(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハの載置面を有するセラミックス製板状体の下面に、金属からなる真空気密用筒体のフランジ部を接合するとともに、該フランジ部の下面に上記板状体との熱膨張率差が２×１０−６／℃以下の材質からなる応力緩和リングを接合して、該応力緩和リングと上記板状体で上記フランジ部を挟むようにしたことを特徴とするウェハ保持装置。
【請求項２】
上記応力緩和リングの厚みが１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のウェハ保持装置。
【請求項３】
上記筒体は、上記板状体との熱膨張率差が６×１０−６／℃以下の金属からなることを特徴とする請求項１または２記載のウェハ保持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体や液晶の製造装置において、半導体ウェハや液晶用ガラス等のウェハを保持・加工するために使用するウェハ保持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程で、半導体ウェハに成膜を施すＰＶＤ装置、ＣＶＤ装置や、そのウェハに微細加工処理を施すドライエッチング装置において、ウェハはチャンバー内でサセプターや静電チャック等に保持され、このチャンバー内を真空、高温に保持して加工が行われている。
【０００３】
例えば図３に示すウェハ保持装置は、サセプターと呼ばれる板状体１１にウェハ３０を載置する載置面１１ａを形成し、その内部に発熱抵抗体１２を備えている。また、板状体１１の下面側に、気密封止用の筒体１３のフランジ部１３ａをロウ材１４によって気密接合し、この筒体１３の下端に備えたフランジ部１３ｂをＯリング１７を介してチャンバー１８の底面に気密接合している。
【０００４】
また、上記筒体１３内側の板状体１１の下面には、発熱抵抗体１２への通電端子２１や、熱電対等の板状体１１の温度検出素子２２、あるいは測温用光ファイバー等のウェハ３０の温度検出素子２３等を備えており、これらの導線が筒体１３の内側を通って外側へ導出される。
【０００５】
このウェハ保持装置を使用する場合は、板状体１１にウェハ３０を載置しておいて、チャンバー１８の内部を真空にし、発熱抵抗体１２及び温度検出素子２２、２３によって、ウェハ３０が一定温度となるように加熱しながら各種加工を行う。
【０００６】
この時、筒体１３の上下端はそれぞれ気密接合してあるため、この筒体１３の内側は、チャンバー１８の内部と完全に遮断することができる。即ち、チャンバー１８の内部は１０−９ｔｏｒｒ／ｓｅｃ以下程度の高真空、高温とし、腐食性ガスを導入するが、筒体１３の内側は外部と連通した大気雰囲気とすることができる。
【０００７】
そのため、温度検出素子２２、２３や通電端子２１等の部材がチャンバー１８内部の高温で腐食性の雰囲気に曝されることがなく、耐久性を高くできるとともに、チャンバー１８の内部に不純物やパーティクルが混入することを防止できるのである。
【０００８】
また、上記板状体１１の材質として、近年、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられ、一方上記筒体１３は金属で形成されており、熱膨張差を緩和するために、筒体１３の肉厚を０．１〜２ｍｍ程度と薄くすることが行われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体製造工程では、１００〜３００℃、さらには６００℃程度の高温条件でウェハ３０を加工することが多く、上記ウェハ保持装置のチャンバー１８内部は常温から上記加工温度の間での熱サイクルが加わることになる。
【００１０】
そのため、この熱サイクルによる繰り返し応力が、筒体１３と板状体１１とのロウ材１４による接合部に集中して発生することによって、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように筒体１３のフランジ部１３ａがクリープ変形して接合部に隙間が生じてしまうという不都合があった。その結果、数サイクルから数十サイクルの使用で、ガスリークが発生し、半導体製造装置に要求される高真空状態を維持できなくなるという問題があった。
【００１１】
なお、この問題を解決するために、筒体１３としてセラミック製板状体１１と熱膨張が近似した金属を用いたり、ロウ材１４として熱膨張差を緩和できるような低ヤング率のロウを用いる等の対策が提案されている。
【００１２】
しかし、筒体１３やロウ材１４はチャンバー１８内の雰囲気に曝されることから、
▲１▼処理工程で用いられる腐食性ガスに対する耐食性があること、
▲２▼高温の真空雰囲気で溶融、液化反応を生じないこと
