TW201733963A - 陶瓷構件 - Google Patents

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Abstract

提供可謀求抑制陶瓷構件的局部性溫度降低之設有供電桿的陶瓷構件。陶瓷構件100具備：陶瓷基體10；金屬體20，位於陶瓷基體10內；及供電桿30，由長邊方向的前端部31電性連接於金屬體20的導電性材料所構成。供電桿30在和長邊方向正交的剖面中具有和前端部31相接連的傳熱抑制部33，該傳熱抑制部33的前端部31的熱傳導率設為k1，前端部31的剖面積設為A1時，熱傳導率k2及剖面積A2符合式子k2‧A2<k1‧A1的關係。

Description

陶瓷構件
本發明係關於一種陶瓷構件，特別是關於設有供電桿的陶瓷構件。
在靜電夾盤及射頻接受器(RF susceptor)等半導體製造裝置等所使用的陶瓷構件中，為了對埋設於其內部的加熱器或電極等施加電壓，必須設置供電桿。
此種陶瓷構件，為了使載置於表面上的Si晶圓溫度均一化，而設法配置加熱器或電極等。
傳統上，供電桿為由導電性優良的金屬形成的實心圓桿構件，並以硬銲等方式固定在陶瓷構件內所埋設的加熱器或構成電極的薄金屬體的下面。
專利文獻1中記載有一種接合有軸筒(shaft)的陶瓷構件(晶圓保持體)，其中，為了要抑制因熱能從供電桿(電極)漏散而導致陶瓷構件表面產生的溫度分布不均一，乃將軸筒內的供電桿熱容量定在和陶瓷構件之軸筒外周部內相當的部位的熱容量的10%以下。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 日本專利第4111013號公報
然而，因供電桿為由不僅導電性佳、傳熱性亦優的金屬所形成的實心構件，所以陶瓷構件的熱能會從供電桿漏散。因此，位於供電桿上方的部分陶瓷構件溫度會局部性降低，使載置於陶瓷構件表面上的Si晶圓產生非所願的溫度參差。
再者，上述專利文獻1所述之陶瓷構件中，在常態下會形成一定的溫度梯度，不論供電桿整體的熱容量大小如何，都會產生和熱傳導率及形狀等相應的熱流。因此，供電桿的正上方部分的陶瓷構件表面的溫度分布不均無法如願抑制。
因此，本發明之目的乃在提供可謀求抑制陶瓷構件的局部性溫度降低之設有供電桿的陶瓷構件。
本發明的陶瓷構件具備：陶瓷基體；金屬體，位於前述陶瓷基體內；及供電桿，由長邊方向的前端部電性連接於前述金屬體的導電性材料所形成，其特徵為，設後端部的熱傳導率為k1、該後端部的剖面積為A1時，前述供電桿在和前述長邊方向正交的剖面中具有熱傳導率k2及剖面積A2符合式子k2‧A2<k1‧A1之關係的傳熱抑制部。
若依本發明，和上述專利文獻1所載的涵蓋供電桿整體的(熱傳導率k)×(剖面積A)值相同於後端部的(熱傳導率k1)×(剖面積A1)值的情形相較，本發明的傳熱抑制部(熱傳導率k2)×(剖面積A2)值較小。
藉此特徵，從陶瓷基體經由供電桿漏散的熱能較少，可謀求抑制供電桿上方的局部部位的陶瓷基體溫度降低。從而，可謀求抑制陶瓷基體所載置的Si晶圓等的局部性溫度降低。
本發明中，前述傳熱抑制部的前述前端部較佳為位於前述供電桿的前端部。
在此情況中，因傳熱抑制部係位於供電桿的前端，且連接於金屬體，故從陶瓷基體經由供電桿漏散的熱能得以更為減少，在供電桿上方的局部部位中可進一步謀求抑制陶瓷基體的溫度降低。
