JP4430769B2 - セラミックス加熱治具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス加熱治具に関し、特に、半導体デバイスまたは光デバイス製造プロセスにおける熱処理プロセスに好適に使用されるセラミックス加熱治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイス等の製造プロセスに使用される一般的な抵抗加熱方式ヒータとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、窒化ホウ素などの燒結セラミックスからなる支持基材に、モリブデン、タングステン（Ｗ）などの高融点金属の線や箔を巻き付けるか接着し、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、これを改良したものとして、電気絶縁性セラミックス支持基材の上に導電性セラミックスの発熱層を設け、これに電気絶縁性セラミックスの被覆を施した抵抗加熱方式のセラミックスヒータや、Ｗ等の導電性発熱体を電気絶縁性セラミックス中に埋設して一体成形された抵抗加熱方式のセラミックスヒータが開発され、絶縁性、耐食性を向上させている。
【０００３】
通常、セラミックス基材は、原料粉体に燒結助剤を添加して燒結された燒結体が用いられている。このようなセラミックス基材は、発熱体などの異種材料との熱膨張率差によって生じる熱応力によって歪が生じる。このセラミックス基材と発熱体などの異種材料からなるセラミックスヒータ基体上に、例えば半導体ウエーハ等を載せて加熱する場合、上記歪が原因となって該ウエーハとの面あたり不良を生じさせて温度分布を乱す原因となる。
【０００４】
このような歪を抑える方法として、セラミックス基材を厚くして剛性を上げたり、台座との固定を強化する方法がある。しかしながら、このようにして歪を抑えると、セラミックス基材内部、及びセラミックス基材と発熱体との境界面に熱応力集中を引き起こし、昇降温を繰り返すと燒結粒界やセラミックス基材と発熱体との境界面で破損するといった問題が生じるおそれがある。
また、セラミックス基材を厚くすると熱容量が大きくなり、昇降温に時間がかかってしまうという問題もある。
【０００５】
このような問題を解消するヒータとして、熱化学気相蒸着法（熱ＣＶＤ法）によって成膜された熱分解窒化ホウ素からなる支持基板の表面に、熱ＣＶＤ法によって成膜された熱分解グラファイトからなるヒータパターンが接合され、さらに該ヒータパターンの上に支持基板と同じ材質、すなわち熱分解窒化ホウ素の緻密な層状の保護膜によって覆われた一体型の抵抗加熱方式の複層セラミックスヒータが開発されている。
【０００６】
この抵抗加熱方式の複層セラミックスヒータは、高純度で化学的に安定しており、且つ熱衝撃に強いため、急速な昇降温を必要とする様々な分野で使用されている。例えば半導体ウエーハの製造分野、具体的には、半導体ウエーハ等を枚葉式で１枚ずつ処理し、温度を段階的に変えて処理する連続プロセスで幅広く使用されている。この複層セラミックスヒータは、前記したように全体的にＣＶＤ法で作製されているため、粒界が無く、従って脱ガスが無く、真空内プロセスで加熱したときにプロセスに悪影響を与えないことから使用が広がっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記複層セラミックスヒータを構成する熱分解窒化ホウ素は、ヤング率が小さく、製造時に基板内に残留した熱応力が加熱によって反りとなって派生し、この上に直接ウエーハ等を載せて加熱すると、面あたり不良を生じさせて温度分布ムラを生じさせてしまう問題がある。したがって、該セラミックスヒータ上に、ヤング率が大きく、且つ耐熱性に優れた材料からなるサセプタを介在させ、その上にウエーハを載せて加熱することが必要となってくる。
【０００８】
サセプタは、その大きさに応じた熱容量を持っており、ウエーハをサセプタに載せて加熱する場合のウエーハの昇降温速度はサセプタの熱容量に依存してくる。昇降温速度を上げるにはサセプタの熱容量を小さくすれば良いが、その上面の面積はウエーハと同一かそれ以上大きくする必要があるので、厚さを薄くして熱容量を小さくする必要がある。厚さの薄いサセプタを用いると、その分熱容量は小さくなり昇降温速度は速くなるが、逆に薄過ぎると、サセプタの加工時の反りや昇降温時の熱変形が生じ、やはりウエーハとの面あたり不良による温度分布ムラが生じてしまう。
【０００９】
また、サセプタをセラミックスヒータ等にネジやボルトできつく留めて固定した場合などは、その固定箇所を中心に生じる締め付け時の応力、あるいは加熱時に生じる熱応力が原因で、サセプタがうねり、ついには破損に至る可能性もある。このようにネジやボルトで固定することによる変形や破損の問題は、サセプタだけの問題ではなく、セラミックスヒータ、及びセラミックスヒータの熱を遮断するために用いられる遮熱板等の、特に熱を受ける部分においても同様に問題となる。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題点を改善するためになされたもので、サセプタ等の熱変形、破損等の不具合が起こり難く、且つ急速な昇降温を行うことができ、また、高温となってもサセプタの平面度が保たれるセラミックス加熱治具を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、被加熱物が載置されるサセプタと、該サセプタを加熱するセラミックスヒータと、該セラミックスヒータからの熱を遮断する少なくとも１枚の遮熱板からなるセラミックス加熱治具であって、サセプタ及び遮熱板が、セラミックスヒータとそれぞれ所定の間隔を設けて挟むように配置され、サセプタの厚さが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、セラミックスヒータの厚さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、遮熱板の厚さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とするセラミックス加熱治具が提供される。
【００１２】
このように、所定の厚さを有するサセプタと少なくとも１枚の遮熱板が、セラミックスヒータとそれぞれ所定の間隔を設けて挟むように配置されてなるセラミックス加熱治具は、サセプタ及びセラミックスヒータの厚さが薄過ぎることもないため、強度的に問題は無く、サセプタの上面にうねり等が生じることもない。その一方、厚過ぎることもないため、熱容量が小さく、急激な昇降温が可能である。
【００１３】
さらに、この場合、サセプタとセラミックスヒータとの間隔、及び遮熱板とセラミックスヒータとの間隔が、それぞれ０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。
このような間隔を設けてサセプタ、セラミックスヒータ、及び遮熱板を配置することにより、これらの部材間の間隔が狭過ぎず且つ広過ぎることもなく、セラミックスヒータからの熱を効率良くサセプタに伝えることができ、また、サセプタとは反対側への熱の発散を効果的に防ぐことができる。
【００１４】
また、本発明によれば、被加熱物が載置されるサセプタと、該サセプタを加熱するセラミックスヒータと、該セラミックスヒータからの熱を遮断する少なくとも１枚の遮熱板からなるセラミックス加熱治具であって、サセプタとセラミックスヒータとの間、及び遮熱板とセラミックスヒータとの間、さらに遮熱板が複数の場合には該遮熱板間にそれぞれスペーサが設けられ、最下部に配置された遮熱板の下面に接して弾力性を有する弾力手段と、被加熱物が載置されるサセプタの上面に接して弾力手段による該上面に垂直な方向への作用を抑制する抑止手段によりサセプタ、セラミックスヒータ及び遮熱板が一体的に挟まれるように支持されていることを特徴とするセラミックス加熱治具も提供される。
【００１５】
このように、サセプタ、セラミックスヒータ、及び遮熱板（以下、これらを加熱部材と呼ぶ場合がある）のそれぞれの間にスペーサを設けた上で、弾力性を有する弾力手段と抑止手段により、これらの加熱部材を一体的に挟むように支持することで、加熱時に各加熱部材がそれらの厚さ方向及び面方向に対して無理な力がかからずに熱膨張することができ、歪、うねり等が生じることもない。
