JP2023040596A - セラミックスヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】基板とセラミックスヒータの上面との間の空隙を減圧して、基板を吸引保持することが可能であって、且つ、基板とセラミックスヒータの上面との間の空隙に、外部からガスが侵入することを抑制することができる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１００は、セラミックス基材１１０と、セラミックス基材１１０に埋設された金属製の電極１２０とを備えている。セラミックス基材１１０の上面１１１には、上面１１１の外周部に配置された環状の第１凸部１５２と、第２凸部１５４の内側に配置された複数の凸部１５６とが設けられている。第１凸部１５２は、上下方向５においてウェハ１０と重なる位置に配置されている。セラミックス基材１１０の内部には、第１ガス流路１６２と、第１凸部１５２の内側に開口する複数の開口１６４ａを有する第２ガス流路１６４とが形成されている。第１ガス流路１６２と第２ガス流路１６４とは互いに独立したガス流路である。【選択図】 図２

Description

本発明は、セラミックスヒータに関する。

特許文献１には、ウェハなどの基板を吸着して保持する真空吸着部材が開示されている。特許文献１に記載の真空吸着部材は、基板が載置される基体と，基体の上面から突出して基板を支持する複数の凸部と、基体の外周縁部の上面から環状に突出して基板を支持する複数の環状凸部とを備える。最も外側の環状凸部とその内側の環状凸部との間には、真空吸引装置に接続される通気路が開口している。また、内側の環状凸部の内側にも、同様に、真空吸引装置に接続される通気路が開口している。

特開２０１８－１８９４５号公報

特許文献１に記載の真空吸着部材においては、２つの環状凸部の間にある通気路と、内側の環状凸部の内側にある通気路とは、同じ真空吸引装置に接続されている。そのため、基板を吸引するために真空吸引装置を駆動した際には、これらの通気路を介して、基板と真空吸着部材の基体との間の空隙からガスが吸引される。

半導体製造の過程においては、ウェハなどの基板を吸着して保持する機能を有するセラミックスヒータは、主に、プロセスガスが充填されたチャンバ内で使用される。特許文献１に記載の真空吸着部材をプロセスガスが充填されたチャンバ内で使用した場合には、基板を吸引するために真空吸引装置を駆動した際に、プロセスガスが基板と真空吸着部材の基体との間の空隙に侵入する恐れがある。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、基板とセラミックスヒータの上面との間の空隙を減圧して、基板を吸引保持することが可能であって、且つ、基板とセラミックスヒータの上面との間の空隙に、外部からガスが侵入することを抑制することができるセラミックスヒータを提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、上面、前記上面と上下方向において対向する下面を有するセラミックス基材と、
前記セラミックス基材に埋設された発熱体と、を備え、
前記セラミックス基材は、
前記上面の、基板と前記上下方向に重なる位置において前記上面の外周部に配置され、且つ、前記上面から上方に突出した環状の第１凸部と、
前記上面の、前記第１凸部の内側に配置され、且つ、前記上面から上方に突出した複数の凸部と、
前記上面の、前記第１凸部の内側に開口を有する第１のガス流路と、
前記上面の、前記第１のガス流路の前記開口よりも外側であって、且つ、前記第１凸部よりも内側において、環状に分布する複数の開口を有する第２のガス流路と、を備え、
前記第１のガス流路と、前記第２のガス流路とは、互いに独立していることを特徴とするセラミックスヒータが提供される。

上記態様においては、第１ガス流路と第２ガス流路とは互いに独立したガス流路であるため、それぞれを別の用途に用いることができる。例えば、第１ガス流路を、ガスの排気のための排気流路として用いることができ、第２ガス流路を、伝熱ガス等のガスを供給するためのガス流路として用いることができる。第２ガス流路から供給される伝熱ガス等のガスの流量又は圧力を調整して、第１凸部と基板とに囲まれた空隙の圧力を、第１凸部の外側の（外部環境の）圧力よりも低く設定することができる。このとき、これらの差圧により基板をセラミックス基板の上面に向かって吸着させることができる。これにより、基板と複数の凸部の上面との間の密着性が向上するため、セラミックスヒータの熱を基板に効率よく伝えることができる。しかしながら、第１凸部の外側の圧力よりも、第１凸部と基板とに囲まれた空隙の圧力を低くした場合には、差圧により、第１凸部の外側にあるガスが、第１凸部と基板とに囲まれた空隙に侵入してしまう。セラミックスヒータには、第１凸部の内側に配置された複数の開口を有する第１のガス流路が設けられており、これを排気流路として用いることができる。そのため、第１凸部と基板とに囲まれた空隙内に侵入したガスを第１のガス流路を介して排気することができる。これにより、第１凸部１５２の内側の領域において、外部からガスが混入することに起因して、ウェハ１０の温度が変動することを抑制でき、更に外部環境が腐食性ガスである場合にはガスの混入によるセラミックスヒータの第１凸部の内側領域の腐食によるパーティクル発塵を抑制することができる。

図１は、セラミックスヒータ１００の斜視図である。 図２は、セラミックスヒータ１００の概略説明図である。 図３は、電極１２０の概略説明図である。 図４は、第２凸部１５４の高さＬ３が、第１凸部１５２の高さＬ１及び複数の凸部１５６の高さＬ２よりも低いセラミックスヒータ１００の概略説明図である。 図５は、第１凸部１５２の高さＬ１及び第２凸部１５４の高さＬ３が、複数の凸部１５６の高さＬ２よりも低いセラミックスヒータ１００の概略説明図である。 図６（ａ）～（ｅ）は、セラミックス基材１１０の製造方法の流れを示す図である。 図７（ａ）～（ｄ）は、セラミックス基材１１０の別の製造方法の流れを示す図である。 図８は、比較例のセラミックスヒータ１００Ａの図２相当図である。 図９は、実施例１～５及び比較例の結果をまとめた表である。

