JP2003151727A - 面状セラミックスヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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の提供。 【解決手段】 一主面が放熱・発熱面をなす面状のセラ
ミックス基材１と、前記セラミックス基材１に埋め込み
・配置された抵抗発熱体２と、前記抵抗発熱体２に一端
が接続し他端側がセラミックス基材１の他主面側に導出
された電力供給端子３と、前記導出した電力供給端子３
に嵌合・被覆し一端面がセラミックス基材１面に対接す
るように装着された燒結窒化アルミニウムスリーブ５
と、前記セラミックス基材１面に対接する燒結窒化アル
ミニウムスリーブ５の端面縁部に配設され封止する封止
用ガラス層６とを有す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
性を付与して安定した放熱・発熱を維持させる面状セラ
ミックスヒーターに関する。

【０００２】

【従来の技術】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、図
３に構造の要部を断面的に示すように、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）
１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、箔など）２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２に対する電力供給端子３は、セラミックス基材１
外に導出させた構造を採っている。なお、電力供給端子
３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１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、炭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、この種の面状セラミックスヒータ
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２面にヒーターカバーシート
を積層し、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、その後、電力
供給端子をロウ付けする方法である。

【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
孔が穿設されており、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、抵抗発熱体用ペーストのスク
リーン印刷・焼き付け、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、加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、従来の面状セラミック
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構成部材として装着す
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）に半導体ウェハーを載置して処理する
ため、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て、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、電力供給端子を大気中に導出しているとは言え、
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、タングステン製などの電
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。なお、この酸化現象は、
電力供給端子の装着部からセラミックス基材側に大気が
侵入し、接続の信頼性を損なう恐れもある。

【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があ
る。つまり、定常的に、所要の電力を供給することの困
難さ、さらに、一様な面内温度分布を確保することの困
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を上げる上では由々
しい問題の提起となる。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も大口径化を要す
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、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タングステン製もしくは
モリブデン製の電力供給端子と、前記導出した電力供給
端子に嵌合・被覆し一端面がセラミックス基材面に対接
するように装着された燒結窒化アルミニウムスリーブ
と、前記セラミックス基材面に対接する燒結窒化アルミ
ニウムスリーブ端面縁部に配設され封止する封止用ガラ
ス層とを有す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、嵌合・被覆する燒結窒化
アルミニウムスリーブの外径がセラミックス基材への対
接面を拡大化する段付き型であ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、少なく
とも燒結窒化アルミニウムスリーブを導出して高温大気
に曝される電力供給端子外周面に、金、白金、もしくは
金−白金系のメッキ被覆層が設けられていることを特徴
とする。

【００１４】請求項４の発明は、請求項１ないし請求項
３いずれか一記載の面状セラミックスヒーターにおい
て、電力供給端子を導出する燒結窒化アルミニウムスリ
ーブの他端縁部をも封止用ガラス層で封止していること
を特徴とする。

【００１５】請求項１ないし４の発明は、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
体に接続するタングステン製やモリブデン製の電力供給
端子をセラミックス基材外に導出させた面状セラミック
スヒーターの構成において、電力供給端子の耐酸化性を
図るものである。すなわち、高温大気に曝される導出さ
れた領域の電力供給端子外周面を、熱膨張率がほぼ同じ
の燒結窒化アルミニウムスリーブで嵌合・被覆する一
方、燒結窒化アルミニウムスリーブ端縁部を封止用ガラ
スで封止し、耐酸化性を付与したことを骨子とする。

【００１６】換言すると、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
有する燒結窒化アルミニウム層で被覆するとともに、さ
らに、ガラス封止を加えて大気との接触をより確実に遮
断し、電力供給端子に安定した機能ないし性能を維持・
発揮させるものである。

【００１７】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、箔など）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、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。

【００１８】請求項１ないし４の発明において、セラミ
ックス基材から導出され、かつ高温大気中に曝される電
力供給端子外周面を嵌合・被覆する燒結窒化アルミニウ
ムスリーブの厚さは、一般的に、０．１〜３ｍｍ程度、
好ましくは０．５〜１．５ｍｍ程度である。ここで、燒
結窒化アルミニウムスリーブ厚が薄いと、嵌合・被覆加
工性が低下するし、また、所要の耐酸化性を十分に付与
できない恐れがある。一方、余り厚くなると、その部分
から放熱し、面内温度分布に悪影響が及ぶ傾向がある。

