JP6636812B2 - 半導体製造装置用部品 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の製造工程または液晶表示装置の製造工程等において用いられる半導体製造装置用部品に関するものである。

半導体製造装置用部品として、例えば、特許文献１に記載の半導体製造装置用ガスシャワー体が知られている。特許文献１に記載の半導体製造装置用ガスシャワー体は、複数の貫通孔を有するセラミックス焼結体基材と、セラミックス焼結体基材の内部に形成されたプラズマ発生用の導電層とを備えている。

特開２００１−２７４１０３号公報

一般的に、導電層は、セラミックス焼結体基材の表面に設けられた凹部に引き出される。引き出された導電層は、凹部に挿入されたリード端子に接合材を介して接続される。このとき、凹部の内部には接合材が充填されることになる。ここで、半導体製造装置用部品を使用する際に、プラズマ発生用である導電層に高周波の印加を行なうと、セラミックス焼結体基材の温度が上昇する。これに伴って、導電層、リード端子および接合材の温度が上昇する。

このとき、凹部の内部に充填された接合材とセラミックス焼結体基材との間で熱応力が発生し、セラミックス焼結体基材にクラックが生じてしまうおそれがあった。その結果、半導体製造装置用部品の長期信頼性を向上させることが困難であった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱応力の発生を低減し、セラミックス焼結体基材にクラックが生じることを抑制することで、半導体製造装置用部品の長期信頼性を向上させることにある。

本発明の一態様の半導体製造装置用部品は、凹部を表面に有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられて前記凹部の内表面に引き出された内部電極と、前記凹部に挿入されて前記凹部に導電性の接合材を介して接合されるとともに、前記接合材を介して前記内部電極に接続されたリード端子とを備えており、前記凹部を平面視したときに、前記凹部と前記リード端子とが円形状であるとともに、前記凹部と前記リード端子との間が円環状になっており、前記接合材が、前記凹部および前記リード端子に沿って濡れ広がっており、前記リード端子のうち前記接合材に接している接合領域が前記リード端子の外周の半周未満であることを特徴とする。

本発明の一態様の半導体製造装置用部品によれば、接合材による接合領域がリード端子の外周の半周未満であることによって、リード端子の中心軸を中心として見たときに、リード端子のうち接合領域の反対側に位置する領域とセラミック体との間には、接合材が存在しないことになる。そのため、接合材の温度が上昇して熱膨張したとしても、リード端子の反対側の領域において、この熱膨張による熱応力を低減することができる。その結果、セラミック体にクラックが生じるおそれを低減できる。

本発明の一実施形態の半導体製造装置用部品を示す断面図である。 図１に示した半導体製造装置用部品をガスシャワー体として用いるときの模式図である。 図１に示した半導体製造装置用部品の凹部近傍を示す縦断面図である。 図１に示した半導体製造装置用部品の凹部近傍を示す横断面図である。 図１に示した半導体製造装置用部品の凹部近傍を示す縦断面図である。 図１に示した半導体製造装置用部品の凹部近傍を示す横断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置用部品１０について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態の半導体製造装置用部品１０は、セラミック体１とセラミック体１の内部に設けられた内部電極２と、内部電極２に接続されたリード端子３とを備えている。本実施形態における半導体製造装置用部品１０は、半導体製造装置用のガスシャワー体として用いられる。ガスシャワー体は、半導体ウエハの表面に反応ガスを均一に吹き込ませるために用いられる。

セラミック体１は、例えば円板状の部材である。セラミック体１は複数の貫通孔４を有している。貫通孔４は、反応ガスを通過させるために設けられている。具体的には、セラミック体１の上面側に反応ガスを供給すると、セラミック体１の貫通孔４を通って反応ガスがセラミック体１の下面側から噴出される。貫通孔４をセラミック体１に多数分布させておくことによって、セラミック体１の表面から噴出する反応ガスの量や位置を調整することができる。セラミック体１は、例えば、窒化アルミニウムセラミックス等のセラミックス材料から成る。セラミック体１は、例えば、セラミックグリーンシートを積層して、焼結することによって作製できる。セラミックス材料としては、特に、窒化アルミニウムが好ましい。窒化アルミニウムを用いることによって、熱伝導に優れるとともにプラズマ環境下における耐腐食性に優れるセラミック体１とすることができる。

セラミック体１は、例えば、以下の寸法に設定できる。具体的には、直径を３００〜５００ｍｍ、厚みを３〜１５ｍｍに設定できる。また、貫通孔４は、例えば、１０〜２０ｍｍ程度の間隔を開けてほぼ全体に均等に分布させることができる。

