JP7422024B2 - セラミックス構造体、静電チャック、基板固定装置 - Google Patents

セラミックス構造体、静電チャック、基板固定装置 Download PDF

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Description

本発明は、セラミックス構造体、静電チャック、基板固定装置に関する。
従来、半導体装置を製造する際に使用される成膜装置やプラズマエッチング装置は、ウェハを真空の処理室内に精度良く保持するためのステージを有する。このようなステージとして、例えば、ベースプレートに搭載された静電チャックによりウェハを吸着保持する基板固定装置が提案されている。
静電チャックには、ウェハの温度調節をするための発熱体を設けた構造のものがある。この場合、例えば、静電チャックに熱電対を埋設し、熱電対で検出した静電チャックの温度に基づいて発熱体を制御し、ウェハの温度調節が行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００－２８６３３１号公報
しかしながら、一般的にアルミナセラミックスには焼結助剤（例えば、シリカ、マグネシア、カルシア、イットリア等）が含まれることが多い。このように焼結助剤を含むセラミックスは、使用環境の温度上昇に伴って絶縁抵抗の値が低下し易い。そこで、絶縁抵抗の温度依存性の小さい、焼結助剤を含まないアルミナセラミックスが望まれる。しかし、焼成時に液相となる焼結助剤がないため、静電チャック等のセラミックス構造体において、基体を構成するセラミックスと熱電対等の熱電素子との密着性（接合強度）が得られない場合がある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、セラミックスと熱電素子との密着性を向上したセラミックス構造体を提供することを課題とする。
本セラミックス構造体は、基体と、前記基体と接する部分を有する熱電素子と、を有し、前記基体は、酸化アルミニウムからなるセラミックスであり、前記熱電素子は、タングステンとレニウムとの合金を主成分とし、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素を含む焼成体である導体部を含む。
開示の技術によれば、セラミックスと熱電素子との密着性を向上したセラミックス構造体を提供できる。
第１実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する図である。 第１実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その１）である。 第１実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その２）である。 第２実施形態に係る熱電部品を例示する図である。 熱電対のサンプルのパターンを示す図である。 熱電対の各サンプルの起電力を示す図である。 サンプル３００Ｃの＋脚の断面のＥＰＭＡ分析結果である。 サンプル３００Ｃの－脚の断面のＥＰＭＡ分析結果である。 サンプル３００Ｃの＋脚及び－脚のＸＲＤ分析結果である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第１実施形態〉
［基板固定装置の構造］
図１は、第１実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の熱電対のみを示す部分拡大斜視図である。
図１を参照すると、基板固定装置１は、主要な構成要素として、ベースプレート１０と、接着層２０と、静電チャック３０と、制御部４０とを有している。
基板固定装置１は、ベースプレート１０の一方の面１０ａに搭載された静電チャック３０により吸着対象物である基板（ウェハ等）を吸着保持する装置である。
ベースプレート１０は、静電チャック３０を搭載するための部材である。ベースプレート１０の厚さは、例えば、２０～４０ｍｍ程度である。ベースプレート１０は、例えば、アルミニウムや超硬合金等の金属材料や、その金属材料とセラミックス材料との複合材料等から形成され、プラズマを制御するための電極等として利用できる。例えば、入手のし易さ、加工のし易さ、熱伝導性が良好である等の点から、アルミニウム又はその合金を使用し、その表面にアルマイト処理（絶縁層形成）を施したものが好適に使用できる。
例えば、ベースプレート１０に所定の高周波電力を給電することで、発生したプラズマ状態にあるイオン等を静電チャック３０上に吸着された基板に衝突させるためのエネルギーを制御し、エッチング処理を効果的に行うことができる。
ベースプレート１０の内部に、静電チャック３０上に吸着された基板を冷却する不活性ガスを導入するガス供給路が設けられてもよい。基板固定装置１の外部からガス供給路に、例えば、ＨｅやＡｒ等の不活性ガスが導入され、静電チャック３０上に吸着された基板の裏面に不活性ガスが供給されると、基板を冷却できる。
ベースプレート１０の内部に、冷媒流路が設けられてもよい。冷媒流路は、例えば、ベースプレート１０の内部に環状に形成された孔である。基板固定装置１の外部から冷媒流路に、例えば、冷却水やガルデン等の冷媒が導入される。冷媒流路に冷媒を循環させベースプレート１０を冷却することで、静電チャック３０上に吸着された基板を冷却できる。
静電チャック３０は、吸着対象物である基板を吸着保持するセラミックス構造体である。静電チャック３０の平面形状は、基板の形状に応じて形成されるが、例えば、円形である。静電チャック３０の吸着対象物である基板の直径は、例えば、８、１２、又は１８インチである。
