セラミックス電極からなる電極構造及びそれを備えたウエハ保持体
【課題】 低温から高温に至る広い温度範囲に亘って高い耐久性を有しており、信頼性の高い電極構造を提供する。
【解決手段】 ウエハ保持体用のセラミックス基体１内に埋設されたヒータ回路や高周波電極回路などの電気回路２に接続される電極構造であって、一端が電気回路２に電気的に接続されると共に他端が接地または外部電源に接続された例えば棒状のセラミックス電極４を有しており、該セラミックス電極４の表面にはメタライズ層４ａが形成されている。
【解決手段】 ウエハ保持体用のセラミックス基体１内に埋設されたヒータ回路や高周波電極回路などの電気回路２に接続される電極構造であって、一端が電気回路２に電気的に接続されると共に他端が接地または外部電源に接続された例えば棒状のセラミックス電極４を有しており、該セラミックス電極４の表面にはメタライズ層４ａが形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置に使用されるウエハ保持体の電極構造に関し、更に詳しくはセラミックス電極からなる電極構造及びそれを備えたウエハ保持体に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスでは、半導体ウエハを搭載して処理する半導体製造装置用ウエハ保持体として、セラミックスを使用したものが各種提案されている（例えば特許文献１）。ウエハ保持体にセラミックスを使用することによって耐食性が向上し、かつパーティクルの発生も少なくなるため、一部のウエハ保持体では既にセラミックスとして窒化アルミニウムやアルミナ等を使用したものが実用化されている。
【０００３】
このようなセラミックス製ウエハ保持体においては、そのセラミックス基体内に、例えば発熱体、静電チャック用電極、ＲＦ電極等の電気回路が埋設されており、これによりセラミックス基体にウエハを載置して様々な温度条件で処理を行うことが可能となる。セラミックス基体内に上記電気回路を埋設する場合は外部との導通を確保する必要があり、そのための電極構造も各種提案されている。
【０００４】
例えば特許文献２のウエハ保持体では、内部に電気回路が埋設されたセラミックス基体の下面に当該セラミックス基体を支持する筒状体を取り付け、セラミックス基体の下面のうち、当該筒状体の内側部分に電気回路に給電する給電端子を植設する。そして、この給電端子の露出側の端部にモリブデンなどの電極ロッドを接続すると共に、当該給電端子の下部に設けた封止部材で筒状体と給電端子の間を封止する。この封止部材により電気回路と給電端子との接続部分も封止できるので、当該接続部分を腐食性ガス雰囲気から隔離することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平６−２８２５８号公報
【特許文献２】特開２００３−１６０８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２の技術では、ウエハ保持体が高温になって給電端子と筒状体との間に熱膨張差が生じた場合は、封止部材が破損してしまうことがあった。その結果、電極部分に外部雰囲気のガスが侵入し、電極やその接続部を腐食させることがあった。本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い電極構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明が提供する電極構造は、ウエハ保持体用のセラミックス基体内に埋設された電気回路に接続する電極構造であって、一端が前記電気回路に電気的に接続されると共に他端が接地または外部電源に接続されたセラミックス電極を有し、該セラミックス電極の表面にはメタライズ層が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
上記本発明の電極構造は、セラミックス電極と電気回路の間に介在する接続端子をさらに有してもよい。また、接続端子及び／又はセラミックス電極を覆う絶縁パイプをさらに有してもよい。セラミックス電極には、例えば筒状のセラミック材の内壁面にメタライズ層を形成したものを使用することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体製造装置用のウエハ保持体に使用する電極構造の耐久性を低温から高温に至る広い温度範囲に亘って向上させることができるので、信頼性の高いウエハ保持体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電極構造が有するセラミックス電極とセラミックス基体内の電気回路との接続方法を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１（ｂ）に示す接続部分の代替例を示す縦断面図である。
【図３】本発明の電極構造の一実施態様を模式的に示す縦断面図である。
【図４】図３の電極構造の代替例を模式的に示す縦断面図である。
【図５】図３の電極構造の他の代替例を模式的に示す縦断面図である。
【図６】図３の電極構造の更に他の代替例を模式的に示す縦断面図である。
【図７】本発明の電極構造の他の実施態様を模式的に示す縦断面図である。
【図８】本発明の電極構造の更に他の実施態様を模式的に示す縦断面図である。
【図９】実施例で作製したセラミックス基体を模式的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の電極構造は、半導体製造装置に使用されるウエハ保持体において、ウエハ載置面を備えたセラミックス基体内に埋設された発熱体、静電チャック用電極、ＲＦ電極等の電気回路に接続するものであり、一端が当該電気回路に直接的又は間接的に接続されると共に他端が接地または外部電源に接続されたセラミックス電極からなる。
【００１２】
かかるセラミックス電極の形態としては、セラミックス製の棒状体にメタライズを施して表面にメタライズ層（金属化層とも称する）を形成したものや、セラミックス製のパイプにメタライズを施して例えば内壁面にメタライズ層を形成したものがある。これにより、セラミックス電極を構成する本体部分が絶縁体であっても、良好な導通を確保することができる。
【００１３】
上記セラミックス電極に使用するセラミックス材には、セラミックス基体に熱膨張率が近似する材質を選択するのが好ましい。例えばセラミックス基体が窒化アルミニウムからなる場合は、セラミックス電極の材質にもセラミックス基体と同じ窒化アルミニウムを使用するのが最も好ましいが、これ以外にムライト、ムライトとアルミナとの複合体、ムライトをベースとした複合体に必要に応じて希土類等の添加物を添加したもの等を使用してもよい。
【００１４】
上記セラミックス材に施すメタライズは、セラミックス電極の使用環境に応じて各種メタライズの中から適宜選択することができる。例えば、セラミックス電極が窒素中で使用されたり、あるいは大気中でも比較的低温の環境で使用される場合は、タングステンやモリブデン等のメタライズを採用することができる。一方、セラミックス電極が比較的高温でかつ耐酸化性が要求される環境で使用される場合は、銀、パラジウム、金、白金、又はこれらの合金などの耐酸化性を有する金属のメタライズを選択するのが好ましい。後者の場合は、タングステン等のメタライズ層の上にニッケルや金等のメッキを施して耐酸化性やマイグレーション性を向上させてもよい。
【００１５】
以下、上記した本発明の電極構造の具体的な構造について、本発明の電極構造の一実施形態である、セラミックス製の棒状体の表面にメタライズを施してなる棒状セラミックス電極の場合を主に取り上げて説明する。この棒状セラミックス電極とセラミックス基体内の電気回路との接続方法には各種の方法を考えることができ、その一例が図１に示されている。
【００１６】
具体的に説明すると、先ず図１（ａ）に示すように、セラミックス基体１の片面にザグリ加工を施して、セラミックス基体１の内部に埋設されている電気回路２に少なくとも到達する深さを有する略すり鉢状のザグリ部１ａを設ける。このザグリ部１ａにメタライズを施して、電気回路２が部分的に露出しているザグリ部１ａの表面（すなわち、略すり鉢状部分のテーパー面）にメタライズ層３を形成する。
【００１７】
メタライズ層３の材質は特に問わないが、例えば電気回路２がタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなるメタライズ層か、あるいは該高融点金属のバルクで形成されるコイルやメッシュなどである場合は、メタライズ層３もタングステンやモリブデンで形成することが好ましい。なお、ザグリ部１ａの表面には、メタライズ層３に代えて金属箔等を設置してもよいし、スパッタや蒸着等の薄膜形成手段を用いて金属層を形成してもよい。
【００１８】