本發明中，前述傳熱抑制部較佳為具有密閉的中空部。
在此情況中，因中空部內的空氣未和外部連通，故可防止因該空氣導致熱能往外部漏散。從而，可謀求進一步抑制陶瓷基體所載置的Si晶圓等的局部性溫度降低。
另外，中空部內的氣壓以越接近0氣壓越佳。在此情況中，藉由真空隔熱，可謀求進一步抑制陶瓷基體所載置的Si晶圓等的局部性溫度降低。
但，以中空部存在時，和實心的情況相較，其導電性較差。
因此，本發明中，前述傳熱抑制部較佳為具有中空部，且前述中空部內配置有由熱傳導率較周圍部分材質為低的材質所形成的構件。
在此情況中，藉由配置在中空部的構件，可謀求抑制熱能的漏散，並且提升導電性。
10‧‧‧陶瓷基體
11‧‧‧孔
20‧‧‧金屬體
30‧‧‧供電桿
31‧‧‧前端部
32‧‧‧後端部
33‧‧‧傳熱抑制部
34‧‧‧隔熱材
40‧‧‧軸筒
100‧‧‧陶瓷構件
圖1為本發明實施形態的陶瓷構件的剖面圖。
圖2為本發明再一實施形態的陶瓷構件的傳熱抑制部剖面圖。
圖3為本發明另一實施形態的陶瓷構件的傳熱抑制部前視圖。
圖4為本發明又一實施形態的陶瓷構件的傳熱抑制部剖面圖。
圖5為本發明又再一實施形態的陶瓷構件的傳熱抑制部剖面圖。
圖6為本發明其他實施形態的陶瓷構件的傳熱抑制部剖面圖。
發明的實施形態
茲就本發明實施形態的陶瓷構件100加以說明。
如圖1所示，陶瓷構件100具備陶瓷基體10、金屬體20、供電桿30及軸筒40。在此處，陶瓷構件100為靜電夾盤，其係由金屬體20作為電極發揮功能，並藉由從供電桿30對該電極施加電壓所產生的庫倫力而將基板吸附在基體10表面。
但，陶瓷構件100也可為加熱器，其係由金屬體20作為發熱電阻體(加熱器)發揮功能，並藉由從供電桿30對該加熱器施加電壓所產生的熱，將載置於陶瓷基體10的表面上的基板A加熱。
再者，陶瓷構件100也可為附加有加熱器功能的靜電夾盤，其係由接近表面的金屬體20作為電極發揮功能，並由遠離表面的金屬體20作為電阻發熱體發揮功能。在此情況中，可為連接於雙方金屬體20的供電桿30具有後述傳熱抑制部33的類型，也可為只有連接於接近表面的金屬體20的供電桿30具有傳熱抑制部33。
陶瓷構件100在陶瓷基體10中埋設有金屬體20，供電桿30長邊方向的前端部31則連接於該金屬體20的背面。此外，供電桿30長邊方向的後端部32係呈從陶瓷基體10的背面突出的構成。供電桿30長邊方向的後端部32係連接於未圖示的外部電源。
另外，陶瓷基體10的表面上也可形成保護層等。此外，陶瓷基體10內也可設置冷卻構造。
陶瓷基體10係以氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)或氧化釔(Y2O3)等的陶瓷燒結體等形成。但，陶瓷基體10只要是以得作為靜電夾盤或加熱器之基體材料使用的素材形成者皆可。
陶瓷基體10係以陶瓷燒結體所形成，該陶瓷燒結體則由例如高純度(例如純度99.9%以上)的氮化鋁粉末、及依需要添加於其中的適量氧化釔粉末等燒結助劑的混合原料粉末塑形製得成形體，並藉熱壓燒結而形成。