【００１６】
なお、この場合、各加熱部材は前記した厚さのもの、すなわち、サセプタの厚さが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、セラミックスヒータの厚さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、遮熱板の厚さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。
さらに、各加熱部材の間隔に関しても、前記のようにサセプタとセラミックスヒータとの間隔、及び遮熱板とセラミックスヒータとの間隔が、それぞれ０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
このように所定の厚さを有する各加熱部材をスペーサを介してそれぞれ所定の間隔を設けた上で、弾力手段と抑止手段により一体的に挟むように支持することで、加熱時の歪、うねり等をより効果的に防ぐことができる。
【００１８】
さらに、前記弾力手段と抑止手段は、台座に固定されることが好ましく、また、前記弾力手段がバネを含むことが好ましい。このような構成とすることにより、一層安定して各加熱部材を一体的に支持することができる。
【００１９】
また、本発明のセラミックス加熱治具は、前記台座に給電用の取り出し端子が設けられていることが好ましい。
また、前記サセプタ及び／またはセラミックスヒータに温度制御用及び／または温度モニター用の熱電対が設けられていることがさらに好ましい。
このような構成により、セラミックスヒータへの給電を容易に行えるとともに、サセプタの温度制御を正確に行うことができる。
【００２０】
さらに、台座に給気口と排気口が設けられ、この場合、給気口が台座中央部に設けられ、かつ前記排気口が給気口より外側の台座周辺部に複数設けられていることがより好ましい。
このような給気口と排気口を通じて窒素等を給排気することにより、台座と遮熱板との間の加熱治具内部空間の換気を行うことができると共に、該加熱治具内部空間と、該加熱治具が設置されるプロセス室内等の外部空間との差圧を調整することができる。また、供給されたガスは加熱治具内部空間に分散されて排気されるため、加熱治具の降温速度（冷却速度）を向上できるとともに、均一に冷却させることもできる。
【００２１】
そして、前記スペーサは、球状または円柱状の複数のセラミックス製スペーサであることが好ましい。
このようなスペーサは、特に、各加熱部材が熱膨張する際有利に機能する。
【００２２】
また、前記抑止手段は、サセプタ上に載置される被加熱物の位置を決める手段としても機能することが好ましい。
被加熱物の形状に合わせた抑止手段とすることで、抑止手段が被加熱物の位置決め手段を兼ね、サセプタ上に別途位置決め手段を設ける必要もなく、簡単な構成とすることができる。
【００２３】
前記セラミックスヒータは、熱分解窒化ホウ素からなる基材と熱分解炭素からなる発熱体との複合体から構成されていることが好ましく、さらに複合体の熱分解窒化ホウ素と熱分解炭素のそれぞれの熱膨張率の差は、２×１０−６／℃以下であることが好ましい。
このような複合体の熱分解窒化ホウ素及び熱分解炭素は、熱化学気相蒸着法により好適に製造することができる。
このような複合セラミックスヒータは、密着性もよく、応力や反りも生じにくい。
【００２４】
また、前記サセプタは、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、またはサイアロンの何れかから作られていることが好ましく、また、遮熱板は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボン、サイアロン、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られていることが好ましい。
【００２５】
さらに、前記抑止手段は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボンまたはサイアロンの何れかから作られていることが好ましい。
【００２６】
また、前記台座は、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボン、サイアロン、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られていることが好ましい。
【００２７】
さらに、前記弾力手段に含まれるバネが、炭素繊維強化炭素、窒化ケイ素、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られていることが好ましい。
【００２８】
本発明に係るセラミックス加熱治具の各構成部材を、以上のような耐熱性に優れた材料から作ることで、特に高温でも安定して確実に加熱処理を行うことができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３０】
ここで図１は、本発明に係るセラミックス加熱治具の一例の概略部分断面を示したものである。なお、以下の説明中、サセプタ、セラミックスヒータ、及び遮熱板を加熱部材と呼ぶ場合がある。
このセラミックス加熱治具では、半導体ウエーハなどの被加熱物が載置されるサセプタ２と、セラミックスヒータ３と、遮熱板４が、球状のスペーサ５を介して所定の間隔を設けて順次配置されている。サセプタ２の厚さは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、セラミックスヒータ３の厚さは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、遮熱板４の厚さは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
【００３１】
サセプタ２の厚さは、その材質にもよるが、厚さが０．５ｍｍ未満のものは平面のうねりが大きくなり易く、強度的にも耐久性が不充分であり、その上作製が困難という問題もある。一方、５ｍｍを超えると、昇温、降温ともに時間がかかって急速な昇降温が困難となる。セラミックスヒータ３に関しても、０．５ｍｍ未満、あるいは３ｍｍを超えるものは、サセプタ２の場合と同様の問題がある。また、遮熱板４の厚さに関しては、０．５ｍｍ未満のものは平面のうねりが大きくなり易く、強度の弱さ、作製の困難性に加え、セラミックスヒータ３からの熱を遮断するという本来の機能を充分発揮できないという問題がある。一方、３ｍｍを超えるものは、上記のような問題はないが、重量が増して自重により撓んでしまい、サセプタ２にもその影響で撓みが生じてしまうという問題がある。したがって、前記のような厚さを有する加熱部材が使用される。
なお、遮熱板４による遮熱性を上げるために、遮熱板を複数設けることができる。
【００３２】
サセプタ２とセラミックスヒータ３との間、及びセラミックスヒータ３と遮熱板４との間には、それぞれ球状のスペーサ５が設けられており、各加熱部材間には０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の間隔が設けられている。遮熱板４とセラミックスヒータ３の上面周縁部近辺には、球状スペーサ５の大きさに合致したザグリが設けられており、球状スペーサ５が転がらないようにその一部がザグリ内に落とし込まれている。
【００３３】
なお、図１に示されているセラミックス加熱治具１にはセラミックスヒータ３及び遮熱板４上に、球状スペーサ５がそれぞれ左右に１つずつしか見られないが、実際には、各面上にさらに多くの球状スペーサ５が等間隔で配置されている。
スペーサ５の形状に関しては、特に限定されないが、上記球状のほか、円柱状のものが好ましく、角柱状のものでもよい。また、スペーサ５の数は、スペーサ５の形状あるいは加熱部材の形状にもよるが、安定性を考慮して、例えば加熱部材が円板型であれば、少なくとも３個以上、四角形であれば、少なくとも４個以上配置することが好ましい。但し、スペーサ５が加熱部材の周縁部付近に配置されるほどの大きさを有する環状のものであれば、加熱部材間に一つ配置するだけで安定して配置される。
