JP2002313532A - 面状セラミックスヒーター及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 抵抗発熱体に対する電力供給端子による電力
供給が安定的に確保され、常時、安定した発熱・放熱が
得られる耐久性の優れた面状セラミックスヒーター及び
その製造方法の提供。 【解決手段】 面状セラミックスヒーターの発明は、一
主面が放熱・発熱面をなす面状のセラミックス基材２
と、前記セラミックス基材２に埋め込み・配置された抵
抗発熱体３と、前記抵抗発熱体３に一端が接続し他端側
がセラミックス基材２の他主面側に導出された電力供給
端子１とを有する面状セラミックスヒーターであって、
前記電力供給端子１の少なくとも高温大気に曝される外
周面を熱膨張率がほぼ同じのガラス層１ｂで被覆してあ
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、面状セラミックス
ヒーター及びその製造方法に係り、さらに詳しくは電力
供給端子に耐酸化性を付与し、安定した放熱・発熱を維
持させる面状セラミックスヒーター及びその製造方法に
関する。

【０００２】たとえば半導体の製造に当たっては、半導
体ウェハーに対するＰＶＤ、プラズマＣＶＤ、プラズマ
エッチング、光エッチングなどの加工処理が施される。
また、これらの加工処理は、一般的に、被加工体を面状
セラミックスヒーター（発熱体）面上に配置し、被加工
体に加熱を施しながら行われる。そして、高性能ないし
高信頼性を有する半導体を歩留まりよく、しかも量産的
に得るためには、加熱処理が一つの重要なファクターと
なる。

【０００３】ここで、面状セラミックスヒーターは、た
とえば緻密でガスタイトなセラミックス焼結体（セラミ
ックス基材）の内部に、タングステン線やモリブデン線
などの抵抗発熱線（もしくはコイル）を、たとえば螺旋
状やジグザグ状に埋設したものである。そして、抵抗発
熱体に対する電力供給端子は、セラミックス基材外に導
出させた構造を採っている。なお、電力供給端子は、た
とえばタングステン、モリブデン、ニッケルなどを素材
とし、また、セラミックス基材は、たとえばアルミナ系
やシリカ系、窒化アルミニウム系、窒化ケイ素系、ある
いはサイアロンなどが挙げられるが、特に、窒化アルミ
ニウム系が熱伝導性や耐食性などの点で注目されてい
る。

【０００４】そして、この種のセラミックヒーターは、
一般的に、次のような手段で製造されている。第１の手
段は、セラミックベース用基材（グリーンシート）の一
主面に、前記抵抗発熱線で形成した抵抗発熱体を配置
し、その抵抗発熱体面にヒーターカバーシートを積層す
る一方、電力供給端子をカバーシートに貫挿・組み込ん
だ後、所定の条件での脱脂、所要温度でのホットプレス
処理などを施して焼結・一体化させて製作する方法であ
る。

【０００５】第２の手段は、予め、放熱・発熱面を成す
板状のセラミック基材、及びヒーターカバーを成す板状
のセラミック基材をそれぞれ作製し、このセラミック基
材面間に、前記抵抗発熱線で形成した抵抗発熱体を配置
する一方、接合剤層を介挿して接合一体化させて製作す
る方法である。ここで、ヒーターカバーを成す板状のセ
ラミック基材には、抵抗発熱体の被接続部に対応させた
孔が穿設されている。そして、この穿設孔に電力供給端
子を装着し、かつ導電性ペーストを充填して電気的な接
続を行っている。なお、第１及び第２のいずれの手段に
おいても、抵抗発熱体の形成は、抵抗発熱体用のペース
トのスクリーン印刷、タングステン板のレーザー加工や
パンチ型打ち抜き加工などでも行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体の製
造工程における加熱処理では、加工稼働率や低コスト化
などの点から、熱源として使用される面状セラミックス
ヒーターの耐久性及び良好な歩留まりの確保が前提とな
る。つまり、面状セラミックスヒーターにおいては、安
定した放熱・発熱容量の維持、及び面内温度分布の一様
性などが要求される。しかし、従来の面上セラミックス
ヒーターの構成では、電力供給端子の劣化が起こり易
く、耐久性及び安定した放熱・発熱などの点で問題があ
る。

