セラミックス基板を、上記のセラミックス基板及びセラミックス基体と積層し、焼結して接合した以外は上記と同様にして、試料Ｂのウェハ保持体を作製した。

各ウェハ保持体（試料Ａ、Ｂ）について、真空中において、２５０℃から５５０℃まで昇温速度１０℃／分で昇温し、３０分保持した後、２５０℃まで５℃／分で冷却するヒートサイクルを各５０回実施した。このヒートサイクル試験後、２０箇所の接続部中で導通がとれなかった非導通個所の数、及び２０箇所の接続部中で上部セラミックス基板にクラックなどの破損が発生した個所の数について確認した。試料Ａのウェハ保持体について、得られた結果を下記表１に示す。

上記表１の結果から分るように、セラミックス基板と同一材質のセラミックス製接続端子を使用したウェハ保持体については、上部セラミックス基板の厚さを０.５ｍｍまで薄くしても、ヒートサイクル試験でクラックなどの破損が発生せず、導通も十分とれていることが確認できた。しかし、金属端子６ｃのみ（セラミックス製接続端子なし）の場合、上部セラミックス基板の厚さが１.５ｍｍ以下に薄くなるに伴って、非導通数及び破損数が増加した。また、試料Ｂのウェハ保持体についても、上記と同じ傾向の結果を得られることが確認できた。

更に、各接続端子部を切断して断面を確認したが、セラミックス製接続端子を使用したウェハ保持体では、試料Ａ及び試料Ｂとも、接続端子とその上の埋設電極及び上部セラミックス基板との間に隙間が発生していないことが確認できた。

本発明によるセラミックス製ウェハ保持体の接続端子部を示す概略の拡大断面図である。 本発明によるセラミックス製ウェハ保持体の別の接続端子部を示す概略の拡大断面図である。 従来例による金属端子のみを用いた接続端子部を示す概略の拡大断面図である。

符号の説明

１ 上部セラミックス基板
２ 埋設電極
３ セラミックス基板
４ セラミックス基体
５ａ、５ｂ セラミックス製接続端子
６ａ、６ｂ、６ｃ 金属端子
７ 給電用導電部材

Claims (10)

1. セラミックス製ウェハ保持体中に埋設された電極に対する接続構造であって、前記ウェハ保持体と同一材質のセラミックス製接続端子が該ウェハ保持体内部に密着して挿入され、該セラミックス製接続端子には電気的導通を確保するための表面メタライズが施され、該表面メタライズは前記埋設電極に接続されると同時に金属端子に電気的に接続されていることを特徴とするウェハ保持体の電極接続構造。
2. 前記ウェハ保持体は、前記埋設電極を表面上に形成したセラミックス基板と、該埋設電極を覆って該セラミックス基板上に接合された上部セラミックス基板とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のウェハ保持体の電極接続構造。
3. 前記セラミックス製接続端子と前記上部セラミックス基板が密着し、両者の間に空隙がないことを特徴とする、請求項２に記載のウェハ保持体の電極接続構造。
4. 前記上部セラミックス基板の前記セラミックス製接続端子と接触する面に、前記セラミックス製接続端子の径よりも大きく且つ前記埋設電極と電気的に接続している金属層が形成されていることを特徴とする、請求項２又は３に記記載のウェハ保持体の電極接続構造。
5. 前記セラミックス製接続端子は前記セラミックス基板と同じ厚さを有し、且つ該セラミックス基板の貫通穴内に挿入されていて、前記セラミックス製接続端子の表面メタライズが前記埋設電極と同一面内で接続されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載のウェハ保持体の電極接続構造。
6. 前記セラミックス製接続端子は、前記セラミックス基板と機械的に接合されていると同時に、前記セラミックス基板上に形成した埋設電極に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項２〜５のいずれかに記載のウェハ保持体の電極接続構造。
7. 前記セラミックス製接続端子と前記金属端子は、該金属端子の凸部により電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のウェハ保持体の電極接続構造。
8. 前記セラミックスウェハ保持体及び前記セラミックス製接続端子は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種を含むセラミックスからなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のウェハ保持体の電極接続構造。
9. 前記埋設電極、金属端子及び金属層は、タングステン、モリブデン、及びこれらの合金からなる群から選ばれた少なくとも１種からなることを特徴とする、請求項４〜８のいずれかに記載のウェハ保持体の電極接続構造。
10. 前記埋設電極が、ＲＦプラズマ形成用電極、ヒータ電極、静電チャック用電極から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のウェハ保持体の電極接続構造。

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