JP4101425B2

JP4101425B2 - セラミックスサセプターのチャンバーへの取付構造および支持構造

Info

Publication number: JP4101425B2
Application number: JP2000058349A
Authority: JP
Inventors: 淳生山田; 慎治山口
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: JP2001250858A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス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。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造用途等においては、例えば窒化アルミニウム製のセラミックスヒーターをチャンバー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の一端をセラミックスヒーターの接合面へと取り付け、この支持部材の他端をチャンバーの内側壁面へと取り付けることが行われている。支持部材は、アルミナ、窒化アルミニウム等の耐熱性のセラミックス板によって形成されている。支持部材とチャンバーとの間はＯリングによって気密に封止する。これによって、支持部材の内側空間とチャンバーの内部空間とを気密に封止し、チャンバーの内部空間のガスがチャンバーの外部へと漏れないようにする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、筒状のセラミックス部材をセラミックスヒーターの接合面（背面）に接合し、セラミックスヒーターを高温に加熱すると、次の問題が生ずる。以下、図５を参照しつつ、説明する。セラミックスヒーター１の半導体ウエハー設置面１ａ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１１は通常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１３内に冷却フランジを設けることによってＯリング１１の周辺を冷却し、Ｏリング１１の周辺の温度が２００℃以下となるように調節している。ところが、セラミックスヒーター１の温度が上記のように高くなり、支持部材２２の一端（セラミックスヒーターへの接合部分）４の温度が例えば４００℃を超え、支持部材２２の他端（チャンバー１３の内側壁面１３ａへの接合部分）６の温度が２００℃以下であると、支持部材の内部における温度勾配は２００℃以上となる。
【０００４】
こうなると、支持部材を伝搬する熱伝導量が大きくなり、支持部材の接合部分４の近辺からの熱伝導の増大によって、設置面１ａにコールドスポットが生ずるおそれがある。図５の取付構造においては、こうした熱伝導による問題を抑制するために、支持部材２２が、直径の大きい直筒部５Ｌと、直径の小さい直筒部５Ｍとを備えている。直筒部５Ｌと５Ｍとは、連結部７Ｈによって連結されている。このように、チャンバー１３側の直筒部５Ｍの直径を小さくすることによって、チャンバー１３側への熱の逃げを抑制しようとしている。
【０００５】
しかし、こうしたタイプの取付構造には、更に別の問題が残されていることが判明してきた。即ち、セラミックスヒーター１の温度が前述のように高温になると、ヒーター１は、直径が拡大する方向へと矢印Ａのように膨張する。一方、支持部材２２の内部では冷却フランジの作用によって大きな温度勾配が付いているために、支持部材２２の端部４近辺に大きな引張応力が加わり、支持部材２２と接合面１ｂとの接合部分の周辺に微細なクラックが生じて気体の封止特性が若干低下する可能性がある。
【０００６】
本発明者は、端部４付近での引張応力を緩和するために、支持部材２２の全長を長くすることによって、支持部材２２の内部での温度勾配を減少させるのと共に、支持部材２２を長くして接合部分における応力を逃がすことを検討した。しかし、チャンバー１３の内側壁面１３ａとヒーター１の接合面１ｂとの間隔ａは、半導体製造装置の仕様上、小さくすることが求められているので、こうした対策をとるのには限界があった。
【０００７】
本発明の課題は、加熱されるセラミックスサセプターと、サセプターの接合面に接合されているセラミックス製の支持部材と、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、かつ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、支持部材のセラミックスサセプター側の端部における引張応力を緩和することで、支持部材とサセプターとの接合部分の周辺における気体の漏れを防止できるようにし、同時にサセプターとチャンバーとの間隔をコンパクトにできるようにすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加熱されるセラミックスサセプターと、サセプターの接合面に接合されているセラミックス製の支持部材と、この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、かつ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であって、支持部材が蛇腹状をなしていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記取付構造であって、サセプターの支持部材への接合面に対して平行な方向に向かって支持部材を見たときに、複数枚のセラミックスが重ね合わされる重ね合わせ部分が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明について、図１−図４を参照しつつ更に説明する。図１−図４は、本発明の各実施形態に係る取付構造を示す断面図である。
