JP2019220554A - 基板載置部材 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力による応力集中の緩和の向上を図ることが可能な基板載置部材を提供する。【解決手段】セラミックスヒータ１００は、セラミックスからなり、板状の基材２０と、基材１０の内部に埋設された発熱抵抗体２０と、基材１０の下面１０ｂに接続されたシャフト３０とを備え、基材２０の上面１０ａに基板Ｗを載置する。シャフト３０は、基材１０の下面１０ｂに接続された上端部３１ａを有する筒状部３１と、筒状部３１の上端部３１ａの外周面と一体化し、上面３２ａが基材１０の下面１０ｂに接続され、筒状部３１を取り囲む環状の拡張部３２と、拡張部３２の下面において基材１０側に向って丸みを帯びて窪んだ環状の凹部３３とを有する。厚さが最小であり、凹部３０を画定する拡張部３２の凹部壁面３２ｃの少なくとも一部を含む拡張部３２の最薄部３２ｂが、拡張部３０の径方向外側に位置する外端部３２ｄより径方向内側に位置する。拡張部３２の凹部壁面３２ｃと筒状部３１の外周面とがなだらかに接続している。【選択図】図１

Description

本発明は、基板載置部材、特にウエハなど基板を上面に載置する基板載置部材に関する。

高温プロセスの対象となる半導体ウエハなどの基板を基材の上面に載置する基板載置部材が知られている。このような基板載置部材においては、基材の下面の中央部に筒状の支持部材（シャフト）が接合されており、基材及び筒状の支持部材はセラミックスからなっている。筒状の支持部材の内部に外部のプロセスガスが漏入しないように、また、基材と筒状の支持部材との接合面積を十分に確保するために、筒状の支持部材の上端部を拡径して拡径部（フランジ部）を設けることが多い。

特許文献１には、拡径部の厚さを径方向外側に向って連続的に又は非連続的に漸次薄くすることにより、筒状の支持部材の熱応力による応力集中を緩和することが開示されている。

特許第３５５４５５５号公報

しかしながら、最近、基材上面を６５０℃程度にまで高温化することがあり、上記特許文献１に記載の技術を用いても、熱応力による応力集中の緩和を十分に図ることができないことがあった。

本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであり、熱応力による応力集中の緩和の向上を図ることが可能な基板載置部材を提供することを目的とする。

本発明の基板載置部材は、セラミックスからなり、上面及び該上面の反対側に位置する下面を有する板状の基材と、前記基材の内部に埋設された発熱抵抗体と、前記基材の下面に接続された筒状の支持部材とを備え、前記基材の上面に基板を載置する基板載置部材であって、前記支持部材は、前記基材の下面に接続された上端部を有する筒状部と、前記筒状部の上端部の外周面と一体化し、上面が前記基材の下面に接続され、前記筒状部を取り囲む環状の拡張部と、前記拡張部の下面において前記基材側に向って丸みを帯びて窪んだ環状の凹部とを有し、前記拡張部のうち前記基材の厚み方向に沿った上下方向の厚さが最小となり、前記凹部を画定する前記拡張部の凹部壁面の少なくとも一部を含む最薄部が、前記拡張部の径方向外側に位置する外端部より径方向内側に位置し、前記拡張部の凹部壁面と前記筒状部の外周面とがなだらかに接続していることを特徴とする。

本発明の基板載置部材によれば、基材から拡張部に入力された熱は、凹部によって拡張部から筒状部への熱移動が阻害されると共に、拡張部の凹部壁面と筒状部の外周面とがなだらかに接続されている。これらにより、凹部を有さない従来の技術と比較して、拡張部から筒状部を介した外部への熱逃げが抑制される。そのため、拡張部と基材との接続領域内における温度勾配の減少（温度の均一化）、及び筒状部と拡張部との境界における応力集中の緩和を同時に図ることが可能となる。

本発明の基板載置部材において、前記拡張部は、前記凹部よりも径方向外側の部分において前記上下方向の厚さが径方向外側に向って連続的に又は断続的に変化することが好ましい。

この場合、凹部と共に拡張部の厚さの変化によっても、拡張部から筒状部を介した外部への熱逃げが抑制される。そのため、さらに、拡張部と基材との接続領域内における温度勾配の減少と筒状部と拡張部との境界における熱応力による応力集中の緩和を図ることが可能となる。

また、本発明の基板載置部材において、前記拡張部は、前記外端部において前記上下方向の厚さが最も厚く、前記外端部と前記上下方向の厚さが同じ部分を当該外端部から径方向内側に向って連続して有するものであることが好ましい。

