JP3713220B2 - セラミックヒータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に関し、特に、シリコンウエハ等に化学蒸着（ＣＶＤ Chemical vaper diposition ）、プラズマエッチング、スパッタリング等を施す際にウエハを加熱しながら保持するのに好適なセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体製造装置では、ウエハを保持するのにクーロン力あるいはジョンセンラーベック効果（Johnsen Rahbeck effect ）を用いた静電吸着手段が多く用いられる。この静電吸着手段には、単にウエハを保持する機能のみならず、過酷な環境下でウエハの温度を均一に保持するという機能、チャンバー内を汚染（コンタミネーション）しない機能、過酷な雰囲気下での使用に耐える機能も求められる。この種のウエハ保持装置、加熱装置として特許第２５２１４７１号公報、特開２０００−３４８８５３号公報、特公平７−５０７３６号公報等が開示されている。
【０００３】
上記第１の特許公報では、金属ベース板１と焼結セラミック板６との間に弾性絶縁体３を介在させてその弾性変形により、焼結セラミック板６に掛かる熱応力を緩和しようとしたものである（公報の第１図参照）。
【０００４】
上記第２の公開公報では、窒化アルミニウムからなる基体２と同じく窒化アルミニウムからなる被覆板３との間に、添加剤を含まない炭化珪素からなるヒータエレメント８を介在させたものが開示されている（公報の図１参照）。同じような熱膨張係数を有する材料を組み合わせることにより熱衝撃を緩和し、耐久性を向上させると共に耐汚染性を向上させようとしたものである。
【０００５】
上記第３の公告公報では、被加工物であるウエハと熱膨張率の近似した窒化珪素、窒化アルミニウム、サイロン等からなる基体２Ａと誘電体層４Ａとを主な要素とし、基体２Ａと誘電体層４Ａとの間に静電チャッカーの機能を果たす膜状電極５Ａを配置し、基体２Ａ内にタングステン線からなる抵抗発熱体３を埋設したものが開示されている（公報の図３参照）。基体２Ａおよび誘電体層４Ａが上記のようなセラミックスからなっているので高温に耐え、５００°Ｃにも達する熱ＣＶＤ装置にも使用できるようにしたものである。また、誘電体層４Ａの表面を研磨加工し平面度を上げることによりウエハを吸着したときの密着性を高め、ウエハ全面に亘っての均一な加熱を可能としたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の特許公報に記載のものは、温度の変化に応じてシリコンゴムからなる弾性絶縁体膜３が伸縮するため、弾性絶縁体膜３の寿命が問題になり耐久性に乏しいという問題点がある。また、金属ベース板１からウエハ１１までに介在する板６、５、７，３の厚さが薄いことから高温には耐えられないものと推定される。
【０００７】
また、上記第２の公開公報に記載のものは、製品としては優れた機能を発揮するものの、窒化アルミニウムからなる基体１、被覆板３、炭化珪素からなるヒータエレメント８といった複雑な形状をなすものをホットプレス法により製作しなければならない。このため、コスト高になるという問題点がある。
【０００８】
さらに、上記第３の公告公報に記載のものは、フランジ部４ｂを設けたことから製品としてはさらに優れた機能を発揮するものの、タングステンからなる螺旋状の抵抗発熱体３を埋設した窒化珪素からなる基体２Ａ、セラミックス誘電体層４Ａ等をホットプレス法により製作しなければならない。このため、コスト高になるという問題点がある。
【０００９】
半導体製造装置、なかでもＣＶＤ装置に用いられるセラミックヒータにはウエハを均一に加熱する機能が要求される。そのため、セラミックヒータの加熱面の面内温度分布が±５％以下（できれば±１％以下）になるよう抑える必要がある。面内温度分布を小さく抑えるための一つの方法は、セラミックヒータ全体の厚さを厚くして熱容量を大きくし、面内温度分布を均一化することである。上記第２及び第３の公報に記載のものは基体１，２Ａの厚さを１５ｍｍ以上に設定している。
【００１０】
このように厚いセラミック製品を製造するにはホットプレス法、熱間静水圧プレス法が用いられる。この方法は均一な圧力を加えながら焼成する方法であるので製造装置が大がかりになり、コストアップの大きな要因になる。また。ホットプレス法ではスクリーン印刷法による導電部の形成ができないので、セラミックヒータ体に内蔵される抵抗発熱体や膜状静電吸着パターンのパターンが複雑であると極端にコストアップする。一方、スクリーン印刷が導入可能なシート積層法では５ｍｍ以下の厚さのものしか製造できない。
【００１１】
また、安価に形成できるスクリーン印刷によるヒータパターンは、印刷されるセラミックグリーンシートの面積の１／３程度の面積しか形成できない。これ以上の面積に印刷によりヒータパターンを形成しようとすると、ヒーターパターンの厚さが均一にならない等、種々の技術的な困難が生じてくる。このため、従来の印刷によるヒータパターンでは、ウエハを加熱する加熱面の高々１／３程度の面積にしかヒータパターンを配置することができなかった。このため、加熱面の温度分布を均一にするのが難しいという問題点があった。
【００１２】
また、ＣＶＤ装置に用いられるセラミックヒータは半導体製造装置の寿命の間使い続けられるものではなく、その過酷な雰囲気条件から数ヶ月毎に新品と交換しなければならない消耗品である。このため、この種のセラミックヒータにはコストダウンが特に求められている。
【００１３】
そこで、本発明は、ウエハを保持すると共にウエハを均一に加熱することのできる安価なセラミックヒータを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段について、例示として図３を参照し説明する。本発明のうち請求項１記載の発明は、アルミナ、ムライト、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化珪素等からなるセラミックヒータ体２０と、前記セラミックヒータ体２０の内部に埋設された抵抗発熱体２２，２４，２６とを備え、前記セラミックヒータ体２０の一方の面に被加工物たるウエハを吸着可能な吸着面１８が形成されていること、を特徴とするセラミックヒータにおいて、前記セラミックヒータ体２０が複数層のセラミックスのグリーンシート２１，２３，２５を積層して構成された部分を有し、前記抵抗発熱体が前記グリーンシート上にスクリーン印刷法により形成されメタライズされたヒータパターン２２，２４，２６であり、前記ヒータパターン及びグリーンシートからなるヒータ層２１，２３，２５が複数層あり、前記複数層のヒータ層２１、２３、２５のヒータパターン２２．２４，２６が、前記吸着面１８の上方から見て重ならないように配置されていることを特徴とする。
【００１５】
１枚のグリーンシート上にスクリーン印刷法で形成できるヒートパターンの面積は技術上の問題から１／３以下に限られる。しかし、このようにヒータ層２１，２３，２５を複数層形成すると、吸着面１８直下のより多くの面積にヒータパターン２２，２４，２６を形成することができ吸着面１８の温度をより均一化することができる。
さらに、前記複数層のヒータ層２１、２３、２５のヒータパターン２２．２４，２６が、前記吸着面１８の上方から見て重ならないように配置されているので、吸着面１８の温度分布をより小さくできる。
【００１６】
ここで、請求項２記載の発明のように、前記複数層のヒータ層２１，２３，２５のヒータパターン２２，２４，２５が、電気的に並列に接続されていることを特徴とすることができる。
