JP2518962B2

JP2518962B2 - セラミックスヒ―タ―

Info

Publication number: JP2518962B2
Application number: JP2197817A
Authority: JP
Inventors: 小林　　廣道; 隆介牛越; 俊克柏屋
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1990-07-27
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPH0487179A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、プラズマCVD、減圧CVD、プラズマエッチン
グ、光エッチング装置等に好適に使用されるセラミック
スヒーターに関するものである。

（従来の技術及びその問題点）スーパークリーン状態を必要とする半導体製造用装置
では、デポジション用ガス、エッチング用ガス、クリー
ニング用ガスとして塩素系ガス、弗素系ガス等の腐食性
ガスが使用されている。このため、ウエハーをこれらの
腐食性ガスに接触させた状態で加熱するための加熱装置
として、抵抗発熱体の表面をステンレススチール、イン
コネル等の金属により被覆した従来のヒーターを使用す
ると、これらのガスの曝露によって、塩化物、酸化物、
弗化物等の粒径数μｍの、好ましくないパーティクルが
発生する。

そこで第10図に示されるように、デポジション用ガス
等に曝露される容器26の外側に赤外線ランプ47を設置
し、容器外壁に赤外線透過窓46を設け、グラファイト等
の耐食性良好な材質からなる被加熱体48に赤外線を放射
し、被加熱体48の上面に置かれたウエハーを加熱する、
間接加熱方式のウエハー加熱装置が開発されている。と
ころがこの方式のものは、直接加熱式のものに比較して
熱損失が大きいこと、温度上昇に時間がかかること、赤
外線透過窓46へのCVD膜の付着により赤外線の透過が次
第に妨げられ、赤外線透過窓46で熱吸収が生じて窓が加
熱すること等の問題があった。

（発明に至る経過）上記の問題を解決するため、本発明者等は、新たに円
盤状の緻密質セラミックス内に抵抗発熱体を埋設し、こ
のセラミックスヒーターをグラファイトのケースに保持
した加熱装置について検討した。その結果この加熱装置
は、上述のような問題点を一掃した極めて優れた装置で
あることが判明した。

しかし、このセラミックスヒーターを実際の半導体装
置に使用すると、新たな問題が生ずることが解った。

即ち、従来のステンレスケース内への低抗体埋め込み
型ヒーターでは、加熱部は高温でも、ヒーターの電極部
は温度の低い容器外に設けることが可能であった。しか
しながら、セラミックスヒーターでは抵抗発熱体をセラ
ミックス粉体内に入れてプレス成形するため、円盤状等
の単純形状としなければならず、焼成段階でもホットプ
レス焼成するので同様である。しかも、焼成後の焼成体
表面には黒皮といわれる焼成変質層があり、加工により
この変質層を除去する必要がある。このとき、ダイヤモ
ンド砥石による研削加工が必要であり、複雑な形状であ
るとコストが上がる。このように、抵抗体を埋設したセ
ラミックスヒーターでは、製造上の困難さから円盤状等
の単純形状としなければならず、その構造から必然的に
ヒーターは高温、腐食性ガスに曝されることになる。

即ち、ステンレスヒーターの場合には、半導体製造装
置の外で、外部の電極ケーブルと抵抗発熱体とを接続し
ていたので、この接続部分は、ヒーターの高温に晒され
ることはなく、半導体製造装置内の腐食性ガスにさらさ
れることもない。従って、熱履歴や接続部分の腐食によ
る断線という問題は生じなかったのであるが、半導体製
造装置内にセラミックスヒーターを設置する場合には、
この接続部分が装置内の高温および腐食性ガスに必然的
にさらされるために、電力供給用の線と抵抗発熱体との
間で断線や抵抗値の上昇が生じたのである。

（発明が解決しようとする課題）本発明の課題は、半導体製造装置等のような高温、腐
食性ガスを使用する装置において、装置内の汚染や熱効
率の低下を防止でき、しかも抵抗発熱体の端子と電極部
材との結合部分が耐久性、信頼性に優れたセラミックス
ヒーターを提供することである。

