CN113170536B - 陶瓷加热器及其制法 - Google Patents
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Abstract
陶瓷加热器(10)具备陶瓷板(20)。陶瓷板(20)具有晶片载置面(20a)，包含碳成分作为杂质，被分为内周侧区域(Z1)和外周侧区域(Z2)。在内周侧区域(Z1)设置有高熔点金属制的内周侧电阻发热体(22)。在外周侧区域(Z2)设置有至少表面为金属碳化物制的外周侧电阻发热体(24)。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷加热器及其制法。
背景技术
在半导体制造装置中，采用用于对晶片进行加热的陶瓷加热器。作为这样的陶瓷加热器，已知所谓的双区加热器。作为这种双区加热器，已知如专利文献1所公开的那样，在陶瓷基体中，将内周侧电阻发热体和外周侧电阻发热体埋设于同一平面，对各电阻发热体分别独立地施加电压，由此独立地控制来自各电阻发热体的发热。各电阻发热体由钨等高熔点金属形成的线圈构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3897563号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在专利文献1中，存在在外周部容易产生温度不均这样的问题。对该问题的产生原因进行了研究，结果可知，外周侧电阻发热体局部碳化是原因之一。即，在陶瓷烧成时，外周部受到烧成炉的温度不均的影响大，从而陶瓷加热器中的外周部容易成为高温，但埋设于该外周部的线圈与陶瓷基体所含的碳反应而局部地变为金属碳化物。进而，在利用热压炉将板重叠来进行烧成的情况下，在板的外周存在碳制的夹具、模具。由于该碳从板的外周侵入，从而在板的外周碳浓度变高。因此，存在于板的外周的线圈容易碳化。金属碳化物与碳化前的金属相比，体积电阻率不同。因此，在对外周侧电阻发热体通电时，在成为金属碳化物的部分和不成为金属碳化物的部分，发热量产生差异，其结果，在外周部产生温度不均。
本发明是为了解决这样的课题而完成的，其主要目的在于抑制在外周部产生温度不均。
用于解决课题的方法
本发明的陶瓷加热器具备：
陶瓷板，其具有晶片载置面，且具备圆形的内周侧区域和环状的外周侧区域；
高熔点金属制的内周侧电阻发热体，其设置于所述内周侧区域；以及
至少表面为金属碳化物制的外周侧电阻发热体，其设置于所述外周侧区域。
在该陶瓷加热器中，陶瓷板含有碳成分作为杂质。该陶瓷加热器中的外周部容易成为高温，进而随着碳从外周的侵入，碳浓度变高。因此，设置于外周侧区域的外周侧电阻发热体容易与陶瓷板中所含的碳成分反应而碳化，但在本发明中，外周侧电阻发热体的至少表面为金属碳化物(外周侧电阻发热体的整体可以为金属碳化物)，因此不会进一步碳化。即，在外周侧电阻发热体中，不会产生发热量不同的部分。因此，能够抑制在外周部产生温度不均。需要说明的是，之所以将内周侧电阻发热体用高熔点金属制作而不用金属碳化物制作，是因为金属碳化物(例如Mo、W的碳化物)会变得非常硬，难以进行埋设内周侧电阻发热体时的配置作业、从线材制作内周侧电阻发热体的形状(例如线圈形状)的作业。
在本发明的陶瓷加热器中，也可以是，所述内周侧电阻发热体和所述外周侧电阻发热体分别与不同的电源连接。这样，能够分别对陶瓷加热器的内周侧区域和外周侧区域进行温度控制。
在本发明的陶瓷加热器中，也可以是，所述内周侧电阻发热体和所述外周侧电阻发热体串联连接而与同一个电源连接。这样，能够利用共用的电源对陶瓷加热器的内周侧区域和外周侧区域进行温度控制。
在本发明的陶瓷加热器中，所述高熔点金属优选为选自由钨、钼及它们的合金组成的组中的至少一种，所述金属碳化物为高熔点金属的碳化物(例如碳化钨或碳化钼)。
在本发明的陶瓷加热器中，也可以是，所述外周侧电阻发热体中的至少位于所述外周侧区域的最外周部的部分为金属碳化物。外周侧区域的最外周部在外周侧区域中最容易成为高温。因此，用金属碳化物制作位于外周侧电阻发热体中的最外周部的部分的意义大。
