JP2018005998A - セラミックスヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】基材の局所的な温度低下の抑制を精密に図ることが可能なセラミックスヒータを提供する。【解決手段】セラミックスヒータ１００は、セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置される基材１０と、基材１０に埋設された発熱抵抗体２０とを備える。発熱抵抗体２０は、少なくとも２つの異なる方向に延在する発熱抵抗要素２２ａ，２３ａが接続されてなる接続部２４ａに、穴Ｓ１が存在する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被加熱物を加熱するセラミックスヒータに関する。

半導体ウエハなどの被加熱物を加熱するセラミックスヒータにおいて、セラミックスからなる加熱部を備え、該加熱部に帯状の印刷電極を周方向に沿って渦状に連続して設け、印刷電極に、該印刷電極の幅方向に延びるスリットを設けているものが存在する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１７２２０８号公報

上記従来のセラミックスヒータにおいては、屈曲する電極の内側にスリットを設けることにより、屈曲部の内側部分で発生する発熱量を減らし、屈曲部の外側部分で発生する発熱量を増加させて基材を均熱化させることは可能であった。

しかしながら、発熱量を変化させる自由度が乏しく、基材の局所的な温度低下の抑制を精密に図ることには限界があった。

また、屈曲部の内側に切欠き（スリット）が存在し、切欠きが存在しない箇所を電流が流れるため、特に切欠きが大きい場合は切欠きのない箇所が局所的に発熱するという問題があった。

また、電極の一端に切欠きが設けられると、埋設された電極の切欠き部に、製造時に負荷される外力や残留応力により応力集中が生じやすく、切欠き部からクラックが進展して電極が断線するおそれもあった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、基材の局所的な温度低下の抑制を精密に図ることが可能なセラミックスヒータを提供することを目的とする。

本発明は、セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、前記セラミックス基材に埋設された発熱抵抗体とを備えたセラミックスヒータであって、前記発熱抵抗体は、少なくとも２つの異なる方向に延在する発熱抵抗要素が接続されてなる接続部に、穴が存在することを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも２つの異なる方向に延在する発熱抵抗要素が接続されてなる接続部に、穴が存在する。これにより、穴が存在しない場合と比較して、接続部の単位長さ当りの抵抗は大きくなり、接続部での発熱の低下を抑制することが可能となる。

本発明では見かけ上、発熱抵抗要素の配置されている幅全域に電流が流れるため、接続部の発熱量がたとえ上記従来技術と同じであっても発熱密度はより均一化される。

また、電極の接続部に穴を設けているので、製造時に電極に負荷される外力、残留応力などによって生じる応力集中が抑制され、電極が断線するおそれを低減することが可能になる。特に、セラミックスからなる基材に電極を埋設した状態で同時焼成する場合は、母材である基材と電極の膨張係数が異なりかつ収縮率も異なるので、電極に大きな応力が作用するおそれがあるが、切欠きではなく穴であるので、これを抑制することが可能となる。

本発明において、例えば、前記発熱抵抗要素は、同心の環状領域にそれぞれ複数個配置された円弧状発熱抵抗要素と、前記環状領域が隣接して配置された前記円弧状発熱抵抗要素同士を直線状に接続する直線状発熱抵抗要素とを含み、前記接続部は、前記円弧状発熱抵抗要素と前記直線状発熱抵抗要素とが直角に接続されてなる部分である。なお、ここで、直角とは大略直角であればよく、例えば、６０度から１２０度であればよい。

本発明において、前記接続部の角部外側寄りに、前記穴が存在することが好ましい。

この場合、接続部の角部外側寄りの部分が狭くなり、ここでの発熱を大きくすることが可能となるので、さらに、基板の上面の温度の局所的な低下を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係るセラミックスヒータの模式断面図。 図１のII−II模式断面図。 本発明の実施形態の変形例に係る接続部の拡大図。 本発明の実施形態の他の変形例に係る接続部の拡大図。 本発明の実施形態のさらに他の変形例に係る接続部の拡大図。 比較例１に係る接続部の拡大図。

まず、本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ１００について図面を参照して、説明する。

図１に示すように、セラミックスヒータ１００は、図示しないウエハ（基板）を吸着保持するための略円板状の絶縁体からなる基材１０と、基材１０に埋設されている発熱抵抗体２０、及び基材１０の下面の中心部に接続された中空のシャフト３０とを備えている。