＜セラミックスヒータ１００＞
本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ１００について、図１、２を参照しつつ説明する。セラミックスヒータ１００は、シリコンウェハなどの半導体ウェハ（以下、単にウェハ１０という）の加熱に用いられる。なお、以下の説明においては、セラミックスヒータ１００が使用可能に設置された状態（図１の状態）を基準として上下方向５が定義される。図１に示されるように、本実施形態に係るセラミックスヒータ１００は、セラミックス基材１１０と、電極１２０と、シャフト１３０と、給電線１４０とを備える。

セラミックス基材１１０は、直径１２インチ（約３００ｍｍ）の円形の板状の形状を有する部材であり、セラミックス基材１１０の上には加熱対象であるウェハ１０が載置される。なお、図１では図面を見やすくするためにウェハ１０とセラミックス基材１１０とを離して図示している。図１に示されるように、セラミックス基材１１０の上面１１１には、環状の第１凸部１５２と、複数の凸部１５６と、が設けられている。なお、図１においては、図面を見やすくするために、図２と比べて複数の凸部１５６の数を減らして図示している。また、図２に示されるように、セラミックス基材１１０の内部には、後述の第１ガス流路１６２と第２ガス流路１６４とが形成されている。セラミックス基材１１０は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等のセラミックス焼結体により形成することができる。

図１、２に示されるように、環状の第１凸部１５２（以下、単に第１凸部１５２という）は、セラミックス基材１１０の上面１１１の外周部（外縁部）に配置された円環状の凸部であり、上面１１１から上方に突出している。図２に示されるように、ウェハ１０がセラミックス基材１１０の上に載置されたとき、第１凸部１５２の上面１５２ａはウェハ１０の下面と当接する。つまり、第１凸部１５２は、ウェハ１０がセラミックス基材１１０の上に載置されたときに、上下方向においてウェハ１０と重なる位置に配置されている。第１凸部１５２の内側には、複数の凸部１５６が設けられている。複数の凸部１５６はいずれも円柱形状を有している。複数の凸部１５６のうちの１つは、上面１１１の略中心に配置されている。残りの凸部１５６は、等間隔に並んだ３重の同心円の円周上に並んでいる。また、各同心円の円周上において、凸部１５６は等間隔で並んでいる。なお、凸部１５６の配置位置や数は用途、作用、機能に応じて適宜設定される。

第１凸部１５２の高さＬ１（上面１１１からの上下方向の長さ）、及び、複数の凸部１５６の高さＬ２は、いずれも、５μｍ～２ｍｍの範囲にすることができる。

第１凸部１５２の幅は、一定であることが望ましく、０．１ｍｍ～１０ｍｍにすることができる。第１凸部１５２の上面１５２ａの表面粗さＲａは０．４μｍ以下にすることができる。なお、第１凸部１５２の上面１５２ａの表面粗さＲａは０．２μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以下であることがさらに好ましい。

複数の凸部１５６の上面１５６ａは、直径１ｍｍ～５ｍｍの円形であることが好ましい。また、複数の凸部１５６の、各凸部の離間距離は、１．５ｍｍ～３０ｍｍの範囲にすることができる。

図２に示されるように、上面１１１の、第１凸部１５２の間の内側の領域には、第１ガス流路１６２の複数の開口１６２ａ（本実施形態では８つ）が開口している。複数の開口１６２ａは、第１凸部１６２の内側に隣接するように配置されている。言い換えると、複数の開口１６２ａは第１凸部１５２の内周に沿って環状に配置されている。なお、複数の開口１６２ａは、全ての複数の凸部１５２の外側に配置されている。

第１ガス流路１６２は、複数の開口１６２ａを備えるガス流路であり、セラミックス基材１１０の内部に形成されている。図２に示されるように、第１ガス流路１６２は、各開口１６２ａから下方に延びた後、セラミックス基材１１０の中央に向かって水平方向に延在している。そして、不図示の合流路を介して各開口１６２ａからの流路が合流した後、さらに下方に向かって延びている（図２参照）。後述のように、第１ガス流路１６２の下端は、シャフト１３０の内部に形成された第３ガス流路１６６の上端に接合されている。

上述のように、上面１１１において、複数の凸部１５６は３つの同心円の円周上に並んでいる。図２に示されるように、上面１１１の、複数の凸部１５６が配置された最も内側の同心円と内側から２番目の同心円との間には、第２ガス流路１６４の開口１６４ａが開口している。第２ガス流路１６４は、開口１６４ａを備えるガス流路であり、セラミックス基材１１０の内部に形成されている。第２ガス流路１６４は、開口１６４ａから下方に延びている。後述のように、第２ガス流路１６４の下端は、シャフト１３０の内部に形成された第４ガス流路１６８の上端に接合されている。

第１ガス流路１６２及び第２ガス流路１６４は、セラミックス基材１１０の上面１１１とウェハ１０の下面とによって画定される空間（間隙）に、ウェハ１０とセラミックス基材１１０との間の伝熱のための伝熱ガスを供給又は排気するための流路である。伝熱ガスとして、例えば、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンの混合ガスのような不活性ガスや、窒素ガスなどを用いることができる。伝熱ガスは、第１ガス流路１６２、第２ガス流路１６４を通じて、１００Ｐａ～４００００Ｐａの範囲内で設定された圧力で供給される。

