JP3906087B2 - 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、半導体ウエハなどのウエハを保持する静電チャック、ヒータ内蔵型サセプタ、プラズマ発生機能を有するサセプタ等のウエハ支持部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造工程においては、半導体ウエハ（以下、ウエハと略称する）を高精度に保持するために静電チャック、ヒータ内蔵型サセプタ、プラズマ発生機能を有するサセプタ等のウエハ支持部材が使用されている。
【０００３】
例えば、図３に従来のウエハ支持部材５１の一例である縦断面図を示すように、このウエハ支持部材５１は、セラミック基体５２の上面をウエハを載せる載置面５５とし、セラミック基体５２の内部上方に静電吸着用電極５３を、内部下方にヒータ電極５４をそれぞれ埋設したもので、上記載置面５５にウェハ６１を載せ、ウェハ６１と静電吸着用電極５３との間に直流電圧を印加することで、誘電分極によるクーロン力や微小な漏れ電流によるジョンソン・ラーベック力を発現させてウェハ６１を載置面５５に吸着保持させるとともに、ヒータ電極５４に通電することによりウェハ６１を加熱するようになっていた。
【０００４】
また、上記セラミック基体５２に埋設する静電吸着用電極５３やヒータ電極５４などの内部電極への給電構造は、その一例として図４にヒータ電極５４への給電構造を示すように、セラミック基体５２の下面５６に給電端子５８を取り付けるための固定孔６０を上記内部電極５４と連通するように穿設し、固定孔６０の内壁面６０ａと底面６０ｂにメタライズ層６３を形成した後、外径が３〜１０ｍｍ程度の給電端子５８を挿入し、ロウ付け固定することにより導通を図るようにしたものがあった（特開平１０―１８９６９６号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図４に示すような給電構造を持ったウエハ支持部材５１では次のような課題があった。
【０００６】
給電端子５８をロウ付け固定する場合、９００℃程度の高温に加熱しなければならないことから、大きな断面積を有する給電端子５８をセラミック基体５２の固定孔６０にロウ付け固定すると、給電端子５８とセラミック基体５２との間の熱膨張差に起因して接合部分に歪みが残留し、十分な設計、検証がなされていないとセラミック基体５２が破損するといった課題があった。しかも、接合することができたとしても、セラミック基体５２と給電端子６０との間に繰り返し熱応力が作用すると、固定孔６０の内壁面からセラミック基体５２の下面にかけてクラックが発生し易く、特に高温域で繰り返し使用する場合、耐久性に問題があった。
【０００７】
また、セラミック基板５２に埋設する内部電極５４は厚みが数μｍから数十μｍと極めて薄い金属膜であることから、内部電極５４に直接接合した給電端子５８に数アンペアから数十アンペアもの電流を印加しながら加熱／冷却を繰り返すと、繰り返し疲労により給電端子５８の挿入部先端面５８ａと固定孔６０の内壁面に形成されたメタライズ層６３との間に形成されているロウ材のメニスカス６４の先端Ｐよりセラミック基体５２の下面５６に向かってマイクロクラック６５が発生し、このマイクロクラック６５が進展すると、内部電極５４を横断して抵抗を変化させたり、断線を起こすといった課題があった。
【０００８】
特に、セラミック基体５２が比較的低熱膨の窒化アルミニウムからなり、給電端子５８がタングステン、モリブデン、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材からなる場合、窒化アルミニウムはセラミックスの中で機械的強度がそれほど大きくないこと、セラミック基体５２と給電端子５８との熱膨張差が大きいこと、等によりセラミック基体５２にクラックが発生し易いものであった。
【０００９】
また、このような問題はヒータ電極５４への給電構造だけに限らず、同様の構造を有する静電吸着用電極５３への給電構造にもあり、しかも、半導体プロセスの高スループット化や高精度化に伴い今まで以上の昇降温のスピードアップや静電吸着用電極５３をＲＦプラズマ発生用電極と兼用し高周波を印加して大電流を流すことも多くなっていることから、上述したような課題がさらに発生し易くなっていた。
【００１０】
【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、セラミック基体の上面を、ウエハを載せる載置面とし、上記セラミック基体の内部に少なくとも一つの内部電極を備えるとともに、上記セラミック基体の下面に給電端子を取り付けるための固定孔を上記内部電極を貫通して穿設し、その内壁面にメタライズ層を形成した後、給電端子を挿入し、ロウ付け固定した上記給電端子の挿入部先端面と上記固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカスを備えたウエハ支持部材において、上記給電端子の挿入部先端面を上記内部電極よりも上記セラミック基体の下面側に配置するとともに、上記給電端子の少なくとも挿入部先端面にセラミック粒子を塗布して、上記給電端子の挿入部先端面と上記固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカスを小さくしたことを特徴とする。
【００１１】
また、好ましくは上記セラミック粒子が窒化硼素であることが良い。
【００１２】
【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。
【００１３】
図１は、本発明のウエハ支持部材の一例を示す縦断面図で、セラミック基体２の上面を、ウエハ１１を載せる載置面５とするとともに、セラミック基体２の内部上方に静電吸着用電極３を、内部下方にヒータ電極４をそれぞれ埋設したもので、セラミック基体２の下面６には静電吸着用電極３及びヒータ電極４にそれぞれ通電するための給電端子７，８をロウ付けにて接合してある。