シャフト３０は、大略円筒形状であり、基材１０との接合部分の外径が他の円筒部３１より拡径した拡径部３２を有し、拡径部３２の上面が基材１０との接合面となっている。シャフト３０の材質は、基材１０の材質と同等でよいが、断熱性を高めるために、基材１０の素材より熱伝導率の低い素材から形成されていてもよい。

基材１０の下面とシャフト３０の上端面とが、拡散接合又はセラミックス若しくはガラス等の接合材による固層接合によって接合されている。なお、基材１０とシャフト３０とは、ねじ止めやろう付けなどによって接続されてもよい。

なお、基材１０には、発熱抵抗体２０のほか、ウエハをジョンセン−ラーベック力により載置面に引き付けるための静電チャック電極及び基材１０の上方にプラズマを発生させるためのプラズマ電極のうち少なくとも一方が埋設されていてもよい。

さらに、セラミックスヒータ１００は、発熱抵抗体２０に対して電力を供給するための一対の端子４０を備えている。

端子４０には、それぞれ基材１０に埋設されている図示しない電流供給部材に接続されている。そして、シャフト３０の中空部を通って配線されている図示しない給電線が接続され。この給電線は図示しない電源に接続されている。

端子４０と電流供給部材とはろう付け又は溶接されている。端子４０は、箔、板、塊状のニッケル（Ｎｉ）、コバール（登録商標）（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）を主成分とする耐熱合金などの耐熱金属から構成される。電流供給部材はモリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）などからなる。

基材１０は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなるセラミックス焼結体である。基材１０は、上記の材料を所定形状の型に入れて成形し、緻密化させるため、例えばホットプレス焼成等によって円板状に作製すればよい。

発熱抵抗体２０は、本実施形態では、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）等の耐熱金属などの箔からなり、面状の形態をしている。ただし、発熱抵抗体２０は、耐熱金属などからなる膜、板、線、メッシュ、繊維、コイル、リボン状などから構成されるものであってもよい。そして、本実施形態では、発熱抵抗体２０の厚さは一定となっている。

基材１０の間に発熱抵抗体２０を挟み込んだ状態で、基材１０は焼成される。

発熱抵抗体２０のパターンの一例を図２及び図３を参照して説明する。

発熱抵抗体２０は、一対の端子４０とそれぞれ接続された直線状の中心発熱抵抗要素２１と、中心発熱抵抗要素２１を重畳的に囲む相互に離間している１又は複数の環状区域のそれぞれに２つずつ配置されている円弧状発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｄと、隣り合う環状区域に配置されている円弧状発熱抵抗要素同士２２ａ〜２２ｄを直線状に接続する直線状発熱抵抗要素２３ａ〜２３ｃとにより構成されている。

そして、各円弧状発熱抵抗要素同士２２ａ〜２２ｄの幅ｄ１は同じ又は大略同じであり、各直線状発熱抵抗要素２３ａ〜２３ｃの幅ｄ２は同じ又は大略同じである。そして、幅ｄ１と幅ｄ２は、同じ又は略同じである。なお、幅が大略同じとは、その比が０．５以上２．０以下程度を意味する。

円弧状発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｃは、中心発熱抵抗要素２１を重畳的に囲む相互に離間している３つの環状区域のそれぞれに円弧状に２つずつ配置されている。そして、円弧状発熱抵抗要素２２ｄは、円弧状発熱抵抗要素２２ｃを囲む１つの環状区域に１か所のみ欠けた円環状に１つ配置されている。

一対の発熱抵抗要素である円弧状発熱抵抗要素２２ｂと直線状発熱抵抗要素２３ａとは、その接続部２４ｃにおいて互いに重なり合うように接続されている。このように、接続部２４ｃで接続されている発熱抵抗要素２２ｂ，２３ａは、異なる方向に延在している。

接続部２４ｃの外形は、これら一対の発熱抵抗要素２２ｂ，２３ａをそれぞれ延長したと仮想したときに重なり合う重なり領域Ｍの外形と同じである。図３において、発熱抵抗要素２２ｂ，２３ａをそれぞれ延長したと仮想したときの延長部の外形線が２点鎖線で示されている。そして、ここでは、接続部２４ｃの外形は、重なり領域Ｍと一致しており、２本の２点鎖線と接続部２４ｃの外側の外形線とで囲まれた領域である。

ここでは、重なり領域Ｍは略正方形であり、角部の角度は約９０度となっている。そして、重なり領域Ｍの幅ｄ３、具体的には、一対の発熱抵抗要素２２ｂ，２３ａの中心線を連続させたと仮想したときに、その仮想線と直交する方向における最大の長さｄ３は、発熱抵抗要素２２ｂ，２３ａの何れの幅ｄ１，ｄ２よりも長い。

