JP2024075408A

JP2024075408A - セラミックスヒータ

Info

Publication number: JP2024075408A
Application number: JP2022186843A
Authority: JP
Inventors: 徹夫北林; Tetsuo Kitabayashi; 浩正下嶋; Hiromasa Shimojima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2022-11-22
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2024-06-03

Abstract

【課題】ウェハなどの被加熱体と凸部の頂面との固体接触による熱伝導が主たる伝熱の原因となるように、被加熱体と凸部の頂面との伝熱を精密に制御することに寄与す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、円板状のセラミックス基材１１０と、セラミックス基材１１０に埋設されたヒータ電極１２２とを備えている。セラミックス基材１１０の上面１１１には、複数の凸部１５６が設けられている。複数の凸部１５６の高さが５０μｍ以上であり、凸部１５６の下面の面積Ｓｂに対する、凸部１５６の頂面１５６ａの面積Ｓｔの比Ｓｔ／Ｓｂが１＞Ｓｔ／Ｓｂ≧１．７７／Ｈ^{０．２７２}を満たす。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリコンウェハ等の基板を保持して加熱する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保持して加熱するセラミックスヒータが開示されている。特許文献１に記載のセラミックスヒータは、基板が載置されるセラミックス基材（プレート部材）と、セラミックス基材内に埋設されている発熱体（抵抗発熱体）と、セラミックス基材の上面から上方に突出してウェハに接触する複数の凸部とを備える。特許文献１のセラミックスヒータにおいては、複数の凸部を設けることにより、被加熱体とのクリアランスを均一化することを目的としている。

特開２００９－１４６７９３号公報

特許文献１に記載のセラミックヒータにおいては、被加熱体であるウェハとのクリアランスを均一にするために、複数の凸部の高さを均一にしている。しかしながら、発明者らの知見によれば、複数の凸部の高さを均一にしただけでは、ウェハと凸部との固体接触による熱伝導が主たる伝熱の原因となるように、ウェハと凸部との伝熱を精密に制御することは難しいことが分かった。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、ウェハと凸部との固体接触による熱伝導が主たる伝熱の原因となるように、ウェハと凸部との伝熱を精密に制御するための技術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円板状の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、又は前記セラミックス基材の前記下面に配置された発熱体と、を備え、
前記セラミックス基材は、前記セラミックス基材の前記上面よりも上方に突出する複数の凸部を備え、
前記複数の凸部の頂面の面積をＳｔとし、
前記複数の凸部の、前記セラミックス基材の前記上面における断面の断面積をＳｂとし、
前記セラミックス基材の前記上面から、各前記複数の凸部の前記頂面までの前記上下方向の距離をＨ（μｍ）としたとき、
Ｈ≧５０μｍ
且つ
１＞Ｓｔ／Ｓｂ≧１．７７／Ｈ^{０．２７２}
であることを特徴とするセラミックスヒータが提供される。

セラミックス基材の上面から複数の凸部の頂面までの上下方向の距離Ｈ（μｍ）が５０μｍ以上であるので、複数の凸部が設けられたセラミックス基材をセラミックスヒータの用途に好適に用いることができる。また、評価式１＞Ｓｔ／Ｓｂ≧１．７７／Ｈ^{０．２７２}が満たされるように、凸部の高さＨ（μｍ）と、比Ｓｔ／Ｓｂとが調整される。そのため、ウェハなどの被加熱体と凸部の頂面との固体接触による熱伝導が主たる伝熱の原因となるように、被加熱体と凸部の頂面との伝熱を精密に制御することに寄与することができる。

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、凸部１５６の形状を説明するための概略説明図である。図４は、ヒータ電極１２２の概略説明図である。（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。（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７は、実施例１～３５の結果をまとめた表である。図８は、比較例１～２２の結果をまとめた表である。図９は、実施例１～３５と比較例１～２２の結果に基づいて作成した散布図である。横軸は凸部１５６の高さＨ（μｍ）であり、縦軸は凸部１５６の下面の面積Ｓｂに対する、凸部１５６の頂面１５６ａの面積Ｓｔの比Ｓｔ／Ｓｂである。実施例１～３５に対応するデータは四角形のマーカーで示されており、比較例１～２２に対応するデータは三角形のマーカーで示されている。図１０は、四角錐台形状の複数の凸部１５６が形成されたセラミックス基材１１０を説明するための説明図である。図１１は、溝１１５が形成されたセラミックス基材１１０を説明するための説明図である。