【００３４】
サセプタ２、セラミックスヒータ３、及び遮熱板４のそれぞれの厚さとこれらの加熱部材間の間隔は前記した通りであり、また、遮熱板４を複数枚設けることができることを述べたが、加熱部材全体の厚さは１０ｃｍ以下、好ましくは５ｃｍ以下とし、さらに各加熱部材間は等間隔とすることが好ましい。このようにセラミックス加熱治具１を構成することでセラミックスヒータ３からの熱が効率的にサセプタ２に伝わるとともに、遮熱板４による遮熱効果も一層向上する。
【００３５】
遮熱板４の下面の周縁部付近には、バネ６ｂを含む弾力手段６が接して加熱部材を一体的に押し上げる一方、被加熱物が載置されるサセプタ２の上面周縁部付近には、弾力手段６による押し上げる力を抑制する抑止手段７が接して、サセプタ２、セラミックスヒータ３、及び遮熱板４を一体的に挟むように支持している。
【００３６】
図１に示される態様では、上記弾力手段６は、台座９に固定された円筒部材６ａと、該円筒部材６ａ内に収容されたバネ６ｂと、該バネ６ｂに支持されるとともに、遮熱板４に接する支持部材６ｃから構成されている。該支持部材６ｃは、下部の小径部がバネ６ｂの内側に収容される一方、曲面状の上部が円筒部材６ａから突出して遮熱板４と接しており、遮熱板４からの圧力に応じて弾力的に上下動するようになっている。
【００３７】
一方、抑止手段７は、その一部が側方に突出してサセプタ２上面周縁部付近に接する一方、ボルト８を介して台座９と連結され、ボルト８の頭部がストッパーとなって上方への動作が制限されている。また、ボルト８の頭部の頂端面には、必要に応じてマイナス溝、プラス溝、六角穴等が設けられており、適当な回動手段により抑止手段７の高さ制限の調節、あるいは台座９からの脱着を行うことができる。さらに、抑止手段７は、サセプタ２上に例えば半導体ウエーハを載せて加熱する場合の該ウエーハの位置を決める手段としても機能するようになっている。
【００３８】
前記のように構成された弾力手段６と抑止手段７により、サセプタ２、セラミックスヒータ３、及び遮熱板４が一体的に挟みこまれるように支持されている。すなわち、前記したようにスペーサ５を介して所定の間隔を設けて配置された加熱部材は、弾力手段６により押し上げられるとともに、サセプタ２上面に垂直な方向への作用が抑止手段７によって抑制されることで、サセプタ２、セラミックスヒータ３、及び遮熱板４が一体的に弾力手段６と抑止手段７によって弾力的に挟持される。
【００３９】
したがって加熱中、サセプタ２、セラミックスヒータ３、あるいは遮熱板４が膨張しても、厚さ方向に対する力は弾力手段６により無理なく吸収される。また、面に水平な方向に対する膨張については、前記支持部材６ｃの先端部が曲面状であるため、該先端部とこれと接する遮熱板４の下面、並びに抑止手段７とこれに接するサセプタ２の上面が滑って歪み等が生じることもない。なお、図１に示されるように、各加熱部材の側面と抑止手段７との間には、熱膨張を考慮した間隙が設けられている。
【００４０】
弾力手段６及び抑止手段７は、ともに前記図１に示されるような態様に限定されず、加熱部材を一体的且つ弾力的に支持できるものであれば全て使用できる。例えば、弾力手段６のバネ６ｂの代わりにゴム、エラストマー等の弾力性を有するものを使用することができる。また、弾力手段６は、必ずしも遮熱板４の外周端面近傍のみに配置される必要はなく、遮熱板４の中心部付近にも配置されることでより安定して支持され得る。また、図１で示される態様においては、上記弾力手段６は複数個配置されているが、これらの弾力手段６は、１０ｃｍ以下、好ましくは５ｃｍ以下の間隔で、できるだけ等間隔に配置されることが好ましい。
【００４１】
図１に示されるセラミックス加熱治具１は、サセプタ２の温度制御用及び／または温度モニター用の熱電対１０が設けられている。加熱中、熱電対１０がサセプタ２の温度をモニターし、その温度に応じてセラミックスヒータ３の供給電力が調整されることで、サセプタ２の温度が一定に保たれるように制御される。なお、このような熱電対１０は、セラミックスヒータ３に設けても良く、あるいはその両方に設けることもできる。いずれにせよ、これらの熱電対１０は、サセプタ２の温度を一定に保つように使用される。
【００４２】
また、弾力手段６及び抑止手段７がそれぞれ固定されている台座９の略中央部には、セラミックスヒータ３に電力を供給するための給電用の取り出し端子１１が設けられている。該取り出し端子１１を経て供給された電力は、台座９と遮熱板４との間に設けられた耐熱電線１２を通じてセラミックスヒータ３に供給され、加熱が行われる。なお、取り出し端子１１の位置は特に限定されず、台座周辺部に設けることもできる。
【００４３】
本発明に係るセラミックス加熱治具１を構成するセラミックスヒータ３、サセプタ２、及び遮熱板４、並びにスペーサ５は、特に高温にさらされるため、特に耐熱性の高い材質から作られる必要がある。また、他の構成部材に関しても従来使用されている耐熱性に優れたセラミックスまたは金属から構成されるが、特に好ましい材質を各構成部材ごとに以下に説明する。
【００４４】
まず、セラミックスヒータ３としては、従来セラミックスヒータ３を構成する材料からなるものを使用できるが、熱分解窒化ホウ素からなる基材と熱分解炭素からなる発熱体との複合体から構成されていることが好ましく、特に、セラミックスヒータ３を構成する複合体の熱分解窒化ホウ素と熱分解炭素のそれぞれの熱膨張率の差が２×１０−６／℃以下であることが好ましい。また、このようなセラミックスヒータ３を構成する複合体の熱分解窒化ホウ素と熱分解炭素は、熱化学気相蒸着法により好適に製造することができる。
セラミックスヒータをこのような材質とすれば、耐熱性等が良好であるとともに、反り、剥離等も生じることがないものとすることができる。
【００４５】
また、サセプタ２は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、またはサイアロンの何れかから作られたものを使用できる。これらの材料は、全て硬質であり、耐熱性に優れ、高温にさらされても歪等をほとんど生じないので、サセプタの材料として好適である。
【００４６】
遮熱板４に関しては、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボン、サイアロン、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られているものを使用できる。これらの材料は、全て硬質であり、耐熱性に優れ、高温にさらされても歪等をほとんど生じない。また、遮熱性にも優れている。
【００４７】
さらに、抑止手段７は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボンまたはサイアロンの何れかから作られているものを好適に使用できる。
【００４８】
台座としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボン、サイアロン、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られているものを使用できる。
【００４９】
弾力手段６に含まれるバネ６ｂは、炭素繊維強化炭素、窒化ケイ素、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られているものを使用できる。これらの材料は、耐熱性に優れ、高温下においてもバネ６ｂとしての機能を充分に保持する。
【００５０】
本発明に係るセラミックス加熱治具の前記以外の構成部材、例えば、円筒部材６ａや支持部材６ｃに関しても、耐熱性に優れ、高温でも変形しない材料から作られていることが好ましく、例えば、遮熱板に関して列挙した材料から作られていることが好ましい。
【００５１】
次に、図２に示されるセラミックス加熱治具１ａは、前記図１に示されるセラミックス加熱治具１の変形例であり、図１のセラミックス加熱治具１の周りを覆うシール円筒１３が台座９と抑止手段７と接して設けられている。このようなシール円筒１３は、抑止手段７の横方向への安定性を向上させるとともに、遮熱効果もあるため、より効率的にサセプタ２を加熱・保温することができる。