図１、２に示されるように、セラミックス基材１１０の内部には、電極１２０（本発明の発熱体の一例）が埋設されている。図３に示されるように、電極１２０は帯状に裁断された金属製のメッシュ又は箔であり、左右対称な形状を有している。電極１２０の外径は約３００ｍｍである。電極１２０の略中央には、給電線１４０（図１参照）と接続される端子部１２１が設けられている。電極１２０はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデン及び／又はタングステンを含む合金のワイヤー又は箔等の耐熱金属（高融点金属）により形成されている。タングステン、モリブデンの純度は９９％以上であることが好ましい。電極１２０の厚さは０．１５ｍｍ以下である。なお、電極１２０の抵抗値を高くして、セラミックスヒータ１００の消費電流を低減させるという観点からは、ワイヤーの線径を０．１ｍｍ以下にし、電極１２０の厚さを０．１ｍｍ以下にすることが好ましい。また、帯状に裁断された電極１２０の幅は２．５ｍｍ～２０ｍｍであることが好ましく、５ｍｍ～１５ｍｍであることがさらに好ましい。本実施形態においては、電極１２０は、図３に示される形状に裁断されているが電極１２０の形状はこれには限られず、適宜変更しうる。なお、セラミックス基材１１０の内部には電極１２０に加えて、ウェハ１０をジョンセン・ラーベック力により上面１１１に引き付けるための静電チャック電極及びセラミックス基材１１０の上方にプラズマを発生させるためのプラズマ電極のうち少なくとも一方が埋設されていてもよい。

図１、２に示されるように、セラミックス基材１１０の下面１１３には、シャフト１３０が接続されている。シャフト１３０は中空の略円筒形状の円筒部１３１と、円筒部１３１の下方に設けられた大径部１３２（図１参照）を有する。大径部１３２は、円筒部１３１の径よりも大きな径を有している。以下の説明において、円筒部１３１の長手方向をシャフト１３０の長手方向６として定義する。図１に示されるように、セラミックスヒータ１００の使用状態において、シャフト１３０の長手方向６は上下方向５と平行である。

円筒部１３１の上面は、セラミックス基材１１０の下面１１３に固定されている。なお、シャフト１３０は、セラミックス基材１１０と同じように、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス焼結体により形成されてもよい。あるいは、断熱性を高めるために、セラミックス基材１１０より熱伝導率の低い材料で形成されてもよい。また円筒部１３１の上面に、下方に設けられた大径部１３２と同様な拡径部が設けられていてもよい。

図２に示されるように、シャフト１３０は中空の円筒形状を有しており、その内部（内径より内側の領域）には長手方向６に延びる貫通孔が形成されている。シャフト１３０の中空の部分（貫通孔）には、電極１２０に電力を供給するための給電線１４０が配置されている。給電線１４０の上端は、電極１２０の中央に配置された端子部１２１（図３参照）に電気的に接続されている。給電線１４０の下端には、給電端子が設けられており、不図示のヒータ用電源に接続される。これにより、給電線１４０を介して電極１２０に電力が供給される。

また、図２に示されるように、シャフト１３０の円筒部１３１には、上下方向に延びる２つのガス流路（第３ガス流路１６６と第４ガス流路１６８）が形成されている。上述のように、第３ガス流路１６６の上端は第１ガス流路１６２の下端に接続され、第４ガス流路１６８の上端は第２ガス流路１６４の下端に接続されている。

次に、セラミックスヒータ１００の製造方法について説明する。以下では、セラミックス基材１１０及びシャフト１３０が窒化アルミニウムで形成される場合を例に挙げて説明する。

まず、セラミックス基材１１０の製造方法について説明する。図６（ａ）に示されるように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末を主成分とする造粒粉Ｐをカーボン製の有床型５０１に投入し、パンチ５０２で仮プレスする。なお、造粒粉Ｐには、５ｗｔ％以下の焼結助剤（例えば、Ｙ_２Ｏ_３）が含まれることが好ましい。次に、図６（ｂ）に示されるように、仮プレスされた造粒粉Ｐの上に、所定形状に裁断された電極１２０を配置する。なお、電極１２０は、加圧方向に垂直な面（有床型５０１の底面）に平行になるように配置される。このとき、Ｗのペレット又はＭｏのペレットを電極１２０の端子１２１の位置に埋設してもよい。

図６（ｃ）に示されるように、電極１２０を覆うようにさらに造粒粉Ｐを有床型５０１に投入し、パンチ５０２でプレスして成形する。次に、図６（ｄ）に示されるように、電極１２０が埋設された造粒粉Ｐをプレスした状態で焼成する。焼成の際に加える圧力は、１ＭＰａ以上であることが好ましい。また、１８００℃以上の温度で焼成することが好ましい。次に、図６（ｅ）に示されるように、端子１２１を形成するために、電極１２０までの止まり穴加工を行う。なお、ペレットを埋設した場合には、ペレットまでの止まり穴加工を行えばよい。さらに、第１ガス流路１６２、第２ガス流路１６４の一部となる貫通孔を形成するとともに、焼成体の下面に第１ガス流路１６２の一部となる溝を形成する。

次に、図示は省略するが、電極１２０を埋設しない状態で上述の図６（ａ）～６（ｄ）に示される工程を繰り返して別の焼成体を作製する。別の焼成体に、第１ガス流路１６２、第２ガス流路１６４の一部となる貫通孔などを形成する（図６（ｅ）参照）。そして、これらの２つの焼成体を重ねた状態で拡散接合により接合する。これにより、内部に第１ガス流路１６２、第２ガス流路１６４が形成されたセラミックス基材１１０を作製することができる。

なお、セラミックス基材１１０は以下の方法によっても製造することができる。図７（ａ）に示されるように、窒化アルミニウムの造粒粉Ｐにバインダーを加えてＣＩＰ成型し、円板状に加工して、窒化アルミニウムの成形体５１０を作製する。次に、図７（ｂ）に示されるように、成形体５１０の脱脂処理を行い、バインダーを除去する。

図７（ｃ）に示されるように、脱脂された成形体５１０に、電極１２０を埋設するための凹部５１１を形成する。成形体５１０の凹部５１１に電極１２０を配置し、別の成形体５１０を積層する。なお、凹部５１１は予め成形体５１０に形成しておいてもよい。次に、図７（ｄ）に示されるように、電極１２０を挟むように積層された成形体５１０をプレスした状態で焼成し、焼成体を作製する。焼成の際に加える圧力は、１ＭＰａ以上であることが好ましい。また、１８００℃以上の温度で焼成することが好ましい。焼成体を作製した後の工程は、上述の工程と同様であるので、説明を省略する。なお、上記の説明では、焼成体に対して第１ガス流路１６２、第２ガス流路１６４を構成する貫通孔や溝を形成していたが、成形体５１０に対して、第１ガス流路１６２、第２ガス流路１６４を構成する貫通孔や溝を形成し、その後焼成することもできる。