【００１１】
セラミックスサセプター１の接合面１ｂが、支持部材２Ａの一端４に対して接合されている。こ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る。サセプター１の設置面１ａの最高温度は、例えば４００℃以上、特には６００℃以上、１２００℃以下に達する。支持部材２Ａの他端６が、チャンバー１３の内側壁面１３ａに対して接合されており、これら両者の間がＯリング１１によって封止されている。チャンバー１３の開口１２と支持部材２Ａの内側空間２０とが連通しており、チャンバー１３の内部空間２１とは隔離されている。チャンバー１３内には、図示しない冷却フランジを設けることによって、Ｏリング１１の周辺を冷却し、Ｏリング１１の周辺の温度が２００℃以下となるように調節している。
【００１２】
支持部材２Ａは全体として蛇腹状をなしている。ここで蛇腹状とは、直径の相対的に小さい第一の直筒部と、直径の相対的に大きい第二の直筒部と、これらを連結する、各直筒部と垂直に延びる連結部とが交互に設けられている形態を言う。支持部材２Ａは、相対的に直径の小さい直筒部５Ｂ、５Ｄ、５Ｆと、相対的に直径の大きい直筒部５Ａ、５Ｃ、５Ｅと、これらを連結する連結部７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅを備えている。
【００１３】
こうした形態の支持部材を採用することによって、サセプター１が直径方向の外側へと膨張し、かつ支持部材２Ａの他端６の温度が前述のように低い場合にも、支持部材２Ａとサセプター１との接合部分の近辺における微細な破壊やマイクロクラックを防止できる。このような作用は、支持部材が蛇腹状をしていることから応力を緩和し易いことによる。しかも、サセプター１とチャンバー１３との間隔ａを大きくする必要がない。
【００１４】
サセプターの材質は用途に応じて選択できるので、特に限定されない。ただし、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。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。
【００１５】
「加熱されるサセプター」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。支持部材を構成するセラミックスの形態は限定されないが、例えば長手方向に対して厚さ方向が小さい板状物からなる。また、筒状であることが好ましい。
【００１６】
支持部材の材質は特に限定しないが、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い。
【００１７】
図２−図４の各実施形態においては、前記の重ね合わせ部分を設けた。図２においては、サセプター１の接合面１ｂとチャンバー１３の内側壁面１３ａとの間が、支持部材２Ｂによって連結されている。支持部材２Ｂにおいては、支持部材の一端４に直筒部５Ｇが連続しており、この直筒部５Ｇが連結部７Ｆを介して別の直筒部５Ｈに連続している。この直筒部５Ｈの一端はチャンバー１３内にあるが、他端はチャンバー１３外に出ている。直筒部５Ｈの他端が折り返し部分９Ａを介して別の直筒部８Ａに連続しており、直筒部８Ａにチャンバー１３への接合部６が連続している。この結果、サセプター１の接合面１ｂに平行な方向に見たときに、直筒部５Ｈと直筒部８Ａとが重ね合わされており、即ち重複して存在している。１５は重ね合わせ部分である。
【００１８】
こうした構造によれば、折り返し部分９Ａを設けることによって、応力緩和作用が得られる。これに加えて、直筒部５Ｇ、５Ｈ、８Ａの全長が長いことによって、更に応力緩和作用が得られる。この点を更に説明する。一般的に言って、直筒部とは垂直な方向（接合面と平行な方向）へと向かって支持部材２Ｂの一端４に引張応力が加わったときには、この応力と平行な連結部７Ｆは応力緩和に対してはほとんど寄与しない。これとは逆に、応力と垂直に延びる直筒部５Ｇ、５Ｈ、８Ａはすべて応力緩和に寄与する。そして、直筒部による応力緩和の度合いは、すべての直筒部５Ｇ、５Ｈ、８Ａの全長の合計に比例する。これに加えて、折り返し部分９Ａも、その角度が拡大−縮小する方向への変形が容易であることから、前記引張応力の緩和に有効に寄与する。
【００１９】
しかも、本例においては、重ね合わせ部分１５の一部がチャンバー１３外に出ている。これは、サセプター１とチャンバー１３との間隔ａを一定にしたときに、直筒部５Ｈ、８Ａの各長さを一層大きくできることを意味している。これによって、一層大きな引張応力緩和作用が得られる。
【００２０】
前記重ね合わせ部分を設ける場合には、重ね合わせ部分を構成するセラミックスの方向は、前述した理由から、サセプターの接合面１ｂに対して垂直に近い方が好ましい。具体的には、重ね合わせ部分を構成するセラミックスの方向（平面）と接合面１ｂとがなす角度は、７０°−１１０°が好ましく、ほぼ垂直であることが一層好ましい。
