TWI695443B

TWI695443B - 陶瓷構件

Info

Publication number: TWI695443B
Application number: TW107112506A
Authority: TW
Inventors: 梅木俊哉; 北林徹夫
Original assignee: 日商日本特殊陶業股份有限公司
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2020-06-01
Also published as: JP2018182280A; JP6903525B2; TW201903936A

Abstract

提供可抑制漏洩電流之發生，並且容易謀求將晶圓加熱到所期望之溫度的陶瓷構件。

陶瓷加熱器100係由RF板10和加熱板20在RF板之載置面的相反側以隔介著空間S的狀態接合所形成，該RF板10係由具有可載置晶圓的載置面11且埋設有RF電極30的陶瓷燒結體所構成，該加熱板20係由埋設有加熱器40的陶瓷燒結體所構成。與載置面11垂直之方向的空間的最小高度H(mm)、RF板10與加熱板20之接合部分的合計面積對順沿藉載置面11之外緣所界定的載置面11的平面面積之比值A、和RF電極30與加熱器40之間的距離D(mm)的關係符合H/A≦1000、且H/A+(D-H)/(1-A)≧14的條件。

Description

陶瓷構件

本發明係關於由埋設有電極及發熱電阻體的陶瓷燒結體所構成的陶瓷構件。

由設置有RF電極的RF板、及設置有發熱電阻體的加熱板接合所構成的承載盤(susceptor)等陶瓷構件業已存在。

專利文獻1中記載有藉由將載置用承載盤構件、上層承載板及下層承載板在利用黏著劑或熱熔接積層的狀態下加以固定而形成承載盤的技術。而且，分別在形成於上層承載板之上面的凹狀加熱器設置空間設置有加熱器(發熱電阻體)，在形成於下層承載板之上面的凹狀電極設置空間設置有可改變阻抗的電極(RF電極)。

載置用承載盤構件及2個承載板係由石英所構成，加熱器設置空間係和大氣連通，上層承載板與加熱器之間則存在有間隙。這是因為藉加熱器對載置於載置用承載盤構件上面之基板執行的加熱係利用紅外線進行輻射傳熱的緣故。

專利文獻2中則記載有在以氮化鋁等陶瓷所構成的承載盤之內部埋設有RF電極及加熱器的技術。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第4347295號公報

[專利文獻2]日本特開2001-274102號公報

然而，專利文獻1所載的承載盤中，由於必須讓紅外線穿透，故承載盤的基材被限定於石英等可讓紅外線穿透的材質。更且，因為加熱器的發熱難以經由基材傳導，故有因加熱器過度升溫而斷線之虞。

另一方面，如專利文獻2所載，在將氮化鋁等熱傳導率較大的材質作為基材的承載盤中埋設RF電極及加熱器時，雖加熱器所生的熱容易經由基材傳導，但隨著承載盤的使用溫度增高，氮化鋁的絕緣性會降低，而在RF電極與加熱器之間產生漏洩電流。結果，即使對加熱器供給預定的電力，載置於承載盤的基板(晶圓)也難以加熱到所期望的溫度。

本發明係有鑑於此類情形而研發者，其目的在提供可抑制漏洩電流之發生並且容易謀求將晶圓加熱到所期望之溫度的陶瓷構件。

本發明係為一種陶瓷構件，其由具有可載置晶圓的載置面且以埋設有電極之陶瓷燒結體所構成的第 1基體、及以埋設有發熱電阻體之陶瓷燒結體所構成的第2基體，在前述第1基體之載置面的相反側以隔介著空間的狀態加以接合所形成，其特徵為：與前述載置面垂直之方向的前述空間的最小高度H(mm)、接合前述第1基體與前述第2基體之部分的合計面積對順沿藉前述載置面之外緣所界定的前述載置面之平面面積的比值A、及前述電極與前述發熱電阻體之間的距離D(mm)的關係符合H/A≦1000、且H/A+(D-H)/(1-A)≧14的條件。