【０００７】すなわち、上記面状セラミックスヒーター
は、たとえば半導体製造装置の一部材として装着する場
合、放熱・発熱本体部（抵抗発熱体を埋め込んだセラミ
ックス基材）は、半導体ウェハーを載置・処理するため
に、雰囲気を適宜調整できる処理室内に装着配置され
る。一方、電力供給端子は、通常、処理室壁部を通して
処理室外の大気中に導出配置され、外部から所要の電力
を供給し易いようにセットされる。

【０００８】さらに言及すると、上記製造装置の構成で
は、面状セラミックスヒーターが放熱・発熱の動作を行
う際、電力供給端子が大気中に導出されているとは言
え、数１００℃にも及ぶ処理室内に隣接しているため、
相当高い温度に昇温する。つまり、タングステン製の電
力供給端子は、必然的に、高温大気中に曝される状態を
採るため、露出している領域での酸化反応が進行する。
そして、この酸化反応の進行は、電力供給端子の電力供
給容量ないし電力供給能の低下を招来するだけでなく、
電力供給端子の機械的強度の低下ともなって、耐久性な
どを大幅に損なうことになる。

【０００９】上記のように、従来の面状セラミックスヒ
ーターの場合は、電力供給端子の酸化に伴う機能低下現
象などもあって、発熱・放熱性が損なわれる恐れある。
つまり、定常的に、所要の電力供給することの困難さ、
さらには、面内温度分布の一様性確保の困難さなどは、
たとえば半導体の製造・加工効率ないし生産性などを損
なう。また、こうした問題は、半導体ウェハーの大口径
化などを進めて、生産性などを上げる上では由々しい問
題提起となる。すなわち、被加工体の大口径化に対応
し、面状セラミックスヒーターの大口径化を要しするこ
とになり、この際、面状セラミックスヒーターに要求さ
れる放熱・加熱温度の安定性などが損なわれることは、
生産性の向上などに対応できないことになる。

【００１０】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、抵抗発熱体に対する電力供給端子による電力供給が
安定的に確保され、常時、安定した発熱・放熱が得られ
る耐久性の優れた面状セラミックスヒーター及びその製
造方法の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、一主
面が放熱・発熱面をなす面状のセラミックス基材と、前
記セラミックス基材に埋め込み・配置された抵抗発熱体
と、前記抵抗発熱体に一端が接続し他端側がセラミック
ス基材の他主面側に導出された電力供給端子とを有する
面状セラミックスヒーターであって、前記電力供給端子
の少なくとも高温大気に曝される外周面を熱膨張率がほ
ぼ同じのガラス層で被覆してあることを特徴とする面状
セラミックスヒーターである。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１記載の面状セ
ラミックスヒーターにおいて、被覆するガラス層がＳｉ
Ｏ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ（ここでＲＯは、アルカリ土類金
属、アルカリ金属及びＡｌ金属の少なくとも１種の酸化
物）系のガラスで形成されていることを特徴とする。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１もしくは請求
項２記載の面状セラミックスヒーターにおいて、被覆す
るガラス層の厚さが５〜７００μｍである特徴とする。

【００１４】請求項４の発明は、一主面が放熱・発熱面
をなす第１の面状セラミックス基材の他主面側に被接続
端子部を有する抵抗発熱体を位置決め配置する工程と、
前記抵抗発熱体の被接続端子部に接続する電力供給端子
の挿着孔を有する第２の面状セラミックス基材を抵抗発
熱体配置面に積層一体化する工程とを備える面状セラミ
ックスヒーターの製造方法であって、前記電力供給端子
の少なくとも高温大気に曝される外周面に、平均粒径
０．１〜２０μｍのＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ（ここで
ＲＯは、アルカリ土類金属、アルカリ金属及びＡｌ金属
の少なくとも１種の酸化物）系粉末を分散含有する懸濁
液を塗布し、不活性雰囲気中７００〜９００℃で加熱焼
成することを特徴とする面状セラミックスヒーターの製
造方法である。