なお、平面視とは対象物をベースプレート１０の一方の面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物をベースプレート１０の一方の面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
静電チャック３０は、接着層２０を介して、ベースプレート１０上に固着されている。接着層２０としては、例えば、シリコーン系接着剤を用いることができる。接着層２０の厚さは、例えば、０．１～２．０ｍｍ程度とすることができる。接着層２０の熱伝導率は２Ｗ／ｍＫ以上とすることが好ましい。接着層２０は、１層から形成してもよいが、熱伝導率が高い接着剤と弾性率が低い接着剤とを組み合わせた２層構造とすることが好ましい。これにより、セラミックス製の静電チャック３０とアルミニウム製のベースプレート１０との熱膨張率の差から生じるストレスを低減させる効果が得られる。なお、ベースプレート１０に対して静電チャック３０をネジにより固定してもよい。
静電チャック３０は、主要な構成要素として、基体３１と、静電電極３２と、発熱体３３と、熱電対３４とを有するセラミックス構造体である。基体３１の上面は、吸着対象物が載置される載置面３１ａである。静電チャック３０は、例えば、ジョンセン・ラーベック型静電チャックである。但し、静電チャック３０は、クーロン力型静電チャックであってもよい。
基体３１は誘電体であり、具体的には、基体３１は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるセラミックスである。ここで、「酸化アルミニウムからなるセラミックス」とは、酸化アルミニウム以外の無機成分を添加していないセラミックスを意味する。基体３１の厚さは、例えば、５～１０ｍｍ程度、基体３１の比誘電率（１ｋＨｚ）は、例えば、９～１０程度である。
基体３１は、酸化アルミニウムの純度が９９．５％以上であることが好ましい。純度が９９．５％以上であることは、焼結助剤を添加することなく形成されることを示す。又、純度が９９．５％以上であることは、製造工程等において意図しない不純物を含む場合もあることを意味している。基体３１は、酸化アルミニウムに対する相対密度が９７％以上であることが好ましい。基体３１は、酸化アルミニウムの平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。平均粒径は、例えば、レーザー回折・散乱光の装置を用いて測定できる。
静電電極３２は、薄膜電極であり、基体３１に内蔵されている。静電電極３２は、基板固定装置１の外部に設けられた電源に接続され、電源から所定の電圧を印加することで吸着対象物との間に静電気による吸着力（クーロン力）を発生させる。これにより、基体３１の載置面３１ａ上に基板を吸着保持することができる。吸着保持力は、静電電極３２に印加される電圧が高いほど強くなる。静電電極３２は、単極形状でも、双極形状でも構わない。静電電極３２の材料は、タングステン（Ｗ）を主成分とし、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含む焼成体とすることが好ましい。
発熱体３３は、基体３１に内蔵され、図示しない配線により制御部４０と電気的に接続されている。発熱体３３は、制御部４０から電圧を印加することで発熱し、基体３１の載置面３１ａが所定の温度となるように加熱する。発熱体３３は、例えば、基体３１の載置面３１ａの温度を２５０℃～３００℃程度まで加熱することができる。発熱体３３の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）等を用いることができる。
熱電対３４は、基体３１の温度を検出する熱電素子であり、少なくとも一部が基体３１に内蔵されている。すなわち、熱電対３４は、基体３１と接する部分を有している。熱電対３４は、第１導体部３４１と、第２導体部３４２と、第１線材部３４３と、第２線材部３４４とを有している。第１導体部３４１及び第２導体部３４２は、略Ｌ字形に形成され、基体３１に内蔵されている。第１導体部３４１及び第２導体部３４２は、基体３１により被覆されている。第１導体部３４１の一端と第２導体部３４２の一端とは、互いに接合されて測温接点３４ｃを形成している。
第１導体部３４１は、載置面３１ａと平行な方向に延伸し一端が測温接点３４ｃである第１水平部３４１ａと、第１水平部３４１ａの他端から載置面３１ａと垂直な方向に延伸して端部が基体３１から露出する第１垂直部３４１ｂとを有している。第１水平部３４１ａと第１垂直部３４１ｂとは、同一材料により一体に形成されている。第１垂直部３４１ｂの断面形状は例えば円形である。この場合、第１垂直部３４１ｂの直径を第１水平部３４１ａの幅よりも太く形成してもよい。
第２導体部３４２は、載置面３１ａと平行な方向に延伸し一端が測温接点３４ｃである第２水平部３４２ａと、第２水平部３４２ａの他端から載置面３１ａと垂直な方向に延伸して端部が基体３１から露出する第２垂直部３４２ｂとを有している。第２水平部３４２ａと第２垂直部３４２ｂとは、同一材料により一体に形成されている。第２垂直部３４２ｂの断面形状は例えば円形である。この場合、第２垂直部３４２ｂの直径を第２水平部３４２ａの幅よりも太く形成してもよい。