＜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。本実施形態に係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セラミックスヒータである。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、ヒータ電極１２２（図２参照）と、シャフト１３０と、給電線１４０（図２参照）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、環状の凸部１５２（以下、単に環状凸部１５２という）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１６４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、炭化ケイ素、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、環状凸部１５２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、環状凸部１５２の頂面１５２ａはウェハ１０の下面と当接する。つまり、環状凸部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５においてウェハ１０と重なる位置に配置されている。なお、環状凸部１５２の頂面１５２ａは環状凸部１５２の最上方に位置する平面である。本明細書において環状凸部１５２の高さは、セラミックス基材１１０の上面１１１から環状凸部１５２の頂面１５２ａまでの上下方向５の距離として定義される。環状凸部１５２の高さは、複数の凸部１５６の高さＨ（図３参照）と同じにすることができる。環状凸部１５２の高さは、好適には、５０μｍ～２ｍｍの範囲にすることができる。

図１、２に示されるように、セラミックス基材１１０の上面１１１の、環状凸部１５２の内側には、複数の凸部１５６が設けられている。本明細書において、凸部１５６の高さＨは、上面１１１から凸部１５６の頂面１５６ａまでの上下方向５の距離として定義される。なお、環状凸部１５２の高さも同様にして定義される。なお、複数の凸部１５６の頂面１５６ａは、複数の凸部１５６の最上方に位置する平面である。複数の凸部１５６は円錐台形状又は角錐台形状であることが好ましい。本実施形態においては、凸部１５６は円錐台形状を有している。

複数の凸部１５６が配置される位置及び／又は数は、用途、作用、機能に応じて適宜設定される。例えば、複数の凸部１５６は、同心円状に配置することができる。あるいは、複数の凸部１５６は正三角形又は正四角形などの格子点に配置することができる。あるいは、複数の凸部１５６をランダムな位置に配置することもできる。本実施形態においては、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４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。

複数の凸部１５６は、５ｍｍ～２０ｍｍのピッチＰ（図２参照）で配置されることが好ましい。ピッチＰが２０ｍｍを超えて大きくなりすぎると、個々の凸部１５６での伝熱量が集中して局所的な温度分布が悪化する場合があると考えられる。また、ピッチが５ｍｍよりも小さくなりすぎると、ウェハ１０とセラミックス基材１１０との間にガスを封止してガスによる熱伝達を行う場合に、ガスとウェハ１０とが接触する面積が小さくなり過ぎて、ガスによる熱伝達が十分に行えなくなる場合があるからである。

本実施形態において、複数の凸部１５６の高さＨは５０μｍ以上である。複数の凸部１５６の高さＨの上限については、特に限定されるものではないが、２ｍｍ以下にすることができ、１ｍｍ以下にすることができる。図３に示されるように、複数の凸部１５６の頂面１５６ａと側面１５６ｓとのなす角度θ（以下、単に角度θと呼ぶ）は、９０°＜θ≦１７０°にすることができる。サンドブラスト加工は、凸部１５６の角度θを１２０°＜θ≦１７０°にするために好適である。また、砥石を用いた機械加工は、凸部１５６の角度θを９０°＜θ≦１５０°にするために好適である。なお、砥石を用いた機械加工においては、砥石の形状を変えることにより、サンドブラスト加工では形成することが困難である９０°＜θ≦１２０°の範囲の加工も好適に行うことができる。

複数の凸部１５６の頂面１５６ａと側面１５６ｓとの角部には、Ｒ面取り加工がなされていることが好ましく、Ｒ面取り寸法ｒは、１０μｍ≦ｒ≦５０μｍであることが好ましい。なお、Ｒ面取り寸法ｒを小さくすることにより、ウェハ１０と凸部１５６の頂面１５６ａとの接触面積を増やすことができる。そのため、伝熱の観点ではＲ面取り寸法ｒを小さくすることが好ましい。しかしながら、Ｒ面取り寸法ｒを小さくしすぎると、ウェハ１０との接触により凸部１５６（すなわち、セラミックス基材１１０）を構成するセラミックスの粒子(粒子径は約２～７μｍ)が脱粒してしまうおそれがある。そのため、Ｒ面取り寸法ｒは、セラミックスの粒子径より大きいことが好ましい。

複数の凸部１５６の側面１５６ｓの中心線平均粗さＲａ１は０．１μｍ～０．５μｍであることが好ましい。複数の凸部１５６からウェハ１０への伝熱は、頂面１５６ａを介した固体接触による熱伝導以外に、複数の凸部１５６の側面１５６ｓからの輻射によっても行われる。複数の凸部１５６の側面１５６ｓからウェハ１０への輻射の影響を抑制するために、複数の凸部１５６の側面１５６ｓの中心線平均粗さＲａ１を上記のような所定の範囲内とすることが好ましい。

