JP2008130609A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波電極の端子部近傍にクラックが生じることを有利に抑制して、信頼性が高く、寿命が長い加熱装置を提供する。
【解決手段】セラミックス基体１１の加熱面１１ａの近傍で加熱面１１ａにほぼ平行に埋設された電極１２を備える。この電極１２に向かう端子穴１１ｃが、セラミックス基体１１の裏面に形成されている。端子穴１１ｃの底面と、電極１２との間に、セラミックス基体と同等の熱膨張係数を有する導電性セラミックス部材１７が電極１２に接続して埋設され、この導電性セラミックス部材１７を介して電極１２と端子１３とが電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱装置に関する。

半導体製造装置を用いた半導体デバイスの製造工程においては、ウエハ上へ酸化膜を形成する等のために加熱処理が施される。このウエハを加熱するための加熱装置には、被加熱物としてのウエハを載置して加熱する加熱面を有する円盤状のセラミックス基体中に、抵抗発熱体が埋設された加熱装置がある。この加熱装置は、半導体製造プロセスに使用される成膜装置ばかりでなく、板状の被加熱材の表面をドライエッチングする表面処理装置等に用いられても有利に適合するものである。

加熱装置を用いた加熱時には、ウエハにプラズマＣＶＤによる成膜処理や、プラズマエッチング処理等を行うことがある。そのためにウエハ近傍をプラズマ雰囲気にできる加熱装置は、セラミックス基体中の加熱面の近傍で加熱面とほぼ平行に、平板状の高周波電極が埋設されている。また、セラミックス基体の加熱面とは反対側の裏面に、この高周波電極に電力を導く端子を挿入するための穴が高周波電極に向けて形成されている。この穴の底面に、高周波電極それ自体又は高周波電極と接続している金属製の導電性部材が露出していて、これらと穴に挿入された端子とが、ろう付けにより導通可能に接合されている。そして、この端子に電源が接続されて高周波電極に電力が供給される。

このような高周波電極を具備する加熱装置に関し、セラミックス基材としての窒化アルミニウムに、メッシュ状の高周波電極が埋設され、このセラミックス基材の穴に露出した高周波電極と、Ｎｉ製の端子とを、ロウ材にて接合したものがある（例えば、特許文献１）。

また、Ｍｏ製のメッシュ状高周波電極とＮｉ製端子の間に、これらの部材の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有するコバールを介在させ、Ｍｏ／コバール／Ｎｉの間をロウ材で接合したものがある。また、Ｍｏ製のメッシュ状高周波電極とコバール材とを直接接合するのではなく、Ｍｏ製のメッシュ状高周波電極に直径３ｍｍ、厚み２ｍｍほどのＭｏのバルク材を導電性部材として共焼結させ、このＭｏバルク材にコバール材を接合させているものもある（例えば、特許文献２、特許文献３）。

この高周波電極は、被加熱物上に生じさせるプラズマの分布を均一にするために、セラミックス基体加熱面と平行な平板状になる。また、高周波電極とセラミックス基体加熱面との間は、セラミックス基体の材質である、例えば窒化アルミニウムにより誘電体層や絶縁体層になる部分であり、プラズマの分布を均一にするために、１ｍｍ程度の厚さとなっている。

このような高周波電極の構造は、ヒーター、静電チャック及びサセセプターに共通して用いられる。
特開平８−２７７１７３号公報 特開２００２−１３４５９０号公報 特許第３７９００００号明細書

高周波電極用のメッシュが埋設される窒化アルミニウム製のセラミックス基体は、一般に厚みが５〜２５ｍｍ程度であり、この厚みのなかで、高周波電極と加熱面との間の誘電体層又は絶縁体層となる窒化アルミニウム層の厚さは、前述のとおり１ｍｍ程度である。セラミックス基体において、高周波電極に接続する端子を挿入するための穴が形成されている部分が、構造的にもっとも薄く、強度が低い部分となっている。そのため、この部分にクラックが生じるおそれがあった。

例えば、この高周波電極と加熱面との間の領域のうち、端子が挿入される穴と対向する部分に、端子に外部導電コネクターを組み付け接続するときの押圧力が加わって、クラックが生じるおそれがあった。また、被加熱材の加熱時において、端子への熱移動によりセラミックス基体の加熱面の端子の先端部近傍が他の部分よりも低温になり、そのために熱応力が生じて、端子部近傍のセラミックス基体の加熱面にクラックが生じるおそれがあった。更に、端子が挿入される穴と高周波電極との間にＭｏバルク材が埋設されている加熱装置においては、このＭｏバルク材と窒化アルミニウム基体との熱膨張係数差により、端子部近傍にクラックが生じるおそれがあった。更に、これらのクラックは加熱装置の長期に亘る使用に伴う加熱面の腐食によって誘発される虞が高かった。

そこで本発明は、高周波電極の端子部近傍にクラックが生じることを有利に抑制して、信頼性が高く、寿命が長い加熱装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の加熱装置は、絶縁性セラミックスを主成分とする板状の基体と、この基体の一方の表面近傍に埋設された平板状の電極と、この基体の他方の表面から前記高周波電極に向けて穿設された端子穴に挿入され、前記電極と導通する端子とを備え、かつ、前記端子穴の底面と、前記電極との間に、前記基体の絶縁性セラミックスと同等の熱膨張係数を有する導電性セラミックス部材が前記電極に接続して埋設され、この導電性セラミックス部材を介して前記電極と前記端子とが電気的に接続されることを特徴とする。

本発明の加熱装置によれば、端子が挿入される端子穴近傍のクラックの発生を防止することが可能となり、高信頼性の加熱装置を得ることができる。

以下、本発明の加熱装置の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例の加熱装置を示す断面図である。なお、以下の図面においては、本発明の理解を容易にするために、実際の加熱装置とは寸法、比率を異ならせて図示している。したがって、本発明の加熱装置は、図示された加熱装置の寸法、比率に限定されるものではない。

図１に示す加熱装置１０は、円盤状のセラミックス基体１１を有している。このセラミックス基体１１は、窒化アルミニウムやアルミナ等を主成分とする絶縁性セラミックスからなる。図１に示す本実施例では、セラミックス基体１１が、窒化アルミニウムの例を示している。セラミックス基体１１の一方の面は、被加熱物、例えば半導体ウエハを載置して加熱するための加熱面１１ａとなる。

