JP2004111289A

JP2004111289A - Ceramic heater and manufacturing method thereof

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Publication number: JP2004111289A
Application number: JP2002274230A
Authority: JP
Inventors: Manabu Hashikura; 橋倉　学; Hirohiko Nakada; 仲田　博彦; Masuhiro Natsuhara; 夏原　益宏; Hiroshi Hiiragidaira; 柊平　啓
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: JP3821075B2

Abstract

【課題】半導体製造装置用のウエハ保持体等として用いるセラミックスヒータについて、温度に対する耐電圧特性を向上させ、抵抗発熱体等となる金属回路層間の部分放電を抑止して、短絡による破損を防止する。
【解決手段】金属回路層２を間に挟んで非酸化物系セラミックスからなる２つ以上のセラミックス基板１ａ、１ｂを接合する際に、１０１ｋＰａを超える非酸化性雰囲気圧力下において加熱接合する。このとき、セラミックス基板１ａ、１ｂを５ｋｇ／ｃｍ^２以上の圧力で圧縮することができる。得られるセラミックスヒータでは、セラミックス基板１ａ、１ｂの積層部にある閉口空隙の内部圧力が室温で１６ｋＰａ以上、好ましくは４０ｋＰａ以上とする。
【選択図】　　　図１A ceramic heater used as a wafer holder or the like for a semiconductor manufacturing apparatus has improved withstand voltage characteristics against temperature, suppresses partial discharge between metal circuit layers serving as a resistance heating element or the like, and prevents breakage due to short circuit. .
When joining two or more ceramic substrates (1a, 1b) made of a non-oxide ceramic with a metal circuit layer (2) interposed therebetween, they are joined by heating under a non-oxidizing atmosphere pressure exceeding 101 kPa. At this time, the ceramic substrates 1a and 1b can be compressed at a pressure of 5 kg / cm ² or more. In the obtained ceramic heater, the internal pressure of the closed space in the laminated portion of the ceramic substrates 1a and 1b is 16 kPa or more at room temperature, preferably 40 kPa or more.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定パターンの抵抗発熱体を有するセラミックスヒータとその製造方法に関し、及びこのセラミックスヒータを用いた半導体製造装置用のウエハ保持体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化、高速化の要求が厳しくなるに従い、半導体製造装置でウエハ上に皮膜形成やエッチング等の処理を行う際に、装置内の場所による温度やガスの流れの不均一に起因するエッチングや皮膜の品質のばらつきが問題になっている。
【０００３】
そこで、複数のエッチング装置や成膜装置を並べ、それらの装置間にローダーを用いて半導体ウエハを自動送りして、１枚ずつ処理する枚葉式の半導体製造装置が使用されるようになりつつある。このような枚葉式の半導体製造装置を用いる場合には、内部に抵抗発熱体を埋設したセラミックスヒータからなるウエハ保持体をエッチング装置や成膜装置等の反応容器内に設置し、ウエハを静電チャックでウエハ保持体上に保持固定した状態で、ウエハ保持体内の抵抗発熱体からの熱でウエハを均一に加熱する方法が採用されている。
【０００４】
従って、ウエハ保持体の少なくともウエハに接する部分は、膜形成用の反応ガスやエッチングガスとして用いるガス、例えば腐食性の高いハロゲンガス等のガスに対する耐食性を備え、高い熱伝導率を有する材料で構成される必要がある。このようなウエハ保持体に好適な材料としては、窒化アルミニウムが注目されている。また、ウエハ保持体自身には、ヒータ機能と共に、静電チャック機能や機械固定機能等を付与する必要がある。かかるウエハ保持体としては、既に多くのものが知れているが、例えば特許第２６０４９４４号公報には、ウエハ保持体の発熱面の均熱化を図るため、内部に埋設されるヒータの構造が開示されている。
【０００５】
ウエハ保持体として用いるセラミックスヒータの製造方法としては、窒化アルミニウ等のセラミックス粉末からなる２枚の成形体の間にタングステンやモリブデン等の金属製のコイルやワイヤを挟み込み、これらをホットプレス焼結することにより、ヒータや静電チャック用電極等の金属回路層をセラミックス内に埋設する方法が知られている。
【０００６】
また、タングステンやモリブデンを含んだ金属ペーストを、セラミックス成形体の表面に印刷するか、又はセラミックス焼結体の表面に印刷した後、この成形体を重ね合わせて成形体とペーストとを同時に焼結することにより、又はこの焼結体を重ね合わせて加熱しながらホットプレスして焼結体同士を接合することにより、金属回路層をセラミックス内に埋設する方法も採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したセラミックヒータの製造方法においては、内部に金属回路層を入れた状態で、成形体のホットプレス焼結、成形体とペーストとの同時焼結、又は焼結体のホットプレス接合等を行うと、セラミックス焼結体内部、特に金属回路層とセラミックスの界面付近に、焼結又は接合時に空隙が形成される。
【０００８】
例えば、金属回路層を入れたセラミックス成形体をホットプレス焼結する場合には、成形体中に圧縮しにくい金属製のコイルやワイヤが存在するため、ホットプレス時の圧縮圧力を大きくしても空隙は完全になくならない。また、金属ペーストとセラミックス成形体を同時焼結する場合では、金属ペーストとセラミックスが焼結時に反応しないため、金属回路層とセラミックスの間に空隙が発生する。
【０００９】
更に、表面に金属ペーストを印刷した２枚のセラミックス焼結体をホットプレスして焼結体同士を接合する場合には、ペースト状接合ガラスの量が少ないと、金属回路層とセラミックスの間に外部に導通した開口空隙が発生する。一方、ペースト状接合ガラスの量が多い場合は、ガラスがセラミックスの粒界に浸透し、粒界三重点付近に外部に導通していない微少な閉口空隙が発生する。
【００１０】
これらの金属回路層とセラミックスの間に生じた空隙は、このセラミックスヒータを高温下で通電加熱する場合に、ある一定電圧以上を印加すると、金属回路層の間に部分放電が発生する起点となる。特に閉口空隙があると、高温通電加熱中にある電圧以上で部分放電を開始し、金属回路層間が短絡（ショート）して、その局所的で急激な昇温によりセラミックスヒータが破損する危険もある。
【００１１】
本発明は、かかる従来の事情に鑑み、金属回路層間の部分放電を抑止して、短絡による破損をなくすため、温度に対する耐電圧特性を向上させたセラミックスヒータ及びその製造方法を提供することを目的とする。本発明はまた、このセラミックスヒータを用いることにより、半導体製造装置用の信頼性の高いウエハ保持体を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供するセラミックスヒータは、内部に金属回路層を備えたセラミックスヒータであって、非酸化物系セラミックスからなる２つ以上のセラミックス基板を積層した積層部（多積層構造）にある閉口空隙の内部圧力が室温で１６ｋＰａ以上、好ましくは４０ｋＰａ以上であることを特徴とする。
【００１３】
上記本発明のセラミックスヒータにおいては、前記積層部に接合層を有することができる。前記接合層の厚みは、５００μｍ以下であることが好ましい。また、前記接合層は、窒化アルミニウムを２０重量％以上含み、残部が酸化アルミニウムと、周期律表３ａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種とからなることを特徴とする。
【００１４】
また、上記本発明のセラミックスヒータにおいては、前記積層部の金属回路層と接合層の間に耐圧層を有することができる。前記耐圧層は、セラミックス基板の非酸化物系セラミックスと同じであるか、若しくは窒化アルミニウムを５０重量％以上含み、残部が酸化アルミニウムと、周期律表３ａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種とからなることを特徴とする。
【００１５】
上記本発明のセラミックスヒータでは、前記非酸化物系セラミックスの熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。また、前記非酸化物系セラミックスは、窒化アルミニウム、炭化ケイ素又はそれらの複合体であることが好ましい。
【００１６】
また、上記本発明のセラミックスヒータでは、前記金属回路層が、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＣｒから選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。また、前記金属回路層は低融点ガラスを含有することができ、前記低融点ガラスはＹ及び／又はＡｌを含むことが好ましい。
【００１７】
本発明は、また、内部に金属回路層を備えたセラミックスヒータの製造方法を提供する。この本発明のセラミックスヒータの製造方法は、金属回路層を間に挟んで非酸化物系セラミックスからなる２つ以上のセラミックス基板を接合する際に、１０１ｋＰａを超える非酸化性雰囲気圧力下において加熱接合することを特徴とするものである。また、この本発明方法では、前記セラミックス基板を５ｋｇ／ｃｍ^２以上の圧力で圧縮することができる。
【００１８】
上記本発明のセラミックスヒータの製造方法においては、前記多積層構造の中で２つのセラミックス基板の間に、接合後の厚みが５００μｍ以下となる接合層を介在させることができる。また、この本発明方法では、前記セラミックス基板を３ｋｇ／ｃｍ^２以上の圧力で圧縮することができる。更に、前記金属回路層と接合層の間に、耐圧層を介在させることができる。
【００１９】
上記本発明のセラミックスヒータの製造方法で、前記接合層は、窒化アルミニウムを２０重量％以上含み、残部が酸化アルミニウムと、周期律表３ａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種とからなることを特徴とする。前記耐圧層は、セラミックス基板の非酸化物系セラミックスと同じであるか、若しくは窒化アルミニウムを５０重量％以上含み、残部が酸化アルミニウムと、周期律表３ａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種とからなることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、更に、ウエハを保持して加熱するための半導体製造装置用のウエハ保持体を提供するものであって、そのウエハ保持体は、上記した本発明によるいずれかのセラミックスヒータを用いたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、セラミックスヒータの金属回路層とセラミックスの界面付近に形成される空隙について鋭意研究を重ねた結果、セラミックスヒータ内の閉口空隙の内部圧力（以下、空隙内圧力とも言う）を高めることにより、温度に対する耐電圧特性が飛躍的に向上することを見出した。