【００１５】請求項１ないし４の発明は、面状のセラミ
ックス基材に抵抗発熱体が埋め込み・配置され、この抵
抗発熱体に一端が接続し他端側がセラミックス基材外に
電力供給端子を導出させた面状セラミックスヒーターの
構成において、電力供給端子の少なくとも高温大気に曝
される外周面を熱膨張率がほぼ同じのガラス層で被覆し
て、耐酸化性を付与したことを骨子とする。すなわち、
高温化し易く、かつ大気に曝される電力供給端子の外周
面を、ほぼ同等の熱膨張率を有するガラスの薄層で被覆
することによって、大気との接触を遮断して電力供給端
子に安定した機能ないし性能を維持・発揮させるるもの
である。

【００１６】請求項１ないし４の発明において、面状の
セラミックス基材は、たとえばアルミナ系やシリカ系、
窒化アルミニウム系、窒化ケイ素系、あるいはサイアロ
ンなどが挙げられるが、特に、窒化アルミニウム系が熱
伝導性や耐食性などの点で好ましい。また、セラミック
ス基材中に埋設・配置される抵抗発熱体は、たとえばタ
ングステン線、モリブデン線、ニクロム線などの抵抗発
熱線（もしくはコイル）を、螺旋状やジグザグ状に形成
したものである。さらに、セラミックス基材外に導出さ
せた構造を採る電力供給端子は、たとえばタングステ
ン、モリブデン、ニッケル、インコネル、コバール、ス
ーパーインバーなどを素材としたものである。

【００１７】請求項１ないし４の発明において、少なく
とも高温大気中に曝される電力供給端子の外周面を被覆
するガラス層を形成するガラス素材としては、たとえば
ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系に、Ａｌ_２Ｏ_３、アルカリ土類金
属の酸化物、アルカリ金属酸化物の少なくとも１種を加
えた系が挙げられる。ここで、ガラス素材の選択は、電
力供給端子の材質に応じて行われる。つまり、電力供給
端子の熱膨張率に近似した熱膨張率を有するガラスが選
択される。電力供給端子がタングステン製の場合、軟化
点７００〜９００℃、好ましくは７５０〜９００℃、熱
膨張係数２．５〜６ｘ１０^−６／℃、さらに好ましくは
熱膨張係数３．５〜５ｘ１０^−６／℃のガラスを選択す
る。

【００１８】請求項１ないし４の発明において、電力供
給端子の外周面を被覆するガラス層の厚さは、一般的
に、５〜７００μｍ程度、好ましくは２０〜１３０μｍ
程度である。ここで、ガラス層厚は、薄いほど好まし
く、余り厚くなるとクラックを生じて耐酸化性の機能が
損なわれる。また、ガラス層の形成は、平均粒径０．１
〜２０μｍ、好ましくは１〜５μｍのガラス粉末を有機
溶媒に、分散懸濁させてスラリーを調製し、このスラリ
ーを掃け塗り法、スプレー法あるいはディピング法など
で塗布し、乾燥後焼き付けることによって行われる。な
お、塗布膜に強度を持たせるため、アクリル樹脂などの
低残炭率樹脂を１〜５重量％程度添加してスラリーを調
製してもよい。

【００１９】請求項１ないし４の発明において、抵抗発
熱体を埋め込み・内蔵するセラミックス系焼結体は、一
般的に、次のような手段で得られる。たとえば窒化アル
ミニウム系焼結体は、平均粒径０．０１〜５μｍ程度の
窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤およびバインダーを
添加・混合して得たスラリーから造粒し、これを所要の
形状寸法の成形体に成形し、有機成分を熱脱脂処理後、
１８００℃以上の高温不活性雰囲気中で焼結することに
より作製される。ここで、焼結助剤としては、酸化イッ
トリウムなどが例示され、また、バインダーとしては、
ポリビニルブチラールなどが例示される。なお、高温焼
結に先立って、成形体の一主面に、抵抗発熱体の配置・
埋め込み用の溝などを予め設けておくことが望ましい。

【００２０】また、窒化アルミニウム系基材に対する抵
抗発熱体の埋め込みは、組み合わせる窒化アルミニウム
系部材の対向面間に、抵抗発熱素子を位置決め配置する
一方、前記窒化アルミニウム系部材の対向する面に、た
とえば窒化アルミニウム−酸化イットリウム−酸化リチ
ウム系ペーストなどの接合剤を印刷や塗布して接合層を
設け、不活性雰囲気中もしくは減圧雰囲気下で、１５５
０〜１７５０℃程度の温度で加熱することにより行われ
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図１及び図２を参照して実
施例を説明する。