【００１４】
このようなウエハ支持部材１を構成するセラミック基体２としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、窒化硼素などのセラミックスで形成され、この中でも特に窒化アルミニウムは、セラミックスの中で高い熱伝導率を有することから、載置面５に吸着保持したウェハ１１を所望の温度に直ちに加熱し、加熱ムラを生じることなく均一に加熱することができるとともに、成膜工程やエッチング工程で使用されているハロゲン系腐食性ガスに対して優れた耐蝕性を有することから、ウエハ支持部材１を構成するのに好適である。
【００１５】
なお、上記ウエハ支持部材１の載置面５は、ウェハ１１を歪ませることなく吸着保持するために、平坦度が１０μｍ以下の極めて平坦な面に仕上げることが好ましい。
【００１６】
また、静電吸着用電極３やヒータ電極４に通電するための給電端子７，８の材質としては、高い耐熱性を有するとともに、セラミック基体２の熱膨張係数に近似したものが良く、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などの金属により形成すれば良い。これらの金属は５００℃程度の高温下でも使用可能であるとともに、熱膨張係数が３×１０-6〜７×１０-6／℃とセラミック基体２の熱膨張係数（３×１０-6〜７．８×１０-6／℃）と近似していることから、セラミック基体２に加わる応力を軽減することができる。
【００１７】
一方、セラミック基体２に埋設する静電吸着用電極３やヒータ電極４などの内部電極への給電構造としては、セラミック基体２の下面６に給電端子７，８を取り付けるための固定孔９，１０を静電吸着用電極３及びヒータ電極４をそれぞれ貫通して穿設するとともに、給電端子７，８を固定孔９，１０内にロウ付け固定するのであるが、給電端子７，８の挿入部先端面にセラミック粒子を付着させたことを特徴とする。
【００１８】
以下、本発明のウエハ支持部材１における内部電極への給電構造を図２に示すヒータ電極４への給電構造を例にとって説明する。
【００１９】
図２は図１のＡ部を示す拡大図で、セラミック基体２の下面６に給電端子８を取り付けるための固定孔１０をヒータ電極４を貫通して穿設するとともに、固定孔１０の内壁面、底面及びセラミック基体２の固定孔開口部周辺にメタライズ層１３を形成してある。メタライズ層１３の層厚みＴとしては数十μｍ程度あれば良い。
【００２０】
そして、固定孔１０の内壁面１０ａ及び底面１０ｂにロウ材を塗布した後、給電端子８を挿入するのであるが、給電端子８の少なくとも挿入部先端面８ａにセラミック粒子を付着させたものを挿入し、ロウ付け固定する。この時、ロウ材は給電端子８の挿入部先端面８ａに有するセラミック粒子との濡れ性が悪く、給電端子８の挿入部先端面８ａにロウ材が付着するのを防ぐことができるため、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０の内壁面に形成されたメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４を小さくすることができる。その為、メニスカス１４に作用する熱応力を大幅に低減することができるため、メニスカス１４の先端よりセラミック基体２にクラックが発生するのを効果的に防止することができる。
【００２１】
ところで、給電端子８の挿入部先端面８ａに付着させるセラミック粒子としては、融点がロウ付け温度よりも高く、ロウ材との濡れ性が悪いものが良く、例えば、窒化硼素を用いる。
【００２２】
使用するセラミック粒子の大きさについては特に限定するものではないが、平均粒径１．５μｍ以下の大きさを有するものであれば構わない。
また、これらのセラミック粒子を給電端子８に付着させるには、セラミック粒子を分散させた溶媒を給電端子８の少なくとも挿入部先端面８ａに塗布しておくだけで付着させることができる。
【００２３】
さらに、信頼性を高めるためには、給電端子８の挿入部先端面８ａをヒータ電極４よりもセラミック基体２の下面６側に配置するとともに、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０の内壁面に形成したメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４の先端からヒータ電極４までの距離Ｌを０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００２４】
ここで、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０の内壁面に形成したメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４とは、ロウ材の溜まりのことであり、その表面は滑らかな凹曲面形状をなす。また、このメニスカス１４の先端とは、メタライズ層１３との間に形成される鋭角部分の先を指し、具体的にはメニスカス１４の表面に接線を引いたときに固定孔１０の内壁面１０ａとの角度が１０度になる点で図２ではＱ点を指す。
【００２５】
このように、給電端子８の挿入部先端面８ａをヒータ電極４よりもセラミック基体２の下面６側に配置することで、熱膨張係数の大きな給電端子８の挿入部の容積を小さくすることができるため、メニスカス１４の先端近傍のセラミック基体２に発生する最大応力を小さくすることができ、マイクロクラック１５の発生を抑制することができる。
【００２６】
