JP3771686B2

JP3771686B2 - ウエハ支持部材

Info

Publication number: JP3771686B2
Application number: JP23526997A
Authority: JP
Inventors: 達也前原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: JPH1174336A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置や液晶表示装置の製造工程において、半導体ウエハや液晶用ガラス基板等のウエハを保持するウエハ支持部材に関するものであり、特に繰り返し熱応力が加わっても安定して通電することが可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造工程において、半導体ウエハ（以下、ウエハと称す。）に成膜を施すＰＶＤ装置やＣＶＤ装置などの成膜装置や、ウエハに微細加工を施すドライエッチング装置においては、ウエハを保持するためにサセプターや静電チャックなどのウエハ支持部材が用いられている。
【０００３】
例えば、図４に示すウエハ支持部材１０は、サセプターと呼ばれるもので、円盤状をしたセラミック基体１１からなり、その上面をウエハ３０の保持面１１ａとするとともに、内部にヒータ電極１２を埋設してなり、このヒータ電極１２と電気的に接続される金属製の外部端子２１を前記セラミック基体１１の下面に開口する下穴１１ｂにロウ付けしたものがあった。なお、上記外部端子２１は、ロウ付け時の残留応力を緩和するために、外径が２〜１５ｍｍ程度の中実の円柱状をしたものが使用されていた。
【０００４】
また、セラミック基体１１の下面には、前記外部端子２１を包囲するように筒体１３がロウ付けにより接合してあり、Ｏリング１７を介してチャンバー１８に設置することで筒体１３の内側をチャンバー１８内と気密にシールするようになっていた。
【０００５】
なお、セラミック基体１１の下面には、外部端子２１以外にセラミック基体１１の温度を測定する熱電対２２やウエハ３０の温度を測定する測温用光ファイバー２３も設置されており、これらのリード線は筒体１３の内側を通ってチャンバー１８外へ取り出されるようになっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする問題点】
ところで、成膜装置やドライエッチング装置では、上記ウエハ支持部材１０のヒータ電極１２に通電し、１００〜３００℃、さらには６００℃程度の高温にウエハ３０を加熱して加工することが多く、ウエハ支持部材１０には常温から上記加工温度の範囲での熱サイクルが加わることになる。
【０００７】
ところが、このような温度範囲での熱サイクルが加わると、外部端子２１とセラミック基体１１の熱膨張差に伴う熱応力が接合部に集中し、セラミック基体１１にクラックが発生して破損するとい問題点があった。
【０００８】
そこで、本件出願人は、図５に示すような外部端子２１の接合側の端面に中空部２１ａを設けることで、外部端子２１の膨張に伴う熱応力を緩和してセラミック基体１１の破損を防ぐことを先に提案した。
【０００９】
しかしながら、外部端子２１に中空部２１ａを設けたとしても、熱応力が、外部端子２１とセラミック基体１１の下穴１１ｂとの接合部に集中して発生することから、図６（ａ）に示すような外部端子２１の外周壁２１ｂがクリープ変形して接合部に隙間が生じて通電不良となったり、あるいは図６（ｂ）に示すようなロウ材が外部端子２１の中空部２１ａの一部埋める結果、セラミック基体１１にクラックが発生して破壊するといった問題点があった。
【００１０】
また、このような問題点を少しでも緩和するために、外部端子２１としてセラミック基体１１との熱膨張差が近似した金属を用いるなどの対策が提案されているが、低熱膨張金属のタングステンやモリブデンからなる外部端子２１では、上記加工温度に曝されると酸化されるといった問題点もあった。
【００１１】
さらに、このような問題点は、ヒータ電極１２と電気的に接続される外部端子２１だけでなく、熱サイクルが加わるような時には、ウエハ支持部材に内蔵される静電吸着用やプラズマ発生用の電極と電気的に接続される外部端子にもあった。
【００１２】
【問題点を解決するための手段】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、一主面をウエハの保持面とするセラミック基体の内部にヒータ用、静電吸着用、プラズマ発生用の少なくとも一種の電極を備えてなり、該電極を導出する外部端子を上記セラミック基体に設けた下穴にロウ付けしてなるウエハ支持部材において、上記セラミック基体と外部端子との熱膨張差を６．０×１０^-6／℃以下とするとともに、上記外部端子の接合側の端面に中空部を設け、該中空部に前記セラミック基体と同程度の熱膨張係数を有する応力緩和材を挿嵌せしめたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記外部端子を耐酸化性に優れるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金又はＦｅ−Ｎｉ合金にて形成したものである。
【００１４】
【作用】
本発明のウエハ支持部材によれば、外部端子の接合側の端面に中空部を設けるとともに、この中空部に前記セラミック基体と同程度の熱膨張係数を有する応力緩和材を挿嵌せしめたことにより、ウエハ支持部材が加熱されたり、あるいは発熱してセラミック基体と外部端子との接合部に熱応力が加わったとしても、この熱応力を上記外部端子に設けた中空部により緩和することができるため、セラミック基体の割れを防ぐことができるとともに、外部端子の外周壁が内側に変形して導通不良を起こすのを、前記セラミック基体と外部端子の中空部に挿嵌した応力緩和材とで挟持し、外部端子が変形することによる導通不良を防ぐことができるため、常に安定した導通を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１はサセプタと呼ばれる本発明のウエハ支持部材を成膜装置のチャンバー内に設置した状態を示す概略断面図である。なお、従来と同一部分については同一符号で示す。
【００１７】
