(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体製造工程で用いるウェハチャックであって、軸と端部を有するシャフトと、前記シャフトの端部に接合されて前記シャフトを越えて前記軸から半径方向外向きに延びる部分を有するプレートであって前記部分で延びる凹部を有しているプレートと、前記プレートの前記部分に配置された温度センサと、半導体製造工程中に前記温度センサの周りで前記プレートの温度を測定するために前記温度センサから前記凹部およびシャフトを貫通して延びる電気リード線と、を備えているウェハチャックにおいて、
前記凹部が、重量比９２％より多くのアルミニウムを含むアルミニウムろう付け要素からできたアルミニウム接合部によって腐食性処理ガスから気密的にシールされ、前記プレートは前記アルミニウム接合部のまわりに拡散層を有しない、
ことを特徴とするウェハチャック。
【請求項２】
前記プレートは、セラミック製プレートである、
請求項１に記載のウェハチャック。
【請求項３】
前記温度センサから半径方向に距離をおいて前記プレートの一部分に配置された追加の温度センサと、前記追加の温度センサの周りで前記プレートの温度を測定するために前記追加の温度センサから前記シャフトを貫通して延びる追加の電気リード線とをさらに備えている、
請求項１に記載のウェハチャック。
【請求項４】
前記温度センサの周りの前記プレートを加熱するための第１ヒータと、前記第１ヒータから独立している前記追加の温度センサの周りの前記プレートを加熱するための第２ヒータとをさらに備えている、
請求項３に記載のウェハチャック。
【請求項５】
前記プレートは、少なくとも第１プレート層と、前記第１プレート層に隣接して気密接合された第２プレート層とから形成され、前記第１プレート層は第１表面を有し、前記第２プレート層は前記第１表面に対向する第２表面を有し、前記第１及び前記第２表面のうちの少なくとも一方は、前記第１及び前記第２プレート層間で前記温度センサと前記シャフトとの間に延び前記電気リード線を収容する凹部を形成する凹部を内部に有している、
請求項３に記載のウェハチャック。
【請求項６】
前記凹部は、前記電気リード線を収容する第１通路と、前記追加の電気リード線を収容する第２通路とを有している、
請求項５に記載のウェハチャック。
【請求項７】
前記凹部は、前記軸を中心とする円柱形キャビティを含む、
請求項５に記載のウェハチャック。
【請求項８】
前記アルミニウム接合部が、少なくとも摂氏８００度の温度に加熱されたアルミニウムろう付け要素から形成されたアルミニウム接合部である、
請求項１に記載のウェハチャック。
【請求項９】
前記温度センサは、熱電対である、
請求項１に記載のウェハチャック。
【請求項１０】
前記プレートは、少なくとも、第１プレート層と、前記第１プレート層に隣接して気密的に接合された第２プレート層とから形成され、
前記第１プレート層は第１表面を有し、前記第２プレート層は前記第１表面に対向する第２表面を有し、前記第１表面及び第２表面の少なくとも一方は、前記電気リード線を収容することができるように、前記部分に延びる凹部を形成する凹部を、前記第１プレート層と第２プレート層の間で内部に有している、
請求項１に記載のウェハチャック。
【請求項１１】
前記第１表面および第２表面のそれぞれが、内部に凹部を有し、これら前記凹部が、前記電気リード線を収容することができるように、前記部分内で前記第１プレート層と第２プレート層の間で延びる凹部を形成するように互いに対向している、
請求項１０に記載のウェハチャック。
【請求項１２】
前記プレートの前記部分が、下側表面と、前記軸から前記下側表面を覆って径方向外方に延びる細長いカバープレートとを有し、前記凹部が前記電気リード線を収容するように前記下側表面とカバープレートとの少なくとも一方に形成され、前記カバープレートが、前記アルミニウム接合部によって前記下側表面に腐食性処理ガスから気密的にシールされている、
請求項１に記載のウェハチャック。
【請求項１３】
前記プレートの前記部分が、平坦面と、前記軸から前記平坦面内を径方向外方に延びる長孔とを有し、前記長孔の一部が前記下側表面である、
請求項１２に記載のウェハチャック。
【請求項１４】
前記プレートの前記部分が、平坦面を有し、前記平坦面の一部が前記下側表面である、
請求項１２に記載のウェハチャック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体加工で使用されるヒータに関し、より具体的には複数のヒータゾーンを備えたヒータ及びそのゾーンをモニタするための熱電対に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造において、シリコン基板（ウェハ）は、数多くの異なる材料を蒸着するために高温で処理される。温度は通常３００−５５０℃の範囲に及ぶが、時には７５０℃あるいはそれ以上の高温になる場合がある。蒸着された材料は、ウェハ表面上の層で「成長」する。これらの材料の多くは極めて温度に敏感な成長速度を有しているため、ウェハ内の温度変動は薄膜の局所的な成長速度に影響を与えて、ウェハ内の成膜時の膜厚変動を引き起こすことがある。
【０００３】
蒸着される薄膜の厚み変動を制御することが望まれている。ウェハ中心でより厚い（ドーム状の）薄膜を有することが望まれる場合がある。端部でより厚い（クレーター又はディンプル状の）薄膜を有することが望まれる場合がある。可能な限り均一な（数十オングストローム以内の）膜厚を有することが望まれる場合がある。
【０００４】
ウェハの温度、従って成膜直後の膜厚のプロファイルを制御するための最も直接的な方法の１つは、ウェハをヒータ上に置くことである。ウェハ上に所望の温度プロファイルを作り出す特定のワット密度「マップ」を備えるヒータを設計することにより、所望の膜厚プロファイルを作り出すことができる。ウェハ上の高温が望まれる位置では下部にあるヒータのワット密度を増大させ、低温が望まれる位置では減少させる。
【０００５】
チップ製造業者は、同一の処理チャンバで種々のプロセスを実行する能力をもつことを望んでいる。成膜用の資本的設備は非常に高価なので（１つの処理チャンバにつき１００万ドル以上）、所要の処理チャンバの使用率を最大にすると共にその数を最小にすることが望まれる。種々の化学反応を用いた種々の温度プロセスを同一のチャンバで行って種々の薄膜を作り出す。また、これらの種々の薄膜は、異なる成長速度対温度の挙動を有する場合がある。このためにチップ製造業者は、所定の処理チャンバにあるヒータのワット密度マップを「動作中に」変更して所望の膜厚プロファイルを達成する能力を望むことになる。
【０００６】
さらに、チップ製造業者は、複数の処理チャンバで正確に同じ「レシピ」を実行し、適合する膜厚プロファイル（並びに、膜応力、屈折率などの温度に影響される可能性のある他の特性）を有する薄膜を製造する能力をもつことを望んでいる。それゆえ、ユニット毎に非常に反復性のあるワット密度マップを有するヒータを製作することが望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ヒータ内部に複数の独立したヒータ回路を使用することにより、ワット密度マップを変更する能力を備えたヒータを作ることができる。異なる回路に印加される電圧及び電流を変化させることによって、個々の回路の各位置において電力レベルを変えることができる。これら特定回路の位置を「ゾーン」と呼ぶ。所定のゾーンに対して電圧（従って、これらヒータ素子はすべて抵抗ヒータなので電流）を増加させることで、そのゾーンの温度は上昇する。逆に、ゾーンに対する電圧を減少させると、そのゾーンの温度は低下する。このようにして、個々のゾーンに対する電力を変化させることにより、種々のワット密度マップを同一のヒータで作り出すことができる。
【０００８】
効率的にマルチゾーンヒータを使用するためには、少なくとも２つの制約がチップ製造業者の能力に影響を与える。第１の制約は、現状技術のヒータは、１つの制御用熱電対しか備えていない、ということである。現在ヒータ用に使用されているプレート−シャフト設計は、ヒータプレートの中心にのみ、又はヒータプレート中心から半径約１インチ以内に熱電対の位置設定を許容するので、僅か１つの制御用熱電対しか使用できない。熱電対はウェハの処理環境と適合しない金属で作られており、それゆえ処理環境から隔離しなければならない。さらに、熱電対（ＴＣ）を最速応答させるには、熱電対を通常の処理チャンバの真空環境ではなく、大気圧環境で動作させることが最良である。従って、熱電対は、処理環境と連通しないヒータシャフトの中央の中空領域内にのみ配置可能である。ヒータシャフトから直径２インチ以上外側にヒータゾーンが設けた場合、どのような熱電対でも、そのゾーンの温度をモニタして温度制御を助けるように取り付けることはできない。
【０００９】
ヒータ中央領域より外側に配置されたヒータゾーンを制御するために、「スレーブ」出力比率を使用することによって、この制約に取り組んできた。所望のワット密度マップを作り出す、中央ゾーン及び他ゾーンの各々に対して印加される電力の比率が設定される。中央制御ＴＣは中央ゾーンの温度をモニタし、中央ゾーンに印加される電力（中央制御ＴＣのフィードバックに基づく）は、次に事前設定された比率によって調節されて全ゾーンに印加される。例えば、２ゾーンヒータに関して、所望の温度プロファイルを作り出す外側ゾーンと内側ゾーンとに印加される電力の１．２対１．０という比率を仮定する。ヒータ制御システムは、中央制御ＴＣにより提供される温度データを読み取ることによって、適切な温度を達成するために１００ＶＡＣの電圧が必要であると決定すると仮定する。スレーブ比率制御法を用いて、外側ヒータゾーンには１２０ＶＡＣの電圧が印加され、内側ゾーンには１００ＶＡＣの電圧が印加されることになる。従って、スレーブ比率を変えることにより、ワット密度マップを調節することができる。
【００１０】
これが第２の制約につながる。現状技術のヒータは、埋め込まれたヒータ抵抗の固有のばらつきを有する。現在のセラミックヒータの製造工程で要求される高温と高圧のため、達成可能な抵抗公差は５０％に達することがある。言い換えれば、半導体グレードのセラミックヒータ素子用の典型的な抵抗値は、１．８−３．０オーム（室温において：ヒータ素子の材料は通常モリブデンであり、動作温度が上昇するにつれてその抵抗値が増大する）の範囲内にある。
【００１１】
このばらつきが、スレーブ比率法によって制御されるマルチゾーンヒータを用いて、ユニット毎に反復性のあるワット密度マップを維持することに対する問題を引き起こす。単一ゾーンヒータに対しては、抵抗のばらつきは問題とならないかもしれない。なぜならば、制御ＴＣを実際の動作温度をモニタするために利用し、ヒータに与える電力レベルを適宜調節するからである。しかしながら、マルチゾーンヒータを備え、そのヒータ素子の抵抗のばらつきが５０％に達する場合には、スレーブ比率制御法はユニット毎に反復性のあるワット密度マップを作り出すことができない。
【００１２】