このセラミックス基体１１の内部には、メッシュ状の平面形状を有し、厚さが０．２ｍｍ程度の平板状の高周波電極１２が、加熱面１１ａから所定の距離（例えば、１〜１．２ｍｍ程度）で、加熱面１１ａとほぼ平行に埋設されている。また、セラミックス基体１１の加熱面１１ａとは反対側の裏面１１ｂには、高周波電極１２に向かう端子穴１１ｃが形成されている。この端子穴１１ｃは、内周面にねじ溝が形成されたねじ穴である。この端子穴１１ｃに、耐酸化性を有するＮｉ製の端子１３が挿入される。端子１３の一方の先端は、図示しない電気接続部材を介して高周波電源と接続される。

図２は、図１に示された加熱装置１０の端子穴１１ｃ近傍の拡大断面図である。図２に示されるように、この端子穴１１ｃには、耐酸化性を有する金属製（例えばＮｉ製）のスリーブ１４が、この端子穴１１ｃのねじ溝とスリーブ１４のねじ山１４ａとでねじ結合されている。端子１３は、このスリーブ１４を介して端子穴１１ｃに挿入されている。この端子１３とスリーブ１４とは、ろう付けにより接合されている。

端子穴１１ｃの底面には、Ｎｉ製の端子１３の熱膨張係数と窒化アルミニウムの熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有する、例えばコバールよりなる応力緩和材１５が配設されている。応力緩和材１５と端子１３とは、ろう材１６により接合されている。

そして、本実施形態の加熱装置１０では、端子穴１１ｃの底面と高周波電極１２との間に、窒化アルミニウムを主成分とし、炭素繊維を含む導電性セラミックス部材１７Ａが、この高周波電極１２と接するように埋設されるとともに、この導電性セラミックス部材１７Ａの表面の一部が端子穴１１ｃの底面に露出している。この導電性セラミックス部材１７Ａは、窒化アルミニウムを主成分とし、導電材料、例えばカーボンナノチューブを含有するセラミックスである。端子穴１１ｃの底面に露出した導電性セラミックス部材１７Ａと応力緩和材１５とが、ろう材１６により接合されることにより、応力緩和材１５、さらには端子１３と、高周波電極１２とが、電気的に接続されている。本実施例では、導電性セラミックス部材１７Ａの径Ａは端子穴１１ｃの径Ｃよりも小さく、導電性セラミックス部材１７Ａの厚さＢは、従来の加熱装置のＭｏバルク材と同程度の厚さである。また、導電性セラミックス部材１７Ａと接する高周波電極１２と加熱面１１ａとの距離Ｄは、公知の加熱装置と同程度の、例えば、１〜１．２ｍｍ程度である。

セラミックス基体１１の加熱面１１ａに載置される被加熱材を加熱するために、セラミックス基体１１の内部には、抵抗発熱体１９が埋設されている。なお、被加熱材を加熱するための加熱手段は、抵抗発熱体１９に限られず、例えば、セラミックス基体１１の裏面１１ｂに密着させたシート状発熱体でもよい。

図１及び図２に示した本実施例の加熱装置１０は、上述したようにセラミックス基体１１と同種のセラミックスよりなる導電性セラミックス部材１７Ａが、端子穴１３ｃの底面と高周波電極１２との間に埋設されている。つまり、端子穴１３ｃの底面から高周波電極１２までの間に、セラミックス基体１１と同種のセラミックス材が形成されていることになる。したがって、セラミックス基体１１の加熱面１１ａから端子穴１３ｃの底面までのセラミックス材の厚さは、従来の加熱装置、例えば、端子穴の底面と高周波電極１２との間にＭｏバルク材が埋設されているものや、端子穴の底面に高周波電極１２が露出するように端子穴が形成されているものよりも厚い。従来の加熱装置は、このようなセラミックス材の厚さは、実質的に加熱面１１ａから高周波電極までのセラミックス材の厚さと同じであり、１ｍｍ程度であり、構造的にもっとも薄く、強度が低い部分であったことは、既に述べたとおりである。

本実施例に係る加熱装置１０は、従来の加熱装置よりもセラミックス基体１１の加熱面１１ａから端子穴１３ｃの底面までのセラミックス材の厚さが厚くなっていることから、この部分の強度が向上している。そのため、端子１３を端子穴１１ｃ内に挿入するときの押圧力によって、セラミックス基体１１の当該押圧力を受ける部分へのクラックの発生を防止することができる。また、セラミックス基体１１の加熱面１１ａから端子穴１３ｃの底面までのセラミックス材の厚さが厚いことから、被加熱材の加熱時において、端子への熱移動が抑制されるとともに、この部分の熱容量が大きくなり、よって加熱面１１ａにおける温度分布が均一となって熱応力が抑制される結果、セラミックス基体１１の当該端子近傍でのクラックの発生を防止することができる。

また、従来の加熱装置のように熱伝導性の高い金属製のＭｏバルク材を高周波電極１２と端子穴１１ｃの底面との間に埋設することがないので、このＭｏバルク材を埋設していたことに由来する不具合、例えば、周囲のセラミックス材とＭｏバルク材との熱膨張係数差による加熱時やろう付け時のクラックの発生や、Ｍｏバルク材が周囲のセラミックスよりも熱伝導性が高いために端子の先端部近傍が他の部分よりも低温になる、局所的な温度差によるクラックの発生などを抑制することができ、長期にわたって信頼性が高い加熱装置とすることができる。

更に、高周波電極１２と加熱面１１ａとの間の距離Ｄは、従来同様の厚さであって、特に肥厚化する必要がない。したがって、高周波電極１２によってプラズマを発生させる際の条件（例えば、カップリング）を従来と同じくすることができる。クラック発生の抑制及び強度向上のために距離Ｄを厚くすると、カップリングが適合せず、プラズマを十分に発生させることが難しくなるが、本発明の実施形態の加熱装置では、そのような問題が発生しない。

