JP2014002931A

JP2014002931A - グラファイトヒーター

Info

Publication number: JP2014002931A
Application number: JP2012137673A
Authority: JP
Inventors: Koji Kato; 公二加藤
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-01-09
Also published as: US20130334206A1; CN103572261A; DE102013210234A1

Abstract

【課題】本発明は、従来のグラファイトヒーターの電気抵抗値を大きく下げることなく、撓みや反り等の変形の極めて少ない高温強度のグラファイトヒーターを提供する。
【解決手段】本発明のグラファイトヒーターは、両端に電気的接続部となる端子部を有し、電流が流れる長手方向に垂直な断面に凹部が形成されているグラファイトヒーターであって、前記凹部の空間が前記長手方向に向かって連続して形成されていると共に、該凹部の空間に前記長手方向に対して交差する方向に少なくとも一つの梁となる部分が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、CVD（化学的気相蒸着法）等の処理を行う半導体基板処理装置や基板成長装置等において、その半導体基板を加熱する目的に使用されるグラファイトヒーターに関する。

半導体基板の結晶性や単結晶性の薄膜は、一般に、プラズマや紫外線レーザ光等によるCVD法、又は電子ビームによる蒸発法やMBE法、更にはマグネトロン等によるスパッタ法やパルスレーザ蒸着法等のPVD法等により、他の基板上に又は材料それ自体を基板として作製される。

このような薄膜の作製に際しては、作製条件の内で特に温度条件が重要であり、一定以上の基板温度にしないと結晶性や単結晶性の薄膜を成長させることができない。特に、SiC、GaN、ZnO等の次世代型ワイドバンドギャップ半導体等は、１４００℃程度の融点を持つSiと異なり、約２５００、１９００、１７００℃等の超高温度の融点を有するので、昇華やバルク体の生成のために超高温度にする必要がある。成膜法によってはこれらの温度より低い基板温度において成膜することも可能であるが、それでも１０００〜１３００℃という超高温度に加熱する必要がある。

また、成膜や素子化にとっては高品質の薄膜を作製することも不可欠であり、そのためには、不純物の混入の低減化も重要な条件の１つであるから、超高温度においても蒸発の起こらない清浄な超高温ヒーターが必要となる。このような超高温ヒーターとしては、WやMoを用いた金属製のヒーターが知られているが、この金属製のヒーターは、真空下で使用するとその表面にできた酸化物が蒸発して不純物の混入をもたらすという問題が指摘されている。

金属製のヒーターの他にグラファイト製のヒーターも知られている。このグラファイト製のヒーターは、高温における高純度処理に際して不純物の混入を低く抑えることができるものの、高温における高純度処理においてアンモニア、水素などの腐食性ガスに暴露されると簡単に消耗してしまうという問題があるために、ヒーターの表面を耐食性の膜で保護して使用されているのが実情である。

さらに、半導体基板の高温における高純度処理に供されるヒーターとしては、上記不純物の混入の低減化という条件を満たすもの以外に、高温処理での変形が少なく、その発熱量の大きいものが好ましいとされている。不純物の混入という条件をクリアしたとしてもその抵抗値が低いヒーターの場合には、発熱量を大きくするために低電圧、大電流の条件で使用されることになるために、この条件に見合った新たな電源装置を用意しなければならず、コストアップになるという問題もある。

このような問題に対して、ヒーターの電気抵抗値が（抵抗値）＝（固有抵抗率）×（長さ）÷（断面積）という式によって決まることから、ヒーターの長さと断面積を調整してヒーターの電気抵抗値を大きくして発熱量を増やすような対策が採られている。

例えば、特許文献１には、断面形状を凹部又は凸部に形成することにより、パターン長および許容電流値を維持した状態で発熱量を増加させることができるカーボンヒーターが記載されている。

また、特許文献２には、加熱面を平滑面としその反対側の面に凹部を形成することにより、断面積を小さくして電気抵抗を大きくすることができるグラファイトヒーターが記載されている。

特開２００５―２１７３１７号公報特許第４６９０２９７号

しかしながら、特許文献１に記載されているカーボンヒーターは、抵抗を高くするために長尺としているが、あまり長く作製し過ぎたりすると、破損し易くなって実用上の取り扱いが困難となり好ましくないという問題がある。また、特許文献２に記載されている矩形のグラファイトヒーターは、電流が流れる長手方向に凹み空間を形成することで、抵抗値が低くなることを抑制すると共に、両側にリブを形成することで、ヒーター自体の強度低下も抑制しているが、それでも実用上十分ではない。

すなわち、グラファイトヒーターは、上記のとおり、アンモニア、水素等のガスによって腐食しやすいために、ヒーター表面を耐食性の保護膜でコーティング処理して使用されているのが実情であるが、このコーティング処理の際にヒーターを部分的に支持した場合にヒーターに掛かる重力が原因でヒーター自体に撓み、歪や反り等が発生してしまうばかりか、高温処理における熱膨張等が原因でヒーター自体に撓み、歪や反り等が発生してしまうことになる。そして、グラファイトヒーターが変形すると、ヒーターの装置への取り付けが困難になったり、装置で使用したときの温度分布に悪影響を与えて、製品の特性不良を招いてしまうという問題が発生する。