【００２２】先ず、耐酸性付与の効果を一次的に確認す
るため、径４ｍｍ、長さ３００ｍｍのタングステン製の
棒状電力供給端子を用意した。一方、予め用意しておい
た軟化点８００℃、熱膨張係数３．５〜５ｘ１０^−６／
℃で、平均粒子径１〜５μｍのガラス粉末をイソプロピ
ルアルコール中に分散懸濁させてスラリーを調製する。
その後、このスラリーを電力供給端子の外周面に掃け塗
りし、乾燥後、窒素雰囲気中、９００℃で、３０分間焼
き付けて、厚さ１６０μｍのガラス層が被覆された電力
供給端子（試料１）を作製する。図１は、作製した電力
供給端子１の断面構造を示すもので、１ａはタングステ
ン製の棒状電力供給端子本体、１ｂは被覆ガラス層であ
る。

【００２３】さらに、上記実施例の場合の条件に準じ
て、外周面が厚さ１０μｍのガラス層１ｂで被覆された
電力供給端子（試料２）、外周面が厚さ２５μｍのガラ
ス層１ｂで被覆された電力供給端子（試料３）を、それ
ぞれ作製した。また、比較のため、外周面の被覆ガラス
層１ｂを省略した電力供給端子（比較例）を作製した。

【００２４】次に、上記構成の各電力供給端子を８００
℃の温度で、空気中に１００時間放置して、この処理前
後の重量変化から耐酸化性を検討した結果を表１に示
す。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１から分かるように、比較例の電力供給
端子の場合に較べて、各実施例に係る電力供給端子の場
合は、酸化による重量増の変化率が１／１０以下で、被
覆ガラス層の厚さが薄いほど大幅に低減する傾向を示
し、著しく優れた耐酸化性を呈することが確認された。

【００２７】次に、上記外周面をガラス層で被覆した電
力供給端子１を組み込んだ面状セラミックスヒーターの
実施例を説明する。図２は、面状セラミックスヒーター
の要部構成を拡大して示す断面図であり、２は径２３０
ｍｍの窒化アルミニウム系基材で、一主面が放熱・発熱
面を成す厚さ６ｍｍの窒化アルミニウム系基材層２ａ
と、電力供給端子１を他主面側に導出する厚さ６ｍｍの
窒化アルミニウム系基材層２ｂとの接合剤層（図示省
略）を介したホットプレスで、接合・一体に構成されて
いる。また、３は径０．４ｍｍのタングステン線を素材
とした抵抗発熱体で、前記窒化アルミニウム系基材層２
ａ、２ｂ間に埋め込まれており、その被接続端子部に対
応する電力供給端子１が接続している。

【００２８】つまり、この面状セラミックスヒーターの
構成においては、電力供給端子１の少なくとも窒化アル
ミニウム系基材層２ｂから導出し、大気中に曝される領
域外周面が、たとえばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３
系の薄いガラス層１ｂで被覆されている。

【００２９】なお、面状セラミックスヒーターの構成に
おいて、少なくとも窒化アルミニウム系基材層２ｂから
導出し、大気中に曝される電力供給端子本体１ａの外周
面をガラス層１ｂで被覆された上記電力供給端子１をそ
れぞれ使用した３種類とし、また、比較のため、上記比
較例に係る電力供給端子を使用した面状セラミックスヒ
ーターも作製した。

【００３０】次に、上記構成の各面状セラミックスヒー
ターを、各別に、半導体製造用装置の処理室内に位置決
め装着し、処理室内を減圧Ａｒ系雰囲気とし、面状セラ
ミックスヒーターに電力を供給して、処理室内温度を７
５０℃に保持するように設定した。なお、面状セラミッ
クスヒーターの位置決め装着では、電力供給端子１の一
部が処理室外に導出して、高温大気中に曝される状態に
なっている。

