JPWO2018230446A1 - 半導体製造装置用部材 - Google Patents

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Abstract

半導体製造装置用部材１０は、表面がウエハ載置面１２ａであり、電極１４，１６を内蔵したアルミナ焼結体製のプレート１２と、そのプレート１２を厚さ方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔１８と、そのプレート１２の裏面１２ｂにアルミナ焼結体製でリング状の第１接合層２４を介して接合されたアルミナ焼結体製の絶縁管２０（筒状部材）とを備えている。

Description

本発明は、半導体製造装置用部材に関する。
静電チャックヒータは、ウエハを吸着し、半導体製造プロセス中でウエハの温度を制御するために用いられる。静電チャックヒータは、静電吸着力を発生させる静電電極や熱を発生させるヒータ電極を内蔵したアルミナ製のプレートと、そのプレートを厚さ方向に貫通する小径のプレート貫通孔と、プレートの裏面に固着された金属製の冷却基板と、その冷却基板を厚さ方向に貫通する大径の冷却基板貫通孔とを備えている。ウエハを上下させるリフトピンは、プレート貫通孔及び冷却基板貫通孔に挿通されている。冷却基板貫通孔には、電気絶縁性を確保するためにアルミナ製の絶縁管が配置されている。例えば特許文献１では、絶縁管は、冷却基板貫通孔に樹脂接着層を介して接着されている。
実用新案登録第３１８２２０号公報
しかしながら、絶縁管と冷却基板貫通孔との間の樹脂接着層が絶縁管とプレートとの間に入り込んで貫通孔内に露出していた。半導体製造プロセスにおいては、プレート貫通孔や冷却基板貫通孔にプラズマが発生することがあった。そのため、貫通孔内に樹脂接着層が露出していると、その樹脂接着層がプラズマによって消失して冷却基板が貫通孔に露出してしまい、異常放電が発生することがあった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、半導体製造プロセスにおいてアルミナ焼結体製のプレートとアルミナ焼結体製の筒状部材との接合部分の耐食性を向上させることを主目的とする。
本発明の半導体製造装置用部材は、
表面がウエハ載置面であり、電極を内蔵したアルミナ焼結体製のプレートと、
前記プレートを厚さ方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔と、
前記プレートの裏面にアルミナ焼結体製でリング状の第１接合層を介して接合されたアルミナ焼結体製の筒状部材と、
を備えたものである。
この半導体製造装置用部材は、アルミナ焼結体製のプレートの裏面にアルミナ焼結体製でリング状の第１接合層を介してアルミナ焼結体製の筒状部材が接合されている。つまり、プレートと筒状部材との接合部分はアルミナ焼結体である。そのため、半導体製造プロセス中の雰囲気（例えばプラズマなど）に対する、プレートと筒状部材との接合部分の耐食性は、この接合部分に樹脂接着層が存在している場合に比べて向上する。
本発明の半導体製造装置用部材において、前記筒状部材は、前記貫通孔のそれぞれに対応して設けられ、前記筒状部材の内部と前記貫通孔とは連通していてもよい。この場合、筒状部材と貫通孔を、ウエハを上下させるリフトピンを挿通するためのリフトピン孔として用いてもよいし、ウエハの裏面にガスを供給するためのガス供給孔として用いてもよい。
ここで、前記貫通孔の内面と前記第１接合層のリング内面と前記筒状部材の内面とは、段差なく連なっていることが好ましい。特にリフトピン孔として用いる際には、貫通孔の内面と第１接合層のリング内面との間や第１接合層のリング内面と筒状部材の内面との間に段差があると、リフトピンがその段差に引っかかってスムーズに動かないことがある。そのような段差がなければ、リフトピンをスムーズに動かすことができる。
また、こうした半導体製造装置用部材は、前記プレートの裏面に接着又は接合された金属製の冷却基板と、前記冷却基板を厚さ方向に貫通するように設けられ、前記筒状部材が内部に配置された筒状空間と、を備えていてもよい。半導体製造プロセスにおけるプレートと筒状部材との接合部分の耐食性が高いため、この半導体製造装置用部材を長期間使用しても金属製の冷却基板が貫通孔に露出してしまうのを防止することができる。このとき、前記筒状空間を取り囲む壁面と前記筒状部材の外面との間には、隙間が存在していてもよい。こうすれば、筒状空間を取り囲む壁面と筒状部材の外面とが接着されている場合に比べて、筒状部材と冷却基板との間の熱移動を考慮する必要がないため、ウエハの温度制御の設計がしやすくなる。
本発明の半導体製造装置用部材において、前記筒状部材の外径は、前記プレートの外径よりも小さく、前記貫通孔は、すべて前記プレートのうち前記筒状部材よりも外周側の領域に設けられていてもよい。例えば、筒状部材を中空シャフトとしてもよい。その場合、プレートに内蔵された電極と電気的に接続された金属端子を中空シャフトの内部に配置してもよい。こうすれば、中空シャフトの内部は半導体製造プロセスの雰囲気（プラズマなど）から遮断されるため、金属端子をそうした雰囲気から保護することができる。
本発明の半導体製造装置用部材において、前記筒状部材の外径は、前記プレートの外径と一致しており、前記貫通孔は、すべて前記プレートのうち前記筒状部材よりも内周側の領域に設けられていてもよい。ここで、筒状部材の外径がプレートの外径と一致するとは、両者の外径が全く同じ場合のほか、両者の外径がわずかに（例えば±０．５ｍｍ以内とか±１ｍｍ以内）ずれている場合も含むものとする。
