JP2006005095A - 基板加熱装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板表面温度の均熱化が可能な基板加熱装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】一方の面に基板を載置する加熱面を有する板状のセラミックス基体と、セラミックス基体に埋設された抵抗発熱体とを有し、加熱面が中央部が最も低く周辺部へ近づく程高い凹面形状である、基板加熱装置である。抵抗発熱体が埋設された板状のセラミックス基体を形成する工程と、加熱面となる、セラミックス基体の一方の面を、中央部が最も低く周辺部へ近づく程高い凹面形状に研削加工する工程と、セラミックス基体の他方の面の中央領域に筒状部材を接合する工程とを有する基板加熱装置の製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造工程に用いられる半導体ウエハや液晶基板等を加熱する基板加熱装置に関し、特に、セラミックス基体に抵抗発熱体を埋設した基板加熱装置に関する。

半導体製造装置で使用されている基板加熱装置としては、円盤状のセラミックス基体中に線状の抵抗発熱体を埋設したセラミックスヒータが使用されている。また、抵抗発熱体とともに、基板を吸着固定するための静電チャック用電極を埋設した、静電チャック機能付セラミックスヒータも広く使用されている。

このように抵抗発熱体をセラミックス基体中に埋設したセラミックスヒータは、基体が耐腐食性の高いセラミックスで形成されており、かつ抵抗発熱体が外部に露出していないため、腐食性ガスを使用することが多いＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置やドライエッチング装置等での使用にも適している。

通常、セラミックスヒータは円盤形状をしているが、ＣＶＤ装置やドライエッチング装置等で使用される基板加熱装置では、抵抗発熱体の端子を腐食性ガスに露出することなく外部に取り出すため、セラミックス基体中央下部に円筒状部材であるシャフトが接合され、このシャフト内に抵抗発熱体の端子及びこれに接続される給電棒を収納する構造が採用されることも多い（特許文献）。

このような従来のセラミックスヒータでは、伝熱効率を上げるため、基板載置面である加熱面をラッピング加工等により平坦性を確保し、基板との密着性を上げていた。そして、平坦性の良好な加熱面に載置された基板は、セラミックスヒータの加熱面の温度分布を反映した温度分布を示していた。

半導体製造装置で使用されるセラミックスヒータは、その用途により室温から５００℃以上の高温まで、幅広い温度範囲で用いられているが、製品の歩留まりを上げるためには基板温度をできるかぎり均一にすることが望まれる。このため、基板加熱装置も基板載置面すなわち基板加熱面における温度の高い均熱性が求められている。
特開２００３−１３３１９５号（図２等）

しかしながら、シャフトがついていない一般的な円盤形状のセラミックスヒータでは、ヒータの外縁部からの放熱が大きいため、基板加熱面の中央に較べ外縁部での温度が低下する傾向がある。

一方、セラミックス基体の裏面にシャフトが取り付けられたセラミックスヒータでは、シャフトからの伝熱が大きいため、加熱面中央部の温度が下がりやすい。中央部の温度が周辺部の温度より低くなると、中央部のセラミックス基体では収縮が生じ、外縁部のセラミックス基体では伸張が生じる結果、中央部のセラミックス基体に対し引張り応力が生じる。セラミックス基体は一般に圧縮応力には強いが引張り応力に弱く、しかも中央部には配線の引き出し等のために必要な溝加工が集中しているため、中央部の温度が低いと強度的に問題となる。このため、シャフト付のセラミックスヒータの強度を上げるには、セラミックスヒータ中央部の温度を外周囲より高温にし、ヒータ中央部に圧縮応力を発生させることが望まれる。

しかしながら、シャフトが付いていない場合も、付いている場合もいずれの場合もセラミックスヒータの加熱面中央部の温度が高く、加熱面自体に熱の不均衡が存在すると、平坦な加熱面に載置された基板は、セラミックスヒータの加熱面の温度分布をそのまま反映した温度分布を示すため、良好な均熱性を得ることが困難となる。

本発明の目的は、上述する従来の課題に鑑み、加熱面中央部の温度が高い場合に、簡便な方法で、基板温度分布の均一化が図れる基板加熱装置及びその製造方法を提供することである。

本発明の基板加熱装置の特徴は、一方の面に基板を載置する加熱面を有する板状のセラミックス基体と、セラミックス基体に埋設された抵抗発熱体とを有し、加熱面が中央部が最も低く周辺部へ近づく程高い、凹面形状を持つことである。

また、本発明の基板加熱装置の製造方法の特徴は、抵抗発熱体が埋設された板状のセラミックス基体を形成する工程と、加熱面となる、セラミックス基体の一方の面を、中央部が最も低く周辺部へ近づく程高い凹面形状に研削加工する工程と、セラミックス基体の他方の面の中央領域に筒状部材を接合する工程とを有することである。

