JP2005122999A

JP2005122999A - ヒータ

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Publication number: JP2005122999A
Application number: JP2003355782A
Authority: JP
Inventors: Masuhiro Natsuhara; 益宏夏原; Hirohiko Nakada; 博彦仲田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: JP3953020B2

Abstract

【課題】基本的にセラミックスを使用せず、安価であって、しかも破損しにくいヒータ、特に半導体製造装置用ガスシャワー基板として有用なヒータを提供する。
【解決手段】絶縁被覆された発熱体１を、１枚の金属製支持体３の表面上に支持固定するか、あるいは２枚の金属製支持体３で挟み込んで固定することにより、ヒータを構成する。発熱体の絶縁被覆は、酸化物等の絶縁材料の溶射膜や、テフロン樹脂又はポリイミド樹脂などの樹脂膜が好ましい。また、金属製支持体３にも同様に絶縁被覆を施すことができ、特に金属製支持体がアルミニウム又はアルミニウム合金のときは、アルマイト処理により絶縁被覆を形成することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属製のヒータに関し、より詳しくは半導体製造装置のガスシャワー基板として好適に使用可能なヒータに関する。

半導体ウエハの表面にエッチング処理を施したり、あるいは膜形成を実施したりする際に、半導体ウエハを処理する枚葉式の半導体製造装置においては、装置内におけるガスの流れの不均一さに起因して、エッチングや形成された膜の品質にバラツキが生じることが問題となっている。そこで、半導体製造装置内に導入するガスを予備加熱すると同時に、半導体ウエハに対して均一に噴射供給するためのガスシャワー基板が提案されている。

例えば、特許第３２２４６２９号公報には、セラミックスからなる盤状基体に複数のガス導入孔が設けられ、その盤状基体に抵抗発熱体が埋設されているガス供給用部材が記載されている。具体的には、窒化珪素、アルミナ、サイアロン、窒化アルミニウムなどのセラミックス中に抵抗発熱体を埋設し、多数のガス導入孔を設けたガス供給用部材を用いることにより、ＴｉＣｌ_４などの常温で液体の材料を含むガスを成膜装置内へ導入するのに際し、ＴｉＣｌ_４などが凝結するのを防止し、安定してウエハへの成膜やクリーニングが行えるとしている。

また、特開２００１−２７４１０３公報によれば、基材の厚みが５ｍｍ以下であって、複数の貫通孔を有するセラミックス焼結体基材と、このセラミックス焼結体基材に形成された導電層としてのヒータ回路パターンを備えた半導体製造装置用ガスシャワー体が提案されている。また、同公報には、導電層を形成したセラミックス焼結体基材に、第２のセラミックス焼結体基材をガラスなどで接着する手法が開示されている。

特許第３２２４６２９号公報特開２００１−２７４１０３公報

上記の特許第３２２４６２９号公報に記載されたガス供給用部材や、特開２００１−２７４１０３公報に記載されたガスシャワー体は、半導体製造装置内に導入するガスを予備加熱するヒータであると同時に、そのガスを半導体ウエハ上に均一に供給する手段として、非常に有用なものである。

しかしながら、これら従来のヒータないしガスシャワー基板は、基本的にセラミックスから形成されているため、コストが高くなるという欠点があった。また、ガス導入のためにセラミックス基板に多数の貫通孔を形成する必要があるため、強度が弱くなり、装置への取り付け時などのハンドリングや、振動によって破損しやすいという欠点があった。

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、基本的にセラミックスを使用せず、安価であって、しかも破損しにくいヒータ、特に半導体製造装置用ガスシャワー基板として有用なヒータを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明においては、絶縁被覆した発熱体を、金属製支持体の表面上に支持するか、あるいは２枚の金属製支持体で挟み込むことにより、ヒータを構成する。このような構造とすることで、セラミックスを使用する必要がなくなり、安価に作製することができるだけでなく、更には破損しにくいヒータとすることができる。

即ち、本発明が提供する第１のヒータは、絶縁被覆された発熱体と、該発熱体を表面上に支持固定した金属製支持体とからなることを特徴とする。また、本発明が提供する第２のヒータは、絶縁被覆された発熱体と、該発熱体の両面を挟み込んで固定した２枚の金属製支持体とからなることを特徴とする。