次に、上記メタライズ層３が形成されたザグリ部１ａに嵌め合わせるべく、上記ザグリ部１ａと同じ傾斜角度を有する略円錐部が一端部に形成された棒状セラミックス電極４を用意する。そして、この一端部を、ザグリ部１ａに嵌め合わせる。前述したように、棒状セラミックス電極４の表面には導通確保のためのメタライズ層４ａが形成されているため、図１（ｂ）に示すように、棒状セラミックス電極４の一端部をザグリ部１ａに嵌合することによって、棒状セラミックス電極４とセラミックス基体１の内部に埋設された電気回路２との導通が確保される。
【００１９】
上記棒状セラミックス電極４とセラミックス基体１との嵌合部は、その周りの雰囲気から隔離するのが好ましい。そのため、この一実施形態の電極構造では封止手段を用いて嵌合部を封止している。すなわち、図１（ｂ）に示すように、メタライズされた棒状セラミックス電極４の外径にほぼ一致する内径を有するリング状の封止部材５を棒状セラミックス電極４に外嵌し、この封止部材５とセラミックス基体１におけるザグリ部１ａの周縁部との間を封止ガラス６によって封止する。
【００２０】
上記封止手段によって、棒状セラミックス電極４をセラミックス基体１に固定することも可能となるが、より強固な接合が望まれる場合は、セラミックス基体１と棒状セラミックス電極４との間をロウ付けで固定してもよい。この場合は、セラミックス基体１及び棒状セラミックス電極４にニッケル等のメッキを部分的に施すことも可能である。また、図２に示すように、セラミックス基体１において、ザグリ部１ａの周縁部に、リング状の封止部材５及び封止ガラス６が嵌入するリング状の凹部１ｂを形成してもよい。
【００２１】
上記のようにして電気回路２に導通された棒状セラミックス電極４に対して接地または外部電源からの給電を行うため、棒状セラミックス電極４には外部電極端子が接続される。例えば、本発明の電極構造の一実施態様を示す図３に示されるように、棒状セラミックス電極４においてセラミックス基体１と嵌合する一端部とは反対側の他端部に、外部電極端子１０を取り付ける。なお、図３及び後述する図４や図５に示されているセラミックス基体１のザグリ部の最深部の雌ネジ部は、セラミックス電極との間でネジ止めを行わない場合は不要である。
【００２２】
この外部電極端子１０は、棒状セラミックス電極４と略同じ外径の円柱形状の本体部１０ａと、この本体部１０ａにおいて棒状セラミックス電極４に接合している面とは反対側の面から突出する突出部１０ｂとからなる。そして、この突出部１０ｂに接地または給電用のリード線（図示せず）をカシメや溶接によって接続する。これにより、棒状セラミックス電極４を接地または外部電源に接続することができる。
【００２３】
外部電極端子１０の材質は金属であることが好ましく、特に棒状セラミックス電極４に使用するセラミックス材と熱膨張係数の近いものであることが好ましい。例えば棒状セラミックス電極４が窒化アルミニウムである場合は、外部電極端子１０の材質はタングステンやモリブデン、あるいはこれらの合金が好ましい。
【００２４】
外部電極端子１０が大気雰囲気などの腐食性雰囲気に曝される場合は、外部電極端子１０にニッケル等のメッキを施すことが好ましい。例えば、外部電極端子１０の本体部１０ａをニッケルメッキを施したモリブデンで作製すると共に、棒状セラミックス電極４との接合部（図示せず）はニッケルメッキを施したタングステンを使用し、これらをネジ止め等の手法により接続するのが好ましい。その際、突出部１０ｂはニッケルで作製し、これをネジ止め等の手法で本体部１０ａに接続するのがより好ましい。これは、外部電源からのリード線との接合部にニッケルを用いることで、カシメや溶接等が極めて容易になるため、当該接合部の信頼性が向上するからである。
【００２５】
封止手段の他の具体例としては、図４に示すように、上記リング状の封止部材５に代えて、棒状セラミックス電極４の直胴部分と略同じ長さの絶縁パイプ１１を使用し、これで棒状セラミックス電極４を囲む構造を挙げることができる。この構造は、棒状セラミックス電極４が例えば大気雰囲気などの腐食性雰囲気に曝される条件にあり、かつＡｇ等の耐酸化性のあるメタライズを棒状セラミックス電極４に施すことができない場合に特に有効である。棒状セラミックス電極４の外側を覆う絶縁パイプ１１の材質は、棒状セラミックス電極４に使用されるセラミックスと同材質か、あるいは熱膨張係数の比較的近い材料が好ましい。
【００２６】
絶縁パイプ１１の一端部とセラミックス基体１との間は、封止ガラス１２を用いて封止されている。なお、セラミックス基体１側のザグリ部１ａの周縁部には、封止ガラス１２が嵌入するリング状の凹部１ｂが設けられている。絶縁パイプ１１において、上記セラミックス基体１との間で封止された一端部とは反対側の他端部は、棒状セラミックス電極４の端部に取り付けられた外部電極端子１３で封止されている。具体的に説明すると、この外部電極端子１３は、絶縁パイプ１１の外径と略同じ外径の円板状の本体部１３ａからなり、その片面には、前述したような接地または給電用のリード線が接続される突出部１３ｂが設けられている。
【００２７】
そして、この突出部１３ｂが設けられている面とは反対側の面に、棒状セラミックス電極４の中心部に螺刻された雌ネジ部に螺合する接合部１３ｃが設けられている。この円板状の本体部１３ａは金属製で構成されており、上記螺合により棒状セラミックス電極４の端面に当接して導通が確保されると共に、棒状セラミックス電極４との対向面の外縁部に、封止ガラス１４を介して絶縁パイプ１１の端部が接合している。
【００２８】
このように、絶縁パイプ１１を用いて封止する構造の場合は、セラミックス基体１が加熱されると、絶縁パイプ１１及び棒状セラミックス電極４がともに熱膨張する。この時の熱膨張差による熱応力の発生を避けるため、絶縁パイプ１１と棒状セラミックス電極４とは互いに熱膨張係数の近い材料を使用するのが好ましく、同一の材料を使用することがより好ましい。同一の材料を使用すれば、熱膨張係数だけではなく、熱伝導率も同一となるため、外部電極端子１３やセラミックス基体１における局所的な熱膨張を避けることができ、棒状セラミック電極４の封止の信頼性をより向上させることができるため特に好ましい。
【００２９】
なお、上記の絶縁パイプ１１を用いて封止する構造では、外部電極端子１３と棒状セラミックス電極４とを螺合により電気的に接続する例について説明したが、これに限定されるものではなく、棒状セラミックス電極の端部を凸形状に形成し、当該凸形状に嵌合する凹形状で外部端子電極を形成して電気的に接続してもよいし、逆に棒状セラミックス電極側を凹形状で形成し、外部電極端子側を凸形状で形成して電気的に接続してもよい。
【００３０】
例えば、棒状セラミックス電極側の端部を円錐形状などのテーパー面を備えた凸形状で形成し、外部電極端子側をこの凸形状に嵌合するすり鉢状などのテーパー面を備えた凹形状で形成し、これらを互いに嵌め合わせることによって電気的に接続してもよい。また、ネジ止めを用いた接合のほか、例えばロウ材、メタライズ等を用いて電気的に接続してもよい。
【００３１】
特に、接続部分の強度をより強固にするためには、棒状セラミックス電極と外部電極端子との間をロウ付けすることが好ましい。この場合は、ロウ付けするロウ材の種類にもよるが、棒状セラミックス電極及び外部電極端子の両方ともニッケル等のメッキ膜を形成しておくことが好ましい。また、棒状セラミックス電極のメタライズ時に、外部電極端子と棒状セラミックス電極とをメタライズにより接合するという方法を取ることもできる。
【００３２】
封止手段の更に他の具体例としては、図５に示すように、棒状セラミックス電極４と外部電極端子１３との接続部、及び棒状セラミックス電極４とセラミックス基体１との電気的な接続部を除いて、棒状セラミックス電極４の外周部に絶縁コート１５を施す構造を挙げることができる。この場合の絶縁コート１５の材質も、棒状セラミックス電極４との熱膨張量をマッチングさせるため、同一の材料または熱膨張係数の近い材料を使用することが好ましい。
【００３３】
例えば、棒状セラミックス電極４の材質が窒化アルミニウムで、そのメタライズ層４ａの材質がタングステンの場合、絶縁コート１５の材質としては、窒化アルミニウムやムライト、ムライトにアルミナや希土類等を添加した複合物等が好ましい。絶縁コート１５は、例えばこれら材料を含むペーストをメタライズ処理されたセラミックス電極の表面に例えば１０μｍ以上塗布し、焼成することによって形成することができる。
【００３４】
またこのように棒状セラミックス電極４の表面に絶縁コート１５をコーティングした後、更にその外周面に前述したような絶縁パイプで囲むことも可能である。この場合、棒状セラミックス電極４とセラミック基体１との接合部の封止のみならず棒状セラミックス電極４全体を、棒状セラミックス電極４に被覆した緻密な絶縁コート１５及び絶縁パイプによって、より確実に封止することが可能となる。更に、外部電極端子１３と棒状セラミックス電極４との接続部分を気密に封止することも可能となる。