本発明の基板加熱装置によれば、加熱面の凹面化により、加熱面の中央部の温度が周辺より高い場合にも、加熱面上に載置する基板の温度を均熱化することが可能になる。したがって、セラミックス基体の強度を維持しながら、載置する基板面内の温度分布をより均熱化できる。

また、本発明の基板加熱装置の製造方法によれば、簡便な基板加熱面の研削工程により、加熱面の凹面化を行なうことで、加熱面の中央部の温度が周辺より高い場合にも、加熱面上に載置する基板温度を均熱化することが可能になる。したがって、セラミックス基体の強度を維持しながら、載置する基板面内の温度分布をより均熱化できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る基板加熱装置とその製造方法について説明する。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態にかかる基板加熱装置１の断面図及び平面図を図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す。同図に示すように、セラミックス基体１０は、例えば略円盤形状のセラミックス焼結体で形成されており、内部に線状の抵抗発熱体２０を埋設している。円盤形状のセラミックス基体１０の一方の面は加熱面Ａであり、被加熱体である半導体基板やガラス基板が加熱面Ａ上に載置される。

また、抵抗発熱体２０は、図１（ｂ）に示すように、Ｍｏ，Ｗ，ＷＣ等の高融点材料からなる金属バルク体である１本の線状体を、中央に２つの抵抗発熱体端子２５がくるように、折り返し加工した巻回体である。隣接する抵抗発熱体２０のピッチはほぼ等しく形成されている。

本発明の第１の実施の形態に係る基板加熱装置１の主たる特徴は、加熱面Ａが中央部が最も低く周辺部へ近づく程高い、凹面形状を有していることである。

通常、図１（ａ）に示す基板加熱装置１では、外周囲部、特に加熱面端部からの放熱が大きいため、基板加熱装置の加熱面Ａは、加熱面周縁部での温度が加熱面中央部に較べ下がりやすい傾向にある。しかしながら、第１の実施の形態に係る基板加熱装置１では、加熱面Ａ上に半導体基板を載置すると、基板は加熱面Ａの外周囲部では自重により密接に加熱面Ａに接触するため、良好な伝熱効率が得られ、基板温度の上昇が効率良く生じるが、基板５０の中央部においては僅かな隙間が加熱面Ａと基板との間にできるため、伝熱効率が加熱面Ａ中央部に比べ低下する。すなわち、従来のように加熱面Ａが平坦面であれば、基板５０の基板表面における温度分布は、セラミックス基体１０の加熱面Ａの温度分布をそのまま反映したものになるが、第１の実施の形態に係る基板加熱装置１の場合は、加熱面Ａの形状が凹面形状であるため、温度の高い加熱面中央では基板への伝熱効率が低く、温度の低い加熱面外周部では基板への伝熱効果を相対的に高くしているので、基板表面における温度分布をより均一なものに補正できる。

第１の実施の形態において、セラミックス基体１０としては、例えばＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮｘ、サイアロン等が使用できる。加熱面としてΦ２００ｍｍ〜Φ３００ｍｍの大きさの加熱面面積を有するセラミックス基体１０において、加熱面Ａの具体的な凹面形状としては、加熱面Ａの中央部高さをＨｃと、加熱面端部の高さＨｅとの差△Ｈが１０μｍ以上であることが望ましい。この場合は、実効的は温度補正効果が得られる。

上記第１の実施の形態にかかる基板加熱装置１の特徴によれば、セラミックス基体１０中の抵抗発熱体２０として、従来と同様な設計のものを使用しながら、基板面内での温度分布を均一化できる。

＜第２の実施の形態＞
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る基板加熱装置２の構造を示す装置断面図及び平面図である。第２の実施の形態に係る基板加熱装置２も、第１の実施の形態と同様に、セラミックス基体１２の基板加熱面Ａが、中央部が最も低く周辺部へ近づく程高い、凹面形状を有することを特徴とするものである。第１の実施の形態に係る基板加熱装置１との相違は、セラミックス基体１１の加熱装置の加熱面Ａとは反対側の裏面中央に、筒状部材であるシャフト３０が接合されており、さらに、シャフト３０の接合領域上のセラミックス基体１２の中央付近に、埋設された抵抗発熱体２２に、高温発生領域を有することである。

図２（ｂ）に示すように、第２の実施の形態に係る基板加熱装置２は、抵抗発熱体２２が装置中央部の抵抗発熱体ゾーン２２ａとその外周囲の抵抗発熱体ゾーン２２ｂとに分割でき、各抵抗発熱体ゾーンが独立に入出力端子を有している。そして、装置中央部の抵抗発熱体ゾーン２２ａは、外周囲より高温に設定できるよう出力値が設定されている。

