JP7634493B2

JP7634493B2 - 給電部材及びウエハ載置台

Info

Publication number: JP7634493B2
Application number: JP2022032564A
Authority: JP
Inventors: 充小島; 央史竹林
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2025-02-21
Anticipated expiration: 2042-03-03
Also published as: US20230282497A1; JP2023128305A; TWI847561B; TW202349537A; KR20230130534A; KR102887552B1; CN116706583A

Description

本発明は、給電部材及びウエハ載置台に関する。

半導体製造装置は、エッチング装置、イオン注入装置、電子ビーム露光装置などにおいて、ウエハを吸着したりウエハを加熱・冷却したりするのに用いられる。こうした半導体製造装置としては、ウエハ載置面を有し静電電極及びヒータ電極を内蔵したセラミック製の静電チャックと、この静電チャックのウエハ載置面とは反対側の面に接着された金属製のベース部材とを備えたものが知られている。特許文献１には、こうした半導体製造装置の静電チャックに埋設された電極（静電電極やヒータ電極）に給電するのに用いられる給電部材が開示されている。給電部材は、電極に接合される電極側端子と、上端が電極側端子に接続された可撓性のケーブルと、ケーブルの下端に接続された雌型コネクタと、を備える。雌型コネクタには、外部装置の雄型コネクタが接続される。この給電部材によれば、雌型コネクタに対して電極に向かって押圧する力が働いたとしても、ケーブルが撓んでその力を吸収するため、静電チャックが破損するのを防止できる。

特開２０１３－１９１６２６号公報

ところで、上述した給電部材を作製する際に、Ｍｏ製の電極側端子にケーブル挿入用の穴を設け、その穴にＣｕ製のケーブルの上端を挿入して電子ビーム溶接又はレーザビーム溶接で接合することがある。しかしながら、こうした溶接方法では、温度がＭｏ融点付近まで上がらないためＭｏとＣｕとの合金が形成されにくく、ケーブルの溶けたＣｕが電極側端子の穴の内面と接合しておらず接触だけしていることがあった。また、溶けたＣｕが固化する際に、ＣｕとＭｏとの界面に気孔が生じることがあった。そのため、Ｍｏ製の電極側端子とＣｕ製のケーブルとの接合強度が十分得られないことがあった。

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、十分な強度を有する給電部材を提供することを主目的とする。

本発明の給電部材は、
セラミック基材に埋設された電極に給電するのに用いられる給電部材であって、
高融点金属含有材料で形成され、前記電極に接合される電極側端子と、
Ｃｕ含有材料で形成され、前記電極側端子とロウ材を介することなく直接接合された接合部及び該接合部とは反対側に設けられた穴部を有するインサートと、
Ｃｕ含有材料で形成され、前記給電部材とは別の導電部材と電気的に接続されるジョイント部及び前記ジョイント部とは反対側に設けられた凹部を有するコネクタと、
Ｃｕ含有材料で形成され、一端が前記インサートの前記穴部に差し込まれた状態で前記インサートに接合され、他端が前記コネクタの前記凹部に差し込まれた状態で前記コネクタに接合されたケーブルと、
を備えたものである。

この給電部材では、高融点金属含有材料で形成された電極側端子に、Ｃｕ含有材料で形成されたインサートの接合部がロウ材を介することなく直接接合されている。そのため、電極側端子とインサートとは十分な強度で接合されている。また、Ｃｕ含有材料で形成されたケーブルの一端は、インサートの穴部に差し込まれた状態で接合され、ケーブルの他端は、Ｃｕ含有材料で形成されたコネクタの凹部に差し込まれた状態で接合されている。これらの接合は、Ｃｕ含有材料で形成された部材同士の接合のため、十分な強度が得られる。したがって、この給電部材は十分な強度を有する。

本発明の給電部材において、前記電極側端子は、Ｍｏ含有材料であることが好ましい。こうすれば、セラミック基材がアルミナ含有材料の場合に、電極側端子とセラミック基材との間にクラック等が入るのを防止することができる。アルミナとＭｏとは熱膨張係数が近いため、熱膨張差によって発生する応力が小さくなるからである。

本発明のウエハ載置台は、
表面にウエハ載置面を有するセラミック基材と、
前記セラミック基材に埋設された電極と、
前記セラミック基材のうち前記ウエハ載置面とは反対側の面に差し込まれ、前記電極と接合された給電部材と、
を備えたウエハ載置台であって、
前記給電部材は、上述した本発明の給電部材であり、前記電極側端子が前記電極に接合されている、
ものである。