【００３５】
絶縁パイプで囲む方法としては、例えば、絶縁パイプの内周面にザグリ部を形成し、そこに外部電極端子を装着すると共に、外部電極端子とセラミックス電極との導通を確保する。この状態で、絶縁パイプと外部電極端子との間を、封止部材や封止ガラスを使用して封止すればよい。絶縁パイプと外部電極端子との間を封止する時の雰囲気が窒素等の不活性ガス雰囲気であるならば、絶縁パイプ内も窒素等の不活性ガス雰囲気にすることができるのでより好ましい。特に、棒状セラミックス電極４のメタライズがタングステンやモリブデンなどの耐酸化性の低いメタライズの場合、その酸化を防止することができるため、電極の信頼性がより一層向上するので好ましい。
【００３６】
本発明の電極構造では、図６に示すように、表面にメタライズ層２０ａを備えた円柱形状のセラミックス電極２０を使用し、この円柱形セラミックス電極２０とセラミックス基体１との接続部に略円錐形状の電極端子２１を介在させることも可能である。この場合、電極端子２１の先端部に雄ネジ２１ａを形成し、これに螺合するようにセラミックス基体１のザグリ部１ａの最深部に雌ネジを螺刻して両者をネジ止めするのが好ましい。なぜなら、ネジ止めなどの機械的方法で結合することにより、セラミックス同士を結合する場合に比べて部品点数は増えるものの、より信頼性の高い接続構造を実現することができるからである。
【００３７】
この場合に使用する電極端子２１の材質としては、セラミックス基体１との熱膨張係数差が小さいタングステンやモリブデンを採用するのが好ましい。また、電極端子２１には必要に応じてニッケル等のメッキを施してもよい。そして、この電極端子２１と円柱形セラミックス電極２０とを電気的に接続すれば、セラミックス基体１の内部に埋設された電気回路２に円柱形セラミックス電極２０を導通させることができる。
【００３８】
電極端子２１と円柱形セラミックス電極２０との接続方法は、例えば図６に示すように、円柱形セラミックス電極２０において、セラミックス基体１との対向面に凹形状の有底孔を形成し、これに嵌合する形状の凸形状の金属部材２１ｂを電極端子２１に形成してこれらを組み合わせることで、電気的接触を確保することができる。もちろん、接続方法はこれに限定されるものではなく、前述した棒状セラミックス電極４と外部電極端子１３との接合のように、セラミックス電極側を凸形状、電極端子側を凹形状としたり、これら接合部品間をロウ付けしたりするなどの様々な接続方法を採用することができる。
【００３９】
図６に示す円柱形セラミックス電極２０は、絶縁パイプ１１によって円柱形セラミックス電極２０と外部電極端子１３との接続部、円柱形セラミックス電極２０と電極端子２１との接続部、及び円柱形セラミックス電極２０の全外周面が封止されている。なお、導通が確保されているのであれば、図６に示すように、円柱形セラミックス電極２０と外部電極端子１３の対向面同士が離間していてもよい。
【００４０】
セラミックス電極とセラミックス基体との接続部に電極端子を介在させる構造は、本発明の電極構造の他の実施形態である、セラミックス製のパイプ状部材の内壁面にメタライズ層を形成したものをセラミックス電極として使用する場合においても好適に採用することができる。この場合は、図７に示すように、パイプ状セラミックス電極３０の内面にメタライズ層３０ａを形成することができるため、前述した棒状セラミックス電極を絶縁パイプで囲む場合に比べて部品点数を減らすことができる。また、図６のように円柱状セラミックス電極２０と筒状体１１との間の熱膨張係数差の影響を受けることがない。なお、パイプ状セラミックス電極３０の内面に更にニッケル等のメッキをすることも可能である。
【００４１】
パイプ状セラミックス電極３０と外部電極端子３１との接続部分を気密に封止する方法としては、例えば、パイプ状セラミックス電極３０の内周面にザグリ部を形成してメタライズを施した後、そこに外部電極端子３１を嵌着することによって外部電極端子３１とパイプ状セラミックス電極３０との導通を確保する。この状態で、パイプ状セラミックス電極３０と外部電極端子３１との間を、パイプ状セラミックス電極３０の内側に設けた封止部材３２や封止ガラス３３を使用して封止すればよい。パイプ状セラミックス電極３０と外部電極端子３１との間を封止する時の雰囲気が窒素等の不活性ガス雰囲気であるならば、パイプ状セラミックス電極３０の内側も窒素等の不活性ガス雰囲気となるのでより好ましい。
【００４２】
一方、パイプ状セラミックス電極３０と略円錐形状の電極端子３４との接続は、例えば、パイプ状セラミックス電極３０の内周面の端部を電極端子３４が嵌合できる形状にしておき、そこに電極端子３４を嵌着することによって電極端子３４とパイプ状セラミックス電極３０との導通を確保する。この状態で、パイプ状セラミックス電極３０の外径にほぼ一致する内径を有するリング状の封止部材３５をパイプ状セラミックス電極３０外嵌し、該封止部材３５とセラミックス基体１との間を封止ガラス３６によって封止すればよい。
【００４３】
図７の構造では、パイプ状セラミックス電極３０を流れる電流量が多いときは、セラミック材部分や電極での発熱を極力防止するために、パイプ状セラミックス電極３０の内側に更に棒状やパイプ状のセラミックス電極を設置することも可能である。このようにすれば、パイプ状セラミックス電極及び棒状セラミックス電極に分散して電流が流れるため、大電流を流す場合に好適となる。この構造は、１２インチウエハ用ウエハ保持体や１８インチウエハ用ウエハ保持体において特に好適となる。
【００４４】
また、図８（ａ）に示すように、表面にメタライズ層４０ａを備えた円柱状セラミックス電極４０が絶縁パイプ４１内に収納された、いわゆるモジュール構造を採用することもできる。このモジュール構造では、円柱状セラミックス電極４０の両端を電極端子４２、４３に接続するとともに、これら電極端子４２、４３と絶縁パイプ４１との間を、封止部材や封止ガラスを使用して気密に封止することができる。このような構造を採用すれば、一度に多数のセラミックス電極を比較適用に作製することができるため、製造コストを低減することができる。また、この場合においても、絶縁パイプ４１の内面側にメタライズを施して絶縁パイプ４１にセラミックス電極の役割を担わせることができるのはいうまでもない。
【００４５】
上記モジュール構造の電極部品は、図８（ｂ）に示すように、セラミックス基体１に予め取り付けられた電極端子４４に取り付けることによって円柱状セラミックス電極４０と電気回路２との導通を確保することができる。この場合、セラミックス基体１側の電極端子４４に雌ネジを形成し、モジュール構造側の電極端子４３に雄ネジ加工をしておけば、信頼性が高くかつ取り付けが簡易な接続構造とすることができる。またネジ部の金属部品の酸化を防止するために、封止部材により封止することもできる。この場合の接続構造として、ネジ止めを一例としてあげたが、ロウ付けや溶接等の手法で接続することも可能である。
【００４６】
上記説明した本発明の電極構造において、絶縁パイプで被覆されたセラミックス電極を高周波用電極として使用する場合は、これらセラミックス電極と絶縁パイプとの間に形成される空間でプラズマの発生が起こりうる。これを避ける為、絶縁パイプとセラミックス電極間に形成される空間に絶縁物の粉末を充填してもよい。充填する粉末としては特に制約がないが、例えば酸化マグネシウムや、窒化アルミニウム、アルミナ等の粉末を充填することができる。
【００４７】
また、上記説明した本発明の電極構造においては、セラミックス電極や絶縁パイプ等に形成されるメタライズ層の耐酸化性の向上、及び電気抵抗値の低下のため、表面に例えばニッケルメッキや金メッキ等を施すこともできる。ニッケルメッキについては、電気メッキ、無電解メッキいずれの方法でもよく、Ｎｉ−Ｂ、Ｎｉ−Ｐなどを採用することもできる。これらのメッキの厚みは、使用環境により適宜定められる。例えば高温での耐酸化性が要求される場合は、ニッケルのメッキ厚みを例えば１０μｍ以上にすることが好ましい。
【００４８】
以上、本発明のウエハ保持体用のセラミック基体に使用する電極構造について様々な具体例を挙げて説明したが、本発明はこれら具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲内で種々の代替例や変形例を考えることができる。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲およびその均等物に及ぶものである。
【実施例】
【００４９】
（実施例１）
