JP7705247B2 - Electrode-embedding member, substrate-holding member, and method for manufacturing same - Google Patents
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Description
本発明は、電極埋設部材、基板保持部材、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode-embedded member, a substrate-holding member, and a method for manufacturing the same.
従来、半導体製造プロセスに用いられる静電チャック等の電極埋設部材として、セラミックスの内部に電極層を埋設して一体的に焼成した全体がセラミックス焼結体からなる電極埋設部材が製造されていた。 Conventionally, electrode-embedded members for electrostatic chucks and other devices used in semiconductor manufacturing processes have been manufactured by embedding an electrode layer inside ceramics and sintering the entire assembly to form a ceramic sintered body.
近年、半導体製造プロセスに用いられる静電チャック等の電極埋設部材は、プロセスで発生する熱量が増大していることに伴い、熱量を速やかに伝熱(熱通過)させるため薄くすることが要求されている。しかし、従来の電極埋設部材においては、静電吸着用電極層とヒーター層とを異なる層とする場合、電極埋設部材を薄くすることは難しかった。例えば、ヒーター内蔵静電チャックの場合は、少なくとも電極を2層設ける必要があり、その2層の電極は絶縁のため一定の距離離間させる必要があるとともに、設けた電極を外部と絶縁するために更に絶縁層を設ける必要があった。そのため静電チャック全体をセラミックス焼結体で構成すると、その厚みは一定程度厚くならざるを得なかった。 In recent years, electrode-embedded members such as electrostatic chucks used in semiconductor manufacturing processes are being required to be thin in order to transfer heat quickly (heat passage) due to the increasing amount of heat generated in the process. However, in conventional electrode-embedded members, it was difficult to make the electrode-embedded members thin when the electrostatic attraction electrode layer and the heater layer were different layers. For example, in the case of an electrostatic chuck with a built-in heater, at least two layers of electrodes were required, and the two layers of electrodes needed to be spaced apart by a certain distance for insulation, and an additional insulating layer was required to insulate the electrodes from the outside. Therefore, if the entire electrostatic chuck was made of a ceramic sintered body, its thickness had to be thick to a certain extent.
特許文献1には、支持基板の一方の面に導電性発熱層を、他方の面に導電性の静電吸着用電極を形成し、更にこれら発熱層及び絶縁層が形成された構成の静電吸着機能を有するウエハ加熱装置において、前記静電吸着用電極を覆う絶縁層が、静電吸着電極側部分の表面抵抗率ρsEより被吸着物側部分の表面抵抗率ρsEが小さいものであることを特徴とする静電吸着機能を有するウエハ加熱装置の技術が開示されている。特許文献1には、支持基材としては、窒化珪素焼結体、窒化硼素焼結体、窒化硼素と窒化アルミニウムの混合焼結体、アルミナ焼結体、窒化アルミニウム焼結体、熱分解窒化硼素、熱分解窒化硼素コートグラファイトのいずれかを主成分としたものからなることが好ましいと記載されている。 Patent document 1 discloses a technology for a wafer heating device with electrostatic attraction function, which is configured with a conductive heat layer formed on one side of a support substrate and a conductive electrostatic attraction electrode formed on the other side, and further formed with these heat layer and insulating layer, and is characterized in that the insulating layer covering the electrostatic attraction electrode has a surface resistivity ρsE of the part on the side of the object to be attracted that is smaller than the surface resistivity ρsE of the part on the electrostatic attraction electrode side. Patent document 1 states that the support substrate is preferably made of a material mainly composed of any of the following: silicon nitride sintered body, boron nitride sintered body, mixed sintered body of boron nitride and aluminum nitride, alumina sintered body, aluminum nitride sintered body, pyrolytic boron nitride, and pyrolytic boron nitride coated graphite.
特許文献2には、複雑形状の内部電極構造であっても作製が容易にでき、かつ基台の変形の少ない、優れた耐電圧特性を発揮する静電チャック提供することを目的として、基台と、この基台の上面に形成された電極層と、この電極層を被覆するように前記基台の上に、溶射により形成された上部絶縁層とを具備してなる静電チャックであって、前記基台のヤング率が60GPa以上のセラミックスから構成されてなり、かつ、前記電極層がメッキ処理により形成されてなる静電チャックの技術が開示されている。また、前記基台と前記上部絶縁層を構成する材料の20~30℃における各々の平均の熱膨張係数の値の差が2×10-6/℃以下であり、かつ、前記基台の厚みが2~10mm、前記上部絶縁層の厚みが0.15~1.00mmであることが記載されている。 Patent Document 2 discloses a technology for an electrostatic chuck that includes a base, an electrode layer formed on the upper surface of the base, and an upper insulating layer formed by thermal spraying on the base so as to cover the electrode layer, with the aim of providing an electrostatic chuck that can be easily manufactured even if the internal electrode structure has a complex shape, that has little deformation of the base, and that exhibits excellent voltage resistance characteristics, in which the base is made of a ceramic having a Young's modulus of 60 GPa or more, and the electrode layer is formed by a plating process. It also discloses that the difference in the average thermal expansion coefficients of the materials constituting the base and the upper insulating layer at 20 to 30°C is 2×10 -6 /°C or less, the thickness of the base is 2 to 10 mm, and the thickness of the upper insulating layer is 0.15 to 1.00 mm.
特許文献1または2のように絶縁層を後から設けるタイプの電極埋設部材でヒーター機能を有するものは、ヒーター用電極(発熱抵抗体)を焼結体などの基材に製膜等により形成するが、この時の製膜プロセスのバラツキがそのまま電極埋設部材の温度分布に反映される。そのため、焼結体基材の表面は平坦であることが好ましい。また、ヒーターの均温性を高めるため発熱抵抗体をトリミングし抵抗値を調整する場合があった。しかし、ヒーター用電極を形成する面の焼結体基材の平面度が悪いと製膜のバラツキが大きくなり、トリミング加工も困難になる場合があった。また、ヒーター用電極を形成する面の焼結体基材の平面度がよい場合でも、成膜方法によっては、成膜時に平面度が悪化することもあった。 In electrode-embedded members having a heater function, in which an insulating layer is provided later as in Patent Documents 1 and 2, the heater electrode (heat resistor) is formed on a substrate such as a sintered body by film formation, etc., but the variation in the film formation process at this time is directly reflected in the temperature distribution of the electrode-embedded member. For this reason, it is preferable that the surface of the sintered body substrate is flat. In addition, in order to improve the temperature uniformity of the heater, the resistance value is sometimes adjusted by trimming the heating resistor. However, if the flatness of the sintered body substrate on which the heater electrode is formed is poor, the variation in the film formation increases, and trimming processing may also be difficult. In addition, even if the flatness of the sintered body substrate on which the heater electrode is formed is good, the flatness may deteriorate during film formation depending on the film formation method.
特許文献1は、基材となる絶縁性のセラミックスの両面に電極を形成する方法として、BN焼結体の両面に熱分解炭素を熱CVD法により電極を形成し、その上からさらに熱分解窒化硼素の絶縁層を形成しているため、基材および絶縁層を薄くすることで全体の厚みを薄くすることができる。しかしながら、熱CVDによる製法では温度が2000℃近く必要であり、製膜後の基材の熱変形が生じていた。 In Patent Document 1, a method for forming electrodes on both sides of an insulating ceramic substrate is used in which electrodes are formed on both sides of a BN sintered body using a thermal CVD method using pyrolytic carbon, and an insulating layer of pyrolytic boron nitride is then formed on top of that, making it possible to reduce the overall thickness by thinning the substrate and insulating layer. However, the thermal CVD method requires a temperature of nearly 2000°C, and thermal deformation of the substrate occurs after film formation.
また、特許文献2は、基台の両面に電極を形成する構成を想定していないため、表面と裏面の間の熱の通過を考慮していない。また、基台に様々なセラミックスを使用することができることが記載されているものの、実際には基台および溶射膜をいずれも酸化アルミニウムとする場合に限定した実施例のみ記載されている。 In addition, Patent Document 2 does not consider the passage of heat between the front and back surfaces, as it does not envisage a configuration in which electrodes are formed on both sides of the base. Also, although it is stated that various ceramics can be used for the base, the only examples described are those in which both the base and the sprayed film are made of aluminum oxide.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、熱の通過が良好で、温度分布が均一であり、プラズマエッチング等のプロセスに使用したときにケミカルなコンタミネーションを低減させることができると共に、酸化物セラミックス焼結体により絶縁層を形成する場合よりも薄く均一な厚みの絶縁層を容易に形成することができる電極埋設部材、基板保持部材、およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide an electrode-embedding member, a substrate-holding member, and a manufacturing method thereof, which have good heat conduction, uniform temperature distribution, and can reduce chemical contamination when used in processes such as plasma etching, and which can easily form an insulating layer that is thinner and more uniform than when an insulating layer is formed from a sintered oxide ceramic body.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の電極埋設部材は、電極埋設部材であって、AlN焼結体からなり、平板状に形成された基材と、前記基材の一方の主面に設けられた電極と、前記基材の他方の主面に設けられた発熱抵抗体と、前記基材の前記一方の主面を被覆する第1の酸化物セラミックス溶射膜と、前記基材の前記他方の主面を被覆する第2の酸化物セラミックス溶射膜と、を備えることを特徴としている。さらに本発明の電極埋設部材は、後述の(3)に記載の技術的特徴を備える。さらに、前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、0.1~5%の気孔率を有し、前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含み、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1~10%の気孔率を有し、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含む。 (1) In order to achieve the above object, the present invention provides an electrode-embedded member, which is characterized by comprising a substrate made of an AlN sintered body and formed into a flat plate shape, an electrode provided on one main surface of the substrate, a heating resistor provided on the other main surface of the substrate, a first oxide ceramics sprayed film covering the one main surface of the substrate, and a second oxide ceramics sprayed film covering the other main surface of the substrate. The electrode-embedded member of the present invention further comprises the technical feature described in (3) below. Furthermore, the first oxide ceramics sprayed film has a porosity of 0.1 to 5%, and the first oxide ceramics sprayed film contains one or more oxide ceramics at 99 wt % or more, and the second oxide ceramics sprayed film has a porosity of 1 to 10%, and the second oxide ceramics sprayed film contains one or more oxide ceramics at 99 wt % or more.
このように、基材がAlN焼結体で構成されることにより、熱伝導率を大きくすることができ、熱の通過が良好で、温度分布が均一になる。また、酸化物セラミックス溶射膜は、酸化物セラミックス焼結体と比較して純度が高い原料を使用することができることから、プラズマエッチング等のプロセスに使用したときにケミカルなコンタミネーションを低減させることができる。また、酸化物セラミックス焼結体により絶縁層を形成する場合よりも薄く均一な厚みの絶縁層を容易に形成することができる。また、溶射膜の形成を基材に発熱抵抗体を形成した後に行なうことができるので、必要に応じて発熱抵抗体の抵抗値等を調節するためのトリミングを容易に行なえる。さらに、本発明の電極埋設部材は、後述の(3)に記載の技術的効果を奏することができる。
In this way, by forming the substrate from an AlN sintered body, the thermal conductivity can be increased, heat can be easily transmitted, and the temperature distribution can be uniform. In addition, since the oxide ceramic sprayed film can use raw materials with a higher purity than the oxide ceramic sintered body, chemical contamination can be reduced when used in processes such as plasma etching. In addition, an insulating layer with a thinner and more uniform thickness can be easily formed compared to when an insulating layer is formed from an oxide ceramic sintered body. In addition, since the sprayed film can be formed after the heating resistor is formed on the substrate, trimming can be easily performed to adjust the resistance value, etc. of the heating resistor as necessary. Furthermore, the electrode-embedded member of the present invention can achieve the technical effect described in (3) below.