このようにして形成されたセラミックス基材１１０の上面１１１に対して研削を行い、ラップ加工（鏡面研磨加工）を行う。さらに、上面１１１に対してサンドブラスト加工を行うことにより、上面１１１に複数の凸部１５６、環状の第１凸部１５２、環状の第２凸部１５４を形成する。なお、上面１１１に複数の凸部１５６、環状の第１凸部１５２、環状の第２凸部１５４を形成するための加工方法は、サンドブラスト加工が好適であるが、他の加工方法を用いることもできる。

次に、シャフト１３０の製造方法及びシャフト１３０とセラミックス基材１１０との接合方法について説明する。まず、バインダーを数ｗｔ％添加した窒化アルミニウムの造粒粉Ｐを静水圧（１ＭＰａ程度）で成形し、成形体を所定形状に加工する。なお、シャフト１３０の円筒部１３１の長さは例えば、５０ｍｍ～５００ｍｍにすることができる。このとき、成形体に第３ガス流路１６６、第４ガス流路１６８となる貫通孔を形成する。その後、成形体を窒素雰囲気中で焼成する。例えば、１９００℃の温度で２時間焼成する。そして、焼成後に焼結体を所定形状に加工することによりシャフト１３０が形成される。円筒部１３１の上面とセラミックス基材１１０の下面１１３とを、１６００℃以上、１ＭＰａ以上の一軸圧力下で、拡散接合により固定することができる。この場合には、セラミックス基材１１０の下面１１３の表面粗さＲａは０．４μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以下であることがさらに好ましい。また、円筒部１３１の上面とセラミックス基材１１０の下面１１３とを、接合剤を用いて接合することもできる。接合剤として、例えば、１０ｗｔ％のＹ_２Ｏ_３を添加したＡｌＮ接合材ペーストを用いることができる。例えば、円筒部１３１の上面とセラミックス基材１１０の下面１１３との界面に上記のＡｌＮ接合剤ペーストを１５μｍの厚さで塗布し、上面１１１に垂直な方向（シャフト１３０の長手方向６）に５ｋＰａの力を加えつつ、１７００℃の温度で１時間加熱することにより、接合することができる。あるいは、円筒部１３１の上面とセラミックス基材１１０の下面１１３とを、ねじ止め、ろう付け等によって固定することもできる。

上記の説明においては、セラミックス基材１１０は第１凸部１５２を備えていた。別の態様として、図４に示されるように、セラミックス基材１１０Ａが第１凸部１５２に加えて、環状の第２凸部１５４（以下、単に第２凸部１５４という）を備えていてもよい。第２凸部１５４は、第１凸部１５２の内側且つ複数の凸部１５６の外側に配置された円環状の凸部であり、第１凸部１５２と同様に上面１１１から上方に突出している。第１凸部１５２と第２凸部１５４とは、同心状に配置されている。第１ガス流路１６２の複数の開口１６２ａは、上面１１１の、第１凸部１５２と第２凸部１５４との間の領域に配置されている。図４に示されるセラミックス基材１１０Ａにおいては、第１凸部１５２の高さＬ１と複数の凸部１５６の高さＬ２とが同じであり（Ｌ１＝Ｌ２）、第２凸部１５４の高さＬ３は、第１凸部１５２の高さＬ１（複数の凸部１５６の高さＬ２）よりも低い（Ｌ３＜Ｌ１、Ｌ３＜Ｌ２）。あるいは、図５に示されるセラミックスヒータ１００のセラミックス基材１１０Ｂのように、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とを同じ（Ｌ１＝Ｌ３）にし、且つ、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とを複数の凸部１５６の高さＬ２よりも低くすることができる（Ｌ１＜Ｌ２、Ｌ３＜Ｌ２）。

セラミックス基材１１０Ａ、１１０Ｂにおいて、第２凸部１５４の上面１５４ａ、及び、複数の凸部１５６の上面１５６ａの表面粗さＲａは１．６μｍ以下にすることができる。なお、第２凸部１５４の上面１５４ａ、及び、複数の凸部１５６の上面１５６ａの表面粗さＲａは０．４μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以下であることがさらに好ましい。

以下、本発明について実施例及び比較例を用いて更に説明する。但し、本発明は、以下に説明する実施例及び比較例に限定されない。

［実施例１］
実施例１のセラミックスヒータ１００は、図２に示されるように、第１凸部１５２の高さＬ１及び複数の凸部１５６の高さＬ２が全て同じである。図２には示されていないが、電極１２０として、モリブデンメッシュ（線径０．１ｍｍ、メッシュサイズ＃５０、平織り）を図３の形状に裁断したものを作製した。そして、このような電極１２０を埋設した直径３１０ｍｍ、厚さ２５ｍｍのセラミックス基材１１０を作製した。セラミックス基材１１０の上面１１１に、内径２９２ｍｍ、外径２９８ｍｍ、幅３ｍｍ、上面１１１からの高さ１５０μｍの第１凸部１５２を形成した。さらに、セラミックス基材１１０の上面１１１に、直径２ｍｍ、上面１１１からの高さ１５０μｍの円柱形状の複数の凸部１５６を形成した。第１凸部１５２の上面１５２ａ及び凸部１５６の上面１５６ａの表面粗さＲａは、いずれも０．４μｍとした。

