CN109315021A - 发热部件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使在高温下长时间反复使用，体积电阻率也难变化的发热部件。发热部件(11)通过由含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜构成形成在基材部(12)上的薄膜加热器部(13)，从而可以具有适合用作加热器的体积电阻率，并且即使重复规定的温度变化或温度保持，体积电阻率也难变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于使加热对象的温度保持均匀的发热部件。
背景技术
近年来，为了在半导体制造工艺中进行晶片的微细加工，通常采用干法蚀刻等真空或减压下进行的干法。在使用等离子体的干法蚀刻的情况下，晶片从等离子体输入热量。由于晶片温度影响蚀刻率，所以如果晶片内的温度分布不均匀，则蚀刻的深度会产生偏差。因此，如专利文献1～3所述，将加热器单元配置在晶片下方，以使晶片的面内温度保持均匀。
在半导体制造装置内的一部分中制作加热器的方法有很多种，其中一种方法可列举出热喷涂。通过热喷涂，可以获得厚度薄而均匀的的膜，设计自由度也很高。在通过热喷涂形成加热器的情况下，如专利文献1～3所述，多使用高熔点金属的钨(W)作为热喷涂材料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-43033号公报
专利文献2：日本特开2009-170509号公报
专利文献3：日本特开2016-27601号公报
发明内容
-发明所要解决的问题-
本发明人注意到，由以钨为热喷涂材料形成的热喷涂皮膜构成的加热器在多次使用后，加热器的特性与初始特性相比发生变化。然后，为了研究其原因进行了实验，结果表明，以钨为热喷涂材料形成的热喷涂皮膜若长时间维持300℃左右的高温状态则钨会发生氧化，恢复至室温时，体积电阻率与升温前相比发生变化。存在如下问题：如果加热器的体积电阻率改变，则加热对象的温度控制不准确，而且局部发生体积电阻率的变化时，会损害温度分布的均匀性。
因此，本发明鉴于现有技术的问题，目的在于提供一种即使在高温下长时间反复使用，体积电阻率也难变化的发热部件。
-用于解决问题的方案-
本发明人为了寻找代替钨的材料反复进行了很多实验，结果发现含有特殊的钛氧化物的热喷涂皮膜即使在高温下长时间反复使用，体积电阻率也很难变化，由此解决了上述问题。
即，本发明的发热部件特征在于，包括基材部、以及形成在该基材部上的薄膜加热器部，上述薄膜加热器部包括含有TixOy的热喷涂皮膜，其中，满足0<y/x<2.0。
如果使用二氧化钛(TiO2)形成薄膜加热器部，则体积电阻率过高难以作为加热器进行处理。另一方面，虽然金属钛可用作加热器，但若在高温下长时间反复使用，则体积电阻率的改变令人担忧。但是，通过使薄膜加热器部包括热喷涂皮膜，该热喷涂皮膜含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)、即氧原子数与钛原子数的比率小于2的氧化钛，不但具有适合用作加热器的体积电阻率，而且即使长时间保持在高温区域，体积电阻率的变动也很少。
优选地，上述热喷涂皮膜包含Tix1Oy1和Tix2Oy2，其中，满足0<y1/x1<1.5，1.5≤y2/x2≤2.0。另外，更优选地，上述热喷涂皮膜中，Tix1Oy1的总质量比大于Tix2Oy2的总质量比，其中，满足0<y1/x1<1.5，1.5≤y2/x2≤2.0。
上述薄膜加热器部的宽度优选为1～20mm。另外，上述薄膜加热器部的厚度优选为30～1000μm。进而，上述薄膜加热器部的线间距离(interlinedistance)优选为0.5～50mm。
本发明所述的发热部件的结构没有限制，例如可以是在上述薄膜加热器部上设置陶瓷绝缘层的结构。
-发明的效果-
根据本发明，发热部件包括基材部、以及形成在该基材部上的薄膜加热器部，该薄膜加热器部包括热喷涂皮膜，该热喷涂皮膜含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)、即氧原子数与钛原子数的比率小于2的氧化钛，由此能够具有适合用作加热器的体积电阻率，并且即使重复规定的温度变化或温度保持，体积电阻率也难变化。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式涉及的发热部件的基本结构的立体示意图。
图2是表示薄膜加热器部的典型图案的平面示意图。
图3是示出伴随着试样A的薄膜加热器部的温度变化，体积电阻率的变化的曲线图。
图4是示出伴随着试样B的薄膜加热器部的温度变化，体积电阻率的变化的曲线图。
图5是示出试样E～H的薄膜加热器部的成分百分比的曲线图。
图6是示出试样I～K的薄膜加热器部的成分百分比的曲线图。
图7是采用了本发明的一实施方式涉及的发热部件的等离子体处理装置的剖面示意图。
图8是图7中静电吸盘(electrostatic chuck)的放大剖面示意图。
图9是表示位于晶片下方的薄膜加热器部的图案例的平面示意图。
图10是表示位于晶片下方的薄膜加热器部的其他图案例的平面示意图。