若依本發明，藉由介存於第1基體與第2基體之間的空間，得以抑制從發熱電阻體向載置面的傳熱過度地受到阻礙的情形，並且可抑制發生流動於電極與發熱電阻體之間的漏洩電流。

本發明中，前述關係較佳為符合H/A+(D-H)/(1-A)≧100的條件。

在此情況下，可進一步抑制發生漏洩電流流動於電極與發熱電阻體之間的情形。

再者，本發明中，前述空間以構成為可藉熱傳導率較空氣更高的媒體至少局部地充填，或者可連結於該媒體的供給源為佳。

在此情況中，藉由對存在於空間內的媒體壓力進行控制，可一面抑制漏洩電流的發生，一面控制第1基體與第2基體之間的傳熱。

10‧‧‧RF板(第1基體)

11‧‧‧載置面(上面)

12‧‧‧下面

20‧‧‧加熱板(第2基體)

21‧‧‧上面

22‧‧‧下面

23、24‧‧‧凹狀部

30‧‧‧RF電極(電極)

31‧‧‧供電端子

40‧‧‧加熱器(發熱電阻體)

41‧‧‧供電端子

50‧‧‧軸

51‧‧‧圓筒部

52‧‧‧擴徑部

60‧‧‧連結構件

61‧‧‧上面

62‧‧‧下面

100‧‧‧陶瓷加熱器(陶瓷構件)

S‧‧‧空間

圖1為本發明實施形態之陶瓷加熱器的示意剖面圖。

圖2為本發明實施形態的變化例之陶瓷加熱器的示意剖面圖。

圖3為本發明實施形態的其他變化例之陶瓷加熱器的示意剖面圖。

圖4為實施例41之陶瓷加熱器的示意水平剖面圖。

[實施發明之形態]

茲參照附圖就本發明之陶瓷構件的實施形態之陶瓷加熱器100加以說明。另外，以下說明的附圖中，為了使陶瓷加熱器100的構成明確化，各構成要素係經變形(deformer)，並非表示實際的比例。

如圖1所示，陶瓷加熱器100係由RF板10及加熱板20積層所構成，RF板10具有載置面11作為上面，該載置面11係供載置作為被加熱物之未圖示晶圓(基板)。另外，RF板10係相當於本發明的第1基體，加熱板20則相當於本發明的第2基體。

RF板10中埋設有RF電極30，加熱板20中埋設有加熱器(發熱電阻體)40。RF電極30則為對晶圓施以電漿處理時所使用的高頻電極。

在本實施形態中，RF電極30係以鉬(Mo)或鎢(W)等耐熱金屬等之箔片所構成，且形成為面狀形態。但，RF電極30也可為以耐熱金屬等製成的膜、板、網片(mesh)、纖維狀等構成。

RF板10及加熱板20係為以例如氧化鋁、氮化鋁、氮化矽等陶瓷燒結體構成的陶瓷基材。RF板10及加熱板20因係將上述材料放入預定形狀的模具中加以成形且使其緻密化，故只要是藉由例如熱壓燒成等製作成圓板狀等板狀者即可。

在本實施形態中，加熱器40係以鉬(Mo)或鎢(W)等耐熱金屬等之網片構成，且形成為面狀形態。但，加熱器40也可為以耐熱金屬等製成的箔、膜、板、線、纖維、線圈、緞帶狀等所構成。

RF板10係在利用作為RF板10之陶瓷材料挾入有RF電極30的狀態下實施燒成。再者，加熱板20則在利用作為加熱板20的陶瓷材料挾入有加熱器40的狀態下實施燒成。

RF板10及加熱板20係以在各別製得後，使RF板10之下面12與加熱板20之上面21接觸的方式接合。但，RF板10之下面12與加熱板20之上面21並不是涵蓋著整面接觸，而是至少在RF板10與加熱板20之間介存著空間(間隙)S。