（課題を解決するための手段）本発明は、腐食性ガスを使用する装置内に設置するた
めのセラミックスヒーターであって：セラミックス基体
と；このセラミックス基体の内部に埋設された抵抗発熱
体と；この抵抗発熱体の端部に接続された柱状の端子で
あって、この端子が抵抗発熱体よりも太く、セラミック
ス基体の表面に先端面が露出している端子と；この端子
を介して前記抵抗発熱体に電気的に接続された柱状の電
極部材とを備えており、柱状端子の先端面と電極部材の
先端面とが互いに突き合わされた状態で、端子と電極部
材とが機械的結合法によって結合されており、セラミッ
クス基体の全体および結合部分が前記の装置内に収容さ
れていることを特徴とする、セラミックスヒーターに係
るものである。

また、本発明は、腐食性ガスを使用する装置内に設置
するためのセラミックスヒーターであって：セラミック
ス基体と；このセラミックス基体の内部に埋設された抵
抗発熱体と；この抵抗発熱体の端部に接続された柱状の
端子であって、この端子が抵抗発熱体よりも太く、セラ
ミックス基体の表面に先端面が露出している端子と；こ
の端子を介して抵抗発熱体に電気的に接続された柱状の
電極部材と；端子と電極部材との間に介在している高融
点金属層とを備えており、柱状の端子の先端面と電極部
材の先端面とが互いに対向している状態で、端子と電極
部材とが高融点金属層によって接合されており、セラミ
ックス基体の全体および前記の接合部分が前記の装置内
に収容されていることを特徴とする、セラミックスヒー
ターに係るものである。

従来のステンレスヒーターの場合には、半導体ウエハ
ー加熱面と抵抗発熱体の端子とは大きく離れており、端
子と外部の電極ケーブルとは、半導体製造装置の容器外
で結合されていた。

これに対し、本発明のようなセラミックスヒーターで
は、端子周辺が高温、腐食性雰囲気に曝される。従っ
て、耐久性、信頼性に優れたセラミックスヒーターを得
るためには、上記の高融点接合層の融点が、ヒーターの
表面温度よりも高くなければならず、また結合が、腐食
性雰囲気に対して安定であり、更に熱変化に曝された後
も充分な結合強度を保持していなければならない。

高融点接合層の融点は、例えば半導体製造装置へセラ
ミックスヒーターを適用する場合には、1000℃以上とす
ることが好ましい。

高融点接合層を介した接合には、次のものがある。

（１）端子と電極部材との間に、Mo,W等の高融点金属の
粉末を介在させ、拡散接合すること。

（２）ろう材で接合すること。

（３）箔を介在させて拡散接合すること。

（４）端子の端面又は電極部材の端面に、めっき、CV
D、溶射等によって被覆層を形成し、次いで拡散接合又
は摩擦圧接すること。

（５）溶接すること。

機械的結合法としては、圧入法、ネジ切り法、かし
め、埋め込み、差し込み、スプリング、弾性ボードによ
る機械的圧接がある。

（実施例）以下、本発明の実施例を説明する。

実施例１第２図はセラミックスヒーターを熱CVD装置へと取り
つけた状態を示す断面図、第１図は端子３と電極部材４
との結合部分を示す拡大断面図である。

第２図において、26は半導体製造用CVDに使用される
容器、60はその内部のケース６に取付けられたウェハー
加熱用の円盤状のセラミックスヒーターであり、ウェハ
ー加熱面30の大きさは４〜８インチとしてウェハーを設
置可能なサイズとしておく。

