JP4596790B2

JP4596790B2 - セラミックスヒータおよびこれを用いたウェハ支持部材

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Publication number: JP4596790B2
Application number: JP2004046660A
Authority: JP
Inventors: 恒彦中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-02-23
Also published as: JP2005235701A

Description

本発明は、セラミックス体の表面や内部に導電性物質からなる導電体や該導電体を形成する導電性ペーストに関し、例えば、この導電体を抵抗発熱体としたセラミックスヒータ
や、ウェハを加熱する際に用いる導電体に関するものであり、半導体ウェハや液晶装置あるいは回路基板等のウェハ上に薄膜を形成したり、ウェハ上に塗布されたレジスト液を乾燥焼き付けしてレジスト膜を形成したりする際に好適な導電体を抵抗発熱体としたウェハ支持部材に関する。

半導体製造装置の製造工程における、半導体薄膜の成膜処理、エッチング処理、レジスト膜の焼き付け処理等において、半導体ウェハ（以下、ウェハと略す）を加熱するためのヒータが用いられている。

そして、温度制御性に優れ、半導体素子の配線の微細化とウェハ熱処理温度の精度向上が要求されるのに伴い、セラミックスヒータが広く使用されている。

このようなセラミックスヒータは、金属粒子とガラスとの複合材料からなる導電体を抵抗発熱体としたもので、例えば特許文献１や特許文献２には、図１２に示すような導電体を備えたウェハ保持部材７１が提案されている。

この導電体は鱗片状の貴金属粒子や球状の貴金属粒子とガラスフリットとを混合しペースト状としたものを印刷し焼き付けたものが使用されていた。

また、この導電体７５を抵抗発熱体としたウェハ保持部材７１は、板状セラミックス体７２、ケース７９を主要な構成要素としたもので、アルミニウム等の金属からなる有底状のケース７９の開口部に、窒化物セラミックスや炭化物セラミックスからなる板状セラミック体７２を樹脂製で断熱性の接続部材７４を介してボルト８０で固定し、その上面をウェハＷを載せる載置面７３とするとともに、板状セラミック体７２の下面に、例えば図１０に示すような同心円状の抵抗発熱体７５を備えるようになっていた。

さらに、抵抗発熱体７５の端子部には、給電端子７７がロウ付けされており、この給電端子７７が、ケース７９の底部７９ａに形成されたリード線引出用の孔７６に挿通されたリード線７８と電気的に接続されるようになっていた。

そして、板状セラミックス体７２とケース７９とで囲まれた空間内にノズル８２より冷媒を送り、循環させ排出口８３より排出することにより板状セラミックス体７２を冷却するようになっていた。

ところで、このようなウェハ保持部材７１において、ウェハＷの表面全体に均質な膜を形成したり、レジスト膜の加熱反応状態を均質にしたりするにはウェハ面内の温度差を小さくして温度分布を均一にすることが重要である。その為、これまでウェハの温度分布を小さくするため、帯状の抵抗発熱体７５の抵抗分布を調整したり、帯状の抵抗発熱体７５の温度を分割制御したりすることが行なわれており、また、熱引きを発生し易い構造の場合、その周囲の発熱量を増大させる等の提案がされていた。

また、同時にウェハを加熱・冷却する際の過渡時間が短く、しかも過渡時の温度が均一であることが求められている。更に、ウェハの加熱温度を変更するためにウェハ保持部材７１の設定温度を変更する必要があり、ウェハ保持部材７１を昇温したり冷却したりする時間が短い必要があった。

特許文献３には、板状セラミックス体に窒化アルミニウム質焼結体を使い、ガラス層を介して抵抗発熱体を形成したウェハ保持部材が開示されている。

しかし、導電体を抵抗発熱体として、導電体に通電し急速に昇温したり、セラミックスヒータを急速昇温したり急速冷却を繰り返すと導電体にクラックが発生し、抵抗発熱体として機能しなくなる虞があった。
特開２００３−２４９３３２号公報特開２００２−７５５９８号公報特開２００２−２６０８３２号公報