図１（ｂ）では、第１水平部３４１ａと第２水平部３４２ａとが載置面３１ａの法線方向から視て一直線となるように接合されているが、これは一例である。第１水平部３４１ａと第２水平部３４２ａとは、載置面３１ａの法線方向から視て任意の角度となるように接合することができる。又、第１水平部３４１ａ及び第２水平部３４２ａは、載置面３１ａの法線方向から視て屈曲する部分や湾曲する部分を有していても構わない。
第１水平部３４１ａ及び第２水平部３４２ａは、例えば、基体３１の厚さ方向の静電電極３２及び発熱体３３とは異なる位置（基体３１内の異なる平面）に配置することができる。
なお、ここでいう載置面３１ａと平行や載置面３１ａと垂直は、載置面３１ａと厳密に平行や載置面３１ａと厳密に垂直である場合のみではなく、載置面３１ａとおおよそ平行や載置面３１ａとおおよそ垂直である場合も含むものとする。載置面３１ａとおおよそ平行とは、載置面３１ａと厳密に平行な場合から±１０度程度ずれたものも含む意味合いである。同様に、載置面３１ａとおおよそ垂直とは、載置面３１ａと厳密に垂直な場合から±１０度程度ずれたものも含む意味合いである。
第１線材部３４３は、一端が基体３１の内部で第１導体部３４１の他端（第１垂直部３４１ｂの端部）と接合され、他端が基体３１の外部に延伸している。基体３１の外部に延伸する第１線材部３４３は、接着層２０を通ってベースプレート１０に設けられた貫通孔１０ｘに挿入され、他端がベースプレート１０の他方の面１０ｂ側に配置された制御部４０と電気的に接続されている。なお、貫通孔１０ｘの内壁と第１線材部３４３との間に絶縁材を配置することが好ましい。
第２線材部３４４は、一端が基体３１の内部で第２導体部３４２の他端（第２垂直部３４２ｂの端部）と接合され、他端が基体３１の外部に延伸している。基体３１の外部に延伸する第２線材部３４４は、接着層２０を通ってベースプレート１０に設けられた貫通孔１０ｙに挿入され、他端がベースプレート１０の他方の面１０ｂ側に配置された制御部４０と電気的に接続されている。なお、貫通孔１０ｙの内壁と第２線材部３４４との間に絶縁材を配置することが好ましい。
第１導体部３４１は、所定の抵抗温度係数を有する材料から形成されている。又、第２導体部３４２は、第１導体部３４１とは異なる抵抗温度係数を有する材料から形成されている。これにより、熱電対３４は、第１導体部３４１と第２導体部３４２との接続部である測温接点３４ｃと、第１導体部３４１の他端及び第２導体部３４２の他端との温度差により熱起電力を発生することができる。第１線材部３４３及び第２線材部３４４の材料としては、例えば、銅等を用いることができる。
第１導体部３４１及び第２導体部３４２の材料は、基体３１の焼成温度（１５００℃程度）よりも融点が高い導電材料であることが好ましい。これにより、第１導体部３４１及び第２導体部３４２を基体３１と同時焼成することが可能となる。基体３１の焼成温度よりも融点が高い導電材料としては、例えば、下記の材料が挙げられる。
第１導体部３４１は、例えば、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ５重量％）を主成分とし、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含む導電性ペーストの焼成体である。第２導体部３４２は、例えば、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ２６重量％）を主成分とし、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含む焼結体である。
第１導体部３４１及び第２導体部３４２の各々において、タングステンの平均粒径は、０．５μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。又、レニウムの平均粒径は、１．５μｍ以上４．５μｍ以下であることが好ましい。
酸化ニッケルの添加量は、タングステンに対して、０．２ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。酸化ニッケルの平均粒径は、５．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。
酸化アルミニウムの添加量は、タングステンに対して、０．２ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であることが好ましい。酸化アルミニウムの平均粒径は、０．１μｍ以上４．０μｍ以下であることが好ましい。
二酸化ケイ素の添加量は、タングステンに対して、０．２ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であることが好ましい。二酸化ケイ素の平均粒径は、０．１μｍ以上１２．０μｍ以下であることが好ましい。
第１導体部３４１及び第２導体部３４２の各々に含まれるタングステンの成分は、第１導体部３４１及び第２導体部３４２のみに存在し、基体３１には存在していない。又、第１導体部３４１及び第２導体部３４２の各々に含まれるレニウムの成分は、第１導体部３４１及び第２導体部３４２のみに存在し、基体３１には存在していない。又、第１導体部３４１及び第２導体部３４２の各々に含まれるニッケルの成分は、第１導体部３４１及び第２導体部３４２のみに存在し、基体３１には存在していない。
これに対して、第１導体部３４１及び第２導体部３４２の各々に含まれるアルミニウムの成分は、第１導体部３４１及び第２導体部３４２と基体３１との両方に存在する。又、第１導体部３４１及び第２導体部３４２の各々に含まれるケイ素の成分は、第１導体部３４１及び第２導体部３４２と基体３１との両方に存在する。