なお、セラミックス基材１１０の上面１１１の中心線平均粗さＲａ２は０．１～０．５μｍであることが好ましい。セラミックス基材１１０の上面１１１からも輻射による伝熱は生じるが、セラミックス基材１１０上面１１１からの輻射は、ほぼ全面にわたって均等であると考えられる。これに対して複数の凸部１５６の側面１５６ｓからの輻射は局所的である。このことを勘案すれば、セラミックス基材１１０上面１１１の中心線平均粗さＲａ２に対する複数の凸部１５６側面１５６ｓの中心線平均粗さはＲａ１の比を、Ｒａ１／Ｒａ２＜１とすることが好ましい。比Ｒａ１／Ｒａ１を１未満にすることにより、複数の凸部１５６の側面１５６ｓからの輻射の影響を相対的に小さくすることができ、局所的な温度分布を改善することができる。

複数の凸部１５６の頂面１５６ａの中心線平均粗さＲａ３は０．１μｍ～０．５μｍであることが好ましい。複数の凸部１５６の頂面１５６ａは、ウェハ１０と直接接触しているので、セラミックス基材１１０からの熱を固体接触によってウェハ１０に伝熱する。ウェハ１０と複数の凸部１５６の頂面１５６ａとを安定に密着させるために、複数の凸部１５６の頂面１５６ａの中心線平均粗さＲａ３を上記のような所定の範囲内とすることが好ましい。

上述のように、セラミックス基板１１０の上面１１１において、凸部１５６は４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、第２凸部１５７が配置された最も内側の同心円と、凸部１５６が配置された内側から２番目の同心円との間には、第１ガス流路１６４の開口１６４ａが開口している。第１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１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１ガス流路１６４の下端は、シャフト１３０の内部に形成された第２ガス流路１６８の上端に接合されている。

第１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）にガスを供給するための流路として用いることができる。例えば、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することができる。伝熱ガスとして、例えば、ヘリウム、アルゴン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。また、環状凸部１５２の頂面１５２ａとウェハ１０の下面との隙間から、環状凸部１５２の内側の間隙にプロセスガスが侵入してくる場合には、第１ガス流路１６４を介して、ガスを排気することができる。この際、排気圧を調整することによって間隙の外側の圧力と、間隙の内側の圧力の差圧を調節することができる。これにより、ウェハ１０をセラミックス基材１１０の上面に向けて吸着させることができる。

図２に示されるように、セラミックス基材１１０の内部には、ヒータ電極１２２が埋設されている。図４に示されるように、ヒータ電極１２２は帯状に裁断された金属製のメッシュや箔である。ヒータ電極１２２の外径は２９８ｍｍである。ヒータ電極１２２はセラミックス基材１１０の側面から露出しない。ヒータ電極１２２の略中央には、給電線１４０（図２参照）と接続される端子部１２１が設けられている。ヒータ電極１２２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を織ったメッシュや箔等の耐熱金属（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。ヒータ電極１２２の厚さは０．１５ｍｍ以下である。なお、ヒータ電極１２２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、ヒータ電極１２２の厚さを０．１ｍｍ以下にすることが好ましい。また、帯状に裁断されたヒータ電極１２２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、ヒータ電極１２２は、図４に示される形状に裁断されているがヒータ電極１２２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の内部にはヒータ電極１２２に加えて、あるいは、ヒータ電極１２２に代えて、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、２つの大径部１３２、１３３とを有する。大径部１３２は円筒部１３１の上方に設けられており（図２参照）、大径部１３３は円筒部１３１の下方に設けられている（図１参照）。大径部１３２、１３３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。

図２に示されるように、セラミックス基材１１０の下面１１３に、シャフト１３０との接合のための凸部１１４（以下、接合用凸部１１４と呼ぶ。）が設けられている。接合用凸部１１４の形状は、接合されるシャフト１３０の上面の形状と同じであることが好ましく、接合用凸部１１４の直径は１００ｍｍ以下であることが好ましい。接合用凸部１１４の高さ（下面１１３からの高さ）は、０．２ｍｍ以上であればよく、５ｍｍ以上であることが好ましい。特に高さの上限に制限はないが、製作上の容易さを勘案すると、接合用凸部１１４の高さは２０ｍｍ以下であることが好ましい。また、接合用凸部１１４の下面１１４Ｂは、セラミックス基材１００の下面１１３に平行であることが好ましい。接合用凸部１１４の下面１１４Ｂの中心線平均粗さＲａは１．６μｍ以下であればよい。なお、接合用凸部１１４の下面１１４Ｂの中心線平均粗さ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。

円筒部１３１の上面は、セラミックス基材１１０の接合用凸部１１４の下面１１４Ｂ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、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、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。