(2)また、本発明の電極埋設部材において、前記一方の主面に垂直な方向における前記電極埋設部材の厚みは、1mm以上8mm以下であることを特徴としている。 (2) The electrode-embedded member of the present invention is also characterized in that the thickness of the electrode-embedded member in the direction perpendicular to the one of the main surfaces is 1 mm or more and 8 mm or less.
このように、電極埋設部材全体の厚みを低減することで、高熱伝導で熱の通過もさらに良好となる。 In this way, by reducing the overall thickness of the electrode-embedded member, high thermal conductivity is achieved and heat transfer is improved.
(3)また、本発明の電極埋設部材において、前記基材の前記他方の主面の平面度は、5μm以下であることを特徴としている。 (3) In addition, the electrode-embedded member of the present invention is characterized in that the flatness of the other main surface of the substrate is 5 μm or less.
このように、発熱抵抗体を設ける平面の平面度が高いので、発熱抵抗体を形成するときにより均質に形成され、発熱抵抗体の抵抗値のバラツキを抑制することができる。これにより、均等な発熱分布とすることができる。また、発熱抵抗体のトリミングを行なった場合でも、精度の高いトリミングを行なうことができ、その効果を十分に発揮させることができる。 In this way, the flatness of the plane on which the heating resistor is provided is high, so the heating resistor is formed more uniformly and the variation in the resistance value of the heating resistor can be suppressed. This allows for an even heat distribution. Furthermore, even if the heating resistor is trimmed, it can be trimmed with high precision and the effect can be fully achieved.
(4)また、本発明の電極埋設部材において、前記発熱抵抗体は、それぞれに異なる電圧を印加可能な複数の部分発熱抵抗体を有していることを特徴としている。 (4) In addition, in the electrode-embedded member of the present invention, the heating resistor has a plurality of partial heating resistors to which different voltages can be applied.
このように、それぞれに異なる電圧を印加可能な複数の部分発熱抵抗体を同一の平面内に配置(いわゆるマルチゾーン化)することで、複数の電極(端子)の出力をそれぞれ調節することによって、部分発熱抵抗体ごとに発熱量を調整することができ、電極埋設部材の温度分布を調節することができる。 In this way, by arranging multiple partial heating resistors, each of which can be applied with a different voltage, on the same plane (so-called multi-zone configuration), the amount of heat generated can be adjusted for each partial heating resistor by adjusting the output of each of the multiple electrodes (terminals), and the temperature distribution of the electrode-embedded member can be adjusted.
(5)また、本発明の電極埋設部材において、前記複数の部分発熱抵抗体に接続される端子の数Nは、前記複数の部分発熱抵抗体の数nに対して、天井関数を用いて、
マルチゾーン化する場合、多くの部分発熱抵抗体を一平面に配置するため、それに対応する端子が必要になる。しかし、端子の数が多くなりすぎるとその端子の位置はコールドスポットになり温度不均一の原因となる。特に、電極埋設部材の厚みが薄い場合はコールドスポットの影響が基板載置面の温度分布に顕著に影響する。しかしながら、発熱抵抗体の接続パターンを工夫することで、多くの部分発熱抵抗体を配置しても上記の式を満たす程度に端子の数を十分に減らすことができ、基板載置面の温度分布の均一化を図ることができる。 In the case of a multi-zone configuration, many partial heating resistors are arranged on one plane, and corresponding terminals are required. However, if the number of terminals becomes too large, the positions of the terminals become cold spots, causing temperature unevenness. In particular, when the electrode embedding material is thin, the effect of cold spots has a significant impact on the temperature distribution on the substrate mounting surface. However, by devising a connection pattern for the heating resistors, it is possible to reduce the number of terminals sufficiently to satisfy the above formula even when many partial heating resistors are arranged, and to achieve a uniform temperature distribution on the substrate mounting surface.
(6)また、本発明の基板保持部材は、上記(1)から(6)のいずれかに記載の前記電極埋設部材と、前記電極埋設部材の前記第2の酸化物セラミックス溶射膜側に設けられ、内部に冷媒の流路を有する冷却部材と、を備えることを特徴としている。 (6) The substrate holding member of the present invention is characterized by comprising the electrode-embedded member described in any one of (1) to (6) above, and a cooling member provided on the second oxide ceramic sprayed film side of the electrode-embedded member and having a refrigerant flow path therein.
電極埋設部材にさらに冷媒の流路が形成された冷却部材を設けた基板保持部材とすることにより、電極埋設部材の発熱抵抗体が設けられた面に形成された溶射膜が電気絶縁性機能のほか熱抵抗層として機能するので、電極埋設部材の基板載置面の温度が高い場合でも電極埋設部材の冷却部材側の面の温度を低く保つことができ、半導体製造プロセスで使用できる用途が拡大する。 By providing a substrate holding member with a cooling member in which a refrigerant flow path is formed in addition to the electrode-embedded member, the sprayed film formed on the surface of the electrode-embedded member on which the heating resistor is provided functions as a thermal resistance layer in addition to providing electrical insulation, so that even if the temperature of the substrate placement surface of the electrode-embedded member is high, the temperature of the surface of the electrode-embedded member facing the cooling member can be kept low, expanding the range of applications in semiconductor manufacturing processes.
(7)また、本発明の電極埋設部材の製造方法は、電極埋設部材の製造方法であって、AlNセラミックス原料粉を成形して焼成し、AlN焼結体からなる平板状の基材を作製する工程と、前記基材の一方の主面に電極を形成する工程と、前記基材の他方の主面の平面度を5μm以下に調整する工程と、前記基材の他方の主面に発熱抵抗体を形成する工程と、前記基材の前記一方の主面に第1の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第1の酸化物セラミックス溶射膜を形成する工程と、前記基材の前記他方の主面に第2の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第2の酸化物セラミックス溶射膜を形成する工程と、を含むことを特徴としている。さらに、前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、0.1~5%の気孔率を有し、前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含み、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1~10%の気孔率を有し、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含む。 (7) Furthermore, a manufacturing method for an electrode-embedded member of the present invention is a manufacturing method for an electrode-embedded member, comprising the steps of: forming an AlN ceramic raw material powder and sintering it to produce a flat substrate made of an AlN sintered body; forming an electrode on one main surface of the substrate; adjusting the flatness of the other main surface of the substrate to 5 μm or less; forming a heating resistor on the other main surface of the substrate; spraying a first oxide ceramic spray raw material powder onto the one main surface of the substrate to form a first oxide ceramic sprayed film; and spraying a second oxide ceramic spray raw material powder onto the other main surface of the substrate to form a second oxide ceramic sprayed film. Furthermore, the first oxide ceramic sprayed film has a porosity of 0.1 to 5% and contains one or more oxide ceramics at 99 wt% or more, and the second oxide ceramic sprayed film has a porosity of 1 to 10% and contains one or more oxide ceramics at 99 wt% or more.
このように、基材がAlN焼結体で構成されることにより、熱伝導率を小さくすることができ、熱の通過を良好にできる。また、酸化物セラミックス溶射膜は、酸化物セラミックス焼結体と比較して純度が高いことから、プラズマエッチング等のプロセスに使用したときにケミカルなコンタミネーションを低減させることができると共に、酸化物セラミックス焼結体により絶縁層を形成する場合よりも薄い絶縁層を容易に形成することができる。また、溶射膜の形成を基材に発熱抵抗体を形成した後に行なうことができるので、必要に応じて発熱抵抗体の抵抗値等を調節するためのトリミングを容易に行なえる。 In this way, by making the substrate out of an AlN sintered body, the thermal conductivity can be reduced, allowing for good heat transfer. In addition, since the oxide ceramic sprayed film has a higher purity than an oxide ceramic sintered body, it is possible to reduce chemical contamination when used in processes such as plasma etching, and it is also possible to easily form a thinner insulating layer than when an insulating layer is formed from an oxide ceramic sintered body. In addition, since the sprayed film can be formed after the heating resistor is formed on the substrate, trimming can be easily performed to adjust the resistance value, etc. of the heating resistor as necessary.
(8)また、本発明の基板保持部材の製造方法は、基板保持部材の製造方法であって、AlNセラミックス原料粉を成形して焼成し、AlN焼結体からなる平板状の基材を作製する工程と、前記基材の一方の主面に電極を形成する工程と、前記基材の他方の主面の平面度を5μm以下に調整する工程と、前記基材の他方の主面に発熱抵抗体を形成する工程と、前記基材の前記一方の主面に第1の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第1の酸化物セラミックス溶射膜を形成する工程と、前記基材の前記他方の主面に第2の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第2の酸化物セラミックス溶射膜を形成する工程と、複数の金属部材を接合した内部に冷媒の流路を有する冷却部材、または複数のセラミックス成形体を焼成した内部に冷媒の流路を有する冷却部材のいずれか一方を作製する工程と、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜または前記冷却部材の少なくとも一方に接着剤を塗布し、電極埋設部材および前記冷却部材を接着する工程と、を含むことを特徴としている。さらに、前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、0.1~5%の気孔率を有し、前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含み、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1~10%の気孔率を有し、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含む。
(8) A method for manufacturing a substrate holding member of the present invention includes the steps of forming and firing an AlN ceramic raw material powder to produce a flat substrate made of an AlN sintered body, forming an electrode on one main surface of the substrate, adjusting the flatness of the other main surface of the substrate to 5 μm or less, forming a heating resistor on the other main surface of the substrate, spraying a first oxide ceramic spray raw material powder on the one main surface of the substrate to form a first oxide ceramic sprayed film, spraying a second oxide ceramic spray raw material powder on the other main surface of the substrate to form a second oxide ceramic sprayed film, producing either a cooling member having a refrigerant flow path therein formed by joining a plurality of metal members, or a cooling member having a refrigerant flow path therein formed by firing a plurality of ceramic molded bodies, and applying an adhesive to at least one of the second oxide ceramic sprayed film or the cooling member to bond an electrode-embedded member and the cooling member. Furthermore, the first oxide ceramic sprayed film has a porosity of 0.1 to 5% and contains one or more oxide ceramics at 99 wt% or more, and the second oxide ceramic sprayed film has a porosity of 1 to 10% and contains one or more oxide ceramics at 99 wt% or more.
電極埋設部材にさらに冷媒の流路が形成された冷却部材を設けた基板保持部材とすることにより、電極埋設部材の発熱抵抗体が設けられた面に形成された溶射膜が電気絶縁性機能のほか熱抵抗層として機能するので、電極埋設部材の基板載置面の温度が高い場合でも電極埋設部材の冷却部材側の面の温度を低く保つことができ、半導体製造プロセスで使用できる用途が拡大する。 By providing a substrate holding member with a cooling member in which a refrigerant flow path is formed in addition to the electrode-embedded member, the sprayed film formed on the surface of the electrode-embedded member on which the heating resistor is provided functions as a thermal resistance layer in addition to providing electrical insulation, so that even if the temperature of the substrate placement surface of the electrode-embedded member is high, the temperature of the surface of the electrode-embedded member facing the cooling member can be kept low, expanding the range of applications in semiconductor manufacturing processes.
