TWI842402B

TWI842402B - 接合構造體

Info

Publication number: TWI842402B
Application number: TW112106092A
Authority: TW
Inventors: 海野豊; 只木幹也; 横野拓也
Original assignee: 日商日本碍子股份有限公司
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2024-05-11

Abstract

晶圓載置台10，具備：陶瓷構件12，具有晶圓載置面12a；射頻電極14，埋設於該陶瓷構件12，形狀與晶圓載置面12a一致；金屬製的連接構件16，埋設成在陶瓷構件12當中，從晶圓載置面12a之相反側的面到達射頻電極14；以及金屬製的外部通電構件18，經由接合層20而接合至連接構件16當中向外部露出的面。連接構件16，表面之算術平均粗度Ra係6～16μm。

Description

接合構造體

本發明係有關於接合構造體。

於習知技術，已知有一種接合構造體，具備：陶瓷構件、埋設於陶瓷構件的電極、以到達電極的方式埋設於陶瓷構件的連接構件、以及經由接合層而接合至連接構件的外部通電構件。例如，於專利文獻1，揭露了圖6所示之陶瓷加熱器610。此陶瓷加熱器610，具有於內部埋設了加熱器元件614的陶瓷構件612。陶瓷構件612當中，在陶瓷構件612的晶圓載置面612a之相反側的面612b，設置著有底筒狀的孔612c。於陶瓷構件612，以從孔612c的底面到達加熱器元件614的方式，埋設有圓柱狀的連接構件616。連接構件616當中，向外部露出的面，經由接合層620而接合有外部通電構件618。如此之陶瓷加熱器610可用於利用電漿而對晶圓實施CVD(化學氣相沉積)成膜、或實施蝕刻。

[習知技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]國際公開第2015/198892號冊子

然而，在陶瓷加熱器610有以下問題：在連接構件616的熱膨脹隨著電漿功率或加熱器功率的增加而反覆發生、並在外部通電構件618發生過載的情況下，外部通電構件618會連同連接構件616一併從陶瓷構件612脫落。

本發明係為解決此種問題而研發，其主要目的係使連接構件難以從陶瓷構件脫落。

本發明之接合構造體具備：陶瓷構件，具備晶圓載置面；埋設電極，埋設於該陶瓷構件，形狀與該晶圓載置面一致；金屬製的連接構件，埋設成在該陶瓷構件當中，從該晶圓載置面之相反側的面到達該埋設電極；以及金屬製的外部通電構件，經由接合層而接合至該連接構件當中向外部露出的面；該連接構件，表面之算術平均粗度Ra係6~16μm。

在此接合構造體，連接構件的表面之算術平均粗度Ra係6~16μm。因此，即使在外部通電構件發生過載，也會由於定錨效應而使得外部通電構件難以連同連接構件一併從陶瓷構件脫落。

於本發明之接合構造體，構成該連接構件之粒子的平均粒徑，亦可係4~8μm。如此一來，相較於平均粒徑不到4μm的情形，可以得到良好的定錨效應。在此，所謂構成連接構件之粒子的平均粒徑，並非用於製作連接構件之原材料粉末的平均粒徑，而是構成連接構件本身之粒子的平均粒徑。

於本發明之接合構造體，該連接構件亦可係以氣孔率為5~20%的金屬多孔質體構成。如此一來，就能較為簡便地製成表面之算術平均粗度Ra為6~16μm的連接構件。這樣的連接構件，例如係使用具有平均粒徑為4~8μm之粒徑的金屬粉末，藉由粉末冶金而製作。

於本發明之接合構造體，該陶瓷構件亦可係氮化鋁所構成；該連接構件亦可係鉬、鎢或鉬-鎢合金所構成。如此一來，在陶瓷構件就不易產生裂縫。此乃由於陶瓷構件、與連接構件間的熱膨脹係數之差異小所致。

於本發明之接合構造體，該外部通電構件的抗拉伸負荷亦可係120kgf以上。在接合構造體之製造時或使用時，多有對於外部通電構件施加大的負荷之情事；該外部通電構件的抗拉伸負荷為120kgf以上一事，極具意義。