このウエハ載置台では、高融点金属含有材料で形成された電極側端子に、Ｃｕ含有材料で形成されたインサートの接合部がロウ材を介することなく直接接合されている。そのため、電極側端子とインサートとは十分な強度で接合されている。また、Ｃｕ含有材料で形成されたケーブルの一端は、インサートの穴部に差し込まれた状態で接合され、ケーブルの他端は、Ｃｕ含有材料で形成されたコネクタの凹部に差し込まれた状態で接合されている。これらの接合は、Ｃｕ含有材料で形成された部材同士の接合のため、十分な強度が得られる。したがって、この給電部材は十分な強度を有する。

本発明のウエハ載置台において、前記セラミック基材は、アルミナ含有材料で形成され、前記電極側端子は、Ｍｏ含有材料で形成されていることが好ましい。こうすれば、電極側端子とセラミック基材との間にクラック等が入るのを防止することができる。アルミナとＭｏとは熱膨張係数が近いため、熱膨張差によって発生する応力が小さくなるからである。

ウエハ載置台１０の概略を示す断面図。給電部材５０の概略構成を示す縦断面図。給電部材５０の製造工程図。給電部材１５０の概略構成を示す縦断面図。実施形態と比較形態の破断強度を示すグラフ。

図１は本実施形態のウエハ載置台１０の概略構成を示す断面図（ウエハ載置台１０の中心軸を含む面でウエハ載置台１０を切断したときの断面図）、図２は給電部材５０の概略構成を示す縦断面図（給電部材５０の中心軸を含む面で給電部材５０を切断したときの断面図）である。なお、以下の説明において、上下、左右、前後を用いることがあるが、上下、左右、前後は、相対的な位置関係に過ぎない。

ウエハ載置台１０は、ウエハＷを処理するために用いられるものである。ウエハ載置台１０は、図１に示すように、セラミック基材２０と、静電電極２２と、ヒータ電極２４と、冷却基材３０と、接合層４０と、給電部材５０Ａ，５０Ｂとを備える。

セラミック基材２０は、表面にウエハ載置面２０ａを有する円板状の部材である。セラミック基材２０は、セラミック含有材料で形成されている。セラミック含有材料は、セラミックを主成分とする材料であり、セラミックの他に焼結助剤に由来する成分（例えば希土類元素等）や不可避成分などを含んでいてもよい。主成分とは、全体に占める割合が５０質量％以上であることをいう（以下同じ）。セラミックとしては、例えばアルミナや窒化アルミニウムなどが挙げられる。

静電電極２２及びヒータ電極２４は、セラミック基材２０に埋設されている。静電電極２２は、ヒータ電極２４よりもウエハ載置面２０ａに近い側に埋設されている。これらの電極２２，２４は、例えばＷ、Ｍｏ、ＷＣ、ＭｏＣなどを含有する材料によって形成されている。静電電極２２は、円板状又はメッシュ状の単極型の静電電極である。セラミック基材２０のうち静電電極２２よりも上側の層は誘電体層として機能する。静電電極２２には、静電吸着用の直流電源６２が給電部材５０Ａを介して接続されている。ヒータ電極２４は、平面視でウエハ載置面２０ａの全面に行き渡るように、一端から他端まで一筆書きの要領で配線されている。ヒータ電極２４の一端には、ヒータ電源６４が給電部材５０Ｂを介して接続されている。ヒータ電極２４の他端も、図示しないが、ヒータ電極２４の一端と同様にして給電部材５０Ｂを介してヒータ電源６４に接続されている。

冷却基材３０は、内部に冷媒が循環可能な冷媒流路３２を備えた円板状の部材である。冷媒流路３２は、平面視でセラミック基材２０の全面に行き渡るように、一端から他端まで一筆書きの要領で形成されている。冷媒流路３２の一端と他端は、冷媒の温度を調節する機能を有する冷媒循環ポンプ（図示せず）に接続されている。冷却基材３０は、例えば金属を含有する導電材料で作製されている。導電材料としては、例えば、複合材料や金属などが挙げられる。複合材料としては、金属複合材料（メタル・マトリックス・コンポジット（ＭＭＣ）ともいう）などが挙げられ、ＭＭＣとしては、Ｓｉ，ＳｉＣ及びＴｉを含む材料やＳｉＣ多孔質体にＡｌ及び／又はＳｉを含浸させた材料などが挙げられる。Ｓｉ，ＳｉＣ及びＴｉを含む材料をＳｉＳｉＣＴｉといい、ＳｉＣ多孔質体にＡｌを含浸させた材料をＡｌＳｉＣといい、ＳｉＣ多孔質体にＳｉを含浸させた材料をＳｉＳｉＣという。金属としては、Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｏ又はそれらの合金などが挙げられる。

