JP6234076B2 - 接合構造体及びこれを用いた半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は接合構造及びこれを用いた半導体製造装置、さらに詳しくは、セラミックス基体に埋設された埋設電極に電力を供給する給電端子を接合する接合構造体及びこの接合構造体を静電チャックまたはヒーターとして使用する半導体製造装置に関するものである。

近年、ＣＶＤ、スパッタ、エッチング用の半導体製造装置に使用されるヒーター付サセプタ、プラズマ電極付サセプタ、静電チャックなどには耐プラズマ性を有する材料が求められ、特に酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどのセラミックスが用いられている。

前記半導体製造装置の静電チャックまたはヒーターとして使用されている接合構造体の内部にはチャック用の電極や発熱体（抵抗体）と、これらに電気的に接続される金属部材が埋設されており、セラミックスと一体焼結される。さらに、前記電極や発熱体（抵抗体）に給電するため、金属部材に対して給電用の端子の接合が施されている。

従来、この接合は、埋設されている金属部材を穴加工等により露出させ、その露出部に対して、給電端子をろう付けすることにより行われることが多い。

例えば、特許文献１では、給電端子と金属部材とを同じ熱膨張係数の金属にし、ろう付けすることによって、熱による応力差をなくして、セラミックス部材への応力を緩和する技術が開示されている。

しかしながら、ろう付けによる接合方法には、接合温度から室温まで冷却する過程で金属部材と給電端子の熱膨張係数差による残留応力が原因でセラミックスやその接合部分にクラックが発生する可能性があった。これは金属部材と給電端子を同一材料にしたとしても、その界面にはろう材が存在するため、熱膨張係数差を完全にはなくすことはできていなかった。

また、ろう付け以外の接合方法として、接合時の残留応力を減らす目的でビーム溶接を用いる発明が公知である（特許文献２）。前記発明では板状の金属塊と円柱状の給電端子を用いており、その金属塊の深さ方向の溶け込みと給電端子の外周部の溶け込み深さのバランスをとるため、ビームの入射角を所定範囲にするようにしている。さらにセラミックスへの端子孔もビームが接触しないようにテーパー角度を設けて加工している。

しかしながら、前記発明のように端子孔をテーパー状に加工することは、ストレートに加工することに比較して手間がかかり、加工の際により一層セラミックにクラックや破損が生じる恐れがあった。

さらに、ヒーターとしての用途を考えた場合、この部材は室温から４００℃以上の高温に加熱され、その後再び室温まで冷却されるような条件で使用されるため、接合部に熱膨張係数が大きく異なる材質が使用されていると、熱膨張差による疲労が蓄積され、接合部分の信頼性に欠けるという問題があった。

特開２００９−１８８３９４号公報 特開２０１２−４９１８５号公報

したがって、本発明の課題は、接合強度が高く、熱サイクルに曝される場合でも給電端子の接合信頼性が高いセラミックス部材を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するために、
板状のセラミック基材と、その底部に順次接触しながら埋設されている電極及び金属部材と、
前記セラミック基材の上面から金属部材に到達する端子穴と、
前記セラミック基材の上方から前記端子穴を通して前記金属部材に突き合わせる給電端子と
からなる接合構造体において、
前記給電端子の下端に形成した拡径部のエッジ部と前記金属部材とを接合した接合構造体を採用し、接合部分の表面積を大きくすることによって、接合強度を大きくすることができる。

さらに、熱サイクル下におけるクラック発生を低減するため、前記給電端子と前記金属部材とを熱膨張係数が同程度の金属を採用し、好ましくはその金属をＭｏとする接合構造体を採用する。給電端子はコバール（ＦｅＮｉＣｏ系合金）としても良い。

また、前記給電端子を前記金属部材に凹設された給電端子嵌合用凹部に嵌合させた接合構造体とすることによって、給電端子の位置決めをしやすくする。

前記した接合構造体において、前記給電端子と前記金属部材とを接合するとき、電子ビーム溶接、レーザー溶接、アーク溶接、ガス溶接、プラズマフレーム溶接から選択される１つの溶接方法によって溶接することによって、接合面にろう材などの異種材料が存在しないため、熱膨張係数差によるクラックをより一層発生しにくくすることができる。