一般にメタライズにより形成されたヒータパターンは正の温度抵抗係数を有する。これを電気的に直列に接続したとすると、一部のヒータパターンの温度が上昇すると温度の上昇に比例して抵抗値Ｒが上昇し、発熱量はＩ2Ｒに比例するからさらにその部分の発熱量が上昇して、一部のヒーターパターンのみが過熱して吸着面１８の温度分布が大きくなる。上記のように形成すると、一部のヒータパターンの温度が上昇するとそのヒーターパターンの抵抗値Ｒが上昇し流れる電流が減少するから発熱量が減少し、各ヒーターパターン２２，２４，２６の温度が平準化する。このため、吸着面１８の温度分布を小さくすることができるという効果を奏する。
【００１７】
ここで、請求項３記載の発明のように、前記複数層のヒータ層２１、２３、２５のヒータパターン２２．２４，２６が、前記吸着面１８の上方から見て重ならないように配置されていることを特徴とすることができる。
このように形成すると、吸着面１８の温度分布をより小さくできる。
【００１８】
ここで、請求項３記載の発明のように、前記重ならないように配置されたヒータパターン２２，２４，２６の全面積が、前記吸着面１８の面積の２／３以上であることを特徴とすることができる。
このように形成すると、吸着面１８直下の多くの面積がヒーターパターン２２、２４、２６で覆われることになり、吸着面の温度分布を小さくできる。
【００１９】
ここで、請求項４記載の発明のように、前記重ならないように配置されたヒータパターン２２，２４，２６の全面積が、前記吸着面１８の全面積と略等しいことを特徴とすることができる。
このように形成すると、吸着面１８の直下に必ず発熱体であるヒーターパターン２２，２４，２６が存在することになり、吸着面１８の温度分布をより小さくできる。
【００２０】
ここで、請求項５記載の発明のように、前記セラミックヒータ体（２０）の内部で前記吸着面１８の近傍に、電圧を印加可能な膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎが形成されていることを特徴とすることができる。
このように形成すると、膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎに高電圧を印加することにより、吸着面１８上に載置したウエハをクーロン力あるいはジョンセンラーベック効果による吸引力によりセラミックヒータ２０に強く吸着することができる。
【００２１】
ここで、請求項６記載の発明のように、前記グリーンシート２１，２３，２５がアルミナにより構成されていることを特徴とすることができる。
このように形成すると、比較的安価にセラミックヒータを提供することができる。また、耐熱性はアルミナで十分である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態について図面を参照し説明する。
図１は第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１０の製造工程を説明する分解斜視図である。セラミックヒータ１０は主な要素として、図面下から、セラミック基体１１、第１のグリーンシート１３、第２のグリーンシート１５、セラミック吸着面体１７からなる。各部材１１，１３，１５，１７は円板形状をなし、その直径は、たとえば８インチのウエハを載置するものでは２０５ｍｍ程度である。板厚は全体で２０ｍｍ程度の板厚になるように選択される。
【００２３】
セラミック基体１１は高純度のセラミック粉末をプレス成形して作る。たとえば、９９．９％以上の高純度のアルミナ粉末をプレス加工して形成する。このとき、端子用に４つのスルーホール１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを形成しておく。セラミック吸着面体１７も同様に高純度のアルミナ粉末をプレス加工して形成する。プレス加工するときの圧力はプレス品１１，１７の割掛け率がグリーンシート１３，１５のそれと一致するように調整する。
【００２４】
グリーンシート１３，１５は次のようにして作る。まず、アルミナ粉末に、酸化マグネシウムＭｇＯを１ｗｔ％（重量比、以下同じ）、酸化珪素（シリカ）ＳｉＯ4 を４ｗｔ％、を混合してボールミルで５０〜８０時間湿式粉砕した後、脱水乾燥する。この粉末に、メタクリル酸イソブチルエステルを３ｗｔ％、ブチルエステルを３ｗｔ％、ニトロセルロースを１ｗｔ％、ジオクチルフタレートを０．５ｗｔ％加え、さらに、溶剤として、トリクロールエチレン、ｎ−ブタノールを加えてボールミルで混合し流動性のあるスラリーとする。（以下、このスラリーをアルミナスラリーと呼ぶ）。このアルミナスラリーを減圧脱泡後、平板状に流し出して徐冷し、溶剤を発散させて厚さ０．８ｍｍのアルミナグリーンシートを形成する。アルミナグリーンシートには絶縁抵抗を下げる目的で、モリブデンＭｏ、チタンＴｉ等の金属粉末を添加することがある。
【００２５】
グリーンシート上に印刷するメタライズインクは、上記アルミナスラリーを作るのと同様の方法により、タングステン（Ｗ）粉末を混ぜてスラリー状としメタライズインクとする。厚さ０．８ｍｍの第１のグリーンシート１３の上に通常のスクリーン印刷法を用いて渦巻き形状をしたヒータパターン（抵抗発熱体）１４を形成する。その上に厚さ０．８ｍｍの第２のグリーンシート１５を載置する。第２のグリーンシート１５の上に通常のスクリーン印刷法を用いて２つの膜状静電吸着パターン１６Ｐ，１６Ｎを形成する。さらに、その上に図示しない厚さ０．８ｍｍの第３のグリーンシートを載せ、熱圧着して一枚のシートとする。このとき、各スルーホール１３Ａ，１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１５Ｃ、１５Ｄにメタライズインクを充填しておく。熱圧着したシートはマシニング等の機械加工により直径２０５ｍｍの円板形状にする。
【００２６】
この熱圧着した薄いシート１３，１５をセラミック基体１１およびセラミック吸着面体１７で挟み接着して一体にする。すなわち、セラミック基体１１の上面に前記アルミナスラリーを塗布しペースト面１２を作り、熱圧着したシート１３，１５を接着する。シート１３，１５の上面にもアルミナスラリーを塗布し、セラミック吸着面体１７を接着する。また、各スルーホール１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ、１１Ｄにメタライスズインクを充填しておく。次に、この接合したものを、水素ガス等の還元雰囲気にて１４００〜１６００°Ｃにて一体焼成する。そして、焼成したもののセラミック吸着面体１７の表面を、研磨し平面度が３０ミクロン以下（好ましくは１０ミクロン以下）の平面となるようにしてウエハの吸着面１８とする。
【００２７】
図２はこのようにして形成されたセラミックヒータ１０を下から見た斜視図である。スルーホール１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに充填されたメタライズインクが焼成してできた端子部分にニッケルメッキを施し、さらにニッケルピンをロウ付けして端子１１Ａ′，１１Ｂ′，１１Ｃ′，１１Ｄ′とする。端子１１Ａ′，１１Ｂ′は、それぞれスルーホール１１Ａ、１３Ａ及びスルーホール１１Ｂ、１３Ｂを経由してヒータパターン１４の外側端及び中心端に接続される。端子１１Ｃ′、１１Ｄ′は、それぞれスルーホール１１Ｃ、１３Ｃ及びスルーホール１１Ｄ、１３Ｄを経由して膜状静電吸着パターン１６Ｐまたは１６Ｎにそれぞれ電気的に接続される。
【００２８】
このようにして形成されたセラミックヒータ１０の本体部分を占めるセラミック本体は、アルミナの組成が９９．９％を占める純度の高い層（セラミック基体１１、セラミック吸着面体１７）と、アルミナの組成が９２％程度の純度の比較的低い層（第１，第２のグリーンシート１３、１５、第３のグリーンシート）との多層構造をなす。純度の低い層の厚さは２．４ｍｍ程度であり、純度の高い層の厚さは合わせて１５ｍｍを超える。
【００２９】