従来のシャフト付セラミックスヒータでは、シャフト３０からの伝熱が大きいため、加熱面中央部の温度が下がりやすく、中央部の温度が周辺部の温度より低い場合は、中央部のセラミックス基体では収縮が生じ、外縁部のセラミックス基体では伸張が生じる結果、中央部のセラミックス基体に対し引張り応力が生じやすい。しかし、第２の実施の形態に係る基板加熱装置２では、セラミックス基体１２の中央部を高温にしているため、必要な溝加工が集中し、強度的に弱くなりやすいセラミックス基体中央部に圧縮応力場を形成し、強度を高めることができる。

一方、このようなセラミックス基体１２中央部を高温にした場合においても、加熱面Ａが、中央部において最も低く周辺部へ近づく程高くなる、いわゆる凹面形状を有している。図２（ａ）に示すように、加熱面Ａに基板５０を載置すると、基板５０は加熱面Ａの周辺部では自重により密接に加熱面Ａに接触するため、良好な伝熱効率が得られ、基板温度の上昇が効率良く生じるが、基板５０の中央部においては僅かな隙間が加熱面Ａと基板５０との間にできるので、伝熱効率が加熱面Ａ周辺部に比べ低下する。よって、温度の高い加熱面中央では基板への伝熱効率を低く、温度の低い加熱面外周部では基板への伝熱効率を相対的に高くしているので、基板表面における温度分布をより均一なものに補正できる。

第２の実施の形態において、セラミックス基体中央に圧縮応力場を形成するためには、シャフトが付いた状態で、セラミックス基体１１の加熱面Ａ中央部での温度Ｔｃと、半径１４０ｍｍ円周上での加熱面温度Ｔ140（外周部）との差△Ｔが３℃以上、好ましくは５℃以上とする。

一般に、セラミックス基体１１の破損は、基板加熱装置の昇温時に、特に昇温スピードを速くした場合に生じやすい。加熱面中央部の到達温度を３００℃〜５００℃とする場合、その昇温速度は、１０℃/分〜２０℃/分であり、特殊な用途でも４０℃/分を超えることは少ない。△Ｔが３℃以上の場合は、少なくとも通常の昇温範囲において、セラミックス基体の破損を防止できる。また、△Ｔが５℃以上の場合は、昇温速度が４０℃/分においても、セラミックス基体の破損を防止できる。ただし、△Ｔが大きすぎると、逆にセラミックス基体１１の外周部において破損が生じやすくなるため、△Ｔは３０℃以下にすることが好ましい。

上述するように、第２の実施の形態に係る基板加熱装置では、セラミックス基体１１の表面に凹面形状を形成しているが、具体的な凹面形状の条件は、セラミックス基体の加熱面Ａにおける温度分布を補正できる条件にすることが望まれる。

したがって、セラミックス基板１１の加熱面における温度分布条件によっても凹面形状の条件は異なるが、例えばΦ２００ｍｍ〜Φ３００ｍｍの大きさの加熱面面積を有するセラミックス基体１１における、加熱面Ａの具体的な凹面形状としては、第１の実施の形態の場合と同様に、基板温度の実効的な温度分布の補正を行なうには、上記加熱面の凹面形状は、加熱面Ａの中央部高さＨｃと加熱面Ａの端部の高さＨｅとの差△Ｈが１０μｍ以上であることが望ましい。また、△Ｔが５℃以上の場合、載置する基板表面の温度を均一化するためには、△Ｈを約２８μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上とする。

なお、第２の実施の形態において、セラミックス基体１２中央部に高温発熱領域を形成する手段として、複数の抵抗発熱体ゾーンを有するマルチゾーンヒータを使用し、中央部の抵抗発熱体ゾーンを高温設定する手段について説明しているが、セラミックス基体１２の中央部に高温発熱領域を形成する手段はこれに限られず、種々の手段を使用することができる。例えば、セラミックス基体１２の中に埋設する抵抗発熱体を連続する線状もしくはリボン状の回巻体で形成する場合でも、セラミックス基体中央部に埋設される部分については抵抗発熱体２１のピッチを狭くし、線密度を高くすることでも、高温発熱領域を形成できる。

第２の実施の形態に係る基板加熱装置の構造によれば、セラミックス基体１２の中央に高温領域が形成されるため、中央部に圧縮応力場ができる。よって、セラミックス基体１２の強度を高め、シャフトや給電端子用溝の存在で、機械的強度の低下を防止できるとともに、基板加熱装置の加熱面Ａ上に載置する半導体基板５０については、加熱面Ａの凹面形状の影響により基板表面における温度分布をより均一なものに補正できる。