また、仮にメニスカス１４の先端近傍のセラミック基体２にクラック１５が発生したとしても、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０内のメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４をヒータ電極４よりもセラミック基体２の下面６側に配置することができるため、このクラックがヒータ電極４を横切るように発生することを抑制することができるとともに、給電端子８とヒータ電極４との通電はロウ材層及びメタライズ層１３を介して確実に行うことができる。
【００２７】
即ち、メニスカス１４の先端近傍に発生したクラック１５が進展する際にロウ材層やメタライズ層１３に応力が作用したとしてもこれらの層は変形し易いことから、断線するようなことがなく、給電端子８とヒータ電極４との通電を確実に行うことができる。
【００２８】
ただし、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０内のメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４の先端Ｑからヒータ電極４までの距離が０．１ｍｍ未満であると、給電端子８の挿入部先端面８ａをヒータ電極４よりもセラミック基体２の下面６側に配置してあったとしてもクラックの進展具合によってはヒータ電極４を横切る恐れがあり、信頼性が低い。
【００２９】
その為、クラックが発生したとしてもヒータ電極４へ悪影響を与えないようにするためには、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０の内壁面に形成したメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４の先端Ｑからヒータ電極４までの距離を０．１ｍｍ以上とすることが好ましく、給電端子８の接合強度を損なわない範囲でさらには０．５ｍｍ以上、望ましくは１ｍｍ以上とすることが良い。
【００３０】
なお、図２ではヒータ電極４への給電構造を例にとって示したが、静電吸着用電極３への給電構造も同様の構造としてある。
【００３１】
その為、本発明のウエハ支持部材１の載置面５に半導体ウェハ１１（以下、ウエハと略称する）を載せ、静電吸着用電極３との間に電圧を印加することで誘電分極によるクーロン力や微小な漏れ電流によるジョンソン・ラーベック力を発現させ、ウェハ１１を載置面５の平坦精度にならわせて吸着保持させるとともに、ヒータ電極４に電圧を印加することで、ウェハ１１を均一に加熱することができる。また、加熱／冷却を繰り返したとしてもセラミック基体２の固定孔９，１０よりクラックが発生し難く、仮にクラックが発生したとしても静電吸着用電極３やヒータ電極４を横切って断線させるようなことがないため、熱サイクルが作用する苛酷な条件下で使用したとしても安定した吸着力を発生させることができるとともに、安定して加熱させることができる。また、静電吸着用電極３よりプラズマを発生させるために給電端子７へ大電流を印加しても安定してプラズマを発生させることができる。
【００３２】
以上、本実施形態では静電吸着用電極３とヒータ電極４を内蔵したウエハ支持部材１を例にとって説明したが、本発明はこの実施形態だけに限定されるものではなく、ヒータ電極やプラズマ発生用電極を内蔵したサセプタなど、セラミック基体２内に内部電極を内蔵するウエハ支持部材であれば好適に用いることができる。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
ここで、図２に示す給電構造を持つ図１のウエハ支持部材１と、図４に示す給電構造を持つ図３のウエハ支持部材５１を試作し、給電端子７，８，５７，５８の耐久性について調べる実験を行った。
【００３４】
本実験で使用するウエハ支持部材１，５１は、まず、平均粒子径が１．２μｍ程度である純度９９％のＡｌＮ粉末にバインダーと溶媒のみを添加混合して泥漿を製作し、ドクターブレード法により厚さ０．４ｍｍ程度のグリーンシートを複数枚成形した。このうち２枚のグリーンシートにＡｌＮ粉末を混ぜたタングステン（Ｗ）のペーストをスクリーン印刷機でもって敷設して吸着用電極３，５３及びヒータ電極４，５４となる金属ペースト膜を形成した。そして、各金属ペースト膜を敷設したグリーンシートと残りのグリーンシートを積層して８０℃、５０Ｐａの圧力で熱圧着してグリーンシート積層体を形成したあと、切削加工を施して円板状とし、円板状のグリーンシート積層体を真空脱脂し、しかるのち、真空雰囲気にて２０００℃程度の温度で５時間焼成して焼結体を得た。そして、この焼結体に研削加工を施して外形φ２００mm、厚み１０ｍｍのセラミック基体２に加工した。この時、セラミック基体２の載置面５から１ｍｍ深さの位置に静電吸着用電極３，５３が埋設され、載置面５より５ｍｍの位置にヒータ電極４，５４が埋設されるようにした。また、静電吸着用電極３，５３及びヒータ電極４，５４はいずれも厚みが２０μｍ程度とし、セラミック基体２，５２の下面６，５６には、静電吸着用電極３，５３を貫通する、深さ９．２ｍｍの固定孔９，５９を２箇所穿設するとともに、ヒータ電極４，５４を貫通する、深さ５．２ｍｍの固定孔１０，６０を２箇所穿設した。
【００３５】
なお、静電吸着用電極３，５３と接続する給電端子７，５７と固定孔９，５９は、単極であれば通常１箇所で良いが、本実験では抵抗変化を確認するため、同一電極に２箇所設けた。
【００３６】
そして、各固定孔９，１０，５９，６０内のにＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金を用いてメタライズ層１３，６３を形成した後、図２及び図４に示す構造となるようにＡｇ−Ｃｕ系ロウ材（重量比で８：２）を介してＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる給電端子７，８，５７，５８を９００℃の温度でロウ付け固定して各試料となるウエハ支持部材１，５１をそれぞれ１０個ずつ試作した。
【００３７】
なお、給電端子７，８，５７，５８の挿入部の形状は、外径４ｍｍ、内径３ｍｍの円筒状をなし、挿入部と反対側に外径６ｍｍの鍔が付いたものを使用した。