本発明によれば、熱の通過を良好にでき、プラズマエッチング等のプロセスに使用したときにケミカルなコンタミネーションを低減させることができると共に、酸化物セラミックス焼結体により絶縁層を形成する場合よりも薄く均一な厚みの絶縁層を容易に形成することができる電極埋設部材、基板保持部材を構成できる。 The present invention makes it possible to construct an electrode embedding member and a substrate holding member that can improve heat transfer, reduce chemical contamination when used in processes such as plasma etching, and can easily form an insulating layer that is thinner and more uniform than when an insulating layer is formed from a sintered oxide ceramic body.
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. To facilitate understanding of the description, the same reference numbers are used for the same components in each drawing, and duplicate descriptions will be omitted. Note that in the configuration diagrams, the size of each component is shown conceptually and does not necessarily represent the actual dimensional ratio.
[第1の実施形態]
[電極埋設部材の構成]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電極埋設部材の一例を示す断面図である。本実施形態の電極埋設部材100は、基材110、電極120、発熱抵抗体130、第1の酸化物セラミックス溶射膜140、および第2の酸化物セラミックス溶射膜150を備える。
[First embodiment]
[Configuration of electrode-embedded member]
1 is a cross-sectional view showing an example of an electrode-embedded member according to a first embodiment of the present invention. The electrode-embedded
電極埋設部材100の厚みは、後述する基材110の一方の主面112に垂直な方向において、1mm以上8mm以下であることが好ましい。このように、電極埋設部材100全体の厚みを低減することで、高熱伝導で熱の通過もさらに良好となる。なお、電極埋設部材の厚みは、基板載置面内の複数の箇所で測定した厚みの平均値である。
The thickness of the
基材110は、AlN焼結体からなり、平板状に形成される。基材110は、一方の主面112およびそれと対向する他方の主面114を有する。また、基材110の形状は、円板状、多角形状、楕円状など、様々な形状にすることができる。
The
基材110がAlN焼結体からなるとは、基材110を形成するセラミックス焼結体が、AlNを主成分とするセラミックス焼結体で構成されることをいう。主成分とするとは、セラミックス焼結体の重量に対する主成分の重量割合が90wt%以上であることをいう。基材110は、主成分とするセラミックス以外に、熱伝導率を上げる等、種々の目的のために添加物が含まれていてもよい。例えば、熱伝導率や体積抵抗率を調整するために2a族元素や3a族元素の酸化物や遷移金属酸化物からなる添加物を添加してもよい。
The
一般的に、AlNを主成分とするセラミックスは、Y2O3等の添加物の添加量を増やすと熱伝導率が高くなるが、一定量以上添加すると熱伝導率の低下を引き起こすことが知られている。したがって、2a族元素、3a族元素の酸化物や遷移金属酸化物からなる添加物の含有量は、10wt%以下とすることが望ましい。2a族元素の添加物としては、Mg、Ca、Sr、Ba等が挙げられ、3a族元素の添加物としては、Y、La、Sm、Ce等が挙げられる。遷移金属の添加物としてはTi、Cr、Mn,Ni等が挙げられる。 In general, it is known that the thermal conductivity of ceramics mainly composed of AlN increases when the amount of additives such as Y2O3 is increased, but adding more than a certain amount of additives causes a decrease in thermal conductivity. Therefore, it is desirable to set the content of additives consisting of oxides of 2a group elements and 3a group elements and transition metal oxides to 10 wt% or less. Examples of additives of 2a group elements include Mg, Ca, Sr, Ba, etc., and examples of additives of 3a group elements include Y, La, Sm, Ce, etc. Examples of additives of transition metals include Ti, Cr, Mn, Ni, etc.
AlNを主成分とするセラミックス焼結体は、熱伝導率が高く、耐熱性、耐プラズマ性に優れている。そのため、AlNを主成分とするセラミックス焼結体により基材110を形成することで、熱伝導率が高く、耐熱性、耐プラズマ性に優れた基材110を構成できる。その結果、基材110の熱の通過が良好で、温度分布が均一になる。
Ceramic sintered bodies mainly composed of AlN have high thermal conductivity and excellent heat resistance and plasma resistance. Therefore, by forming the
基材110の厚みは、0.5mm以上7.9mm以下であることが好ましい。これにより、一方の主面112および他方の主面114の間の熱の通過を良好にすることができると共に、電極120および発熱抵抗体130の間の絶縁を十分にすることができる。基材110の厚みを0.5mm未満とすると、電極120および発熱抵抗体130の間の絶縁が不十分になる場合がある。また、基材110の強度が不足し、破損の虞が高くなる。基材110の厚みを7.9mmより大きくすると、熱の通過を阻害する虞が高くなり、半導体製造プロセスに影響を与える場合がある。基材110の厚みは、電極埋設部材100の厚みから第1の酸化物セラミックス溶射膜140および第2の酸化物セラミックス溶射膜150の厚みを引くことで求められる。溶射膜の厚みの求め方は後述する。
The thickness of the
上記のとおり、電極埋設部材100の厚みは、一方の主面112に垂直な方向において、1mm以上8mm以下であることが好ましい。よって、基材110の厚みは、電極埋設部材100の厚み、第1および第2の酸化物セラミックス溶射膜140、150の厚みを考慮した厚みとしてもよい。
As described above, the thickness of the electrode-embedded
基材110の一方の主面112の平面度は、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましい。このように、電極120を設ける平面の平面度が高いので、電極120を形成するときにより均一に形成される。これにより、電極120を、例えば、静電吸着用電極として使用した場合、基板載置面内の吸着力を均一にすることができる。なお、溶射膜を設けた後の基材110の平面度は、3次元測定器で測定することができる。
The flatness of one of the
基材110の他方の主面114の平面度は、5μm以下であることが好ましく、3μm以下であることがより好ましい。また、基材110の他方の主面114の平面度は、発熱抵抗体130の厚みの10%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましい。このように、発熱抵抗体130を設ける平面の平面度が高いので、発熱抵抗体130を形成するときにより均一に形成され、発熱抵抗体130の抵抗値のバラツキを抑制することができる。これにより、均等な発熱分布とすることができる。また、発熱抵抗体130のトリミングを行なった場合でも、精度の高いトリミングを行なうことができ、その効果を十分に発揮させることができる。
The flatness of the other
電極120は、基材110の一方の主面112に設けられる。電極120は、Mo、W、Cu等で形成される。電極120は、静電吸着用電極または高周波電極として用いられる。電極120の積層方向(一方の主面112に垂直方向)の厚みは、5μm以上100μm以下であることが好ましい。
The
発熱抵抗体130は、基材110の他方の主面114に設けられる。発熱抵抗体130は、Mo、W、Cu等で形成される。発熱抵抗体130は、基板を加熱するヒーターとして用いられる。発熱抵抗体130の積層方向の厚みは、5μm以上100μm以下であることが好ましい。
The
第1の酸化物セラミックス溶射膜140は、酸化物セラミックスからなり、電極120が形成された基材110の一方の主面112を被覆する。これにより、電極120を絶縁する。第1の酸化物セラミックス溶射膜140のトップ面が基板載置面142となる。原料として使用される酸化物セラミックスは、目的に応じて、どのようなものであってもよい。第1の酸化物セラミックス溶射膜140は、例えば、アルミナ、イットリア、ジルコニア、チタニア、クロミア、イットリウム・アルミニウム・ガーネットのいずれか1つまたは2つ以上の組み合わせからなることが好ましい。これにより、様々な用途に適用できる。2つ以上の組み合わせからなるとは、溶射膜が異なる原料からなる粒子の混合物によって形成されていることをいう。第1の酸化物セラミックス溶射膜140は、原料の純度が99wt%以上であることが好ましい。
The first oxide ceramic sprayed
酸化物セラミックス溶射膜は、酸化物セラミックス焼結体と異なり焼結助剤等が含まれていないため、酸化物セラミックス焼結体と比較して純度が高い原料を使用することができることから、プラズマエッチング等のプロセスに使用したときにケミカルなコンタミネーションを低減させることができる。また、酸化物セラミックス溶射膜の形成は比較的低温で行なうことができるため、酸化物セラミックス溶射膜の形成時に基材が熱変形する虞が低減でき、基材の温度分布の均一性を保つことができる。基材が熱変形すると、温度分布の均一性が悪化する場合がある。また、酸化物セラミックス焼結体により絶縁層を形成する場合よりも薄く均一な厚みの絶縁層を容易に形成することができる。 Unlike oxide ceramic sintered bodies, oxide ceramic sprayed films do not contain sintering aids, etc., and therefore can use raw materials with higher purity than oxide ceramic sintered bodies, which reduces chemical contamination when used in processes such as plasma etching. In addition, because oxide ceramic sprayed films can be formed at relatively low temperatures, the risk of thermal deformation of the substrate during formation of the oxide ceramic sprayed film can be reduced, and the uniformity of the temperature distribution of the substrate can be maintained. Thermal deformation of the substrate can lead to deterioration of the uniformity of the temperature distribution. In addition, it is easier to form an insulating layer that is thinner and more uniform than when an insulating layer is formed using oxide ceramic sintered bodies.
第1の酸化物セラミックス溶射膜140は、気孔率が小さいことが好ましい。これにより、プラズマエッチング等のプロセスに使用したときにケミカルなコンタミネーションをより低減させることができると共に、熱の通過をより良好にすることができる。気孔率は、例えば、0.1%以上5%以下であることが好ましい。
It is preferable that the first oxide ceramic sprayed
第1の酸化物セラミックス溶射膜140は、基材110の一方の主面112からの厚みが、50μm以上2000μm以下であることが好ましい。これにより、十分な絶縁ができると共に、電極埋設部材100の全体の厚みを薄く保つことができる。溶射膜の厚みは渦電流式膜厚計(エディーカレント)または超音波探傷計で測定することができる。また、切断面の観察(光学顕微鏡、拡大鏡)によって測定してもよい。溶射膜の厚みは、基板載置面内の複数個所で測定した値の平均値である。
The first oxide ceramic sprayed
第2の酸化物セラミックス溶射膜150は、酸化物セラミックスからなり、発熱抵抗体130が形成された基材110の他方の主面114を被覆する。これにより、発熱抵抗体130を絶縁する。原料として使用される酸化物セラミックスは、目的に応じて、どのようなものであってもよい。第2の酸化物セラミックス溶射膜150は、例えば、アルミナ、イットリア、ジルコニア、チタニア、クロミア、イットリウム・アルミニウム・ガーネットのいずれか1つまたは2つ以上の組み合わせからなることが好ましい。これにより、様々な用途に適用できる。第2の酸化物セラミックス溶射膜150は、原料の純度が99wt%以上であることが好ましい。第2の酸化物セラミックス溶射膜150は、第1の酸化物セラミックス溶射膜140と同じ種類の原料を用いた溶射膜でもよいし、異なる種類の原料を用いた溶射膜でもよい。
The second oxide ceramic sprayed
第2の酸化物セラミックス溶射膜150は、所定の気孔率を有することが好ましい。これにより、熱抵抗層として機能することができる。気孔率は1%以上であることが好ましく、3%以上であることがより好ましい。気孔率の上限は、特に限定する必要はないが、例えば、10%以下とすることができる。
The second oxide ceramic sprayed
第2の酸化物セラミックス溶射膜150は、基材110の他方の主面114からの厚みが、50μm以上2000μm以下であることが好ましい。これにより、十分な絶縁ができると共に、電極埋設部材100の全体の厚みを薄く保つことができる。
The second oxide ceramic sprayed
電極埋設部材100は、上記以外に必要な端子160および端子穴162を備える。これにより、電極120および発熱抵抗体130に給電することができる。端子160および端子穴162の個数は、電極埋設部材100の設計によって様々な数にすることができる。
The electrode-embedded
本発明の電極埋設部材は、熱の通過を良好にでき、プラズマエッチング等のプロセスに使用したときにケミカルなコンタミネーションを低減させることができると共に、酸化物セラミックス焼結体により絶縁層を形成する場合よりも薄く均一な厚みの絶縁層を容易に形成することができる。 The electrode-embedded member of the present invention allows good heat conduction, reduces chemical contamination when used in processes such as plasma etching, and can easily form an insulating layer that is thinner and more uniform than when an insulating layer is formed using a sintered oxide ceramic body.