图11是表示位于聚焦环下方的薄膜加热器部的图案的平面示意图。
附图标记说明
11：发热部件
12：基材部
13：薄膜加热器部
14：绝缘层
15、16：导线
19a、19b：端子
20：真空室
22：气体引入装置
23a：第一薄膜加热器部
23b：第二薄膜加热器部
23d：内侧加热器部
23f：外侧加热器部
25：静电吸盘
26：聚焦环
27：晶片
28：上部电极
29：高频电源
32：基座部
33：第一绝缘层
35：第二绝缘层
36：电极部
37：介电层
38：被覆层
39：气孔
40：第一供电销
41：第二供电销
42：冷却通路
43：第三供电销
t：厚度
s：线宽(幅)
d：线间距离
具体实施方式
实施方式1
图1是表示本发明的一实施方式涉及的发热部件的基本结构的立体示意图。图1所示的发热部件11可以如下制作。
首先，准备具有绝缘表面的基材部12，在规定的条件下将热喷涂材料热喷涂在基材部12的该绝缘表面上，形成薄膜加热器部13。薄膜加热器部13的图案可以通过预先将基材部12的表面掩蔽成图案状，再对整个表面进行热喷涂来制作，也可以通过对基材部12的整个表面进行热喷涂后将该热喷涂皮膜的表面掩蔽成图案状，再利用机械加工或喷射加工将不需要的热喷涂皮膜除去来制作。
在形成薄膜加热器部13之后，通过将Al2O3等绝缘材料热喷涂，形成覆盖基材部12的表面和薄膜加热器部13的整个表面的绝缘层14。
由此，得到具有基材部12、以及在基材部12上形成图案的薄膜加热器部13，进而用绝缘层14覆盖该基材部12和薄膜加热器部13，得到发热部件11。由薄膜加热器部13加热的对象可以借由基材部12加热，也可以借由绝缘层14加热。
薄膜加热器部13具有可用作加热器的比电阻值(specific resistance value)，薄膜加热器部13的两个端部安装有端子和导线15、16，通过施加规定的电压使电流流过薄膜加热器部13内，可以对载置于基材部12或绝缘层14上的对象进行加热。
绝缘层14的成分没有特别限定，但Al2O3、Y2O3、ZrO2等氧化物陶瓷较合适。绝缘层14可以通过热喷涂法形成，也可以通过热喷涂法以外的方法形成。
薄膜加热器部13由热喷涂皮膜构成。只要是热喷涂法，则基材的尺寸和形状没有限制，可以高精度且均匀地涂布薄膜。另外，作为获得后述薄膜加热器部13中所含的特殊氧化钛的方法，热喷涂法较合适。热喷涂法的种类没有特别限定。另外，此处的热喷涂法也包括所谓的冷喷涂法(cold spray method)。
基材部12的形状可为板状、碗状、柱状、筒状、锥状等，没有特别限定。即，基材部12的表面可以是平坦的，也可以是弯曲的。另外，在如筒状那样基材部12的内部中空的情况下，薄膜加热器部13可以形成在基材部12的外侧面上，也可以形成在内侧面上。
基材部12可以是由陶瓷、石英玻璃等构成的绝缘部件，此外还可以是在铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢等导电部件的表面上覆盖绝缘膜而成的绝缘部件。该绝缘膜无需覆盖整个导电部件，只要至少覆盖形成有薄膜加热器部13的表面即可。另外，还可以在在陶瓷、石英玻璃等绝缘部件的表面覆盖其他绝缘膜。
基材部12还可以具备水冷结构。由此，基材部的温度固定，更易于进行薄膜加热器部13的温度控制。另外，当基材部12具备水冷结构时，覆盖上述导电部件的表面的绝缘膜优选使用氧化钇稳定氧化锆(YSZ)等导热率低的材料。
图2是表示薄膜加热器部的典型图案的平面示意图。如图2所示，薄膜加热器部13在基材部12上形成有图案，具有多个相互平行的直线部分、以及将这些直线部分的末端彼此连接的弯折部分，整体成曲折图案(zigzag pattern)，构成伪表面(pseudo-surface)。如果形成单张平面状图案，则电流仅集中在将施加电压的端子19a、19b之间直线连结的区域及其附近，电流不会到达外缘部分，从而产生温度分布不均匀。通过以图2所示的线状图案形成薄膜加热器部13，可以使电流流过整个薄膜加热器部13，从而可以消除温度分布的不均匀。上述弯折部分并不限于直角弯曲，还可以是弧形弯曲。
在图2中，薄膜加热器部13表现为呈曲折状的图案，而在不严格要求温度均匀性的情况、或者以不会损害温度均匀性的尺寸或形状的图案为对象的情况下，薄膜加热器部13可以仅由直线部分构成，或者仅由曲线部分构成，可以根据需要改变设计。
薄膜加热器部13的厚度t(参照图1)适宜为30～1000μm的范围。通过使薄膜加热器部13的厚度t为30μm以上，容易发挥作为加热器的优异功能，通过使薄膜加热器部13的厚度t为1000μm以下，可以防止尺寸的极端扩大。
薄膜加热器部13的与长度方向正交的方向上的宽度s适宜为1～20mm的范围。通过使薄膜加热器部13的宽度s为1mm以上，可以减少断线的可能性，通过使薄膜加热器部13的宽度s为20mm以下，可以防止薄膜加热器部13上形成的绝缘层14发生剥离。
薄膜加热器部13的线间距离d适宜为0.5～50mm的范围。通过使薄膜加热器部13的线间距离d为0.5mm以上，可以避免短路，通过使薄膜加热器部13的线间距离d为50mm以下，可以进一步抑制温度分布的不均匀。