接合層４０は、セラミック基材２０の下面と冷却基材３０の上面とを接合している。接合層４０は、例えば、はんだや金属ロウ材で形成された金属接合層であってもよい。金属接合層は、例えばＴＣＢ（Ｔｈｅｒｍａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｂｏｎｄｉｎｇ）により形成される。ＴＣＢとは、接合対象の２つの部材の間に金属接合材を挟み込み、金属接合材の固相線温度以下の温度に加熱した状態で２つの部材を加圧接合する公知の方法をいう。

給電部材５０Ａは、冷却基材３０を上下方向に貫通する貫通穴及び接合層４０を上下方向に貫通する貫通穴を経て、セラミック基材２０の下面から静電電極２２に至る貫通穴２２ａに挿入された状態で、上端が静電電極２２に接合されている。冷却基材３０を上下方向に貫通する貫通穴及び接合層４０を上下方向に貫通する貫通穴には、絶縁管４２が挿入されている。給電部材５０Ａは、この絶縁管４２の内部を通過している。

給電部材５０Ｂは、冷却基材３０を上下方向に貫通する貫通穴及び接合層４０を上下方向に貫通する貫通穴を経て、セラミック基材２０の下面からヒータ電極２４に至る貫通穴２４ａに挿入された状態で、上端がヒータ電極２４に接合されている。冷却基材３０を上下方向に貫通する貫通穴及び接合層４０を上下方向に貫通する貫通穴には、絶縁管４４が挿入されている。給電部材５０Ｂは、この絶縁管４４の内部を通過している。

給電部材５０Ａ，５０Ｂは、ケーブルの長さが異なる以外は同じ構造である。そのため、以下には、給電部材５０Ａ，５０Ｂを区別することなく、給電部材５０として説明する。

給電部材５０は、図２に示すように、電極側端子５１と、インサート５２と、コネクタ５３と、ケーブル５６とを備える。

電極側端子５１は、高融点金属含有材料で形成された円板状の部材である。高融点金属含有材料は、高融点金属を主成分とする材料であり、高融点金属の他に不可避成分やセラミック基材２０に含まれる成分などを含んでいてもよい。高融点金属としては、例えばＭｏやＷなどが挙げられる。セラミック基材２０がアルミナ含有材料で形成されている場合、電極側端子５１はＭｏ含有材料で形成されていることが好ましい。電極側端子５１は、電極（静電電極２２又はヒータ電極２４）やその電極の周囲のセラミック基材２０とロウ接合される。ロウ材としては、例えばＡｕ含有合金が挙げられる。Ａｕ含有合金としては、ＡｕＧｅ合金、ＡｕＳｎ合金、ＡｕＳｉ合金などが挙げられる。電極側端子５１がＭｏ含有材料で形成されている場合、ロウ材はＡｕＧｅ合金を用いることが好ましい。

インサート５２は、Ｃｕ含有材料で形成され、円柱状の部材である。Ｃｕ含有材料は、Ｃｕを主成分とする材料であり、Ｃｕの他に不可避成分などを含んでいてもよい。インサート５２は、電極側端子５１と接合される接合部５２ａと、接合部５２ａとは反対側に設けられた穴部５２ｂとを有する。接合部５２ａは、本実施形態では円柱の上面であり、電極側端子５１とロウ材を介することなく直接接合されている。そのため、接合部５２ａと電極側端子５１との接合部分の強度は十分高くなる。接合部５２ａと電極側端子５１との接合部分をＳＥＭ写真でみたときに、接合界面に隙間が見られないことが好ましい。

コネクタ５３は、Ｃｕ含有材料で形成され、ソケット部５３ａ（本発明のジョイント部に相当）と凹部５３ｂとを有する。ソケット部５３ａは、コネクタ５３の下側に設けられ、外部装置（例えば直流電源６２やヒータ電源６４）の導電部材と電気的に接続される。本実施形態では、ソケット部５３ａはバナナジャックであり、外部装置の導電部材はそのバナナジャックに差し込まれるバナナプラグである。凹部５３ｂは、コネクタ５３の上側に設けられた穴である。コネクタ５３は、ソケット部５３ａを有する下方部材５４と凹部５３ｂを有する上方部材５５とを接合したものである。下方部材５４と上方部材５５との接合は、はんだ付け、電子ビーム溶接、レーザビーム溶接などで行うことができる。下方部材５４と上方部材５５はいずれもＣｕ含有材料で形成されているため、両部材５４，５５の溶接部分の強度は十分高くなる。