上記した本発明の第１及び第２のヒータにおいては、前記発熱体に施された絶縁被覆が溶射膜であってよい。また、前記発熱体に施された絶縁被覆が樹脂膜であってもよく、その樹脂膜はテフロン樹脂又はポリイミド樹脂からなることが好ましい。

上記した本発明の第１及び第２のヒータにおいては、前記金属製支持体が絶縁被覆されていてもよい。前記金属製支持体に施された絶縁被覆は、溶射膜とすることができる。また、前記金属製支持体がアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、該金属製支持体に施された絶縁被覆がアルマイト処理によって形成されていることが好ましい。更には、前記金属製支持体に施された絶縁被覆は樹脂膜であってもよく、その樹脂膜はテフロン樹脂又はポリイミド樹脂からなることが好ましい。

上記した本発明の第１及び第２のヒータにおいては、好ましくは、前記発熱体が金属箔のエッチングにより形成されている。

また、上記した本発明の第１及び第２のヒータにおいては、前記金属製支持体が複数の貫通孔を備えることができる。この複数の貫通孔を有するヒータは、半導体製造装置用のガスシャワー基板として使用することができる。

本発明によれば、発熱体に絶縁被覆を形成することで、基本的にセラミックスを使用する必要がなくなり、従って非常に安価であって、破損しにくいヒータを提供することができる。また、このヒータは、特に半導体製造装置用ガスシャワー基板として極めて有用であり、半導体製造装置内に導入するガスを予備加熱すると同時に、半導体ウエハに対してガスを均一に供給することができる。

本発明においては、絶縁被覆された発熱体を１枚の金属製支持体上に支持した構造（第１のヒータ）とするか、あるいは、絶縁被覆された発熱体を２枚の金属製支持体で挟み込む構造（第２のヒータ）とする。このような構造では、ヒータを構成する主たる材料が金属であるため、セラミックスに比較して安価に作製することができると共に、加工時やハンドリング及び使用時に破損しにくいヒータを提供することができる。

絶縁被覆した発熱体を１枚の金属製支持体で支持した第１のヒータの場合、部品点数が少なく、非常に簡単な構造で安価なヒータとすることができるため好ましい。また、絶縁被覆した発熱体を２枚の金属製支持体で挟み込んだ第２のヒータの場合、部品点数は第１のヒータに比較して増加するものの、発熱体と金属製支持体の接触面積が第１のヒータに比較して大きくなるため、ヒータ全体に熱が拡散する速度が速くなり、素早く昇温できるという利点がある。このように第１のヒータと第２のヒータは構造によって特性が異なるため、その用途に応じて使い分けることが可能である。

発熱体に形成する絶縁被覆としては、発熱体から金属製支持体への電気的リークを防ぐことができれば良く、その材質及び形成方法については特に問わない。例えば、溶射により発熱体に絶縁被覆を形成することができる。溶射する材料としては、絶縁材料であれば特に制約はなく、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２、ムライト、ジルコニアのような絶縁材料を使用することが好ましい。これらの材料を発熱体に均一に溶射することにより、金属製支持体に対する絶縁を確保することができる。上記のような酸化物の溶射膜は一般に耐熱温度が高いため、高温でヒータを使用する場合には特に好適である。

また、発熱体の絶縁被覆として、樹脂膜を用いることもできる。発熱体に樹脂を被覆する方法についても、金属製支持体との絶縁が確保できれば如何なる方法でも良い。例えば、樹脂溶液中に発熱体を浸漬し、引き上げた後、乾燥、焼成（キュア）する方法や、スプレーで塗布する方法、シート状樹脂で発熱体をラミネートする方法などがある。これらの樹脂膜による絶縁被覆は、酸化物等の絶縁材料の溶射膜に比較して、非常に安価に形成できる点で好ましい。ただし、一般的に樹脂の耐熱温度は酸化物等の溶射膜に比較して低いため、用途や目的に応じて両者を使い分けることが望ましい。

発熱体の絶縁被覆に用いる樹脂としては、特に制限はないが、耐熱性を有するテフロン樹脂やポリイミド樹脂が特に好適である。これらの樹脂は２００℃以上の温度に対しても安定であるため、ヒータを比較的高温まで使用することができる。