以上の構成に基づき、作動について説明する。端子１１Ａ′、１１Ｂ′に電圧を印加すると渦巻き形状のヒータパターン１４に電流が流れ、セラミックヒータ１０のセラミックヒータ体が加熱され、たとえば吸着面１８が５００°Ｃに加熱される。また、端子１１Ｃ′、１１Ｄ′に高電圧を、たとえば、端子１１Ｃ′には＋１ｋＶを、端子１１Ｄ′には−１ｋＶを印加することにより、端子１１Ｃ′の電圧はスルーホール１３Ｃ、１５Ｃを経由して膜状静電吸着パターン１６Ｐに＋１ｋＶが印加され、端子１１Ｄ′の電圧はスルーホール１３Ｄ、１５Ｄを経由して膜状静電吸着パターン１６Ｎに−１ｋＶが印加される。被加工物であるシリコンウエハはセラミックヒータ１０の吸着面１８の上に載置され吸着される。このとき、吸着面１８の近傍にある膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎに高電圧が印加されるから誘電体であるシリコンウエハにも電荷が誘起され、クーロン力によりシリコンウエハは吸着面１８に吸引される。
【００３０】
本実施の形態の利点について説明する。セラミックヒータ体（１０）の厚さが１５ｍｍ以上と厚いので吸着面１８の温度分布が均一化し、ウエハを吸着する吸着面１８の面内温度分布を小さく抑えることができる。また、セラミック純度の高い層１１，１７がセラミックヒータ１０の表面積の大部分を占めるから、セラミックヒータ１０からのコンタミネーションを小さく抑えることができる。さらに、吸着面１８を構成する層であるセラミック吸着面体１７の純度が高いので、吸着面１８に接触するシリコンウエハがシリカ等の付着により汚損されることが無く、コンタミネーションに強い。さらに、セラミックヒータ体（１０）を構成する各層１１，１３，１５，１７がアルミナで構成されているから、十分耐熱性のあるセラミックヒータ１０を安価に提供することができる。
【００３１】
本実施の形態では、膜状静電吸着パターン１６Ｐ，１６Ｎの正極１６Ｐと負極１６Ｎとの面積が同じ程度になるようにしたが、正極の膜状静電吸着パターン１６Ｐと負極の膜状静電吸着パターン１６Ｎの面積を大きく異ならせるようにしても良い。この様にすると、実験的にではあるが、シリコンウエハの吸着力をより強くすることができた。
【００３２】
本実施の形態ではセラミックとしてアルミナを用いたが、この他の種々のセラミック、たとえば、マグネシア、ムライト等を用いてもよい。
【００３３】
図３は第２の実施の形態に係るセラミックヒータ２０の製造工程を説明する分解斜視図である。図１で説明したセラミックヒータ１０と異なるのは、抵抗発熱体となるヒータパターンが一層ではなく三層に形成されている点である。図１と同じ部材には同じ符号を付して理解を容易にした。セラミックヒータ２０は主な要素として、図面下から、セラミック基体１１、第１のヒータパターン２２用の第１のグリーンシート２１、第２のヒータパターン２４用の第２のグリーンシート２３，第３のヒータパターン２６用の第３のグリーンシート２５、吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎ用の第４のグリーンシート１５、セラミック吸着面体１７からなる。
【００３４】
セラミック基体１１とセラミック吸着面体１７は高純度のアルミナ粉末をプレス成形して作ることは段落番号〔００２３〕で説明したのと同じである。第１乃至第４のグリーンシート２１，２３，２５，１５を作る方法は段落番号〔００２４〕で述べたのと同じである。グリーンシート２１，２３，２５，１５上にそれぞれヒータパターン２２，２３，２５や膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎを形成し熱圧着することや、熱圧着したシートをセラミック基体１１とセラミック吸着面体１７で挟みアルミナスラリーで接着して一体に焼成することは段落番号〔００２５〕、〔００２６〕に記載した内容と同じである。
【００３５】
第１，第２，第３のグリーンシート２１，２３，２５上にはそれぞれ異なった形状のヒータパターン２２，２４，２６がタングステン（Ｗ）メタライズインクによるスクリーン印刷法により形成される。各ヒータパターン２２，２４，２６は異なった模様を描くものの、グリーンシートの外側端にあるスルーホール２１Ａ、２３Ａ，２５Ａから始まって中心にあるスルーホール２１Ｂ、２３Ｂ、２５Ｂに至る一筆書きのパターンを形成している。外側端にあるスルーホール２１Ａ、２３Ａ，２５Ａはセラミック基体１１の外側のスルーホール１１Ａに、中心のスルーホール２１Ｂ、２３Ｂ、２５Ｂはセラミック基体１１の中心のスルーホール１１Ｂに、それぞれメタライズインクを充填されることにより接続されるから、上記３つのヒータパターン２２，２４，２６は電気的に並列に接続されることになる。
【００３６】
また、３つのグリーンシート２１，２３，２５の層の上の各ヒータパターン２２，２４，２６は、出発点と終点との近傍を除き、吸着面１８の上から見て重ならないように形成されている。図４は吸着面１８の上から透視して各ヒータパターン２２，２４，２６を見た状態を示す仮想的な平面図である。ヒータパターン２２，２４，２６にはそれぞれ異なったハッチングを施して識別できるようにしているが、それでもヒータパターンが見づらいので容赦されたい。セラミック基体１１の外縁付近にあるスルーホール１１Ａから出発するヒータパターンは、最外周のヒータパターン２６（第３のグリーンシート２５上）と、その内側のヒータパターン２４（第２のグリーンシート２３上）と、最内周のヒータパターン２２（第１のグリーンシート上）との３つのヒータパターンに分岐する。各ヒータパターン２２，２４，２６は、図３に示すように、独自の螺旋模様を描いてセラミック基体１１の中心付近に集まる。中心付近に集まった各ヒータパターン２２，２４，２６は中心のスルーホール１１Ｂで一つになる。スルーホール１１Ｃ、１１Ｄは膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎに接続するためのものである。
【００３７】
ここでは、３つのヒータパターン２２，２４，２６が電気的に並列に接続されていることと、３つのヒータパターン２２，２４，２６により吸着面１８の全面積が殆ど覆われていることに注意されたい。
【００３８】
本実施の形態の利点について説明する。３層のヒータ層（グリーンシート２１，２３，２５）のヒータパターン２２，２４，２６が電気的に並列に接続されているから、各ヒータパターン２２，２４，２６の発熱が平準化し、一部のヒータパターンのみが過熱することがない。これは、ヒータパターンを構成するタングステン（Ｗ）メタライズが正の温度抵抗係数を有するため、もし仮に直列に接続したとすると、一部のヒータパターンの温度が上昇すると温度の上昇に比例して抵抗値Ｒが上昇し、発熱量はＩ2 Ｒに比例するからさらに発熱量が上昇して、一部のヒータパターンのみが過熱することになる。本実施の形態ではヒータパターンが並列に接続されているから、この様なことは起こり得ない。一部のヒータパターンの温度が上昇すると温度の上昇に比例して抵抗値Ｒが上昇し、そのヒータパターンを流れる電流が減少するため発熱量が低下する。このため各ヒータパターン２２，２４，２６の発熱量が平準化し、結果として、吸着面１８の温度分布が均一化することになる。
【００３９】
さらに、３つのヒータパターン２２，２４，２６により吸着面１８の全面積が殆ど覆われているから、吸着面１８の直下にヒータパターンが必ずあることになり、吸着面１８の温度分布の均一化がさらに容易になることになる。
【００４０】
考えとしては、一つのヒータパターンで吸着面１８の直下を全て覆うパターンを考えられないわけではないが、スクリーン印刷でメタライズされたヒータパターンをグリーンシートの面積の１／３以上の面積に作成することは技術的な困難を伴う。したがって、本実施の形態のようにヒータパターンを３分割し、それぞれ異なったグリーンシート上にヒータパターンを形成するのが実用的に優れている。
【００４１】