ケーブル５６は、Ｃｕ含有材料で形成された可撓性を有するケーブルである。本実施形態では、ケーブル５６は、Ｃｕ含有材料で形成された金属細線の撚り線である。ケーブル５６の上端５６ａは、インサート５２の穴部５２ｂに差し込まれた状態でインサート５２に接合されている。ケーブル５６の下端５６ｂは、コネクタ５３の凹部５３ｂに差し込まれた状態でコネクタ５３に接合されている。ケーブル５６とインサート５２との接合やケーブル５６とコネクタ５３との接合は、電子ビーム溶接、レーザビーム溶接などで行うことができる。ケーブル５６とインサート５２とコネクタ５３はいずれもＣｕ含有材料で形成されているため、溶接部分の強度は十分高くなる。

次に、給電部材５０の製造例（電極への取付例を含む）を図３を用いて説明する。図３は給電部材５０の製造工程図である。ここでは、電極側端子５１はＭｏ含有材料で形成され、インサート５２とコネクタ５３（下方部材５４及び上方部材５５）とケーブル５６はＣｕ含有材料で形成されているものとする。

まず、電極側端子５１とインサート５２とを用意し、電極側端子５１の下面とインサート５２の上面である接合部５２ａとを直接接合する（図３Ａ参照）。なお、インサート５２の代わりに円柱体（穴部５２ｂのないもの）を用意し、その円柱体と電極側端子５１とを直接接合し、その後円柱体に穴部５２ｂを形成して円柱体をインサート５２としてもよい。

次に、ケーブル５６の上端５６ａをインサート５２の下面に設けられた穴部５２ｂに差し込んで溶接し、ケーブル５６の下端５６ｂを上方部材５５の凹部５３ｂに差し込んで溶接する（図３Ｂ参照）。このときの溶接は、電子ビーム溶接、レーザビーム溶接などで行うことができる。

次に、電極側端子５１を、セラミック基材２０に埋設された電極（静電電極２２又はヒータ電極２４）及びその電極の周りのセラミック基材２０と接合する（図３Ｃ参照）。このときの接合は、Ａｕ含有合金（例えばＡｕＧｅ合金）を用いて行うことができる。これにより、電極側端子５１は、電極やその電極の周りのセラミック基材２０とロウ接合層２３を介して接合される。

最後に、上方部材５５の下面と下方部材５４の上面とを接合し（図３Ｄ参照）、給電部材５０を得る。このときの接合は、はんだ付け、電子ビーム溶接、レーザビーム溶接などで行うことができる。なお、上方部材５５の下面に位置合わせ用の小突起を設け、下方部材５４の上面にこの小突起と嵌まり合う小穴を設けておき、小突起と小穴とを嵌め込むようにしてもよい。こうすれば、上方部材５５と下方部材５４との位置合わせを容易に行うことができる。

次に、ウエハ載置台１０の電極に接合した給電部材５０の破断強度について説明する。給電部材５０の電極側端子５１はＭｏ製、インサート５２とコネクタ５３（下方部材５４及び上方部材５５）とケーブル５６はＣｕ製とした。給電部材５０は上述した製造例にしたがって製造して電極に取り付けた。なお、インサート５２の接合部５２ａと電極側端子５１との接合部分をＳＥＭ写真でみたときに接合界面に隙間は見られなかった。比較対象として、図４に示す給電部材１５０を作製し、それをウエハ載置台１０の電極に接合したときの破断強度も測定した。給電部材１５０は、上述した電極側端子５１とインサート５２とを一体物として作製したＭｏ製の穴付き電極側端子１５１を用い、この穴付き電極側端子１５１の穴１５１ａにケーブル５６の上端５６ａを差し込んだ状態で電子ビーム溶接で接合した以外は、給電部材５０と同様にして作製し、ウエハ載置台１０の電極に取り付けた。本実施形態と比較形態の破断強度は、「ＪＩＳＺ２２４１：金属材料引張試験方法」に準じて、同じ条件で測定した。その結果を図５に示す。図５からわかるように、本実施形態の破断強度は、比較形態の破断強度と比べて約４倍に向上した。比較形態では、穴付き電極側端子１５１とケーブル５６との接合が外れて破断したのに対し、本実施形態では、ケーブル５６自身が破断した。また、比較形態では、穴付き電極側端子１５１とケーブル５６との接合界面に隙間（気孔）が見られた。