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９７重量部に対して、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を３重量部添加し、さらにバインダー及び有機溶剤を加え、ボールミルにて２４時間混合してＡｌＮスラリーを作製した。このスラリーからスプレードライによりＡｌＮ顆粒を作製し、得られたＡｌＮ顆粒をプレス成形して、焼結後に直径３２０ｍｍ、厚み９ｍｍになるようなプレス体２枚と、焼結後に直径３２０ｍｍ、厚み４ｍｍになるようなプレス体１枚とを作製した。
【００５０】
これら３枚のプレス体を７００℃の窒素雰囲気中で脱脂し、更に１８５０℃の窒素雰囲気中で焼結してＡｌＮ焼結体を作製した。各ＡｌＮ焼結体に両面研磨加工を行い、厚み８ｍｍのＡｌＮ焼結体２枚と厚み３ｍｍのＡｌＮ焼結体１枚を作製した。厚み８ｍｍの２枚のＡｌＮ焼結体のうちの１枚に対して、その一方の面にヒータ電極回路を、他方の面に高周波電極回路を形成すべく、各々の面にタングステンペーストをスクリーン印刷してこれら導電回路のパターンを形成した。そして、７００℃の窒素雰囲気中で脱脂後、１８００℃の窒素雰囲気中で焼成した。
【００５１】
次に、ＡｌＮ粉末を主成分とするセラミックスペーストを作製した。このセラミックスペーストを、上記ヒータ電極回路及び高周波電極回路がそれぞれ形成されているＡｌＮ焼結体の両面にスクリーン印刷にて塗布し、乾燥させた後、７００℃の窒素雰囲気中で脱脂した。そして、ヒータ電極回路の形成面には厚さ８ｍｍのもう1枚のＡｌＮ焼結体を重ね合わせ、高周波電極の形成面には厚み３ｍｍのＡｌＮ焼結体を重ね合わせた。これら重ね合わせられた３枚のＡｌＮ焼結体を圧力０.９８ＭＰａ、温度１７５０℃のホットプレスで接合した。
【００５２】
得られたセラミック基体に対して、厚さ８ｍｍのＡｌＮ焼結体側からヒータ回路用の電極部材を取り付けるためのザグリ加工を施し、ヒータ回路を露出させた。このヒータ回路が露出したザグリ部の表面に、図１（ａ）に示すようなメタライズ層３を形成した。具体的には、タングステンペーストをザグリ部の斜面に塗布し、１７００℃の窒素雰囲気中で焼成することにより形成した。なお、ザグリ部の最深部には雌ネジを螺刻した。
【００５３】
一方、高周波電極回路においては、図１のヒータ電極回路用のようなザグリ加工等はできなかったため、タングステン製の電極端子が高周波電極に電気的に接続するように、セラミック基体に対して厚さ８ｍｍのＡｌＮ焼結体側から加工を施し、図９に示すように、セラミック基体１の厚み方向に略平行な内壁面を有する孔を設けた。
【００５４】
そして、この孔にタングステン製の接続部材５０を挿入した上で、高周波電極用のタングステンメタライズを施し、高周波電極５１とタングステン製の電極端子（図示せず）との間の電気的な導通が確保できるようにした。なお、タングステン製の接続部材５０には予めすり鉢状の凹部５３及びその最深部の雌ネジ部５３ａを形成しておくことで、前述したヒータ回路５２の場合と同様にセラミックス電極が接続できるようにした。
【００５５】
更に、上記ＡｌＮ顆粒を用いて、外径８０ｍｍ、内径７２ｍｍ、長さ２００ｍｍで端部がフランジ加工されたＡｌＮ製の筒状体を作製した。そのフランジ部にＡｌＮ粉末を主成分とするペーストを塗布し、１７００℃の窒素雰囲気中で上記セラミック基体における厚さ８ｍｍのＡｌＮ焼結体側の面に接合した。
【００５６】
このようにして作製されたセラミック基体のヒータ回路用ザグリ部に、下記表１に示すように、様々な構造のセラミックス電極を取り付けると共に当該ヒータ回路を用いて大気雰囲気の下で様々な温度に加熱した。そして、各々下記表１に示す温度に到達した後、そのまま１００時間保持してかかる電極構造の特性や外観の評価を行った。その評価の結果を下記の表１に併せて示す。この評価は、特性や外観に問題が生じなかったものを「○」、トラブルが生じて通電がストップしたものを「×」とした。
【００５７】
［表１］
【００５８】
上記表１の結果からわかるように、試料１２では封止ガラス部からリークが生じて大気雰囲気が絶縁パイプ内に侵入した。その結果、７５時間経過付近から抵抗値が上昇して１００時間を待たずに通電がストップした。また、セラミックス電極が酸化していた。その他の試料については、いずれも外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００５９】
（実施例２）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、その高周波電極（ＲＦ電極）用のザグリ部及びヒータ回路用のザグリ部の両方に下記表２に示すような様々な構造のセラミックス電極を取り付けて大気雰囲気の下で様々な温度に加熱した。そして、ウエハ保持体が所定の温度に到達後、その温度に保持したまま１００時間保持すると共に、ＲＦ電極に対して１３.５６ＭＨｚ、１.５ｋＷの高周波の印加及び停止を１時間当たり１００回繰り返した。この時の、ＲＦ電極に特性や外観に問題が生じたか否かについて実施例１と同様に評価した。その結果を下記の表２に併せて示す。
【００６０】
［表２］
【００６１】
上記表２の結果からわかるように、いずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００６２】
（実施例３）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、図７に示すような筒状セラミックス電極をヒータ回路用のザグリ部に取り付け、上記実施例１と同様の実験を行った。その結果を下記の表３に示す。
【００６３】
［表３］
【００６４】
上記表３の結果からわかるように、いずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００６５】
（実施例４）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、図７に示すような筒状セラミックス電極を高周波電極用のザグリ部に取り付けて、上記実施例２と同様の実験を行った。その結果を下記の表４に示す。
【００６６】
［表４］
【００６７】
上記表４の結果からわかるように、いずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００６８】
（実施例５）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、図８（ａ）に示すようなモジュール構造のセラミックス電極を図８（ｂ）に示すようにヒータ回路用のザグリ部に取り付け、上記実施例１と同様の実験を行った。その結果を下記の表５に示す。
【００６９】
［表５］
【００７０】
上記表５の結果からわかるようにいずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００７１】
（実施例６）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、図８（ａ）に示すようなモジュール構造のセラミックス電極を図８（ｂ）に示すように高周波電極用のザグリ部に取り付けて、上記実施例２と同様の実験を行った。その結果を下記の表５に示す。
【００７２】
［表６］
【００７３】
上記表６の結果からわかるように、いずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００７４】
（実施例７）
試料３１のセラミック電極をヒータ回路用電極として２つ用意し、これらを実施例１と同様にして作製したセラミックス基体のヒータ回路（発熱体）に接続した。更に、試料２４のセラミック電極を上記セラミックス基体のＲＦ電極に装着した。そして、上記ヒータ回路用電極に給電してヒータ回路を７５０℃に昇温させると共に、実施例３と同様にしてプラズマを発生させた。その結果、１０００時間連続動作させても、問題なく７５０℃でプラズマを発生することができた。
【符号の説明】
【００７５】
１ セラミックス基体
２ 電気回路
３ メタライズ層
４ 棒状セラミックス電極
４ａ メタライズ層
５ 封止部材
６ 封止ガラス
１０ 外部電極端子
１１ 絶縁パイプ
１５ 絶縁コート
２０ 円柱形セラミックス電極
２１ 電極端子
３０ パイプ状セラミックス電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置に使用されるウエハ保持体の電極構造に関し、更に詳しくはセラミックス電極からなる電極構造及びそれを備えたウエハ保持体に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスでは、半導体ウエハを搭載して処理する半導体製造装置用ウエハ保持体として、セラミックスを使用したものが各種提案されている（例えば特許文献１）。ウエハ保持体にセラミックスを使用することによって耐食性が向上し、かつパーティクルの発生も少なくなるため、一部のウエハ保持体では既にセラミックスとして窒化アルミニウムやアルミナ等を使用したものが実用化されている。