そこで、本発明は、上記のような事情に着目してなされたものであり、従来のグラファイトヒーターの電気抵抗値を大きく下げることなく、撓みや反り等の変形の極めて少ない高温強度のグラファイトヒーターを提供することを目的とする。

本発明のグラファイトヒーターは、上記の目的を達成するために、両端に電気的接続部となる端子部を有し、電流が流れる長手方向に垂直な断面に凹部が形成されているグラファイトヒーターであって、前記凹部の空間が前記長手方向に向かって連続して形成されていると共に、該凹部の空間に前記長手方向に対して交差する方向に少なくとも一つの梁となる部分が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明のグラファイトヒーターは、その端子間抵抗値がグラファイトの固有抵抗率ρ、両端の端子間距離L、凹部断面積Sとして計算される抵抗値R＝ρ×L／Sの８０％以上かつ１００％未満の範囲であることを特徴とするものである。

さらに、本発明のグラファイトヒーターは、その表面全体あるいは一部に保護膜がコーティングされていることが好ましく、その保護膜は、PBN（パイロリティックボロンナイトライド）、PG（パイロリティックグラファイト）、AlN、SiCから選択される耐食性の保護膜であることが好ましい。

本発明によれば、グラファイトヒーターに保護膜をコーティング処理した場合でも、ヒーター自体の撓み、歪み、反り等の変形を抑制することができるから、装置への取り付けを容易に行うことができる。また、ヒーターの変形に起因する装置内の温度分布の不均一化を抑制することができるから、品質の良い製品を安定して生産することができる。さらに、本発明によれば、従来のグラファイトヒーターの電気抵抗値を大きく下げることがないために、現状のヒーター電源の仕様範囲内で使うことができるので、新たに電源を用意する必要がなく、設備コスト上のメリットもある。

図１は、本発明のグラファイトヒーター１の概略を説明するグラファイトヒーター１の平面図、梁となる部分４の断面図及び溝３の断面図である。図２は、抵抗値を計算、測定するときの端子間距離位置を示す説明図である。図３は、歪みを測定するときの端子中心間距離を示す説明図である。図４は、梁となる部分の種々の形状を示す概略説明図である。

以下、本発明のグラファイトヒーター１を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のグラファイトヒーター１の形状を示すものである。このグラファイトヒーター１には、電流が流れる長手方向に垂直な断面に溝３（凹部）が形成されており、この溝３は前記長手方向に向かって連続して形成されていると共に、この溝３の空間には梁となる部分４が形成されている。

この梁となる部分４は、グラファイトヒーター１が高温下でコーティング処理される際に、処理中に長手方向と交差する方向などに熱膨張するのを抑える働きをすることから、従来のヒーターに発生し易い熱膨張などが原因の撓み、歪みや反り等の変形を極力抑制することができる。この熱膨張等による変形を抑制するためには、長手方向と交差する方向に梁となる部分４を少なくとも一つ形成する。図１には、梁となる部分４を７個形成した例を示している。

本発明では、梁となる部分４が少なくとも一つ長手方向と交差する方向に形成されているだけであるから、ヒーター基材の電気抵抗値を従来のヒーターのものと比べて大きく下げずにヒーター基材の高温強度を上げることができる。また、ヒーター基材の電気抵抗値を従来のヒーターのものと比べて大きく下げないから、従来のグラファイトヒーターに供する電源をそのまま使用することができるという設備コスト上のメリットもある。

仮に、新たに電源を用意するとなれば、全ての装置でも同様の事態が発生し大きなコスト負担となるが、本発明によれば、現状のヒーター電源をそのまま使用することができるから、特に設計変更という新たな負担も発生しない。

ヒーター基材の電気抵抗値が従来のヒーターのものと比べて大きく下げないようにするためには、グラファイトの固有抵抗率ρ、両端の端子間距離L、溝の断面積Sとしたときにグラファイトヒーターの端子間抵抗値RがR＝ρ×L／Sの式で計算されるから、この抵抗値Rが８０％以上かつ１００％未満の範囲内となるように、梁となる部分４を残して溝３を加工すればよい。

ここで、端子間距離Lとは、端子部２の貫通穴中心から長手方向に沿って始めにグラファイトと交わる点の間の距離であり、図２に示すように、グラファイトと交わる右側の点から左側の点までの距離である。また、溝の断面積Sとは、図１に示す斜線部の面積である。

本発明の梁となる部分４は、少なくとも１つ形成されていればよいが、グラファイトヒーターの長さ等によってはその個数を加減することによって調整される。例えば、全長３００ｍｍ〜３０００ｍｍ、幅５ｍｍ〜３０ｍｍ、厚さ２ｍｍ〜１０ｍｍ程度のグラファイトヒーターの場合、梁となる部分４は、１個〜３０個程度とするのが好ましい。

また、溝３の深さは、０．５ｍｍ〜８ｍｍ程度とするのが好ましく、梁となる部分４の幅も、１ｍｍ〜２０ｍｍ程度とするのが好ましい。

また、本発明のグラファイトヒーター１の全体形状は、図１に示すように、Ｕ字形状であるが、使用状況によってはこれに限定されるものではなく、曲線又は直線形状、Ｃ字形状でもよい。

