JP4047297B2 - Susceptor support structure - Google Patents
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Description
本発明は、サセプターのチャンバーへの取付構造に関するものである。 The present invention relates to a structure for mounting a susceptor to a chamber.
半導体製造用途等においては、例えば図6に示すように、セラミックヒーター2をチャンバー10の内側壁面へと取り付ける必要がある。このため、セラミックス板製の筒状の支持部材21の一端21aをセラミックヒーター2の接合面(背面)2bへと取り付け、この支持部材21の他端21cをチャンバー10の内側壁面10dへと取り付けることが行われている。支持部材21は、アルミナ、窒化アルミニウム等の耐熱性のセラミックスによって形成されている。支持部材21の内側空間6とチャンバー10の開口10aとを連通させる。支持部材21とチャンバー10との間はOリング20によって気密に封止する。これによって、支持部材21の内側空間6とチャンバー10の内部空間5との間を気密に封止し、チャンバー10の内部空間5内のガスがチャンバー10の外部へと漏れないようにする。セラミックサセプター2内には、例えば抵抗発熱体4が埋設されている。
In a semiconductor manufacturing application or the like, it is necessary to attach the
セラミックサセプター2の半導体ウエハー1の設置面(加熱面)2aの温度は、例えば400℃以上、時には600℃以上にも達する。一方、Oリング等のゴム製の封止部材20は高熱には耐えられず、その耐熱温度は通常200℃程度である。このため、チャンバー内に冷却フランジ8を設けることによって、Oリングの周辺を冷却し、Oリングの周辺の温度が200℃以下となるように調節することが好ましい。
The temperature of the installation surface (heating surface) 2a of the semiconductor wafer 1 of the
ところが、セラミックサセプター2の温度が上記のように高くなり、支持部材21の一端21aの温度が例えば400℃を超え、支持部材21の他端21cの温度を200℃以下に冷却したものとすると、支持部材の内部における温度勾配は200℃以上となる。
However, when the temperature of the
支持部材のサセプターに対する接合強度を向上させるためには、およびガス穴や、端子および熱電対を通すための貫通孔を支持部材21の壁面の内部に設けるためには、支持部材21を肉厚にし、支持部材のサセプターに対する接合面積を増大させる必要がある。しかし、支持部材を肉厚にすると、前述のように支持部材に温度勾配があることから、支持部材を伝搬する熱伝導量が大きくなる。この結果、支持部材の接合部分21aの近辺からの熱伝導の増大によって、加熱面2aにコールドスポットが生ずる。このため、支持部材の本体部分は肉薄にし、支持部材のサセプター側端部に肉厚の拡張部分(フランジ部分)を設けることが有用である。
In order to improve the bonding strength of the support member to the susceptor, and to provide gas holes and through holes for passing terminals and thermocouples inside the wall surface of the
しかし、支持部材の端部に肉厚のフランジ部分を設けると、サセプターを高温に加熱するときに、本体部分とフランジ部分との境界付近に集中する内部応力が過大になる傾向がある。このために、支持部材の破壊を避けるためには、サセプターにおける温度の上限に限界がある。 However, if a thick flange portion is provided at the end of the support member, when the susceptor is heated to a high temperature, the internal stress concentrated near the boundary between the main body portion and the flange portion tends to be excessive. For this reason, in order to avoid destruction of a support member, there exists a limit in the upper limit of the temperature in a susceptor.
本発明の課題は、被処理物を加熱するためのサセプターと、このサセプターに接合されており、内側空間が設けられている支持部材と、支持部材に接合されている開口が設けられたチャンバーとを備えており、チャンバーの開口と支持部材の内側空間とが連通しており、支持部材の内側空間がチャンバーの内部空間に対して気密に封止されている取付構造において、サセプターから支持部材中へと伝達される熱を抑制すると共に、サセプターを高温にしたときに支持部材に集中する応力を緩和することである。 An object of the present invention is to provide a susceptor for heating an object to be processed, a support member that is joined to the susceptor and provided with an inner space, and a chamber that is provided with an opening that is joined to the support member. In the mounting structure in which the opening of the chamber and the inner space of the support member communicate with each other, and the inner space of the support member is hermetically sealed with respect to the inner space of the chamber, In addition to suppressing heat transferred to the susceptor, the stress concentrated on the support member when the susceptor is heated to a high temperature is alleviated.