【０００３】
このようなセラミックス製ウエハ保持体においては、そのセラミックス基体内に、例えば発熱体、静電チャック用電極、ＲＦ電極等の電気回路が埋設されており、これによりセラミックス基体にウエハを載置して様々な温度条件で処理を行うことが可能となる。セラミックス基体内に上記電気回路を埋設する場合は外部との導通を確保する必要があり、そのための電極構造も各種提案されている。
【０００４】
例えば特許文献２のウエハ保持体では、内部に電気回路が埋設されたセラミックス基体の下面に当該セラミックス基体を支持する筒状体を取り付け、セラミックス基体の下面のうち、当該筒状体の内側部分に電気回路に給電する給電端子を植設する。そして、この給電端子の露出側の端部にモリブデンなどの電極ロッドを接続すると共に、当該給電端子の下部に設けた封止部材で筒状体と給電端子の間を封止する。この封止部材により電気回路と給電端子との接続部分も封止できるので、当該接続部分を腐食性ガス雰囲気から隔離することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平６−２８２５８号公報
【特許文献２】特開２００３−１６０８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２の技術では、ウエハ保持体が高温になって給電端子と筒状体との間に熱膨張差が生じた場合は、封止部材が破損してしまうことがあった。その結果、電極部分に外部雰囲気のガスが侵入し、電極やその接続部を腐食させることがあった。本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い電極構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明が提供する電極構造は、ウエハ保持体用のセラミックス基体内に埋設された電気回路に接続する電極構造であって、一端が前記電気回路に電気的に接続されると共に他端が接地または外部電源に接続されたセラミックス電極を有し、該セラミックス電極の表面にはメタライズ層が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
上記本発明の電極構造は、セラミックス電極と電気回路の間に介在する接続端子をさらに有してもよい。また、接続端子及び／又はセラミックス電極を覆う絶縁パイプをさらに有してもよい。セラミックス電極には、例えば筒状のセラミック材の内壁面にメタライズ層を形成したものを使用することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体製造装置用のウエハ保持体に使用する電極構造の耐久性を低温から高温に至る広い温度範囲に亘って向上させることができるので、信頼性の高いウエハ保持体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電極構造が有するセラミックス電極とセラミックス基体内の電気回路との接続方法を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１（ｂ）に示す接続部分の代替例を示す縦断面図である。
【図３】本発明の電極構造の一実施態様を模式的に示す縦断面図である。
【図４】図３の電極構造の代替例を模式的に示す縦断面図である。
【図５】図３の電極構造の他の代替例を模式的に示す縦断面図である。
【図６】図３の電極構造の更に他の代替例を模式的に示す縦断面図である。
【図７】本発明の電極構造の他の実施態様を模式的に示す縦断面図である。
【図８】本発明の電極構造の更に他の実施態様を模式的に示す縦断面図である。
【図９】実施例で作製したセラミックス基体を模式的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の電極構造は、半導体製造装置に使用されるウエハ保持体において、ウエハ載置面を備えたセラミックス基体内に埋設された発熱体、静電チャック用電極、ＲＦ電極等の電気回路に接続するものであり、一端が当該電気回路に直接的又は間接的に接続されると共に他端が接地または外部電源に接続されたセラミックス電極からなる。
【００１２】
かかるセラミックス電極の形態としては、セラミックス製の棒状体にメタライズを施して表面にメタライズ層（金属化層とも称する）を形成したものや、セラミックス製のパイプにメタライズを施して例えば内壁面にメタライズ層を形成したものがある。これにより、セラミックス電極を構成する本体部分が絶縁体であっても、良好な導通を確保することができる。
【００１３】
上記セラミックス電極に使用するセラミックス材には、セラミックス基体に熱膨張率が近似する材質を選択するのが好ましい。例えばセラミックス基体が窒化アルミニウムからなる場合は、セラミックス電極の材質にもセラミックス基体と同じ窒化アルミニウムを使用するのが最も好ましいが、これ以外にムライト、ムライトとアルミナとの複合体、ムライトをベースとした複合体に必要に応じて希土類等の添加物を添加したもの等を使用してもよい。
【００１４】
上記セラミックス材に施すメタライズは、セラミックス電極の使用環境に応じて各種メタライズの中から適宜選択することができる。例えば、セラミックス電極が窒素中で使用されたり、あるいは大気中でも比較的低温の環境で使用される場合は、タングステンやモリブデン等のメタライズを採用することができる。一方、セラミックス電極が比較的高温でかつ耐酸化性が要求される環境で使用される場合は、銀、パラジウム、金、白金、又はこれらの合金などの耐酸化性を有する金属のメタライズを選択するのが好ましい。後者の場合は、タングステン等のメタライズ層の上にニッケルや金等のメッキを施して耐酸化性やマイグレーション性を向上させてもよい。
【００１５】
以下、上記した本発明の電極構造の具体的な構造について、本発明の電極構造の一実施形態である、セラミックス製の棒状体の表面にメタライズを施してなる棒状セラミックス電極の場合を主に取り上げて説明する。この棒状セラミックス電極とセラミックス基体内の電気回路との接続方法には各種の方法を考えることができ、その一例が図１に示されている。
【００１６】
具体的に説明すると、先ず図１（ａ）に示すように、セラミックス基体１の片面にザグリ加工を施して、セラミックス基体１の内部に埋設されている電気回路２に少なくとも到達する深さを有する略すり鉢状のザグリ部１ａを設ける。このザグリ部１ａにメタライズを施して、電気回路２が部分的に露出しているザグリ部１ａの表面（すなわち、略すり鉢状部分のテーパー面）にメタライズ層３を形成する。
【００１７】
メタライズ層３の材質は特に問わないが、例えば電気回路２がタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなるメタライズ層か、あるいは該高融点金属のバルクで形成されるコイルやメッシュなどである場合は、メタライズ層３もタングステンやモリブデンで形成することが好ましい。なお、ザグリ部１ａの表面には、メタライズ層３に代えて金属箔等を設置してもよいし、スパッタや蒸着等の薄膜形成手段を用いて金属層を形成してもよい。
【００１８】
次に、上記メタライズ層３が形成されたザグリ部１ａに嵌め合わせるべく、上記ザグリ部１ａと同じ傾斜角度を有する略円錐部が一端部に形成された棒状セラミックス電極４を用意する。そして、この一端部を、ザグリ部１ａに嵌め合わせる。前述したように、棒状セラミックス電極４の表面には導通確保のためのメタライズ層４ａが形成されているため、図１（ｂ）に示すように、棒状セラミックス電極４の一端部をザグリ部１ａに嵌合することによって、棒状セラミックス電極４とセラミックス基体１の内部に埋設された電気回路２との導通が確保される。
【００１９】
上記棒状セラミックス電極４とセラミックス基体１との嵌合部は、その周りの雰囲気から隔離するのが好ましい。そのため、この一実施形態の電極構造では封止手段を用いて嵌合部を封止している。すなわち、図１（ｂ）に示すように、メタライズされた棒状セラミックス電極４の外径にほぼ一致する内径を有するリング状の封止部材５を棒状セラミックス電極４に外嵌し、この封止部材５とセラミックス基体１におけるザグリ部１ａの周縁部との間を封止ガラス６によって封止する。
【００２０】
上記封止手段によって、棒状セラミックス電極４をセラミックス基体１に固定することも可能となるが、より強固な接合が望まれる場合は、セラミックス基体１と棒状セラミックス電極４との間をロウ付けで固定してもよい。この場合は、セラミックス基体１及び棒状セラミックス電極４にニッケル等のメッキを部分的に施すことも可能である。また、図２に示すように、セラミックス基体１において、ザグリ部１ａの周縁部に、リング状の封止部材５及び封止ガラス６が嵌入するリング状の凹部１ｂを形成してもよい。
【００２１】