１はウエハ支持部材で、円板状をしたセラミック基体１１からなり、その上面をウエハ３０の保持面１１ａとするとともに、その内部にはヒータ電極１２を埋設してあり、該ヒータ電極１２と電気的に接続される略円柱状をした外部端子２を、上記セラミック基体１１の下面に設けた下穴１１ｂにロウ付け固定してある。
【００１８】
このようなウエハ支持部材１を構成するセラミック基体１１の材質としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素のいずれか一種を主成分とするセラミックスを用いることができ、これらの中でも特に、９９重量％以上のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分としシリカ（ＳｉＯ₂）、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）等の焼結助剤を含有するアルミナセラミックスや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とし周期律表第２ａ族、第３ａ族元素の酸化物を０．５〜２０重量％の範囲で含有する窒化アルミニウム質セラミックス、あるいは９９．８重量％以上の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする高純度の窒化アルミニウム質セラミックスは、成膜装置やエッチング装置等において雰囲気ガスとして使用されるフッ素系や塩素系の腐食性ガスに対して優れた耐蝕性と耐プラズマ性を有することから好適である。
【００１９】
また、セラミック基体１１の下面には、前記外部端子２を包囲するように筒体１３を接合してあり、Ｏリング１７を介してチャンバー１８に設置することで筒体１３の内部を気密にシールし、外部端子２がチャンバー１８内に導入された腐食性ガスに曝されるのを防止するようにしてある。
【００２０】
なお、セラミック基体１１の下面には外部端子２以外に、セラミック基体１１の温度を測定する熱電対２２やウエハ３０の温度を測定する測温用光ファイバー２３も設置してあり、これらのリード線は筒体１３の内側を通って外側へ導出するようにしてある。
【００２１】
また、図２及び図３に示すように、本発明のウエハ支持部材１によれば、上記円柱状をした外部端子２の接合側の端面に、断面形状が円形をした中空部２ａを形成するとともに、この中空部２ａには前記セラミック基体１１と同程度の熱膨張係数を有する応力緩和材３を挿嵌し、ロウ付け固定してある。
【００２２】
即ち、ウエハ支持部材１に熱サイクルが加わると、セラミック基体１１と外部端子２との接合部には熱応力が加わるのであるが、本発明は外部端子２の接合側の端面に中空部２ａを形成してあることから、外部端子２が外側へ膨張しようとするのを抑え、セラミック基体１１にクラックが生じることを防ぐことができる。ただし、外部端子２に中空部２ａを形成しただけでは、ヤング率の低い外部端子２の外周壁２ｂが中空部２ａ側に変形する結果、セラミック基体１１との間に隙間ができるために導通不良を生じる恐れがあるが、本発明では外部端子２の中空部２ａに応力緩和材３を挿嵌して外周壁２ｂが変形しようとするのをセラミック基体１１と応力緩和材３とで拘束するようにしてあることから、導通不良の発生を防ぎ、常に安定した導通を図ることができる。しかも、外部端子２の中空部２ａに応力緩和材３を挿嵌することで、中空部２ａに接合材であるロウ材が充填されることによるセラミック基体１１の割れも防ぐことができる。
【００２３】
ところで、このような応力緩和材３の材質としては、セラミック基体１１との熱膨張差が２×１０^-6／℃以下のものが良い。これは、応力緩和材３の熱膨張係数が、セラミック基体１１との熱膨張差である２×１０^-6／℃より大きいと、外部端子２が外側へ膨張しようとするのを抑える効果が小さく、セラミック基体１１を破損させる恐れがあるからであり、逆に、応力緩和材３の熱膨張係数が、セラミック基体１１との熱膨張差である２×１０^-6／℃より小さいと、外部端子２の外周壁２ｂが内側へ変形しようとするのを拘束する効果が小さいために、導通不良を生じる恐れがあるからである。
【００２４】
なお、具体的には熱膨張差が２×１０^-6／℃以下となるように、セラミック基体１１と同様にアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素のいずれか一種を主成分とするセラミックスを用いれば良く、好ましくはセラミック基体１１と同じ主成分を有するセラミックス、さらに好ましくはセラミック基体１１と同組成のセラミックスにより形成すれば良い。
【００２５】
また、外部端子２の外周壁２ｂの厚みｔと応力緩和材３の直径Ｌとの比率が１：２未満では、接合部に発生する熱応力を緩和する効果が乏しいため、比率は１：２以上と厚みｔをできるだけ薄くすることが好ましい。
【００２６】
さらに、外部端子２の材質としては耐酸化性が高く、上記セラミック基体１１との熱膨張差が６×１０^-6／℃以下の金属を用いることが必要である。これは、熱膨張差が６×１０^-6／℃を越えると、外部端子２に中空部２ａを設け、該中空部２ａに応力緩和材３を挿嵌したとしても、セラミック基体１１と外部端子２との熱膨張差が大きすぎるためにロウ付け直後にセラミック基体１１の下穴１１ｂにクラックが発生するからである。
【００２７】
具体的には、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等を用いることができる。これらの合金は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の熱膨張係数が８×１０^-6Ω・ｃｍ、Ｆｅ−Ｎｉ合金の熱膨張係数が１１×１０^-6Ω・ｃｍと、表１にセラミック基体１１を構成するセラミックスの熱膨張係数を示すように、両者の熱膨張差を６×１０^-6／℃以下とすることができるとともに、耐酸化性に優れるため、外部端子２の材質として好適である。
【００２８】
また、セラミック気体１１と外部端子２とを接合するロウ材１４、及び外部端子２と応力緩和材３を接合するロウ材１５の材質としては、高温中で溶融、液化を生じないものを用いる必要があり、具体的にはＡｇ−Ｃｕ系、Ｔｉ−Ｃｕ−Ａｇ系等のロウを用いれば良い。
【００２９】
【表１】

