JP6666717B2 - セラミックス部材 - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックス部材、特に給電ロッドを備えたセラミックス部材に関する。
静電チャック及びRFサセプタなどの半導体製造装置などで用いられるセラッミクス部材には、その内部に埋設されるヒータ又は電極などに電圧を印加するために給電ロッドを設ける必要がある。
このようなセラミックス部材は、表面上に載置されるSiウェハの温度を均一にするなどのために、ヒータ又は電極の配置などが工夫されている。
従来、給電ロッドは、導電性の優れた金属からなる中実の丸棒部材であり、セラッミクス部材内に埋設されたヒータ又は電極を構成する薄い金属体の下面に、ロウ付けなどで固定されていた。
特許文献1には、シャフトが接合されたセラミックス部材(ウェハ保持体)において、給電ロッド(電極)から熱が逃げた結果として、セラミックス部材表面に生じる温度分布の不均一を抑制するために、シャフト内における給電ロッドの熱容量をセラミックス部材のシャフトの外周部内に相当する部分の熱容量の10%以下にすることが記載されている。
特許4111013号公報
しかしながら、給電ロッドが導電性だけでなく伝熱性にも優れた金属からなる中実部材であるので、セラミックス部材の熱が給電ロッドから逃げる。そのため、給電ロッドの上方に位置する部分のセラミックス部材の温度が局所的に低くなり、セラミックス部材の表面上に載置されるSiウェハに不本意な温度むらが生じていた。
また、上記特許文献1に記載のセラミックス部材では、定常状態では一定の温度勾配が形成され、給電ロッド全体としての熱容量の大きさに拘わらず、熱伝導率及び形状などに応じた熱流が発生する。そのため、給電ロッドの直上部分のセラミックス部材表面の温度分布の不均一は左程抑制されない。
そこで、本発明は、セラミックス部材の温度の局所的な低下の抑制を図ることが可能な、給電ロッドを備えたセラミックス部材を提供することを目的とする。
本発明のセラミックス部材は、基板が載置される表面を有するセラミックス基体と、前記セラミックス基体内に位置する金属体と、前記金属体に、長手方向の先端部が電気的に接続された導電性材料からなり前記セラミックス基体の裏面側に設けられた穴に配置された給電ロッドとを備え、前記給電ロッドは、前記長手方向と直交する断面において、後端部の熱伝導率をk1、当該後端部の断面積をA1として、熱伝導率k2及び断面積A2が、式k2・A2<k1・A1の関係を満たす伝熱抑制部を有し、前記伝熱抑制部は中空部を有し、前記中空部は前記給電ロッドの先端部と後端部との中間部に設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、上記特許文献1に記載のように、給電ロッド全体に亘って(熱伝導率k)×(断面積A)が後端部における(熱伝導率k1)×(断面積A1)と同じである場合に比較して、伝熱抑制部において(熱伝導率k2)×(断面積A2)の値が小さくなる。
これにより、セラミックス基体から給電ロッドを介して逃げる熱が少なくなり、給電ロッド上方の局所部分においてセラミックス基体の温度低下の抑制を図ることが可能となる。よって、セラミックス基体に載置されるSiウェハなどが局所的な温度低下の抑制を図ることが可能となる。
本発明において、前記伝熱抑制部は、密閉された前記中空部を有することが好ましい。
この場合、中空部の内の空気は外部と連通していないので、この空気によって熱が外部に逃げることを防止することが可能である。よって、セラミックス基体に載置されるSiウェハなどが局所的な温度低下のさらなる抑制を図ることが可能となる。
なお、中空部内の気圧は0気圧に近いほど好ましい。この場合、真空断熱により、さらに、セラミックス基体に載置されるSiウェハなどが局所的な温度低下の抑制を図ることが可能となる。
しかし、中空部で存在すると中実である場合と比較して導電性が劣る。