また、本発明においては、発熱体の絶縁被覆と同時に、金属製支持体にも絶縁被覆を施すことが可能である。金属製支持体にも絶縁被覆を施すことで、発熱体と金属製支持体の間の絶縁を更に確実にすることができるため好ましい。また、発熱体の電極、即ち外部給電端子と接続する部分が金属製支持体の近傍に存在する場合、発熱体の電極と外部給電端子は金属製支持体に対して絶縁を確保する必要があるが、金属製支持体に絶縁被覆が形成されていれば、電極と外部給電端子の接続部に絶縁を確保する構造が不要になるため、外部給電端子との接続構造を単純にすることができる点で特に好ましい。

金属製支持体に絶縁被覆を形成する方法については特に制約はない。例えば、上述した発熱体の絶縁被覆と同様に、溶射により絶縁被覆を形成することができる。溶射する材料としては、絶縁が確保できれば特に制約はなく、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２、ムライト、ジルコニアなどの絶縁材料を使用することができる。

また、使用する金属製支持体がアルミニウム、あるいはアルミニウムを含有する合金である場合には、この金属製支持体にアルマイト処理することで絶縁被覆を形成することができる。アルマイト被膜はアルミニウムの酸化膜であり、アルミニウムの陽極酸化により簡単に形成することができ、絶縁性にも優れているため特に好ましい。

更に、金属製支持体に形成する絶縁被覆として、樹脂膜を選択することもできる。金属製支持体に樹脂を被覆する方法についても、発熱体との絶縁が確保できれば如何なる方法でも良い。例えば、樹脂溶液中に金属製支持体を浸漬し、引き上げた後、乾燥、焼成（キュア）する方法や、スプレーで塗布する方法、シート状樹脂で金属製支持体をラミネートする方法などがある。これらの樹脂による絶縁被覆は、酸化物等の絶縁材料の溶射膜に比較して、非常に安価に形成できる点で好ましい。ただし、一般的に樹脂の耐熱温度は酸化物等の溶射膜に比較して低いため、用途や目的に応じて両者を使い分けることが望ましい。

金属製支持体の絶縁被覆に用いる樹脂としては、特に制限はないが、耐熱性を有するテフロン樹脂やポリイミド樹脂が特に好適である。これらの樹脂は２００℃以上の温度に対しても安定であるため、ヒータを比較的高温まで使用することができる。

本発明のヒータに用いる発熱体は、金属箔であることが好ましい。一般に金属箔は厚みバラツキが小さいため、発熱体回路パターンを形成した際に、抵抗値バラツキを小さく抑えることができる。発熱体回路パターンを形成する方法としては、打ち抜きやエッチングなどを用いることができる。特にエッチングは、発熱体回路パターンの形状に対する制約がほとんどないため好適である。

このため、金属箔をエッチングして発熱体回路パターンを形成することで、比較的安定した抵抗値の発熱体を安価に作製することができる。また、当然のことながら、発熱体が金属箔であることから、破損などの心配もない。このような金属箔の材料としては、エッチングできる金属であれば特に制約はない。例えば、ステンレス、タングステン、モリブデン、ニクロムなど各種金属材料から選択することができる。

金属製支持体の材質についても特に制約はなく、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、あるいはニッケル合金などを使用することができる。これらの金属材料から、ヒータの使用温度や使用環境に応じて適宜選択することができる。例えば、酸化性雰囲気で使用する場合にはステンレスやニッケル、アルミニウム、及びこれらの合金を使用することができるが、６００℃以上の高温で使用する場合にはステンレスやニッケルが好ましい。

実際に本発明のヒータを作製する際には、絶縁被覆された発熱体を金属製支持体で支持するが、その手法に関しては特に制約はない。例えば、第１のヒータの場合、絶縁被覆された発熱体を、１枚の金属製支持体の表面上に樹脂などで固定して一体化することができる。また、第２のヒータの場合には、絶縁被覆された発熱体を２枚の金属製支持体の間に挟み込み、同様に樹脂で固定するか、若しくはリベットあるいはネジ止めなどで機械的に固定することができる。

本発明のヒータにおいては、発熱体を支持し又は挟み込む金属製支持体に複数の貫通孔を形成することができる。この貫通孔は、金属製支持体が支持し又は挟み込んだ発熱体を避ける位置において、金属製支持体を貫通させて形成する。形成する貫通孔の数や形状は、その用途に応じて適宜選択することができる。