【００３０】
以上のように、本実施形態では、ヒータ電極１２を埋設したウエハ支持部材１を例にとって説明したが、本発明はヒータ電極１２と電気的に接続される外部端子２だけに適用されるものではなく、例えば、静電吸着用やプラズマ発生用の電極を備えたウエハ支持部材であって、熱サイクルが加わる時には上記静電吸着用電極やプラズマ発生用電極と電気的に接続される外部端子にも好適なものである。
【００３１】
（実施例１）
外部端子２の材質を変えるとともに、外部端子２の中空部２ａに応力緩和材３を設けたものと設けていないウエハ支持部材１をそれぞれ用意し、熱サイクル試験を行ったあとの外部端子２の接合状態について測定した。
【００３２】
本実験ではウエハ支持部材１を構成するセラミック基体１１として、ＡｌＮ含有量が９９．９重量％以上の窒化アルミニウム質セラミックスを用いた。
【００３３】
この窒化アルミニウム質セラミックスからなるウエハ支持部材１は、一次原料であるＡｌＮ粉末をメタノールに混合して平均粒径１μｍ程度に粉砕した後、１０％の有機バインダーを添加することにより泥漿を得た。そして、この泥漿をドクターブレード法により複数枚のグリーンシートを形成し、そのうち数枚積層したグリーンシート上にＷＣのペーストを印刷して配線パターンを敷設したあと、残りのグリーンシートを積層してグリーンシート積層体を製作した。しかるのち、円板状に切削加工を施したあと、窒素雰囲気にて２０００℃、５時間程度の条件で焼成することで直径２００ｍｍ程度のセラミック基体１１を得た。
【００３４】
なお、得られたセラミック基体１１は比重が３．２６ｇ／ｃｍ³と理論密度に対して十分な焼結密度を有しており、その熱膨張係数は５×１０^-6／℃であった。
【００３５】
次に、上記セラミック基体１１の上面に研磨加工を施して保持面１１ａを形成するとともに、下面に下穴１１ｂを穿孔し、該下穴１１ｂに外部端子２をＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ系のロウ材を用いてロウ付け固定した。
【００３６】
外部端子２の寸法は、外径６ｍｍ、長さ１５ｍｍ、中空部２ａの内径３ｍｍ、深さ８ｍｍとし、材質として以下に示す４種類の金属を用いた。
【００３７】
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金熱膨張率８ ×１０^-6／℃
Ｆｅ−Ｎｉ合金熱膨張率１１ ×１０^-6／℃
ステンレス（ＳＵＳ３０４）熱膨張率１３．５×１０^-6／℃
タングステン（Ｗ）熱膨張率５．２×１０^-6／℃
また、応力緩和材３には、上記セラミック基体１１と同じ窒化アルミニウム質セラミックスからなり、長さ８ｍｍ、外径３ｍｍのものを使用した。
【００３８】
そして、これらのウエハ支持部材１を用いて、ＰＶＤ装置中で、常温から５５０℃の熱サイクルを５０回加えた後の接合部における通電不良の有無とセラミック基体１１の破損の有無を測定した。
【００３９】
それぞれの結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】

