JP3720606B2 - セラミック部材と金属部材の接合体及びこれを用いたウエハ支持部材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック部材と金属部材とをロウ材からなる接合層でもって接合してなる接合体と、これを用いたウエハ支持部材に関するものであり、上記ウエハ支持部材としては、特にＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング等の成膜処理やエッチング処理を施すための半導体製造装置用として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミック部材と金属部材とを接合した接合体を得るにあたり、両部材をロウ材からなる接合層でもって接合することが行われている。
【０００３】
例えば、半導体装置の製造工程において、半導体ウエハ（以下、ウエハと称す。）に薄膜を形成するＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング等の成膜装置や、半導体ウエハに微細加工を施すドライエッチング装置等の半導体製造装置には、半導体ウエハを真空処理室内に保持するためにサセプターや静電チャックと呼ばれるウエハ支持部材が使用され、該ウエハ支持部材としては、図３に示すような板状セラミック体１１の上面にウエハ３０を載置する載置面１１ａを有し、その内部に内部電極１２を備えるとともに、上記板状セラミック体１１の下面に、筒状金属体１３のフランジ部１３ａをロウ材からなる接合層１４にて気密接合したもがあった。
【０００４】
なお、このウエハ支持部材は、筒状金属体１３の下端に備えるフランジ部１３ｂをＯリング１７を介して真空処理室１８の底面に気密接合してあり、板状セラミック体１１の下面に備える内部電極１２への通電端子２１や、熱電対等の温度検出素子２２あるいは測温用光ファイバー等のウエハ３０の温度検出素子２３と接続された導線を筒状金属体１３の内側より外部へ導出するようになっていた。そして、このウエハ支持部材を使用するには、載置面１１ａにウエハ３０を載置しておいて、真空処理室１８の内部を真空とし、内部電極１２を静電吸着用として用いる場合には、ウエハ３０と内部電極１２との間に直流電圧を印加して静電吸着力を発現させることによって載置面１１ａ上のウエハ３０を吸着固定して各種処理を行い、また、内部電極１２をヒータ電極として用いる場合には、内部電極１２に交流電圧を印加することで、載置面１１ａ上のウエハ３０を加熱しながら各種加工を行うようになっていた。
【０００５】
この時、筒状金属体１３の上下端はそれぞれ気密接合されているため、この筒状金属体１３の内側は、真空処理室１８内の雰囲気と遮断することができる。即ち、真空処理室１８内は１０-9ｔｏｒｒ／ｓｅｃ以下の高真空で、腐食性ガスが導入された高温下にあるが、筒状金属体１３の内側は外部と連通した大気雰囲気とすることができる。
【０００６】
そのため、温度検出素子２２、２３や通電端子２１あるいはこれらに接続される導体が腐食性ガスに曝されることを防ぐことできるようになっている。
【０００７】
また、このような板状セラミック体１１の材質としては、近年、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられる一方、筒状金属体１３は金属で形成されており、両部材の熱膨張差に伴う応力を緩和するために、筒状金属体１３のフランジ部１３ａの肉厚を０．１〜２ｍｍ程度の薄肉とするとともに、板状セラミック体１１と筒状金属体１３とを接合するロウ材としてＡｇ系のロウ材が使用されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した半導体製造装置では、１００〜３００℃、さらには６００℃程度の高温条件でウエハ３０を加工することが多く、上記ウエハ支持部材には常温から上記処理温度の間での熱サイクルが加わることになる。
【０００９】
そのため、この熱サイクルによる熱応力が、筒状金属体１３と板状セラミック体１１との接合層１４に集中して繰り返し発生することから、図４（ａ）（ｂ）に示すように筒状金属体１３のフランジ部１３ａがクリープ変形して板状セラミック体１１との間に隙間が生じたり、あるいはフランジ部１３ａが板状セラミック体１１から剥離してしまうといった課題があった。即ち、加熱時に通常の形状で接合していた熱膨脹係数の大きい筒状金属体１３と熱膨脹係数の小さい板状セラミック板１１とが冷却されると、板状セラミック体１１より筒状金属体１３の方が収縮が進んで筒状金属体１３と板状セラミック体１１との間に引張応力が作用し、この状態が進行すると接合層１４より剥離や割れが生じるというものであった。
【００１０】
そして、この課題は図３に示すウエハ支持部材において、数サイクルから数十サイクルの使用で発生し、半導体製造装置のように高真空状態が要求される場合、ウエハ支持部材を構成する板状セラミック体１１と筒状金属体１３との間からガスリークが発生し、高真空状態を維持できなくなるとともに、ガスリークが発生すると、真空処理室１８内の腐食性ガスが筒状金属体１３の内側に侵入し、温度検出素子２２、２３、通電端子２１、及び導体を腐食させるといった課題があった。
【００１１】
そこで、本件出願人はこれらの課題を解決するウエハ支持部材として、図５に示すように、筒状金属体１３のフランジ部１３ａの下面に、板状セラミック体１１との熱膨張差の小さい応力緩和リング２４をロウ材にて接合したウエハ支持部材を先に提案している（特開平９−２１３７７５号公報参照）。
【００１２】
このウエハ支持部材１１では、筒状金属体１３のフランジ部１３ａを、熱膨張係数が近似した板状セラミック体１１と応力緩和リング２４とで挟持し、フランジ部１３ａの変形を拘束することができるため、板状セラミック体１１と筒状金属体１３のフランジ部１３ａとの間に隙間ができることを効果的に防ぐことができるといった利点があった。