上記のように金属製支持体に複数の貫通孔を形成したヒータは、半導体製造装置用のガスシャワー基板として使用することができる。即ち、半導体ウエハの表面にエッチング処理を施したり、あるいは膜形成を実施したりする際に、半導体製造装置内に導入するガスを上記ガスシャワー基板の貫通孔を通して供給することによって、ガスを加熱すると同時に、そのガスを半導体ウエハに対して均一に噴射供給することができる。

このときのガスシャワー基板の使用温度は、発熱体や金属製支持体の材料、及び絶縁被覆に使用する材料の耐熱温度に依存する。例えば、発熱体と金属製支持体がステンレスであり、発熱体の絶縁被覆が酸化物の溶射膜である場合、使用温度はステンレスの耐熱温度に依存することになる。また、発熱体の絶縁被覆が樹脂である場合には、使用温度は樹脂の耐熱温度に依存するため、一般的には３００℃以下になる。このように、ガスシャワー基板の使用温度や使用環境に対応して、ヒータに用いる各種材料を選択する必要がある。

［実施例１］
厚み５０μｍのステンレス箔を用意し、これを図１に示す発熱体回路パターンにエッチング処理を行い、発熱体１を形成した。次に、この発熱体１に対して、電極２を除いて、テフロン（登録商標）樹脂をスプレーにて塗布した後、２５０℃で焼成（キュア）して絶縁被覆を形成した。この絶縁被覆の厚みは５０μｍであった。尚、図１において、３は発熱体１を支持する金属製支持体である。

また、厚み２ｍｍ、直径３３０ｍｍのアルミニウム製の金属製支持体３を２枚用意した。この２枚の金属製支持体３に、図２に示すように、発熱体１を避けて複数の貫通孔４（白丸で図示）を形成した。また、発熱体１を挟み込んで一体化するために、４箇所に固定用ネジ孔５（黒丸で図示）を形成した。更に、金属製支持体３のうちの１枚には、発熱体１の電極２に対応する位置に、外部給電端子を取り付けるための電極接続用ネジ孔６を形成した。

次に、絶縁被覆した発熱体１を２枚のアルミニウム製の金属製支持体３に挟み込み、４箇所の固定用ネジ孔５でネジ止めした。また、発熱体１の電極２の両側には、厚み３ｍｍ、直径６ｍｍで、中心部にネジ孔を形成したＡｌ_２Ｏ_３製プレートをあてがい、片方の金属製支持体３に設けた電極接続用ネジ孔６に外部給電端子を挿入して、アルミニウム製のネジでネジ止めした。このようにして、半導体製造装置用のガスシャワー基板として用いるヒータを作製した。

このガスシャワー基板を、実際の枚葉式の半導体製造装置に搭載した。その結果、通過する気体が大気や窒素、アルゴンに関しては、２５０℃まで問題なく使用することができた。このとき、ガスシャワー基板（ヒータ）が２５０℃にまで達する時間は１０分であった。

次に、上記と同じ材料を使用して同じ構造のヒータを作製した。ただし、金属製支持体として、上記アルミニウム板に複数の貫通孔やネジ孔を穴開け加工した後に、全面をアルマイト処理したアルミニウム板を使用した。その結果、発熱体の電極との間を絶縁するために、上記のようにＡｌ_２Ｏ_３製プレートを用いる必要がなくなった。このヒータをガスシャワー基板として半導体製造装置に搭載したところ、２５０℃まで問題なく使用でき、ヒータが２５０℃にまで達する時間は１０分であった。

［実施例２］
厚み５０μｍのステンレス箔を用意し、これを図１に示す発熱体回路パターンにエッチング処理を行い、発熱体を形成した。この発熱体は、電極を除いてポリイミド溶液に浸漬し、取り出した後、３５０℃の大気中で焼成（キュア）して、ポリイミド樹脂の絶縁被覆を形成した。また、実施例１と同じアルミニウム製の金属製支持体を１枚用意した。

次に、この絶縁被覆された発熱体を、１枚のアルミニウム製の金属製支持体上にエポキシ樹脂で接着して固定し、ガスシャワー基板（ヒータ）とした。このガスシャワー基板は、半導体製造装置に搭載した結果、２５０℃まで問題なく使用することができた。また、ヒータが２５０℃にまで達する時間は１８分であり、上記実施例１の場合よりも若干遅い傾向が現れた。