本実施形態の加熱装置は、高周波電極１２と端子穴１１ｃの底面との間に、セラミックス基体１１と主成分を同じくする導電性セラミックス部材１７Ａが埋設されている。この導電性セラミックス部材１７Ａは、セラミックス基体１１と同等の熱膨張係数を有しているので、導電性セラミックス部材１７Ａは、周囲のセラミックス材とは熱膨張係数差がほとんどなく、熱膨張係数差によるクラックが生じない。具体的には熱膨張係数差は０．３×１０^−６/K以下である。また、導電性セラミックス部材１７Ａは、周囲のセラミックス材と同様の熱伝導率であるため、導電性セラミックス部材１７Ａの部分が局所的に低温になることが抑制されるため、熱応力によるクラックが抑制される。

この導電性セラミックス部材１７Ａの材料は、セラミックス基体１１よりも電気抵抗が低い、導電性を有するセラミックス材料であって、例えば、特開２００５−４１７６５号公報に開示されているような、炭素繊維を含有する窒化アルミニウムを用いることができる。また、従来から低抵抗窒化アルミニウム系セラミックスとして知られている、酸化イットリウム、酸化セリウム又は酸化サマリウムなどの希土類元素の酸化物を含有する窒化アルミニウムや、耐熱性及び導電性を有する金属や金属間化合物、例えばタングステン（Ｗ）や炭化タングステン（ＷＣ）を３５〜６５ｗｔ％程度含有する窒化アルミニウムを適用することもできる。

この導電性セラミックス部材１７Ａの体積抵抗率は、セラミックス基体１１よりも電気抵抗が低く、端子１３に接続する応力緩和材１５と、高周波電極１２とを電気的に接続可能な体積抵抗率である必要がある。良好な電気伝導性を得るという観点から、導電性セラミックス部材１７Ａは、例えば、１０Ω・cm以下のものを用いることができる。より好ましい体積抵抗率は、０．０５Ω・ｃｍ以下である。体積抵抗率が０．０５Ω・ｃｍ以下であれば、この導電性セラミックス部材１７Ａに通電されることにより生じるジュール熱は、全投入電力の０．２％以下とすることができるので、この導電性セラミックス部材１７Ａが異常発熱することはない。このような数値範囲の体積抵抗率を有する材料には、例えば、前掲特開２００５−４１７６５号公報に開示された炭素繊維を含有する低抵抗窒化アルミニウム系セラミックス材料があり、炭素繊維（カーボンナノチューブを含む）を７〜１４ｗｔ％含有する当該低抵抗窒化アルミニウム系セラミックス材料を適用することにより、上記した体積抵抗率を有することができる。特に、カーボンナノチューブを分散させた導電性セラミックス部材１７Ａは、セラミックス中の導電材としてのカーボンナノチューブが３次元網目状に連なっているため、効率良く電流を流すことができるとともに、窒化アルミニウムよりも熱膨張係数が若干小さいので、セラミックス基体１１の窒化アルミニウムと完全に密着する。また、強度も周囲のセラミックス基体１１と同じである。

セラミックス基体１１が窒化アルミニウムよりなり、導電性セラミックス部材１７Ａが低抵抗窒化アルミニウム系セラミックス材料よりなる場合は、主成分を共通することから両者の熱膨張係数の相違は軽微であり（例えば、０．２×１０^−６／Ｋ以下）、内部応力がほとんど生じず、その結果、優れた耐久性を具備する。また、熱伝導率の相違についてもほとんどなく、セラミックス基体１１の加熱面１１ａの均熱性を損なうことがなく、端子１３周囲のセラミックス基体１１の温度低下を抑制することができる。したがって、導電性セラミックス部材１７Ａが、セラミックス基体１１と主成分を共通する同種のセラミックスであることが、より好適である。

同種のセラミックスの例として本実施例のように、セラミックス基体１１としてＡｌＮを用い、導電性セラミックス部材１７Ａとして炭素繊維を含有して低抵抗化したAlNを用いることは、加熱装置の製造上も有利である。すなわち、マトリックスが同種のセラミックスであるため、焼結時にセラミックス基体１１と導電性セラミックス部材１７Ａとは、両者の界面において完全に拡散結合し、密着する。しかも、焼結収縮および焼結後の熱収縮も同等であるために、内部応力がほとんど発生せず、よってクラックも発生せず、実用上十分な強度および耐久性を与えることが可能となる。

次に、図３を用いて、本発明に係る加熱装置の別の実施例を説明する。図３は、本発明の別の実施例に係る加熱装置２０の要部の断面図である。図３において、図１及び図２に示した部材と同一の部材については同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。

図３に示した本実施例に係る加熱装置２０は、端子穴１１ｃの底面と、高周波電極１２との間に、窒化アルミニウムを主成分し、炭素繊維を含む導電性セラミックス部材１７Ｂが埋設されている。この導電性セラミックス部材１７Ｂは板状であり、その平面の長さが、端子穴１１ｃの底面の直径よりも大きい。その点以外は、図１及び図２に示した実施例と同じ構成を有している。また、導電性セラミックス部材１７Ｂは、図１及び図２に示した実施例における導電性セラミックス部材１７Ａと同じ材料を適用することができる。

図３に示した本実施例に係る加熱装置は、導電性セラミックス部材１７Ｂを具備することにより、図１及び図２を用いて説明した先の実施形態の加熱装置の同様の効果を有している。そればかりでなく、図３に示した本実施例に係る加熱装置は、導電性セラミックス部材１７Ｂが、端子穴１１ｃの底面の直径よりも大きい平面形状を有していることから、この導電性セラミックス部材１７Ｂを流れる電流の密度を下げることができる。そのため、この導電性セラミックス部材１７Ｂの発熱を抑制することができ、セラミックス基体１１の加熱面１１ａの均熱性を向上させることができる。また、導電性セラミックス部材１７Ｂの発熱を抑制することができることから、高周波電極１２から端子穴１１ｃの底面までの距離、すなわち、板状の導電性セラミックス部材１７Ｂの厚さを、それ自体の発熱特性に制限されずに、より厚くすることができる。したがって、この部分の強度を、いっそう向上させることができる
導電性セラミックス部材１７Ｂの平面形状は、特に限定されない。導電性セラミックス部材１７Ｂから高周波電極１２に流れる電流を等配分できるように、円形や正方形などのような中心軸対称の形状とすることが、より好ましい。

次に、図４を用いて、本発明に係る加熱装置の別の実施例を説明する。図４は、本発明の別の実施例に係る加熱装置３０の要部の断面図である。図４において、図１〜図３に示した部材と同一の部材については同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。

図４に示した本実施例に係る加熱装置３０は、端子穴１１ｃの底面と、高周波電極１２との間に、導電性セラミックス部材１７Ｃが埋設されている。この導電性セラミックス部材１７Ｃは、端子穴１１ｃの底面部及び側面部を含む、下向きに開口を有する凹形状であり、かつ、この凹形状の内側の側面に、スリーブ１４のねじと嵌まり合うねじが形成されている例である。その点以外は、図１及び図２に示した実施例と同じ構成を有している。また、導電性セラミックス部材１７Ｃは、図１及び図２に示した実施例における導電性セラミックス部材１７Ａと同じ材料を適用することができる。

図４に示した本実施例の加熱装置３０は、端子穴１１ｃの底面と高周波電極１２との間に、導電性セラミックス部材１７Ｃを具備することにより、図１及び図２を用いて説明した先の実施例の加熱装置１０と同様の効果を有している。また、図４に示した本実施例の加熱装置３０は、導電性セラミックス部材１７Ｃが、端子穴１１ｃの底面部及び側面部の一部を構成しており、これにより端子穴１１ｃの底面の径よりもよりも大きい形状を有していることから、図３を用いて説明した先の実施例の加熱装置２０と同様の効果を有している。

そればかりでなく、本実施例の加熱装置３０は、導電性セラミックス部材１７Ｃが、内側面にねじ溝が形成されていることから、外周面にねじ山が形成されたスリーブ１４と当該導電性セラミックス部材１７Ｃとを、ねじ結合することができる。このねじ結合された領域を、クラックが生じない条件のもとで更にろう付けにより固着することもできる。したがって、導電性セラミックス部材１７Ｃは、端子穴１１ｃの底面のみならず、ねじが形成された側面にてスリーブ１４を介して端子１３と接触することになるから、導電性セラミックス部材１７Ｃと端子１３との接触面積を拡大することが可能となり、接続部の信頼性がより優れた加熱装置３０とすることができる。

また、端子１３とスリーブ１４とを、ろう付けや溶接等により予め一体的に接合しておくことにより、この一体的に接合された端子１３及びスリーブ１４を、導電性セラミックス部材１７Ｃに対してねじ結合することができる。そのため、これらの端子１３及びスリーブ１４と、導電性セラミックス部材１７Ｃとを、ろう付けすることを必ずしも要しない。ろう付けしない場合は、ろう付け時の高温で生じる熱応力により、加熱装置３０の部材が破損するおそれをなくすことができる。更に、ろう付けが不要となることにより、端子１３との接合工程の工数が削減でき、生産性を向上させることができる。なお、ろう付けをしない場合には、導電性セラミックス部材１７Ｃが、所定の雰囲気ガスに触れ、この雰囲気中の酸素により表面酸化される可能性が考えられるが、加熱装置３０の使用条件が比較的低温である場合や、非酸化性雰囲気である場合には、導電性セラミックス部材１７Ｃの酸化が抑制され、実用上問題となることはない。

また、図４に示した本実施例の加熱装置３０は、端子１３が、ろう付けや溶接により一体的に接合されたスリーブ１４を介して導電性セラミックス部材１７Ｃとねじ結合している例を図示している。端子１３はスリーブ１４とねじ部以外の端部でのみ接合されており、端子１３は導電性セラミックス部材１７Cのねじ穴の底面では接触していない。スリーブ１４はねじ部分で導電性セラミックス部材１７と嵌合されている。この端子１３と導電性セラミックス部材１７Ｃとの間に、熱膨張係数差による応力を緩和するための応力緩和材１５を具備していない。すなわち、スリーブ１４内の端子１３の端面とセラミックス部材１７Cのねじ穴底面の間は空洞になっている。この構造によると、ねじ部により導電面積が大きくなるので、ろう付けしなくても十分な導電機能を付与することができる。また、端子１３に加えられる荷重はねじ山全体で支持されるため、ねじ穴底のもっとも厚みの小さいセラミックス部分に荷重が集中せず、押込みや引張荷重に対して高い強度を有する。また、空洞により端子１３に直接熱が逃げないため、この接合構造が取り付けられる加熱面の表面にクールスポットが発生しなくなるという利点がある。さらに、ねじ部分をロウ付けさせる場合には、スリーブ１４が薄肉であることから変形により導電性セラミックス部材１７Ｃとの熱膨張差を吸収するため、強固なろう付け接合を実現できる。ろう付けをした場合は端子１３と導電性セラミックスの間の電気的導通もより良い。なお、ねじ結合する部分のスリーブ１４の肉厚は、０．３ｍｍ以下が望ましい。

図４に図示された例に限られず、端子１３が、このスリーブ１４を兼ねた形状、すなわち、端子１３の先端部に導電性セラミックス部材１７Ｃのねじ溝と嵌まり合うねじ山を有する形状であり、端子１３と導電性セラミックス部材１７Ｃとが、直接的にねじ結合やろう付けされる例であってもよい。

次に、図５及び図６を用いて、本発明に係る別の実施例を説明する。図５は、本発明の別の実施例に係る加熱装置４０の要部の断面図であり、図６は、図５のＶ−Ｖ線視の断面図である。なお、図５及び図６において、図１〜図４に示した部材と同一の部材については同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。

図５及び図６に示した本実施形態に係る加熱装置４０は、端子穴１１ｃの底面と、高周波電極１２との間に、導電性セラミックス部材１７Ｄが埋設されている。この導電性セラミックス部材１７Ｄは、端子穴１１ｃの底面に露出する部分が凸部の頂部となる、下向きの凸形の形状を有している。この導電性セラミックス部材１７Ｄの凸形の形状に関し、高周波電極１２に接する凸部の底部の径Ａは、端子穴１１ｃの底面の直径Ｃよりも大きい。また、端子穴１１ｃの底面に露出する凸部の頂部の径Ｇは、端子穴１１ｃの底面の直径Ｃよりも小さい。その点以外は、図１及び図２に示した実施例と同じ構成を有している。また、導電性セラミックス部材１７Ｄは、図１及び図２に示した実施例における導電性セラミックス部材１７Ａと同じ材料を適用することができる。

図５及び図６に示した本実施例の加熱装置４０は、端子穴１１ｃの底面と高周波電極１２との間に、導電性セラミックス部材１７Ｄを具備することにより、図１及び図２を用いて説明した先の実施例の加熱装置１０と同様の効果を有している。また、本実施例の加熱装置４０は、導電性セラミックス部材１７Ｄが高周波電極と接する凸部の底部において、端子穴１１ｃの底面の径よりも大きい形状を有していることから、図３を用いて説明した先の実施例の加熱装置２０と同様の効果を有している。

更に、本実施例の加熱装置４０は、図６に、端子穴１１ｃの底部に沿って切断した断面図を示すように、端子穴１１ｃの底部において、端子穴１１ｃの底面に露出する凸部の頂部の径Ｇが、この端子穴１１ｃの底面の直径Ｃよりも小さい。このことにより、凸部の頂部の径Ｇは、ろう付けされる領域Ｈよりも小さい。すなわち、端子穴１１ｃの底面に露出している導電性セラミックス部材１７Ｄの表面が、ろう材により全面的に被覆されていることになる。導電性セラミックス部材１７Ｄの材料は、例えば、先に説明した炭素繊維を７〜１４ｗｔ％含有する低抵抗窒化アルミニウム系セラミックス材料であり、このような炭素繊維を７〜１４ｗｔ％含有する窒化アルミニウムは、高温において表面が酸化され易く、空気中で長期間使用することによって電気抵抗が上昇するおそれがある。この点、本実施例の加熱装置２０は、上述したように凸部の頂部の径Ｇが、ろう付けされる領域Ｈよりも小さく、端子穴１１ｃの底面に露出している導電性セラミックス部材１７Ｄの表面が、ろう材により全面的に被覆されていることから、導電性セラミックス部材１７Ｄが露出している部分がなく、導電性セラミックス部材１７Ｄの表面酸化が抑制され、よって、空気中で長期間使用することによる電気抵抗の変化を防止することができる。

導電性セラミックス部材１７Ｄの凸形状に関し、端子穴１１ｃの底面に露出する凸部の頂部の径Ｇは、この端子穴１１ｃの底面の直径Ｃよりも０．５ｍｍ以上小さいことが好ましく、凸部の頂部の径Ｇは具体的には、３〜５ｍｍとすることができる。また、高周波電極１２と接する凸部の底部の径Ｃは、例えば、１０ｍｍ以上とすることができる。底部の径Ｃの上限は、特に限定するものではないが、直径が３０ｍｍもあれば、十分な効果を得ることができる。また、底部の厚さＦ１は２ｍｍ以上、頂部の厚さＦ２は１ｍｍ以上とすることができる。また、セラミックス基体１１の加熱面１１ａから端子穴１１ｃの底面までの距離Ｅは、５ｍｍもあれば、十分な信頼性を得ることができる。この距離Ｅは、５ｍｍ以上であってもよいが、あまりに厚いと、製造上の不具合などを発生させるおそれがあるので、上限としては１０ｍｍ程度とすることが好ましい。

導電性セラミックス部材１７Ｄの凸形状は、図５及び図６に示した例では、底部に円盤状、頂部に円柱状のものを組み合わせた凸形状としているが、この形に限定されるわけではない。もっとも、導電性セラミックスに流れる電流を高周波電極１２に等配分するという観点からは、中心軸対称の形状とすることがより好ましい。中心軸対称の形状としては、中心軸を含む断面が台形の組み合わせや、側面が曲面のものや、半楕円形状のものであってもよい。

次に、図７を用いて、本発明に係る加熱装置の別の実施例を説明する。図７は、本発明の別の実施例に係る加熱装置５０の要部の断面図である。図７において、図１〜図６に示した部材と同一の部材については同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。

図７に示した本実施例に係る加熱装置５０は、端子穴１１ｃの底面と、高周波電極１２との間に、導電性セラミックス部材１７Ｅが埋設されている。この導電性セラミックス部材１７Ｅは、円盤状であり、高周波電極１２と接する部分の径Ａが、端子穴１１ｃの底面の直径Ｃよりも大きい。この導電性セラミックス部材１７Ｅに接して、メッシュ状の金属板１８が埋設されている。そして、この金属板１８に接した状態で、金属板１８と端子穴１１ｃの底面との間に、端子穴１１ｃの直径よりも小さい直径を有する円柱状の金属導電部材２１が埋設されている。金属導電部材２１の一方の端面は、端子穴１１ｃの底面に露出している。金属導電部材２１と応力緩和材１５とがロウ付けされることにより、端子１３と接続する応力緩和材１５と、高周波電極１２とは、金属導電部材２１、金属板１８及び導電性セラミックス部材１７Ｅを介して電気的に接続されている。その点以外は、図５及び図６に示した実施例と同じ構成を有している。また、導電性セラミックス部材１７Ｄは、図５及び図６に示した実施例における導電性セラミックス部材１７Ｄと同じ材料を適用することができる。

図７に示した本実施例の加熱装置５０は、金属導電部材２１及び導電性セラミックス部材１７Ｅにより凸形の導電部材を構成している。したがって、図５及び図６を用いて先に説明した実施例と同様の効果を有している。加えて、本実施例の加熱装置５０凸形の導電部材の頂部を構成する金属導電部材２１が、Ｍｏ等の金属よりなることから、端子穴１１ｃの底面には、導電性セラミックス部材１７Ｅが露出することはない。したがって、導電性セラミックス部材１７Ｅの酸化による電気抵抗の上昇を防止することができる。

また、金属導電部材２１と導電性セラミックス部材１７Ｅとの間に金属板１８が埋設されていることから、端子１３を端子穴１１ｃに挿入するときの押圧力に対する強度が向上している。

次に、参考のため、比較例として従来の加熱装置の一例を図８に示す。図８は、従来の加熱装置８０の要部の断面図である。なお、図８において図１〜７に示した部材と同一の部材については、同一の符号を付して以下では重複する説明を省略する。図８に示された従来の加熱装置８０は、セラミックス基体１１に埋設された高周波電極１２に接して、金属導電材２２が埋設されている。この金属導電材２２の一方の表面は、端子穴１１ｃの底面に露出しており、この底面において、応力緩和材１５とロウ付けされている。このような構造により、高周波電極１２と端子１３とは、金属導電材２２を介して電気的に接続されている。

図８に示された従来の加熱装置８０は、金属導電材２２がセラミックス基体１１に埋設されているが、金属導電材２２とその周囲のセラミックス材との熱膨張係数差により、内部応力が生じ、製造工程後にクラックが発生していることがあった。これは、表面１１aと電極１２の間の誘電体層が１〜１．２ｍｍしかなく、熱膨張係数差に伴う内部応力によって誘電体層が変形するためと考えられる。また、金属導電材２２は熱伝導性が良好であるため、セラミックス基体の加熱時には、この金属導電材２２から応力緩和材１５及び端子１３を通じて放熱され、金属導電材２２近傍の温度が局所的に低くなり、熱応力を生じるおそれがあった。更に、金属導電材２２の直径を大きくすることは、熱膨張係数差によるクラックの発生を招くために制限があり、その制限された直径の金属導電材２２に大電流を流すと、電流が集中するので温度が上昇し、加熱面１１ａにおける均熱性が低下するというおそれがあった。更に、突入電流があると、金属導電材２２の温度上昇に伴う熱膨張でクラックが発生するおそれがあった。

これに対して、これまで説明した本発明に係る加熱装置１０〜５０は、上記した従来の加熱装置８０の不具合がない。したがって、本発明に係る加熱装置が従来の加熱装置に対して有利な効果を有していることは明らかである。

次に、本発明に係る加熱装置の製造方法の例について説明する。

まず、セラミックス基体１１用の原料セラミックス粉と、導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅ用のセラミックス粉とを、それぞれ調製する。

セラミックス基体１１用の原料セラミックス粉は、還元窒化法、気相合成法、直接窒化法等の従来公知の製造方法により得られた窒化アルミニウム原料粉と、所望の体積抵抗率に応じて添加される酸化イットリウム等の希土類酸化物又は希土類酸化物の原料化合物である硝酸塩、硫酸塩、シュウ酸塩、塩化物、アルコキシド等を、所定の配合比で調合し、イソプロピルアルコール等の溶媒を加え、ポットミル、トロンメル又はアトリッションミル等の混合粉砕機を用いて混合する。混合は湿式、乾式いずれでもよく、湿式を用いた場合は、混合後、スプレードライ法等を用い乾燥を行い、原料混合粉を得る。また、真空乾燥法を実施した後に乾燥粉末をふるいをかけ、粒度の調整を行うことが望ましい。

導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅのセラミックス粉は、窒化アルミニウム原料粉と炭素繊維と、さらに好ましくは酸化イットリウム等の希土類酸化物とを所定の配合比で調合し、イソプロピルアルコール等の溶媒を加え、ポットミル、トロンメル又はアトリッションミル等の混合粉砕機を用いて混合する。窒化アルミニウム原料粉に対して、導電性セラミックス部材は、希土類酸化物の添加によっても実現可能であるが、炭素繊維の添加による低抵抗セラミックス部材は、焼結体中で導電パスを形成し易く窒化アルミニウムの具備する特性を維持したまま、低い体積抵抗率が得られるために有利である。

炭素繊維としては、例えば、繊維径１μm以下、アスペクト比５以上、より好ましくはアスペクト比１０以上の炭素繊維を使用することができる。カーボンナノチューブを使用することもできる。

窒化アルミニウム原料粉に対する炭素繊維の添加量は、最終的に得られる焼結体の用途に必要な電気的特性と物性に合わせて定めればよい。窒化アルミニウム原料粉を１００重量部に対し、炭素繊維の添加量は、好ましくは５〜２０重量部とすることでセラミックス基体と同等の強度、熱膨張係数を維持しつつ体積抵抗率を１０Ωｃｍ以下とすることができる。さらに好ましくは炭素繊維の添加量を１０〜１５重量部とする。

また、希土類酸化物を加える場合には、好ましくはその配合比は０．２重量部以上２０重量部以下、好ましくは１０重量部以下とする。

これらの原料粉末の混合は湿式、乾式いずれでもよく、湿式を用いた場合は、混合後、スプレードライ法等を用い乾燥を行い、原料混合粉を得る。また、真空乾燥法を実施した後に乾燥粉末をふるいをかけ、粒度の調整を行うことが望ましい。なお、原料混合粉中にポリビニルアルコール等のバインダ成分を添加することができる。バインダを添加した場合は、脱脂工程を窒素等の不活性雰囲気中で行う方法等により、炭素繊維が酸化消失しないよう注意する必要がある。

次に、セラミックス基体１１を製造するに当たり、所望の形状の導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅを成形する。導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅの成形は、原料セラミックス粉を所望の形状に加圧成形することによって行う。この加圧成形により得られた成形体を焼結して、所定の焼結体としてもよい。要は、導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅは、セラミックス基体１１の製造過程で、導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅの形状を確実に保持できれば、未焼結の成形体であってもよいし、また、焼結体であっても良い。

導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅの加圧成形には、金型成形法を用いてもよいし、またＣＩＰを用いてもよく、セラミックス粉を成形するための公知の方法を用いることができる。もっとも、造粒粉をなるべく低い成形圧で作成すると、より好ましい。なぜなら、高い成形圧で成形し、密度の高い成形体は、セラミックス基体の部分的な成形体を成形する時の加圧力により、高周波電極１２を変形させるおそれがあるからである。また、この導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅの成形体の焼結は、ホットプレス法、常圧焼結法又はＨＩＰ等の、公知の焼結方法を用いることができる。このとき成形体の加熱及び焼成時の雰囲気は、真空、不活性、または還元雰囲気として、導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅ中に含有される炭素繊維が酸化、焼失されないようにすることが望ましい。また、焼成温度は、焼結助剤の添加量等によっても異なるが、好ましくは１６５０℃〜２２００℃とする。焼成後に得られた窒化アルミニウム焼結体には、炭素繊維がほぼ原料時の繊維状構造を維持したまま粒界、粒内に分散した状態で残留し、窒化アルミニウム焼結体中で、互いに隣接する炭素繊維と接し、連続する三次元の導電パスを形成する。