第１ガス流路１６２の開口１６２ａの直径は３ｍｍである。セラミックス基材１１０の上面１１１の、第１凸部１５２の内側に沿って円環状に並ぶように８つの開口１６２ａが等間隔に配置されている。なお、各開口１６２ａの中心は、セラミックス基材１１０の中心から２８９ｍｍの位置にある。第２ガス流路１６４の開口１６４ａの直径は３ｍｍである。開口１６４ａの中心は、セラミックス基材１１０の中心から３０ｍｍの位置にある。

このような形状のセラミックスヒータ１００をプロセスチャンバに設置した。プロセスチャンバ内に、プロセスガスとしてアルゴンとヘリウムの混合ガスを２６６００Ｐａ（２００Ｔｏｒｒ）の圧力で供給した。さらに、第２ガス流路１６４を通じて、伝熱ガスとしてアルゴンガスを６６５０Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）の圧力で供給した。第１ガス流路１６２に不図示の排気ポンプに接続し、第１ガス流路１６２を通じて基板１０とセラミックス基材１１０の上面１１１との間の空隙を排気した。このとき、排気ポンプのポートの圧力は１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下であった。

そして、以下の手順でセラミックスヒータ１００の温度評価を行った。まず、セラミックス基板１１０の上に温度評価用のシリコンウェハを載せ、セラミックスヒータ１００に不図示の外部電源から６５０Ｗのヒータ電力を供給した。そして、上記の圧力でプロセスガスと伝熱ガスとしてのアルゴンガスとを供給した。その後、温度評価用のシリコンウェハの、直径２９０ｍｍの領域の温度分布を赤外線カメラで計測した。第２ガス流路１６４にアルゴンガスの供給を開始したとき（１回目）と、その１０分後（２回目）に、温度分布の測定を行った。なお、温度評価用のシリコンウェハは、直径３００ｍｍのシリコンウェハの上面に厚さ３０μｍの黒体膜をコーティングしたものである。黒体膜とは、放射率（輻射率）が９０％以上である膜であり、例えば、カーボンナノチューブを主原料とする黒体塗料をコーティングすることにより成膜することができる。実施例１において、１回目の温度測定における温度分布の平均値は３７８．５℃であり、２回目の温度測定における温度分布の平均値は３７８．６℃であった。また、第２ガス流路１６４へ供給するアルゴンガスのガス流量は２８０ｓｃｃｍであった。

［実施例２］
実施例２のセラミックスヒータ１００は、図４に示されるように、第１凸部１５２及び複数の凸部１５６よりも低い第２凸部１５４を備えている。なお、実施例２のセラミックスヒータ１００は、第２凸部１５４を備えていることを除いて、実施例１のセラミックスヒータ１００と同様である。第２凸部１５４は、内径２８０ｍｍ、外径２８６ｍｍ、幅３ｍｍであり、上面１１１からの高さＬ３は１４７μｍである。第２凸部１５４の上面の表面粗さＲａは０．４μｍである。実施例２では、実施例１と同じ圧力でアルゴンガス及びプロセスガスを供給した。実施例２において、１回目の温度測定における温度分布の平均値は３７７．９℃であり、２回目の温度測定における温度分布の平均値は３７８．０℃であった。また、第２ガス流路１６４へ供給するアルゴンガスのガス流量は１３ｓｃｃｍであった。

［実施例３］
実施例３のセラミックスヒータ１００は、図５に示されるように、第１凸部１５２と同じ高さであって、且つ、複数の凸部１５６よりも低い第２凸部１５４を備えている。実施例３のセラミックスヒータ１００は、第１凸部１５２の高さＬ１が１４７μｍであることを除いて、実施例２のセラミックスヒータ１００と同様である。実施例３では、実施例１、２と同じ圧力でアルゴンガス及びプロセスガスを供給した。実施例３において、１回目の温度測定における温度分布の平均値は３７７．９℃であり、２回目の温度測定における温度分布の平均値は３７８．０℃であった。また、第１ガス流路１６２へ供給するアルゴンガスのガス流量は５１ｓｃｃｍであった。

［実施例４］
実施例４のセラミックスヒータ１００は、図５に示されるように、第１凸部１５２と同じ高さであって、且つ、複数の凸部１５６よりも低い第２凸部１５４を備えている。実施例４のセラミックスヒータ１００は、第１凸部１５２の高さＬ１及び第２凸部１５４の高さＬ３がいずれも１４０μｍであることを除いて、実施例３のセラミックスヒータ１００と同様である。実施例４では、実施例１～３と同じ圧力でアルゴンガス及びプロセスガスを供給した。実施例４において、１回目の温度測定における温度分布の平均値は３７７．９℃であり、２回目の温度測定における温度分布の平均値は３７８．０℃であった。また、第１ガス流路１６２へ供給するアルゴンガスのガス流量は４９０ｓｃｃｍであった。

［実施例５］
実施例５のセラミックスヒータ１００は、図５に示されるように、第１凸部１５２と同じ高さであって、且つ、複数の凸部１５６よりも低い第２凸部１５４を備えている。実施例５のセラミックスヒータ１００は、第１凸部１５２の高さＬ１及び第２凸部１５４の高さＬ３がいずれも１３５μｍであることを除いて、実施例４のセラミックスヒータ１００と同様である。実施例５では、実施例１～４と同じ圧力でアルゴンガス及びプロセスガスを供給した。実施例５において、１回目の温度測定における温度分布の平均値は３７７．９℃であり、２回目の温度測定における温度分布の平均値は３７６．１℃であった。また、第２ガス流路１６４へ供給するアルゴンガスのガス流量は１０００ｓｃｃｍより多かった。

［比較例］
比較例のセラミックスヒータ１００Ａは、図８に示されるように、セラミックス基材１１０第１ガス流路１６２が設けられていないことを除いて、実施例１のセラミックスヒータ１００と同様である。比較例においては、プロセスチャンバ内に、プロセスガスとしてアルゴンとヘリウムの混合ガスを２６６００Ｐａ（２００Ｔｏｒｒ）の圧力で供給した。さらに、第２ガス流路１６４を通じて、アルゴンガスを６６５０Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）の圧力で供給した。比較例において、１回目の温度測定における温度分布の平均値は３７７．７℃であり、２回目の温度測定における温度分布の平均値は３８３．３℃であった。また、第２ガス流路１６４へ供給するアルゴンガスのガス流量は０．２ｓｃｃｍより少なかった。

