JP2003249334A - セラミックスヒーターの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力供給端子からの電力供給が容易に確保さ
れ、常時、安定した発熱・放熱が得られる耐久性の優れ
たセラミックスヒーターの製造方法の提供。 【解決手段】 脱脂処理済みの第１の窒化アルミニウム
成形体５ａ面に抵抗発熱体２を配置する工程と、前記抵
抗発熱体２配置面に、前記抵抗発熱体２の端子部に対応
する電力供給端子挿通孔を穿設した脱脂処理済みの第２
の窒化アルミニウム成形体５ｂを位置決め配置する工程
と、前記端子挿通孔内に電力供給端子形成用圧粉体６を
挿着・充填する工程と、前記面を第１の窒化アルミニウ
ム成形体５ａ及び第２の窒化アルミニウム成形体５ｂを
加熱加圧で焼成・一体化５するとともに、端子挿通孔内
の圧粉体６を焼結体６′化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、セラミックスヒー
ターの製造方法に係り、さらに詳しくは安定した放熱・
発熱を維持・発揮するセラミックスヒーターの製造方法
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
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、セラミックスヒーターは、図２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）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、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、窒化アルミニウム系ベース用基材（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窒化アルミニウム系
の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
板状の窒化アルミニウム基材１ａ、及びヒーターカバー
を成す板状の窒化アルミニウム基材１ｂをそれぞれ作製
し、この窒化アルミニウム基材１ａ，１ｂ面間に、前記
抵抗発熱線で形成した抵抗発熱体２を配置する一方、接
合剤層４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窒化アルミニ
ウム基材１ｂには、抵抗発熱体２の被接続部に対応させ
た電力供給端子用挿通孔が穿設されている。

【０００６】そして、前記接合一体化の後に、電力供給
端子用挿通孔内に電力供給端子３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２
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。

【０００７】

【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、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。

【０００８】上記セラミックスヒーターの面内温度分布
の一様性は、抵抗発熱体２を細線で、かつ捲回ないし捲
装ピッチを小さく設定することで可能となる。すなわ
ち、抵抗発熱体を精度よく配置ないしパターニングし、
全体的に可能な限りバラツキのない発熱温度を確保する
ように設定することによって、面内温度分布が一様なヒ
ーターとなるので、前記要望に対応できる。

【０００９】しかしながら、上記抵抗発熱体２の場合
は、実用上、次のような不都合が認められる。すなわ
ち、タングステン線もしくはモリブデン線は、硬い材質
であるため、細かい折り曲げ加工が困難であり、加熱・
軟化させた状態で加工する必要がある。ここで、加熱軟
化させた状態での加工では、細かい折り曲げや捲装・コ
イル化など可能となるが冷却後において、反りや変形な
どを生じ易いだけでなく、表面が酸化したりするので加
工精度が損なわれる。したがって、面状ヒーター化した
場合、所要の面内温度分布を確保できないという問題が
ある。

【００１０】一方、スクリーン印刷による抵抗発熱体の
形成は、重ね印刷で行われるため、位置決め精度を得る
ための操作が煩雑で、かつ寸法精度にも問題がある。ま
た、タングステン板などのレーザー加工、パンチ型打ち
抜きでパターン加工した抵抗発熱体は、セラミックスに
埋め込まれた状態で、加熱冷却が繰り返されると、剥離
を招来するなどし、結果的に、安定した温度維持が困難
となって、耐久性が損なわれる。

【００１１】また、従来の製造手段で製造されたセラミ
ックスヒーターの場合は、抵抗発熱体２の端子部と電力
供給端子３との接続の信頼性低下などもあって、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、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、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、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。

【００１２】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からの電力供給が
容易に確保され、常時、安定した発熱・放熱が得られる
耐久性の優れたセラミックスヒーターを歩留まりよく得
られる製造方法の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、脱脂
処理済みの第１の窒化アルミニウム成形体面に抵抗発熱
体を配置する工程と、前記抵抗発熱体配置面に、前記抵
抗発熱体の端子部に対応する電力供給端子挿通孔を穿設
した脱脂処理済みの第２の窒化アルミニウム成形体を位
置決め配置する工程と、前記端子挿通孔内に電力供給端
子形成用圧粉体を挿着・充填する工程と、前記面を第１
の窒化アルミニウム成形体及び第２の窒化アルミニウム
成形体を加熱加圧で焼成・一体化するとともに、端子挿
通孔内の圧粉体を焼結することを特徴とするセラミック
スヒーターの製造方法である。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１記載のセラミ
ックスヒーターの製造方法において、抵抗発熱体がタン
グステン線もしくはモリブデン線を素材として構成され
たものであることを特徴とする。