そこで、本発明において、前記伝熱抑制部は、中空部を有し、前記中空部内に周りの部分の材質より熱伝導率が低い熱伝導率を有する材質からなる部材が配置されている。
これにより、中空部に配置された部材によって、熱の逃げを抑制すると共に、導電性の向上を図ることが可能となる。
本発明の実施形態に係るセラミックス部材の断面図。 本発明の他の実施形態に係るセラミックス部材の伝熱抑制部の断面図。 本発明の別の実施形態に係るセラミックス部材の伝熱抑制部の正面図。 本発明の別の実施形態に係るセラミックス部材の伝熱抑制部の断面図。 本発明の別の実施形態に係るセラミックス部材の伝熱抑制部の断面図。 本発明の別の実施形態に係るセラミックス部材の伝熱抑制部の断面図。
本発明の参考形態に係るセラミックス部材100について説明する。
図1に示すように、セラミックス部材100は、セラミックス基体10、金属体20、給電ロッド30及びシャフト40を備えている。セラミックス部材100は、ここでは、金属体20が電極として機能し、この電極に給電ロッド30から電圧が印加されることによって発生するクーロン力により、基体10の表面に基板を吸引する静電チャックである。
ただし、セラミックス部材100は、金属体20が発熱抵抗体(ヒータ)として機能し、このヒータに給電ロッド30から電圧が印加されることによって発生する熱により、セラミックス基体10の表面上に載置される基板Aを加熱するヒータであってもよい。
また、セラミックス部材100は、表面に近い金属体20が電極として機能し、表面から離れた金属体20が抵抗発熱体として機能するヒータ機能付きの静電チャックであってもよい。この場合、両方の金属体20に接続された給電ロッド30が後述する伝熱抑制部33を有するものであってもよいが、表面に近い金属体20に接続された給電ロッド30だけが伝熱抑制部33を有するものであってもよい。
セラミックス部材100は、セラミックス基体10に金属体20が埋設されており、この金属体20の裏面に、給電ロッド30の長手方向の先端部31が接続されている。そして、給電ロッド30の長手方向の後端部32は、セラミックス基体10の裏面から突出した構成となっている。給電ロッド30の長手方向の後端部32は、図示しない外部電源に接続されている。
なお、セラミックス基体10の表面の上に、保護層などが形成されていてもよい。また、セラミックス基体10内に、冷却構造を設けてもよい。
セラミックス基体10は、アルミナ(Al)、窒化アルミニウム(AlN)又はイットリア(Y)等のセラミックス焼結体などからなっている。ただし、セラミックス基体10は、静電チャック又はヒータの基体の材料として使用される素材からなるものであればよい。
セラミックス基体10は、例えば高純度(例えば純度99.9%以上)の窒化アルミニウム粉末、必要に応じてこれに適量の酸化イットリウム粉末などの焼結助剤が添加された混合原料粉末を成形した成形体をホットプレス焼結することにより形成されたセラミックス焼結体から構成されている。
そして、セラミックス焼結体の間に金属体20を挟んでホットプレスすることにより、メッシュ金属や金属箔からなる金属体20をセラミックス基体10の中に埋め込んでいる。ただし、埋め込みの方法は、これに限定されない。例えば、金属体20の材料となる金属粉末を前記混合原料に間に挟み込んで、全体をホットプレスしてもよい。また、セラミックス焼結体の接合面に凹部を形成して金属体20を埋め込む、その後、セラミックス焼結体同士を接合材で接合してもよい。
金属体20は、タングステン、モリブデン、これら合金、白金、チタンなどの金属からなり、薄板、薄膜、メッシュ状、線状などのものである。
セラミックス基体10には、裏面側に円柱状の穴11が、金属体20の裏面に達するように、研削加工によって形成されている。
給電ロッド30は、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)などの耐熱性、耐酸性及び導電性の優れた金属から形成されている。そして、給電ロッド30の長手方向の先端部31は、その先端面が金属体20の裏面と接触した状態で固定され、これらの電気的な接続により給電が図られ、給電ロッド30の先端面の周りにおいて機械的な接続が行われる。
