JP4435742B2 - 加熱素子 - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも、耐熱性基材の板状部にヒーターパターンが形成された発熱部と、該耐熱性基材に給電端子が形成された給電端子部とを有する加熱素子に関する。
半導体デバイスの製造工程における半導体ウェーハの加熱に使用されるヒーターとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニアなどの焼結セラミックスからなる耐熱性基材にモリブデン、タングステンなどの高融点金属の線や箔を発熱体として巻き付けるか接着したものが用いられてきた。
しかし、このようなヒーターでは、発熱体が金属製であるため変形や揮散が起こりやすいこと、短寿命であること、組立が煩雑であるなどの問題点があった（非特許文献１参照）。さらに耐熱性基材に焼結セラミックを使用しているため、これに含まれるバインダーが不純物となるなどの問題点もあった。
そこで、このようなヒートサイクルによる熱変形や不純物の飛散を防止するため、機械的強度が大きく高効率の加熱が可能な熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ：Ｐｙｒｏｌｉｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）の耐熱性基材と、該耐熱性基材上に熱分解グラファイトの導電層を有するセラミックヒーターが開発されている（例えば、非特許文献１、特許文献１−３等参照）。
このようなヒーターの加熱素子は、例えば、図４に示すように、少なくとも、板状の耐熱性基材２１にヒーターパターン３ａが形成された発熱部２０ａと、該耐熱性基材２１のヒーターパターンと同一面の周辺に給電端子３ｃが形成された給電端子部２０ｃとを有する加熱素子２０であって、ヒーターパターン３ａには、保護層４が形成され、給電端子３ｃには給電部材あるいは電源端子５が接続される。
しかし、発熱体である熱分解グラファイトが、酸化消耗に弱いことや、水素によるメタンガス化等、プロセス中に使われる高温ガスと反応性があることから、給電のために露出した給電端子部の熱分解グラファイトが、プロセス内に残存する酸素やプロセス中の高温ガスにより消耗し、寿命が短いという問題があった。
そして、この問題解決のために、給電端子部を発熱部より遠ざける試みがなされている。例えば、給電端子が、通電により発熱するヒーターパターンを有する給電部材を介して電源端子部材に接続し、ヒーターパターンを覆う保護層をＰＢＮ等の電気絶縁性セラミックスとして、給電端子部の過熱を防いで給電端子の寿命を延ばす（特許文献４参照）等の提案がなされている。
さらに、カーボン製の給電端子部をアセンブリによって組み上げた後に保護層を形成する方法が提案されている（特許文献１、７等参照）。
さらに、カーボン製の給電端子部をアセンブリによって組み上げた後に保護層を形成する方法が提案されている（特許文献１、７等参照）。
しかし、このようなヒーターの加熱素子は、加熱面側に突起物があるために、被加熱物との間に空間を設ける等の必要があり、コンパクトな設計の障害となる問題があった。また、複数の部品を組み合わせてアセンブリした接続部付近の保護層には、使用によりクラックが入りやすく、クラックから導電層の腐食が始まり、寿命が短くなるという問題があった。さらに、ハロゲン系エッチングガスを用いる等のホウ化物を腐食する環境で使用される場合、最表層がホウ化物では、耐性が乏しく、最外層が腐食され、短寿命となるという欠点があった。
また、耐熱性の支持基材の材質として、上記のように熱分解窒化ホウ素を用いれば、機械的強度が大きく高効率の加熱が可能であるが、異方性が大きいため反りが発生し易い上に、高価であるため、窒化ホウ素焼結体を用いることも提案されている（特許文献５参照）。
しかし、耐熱性の支持基材に窒化ホウ素焼結体を用いた場合、機械的強度が小さいため基材を厚くしなければならず、しかも基材側面から逃げる熱量も大きいので、特に７００℃よりも高い温度に、試料を加熱しようとする場合に十分温度が上がらなかった。
しかし、耐熱性の支持基材に窒化ホウ素焼結体を用いた場合、機械的強度が小さいため基材を厚くしなければならず、しかも基材側面から逃げる熱量も大きいので、特に７００℃よりも高い温度に、試料を加熱しようとする場合に十分温度が上がらなかった。
なお、最近ではヒーター上に被加熱体である半導体ウェーハを固定するための静電吸着機能を付与し、高機能化したセラミックヒーターが提案されている（特許文献２、３、５、６参照）が、ヒーターの耐熱性については不十分であった。
「真空」Ｎｏ．１２、（３３）、ｐ．５３記載のユニオンカーバイドサービセズ社製熱分解グラファイト／熱分解窒化硼素ヒーター
特表平８−５００９３２号公報
特開平５−１２９２１０号公報
特開平６−６１３３５号公報
特開平１１−３５４２６０号公報
特開平４−３５８０７４号公報
特開平５−１０９８７６号公報
国際公開第ＷＯ２００４／０６８５４１号パンフレット
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、給電端子が腐食することなく保護層の寿命も長く耐久性が高くてコンパクトで製造コストが低い加熱素子を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも、ヒーターパターンが形成される板状部と、該板状部の片面から突出する導電路が形成される棒状部と、該棒状部の前記板状部とは反対端に位置し給電端子が形成される先端部とが形成された一体物の耐熱性基材を有し、該耐熱性基材の表面に絶縁性の誘電体層と、該誘電体層上に導電性の導電層とを有し、前記導電層は、前記板状部ではヒーターパターンが形成され、前記棒状部では導電路が形成され、前記先端部では給電端子が形成されており、前記ヒーターパターンと前記導電路の表面が絶縁性の保護層で覆われた一体的に形成されてなるものであることを特徴とする加熱素子が提供される（請求項１）。
このような加熱素子であれば、前記板状部に前記ヒーターパターンが形成された加熱部と、前記先端部に前記給電端子が形成された給電端子部とが、前記導電路が形成された棒状部によって隔てられるので、給電端子部において露出した給電端子がプロセス中の高温ガスによって消耗し難くなり長寿命となる。
また、前記耐熱性基材は、一体物であって、複数の部品を組み合わせてアセンブリしたものではないので、コンパクトで製造コストが低い上、該耐熱性基材に形成された層は、使用によってクラックが入り難く長寿命である。
さらに、前記導電層は、上記のようにヒーターパターンと導電路と給電端子とが形成され、該ヒーターパターンと該導電路の表面が保護層で覆われ、一体的に形成されてなるものであるので、コンパクトで製造コストが低い上、該保護層は、使用によってクラックが入り難くなり長寿命となる。
また、前記耐熱性基材は、一体物であって、複数の部品を組み合わせてアセンブリしたものではないので、コンパクトで製造コストが低い上、該耐熱性基材に形成された層は、使用によってクラックが入り難く長寿命である。
さらに、前記導電層は、上記のようにヒーターパターンと導電路と給電端子とが形成され、該ヒーターパターンと該導電路の表面が保護層で覆われ、一体的に形成されてなるものであるので、コンパクトで製造コストが低い上、該保護層は、使用によってクラックが入り難くなり長寿命となる。
このとき、前記耐熱性基材の材質が、グラファイトであることが好ましい（請求項２）。
このように耐熱性基材の材質がグラファイトであれば、材料が安価で複雑な形状でも加工が容易であるため、製造コストをさらに低くできる上、耐熱性も大きい。
このように耐熱性基材の材質がグラファイトであれば、材料が安価で複雑な形状でも加工が容易であるため、製造コストをさらに低くできる上、耐熱性も大きい。
また、前記誘電体層の材質が、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものであることが好ましい（請求項３）。
このように誘電体層の材質が、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものであれば、絶縁性が高く、高温での使用による不純物の飛散がなく高純度が要求される加熱プロセスにも対応できる。
このように誘電体層の材質が、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものであれば、絶縁性が高く、高温での使用による不純物の飛散がなく高純度が要求される加熱プロセスにも対応できる。
さらに、前記導電層の材質が、熱分解炭素、グラッシーカーボンであることが好ましい（請求項４）。
このように導電層の材質が、熱分解炭素、グラッシーカーボンであれば、高温まで加熱可能となり、加工も容易なためヒーターパターンを蛇行パターンとして、その幅を変えることにより、任意の温度傾斜をつけたり、熱環境に応じた発熱分布をもたせて均熱化したりすることも容易となる。
このように導電層の材質が、熱分解炭素、グラッシーカーボンであれば、高温まで加熱可能となり、加工も容易なためヒーターパターンを蛇行パターンとして、その幅を変えることにより、任意の温度傾斜をつけたり、熱環境に応じた発熱分布をもたせて均熱化したりすることも容易となる。
また、前記保護層の材質が、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものであることが好ましい（請求項５）。
このように保護層の材質が、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものとすることにより、絶縁性が高く、また、高温での使用による剥離や不純物の飛散がなく高純度が要求される加熱プロセスにも対応できる保護膜となる。
このように保護層の材質が、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものとすることにより、絶縁性が高く、また、高温での使用による剥離や不純物の飛散がなく高純度が要求される加熱プロセスにも対応できる保護膜となる。
また、前記保護層は、少なくとも２層以上からなり、最表層の材質が、アルミニウム、イットリウム、シリコン、または、これらのいずれかの化合物であることが好ましい（請求項６）。
このように保護層は、少なくとも２層以上からなり、最表層の材質が、アルミニウム、イットリウム、シリコン、または、これらのいずれかの化合物であることにより、ハロゲン系エッチングガスや酸素等の腐食環境においても安定して使用することができる。特に、この場合、保護層の１層目を上記窒化アルミ等とするのが効果的で好ましい。
このように保護層は、少なくとも２層以上からなり、最表層の材質が、アルミニウム、イットリウム、シリコン、または、これらのいずれかの化合物であることにより、ハロゲン系エッチングガスや酸素等の腐食環境においても安定して使用することができる。特に、この場合、保護層の１層目を上記窒化アルミ等とするのが効果的で好ましい。
さらに、前記棒状部の長さが、１０〜２００ｍｍであることが好ましい（請求項７）。
このように棒状部の長さを、１０〜２００ｍｍとすることにより、端子部と加熱部が十分な距離をとることができるので、端子部を十分に低温化させることができ、より効果的に端子部の消耗を防ぐことができる。
このように棒状部の長さを、１０〜２００ｍｍとすることにより、端子部と加熱部が十分な距離をとることができるので、端子部を十分に低温化させることができ、より効果的に端子部の消耗を防ぐことができる。
また、前記板状部の前記棒状部が突出する側の面にヒーターパターンが形成され、該板状部の反対側の面に被加熱物を保持する静電チャックパターンが形成されたものとすることができる（請求項８）。
このように、前記板状部の前記棒状部が突出する側の面にヒーターパターンが形成され、該板状部の反対側の面に被加熱物を保持する静電チャックパターンが形成されたものであれば、被加熱体を保持しつつ加熱することができるので効率よく加熱できるとともに高精度で位置を設定することができ、イオンインプラ、プラズマエッチング、スパッタリング等の被加熱体の位置精度が要求される場合に、より正確に所望の加熱プロセスを行うことができる。
このように、前記板状部の前記棒状部が突出する側の面にヒーターパターンが形成され、該板状部の反対側の面に被加熱物を保持する静電チャックパターンが形成されたものであれば、被加熱体を保持しつつ加熱することができるので効率よく加熱できるとともに高精度で位置を設定することができ、イオンインプラ、プラズマエッチング、スパッタリング等の被加熱体の位置精度が要求される場合に、より正確に所望の加熱プロセスを行うことができる。
このように、本発明により提供される加熱素子は、加熱部と給電端子部とが棒状部によって隔てられることにより、給電端子部において露出した給電端子がプロセス中の高温ガスによって消耗し難くなり、前記耐熱性基材が一体物であるので、コンパクトで製造コストが低い上、形成された層はクラックが入り難くなる。
また、前記導電層は、上記のようにヒーターパターンと導電路と給電端子とが形成され、該ヒーターパターンと該導電路の表面が保護層で覆われ、一体的に形成されてなるものであるので、コンパクトで製造コストが低い上、該保護層は、使用によってクラックが入り難くなる。従って、本発明の加熱素子は非常に長寿命となる。
特に、耐熱性基材の材質をグラファイトとすることにより、材料が安価で複雑な形状でも加工が容易であるため、製造コストをさらに低くできる上、耐熱性も大きい。
また、前記導電層は、上記のようにヒーターパターンと導電路と給電端子とが形成され、該ヒーターパターンと該導電路の表面が保護層で覆われ、一体的に形成されてなるものであるので、コンパクトで製造コストが低い上、該保護層は、使用によってクラックが入り難くなる。従って、本発明の加熱素子は非常に長寿命となる。
特に、耐熱性基材の材質をグラファイトとすることにより、材料が安価で複雑な形状でも加工が容易であるため、製造コストをさらに低くできる上、耐熱性も大きい。
図４のように、熱分解窒化ホウ素の耐熱性基材２１上に熱分解グラファイトの発熱層３ａを有する従来のセラミックヒーターの加熱素子２０では、熱分解グラファイトが、酸化消耗に弱いことやプロセス中に使われる高温ガスと反応性があることから、給電のために露出した給電端子３ｃの熱分解グラファイトが、プロセス内に残存する酸素やプロセス中の高温ガスにより消耗し、寿命を短いという問題があった。
また、この問題解決のために、給電端子部を発熱部より遠ざける試みがいくつかなされているが、加熱面側に突起物ができてコンパクトな設計に障害があったり、複数の部品を組み合わせてアセンブリした接続部付近の保護層には、使用によりクラックが入りやすく寿命が短いという問題があった。
そこで、本発明者等は、鋭意研究を重ね、少なくとも、ヒーターパターンが形成される板状部と、該板状部の片面から突出する導電路が形成される棒状部と、該棒状部の前記板状部とは反対端に位置し給電端子が形成される先端部とが形成された一体物の耐熱性基材を有し、該耐熱性基材の表面に絶縁性の誘電体層と、該誘電体層上に導電性の導電層とを有し、前記導電層は、前記板状部ではヒーターパターンが形成され、前記棒状部では導電路が形成され、前記先端部では給電端子が形成されており、前記ヒーターパターンと前記導電路の表面が絶縁性の保護層で覆われた一体的に形成されてなる加熱素子であれば、給電端子や保護層の劣化が少ないため耐久性が高くコンパクトで製造コストが低いことを見出した。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１および図２は、本発明の加熱素子の概略図である。
本発明は、ヒーターパターン３ａが形成される板状部１ａと、板状部１ａの片面から突出する導電路３ｂが形成される棒状部１ｂと、棒状部１ｂの板状部１ａとは反対端に位置し給電端子３ｃが形成される先端部１ｃとが形成された一体物の耐熱性基材１を有し、耐熱性基材１の表面に絶縁性の誘電体層２と、誘電体層２上に導電性の導電層３とを有し、導電層３は、板状部１ａではヒーターパターン３ａが形成され、棒状部１ｂでは導電路３ｂが形成され、先端部１ｃでは給電端子３ｃが形成されており、前記ヒーターパターン３ａと前記導電路３ｂの表面が絶縁性の保護層４で覆われた一体的に形成されてなる加熱素子１０である。
このような加熱素子１０であれば、板状部１ａに前記ヒーターパターン３ａが形成された加熱部１０ａと、先端部１ｃに給電端子３ｃが形成された給電端子部１０ｃとが、棒状部１ｂに導電路３ｂが形成された導電部１０ｂによって隔てられるので、給電端子部１０ｃが低温化し、露出した給電端子３ｃがプロセス中の高温ガスによって消耗し難くなり劣化し難くなる。
また、前記耐熱性基材１は、一体物であって、複数の部品を組み合わせてアセンブリしたものではないので、コンパクトで製造コストが低い上、全体が全く同じ材質でできているので該耐熱性基材１に形成された層２，３，４は、使用によってクラックが入り難くなる。
耐熱性基材１の材質は、グラファイトであれば、材料が安価で複雑な形状でも加工が容易であるため、製造コストをさらに低くできる上、耐熱性も大きいので好ましいが、耐熱性があれば窒化ホウ素焼結体等の他の材質であってもよい。
板状部１ａは、誘電体層２とヒーターパターン３ａと保護層４が形成されて加熱部１０ａとなるものであればよく、図１，２のように必ずしも円板状である必要はなく、多角形の板状であってもよい。
棒状部１ｂは、板状部１ａの片面から突出し、図１（Ｃ）に示すように誘電体層２と導電路３ｂと保護層４が形成されて導電部１０ｂとなるものであればよく、図１，２のように必ずしも円柱状である必要はなく、多角柱であってもよい。また、棒状部１ｂは、図１のように１本であっても、図２のように２本、または、それ以上であってもよい。この図２の加熱素子は、ヒーターパターン３ａが板状部１ａの両面に形成されたものであり、２本の棒状部２ｂによって通電され加熱される。
棒状部１ｂの長さは、１０〜２００ｍｍとすることにより、給電端子部１０ｃと加熱部１０ａが十分な距離をとることができるので、より効果的に端子部の消耗を防ぐことができる。
先端部１ｃは、棒状部１ｂの板状部１ａとは反対端に位置し、誘電体層２と給電端子３ｃが形成されて給電端子部１０ｃとなるものであればよい。ここでは、給電端子３ｃ上には保護層４が形成されない。これにより、該給電端子３ｃが電源端子５に電気的に接続され、直流または交流の電流を流すことができる。
また、棒状部１ｂが図１のように１本である場合は、先端部１ｃは、構造上の安定のために図１のように広がった板状構造とすることが好ましい。
また、棒状部１ｂが図１のように１本である場合は、先端部１ｃは、構造上の安定のために図１のように広がった板状構造とすることが好ましい。
誘電体層２は、絶縁性と耐熱性がある材質であればよいが、その材質は、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものであれば、絶縁性が高く、高温での使用による不純物の飛散がなく高純度が要求される加熱プロセスにも対応できる。
導電層３は、板状部１ａではヒーターパターン３ａが形成され、前記棒状部１ｂでは導電路３ｂが形成され、前記先端部１ｃでは給電端子３ｃが形成されており、該ヒーターパターン３ａと該導電路３ｂの表面が保護層４で覆われ、一体的に形成されてなるものであるので、コンパクトで製造コストが低い。その上、導電層３が複数の部品を組み合わせたものではないので、剥離し難く、また、保護層４が、使用によって部品の接続部付近にクラックが入ることもなく長寿命である。
導電層３の材質が、熱分解炭素、グラッシーカーボンであれば、高温まで加熱可能となり、加工も容易なためヒーターパターンを蛇行パターンとして、その幅を変えることにより、任意の温度傾斜をつけたり、熱環境に応じた発熱分布をもたせて均熱化したりすることも可能となるので好ましい。特に、熱分解グラファイトであれば、さらに低製造コストであるので好ましいが、通電により発熱する耐熱性の高い材質であれば他の材質であってもよい。ヒーターパターン形状は図１のような蛇行パターン（ジグザグパターン）に限定されるものではなく、例えば同心円状の渦巻パターンであってもよい。
ヒーターパターン３ａは、板状部１ａ上において、誘電体層２と保護層４との間に形成され、通電による発熱によって、目的の被加熱物を加熱するための十分な熱を提供するものである。図１、図２のように、導電路３ｂに接続する電流の導入部が１対であってもよいが、これを２対以上とすることにより、２ゾーン以上の独立したヒーター制御も可能となる。
ヒーターパターン３ａは、図１（Ｂ）や図２（Ｂ）のように板状部１ａの棒状部１ｂが突出する面の反対側の面に形成されることが好ましいが、図３（Ｂ）のように板状部１ａの棒状部１ｂが突出する側の面に形成されてもよいし、両面に形成されてもよい。
給電端子３ｃは、先端部１ｃ上において、誘電体層２上に形成され、電源端子５に接続するために、絶縁性の保護層４は形成されない。ここで、電源端子５は、給電端子３ｃに接続して導電層３に直流または交流の電流を供給するものである。
導電路３ｂは、棒状部１ｂ上において、誘電体層２と保護層４との間に形成され、ヒーターパターン３ａと給電端子３ｃとを中間で連結するように一体的に形成れたものである。また、図１および図２のように、ヒーターパターン３ａが板状部１ａの棒状部１ｂが突出する反対側の面に形成される場合におけるヒーターパターン３ａとの連結は、導電路３ｂが板状部１ａの側面および裏面を通じて形成されることになる。
保護層４は、絶縁性と耐熱性がある材質であればよいが、材質が、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものとすることが好ましい。これにより、絶縁性が高く、また、高温での使用による不純物の飛散がなく高純度が要求される加熱プロセスにも対応できる。ただし、熱分解窒化ホウ素は水素耐性であるがフッ素系の環境で使用するのは耐食性が無いため好ましくない。
また、保護層４は、図５（Ｂ）に示すように、少なくとも２層以上からなるものとし、その最表層４ｐの材質が、アルミニウム、イットリウム、シリコン、または、これらのいずれかの化合物であることが好ましい。これにより、ハロゲン系エッチングガスや酸素等の腐食環境においても安定して使用することができる。すなわち、アルミニウム、イットリウム金属として用いたり、あるいは、アルミニウム、イットリウム、もしくは、シリコンのいずれかの化合物としては、例えば、アルミナ、フッ化アルミ、イットリア、フッ化イットリウム、酸化ケイ素を用いることができ、これらのいずれか一つ以上を複合したものを用いてもよい。この場合、最表層はアルミニウム等とし、その下層は導電層を保護するため、酸化物、導電物は好ましくなく、金属はショートするため使用できない。よって、前述の窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素等とするのが好ましい。
さらに、図３のように静電気を供給する電極パターンである静電チャックパターン６を設けることにより、被加熱物を保持できるようにしてもよい。特に、図３（Ｂ）のように板状部１ａの棒状部１ｂが突出する側の面にヒーターパターン３ａが形成され、図３（Ｃ）のように板状部１ａの反対側の面に被加熱物を保持する静電チャックパターン６が形成されたものであれば、被加熱体を確実に保持しながら加熱することができるので高精度で加熱位置を設定することができ、イオンインプラ、プラズマエッチング、スパッタリング等の被加熱体の位置精度が要求される場合に、より正確に所望の加熱プロセスを行うことができる。チャックパターンを形成する場合、特にその保護層は上記のような窒化物を配合した絶縁性のものとするのが好ましい。
以上のような本発明の加熱素子１０は、電源端子５により電気的に接続して加熱することにより、加熱部１０ａと、給電端子部１０ｃとが、棒状部１ｂに導電路３ｂが形成された導電部１０ｂによって隔てられるので、給電端子部１０ｃにおいて露出した給電端子３ｃがプロセス中の高温ガスによって消耗し難くなり長寿命となる。
また、導電層３は、ヒーターパターン３ａと導電路３ｂと給電端子３ｃが形成されており、該ヒーターパターン３ａと該導電路３ｂの表面が保護層４で覆われ、一体的に形成されてなるものであるので、コンパクトで製造コストが低い上に、該保護層４は、使用によってクラックが入り難くなり長寿命となる。
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１）
図１のように、厚さ１０ｍｍの外径２５０ｍｍの板状部１ａの片面の中央から、直径３０ｍｍ長さ１００ｍｍの棒状部１ｂと、該棒状部１ｂの板状部１ａとは反対側に直径６０ｍｍ厚さ１０ｍｍの小さい円板で電源端子５に接続できる４つの直径６ｍｍの穴を形成した先端部１ｃとが形成された一体物でカーボン製の耐熱性基材１を用意した。
（実施例１）
図１のように、厚さ１０ｍｍの外径２５０ｍｍの板状部１ａの片面の中央から、直径３０ｍｍ長さ１００ｍｍの棒状部１ｂと、該棒状部１ｂの板状部１ａとは反対側に直径６０ｍｍ厚さ１０ｍｍの小さい円板で電源端子５に接続できる４つの直径６ｍｍの穴を形成した先端部１ｃとが形成された一体物でカーボン製の耐熱性基材１を用意した。
この耐熱性基材１を熱ＣＶＤ炉内に設置してその表面に、反応ガスとしてアンモニアと三塩化硼素を４：１の容量混合比で流し、１９００℃、１Ｔｏｒｒの条件下で反応させて、この表面に厚さ０．３ｍｍの熱分解窒化硼素からなる誘電体層２を用意した。
次にメタンガスを１８００℃、３Ｔｏｒｒの条件下で熱分解させて、厚さ０．１ｍｍの熱分解グラファイトからなる導電層３を形成した。導電層３は、板状部１ａでは加熱面側にヒーターパターン３ａを形成し、その側面と裏面と棒状部１ｂでは導電路３ｂを形成し、先端部１ｃでは給電端子３ｃを形成するように加工した。この場合、給電端子３ｃは２つとし、残り２つの孔は使用しなかった。
そして、給電端子部３ｃにマスクを施して、再び熱ＣＶＤ炉内に設置し、反応ガスとしてアンモニアと三塩化硼素を４：１の容量混合比で流し、１９００℃、１Ｔｏｒｒの条件下、ヒーターパターン３ａと導電路３ｂの表面上に厚さ０．１ｍｍの熱分解窒化硼素からなる絶縁性の保護層４を形成した。
このようにして製造した図１の加熱素子１０を、電気的に接続して１ｘ１０−４Ｐａの真空中で加熱した、１．５ｋｗの電力で加熱部１０ａを８００℃に加熱できた。その際、給電端子部１０ｃは１５０℃となり、加熱部１０ａより大幅に低温化することができた。
ここに水素ガスを導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが２００時間置いても端子部、ヒーター部とも変化無く加熱できた。
ここに水素ガスを導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが２００時間置いても端子部、ヒーター部とも変化無く加熱できた。
さらに、同様に製造した図１の加熱素子１０の最表面上に、図５に示すように、最表層４Ｐとして反応性スパッタ法により窒化アルミニウムを１０μｍ形成して図５（Ａ）示す加熱素子１０を製造した。これを電気的に接続して１ｘ１０−４Ｐａの真空中で加熱した、１．０ｋｗの電力で加熱部１０ａを５００℃に加熱できた。その際、給電端子部１０ｃは１５０℃となり、加熱部１０ａより大幅に低温化することができた。
ここにＣＦ４を導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが２００時間置いても消耗量が５μｍ以下と変化無く加熱できた。
ここにＣＦ４を導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが２００時間置いても消耗量が５μｍ以下と変化無く加熱できた。
（実施例２）
図２のように、厚さ１０ｍｍの外径２５０ｍｍの板状部１ａの片面の両端部、２箇所に一対の直径２０ｍｍ長さ５０ｍｍの棒状部１ｂと、該棒状部１ｂの板状部１ａとは反対側にＭ１０の深さ１０ｍｍメスネジ穴が形成されて電気的接続をネジにより行えるようにした先端部１ｃとが形成された一体物でカーボン製の耐熱性基材１を形成した。
図２のように、厚さ１０ｍｍの外径２５０ｍｍの板状部１ａの片面の両端部、２箇所に一対の直径２０ｍｍ長さ５０ｍｍの棒状部１ｂと、該棒状部１ｂの板状部１ａとは反対側にＭ１０の深さ１０ｍｍメスネジ穴が形成されて電気的接続をネジにより行えるようにした先端部１ｃとが形成された一体物でカーボン製の耐熱性基材１を形成した。
この耐熱性基材１を熱ＣＶＤ炉内に設置してその表面に、反応ガスとしてアンモニアと三塩化硼素を４：１の容量混合比で流し、１９００℃、１Ｔｏｒｒの条件下で反応させて、この表面に厚さ０．３ｍｍの熱分解窒化硼素からなる誘電体層２を形成した。
次にメタンガスを１８００℃、３Ｔｏｒｒの条件下で熱分解させて、厚さ０．１ｍｍの熱分解グラファイトからなる導電層３を形成した。導電層３は、板状部１ａでは加熱面側にヒーターパターン３ａを形成し、先端部１ｃでは給電端子３ｃを形成するように加工した。
そして、給電端子部３ｃにマスクを施して、再び熱ＣＶＤ炉内に設置し、反応ガスとしてアンモニアと三塩化硼素を４：１の容量混合比で流し、１９００℃、１Ｔｏｒｒの条件下、ヒーターパターン３ａと導電路３ｂの表面上に厚さ０．１ｍｍの熱分解窒化硼素からなる絶縁性の保護層４を形成した。
このようにして製造した図２の加熱素子１０を、電気的に接続して１ｘ１０−４Ｐａの真空中で加熱した、１．５ｋｗの電力で加熱部１０ａを８００℃に加熱できた。その際、給電端子部１０ｃは２００℃となり、加熱部１０ａより大幅に低温化することができた。
ここに水素ガスを導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが２００時間置いても端子部に変化が無く加熱できた。
ここに水素ガスを導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが２００時間置いても端子部に変化が無く加熱できた。
さらに、同様に製造した図２の加熱素子１０の最表面上に、図５に示すように、最表層４ｐとしてプラズマ溶射法によりイットリア層を１０μｍ形成して、図５（Ｃ）示す加熱素子１０を製造した。これを電気的に接続して１ｘ１０−４Ｐａの真空中で加熱した、１．０ｋｗの電力で加熱部１０ａを５００℃に加熱できた。その際、給電端子部１０ｃは１５０℃となり、加熱部１０ａより大幅に低温化することができた。
ここにＣＦ４を導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが２００時間置いても表面の消耗量は１０μｍと非常に小さかった。
ここにＣＦ４を導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが２００時間置いても表面の消耗量は１０μｍと非常に小さかった。
（比較例）
図４のように、厚さ１０ｍｍの外径２５０ｍｍの板状の基材２１の表面の両端部に、Ｍ１０の深さ１０ｍｍメスネジ穴が形成されて電気的接続をネジにより行えるようにした一体物でカーボン製の耐熱性基材２１を形成した。Ｍ１０のネジ部は０．４ｍｍ大き目にしておき、後に電気的接続をネジにより行えるようにした。
図４のように、厚さ１０ｍｍの外径２５０ｍｍの板状の基材２１の表面の両端部に、Ｍ１０の深さ１０ｍｍメスネジ穴が形成されて電気的接続をネジにより行えるようにした一体物でカーボン製の耐熱性基材２１を形成した。Ｍ１０のネジ部は０．４ｍｍ大き目にしておき、後に電気的接続をネジにより行えるようにした。
この耐熱性基材２１を熱ＣＶＤ炉内に設置してその表面に、反応ガスとしてアンモニアと三塩化硼素を４：１の容量混合比で流し、１９００℃、１Ｔｏｒｒの条件下で反応させて、この表面に厚さ０．３ｍｍの熱分解窒化硼素からなる誘電体層２を形成した。
次にメタンガスを１８００℃、３Ｔｏｒｒの条件下で熱分解させて、厚さ０．１ｍｍの熱分解グラファイトからなる導電層３を形成した。導電層３は、基材の加熱面側にヒーターパターン３ａを形成し、両端部では給電端子３ｃを形成するように加工した。
そして、給電端子部３ｃにマスクを施して、再び熱ＣＶＤ炉内に設置し、反応ガスとしてアンモニアと三塩化硼素を４：１の容量混合比で流し、１９００℃、１Ｔｏｒｒの条件下、ヒーターパターン３ａの表面上に厚さ０．１ｍｍの熱分解窒化硼素からなる絶縁性の保護層４を形成した。
このようにして製造した図４の加熱素子２０を、電気的に接続して１ｘ１０−４Ｐａの真空中で加熱した、１．５ｋｗの電力で８００℃に加熱できた。その際、給電端子部は４８０℃とほとんど加熱を防止することができなかった。
ここに水素ガスを導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが７５時間したところで給電端子３ｃのカーボンが腐食し断線した。
ここに水素ガスを導入し１ｘ１０−２Ｐａとしたが７５時間したところで給電端子３ｃのカーボンが腐食し断線した。
また１．０ｋｗの電力で５００℃に加熱してＣＦ４を導入したところ、１０時間したところで最表面の層である窒化ホウ素が消失して、ヒーターパターン３ａや導電路３ｂ等の導電層３にクラックが入り断線した。
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。例えば、実施形態では、誘電体層２および保護層４を熱分解窒化硼素によって形成した場合を述べたが、窒化珪素や窒化アルミニウム等の他の材質によって形成した場合も同様である。
１…耐熱性基材、 １ａ…板状部、 １ｂ…棒状部、 １ｃ…先端部、 ２…誘電体層、
３…導電層、 ３ａ…ヒーターパターン、 ３ｂ…導電路、 ３ｃ…給電端子、
４…保護層、 ４ｐ…保護層の最表層、 ５…電源端子、 ６…静電チャックパターン、
１０…加熱素子、 １０ａ…加熱部、 １０ｂ…導電部、 １０ｃ…給電端子部。
３…導電層、 ３ａ…ヒーターパターン、 ３ｂ…導電路、 ３ｃ…給電端子、
４…保護層、 ４ｐ…保護層の最表層、 ５…電源端子、 ６…静電チャックパターン、
１０…加熱素子、 １０ａ…加熱部、 １０ｂ…導電部、 １０ｃ…給電端子部。
Claims (8)
- 少なくとも、ヒーターパターンが形成される板状部と、該板状部の片面から突出する導電路が形成される棒状部と、該棒状部の前記板状部とは反対端に位置し給電端子が形成される先端部とが形成された一体物の耐熱性基材を有し、該耐熱性基材の表面に絶縁性の誘電体層と、該誘電体層上に導電性の導電層とを有し、前記導電層は、前記板状部ではヒーターパターンが形成され、前記棒状部では導電路が形成され、前記先端部では給電端子が形成されており、前記ヒーターパターンと前記導電路の表面が絶縁性の保護層で覆われた一体的に形成されてなるものであることを特徴とする加熱素子。
- 前記耐熱性基材の材質が、グラファイトであることを特徴とする請求項１に記載の加熱素子。
- 前記誘電体層の材質が、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加熱素子。
- 前記導電層の材質が、熱分解炭素、グラッシーカーボンであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の加熱素子。
- 前記保護層の材質が、窒化ホウ素、熱分解窒化ホウ素、窒化珪素、ＣＶＤ窒化珪素、窒化アルミニウム、ＣＶＤ窒化アルミニウムのいずれか、または、これらを組み合せたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の加熱素子。
- 前記保護層は、少なくとも２層以上からなり、最表層の材質が、アルミニウム、イットリウム、シリコン、または、これらのいずれかの化合物であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の加熱素子。
- 前記棒状部の長さが、１０〜２００ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の加熱素子。
- 前記板状部の前記棒状部が突出する側の面にヒーターパターンが形成され、該板状部の反対側の面に被加熱物を保持する静電チャックパターンが形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の加熱素子。
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