JP2005019067A

JP2005019067A - 窒化アルミニウムのセラミックスヒータ

Info

Publication number: JP2005019067A
Application number: JP2003179470A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Aonuma; 伸一朗青沼; Shigeko Muramatsu; 滋子村松; Koji Oishi; 浩司大石
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: JP4199604B2

Abstract

【課題】この発明は、セラミックスヒータの発熱体であるタングステンまたはモリブデンの表面に酸化膜を形成することによって、タングステン、モリブデンまたは白金が焼結中に液相成分や焼結助剤と反応しないようにして、液相に欠陥が生ずるのを防ぐとともに焼結体の電気抵抗が低下するのを抑制して、ヒータ内面の温度分布が更に均一となるセラミックスヒータを得ようとするものである。
【解決手段】発熱面を有する窒化アルミニウムのヒータカバーと、このヒータカバーの発熱面と反対側で一体に接合した窒化アルミニウムのヒータベースと、前記ヒータカバーとヒータベースの間でそのいずれか一方に埋め込み配置された抵抗発熱体と、抵抗発熱体に一端が接続した電力供給端子を有するセラミックスヒータであって、前記抵抗発熱体がタングステン、モリブデン及び白金の中のいずれかの一種の金属又は金属化合物からなり、さらにこの抵抗発熱体の表面が酸化膜で被覆されている窒化アルミニウムのセラミックスヒータある。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は窒化アルミニウムのセラミックスヒータに関する。特にヒータの加熱面温度の均一性をさらに向上した窒化アルミニウムのセラミックスヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＶＤやＰＶＤの成膜工程ではウェーハを直接載置して加熱するのに、抵抗発熱体を埋設させた構造のセラミックスヒータが使用されている。このセラミックスヒータを用いた成膜工程においてはチャンバークリーニングがなされるが、そこで使用されるハロゲン系ガスは、目的とする被処理物以外にセラミックスヒータそのものも同時に腐食させるものである。そのために、ヒータに使用されるセラミックスはハロゲンガスに対する耐食性の高い窒化アルミニウムが用いられている。
【０００３】
また、セラミックスヒータはスループットを向上させるために、昇温時間を減少させて短時間で昇温を行うことが求められるところからも、耐熱衝撃性の高い窒化アルミニウムセラミックスが使用されている。さらに、最近では温度の均一化のために配線パターンの微細化が図られ、またウェーハの大口径化による部材の大型化、成膜温度の高温化、プラズマの高密度化なども図られるようなっている。特に、成膜工程の温度は成膜種により異なり、ＴＥＯＳによるＳｉＯ_２ならば５５０℃前後、ＷＳｉでは６２０℃程度、ＳｉＮでは７５０℃程度であるが、スループットを向上させるためにさらに高温化が要求されている。これらに使用されるセラミックスヒータは、例えば以下のようにして製造されている。
【０００４】
ヒータに埋設する発熱体はコイル状で、これをホットプレスによりセラミックスの焼成と同時にヒータの内部に埋め込むようにするものである。具体的には、ＡｌＮの粉末を予め溝加工した金型を用いて一軸プレスで成形し、この成形体の溝にコイル状の発熱体を設置する。次に、窒化アルミニウムの粉末を前記コイル状の発熱体が設置された成形体の上に所定の厚さで均一に形成して再度これを一軸プレスして成形し、コイル状の発熱体を内在化させる。その後、ホットプレスによってＡｌＮ成形体を焼結して発熱体を埋め込んだセラミックスヒータとするものである。
【０００５】
その他のセラミックスヒータの製造方法としては、ドクターブレードによりセラミックスのグリーンシートを成形してヒータベースとする。このヒータベースの一面に溝を形成しここに抵抗発熱体を埋設・配置する。また、これに電力供給端子用の穴をあける。さらに所定の厚みでセラミックスのヒータカバー成形体を作成する。次に、ヒータベースとヒータカバー成形体を積層してこれを脱脂し、その後これをホットプレスして焼結体とする。その後焼結体の端子用穴に電力供給端子を取り付けセラミックスヒータとするものである。グリーンシート上に発熱体を埋設する方法は導電性ペーストを用いたスクリーン印刷が一般的であるが、この他に配線形状に加工した金属プレートやメッシュを埋設するなどの方法もある。
【０００６】