容器26の内部にはガス供給孔19から熱CVD用のガスが
供給され、吸引孔20から真空ポンプにより内部の空気が
排出される。円盤状セラミックスヒーター60は、窒化珪
素のような緻密でガスタイトな円盤状セラミックス基体
１の内部にタングステン系等の抵抗発熱体２をスパイラ
ル状に埋設したもので、その中央及び端部の電極部材４
を介して外部から電力が供給され、円盤状セラミックス
ヒーター60を例えば1100℃程度に加熱することができ
る。16はケース６の上面を覆う水冷ジャケット18付きの
フランジであり、Ｏリング10により容器26の側壁との間
がシールされ、容器26の天井面が構成されている。７は
このような容器26のフランジ16の壁面を貫通して容器26
の内部へと挿入された中空シースであり、セラミックス
ヒーター60に接合されている。中空シース７の内部に、
ステレスシース付きの熱電対８が挿入されている。中空
シース７と容器26のフランジ16との間にはＯリングを設
け、大気の侵入を防止している。

抵抗発熱体２の端子３はヒーター背面36へと露出し、
端子３と電極部材４との間には高融点金属の粉末５が介
在している。この状態でセラミックスの劣化を防止する
ために好ましくは非酸化性雰囲気下で加熱し、拡散接合
を形成する。

本実施例のセラミックスヒーターによれば、従来の金
属ヒーターの場合のような汚染や、間接加熱方式の場合
のような熱効率の悪化の問題を解決できる。

そして、ケース６は例えばグラファイト等からなり、
ヒーター背面36側へと腐食性ガスが不可避的に混入す
る。また、セラミックス基体１は円盤状であるので、抵
抗発熱体２の端子３と電極部材４との結合部分は、高温
への加熱と冷却とに繰り返し曝される。しかし、この
点、本実施例では端子３と電極部材４との間を高融点金
属粉末を用いて拡散接合してあるので、腐食性ガスや熱
による接合部分の劣化を防止でき、ヒーターの耐久性、
信頼性を向上させることができる。

円盤状セラミックス基体１の材質としては、窒化珪
素、サイアロン、窒化アルミニウム等が好ましく、窒化
珪素やサイアロンが耐熱衝撃性の点で更に好ましい。

抵抗発熱体２としては、高融点であり、しかも窒化珪
素等との密着性に優れたタングステン、モリブデン、白
金等を使用することが適当である。

ウエハー加熱面30は平滑面とすることが好ましく、特
にウエハー加熱面30にウエハーが直接セットされる場合
には、平面度を500μｍ以下としてウエハーの裏面への
デポジション用ガスの侵入を防止する必要がある。

円盤状セラミックスヒーターを製造する際には、予め
端子３を設けた抵抗発熱体２をセラミックス成形体中に
埋設し、セラミックス成形体を焼結し、こうして得た円
盤状セラミックス基体１の背面側を研削して端子３の端
面を背面36へと露出させ、次いで前記拡散結合を形成す
る。

次いで、実験例について述べる。

第１図において、セラミックスとして窒化珪素、抵抗
発熱体２としてタングステンを使用し、抵抗発熱体２の
端部に径5mm、長さ10mmの円柱状端子（タングステン
製）を設けた。このタングステン端子とタングステン電
極部材を接合するにあたり、これらの間に高融点接合層
としてタングステン粉末（平均粒径0.5μｍ）を約0.05g
挟み、1kgf/cm²の荷重をかけ、N₂中9.5atmの雰囲気下に
おいてセラミックスの劣化を防止しつつ、1500℃以上の
焼成温度で３時間焼結を行い、拡散接合により接合を行
った。このようにして接合したものの接合性について表
１に示す。

接合部の接合性を評価する方法として、曲げモーメン
ト測定を行った。1500℃焼結接合は10kgf・cm未満の接
合強度しか得られず、接合強度としては不充分である。
1600℃焼結結合では20kgf・cm以上、1700℃以上焼結接
合では30kgf・cm以上と充分な接合強度が得られてい
る。

曲げモーメント測定の方法としては、窒化珪素中に埋
め込んだ径5mmのタングステンに径5mm、長さ25mmのタン
グステン棒を上記方法により接合した試料において、接
合部（支点）より2cmの位置（力点）のタングステン棒
に対し、垂直に万能試験機により荷重を加える。試料の
接合部が破断するまでの最大荷重と、支点−力点間距離
（2cm）との積により曲げモーメントを求める。