构成薄膜加热器部13的热喷涂皮膜为多孔体，其平均孔隙率适宜为1～10％的范围。孔隙率小于1％时，皮膜内存在的残留应力的影响增大，有可能易破裂。孔隙率大于10％时，各种气体容易进入孔隙内，有时皮膜的耐久性会降低。平均孔隙率可以如下测定：用光学显微镜观察热喷涂皮膜的剖面，对观察到的图像进行二值化处理，将皮膜内部的黑色区域作为孔隙部分，计算出该黑色区域在整个区域中所占的面积比率。
薄膜加热器部13必须含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)、即氧原子数与钛原子数的比率小于2的氧化钛。优选地，薄膜加热器部13含有TixOy作为主要成分，其中，满足0<y/x<2.0。此处“主要成分”是指，以质量基准计含量最多的成分。作为TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的具体例，可列举出TiO、Ti2O、Ti3O、Ti2O3等。薄膜加热器部13可以含有这些化合物中的任一种，也可以含有多种的混合物。
优选地，薄膜加热器部13由包含Tix1Oy1和Tix2Oy2的热喷涂皮膜构成，其中，满足0<y1/x1<1.5，1.5≤y2/x2≤2.0。作为Tix1Oy1(其中，满足0<y1/x1<1.5)，例如可列举出TiO、Ti2O、Ti3O等，作为Tix2Oy2(其中，满足1.5≤y2/x2≤2.0)，例如可列举出TiO2、Ti2O3等。由此，即使长时间保持在高温下成分变化也很少，能够抑制体积电阻率的变化，因此作为加热器的稳定性增加。更优选地，薄膜加热器部13由仅含Tix1Oy1(其中，满足0<y1/x1<1.5)、Tix2Oy2(其中，满足1.5≤y2/x2≤2.0)和不可避的杂质的热喷涂皮膜构成。进一步优选地，薄膜加热器部13由仅含Tix1Oy1(其中，满足0<y1/x1<1.5)和不可避的杂质的热喷涂皮膜构成。
另外，优选地，在薄膜加热器部13由含有Tix1Oy1(其中，满足0<y1/x1<1.5)和Tix2Oy2(其中，满足1.5≤y2/x2≤2.0)的热喷涂皮膜构成的情况下，Tix1Oy1(其中，满足0<y1/x1<1.5)的总质量比大于Tix2Oy2(其中，满足1.5≤y2/x2≤2.0)的总质量比。由此，薄膜加热器部13的体积电阻率不会变得太大，并且能够节省耗电量。另外，即使长时间保持在高温下，成分变化也很少，即使发生成分变化，也容易保持作为加热器可用范围的体积电阻率。
薄膜加热器部13适宜通过以Ti粉末、或者Ti粉末和TiO2粉末的混合物为热喷涂材料的热喷涂法制作。即便使用仅含钛粉末的热喷涂材料，通过热喷涂法，火焰产生的高热与空气中的氧使钛发生氧化，因此可以形成含有TixOy(其中，满足0<y/x<2)的热喷涂皮膜。另外，还可以通过改变热喷涂方法或热喷涂条件，对热喷涂皮膜中的Ti与O的比率进行微调。
在薄膜加热器部13由含有TiO2的热喷涂皮膜构成的情况下，如后所述，由于体积电阻率过大，因此难以作为加热器进行处理。对此，若是含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)、即氧原子数与钛原子数的比率小于2的氧化钛的热喷涂皮膜，则可以获得适当的体积电阻率，作为薄膜加热器部13发挥优异的功能。另外，具有这样的组成的薄膜加热器部13即使长时间暴露在高温环境中，体积电阻率也难变动，作为加热器的稳定性优异。
以下，示出了分别对基于本发明的氧化钛皮膜、以及以往用作加热器的钨皮膜的体积电阻率进行测定所得的实验结果。
作为试样A，制作通过热喷涂法形成含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的氧化钛皮膜的样品。首先，以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度300μm的Al2O3皮膜。接着，以Ti粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3皮膜上形成厚度150μm的含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜(详细组成如下表1所示)。最后，以Y2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在含有该TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜上形成厚度300μm的Y2O3皮膜。
作为试样B，制作通过热喷涂法形成钨皮膜的样品。首先，以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度300μm的Al2O3皮膜。接着，以钨粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3皮膜上形成厚度150μm的钨皮膜。最后，以Y2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在钨皮膜上形成厚度300μm的Y2O3皮膜。
对于试样A，如下反复进行从室温到300℃的升温和冷却，使用四端子法(four-terminal method)测定升温时各温度下的体积电阻率(Ω·cm)。测定结果示于图3。
