JP2005285355A

JP2005285355A - 加熱装置

Info

Publication number: JP2005285355A
Application number: JP2004093180A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Unno; 豊海野; Yoshinobu Goto; 義信後藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-13
Also published as: US20050211691A1; US7173220B2

Abstract

【課題】プレート面上の温度が均一となり、温度差と熱膨張率差による割れが発生しない複合部材及びセラミックスヒータを提供する。
【解決手段】セラミックスヒータ１は、加熱面を有し、内部に発熱体４を有するセラミックスを原料とするプレート２と、内部に発熱体４に電流を導入するリード線５を有するシャフト３とを備える。プレート２の熱伝導率は、６０〜２２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、シャフト３の熱伝導率は、６０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋである。又、プレート２の熱放射率は、０．６〜０．９であり、シャフト３の熱放射率は、０．５〜０．７である。又、プレート２とシャフト３との線膨張係数の比率が０．９〜１．１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱面を有する基体と円筒部材からなる加熱装置に関し、特に、半導体製造装置、エッチング装置などにおいて好適に使用できるセラミックスヒータに関する。

半導体製造装置においては、熱ＣＶＤなどによってシランガスなどの原料ガスから半導体薄膜を製造する際に、ウェハを加熱するためのセラミックスヒータが備えられている。このセラミックスヒータは、加熱面を有し、内部にモリブデン等の高融点金属からなる発熱体が埋設されたプレート部分と、プレート部分を支え、発熱体を加熱するための電流を導入するリード線を有するシャフト部分とを備える。セラミックスヒータは、ウェハ等の被加熱物を均一に加熱するために、加熱面内の温度を均一に保つことが重要となる。このため、プレート内に複数の発熱体を有するセラミックスヒータなどが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

又、その他、加熱面内の温度を均一に保つため、プレート部分とシャフト部分との熱膨張率差を規定するセラミックスヒータが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−１０２１５７号公報（第３−４頁、第１図）特開２００３−３０９０４９号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、上述したセラミックスヒータでは、プレートの中央部分に接合されたシャフトから加熱面内の熱が逃げることにより、加熱面内の中央部分だけ温度が低下する場合がある。このように、面内で温度差が発生すると、加熱面上の中央部分から割れが発生することがある。

又、プレートとシャフトを接合し一体化した場合、特許文献２に示すように、プレートとシャフトの材質を熱伝導率の異なる異種材料で構成するとそれらの熱膨張率差によりシャフト接合部から破損する場合がある。

上記の課題に鑑み、本発明は、加熱面上の温度が均一となり、温度差と熱膨張率差による割れが発生しない加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、加熱面を有し、内部に発熱体を有する基体と、内部に発熱体に電流を導入するリード線を有し、加熱面の裏面に接続された円筒部材とを備え、基体の熱伝導率が円筒部材の熱伝導率の１．０〜２．０倍である加熱装置であることを要旨とする。

基体の熱伝導率が円筒部材の熱伝導率の１．０倍以下であると、基体から円筒部材へより多くの熱が流出するので、均熱性確保の点で好ましくなく、基体の中央部分が割れるおそれがある。又、基体の熱伝導率が円筒部材の熱伝導率の２．０倍以上であると、気体と円筒部材の線膨張係数の差が大きくなり、その結果熱膨張率差が大きくなるので、破損しやすい。

よって、第１の特徴に係る加熱装置によると、加熱面上の温度が均一となり、温度差と熱膨張率差による割れが発生しない。

又、第１の特徴に係る加熱装置において、基体の熱伝導率は、６０〜２２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、円筒部材の熱伝導率は、６０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。この値に限定することにより、熱に対してより安定した加熱装置を提供することができる。

又、基体の線膨張係数と円筒部材の線膨張係数との比率は０．９〜１．１であり、熱膨張率差が小さいので基材の中央部分が割れるおそれがない。

本発明の第２の特徴は、加熱面を有し、内部に発熱体を有する基体と、内部に発熱体に電流を導入するリード線を有し、加熱面の裏面に接続された円筒部材とを備え、基体の熱放射率が円筒部材の熱放射率以上である加熱装置である。基材の熱放射率が大きいので、基材の放熱性が高くなり、基材全体の温度が均一になるので、基材の中央部分が割れるおそれがない。

又、第２の特徴に係る加熱装置において、基体の熱放射率は、０．６〜０．９であり、円筒部材の熱放射率は、０．５〜０．７であることが好ましい。この値に限定することにより、熱に対してより安定した加熱装置を提供することができる。