【００２１】
本発明の好適な実施形態においては、サセプターの支持部材への接合面に対して平行な方向に支持部材を見たときに、三枚のセラミックスが重ね合わされる重ね合わせ部分が設けられている。この場合には、三枚のセラミックスによる応力緩和作用と、二つの折り返し部分による応力緩和作用とが得られる。図３、図４は、この実施形態に係るものである。
【００２２】
図３においては、支持部材２Ｃの一端４が直筒部５Ｉに連続しており、続いて折り返し部分９Ａ、直筒部８Ｂ、折り返し部分９Ｂ、直筒部８Ｃが設けられており、直筒部８Ｃがチャンバー１３への接合部６へと連続している。
【００２３】
特に好ましくは、支持部材が中心軸を有しており、支持部材のサセプターへの取付位置よりも、支持部材のチャンバーへの取付位置の方が、中心軸から遠い。図４はこの実施形態に係るものである。
【００２４】
図４においては、支持部材２Ｄの一端４が直筒部５Ｊに連続しており、続いて連結部７Ｇ、直筒部５Ｋ、折り返し部分９Ａ、直筒部８Ｄ、折り返し部分９Ｂ、直筒部８Ｅが設けられており、直筒部８Ｅがチャンバー１３への接合部６へと連続している。支持部材２Ｄが中心軸２４を有している。支持部材２Ｄのサセプター１への取付位置と中心軸２４との間隔ｂよりも、支持部材２Ｄのチャンバー１３への取付位置と中心軸２４との間隔ｃの方が大きい。これによって、支持部材２Ｄの一端４側に加わる引張応力は、支持部材２Ｄへの取付位置が相対的に中心軸２４に近いことから小さくなる。これに対して、支持部材２Ｄのチャンバー１３への取付位置が中心軸２４から相対的に遠いことから、応力緩和作用が特に大きい。
【００２５】
応力緩和の観点からは、ｂとｃとの差は、３０ｍｍ以上であることが好ましい。また、支持部材を小型化するためには、ｂとｃとの差を５０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
【実施例】
以下の比較例、実施例を実施した。
（比較例１）
図５に示す取付構造を作製した。サセプター１としては、直径２００ｍｍ、厚さ１７ｍｍ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２２は、厚さ２．５ｍｍのセラミックス板によって成形した。支持部材２２の高さａは４３ｍｍとした。支持部材２２とサセプター１とを、銀６３重量％：銅３２．２５重量％：チタン１．７５重量％のろう材によって接合した。この際には、８５０℃で、１０分間、１０^-5Ｔｏｒｒの圧力下で加熱した。支持部材２２とチャンバー１３との間を溶接した。Ｏリング１１はフッ素ゴムからなる。
【００２７】
この状態で、サセプター１の設置面１ａの温度を約６００°に加熱した。接合部６の温度を約１５０℃に保持したものという設定で、シュミレーションを行った。この状態で、支持部材２２の内部応力をその全体にわたって計算したところ、最大応力は１４．１ｋｇ／ｍｍ² であった。
【００２８】
また、この取付構造を、１×１０^-9トールの雰囲気下で、室温と５００℃との間の熱サイクルに供した。室温および５００℃における各保持時間は１０分間とし、昇温速度、降温速度は２０℃／分とし、熱サイクルの回数は５０回とした。熱サイクルを実施中に、雰囲気圧力を１×１０^-9トールに保持することができなくなり、圧力が上昇した。熱サイクル後には、支持部材２２の端部４付近に大きな引っ張り応力がかかり、支持部材２２と接合面１ｂとの接合部分の周辺にクラックが入ったため、気体の封止特性が悪くなった。この結果、雰囲気を真空状態に保持することはできなくなっていた。
【００２９】
（実施例１）
図１の取付構造を製造した。具体的な製造手順は比較例１と同様である。ただし、支持部材２Ａの高さａは６２ｍｍとし、各連結部７Ａ−７Ｅの長さはそれぞれ１５．２ｍｍとした。
【００３０】
この取付構造について、比較例１と同様にして最大応力をシュミレーションで計算したところ、１０．３ｋｇ／ｍｍ² であった。また、比較例１と同様にして熱サイクル後のヘリウムリーク量を測定したところ、１×１０^-8ｓｃｃｓ以下であった。
【００３１】
（実施例２）
図２の取付構造を製造した。具体的な製造手順は比較例１と同様である。ただし、ａは３１．３ｍｍとし、重ね合わせ部分ｄの長さは２７．７ｍｍとした。
【００３２】
この取付構造について、比較例１と同様にして最大応力をシュミレーションで計算したところ、７．１ｋｇ／ｍｍ² であった。また、比較例１と同様にして熱サイクル後のヘリウムリーク量を測定したところ、１×１０^-8ｓｃｃｓ以下であった。
【００３３】
（実施例３）
図３の取付構造を製造した。具体的な製造手順は比較例１と同様である。ただし、支持部材の高さａは６２ｍｍとし、重ね合わせ部分ｄの長さは４２ｍｍとした。
【００３４】
この取付構造について、比較例１と同様にして最大応力をシュミレーションで計算したところ、８．１ｋｇ／ｍｍ² であった。また、比較例１と同様にして熱サイクル後のヘリウムリーク量を測定したところ、１×１０^-8ｓｃｃｓ以下であった。
【００３５】
（実施例４）
図４の取付構造を製造した。具体的な製造手順は比較例１と同様である。ただし、支持部材の高さａは６２ｍｍとし、重ね合わせ部分ｄの長さは４１ｍｍとした。また、ｂは２５ｍｍとし、ｃは６０ｍｍとした。
【００３６】