内部電極２は、プラズマを発生させるための電極である。内部電極２は、セラミック体１の内部にセラミック体１の上下面に沿って広範囲に設けられている。内部電極２は、貫通孔４の壁面に露出することが無いように貫通孔４と間隔を開けて形成されている。具体的には、例えば、貫通孔４が円形状の場合には、貫通孔４よりも径が大きく中心が貫通孔４の中心と同一となる円形の非形成部を有する。貫通孔４の寸法としては、例えば、一方の主面側の径を０．１〜２ｍｍに、他方の主面側の径を０．１５〜２．０５ｍｍに設定できる。

内部電極２は、例えば、タングステン等の金属材料から成る。内部電極２は、セラミック体１をセラミックグリーンシートの積層によって形成する際に、一部のセラミックグリーンシートの表面に内部電極２の原料となるペーストを印刷するとともに、セラミックグリーンシートとともに焼結することによって作製できる。内部電極２は、以下の寸法に設定できる。具体的には、外周部分の直径を２９０〜４９０ｍｍ、厚みを３０〜５０μｍに設定できる。貫通孔４とは、例えば、１．５〜２．５ｍｍの間隔を開けて形成される。

シャワーヘッドとして半導体製造装置用部品１０を用いる際には、図２に示すように、あわせて試料保持具８を用いる。試料保持具８は、例えば、セラミック材料から成り、上面において半導体ウエハ等の試料９を保持する。試料保持具８の内部には、上面に沿ってプラズマ発生用の電極１１が設けられている。内部電極２とプラズマ発生用の電極１１との間に高周波の電圧を印加すると、内部電極２とプラズマ発生用の電極１１との間に電界が生じる。このとき、半導体製造装置用部品１０の貫通孔４を通って噴出された反応ガスが試料９上に供給されると、電界によって反応ガスが励起されてプラズマが発生する。このようにして形成されたガスプラズマによって、試料９の表面上で所定の膜形成またはエッチングを行なうことができる。

本実施形態の半導体製造装置用部品１０は、セラミック体１の表面にリード端子３が挿入される凹部５が設けられている。より具体的には、セラミック体１の上面に凹部５が設けられている。そして、図３に示すように、内部電極２は凹部５の底面に引き出されている。本実施形態においては、内部電極２は、凹部５の壁面に引き出されるとともに、凹部５の壁面から底面にかけて引き出されている。なお、内部電極２のうち、セラミック体１に埋設されている部分と、凹部５の底面に形成されている部分とは、異なる材料から成っていてもよいし、別々に形成されていてもよい。このような場合も、１つの内部電極２として見なすことができる。

そして、凹部５の内部にはリード端子３が挿入されている。リード端子３は、内部電極２と外部の電源とを接続するための部材である。リード端子３は、金属材料から成る。特に、リード端子３が非磁性金属から成ることが好ましい。一般に、高周波の電圧を印加した際にリード端子３が磁性金属の場合には、渦電流が発生してしまい、発熱が生じてしまう。リード端子３として非磁性金属を用いることで、渦電流の発生を抑制できる。リード端子３に用いられる非磁性金属としては、例えば、タングステンが挙げられる。

リード端子３は、内部電極２に導電性の接合材７を介して接合されている。これにより、リード端子３と内部電極２とが電気的に接続されている。接合材７としては、例えば、銀銅ろう等を用いることができる。

本実施形態の半導体製造装置用部品１０は、凹部５を表面に有するセラミック体１と、セラミック体１の内部に設けられて凹部５の内表面に引き出された内部電極２と、凹部５に挿入されて凹部５に導電性の接合材７を介して接合されるとともに、接合材７を介して内部電極２に接続されたリード端子３とを備えており、凹部５を平面視したときに、凹部５とリード端子３とが円形状であるとともに、凹部５とリード端子３との間に接合材７が濡れ広がっており、リード端子３のうち接合材７に接している接合領域３０がリード端子３の外周の半周未満である。

これにより、リード端子３の中心軸を中心として見たときに、リード端子３のうち接合領域３０の反対側に位置する領域とセラミック体１との間には、接合材７が存在しないことになる。そのため、接合材７の温度が上昇して熱膨張したとしても、リード端子３の反対側の領域において、この熱膨張による熱応力を低減することができる。その結果、セラミック体１にクラックが生じるおそれを低減できる。リード端子３のうち接合領域３０は、例えば、リード端子３の全周に対して、例えば、１/１０周以上〜半周未満に設定できる。

より具体的には、「平面視したときに…リード端子３のうち接合材７に接している接合領域３０がリード端子３の外周の半周未満」であるので、例えば、図４に示すように、ある一横断面を見たときにも、接合領域３０がリード端子３の外周の半周未満である。そして、これらを平面視したときも接合領域３０はリード端子３の外周の半周未満である。