そして、接続部２４ｃは、他の円弧状発熱抵抗要素２２ｃと直線状発熱抵抗要素２３ｃとの接続部２４ｆと隙間を介して配置されている。そして、この隙間の幅Ｄ１は、直線状発熱抵抗要素２３ａ同士の隙間の幅Ｄ１と同じである。

このような接続部２４ｃにおいて、重なり領域Ｍの全体に亘って発熱抵抗要素が存在すると、接続部２４ｃの幅ｄ３は円弧状発体熱要素２２ｂ及び直線状発熱抵抗要素２３ａの何れかの幅ｄ１、ｄ２よりも大きいので、接続部２４ｃの単位長さ当りの抵抗は円弧状発熱抵抗要素２２ｂ及び直線状発熱抵抗要素２３ａの単位長さ当りの抵抗よりも小さくなる。

これにより、接続部２４ｃの特に外側の角部での発熱が小さくなるため、特に接続部２４ｃ間の隙間の上方に位置する基材１０の上面の温度が局所的に低下する。

そこで、本実施形態では、これら接続部２４ｃに、発熱抵抗要素が存在しない領域Ｓを設けている。ここでは、発熱抵抗要素が存在しない領域Ｓは穴Ｓ１であり、重なり領域Ｍの内側角部の端点と外側角部の端点とを結んだ線分上に位置している。そして、この穴Ｓ１は、角部外側寄りに位置している。

これにより、接続部２４ｃにおいて重なり領域Ｍ全体に亘って発熱抵抗要素が存在する場合と比較して、接続部２４ｃの単位長さ当りの抵抗は大きくなり、接続部２４ｃでの発熱の低下を抑制することが可能となる。そして、接続部２４ｃの角部外側部分にも発熱抵抗要素が存在するので、この部分でも発熱が生じ、接続部２４ｃの間の隙間の上方に位置する基材１０の上面の温度が局所的に低下することを抑制することが可能となる。

なお、円弧状発熱抵抗要素２２ａ〜２２ｄと直線状発熱抵抗要素２３ａ〜２３ｃとの他の組み合わせの接続部２４ａ，２４ｂ，２４ｄ，２４ｇにおいても、同様に、発熱抵抗要素が存在しない領域Ｓとして穴Ｓ１を設けてもよい。

本実施形態では、見かけ上、発熱抵抗体２０の配置されている幅全域に電流が流れるため、屈曲する接続部２４ｃ，２４ｆの発熱量がたとえ上記従来技術の屈曲部の発熱量と同じであっても、発熱密度はより均一化される。

また、発熱抵抗体２０がメッシュからなる場合は、電流の流れる方向が定まっており、特に直線状を基調とする切欠きではメッシュの方向性によっては抵抗を制御することが難しい。円形を基調とした穴Ｓ１を設けることにより、抵抗の制御が容易になる利点もある。

なお、穴Ｓ１の形状は、本実施形態では、円形であるがこれに限定されない。穴Ｓ１の形状は、例えば、楕円形、水滴形、弓状形、三角形、四角形などの多角形であってもよい。例えば、図４に示す穴Ｓ２のように、矩形状が連結されたＬ字状であってもよい。

さらに、穴Ｓ１は、接続部２４ｃ，２４ｆにそれぞれ２個である場合に限定されず、図５に示す穴Ｓ３のように１個であってもよく、３個以上であってもよい。また、穴Ｓ１は、接続部２４ｃ，２４ｆにそれぞれ大小２個の円形と、大きさが異なるが、相似形である場合に限定されず、同じ大きさであっても、非相似形であってもよい。

また、穴Ｓ１〜Ｓ３が存在する接続部は、３つ以上の発熱抵抗要素が接続される部分であってもよい。

（実施例１）
基材１０として、１６０高熱伝導窒化アルミニウムからなり、直径２４０ｍｍ、厚さ１５ｍｍの円板状のものを用意した。

この基材１０には、上面から厚さの５０％である７．５ｍｍの位置に、線径０．１ｍｍの純モリブデン線から５０メッシュのメッシュをレーザ加工して図２に示した形状とした発熱抵抗体２０を埋設した。また、発熱抵抗体２０の屈曲部は、図３に示した形状とした。

そして、この基材１０の下面に、常温の熱伝導率が８０ｋＷ／（ｍ・ｋ）の窒化アルミニウムからなり、内径５０ｍｍ、外径５６ｍｍ、長さ２００ｍｍの円筒形状のシャフト３０の上端面を拡散接合法によって接合した。なお、シャフト３０の拡径部３２は、外径７０ｍｍであった。このようにしてセラミックスヒータ１００を得た。