ところで、半導体ウェハＷに塗布された感光性樹脂を乾燥させるのに使用するセラミックスヒータやウェハ保持部材７１では、ウェハ保持部材７１を２００〜３００℃に加熱するが、一枚当たりの処理時間は、ウェハ保持部材７１の昇温時間及び冷却時間で決まるため、昇温時には大きな電力を印加して急激に加熱し、冷却時にはエアを吹きつけて強制的に冷却することが一般的に行なわれており、このような過酷な条件下で繰り返し熱サイクルが印加されると、ウェハ保持部材７１を形成する板状セラミックス体７２と抵抗発熱体７５である導電体７５との間の境界に応力が集中し微小な剥離を発生したり、更に伸展するとクラックが発生し、剥離のない部分と剥離が発生した部分とでは熱伝達特性が変化することから載置面７３の均熱化が阻害され、その結果、ウェハＷを加熱する際の過渡特性が劣化したり、ウェハＷの面内温度差が大きくなりウェハＷを均一に加熱することができないため、感光性樹脂の膜厚が不均一となる等の特性が劣化する課題があった。さらにクラックが伸展すると、板状セラミックス体が窒化アルミニウムの場合、大気中の水分と窒化アルミニウム質焼結体とが反応してアンモニアガスやアミン系のガスを発生させるため、このガスが感光性樹脂に悪影響を与えるといった課題があった。

即ち、板状セラミックス体７２を形成する窒化アルミニウム質焼結体は、その熱膨張係数が４．７×１０^−６／℃程度であるのに対し、その表面に形成された抵抗発熱体７５の熱膨張係数は７．３×１０^−６／℃程度と、両者の間には大きな熱膨張差があり、ウェハ保持部材７１の加熱と冷却とによって繰り返し加わる熱サイクルにより、板状セラミックス体７２と抵抗発熱体７５との間には大きな応力が作用することになり、この応力によって板状セラミックス体７２と抵抗発熱体７５との間に応力が発生し抵抗発熱体７５がずれて剥離したりクラックが発生したりする虞があった。

また、このような熱応力によるウェハ保持部材７１の特性劣化は、より高い温度に加熱して使用される成膜処理やエッチング処理工程においても同様にあった。

本発明は、板状セラミックス体の表面または内部に導電体からなる抵抗発熱体を備えてなるセラミックスヒータにおいて、前記導電体は絶縁性組成物と金属からなる導電性粒子との複合材からなり、多数の前記導電性粒子に囲まれた前記絶縁性組成物の塊を有するとともに、前記絶縁性組成物を成す粉末の粒度分布は２つ以上の極大値を有することを特徴とする。

また、前記絶縁性組成物の塊の平均粒径が前記導電性粒子の平均粒径の３倍以上であることを特徴とする。
また、前記導電性粒子の平均粒径が０．１〜５μｍであり、前記絶縁性組成物の塊の平均粒径が３〜１００μｍであることを特徴とする。

また、前記絶縁性組成物からなる粒子の平均粒径が前記導電性粒子の平均粒径の３０倍以下であることを特徴とする。

また、前記セラミックスヒータにおける前記板状セラミックス体の一方の主面を、ウェハを載せる載置面としたウェハ支持部材であることを特徴とする。

また、前記板状セラミックス体と前記導電体との間に絶縁層を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、板状セラミックス体は表面または内部に導電体からなる抵抗発熱体を備え、導電体は絶縁性組成物と金属からなる導電性粒子との複合材からなり、多数の導電性粒子に囲まれた絶縁性組成物の塊を備えることで、導電体に通電しながら急速昇温、急速冷却といった厳しい条件で繰り返し使用しても、板状セラミックス体と導電体との間にクラックが発生することがなく、導電体が断線することなく、耐久性に優れたセラミックスヒータや、特にウェハ面内の温度差が小さく、急速昇温しても耐久性に優れたウェハ支持部材を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明に係るウェハ支持部材１の一例を示す断面図で、炭化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる板状セラミックス体２の一方の主面を、ウェハＷを載せる加熱面３とするとともに、他方の主面に導電体５である抵抗発熱体５を形成したヒータ部３０を備え、このヒータ部３０の周辺を支えるようにケース１９を備えたものである。