然後，藉由將金屬體20夾在陶瓷燒結體之間進行熱壓，使由金屬網或金屬箔構成的金屬體20埋入陶瓷基體10中。但，埋入金屬體的方法並不限定於此。例如，也可將作為金屬體20材料的金屬粉末夾入前述混合原料之間，再將整體施以熱壓。此外，也可在陶瓷燒結體的接合面形成凹部，並充填金屬體20，然後，用接合材將陶瓷燒結體彼此間予以接合。
金屬體20係為以鎢、鉬、該等的合金、白金、鈦等金屬形成為薄板、薄膜、網狀、線狀等。
陶瓷基體10中，藉由研磨加工以達到金屬體20背面的方式在背面側形成有圓柱狀孔11。
供電桿30係由鈦(Ti)、鎳(Ni)等耐熱性、耐酸性及導電性優異的金屬所形成。而且，供電桿30長邊方向的前端部31係以其前端面和金屬體20背面接觸的狀態予以固定，並藉由這些元件的電性連接來謀求電力供給，且在供電桿30前端面的周圍施行機械式連接。
此外，存在有複數支供電桿30的情況中，則設成包圍全部供電桿外側的方式，例如藉硬銲等使圓筒狀的軸筒40固定在陶瓷基體10背面。
供電桿30中，在其長邊方向的一部分，在和長邊方向正交的剖面上具有傳熱抑制部33，其(熱傳導率k2)×(剖面積A2)值係比後端部32的(熱傳導率k1)×(剖面積A1)值為小。
此處，供電桿30的整體外觀係形成為細長圓柱狀。此外，供電桿30雖全部係以相同材質所構成， 所有部分的熱傳導率k均相同，但在此處，前端部31設有剖面積A2小於後端部32之剖面積A1的部分作為傳熱抑制部33。
例如，傳熱抑制部33係呈圓管狀，其剖面積A2相較於後端部32的剖面積A1，少了中空部分的剖面積。而且，如圖2所示，傳熱抑制部33也可具有直徑較後端部32為小的圓形剖面。
圓管狀傳熱抑制部33也可為由整體上作為供電桿30的圓柱狀構件的一部分施以加工所形成。此外，也可使圓管狀的傳熱抑制部33由圓管狀構件形成，再和構成供電桿30之其他部分的實心構件以硬銲等固定。銲材為例如銀銲材、金銲材、鎳銲材等貴金屬銲材。此外，和陶瓷構件接合的情況中，也可以在銲材中添加鈦、鋯(Zr)等活性金屬。
傳熱抑制部33位於供電桿30的前端部時，必須特別確保和對金屬體20供電所要求的特性相應的剖面積A2。例如，金屬體20作為加熱器使用的情況中，必須確保和供電電流容量相配的剖面積A2。
其他方面，只要傳熱抑制部33具有較後端部32的剖面積A1為小的剖面積A2，其形狀就不受限定。例如，供電桿30的前端部31、後端部32及傳熱抑制部33的剖面也可為具有楕圓形、三角形或四角形等多角形、星形等具有凹部的形狀等。
再者，和後端部32比較，傳熱抑制部33的剖面並不限定於具有中空及相似形狀者。例如，如圖 3所示，後端部32的剖面為圓形、傳熱抑制部33的剖面為六角形等，剖面形狀也可以為非相似形狀者。而且，如圖4所示，傳熱抑制部33也可為形成有缺口、凹窪、和側面連通的1個或複數個孔洞或開縫等。
此外，傳熱抑制部33可存在複數個，也可在各傳熱抑制部33及1個傳熱抑制部33間具有不同的剖面積A2。
再者，傳熱抑制部33的剖面積A2也可和後端部32的剖面積A1相同，在該情況中，也可使用具有熱傳導率k2較後端部32的熱傳導率k1為小的材質構成傳熱抑制部。例如，如圖5所示，傳熱抑制部33也可為將氧化鋁、氧化矽(SiO2)、氧化鎂(MgO)等的隔熱材34填入中空部分者。在該情況中，例如，將供電桿30分割為上半部和下半部，在該等凹部填入隔熱材34後，以螺合、接合等方式接合即可。