第一次：从室温升温至300℃保持3小时。然后放置至室温。
第二次：从室温升温至300℃保持3小时。然后放置至室温。
第三次：从室温升温至300℃保持3小时。然后放置至室温。
第四次：从室温升温至300℃保持3小时。然后放置至室温。
第五次：从室温升温至300℃保持18小时。然后放置至室温。
第六次：从室温升温至300℃保持70小时。然后放置至室温。
对于试样B，如下反复进行从室温到300℃的升温和冷却，使用四端子法测定升温时各温度下的体积电阻率(Ω·cm)。测定结果示于图4。
第一次：从室温升温至300℃保持3小时。然后放置至室温。
第二次：从室温升温至300℃保持7小时。然后放置至室温。
第三次：从室温升温至300℃保持20小时。然后放置至室温。
第四次：从室温升温至300℃保持70小时。然后放置至室温。
如图4所示，试样B中薄膜加热器部13的体积电阻率随着温度上升而增加，而若停止升温并放置至室温，则体积电阻率恢复至接近加热前的初始状态的值。然而，加热前室温下的体积电阻率与加热后室温下的体积电阻率不一致，显示出增加的趋势。另外，该趋势随着升温次数的增加而更加显著，初始状态下室温下的体积电阻率与经过4度的升温过程再冷却后的室温下的体积电阻率相比，观察到体积电阻率的变化为0.5×10-4(Ω·cm)左右。另外，如图4所示，不仅是初始值(室温时)，而且升温后(例如300℃时)也可观察到这种体积电阻率的增加趋势，确认在任何温度状态下体积电阻率均增加。进而，还确认这种体积电阻率的变化在薄膜加热器部13上覆盖有陶瓷绝缘层14的情况下也会发生。
另一方面，如图3所示，在试样A中薄膜加热器部13的体积电阻率随着温度的上升而减少，如果停止加热、放置至室温，则体积电阻率恢复至与加热前的初始状态几乎相同的值。另外，在试样A中，即使在高温下保持一段时间后，室温时的体积电阻率也几乎未观察到变化，即使反复进行同样的升温和高温保持，也仍然未观察到变化。另外，对于试样A，与试样B的体积电阻率的变化量相比，温度上升时的体积电阻率的变化量本身也较小。
由上可知，确认通过使用基于本发明的含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜作为薄膜加热器部，在室温、升温时均可获得体积电阻率的变化少、稳定的发热部件。
接着，为了进一步比较，作为试样C，制作通过热喷涂法形成TiO2皮膜的样品。首先，以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度300μm的Al2O3皮膜。接着，以TiO2粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3皮膜上形成厚度150μm的TiO2皮膜。最后，以Y2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在TiO2皮膜上形成厚度300μm的Y2O3皮膜。另外，作为试样D，准备厚度150μm的Ti块基材(bulk substrate)。
将试样C和试样D的各薄膜加热器部13升温至300℃，然后直接在该温度下保持100小时。
另外，为了研究各试样A～D中加热前、以及300℃下加热100小时后的薄膜加热器部的组成，使用X射线衍射仪进行成分分析。表1和表2中示出各热喷涂皮膜在刚热喷涂后室温下的组成、以及300℃下热处理100小时后的组成。另外，为了评价作为加热器的适合性，对于试样C和试样D也使用四端子法测定了300℃下加热100小时后的薄膜加热器部的体积电阻率(Ω·cm)。如表1和表2所示，确认了热喷涂钛粉末得到的热喷涂皮膜(试样A)，即使反复进行高温保持成分百分比也在TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的范围内，与此相对，热喷涂钨粉末得到的热喷涂皮膜(试样B)，反复进行高温保持会生成氧化钨(W3O8)。认为该氧化钨(W3O8)会影响体积电阻率的变动。
[表1]
[表2]
由上可知，通过用含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜形成发热部件11中形成在基材部12上的薄膜加热器部13，可以具有适合用作加热器的体积电阻率、并且即使反复高温保持体积电阻率也难变化。
作为本发明的其他实施例，进一步准备以下试样E～H。
试样E：以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度450μm的Al2O3皮膜。接着，将从热喷涂喷嘴到基材部的距离设定为135mm，以Ti粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3皮膜上形成厚度150μm的含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜。
试样F：以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度450μm的Al2O3皮膜。接着，将从热喷涂喷嘴到基材部的距离设定为220mm，以Ti粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3皮膜上形成厚度150μm的含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜。