凹部５とリード端子３との隙間が小さく、平面視で接合領域３０を確認することが困難な場合は、以下の方法に代えることができる。具体的には、図５に示すように、例えば、凹部５を深さ方向に均等な間隔で３つの仮想線（ii、iii、iv）を引く。凹部５の開口部
を通る仮想線iを引く。そして、これらの仮想線i〜ivを含む４つの断面それぞれにおいて、接合材７がリード端子３に接触している領域を確認する。これら４つの断面における接合材７がリード端子３に接触している領域を重ね合わせたものを接合領域３０と見なすことができる。

なお、製法上不可避な大きさのボイド等がリード端子３と接合材７との間に発生する場合があるが、このような場合にはリード端子３と接合材７とは接触していると見なすことができる。言い換えると、接合領域３０に、製法上不可避な大きさのボイド等が存在していてもよい。

接合領域３０が、リード端子３の全周に対して、２／５周以上〜半周未満であることが好ましい。２／５周以上であることによって、接合強度を十分に維持することができるとともに、半周未満であることによって熱応力を低減できる。

さらに、凹部５の内表面の形状が円形状であるとともに、内表面のうち接合材７が濡れ広がっている部分が、平面視したときに、接合領域３０に対応していることが好ましい。ここでいう、「接合領域３０に対応している」とは、内表面のうち接合材７が濡れ広がっている部分が、リード端子３の中心から接合領域３０を通る仮想線を引いたときに、仮想線上以外に存在していないことを意味している。このような構成により、熱応力による影響をさらに低減できる。

さらに、接合材７が、内部電極２のうち凹部５の内表面（底面ではなく壁面）に引き出された部分に接している。より具体的には、内部電極２がセラミック体１から凹部５の壁面に引き出されるとともに、この引き出された部分が接合材７に接触している。これにより、内部電極２からリード端子３までの導電距離を小さくすることができる。その結果、接合材７における局所的な発熱を低減できる。

また、図６に示すように、凹部５を平面視したときに、リード端子３のうち接合領域３０以外の領域の一部が凹部５の内表面に接していてもよい。これにより、接合材７の温度が上昇して熱膨張したとしても、リード端子３に位置ずれが生じてしまうおそれを低減できる。より詳しくは、リード端子３のうちの接合領域３０以外の領域の一部が凹部５の内表面に接するとともに、リード端子３のうちの接合領域以外の残部が凹部５の内表面から離れていてもよい。これにより、位置ずれが生じてしまうおそれを低減しつつ、ヒートサイクル下に生じる熱応力を低減できる。なお、ここでいう「凹部５の内表面に接して」とは、凹部５の内表面に設けられた内部電極２を介して間接的に凹部５の内表面に接している場合も含まれる。

さらに、図３に示すように、少なくとも接合材７が凹部５の底面において、隅部から離れて設けられていてもよい。これにより、熱応力が最も集中しやすくクラックの起点になりやすい隅部と接合材７との間に、隙間を有することとなる。このため、リード端子３と内部電極２とを接合しつつも、セラミックス体と接合材７との間に生じる熱応力を低減できる。その結果、半導体製造装置用部品１０の長期信頼性を向上させることができる。

凹部５の寸法は、例えば、内径を３〜５ｍｍに、深さを２〜４ｍｍに設定できる。リード端子３の寸法は、例えば、直径を２〜４ｍｍに設定できる。接合材７と隅部との間隔は、例えば、０．３〜０．６ｍｍ程度に設定できる。なお、ここでいう「隅部」とは、凹部５の底面と壁面とを繋ぐ部分を意味している。また、底面と壁面とが滑らかに連続しているような場合には、底面と壁面とを繋ぐ領域の全体を隅部として見なすことができる。

さらに、本実施形態においては、接合材７が凹部５の壁面とリード端子３の周囲との間に設けられており、かつ開口部６からは離れている。開口部６は、セラミック体１の表面と凹部５の壁面とによって角部が形成されていることから、熱応力が集中しやすい傾向にあるが、開口部６から離して接合材７を設けることによって、開口部６の角部において熱応力が集中することを抑制できる。その結果、半導体製造装置用部品１０の長期信頼性を向上させることができる。

さらに、セラミック体１がリード端子３よりも熱膨張率が大きいことが好ましい。セラミック体１の熱膨張率をリード端子３の熱膨張率よりも大きくすることによって、半導体製造装置用部品１０の冷却時に、セラミック体１とリードとの接合部において、セラミック体１に引張応力が発生することを抑制できる。これにより、ヒートサイクル下においてセラミック体１に熱応力が発生することをさらに低減できる。セラミック体１がリード端子３よりも熱膨張率が大きいようにするためには、例えば、セラミック体１として窒化アｈルミニウムを用いるとともに、リード端子３としてタングステンを用いればよい。このとき、セラミック体１の熱膨張率は、例えば、５．１×１０^−６／Ｋになり、リード端子３の熱膨張率は、例えば、４．５×１０^−６／Ｋになる。