＜実施例及び比較例のまとめ＞
図９は、上述の実施例１～５及び比較例の結果をまとめた表を示している。

図２、４、５に示されているように、実施例１～５のセラミックスヒータ１００は第１凸部１５２と、第１凸部１５２の内周に沿うように配置された複数の開口１６２ａを有する第１ガス流路１６２と、複数の開口１６２ａの内側に開口する開口１６４ａを有する第２ガス流路１６４とを備えている。そして、第１ガス流路１６２と第２ガス流路１６４とは互いに独立したガス流路である。実施例１～５のように、第１凸部１５２と第２凸部ウェハ１０とに囲まれた空隙に対して、第２ガス流路１６４を通じて伝熱ガス（例えばアルゴンガス）を供給することができる。また、伝熱ガスの圧力は、プロセスチャンバ内のプロセスガスの圧力よりも低く（実施例１～５では６６５０Ｐａ）設定されるため、差圧によりウェハ１０をセラミックス基板１１０の上面１１１に向かって吸着させることができる。これにより、ウェハ１０と複数の凸部１５６の上面１５６ａとの間の密着性が向上するため、セラミックスヒータ１００の熱をウェハ１０に効率よく伝えることができる。しかしながら、同時に、プロセスチャンバ内のプロセスガスの一部が、差圧により第１凸部１５２とウェハ１０とに囲まれた空隙に侵入してしまう。セラミックスヒータ１００には、第１凸部１５２の内周に沿うように配置された複数の開口１６２ａを有する第１ガス流路１６２が設けられているので、第１ガス流路１６２を介して、第１凸部１５２とウェハ１０とに囲まれた空隙内に侵入したプロセスガスを排気することができる。これにより、第１凸部１５２とウェハ１０とに囲まれた領域において、伝熱ガスにプロセスガスが混入することに起因して、伝熱ガスの熱伝達率が変動してウェハ１０の温度が変動することを抑制することができる。

これに対して、図８に示されるように、比較例のセラミックスヒータ１００Ａには、第１ガス流路１６２が設けられていない。そのため、ウェハ１０をセラミックス基板１１０の上面１１１に向かって吸着させるために、第１凸部１５２とウェハ１０とに囲まれた空隙の圧力を、プロセスチャンバ内のプロセスガスの圧力よりも低く設定した場合には、差圧によりプロセスガスが第１凸部１５２とウェハ１０とに囲まれた空隙内に容易に侵入してしまう。これにより、第１凸部１５２の内側の領域において、伝熱ガスにプロセスガスが混入することに起因して、伝熱ガスの熱伝達率が変動してウェハ１０の温度が変動したと考えられる。なお、比較例においては、伝熱ガス（アルゴンガス）に、プロセスガスに含まれるヘリウムガスが混入することにより、熱伝達率が高くなったため、ウェハ１０の温度が実施例１～５に比べて高くなってしまったと考えられる。

実施例１と実施例２とを比較すると、実施例２では、第２凸部１５４を設けることにより、第２ガス流路１６４を通じて供給された伝熱ガスが、第２凸部１５４の内側から複数の開口１６２ａに向かって、流れていくことを抑制することができる。これにより、第２ガス流路１６４のガス流量を抑制することができる。また、第２凸部１５４を設けることにより第２凸部の内外で差圧が生じるため、第１凸部１５２の外側から侵入したプロセスガスが第２凸部１５４の内側の領域に侵入することが抑制される。これにより、第２凸部１５４の内側の領域における、伝熱ガスの成分の変化及び伝熱ガスの圧力の変化を抑えることができ、ウェハ１０の温度変化を抑制することができる。

実施例２と実施例３とを比較すると、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とを複数の凸部１５６の高さＬ２よりも３μｍ低くすることにより、第２ガス流路１６４のガス流量が大きくなり、伝熱ガス（アルゴンガス）の消費量が大きくなることがわかった。しかしながら、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とを複数の凸部１５６の高さＬ２よりも３μｍ低くした場合であっても、ウェハ１０の温度変化を十分抑えることができることがわかった。また、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とが、複数の凸部１５６の高さＬ２よりも低いので、ウェハ１０の下面が第１凸部１５２の上面１５２ａ及び第２凸部１５４の上面１５４ａと接触しない。これにより、ウェハ１０と第１凸部１５２の上面１５２ａとの接触及びウェハ１０と第２凸部１５４の上面１５４ａとの接触によって、局所的にヒートスポットが発生することを抑制できる。また、ウェハ１０と第１凸部１５２の上面１５２ａとの接触及びウェハ１０と第２凸部１５４の上面１５４ａとの接触によって、第１凸部１５２の上面１５２ａ及び第２凸部１５４の上面１５４ａから発生したパーティクルがウェハ１０に付着することを抑制することができる。

実施例３と実施例４とを比較すると、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とを複数の凸部１５６の高さＬ２よりも１０μｍ低くすることにより、第２ガス流路１６４のガス流量が大きくなり、伝熱ガス（アルゴンガス）の消費量が大きくなることがわかった。しかしながら、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とを複数の凸部１５６の高さＬ２よりも１０μｍ低くした場合であっても、ウェハ１０の温度変化を十分抑えることができることがわかった。

実施例３、４と実施例５とを比較すると、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とを複数の凸部１５６の高さＬ２よりも１５μｍ低くすることにより、第２ガス流路１６４のガス流量が過多になり、伝熱ガス（アルゴンガス）の消費量が著しく大きくなることがわかった。しかしながら、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とを複数の凸部１５６の高さＬ２よりも１５μｍ低くした場合であっても、ウェハ１０の温度変化は十分抑えることができることがわかった。