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（図１参照）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、ヒータ電極１２２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、ヒータ電極１２２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は、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を介してヒータ電極１２２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５に延びる第２ガス流路１６８が形成されている。上述のように、第２ガス流路１６８の上端は第１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。なお、説明を簡略化するために、セラミックス基材１１０の内部には、発熱体としてヒータ電極１２２のみが埋設されているものとする。図５（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Ｑをカーボン製の有床型６０１に投入し、パンチ６０２で仮プレスする。なお、造粒粉Ｑ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５（ｂ）に示されるように、仮プレスされた造粒粉Ｑの上に、所定形状に裁断されたヒータ電極１２２を配置する。なお、ヒータ電極１２２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のペレットをヒータ電極１２２の端子１２１（図４参照）の位置に埋設してもよい。

図５（ｃ）に示されるように、ヒータ電極１２２を覆うようにさらに造粒粉Ｑを有床型６０１に投入し、パンチ６０２でプレスして成形する。次に、図５（ｄ）に示されるように、ヒータ電極１２２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５（ｅ）に示されるように、端子１２１を形成するために、ヒータ電極１２２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１６４の一部となる貫通孔を形成する。これにより、内部に第１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。この場合、ヒータ電極１２２が第１ガス流路１６４から露出しないように、予めヒータ電極１２２に所定の開口部を設けることが好ましい。

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６（ａ）に示されるように、窒化アルミニウムの造粒粉Ｑ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６１０を作製する。次に、図６（ｂ）に示されるように、成形体６１０の脱脂処理を行い、バインダーを除去する。

図６（ｃ）に示されるように、脱脂された成形体６１０に、ヒータ電極１２２を埋設するための凹部６１１を形成する。成形体６１０の凹部６１１にヒータ電極１２２を配置し、別の成形体６１０を積層する。なお、凹部６１１は予め成形体６１０に形成しておいてもよい。次に、図６（ｄ）に示されるように、ヒータ電極１２２を挟むように積層された成形体６１０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。

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、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、複数の第２凸部１５７及び環状凸部１５２を形成する。なお、複数の凸部１５６の高さは同じになるように加工される。また、環状凸部１５２の頂面１５２ａも所定の形状に加工される。なお、複数の凸部１５６、環状凸部１５２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、他の公知の加工方法を用いることもできる。さらに、セラミックス基材１１０の下面１１３に円筒加工を行い、下面１１３から突出した接合用の凸部１１４を形成する。

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Ｑを静水圧（１ＭＰａ程度）で成形し、成形体を所定形状に加工する。このとき、成形体に第２ガス流路１６８となる貫通孔を形成する。なお、シャフト１３０の外径は、３０ｍｍ～１００ｍｍ程度である。シャフト１３０の円筒部１３１の端面にはフランジ部１３３がなくてもよい。円筒部１３１の長さは例えば、５０ｍｍ～５００ｍｍにすることができる。成形体を所定形状に加工した後、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の接合用凸部１１４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の接合用凸部１１４の下面１１４Ｂの中心線平均粗さ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、フランジ部１３３の上面と接合用凸部１１４の下面１１４Ｂ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、フランジ部１３３の上面と接合用凸部１１４の下面１１４Ｂ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の上面と接合用凸部１１４の下面１１４Ｂ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。

以下、本発明について実施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に限定されない。なお、図７には、実施例１～３５の結果をまとめた表が示されている。

［実施例１］
実施例１のセラミックスヒータ１００について説明する。実施例１においては、５ｗｔ％の焼結助剤（Ｙ_２Ｏ_３）を添加した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を原料として、上述の作製方法により直径３００ｍｍ、厚さ２５ｍｍのセラミックス基材１１０を作製した。なお、ヒータ電極１２２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４の形状に裁断したものを作製し、このようなヒータ電極１２２をセラミックス基材１１０に埋設した。

セラミックス基材１１０の上面１１１の、正四角形の格子点の位置に、複数の凸部１５６を９ｍｍピッチで配置した。なお、実施例１においては、セラミックス基材１１０の上面１１１の外周部分に環状凸部１５２は設けられていない。また、実施例１においては、頂面１５６ａの直径Ｌ１を１０１２μｍとし、頂面１５６ａと側面１５６ｓとの間の角部のＲ面取り寸法ｒを１１μｍとし、高さＨを７２μｍとし、頂面１５６ａと側面１５６ｓとのなす角度θを１１０°とした（図７参照）。また、各凸部１５６を、セラミックス基材１１０の上面１１１で切断したときの断面の面積Ｓｂ（以下、凸部１５６の下面の面積Ｓｂという）に対する、凸部１５６の頂面１５６ａの面積Ｓｔの比Ｓｔ／Ｓｂは０．８６５であった。