表１から解るように、接合温度が1500℃の場合は、タ
ングステン粉末の焼結が進まず、耐熱耐腐食性の結合が
形成されない。また、接合温度が1800℃を超えると、窒
化珪素基体の表面が粗れるので好ましくない。

タングステン端子とタングステン電極部材との間に挟
む接合層としては、Ｗ粉末の他に例えばMo,Pd,Ni,Fe,C
o,Mn,Au,Pt,Y,Ag,Cu,Zr,Cr,Nb,Ti,V,Ta等融点が（発熱
体使用温度＋200℃）以上である金属粉末や、これらの
金属箔、あるいはタングステン端子とタングステン電極
部材との接合面にこれらの金属の被覆層を設けたもので
あっても良く、適当な焼結温度を選択することにより、
良好な高融点接合層が得られることがわかっている。ま
た、1700℃以下の融点を有する金属においては、溶融さ
せ、ろう材として用いても良好な高融点接合層が得られ
ることもわかっている。これらの結果については表２に
示す。

熱膨張による応力の緩和のためには、熱膨張係数が端
子や電極部材となるべく等しい材料を用いるのが好まし
く、タングステン端子とタングステン電極部材を使用す
る場合には、同じ材質のタングステン粉末を用いるのが
最適である。あるいは、金やニッケルといったやわらか
い金属を用いて応力緩和を図るのも良い。

また、接合層を介して接合を行う方法としては上記の
拡散接合の他に、タングステン端子又はタングステン電
極部材の接合面に金属被覆層を設け、摩擦圧接により接
合を行う方法も良い。

実施例２第３図は、ねじ切り法による機械的結合の例を示すも
のである。

例えばタングステンからなる端子３を例えば径5mm、
長さ10mmとし、この端子３を例えばタングステンからな
る電極部材４へと結合するに当たり、タングステン端子
３にM3×6mmの雌ネジ11を切り、タングステン電極部材
にはM3×5mmの雄ネジ12を切り、ネジ止め結合を行っ
た。タングステン端子に雄ネジを切る方法は、タングス
テン端子が非常に硬く脆いため、通常のダイスによる加
工は不可能である。そのため、特に放電加工によってネ
ジ切りを行った。放電加工は電極と被切削物との間に放
電現象を起こすことによって加工を行うため、被切削物
が導電体でなければならず、被切削物を電極として利用
する必要がある。本セラミックスヒーターはタングステ
ン発熱体自体を電流経路として利用し、加工するタング
ステン端子のもう一方のタングステン端子から電流を流
すことによって、埋設されているタングステン端子にネ
ジ切りを行う。

このようにして機械的結合を行ったものは、タングス
テン端子のネジ山とタングステン電極部材のネジ山との
接触の他に、タングステン端子の雌ネジ深さがタングス
テン電極部材の雄ネジ長さより大きいため、タングステ
ン端子上側端面とタングステン電極部材段差面4aとが密
着し、充分な接触面積が得られており、接合部において
電流集中することはない。

また他の機械的接合方法として、タングステン端子に
径3mm×7mmの穴を開け、タングステン電極部材に径3mm
×6mmの凸部を設け、締代20μｍで圧入圧1000kgf/cm²で
圧入を行った。締代０〜50μｍの範囲において、室温と
800℃との間の冷熱サイクルを1000回行っても強固な接
合状態であったが、この範囲を外れると緩みが生じた
り、タングステン端子にひび割れが発生する。この結果
を第３表に示す。

また、第４図に示すように、端子３に孔21を設け、電
極部材４に突起22を設け、突起22を孔21へと圧入する際
に、この間に金属箔23を挟んだり、あるいは圧入後やネ
ジ止め後に端子３と電極部材との間に、上述したような
ろう材として使用可能な高融点金属の溶融物を流し込
み、隙間を塞いだりすることによっても、良好な耐熱耐
腐食性結合を形成できる。