【００１３】
しかしながら、近年、ウエハ３０上に成膜する膜材質の増加に伴って処理温度がさらに高くなり、６５０℃以上の高温条件下でウエハ３０を加工することが望まれているのであるが、Ａｇ系のロウ材では、処理温度がロウ材の融点に近いため、繰り返し発生する熱応力に十分耐え得るだけの強度が得られず、また、処理温度が６５０℃以上を越えると、著しく酸素を通過させ易くなり、気密性が保てなくなるといった課題があった。
【００１４】
その為、このような高温処理条件下では、ロウ材として融点の高いＡｕ−Ｎｉ系やＮｉＣｒ系のロウ材を用いれば良いのであるが、これらのロウ材のロウ付け温度は９００℃以上と高く、図５に示す構造においてもロウ付け時における板状セラミック体１１と筒状金属体１３との熱膨張差を十分に吸収しきれないために、図４（ａ）（ｂ）のように筒状金属体１３のフランジ部１３ａがクリープ変形して板状セラミック体１１との間に隙間が生じたり、あるいはフランジ部１３が板状セラミック体１１から剥離することを避けることができなかった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、セラミック部材に有する凹部内に、金属部材に備える断面形状が略コ字状をした係合部を挿入するとともに、この係合部内に前記セラミック部材との熱膨張差が２×１０-6／℃以下の応力緩和部材を配設してなり、上記セラミック部材、金属部材、応力緩和部材をそれぞれロウ材にて接合してセラミック部材と金属部材との接合体を構成したものである。
【００１６】
また、本発明は、板状セラミック体の上面をウエハの載置面とし、その下面に環状の凹部を設け、該凹部内に、筒状金属体の一方端側に備える断面形状が略コ字状をした環状の係合部を挿入するとともに、この係合部内に前記板状セラミック体との熱膨張差が２×１０-6／℃以下である応力緩和リングを配設してなり、上記板状セラミック体、筒状金属体、及び応力緩和リングをそれぞれロウ材にて接合してウエハ支持部材を構成したものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は本発明のセラミック部材と金属部材との接合体を、半導体ウエハを保持するウエハ支持部材に適用した例を示す断面図である。なお、従来例と同一部分は同一符号で表す。
【００１９】
図１に示すウエハ支持部材は、板状セラミック体１の上面を半導体ウエハ３０を載せる載置面１ａとし、その内部に内部電極２を埋設したもので、サセプターと呼ばれるものである。また、板状セラミック体１の下面には環状の凹部１ｂを有し、この凹部１ｂ内に、筒状金属体３の一方端側に備える断面形状が略コ字状をした環状の係合部４を挿入するとともに、この係合部４内に上記板状セラミック体１との熱膨張差が２×１０-6／℃以下である応力緩和リング６を挿入してあり、板状セラミック体１、筒状金属体３、及び応力緩和リング６をＡｕ系やＮｉＣｒ系のロウ材にて気密に接合してある。
【００２０】
そして、筒状金属体３の下端に備えたフランジ部５をＯリング１７を介して真空処理室１８の底面に気密接合することによりウエハ支持部材を真空処理室１８内に設置してある。
【００２１】
また、板状セラミック体１の下面には、内部電極２への通電端子２１や熱電対等の板状セラミック体１の温度検出素子２２あるいは測温用光ファイバー等のウエハ３０の温度検出素子２３を設置してあり、これらと接続される導線を筒状金属体３の内側より外部へ導出するようになっている。
【００２２】
このウエハ支持部材を使用するには、載置面１ａにウエハ３０を載置しておいて、真空処理室１８の内部を真空とし、内部電極２を静電吸着用として用いる場合には、ウエハ３０と内部電極２との間に直流電圧を印加して静電吸着力を発現させることによって載置面１ａ上のウエハ３０を吸着固定して各種処理を行い、また、内部電極２をヒータ電極として用いる場合には、内部電極２に交流電圧を印加することで、載置面１ａ上のウエハ３０を加熱しながら各種加工を行うようになっている。
【００２３】
そして、本発明によれば、板状セラミック体１の下面に環状の凹部１ｂを設けるとともに、この凹部１ｂ内に、筒状金属体３の一方端側に備える断面形状が略コ字状をした環状の係合部４を挿入するとともに、この係合部４内に板状セラミック体１との熱膨張差が近似した応力緩和リング６を挿入し、各部材を高融点を有するＡｕ系やＮｉＣｒ系のロウ材にて接するようにしてあることから、９００℃以上の高温下でロウ付けしたり、常温から６５０℃以上の処理温度範囲で繰り返し熱サイクルを加えても、板状セラミック体１の凹部１ｂと筒状金属体３の係合部４との間に隙間ができることを効果的に防ぐことができる。
【００２４】
即ち、図２に接合部の拡大図を示すように、板状セラミック体１の凹部１ｂの底面に応力緩和リング６をロウ材にて接合するとともに、板状セラミック体１の凹部１ｂと応力緩和リング６との隙間に、筒状金属体３に備える係合部４の鍔４ａをそれぞれ挿入してロウ材にて接合するようにしてあるため、板状セラミック体１と筒状金属体３の鍔４ａとの間に熱応力が発生しても、筒状金属体３の鍔４ａは、板状セラミック体１との熱膨張係数が近似した応力緩和リング６にて挟持して拘束することができるため、筒状金属体３の鍔４ａが変形することを防止できる。
【００２５】
しかも、筒状金属体３の係合部４は、その断面形状を略コ字状とし、図面の水平方向に占める面積を小さくできるため、水平方向に働く熱応力を低減することができるとともに、係合部４には鍔４ａを設けて表面積を大きくしてあることから、板状セラミック体１と筒状金属体３との接合強度を大幅に高めることができる。
【００２６】