なお、シール円筒１３の材質に関しては、前記セラミックス加熱治具の構成部材に使用される耐熱性に優れたものを使用でき、特に、遮熱板４に使用されるものと同じ材質のものを好適に使用できる。
【００５２】
さらに、台座９には給気口１４と排気口１５を設けることができる。給気口及び排気口の数や設置位置に関しては特に限定されないが、図２の加熱治具１ａでは、複数の給気口１４が給電用の取り出し端子１１の周辺にこれを取り囲むように所定の間隔をおいて設けられ、さらにこれらの給気口１４より外側の台座周辺部に複数の排気口１５が設けられている。
【００５３】
このように台座９に設けられた給排気口１４，１５を通じて窒素等のガスを給排気することにより、台座９と遮熱板４との間の加熱治具内部空間１６の換気を行うことができる。また、遮熱板４、台座９、及びシール円筒１３等によって加熱治具内部空間１６が密閉されていても、ガスの供給量と排気量を調整することで該加熱治具内部空間１６と、加熱治具１ａが設置されているプロセス室内等の外部空間との差圧を調整することができ、ひいては加熱時の加熱部材の歪、うねり等の変形を効果的に防ぐことができる。さらに、台座中央部の給気口１４から供給されたガスを台座周辺部に所定の間隔で設けられた複数の排気口１５に向けて全体的に放射状に流すことで、加熱部材の降温速度（冷却速度）を向上できるとともに、加熱部材全体を均一に冷却させることもできる。
【００５４】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
まず、ＮＨ３とＢＣｌ３とを１００Ｔｏｒｒ下に１９００℃で反応させて厚さ０．８ｍｍの熱分解窒化ホウ素製基材を作製した。その後、ＣＨ４とＢＣｌ３の割合を変化させながら１５００℃、５０Ｔｏｒｒの条件下で熱分解し、厚さ１００μｍの炭化ホウ素が混在した熱分解グラファイト層を形成し、ヒータとなるパターンの加工を施した。次いで、熱分解グラファイト上にＮＨ３とＢＣｌ３とを１００Ｔｏｒｒ下に１９００℃で反応させて厚さ１００μｍの熱分解窒化ホウ素の保護層を設けて直径２０５ｍｍ、厚さ１ｍｍの複層セラミックスヒータ３を作製した。
【００５５】
このように作製したセラミックスヒータ３を用いて前記図１で示したような構成のセラミックス加熱治具を作製した。具体的には、ステンレススチール（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の台座９にステンレススチール（ＳＵＳ３０４）製のバネ６ｂを介在した弾力手段６を直径１９０ｍｍ位置に１２等配間隔で固定させ、その上に直径２０５ｍｍ、厚さ１ｍｍの熱分解炭素製遮熱板４、直径２０５ｍｍ、厚さ１ｍｍの前記作製した複層セラミックスヒータ３、さらに直径２０５ｍｍ、厚さ２ｍｍの窒化アルミ製のサセプタ２を順次配置した。なお、サセプタ２とセラミックスヒータ３間、及びセラミックスヒータ３と遮熱板４間には、それぞれ直径２ｍｍのアルミナ製の球状スペーサ５を介して一定間隔が設けられ、遮熱板４とセラミックスヒータ３の上面には、球状スペーサ５が転がらないようにザグリが設けられており、このザグリ内に球状スペーサ５が落とし込まれた。
フリーな状態でこのサセプタ２の平面度を測定すると０．２ｍｍであった。
【００５６】
さらに、外径２４０ｍｍ、内径２０２ｍｍ、厚さ２０ｍｍのリング状の石英製の抑止手段７をサセプタ２上の周縁部付近にその一部を載せて台座９にボルト８で固定した。これにより弾力手段６の縮んだバネ６ｂが遮熱板４を上へ押し上げるとともに、抑止手段７がサセプタ２の上から、バネ６ｂによる上へ押し上げる力を抑制し、加熱部材が一体的に挟まれるように支持される。このとき測定したサセプタ２の平面度は０．０５ｍｍまで減少しており、平面度が矯正されていることが分かる。
【００５７】
熱電対１０はサセプタ２に固定されており、また、台座９を通して給電できるように給電用の取り出し端子（給電フィードスルー）１１が設けられ、これにヒータ３からの耐熱電線１２が接続されている。
【００５８】
以上のように組み立てられたセラミックス加熱治具１を熱電対１０でサセプタ２の温度をモニターしながら２００℃から６００℃の昇降温を繰り返し、１０００回のヒートサイクルテストを行ったが、このセラミックス加熱治具に反り、破損等の問題は見られなかった。また、テスト中の昇温速度は平均で２０℃／秒であり、降温速度は平均で０．５℃／秒であった。加熱時での平面度は、６００℃のとき０．０６ｍｍであり、治具を組立たとき、すなわち常温のときとほとんど変わらず、歪み等の発生も見られなかった。
【００５９】
（比較例）
厚さ４ｍｍの熱分解炭素製遮熱板２４と、直径２０５ｍｍ、厚さ４ｍｍの複層セラミックスヒータ２３と、厚さ７ｍｍのサセプタ２２を図３に示すように順次配置し、これらの各加熱部材を全て台座９に部材ごとにボルト８止めして固定した。なお、前記実施例で作製したセラミックス加熱治具１と同様、熱電対１０をサセプタ２２に固定し、また給電フィードスルー１１も設けた。
【００６０】
以上のように組み立てられたセラミックス加熱治具２１に対し、前記実施例と同様のヒートサイクルテストを行った結果、わずか５回でサセプタ２２はボルト固定箇所からクラックが発生して破損してしまった。
【００６１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００６２】
例えば、前記実施態様では、主に遮熱板が１枚のものについて説明したが、複数の遮熱板を設けたセラミックス加熱治具とすることもできる。また、本発明に係るセラミックス加熱治具は、例示した半導体ウエーハの加熱処理に限定して使用されるものではなく、例えば半導体デバイスや光デバイス等の製造工程において幅広く熱処理に適用できる。
さらに、前記実施態様では、抑止手段７が被加熱物の位置を決める手段としても機能することを説明したが、被加熱物の形状に応じた位置決め手段をサセプタ２上に別途設けることもできる。
【００６３】
上記いずれの態様にせよ、本発明に係るセラミックス加熱治具は、高温においてもサセプタに歪等が生じることなく平面度が保たれ、従ってこれを半導体ウエーハ等の被加熱物の熱処理に適用すれば、温度分布にムラが生じることがなく、該熱処理を好適に行うことができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るセラミックス加熱治具は、強度的に問題無く、且つ熱容量が大きくない適度な厚さのサセプタ及びセラミックスヒータ、並びに強度的に問題無く遮熱性に優れた厚さを有する遮熱板を、それぞれ所定の間隔を設けて順次配置して構成されており、被加熱物を急速に昇降温することができる。また、これらの各加熱部材が弾力的に支持され、加熱時にサセプタの表面に歪み等が発生することもないため、半導体ウエーハ等を均一に加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミックス加熱治具の一例を示す部分断面略図である。
【図２】図１に示すセラミックス加熱治具の変更態様を示す部分断面略図である。
【図３】比較例で組み立てられたセラミックス加熱治具を示す部分断面略図である。
【符号の説明】
１，１ａ，２１…セラミックス加熱治具、 ２，２２…サセプタ、
３，２３…セラミックスヒータ、 ４，２４…遮熱板、 ５…スペーサ、
６…弾力手段、 ６ａ…円筒部材、 ６ｂ…バネ、 ６ｃ…支持部材、
７…抑止手段、 ８…ボルト、 ９…台座、 １０…熱電対、
１１…給電フィールドスルー（取り出し端子）、 １２…耐熱電線、
１３…シール円筒、 １４…給気口、 １５…排気口、
１６…加熱治具内部空間。