RF板10與加熱板20係藉由使用擴散接合、黏接劑、螺絲釘(screw)等固定具之機械式結合等加以固定。

更且，陶瓷加熱器100具備：用以對RF電極30供供電力的供電用端子(供電端子)31、及埋設於RF板10的未圖示的電流供給構件。

再者，陶瓷加熱器100具備：用以對加熱器40供供電力的供電用端子(供電端子)41、及埋設於加熱板20的未圖示的電流供給構件。

供電端子31、41與電流供給構件係分別施以硬焊或熔接。供電端子31、41係以桿狀或線狀的鎳(Ni)、科伐合金(Kovar，註冊商標)(Fe-Ni-Co)、鉬(Mo)、鎢(W)、或以鉬(Mo)及鎢(W)為主成分的耐熱合金等耐熱金屬所構成。電流供給構件係以鉬(Mo)或鎢(W)等所構成。另外，供電端子31、41與電流供給構件也可藉和供電端子31、41相同的耐熱金屬製連接構件加以連接。

陶瓷加熱器100進一步具備連接於加熱板20之下面22之中心部的中空軸50。

軸50為大致圓筒狀，且具有使和加熱板20接合部分之外徑較其他圓筒部51的直徑更大徑而成的擴徑部52，擴徑部52的上面即成為和加熱板20的接合面。軸50的材質雖可和加熱板20的材質同等，但為了提高隔熱性，也可使用熱傳導率比加熱板20的素材更低的素材來形成。

加熱板20之下面與軸50之上端面係藉由利用擴散接合或利用陶瓷或者玻璃等接合材料的固相接合加以接合。另外，加熱板20與軸50也可藉由螺釘固定或硬焊等加以連接。

圖1的實施形態中，在加熱板20之上面21形成有複數個凹狀部23，且在這些凹狀部23與RF板10之下面12間形成空間S。另外，也可在RF板10之下面12形成凹狀部，而且也可在RF板10之下面12與加熱板20之上面21的雙方形成凹狀部，但未予圖示。此外，空間S可為密閉空間，也可為和外部連通的空間，且空間S可互相連通，也可不連通。

藉由介存於RF板10與加熱板20之間的空間S，漏洩電流從加熱器40流到RF電極30的情形即可受到抑制。

但，因必須將產生自加熱器40的熱傳熱俾將支持於載置面11的晶圓加熱，故介存於RF板10與加熱板20之間的空間S之大小不應超過所需之大小。發明人從後述的實施例及比較例中發現到：空間S在與載置面11垂直之方向的最小高度設為H[mm]、RF板10與加熱板20之接觸面積的比值設為A時，以下的關係式(1)必須成立。

H/A≦1000‧‧‧(1)

另外，比值A為RF板10之下面12與加熱板20之上面21接觸部分的合計面積相對於順沿著藉由載置面11之外緣所界定的載置面11之平面面積的比。

更且，如圖3的變化例所示，在加熱板20之上面21可形成有複數個凹狀部24，在這些凹狀部24配置有軸線方向之長度大於凹狀部24之深度的銷(Pin)等連結構件60，連結構件60之上面61則和RF板10之下面12接合，連結構件60之下面62也可和凹狀部24之底面接合。另外，如圖3所示，凹狀部24之底面也可形成在較加熱器40更遠離加熱板20之上面21的位置。

藉此方式，RF板10之下面12與加熱板20之上面21的接觸不會涵蓋整面，而是在其間形成存在於連結構件60周圍的空間S。另外，也可在RF板10之下面12形成凹狀部，且在其底面配置連結構件60，或者，也可將連結構件60直接接合在RF板10之下面12與加熱板20之上面21的任一方或雙方的平坦面，但未予圖示。

另外，連結構件60雖可和RF板10及加熱板20屬於相同的材質，但也可為不同的材質。RF板10及加熱板20與連結構件60可藉擴散接合、黏接劑等手段接合。在連結構件60和RF板10及加熱板20屬於相同材質的情況中，也可利用陶瓷基材的切削加工等將連結構件60與RF板10或加熱板20一體形成。再者，連結構件60的形狀可為圓柱狀、角柱狀、圓筒狀等，其形狀並不受限定，其配置態樣也不限定於散開的點狀。