この場合、拡張部の厚さが外端部から径方向内側に向って薄くなるものと比べて、外端部と同じように厚さが厚い部分が連続するので、この部分においてより熱が保持される。そのため、さらに、拡張部と基材との接続領域内における温度勾配の減少と筒状部と拡張部との境界における熱応力による応力集中の緩和を図ることが可能となる。

さらに、本発明の基板載置部材において、前記筒状部の上端部の内周面は、径方向外側に向けて前記基材の下面に向って傾斜する傾斜面を有するものであることが好ましい。

この場合、傾斜面が存在しない場合と比べて、基材から筒状部への熱逃げが抑制される。そのため、筒状部と拡張部との境界においる熱応力による応力集中の緩和をさらに図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係るセラミックスヒータの模式縦断面図。 図１のＡ部の模式拡大図。 変形例に係るＡ部における模式拡大図。 別の変形例に係るＡ部における模式拡大図。 さらに別の変形例に係るＡ部における模式拡大図。 さらに別の変形例に係るＡ部における模式拡大図。

まず、本発明の基板載置部材の実施形態に係るセラミックスヒータ１００について図１及び図２を参照して、説明する。

セラミックスヒータ１００は、セラミックスからなり、半導体ウエハなどの基板Ｗを載置するための基材１０と、基材１０の内部に埋設された発熱抵抗体２０と、基材１０の下面に接続されたシャフト３０を備えている。シャフト３０は、本発明の筒状の支持部材に相当する。

基材１０は、基板Ｗを上に保持する上面（表面）１０ａと、上面１０ａの反対側の面である下面（裏面）１０ｂを有している。図示しないが、上面１０ａには、多数の凸部が形成されており、この凸部の上面で基板Ｗを保持する。基材１０は、円板状、矩形板状などの厚さ略同じの板状部材である。なお、基材１０の下面１０ｂには、シャフト３０が接続される頂面を有する凸部が設けられていてもよい。

基材１０は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等からなるセラミックス焼結体からなる。基材１０は、上記の材料を所定形状の型に入れて成形し、緻密化させるため、例えばホットプレス焼成等によって板状に作製すればよい。

なお、基材１０には、発熱抵抗体２０のほか、基板Ｗをクーロン力又はジョンセン−ラーベック力により上面１１に引き付けるための静電チャック電極、あるいは基材１０の上方にプラズマを発生させるためのプラズマ電極のうち少なくとも一方が埋設されていてもよい。

発熱抵抗体２０は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）等の耐熱金属などのメッシュからなり、面状の形態をしている。ただし、発熱抵抗体２０は、耐熱金属などからなる膜、板、線、箔、繊維、コイル、リボン状など構成であってもよく、螺旋、折返し状などの形態であってもよい。なお、発熱抵抗体２０は、図示しないが、給電端子を介して、シャフト３０内を通る導線によって外部電源に接続されている。

さらに、発熱抵抗体２０は、一対の端子に接続された平面状のパターンのみからなるものであっても、それぞれ一対の端子に接続され、上下方向に又は水平方向に離間した複数のパターンからなるものであってもよい。

基材１０となるセラミックス成形体又はセラミックス粉末に発熱抵抗体２０を埋設した状態で、基材１０は焼成される。

シャフト３０の材質は、基材１０の材質と同等でよいが、断熱性を高めるために、基材１０の素材より熱伝導率の低い素材から形成されていてもよい。

シャフト３０は、基材１０の下面１０ｂに接続された上端部３１ａを有する筒状部３１と、筒状部３１の上端部３１ａの外周面と一体化し、上面３２ａが基材１０の下面１０ｂに接続され、筒状部３１を取り囲む環状の拡張部３２と、拡張部３２の下面において基材１０側、すなわち上方に向って丸みを帯びて窪んだ環状の凹部３３とを有している。

筒状部３１は、ここでは、基材１０の下面１０ｂに接続された上端部３１ａの上面３１ｂと同じ水平断面（横断面）が上下方向に亘って連続的に有するように構成されており、全体として円筒形状になっている。なお、筒状部３１は、円筒形状に限定されず、四角筒、六角筒などの多角形の筒形状又は楕円形などの筒状であってもよく、また、必ずしも水平断面が同じであるものに限定されない。

なお、筒状部３１の下端部３１ｃは、筒状部３１の下端部３１ｃの外周面と一体化して、筒状部３１を取り囲む環状の下側拡張部３４が接続されている。

拡張部３２は、筒状部３１の上端部３１ａの外周面と一体化し、かつ、当該外周面を取り囲むように形成されており、水平断面は環状、ここでは、円環状となっている。なお、拡張部３２の水平断面形状は、筒状部３１の上端部３１ａの外周面の輪郭と同形の輪郭を有する空洞を有している。拡張部３２の水平断面形状の外周の輪郭は、ここでは、空洞の輪郭の相似形であるが、これに限定されない。

また、筒状部３１の上端部３１ａの上面３１ｂ及び拡張部３２の上面３２ａは、共に基材１０の下面１０ｂに接続されている。その接続は上面３１ｂ，３２ａの全面に亘るものが好ましいが、これに限定されず、上面３１ｂ，３２ａに部分的に接続されているものであってもよい。例えば、基材１０の下面１０ｂと上面３１ｂ，３２ａとの間に部分的に隙間があってもよい。

筒状部３１の上端部３１ａの上面３１ｂ及び拡張部３２の上面３２ａと基材１０の下面１０ｂとの接続は、例えば、拡散接合又はセラミックスもしくはガラス等の接合材を用いて接合されてなるものである。なお、ねじ止めやろう付けなどによって接続されていてもよい。

拡張部３２は、基材１０の厚み方向に沿った上下方向の厚さ（以下、単に「厚さ」という）が、径方向の位置によって相違している。具体的には、拡張部３２の最薄部３２ｂは、厚さが最小となる部分であり、凹部３３を画定する拡張部３２の凹部壁面３２ｃの少なくとも一部を含んでいる。最薄部３２ｂは、拡張部３２の径方向外側に位置する外端部３２ｄより径方向内側に位置している。

さらに、拡張部３２の凹部壁面３２ｃと筒状部３１の外周面とはなだらかに接続している。なお、なだらかに接続しているとは、拡張部３２の凹部壁面３２ｃと筒状部３１の外周面との境界に角部が形成されておらず、丸みを帯びていることを意味する。なお、この丸みは、意図的に形成したものであり、例えば、角部を形成するために不可避的に、工具の形状に応じて形成される半径Ｒが０．３ｍｍ以下の丸みは除外される。

そして、本実施形態においては、拡張部３２は、外端部３２ｄにおいて厚さが最も厚く、最薄部３２ｂから外端部３２ｄに向けて厚さが連続的に厚くなっている。さらに、具体的には、径方向において凹部３３が形成されている部分を除いては、拡張部３２の厚さは一定となっている。

以上のように構成されたセラッミクスヒータ１００によれば、基材１０からシャフト３０の拡張部３２に入力された熱は、凹部３３によって拡張部３２から筒状部３１への熱移動が阻害されるので、凹部３３を有さない従来の技術と比較して、拡張部３２から筒状部３１を介した外部への熱逃げが抑制される。そのため、拡張部３２と基材１０との接続領域内における温度勾配の減少、及び、筒状部３１と拡張部３２との境界における応力集中の緩和を図ることが可能となる。

さらに、図３に示すように、拡張部３２は、外端部３２ｄにおいて厚さが最も厚く、最薄部３２ｂから外端部３２ｄに向けて厚みが連続的に厚くなっていてもよい。

ただし、図２、図３及び図４に示すように、外端部３２ｄの角部は、この角部を形成するために不可避的に、工具の形状に応じて形成される丸みを帯びており、厳密的には、外端部３２ｄの径方向の最外端部において厚さが最大とはなっていない。

また、図５に示すように、拡張部３２は、最薄部３２ｂから外端部３２ｄに向けて厚さが断続的に厚くなっていてもよい。

また、図６に示すように、筒状部３１の上端部３１ａの内周面は、径方向外側に向けて基材１０の下面１０ｂに向って傾斜する傾斜面３１ｄを有していてもよい。そして、傾斜面３１ｄは、直線であっても曲線であってもよく、角部があってもよい。

（実施例１）
セラミックスヒータ１００を加熱したときに生じる熱応力をシミュレーションによって計算した。シミュレーションは、汎用のソリッドワークス・シミュレーションを用いて、発熱抵抗体２０及び筒状部３１の下端部３１ｃ及び円環状の下側拡張部３４の下端面に熱量及び温度を拘束条件として設定し、定常状態の温度場を計算する手法で行った。

基材１０は、ＡｌＮからなり、直径３２０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの円板形状であった。シャフト３０は、ＡｌＮからなるものであった。シャフト３０は、図１を参照して、筒状部３１が外径６４ｍｍ、内径５６ｍｍ、上下方向の全長２１０ｍｍの円筒形状であり、筒状部３１の下端部３１ｃに外径８０ｍｍ、厚さ１４ｍｍの円環状の下側拡張部３４を一体化させた。そして、シャフト３０の拡張部３２は、外径８４ｍｍ、外端部３２ｄの厚さの厚さ１４ｍｍであり、この厚さが径方向内側に連続しており、最薄部３２ｂの厚さは１１．５ｍｍであり、凹部３３は幅５ｍｍであり、凹部３３の上端部は直径５ｍｍの丸みを帯びていた。

