JP2017147126A - Manufacturing method for ceramic heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば半導体ウェハ等を加熱するためのセラミックスヒータの製造方法に関する。例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長法）、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition（物理的気相成長法）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition：原子層堆積法）等によって加工を行う場合に利用できるセラミックスヒータの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic heater for heating, for example, a semiconductor wafer. For example, it can be used when processing by CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition), ALD (Atomic Layer Deposition), etc. The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic heater.
従来、半導体製造装置では、半導体ウェハ（例えばシリコンウェハ）に対し、ＣＶＤ等の方法（例えばプラズマＣＶＤ）を用いて、シランガス等の原料ガスから半導体薄膜を形成する工程が行われる。そのため、半導体製造装置は、半導体薄膜を形成する際にその基板となる半導体ウェハを加熱する加熱装置を備えている。 Conventionally, in a semiconductor manufacturing apparatus, a process of forming a semiconductor thin film from a raw material gas such as silane gas is performed on a semiconductor wafer (for example, a silicon wafer) by using a method such as CVD (for example, plasma CVD). For this reason, the semiconductor manufacturing apparatus includes a heating device that heats a semiconductor wafer serving as a substrate when a semiconductor thin film is formed.
この加熱装置としては、例えば、半導体ウェハ（被加熱物）を載置する載置面を有するプレート状（板状）の保持部と、その保持部を支持する中空の円筒状の支持部とを備えたセラミックスヒータが知られている。 As this heating device, for example, a plate-shaped (plate-shaped) holding unit having a mounting surface on which a semiconductor wafer (object to be heated) is mounted, and a hollow cylindrical supporting unit that supports the holding unit A ceramic heater provided is known.
また、保持部の内部には、半導体ウェハを加熱するための発熱体が設けられており、支持部内には、保持部の発熱体に接続された金属製のヒータ端子が配設されている（特許文献１参照）。 In addition, a heating element for heating the semiconductor wafer is provided inside the holding part, and a metal heater terminal connected to the heating element of the holding part is disposed in the support part ( Patent Document 1).
さらに、例えばプラズマＣＶＤに用いるセラミックスヒータには、発熱体に加えて、発熱体と載置面との間に、高周波を発生させる電極（いわゆるＲＦ電極）が設けられる。
なお、プラズマＣＶＤに用いる電極は、高出力にてプラズマを発生させる場合に電極が異常発熱することを防止するために、例えば５０μｍ以上の十分な厚みにすることが望ましいとされている。
Furthermore, for example, a ceramic heater used for plasma CVD is provided with an electrode (so-called RF electrode) that generates a high frequency between the heating element and the mounting surface in addition to the heating element.
Note that it is desirable that the electrode used for plasma CVD has a sufficient thickness of, for example, 50 μm or more in order to prevent the electrode from abnormally generating heat when generating plasma at a high output.
また、一般的なセラミックスヒータを製造する場合において、保持部を製造する方法としては、セラミックスグリーンシートを積層して焼成する方法（シート積層法）や、セラミックスの粉末材料をホットプレスする方法（ホットプレス法）などが知られている。 In the case of manufacturing a general ceramic heater, methods for manufacturing the holding portion include a method of stacking and firing ceramic green sheets (sheet stacking method), and a method of hot pressing a ceramic powder material (hot). The press method) is known.
しかしながら、上述した従来技術では、保持部の内部に発熱体や電極を好適に形成することは容易ではなかった。
例えばシート積層法を用いて、電極材料であるペーストを印刷したセラミックスグリーンシートを積層して保持部を作製する場合には、焼成時の収縮を考慮して、ペーストの印刷厚みを焼成後の厚みの１．２〜１．５倍にする必要がある。しかし、そのようにペーストの厚みを大きくすると、他のセラミックスグリーンシートと積層した場合に、印刷部分の端部にて段差が生じてしまい、シート同士を隙間無く積層することが困難である。
However, in the above-described conventional technology, it is not easy to suitably form a heating element and an electrode inside the holding portion.
For example, when producing a holding part by laminating ceramic green sheets printed with a paste as an electrode material by using a sheet lamination method, the printed thickness of the paste is determined by considering the shrinkage during firing. It is necessary to make it 1.2 to 1.5 times. However, when the thickness of the paste is increased as described above, a step is generated at the end of the printed portion when it is laminated with another ceramic green sheet, and it is difficult to laminate the sheets without a gap.
また、セラミックスグリーンシートの積層体に溝を設け、その溝の中にペーストを埋める手法も考えられるが、その場合でも、焼成時の収縮挙動を同一にすることはできないので、焼成時に剥離、割れ、反り等が発生することがある。 In addition, a method of providing a groove in the ceramic green sheet laminate and filling the paste in the groove is also conceivable, but even in that case, the shrinkage behavior during firing cannot be made the same, so peeling and cracking during firing Warpage or the like may occur.
一方、ホットプレス法で保持部を作製する場合には、電極を箔やメッシュを利用して厚くすることは可能であるが、保持部の均熱性を高めるために発熱体を精度良く形成することは容易ではない。 On the other hand, when the holding part is manufactured by the hot press method, the electrode can be thickened using foil or mesh, but the heating element must be accurately formed in order to improve the heat uniformity of the holding part. Is not easy.
つまり、半導体ウェハの加工を好適に行うためには、保持部の表面温度を精度良く制御する必要があるので、近年では、保持部に複数の線状の発熱体を精密なパターンで形成するが、ホットプレス法では、精密な形状の発熱体を形成することは容易ではない。 In other words, in order to process the semiconductor wafer suitably, it is necessary to control the surface temperature of the holding portion with high accuracy. In recent years, a plurality of linear heating elements are formed in the holding portion in a precise pattern. In the hot press method, it is not easy to form a heating element with a precise shape.
このように、従来の方法では、厚みのある電極と精密な形状の発熱体とを有する保持部を備えたセラミックスヒータを製造することは容易ではなかった。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、厚みのある電極と精密な形状の発熱体とを備えたセラミックスヒータを容易に製造できるセラミックスヒータの製造方法を提供するものである。
As described above, according to the conventional method, it is not easy to manufacture a ceramic heater including a holding portion having a thick electrode and a heat generating element having a precise shape.
The present invention has been made in view of such a background, and provides a method for manufacturing a ceramic heater, which can easily manufacture a ceramic heater including a thick electrode and a heat generating element having a precise shape.
（１）本発明の第１局面は、セラミックスを主成分とし内部に層状の電極を有する板状の第１部材と、セラミックスを主成分とし内部に前記電極より厚みが小さい発熱体を有する板状の第２部材と、が接合された構成を有するセラミックスヒータの製造方法において、前記セラミックスの粉末材料中に、前記電極の形状を有する電極材料を配置し、ホットプレスにて前記第１部材を作製する第１工程と、複数のセラミックスグリーンシートのうち少なくとも１つに、発熱体となる発熱パターンを形成し、前記複数のセラミックスグリーンシートを積層し焼成して、前記第２部材を作製する第２工程と、前記第１部材と前記第２部材とを厚み方向に積層して接合する第３工程と、を有する。 (1) The first aspect of the present invention is a plate-like first member having ceramic as a main component and having a layered electrode inside, and a plate-like member having a ceramic as a main component and a heating element whose thickness is smaller than that of the electrode inside. In the method of manufacturing a ceramic heater having a configuration in which the second member is bonded, an electrode material having the shape of the electrode is disposed in the ceramic powder material, and the first member is manufactured by hot pressing. And a second step of forming the second member by forming a heat generation pattern as a heating element on at least one of the plurality of ceramic green sheets, laminating and firing the plurality of ceramic green sheets. And a third step of laminating and joining the first member and the second member in the thickness direction.
本第１局面では、厚みのある電極を形成するために、第１工程にて、セラミックスの粉末材料中に、電極の形状を有する電極材料を配置し、ホットプレスにて第１部材を作製する。 In the first aspect, in order to form a thick electrode, in the first step, an electrode material having the shape of an electrode is disposed in a ceramic powder material, and the first member is produced by hot pressing. .
また、精密な形状の発熱体を形成するために、第２工程では、複数のセラミックスグリーンシートのうち少なくとも１つに、発熱体となる発熱パターンを形成し、複数のセラミックスグリーンシートを積層し焼成して（即ち未焼成の発熱パターンとセラミックスグリーンシートとを同時に焼成して）、第２部材を作製する。 In addition, in order to form a heating element with a precise shape, in the second step, a heating pattern to be a heating element is formed on at least one of the plurality of ceramic green sheets, and the plurality of ceramic green sheets are laminated and fired. (I.e., firing the unfired exothermic pattern and the ceramic green sheet simultaneously) to produce the second member.
そして、第３工程にて、第１部材と第２部材とを厚み方向に積層して接合する。即ち、第１部材と第２部材とを接合した接合体を作製する。
このような第１〜第３工程により、厚みのある電極と精密な形状の発熱体とを備えたセラミックスヒータを容易に製造することができる。よって、例えば、高出力に耐えられる電極を備えるとともに、平面方向における温度分布の均一性に優れたセラミックスヒータを容易に製造することができる。
In the third step, the first member and the second member are laminated in the thickness direction and joined. That is, a joined body is produced by joining the first member and the second member.