[基板保持部材の構成]
図2は、本発明の第1の実施形態に係る基板保持部材の一例を示す断面図である。本発明の基板保持部材200は、電極埋設部材100、および冷却部材210を備える。
[Configuration of the substrate holding member]
2 is a cross-sectional view showing an example of a substrate holding member according to the first embodiment of the present invention. The
冷却部材210は、接着層220により電極埋設部材100の第2の酸化物セラミックス溶射膜150と接合される。冷却部材210は、内部に冷媒の流路212を有する。冷却部材210は、金属により形成されることが好ましい。加工性や高い熱伝導率からAl合金が最も好適であるが、銅、チタン、ニッケルを含む合金、SUSなどを用いてもよい。また、熱伝導率の高いSiCやAlNによって冷却部材が形成されてもよい。これらのセラミックスを用いれば電極埋設部材との物性差が近接するため一体化したときの残留応力が小さくなるため、はく離や破損のリスクをさらに小さくすることができる。冷媒は水、エチレングリコール、フロンなどが使用でき、冷媒温度は沸点未満で使用できる。
The cooling
接着層220は、第2の酸化物セラミックス溶射膜150と冷却部材210とを接合する。これにより、電極埋設部材100と冷却部材210とを接合することができる。接着層220は、シリコーン樹脂や変性シリコーン樹脂、などシリコーンを主成分とするシリコーン接着剤により形成されることが好ましい。シリコーン接着剤はヤング率がセラミックスや金属に比べ十分に小さいため柔軟性を保たせることができる。シリコーン接着剤の硬化型は脱水、脱アルコール、付加重合タイプなどが選択できる。また一液硬化、二液硬化、紫外線硬化などが選択できる。接着層220は、熱伝導調整のためAl2O3やAlNなどのセラミックスやCuなどの金属フィラーを含んでいてもよい。接着層220の厚みは、0.1mm以上4.0mm以下であることが好ましい。
The
本発明の基板保持部材は、冷却部材によって電極埋設部材を冷却しつつ半導体プロセスに使用することができるので、電極埋設部材の熱の通過が良好である効果をより高めることができ、これまでよりも高温の半導体プロセスに適用することができる。 The substrate holding member of the present invention can be used in semiconductor processes while the electrode-embedded member is cooled by the cooling member, which further enhances the effect of good heat transfer through the electrode-embedded member and makes it applicable to semiconductor processes at higher temperatures than ever before.
[電極埋設部材の製造方法]
次に、本実施形態に係る電極埋設部材の製造方法を説明する。図3は、本発明の第1の実施形態に係る電極埋設部材の製造方法の一例を示すフローチャートである。本発明の第1の実施形態に係る電極埋設部材の製造方法は、図3に示すように、基材作製工程(ステップS1)、電極等形成工程(ステップS2)、および溶射膜形成工程(ステップS3)を含む。
[Method of manufacturing electrode-embedded member]
Next, a method for manufacturing an electrode-embedded member according to the present embodiment will be described. Fig. 3 is a flow chart showing an example of a method for manufacturing an electrode-embedded member according to the first embodiment of the present invention. As shown in Fig. 3, the method for manufacturing an electrode-embedded member according to the first embodiment of the present invention includes a base material preparation step (step S1), an electrode formation step (step S2), and a thermal spray film formation step (step S3).
(基材作製工程)
まず、基材を作製する。基材は、AlN焼結体により平板状に形成する。基材は、どのような方法によって作製されたものであってもよく、製造方法は適宜選択される。例えば、ホットプレス法やHIPを用いることができる。
(Substrate preparation process)
First, a substrate is prepared. The substrate is formed into a flat plate shape using an AlN sintered body. The substrate may be prepared by any method, and the manufacturing method is appropriately selected. For example, a hot press method or HIP can be used.
例えば、ホットプレス法を用いる場合、AlN原料粉末および焼結助剤粉末の混合粉末を成形することで成形体を作製し、これを焼成することでAlN焼結体を作製することができる。このとき、例えば、焼成温度は1650~1950℃の温度範囲に含まれるように調節される。焼成時間(焼成温度の保持時間)は、2~10時間の時間範囲に含まれるように調節される。焼成時のプレス圧力は、1~15MPaの圧力範囲に含まれるように調節される。なお、これらの焼成温度や焼成時間は、焼結助剤粉末の種類や量等によっても変更される。 For example, when using the hot press method, a mixed powder of AlN raw material powder and sintering aid powder is molded to produce a molded body, which is then fired to produce an AlN sintered body. At this time, for example, the firing temperature is adjusted to be within the temperature range of 1650 to 1950°C. The firing time (the time the firing temperature is held) is adjusted to be within the time range of 2 to 10 hours. The pressing pressure during firing is adjusted to be within the pressure range of 1 to 15 MPa. Note that these firing temperatures and firing times can be changed depending on the type and amount of sintering aid powder, etc.
焼成された基材の一方の主面または他方の主面を研磨または研削することにより、厚みを調整する工程を設けてもよい。厚みを調整する場合、0.5mm以上7.9mm以下に調整することが好ましい。また、基材の一方の主面または他方の主面を研磨または研削することにより、一方の主面または他方の主面の平面度を調整する工程を設けてもよい。平面度を調整する場合、一方の主面は、10μm以下に調整することが好ましく5μm以下に調整することがより好ましい。また、他方の主面は、5μm以下に調整することが好ましく3μm以下に調整することがより好ましい。基材の平面度は、3次元測定器またはレーザー干渉計で測定することができる。 A step of adjusting the thickness may be provided by polishing or grinding one or the other main surface of the fired substrate. When adjusting the thickness, it is preferable to adjust it to 0.5 mm or more and 7.9 mm or less. Also, a step of adjusting the flatness of one or the other main surface may be provided by polishing or grinding one or the other main surface of the substrate. When adjusting the flatness, it is preferable to adjust one of the main surfaces to 10 μm or less, and more preferably to 5 μm or less. Also, it is preferable to adjust the other main surface to 5 μm or less, and more preferably to 3 μm or less. The flatness of the substrate can be measured by a three-dimensional measuring device or a laser interferometer.
(電極等形成工程)
次に、基材の一方の主面に電極を形成し、他方の主面に発熱抵抗体を形成する。電極または発熱抵抗体の形成方法は、基材に熱変形が生じないような温度で形成できる方法であればどのような方法であってもよい。例として、コールドスプレー法によってAlN焼結体基材に電極を形成する方法を説明する。
(Electrode formation process)
Next, an electrode is formed on one main surface of the substrate, and a heating resistor is formed on the other main surface. The method for forming the electrode or heating resistor may be any method as long as it can be performed at a temperature that does not cause thermal deformation of the substrate. As an example, a method for forming an electrode on an AlN sintered substrate by cold spraying will be described.
コールドスプレー法は粉末材料を溶融温度以下の固相状態で基材へ衝突させ、成膜する技術であり、コールドスプレー法により形成される皮膜は、大気中で酸化の無い緻密な皮膜が得られる。また、材料粒子への熱影響が少なく、熱変質を抑えられる。更に、成膜速度が速い、厚膜が可能である、など従来の溶射法に比較すると相対的に熱影響を小さくした工程で電極を形成することができる。 The cold spray method is a technology that forms a film by colliding powder material with a substrate in a solid phase below the melting temperature, and the film formed by the cold spray method is dense and does not oxidize in the atmosphere. In addition, the material particles are less affected by heat, and thermal deterioration is suppressed. Furthermore, the film formation speed is fast, thick films are possible, and electrodes can be formed in a process with relatively small thermal effects compared to conventional thermal spraying methods.
(粒子速度)
材料粒子が付着をし始めるスピードである臨界速度を超えないと粒子は基材に付着できないため粒子速度を高めるためにもキャリアガスを導入する。粒子径は5μm以上であればハンドリングが容易になるため好適である。
(particle velocity)
The particles cannot adhere to the substrate unless they exceed a critical velocity, which is the speed at which the material particles begin to adhere. Therefore, a carrier gas is introduced to increase the particle velocity. A particle diameter of 5 μm or more is preferable because it makes handling easier.
(キャリアガス)
コールドスプレー法では、コスト等の関係から一般的には窒素、ヘリウムが主に用いられる。また、窒素にヘリウムを任意の割合で混合することにより、コストを抑えて高速のガス流を得ることも可能である。少量の水素を混合し,金属の酸化を防ぐことも可能である。
(Carrier gas)
In the cold spray method, nitrogen and helium are generally used mainly due to cost and other considerations. It is also possible to obtain a high-speed gas flow at reduced costs by mixing helium with nitrogen in any ratio. It is also possible to prevent the oxidation of metals by mixing a small amount of hydrogen.
なお、AlN焼結体基材上に設けられる電極または発熱抵抗体を形成する工程は上記に限られず、溶射法、CVD、PVDやDBCなどのポストメタライズ法が適用できる。例えば、DBC法は銅とAlN焼結体が直接結合される。DBC法の利点は、厚い銅メタライゼーションと、銅とセラミックとの高い接合強度である。DBC法は、AlN焼結体上に直接結合され薄い銅電極を形成できる。しかし、メタライズには1000℃以上の高温での熱処理が必要となる。その場合、電極等形成工程で一定の熱影響を受けるためAlN焼結体基材の変形が大きくなる場合がある。そのため、形成された発熱抵抗体の抵抗値がばらつくことによる修正加工(トリミング等)を行なうことが難しくなる。したがって、予め電極形成前のAlN焼結体基材の他方の主面の平面度を小さくしておくことが好ましい。 The process for forming the electrodes or heating resistors on the AlN sintered body substrate is not limited to the above, and post-metallization methods such as thermal spraying, CVD, PVD, and DBC can be applied. For example, in the DBC method, copper and the AlN sintered body are directly bonded. The advantages of the DBC method are the thick copper metallization and the high bonding strength between copper and ceramic. The DBC method can form thin copper electrodes directly bonded on the AlN sintered body. However, metallization requires heat treatment at high temperatures of 1000°C or more. In that case, the AlN sintered body substrate may be significantly deformed due to a certain thermal effect in the electrode formation process. Therefore, it becomes difficult to perform correction processing (trimming, etc.) due to the variation in the resistance value of the formed heating resistor. Therefore, it is preferable to reduce the flatness of the other main surface of the AlN sintered body substrate before forming the electrode.
