JP3813381B2

JP3813381B2 - Multilayer ceramic heater

Info

Publication number: JP3813381B2
Application number: JP17954299A
Authority: JP
Inventors: 正樹狩野; 浩二萩原; 延男新井
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: JP2001006854A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の熱処理や光デバイスの製造工程に用いられるセラミックスヒーターに関し、特に、急速昇温及び急速冷却が行われる加熱源として好適な複層セラミックスヒーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体の熱処理に使用される抵抗加熱方式のヒーターとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、窒化硼素などの焼結セラミックスからなる支持基板にモリブデン、タングステンなどの高融点金属の線や箔を巻き付けるか又は接着し、その上に電気絶縁性のセラミックス板を載せたものが用いられている。また、電気絶縁性を有するセラミックス支持基板上に導電性セラミックスの発熱層を設け、この表面に電気絶縁性セラミックスの被覆保護層を形成した抵抗加熱方式のセラミックスヒーターが開発され、絶縁性及び耐食性を改善している。
【０００３】
しかし、絶縁性セラミックス支持基板には、通常、焼結セラミックスが使用されるが、これには焼結助剤が添加されているので、加熱時の不純物汚染や耐食性の低下が懸念される。さらに、焼結体であるため耐熱衝撃性にも問題がある。特に、大形の焼結体では、回避できない焼結の不均一さのために、基板が割れ易くなる等の不都合が懸念され、急激な昇温と冷却が行われるプロセスにおいては、ヒーターへ適用が困難である。
この問題を解決する方法として、熱化学気相蒸着法（熱ＣＶＤ法）により形成された熱分解窒化硼素支持基板の表面に、熱分解グラファイトからなるヒーターパターンを接合し、さらに、そのヒーターパターンを覆って支持基板と同じ熱分解グラファイトで保護層を形成した緻密な層状の膜でできた一体型の抵抗加熱方式の複合セラミックスヒーターが開発されている。
【０００４】
この複合セラミックスヒーターは、焼結助剤等の不純物を含まず、化学的に安定で熱衝撃にも強いため、急激な昇降温を必要とする様々な分野、特に、ウエハ等を一枚ずつ処理する枚葉処理プロセスにおいて、温度を段階的に変えて処理する連続プロセス等に幅広く使用されている。
また、このヒーターは、構成部材のすべてが熱ＣＶＤ法で作製され、粉末を焼結したセラミックスに特有の粒界が存在しないため、脱ガス現象がなく、真空内での処理プロセスにおいて、真空度に影響を与えない。
【０００５】
この複合セラミックスヒーターには、発熱層として熱分解グラファイトが埋設されている。この熱分解グラファイトは、抵抗率温度依存性が大きく、負の温度係数を有するので、温度上昇と共に抵抗率が低下するという特性を有する。このため、昇温や降温の際、電圧又は電流を調節して一定の温度になるように温度調節計等で制御しても、抵抗値が変わるため電力もそれに従って変化し、制御が困難である。
投入電力とヒーター温度とは密接な関係があり、例えば、急速に一定温度に昇温させて安定させるには、制御のプログラムの昇温ステップを細かくする等の工夫をしなければならない。また、室温近傍からの昇温開始時において、投入可能な最大電圧をかけた場合、発熱層が、抵抗率温度依存性が大きく負の温度係数を持ち、温度上昇と共に抵抗率が低下するという特性を有していると、昇温開始時、つまり低温時の初期抵抗値は高く、電圧制御の場合、電力は抵抗に反比例するので、初期電圧は最大電力に対して小さくなり、昇温の立ち上がりが遅れるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、上記のような従来知られた複合セラミックスヒーターの欠点を克服して、特に、温度制御性の優れた複合セラミックスヒーターを提供することにある。また、他の課題は、昇温の立ち上がりが遅れることのない複合セラミックスヒーターを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を達成するために、特に、熱分解グラファイトの機能改善に着目して試作研究を重ね、実用的に極めて望ましいヒーターを開発した。
すなわち、本発明の複層セラミックスヒーターは、熱分解窒化硼素支持基板の表面に、硼素を0.01 〜 20 重量％含有する熱分解グラファイトからなるヒーターパターンが形成され、該ヒーターパターンを覆って、さらに給電端子部を除いた全表面に熱分解窒化硼素保護層が形成されていることに技術的特徴がある。
なお、支持基板、保護層及びヒーターパターンは熱化学気相蒸着法によって形成し、このヒーターパターンを、炭化水素と三塩化硼素の混合ガスを原料とする熱化学気相蒸着法によって形成するのが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明においては、特に、発熱層として、0.01 〜 20 重量％の硼素を含有する熱分解グラファイトを用いることにより、発熱層の抵抗率温度依存性が小さくなるだけでなく、抵抗率そのものの値も小さくすることができる。
硼素の含有量が、0.01 重量％未満では、発熱層の抵抗率温度依存性の低下が不充分で、硼素の添加効果が得られない。また、20 重量％を超えると、緻密な発熱層が形成されず、実用性に優れた発熱層を得ることができない。
【０００９】
熱分解グラファイトは、通常、例えば、メチルアルコールのような有機物質を炭素源として高温、低圧条件下で熱分解させることによって生成される。本発明のヒーターに用いられる硼素含有熱分解グラファイトは、例えば、メチルアルコールに三塩化硼素を溶解し、1,500 ℃の温度、50Torrの減圧条件下でそれぞれのガス状成分を熱分解させることによって、熱分解窒化硼素のような基体表面に熱分解グラファイトを生成・堆積させることができる。硼素の熱分解グラファイト中の含有量は、メチルアルコールへの三塩化硼素の添加量を選択して、所望の含有量に調整される。
【００１０】
本発明の複層セラミックヒーターは、熱分解窒化硼素支持基板の表面に、硼素 0.01 〜 20 重量％を添加含有させた熱分解グラファイトヒーターパターンが形成され、さらにその全表面に熱分解窒化硼素保護層が形成された基板一体型の抵抗加熱方式のヒーターであり、発熱層の抵抗率温度依存性が小さく、温度が変化しても抵抗率値の変化の幅が小さい。
そのため、実際に昇温や降温をして一定の温度になるよう温度調節計で制御する際に、電圧又は電流を調節して所望の温度になるようにすれば、抵抗値が変化しないため、電力も変化せず、例えば、急速に一定温度に昇温させる際、制御プログラムの制御ステップを細かくする等の工夫をしなくても、簡単なプログラムで温度を平衡させることができるので、容易かつ短時間にプログラムを最適化することができる。
【００１１】
また、本発明の複層セラミックヒーターは、室温付近からの昇温の際、昇温開始時に投入可能な最大電圧をかけた場合でも発熱層の抵抗温度依存性が小さく、温度が上昇しても抵抗率は変わらないという特性を有しているため、低温時においても最大電圧に対し最大電力が投入できるので、初期電力が最大投入可能電力に等しく、昇温の立ち上がりが速い。支持基板となる熱分解窒化硼素は、熱ＣＶＤ法によって極めて緻密に作製でき、薄くて低熱容量にもかかわらず、耐熱衝撃性に優れた物性を有することから、これらの優れた諸特性を活かしたセラミックヒーターの提供を可能とする。
【００１２】
さらに、上記特定範囲量の硼素を含有する熱分解グラファイト発熱層は、抵抗率の温度依存性が小さくなるだけでなく、抵抗率そのものの値を小さくすることができるという利点がある。換言すれば、同じ抵抗のヒーターを作製する場合、硼素を0.01 〜 20 重量％添加したものは、従来の発熱体の厚さを薄くすることができ、熱ＣＶＤ法で作製した場合は、ＣＶＤの反応時間が短縮されるので安価なヒーターを提供することができ、工業的に有利である。
【００１３】
【実施例】
次に、具体例により本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例１及び比較例１）
ＮＨ₃ とＢＣｌ₃ を100 Torrの減圧条件下に1,900 ℃の温度で反応させて、厚さ約１mmの熱分解窒化硼素基板を作製した。次に、ＣＨ₄ とＢＣｌ₃ を1,500 ℃、50Torrの減圧条件下で熱分解させて、前記窒化硼素基板表面に厚さ約 100μｍの硼素含有熱分解グラファイト層を形成し、加工してヒーターとなるパターンを形成した。次いで、ＮＨ₃ とＢＣｌ₃ とを100 Torrの減圧条件下に1,900 ℃の温度で反応させて、その上に厚さ約 100μｍの熱分解窒化硼素保護層を形成し、複層セラミックスヒーターを作製した。
このときのグラファイト層に含有される硼素は、熱分解グラファイトの8.2 重量％である。
また、比較のために、熱分解グラファイト層の形成にＢＣｌ₃ を使用しない以外は、全く同様に操作して同様の複層セラミックスヒーターを作製した。
【００１４】
作製した複層セラミックスヒーターを添付図面により説明する。
図１は、上記実施例１で作製した本発明の複層セラミックスヒーター１の一例を示す平面図である。図において、熱分解窒化硼素支持基板の表面に、硼素含有熱分解グラファイトからなるヒーターパターン２が形成され、該ヒーターパターン２を覆って、さらに、給電端子３を除く全表面に熱分解窒化硼素保護層が形成されている。該ヒーター領域の直径は約60mmである。
【００１５】
作製した二種の複層セラミックスヒーターの性能に関し、特に発熱体に着目して昇温試験を行った。試験は、簡単な温度制御用プログラムを組み、10^-5 Torr 真空中で、最大電圧 100Ｖ、最大電流20Ａ、投入最大電力2,000 Ｗ、電圧ＰＩＤ制御により行った。
その結果、実施例１の発熱体は、抵抗値に温度依存性がなく、抵抗値そのものも比較例１のヒーターに比べて半減した。さらに、実施例１のヒーターは、急速な昇温が可能で、かつ温度安定性も向上し、扱い易いことが確認された。
図２は、各ヒーターの測定結果と設定されたプログラムパターンがヒーター温度と経過時間との関係において示されている。また、図３は、投入電力と経過時間との関係を示すグラフで、従来のヒーターと本発明のヒーターが対比されている。
両グラフから、本発明のヒーターは従来のヒーターに比べ、極めて短時間での昇温・降温が可能であることが認められる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の複層セラミックヒーターは、抵抗温度依存性が小さく、かつ温度の変化による抵抗率の変化幅が小さいため、電圧や電流による調節が容易で、温度制御性が向上した。また、抵抗率が下げられるので発熱層を薄くすることができ、薄型で低熱容量の急速な昇降温が可能な複層セラミックヒーターを容易、かつ安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複層セラミックヒーターの一例を示す平面図である。
【図２】ヒーター温度と経過時間との関係を示すグラフである。
【図３】投入電力と経過時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・複層セラミックヒーター
２・・・ヒーターパターン