10:晶圓載置台

12:陶瓷構件

12a:晶圓載置面

12b:面

12c:孔

14:射頻電極

16:連接構件

16a:第1面

16b:第2面

16c:第3面

18:外部通電構件

18a:第1部

18b:第2部

18c:中間接合部

20:接合層

22:導引構件

62:成形體

72:硬焊料

78c:硬焊料

86:成形體

96:混合物

97:金屬粉末

98:樹脂粉末

610:陶瓷加熱器

612:陶瓷構件

612a:晶圓載置面

612b:相反側的面

612c:孔

614:加熱器元件

616:連接構件

618:外部通電構件

620:接合層

A:部分

H:高度

L:直徑

[圖1]晶圓載置台10之主要部分的剖視圖。

[圖2]連接構件16的立體圖。

[圖3]圖1之A部分的放大圖。

[圖4A~C]連接構件16的製造步驟圖。

[圖5A~D]晶圓載置台10的製造步驟圖

[圖6]陶瓷加熱器610之主要部分的剖視圖。

接著，針對本發明之接合構造體的較佳之一實施形態的晶圓載置台10，於以下進行說明。圖1係晶圓載置台10之主要部分的剖視圖，圖2係連接構件16的立體圖，圖3係圖1之A部分的放大圖。又，於本說明書中，顯示數值範圍的「~」，意指包含其前後所記載之數值以作為下限值及上限值。

晶圓載置台10(相當於本發明之接合構造體)設置於未圖示之真空處理室內，係用於載置利用電漿以進行蝕刻或CVD等等的晶圓。此晶圓載置台10具備：陶瓷構件12、射頻(RF)電極(相當於本發明之埋設電極)14、連接構件16、外部通電構件18、以及導引構件22。

陶瓷構件12，形成為圓板狀，其一面係用以載置晶圓的晶圓載置面12a。又，雖於圖1，晶圓載置面12a在下，惟實際使用晶圓載置台10之際，會使晶圓載置面12a在上。作為此陶瓷構件12之材質，例如以氮化鋁為佳。此外，在陶瓷構件12的晶圓載置面12a之相反側的面12b，形成了有底筒狀的孔12c。可使陶瓷構件12係例如直徑150~500mm、厚度10~30mm。可使孔12c係例如直徑5~15mm、深度5~25mm。

射頻電極14係埋設於陶瓷構件12的電極，且係形狀與晶圓載置面12a一致的構件，在此係圓形的金屬網格。作為此射頻電極14的材質，較佳係例如鎢、鉬、鉭、鉑或該等之合金等等。金屬網格可為例如線徑0.1~1.0mm、平均每吋10~100條。此外，射頻電極14亦可藉由印刷形成。

連接構件16係埋設成「在陶瓷構件12當中，從孔12c的底面到達射頻電極14」的金屬構件。連接構件16係具有第1面16a、第2面16b及第3面16c的圓柱形構件。第1面16a係射頻電極14側的表面，是圓形面。第2面16b係接合層20側的表面，是與第1面16a相同形狀的圓形面。此外，第2面16b向孔12c露出，且與孔12c的底面是同一平面。第3面16c是圓柱的側面。此連接構件16係以金屬多孔質材料形成。作為金屬，可使用例如：鉬、鎢、或鉬-鎢合金等等。

連接構件16的第1面16a及第2面16b的直徑L，較佳為1~5mm，更佳為2.5~3.5mm。連接構件16的高度H，較佳為1~5mm，更佳為1~2mm。此外，第1面16a、第2面16b及第3面16c的算術平均粗度Ra，較佳為6~16μm。構成連接構件 16之金屬粒子的平均粒徑，較佳為4~8μm。構成連接構件16的金屬多孔質材料之氣孔率，較佳為5~20%。

外部通電構件18具備第1部18a及第2部18b，第1部18a經由接合層20而接合至連接構件16，第2部18b經由中間接合部18c而接合至「該第1部18a當中係連接構件16的接合面之相反側的面」。第2部18b，考量在電漿環境或腐蝕性氣體環境使用的情形，而以抗氧化性高的金屬構成。可是，由於抗氧化性高的金屬一般而言熱膨脹係數大，所以一旦直接與連接構件16接合，就會由於雙方的熱膨脹差異而導致接合強度降低。因此，第2部18b，就經由熱膨脹係數接近連接構件16之熱膨脹係數的金屬所構成之第1部18a，以接合至連接構件16。作為第2部18b的材質，較佳係純鎳、鎳基耐熱合金、金、鉑、銀、以及該等之合金等等。作為第1部18a的材質，較佳係鉬、鎢、鉬-鎢合金、鎢-銅-鎳合金、鐵鎳鈷合金等等。接合層20係以硬焊料形成。作為硬焊料，較佳為金屬硬焊料，例如金-鎳硬焊料、鋁硬焊料、銀硬焊料等等。接合層20，將連接構件16的第2面16b與第1部18a的端面加以接合。外部通電構件18的中間接合部18c，將第1部18a與第2部18b加以接合的同時，還將導引構件22的內周面與第1部18a的外周面整面或是一部分之間的間隙填充，並將導引構件22的內周面與第2部18b的外周面之一部分加以連接。因此，第1部18a藉由中間接合部18c而阻斷了與周圍環境的接觸。又，中間接合部18c亦可使用與接合層20相同的材質。第1部18a可為直徑3~6mm、高度2~5mm；第2部18b可為直徑3~6mm、任意高度。