在這種情況中，連結構件60可視為構成本發明第1基體之一部分或第2基體之一部分的構件，比值A係為RF板10之下面12與連結構件60之上面61的合計接觸面積、及加熱板20之上面21與連結構件60之下面62的合計接觸面積中較少一方的面積，相對於順沿著藉由載置面11之外緣所界定的載置面11之平面面積的比值。

更且，隨著因加熱器40的發熱之傳熱所產生的加熱作用使RF板10及加熱板20高溫化，這些基材的絕緣性會降低。因此，產生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流會增大，若漏洩電流變得過大時，對陶瓷加熱器100供電的電源容量就會不足，使溫度控制變得非常困難。

從而，為了抑制產生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流而設置了空間S。發明人從後述的實施例及比較例中發現到：與載置面11垂直之方向的空間S的最小高度設為H[mm]、RF板10與加熱板20之接觸面積的比值設為A、RF電極30和加熱器40在與載置面11垂直之鉛直方向的距離設為D[mm]時，為了抑制過大的漏洩電流，必須成立以下的關係式(2)。

H/A+(D-H)/(1-A)≧14‧‧‧(2)

為了進一步抑制漏洩電流，較佳為成立下述的關係式(3)。

H/A+(D-H)/(1-A)≧100‧‧‧(3)

另外，距離D為RF電極30與加熱器40在鉛直方向的分離長度，即使RF電極30與加熱器40在鉛直方向重疊、或未重疊皆為相同值。此外，距離D係為RF電極30之下端與加熱器40之上端在鉛直方向的距離，例如，加熱器40形成於鉛直方向的不同位置時，係指從最上層的加熱器40之上端起算的距離。

另外，如圖3所示的變化例，不通過連結RF電極30與加熱器40之空間S的最短路徑具有與載置面11垂直之鉛直方向的重複部分時，因距離D係為RF電極30與加熱器40在鉛直方向的分離長度D1加上該重複部分的鉛直方向長度(從凹狀部24之底面至加熱器40的距離)D2的2倍所得的值，故距離D的值係如式(4)所示。

D=D1+2×D2......(4)

而且，如圖3的變化例所示，較佳為在鉛直方向連結RF電極30與加熱器40之間介存有空間S。藉此設計，可有效抑制產生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流。在此情況中，空間S也可局部地隔介於朝鉛直方向連結的RF電極30與加熱器40之間。

此外，也可將配管連接於空間S，並從和該配管連接的氣體供給源供給氦、氬、氮等氣體，且構成為可以調整空間S的氣體壓力，但未予圖示。在此情況中，可抑制漏洩電流的發生，同時藉由調整空間S的氣體壓力而輕易控制RF板10與加熱板20之間的傳熱容易度。另外，在此情況中，空間S可為密閉空間，也可為開放空間。

更且，在加熱板20之下方也可追加埋設有反射構件的反射板，加熱板20內的加熱器40更下方也可埋設反射構件，但未予圖示。反射構件係具有藉由將來自加熱器40的輻射熱有效地反射，而抑制加熱器40之消耗電力的功效。反射構件係由例如鎳、鉬、鎢、白金、鈀、白金鈀合金等高融點金屬所構成而上面則呈鏡面的構件。

[實施例]

以下，具體舉出本發明的實施例及比較例來說明本發明。

(實施例1至40)

實施例1至40中，係將由埋設有RF電極30之氮化鋁(AlN)燒結體所成的RF板10、及由埋設有加熱器40之氮化鋁所成的加熱板40加以接合並積層，而製得圖1所示的陶瓷加熱器100。

[陶瓷加熱器的製作]

RF板10係由直徑340mm且厚度4mm的氮化鋁燒結體所構成，在其厚度方向中間部，埋設有由厚度為0.1mm且直徑為300mm之俯視下呈圓形的Mo箔所構成的RF電極30。

加熱板20係以直徑340mm的氮化鋁燒結體所構成，在自其下面22起8mm的上方埋設有Mo網片製(線徑0.1mm、# 50、平織)加熱器40。如圖4所示，加熱器40具有將配置成同心圓狀的複數個圓弧狀圖樣、及將徑向鄰接的圓弧狀圖樣彼此連接的直線狀圖樣，最外周的圓弧狀圖樣之直徑為310mm。加熱板20在實施例1至34中，厚度為16mm，在實施例35至40中，厚度為26mm。氮化鋁燒結體在650℃的體積電阻率為1.0×10⁸Ω．cm。