さらに、本発明における梁となる部分４は、図１に示すように、長手方向に直交するような形状が好ましいが、これに限定されるものではなく、熱膨張による変形を抑制することができるのであれば、図４に示すように、その根元部の形状が傾斜した形状でもよく、R加工を施した形状でも構わない。

本発明のグラファイトヒート１は、その表面全体又は一部に保護膜がコーティングされているのが好ましく、この保護膜によって腐食性ガス及び液体に対するヒーターの耐性を向上させることができる。保護膜は、特にアンモニア、水素に対する耐性が高いPBN（パイロリティックボロンナイトライド）、PG（パイロリティックグラファイト）、AlN、SiCから選択される耐食性の膜が好ましい。

全長６００ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ５ｍｍのグラファイトヒーター１の両端に、電気的な接続をするための端子部２（ネジ止めする貫通穴）を設け、端子間の電流が流れる長手方向に、両側３ｍｍ、厚み１．５ｍｍ残るように凹み形状の溝３を形成した。溝３を形成するときに、電流が流れる長手方向と直交する方向に、幅１０ｍｍの梁となる部分４を7個残すように溝加工を行った。

図１は、作製したグラファイトヒーター１の平面図、梁となる部分４の断面図及び溝３の断面図をそれぞれ示す。梁となる部分４の断面積は完全矩形であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、梁となる部分４の断面積は、溝３のものよりも大きければよい。

作製したグラファイトヒーター１の端子間の抵抗値を日置製ミリオームハイテスタ３５４０を用いて測定したところ、グラファイトヒーター１の抵抗値は０．１６Ωであった。なお、測定位置は計算上の端子間距離と同等の位置で測定した。これに対し、グラファイトの固有抵抗率１５μΩ・ｍ、両端の端子間距離６００ｍｍ、溝３の断面積５１ｍｍ²としたときの計算上の抵抗値Rは、R＝ρ×L／S＝０．１７６Ωであるから、作製したグラファイトヒーター１は、その抵抗値が９％程度下げた位の変化であり、現状の電源で十分に使用できる範囲の抵抗値であった。

次に、グラファイトヒーターを高温でコーティング処理したときの撓み、歪や反りの状況を比較するために、溝３のみで梁となる部分４を形成しないヒーターを比較例として作製した。

溝３に梁となる部分４を形成した本発明のグラファイトヒーターと上記比較例のヒーターをそれぞれ真空炉に入れて、１８００℃、５０Paの条件で、BCl₃とNH₃ガスによって、約３００μｍのPBNコーティングを行った。このコーティング処理後にそれぞれのヒーターを定盤上に載置して、その歪と反りをミツトヨ製三次元測定機にて測定した。なお、この測定では、反りは定盤に載置した時の最大高さの差とし、歪みは端子部２中心間の距離の変化とした。図３にこの端子部２中心間の距離を示す。

測定の結果、梁となる部分４を形成した本発明のグラファイトヒーター１の反りは０．３１ｍｍ、端子中心間距離の変化は０．１５ｍｍであり、これに対し、梁となる部分を全く持たないグラファイトヒーターの反りは０．４５ｍｍ、端子中心間距離の変化は０．４２ｍｍであった。

したがって、本発明のグラファイトヒーター１は、高温でコーティング処理したときでも、ヒーターの反り、歪みが少ないから、ヒーターの変形を抑制するのに有効であることが確認された。

実施例１と同様の条件で加工を行って３個のグラファイトヒーターを作製し、これら３個のグラファイトヒーターに対して、３００μｍの厚みでそれぞれPG、AlN、SiCのコーティング処理を行った。いずれのコーティング処理においても、梁となる部分４を形成した本発明のグラファイトヒーターの方が梁となる部分を形成しない比較例のグラファイトヒーターよりも変形が小さかった。

したがって、本発明のグラファイトヒーター１は、PG、AlN、SiC等の処理温度が異なる保護膜のコーティング処理でも有効であることが確認された。

１グラファイトヒーター
２端子部
３溝（凹部）
４梁となる部分

Claims

両端に電気的接続部となる端子部を有し、電流が流れる長手方向に垂直な断面に凹部が形成されているグラファイトヒーターであって、前記凹部の空間が前記長手方向に向かって連続して形成されていると共に、該凹部の空間に前記長手方向に対して交差する方向に少なくとも一つの梁となる部分が形成されていることを特徴とするグラファイトヒーター。
前記グラファイトヒーターの端子間抵抗値は、グラファイトの固有抵抗率ρ、両端の端子間距離L、凹部断面積Sとして計算される抵抗値R＝ρ×L／Sの８０％以上かつ１００％未満の範囲であることを特徴とする請求項１に記載するグラファイトヒーター。
前記グラファイトヒーターの表面全体あるいは一部に保護膜がコーティングされていることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載するグラファイトヒーター。
前記保護膜がPBN、PG、AlN、SiCから選択される耐食性の保護膜であることを特徴とする請求項３に記載するグラファイトヒーター。