そして、給電ロッド30、複数本の給電ロッド30が存在する場合はその全ての外方を取り囲むようにして、例えば円筒形状のシャフト40が、セラミックス基体10の裏面に、ロウ付けなどによって固定されている。
給電ロッド30には、その長手方向の一部に、長手方向に直交する断面において、後端部32の(熱伝導率k1)×(断面積A1)と比較して(熱伝導率k2)×(断面積A2)が小さな伝熱抑制部33を有している。
ここでは、給電ロッド30は、全体として細長い円柱形状の外観に形成されている。そして、給電ロッド30は、全て同一の材質からなり全ての部分で熱伝導率kは同じであるが、ここでは、先端部31に、後端部32の断面積A1より小さな断面積A2を有する部分を伝熱抑制部33として備えている。
例えば、伝熱抑制部33は、円管状となっており、その断面積A2が後端部32の断面積A1より中空の部分の断面積だけ小さくなっている。また、図2に示すように、伝熱抑制部33は、後端部32と比較して小さな直径を有する円形断面を有していてもよい。
円管状の伝熱抑制部33は、全体として給電ロッド30となる円柱状の部材の一部を加工して形成したものであってもよい。また、円管状の伝熱抑制部33が円管状の部材からなり、給電ロッド30の他の部分を構成する中実部材とロウ付けなどで固定されたものであってもよい。ロウ材は、例えば、銀ロウ、金ロウ、ニッケルロウ等の貴金属ロウであり、また、セラミックス部材と接合する場合には、チタン、ジルコニウム(Zr)等の活性金属をロウ材に添加してもよい。
伝熱抑制部33が、給電ロッド30の先端部に位置する場合には、特に、金属体20に給電するための要求される特性に応じた断面積A2を確保する必要がある。例えば、金属体20をヒータとして使用する場合、これに給電する電流容量にあわせた断面積A2を確保する必要がある。
伝熱抑制部33は、その他、後端部32の断面積A1と比較して小さな断面積A2を有するものであれば、その形状は限定されない。例えば、給電ロッド30の先端部31、後端部32及び伝熱抑制部33の断面は、楕円形、三角形、四角形などの多角形、星形など凹部を有する形状などであってもよい。
また、伝熱抑制部33は、後端部32と比較してその断面が、中空を有するもの及び相似形のものに限定されない。例えば、図3に示すように、後端部32の断面が円形で、伝熱抑制部33の断面が六角形など、断面形状が非相似形であってもよい。また、伝熱抑制部33は、図4に示すように、切欠き、窪み、側面に連通する1個又は複数個の穴又はスリッドなどが形成されたものであってもよい。
また、伝熱抑制部33は、複数存在していてもよく、各伝熱抑制部33及び1つの伝熱抑制部33において断面積A2が相違していてもよい。
さらに、伝熱抑制部33は、後端部32の断面積A1と断面積A2が同じあってもよく、この場合、後端部32の熱伝導率k1と比較して小さな熱伝導率k2を有する材質から構成されてもよい。例えば、図5に示すように、伝熱抑制部33は、アルミナ、シリカ(SiO)、マグネシア(MgO)などの断熱材34を中空部分に埋め込んだものであってもよい。この場合、例えば、給電ロッド30を上半分と下半分とに分割して、これらの凹部に断熱材34を埋め込んだ後に、螺合、接合などで接合すればよい。
さらに、図6に示すように、給電ロッド30の先端に、後端部32の熱伝導率k1と比較して小さな熱伝導率k2を有する材質からなる伝熱抑制部33をろう付け、溶接、接着などで固定したものであってもよい。ただし、この場合、給電ロッド30は優れた導電性を有することが望ましいので、伝熱抑制部33の材質は、チタン、ニッケルなどの材質を主成分とするものからなるものとする必要がある。
さらに、もちろん、伝熱抑制部33の熱伝導率k2が後端部32の熱伝導率k1より小さく、且つ、伝熱抑制部33の断面積A2が後端部32の断面積A1より小さくてもよい。