この取付構造について、比較例１と同様にして最大応力をシュミレーションで計算したところ、５．７ｋｇ／ｍｍ² であった。また、比較例１と同様にして熱サイクル後のヘリウムリーク量を測定したところ、１×１０^-8ｓｃｃｓ以下であった。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、支持部材のセラミックスサセプター側の端部における引張応力を緩和することで、支持部材とサセプターとの接合部分の周辺における気体の漏れを防止できるようにし、同時にサセプターとチャンバーとの間隔をコンパクトにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る取付構造の断面図であり、蛇腹状の支持部材２Ａを備えている。
【図２】本発明の一実施形態に係る取付構造の断面図であり、２枚のセラミックス板の重ね合わせ部分１５および一つの折り返し部分９Ａを備えている。
【図３】本発明の一実施形態に係る取付構造の断面図であり、３枚のセラミックス板の重ね合わせ部分１５および二つの折り返し部分９Ａ、９Ｂを備えている。
【図４】本発明の一実施形態に係る取付構造の断面図であり、３枚のセラミックス板の重ね合わせ部分１５および二つの折り返し部分９Ａ、９Ｂを備えている。また、支持部材２Ｄのチャンバー１３との接合部分６が、支持部材２Ｄのサセプター１との接合部分４よりも、支持部材２Ｄの中心軸２４から遠い位置にある。
【図５】比較例の取付構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１セラミックスサセプター１ａ設置面１ｂサセプターの接合面（背面）２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ本発明に係る支持部材４支持部材のサセプター１との接合部分（一端）５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆ、５Ｇ、５Ｈ、５Ｇ、５Ｉ、５Ｊ、５Ｋ直筒部６支持部材のチャンバー１３との接合部（他端）７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆ、７Ｇ接合面１ｂとほぼ平行な方向に延びる連結部８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅ折り返された直筒部９Ａ、９Ｂ折り返し部分１１封止部材１２チャンバー１３の開口１３チャンバー１５重ね合わせ部分２０支持部材の内側空間２１チャンバー１３の内部空間

Claims

加熱されるセラミックスサセプターと、このセラミックスサセプターの接合面に接合されているセラミックス製の支持部材と、この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、前記チャンバーの前記開口と前記支持部材の内側空間とが連通し、かつ前記支持部材の内側空間が前記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であって、
前記支持部材が蛇腹状をなしていることを特徴とする、セラミックスサセプターのチャンバーへの取付構造。
加熱されるセラミックスサセプターと、このセラミックスサセプターの接合面に接合されているセラミックス製の支持部材と、この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、前記チャンバーの前記開口と前記支持部材の内側空間とが連通し、かつ前記支持部材の内側空間が前記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であって、
前記支持部材を前記接合面に平行な方向に見たときに、複数枚の前記セラミックスが重ね合わされる重ね合わせ部分が設けられていることを特徴とする、セラミックスサセプターのチャンバーへの取付構造。
前記接合面に対して平行な方向に前記支持部材を見たときに、三枚の前記セラミックスが重ね合わされる重ね合わせ部分が設けられていることを特徴とする、請求項２記載の取付構造。
前記重ね合わせ部分の少なくとも一部が前記チャンバー外に露出していることを特徴とする、請求項２または３記載の取付構造。
前記支持部材が中心軸を有しており、前記支持部材の前記セラミックスサセプターへの取付位置よりも、前記支持部材の前記チャンバーへの取付位置の方が、前記中心軸から遠いことを特徴とする、請求項２−４のいずれか一つの請求項に記載の取付構造。
前記セラミックスサセプターが窒化アルミニウムまたはアルミナからなることを特徴とする、請求項１−５のいずれか一つの請求項に記載の取付構造。
前記支持部材が前記チャンバーに対してゴム製の封止部材によって封止されていることを特徴とする、請求項１−６のいずれか一つの請求項に記載の取付構造。
加熱されるセラミックスサセプターと、このセラミックスサセプターの接合面に接合されているセラミックス製の支持部材とを備えており、前記支持部材が蛇腹状をなしていることを特徴とする、セラミックスサセプターの支持構造。
加熱されるセラミックスサセプターと、このセラミックスサセプターの接合面に接合されているセラミックス製の支持部材とを備えており、前記支持部材を前記接合面に平行な方向に見たときに、複数枚の前記セラミックスが重ね合わされる重ね合わせ部分が設けられていることを特徴とする、セラミックスサセプターの支持構造。
前記接合面に対して平行な方向に前記支持部材を見たときに、三枚の前記セラミックスが重ね合わされる重ね合わせ部分が設けられていることを特徴とする、請求項９記載のセラミックスサセプターの支持構造。