セラミックス成形体をホットプレスして焼結する温度は、セラミックスを緻密化させる必要から１５００℃以上が必要であり、そのために発熱体に使用される材料は１５００℃以上で形状保持が可能な高融点金属が用いられている。金属発熱体に求められているその他の特性としては、ベースのセラミックスと熱膨張係数が近似していることである。発熱体とヒータベースとの熱膨脹係数が異なっていると焼成時の降温でセラミックスに応力が発生して割れる可能性が高い。さらに、発熱体は適度の電気抵抗を有していることが必要である。
【０００７】
これらのことから、セラミックスヒータの発熱体にはタングステン、モリブデンまたは白金の単体若しくはこれらの金属化合物（合金）が用いられている。しかしながら、これらの金属は非常に酸化し易く、例えばタングステン単体を大気中で加熱した場合は３５０℃で酸化が開始する。一方、窒化アルミニウムセラミックスは単体では焼結しにくく、窒化アルミニウムセラミックスの焼結に際しては焼結助剤を用いる。ここで用いる焼結助剤は、Ｙ_２Ｏ_３などのランタノイド系酸化物やＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４などが使用されている。焼結助剤がＹ_２Ｏ_３の場合には、Ｙ_２Ｏ_３は窒化アルミニウム粒子表面の薄い酸化層と反応してＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２となり、これが液相となり冷却し固化して緻密化が促進されるものである。
【０００８】
タングステン発熱体を用いて窒化アルミニウムセラミックヒータを製造すると、タングステンは酸化しやすために窒化アルミニウムに焼結助剤として添加したＹ_２Ｏ_３と容易に反応して酸化タングステンとなる。また、Ｙはイオンの形で窒化アルミニウム中に取込まれることになる。ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４などを焼結助剤として用いた場合もほぼこれと同様の動きをするものである。この状態となると絶縁性の窒化アルミニウムは温度の上昇とともに体積抵抗率が低下することになる。即ち、焼結体中にＹイオンが不純物として拡散している場合には、これが電気導電性物質となり焼結体の電気抵抗は急激に低下する。この状態となるとセラミックス焼結体が発熱する問題が発生する。通常のように、抵抗発熱体だけに電気が流れて発熱すれば問題が生じないが、セラミックス焼結体に電気が流れて発熱する状態となると、その発熱体間で局部的な発熱現象が起こる。その結果、ヒータ面内の温度分布が変化して、半導体ウェーハに所望の膜質の得られないばかりか、膜厚のバラツキが大きくなって歩留まりが低下する原因となっていたものである。さらにこれが極端になった場合は局部発熱による熱衝撃に耐え切れずヒータが破損する場合もあった。
【０００９】
本発明の先行技術としては、対向電極型のホットプレートの基板保持プレートにおいて、基板保持プレートの腐食性物質にさらされる表面部分に耐食性保護膜を設けたものが公知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０６−０６１３３５号公報（請求項１）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしがら、先行文献１に示されている技術は、電極が熱分解グラファイトであってタングステンまたはモリブデンではないとともに、発熱体の酸化を防ぐために発熱体に酸化膜を形成するといったことは何ら開示されていない。この発明は、セラミックスヒータの発熱体金属であるタングステン、モリブデンまたは白金の表面に酸化膜を形成することによって、タングステン、モリブデンまたは白金が焼結中に液相成分や焼結助剤と反応しないようにして、液相に欠陥が生ずるのを防ぐとともに焼結体の電気抵抗が低下するのを抑制して、ヒータ内面の温度分布が更に均一となるセラミックスヒータを得ようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、発熱面を有する窒化アルミニウムのヒータカバーと、このヒータカバーの発熱面と反対側の面でこれと一体に接合した窒化アルミニウムのヒータベースと、前記ヒータカバーとヒータベースの間でそのいずれか一方に埋め込み配置された抵抗発熱体と、抵抗発熱体に一端が接続した電力供給端子を有するセラミックスヒータであって、前記抵抗発熱体がタングステン、モリブデン及び白金の中のいずれかの一種の金属又は金属化合物からなり、さらにこの抵抗発熱体の表面が酸化膜で被覆されている窒化アルミニウムのセラミックスヒータ（請求項１）及び前記酸化膜の厚さが０．００２〜２μｍである請求項１記載の窒化アルミニウムのセラミックスヒータ（請求項２）である。