上記のようにして電気回路２に導通された棒状セラミックス電極４に対して接地または外部電源からの給電を行うため、棒状セラミックス電極４には外部電極端子が接続される。例えば、本発明の電極構造の一実施態様を示す図３に示されるように、棒状セラミックス電極４においてセラミックス基体１と嵌合する一端部とは反対側の他端部に、外部電極端子１０を取り付ける。なお、図３及び後述する図４や図５に示されているセラミックス基体１のザグリ部の最深部の雌ネジ部は、セラミックス電極との間でネジ止めを行わない場合は不要である。
【００２２】
この外部電極端子１０は、棒状セラミックス電極４と略同じ外径の円柱形状の本体部１０ａと、この本体部１０ａにおいて棒状セラミックス電極４に接合している面とは反対側の面から突出する突出部１０ｂとからなる。そして、この突出部１０ｂに接地または給電用のリード線（図示せず）をカシメや溶接によって接続する。これにより、棒状セラミックス電極４を接地または外部電源に接続することができる。
【００２３】
外部電極端子１０の材質は金属であることが好ましく、特に棒状セラミックス電極４に使用するセラミックス材と熱膨張係数の近いものであることが好ましい。例えば棒状セラミックス電極４が窒化アルミニウムである場合は、外部電極端子１０の材質はタングステンやモリブデン、あるいはこれらの合金が好ましい。
【００２４】
外部電極端子１０が大気雰囲気などの腐食性雰囲気に曝される場合は、外部電極端子１０にニッケル等のメッキを施すことが好ましい。例えば、外部電極端子１０の本体部１０ａをニッケルメッキを施したモリブデンで作製すると共に、棒状セラミックス電極４との接合部（図示せず）はニッケルメッキを施したタングステンを使用し、これらをネジ止め等の手法により接続するのが好ましい。その際、突出部１０ｂはニッケルで作製し、これをネジ止め等の手法で本体部１０ａに接続するのがより好ましい。これは、外部電源からのリード線との接合部にニッケルを用いることで、カシメや溶接等が極めて容易になるため、当該接合部の信頼性が向上するからである。
【００２５】
封止手段の他の具体例としては、図４に示すように、上記リング状の封止部材５に代えて、棒状セラミックス電極４の直胴部分と略同じ長さの絶縁パイプ１１を使用し、これで棒状セラミックス電極４を囲む構造を挙げることができる。この構造は、棒状セラミックス電極４が例えば大気雰囲気などの腐食性雰囲気に曝される条件にあり、かつＡｇ等の耐酸化性のあるメタライズを棒状セラミックス電極４に施すことができない場合に特に有効である。棒状セラミックス電極４の外側を覆う絶縁パイプ１１の材質は、棒状セラミックス電極４に使用されるセラミックスと同材質か、あるいは熱膨張係数の比較的近い材料が好ましい。
【００２６】
絶縁パイプ１１の一端部とセラミックス基体１との間は、封止ガラス１２を用いて封止されている。なお、セラミックス基体１側のザグリ部１ａの周縁部には、封止ガラス１２が嵌入するリング状の凹部１ｂが設けられている。絶縁パイプ１１において、上記セラミックス基体１との間で封止された一端部とは反対側の他端部は、棒状セラミックス電極４の端部に取り付けられた外部電極端子１３で封止されている。具体的に説明すると、この外部電極端子１３は、絶縁パイプ１１の外径と略同じ外径の円板状の本体部１３ａからなり、その片面には、前述したような接地または給電用のリード線が接続される突出部１３ｂが設けられている。
【００２７】
そして、この突出部１３ｂが設けられている面とは反対側の面に、棒状セラミックス電極４の中心部に螺刻された雌ネジ部に螺合する接合部１３ｃが設けられている。この円板状の本体部１３ａは金属製で構成されており、上記螺合により棒状セラミックス電極４の端面に当接して導通が確保されると共に、棒状セラミックス電極４との対向面の外縁部に、封止ガラス１４を介して絶縁パイプ１１の端部が接合している。
【００２８】
このように、絶縁パイプ１１を用いて封止する構造の場合は、セラミックス基体１が加熱されると、絶縁パイプ１１及び棒状セラミックス電極４がともに熱膨張する。この時の熱膨張差による熱応力の発生を避けるため、絶縁パイプ１１と棒状セラミックス電極４とは互いに熱膨張係数の近い材料を使用するのが好ましく、同一の材料を使用することがより好ましい。同一の材料を使用すれば、熱膨張係数だけではなく、熱伝導率も同一となるため、外部電極端子１３やセラミックス基体１における局所的な熱膨張を避けることができ、棒状セラミック電極４の封止の信頼性をより向上させることができるため特に好ましい。
【００２９】
なお、上記の絶縁パイプ１１を用いて封止する構造では、外部電極端子１３と棒状セラミックス電極４とを螺合により電気的に接続する例について説明したが、これに限定されるものではなく、棒状セラミックス電極の端部を凸形状に形成し、当該凸形状に嵌合する凹形状で外部端子電極を形成して電気的に接続してもよいし、逆に棒状セラミックス電極側を凹形状で形成し、外部電極端子側を凸形状で形成して電気的に接続してもよい。
【００３０】
例えば、棒状セラミックス電極側の端部を円錐形状などのテーパー面を備えた凸形状で形成し、外部電極端子側をこの凸形状に嵌合するすり鉢状などのテーパー面を備えた凹形状で形成し、これらを互いに嵌め合わせることによって電気的に接続してもよい。また、ネジ止めを用いた接合のほか、例えばロウ材、メタライズ等を用いて電気的に接続してもよい。
【００３１】
特に、接続部分の強度をより強固にするためには、棒状セラミックス電極と外部電極端子との間をロウ付けすることが好ましい。この場合は、ロウ付けするロウ材の種類にもよるが、棒状セラミックス電極及び外部電極端子の両方ともニッケル等のメッキ膜を形成しておくことが好ましい。また、棒状セラミックス電極のメタライズ時に、外部電極端子と棒状セラミックス電極とをメタライズにより接合するという方法を取ることもできる。
【００３２】
封止手段の更に他の具体例としては、図５に示すように、棒状セラミックス電極４と外部電極端子１３との接続部、及び棒状セラミックス電極４とセラミックス基体１との電気的な接続部を除いて、棒状セラミックス電極４の外周部に絶縁コート１５を施す構造を挙げることができる。この場合の絶縁コート１５の材質も、棒状セラミックス電極４との熱膨張量をマッチングさせるため、同一の材料または熱膨張係数の近い材料を使用することが好ましい。
【００３３】
例えば、棒状セラミックス電極４の材質が窒化アルミニウムで、そのメタライズ層４ａの材質がタングステンの場合、絶縁コート１５の材質としては、窒化アルミニウムやムライト、ムライトにアルミナや希土類等を添加した複合物等が好ましい。絶縁コート１５は、例えばこれら材料を含むペーストをメタライズ処理されたセラミックス電極の表面に例えば１０μｍ以上塗布し、焼成することによって形成することができる。
【００３４】
またこのように棒状セラミックス電極４の表面に絶縁コート１５をコーティングした後、更にその外周面に前述したような絶縁パイプで囲むことも可能である。この場合、棒状セラミックス電極４とセラミック基体１との接合部の封止のみならず棒状セラミックス電極４全体を、棒状セラミックス電極４に被覆した緻密な絶縁コート１５及び絶縁パイプによって、より確実に封止することが可能となる。更に、外部電極端子１３と棒状セラミックス電極４との接続部分を気密に封止することも可能となる。
【００３５】
絶縁パイプで囲む方法としては、例えば、絶縁パイプの内周面にザグリ部を形成し、そこに外部電極端子を装着すると共に、外部電極端子とセラミックス電極との導通を確保する。この状態で、絶縁パイプと外部電極端子との間を、封止部材や封止ガラスを使用して封止すればよい。絶縁パイプと外部電極端子との間を封止する時の雰囲気が窒素等の不活性ガス雰囲気であるならば、絶縁パイプ内も窒素等の不活性ガス雰囲気にすることができるのでより好ましい。特に、棒状セラミックス電極４のメタライズがタングステンやモリブデンなどの耐酸化性の低いメタライズの場合、その酸化を防止することができるため、電極の信頼性がより一層向上するので好ましい。
【００３６】
本発明の電極構造では、図６に示すように、表面にメタライズ層２０ａを備えた円柱形状のセラミックス電極２０を使用し、この円柱形セラミックス電極２０とセラミックス基体１との接続部に略円錐形状の電極端子２１を介在させることも可能である。この場合、電極端子２１の先端部に雄ネジ２１ａを形成し、これに螺合するようにセラミックス基体１のザグリ部１ａの最深部に雌ネジを螺刻して両者をネジ止めするのが好ましい。なぜなら、ネジ止めなどの機械的方法で結合することにより、セラミックス同士を結合する場合に比べて部品点数は増えるものの、より信頼性の高い接続構造を実現することができるからである。
【００３７】