なお、シャフト３０の材質は特に限定されないが、セラミックス基体１２と同様、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、サイアロンからなる群より選択された一の非酸化物セラミックス、もしくは前記群より選択された少なくともニ以上の非酸化物セラミックスの複合材を主成分とする材料、さらには金属や金属とセラミックスとのコンポジット材を使用できる。また、シャフト３０材として、セラミックス基体１２の主成分と同一材料を使用すれば、熱膨張係数の差を少なくできるため、接合部での熱応力の発生を防止できる。

＜第３の実施の形態＞
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態である基板吸着機能付基板加熱装置３及び４の構造を例示する装置断面図である。

図３（ａ）に示す基板加熱装置３では、略円盤形状のセラミックス焼結体で形成されたセラミックス基体１３中に抵抗発熱体２３と静電チャック用電極６０が埋設されている。セラミックス基体１３の裏面に接続されるシャフト３３内には、抵抗発熱体２３の端子へ給電する給電棒４３とともに静電チャック用電極６０の端子へ給電する給電棒６３が収納されている。このように、セラミックス基体１３の裏面中央領域には、シャフト３３が接合されているため、シャフト３３からの伝熱により加熱面Ａの中央部の温度は低下する傾向がある。

しかしながら、静電チャック付の基板加熱装置３においても加熱面Ａは、図１（ａ）に示す基板加熱装置と同様に、中央部において最も低く周辺部に近づく程高くなる、いわゆる凹面形状を有している。加熱面Ａに載置した基板は何の固定方法もなければ、不安定になりがちであるが、図３（ａ）に示す基板加熱装置２では、静電チャック機能により基板は加熱面Ａにしっかりと吸着固定される。

加熱面Ａは中央が低い凹面形状を持つため、基板は加熱面Ａの中央部では静電チャックの吸着力により密接に加熱面Ａに接触し、実質的な接触面積を広げる結果、高い伝熱効率が得られ、基板温度が効率良く上昇するとともに、基板の中央部においては僅かな隙間が加熱面Ａと基板との間にできるため伝熱効率が低下する。この結果、加熱面Ａに載置した基板表面における均熱性が改善できる。

一方、基板表面における均熱性の補正を実効的なものにするためには、加熱面Ａの中央部と外周部とでの各熱伝導率の差がより明確となるよう、△Ｈが１０μｍ以上、より好ましくは２８μｍ以上とすることが好ましい。

図３（ｂ）に示す基板加熱装置４は、真空チャック機能を備えたものである。この基板加熱装置４は、吸着機能として真空チャック機能を用いている点で異なるが、それ以外の基本構造は、図３（ａ）に示す静電チャック付基板加熱装置３と共通する。

図３（ｂ）に示すように、セラミックス基体１４中には抵抗発熱体２４が埋設されているとともに、真空チャック用吸着孔７４が複数箇所に配設されており、これらの吸着孔７４は排気管７０に接続されている。加熱面Ａ上に載置される基板は、各吸着孔７４を介して基板加熱面Ａに吸着固定される。なお、吸着孔７４の数及びその配設箇所には特に限定はない。

なお、真空性を確保し易くするため、図３（ｂ）に示すように、基板加熱装置４のセラミックス基体１４は、中央に基板を載置する加熱面Ａを有し、その周囲を高さのある枠状部で囲む構成としてもよい。

セラミックス基体１４の裏面に接続されるシャフト３４内には、抵抗発熱体２４の端子に給電する給電棒４４とともに排気管７０が収納される。シャフト３４からの伝熱により加熱面Ａの中央部の温度は低下する傾向がある。

この基板加熱装置４においても、加熱面Ａは中央部が最も低く、外周部に近づく程高い凹面構造を有する。加熱面Ａでは真空チャックの吸着力により密接に加熱面Ａに接触し、実質的な接触面積が広がる結果、良好な伝熱効率が得られ、基板温度の上昇が効率良く生じるとともに、基板の中心部においては加熱面Ａと基板との間にできる隙間のため伝熱効率が僅かに低下する。

基板面における均熱性を確保するためには、加熱面中央部と加熱面外周部での熱伝導率の差をより実効的なものとするためには、△Ｈを１０μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上とする。

なお、静電チャックを使用した場合も、真空チャックを使用した場合も△Ｈが大きすぎると、加熱面中央部における基板吸着機能が不足し、基板が不安定になるため、△Ｈは５０μｍ以下とすることが好ましい。

＜基板加熱装置の製造方法＞
次に、本発明の実施の形態に係る基板加熱装置の製造方法について説明する。なお、ここでは、代表的に第３の実施の形態にあたる図３（ａ）に示した静電チャック付基板加熱装置３の製造方法を例に説明する。他の基板加熱装置においてもセラミックス基体、抵抗発熱体、及びシャフトの材質は同様の材質を使用し、各工程を必要に応じて使用すればよい。