而且，如圖6所示，也可將熱傳導率k2小於後端部32之熱傳導率k1的材質所構成的傳熱抑制部33以焊接、熔接、黏接等固定在供電桿30的前端。但，在此情況中，因供電桿30以具有優良導電性為佳，故傳熱抑制部33的材質必須以鈦、鎳等材質為主成分。
而且，當然，傳熱抑制部33的熱傳導率k2可以較後端部32的熱傳導率k1小，並且，傳熱抑制部33的剖面積A2也可較後端部32的剖面積A1小。
藉由設置如上述的傳熱抑制部33，相較於如上述專利文獻1所述的遍及供電桿30整體的(熱傳導 率k)×(剖面積A)值與後端部32的(熱傳導率k1)×(剖面積A1)值相同的情況，傳熱抑制部33的(熱傳導率k2)×(剖面積A2)值較小。
藉此設計，從陶瓷基體10經由供電桿30漏散的熱能較少，供電桿30上方的局部部位的陶瓷基體10的溫度降低可獲得抑制。藉此，也可謀求抑制陶瓷構件100所載置的Si晶圓等的局部性溫度降低。
此外，如圖1所示，在傳熱抑制部33具有密閉中空部的情況中，因中空部內的空氣未和外部連通，故可防止因該空氣而使熱能往外部漏散。從而，可謀求進一步抑制陶瓷構件100所載置的Si晶圓等的局部性溫度降低。
另外，中空部內的氣壓以越接近0氣壓越佳。在此情況中，藉由真空隔熱，可進一步謀求抑制陶瓷構件100所載置的Si晶圓等的局部性溫度降低。中空構造可於一般真空爐中在減壓下將2個金屬構件利用硬銲接合而製得。
不過，加熱器電流在升溫時需要大電流。但是，存在有中空部時，和實心的情況相比，供電桿30的導電性較差。因此，如圖5所示，傳熱抑制部33具有中空部的情況中，較佳為在該中空部內所配置的隔熱材34係由熱傳導率比周圍部分材質的熱傳導率k為低的材質所構成。在該情況中，藉由以導電率優異的材質構成中空部所配置的隔熱材34，可抑制熱能漏散，並且謀求提升導電性。
另外，以上雖係說明有關供電桿30之前端部31直接連接於金屬體20的情況，但並不限定於此。例如，也可為金屬體20連接有端子，而供電桿30的前端部31則連接該端子的結構。在此情況中，雖端子和供電桿30的前端部31只要以螺合等接合即可，但其接合方法並不受限定，例如，用螺合、黏合劑等接合即可。
上文中，雖係就供電桿30的前端部31設有傳熱抑制部33的情況作說明，但並不限定於此。例如，傳熱抑制部33也可設置於供電桿30之前端部31與後端部32之間的中間部。另外，傳熱抑制部33也可為複數個。
實施例 (參考例1)
準備氮化鋁粉末中添加有3重量%氧化釔粉末所得的混合原料粉末，作為陶瓷基體10的原料。準備以線徑0.1mm的鉬形成的線材以網孔規格(每1吋中的線材支數)# 50施行平織而構成絲網，作為金屬體20。
在前述混合原料材料中埋入前述金屬體20，將其塑形而得的成形體施以熱壓燒結，製成由直徑296mm、厚度20mm的圓盤狀陶瓷燒結體所構成的陶瓷基體10。
準備由外徑50mm、內徑42mm、長度300mm，呈圓筒狀的氮化鋁燒結體構成的製品作為軸筒40。但，該軸筒40和陶瓷基體10接合部分的凸緣部的規格為外徑70mm、內徑 42mm、凸緣部厚度10mm。
準備由鎳形成而外徑為6.0mm、長度為350mm的圓柱狀構件作為供電桿。
然後，將該供電桿的前端面以金、銅、鈦形成的銲材硬銲於金屬體20的背面。藉此步驟，即完成陶瓷構件。