次に、セラミックス基体１１を作製する。このセラミックス基体１１は、その内部に高周波電極１２及び抵抗発熱体１９を埋設して備えているので、製法の一例としては、セラミックス基体１１を厚み方向に分割した、部分的な成形体を作製し、その成形体に高周波電極１２、原料セラミックス粉末、抵抗発熱体１９及び原料セラミックス粉末を順次積層し、加圧成形して、得られた成形体を最終的に焼結することにより、セラミックス基体１１の焼結体を得ることができる。

このセラミックス基体１１の作製の過程において、前述したセラミックス基体１１を厚み方向に分割した、部分的な成形体は、セラミックス基体１１の加熱面となる部分を含む成形体であり、金型による一軸加圧成形により成形することができる。

次に、高周波電極１２を、上述の部分的な成形体の一方の表面上に載置する。この高周波電極１２には、ＭｏやＷなどの金属のバルク体からなる孔明きパターンを持つ面状の電極、より好ましくは、メッシュ状（金網状）の電極を用いることができる。

この高周波電極１２上の所定の位置に、前述した導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅ用の成形体又は焼結体を埋め込む。この埋め込みは、例えば、所定の形状の導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅ用の焼結体を、高周波電極１２が載置された金型の所定の位置に設置し、そこにセラミック基体の原料粉を流し込んで、原料と一緒に一軸加圧成形することで行うことができる。もしくは、成形体の表面に孔を開け、そこに機械的に厚み方向に押し込むことによって行うことができる。

なお、図７に示す構造を得るには、導電性セラミックス部材１７Ｅを埋め込む際に、導電性セラミックス１７E上に同径のMoメッシュ１８を設置し、さらにバルク体の金属導電部材２１を設置し、セラミック基体の原料粉を流し込んで、原料と一緒に一軸加圧成形する。埋め込む金属導電部材２１の直径を３ｍｍ以下、高さを２ｍｍ以下とすると焼結時におけるセラミックス粉の収縮を妨げないので、より好ましい。

この高周波電極１２上の導電性セラミックス部材１７Ａ〜１７Ｅ用の焼結体及びその周囲に、セラミックス基体１１の原料セラミックス粉を所定の厚みを形成するための必要量だけ置き、再び一軸加圧成形した後、更に抵抗発熱体１９を載置する。この抵抗発熱体１９は、コイル状、スパイラル状等の所定形状に加工した金属バルク体からなるＭｏやＷ等の高融点金属を用いることができる。

抵抗発熱体１９を載置した後、更にセラミックス基体１１の原料セラミックス粉末を所定の厚みを形成するための必要量だけ置き、再び一軸加圧成形して成形体を得る。

得られた成形体を、ホットプレス法又は常圧焼結法等を用いて、加熱及び焼成し、焼結体を作製する。この焼成では、ホットプレス法を用いることにより、焼成時に一軸方向の加圧を行うため、電極と窒化アルミニウム焼結体との密着性をより良好なものにできるので有利である。焼成温度は、焼結助剤の添加量等によっても異なるが、好ましくは１６５０℃〜２２００℃とする。このとき焼成時の雰囲気は、真空、不活性、または還元雰囲気とすることが望ましい。

得られたセラミックス基体１１の焼結体の電極に近い面（加熱面）を研削加工し、所定厚みの誘電体層を形成し、さらに誘電体層の反対側の面から端子穴１１ｃを穿設し、この端子穴１１ｃにスリーブ１４をねじ結合させ、このスリーブの内部空間に応力緩和材１５及び端子１３をろう付けして加熱装置が得られる。また、所望の形状に機械加工することができるし、また、加熱面の表面粗さ調整をすることもできる。

上述した製造方法に従い、加熱装置を製造した。

直径Φ３４５mmの金型に、焼結後の厚みが１．５mmとなるように５wt%のＹ₂Ｏ₃を含有する窒化アルミニウム粉を入れ、一軸加圧成形により円盤状に成形した。次に、高周波電極となる直径Φ３３５mmのMoメッシュを置いた。

また、導電性セラミックス部材用に、１２wt%の炭素繊維と、５wt%のＹ₂Ｏ₃を含有する窒化アルミニウムにより、種々の形状になる導電性セラミックス部材の焼結体をあらかじめ作製した。この円柱状の焼結体の体積抵抗率は０．０５Ωｃｍであり、気孔率は０．２〜６%、熱膨張係数は５．６ｐｐｍ／Kであった。この焼結体を、上述したMoメッシュ上に置いた。

次に5wt%Ｙ₂Ｏ₃含有窒化アルミニウム粉を、焼結後の厚みが８．８mmとなるように入れ、再び一軸加圧成形した。更に、Ｍｏコイルよりなる抵抗発熱体を設置し、その上から５wt%Ｙ₂Ｏ₃含有窒化アルミニウム粉を金型に入れて一軸成形し、成形体を得た。

この成形体を、ホットプレス炉内で窒素不活性雰囲気で２１００℃で焼成した。

焼成後のヒータープレートは導電性セラミックス部材が高周波電極に接するとともに、周囲のセラミックス基体とは界面なく密着しており、気孔率は０．１％以下であった。なお、セラミックス基体の熱膨張係数は５．７ｐｐｍ/Kであった。得られたヒータープレートは、厚さが１９mmであった。

このヒータープレートの裏面側から、抵抗発熱体の二つの端部及び導電性セラミックス部材又は金属導電部材が露出するように、焼結体に端子穴をあけた。その後、各端子穴に、Ni製の端子を、応力緩和材と金ロウを介して接合した。

このようにして得られた各加熱装置について、このＮｉ製の端子側から加熱面に向けて端子を押し込み、加熱面にクラックが生ずるまでの押し込み荷重を調べた。またＮｉ製の端子に垂直に荷重がかかるように引張試験機にヒーターを設置し、端子の接合部の引っ張り強度を調べた。また、製造中のクラックの発生状況と、常温から６００℃まで、加熱−降温を繰り返した３００回のヒートサイクル試験後のクラックの発生状況を調べた。