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス加熱治具に関し、特に、半導体デバイスまたは光デバイス製造プロセスにおける熱処理プロセスに好適に使用されるセラミックス加熱治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイス等の製造プロセスに使用される一般的な抵抗加熱方式ヒータとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、窒化ホウ素などの燒結セラミックスからなる支持基材に、モリブデン、タングステン（Ｗ）などの高融点金属の線や箔を巻き付けるか接着し、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、これを改良したものとして、電気絶縁性セラミックス支持基材の上に導電性セラミックスの発熱層を設け、これに電気絶縁性セラミックスの被覆を施した抵抗加熱方式のセラミックスヒータや、Ｗ等の導電性発熱体を電気絶縁性セラミックス中に埋設して一体成形された抵抗加熱方式のセラミックスヒータが開発され、絶縁性、耐食性を向上させている。
【０００３】
通常、セラミックス基材は、原料粉体に燒結助剤を添加して燒結された燒結体が用いられている。このようなセラミックス基材は、発熱体などの異種材料との熱膨張率差によって生じる熱応力によって歪が生じる。このセラミックス基材と発熱体などの異種材料からなるセラミックスヒータ基体上に、例えば半導体ウエーハ等を載せて加熱する場合、上記歪が原因となって該ウエーハとの面あたり不良を生じさせて温度分布を乱す原因となる。
【０００４】
このような歪を抑える方法として、セラミックス基材を厚くして剛性を上げたり、台座との固定を強化する方法がある。しかしながら、このようにして歪を抑えると、セラミックス基材内部、及びセラミックス基材と発熱体との境界面に熱応力集中を引き起こし、昇降温を繰り返すと燒結粒界やセラミックス基材と発熱体との境界面で破損するといった問題が生じるおそれがある。
また、セラミックス基材を厚くすると熱容量が大きくなり、昇降温に時間がかかってしまうという問題もある。
【０００５】
このような問題を解消するヒータとして、熱化学気相蒸着法（熱ＣＶＤ法）によって成膜された熱分解窒化ホウ素からなる支持基板の表面に、熱ＣＶＤ法によって成膜された熱分解グラファイトからなるヒータパターンが接合され、さらに該ヒータパターンの上に支持基板と同じ材質、すなわち熱分解窒化ホウ素の緻密な層状の保護膜によって覆われた一体型の抵抗加熱方式の複層セラミックスヒータが開発されている。
【０００６】
この抵抗加熱方式の複層セラミックスヒータは、高純度で化学的に安定しており、且つ熱衝撃に強いため、急速な昇降温を必要とする様々な分野で使用されている。例えば半導体ウエーハの製造分野、具体的には、半導体ウエーハ等を枚葉式で１枚ずつ処理し、温度を段階的に変えて処理する連続プロセスで幅広く使用されている。この複層セラミックスヒータは、前記したように全体的にＣＶＤ法で作製されているため、粒界が無く、従って脱ガスが無く、真空内プロセスで加熱したときにプロセスに悪影響を与えないことから使用が広がっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記複層セラミックスヒータを構成する熱分解窒化ホウ素は、ヤング率が小さく、製造時に基板内に残留した熱応力が加熱によって反りとなって派生し、この上に直接ウエーハ等を載せて加熱すると、面あたり不良を生じさせて温度分布ムラを生じさせてしまう問題がある。したがって、該セラミックスヒータ上に、ヤング率が大きく、且つ耐熱性に優れた材料からなるサセプタを介在させ、その上にウエーハを載せて加熱することが必要となってくる。
【０００８】
サセプタは、その大きさに応じた熱容量を持っており、ウエーハをサセプタに載せて加熱する場合のウエーハの昇降温速度はサセプタの熱容量に依存してくる。昇降温速度を上げるにはサセプタの熱容量を小さくすれば良いが、その上面の面積はウエーハと同一かそれ以上大きくする必要があるので、厚さを薄くして熱容量を小さくする必要がある。厚さの薄いサセプタを用いると、その分熱容量は小さくなり昇降温速度は速くなるが、逆に薄過ぎると、サセプタの加工時の反りや昇降温時の熱変形が生じ、やはりウエーハとの面あたり不良による温度分布ムラが生じてしまう。
【０００９】
また、サセプタをセラミックスヒータ等にネジやボルトできつく留めて固定した場合などは、その固定箇所を中心に生じる締め付け時の応力、あるいは加熱時に生じる熱応力が原因で、サセプタがうねり、ついには破損に至る可能性もある。このようにネジやボルトで固定することによる変形や破損の問題は、サセプタだけの問題ではなく、セラミックスヒータ、及びセラミックスヒータの熱を遮断するために用いられる遮熱板等の、特に熱を受ける部分においても同様に問題となる。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題点を改善するためになされたもので、サセプタ等の熱変形、破損等の不具合が起こり難く、且つ急速な昇降温を行うことができ、また、高温となってもサセプタの平面度が保たれるセラミックス加熱治具を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、被加熱物が載置されるサセプタと、該サセプタを加熱するセラミックスヒータと、該セラミックスヒータからの熱を遮断する少なくとも１枚の遮熱板からなるセラミックス加熱治具であって、サセプタ及び遮熱板が、セラミックスヒータとそれぞれ所定の間隔を設けて挟むように配置され、サセプタの厚さが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、セラミックスヒータの厚さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、遮熱板の厚さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とするセラミックス加熱治具が提供される。
【００１２】
このように、所定の厚さを有するサセプタと少なくとも１枚の遮熱板が、セラミックスヒータとそれぞれ所定の間隔を設けて挟むように配置されてなるセラミックス加熱治具は、サセプタ及びセラミックスヒータの厚さが薄過ぎることもないため、強度的に問題は無く、サセプタの上面にうねり等が生じることもない。その一方、厚過ぎることもないため、熱容量が小さく、急激な昇降温が可能である。
【００１３】
さらに、この場合、サセプタとセラミックスヒータとの間隔、及び遮熱板とセラミックスヒータとの間隔が、それぞれ０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。
このような間隔を設けてサセプタ、セラミックスヒータ、及び遮熱板を配置することにより、これらの部材間の間隔が狭過ぎず且つ広過ぎることもなく、セラミックスヒータからの熱を効率良くサセプタに伝えることができ、また、サセプタとは反対側への熱の発散を効果的に防ぐことができる。
【００１４】
また、本発明によれば、被加熱物が載置されるサセプタと、該サセプタを加熱するセラミックスヒータと、該セラミックスヒータからの熱を遮断する少なくとも１枚の遮熱板からなるセラミックス加熱治具であって、サセプタとセラミックスヒータとの間、及び遮熱板とセラミックスヒータとの間、さらに遮熱板が複数の場合には該遮熱板間にそれぞれスペーサが設けられ、最下部に配置された遮熱板の下面に接して弾力性を有する弾力手段と、被加熱物が載置されるサセプタの上面に接して弾力手段による該上面に垂直な方向への作用を抑制する抑止手段によりサセプタ、セラミックスヒータ及び遮熱板が一体的に挟まれるように支持されていることを特徴とするセラミックス加熱治具も提供される。
【００１５】
このように、サセプタ、セラミックスヒータ、及び遮熱板（以下、これらを加熱部材と呼ぶ場合がある）のそれぞれの間にスペーサを設けた上で、弾力性を有する弾力手段と抑止手段により、これらの加熱部材を一体的に挟むように支持することで、加熱時に各加熱部材がそれらの厚さ方向及び面方向に対して無理な力がかからずに熱膨張することができ、歪、うねり等が生じることもない。
【００１６】
なお、この場合、各加熱部材は前記した厚さのもの、すなわち、サセプタの厚さが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、セラミックスヒータの厚さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、遮熱板の厚さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。