本発明によると、本発明は、プレート面上の温度が均一となり、温度差と熱膨張率差による割れが発生しない加熱装置を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る加熱装置は、加熱面を有し、内部に発熱体を有する基体と、内部に発熱体に電流を導入するリード線を有し、加熱面の裏面に接続された円筒部材とを備える。基体の熱伝導率は、円筒部材の熱伝導率の１．０〜２．０倍であり、更に具体的には、基体の熱伝導率は、６０〜２２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、円筒部材の熱伝導率は、６０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋである。又、基体の熱放射率が円筒部材の熱放射率以上であり、更に具体的には、基体の熱放射率は、０．６〜０．９であり、円筒部材の熱放射率は、０．５〜０．７である。又、基体の線膨張係数と円筒部材の線膨張係数との比率は０．９〜１．１となる。

以下において、本発明の実施の形態に係る加熱装置として、セラミックスヒータを用いたときを例にとり、説明する。

（セラミックスヒータ）
本発明の実施の形態に係るセラミックスヒータ１は、図１に示すように、加熱面を有し、内部に発熱体４を有するセラミックスを原料とするプレート２と、内部に発熱体４に電流を導入するリード線５を有するシャフト３とを備える。プレート２内部には、リード線５からの電流を発熱体４に導入する電流導入端子部６を備える。

プレート２及びシャフト３の原料（主成分）は、共に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。又、プレート２を製造する際の焼成条件は、焼成温度１８５０℃〜２０００℃、圧力１００〜３００ｋｇ／ｃｍ^２、焼成時間２〜５時間である。シャフト３を製造する際の焼成条件は、焼成温度１６００℃〜２０００℃、圧力１〜３０ｋｇ／ｃｍ^２、焼成時間１〜５時間である。

本発明の実施の形態に係るセラミックスヒータ１において、プレート２の熱伝導率は、シャフト３の熱伝導率の１．０〜２．０倍である。更に具体的には、プレート２の熱伝導率は、６０〜２２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、シャフト３の熱伝導率は、６０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋである。熱伝導率の差が１．０〜２．０倍であることにより、プレート２からシャフト３への熱の逃げがおこりにくく、プレートの中央部分が割れるおそれがない。

又、プレート２の線膨張係数とシャフト３の線膨張係数の比率は１．０４である。プレート２とシャフト３の線膨張係数の差は小さいので、プレート２とシャフト３の熱膨張率差は殆どなくなるため、プレートの中央部分が割れるおそれがない。

更に、プレート２の熱放射率は、０．６〜０．９であり、シャフト３の熱放射率は０．５〜０．７である。プレート２の熱放射率が大きいので、プレート２の放熱性が高くなり、プレート２全体の温度が均一になるので、プレートの中央部分が割れるおそれがない。

本発明の実施の形態に係るセラミックスヒータによると、加熱面上の温度が均一となり、温度差と熱膨張率差による割れが発生しない。

（セラミックスヒータの製造方法）
次に、本発明に実施の形態に係るセラミックスヒータの製造方法について、図２を用いて説明する。

（イ）まず、プレートの材料調整を行う（Ｓ１０１）。具体的には、プレートを構成する窒化アルミニウムなどのセラミックス粉末を成形用バインダと混合する。混合方法としては、例えば、トロンメルと呼ばれる容器そのものが回転する大型のボールミル装置を用いて行う。トロンメルによる混合の時間は、例えば３０分程度である。その後、スプレードライヤー（ＳＤ）などの造粒装置により、造粒を行い、造粒粉を得る。

（ロ）次に、得られた造粒粉を、機械プレスによって一軸加圧下で成形し、予備的な成形体を製造する（Ｓ１０２）。そして、この予備的な成形体内部に発熱体４及び電流導入端子部６を載置し、再び機械プレスによる成形を行う。

（ハ）上記のようにして作られた成形体をホットプレス方式などの焼成炉に入れ、焼成を行う（Ｓ１０３）。ホットプレスは、カーボン治具内に原料粉末や成形体を充填、あるいは挿入し、３０〜５０ＭＰａの一軸加圧下で焼成するもので、通常の常圧焼結では、緻密化が困難なセラミックス材料の焼成に適する。このときの焼成条件は、焼成温度１８５０℃〜２０００℃、圧力１００〜３００ｋｇ／ｃｍ^２、焼成時間２〜５時間である。