本発明は、被処理物を加熱するためのサセプター、およびこのサセプターに接合されており、内側空間が設けられている支持部材、開口が設けられたチャンバーであって、該支持部材とこのチャンバーが接合されており、その開口が支持部材の内側空間と連通しているチャンバー、および、チャンバーの内部空間に対して気密に封止されている支持部材の内側空間、を備えている支持構造であって、前記支持部材が、さらに、筒状の本体部分を規定する第1の壁部と、前記支持部材の前記サセプター側の端部に設けられた拡径部を規定する第2の壁部と、前記支持部材の縦断面の外側輪郭において前記本体部分と前記拡径部との間に一つまたは複数の連続したアール部分とを備えており、前記第1の壁部の半径方向の厚みが前記第2の壁部の半径方向の厚みより小さいことを特徴とする。 The present invention relates to a susceptor for heating an object to be processed, a support member joined to the susceptor and provided with an inner space, and a chamber provided with an opening. The support structure includes a chamber that is joined and whose opening communicates with the inner space of the support member, and an inner space of the support member that is hermetically sealed with respect to the inner space of the chamber. The support member further includes a first wall portion that defines a cylindrical main body portion, and a second wall portion that defines an enlarged diameter portion provided at an end portion of the support member on the susceptor side. And the outer contour of the longitudinal section of the support member includes one or a plurality of continuous rounded portions between the main body portion and the enlarged diameter portion, and the radial thickness of the first wall portion is Of the second wall And it is smaller than the radial thickness.
拡径部とは、本体部分に比べて外径が大きくなっている部分を指している。 The enlarged diameter portion refers to a portion having an outer diameter larger than that of the main body portion.
「本体部分と拡径部との間に一つのアール部分が設けられている」とは、本体部分と拡径部との間に、2つ以上のアール部分が設けられている場合を排除することを意図している。アール部の個数は曲率中心の数によって定まる。曲率中心が1つであれば、その曲率中心に対応するアール部も1つである。アール部が2つあれば、各アール部に対応して各曲率中心が存在する。 “One rounded portion is provided between the main body portion and the enlarged diameter portion” excludes the case where two or more rounded portions are provided between the main body portion and the enlarged diameter portion. Is intended. The number of round portions is determined by the number of curvature centers. If there is one center of curvature, there is also one round portion corresponding to the center of curvature. If there are two round portions, each curvature center corresponds to each round portion.
また、本発明においては、本体部分と拡径部との間に、複数のアール部分が連続的に形成されている場合を含む。ここで、複数のアール部分とは、曲率中心の異なる複数のアール部分を意味する。また、複数のアール部分が連続しているとは、複数のアール部分の間に、直線状部、真直部分や段差などのアール部以外の形態を挟むことなしに、複数のアール部が連続的に形成されていることを意味する。この場合には、複数のアール部分の各曲率半径が異なっていても良いし、各曲率半径が同一であってもよい。 Moreover, in this invention, the case where the some round part is continuously formed between the main-body part and a diameter-expansion part is included. Here, a plurality of round portions means a plurality of round portions having different centers of curvature. In addition, a plurality of rounded portions are continuous, and a plurality of rounded portions are continuous without interposing a form other than the rounded portion such as a straight portion, a straight portion, or a step between the plurality of rounded portions. It means that it is formed. In this case, the respective curvature radii of the plurality of round portions may be different, or the respective curvature radii may be the same.
むろん、拡径部とサセプターとの間に、別途アール部分を設けることは排除されない。 Of course, it is not excluded to separately provide a rounded portion between the enlarged diameter portion and the susceptor.
本発明によれば、サセプターから支持部材中へと伝達される熱を抑制すると共に、サセプターを高温にしたときにも支持部材に集中する応力を緩和できる。 According to the present invention, the heat transmitted from the susceptor into the support member can be suppressed, and the stress concentrated on the support member can be relaxed even when the susceptor is heated to a high temperature.
図1−図3の実施形態を参照しつつ、本発明を更に説明する。 The present invention will be further described with reference to the embodiment of FIGS.
