JP3642746B2 - セラミックスヒータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体の製造プロセス等においてウエハーやガラス基板等のワークを加熱するために使用されるセラミックスヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造プロセスにおいて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やＰＶＤ（Plasma Vapor Deposition）、エッチング等の処理を行うために、ウエハーを加熱するセラミックスヒータが使われている。また、ガラス基板に薄膜を形成するための成膜装置においても、セラミックスヒータが使われている。
【０００３】
従来のセラミックスヒータは、例えば特許第３０１１５２８号公報に記載されているように、セラミックスからなるヒータプレートと、ヒータプレートに埋設された金属箔ヒータ線などを含んでいる。ヒータプレートは、窒化けい素や窒化アルミニウムなどの焼結体によって構成されている。タングステン等の高融点金属からなる金属箔ヒータ線は、ヒータプレートの内部に同心円状あるいは渦巻き状に埋設されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のセラミックスヒータ、特に厚さ５０μｍ以下の金属箔ヒータ線が、焼結セラミックスに埋設されている。セラミックスヒータは、以下に述べる問題が発生する可能性があった。
【０００５】
［問題点１］ ヒータ線が薄く断面積が小さいため、下記面積比（Ｓ１／Ｓ２）がかなり小さくなる。ここでＳ１はヒータ線の総表面積、Ｓ２はヒータプレートのワーク載置面の面積である。この場合、ヒータプレートの径方向にヒータ線が存在しない領域が多く存在することから、図４に２点鎖線Ｌ１で示すように、ヒータプレートの中心から外周に向かって、径方向の温度変化が大きくなる。すなわち均熱性に劣る。
【０００６】
特に半導体製造プロセスにおいてウエハーを加熱するヒータプレートは、温度分布を均一に保つ必要があるため、ヒータプレートの温度むらは大きな問題である。さらに、ヒータプレートに温度むらが生じると、温度分布が均一な場合に比べて大きな熱応力がヒータプレートに作用し、ヒータプレートが破損する原因となる。
【０００７】
［問題点２］ ヒータ線をセラミックス原料粉に埋設し焼結する過程で、ヒータ線の表面層がセラミックス原料中の炭素と反応し、炭化することによって粒界割れが発生することがある。ここでヒータ線の厚さが薄いと、図７あるいは図８に示すように、ヒータ線１とセラミックス２との間の反応層３から、粒界割れ４がヒータ線１の内部に進行してしまう。図７に示すヒータ線１の厚さは２５μｍ、図８に示すヒータ線１の厚さは５０μｍである。図７と図８は、いずれもＳＥＭ写真（走査電子顕微鏡写真）をもとにして描いた断面図である。
【０００８】
ヒータ線に前記粒界割れが生じると、セラミックス原料粉を焼結する過程で、ヒータ線の電気抵抗が正常値よりも高くなる原因となる。ヒータ線の電気抵抗値が大きくなると、電流が十分に流れることができず、セラミックスヒータの温度特性に悪影響を与える。
【０００９】
［問題点３］ 従来のヒータ線は薄く断面積が小さいため、ヒータ線の負荷密度（Ｑ／Ｓ１）が高い。ここでＱはヒータ線の発熱量、Ｓ１はヒータ線の総表面積である。負荷密度が高いと、使用時（電流が流れたとき）にヒータ線が断線する可能性がある。また、ヒータ線が薄いために、ヒータ線の厚みのばらつきが、発熱量の大きな変動を引き起こし、均熱性に悪影響を与える。しかも、ヒータ線をセラミックス原料中に埋設する際に十分注意しないと、埋設の際、あるいは焼結時にヒータ線が切れるおそれがある。
【００１０】
