JP2005123000A

JP2005123000A - ヒータ

Info

Publication number: JP2005123000A
Application number: JP2003355783A
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: JP3953021B2

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１枚の金属製支持体３上に発熱体１を支持固定するか、あるいは、絶縁被覆された２枚の金属製支持体３の間に発熱体１を挟み込んで固定することにより、ヒータを構成する。金属製支持体３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。特に金属製支持体３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用のガスシャワー基板としても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設け、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、発熱体を、絶縁被覆した金属製支持体の表面上に支持するか、あるいは２枚の絶縁被覆した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、セラミックスを全く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、絶縁被覆された金属製支持体と、該金属製支持体の表面上に支持固定された発熱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２枚の金属製支持体と、該２枚の金属製支持体の間に両面を挟み込んで固定された発熱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。また、前記金属製支持体に施された絶縁被覆が、アルマイト処理を施した後、更に樹脂膜を形成したものであることが更に好ましい。

また、本発明の第１及び第２のヒータにおいては、前記金属支持体に施された絶縁被覆が溶射膜であってよい。あるいは、前記金属支持体に施された絶縁被覆が樹脂膜であってよく、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、前記発熱体が絶縁被覆されていてもよい。前記発熱体に施された絶縁被覆は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は樹脂膜であってよく、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、金属製支持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１枚の金属製支持体上に発熱体を支持する構造（第１のヒータ）とするか、あるいは、絶縁被覆された２枚の金属製支持体の間に発熱体を挟み込む構造（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、従来のセラミックスで作製されていたヒータを比較して、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。

発熱体を絶縁被覆した１枚の金属製支持体で支持した第１のヒータの場合、ヒータを構成する部品点数が少なく、非常に簡単な構成で安価なヒータとすることができるため好ましい。また、発熱体を絶縁被覆した２枚の金属製支持体で挟み込む第２のヒータの場合、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相対的に速くなり、素早く昇温できる利点がある。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。

金属製支持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よく、その材質及び形成方法については特に問わない。例えば、使用する金属製支持体がアルミニウム又はアルミニウムを含有する合金である場合、この金属製支持体にアルマイト処理を施す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形成され、絶縁性にも優れているため特に好ましい。

上記のアルマイト処理をした上に、更に樹脂膜による絶縁被覆を施すこともできる。この場合、絶縁被覆の厚みを相対的に厚くすることができるため、ヒータに流す電圧を高くすることができ、昇温速度を更に高めることができるため好ましい。ただし、絶縁被覆の一部に樹脂を使用するため、ヒータとしての耐熱温度はアルマイト処理単独の場合に比較して低下する。そのため、高温で使用する場合はアルマイト処理のみとし、低温で且つ急速な昇温が必要な場合には、アルマイト処理膜上に更に樹脂膜を被覆するなど、ヒータの用途・目的に応じて使い分ければよい。

また、溶射により金属製支持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、ジルコニアなどの絶縁材料などを使用することが好ましい。これらの絶縁材料の溶射膜を金属製支持体に均一に設けることで、発熱体に対する絶縁を確保することができる。このときの溶射膜は、金属製支持体の全面に形成しても良いが、機能的には少なくとも発熱体が設置される部分にのみ形成すれば良い。溶射膜は一般に耐熱温度が比較的高いため、高温でヒータを使用する場合に特に好適である。

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。樹脂膜を被覆する方法としては、上記と同様に、発熱体との絶縁が確保できれば特に手法は問わない。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、シート状の樹脂を金属製支持体に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、溶射に比較して非常に安価に形成できる点で好ましい。

金属製支持体の絶縁被覆に用いる樹脂としては、特に制約はないが、耐熱性を有するテフロン樹脂やポリイミド樹脂を使用することが特に好適である。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、金属製支持体の絶縁被覆と同時に、発熱体にも絶縁被覆を施すことが可能である。発熱体を絶縁被覆することで、金属製支持体と発熱体と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。しかし、発熱体は外部から電力を供給する必要があるため、発熱体の端部に設けた電極及びその電極と外部給電端子とを電気的に接続する部分には、当然のことながら絶縁被覆が存在してはならない。

発熱体に絶縁被覆を形成する方法としては特に制約はない。例えば、上記した金属製支持体に対する絶縁被覆の場合と同様に、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などを使用することができる。

また、発熱体に形成する絶縁被膜としては、樹脂膜を選択することもできる。発熱体に樹脂膜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よい。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。尚、樹脂による絶縁被覆の場合も、発熱体の電極及びその電極と外部給電端子とを電気的に接続する部分には、絶縁被膜を形成してはいけない。