必要とされることは、フィードバックと制御とを直接的に可能とするために個々のヒータゾーン内に物理的に配置可能な複数の制御ＴＣの取り付けを許容するが、依然としてＴＣを処理チャンバ内の処理環境から隔離状態に保つヒータ設計を確立することである。
【００１３】
本明細書に示す図面は、多くの面で概略的であるが、単に例示を目的とするものであって、本開示の範囲の限定を意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のいくつかの実施形態による、半導体加工で使用されるプレート・シャフト機構の図である。
【図２】本発明のいくつかの実施形態による、プレートとシャフトとの間の接合部を示す断面図である。
【図３】本発明のいくつかの実施形態による、処理チャンバにおけるプレート・シャフト機構の図である。
【図４】本発明のいくつかの実施形態による、処理チャンバにおけるヒータデバイスの図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態による、マルチゾーンヒータの例示的な概略断面図である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態による、マルチゾーンヒータの例示的な底面図である。
【図７】本発明のいくつかの実施形態による、接合されたカバープレートの例示図である。
【図８】本発明のいくつかの実施形態による、カバープレートの例示図である。
【図９】本発明のいくつかの実施形態による、ヒータの斜視図である。
【図１０】本発明のいくつかの実施形態による、ヒータの斜視分解図である。
【図１１】本発明のいくつかの実施形態による、多層プレートを備えたヒータの例示断面図である。
【図１２】本発明のいくつかの実施形態による、多層プレートのクローズアップ部分断面図である。
【図１３】本発明のいくつかの実施形態による、複数のヒータゾーン及び熱電対を有するヒータの例示断面図である。
【図１４】本発明のいくつかの実施形態による、図１３の線１４−１４に沿ったプレートとシャフトの接合部領域のクローズアップ断面図である。
【図１５】本発明のいくつかの実施形態による、図１４の線１５−１５に沿った中央ハブの上面図である。
【図１６】本発明のいくつかの実施形態による、図１５の線１６−１６に沿った中央ハブの態様を説明する部分断面図である。
【図１７】本発明のいくつかの実施形態による、図１３の線１７−１７に沿った複数のヒータゾーンのマッピング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態では、異なるヒータゾーンを温度に関して独立してモニタできるように、複数の熱電対を備えたマルチゾーンヒータが設けられる。独立した熱電対は、そのリード線をヒータのシャフトから通路又は凹部内へ配線することができ、この通路又は凹部は、シャフトの内部雰囲気と処理チャンバ内のプロセス化学物質との両方に耐えるように構成された気密封止をもたらす接合処理で閉じることができる。独立した熱電対は、そのリード線をヒータのシャフトからプレート層間の空間、凹部、又はキャビティ内へ配線することができ、各プレート層は、シャフトの内部雰囲気と処理チャンバ内のプロセス化学物質との両方に耐えるように構成された気密封止をもたらす接合処理で接合することができる。底部プレート層とすることができる第１プレート層又は通路カバーは、第２プレート層又はヒータプレートにアルミ等の任意の適切な接合材料でろう付けする接合処理を用いて、熱電対及びそのリード線を閉じ込めることができる。
【００１６】
図１に半導体加工で使用されるヒータなどの例示的なプレート・シャフト機構１００を示す。いくつかの態様では、プレート・シャフト機構１００は窒化アルミなどのセラミックで構成される。ヒータは、プレート１０２を支持するシャフト１０１を備える。プレート１０２は、上面１０３を備える。シャフト１０１は中空円筒とすることができる。プレート１０２は平坦な円板とすることができる。他の補助部品が存在する場合もある。いくつかの現状工程では、プレート１０２を、セラミックプレートを形成する処理オーブンを伴う初期の工程で個別に製造することができる。いくつかの実施形態では、以下に説明する低温気密接合処理を用いてプレートをシャフトに接合することができる。
【００１７】
図２は、例えばセラミックシャフト１９１である第１セラミック体が、同一、又は別の材料で製造することができる、例えばセラミックプレート１９２である第２セラミック体に接合されている断面図を示す。本明細書に記載するろう付け層材料の組み合わせから選択できる、ろう付け層１９０などの接合材料を含むことができ、その接合材料は、本明細書に記載する方法に従って接合部へ供給することができる。いくつかの態様では、プレートは窒化アルミとすることができ、シャフトは窒化アルミ、ジルコニア、アルミナ、又は他のセラミックとすることができる。いくつかの態様では、より低い熱伝導伝達係数を有するシャフト材料をいくつかの実施形態で使用することが望ましい場合がある。
【００１８】
図２に示される接合部では、シャフト１９１は、シャフト１９１がプレートに当接するように位置決めされるのがよく、接合する表面の間には、例えばシャフト表面１９３とプレート表面１９４との間にろう付け層のみが介在する。プレート１９２の接合面１９４は、プレート内の凹部１９５に存在するのがよい。接合部の厚さは、説明を明確にするために誇張されている。１つの例示的な実施形態では、プレート及びシャフトは共に窒化アルミ製とすることができ、共に液相焼結法を使用して事前に別々に形成することができる。いくつかの実施形態では、プレートはおよそ直径９−１３インチ、厚さ０．５−０．７５インチとすることができる。シャフトは、壁厚さが０．１インチで外径が１−３インチの範囲にある、長さ５−１０インチの中空円筒とすることができる。プレートは、シャフトの第１端部の外部表面を受け入れるように構成された凹部を備えるのがよい。
【００１９】
図３から分かるように、ヒータ又は他の機構に使用される接合部のろう材は２つの全く別の雰囲気の間に跨る場合があり、従来のろう材に関しては重大な問題を生じることがある。半導体ウェハチャックのヒータ２０５などの半導体処理装置の外部表面２０７上で、ろう材は、ヒータ２０５を使用することになる半導体処理チャンバ２００内に生じるプロセスと存在する環境とに適合する必要がある。処理チャンバ２００内に存在する環境２０１は、フッ素化物を含む場合がある。ヒータ２０５はシャフト２０４により支持されたプレート２０３の上面に付着した基板２０６を有するのがよい。ヒータ２０５の内部表面２０８では、ろう付け層の材料は、酸化性雰囲気の場合のある別の雰囲気２０２と適合する必要がある。セラミックと共に使用される従来のろう材は、これら両方の基準を満たすことができなかった。例えば、銅、銀、又は金を含有するろう付け要素は、処理されるシリコンウェハの格子構造と干渉する場合があるので適切ではない。しかしながら、ヒータプレートをヒータシャフトに接合するろう付け接合部の場合には、シャフトの内側は通常高温を受け、中空シャフトの中央内部に酸化性雰囲気を持つ。この雰囲気に曝されるろう付け接合部のこの部分は酸化されることになって、接合部の中へ酸化が進み、接合部の気密性不全をもたらす場合がある。構造的な連結に加えて、半導体製造で使用されるこれら機構のシャフトとプレート間の接合部は、ほとんど又はすべてではないとしても、多くの用途で密封する必要がある。
【００２０】
図４には、半導体処理チャンバで使用されるヒータカラムの一実施形態の概略図を示す。セラミックヒータであるのがよいヒータ３００は、高周波アンテナ３１０、ヒータ素子３２０、シャフト３３０、プレート３４０、及び取り付けフランジ３５０を含むのがよい。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態では、図５に見られるように、ウェハチャック又はヒータ５００などの半導体製造用の装置を備えることができる。装置は細長いシャフト５１６を含むのがよく、シャフトは円筒形であり、第１及び第２の反対側の端部５１７、５１８と、端部５１７、５１８の間に延びる長手方向中心軸５１９とを備えるのがよい。通路すなわち中央穴５０４は、シャフト５１６を貫通して第１端部５１７から第２端部５１８まで延びている。プレート５２１は、シャフト５１６の第１端部５１７に接合することができる。プレート５２１は円柱形などの任意の適切な形状とすること及び軸５１９を中心とすることができる。一実施形態ではプレート５２１は、シャフト５１６の半径より大きい半径を有する。一実施形態ではプレート５２１は、軸５１９からシャフト５１６を越えて半径方向外側へ延びる環状部分などの部分５２２を有する。シャフト５１６及びプレート５２１の各々は、セラミック材料などの任意の適切な材料で作ることができ、一実施形態ではシャフト及びプレートは、各々、窒化アルミ製である。プレート５２１は複数のヒータゾーンを備えるのがよく、各ヒータゾーンは少なくとも１つのヒータを有する。一実施形態ではプレート５２１は、例えば軸５１９を中心とするのがよい第１又は中央ヒータゾーン５２６、第２又は中間ヒータゾーン５２７、及び第３又は端部ゾーン５２８を備える。各ヒータゾーンは任意の適切な形状でよく、一実施形態では、平面内で中央ゾーン５２６は円形であり、中間ゾーン５２７及び端部ゾーン５２８は各々環状である。ヒータゾーンは、例えば図５に示すようにオーバーラップすること、又はオーバーラップせずに互いに間隔をおいて配置することができる。
【００２２】
装置５００は複数の温度センサを備えるのがよく、例えば各ヒータゾーンに対して少なくとも１つの温度センサを備えるのがよい。一実施形態では、第１温度センサ５０５をプレート５２１の中央ヒータゾーン５２６の近傍に又は隣接して配置し、第２温度センサ５０６を中間ヒータゾーン５２７の近傍に又は隣接して配置し、第３温度センサ５０７を端部ヒータゾーン５２８の近傍に又は隣接して配置する。一実施形態では各温度センサをそれぞれのヒータゾーンの半径方向中心に配置するが、それぞれのヒータゾーンに対して相対的な温度センサの他の位置選定も、本発明の範囲内にある。一実施形態では、第２及び第３の温度センサ５０６、５０７の各々をプレート５２１の部分５２２に配置する。一実施形態では温度センサ５０５、５０６、５０７を互いに半径方向に間隔をおいて配置し、一実施形態では第２温度センサ５０６を第１温度センサ５０５から半径方向外側に間隔をおいて配置し、第３温度センサ５０７を第２温度センサ５０６から半径方向外側に間隔をおいて配置する。各温度センサは任意の適切なタイプでよく、一実施形態では各温度センサは熱電対である。
【００２３】
電気リード線は、各温度センサからシャフト５１６の第１端部５１７へ、そして中央穴５０４を通ってシャフトの第２端部５１８へ延びる。この際、第１電気リード線５３１は、一端で第１センサ５０５に電気的に接続又は接合され、第２電気リード線５３２は一端で第２センサ５０６に電気的に接続又は接合され、第３電気リード線５３３は一端で第３センサ５０７に電気的に接続又は接合されている。各リード線は、シャフト５１６の第２端部５１８でアクセス可能であるように、そしてプレート５２１の温度を独立してモニタする、より具体的にはそれぞれの温度センサの近傍、従ってそれぞれのヒータゾーン５２６、５２７、５２８の近傍で、プレート温度をモニタすることが可能となるように、シャフトを通って延びている。