従って本発明の目的は、均熱性に優れかつ発熱量が安定しているセラミックスヒータを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックスヒータは、焼結したセラミックスからなるヒータプレートと、厚さが１００μｍから１７５μｍのモリブデン金属箔またはタングステン金属箔からなり、該金属箔の全周が前記焼結したセラミックスによって覆われるよう前記ヒータプレートに埋設された金属箔ヒータ線とを具備している。前記ヒータプレートは、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。この発明の金属箔ヒータ線は厚さが１００μｍ以上であるため、従来の金属箔ヒータ線（厚さ５０μｍ以下）と比較して、同一発熱量であれば長いヒータ線を用いることができる。このヒータ線は、例えば、同一平面上にジグザグ形状に形成される。
【００１２】
この発明において、ヒータプレートの均熱性をさらに高めるために、前記金属箔ヒータ線が、前記ヒータプレートの中心寄りの位置において該ヒータプレートの周方向に第１のピッチでジグザグ形状に形成された内側部分と、前記ヒータプレートの外周寄りの位置において該ヒータプレートの周方向に第２のピッチでジグザグ形状に形成された外側部分とを有し、前記第２のピッチを前記第１のピッチよりも小さくしている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。
図１と図２に示すように、セラミックスヒータ１０は、窒化アルミニウム等のセラミックス１１からなる略円形のヒータプレート１２と、ヒータプレート１２に埋設された金属箔ヒータ線１３とを備えている。ヒータプレート１２はセラミックス原料粉を所定の形状に焼結したものである。なお、図１においてはヒータプレート１２の輪郭のみが示されている。
【００１４】
このセラミックスヒータ１０は、例えば半導体製造装置あるいはガラス基板の成膜装置などに使用される。ヒータプレート１２の上面は半導体ウエハー等のワークを乗せる平坦なワーク載置面１４となっている。ヒータプレート１２の直径は例えば２５０ｍｍ前後である。ヒータプレート１２の厚さは、例えば１５ｍｍ〜３０ｍｍである。ただしこれらの寸法は加熱すべきワークの寸法等の仕様に応じて適宜設定されるため、上記の値に制約されることはない。ヒータプレート１２の材料として、窒化アルミニウム以外に、例えばアルミナやマグネシア等を用いてもよい。
【００１５】
図２に模式的に示すように、ヒータプレート１２に金属箔ヒータ線１３が埋設されている。金属箔ヒータ線１３の厚さＴは、後述する理由により、１００μｍから１７５μｍの範囲としている。このヒータ線１３は、高融点金属（例えばモリブデンあるいはタングステン）からなり、エッチング等の製造方法によって、同一平面上にジグザグ形状に形成されている。ヒータ線１３の幅Ｗは、例えば２〜３ｍｍ前後である。
【００１６】
この明細書で言うジグザグ形状とは、図３に模式的に示したように、第１の方向Ｘに延びる部分Ｘ１と、この部分Ｘ１の端から第２の方向Ｙに延びる部分Ｙ１と、この部分Ｙ１の端から再び第１の方向Ｘに延びる部分Ｘ２と、この部分Ｘ２の端から第１の方向Ｙとは逆方向に延びる第４の部分Ｙ２とが、順次連なる形状である。第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとのなす角度は９０度以外でもよい。各部分Ｘ１，Ｙ１，Ｘ２，Ｙ２は、湾曲していてもよい。
【００１７】
このヒータ線１３は、ヒータプレート１２の中心１２ａ寄りの位置に形成された内側部分１３ａと、ヒータプレート１２の外周１２ｂ寄りの位置に形成された外側部分１３ｂとを有している。内側部分１３ａは、ヒータプレート１２の周方向に、第１のピッチＰ１でジグザグ形状に形成されている。外側部分１３ｂは、ヒータプレート１２の周方向に、第２のピッチＰ２でジグザグ形状に形成されている。
【００１８】
内側部分１３ａと外側部分１３ｂとの間に中間部分１３ｃが形成されている。中間部分１３ｃのピッチＰ３は、内側部分１３ａのピッチＰ１よりも小さく、外側部分１３ｂのピッチＰ２よりも大きい。これら内側部分１３ａと外側部分１３ｂと中間部分１３ｃは、互いに電気的に直列に接続されている。
【００１９】
ヒータ線１３の両端に金属端子１５，１６が設けられている。金属端子１５，１６は、ヒータプレート１２に、ろう付け等によって固定されている。金属端子１５，１６に電圧を印加し、ヒータ線１３に電流を流すことによって、ヒータ線１３が発熱する。ヒータ線１３が発熱することにより、ヒータプレート１２が加熱され、ワーク載置面１４上のワークが加熱される。