特に、基体３１を構成するセラミックス内において、ケイ素の成分は基体３１を構成するセラミックスと熱電対を構成する第１導体部３４１及び第２導体部３４２との境界から２０μｍの範囲内のみに存在している。そして、その範囲内には、アルミニウムとケイ素の複合酸化物層（ムライト層、シリマイト層、又はムライト層とシリマイト層とが混在した層）が形成される。そのため、ケイ素の成分が複合酸化物層より以遠に拡散しないため、基体３１を構成するセラミックスの特性を劣化させるおそれを低減できる。なお、複合酸化物層の範囲は、導電性ペーストに添加するアルミナとシリカの添加量によって可変可能である。
なお、図１では基板固定装置１が１つの熱電対３４を有する例を図示しているが、基板固定装置１は複数の熱電対３４を有してもよい。これにより、基体３１の温度制御を高精度で行うことができる。その場合、基体３１の厚さ方向の異なる位置に熱電対３４が配置されてもよい。
制御部４０は、熱電対３４から得られる熱起電力に基づいて基体３１の温度を算出し、発熱体３３に印加する電圧を制御して、基体３１の載置面３１ａを所定の温度に調整する機能を有している。制御部４０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含む構成とすることができる。制御部４０は、例えば、基板上に実装されてベースプレート１０に固定することができる。
［基板固定装置の製造方法］
図２及び図３は、第１実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図である。図２及び図３を参照しながら、基板固定装置１の製造工程について説明する。
まず、図２（ａ）に示す工程では、複数枚（ここでは一例として５枚）のグリーンシート３１１、３１２、３１３、３１４、及び３１５を作製する。そして、グリーンシート３１１、３１２、及び３１３の熱電対３４を形成する部分に貫通孔を形成する。なお、グリーンシート３１１、３１２、及び３１３に形成する貫通孔は、例えば、焼成後の径が５０～３００μｍ程度になるように形成することができる。
なお、グリーンシート３１１、３１２、３１３、３１４、及び３１５は、セラミックス材料である酸化アルミニウムと有機材料とからなり、焼結助剤を含まない。グリーンシート３１１、３１２、３１３、３１４、及び３１５は、有機成分が除去されセラミックス材料が焼結し、緻密化することにより、図１に示す基体３１となるものである。
次に、グリーンシート３１２の一方の面に焼成後に発熱体３３となる金属ペースト３３Ｐを、グリーンシート３１４の一方の面に焼成後に静電電極３２となる金属ペースト３２Ｐを図１のパターンになるように形成する。又、グリーンシート３１１及び３１２の貫通孔内、並びにグリーンシート３１３の一方の面及び貫通孔内に、焼成後に第１導体部３４１及び第２導体部３４２となる金属ペースト３４１Ｐ及び３４２Ｐを図１のパターンになるように形成する。
金属ペースト３４１Ｐは、例えば、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ５重量％）を主成分とし、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と有機材料とを混合したものである。金属ペースト３４２Ｐは、例えば、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ２６重量％）を主成分とし、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と有機材料とを混合したものである。
金属ペースト３４１Ｐ及び３４２Ｐの各々において、酸化ニッケルの添加量は、タングステンに対して、０．２ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。酸化ニッケルは、タングステン及びレニウムの焼結性を向上させるため、０．２ｗｔ％以上添加することが好ましい。一方、１．０ｗｔ％以上添加すると、タングステンの結晶が大きくなりすぎ、基体３１との十分な密着が得られない。導電性ペーストとグリーンシートとを同時焼成する上で、タングステンの平均粒径は、０．５μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。同様に、酸化ニッケルの平均粒径は、５．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。
酸化アルミニウムの添加量は、タングステンに対して、０．２ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であることが好ましい。酸化アルミニウムは、熱電対３４と酸化アルミニウムからなるセラミックスの基体３１との密着性を向上させるため０．２ｗｔ％以上添加することが好ましい。一方、３．０ｗｔ％より多く添加すると、焼結性が低下する。また、抵抗率が増加する。導電性ペーストとグリーンシートとを同時焼成する上で、酸化アルミニウムの平均粒径は、０．１μｍ以上４．０μｍ以下であることが好ましい。
二酸化ケイ素の添加量は、タングステンに対して、０．２ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であることが好ましい。二酸化ケイ素は、焼成時に液相となり、タングステン及びレニウムの焼結性、及び基体３１との密着性を向上させるため、０．２ｗｔ％以上添加することが好ましい。一方、３．０ｗｔ％より多く添加すると、焼結性、密着性が低下する。また、抵抗率が増加する。導電性ペーストとグリーンシートとを同時焼成する上で、二酸化ケイ素の平均粒径は、０．１μｍ以上１２．０μｍ以下であることが好ましい。