【００１９】ここで、電力供給端子の外周面を嵌合・被
覆する燒結窒化アルミニウムスリーブは、一般的に、次
のような手段で得られる。先ず、平均粒径０．０１〜５
μｍ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する。
次いで、この造粒を所要の形状寸法のスリーブに成形
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、もしくは水素ガス中で焼結することによ
り作製される。なお、焼結助剤としては、酸化イットリ
ウムなどが例示され、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。

【００２０】具体的には、燒結時の収縮によって電力供
給端子の外径と一致するように、内径寸法を設定した窒
化アルミニウム製スリーブ成形体を電力供給端子に嵌合
被覆し、高温不活性雰囲気中などで燒結することによ
り、燒結窒化アルミニウムスリーブでの嵌合・被覆が行
われる。また、燒結窒化アルミニウムスリーブは、肉厚
がほぼ一定の筒状体であってもよいが、セラミックス基
材に対接する端面側の外径を膨大化させた段付き型とし
て、セラミックス基材との対接面を広大化することによ
り、封止の信頼性が向上する。

【００２１】上記電力供給端子に対する燒結窒化アルミ
ニウムスリーブの嵌合被覆は、抵抗発熱体に対する電力
供給端子の接続側を径大化する形にテーパ付けに行う
と、セラミックス基材との接触面が広くなるので、接合
強度の向上、接続の安定化などを図ることができる。ま
た、抵抗発熱体に対する電力供給端子の端面に、被接続
部と係合する溝（たとえば断面がＶ字形、方形形もしく
は半円形）を設けておくと、位置決めし易く、また、確
実な接続の確保が可能になる。

【００２２】請求項１ないし４の発明において、燒結窒
化アルミニウムスリーブ端面縁部を封止する封止用ガラ
スは、たとえば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）系のガラスである。そして、こ
の封止用ガラスによる封止は、たとえば平均粒径０．１
〜２０μｍ程度のガラス粉末を分散含有する懸濁液を塗
布し、不活性雰囲気中７００〜１１００℃の温度で加熱
焼成することにより行うことができる。

【００２３】請求項１ないし４の発明において、電力供
給端子部の耐酸性を向上させるため、高温大気に曝され
る電力供給端子外周面に、金、白金、もしくは金−白金
系のメッキ被覆層を設けることが望ましい。ここで、
金、白金、もしくは金−白金系のメッキ被覆層の厚さ
は、５〜２０μｍ程度が望ましく、また、その被覆層
は、燒結窒化アルミニウムスリーブに嵌合・被覆される
領域に及んでもよい。なお、電力供給端子に対する金、
白金、もしくは金−白金系のメッキ被覆層は、たとえば
メッキ液中に電力供給端子材を浸漬・配置し、対電極と
の間にメッキ電圧を印加して、メッキ処理することによ
り行われる。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】また、窒化アルミニウム系基材などに対す
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、抵抗発熱体を位置決め配置す
る。このとき、電力供給端子を導出する側の窒化アルミ
ニウム系部材には、予め、電力供給端子を挿着・組み込
んで固定化しておく。そして、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、１５５０〜１７５０℃程度の温度で加
熱することにより行われる。

【００２７】

【発明の実施態様】以下、図１及び図２を参照して実施
例を説明する。

【００２８】図１は、第１の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である。図１にお
いて、１は抵抗発熱体２を内蔵・埋設するセラミックス
基材、３は一端側の外周面に金メッキ層４を被覆したタ
ングステン製の棒状電力供給端子、５は窒化アルミニウ
ム製の外径段付き型スリーブ、６は前記セラミックス機
材１に対接する窒化アルミニウム製スリーブ５の外周縁
部、及び金メッキ被覆４された電力供給端子１の導出側
に配置され封止する封止用ガラス層である。

【００２９】次に、上記構成の面状セラミックスヒータ
ーの製造・組立例を説明する。先ず、径４ｍｍ、長さ３
００ｍｍのタングステン製の棒状電力供給端子３を用意
した。一方、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、これを外径段付き型ス
リーブに成形した。このとき、窒化アルミニウム製スリ
ーブ成形体は、燒結時の収縮によって棒状電力供給端子
３の外径と一致するような内径寸法に設定する。

【００３０】次いで、前記電力供給端子３の他端側を突
出させた形で、窒化アルミニウム製スリーブ成形体を電
力供給端子３に嵌合被覆し、有機成分を熱脱脂処理後、
１８００℃以上の高温不活性雰囲気（たとえば窒素ガ
ス）中で、窒化アルミニウム製スリーブ成形体を焼結す
ることにより、スリーブ嵌合被覆型の電力供給端子を作
製した。