藉由使用加工機的研削加工，在加熱板20之上面21形成有複數個凹狀部23。凹狀部23的高度(亦即，空間S的最小高度)H為0.02mm至12mm，RF板10與加熱板20之接觸面積的比值A為0.001(0.1%)至0.5(50%)。

RF板10與加熱板20之接合係藉由一邊對接合面賦予8Mpa的壓力，一邊在真空中加熱至1700℃的擴散接合來施行。將氮化鋁燒結體所構成的軸50之上端面藉擴散接合而接合在加熱板20之下面22。此時的擴散接合係藉由一面對接合面賦予8Mpa以下的壓力一面在真空中加熱至1600℃來進行。

在軸50的接合後，將鎳製的供電端子31、41藉由在1000℃使用金硬焊材的真空硬焊而接合在RF電極30及加熱器40。

[評估方法]

在陶瓷加熱器100之載置面11放置黑色化的檔片(dummy wafer)，對供電端子41供供電力俾將加熱器40升溫，以IR相機攝像機量測檔片表面的溫度。從檔片表面溫度到達600℃的時刻起15分鐘的時間中，使供給到供電端子41的電力達到相同。另外，RF電極30則接地。

量測其後的RF板10及加熱板20之溫度，求出其差值。具體而言，係在陶瓷加熱器100之中央區域預先設置在RF板10及加熱板20各自的厚度方向的中間位置具有底部的熱電對測定用孔(未圖示)，藉由在熱電對測定用孔插入鎧裝(sheathed)熱電偶(K型，直徑16mm的不銹鋼護套)而量測RF板10及加熱板20之溫度。

然後，量測在RF電極30與加熱器40之間發生的漏洩電流。漏洩電流係以交流電流計連接在與RF電極30連接的供電端子31和接地之間的路徑來量測。

[評估結果]

RF板10與加熱板20之溫度差為1.5℃至185.5℃，少到未達200℃，H/A為0.04至1000，符合關係式(1)。

發生在RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流為0.01mA至0.99mA，少到未達1mA，H/A+(D-H)/(1-A)為14.3至1010，符合關係式(2)。

而且，在實施例8、12、17、18、22、26、30、34、35、38中，發生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流為0.01mA至0.13mA，非常小，未達0.15mA，H/A+(D-H)/(1-A)為109至1010，符合關係式(3)。

茲將實施例1至40的結果彙整為表1及表2。

(比較例1)

加熱板20之厚度為20mm，在自其下面22起8mm的上方埋設有加熱器40，同時在加熱板20之上面21未形成凹狀部23，且未設置空間S，將RF板10之下面12與加熱板20之上面21以涵蓋整面方式接合。此外，設為和實施例1至34相同而製得陶瓷加熱器。

[評估結果]

RF板10與加熱板20之溫度差係小到1.5℃，甚良好。但，產生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流卻大到1.41mA，超過了1mA。

(比較例2至5)

將形成於加熱板20之上面21的凹狀部23的態樣變更成如表3所示。此外則設為和實施例1至34相同而製得陶瓷加熱器。

[評估結果]

RF板10與加熱板20之溫度差為1.5℃至1.8℃，少到未達200℃，H/A為0.2至2.0，符合關係式(1)。

產生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流大到1.17mA至1.25mA，超過1mA。H/A+(D-H)/(1-A)為11.3至12.1，不符關係式(2)。

(比較例6至11)

將形成於加熱板20之上面21的凹狀部23的態樣變更成如表3所示。此外，比較例6至8係設為和實施例1至34相同，比較例9至11設為和實施例35至40相同而製得陶瓷加熱器。

[評估結果]

產生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流小到0.01mA以下，未達1mA。H/A+(D-H)/(1-A)為1208至12008，符合關係式(2)。