【００２４】
プレート５２１は任意の適切な方法で形成することができ、一実施形態では複数の平面層などの複数層で製造される。一実施形態では、装置５００の第１プレート層又はカバープレート５０１を、ヒータシャフトの中空コア５０４と隣接するか又は連通することができる中空領域又は凹部５０３を覆いながら、装置５００の第２プレート層又はヒータプレート５０２の裏面に接着することができる。凹部は温度センサのリード線５３１−５３３用の導管として機能することができ、リード線５３１−５３３の内の１つ又は２以上を凹部又は通路の各々に配置することができる。覆われた中空領域などの放射状フィーダ、凹部、又は通路を利用することによって、各ヒータゾーン、例えばマルチゾーンヒータ５００のヒータゾーン５２６−５２８における局所的な温度を直接モニタするために、個々の制御用熱電対を使用することが可能となる。熱電対５０５、５０６、５０７を、各個別ヒータゾーンに配置されたそれぞれの熱電対穴５０８、５０９，５１０の内部に取り付けることができる。覆われた中空領域又は通路５０３の内部に配置されたこれらの穴に熱電対を取り付けることができる。いくつかの実施形態では、温度センサ又は熱電対５０５−５０７をより深く取り付けることを可能にするため、プレートの機械加工を通路５０３に施す場合がある。その後で、ヒータプレート裏面上でヒータプレートとシャフトとの間に位置決めされるセラミックのカバープレート５０１で熱電対を覆うことができる。その後に、ヒータプレート５０２、中空領域のカバープレート５０１、及びヒータシャフト５１６を互いに接着することができる。こうして熱電対を処理環境から隔離し、従来制御のために各ヒータゾーンの温度の直接的なフィードバックを提供する。いくつかのヒータ設計では、プレートの製造工程中、ヒータをプレート内部に完全に埋め込む。この処理は１７００℃程度の高温を伴い、プレート形成中は高い加圧接触力を伴う場合がある。ヒータ素子自体はこの処理に耐えるように適合させることができるが、インコネルで作られる場合がある熱電対５０５−５０７及びこの熱電対へのリード線５３１−５３３は、この処理に耐えられない。その結果、セラミックプレート５２１の最終焼結と加圧の後に熱電対５０５−５０７を取り付けることで、ヒータ５００がその使用中に曝されることになるプロセス化学物質から熱電対を保護する必要がある。別個のヒータを有するプレート５２１の複数領域の温度をモニタする複数の熱電対を利用することにより、実際の温度測定値に基づいたプレートのこれらの領域の温度制御を行うことが可能になる。
【００２５】
熱電対穴は、プレート５２１の中をヒータ素子まで達するのがよい。いくつかの実施形態では、ヒータ素子は開口領域を備えることができ、熱電対穴がヒータ素子の中までのびるのではなく、ヒータ素子の隙間又は空間が存在する領域においてヒータ素子と同じ深さまでのびるようになっている。いくつかの実施形態では、内部にマルチゾーンヒータ素子を備えたヒータプレートを製造した後で、ヒータプレートの中に中空領域５０３及び熱電対穴を機械加工することができる。マルチゾーンヒータ素子は、セラミックのヒータプレートが製造された時点でそのプレート内に存在することができる。本明細書に記載する低温接合処理を利用して、中空領域のカバープレート５０２をヒータプレート５０１に、いくつかの態様ではシャフト５１６の一部分又は端部５１７にも接合することができる。
【００２６】
図６は、シャフトを備えた、例えばシャフト５１６が取り付けられたプレート、例えば半導体処理用ウェハチャック５００のプレート５２１の底面図である。凹部、溝又は中空の通路領域５０３は、中空シャフト５１６の中央部内に存在するプレートの一部から半径方向外向きに広がる。それぞれのヒータゾーン、例えば中間ヒータゾーン５２７及び端部ヒータゾーン５２８に設けられたそれぞれのヒータ素子に対する温度センサ又は熱電対の挿入を可能にする１つ又は２以上の熱電対穴は、この中空の通路領域５０３の内部に存在でき、そうでなければ温度を直接モニタすることはできない。
【００２７】
図７は、本発明のいくつかの実施形態による、凹部、空間、又は中空領域５０３と、カバープレート５０１とを備えるヒータプレート５０２の一部分、例えば半導体製造用ヒータ又はウェハチャックの一部分として含まれる部分の断面図を示す。カバープレート５０１は、ヒータプレートの底部に設けられたスロット、凹部、または開口部に適合するように構成されているのがよい。溝、通路、凹部、又はスロットは、ヒータプレート５０２及びカバープレート５０１の少なくとも一方に設けられる。一実施形態では、図７の断面図に示す凹部又は通路５０３は、スロットの下方に存在して電気リード線又はカップリング５２０を温度センサ又は熱電対からシャフト中心へ引き回すことができる。特に適切な温度センサ又は熱電対は、シャフトの外半径を半径方向に越えてプレートに配置されるので、シャフト上に横たわることはない。適切な接合部５２１は、例えば本明細書で開示される接合層のいずれかとすることができ、接合部５２１は、カバープレート５０１をヒータプレート５０２に取り付けると、通路５０３は酸化される可能性があるヒータシャフト中央部内の雰囲気に遭遇する可能性があるので異なる雰囲気を跨ぐ。通路内のこの雰囲気は、通路領域内にある熱電対に対して格段に良好な熱電対機能を可能にすることができる。接合部の反対側は、処理チャンバ内のフッ素化物などの腐食性処理ガスを含有することができる雰囲気に遭遇することになる。適切な接合方法は、これら種々の雰囲気に適合性のある接合、例えば本明細書で開示するタイプの気密接合をもたらす。図７に示すデバイス又はヒータの電気リード線５２０は、このようなデバイスが使用される半導体処理チャンバの環境から気密封止される凹部、通路、又は通路内でヒータプレート５０２を貫通して延びる。
【００２８】
図８は、例えば半導体製造用のヒータ又はウェハチャックの一部分として含まれる、第２プレート層又は中空のカバープレート５３０を、第１プレート層又はヒータプレート５０２の底部に接合するように構成された、第１プレート層又はヒータプレート５０２の一部分の断面図を示す。ヒータプレート５０２及びカバープレート５３０は、プレート５２１のようなヒータプレートを形成するのがよい。中空のカバープレート５３０は、ヒータプレートの底部で熱電対穴、並びに電気リード線又は熱電対結合ワイヤ５２０を覆うのがよい。半導体処理チャンバの環境から気密封止され、ヒータのシャフトから半径方向外向きに延びる、ヒータプレートの一部分に配置された温度センサ又は熱電対に接続される電気リード線又はワイヤ５２０のための導管として機能するのに適した溝、通路、凹部、又はスロット５４５を形成するために、ヒータプレート５０２の反対面及びカバープレート５３０のうち少なくとも１つは、溝、通路、凹部、又はスロットを備える。適切な接合層又は接合部５４６は、例えば本明細書に開示される接合層のいずれかとすることができ、カバープレート５３０をヒータプレート５０２に取り付けて、それら間に気密封止を形成することができる。図８の例示的な実施形態では、通路５４５は、ヒータプレート又は構造体５０２の内部にあるか又は貫通して延びのとは対照的に、カバープレート５３０の内部にあるか又は貫通して延びている。
【００２９】
図９及び図１０は、それぞれ斜視図及び部分的な分解組立斜視図で、本発明のいくつかの実施形態によるヒータ５００を示す。ヒータ５５０は前述のヒータと類似しており、そのようなヒータ及びヒータ５５０の同じ構成部品を記述するために同じ参照数字が使用されている。中空のカバープレート５５１が設けられており、カバープレートは、シャフト５１６とヒータプレートの底部５０２との間に存在するように構成された連続リング部品又はリング５５２を備えることができる。一実施形態では、カバープレート５５１とリング部品又はリング５５２とは同一材料で一体成形されており、別個の部品ではない。半導体処理チャンバの環境から気密封止され、ヒータ５５０のシャフト５１６から半径方向外向きに延びる、ヒータプレート５２１の一部分に配置された温度センサ又は熱電対に接続される電気リード線５３２、５３３のための導管として機能するのに適した溝、通路、凹部、又はスロットを形成するために、ヒータプレート５０２の反対面及びカバープレート５５１のうち少なくとも１つは、溝、通路、凹部、又はスロットを備える。ヒータ５５０では、温度センサのリード線のための溝、通路、凹部、又はスロットは、ヒータプレート又は構造体５０２の内部にあるか又は貫通して延びるのとは対照的に、カバープレート５５１の内部にあるか又は貫通して延びている。中空のカバープレート５５１によって、熱電対リード線又はワイヤ５３２、５３３をプレート５２１底部のシャフト５１６の周囲の外側からシャフトの中心まで引き回すことができる。いくつかの実施形態では、ヒータプレート５０２、リング部品５５２を備えた中空カバープレート５５１、及びシャフト５１６は、各構成部品を一緒にろう付けする単一の加熱作業で、同時に結合することができる。本明細書に開示される接合処理及び接合層のいずれも、この関連で利用することができる。
【００３０】
本発明のいくつかの実施形態では、図１１の拡大図に見られるように、プレート・シャフト機構５５６、例えばヒータ又はウェハチャックは、プレート組立体又はプレート５５７及びシャフト５５８を備えることが分かる。プレート組立体５５７は層５６１、５６２、５６３を備えており、それらの層はプレートア組立体５５７への組立前に十分に焼成されたセラミック層とすることができる。第１又は最上部プレート層５６１は、電極層５６４が最上部プレート層５６１と第２又は中間層５６２との間に存在した状態で、第２又は中間層５６２の上に横たわる。中間層５６２は、ヒータ層５６５が中間層５６２と最下層５６３との間に存在した状態で、最下層５６３の上に横たわる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、異なる位置で温度をモニタするために、熱電対を各プレート層間に実装することができる。多層プレート組立体は、セラミックプレート層の最終焼成の後に表面の機械加工を行い得るように、１つ又は２以上のプレートの１つ又は２以上の表面にある領域にアクセスすることを可能にする。さらに、この表面へのアクセスは、プレート層の表面及びプレート層間の空間への構成部品の組み付けをも可能にする。
【００３２】
