JPWO2016117424A1 - シャフト端部取付構造 - Google Patents

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Abstract

本発明のシャフト端部取付構造は、ウエハを載置するセラミックプレート１２と一体化された中空セラミックシャフト２０の端部をチャンバ１００の底板１０２に設けた貫通孔１０４の周縁に気密に取り付けるための構造である。中空セラミックシャフト２０の端面には、金属層２８を介して、金属材料製又は金属−セラミック複合材料製のリング部材２６が気密に接合されている。ボルト３２は、メタルシール３０を介してリング部材２６を貫通孔１０４の周縁に載置した状態で底板１０２及びメタルシール３０を貫通し、リング部材２６を底板１０２に引きつけるように締結する。

Description

本発明は、シャフト端部取付構造に関する。
ウエハを載置するセラミックプレートと中空セラミックシャフトとが一体化された半導体製造装置用部材が知られている（例えば特許文献１）。
特開２００３−２７２８０５号公報
ところで、こうした半導体製造装置用部材の中空セラミックシャフトの端部をチャンバの底板に設けた貫通孔の周縁に気密に取り付けるシャフト端部取付構造として、図４に示すものが知られている。この取付構造では、チャンバ１００の底板１０２に設けた貫通孔１０４の周縁に、リング状のメタルシール１０６を介して中空セラミックシャフト１０８のフランジ１１０が載置されている。中空セラミックシャフト１０８は、セラミックプレート１１２と一体化されてセラミックヒータ１１４を構成している。断面逆Ｌ字の半割リングを２つ合わせてリング状にしたクランプ１１６は、中空セラミックシャフト１０８のフランジ１１０を上から押さえている。ボルト１１８は、クランプ１１６の上面からクランプ１１６を貫通してチャンバ１００の底板１０２に螺合されている。こうすることにより、チャンバ１００の内部空間Ｓ１と中空セラミックシャフト１０８の内部空間Ｓ２とは気密に分離された状態となる。そのため、チャンバ１００の内部空間Ｓ１を真空雰囲気とし、その内部空間Ｓ１と中空セラミックシャフト１０８の内部空間Ｓ２とを縁切りすることができる。
しかしながら、図４の取付構造では、クランプ１１６とチャンバ１００の底板１０２との間に中空セラミックシャフト１０８のフランジ１１０が挟まれているため、ボルト１１８を強く締めすぎると中空セラミックシャフト１０８が割れてしまうおそれがあった。一方、中空セラミックシャフト１０８の割れを回避しようとすると、ボルト１１８の締めが甘くなることがあり、メタルシール１０６が十分機能せず、チャンバ１００の内部空間Ｓ１と中空セラミックシャフト１０８の内部空間Ｓ２とを気密に分離することができないという問題があった。
本発明は上述した課題に鑑みなされたものであり、中空セラミックシャフトを破損することなく、チャンバの内部空間と中空セラミックシャフトの内部空間とを十分気密に分離することを主目的とする。
本発明のシャフト端部取付構造は、
ウエハを載置するセラミックプレートと一体化された中空セラミックシャフトの端部をチャンバの底板に設けた貫通孔の周縁に気密に取り付けるシャフト端部取付構造であって、
前記中空セラミックシャフトの端面に金属層を介して気密に接合された金属材料製又は金属−セラミック複合材料製のリング部材と、
シール層を介して前記リング部材を前記チャンバの底板に設けた貫通孔の周縁に載置した状態で前記底板及び前記シール層を貫通し前記リング部材を前記底板に引きつけるように締結する締結部材と、
を備えたものである。
このシャフト端部取付構造では、中空セラミックシャフトはリング部材と金属層を介してチャンバと気密に接合されている。リング部材はシール層を介してチャンバの底板に設けた貫通孔の周縁に載置され、締結部材は底板及びシール層を貫通してリング部材を底板に引きつけるように締結されている。リング部材は、金属材料製又は金属−セラミック複合材料製であり、セラミックと比べて強度が高い。このため、締結部材を強く締めると、リング部材がシール層を介してチャンバの底板の上面に引きつけられるもののリング部材を破損するおそれはないし、中空セラミックシャフトが締め付けられることもない。したがって、締結部材を強く締めたとしても中空セラミックシャフトを破損してしまうおそれはない。また、締結部材を強く締めることができるため、メタルシールのシール性が十分得られる。したがって、チャンバの内部空間と中空セラミックシャフトの内部空間とを十分気密に分離することができる。