（ニ）一方、シャフト部分は、プレートとは別途に製造される。まず、シャフトの材料調整を行う（Ｓ１０４）。具体的には、シャフトを構成する窒化アルミニウムなどのセラミックス粉末を成形用バインダと混合する。混合後の原料を冷間等方圧プレス（冷間静水圧プレス：Cold Isostatic Pressing, ＣＩＰ）などの焼成炉に入れ、焼成を行い、成形体を製造する（Ｓ１０５）。ＣＩＰとは、金型成形法により得られる一軸成形体に等方圧の成形処理を施す方法であり、成形体密度の向上とむらをなくすことができる。金型成形せずに、直接、ゴム型に原料粉末を充填しＣＩＰ処理を行い、成形体を得ることも可能である。こうして得られたシャフトの成形体を常圧焼成炉などにより焼成を行う（Ｓ１０６）。このときの焼成条件は、焼成温度１６００℃〜２０００℃、圧力１〜３０ｋｇ／ｃｍ^２、焼成時間１〜５時間である。そして、シャフトの外周やラッピングの加工を行う（Ｓ１０７）。

（ホ）上記の手順で得られたプレートとシャフトは、ダイレクトボンド法により、焼成炉内で接合される（Ｓ１０８）。このときの焼成条件は、焼成温度１８５０℃〜２０００℃、圧力１００〜３００ｋｇ／ｃｍ^２、焼成時間２〜５時間である。接合後のセラミックスヒータは、側面加工が施され、接合炉によって端子の接合が行われる。その後、洗浄処理や均熱性の評価などが行われる。

上述したセラミックヒータの製造方法によると、プレートの熱伝導率がシャフトの熱伝導率の１．０〜２．０倍となり、更に具体的には、プレートの熱伝導率は、６０〜２２０Ｗ／ｍ・Ｋとなり、円筒部材の熱伝導率は、６０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋとなる。又、プレートの熱放射率がシャフトの熱放射率以上となり、更に具体的には、プレートの熱放射率は、０．６〜０．９となり、円筒部材の熱放射率は、０．５〜０．７となる。更に、プレートの線膨張係数とシャフトの線膨張係数の比率は０．９〜１．１となる。

従って、本発明の実施の形態に係るセラミックスヒータの製造方法によると、プレート面上の温度が均一となり、温度差と熱膨張率差による割れが発生しない。

以下、本発明の実施例及び比較例について説明する。以下の実施例及び比較例では、プレートはホットプレス方式の焼成炉で焼成し、シャフトはＣＩＰによって成型し、常圧焼成炉によって焼成した。

（実施例１）
組成がＡｌＮである窒化アルミニウム粉を原料とするプレート部分を上記で説明した製法により製造した。又、組成がＡｌＮである窒化アルミニウム粉を原料とするシャフト部分を上記で説明した製法により製造した。プレート部分の焼結の条件は、焼結温度１９００℃、圧力３００ｋｇ／ｃｍ^２、焼結時間５時間とした。一方、シャフト部分の焼結の条件は、焼結温度１６５０℃、圧力１０ｋｇ／ｃｍ^２、焼結時間１時間とした。そして、プレート部分の熱伝導率及び熱放射率、シャフト部分の熱伝導率及び熱放射率を測定した。この結果を表１に示す。又、このシャフトとプレートを接合して作成されたセラミックスヒータを半導体製造装置に用いて、使用温度20℃-750℃、圧力1E-３Torrという条件で、２０００回昇降温熱サイクル試験を行った。このとき、プレートの中央部分の割れは生じなかった。又、ヒータ動作中の、プレート面上の中央部分と端から２ｃｍの部分の温度を測定した。

（実施例２）
実施例１と同様に、プレート部分及びシャフト部分の製造を行い、熱伝導率及び熱放射率の測定を行った。この結果を表１に示す。又、このシャフトとプレートを接合して作成されたセラミックスヒータを半導体装置に用いて、使用温度20℃-600℃、N₂雰囲気で気圧10Torrという条件で、２０００回昇降温熱サイクル試験を行った。このとき、プレートの中央部分の割れは生じなかった。又、ヒータ動作中の、プレート面上の中央部分と端から２ｃｍの部分の温度を測定した。