基板加熱装置３を作製するためには、まず、抵抗発熱体および静電チャック用電極が埋設されたセラミックス基体を作製するとともに、セラミックス焼結体からなるシャフトを作製する。次に、セラミックス基体とシャフトとを接合し、シャフト内に必要な端子を接合し、検査工程を経て完成する。

以下、各工程について、より具体的に説明する。まず、セラミックス基体作製工程では、セラミックス基体の成形を行い、抵抗発熱体および静電チャックが埋設されたセラミックス基体成形体を作製する。次いで、得られた成形体を焼成し、さらに焼成により得られた焼結体を加工する。この焼結体の加工工程で、セラミックス基体の加熱面を中央が低い、凹面形状になるよう加工する。

具体的に、セラミックス基体成形工程では、セラミックス原料粉と焼結助剤を金型に充填してプレスし、予備成形体を作製した後、抵抗発熱体をその上に載せ、その上からセラミックス原料粉を充填し、プレスを行う。抵抗発熱体を載置する際には、予備成形体の抵抗発熱体載置位置に予め溝を形成してもよい。その後、さらに例えばメッシュ状の金属バルク体からなる静電チャック用電極をその上に載せ、続けてセラミックス原料粉を充填した後、全体を再度一軸方向にプレスする。こうして、抵抗発熱体と静電チャック用電極が埋設されたセラミックス基体の成形体を形成する。なお、セラミックス原料粉としては、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮｘ、サイアロン等の主原料にＹ2Ｏ3等の希土類酸化物を焼結助剤として添加する。

抵抗発熱体２２は、Ｍｏ，Ｗ，ＷＣ等の高融点材料からなる金属バルク体である線状体を図２（ｂ）に示すように、中央部とその周囲に配置する２種類の回巻体を作製する。なお、巻回体の形状は、種々の変形が可能であり、リフトピンの周囲では、一定距離で旋回するように、局所的変形を加えてもよく、抵抗発熱体の折り返し部をややふくらみを持たせ、隣接する抵抗発熱体間の距離を狭めるような形状にすることによってより加熱面Ａの均熱化を図ってもよい。

なお、静電チャック用電極としては、抵抗発熱体と同様、焼成温度に耐え得る、高融点金属であるＭｏ、Ｗ、ＷＣ等の電極を使用することが好ましい。金属バルク体からなる金網状（メッシュ状）もしくは板状体に多数の孔を開けたパンチングメタル形状の電極も使用できる。これらの金属バルク体を使用する場合は、電極の抵抗を下げられるため、高周波電極として使用することもできる。また、金属バルク体を使用する場合は、焼成工程でホットプレス法を使用できる。

また、抵抗発熱体及び静電チャック用電極として、印刷体電極を使用することもできる。この場合は、上述する成形工程でセラミックス粉体中に埋設することが困難なため、グリーンシート上に印刷電極を形成し、さらにその上にグリーンシートを積層したものでセラミックス基体の成形体を作製してもよい。

セラミックス基体焼成工程では、上記成形工程で得られた成形体を例えばホットプレス法を用いて焼成する。セラミックス原料粉として窒化アルミニウム粉を使用した場合は、窒素中で１７００℃〜２０００℃の温度で約１時間〜１０時間焼成する。ホットプレス時の圧力は、２０kg/ｃｍ²〜１０００kg/ｃｍ²以上、より好ましく１００kg/ｃｍ²〜４００kg/ｃｍ²とする。ホットプレス法を用いた場合は焼結時に一軸方向に圧力がかかるため、抵抗発熱体及び静電チャック電極と周囲のセラミックス基体との密着性を良好にできる。また、金属バルク体電極の場合はホットプレス焼成時にかかる圧力で変形することがない。

セラミックス基体加工工程では、焼成後のセラミックス基体に電極端子引き出し用の孔を開口する加工や、角部の面取り加工を行うとともに、セラミックス基体表面である加熱面Ａを所定の凹面形状に加工する。セラミックス基体表面の加工は平面研削盤を用いて行うことができる。加熱面Ａの中央部の高さをＨｃ、加熱面Ａの端部の高さをＨｅとすると、その差△Ｈは１０μｍ以上、より好ましくは２８μｍ以上とする。

なお、このセラミックス基体加工工程は、完全に焼成後に行うのでなく、最終的な焼成温度よりやや低い温度で焼成するか、短時間焼成することにより得た仮焼成体を用いて行ってもよい。完全に焼成が終了する前に加工を行うことでより加工を容易にすることができる。仮焼成体に加工を施した場合は、加工後再び焼成を行う。

