JP2017147126A - セラミックスヒータの製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
<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。
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。
・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。
・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。
・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。
・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。
[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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
<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。
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。
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。
<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。
[1−3、効果]
次に、第1実施形態の効果について説明する。
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。
・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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
(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。
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
Claims (10)
- 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、
を有することを特徴とするセラミックスヒータの製造方法。 - 前記第3工程では、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ことを特徴とする請求項1に記載のセラミックスヒータの製造方法。
- 前記拡散接合の際に、前記第1部材と前記第2部材とに、前記厚み方向に20kg/cm2以上の荷重を加えることを特徴とする請求項2に記載のセラミックスヒータの製造方法。
- 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ことを特徴とする請求項2又は3に記載のセラミックスヒータの製造方法。
- 前記電極の厚みは、50μm以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミックスヒータの製造方法。
- 前記電極は、RF電極であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミックスヒータの製造方法。
- 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ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のセラミックスヒータの製造方法。
- 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、を備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のセラミックスヒータの製造方法。
- 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ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のセラミックスヒータの製造方法。
- 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ことを特徴とする請求項9に記載のセラミックスヒータの製造方法。
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