【００２２】
即ち、閉口空隙の内部圧力と部分放電開始電圧との関係は、金属回路層の間隔が一定距離の場合は、閉口空隙の内部圧力によって金属回路層間で部分放電が開始する電圧が変化する（パッシェンの法則：鳥山他著、「新版　高電圧工学」、新版、コロナ社、１９９９年１２月１０日、５７−５９頁、参照）。具体的には、閉口空隙の内部圧力が真空に近い場合には部分放電開始電圧は高くなるが、閉口空隙の内部圧力が大きくなるにつれて部分放電開始電圧は徐々に低くなり、極小値を経て再び上昇することが分った。
【００２３】
また、閉口空隙の内部圧力が一定の場合には、金属回路層の間隔により部分放電開始電圧が変化する。具体的には、金属回路層の間隔が小さいときには部分放電開始電圧は高いが、金属回路層の間隔が大きくなるにつれて部分放電開始電圧は次第に低くなり、極小値を経て再び上昇する傾向がある。更に、このセラミックスヒータを高温までに通電加熱すると、この部分放電開始電圧は緩やかに低下していく傾向にある。
【００２４】
そして、先に述べたように、セラミックスヒータを製造する際には、特に抵抗発熱体としての金属回路層とセラミックスの界面付近に、焼結又は接合時に大きさが直径換算で０．５μｍ〜１ｍｍ程度の閉口空隙が形成される。このセラミックスヒータ内に形成される閉口空隙の内部圧力は、焼結又は接合時の雰囲気ガスの圧力によって変化する。即ち、雰囲気ガスの圧力が大気圧の場合、その最高焼結温度において閉口空隙の内部圧力はほぼ大気圧になっている。しかし、焼結又は接合後に室温まで冷却すると、この閉口空隙の内部圧力は低下することが分った。
【００２５】
以上の知見から、セラミックスヒータ内の積層部に閉口空隙があっても、その空隙の内部圧力が室温で１６ｋＰａ以上であれば、高温下でセラミックスヒータの金属回路層が短絡せず、部分放電開始電圧が高いセラミックスヒータが得られることを見出した。この閉口空隙の内部圧力は、室温で４０ｋＰａ以上であることが好ましい。
【００２６】
尚、閉口空隙の内部圧力（空隙内圧力）は、ボイル・シャルルの法則より、加熱接合時の雰囲気圧力と加熱温度から近似的に、式Ｐ１・Ｖ１／Ｔ１＝Ｐ２・Ｖ２／Ｔ２によって求めることができる。この式で、Ｐ１、Ｖ１、Ｔ１は、本発明のセラミックスヒータを実使用するときの、閉口空隙の内部圧力、閉口空隙の体積、温度をそれぞれ示す。また、Ｐ２、Ｖ２、Ｔ２は、加熱接合時の雰囲気温度、形成された閉口空隙の体積、加熱温度をそれぞれ示す。ここで、Ｖ１とＶ２は温度に対して変化しないと仮定して、上記式はｐ１／Ｔ１＝Ｐ２／Ｔ２と表される。従って、この式を用いて、加熱接合時の雰囲気圧力と加熱温度から近似的に計算によって、本発明のセラミックスヒータを実使用するときの、閉口空隙の内部圧力を求めることができる。
【００２７】
また、このように閉口空隙の内部圧力が室温で１６ｋＰａ以上となるセラミックスヒータを得るためには、図１に示すように、金属回路層２を間に挟んで２以上のセラミックス基板１ａ、１ｂを接合する際に、１０１ｋＰａを超える非酸化性雰囲気圧力下において加熱接合すれば良いことが判明した。例えば、金属回路層となるべきスクリーン印刷された金属ペーストを挟んで、２つのセラミックス焼結体をホットプレス接合する方法において、大気圧（１０１ｋＰａ）を超える非酸化性雰囲気で加熱接合する。
【００２８】
この接合時に非酸化性雰囲気ガスの圧力を１０１ｋＰａを超える圧力に設定すると、その最高焼結温度では空隙内圧力は１０１ｋＰａを超えるほぼ同じ圧力になっている。そして、接合後に室温まで冷却したときには、この閉口空隙の内部圧力はほぼ１６ｋＰａ以上になり、セラミックスヒータの温度に対する耐電圧特性が向上するのである。
【００２９】
尚、接合時の非酸化性雰囲気ガスの圧力が高い場合には、接合前に内部圧力の高い閉口空隙があるために、多積層構造中の２つのセラミックス基板が十分接合しなかったり、開口空隙が残る場合がある。そのような場合には、高圧力の圧縮下でセラミックス基板の加熱接着を実施することが必要である。具体的には、５ｋｇ／ｃｍ^２以上の圧力をかけてセラミックス基板を加熱接合すれば良い。圧縮圧力が５ｋｇ／ｃｍ^２未満の場合、非酸化性雰囲気ガスの圧力によっては接合が不十分となりやすく、開口空隙や目視で部分的に接合していない箇所が認められることがある。
【００３０】
更に、高温高圧下で安定して２つのセラミックス基板を接合するために、その積層部に接合層を介在させることができる。例えば図２に示すように、２つのセラミックス基板１ａ、１ｂの間に、金属回路層２と共に接合層３を挟み込む。この接合層は、窒化アルミニウムを２０重量％以上含み、残部が酸化アルミニウムと、周期律表３ａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種とからなる。また、３ａ族元素の化合物としては、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２などの酸化物が好ましい。
【００３１】
接合時に介在させる接合層のペースト量が少ない場合は直径換算して約１ｍｍ以上の開口空隙が発生しやすく、逆に量が多い場合にはセラミックス粒界に浸透して、粒界三重点付近に平均粒径１μｍ以下の微少な閉口空隙が発生しやすい。従って、セラミックス基板の接合後に高い空隙内圧力を保持するためには、接合時に用いる接合層のペースト量を調整して、接合後における接合層の厚さを５００μｍ以下とすることが好ましく、１００μｍ以下が更に好ましい。尚、接合後における接合層の厚さが５００μｍを超える場合、上記の微小な閉口空隙が多くなり、この閉口空隙の室温下での内部圧力が１５ｋＰａ以下の場合、著しく耐電圧特性が低下する。従って、接合層の厚さが５００μｍを超える場合は、閉口空隙の室温下での内部圧力を４０ｋＰａ以上にすることが必要である。
【００３２】
また、焼成時に、金属回路層付近に、接合層が浸透するのを防ぐために、金属回路層と接合層の間に、耐圧層を挟むことをもできる。例えば図３に示すように、２つのセラミックス基板１ａ、１ｂの間の積層部で、金属回路層２と接合層３の間に耐圧層４を介在させる。この耐圧層は、セラミックス基板の非酸化物系セラミックスと同じであるか、若しくは窒化アルミニウムを５０重量％以上含み、残部が酸化アルミニウムと、周期律表３ａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種とからなる。尚、３ａ族元素の化合物としては、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２などの酸化物が好ましい。
【００３３】
このように接合層を介在させ、必要に応じて更に耐圧層を挟むときは、２つのセラミックス基板を安定して接合するために、接合時のセラミックス基板に３ｋｇ／ｃｍ_２以上の圧力をかけることが望ましい。
【００３４】
このようにして製造した本発明のセラミックスヒータは、ヒータ内の積層部に閉口空隙があっても、その内部圧力が１６ｋＰａ以上と高いため、抵抗発熱体等の回路パターンを形成する金属回路層の間隔を変えなくても、ヒータの耐電圧特性を向上させることができる。
【００３５】
本発明のセラミックスヒータは、ＣＶＤのような成膜装置やエッチング装置等の半導体製造装置において、ウエハ上に皮膜形成やエッチング等の処理を行う際にウエハを保持して均一加熱するためのウエハ保持体として好適に使用できる。
【００３６】
ウエハ保持体においては、その均熱性を高めるための一つの方法として、抵抗発熱体となる金属回路層のパターン間隔を狭くし、発熱回路パターンを緻密化することが挙げられる。この場合、金属回路層のパターン間隔を狭くすると、部分放電が起きやすくなる。しかし、本発明によるウエハ保持体では、部分放電開始電圧が極小値を取る条件を外すことにより、部分放電開始電圧を上昇させることができ、部分放電をなくすことが可能である。
【００３７】
また、均熱性を高める他の方法として、高い熱伝導度を有するセラミックス基板を使用することが挙げられる。そのためには、セラミックス基板を構成する非酸化物系セラミックスとして、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上のものが望ましく、具体的には窒化アルミニウム、炭化ケイ素又はそれらの複合体が好ましい。
【００３８】
セラミックスヒータ又はウエハ保持体において、抵抗発熱体を形成する金属回路層としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒの少なくとも１種以上からなることが望ましい。また、セラミックスヒータ中に金属回路層と共に接合層を積層する場合には、金属回路層中にも接合層を形成しているガラス成分がホットプレス接合時に浸透するため、金属回路層に低融点ガラスを含んでいても良い。低融点ガラスとしては、Ｙ及び／又はＡｌを含むものが好ましい。
【００３９】
【実施例】
実施例１
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末１００重量部に対して、焼結助剤として０．５重量部のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を添加し、更に所定量の有機バインダを加え、ボールミル混合法により混合した後、スプレードライにより造粒した。この造粒粉末を、焼結後に直径３５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの円板状となる寸法に一軸成形プレスして、２枚のＡｌＮ成形体を作製した。
【００４０】
これらの円板状のＡｌＮ成形体を温度９００℃の窒素雰囲気中で脱脂し、更に窒素雰囲気中にて温度１９００℃で５時間焼結した。得られたＡｌＮ焼結体の熱伝導率は、いずれも１７０Ｗ／ｍＫであった。これらのＡｌＮ焼結体の全表面をダイヤモンド砥粒で研磨して基板とした。
【００４１】
片方のＡｌＮ基板の表面に、Ｗ粉末に焼結助剤とエチルセルロース系のバインダを添加混練したスラリーを用いて回路パターンを印刷し、９００℃の窒素雰囲気中で脱脂した後、１８５０℃で１時間加熱して焼き付けて抵抗発熱体を形成した。この抵抗発熱体の上に、上記造粒粉末と酸化アルミニウム粉末とエチルセルロース系のバインダを添加混練したスラリーをコートし、９００℃の窒素雰囲気中で脱脂した後、１８５０℃で１時間加熱して焼き付けた。
【００４２】
他方のＡｌＮ基板上には、接合用のガラスにエチルセルロース系のバインダを添加混練したスラリーを塗布し、９００℃の窒素雰囲気中で脱脂した。この２枚のＡｌＮ基板の接合用ガラス面と抵抗発熱体面とを重ね合わせ、窒素ガス雰囲気の圧力５０７ｋＰａとし、９ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で圧縮しながら、１８００℃で２時間加熱して接合することにより、図３に示す積層構造のセラミックスヒータ（試料７）を作製した。
【００４３】
また、上記試料７と同様の方法により、下記表１に示すセラミックス基板、金属回路層、必要に応じて接合層又は接合層と耐圧層からなり、図１〜３のいずれかに示す積層構造を有する各試料のセラミックスヒータを作製した。得られた各セラミックスヒータについて、セラミックス基板接合時の接合条件と共に、室温と温度５００℃での空隙内圧力、及び５００℃の減圧雰囲気下での部分放電開始電圧を、下記表２に示した。
【００４４】
【表１】