こうした半導体製造装置用部材は、外径が前記筒状部材の内径よりも小さな小板部と、外径が前記筒状部材の外径よりも大きな大板部とが積層された形状の金属製の段差付き冷却基板を備え、前記プレートの裏面は、前記冷却基板の前記小板部の表面に接着又は接合され、前記筒状部材の裏面は、前記冷却基板の段差面と接着されるか又は隙間をもって配置されていてもよい。筒状部材の裏面と冷却基板の段差面とが接着されている場合、半導体製造プロセスの雰囲気がプレートの裏面と冷却基板の小板部との接着部又は接合部へ回り込むルートが閉ざされる。そのため、その接着部又は接合部の耐久性が向上する。半導体製造装置用部材の長期使用により筒状部材の裏面と冷却基板の段差面との接着部が劣化して消失して隙間が生じたとしても、プレートに筒状部材が第１接合層を介して接合されているため、この部分における熱の抜け量の経時変化は小さい。また、その隙間に樹脂を充填し直せば、元の性能を得ることができる。一方、筒状部材の裏面と冷却基板の段差面との間に隙間が存在する場合、筒状部材はプレートの外周を取り囲む壁として機能するため、プレートの裏面と冷却基板の小板部との接着部又は接合部には、半導体製造プロセスの雰囲気が回り込みにくい。そのため、その接着部又は接合部の耐久性が向上する。
こうした段差付き冷却基板を備えた半導体製造装置用部材は、更に、前記貫通孔のそれぞれに対応して設けられ、前記貫通孔と連通するように前記プレートの裏面にアルミナ焼結体製でリング状の第２接合層を介して接合されたアルミナ焼結体製の絶縁管と、前記冷却基板を厚さ方向に貫通し、前記絶縁管が内部に配置された筒状空間と、を備えていてもよい。こうすれば、プレートと絶縁管との接合部分はアルミナ焼結体であるため、半導体製造プロセス中の雰囲気（例えばプラズマなど）に対する、プレートと絶縁管との接合部分の耐食性は、この接合部分に樹脂接着層が存在している場合に比べて向上する。この場合、絶縁管と貫通孔を、ウエハを上下させるリフトピンを挿通するためのリフトピン孔として用いてもよいし、ウエハの裏面にガスを供給するためのガス供給孔として用いてもよい。
このとき、前記筒状空間を取り囲む壁面と前記絶縁管の外面との間には、隙間が存在していてもよい。こうすれば、筒状空間を取り囲む壁面と絶縁管の外面とが接着されている場合に比べて、絶縁管と冷却基板との間の熱移動を考慮する必要がないため、ウエハの温度制御の設計がしやすくなる。
また、前記貫通孔を取り囲む壁面と前記第２接合層のリング内面と前記絶縁管の内面は、段差なく連なっていることが好ましい。特に絶縁管と貫通孔をリフトピン孔として用いる際には、貫通孔を取り囲む壁面と第２接合層のリング内面との間や第２接合層のリング内面と絶縁管の内面と間に段差があるとリフトピンがその段差に引っかかってスムーズに動かないことがある。そのような段差がなければ、リフトピンをスムーズに動かすことができる。
本発明の半導体製造装置用部材において、前記プレートと前記第１接合層との界面及び前記筒状部材と前記第１接合層との界面には、ＭｇＦ2が含まれていてもよい。プレートと筒状部材とをＭｇＦ2を含むアルミナ含有接合材を用いて接合すれば、ＭｇＦ2はアルミナの焼結助剤として作用するため、それほど高圧や高温にしなくても両者を接合することができる。また、ＭｇＦ2は他の焼結助剤（例えばＣａＯなど）に比べて体積抵抗率や耐電圧が低下しにくい点で好ましい。一方、前記プレートと前記第２接合層との界面及び前記絶縁管と前記第２接合層との界面に、ＭｇＦ2が含まれていてもよい。この場合も、プレートと絶縁管とをＭｇＦ2を含むアルミナ含有接合材を用いて接合すれば、それほど高圧や高温にしなくても接合することができる。
本発明の半導体製造装置用部材において、前記プレートは、静電チャックヒータ、静電チャック又はセラミックヒータとしてもよい。
半導体製造装置用部材１０の平面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 半導体製造装置用部材１０の製造工程図。 半導体製造装置用部材２１０の平面図。 図４のＢ−Ｂ断面図。 半導体製造装置用部材２１０の製造工程図。 半導体製造装置用部材３１０の平面図。 図７のＣ−Ｃ断面図。 半導体製造装置用部材２１０の別の形態の断面図。
［第１実施形態］
図１は半導体製造装置用部材１０の平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。半導体製造装置用部材１０は、プレート１２と、筒状部材としての絶縁管２０と、冷却基板３０とを備えている。
プレート１２は、アルミナ焼結体製の円板（例えば直径３００ｍｍ）である。プレート１２の表面は、ウエハ載置面１２ａとなっている。プレート１２は、静電電極１４及びヒータ電極１６を内蔵し、厚さ方向に貫通する貫通孔１８を複数（ここでは３個）有している。静電電極１４は、平面状の電極であり、図示しない給電棒を介して直流電圧が印加される。この静電電極１４に直流電圧が印加されるとウエハＷは静電吸着力によりウエハ載置面１２ａに吸着固定され、直流電圧の印加を解除するとウエハＷのウエハ載置面１２ａへの吸着固定が解除される。ヒータ電極１６は、ヒータ線の一方の端子から他方の端子まで一筆書きの要領でウエハ載置面１２ａの全面にわたって配線されたものである。このヒータ電極１６には、図示しない給電棒を介して電力が供給される。静電電極１４もヒータ電極１６も、貫通孔１８に露出しないように形成されている。こうしたプレート１２は、静電チャックヒータと称される。