なお、セラミックス基体加工工程において、セラミックス基体表面に、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、セラミックス基体表面にサンドブラスト法等を用いてエンボス９０を形成してもよい。また、パージガス孔９２、パージガス用溝９１、或いはリフトピン等の孔を形成してもよい。

シャフト作製工程では、まずセラミックス原料粉を用いてシャフトの成形体を作製する。次いで、得られた成形体を焼成し、さらに焼成により得られた焼結体を加工する。

シャフト成形工程では、セラミックス基体と良好な接合を得るため、セラミックス原料粉として、セラミックス基体と同質のセラミックス原料粉を使用することが望ましい。成形方法としては、種々の方法を使用できるが、比較的複雑な形状の成形に適した、ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）法やスリップキャスト等を使用することが好ましい。

シャフト焼成工程では、上述する成形工程で得られた成形体を焼成するが、成形体形状が複雑なため、常圧焼成法を用いて焼成することが望ましい。セラミックス原料としてＡｌＮを使用する場合は、窒素中で１７００℃〜２０００℃の温度で、約１時間〜１０時間焼成する。

シャフト加工工程では、焼結体表面及び接合面のラッピング加工等を行う。この後、上述する方法で得られたセラミックス基体とシャフトの接合を行う。この接合工程では、接合面のいずれか一方もしくは両方に、ＡｌＮ粉末と希土類酸化物を含む接合剤を塗布した後、互いに接合面を貼り合わせ、接合面と垂直な方向から一軸加圧し、所定の圧力を加えながら、窒素雰囲気中で１４００℃〜１６００℃の温度で熱処理を行う。こうして、セラミックス基体及びシャフトとの固相接合を行う。なお、固相接合以外にもろう付けや機械的接合を行ってもよい。

さらに、セラミックス基体の電極端子とＮｉ等からなる給電棒とをロウ付け接合し、端子の接合を終えたら、均熱性及び吸着均一性等の検査を行い、静電チャック付基板加熱装置が完成する。

セラミックス基体やシャフトの大きさや形状に特に限定はないが、セラミックス基体の記加熱面の直径をＤ１とし、シャフトの断面径をＤ２とする場合、例えば、Ｄ２/Ｄ１は１/２〜１/１０とすることが好ましい。この場合においては、加熱面を凸面形状とする効果をより確実に得ることができる。

なお、セラミックス基体の加熱面の加工は、検査工程後に、その検査の結果を受けて修正加工を施すことも可能である。

図１（ａ）や図２（ａ）に示す、吸着機能を持たない基板加熱装置１または２を作製する場合は、上述する工程において、静電チャックの埋設工程を省略できる。なお、図３（ｂ）に示す真空チャック付基板加熱装置４を作製する場合は、真空チャック用の排気孔を作製するため、例えばセラミックス基体を複数に分割して、予備成形体を作製し、それぞれに溝を形成し、張り合わせることにより排気孔を形成する。

以上に説明するように、本実施の形態に係る基板加熱装置とその製造方法によれば、加熱面を凹面形状に加工する簡易な工程により、基板温度の均熱化を図ることができる。従来工程に簡便な工程を付加すれば足り、さらに必要に応じてさらに検査後に修正加工を施すことも可能であるため、極めて実用的である。

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１〜７として、図２（ａ）に示した静電チャック付基板加熱装置を作製した。セラミックス基体の加熱面の凹面形状の加工条件以外は、同一条件で作製を行った。以下、具体的に作製条件について説明する。

（製造条件）
まず、静電チャック用電極及び抵抗発熱体が埋設されたセラミックス基体を作製した。還元窒化法によって得られたＡｌＮ粉末に５％Ｙ₂Ｏ₃を加えたセラミックス混合粉にアクリル系樹脂バインダを添加し、噴霧造粒法により造粒顆粒を作製した。この造粒顆粒を金型に充填してプレスし、予備成形体を作製した後、転写型で抵抗発熱体を埋設する位置に溝を形成し、ここへ、図２（ｂ）に示すような２種類の巻回体に加工した直径０．５ｍｍの線状のＭｏ抵抗発熱体を置き、この上にセラミックス原料粉を充填しプレスを行った。この後、さらに、直径Φ０．３５ｍｍ、２４メッシュのＭｏ製金網からなる静電チャック用電極を載せ、続けてセラミックス原料粉を充填した後、全体を再度一軸方向にプレスした。各プレス圧は２００kg/ｃｍ²とした。こうして、抵抗発熱体と静電チャック用電極が埋設されたセラミックス基体の成形体を形成した。