また、一般的にビーム溶接（電子ビーム溶接、レーザー溶接）は、エネルギー密度が高いため、局所溶接が容易であり、少ない入熱量で接合が可能であるため、溶接熱の発生が少なく脆性劣化などが発生しにくいという利点がある。

本発明は、熱サイクル下において、熱膨張係数差によるクラックが発生しにくい接合構造体を創出することができるという優れた効果を発揮する。

本発明に係る接合構造体をホットプレス機で製造するときの断面図である。 本発明に係る接合構造体前駆体である。 本発明に係る接合構造体をホットプレス機で製造するときの別の断面図である。 セラミック基材に端子穴を形成した断面図である。 セラミック基材に端子穴を形成した別の断面図である。 給電端子を給電端子用凹部に嵌合するときの断面図である。 本発明に係る第１実施形態の給電端子接合方法を示した断面図である。 図７のＡ部分の拡大図である。 給電端子の斜視図である。 給電端子の端部を拡径しないで金属部材に突き合わせて電子ビーム溶接したときの部分断面図である。 給電端子の端部を拡径して金属部材に嵌合して電子ビーム溶接したときの部分断面図である。 本発明に係る第２実施形態の給電端子接合方法を示した断面図である。 図１２のＢ部分の拡大図である。

以下、本発明の接合構造体の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において参照する各図の形状は、好適な形状寸法を説明する上での概念図又は概略図であり、寸法比率等は実際の寸法比率とは必ずしも一致しない。つまり、本発明は、図面における寸法比率に限定されるものではない。

（第１実施形態）
本発明の好ましい実施形態である接合構造体の製造方法として、まず、セラミック基材に電極及び金属部材を埋設する工程について説明する（第１工程）。電極２及び金属部材３の製造方法は特に限定されないが、ここでは、電極２及び金属部材３を別々に作成する方法で説明する。

セラミック基材の材質として、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、好ましくは、窒化アルミニウムが使用される。なお、焼結性や機能特性向上のため、適宜添加物を加えてもよい。

図１に示すように、まず電極２が片面に印刷されたセラミック基板１ａを用意し、それをホットプレス加工機の下型Ｐ２上に電極２を上向きにして載置する。電極２には、セラミック基材上に印刷されたものの他に、パンチングメタル、金属メッシュ、金属コイルなどを利用することができ、その材質には、セラミックと一体焼成されることを考慮して、融点が１８００℃以上の高融点金属を採用する。具体的にはＷ、Ｍｏ、Ｎｂなどから１つ以上選択される金属、合金、炭化物又は珪化物を採用する。セラミック基材が窒化アルミニウムの場合は、熱膨張係数が近いため、Ｗ又はＭｏが好ましい。

次に、電極２の上から、融点が１８００℃以上の高融点金属の金属部材３、好ましくは、Ｍｏを原料とした板状の金属部材３を電極２と接触するように載置する。金属部材３の幅ｔ４は、任意に設定できる。電極２及び金属部材３に高融点金属を採用するのは、第一に、後述する加圧焼結工程で、電極２及び金属部材３が溶融せずに形状を維持できるようにするためと、第二に、高融点金属とセラミックスはともに熱膨張係数が小さく、熱膨張係数差は、３．２×１０^−６以下で小さいため、熱サイクル下においても熱膨張係数差によってセラミック基材１にクラックが生じにくいためである。

ここで、熱膨張係数差によってセラミック基材１にクラックが発生しやすくなるメカニズムについて説明する。セラミックスは、金属のように塑性変形しにくいため、熱応力で変形することなく、クラックが発生して破壊されやすい。つまり、熱膨張係数が極端に異なるもの同士を接合させると、その熱膨張の差によって、セラミックスにクラックが発生しやすくなる。したがって、セラミックスと同程度の熱膨張係数を有する高融点金属を電極２及び金属部材３に使用すると、熱膨張係数差が小さくなり、クラックは発生しにくい。