導電体５からなる抵抗発熱体５のパターン形状としては、略同心円状をしたものや渦巻き状をしたものなど、ウェハ加熱面３を均一に加熱できるパターン形状であれば良い。均熱性を改善するため、抵抗発熱体５を複数のパターンに分割することも可能である。またパターンの線幅や粗密を調整し、電力密度に分布をつけて均熱性を改善しても良い。

導電体５には、金や銀、パラジウム、白金等の材質からなる給電部６が形成され、この給電部６に給電端子１１を接触させることにより、導通が確保されている。給電端子１１と給電部６とは、導通が確保できる方法であれば、はんだ付け、ロウ付け等の手法を用いてもよい。

さらに、板状セラミックス体２と有底のケース１９の開口部の外周にボルト１６を貫通させ、板状セラミックス体２と有底のケース１９とが直接当たらないように、リング状の接触部材１７を介在させ、有底のケース１９側より弾性体１８を介在させてナット２０を螺着することにより弾性的に固定している。

これにより、板状セラミックス体２の温度が変動した場合に有底のケース１９が変形しても、弾性体１８によってこれを吸収し、これにより板状セラミックス体２の反りを抑制し、ウェハ表面に、板状セラミックス体２の反りに起因する温度ばらつきが発生することを防止できるようになる。

なお、有底のケース１９は側壁部２２と底面２１とを有し、板状セラミックス体２はその有底のケース１９の開口部を覆うように設置してある。また、有底のケース１９には冷却ガスを排出するための排出口２３が施されており、板状セラミックス体２の抵抗発熱体５に給電するための給電部６、この給電部６に導通するための給電端子１１、板状セラミックス体２を冷却するためのガス噴射口２４、板状セラミックス体２の温度を測定するための熱電対２７を備えている。

さらに、有底のケース１９の深さは１０〜５０ｍｍで、底面２１は、板状セラミックス体２から１０〜５０ｍｍの距離に設置することが望ましい。更に好ましくは２０〜３０ｍｍである。これは、板状セラミックス体２と有底のケース１９相互の輻射熱によりウェハの加熱面３が加熱されると同時に、ケース１９の外部との断熱効果があるので、ウェハの加熱面３の温度分布に大きな影響を及ぼすからである。

また、板状セラミックス体２には少なくとも３箇所の貫通孔２６が設けられ、ウェハリフトピン２５を上下させることにより、板状セラミックス体２へウェハＷを迅速に載置離脱できる。また、ウェハリフトピン２５が板状セラミックス体２へ直接接触しないようにガイド部材１０が設置されている。

本発明のウェハ保持部材１は、大きな電力を印加して急速に所定温度まで加熱し、また、冷却時にはウェハ保持部材１の加熱面３と反対側の表面にエアを噴出して強制的に冷却するといった熱サイクルが加わるが、本発明の導電体５は抵抗発熱体５として使うこともできる。

そして図２、図３に示すように、抵抗発熱体５の内部に絶縁性組成物の塊５ａを備えることで、板状セラミックス体２と抵抗発熱体５との界面に沿って剥離が発生することが無く、また抵抗発熱体５が断線することがない。抵抗発熱体５に絶縁性組成物の塊５ａは、板状セラミックス体２と抵抗発熱体５の熱膨張係数の微妙な違いから生じる板状セラミックス体２と抵抗発熱体５との間の接合界面の熱応力に対し抵抗発熱体５の強度を増し破壊を防止する効果があることを見出した。

ここで、導電体５である抵抗発熱体５は、絶縁性組成物に導電性粒子５ｂが分散したもので、その中に多数の導電性粒子５ｂに囲まれた絶縁性組成物の塊５ａが形成されている。絶縁性組成物の塊５ａとは導電性粒子５ｂで囲まれた絶縁性組成物で、導電体５の断面を鏡面加工してＳＥＭ写真を撮影し、その写真上で導電性粒子５ｂに囲まれた領域５ａで、導電性粒子５ｂに内接する多角形で示すことができる。