絶縁管２０は、アルミナ焼結体製の管（例えば外径４〜１０ｍｍ、内径０．５〜４ｍｍ、長さ２０〜５０ｍｍ）であり、貫通孔１８のそれぞれに対応して設けられている。絶縁管２０は、プレート１２の裏面１２ｂにアルミナ焼結体製の第１接合層２４を介して接合されている。第１接合層２４は、リング状の層である。絶縁管２０とプレート１２の貫通孔１８とは、連通している。絶縁管２０とプレート１２の貫通孔１８は、リフトピン穴として用いられたりガス供給穴として用いられたりする。リフトピン穴は、ウエハ載置面１２ａに載置されるウエハＷを上方へ突き上げるリフトピンを挿通するための穴である。ガス供給穴は、ウエハＷの裏面にガスを供給するための穴である。本実施形態では、絶縁管２０とプレート１２の貫通孔１８は、リフトピン穴として用いられるものとする。貫通孔１８の内面１８ａと第１接合層２４のリング内面２４ａと絶縁管２０の内面２０ａとは、段差なく連なっている。
冷却基板３０は、金属アルミニウム製又はアルミニウム合金製の円板（プレートと同じ直径かプレートよりも大きな直径の円板）である。冷却基板３０の内部には、図示しないが、冷媒が循環する冷媒通路が形成されている。冷却基板３０は、厚さ方向に貫通する筒状空間３２を複数有している。筒状空間３２の内部には、絶縁管２０が配置されている。筒状空間３２の直径は、絶縁管２０の直径よりもわずかに（例えば０．５ｍｍとか１ｍｍ）大きい。そのため、筒状空間３２を取り囲む壁面３２ａと絶縁管２０の外面との間には、隙間ｃが存在している。冷却基板３０の表面３０ａは、プレート１２の裏面１２ｂと板状樹脂接着層３４を介して接着されている。板状樹脂接着層３４には、絶縁管２０を挿通するための穴（穴径は絶縁管２０の直径よりもやや大きい）が設けられている。なお、冷却基板３０の表面３０ａはプレート１２の裏面１２ｂとろう材層を介して接合されていてもよい。
次に、こうして構成された半導体製造装置用部材１０の使用例について説明する。まず、図示しないチャンバ内に半導体製造装置用部材１０を設置した状態で、ウエハＷをウエハ載置面１２ａに載置する。そして、チャンバ内を真空ポンプにより減圧して所定の真空度になるように調整し、プレート１２の静電電極１４に直流電圧をかけて静電吸着力を発生させ、ウエハＷをウエハ載置面１２ａに吸着固定する。次に、チャンバ内を所定圧力（例えば数１０〜数１００Ｐａ）の反応ガス雰囲気とし、この状態で、チャンバ内の天井部分に設けた図示しない上部電極と半導体製造装置用部材１０の静電電極１４との間に高周波電圧を印加させてプラズマを発生させる。なお、上部電極と静電電極１４との間に高周波電圧を印加する代わりに、上部電極と冷却基板３０との間に高周波電圧を印加してもよい。ウエハＷの表面は、発生したプラズマによってエッチングされる。冷却基板３０の図示しない冷媒通路には、冷媒が循環される。ヒータ電極１６には、ウエハＷの温度が予め設定された目標温度となるように電力が供給される。
次に、半導体製造装置用部材１０の製造例について説明する。図３は、半導体製造装置用部材１０の製造工程図である。まず、プレート６２を準備する。プレート６２は、貫通孔１８を備えていないことを除いてはプレート１２と同じである。このプレート６２の裏面６２ｂのうち貫通孔１８が形成される位置（ここでは３箇所）に、アルミナ粉末と焼結助剤と溶剤とを含む接合材ペーストを塗布する。焼結助剤としては、例えば、フッ化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ケイ素、硝酸マグネシウム、酸化チタン等が挙げられる。溶剤としては、例えば、メタノールやエタノールなどが挙げられる。その接合材ペーストに、絶縁円柱７０の端面を重ねる。絶縁円柱７０は、最終的に絶縁管２０になる部材である。そして、プレート６２と絶縁円柱７０とを加圧しつつ加熱して接合材を焼成することにより両者を接合する。接合材は焼成されて接合層７４になる。このとき、接合材中には焼結助剤が含まれているため、それほど高圧や高温にしなくても接合することができる。これにより、プレート６２の裏面６２ｂに複数の絶縁円柱７０がアルミナ焼結体製で円板状の接合層７４を介して接合された組立品７６が得られる（図３（ａ）参照）。プレート６２と接合層７４との界面及び絶縁円柱７０と接合層７４との界面には焼結助剤成分が含まれる。なお、焼結助剤としては、アルミナ焼結体の体積抵抗率や耐電圧を高く維持することを考慮すると、フッ化マグネシウムが好ましい。
続いて、ドリルなどの穴あけ工具を用いて、プレート６２と接合層７４と絶縁円柱７０とを貫通するように穴をあける。これにより、組立品７８が得られる（図３（ｂ）参照）。プレート６２は複数の貫通孔１８を備えたプレート１２になり、絶縁円柱７０は軸方向に穴が形成されることにより絶縁管２０になり、接合層７４は中央に穴が形成されることにより第１接合層２４になる。貫通孔１８の内面１８ａと第１接合層２４のリング内面２４ａと絶縁管２０の内面２０ａは、穴あけ工具によって段差なく連なったものになる。
続いて、筒状空間３２が形成された冷却基板３０を準備する（図３（ｂ）参照）。この冷却基板３０の表面３０ａと組立品７８のプレート１２の裏面１２ｂの少なくとも一方（ここでは表面３０ａ）に樹脂接着剤３６を塗布し、その後両者を合わせて接着する。このとき、筒状空間３２を取り囲む壁面３２ａと絶縁管２０の外面との間には隙間ｃが存在するようにする。これにより、半導体製造装置用部材１０が得られる。なお、冷却基板３０の表面３０ａとプレート１２の裏面１２ｂとを樹脂接着剤３６で接着する代わりに、ろう材で接合してもよい。
以上詳述した半導体製造装置用部材１０によれば、アルミナ焼結体製のプレート１２の裏面１２ｂにアルミナ焼結体製でリング状の第１接合層２４を介してアルミナ焼結体製の絶縁管２０が接合されている。つまり、プレート１２と絶縁管２０との接合部分はアルミナ焼結体である。そのため、半導体製造プロセス中の雰囲気（例えばプラズマなど）に対する、プレート１２と絶縁管２０との接合部分の耐食性は、この接合部分に樹脂接着層が存在している場合に比べて向上する。