成形体を取り出し、ホットプレス焼成炉で成形体の焼成を行った。窒素ゲージ圧を０．５kg/cm²とする雰囲気下で、１８６０℃を６時間保持する条件で焼成した。得られた焼結体のサイズは、外径約２９０ｍｍ、厚さ約１７ｍｍであった。また、抵抗発熱体の埋設位置は、加熱面表面から８．５ｍｍの深さに、静電チャック用電極は１．０ｍｍの深さに埋設した。

得られた焼結体に、リフトピン及びパージガス用孔を形成するとともに、２００メッシュのダイヤモンド研磨紙と砥石を用いてロータリー平面研削盤を用いて加熱面となるセラミックス基体表面を研削加工した。こうして、表１に示すように、基板加熱面を中央部が最も低く周辺部に近づく程高い、凹面形状に加工した。加熱面中央部の高さをＨｃ、加熱面端部の高さをＨｅとした場合の高さの差△Ｈ（＝Ｈｃ−Ｈｅ）を所定の値に設定した。

一方、シャフトは次の条件で作製した。還元窒化法によって得られたＡｌＮ粉末に５％Ｙ₂Ｏ₃を加えたセラミックス混合粉にアクリル系樹脂バインダを添加し、噴霧造粒法により造粒顆粒を作製した。この造粒顆粒を用いて、ＣＩＰ法を使用して成形体を作製した。

次に、常圧焼成法を用いてシャフト成形体を焼成した。焼成条件は、１８５０℃を３時間保持する条件とした。焼結後得られたシャフトの中間部の直径は約４０ｍｍ、シャフトの長さは約２００ｍｍであった。また、円筒部中部のシャフト肉厚は約３ｍｍであった。シャフトの表面およびセラミックス基体との各接合面にイットリウム濃度が２．６×１０^-6mol/ｃｃの硝酸イットリウム水溶液を塗布し、両者を貼り合せ、窒素雰囲気中１８００℃２時間の条件で熱処理した。

接合後、セラミックス基体中に埋設された抵抗発熱体、及び静電チャック電極の各端子にＮｉ製の給電棒をろう付け接合した。

（評価１）
こうして作製したシャフト付基板加熱装置の、加熱面の凹面形状が異なる実施例１〜７の各基板加熱装置を、評価用の密閉可能なチャンバ内に配置し、加熱面上に直径３００ｍｍΦのシリコン基板を載置した。チャンバ内を７７Paの真空条件に設定し、静電チャック電極に給電し、加熱面に基板を吸着固定した状態で抵抗発熱体に給電した。なお、加熱面の設定温度は、中央部及び周辺部ともに４５０℃の均一条件に設定した。この条件において、セラミックス基体の加熱面の中央部と端部との高さ△Ｈと、基板温度の均熱性との関係について評価した。なお、基板温度の均熱性は、中央部から半径１４０ｍｍの円周上を八等分した各８点における基板表面温度（Ｔ140）をサーモビュアーで測定し、その平均温度と、基板中央部の温度Ｔｃとの差によって評価した。

表１に示すように、加熱面を凹面形状とし、中央部と端部の高さの差△Ｈを変えることで、基板表面温度の分布が変化することが確認できた。△Ｈが増加する程、加熱面の面内温度が均一でも、基板中央部の温度を、基板周辺部の温度より低くすることができる。

（評価２）
シャフト付基板加熱装置において、参考例１〜４について、セラミックス基体加熱面中央部の温度とセラミックス基体外周部の温度との温度差△Ｔと、昇温速度、及び破損の確率の関係を測定した。なお、表２における基体外周部の温度は、セラミックス基体の加熱面中央部から半径１４０ｍｍの円周上を八等分した各８点における加熱面温度の平均値である。なお、ここでは、セラミックス基体の外周部平均温度がほぼ４５０℃になるように設定した。この参考例１〜４の基板加熱装置は、セラミックス基体中央部の温度と破損の関係を確認するために作製した基板加熱装置であるため、基板加熱面は平坦なままとした。その他の作製条件は、上述する実施例１〜８と同じ条件を使用した。結果を表２に示す。また、破損の有無の測定は、セラミックス基体の破損が最も発生しやすい、基板加熱装置の昇温時の条件を使用した。なお、基板加熱装置の昇温速度は、実際の薄膜作製工程以外の評価工程等で使用しうる高速条件を考慮し、１０℃/分〜４０℃/分の条件を使用した。なお、セラミックス基体にシャフトを接合する前の状態では、セラミックス基体中央部の温度高さはシャフトを付けた場合に比較し１９℃〜２０℃高くなる。

（結果）
上記表２に示す結果より、シャフト付基板加熱装置の場合、基板温度を３０℃/min以上の高速で昇温する場合に、熱応力による破壊を防止するためには、セラミックス基体の加熱面中央部の温度をセラミックス基体外周部温度より５℃以上高くし、圧縮応力場を中央部に形成することが好ましいことが確認できた。