即ち、この発明は、ヒータの内部に埋め込み・配置した発熱体が焼結中に液相成分や焼結助剤と反応しないように発熱体のタングステン、モリブデン及び白金のいずれか一種の金属又はこれらの金属化合物の表面を酸化膜で被覆した発熱体を用いた窒化アルミニウムのセラミックスヒータである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明のＡｌＮのセラミックヒータ１０の断面図である。このセラミックスヒータは、抵抗発熱体に酸化膜を形成した点を除くと従来のセラミックヒータと同様である。図１で１１は窒化アルミニウムのヒータカバーである。このヒータカバー１１にはタングステン、モリブデン若しくは白金またはこれらの金属化合物（合金）の抵抗発熱体１２が埋設・配置されている。発熱体は、箔をエッチングすることによって形成することができるが、それ以外に導電性ペーストをスクリーン印刷したもの、メッシュをエッチングしたものであってもよい。この抵抗発熱体は、表面が酸化してここに酸化膜を形成したものとする。この酸化膜の厚さは０．００１〜２μｍとする。これが０．００１μｍ未満では抵抗発熱体を窒化アルミニウム焼結体の液相や焼結助剤に対して被覆することができない。また、この酸化膜の厚さが２μｍを超えて厚くなると、発熱体と酸化物との熱膨張率の差から酸化膜に剥離が生じ易いといった問題がある。この酸化膜の形成は発熱体を空気中で加熱することによって形成することができる。発熱体に対する酸化膜の形成は、この外にスパッタやＣＶＤなどで形成したものでもよい。
【００１４】
１３は窒化アルミニウム製のヒータベースである。このベース１３には穴が明けられそこに電極端子１４が挿入されて、電極端子１４の先端が抵抗発熱体１２の接合部に接続されている。ヒータカバー１１とヒータベース１３との接合は、これらを一体にしてホットプレスによって行われる。これによって表面が酸化膜によって被覆された抵抗発熱体が内部に埋設・配設されたセラミックスヒータとする。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）窒化アルミニウム粉末と、窒化アルミニウムに対する１重量％のＹ_２Ｏ_３粉末をボールミルで混合し、一定時間後にＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を加えスプレードライヤーで造粒した。この造粒粉を金型で成形して成形体としてから、有機物を除去するために６００℃空気中で熱処理し脱脂体とした。この脱脂体を窒素雰囲気中１８５０℃で熱処理して焼結体を得た。この窒化アルミニウムの焼結体を加工し、サイズφ２３０ｍｍ×５ｔの電力供給端子側の焼結体とした。これと同様に加工して、サイズφ２３０ｍｍ×５ｔのウェーハ載置側の焼結体とした。このウェーハ載置側の焼結体には窒化アルミニウムを主成分（ＡｌＮ：Ｙ_２Ｏ_３＝１００：１）とするペーストをスクリーン印刷した。また、電力供給端子側の焼結体に発熱体を埋設・配設して挟み込むために、この焼結体にドリル加工で溝を形成した。
【００１６】
発熱体は、厚み０．３ｍｍのタングステン箔を薬液によりエッチングして作成した。この発熱体は石英管を用いた間接加熱炉内で空気中、５５０℃で０．５時間処理し表面に酸化膜を形成した。同様のタングステン箔を同じように処理してその酸化膜の厚さを測定したところ０．１２μｍであった。焼結体に埋設した発熱体に外部から電気を供給できるように端子側の焼結体に穴を開けた。次に、端子側の焼結体とウェーハ載置側の焼結体の接合面を合せた状態とし、不活性雰囲気で１７５０℃、０．１ｔｏｎ／ｃｍ^２の条件でホットプレスして接合して熱処理を行った。この接合品を粗加工したのち、タングステン端子を焼結体の穴から挿入してＡｇロウによって発熱体と接合した。接合後に最終加工を行いサイズφ２２０×７ｔの窒化アルミニウムの面状ヒータを得た。真空チャンバー中でこのヒータに電気を供給し加熱試験を実施した。加熱試験では所定の温度に加熱した状態で外部から赤外線熱画像装置で面内の温度分布の状態を観察した。
【００１７】
（実施例２）窒化アルミニウム粉末と、窒化アルミニウムに対する１重量％のＹ_２Ｏ_３粉末をボールミルで混合し、一定時間後にＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を加えスプレードライヤーで造粒した。この造粒粉を金型で成形後に静水圧プレス（１．０ｔｏｎ／ｃｍ^２）を行って成形体とした。この成形体から有機物を除去するために６００℃空気中で熱処理し脱脂体とした。この脱脂体を窒素雰囲気中１８５０℃で熱処理して焼結体を得た。この窒化アルミニウムの焼結体を加工し、サイズφ２３０ｍｍ×５ｔの電力供給端子側の焼結体とした。これと同様にして、サイズφ２３０ｍｍ×５ｔに仕上げウェーハ載置側の焼結体とした。このウェーハ載置側の焼結体には窒化アルミニウムを主成分（ＡｌＮ：Ｙ_２Ｏ_３＝１００：１）とするペーストをスクリーン印刷した。また、電力供給端子側の焼結体に発熱体を埋設・配置するためにドリル加工で溝を形成した。
【００１８】
発熱体は、厚み０．３ｍｍのタングステン箔を薬液によりエッチングして作成した。この発熱体は石英管を用いた間接加熱炉内で空気中、４５０℃で１時間処理し表面に酸化膜を形成した。同様のタングステン箔を同じように処理したものでその酸化膜の厚さを測定したところ０．０８μｍであった。焼結体に埋設する発熱体に外部から電気を供給できるように端子側の焼結体に端子用の穴を開けた。次に、端子側の焼結体とウェーハ載置側の焼結体の接合面を合せ、不活性雰囲気で１７５０℃、０．１ｔｏｎ／ｃｍ^２の条件でホットプレスして接合して熱処理を行った。この接合品を粗加工したのち、タングステン端子を焼結体の穴ら挿入してＡｇロウによって発熱体に接合した。接合後に最終加工を行いサイズφ２２０ｍｍ×７ｔの窒化アルミニウムの面状ヒータを得た。真空チャンバー中でこのヒータに電気を供給し加熱試験を実施した。加熱試験では所定の温度に加熱した状態で外部から赤外線熱画像装置で面内の温度分布の状態を観察した。
【００１９】
（比較例１）窒化アルミニウム粉末と、窒化アルミニウムに対する１重量％のＹ_２Ｏ_３粉末をボールミルで混合し、一定時間後にＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を加えスプレードライヤーで造粒した。この造粒粉を金型で成形して成形体としてから、有機物を除去するために６００℃空気中で熱処理し脱脂体とした。この脱脂体を窒素雰囲気中１８５０℃で熱処理して焼結体を得た。この窒化アルミニウムの焼結体を加工し、サイズφ２３０ｍｍ×５ｔの電力供給端子側の焼結体とした。これと同様にして、サイズφ２３０ｍｍ×５ｔのウェーハ載置側の焼結体を作成した。このウェーハ載置側の焼結体には窒化アルミニウムを主成分（ＡｌＮ：Ｙ_２Ｏ_３＝１００：１）とするペーストをスクリーン印刷した。電力供給端子側の焼結体に発熱体を埋設・配設して挟み込むために、この焼結体にドリル加工で溝を形成した。
【００２０】
発熱体は、厚み０．３ｍｍのタングステン箔を薬液によりエッチングして作成した。焼結体に埋設した発熱体に外部から電気を供給する電力供給端子を挿入できるように、焼結体に穴をあけた。次に、電力供給側の焼結体とウェーハ載置側の焼結体の接合面を合せ、不活性雰囲気で１７５０℃、０．１ｔｏｎ／ｃｍ^２の条件でホットプレスして接合して熱処理を行った。この接合品を粗加工したのち、焼結体の電力供給端子用の穴にタングステン端子を挿入し、これをＡｇロウによって発熱体に接合した。接合後に最終加工を行いサイズφ２２０ｍｍ×７ｔの窒化アルミニウムの面状ヒータを得た。真空チャンバー中でこのヒータに電気を供給し加熱試験を実施した。加熱試験では所定の温度に加熱した状態で外部から赤外線熱画像装置で面内の温度分布の状態を観察した。
【００２１】
実施例１及び実施例２、比較例１の加熱試験の結果を纏めて示すと表１の通りであった。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１から分かるように、発熱体に酸化膜を形成した場合はヒータの面内温度分布は均一で、局部発熱の発生がみられないことが分かる。これに対して、比較例１の発熱体に酸化膜を形成しない場合はヒータの面内温度分布が不均一で、局部発熱の発生により使用後１０分でヒータが破壊した。
【００２４】
【発明の効果】
この発明によれば、セラミックスヒータの局部発熱が避けられて一層の均一加熱ができるようになった。その結果、ウェーハに形成する膜質に所望のものが得られるとともに、膜質も均一なものが得られるようになって歩留まりの向上が期待できるようになったものである。さらに、均一加熱が可能となったところから、さらに高温加熱をしても局部加熱が避けられるので熱衝撃による破損もなく寿命の長いヒータとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例になるセラミックスヒータの側断面図を示す説明図。
【符号の説明】１０…セラミックヒータ、１１…ヒータカバー、１２…抵抗発熱体、１３…ヒータベース、１４…電極端子。

Claims

発熱面を有する窒化アルミニウムのヒータカバーと、このヒータカバーの発熱面と反対側の面でこれと一体に接合した窒化アルミニウムのヒータベースと、前記ヒータカバーとヒータベースの間でそのいずれか一方に埋め込み配置された抵抗発熱体と、抵抗発熱体に一端が接続した電力供給端子を有するセラミックスヒータであって、前記抵抗発熱体がタングステン、モリブデン及び白金の中のいずれかの一種の金属又は金属化合物からなり、さらにこの抵抗発熱体の表面が酸化膜で被覆されている窒化アルミニウムのセラミックスヒータ。
前記酸化膜の厚さが０．００２〜２μｍである請求項１記載の窒化アルミニウムのセラミックスヒータ。