以上詳述した給電部材５０では、高融点金属含有材料で形成された電極側端子５１に、Ｃｕ含有材料で形成されたインサート５２の接合部５２ａがロウ材を介することなく直接接合されている。そのため、電極側端子５１とインサート５２とは十分な強度で接合されている。また、Ｃｕ含有材料で形成されたケーブル５６の上端５６ａは、インサート５２の穴部５２ｂに差し込まれた状態で接合され、ケーブル５６の下端５６ｂは、Ｃｕ含有材料で形成されたコネクタ５３の凹部５３ｂに差し込まれた状態で接合されている。これらの接合は、Ｃｕ含有材料で形成された部材同士の接合のため、十分な強度が得られる。したがって、この給電部材５０は十分な強度を有する。その結果、ウエハ載置台１０の使用温度の上限を高温（例えば３００℃）に設定しても問題なく使用することができる。

また、電極側端子５１は、Ｍｏ含有材料であることが好ましい。こうすれば、セラミック基材２０がアルミナ含有材料の場合に、電極側端子５１とセラミック基材２０との間にクラック等が入るのを防止することができる。アルミナとＭｏとは熱膨張係数が近いため、熱膨張差によって発生する応力が小さくなるからである。

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、上述した実施形態では、コネクタ５３は、下方部材５４と上方部材５５とをはんだ付け又は溶接して作製したが、このように複数の部材を接合して形成するのではなく、一体物として形成してもよい。こうすれば、給電部材５０の製造工程において、下方部材５４と上方部材５５とをはんだ付け又は溶接する工程が不要になる。

上述した実施形態において、給電部材５０Ａのコネクタ５３を絶縁管４２に固定してもよいし、給電部材５０Ｂのコネクタ５３を絶縁管４４に固定してもよい。

上述した実施形態では、セラミック基材２０に静電電極２２とヒータ電極２４とを埋設したが、いずれか一方を埋設する構成としてもよい。また、セラミック基材２０にプラズマ生成用電極を埋設してその電極に給電部材５０を上述した実施形態と同様にして取り付けてもよい。

上述した実施形態では、コネクタ５３は、バナナジャックであるソケット部５３ａを有するものとしたが、ソケット部５３ａの代わりに、バナナプラグを設けてもよい。その場合、コネクタ５３のバナナプラグは、外部装置（例えば直流電源６２やヒータ電源６４）の導電部材としてのバナナジャックに差し込まれて外部装置と電気的に接続される。

上述した実施形態では、接合層４０を金属接合層としたが、樹脂接着層としてもよい。

１０ウエハ載置台、２０セラミック基材、２０ａウエハ載置面、２２静電電極、２２ａ貫通穴、２３ロウ接合層、２４ヒータ電極、２４ａ貫通穴、３０冷却基材、３２冷媒流路、４０接合層、４２，４４絶縁管、５０，５０Ａ，５０Ｂ給電部材、５１電極側端子、５２インサート、５２ａ接合部、５２ｂ穴部、５３コネクタ、５３ａソケット部、５３ｂ凹部、５４下方部材、５５上方部材、５６ケーブル、５６ａ上端、５６ｂ下端、６２直流電源、６４ヒータ電源、１５０給電部材、１５１電極側端子、１５１ａ穴、Ｗウエハ。

Claims

セラミック基材に埋設された電極に給電するのに用いられる給電部材であって、
高融点金属含有材料で形成され、前記電極に接合される電極側端子と、
Ｃｕ含有材料で形成され、前記電極側端子とロウ材を介することなく直接接合された接合部及び該接合部とは反対側に設けられた穴部を有するインサートと、
Ｃｕ含有材料で形成され、前記給電部材とは別の導電部材と電気的に接続されるジョイント部及び前記ジョイント部とは反対側に設けられた凹部を有するコネクタと、
Ｃｕ含有材料で形成され、一端が前記インサートの前記穴部に差し込まれた状態で前記インサートに接合され、他端が前記コネクタの前記凹部に差し込まれた状態で前記コネクタに接合されたケーブルと、
を備えた給電部材。
前記電極側端子は、Ｍｏ含有材料である、
請求項１に記載の給電部材。
表面にウエハ載置面を有するセラミック基材と、
前記セラミック基材に埋設された電極と、
前記セラミック基材のうち前記ウエハ載置面とは反対側の面に差し込まれ、前記電極と接合された給電部材と、
を備えたウエハ載置台であって、
前記給電部材は、請求項１又は２に記載の給電部材であり、前記電極側端子が前記電極に接合されている、
ウエハ載置台。
前記セラミック基材は、アルミナ含有材料で形成され、
前記電極側端子は、Ｍｏ含有材料で形成されている、
請求項３に記載のウエハ載置台。