第５図の例でも、円盤状セラミックス基体及び抵抗発
熱体は前述のものと同様である。

この端子３に電極部材４を電気的に接触させるに当た
り、ヒーター背面側に設けたカーボン板56に端子上位置
に予め穴70（例えば径10mm）を開けておき、この穴70よ
り段差部を設けた電極部材４を通し、端子３に電極部材
４を接触させる。更に、例えば外径30mm×内径3mm×厚
さ2mmのAl₂O₃製絶縁リング28を電極部材４（例えば径5m
m、長さ30mm、凸部径3mm、長さ10mm）に設けた段差部で
止まるように挿入する。この時、バネ空間ができるよう
カーボン板56の上面より、電極部材４の段差部が上に出
るようにしておく必要がある。この絶縁リング28とカー
ボン板56とをカーボン製のネジ27で締めつけると、カー
ボン板56がバネの働きをし、電極部材４を端子３に押し
つけ電気的接触がはかられる。なお、電極部材４と端子
３との接触面を第６図のように同一半径を持つ球面状24
に加工しておけば、ヒーター背面36と電極部材４との垂
直度が悪くても、点接触となるのを防止でき、充分大き
な接触面積が得られる。

実施例４第７図の例では、かしめ法により機械的結合を行って
いる。

即ち、本例では、セラミックス成形体内部に抵抗発熱
体２と端子３とを埋設した状態でこの成形体を焼結し、
背面側を研削する際に端子３の突起31がヒーター背面36
上へと突出するように研削を行っている。そして、電極
部材４の端部に凹部32を設け、周縁突起部33で突起31を
押えるようにかしめを行って端子３と電極部材４とを機
械的に結合する。

端子３の突起31を背面36から突出させるには、例え
ば、まず平研で端子３の端面が研削面に現れるまでの
間、焼結体の背面を全面に亘って研削し、端子の端面が
研削面へと現れた後は、例えば第８図に示すように、ま
ず斜線Ａ部分を研削し、次いで斜線Ｂ部分を研削する。
これにより、平面正方形の突起31が背面36から突出す
る。

また、第９図に示すように、予め端子３の突起61を研
削により作製しておく方法もある。即ち、例えば径5m
m、長さ10mmの端子３の上部を研削して径3mm、長さ5mm
の突起61を設け、この突起61の周囲に、好ましくは窒化
ホウ素（BN）製の外径5mm、内径3mm、厚さ5mmのリング
状蓋41をかぶせ、セラミックス成形体中に埋設してこの
成形体を焼結し、抵抗発熱体２、端子３及びリング状蓋
41を埋設したセラミックスヒーターを作製する。このヒ
ーターの背面側を研削し、蓋41と突起61とを完全に露出
させる。次いで蓋41を取除くと、円柱状突起61が突出し
た端子が得られる。この円柱状突起61に電極部材をかし
めることにより、機械的結合を形成する。

上記各例において、セラミックスヒーターの形状は、
円形ウエハーを均等に加熱するためには円盤状とするの
が好ましいが、他の形状、例えば四角盤状、六角盤状等
としてもよい。

本発明は、プラズマエッチング装置、光エッチング装
置等におけるセラミックスヒーターに対しても適用可能
である。

（発明の効果）本発明に係るセラミックスヒーター及びその製造方法
によれば、セラミックス基体の内部に抵抗発熱体を埋設
してあり、かつセラミックスヒーターの全体を装置内に
収容してあるので、高温で腐食性ガスを使用する装置、
特に半導体製造装置において、従来の金属ヒーターの場
合のような汚染や、間接加熱方式の場合のような熱効率
の悪化は生じない。