但，RF板10與加熱板20之溫度差卻超過200℃，H/A為1200至12000，不符關係式(1)。

將比較例1至11的結果彙整於表3。

(實施例41)

實施例41中，除了凹狀部23之態樣與加熱器40的形狀不同外，其餘設為和實施例17至21相同而製得陶瓷加熱器。

如圖4所示，決定加熱器40的形狀，在上面視圖中未與加熱器40重疊的部分，使RF板10之下面12與加熱板20之上面21接合。亦即，如圖2所示，以RF電極30與加熱器40之間存在有空間S的方式構成陶瓷加熱器100。RF板10與加熱板20之接觸面積的比值A為0.1(10%)，空間S的最小高度H為1.0mm，作為RF電極30與加熱器40在鉛直方向之分離長度的距離D為10mm。

[評估結果]

RF板10與加熱板20之溫度差小到3.1℃，甚良好，關係式(1)及(2)的值相同，且和實施例19的3.1℃相同。

產生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流為0.3mA，非常小，即使和實施例19的0.71mA相較也很小。

(實施例42)

實施例42中，如圖3所示，除了經由連結構件60將RF板10與加熱板20接合之外，其餘設為和實施例1至34相同而製得陶瓷加熱器。

連結構件60係藉由將氮化鋁燒結體切削加工而和RF板10形成一體。

RF板10及加熱板20與連結構件60之接觸面積的比值A為0.01(1%)，空間S的最小高度H為1.0mm。此時，D1為5mm，D2為7mm，D為19mm。

[評估結果]

RF板10與加熱板20之溫度差小到3.1℃，甚良好，H/A為100，符合關係式(1)。

產生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流為0.18mA，非常小，H/A+(D-H)/(1-A)為118.1，符合關係式(3)。

(實施例43至46)

在實施例43至46中，在和實施例18相同的陶瓷加熱器100中，將未圖示的配管連接於空間S，從連接於該配管的氦(He)供給源供給氦氣，空間S的氦氣壓力分別設為1torr、5torr、10torr、50torr。

[評估結果]

在實施例43至46中，RF板10與加熱板20之溫度差分別小到19.7℃、17.2℃、15.2℃、12.4℃，甚良好。和空間S的氦氣壓力為0torr之實施例18的19.7℃一起觀察時，空間S的氦氣壓力越大溫度差越小。

產生於RF電極30與加熱器40之間的漏洩電流全為0.13mA，和實施例18相同，空間S的氦氣壓力不會影響漏洩電流的大小。

10‧‧‧RF板(第1基體)

11‧‧‧載置面(上面)

12‧‧‧下面

20‧‧‧加熱板(第2基體)

21‧‧‧上面

22‧‧‧下面

23‧‧‧凹狀部

30‧‧‧RF電極(電極)

31‧‧‧供電端子

40‧‧‧加熱器(發熱電阻體)

41‧‧‧供電端子

50‧‧‧軸

51‧‧‧圓筒部

52‧‧‧擴徑部

100‧‧‧陶瓷加熱器(陶瓷構件)

S‧‧‧空間

Claims

一種陶瓷構件，係由第1基體和第2基體在前述第1基體之載置面的相反側以隔介著空間的狀態接合所形成，前述第1基體具有可載置晶圓的載置面，且由埋設有電極之陶瓷燒結體所構成，前述第2基體係由埋設有發熱電阻體之陶瓷燒結體所構成，其特徵為：與前述載置面垂直之方向的前述空間的最小高度Hmm、接合有前述第1基體與前述第2基體之部分的合計面積對順沿藉前述載置面之外緣所界定之前述載置面之平面面積之比值A、及前述電極與前述發熱電阻體之間的距離Dmm的關係符合H/A≦1000、且H/A+(D-H)/(1-A)≧14的條件。
如請求項1之陶瓷構件，其中前述關係符合H/A+(D-H)/(1-A)≧100的條件。
如請求項1或2之陶瓷構件，其中前述空間係構成為可藉熱傳導率較空氣更高的媒體至少局部地加以充填，或者可連結於該媒體的供給源。