【００４５】
【表２】

【００４６】
上記表１及び表２の試料１〜３に示すように、ホットプレス接合時に非酸化性雰囲気ガス圧力を大気圧（１０１ｋＰａ）を超える圧力にした場合、形成される閉口空隙の内部圧力（空隙内圧力）が５０ｋＰａ以上になり、５００℃での部分放電開始電圧が比較例の試料４〜６と比較して約２倍以上に上昇することが分る。
【００４７】
また、図２〜図３に示す接合層や耐圧層を有する構造のセラミックスヒータであっても、ホットプレス接合後の接合層の厚さを５００μｍ以下とし、圧縮圧力を５ｋｇ／ｃｍ^２以上とすることによって、高い部分放電開始電圧が得られることが分る。例えば、接合後の接合層の厚さが５００μｍ以上である試料１２〜１４に比べ、試料７〜９のセラミックスヒータの部分放電開始電圧は約１．４倍以上に上昇している。
【００４８】
尚、この試料１２〜１４のセラミックスヒータについて、組織をＳＥＭで観察したところ、ＡｌＮの粒界三重点付近に平均粒径１μｍ以下の微少な閉口空隙が多数存在していることが確認された。この閉口空隙が存在する領域は、接合層の厚さが厚いほど広くなっていた。この場合の５００℃での部分放電開始電圧の低下は、閉口空隙の内部圧力が高い場合でも、接合層の厚さが５００μｍを超えると部分放電開始電圧が低下することから、接合層自体の体積固有抵抗率が温度５００℃にて低下することが主な原因と考えられる。
【００４９】
更に、ホットプレス接合時のセラミックス基板への圧縮圧力を変えた場合、圧縮圧力を３ｋｇ／ｃｍ^２以上にした試料１８〜２０は、３ｋｇ／ｃｍ^２未満の試料２１〜２３と比較して、部分放電開始電圧が約２陪以上に上昇している。この試料２１〜２３のセラミックスヒータを切断し、その接合状態を観察したところ、全面にわたって均一に接着されておらず、開口空隙が存在した。このため、減圧雰囲気下で部分放電開始電圧を測定したとき、開口空隙の内部圧力が減圧状態となり、部分放電開始電圧が大幅に低下したものと考えられる。
【００５０】
上記の試料１〜３２では、２枚のＡｌＮ基板を重ね合わせて所定圧力の窒素ガス雰囲気にて接合する際に、ＡｌＮ基板に圧力を加えて圧縮しながら接合したが、以下の試料３３〜５８ではＡｌＮ基板の圧縮を行わない以外、上記と同様にして接合を実施した。下記表３に示すセラミックス基板、金属回路層、必要に応じて接合層又は接合層と耐圧層からなり、図１〜３のいずれかに示す積層構造を有する試料３３〜５８のセラミックスヒータを、並びに下記表４に各セラミックスヒータについて、セラミックス基板接合時の接合条件と共に、室温と温度５００℃での空隙内圧力、及び５００℃の減圧雰囲気下での部分放電開始電圧を、下記表２に示した。
【００５１】
【表３】