本発明のシャフト端部取付構造において、前記締結部材は、前記底板の下面から前記底板及び前記シール層を貫通し前記リング部材のボルト穴に螺合されたボルトであってもよい。
本発明のシャフト端部取付構造において、前記中空セラミックシャフトは、ＡｌＮ製であり、前記リング部材は、Ｍｏ製、Ｗ製又はＦｅＮｉＣｏ系合金製（例えばコバール（登録商標）など）であることが好ましい。こうすれば、リング部材の熱膨張係数がセラミックの熱膨張係数に近くなるため、加熱・冷却が繰り返されたとしても熱膨張差によってリング部材と中空セラミックシャフトとの接合破壊が起きるのを防止することができる。
本発明のシャフト端部取付構造において、前記金属層は、Ａｌ層又はＡｌ合金層（例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金層やＡｌ−Ｍｇ系合金層など）であることが好ましい。こうすれば、ＴＣＢ（Thermal compression bonding）を採用することができるため、金属層中にピンホールができにくく、金属層のシール性が向上する。
本発明のシャフト端部取付構造の一例を示す断面図。 本発明のシャフト端部取付構造の別例を示す断面図。 シャフト端部からのＨｅリーク量を測定する方法を示す説明図。 従来のシャフト端部取付構造の一例を示す断面図。
次に、本発明のシャフト端部取付構造の一例を図１を用いて以下に説明する。図１は、本発明のシャフト端部取付構造の一例を示す断面図であり、具体的には、チャンバ１００の内部に取り付けられたセラミックヒータ１０の断面図である。
セラミックヒータ１０は、ウエハＷを加熱するために用いられるものであり、半導体プロセス用のチャンバ１００の内部に取り付けられている。このセラミックヒータ１０は、ウエハＷを載置可能なウエハ載置面１２ａを有するセラミックプレート１２と、セラミックプレート１２のウエハ載置面１２ａとは反対側の面（裏面）１２ｂに接合された中空セラミックシャフト２０とを備えている。
セラミックプレート１２は、ＡｌＮを主成分とする円板状の部材である。このセラミックプレート１２には、ヒータ電極１４とＲＦ電極１６とが埋設されている。ヒータ電極１４は、Ｍｏを主成分とするコイルをセラミックプレート１２の全面にわたって一筆書きの要領で配線したものである。このヒータ電極１４の一端には＋極のヒータ端子棒１４ａが接続され、他端には−極のヒータ端子棒１４ｂが接続されている。ＲＦ電極１６は、セラミックプレート１２よりもやや小径の円盤状の薄層電極であり、Ｍｏを主成分とする細い金属線を網状に編み込んでシート状にしたメッシュで形成されている。このＲＦ電極１６は、セラミックプレート１２のうちヒータ電極１４とウエハ載置面１２ａとの間に埋設されている。また、ＲＦ電極１６の略中央には、ＲＦ端子棒１６ａが接続されている。
中空セラミックシャフト２０は、ＡｌＮとする円筒状の部材であり、上部開口の周囲に第１フランジ２２、下部開口の周囲に第２フランジ２４を有している。第１フランジ２２の端面は、セラミックプレート１２の裏面１２ｂにＴＣＢにより接合されている。第２フランジ２４の端面は、Ｍｏ製のリング部材２６にＴＣＢにより接合されている。ＴＣＢとは、接合対象の２つの部材の間に金属接合材を挟み込み、金属接合材の固相線温度以下の温度に加熱した状態で２つの部材を加圧接合する方法をいう。金属接合材としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系接合材やＡｌ−Ｍｇ系接合材等のようなＡｌとＭｇとを含有するＡｌ合金接合材などが挙げられる。例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系接合材として、８８．５質量％のＡｌ、１０質量％のＳｉ、１．５質量％のＭｇを含有し、固相温度が約５６０℃、液相温度が約５９０℃の接合材を用いる場合、ＴＣＢは固相温度以下（例えば約５２０〜５５０℃）に加熱した状態で２０〜１４０ｋｇ／ｍｍ2、好ましくは３０〜６０ｋｇ／ｍｍ2の圧力で３〜６時間加圧して行われる。第２フランジ２４の端面とリング部材２６との間には、ＴＣＢで用いた金属接合材に由来する金属層２８が形成される。金属層２８は、ＴＣＢで形成されているため、ピンホールが生じにくく気密性に優れている。また、第１フランジ２２の端面とセラミックプレート１２との間にも、同様の金属層（図示略）が形成される。リング部材２６とチャンバ１００の底板１０２に設けられた貫通孔１０４の周縁との間には、メタルシール３０（シール層）が配置されている。ボルト３２（締結部材）は、底板１０２の下面から底板１０２及びメタルシール３０を貫通しリング部材２６の下面に設けられたネジ穴２６ａに螺合されている。このボルト３２は、リング部材２６の円周方向に沿って等間隔に３本以上（好ましくは６本以上）使用されている。なお、ボルト３２を底板１０２の下面から嵌める際、ワッシャを用いてもよい。中空セラミックシャフト２０の内部空間Ｓ２には、上述したヒータ端子棒１４ａ，１４ｂやＲＦ端子棒１６ａが挿通され、更に、セラミックプレート１２の温度を測定するシース熱電対１８も挿通されている。