また、絶縁管２０は、貫通孔１８のそれぞれに対応して設けられ、絶縁管２０の内部と貫通孔１８とは連通している。そのため、絶縁管２０と貫通孔１８を、リフトピン孔として用いることもできるしガス供給孔として用いることもできる。ここで、貫通孔１８の内面１８ａと第１接合層２４のリング内面２４ａと絶縁管２０の内面２０ａとは、段差なく連なっている。絶縁管２０と貫通孔１８をリフトピン孔として用いる際、貫通孔１８の内面１８ａと第１接合層２４のリング内面２４ａとの間や第１接合層２４のリング内面２４ａと絶縁管２０の内面２０ａとの間に段差があると、リフトピンがその段差に引っかかってスムーズに動かないことがある。ここでは、そのような段差がないため、リフトピンをスムーズに動かすことができる。
更に、半導体製造装置用部材１０は、プレート１２の裏面１２ｂに接着された金属製の冷却基板３０と、冷却基板３０を厚さ方向に貫通するように設けられた筒状空間３２とを備え、筒状空間３２の内部に絶縁管２０が配置されている。上述したように、半導体製造プロセスにおけるプレート１２と絶縁管２０との接合部分の耐食性が高いため、この半導体製造装置用部材１０を長期間使用しても金属製の冷却基板３０が貫通孔１８に露出してしまうのを防止することができ、ひいては異常放電の発生を防止することができる。
更にまた、筒状空間３２を取り囲む壁面３２ａと絶縁管２０の外面との間には、隙間ｃが存在しているため、壁面３２ａと絶縁管２０の外面とが接着されている場合に比べて、絶縁管２０と冷却基板３０との間の熱移動を考慮する必要がない。そのため、ウエハＷの温度制御の設計がしやすくなる。
そしてまた、プレート１２と絶縁管２０とを、アルミナ粉末と焼結助剤を含む接合材ペーストを用いて接合するため、それほど高圧や高温にしなくても両者を接合することができる。また、プレート１２と第１接合層２４との界面及び絶縁管２０と第１接合層２４との界面には焼結助剤が含まれる。焼結助剤としてはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）が好ましい。ＭｇＦ2は他の焼結助剤（例えばＣａＯなど）に比べて体積抵抗率や耐電圧が低下しにくいからである。
［第２実施形態］
図４は半導体製造装置用部材２１０の平面図、図５は図４のＢ−Ｂ断面図である。半導体製造装置用部材２１０は、プレート２１２と、筒状部材としての絶縁リング２４０と、絶縁管２２０と、冷却基板２３０とを備えている。
プレート２１２は、アルミナ焼結体製の円板（例えば直径３００ｍｍ）である。プレート２１２の表面は、ウエハ載置面２１２ａとなっている。プレート２１２は、静電電極２１４及びヒータ電極２１６を内蔵し、厚さ方向に貫通する貫通孔２１８を複数有している。静電電極２１４及びヒータ電極２１６は、第１実施形態の静電電極１４及びヒータ電極１６と同じものであるため、ここではその説明を省略する。
絶縁リング２４０は、アルミナ焼結体製のリング（例えば外径３００ｍｍ、内径２９８ｍｍ、高さ８ｍｍ）である。絶縁リング２４０の外径は、プレート２１２の直径と一致している。絶縁リング２４０の外径がプレート２１２の外径と一致するとは、両者の外径が全く同じ場合のほか、両者の外径がわずかに（例えば±０．５ｍｍ以内とか±１ｍｍ以内）ずれている場合も含むものとする。半導体製造装置用部材２１０を平面視したとき、絶縁リング２４０の外周とプレート２１２の外周は重なって現れる。絶縁リング２４０の表面２４０ａは、プレート２１２の裏面２１２ｂにアルミナ焼結体製の第１接合層２４４を介して接合されている。第１接合層２４４は、リング状の層である。複数の貫通孔２１８は、すべてプレート２１２のうち絶縁リング２４０よりも内周側の領域に設けられている。貫通孔２１８は、リフトピン穴として用いられたりガス供給穴として用いられたりする。絶縁リング２４０の内側には、静電電極２１４に給電するための金属端子２１５やヒータ電極２１６に給電するための一対の金属端子２１７が配置されている。
冷却基板２３０は、金属アルミニウム製又はアルミニウム合金製の円板である。冷却基板２３０は、小円板部２３０Ｓと大円板部２３０Ｌとが上下に積層された形状のものであり、外周部に段差面２３３を有している。小円板部２３０Ｓの中心軸と大円板部２３０Ｌの中心軸は一致している。小円板部２３０Ｓの外径は、絶縁リング２４０の内径よりも小さく、大円板部２３０Ｌの外径は、絶縁リング２４０の外径よりも大きい。小円板部２３０Ｓは、絶縁リング２４０の内側に配置されている。プレート２１２の裏面２１２ｂは、小円板部２３０Ｓの表面に板状樹脂接着層２３４を介して接着されている。なお、板状樹脂接着層２３４の代わりにろう接合層を介して接合されていてもよい。絶縁リング２４０の裏面２４０ｂは、冷却基板２３０の段差面２３３（大円板部２３０Ｌの表面）にリング状樹脂接着層２４５を介して接着されている。冷却基板２３０の内部には、図示しないが、冷媒が循環する冷媒通路が形成されている。冷却基板２３０は、厚さ方向に貫通する筒状空間２３２を複数有している。筒状空間２３２の内部には、絶縁管２２０が配置されている。冷却基板２３０は、金属端子２１５，２１７を上下方向に挿通する挿通孔を有している。
絶縁管２２０は、第１実施形態の絶縁管２０と同じでものであり、貫通孔２１８のそれぞれに対応して設けられている。絶縁管２２０は、プレート２１２の裏面２１２ｂと冷却基板２３０の筒状空間２３２を取り囲む壁面２３２ａとに筒状樹脂接着層２３５を介して接着されている。絶縁管２２０とプレート２１２の貫通孔２１８とは、連通している。絶縁管２２０とプレート２１２の貫通孔２１８は、リフトピン穴として用いられたりガス供給穴として用いられたりするが、ここではリフトピン穴として用いられるものとする。