【００２０】
ヒータプレート１２の外周１２ｂ寄りの部分は、中心１２ａ寄りの部分よりも放熱しやすい。しかしこの実施形態では、外側部分１３ｂのピッチＰ２を内側部分１３ａのピッチＰ１よりも大きくすることにより、ヒータプレート１２の径方向の温度分布を、より均等なものにすることができる。
【００２１】
前記金属箔ヒータ線１３の厚さは１００μｍ以上であり、従来の金属箔ヒータ線と比較して断面積が数倍以上ある。例えばヒータ線１３の厚さが１００μｍの場合、厚さが２５μｍの従来のヒータ線と同じ電気抵抗値にするためには、ヒータ線１３の長さが４倍以上必要である。
【００２２】
ヒータ線１３が長くなるということは、それだけ前記面積比（Ｓ１／Ｓ２）が大きく、ヒータプレート１２の径方向にヒータ線１３が存在しない領域が減ることになる。この実施形態のセラミックスヒータ１０は、図４に実線Ｌ２で示すように、従来のヒータ線を用いたセラミックスヒータの温度分布Ｌ１と比較して、ヒータプレート１２の径方向の温度変化が小さくなる。すなわち均熱性に優れている。
【００２３】
ヒータプレート１２を構成しているセラミックス１１を焼結する過程で、ヒータ線１３の表面層がセラミックス原料中の炭素と反応し、炭化することによって粒界割れが生じることがある。しかしこの実施形態のセラミックスヒータ１０はヒータ線１３が１００μｍ以上と厚いため、ヒータ線１３の内部にまで粒界割れが進行することを回避できる。
【００２４】
図５と図６は、セラミックスヒータ１０のＳＥＭ写真（走査電子顕微鏡写真）をもとにして描いた断面図である。図５に示すヒータ線１３の厚さは１００μｍである。図６に示すヒータ線１３の厚さは１５０μｍである。図５と図６のいずれの場合も、ヒータ線１３はモリブデン、セラミックス１１は窒化アルミニウムである。
【００２５】
図５あるいは図６に示されるように、ヒータ線１３の表面層２０に生じる粒界割れはヒータ線１３の表面層２０にとどまっている。ヒータ線１３の内部に見られる微小欠陥２１は粒界割れとは無関係であり、ヒータ線１３の性能に悪影響を与えるほどではない。
【００２６】
このように、ヒータ線１３の厚さを１００μｍ以上にすることにより、粒界割れがヒータ線１３の断面全体に及ぶことが回避された。このため、セラミックス原料粉の焼結過程でヒータ線１３の電気抵抗が正常値よりも高くなってしまうことを防止でき、セラミックスヒータ１０の温度特性が向上する。
【００２７】
次の表１と表２は、ヒータ線の厚さを２５μｍから２００μｍまで種々に変えた場合に、ヒータ線の割れの有無と、ヒータプレート（セラミックス）の割れの有無を調べた結果をそれぞれ示している。表１と表２中の×は割れが見られた場合を示し、○は割れが見られなかった場合を示している。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
表１に示されるように、ヒータ線の厚さが２５μｍと５０μの場合は、ヒータ線が割れることがあった。ヒータ線の厚さが１００μｍ以上になると、ヒータ線が割れることはなかった。表２に示されるように、ヒータ線の厚さが２００μｍを越えると、ヒータ線に通電したとき（発熱時）に、セラミックスが割れてしまった。セラミックスが割れた理由は、ヒータ線が厚くなるほど、ヒータ線とセラミックスとの熱膨張差の影響が大きくなるためと考えられる。
【００３１】
前記実施形態のセラミックスヒータ１０は、ヒータ線１３が１００μｍ以上と厚く、断面積が大きいため、従来のヒータ線よりも負荷密度が低く、使用時にヒータ線１３が断線する可能性が抑制された。また、ヒータ線１３が厚いため、ヒータ線１３の厚さのばらつきによって発熱量が大きく変動することも回避でき、均熱性をさらに高めることができた。
【００３２】
しかも前記ヒータ線１３は厚く剛性が大きいため、セラミックス原料粉に埋設する際に取扱いが容易であり、ヒータ線１３を所定の位置に埋設することが容易となる。このため、ヒータ線１３を埋設する際にヒータ線１３が切れたり、セラミックス１１の焼結時にヒータ線１３が切れる危険性を抑制できる。
【００３３】