金属ペースト３２Ｐ、３３Ｐ、３４１Ｐ、及び３４２Ｐは、例えば、スクリーン印刷法により形成できる。なお、グリーンシート３１３の一方の面に形成する金属ペースト３４１Ｐ及び３４２Ｐは、例えば、焼成後の厚さが１０～３０μｍ程度、焼成後の幅が５０～３００μｍ程度になるように形成することができる。
次に、図２（ｂ）に示す工程では、図２（ａ）に示す工程で作製したグリーンシート３１１、３１２、３１３、３１４、及び３１５を順次積層した積層体を作製する。
次に、図２（ｃ）に示す工程では、第１線材部３４３及び第２線材部３４４を準備する。そして、図２（ｂ）に示す積層体のグリーンシート３１１の貫通孔内に充填された金属ペースト３４１Ｐに第１線材部３４３の一端を、グリーンシート３１１の貫通孔内に充填された金属ペースト３４２Ｐに第２線材部３４４の一端を挿入する。第１線材部３４３及び第２線材部３４４の線径は、例えば、５０～３００μｍ程度とすることができる。
次に、図３（ａ）に示す工程では、図２（ｃ）に示す積層体を焼成することにより、グリーンシート３１１、３１２、３１３、３１４、及び３１５が一体化して基体３１となる。又、金属ペースト３２Ｐ、３３Ｐ、３４１Ｐ、及び３４２Ｐから、静電電極３２、発熱体３３、第１導体部３４１、及び第２導体部３４２が形成される。又、第１導体部３４１と第１線材部３４３とが接合され、第２導体部３４２と第２線材部３４４とが接合される。以上により、静電チャック３０が完成する。積層体の焼成は、例えば、常圧で行うことができる。なお、焼成後の静電チャック３０の体積は、焼成前に比べて１０数％程度収縮する。
次に、図３（ｂ）に示す工程では、貫通孔１０ｘ及び１０ｙが形成されたベースプレート１０を準備し、ベースプレート１０の一方の面１０ａに接着層２０（未硬化）を形成する。そして、図３（ａ）で完成した静電チャック３０の第１線材部３４３を貫通孔１０ｘに、第２線材部３４４を貫通孔１０ｙに挿入しながら、接着層２０を介して、ベースプレート１０の一方の面１０ａに静電チャック３０を配置し、接着層２０を硬化させる。
次に、図３（ｃ）に示す工程では、例えば図示しない基板上に実装された制御部４０を、ベースプレート１０の他方の面１０ｂ側に固定する。この際、第１線材部３４３の他端及び第２線材部３４４の他端を、はんだ等を用いて、制御部４０と電気的に接続する。これにより、ベースプレート１０の一方の面１０ａに接着層２０を介して静電チャック３０が搭載された基板固定装置１が完成する。
このように、基板固定装置１の静電チャック３０において、基体３１は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるセラミックスであり、熱電対３４を有している。そして、熱電対３４の一方の脚である第１導体部３４１は、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ５重量％）を主成分とする焼結体である。又、他方の脚である第２導体部３４２は、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ２６重量％）を主成分とする焼結体である。更に、熱電対３４の各々の脚は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含んでいる。
熱電対３４の各々の脚となる導電性ペーストに酸化ニッケルを添加することにより、熱電対３４の起電力を大幅に低下させることなく、熱電対３４を構成する導電体におけるタングステン及びレニウムの焼結性が向上する。なお、熱電対は起電力が大きいほど精度良く測温が可能となるが、その起電力は材料の組み合わせによって決定される。従来は、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）とを主成分とする熱電対に他の成分が混ざると起電力が低下することが懸念されており、熱電対となる導電性ペーストに他の成分を添加することは行われていなかった。タングステン及びレニウムに酸化ニッケル等を添加しても熱電対の起電力を大幅に低下させないことは、発明者らによる新たな知見である。
又、熱電対３４の各々の脚となる導電性ペーストに酸化アルミニウムと二酸化ケイ素を添加することにより、基体３１を構成するセラミックスとタングステンとの密着性、すなわち基体３１と熱電対３４との密着性が向上する。従って、焼結助剤を用いる必要がないため、基体３１を構成するセラミックスの特性を劣化させるおそれを低減できる。具体的には、例えば、焼結助剤を含むことによってセラミックスの絶縁抵抗の温度依存性が大きくなり、使用環境の温度上昇に伴って体積抵抗率が大きく低下するが、焼結助剤を用いないことで、使用環境の温度上昇に伴う体積抵抗率の低下を抑制できる。
又、タングステンの成分及び酸化ニッケルの成分は基体３１を構成するセラミックス内には存在せずに熱電対３４の各々の脚のみに存在する。そして、酸化アルミニウムの成分及び二酸化ケイ素の成分は基体３１を構成するセラミックス内と熱電対３４の各々の脚内の両方に存在する。具体的には、基体３１を構成するセラミックス内において、二酸化ケイ素の成分は基体３１を構成するセラミックスと熱電対３４の各々の脚との境界から２０μｍの範囲内のみに存在する。そして、その範囲内にアルミニウムとケイ素の複合酸化物層（ムライト層、シリマイト層、又はムライト層とシリマイト層とが混在した層）が形成される。そのため、Ｓｉ成分が複合酸化物層より以遠に拡散しないため、基体３１を構成するセラミックスの特性を劣化させるおそれを低減できる。なお、複合酸化物層の範囲は、導電性ペーストに添加するアルミナとシリカの添加量によって可変可能である。