発熱体の絶縁被覆に用いる樹脂としては、特に制約はないが、耐熱性を有するテフロン樹脂やポリイミド樹脂を使用することが特に好適である。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、発熱体を絶縁被覆された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、１枚の絶縁被覆された金属製支持体の表面上に、発熱体を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２枚の金属製支持体の間に発熱体を挟み込み、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ない、発熱体１を形成した。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、上記アルミニウム製の金属製支持体３に、テフロン（登録商標）樹脂をスプレーにて塗布した後、２５０℃の大気中で焼成して、絶縁被覆を形成した。このときのテフロン樹脂からなる絶縁被覆の厚みは５０μｍであった。

絶縁被覆を設けた２枚のアルミニウムからなる金属製支持体３の間に、上記ステンレス箔の発熱体１を挟み込み、４個の固定用ネジ孔５でネジ止めした。また、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、発熱体には、その電極を除いて、上記と同様の方法でテフロン樹脂からなる絶縁被覆を形成した。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］
次に、上記実施例１と同じ発熱体１枚と、アルミニウム製の金属製支持体１枚とを準備し、金属製支持体には実施例１と同じ手法でポリイミド樹脂の絶縁被覆を形成した。この１枚の金属製支持体上にエポキシ樹脂で発熱体を固定して、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、溶射により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、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。この金属製支持体にも、発熱体と同様に、溶射によりＡｌ_２Ｏ_３の絶縁被覆を形成した。

次に、上記発熱体を２枚の金属製支持体の間にステンレス製のネジで固定し、実施例１と同じ手法で電極を接続して、ヒータを完成した。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℃までは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］
厚み１００μｍのタングステン箔を用意し、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。また、厚み２ｍｍ、直径３３０ｍｍのステンレス板を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て、金属製支持体とした。この金属製支持体には、溶射によりＡｌ_２Ｏ_３の絶縁被覆を形成した。

次に、上記発熱体を２枚の金属製支持体の間にステンレス製のネジで固定し、実施例１と同じ手法で電極を接続して、ヒータを完成した。このヒータは、ガスシャワー基板として、窒素やアルゴンなどの非酸化性ガスに対して、７５０℃までは問題なく使用することが可能であった。しかし、大気などの酸化性ガスに対しては、３５０℃を超えると、発熱体であるタングステン箔の表面に青色の酸化被膜が形成された。

［実施例５］
厚み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て、金属製支持体とした。この金属製支持体をポリイミド溶液に浸漬し、引き上げた後、３５０℃の大気中で焼成して、絶縁被覆を形成した。

次に、上記発熱体を２枚の金属製支持体の間にニッケル製のネジで固定し、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。

［実施例６］
上記実施例１と同じアルミニウム製の金属製支持体を２枚用意し、この金属製支持体を実施例１と同様に図２の形状に加工した後、その表面にアルマイト処理を施して絶縁被覆を形成した。このアルマイト処理による絶縁被覆を形成した２枚の金属製支持体の間に、実施例１と同じステンレス箔をエッチング処理した製発熱体を挟み込み、ネジ止めしてヒータを作製した。

このヒータを、実施例１と同様に、ガスシャワー基板として半導体製造装置に組み込み、流す気体として、大気、窒素、アルゴン、ＣＦ_４を使用した結果、５００℃まで問題なく使用することができた。また、このときヒータの２５０℃まの昇温時間は１５分であった。

次に、上記と同じアルマイト処理したアルミニウム製の金属製支持体に、更にテフロン樹脂をコートした。この金属製支持体を用いた以外は上記と同様にしてヒータを作製し、ガスシャワー基板として半導体製造装置に組み込んだ結果、大気、窒素、アルゴンに対して２５０℃まで使用でき、しかも１１分で昇温することが可能であった。

更に、上記と同じアルマイト処理した後、更にテフロン樹脂をコートしたアルミニウム製の金属製支持体と、同じくテフロン樹脂をコートしたステンレス製の発熱体を用いた以外は、上記と同様にしてヒータを作製した。このヒータを、ガスシャワー基板として半導体製造装置に組み込んだ結果、大気、窒素、アルゴンに対して２５０℃まで使用でき、しかも６分で昇温することが可能であった。

［比較例］
上記実施例５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の金属製支持体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され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

絶縁被覆された金属製支持体と、該金属製支持体の表面上に支持固定された発熱体とからなることを特徴とするヒータ。
絶縁被覆された２枚の金属製支持体と、該２枚の金属製支持体の間に両面を挟み込んで固定された発熱体とからなることを特徴とするヒータ。
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１又は２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、アルマイト処理を施した後、更に樹脂膜を形成したものであることを特徴とする、請求項３に記載のヒータ。
前記金属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１又は２に記載のヒータ。
前記金属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６に記載のヒータ。
前記発熱体が絶縁被覆されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のヒータ。
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８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８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１０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１〜１１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１〜１２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１３に記載のヒータ。