JP3987841B2

JP3987841B2 - ウェハ保持装置

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Publication number: JP3987841B2
Application number: JP2004217895A
Authority: JP
Inventors: 和一口町
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: JP2004297103A

Description

本発明は、半導体や液晶の製造装置において、半導体ウェハや液晶用ガラス等のウェハを保持・搬送するために使用する静電チャックやサセプター等のウェハ保持装置に関する。

半導体製造工程で、半導体ウェハに成膜を施すＣＶＤ装置やそのウェハに微細加工処理を施すドライエッチング装置において、半導体ウェハの保持部材としてサセプターが用いられていた。

例えば図４に示すように、円板状の保持部材１１（サセプター）の表面に、ウェハ２０を載置し、その周囲をクランプリング２１で押さえつけて保持するようになっていた。また、この保持部材１１には裏面側より導入パイプ１２を接合して、ウェハ２０との接合面にＨｅガスなどを供給し、熱伝導性を向上させることが行われていた。また、この導入パイプ１２より光ファイバを用いた測温素子を挿入し、温度を測定することも行われていた。なお、この保持部材１１はステンレス等の金属からなり、金属製の導入パイプ１２との間は溶接等で接合されていた。

しかし、保持部材１１が金属製であると金属元素がウェハ２０を汚染することから、近年では保持部材１１としてアルミナや窒化アルミニウム等を主成分とするセラミックス製のサセプターが用いられている（特許文献１等参照）。

また、クランプリング２１で保持すると、ウェハ２０の周辺部が無駄になったり、保持力が不均一になったりするために、セラミック製の静電チャックを用いて、ウェエハ２０を吸着固定することも行われている（特許文献２等参照）。

ところで、上記のように保持部材１１をセラミックスで形成する場合の金属製導入パイプ１２との接合方法は、図５に示すようにセラミック製保持部材１１の導入孔１１ｂの内面にメタライズ層を形成しておいて、幅０．５ｍｍ程度のフランジ１２ａを備えた導入パイプ１２を挿入し、両者の間にロウ材１４を充填してロウ付けすることにより接合している。

このとき、セラミック製の保持部材１１と金属製の導入パイプ１２との間に熱膨張差があるため、導入パイプ１２をモリブデンやコバール等のセラミックスに近い熱膨張率を有する金属で形成し、その厚みを０．５ｍｍ程度と薄くしておくことによって、上記熱膨張差に基づく応力の発生を小さくすることが行われている。
特開平６−１５１３３２号公報特開昭６２−２６４６３８号公報

ところが、図５のような接合構造としても、使用時に熱サイクルが加わると、セラミック製保持部材１１と金属製導入パイプ１２との熱膨張差により、両者の接合部が剥がれてしまうという問題があった。これは、導入パイプ１２が、主にその外周面によって保持部材１１と接合しているために、冷却時に導入パイプ１２側が大きく収縮してロウ材１４が剥がれやすくなるためである。

そのため、数サイクルの使用で上記接合部が剥がれ、金属製導入パイプ１２として用いると導入するガスがリークしてしまい、使用不能となってしまうという不都合があった。

そこで本発明は、表面側をウェハ載置面としてなるセラミック製保持部材の裏面側に、金属製のパイプを、環状金属板を介して接合したウェハ保持装置において、上記環状金属板のセラミック製保持部材と反対側の面に、セラミック製の変形防止リングを接合し、ウェハ保持装置を構成した。

この場合、上記環状金属板とパイプを一体的に形成してもよい。また、上記セラミック製保持部材を成すセラミックスにはアルミナセラミックス、単結晶サファイア、窒化アルミニウムセラミックスを用いるとよい。

環状金属板を介在することによって、パイプと環状金属板の間はいずれも金属であるから強固に接合することができ、また、環状金属板とセラミック製保持部材との間は平面同士の接合となるため剥がれにくくなり、また環状金属板が変形することによって熱膨張差による応力を緩和することができる。