更に、静電電極３２は、タングステン（Ｗ）を主成分とし、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含む焼成体であることが好ましい。
静電電極３２となる導電性ペーストに酸化ニッケルを添加することにより、静電電極３２を構成する導電体におけるタングステンの焼結性が向上する。又、静電電極３２となる導電性ペーストに酸化アルミニウムと二酸化ケイ素を添加することにより、基体３１を構成するセラミックスとタングステンとの密着性が向上する。従って、焼結助剤を用いる必要がないため、基体３１を構成するセラミックスの特性を劣化させるおそれを低減できる。
又、基体３１を構成するセラミックスは、酸化アルミニウムの純度が９９．５％以上であることが好ましい。これにより、基体３１において、絶縁抵抗の温度依存性が少なく、温度上昇に対する絶縁抵抗の低下を抑制できる。
又、基体３１を構成するセラミックスは、酸化アルミニウムに対する相対密度が９７％以上であることが好ましい。このような基体３１は、表面及び内部の気孔が少ない。気孔は、基体３１の吸着に影響する。従って、高い相対密度の基体３１は、基板固定装置１として特性上好ましいものとなる。
又、基板固定装置１では、静電チャック３０の基体３１と熱電対３４とを同時焼成により形成するため、製造工程の簡略化が可能となる。同時焼成は、大気圧下で行うことができる。
又、基板固定装置１では、第１導体部３４１と第１線材部３４３、及び第２導体部３４２と第２線材部３４４を、基体３１との同時焼成により直接接合する。従って、従来の基板固定装置のように、これらの接合にパッドを用いる必要がないため、基体３１内に熱電対３４を高密度に配置することができる。又、基体に溝を設けて市販の熱電対を挿入する構造の周知の基板固定装置と比較した場合も、基体３１内に熱電対３４を高密度に配置することができる。
又、基板固定装置１では、セラミックスに焼結助剤を含まないため、１３００℃以上の温度環境下や酸系の雰囲気下でも使用可能である。
なお、基板固定装置１を完成品として出荷することができるが、図３（ａ）に示す静電チャック３０を完成品として出荷してもよい。この場合には、静電チャック３０を入手した者が、必要なときに図３（ｂ）及び図３（ｃ）の工程を実行することで、基板固定装置１を得ることができる。
又、基板固定装置１は、制御部を有していなくてもよい。つまり、熱電対３４から得られる熱起電力に基づいて基体３１の温度を算出し、発熱体３３に印加する電圧を制御する制御部を基板固定装置１と別体としてもよい。この場合、第１線材部３４３及び第２線材部３４４の第１導体部３４１及び第２導体部３４２と接合されていない側の端部（第１線材部３４３の他端及び第２線材部３４４の他端）がベースプレート１０の他方の面１０ｂから突出する。ベースプレート１０の他方の面１０ｂから突出する第１線材部３４３及び第２線材部３４４の端部は、必要なときに必要な位置で制御部と電気的に接続することができる。
〈第２実施形態〉
第２実施形態では、セラミックス基板と熱電素子とを備えた熱電部品の例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部品についての説明は省略する場合がある。
図４は、第２実施形態に係る熱電部品を例示する図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は断面図である。図４に示すように、熱電部品５は、基体となるセラミックス基板５１と、セラミックス基板５１の中の厚さ方向の異なる位置に配置された第１導体層及び第２導体層と、第１導体層と第２導体層とを電気的に接続するビア５３及び５４とを有するセラミックス構造体である。
セラミックス基板５１は、複数枚（例えば３枚）のグリーンシートを焼結して作製することができる。セラミックス基板５１内の第１導体層及び第２導体層に、複数の熱電対＋脚５５（第１導体部）及び複数の熱電対－脚５６（第２導体部）が形成されている。
複数の熱電対＋脚５５と複数の熱電対－脚５６は、隣接して交互に配置されている。そして、第１導体層及び第２導体層において、熱電対＋脚５５と熱電対－脚５６が接合し電気的に接続されている。そして、例えば第１導体層において、直列に接続された複数の熱電対素子対の一端側には外部電極端子５７が設けられ、他端側には外部電極端子５８が設けられている。なお、図４では、便宜上、熱電対＋脚５５と複数の熱電対－脚５６とを異なる梨地模様で示している。ビア５３は熱電対＋脚５５と同じ材料で形成され、ビア５４は熱電対－脚５６と同じ材料で形成されている。
セラミックス基板５１は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるセラミックスである。セラミックス基板５１は、酸化アルミニウムの純度が９９．５％以上であることが好ましい。セラミックス基板５１は、酸化アルミニウムに対する相対密度が９７％以上であることが好ましい。セラミックス基板５１は、酸化アルミニウムの平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。