【００５２】
【表４】

【００５３】
実施例２
上記表１〜２に示す本発明の試料の各セラミックスヒータを用いて、図４に示すように、半導体製造装置用のウエハ保持体を作製した。即ち、セラミックスヒータでウエハ保持体５を作製し、そのウエハ加熱面と反対側の表面（裏面）に、抵抗発熱体である金属回路層２に接続される電極端子を接合し、更に外部電源に接続するための引出線６を接続した。この電極端子と引出線６を熱伝導度１Ｗ／ｍＫのムライト焼結体の絶縁管７内に収納し、絶縁管７の一端面に接合用Ｂ−Ｓｉ系ガラスを塗布してウエハ保持体の裏面にあてがい、ズレ防止のために５０ｇ／ｃｍ^２の荷重をかけた状態で、８００℃で１時間加熱して接合した。
【００５４】
このウエハ保持体５の裏面に、深さ５ｍｍの熱電対挿入用の穴を設けた。また、一端を閉じた内径８ｍｍの有底筒状体９内に、直径２ｍｍのＳＵＳ製シース付きＫ型熱電対８を挿入して一端の有底部に接触させ、この有底筒状体９の有底部をウエハ保持体５の熱電対挿入用の穴に挿入した。尚、この有底筒状体９は、ＡｌＮ焼結体からなる有底部と、この有底部の他端にＢ−Ｓｉ系ガラス接合されたムライト焼結体とからなる。
【００５５】
更に、外径１０ｍｍ×内径８ｍｍ×長さ１００ｍｍのムライト焼結体のパイプからなり、両端にフランジを設けた略円筒状の支持部材１０を作製した。この支持部材１０の他端側のフランジを反応容器１１の底部に固定し、一端側のフランジ上にウエハ保持体５を接合することなく載置した。尚、ウエハ保持体５の裏面に接合した絶縁管７及び有底筒状体９は、それぞれの他端側を反応容器１１の底部との間で全てＯ−リング１２を用いて気密封止した。
【００５６】
上記本発明のウエハ保持体を搭載した半導体製造装置を使用して、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、Ｌｏｗ−ｋ膜焼成、プラズマエッチング、絶縁膜ＣＶＤ等の処理を実施した。その結果、いずれも処理においても、ウエハ保持体での部分放電はまったく発生せず、何ら支障なくウエハの処理を行うことができた。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、内部に所定パターンの金属回路層を有するセラミックスヒータについて、温度に対する耐電圧特性を向上させることができ、高温加熱時の金属回路層間での部分放電をなくして、金属回路層間の短絡による割れ等を防止することができる。従って、このセラミックスヒータを半導体製造装置に用いられるウエハ保持体として用いることにより、ウエハ保持体での部分放電や破損をなくし、安定したウエハ処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるセラミックスヒータの接合構造の一具体例を示す概略の断面図である。
【図２】本発明におけるセラミックスヒータの接合層を有する接合構造の一具体例を示す概略の断面図である。
【図３】本発明におけるセラミックスヒータの接合層と耐圧層を有する接合構造の一具体例を示す概略の断面図である。
【図４】本発明のセラミックスヒータをウエハ保持体として用いた半導体製造装置の一具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ　　　セラミックス基板
２　　　金属回路層
３　　　接合層
４　　　耐圧層
５　　　ウエハ保持体
６　　　引出線
７　　　絶縁管
８　　　熱電対
９　　　有底筒状体
１０　　　支持部材
１１　　　反応容器
１２　　　Ｏ−リング[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic heater having a predetermined pattern of resistance heating elements and a method for manufacturing the same, and to a wafer holder for a semiconductor manufacturing apparatus using the ceramic heater.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as the demand for higher integration and higher speed of semiconductor devices has become strict, when performing processes such as film formation and etching on wafers in semiconductor manufacturing equipment, unevenness in temperature and gas flow due to locations in the equipment has been observed. There is a problem of variations in etching and film quality caused by the above.
[0003]
Therefore, a single-wafer type semiconductor manufacturing apparatus that arranges a plurality of etching apparatuses and film forming apparatuses, automatically feeds a semiconductor wafer using a loader between the apparatuses, and processes the wafers one by one is being used. is there. When such a single-wafer type semiconductor manufacturing apparatus is used, a wafer holder composed of a ceramic heater having a resistance heating element embedded therein is installed in a reaction vessel such as an etching apparatus or a film forming apparatus, and the wafer is statically moved. A method is employed in which a wafer is uniformly heated by heat from a resistance heating element in a wafer holder while being held and fixed on the wafer holder by an electric chuck.
[0004]
Therefore, at least a portion of the wafer holder that is in contact with the wafer is made of a material having corrosion resistance to a gas used as a reaction gas for film formation or an etching gas, for example, a gas such as a highly corrosive halogen gas, and having a high thermal conductivity. Need to be done. Aluminum nitride has attracted attention as a material suitable for such a wafer holder. Further, it is necessary to provide the wafer holder itself with an electrostatic chuck function, a mechanical fixing function, and the like, in addition to the heater function. Many such wafer holders are already known. For example, Japanese Patent No. 2604944 discloses a structure of a heater embedded inside the wafer holder in order to equalize the heat generation surface of the wafer holder. Have been.
[0005]
As a method for manufacturing a ceramic heater used as a wafer holder, a metal coil or wire such as tungsten or molybdenum is sandwiched between two compacts made of ceramic powder such as aluminum nitride, and these are hot-press sintered. Accordingly, a method of embedding a metal circuit layer such as a heater or an electrode for an electrostatic chuck in ceramics is known.
[0006]
Also, a metal paste containing tungsten or molybdenum is printed on the surface of the ceramic molded body, or printed on the surface of the ceramic sintered body, and then the molded bodies are overlapped and the molded body and the paste are simultaneously sintered. Alternatively, a method of embedding a metal circuit layer in ceramics is also adopted by joining the sintered bodies by hot pressing while superposing and heating the sintered bodies.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described method for manufacturing a ceramic heater, hot-press sintering of a compact, simultaneous sintering of a compact and a paste, hot-press joining of a sintered compact, and the like are performed while a metal circuit layer is placed inside. During the sintering or bonding, voids are formed inside the ceramic sintered body, particularly near the interface between the metal circuit layer and the ceramic.
[0008]
For example, when hot-press sintering a ceramic molded body containing a metal circuit layer, there are metal coils and wires that are hard to compress in the molded body. The void does not disappear completely. In the case of simultaneously sintering the metal paste and the ceramic molded body, a gap is generated between the metal circuit layer and the ceramic because the metal paste and the ceramic do not react during sintering.
[0009]
Furthermore, when two ceramics sintered bodies having a metal paste printed on the surface are hot-pressed to join the sintered bodies together, if the amount of the paste-like bonded glass is small, the space between the metal circuit layer and the ceramics is reduced. An open gap that is conducted to the outside is generated. On the other hand, when the amount of the paste-like bonded glass is large, the glass penetrates into the grain boundaries of the ceramics, and minute closed voids that are not conducted to the outside near the grain boundary triple point are generated.
[0010]
The gap formed between the metal circuit layer and the ceramic becomes a starting point at which a partial discharge is generated between the metal circuit layers when a certain voltage or more is applied when the ceramic heater is energized and heated at a high temperature. . In particular, if there is a closed gap, partial discharge starts at a certain voltage or higher during high-temperature energization heating, a short circuit occurs between metal circuit layers, and there is a risk that the ceramic heater may be damaged due to a local rapid rise in temperature. .
[0011]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a ceramic heater having improved withstand voltage characteristics against temperature in order to suppress partial discharge between metal circuit layers and eliminate breakage due to a short circuit, and a method of manufacturing the same. And Another object of the present invention is to provide a highly reliable wafer holder for a semiconductor manufacturing apparatus by using the ceramic heater.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a ceramic heater provided by the present invention is a ceramic heater having a metal circuit layer inside, and has a laminated portion (multi-layer) in which two or more ceramic substrates made of non-oxide ceramics are laminated. The internal pressure of the closed space in the laminated structure) is 16 kPa or more at room temperature, preferably 40 kPa or more.
[0013]