しかも、上記環状金属板のセラミック製保持部材と反対側の面に、セラミック製の変形防止リングを接合したことによって、環状金属板の変形や剥がれを防止することができる。

以上により、使用時に熱サイクルが加わってもセラミック製保持部材とパイプとの接合部の剥がれを防止できるため、長期間にわたって良好に使用することができる。

以下、本発明のウェハ保持装置の実施形態をサセプターを例にとって図によって説明する。

図１に示すように、ウェハ保持部材１１はセラミックスからなる円板状体であり、表側に備えたウェハ（不図示）を載置する平坦な載置面１１ａと、該載置面１１ａと裏面１１ｃとを連通する導入孔１１ｂを有している。この導入孔１１ｂには裏面１１ｃ側より導入パイプ１２を挿入し、環状金属板１３を介して接合してある。

上記保持部材１１の載置面１１ａにウェハを載置し、導入パイプ１２よりＨｅ等のガスを導入すれば、ウェハと載置面１１ａ間にガスを介在させ、熱伝達性を向上させることができる。なお、図示していないが、載置面１１ａに溝を形成して、ガスの供給効率を高めることもできる。

さらに、上記環状金属板１３には、熱電対取付端子１６をロウ付けや溶接で容易に接合することができ、この部分に熱電対を取り付ければ温度を測定することができる。

また、保持部材１１と導入パイプ１２との具体的な接合構造は、セラミック製保持部材１１の裏面１１ｃにメタライズ層を形成しておいて、ロウ材１４により環状金属板１３をロウ付けし、この環状金属板１３と導入パイプ１２のフランジ１２ａとの間をロウ材１５でロウ付けするか又は溶接によって接合してある。

このとき、導入パイプ１２と環状金属板１３は、共に金属材であるから、ロウ付けや溶接によって強固に接合することができ、使用時に熱サイクルが加わっても剥がれることはない。あるいは、導入パイプ１２と環状金属板１３を一体的に形成しておくこともできる。

また、環状金属板１３と保持部材１１は平面同士の接続であるから、熱膨張差が生じても接合面と平行方向に応力が加わるため剥がれにくくなる。しかも環状金属板１３が変形することによって上記熱膨張差による応力を緩和することができ、さらに広い範囲でロウ材１４を充填できるため、使用時に熱サイクルが加わってもガスのリークを防止することができる。

ここで、環状金属板１３は、中央貫通孔を有する円板状体であるが、ガスのリークを防止するためには、その厚みｔを１ｍｍ以下とし、かつ接合部の幅ｄを１ｍｍ以上とすることが重要である。

これは、環状金属板１３の厚みｔが１ｍｍを超えると、変形しにくくなって熱サイクルが加わった時の応力を緩和する効果が乏しくなるためであり、また接合部の幅ｄが１ｍｍ未満であるとガスリークしやすくなるためである。

また、環状金属板１３を成す金属材は、保持部材１１を成すセラミックスに熱膨張率が近いものを用いる。具体的には、保持部材１１を成すセラミックスとの熱膨張率の差が２×１０^−６／℃以下のものを用いることが好ましく、例えば窒化アルミニウム製の保持部材１１に対してはコバールやモリブデン等を用いる。

なお、上記のように環状金属板１３を介在させることによって、導入パイプ１２を成す金属材はさまざまなものを用いることができ、例えばステンレス、モリブデン、コバール等を用いる。

また、保持部材１１を成すセラミックスとしては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＺｒＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の一種以上を主成分とするセラミックスを用いる。中でも特に耐プラズマ性の点から、９９重量％以上のＡｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ等の焼結助剤を含有するアルミナセラミックス、単結晶サファイア、ＡｌＮを主成分とし周期律表第２ａ族元素酸化物や第３ａ族元素酸化物を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。

さらに、ロウ材１４、１５の材質としては、高温中で溶融、液化を生じないものを用い、具体的にはＡｇ−Ｃｕ系、Ａｇ系等のロウを用いる。

次に本発明の実施形態を説明する。

図２に示すウェハ保持装置は、導入パイプ１２と環状金属板１３を予め一体的に形成し、かつ環状金属板１３の裏側にセラミック製の変形防止リング１７をロウ材１８によって接合したものであり、その他は図１に示す実施形態と同様である。

この場合は、導入パイプ１２と環状金属板１３を一体的に形成してあることから、両者を接合する必要がなく、より強固な接合構造とすることができる。また、変形防止リング１７と保持部材１１で環状金属板１３を挟み込む構造とすることによって、熱サイクルが加わっても環状金属板１３とセラミック製保持部材１１の剥がれを防止し、寿命をより長くすることができる。