(電極の形成)
AlN焼結体上に所定の電極パターン(発熱抵抗体含む)を形成するには、電極素材をAlN焼結体表面に形成する際にハードマスクによりパターニングをする方法と、AlN焼結体の表面に電極素材を一面に形成後、所定のマスキングの後にサンドブラスト加工などによってパターニングをする方法が選択される。前者は、コールドスプレー法、溶射法、PVD法の場合に選択される。後者は、コールドスプレー法、溶射法、CVD法、DBC法の場合に選択される。これらの方法により基材の一方の主面に電極が形成される。
(Formation of electrodes)
To form a predetermined electrode pattern (including a heating resistor) on an AlN sintered body, there are two methods to choose from: a method of patterning the electrode material with a hard mask when forming it on the surface of the AlN sintered body, and a method of forming the electrode material all over the surface of the AlN sintered body, masking it, and then patterning it by sandblasting or the like. The former is selected for the cold spray method, thermal spray method, and PVD method. The latter is selected for the cold spray method, thermal spray method, CVD method, and DBC method. An electrode is formed on one main surface of the substrate by these methods.
(発熱抵抗体の調整(トリミング等))
発熱抵抗体(ヒーター用電極)は製品使用時に直接その製品の温度分布に影響する。そのため、発熱抵抗体はパターン形成後に各所定位置間の電気抵抗を測定し、そのバラツキを測定後に発熱抵抗体を加工し抵抗を調節することがある。主に、パターンの厚みを薄くすることによって抵抗値を高い値にそろえることにより発熱抵抗体の配置された面内でのバラツキを小さくすることができる。なお、パターンの幅の調整やパターンの形状も同様の加工により調節することができる。このような加工をするには機械加工または手加工で行なうが、AlN焼結体の他方の主面の平面度が大きい場合には調整に支障が生じることがある。したがって、他方の主面の平面度は、5μm以下に調整されていることが好ましく3μm以下に調整されていることがより好ましい。また、発熱抵抗体との関係でいうと、他方の主面の平面度は、トリミング前の発熱抵抗体の厚みの10%以下であることが好ましく、5%以下であればより好ましい。
(Adjustment of heating resistor (trimming, etc.))
The heating resistor (heater electrode) directly affects the temperature distribution of the product when it is used. Therefore, the heating resistor may be processed to adjust the resistance after measuring the electrical resistance between each predetermined position after pattern formation and measuring the variation. Mainly, the variation in the surface on which the heating resistor is arranged can be reduced by making the resistance value high by making the thickness of the pattern thin. The pattern width and pattern shape can also be adjusted by similar processing. This processing is performed by machine processing or manual processing, but if the flatness of the other main surface of the AlN sintered body is large, adjustment may be hindered. Therefore, the flatness of the other main surface is preferably adjusted to 5 μm or less, and more preferably adjusted to 3 μm or less. In addition, in terms of the relationship with the heating resistor, the flatness of the other main surface is preferably 10% or less of the thickness of the heating resistor before trimming, and more preferably 5% or less.
(溶射膜形成工程)
次に、電極を形成した基材の一方の主面に第1の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第1の酸化物セラミックス溶射膜を形成し、発熱抵抗体を形成した基材の他方の主面に第2の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第2の酸化物セラミックス溶射膜を形成する。溶射膜の形成方法は、乾式、湿式のいずれの溶射法であってもよいし、エアロゾルを用いたコールドスプレー法であってもよい。ここでは、例として湿式の溶射法による方法を説明する。
(Thermal spray coating process)
Next, a first oxide ceramic spray raw material powder is sprayed onto one main surface of the substrate on which the electrodes are formed to form a first oxide ceramic spray film, and a second oxide ceramic spray raw material powder is sprayed onto the other main surface of the substrate on which the heating resistor is formed to form a second oxide ceramic spray film. The method for forming the spray film may be either a dry or wet spray method, or a cold spray method using an aerosol. Here, a method using a wet spray method will be described as an example.
まず、平均粒子径D50が所定の範囲に入る酸化物セラミックス原料粉末を準備する。そして、酸化物セラミックス原料粉末と水とを混合することでスラリーを調整する。酸化物セラミックス原料粉末の平均粒子径D50は、0.5μm以上6μm以下であることが好ましい。D50が0.5μmより小さい場合、スラリーの粘性が高くなるため、溶射が困難になり膜質が悪化する。また、6μmより大きい場合、安定してスラリーを輸送できないため膜質が悪化する。平均粒子径D50は、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置の乾式測定または湿式測定を用いて計測することができる。セラミックス原料粉末の粒度分布は、シャープであることが好ましい。 First, prepare an oxide ceramic raw material powder whose average particle diameter D50 falls within a predetermined range. Then, prepare a slurry by mixing the oxide ceramic raw material powder with water. The average particle diameter D50 of the oxide ceramic raw material powder is preferably 0.5 μm or more and 6 μm or less. If D50 is smaller than 0.5 μm, the viscosity of the slurry increases, making thermal spraying difficult and deteriorating the film quality. If D50 is larger than 6 μm, the slurry cannot be transported stably and the film quality deteriorates. The average particle diameter D50 can be measured using a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device in dry or wet measurement. It is preferable that the particle size distribution of the ceramic raw material powder is sharp.
第1の酸化物セラミックス原料粉末および第2の酸化物セラミックス原料粉末は、第1の酸化物セラミックス溶射膜および第2の酸化物セラミックス溶射膜それぞれの目的に応じて、様々な材料を使用することができる。第1の酸化物セラミックス原料粉末および第2の酸化物セラミックス原料粉末は、例えば、アルミナ(Al2O3)、イットリア(Y2O3)、ジルコニア(ZrO2)、チタニア(TiO2)、クロミア(Cr2O3)、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12、YAGとも表記する)の粉末またはこれらの任意の混合粉末を使用することが好ましい。これらの材料は、基材の保護や機能向上など様々な目的で使用される。第1の酸化物セラミックス原料粉末および第2の酸化物セラミックス原料粉末は、同一の種類でもよいし、異なる種類でもよい。 The first oxide ceramic raw material powder and the second oxide ceramic raw material powder can be various materials depending on the purpose of the first oxide ceramic sprayed film and the second oxide ceramic sprayed film. The first oxide ceramic raw material powder and the second oxide ceramic raw material powder are preferably, for example, alumina (Al 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), chromia (Cr 2 O 3 ), yttrium aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 12 , also written as YAG) powder or any mixed powder thereof. These materials are used for various purposes such as protecting the substrate and improving its function. The first oxide ceramic raw material powder and the second oxide ceramic raw material powder may be the same type or different types.
また、スラリーの濃度は、10wt%以上40wt%以下であることが好ましく、20wt%以上40wt%以下であることがより好ましい。スラリーの濃度が10wt%より小さい場合、施工に時間がかかり、生産性が低減するため工業的ではない。また、40wt%より大きい場合、粘性が高くなり、安定してスラリーを輸送することができなくなる。 The concentration of the slurry is preferably 10 wt% or more and 40 wt% or less, and more preferably 20 wt% or more and 40 wt% or less. If the concentration of the slurry is less than 10 wt%, application takes a long time and productivity decreases, making it unsuitable for industrial use. If the concentration is more than 40 wt%, the viscosity increases and the slurry cannot be transported stably.
そして、調整したスラリーを、基材の被溶射面(一方の主面および他方の主面)にプラズマ溶射して被覆する。溶射に使用するガスは、非酸化性ガスであることが好ましい。非酸化性ガスとしては、例えば、Arガス、H2ガスもしくはN2ガスまたはこれらの任意の組み合わせの混合ガスを用いることができる。上記スラリーが、チューブポンプを介してノズルに供給され、ガスを用いてプラズマ溶射される。 The prepared slurry is then plasma sprayed onto the substrate's surface (one main surface and the other main surface) to coat it. The gas used for spraying is preferably a non-oxidizing gas. As the non-oxidizing gas, for example, Ar gas, H2 gas, N2 gas, or a mixed gas of any combination of these gases can be used. The above slurry is supplied to a nozzle via a tube pump and plasma sprayed using the gas.
プラズマ溶射の工程の前に、スラリーを投入しないガスのみによって、基材の被溶射面をプラズマ照射する工程を設けてもよい。このような工程を設けることで、基材の被溶射面が予熱され、プラズマ溶射した際に溶融した酸化物セラミックス原料粉末が、基材表面や電極等のボイドに侵入しやすくなる。なお、予熱温度は基材が熱変形するような高い温度ではないため、予熱工程を設けても問題はない。 Prior to the plasma spraying process, a process may be performed in which the surface of the substrate to be sprayed is irradiated with plasma using only gas without adding slurry. By performing such a process, the surface of the substrate to be sprayed is preheated, and the oxide ceramic raw material powder melted during plasma spraying is more likely to penetrate into voids in the substrate surface, electrodes, etc. In addition, since the preheating temperature is not so high that it will thermally deform the substrate, there is no problem with performing the preheating process.
これらの結果、図1に示されているような、基材110の一方の主面112および他方の主面114を被覆する当該スラリー由来の第1の酸化物セラミックス溶射膜140および第2の酸化物セラミックス溶射膜150が形成される。第1の酸化物セラミックス溶射膜140および第2の酸化物セラミックス溶射膜150の厚みは、50~2000μmに調整されることが好ましく、50~500μmに調節されることがより好ましい。溶射膜の厚みが50μm未満であると当該溶射膜の絶縁性、耐プラズマ性、耐摩耗性、断熱性等の機能が低下する虞が増大するためである。また、溶射膜の厚みが2000μmを超えると当該溶射膜の内部応力が大きくなり密着力の低下または剥離が生じる虞が増大するためである。
As a result, as shown in FIG. 1, a first oxide ceramic sprayed
第1の酸化物セラミックス溶射膜140の気孔率は、0.1~5%に調節されることが好ましい。また第2の酸化物セラミックス溶射膜150の気孔率は、1~10%に調整されることが好ましい。
The porosity of the first oxide ceramic sprayed
(端子の形成)
溶射膜形成工程の後、必要な端子を接続する。端子は、外部の電源と静電チャックの電極を接続するものであり、Ni、コバール、Tiなどの耐熱金属をロウ付けや溶接、ハンダ付け、導電性接着などの手法により設けられる。
(Terminal formation)
After the sprayed film formation process, necessary terminals are connected. The terminals connect an external power source to the electrodes of the electrostatic chuck, and are provided by brazing, welding, soldering, conductive bonding, or other methods using heat-resistant metals such as Ni, Kovar, or Ti.
このような製造方法により、AlN焼結体からなる基材の両主面に電極または発熱抵抗体が形成され、酸化物セラミックス溶射膜が成膜された電極埋設部材を製造できる。 This manufacturing method allows the production of an electrode-embedded component in which electrodes or heating resistors are formed on both main surfaces of a substrate made of sintered AlN and an oxide ceramic sprayed film is formed.
[基板保持部材の製造方法]
次に、本実施形態に係る基板保持部材の製造方法を説明する。
[Method of manufacturing the substrate holding member]
Next, a method for manufacturing the substrate holding member according to this embodiment will be described.