そして、この多角形の面積と同等な円の直径を絶縁性組成物の塊５ａの粒径とし、その平均粒径が導電性粒子の平均粒子径の３倍以上、好ましくは６倍以上であると応力により発生したクラックの伝播を阻害する効果があることが分かった。また、多数の導電性粒子５ｂとは導電性粒子５ｂが５個以上であることを示し、概ね導電性粒子５ｂで囲まれた塊５ａは導電性粒子５ｂの最大径の３倍以下の長さの間隔で連続した導電性粒子５ｂから囲まれた塊５ａとして表すことができる。

また、導電性粒子５ｂは金、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウムや銀、銅、ニッケル等の金属を用いることができる。そして、これらの導電性粒子５ｂは球形状であると、絶縁性組成物となるガラス粉末と混合することが容易であり好ましい。絶縁性組成物としては結晶化ガラスが好ましく、その少なくとも一部にＺｎ、Ｂ、Ｓｉの少なくとも一種類を含んだ結晶相を含有していると良い。ガラス中に生成もしくは分散させる前記結晶相の種類としては、例えばＺｎ₂ＳｉＯ₄、Ｚｎ₃Ｂ₂Ｏ₆、Ｚｎ₃（ＢＯ₃）₂、Ｚｎ（ＢＯ₂）₂、ＳｉＯ₂等をあげることができる。

そして、導電体５の導電性粒子５ｂの平均粒径は０．１〜５μｍであることが好ましい。この平均粒径が０．１μｍを下回ると導電性粒子の粒子径が小さ過ぎることから、導電性粒子を絶縁性組成物と充分混合することができないからである。また平均粒子径が３μｍを超えると、導電性粒子の熱膨張係数が絶縁性組成物より大きいことから界面の熱応力が大きくなりすぎて導電体５が熱応力で破壊する虞があるからである。

なお、導電性粒子５ｂの平均粒子径は、反射電子顕微鏡で１５００倍のＳＥＭ写真を撮影して３０μｍ長さの直線を２本引き、その直線が横切った導電性粒子の長さを横切った数で割って算出した。

また、絶縁性組成物からなる塊５ａの平均粒径は３〜１００μｍであることが好ましい。３μｍを下回ると導電体５と板状セラミックス体２との熱応力に対する耐久力が低下する虞がある。また、１００μｍを超えると塊５ａが大きくなりすぎて、導電体５の電気抵抗を部分的に増大させ、導電体５に通電した際に部分的に発熱量が増大する虞があるからである。

なお、絶縁性組成物からなる塊５ａの平均径は反射電子顕微鏡写真から、導電性粒子５ｂで囲まれた領域を選択するのであるが、短径が導電性粒子５ｂの径の３倍以上である領域を絶縁性組成物の塊５ａと認識し、１５００倍の反射電子顕微鏡写真に７０μｍの直線を引きその直線が横切った塊５ａの総長さを個数で除して求めることができる。

そして、絶縁性組成物の塊５ａはその内部に絶縁性組成物より熱膨張係数の大きな粒子５ｃを内在させることが好ましい。このように塊５ａの中に粒子５ｃを含むと塊５ａとの界面で引っ張り応力が作用し塊５ａの強度を増すことができるからと考えられる。そして、この粒子５ｃの粒子径は塊５ａの粒子径の０．１倍程度以下であると、塊５ａの強度を増す効果が大きく好ましい。

また、粒子５ｃは導電性粒子５ｂと同一組成物であっても良い。導電性粒子５ｂと粒子５ｃとが同一組成物であると、ガラス等の絶縁性組成物からなる粉末と導電性粒子を同時に混合してペースト状として印刷法等で板状セラミックス体２に形成し焼き付けして導電体５を容易に形成することができる。