次に、こうして構成された半導体製造装置用部材２１０の使用例について説明する。まず、図示しないチャンバ内に半導体製造装置用部材２１０を設置した状態で、ウエハＷをウエハ載置面２１２ａに載置する。そして、チャンバ内を真空ポンプにより減圧して所定の真空度になるように調整し、プレート２１２の静電電極２１４に直流電圧をかけて静電吸着力を発生させ、ウエハＷをウエハ載置面２１２ａに吸着固定する。次に、チャンバ内を所定圧力（例えば数１０〜数１００Ｐａ）の反応ガス雰囲気とし、この状態で、チャンバ内の天井部分に設けた図示しない上部電極と半導体製造装置用部材２１０の静電電極２１４との間に高周波電圧を印加させてプラズマを発生させる。なお、上部電極と静電電極２１４との間に高周波電圧を印加する代わりに、上部電極と冷却基板２３０との間に高周波電圧を印加してもよい。ウエハＷの表面は、発生したプラズマによってエッチングされる。冷却基板２３０の図示しない冷媒通路には、冷媒が循環される。ヒータ電極２１６には、ウエハＷの温度が予め設定された目標温度となるように電力が供給される。
プレート２１２の裏面２１２ｂと冷却基板２３０の小円板部２３０Ｓとの接着部である板状樹脂接着層２３４には、半導体製造プロセスの雰囲気が外部からまわりこんで入ってくるルートが閉ざされているため、その板状樹脂接着層２３４の耐久性が向上する。また、半導体製造装置用部材２１０の長期使用によりリング状樹脂接着層２４５が劣化して消失したとしても、絶縁リング２４０が壁として機能するため、板状樹脂接着層２３４には半導体製造プロセスの雰囲気が外部からまわり込みにくく、板状樹脂接着層２３４が保護される。また、板状樹脂接着層２３４が消失しても、絶縁リング２４０が存在しているため、この部分における熱の抜け量の経時変化は小さい。また、劣化して消失した部分に樹脂接着剤を充填し直せば、元の性能を得ることができる。
次に、半導体製造装置用部材２１０の製造例について説明する。図６は、半導体製造装置用部材２１０の製造工程図である。まず、プレート２１２と絶縁リング２４０を準備する。プレート２１２は、貫通孔２１８を備えているほか、静電電極２１４の一部やヒータ電極２１６の一部がプレート２１２の裏面２１２ｂから露出している。次に、絶縁リング２４０の表面２４０ａに、第１実施形態と同様の接合材ペーストを塗布する。そして、絶縁リング２４０の表面２４０ａにプレート２１２を重ね、絶縁リング２４０とプレート２１２とを加圧しつつ加熱して接合材を焼成することにより両者を接合する。接合材は焼成されて第１接合層２４４となる。このとき、接合材ペースト中には焼結助剤（例えばＭｇＦ2）が含まれているため、それほど高圧や高温にしなくても接合することができる。プレート２１２と第１接合層２４４との界面及び絶縁リング２４０と第１接合層２４４との界面には焼結助剤成分が含まれる。続いて、静電電極２１４に給電するための金属端子２１５をプレート２１２の裏面２１２ｂから静電電極２１４に取り付けるとともに、ヒータ電極２１６に給電するための金属端子２１７をプレート２１２の裏面２１２ｂからヒータ電極２１６に取り付ける。これにより、プレート２１２の裏面２１２ｂに絶縁リング２４０がアルミナ焼結体製でリング状の第１接合層２４４を介して接合された組立品２７６が得られる（図６（ａ）参照）。
続いて、冷却基板２３０を準備する（図６（ａ）参照）。冷却基板２３０は、小円板部２３０Ｓと大円板部２３０Ｌとを備えたものであり、筒状空間２３２や金属端子２１５，２１７の挿通孔を有している。この冷却基板２３０の表面２３０ａと組立品２７６のプレート２１２の裏面２１２ｂの少なくとも一方に樹脂接着剤２３６を塗布し、その後両者を合わせて接着する。このとき、筒状空間２３２が貫通孔２１８と対向するように、また、金属端子２１５，２１７が挿通孔を挿通するように配置して接着する。これにより、プレート２１２の裏面２１２ｂに板状樹脂接着層２３４を介して冷却基板２３０が接着された組立品２７８が得られる（図６（ｂ）参照）。絶縁リング２４０の裏面２４０ｂは、冷却基板２３０の段差面２３３と隙間をもって配置されている。なお、冷却基板２３０とプレート２１２とを樹脂接着剤で接着する代わりに、ろう材で接合してもよい。
続いて、絶縁管２２０を準備する（図６（ｂ）参照）。この絶縁管２２０の上端面及び側面に樹脂接着剤を塗布し、冷却基板２３０の筒状空間２３２に挿入し、樹脂接着剤を固化させる。固化した樹脂接着剤は筒状樹脂接着層２３５になる（図５参照）。また、絶縁リング２４０の裏面２４０ｂと冷却基板２３０の段差面２３３との隙間に樹脂接着剤を充填してリング状樹脂接着層２４５を形成する（図５参照）。これにより、半導体製造装置用部材２１０が得られる。
以上詳述した半導体製造装置用部材２１０によれば、アルミナ焼結体製のプレート２１２の裏面２１２ｂにアルミナ焼結体製でリング状の第１接合層２４４を介してアルミナ焼結体製の絶縁リング２４０が接合されている。つまり、プレート２１２と絶縁リング２４０との接合部分はアルミナ焼結体である。そのため、半導体製造プロセス中の雰囲気（例えばプラズマなど）に対する、プレート２１２と絶縁リング２４０との接合部分の耐食性は、この接合部分に樹脂接着層が存在している場合に比べて向上する。
また、絶縁リング２４０の裏面２４０ｂと冷却基板２３０の段差面２３３とはリング状樹脂接着層２４５で接着されているため、半導体製造プロセスの雰囲気が板状樹脂接着層２３４へ回り込むルートが閉ざされる。そのため、板状樹脂接着層２３４の耐久性は向上する。半導体製造装置用部材２１０の長期使用によりリング状樹脂接着層２４５が劣化して消失して隙間が生じたとしても、プレート２１２に絶縁リング２４０が第１接合層２４４を介して接合されているため、この部分の熱の抜け量の経時変化は小さく、ウエハの均熱性に大きな影響を与えない。また、その隙間に樹脂接着剤を充填し直せば、元の性能を得ることができる。