これらの理由により、本発明では、金属箔ヒータ線の厚さを１００μｍ〜１７５μｍの範囲に限定する。
【００３４】
なお、この発明を実施するに当たって、ヒータプレートや金属箔ヒータ線の形状や材質、ヒータ線のパターンなど、発明の構成要素を本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変形して実施できることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、焼結したセラミックスからなるヒータプレートと、厚さが１００μｍから１７５μｍのモリブデンまたはタングステンの箔からなり、該箔の全周が前記焼結したセラミックスによって覆われるよう前記ヒータプレートに埋設された金属箔ヒータ線とを具備したことにより、従来の金属箔ヒータ線を用いたセラミックスヒータと比較して、十分長い金属箔ヒータ線をヒータプレートに埋設することができる。このためヒータプレートの均熱性が向上する。本発明によれば、セラミックスの焼結時にヒータ線の表面層に生じることのある粒界割れがヒータ線の断面全体に及ぶことを回避できる。このためヒータ線が割れることによる発熱量のばらつきを抑制することができる。
【００３６】
請求項２に記載した発明によれば、窒化アルミニウムからなるヒータプレートにおいて、ヒータプレートの均熱性が向上するとともに、ヒータ線が割れることによる発熱量のばらつきを抑制することができる。
請求項３に記載した発明によれば、長い金属箔ヒータ線をヒータプレート内の同一平面上にレイアウトすることが可能となり、均熱性をさらに向上させることができる。
請求項４に記載した発明によれば、ヒータプレートの径方向の温度分布をさらに均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のセラミックスヒータの金属箔ヒータ線を示す平面図。
【図２】図１中のＦ２−Ｆ２線に沿うセラミックスヒータの一部の断面図。
【図３】ヒータ線の一部を模式的に示す平面図。
【図４】図１に示されたセラミックスヒータと従来のセラミックスヒータの径方向の温度分布をそれぞれ示す図。
【図５】厚さ１００μｍの金属箔ヒータ線を用いたセラミックスヒータの一部を拡大して示す断面図。
【図６】厚さ１５０μｍの金属箔ヒータ線を用いたセラミックスヒータの一部を拡大して示す断面図。
【図７】厚さ２５μｍの金属箔ヒータ線を用いた従来のセラミックスヒータの一部を拡大して示す断面図。
【図８】厚さ５０μｍの金属箔ヒータ線を用いた従来のセラミックスヒータの一部を拡大して示す断面図。
【符号の説明】
１０…セラミックスヒータ
１１…セラミックス
１２…ヒータプレート
１３…金属箔ヒータ線
１３ａ…内側部分
１３ｂ…外側部分

Claims (5)

1. 焼結したセラミックスからなるヒータプレートと、
   厚さが１００μｍから１７５μｍのモリブデン金属箔またはタングステン金属箔からなり、該金属箔の全周が前記焼結したセラミックスによって覆われるよう前記ヒータプレートに埋設された金属箔ヒータ線と、
   を具備したことを特徴とするセラミックスヒータ。
2. 前記ヒータプレートが窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１記載のセラミックスヒータ。
3. 前記金属箔ヒータ線が同一平面上にジグザグ形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のセラミックスヒータ。
4. 前記金属箔ヒータ線が、前記ヒータプレートの中心寄りの位置において該ヒータプレートの周方向に第１のピッチで形成された内側部分と、前記ヒータプレートの外周寄りの位置において該ヒータプレートの周方向に第２のピッチで形成された外側部分とを有し、前記第２のピッチが前記第１のピッチよりも小さいことを特徴とする請求項３記載のセラミックスヒータ。
5. 前記金属箔ヒータ線が、前記セラミックス中の炭素と反応して炭化した表面層を有していることを特徴とする請求項１記載のセラミックスヒータ。

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