この場合に使用する電極端子２１の材質としては、セラミックス基体１との熱膨張係数差が小さいタングステンやモリブデンを採用するのが好ましい。また、電極端子２１には必要に応じてニッケル等のメッキを施してもよい。そして、この電極端子２１と円柱形セラミックス電極２０とを電気的に接続すれば、セラミックス基体１の内部に埋設された電気回路２に円柱形セラミックス電極２０を導通させることができる。
【００３８】
電極端子２１と円柱形セラミックス電極２０との接続方法は、例えば図６に示すように、円柱形セラミックス電極２０において、セラミックス基体１との対向面に凹形状の有底孔を形成し、これに嵌合する形状の凸形状の金属部材２１ｂを電極端子２１に形成してこれらを組み合わせることで、電気的接触を確保することができる。もちろん、接続方法はこれに限定されるものではなく、前述した棒状セラミックス電極４と外部電極端子１３との接合のように、セラミックス電極側を凸形状、電極端子側を凹形状としたり、これら接合部品間をロウ付けしたりするなどの様々な接続方法を採用することができる。
【００３９】
図６に示す円柱形セラミックス電極２０は、絶縁パイプ１１によって円柱形セラミックス電極２０と外部電極端子１３との接続部、円柱形セラミックス電極２０と電極端子２１との接続部、及び円柱形セラミックス電極２０の全外周面が封止されている。なお、導通が確保されているのであれば、図６に示すように、円柱形セラミックス電極２０と外部電極端子１３の対向面同士が離間していてもよい。
【００４０】
セラミックス電極とセラミックス基体との接続部に電極端子を介在させる構造は、本発明の電極構造の他の実施形態である、セラミックス製のパイプ状部材の内壁面にメタライズ層を形成したものをセラミックス電極として使用する場合においても好適に採用することができる。この場合は、図７に示すように、パイプ状セラミックス電極３０の内面にメタライズ層３０ａを形成することができるため、前述した棒状セラミックス電極を絶縁パイプで囲む場合に比べて部品点数を減らすことができる。また、図６のように円柱状セラミックス電極２０と筒状体１１との間の熱膨張係数差の影響を受けることがない。なお、パイプ状セラミックス電極３０の内面に更にニッケル等のメッキをすることも可能である。
【００４１】
パイプ状セラミックス電極３０と外部電極端子３１との接続部分を気密に封止する方法としては、例えば、パイプ状セラミックス電極３０の内周面にザグリ部を形成してメタライズを施した後、そこに外部電極端子３１を嵌着することによって外部電極端子３１とパイプ状セラミックス電極３０との導通を確保する。この状態で、パイプ状セラミックス電極３０と外部電極端子３１との間を、パイプ状セラミックス電極３０の内側に設けた封止部材３２や封止ガラス３３を使用して封止すればよい。パイプ状セラミックス電極３０と外部電極端子３１との間を封止する時の雰囲気が窒素等の不活性ガス雰囲気であるならば、パイプ状セラミックス電極３０の内側も窒素等の不活性ガス雰囲気となるのでより好ましい。
【００４２】
一方、パイプ状セラミックス電極３０と略円錐形状の電極端子３４との接続は、例えば、パイプ状セラミックス電極３０の内周面の端部を電極端子３４が嵌合できる形状にしておき、そこに電極端子３４を嵌着することによって電極端子３４とパイプ状セラミックス電極３０との導通を確保する。この状態で、パイプ状セラミックス電極３０の外径にほぼ一致する内径を有するリング状の封止部材３５をパイプ状セラミックス電極３０外嵌し、該封止部材３５とセラミックス基体１との間を封止ガラス３６によって封止すればよい。
【００４３】
図７の構造では、パイプ状セラミックス電極３０を流れる電流量が多いときは、セラミック材部分や電極での発熱を極力防止するために、パイプ状セラミックス電極３０の内側に更に棒状やパイプ状のセラミックス電極を設置することも可能である。このようにすれば、パイプ状セラミックス電極及び棒状セラミックス電極に分散して電流が流れるため、大電流を流す場合に好適となる。この構造は、１２インチウエハ用ウエハ保持体や１８インチウエハ用ウエハ保持体において特に好適となる。
【００４４】
また、図８（ａ）に示すように、表面にメタライズ層４０ａを備えた円柱状セラミックス電極４０が絶縁パイプ４１内に収納された、いわゆるモジュール構造を採用することもできる。このモジュール構造では、円柱状セラミックス電極４０の両端を電極端子４２、４３に接続するとともに、これら電極端子４２、４３と絶縁パイプ４１との間を、封止部材や封止ガラスを使用して気密に封止することができる。このような構造を採用すれば、一度に多数のセラミックス電極を比較適用に作製することができるため、製造コストを低減することができる。また、この場合においても、絶縁パイプ４１の内面側にメタライズを施して絶縁パイプ４１にセラミックス電極の役割を担わせることができるのはいうまでもない。
【００４５】
上記モジュール構造の電極部品は、図８（ｂ）に示すように、セラミックス基体１に予め取り付けられた電極端子４４に取り付けることによって円柱状セラミックス電極４０と電気回路２との導通を確保することができる。この場合、セラミックス基体１側の電極端子４４に雌ネジを形成し、モジュール構造側の電極端子４３に雄ネジ加工をしておけば、信頼性が高くかつ取り付けが簡易な接続構造とすることができる。またネジ部の金属部品の酸化を防止するために、封止部材により封止することもできる。この場合の接続構造として、ネジ止めを一例としてあげたが、ロウ付けや溶接等の手法で接続することも可能である。
【００４６】
上記説明した本発明の電極構造において、絶縁パイプで被覆されたセラミックス電極を高周波用電極として使用する場合は、これらセラミックス電極と絶縁パイプとの間に形成される空間でプラズマの発生が起こりうる。これを避ける為、絶縁パイプとセラミックス電極間に形成される空間に絶縁物の粉末を充填してもよい。充填する粉末としては特に制約がないが、例えば酸化マグネシウムや、窒化アルミニウム、アルミナ等の粉末を充填することができる。
【００４７】
また、上記説明した本発明の電極構造においては、セラミックス電極や絶縁パイプ等に形成されるメタライズ層の耐酸化性の向上、及び電気抵抗値の低下のため、表面に例えばニッケルメッキや金メッキ等を施すこともできる。ニッケルメッキについては、電気メッキ、無電解メッキいずれの方法でもよく、Ｎｉ−Ｂ、Ｎｉ−Ｐなどを採用することもできる。これらのメッキの厚みは、使用環境により適宜定められる。例えば高温での耐酸化性が要求される場合は、ニッケルのメッキ厚みを例えば１０μｍ以上にすることが好ましい。
【００４８】
以上、本発明のウエハ保持体用のセラミック基体に使用する電極構造について様々な具体例を挙げて説明したが、本発明はこれら具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲内で種々の代替例や変形例を考えることができる。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲およびその均等物に及ぶものである。
【実施例】
【００４９】
（実施例１）
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９７重量部に対して、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を３重量部添加し、さらにバインダー及び有機溶剤を加え、ボールミルにて２４時間混合してＡｌＮスラリーを作製した。このスラリーからスプレードライによりＡｌＮ顆粒を作製し、得られたＡｌＮ顆粒をプレス成形して、焼結後に直径３２０ｍｍ、厚み９ｍｍになるようなプレス体２枚と、焼結後に直径３２０ｍｍ、厚み４ｍｍになるようなプレス体１枚とを作製した。
【００５０】
これら３枚のプレス体を７００℃の窒素雰囲気中で脱脂し、更に１８５０℃の窒素雰囲気中で焼結してＡｌＮ焼結体を作製した。各ＡｌＮ焼結体に両面研磨加工を行い、厚み８ｍｍのＡｌＮ焼結体２枚と厚み３ｍｍのＡｌＮ焼結体１枚を作製した。厚み８ｍｍの２枚のＡｌＮ焼結体のうちの１枚に対して、その一方の面にヒータ電極回路を、他方の面に高周波電極回路を形成すべく、各々の面にタングステンペーストをスクリーン印刷してこれら導電回路のパターンを形成した。そして、７００℃の窒素雰囲気中で脱脂後、１８００℃の窒素雰囲気中で焼成した。
【００５１】
次に、ＡｌＮ粉末を主成分とするセラミックスペーストを作製した。このセラミックスペーストを、上記ヒータ電極回路及び高周波電極回路がそれぞれ形成されているＡｌＮ焼結体の両面にスクリーン印刷にて塗布し、乾燥させた後、７００℃の窒素雰囲気中で脱脂した。そして、ヒータ電極回路の形成面には厚さ８ｍｍのもう1枚のＡｌＮ焼結体を重ね合わせ、高周波電極の形成面には厚み３ｍｍのＡｌＮ焼結体を重ね合わせた。これら重ね合わせられた３枚のＡｌＮ焼結体を圧力０.９８ＭＰａ、温度１７５０℃のホットプレスで接合した。
【００５２】