试样G：以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度450μm的Al2O3皮膜。接着，将从热喷涂喷嘴到基材部的距离设定为360mm，以Ti粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3膜上形成厚度150μm的含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜。
试样H：以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度450μm的Al2O3皮膜。接着，将从热喷涂喷嘴到基材部的距离设定为500mm，以Ti粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3皮膜上形成厚度150μm的含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜。
各试样E～H的薄膜加热器部由X射线衍射仪进行成分分析的结果、以及在热喷涂后室温状态下使用四端子法得到的体积电阻率(Ω·cm)的测定结果示于表3和图5中。
如表3和图5所示，可知即使是相同的Ti粉末材料，也存在热喷涂距离越大，TixOy(其中满足1.5≤y/x<2.0)或TiO2相对于整个热喷涂皮膜的比例增加得越多、体积电阻率也增加得越多的趋势。
[表3]
作为本发明的其他实施例，进一步准备以下试样I～K。
试样I：以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度450μm的Al2O3皮膜。接着，以Ti和TiO2的混合粉末(Ti/TiO2＝75/25(质量比))为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3皮膜上形成厚度150μm的含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜。
试样J：以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度450μm的Al2O3皮膜。接着，以Ti和TiO2的混合粉末(Ti/TiO2＝50/50(质量比))为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3皮膜上形成厚度150μm的含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜。
试样K：以Al2O3粉末为原料，通过大气等离子体热喷涂法在铝基材上形成厚度450μm的Al2O3皮膜。接着，以Ti和TiO2的混合粉末(Ti/TiO2＝25/75(质量比))为原料，通过大气等离子体热喷涂法在Al2O3皮膜上形成厚度150μm的含有TixOy(其中，满足0<y/x<2.0)的热喷涂皮膜。
各试样I～K的薄膜加热器部由X射线衍射仪进行成分分析的结果、以及在热喷涂后室温状态下使用四端子法得到的体积电阻率(Ω·cm)的测定结果示于表4和图6中。
如表4和图6所示，可知即使是相同的热喷涂距离，也存在随着TiO2粉末相对于Ti粉末的混合比例增加，TixOy(其中满足1.5≤y/x<2.0)或TiO2相对于整个热喷涂皮膜的比例增加、体积电阻率也增加的趋势。应予说明，在试样K中，混合粉末中TiO2粉末的含量大于Ti粉末的含量，但在成为热喷涂皮膜的时刻TiO2的比例减少。考虑其原因是，在进行大气等离子体热喷涂时TiO2的还原。由此，除了热喷涂材料以外，还可以通过热喷涂方法的种类来调整所形成的热喷涂皮膜的成分。
[表4]
薄膜加热器部13设计成为了调整加热对象的温度而根据所需的输出决定厚度t、线宽s、长度、以及体积电阻率以落入规定的电阻值。用作加热器的体积电阻率的大小的标准是1.0×10-4～1.0×10-2(Ω·cm)。然而，实际上由于形成薄膜加热器部13时存在偏差，因此有时达不到所设计的电阻值。特别地，厚度t和线宽s很重要，在厚度t或线宽s局部增大的情况下，该部分的电阻值下降而难以发热，导致一部分加热对象产生低温部分。
在此情况下，可以在形成薄膜加热器部13之后，检测电阻值减低的部分，刮去薄膜加热器部13的一部分以修正厚度t和线宽s，使得电阻值落入规定范围内。即，薄膜加热器部13的厚度t和线宽s可以不一样，可以局部存在切口部分。另外，作为提高温度均匀性的其他方法，可以在薄膜加热器部13上设置热扩散板以降低温度不均。
本发明的发热部件可以适用于例如电子元件等用于研究高温特性的装置、后述等离子体处理装置中的温度控制部件等。
实施方式2