筒状の支持部材7の一端には拡径部7aが設けられており、他端にも拡径部7cが設けられている。拡径部7aの接合面(端面)7eがサセプター2の接合面(背面)2bへと接合されている。支持部材7の他端の拡径部7cの端面7gがチャンバー10の内側壁面10dへと接合されている。支持部材7の内側空間6とチャンバー10の開口10aとが連通している。支持部材7とチャンバー10との間はOリング20によって気密に封止する。7dは支持部材7の縦断面の内側輪郭であり、7fは外側輪郭である。
One end of the
支持部材とサセプターとの接合方法は特に限定されず、例えばろう材によって接合でき、あるいは特開平8−73280号公報に記載のようにして固相接合または固液接合できる。サセプター2の加熱面2aの最高温度は、例えば400℃以上、時には600℃以上、1200℃以下に達する。
The method for joining the support member and the susceptor is not particularly limited. For example, the support member and the susceptor can be joined by a brazing material, or solid phase joining or solid-liquid joining can be performed as described in JP-A-8-73280. The maximum temperature of the
チャンバー10の外側空間11、チャンバー10の開口10aおよび支持部材7の内側空間6が連通しており、チャンバー10の内部空間5とは隔離されている。チャンバー10内に冷却フランジ8を設けることによって、封止部材20の周辺を冷却し、封止部材20の周辺の温度が230℃以下となるように調節している。
The
支持部材7は、筒状の本体部分7bと、サセプター側の拡径部7aと、チャンバー側の拡径部7cとを備えている。本発明は、本体部分7bから拡径部7aへと至る、支持部材7の縦断面の外側輪郭7fに関するものである。
The
即ち、本例では、図2、3に示すように、本体部分の外側輪郭は略真直であり、拡径部7aの外側面16も略真直であり、支持部材7の中心軸Aに対して略平行である。支持部材7の外側輪郭を見ると、本体部分7bからサセプター2へと向かって、アール部分13(13A、13B)、真直部14、角15、拡径部7aの外側面16、アール部分17、サセプターの背面18が順に形成されている。なお、Rはアール部分13(13A、13B)の曲率半径であり、REはアール部分17の曲率半径である。
That is, in this example, as shown in FIGS. 2 and 3, the outer contour of the main body portion is substantially straight, the
本発明者は、前述した拡径部近辺における応力集中を緩和する構造を検討していく過程で、例えは図1−図3に示したような特定形態が特に有効であることを発見した。即ち、本体部分7bと拡径部7aとの間に一つのアール部分13(13A、13B)を設けた場合に、特に支持部材の内部応力が減少し、かつ支持部材7のチャンバー10側の端部7cの温度を最も低く抑制できることを見出した。
In the course of studying the structure that relieves stress concentration in the vicinity of the above-mentioned enlarged diameter portion, the present inventor has found that the specific form as shown in FIGS. That is, when one rounded portion 13 (13A, 13B) is provided between the
本発明者は、他の複数の形態についても詳細に検討を加え、支持部材の内部応力のシミュレーションを行った。例えば、図5に示すような形態の支持部材7Aを検討した。この例では、本体部分7fと拡径部7aの外側面16との間に、第一のアール部分21、真直部22、角23、真直部24、第二のアール部分25、真直部26、角15が設けられている。R1、R2は、それぞれアール部分21、25の各曲率半径である。本発明者は、このように本体部分7fと拡径部7aとの間に複数のアール部分を設け、各アール部分の曲率半径を種々変更することで、支持部材の内部応力の低減を図った。しかし、実際のシミュレーション結果によると、本体部分7fと拡径部7aとの間に単一のアール部分を設けることによって、多数のアール部分を設けて応力を分散させた場合に比べて、支持部材における内部応力の最大値が著しく低下することを発見し、本発明に到達した。
The present inventor has also studied the other plural forms in detail and performed a simulation of the internal stress of the support member. For example, a
アール部分13の曲率半径は限定されないが、支持部材における内部応力を低減するという観点から、3mm以上とすることが好ましく、5mm以上とすることが更に好ましく、10mm以上とすることが一層好ましい。
The radius of curvature of the rounded
また、アール部分の曲率半径が大きくなると、支持部材を伝達される熱が多くなる傾向がある。例えは、図3においては、実線で示すアール部分13Aの曲率半径Rは相対的に小さく、点線で示すアール部分13Bの曲率半径Rは相対的に大きい。支持部材7における内部応力を低減するという観点からは、曲率半径が大きいアール部分13Bの方が好適である。しかし、アール部分の曲率半径が大きいと、それだけ支持部材の横断面の面積が大きくなり、支持部材の他端の拡径部7c(図1参照)近辺の温度が上昇する傾向がある。こうした支持部材のチャンバー側端部における温度を低減するという観点からは、アール部分13の曲率半径30mm以下が好ましく、25mm以下が更に好ましく、20mm以下が最も好ましい。アール部分13の曲率半径の最も好適な範囲は14−16mmである。
Further, when the radius of curvature of the rounded portion increases, the heat transmitted through the support member tends to increase. For example, in FIG. 3, the radius of curvature R of the