更に、プレート２１２と絶縁リング２４０とをアルミナ粉末と焼結助剤とを含む接合材ペーストを用いて接合するため、それほど高圧や高温にしなくても両者を接合することができる。また、プレート２１２と第１接合層２４４との界面及び絶縁リング２４０と第１接合層２４４との界面には焼結助剤が含まれている。焼結助剤としてはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）が好ましい。ＭｇＦ2は他の焼結助剤（例えばＣａＯなど）に比べて体積抵抗率や耐電圧が低下しにくいからである。
［第３実施形態］
図７は半導体製造装置用部材３１０の平面図、図８は図７のＣ−Ｃ断面図である。半導体製造装置用部材３１０は、プレート３１２と、筒状部材としての中空のシャフト３２０とを備えている。
プレート３１２は、アルミナ焼結体製の円板（例えば直径３００ｍｍ）である。プレート３１２の表面は、ウエハ載置面３１２ａとなっている。プレート３１２は、静電電極３１４及びヒータ電極３１６を内蔵し、厚さ方向に貫通する貫通孔３１８を複数有している。静電電極３１４及びヒータ電極３１６は、第１実施形態の静電電極１４及びヒータ電極１６と同じものであるため、ここではその説明を省略する。
シャフト３２０は、アルミナ焼結体製の円筒であり、その外径はプレート３１２の外径よりも小さい。半導体製造装置用部材３１０を平面視したとき、シャフト３２０とプレート３１２とは同心円に現れる。シャフト３２０は、プレート３１２の裏面３１２ｂにアルミナ焼結体製の第１接合層３２４を介して接合されている。第１接合層３２４は、リング状の層である。貫通孔３１８は、すべてプレート３１２のうちシャフト３２０よりも外周側の領域に設けられている。貫通孔３１８は、リフトピン穴として用いられたりする。シャフト３２０の内部には、静電電極３１４に給電するための金属端子３１５やヒータ電極３１６に給電するための一対の金属端子３１７が配置されている。シャフト３２０の下端には、フランジ３２２が設けられている。
次に、半導体製造装置用部材３１０の製造例について説明する。まず、プレート３１２を準備する。プレート３１２は、貫通孔３１８を備えているほか、静電電極３１４の一部やヒータ電極３１６の一部がプレート３１２の裏面３１２ｂから露出している。次に、シャフト３２０を準備し、シャフト３２０の表面に、第１実施形態と同様の接合材ペーストを塗布する。そして、接合材ペーストを塗布したシャフト３２０の表面にプレート３１２を重ね、シャフト３２０とプレート３１２とを加圧しつつ加熱して接合材を焼成することにより両者を接合する。接合材は焼成されて第１接合層３２４となる。このとき、接合材ペースト中には焼結助剤（例えばＭｇＦ2）が含まれているため、それほど高圧や高温にしなくても接合することができる。また、プレート３１２と第１接合層３２４との界面及びシャフト３２０と第１接合層３２４との界面には焼結助剤成分が含まれる。続いて、静電電極３１４に給電するための金属端子３１５をプレート３１２の裏面３１２ｂから静電電極３１４に取り付けるとともに、ヒータ電極３１６に給電するための金属端子３１７をプレート３１２の裏面３１２ｂからヒータ電極３１６に取り付ける。これにより、半導体製造装置用部材３１０が得られる。
以上詳述した半導体製造装置用部材３１０によれば、アルミナ焼結体製のプレート３１２の裏面３１２ｂにアルミナ焼結体製でリング状の第１接合層３２４を介してアルミナ焼結体製のシャフト３２０が接合されている。つまり、プレート３１２とシャフト３２０との接合部分はアルミナ焼結体である。そのため、半導体製造プロセス中の雰囲気（例えばプラズマなど）に対する、プレート３１２とシャフト３２０との接合部分の耐食性は、この接合部分に樹脂接着層が存在している場合に比べて向上する。
また、静電電極３１４に給電するための金属端子３１５やヒータ電極３１６に給電するための金属端子３１７はシャフト３２０の内部に配置されている。そのため、シャフト３２０の内部を半導体製造プロセスの雰囲気（プラズマなど）から遮断すれば、金属端子３１５，３１７をそうした雰囲気から保護することができる。
［その他の実施形態］
本発明は上述した各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、上述した第１実施形態では、半導体製造装置用部材１０の製造例として、図３に示すように、まず組立品７６を製造し、その後穴あけ工具を用いてプレート６２から絶縁円柱７０までを貫通する穴を設けて組立品７８とする場合を例示したが、特にこれに限定されない。例えば、貫通孔１８を備えたプレート１２と、絶縁管２０とを準備し、両者を第１実施形態と同様の接合材ペーストを用いて接合することにより半導体製造装置用部材１０を製造してもよい。この場合、貫通孔１８の内面１８ａと第１接合層２４のリング内面２４ａとの間や第１接合層２４のリング内面２４ａと絶縁管２０の内面２０ａとの間に段差が生じやすい。そのため、貫通孔１８と絶縁管２０をリフトピン孔として用いる場合にはこうした段差にリフトピンが引っかかってスムーズに動かないことがある。この点を考慮すると、図３の製造工程を採用するのが好ましい。
上述した第１実施形態では、筒状空間３２を取り囲む壁面３２ａと絶縁管２０の外面との間に隙間ｃが存在していたが、この隙間ｃに樹脂接着剤を充填してもよい。
上述した第２実施形態では、絶縁リング２４０の裏面２４０ｂと冷却基板２３０の段差面２３３との間にリング状樹脂接着層２４５を設けたが、このリング状樹脂接着層２４５を充填せず、絶縁リング２４０の裏面２４０ｂと冷却基板２３０の段差面２３３との間に隙間を存在させてもよい。その場合でも、絶縁リング２４０はプレート２１２の外周を取り囲む壁として機能するため、板状樹脂接着層２３４には半導体製造プロセスの雰囲気が回り込みにくい。そのため、板状樹脂接着層２３４の耐久性は向上する。