複数の凸部１５６の側面１５６ｓの中心線平均粗さはＲａ１と、セラミックス基材１１０の上面１１１の中心線平均粗さＲａ２と、複数の凸部１５６の頂面１５６ａの中心線平均粗さＲａ３とは、いずれも０．２μｍとした。

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、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。セラミックスヒータ１００に直径３００ｍｍの温度評価用のシリコンウェハを載置し、セラミックスヒータ１００のヒータ電極１２２に不図示の外部電源を接続した。そして、定常状態でシリコンウェハの上面の温度が４００℃となるように外部電源の出力電力を調整した。その後、温度評価用のシリコンウェハの温度分布を赤外線カメラで計測した。凸部１５６の頂面１５６ａの直上の位置におけるシリコンウェハの上面の温度と、隣合う２つの凸部１５６の中間点（ピッチの１／２）におけるシリコンウェハの上面の温度との温度差ΔＴを計測した。凸部１５６の頂面１５６ａの直上の温度が顕著に表れていて、温度差ΔＴが１．０℃以上である場合は、凸部１５６の頂面１５６ａとの接触による熱伝導が主たる伝熱の原因となっていることをあらわすものであり、伝熱がより精密に行えているものと評価した。そこで、ΔＴ≧１．０℃である場合を良好（○）と判定し、ΔＴ＜１．０℃である場合を不良（×）と判定した。実施例１においては、温度差ΔＴは１．７℃であり、良好と判定された。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２～３４］
実施例２～３４のセラミックスヒータ１００においては、実施例１のセラミックスヒータ１００と同様に、複数の凸部１５６の側面１５６ｓの中心線平均粗さはＲａ１と、セラミックス基材１１０の上面１１１の中心線平均粗さＲａ２と、複数の凸部１５６の頂面１５６ａの中心線平均粗さＲａ３とは、いずれも０．２μｍとした。また、実施例２～３４のセラミックスヒータ１００において、頂面１５６ａの直径Ｌ１と、頂面１５６ａと側面１５６ｓとの間の角部のＲ面取り寸法ｒと、高さＨと、頂面１５６ａと側面１５６ｓとのなす角度θと、凸部１５６の下面の面積Ｓｂに対する凸部１５６の頂面１５６ａの面積Ｓｔの比Ｓｔ／Ｓｂとを、図７の表に示される値にした。

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、セラミックスヒータ１００に実施例１と同様の温度評価用シリコンウェハを載置した。そして、実施例１と同様の手順でセラミックスヒータ１００の温度評価を行って、温度差ΔＴを求めた。図７の表に示されるように、実施例２～３４においてはいずれも、温度差ΔＴが１．０℃以上であり、良好と判定された。

［実施例３５］
実施例３５のセラミックスヒータ１００は、複数の凸部１５６の側面１５６ｓの中心線平均粗さはＲａ１と、複数の凸部１５６の頂面１５６ａの中心線平均粗さＲａ３とを０．２μｍとし、セラミックス基材１１０の上面１１１の中心線平均粗さＲａ２を０．４μｍとしたことを除いて、実施例１６のセラミックスヒータ１００と同じである。

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、セラミックスヒータ１００に実施例１～３４と同様の温度評価用シリコンウェハを載置した。そして、実施例１～３４と同様の手順でセラミックスヒータ１００の温度評価を行って、温度差ΔＴを求めた。図７の表に示されるように、実施例３５においては、温度差ΔＴが１．６℃であり、良好と判定された。

［比較例１～２２］
比較例１～２２のセラミックスヒータ１００においても、実施例１のセラミックスヒータ１００と同様に、複数の凸部１５６の側面１５６ｓの中心線平均粗さはＲａ１と、セラミックス基材１１０の上面１１１の中心線平均粗さＲａ２と、複数の凸部１５６の頂面１５６ａの中心線平均粗さＲａ３とは、いずれも０．２μｍとした。また、比較例１～２２のセラミックスヒータ１００において、頂面１５６ａの直径Ｌ１と、頂面１５６ａと側面１５６ｓとの間の角部のＲ面取り寸法ｒと、高さＨと、頂面１５６ａと側面１５６ｓとのなす角度θと、凸部１５６の下面の面積Ｓｂに対する凸部１５６の頂面１５６ａの面積Ｓｔの比Ｓｔ／Ｓｂとを、図８の表に示される値にした。

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、セラミックスヒータ１００に実施例１と同様の温度評価用シリコンウェハを載置した。そして、実施例１と同様の手順でセラミックスヒータ１００の温度評価を行って、温度差ΔＴを求めた。図８の表に示されるように、比較例１～２２においてはいずれも、温度差ΔＴが１．０℃未満であり、不良と判定された。