By such first to third steps, a ceramic heater provided with a thick electrode and a precisely shaped heating element can be easily manufactured. Therefore, for example, it is possible to easily manufacture a ceramic heater that includes an electrode that can withstand high output and has excellent temperature distribution uniformity in the planar direction.
以下、この点について詳しく説明する。
仮に、厚みのある電極を有する第１部材を製造するために、厚みのある電極形状の材料をセラミックスグリーンシートの間に配置する場合には、セラミックスグリーンシートの間に電極の端部による大きな段差が生じてしまい、隙間無く積層することは容易ではない。しかし、上述したホットプレス法を用いる場合には、電極の周囲にそのような隙間が生じにくいので、厚みのある電極を内部に備えた好適な第１部材を容易に作製することができる。
Hereinafter, this point will be described in detail.
If a thick electrode-shaped material is disposed between ceramic green sheets in order to produce a first member having a thick electrode, a large step due to the end of the electrode between the ceramic green sheets. Therefore, it is not easy to stack without gaps. However, when the above-described hot press method is used, such a gap is unlikely to occur around the electrodes, so that a suitable first member having a thick electrode inside can be easily produced.
また、仮に、発熱体を有する第２部材を製造するために、箔やメッシュのような特定の形状を有する（固体の）材料を粉末材料中に配置してホットプレスする場合には、発熱体の線幅や細くすることや配線間を狭くすることが容易ではない。しかし、上述したシート積層法を用いる場合には、精密なパターンの発熱体を備えた第２部材を容易に作製することができる。 In addition, in order to manufacture a second member having a heating element, when a (solid) material having a specific shape such as a foil or a mesh is placed in a powder material and hot-pressed, the heating element However, it is not easy to make the line width or narrower, or to narrow the space between wires. However, when the above-described sheet laminating method is used, the second member provided with a heat generating element with a precise pattern can be easily manufactured.
（２）本発明の第２局面では、前記第３工程にて、前記第１部材と前記第２部材とを拡散接合により接合する。
本第２局面では、第１部材と第２部材とを拡散接合により接合するので、接合剤を用いた場合に生じやすい不具合を抑制できる。つまり、接合剤の偏在等による接合欠陥の発生や、接合剤の偏在等による不均熱性（平面における不均熱性）や、接合剤による汚染等を低減することができる。
(2) In the second aspect of the present invention, in the third step, the first member and the second member are joined by diffusion bonding.
In the second aspect, since the first member and the second member are bonded by diffusion bonding, it is possible to suppress problems that are likely to occur when a bonding agent is used. That is, it is possible to reduce occurrence of bonding defects due to uneven distribution of the bonding agent, non-uniform heat property (non-uniform heat property in a plane) due to uneven distribution of the bonding agent, contamination due to the bonding agent, and the like.
（３）本発明の第３局面では、前記拡散接合の際に、前記第１部材と前記第２部材とに、前記厚み方向（即ち接合する方向）に２０ｋｇ／ｃｍ２以上の荷重を加える。
本第３局面では、拡散接合の際に十分な荷重を加えることによって、接合面に隙間が生じにくく、好適に拡散接合を行うことができる。よって、高い接合性（接合強度）を確保できる。なお、前記荷重としては、実用上において、より好ましくは、４０ｋｇ／ｃｍ２以上８０ｋｇ／ｃｍ２以下を採用できる。
(3) In the third aspect of the present invention, during the diffusion bonding, a load of 20 kg / cm 2 or more is applied to the first member and the second member in the thickness direction (that is, the bonding direction).
In the third aspect, by applying a sufficient load at the time of diffusion bonding, a gap is hardly generated on the bonding surface, and diffusion bonding can be suitably performed. Therefore, high bondability (bonding strength) can be ensured. Incidentally, as the load, in practice, more preferably, it can be employed 40 kg / cm 2 or more 80 kg / cm 2 or less.
（４）本発明の第４局面では、前記拡散接合の際に、前記第１部材と前記第２部材とを、１６００℃〜１８００℃の温度範囲に加熱する。
本第４局面では、拡散接合の際に十分な温度に加熱することによって、好適に拡散接合を行うことができる。よって、高い接合性（接合強度）等を確保できる。
(4) In the fourth aspect of the present invention, the first member and the second member are heated to a temperature range of 1600 ° C. to 1800 ° C. during the diffusion bonding.
In the fourth aspect, diffusion bonding can be suitably performed by heating to a sufficient temperature during diffusion bonding. Therefore, high bondability (bonding strength) and the like can be ensured.
詳しくは、前記温度が１６００℃以上では、セラミックス（例えば主成分である窒化アルミニウムやその他の粒界相）における相互拡散が発生し易く、接合面に隙間が生じにくい。一方、１８００℃以下では、部材の変形が生じにくく、高い寸法精度を確保し易い。 Specifically, when the temperature is 1600 ° C. or higher, interdiffusion in ceramics (for example, aluminum nitride, which is a main component, or other grain boundary phase) is likely to occur, and a gap is unlikely to occur on the joint surface. On the other hand, at 1800 ° C. or lower, deformation of the member is unlikely to occur, and high dimensional accuracy is easily ensured.
（５）本発明の第５局面では、前記電極の厚みは、５０μｍ以上である。
本第５局面では、十分な厚みの電極を形成できる。従って、ＲＦ電極等として用いた場合に、高出力でも十分に耐えられる（即ち劣化が少ない）という利点がある。
(5) In the fifth aspect of the present invention, the electrode has a thickness of 50 μm or more.
In the fifth aspect, an electrode having a sufficient thickness can be formed. Therefore, when used as an RF electrode or the like, there is an advantage that it can sufficiently withstand a high output (that is, there is little deterioration).
つまり、電極の厚みを５０μｍ以上とすることにより、電極の低抵抗化を図ることができるので、例えば高出力のプラズマ加工を行う際に、電極が異常発熱することを抑制できる。 That is, by setting the electrode thickness to 50 μm or more, it is possible to reduce the resistance of the electrode, and thus it is possible to suppress abnormal heat generation of the electrode, for example, when performing high-power plasma processing.
また、電極の厚みが５０μｍ以上のように厚い場合には、前記シート積層法では、上述のように積層した部分に電極の端部による段差ができ易いが、前記ホットプレスによって第１部材を作製する場合には、段差が生じにくいので、隙間の少ない第１部材を好適に作製することができる。 In addition, when the thickness of the electrode is as thick as 50 μm or more, the sheet laminating method easily creates a step due to the end of the electrode in the laminated portion as described above, but the first member is produced by the hot pressing. In this case, since the step is unlikely to occur, the first member with few gaps can be suitably manufactured.
なお、この電極の厚みとしては、例えば５００μｍ以下が挙げられる。電極の厚みを５００μｍ以下とすることにより、ホットプレスによって第１部材を作製する際の圧力によって、電極にクラックが発生するリスクを低減することができる。 In addition, as a thickness of this electrode, 500 micrometers or less are mentioned, for example. By setting the thickness of the electrode to 500 μm or less, it is possible to reduce the risk of cracks occurring in the electrode due to the pressure when producing the first member by hot pressing.
（６）本発明の第６局面では、前記電極は、ＲＦ電極である。
本第６局面は、形成される電極の好適な用途を例示している。なお、ＲＦ電極とは、周知のように、プラズマ加工等を行う場合に、高周波が印加される高周波電極である。
(6) In the sixth aspect of the present invention, the electrode is an RF electrode.
The sixth aspect exemplifies a suitable use of the formed electrode. As is well known, the RF electrode is a high frequency electrode to which a high frequency is applied when performing plasma processing or the like.
（７）本発明の第７局面では、前記発熱体は、独立して温度調節が可能な３つ以上の部分発熱体から構成されている。
本第７局面は、発熱体の構成の好適な具体例を示している。このように、発熱体が多数の部分発熱体から構成されている場合には、第２部材（従って第１部材と第２部材とを接合した接合体）の平面方向における温度分布を緻密に制御できるので、温度均一性を向上できる。
(7) In the seventh aspect of the present invention, the heating element is composed of three or more partial heating elements capable of independent temperature control.
The seventh aspect shows a preferable specific example of the configuration of the heating element. As described above, when the heating element is composed of a large number of partial heating elements, the temperature distribution in the planar direction of the second member (and hence the joined body obtained by joining the first member and the second member) is precisely controlled. Therefore, temperature uniformity can be improved.
また、多数の部分発熱体を形成する場合には、多数の部分発熱体と電力供給用の端子とを接続する内部配線層が形成されるが、前記シート積層法の場合は、容易に内部配線層を形成できる。 In the case of forming a large number of partial heating elements, an internal wiring layer for connecting the large number of partial heating elements and the power supply terminals is formed. Layers can be formed.
さらに、各部分発熱体と接続される内部配線層を形成する場合でも、前記シート積層法によれば、ホットプレスに比べて第２部材（従って接合体）の厚みを低減できるので、その重量も低減できる。 Furthermore, even when an internal wiring layer connected to each partial heating element is formed, the sheet lamination method can reduce the thickness of the second member (and hence the joined body) as compared to hot pressing, so that its weight is also increased. Can be reduced.