(冷却部材の製造方法)
冷却部材を金属で作製する場合は、複数の金属部材を準備し、冷媒の流路となる溝部を形成する。次に、溝部が形成された複数の金属部材を接合し、流路を有する冷却部材を作製する。接合は、複数の金属部材に所定の機械加工を行なった後、ロウ付、電子ビーム溶接や拡散接合など従前の金属の接合方法を用いることができる。金属は加工性や高い熱伝導率からAl合金が最も好適であるが、銅、チタン、ニッケルを含む合金、SUSなどが使用できる。冷媒の流路の大きさ、形状は、セラミックス部材を均一に冷却できる大きさ、形状であれば、どのようなものであってもよい。冷却部材には、端子を通すための貫通孔を備えていてもよい。また、貫通孔の数を低減させるため、複数の端子を集約して通す貫通孔を備えていてもよい。
(Method of manufacturing cooling member)
When the cooling member is made of metal, a plurality of metal members are prepared, and a groove portion that serves as a flow path for the refrigerant is formed. Next, the plurality of metal members with the groove portion formed therein are joined to prepare a cooling member having a flow path. The joining can be performed by performing a predetermined machining process on the plurality of metal members, and then using a conventional metal joining method such as brazing, electron beam welding, or diffusion bonding. The metal is most suitable for use in terms of workability and high thermal conductivity, but alloys containing copper, titanium, and nickel, SUS, etc. can also be used. The size and shape of the flow path for the refrigerant may be any size and shape that can uniformly cool the ceramic member. The cooling member may have a through hole for passing a terminal through. In addition, in order to reduce the number of through holes, the cooling member may have a through hole for passing a plurality of terminals together.
冷却部材をSiCやAlNなどのセラミックスで作製する場合は、複数の成形体を準備し、成形体、それを脱脂した脱脂体、それを焼成した焼結体のいずれかにおいて、冷媒の流路となる溝部を形成する。脱脂工程後に仮焼工程を設ける場合は、仮焼体に溝部を形成してもよい。後の工程で溝部を形成するほうが溝部の形成は難しくなるが、溝部の寸法精度は高くなる。次に、これらを接合することによって冷却部材を作製することができる。焼成前に溝部を形成した場合、一軸加圧接焼成や常圧焼成によって接合することができる。焼成後の焼結体に溝部を形成した場合、接合は接合剤を接合界面に介在させるほか、接合剤を用いないで高温下で接合面に垂直な一軸加圧下で拡散接合してもよい。 When making the cooling member from ceramics such as SiC or AlN, multiple molded bodies are prepared, and grooves that serve as refrigerant flow paths are formed in either the molded bodies, the degreased bodies obtained by degreasing the molded bodies, or the sintered bodies obtained by sintering the molded bodies. If a calcination process is performed after the degreasing process, the grooves may be formed in the calcined bodies. Forming the grooves in a later process is more difficult, but the dimensional accuracy of the grooves is higher. The cooling member can then be made by joining these together. If the grooves are formed before sintering, they can be joined by uniaxial pressure welding sintering or normal pressure sintering. If the grooves are formed in the sintered body after sintering, the joining can be performed by interposing a bonding agent at the bonding interface, or by diffusion bonding under uniaxial pressure perpendicular to the bonding surface at high temperatures without using a bonding agent.
(電極埋設部材と冷却部材との接合)
電極埋設部材は、冷却部材とシリコーン接着剤で一体化することが好適である。冷却部材はAl合金製が好適である。冷却部材には内部に冷媒流路が設けられ、電極埋設部材から伝熱した熱量を吸熱することができる。シリコーン接着剤は熱伝導率が0.1~2W/mKであること好ましく、0.1~1.0W/mKであることがさらに好ましい。接着層厚みは0.1mm~4mmが好ましく、0.5mm~2mmがさらに好ましい。硬化型はいずれでもよいが付加重合の加熱硬化型が望ましく、100℃以上で加熱して硬化することが好ましい。
(Joining of electrode-embedded member and cooling member)
The electrode-embedded member is preferably integrated with the cooling member by a silicone adhesive. The cooling member is preferably made of an Al alloy. The cooling member has a refrigerant flow path inside, and can absorb the heat transferred from the electrode-embedded member. The silicone adhesive preferably has a thermal conductivity of 0.1 to 2 W/mK, more preferably 0.1 to 1.0 W/mK. The adhesive layer preferably has a thickness of 0.1 mm to 4 mm, more preferably 0.5 mm to 2 mm. Any curing type may be used, but an addition polymerization heat curing type is preferable, and it is preferable to cure by heating at 100°C or higher.
また、熱抵抗層を設けるため、電極埋設部材に設けられた酸化物セラミックス溶射膜に、さらに別の種類の溶射膜を形成してもよい。また、冷却部材の接着層側表面にもAl2O3やZrO2による溶射膜を形成してもよい。シリコーン接着は、接着剤を塗布後、加熱硬化させることによって一体化させることができる。接着層がシリコーン樹脂によって形成される場合、AlNと冷却部材間の物性差によって誘起される応力を緩和し接着層に剥離やクラックのような不良を防止することができる。 In addition, in order to provide a thermal resistance layer, another type of sprayed film may be formed on the oxide ceramic sprayed film provided on the electrode- embedded member. Also, a sprayed film made of Al2O3 or ZrO2 may be formed on the adhesive layer side surface of the cooling member. Silicone bonding can be integrated by applying an adhesive and then heating and curing it. When the adhesive layer is formed of silicone resin, it is possible to reduce stress induced by the difference in physical properties between AlN and the cooling member, and to prevent defects such as peeling and cracks in the adhesive layer.
このような製造方法により、電極埋設部材の第2の酸化物セラミックス溶射膜と冷却部材が接着され一体化された基板保持部材を製造できる。 This manufacturing method makes it possible to produce a substrate holding member in which the second oxide ceramic sprayed film of the electrode embedding member and the cooling member are bonded and integrated.
[第2の実施形態]
[電極埋設部材の構成]
図4は、本発明の第2の実施形態に係る電極埋設部材の一例を示す断面図である。本実施形態の電極埋設部材100は、基材110、電極120、発熱抵抗体130、第1の酸化物セラミックス溶射膜140、および第2の酸化物セラミックス溶射膜150を備える。すなわち、本実施形態に係る電極埋設部材の基本的な構成は、第1の実施形態に係る電極埋設部材と同様である。したがって、以下では、異なる点のみ記載する。
Second Embodiment
[Configuration of electrode-embedded member]
4 is a cross-sectional view showing an example of an electrode-embedded member according to a second embodiment of the present invention. The electrode-embedded
発熱抵抗体130は、それぞれに異なる電圧を印加可能な複数の部分発熱抵抗体132を有している。このように、それぞれに異なる電圧を印加可能な複数の部分発熱抵抗体を同一の平面内に配置(いわゆるマルチゾーン化)することで、複数の電極(端子)の出力をそれぞれ調節することによって、部分発熱抵抗体ごとに発熱量を調節することができ、電極埋設部材の温度分布を調節することができる。
The
マルチゾーン化する場合、部分発熱抵抗体132を配置する他方の主面114の平面度が低いと、個々の部分発熱抵抗体132が設計通りの抵抗値を示すように精度よく形成することが難しくなる。特に、部分発熱抵抗体132の数が多くなると、平面度の低さが部分発熱抵抗体132の抵抗値の設計値からのずれに顕著に影響する。また、平面度が低い場合、トリミングすることも難しくなる。したがって、他方の主面114の平面度は、5μm以下であることが好ましく、3μm以下であることがより好ましい。これにより、部分発熱抵抗体132の抵抗値の設計値からのずれを低減することができる。
When forming a multi-zone structure, if the flatness of the other
また、複数の部分発熱抵抗体132に接続される端子160の数Nは、複数の部分発熱抵抗体132の数nに対して、天井関数を用いて、
マルチゾーン化する場合、多くの部分発熱抵抗体を一平面に配置するため、それに対応する端子が必要になる。しかし、端子の数が多くなりすぎるとその端子の位置はコールドスポットになり温度不均一の原因となる。特に、電極埋設部材の厚みが薄い場合はコールドスポットの影響が基板載置面の温度分布に顕著に影響する。しかしながら、発熱抵抗体の接続パターンを工夫することで、多くの部分発熱抵抗体を配置しても上記の式を満たす程度に端子の数を十分に減らすことができ、基材の温度分布の均一化を図ることができる。なお、天井関数とは、その数を少数で表示したときに小数点以下を切り上げる関数である。 In the case of a multi-zone configuration, many partial heating resistors are arranged on one plane, and corresponding terminals are required. However, if the number of terminals becomes too large, the positions of the terminals become cold spots, causing temperature unevenness. In particular, when the electrode embedding material is thin, the effect of cold spots has a significant impact on the temperature distribution on the substrate mounting surface. However, by devising a connection pattern for the heating resistors, it is possible to reduce the number of terminals sufficiently to satisfy the above formula even when many partial heating resistors are arranged, and to achieve a uniform temperature distribution on the substrate. Note that the ceiling function is a function that rounds up the decimal point when the number is expressed as a decimal.
図5から図7は、本実施形態に係る電極埋設部材100の複数の部分発熱抵抗体132と端子160のつながりの例を示す模式図である。なお、図5から図7は、部分発熱抵抗体132と端子160のつながりを示しているだけであり、部分発熱抵抗体132の形状や端子160の具体的な位置を示すものではない。
Figures 5 to 7 are schematic diagrams showing examples of connections between multiple
図5は、部分発熱抵抗体132の数が12に対して、端子160の数が13ある例を示している。図5のように、ある部分発熱抵抗体の一方の端子を他の部分発熱抵抗体の一方の端子と共有するようにつなげることで、複数の部分発熱抵抗体の数nに対する端子の数Nを、n+1まで低減することができる。なお、電極埋設部材全体で端子の数を低減できればよいので、実際の電極埋設部材では、他の部分発熱抵抗体と端子を共有しない部分発熱抵抗体があってもよい。
Figure 5 shows an example in which there are 12
図6は、部分発熱抵抗体132の数が24に対して、端子160の数が13ある例を示している。図6のように、Y字状の接続を多用することで、複数の部分発熱抵抗体の数nに対する端子の数Nを、n+1よりも小さく、n/2+1まで低減することができる。
Figure 6 shows an example in which the number of
図7は、部分発熱抵抗体132の数が24に対して、端子160の数が10ある例を示している。図7のように、外周を3つの部分発熱抵抗体で囲って、内部に端子を設けるごとに、その周囲の端子との間に部分発熱抵抗体を設けることで、複数の部分発熱抵抗体の数nに対する端子の数Nを、上記の(式1)の左辺と等しい数にまで低減することができる。
Figure 7 shows an example in which there are 24
なお、端子の数を少なくするごとに、個々の部分発熱抵抗体のコントロールが難しくなるので、実際の電極埋設部材では、部分発熱抵抗体のコントロールのしやすさを考慮する必要がある。 In addition, as the number of terminals is reduced, it becomes more difficult to control each partial heating resistor, so in actual electrode-embedded components, it is necessary to consider how easy it is to control the partial heating resistors.