In the above ceramic heater of the present invention, the laminated portion may have a bonding layer. The thickness of the bonding layer is preferably 500 μm or less. The bonding layer contains aluminum nitride in an amount of 20% by weight or more, with the balance being aluminum oxide and at least one selected from compounds of Group 3a elements of the periodic table.
[0014]
Further, in the ceramic heater according to the present invention, a pressure-resistant layer may be provided between the metal circuit layer and the bonding layer in the laminated portion. The pressure-resistant layer is the same as the non-oxide ceramic of the ceramic substrate, or contains at least 50% by weight of aluminum nitride, and the balance is at least one selected from aluminum oxide and a compound of a Group 3a element of the periodic table. And characterized by the following.
[0015]
In the above ceramic heater of the present invention, the thermal conductivity of the non-oxide ceramic is preferably 100 W / mK or more. Preferably, the non-oxide ceramic is aluminum nitride, silicon carbide, or a composite thereof.
[0016]
In the ceramic heater according to the present invention, it is preferable that the metal circuit layer is at least one selected from W, Mo, Ta, Ag, Pd, Ni, and Cr. Further, the metal circuit layer may contain a low-melting glass, and the low-melting glass preferably contains Y and / or Al.
[0017]
The present invention also provides a method for manufacturing a ceramic heater having a metal circuit layer inside. The method for manufacturing a ceramic heater according to the present invention is characterized in that when two or more ceramic substrates made of non-oxide ceramics are bonded with a metal circuit layer interposed therebetween, the bonding is performed under a non-oxidizing atmosphere pressure exceeding 101 kPa. It is characterized by doing. Further, in the method of the present invention, the ceramic substrate can be compressed at a pressure of 5 kg / cm ² or more.
[0018]
In the method for manufacturing a ceramic heater according to the present invention, a bonding layer having a thickness of 500 μm or less after bonding can be interposed between the two ceramic substrates in the multi-layer structure. Further, in the method of the present invention, the ceramic substrate can be compressed at a pressure of 3 kg / cm ² or more. Further, a withstand voltage layer can be interposed between the metal circuit layer and the bonding layer.
[0019]
In the method for manufacturing a ceramic heater according to the present invention, the bonding layer includes aluminum nitride in an amount of 20% by weight or more, and the balance includes aluminum oxide and at least one selected from compounds of Group 3a elements of the periodic table. It is characterized by. The pressure-resistant layer is the same as the non-oxide ceramic of the ceramic substrate, or contains at least 50% by weight of aluminum nitride, and the balance is at least one selected from aluminum oxide and a compound of a Group 3a element of the periodic table. And characterized by the following.
[0020]
The present invention further provides a wafer holder for a semiconductor manufacturing apparatus for holding and heating a wafer, wherein the wafer holder uses any of the ceramic heaters according to the present invention described above. It is characterized by the following.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present inventors have conducted intensive studies on the voids formed near the interface between the metal circuit layer and the ceramics of the ceramics heater, and as a result, increased the internal pressure (hereinafter, also referred to as the internal pressure of the voids) in the closed voids in the ceramics heater. As a result, the inventors have found that the withstand voltage characteristics with respect to temperature are dramatically improved.
[0022]
That is, the relationship between the internal pressure of the closed gap and the partial discharge starting voltage is such that when the distance between the metal circuit layers is a fixed distance, the voltage at which partial discharge starts between the metal circuit layers changes due to the internal pressure of the closed gap (Paschen). Law: Toriyama et al., "New Edition High Voltage Engineering", New Edition, Corona, December 10, 1999, pp. 57-59). Specifically, when the internal pressure of the closing gap is close to vacuum, the partial discharge starting voltage increases, but as the internal pressure of the closing gap increases, the partial discharge starting voltage gradually decreases, and returns to a minimum value again. It was found to rise.
[0023]
In addition, when the internal pressure of the closed space is constant, the partial discharge starting voltage changes depending on the distance between the metal circuit layers. Specifically, when the interval between the metal circuit layers is small, the partial discharge starting voltage is high, but as the interval between the metal circuit layers is increased, the partial discharge starting voltage gradually decreases, and tends to rise again through a minimum value. Further, when the ceramic heater is energized and heated to a high temperature, the partial discharge starting voltage tends to gradually decrease.
[0024]
And, as described above, when manufacturing the ceramic heater, especially in the vicinity of the interface between the metal circuit layer and the ceramic as the resistance heating element, the size is 0.5 μm to 1 mm in terms of diameter at the time of sintering or joining. A degree of closed space is formed. The internal pressure of the closed space formed in the ceramic heater changes depending on the pressure of the atmosphere gas during sintering or joining. That is, when the pressure of the atmosphere gas is atmospheric pressure, the internal pressure of the closed space is almost atmospheric pressure at the maximum sintering temperature. However, it has been found that when cooled to room temperature after sintering or joining, the internal pressure of the closed space decreases.
[0025]
From the above findings, even if there is a closed gap in the laminated portion in the ceramic heater, if the internal pressure of the gap is 16 kPa or more at room temperature, the metal circuit layer of the ceramic heater does not short-circuit at high temperature and partial discharge starts. It has been found that a ceramic heater having a high voltage can be obtained. The internal pressure of the closed space is preferably 40 kPa or more at room temperature.
[0026]
In addition, the internal pressure of the closed space (pressure in the space) is obtained by the equation P1 / V1 / T1 = P2 / V2 / T2 from the atmospheric pressure and the heating temperature at the time of heating and joining according to Boyle-Charles' law. Can be. In this equation, P1, V1, and T1 indicate the internal pressure of the closed space, the volume of the closed space, and the temperature when the ceramic heater of the present invention is actually used. P2, V2, and T2 indicate the ambient temperature, the volume of the formed closed gap, and the heating temperature, respectively, during the heat bonding. Here, assuming that V1 and V2 do not change with temperature, the above equation is expressed as p1 / T1 = P2 / T2. Therefore, by using this equation, the internal pressure of the closed space when the ceramic heater of the present invention is actually used can be obtained by approximately calculating from the atmospheric pressure and the heating temperature during the heat bonding.
[0027]
In order to obtain a ceramic heater in which the internal pressure of the closed space is 16 kPa or more at room temperature, two or more