次に、本実施形態のセラミックヒータ１０の使用例について説明する。セラミックヒータ１０のウエハ載置面１２ａにウエハＷを載置し、チャンバ１００の内部空間Ｓ１を所定の雰囲気（例えば水素雰囲気とかアルゴン雰囲気とか真空雰囲気）にする。このとき、内部空間Ｓ１は、中空セラミックシャフト２０の内部空間Ｓ２と縁切りされている。そして、リング部材２６がチャンバー内雰囲気によるダメージを受けないようなプロセス（例えばウエハアニール等）をウエハＷに行う。あるいは、必要に応じてＲＦ端子棒１６ａを介してＲＦ電極１６に交流高電圧を印加することにより、チャンバ１００内の上方に設置された図示しない対向水平電極とセラミックヒータ１０に埋設されたＲＦ電極１６とからなる平行平板電極間にプラズマを発生させ、そのプラズマを利用することもできる。ウエハＷの処理時には、ＲＦ電極１６に直流高電圧を印加することにより静電気的な力を発生させ、それによってウエハＷをウエハ載置面１２ａに吸着することもできる。一方、シース熱電対１８の検出信号に基づいてウエハＷの温度を求め、その温度が設定温度になるように２本のヒータ端子棒１４ａ，１４ｂの間に印加する電圧の大きさやオンオフを制御する。
以上詳述した本実施形態のシャフト端部取付構造では、中空セラミックシャフト２０はリング部材２６と金属層２８を介して気密に接合されている。また、リング部材２６はメタルシール３０を介してチャンバ１００の底板１０２に設けた貫通孔１０４の周縁に載置され、ボルト３２は底板１０２の下面から底板１０２及びメタルシール３０を貫通しリング部材２６に螺合されている。リング部材２６は、Ｍｏ製つまり金属材料製であり、セラミックと比べて強度が高い。このため、ボルト３２を強く締めると、リング部材２６がメタルシール３０を介してチャンバ１００の底板１０２の上面に引きつけられるもののリング部材２６を破損することはないし、中空セラミックシャフト２０が締め付けられることもない。したがって、ボルト３２を強く締めたとしても中空セラミックシャフト２０を破損してしまうおそれはない。また、ボルト３２を強く締めることができるため、メタルシール３０のシール性が十分得られる。したがって、チャンバ１００の内部空間Ｓ１と中空セラミックシャフト２０の内部空間Ｓ２とを十分気密に分離することができる。
また、リング部材２６は、Ｍｏ製であり、熱膨張係数がＡｌＮセラミックの熱膨張係数に近くなる。そのため、加熱・冷却が繰り返されたとしても熱膨張差によってリング部材２６と中空セラミックシャフト２０との接合破壊が起きるのを防止することができる。ここで、代表的なセラミックと金属の熱膨張係数を表１に示す。
Figure 2016117424
更に、金属層２８は、アルミニウム合金層であるため、上述したようにＴＣＢを採用することができる。そのため、金属層２８中にピンホールができにくく、金属層２８のシール性が向上する。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、リング部材２６の材料としてＭｏを用いたが、ＷやＦｅＮｉＣｏ系合金（例えばコバール（登録商標））を用いてもよい。これらの金属の熱膨張係数は、表１に示すように本実施形態で用いたＡｌＮセラミックの熱膨張係数の±２０％以内であるため、加熱・冷却が繰り返されたとしても熱膨張差によってリング部材２６と中空セラミックシャフト２０との接合破壊が起きるのを防止することができる。
上述した実施形態では、セラミックプレート１２や中空セラミックシャフト２０の材料としてＡｌＮを用いたが、他のセラミックを用いてもよい。例えばＡｌ2Ｏ3を用いる場合には、リング部材２６の材料として熱膨張係数の近いＣｕＷ（１１％Ｃｕ−８９％Ｗ、表１参照）を用いることが好ましい。
上述した実施形態では、シール層としてメタルシール３０を用いたが、メタルシール３０の代わりにＯリングを用いてもよい。この場合、Ｏリングはセラミックヒータ１０の使用温度に耐えられるものを用いる。
