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JP5851665B1 - セラミックスプレートと金属製の円筒部材との接合構造 - Google Patents

セラミックスプレートと金属製の円筒部材との接合構造 Download PDF

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Abstract

半導体製造装置用部材は、ＡｌＮ製のセラミックスプレートであるサセプタ１０と、サセプタ１０に接合されたガス導入パイプ２０とを備えている。サセプタ１０のうちガス導入パイプ２０のフランジ２２と対向する位置には、環状のパイプ接合用バンク１４が形成されている。また、フランジ２２とパイプ接合用バンク１４との間には、パイプろう付け部２４が形成されている。フランジ２２は、幅が３ｍｍ以上、厚みが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である。パイプ接合用バンク１４は、高さが０．５ｍｍ以上であることが好ましく、フランジ２２の外縁に対向する角の面取りがＣ面取りの場合にはＣ０．３以上、Ｒ面取りの場合にはＲ０．３以上であることが好ましい。

Description

本発明は、セラミックスプレートと金属製の円筒部材との接合構造に関する。
静電チャックは、ウエハを吸着し、半導体製造プロセス中でウエハの温度を制御するための保持部材として用いられている。こうした静電チャックとしては、ガス導入孔が設けられた円板状のセラミックスプレートの裏面側より、金属製のガス導入パイプを接合して、ウエハの吸着面にＨｅガスなどを供給し、熱伝導性を向上させたものが知られている（例えば特許文献１）。
ところで、セラミックスプレートと金属製のガス導入パイプとの接合方法としては、図７に示すように、セラミックスプレート１１０とガス導入パイプ１２０との間にろう材を充填すると共にガス導入パイプ１２０の側面から静電チャックの裏面にかけてろう材を塗布して、ろう付けする方法が知られている（例えば特許文献２）。ろう付け後、ろう材はフィレット状のろう付け部１２４となる。セラミックスプレート１１０とガス導入パイプ１２０との間に熱膨張差による応力が発生するが、その応力をできるだけ小さくするために、ガス導入パイプ１２０をセラミックスプレート１１０に近い熱膨張係数を有する金属で形成している。
特開２００４−２９７１０３号公報 特開２０００−２１９５７８号公報（図３）
しかしながら、図７の接合構造では、ガス導入パイプ１２０をセラミックスプレート１１０に近い熱膨張係数を有する金属で形成したとしても、静電チャック使用時に熱サイクルが加わると接合部の剥がれが発生することがあった。その原因は、ガス導入パイプ１２０やろう付け部１２４が冷却時にセラミックスプレート１１０よりも大きく収縮してしまうことにある。そのため、熱サイクルを数回繰り返しただけでセラミックプレート１１０にクラックが発生し、気密性が維持できず、ガス導入孔からリークが起きてしまうことがあった。一方、セラミックスプレート１１０の裏面には、ガス導入パイプ１２０のほかにセラミックスプレート１１０より僅かに径の小さな金属製のリング（図示せず）がろう付けされることがあるが、このリングとセラミックスプレート１１０との接合部においても、上述したようにクラックが発生して気密性が維持できないという問題があった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、セラミックスプレートと金属製の円筒部材との接合構造において、熱サイクルに対する耐久性を向上させることを主目的とする。
本発明の接合構造は、
セラミックスプレートと金属製の円筒部材との接合構造であって、
前記円筒部材の端部に形成されたフランジと、
前記セラミックスプレートのうち前記フランジと対向する位置に設けられた環状のバンクと、
前記フランジと前記バンクとの間に形成されたろう付け部と、
を備え、
前記フランジは、幅が３ｍｍ以上、厚みが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、
前記バンクは、前記フランジの外縁に対向する角の面取りがＣ面取り又はＲ面取りされている、
ものである。
この接合構造では、円筒部材のフランジとセラミックスプレートの環状のバンクとがろう付け部で接合されている。また、フランジの大きさや厚みが適正な数値範囲にあり、バンクはフランジの外縁に対向する角の面取りがＣ面取り又はＲ面取りされている。そのため、円筒部材とセラミックスプレートとの熱膨張差による応力をバンクの側面で受けることができるようになり、応力に対して強い構造となる。また、接合面積が広くなり、シール距離が長くなる。したがって、こうした接合構造を有する接合体に熱サイクルを繰り返し行ったとしても、接合部分にクラックが発生するのを抑制できる。よって、こうした接合構造によれば、熱サイクルに対する耐久性が向上する。