しかも、例えばＣＶＤ等に用いられるセラミックスヒータは、接合体に同軸に筒状の支持部が固定されるものがあるが、その場合には、接合体の厚みが薄くその重量が小さいと取り扱いが容易であり、しかも接合体と支持部との接合部分が破損し難いという利点がある。 Moreover, some ceramic heaters used for CVD, for example, have a cylindrical support fixed coaxially to the joined body. In that case, handling is easier when the joined body is thin and its weight is small. In addition, there is an advantage that the joint portion between the joined body and the support portion is hardly damaged.
（８）本発明の第８局面では、前記セラミックスヒータは、前記第１部材と前記第２部材とが前記厚み方向に接合された板状の接合体と、該接合体の前記第２部材側の表面に前記厚み方向に沿って立設された筒状の支持部と、を備えている。 (8) In an eighth aspect of the present invention, the ceramic heater includes a plate-like joined body in which the first member and the second member are joined in the thickness direction, and the second member side of the joined body. And a cylindrical support portion erected on the surface along the thickness direction.
本第８局面は、好適なセラミックスヒータの構成を例示している。
（９）本発明の第９局面では、前記セラミックスヒータは、半導体の製造に用いられる半導体製造用部品である。
The eighth aspect exemplifies the configuration of a suitable ceramic heater.
(9) In the ninth aspect of the present invention, the ceramic heater is a semiconductor manufacturing component used for manufacturing a semiconductor.
本第９局面は、セラミックスヒータの好ましい用途を例示している。
（１０）本発明の第１０局面では、前記セラミックスヒータは、プラズマ加工に用いられるプラズマ加工用部品である。
The ninth aspect illustrates a preferred application of the ceramic heater.
(10) In the tenth aspect of the present invention, the ceramic heater is a plasma processing component used for plasma processing.
本第１０局面は、セラミックスヒータの好ましい用途を例示している。
＜以下に、本発明の各構成について説明する＞
・第１部材や第２部材に含まれるセラミックスとしては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化イットリウム等を主成分（セラミックス中で５０質量％以上）とする材料が挙げられる。
The tenth aspect illustrates a preferred application of the ceramic heater.
<Each configuration of the present invention will be described below>
-As a ceramic contained in a 1st member or a 2nd member, the material which has aluminum nitride, aluminum oxide, a yttrium nitride etc. as a main component (50 mass% or more in ceramics) is mentioned.
また、前記主成分以外に、例えば希土類化合物を添加することもできる。
この希土類化合物としては、希土類元素の化合物、例えばイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）の化合物（例えばフッ化物、硝酸塩や塩化物）が挙げられる。詳しくは、Ｙ化合物としては、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ化合物としては、Ｌａ２Ｏ３、Ｙｂ化合物としては、Ｙｂ２Ｏ３、Ｃｅ化合物としては、ＣｅＯ２、及び、これらとＡｌ２Ｏ３との複合酸化物が挙げられる。
In addition to the main component, for example, a rare earth compound may be added.
Examples of the rare earth compounds include rare earth compounds such as yttrium (Y), lanthanum (La), ytterbium (Yb), and cerium (Ce) compounds (eg, fluoride, nitrate, and chloride). Specifically, as the Y compound, Y 2 O 3, La compound, as the La 2 O 3, Yb compounds, as the Yb 2 O 3, Ce compound, CeO 2, and, thereof with Al 2 O 3 These composite oxides are mentioned.
なお、Ｙ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｃｅのフッ化物や塩化物の融点は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の融点よりは高いので、耐プラズマ性や耐腐食性が高いと考えられる。
・第１部材や第２部材において、「セラミックスを主成分とする」とは、セラミックスヒータの材料（第１部材及び第２部材の材料）のうち、セラミックスの材料が５０質量％以上であることを意味している。
Note that the melting point of fluorides and chlorides of Y, La, Yb, and Ce is higher than the melting point of aluminum nitride (AlN), so it is considered that the plasma resistance and the corrosion resistance are high.
-In the first member and the second member, "mainly composed of ceramics" means that the ceramic material of the ceramic heater material (material of the first member and the second member) is 50% by mass or more. Means.
・電極は、例えば吸着用電極やＲＦ電極のように、電源（電力供給源）に接続されて電力が供給される電極（電圧が印加される電極）であり、この電極の構成としては、箔やメッシュ等のようなフィルム状や板状の構造が挙げられる。この電極の材料としては、タングステン、モリブデン等が挙げられる。 The electrode is an electrode (electrode to which voltage is applied) connected to a power source (power supply source) such as an adsorption electrode or an RF electrode, and the configuration of this electrode is a foil And a film-like or plate-like structure such as mesh. Examples of the material of this electrode include tungsten and molybdenum.
電極の厚みは、５０μｍ以上が高出力における耐久性等の点で好ましいが、５０〜５００μｍの範囲のものを採用できる。
・発熱体は通電により発熱する部材であり、発熱体の材料としては、タングステン、タングステンカーバイド、モリブデン、モリブデンカーバイド、タンタル、白金等が挙げられる。
The thickness of the electrode is preferably 50 μm or more from the viewpoint of durability at high output, but a thickness in the range of 50 to 500 μm can be adopted.
The heating element is a member that generates heat when energized, and examples of the material of the heating element include tungsten, tungsten carbide, molybdenum, molybdenum carbide, tantalum, and platinum.
発熱体の厚みとしては、５〜３０μｍの範囲を採用できる。発熱体が線状である場合には、その平面視（厚み方向から見た場合）での幅（線幅）としては、０．５〜３ｍｍの範囲を採用できる。 The thickness of the heating element can be in the range of 5 to 30 μm. When the heating element is linear, a range of 0.5 to 3 mm can be adopted as a width (line width) in a plan view (when viewed from the thickness direction).
・発熱パターンとは、セラミックスグリーンシートに配置された発熱体の材料（例えばペースト状の材料）からなるパターン（未焼成の層）であり、焼成後に発熱体となるものである。なお、発熱パターンは、例えばペースト状の材料を用いて印刷や塗布等によって形成できる。 The heat generation pattern is a pattern (unfired layer) made of a heat generating material (for example, a paste-like material) disposed on the ceramic green sheet, and becomes a heat generating body after firing. The heat generation pattern can be formed by printing or coating using a paste-like material, for example.
・セラミックスグリーンシートとは、焼成して第２部材（焼結体）とする前に、セラミックスを主成分とする材料から形成された未焼成のセラミックシート（セラミックス生シート）のことを示している。 The ceramic green sheet refers to an unfired ceramic sheet (ceramic raw sheet) formed from a material mainly composed of ceramics before being fired to form a second member (sintered body). .
・焼成条件としては、焼成温度（例えば１４００〜１９００℃）、焼成雰囲気（例えば大気、窒素）が挙げられる。
・第１部材、第２部材、第１部材と第２部材との接合体は、板状の部材であり、例えば、厚み方向の一方の側に第１主面を備えるとともに他方の側に第２主面を備え、自身の径方向における外周側を囲むように、第１主面と第２主面とを接続する側面を備えているものが挙げられる。
-As baking conditions, baking temperature (for example, 1400-1900 degreeC) and baking atmosphere (for example, air | atmosphere, nitrogen) are mentioned.
The first member, the second member, and the joined body of the first member and the second member are plate-like members. For example, the first member has a first main surface on one side in the thickness direction and the second side has a first main surface. There are provided two main surfaces and a side surface connecting the first main surface and the second main surface so as to surround the outer peripheral side in its radial direction.
・支持部としては、例えば円筒形状の筒状体や柱状の部材が挙げられる。
・ホットプレスとは、周知のように、原料粉末や中間成形体を加圧しながら焼結する方法である。
-As a support part, a cylindrical cylindrical body and a columnar member are mentioned, for example.
As is well known, hot pressing is a method of sintering raw material powder and an intermediate molded body while applying pressure.
・拡散接合とは、周知のように、金属やセラミックスなど異材や同材を原子レベルで接ぎ合わせる（接合）技術である。 As is well known, diffusion bonding is a technique for bonding (joining) different materials such as metals and ceramics or the same material at the atomic level.
以下に、本発明の実施形態のセラミックスヒータの製造方法を説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
まず、第１実施形態のセラミックスヒータの製造方法によって製造されるセラミックスヒータの構成について説明する。
Below, the manufacturing method of the ceramic heater of embodiment of this invention is demonstrated.
[1. First Embodiment]
[1-1. Constitution]
First, the structure of the ceramic heater manufactured by the manufacturing method of the ceramic heater of 1st Embodiment is demonstrated.
ここでは、セラミックスヒータとして、半導体（例えば半導体ウェハ）の製造に用いられる半導体製造用部品、具体的にはプラズマ加工に用いられるプラズマ加工用部品を例に挙げる。詳しくは、ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）を実施する際に使用される加熱装置であるセラミックスヒータを例に挙げて説明する。 Here, as the ceramic heater, a semiconductor manufacturing component used for manufacturing a semiconductor (for example, a semiconductor wafer), specifically, a plasma processing component used for plasma processing is given as an example. Specifically, a ceramic heater that is a heating device used when performing CVD (plasma CVD) will be described as an example.