上述した実施形態では、金属層２８をＴＣＢにより形成したが、ろう接合により形成してもよい。ろう材としては、従来公知の種々のろう材を使用することができる。但し、ろう接合に比べてＴＣＢの方が金属層２８にピンホールが生じにくいため好ましい。
上述した実施形態では、締結部材としてボルト３２を用いたが、ボルト３２の代わりに、図２に示す構造を採用してもよい。即ち、リング部材２６の下面に複数のボルト足２６ｂを設け、ボルト足２６ｂがメタルシール３０及び底板１０２を貫通して底板１０２の下面から突出するようにし、そのボルト足２６ｂにナット３４を嵌めてリング部材２６を底板２６に引きつけるように締結してもよい。このようにしても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。なお、ナット３４をボルト足２６ｂに嵌める際、ワッシャを用いてもよい。
上述した実施形態（図１）のシャフト端部取付構造を採用した場合と、図４の従来のシャフト端部取付構造を採用した場合とで、シャフト端部からのＨｅリーク量を評価した。具体的には、図３に示すように、チャンバ１００のポートにＨｅリークディテクタ１２０を取り付け、チャンバ内真空度を５Ｅ−２［Ｐａ］、シャフト端部の温度をＲＴ（室温）に設定した。この状態で、中空セラミックシャフト２０の内部空間Ｓ２へＨｅガスを吹きかけ、Ｈｅリークディテクタ１２０の数値を読み取り、その数値をＲＴにおけるＨｅリーク量とした。また、シャフト端部の温度を１００℃に設定し、同様にしてＨｅリークディテクタ１２０の数値を読み取り、その数値を１００℃におけるＨｅリーク量とした。従来のシャフト端部取付構造についても、同様にしてＨｅリーク量を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、図１のシャフト端部取付構造を採用した場合、図４の従来のシャフト端部取付構造に比べてＲＴでも１００℃でもＨｅリーク量は１／１０以下に低減した。
Figure 2016117424
本出願は、２０１５年１月２０日に出願された米国仮出願第６２／１０５，３６７号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
なお、上述した実施例は本発明を何ら限定するものでないことは言うまでもない。
本発明は、セラミックヒータや静電チャック、サセプターなどの半導体製造装置用部材に利用可能である。
１０ セラミックヒータ、１２ セラミックプレート、１２ａ ウエハ載置面、１２ｂ 裏面、１４ ヒータ電極、１４ａ，１４ｂ ヒータ端子棒、１６ ＲＦ電極、１６ａ ＲＦ端子棒、１８ シース熱電対、２０ 中空セラミックシャフト、２２ 第１フランジ、２４ 第２フランジ、２６ リング部材、２６ａ ネジ穴、２６ｂ ボルト足、２８ 金属層、３０ メタルシール、３２ ボルト、３４ ナット、１００ チャンバ、１０２ 底板、１０４ 貫通孔、１０６ メタルシール、１０８ 中空セラミックシャフト、１１０ フランジ、１１２ セラミックプレート、１１４ セラミックヒータ、１１６ クランプ、１１８ ボルト、１２０ Ｈｅリークディテクタ、Ｓ１，Ｓ２ 内部空間。

Claims (5)

  1. ウエハを載置するセラミックプレートと一体化された中空セラミックシャフトの端部をチャンバの底板に設けた貫通孔の周縁に気密に取り付けるシャフト端部取付構造であって、
    前記中空セラミックシャフトの端面に金属層を介して気密に接合された金属材料製又は金属−セラミック複合材料製のリング部材と、
    シール層を介して前記リング部材を前記チャンバの底板に設けた貫通孔の周縁に載置した状態で前記底板及び前記シール層を貫通し前記リング部材を前記底板に引きつけるように締結する締結部材と、
    を備えたシャフト端部取付構造。
  2. 前記締結部材は、前記底板の下面から前記底板及び前記シール層を貫通し前記リング部材のボルト穴に螺合されたボルトである、
    請求項１に記載のシャフト端部取付構造。
  3. 前記中空セラミックシャフトは、ＡｌＮ製であり、
    前記リング部材は、Ｍｏ製、Ｗ製又はＦｅＮｉＣｏ系合金製である、
    請求項１又は２に記載のシャフト端部取付構造。
  4. 前記金属層は、Ａｌ層又はＡｌ合金層である、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載のシャフト端部取付構造。
  5. 前記金属層は、ＴＣＢにより形成されたものである、
    請求項４に記載のシャフト端部取付構造。
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