［実施例１～３５と比較例１～２２との比較］
図９に、実施例１～３５と比較例１～２２の結果に基づいて作成した散布図を示す。横軸は凸部１５６の高さＨ（μｍ）であり、縦軸は凸部１５６の下面の面積Ｓｂに対する、凸部１５６の頂面１５６ａの面積Ｓｔの比Ｓｔ／Ｓｂである。図９において、実施例１～３５に対応するデータは四角形のマーカーで示されており、比較例１～２２に対応するデータは三角形のマーカーで示されている。図９の散布図から、実施例１～３５に対応するデータのプロット位置と、比較例１～２２に対応するデータのプロット位置とが、互いに分かれて分布していることが分かった。詳細には、凸部１５６の高さＨを小さくした場合には、温度差ΔＴの評価を良好にするためには比Ｓｔ／Ｓｂの値を大きくする必要があることが分かった。逆に、凸部１５６の高さＨを大きくした場合には、温度差ΔＴの評価を良好にするためには比Ｓｔ／Ｓｂの値を小さくしてもよいことが分かった。

本発明者らは、実施例１～３５に対応するデータのプロット位置と、比較例１～２２に対応するデータのプロット位置との境界線を、近似式Ｓｔ／Ｓｂ＝１．７７／Ｈ^{０．２７２}で近似した。これにより、本発明者らは、評価式１＞Ｓｔ／Ｓｂ≧１．７７／Ｈ^{０．２７２}が満たされるように、凸部１５６の高さＨ（μｍ）と、凸部１５６の下面の面積Ｓｂに対する、凸部１５６の頂面１５６ａの面積Ｓｔの比Ｓｔ／Ｓｂとを調整することによって、温度差ΔＴの評価を良好にすることができることを見出した。

＜実施形態の作用効果＞
上記実施形態及び実施例１～３５において、セラミックスヒータ１００は、円板状のセラミックス基材１１０と、セラミックス基材１１０に埋設されたヒータ電極１２２とを備えている。セラミックス基材１１０の上面１１１には、セラミックス基材１１０の上面１１１よりも上方に突出する複数の凸部１５６が設けられている。複数の凸部１５６の頂面１５６の面積をＳｔとし、複数の凸部１５６の、セラミックス基材１１０の上面１１１における断面の断面積をＳｂとし、セラミックス基材１１０の上面１１１から複数の凸部１５６の頂面１５６ａまでの上下方向５の距離を高さＨ（μｍ）としたとき、Ｈ≧５０μｍであり、且つ、１＞Ｓｔ／Ｓｂ≧１．７７／Ｈ^{０．２７２}である。

セラミックス基材１１０の上面１１１から複数の凸部１５６の頂面１５６ａまでの上下方向５の距離を高さＨ（μｍ）が５０μｍ以上であるので、複数の凸部１５６が設けられたセラミックス基材１１０をセラミックスヒータの用途に好適に用いることができる。また、上述のように、評価式１＞Ｓｔ／Ｓｂ≧１．７７／Ｈ^{０．２７２}が満たされるように、凸部１５６の高さＨ（μｍ）と、凸部１５６の下面の面積Ｓｂに対する、凸部１５６の頂面１５６ａの面積Ｓｔの比Ｓｔ／Ｓｂとを調整することによって、ウェハ１０と凸部１５６の頂面１５６ａとの固体接触による熱伝導が主たる伝熱の原因となるように、ウェハ１０と凸部１５６の頂面１５６ａとの伝熱を精密に制御することができる。

上述のように、複数の凸部１５６の側面１５６ｓと頂面１５６ａとの境界のＲ面取り寸法ｒを、１０μｍ≦ｒ≦５０μｍとすることができる。Ｒ面取り寸法ｒを５０μｍ以下にすることにより、ウェハ１０と凸部１５６の頂面１５６ａとの接触面積を確保ことができる。また、Ｒ面取り寸法ｒを１０μｍ以上とすることにより、ウェハ１０との接触により凸部１５６（すなわち、セラミックス基材１１０）を構成するセラミックスの粒子(粒子径は約２～７μｍ)が脱粒することを抑制することができる。

本実施形態においては、上述のように、複数の凸部の側面の中心線平均粗さＲａ１を、０．１μｍ≦Ｒａ１≦０．５μｍとすることができる。この場合には、複数の凸部１５６の側面１５６ｓからウェハ１０への輻射の影響を抑制することができる。これにより、複数の凸部１５６の頂面１５６ａとウェハ１０との固体接触による熱伝導をより精密に制御することができる。