【００４１】
この結果、表２より判るように、応力緩和材３のないものは、外部端子２の外周壁２ｂが中空部２ａ側に変形して接合部に隙間が発生して通電不良を生じた。また、応力緩和材３の有るものでも、外部端子２とセラミック基体１１との熱膨張差が６×１０^-6／℃より大きいものでは、外部端子２の接合時にセラミック基体１１にクラックが発生した。
【００４２】
さらに、外部端子２としてタングステンを用いたものでは、耐酸化性が悪く実用上使用不可能であった。
【００４３】
これに対し、外部端子２とセラミック基体１１との熱膨張差が６×１０^-6／℃以下であり、かつ応力緩和材３を備えたものは、いずれもセラミック基体１１にクラックを生じたり、導通不良を生じることがなく、安定した通電が可能であった。
【００４４】
（実施例２）
次に、外部端子２の材質をFe-Ni-Co合金とし、外部端子２の中空部２ａに直径Ｌの異なる応力緩和材３を挿嵌した図１のウエハ支持部材１を用意し、ＰＶＤ装置中で、常温から５５０℃の熱サイクルを加えた時の耐久性について測定を行った。なお、セラミック基体１１及び応力緩和材３には実施例１と同じ窒化アルミニウム質セラミックスを用いた。
【００４５】
結果は表３に示すように、外部端子２の外周壁２ｂの厚みｔが応力緩和材３の直径Ｌに対して薄くなるにつれて、耐久性を高められることが判る。そして、外部端子２の外周壁２ｂの厚みｔと応力緩和材３の直径Ｌとの比率が１：１以上あれば５０サイクル以上の耐久性があり、１：２以上あれば２００サイクル以上の熱サイクルにも耐え得るものとできることが判った。
【００４６】
【表３】

【００４７】
（実施例３）
次に、セラミック基板１１と応力緩和材３をアルミナセラミックスで形成し、その他は実施例１と同様にしてウエハ支持部材１を試作した。
【００４８】
本実験ではウエハ支持部材１を構成するセラミック基体１１として、Ａｌ₂Ｏ₃含有量が９９．９重量％のアルミナセラミックスを用いた。
【００４９】
このアルミナセラミックスからなるウエハ支持部材１は、一次原料であるＡｌ₂Ｏ₃粉末を水に混合して平均粒径０．５μｍ程度に粉砕した後、１０％の有機バインダーを添加することにより泥漿を得た。そして、この泥漿をドクターブレード法により複数枚のグリーンシートを形成し、そのうち数枚積層したグリーンシート上にＷＣのペーストを印刷して配線パターンを敷設したあと、残りのグリーンシートを積層してグリーンシート積層体を製作した。しかるのち、円板状に切削加工を施したあと、大気雰囲気にて１６８０℃、５時間程度の条件で焼成することで直径２００ｍｍ程度のセラミック基体１１を得た。
【００５０】
なお、得られたセラミック基体１１は比重が３．９ｇ／ｃｍ³と理論密度に対して十分な焼結密度を有しており、その熱膨張係数は７．１×１０^-6／℃であった。
【００５１】
次に、上記セラミック基体１１の上面に研磨加工を施して保持面１１ａを形成するとともに、下面に下穴１１ｂを穿孔し、該下穴１１ｂに外部端子２をＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ系のロウ材を用いてロウ付け固定した。
【００５２】
外部端子２の寸法は、外径６ｍｍ、長さ１５ｍｍ、中空部２ａの内径３ｍｍ、深さ８ｍｍとし、材質として以下に示す４種類の金属を用いた。
【００５３】
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金熱膨張率８ ×１０^-6／℃
Ｆｅ−Ｎｉ合金熱膨張率１１ ×１０^-6／℃
ステンレス（ＳＵＳ３０４）熱膨張率１３．５×１０^-6／℃
モリブデン（Ｍｏ）熱膨張率５．８×１０^-6／℃
また、応力緩和材３には、上記セラミック基体１１と同じアルミナセラミックスからなり、長さ８ｍｍ、外径３ｍｍのものを使用した。
【００５４】
そして、これらのウエハ支持部材１を用いて、ＰＶＤ装置中で、常温から５５０℃の熱サイクルを５０回加えた後の接合部における通電不良の有無とセラミック基体１１の破損の有無を測定した。
【００５５】
それぞれの結果を表４に示す。
【００５６】
【表４】