かくして、本発明のウエハ支持部材を用いれば、筒状金属体３の下端を気密に接合することで、真空処理室１８内を１０-9ｔｏｒｒ／ｓｅｃ以下の高真空で、腐食性ガスが導入された高温状態とし、筒状金属体１３の内側を外部と連通した大気雰囲気とすることができるというように、筒状金属体３の内側を、真空処理室１８の雰囲気と完全に遮断することができるため、温度検出素子２２、２３や通電端子２１あるいはこれらに接続される導体が腐食性ガスに曝されることを防ぐことできる。
【００２７】
ただし、このような優れた効果を奏するためには、板状セラミック体１の凹部１ｂの開口部から凹部１ｂの底面に接合された応力緩和リング６までの距離Ｌを３ｍｍ以下とすることが良い。
【００２８】
これは、凹部１ｂの開口部から応力緩和リング６までの距離Ｌが３ｍｍを越えて深くなると、凹部１ｂの開口部近傍には板状セラミッック体１に比べて熱膨張係数の大きい金属のみが介在することになるため、熱応力によって凹部１ｂの開口部周縁を形成するセラミック部にクラックが発生する恐れがあるからである。また、筒状金属体３の係合部４内に収容する応力緩和リング６の厚みＴと幅Ｗは共に２ｍｍ以上とすることが良い。これは、厚みＴや幅Ｗが２ｍｍ未満では、筒状金属体３の鍔４ａの変形を防止する効果が乏しいからで、望ましくは５ｍｍ以上が良い。なお、上限については特に制約はないが、構造上許容される範囲内とすれば良い。
【００２９】
さらに、筒状金属体３に備える係合部４の鍔４ａの肉厚Ｕは、板状セラミック体１との熱膨張差に伴う応力を小さくする観点からできるだけ薄い方が良く、２．０ｍｍ以下とすることが良い。ただし、肉厚Ｕが０．０５ｍｍ以下より薄くなると、鍔４ａの肉厚Ｕは、０．０５〜２．０ｍｍが良く、好ましくは０．１〜２．０ｍｍの範囲が良い。
【００３０】
ところで、この実施形態において、板状セラミック体１を成すセラミックスとしては、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮ，ＺｒＯ2 ，ＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 等の一種以上を主成分とするセラミックスを用いることができる。これらの中でも特に腐食性ガスに対する耐食性及び耐プラズマ性の点から、９９重量％以上のＡｌ2 Ｏ3 を主成分としＳｉＯ2 ，ＭｇＯ，ＣａＯ等の焼結助剤を含有するアルミナセラミックスや、ＡｌＮを主成分とし周期律表２ａ族元素や３ａ族元素の酸化物を０．５〜２０重量％の範囲で含有する窒化アルミニウム質セラミックス、あるいは９９重量％以上のＡｌＮを主成分とする高純度窒化アルミニウム質セラミックスのいずれかが好適である。
【００３１】
また、応力緩和リング６の材質としては、板状セラミック体１との熱膨張率差が２×１０-6／℃以下の範囲にあれば金属やセラミックスのいずれの材質を用いても良いが、特に、板状セラミック体１と同じ主成分のセラミックス、望ましくは板状セラミック体１と同一組成のセラミックスを用いることが好適である。
【００３２】
さらに、筒状金属体３の材質としては、腐食性ガスに対する耐食性や耐プラズマ性が高く、上記板状セラミック体１との熱膨張差が６×１０-6／℃以下の金属を用いることが好ましい。熱膨張差が６×１０-6／℃を超えると、ロウ付け直後にセラミックスの接合界面にクラックが生じや易くなるためである。具体的には、Ｗ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等を用いることができる。
【００３３】
さらに、ロウ材の材質としては前述したＡｕ系やＮｉＣｒ系のロウ材以外にＡｌ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｎを主体とするロウ材を用いることができ、これらのロウ材を用いれば、６５０℃以上の高温条件下で繰り返し熱サイクルが加わったとしても、十分な接合強度を維持することができるとともに、酸素を通過させないため好適であるが、６００℃以下の条件下では、Ａｇを主体とするロウ材を用いることもできる。
【００３４】
なお、図２では、応力緩和リング６と筒状金属体３の係合部４とをロウ材にて接合した例を示したが、予め係合部４の鍔４ａ間の幅を応力緩和リング６の幅Ｗと同等あるいは若干小さくしておいて、係合部４内に応力緩和リング６を嵌合させても構わない。
【００３５】
以上のように、本実施形態では、ウエハ支持部材の例をもって説明したが、本発明は、この実施形態だけに限定されるものではなく、セラミック部材と金属部材とをロウ材でもって接合してなる接合体であればどのような形状のセラミック部材と金属部材の接合体であっても適用できることは言うまでもない。
【００３６】
【実施例】
本発明実施例として、図１に示すウエハ支持部材を試作した。
【００３７】
板状セラミック体１は、直径が約２２０ｍｍの円板状で、ＡｌＮ含有量が９９．９重量％の高純度窒化アルミニウムセラミックスにより形成した。この板状セラミック体１は、上記ＡｌＮの一次原料をメタノールに混合し、粉砕して平均粒径１μｍとしたあと、１０％の有機バインダーを添加してスラリーとした。このスラリーをスプレードライヤーにて造粒し、所定の造粒粉体を作製した。そして、この造粒粉体を用い、ヒータ電極としてモリブデン（Ｍｏ）からなる内部電極２を埋設してなる成形体を形成し、この成形体をホットプレス焼結した。なお、ホットプレスの条件は１９１０℃、２００ｋｇ／ｃｍ2 とした。
【００３８】
また、板状セラミック体１を形成する窒化アルミニウムセラミックスの特性を調べたところ、比重が３．２６ｇ／ｃｍ3 と理論密度に対して充分な焼結密度を有しており、その熱膨張係数は５×１０-6／℃であった。
【００３９】
一方、筒状金属体３は、熱膨張係数が８×１０-6／℃であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金により形成し、その寸法は、筒部の外径を１５０ｍｍ、肉厚を０．５ｍｍとするとともに、断面形状がコ字状をした係合部４の鍔４ａの肉厚Ｕを０．５ｍｍ、鍔４ａ間の幅を１１．１ｍｍとした。