在本发明的陶瓷加热器中，所述外周侧电阻发热体优选为二维形状。作为二维形状，例如可举出带(平坦且细长的形状)、网状物等。金属碳化物有时加工性不好，有时难以成形为三维形状(例如线圈)，但如果是二维形状，则能够通过印刷而容易地制作。
在本发明的陶瓷加热器中，所述内周侧电阻发热体可以不在表面具有所述高熔点金属的碳化物的薄膜，但也可以具有这样的薄膜。该薄膜的厚度优选为不会对高熔点金属制的电阻发热体的特性造成影响的程度的厚度(例如数μm)。
本发明的陶瓷加热器的制法包括烧成工序，在该烧成工序中，对于在内周侧区域埋设有内周侧电阻发热体且在外周侧区域埋设有外周侧电阻发热体的烧成前的陶瓷前体，在非活性气氛中，在烧成中使用的夹具、模具和烧成炉的至少一者为碳制的条件下进行烧成而制造陶瓷板，
所述陶瓷加热器的制法包括：
前处理工序，在将所述外周侧电阻发热体埋设于所述陶瓷前体之前，准备高熔点金属制的电阻发热体，进行将所述高熔点金属制的电阻发热体的至少表面碳化的处理，由此制作所述外周侧电阻发热体，将其埋设于所述陶瓷前体。
根据该陶瓷加热器的制法，在烧成工序中，虽然在气氛中含有碳，但由于外周侧电阻发热体的至少表面被碳化，因此外周侧电阻发热体不会进一步碳化。
在本发明的陶瓷加热器的制法中，在所述前处理工序中，也可以将所述高熔点金属制的电阻发热体的整体碳化。
附图说明
图1是陶瓷加热器10的立体图。
图2是陶瓷加热器10的纵剖视图。
图3是将陶瓷板20沿着电阻发热体22、24水平地切断并从上方观察时的剖视图。
图4是陶瓷加热器10的制造工序图。
图5是将陶瓷板120沿着电阻发热体22、24水平地切断并从上方观察时的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1是陶瓷加热器10的立体图，图2是陶瓷加热器10的纵剖视图(将陶瓷加热器10用包含中心轴的面切断时的剖视图)，图3是将陶瓷板20沿着电阻发热体22、24水平地切断并从上方观察时的剖视图。图3表示实质上从晶片载置面20a观察陶瓷板20时的情况。需要说明的是，在图3中，省略了表示切断面的剖面线。
陶瓷加热器10用于对要实施蚀刻、CVD等处理的晶片进行加热，设置在未图示的真空腔内。该陶瓷加热器10具备：具有晶片载置面20a的圆盘状的陶瓷板20；以及筒状轴40，其以成为与陶瓷板20同轴的方式接合于陶瓷板20的与晶片载置面20a相反侧的面(背面)20b。
陶瓷板20是由以氮化铝、氧化铝等为代表的陶瓷材料形成的圆盘状的板。陶瓷板20的直径例如为300mm左右。陶瓷板20含有碳成分作为杂质。陶瓷板20中含有碳成分的原因是因为在对陶瓷板20进行烧成时使用碳制的夹具、模具或者使用碳制的烧成炉。在陶瓷板20的晶片载置面20a，通过模压加工而设置有未图示的细微的凹凸。陶瓷板20通过与陶瓷板20为同心圆的假想边界20c(参照图3)分为小圆形的内周侧区域Z1和圆环状的外周侧区域Z2。假想边界20c的直径例如为200mm左右。在陶瓷板20的内周侧区域Z1埋设有内周侧电阻发热体22，在外周侧区域Z2埋设有外周侧电阻发热体24。两个电阻发热体22、24设置在与晶片载置面20a平行的同一平面上。
如图3所示，陶瓷板20具备多个气孔26。气孔26从陶瓷板20的背面20b贯通至晶片载置面20a，向在设置于晶片载置面20a的凹凸与载置于晶片载置面20a的晶片W之间产生的间隙供给气体。供给到该间隙的气体起到使晶片载置面20a与晶片W的热传导良好的作用。此外，陶瓷板20具备多个顶针孔28。顶针孔28从陶瓷板20的背面20b贯通至晶片载置面20a，用于插通未图示的顶针。顶针起到将载置于晶片载置面20a的晶片W顶起的作用。在本实施方式中，顶针孔28在同一圆周上等间隔地设置有3个。
如图3所示，内周侧电阻发热体22形成为：从配设于陶瓷板20的中央部(陶瓷板20的背面20b中的由筒状轴40包围的区域)的一对端子22a、22b中的一方出发，按一笔画的要领在多个折回部折回并在内周侧区域Z1的大致整个区域布线之后，到达一对端子22a、22b中的另一方。内周侧电阻发热体22是在表面不具有碳化物的薄膜的高熔点金属制的线圈。作为高熔点金属，例如可举出钨、钼及它们的合金。若列举20℃时的体积电阻率的一例，则钨为5.5×106[Ω·m]，钼为5.2×108[Ω·m]。
如图3所示，外周侧电阻发热体24形成为：从配设于陶瓷板20的中央部的一对端子24a、24b中的一方出发，按一笔画的要领在多个折回部折回并在外周侧区域Z2的大致整个区域布线之后，到达一对端子24a、24b中的另一方。外周侧电阻发热体24是金属碳化物的带(平坦且细长的形状)。外周侧电阻发热体24例如能够通过印刷金属碳化物的糊剂而制作。作为金属碳化物，例如可举出碳化钨、碳化钼等。关于20℃时的体积电阻率，碳化钨(WC)为53×106[Ω·m]，碳化钼(Mo2C)为1.4×106[Ω·m]。例如，在想要增加外周侧区域Z2的发热量的情况下，可以用高电阻的碳化钨制作外周侧电阻发热体24，在想要减少外周侧区域Z2的发热量的情况下，可以用低电阻的碳化钼制作外周侧电阻发热体24。
内周侧电阻发热体22中使用的高熔点金属、外周侧电阻发热体24中使用的金属碳化物优选选择与陶瓷板20的热膨胀系数接近的金属碳化物。例如，在陶瓷板20为氮化铝制的情况下，高熔点金属优选为钼或钨，金属碳化物优选为碳化钼或碳化钨。在陶瓷板20为氧化铝制的情况下，高熔点金属优选为钼合金，金属碳化物优选为碳化钼合金。各电阻发热体22、24以绕过气孔26、顶针孔28的方式设置。之所以将内周侧电阻发热体22用高熔点金属制作而不用金属碳化物制作，是因为金属碳化物(例如Mo、W的碳化物)会变得非常硬，难以进行埋设线圈状的加热器时的配置作业。
筒状轴40与陶瓷板20同样由氮化铝、氧化铝等陶瓷形成。筒状轴40的内径例如为40mm左右，外径例如为60mm左右。该筒状轴40的上端与陶瓷板20扩散接合。在筒状轴40的内部配置有：与内周侧电阻发热体22的一对端子22a、22b分别连接的供电棒42a、42b；与外周侧电阻发热体24的一对端子24a、24b分别连接的供电棒44a、44b。供电棒42a、42b与第一电源32连接，供电棒44a、44b与第二电源34连接。因此，能够对被内周侧电阻发热体22加热的内周侧区域Z1和被外周侧电阻发热体24加热的外周侧区域Z2分别进行温度控制。需要说明的是，虽未图示，但向气孔26供给气体的气体供给管、插通于顶针孔28的顶针也配置在筒状轴40的内部。
接着，对陶瓷加热器10的制造例进行说明。图4是陶瓷加热器10的制造工序图。首先，制作烧成前的陶瓷前体70。陶瓷前体70是由陶瓷材料形成的圆盘状的成形体。在陶瓷前体70的圆形的内周侧区域Za中埋设有内周侧电阻发热体72，在圆环状的外周侧区域Zb中埋设有外周侧电阻发热体74。内周侧电阻发热体72也可以使用高熔点金属制的电阻发热体。外周侧电阻发热体74也可以通过印刷金属碳化物的糊剂而制作。接着，将该陶瓷前体70在非活性气氛(例如Ar气氛、氮气气氛)中，在烧成中使用的夹具、模具和烧成炉的至少一者为碳制的条件下进行烧成，由此制造陶瓷板20。烧成温度例如为约1800℃。在烧成工序中，在炉内的气氛中存在碳，但由于外周侧电阻发热体74为金属碳化物制，因此不会进一步碳化。之后，在陶瓷板20形成气孔26、顶针孔28，将筒状轴40接合于陶瓷板20的背面，由此得到陶瓷加热器10。
接着，对陶瓷加热器10的使用例进行说明。首先，在未图示的真空腔内设置陶瓷加热器10，在该陶瓷加热器10的晶片载置面20a上载置晶片W。并且，通过第一电源32调整向内周侧电阻发热体22供给的电力，以使由未图示的内周侧热电偶检测出的内周侧区域Z1的温度成为预先确定的内周侧目标温度，并且通过第二电源34调整向外周侧电阻发热体24供给的电力，以使由未图示的外周侧热电偶检测出的外周侧区域Z2的温度成为预先确定的外周侧目标温度。由此，以晶片W的温度成为所希望的温度的方式进行控制。然后，将真空腔内设定为真空气氛或减压气氛，在真空腔内产生等离子体，利用该等离子体对晶片W实施CVD成膜或实施蚀刻。
在以上说明的本实施方式的陶瓷加热器10中，陶瓷板20含有碳成分作为杂质。该陶瓷加热器10中的外周部(例如从陶瓷板20的外周缘至距其约30mm为止的范围)容易成为高温，而且随着碳从外周的侵入，碳浓度变高。因此，设置于外周侧区域Z2的外周侧电阻发热体24容易与陶瓷板20所含的碳成分反应而碳化，但在本实施方式中，由于外周侧电阻发热体24为金属碳化物制，因此不会进一步碳化。即，在外周侧电阻发热体24中不会产生发热量不同的部分。因此，能够抑制在外周部产生温度不均。
另外，内周侧电阻发热体22和外周侧电阻发热体24分别与不同的电源(第一和第二电源32、34)连接。因此，能够分别对陶瓷加热器10的内周侧区域Z1和外周侧区域Z2进行温度控制。
进而，外周侧电阻发热体24为金属碳化物制，但金属碳化物有时加工性不好，有时难以成形为三维形状(例如线圈)。在本实施方式中，由于将外周侧电阻发热体24设为二维形状，因此能够通过印刷而容易地制作。
需要说明的是，不言而喻，本发明不受上述的实施方式的任何限定，只要属于本发明的技术范围，就能够以各种方式实施。
例如，在上述的实施方式中，将内周侧电阻发热体22和外周侧电阻发热体24分别连接于第一和第二电源32、34，但也可以如图5所示，将内周侧电阻发热体22和外周侧电阻发热体24在假想边界20c上的连接点23串联连接，将两个端子22a、22b与1个电源36连接。在图5中，对与上述的实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记。这样，能够利用共用的电源36对陶瓷加热器10的内周侧区域Z1和外周侧区域Z2进行温度控制。
在上述的实施方式中，用金属碳化物制作了外周侧电阻发热体24的整体，但也可以仅将表面用金属碳化物制作，内部用金属(例如高熔点金属)制作。
在上述的实施方式中，将内周侧电阻发热体22设为在表面不具有碳化物的薄膜的高熔点金属制的电阻发热体，但也可以设为在表面具有高熔点金属的碳化物的薄膜的高熔点金属制的电阻发热体。在该情况下，碳化物的薄膜的厚度优选为不对高熔点金属制的电阻发热体的特性造成影响的程度的厚度(例如数μm)。
在上述的实施方式中，将内周侧电阻发热体22设为线圈，将外周侧电阻发热体24设为带，但并不特别限定于此，可以采用任意的形状。例如，也可以将内周侧电阻发热体22设为带、网状物等二维形状。也可以将外周侧电阻发热体24形成为线圈那样的三维形状。但是，在金属碳化物中，存在例如碳化钨那样加工性困难的碳化物。在该情况下，优选设为带、网状物等二维形状而不是三维形状。这是因为，如果是二维形状，则能够通过印刷金属碳化物的糊剂而制作，因此金属碳化物的加工性不会成为问题。
在上述的实施方式中，也可以在陶瓷板20中内置静电电极。在该情况下，通过在将晶片W载置在晶片载置面20a上后对静电电极施加电压，从而能够将晶片W静电吸附在晶片载置面20a上。或者，也可以在陶瓷板20中内置RF电极。在该情况下，在晶片载置面20a的上方隔着空间配置未图示的喷头，向由喷头和RF电极构成的平行平板电极间供给高频电力。由此，能够产生等离子体，利用该等离子体对晶片W实施CVD成膜或实施蚀刻。需要说明的是，也可以将静电电极兼用作RF电极。
在上述的实施方式中，将外周侧区域Z2作为1个区域进行了说明，但也可以分割为多个小区域。在该情况下，电阻发热体在每个小区域中独立地布线。小区域可以通过用与陶瓷板20为同心圆的边界线分割外周侧区域Z2而形成为环状，也可以通过以从陶瓷板20的中心呈放射状延伸的线段分割外周侧区域Z2而形成为扇形(将圆锥台的侧面展开的形状)。可以利用金属碳化物制作在所有小区域中布线的电阻发热体，但只要利用金属碳化物制作至少在最外周的小区域(成为最高温的区域，例如从陶瓷板的外周缘至距其30mm为止的范围内)中布线的电阻发热体即可。
在上述的实施方式中，将内周侧区域Z1作为1个区域进行了说明，但也可以分割为多个小区域。在该情况下，电阻发热体在每个小区域中独立地布线。小区域可以通过与陶瓷板20为同心圆的边界线分割内周侧区域Z1而形成为环状和圆形状，也可以通过用从陶瓷板20的中心呈放射状延伸的线段分割内周侧区域Z1而形成为扇形(将圆锥的侧面展开的形状)。
在上述的实施方式的陶瓷加热器10的制造例中，外周侧电阻发热体74通过印刷金属碳化物的糊剂而制作，但也可以将至少表面为金属碳化物制的电阻发热体埋设于陶瓷前体70。在该情况下，在将外周侧电阻发热体74埋设于陶瓷前体70之前，准备高熔点金属制的电阻发热体，进行将该电阻发热体的至少表面(也可以是电阻发热体的整体)碳化的处理，由此制作外周侧电阻发热体74，将其埋设于陶瓷前体70。在该情况下，在烧成工序中，虽然在炉内存在碳，但由于外周侧电阻发热体74的表面被碳化，因此外周侧电阻发热体74不会进一步碳化。
在上述的实施方式的陶瓷加热器10的制造例中，埋设于陶瓷前体70的内周侧电阻发热体72也可以使用不具有碳化膜的高熔点金属制的电阻发热体。在该情况下，陶瓷前体70的内周侧区域Za与外周侧区域Zb相比难以成为高温，且碳浓度也难以变高。因此，即使在烧成工序中在内周侧电阻发热体72的表面形成碳化膜，该碳化膜的厚度也会成为不对高熔点金属制的内周侧电阻发热体72的特性造成影响的程度的厚度(例如数μm)。
本申请将在2019年1月25日申请的日本专利申请第2019-11299号作为优先权主张的基础，通过引用将其内容全部包含在本说明书中。
产业上的可利用性
本发明能够用于半导体制造装置。
符号说明
10：陶瓷加热器，20：陶瓷板，20a：晶片载置面，20b：背面，20c：假想边界，22、72：内周侧电阻发热体，22a、22b：端子，23：连接点，24、74：外周侧电阻发热体，24a、24b：端子，26：气孔，28：顶针孔，32：第一电源，34：第二电源，36：电源，40：筒状轴，42a、42b：供电棒，44a、44b：供电棒，70：陶瓷前体，120：陶瓷板，W：晶片，Z1、Za：内周侧区域，Z2、Zb：外周侧区域。
Claims (9)
1.一种陶瓷加热器，具备：
陶瓷板，其具有晶片载置面，且具备圆形的内周侧区域和环状的外周侧区域；
高熔点金属制的内周侧电阻发热体，其设置于所述内周侧区域；以及
至少表面为金属碳化物制的外周侧电阻发热体，其设置于所述外周侧区域。
2.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，所述内周侧电阻发热体和所述外周侧电阻发热体分别与不同的电源连接。
3.根据权利要求1所述的陶瓷加热器，所述内周侧电阻发热体和所述外周侧电阻发热体串联连接而与同一个电源连接。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的陶瓷加热器，所述高熔点金属是选自由钨、钼及它们的合金组成的组中的至少一种，
所述金属碳化物为碳化钨或碳化钼。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的陶瓷加热器，所述外周侧电阻发热体中的至少位于所述外周侧区域的最外周部的部分为金属碳化物。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的陶瓷加热器，所述外周侧电阻发热体为二维形状。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的陶瓷加热器，所述内周侧电阻发热体在表面具有所述高熔点金属的碳化物的薄膜。
8.一种陶瓷加热器的制法，其包括烧成工序，在所述烧成工序中，对于在内周侧区域埋设有内周侧电阻发热体且在外周侧区域埋设有外周侧电阻发热体的烧成前的陶瓷前体，在非活性气氛中，在烧成中使用的夹具、模具和烧成炉的至少一者为碳制的条件下进行烧成而制造陶瓷板，
所述陶瓷加热器的制法包括：
前处理工序，在将所述外周侧电阻发热体埋设于所述陶瓷前体之前，准备高熔点金属制的电阻发热体，进行将所述高熔点金属制的电阻发热体的至少表面碳化的处理，由此制作所述外周侧电阻发热体，将其埋设于所述陶瓷前体。
9.根据权利要求8所述的陶瓷加热器的制法，在所述前处理工序中，将所述高熔点金属制的电阻发热体的整体碳化。
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