【００５７】
この結果、実施例１と同様に、応力緩和材３を持たないものは、外部端子２の外周壁２ｂが中空部２ａ側に変形して接合部に隙間が発生して通電不良が発生し、応力緩和材３を備えたものでも、外部端子２とセラミック基体１１との熱膨張差が６×１０^-6／℃より大きいものでは、外部端子２の接合時にセラミック基体１１にクラックが発生した。
【００５８】
さらに、外部端子２としてモリブデンを用いたものでは、耐酸化性が悪く実用上使用不可能であった。
【００５９】
これに対し、外部端子２とセラミック基体１１との熱膨張差が６×１０^-6／℃以下であり、かつ応力緩和材３を備えたものは、いずれもセラミック基体１１にクラックを生じたり、導通不良を生じることがなかった。
【００６０】
（実施例４）
さらに、外部端子２の材質をFe-Ni-Co合金とし、外部端子２の中空部２ａに直径Ｌの異なる応力緩和材３を挿嵌した図１のウエハ支持部材１を用意し、ＰＶＤ装置中で、常温から５５０℃の熱サイクルを加えた時の耐久性について測定を行った。なお、セラミック基体１１及び応力緩和材３には実施例３と同じアルミナセラミックスを用いた。
【００６１】
結果は表５に示すように、外部端子２の外周壁２ｂの厚みｔが応力緩和材３の直径Ｌに対して薄くなるにつれて、耐久性を高められることが判る。そして、外部端子２の外周壁２ｂの厚みｔと応力緩和材３の直径Ｌとの比率が１：１以上あれば５０サイクル以上の耐久性があり、１：２以上あれば２００サイクル以上の熱サイクルにも耐え得るものとできることが判った。
【００６２】
【表５】

【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、一主面をウエハの保持面とするセラミック基体の内部に電極を備えてなり、該電極を導出する金属製の外部端子を上記セラミック基体に設けた下穴にロウ付けしてなるウエハ支持部材において、上記セラミック基体と外部端子との熱膨張差を６．０×１０^-6／℃以下とするとともに、上記外部端子の接合側の端面に中空部を設け、該中空部に前記セラミック基体と同程度の熱膨張係数を有する応力緩和材を挿嵌せしめたことにより、熱サイクルが加わってもセラミック基体を破損させたり、通電不良を生じることがない。
【００６４】
また、本発明によれば、外部端子を耐酸化性に優れたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金又はＦｅ−Ｎｉ合金により形成してあることから、高温に曝されたとしても腐食することがない。
【００６５】
その為、長期間わたって安定した通電が可能なウエハ支持部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サセプタと呼ばれる本発明のウエハ支持部材を成膜装置のチャンバー内に設置した状態を示す概略断面図である。
【図２】本発明のウエハ支持部材における外部端子の接合部を拡大した断面図である。
【図３】本発明のウエハ支持部材における外部端子と応力緩和材を示す斜視図である。
【図４】サセプタと呼ばれる従来のウエハ支持部材を成膜装置のチャンバー内に設置した状態を示す概略断面図である。
【図５】従来のウエハ支持部材における外部端子の接合部を拡大した断面図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は従来のウエハ支持部材における外部端子の接合部における不良の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・ウエハ支持部材、２・・・外部端子、２ａ・・・中空部、
２ｂ・・・外周壁、３・・・応力緩和材、１１・・・セラミック基体、
１１ａ・・・保持面、１１ｂ・・・下穴、１２・・・ヒータ電極、
１３・・・筒体、１７・・・Ｏリング、１８・・・チャンバー、
２２・・・熱電対、２３・・・測温用光ファイバー２３、３０・・・ウエハ

Claims

一主面をウエハの保持面とするセラミック基体の内部に電極を備えてなり、該電極を導出する金属製の外部端子を上記セラミック基体に設けた下穴にロウ付けしてなるウエハ支持部材において、上記セラミック基体と外部端子との熱膨張差を６．０×１０^-6／℃以下とするとともに、上記外部端子の接合側の端面に中空部を設け、該中空部に前記セラミック基体と同程度の熱膨張係数を有する応力緩和材を挿嵌せしめたことを特徴とするウエハ支持部材。
上記外部端子の材質が、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金又はＦｅ−Ｎｉ合金であることを特徴とする請求項１に記載のウエハ支持部材。