本発明の接合構造において、前記バンクは、高さが０．５ｍｍ以上であることが好ましい。こうすれば、熱サイクルに対する耐久性が一層向上する。
本発明の接合構造において、前記バンクは、前記フランジの外縁に対向する角の面取りがＣ面取りの場合にはＣ０．３以上であることが好ましく、Ｒ面取りの場合にはＲ０．３以上であることが好ましい。こうすれば、熱サイクルに対する耐久性が一層向上する。
本発明の接合構造において、前記セラミックスプレートは、ＡｌＮ製であり、前記円筒部材は、コバール製であり、前記ろう付け部は、Ａｇ，Ｃｕ及びＴｉを含むろう材又はＡｌろうによって形成されていることが好ましい。このような材料の組合せを採用すれば、より確実に本発明の効果を得ることができる。
本発明の接合構造において、前記セラミックスプレートは、前記環状のバンクの内側に開口し厚み方向に貫通するガス導入孔を有し、前記円筒部材は、前記ガス導入孔へガスを供給するガス導入パイプとしてもよい。こうすれば、熱サイクル後も、ガス導入パイプから供給されたガスがガス導入パイプやガス導入孔の外側へリークするのを防止することができる。
本発明の接合構造において、前記環状のバンクは、前記セラミックスプレートの外周縁に沿って形成され、前記円筒部材は、前記セラミックスプレートを支持する支持リングとしてもよい。こうすれば、熱サイクル後も、支持リングの内部の気密性を維持することができる。
半導体製造装置用部材１の概略構成を示す断面図。 図１のＡ部拡大図。 図１のＢ部拡大図。 他の実施形態の部分拡大断面図。 試験用サンプルの断面図。 試験用サンプルの断面図。 従来の接合構造の断面図。
本発明の好適な実施形態を図面を参照して以下に説明する。図１は半導体製造装置用部材１の概略構成を示す断面図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は図１のＢ部拡大図である。
半導体製造装置用部材１は、図１に示すように、チャンバ２の内部に設置されている。この半導体製造装置用部材１は、ウエハＷが載置されるウエハ載置面１０ａを備えたサセプタ１０と、サセプタ１０のウエハ載置面１０ａとは反対側の裏面１０ｂに接合された小径のガス導入パイプ２０と、同じく裏面１０ｂに接合された大径の支持リング３０とを備えている。また、半導体製造装置用部材１は、支持リング３０の下端にてチャンバ２の内面に気密になるように接合されている。
サセプタ１０は、円板状のＡｌＮ製セラミックスプレートである。このサセプタ１０は、厚さ方向に貫通するガス導入孔１２を備えている。ガス導入孔１２の裏面１０ｂ側の開口の周囲には、環状のパイプ接合用バンク１４が形成されている。パイプ接合用バンク１４は、ガス導入パイプ２０のフランジ２２と対向する位置に設けられている。また、サセプタ１０のうち支持リング３０のフランジ３２と対向する位置には、環状のリング接合用バンク１６が形成されている。リング接合用バンク１６は、サセプタ１０の外周縁よりもやや内側に、その外周縁に沿って形成されている。
ガス導入パイプ２０は、コバール製であり、図２に示すように、サセプタ１０の裏面１０ｂに接合される端部に、フランジ２２を有している。コバールは、ＡｌＮと同等の熱膨張係数を有する。ちなみに、ＡｌＮの熱膨張係数は４．３×１０-6／℃（４０℃〜４００℃）、コバールの熱膨張係数は９×１０-6／℃（４０℃〜４００℃）である。フランジ２２とパイプ接合用バンク１４との間には、パイプろう付け部２４が形成されている。パイプろう付け部２４は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材又はＡｌろうで形成されている。Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材の熱膨張係数は、組成がＡｇ６３重量％、Ｃｕ３２．２５重量％、Ｔｉ１．７５重量％の場合には １８．５×１０-6／℃（４０℃〜４００℃）、Ａｌろうの熱膨張係数は１９．５×１０-6／℃（４０℃〜４００℃）である。
支持リング３０は、コバール製であり、図３に示すように、サセプタ１０の裏面１０ｂに接合される端部に、フランジ３２を有している。この支持リング３０の直径は、サセプタ１０の直径よりも僅かに小さい。フランジ３２とリング接合用バンク１６との間には、リングろう付け部３４が形成されている。リングろう付け部３４は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材又はＡｌろうで形成されている。