さらに、セラミックス基材１１０の上面１１１の、中心線平均粗さＲａ２を０．１μｍ≦Ｒａ２≦０．５μｍとし、且つ、比Ｒａ１／Ｒａ２を１未満にすることができる。セラミックス基材１１０の上面１１１の中心線平均粗さＲａ２を０．１μｍ≦Ｒａ２≦０．５μｍとすることにより、セラミックス基材１１０の上面１１１からウェハ１０への輻射の影響を抑制することができる。また、上述のように、セラミックス基材１１０上面１１１からの輻射は、ほぼ全面にわたって均等であると考えられる。これに対して複数の凸部１５６の側面１５６ｓからの輻射は局所的である。比Ｒａ１／Ｒａ１を１未満にすることにより、複数の凸部１５６の側面１５６ｓからの輻射の影響を相対的に小さくすることができ、局所的な温度分布を改善することができる。

本実施形態において、複数の凸部１５６は、セラミックス基材１１０の上面１１１において、５ｍｍ以上２０μｍ以下のピッチＰで配置することができる。上述のように、ピッチＰを２０ｍｍ以下にすることにより、個々の凸部１５６での伝熱量が集中して局所的な温度分布が悪化することを抑制することができる。また、ピッチを５ｍｍ以上にすることにより、ウェハ１０とセラミックス基材１１０との間にガスを封止してガスによる熱伝達を行う場合において、ガスとウェハ１０とが接触する面積が小さくなり過ぎて、ガスによる熱伝達が十分に行えなくなることを抑制することができる。

上記実施形態において、セラミックス基材１１０の上面１１１の外周部（外縁部）において、複数の凸部１５６を取り囲む環状の凸部１５２を配置することができる。この場合には、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する場合において、伝熱ガスのリーク量が増大することを抑制することができる。一例として、実施例２６のセラミックスヒータ１００において、幅２ｍｍ、高さ１０２０μｍの環状凸部１５２を設けたものを作製し、実施例１～３５と同様にして温度評価を行った。その際に、プロセスチャンバ内の圧力を１Ｐａ以下に減圧した後、プロセスチャンバ内に、プロセスガスとして窒素ガスを１０Ｐａの圧力で供給した。第１ガス流路１６４にヘリウムガスを流した。第１ガス流路１６４を流れるヘリウムガスの圧力を１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）に調節した。この場合において、第１ガス流路１６４を流れるヘリウムガスのガス流量を２ｓｃｃｍ以下にすることができた。言い換えると、ヘリウムガスのリーク量を十分小さく抑えることができた。また、温度差ΔＴも１．２℃であり、良好であると判定された。

＜変更形態＞
上述の実施形態は、あくまで例示に過ぎず、セラミックスヒータ１００の構成は適宜変更しうる。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及び実施例のものには限られず、適宜変更しうる。

複数の凸部１５６の形状（凸部１５６の高さ、頂面１５６ａの形状等）は適宜変更しうる。例えば、複数の凸部１５６の頂面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０．１ｍｍ～５ｍｍの円と同程度の面積を有することが好ましい。

一例として、図１０に示されるように、側面の角度が３０°である円錐状の砥石４０１でセラミックス基材１１０の上面１１１を６ｍｍピッチで直交するように走査することにより、セラミックス基材１１０の上面１１１に、一辺３０００μｍ、高さ５０μｍの四角錐台形状の複数の凸部１５６を形成した。凸部１５６の頂面１５６ａと側面１５６ｓとのなす角度θ（図３参照）を１２０°とし、凸部１５６の側面１５６ｓと頂面１５６ａとの境界のＲ面取り寸法ｒ（図３参照）を５０μｍとした。複数の凸部１５６の側面１５６ｓの中心線平均粗さはＲａ１と、セラミックス基材１１０の上面１１１の中心線平均粗さＲａ２と、複数の凸部１５６の頂面１５６ａの中心線平均粗さＲａ３とは、いずれも０．２μｍとした。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、実施例１～３４と同様の手順でセラミックスヒータ１００の温度評価を行ったところ、温度差ΔＴが１．３℃であり、良好と判定された。