また、本発明の導電体５は、絶縁性組成物の塊５ａの中に含む該絶縁性組成物の熱膨張係数より大きな粒子５ｃの数が５０個以下であることが好ましい。

導電体５の断面のＳＥＭ写真において、絶縁性組成物の塊５ａの中に含まれる粒子５ｃの数が５０個以下であると、粒子５ｃによる塊５ａの強度向上の効果が効率よく作用して好ましい。５０個を上回ると粒子５ｃによる熱応力が大きくなりすぎて塊５ａの強度を低下させる虞があるからである。好ましくは２０個以下であり、更に好ましくは１０個以下である。

また、塊５ａに内在する粒子５ｃの塊５ａに対する断面積比率は１０％以下であることが好ましい。１０％を超えると粒子５ｃの熱応力に対する緩和効果が小さくなり、塊５ａの強度を大きくすることができない虞が生じるからである。好ましくは５％以下であり更に好ましくは３％以下である。また、０．１％以上であると効果が見られることから好ましい。

図４に示すような板状セラミックス体２にガラス層などの絶縁層４を形成しその上に抵抗発熱体５を形成したウェハ保持部材１においても、図５のように板状セラミックス体２と導電体５との間に絶縁層４を介して熱応力が加わることから、上記同様に導電体５に絶縁性組成物の塊５ａを備えることで、導電体５と絶縁層４や板状セラッミクス体２との間にクラックが発生したり、剥離したりする虞がなくなる。これは、絶縁性組成物の塊５ａが存在することから、板状セラミックス体２と導電体５の間の熱膨張係数の差から生じる熱応力を吸収緩和する作用を発生すると考えられる。

次に、本発明の特徴である絶縁性組成物の塊５ａの作製方法について述べる。

本発明の導電体５は絶縁性組成物に導電性粒子５ｂを備えたもので、絶縁性組成物としてはガラスやセラミックスが用いられる。そして、導電性粒子の周りや導電性粒子間を充填する絶縁性組成物として粒径の小さなものが好ましく、絶縁性組成物の塊５ａは絶縁性組成物としてのガラス粉末やセラミックス粉末の粒径が大きな粒子からなることが好ましい。従って、ガラスやセラミックス粉末として粒径分布の異なる２つ以上の粒子群からなる絶縁性組成物粉末と導電性粒子を混合して導電体５を形成することができる。

そして、絶縁性組成物を成す粉末の粒度分布は２つ以上の極大値があることが好ましく、２つの極大値の粒径の中の大きい方の極大値を示す粒径は、小さい方の極大値を示す粒径の２倍以上であることが好ましい。更に好ましくは５倍以上である。

従って、本発明の絶縁性組成物と導電性粒子と有機結合材とからなる導電性ペーストは、絶縁性組成物と導電性粒子とからなる粒子の粒径分布の極大値が２箇所以上あることを特徴とする。上記極大値は粒度測定器を用いて頻度と粒径とのグラフから読み取ることができる。なお、有機結合材としては、各種の有機バインダや可塑剤、分散剤、有機溶剤などから構成することができる。

また、これらの絶縁性組成物からなる粉末と導電性粒子からなる粉末を均一に混合するには、絶縁性組成物の塊５ａの平均粒径が導電性粒子の平均粒径の１〜３０倍であることが好ましい。絶縁性組成物の平均粒径が１倍を下回ると、直径２μ以下の微粒の導電性粒子と絶縁性組成物からなる粒子とを均一に混合しペースト状とするには溶剤の量が３０質量％以上と多くなり、ペーストの密度が低下し焼き付け時の収縮量が大きくなり好ましくない。また、絶縁性組成物の平均粒径が導電性粒子の平均粒径の３０倍を超えると、絶縁性組成物と導電性粒子とが分離して均一に混合することが難しく好ましくない。更に好ましくは２〜１０倍であり、より好ましくは３〜５倍である。そして、これらの導電性粒子としては、特にＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒの貴金属が微粒で球形に近い粉末を作製できることから好ましい。

また、このウェハ保持部材１には、大きな電力を印加して急速に所定温度まで加熱したり、また、冷却時にはウェハ保持部材１の加熱面３と反対側の表面にエアを噴出して強制的に冷却したりするといった熱サイクルが加わるが、本発明のウェハ保持部材１は、図６に示すように絶縁層４の一部としてＡｌを含む酸化物膜４ａで覆われた窒化アルミニウム質焼結体からなる板状セラミックス体２と抵抗発熱体５との間に、窒化アルミニウム質焼結体との熱膨張差が近似したガラス層４ｂを設け、熱膨張係数が大きく異なる酸化物膜４ａを、熱膨張係数が近似した窒化アルミニウム質焼結体とガラス層４ｂとで挟み込むように構成してあることから、ガラス層４ｂを持たない従来のセラミックスヒータのように、酸化物膜４ａに作用する応力を緩和することができるとともに、酸化物膜４ａとガラス層４ｂとを強固に密着させることができ、前述したような熱サイクルが作用したとしても酸化物膜４ａとガラス層４ｂとの境界及びガラス層４ｂと抵抗発熱体５との境界にクラックが発生することを防止し、寿命の長いウェハ保持部材１を提供することができる。

ところで、このような効果を奏するためには、ガラス層４ｂとして、ヒータ部３０を形成する窒化アルミニウム質焼結体との熱膨張係数の差が−３．０〜３．０×１０^-6／℃の範囲にあるガラスを用いるとともに、ガラス層４ｂの厚みＴを２〜３００μｍとすることが好ましい。

なぜなら、ガラス層４ｂの熱膨張係数が窒化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数より３．０×１０^-6／℃を超えて小さいと、熱膨張係数の異なる酸化物膜４ａを、近似した熱膨
張係数を有する部材で挟み込んで酸化物膜４ａに作用する応力を緩和する効果が小さく、また、酸化物膜４ａとの熱膨張差が大きくなり過ぎて酸化物４ａが脆くなり、繰り返し加わる熱サイクルによって酸化物膜４ａが剥離し易くなるからで、逆にガラス層４ｂの熱膨張係数が窒化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数より３．０×１０^-6／℃を超えて大きいと、酸化物膜４ａを挟みこむことによる応力緩和効果が小さく、また、抵抗発熱体５の表面を強制空冷した際に、抵抗発熱体５の外周部にクラックが発生し易くなるからである。

また、ガラス層４ｂの厚みＴを２〜３００μｍとするのは、ガラス層４ｂの厚みＴが２μｍ未満であると、ヒータ部３０上に均一な厚みでガラス層４ｂを形成することができないからであり、ガラス層４ｂの厚みＴが３００μｍを超えると、ヒータ部３０を反らせる程の大きな内部応力が発生し、使用中にガラス層４ｂが剥離するからである。

さらに、抵抗発熱体５を形成するガラス層４ｂの表面の平坦度は、３００μｍ以下とすることが好ましい。平坦度が３００μｍを超えると、抵抗発熱体５を均一な厚みで形成することが難しくなるため、抵抗発熱体５の抵抗値にバラツキが発生するからである。

一方、ガラス層４ｂ上に形成する抵抗発熱体５は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒのうち少なくとも一種以上の金属又はこれらの合金と、Ｚｎ、Ｂ、Ｓｉの少なくとも一種を含むガラスからなり、抵抗発熱体５の熱膨張係数が、ヒータ部３０を形成する窒化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数に対して、−０．５〜３．０×１０^-6／℃の範囲にあるものを用いることが好ましい。両者間の熱膨張係数の差を上記範囲内に調整することで、ウェハ保持部材１の製作時や使用時におけるクラックの発生を低減し、耐久性をさらに向上させることができる。

また、この絶縁層４を形成するガラスの特性としては、結晶質又は非晶質のいずれでも良く、耐熱温度が２００℃以上でかつ０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が板状セラミックス体２を構成するセラミックスの熱膨張係数に対し１×１０^-6／℃であることが好ましく、更に好ましくは−５×１０^-7／℃〜＋５×１０^-7／℃の範囲にあるものを適宜選択して用いることが良い。即ち、熱膨張係数が前記範囲を外れたガラスを用いると、板状セラミックス体２を形成するセラミックスとの熱膨張差が大きくなりすぎるため、ガラスの焼付け後の冷却時においてクラックや剥離等の欠陥が生じ易いからである。