フランジ２２，３２は、図２及び図３に示すように、幅Ａが３ｍｍ以上、厚みＢが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である。フランジ２２，３２の幅Ａが３ｍｍ未満の場合には、シール距離不足や接合面積不足により気密性を維持できないため好ましくない。また、フランジ２２，３２の厚みＢが２ｍｍを超えると、熱サイクル時に接合部分に発生する応力が大きくなりすぎて接合部分にクラックが入るため好ましくない。この応力の大きさを考慮すると、フランジ２２，３２の厚みは薄いほどよいが、厚みが０．５ｍｍ未満の場合には、製造が困難になるため好ましくない。
パイプ接合用バンク１４及びリング接合用バンク１６は、図２及び図３に示すように、段高さＣが０．５ｍｍ以上であることが好ましく、フランジ２２，３２の外縁に対向する角の面取りサイズＤがＣ面取りの場合にはＣ０．３以上、Ｒ面取りの場合にはＲ０．３以上であることが好ましい。この条件を満たせば、熱サイクルに対する耐久性が十分高くなる。なお、図２及び図３では、各バンク１４，１６の角の面取りはＣ面取りの場合を例示した。
但し、各バンク１４，１６の段高さＣが０．５ｍｍ未満であったとしても、各バンク１４，１６のない場合に比べて熱サイクルに対する耐久性は向上する。また、各バンク１４，１６の角の面取りサイズＤがＣ面取りの場合にＣ０．３未満、Ｒ面取りの場合にＲ０．３未満であったとしても、角の面取りがされていない場合に比べて熱サイクルに対する耐久性は向上する。
次に、こうして構成された半導体製造装置用部材１の使用例について説明する。半導体製造装置用部材１は、チャンバ２内に配置され、このチャンバ２内で発生させたプラズマによってウエハＷの表面をエッチングするのに用いられる。このとき、必要に応じて、Ｈｅガスをガス導入パイプ２０及びガス導入孔１２を介してウエハＷの裏面に供給する。これにより、ウエハＷの均熱性が向上する。
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のサセプタ１０が本発明のセラミックスプレートに相当し、ガス導入パイプ２０及び支持リング３０がそれぞれ円筒部材に相当する。
以上詳述した本実施形態の半導体製造装置用部材１では、ガス導入パイプ２０のフランジ２２とサセプタ１０のパイプ接合用バンク１４とがパイプろう付け部２４で接合され、支持リング３０のフランジ２２とサセプタ１０のリング接合用バンク１６とがリングろう付け部３４で接合されている。また、フランジ２２，３２の大きさや厚みが適正な数値範囲にあり、バンク１４，１６はフランジ２２，３２の外縁に対向する角の面取りがＣ面取り又はＲ面取りされている。そのため、支持リング３０とサセプタ１０との熱膨張差による応力をバンク１４，１６の側面で受けることができるようになり、応力に対して強い構造となる。また、接合面積が広くなり、シール距離が長くなる。したがって、こうした接合構造を有する半導体製造装置用部材１に熱サイクルを繰り返し行ったとしても、接合部分にクラックが発生するのを抑制できる。よって、この半導体製造装置用部材１によれば、熱サイクルに対する耐久性が向上する。
また、サセプタ１０は、ＡｌＮ製であり、ガス導入パイプ２０や支持リング３０は、コバール製であり、パイプろう付け部２４及びリングろう付け部３４は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材又はＡｌろうによって形成されているため、熱膨張差によって発生する応力を低く抑えることができ、熱サイクルに対する耐久性を確実に高めることができる。
更に、熱サイクル後に、ガス導入パイプ２０から供給されたガスがガス導入パイプ２０やガス導入孔１２の外側へリークするのを防止することができるし、支持リング３０の内部の気密性を維持することもできる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態のサセプタ１０の代わりに、静電電極、ヒータ電極及びプラズマ発生電極の少なくとも１つを埋設したセラミックスプレートを用いてもよい。
上述した実施形態では、パイプ接合用バンク１４をサセプタ１０の裏面１０ｂから突出するように設けたが、図４に示すように、裏面１０ｂのうちガス導入孔１２の開口周辺に円周溝１３を設けてパイプ接合用バンク１４を形成してもよい。この場合、パイプ接合用バンク１４の頂面の高さは、裏面１０ｂの高さと同じになる。このようにしても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。なお、リング接合用バンク１６についても、これと同様に形成してもよい。即ち、小径の円周溝と大径の円周溝とを溝を設けて、両溝の間をリング接合用バンク１６としてもよい。