【００３１】上記面状セラミックスヒーターの加熱動作
において、実施例に係る各面状セラミックスヒーターの
場合は、処理室外に導出して大気に曝される電力供給端
子１領域の酸化による性状変化が防止されるため、比較
例の場合に較べて、安定した電力供給が行われる。つま
り、面状セラミックスヒーターにおける安定した放熱・
発熱が容易、かつ定常的に確保される。

【００３２】本発明は、上記実施例に限定されるもので
なく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を
採ることができる。たとえば、抵抗発熱体の形状・材
質、入力電力端子の材質、あるいはセラミックス系基材
の材質、形状・寸法など用途に応じて選択・設定でき
る。その他、静電チャックや電極内蔵形サセプターの場
合にも適用することができる。

【００３３】

【発明の効果】請求項１ないし３の発明によれば、電力
供給端子の高温大気に曝される部分が、ほぼ同じ程度の
熱膨張係数を有するガラスの薄層で被覆されている。し
たがって、電力供給端子の酸化による性能低下などが解
消されので、安定した電力供給能を有する耐久性の高い
面状セラミックスヒーターが提供される。

【００３４】請求項４の発明によれば、電力供給端子の
酸化劣化に起因する電力供給の不良化の恐れも解消し、
半導体の製造に適する安定した面状セラミックスヒータ
ーが歩留まりよく提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る電力供給端子の要部構成例を示す
断面図。

【図２】実施例に係る面状セラミックスヒーターの要部
構成を示す断面図。

【符号の説明】

１……電力供給端子 １ａ……電力供給端子本体 １ｂ……ガラス被覆層 ２……窒化アルミニウム系基材 ３……抵抗発熱体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 光広 神奈川県秦野市曽屋30 東芝セラミックス 株式会社開発研究所内 (72)発明者 柏熊 憲章 神奈川県秦野市曽屋30 東芝セラミックス 株式会社開発研究所内 (72)発明者 宮崎 晃 神奈川県秦野市曽屋30 東芝セラミックス 株式会社開発研究所内 Ｆターム(参考） 3K034 AA02 AA12 AA21 BA06 BA14 BB06 BB14 BC17 CA15 HA10 JA02 JA10 3K092 PP20 QA05 QB02 QB12 QB43 QB62 QB75 QB76 QC02 QC16 RF03 RF11 RF27 SS18 VV09

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一主面が放熱・発熱面をなす面状のセラ
   ミックス基材と、前記セラミックス基材に埋め込み・配
   置された抵抗発熱体と、前記抵抗発熱体に一端が接続し
   他端側がセラミックス基材の他主面側に導出された電力
   供給端子とを有する面状セラミックスヒーターであっ
   て、 前記電力供給端子の少なくとも高温大気に曝される外周
   面を熱膨張率がほぼ同じのガラス層で被覆してあること
   を特徴とする面状セラミックスヒーター。
2. 【請求項２】 被覆ガラス層がＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ
   Ｏ（ここでＲＯは、アルカリ土類金属、アルカリ金属及
   びＡｌ金属の少なくとも１種の酸化物）系のガラスで形
   成されていることを特徴とする請求項１記載の面状セラ
   ミックスヒーター。
3. 【請求項３】 被覆ガラス層の厚さが５〜７００μｍで
   ある特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の面状セ
   ラミックスヒーター。
4. 【請求項４】 一主面が放熱・発熱面をなす第１の面状
   セラミックス基材の他主面側に被接続端子部を有する抵
   抗発熱体を位置決め配置する工程と、 前記抵抗発熱体の被接続端子部に接続する電力供給端子
   の挿着孔を有する第２の面状セラミックス基材を抵抗発
   熱体配置面に積層一体化する工程とを備える面状セラミ
   ックスヒーターの製造方法であって、 前記電力供給端子の少なくとも高温大気に曝される外周
   面に、平均粒径０．１〜２０μｍのＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３
   −ＲＯ（ここでＲＯは、アルカリ土類金属、アルカリ金
   属及びＡｌ金属の少なくとも１種の酸化物）系粉末を分
   散含有する懸濁液を塗布し、不活性雰囲気中７００〜９
   ００℃で加熱焼成することを特徴とする面状セラミック
   スヒーターの製造方法。