その結果を表１に示す。

表１から分かるように、実施例１〜３は、図１及び図２に示した構造になる加熱装置であり、製造中のクラック発生頻度、３００回熱サイクル後のクラック発生は、従来の加熱装置よりも減少し、平均押し込み強度、引張り強度は向上した。

実施例４〜６は、図３に示した構造になる加熱装置であり、導電性セラミックス部材の直径Ａが、端子穴の直径Ｃよりも大きいため、導電性セラミックス部材の電流密度が下がり、抵抗が低い。よって、導電性セラミックス部材の温度上昇を抑えつつ、セラミック部材の厚みＢを厚くすることができ、押し込み強度が上昇している。

実施例７〜９は図４に示した構造になる加熱装置であり、導電性セラミックス部材の径Ａをより大きくして円筒状にし、ニッケル製のスリーブとの接合をねじのある側面で行っている。これらの実施例では、周囲のセラミックス基体との熱膨張差を吸収するため、接合部のスリーブの肉厚は０．３ｍｍ以下が望ましい。実施例７〜９では、端子穴の側面で接合することにより、接合面積拡大の効果が生じ、引張り荷重の強度に現れている。また、導電性セラミックス部材の厚さを、実質的にホットプレートの厚さと誘電体層の厚さＤとの差の値まで厚くすることが可能となる。また、導電性セラミックス部材が酸化しないような、例えばＮ_２雰囲気の環境においては、導電性セラミックス部材の酸化防止のためのろう材が不要であり、導電性セラミックス部材とスリーブとを、ねじ結合により結合させることができ、ろう接合工程を省略することが可能となる。

次に、図５及び図６並びに図７に示した加熱装置を作成した。これらの加熱装置の製造は、先に述べた実施例と同様にして行い、原料の成分、濃度、ホットプレートの厚み等も同様である。

得られた各加熱装置について、前述の実施例と同様に押し込み荷重やクラックの発生頻度について調査するとともに、加熱面における均熱性及びソーキング後の抵抗変化について調べた。この均熱性は、加熱面における端子中心の位置の温度と、この端子を囲む直径３０ｍｍの円上の４点の平均温度の差として表し、高周波電極への電力供給なしの場合と電力供給ありの場合のそれぞれについて調べた。また、ソーキング後の抵抗変化は、ろう付け後、５００℃でソーキングした後の抵抗変化を、高周波電極側に孔をあけて、端子と孔に露出した高周波電極との導通を取ることにより測定した。

これらの調査結果を表２に示す。

表２の実施例１１〜１８は、図５及び図６に示した加熱装置の例であり、実施例１９、２０は、図７に示した加熱装置の例である。表２に示されたこれらの実施例から、本発明に係る加熱装置は、製造中にクラックが発生せず、端子の押し込みに対して高い強度を有し、高周波電極へ電力を供給しないときの局所的な温度低下が少なく、高周波電極へ電力を供給したときの局所的な温度上昇が少なく、また、加熱を繰り返してもクラックが発生しなかった。また、端子孔の底面の径よりも、その底面に露出している導電性セラミックス部材の凸部の頂部の径が２ｍｍ以上小さいことから、導電性セラミックス部材に含まれる炭素繊維（カーボンナノチューブ）の酸化が防止され、電気抵抗の変化が抑制されている。

以上、本発明の加熱装置を実施例及び図面を用いて説明したが、本発明の加熱装置は、これらの実施例及び図面に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。また、本発明の端子構造は、加熱装置に適用される場合に限られず、静電チャックなど、セラミックスよりなる基体に電極が埋設され、その電極に端子を接続された装置に適用することができる。

本発明の加熱装置の一例を示す断面図である。 図１の加熱装置の要部を示す断面図である。 本発明の加熱装置の他の例の要部を示す断面図である。 本発明の加熱装置の他の例の要部を示す断面図である。 本発明の加熱装置の他の例の要部を示す断面図である。 図５の加熱装置のＶ−Ｖ線視断面図である。 本発明の加熱装置の他の例の要部を示す断面図である。 従来の加熱装置の要部を示す断面図である。

符号の説明

１０ 加熱装置
１１ セラミックス基体
１１ａ 加熱面
１１ｂ 裏面
１１ｃ 導通穴
１２ 高周波電極
１３ 端子
１４ スリーブ
１５ 応力緩和材
１６ ろう材
１７Ａ〜１７Ｅ 導電性セラミックス部材

Claims (8)

1. 絶縁性セラミックスを主成分とする板状の基体と、
   この基体の一方の表面近傍に埋設された平板状の電極と、
   この基体の他方の表面から前記電極に向けて穿設された端子穴に挿入され、前記電極と導通する端子と
   を備え、かつ、
   前記端子穴の底面と、前記電極との間に、前記基体の絶縁性セラミックスと同等の熱膨張係数を有する導電性セラミックス部材が前記電極に接続して埋設され、この導電性セラミックス部材を介して前記電極と前記端子とが電気的に接続されることを特徴とする加熱装置。
2. 前記導電性セラミックス部材は板状であり、その平面の長さが、前記端子穴の底面の直径よりも大きいものであることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記導電性セラミックス部材は、前記端子穴の底面部及び側面部を含む凹形状であり、この端子穴の側面に、ねじ溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
4. 前記導電性セラミックス部材は、前記端子穴の底面に頂面が露出する凸形状であり、この頂面の長さが、前記端子穴の底面の直径よりも小さいものであることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
5. 前記導電性セラミックス部材と前記端子穴の底面との間に、前記端子穴の底面に露出する部分の平面の長さが、前記端子穴の底面の直径よりも小さい金属電極材を更に有することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
6. 前記導電性セラミックス部材が、電気伝導率が１０Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の加熱装置。
7. 前記導電性セラミックス部材が、炭素繊維を含む窒化アルミニウムよりなることを特徴とする請求項６に記載の加熱装置。
8. 基体と導電性セラミックス部材とが、同種のセラミックスを主成分とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の加熱装置。

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