图7是采用了本发明的一实施方式涉及的发热部件的等离子体处理装置的剖面示意图。如图7所示，在等离子体处理装置的真空室20内设置有用于保持晶片27的静电吸盘25，晶片27通过未图示的传送臂等出入真空室20的内外。在真空室20中，设置有气体引入装置22、上部电极28等。静电吸盘25内置有下部电极，该下部电极和上部电极28与高频电源29连接。如果在下部电极与上部电极28之间施加高频，则引入的处理气体转化成等离子体，所生成的等离子体的离子进入晶片27，从而进行蚀刻，此时晶片27的温度上升。在晶片27的周围配置有聚焦环26，使得即使在晶片27的外缘部分附近蚀刻的效果也不会降低。在晶片27的下方设置有用于保持晶片27的温度恒定的第一薄膜加热器部23a。在聚焦环26的下方设置有用于保持聚焦环26的温度恒定的第二薄膜加热器部23b。
图8是图7中静电吸盘25的放大剖面示意图。静电吸盘25包括：保持晶片27和聚焦环26的基座部32、形成在该基座部32的表面上的第一绝缘层33、形成在第一绝缘层33的表面上的第一薄膜加热器部23a和第二薄膜加热器部23b、覆盖这些第一和第二薄膜加热器部23a、23b形成在第一绝缘层33的表面上的第二绝缘层35、形成在第二绝缘层35的表面上的电极部36、以及覆盖电极部36形成于最外层的介电层37。即，在本实施方式的静电吸盘25中，设置有上述第一和第二薄膜加热器部23a、23b，这些部件以基座部32和第一绝缘层33为基材部构成本发明的一实施方式涉及的发热部件。
静电吸盘25的侧面覆盖有由通过热喷涂形成的Al2O3皮膜构成的被覆层38，使得等离子体不会影响到静电吸盘25的内部。
静电吸盘25形成有在上下方向上贯通的气孔39，该气孔39与形成在介电层37的表面上的未图示的冷却槽相连。例如氦气通过气孔39而被引入晶片27与静电吸盘25之间。由于真空室20内为减压状态，因此从晶片2至静电吸盘25的导热性低。通过将气体引入晶片27与静电吸盘25之间，热量从晶片27传导至静电吸盘25，由此确保晶片27的冷却效果。
第一和第二薄膜加热器部23a、23b经通电而发热。第一和第二薄膜加热器部23a、23b通过与实施方式1所示的薄膜加热器部13相同的方法形成，具有同样的组成。用于向第一薄膜加热器部23a输送电力的第一供电销(power supplying pin)40贯穿基座部32和第一绝缘层33，电连接至第一薄膜加热器部23a，调节对第一薄膜加热器部23a的输出。另外，用于向第二薄膜加热器部23b输送电力的第二供电销41贯穿基座部32和第一绝缘层33，电连接至第二薄膜加热器部23b，调节对第二薄膜加热器部23b的输出。进而，用于向电极部36输送电力的第三供电销43贯穿基座部32、第一绝缘层33和第二绝缘层35，电连接至电极部36，调节对电极部36施加的电压。在基座部32中形成有供制冷剂通过的冷却通路42，利用通过冷却通路42的制冷剂将基座部32冷却。
构成基座部32的材料没有限制，例如可以使用铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢等金属、AlN、SiC等陶瓷、这些金属或陶瓷的复合材料等。在基座部32的冷却通路42中流动的制冷剂的温度为-20～200℃。该制冷剂的温度根据冷却晶片27和聚焦环26的速度、以及第一和第二薄膜加热器部23a、23b的加热能力来调整。
形成在基座部32的表面上的第一绝缘层33由通过热喷涂形成的Al2O3皮膜构成，将基座部32与第一薄膜加热器部23a之间、以及基座部32与第二薄膜加热器部23b之间绝缘。覆盖第一和第二薄膜加热器部23a、23b形成在第一绝缘层33的表面上的第二绝缘层35由通过热喷涂形成的Al2O3皮膜构成，将第一薄膜加热器部23a与电极部36之间绝缘。第一绝缘层33的厚度和第二绝缘层35的厚度均为50～400μm。通过改变第一绝缘层33和第二绝缘层35的厚度和材料，可以控制第一绝缘层33和第二绝缘层35的除热效率。
如果使第一绝缘层33的厚度和第二绝缘层35的厚度变薄、使用导热系数高的材料，则可以提高除热效率。如果除热效率提高，则晶片27和聚焦环26的冷却速度上升。另一方面，通过使第一绝缘层33的厚度变薄，基座部32容易夺走第一和第二薄膜加热器部23a、23b的热量，因此需要提高第一和第二薄膜加热器部23a、23b的输出。如果使第一绝缘层33的厚度和第二绝缘层35的厚度变厚、使用导热系数低的材料，则可以降低除热效率。具有低导热系数的代表性材料为PSZ(部分稳定氧化锆)。如果降低除热效率，则晶片27和聚焦环26的冷却速度下降。另一方面，通过增大第一绝缘层33的厚度、或者降低材料的导热系数，基座部32难以夺走第一和第二薄膜加热器部23a、23b的热量，因此无需提高第一和第二薄膜加热器部23a、23b的输出。在例如晶片27和聚焦环26的冷却速度过大的情况下，只要增大第一绝缘层33的厚度和第二绝缘层35的厚度，降低材料的导热系数即可，在此情况下，可以降低第一和第二薄膜加热器部23a、23b的最大输出。
形成在第二绝缘层35的表面上的电极部36由通过热喷涂形成的钨皮膜构成。通过向电极部36施加电压，晶片27被吸附在静电吸盘25上。覆盖电极部36形成在第二绝缘层35的表面上的介电层37由通过热喷涂形成的Al2O3皮膜构成。电极部36的厚度为30～100μm，介电层37的厚度为50～400μm。