上記変形防止リング１７は、環状金属板１３と同様の円板状体で、保持部材１１を成すセラミックスと熱膨張率が近似したものを用いる必要があり、具体的には保持部材１１との熱膨張率差が２×１０-6／℃以下のセラミックスを用いる。特に、保持部材１１と同じ主成分のセラミックスを用いれば最適である。

なお、この変形防止リング１７を図１に示す構造のウェハ保持装置に適用することもできる。

さらに、図３のウェハ保持装置は、導入パイプ１２に環状金属板１３をロウ材１５で接合するか又は一体的に形成し、この環状金属板１３は曲面状の応力緩和部１３ａを備え、周辺部をロウ材１４によって保持部材１１にロウ付けしたものである。そのため、セラミックス製の保持部材１１と環状金属板１３との熱膨張差が生じた場合には、この応力緩和部１３ａが変形することによって、熱膨張差による応力を緩和することができる。

また、以上の図１〜３に示す例では、サセプター型のウェハ保持装置について説明したが、上記保持部材１１に静電電極を埋設して静電チャック型のウェハ保持装置とすることもできる。

さらに、これらのウェハ保持装置において、保持部材１１内に発熱抵抗体やプラズマ発生用電極等を埋設しておくこともできる。

また、上記導入パイプ１２はガスを導入するだけでなく、光ファイバを用いた測温素子を下方から挿入してウェハ載置面１１ａの温度を測定するために用いることもできる。

なお、本発明のウェハ保持部材は、半導体の製造工程において半導体ウェハを保持する際に好適に使用することができるが、この他に液晶の製造工程における液晶用ガラスの保持など、さまざまな用途に使用することができる。

図１に示すウェハ保持装置を試作し、環状金属板１３の厚みｔ、接合部の幅ｄを種々に変化させた時のガスリーク量を測定する実験を行った。

保持部材１１は窒化アルミニウム質セラミックスで形成し、環状金属板１３はコバールで形成してその厚みｔを変化させたものを用意し、いずれも接合部の幅ｄを１ｍｍとして接合した。このウェハ保持装置を用いて実際のＰＶＤ装置中で常温から６００℃の熱サイクルを加えた後、ガス導入パイプ１２内にＨｅガスを導入し、外部のリーク量をＨｅリークディテクターにて測定して、リーク量が１×１０-9Ｔｏｒｒ・リットル／秒以下のものを○、そうでないものを×として評価した。

結果は表１に示すように、環状金属板１３の厚みｔが１ｍｍを超えるものではガスリークが生じたのに対し、厚みｔを１ｍｍ以下としたものではほとんどガスリークがなかった。

次に、環状金属板１３の厚みｔを１ｍｍにし、接合部の幅ｄを変化させて同様の実験を行った。

結果は表２に示すように、接合部の幅ｄが１ｍｍ未満ではガスリークが生じたのに対し、接合部の幅ｄを１ｍｍ以上としたものではほとんどガスリークがなかった。

ウェハ保持装置を示す部分断面図である。本発明のウェハ保持装置を示す部分断面図である。ウェハ保持装置の他の実施形態を示す部分断面図である。従来のウェハ保持装置を示す概略断面図である。従来のウェハ保持装置を示す部分断面図である。

符号の説明

１１：保持部材
１１ａ：載置面
１１ｂ：導入孔
１１ｃ：裏面
１２：導入パイプ
１２ａ：フランジ
１３：環状金属板
１３ａ：応力緩和部
１４：ロウ材
１５：ロウ材
１６：熱電対取付端子
１７：変形防止リング
１８：ロウ材
２０：ウェハ

Claims

表面側をウェハ載置面としてなるセラミック製保持部材の裏面側に、金属製のパイプを、環状金属板を介して接合したウェハ保持装置において、上記環状金属板とセラミック製保持部材の裏面との間はロウ付けで接合するとともに上記環状金属板のセラミック製保持部材と反対側の面に、セラミック製の変形防止リングを接合したことを特徴とするウェハ保持装置。
上記環状金属板とパイプを一体的に形成したことを特徴とする請求項１に記載のウェハ保持装置。
上記セラミック製保持部材を成すセラミックスにはアルミナセラミックス、単結晶サファイア、窒化アルミニウムセラミックスが用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載のウェハ保持装置。