得られたセラミック基体に対して、厚さ８ｍｍのＡｌＮ焼結体側からヒータ回路用の電極部材を取り付けるためのザグリ加工を施し、ヒータ回路を露出させた。このヒータ回路が露出したザグリ部の表面に、図１（ａ）に示すようなメタライズ層３を形成した。具体的には、タングステンペーストをザグリ部の斜面に塗布し、１７００℃の窒素雰囲気中で焼成することにより形成した。なお、ザグリ部の最深部には雌ネジを螺刻した。
【００５３】
一方、高周波電極回路においては、図１のヒータ電極回路用のようなザグリ加工等はできなかったため、タングステン製の電極端子が高周波電極に電気的に接続するように、セラミック基体に対して厚さ８ｍｍのＡｌＮ焼結体側から加工を施し、図９に示すように、セラミック基体１の厚み方向に略平行な内壁面を有する孔を設けた。
【００５４】
そして、この孔にタングステン製の接続部材５０を挿入した上で、高周波電極用のタングステンメタライズを施し、高周波電極５１とタングステン製の電極端子（図示せず）との間の電気的な導通が確保できるようにした。なお、タングステン製の接続部材５０には予めすり鉢状の凹部５３及びその最深部の雌ネジ部５３ａを形成しておくことで、前述したヒータ回路５２の場合と同様にセラミックス電極が接続できるようにした。
【００５５】
更に、上記ＡｌＮ顆粒を用いて、外径８０ｍｍ、内径７２ｍｍ、長さ２００ｍｍで端部がフランジ加工されたＡｌＮ製の筒状体を作製した。そのフランジ部にＡｌＮ粉末を主成分とするペーストを塗布し、１７００℃の窒素雰囲気中で上記セラミック基体における厚さ８ｍｍのＡｌＮ焼結体側の面に接合した。
【００５６】
このようにして作製されたセラミック基体のヒータ回路用ザグリ部に、下記表１に示すように、様々な構造のセラミックス電極を取り付けると共に当該ヒータ回路を用いて大気雰囲気の下で様々な温度に加熱した。そして、各々下記表１に示す温度に到達した後、そのまま１００時間保持してかかる電極構造の特性や外観の評価を行った。その評価の結果を下記の表１に併せて示す。この評価は、特性や外観に問題が生じなかったものを「○」、トラブルが生じて通電がストップしたものを「×」とした。
【００５７】
［表１］
【００５８】
上記表１の結果からわかるように、試料１２では封止ガラス部からリークが生じて大気雰囲気が絶縁パイプ内に侵入した。その結果、７５時間経過付近から抵抗値が上昇して１００時間を待たずに通電がストップした。また、セラミックス電極が酸化していた。その他の試料については、いずれも外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００５９】
（実施例２）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、その高周波電極（ＲＦ電極）用のザグリ部及びヒータ回路用のザグリ部の両方に下記表２に示すような様々な構造のセラミックス電極を取り付けて大気雰囲気の下で様々な温度に加熱した。そして、ウエハ保持体が所定の温度に到達後、その温度に保持したまま１００時間保持すると共に、ＲＦ電極に対して１３.５６ＭＨｚ、１.５ｋＷの高周波の印加及び停止を１時間当たり１００回繰り返した。この時の、ＲＦ電極に特性や外観に問題が生じたか否かについて実施例１と同様に評価した。その結果を下記の表２に併せて示す。
【００６０】
［表２］
【００６１】
上記表２の結果からわかるように、いずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００６２】
（実施例３）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、図７に示すような筒状セラミックス電極をヒータ回路用のザグリ部に取り付け、上記実施例１と同様の実験を行った。その結果を下記の表３に示す。
【００６３】
［表３］
【００６４】
上記表３の結果からわかるように、いずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００６５】
（実施例４）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、図７に示すような筒状セラミックス電極を高周波電極用のザグリ部に取り付けて、上記実施例２と同様の実験を行った。その結果を下記の表４に示す。
【００６６】
［表４］
【００６７】
上記表４の結果からわかるように、いずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００６８】
（実施例５）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、図８（ａ）に示すようなモジュール構造のセラミックス電極を図８（ｂ）に示すようにヒータ回路用のザグリ部に取り付け、上記実施例１と同様の実験を行った。その結果を下記の表５に示す。
【００６９】
［表５］
【００７０】
上記表５の結果からわかるようにいずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００７１】
（実施例６）
次に、実施例１と同様にして作製したセラミック基体に対して、図８（ａ）に示すようなモジュール構造のセラミックス電極を図８（ｂ）に示すように高周波電極用のザグリ部に取り付けて、上記実施例２と同様の実験を行った。その結果を下記の表５に示す。
【００７２】
［表６］
【００７３】
上記表６の結果からわかるように、いずれの電極構造においても外観及び特性に関して問題が生じなかった。
【００７４】
（実施例７）
試料３１のセラミック電極をヒータ回路用電極として２つ用意し、これらを実施例１と同様にして作製したセラミックス基体のヒータ回路（発熱体）に接続した。更に、試料２４のセラミック電極を上記セラミックス基体のＲＦ電極に装着した。そして、上記ヒータ回路用電極に給電してヒータ回路を７５０℃に昇温させると共に、実施例３と同様にしてプラズマを発生させた。その結果、１０００時間連続動作させても、問題なく７５０℃でプラズマを発生することができた。
【符号の説明】
【００７５】
１ セラミックス基体
２ 電気回路
３ メタライズ層
４ 棒状セラミックス電極
４ａ メタライズ層
５ 封止部材
６ 封止ガラス
１０ 外部電極端子
１１ 絶縁パイプ
１５ 絶縁コート
２０ 円柱形セラミックス電極
２１ 電極端子
３０ パイプ状セラミックス電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハ保持体用のセラミックス基体内に埋設された電気回路に接続する電極構造であって、一端が前記電気回路に電気的に接続されると共に他端が接地または外部電源に接続されたセラミックス電極を有し、該セラミックス電極の表面にはメタライズ層が形成されていることを特徴とする電極構造。
【請求項２】
前記セラミックス電極と前記電気回路の間に介在する接続端子をさらに有していることを特徴とする、請求項１に記載の電極構造。
【請求項３】
前記接続端子及び／又は前記セラミックス電極を覆う絶縁パイプをさらに有していることを特徴とする、請求項２に記載の電極構造。
【請求項４】
前記セラミックス電極は筒状であり、その内壁面にメタライズ層が形成されていることを特徴とする、請求項1〜３のいずれかに記載の電極構造。
【請求項５】
請求項1〜４のいずれかに記載の電極構造を備えていることを特徴とするウエハ保持体。
【請求項１】
ウエハ保持体用のセラミックス基体内に埋設された電気回路に接続する電極構造であって、一端が前記電気回路に電気的に接続されると共に他端が接地または外部電源に接続されたセラミックス電極を有し、該セラミックス電極の表面にはメタライズ層が形成されていることを特徴とする電極構造。
【請求項２】
前記セラミックス電極と前記電気回路の間に介在する接続端子をさらに有していることを特徴とする、請求項１に記載の電極構造。
【請求項３】
前記接続端子及び／又は前記セラミックス電極を覆う絶縁パイプをさらに有していることを特徴とする、請求項２に記載の電極構造。
【請求項４】
前記セラミックス電極は筒状であり、その内壁面にメタライズ層が形成されていることを特徴とする、請求項1〜３のいずれかに記載の電極構造。
【請求項５】
請求項1〜４のいずれかに記載の電極構造を備えていることを特徴とするウエハ保持体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２６３１２（Ｐ２０１３−２６３１２Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７６３９（Ｐ２０１１−１５７６３９）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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