上記実施形態においては、セラミックス基材１１０の上面１１１は平坦な面であった。しかしながら、本発明はそのような態様には限られない。例えば、セラミックス基材１１０の上面１１１の、複数の凸部１５６の周囲に、溝１１５が形成されていてもよい（図１１参照）。一例として、図１１に示されるように、サンドブラスト加工によりセラミックス基材１１０の上面１１１に、直径１０００μｍ、高さ１５０μｍの円錐台形状の複数の凸部１５６を形成した。その後、凸部１５６の頂面１５６ａ及び凸部１５６の周囲を除いてマスクをしたのち、サンドブラスト加工で各凸部１５６の周囲に深さ３０μｍの溝１１５を形成した。溝１１５は、凸部１５６の側面１５６ｓと連続するように形成された。なお、溝１１５は凸部１５６の側面１５６ｓと連続するように形成されることが好ましいが、溝１１５と凸部１５６の側面１５６ｓとの間に１ｍｍ程度の間隔が空いていてもよい。溝１１５が凸部１５６の側面１５６ｓと連続するように形成される場合には、凸部１５６の側面１５６ｓとセラミックス基材１１０の上面１１１との形状のバラツキを抑制することができる。これにより、それぞれの凸部１５６を通過する伝熱量をより均一にすることができる。凸部１５６の頂面１５６ａと側面１５６ｓとのなす角度θを１５０°とし、凸部１５６の側面１５６ｓと頂面１５６ａとの境界のＲ面取り寸法ｒを５０μｍとした。複数の凸部１５６の側面１５６ｓの中心線平均粗さはＲａ１と、セラミックス基材１１０の上面１１１の中心線平均粗さＲａ２と、複数の凸部１５６の頂面１５６ａの中心線平均粗さＲａ３とは、いずれも０．２μｍとした。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、実施例１～３４と同様の手順でセラミックスヒータ１００の温度評価を行ったところ、温度差ΔＴが１．６℃であり、良好と判定された。

上記実施形態においては、セラミックスヒータ１００はセラミックス基材１１０に埋設されたヒータ電極１２２を備えていたが、本発明はそのような態様には限られず、ヒータ電極１２２はセラミックスヒータ１００のセラミックス基材１１０に埋設されていなくてもよい。例えば、ヒータ電極１２２又は高周波電極がセラミックス基材１１０の裏面１１３に貼付されていてもよい。

上記実施形態においては、ヒータ電極１２２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。また、セラミックスヒータ１００は、発熱体としてのヒータ電極１２２を含んでいたが、発熱体は必ずしもヒータ電極１２２でなくてもよい。例えば、セラミックスヒータ１００が発熱体として高周波電極を含んでいてもよい。

上記実施形態においては、セラミックス基板１１０の下面１１３には、シャフト１３０が接合されていた。これにより、セラミックスヒータ１００の断熱性を向上させることができた。なお、セラミックスヒータ１００には、必ずしもシャフト１３０が接合されていなくてもよい。また、シャフト１３０が設けられる場合においても、必ずしもシャフト１３０は大径部１３２、１３３を備えていなくてもよい。また、シャフト１３０の円筒部１３１に、上下方向５に延びる第２ガス流路１６８が形成されていなくてもよい。例えば、第２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基板保持部材
１１０セラミックス基材
１１５溝
１２２ヒータ電極
１３０シャフト
１４０給電線
１５２環状凸部
１５６複数の凸部

Claims

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円板状の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、又は前記セラミックス基材の前記下面に配置された発熱体と、を備え、
前記セラミックス基材は、前記セラミックス基材の前記上面よりも上方に突出する複数の凸部を備え、
前記複数の凸部の頂面の面積をＳｔとし、
前記複数の凸部の、前記セラミックス基材の前記上面における断面の断面積をＳｂとし、
前記セラミックス基材の前記上面から、各前記複数の凸部の前記頂面までの前記上下方向の距離をＨ（μｍ）としたとき、
Ｈ≧５０μｍ
且つ
１＞Ｓｔ／Ｓｂ≧１．７７／Ｈ^{０．２７２}
であることを特徴とするセラミックスヒータ。
前記複数の凸部の側面と、前記複数の凸部の前記頂面とのなす角度θが、
９０°＜θ≦１２０°であり、
前記セラミックス基材の前記上面の、前記複数の凸部の周囲の部分には、それぞれ溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
前記複数の凸部の前記頂面と、前記複数の凸部の側面との境界のＲ面取り寸法ｒが、
１０μｍ≦ｒ≦５０μｍ
であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
前記複数の凸部の側面の中心線平均粗さＲａ１が、
０．１μｍ≦Ｒａ１≦０．５μｍ
であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
前記セラミックス基材の前記上面の、中心線平均粗さＲａ２が、
０．１μｍ≦Ｒａ２≦０．５μｍ
であって、且つ、
Ｒａ１／Ｒａ２＜１
であることを特徴とする請求項４に記載のセラミックスヒータ。
前記複数の凸部は、前記セラミックス基材の前記上面において、所定のピッチＰで配置されており、
５ｍｍ≦Ｐ≦２０ｍｍ
であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
前記複数の凸部の前記頂面の形状は、多角形であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
前記セラミックス基材は、前記複数の凸部を囲むように前記セラミックス基材の外周部に配置され、且つ、前記セラミックス基材の前記上面よりも上方に突出する環状の凸部を有することを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のセラミックスヒータ。