さらに、各加熱部材の間隔に関しても、前記のようにサセプタとセラミックスヒータとの間隔、及び遮熱板とセラミックスヒータとの間隔が、それぞれ０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
このように所定の厚さを有する各加熱部材をスペーサを介してそれぞれ所定の間隔を設けた上で、弾力手段と抑止手段により一体的に挟むように支持することで、加熱時の歪、うねり等をより効果的に防ぐことができる。
【００１８】
さらに、前記弾力手段と抑止手段は、台座に固定されることが好ましく、また、前記弾力手段がバネを含むことが好ましい。このような構成とすることにより、一層安定して各加熱部材を一体的に支持することができる。
【００１９】
また、本発明のセラミックス加熱治具は、前記台座に給電用の取り出し端子が設けられていることが好ましい。
また、前記サセプタ及び／またはセラミックスヒータに温度制御用及び／または温度モニター用の熱電対が設けられていることがさらに好ましい。
このような構成により、セラミックスヒータへの給電を容易に行えるとともに、サセプタの温度制御を正確に行うことができる。
【００２０】
さらに、台座に給気口と排気口が設けられ、この場合、給気口が台座中央部に設けられ、かつ前記排気口が給気口より外側の台座周辺部に複数設けられていることがより好ましい。
このような給気口と排気口を通じて窒素等を給排気することにより、台座と遮熱板との間の加熱治具内部空間の換気を行うことができると共に、該加熱治具内部空間と、該加熱治具が設置されるプロセス室内等の外部空間との差圧を調整することができる。また、供給されたガスは加熱治具内部空間に分散されて排気されるため、加熱治具の降温速度（冷却速度）を向上できるとともに、均一に冷却させることもできる。
【００２１】
そして、前記スペーサは、球状または円柱状の複数のセラミックス製スペーサであることが好ましい。
このようなスペーサは、特に、各加熱部材が熱膨張する際有利に機能する。
【００２２】
また、前記抑止手段は、サセプタ上に載置される被加熱物の位置を決める手段としても機能することが好ましい。
被加熱物の形状に合わせた抑止手段とすることで、抑止手段が被加熱物の位置決め手段を兼ね、サセプタ上に別途位置決め手段を設ける必要もなく、簡単な構成とすることができる。
【００２３】
前記セラミックスヒータは、熱分解窒化ホウ素からなる基材と熱分解炭素からなる発熱体との複合体から構成されていることが好ましく、さらに複合体の熱分解窒化ホウ素と熱分解炭素のそれぞれの熱膨張率の差は、２×１０−６／℃以下であることが好ましい。
このような複合体の熱分解窒化ホウ素及び熱分解炭素は、熱化学気相蒸着法により好適に製造することができる。
このような複合セラミックスヒータは、密着性もよく、応力や反りも生じにくい。
【００２４】
また、前記サセプタは、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、またはサイアロンの何れかから作られていることが好ましく、また、遮熱板は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボン、サイアロン、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られていることが好ましい。
【００２５】
さらに、前記抑止手段は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボンまたはサイアロンの何れかから作られていることが好ましい。
【００２６】
また、前記台座は、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボン、サイアロン、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られていることが好ましい。
【００２７】
さらに、前記弾力手段に含まれるバネが、炭素繊維強化炭素、窒化ケイ素、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られていることが好ましい。
【００２８】
本発明に係るセラミックス加熱治具の各構成部材を、以上のような耐熱性に優れた材料から作ることで、特に高温でも安定して確実に加熱処理を行うことができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３０】
ここで図１は、本発明に係るセラミックス加熱治具の一例の概略部分断面を示したものである。なお、以下の説明中、サセプタ、セラミックスヒータ、及び遮熱板を加熱部材と呼ぶ場合がある。
このセラミックス加熱治具では、半導体ウエーハなどの被加熱物が載置されるサセプタ２と、セラミックスヒータ３と、遮熱板４が、球状のスペーサ５を介して所定の間隔を設けて順次配置されている。サセプタ２の厚さは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、セラミックスヒータ３の厚さは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、遮熱板４の厚さは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
【００３１】
サセプタ２の厚さは、その材質にもよるが、厚さが０．５ｍｍ未満のものは平面のうねりが大きくなり易く、強度的にも耐久性が不充分であり、その上作製が困難という問題もある。一方、５ｍｍを超えると、昇温、降温ともに時間がかかって急速な昇降温が困難となる。セラミックスヒータ３に関しても、０．５ｍｍ未満、あるいは３ｍｍを超えるものは、サセプタ２の場合と同様の問題がある。また、遮熱板４の厚さに関しては、０．５ｍｍ未満のものは平面のうねりが大きくなり易く、強度の弱さ、作製の困難性に加え、セラミックスヒータ３からの熱を遮断するという本来の機能を充分発揮できないという問題がある。一方、３ｍｍを超えるものは、上記のような問題はないが、重量が増して自重により撓んでしまい、サセプタ２にもその影響で撓みが生じてしまうという問題がある。したがって、前記のような厚さを有する加熱部材が使用される。
なお、遮熱板４による遮熱性を上げるために、遮熱板を複数設けることができる。
【００３２】
サセプタ２とセラミックスヒータ３との間、及びセラミックスヒータ３と遮熱板４との間には、それぞれ球状のスペーサ５が設けられており、各加熱部材間には０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の間隔が設けられている。遮熱板４とセラミックスヒータ３の上面周縁部近辺には、球状スペーサ５の大きさに合致したザグリが設けられており、球状スペーサ５が転がらないようにその一部がザグリ内に落とし込まれている。
【００３３】
なお、図１に示されているセラミックス加熱治具１にはセラミックスヒータ３及び遮熱板４上に、球状スペーサ５がそれぞれ左右に１つずつしか見られないが、実際には、各面上にさらに多くの球状スペーサ５が等間隔で配置されている。
スペーサ５の形状に関しては、特に限定されないが、上記球状のほか、円柱状のものが好ましく、角柱状のものでもよい。また、スペーサ５の数は、スペーサ５の形状あるいは加熱部材の形状にもよるが、安定性を考慮して、例えば加熱部材が円板型であれば、少なくとも３個以上、四角形であれば、少なくとも４個以上配置することが好ましい。但し、スペーサ５が加熱部材の周縁部付近に配置されるほどの大きさを有する環状のものであれば、加熱部材間に一つ配置するだけで安定して配置される。
【００３４】
サセプタ２、セラミックスヒータ３、及び遮熱板４のそれぞれの厚さとこれらの加熱部材間の間隔は前記した通りであり、また、遮熱板４を複数枚設けることができることを述べたが、加熱部材全体の厚さは１０ｃｍ以下、好ましくは５ｃｍ以下とし、さらに各加熱部材間は等間隔とすることが好ましい。このようにセラミックス加熱治具１を構成することでセラミックスヒータ３からの熱が効率的にサセプタ２に伝わるとともに、遮熱板４による遮熱効果も一層向上する。