（比較例１）
実施例１〜２に対する比較例１として、組成がＡｌＮである窒化アルミニウムを原料とするプレート部分を上記で説明した製法により製造した。又、組成がＡｌＮである窒化アルミニウムを原料とするシャフト部分を上記で説明した製法により製造した。プレート部分の焼結の条件は、焼結温度１５６０℃、圧力５０ｋｇ／ｃｍ^２、焼結時間６時間とした。一方、シャフト部分の焼結の条件は、焼結温度１５１０℃、圧力３ｋｇ／ｃｍ^２、焼結時間８時間とした。そして、プレート部分の熱伝導率及び熱放射率、シャフト部分の熱伝導率及び熱放射率を測定した。この結果を表１に示す。又、このシャフトとプレートを接合して作成されたセラミックスヒータを半導体装置に用いて、使用温度20℃-600℃、N₂雰囲気で気圧10Torrという条件で、４３０回昇降温熱サイクル試験を行った。このとき、プレートの中央部分に割れが生じた。又、ヒータ動作中の、プレート面上の中央部分と端から２ｃｍの部分の温度を測定した。

（比較例２）
実施例１〜２に対する比較例２として、比較例１と同様に、プレート部分及びシャフト部分の製造を行い、熱伝導率及び熱放射率の測定を行った。この結果を表１に示す。又、このシャフトとプレートを接合して作成されたセラミックスヒータを半導体装置に用いて、使用温度20℃-600℃、N₂雰囲気で気圧10Torrという条件で、３５２回昇降温熱サイクル試験を行った。このとき、プレートとシャフトの接合部分に割れが生じた。又、ヒータ動作中の、プレート面上の中央部分と端から２ｃｍの部分の温度を測定した。

（結果）
比較例１、２が４３０回または３５２回昇降温熱サイクル試験を行ったときにプレート部分もしくはプレートとシャフトの接合部分に割れが認められたが、実施例１、２は、２０００回昇降温熱サイクル試験を行っても割れは生じなかった。又、比較例１では、プレート面上の中央部分と端部分の温度差が１２℃であるのに対し、実施例１、２では、温度差が４．０℃または３．０℃と小さかった。このため、プレート部分の熱伝導率がシャフト部分の熱伝導率の１．０〜２．０倍である場合、更に、実施例１に示すように、プレート部分の熱伝導率が６０〜２２０Ｗ／ｍ・Ｋで、シャフト部分の熱伝導率が６０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋである場合、プレート部分に割れが生じず、安定したセラミックスヒータが得られることが確認できた。又、プレート部分の熱放射率がシャフト部分の熱放射率以上である場合、更に、プレート部分の熱放射率が０．６〜０．９で、シャフト部分の熱放射率が０．５〜０．７であり、プレートの線膨張係数とシャフトの線膨張係数の比率が０．９〜１．１である場合、プレート部分やプレートとシャフトの接合部に割れが生じず、安定したセラミックスヒータが得られることが確認できた。

（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかである。

例えば、本発明のプレート及びシャフトの原料は、窒化アルミニウムを使用すると記載したが、その他に窒化ケイ素、窒化ホウ素、及びサイアロンなどの窒化物セラミックス、並びにアルミナ−炭化ケイ素複合材料などの公知のセラミックス材料から作製することができる。しかしながら、本発明のセラミックスヒータを半導体製造装置などに組み込んで使用した場合において、ハロゲン系ガスなどの腐食性ガスに対して高い耐腐食性を付与するためには、窒化アルミニウムを使用することが望ましい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係るセラミックスヒータの断面図である。本発明の実施の形態に係るセラミックスヒータの製造方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１セラミックスヒータ
２プレート
３シャフト
４発熱体
５リード線
６電流導入端子部

Claims

加熱面を有し、内部に発熱体を有する基体と、
内部に前記発熱体に電流を導入するリード線を有し、前記加熱面の裏面に接続された円筒部材とを備え、
前記基体の熱伝導率が前記円筒部材の熱伝導率の１．０〜２．０倍であることを特徴とする加熱装置。
前記基体の熱伝導率は、６０〜２２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、前記円筒部材の熱伝導率は、６０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
加熱面を有し、内部に発熱体を有する基体と、
内部に前記発熱体に電流を導入するリード線を有し、前記加熱面の裏面に接続された円筒部材とを備え、
前記基体の熱放射率が前記円筒部材の熱放射率以上であることを特徴とする加熱装置。
前記基体の熱放射率は、０．６〜０．９であり、円筒部材の熱放射率は、０．５〜０．７であることを特徴とする請求項３に記載の加熱装置。
前記基体及び前記円筒部材は、窒化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱装置。