また、本実施の形態は、図３に示すように、膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎを備えているから、段落番号〔００２９〕で述べたように、両パターン１６Ｐ、１６Ｎに高電圧を印加することにより、吸着面１８に載置したシリコンウエハを吸引することができる。さらに、各グリーンシート２１，２３，２５，１５がアルミナで構成されているから、十分耐熱性のあるセラミックヒータ２０を安価に提供することができる。
【００４２】
図５は第３の実施の形態に係るセラミックヒータ３０を示す断面図であり、図６は図５のＸ方向矢視図（平面図）である。このセラミックヒータ３０は、図１で示したセラミックヒータ体（セラミックヒータ）１０を円筒形状の支持体３２で支承し一体化したものである。セラミックヒータ体１０は図１で説明したように内部にヒータパターン（抵抗発熱体）１４及び膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎを備えている。円板形状のセラミックヒータ体１０の上には熱伝導度の高い窒化アルミニウムからなるセラミック板３３が密着して設置される。円板形状のセラミックヒータ体１０はその周縁を円筒形状の支持体３２のつば部３２Ａに支承されている。円筒形状の支持体３２はアルミナセラミックにより構成されている。支持体３２は、その底部を半導体製造装置の取り付け部３１に固定される。セラミックヒータ３０はその周りを半導体製造装置の筐体５１で囲われ高真空のチェンバー５０を構成する、セラミックヒータ体１０の下方で支持体３２の円筒部に囲まれた空間は大気圧にされ、空気断熱層４０を構成している。
【００４３】
図６はセラミックヒータ３０の平面図である。支持体３２には内周方向に突出した位置決め用のノッチ３５が一体に形成され、セラミックヒータ体１０及びセラミック板３３にはノッチ３５に対応した凹部が形成され、支持体３２に対するセラミックヒータ体１０及びセラミック板３３の位置決めを正確に行うようにされている。
【００４４】
このような支持体３２とセラミックヒータ体１０とが一体となったセラミックヒータ３０を製造するには２つの方法がある。第１の方法は焼成前のセラミックヒータ体１０と支持体３２とをセラミックスラリーで接合し、一体に焼成してしまう方法である。第２の方法は支持体３２とセラミックヒータ体１０とをそれぞれ別個に焼成し、焼成したものをそれぞれ研磨して寸法精度を確保して組み合わせる方法である。
【００４５】
第１の方法について説明する。セラミックヒータ体１０の中間品は段落番号〔００２３〕、〔００２４〕、〔００２５〕で述べたようにして製作する。また、支持体３２は、アルミナ粉末に、酸化マグネシウムＭｇＯを１ｗｔ％（重量比、以下同じ）、酸化珪素（シリカ）ＳｉＯ4 を４ｗｔ％、を混合してボールミルで５０〜８０時間湿式粉砕した後、脱水乾燥する。この粉末をプレス加工により円筒形状に成形する。つぎに、段落番号〔００２４〕で述べたアルミナスラリーを、セラミックヒータ体１０（シート形成品）と支持体３２（プレス成形品）との間に塗布し、接着する。そして、接着したものを還元雰囲気にて、１４００〜１６００°Ｃにて一体に焼成する。焼成したものは、セラミックヒータ体１０の吸着面１８の平面度が３０ミクロン以下となるように研磨する。次に、スルーホール１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに充填されたメタライズインクが焼成してできた端子部分にニッケルメッキを施し、さらにニッケルピンをロウ付けして端子１１Ａ′，１１Ｂ′，１１Ｃ′，１１Ｄ′とする。最後に、シリコンウエハの載置面の温度分布が均一になるように、図５に示すように、窒化アルミニウムからなるセラミック板３３を載置する。
【００４６】
第２の方法について説明する。セラミックヒータ体１０は段落番号〔００２３〕、〔００２４〕、〔００２５〕〔００２６〕で述べたようにして焼成して製作する。そして、焼成したセラミックヒータ体１０の外筒研磨を行い、外形寸法精度を確保する。また、そのとき、位置決め用のノッチ３５に嵌合する凹部も研磨により設ける。支持体３２は、段落番号〔００４５〕で述べたようにして円筒形状のプレス成形品を作る。この円筒形状のプレス成形品を大気中にて焼成し、円筒形状のセラミック成形体を得る。この焼成したセラミック成形体の、セラミックヒータ体１０が載置される部分（つば部３２Ａ近傍）の内筒研磨を行い、内径寸法精度を確保する。また、そのとき、位置決め用のノッチ３５の凸部も研磨により設ける。そして、位置決め用のノッチ３５の凹凸を合わせて、セラミックヒータ体１０と支持体３２を一体に組み込む。
【００４７】
セラミックヒータ体１０の吸着面１８の温度分布の均一さを確保する目的で、熱伝導度の高い窒化アルミニウムからなるセラミック板３３をセラミックヒータ体１０の上面または下面に載置する。このとき、窒化アルミニウムからなるセラミック板３３にもセラミックヒータ体１０と同様に位置決め用のノッチ３５と係合する凹部を研磨により設けておく。また、温度分布をさらに均一にする目的で、セラミックヒータ体１０の吸着面１８とセラミック板３３の接触面は、研磨して平面度を向上させ接触率を上げることが好ましい。
【００４８】
上記の例では円筒形状の支持体３２をアルミナのプレス成形品で構成したが、支持体の本体を金属で作成し、その金属体の上にアルミナ等のセラミックを溶射して表面を絶縁物としたものにしても良い。
【００４９】
本実施の形態の利点について説明する。円筒形状の支持体３２によりセラミックヒータ体１０が支持されているから、高温になるセラミックヒータ体１０の吸着面１８から低温の装置の取り付け部３１までの距離を稼ぐことができ、セラミックヒータ体１０の厚さ方向の温度勾配を緩和することができる。このため熱膨張差による熱応力を大幅に緩和することができ、セラミックヒータ３０の信頼性が大幅に向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るセラミックヒータの製造工程を説明する分解斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係るセラミックヒータを下から見た斜視図である。
【図３】第２の実施の形態に係るセラミックヒータの製造工程を説明する分解斜視図である。
【図４】吸着面の上から透視して各ヒータパターンを見た状態を示す仮想的な平面図である。
【図５】第３の実施の形態に係るセラミックヒータを示す断面図である。
【図６】図５のＸ方向矢視図であり平面図である。
【符号の説明】
１０ セラミックヒータ（セラミックヒータ体）
１１ セラミック基体
１３ 第１のグリーンシート
１４ ヒータパターン（抵抗発熱体）
１５ 第２のグリーンシート
１６Ｐ、１６Ｎ 膜状静電吸着パターン
１７ セラミック吸着面体
１８ 吸着面
２１ 第１のグリーンシート
２２ 第１のヒータパターン
２３ 第２のグリーンシート
２４ 第２のヒータパターン
２５ 第３のグリーンシート
２６ 第３のヒータパターン
３１ 取り付け部
３２ 支持体
３３ セラミック板
３５ ノッチ
４０ 空気断熱層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に関し、特に、シリコンウエハ等に化学蒸着（ＣＶＤ Chemical vaper diposition ）、プラズマエッチング、スパッタリング等を施す際にウエハを加熱しながら保持するのに好適なセラミックヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体製造装置では、ウエハを保持するのにクーロン力あるいはジョンセンラーベック効果（Johnsen Rahbeck effect ）を用いた静電吸着手段が多く用いられる。この静電吸着手段には、単にウエハを保持する機能のみならず、過酷な環境下でウエハの温度を均一に保持するという機能、チャンバー内を汚染（コンタミネーション）しない機能、過酷な雰囲気下での使用に耐える機能も求められる。この種のウエハ保持装置、加熱装置として特許第２５２１４７１号公報、特開２０００−３４８８５３号公報、特公平７−５０７３６号公報等が開示されている。
【０００３】
上記第１の特許公報では、金属ベース板１と焼結セラミック板６との間に弾性絶縁体３を介在させてその弾性変形により、焼結セラミック板６に掛かる熱応力を緩和しようとしたものである（公報の第１図参照）。
【０００４】
上記第２の公開公報では、窒化アルミニウムからなる基体２と同じく窒化アルミニウムからなる被覆板３との間に、添加剤を含まない炭化珪素からなるヒータエレメント８を介在させたものが開示されている（公報の図１参照）。同じような熱膨張係数を有する材料を組み合わせることにより熱衝撃を緩和し、耐久性を向上させると共に耐汚染性を向上させようとしたものである。
【０００５】
上記第３の公告公報では、被加工物であるウエハと熱膨張率の近似した窒化珪素、窒化アルミニウム、サイロン等からなる基体２Ａと誘電体層４Ａとを主な要素とし、基体２Ａと誘電体層４Ａとの間に静電チャッカーの機能を果たす膜状電極５Ａを配置し、基体２Ａ内にタングステン線からなる抵抗発熱体３を埋設したものが開示されている（公報の図３参照）。基体２Ａおよび誘電体層４Ａが上記のようなセラミックスからなっているので高温に耐え、５００°Ｃにも達する熱ＣＶＤ装置にも使用できるようにしたものである。また、誘電体層４Ａの表面を研磨加工し平面度を上げることによりウエハを吸着したときの密着性を高め、ウエハ全面に亘っての均一な加熱を可能としたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の特許公報に記載のものは、温度の変化に応じてシリコンゴムからなる弾性絶縁体膜３が伸縮するため、弾性絶縁体膜３の寿命が問題になり耐久性に乏しいという問題点がある。また、金属ベース板１からウエハ１１までに介在する板６、５、７，３の厚さが薄いことから高温には耐えられないものと推定される。
【０００７】
また、上記第２の公開公報に記載のものは、製品としては優れた機能を発揮するものの、窒化アルミニウムからなる基体１、被覆板３、炭化珪素からなるヒータエレメント８といった複雑な形状をなすものをホットプレス法により製作しなければならない。このため、コスト高になるという問題点がある。
【０００８】
さらに、上記第３の公告公報に記載のものは、フランジ部４ｂを設けたことから製品としてはさらに優れた機能を発揮するものの、タングステンからなる螺旋状の抵抗発熱体３を埋設した窒化珪素からなる基体２Ａ、セラミックス誘電体層４Ａ等をホットプレス法により製作しなければならない。このため、コスト高になるという問題点がある。
【０００９】
半導体製造装置、なかでもＣＶＤ装置に用いられるセラミックヒータにはウエハを均一に加熱する機能が要求される。そのため、セラミックヒータの加熱面の面内温度分布が±５％以下（できれば±１％以下）になるよう抑える必要がある。面内温度分布を小さく抑えるための一つの方法は、セラミックヒータ全体の厚さを厚くして熱容量を大きくし、面内温度分布を均一化することである。上記第２及び第３の公報に記載のものは基体１，２Ａの厚さを１５ｍｍ以上に設定している。
【００１０】
このように厚いセラミック製品を製造するにはホットプレス法、熱間静水圧プレス法が用いられる。この方法は均一な圧力を加えながら焼成する方法であるので製造装置が大がかりになり、コストアップの大きな要因になる。また。ホットプレス法ではスクリーン印刷法による導電部の形成ができないので、セラミックヒータ体に内蔵される抵抗発熱体や膜状静電吸着パターンのパターンが複雑であると極端にコストアップする。一方、スクリーン印刷が導入可能なシート積層法では５ｍｍ以下の厚さのものしか製造できない。
【００１１】
また、安価に形成できるスクリーン印刷によるヒータパターンは、印刷されるセラミックグリーンシートの面積の１／３程度の面積しか形成できない。これ以上の面積に印刷によりヒータパターンを形成しようとすると、ヒーターパターンの厚さが均一にならない等、種々の技術的な困難が生じてくる。このため、従来の印刷によるヒータパターンでは、ウエハを加熱する加熱面の高々１／３程度の面積にしかヒータパターンを配置することができなかった。このため、加熱面の温度分布を均一にするのが難しいという問題点があった。
【００１２】
また、ＣＶＤ装置に用いられるセラミックヒータは半導体製造装置の寿命の間使い続けられるものではなく、その過酷な雰囲気条件から数ヶ月毎に新品と交換しなければならない消耗品である。このため、この種のセラミックヒータにはコストダウンが特に求められている。
【００１３】
そこで、本発明は、ウエハを保持すると共にウエハを均一に加熱することのできる安価なセラミックヒータを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段について、例示として図３を参照し説明する。本発明のうち請求項１記載の発明は、アルミナ、ムライト、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化珪素等からなるセラミックヒータ体２０と、前記セラミックヒータ体２０の内部に埋設された抵抗発熱体２２，２４，２６とを備え、前記セラミックヒータ体２０の一方の面に被加工物たるウエハを吸着可能な吸着面１８が形成されていること、を特徴とするセラミックヒータにおいて、前記セラミックヒータ体２０が複数層のセラミックスのグリーンシート２１，２３，２５を積層して構成された部分を有し、前記抵抗発熱体が前記グリーンシート上にスクリーン印刷法により形成されメタライズされたヒータパターン２２，２４，２６であり、前記ヒータパターン及びグリーンシートからなるヒータ層２１，２３，２５が複数層あり、前記複数層のヒータ層２１、２３、２５のヒータパターン２２．２４，２６が、前記吸着面１８の上方から見て重ならないように配置されていることを特徴とする。
【００１５】
１枚のグリーンシート上にスクリーン印刷法で形成できるヒートパターンの面積は技術上の問題から１／３以下に限られる。しかし、このようにヒータ層２１，２３，２５を複数層形成すると、吸着面１８直下のより多くの面積にヒータパターン２２，２４，２６を形成することができ吸着面１８の温度をより均一化することができる。
さらに、前記複数層のヒータ層２１、２３、２５のヒータパターン２２．２４，２６が、前記吸着面１８の上方から見て重ならないように配置されているので、吸着面１８の温度分布をより小さくできる。
【００１６】
ここで、請求項２記載の発明のように、前記複数層のヒータ層２１，２３，２５のヒータパターン２２，２４，２５が、電気的に並列に接続されていることを特徴とすることができる。
一般にメタライズにより形成されたヒータパターンは正の温度抵抗係数を有する。これを電気的に直列に接続したとすると、一部のヒータパターンの温度が上昇すると温度の上昇に比例して抵抗値Ｒが上昇し、発熱量はＩ2Ｒに比例するからさらにその部分の発熱量が上昇して、一部のヒーターパターンのみが過熱して吸着面１８の温度分布が大きくなる。上記のように形成すると、一部のヒータパターンの温度が上昇するとそのヒーターパターンの抵抗値Ｒが上昇し流れる電流が減少するから発熱量が減少し、各ヒーターパターン２２，２４，２６の温度が平準化する。このため、吸着面１８の温度分布を小さくすることができるという効果を奏する。
【００１７】
ここで、請求項３記載の発明のように、前記複数層のヒータ層２１、２３、２５のヒータパターン２２．２４，２６が、前記吸着面１８の上方から見て重ならないように配置されていることを特徴とすることができる。
このように形成すると、吸着面１８の温度分布をより小さくできる。
【００１８】
ここで、請求項３記載の発明のように、前記重ならないように配置されたヒータパターン２２，２４，２６の全面積が、前記吸着面１８の面積の２／３以上であることを特徴とすることができる。