上述した第２実施形態では、絶縁管２２０を筒状樹脂接着層２３５を介してプレート２１２の裏面２１２ｂ及び冷却基板２３０の筒状空間２３２を取り囲む壁面２３２ａに接着したが、特にこれに限定されない。例えば、図９に示すように、上述した第１実施形態の絶縁管２０と同様、絶縁管２２０をアルミナ焼結体製の接合層（第２接合層）２２４を介してプレート２１２の裏面２１２ｂに接合してもよい。こうすれば、半導体製造プロセス中の雰囲気（例えばプラズマなど）に対する、プレート２１２と絶縁管２２０との接合部分の耐食性は、この接合部分に樹脂接着層が存在している場合に比べて向上する。また、筒状空間２３２を取り囲む壁面２３２ａと絶縁管２２０の外面との間には、隙間ｃが存在しているため、壁面２３２ａと絶縁管２２０の外面とが接着されている場合に比べて、絶縁管２２０と冷却基板２３０との間の熱移動を考慮する必要がない。そのため、ウエハＷの温度制御の設計がしやすくなる。また、貫通孔２１８の内面２１８ａと接合層２２４の内面２２４ａと絶縁管２２０の内面２２０ａは、段差なく連なっていることが好ましい。特に絶縁管２２０と貫通孔２１８をリフトピン孔として用いる際には、段差があるとリフトピンがその段差に引っかかってスムーズに動かないことがあるが、そのような段差がないためリフトピンをスムーズに動かすことができる。更に、プレート２１２と接合層２２４との界面及び絶縁管２２０と接合層２２４との界面に、焼結助剤成分（例えばＭｇＦ2）が含まれていてもよい。この場合、プレート２１２と絶縁管２２０とを焼結助剤を含むアルミナ含有接合材を用いて接合すれば、それほど高圧や高温にしなくても接合することができる。
上述した各実施形態では、プレート１２，２１２，３１２として、静電電極１４，２１４，３１４とヒータ電極１６，２１６，３１６の両方を内蔵した静電チャックヒータを例示したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、プレート１２，２１２，３１２を、静電電極１４，２１４，３１４のみを内蔵した静電チャックとしてもよいし、ヒータ電極１６，２１６，３１６のみを内蔵したセラミックヒータとしてもよい。
上述した各実施形態では、プレート１２，２１２，３１２の貫通孔１８の数を３つとしたが、４つ以上としてもよい。
表１の実験例１，２では、アルミナ焼結体Ａとアルミナ焼結体Ｂとの間に、アルミナ粉末と焼結助剤としてのＭｇＦ2を含む接合材ペーストを塗布し、加圧及び加熱して接合材を焼成することによりアルミナ焼結体同士の接合体を得た。また、実験例３，４では、接合材ペーストを用いずに２つのアルミナ焼結体Ａ，Ｂを加熱及び加圧して接合を試みたが、いずれも接合しなかった。なお、実験例１〜４のアルミナ焼結体Ａ及び実験例１，３のアルミナ焼結体Ｂは、例えば、特開平５−９０６４号公報を参考にして作製することができる。また、実験例２，４のアルミナ焼結体Ｂは、特開２０１６−１８３０６７号公報の実験例１を参考にして作製することができる。
得られた接合体の強度及び気密性を評価した。その結果を表１に示す。強度は、ＪＩＳ１６０１に従い、室温で抗折棒の４点曲げ強度を測定した。抗折棒は、４×３×２０ｍｍの第１のアルミナ焼結体Ａと同じサイズの第２のアルミナ焼結体Ｂとを接合した接合体（４×３×４０ｍｍ）を用いた。気密性は、円板状のアルミナ焼結体Ａと同径の中空シャフトであるアルミナ焼結体Ｂとを接合した接合体を作製し、ヘリウムリークディテクタ（ＭＳＥ−２０００、島津製作所）を用いて、フード法により、シャフトの内部を真空引きした状態でシャフトの外側をヘリウムガス雰囲気とすることで接合面の気密性を測定した。これらの結果から、実験例１，２の接合体は、強度、気密性とも十分高いことがわかった。
Figure 2018230446
なお、以下に、本願の優先権主張の基礎となる米国特許仮出願に記載されていた内容を示す。これらは、本願明細書によってサポートされている。
［１］（ａ）第１のアルミナ焼結体、第２のアルミナ焼結体及びアルミナ含有接合剤の少なくとも１つにＭｇＦ2が含まれるようにこれらを用意し、前記第１のアルミナ焼結体と前記第２のアルミナ焼結体との間に前記アルミナ含有接合剤を介在させた積層体を作製する工程と、（ｂ）前記積層体に荷重をかけた状態で前記積層体を焼成することによりアルミナ焼結体同士の接合体を得る工程と、を含むアルミナ焼結体同士の接合体の製法。
［２］前記アルミナ含有接合剤には、ＭｇＦ2が含まれている、前記［１］に記載のアルミナ焼結体同士の接合体の製法。
［３］第１のアルミナ焼結体と第２のアルミナ焼結体とがアルミナ含有接合層を介して接合されたアルミナ焼結体同士の接合体であって、前記第１のアルミナ焼結体と前記アルミナ含有接合層との界面及び前記第２のアルミナ焼結体と前記アルミナ含有接合層との界面には、ＭｇＦ2が含まれている、アルミナ焼結体同士の接合体。
［４］ウエハ載置面を有し、電極を内蔵したアルミナ円板と、前記アルミナ円板を上下方向に貫通する貫通孔と、前記アルミナ円板の裏面に前記貫通孔と連通するようにアルミナ含有接合層を介して接合されたアルミナ絶縁筒と、を備えた半導体製造装置用部材であって、前記アルミナ円板と前記アルミナ含有接合層との界面及び前記アルミナ絶縁筒と前記アルミナ含有接合層との界面には、ＭｇＦ2が含まれている、半導体製造装置用部材。
［５］ウエハ載置面を有し、電極を内蔵したアルミナ円板と、前記アルミナ円板の裏面に前記アルミナ円板と同軸となるようにアルミナ含有接合層を介して接合されたアルミナ円筒と、を備えた半導体製造装置用部材であって、前記アルミナ円板と前記アルミナ含有接合層との界面及び前記アルミナ円筒と前記アルミナ含有接合層との界面には、ＭｇＦ2が含まれている、半導体製造装置用部材。
［６］前記半導体製造装置用部材は、静電チャックヒータ、静電チャック又はセラミックヒータである、前記［４］又は［５］に記載の半導体製造装置用部材。