が求められており、そのため、一般的な低熱膨張金属が使用できなかった。例えばＷ，Ｍｏ等は耐酸化性が悪く、ロウ材との反応性が高い。また、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｒｅ等は腐食性ガスに対する耐食性が悪くチャンバー１８内の環境を悪化させるため使用できなかった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、ウェハの載置面を有するセラミックス製板状体の下面に、真空気密用筒体のフランジ部を接合するとともに、該フランジ部の下面に応力緩和リングを接合してウェハ保持装置を構成したことを特徴とする。
【００１４】
即ち、セラミックス製の板状体と金属製の筒体を接合し、温度変化があった場合、熱膨張差に伴ってヤング率の低い筒体のフランジ部に変形が生じやすいが、本発明ではフランジ部の下方に応力緩和リングを接合して、フランジを両側から拘束し、変形を防止するようにしたものである。
【００１５】
また本発明は、ウェハの載置面を有するセラミックス製板状体の下面に、該板状体と同程度の熱膨張率を有するセラミックス製の真空気密用筒体を気密接合してウェハ保持装置を構成したことを特徴とする。
【００１６】
即ち、筒体を板状体と同程度の熱膨張率を有するセラミックスとすることによって、熱膨張差をなくすとともに、筒体自体の変形を防止するようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明のウェハ保持装置の実施形態を図によって説明する（従来例と同一部分は同一符号で表す）。
【００１８】
図１に示すウェハ保持装置は、サセプターと呼ばれるセラミックス製の板状体１１にウェハ３０を載置する載置面１１ａを形成し、その内部に発熱抵抗体１２を備えている。また、板状体１１の下面側に、気密封止用の金属製筒体１３のフランジ部１３ａをロウ材１４によって気密接合し、このフランジ部１３ａの下面にロウ材１５によって応力緩和リング１６を接合してある。さらに、筒体１３の下端に備えたフランジ部１３ｂはＯリング１７を介してチャンバー１８の底面に気密接合している。
【００１９】
また、上記筒体１３内側の板状体１１の下面には、発熱抵抗体１２への通電端子２１や、熱電対等の板状体１１の温度検出素子２２等を備えており、これらの導線が筒体１３の内側を通って外側へ導出される。
【００２０】
このウェハ保持装置を使用する場合は、板状体１１にウェハ３０を載置しておいて、チャンバー１８の内部を真空にし、発熱抵抗体１２及び温度検出素子２２、２３によって、ウェハ３０が一定温度となるように加熱しながら各種加工を行う。
【００２１】
この時、筒体１３の上下端はそれぞれ気密接合してあるため、この筒体１３の内側は、チャンバー１８の内部と完全に遮断することができる。即ち、チャンバー１８の内部は１０−９ｔｏｒｒ／ｓｅｃ以下程度の高真空、高温とし、腐食性ガスを導入するが、筒体１３の内側は外部と連通した大気雰囲気とすることができる。
【００２２】
そのため、温度検出素子２２、２３や通電端子２１等の部材がチャンバー１８内部の高温で腐食性の雰囲気に曝されることがなく、耐久性を高くできるとともに、チャンバー１８の内部に不純物やパーティクルが混入することを防止できるのである。
【００２３】
また本発明では、筒体１３のフランジ部１３ａの下面に応力緩和リング１６を接合したことによって、熱サイクルが加わってもこの接合部に隙間が生じにくくすることができる。
【００２４】
即ち、上記接合部を図２（Ａ）に拡大して示すように、セラミックス製の板状体１１の下面にメタライズ層を形成しておいて、ロウ材１４によって金属製の筒体１３のフランジ部１３ａを接合する。また該フランジ部の反対側の下面には、ロウ材１５を介して断面が四角形状の応力緩和リング１６を接合してある。
【００２５】
そのため、熱サイクルが加わったときに、熱膨張差が生じても筒体１３のフランジ部１３ａが板状体１１と応力緩和リング１６で挟まれて拘束されているために、変形することを防止できる。その結果、ロウ材１４部分に隙間が生じにくく、ガスリークの発生を防止できるのである。
【００２６】
なお応力緩和リング１６の材質としては、金属やセラミックス等を用いることができるが、上記のような効果を奏するためには、板状体１１と熱膨張率が近似したものを用いる必要があり、具体的には板状体１１との熱膨張率差が２×１０−６／℃以下のものが好ましい。特に、板状体１１と同じ主成分のセラミックスを用いれば最適である。
【００２７】
また、応力緩和リング１６の厚みｔは１ｍｍ以上とすることが好ましい。これは、厚みｔが１ｍｍ未満では、フランジ部１３ａの変形を防止する効果が乏しいためである。
【００２８】
さらに、他の実施形態として、図２（Ｂ）に示すように、筒体１３のフランジ部１３ａを外側と内側の両方に延びる形状として、ロウ材１４による接合部の幅を大きくすることもできる。この場合は、応力緩和リング１６は、筒体１３の外側（真空側）又は内側（大気側）のいずれか一方又は両方に備えれば良い。
【００２９】