[基板保持部材の構成]
また、図8は、本発明の第2の実施形態に係る基板保持部材の一例を示す断面図である。本実施形態に係る基板保持部材200は、電極埋設部材100、および冷却部材210を備える。すなわち、本実施形態に係る基板保持部材の基本的な構成は、第1の実施形態に係る基板保持部材と同様である。したがって、以下では、異なる点のみ記載する。
[Configuration of the substrate holding member]
8 is a cross-sectional view showing an example of a substrate holding member according to a second embodiment of the present invention. A
冷却部材210は、端子160の位置に合わせた貫通孔を備えていてもよいが、構造が複雑になるため、貫通孔を備える場合はいくつかの端子を集約して通す貫通孔を備えていることが好ましい。また、冷却部材210は、冷媒の流路212が複数の異なる経路に分離されていてもよい。これにより、複数の部分発熱抵抗体132のうち一部のみを冷却することができる。
The cooling
[実施例および比較例]
(実施例1)
(基材形成工程)
純度98%、平均粒子径0.5μmのAlN原料粉末に、焼結助剤としてY2O3および有機バインダーを添加し、CIP(冷間等方圧加圧)成形法により、1ton/cm2で静水圧成形をして、成形体を作製した。次に、成形体をN2雰囲気において、2000℃で3時間常圧焼成して、径Φ300mm、厚み7.25mmtのAlN焼結体を作製した。次に、AlN焼結体基材の一方の主面および他方の主面を研磨加工することにより、平面度を10μm、表面粗さをRa0.64μmに調整した。このようにして、実施例1のAlN焼結体基材を準備した。
[Examples and Comparative Examples]
Example 1
(Base material formation process)
A sintering aid, Y2O3 and an organic binder, were added to AlN raw material powder with a purity of 98% and an average particle size of 0.5 μm, and the powder was subjected to isostatic pressing at 1 ton/ cm2 by a CIP (cold isostatic pressing) molding method to produce a molded body. Next, the molded body was sintered at normal pressure at 2000°C for 3 hours in an N2 atmosphere to produce an AlN sintered body with a diameter of Φ300 mm and a thickness of 7.25 mmt. Next, one main surface and the other main surface of the AlN sintered body substrate were polished to adjust the flatness to 10 μm and the surface roughness to Ra 0.64 μm. In this way, the AlN sintered body substrate of Example 1 was prepared.
(電極等形成工程)
粉末材料はMoとして、コールドスプレー法により電極および発熱抵抗体を形成した。厚みは、いずれも30μmとした。
(Electrode formation process)
The powder material was Mo, and the electrodes and the heating resistor were formed by cold spraying. The thickness of each was 30 μm.
(プラズマ照射工程)
次に、高速プラズマ溶射機を用いて非酸化性ガスプラズマを基材の被溶射面に対して照射または噴射し、被溶射面の予熱を行なった。非酸化性ガスとして、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスが用いられた。溶射機を構成するノズルに対するArガスの供給量が100l/minに制御され、N2ガスの供給量70l/minに制御され、かつ、H2ガスの供給量が70l/minに制御された。
(Plasma irradiation process)
Next, a non-oxidizing gas plasma was irradiated or sprayed onto the substrate surface to be sprayed using a high-speed plasma spray machine, and the surface to be sprayed was preheated. A mixture of Ar gas, N2 gas, and H2 gas was used as the non-oxidizing gas. The supply rate of Ar gas to the nozzle constituting the spray machine was controlled to 100 l/min, the supply rate of N2 gas was controlled to 70 l/min, and the supply rate of H2 gas was controlled to 70 l/min.
高速プラズマ溶射機を構成するノズルに対する印加電流を250Aに制御することにより、当該ノズルへの供給電力が65kWに調節された。ノズルの先端と基材の被溶射面との間隔を75mmに調節した。基材に対するノズルの走査速度または変位速度を850mm/sに調節した。これにより、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスのプラズマが生成され、当該プラズマがノズルの先端から基材の被溶射面に対して照射または噴射された。プラズマの照射または噴射による被溶射面の予熱は、3分間行なった。 The current applied to the nozzle constituting the high-speed plasma spraying machine was controlled to 250 A, and the power supplied to the nozzle was adjusted to 65 kW. The distance between the tip of the nozzle and the surface of the substrate to be sprayed was adjusted to 75 mm. The scanning speed or displacement speed of the nozzle relative to the substrate was adjusted to 850 mm/s. This generated plasma of a mixed gas of Ar gas, N2 gas, and H2 gas, and the plasma was irradiated or sprayed from the tip of the nozzle to the surface of the substrate to be sprayed. The surface to be sprayed was preheated by irradiating or spraying the plasma for 3 minutes.
(プラズマ溶射工程)
そして、高速プラズマ溶射機をそのまま用いて、Al2O3スラリーを、非酸化性ガスを用いて基材の被溶射面に対してプラズマ溶射した。スラリーは、平均粒子径D50が0.5μmである純度99.9%のAl2O3原料粉末300gと、水700gとを混合することによりAl2O3スラリーを調整した。非酸化性ガスとして、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスが用いられた。溶射機を構成するノズルに対するArガスの供給量を100l/minに制御し、N2ガスの供給量を70l/minに制御し、かつ、H2ガスの供給量を70l/minに制御した。これにより、溶射速度が600~700mm/sに制御された。
(Plasma spraying process)
Then, the high-speed plasma spraying machine was used as it was to plasma spray the Al 2 O 3 slurry onto the substrate surface to be sprayed using a non-oxidizing gas. The slurry was prepared by mixing 300 g of 99.9% pure Al 2 O 3 raw material powder with an average particle diameter D50 of 0.5 μm with 700 g of water. As the non-oxidizing gas, a mixed gas of Ar gas, N 2 gas and H 2 gas was used. The supply amount of Ar gas to the nozzle constituting the spraying machine was controlled to 100 l/min, the supply amount of N 2 gas was controlled to 70 l/min, and the supply amount of H 2 gas was controlled to 70 l/min. As a result, the spraying speed was controlled to 600 to 700 mm/s.
高速プラズマ溶射機を構成するノズルに対する印加電流を250Aに制御することにより、当該ノズルへの供給電力が65kWに調節された。ノズルの先端と基材の被溶射面との間隔を75mmに調節した。基材に対するノズルの走査速度または変位速度を850mm/sに調節した。これにより、Arガス、N2ガスおよびH2ガスの混合ガスのプラズマが生成され、当該プラズマにより溶融された原料粉末がノズルの先端から基材の被溶射面に対して噴射された。一方の主面に溶射され形成された第1の酸化物セラミックス溶射膜の厚みは250μm形成した。他方の主面に溶射され形成された第2の酸化物セラミックス溶射膜の厚みは500μm形成した。そして、電極埋設部材の全面にわたる厚みが8mmとなるように、必要に応じて基材に形成された一方または両方の溶射膜について厚みの調整のための加工を行なった。このようにして、AlN焼結体基材の両主面がAl2O3溶射膜により被覆されている実施例1の電極埋設部材を作製した。 The current applied to the nozzle constituting the high-speed plasma spraying machine was controlled to 250 A, and the power supplied to the nozzle was adjusted to 65 kW. The distance between the tip of the nozzle and the surface of the substrate to be sprayed was adjusted to 75 mm. The scanning speed or displacement speed of the nozzle relative to the substrate was adjusted to 850 mm/s. As a result, a plasma of a mixed gas of Ar gas, N2 gas, and H2 gas was generated, and the raw material powder melted by the plasma was sprayed from the tip of the nozzle to the surface of the substrate to be sprayed. The first oxide ceramic sprayed film formed by spraying on one main surface was formed to a thickness of 250 μm. The second oxide ceramic sprayed film formed by spraying on the other main surface was formed to a thickness of 500 μm. Then, one or both of the sprayed films formed on the substrate were processed to adjust the thickness as necessary so that the thickness over the entire surface of the electrode-embedded member was 8 mm. In this manner, an electrode-embedded member of Example 1 was produced in which both main surfaces of the AlN sintered body substrate were covered with Al 2 O 3 sprayed films.
(実施例2)
実施例2は、基材の厚みを4mmとし、基材の両主面の平面度を5μmとした。また、発熱抵抗体形成後にトリミング加工を実施した。そのほかは、実施例1と同一条件にしたがって、実施例2の電極埋設部材を作製した。
Example 2
In Example 2, the thickness of the substrate was 4 mm, and the flatness of both main surfaces of the substrate was 5 μm. In addition, trimming was performed after the heating resistor was formed. The electrode-embedded member of Example 2 was produced under the same conditions as Example 1.
(実施例3)
実施例3は、基材の厚みを0.75mmとし、基材の両主面の平面度を5μmとした。また、第1の酸化物セラミックス溶射膜と第2の酸化物セラミックス溶射膜の厚みをそれぞれ125μm、125μmとし、発熱抵抗体形成後にトリミング加工を実施した。そのほかは、実施例1と同一条件にしたがって、実施例3の電極埋設部材を作製した。
Example 3
In Example 3, the thickness of the substrate was 0.75 mm, and the flatness of both main surfaces of the substrate was 5 μm. The thicknesses of the first oxide ceramic sprayed film and the second oxide ceramic sprayed film were 125 μm and 125 μm, respectively, and trimming was performed after the heating resistor was formed. The electrode-embedded member of Example 3 was produced under the same conditions as Example 1 except for the above.
(実施例4)
実施例4は、基材の厚みを4mmとし、基材の両主面の平面度を5μmとした。また、発熱抵抗体形成後にトリミング加工を実施した。また、一方の主面にAl2O3-5wt%TiO2セラミック溶射膜を膜厚250μmで溶射した。そのほかは、実施例1と同一条件にしたがって、実施例4の電極埋設部材を作製した。
Example 4
In Example 4, the thickness of the substrate was 4 mm, and the flatness of both main surfaces of the substrate was 5 μm. In addition, trimming was performed after the heating resistor was formed. In addition, an Al 2 O 3 -5 wt % TiO 2 ceramic sprayed film was sprayed to a thickness of 250 μm on one of the main surfaces. The electrode-embedded member of Example 4 was produced under the same conditions as Example 1 except for the above.
(実施例5)
実施例5は、基材の厚みを4mmとし、基材の両主面の平面度を5μmとした。また、発熱抵抗体形成後にトリミング加工を実施した。また、他方の主面にZrO2セラミック溶射膜を膜厚500μmで溶射した。そのほかは、実施例1と同一条件にしたがって、実施例5の電極埋設部材を作製した。
(Example 5)
In Example 5, the thickness of the substrate was 4 mm, and the flatness of both main surfaces of the substrate was 5 μm. In addition, trimming was performed after the heating resistor was formed. In addition, a ZrO2 ceramic sprayed film was sprayed to a thickness of 500 μm on the other main surface. The electrode-embedded member of Example 5 was produced under the same conditions as Example 1.
(実施例6)
実施例6は、基材の厚みを4mmとし、基材の両主面の平面度を5μmとした。また、発熱抵抗体の配置パターンを図6を参照したパターンとして、部分発熱抵抗体を12個、端子を7個配置した。そのほかは、実施例1と同一条件にしたがって、実施例6の電極埋設部材を作製した。
Example 6
In Example 6, the thickness of the substrate was 4 mm, and the flatness of both main surfaces of the substrate was 5 μm. The arrangement pattern of the heating resistors was as shown in FIG. 6, with 12 partial heating resistors and 7 terminals. The electrode-embedded member of Example 6 was produced under the same conditions as Example 1.
(実施例7)
実施例7は、基材の厚みを4mmとし、基材の両主面の平面度を5μmとした。また、発熱抵抗体の配置パターンを図7を参照したパターンとして、部分発熱抵抗体を24個、端子を13個配置した。そのほかは、実施例1と同一条件にしたがって、実施例7の電極埋設部材を作製した。
(Example 7)
In Example 7, the thickness of the substrate was 4 mm, and the flatness of both main surfaces of the substrate was 5 μm. The arrangement pattern of the heating resistors was as shown in FIG. 7, with 24 partial heating resistors and 13 terminals arranged. The electrode-embedded member of Example 7 was produced under the same conditions as Example 1.