図１に示す様に、第１実施形態のセラミックスヒータ１は、ＣＶＤによって半導体ウェハ３を加工する際に、半導体ウェハ３を収容したチャンバー（図示せず）内に配置されるものであり、半導体ウェハ３を載置（搭載）して加熱する装置である。なお、セラミックスヒータ１の半導体ウェハ３の搭載面の構造等は簡易化してある（以下同様）。 As shown in FIG. 1, the ceramic heater 1 according to the first embodiment is disposed in a chamber (not shown) in which a semiconductor wafer 3 is accommodated when the semiconductor wafer 3 is processed by CVD. It is an apparatus for mounting (mounting) the wafer 3 and heating it. In addition, the structure of the mounting surface of the semiconductor wafer 3 of the ceramic heater 1 is simplified (the same applies hereinafter).
このセラミックスヒータ１は、円盤形状（板状）の接合体である保持部５と円筒形状の支持部（支持体）７とを備えており、支持部７は、保持部５の後端側（図１の下側である第２主面１１側）にて、保持部５と同軸に接合されている。この保持部５と支持部７とは、主として、窒化アルミニウムを主成分とし、例えばイットリア等の希土類化合物を含む窒化アルミニウム焼結体から形成されている。 The ceramic heater 1 includes a holding part 5 which is a disc-shaped (plate-like) joined body and a cylindrical support part (supporting body) 7, and the supporting part 7 is arranged at the rear end side ( The second main surface 11 side, which is the lower side of FIG. The holding portion 5 and the support portion 7 are mainly formed of an aluminum nitride sintered body mainly containing aluminum nitride and containing a rare earth compound such as yttria.
以下、各構成について説明する。なお、以下では、図１の上方をセラミックスヒータ１の先端側と称し、図１の下方を後端側と称する。
＜保持部５＞
図２に示すように、保持部５は、先端側に半導体ウェハ３を搭載する搭載面である第１主面９を有するとともに、後端側に第２主面１１を有しており、第１主面９の外周と第２主面１１との外周をつなぐように円筒状の側面１３を有している。
Each configuration will be described below. In the following, the upper part of FIG. 1 is referred to as the front end side of the ceramic heater 1, and the lower part of FIG. 1 is referred to as the rear end side.
<Holding unit 5>
As shown in FIG. 2, the holding portion 5 has a first main surface 9 that is a mounting surface on which the semiconductor wafer 3 is mounted on the front end side, and a second main surface 11 on the rear end side. A cylindrical side surface 13 is provided so as to connect the outer periphery of the first main surface 9 and the outer periphery of the second main surface 11.
この保持部５は、先端側の円盤形状の基板である第１部材１５と後端側の円盤形状の基板である第２部材１７とが同軸に接合された接合体である。
第１部材１５は、一方の側（図２の上側）に平坦な表面（第１主面１９）を有し、他方の側（図２の下側）に平坦な表面（第２主面２１）を有する。
The holding unit 5 is a joined body in which a first member 15 that is a disc-shaped substrate on the front end side and a second member 17 that is a disc-shaped substrate on the rear end side are joined coaxially.
The first member 15 has a flat surface (first main surface 19) on one side (upper side in FIG. 2) and a flat surface (second main surface 21) on the other side (lower side in FIG. 2). ).
同様に、第２部材１７は、一方の側に平坦な表面（第１主面２３）を有し、他方の側に平坦な表面（第２主面２５）を有する。
従って、保持部５は、第１部材１５の第２主面２１と第２部材１７の第１主面２３とが拡散接合によって接合された接合体である。
Similarly, the second member 17 has a flat surface (first main surface 23) on one side and a flat surface (second main surface 25) on the other side.
Therefore, the holding portion 5 is a joined body in which the second main surface 21 of the first member 15 and the first main surface 23 of the second member 17 are joined by diffusion bonding.
第１部材１５の内部には、平面方向に広がるように、例えば平面視で（即ち図１の上下方向から見て）円盤形状のＲＦ電極２７（図３（ａ）の斜線部分参照）が、第１部材１５と同軸に配置されている。 In the first member 15, for example, a disk-shaped RF electrode 27 (see the hatched portion in FIG. 3A) in a plan view (that is, as viewed from the up and down direction in FIG. 1) so as to spread in the plane direction, It is arranged coaxially with the first member 15.
このＲＦ電極２７は、例えばタングステン又はモリブデンからなり、その厚みは５０μｍ〜２００μｍの範囲内の例えば１００μｍである。
一方、第２部材１７の内部には、平面方向に広がるように、例えば平面視で渦巻き形状の発熱体２９（図３（ｂ）参照）が配置されている。
The RF electrode 27 is made of, for example, tungsten or molybdenum, and has a thickness of, for example, 100 μm within a range of 50 μm to 200 μm.
On the other hand, inside the second member 17, for example, a spiral heating element 29 (see FIG. 3B) in a plan view is arranged so as to spread in the plane direction.
この発熱体２９は、例えばタングステンからなり、その厚みは例えば２０μｍであり、その線幅は例えば１ｍｍである。
なお、第２部材１７の内部には、発熱体２９と電気的に接続するビア３１が設けられており、このビア３１は第２部材１７の第２主面２５に形成された受電電極（電極パッド）３３に電気的に接続されている。
The heating element 29 is made of tungsten, for example, and has a thickness of 20 μm, for example, and a line width of 1 mm, for example.
In addition, a via 31 that is electrically connected to the heating element 29 is provided inside the second member 17, and the via 31 is a power receiving electrode (electrode) formed on the second main surface 25 of the second member 17. Pad) 33 is electrically connected.
また、保持部５の第２主面１１側には、第２主面１１からＲＦ電極２７に到る第１孔部３５と第２主面１１から保持部５の内部に到る第２孔部３７が設けられている。第１孔部３５には、ＲＦ電極２７に電力を供給するＲＦ端子（電極端子）３９が配置され、第２孔部３７には、温度を検出する熱電対４１が配置されている。 Further, on the second main surface 11 side of the holding portion 5, a first hole 35 extending from the second main surface 11 to the RF electrode 27 and a second hole extending from the second main surface 11 to the inside of the holding portion 5. A portion 37 is provided. An RF terminal (electrode terminal) 39 that supplies power to the RF electrode 27 is disposed in the first hole portion 35, and a thermocouple 41 that detects temperature is disposed in the second hole portion 37.
さらに、保持部５の第２主面１１（即ち第２部材１７の第２主面２５）に設けられた一対の電極パッド３３には、発熱体２９に電力を供給する一対のヒータ端子４７が接続されている。 Further, the pair of electrode pads 33 provided on the second main surface 11 of the holding unit 5 (that is, the second main surface 25 of the second member 17) has a pair of heater terminals 47 that supply power to the heating element 29. It is connected.
なお、保持部５の内部には、表面等に開口するガス流路４３（図１参照）が形成されている。このガス流路４３は、例えばパージガス（即ち半導体ウェハ３の加工中に半導体ウェハ３が第１主面９に接合しないように供給されるガス）等のガスが流される流路である。 A gas flow path 43 (see FIG. 1) that opens to the surface or the like is formed inside the holding unit 5. The gas channel 43 is a channel through which a gas such as a purge gas (that is, a gas supplied so that the semiconductor wafer 3 is not bonded to the first main surface 9 during the processing of the semiconductor wafer 3) flows.
＜支持部７＞
図２に示すように、支持部７は、例えば窒化アルミニウムを主成分とする材料からなる窒化アルミニウム焼結体であり、上述したように、保持部５の後端側（即ち第２主面１１）に同軸に接合されている円筒形状の部材である。
<Supporting part 7>
As shown in FIG. 2, the support portion 7 is an aluminum nitride sintered body made of, for example, a material mainly composed of aluminum nitride. As described above, the rear end side (that is, the second main surface 11) of the holding portion 5 is used. ) Is a cylindrical member joined coaxially.
なお、保持部５と支持部７とは、例えば拡散接合によって接合されるが、それ以外に、例えばロウ付け等の方法によって接合されていてもよい。
なお、支持部７の中心孔４５には、上述したＲＦ端子３９、熱電対４１、一対のヒータ端子４７の後端側が配置されている。
In addition, although the holding | maintenance part 5 and the support part 7 are joined by diffusion bonding, for example, you may join by methods, such as brazing, other than that, for example.
Note that the rear end side of the RF terminal 39, the thermocouple 41, and the pair of heater terminals 47 described above is disposed in the center hole 45 of the support portion 7.
［１−２．製造方法］
次に、セラミックスヒータ１の製造方法について説明する。
＜シート積層法による第２部材１７の作製方法＞
最初に、図４（ａ）に示すように、シート積層法による第２部材１７の作製方法（第２工程）について説明する。
[1-2. Production method]
Next, a method for manufacturing the ceramic heater 1 will be described.
<Method for Producing Second Member 17 by Sheet Laminating Method>
First, as shown in FIG. 4A, a method for manufacturing the second member 17 by the sheet lamination method (second step) will be described.