ceramic substrates

1a and 1b with a metal circuit layer 2 interposed therebetween as shown in FIG. At the time of joining, it has been found that the joining should be performed by heating under a non-oxidizing atmosphere pressure exceeding 101 kPa. For example, in a method of hot-press bonding two ceramic sintered bodies with a screen-printed metal paste to be a metal circuit layer interposed therebetween, heat bonding is performed in a non-oxidizing atmosphere exceeding atmospheric pressure (101 kPa).
[0028]
If the pressure of the non-oxidizing atmosphere gas is set to a pressure exceeding 101 kPa at the time of this joining, the pressure in the gap becomes almost the same pressure exceeding 101 kPa at the maximum sintering temperature. Then, when the temperature is cooled to room temperature after the joining, the internal pressure of the closed space becomes approximately 16 kPa or more, and the withstand voltage characteristic with respect to the temperature of the ceramic heater is improved.
[0029]
When the pressure of the non-oxidizing atmosphere gas at the time of joining is high, there is a closed space having a high internal pressure before joining, so that the two ceramic substrates in the multi-layer structure are not sufficiently joined, or the opening space is low. May remain. In such a case, it is necessary to perform heat bonding of the ceramic substrate under high pressure compression. Specifically, the ceramic substrate may be heated and joined by applying a pressure of 5 kg / cm ² or more. When the compression pressure is less than 5 kg / cm ² , the bonding tends to be insufficient depending on the pressure of the non-oxidizing atmosphere gas, and there may be a case where an opening is not formed or a part where the bonding is not performed is visually observed.
[0030]
Further, in order to stably join the two ceramic substrates under a high temperature and a high pressure, a joining layer can be interposed in the laminated portion. For example, as shown in FIG. 2, the bonding layer 3 is sandwiched between the two

ceramic substrates

1a and 1b together with the metal circuit layer 2. This bonding layer contains aluminum nitride in an amount of 20% by weight or more, with the balance being aluminum oxide and at least one selected from compounds of Group 3a elements of the periodic table. As the compound of the 3a group element, an oxide such as Y ₂ O ₃ , La ₂ O ₃ , or CeO ₂ is preferable.
[0031]
When the amount of paste of the bonding layer interposed at the time of bonding is small, an opening void of about 1 mm or more in terms of diameter tends to be generated. Conversely, when the amount is large, it penetrates into the ceramic grain boundary and becomes near the grain boundary triple point. Fine closed pores having an average particle size of 1 μm or less are likely to occur. Therefore, in order to maintain a high intra-gap pressure after the ceramic substrate is joined, it is preferable to adjust the amount of the paste of the joining layer used at the time of joining so that the thickness of the joining layer after joining is 500 μm or less, and 100 μm or less. Is more preferred. When the thickness of the bonding layer after bonding exceeds 500 μm, the above-mentioned minute closed voids increase, and when the internal pressure of the closed voids at room temperature is 15 kPa or less, the withstand voltage characteristics are significantly reduced. Therefore, when the thickness of the bonding layer exceeds 500 μm, the internal pressure of the closed space at room temperature needs to be 40 kPa or more.
[0032]
Further, in order to prevent the bonding layer from penetrating into the vicinity of the metal circuit layer at the time of firing, a withstand voltage layer may be interposed between the metal circuit layer and the bonding layer. For example, as shown in FIG. 3, a withstand voltage layer 4 is interposed between the metal circuit layer 2 and the bonding layer 3 in a laminated portion between the two