本発明の好適な実施形態においては、例えば図3に示すように、支持部材7の縦断面の外側輪郭7fにおいて、拡径部7aと湾曲部分13A(13B)との間に、支持部材7の中心軸Aに対して交差する方向に延びる真直部14を設ける。この真直部14を設けることによって、拡径部7aの厚さを十分に大きくでき、あるいは、本体部分7bの厚さを十分に小さくできる。例えば図3において直線状部を設けないと、拡径部7aの厚さは著しく小さい設計になる。
In a preferred embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 3, in the
真直部14のAに対する傾斜角度θは限定されないが、上記の観点から、45−90度とすることが好ましい。
Although the inclination angle θ with respect to A of the
また、好適な実施形態においては、支持部材7の縦断面の外側輪郭7fにおいて、拡径部7aとサセプター2の表面18との間に他のアール部分17が設けられている。
In the preferred embodiment, another rounded
この際、図2、3に示すように、他のアール部分17の少なくとも一部がサセプターに形成されていることが好ましい。言い換えると、サセプター2の表面18と接合面7eとの間に段差aが生じていることが好ましい。これによって、接合部分における応力集中を最大限緩和できる。
At this time, as shown in FIGS. 2 and 3, it is preferable that at least a part of the other
本発明においては、図4に示すように、接合面7eとサセプター2の表面(露出面)18との間に段差が生じないようにすることもできる。ただし、この場合には、アール部分17Aを形成すると、アール部分17Aにおける支持部材の厚さが非常に小さくなり、かつ異形となる。このため、アール部分17Aの近辺に応力が集中し易くなり、あるいは剥離の起点となり易い。
In the present invention, as shown in FIG. 4, it is possible to prevent a step from being generated between the
他のアール部分17、17Aの曲率半径REは、接合部分における応力を最小限とするという観点からは1mm以上が好ましく、2mm以上が更に好ましい。
The radius of curvature RE of the other
段差aは限定されないが、接合部分における応力を低減するという観点からは1mm以上が好ましい。 The step a is not limited, but is preferably 1 mm or more from the viewpoint of reducing the stress at the joint.
好適な実施形態においては、拡径部7aの外側輪郭16が支持部材7の中心軸Aと略平行に延びる。外側輪郭または外側面16の長さbを大きくすることは、つまり拡径部7aの厚さを大きくすることを意味している。そして、bを大きくすることによって、拡径部の近辺における応力が一層減少することを発見した。この観点からは、bを2mm以上とすることが好ましく、5mm以上とすることが一層好ましい。
In a preferred embodiment, the
しかし、bを大きくすると、今度は支持部材7を伝達してチャンバーの方へと逃げる熱が多くなり、支持部材のチャンバー側端部の温度が上昇し、規定温度(例えば200℃)を超える傾向がある。このため、bは10mm以下が特に好ましい。
However, if b is increased, the heat that is transmitted to the
サセプター、支持部材の材質は限定されないが,好ましくはセラミックスである。ハロゲン系腐食性ガスに対して耐蝕性を有するセラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウムまたは緻密質アルミナが好ましく、95%以上の相対密度を有する窒化アルミニウム質セラミックス、アルミナが一層好ましい。 The material of the susceptor and the support member is not limited, but is preferably ceramic. Ceramics having corrosion resistance to halogen-based corrosive gases are preferable, aluminum nitride or dense alumina is particularly preferable, and aluminum nitride ceramics and alumina having a relative density of 95% or more are more preferable.
セラミックサセプターは何らかの加熱源によって加熱されるが、その加熱源は限定されず、外部の熱源(例えば赤外線ランプ)によって加熱されるサセプターと、内部の熱源(例えばサセプター内に埋設されたヒーター)によって加熱されるサセプターとの双方を含む。サセプター中には、抵抗発熱体、静電チャック用電極、プラズマ発生用電極などの機能性部品を埋設することができる。 The ceramic susceptor is heated by some heating source, but the heating source is not limited. The ceramic susceptor is heated by an external heat source (for example, an infrared lamp) and an internal heat source (for example, a heater embedded in the susceptor). Including both susceptors. Functional components such as a resistance heating element, an electrostatic chuck electrode, and a plasma generating electrode can be embedded in the susceptor.