【００３５】
遮熱板４の下面の周縁部付近には、バネ６ｂを含む弾力手段６が接して加熱部材を一体的に押し上げる一方、被加熱物が載置されるサセプタ２の上面周縁部付近には、弾力手段６による押し上げる力を抑制する抑止手段７が接して、サセプタ２、セラミックスヒータ３、及び遮熱板４を一体的に挟むように支持している。
【００３６】
図１に示される態様では、上記弾力手段６は、台座９に固定された円筒部材６ａと、該円筒部材６ａ内に収容されたバネ６ｂと、該バネ６ｂに支持されるとともに、遮熱板４に接する支持部材６ｃから構成されている。該支持部材６ｃは、下部の小径部がバネ６ｂの内側に収容される一方、曲面状の上部が円筒部材６ａから突出して遮熱板４と接しており、遮熱板４からの圧力に応じて弾力的に上下動するようになっている。
【００３７】
一方、抑止手段７は、その一部が側方に突出してサセプタ２上面周縁部付近に接する一方、ボルト８を介して台座９と連結され、ボルト８の頭部がストッパーとなって上方への動作が制限されている。また、ボルト８の頭部の頂端面には、必要に応じてマイナス溝、プラス溝、六角穴等が設けられており、適当な回動手段により抑止手段７の高さ制限の調節、あるいは台座９からの脱着を行うことができる。さらに、抑止手段７は、サセプタ２上に例えば半導体ウエーハを載せて加熱する場合の該ウエーハの位置を決める手段としても機能するようになっている。
【００３８】
前記のように構成された弾力手段６と抑止手段７により、サセプタ２、セラミックスヒータ３、及び遮熱板４が一体的に挟みこまれるように支持されている。すなわち、前記したようにスペーサ５を介して所定の間隔を設けて配置された加熱部材は、弾力手段６により押し上げられるとともに、サセプタ２上面に垂直な方向への作用が抑止手段７によって抑制されることで、サセプタ２、セラミックスヒータ３、及び遮熱板４が一体的に弾力手段６と抑止手段７によって弾力的に挟持される。
【００３９】
したがって加熱中、サセプタ２、セラミックスヒータ３、あるいは遮熱板４が膨張しても、厚さ方向に対する力は弾力手段６により無理なく吸収される。また、面に水平な方向に対する膨張については、前記支持部材６ｃの先端部が曲面状であるため、該先端部とこれと接する遮熱板４の下面、並びに抑止手段７とこれに接するサセプタ２の上面が滑って歪み等が生じることもない。なお、図１に示されるように、各加熱部材の側面と抑止手段７との間には、熱膨張を考慮した間隙が設けられている。
【００４０】
弾力手段６及び抑止手段７は、ともに前記図１に示されるような態様に限定されず、加熱部材を一体的且つ弾力的に支持できるものであれば全て使用できる。例えば、弾力手段６のバネ６ｂの代わりにゴム、エラストマー等の弾力性を有するものを使用することができる。また、弾力手段６は、必ずしも遮熱板４の外周端面近傍のみに配置される必要はなく、遮熱板４の中心部付近にも配置されることでより安定して支持され得る。また、図１で示される態様においては、上記弾力手段６は複数個配置されているが、これらの弾力手段６は、１０ｃｍ以下、好ましくは５ｃｍ以下の間隔で、できるだけ等間隔に配置されることが好ましい。
【００４１】
図１に示されるセラミックス加熱治具１は、サセプタ２の温度制御用及び／または温度モニター用の熱電対１０が設けられている。加熱中、熱電対１０がサセプタ２の温度をモニターし、その温度に応じてセラミックスヒータ３の供給電力が調整されることで、サセプタ２の温度が一定に保たれるように制御される。なお、このような熱電対１０は、セラミックスヒータ３に設けても良く、あるいはその両方に設けることもできる。いずれにせよ、これらの熱電対１０は、サセプタ２の温度を一定に保つように使用される。
【００４２】
また、弾力手段６及び抑止手段７がそれぞれ固定されている台座９の略中央部には、セラミックスヒータ３に電力を供給するための給電用の取り出し端子１１が設けられている。該取り出し端子１１を経て供給された電力は、台座９と遮熱板４との間に設けられた耐熱電線１２を通じてセラミックスヒータ３に供給され、加熱が行われる。なお、取り出し端子１１の位置は特に限定されず、台座周辺部に設けることもできる。
【００４３】
本発明に係るセラミックス加熱治具１を構成するセラミックスヒータ３、サセプタ２、及び遮熱板４、並びにスペーサ５は、特に高温にさらされるため、特に耐熱性の高い材質から作られる必要がある。また、他の構成部材に関しても従来使用されている耐熱性に優れたセラミックスまたは金属から構成されるが、特に好ましい材質を各構成部材ごとに以下に説明する。
【００４４】
まず、セラミックスヒータ３としては、従来セラミックスヒータ３を構成する材料からなるものを使用できるが、熱分解窒化ホウ素からなる基材と熱分解炭素からなる発熱体との複合体から構成されていることが好ましく、特に、セラミックスヒータ３を構成する複合体の熱分解窒化ホウ素と熱分解炭素のそれぞれの熱膨張率の差が２×１０−６／℃以下であることが好ましい。また、このようなセラミックスヒータ３を構成する複合体の熱分解窒化ホウ素と熱分解炭素は、熱化学気相蒸着法により好適に製造することができる。
セラミックスヒータをこのような材質とすれば、耐熱性等が良好であるとともに、反り、剥離等も生じることがないものとすることができる。
【００４５】
また、サセプタ２は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、またはサイアロンの何れかから作られたものを使用できる。これらの材料は、全て硬質であり、耐熱性に優れ、高温にさらされても歪等をほとんど生じないので、サセプタの材料として好適である。
【００４６】
遮熱板４に関しては、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボン、サイアロン、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られているものを使用できる。これらの材料は、全て硬質であり、耐熱性に優れ、高温にさらされても歪等をほとんど生じない。また、遮熱性にも優れている。
【００４７】
さらに、抑止手段７は、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボンまたはサイアロンの何れかから作られているものを好適に使用できる。
【００４８】
台座としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の複合物、熱分解窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、石英、炭化ケイ素コートカーボン、熱分解窒化ホウ素コートカーボン、熱分解炭素コートカーボン、サイアロン、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られているものを使用できる。
【００４９】
弾力手段６に含まれるバネ６ｂは、炭素繊維強化炭素、窒化ケイ素、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、インコネル、またはステンレススチールの何れかから作られているものを使用できる。これらの材料は、耐熱性に優れ、高温下においてもバネ６ｂとしての機能を充分に保持する。
【００５０】
本発明に係るセラミックス加熱治具の前記以外の構成部材、例えば、円筒部材６ａや支持部材６ｃに関しても、耐熱性に優れ、高温でも変形しない材料から作られていることが好ましく、例えば、遮熱板に関して列挙した材料から作られていることが好ましい。
【００５１】
次に、図２に示されるセラミックス加熱治具１ａは、前記図１に示されるセラミックス加熱治具１の変形例であり、図１のセラミックス加熱治具１の周りを覆うシール円筒１３が台座９と抑止手段７と接して設けられている。このようなシール円筒１３は、抑止手段７の横方向への安定性を向上させるとともに、遮熱効果もあるため、より効率的にサセプタ２を加熱・保温することができる。
なお、シール円筒１３の材質に関しては、前記セラミックス加熱治具の構成部材に使用される耐熱性に優れたものを使用でき、特に、遮熱板４に使用されるものと同じ材質のものを好適に使用できる。