因鎳的熱傳導率k為88W/mK，故供電桿的(熱傳導率k)×(剖面積A)值為2.5×10-3(Wm/K)。
將陶瓷構件配置於真空室，從供電桿供給電力，使其表面溫度達500℃。
在陶瓷基體10上面的上方，經由紅外線穿透視窗(view port)以紅外線照相機量測加熱器表面的溫度分布。在供電桿正上方的陶瓷基體10表面而溫度比周圍溫度低的區域可觀察到涼點(cool spot)。和周圍的表面溫度相比，涼點的溫度低了3.0℃。
(參考例2)
除了供電桿的材質採用鈦之外，其餘和參考例1完全相同，而製得陶瓷構件。
因鈦的熱傳導率k為16W/mK，故供電桿的(熱傳導率k)×(剖面積A)值為4.5×10-4(Wm/K)。
以和參考例1相同的方式量測陶瓷基體10的表面時，在陶瓷基體10的表面可觀測到涼點。涼點的溫度和周圍的表面溫度相比，低了1.7℃。
(實施例1)
將鎳製的外徑6.0mm、長度300mm的圓柱狀構件與鎳製的外徑6.0mm、壁厚0.4mm、長度50mm的圓管狀構件以外周面在同一平面上的方式用金、銅、鈦形成的銲材硬銲固定，作為供電桿30。
該供電桿30中，圓柱狀構件形成的部分係構成後端部32等的傳熱抑制部33以外部分，圓管狀構件形成的部分則構成傳熱抑制部33及前端部31。
然後，將供電桿30的前端部31的前端面以金、銅、鈦製成的銲材硬銲在金屬體20的背面。藉此方式，而完成陶瓷構件100。
因鎳的熱傳導率k為88W/mK，故後端部32等的(熱傳導率k1)×(剖面積A1)值為2.5×10-3(Wm/K)，傳熱抑制部33的(熱傳導率k2)×(剖面積A2)值則為6.2×10-4(Wm/K)。
以和參考例1相同的方式量測陶瓷基體10的表面時，在陶瓷基體10的表面可觀測到涼點。涼點溫度和周圍的表面溫度相比，只低了1.5℃。由此可知，和實施例1相比，因供電桿30所產生的涼點已獲得減低。
(實施例2)
除了供電桿30的材質採用鈦之外，其餘和實施例1完全相同。
因鈦的熱傳導率k為16W/mK，故後端部32等的(熱傳導率k1)×(剖面積A1)值為4.5×10-4 (Wm/K)，而傳熱抑制部33的(熱傳導率k2)×(剖面積A2)值則為1.1×10-4(Wm/K)。
以和參考例1相同方式量測陶瓷基體10表面時，在陶瓷基體10的表面可觀測到涼點。涼點的溫度和周圍的表面溫度相較，只低了0.5℃。由此可知，和實施例2比較，因供電桿30所產生的涼點已獲得減低。
(實施例3)
將鎳製的外徑6.0mm、長度300mm的圓柱狀構件與鎳製的外徑1.5mm、長度50mm的圓柱狀構件以中心軸一致的方式用金、銅、鈦形成的銲材硬銲固定，作為供電桿30。
該供電桿30中，由粗圓柱狀構件形成的部分係構成後端部32等的傳熱抑制部33以外部分，而由細圓柱狀構件形成的部分則構成傳熱抑制部33及前端部31。
然後，將供電桿30的前端部31前端面以金、銅、鈦形成的銲材硬銲於金屬體20的背面。
因鎳的熱傳導率k為88W/mK，故後端部32等的(熱傳導率k1)×(剖面積A1)值為2.5×10-3(Wm/K)，而傳熱抑制部33的(熱傳導率k2)×(剖面積A2)值則為1.6×10-4(Wm/K)。
以和參考例1相同的方式量測陶瓷基體10的表面時，在陶瓷基體10的表面可觀測到涼點。該涼點的溫度和周圍的表面溫度相比，只低了0.8℃。由此可 知，和實施例1相較，因供電桿30所產生的涼點已獲得減低。