３・・・給電端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic heater used in a semiconductor heat treatment and an optical device manufacturing process, and more particularly to a multilayer ceramic heater suitable as a heating source for rapid heating and rapid cooling.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a resistance heating type heater used for heat treatment of semiconductors, a wire or foil of a refractory metal such as molybdenum or tungsten is wound around a support substrate made of sintered ceramic such as alumina, aluminum nitride, zirconia, or boron nitride. Alternatively, a ceramic plate having an electrically insulating ceramic plate mounted thereon is used. In addition, a resistance heating type ceramic heater has been developed in which a heat generating layer of conductive ceramics is provided on a ceramic support substrate having electrical insulation, and a coating protective layer of electrical insulating ceramics is formed on the surface, thereby providing insulation and corrosion resistance. It has improved.
[0003]
However, sintered ceramics are usually used for the insulating ceramic support substrate. However, since a sintering aid is added to the insulating ceramic support substrate, there are concerns about impurity contamination during heating and a decrease in corrosion resistance. Furthermore, since it is a sintered body, there is a problem in thermal shock resistance. In particular, with large sintered bodies, there is concern about inconveniences such as the substrate being easily cracked due to non-uniform sintering that cannot be avoided, and it is applied to heaters in processes where rapid heating and cooling are performed. Is difficult.
As a method for solving this problem, a heater pattern made of pyrolytic graphite is joined to the surface of a pyrolytic boron nitride supporting substrate formed by a thermal chemical vapor deposition method (thermal CVD method). An integral resistance heating type composite ceramic heater made of a dense layered film covering and covering the same pyrolytic graphite as the supporting substrate and having a protective layer has been developed.
[0004]
This composite ceramic heater does not contain impurities such as sintering aids, is chemically stable and resistant to thermal shock, so it can process various fields that require rapid heating and cooling, especially wafers one by one. In the single wafer processing process, it is widely used in a continuous process in which the temperature is changed stepwise.
In addition, since all of the components of this heater are manufactured by the thermal CVD method and there are no grain boundaries peculiar to ceramics sintered with powder, there is no degassing phenomenon, and the degree of vacuum in the processing process in a vacuum Does not affect.
[0005]
In this composite ceramic heater, pyrolytic graphite is embedded as a heat generating layer. This pyrolytic graphite has a characteristic that the resistivity temperature dependency is large and has a negative temperature coefficient, so that the resistivity decreases with increasing temperature. For this reason, when the temperature is raised or lowered, even if the voltage or current is adjusted and controlled with a temperature controller or the like so as to reach a constant temperature, the resistance value changes and the power changes accordingly, making control difficult. is there.
There is a close relationship between the input power and the heater temperature. For example, in order to rapidly raise the temperature to a constant temperature and stabilize it, it is necessary to devise measures such as making the temperature raising step of the control program fine. In addition, when the maximum voltage that can be applied is applied at the start of temperature increase from around room temperature, the heat generation layer has a negative temperature coefficient with a large temperature dependency of resistivity, and the resistivity decreases with increasing temperature. In the case of voltage control, the initial resistance value at the start of temperature rise, that is, at a low temperature is high, and in the case of voltage control, the power is inversely proportional to the resistance, so the initial voltage becomes smaller than the maximum power and the rise of the temperature rise There is a problem that is delayed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a composite ceramic heater that is particularly excellent in temperature controllability by overcoming the drawbacks of the above known composite ceramic heater. Another object is to provide a composite ceramic heater in which the rise in temperature rise is not delayed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have repeated trial manufacture research with a particular focus on improving the function of pyrolytic graphite, and have developed a heater that is extremely desirable practically.
That is, in the multilayer ceramic heater of the present invention, a heater pattern made of pyrolytic graphite containing 0.01 to 20 % by weight of boron is formed on the surface of the pyrolytic boron nitride supporting substrate, covering the heater pattern, and further supplying power A technical feature is that a pyrolytic boron nitride protective layer is formed on the entire surface excluding the terminal portion.
The support substrate, the protective layer, and the heater pattern are formed by thermal chemical vapor deposition, and the heater pattern is formed by thermal chemical vapor deposition using a mixed gas of hydrocarbon and boron trichloride as a raw material. preferable.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, in particular, by using pyrolytic graphite containing 0.01 to 20 % by weight of boron as the heat generating layer, not only the resistivity temperature dependency of the heat generating layer is reduced, but also the value of the resistivity itself is obtained. Can be small.
If the boron content is less than 0.01 % by weight , the resistivity temperature dependency of the heat generating layer is not sufficiently lowered, and the boron addition effect cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 20 % by weight , a dense heat generating layer is not formed, and a heat generating layer excellent in practical use cannot be obtained.
[0009]
Pyrolytic graphite is usually produced by pyrolysis under high temperature and low pressure conditions using, for example, an organic substance such as methyl alcohol as a carbon source. The boron-containing pyrolytic graphite used in the heater of the present invention is obtained by, for example, dissolving boron trichloride in methyl alcohol and thermally decomposing each gaseous component under a reduced pressure of 1,500 ° C. and 50 Torr. Pyrolytic graphite can be generated and deposited on the surface of a substrate such as decomposed boron nitride. The content of boron in the pyrolytic graphite is adjusted to a desired content by selecting the amount of boron trichloride added to methyl alcohol.
[0010]
In the multilayer ceramic heater of the present invention, a pyrolytic graphite heater pattern containing 0.01 to 20 % by weight of boron is formed on the surface of a pyrolytic boron nitride supporting substrate, and a pyrolytic boron nitride protective layer is formed on the entire surface. Is a substrate-integrated resistance heating type heater in which is formed, and the resistivity temperature dependency of the heat generation layer is small, and the change in resistivity value is small even if the temperature changes.
Therefore, when controlling with a temperature controller to actually raise or lower the temperature to a constant temperature, if the voltage or current is adjusted to the desired temperature, the resistance value will not change. The power does not change, for example, when the temperature is rapidly raised to a constant temperature, the temperature can be balanced with a simple program without any effort to fine-tune the control step of the control program. The program can be optimized in a short time.
[0011]
In addition, the multilayer ceramic heater of the present invention has a small resistance temperature dependency of the heat generation layer even when the maximum voltage that can be applied at the start of the temperature rise is applied when the temperature rises from around room temperature, Since the resistivity does not change, the maximum power can be input with respect to the maximum voltage even at low temperatures. Therefore, the initial power is equal to the maximum input power and the rise in temperature rises quickly. Pyrolytic boron nitride used as a support substrate can be fabricated very densely by thermal CVD, and has excellent thermal shock resistance despite its thinness and low heat capacity, making use of these excellent properties. The ceramic heater can be provided.
[0012]
Furthermore, the pyrolytic graphite heating layer containing the above-mentioned specific amount of boron has an advantage that not only the temperature dependency of the resistivity is reduced, but also the value of the resistivity itself can be reduced. In other words, when a heater having the same resistance is manufactured, the addition of 0.01 to 20 % by weight of boron can reduce the thickness of a conventional heating element, and when manufactured by a thermal CVD method, Since the reaction time is shortened, an inexpensive heater can be provided, which is industrially advantageous.
[0013]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.
(Example 1 and Comparative Example 1)
NH ₃ and BCl ₃ were reacted at a temperature of 1,900 ° C. under a reduced pressure of 100 Torr to produce a pyrolytic boron nitride substrate having a thickness of about 1 mm. Next, CH ₄ and BCl ₃ are pyrolyzed under reduced pressure conditions of 1,500 ° C. and 50 Torr to form a boron-containing pyrolytic graphite layer having a thickness of about 100 μm on the surface of the boron nitride substrate, which is then processed into a heater. A pattern was formed. Next, NH ₃ and BCl ₃ were reacted at a temperature of 1,900 ° C. under a reduced pressure of 100 Torr to form a pyrolytic boron nitride protective layer having a thickness of about 100 μm thereon, thereby producing a multilayer ceramic heater. .
At this time, boron contained in the graphite layer is 8.2% by weight of pyrolytic graphite.
For comparison, a similar multi-layer ceramic heater was prepared by performing the same operation except that BCl ₃ was not used for forming the pyrolytic graphite layer.
[0014]
The produced multilayer ceramic heater will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a plan view showing an example of the multilayer ceramic heater 1 of the present invention produced in Example 1 above. In the figure, a heater pattern 2 made of pyrolytic graphite containing boron is formed on the surface of the pyrolytic boron nitride supporting substrate, covers the heater pattern 2, and further protects the pyrolytic boron nitride on the entire surface except the power supply terminal 3. A layer is formed. The heater area has a diameter of about 60 mm.
[0015]
With regard to the performance of the two types of multilayer ceramic heaters produced, a temperature increase test was conducted with particular attention to the heating element. The test was conducted with a simple temperature control program in a 10 ^-5 Torr vacuum with a maximum voltage of 100 V, a maximum current of 20 A, a maximum input power of 2,000 W, and a voltage PID control.
As a result, the heating element of Example 1 had no temperature dependency on the resistance value, and the resistance value itself was also halved compared to the heater of Comparative Example 1. Furthermore, it was confirmed that the heater of Example 1 can be rapidly heated, has improved temperature stability, and is easy to handle.
FIG. 2 shows the measurement result of each heater and the set program pattern in relation to the heater temperature and the elapsed time. FIG. 3 is a graph showing the relationship between input power and elapsed time. The conventional heater is compared with the heater of the present invention.
From both graphs, it can be seen that the heater of the present invention can raise and lower the temperature in a very short time compared to the conventional heater.
[0016]
【The invention's effect】
The multilayer ceramic heater of the present invention has a low resistance temperature dependency and a small change width of the resistivity due to a change in temperature. Therefore, adjustment by voltage and current is easy, and temperature controllability is improved. Further, since the resistivity can be lowered, the heat generating layer can be made thin, and a thin multilayer ceramic heater capable of rapidly raising and lowering temperature with low heat capacity can be provided easily and inexpensively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an example of a multilayer ceramic heater of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between heater temperature and elapsed time.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between input power and elapsed time.
[Explanation of symbols]
1 ... Multilayer ceramic heater 2 ... Heater pattern 3 ... Power supply terminal

Claims

A heater pattern made of pyrolytic graphite containing 0.01 to 20 % by weight of boron is formed on the surface of the pyrolytic boron nitride supporting substrate, covering the heater pattern and further pyrolytic nitriding the entire surface excluding the power supply terminal portion. A multilayer ceramic heater formed with a boron protective layer.

The multilayer ceramic heater according to claim 1, wherein the support substrate, the protective layer, and the heater pattern are formed by a thermal chemical vapor deposition method.

The multilayer ceramic heater according to claim 1 or 2, wherein the heater pattern is formed by a thermal chemical vapor deposition method using a mixed gas of hydrocarbon and boron trichloride as a raw material.