そして、腐食性ガスを使用する装置内に設置するため
の、上記の特定のセラミックスヒーターにおいて、セラ
ミックス基体内に埋設された抵抗発熱体の端部に、抵抗
発熱体よりも太い柱状の端子を接続し、この柱状の端子
の先端面をセラミックス基体の表面に露出させる。ま
た、柱状の電極部材を設け、柱状の端子の先端面と電極
部材の先端面とを互いに突き合わせた状態で、端子と電
極部材とを、ネジ切り法等の機械的結合法や、高融点接
合層によって結合した。この結果、室温とヒーターの使
用温度との間の冷−熱サイクル、および腐食性ガスに対
して安定な電気的結合を達成し、この結合強度の低下や
劣化を防止し、セラミックスヒーターの基体内に埋設さ
れた抵抗発熱体に対して電力を安定して供給することが
できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は抵抗発熱体の端子と電極部材４との接合部分を
示す拡大断面図、第２図はセラミックスヒーターを熱CVD装置に取り付け
た状態を示す概略断面図、第３図、第４図はそれぞれ他の結合方法を示す拡大断面
図、第５図は更に他の結合方法を示す概略断面図、第６図は端子と電極部材との接触部分を拡大して示す断
面図、第７図は、いわゆるかしめによる結合法を説明するため
の拡大断面図、第８図は研削の手順を説明するための平面図、第９図は端子に突起を形成するための他の手順を説明す
るための断面図、第10図は従来の間接加熱方式を説明するための断面図で
ある。１……円盤状セラミックス基体２……抵抗発熱体、３……端子４……電極部材、５……高融点金属の粉末８……熱電対、11……雌ネジ 12……雄ネジ、21……凹部 22……突起、23……金属箔 30……ウエハー加熱面、31……平面正方形の突起 32……凹部、36……ヒーター背面 41……リング状蓋、56……カーボン板

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】腐食性ガスを使用する装置内に設置するた
めのセラミックスヒーターであって：セラミックス基体と；このセラミックス基体の内部に埋設された抵抗発熱体
と；この抵抗発熱体の端部に接続された柱状の端子であっ
て、この端子が前記抵抗発熱体よりも太く、前記セラミ
ックス基体の表面に先端面が露出している端子と；この端子を介して前記抵抗発熱体に電気的に接続された
柱状の電極部材と；を備えており、前記柱状の端子の前記先端面と前記電極
部材の先端面とが互いに突き合わされた状態で、前記端
子と前記電極部材とが機械的結合法によって結合されて
おり、前記セラミックス基体の全体および前記結合部分
が前記装置内に収容されていることを特徴とする、セラ
ミックスヒーター。
【請求項２】前記柱状の端子と前記電極部材とが互いに
嵌め合いによって結合されていることを特徴とする、請
求項１記載のセラミックスヒーター。
【請求項３】前記柱状の端子と前記電極部材とに、互い
に嵌め合わせ可能な一対のネジが形成されており、前記
柱状の端子側のネジと前記電極部材側のネジとが互いに
嵌め合わされていることを特徴とする、請求項２記載の
セラミックスヒーター。
【請求項４】腐食性ガスを使用する装置内に設置するた
めのセラミックスヒーターであって：セラミックス基体と；このセラミックス基体の内部に埋設された抵抗発熱体
と；この抵抗発熱体の端部に接続された柱状の端子であっ
て、この端子が前記抵抗発熱体よりも太く、前記セラミ
ックス基体の表面に先端面が露出している端子と；ている端子と；この端子を介して前記抵抗発熱体に電気的に接続された
柱状の電極部材と；前記端子と前記電極部材との間に介在している高融点金
属層と：を備えており、前記柱状の端子の前記先端面と前記電極
部材の先端面とが互いに対向している状態で、前記端子
と前記電極部材とが前記高融点金属層によって結合され
ており、前記セラミックス基体の全体および前記接合部
分が前記装置内に収容されていることを特徴とする、セ
ラミックスヒーター。
【請求項５】前記高融点金属層がロウ材からなることを
特徴とする、請求項４記載のセラミックスヒーター。
【請求項６】前記高融点金属層が拡散接合層からなるこ
とを特徴とする、請求項４記載のセラミックスヒータ
ー。
【請求項７】前記高融点金属層が高融点金属の箔からな
ることを特徴とする、請求項４記載のセラミックスヒー
ター。
【請求項８】前記高融点金属層が摩擦圧接層からなるこ
とを特徴とする、請求項４記載のセラミックスヒータ
ー。
【請求項９】前記高融点金属層が溶接層からなることを
特徴とする、請求項４記載のセラミックスヒーター。