導引構件22係圍繞住外部通電構件18當中至少第1部18a之周圍的圓筒狀構件，以抗氧化性高於第1部18a的材質形成。該導引構件22，內徑大於第1部18a及第2部18b(不含凸緣)的外徑，外徑小於孔12c的直徑，高度高於第1部18a的高度。導引構件22當中，面向孔12c之底面的端面，經由接合層20而與連接構件16、外部通電構件18及陶瓷構件12接合。導引構件22的材質，可使用作為外部通電構件18的第2部18b而例示的材質。又，導引構件22的端面，可如圖1所示，經由接合層20而接合至孔12c的底面，亦可離開孔12c的底面。

接著，針對晶圓載置台10的製造方法，使用圖4及圖5進行說明。首先，準備連接構件16。連接構件16，例如藉由如下所述之粉末冶金製造。亦即，將金屬粉末97與樹脂粉末98加以混合。藉此，得到混合物96(圖4A)。接著，將混合物96填充至模具並壓製成形。藉此，得到成形體86(圖4B)。接著，以400~500℃將成形體86加熱1小時左右，以燃燒去除成形體86所含有的樹脂。然後，以1300~1800℃將成形體86加熱1小時左右，使金屬粉末97燒結。藉此，得到以金屬多孔質材料形成的連接構件16(圖4C)。在此，可藉由適當變更金屬粉末97的平均粒徑、壓力、加熱時的溫度及加熱時間，以得到具有所要的算術平均粗度Ra、平均粒徑及氣孔率的連接構件16。又，構成連接構件16之粒子的平均粒徑，會與金屬粉末97的平均粒徑大致相同。

接著，將陶瓷原料粉末，壓製成形而成為圓板，而製作成形體62(圖5A)。於此成形體62，先埋設圓形的金屬網格構成的射頻電極14、以及連接構件16。再藉由以熱壓爐或常壓爐等對該成形體62進行燒製，成形體62就會燒結而成為陶瓷構件12(圖5B)。再將所得到的陶瓷構件12加工成既定尺寸。

接著，對陶瓷構件12的晶圓載置面12a之相反側的面12b施作研磨加工，以形成有底筒狀的孔12c(圖5C)。此時，進行加工以使連接構件16的第2面16b向孔12c露出，且使孔12c的底面與連接構件16的第2面16b成為同一平面。

接著，在孔12c的底面鋪上將會成為接合層20的硬焊料72，再於其上依序堆疊：外部通電構件18的第1部18a、將會成為中間接合部18c的硬焊料78c、導引構件22、以及外部通電構件18的第2部18b，而得到積層體(圖5D)。藉由在非氧化性條件下加熱該積層體，使硬焊料72、78c熔融，然後固化，而得到圖1所示之晶圓載置台10。所謂非氧化性條件，意指在真空下、或是在非氧化性環境(例如氬氣環境、或氮氣環境等等的惰性氣體環境)下。

在以上所說明的晶圓載置台10，連接構件16的表面之算術平均粗度Ra係6~16μm。因此，即使在外部通電構件18發生過載，也會由於定錨效應而使得外部通電構件18難以連同連接構件16一併從陶瓷構件12脫落。

此外，在晶圓載置台10，構成連接構件16之粒子的平均粒徑，較佳係4~8μm。如此一來，相較於平均粒徑不到4μm的情形，可以得到良好的定錨效應。

更進一步，在晶圓載置台10，連接構件16較佳係以氣孔率為5~20%的金屬多孔質體構成。如此一來，就能較為簡便地製成表面之算術平均粗度Ra為6~16μm的連接構件16。

再更進一步，在晶圓載置台10，陶瓷構件12係氮化鋁所構成，連接構件16係鉬、鎢、或鉬-鎢合金所構成。因此，在陶瓷構件12就不易產生裂縫。此乃由於陶瓷構件12、與連接構件16間的熱膨脹係數之差異小所致。