まず、窒化アルミニウム粉末１００重量部に、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末１重量部とアクリル系バインダ２０重量部と、分散剤及び可塑剤を適量加えた混合物に、トルエン等の有機溶剤を加え、ボールミルにて２４時間混合し、グリーンシート用スラリーを作製した。 First, an organic solvent such as toluene is added to a mixture of 100 parts by weight of aluminum nitride powder, 1 part by weight of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) powder, 20 parts by weight of an acrylic binder, an appropriate amount of a dispersant and a plasticizer. Then, the mixture was mixed for 24 hours by a ball mill to prepare a slurry for a green sheet.
このスラリーを用いて、キャスティング装置で、スラリーをシート状に成形し、乾燥させてグリーンシート（セラミックスグリーンシート）５１を作製した。
また、タングステンやモリブデン等の粉末と、窒化アルミニウム粉末と、アクリル系バインダと、テルピネオール等の有機溶剤を混合したメタライズペースト（金属ペースト）５３を作製した。
Using this slurry, the slurry was formed into a sheet with a casting apparatus and dried to produce a green sheet (ceramic green sheet) 51.
Further, a metallized paste (metal paste) 53 in which a powder of tungsten, molybdenum or the like, an aluminum nitride powder, an acrylic binder, and an organic solvent such as terpineol was mixed was prepared.
そして、このメタライズペースト５３を用いて、所定の（発熱体２９を設ける）グリーンシート５１上に、メタライズ層である発熱体２９となる発熱パターン５５を印刷する。また、所定の（ビア３１を設ける）グリーンシート５１には、ビア３１となる貫通孔（図示せず）を設け、その貫通孔にメタライズペースト５３を充填する。さらに、所定の（第１孔部３５や第２孔部３７を設ける）グリーンシート５１には、第１孔部３５や第２孔部３７となる貫通孔５７を形成する。 Then, using this metallized paste 53, a heat generation pattern 55 that becomes the heat generating element 29 that is a metallized layer is printed on a predetermined green sheet 51 (provided with the heat generating element 29). Further, a predetermined green sheet 51 (provided with the via 31) is provided with a through hole (not shown) to be the via 31, and the through hole is filled with the metallized paste 53. Furthermore, a through-hole 57 that becomes the first hole 35 and the second hole 37 is formed in a predetermined green sheet 51 (provided with the first hole 35 and the second hole 37).
なお、ガス流路４３となる部分（図示せず）については、グリーンシート５１の対応する箇所に、溝や空間や貫通孔等を形成しておけばよい。
次に、これらのグリーンシート５１を複数枚（例えば２０枚）圧着し、必要に応じて外周を切断して、厚み約８ｍｍの（第２部材１７となる）グリーンシート積層体（図示せず）を作製した。
In addition, about the part (not shown) used as the gas flow path 43, a groove | channel, space, a through-hole, etc. should just be formed in the location corresponding to the green sheet 51. FIG.
Next, a plurality of these green sheets 51 (for example, 20 sheets) are pressure-bonded, and the outer periphery is cut as necessary to obtain a green sheet laminate (not shown) having a thickness of about 8 mm (to be the second member 17). Was made.
次に、マシニングによって、グリーンシート積層体の周囲を切削加工して、円盤形状の成形体５９を作製した。
次に、前記成形体５９を、窒素中で例えば５５０℃で１２時間脱脂し、脱脂体（図示せず）を作製した。
Next, the periphery of the green sheet laminate was cut by machining to produce a disk-shaped molded body 59.
Next, the molded body 59 was degreased in nitrogen at, for example, 550 ° C. for 12 hours to produce a degreased body (not shown).
次に、前記脱脂体を、カーボン炉６１の窒化アルミニウムさや内に入れ、窒素中にて常圧（大気圧）にて、例えば１９００℃で４時間焼成し、焼成体（焼結体）６３を作製した。 Next, the degreased body is put in an aluminum nitride sheath of a carbon furnace 61 and fired at normal pressure (atmospheric pressure) in nitrogen, for example, at 1900 ° C. for 4 hours to obtain a fired body (sintered body) 63. Produced.
次に、前記焼成体６３の表面を加工（研磨）して、目的とする寸法（例えば直径３３０ｍｍ×厚み５ｍｍ）の第２部材１７を作製した。
なお、接合する面（第２部材１７の第１主面２３）はラッピング加工を行い、表面粗さはＲａで０．２μｍ以下とし、平面度は５μｍ以下とした。
Next, the surface of the fired body 63 was processed (polished) to produce a second member 17 having a target dimension (for example, diameter 330 mm × thickness 5 mm).
The surfaces to be joined (the first main surface 23 of the second member 17) were lapped, the surface roughness Ra was 0.2 μm or less, and the flatness was 5 μm or less.
その後、第２部材１７に対して、ＲＦ端子３９と熱電対４１を通すための貫通穴（即ち第１孔部３５と第２孔部３７の一部となる貫通孔：図示せず）を形成した。
＜ホットプレス法による第１部材１５の作製方法＞
次に、図４（ｂ）に示すように、ホットプレス法による第１部材１５の作製方法（第１工程）について説明する。
Thereafter, a through hole for passing the RF terminal 39 and the thermocouple 41 through the second member 17 (that is, a through hole to be a part of the first hole 35 and the second hole 37: not shown) is formed. did.
<Method for Producing First Member 15 by Hot Press Method>
Next, as shown in FIG. 4B, a manufacturing method (first step) of the first member 15 by a hot press method will be described.
まず、窒化アルミニウム粉末１００重量部に、酸化イットリウム粉末１重量部を準備し、溶媒としてイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、所定量の分散剤およびバインダを添加し、これをボールミルにて混合した。混合物はスプレードライ乾燥して顆粒化した。これにより、粉末の流動性を向上できる。そして、その顆粒を脱脂し、（顆粒状の）原料粉末６５を作製した。 First, 1 part by weight of yttrium oxide powder was prepared to 100 parts by weight of aluminum nitride powder, isopropyl alcohol (IPA), a predetermined amount of a dispersant and a binder were added as a solvent, and this was mixed in a ball mill. The mixture was spray dried and granulated. Thereby, the fluidity | liquidity of powder can be improved. Then, the granules were degreased to produce (granular) raw material powder 65.
なお、この組成の場合、原料の焼結助剤が少なく、さらに焼結阻害物質が添加されているため、焼結しづらい。そのため、顆粒化して粉末のパッキングを上げることが有効である。 In the case of this composition, it is difficult to sinter because there are few raw material sintering aids and a sintering inhibiting substance is added. Therefore, it is effective to granulate and increase the powder packing.
次に、作製された原料粉末６５をカーボン製のダイス（ホットプレス用のカーボン治具）６７に充填し、ＲＦ電極２７を設置した後、原料粉末６５を追加してＲＦ電極２７を埋設した。 Next, the produced raw material powder 65 was filled in a carbon die (carbon jig for hot pressing) 67 and the RF electrode 27 was installed. Then, the raw material powder 65 was added and the RF electrode 27 was embedded.
その後、カーボン治具６７内に上パンチ６９を配置し、焼成炉７１内にて、ホットプレス焼成した。ホットプレス焼成では、７０Ｋｇ／ｃｍ２の圧力（荷重）をかけ、窒素雰囲気の下で、１８００℃で２時間行い、円板状の焼成体７３を作製した。 Thereafter, the upper punch 69 was placed in the carbon jig 67 and hot press firing was performed in the firing furnace 71. In the hot press firing, a pressure (load) of 70 Kg / cm 2 was applied and performed at 1800 ° C. for 2 hours under a nitrogen atmosphere to produce a disk-shaped fired body 73.
次に、ＲＦ端子３９と熱電対４１を挿入するための止め穴加工を行った。即ち、第１孔部３５と第２孔部３７の先端側を形成した。
次に、焼成体７３の表面を加工（研磨）して、目的とする寸法（例えば直径３３０ｍｍ×厚み１０ｍｍ）の第１部材１５を作製した。
Next, a stop hole for inserting the RF terminal 39 and the thermocouple 41 was processed. That is, the tip side of the first hole 35 and the second hole 37 was formed.
Next, the surface of the fired body 73 was processed (polished) to produce a first member 15 having a target dimension (for example, diameter 330 mm × thickness 10 mm).
なお、接合する面（第１部材１５の第２主面２１）はラッピング加工を行い、表面粗さはＲａで０．２μｍ以下とし、その平面度は５μｍ以下とした。
＜拡散接合による第１部材１５と第２部材１７との接合方法＞
次に、図５（ａ）に示すように、拡散接合による第１部材１５と第２部材１７との接合方法（第３工程）について説明する。
The surfaces to be joined (second main surface 21 of the first member 15) were lapped, the surface roughness Ra was 0.2 μm or less, and the flatness was 5 μm or less.
<Method of joining first member 15 and second member 17 by diffusion bonding>
Next, as shown in FIG. 5A, a method of joining the first member 15 and the second member 17 by diffusion bonding (third step) will be described.
