JP3793555B2 - 円盤状ヒータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体製造装置の製造工程におけるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置やプラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置に用いられるウエハ加熱装置などとして使用される円盤状のヒータに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、半導体素子の製造工程で使用されるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置やプラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置においては、デポジション用ガスやエッチング用ガスあるいはクリーニング用ガスとして塩素系やフッ素系の腐食性ガスが使用されていた。
【０００３】
そして、これらのガス雰囲気中で半導体ウエハ（以下、ウエハと称する）を保持し処理温度に加熱するためのウエハ加熱装置として発熱抵抗体を内蔵したステンレスヒータや、赤外線ランプによって加熱するグラファイト製ヒータなどが使用されていた。しかしながら、ステンレスヒータは、上記の腐食ガスによって腐食摩耗が生じ、パーティクルを発生する問題があり、グラファイト製ヒータは耐食性には優れるが間接的に加熱するために熱効率が悪く、昇温速度が遅いといった問題があった。
【０００４】
そこで、このような問題を解決するために、円盤状をした緻密質セラミック基体の上面をウエハの支持面とするとともに、その内部に発熱抵抗体を埋設したウエハ加熱装置用ヒータが提案されている。
【０００５】
ウエハ加熱装置として使用されるヒータは、高い均熱性が要求され、特に円形のウエハを処理する為には、ウエハの温度分布がなるべく同心円に近いことが必要であり、局所的なホットスポット、コールドスポットの解消は設計上の重要課題である。
【０００６】
そこで、特開平６−７６９２４号では、抵抗線を部分的に同心円となる円弧状に形成し、各円弧を直列接続するために、内側と外側の円弧を順次接続する接続部を設けたヒータが提案されている。しかし、この構造では、ヒータパターンが渦巻き状であるために、パターンの開始端と終端が円盤の中央と外周に離れてしまい、給電線の引き回しが周囲の構造を制約するという問題があった。
【０００７】
また、これらの問題を解決するために、本出願人は、先に図４に示すように、絶縁基板１０内に発熱抵抗体１１をスクリーン印刷法によって形成することでヒータパターンの形状自由度を増し、中心部に一対の給電端子１２を配置し、同心円部１３と折り返し直線部１４との組み合わせによって、直列回路に結線したウエハ加熱装置を提案した（特願平９−３６００９２号）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特願平９−３６００９２号のウエハ加熱装置は、支持面に載置されるウエハの均一加熱性において不十分であることがわかった。ウエハ載置面における温度分布を赤外線放射温度計で測定したところ、パターン内に形成されている折り返し部の近傍で温度分布が不均一になっており、ホットスポットおよびコールドスポットが存在していることが判った。
【０００９】
上記の現象について、本発明者は有限要素法によるシミュレーションを利用して検討した結果、ヒータパターンの同心円部と折り返し部の電流密度の不均一が原因であることを突き止めた。
【００１０】
これは図５に示す発熱抵抗体の電流分布で説明することができる。図５における矢印の向きは、図４の発熱抵抗体１１を流れる電流の方向を示し、矢印の長さは電流の大きさを表している。すなわち、発熱抵抗体１１内を流れる電流はパターン内の最短経路をとろうとする為に、同心円部１３と折り返し直線部１４とで構成されるヒータパターンでは、同心円部と折り返し部の接続部の内側コーナーａに電流が多く流れ、外側コーナーｂに流れる電流は少なくなる。
【００１１】
その為、このような折り返し部では、発熱抵抗体の発熱が不均一となり、内側コーナーａがホットスポットに、外側コーナーｂがコールドスポットとなる。その為、ヒータのウエハ支持面に温度のムラが発生し、これがウエハを均一に加熱することを困難にしていた。
【００１２】
特に、図４に示すような発熱抵抗体のパターンを採用した場合には、ホットスポットが円周上の特定の位置に発生してしまい、温度分布が同心円状にならない。その為、ウエハ上に均一な厚みの膜を形成することができず、或いはエッチング加工では加工精度のばらつきが大きくなり、歩留まりが悪かった。
【００１３】
本発明は、ウエハなどの加熱装置として好適に用いられ、局所的なホットスポットやコールドスポットの発生を抑制した均熱性に優れた円盤状ヒータを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、円盤状セラミック基体の上面を加熱面とし、該基体内部に発熱抵抗体を埋設してなる円盤状ヒータにおいて、前記発熱抵抗体が、円盤中心から放射状に形成された複数の発熱部が等しい角度間隔で同心円領域に配置された複数のリング状発熱ゾーンと、前記発熱部のうち近接する２つの発熱部を接続するように前記リング状発熱ゾーンの両側に交互に配設された、幅の広い円弧状で前記発熱部よりも低抵抗の複数の接続導体部と、前記リング状発熱ゾーン間を接続する、前記発熱部よりも低抵抗のゾーン間接続導体とを具備してなり、前記複数の発熱部、前記複数の接続導体部および前記ゾーン間接続導体が、円盤の中央部に設けられた一対の給電電極間に全て直列接続されてなることにより、上記目的を達成できることを見いだした。
【００１５】
なお、かかる構成において、前記リング状発熱ゾーンの半径方向のゾーン幅が、隣接する前記リング状発熱ゾーン間の間隔の０．１倍以上であること、前記接続導体部の線幅が前記発熱部の線幅の２倍以上であること、前記各リング状発熱ゾーン内に前記発熱部が等しい角度間隔で６個以上配置されてなること、前記ゾーン間接続導体の幅／長さ比率が０．２以上であること、前記発熱抵抗体が、前記円盤状セラミック基体と同時焼成して形成されてなることのうち、少なくとも１つ以上の特徴を具備することが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の円盤状ヒータの一実施形態の全体構成を示す（ａ）概略斜視図と（ｂ）概略断面図であり、図２は、図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体のパターンを説明するための平面図である。また、図３は図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体のパターンの発熱ゾーンを説明するための平面図である。
【００１７】
図１、図２の円盤状ヒータ１は、緻密質のセラミック基体２からなり、上面をウエハＷの加熱面３とするとともに、その内部に発熱抵抗体４を埋設してある。なお、円盤状ヒータ１のほぼ中央部には、発熱抵抗体４に通電するための一対の給電端子５が取り付けられており、給電端子５に電圧を印加して発熱抵抗体４を発熱させることにより加熱面３に載置したウエハＷを均一に加熱するようになっている。
【００１８】
このような円盤状ヒータ１を構成するセラミック基体２の材質としては、耐摩耗性、耐熱性に優れたアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムを用いることができ、特に窒化アルミニウムは５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、特に１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高い熱伝導率を持つものがあり、更にフッ素系や塩素系の腐食ガスに対する耐食性や耐プラズマ性にも優れることから、セラミック基体２の材質として好適である。具体的には、純度９９．７％以上を有する高純度窒化アルミニウムやＹ２Ｏ３やＥｒ２Ｏ３などの焼結助剤を含有する窒化アルミニウムを用いることが好適である。
【００１９】
また、セラミック基体２に埋設する発熱抵抗体４を構成する材質としては、タングステン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属やこれらの合金、あるいは周期律表第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族の炭化物や窒化物を用いることができ、セラミック基体２との熱膨張差が小さいものを適宜選択して使用すれば良い。
【００２０】
本発明の上記構成からなる円盤状ヒータ１によれば、発熱抵抗体４は図２および図３に示すように、複数の発熱部６が等しい角度間隔で同心円領域に配置された複数のリング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２が形成されており、各リング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２の両側には、発熱ゾーンＡ１、Ａ２内の複数の発熱部６のうち近接する２つの発熱部６を接続するために設けられ、比較的幅の広い円弧体から構成された低抵抗の接続導体部７が各発熱ゾーンＡ１、Ａ２の両側に複数の同心円状に配置されている。
【００２１】
また、発熱ゾーンＡ1 、Ａ2 間を接続するために所定箇所にゾーン間接続導体８が設けられ、さらに円盤のほぼ中央部には、一対の給電電極９ａ、９ｂが設けられている。そして、最終的に発熱抵抗体４は、給電電極９ａ、９ｂから、発熱部６、接続導体部７、ゾーン間接続導体８はすべて直列に接続されている。抵抗発熱体４の終端となる給電電極９ａ、９ｂは、セラミック基体２に設けたスルーホールを通して、セラミック基体２の裏面に貫通し、給電端子５に接続される。
【００２２】
図２および図３についてさらに具体的に説明すると、リング状発熱ゾーンＡは、円盤中心から同心円状に２つのゾーンＡ１、Ａ２が形成されており、各リング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２の内側と外側にそれぞれ接続導体部７が等間隔に交互に配列してなるリング状接続ゾーンＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４が配設されている。また、リング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２中の発熱部６は、いずれも直線形状からなり、円盤中心から放射状に等しい角度間隔で形成されている。また、隣接する発熱部６の端部と、接続ゾーンＢ内の独立した円弧状の接続導体部７の端部とを交互に接続しあい、結果として１つの直列回路を形成している。なお、発熱部６は図２では直線形状であるが、抵抗値を調整する目的で折り返し部を設けても良い。
【００２３】
本発明によれば、上記のように接続された発熱ゾーンＡと接続ゾーンＢとを設け、発熱ゾーンＡ内に等しい角度間隔で配置された発熱部６が発熱する際に、発熱部６と接続導体部７との接続部におけるコーナー部で図５で説明したような原理から電流密度が高くなり、その部分がホットスポットとなるが、発熱部６の線幅が細く、電流密度が高いために、発熱部６全体がホットスポットとなり、コールドスポットの発生を抑制することができ、加熱面における円周方向の温度分布を均一化することができるのである。
【００２４】
本発明の円盤状ヒータにおいては、加熱面３の半径方向の温度分布を均一にする必要から、前記複数のリング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２の半径方向におけるゾーン幅ｘが隣接するリング状発熱ゾーンＡ １ 、Ａ ２ 間の間隔ｙの０．１以上、特に０．２以上であることが望ましい。
【００２５】
また、ホットスポットとなる直線状の発熱部６はできるだけ多い方が良く、１つのリング状発熱ゾーンＡ1 およびゾーンＡ2 には少なくとも６個以上の発熱部６を等しい角度間隔で円周上に配置することが望ましい。
【００２６】
また、図２および図３のように、半径の異なる複数のリング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２が形成されている場合には、内側のリング状発熱ゾーンＡ２と外側のリング状発熱ゾーンＡ１では、発熱部６の数は外側のリング状発熱ゾーンＡ１の方を多くする必要があり、望ましくは発熱ゾーンＡの中心部の半径と発熱部６の数は比例するのが良い。
【００２７】
さらに、図２および図３では、２つのリング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２が異なる半径部分に形成されているが、この場合に外側の発熱ゾーンＡ１と内側の発熱ゾーンＡ２とを直列接続するためには、内側の発熱ゾーンＡ２の外側に接する接続ゾーンＢ３および外側の発熱ゾーンＡ１の内側に接する接続ゾーンＢ２を各々同じ部分で分割して、電気的に絶縁し、接続ゾーンＢ２内の接続導体部７と接続ゾーンＢ３内の接続導体部７とを接続すれば良い。
【００２８】
この時、ゾーン間接続導体８の発熱は同心円状の温度分布を崩すおそれがあるので、ゾーン間接続導体８の電気抵抗を発熱部６の抵抗の５０％以下に抑えることが望ましい。かかる観点からゾーン間接続導体８の幅／長さ比率が０．２以上であることが望ましい。
【００２９】
また、一般に円盤状ヒータからの放熱は、円盤の外周側の方が大きいため、温度分布を均一にする為には、外周側のリング状発熱ゾーンＡ1 の発熱量を多くする必要がある。その場合には、外側のリング状発熱ゾーンＡ1 の発熱部６の幅を狭めることで抵抗値を高めに調整すれば良い。
【００３０】
また、接続導体部７は、発熱量を抑えるために、発熱部６より低い電気抵抗となるように形成する必要があり、特に発熱部６の電気抵抗は接続導体部７の電気抵抗の２倍以上であることが望ましく、発熱部６と同一材質、同一厚さを持つ場合には、少なくとも２倍以上の線幅によって構成することが望ましい。また、発熱部６と接続導体部７とは、抵抗の異なる導体材料によって形成することも可能である。
【００３１】
なお、接続導体部７の縁部は必ずしも円弧状である必要はなく、直線状であっても構わないが、ホットスポットの発生箇所を同心円上に均一に配置する必要から、同一円上での回転移動に対して幾何学的に略合同となる、即ち、形成される略多角形が略正多角形となっていることが望ましい。
【００３２】
本発明の円盤状ヒータは、例えば、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムなどを主成分とするセラミック粉末を所定の円盤形状に成形した後、その表面に、前述したようなタングステン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属などの導体材料を含有する導体ペーストを図２に示すように印刷塗布し、その上に上記セラミック粉末の成形体を積層またはスラリーを塗布した後、セラミック基体と同時焼成によって形成することができる。また、他の方法としては、発熱抵抗体を圧延などで薄板状に成形体したものをプレス、化学エッチングなどで所望のパターンに成形したもの、または粉末冶金などで予め発熱体形状に成形したものをセラミック基体と同時焼成することによって作製することができる。