プレート組立体５５７の層５６１、５６２、５６３は、ヒータの場合には窒化アルミといったセラミック、静電チャックの場合にはアルミナ、ドープアルミナ、ＡｌＮ、ドープＡｌＮ、べリリア、ドープされたべリリアなどを含む別材料のセラミックとすることができる。基板支持体を構成するプレート組立体の層５６１、５６２、５６３は、プレート組立体５５７へ導入する前に十分に焼成されたセラミックとすることができる。例えば、層５６１、５６２、５６３を、高温高接触圧力用の特殊オーブン、又はテープキャスト、又は放電プラズマ焼結、又は他の方法でプレートとして十分に焼成し、その後、それらの用途とプレート組立体の積層での位置とによって必要とされる最終寸法へ機械加工することができる。このプレート層５６１、５６２、５６３は、接合層５６７を用いたろう付け処理を使用して一緒に接合することができ、これによってプレート組立体５５７の最終組立を高接触応力用途の加圧機を備えた特殊な高温オーブンを必要とすることなく行うことができる。
【００３３】
プレート・シャフト機構の場合のようにシャフトもまた最終組立体の一部である実施形態において、プレート組立体５５７とシャフト５５８の接合処理ステップは、同様に高接触応力用途の加圧機を備えた特殊な高温オーブンを必要とせずに行われるろう付け処理を利用することができる。いくつかの実施形態では、プレート層の接合と、シャフトとプレート組立体の接合とを同時の処理ステップで行うことができる。シャフト５５８を接合層５６８でプレート組立体５５７へ接合することができる。いくつかの実施形態では、接合層５６８は、接合層５６７と同一のろう付け要素とすることができる。
【００３４】
プレート又はプレート組立体の改善された製造方法は、前述され以下でさらに詳細に説明される、プレート組立体の層を接合して手間と費用のかかる高温高圧接触力を用いる付加的な処理ステップを行うことなく、最終プレート組立体にする方法を含むことができる。本発明の実施形態に従って、セラミックを接合するためのろう付け法でプレート層を接合することができる。第１及び第２のセラミック体を接合するためのろう付け法の例は、第１セラミック体を第２セラミック体に接合するために、アルミ及びアルミ合金から成るグループから選択されたろう付け層を第１及び第２セラミック体の間に配置して第１及び第２セラミック体を結び付けるステップと、ろう付け層を少なくとも８００℃の温度まで加熱するステップと、ろう付け層を硬化させて気密封止を作り出すようにろう付け層をその融点以下の温度に冷却するステップと、を含むことができる。様々な形状のろう付け接合部を本明細書に記載する方法に従って実装することができる。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態では、各プレート層の間にスタンドオフが存在するように複数層を備えたプレート組立体を提示することができて、その結果、接合層が加熱されて僅かな圧力が軸方向にプレートに加わる際に、１つのプレート上のスタンドオフが隣接するプレートに接触するまで接合層が適度に薄くなるように僅かな軸方向圧縮が存在することになる。いくつかの態様では、これにより接合部厚さを制御するだけでなく、プレート組立体の寸法と公差の制御が可能になる。例えば種々のプレートの特徴部の平行度は、プレート層への機械公差により規定される場合があり、スタンドオフの利用によってこの態様は接合工程中に保持することができる。いくつかの実施形態では、接合後の寸法制御は、軸方向の整合性を提供するために隣接層上の内側リングの上に横たわるプレート層上の円周外側リングを利用して達成することができる。いくつかの実施形態では、位置的な制御を軸方向にも達成するように、外側リング又は内側リングのうちの１つは、プレートに垂直な軸方向で隣接するプレートと接触することもできる。このように軸方向の位置制御は、２つの隣接するプレート間の接合層の最終厚さを決定することもできる。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態では、層間の電極は接合層と同一材料とすることができ、接合層と電極の両方の２重の能力で機能することができる。例えば、静電チャックにおいて以前は電極が占めていた領域を代わりに接合層で占めることができて、その接合層は例えば静電クランプ力を提供する電極としての機能と、接合層の介在する２つのプレートを接合するために接合層としての機能との２重機能を有する。そのような実施形態では、２つの接合されたプレートの外周の周りにラビリンスが存在し、見切り線とプレートの外部領域から帯電した電極への通常のアクセスとが最小になる。
【００３７】
図１２は、本発明のいくつかの実施形態によるプレート組立体の部分断面図を示す。プレート組立体は、ヒータと電極とが異なる層間に存在する多層プレート組立体である。複数層をろう付け要素で接合し、プレート主平面に垂直な方向のプレート最終位置をプレート上のスタンドオフ５７８、５７９によって規定する。
【００３８】
第１すなわち最上部プレート層５７１は、第２すなわち下部プレート層５７２の上に横たわる。下部プレート層５７２は第３すなわち最下部プレート層５７３の上に横たわる。図１２には３つのプレート層で説明されているが、特定用途のニーズに応じて異なる数のプレート層を利用することができる。多機能接合層５７６を利用して、最上部プレート層５７１を下部プレート層５７２に接合する。多機能接合層５７６は、最上部プレート層５７１を下部プレート層５７２に接合すると共に電極になるように構成される。このような電極は、実質的に円板の接合層とすることができ、接合層はまた電極としても機能する。図１２から分かるように、スタンドオフ５７８は、プレート層の主平面に直交する垂直方向への、最上部プレート層５７１の下部プレート層５７２に対する位置制御を可能にするように構成される。最上部プレート層５７１の外周部は、周縁部において２つのプレート間の境界５７７の沿った見切り線をなくすように構成される。プレート組立体を加熱して接合するステップの前に、接合層５７６が最上部プレート層５７１及び下部プレート層５７２と接触するように、接合層５７６の厚さを決めることができる。
【００３９】
下部プレート層５７２は最下部プレート層５７３の上に横たわる。ヒータ５７４は下部プレート層５７２と最下部プレート層５７３との間に存在する。これに関連して、ヒータ５７４を受け入れるための凹部、キャビティ、又は空間５８０を形成するように、下部プレート層５７２及び最下部プレート層５７３の対向する表面の少なくとも１つの上に、凹部、キャビティ、又は空間が設けられる。図１２に示す一実施形態では、ヒータを受け入れるために最下部プレート５７３の上面に凹部又はキャビティ５８０を形成している。凹部５８０は任意の適切なサイズ及び形状とすることができ、例えば円柱状凹部のように平面視では円形とすることができる。接合層５７５は、下部プレート層５７２を最下部プレート層５７３に接合する。接合層５７５は、プレート層外周の環状リングとすることができる。スタンドオフ５７９は、プレート層の主平面に直交する垂直方向への、下部層５７２の最下部プレート層５７３に対する位置制御を可能にするように構成される。プレート組立体の接合ステップの間に、図１２に示す構成部品は予め組み立てることができ、本明細書に記載するプロセスを利用してこの組立済みプレートを接合し、完全なプレート組立体を形成することができる。いくつかの実施形態では、完全なプレート・シャフト機構を単一の加熱工程で接合できるように、この組立済みプレートをさらにシャフト及びシャフト接合層に予め組み付けることができる。この単一加熱処理は、高温オーブン又は高接触応力を提供するように適合させた加圧機付きの高温オーブンを必要としない場合もある。さらに、いくつかの実施形態では完成したプレート・シャフト組立体は、接合後の機械加工を全く必要としないにもかかわらず、それでもなお半導体製造で実使用されるこのようなデバイスの公差要求を満足することができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、最上部プレート層及び最下部プレート層は窒化アルミである。いくつかの実施形態では、接合層はアルミである。接合処理及び材料の例を後述する。
【００４１】
図１３はプレート・シャフト機構６００の例示的な断面図であり、これはヒータ、ウェハチャック、台座又はサセプタとすることができ、本発明のいくつかの実施形態による多層プレート６０１を利用する複数のヒータゾーン及び複数の熱電対を備える。第１端部６４１と反対側の第２端部６４２、及び端部６４１、６４２間に延びる長手方向軸６４３を有する細長いシャフトを備える。シャフト６０２の第１端部６４１は、本明細書に開示するものを含む任意の適切な手段でプレート６０１の底部中央に結合することができる。これらの実施形態では、気密性があり、また腐食性のプロセス化学物質に耐えるようになった接合層を、隣接するプレートを接合するために使用することができ、シャフト６０２の内側６０３で取り囲まれた領域の半径外側に広がるプレート６０１の一部分６０５の中に温度センサを挿入することが可能となり、それでもなおヒータが被る可能性がある腐食性処理ガスから保護されるようになっている。例えば、図１３に示すように、プレート６０１は、適切なリフト用ピンホール又は開口部６３０を備えることができる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、多層プレートの利用により、別の方法ではモニタできない領域中の、熱電対を配置することのできる層間の空間へアクセスすることが可能になる。例えば、図１３に見られるようなプレート・シャフト機構６００では、全ての出力及びモニタリングは、通常、シャフト６０２の中空中央部又は中央通路６０３を通ってチャンバ貫通部を経由して処理チャンバの外へ配線される。セラミックのプレート・シャフト機構全体が一緒に高温焼結される従来技術の機構では、熱電対を埋め込んで遠隔計測器を中空シャフトに沿って下方へ配線するために唯一利用可能な領域は中空シャフトの中央部内の領域にあった。例えば、中空シャフトの中央部に沿って下りるようになった長いドリルを使用して、プレート底部に穴を開けることが可能である。その後、熱電対をその穴へ挿入し、プレートの温度をその中央領域のみでモニタするために使用することが可能である。熱電対を取り付けられる位置の制約は、中空シャフトの内部から外れた位置での温度モニタを不可能にする。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態では、シャフト内に存在する可能性のある雰囲気からの、プレート層の層間スペースの封止を助けるために中央ハブ６０４を利用することができる。このような実施形態では、中央ハブ６０４は、シャフト６０２の中央部分及びプレート層の層間スペースからの貫通部として機能することができる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ヒータ６００のプレート６０１は、３つのプレート層から組み立てることができる。各プレート層は、窒化アルミなどの十分に焼成されたセラミック製とすることができる。多層プレート組立体へ組み立てる前に、各プレート層を最終の又はほぼ最終寸法まで予め機械加工することができる。第１すなわち最上部プレート層６１２は第２すなわち中間プレート層６１１の上に横たわることができ、第２すなわち中間プレート層６１１は同様に第３すなわち最下部プレート層６１０に横たわることができる。各プレート層は、円柱形状とすることができ、一実施形態では各プレートは同一の横断寸法又は直径を有しており、その寸法はプレート６０１の横断寸法又は直径と等しい。中間プレート層は、その外周部で接合層６１４を用いて最下部プレート層に接合することができる。最上部プレート層６１２と中間プレート層６１１との間にある金属層６１３は、ＲＦ層として及びこのようなプレート層間の接合層として機能することができる。プレート６０１は、シャフト６０２を越えて軸６４３から半径方向外側に広がる部分６０５を有する。
【００４５】
中間プレート層６１１と下部プレート層６１０との間に、１つ又は２以上のヒータ素子が存在してもよい。中間プレート層６１１は、ヒータ素子６２１が中間プレート層６１１の底部の溝６２０に存在するようにヒータ素子を受け入れるように構成されている。マルチゾーンヒータの素子配列の例は、図１７に示される。ヒータ素子は、３つの半径方向ゾーンに分割され、その各々は２つの半部分を有するので、合計６ゾーンに分割される。これに関連して、プレ―ト６０２は、環状であり第１及び第２の中央半部分ゾーン６４７ａ、６４７ｂに分割することができる中央ヒータゾーン６４７と、環状であり第１及び第２の中間半部分ゾーン６４８ａ、６４８ｂに分割することができる中間ヒータゾーン６４８と、環状であり第１及び第２の端部半部分ゾーン６４９ａ、６４９ｂに分割することができる端部ヒータゾーン６４９とを含む。このような半部分ゾーンの各々は半環状とすることができる。中央ヒータゾーン６４７は軸６４３を中心とすることができ、中間ヒータゾーンは軸６４３及び中央ヒータゾーン６４７から半径方向外側に配置することができ、端部ヒータゾーンは軸及び中間ヒータゾーンから半径方向外側に配置することができる。２つの半径方向ゾーン、つまり中間ヒータゾーン６４８及び端部ヒータゾーン６４９は、プレート６０１の一部分６０５にあって中空シャフトの内側の外周から十分に外側にある。ヒータ素子６２１はモリブデン製とすることができ、ＡｌＮポッティング化合物６２２を用いて溝内にポッティングすることができる。ヒータ素子６２１用の電力リード線６４６は、中央ハブから外に広がって個別のヒータ回路へ電力を送るようになっている。
【００４６】
一実施形態では、例えば図１７に示すように、少なくとも１つの第１温度センサ６５１をプレート６０１の中央ヒータゾーン６４７に近傍又は隣接して配置し、少なくとも１つの第２温度センサ６５２をプレートの中間ヒータゾーン６４８に近傍又は隣接して配置し、少なくとも１つの第３温度センサ６５３をプレートの端部ヒータゾーン６４９に近傍又は隣接して配置する。それぞれのヒータゾーンに対する温度センサの任意の適切な位置選定も、本発明の範囲内にある。一実施形態では、第２及び第３の温度センサ６５２、６５３の各々は、プレート６０１の一部分６０５に配置する。従って、温度モニタを可能にするように構成され、ヒータゾーン６４８、６４９に配置された温度センサは、シャフト６０２の内径よりも大きな半径方向距離をおいてプレートに配置する。一実施形態では、温度センサ６５１、６５２、６５３は、互いに半径方向に間隔をおいて配置し、一実施形態では、各第２温度センサ６５２は、少なくとも１つの第１温度センサ６５１から半径方向外側に間隔をおいて配置し、各第３温度センサ６５３は、少なくとも１つの第２温度センサ６５２から半径方向外側に間隔をおいて配置する。各温度センサは、任意の適切なタイプとすることができ、一実施形態では、各温度センサは熱電対である。
【００４７】
電気リード線６６１は、温度センサ６５１−６５３の各々からシャフト６０１の第１端部６４１へ、そして中心穴６０３を通ってシャフトの第２端部６４２へ延びる。各リード線６６１は、シャフトの第２端部６４２でアクセス可能であるように、及びプレート６０１の温度を独立してモニタする、より具体的には個別のヒータゾーン６４７、６４８、６４９の近傍でプレート温度をモニタすることが可能となるように、シャフト６０１を貫通して延びる。
【００４８】
図１３−１６の実施形態では、中間プレート層６１１の底面に種々の構成部品が取り付けられていることが分かる。いくつかの態様では、ヒータ素子６２１及び電気リード線６６１を取り付けるために、１つ又は２以上の凹部、通路、溝、又はスロット６６２をこの表面に機械加工することができる。このような１つ又は２以上の凹部は、単一のキャビティを含むことができ、例えば、円柱状とすることができ、一実施形態では軸６４３を中心とすることができる。この表面には、熱電対６５１−６５３の取り付け用の熱電対穴として機能する穴を開けることができる。この機械加工の後で、ヒータ素子６２１を取り付けてポッティングすることができる。いくつかの実施形態では、ヒータ素子は、溝に配置されたモリブデンワイヤとすることができる。いくつかの実施形態では、厚膜蒸着技術を利用して溝の中にヒータ素子を蒸着することができる。さらに、熱電対６５１−６５３を組み込んでポッティングすることができる。ヒータ素子は、バスバーとすることができる電力リード線６４６に取り付けることができる。中央ハブを利用する実施形態では、電力リード線６４６及び熱電対リード線６６１は、中央ハブ経由で配線することができる。多層プレート積層６０１は、例えば上下逆の様式で組み立てることができ、ろう付け層を含む全要素は、組立済みとすることができ、その後、これは最終の完全なヒータ組立体へ加工される。本明細書の記載のろう付けステップは、酸素化雰囲気及びフッ素化物を含む場合があり、半導体製造を維持する間にヒータが遭遇することになる雰囲気に耐えるようになった気密封止を用いて、全ての構成部品を接合することになる。
【００４９】
インコネル外側を有する熱電対リード線などのリード線を中央ハブ６０４経由で配線することで、これらのリード線は、中央ハブを経由して配線して、ろう付け要素で封止することもできる。例えば、段付き穴を備えた中央ハブの穴を経由してリード線を配線することができ、ろう付けステップの前に円筒形状のろう付け要素をリード線の周りに配置することができる。また、中央ハブ６０４は、中間プレート層６１１と最下部プレート層６１０との間のプレート間の空間をシャフト内部空間から気密封止することを可能にする。図１４に示すように、最下部プレート層６１０の底部からシャフトを封止するために、接合層６１５を利用することができ、最下部プレート層６１０の上面から中央ハブ６０４を封止するために別の接合層６１６を利用することができる。いくつかの実施形態では、ろう付けステップ中に真空中でヒータ組立体全体を加熱して種々の接合層によって取り付けられることになる種々の表面のすべてを接合する際に、プレート間スペースを気密封止で真空状態に封止することができる。いくつかの実施形態では、熱電対を実装するプレート間の空間を有することにより、実装された部分を除く領域に見られる温度から熱電対を良好に遮熱することができる。
【００５０】
図１５及び図１６は、中央ハブをそれぞれ上面図及び部分断面図で示す。中間プレート層６１１と最下部プレート層６１０との間のプレート間の空間からシャフトの中央領域を隔離する気密性のある貫通部として、中央ハブを利用することができる。ヒータに電力を供給するリード線６４６及び熱電対リード線６６１は、中央ハブを経由して配線し、他の構成部品を互いに接合及び封止する同一のろう付け処理ステップでろう材を用いて封止することができる。
【００５１】
図１７は、マルチゾーンヒータ素子、例えば本発明のいくつかの実施形態に見られるヒータ６００を示す。ヒータ素子は図１７の平面図に示されるプレート６０１において３つの半径方向ゾーン６４７、６４８、６４９に分割され、その各々は２つの半部分を有するので、合計で６つのヒータゾーン６４７ａ、６４７ｂ、６４８ａ、６４８ｂ、６４９ａ、６４９ｂに分割される。半径方向ゾーンのうちの２つ、中間ヒータゾーン６４８及び端部ヒータゾーン６４９は、プレートの一部分６０５にあって中空シャフト６０２内部の外周から十分に外側にある。一実施形態では、少なくとも１つの第１温度センサ又は熱電対６５１は、プレート６０１の各中央ヒータゾーン６４７ａ、６４７ｂに設けられ、少なくとも１つの第２温度センサ又は熱電対６５２は、プレート６０１の各中間ヒータゾーン６４８ａ、６４８ｂに設けられ、少なくとも１つの第３温度センサ又は熱電対６５３は、プレート６０１の各端部ヒータゾーン６４９ａ、６４９に設けられる。一実施形態では、図１７のように、このようなヒータゾーンを平面視する場合、温度センサは、それぞれのヒータゾーン６４７ａ、６４７ｂ、６４８ａ、６４８ｂ、６４９ａ、６４９ｂの範囲内に設けられる。一実施形態では、プレート６０１のヒータゾーンはほぼ平面であり、平面視するとある領域を規定し、このようなヒータゾーンに関係する少なくとも１つの温度センサがこのようなヒータゾーンの領域内の、ヒータゾーン平面に又は軸６４３に沿ってこの平面から間隔をおいて存在する。このように、温度センサはヒータゾーンの近くにある。一実施形態では、プレート６０１の各ヒータゾーンはほぼ平面であり、軸６４３に対してほぼ垂直に広がる。温度センサ６５１−６５３のすべて又はいくつかをそのように設けることが可能であることが理解される。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態による接合方法は、接合するセラミック部品に対して相対的な接合材料の濡れと流動の制御に依存する。いくつかの実施形態では、接合中に酸素が存在しないことにより、接合部領域の材料を変化させる反応なしで適切な濡れが可能になる。接合材料の適切な濡れと流動で、気密封止された接合部を比較的低温で達成することができる。本発明のいくつかの実施形態では、接合処理の前に接合部領域にあるセラミックのプレ金属化を行う。
【００５３】
接合されたセラミックの最終製品が使用されるいくつかの用途では、接合部の強度が主設計要素ではない場合がある。いくつかの用途では、接合部両側の雰囲気を分離できるように、接合部の気密性を必要とする場合がある。また、セラミック組立体の最終製品が曝される可能性のある化学物質に対して耐性があるように、接合材料の組成が重要となる場合がある。接合材料は、化学物質に対する耐性を必要とする場合があり、さもなければ、化学物質が接合部の変質と気密封止の喪失を引き起こすことがある。接合材料はまた、後に完成したセラミック機構によって支援されるプロセスに有害な方法で干渉しないタイプの材料であることを必要とする場合がある。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態では、接合されたセラミック組立体は窒化アルミなどのセラミックで構成される。アルミナ、窒化シリコン、炭化シリコン又は酸化ベリリウムなどの他の材料を使用することができる。いくつかの態様では、第１セラミック部品は窒化アルミとすることができ、第２セラミック部品は窒化アルミ、ジルコニア、アルミナ、又は他のセラミックとすることができる。いくつかの現行プロセスでは、接合されたセラミック組立体の構成部品は、第１部品及び第２部品が形成される処理オーブンを伴う初期工程で最初に個別的に製造することができる。いくつかの実施形態では、嵌合部品の１つに凹部を含む場合があり、もう片方の嵌合部品がその凹部内に存在することが可能となる。
【００５５】
いくつかの実施形態では、最小ろう付け層厚さを保持するようになった複数のスタンドオフを含むことができる。いくつかの実施形態では、シャフトなどのセラミック部品の１つには、例えばプレートに接合されるシャフト端部に、或いはカバーをプレートに接合する部分の表面に、複数のスタンドオフメサを利用することができる。このメサはセラミック部品と同じ構造体の一部分とすることができ、メサを残してセラミック部品から構造体を削り出すことにより形成することができる。このメサは、接合処理の後でセラミック部品の端部に当接することができる。いくつかの実施形態では、接合部用の最小ろう付け層厚さをもたらすためにこのメサを利用することができる。いくつかの実施形態では、ろう付け前のろう付け層材料は、シャフト端部とプレートとの間のメサ又は粉末粒子により保持される距離より厚くすることができる。いくつかの実施形態では、最小ろう付け層厚さを設定するために別の方法を使用することができる。いくつかの実施形態では、最小ろう付け層厚さを設定するためにセラミック球を使用することができる。いくつかの態様では、スタンドオフと隣接界面との間からろう材の全くすべてが押し出されることはないので、接合部厚さは、スタンドオフの寸法又は機構を決定づける別の最小厚さより僅かに厚い場合がある。いくつかの態様では、アルミろう付け層の一部がスタンドオフと隣接界面との間に見つかる場合がある。いくつかの実施形態では、ろう材はろう付け前に０．００６インチで、完成した接合部の最小厚さが０．００４インチとすることができる。ろう材は、０．４ｗｔ％Ｆｅ含有のアルミとすることができる。いくつかの実施形態では、スタンドオフを利用しない。
【００５６】
このような機構の接合部を跨いで両側に前述の両タイプの雰囲気が見られる場合、これら両タイプの雰囲気に適合性のあるろう材はアルミである。アルミは、酸化アルミの自己抑制層を形成する特性を有している。この層は一般に均質であり、一旦形成されると、更なる酸素又は他の酸化性化学物質（フッ素化物など）の基部アルミへの侵入及び酸化プロセスの継続を妨げる又は著しく制限する。このように、アルミを酸化又は腐食させる初期の短い期間があり、アルミ表面に形成された酸化物（又はフッ化物）層により、その後の酸化又は腐食を実質的に防ぐか又は遅くする。ろう材は、シート状、粉末状、薄膜状であるか又は本明細書に記載するろう付け処理に適切な任意の別の形状因子とすることができる。例えば、ろう付け層は０．０００１９インチから０．０１１インチ以上の範囲の厚さを有するシートとすることができる。いくつかの実施形態では、ろう材は約０．００１２インチの厚さを有するシートとすることができる。いくつかの実施形態では、ろう付け層は約０．００６インチの厚さを有するシートとすることができる。通常、アルミ中の合金成分（例えばマグネシウムなど）は、アルミの粒界間に析出物として形成する。合金成分は、アルミ接合層の酸化耐性を低減させるが、通常これらの析出物はアルミを貫通する連続した通路を形成せず、その結果、酸化剤の全アルミ層貫通を許さず、従って腐食耐性を有したアルミの自己抑制的な酸化物層の特性をそのまま残す。析出物を形成可能な成分を含有するアルミ合金を使用する実施形態では、冷却手順を含むプロセスパラメータを粒界中の析出物を最小にするように適合させることになる。例えば、一実施形態では、ろう材は少なくとも９９．５％の純度を有するアルミとすることができる。いくつかの実施形態では、９２％を超える純度を有することができる。市販のアルミ箔を使うことができる。いくつかの実施形態では、合金を使用する。これらの合金は、Ａｌ−５ｗｔ％Ｚｒ、Ａｌ−５ｗｔ％Ｔｉ、市販の合金＃７００５、＃５０８３、及び＃７０７５を含むことができる。これらの合金は、いくつかの実施形態では接合温度１１００℃で使用することができる。これらの合金は、いくつかの実施形態では８００℃と１２００℃の間の温度で使用することができる。これらの合金は、いくつかの実施形態ではより低温又はより高温で使用することができる。
【００５７】
本発明の実施形態による工程条件の下でのＡｌＮのアルミを拡散させにくい性質は、プレート・シャフト組立体の製造でのろう付けステップ後の、セラミックの材料特性及び材料同一性の維持をもたらす。
【００５８】
いくつかの実施形態では、非常に低い圧力を提供するようになった処理チャンバで接合処理を実行する。本発明の実施形態による接合処理は、気密封止された接合部を得るために無酸素状態を必要とする場合がある。いくつかの実施形態では、接合処理を１ｘ１０Ｅ−４Ｔｏｒｒ未満の圧力で実行する。いくつかの実施形態では、接合処理を１ｘ１０Ｅ−５Ｔｏｒｒ未満の圧力で実行する。いくつかの実施形態では、更なる酸素除去を処理チャンバ内にジルコニウム、又はチタニウムを配置することで達成する。例えば、接合する部品の周りにジルコニウム内室を配置することができる。
【００５９】
いくつかの実施形態では、気密封止を達成するために真空以外の雰囲気を使用することができる。いくつかの実施形態では、気密性のある接合部を得るためにアルゴン（Ａｒ）雰囲気を使用することができる。いくつかの実施形態では、気密性のある接合部を得るために別の希ガスを使用する。いくつかの実施形態では、気密性のある接合部を得るために水素（Ｈ２）雰囲気を使用することができる。
【００６０】
ろう付け層の濡れと流動は、種々の因子に敏感である場合がある。重要な因子には、ろう材の組成、セラミックの組成、処理チャンバ内雰囲気の化学的組成、特に接合処理中のチャンバ内の酸素レベル、温度、温度時間（time at temperature）、ろう材の厚さ、接合される材料の表面特性、接合される部品の形状、接合処理中に接合部全体に加わる物理的な圧力、及び／又は接合処理中に保持される接合部隙間が含まれる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、接合のためにセラミック部品をチャンバに配置する前に、セラミック表面は金属化される場合がある。この金属化は、いくつかの実施形態では、摩擦による金属化とすることができる。摩擦による金属化には、アルミロッドの利用を含むことができる。回転式の工具を利用して、部品を接合する際にろう付け層に隣接することになる領域上でアルミロッドを回転させることができる。摩擦による金属化ステップは、一部のアルミをセラミック部品表面に残すことができる。摩擦による金属化ステップは、一部の酸化物を除去する等によってセラミック表面を幾分変えることができ、その結果、セラミック表面は、ろう材の濡れに対して良好に適合する。金属化ステップは、いくつかの実施形態では薄膜スパッタリングとすることができる。
【００６２】
第１及び第２セラミック体を接合するためのろう付け法の例は、第１セラミック体を第２セラミック体に接合するために、アルミ及びアルミ合金から成るグループから選択されたろう付け層を第１及び第２セラミック体の間に配置して第１及び第２セラミック体を結びつけるステップと、ろう付け層を少なくとも８００℃の温度まで加熱するステップと、ろう付け層を硬化させて気密封止を作り出すようにろう付け層をその融点以下の温度に冷却するステップとを含むことができる。様々な形状のろう付け接合部を本明細書に記載する方法に従って実行することができる。
【００６３】
本発明のいくつかの実施形態による接合処理は、以下のステップの一部又はすべてを含むことができる。２つ又は３以上のセラミック部品を選択して接合する。いくつかの実施形態では、同じ処理ステップのセットで複数の接合層を使って複数の部品を接合することができるが、議論を明確にするため、本明細書では単一の接合層で接合される２つのセラミック部品を論じる。セラミック部品は窒化アルミ製とすることができる。セラミック部品は、単結晶又は多結晶の窒化アルミとすることができる。各部品の各部分は、他方に接合することになる各部品の領域として特定される。例示的な実施例において、セラミックプレート構造体の底部の一部分は、セラミックの中空円筒形構造体の上部に接合することになる。接合材料は、アルミ含有のろう付け層とすることができる。いくつかの実施形態では、ろう付け層は、アルミ含有率が９９％を超える市販のアルミ箔とすることができる。ろう付け層は、いくつかの実施形態では複数層の金属箔から成る場合がある。
【００６４】
いくつかの実施形態では、接合されることになる特定の表面領域は、プレ金属化ステップを受けることになる。プレ金属化ステップは種々の方法で達成することができる。一方法では、材料ロッドを利用した摩擦によるプレ金属化プロセスを用いており、その材料ロッドはアルミ合金６０６１とすることができ、材料ロッドを回転式の工具で回転させて接合部領域でセラミックに押し付けることができ、その結果、２つのセラミック部品各々の上の接合部領域にいくらかのアルミを蒸着することができる。別の方法では、ＰＶＤ，ＣＶＤ，電解メッキ、プラズマ溶射、又は他の方法を、プレ金属化を適用するために利用することができる。
【００６５】
処理チャンバ中にある間、何らかの位置制御を維持するために、接合前に２つの部品を相対的に固定することができる。また、この固定は、外部から加えられる荷重の付加に役立ち、温度が加わっている間に２つの部品間の接合部全域の接触圧力を生成するようになっている。接触圧力が接合部全域に加えられるように、固定部品の上部にウエイトを置くことができる。ウエイトは、ろう付け層の面積に比例することができる。いくつかの実施形態では、接合部全域に加えられる接触圧力は、接合部接触領域上で約２−５００ｐｓｉの範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、接触圧力は２−４０ｐｓｉの範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、最小限の圧力を使用することができる。このステップで使用される接触圧力は、従来プロセスに見られる高温のプレス／焼結を利用する接合ステップに見られる接触圧力より著しく低く、従来の接合ステップでは２０００−３０００ｐｓｉの範囲の圧力を使用する場合がある。
【００６６】
スタンドオフとしてメサを利用するか又はセラミック球などの接合部厚さを制御する別の方法を利用する実施形態では、熱を加える前のろう付け層の元の厚はメサの高さより大きい場合がある。ろう付け層温度が液相温度に達してそれを超えると、接合される部品間のろう付け層全域での圧力は、第１部品上のメサが第２部品上の界面に接触するまで部品間の相対運動を引き起こすことになる。その時点で、接合部全域の接触圧力はもはや外力によって与えられない（もしあれば、ろう付け層内部の反発力に対する抗力を除いて）ことになる。メサは、セラミック部品が十分に濡れる前にろう付け層が接合部領域から外に押し出されるのを防止することができ、従って接合処理中に良好な及び／又は十分な濡れを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、メサを利用しない。
【００６７】