(實施例4)
除了供電桿30的材質採用鈦之外，其餘和實施例3完全相同。
因鈦的熱傳導率k為16W/mK，故後端部32等的(熱傳導率k1)×(剖面積A1)值為4.5×10-4的(Wm/K)，傳熱抑制部33的(熱傳導率k2)×(剖面積A2)值則為2.8×10-5(Wm/K)。
以和參考例1相同的方式量測陶瓷基體10表面時，在陶瓷基體10的表面可觀測到涼點。涼點的溫度和周圍的表面溫度相比，只低了0.4℃，由此可知，和實施例2相比，因供電桿30所產生的涼點已獲得減低。
(實施例5)
將鎳製的外徑6.0mm、長度300mm的圓柱狀構件與鎳製的邊長1.5mm、長度50mm的正四角柱狀構件以中心軸一致的方式用金、銅、鈦形成的銲材硬銲固定，作為供電桿30。
該供電桿30中，由粗圓柱狀構件形成的部分係構成後端部32等的傳熱抑制部33以外部分，細圓柱狀構件形成的部分則構成傳熱抑制部33及前端部31。
然後，將供電桿30的前端部31前端面以金、銅、鈦形成的銲材硬銲於金屬體20的背面。
因鎳的熱傳導率k為88W/mK，故後端部32等的(熱傳導率k1)×(剖面積A1)值為2.5×10-3(Wm/K)，傳熱抑制部33的(熱傳導率k2)×(剖面積A2)值則為2.0×10-4(Wm/K)。
以和參考例1同樣的方式量測陶瓷基體10的表面時，在陶瓷基體10的表面可觀測到涼點。涼點的溫度和周圍的表面溫度相比，只低了1.2℃。由此可知，和實施例1相比，因供電桿30所產生的涼點已獲得減低。
(實施例6)
除了供電桿30的材質採用鈦之外，其餘和實施例3完全相同。
因鈦的熱傳導率k為16W/mK，故後端部32等的(熱傳導率k1)×(剖面積A1)值為4.5×10-4的(Wm/K)，而傳熱抑制部33的(熱傳導率k2)×(剖面積A2)值則為3.6×10-5(Wm/K)。
以和參考例1同樣的方式量測陶瓷基體10的表面時，在陶瓷基體10的表面可觀測到涼點。涼點的溫度和周圍的表面溫度相比，只低了0.4℃。由此可知，和實施例1相較，因供電桿30所產生的涼點已獲得減低。
實施例1至6的結果係彙整於表1。
10‧‧‧陶瓷基體
11‧‧‧孔
20‧‧‧金屬體
30‧‧‧供電桿
31‧‧‧前端部
32‧‧‧後端部
33‧‧‧傳熱抑制部
40‧‧‧軸筒
100‧‧‧陶瓷構件

Claims (4)

  1. 一種陶瓷構件，其特徵為具備：陶瓷基體；金屬體，位於前述陶瓷基體內；及供電桿，由長邊方向的前端部電性連接於前述金屬體的導電性材料所構成，前述供電桿在和前述長邊方向正交的剖面中具有傳熱抑制部，設後端部的熱傳導率為k1，該後端部的剖面積為A1時，該傳熱抑制部的熱傳導率k2及剖面積A2符合式子k2‧A2<k1‧A1的關係。
  2. 如請求項1之陶瓷構件，其中，前述傳熱抑制部的前述前端部係位於前述供電桿的前端部。
  3. 如請求項1或2之陶瓷構件，其中，前述傳熱抑制部具有密閉的中空部。
  4. 如請求項1或2之陶瓷構件，其中，前述傳熱抑制部具有中空部，在前述中空部內配置由具有熱傳導率比周圍部分之材質的熱傳導率為低的材質所形成的構件。
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