以上のような伝熱抑制部33を設けることにより、上記特許文献1に記載のように、給電ロッド30全体に亘って(熱伝導率k)×(断面積A)が後端部32における(熱伝導率k1)×(断面積A1)と同じである場合に比較して、伝熱抑制部33において(熱伝導率k2)×(断面積A2)の値が小さくなる。
これにより、セラミックス基体10から給電ロッド30を介して逃げる熱が少なくなり、給電ロッド30上方の局所部分におけるセラミックス基体10の温度低下の抑制を図ることが可能となる。よって、セラミックス部材100に載置されるSiウェハなどの局所的な温度低下の抑制も図かることが可能となる。
そして、図1に示すように、伝熱抑制部33が密閉された中空部を有する場合、中空部の内の空気は外部と連通していないので、この空気によって熱が外部に逃げることを防止することが可能である。よって、セラミックス部材100に載置されるSiウェハなどが局所的な温度低下のさらなる抑制を図ることが可能となる。
なお、中空部内の気圧は0気圧に近いほど好ましい。この場合、真空断熱により、さらに、セラミックス部材100に載置されるSiウェハなどが局所的な温度低下の抑制を図ることが可能となる。中空構造は、一般的な真空炉において減圧下で2つの金属部材をロウ接合することによって製作することができる。
ところで、ヒータ電流は昇温時においては大電流を必要とする。しかし、中空部が存在すると中実である場合と比較して、給電ロッド30の導電性が劣る。そこで、図5に示すように、伝熱抑制部33が中空部を有する場合、この中空部内に周りの部分の材質より熱伝導率kが低い熱伝導率を有する材質からなる断熱材34を配置する。これにより、中空部に配置された断熱材34を導電率の優れた材質からなるものとすることによって、熱の逃げを抑制すると共に、導電性の向上を図ることが可能となる。
なお、金属体20に給電ロッド30の先端部31が直接接続されている場合について説明したが、これに限定されない。例えば、金属体20に端子が接続されており、この端子に給電ロッド30の先端部31が接続されているものであってもよい。この場合、端子と給電ロッド30の先端部31は、螺合などで接合すればよいが、その接合方法は限定されず、例えば、螺合、接合剤などで接合すればよい。
給電ロッド30の先端部31に伝熱抑制部33が備わる場合について説明したが、伝熱抑制部33は、給電ロッド30の先端部31と後端部32との間の中間部に備わってい。さらに、伝熱抑制部33は複数であってもよい。
(参考例1)
セラミックス基体10の原材料として、窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム粉末を3重量%添加してなる混合原料粉末を用意した。金属体20として、線径0.1mmのモリブデンからなるワイヤをメッシュサイズ(1インチ当たりのワイヤ本数)が#50で平織りからなるメッシュからなるものを用意した。
前記混合原料材料に前記金属体20を埋め込み、これを成形した成形体をホットプレス焼結し、直径296mm、厚み20mmの円盤状のセラミックス焼結体からなるセラミックス基体10を作製した。
シャフト40として、外径50mm、内径42mm、長さ300mmの円筒形状であり、窒化アルミニウム焼結体からなるものを用意した。ただし、このシャフト40は、セラミックス基体10との接合部でフランジ部の形状は、外径70mm、内径φ42mm、フランジ部厚み10mmであった。
給電ロッドとして、ニッケルからなり外径6.0mm、長さ350mmの円柱状部材のものを用意した。
そして、この給電ロッドの先端面を金属体20の裏面に金、銅、チタンからなるロウ材でロウ付けした。これにより、セラミックス部材を完成させた。
ニッケルの熱伝導率kは88W/mKであるので、給電ロッドの(熱伝導率k)×(断面積A)は2.5×10−3(Wm/K)である。
セラミックス部材を真空チャンバーに配置し、セラミックス基体10の表面温度が500℃になるように電力を給電ロッドより供給した。