＜実施形態の作用効果＞
上記実施形態及び実施例において、セラミックスヒータ１００は、セラミックス基材１１０と、セラミックス基材１１０に埋設された金属製の電極１２０とを備えている。セラミックス基材１１０の上面１１１には、上面１１１の外周部に配置され、且つ、上面１１１から上方に突出した環状の第１凸部１５２と、第１凸部１５２の内側に配置され、且つ、上面１１１から上方に突出した複数の凸部１５６とが設けられている。なお、第１凸部１５２は、セラミックス基材１１０の上にウェハ１０が載置されたとき、上下方向５においてウェハ１０と重なる位置に配置されている。さらに、セラミックス基材１１０の内部には、第１凸部１５２の内側に隣接するように環状に分布する複数の開口１６２ａを有する第１ガス流路１６２と、環状に分布する複数の開口１６２ａの内側に開口する開口１６４ａを有する第２ガス流路１６４とが形成されている。また、第１ガス流路１６２と第２ガス流路１６４とは互いに独立したガス流路である。

第１ガス流路１６２と第２ガス流路１６４とは互いに独立したガス流路であるため、それぞれを別の用途に用いることができる。例えば、第１ガス流路１６２を、ガスの排気のための排気流路として用いることができ、第２ガス流路１６４を、伝熱ガスを供給するためのガス流路として用いることができる。第２ガス流路１６４から供給される伝熱ガスの流量又は圧力を調整して、第１凸部１５２とウェハ１０とに囲まれた空隙の圧力を、第１凸部１５２の外側の（外部環境の）圧力よりも低く設定することができる。このとき、これらの差圧によりウェハ１０をセラミックス基板１１０の上面１１１に向かって吸着させることができる。これにより、ウェハ１０と複数の凸部１５６の上面１５６ａとの間の密着性が向上するため、セラミックスヒータ１００の熱をウェハ１０に効率よく伝えることができる。しかしながら、第１凸部１５２の外側の圧力よりも、第１凸部１５２とウェハ１０とに囲まれた空隙の圧力を低くした場合には、差圧により、第１凸部１５２の外側にあるガスが、第１凸部１５２とウェハ１０とに囲まれた空隙に侵入してしまう。セラミックスヒータ１００には、第１凸部１５２の内周に沿うように配置された複数の開口１６２ａを有する第１ガス流路１６２が設けられており、第１ガス流路１６２は不図示の排気ポンプに接続されている。そのため、第１凸部１５２とウェハ１０とに囲まれた空隙内に侵入したガスを第１ガス流路１６２を介して排気することができる。これにより、第１凸部１５２の内側の領域において、外部からガスが混入することに起因して、ウェハ１０の温度が変動することを抑制することができる。

上記実施形態及び実施例において、第１凸部１５２の高さＬ１を、複数の凸部１５６の高さＬ２より小さくすることができる（Ｌ１＜Ｌ２）。この場合においても、第１凸部１５２の外側にあるガスが、第１凸部１５２の内側に侵入することを抑制することができ、ウェハ１０の温度変化を抑えることができる。また、第１凸部１５２の高さＬ１が、複数の凸部１５６の高さＬ２よりも低いので、ウェハ１０の下面が第１凸部１５２の上面１５２ａと接触しない。これにより、ウェハ１０と第１凸部１５２の上面１５２ａとの接触によって、局所的にヒートスポットが発生することを抑制できる。また、ウェハ１０と第１凸部１５２の上面１５２ａとの接触によって、第１凸部１５２の上面１５２ａから発生したパーティクルがウェハ１０に付着することを抑制することができる。なお、上述のように、第１凸部１５２の高さＬ１及び複数の凸部１５６の高さＬ２は、いずれも、セラミックス基材１１０の上面１１１からの上下方向の長さとして定義される。

上記実施形態及び実施例において、第１凸部１５２に加えて、第１凸部１５２の内側に第２凸部１５４を設けることができる。第２凸部１５４の高さＬ３を、複数の凸部１５６の高さＬ２より小さくすることができる（Ｌ３＜Ｌ２）。第２凸部１５４を設けることにより、第２ガス流路１６４を通じて供給された伝熱ガスが、第２凸部１５４の内側から複数の開口１６２ａに向かって流れていくことを抑制することができる。これにより、第２ガス流路１６４のガス流量を抑制することができる。また、第２凸部１５４を設けることにより、差圧により第１凸部１５２の外側から侵入したプロセスガスが第２凸部１５４の内側の領域に侵入することが抑制される。これにより、第２凸部１５４の内側の領域における、伝熱ガスの成分の変化及び伝熱ガスの圧力の変化を抑えることができ、ウェハ１０の温度変化を抑制することができる。さらに、複数の凸部１５６の高さＬ２と第２凸部１５４の高さＬ３との差を、０μｍより大きくし、且つ、１０μｍ以下にすることができる（０μｍ＜Ｌ２－Ｌ３≦１０μｍ）。この場合には、第２ガス流路１６４のガス流量が大きくなりすぎることを抑えつつ、第１凸部１５２の外側にあるガスが、第２凸部１５４の内側に侵入することを抑制することができる。これにより、ウェハ１０の温度変化を抑えることができる。

上記実施形態及び実施例において、シャフト１３０の円筒部１３１に、上下方向に延びる第３ガス流路１６６及び第４ガス流路１６８を形成することができる。なお、第３ガス流路１６６の上端は第１ガス流路１６２の下端に接続され、第４ガス流路１６８の上端は第２ガス流路１６４の下端に接続される。シャフト１３０の円筒部１３１に第１ガス流路１６２、第２ガス流路１６４に接続された２つのガス流路が形成されているので、これらを通じて容易に第１ガス流路１６２からガスを排気できるとともに、第２ガス流路１６４にガス（例えば伝熱ガス）を供給することができる。