この時、抵抗発熱体５に含有するガラスは、その軟化点がガラス層４ｂを形成するガラスの転移点より低いものを用いることが好ましく、このようなガラスを用いることで、後述する抵抗発熱体５の焼き付け時の熱履歴によってガラス層４ｂが軟化変形し、抵抗発熱体５の抵抗値分布に悪影響を与えることを防止することができる。

また、抵抗発熱体５に含有するガラスとしては、その内部にＺｎ₂ＳｉＯ₄、Ｚｎ₃Ｂ₂Ｏ₆、Ｚｎ₃（ＢＯ₃）₂、Ｚｎ（ＢＯ₂）₂、ＳｉＯ₂の少なくとも１種の結晶を含有させたも
のを用いることが好ましい。これらの結晶は熱熱膨張係数が小さいため、抵抗発熱体５の熱膨張係数を下げる効果があるとともに、ガラス中にクラックが発生しても上記結晶によってクラックの伸展を抑制することができるため、従来、５０℃〜３５０℃の熱サイクル試験において１００００サイクル程度で断線していた抵抗発熱体５の寿命を２００００サイクルまで延ばすことができ、長寿命なウェハ保持部材１を提供することができる。

特に、結晶構造として針状のものを用いれば、細長い結晶がガラス中に入り組んだ状態で存在することになるため、抵抗発熱体５の強度をさらに向上させることができ、効果的である。

抵抗発熱体５のガラス中に、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄、Ｚｎ₃Ｂ₂Ｏ₆、Ｚｎ₃（ＢＯ₃）₂、Ｚｎ（Ｂ
Ｏ₂）₂、ＳｉＯ₂の少なくとも１種の結晶を含有させる方法としては、結晶化させるかあ
るいはガラス中に分散させれば良い。

例えば、結晶化によって生成する場合、上記結晶の構成成分である、Ｚｎ、Ｂ、Ｓｉの少なくとも１種を含有するガラスを加熱して溶融させ、溶融ガラスを結晶核生成温度付近で１時間程度保持することにより結晶核を十分に生成させた後、結晶成長温度まで昇温してガラス中に結晶化ガラスを生成させれば良い。

また、結晶化させる以外にガラス粉末とともに、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄、Ｚｎ₃Ｂ₂Ｏ₆、Ｚｎ₃（ＢＯ₃）₂、Ｚｎ（ＢＯ₂）₂、ＳｉＯ₂の少なくとも１種の粉体を混ぜたペーストを用い、
焼き付け処理することによりガラス中に混在させるようにしても構わない。

なお、抵抗発熱体５のガラス中に含有される結晶相の同定は、Ｘ線回折（理学電気社製）により同定することができ、また、ガラス層４ｂの転移点及び抵抗発熱体５中のガラスの軟化点の測定は、示差熱量分析計を用い、温度を上昇させながら熱の出入りを測定し、ベースラインの最初の吸熱シフト部分の漸近線の交点をガラスの転移点とし、その次に出現する緩やかな発熱ピークの両側の漸近線の交点をガラスの軟化点とすれば良い。

さらに、抵抗発熱体５を形成する金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒを用いることができるが、これらの中でも、Ｐｔ、Ａｕ、もしくはこれらの合金はマイグレーションを起こし難いため、抵抗発熱体５の劣化を防止することができるとともに、Ｐｔ、Ａｕは耐酸化性に優れることから、５０℃〜３５０℃の熱サイクル試験における寿命を２５００００サイクルまで伸ばすことができる。

抵抗発熱体５を形成するガラスと金属の混合比率は、重量比で４０：６０〜８０：２０とすることが良い。なぜなら、ガラスと金属の混合比率が４０：６０より小さいと、ガラス量が少なくなり過ぎるため、抵抗発熱体５が剥離し易くなるからであり、逆にガラスと金属の混合比率が８０：２０より大きくなると、金属の含有量が少なくなり過ぎるため、部分的に体積固有抵抗値にバラツキが発生し、ヒータ部３０の加熱面３を均一に加熱することができなくなったり、抵抗発熱体５の断線が発生し易くなったりするからである。