このように形成すると、吸着面１８直下の多くの面積がヒーターパターン２２、２４、２６で覆われることになり、吸着面の温度分布を小さくできる。
【００１９】
ここで、請求項４記載の発明のように、前記重ならないように配置されたヒータパターン２２，２４，２６の全面積が、前記吸着面１８の全面積と略等しいことを特徴とすることができる。
このように形成すると、吸着面１８の直下に必ず発熱体であるヒーターパターン２２，２４，２６が存在することになり、吸着面１８の温度分布をより小さくできる。
【００２０】
ここで、請求項５記載の発明のように、前記セラミックヒータ体（２０）の内部で前記吸着面１８の近傍に、電圧を印加可能な膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎが形成されていることを特徴とすることができる。
このように形成すると、膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎに高電圧を印加することにより、吸着面１８上に載置したウエハをクーロン力あるいはジョンセンラーベック効果による吸引力によりセラミックヒータ２０に強く吸着することができる。
【００２１】
ここで、請求項６記載の発明のように、前記グリーンシート２１，２３，２５がアルミナにより構成されていることを特徴とすることができる。
このように形成すると、比較的安価にセラミックヒータを提供することができる。また、耐熱性はアルミナで十分である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態について図面を参照し説明する。
図１は第１の実施の形態に係るセラミックヒータ１０の製造工程を説明する分解斜視図である。セラミックヒータ１０は主な要素として、図面下から、セラミック基体１１、第１のグリーンシート１３、第２のグリーンシート１５、セラミック吸着面体１７からなる。各部材１１，１３，１５，１７は円板形状をなし、その直径は、たとえば８インチのウエハを載置するものでは２０５ｍｍ程度である。板厚は全体で２０ｍｍ程度の板厚になるように選択される。
【００２３】
セラミック基体１１は高純度のセラミック粉末をプレス成形して作る。たとえば、９９．９％以上の高純度のアルミナ粉末をプレス加工して形成する。このとき、端子用に４つのスルーホール１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを形成しておく。セラミック吸着面体１７も同様に高純度のアルミナ粉末をプレス加工して形成する。プレス加工するときの圧力はプレス品１１，１７の割掛け率がグリーンシート１３，１５のそれと一致するように調整する。
【００２４】
グリーンシート１３，１５は次のようにして作る。まず、アルミナ粉末に、酸化マグネシウムＭｇＯを１ｗｔ％（重量比、以下同じ）、酸化珪素（シリカ）ＳｉＯ4 を４ｗｔ％、を混合してボールミルで５０〜８０時間湿式粉砕した後、脱水乾燥する。この粉末に、メタクリル酸イソブチルエステルを３ｗｔ％、ブチルエステルを３ｗｔ％、ニトロセルロースを１ｗｔ％、ジオクチルフタレートを０．５ｗｔ％加え、さらに、溶剤として、トリクロールエチレン、ｎ−ブタノールを加えてボールミルで混合し流動性のあるスラリーとする。（以下、このスラリーをアルミナスラリーと呼ぶ）。このアルミナスラリーを減圧脱泡後、平板状に流し出して徐冷し、溶剤を発散させて厚さ０．８ｍｍのアルミナグリーンシートを形成する。アルミナグリーンシートには絶縁抵抗を下げる目的で、モリブデンＭｏ、チタンＴｉ等の金属粉末を添加することがある。
【００２５】
グリーンシート上に印刷するメタライズインクは、上記アルミナスラリーを作るのと同様の方法により、タングステン（Ｗ）粉末を混ぜてスラリー状としメタライズインクとする。厚さ０．８ｍｍの第１のグリーンシート１３の上に通常のスクリーン印刷法を用いて渦巻き形状をしたヒータパターン（抵抗発熱体）１４を形成する。その上に厚さ０．８ｍｍの第２のグリーンシート１５を載置する。第２のグリーンシート１５の上に通常のスクリーン印刷法を用いて２つの膜状静電吸着パターン１６Ｐ，１６Ｎを形成する。さらに、その上に図示しない厚さ０．８ｍｍの第３のグリーンシートを載せ、熱圧着して一枚のシートとする。このとき、各スルーホール１３Ａ，１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１５Ｃ、１５Ｄにメタライズインクを充填しておく。熱圧着したシートはマシニング等の機械加工により直径２０５ｍｍの円板形状にする。
【００２６】
この熱圧着した薄いシート１３，１５をセラミック基体１１およびセラミック吸着面体１７で挟み接着して一体にする。すなわち、セラミック基体１１の上面に前記アルミナスラリーを塗布しペースト面１２を作り、熱圧着したシート１３，１５を接着する。シート１３，１５の上面にもアルミナスラリーを塗布し、セラミック吸着面体１７を接着する。また、各スルーホール１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ、１１Ｄにメタライスズインクを充填しておく。次に、この接合したものを、水素ガス等の還元雰囲気にて１４００〜１６００°Ｃにて一体焼成する。そして、焼成したもののセラミック吸着面体１７の表面を、研磨し平面度が３０ミクロン以下（好ましくは１０ミクロン以下）の平面となるようにしてウエハの吸着面１８とする。
【００２７】
図２はこのようにして形成されたセラミックヒータ１０を下から見た斜視図である。スルーホール１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに充填されたメタライズインクが焼成してできた端子部分にニッケルメッキを施し、さらにニッケルピンをロウ付けして端子１１Ａ′，１１Ｂ′，１１Ｃ′，１１Ｄ′とする。端子１１Ａ′，１１Ｂ′は、それぞれスルーホール１１Ａ、１３Ａ及びスルーホール１１Ｂ、１３Ｂを経由してヒータパターン１４の外側端及び中心端に接続される。端子１１Ｃ′、１１Ｄ′は、それぞれスルーホール１１Ｃ、１３Ｃ及びスルーホール１１Ｄ、１３Ｄを経由して膜状静電吸着パターン１６Ｐまたは１６Ｎにそれぞれ電気的に接続される。
【００２８】
このようにして形成されたセラミックヒータ１０の本体部分を占めるセラミック本体は、アルミナの組成が９９．９％を占める純度の高い層（セラミック基体１１、セラミック吸着面体１７）と、アルミナの組成が９２％程度の純度の比較的低い層（第１，第２のグリーンシート１３、１５、第３のグリーンシート）との多層構造をなす。純度の低い層の厚さは２．４ｍｍ程度であり、純度の高い層の厚さは合わせて１５ｍｍを超える。
【００２９】
以上の構成に基づき、作動について説明する。端子１１Ａ′、１１Ｂ′に電圧を印加すると渦巻き形状のヒータパターン１４に電流が流れ、セラミックヒータ１０のセラミックヒータ体が加熱され、たとえば吸着面１８が５００°Ｃに加熱される。また、端子１１Ｃ′、１１Ｄ′に高電圧を、たとえば、端子１１Ｃ′には＋１ｋＶを、端子１１Ｄ′には−１ｋＶを印加することにより、端子１１Ｃ′の電圧はスルーホール１３Ｃ、１５Ｃを経由して膜状静電吸着パターン１６Ｐに＋１ｋＶが印加され、端子１１Ｄ′の電圧はスルーホール１３Ｄ、１５Ｄを経由して膜状静電吸着パターン１６Ｎに−１ｋＶが印加される。被加工物であるシリコンウエハはセラミックヒータ１０の吸着面１８の上に載置され吸着される。このとき、吸着面１８の近傍にある膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎに高電圧が印加されるから誘電体であるシリコンウエハにも電荷が誘起され、クーロン力によりシリコンウエハは吸着面１８に吸引される。
【００３０】
本実施の形態の利点について説明する。セラミックヒータ体（１０）の厚さが１５ｍｍ以上と厚いので吸着面１８の温度分布が均一化し、ウエハを吸着する吸着面１８の面内温度分布を小さく抑えることができる。また、セラミック純度の高い層１１，１７がセラミックヒータ１０の表面積の大部分を占めるから、セラミックヒータ１０からのコンタミネーションを小さく抑えることができる。さらに、吸着面１８を構成する層であるセラミック吸着面体１７の純度が高いので、吸着面１８に接触するシリコンウエハがシリカ等の付着により汚損されることが無く、コンタミネーションに強い。さらに、セラミックヒータ体（１０）を構成する各層１１，１３，１５，１７がアルミナで構成されているから、十分耐熱性のあるセラミックヒータ１０を安価に提供することができる。
【００３１】
本実施の形態では、膜状静電吸着パターン１６Ｐ，１６Ｎの正極１６Ｐと負極１６Ｎとの面積が同じ程度になるようにしたが、正極の膜状静電吸着パターン１６Ｐと負極の膜状静電吸着パターン１６Ｎの面積を大きく異ならせるようにしても良い。この様にすると、実験的にではあるが、シリコンウエハの吸着力をより強くすることができた。
【００３２】
本実施の形態ではセラミックとしてアルミナを用いたが、この他の種々のセラミック、たとえば、マグネシア、ムライト等を用いてもよい。
【００３３】
図３は第２の実施の形態に係るセラミックヒータ２０の製造工程を説明する分解斜視図である。図１で説明したセラミックヒータ１０と異なるのは、抵抗発熱体となるヒータパターンが一層ではなく三層に形成されている点である。図１と同じ部材には同じ符号を付して理解を容易にした。セラミックヒータ２０は主な要素として、図面下から、セラミック基体１１、第１のヒータパターン２２用の第１のグリーンシート２１、第２のヒータパターン２４用の第２のグリーンシート２３，第３のヒータパターン２６用の第３のグリーンシート２５、吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎ用の第４のグリーンシート１５、セラミック吸着面体１７からなる。
【００３４】
セラミック基体１１とセラミック吸着面体１７は高純度のアルミナ粉末をプレス成形して作ることは段落番号〔００２３〕で説明したのと同じである。第１乃至第４のグリーンシート２１，２３，２５，１５を作る方法は段落番号〔００２４〕で述べたのと同じである。グリーンシート２１，２３，２５，１５上にそれぞれヒータパターン２２，２３，２５や膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎを形成し熱圧着することや、熱圧着したシートをセラミック基体１１とセラミック吸着面体１７で挟みアルミナスラリーで接着して一体に焼成することは段落番号〔００２５〕、〔００２６〕に記載した内容と同じである。
【００３５】
第１，第２，第３のグリーンシート２１，２３，２５上にはそれぞれ異なった形状のヒータパターン２２，２４，２６がタングステン（Ｗ）メタライズインクによるスクリーン印刷法により形成される。各ヒータパターン２２，２４，２６は異なった模様を描くものの、グリーンシートの外側端にあるスルーホール２１Ａ、２３Ａ，２５Ａから始まって中心にあるスルーホール２１Ｂ、２３Ｂ、２５Ｂに至る一筆書きのパターンを形成している。外側端にあるスルーホール２１Ａ、２３Ａ，２５Ａはセラミック基体１１の外側のスルーホール１１Ａに、中心のスルーホール２１Ｂ、２３Ｂ、２５Ｂはセラミック基体１１の中心のスルーホール１１Ｂに、それぞれメタライズインクを充填されることにより接続されるから、上記３つのヒータパターン２２，２４，２６は電気的に並列に接続されることになる。
【００３６】
また、３つのグリーンシート２１，２３，２５の層の上の各ヒータパターン２２，２４，２６は、出発点と終点との近傍を除き、吸着面１８の上から見て重ならないように形成されている。図４は吸着面１８の上から透視して各ヒータパターン２２，２４，２６を見た状態を示す仮想的な平面図である。ヒータパターン２２，２４，２６にはそれぞれ異なったハッチングを施して識別できるようにしているが、それでもヒータパターンが見づらいので容赦されたい。セラミック基体１１の外縁付近にあるスルーホール１１Ａから出発するヒータパターンは、最外周のヒータパターン２６（第３のグリーンシート２５上）と、その内側のヒータパターン２４（第２のグリーンシート２３上）と、最内周のヒータパターン２２（第１のグリーンシート上）との３つのヒータパターンに分岐する。各ヒータパターン２２，２４，２６は、図３に示すように、独自の螺旋模様を描いてセラミック基体１１の中心付近に集まる。中心付近に集まった各ヒータパターン２２，２４，２６は中心のスルーホール１１Ｂで一つになる。スルーホール１１Ｃ、１１Ｄは膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎに接続するためのものである。
【００３７】
ここでは、３つのヒータパターン２２，２４，２６が電気的に並列に接続されていることと、３つのヒータパターン２２，２４，２６により吸着面１８の全面積が殆ど覆われていることに注意されたい。
【００３８】
本実施の形態の利点について説明する。３層のヒータ層（グリーンシート２１，２３，２５）のヒータパターン２２，２４，２６が電気的に並列に接続されているから、各ヒータパターン２２，２４，２６の発熱が平準化し、一部のヒータパターンのみが過熱することがない。これは、ヒータパターンを構成するタングステン（Ｗ）メタライズが正の温度抵抗係数を有するため、もし仮に直列に接続したとすると、一部のヒータパターンの温度が上昇すると温度の上昇に比例して抵抗値Ｒが上昇し、発熱量はＩ2 Ｒに比例するからさらに発熱量が上昇して、一部のヒータパターンのみが過熱することになる。本実施の形態ではヒータパターンが並列に接続されているから、この様なことは起こり得ない。一部のヒータパターンの温度が上昇すると温度の上昇に比例して抵抗値Ｒが上昇し、そのヒータパターンを流れる電流が減少するため発熱量が低下する。このため各ヒータパターン２２，２４，２６の発熱量が平準化し、結果として、吸着面１８の温度分布が均一化することになる。
【００３９】
さらに、３つのヒータパターン２２，２４，２６により吸着面１８の全面積が殆ど覆われているから、吸着面１８の直下にヒータパターンが必ずあることになり、吸着面１８の温度分布の均一化がさらに容易になることになる。
【００４０】
考えとしては、一つのヒータパターンで吸着面１８の直下を全て覆うパターンを考えられないわけではないが、スクリーン印刷でメタライズされたヒータパターンをグリーンシートの面積の１／３以上の面積に作成することは技術的な困難を伴う。したがって、本実施の形態のようにヒータパターンを３分割し、それぞれ異なったグリーンシート上にヒータパターンを形成するのが実用的に優れている。
【００４１】
また、本実施の形態は、図３に示すように、膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎを備えているから、段落番号〔００２９〕で述べたように、両パターン１６Ｐ、１６Ｎに高電圧を印加することにより、吸着面１８に載置したシリコンウエハを吸引することができる。さらに、各グリーンシート２１，２３，２５，１５がアルミナで構成されているから、十分耐熱性のあるセラミックヒータ２０を安価に提供することができる。
【００４２】
図５は第３の実施の形態に係るセラミックヒータ３０を示す断面図であり、図６は図５のＸ方向矢視図（平面図）である。このセラミックヒータ３０は、図１で示したセラミックヒータ体（セラミックヒータ）１０を円筒形状の支持体３２で支承し一体化したものである。セラミックヒータ体１０は図１で説明したように内部にヒータパターン（抵抗発熱体）１４及び膜状静電吸着パターン１６Ｐ、１６Ｎを備えている。円板形状のセラミックヒータ体１０の上には熱伝導度の高い窒化アルミニウムからなるセラミック板３３が密着して設置される。円板形状のセラミックヒータ体１０はその周縁を円筒形状の支持体３２のつば部３２Ａに支承されている。円筒形状の支持体３２はアルミナセラミックにより構成されている。支持体３２は、その底部を半導体製造装置の取り付け部３１に固定される。セラミックヒータ３０はその周りを半導体製造装置の筐体５１で囲われ高真空のチェンバー５０を構成する、セラミックヒータ体１０の下方で支持体３２の円筒部に囲まれた空間は大気圧にされ、空気断熱層４０を構成している。