【００３８】
また、図２に示す給電構造においては、給電端子７，８の挿入部先端面８ａに付着させるセラミック粒子には、平均粒径が０．５μｍの窒化硼素を用いるとともに、給電端子７，８の挿入部先端面８ａと固定孔９，１０内のメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４の先端から静電吸着用電極３及びヒータ電極４までの距離も異ならせるようにした。
【００３９】
そして、得られた各試料としてのウエハ支持部材１，５１のヒータ電極４，５４に通電を行って２００℃／分で４００℃まで昇温を行い、降温は自然冷却で５０℃まで冷却する熱サイクル試験を行い、その間に静電吸着用電極３，５３に高周波電流を１０Ａ、５秒間隔で通電した。それを１０００サイクル行い、１０００サイクル後の抵抗変化率を求め、試験前の抵抗変化率を基準としたときの抵抗上昇率が１０％以下であったものを良好として判断した。なお、ここで判断基準を、試験前の抵抗変化率を基準としたときの抵抗上昇率が１０％以下であるとしたのは、１０％を超えると実用に供することができなくなるからである。なお、表１のメニスカスの先端から静電吸着用電極３までの距離における「−」とはメニスカスの先端が静電吸着用電極３から固定孔３の底面までの間にあることを指す。
【００４０】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００４１】
【表１】
【００４２】
この結果、従来の試料Ｎｏ.５，６のようにメニスカスの下に静電吸着用電極６３があるものは抵抗変化が起こることがわかる。なお、抵抗変化が発生したものを切断して断面を観察したところ、固定孔からセラミック基体５２の下面側に延びるマイクロクラックが発生していた。
【００４３】
また、従来の試料Ｎｏ.７のようにメニスカスが静電吸着用電極５４とセラミック基体５２の下面５６の間にあるものは、メニスカスに大きな応力が作用しセラミック基体５２が破損した。
【００４４】
これに対し、給電端子８の挿入部先端面８ａにセラミック粉末１６である窒化硼素粉末を塗布した試料Ｎｏ．１〜４は抵抗値の変化率が極めて少なく、特に試料Ｎｏ．３，４のようにロウ材のメニスカス先端と静電吸着用電極３の距離を０．１ｍｍ以上離した試料は、抵抗値の変化が無く更に好ましいものであった。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明よれば、セラミック基体の上面を、ウエハを載せる載置面とし、上記セラミック基体の内部に少なくとも一つの内部電極を備えるとともに、上記セラミック基体の下面に給電端子を取り付けるための固定孔を上記内部電極を貫通して穿設し、その内壁面にメタライズ層を形成した後、給電端子を挿入し、ロウ付け固定した上記給電端子の挿入部先端面と上記固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカスを備えたウエハ支持部材において、上記給電端子の挿入部先端面を上記内部電極よりも上記セラミック基体の下面側に配置するとともに、上記給電端子の少なくとも挿入部先端面にセラミック粒子を塗布してあることから、給電端子の挿入部先端面と固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカスを小さくすることができ、熱サイクルや電流サイクルなどによってメニスカスに作用する熱応力を大幅に低減することができるため、固定孔よりセラミック基体にマイクロクラックが発生することを大幅に低減することができる。
【００４６】
また、上記給電端子の挿入部先端面を上記内部電極よりもセラミック基体の下面側に配置するとともに、上記給電端子の挿入部先端面と上記固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカス先端から内部電極までの距離を０．１ｍｍ以上とすることにより、セラミック基体と給電端子との間に作用する熱応力をさらに小さくすることができるとともに、仮にマイクロクラックがセラミック基体に発生したとしても内部電極を横切るようなことがないため、内部電極への通電を確実に行うことができる。
【００４７】
その為、加熱／冷却を繰り返すような苛酷な条件下や給電端子に大電流を流すような場合でも長寿命のウエハ支持部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウエハ支持部材の一例を示す縦断面図である。
【図２】本発明のウエハ支持部材の主要部であるヒータ電極への給電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の一例を示す縦断面図である。
【図４】従来のウエハ支持部材におけるヒータ電極への給電構造を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１，５１：ウエハ支持部材
２，５２：セラミック基体
３，５３：静電吸着用電極
４，５４：ヒータ電極
５，５５：載置面
６，５６：セラミック基体の下面
７，８，５７，５８：給電端子
８ａ，５８ａ：給電端子の挿入部先端面
９，１０，５９，６０：固定孔
１０ａ，６０ａ：固定孔の内壁面
１０ｂ，６０ｂ：固定孔の底面
１１，６１：半導体ウェハ
１３，６３：メタライズ層
１４，６４：ロウ材のメニスカス
１５，６５：マイクロクラック
１６：セラミック粉末
Ｐ，Ｑ：ロウ材のメニスカスの先端
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハなどのウエハを保持する静電チャック、ヒータ内蔵型サセプタ、プラズマ発生機能を有するサセプタ等のウエハ支持部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造工程においては、半導体ウエハ（以下、ウエハと略称する）を高精度に保持するために静電チャック、ヒータ内蔵型サセプタ、プラズマ発生機能を有するサセプタ等のウエハ支持部材が使用されている。
【０００３】
例えば、図３に従来のウエハ支持部材５１の一例である縦断面図を示すように、このウエハ支持部材５１は、セラミック基体５２の上面をウエハを載せる載置面５５とし、セラミック基体５２の内部上方に静電吸着用電極５３を、内部下方にヒータ電極５４をそれぞれ埋設したもので、上記載置面５５にウェハ６１を載せ、ウェハ６１と静電吸着用電極５３との間に直流電圧を印加することで、誘電分極によるクーロン力や微小な漏れ電流によるジョンソン・ラーベック力を発現させてウェハ６１を載置面５５に吸着保持させるとともに、ヒータ電極５４に通電することによりウェハ６１を加熱するようになっていた。
【０００４】
また、上記セラミック基体５２に埋設する静電吸着用電極５３やヒータ電極５４などの内部電極への給電構造は、その一例として図４にヒータ電極５４への給電構造を示すように、セラミック基体５２の下面５６に給電端子５８を取り付けるための固定孔６０を上記内部電極５４と連通するように穿設し、固定孔６０の内壁面６０ａと底面６０ｂにメタライズ層６３を形成した後、外径が３〜１０ｍｍ程度の給電端子５８を挿入し、ロウ付け固定することにより導通を図るようにしたものがあった（特開平１０―１８９６９６号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図４に示すような給電構造を持ったウエハ支持部材５１では次のような課題があった。
【０００６】
給電端子５８をロウ付け固定する場合、９００℃程度の高温に加熱しなければならないことから、大きな断面積を有する給電端子５８をセラミック基体５２の固定孔６０にロウ付け固定すると、給電端子５８とセラミック基体５２との間の熱膨張差に起因して接合部分に歪みが残留し、十分な設計、検証がなされていないとセラミック基体５２が破損するといった課題があった。しかも、接合することができたとしても、セラミック基体５２と給電端子６０との間に繰り返し熱応力が作用すると、固定孔６０の内壁面からセラミック基体５２の下面にかけてクラックが発生し易く、特に高温域で繰り返し使用する場合、耐久性に問題があった。
【０００７】
また、セラミック基板５２に埋設する内部電極５４は厚みが数μｍから数十μｍと極めて薄い金属膜であることから、内部電極５４に直接接合した給電端子５８に数アンペアから数十アンペアもの電流を印加しながら加熱／冷却を繰り返すと、繰り返し疲労により給電端子５８の挿入部先端面５８ａと固定孔６０の内壁面に形成されたメタライズ層６３との間に形成されているロウ材のメニスカス６４の先端Ｐよりセラミック基体５２の下面５６に向かってマイクロクラック６５が発生し、このマイクロクラック６５が進展すると、内部電極５４を横断して抵抗を変化させたり、断線を起こすといった課題があった。
【０００８】
特に、セラミック基体５２が比較的低熱膨の窒化アルミニウムからなり、給電端子５８がタングステン、モリブデン、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材からなる場合、窒化アルミニウムはセラミックスの中で機械的強度がそれほど大きくないこと、セラミック基体５２と給電端子５８との熱膨張差が大きいこと、等によりセラミック基体５２にクラックが発生し易いものであった。
【０００９】
また、このような問題はヒータ電極５４への給電構造だけに限らず、同様の構造を有する静電吸着用電極５３への給電構造にもあり、しかも、半導体プロセスの高スループット化や高精度化に伴い今まで以上の昇降温のスピードアップや静電吸着用電極５３をＲＦプラズマ発生用電極と兼用し高周波を印加して大電流を流すことも多くなっていることから、上述したような課題がさらに発生し易くなっていた。
【００１０】
【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、セラミック基体の上面を、ウエハを載せる載置面とし、上記セラミック基体の内部に少なくとも一つの内部電極を備えるとともに、上記セラミック基体の下面に給電端子を取り付けるための固定孔を上記内部電極を貫通して穿設し、その内壁面にメタライズ層を形成した後、給電端子を挿入し、ロウ付け固定した上記給電端子の挿入部先端面と上記固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカスを備えたウエハ支持部材において、上記給電端子の挿入部先端面を上記内部電極よりも上記セラミック基体の下面側に配置するとともに、上記給電端子の少なくとも挿入部先端面にセラミック粒子を塗布して、上記給電端子の挿入部先端面と上記固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカスを小さくしたことを特徴とする。
【００１１】
また、好ましくは上記セラミック粒子が窒化硼素であることが良い。
【００１２】
【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。
【００１３】
図１は、本発明のウエハ支持部材の一例を示す縦断面図で、セラミック基体２の上面を、ウエハ１１を載せる載置面５とするとともに、セラミック基体２の内部上方に静電吸着用電極３を、内部下方にヒータ電極４をそれぞれ埋設したもので、セラミック基体２の下面６には静電吸着用電極３及びヒータ電極４にそれぞれ通電するための給電端子７，８をロウ付けにて接合してある。
【００１４】