固定された組立体は、処理オーブンに置くことができる。オーブンは、５ｘ１０Ｅ−５Ｔｏｒｒ未満の圧力へ真空排気することができる。いくつかの態様では、減圧が残留酸素を除去する。いくつかの実施形態では、１ｘ１０Ｅ−５Ｔｏｒｒ未満の真空度を使用する。いくつかの実施形態では、固定された組立体を、酸素誘因物質として働くジルコニウム製内室の内部に配置して、処理中に接合部に向かう可能性のある残留酸素をさらに低減する。いくつかの実施形態では、酸素を除去するために、処理オーブンをパージしてアルゴンガスなどの純度の高い、脱水された純希ガスで再充填する。いくつかの実施形態では、酸素を除去するために処理オーブンをパージして精製水素で再充填する。
【００６８】
次に、固定された組立体を昇温して接合温度に保持する。加熱サイクルの開始直後に、温度をゆっくりと、例えば毎分１５℃で２００℃まで、その後は毎分２０℃で標準化された温度、例えば６００℃の接合温度まで上昇させ、勾配を最小化するために及び／又は別の理由から、所定の滞留時間の間、各温度に保持して加熱後の真空度を回復させることができる。ろう付け温度に達すると、この温度をろう付け反応をもたらす時間だけ保持することができる。例示的な実施形態では、滞留温度は８００℃、滞留時間は２時間とすることができる。別の例示的な実施形態では、滞留温度は１０００℃、滞留時間は１５分とすることができる。別の例示的な実施形態では、滞留温度は１１５０℃、滞留時間は３０−４５分とすることができる。いくつかの実施形態では、滞留温度は最大１２００℃を超えない。いくつかの実施形態では、滞留温度は最大１３００℃を超えない。十分なろう付け滞留時間に達するとすぐに、毎分２０℃の割合で、又は炉固有の冷却率がよい小さい場合にはより低い割合で炉を常温まで冷却することができる。炉を大気圧にして開け、ろう付けされた組立体を検査、特性確認、及び／又は評価のために取り出すことができる。
【００６９】
長時間にわたる過度の高温の使用は、著しいアルミ蒸発の結果として接合層内のボイド形成につながる場合がある。ボイドは接合層内に生じるので、接合部の気密性が失われる可能性がある。処理温度及びその持続時間は、アルミ層が蒸発しないように、そして気密性のある接合部を得るために制御することができる。前述の他のプロセスパラメータに加えて、適切な温度と処理持続時間の制御によって、連続的な接合部を形成することができる。本明細書に記載する実施形態によって得られた連続的な接合部は、部品の気密封止並びに構造的アタッチメントをもたらすことになる。
【００７０】
ろう材は流動して、接合されるセラミック材表面の濡れを可能にする。アルミのろう付け層を使用して本明細書に記載される十分に低レベルの酸素存在下で窒化アルミなどのセラッミックを接合する場合、接合部は気密性のあるろう付け接合部となる。これは、いくつかの従来のセラミック接合処理に見られる拡散接合とは対照的である。
【００７１】
いくつかの実施形態では、接合される部品は、ろう付け中にろう付け層全域に全く圧力がかからないように構成することができる。例えば、ポスト又はシャフトは、嵌合部品の皿穴又は凹部の中へ配置することができる。皿穴はポスト又はシャフトの外形寸法より大きいものとすることができる。これにより、その後にアルミ又はアルミ合金で埋めることのできるポスト又はシャフト周りの領域を作ることができる。このシナリオでは、接合中に２つの部品を保持するために２つの部品の間に加わる圧力は、ろう付け層全域で何らかの圧力ももたらすことはない。また、部品間にほとんど又は全く圧力がかからないように、固定具を利用して各部品を好ましい端部位置に保持することも可能である。
【００７２】
前述のように接合された接合組立体は、接合された部品間に気密封止を備える部品となる。従って、このような組立体は、組立体の使用上大気からの隔離が重要な態様である場所で使用することができる。さらに、例えば、接合組立体を後で半導体処理に使用する場合に種々の雰囲気に曝される可能性のある接合部の一部は、このような雰囲気で劣化することはなく、また後続の半導体処理を汚染することもない。
【００７３】
部品を分離するために大きな力を必要とするという点で、気密性接合及び非気密性接合の両方とも部品を強固に接合することができる。しかしながら、接合部が強固にという事実は、接合部が気密封止を備えるか否かを決定づけるものではない。気密性接合を得る能力は、接合部の濡れ性に関係する場合がある。濡れ性は、液体が別の材料の表面へ広がる能力又は傾向を表す。ろう付けされる接合部に十分な濡れ性がない場合、未接合の領域が存在することになる。非濡れ性の領域が十分に存在する場合、ガスが接合部を通過してリークを引き起こすことがある。濡れ性は、ろう材溶融の種々の段階での接合部全域の圧力に影響される場合がある。ろう付け層の特定の最小距離を越えた圧縮を制限するために、メサ形スタンドオフ、或いは適切な直径のセラミック球又は粉末粒子の挿入等の別のスタンドオフ機構の利用によって、接合部領域の濡れ性を向上させることができる。接合処理中にろう付け要素が経験する雰囲気を注意深く制御することで、接合部領域の濡れ性を向上させることができる。接合部厚さの注意深い制御と処理中に使用される雰囲気の注意深い制御とを組み合わせると、他のプロセスでは達成できない接合部界面の完全な濡れ性をもたらすことができる。さらに、メサ形スタンドオフの高さよりも厚くすることができる適切な厚さのろう付け層を使用すると、他の関連する因子と合わせて、非常に良く濡れた気密性のある接合部をもたらすことができる。種々の接合層の厚さでうまく行く場合もあるが、接合層の厚さの増加により、接合部の気密性の点での成功率を高めることができる。
【００７４】
ろう付け処理中に大量の酸素又は窒素が存在すると、接合部界面領域の十分な濡れ性を妨げる反応を生じる場合があり、結果的に気密性のない接合部をもたらすことになる。十分な濡れ性がないと、非濡れ性の領域が接合部界面領域の最終的な接合部中に持ち込まれる。十分に連続的な非濡れ性の領域が持ち込まれると、接合部の気密性は失われる。
【００７５】
窒素の存在は、窒素が溶融したアルミと反応して窒化アルミを形成することに通じる可能性があり、この反応生成は、接合部界面領域の濡れ性を妨げる場合がある。同様に、酸素の存在は、酸素が溶融したアルミと反応して酸化アルミを形成することに通じる可能性があり、この反応生成は、接合部界面領域の濡れ性を妨げる場合がある。十分な酸素及び窒素を除去して、十分にしっかりした接合部界面領域の濡れ性と気密性のある接合部とを可能とするために、５ｘ１０−５Ｔｏｒｒ未満の圧力の真空雰囲気を使用することを示した。いくつかの実施形態では、ろう付けステップ中の処理チャンバ内で、例えば大気圧を含むより高い圧力を使用するが、水素等の非酸化性ガス又はアルゴン等の純希ガスを利用すると、接合部界面領域のしっかりした濡れ性と気密性のある接合部が生じた。前述の酸素反応を回避するために、ろう付け処理中の処理チャンバ内にある酸素量は、接合部界面領域の十分な濡れ性に悪影響を与えないように十分に低くする必要がある。前述の窒素反応を回避するために、ろう付け処理中の処理チャンバ内にある窒素量は、接合部界面領域の十分な濡れ性に悪影響を与えないように十分に低くする必要がある。
【００７６】
ろう付け処理中の適切な雰囲気の選択は、最小接合部厚さの保持と相まって接合部の十分な濡れ性を可能にすることができる。逆に、不適切な雰囲気の選択は、不十分な濡れ性及びボイドにつながり、非気密性の接合部をもたらす場合がある。適切な材料の選択及びろう付け中の適切な温度に加えて、制御された雰囲気と制御された接合部厚さとの適切な組み合わせにより、気密性のある接合部を備えた材料の接合が可能となる。
【００７７】
ろう付けの前にアルミ薄膜のスパッタリングなどでセラミック表面の内の一方又は両方をプレ金属化する、本発明のいくつかの実施形態では、接合処理ステップは、より短い持続時間だけ保持されるより低温を使用することができる。加熱サイクルを開始するとすぐに、温度をゆっくりと、例えば毎分１５℃で２００℃まで、その後毎分２０℃で標準化された温度、例えば６００℃及び接合温度まで上昇させ、勾配を最小化するために及び／又は別の理由から、所定の滞留時間の間、各温度に保持して加熱後の真空度を回復させることができる。ろう付け温度に達すると、この温度をろう付け反応をもたらす時間だけ保持することができる。接合界面のうちの１つ又は２以上のプレ金属化を利用するいくつかの実施形態では、ろう付け温度は、６００℃から８５０℃の範囲とすることができる。例示的な実施形態では、滞留温度は７００℃、滞留時間は１分とすることができる。別の例示的な実施形態では、滞留温度は７５０℃、滞留時間は１分とすることができる。十分なろう付け滞留時間に達するとすぐに、毎分２０℃の割合で、又は炉固有の冷却率がよい小さい場合にはより低い割合で炉を常温まで冷却することができる。炉を大気圧にして開け、ろう付けされた組立体を検査、特性確認、及び／又は評価のために取り出すことができる。
【００７８】
接合部界面領域上にアルミ層蒸着の無いアルミろう付け処理と比較すると、薄膜スパッタリング技術などでセラミックの表面にアルミ薄膜層を蒸着させたプロセスは、低温で、ろう付け温度での非常に短い滞留時間でもって気密性のある接合部をもたらす。界面上のアルミ蒸着層を利用することによって、表面を濡れ性にするのが比較的に容易であり、気密性のある接合部を得るために、より低温かつ短い滞留時間の利用が可能になり、必要なエネルギーをより少なくすることができる。
【００７９】
このようなろう付け処理に関する工程の概要は以下の通りである。接合部は、多結晶窒化アルミの２つの部品の間にあった。ろう付け層材料は、０．００３インチ厚の９９．８％アルミ箔であった。リング状部品の接合部界面領域を、２μｍの薄膜蒸着アルミを使用して金属化した。接合温度を、７８０℃で１０分間維持した。６ｘ１０Ｅ−５Ｔｏｒｒ未満のより低い圧力に維持した処理チャンバで接合を行った。直径０．００４インチのＺｒＯ２球を利用して、接合部厚さを維持した。第１部品（リング状部品）は、アルミの薄い層を蒸着する前にエッチング処理を受けた。接合部完全性の音響映像は、セラミック上への良好な濡れがあった位置に暗い単色を示した。接合部の良好で十分な完全性が見られた。この接合部は気密性があった。１ｘ１０Ｅ−９ｓｃｃｍ  Ｈｅ／ｓｅｃより小さな真空リーク速度を有することにより、気密性を確認した（標準的な市販の質量分析計型ヘリウムリーク検出器により確認できる）。
【００８０】
本発明の実施形態による、ヒータゾーンの熱電対モニタを備えたマルチゾーンヒータ組立体の製造は、ヒータのセラミック部品の最終焼結の後に熱電対を挿入することを可能にする。また、半導体処理中にヒータが曝されることになり、腐食性ガスを含む場合のある外部環境から、相当な温度と腐食性ガスとに耐えるように構成された気密封止によって、熱電対は保護される。さらに、気密封止は構造的接合部でもあり、複数部品組立体は、単一のろう付けステップで構造的に連結して気密封止することができる。
【００８１】