又，本發明並不受上述實施形態限定，只要屬於本發明之技術範圍，即得以各種態樣實施，自不待贅言。又，本發明能良好地適用於具有「設在埋設於陶瓷構件12的電極與外部通電構件18之間，且係埋設於陶瓷構件12的連接構件16」的構造體。

例如，在上述實施形態，連接構件16係以金屬多孔質材料構成，惟不限定於此。在上述實施形態，連接構件16以緻密質的金屬材料構成亦可。

在上述實施形態，連接構件16亦可在第1面16a與第3面16c之間具備：具有既定之曲率半徑R的彎角部。如此一來，可防止在彎角部周邊的陶瓷構件12產生裂縫的情形。在此情況下，曲率半徑R較佳為0.3~1.5mm。

在上述實施形態，雖在陶瓷構件12埋設了射頻電極14，但亦可取代或外加於射頻電極14，而埋設靜電電極、或埋設加熱器元件，亦可埋設靜電電極與加熱器元件之雙方。

亦可在上述實施形態之晶圓載置台10的晶圓載置面12a之相反側的面12b，使材質相同於陶瓷構件12之筒狀的管體，與陶瓷構件12一體化。在此情況下，係將外部通電構件18等等配置在管體的中空內部。要製造管體，就例如使用模具，以CIP(冷均壓)使陶瓷原料粉末成形，再於常壓爐以既定溫度進行燒製；經燒製後，再加工成既定尺寸即可。此外，要使管體與陶瓷構件12一體化，就例如將管體的端面與陶瓷構件12的面12b對接，再升溫至既定溫度以使雙方接合而一體化即可。

雖然在上述實施形態，並未將外部通電構件18的第2部18b的凸緣與導引構件22的端面加以接合，但亦可拉近雙方之間隔、並於其間隙設置接合層(例如與接合層20相同的材質)，再經由該接合層以接合雙方。

[實施例]

以下將針對本發明之實施例加以說明。在以下的實驗例1~9當中，實驗例1~5相當於本發明之實施例，實驗例6~9相當於比較例。又，本發明並不受以下實施例限定。

〔實驗例1〕

1.準備連接構件16

(1)製作連接構件16

製作依照圖4的製造程序而製造之連接構件16。亦即，作為金屬粉末97，混合了91質量%的平均粒徑4μm之鉬粉末、以及9質量%的樹脂粉末98，而製作混合物96。接著，藉由將所製作之混合物96填充至模具並壓製成形，以製作圓柱狀的成形體86。然後，以500℃將成形體86加熱1小時，以燃燒去除成形體86所含有的樹脂。然後，以1800℃將成形體86加熱1小時，使金屬粉末97燒結，而製得圓柱狀的連接構件16。所製得的連接構件16的大小為：頂面及底面的直徑3mm，高度1.5mm。

(2)表面的算術平均粗度Ra之量測

以按照JIS B 0601：2013的方法，使用光干涉儀所量測的數值，作為連接構件16的表面(第1面16a、第2面16b及第3面16c)之算術平均粗度Ra。其結果，表面的算術平均粗度Ra為6μm。

(3)平均粒徑之量測

如下量測了構成連接構件16之粒子的平均粒徑。亦即，首先截斷連接構件16，取得了截斷面的SEM(掃描式電子顯微鏡)照片(倍率3000倍)。然後，在該照片上繪製直線，對於橫跨粒子的40個線段的長度分別加以量測，而運算該等之平均值以作為平均粒徑。其結果，構成連接構件16之粒子的平均粒徑係4μm。

(4)氣孔率之量測

如下量測了連接構件16的氣孔率。亦即，首先，進行了連接構件16之截斷面的樹脂包埋及研磨，而製作觀察用樣本。接著，拍攝截斷面的SEM照片(倍率1000倍)。接著，藉由對於所得到的照片進行影像分析，以判別分析法(大津二值化)從照片中的畫素之亮度資料的亮度分布，定出閾值。之後，根據所定出之閾值，將照片中的各畫素，二值化為物體部分及氣孔部分，再計算物體部分的面積及氣孔部分的面積。然後，將氣孔部分的面積相對於總面積(物體部分及氣孔部分的合計面積)的比例，作為氣孔率加以導出。其結果，連接構件16的氣孔率為5%。

2.晶圓載置台之製作

(1)成形體62之製作

依照圖5的製造程序，製造了3台晶圓載置台10樣本。首先，將射頻電極14及連接構件16埋設在混合了氮化鋁粉末與燒結助劑的混合粉末裡，並藉由單軸加壓成形而製作成形體62。作為射頻電極14，使用鉬製的金屬絲網。該金屬絲網，使用「將直徑0.12mm的鉬線，以平均每吋50條的密度加以編織者」。