ceramic substrates

1a and 1b. The pressure-resistant layer is the same as the non-oxide ceramic of the ceramic substrate, or contains at least 50% by weight of aluminum nitride, with the balance being aluminum oxide and at least one selected from compounds of Group 3a elements of the periodic table. Consists of In addition, as the compound of the 3a group element, an oxide such as Y ₂ O ₃ , La ₂ O ₃ , or CeO ₂ is preferable.
[0033]
When the bonding layer is interposed in this way and a pressure-resistant layer is further sandwiched as necessary, in order to stably join the _two ceramic substrates, a pressure of 3 kg / cm ₂ or more is applied to the ceramic substrates at the time of bonding. Is desirable.
[0034]
The ceramic heater of the present invention manufactured in this manner has a high internal pressure of 16 kPa or more even if there is a closed gap in the laminated portion in the heater. The withstand voltage characteristics of the heater can be improved without changing the interval.
[0035]
The ceramic heater of the present invention is a wafer holding device for holding and uniformly heating a wafer when performing processing such as film formation or etching on a wafer in a semiconductor manufacturing apparatus such as a film forming apparatus such as CVD or an etching apparatus. It can be suitably used as a body.
[0036]
In the wafer holder, one method for improving the heat uniformity is to narrow the pattern interval of a metal circuit layer serving as a resistance heating element and to make the heating circuit pattern dense. In this case, when the pattern interval of the metal circuit layer is reduced, a partial discharge easily occurs. However, in the wafer holder according to the present invention, the partial discharge start voltage can be increased by removing the condition that the partial discharge start voltage takes a minimum value, and the partial discharge can be eliminated.
[0037]
Another method for improving the thermal uniformity is to use a ceramic substrate having high thermal conductivity. For this purpose, the non-oxide ceramic constituting the ceramic substrate preferably has a thermal conductivity of 100 W / mK or more, and specifically, aluminum nitride, silicon carbide or a composite thereof is preferable.
[0038]
In the ceramic heater or the wafer holder, the metal circuit layer forming the resistance heating element is preferably made of at least one of W, Mo, Ta, Ag, Pd, Ag, Ni, and Cr. When a bonding layer is laminated together with a metal circuit layer in a ceramic heater, the glass component forming the bonding layer also penetrates into the metal circuit layer at the time of hot press bonding. May be included. As the low melting point glass, a glass containing Y and / or Al is preferable.
[0039]
【Example】
Example 1
To 100 parts by weight of aluminum nitride (AlN) powder, 0.5 part by weight of yttria (Y ₂ O ₃ ) was added as a sintering aid, a predetermined amount of an organic binder was further added, and the mixture was mixed by a ball mill mixing method. Thereafter, granulation was performed by spray drying. The granulated powder was uniaxially pressed to a size of a disk having a diameter of 350 mm and a thickness of 10 mm after sintering, thereby producing two AlN compacts.
[0040]
These disk-shaped AlN compacts were degreased in a nitrogen atmosphere at a temperature of 900 ° C., and further sintered at a temperature of 1900 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. The thermal conductivity of each of the obtained AlN sintered bodies was 170 W / mK. The entire surface of these AlN sintered bodies was polished with diamond abrasive grains to obtain substrates.
[0041]
On the surface of one AlN substrate, a circuit pattern was printed using a slurry obtained by adding and kneading a sintering aid and an ethylcellulose binder to W powder, degreased in a nitrogen atmosphere at 900 ° C, and then at 1850 ° C for 1 hour. Heating and baking formed a resistance heating element. A slurry obtained by adding and kneading the above-mentioned granulated powder, aluminum oxide powder and an ethylcellulose binder was coated on the resistance heating element, degreased in a nitrogen atmosphere at 900 ° C., and then baked by heating at 1850 ° C. for 1 hour. Was.
[0042]
On the other AlN substrate, a slurry prepared by adding and kneading an ethylcellulose-based binder to glass for bonding was applied, and degreased in a nitrogen atmosphere at 900 ° C. The bonding glass surface of the two AlN substrates and the surface of the resistance heating element are overlapped, and heated at 1800 ° C. for 2 hours while compressing under a pressure of 9 kg / cm ² under a pressure of 507 kPa in a nitrogen gas atmosphere. Thus, a ceramic heater (sample 7) having a laminated structure shown in FIG. 3 was produced.
[0043]
In addition, by the same method as that of the above-mentioned sample 7, a ceramic substrate, a metal circuit layer, and a bonding layer or a bonding layer and a pressure-resistant layer as required, as shown in Table 1 below, were used. Ceramic heaters for each sample were prepared. For each of the obtained ceramic heaters, the bonding conditions at the time of bonding the ceramic substrate, the pressure in the gap at room temperature and 500 ° C., and the partial discharge starting voltage under a reduced pressure atmosphere of 500 ° C. are shown in Table 2 below.
[0044]
[Table 1]

[0045]
[Table 2]

[0046]
As shown in Samples 1 to 3 in Tables 1 and 2, when the non-oxidizing atmosphere gas pressure is set to a pressure exceeding the atmospheric pressure (101 kPa) at the time of hot press bonding, the internal pressure of the formed closed gap (inside the gap) Pressure) becomes 50 kPa or more, and the partial discharge starting voltage at 500 ° C. is increased about twice or more as compared with the samples 4 to 6 of the comparative examples.
[0047]
Further, even in the ceramic heater having the bonding layer and the pressure-resistant layer shown in FIGS. 2 to 3, the thickness of the bonding layer after hot press bonding is set to 500 μm or less, and the compression pressure is set to 5 kg / cm ² or more. This shows that a high partial discharge starting voltage can be obtained. For example, the partial discharge starting voltage of the ceramic heaters of Samples 7 to 9 is increased to about 1.4 times or more as compared with Samples 12 to 14 in which the thickness of the bonding layer after the bonding is 500 μm or more.
[0048]
The structure of the ceramic heaters of Samples 12 to 14 was observed by SEM. As a result, it was confirmed that a number of small closed pores having an average particle size of 1 μm or less existed near the grain boundary triple point of AlN. The region where the closed voids existed was wider as the thickness of the bonding layer was larger. In this case, the decrease in the partial discharge starting voltage at 500 ° C. is caused by a decrease in the partial discharge starting voltage when the thickness of the bonding layer exceeds 500 μm, even when the internal pressure of the closed space is high. It is considered that the main cause is that the specific resistivity decreases at a temperature of 500 ° C.
[0049]
Further, when the compression pressure on the ceramic substrate during the hot press bonding was changed, Samples 18 to 20 in which the compression pressure was set to 3 kg / cm ² or more were partially different from Samples 21 to 23 in which the compression pressure was less than 3 kg / cm ^2. The discharge starting voltage has risen to about 2 or more. When the ceramic heaters of Samples 21 to 23 were cut and the joined state was observed, the heaters were not uniformly adhered over the entire surface, and there were openings. For this reason, when the partial discharge starting voltage was measured in a reduced pressure atmosphere, the internal pressure in the opening was reduced, and it is considered that the partial discharge starting voltage was significantly reduced.
[0050]
In the above samples 1 to 32, when the two AlN substrates were overlapped and joined in a nitrogen gas atmosphere at a predetermined pressure, the AlN substrates were joined while applying pressure and compressing, but the following samples 33 to 58 were used. Then, bonding was performed in the same manner as described above, except that the AlN substrate was not compressed. Ceramic substrates shown in Table 3 below, a metal circuit layer, a bonding layer or a bonding layer and a pressure-resistant layer as necessary, and ceramic heaters of samples 33 to 58 having a laminated structure shown in any of FIGS. In Table 4 below, for each ceramic heater, the bonding conditions at the time of bonding the ceramic substrate, the pressure in the air gap at room temperature and 500 ° C., and the partial discharge starting voltage under a reduced pressure atmosphere of 500 ° C. are shown in Table 2 below. .
[0051]
[Table 3]