このようなウエハ支持部材１を構成するセラミック基体２としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、窒化硼素などのセラミックスで形成され、この中でも特に窒化アルミニウムは、セラミックスの中で高い熱伝導率を有することから、載置面５に吸着保持したウェハ１１を所望の温度に直ちに加熱し、加熱ムラを生じることなく均一に加熱することができるとともに、成膜工程やエッチング工程で使用されているハロゲン系腐食性ガスに対して優れた耐蝕性を有することから、ウエハ支持部材１を構成するのに好適である。
【００１５】
なお、上記ウエハ支持部材１の載置面５は、ウェハ１１を歪ませることなく吸着保持するために、平坦度が１０μｍ以下の極めて平坦な面に仕上げることが好ましい。
【００１６】
また、静電吸着用電極３やヒータ電極４に通電するための給電端子７，８の材質としては、高い耐熱性を有するとともに、セラミック基体２の熱膨張係数に近似したものが良く、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などの金属により形成すれば良い。これらの金属は５００℃程度の高温下でも使用可能であるとともに、熱膨張係数が３×１０-6〜７×１０-6／℃とセラミック基体２の熱膨張係数（３×１０-6〜７．８×１０-6／℃）と近似していることから、セラミック基体２に加わる応力を軽減することができる。
【００１７】
一方、セラミック基体２に埋設する静電吸着用電極３やヒータ電極４などの内部電極への給電構造としては、セラミック基体２の下面６に給電端子７，８を取り付けるための固定孔９，１０を静電吸着用電極３及びヒータ電極４をそれぞれ貫通して穿設するとともに、給電端子７，８を固定孔９，１０内にロウ付け固定するのであるが、給電端子７，８の挿入部先端面にセラミック粒子を付着させたことを特徴とする。
【００１８】
以下、本発明のウエハ支持部材１における内部電極への給電構造を図２に示すヒータ電極４への給電構造を例にとって説明する。
【００１９】
図２は図１のＡ部を示す拡大図で、セラミック基体２の下面６に給電端子８を取り付けるための固定孔１０をヒータ電極４を貫通して穿設するとともに、固定孔１０の内壁面、底面及びセラミック基体２の固定孔開口部周辺にメタライズ層１３を形成してある。メタライズ層１３の層厚みＴとしては数十μｍ程度あれば良い。
【００２０】
そして、固定孔１０の内壁面１０ａ及び底面１０ｂにロウ材を塗布した後、給電端子８を挿入するのであるが、給電端子８の少なくとも挿入部先端面８ａにセラミック粒子を付着させたものを挿入し、ロウ付け固定する。この時、ロウ材は給電端子８の挿入部先端面８ａに有するセラミック粒子との濡れ性が悪く、給電端子８の挿入部先端面８ａにロウ材が付着するのを防ぐことができるため、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０の内壁面に形成されたメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４を小さくすることができる。その為、メニスカス１４に作用する熱応力を大幅に低減することができるため、メニスカス１４の先端よりセラミック基体２にクラックが発生するのを効果的に防止することができる。
【００２１】
ところで、給電端子８の挿入部先端面８ａに付着させるセラミック粒子としては、融点がロウ付け温度よりも高く、ロウ材との濡れ性が悪いものが良く、例えば、窒化硼素を用いる。
【００２２】
使用するセラミック粒子の大きさについては特に限定するものではないが、平均粒径１．５μｍ以下の大きさを有するものであれば構わない。
また、これらのセラミック粒子を給電端子８に付着させるには、セラミック粒子を分散させた溶媒を給電端子８の少なくとも挿入部先端面８ａに塗布しておくだけで付着させることができる。
【００２３】
さらに、信頼性を高めるためには、給電端子８の挿入部先端面８ａをヒータ電極４よりもセラミック基体２の下面６側に配置するとともに、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０の内壁面に形成したメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４の先端からヒータ電極４までの距離Ｌを０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００２４】
ここで、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０の内壁面に形成したメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４とは、ロウ材の溜まりのことであり、その表面は滑らかな凹曲面形状をなす。また、このメニスカス１４の先端とは、メタライズ層１３との間に形成される鋭角部分の先を指し、具体的にはメニスカス１４の表面に接線を引いたときに固定孔１０の内壁面１０ａとの角度が１０度になる点で図２ではＱ点を指す。
【００２５】
このように、給電端子８の挿入部先端面８ａをヒータ電極４よりもセラミック基体２の下面６側に配置することで、熱膨張係数の大きな給電端子８の挿入部の容積を小さくすることができるため、メニスカス１４の先端近傍のセラミック基体２に発生する最大応力を小さくすることができ、マイクロクラック１５の発生を抑制することができる。
【００２６】
また、仮にメニスカス１４の先端近傍のセラミック基体２にクラック１５が発生したとしても、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０内のメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４をヒータ電極４よりもセラミック基体２の下面６側に配置することができるため、このクラックがヒータ電極４を横切るように発生することを抑制することができるとともに、給電端子８とヒータ電極４との通電はロウ材層及びメタライズ層１３を介して確実に行うことができる。
【００２７】