円盤状の第１部材１５の第２主面２１と円盤状の第２部材１７の第１主面２３とを重ね合わせて、カーボン治具７５内に配置し、その上に上パンチ７７を配置した。
そして、それらを加熱炉７９中に配置し、上下方向（図２における上下方向）に荷重をかけて加熱することにより拡散接合した。詳しくは、真空中または減圧した窒素ガス中で、温度１６００〜１８５０℃、圧力０．５〜１０ＭＰａの条件で、例えば１６００℃、１ＭＰａの条件で拡散接合した。これによって、円盤状の保持部５を得た。
The second main surface 21 of the disk-shaped first member 15 and the first main surface 23 of the disk-shaped second member 17 are overlapped and disposed in the carbon jig 75, and the upper punch 77 is disposed thereon. did.
Then, they were placed in the heating furnace 79, and diffusion bonding was performed by applying a load in the vertical direction (vertical direction in FIG. 2) and heating. Specifically, diffusion bonding was performed in a vacuum or reduced nitrogen gas under conditions of a temperature of 1600 to 1850 ° C. and a pressure of 0.5 to 10 MPa, for example, 1600 ° C. and 1 MPa. As a result, a disc-shaped holding portion 5 was obtained.
なお、その後、保持部５の研磨仕上げを行った。
また、保持部５の第２主面１１には、電極パッド３３を形成した。
＜支持部７の作製方法＞
次に、図５（ｂ）に示すように、支持部７の作製方法について説明する。
After that, the holding part 5 was polished.
An electrode pad 33 is formed on the second main surface 11 of the holding unit 5.
<Method for Producing Support 7>
Next, as shown in FIG. 5B, a method for producing the support portion 7 will be described.
まず、窒化アルミニウム粉末１００重量部に、酸化イットリウム粉末１重量部、バインダとしてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）３重量部と、分散剤と可塑剤を適量加えた混合物に、メタノール等の有機溶剤を加え、ボールミルにて１５時間混合して、スラリーを作製した。 First, an organic solvent such as methanol is added to a mixture of 100 parts by weight of aluminum nitride powder, 1 part by weight of yttrium oxide powder, 3 parts by weight of polyvinyl alcohol (PVA) as a binder, and an appropriate amount of a dispersant and a plasticizer. Was mixed for 15 hours to prepare a slurry.
次に、前記スラリーを用いてスプレードライヤーで作製した顆粒粉（原料粉末）８１を、円柱形状の中子８３を配置したカップ形状のゴム型８５内に充填し蓋８７を閉めた。そして、２００ＭＰａの圧力で、冷間静水圧プレスして成形体（図示せず）を得た。 Next, granule powder (raw material powder) 81 produced by a spray dryer using the slurry was filled into a cup-shaped rubber mold 85 in which a cylindrical core 83 was arranged, and the lid 87 was closed. And it cold-isostatic-pressed with the pressure of 200 Mpa, and obtained the molded object (not shown).
なお、成形体の軸中心の円柱状の空隙（中心孔４５に対応する空隙）は、中子８３により形成するが、成形後のマシニングによる加工で形成しても良い。また焼成後のマシニング加工で形成しても良い。 In addition, although the cylindrical space | gap (space | gap corresponding to the center hole 45) of the axial center of a molded object is formed with the core 83, you may form by the process by machining after shaping | molding. Moreover, you may form by the machining process after baking.
次に、前記成形体を垂直に立てて、空気中にて５５０℃で脱脂し、その後、脱脂体８９を窒素ガス雰囲気の焼成炉９１内に吊り下げて、１８００℃で５時間焼成して、例えば外径６０ｍｍ×内径４０ｍｍ×長さ２００ｍｍの焼成体である支持部７を得た。 Next, the molded body is set up vertically and degreased in air at 550 ° C., and then the degreased body 89 is suspended in a firing furnace 91 in a nitrogen gas atmosphere and fired at 1800 ° C. for 5 hours. For example, the support part 7 which is a sintered body having an outer diameter of 60 mm, an inner diameter of 40 mm, and a length of 200 mm was obtained.
なお、その後、支持部７の研磨仕上げを行った。
＜保持部５と支持部７との接合方法＞
次に、図５（ｃ）に示すように、保持部５と支持部７との接合方法について説明する。
After that, the support portion 7 was polished.
<Joining method of holding part 5 and support part 7>
Next, as shown in FIG. 5C, a method for joining the holding portion 5 and the support portion 7 will be described.
まず、円盤状の保持部５の接合面（即ち第２主面１１）にラッピング加工を行い、表面粗さＲａを１μｍ以下とし、接合箇所の平面度を５μｍ以下となるようにした。一方、支持部７の接合面（軸方向の一端面）も同様にラッピング加工を行った。 First, lapping was performed on the joint surface (that is, the second main surface 11) of the disk-shaped holding portion 5 so that the surface roughness Ra was 1 μm or less and the flatness of the joint portion was 5 μm or less. On the other hand, the joining surface (one end surface in the axial direction) of the support portion 7 was similarly lapped.
次に、保持部５の第２主面１１と支持部７の一端面とを軸中心を一致させて重ね合わせ、加熱炉９３内にて、上下方向（図２における上下方向）に荷重をかけて加熱することにより拡散接合した。 Next, the second main surface 11 of the holding unit 5 and the one end surface of the support unit 7 are overlapped with the center of the axis aligned, and a load is applied in the vertical direction (vertical direction in FIG. 2) in the heating furnace 93. Then, diffusion bonding was performed by heating.
詳しくは、真空中、または減圧した窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス中で、温度１４００〜１８５０℃、圧力０．５〜１０ＭＰａの条件で、例えば１４５０℃、１ＭＰａの条件で拡散接合した。 Specifically, diffusion bonding was performed in a vacuum or in an inert gas such as reduced nitrogen gas or argon gas under conditions of a temperature of 1400 to 1850 ° C. and a pressure of 0.5 to 10 MPa, for example, 1450 ° C. and 1 MPa.
その後、電極パッド３３に、棒状のヒータ端子４７を銀ロウ等によってろう付けした。同様に、第１孔部３５内にてＲＦ電極２７にＲＦ端子３９をろう付けした。また、第２孔部３７に熱電対４１を配置した。 Thereafter, a rod-shaped heater terminal 47 was brazed to the electrode pad 33 with silver brazing or the like. Similarly, the RF terminal 39 was brazed to the RF electrode 27 in the first hole 35. A thermocouple 41 is disposed in the second hole portion 37.
これにより、セラミックスヒータ１を得た。
［１−３、効果］
次に、第１実施形態の効果について説明する。
Thereby, the ceramic heater 1 was obtained.
[1-3, effects]
Next, effects of the first embodiment will be described.
・第１実施形態では、例えば５０μｍ以上の厚みのあるＲＦ電極２７を形成するために、セラミックスの粉末材料中に、ＲＦ電極２７の形状を有する電極材料を配置し、ホットプレス法にて第１部材１５を作製する。 In the first embodiment, for example, in order to form the RF electrode 27 having a thickness of 50 μm or more, an electrode material having the shape of the RF electrode 27 is disposed in the ceramic powder material, and the first is performed by a hot press method. The member 15 is produced.
なお、ＲＦ電極２７の厚みが５０μｍ以上のように厚い場合には、ホットプレスによって第１部材１５を作製すると、ＲＦ電極２７の端部に段差が生じにくいので、欠陥のない第１部材１５を好適に作製することができる。 When the thickness of the RF electrode 27 is as thick as 50 μm or more, if the first member 15 is manufactured by hot pressing, a step does not easily occur at the end of the RF electrode 27. It can produce suitably.
また、精密な形状の発熱体２９を形成するために、複数のセラミックスグリーンシート５１のうち少なくとも１つに、発熱体２９となる発熱パターン５５を形成し、複数のセラミックスグリーンシート５１を積層し焼成して（即ち発熱パターン５５とセラミックスグリーンシート５１とを同時に焼成して）、第２部材１７を作製する。 Further, in order to form the heat generating element 29 having a precise shape, a heat generation pattern 55 to be the heat generating element 29 is formed on at least one of the plurality of ceramic green sheets 51, and the plurality of ceramic green sheets 51 are laminated and fired. (I.e., the heat generating pattern 55 and the ceramic green sheet 51 are simultaneously fired) to produce the second member 17.
そして、第１部材１５と第２部材１７とを厚み方向に積層して接合する。即ち、第１部材１５と第２部材１７とを接合した保持部５を作製する。
このような製造方法によって、厚みのあるＲＦ電極２７と精密な形状の発熱体２９とを備えたセラミックスヒータ１を容易に製造することができる。よって、例えば、高出力に耐えられるＲＦ電極２７を備えるとともに、保持部５の平面方向における温度分布の均一性に優れたセラミックスヒータ１を容易に製造することができる。
Then, the first member 15 and the second member 17 are laminated in the thickness direction and joined. That is, the holding part 5 in which the first member 15 and the second member 17 are joined is manufactured.
By such a manufacturing method, the ceramic heater 1 provided with the thick RF electrode 27 and the heating element 29 having a precise shape can be easily manufactured. Therefore, for example, it is possible to easily manufacture the ceramic heater 1 that includes the RF electrode 27 that can withstand high output and is excellent in uniformity of temperature distribution in the planar direction of the holding unit 5.