以上の実施例において、板状体１１を成すセラミックスとしては、Ａｌ２  Ｏ３  ，ＡｌＮ，ＺｒＯ２  ，ＳｉＣ，Ｓｉ３  Ｎ４  等の一種以上を主成分とするセラミックスを用いる。これらの中でも特に耐プラズマ性の点から、９９重量％以上のＡｌ２  Ｏ３  を主成分としＳｉＯ２  ，ＭｇＯ，ＣａＯ等の焼結助剤を含有するアルミナセラミックスや、ＡｌＮを主成分とし周期律表２ａ族元素酸化物や３ａ族元素酸化物を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重量％以上のＡｌＮを主成分とする高純度窒化アルミニウム質セラミックスのいずれかが好適である。
【００３０】
したがって、応力緩和リング１６の材質としても、上記板状体１１と同様のセラミックスを用いることが好ましい。
【００３１】
また、筒体１３の材質としては耐食性が高く、上記板状体１１との熱膨張率差が６×１０−６／℃以下の金属を用いる。これは、熱膨張率差が６×１０−６／℃を超えると、ロウ付け直後にセラミックスの接合界面にクラックが生じやすくなるためである。具体的には、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等を用いれば良い。
【００３２】
さらに、ロウ材１４、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、具体的にはＡｇ−Ｃｕ系、Ｔｉ−Ｃｕ−Ａｇ系等のロウを用いる。
【００３３】
次に本発明の他の実施形態を説明する。
【００３４】
以上の例では筒体１３を金属で形成したが、筒体１３をセラミックスで形成することもできる。即ち、図３に示すような構造のウェハ保持装置において、筒体１３をセラミックスで形成し、そのフランジ部１３ａとセラミックス製板状体１１の下面とをロウ材１４によって接合することもできる。
【００３５】
このようにすれば、熱サイクルが加わっても筒体１３が変形することがなく、接合部に隙間が生じることを防止できる。なお、このような効果を奏するためには、筒体１３を成すセラミックスとして、板状体１１との熱膨張率差が２×１０−６／℃以下のものを用いることが好ましく、特に板状体１１と同じ主成分のセラミックスを用いれば最適である。
【００３６】
【実施例】
実施例１
本発明実施例として、図１に示すウェハ保持装置を試作した。
【００３７】
板状体１１は直径８インチ（約２００ｍｍ）の円板状で、ＡｌＮ含有量９９．９重量％以上の高純度窒化アルミニウム質セラミックスで形成した。上記ＡｌＮの一次原料をメタノールに混合し一次粉砕調合して平均粒径１μｍとした後、１０％の有機バインダーを添加し二次調合スラリーとした。このスラリーをスプレードライヤーにて造粒し、所定の造粒粉体を作製した。この造粒粉体を０．８ｔｏｎでＣＩＰ成形した後、さらに切削加工により所定の寸法に加工した。この後、５００℃の酸化雰囲気にて脱脂を行い、Ｎ２  雰囲気にて２０００℃、５時間の焼成を行った。得られた焼結体は比重が３．２６ｇ／ｃｍ３  と理論密度に対して充分な焼結密度を有しており、その熱膨張率は５×１０−６／℃であった。
【００３８】
また、筒体１３は、筒部の直径が１５０ｍｍで、肉厚０．５ｍｍとし、その材質は、
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／℃
の４種類の金属を用いた。
【００３９】
さらに、応力緩和リング１６は、上記板状体１１と同じ窒化アルミニウム質セラミックスで形成し、幅は５ｍｍ、厚みｔは０．５、１、５、１０ｍｍの４種類のものを用意した。
【００４０】
上記板状体１１、筒体１３、応力緩和リング１６をロウ付けで接合する際は、予め板状体１１と応力緩和リング１６の所定箇所にＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ系のロウ材を用いて８００℃で表面にメタライズ層を形成し、この表面にＮｉメッキを施した。一方筒体１３のフランジ部１３ａにもＮｉメッキを施した。これらに対し、ロウ材１４、１５としてＡｇ−Ｃｕ系のロウを用いて８５０℃の真空中でロウ付けを行った。
【００４１】
また比較例として、応力緩和リング１６を接合しないものも用意した。
【００４２】
これらのウェハ保持装置を用いて、実際のＰＶＤ装置中で、常温から５５０℃の熱サイクルを加えた後の接合部のリークの有無を調べる実験を行った。
【００４３】
まず、応力緩和リング１６の厚みｔを５ｍｍとし、筒体１３の材質を変化させ、５０サイクルの熱サイクルを加えた場合の結果を表１に示す。この結果より、応力緩和リング１６を備えないものは、接合部に隙間が発生して、リークが生じたのに対し、本発明実施例である応力緩和リング１６を備えたものでは、リークが生じなかった。
【００４４】
ただし、筒体１３としてステンレスを用いたものでは、板状体１１との熱膨張率差が６×１０−６／℃を超えるため、ロウ付け後にクラックが発生してしまった。また、筒体１３としてタングステンを用いたものでは、耐食性が悪く実用上使用不可能であった。
【００４５】
【表１】
0003545866.tif 000002
【００４６】
次に、筒体１３としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用い、応力緩和リング１６の厚みｔを変化させたものについて、リークが発生するまでの熱サイクル数を求める実験を行った。
【００４７】
結果は表２に示す通り、厚みｔが１ｍｍ以上あれば５０サイクル以上の耐久性がり、５ｍｍ以上あれば２００サイクル以上の耐久性があることが判った。
【００４８】
【表２】
0003545866.tif 000003
【００４９】
実施例２
次に、板状体１１と応力緩和リング１６をアルミナセラミックスで形成し、その他は実施例１と同様にしてウェハ保持装置を試作した。
【００５０】
板状体１１及び応力緩和リング１６は、Ａｌ２  Ｏ３  ９９．９重量％以上のアルミナ原料を用いて、一次原料を水に混合して一次粉砕調合し、平均粒径０．５μｍ以下とした後、１０％の有機バインダーを添加し二次調合スラリーとした。このスラリーをスプレードライヤーで造粒し、所定の造粒粉体を作製した。この造粒粉体を０．８ｔｏｎでＣＩＰ成形した後、切削加工により所定の寸法に加工した。この成形体を酸化雰囲気中約１８００℃、５時間の条件で焼成した。得られた焼結体の比重は３．９ｇ／ｃｍ３  とその理論密度に対して充分な焼結密度を有しており、熱膨張率は７．１×１０−６／℃であった。
【００５１】
また、筒体１３の材質は、
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／℃
の４種類の金属を用いた。
【００５２】
板状体１１、筒体１３、応力緩和リング１６をロウ付けで接合する際は、予め板状体１１と応力緩和リング１６の所定箇所にＭｏ−Ｍｎ系のロウ材を用いて１１００℃で表面にメタライズ層を形成し、この表面にＮｉメッキを施した。一方筒体１３のフランジ部１３ａにもＮｉメッキを施した。これらに対し、ロウ材１４、１５としてＡｇ−Ｃｕ系のロウを用いて８５０℃の真空中でロウ付けを行った。
【００５３】
また比較例として、応力緩和リング１６を接合しないものも用意した。
【００５４】
これらのウェハ保持装置を用いて、実際のＰＶＤ装置中で、常温から５５０℃の熱サイクルを加えた後の接合部のリークの有無を調べる実験を行った。
【００５５】
まず、応力緩和リング１６の厚みｔを５ｍｍとし、筒体１３の材質を変化させ、５０サイクルの熱サイクルを加えた場合の結果を表３に示す。この結果より、応力緩和リング１６を備えないものは、接合部に隙間が発生して、リークが生じたのに対し、本発明実施例である応力緩和リング１６を備えたものでは、リークが生じなかった。
【００５６】
ただし、筒体１３としてステンレスを用いたものでは、板状体１１との熱膨張率差が６×１０−６／℃を超えるため、ロウ付け後にクラックが発生してしまった。また、筒体１３としてモリブデンを用いたものでは、耐食性が悪く実用上使用不可能であった。
【００５７】
【表３】
0003545866.tif 000004
【００５８】
次に、筒体１３としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用い、応力緩和リング１６の厚みｔを変化させたものについて、リークが発生するまでの熱サイクル数を求める実験を行った。
【００５９】
結果は表４に示す通り、厚みｔが１ｍｍ以上あれば５０サイクル以上の耐久性がり、５ｍｍ以上あれば２００サイクル以上の耐久性があることが判った。
【００６０】
【表４】
0003545866.tif 000005
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ウェハの載置面を有するセラミックス製板状体の下面に、真空気密用筒体のフランジ部を接合するとともに、該フランジ部の下面に応力緩和リングを接合してウェハ保持装置を構成したことによって、熱サイクルが加わっても筒体のフランジ部が変形しにくいことから、板状体との接合部がガスリークを起こさず、長期間良好に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウェハ保持装置を示す断面図である。
【図２】本発明のウェハ保持装置における板状体と筒体との接合部を示す拡大断面図である。
【図３】従来のウェハ保持装置を示す断面図である。
【図４】従来のウェハ保持装置における板状体と筒体との接合部を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１１：板状体
１１ａ：載置面
１２：発熱抵抗体
１３：筒体
１３ａ：フランジ部
１４：ロウ材
１５：ロウ材
１６：応力緩和リング
１７：Ｏリング
１８：チャンバー
２１：通電端子
２２：温度検出素子
３０：ウェハ
【図１】
0003545866.tif 000006
【図２】
0003545866.tif 000007
【図３】
0003545866.tif 000008
【図４】
0003545866.tif 000009