JP2005086117A - 基板加熱用清浄超高温ヒータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ヒータ母体により基板ホルダー板の加熱を行ない、ホルダー板に基板を密接に固定することにより輻射と伝導の両面から基板を加熱できる構造を有し、ヒータ材料としてMo、W、Taの線材、あるいはSiC、グラファイト、を用いて作った平面コイル状のヒータ母体を有し、該ヒータ母体を基板ホルダー板と熱反射板及びヒータ保持機構から電気絶縁するためにAl2O3、BN、3Al2O3・2SiO2又はMgOの薄い平板と、基板ホルダー板への熱輻射のための窓が付いた平板を用いてサンドイッチ状に挟んだ構造を有し、該窓付き絶縁性平板側を基板ホルダー板で、平板側を熱反射板で、更にその全体を熱反射筒で囲ったヒータ構造を有する超高温ヒータ。
【選択図】 なし
Description
エレクトロニクスやオプトニクス、及びスピニクス等に係わる産業技術分野において、真空や低圧ガスの清浄雰囲気下で、セラミックス、金属酸化物、合金、Siやワイドバンドギャップ半導体、超伝導体、磁性体、誘電体、常伝導体、絶縁体等の電子・光学・磁気材料及び強度や保護材料のエピタキシャル(単結晶)薄膜、結晶性薄膜、非晶質薄膜と、それらの積層薄膜や人工格子及び電子・磁気・光子薄膜素子及び強化薄膜や保護薄膜等を作製する際に基板を加熱するために利用する新規基板加熱用清浄超高温ヒータを提供するものとして有用である。
(a)ヒータ母体自体による基板の直接的加熱方式ではなく、ヒータ母体により基板ホルダー板の加熱を行ない、ホルダー板に基板を密接に固定することにより輻射と伝導の両面から基板を加熱できる構造を有し、ヒータ材料としてモリブデン(Mo)又はタングステン(W)又はタンタル(Ta)の金属の線材を用いて作った平面コイル状のヒータ母体を有し、該ヒータ母体を、基板ホルダー板と熱反射板及びヒータ保持機構から電気絶縁するために、アルミナ(Al2O3)又は窒化ホウ素(BN)又はスーパームライト(3Al2O3・2SiO2)又は酸化マグネシュウム(MgO)の薄い平板と、基板ホルダー板への熱輻射のための窓が付いた平板とを用いてサンドイッチ状に挟んだ構造を有し、該窓付き絶縁性平板側を基板ホルダー板で、平板側を熱反射板で、更にその全体を熱反射筒で囲ったヒータ構造を有し、ヒータの最高温度として測温誤差±40℃を含めて、基板ホルダー板の裏面で1300℃以上、基板側である表面で1100℃以上の高温にまで達することができ、かつヒータからの蒸発成分の蒸気圧が10−5Pa以下であることを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
(b)(a)に記載の超高温ヒータにおいて、ヒータ材料として、Mo又はW又はTaの代わりに、白金(Pt)の線材ないし平板材を用い、基板ホルダー板の裏面で1250℃、表面で1050℃の高温まで加熱できるようにしたことを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
(c)(a)に記載の超高温ヒータにおいて、ヒータ材料として、Mo又はW又はTaの代わりに、ステンレスの線材を用い、基板ホルダー板の裏面で1200℃、表面で1000℃の高温まで加熱できるようにしたことを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
(d)(a)に記載の超高温ヒータにおいて、ヒータ母体及びヒータ母体を電気絶縁するための平板の代わりに、電気絶縁体としてBNを被覆したグラファイト製ヒータを用い、基板ホルダー板の裏面で1380℃、表面で1150℃の高温まで加熱できるようにしたことを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
(e)(a)に記載の超高温ヒータにおいて、ヒータ材料として、Mo又はW又はTaの代わりに、SiCを用い、基板ホルダー板の裏面で1350℃、表面で1100℃の高温まで加熱できるようにしたことを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
(f)基板ホルダー板の材料として、Mo又はW又はTa金属又はインコネル合金又はステンレスを用い、ヒータの最高温度以下の温度で動作させるようにしたことを特徴とする(a)から(e)のいずれかに記載の超高温ヒータ。
(g)ヒータ線材料以外の金属製部品に、インコネル合金又はステンレスを用い、酸素雰囲気下でも加熱できるようにしたことを特徴とする(b)、(c)及び(e)のいずれかに記載の超高温ヒータ。
(h)基板の押え板とボルトを用いて基板を基板ホルダー板に密着させてネジ止めし、固定することができるようにしたことを特徴とする(a)から(g)のいずれかに記載の超高温ヒータ。
(i)通電による磁場発生を抑制するために、ヒータ母体が、無磁場コイルの構成であるヒータ線の逆向きの巻き戻しを入れた渦巻き構造又はジグザグ構造を有することを特徴とする(a)から(h)のいずれかに記載の超高温ヒータ。
(j)ヒータ母体の形状及びヒータ全体の形状が、円形及び円筒形、又は四角形及び四角柱状を有することを特徴とする(a)から(i)のいずれかに記載の超高温ヒータ。
本発明においては、ヒータ素材として金属や炭素ないしSiCを用い、高真空下でも使用可能な清浄超高温ヒータを創意・工夫して構築する。それに必要な種々の基礎実験から説明する。まず、ヒータ母材、反射板、反射筒、電流リード、ボルト、及びナットの耐熱温度、及び高温下での蒸発について実験・検討した。
まず、金属板から渦巻状に切り出して作製した金属ヒータ母体と、金属製熱反射板の耐高温特性について調べた結果について説明する。図1a)に、通電試験後の白金−ロジウム(Pt−Rh;Rh濃度10%)ヒータ母体と、b)に、Mo(中央)とW(右)製のヒータ母体、及びc)に、インコネル合金製の熱反射板の加熱結果を示す。Pt−Rhの薄い板状渦巻きヒータ母体では、後述する熱ブロック兼基板ホルダー板の裏面(ヒータ母体側)の温度Tbが1150−1200℃付近から結晶化が起こり始め、また1250℃付近ではヒータの一部に溶解した痕跡が見られた。更に高温試験を行ったところ、1270℃で15時間経過後に切断した。図1a)はその切断後のヒータの様相を示している。これより、Pt−Rhヒータ母体の使用可能な最高温度は1200℃程度であることが分かった。
以上、ヒータ母体を除き、ヒータの各部品を例証したが、蒸発せず、清浄状態で高温・超高温を得られる部材であれば良く、例証したものに限定されるものではない。
図1a),b)を使い既に説明したように、薄い平板材のMoやWのヒータでは、高温脆性でもろくなり容易に破損するが、線材を用いれば1300℃の超高温を経過した後も線材にフレキシビリティがあり、簡単には破損しないことが分かった。そこで、図3a),b)に示すように、MoやWの線材を用いて渦巻状ヒータを構築した。直径0.6mmの線材を全長約45cm用いて渦巻状ヒータを作製した。抵抗値は、両者共に、室温で約0.01オームである。ヒータの形状は、必要な抵抗値さえ得られれば、渦巻き状に限らず、ジグザグ状等いずれの形状でも良く、形状に限定されない。なお、ここでは、成膜中に反射高速電子線回折測定等を行う等の応用も考えて、渦巻を巻き戻す無磁場構造にしたが、ジグザグ形状でもよい。
電気絶縁板には、高純度サファイア(99.9%)の焼結板を用いた。電気絶縁板、図4の2)と4)、には、中心に熱電対用の穴が開いている。更に、円周部には、電流導入ロッド用の穴と、線材の渦巻状のヒータ母体を細いMoないしW線で固定するための微細な穴が開いている。また、基板ホルダー板側の絶縁板2)には、ホルダーに効率よく熱を放射し伝導させるために、ヒータ母材を押さえ、かつ電気絶縁を保つために必要な十字の形状部分は残しているが、大きな穴(窓)が開いている。
以上のヒータの構築により、0.6mm径のMoの線材で作製したヒータ母体、1mm厚さのMo製熱ブロック板、2mmと3mmの厚さのアルミナの電気絶縁板、及びMoの熱反射板と反射筒を使用し作製したヒータでは、基板ホルダー板の裏面での最高温度は、1300℃、おもての面では1050℃であった。なお、厚さ2.5mmのMo製基板ホルダー板を用いたときは、おもて面で900℃以下であったが、0.5mm厚さの薄いMo製熱ブロック板を使用した場合は、おもての面で最高温度1100℃を得た。
なお、チャンバーの真空や雰囲気を中断せずに、連続して次々と基板を交換して成膜するには、図5e)の中央に示すように、フックの付いた基板ホルダーに基板をセットし、ロードロック機構でホルダーごと交換することにより可能となる。
a):破損した板状白金ヒータ
b):破損した板状MoヒータとWヒータ
c):過度の加熱により溶融したインコネル合金製の熱反射板
(図2について)
(1):ヒータ本体
(2),(3):電気絶縁板
(4):熱ブロック兼基板ホルダー
(5)-(7):熱反射板
(8):熱反射筒
(9):ヒータ用電流導入リード
(10):リード用穴と絶縁碍子
(11):熱電対とリード
(12):熱電対とリード用穴
(13):ヒータ組上げ固定用ボルト、ナット、スペーサー等
(14):基板押さえとボルト
(15):基板
(16):ヒータホルダー
(図3について)
a):金属線のヒータ成形
b):ヒータ
c):ヒータ部品
d):ヒータ先端部品拡大図
e)−j):組上げ
k):組上げたヒータのチャンバー中の取付け図
(図4について)
1):基板ホルダー用熱ブロック
2):窓付き絶縁体
3):ヒータ
4):ヒータ保持兼絶縁体
5):電流リードロッド
6):ヒータとリードロッド間固定用ナット
7),8)ヒータ組上げ固定用ボルトとナット
9),10),11):熱反射板
12):熱反射板間スペーサ用ナット
13):熱電対固定用金具とナット
14):ヒータホルダー兼反射筒
15):絶縁碍子
16):電流リード
17)リードロッドと電流リード間固定用ナット
18):熱電対
(図5について)
a):ヒータ部品
1):基板ホルダー用熱ブロック
2):熱反射筒
3):BN被覆型PGヒータ
4):熱反射板(3層)ヒータ保持部
b):ヒータ組上げ図
c):ヒータ組上げ図(下部)
d):加熱
1):基板ホルダー用ブロック
2):熱反射筒
3):電流リード
4):熱電対
19):基板押えと押えネジ
e):基板ホルダー用熱ブロック
Claims (10)
- ヒータ母体自体による基板の直接的加熱方式ではなく、ヒータ母体により基板ホルダー板の加熱を行ない、ホルダー板に基板を密接に固定することにより輻射と伝導の両面から基板を加熱できる構造を有し、ヒータ材料としてモリブデン(Mo)又はタングステン(W)又はタンタル(Ta)の金属の線材を用いて作った平面コイル状のヒータ母体を有し、該ヒータ母体を、基板ホルダー板と熱反射板及びヒータ保持機構から電気絶縁するために、アルミナ(Al2O3)又は窒化ホウ素(BN)又はスーパームライト(3Al2O3・2SiO2)又は酸化マグネシュウム(MgO)の薄い平板と、基板ホルダー板への熱輻射のための窓が付いた平板とを用いてサンドイッチ状に挟んだ構造を有し、該窓付き絶縁性平板側を基板ホルダー板で、平板側を熱反射板で、更にその全体を熱反射筒で囲ったヒータ構造を有し、ヒータの最高温度として測温誤差±40℃を含めて、基板ホルダー板の裏面で1300℃以上、基板側である表面で1100℃以上の高温にまで達することができ、かつヒータからの蒸発成分の蒸気圧が10−5Pa以下であることを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
- 請求項1に記載の超高温ヒータにおいて、ヒータ材料として、Mo又はW又はTaの代わりに、白金(Pt)の線材ないし平板材を用い、基板ホルダー板の裏面で1250℃、表面で1050℃の高温まで加熱できるようにしたことを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
- 請求項1に記載の超高温ヒータにおいて、ヒータ材料として、Mo又はW又はTaの代わりに、ステンレスの線材を用い、基板ホルダー板の裏面で1200℃、表面で1000℃の高温まで加熱できるようにしたことを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
- 請求項1に記載の超高温ヒータにおいて、ヒータ母体及びヒータ母体を電気絶縁するための平板の代わりに、電気絶縁体としてBNを被覆したグラファイト製ヒータを用い、基板ホルダー板の裏面で1380℃、表面で1150℃の高温まで加熱できるようにしたことを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
- 請求項1に記載の超高温ヒータにおいて、ヒータ材料として、Mo又はW又はTaの代わりに、SiCを用い、基板ホルダー板の裏面で1350℃、表面で1100℃の高温まで加熱できるようにしたことを特徴とする基板加熱用の超高温ヒータ。
- 基板ホルダー板の材料として、Mo又はW又はTa金属又はインコネル合金又はステンレスを用い、ヒータの最高温度以下の温度で動作させるようにしたことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の超高温ヒータ。
- ヒータ線材料以外の金属製部品に、インコネル合金又はステンレスを用い、酸素雰囲気下でも加熱できるようにしたことを特徴とする請求項2、3及び5のいずれかに記載の超高温ヒータ。
- 基板の押え板とボルトを用いて基板を基板ホルダー板に密着させてネジ止めし、固定することができるようにしたことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の超高温ヒータ。
- 通電による磁場発生を抑制するために、ヒータ母体が、無磁場コイルの構成であるヒータ線の逆向きの巻き戻しを入れた渦巻き構造又はジグザグ構造を有することを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の超高温ヒータ。
- ヒータ母体の形状及びヒータ全体の形状が、円形及び円筒形、又は四角形及び四角柱状を有することを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の超高温ヒータ。
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