・第１実施形態では、第１部材１５と第２部材１７とを拡散接合により接合するので、上述した接合剤を用いた場合に生じやすい不具合を抑制できる。
・第１実施形態では、拡散接合の際に、第１部材１５と第２部材１７とに、厚み方向に２０ｋｇ／ｃｍ２以上の荷重を加える。つまり、拡散接合の際に十分な荷重を加える。また、拡散接合の際に、第１部材１５と第２部材１７とを、１６００℃〜１８００℃の温度範囲に加熱する。つまり、拡散接合の際に十分な温度に加熱する。よって、高い接合性（接合強度）等を確保できる。
-In 1st Embodiment, since the 1st member 15 and the 2nd member 17 are joined by diffusion bonding, the malfunction which arises when using the bonding agent mentioned above can be controlled.
In the first embodiment, during diffusion bonding, a load of 20 kg / cm 2 or more is applied to the first member 15 and the second member 17 in the thickness direction. That is, a sufficient load is applied during diffusion bonding. In addition, the first member 15 and the second member 17 are heated to a temperature range of 1600 ° C. to 1800 ° C. during diffusion bonding. That is, it is heated to a sufficient temperature during diffusion bonding. Therefore, high bondability (bonding strength) and the like can be ensured.
・第１実施形態では、ＲＦ電極２７の厚みは、５０μｍ以上であるので、高い電力が印加された場合でも、異常発熱を抑制でき、劣化が少ないという利点がある。
［２．第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容に説明は省略又は簡略化する。
-In 1st Embodiment, since the thickness of RF electrode 27 is 50 micrometers or more, even when a high electric power is applied, there is an advantage that abnormal heat generation can be suppressed and deterioration is small.
[2. Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described, but the description will be omitted or simplified to the same contents as the first embodiment.
第２実施形態のセラミックスヒータは、発熱体として複数（例えば３個）の部分発熱体を備えたものである。以下、詳細に説明する。
図６に示すように、第２実施形態のセラミックスヒータ１０１は、第１実施形態と同様に、保持部１０３と支持部１０５とが接合されるとともに、保持部１０３は第１部材１０７と第２部材１０９とが接合されたものであるが、第２部材１０９の構成が、第１実施形態とは異なる。
The ceramic heater of the second embodiment includes a plurality of (for example, three) partial heating elements as heating elements. Details will be described below.
As shown in FIG. 6, in the ceramic heater 101 of the second embodiment, as in the first embodiment, the holding portion 103 and the support portion 105 are joined, and the holding portion 103 is connected to the first member 107 and the second member. Although the member 109 is joined, the configuration of the second member 109 is different from that of the first embodiment.
つまり、第２部材１０９は、３つの部分発熱体（即ち第１、第２、第３部分発熱体）１１１、１１３、１１５からなる発熱体１１７を備えている。
詳しくは、第１部分発熱体１１１、第２部分発熱体１１３、第３部分発熱体１１５は、第１部材１０７側（図６上端側）から下端側に向かって、厚み方向において異なる位置に順番に配置されている。
That is, the second member 109 includes a heating element 117 including three partial heating elements (that is, first, second, and third partial heating elements) 111, 113, and 115.
Specifically, the first partial heating element 111, the second partial heating element 113, and the third partial heating element 115 are sequentially arranged at different positions in the thickness direction from the first member 107 side (upper end side in FIG. 6) to the lower end side. Is arranged.
しかも、図７に示すように、平面視で、中心に近い側から、第１部分発熱体１１１、第２部分発熱体１１３、第３部分発熱体１１５の順に配置されている。
これらの第１〜第３部分発熱体１１１〜１１５には、各一対のヒータ端子１１９が、それぞれビア１２１や平面方向に伸びる内部配線層１２３等を介して電気的に接続されており、それぞれ独自に温度制御が可能である。
In addition, as shown in FIG. 7, the first partial heating element 111, the second partial heating element 113, and the third partial heating element 115 are arranged in this order from the side close to the center in plan view.
Each of the first to third partial heating elements 111 to 115 is electrically connected to each pair of heater terminals 119 via vias 121, internal wiring layers 123 extending in the planar direction, and the like. Temperature control is possible.
なお、内部配線層１２３を形成する場合には、第２部材１０９を製造する際のセラミックスグリーンシートに対し、内部配線層１２３の位置にその配線用のパターンを形成しておき、前記第１実施形態と同様に積層すればよい。 When forming the internal wiring layer 123, a pattern for the wiring is formed at the position of the internal wiring layer 123 on the ceramic green sheet when the second member 109 is manufactured, and the first embodiment is performed. What is necessary is just to laminate | stack like a form.
第２実施形態では、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。
特に第２実施形態では、発熱体１１７は、独立して温度調節が可能な３つ以上の部分発熱体１１１〜１１５から構成されている。このように、発熱体１１７が多数の部分発熱体１１１〜１１５から構成されている場合には、第２部材１０９（従って保持部１０３）の平面方向における温度分布を緻密に制御できるので、温度均一性を向上できる。
The second embodiment has the same effects as the first embodiment.
Especially in 2nd Embodiment, the heat generating body 117 is comprised from the 3 or more partial heat generating bodies 111-115 in which temperature control is possible independently. Thus, when the heating element 117 is composed of a large number of partial heating elements 111 to 115, the temperature distribution in the planar direction of the second member 109 (and thus the holding portion 103) can be precisely controlled, so that the temperature is uniform. Can be improved.
また、多数の部分発熱体１１１〜１１５を形成する場合には、多数の部分発熱体１１１〜１１５と電力供給用のヒータ端子１１９等とを接続する内部配線層１２３が形成されるが、シート積層法の場合は、容易に内部配線層１２３を形成できる。 In the case where a large number of partial heating elements 111 to 115 are formed, an internal wiring layer 123 that connects the large number of partial heating elements 111 to 115 and the heater terminal 119 for supplying power is formed. In the case of the method, the internal wiring layer 123 can be easily formed.
さらに、各部分発熱体１１１〜１１５と接続される内部配線層１２３を形成する場合には、シート積層法によれば、ホットプレス法に比べて第２部材１０９（従って保持部１０３）の厚みを低減できるので、その重量も低減できる。 Furthermore, when forming the internal wiring layer 123 connected to each of the partial heating elements 111 to 115, according to the sheet lamination method, the thickness of the second member 109 (and hence the holding portion 103) is made larger than that of the hot press method. Since it can be reduced, its weight can also be reduced.
しかも、保持部１０３には、同軸に筒状の支持部１０５が接合されるが、その場合には、保持部１０３の厚みが薄くその重量が小さいと取り扱いが容易であり、また保持部１０３と支持部１０５との接合部分が破損し難いという利点がある。 In addition, a cylindrical support portion 105 is coaxially joined to the holding portion 103. In this case, if the holding portion 103 is thin and its weight is small, handling is easy. There is an advantage that the joint portion with the support portion 105 is hardly damaged.
［３．第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容に説明は省略又は簡略化する。
[3. Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described, but the description will be omitted or simplified to the same contents as the first embodiment.
第３実施形態のセラミックスヒータは、静電チャックとして用いられるものである。
図８に示すように、第３実施形態のセラミックスヒータ１３１は、第１実施形態と同様に、第１部材１３３と第２部材１３５が接合された保持部１３７を備えている。
The ceramic heater of the third embodiment is used as an electrostatic chuck.
As shown in FIG. 8, the ceramic heater 131 of the third embodiment includes a holding portion 137 where the first member 133 and the second member 135 are joined, as in the first embodiment.
このうち、第１部材１３３には、周知の吸着用電極１３９を備えるとともに、第２部材１３５には、第１実施形態と同様な発熱体１４１を備えている。
なお、第２部材１３５の第２主面１４３には、支持部ではなく、円盤形状の金属製のベース部材１４５が接合剤によって接合されている。
Among these, the first member 133 includes the well-known adsorption electrode 139, and the second member 135 includes the heating element 141 similar to that of the first embodiment.
Note that a disk-shaped metal base member 145 is bonded to the second main surface 143 of the second member 135 by a bonding agent instead of the support portion.
第３実施形態では、第１実施形態と同様な効果を奏する。
［４．実験例］
次に、上述したセラミックスヒータに関する効果を確認した実験例について説明する。
The third embodiment has the same effect as the first embodiment.
[4. Experimental example]
Next, an experimental example in which the effect related to the ceramic heater described above is confirmed will be described.
本実験例では、下記表１に示す条件で、セラミックスヒータの試料として、第１実施形態の保持部の試料（本発明の実施例１〜８、本発明の範囲外の比較例１、２）を作製した。なお、試料の作製方法に関しては、表１に記載以外の内容は、第１実施形態と同様である。 In this experimental example, the sample of the holding portion of the first embodiment (Examples 1 to 8 of the present invention, Comparative Examples 1 and 2 outside the scope of the present invention) was used as a ceramic heater sample under the conditions shown in Table 1 below. Was made. Regarding the sample preparation method, the contents other than those described in Table 1 are the same as those in the first embodiment.
そして、各試料に対して、第１部材と第２部材との接合部（接合界面）の状態を調べた。詳しくは、超音波探傷法（パルス反射面）にて、接合界面を探査し、欠陥（間隙）の有無等を調べた。その結果を同表１の「接合状態」の欄に記す。 And the state of the junction part (joining interface) of the 1st member and the 2nd member was investigated to each sample. Specifically, the bonding interface was probed by an ultrasonic flaw detection method (pulse reflection surface) to examine the presence or absence of defects (gap). The result is shown in the “joined state” column of Table 1.