［実施例３］
厚み５０μｍのモリブデン箔を用意し、これを図１に示す発熱体回路パターンにエッチング処理して、発熱体を形成した。この発熱体の表面に、電極を除いて、溶射によってＡｌ_２Ｏ_３の絶縁被覆を形成した。また、厚み２ｍｍ、直径３３０ｍｍのステンレス板を２枚用意し、これにも溶射によってＡｌ_２Ｏ_３の絶縁被覆を形成した。その後図２に示すように複数の貫通孔やネジ孔を形成して、金属製支持体とした。

次に、この２枚の金属製支持体の間に上記発熱体を挟みこみ、ステンレス製のネジによって固定し、実施例１と同じ手法で電極を接続して、ヒータを完成させた。このヒータは、ガスシャワー基板として酸化性ガスを使用した場合でも、７５０℃まで問題なく使用することが可能であった。また、弗化物などの腐食性ガスに対しても、５００℃まで十分に使用することができた。

［実施例４］
厚さ７０μｍのニクロム箔を用意し、これを図１に示す発熱体回路パターンにエッチング処理して、発熱体を作製した。この発熱体を、電極を除いて、ポリイミド溶液に浸漬し、引き上げた後、３５０℃の大気中で焼成（キュア）して、ポリイミド樹脂の絶縁被覆を形成した。また、厚み２ｍｍ、直径３３０ｍｍのニッケル板を２枚用意し、図２に示すように複数の貫通孔やネジ孔を形成し、更にポリイミド溶液に浸漬して引き上げた後、３５０℃大気中で焼成（キュア）して、ポリイミド樹脂の絶縁被覆を形成した金属製支持体とした。

次に、この２枚の金属製支持体の間に上記発熱体を挟み込み、ニッケル製のネジによって固定し、実施例１と同じ手法で電極を接続して、ヒータを作製した。このヒータは、ガスシャワー基板として枚葉式の半導体製造装置に搭載した結果、３００℃まで問題なく使用することができた。

［比較例］
上記実施例４で使用したニクロム箔を、図１に示す発熱体回路パターンにエッチング処理して、発熱体とした。また、金属製支持体として、厚み２ｍｍ、直径３３０ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３板を２枚用意し、図２に示す形状に加工した。このＡｌ_２Ｏ_３の金属製支持板は絶縁体であるため、そのままの状態でニクロム箔の発熱体を挟み込み、実施例１と同様の手法でヒータを作製した。

このヒータをガスシャワー基板として枚葉式の半導体製造装置に搭載し、２５０℃まで昇温した。このときに要した昇温時間は１０分であった。２５０℃に昇温した後、ヒータを取り出したところ、Ａｌ_２Ｏ_３の金属製支持体に形成した複数の貫通孔を結ぶようにクラックが発生し、ヒータが破損していた。

本発明に係わるヒータの発熱体を示す平面図である。本発明に係わるヒータの金属製支持体を示す平面図である。

符号の説明

１発熱体
２電極
３金属製支持体
４貫通孔
５固定用ネジ孔
６電極接続用ネジ孔

Claims

絶縁被覆された発熱体と、該発熱体を表面上に支持固定した金属製支持体とからなることを特徴とするヒータ。
絶縁被覆された発熱体と、該発熱体の両面を挟み込んで固定した２枚の金属製支持体とからなることを特徴とするヒータ。
前記発熱体に施された絶縁被覆が溶射膜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のヒータ。
前記発熱体に施された絶縁被覆が樹脂膜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のヒータ。
前記樹脂膜がテフロン樹脂又はポリイミド樹脂からなることを特徴とする、請求項４に記載のヒータ。
前記金属製支持体が絶縁被覆されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のヒータ。
前記金属製支持体に施された絶縁被覆が溶射膜であることを特徴とする、請求項６に記載のヒータ。
前記金属製支持体がアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、該金属製支持体に施された絶縁被覆がアルマイト処理によって形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のヒータ。
前記金属製支持体に施された絶縁被覆が樹脂膜であることを特徴とする、請求項６に記載のヒータ。
前記樹脂膜がテフロン樹脂又はポリイミド樹脂からなることを特徴とする、請求項９に記載のヒータ。
前記発熱体が金属箔のエッチングにより形成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のヒータ。
前記金属製支持体が複数の貫通孔を有することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載のヒータ。
半導体製造装置用のガスシャワー基板として使用することを特徴とする、請求項１２に記載のヒータ。