【００４３】
図６はセラミックヒータ３０の平面図である。支持体３２には内周方向に突出した位置決め用のノッチ３５が一体に形成され、セラミックヒータ体１０及びセラミック板３３にはノッチ３５に対応した凹部が形成され、支持体３２に対するセラミックヒータ体１０及びセラミック板３３の位置決めを正確に行うようにされている。
【００４４】
このような支持体３２とセラミックヒータ体１０とが一体となったセラミックヒータ３０を製造するには２つの方法がある。第１の方法は焼成前のセラミックヒータ体１０と支持体３２とをセラミックスラリーで接合し、一体に焼成してしまう方法である。第２の方法は支持体３２とセラミックヒータ体１０とをそれぞれ別個に焼成し、焼成したものをそれぞれ研磨して寸法精度を確保して組み合わせる方法である。
【００４５】
第１の方法について説明する。セラミックヒータ体１０の中間品は段落番号〔００２３〕、〔００２４〕、〔００２５〕で述べたようにして製作する。また、支持体３２は、アルミナ粉末に、酸化マグネシウムＭｇＯを１ｗｔ％（重量比、以下同じ）、酸化珪素（シリカ）ＳｉＯ4 を４ｗｔ％、を混合してボールミルで５０〜８０時間湿式粉砕した後、脱水乾燥する。この粉末をプレス加工により円筒形状に成形する。つぎに、段落番号〔００２４〕で述べたアルミナスラリーを、セラミックヒータ体１０（シート形成品）と支持体３２（プレス成形品）との間に塗布し、接着する。そして、接着したものを還元雰囲気にて、１４００〜１６００°Ｃにて一体に焼成する。焼成したものは、セラミックヒータ体１０の吸着面１８の平面度が３０ミクロン以下となるように研磨する。次に、スルーホール１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに充填されたメタライズインクが焼成してできた端子部分にニッケルメッキを施し、さらにニッケルピンをロウ付けして端子１１Ａ′，１１Ｂ′，１１Ｃ′，１１Ｄ′とする。最後に、シリコンウエハの載置面の温度分布が均一になるように、図５に示すように、窒化アルミニウムからなるセラミック板３３を載置する。
【００４６】
第２の方法について説明する。セラミックヒータ体１０は段落番号〔００２３〕、〔００２４〕、〔００２５〕〔００２６〕で述べたようにして焼成して製作する。そして、焼成したセラミックヒータ体１０の外筒研磨を行い、外形寸法精度を確保する。また、そのとき、位置決め用のノッチ３５に嵌合する凹部も研磨により設ける。支持体３２は、段落番号〔００４５〕で述べたようにして円筒形状のプレス成形品を作る。この円筒形状のプレス成形品を大気中にて焼成し、円筒形状のセラミック成形体を得る。この焼成したセラミック成形体の、セラミックヒータ体１０が載置される部分（つば部３２Ａ近傍）の内筒研磨を行い、内径寸法精度を確保する。また、そのとき、位置決め用のノッチ３５の凸部も研磨により設ける。そして、位置決め用のノッチ３５の凹凸を合わせて、セラミックヒータ体１０と支持体３２を一体に組み込む。
【００４７】
セラミックヒータ体１０の吸着面１８の温度分布の均一さを確保する目的で、熱伝導度の高い窒化アルミニウムからなるセラミック板３３をセラミックヒータ体１０の上面または下面に載置する。このとき、窒化アルミニウムからなるセラミック板３３にもセラミックヒータ体１０と同様に位置決め用のノッチ３５と係合する凹部を研磨により設けておく。また、温度分布をさらに均一にする目的で、セラミックヒータ体１０の吸着面１８とセラミック板３３の接触面は、研磨して平面度を向上させ接触率を上げることが好ましい。
【００４８】
上記の例では円筒形状の支持体３２をアルミナのプレス成形品で構成したが、支持体の本体を金属で作成し、その金属体の上にアルミナ等のセラミックを溶射して表面を絶縁物としたものにしても良い。
【００４９】
本実施の形態の利点について説明する。円筒形状の支持体３２によりセラミックヒータ体１０が支持されているから、高温になるセラミックヒータ体１０の吸着面１８から低温の装置の取り付け部３１までの距離を稼ぐことができ、セラミックヒータ体１０の厚さ方向の温度勾配を緩和することができる。このため熱膨張差による熱応力を大幅に緩和することができ、セラミックヒータ３０の信頼性が大幅に向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るセラミックヒータの製造工程を説明する分解斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係るセラミックヒータを下から見た斜視図である。
【図３】第２の実施の形態に係るセラミックヒータの製造工程を説明する分解斜視図である。
【図４】吸着面の上から透視して各ヒータパターンを見た状態を示す仮想的な平面図である。
【図５】第３の実施の形態に係るセラミックヒータを示す断面図である。
【図６】図５のＸ方向矢視図であり平面図である。
【符号の説明】
１０ セラミックヒータ（セラミックヒータ体）
１１ セラミック基体
１３ 第１のグリーンシート
１４ ヒータパターン（抵抗発熱体）
１５ 第２のグリーンシート
１６Ｐ、１６Ｎ 膜状静電吸着パターン
１７ セラミック吸着面体
１８ 吸着面
２１ 第１のグリーンシート
２２ 第１のヒータパターン
２３ 第２のグリーンシート
２４ 第２のヒータパターン
２５ 第３のグリーンシート
２６ 第３のヒータパターン
３１ 取り付け部
３２ 支持体
３３ セラミック板
３５ ノッチ
４０ 空気断熱層
Claims (6)
- アルミナ、ムライト、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化珪素等からなるセラミックヒータ体と、前記セラミックヒータ体の内部に埋設された抵抗発熱体とを備え、前記セラミックヒータ体の一方の面に被加工物たるウエハを吸着可能な吸着面が形成されていること、を特徴とするセラミックヒータにおいて、
前記セラミックヒータ体が複数層のセラミックスのグリーンシートを積層して構成された部分を有し、
前記抵抗発熱体が前記グリーンシート上にスクリーン印刷法により形成されメタライズされたヒータパターンであり、
前記ヒータパターン及びグリーンシートからなるヒータ層が複数層あり、
前記複数層のヒータ層のヒータパターンが、前記吸着面の上方から見て重ならないように配置されていることを特徴とするセラミックヒータ。 - 前記複数層のヒータ層のヒータパターンが、電気的に並列に接続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ヒータ。
- 前記重ならないように配置されたヒータパターンの全面積が、前記吸着面の面積の２／３以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックヒータ。
- 前記重ならないように配置されたヒータパターンの全面積が、前記吸着面の全面積と略等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックヒータ。
- 前記セラミックヒータ体の内部で前記吸着面の近傍に、電圧を印加可能な膜状静電吸着パターンが形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のセラミックヒータ。
- 前記グリーンシートがアルミナにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のセラミックヒータ。
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