【００１５】請求項３の発明は、請求項１もしくは請求
項２記載のセラミックスヒーターの製造方法において、
電力供給端子形成用圧粉体がタングステンもしくはモリ
ブデンの圧粉体であることを特徴とする。

【００１６】すなわち、請求項１ないし３の発明は、脱
脂した窒化アルミニウム成形体層間に抵抗発熱体を配置
し、加熱加圧（ホットプレス）によって、窒化アルミニ
ウム成形体同士を接合・焼成一体化して抵抗発熱体を埋
め込むこと、予め、電力供給端子挿通孔内に充填してお
いた電力供給端子形成用の圧粉体を、前記接合・焼成一
体化の過程で同時に焼結させることを骨子としている。

【００１７】換言すると、窒化アルミニウム成形体同士
の接合・焼成、抵抗発熱体の埋め込み・内蔵化、及び電
力供給端子の焼結・付設を加熱加圧工程で同時に行うこ
とを骨子としている。そして、このような手段を採るこ
とによって、抵抗発熱体の被接続部の酸化・劣化が回避
され、また、接合剤の配置及び抵抗発熱体配置用溝の形
設加工を省略できるだけでなく、前記窒化アルミニウム
成形体の焼成に伴う収縮性によって、電力供給端子が密
着的に装着される。

【００１８】請求項１ないし３の発明において、セラミ
ックス基材としては、脱脂処理した（脱脂処理済み）窒
化アルミニウム成形体が選ばれる。つまり、優れた熱伝
導性や耐食性などを利用し、より高性能化を図るため
に、窒化アルミニウム系が選択される。ここで、窒化ア
ルミニウム成形体は、前記熱伝導性や耐食性などの優れ
た特長を生かすため、より緻密性などが要求されるの
で、予め、脱脂処理してあることが必要である。

【００１９】請求項１ないし３の発明において、抵抗発
熱体を埋め込み・内蔵する窒化アルミニウム成形体は、
一般的に、次のような手段で得られる。すなわち、平均
粒径０．１〜５μｍ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、ドライスプレー法などで造粒し、これを所要の形
状寸法の成形体に成形し、４００〜６００℃程度の温度
で加熱し、有機成分を熱脱脂処理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】また、窒化アルミニウム基材中に埋設・配
置する抵抗発熱体は、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、電力供給端子形成用の粉末は、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。ここ
で、粉末は平均粒径０．１〜２００μｍ程度、より好ま
しくは１０〜８０μｍ程度であり、圧粉成形体の形で電
力供給端子挿通孔内に充填・挿着する。

【００２１】

【発明の実施態様】以下、図１（ａ），（ｂ）を参照し
て実施例を説明する。

【００２２】図１（ａ），（ｂ）は、セラミックスヒー
ター製造方法の実施態様の概略を模式的に示す断面図で
あり、次のような手順で行われる。先ず、平均粒径０．
１〜５μｍ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、ド
ライスプレー法によって造粒した。この造粒子を素材と
して、厚さ１０ｍｍ、径２００ｍｍの円板（第１の成形
体）と、中央部に径５ｍｍの電力供給端子挿通孔を２個
有する厚さ１０ｍｍ、径２００ｍｍの円板（第２の成形
体）とを成形した。次いで、これら両成形体を空気雰囲
気中、６００℃程度の温度下におき、有機成分を熱脱脂
処理した。

【００２３】一方、タングステン線を螺旋状に捲回した
抵抗発熱素子、及び電力供給端子挿通孔の内径と同じ外
径に成形されたタングステン粉末の圧粉体を用意した。
次に、図１（ａ）に示すように、図示を省略してあるホ
ットプレス装置の基台側の加圧体面に、前記抵抗発熱素
子２を主面に位置決め配置した第１の成形体５ａをセッ
トする。そして、前記電力供給端子挿通孔内に圧粉体６
を充填・装着した第２の成形体５ｂを、前記第１の成形
体５ａの抵抗発熱素子２配置面に位置決めセットする。