封止部材の材質は限定されないが、Oリングシールやメタルリングシールを例示できる。 Although the material of the sealing member is not limited, an O-ring seal or a metal ring seal can be exemplified.
(本発明例1−5)
図1−図3を参照しつつ説明した本発明の取付構造を作製した。サセプター2としては、直径330mm、厚さ15mmの窒化アルミニウム焼結体製の円盤を使用した。支持部材7は、緻密質の窒化アルミニウム焼結体によって成形した。支持部材7とサセプター2とを、特開平8−73280号公報に記載のようにして固相接合した。支持部材7とチャンバー10との間は、ネジによって締めつけ固定した。Oリング12はフッ素ゴムからなる。
(Invention Example 1-5)
The mounting structure of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 3 was produced. As the
支持部材7の全長は180mmとした。支持部材7の内径は38mmとし、本体部分7bの厚さは8mmとし、拡径部7aの厚さは8mmとした。アール部分17の曲率半径REは3mmとし、段差aは2mmとし、真直部分16の長さbは5mmとした。アール部分13の曲率半径Rは表1に示す。
The total length of the
この状態で、サセプター2の設置面2aの温度を約600°に加熱したものという設定で、シミュレーションを行った。この状態で、支持部材7の内部応力をその全体にわたって計算し、最大応力を求めた。また、支持部材7のチャンバー側の端部7cの温度を求めた。
In this state, the simulation was performed with the setting that the temperature of the
(比較例1)
図5に示した比較例の構造を作製した。基本的には本発明例1と同様にしたが、ただしアール部分21、25、真直部分22、24、26、角23、15を設けた。アール部分21の曲率半径R1は5mmとし、R2を3mmとした。実験1と同様にして最大応力と支持部材7のチャンバー側の端部7cの温度を求めた。この結果、最大応力は3.2kgf/mm2であり、7cの温度は180℃であった。
(Comparative Example 1)
The structure of the comparative example shown in FIG. 5 was produced. Basically the same as Example 1 of the present invention, except that
(本発明例6、7)
本発明例6においては、本発明例1と同様の構造を作製した。ただし、アール部分17の曲率半径REは3mmとし、段差aは2mmとし、真直部分16の長さbは5mmとし、アール部分13の曲率半径Rは15mmとした。この結果、最大応力2.6kgf/mm2であった。
(Invention Examples 6 and 7)
In Invention Example 6, the same structure as in Invention Example 1 was produced. However, the radius of curvature RE of the rounded
本発明例7においては、本発明例6において真直部分16を除いた。この結果、最大応力は2.7kgf/mm2であった。
In the present invention example 7, the
(本発明例8、9)
本発明例1と同様の構造を作製した。ただし、真直部分16の高さbを表2のように変更した。各構造について、最大応力と端部7cの温度とを算出した。
(Invention Examples 8 and 9)
A structure similar to that of Invention Example 1 was produced. However, the height b of the
本発明によれば、サセプターにおいて、サセプターから支持部材中へと伝達される熱を抑制すると共に、サセプターを高温にしたときにも支持部材に集中する応力を緩和する必要のある用途に適用できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while suppressing the heat transmitted from a susceptor into a support member in a susceptor, it can apply to the use which needs to relieve | moderate the stress concentrated on a support member when a susceptor is made high temperature.
2 サセプター 2a 設置面 2b、18 背面 5 チャンバーの内部空間 6 支持部材の内側空間 7、7A 支持部材 7a 拡径部 7b 本体部分 7c 拡径部(チャンバー側の端部) 7d 支持部材の内側輪郭(内側面) 7e、7g 接合面 7f 支持部材の外側輪郭(外側面) 8 冷却機構 10 チャンバー 10a 開口 10d チャンバーの内側面 13 本体部分7bと拡径部7aとの間のアール部分 14 アール部分13と拡径部との間の真直部分 16 拡径部の外側面(外側輪郭) 17 他のアール部分 20 封止部材 A 支持部材の中心軸 R アール部分13の曲率半径 RE アール部分17、17Aの曲率半径 O 曲率中心
2
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