(2)燒製

接著藉由將該成形體62填入模具，密封於碳箔內，以熱壓法進行燒製，而得到陶瓷構件12。燒製後，將陶瓷構件12加工成直徑200mm、厚度8mm。

(3)孔12c之形成

接著，在陶瓷構件12的晶圓載置面12a之相反側的面12b，藉由綜合加工機以形成有底筒狀的孔12c。使孔12c為直徑9mm(開口部直徑12mm)、深度4.5mm。此時，進行加工以使連接構件16的第2面16b向孔12c露出，且使孔12c的底面與連接構件的第2面16b成為同一平面。

(4)外部通電構件18之接合

接著，在孔12c的底面鋪上金-鎳所構成的硬焊料72，再於其上依序堆疊：外部通電構件18的第1部18a、金-鎳所構成的硬焊料78c、鎳製(純度99%以上)的導引構件22、以及外部通電構件18的第2部18b，而得到了積層體。作為第1部18a，使用鐵鎳鈷合金製而直徑4mm、高度3mm者；作為第2部18b，使用鎳製(純度99%以上)而直徑4mm(凸緣直徑8mm)、高度60mm者。將此積層體，在惰性氣體環境下，以960~1100℃加熱10分鐘，得到了圖1所示之晶圓載置台10。

〔實驗例2~9〕

於實驗例2~9，除了準備表面之算術平均粗度Ra、平均粒徑及氣孔率成為表1所示之值的連接構件16這點以外，皆與實驗例1同樣地各製作3台晶圓載置台10。

[表1]

〔晶圓載置台之評價〕

(1)有無製造時的破損

對於在實驗例1~9所製作的晶圓載置台10，確認有無製造時的破損。依各實驗例分別確認3台晶圓載置台10有無製造時的破損。具體而言，調查緊接在使成形體62燒結而製造出陶瓷構件12後，於陶瓷構件12有無產生裂縫，並對於有產生裂縫者判定為有製造時的破損。

(2)抗拉伸負荷

對於在實驗例1~9所製作的晶圓載置台10，確認抗拉伸負荷。依各實驗例分別確認3台晶圓載置台10的抗拉伸負荷。抗拉伸負荷之確認係如下進行：在外部通電構件18的自由端形成外螺紋，並使圓柱狀之連接治具的內螺紋螺合於該外螺紋後，在700℃、氧氣環境下靜置800小時。之後，將陶瓷構件12的晶圓載置面12a固定於工件設置面。在該狀態下，使用拉力測試機，一邊使垂直方向的荷重在1~120kgf進行變化，一邊拉連接治具。即使以120kgf之荷重拉，連接構件也未從陶瓷構件12脫落者的抗拉伸負荷，就視為120kgf以上。除此之外者的抗拉伸負荷，就設為連接構件16連同外部通電構件18一併從陶瓷構件12脫落之際的拉力荷重。

(3)判定

藉由上述方法，確認有無製造時的破損及抗拉伸負荷。沒有製造時的破損、抗拉伸負荷在120kgf以上者，判定為「良」。另一方面，有製造時的破損者、或抗拉伸負荷不到120kgf者，判定為「不良」。

於連接構件16的表面之算術平均粗度Ra為6~16μm的實驗例1~5(一個實驗例各3台)，於製造時皆無破損、抗拉伸負荷皆為120kgf以上。此外，於實驗例1~5，構成連接構件16的粒子之平均粒徑為4~8μm。

另一方面，於表面之算術平均粗度Ra不到6μm的實驗例6~8，雖然沒有製造時的破損，但抗拉伸負荷不到120kgf。於實驗例6~8，構成接合構件16的粒子之平均粒徑為3μm，連接構件16的氣孔率不到5%。此外，於表面之算術平均粗度Ra大於16μm的實驗例9，有製造時的破損，抗拉伸負荷不到120kgf。於實驗例9，構成接合構件16的粒子之平均粒徑為10μm，連接構件16的氣孔率為24%。又，於實驗例6，之所以用「~」而將抗拉伸負荷顯示為特定之數值範圍，是因為在實驗例6所製作之3台晶圓載置台的抗拉伸負荷不一。至於實驗例7~9亦同。

本發明係以2022年3月31日提出申請之日本專利第2022-058543號申請案作為優先權主張的基礎，而在本說明書中援用其所有內容。