また、真空中でセラミックスヒータ（即ち保持部）の発熱体に直流電圧を印加し、半導体ウェハの載置面（即ち保持部の第１主面）を設定温度で４５０℃に発熱させ、載置面の温度を赤外線サーモグラフィ装置にて測定した。そして、最も温度が高い箇所と低い箇所の温度差を温度分布とした。その結果を同表１に記す。 In addition, a DC voltage is applied to the heating element of the ceramic heater (that is, the holding unit) in a vacuum, and the mounting surface of the semiconductor wafer (that is, the first main surface of the holding unit) is heated to 450 ° C. at a set temperature. The surface temperature was measured with an infrared thermography apparatus. And the temperature difference of the location with the highest temperature and the location with the lowest temperature was made into temperature distribution. The results are shown in Table 1.
なお、表１において、「接合剤が有り」とは、第１部材と第２部材との接合に接合剤を用いた場合（実施例８）を示している。「接合温度」は、第１部材と第２部材との拡散接合時の温度であり、「接合圧力」とは、第１部材と第２部材との拡散接合時の荷重である。 In Table 1, “there is a bonding agent” indicates a case where the bonding agent is used for bonding the first member and the second member (Example 8). The “joining temperature” is a temperature at the time of diffusion bonding between the first member and the second member, and the “joining pressure” is a load at the time of diffusion bonding between the first member and the second member.
この表１から明らかなように、実施例１では、十分に拡散接合されており、接合界面に間隙がなく、温度分布も１．０℃と小さいので好適である。
実施例２は、接合温度が実施例１より５０℃高く、十分に拡散接合されている。また、接合界面に間隙がなく、温度分布も０．７℃と小さいので好適である。
As is apparent from Table 1, Example 1 is suitable because it is sufficiently diffusion bonded, has no gap at the bonding interface, and has a small temperature distribution of 1.0 ° C.
In Example 2, the bonding temperature is 50 ° C. higher than that in Example 1, and the diffusion bonding is sufficiently performed. Further, it is preferable because there is no gap at the bonding interface and the temperature distribution is as small as 0.7 ° C.
実施例３は、接合圧力が実施例１より５ｋｇ／ｃｍ２高いので、十分に拡散接合されている。また、接合界面に間隙がなく、温度分布も０．９℃と小さいので好適である。
実施例４は、接合温度が実施例１より１００℃高く、十分に拡散接合されている。また、接合界面に間隙がなく、温度分布も０．５℃と小さいので好適である。
Since the bonding pressure of Example 3 is 5 kg / cm 2 higher than that of Example 1, it is sufficiently diffusion bonded. Further, it is preferable because there is no gap at the bonding interface and the temperature distribution is as small as 0.9 ° C.
In Example 4, the bonding temperature is 100 ° C. higher than that in Example 1, and the diffusion bonding is sufficiently performed. Further, it is preferable because there is no gap at the bonding interface and the temperature distribution is as small as 0.5 ° C.
実施例５は、接合圧力が６０ｋｇ／ｃｍ２であり、十分に拡散接合されている。また、接合界面に間隙がなく、温度分布も０．６℃と小さいので好適である。
実施例６は、接合温度が１５７５℃とやや低いので、実施例１〜５と比べるとやや拡散接合が十分ではないと考えられる。そのため、接合界面に若干間隙が有り、温度分布は３．９℃とやや大きい。なお、ここでの間隙は、不良品となるほど大きな欠陥ではない。
In Example 5, the bonding pressure is 60 kg / cm 2 , and the diffusion bonding is sufficiently performed. Moreover, there is no gap at the bonding interface, and the temperature distribution is as small as 0.6 ° C., which is preferable.
In Example 6, since the bonding temperature is slightly low at 1575 ° C., it is considered that diffusion bonding is slightly insufficient as compared with Examples 1 to 5. For this reason, there is a slight gap at the bonding interface, and the temperature distribution is slightly large at 3.9 ° C. The gap here is not so large as to be a defective product.
実施例７は、接合圧力が２０ｋｇ／ｃｍ２とやや低いので、実施例１〜５と比べるとやや拡散接合が十分ではないと考えられる。そのため、接合界面に若干間隙が有り、温度分布は２．７℃とやや大きい。なお、ここでの間隙は、不良品となるほど大きな欠陥ではない。 In Example 7, since the bonding pressure is slightly low, 20 kg / cm 2 , it is considered that diffusion bonding is slightly insufficient as compared with Examples 1-5. For this reason, there is a slight gap at the bonding interface, and the temperature distribution is slightly large at 2.7 ° C. The gap here is not so large as to be a defective product.
実施例８は、第１部材と第２部材とを、Ａｌ−Ｃａ−Ｙ成分の接合剤を使用して接合したところ、接合界面に若干間隙が発生した。また、温度分布も３．４℃とやや大きな値となった。なお、ここでの間隙は、不良品となるほど大きな欠陥ではない。 In Example 8, when the first member and the second member were joined using the joining agent of the Al—Ca—Y component, a slight gap was generated at the joining interface. In addition, the temperature distribution was a slightly large value of 3.4 ° C. The gap here is not so large as to be a defective product.
比較例１は、第１部材及び第２部材をホットプレス法により作製したところ、間隙はなかったが、温度分布が４．８℃と大きく好ましくない。なお、ホットプレス法では、精密な発熱体を作製することは容易ではない。 In Comparative Example 1, when the first member and the second member were produced by a hot press method, there was no gap, but the temperature distribution was 4.8 ° C., which is not preferable. In the hot press method, it is not easy to produce a precise heating element.
比較例２は、第１部材及び第２部材をシート積層法により製造した。ここでは、ＲＦ電極の厚みを５０μｍ以上とするために、金属ペーストを３回重ね塗り印刷して、印刷厚みを約７５μｍとした。そして、シート積層と脱脂を行って焼成したところ、第１部材内に剥離が発生し、目的とする形状を実現できなかった。そのため、第１部材と第２部材とを接合できなかった。 In Comparative Example 2, the first member and the second member were manufactured by a sheet lamination method. Here, in order to set the thickness of the RF electrode to 50 μm or more, the metal paste was overprinted three times and the printing thickness was about 75 μm. And when sheet | seat lamination | stacking and degreasing were performed and it baked, peeling generate | occur | produced in the 1st member and the target shape was not implement | achieved. Therefore, the first member and the second member could not be joined.
尚、本発明は前記実施形態や実験例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、保持部と支持部の接合には、公知な接合剤、例えばアルカリ土類、希土類、アルミニウムの複合酸化物等を用いても良い。接合剤は、有機溶剤等と混合してペースト状にして、保持部または支持部の接合面に印刷し均一に塗布した後、脱脂処理する。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment and experiment example at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.
(1) For example, a known bonding agent, for example, a complex oxide of alkaline earth, rare earth, aluminum, or the like may be used for bonding the holding unit and the support unit. The bonding agent is mixed with an organic solvent or the like to form a paste, printed on the bonding surface of the holding portion or the support portion, uniformly applied, and then degreased.
（２）また、各実施形態の構成を、適宜組み合わせてもよい。 (2) Moreover, you may combine the structure of each embodiment suitably.
１、１０１、１３１…セラミックスヒータ
５、１０３、１３７…保持部
７、１０５…支持部
１５、１０７、１３３…第１部材
１７、１０９、１３５…第２部材
２７…ＲＦ電極
２９、１１７…発熱体
５１…セラミックスグリーンシート
５５…発熱パターン
１１１、１１３、１１５…部分発熱体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 101, 131 ... Ceramic heater 5, 103, 137 ... Holding part 7, 105 ... Support part 15, 107, 133 ... 1st member 17, 109, 135 ... 2nd member 27 ... RF electrode 29, 117 ... Heating element 51 ... Ceramics green sheet 55 ... Heat generation pattern 111, 113, 115 ... Partial heating element
Claims (10)
前記セラミックスの粉末材料中に、前記電極の形状を有する電極材料を配置し、ホットプレスにて前記第１部材を作製する第１工程と、
複数のセラミックスグリーンシートのうち少なくとも１つに、発熱体となる発熱パターンを形成し、前記複数のセラミックスグリーンシートを積層し焼成して、前記第２部材を作製する第２工程と、
前記第１部材と前記第２部材とを厚み方向に積層して接合する第３工程と、
を有することを特徴とするセラミックスヒータの製造方法。 A configuration in which a plate-like first member having ceramic as a main component and having a layered electrode therein and a plate-like second member having ceramic as a main component and a heating element whose thickness is smaller than that of the electrode inside are joined. In the manufacturing method of the ceramic heater having
A first step of disposing an electrode material having the shape of the electrode in the ceramic powder material and producing the first member by hot pressing;
A second step of forming the second member by forming a heat generation pattern serving as a heating element on at least one of the plurality of ceramic green sheets, laminating and firing the plurality of ceramic green sheets;
A third step of laminating and joining the first member and the second member in the thickness direction;
A method for producing a ceramic heater, comprising:
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