本明細書に記載する接合方法のもう１つの利点は、本発明のいくつかの実施形態に従って作られた接合部が、必要であれば、それら２つの部品のうちの一方を修理又は交換するために、構成部品の分解を可能にすることである。接合処理は、接合層のセラミック中への拡散によりセラミック部品を変化させることはないので、セラミック部品は再利用することができる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、シャフトとプレートのアライメント及び位置を部品形状により維持し、固定作業と接合後の機械加工とを省く。ろう材が溶融する際の多少の軸方向移動を除いて、接合処理中に確実に移動しないようにするためにウエイトを使用することができる。プレートを逆さまに置いて、接合要素をプレート裏面の凹部に設けることができる。シャフトをプレートの凹部の中に垂直方向下向きに挿入することができる。接合処理中に何らかの接触圧力を与えるために、ウエイトをシャフト４０１上に置くことができる。
【００８３】
いくつかの実施形態では、シャフト／プレートの位置及び鉛直度は、固定具によって維持する。固定具は、熱膨張と機械加工公差のために精密ではない場合があり、それゆえ、接合後の機械加工を必要とする場合がある。シャフト径を大きくして、最終的な寸法要求を満たすように、必要とされる材料除去に対応することができる。同様に、ろう材が溶融する際の多少の軸方向移動を除いて、接合処理中に確実に移動しないようにするためにウエイトを使用することができる。プレートを逆さまに置いて、接合要素をプレート裏面上部に設けることができる。シャフトをプレート上へ配置してプレート・シャフトの事前組立体を作製することができる。固定具は、シャフトを支持して位置決めするように構成することができる。固定具は、プレートに対してキー留めすることができ、位置的な完全性をもたらすようになっている。接合処理中に何らかの接触圧力を与えるために、ウエイトをシャフト４０１上に置くことができる。
【００８４】
本発明の一態様は、接合用に選択されたアルミ又はアルミ合金の、温度と共に減少する引張強度で規定される、接合されたシャフト−プレートの最大作業温度である。例えば、接合材料として純アルミを使用する場合、シャフトとプレートとの間の接合の構造強度は、接合部温度が一般に６６０℃と見なされるアルミの融点に近づくにつれてかなり低くなる。実際問題として、９９．５％又はより純度の高いアルミを使用する場合、シャフト−プレート組立体は、典型的なウェハ処理ツールで経験する通常の予期される応力すべてに６００℃の温度まで耐えることになる。しかしながら、一部の半導体デバイス製造工程は、６００℃より高い温度を必要とする。
【００８５】
本発明の実施形態によって接合された組立体を分離するための修理手順は以下のように行うことができる。接合部全域に引張力を付与するように構成された固定具を使用して、組立体を処理オーブンに置くことができる。固定具は、接合部接触領域上へ約２−３０ｐｓｉの引張応力を加えることができる。いくつかの実施形態では、固定具は接合部全域により大きな応力を加えることができる。その後、固定された組立体は、処理オーブン内に置くことができる。オーブンは真空排気することができるが。これらのステップ中では必要ない場合もある。温度をゆっくりと、例えば毎分１５℃で２００℃まで、その後毎分２０℃で標準化された温度、例えば４００℃まで、そして分離温度まで上昇させることができる。分離温度に達するとすぐに、部品はバラバラになることができる。分離温度は、ろう付け層に使用した材料に特有である。いくつかの実施形態では、分離温度は６００−８００℃の範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、分離温度は８００−１０００℃の範囲とすることができる。固定具は、２つの部品の間の移動量を制限できるように構成することができ、分離の際に部品が損傷しないようになっている。分離温度は、アルミに関して４５０℃から６６０℃の範囲とすることができる。
【００８６】
セラミック製シャフト等の以前使用した部品を再利用する前に、この部品は、凹凸面を除去するように接合領域を機械加工することによって、再利用に向けて前処理することができる。いくつかの実施形態では、部品を新しい嵌合部品に接合する場合に接合部のろう材総量を管理するために、残余の全てのろう材を除去することが望ましいであろう。
【００８７】
セラミック内部に拡散層を生成する接合方法とは対照的に、本発明のいくつかの実施形態による接合処理は、そのような拡散層をもたらすことはない。従って、セラミック及びろう材の材料特性は、ろう付けステップの前の材料特性を維持する。従って、分解後に部品の再利用が望まれる場合には、同一の材料と同一の材料特性とが部品に存在することになり、公知の組成及び特性でもって再利用することが可能になる。
【００８８】
一実施形態では、半導体製造工程に用いるウェハチャックが設けられ、このウェハチャックは所定の軸及び端部を有するシャフトと、シャフトの端部に接合されてシャフトを越えて軸から半径方向外向きに延びる部分を有するプレートと、プレートの一部に配置される温度センサと、半導体製造工程中に温度センサの周りのプレート温度を測定するために温度センサからシャフトを貫通して延びる電気リード線とを含むことができる。
【００８９】
プレートは、セラミック製プレートとすることができる。ウェハチャックはさらに、第１の温度センサ（そのように呼ぶ）から半径方向に距離を置いてプレートの一部分に配置された追加の温度センサと、追加の温度センサの周りでプレート温度を測定するために追加の温度センサからシャフトを貫通して延びる追加の電気リード線とを含むことができる。ウェハチャックはさらに、第１の温度センサ（そのように呼ぶ）の周りのプレート加熱用の第１ヒータと、第１ヒータから独立している追加の温度センサの周りのプレート加熱用の第２ヒータとを含むことができる。プレートは、少なくとも第１プレート層と、第１プレート層に気密接合して隣接する第２プレート層とから形成することができ、第１プレート層は第１表面を有し、第２プレート層は第１表面に対向する第２表面を有し、電気リード線を収容するための温度センサとシャフトとの間に延びる第１及び第２プレート層間の凹部を形成するために、第１及び第２表面のうちの少なくとも一方は、内部に凹部を有する。凹部は、第１の電気リード線を収容する第１通路と、追加の電気リード線を収容する第２通路とを含むことができる。凹部は、軸を中心とする円柱形キャビティを含むことができる。ウェハチャックはさらに、プレート層を気密接合するために第１プレートと第２プレートとの間に配置された接合層を含むことができる。温度センサは熱電対とすることができる。
【００９０】
一実施形態では、マルチゾーンヒータが設けられ、このマルチゾーンヒータは、ヒータプレートを含むことができ、ヒータプレートは、その中心から第１の半径方向距離区域に第１ヒータと、第１の半径方向距離区域内に第１熱電対穴と、第１熱電対穴内に第１熱電対と、第１半径方向距離区域よりもヒータプレート中心から遠い第２の半径方向距離区域に第２ヒータと、第２半径方向距離区域内に第２熱電対穴と、第２熱電対穴内に第２熱電対と、ヒータプレートとカバーとの間の通路と、通路を覆うカバーとを含むことができ、第２熱電対はこの通路を通って配線された遠隔計測用リード線を備える。
【００９１】
マルチゾーンヒータはさらに、ヒータプレートに取り付けられた中空のヒータシャフトを含むことができ、中空ヒータシャフトは内部表面と外部表面とを含む。第２熱電対穴は、ヒータプレートの、中空ヒータシャフトの内部で取り囲まれた領域の外側に配置することができる。第２熱電対の遠隔計測用リード線は、通路を通って中空ヒータシャフトの内部に配線することができる。カバーは、第１接合層を用いてヒータプレートに気密接合することができる。ヒータプレートは、窒化アルミを含むことができる。中空ヒータシャフトは、窒化アルミを含むことができる。第１接合層は、アルミを含むことができる。マルチゾーンヒータは、ヒータプレートと中空ヒータシャフトとの間に配置された第２接合層をさらに含むことができ、第２接合層はシャフトの外部からシャフトの内部空間を気密封止する。第２接合層は、アルミを含むことができる。
【００９２】
一実施形態では、マルチゾーンヒータが設けられ、このマルチゾーンヒータは、多層ヒータプレートを含むのがよく、多層ヒータプレートは、上部プレート層と、１つ又は２以上の中間プレート層と、下部プレート層と、これらのプレート層間に配置されてプレート層を接合する複数のプレート接合層と、個別に制御するように構成された２つのプレート層間の複数のヒータ素子領域と、２つのプレート層間に実装された複数の熱電対とを含むことができる。
【００９３】
各熱電対は、多層ヒータプレートの中心から複数の距離に配置することができる。マルチゾーンヒータはさらに、中空ヒータシャフトを含むことができ、中空ヒータシャフトは、多層ヒータプレートの底面に取り付けられている。熱電対は、熱電対リード線を含むことができ、熱電対リード線は、中空ヒータシャフトの内部を通って配線することができる。１つ又は２以上の熱電対は、多層プレートに対するシャフトアタッチメントによって取り囲まれた領域の外側に配置することができる。マルチゾーンヒータはさらに、中空ヒータシャフトと多層プレートとの間に接合層を含むことができる。複数のプレート接合層は、アルミを含むことができる。中空ヒータシャフトと多層プレートとの間の接合層は、アルミを含むことができる。最上部プレート層及び最下部プレート層は、セラミックを含むことができる。中空ヒータシャフトは、アルミを含むことができる。複数のプレート接合層は、アルミを含むことができる。中空ヒータシャフトと多層プレートとの間の接合層は、アルミを含むことができる。マルチゾーンヒータはさらに、中空ヒータシャフトと多層プレートとの間に配置された中央ハブを含むことができる。
【００９４】
前記の説明から明らかなように、本明細書の記載から多様な実施形態を構築することができ、当業者であれば付加的な利点及び変更を想定することは容易である。従って、本発明は、その広範な態様において、図示して説明した特定の詳細内容及び例示的な実施例に限定されることはない。従って、本出願者の全体的な発明の精神と範囲から逸脱することなく、このような詳細内容から逸脱することができる。
【符号の説明】
【００９５】
３５０  取り付けフランジ
５００  ウェハチャック又はヒータ
５０１  第１プレート層又はカバープレート
５０２  第２プレート層又はヒータプレート
５０３  中空領域又は通路
５０４  中央穴
５０５  第１温度センサ
５０６  第２温度センサ
５０７  第３温度センサ
５０８  第１熱電対穴
５０９  第２熱電対穴
５１０  第３熱電対穴
５１６  シャフト
５１７  第１端部
５１８  第２端部
５１９  長手方向中心軸
５２１  プレート
５２２  プレートの一部
５２６  プレートの中央ゾーン
５２７  プレートの中間ゾーン
５２８  プレートの端部ゾーン
５３１  第１電気リード線
５３２  第２電気リード線
５３３  第３電気リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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