(実施例8)
実施例8は、実施例2と同一条件にしたがって電極埋設部材を作製した。また、材質Al合金(A6061)、寸法直径Φ300mm、厚み25mm、内部に幅10mm、高さ10mmの断面形状を有する冷媒流路を内蔵する冷却部材を作製した。熱伝導率0.9/mKのシリコーン接着剤を用いて接着した。接着層の厚みは1mmであった。このようにして、実施例8の基板保持部材を作製した。
(Example 8)
In Example 8, an electrode-embedded member was produced under the same conditions as in Example 2. A cooling member was also produced, made of Al alloy (A6061), with dimensions of diameter Φ300 mm, thickness 25 mm, and a coolant flow path with a cross-sectional shape of width 10 mm and height 10 mm inside. The material was Al alloy (A6061), and the dimensions of diameter Φ300 mm, thickness 25 mm, and the coolant flow path with a cross-sectional shape of width 10 mm and height 10 mm inside were bonded using a silicone adhesive with a thermal conductivity of 0.9/mK. The thickness of the adhesive layer was 1 mm. In this manner, the substrate holding member of Example 8 was produced.
各実施例の電極埋設部材または基板保持部材をチャンバーにインストールして使用した。いずれも、発熱抵抗体に電力を供給して基板載置面の温度を300℃に昇温することが
できた。その時の温度分布はφ290mmの範囲内で最大値-最小値が10℃以下となり、熱の通過が良好であり、基板載置面の温度分布が均一であることが分かった。
The electrode-embedded member or substrate-holding member of each example was installed in a chamber and used. In each case, power was supplied to the heating resistor, and the temperature of the substrate mounting surface could be raised to 300°C. The temperature distribution at that time was a maximum-minimum value of 10°C or less within a range of φ290 mm, indicating good heat transfer and uniform temperature distribution on the substrate mounting surface.
実施例2の電極埋設部材は、実施例1の電極埋設部材と比較して、熱の通過も基板載置面の温度分布もより良好であることが分かった。 It was found that the electrode-embedded member of Example 2 had better heat conduction and temperature distribution on the substrate mounting surface than the electrode-embedded member of Example 1.
実施例3の電極埋設部材は、実施例1の電極埋設部材と比較して、熱の通過も基板載置面の温度分布もより良好であることが分かった。また、基材、第1および第2の酸化物セラミックス溶射膜の厚みを薄くしても、問題なく使用できた。 The electrode-embedded member of Example 3 was found to have better heat conduction and temperature distribution on the substrate mounting surface than the electrode-embedded member of Example 1. In addition, the substrate and the first and second oxide ceramic sprayed films could be used without problems even if they were made thinner.
実施例4の電極埋設部材は、一方の主面側の第1の酸化物セラミックス溶射膜溶は体積抵抗率が1011Ωcmとなり、いわゆるジョンセンラーベック型静電チャック用絶縁層として機能し、他方の主面側の第2の酸化物セラミックス溶射膜は電気絶縁材として機能していることが分かった。 It was found that in the electrode-embedded member of Example 4, the first oxide ceramics sprayed film on one main surface side had a volume resistivity of 10 Ωcm and functioned as an insulating layer for a so-called Johnsen-Rahbek type electrostatic chuck, and the second oxide ceramics sprayed film on the other main surface side functioned as an electrical insulator.
実施例5の電極埋設部材は、他方の主面側の第2の酸化物セラミックス溶射膜をZrO2溶射膜としたことで、第2の酸化物セラミックス溶射膜が断熱層として機能し、高温時に温度分布のよい電極埋設部材であることが分かった。 In the electrode-embedded member of Example 5, the second oxide ceramics sprayed film on the other main surface side was a ZrO2 sprayed film, and it was found that the second oxide ceramics sprayed film functioned as a heat insulating layer, making it an electrode-embedded member with good temperature distribution at high temperatures.
実施例6および実施例7の電極埋設部材は、同じ個数の部分発熱抵抗体を有し、端子数の多い電極埋設部材と比較して、コールドスポットが少ない電極埋設部材であることが分かった。端子数を削減したことが直接的に作用したと考えられる。 The electrode-embedded members of Examples 6 and 7 were found to have fewer cold spots than electrode-embedded members with the same number of partial heating resistors but a larger number of terminals. This is thought to be a direct result of reducing the number of terminals.
実施例8の基板保持部材は、実施例1から実施例7と比較して、より高温のプロセスに使用できることが分かった。 It was found that the substrate holding member of Example 8 can be used in higher temperature processes compared to Examples 1 to 7.
以上の結果から、本発明の電極埋設部材および基板保持部材は、熱の通過が良好で、温度分布が均一であり、プラズマエッチング等のプロセスに使用したときにケミカルなコンタミネーションを低減させることができると共に、酸化物セラミックス焼結体により絶縁層を形成する場合よりも薄く均一な厚みの絶縁層を容易に形成することができることが確かめられた。 The above results confirm that the electrode-embedding member and substrate-holding member of the present invention have good heat conduction and uniform temperature distribution, and can reduce chemical contamination when used in processes such as plasma etching, and can easily form an insulating layer that is thinner and more uniform than when an insulating layer is formed using a sintered oxide ceramic body.
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形および均等物に及ぶことはいうまでもない。また、各図面に示された構成要素の構造、形状、数、位置、大きさ等は説明の便宜上のものであり、適宜変更しうる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that it covers various modifications and equivalents that fall within the spirit and scope of the present invention. Furthermore, the structure, shape, number, position, size, etc. of the components shown in each drawing are for convenience of explanation and may be changed as appropriate.
100 電極埋設部材
110 基材
112 一方の主面
114 他方の主面
120 電極
130 発熱抵抗体
132 部分発熱抵抗体
140 第1の酸化物セラミックス溶射膜
142 基板載置面
150 第2の酸化物セラミックス溶射膜
160 端子
162 端子穴
200 基板保持部材
210 冷却部材
212 流路
220 接着層
Claims (8)
AlN焼結体からなり、平板状に形成された基材と、
前記基材の一方の主面に設けられた電極と、
前記基材の他方の主面に設けられた発熱抵抗体と、
前記基材の前記一方の主面を被覆する第1の酸化物セラミックス溶射膜と、
前記基材の前記他方の主面を被覆する第2の酸化物セラミックス溶射膜と、を備え、
前記基材の前記他方の主面の平面度は、5μm以下であり、
前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、0.1~5%の気孔率を有し、前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含み、
前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1~10%の気孔率を有し、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含むことを特徴とする電極埋設部材。 An electrode embedding member,
A substrate made of an AlN sintered body and formed into a flat plate shape;
An electrode provided on one main surface of the substrate;
a heating resistor provided on the other main surface of the base material;
a first oxide ceramic sprayed film covering the one main surface of the substrate;
a second oxide ceramic sprayed film covering the other main surface of the substrate;
The flatness of the other main surface of the base material is 5 μm or less,
The first oxide ceramic sprayed film has a porosity of 0.1 to 5%, and contains one or more oxide ceramics at 99 wt % or more;
The second oxide ceramic sprayed film has a porosity of 1 to 10%, and the second oxide ceramic sprayed film contains one or more oxide ceramics at 99 wt % or more .
前記電極埋設部材の前記第2の酸化物セラミックス溶射膜側に設けられ、内部に冷媒の流路を有する冷却部材と、を備えることを特徴とする基板保持部材。 The electrode-embedding member according to any one of claims 1 to 5,
a cooling member provided on the second oxide ceramic sprayed film side of the electrode-embedded member and having a coolant flow path therein.
AlNセラミックス原料粉を成形して焼成し、AlN焼結体からなる平板状の基材を作製する工程と、
前記基材の一方の主面に電極を形成する工程と、
前記基材の他方の主面の平面度を5μm以下に調整する工程と、
前記基材の前記他方の主面に発熱抵抗体を形成する工程と、
前記基材の前記一方の主面に第1の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第1の酸化物セラミックス溶射膜を形成する工程と、
前記基材の前記他方の主面に第2の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第2の酸化物セラミックス溶射膜を形成する工程と、を含み、
前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、0.1~5%の気孔率を有し、前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含み、
前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1~10%の気孔率を有し、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含むことを特徴とする電極埋設部材の製造方法。 A method for manufacturing an electrode-embedded member, comprising the steps of:
A step of forming and sintering the AlN ceramic raw material powder to prepare a flat base material made of an AlN sintered body;
forming an electrode on one main surface of the substrate;
adjusting the flatness of the other main surface of the base material to 5 μm or less;
forming a heating resistor on the other main surface of the base material;
spraying a first oxide ceramic spray coating material powder onto the one main surface of the substrate to form a first oxide ceramic spray coating;
and spraying a second oxide ceramic spray coating onto the other main surface of the substrate with a second oxide ceramic spray coating material powder ,
The first oxide ceramic sprayed film has a porosity of 0.1 to 5%, and contains one or more oxide ceramics at 99 wt % or more;
A method for manufacturing an electrode-embedded member, characterized in that the second oxide ceramic sprayed film has a porosity of 1 to 10%, and the second oxide ceramic sprayed film contains one or more oxide ceramics at 99 wt % or more .
AlNセラミックス原料粉を成形して焼成し、AlN焼結体からなる平板状の基材を作製する工程と、
前記基材の一方の主面に電極を形成する工程と、
前記基材の他方の主面の平面度を5μm以下に調整する工程と、
前記基材の前記他方の主面に発熱抵抗体を形成する工程と、
前記基材の前記一方の主面に第1の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第1の酸化物セラミックス溶射膜を形成する工程と、
前記基材の前記他方の主面に第2の酸化物セラミックス溶射原料粉を溶射し、第2の酸化物セラミックス溶射膜を形成する工程と、
複数の金属部材を接合した内部に冷媒の流路を有する冷却部材、または複数のセラミックス成形体を焼成した内部に冷媒の流路を有する冷却部材のいずれか一方を作製する工程と、
前記第2の酸化物セラミックス溶射膜または前記冷却部材の少なくとも一方に接着剤を塗布し、電極埋設部材および前記冷却部材を接着する工程と、を含み、
前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、0.1~5%の気孔率を有し、前記第1の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含み、
前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1~10%の気孔率を有し、前記第2の酸化物セラミックス溶射膜は、1つ又は2つ以上の酸化物セラミックスを99wt%以上含むことを特徴とする基板保持部材の製造方法。 A method for manufacturing a substrate holding member, comprising the steps of:
A step of forming and sintering the AlN ceramic raw material powder to prepare a flat base material made of an AlN sintered body;
forming an electrode on one main surface of the substrate;
adjusting the flatness of the other main surface of the base material to 5 μm or less;
forming a heating resistor on the other main surface of the base material;
spraying a first oxide ceramic spray coating material powder onto the one main surface of the substrate to form a first oxide ceramic spray coating;
spraying a second oxide ceramic spray coating material powder onto the other main surface of the substrate to form a second oxide ceramic spray coating;
A step of producing either a cooling member having a refrigerant flow path therein formed by joining a plurality of metal members or a cooling member having a refrigerant flow path therein formed by firing a plurality of ceramic molded bodies;
applying an adhesive to at least one of the second oxide ceramic sprayed film or the cooling member, and adhering the electrode-embedded member and the cooling member ;
The first oxide ceramic sprayed film has a porosity of 0.1 to 5%, and contains one or more oxide ceramics at 99 wt % or more;
A method for manufacturing a substrate holding member, characterized in that the second oxide ceramic sprayed film has a porosity of 1 to 10%, and the second oxide ceramic sprayed film contains one or more oxide ceramics at 99 wt % or more .
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