【００４０】
さらに、応力緩和リング６は、上記板状セラミック体１と同じ高純度窒化アルミニウムセラミックスにより形成し、その寸法は、厚みＴが５ｍｍ、幅Ｗが１１ｍｍのリング体とした。
【００４１】
なお、板状セラミック体１の凹部１ｂの幅は１２．１ｍｍ、凹部１ｂの深さは５．５ｍｍとした。
【００４２】
しかるのち、板状セラミック体１、筒状金属体３、応力緩和リング６をロウ付けで接合するのであるが、予め板状セラミック体１の凹部１ｂと応力緩和リング６にＡｕ−Ｎｉ−Ｖ系のロウ材を用いて１０５０℃の温度でメタライズ層を形成しておき、板状セラミック体１の凹部１ｂの底面に応力緩和リング６をＡｕ−Ｎｉ−Ｖ系のロウ材を用いてロウ付け固定したあと、凹部１ｂと応力緩和リング６との隙間に筒状金属体３の係合部４に備える鍔４ａをそれぞれ挿入するとともに、Ａｕ−Ｎｉ−Ｖ系のロウ材を用いてロウ付け固定した。
【００４３】
そこで、このウエハ支持部材１の筒状金属体３にＨｅガスを供給し、板状セラミック体１と筒状金属体３との接合部からのリークの有無をＨｅガスリークディテクターを用いて測定したところで、本発明のウエハ支持部材にはガスのリークは見られず、良好な接合状態であった。
【００４４】
これに対し、図３に示す従来のウエハ支持部材及び図５に示す本件出願人が先に提案したウエハ支持部材を、それぞれ本発明のウエハ支持部材を形成する同一材質により形成したところ、ガスのリークが見られ、ロウ付け直後に板状セラミック体１１と筒状金属体１３のフランジウ１３ａとの間に隙間が発生した。
【００４５】
次に、本発明実施例のウエハ支持部材に対し、板状セラミック体１の凹部１ｂの開口部から応力緩和リング６までの距離Ｌを異ならせたものを数点用意し、これらのウエハ支持部材をＣＶＤ装置の真空処理室１８内に気密に設置し、１５℃／分の昇温速度で常温から８５０℃までの熱サイクルを５０回加えたあとのガスリークの有無をＨｅガスリークディテクターを用いて測定した。
【００４６】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００４７】
【表１】
【００４８】
この結果、板状セラミック体１の凹部１ｂの開口部から応力緩和リング６までの距離Ｌが、３．０ｍｍ以下であれば、５０回の熱サイルルを加えてもガスリークが見られず、十分な接合強度を有することを確認することができた。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、セラミック部材に備える凹部に、金属部材に有する断面形状が略コ字状をした係合部を挿入するとともに、上記断面形状が略コ字状をした係合部内に前記セラミック部材との熱膨張差が２×１０-6／℃以下の応力緩和部材を配設してなり、上記セラミック部材、金属部材、応力緩和部材をそれぞれロウ材にて接合してセラミック部材と金属部材との接合体を構成したことによって、９００℃以上の温度でロウ付けしたり、あるいは常温から６５０℃以上という非常に高温の温度範囲で熱サイクルを繰り返し加えても、セラミック部材と金属部材との接合部に隙間ができたり、金属部材の係合部が剥離することを効果的に防ぎ、接合部の耐久性を大幅に向上させることができる。
【００５０】
また、本発明は、ウエハの載置面を有する板状セラミックス体の下面に環状の凹部を設け、該凹部内に、筒状金属体の一方端側に備える断面形状が略コ字状をした環状の係合部を挿入するとともに、この係合部内に前記板状セラミック体との熱膨張差が２×１０-6／℃以下である応力緩和リングを配設してなり、上記板状セラミック体、筒状金属体、及び応力緩和リングをそれぞれロウ材にて接合してウエハ支持部材を構成したことによって、９００℃以上の温度でロウ付けしたり、あるいは常温から６５０℃以上という非常に高温の温度範囲で熱サイクルを繰り返し加えても、板状セラミック体と筒状金属体の係合部との間に隙間ができたり、筒状金属体の係合部が剥離することを効果的に防ぎ、ガスリークの発生を防止することができる。その為、真空処理室内の高真空度を維持できるとともに、筒状金属体内に備える通電端子や温度検出素子及びこれらと接続される導体等が腐食性ガスに曝されるとを防ぎ、長期間にわたって使用可能なウエハ支持部材とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック部材と金属部材との接合体を、半導体ウエハを保持するウエハ支持部材に適用した例を示す断面図である。
【図２】本発明のウエハ支持部材における板状セラミック体と筒状金属体との接合構造を示す拡大断面図である。
【図３】従来のウエハ支持部材を真空処理室内に設置した状態を示す断面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）はそれぞれ従来のウエハ支持部材における板状セラミック体と筒状金属体との接合部における破損状態を説明するための拡大断面図である。
【図５】本件出願人が先に提案したウエハ支持部材を真空処理室内に設置した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１・・・板状セラミック体 １ａ，１１ａ・・・載置面
１ｂ・・・環状の凹部 ２，１２・・・内部電極 ３，１３・・・筒状金属体
４・・・係合部 ５・・・フランジ部 ６，２４・・・応力緩和リング
１７・・・Ｏリング １８・・・真空処理室 ２１・・・通電端子
２２，２３・・・温度検出素子 ３０・・・半導体ウエハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック部材と金属部材とをロウ材からなる接合層でもって接合してなる接合体と、これを用いたウエハ支持部材に関するものであり、上記ウエハ支持部材としては、特にＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング等の成膜処理やエッチング処理を施すための半導体製造装置用として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミック部材と金属部材とを接合した接合体を得るにあたり、両部材をロウ材からなる接合層でもって接合することが行われている。
【０００３】
例えば、半導体装置の製造工程において、半導体ウエハ（以下、ウエハと称す。）に薄膜を形成するＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング等の成膜装置や、半導体ウエハに微細加工を施すドライエッチング装置等の半導体製造装置には、半導体ウエハを真空処理室内に保持するためにサセプターや静電チャックと呼ばれるウエハ支持部材が使用され、該ウエハ支持部材としては、図３に示すような板状セラミック体１１の上面にウエハ３０を載置する載置面１１ａを有し、その内部に内部電極１２を備えるとともに、上記板状セラミック体１１の下面に、筒状金属体１３のフランジ部１３ａをロウ材からなる接合層１４にて気密接合したもがあった。
【０００４】
なお、このウエハ支持部材は、筒状金属体１３の下端に備えるフランジ部１３ｂをＯリング１７を介して真空処理室１８の底面に気密接合してあり、板状セラミック体１１の下面に備える内部電極１２への通電端子２１や、熱電対等の温度検出素子２２あるいは測温用光ファイバー等のウエハ３０の温度検出素子２３と接続された導線を筒状金属体１３の内側より外部へ導出するようになっていた。そして、このウエハ支持部材を使用するには、載置面１１ａにウエハ３０を載置しておいて、真空処理室１８の内部を真空とし、内部電極１２を静電吸着用として用いる場合には、ウエハ３０と内部電極１２との間に直流電圧を印加して静電吸着力を発現させることによって載置面１１ａ上のウエハ３０を吸着固定して各種処理を行い、また、内部電極１２をヒータ電極として用いる場合には、内部電極１２に交流電圧を印加することで、載置面１１ａ上のウエハ３０を加熱しながら各種加工を行うようになっていた。
【０００５】
この時、筒状金属体１３の上下端はそれぞれ気密接合されているため、この筒状金属体１３の内側は、真空処理室１８内の雰囲気と遮断することができる。即ち、真空処理室１８内は１０-9ｔｏｒｒ／ｓｅｃ以下の高真空で、腐食性ガスが導入された高温下にあるが、筒状金属体１３の内側は外部と連通した大気雰囲気とすることができる。
【０００６】
そのため、温度検出素子２２、２３や通電端子２１あるいはこれらに接続される導体が腐食性ガスに曝されることを防ぐことできるようになっている。
【０００７】
また、このような板状セラミック体１１の材質としては、近年、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられる一方、筒状金属体１３は金属で形成されており、両部材の熱膨張差に伴う応力を緩和するために、筒状金属体１３のフランジ部１３ａの肉厚を０．１〜２ｍｍ程度の薄肉とするとともに、板状セラミック体１１と筒状金属体１３とを接合するロウ材としてＡｇ系のロウ材が使用されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した半導体製造装置では、１００〜３００℃、さらには６００℃程度の高温条件でウエハ３０を加工することが多く、上記ウエハ支持部材には常温から上記処理温度の間での熱サイクルが加わることになる。
【０００９】
そのため、この熱サイクルによる熱応力が、筒状金属体１３と板状セラミック体１１との接合層１４に集中して繰り返し発生することから、図４（ａ）（ｂ）に示すように筒状金属体１３のフランジ部１３ａがクリープ変形して板状セラミック体１１との間に隙間が生じたり、あるいはフランジ部１３ａが板状セラミック体１１から剥離してしまうといった課題があった。即ち、加熱時に通常の形状で接合していた熱膨脹係数の大きい筒状金属体１３と熱膨脹係数の小さい板状セラミック板１１とが冷却されると、板状セラミック体１１より筒状金属体１３の方が収縮が進んで筒状金属体１３と板状セラミック体１１との間に引張応力が作用し、この状態が進行すると接合層１４より剥離や割れが生じるというものであった。
【００１０】
そして、この課題は図３に示すウエハ支持部材において、数サイクルから数十サイクルの使用で発生し、半導体製造装置のように高真空状態が要求される場合、ウエハ支持部材を構成する板状セラミック体１１と筒状金属体１３との間からガスリークが発生し、高真空状態を維持できなくなるとともに、ガスリークが発生すると、真空処理室１８内の腐食性ガスが筒状金属体１３の内側に侵入し、温度検出素子２２、２３、通電端子２１、及び導体を腐食させるといった課題があった。
【００１１】
そこで、本件出願人はこれらの課題を解決するウエハ支持部材として、図５に示すように、筒状金属体１３のフランジ部１３ａの下面に、板状セラミック体１１との熱膨張差の小さい応力緩和リング２４をロウ材にて接合したウエハ支持部材を先に提案している（特開平９−２１３７７５号公報参照）。
【００１２】
このウエハ支持部材１１では、筒状金属体１３のフランジ部１３ａを、熱膨張係数が近似した板状セラミック体１１と応力緩和リング２４とで挟持し、フランジ部１３ａの変形を拘束することができるため、板状セラミック体１１と筒状金属体１３のフランジ部１３ａとの間に隙間ができることを効果的に防ぐことができるといった利点があった。
【００１３】
しかしながら、近年、ウエハ３０上に成膜する膜材質の増加に伴って処理温度がさらに高くなり、６５０℃以上の高温条件下でウエハ３０を加工することが望まれているのであるが、Ａｇ系のロウ材では、処理温度がロウ材の融点に近いため、繰り返し発生する熱応力に十分耐え得るだけの強度が得られず、また、処理温度が６５０℃以上を越えると、著しく酸素を通過させ易くなり、気密性が保てなくなるといった課題があった。
【００１４】
その為、このような高温処理条件下では、ロウ材として融点の高いＡｕ−Ｎｉ系やＮｉＣｒ系のロウ材を用いれば良いのであるが、これらのロウ材のロウ付け温度は９００℃以上と高く、図５に示す構造においてもロウ付け時における板状セラミック体１１と筒状金属体１３との熱膨張差を十分に吸収しきれないために、図４（ａ）（ｂ）のように筒状金属体１３のフランジ部１３ａがクリープ変形して板状セラミック体１１との間に隙間が生じたり、あるいはフランジ部１３が板状セラミック体１１から剥離することを避けることができなかった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、セラミック部材に有する凹部内に、金属部材に備える断面形状が略コ字状をした係合部を挿入するとともに、この係合部内に前記セラミック部材との熱膨張差が２×１０-6／℃以下の応力緩和部材を配設してなり、上記セラミック部材、金属部材、応力緩和部材をそれぞれロウ材にて接合してセラミック部材と金属部材との接合体を構成したものである。
【００１６】
また、本発明は、板状セラミック体の上面をウエハの載置面とし、その下面に環状の凹部を設け、該凹部内に、筒状金属体の一方端側に備える断面形状が略コ字状をした環状の係合部を挿入するとともに、この係合部内に前記板状セラミック体との熱膨張差が２×１０-6／℃以下である応力緩和リングを配設してなり、上記板状セラミック体、筒状金属体、及び応力緩和リングをそれぞれロウ材にて接合してウエハ支持部材を構成したものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は本発明のセラミック部材と金属部材との接合体を、半導体ウエハを保持するウエハ支持部材に適用した例を示す断面図である。なお、従来例と同一部分は同一符号で表す。
【００１９】
図１に示すウエハ支持部材は、板状セラミック体１の上面を半導体ウエハ３０を載せる載置面１ａとし、その内部に内部電極２を埋設したもので、サセプターと呼ばれるものである。また、板状セラミック体１の下面には環状の凹部１ｂを有し、この凹部１ｂ内に、筒状金属体３の一方端側に備える断面形状が略コ字状をした環状の係合部４を挿入するとともに、この係合部４内に上記板状セラミック体１との熱膨張差が２×１０-6／℃以下である応力緩和リング６を挿入してあり、板状セラミック体１、筒状金属体３、及び応力緩和リング６をＡｕ系やＮｉＣｒ系のロウ材にて気密に接合してある。
【００２０】
そして、筒状金属体３の下端に備えたフランジ部５をＯリング１７を介して真空処理室１８の底面に気密接合することによりウエハ支持部材を真空処理室１８内に設置してある。
【００２１】
また、板状セラミック体１の下面には、内部電極２への通電端子２１や熱電対等の板状セラミック体１の温度検出素子２２あるいは測温用光ファイバー等のウエハ３０の温度検出素子２３を設置してあり、これらと接続される導線を筒状金属体３の内側より外部へ導出するようになっている。
【００２２】
このウエハ支持部材を使用するには、載置面１ａにウエハ３０を載置しておいて、真空処理室１８の内部を真空とし、内部電極２を静電吸着用として用いる場合には、ウエハ３０と内部電極２との間に直流電圧を印加して静電吸着力を発現させることによって載置面１ａ上のウエハ３０を吸着固定して各種処理を行い、また、内部電極２をヒータ電極として用いる場合には、内部電極２に交流電圧を印加することで、載置面１ａ上のウエハ３０を加熱しながら各種加工を行うようになっている。
【００２３】
そして、本発明によれば、板状セラミック体１の下面に環状の凹部１ｂを設けるとともに、この凹部１ｂ内に、筒状金属体３の一方端側に備える断面形状が略コ字状をした環状の係合部４を挿入するとともに、この係合部４内に板状セラミック体１との熱膨張差が近似した応力緩和リング６を挿入し、各部材を高融点を有するＡｕ系やＮｉＣｒ系のロウ材にて接するようにしてあることから、９００℃以上の高温下でロウ付けしたり、常温から６５０℃以上の処理温度範囲で繰り返し熱サイクルを加えても、板状セラミック体１の凹部１ｂと筒状金属体３の係合部４との間に隙間ができることを効果的に防ぐことができる。
【００２４】
即ち、図２に接合部の拡大図を示すように、板状セラミック体１の凹部１ｂの底面に応力緩和リング６をロウ材にて接合するとともに、板状セラミック体１の凹部１ｂと応力緩和リング６との隙間に、筒状金属体３に備える係合部４の鍔４ａをそれぞれ挿入してロウ材にて接合するようにしてあるため、板状セラミック体１と筒状金属体３の鍔４ａとの間に熱応力が発生しても、筒状金属体３の鍔４ａは、板状セラミック体１との熱膨張係数が近似した応力緩和リング６にて挟持して拘束することができるため、筒状金属体３の鍔４ａが変形することを防止できる。
【００２５】
しかも、筒状金属体３の係合部４は、その断面形状を略コ字状とし、図面の水平方向に占める面積を小さくできるため、水平方向に働く熱応力を低減することができるとともに、係合部４には鍔４ａを設けて表面積を大きくしてあることから、板状セラミック体１と筒状金属体３との接合強度を大幅に高めることができる。
【００２６】
かくして、本発明のウエハ支持部材を用いれば、筒状金属体３の下端を気密に接合することで、真空処理室１８内を１０-9ｔｏｒｒ／ｓｅｃ以下の高真空で、腐食性ガスが導入された高温状態とし、筒状金属体１３の内側を外部と連通した大気雰囲気とすることができるというように、筒状金属体３の内側を、真空処理室１８の雰囲気と完全に遮断することができるため、温度検出素子２２、２３や通電端子２１あるいはこれらに接続される導体が腐食性ガスに曝されることを防ぐことできる。
【００２７】
ただし、このような優れた効果を奏するためには、板状セラミック体１の凹部１ｂの開口部から凹部１ｂの底面に接合された応力緩和リング６までの距離Ｌを３ｍｍ以下とすることが良い。
【００２８】
これは、凹部１ｂの開口部から応力緩和リング６までの距離Ｌが３ｍｍを越えて深くなると、凹部１ｂの開口部近傍には板状セラミッック体１に比べて熱膨張係数の大きい金属のみが介在することになるため、熱応力によって凹部１ｂの開口部周縁を形成するセラミック部にクラックが発生する恐れがあるからである。また、筒状金属体３の係合部４内に収容する応力緩和リング６の厚みＴと幅Ｗは共に２ｍｍ以上とすることが良い。これは、厚みＴや幅Ｗが２ｍｍ未満では、筒状金属体３の鍔４ａの変形を防止する効果が乏しいからで、望ましくは５ｍｍ以上が良い。なお、上限については特に制約はないが、構造上許容される範囲内とすれば良い。
【００２９】
さらに、筒状金属体３に備える係合部４の鍔４ａの肉厚Ｕは、板状セラミック体１との熱膨張差に伴う応力を小さくする観点からできるだけ薄い方が良く、２．０ｍｍ以下とすることが良い。ただし、肉厚Ｕが０．０５ｍｍ以下より薄くなると、鍔４ａの肉厚Ｕは、０．０５〜２．０ｍｍが良く、好ましくは０．１〜２．０ｍｍの範囲が良い。
【００３０】
ところで、この実施形態において、板状セラミック体１を成すセラミックスとしては、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮ，ＺｒＯ2 ，ＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 等の一種以上を主成分とするセラミックスを用いることができる。これらの中でも特に腐食性ガスに対する耐食性及び耐プラズマ性の点から、９９重量％以上のＡｌ2 Ｏ3 を主成分としＳｉＯ2 ，ＭｇＯ，ＣａＯ等の焼結助剤を含有するアルミナセラミックスや、ＡｌＮを主成分とし周期律表２ａ族元素や３ａ族元素の酸化物を０．５〜２０重量％の範囲で含有する窒化アルミニウム質セラミックス、あるいは９９重量％以上のＡｌＮを主成分とする高純度窒化アルミニウム質セラミックスのいずれかが好適である。
【００３１】
また、応力緩和リング６の材質としては、板状セラミック体１との熱膨張率差が２×１０-6／℃以下の範囲にあれば金属やセラミックスのいずれの材質を用いても良いが、特に、板状セラミック体１と同じ主成分のセラミックス、望ましくは板状セラミック体１と同一組成のセラミックスを用いることが好適である。
【００３２】
さらに、筒状金属体３の材質としては、腐食性ガスに対する耐食性や耐プラズマ性が高く、上記板状セラミック体１との熱膨張差が６×１０-6／℃以下の金属を用いることが好ましい。熱膨張差が６×１０-6／℃を超えると、ロウ付け直後にセラミックスの接合界面にクラックが生じや易くなるためである。具体的には、Ｗ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等を用いることができる。
【００３３】
さらに、ロウ材の材質としては前述したＡｕ系やＮｉＣｒ系のロウ材以外にＡｌ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｎを主体とするロウ材を用いることができ、これらのロウ材を用いれば、６５０℃以上の高温条件下で繰り返し熱サイクルが加わったとしても、十分な接合強度を維持することができるとともに、酸素を通過させないため好適であるが、６００℃以下の条件下では、Ａｇを主体とするロウ材を用いることもできる。
【００３４】
なお、図２では、応力緩和リング６と筒状金属体３の係合部４とをロウ材にて接合した例を示したが、予め係合部４の鍔４ａ間の幅を応力緩和リング６の幅Ｗと同等あるいは若干小さくしておいて、係合部４内に応力緩和リング６を嵌合させても構わない。
【００３５】
以上のように、本実施形態では、ウエハ支持部材の例をもって説明したが、本発明は、この実施形態だけに限定されるものではなく、セラミック部材と金属部材とをロウ材でもって接合してなる接合体であればどのような形状のセラミック部材と金属部材の接合体であっても適用できることは言うまでもない。
【００３６】
【実施例】
本発明実施例として、図１に示すウエハ支持部材を試作した。
【００３７】
板状セラミック体１は、直径が約２２０ｍｍの円板状で、ＡｌＮ含有量が９９．９重量％の高純度窒化アルミニウムセラミックスにより形成した。この板状セラミック体１は、上記ＡｌＮの一次原料をメタノールに混合し、粉砕して平均粒径１μｍとしたあと、１０％の有機バインダーを添加してスラリーとした。このスラリーをスプレードライヤーにて造粒し、所定の造粒粉体を作製した。そして、この造粒粉体を用い、ヒータ電極としてモリブデン（Ｍｏ）からなる内部電極２を埋設してなる成形体を形成し、この成形体をホットプレス焼結した。なお、ホットプレスの条件は１９１０℃、２００ｋｇ／ｃｍ2 とした。
【００３８】
また、板状セラミック体１を形成する窒化アルミニウムセラミックスの特性を調べたところ、比重が３．２６ｇ／ｃｍ3 と理論密度に対して充分な焼結密度を有しており、その熱膨張係数は５×１０-6／℃であった。
【００３９】
一方、筒状金属体３は、熱膨張係数が８×１０-6／℃であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金により形成し、その寸法は、筒部の外径を１５０ｍｍ、肉厚を０．５ｍｍとするとともに、断面形状がコ字状をした係合部４の鍔４ａの肉厚Ｕを０．５ｍｍ、鍔４ａ間の幅を１１．１ｍｍとした。
【００４０】
さらに、応力緩和リング６は、上記板状セラミック体１と同じ高純度窒化アルミニウムセラミックスにより形成し、その寸法は、厚みＴが５ｍｍ、幅Ｗが１１ｍｍのリング体とした。
【００４１】
なお、板状セラミック体１の凹部１ｂの幅は１２．１ｍｍ、凹部１ｂの深さは５．５ｍｍとした。
【００４２】
しかるのち、板状セラミック体１、筒状金属体３、応力緩和リング６をロウ付けで接合するのであるが、予め板状セラミック体１の凹部１ｂと応力緩和リング６にＡｕ−Ｎｉ−Ｖ系のロウ材を用いて１０５０℃の温度でメタライズ層を形成しておき、板状セラミック体１の凹部１ｂの底面に応力緩和リング６をＡｕ−Ｎｉ−Ｖ系のロウ材を用いてロウ付け固定したあと、凹部１ｂと応力緩和リング６との隙間に筒状金属体３の係合部４に備える鍔４ａをそれぞれ挿入するとともに、Ａｕ−Ｎｉ−Ｖ系のロウ材を用いてロウ付け固定した。
【００４３】
そこで、このウエハ支持部材１の筒状金属体３にＨｅガスを供給し、板状セラミック体１と筒状金属体３との接合部からのリークの有無をＨｅガスリークディテクターを用いて測定したところで、本発明のウエハ支持部材にはガスのリークは見られず、良好な接合状態であった。
【００４４】
これに対し、図３に示す従来のウエハ支持部材及び図５に示す本件出願人が先に提案したウエハ支持部材を、それぞれ本発明のウエハ支持部材を形成する同一材質により形成したところ、ガスのリークが見られ、ロウ付け直後に板状セラミック体１１と筒状金属体１３のフランジウ１３ａとの間に隙間が発生した。
【００４５】
次に、本発明実施例のウエハ支持部材に対し、板状セラミック体１の凹部１ｂの開口部から応力緩和リング６までの距離Ｌを異ならせたものを数点用意し、これらのウエハ支持部材をＣＶＤ装置の真空処理室１８内に気密に設置し、１５℃／分の昇温速度で常温から８５０℃までの熱サイクルを５０回加えたあとのガスリークの有無をＨｅガスリークディテクターを用いて測定した。
【００４６】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００４７】
【表１】
この結果、板状セラミック体１の凹部１ｂの開口部から応力緩和リング６までの距離Ｌが、３．０ｍｍ以下であれば、５０回の熱サイルルを加えてもガスリークが見られず、十分な接合強度を有することを確認することができた。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、セラミック部材に備える凹部に、金属部材に有する断面形状が略コ字状をした係合部を挿入するとともに、上記断面形状が略コ字状をした係合部内に前記セラミック部材との熱膨張差が２×１０-6／℃以下の応力緩和部材を配設してなり、上記セラミック部材、金属部材、応力緩和部材をそれぞれロウ材にて接合してセラミック部材と金属部材との接合体を構成したことによって、９００℃以上の温度でロウ付けしたり、あるいは常温から６５０℃以上という非常に高温の温度範囲で熱サイクルを繰り返し加えても、セラミック部材と金属部材との接合部に隙間ができたり、金属部材の係合部が剥離することを効果的に防ぎ、接合部の耐久性を大幅に向上させることができる。
【００５０】
また、本発明は、ウエハの載置面を有する板状セラミックス体の下面に環状の凹部を設け、該凹部内に、筒状金属体の一方端側に備える断面形状が略コ字状をした環状の係合部を挿入するとともに、この係合部内に前記板状セラミック体との熱膨張差が２×１０-6／℃以下である応力緩和リングを配設してなり、上記板状セラミック体、筒状金属体、及び応力緩和リングをそれぞれロウ材にて接合してウエハ支持部材を構成したことによって、９００℃以上の温度でロウ付けしたり、あるいは常温から６５０℃以上という非常に高温の温度範囲で熱サイクルを繰り返し加えても、板状セラミック体と筒状金属体の係合部との間に隙間ができたり、筒状金属体の係合部が剥離することを効果的に防ぎ、ガスリークの発生を防止することができる。その為、真空処理室内の高真空度を維持できるとともに、筒状金属体内に備える通電端子や温度検出素子及びこれらと接続される導体等が腐食性ガスに曝されるとを防ぎ、長期間にわたって使用可能なウエハ支持部材とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック部材と金属部材との接合体を、半導体ウエハを保持するウエハ支持部材に適用した例を示す断面図である。
【図２】本発明のウエハ支持部材における板状セラミック体と筒状金属体との接合構造を示す拡大断面図である。
【図３】従来のウエハ支持部材を真空処理室内に設置した状態を示す断面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）はそれぞれ従来のウエハ支持部材における板状セラミック体と筒状金属体との接合部における破損状態を説明するための拡大断面図である。
【図５】本件出願人が先に提案したウエハ支持部材を真空処理室内に設置した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１・・・板状セラミック体 １ａ，１１ａ・・・載置面
１ｂ・・・環状の凹部 ２，１２・・・内部電極 ３，１３・・・筒状金属体
４・・・係合部 ５・・・フランジ部 ６，２４・・・応力緩和リング
１７・・・Ｏリング １８・・・真空処理室 ２１・・・通電端子
２２，２３・・・温度検出素子 ３０・・・半導体ウエハ
Claims (2)
- セラミック部材に有する凹部内に、金属部材に備える断面形状が略コ字状をした係合部を挿入するとともに、該係合部内に前記セラミック部材との熱膨張差が２×１０-6／℃以下の応力緩和部材を配設してなり、上記セラミック部材、金属部材、応力緩和部材をそれぞれロウ材にて接合したことを特徴とするセラミック部材と金属部材との接合体。
- 板状セラミックス体の上面をウエハの載置面とし、その下面に環状の凹部を有し、該凹部内に、筒状金属体の一方端側に備える断面形状が略コ字状をした環状の係合部を挿入するとともに、該係合部内に前記板状セラミック体との熱膨張差が２×１０-6／℃以下である応力緩和リングを配設してなり、上記板状セラミック体、筒状金属体、及び応力緩和リングをそれぞれロウ材にて接合したことを特徴とするウエハ支持部材。
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