セラミックス基体10の上面の上方に赤外線透過ビューポートを介して赤外線カメラでヒータの表面の温度分布を測定した。給電ロッド直上のセラミックス基体10の表面に周りより温度が低い領域でクールスポットが観測された。クールスポットの温度は周りの表面温度に比べ3.0℃低かった。
(参考例2)
給電ロッドの材質をチタンとしたことを除いて、参考例1と全て同じにして、セラミックス部材を作製した。
チタンの熱伝導率kは16W/mKであるので、給電ロッドの(熱伝導率k)×(断面積A)は4.5×10−4(Wm/K)である。
参考例1と同様にセラミックス基体10の表面を測定したところ、セラミックス基体10の表面にクールスポットが観測された。クールスポットの温度は周りの表面温度に比べ1.7℃低かった。
(実施例1)
給電ロッド30として、ニッケルからなり外径6.0mm、長さ300mmの円柱状部材と、ニッケルからなり外径6.0mm、肉厚0.4mm、長さ50mmの円管状部材とを、外周面を面一となるように、金、銅、チタンからなるロウ材でロウ付けして固定した。
この給電ロッド30において、円柱状部材からなる部分が後端部32などの伝熱抑制部33以外の部分を構成し、円管状部材からなる部分が伝熱抑制部33且つ先端部31を構成している。
そして、給電ロッド30の先端部31の先端面を金属体20の裏面に金、銅、チタンからなるロウ材でロウ付けした。これにより、セラミックス部材100を完成させた。
ニッケルの熱伝導率kは88W/mKであるので、後端部32などにおける(熱伝導率k1)×(断面積A1)は2.5×10−3の(Wm/K)であり、伝熱抑制部33において(熱伝導率k2)×(断面積A2)は6.2×10−4(Wm/K)である。
参考例1と同様にセラミックス基体10の表面を測定したところ、セラミックス基体10の表面にクールスポットが観測された。クールスポットの温度は周りの表面温度に比べ1.5℃しか低くなっておらず、実施例1と比較して給電ロッド30によるクールスポットは低減されたことが分った。
(実施例2)
給電ロッド30の材質をチタンとしたことを除いて、実施例1と全て同じとした。
チタンの熱伝導率kは16W/mKであるので、後端部32などにおける(熱伝導率k1)×(断面積A1)は4.5×10−4の(Wm/K)であり、伝熱抑制部33において(熱伝導率k2)×(断面積A2)は1.1×10−4(Wm/K)である。
参考例1と同様にセラミックス基体10の表面を測定したところ、セラミックス基体10の表面にクールスポットが観測された。クールスポットの温度は周りの表面温度に比べ0.5℃しか低くなっておらず、実施例2と比較して給電ロッド30によるクールスポットが低減されたことが分った。
(実施例3)
給電ロッド30として、ニッケルからなり外径6.0mm、長さ300mmの円柱状部材と、ニッケルからなり外径1.5mm、長さ50mmの円柱状部材とを、中心軸が一致するように、金、銅、チタンからなるロウ材でロウ付けして固定した。
この給電ロッド30において、太い円柱状部材からなる部分が後端部32などの伝熱抑制部33以外の部分を構成し、細い円柱状部材からなる部分が伝熱抑制部33且つ先端部31を構成している。
そして、給電ロッド30の先端部31の先端面を金属体20の裏面に金、銅、チタンからなるロウ材でロウ付けした。
ニッケルの熱伝導率kは88W/mKであるので、後端部32などにおける(熱伝導率k1)×(断面積A1)は2.5×10−3の(Wm/K)であり、伝熱抑制部33において(熱伝導率k2)×(断面積A2)は1.6×10−4(Wm/K)である。
参考例1と同様にセラミックス基体10の表面を測定したところ、セラミックス基体10の表面にクールスポットが観測された。クールスポットの温度は周りの表面温度に比べ0.8℃しか低くなっておらず、実施例1と比較して給電ロッド30によるクールスポットが低減されたことが分った。
(実施例4)
給電ロッド30の材質をチタンとしたことを除いて、実施例3と全て同じとした。