构成第一绝缘层33、第二绝缘层35、以及介电层37的Al2O3皮膜分别以Al2O3粉末为原料通过大气等离子体热喷涂法形成在基座部32、第一绝缘层33、第二绝缘层35的表面上。构成电极部36的钨皮膜以钨粉末为原料通过大气等离子体热喷涂法形成在第二绝缘层35的表面上。用于获得Al2O3皮膜和钨皮膜的热喷涂方法并不限于大气等离子体热喷涂法，还可以是减压等离子体热喷涂法、水等离子体热喷涂法、或者高速或低速火焰热喷涂法。
优选采用粒径5～80μm的粒度范围的热喷涂粉末。其原因是，如果粒径过小，则粉末的流动性下降而无法稳定地供应，皮膜的厚度容易变得不均匀，另一方面，如果粒径过大，则在未完全熔融的状态下成膜，过度多孔化而使膜质变得粗糙。
构成第一绝缘层33、第一或第二薄膜加热器部23a、23b、第二绝缘层35、电极部36、以及介电层37的各热喷涂皮膜的厚度总和适宜为200～1500μm的范围，更优选为300～1000μm的范围。如果厚度小于200μm，则该热喷涂皮膜的均匀性降低，无法充分发挥皮膜功能，如果大于1500μm，则该热喷涂皮膜内残留应力的影响增大，变得容易破裂。
上述各热喷涂皮膜为多孔体，其平均孔隙率适宜为1～10％的范围。平均孔隙率可以根据热喷涂方法、热喷涂条件进行调整。如果孔隙率小于1％，则各热喷涂皮膜内存在的残留应力的影响增大，有可能变得容易破裂。如果孔隙率大于10％，则半导体制造工艺中使用的各种气体容易侵入各热喷涂皮膜内，耐久性有可能下降。
在上述例中，采用Al2O3作为构成第一绝缘层33、第二绝缘层35、介电层37、以及被覆层38的各热喷涂皮膜的材料，但也可以是其他氧化物系陶瓷、氮化物系陶瓷、氟化物系陶瓷、碳化物系陶瓷、硼化物系陶瓷、或者含有它们的化合物或混合物。其中，氧化物系陶瓷、氮化物系陶瓷、氟化物系陶瓷、或者含有它们的化合物较合适。
氧化物系陶瓷在用于等离子体蚀刻工艺的O型等离子体中稳定，即使在Cl型等离子体中也显示出比较良好的耐等离子体性。氮化物系陶瓷具有高硬度，因此与晶片的摩擦产生的损伤少，不易产生磨损粉末等。另外，由于导热率较高，因此容易控制处理中的晶片的温度。氟化物系陶瓷在F型等离子体中稳定，可以发挥优异的耐等离子体性。
作为Al2O3以外的氧化物系陶瓷的具体例，可列举出TiO2、SiO2、Cr2O3、ZrO2、Y2O3、MgO、CaO。作为氮化物系陶瓷，可列举出TiN、TaN、AlN、BN、Si3N4、HfN、NbN、YN、ZrN、Mg3N2、Ca3N2。作为氟化物系陶瓷，可列举出LiF、CaF2、BaF2、YF3、AlF3、ZrF4、MgF2。作为碳化物系陶瓷，可列举出TiC、WC、TaC、B4C、SiC、HfC、ZrC、VC、Cr3C2。作为硼化物系陶瓷，可列举出TiB2、ZrB2、HfB2、VB2、TaB2、NbB2、W2B5、CrB2、LaB6。
对于第一绝缘层33和第二绝缘层35，在上述材料中兼顾所需导热性和绝缘性的材料特别适合，对于介电层37，在上述材料中兼顾导热性(介电层的导热率较高为好)、介电性能、耐等离子体性、以及耐磨性的材料特别适合。
图9和图10分别是表示位于晶片27下方的第一薄膜加热器部23a的图案例的平面示意图。
图9所示的第一薄膜加热器部23a形成在基座部32上，根据载置于第一薄膜加热器部23a上方的晶片27的形状，第一薄膜加热器部23a形成为伪圆形(pseudo circularshape)。更具体而言，第一薄膜加热器部23a形成为近似同心圆状。第一薄膜加热器部23a从位于圆形基座部32的外缘附近的一个端部朝着圆的相对侧的点画弧延伸，从该相对侧的点向中心侧弯折返回，同样画弧延伸至出发点附近。然后，再次从出发点附近向中心侧弯折返回，多次重复此过程，延伸逐渐靠近圆的中心。当到达圆的中心时，接下来从圆的中心朝着外缘侧左右对称地多次画弧延伸，经过多次弯折，到达位于基座部的外缘附近的另一个端部。由此，通过将第一薄膜加热器部23a描绘成近似同心圆状，能够利用一条线形成可将面内均匀加热的圆形伪表面。
第一薄膜加热器部23a以1～20mm的线宽s布线成细长状。第一薄膜加热器部23a的线宽s优选为20mm以下，更优选为5mm以下。第二绝缘层35与第一薄膜加热器部23a的密合力小于第二绝缘层35与第一绝缘层33的密合力，因此如果第一薄膜加热器部23a的线宽s大于20mm、第一绝缘层33的露出范围减少，则第一薄膜加热器部23a上的第二绝缘层35有可能剥落。另一方面，如果线宽s小于1mm，则发生断线的可能性提高。因此，第一薄膜加热器部23a的线宽s优选为1mm以上、更优选为2mm以上。
第一薄膜加热器部23a的线间距离d优选为0.5mm以上、更优选为1mm以上。这是因为如果第一薄膜加热器部23a的线间距离d过小则会造成短路。另外，由于第二绝缘层35与第一薄膜加热器部23a的密合力小于第二绝缘层35与第一绝缘层33的密合力，因此如果第一薄膜加热器部23a的线间距离d小、第一绝缘层33的露出范围减少，则第一薄膜加热器部23a上的第二绝缘层35有可能剥落。另一方面，如果线间距离d过宽，则利用第一薄膜加热器部23a进行加热的面积减少，有可能损害温度分布的均匀性。因此，第一薄膜加热器部23a的线间距离d优选为50mm以下、更优选为5mm以下。