なお、本実施形態においては、凹部５がセラミック体１の上面に設けられていたが、これに限られない。例えば、側面または下面等の他の面に設けられていてもよい。また、本実施形態においては、半導体製造装置用部品１０をガスシャワー体として用いた例を説明したが、これに限られない。例えば、半導体ウエハ等を保持するための試料保持具として用いても構わない。また、本実施形態においては、内部電極２としてプラズマ用の電極を用いた場合を説明したが、これに限られない。ヒータ等の電極を内部電極２として用いてもよい。

上述の半導体製造装置用部品１０の製造方法を説明する。なお、セラミック体１に窒化アルミニウムセラミックスを用いた場合を例に説明するが、アルミナセラミックス等の他のセラミック材料の場合であっても同様の方法で製造することができる。

まず、主原料となる窒化アルミニウム粉末と微量の焼結助剤とを、ウレタンまたはナイロン等の樹脂で内張りを施したボールミル中に投入し、イオン交換水または有機溶媒等の溶媒および金属またはセラミックス体から成るボールと共に２４〜７２時間の湿式粉砕混合を行なう。

こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはアクリル樹脂等の有機バインダおよび可塑剤ならびに消泡剤を添加して、さらに２４〜４８時間の混合を行なう。混合された有機−無機混合スラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法、プレス成形法または押し出し成形法等によって、厚さ２０μｍ〜２０ｍｍのセラミックグリーンシートに成形する。

そして、セラミック体１を形成するセラミックグリーンシートに内部電極２を形成するためのペースト状電極材料を印刷成形する。ペースト状電極材料としては、白金、タングステン、モリブデン等を用いることができる。

このとき、貫通孔４に対応する箇所にはペース状電極材料を印刷しないようにレジスト等を用いる。

次に、セラミック体１における所定の位置に内部電極２が形成されるように、ペースト状電極材料が印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極が印刷されたセラミックグリーンシートとを積層する。ここで、積層されたセラミックグリーンシート同士を密着させるために、例えば、熱板を用いた加圧プレスを行う。具体的には、グリーンシートに混合された有機バインダおよび可塑剤を適正な配分とし、グリーンシート積層体と熱板の間に適正な粘弾塑性による変形性を有する緩衝材を挿入して、さらに適正な温度と圧力と保持時間で加圧する。

次に、得られた積層体にガス穴として複数の貫通孔４を形成する。例えば、マシニングセンターで所望の形状、配置で穴を形成する。

次に、得られた積層体を所定の温度および所定の雰囲気中にて焼成する。そして、焼成後のセラミック体１の表面をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状に加工する。さらに面を所定の平面度および表面粗さに加工する。

さらに、内部電極２のパターンおよび埋設される深さに応じて、マシニングセンター等を用いて内部電極２が露出するように凹部５を形成する。さらに、凹部５の壁面および底面に、電極ペーストを塗布し熱処理を施すことで、内部電極２のうち凹部５の壁面および底面に位置する部分を形成する。

そして、凹部５にリード端子３を挿入して、銀銅ろう等の接合材７を用いてリード端子３と内部電極２とを接合する。接合の際には、リード端子３のうち接合材７に接している接合領域３０がリード端子３の外周の半周未満であるように、接合領域３０以外の領域に窒化ホウ素等の離型材を塗布しておくとよい。以上のようにして、半導体製造装置用部品１０を作製できる。

１：セラミック体
２：内部電極
３：リード端子
３０：接合領域
４：貫通孔
５：凹部
６：開口部
７：接合材
８：試料保持具
１０：半導体製造装置用部品

Claims (3)

1. 凹部を表面に有するセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられて前記凹部の内表面に引き出された内部電極と、前記凹部に挿入されて前記凹部に導電性の接合材を介して接合されるとともに、前記接合材を介して前記内部電極に接続されたリード端子とを備えており、前記凹部を平面視したときに、前記凹部と前記リード端子とが円形状であるとともに、前記凹部と前記リード端子との間が円環状になっており、前記接合材が、前記凹部および前記リード端子に沿って濡れ広がっており、前記リード端子のうち前記接合材に接している接合領域が前記リード端子の外周の半周未満であることを特徴とする半導体製造装置用部品。
2. 前記接合材が、前記内部電極のうち前記凹部の内表面に引き出された部分に接していることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置用部品。
3. 前記凹部を平面視したときに、前記リード端子のうち前記接合領域以外の領域の一部が前記凹部の前記内表面に接していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体製造装置用部品。