熱電対＋脚５５は、例えば、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ５重量％）を主成分とする焼結体であり、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含んでいる。熱電対－脚５６は、例えば、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ２６重量％）を主成分とする焼結体であり、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含んでいる。各成分の好ましい平均粒径や好ましい添加量等は、第１導体部３４１及び第２導体部３４２の場合と同様である。
熱電部品５において、セラミックス基板５１の上面側を高温にし、セラミックス基板５１の下面側を低温にすると、熱電部品５に熱起電力が発生し、外部電極端子５７と外部電極端子５８との間から電流を取り出すことができる。
このように、熱電対＋脚５５と熱電対－脚５６に酸化ニッケルを添加することにより、熱電対の起電力を大幅に低下させることなく、熱電対の各脚を構成する導電体におけるタングステン及びレニウムの焼結性が向上する。
又、熱電対＋脚５５と熱電対－脚５６に酸化アルミニウムと二酸化ケイ素を添加することにより、基体となるセラミックス基板５１を構成するセラミックスとタングステン及びレニウムとの密着性、すなわち基体と熱電対の各脚との密着性が向上する。従って、焼結助剤を用いる必要がないため、基体を構成するセラミックスの特性を劣化させるおそれを低減できる。その他の効果についても、第１実施形態の場合と同様である。
以下、実施例及び比較例を挙げてセラミックス構造体について更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
セラミックス材料が酸化アルミニウムからなり、焼結助剤を含む、グリーンシートを準備した。そして、このグリーンシートの表面に、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ５重量％）を主成分とし、タングステン粉末量に対して酸化ニッケル粉末を０．５ｗｔ％添加した導電性ペースト（＋脚用）を印刷した。又、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ２６重量％）を主成分とし、タングステン粉末量に対して酸化ニッケル粉末を０．５ｗｔ％添加した導電性ペースト（－脚用）を印刷した。そして、グリーンシートと２種類の導電性ペーストを大気圧下で同時に焼成し、図５に示すパターンの熱電対のサンプル３００Ａを作製した。
同様に、セラミックス材料が酸化アルミニウムからなり、焼結助剤を含む、グリーンシートを準備した。そして、このグリーンシートの表面に、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ５重量％）を主成分とする導電性ペースト（＋脚用）を印刷した。又、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金（Ｒｅ２６重量％）を主成分とする導電性ペースト（－脚用）を印刷した。そして、グリーンシートと２種類の導電性ペーストを大気圧下で同時に焼成し、図５に示すパターンの熱電対のサンプル３００Ｂを作製した。
次に、図５に示すＭ１～Ｍ４を測定点とし、サンプル３００Ａ及び３００Ｂの各々について、各測定点における起電力を測定した。図６（ａ）はサンプル３００Ａの測定結果、図６（ｂ）はサンプル３００Ｂの測定結果である。図６（ａ）に示すようにサンプル３００Ａは平均で約１０．２μＶ／℃、図６（ｂ）に示すようにサンプル３００Ｂは平均で約９．９μＶ／℃であった。この結果から、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）との合金に酸化ニッケルを添加しても、十分な起電力が発生していることがわかる。
次に、セラミックス材料が酸化アルミニウムからなり、焼結助剤を含まない、グリーンシートを準備した。そして、このグリーンシートの表面に、タングステン粉末量に対して酸化ニッケル粉末を０．５ｗｔ％、酸化アルミニウム粉末を２．０ｗｔ％、二酸化ケイ素粉末を２．０ｗｔ％添加した導電性ペーストを印刷し、大気圧下で同時に焼成し、実施例に係るサンプル３００Ｃを作製した。
図７は、サンプル３００Ｃの＋脚の断面のＥＰＭＡ分析結果である。図８は、サンプル３００Ｃの－脚の断面のＥＰＭＡ分析結果である。図７及び図８より、サンプル３００Ｃにおいては、Ｓｉ成分が導電体（焼成後の導電性ペースト）とセラミックス（焼成後のグリーンシート）の両者に存在し、特にセラミックスにおいては境界近傍（境界を含んでセラミックス側に２０μｍ以内の範囲）にのみ存在することを確認した。
このように、Ｓｉ成分は境界を含んでセラミックス側に２０μｍ以内の範囲にのみ存在し、それ以遠に拡散しないため、セラミックスの特性を劣化させるおそれを低減できる。
次に、サンプル３００Ｃの導電体（焼成後の導電性ペースト）を表面から削り、セラミックスが露出した部分のＸＲＤ分析を行った。結果を図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す。図９（ａ）は＋脚のデータ、図９（ｂ）は－脚のデータである。図９（ａ）及び図９（ｂ）より、サンプル３００Ｃのセラミックスが露出した部分に、ムライト、シリマナイト、又はその両者が混在する結晶相が形成されていることを確認した。
導電性ペーストに添加したシリカのＳｉ成分は、焼成後に導電体に留まるものとセラミックス側に拡散するものに分かれる。導電体からセラミックス側に拡散したＳｉ成分は、導電体とセラミックスとの境界近傍のＡｌとＳｉの複合酸化物層の形成に消費されるため、セラミックスの内部へは拡散していかない。導電体とセラミックスとの境界近傍に形成されるＡｌとＳｉの複合酸化物層は、導電体とセラミックスとの密着性の向上に大きく寄与していると考えられる。
又、ムライトの化学式は３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２（Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３）、シリマナイトの化学式はＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２（Ａｌ２ＳｉＯ５）である。上記ＡｌとＳｉの複合酸化物層の範囲は、導電性ペーストに添加するアルミナとシリカの添加量によって、ある程度のコントロールが可能である。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、本発明に係る基板固定装置の吸着対象物としては、ウェハ（シリコンウエハ等）以外に、液晶パネル等の製造工程で使用されるガラス基板等を例示することができる。
１ 基板固定装置
５ 熱電部品
１０ ベースプレート
１０ｘ、１０ｙ 貫通孔
２０ 接着層
３０ 静電チャック
３１ 基体
３１ａ 載置面
３２ 静電電極
３２Ｐ、３３Ｐ、３４１Ｐ、３４２Ｐ 金属ペースト
３３ 発熱体
３４ 熱電対
３４ｃ 測温接点
４０ 制御部
５１ セラミックス基板
５３、５４ ビア
５５ 熱電対＋脚
５６ 熱電対－脚
５７、５８ 外部電極端子
３１１、３１２、３１３、３１４、３１５ グリーンシート
３４１ 第１導体部
３４１ａ 第１水平部
３４１ｂ 第１垂直部
３４２ 第２導体部
３４２ａ 第２水平部
３４２ｂ 第２垂直部
３４３ 第１線材部
３４４ 第２線材部

Claims (15)

  1. 基体と、
    前記基体と接する部分を有する熱電素子と、を有し、
    前記基体は、酸化アルミニウムからなるセラミックスであり、
    前記熱電素子は、タングステンとレニウムとの合金を主成分とし、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素を含む焼成体である導体部を含むセラミックス構造体。
  2. 前記導体部は、タングステンに対して酸化ニッケルの添加量が０．２～１．０ｗｔ％である請求項１に記載のセラミックス構造体。
  3. 前記導体部は、タングステンに対して酸化アルミニウムの添加量が０．２～３．０ｗｔ％、二酸化ケイ素の添加量が０．２～３．０ｗｔ％である請求項１又は２に記載のセラミックス構造体。
  4. 前記導体部に含まれるタングステンの平均粒径が０．５μｍ～３．０μｍ、レニウムの平均粒径が１．５μｍ～４．５μｍ、酸化ニッケルの平均粒径が５．０μｍ～１５．０μｍ、酸化アルミニウムの平均粒径が０．１μｍ～４．０μｍ、二酸化ケイ素の平均粒径が０．１μｍ～１２．０μｍである請求項１乃至３の何れか一項に記載のセラミックス構造体。
  5. タングステンの成分、レニウムの成分、及びニッケルの成分は前記基体内には存在せずに前記導体部内のみに存在し、アルミニウムの成分及びケイ素の成分は前記基体内と前記導体部内の両方に存在する請求項１乃至４の何れか一項に記載のセラミックス構造体。
  6. 前記基体内において、ケイ素の成分は前記基体と前記導体部との境界から２０μｍの範囲内のみに存在する請求項５に記載のセラミックス構造体。
  7. 前記基体と前記導体部との境界から２０μｍの範囲内に、アルミニウムとケイ素の複合酸化物層が形成されている請求項６に記載のセラミックス構造体。
  8. 前記複合酸化物層は、ムライト層、シリマイト層、又はムライト層とシリマイト層とが混在した層である請求項７に記載のセラミックス構造体。
  9. 前記基体は、酸化アルミニウムの純度が９９．５％以上である請求項１乃至８の何れか一項に記載のセラミックス構造体。
  10. 前記基体は、酸化アルミニウムに対する相対密度が９７％以上である請求項１乃至９の何れか一項に記載のセラミックス構造体。
  11. 前記基体は、酸化アルミニウムの平均粒径が１．０μｍ～３．０μｍである請求項１乃至１０の何れか一項に記載のセラミックス構造体。
  12. 前記導体部は、第１導体部及び第２導体部を含み、
    前記熱電素子は、前記第１導体部と前記第２導体部の一端同士が接合されて測温接点を形成する熱電対であり、
    前記第１導体部は、タングステンとレニウムとの合金（Ｒｅ５重量％）を主成分とし、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素を含む焼成体であり、
    前記第２導体部は、タングステンとレニウムとの合金（Ｒｅ２６重量％）を主成分とし、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素を含む焼成体である請求項１乃至１１の何れか一項に記載のセラミックス構造体。
  13. 前記第１導体部及び前記第２導体部は複数個ずつ設けられ、前記第１導体部と前記第２導体部は隣接して交互に配置されている請求項１２に記載のセラミックス構造体。
  14. 請求項１乃至１２の何れか一項に記載のセラミックス構造体において、前記基体に内蔵された静電電極を有する静電チャック。
  15. ベースプレートと、
    前記ベースプレートの一方の面に搭載された請求項１４に記載の静電チャックと、を有する基板固定装置。
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