本出願は、２０１７年６月１３日に出願された米国特許仮出願第６２／５１８，７７３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。
本発明は、半導体製造装置に用いられる部材、例えば静電チャックヒータ、静電チャック、セラミックヒータなどに利用可能である。
１０ 半導体製造装置用部材、１２ プレート、１２ａ ウエハ載置面、１２ｂ 裏面、１４ 静電電極、１６ ヒータ電極、１８ 貫通孔、１８ａ 内面、２０ 絶縁管、２０ａ 内面、２４ 第１接合層、２４ａ リング内面、３０ 冷却基板、３０ａ 表面、３２ 筒状空間、３２ａ 壁面、３４ 板状樹脂接着層、３６ 樹脂接着剤、６２ プレート、６２ｂ 裏面、７０ 絶縁円柱、７４ 接合層、７６ 組立品、７８ 組立品、２１０ 半導体製造装置用部材、２１２ プレート、２１２ａ ウエハ載置面、２１２ｂ 裏面、２１４ 静電電極、２１５ 金属端子、２１６ ヒータ電極、２１７ 金属端子、２１８ 貫通孔、２１８ａ 内面、２２０ 絶縁管、２２０ａ 内面、２２４ 接合層（第２接合層）、２２４ａ 内面、２３０ 冷却基板、２３０ａ 表面、２３０Ｌ 大円板部、２３０Ｓ 小円板部、２３２ 筒状空間、２３２ａ 壁面、２３３ 段差面、２３４ 板状樹脂接着層、２３５ 筒状樹脂接着層、２３６ 樹脂接着剤、２４０ 絶縁リング、２４０ａ 表面、２４０ｂ 裏面、２４４ 第１接合層、２４５ リング状樹脂接着層、２７６ 組立品、２７８ 組立品、３１０ 半導体製造装置用部材、３１２ プレート、３１２ａ ウエハ載置面、３１２ｂ 裏面、３１４ 静電電極、３１５ 金属端子、３１６ ヒータ電極、３１７ 金属端子、３１８ 貫通孔、３２０ シャフト、３２２ フランジ、３２４ 第１接合層。

Claims (14)

  1. 表面がウエハ載置面であり、電極を内蔵したアルミナ焼結体製のプレートと、
    前記プレートを厚さ方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔と、
    前記プレートの裏面にアルミナ焼結体製でリング状の第１接合層を介して接合されたアルミナ焼結体製の筒状部材と、
    を備えた半導体製造装置用部材。
  2. 前記筒状部材は、前記貫通孔のそれぞれに対応して設けられ、前記筒状部材の内部と前記貫通孔とは連通している、
    請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
  3. 前記貫通孔の内面と前記第１接合層のリング内面と前記筒状部材の内面とは、段差なく連なっている、
    請求項２に記載の半導体製造装置用部材。
  4. 請求項２又は３に記載の半導体製造装置用部材であって、
    前記プレートの裏面に接着又は接合された金属製の冷却基板と、
    前記冷却基板を厚さ方向に貫通するように設けられ、前記筒状部材が内部に配置された筒状空間と、
    を備えた半導体製造装置用部材。
  5. 前記筒状空間を取り囲む壁面と前記筒状部材の外面との間には、隙間が存在している、
    請求項４に記載の半導体製造装置用部材。
  6. 前記筒状部材の外径は、前記プレートの外径よりも小さく、
    前記貫通孔は、すべて前記プレートのうち前記筒状部材よりも外周側の領域に設けられている、
    請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
  7. 前記筒状部材の外径は、前記プレートの外径と一致しており、
    前記貫通孔は、すべて前記プレートのうち前記筒状部材よりも内周側の領域に設けられている、
    請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
  8. 請求項７に記載の半導体製造装置用部材であって、
    外径が前記筒状部材の内径よりも小さな小板部と、外径が前記筒状部材の外径よりも大きな大板部とが積層された形状の金属製の段差付き冷却基板
    を備え、
    前記プレートの裏面は、前記冷却基板の前記小板部の表面に接着又は接合され、
    前記筒状部材の裏面は、前記冷却基板の段差面と接着されるか又は隙間をもって配置されている、
    半導体製造装置用部材。
  9. 請求項８に記載の半導体製造装置用部材であって、
    前記貫通孔のそれぞれに対応して設けられ、前記貫通孔と連通するように前記プレートの裏面にアルミナ焼結体製でリング状の第２接合層を介して接合されたアルミナ焼結体製の絶縁管と、
    前記冷却基板を厚さ方向に貫通し、前記絶縁管が内部に配置された筒状空間と、
    を備えた半導体製造装置用部材。
  10. 前記筒状空間を取り囲む壁面と前記絶縁管の外面との間には、隙間が存在している、
    請求項９に記載の半導体製造装置用部材。
  11. 前記貫通孔の内面と前記第２接合層のリング内面と前記絶縁管の内面とは、段差なく連なっている、
    請求項９又は１０に記載の半導体製造装置用部材。
  12. 前記プレートと前記第２接合層との界面及び前記絶縁管と前記第２接合層との界面には、ＭｇＦ2が含まれている、
    請求項９〜１１のいずれか１項に半導体製造装置用部材。
  13. 前記プレートと前記第１接合層との界面及び前記筒状部材と前記第１接合層との界面には、ＭｇＦ2が含まれている、
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
  14. 前記プレートは、静電チャックヒータ、静電チャック又はセラミックヒータである、
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
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