ここで、表１にＭｏ，Ｗ，コバール（ＦｅＮｉＣｏ系合金）、Ｔｉ，Ｎｉの熱膨張係数と窒化アルミニウムの熱膨張係数との熱膨張係数差を示す。熱膨張係数は、室温から設定温度（７００℃）までの伸びを測定して計算したものである。設定温度は、窒化アルミニウムが半導体製造プロセスで用いられるフッ素系ガスに対する耐食性が限界になる温度であり、窒化アルミニウムは、７００℃以下の使用が適している。熱膨張係数差（Δα）は、絶対値で窒化アルミニウムの熱膨張係数に対してどれだけあるかを示している。熱膨張係数差が小さいほどクラックは発生しにくい。

さらにその上面にセラミック粉末１ｂをホットプレス加工機の中に入れる。添加物がある場合にはあらかじめ混合しておいてもよいし、スプレードライ法により顆粒粉末にすると流動性が向上するため好ましい。

そして、ホットプレス加工機上型Ｐ１と下型Ｐ２とで前記したセラミック基板１ａ、セラミック粉末１ｂ、電極２及び金属部材３を、予備プレスし、１８００℃、１００ｋｇ／ｃｍ２でホットプレス焼成し、図２に示すように、電極２及び金属部材３がセラミック基材１の中に埋め込まれて一体化した接合構造体前駆体１ｃを形成する。

第１工程において、セラミック基材１は、セラミック粉末１ｂのみから形成することもできる。つまり、図３に示すように、まずプレス加工機Ｐ２上にセラミック粉末１ｂを載置し、次に、電極２を載置する。そして、その電極２の上から、融点が１８００℃以上の高融点金属、好ましくはＭｏを原料とした金属部材３を電極に接触するように載置し、さらにその上面に、前記したセラミック粉末（混合粉末）をホットプレス加工機の中に入れ、１８００℃、１００ｋｇ／ｃｍ２でホットプレスしてもよい。

さらに、先にも述べたように、電極２及び金属部材３の製造方法は、特に限定されず、電極２及び金属部材３を始めから一体的に形成した後に、セラミック粉末１ｂに埋め込んでホットプレス焼成もよい。また、電極２及び金属部材３を別々に形成した後に、それらを溶接、かしめ等で一体化してセラミック粉末に埋め込んでホットプレス焼成してもよい。

次に、図４に示すように、金属部材３が露出するまで、底面に対して垂直方向にセラミック基材１をダイヤモンド工具によって切削して端子穴４を形成する（第２工程）。金属部材３が露出するまで接合構造体前駆体１ｃを幅ｔ１（３〜１０ｍｍ）の範囲で切削し、端子穴４を形成する。

ここで、端子穴４の幅ｔ１は、金属部材の幅ｔ４より小さくても、大きくても、さらには等しくてもよい。端子穴４の幅ｔ１を金属部材３の幅ｔ４より小さくすることによって、金属部材３に大きな応力がかかっても、端子穴４が小さいため、セラミック基材１に金属部材３が挟まれて端子穴４から抜け落ちなくなる。一方、図５に示すように端子穴４の幅ｔ１を金属部材３の幅ｔ４より大きくする又は等しくすることによって、金属部材３及びセラミック基材１の間に生じる熱膨張係数差によるクラックは生じにくくなる。

そして、図６に示すように、後述する給電端子５が嵌合する給電端子嵌合用凹部４ａを端子穴４の幅ｔ１より小さい幅ｔ２（３〜１０ｍｍ）になるよう切削する（第３工程）。この給電端子嵌合用凹部４ａを形成することによって、後述する給電端子５を位置決めすることができるとともに、ｔ１より小さい幅のｔ２で給電端子嵌合用凹部４ａを切削し、ｔ２よりさらに小さい幅の給電端子５を嵌合することによって、セラミック基材１をテーパーに切削しなくても、金属部材３と給電端子５との間に十分な隙間ｔ３（１〜３ｍｍ）を形成できるため、後述する工程において、セラミック基材１と給電端子５とを容易に溶着することができる。