＜変更形態＞
上述の実施形態は、あくまで例示に過ぎず、適宜変更しうる。例えば、セラミックス基材１１０、シャフト１３０の形状、寸法は上記実施形態のものには限られず、適宜変更しうる。第１凸部１５２及び第２凸部１５４の高さ、幅等の寸法、形状、上面の表面粗さＲａの大きさは適宜変更しうる。

例えば、図５に示されるセラミックス基材１１０Ｂにおいて、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３とは同じ（Ｌ１＝Ｌ３）であった。しかしながら本発明はそのような態様には限られず、第１凸部１５２の高さＬ１と第２凸部１５４の高さＬ３のいずれか一方が他方よりも高くてもよい。また、図４に示されるセラミックス基材１１０Ａにおいては、第１凸部１５２の高さＬ１と複数の凸部１５６の高さＬ２とが同じであり（Ｌ１＝Ｌ２）、第２凸部１５４の高さＬ３は、第１凸部１５２の高さＬ１及び複数の凸部１５６の高さＬ２よりも低かった（Ｌ３＜Ｌ１、Ｌ３＜Ｌ２）。しかしながら本発明はそのような態様には限られず、第１凸部１５２の高さＬ１、複数の凸部１５６の高さＬ２、及び、第２凸部１５４の高さＬ３が全て同じであってもよい（Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３）。

複数の凸部１５６の高さ、上面１５６ａの形状、上面１５６ａの表面粗さＲａの大きさは適宜変更しうる。例えば、複数の凸部１５６の上面１５６ａの形状は必ずしも円形でなくてもよく、任意の形状にすることができる。なお、その場合においても、直径１ｍｍ～５ｍｍの円形の上面１５６と同程度の面積を有することが好ましい。また、上記説明において、複数の凸部１５６は同心円状に分布するように配置されていたが、本発明はそのような態様には限られない。例えば、複数の凸部１５６がランダムな位置に分布するように配置されていてもよい。その場合であっても、複数の凸部１５６の、各凸部の離間距離は、１．５ｍｍ～３０ｍｍの範囲にあることが好ましい。

上記実施形態においては、電極として、モリブデン、タングステン、モリブデン及び／又はタングステンを含む合金を用いていたが、本発明はそのような態様には限られない。例えば、モリブデン、タングステン以外の金属、又は、合金を用いることもできる。

上記実施形態においては、セラミックスヒータ１００はシャフト１３０を備えていたが、本発明はそのような態様には限られず、セラミックスヒータ１００は必ずしもシャフト１３０を備えていなくてもよい。また、セラミックスヒータ１３０がシャフト１３０を備えている場合であっても、シャフト１３０の円筒部１３１に、上下方向に延びる第３ガス流路１６６及び第４ガス流路１６８が形成されていなくてもよい。例えば、第３ガス流路１６６及び第４ガス流路１６８に代えて、円筒部１３１の中空の領域（給電線１４０が設けられている領域）に、別途ガスの配管を設けることもできる。

以上、発明の実施形態及びその変更形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記の記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に多様な変更または改良を加えることが当業者に明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが請求の範囲の記載からも明らかである。

明細書、及び図面中において示した製造方法における各処理の実行順序は、特段に順序が明記されておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるので無い限り、任意の順序で実行しうる。便宜上、「まず、」「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するわけではない。

１００ セラミックスヒータ
１１０ セラミックス基材
１２０ 電極
１３０ シャフト
１４０ 給電線
１５２ 第１凸部
１５４ 第２凸部
１５６ 複数の凸部
１６２ 第１ガス流路
１６４ 第２ガス流路

Claims (5)

1. 上面、前記上面と上下方向において対向する下面を有するセラミックス基材と、
   前記セラミックス基材に埋設された発熱体と、を備え、
   前記セラミックス基材は、
   前記上面の、基板と前記上下方向に重なる位置において前記上面の外周部に配置され、且つ、前記上面から上方に突出した環状の第１凸部と、
   前記上面の、前記第１凸部の内側に配置され、且つ、前記上面から上方に突出した複数の凸部と、
   前記上面の、前記第１凸部の内側に開口を有する第１のガス流路と、
   前記上面の、前記第１のガス流路の前記開口よりも外側であって、且つ、前記第１凸部よりも内側において、環状に分布する複数の開口を有する第２のガス流路と、を備え、
   前記第１のガス流路と、前記第２のガス流路とは、互いに独立していることを特徴とするセラミックスヒータ。
2. 前記第１凸部の、前記上面からの前記上下方向の長さＬ１は、前記複数の凸部の、前記上面からの前記上下方向の長さＬ２より小さい請求項１に記載のセラミックスヒータ。
3. 前記セラミックス基材は、さらに、
   前記上面の、前記第１のガス流路の前記開口よりも外側であって、且つ、前記第２のガス流路の前記複数の開口よりも内側に配置され、且つ、前記上面から上方に突出した環状の第２凸部を備え、
   前記第２凸部の、前記上面からの前記上下方向の長さＬ３は、前記複数の凸部の、前記上面からの前記上下方向の長さＬ２より小さい請求項１又は２に記載のセラミックスヒータ。
4. 前記複数の凸部の、前記上面からの前記上下方向の長さＬ２と、前記第２凸部の、前記上面からの前記上下方向の長さＬ３との差Ｌ２－Ｌ３は、
   ０μｍ＜Ｌ２－Ｌ３≦１０μｍ
   の関係を満たす請求項３に記載のセラミックスヒータ。
5. さらに、前記セラミックス基材の前記下面に接合された筒状のシャフトを備え、
   前記シャフトは、前記シャフトの内面と前記シャフトの外面との間に配置された２つのガス流路を備え、
   前記２つのガス流路の一方は前記第１のガス流路に接続され、前記２つのガス流路の他方は前記第２のガス流路に接続されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のセラミックスヒータ。

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