如图10所示，第一薄膜加热器部23a可以由内侧加热器部23d以及位于其外侧的外侧加热器部23f构成。如果将内侧加热器部23d和外侧加热器部23f这两个部件分开，则可以通过分别独立控制，使静电吸盘25的内侧区域和外侧区域升温至互不相同的温度。内侧加热器部23d和外侧加热器部23f的线宽s和线间距离d可以与图9所示之例相同，也可以在内侧加热器部23d与外侧加热器部23f之间采用不同的设计。
由此，构成第一薄膜加热器部23a的部件数量没有限制，可以根据所加热的区域，如图9所示由一个部件构成，也可以如图10所示由两个部件构成，或者还可以由三个以上的部件构成。
图11是表示位于聚焦环26下方的第二薄膜加热器部23b的图案的平面示意图。如图11所示，第二薄膜加热器部23b形成在基座部32上，根据载置于第二薄膜加热器部23b上方的聚焦环26的形状形成为伪环形(pseudo annular shape)。更具体而言，第二薄膜加热器部23b形成为近似同心圆状。第二薄膜加热器部23b从位于圆形基座部32的外缘附近的一个端部朝着圆的相对侧的点画弧延伸，从该相对侧的点向中心侧弯折返回，延伸至原来的出发点附近。然后，再次从出发点附近向中心侧弯折返回，多次重复此过程形成半个环形。之后，对于剩下的半个环形，左右对称地画弧延伸，经过多次弯折，到达位于基座部的外缘附近的另一个端部。由此，通过将第二薄膜加热器部23b描绘成近似同心圆状，能够利用一条线形成可将面内均匀加热的环形伪表面。
由于与第一薄膜加热器部23a同样的原因，第二薄膜加热器部23b的线宽s优选为20mm以下、更优选为10mm以下。另外，第二薄膜加热器部23b的线宽s优选为1mm以上、更优选为2mm以上。
由于与第一薄膜加热器部23a同样的原因，第二薄膜加热器部23b的线间距离d优选为0.5mm以上、更优选为1mm以上。第二薄膜加热器部23b的线间距离d优选为50mm以下、更优选为5mm以下。
与第一薄膜加热器部23a同样，构成第二薄膜加热器部23b的部件数量没有限制，可以根据所加热的区域，如图11所示由一个部件构成，也可以由两个以上的部件构成。
在形成第一薄膜加热器部23a和第二薄膜加热器部23b之前，可以预先使向第一薄膜加热器部23a输送电力的第一供电销40和向第二薄膜加热器部23b输送电力的第二供电销41贯通基座部32和第一绝缘层33，并使第一供电销40的上端面和第二供电销41的上端面露出第一绝缘层33的表面。然后，通过热喷涂在第一绝缘层33上形成第一薄膜加热器部23a和第二薄膜加热器部23b，由此第一供电销40与第一薄膜加热器部23a电连接，第二供电销41与第二薄膜加热器部23b电连接。与电极部36的情况相同，预先使向电极部36输送电力的第三供电销43贯通基座部32、第一绝缘层33、以及第二绝缘层35，并使第三供电销43的上端面露出第二绝缘层35的表面。然后，通过热喷涂在第二绝缘层35的表面上形成电极部36，由此第三供电销43与电极部36电连接。
为了调整对第一薄膜加热器部23a和第二薄膜加热器部23b的输出，使用晶闸管或逆变器等，为了得到所需的升温状态，对第一和第二薄膜加热器部23a、23b输出例如100kW/m2左右的电力。通过在静电吸盘25内的所需部位内置温度传感器，检测各部位的温度，或者以非接触方式检测晶片27或聚焦环26的温度，可以对第一薄膜加热器部23a和第二薄膜加热器部23b进行反馈控制。
上述实施方式仅为示例，而非限制性的。例如，可以将电极部36的位置与第一薄膜加热器部23a和第二薄膜加热器部23b互换。另外，可以将第一薄膜加热器部23a和第二薄膜加热器部23b与电极部36形成在同一层上。绝缘层、电极部、供电销、气孔、以及冷却通路的形态可以根据半导体制造工艺适当改变。可以对晶片所接触的介电层的表面进行压印(emboss)以控制吸附性。由静电吸盘保持的对象可以是任何物体，除了晶片以外，还可以列举出平板显示器的玻璃基板等。
Claims (7)
1.一种发热部件，其特征在于，所述发热部件包括基材部、以及形成在该基材部上的薄膜加热器部，所述薄膜加热器部包括含有TixOy的热喷涂皮膜，其中，满足0<y/x<2.0。
2.根据权利要求1所述的发热部件，其特征在于，所述热喷涂皮膜含有Tix1Oy1和Tix2Oy2，其中，满足0<y1/x1<1.5，1.5≤y2/x2≤2.0。
3.根据权利要求2所述的发热部件，其特征在于，在所述热喷涂皮膜中，Tix1Oy1的总质量比大于Tix2Oy2的总质量比，其中，满足0<y1/x1<1.5，1.5≤y2/x2≤2.0。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的发热部件，其特征在于，所述薄膜加热器部的宽度为1～20mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的发热部件，其特征在于，所述薄膜加热器部的厚度为30～1000μm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的发热部件，其特征在于，所述薄膜加热器部的线间距离为0.5～50mm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发热部件，其特征在于，在所述薄膜加热器部上具有陶瓷绝缘层。
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