即ち、メニスカス１４の先端近傍に発生したクラック１５が進展する際にロウ材層やメタライズ層１３に応力が作用したとしてもこれらの層は変形し易いことから、断線するようなことがなく、給電端子８とヒータ電極４との通電を確実に行うことができる。
【００２８】
ただし、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０内のメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４の先端Ｑからヒータ電極４までの距離が０．１ｍｍ未満であると、給電端子８の挿入部先端面８ａをヒータ電極４よりもセラミック基体２の下面６側に配置してあったとしてもクラックの進展具合によってはヒータ電極４を横切る恐れがあり、信頼性が低い。
【００２９】
その為、クラックが発生したとしてもヒータ電極４へ悪影響を与えないようにするためには、給電端子８の挿入部先端面８ａと固定孔１０の内壁面に形成したメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４の先端Ｑからヒータ電極４までの距離を０．１ｍｍ以上とすることが好ましく、給電端子８の接合強度を損なわない範囲でさらには０．５ｍｍ以上、望ましくは１ｍｍ以上とすることが良い。
【００３０】
なお、図２ではヒータ電極４への給電構造を例にとって示したが、静電吸着用電極３への給電構造も同様の構造としてある。
【００３１】
その為、本発明のウエハ支持部材１の載置面５に半導体ウェハ１１（以下、ウエハと略称する）を載せ、静電吸着用電極３との間に電圧を印加することで誘電分極によるクーロン力や微小な漏れ電流によるジョンソン・ラーベック力を発現させ、ウェハ１１を載置面５の平坦精度にならわせて吸着保持させるとともに、ヒータ電極４に電圧を印加することで、ウェハ１１を均一に加熱することができる。また、加熱／冷却を繰り返したとしてもセラミック基体２の固定孔９，１０よりクラックが発生し難く、仮にクラックが発生したとしても静電吸着用電極３やヒータ電極４を横切って断線させるようなことがないため、熱サイクルが作用する苛酷な条件下で使用したとしても安定した吸着力を発生させることができるとともに、安定して加熱させることができる。また、静電吸着用電極３よりプラズマを発生させるために給電端子７へ大電流を印加しても安定してプラズマを発生させることができる。
【００３２】
以上、本実施形態では静電吸着用電極３とヒータ電極４を内蔵したウエハ支持部材１を例にとって説明したが、本発明はこの実施形態だけに限定されるものではなく、ヒータ電極やプラズマ発生用電極を内蔵したサセプタなど、セラミック基体２内に内部電極を内蔵するウエハ支持部材であれば好適に用いることができる。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
ここで、図２に示す給電構造を持つ図１のウエハ支持部材１と、図４に示す給電構造を持つ図３のウエハ支持部材５１を試作し、給電端子７，８，５７，５８の耐久性について調べる実験を行った。
【００３４】
本実験で使用するウエハ支持部材１，５１は、まず、平均粒子径が１．２μｍ程度である純度９９％のＡｌＮ粉末にバインダーと溶媒のみを添加混合して泥漿を製作し、ドクターブレード法により厚さ０．４ｍｍ程度のグリーンシートを複数枚成形した。このうち２枚のグリーンシートにＡｌＮ粉末を混ぜたタングステン（Ｗ）のペーストをスクリーン印刷機でもって敷設して吸着用電極３，５３及びヒータ電極４，５４となる金属ペースト膜を形成した。そして、各金属ペースト膜を敷設したグリーンシートと残りのグリーンシートを積層して８０℃、５０Ｐａの圧力で熱圧着してグリーンシート積層体を形成したあと、切削加工を施して円板状とし、円板状のグリーンシート積層体を真空脱脂し、しかるのち、真空雰囲気にて２０００℃程度の温度で５時間焼成して焼結体を得た。そして、この焼結体に研削加工を施して外形φ２００mm、厚み１０ｍｍのセラミック基体２に加工した。この時、セラミック基体２の載置面５から１ｍｍ深さの位置に静電吸着用電極３，５３が埋設され、載置面５より５ｍｍの位置にヒータ電極４，５４が埋設されるようにした。また、静電吸着用電極３，５３及びヒータ電極４，５４はいずれも厚みが２０μｍ程度とし、セラミック基体２，５２の下面６，５６には、静電吸着用電極３，５３を貫通する、深さ９．２ｍｍの固定孔９，５９を２箇所穿設するとともに、ヒータ電極４，５４を貫通する、深さ５．２ｍｍの固定孔１０，６０を２箇所穿設した。
【００３５】
なお、静電吸着用電極３，５３と接続する給電端子７，５７と固定孔９，５９は、単極であれば通常１箇所で良いが、本実験では抵抗変化を確認するため、同一電極に２箇所設けた。
【００３６】
そして、各固定孔９，１０，５９，６０内のにＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金を用いてメタライズ層１３，６３を形成した後、図２及び図４に示す構造となるようにＡｇ−Ｃｕ系ロウ材（重量比で８：２）を介してＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる給電端子７，８，５７，５８を９００℃の温度でロウ付け固定して各試料となるウエハ支持部材１，５１をそれぞれ１０個ずつ試作した。
【００３７】
なお、給電端子７，８，５７，５８の挿入部の形状は、外径４ｍｍ、内径３ｍｍの円筒状をなし、挿入部と反対側に外径６ｍｍの鍔が付いたものを使用した。
【００３８】
また、図２に示す給電構造においては、給電端子７，８の挿入部先端面８ａに付着させるセラミック粒子には、平均粒径が０．５μｍの窒化硼素を用いるとともに、給電端子７，８の挿入部先端面８ａと固定孔９，１０内のメタライズ層１３との間に形成されるロウ材のメニスカス１４の先端から静電吸着用電極３及びヒータ電極４までの距離も異ならせるようにした。
【００３９】