次に、図７、図８に示すように、給電端子用嵌合凹部４ａに給電端子５を嵌合し、電子ビーム溶接、レーザー溶接、アーク溶接、ガス溶接、プラズマフレーム溶接から選択される１つの溶接方法又はろう付けによる接合によって、金属部材３と給電端子５のエッジ部６ａとを溶着する（第４工程）。なお、以後電子ビーム溶接で溶着した場合で説明する。

給電端子５は、図９に示すように、下端がもう一方の端部より拡径した拡径部６を有する。給電端子５の下端を拡径することによって、端子穴４と給電端子５との間隔をｔ３（１〜３ｍｍ）に大きくすることができ、従来のように溶接する角度等を考慮しなくても、拡径部６のエッジ部６ａ及び金属部材３に真上（矢印Ｚ方向）から容易に電子ビームを当てて給電端子５を溶着できるようになる。金属部材３と接合されない側の端部は、外部給電導体とねじ止め、溶接等などにより結合される。外部給電導体は金属部材３と給電端子５とを溶接した後に接合しても良いし、これらの接合前に予め接合しておいてもよい。

次に、給電端子５を給電端子嵌合用凹部４ａに嵌合して、端子穴４内で給電端子５を立たせて位置決めをする。すると、拡径部６のエッジ部６ａと給電端子嵌合用凹部４ａの角部との接合部位は、端子穴４の壁面と給電端子５の軸部外周との略中間となる。このように、給電端子５に拡径部を設けることによって、拡径部６自体が給電端子５の土台になり、給電端子５を端子穴４内で垂直に安定して立たせて溶接できるため、溶接しやすい。なお、図示した給電端子５は、例として円柱形状としたが、円柱形状に限らず、四角柱、三角柱などの多角柱形状でもよい。

ここで、従来の電子ビーム溶接と、本発明による電子ビーム溶接とでは、溶着面積にどれだけ違いがあるか、図面で比較する。図１０に示すように、従来の電子ビーム溶接では、給電端子５及び金属部材３の接触部分に向かって斜め方向（矢印Ｘ１方向）に電子ビームを当てるだけなので、溶接面Ｙ１が給電端子５の側面と金属部材３の上面の２面だけである。

これに対し、図１１に示すように、本発明による電子ビーム溶接では、略面一となっている給電端子５のエッジ部６ａ及び給電端子嵌合用凹部４ａの角部４ｂ付近に、垂直方向（矢印Ｘ２方向）に電子ビームを当てるので、溶接面Ｙ２が４面存在する（金属部材３の上面、給電端子嵌合用凹部４ａの側面、拡径部６の上面及びエッジ部６ａの側面）。したがって、当然に従来の電子ビーム溶接より金属溶融量が大きくなるため、接合強度を大きくすることができる。また、垂直であると斜め方向からの場合に比べて、狙いがつけやすいため溶接不良の発生を防ぎ再現性良く溶接することができる。

さらに、金属部材３と給電端子５とを熱膨張係数が同程度の金属で形成すれば、熱サイクル下においても熱膨張係数差で生ずる金属疲労が起こりにくく、溶着部分のクラックが発生しにくい。また、好ましくは、金属部材３と給電端子５にＭｏを採用すると、セラミックとＭｏの熱膨張係数が同程度であり、金属部材３又は給電端子５と、セラミック基材１とに熱膨張係数差が生じにくく、セラミック基材１にクラックが発生しにくいため、給電端子５の接合強度をさらに大きくすることができる。

熱膨張係数差による接合構造体のクラック発生防止のために、他の溶着方法として、金属部材３と給電端子５とをろう付けしてもよい。端部が拡径した給電端子５を用いることによって、金属部材３及び給電端子５をろう付けしたとき、給電端子５の拡径部にろうを塗布することができるため、拡径していない給電端子を用いるよりも接合強度を大きくすることができ、クラック発生防止に効果的である。

（第２実施形態）
次に、本発明の別の実施形態である接合構造体の製造方法について説明する。第２実施形態では、前記した第１実施形態の給電端子嵌合用凹部４ａを形成する第３工程を必要としない。つまり、給電端子５を端子穴４の中央付近に挿入し、金属部材３上に載置させて、図１２に示すように給電端子５のエッジ部６ａの上面から溶接する。

このように、エッジ部６ａの上面から溶接したとしても、拡径部６の厚みｔ５は、０．３〜０．５ｍｍで薄く形成されているため、溶接方法によらず、十分に金属部材３まで溶融させることができ、図１３に示すように、給電端子５を溶着させることができる。この場合も、従来の溶接方法よりも金属溶融量が大きくなるため、金属部材３に給電端子５を強度よく溶着させることができる。

（第３実施形態）
第１、第２実施形態では、給電端子５の下端を拡径することによって、本発明の課題を解決してきたが、給電端子５及び金属部材３を、融点が１８００℃以上の同種の高融点金属、好ましくはＭｏを用いて溶接接合すれば、給電端子５の下端を拡径することなく、給電端子５の端部外周を溶接するだけで、課題を解決できる。この場合の溶接とは、電子ビーム溶接、レーザー溶接、アーク溶接、ガス溶接、プラズマフレーム溶接から選択されるいずれか一つの溶接方法を意味する。

このように、給電端子５及び金属部材３に、接合構造体と同程度の熱膨張係数である高融点金属、つまりセラミックとの熱膨張係数差が３．２×１０^−６以下の高融点金属で、好ましくはＭｏを用いることによって、接合構造体成形時又は使用時に、セラミック基材１と給電端子５又は金属部材３との熱膨張係数差によって生じる接合構造体のクラックを防ぐことができる。

また、給電端子５及び金属部材３を同種の高融点金属で溶接接合すると、給電端子５と金属部材３の接合界面に異種材料が含まれないため、熱サイクル下においても給電端子５と金属部材３との熱膨張係数差がなく、接合部分のクラック発生を防止できる。ただし、給電端子５の下端を拡径していないので、第１、第２実施形態より接合強度は小さくなる。

本発明は、半導体製造装置用静電チャック、ヒーターなどに使用される接合構造体に広く利用できる。

１：セラミック基材、１ａ：セラミック基板、１ｂ：セラミック粉末、２：電極、３：金属部材、４：端子穴、４ａ：給電端子嵌合用凹部、４ｂ：角部、５：給電端子、６：拡径部、６ａ：エッジ部。

Claims (5)

1. 板状のセラミック基材（１）と
   その底部に順次接触させながら積層又は埋設させた電極（２）及び金属部材（３）と
   前記セラミック基材の上面から前記金属部材に到達する端子穴（４）と
   前記セラミック基材の上方から前記端子穴（４）を通して前記金属部材（３）に突き合わせる給電端子（５）と
   からなる接合構造体において、
   前記給電端子の下端に形成した拡径部のエッジ部（６ａ）と前記金属部材に凹設された給電端子用嵌合凹部とを嵌合させ、前記エッジ部（６ａ）と前記給電端子用嵌合凹部の角部（４ｂ）とを略面一にし、前記エッジ部（６ａ）と前記給電端子用嵌合凹部の角部（４ｂ）との接合部位を、前記端子穴の壁面と前記給電端子の軸部外周との略中間になるように配置し、前記接合部位を電子ビーム溶接、レーザー溶接、アーク溶接、ガス溶接、プラズマフレーム溶接から選択される１つの溶接方法によって接合したことを特徴とする接合構造体。
2. 前記セラミック基材と前記給電端子及び前記セラミック基材と前記金属部材との熱膨張係数差Δαがそれぞれ３．２（１０^−６／Ｋ）以下であることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
3. 前記金属部材は、融点が１８００℃以上の高融点金属である請求項２記載の接合構造体。
4. 前記セラミック基材が窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素から選ばれる請求項１に記載の接合構造体。
5. 静電チャックが請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合構造体から構成されている半導体製造装置。
   

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