一方、セラミックス基体の加熱面中央部と外周部温度差△Ｔが５℃以上異なる場合において、載置された基板表面温度の面内分布を均一化するためには、表１の結果より、セラミックス基体の基板載置面に形成する凹面形状において、中央部と外周部の高さの差△Ｈを２８μｍ以上にすることが望ましいことが確認できた。

このように、セラミックス基体の加熱面を凹面形状に加工することにより、セラミックス基体の強度を改善しながら、載置した基板表面の温度分布を均一にできることが確認できた。

以上、実施の形態および実施例に沿って本発明の基板加熱装置及びその製造方法について説明したが、本発明はこれらの実施の形態および実施例の記載に限定されるものでない。種々の改良および変更が可能なことは当業者には明らかである。

本発明の第１の実施の形態に係る基板加熱装置の構造を示す装置断面図及び平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る基板加熱装置の構造を示す装置断面図及び平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る基板固定機能付基板加熱装置の構造を示す装置断面図である。 本発明の実施の形態に係る基板加熱装置において、加熱面にエンボス加工を施した装置の構造を示す平面図と断面図である。

符号の説明

１、２、３、４ 基板加熱装置
１０、１２、１３、１４ セラミックス基体
２０、２２、２３、２４ 抵抗発熱体
２５ 抵抗発熱体端子
３０、３２、３３、３４ 筒状部材（シャフト）
４０、４２、４３、６２ 給電棒
５０ 基板
６０ 電極（静電チャック用）
７０ 排気管
７３ 吸着孔
８０ リフトピン用孔

Claims (14)

1. 一方の面に基板を載置する加熱面を有する板状のセラミックス基体と、
   前記セラミックス基体に埋設された抵抗発熱体とを有し、
   前記加熱面は、中央部が最も低く周辺部へ近づく程高い、凹面形状を持つことを特徴とする基板加熱装置。
2. 前記加熱面は、中央部の高さ（Ｈｃ）と前記加熱面端部での高さ（Ｈｅ）の差△Ｈが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の基板加熱装置。
3. 前記ΔＨが、２８μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の基板加熱装置。
4. さらに、前記セラミックス基体の他方の面の中央領域に接合された筒状部材を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
5. 前記抵抗発熱体は、前記筒状部材の接合部を包含する領域に、該領域外周囲より高温を発生する高温発生領域を有することを特徴とする請求項４に記載の基板加熱装置。
6. 前記抵抗発熱体は、複数の抵抗発熱体ゾーンを有し、各抵抗発熱体ゾーンは独立に入出力端子を有し、前記高温発生領域は、前記セラミックス基体の中央領域に配置された、外周囲より高温を発生可能な抵抗発熱体ゾーンで得られることを特徴とする請求項５に記載の基板加熱装置。
7. 前記高温発生領域は、使用時において、加熱面中央部の温度（Ｔｃ）と前記中央部から半径１４０ｍｍ円周上での温度（Ｔ140）との差△Ｔが５℃以上になるよう発熱量が設定されていることを特徴とする請求項５に記載の基板加熱装置。
8. さらに、前記セラミックス基体内の加熱面と前記抵抗発熱体との間に埋設された、面状電極を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
9. 前記面状電極は、金属バルク体からなるメッシュ状、もしくは多数の孔の開いた板状電極であることを特徴とする請求項８に記載の基板加熱装置。
10. 前記セラミックス基体は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、サイアロンからなる群より選択された一の非酸化物セラミックス、もしくは前記群より選択された少なくともニ以上の非酸化物セラミックスの複合材を主成分とすることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
11. 前記セラミックス基体は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、サイアロンからなる群より選択された一の非酸化物セラミックス、もしくは前記群より選択された少なくともニ以上の非酸化物セラミックスの複合材を主成分とし、
    前記筒状部材は、前記セラミックス基体の主成分と同一材料を主成分とすることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
12. 抵抗発熱体が埋設された板状のセラミックス基体を形成する工程と、
    加熱面となる、前記セラミックス基体の一方の面を、中央部が最も低く周辺部へ近づく程高い凹面形状に研削加工する工程と、
    前記セラミックス基体の他方の面の中央領域に、筒状部材を接合する工程とを有することを特徴とする基板加熱装置の製造方法。
13. 前記セラミックス基体を形成する工程は、さらに面状電極を前記セラミックス板状体中に埋設する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の基板加熱装置の製造方法。
14. 前記研削加工する工程では、前記中央部の高さ（Ｈｃ）と加熱面端部での高さ（Ｈｅ）
    との差であるΔＨが、１０μｍ以上５０μｍ以下となるように調整することを特徴とする請求項１２または１３に記載の基板加熱装置の製造方法。
    
    

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