【００５２】
さらに、台座９には給気口１４と排気口１５を設けることができる。給気口及び排気口の数や設置位置に関しては特に限定されないが、図２の加熱治具１ａでは、複数の給気口１４が給電用の取り出し端子１１の周辺にこれを取り囲むように所定の間隔をおいて設けられ、さらにこれらの給気口１４より外側の台座周辺部に複数の排気口１５が設けられている。
【００５３】
このように台座９に設けられた給排気口１４，１５を通じて窒素等のガスを給排気することにより、台座９と遮熱板４との間の加熱治具内部空間１６の換気を行うことができる。また、遮熱板４、台座９、及びシール円筒１３等によって加熱治具内部空間１６が密閉されていても、ガスの供給量と排気量を調整することで該加熱治具内部空間１６と、加熱治具１ａが設置されているプロセス室内等の外部空間との差圧を調整することができ、ひいては加熱時の加熱部材の歪、うねり等の変形を効果的に防ぐことができる。さらに、台座中央部の給気口１４から供給されたガスを台座周辺部に所定の間隔で設けられた複数の排気口１５に向けて全体的に放射状に流すことで、加熱部材の降温速度（冷却速度）を向上できるとともに、加熱部材全体を均一に冷却させることもできる。
【００５４】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
まず、ＮＨ３とＢＣｌ３とを１００Ｔｏｒｒ下に１９００℃で反応させて厚さ０．８ｍｍの熱分解窒化ホウ素製基材を作製した。その後、ＣＨ４とＢＣｌ３の割合を変化させながら１５００℃、５０Ｔｏｒｒの条件下で熱分解し、厚さ１００μｍの炭化ホウ素が混在した熱分解グラファイト層を形成し、ヒータとなるパターンの加工を施した。次いで、熱分解グラファイト上にＮＨ３とＢＣｌ３とを１００Ｔｏｒｒ下に１９００℃で反応させて厚さ１００μｍの熱分解窒化ホウ素の保護層を設けて直径２０５ｍｍ、厚さ１ｍｍの複層セラミックスヒータ３を作製した。
【００５５】
このように作製したセラミックスヒータ３を用いて前記図１で示したような構成のセラミックス加熱治具を作製した。具体的には、ステンレススチール（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の台座９にステンレススチール（ＳＵＳ３０４）製のバネ６ｂを介在した弾力手段６を直径１９０ｍｍ位置に１２等配間隔で固定させ、その上に直径２０５ｍｍ、厚さ１ｍｍの熱分解炭素製遮熱板４、直径２０５ｍｍ、厚さ１ｍｍの前記作製した複層セラミックスヒータ３、さらに直径２０５ｍｍ、厚さ２ｍｍの窒化アルミ製のサセプタ２を順次配置した。なお、サセプタ２とセラミックスヒータ３間、及びセラミックスヒータ３と遮熱板４間には、それぞれ直径２ｍｍのアルミナ製の球状スペーサ５を介して一定間隔が設けられ、遮熱板４とセラミックスヒータ３の上面には、球状スペーサ５が転がらないようにザグリが設けられており、このザグリ内に球状スペーサ５が落とし込まれた。
フリーな状態でこのサセプタ２の平面度を測定すると０．２ｍｍであった。
【００５６】
さらに、外径２４０ｍｍ、内径２０２ｍｍ、厚さ２０ｍｍのリング状の石英製の抑止手段７をサセプタ２上の周縁部付近にその一部を載せて台座９にボルト８で固定した。これにより弾力手段６の縮んだバネ６ｂが遮熱板４を上へ押し上げるとともに、抑止手段７がサセプタ２の上から、バネ６ｂによる上へ押し上げる力を抑制し、加熱部材が一体的に挟まれるように支持される。このとき測定したサセプタ２の平面度は０．０５ｍｍまで減少しており、平面度が矯正されていることが分かる。
【００５７】
熱電対１０はサセプタ２に固定されており、また、台座９を通して給電できるように給電用の取り出し端子（給電フィードスルー）１１が設けられ、これにヒータ３からの耐熱電線１２が接続されている。
【００５８】
以上のように組み立てられたセラミックス加熱治具１を熱電対１０でサセプタ２の温度をモニターしながら２００℃から６００℃の昇降温を繰り返し、１０００回のヒートサイクルテストを行ったが、このセラミックス加熱治具に反り、破損等の問題は見られなかった。また、テスト中の昇温速度は平均で２０℃／秒であり、降温速度は平均で０．５℃／秒であった。加熱時での平面度は、６００℃のとき０．０６ｍｍであり、治具を組立たとき、すなわち常温のときとほとんど変わらず、歪み等の発生も見られなかった。
【００５９】
（比較例）
厚さ４ｍｍの熱分解炭素製遮熱板２４と、直径２０５ｍｍ、厚さ４ｍｍの複層セラミックスヒータ２３と、厚さ７ｍｍのサセプタ２２を図３に示すように順次配置し、これらの各加熱部材を全て台座９に部材ごとにボルト８止めして固定した。なお、前記実施例で作製したセラミックス加熱治具１と同様、熱電対１０をサセプタ２２に固定し、また給電フィードスルー１１も設けた。
【００６０】
以上のように組み立てられたセラミックス加熱治具２１に対し、前記実施例と同様のヒートサイクルテストを行った結果、わずか５回でサセプタ２２はボルト固定箇所からクラックが発生して破損してしまった。
【００６１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００６２】
例えば、前記実施態様では、主に遮熱板が１枚のものについて説明したが、複数の遮熱板を設けたセラミックス加熱治具とすることもできる。また、本発明に係るセラミックス加熱治具は、例示した半導体ウエーハの加熱処理に限定して使用されるものではなく、例えば半導体デバイスや光デバイス等の製造工程において幅広く熱処理に適用できる。
さらに、前記実施態様では、抑止手段７が被加熱物の位置を決める手段としても機能することを説明したが、被加熱物の形状に応じた位置決め手段をサセプタ２上に別途設けることもできる。
【００６３】
上記いずれの態様にせよ、本発明に係るセラミックス加熱治具は、高温においてもサセプタに歪等が生じることなく平面度が保たれ、従ってこれを半導体ウエーハ等の被加熱物の熱処理に適用すれば、温度分布にムラが生じることがなく、該熱処理を好適に行うことができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るセラミックス加熱治具は、強度的に問題無く、且つ熱容量が大きくない適度な厚さのサセプタ及びセラミックスヒータ、並びに強度的に問題無く遮熱性に優れた厚さを有する遮熱板を、それぞれ所定の間隔を設けて順次配置して構成されており、被加熱物を急速に昇降温することができる。また、これらの各加熱部材が弾力的に支持され、加熱時にサセプタの表面に歪み等が発生することもないため、半導体ウエーハ等を均一に加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミックス加熱治具の一例を示す部分断面略図である。
【図２】図１に示すセラミックス加熱治具の変更態様を示す部分断面略図である。
【図３】比較例で組み立てられたセラミックス加熱治具を示す部分断面略図である。
【符号の説明】
１，１ａ，２１…セラミックス加熱治具、 ２，２２…サセプタ、
３，２３…セラミックスヒータ、 ４，２４…遮熱板、 ５…スペーサ、
６…弾力手段、 ６ａ…円筒部材、 ６ｂ…バネ、 ６ｃ…支持部材、
７…抑止手段、 ８…ボルト、 ９…台座、 １０…熱電対、
１１…給電フィールドスルー（取り出し端子）、 １２…耐熱電線、
１３…シール円筒、 １４…給気口、 １５…排気口、
１６…加熱治具内部空間。
Claims (1)
- 被加熱物が載置されるサセプタと、該サセプタを加熱するセラミックスヒータと、該セラミックスヒータからの熱を遮断する少なくとも１枚の遮熱板からなるセラミックス加熱治具であって、サセプタとセラミックスヒータとの間、及び遮熱板とセラミックスヒータとの間、さらに遮熱板が複数の場合には該遮熱板間にそれぞれスペーサが設けられ、最下部に配置された遮熱板の下面に接して弾力性を有する弾力手段と、被加熱物が載置されるサセプタの上面に接して弾力手段による該上面に垂直な方向への作用を抑制する抑止手段によりサセプタ、セラミックスヒータ及び遮熱板が一体的に挟まれるように支持されていることを特徴とするセラミックス加熱治具。
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