[0052]
[Table 4]

[0053]
Example 2
Using each of the ceramic heaters of the samples of the present invention shown in Tables 1 and 2, a wafer holder for a semiconductor manufacturing apparatus was manufactured as shown in FIG. That is, a wafer holder 5 is manufactured by a ceramic heater, and an electrode terminal connected to the metal circuit layer 2 serving as a resistance heating element is joined to a surface (rear surface) opposite to the wafer heating surface, and further connected to an external power supply. A lead wire 6 for connection was connected. The electrode terminal and the lead wire 6 are housed in an insulating tube 7 of a mullite sintered body having a thermal conductivity of 1 W / mK, and a bonding B-Si glass is applied to one end surface of the insulating tube 7 to form a wafer holder. The substrate was heated at 800 ° C. for 1 hour with a load of 50 g / cm ² applied thereto to prevent displacement, and bonded.
[0054]
A hole for inserting a thermocouple having a depth of 5 mm was provided on the back surface of the wafer holder 5. In addition, a K-type thermocouple 8 with a SUS sheath having a diameter of 2 mm is inserted into a bottomed cylindrical body 9 having an inner diameter of 8 mm having one end closed and brought into contact with the bottomed end of one end. The bottomed portion was inserted into a thermocouple insertion hole of the wafer holder 5. The bottomed cylindrical body 9 is composed of a bottomed portion made of an AlN sintered body and a mullite sintered body bonded to the other end of the bottomed portion with a B-Si glass.
[0055]
Further, a substantially cylindrical support member 10 made of a pipe of a mullite sintered body having an outer diameter of 10 mm, an inner diameter of 8 mm and a length of 100 mm and having flanges at both ends was produced. The flange on the other end of the support member 10 was fixed to the bottom of the reaction vessel 11, and the wafer holder 5 was placed on the flange on one end without bonding. The insulating tube 7 and the bottomed cylindrical body 9 joined to the back surface of the wafer holder 5 were hermetically sealed using an O-ring 12 between the other end and the bottom of the reaction vessel 11. .
[0056]
Using the semiconductor manufacturing apparatus equipped with the wafer holder of the present invention, processes such as plasma CVD, low-pressure CVD, low-k film baking, plasma etching, and insulating film CVD were performed. As a result, in any of the processes, no partial discharge occurred in the wafer holder, and the wafer could be processed without any trouble.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, with respect to a ceramic heater having a metal circuit layer of a predetermined pattern inside, withstand voltage characteristics against temperature can be improved, and partial discharge between metal circuit layers at the time of high-temperature heating can be eliminated, so that the metal circuit layer Can be prevented from being cracked due to a short circuit. Therefore, by using this ceramic heater as a wafer holder used in a semiconductor manufacturing apparatus, it is possible to eliminate a partial discharge or breakage in the wafer holder and perform a stable wafer processing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a specific example of a joining structure of a ceramic heater according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a specific example of a bonding structure having a bonding layer of a ceramic heater according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a specific example of a bonding structure having a bonding layer and a pressure-resistant layer of a ceramic heater according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a specific example of a semiconductor manufacturing apparatus using the ceramic heater of the present invention as a wafer holder.
[Explanation of symbols]
1a, 1b Ceramic substrate 2 Metal circuit layer 3 Bonding layer 4 Breakdown voltage layer 5 Wafer holder 6 Lead wire 7 Insulation tube 8 Thermocouple 9 Bottom cylindrical body 10 Support member 11 Reaction vessel 12 O-ring

Claims

A ceramic heater having a metal circuit layer inside, wherein the internal pressure of a closed space in a laminated portion (multi-laminated structure) in which two or more ceramic substrates made of non-oxide ceramics are laminated has an internal pressure of 16 kPa or more at room temperature. A ceramic heater characterized by the following.

The ceramic heater according to claim 1, wherein an internal pressure of the closed space is 40 kPa or more at room temperature.

3. The ceramic heater according to claim 1, wherein the laminated portion has a bonding layer. 4.

The ceramic heater according to claim 3, wherein the thickness of the bonding layer is 500 µm or less.

5. The method according to claim 3, wherein the bonding layer contains aluminum nitride in an amount of 20% by weight or more, with the balance being aluminum oxide and at least one selected from compounds of Group 3a elements in the periodic table. 6. The described ceramic heater.

The ceramic heater according to any one of claims 3 to 5, further comprising a pressure-resistant layer between the metal circuit layer and the bonding layer of the laminated portion.

The pressure-resistant layer is the same as the non-oxide ceramic of the ceramic substrate, or contains at least 50% by weight of aluminum nitride, and the balance is at least one selected from aluminum oxide and a compound of a Group 3a element of the periodic table. 7. The ceramic heater according to claim 6, comprising:

The ceramic heater according to any one of claims 1 to 7, wherein the non-oxide ceramic has a thermal conductivity of 100 W / mK or more.

The ceramic heater according to any one of claims 1 to 8, wherein the non-oxide ceramic is aluminum nitride, silicon carbide, or a composite thereof.

The ceramic heater according to any one of claims 1 to 9, wherein the metal circuit layer is at least one selected from the group consisting of W, Mo, Ta, Ag, Pd, Ni, and Cr.

The ceramic heater according to claim 10, wherein the metal circuit layer contains a low-melting glass.

The ceramic heater according to claim 11, wherein the low melting point glass contains Y and / or Al.

A wafer holder for holding and heating a wafer, wherein the ceramic heater according to any one of claims 1 to 12 is used for a semiconductor manufacturing apparatus.

In a method for manufacturing a ceramic heater having a metal circuit layer inside, when two ceramic substrates made of non-oxide ceramics are joined with a metal circuit layer interposed therebetween, the pressure is reduced under a non-oxidizing atmosphere pressure exceeding 101 kPa. A method for manufacturing a ceramic heater, which comprises performing heat bonding.

Characterized by compressing the ceramic substrate at 5 kg / cm ² or more pressure, method of manufacturing a ceramic heater according to claim 14.

The method for manufacturing a ceramic heater according to claim 14, wherein a bonding layer having a thickness of 500 µm or less after bonding is interposed between the two ceramic substrates.

Characterized by compressing the ceramic substrate at 3 kg / cm ² or more pressure, method of manufacturing a ceramic heater according to claim 16.

18. The bonding layer according to claim 16, wherein the bonding layer contains aluminum nitride in an amount of 20% by weight or more, and the balance consists of aluminum oxide and at least one selected from compounds of Group 3a elements of the periodic table. A manufacturing method of the ceramic heater according to the above.

19. The method for manufacturing a ceramic heater according to claim 16, wherein a withstand voltage layer is interposed between the metal circuit layer and the bonding layer.

The pressure-resistant layer is the same as the non-oxide ceramic of the ceramic substrate, or contains at least 50% by weight of aluminum nitride, and the balance is at least one selected from aluminum oxide and a compound of a Group 3a element of the periodic table. 20. The method of manufacturing a ceramic heater according to claim 19, comprising: