JP4307237B2 - 膜状ヒータとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造において、半導体ウエハ等の基板の加熱に使用しするのに好適な膜状ヒータとその製造方法に関し、特に発熱体と熱を分散する均熱体に膜状の炭化ケイ素を使用し、化学的気相成長法により容易に製造することが出来る膜状ヒータとその製造方法に関する。

半導体ウエハ等の基板を加熱するヒータの発熱体としては、一般にニッケル−クロム合金線やタングステン線等の高融点金属線が使用されている。これらの高融点金属線を蛇行させたり、あるいは円形に湾曲させたりして発熱線を形成し、これを金属製の板状の均熱板に組み込んで、面方向の熱分布の均等化を図っている。

しかしながら、金属製の発熱体や均熱板では、それらの軟化点の限界から、加熱温度が数百℃に限定される。そこで、加熱温度が高い条件の下でも変形や酸化等を生じることの無いヒータとして、発熱体や均熱板にセラミックを使用したセラミックヒータが開発されている。特に発熱体として炭化ケイ素を使用したものが提案されている。炭化ケイ素は、軟化点が２０００℃前後と、耐熱性に優れることから、ヒータ用の発熱体として利用されるに至っている。

前記炭化ケイ素を使用したヒータは、炭化ケイ素粉末をホットプレス法等により成型してなる炭化ケイ素焼結体を、放電加工等により薄板状にスライスした後、線状にパターニングし、さらに面取り、洗浄、乾燥、研磨等を行うことにより得られる。
このようにして製造されるヒータ線は、線状にパターニングされているため、そのまま使用すると、ヒータ線とその中間の部分とで温度差が生じ、均一な温度分布が得られない。そこで、ヒータ線を熱伝導が良好な膜やシートに張り合わせて使用する。この熱分散用の膜やシートは、絶縁性を有し、且つ熱伝導率が高いことが必要である。そこで従来では、絶縁膜を介して金属膜や金属シートにヒータ線を貼り付けている。

しかしながら、このような炭化ケイ素を使用したヒータは、その製造工程が複雑であり、そのため、高い生産性で製造することが困難である。また、絶縁膜を介して熱分散用の金属膜や金属シートにヒータ線を貼り付けているため、ヒータ線から熱分散用の金属膜や金属シートへの伝熱性が悪く、熱損失が大きい。しかも、熱分散用の金属膜や金属シートは、高温下で加熱対象である半導体ウエハへ元素が拡散しやすいため、化学的に安定したセラミクス膜等をコーティングして使用する必要がある。このコーティングが熱損失をさらに大きくする。加えて、熱分散用の金属膜や金属シートは、加熱対象である半導体ウエハと熱膨張率の差が大きいため、加熱、冷却時の熱応力が大きく、高速加熱または高速冷却がしにくい。
特開２００１−４３９５７号公報 特開２００２−１７９４６５号公報 特開２００３−７４３３号公報 特開２００３−４０６７８号公報 特開平１１−６７４２７号公報

本発明は、耐熱性に優れる炭化ケイ素膜を使用した高温加熱型のヒータであって、加熱対象に対する伝熱性に優れると共に、温度分布の均一性が高く、シリコンウエハ等の加熱物との温度整合性に優れ、しかも製造が容易な膜状ヒータとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明では、前記の目的を達成するため、低電気抵抗を有し、通電により発熱するパターニングされた炭化ケイ素膜からなる発熱体４と、高電気抵抗を有し、前記発熱体４を保持すると共に、その熱を面方向に伝導して温度を均一化する炭化ケイ素膜からなる均熱膜５とを組み合わせたものである。

より正確に言うと、本発明による膜状ヒータは、低電気抵抗のパターニングされた炭化ケイ素膜からなり、通電により発熱する発熱体４と、高電気抵抗の膜状の炭化ケイ素膜からなり、前記発熱体４を支持すると共に、同発熱体４で発生した熱を面方向に伝熱する均熱膜５とを有するものである。発熱体４と均熱膜５とは、共に化学的気相成長法により成膜された膜状体からなる。

さらにこのような膜状ヒータを製造する方法は、表面上に発熱体４のパターンに従い炭化ケイ素膜かならなる発熱体４を支持する工程と、支持体１の表面上に高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなる均熱膜５を成膜する工程と、カーボンからなる支持体１を酸化雰囲気中で熱処理して焼却し、発熱体４と均熱膜５のみを残す工程とを有する。ここで例えば、炭化ケイ素膜かならなる発熱体４を支持する工程は、パターニングされた溝２を形成したの支持体１の表面上に低電気抵抗の炭化ケイ素膜３を成膜した後、この支持体１の表面上を平面研削することにより、溝２内の炭化ケイ素膜３のみを発熱体４として残す工程からなる。
この膜状ヒータの製造方法では、カーボンからなる支持体１を酸化雰囲気中で熱処理して焼却するのに前後して、発熱体４の両面側にそれぞれ１層以上の均熱膜５、６を成膜するのがよい。

また、膜状ヒータを製造する他の方法は、高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなる均熱膜５の上に低電気抵抗の炭化ケイ素膜３を成膜する工程と、この低電気抵抗の炭化ケイ素膜３をパターニングして発熱体４を形成する工程と、この発熱体４を挟んで均熱膜５の上に高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなるもう１層の均熱膜５を成膜する工程とを有する。

炭化ケイ素は、高い耐酸化性を有する。このため、炭化ケイ素を発熱体４と均熱膜５、６に使用したヒータは、高発熱特性、耐酸化性を有するヒータとなる。また、炭化ケイ素は、熱伝導率が０．０５〜０．６６ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃と高いため、均熱膜５、６の面方向の温度分散性も良く、均一な温度分布が得られる。しかも、この炭化ケイ素膜からなる均熱膜５、６が絶縁体して直接発熱体４に接した状態で温度を分散するため、均熱膜５、６からシリコンウエハ等の加熱対象物に直接伝熱することにより、良好な伝熱性が得られる。さらに炭化ケイ素は、熱膨張係数がシリコンに比較的近いことから、良好な寸法安定性と放熱性のみならず、シリコンウェハとの優れた熱膨張整合が求められる半導体製造装置の加熱ヒータとして最適な膜状ヒータが得られる。

本発明では、低電気抵抗を有し、通電により発熱するパターニングされた炭化ケイ素膜からなる発熱体４と、高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜からなる均熱膜５、６とを組み合わせこれらは何れも成膜プロセスにより形成し、発熱体４のパターニングにカーボンからなる支持体１を用いた特殊な手段を使用したことにより、炭化ケイ素が有する特性を活かした膜状ヒータを容易に製造することが可能となる。すなわち、こうして作られたヒータは、高温加熱が可能で、温度部分布が良好で、且つ耐酸化性の高いヒータとなり得る。

本発明では、低電気抵抗を有し、通電により発熱するパターニングされた炭化ケイ素膜からなる発熱体４と、高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜からなる均熱膜５、６とを組み合わせ、これらを成膜プロセスにより形成することで、その目的を達成するものである。
以下、このような本発明の実施例について、図面を参照しながら具体例を挙げて詳細に説明する。まず、膜状ヒータの製造方法をその工程順に説明する。

図１に示すように、最初にカーボンからなる支持体１を用意する。この支持体１は例えば円板状のものである。この支持体１の表面には、後述する炭化ケイ素からなる発熱体４のパターンに従った溝２が形成される。この支持体１の表面及び溝２の内面は表面粗さが小さい平滑面とする。図１では、溝２のパターンとして同心円状に蛇行する連続溝形状を形成しているが、これは模式的に示した一例である。膜状ヒータの使用目的等により、必要に応じて適宜の溝パターンを形成する。例えば、矩形の支持体１の表面に、その位置方向に繰り返す蛇行状の溝パターンを形成してもよい。
溝２の形成手段としては、パターンが穿孔されたマスク或いはパターンに従って印刷されたホトレジスト等を使用したエッチング、或いは精密切削加工等、適宜の手段を使用する。

図２は、溝２の断面形状を示している。図２に示した溝２は矩形断面を有しているが、必要に応じて底面側が狭い逆台形断面や半円形断面等とすることも出来る。
このような支持体１を用意したうえで、次に図３（ａ）に示すように、溝２を有する支持体１の表面上に低電気抵抗の炭化ケイ素膜３を成膜する。成膜手段としては、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によることができる。

炭化ケイ素は、窒化ホウ素や炭化ホウ素等の添加剤の添加、さらには原料へのフェノール樹脂等の焼結助剤の適用等により、体積抵抗率の異なるものを作ることが出来ることで知られている。これらの技術は例えば、特開平１０−６７５６５号公報、特開平１１−７９８４０号号公報、特開２０００−３５１６１５号公報、特開２００３−２７７１５２号公報等に開示されており、体積抵抗率の異なる炭化ケイ素を得る技術が既に広く知られている。

低電気抵抗を有する炭化ケイ素膜は、後述するように発熱体４の基材であり、通電により、電気抵抗加熱に適した電気抵抗を有することが好ましい。この点で、その体積抵抗率は、０．１〜１０³Ω・ｃｍ程度のものが適している。
次に、この支持体１の表面を平面研削することにより、図３（ｂ）に示すように、同支持体１の表面に成膜した炭化ケイ素膜３を削除する。研削する深さは炭化ケイ素膜３の膜厚より若干深い程度とする。これにより、支持体１の溝２内の炭化ケイ素膜がパターニングされた発熱体４として残る。当然のことながら、この発熱体４は支持体１の溝２のパターンに従ってパターニングされている。

次に図３（ｃ）に示すように、溝２の中に発熱体４が形成された支持体１の表面上に高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜、すなわち絶縁体としての炭化ケイ素膜を成膜する。この炭化ケイ素膜は、絶縁体であって、且つ発熱体４で発生した熱を膜の面方向に伝導して分散し、温度分布を均一化する均熱膜５となるものである。

次にカーボンからなる支持体１を酸化雰囲気中で７００℃程度の高温に晒し、支持体１を燃焼させて、図３（ｄ）に示すように発熱体４と均熱膜５のみを残す。
次に、図３（ｅ）に示すように、発熱体４を挟むように、発熱体４を有する均熱膜５の表面側に高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜、すなわち絶縁体としての炭化ケイ素膜を成膜する。この炭化ケイ素膜は均熱膜５と同様に、絶縁体であって、且つ発熱体４で発生した熱を膜の面方向に伝達して展開する均熱膜６となるものである。

既に述べたとおり、炭化ケイ素は、窒化ホウ素や炭化ホウ素等の添加剤の添加、さらには原料へのフェノール樹脂等の焼結助剤の適用等により、体積抵抗率の異なるものを作ることが出来ることで知られている。高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜からなる均熱膜５、６は、発熱体４の短絡を防止し、膜状ヒータに耐電圧を付与するものであり、その体積抵抗率は、１０³Ω・ｃｍ以上、より好ましくは１０⁸Ω・ｃｍ以上のものが適している。また既に述べた通り、炭化ケイ素は、熱伝導率が０．０５〜０．６６ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃と高いため、均熱膜５、６の面方向の温度分散性も良く、均一な温度分布が得られる。

このようにして作られた膜状ヒータは、パターニングされた低電気抵抗を有する炭化ケイ素膜からなる発熱体４を高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜からなる２層の均熱膜５、６でラミネートした構造を有する。この平面形状の例を図４に示す。発熱体４は均熱膜５、６により絶縁されると共に、発熱体４に通電することにより発生する熱は、均熱膜５、６を介してその面方向に伝導され、均熱膜５、６の全面に均一な温度分布が形成される。
なお、均熱膜５、６はそれぞれ単層の炭化ケイ素膜ではなく、複層の炭化ケイ素膜或いは他の膜を積層した複合膜であってもよい。