【００３３】
【実施例】
本発明の円盤状ヒータによる効果を確認するために、セラミック基体として窒化アルミニウムセラミックスを使用して直径が２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤状ヒータを以下のようにして作製した。
【００３４】
まず、ドクターブレード法によって成形した窒化アルミニウムグリーンシートを積層し、スルーホール加工を施した後、一方の面に発熱抵抗体としてタングステンを主成分とする導体ペーストを印刷し、更にその上に窒化アルミニウム成形体を積層、密着し、円盤形状に加工した。これを脱脂した後、常圧焼結法によって１７００℃で同時焼成した。焼成後の焼結体は両主面を平面研削した後、給電端子をろう付けした。
【００３５】
なお、発熱抵抗体のパターンにおいて、発熱部６の形状は厚さ０．０１ｍｍ、幅５ｍｍとした。そして、リング状発熱ゾーンの数、発熱部の幅（５ｍｍ）に対する円弧状の接続導体部の幅比率、リング状発熱ゾーンの発熱部の個数、リング状発熱ゾーンの半径方向におけるゾーン幅ｘの隣接するリング状発熱ゾーン間の間隔ｙに対する比率、ゾーン間接続導体の幅／長さ比率を表１のように変えた複数の円盤状ヒータを作製した。
【００３６】
そして、これらの円盤状ヒータを室温、大気圧の空気中で、強制対流のない状態で、ヒータ上面の最高温度が２００℃となるように給電端子に電力を印加し、上面の温度分布を赤外線放射温度計で測定し、最高温度と最低温度の差を温度バラツキとした。表１にその結果を示す。
【００３７】
なお、比較例として、図４に示した発熱抵抗体パターンを印刷した円盤状ヒータを作製し、同様の評価を行った。
【００３８】
【表１】
【００３９】
この結果によれば、発熱ゾーンが１つしかない場合（試料Ｎｏ．８）、または図４に示すようにすべてが高抵抗領域からなり、折り返し部を有するパターン（試料Ｎｏ．９）では、温度のバラツキが大きいものであった。これに対して、本発明では、これらに比較して温度のバラツキを低減でき（試料Ｎｏ．１〜７）、特に、リング状発熱ゾーンの半径方向におけるゾーン幅が、隣接する前記リング状発熱ゾーン間の間隔の０．１以上、接続導体部の線幅が前記発熱部の線幅よりも２倍以上、各リング状発熱ゾーン内の発熱部数が６個以上、発熱ゾーン間を接続するゾーン間接続導体の幅／長さ比率が０．２以上のものは、温度バラツキを１０℃以下に制御することができた（試料Ｎｏ．１〜４）。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、局所的なホットスポットやコールドスポットの発生を抑制し、同心円状に円盤中心から放射状に形成された複数の発熱部を具備する複数のリング状発熱ゾーンを設け、リング状発熱ゾーンの両側に交互に配設された、幅の広い円弧状で発熱部よりも低抵抗の複数の接続導体部によって、発熱部のうち近接する２つの発熱部を接続して、発熱部をそれ以外の部分に比べて高い発熱密度を持つホットスポットとし、この発熱部を等しい角度間隔で配置することによって、同心円上における均熱性に優れ、全体としての温度バラツキの小さい円盤状ヒータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の円盤状ヒータの全体構造を示す（ａ）概略斜視図と（ｂ）概略断面図である。
【図２】 図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを説明するための平面図である。
【図３】 図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンの発熱ゾーンを説明するための平面図である。
【図４】 従来の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを示す図である。
【図５】 図４の円盤状ヒータの同心円部と折り返し部の接続部における電流分布を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 円盤状ヒータ
２ セラミック基体
３ 加熱面
４ 発熱抵抗体
４ａ リング状発熱ゾーン
４ｂ リング状接続ゾーン
５ 給電端子
６ 発熱部
７ 接続導体部
８ ゾーン間接続導体
９ａ，９ｂ 給電電極
Ｗ ウエハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体製造装置の製造工程におけるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置やプラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置に用いられるウエハ加熱装置などとして使用される円盤状のヒータに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、半導体素子の製造工程で使用されるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置やプラズマエッチング、光エッチングなどのエッチング装置においては、デポジション用ガスやエッチング用ガスあるいはクリーニング用ガスとして塩素系やフッ素系の腐食性ガスが使用されていた。
【０００３】
そして、これらのガス雰囲気中で半導体ウエハ（以下、ウエハと称する）を保持し処理温度に加熱するためのウエハ加熱装置として発熱抵抗体を内蔵したステンレスヒータや、赤外線ランプによって加熱するグラファイト製ヒータなどが使用されていた。しかしながら、ステンレスヒータは、上記の腐食ガスによって腐食摩耗が生じ、パーティクルを発生する問題があり、グラファイト製ヒータは耐食性には優れるが間接的に加熱するために熱効率が悪く、昇温速度が遅いといった問題があった。
【０００４】
そこで、このような問題を解決するために、円盤状をした緻密質セラミック基体の上面をウエハの支持面とするとともに、その内部に発熱抵抗体を埋設したウエハ加熱装置用ヒータが提案されている。
【０００５】
ウエハ加熱装置として使用されるヒータは、高い均熱性が要求され、特に円形のウエハを処理する為には、ウエハの温度分布がなるべく同心円に近いことが必要であり、局所的なホットスポット、コールドスポットの解消は設計上の重要課題である。
【０００６】
そこで、特開平６−７６９２４号では、抵抗線を部分的に同心円となる円弧状に形成し、各円弧を直列接続するために、内側と外側の円弧を順次接続する接続部を設けたヒータが提案されている。しかし、この構造では、ヒータパターンが渦巻き状であるために、パターンの開始端と終端が円盤の中央と外周に離れてしまい、給電線の引き回しが周囲の構造を制約するという問題があった。
【０００７】
また、これらの問題を解決するために、本出願人は、先に図４に示すように、絶縁基板１０内に発熱抵抗体１１をスクリーン印刷法によって形成することでヒータパターンの形状自由度を増し、中心部に一対の給電端子１２を配置し、同心円部１３と折り返し直線部１４との組み合わせによって、直列回路に結線したウエハ加熱装置を提案した（特願平９−３６００９２号）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特願平９−３６００９２号のウエハ加熱装置は、支持面に載置されるウエハの均一加熱性において不十分であることがわかった。ウエハ載置面における温度分布を赤外線放射温度計で測定したところ、パターン内に形成されている折り返し部の近傍で温度分布が不均一になっており、ホットスポットおよびコールドスポットが存在していることが判った。
【０００９】
上記の現象について、本発明者は有限要素法によるシミュレーションを利用して検討した結果、ヒータパターンの同心円部と折り返し部の電流密度の不均一が原因であることを突き止めた。
【００１０】
これは図５に示す発熱抵抗体の電流分布で説明することができる。図５における矢印の向きは、図４の発熱抵抗体１１を流れる電流の方向を示し、矢印の長さは電流の大きさを表している。すなわち、発熱抵抗体１１内を流れる電流はパターン内の最短経路をとろうとする為に、同心円部１３と折り返し直線部１４とで構成されるヒータパターンでは、同心円部と折り返し部の接続部の内側コーナーａに電流が多く流れ、外側コーナーｂに流れる電流は少なくなる。
【００１１】
その為、このような折り返し部では、発熱抵抗体の発熱が不均一となり、内側コーナーａがホットスポットに、外側コーナーｂがコールドスポットとなる。その為、ヒータのウエハ支持面に温度のムラが発生し、これがウエハを均一に加熱することを困難にしていた。
【００１２】
特に、図４に示すような発熱抵抗体のパターンを採用した場合には、ホットスポットが円周上の特定の位置に発生してしまい、温度分布が同心円状にならない。その為、ウエハ上に均一な厚みの膜を形成することができず、或いはエッチング加工では加工精度のばらつきが大きくなり、歩留まりが悪かった。
【００１３】
本発明は、ウエハなどの加熱装置として好適に用いられ、局所的なホットスポットやコールドスポットの発生を抑制した均熱性に優れた円盤状ヒータを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、円盤状セラミック基体の上面を加熱面とし、該基体内部に発熱抵抗体を埋設してなる円盤状ヒータにおいて、前記発熱抵抗体が、円盤中心から放射状に形成された複数の発熱部が等しい角度間隔で同心円領域に配置された複数のリング状発熱ゾーンと、前記発熱部のうち近接する２つの発熱部を接続するように前記リング状発熱ゾーンの両側に交互に配設された、幅の広い円弧状で前記発熱部よりも低抵抗の複数の接続導体部と、前記リング状発熱ゾーン間を接続する、前記発熱部よりも低抵抗のゾーン間接続導体とを具備してなり、前記複数の発熱部、前記複数の接続導体部および前記ゾーン間接続導体が、円盤の中央部に設けられた一対の給電電極間に全て直列接続されてなることにより、上記目的を達成できることを見いだした。
【００１５】
なお、かかる構成において、前記リング状発熱ゾーンの半径方向のゾーン幅が、隣接する前記リング状発熱ゾーン間の間隔の０．１倍以上であること、前記接続導体部の線幅が前記発熱部の線幅の２倍以上であること、前記各リング状発熱ゾーン内に前記発熱部が等しい角度間隔で６個以上配置されてなること、前記ゾーン間接続導体の幅／長さ比率が０．２以上であること、前記発熱抵抗体が、前記円盤状セラミック基体と同時焼成して形成されてなることのうち、少なくとも１つ以上の特徴を具備することが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の円盤状ヒータの一実施形態の全体構成を示す（ａ）概略斜視図と（ｂ）概略断面図であり、図２は、図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体のパターンを説明するための平面図である。また、図３は図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体のパターンの発熱ゾーンを説明するための平面図である。
【００１７】
図１、図２の円盤状ヒータ１は、緻密質のセラミック基体２からなり、上面をウエハＷの加熱面３とするとともに、その内部に発熱抵抗体４を埋設してある。なお、円盤状ヒータ１のほぼ中央部には、発熱抵抗体４に通電するための一対の給電端子５が取り付けられており、給電端子５に電圧を印加して発熱抵抗体４を発熱させることにより加熱面３に載置したウエハＷを均一に加熱するようになっている。
【００１８】
このような円盤状ヒータ１を構成するセラミック基体２の材質としては、耐摩耗性、耐熱性に優れたアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムを用いることができ、特に窒化アルミニウムは５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、特に１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高い熱伝導率を持つものがあり、更にフッ素系や塩素系の腐食ガスに対する耐食性や耐プラズマ性にも優れることから、セラミック基体２の材質として好適である。具体的には、純度９９．７％以上を有する高純度窒化アルミニウムやＹ２Ｏ３やＥｒ２Ｏ３などの焼結助剤を含有する窒化アルミニウムを用いることが好適である。
【００１９】
また、セラミック基体２に埋設する発熱抵抗体４を構成する材質としては、タングステン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属やこれらの合金、あるいは周期律表第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族の炭化物や窒化物を用いることができ、セラミック基体２との熱膨張差が小さいものを適宜選択して使用すれば良い。
【００２０】
本発明の上記構成からなる円盤状ヒータ１によれば、発熱抵抗体４は図２および図３に示すように、複数の発熱部６が等しい角度間隔で同心円領域に配置された複数のリング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２が形成されており、各リング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２の両側には、発熱ゾーンＡ１、Ａ２内の複数の発熱部６のうち近接する２つの発熱部６を接続するために設けられ、比較的幅の広い円弧体から構成された低抵抗の接続導体部７が各発熱ゾーンＡ１、Ａ２の両側に複数の同心円状に配置されている。
【００２１】
また、発熱ゾーンＡ1 、Ａ2 間を接続するために所定箇所にゾーン間接続導体８が設けられ、さらに円盤のほぼ中央部には、一対の給電電極９ａ、９ｂが設けられている。そして、最終的に発熱抵抗体４は、給電電極９ａ、９ｂから、発熱部６、接続導体部７、ゾーン間接続導体８はすべて直列に接続されている。抵抗発熱体４の終端となる給電電極９ａ、９ｂは、セラミック基体２に設けたスルーホールを通して、セラミック基体２の裏面に貫通し、給電端子５に接続される。
【００２２】
図２および図３についてさらに具体的に説明すると、リング状発熱ゾーンＡは、円盤中心から同心円状に２つのゾーンＡ１、Ａ２が形成されており、各リング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２の内側と外側にそれぞれ接続導体部７が等間隔に交互に配列してなるリング状接続ゾーンＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４が配設されている。また、リング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２中の発熱部６は、いずれも直線形状からなり、円盤中心から放射状に等しい角度間隔で形成されている。また、隣接する発熱部６の端部と、接続ゾーンＢ内の独立した円弧状の接続導体部７の端部とを交互に接続しあい、結果として１つの直列回路を形成している。なお、発熱部６は図２では直線形状であるが、抵抗値を調整する目的で折り返し部を設けても良い。
【００２３】
本発明によれば、上記のように接続された発熱ゾーンＡと接続ゾーンＢとを設け、発熱ゾーンＡ内に等しい角度間隔で配置された発熱部６が発熱する際に、発熱部６と接続導体部７との接続部におけるコーナー部で図５で説明したような原理から電流密度が高くなり、その部分がホットスポットとなるが、発熱部６の線幅が細く、電流密度が高いために、発熱部６全体がホットスポットとなり、コールドスポットの発生を抑制することができ、加熱面における円周方向の温度分布を均一化することができるのである。
【００２４】
本発明の円盤状ヒータにおいては、加熱面３の半径方向の温度分布を均一にする必要から、前記複数のリング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２の半径方向におけるゾーン幅ｘが隣接するリング状発熱ゾーンＡ １ 、Ａ ２ 間の間隔ｙの０．１以上、特に０．２以上であることが望ましい。
【００２５】
また、ホットスポットとなる直線状の発熱部６はできるだけ多い方が良く、１つのリング状発熱ゾーンＡ1 およびゾーンＡ2 には少なくとも６個以上の発熱部６を等しい角度間隔で円周上に配置することが望ましい。
【００２６】
また、図２および図３のように、半径の異なる複数のリング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２が形成されている場合には、内側のリング状発熱ゾーンＡ２と外側のリング状発熱ゾーンＡ１では、発熱部６の数は外側のリング状発熱ゾーンＡ１の方を多くする必要があり、望ましくは発熱ゾーンＡの中心部の半径と発熱部６の数は比例するのが良い。
【００２７】
さらに、図２および図３では、２つのリング状発熱ゾーンＡ１、Ａ２が異なる半径部分に形成されているが、この場合に外側の発熱ゾーンＡ１と内側の発熱ゾーンＡ２とを直列接続するためには、内側の発熱ゾーンＡ２の外側に接する接続ゾーンＢ３および外側の発熱ゾーンＡ１の内側に接する接続ゾーンＢ２を各々同じ部分で分割して、電気的に絶縁し、接続ゾーンＢ２内の接続導体部７と接続ゾーンＢ３内の接続導体部７とを接続すれば良い。
【００２８】
この時、ゾーン間接続導体８の発熱は同心円状の温度分布を崩すおそれがあるので、ゾーン間接続導体８の電気抵抗を発熱部６の抵抗の５０％以下に抑えることが望ましい。かかる観点からゾーン間接続導体８の幅／長さ比率が０．２以上であることが望ましい。
【００２９】
また、一般に円盤状ヒータからの放熱は、円盤の外周側の方が大きいため、温度分布を均一にする為には、外周側のリング状発熱ゾーンＡ1 の発熱量を多くする必要がある。その場合には、外側のリング状発熱ゾーンＡ1 の発熱部６の幅を狭めることで抵抗値を高めに調整すれば良い。
【００３０】
また、接続導体部７は、発熱量を抑えるために、発熱部６より低い電気抵抗となるように形成する必要があり、特に発熱部６の電気抵抗は接続導体部７の電気抵抗の２倍以上であることが望ましく、発熱部６と同一材質、同一厚さを持つ場合には、少なくとも２倍以上の線幅によって構成することが望ましい。また、発熱部６と接続導体部７とは、抵抗の異なる導体材料によって形成することも可能である。
【００３１】
なお、接続導体部７の縁部は必ずしも円弧状である必要はなく、直線状であっても構わないが、ホットスポットの発生箇所を同心円上に均一に配置する必要から、同一円上での回転移動に対して幾何学的に略合同となる、即ち、形成される略多角形が略正多角形となっていることが望ましい。
【００３２】
本発明の円盤状ヒータは、例えば、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、窒化アルミニウムなどを主成分とするセラミック粉末を所定の円盤形状に成形した後、その表面に、前述したようなタングステン、モリブデン、レニウム、白金等の高融点金属などの導体材料を含有する導体ペーストを図２に示すように印刷塗布し、その上に上記セラミック粉末の成形体を積層またはスラリーを塗布した後、セラミック基体と同時焼成によって形成することができる。また、他の方法としては、発熱抵抗体を圧延などで薄板状に成形体したものをプレス、化学エッチングなどで所望のパターンに成形したもの、または粉末冶金などで予め発熱体形状に成形したものをセラミック基体と同時焼成することによって作製することができる。
【００３３】
【実施例】
本発明の円盤状ヒータによる効果を確認するために、セラミック基体として窒化アルミニウムセラミックスを使用して直径が２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤状ヒータを以下のようにして作製した。
【００３４】
まず、ドクターブレード法によって成形した窒化アルミニウムグリーンシートを積層し、スルーホール加工を施した後、一方の面に発熱抵抗体としてタングステンを主成分とする導体ペーストを印刷し、更にその上に窒化アルミニウム成形体を積層、密着し、円盤形状に加工した。これを脱脂した後、常圧焼結法によって１７００℃で同時焼成した。焼成後の焼結体は両主面を平面研削した後、給電端子をろう付けした。
【００３５】
なお、発熱抵抗体のパターンにおいて、発熱部６の形状は厚さ０．０１ｍｍ、幅５ｍｍとした。そして、リング状発熱ゾーンの数、発熱部の幅（５ｍｍ）に対する円弧状の接続導体部の幅比率、リング状発熱ゾーンの発熱部の個数、リング状発熱ゾーンの半径方向におけるゾーン幅ｘの隣接するリング状発熱ゾーン間の間隔ｙに対する比率、ゾーン間接続導体の幅／長さ比率を表１のように変えた複数の円盤状ヒータを作製した。
【００３６】
そして、これらの円盤状ヒータを室温、大気圧の空気中で、強制対流のない状態で、ヒータ上面の最高温度が２００℃となるように給電端子に電力を印加し、上面の温度分布を赤外線放射温度計で測定し、最高温度と最低温度の差を温度バラツキとした。表１にその結果を示す。
【００３７】
なお、比較例として、図４に示した発熱抵抗体パターンを印刷した円盤状ヒータを作製し、同様の評価を行った。
【００３８】
【表１】
この結果によれば、発熱ゾーンが１つしかない場合（試料Ｎｏ．８）、または図４に示すようにすべてが高抵抗領域からなり、折り返し部を有するパターン（試料Ｎｏ．９）では、温度のバラツキが大きいものであった。これに対して、本発明では、これらに比較して温度のバラツキを低減でき（試料Ｎｏ．１〜７）、特に、リング状発熱ゾーンの半径方向におけるゾーン幅が、隣接する前記リング状発熱ゾーン間の間隔の０．１以上、接続導体部の線幅が前記発熱部の線幅よりも２倍以上、各リング状発熱ゾーン内の発熱部数が６個以上、発熱ゾーン間を接続するゾーン間接続導体の幅／長さ比率が０．２以上のものは、温度バラツキを１０℃以下に制御することができた（試料Ｎｏ．１〜４）。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、局所的なホットスポットやコールドスポットの発生を抑制し、同心円状に円盤中心から放射状に形成された複数の発熱部を具備する複数のリング状発熱ゾーンを設け、リング状発熱ゾーンの両側に交互に配設された、幅の広い円弧状で発熱部よりも低抵抗の複数の接続導体部によって、発熱部のうち近接する２つの発熱部を接続して、発熱部をそれ以外の部分に比べて高い発熱密度を持つホットスポットとし、この発熱部を等しい角度間隔で配置することによって、同心円上における均熱性に優れ、全体としての温度バラツキの小さい円盤状ヒータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の円盤状ヒータの全体構造を示す（ａ）概略斜視図と（ｂ）概略断面図である。
【図２】 図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを説明するための平面図である。
【図３】 図１の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンの発熱ゾーンを説明するための平面図である。
【図４】 従来の円盤状ヒータの発熱抵抗体パターンを示す図である。
【図５】 図４の円盤状ヒータの同心円部と折り返し部の接続部における電流分布を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 円盤状ヒータ
２ セラミック基体
３ 加熱面
４ 発熱抵抗体
４ａ リング状発熱ゾーン
４ｂ リング状接続ゾーン
５ 給電端子
６ 発熱部
７ 接続導体部
８ ゾーン間接続導体
９ａ，９ｂ 給電電極
Ｗ ウエハ
Claims (6)
- 円盤状セラミック基体の上面を加熱面とし、該基体内部に発熱抵抗体を埋設してなる円盤状ヒータにおいて、前記発熱抵抗体が、円盤中心から放射状に形成された複数の発熱部が等しい角度間隔で同心円領域に配置された複数のリング状発熱ゾーンと、前記発熱部のうち近接する２つの発熱部を接続するように前記リング状発熱ゾーンの両側に交互に配設された、幅の広い円弧状で前記発熱部よりも低抵抗の複数の接続導体部と、前記リング状発熱ゾーン間を接続する、前記発熱部よりも低抵抗のゾーン間接続導体とを具備してなり、前記複数の発熱部、前記複数の接続導体部および前記ゾーン間接続導体が、円盤の中央部に設けられた一対の給電電極間に全て直列接続されてなることを特徴とする円盤状ヒータ。
- 前記リング状発熱ゾーンの半径方向のゾーン幅が、隣接する前記リング状発熱ゾーン間の間隔の０．１倍以上であることを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
- 前記接続導体部の線幅が前記発熱部の線幅の２倍以上であることを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
- 前記各リング状発熱ゾーン内に前記発熱部が等しい角度間隔で６個以上配置されてなることを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
- 前記ゾーン間接続導体の幅／長さ比率が０．２以上であることを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
- 前記発熱抵抗体が、前記円盤状セラミック基体と同時焼成して形成されてなることを特徴とする請求項１記載の円盤状ヒータ。
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