そして、基材１０の下面１０ｂの中央部に、シャフト３０の上面が全面に亘って接続さされているものとした。

以上の状態において、基材１０の上面１０ａ全体を７５０℃の定温状態に、シャフト３０の下端面全体を１５０℃の定温状態にしたときに生じる熱応力を計算した。

結果としては、凹部３３の丸みを帯びた部分の径方向内側の端部の部分（図２の点Ｂ）に、１１７ＭＰａの熱応力の最大値が生じた。

（比較例１）
実施例１とは、凹部３３が存在せず、筒状体３１と拡張部３２とが直角に接続されていることのみが相違した。ただし、その角部は工具を用いて形成することを考慮して、半径０．３ｍｍの丸みを帯びているものとした。この場合、この丸み分の径方向内側の端部の部分に、２９２ＭＰａの熱応力の最大値が生じた。

（実施例２）
実施例１とは、図６を参照して、シャフト３０の筒状部３１の上端部３１ａの内周面に、径方向外側方に向けて基材１０の下面１０ｂを向って傾斜面３１ｄを有しており、この傾斜面３１ｄはＣ４ｍｍであることのみが相違した。結果は、実施例１と同じ位置（図６の点Ｂ）に、１１５ＭＰａの熱応力の最大値が生じた。

（実施例３）
実施例２とは、図３を参照して、最薄部３２ｂの厚さを１１．５ｍｍ、凹部３３を半径２．５ｍｍの曲面を含む面により形成し、外端部３２ｄから厚さが同じ部分の長さを３ｍｍとし、この厚さが同じ部分の端部を凹部壁面３２ｃにおける径方向外側に傾斜する傾斜面の端部と接続したことのみが相違した。結果は、実施例１と同じ位置に、１１９ＭＰａの熱応力の最大値が生じた。

（実施例４）
実施例１とは、図４を参照して、最薄部３２ｂの厚さを１０ｍｍ、凹部３３を半径２．５ｍｍとし、拡張部３２の厚さが外端部３２ｄから径方向内側に向って薄くなっていることのみが相違した。結果は、実施例１と同じ位置に、１２０ＭＰａの熱応力の最大値が生じた。

１０…基材、 １０ａ…上面、 １０ｂ…下面、 ２０…発熱抵抗体、 ３０…シャフト（筒状の支持部材）、 ３１…筒状部、 ３１ａ…上端部、 ３１ｂ…上面、 ３１ｃ…下端部、 ３１ｄ…傾斜面、 ３２…拡張部、 ３２ａ…上面、 ３２ｂ…最薄部、 ３２ｃ…凹部壁面、 ３２ｄ…外端部、 ３３…凹部、 ３４…下側拡張部、 １００…セラミックスヒータ（基板載置部材）、 Ｗ…基板。

Claims (4)

1. セラミックスからなり、上面及び該上面の反対側に位置する下面を有する板状の基材と、
   前記基材の内部に埋設された発熱抵抗体と、
   前記基材の下面に接続された筒状の支持部材とを備え、前記基材の上面に基板を載置する基板載置部材であって、
   前記支持部材は、前記基材の下面に接続された上端部を有する筒状部と、前記筒状部の上端部の外周面と一体化し、上面が前記基材の下面に接続され、前記筒状部を取り囲む環状の拡張部と、前記拡張部の下面において前記基材側に向って丸みを帯びて窪んだ環状の凹部とを有し、
   前記拡張部のうち前記基材の厚み方向に沿った上下方向の厚さが最小となり、前記凹部を画定する前記拡張部の凹部壁面の少なくとも一部を含む最薄部が、前記拡張部の径方向外側に位置する外端部より径方向内側に位置し、
   前記拡張部の凹部壁面と前記筒状部の外周面とがなだらかに接続していることを特徴とする基板載置部材。
2. 前記拡張部は、前記凹部より径方向外側の部分において、前記上下方向の厚さが径方向外側に向って連続的に又は断続的に変化することを特徴とする請求項１に記載の基板載置部材。
3. 前記拡張部は、前記外端部において前記上下方向の厚さが最も厚く、前記外端部と前記上下方向の厚さが同じ部分を当該外端部から径方向内側に向って連続して有することを特徴とする請求項１に記載の基板載置部材。
4. 前記筒状部の上端部の内周面は、径方向外側に向けて前記基材の下面に向って傾斜する傾斜面を有することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の基板載置部材。