【００２４】その後、ホットプレス装置の加熱加圧条件
を加熱温度１７５０℃程度、加圧力０．１ｔｏｎ／ｃｍ
^２、加熱加圧時間３時間に設定して、抵抗発熱素子２を
介して第１の成形体５ａ及び第２の成形体５ｂを焼成す
る一方、接合一体化した。また、この焼成・接合一体化
の過程で、第２の成形体５ｂに設けられた電力供給端子
挿通孔内に充填・挿着した圧粉体６は、抵抗発熱素子２
の接続端子部に圧着的に接合しながら焼結する。

【００２５】つまり、第１の成形体５ａ及び第２の成形
体５ｂは、図１（ｂ）に要部を断面的に示すごとく、互
いに接合一体化しながら焼成して、抵抗発熱体２を内蔵
するセラミックスヒーター本体５を形成する。また、圧
粉体６は、前記成形体５ａ，５ｂの焼成・一体化に伴う
収縮による圧縮作用で緻密化が進められる。一方、圧粉
体６と抵抗発熱素子２の接続端子部との接続部は、酸化
雰囲気から遮断された状態で圧着・焼結接合するため、
信頼性の高い電気的な接続が確実に行われた電力供給端
子６′を有するセラミックスヒーターが得られる。

【００２６】次に、上記構成のセラミックスヒーターの
使用例を説明する。たとえば半導体製造用ＣＶＤ装置の
処理室内に、前記セラミックスヒーターを位置決め装着
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。このセラミックスヒーター
の加熱動作において、電力供給端子６′の性状変化が防
止されているため、また、抵抗発熱体２に対する接続も
圧着・焼結で行われ、信頼性の高い接続を形成している
ので、安定した電力供給が行われた。つまり、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
定常的に確保できた。

【００２７】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、あるいは窒化アルミニウム成
形体の形状・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。

【００２８】

【発明の効果】請求項１ないし３の発明によれば、抵抗
発熱体に接続し導出される電力供給端子は、窒化アルミ
ニウム成形体の焼成・接続一体化における加熱加圧で、
同時に圧粉体を焼結することにより形成される。つま
り、外気から遮断された状態での圧粉体の圧着・焼結、
窒化アルミニウム成形体の焼成・収縮などによって、信
頼性の高い電気的・機械的な接続を形成する。

【００２９】また、抵抗発熱体の内蔵化（埋め込み）
は、脱脂処理した状態の成形体同士の挟着・配置で行え
るため、抵抗発熱体の位置決め用溝の形設を省略できる
し、接合剤も不要となって低コスト化を図れる。したが
って、電力供給端子部の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セラミックスヒー
ターを歩留まりよく提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は、実施例に係る製造工程の実
施態様を模式的に示す断面図。

【図２】従来の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】

１，５……セラミックス基材 ２……抵抗発熱素子 ３，６′……電力供給端子 ４……接合剤 ５ａ，５ｂ……脱脂済み窒化アルミニウム成形体 ６……圧粉体

───────────────────────────────────────────────────── 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番地 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番地 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 AA22 BB06 BB14 BC04 BC09 BC17 CA02 CA12 CA27 CA29 CA31 FA21 FA34 FA36 JA01 JA10 3K092 PP09 QA05 QB02 QB26 QB44 QB45 QC02 QC34 QC42 QC58 QC59 RF03 RF11 RF19 RF27 SS18 VV02 VV03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】脱脂処理済みの第１の窒化アルミニウム成
   形体面に抵抗発熱体を配置する工程と、前記抵抗発熱体
   配置面に、前記抵抗発熱体の端子部に対応する電力供給
   端子挿通孔を穿設した脱脂処理済みの第２の窒化アルミ
   ニウム成形体を位置決め配置する工程と、前記端子挿通
   孔内に電力供給端子形成用圧粉体を挿着・充填する工程
   と、前記第１の窒化アルミニウム成形体及び第２の窒化
   アルミニウム成形体を加熱加圧で焼成・一体化するとと
   もに、端子挿通孔内の圧粉体を焼結することを特徴とす
   るセラミックスヒーターの製造方法。
2. 【請求項２】抵抗発熱体がタングステン線もしくはモリ
   ブデン線を素材として構成されたものであることを特徴
   とする請求項１記載のセラミックスヒーターの製造方
   法。
3. 【請求項３】電力供給端子形成用圧粉体がタングステン
   もしくはモリブデンの圧粉体であることを特徴とする請
   求項１もしくは請求項２記載のセラミックスヒーターの
   製造方法。