発熱抵抗体２０は、電力調節器（電力フィードバック式のサイリスタ）で、基材１０の上面中心部に挿入された熱電対が２００℃となるよう制御した（プロセスＡ）。

そして、プロセスＡでは、セラミックスヒータ１００を、雰囲気圧力が１０Ｔｏｒｒ（＝約１３３３Ｐａ）のチャンバ内に収容した。

そして、前記熱電対の測定温度が、室温から２００℃まで５℃／分で昇温するように、電力を供給した。そして、前記熱電対の測定温度が２００℃となった状態で、その後１５分間保持した。このとき、発熱抵抗体２０の屈曲部直上のセラミックスヒータ１００の表面温度をＩＲカメラで測定した。測定領域は図２の一点鎖線領域（直径約５０ｍｍ）とした。

この測定領域での温度のうち最高温度と最低温度との温度差を求めた。温度差は、０．３℃であり、均熱性は良好であった。

そして、前記熱電対の測定温度が、室温から５００℃まで５℃／分で昇温するように、発熱抵抗体２０に電力を供給した。そして、前記熱電対の測定温度が５００℃となった状態で、発熱抵抗体２０に供給する電力を調節し均温化を図った。その後１５分間保持した（プロセスＢ）。

また、プロセスＢでは、セラミックスヒータ１００を、雰囲気圧力が０．１Ｔｏｒｒ（＝約１３．３３Ｐａ）のチャンバ内に収容した。

そして、プロセスＡと同様にして、基材１０の発熱抵抗体２０の屈曲部直上のヒーター表面温度をＩＲカメラで測定した、前記測定領域での温度のうち最高温度と最低温度との差を求めた。温度差は、０．７℃であり、均熱性は良好であった。

（実施例２）
発熱抵抗体２０の屈曲部の形状を図４に示すように、屈曲部の内側にそれぞれ２個のＬ字状の穴Ｓ２を設けたしたこと以外は、実施例１と同一とした。

プロセスＡでの温度差は０．２℃であり、プロセスＢの温度は０．５℃であり、共に均熱性は良好であった。

（実施例３）
発熱抵抗体２０の屈曲部の形状を図５に示すように、屈曲部の内側にそれぞれ１個の円状の穴Ｓ３を設けたしたこと以外は、実施例１と同一とした。

プロセスＡでの温度差は０．２℃であり、プロセスＢの温度は０．５℃であり、共に均熱性は良好であった。

（比較例１）
発熱抵抗体２０の屈曲部の形状を図６に示すように、屈曲部の内側にそれぞれ１本の細長い切欠きＳ４を設けたこと以外は、実施例１と同一とした。

プロセスＡでの温度差は１．２℃であり、プロセスＢの温度は２．３℃であり、実施例１から３と比べて、均熱性は悪化した。

実施例１から３及び比較例１の結果を表１にまとまた。

１０…基材（セラミックス基材）、 ２０…発熱抵抗体、 ２１…中心発熱抵抗要素、 ２２ａ〜２２ｄ…円弧状発熱抵抗要素、 ２３ａ〜２３ｃ…直線状発熱抵抗要素、 ２４ａ〜２４ｄ…接続部、 ３０…シャフト、 ３１…円筒部、 ３２…拡径部、 ４０…端子、 １００…セラミックスヒータ、 Ｍ…一対の発熱抵抗要素が延長したと仮想した場合に重なり合う重なり領域、 Ｓ…発熱抵抗要素が不存在の領域、 Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…穴、 Ｓ４…切欠き。

Claims (3)

1. セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、
   前記セラミックス基材に埋設された発熱抵抗体とを備えたセラミックスヒータであって、
   前記発熱抵抗体は、少なくとも２つの異なる方向に延在する発熱抵抗要素が接続されてなる接続部に、穴が存在することを特徴とするセラミックスヒータ。
2. 前記発熱抵抗要素は、同心の環状領域にそれぞれ複数個配置された円弧状発熱抵抗要素と、前記環状領域が隣接して配置された前記円弧状発熱抵抗要素同士を直線状に接続する直線状発熱抵抗要素とを含み、
   前記接続部は、前記円弧状発熱抵抗要素と前記直線状発熱抵抗要素とが直角に接続されてなる部分であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
3. 前記接続部の角部外側寄りに、前記穴が存在することを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックスヒータ。