JP2001217059A - 加熱装置 - Google Patents
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Abstract
囲で加熱面における温度差の増加やヒートスポットの発
生を防止できるようにする。 【解決手段】加熱装置1は、加熱面2Aを有するセラミ
ックス製の基体2と、基体2内に埋設されている複数体
の抵抗発熱体3、4と、各抵抗発熱体に対してそれぞれ
交流電力を供給するために各抵抗発熱体ごとに設けられ
ている一対の端子6、5と、各抵抗発熱体に対応する各
対の端子6、5に対してそれぞれ交流電力を供給するた
めに接続されている交流電源11A、11Bとを備えて
いる。各交流電源と各対の端子との間に、それぞれ絶縁
トランス10A、10Bが介在している。
Description
ターを用いた加熱装置に関するものである。
どによってシランガスなどの原料ガスから半導体薄膜を
製造する当たって、基板であるウエハーを加熱するため
のセラミックスヒーターが具えられている。
る2ゾーンヒーターと呼ばれる構成のものが知られてい
る。2ゾーンヒーターにおいては、セラミックス基体中
に、モリブデンなどの高融点金属からなる内側抵抗発熱
体と外側抵抗発熱体とを埋設し、これら抵抗発熱体にそ
れぞれ別個の電流導入端子を接続し、各抵抗発熱体に所
定の電圧を印加することにより、内側抵抗発熱体および
外側抵抗発熱体を独立に制御する。
いては、セラミックスヒーターの抵抗発熱体を、複数の
高融点金属などからなる回路パターンによって構成し、
それぞれの回路パターンを互いの欠損部分が補われるよ
うにして配置している。具体的には、一つの回路パター
ンの折れ目又は折り返し部などにおいて、他の回路パタ
ーンを重ね合わせている。
加熱する用途においては、加熱面の温度を全体に均一に
制御することが必要であり、使用条件下で例えば加熱面
の全体にわたって±5℃以下といった厳格な仕様を満足
することが要求されている。2ゾーン制御方式のセラミ
ックスヒーターにおいても、通常はこうした仕様を満足
することは可能であった。しかし、本発明者が更に検討
を進めた結果、室温−500℃といった温度範囲におい
て加熱面の温度の均一性が保持されていたセラミックス
ヒーターであっても、例えば600℃以上の温度範囲に
なると急激に加熱面における温度差が大きくなることが
あった。こうした場合には、通常ヒーターの基体の外周
部分の特定部位にヒートスポットが発生すると共に、例
えば図2に示すように、抵抗発熱体の全長の抵抗値が上
昇せず、かえって低下する傾向が見られた。
クス製の基体と、この基体内に埋設されている複数体の
抵抗発熱体と、各抵抗発熱体に対してそれぞれ交流電力
を供給するために各抵抗発熱体ごとに設けられている一
対の端子と、各抵抗発熱体に対応する各対の端子に対し
てそれぞれ交流電力を供給するために接続されている交
流電源とを備えている加熱装置において、高温領域を含
む広い温度範囲で、加熱面における温度差の増加やヒー
トスポットの発生を防止できるようにすることである。
るセラミックス製の基体と、この基体内に埋設されてい
る複数体の抵抗発熱体と、各抵抗発熱体に対してそれぞ
れ交流電力を供給するために各抵抗発熱体ごとに設けら
れている一対の端子と、各抵抗発熱体に対応する各対の
端子に対してそれぞれ交流電力を供給するために接続さ
れている交流電源と、各交流電源と各対の端子との間に
それぞれ介在する絶縁トランスとを備えている加熱装置
に係るものである。
高温領域で加熱面の温度差の増大やヒートスポットが生
ずる原因について検討した。まず、本発明者は、ヒート
スポット(例えば図3に示す)を観測した結果、ヒート
スポットの平面的形態が抵抗発熱体の埋設の方向(周方
向)に沿って発生している可能性があると考えた。更
に、図2に示すように高温領域で抵抗発熱体の抵抗値
(全長の抵抗値)が低下する傾向が見られたことに注目
した。通常、温度が上昇すると金属の体積抵抗値も上昇
するので、図2に見られるような抵抗値の低下は、抵抗
発熱体の材質等の変化によるものではなく、セラミック
ス側にあるものと考えられる。
温度以上になると、各抵抗発熱体の近接領域間でセラミ
ックスを通して漏れ電流が発生するものと考えた。特に
セラミックスが負の温度係数を有している場合には、漏
れ電流が発生し易い。漏れ電流が発生すると、抵抗発熱
体内の電流値が局所的に上昇し、発熱量が増加し、これ
によって漏れ電流が一層増大する傾向がある。こうした
プロセスによって漏れ電流が拡大し、ヒートスポットが
発生するものと考えられる。
縁トランスを介在させることで各抵抗発熱体間の電流を
遮断したところ、例えば図4に示すようにヒートスポッ
トはほぼ解消され、加熱面の温度差が著しく縮小するこ
とが分かった。
積抵抗率の温度係数が負であり、かつその温度係数が大
きいという観点からは、窒化アルミニウム、窒化珪素、
窒化ホウ素が好ましく、耐蝕性の観点から窒化アルミニ
ウムが特に好ましい。
の温度係数が正である場合に特に有用である。抵抗発熱
体の具体的な材質としては、タンタル、タングステン、
モリブデン、白金、レニウム、ハフニウム及びこれらの
合金である高融点金属を使用することが好ましく、特
に、セラミックス基体を窒化アルミニウムから構成した
場合においては、モリブデン及びモリブデン合金である
ことが好ましい。また、高融点金属以外に、カーボン、
TiN、TiCなどの導電性材料を使用することもでき
る。
向に層状をなして設けられている複数の平面状抵抗発熱
体からなり、これらの複数の平面状抵抗発熱体がそれぞ
れ平面的に見て互いに異なる部分において発熱密度増加
部分を備えている。更に好ましくは、平面状抵抗発熱体
が、基体の加熱面と略平行に配設されている。こうした
実施形態について、図1を参照しつつ、更に説明する。
を示す模式図である。図1においては、説明の便宜のた
めに装置の詳細については記載を省略するとともに、装
置の各部分の大きさも実際の加熱装置とは異なった尺度
で描いている。
体2中に埋設されている上部平面状抵抗発熱体3及び下
部平面状抵抗発熱体4を具えている。基体2の例えば中
央部には電流導入端子5及び6が設けられている。
熱面2Aと略平行となるように埋設されている。上部平
面状抵抗発熱体3は、基体2の外周部において発熱密度
増加部分3Aを有しており、下部平面状抵抗発熱体4
は、基体2の内周部において発熱密度増加部分4Aを有
している。
接続されており、端子6の一端は下部平面状抵抗発熱体
4の発熱密度増加部分4Aに接続されている。そして、
端子5及び6の他端には、リード線8及び9が接続され
ている。リード線9は絶縁トランス10Aを解して交流
電源11Aに対して接続されている。リード線8は絶縁
トランス10Bを解して交流電源11Bに接続されてい
る。各交流電源11A、11Bからの供給電力は互いに
独立して制御可能である。
れており、電流導入端子部5及び6の他端、すなわち、
これらの端子部の基体2から外部に突出した部分を保護
している。
低下すると、例えば発熱密度増加部分3Aと発熱体4と
の間で漏れ電流が発生し、ヒートスポットの原因とな
る。本発明によって、こうした各層の抵抗発熱体間の漏
れ電流を防止できる。
に次のような作用効果が得られる。例えば図1のような
2ゾーンセラミックスヒーターを長時間稼動させると、
基体及び各抵抗発熱体は頻繁に加熱冷却される。そし
て、この加熱冷却の熱サイクルにより、基体を構成する
セラミックスと抵抗発熱体を構成する高融点金属との熱
膨張率が異なることに起因して、抵抗発熱体に接続され
た電流導入端子には、熱膨張差に起因する剪断応力が発
生する。このような剪断応力が端子に頻繁に作用する
と、端子が疲労破壊によって切断される可能性がある。
とはロウ材によって接合されているが、抵抗発熱体とロ
ウ材との熱膨張差による剪断応力によって、これらの接
合部分が切断されてしまう可能性がある。
切断されてしまうと、その抵抗発熱体には電流が流れ
ず、発熱しない状態になる。このため、セラミックス基
体の内部に大きな温度差が生じ、セラミックスの内部に
クラックが発生する可能性がある。
ば、複数の平面状抵抗発熱体のそれぞれが、平面的に見
て互いに異なる部分(重複しない領域)に発熱密度増加
部分を具えている。これによって、2ゾーンヒーターと
しての機能を問題なく果たすことができる。なぜなら、
内周側の温度を上昇させたいときには抵抗発熱体4への
供給電力を増加させて発熱密度増加部分4Aの寄与を大
きくする。外周側の温度を上昇させたいときには抵抗発
熱体3への供給電力を増加させて発熱密度増加部分3A
の寄与を大きくできるからである。
3が発熱しなくなった場合には、下部平面状抵抗発熱体
4のみが発熱することになる。しかし、この場合にも、
発熱密度増加部分4Aにおける発熱量とそれ以外の部分
における発熱量との差は、従来の2ゾーンヒーターに比
べると小さい。従って、基体の外周側と内周側との温度
差は比較的に小さく、クラック発生までは至りにくい。
は、上部平面状抵抗発熱体3および下部平面状抵抗発熱
体4が、基体2の加熱面2Aと略平行となるように配設
されている。これにより、セラミックス基体2中におけ
る上下方向の熱の伝導が極めて均一に行われる。従っ
て、加熱面2A上に被加熱物、例えば半導体ウエハーを
載置した場合に、ウエハーを均一に効率よく加熱するこ
とができる。なお、ここでいう略平行とは、幾何学的に
見て完全に平行な場合に加えて、−0.5〜0.5度の
範囲内にあるものをいう。
いては、各平面状抵抗発熱体によって加熱した際におい
て、基体の加熱面内の温度分布が50℃以内であること
が好ましく、さらには20℃以内であることが好まし
い。これによって、例えば、図1における上部平面状抵
抗発熱体3に電流が流入しなくなり、発熱体として作用
しなくなった場合においても、下部平面状抵抗発熱体4
のみでかなり均一な加熱が可能となるために、基体内の
温度分布が不均一となってクラックの発生などをより効
果的に抑制することができる。さらには、加熱面2Aに
おける被加熱物をより均一に加熱することができるよう
になる。
態は、本発明の目的を達成することができれば、限定さ
れるものではない。例えば網状物、コイルスプリング状
物、及びリボン状物などから構成することができる。セ
ラミックスヒーターを稼働した場合の加熱冷却の熱サイ
クルに対して著しい耐性を付与するためには、網状物あ
るいはコイルスプリング状物から抵抗発熱体を構成する
ことが好ましい。また、抵抗発熱体の平面形状は特に限
定されない。
場合は、所定部分を高密度に編み込むか、あるいは網状
物を構成する素材の所定部分の断面積を小さくすること
によって、発熱密度増加部分を形成する。平面状抵抗発
熱体をコイルスプリング状物から構成する場合は、所定
部分の巻数やピッチを増加させたり、所定部分のコイル
を構成する同心円の直径を大きくすることによって、発
熱密度増加部分を形成する。平面状抵抗発熱体をリボン
状物から構成する場合は、所定部分のリボン幅を小さく
することによって、発熱密度増加部分を形成する。
体的には、還元窒化法によって得られた窒化アルミニウ
ム粉末を使用し、この粉末にアクリル系樹脂バインダー
を添加し、噴霧造粒装置によって造粒し、造粒顆粒を得
た。3層のシート状成形体を順次一軸加圧成形し、3層
の成形体を積層し、一体化した。この一軸加圧成形体の
中には、モリブデン製のコイル状の抵抗発熱体3および
4を埋設した。
密封した。昇温速度300℃/時間で温度を上昇させ、
この際、室温〜1000℃の温度範囲で減圧を行った。
この温度の上昇と同時に圧力を上昇させた。最高温度を
1800℃とし、最高温度で4時間保持し、圧力を20
0kgf/cm2 とし、窒素雰囲気下で焼成し、焼結体
を得た。この焼結体を機械加工し、更に仕上げ加工して
ヒーターを得た。基体2の直径を240mmとし、厚さ
を18mmとし、絶縁性誘電層の厚さを1mmにした。
抵抗発熱体3と4との間隔を5.5mmとした。
回路を作製した。比較例においては、絶縁トランス10
A、10Bを設けず、各リード線9、8をそれぞれ交流
電源11A、11Bに対して直接に接続した。
によって、加熱装置の加熱面の平均温度を約400℃か
ら750℃の間で変化させ、抵抗発熱体4の一対の端子
6間の抵抗値の温度変化を測定した。この結果を図2に
示す。
の加熱面の表面温度分布をサーモビューアで測定した。
比較例による測定結果を図3に示し、本発明例の測定結
果を図4に示す。図3、図4においては、暖色の領域は
温度が高く、寒色の領域は温度が低いことを示してい
る。例えば、赤色から黄色、緑色、青色へと向かって温
度が低下していく。そして、色階調の一段階の変化が、
2.5℃の温度差の存在に対応している。言い換える
と、異なる色に彩色された隣接する領域の間では、2.
5℃の温度差がある。従って、このサーモビューアによ
る観測結果から、加熱面の最高温度と最低温度との差を
算出できる。この結果は、比較例においては26℃であ
り、本発明例においては7.5℃であった。
前記加熱装置において、高温領域を含む広い温度範囲内
で、加熱面における温度差の増加やヒートスポットの発
生を防止できる。
である。
度範囲内で変化させたときの、抵抗発熱体4の抵抗値の
変化を示すグラフである。
ビューアで測定した結果を示す図である。
モビューアで測定した結果を示す図である。
3、4 抵抗発熱体 3A、4A 発熱密
度増加部分 5、6 各対の端子 8、9
リード線 10A、10B 絶縁トランス11
A、11B 交流電源
Claims (7)
- 【請求項1】加熱面を有するセラミックス製の基体と、
この基体内に埋設されている複数体の抵抗発熱体と、各
抵抗発熱体に対してそれぞれ交流電力を供給するために
各抵抗発熱体ごとに設けられている一対の端子と、各抵
抗発熱体に対応する各対の端子に対してそれぞれ前記交
流電力を供給するために接続されている交流電源と、各
交流電源と各対の端子との間にそれぞれ介在する絶縁ト
ランスとを備えていることを特徴とする、加熱装置。 - 【請求項2】前記セラミックスの体積抵抗率の温度係数
が負であることを特徴とする、請求項1記載の加熱装
置。 - 【請求項3】前記セラミックスが窒化アルミニウムであ
ることを特徴とする、請求項2記載の加熱装置。 - 【請求項4】前記抵抗発熱体を構成する材質の体積抵抗
率の温度係数が正であることを特徴とする、請求項2ま
たは3記載の加熱装置。 - 【請求項5】前記抵抗発熱体が、前記基体の厚さ方向に
層状をなして設けられている複数の平面状抵抗発熱体か
らなり、これらの複数の平面状抵抗発熱体がそれぞれ平
面的に見て互いに異なる部分において発熱密度増加部分
を備えていることを特徴とする、請求項1−4のいずれ
か一つの請求項に記載の加熱装置。 - 【請求項6】前記平面状抵抗発熱体が、前記基体の前記
加熱面と略平行に配設されていることを特徴とする、請
求項5記載の加熱装置。 - 【請求項7】前記複数の平面状抵抗発熱体のうちのいず
れか一つのみに前記交流電力を供給して発熱させた場合
の前記加熱面内の温度分布が、50℃以内であることを
特徴とする、請求項5または6記載の加熱装置。
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