そして、得られた各試料としてのウエハ支持部材１，５１のヒータ電極４，５４に通電を行って２００℃／分で４００℃まで昇温を行い、降温は自然冷却で５０℃まで冷却する熱サイクル試験を行い、その間に静電吸着用電極３，５３に高周波電流を１０Ａ、５秒間隔で通電した。それを１０００サイクル行い、１０００サイクル後の抵抗変化率を求め、試験前の抵抗変化率を基準としたときの抵抗上昇率が１０％以下であったものを良好として判断した。なお、ここで判断基準を、試験前の抵抗変化率を基準としたときの抵抗上昇率が１０％以下であるとしたのは、１０％を超えると実用に供することができなくなるからである。なお、表１のメニスカスの先端から静電吸着用電極３までの距離における「−」とはメニスカスの先端が静電吸着用電極３から固定孔３の底面までの間にあることを指す。
【００４０】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００４１】
【表１】
この結果、従来の試料Ｎｏ.５，６のようにメニスカスの下に静電吸着用電極６３があるものは抵抗変化が起こることがわかる。なお、抵抗変化が発生したものを切断して断面を観察したところ、固定孔からセラミック基体５２の下面側に延びるマイクロクラックが発生していた。
【００４３】
また、従来の試料Ｎｏ.７のようにメニスカスが静電吸着用電極５４とセラミック基体５２の下面５６の間にあるものは、メニスカスに大きな応力が作用しセラミック基体５２が破損した。
【００４４】
これに対し、給電端子８の挿入部先端面８ａにセラミック粉末１６である窒化硼素粉末を塗布した試料Ｎｏ．１〜４は抵抗値の変化率が極めて少なく、特に試料Ｎｏ．３，４のようにロウ材のメニスカス先端と静電吸着用電極３の距離を０．１ｍｍ以上離した試料は、抵抗値の変化が無く更に好ましいものであった。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明よれば、セラミック基体の上面を、ウエハを載せる載置面とし、上記セラミック基体の内部に少なくとも一つの内部電極を備えるとともに、上記セラミック基体の下面に給電端子を取り付けるための固定孔を上記内部電極を貫通して穿設し、その内壁面にメタライズ層を形成した後、給電端子を挿入し、ロウ付け固定した上記給電端子の挿入部先端面と上記固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカスを備えたウエハ支持部材において、上記給電端子の挿入部先端面を上記内部電極よりも上記セラミック基体の下面側に配置するとともに、上記給電端子の少なくとも挿入部先端面にセラミック粒子を塗布してあることから、給電端子の挿入部先端面と固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカスを小さくすることができ、熱サイクルや電流サイクルなどによってメニスカスに作用する熱応力を大幅に低減することができるため、固定孔よりセラミック基体にマイクロクラックが発生することを大幅に低減することができる。
【００４６】
また、上記給電端子の挿入部先端面を上記内部電極よりもセラミック基体の下面側に配置するとともに、上記給電端子の挿入部先端面と上記固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカス先端から内部電極までの距離を０．１ｍｍ以上とすることにより、セラミック基体と給電端子との間に作用する熱応力をさらに小さくすることができるとともに、仮にマイクロクラックがセラミック基体に発生したとしても内部電極を横切るようなことがないため、内部電極への通電を確実に行うことができる。
【００４７】
その為、加熱／冷却を繰り返すような苛酷な条件下や給電端子に大電流を流すような場合でも長寿命のウエハ支持部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウエハ支持部材の一例を示す縦断面図である。
【図２】本発明のウエハ支持部材の主要部であるヒータ電極への給電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の一例を示す縦断面図である。
【図４】従来のウエハ支持部材におけるヒータ電極への給電構造を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１，５１：ウエハ支持部材
２，５２：セラミック基体
３，５３：静電吸着用電極
４，５４：ヒータ電極
５，５５：載置面
６，５６：セラミック基体の下面
７，８，５７，５８：給電端子
８ａ，５８ａ：給電端子の挿入部先端面
９，１０，５９，６０：固定孔
１０ａ，６０ａ：固定孔の内壁面
１０ｂ，６０ｂ：固定孔の底面
１１，６１：半導体ウェハ
１３，６３：メタライズ層
１４，６４：ロウ材のメニスカス
１５，６５：マイクロクラック
１６：セラミック粉末
Ｐ，Ｑ：ロウ材のメニスカスの先端
Claims (2)
- セラミック基体の上面を、ウエハを載せる載置面とし、上記セラミック基体の内部に少なくとも一つの内部電極を備えるとともに、上記セラミック基体の下面に給電端子を取り付けるための固定孔を上記内部電極を貫通して穿設し、その内壁面にメタライズ層を形成した後、給電端子を挿入し、ロウ付け固定した上記給電端子の挿入部先端面と上記固定孔内壁面に形成したメタライズ層との間に形成されるロウ材のメニスカスを備えたウエハ支持部材において、上記給電端子の挿入部先端面を上記内部電極よりも上記セラミック基体の下面側に配置するとともに、上記給電端子の少なくとも挿入部先端面にセラミック粒子を塗布してあることを特徴とするウエハ支持部材。
- 上記セラミック粒子が窒化硼素であることを特徴とする請求項１に記載のウエハ支持部材。
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