チタンの熱伝導率kは16W/mKであるので、後端部32などにおける(熱伝導率k1)×(断面積A1)は4.5×10−4の(Wm/K)であり、伝熱抑制部33において(熱伝導率k2)×(断面積A2)は2.8×10−5(Wm/K)である。
参考例1と同様にセラミックス基体10の表面を測定したところ、セラミックス基体10の表面にクールスポットが観測された。クールスポットの温度は周りの表面温度に比べ0.4℃しか低くなっておらず、実施例2と比較して給電ロッド30によるクールスポットが低減されたことが分った。
(実施例5)
給電ロッド30として、ニッケルからなり外径6.0mm、長さ300mmの円柱状部材と、ニッケルからなり1辺1.5mm、長さ50mmの正四角柱状部材とを、中心軸が一致するように、金、銅、チタンからなるロウ材でロウ付けして固定した。
この給電ロッド30において、太い円柱状部材からなる部分が後端部32などの伝熱抑制部33以外の部分を構成し、細い円柱状部材からなる部分が伝熱抑制部33且つ先端部31を構成している。
そして、給電ロッド30の先端部31の先端面を金属体20の裏面に金、銅、チタンからなるロウ材でロウ付けした。
ニッケルの熱伝導率kは88W/mKであるので、後端部32などにおける(熱伝導率k1)×(断面積A1)は2.5×10−3の(Wm/K)であり、伝熱抑制部33において(熱伝導率k2)×(断面積A2)は2.0×10−4(Wm/K)である。
参考例1と同様にセラミックス基体10の表面を測定したところ、セラミックス基体10の表面にクールスポットが観測された。クールスポットの温度は周りの表面温度に比べ1.2℃しか低くなっておらず、実施例1と比較して給電ロッド30によるクールスポットが低減されたことが分った。
(実施例6)
給電ロッド30の材質をチタンとしたことを除いて、実施例3と全て同じとした。
チタンの熱伝導率kは16W/mKであるので、後端部32などにおける(熱伝導率k1)×(断面積A1)は4.5×10−4の(Wm/K)であり、伝熱抑制部33において(熱伝導率k2)×(断面積A2)は3.6×10−5(Wm/K)である。
参考例1と同様にセラミックス基体10の表面を測定したところ、セラミックス基体10の表面にクールスポットが観測された。クールスポットの温度は周りの表面温度に比べ0.4℃しか低くなっておらず、実施例1と比較して給電ロッド30によるクールスポットが低減されたことが分った。。
実施例1〜6の結果を表1にまとめた。
セラミックス基体…10、 11…穴、 20…金属体、 30…給電ロッド、 31…先端部、 32…後端部、 33…伝熱抑制部、 34…断熱材、 40…シャフト、100…セラミックス部材。

Claims (3)

  1. 基板が載置される表面を有するセラミックス基体と、
    前記セラミックス基体内に位置する金属体と、
    前記金属体に、長手方向の先端部が電気的に接続された導電性材料からなり前記セラミックス基体の裏面側に設けられた穴に配置された給電ロッドとを備え、
    前記給電ロッドは、前記長手方向と直交する断面において、後端部の熱伝導率をk1、当該後端部の断面積をA1として、熱伝導率k2及び断面積A2が、式k2・A2<k1・A1の関係を満たす伝熱抑制部を有し、
    前記伝熱抑制部は中空部を有し、前記中空部は前記給電ロッドの先端部と後端部との中間部に設けられ
    前記中空部内に前記給電ロッドの後端部より熱伝導率が低い材質からなる部材が配置されていることを特徴とするセラミックス部材。
  2. 請求項1に記載のセラミックス部材であって、
    前記伝熱抑制部は、密閉された前記中空部を有することを特徴とするセラミックス部材。
  3. 請求項1に記載のセラミックス部材であって、
    前記中空部内に配置された部材は、アルミナ、シリカ又はマグネシアからなることを特徴とするセラミックス部材。
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