図５は、本発明による膜状ヒータの他の製造方法を示す図である。
図１〜図３により前述した製造方法では、溝２を有する支持体１の表面上に低電気抵抗の炭化ケイ素膜３を成膜した後、支持体１の表面を平面研削することによりパターニングされた炭化ケイ素膜からなる発熱体４を得た。これに対し、図５に示す製造方法では、既に述べたように、既知のホットプレス法による予め成形された炭化ケイ素膜からなる発熱体４を使用する。例えば、炭化ケイ素粉末をホットプレス法により成型してなる炭化ケイ素焼結体を、放電加工等によりスライスした後、線状にパターニングし、さらに面取り、洗浄、乾燥、研磨等を行うことにより発熱体４を得る。

次に図５（ａ）に示すように、この発熱体４を平坦なカーボン製の支持体１の上に支持する。以下の工程は、基本的に図３により前述した実施例と同様である。
すなわち、図５（ｂ）に示すように、発熱体４とそれを支持している支持体１の表面上に高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜、すなわち絶縁体としての炭化ケイ素膜を成膜し、均熱膜５を形成する。

次にカーボンからなる支持体１を酸化雰囲気中で７００℃程度の高温に晒し、支持体１を燃焼させて、図５（ｃ）に示すように発熱体４と均熱膜５のみを残す。
次に、図５（ｄ）に示すように、発熱体４を挟むように、発熱体４を有する均熱膜５の表面側に高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜、すなわち絶縁体としての炭化ケイ素膜を成膜し、均熱膜６を形成する。これにより、図３により前述した方法により製造されたものと同様の膜状ヒータが得られる。

図６は、本発明による膜状ヒータのさらに他の製造方法を示す図である。
この製造方法では、まず図６（ａ）に示すように、高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなる均熱膜５を成膜する。そして、この高電気抵抗の炭化ケイ素膜５からなる均熱膜５の表面上に発熱体４のパターンに従って溝７を形成する。溝７の形成手段としては、前述したカーボンの支持体１と同様に、パターンが穿孔されたマスク或いはパターンに従って印刷されたホトレジスト等を使用したエッチング、或いは精密切削加工等、適宜の手段を使用する。

このようなパターニングされた溝７を有する高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなる均熱膜５を設けたたうえで、次に図６（ｂ）に示すように、溝７を有する均熱膜５の表面上に低電気抵抗の炭化ケイ素膜３を一様に成膜する。成膜手段としては、図３により前述した方法と同様、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によることができる。

次に、低電気抵抗の炭化ケイ素膜３の表面を平面研削することにより、図６（ｃ）に示すように、均熱膜５の表面に成膜した炭化ケイ素膜３のみを削除する。研削する深さは炭化ケイ素膜３の膜厚より若干深い程度とする。これにより、均熱膜５の溝７内の炭化ケイ素膜がパターニングされた発熱体４として残る。当然のことながら、この発熱体４は支持体１の溝２のパターンに従ってパターニングされている。

次に、図６（ｄ）に示すように、発熱体４を挟むように、発熱体４を有する均熱膜５の表面側に高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜、すなわち絶縁体としての炭化ケイ素膜を成膜し、均熱膜６を形成する。これにより、図１〜図３により前述した製造方法により製造されたものと同様の膜状ヒータが得られる。

図７は、本発明による膜状ヒータのさらに他の製造方法を示す図である。
この製造方法では、まず図７（ａ）に示すように、高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなる均熱膜５を用意する。
次に図７（ｂ）に示すように、均熱膜５の表面上に低電気抵抗の炭化ケイ素膜３を成膜する。成膜手段としては、図３により前述した方法と同様、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によることができる。

次に図７（ｃ）に示すように、成膜された低電気抵抗の炭化ケイ素膜３を、発熱体４のパターンに従ってパターニングする。パターニング手段としては、前述したカーボンの支持体１と同様に、パターンが穿孔されたマスク或いはパターンに従って印刷されたホトレジスト等を使用したエッチング、或いは精密切削加工等、適宜の手段を使用する。これにより、均熱膜５の上にパターニングされた発熱体４が形成される。

次に、図７（ｄ）に示すように、パターニングされた発熱体４を挟むように、発熱体４を有する均熱膜５の表面側に高電気抵抗を有する炭化ケイ素膜、すなわち絶縁体としての炭化ケイ素膜を成膜し、均熱膜６を形成する。これにより、図１〜図３により前述した方法により製造されたものと同様の膜状ヒータが得られる。

本発明による膜状ヒータの製造方法の一実施例において、発熱体を形成するための支持体の一例を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明による膜状ヒータの製造方法の一実施例を工程順に示した要部拡大断面図である。 本発明による膜状ヒータの一実施例を示す平面図である。 本発明による膜状ヒータの製造方法の他の実施例を工程順に示した要部拡大断面図である。 本発明による膜状ヒータの製造方法のさらに他の実施例を工程順に示した要部拡大断面図である。 本発明による膜状ヒータの製造方法のさらに他の実施例を工程順に示した要部拡大断面図である。

符号の説明

４ 発熱体４
５ 均熱膜
６ 均熱膜
１ 支持体
３ 支持体の表面の溝
３ 低電気抵抗の炭化ケイ素膜

Claims (6)

1. 低電気抵抗のパターニングされた炭化ケイ素膜からなり、通電により発熱する発熱体（４）と、高電気抵抗の膜状の炭化ケイ素膜からなり、前記発熱体（４）を支持すると共に、同発熱体（４）で発生した熱を面方向に伝熱する均熱膜（５）とを有し、発熱体（４）と均熱膜（５）とが共に化学的気相成長法により成膜された膜状体からなることを特徴とする膜状ヒータ。
2. カーボンからなる支持体（１）の表面上にパターニングされた低電気抵抗の炭化ケイ素膜かならなる発熱体（４）を支持する工程と、支持体（１）の表面上に高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなる均熱膜（５）を成膜する工程と、カーボンからなる支持体（１）を酸化雰囲気中で熱処理して焼却し、発熱体（４）と均熱膜（５）のみを残す工程とを有することを特徴とする膜状ヒータの製造方法。
3. 支持体（１）の表面上にパターニングされた低電気抵抗の炭化ケイ素膜かならなる発熱体（４）を支持する工程が、発熱体（４）のパターンに従い溝（２）を形成した支持体（１）の表面上に一様に低電気抵抗の炭化ケイ素膜（３）を成膜した後、この支持体（１）の表面上を平面研削することにより、溝（２）内の炭化ケイ素膜（３）のみを発熱体（４）として残す工程であることを特徴とする請求項２に記載の膜状ヒータの製造方法。
4. カーボンからなる支持体（１）を酸化雰囲気中で熱処理して焼却する前後に、発熱体（４）の両面にそれぞれ１層以上の高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなる均熱膜（５）、（６）を成膜することを特徴とする請求項２または３に記載の膜状ヒータの製造方法。
5. 高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなる均熱膜（５）の上に低電気抵抗の炭化ケイ素膜（３）を成膜する工程と、この低電気抵抗の炭化ケイ素膜（３）をパターニングして発熱体（４）を形成する工程と、この発熱体（４）を挟んで均熱膜（５）の上に高電気抵抗の炭化ケイ素膜からなるもう１層の均熱膜（５）を成膜する工程とを有することを特徴とする膜状ヒータの製造方法。
6. 発熱体（４）と均熱膜（５）とを共に化学的気相成長法により成膜することを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載の膜状ヒータの製造方法。

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