上述した実施形態では、サセプタ１０の材料としてＡｌＮを採用したが、ＡｌＮ以外のセラミック（例えばアルミナなど）を採用してもよい。その場合、ガス導入パイプ２０や支持リング３０の材料は、サセプタ１０の材料と熱膨張係数が同等のもの（例えばサセプタ１０の材料の熱膨張係数の±１０％のもの）とするのが好ましい。また、パイプろう付け部２４やリングろう付け部３４のろう材も、サセプタ１０の材料と熱膨張係数が同等のものとするのが好ましい。
上述した実施形態では、金属製の円筒部材としてガス導入パイプ２０や支持リング３０を例示したが、そのほかの円筒部材を接合してもよい。例えば、サセプタ１０の表面温度を測定する熱電対を挿入するための円筒部材を接合してもよい。
［試験用サンプルＮｏ．１〜１６］
図５に示す試験用サンプルを作製した。すなわち、まず、サセプタ１０を模したＡｌＮ製のブロック５０を用意した。ブロック５０には、ガス導入孔１２を模したガス導入孔５２と、パイプ接合用バンク１４を模したパイプ接合用バンク５４とを設けた。そして、パイプ接合用バンク５４に、パイプろう付け部２４を介してコバール製のガス導入パイプ２０のフランジ２２を接合し、試験用サンプルとした。ろう材は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材（Ａｇ６３重量％、Ｃｕ３２．２５重量％、Ｔｉ１．７５重量％）を使用した。ガス導入パイプ２０は、内径が約７．５ｍｍ、外径が約９．５ｍｍのものを使用した。試験用サンプルとしては、表１に示すフランジ幅Ａ、フランジ厚みＢ、バンクの段高さＣ、面取りサイズＤを有するサンプルＮｏ．１〜１６を作製した。
Figure 0005851665
［評価］
各サンプルを熱サイクル試験に供した。熱サイクル試験は、大気中で１５０℃から４５０℃に昇温し、その後１５０℃に降温するのを１サイクルとし、これを５０サイクル行った。熱サイクル試験後、接合部のシール性の確認と、断面観察によるクラックの確認を行った。接合部のシール性の確認は、ガス導入孔５２の開口５２ａを塞ぎ、ガス導入パイプ２０の入口からＨｅリークディテクタを用いて真空引きを行い、接合部側面からＨｅを吹き付けてＨｅのリーク量を測定した。リーク量が閾値（ここでは１×１０-8Ｐａ・ｍ3／
ｓｅｃ）未満であればシール性良好と判定し、閾値以上であればシール性不良と判断した。そして、シール性が良好で且つ断面観察でクラックなしの場合、「ＯＫ」と評価し、シール性が不良か断面観察でクラックありの場合、「ＮＧ」と評価した。その結果を表１に示した。
サンプルＮｏ．１〜４の評価結果から、フランジ幅Ａは３ｍｍ以上であれば、接合面積が十分広くシール距離も十分長くなるため、シール性が良好でクラックも見られなかった。
サンプルＮｏ．５〜８の評価結果から、フランジ厚みＢは２ｍｍ以下であれば、熱サイクル試験中に大きな応力が発生しないため、シール性が良好でクラックも見られなかった。なお、フランジ厚みＢが０．５ｍｍより薄くなると製造が困難になる。
サンプルＮｏ．９〜１２の評価結果から、パイプ接合用バンクの段高さＣが０．５ｍｍ以上であれば、熱サイクル試験中に発生する応力が緩和されるため、シール性が良好でクラックも見られなかった。
サンプルＮｏ．１３〜１６の評価結果から、面取りサイズＤ（ここではＣ面取り）が０．３ｍｍ以上（つまりＣ０．３以上）であれば、熱サイクル試験中に発生する応力が緩和されるため、シール性が良好でクラックも見られなかった。また、Ｃ面取りの代わりにＲ面取りを行った場合も、同様の結果が得られた。
なお、パイプ接合用バンク５４を有さないブロック５０と、フランジ２２を有さないガス導入パイプ２０とを、上述したＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材で図７に示す接合構造となるように接合したサンプルを作製し、上述した熱サイクル試験に供したあとシール性の確認を行ったところ、リーク量が閾値を超えていた（シール性不良）。また、断面観察を行ったところ、図７の点線で示すようなクラックが発生していた。
［試験用サンプルＮｏ．１７〜２４］
図６に示す試験用サンプルを作製した。すなわち、まず、サセプタ１０を模したＡｌＮ製のプレート６０と、支持リング３０を模したコバール製のリング７０とを用意した。プレート６０には、リング接合用バンク１６を模したリング接合用バンク６６を設け、リング７０には、フランジ３２を模したフランジ７２を設けた。そして、リング接合用バンク６６に、リングろう付け部７４を介してリング７０のフランジ７２を接合し、試験用サンプルとした。ろう材は、上述したＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を使用した。また、リング７０のサイズは、内径が約２２８ｍｍ、外径が約２２９．５ｍｍのものを使用した。試験用サンプルとしては、表２に示すフランジ幅Ａ、フランジ厚みＢ、バンクの段高さＣ、面取りサイズＤを有するサンプルＮｏ．１７〜２４を作製した。
Figure 0005851665
［評価］
サンプルＮｏ．１７〜２４についても、サンプルＮｏ．１〜１６と同様にして評価を行い、その結果を表２に示した。サンプルＮｏ．１７，１８の評価結果から、フランジ幅Ａは３ｍｍ以上であれば、接合面積が十分広くシール距離も十分長くなるため、シール性が良好でクラックも見られなかった。サンプルＮｏ．１９，２０の評価結果から、フランジ厚みＢは２ｍｍ以下であれば、熱サイクル試験中に大きな応力が発生しないため、シール性が良好でクラックも見られなかった。サンプルＮｏ．２１，２２の評価結果から、リング接合用バンクの段高さＣが０．５ｍｍ以上であれば、熱サイクル試験中に発生する応力が緩和されるため、シール性が良好でクラックも見られなかった。サンプルＮｏ．２３，２４の評価結果から、面取りサイズＤ（ここではＣ面取り）が０．３ｍｍ以上（つまりＣ０．３以上）であれば、熱サイクル試験中に発生する応力が緩和されるため、シール性が良好でクラックも見られなかった。また、Ｃ面取りの代わりにＲ面取りを行った場合も、同様の結果が得られた。
この出願は、2014年3月27日に出願された日本国特許出願第2014-065541号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明は、静電チャックや静電チャックヒータ、セラミックヒータなどの半導体製造装置用部材として利用可能である。
１ 半導体製造装置用部材、２ チャンバ、１０ サセプタ、１０ａ ウエハ載置面、１０ｂ 裏面、１２ ガス導入孔、１３ 円周溝、１４ パイプ接合用バンク、１６ リング接合用バンク、２０ ガス導入パイプ、２２ フランジ、２４ パイプろう付け部、３０ 支持リング、３２ フランジ、３４ リングろう付け部、５０ ブロック、５２ ガス導入孔、５２ａ 開口、５４ パイプ接合用バンク、６０ プレート、６６ リング接合用バンク、７０ リング、７２ フランジ、７４ リングろう付け部、１１０ セラミックスプレート、１２０ ガス導入パイプ、１２４ ろう付け部。

Claims (6)

  1. セラミックスプレートと金属製の円筒部材との接合構造であって、
    前記円筒部材の端部に形成されたフランジと、
    前記セラミックスプレートのうち前記フランジと対向する位置に設けられた環状のバンクと、
    前記フランジと前記バンクとの間に形成されたろう付け部と、
    を備え、
    前記フランジは、幅が３ｍｍ以上、厚みが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、
    前記バンクは、前記フランジの外縁に対向する角の面取りがＣ面取り又はＲ面取りされている、
    接合構造。
  2. 前記バンクは、高さが０．５ｍｍ以上である、
    請求項１に記載の接合構造。
  3. 前記バンクは、前記フランジの外縁に対向する角の面取りがＣ面取りの場合にはＣ０．３以上、Ｒ面取りの場合にはＲ０．３以上である、
    請求項１又は２に記載の接合構造。
  4. 前記セラミックスプレートは、ＡｌＮ製であり、
    前記円筒部材は、コバール製であり、
    前記ろう付け部は、Ａｇ，Ｃｕ及びＴｉを含むろう材又はＡｌろうによって形成されている、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合構造。
  5. 前記セラミックスプレートは、前記環状のバンクの内側に開口し厚み方向に貫通するガス導入孔を有し、
    前記円筒部材は、前記ガス導入孔へガスを供給するガス導入パイプである、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合構造。
  6. 前記環状のバンクは、前記セラミックスプレートの外周縁に沿って形成され、
    前記円筒部材は、前記セラミックスプレートを支持する支持リングである、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合構造。
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