【００３１】一方、螺旋状の抵抗発熱素子２をセラミッ
クス基材１中に内蔵（埋め込み）し、かつ一主面側に、
前記内蔵する抵抗発熱体２の端子部に対応した電力供給
端子装着孔が穿設されたセラミックスヒーター本体を用
意する。そして、このセラミックスヒーター本体に、前
記窒化アルミニウム製スリーブ５を嵌合被覆させた電力
供給端子３を装着・組み込んで、前記抵抗発熱体２の端
子部に電力供給端子３の先端面側を電気的に接続させ
る。その後、スリーブ５外の端子部に金メッキを行う。

【００３２】その後、セラミックスヒーター本体に対接
する窒化アルミニウム製スリーブ５の外周端縁部、及び
金メッキ被覆４された電力供給端子３の導出側に封止用
ガラスペーストを塗布し、不活性雰囲気中７００〜１１
００℃で焼成し、ガラス６封止する。このようにして、
セラミックスヒーターの電力供給端子３は、より気密に
被覆保護された状態を採るため、耐酸化性が向上されて
大気中に曝されても、酸化劣化による特性低下の恐れが
なく、安定した性能・機能を保持発揮する。

【００３３】図２は、第２の実施例に係わる面状セラミ
ックスヒーターの要部構成を示す断面図である。この実
施例は、上記第１の実施例における窒化アルミニウム製
スリーブ５が外径段付き型であったのに対して、単純な
円筒状とした他は、第１の実施例の場合と同様の構成で
ある。そして、この実施例の場合も、電力供給端子３部
の酸化劣化などによるヒーター特性の低下・変動など解
消されて安定した機能を維持発揮する。

【００３４】上記各実施例では、金メッキ被覆４された
電力供給端子３の導出側スリーブ５の端面部を封止用ガ
ラス６で封止したが、この封止は、省略することもでき
る。つまり、電力供給端子３に対して窒化アルミニウム
製スリーブ５が密着的に嵌合・被覆している場合、窒化
アルミニウム製スリーブ５から電力供給端子３が導出す
る部分での外気侵入が回避されるので、ガラスによる封
止を省略できる。

【００３５】次に、上記実施例１に係わる構成の面状セ
ラミックスヒーターを、半導体製造用ＣＶＤ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７５０℃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３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。

【００３６】上記面状セラミックスヒーターの加熱動作
において、処理室外に導出して大気に曝される電力供給
端子３領域の酸化による性状変化が防止され、また、セ
ラミックス基材に埋め込み・装着された部分への大気の
侵入も防止されるので、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。

【００３７】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構
成などにも適用できる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１ないし４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燒結窒化アルミニウムスリーブの嵌
合で被覆されている。また、この燒結窒化アルミニウム
スリーブ端縁部は、セラミックスヒーター本体面に対し
てガラスで封止した構成を採っている。つまり、セラミ
ックスヒーターの電力供給端子部は、外気から確実に遮
断した構成と成っている。したがって、電力供給端子部
の酸化による性能低下などが解消され、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の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。

【図２】第２の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。

【図３】従来の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……セラミックス基材 ２……抵抗発熱素子 ３……電力供給端子 ４……金メッキ層 ５……燒結窒化アルミニウムスリーブ ６……封止用ガラス層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大石 浩司 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 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 Ｆターム(参考） 3K034 AA02 AA04 AA16 BB06 BC03 BC12 CA02 HA04 HA10 JA01 JA10 3K092 PP20 QA05 QB02 QC16 QC42 QC65 RF03 RF11 RF22 VV09 VV31 VV35

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、前記導出した電力供給端子に嵌合・被覆し
   一端面がセラミックス基材面に対接するように装着され
   た燒結窒化アルミニウムスリーブと、前記セラミックス
   基材面に対接する燒結窒化アルミニウムスリーブ端面縁
   部に配設され封止する封止用ガラス層と、を有すること
   を特徴とする面状セラミックスヒーター。
2. 【請求項２】 嵌合・被覆する燒結窒化アルミニウムス
   リーブの外径がセラミックス基材への対接面を拡大化す
   る段付き型であ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】 少なくとも燒結窒化アルミニウムスリー
   ブを導出して高温大気に曝される電力供給端子外周面
   に、金、白金、もしくは金−白金系のメッキ被覆層が設
   けられていることを特徴とする請求項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】 電力供給端子を導出する燒結窒化アルミ
   ニウムスリーブの他端縁部をも封止用ガラス層で封止し
   ていることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれ
   か一記載の面状セラミックスヒーター。