一方、ヒータ部３０を形成する窒化アルミニウム質焼結体としては、熱伝導率が高いものを用いることが好ましく、例えば、窒化アルミニウムを主成分とし、焼結助剤として、Ｙ₂Ｏ₃やＥｒ₂Ｏ₃、Ｃｅ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等の希土類元素化合物を１〜９重量％の範囲で含有したものを用いれば、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、さらには１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を得ることができ、ヒータ部３０として好適に用いることができる。

また、ヒータ部３０を形成する窒化アルミニウム質焼結体の表面にＡｌを含む酸化物膜４ａを形成する手段としては、窒化アルミニウム質焼結体を、酸化雰囲気中、８５０〜１２００℃の温度で１〜１０時間程度、熱処理すれば良く、このような条件で酸化させることによりアルミナからなる酸化物膜４ａを生成させることができる。

ここで、熱処理温度を８５０〜１２００℃としたのは、１２００℃を超えると酸化膜の生成速度が速くなり過ぎ、酸化物膜４ａにクラックが発生し易くなるからであり、逆に８５０℃未満では、酸化物膜４ａの生成が悪く、窒化アルミニウム質焼結体の表面全体を酸化物膜４ａで覆うことができないからである。

そして、窒化アルミニウム質焼結体の表面に形成する酸化物膜４ａの膜厚みＴは０．０５〜５μｍとすることが良く、酸化物膜４ａの膜厚みＴが０．０５μｍ未満では、酸化によって窒化アルミニウム質焼結体の表面全体を完全に覆うことが難しいため、窒化アルミ
ニウム質焼結体が空気中の水分と反応してアンモニアガスやアミン系のガスを発生させ、ウェハＷ上に形成した感光性樹脂の性質を劣化させてしまい、逆に酸化物膜４ａの膜厚みＴが５μｍを超えると、酸化物膜４ａが形成された後の冷却時に、表面の酸化物膜４ａの収縮が、ヒータ部３０を形成する窒化アルミニウム質焼結体に較べて大きいため（窒化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数：４．７×１０^-6／℃（２０〜４００℃）、アルミナからなる酸化物膜４ａの熱膨張係数：７．３×１０^-6／℃（２０〜４００℃））、この収縮差により酸化物膜４ａには常に引張応力が作用しており、この状態で抵抗発熱体５の昇温及び強制空冷によって熱衝撃が加わると、抵抗発熱体５にクラックが発生するからである。

なお、Ａｌを含む酸化物膜４ａの形成にあたっては、窒化アルミニウム質焼結体の表面を酸化させる以外に、アルミナやイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）等の酸化物膜４ａをスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＣＤ法等の手段を用いて被着したものであっても良く、少なくとも窒化アルミニウム質焼結体の表面が露出しないようにすれば良い。

また、板状セラミックス体２として窒化アルミニウムを例に説明したが、板状セラミックス体として、炭化珪素を用いＳｉを含む酸化物膜４ａを用いても窒化アルミニウムと同様の効果が得られる。

また、本発明のウェハ保持部材１は、板状セラミックス体２の周辺の下面を支えるようにリング状に接触部材１７が接続しているので、ケース１９の直径と板状セラミックス体２の直径Ｄを同等とすることができることから、板状セラミックス体２の直径を大きくすることができる。そのため、温度の低いウェハＷを温度の高いウェハ加熱面に載せてもウェハＷの周辺の温度が低下することなく、板状セラミックス体２の周辺の非発熱領域に蓄熱された熱によりウェハＷの周辺を加熱することができる。

また、本発明のウェハ保持部材１は、図７に示すように板状セラミックス体２の周辺の端面を囲むようにリング状に上記接触部材１７が接続することで、板状セラミックス体２の周辺部の熱の漏出を防止しウェハＷ面内の温度差を小さくすることができる。特に、板状セラミックス体２の周辺の端面が接触部材１７と接触することで、板状セラミックス体２の直径が小さくなり抵抗発熱体５の熱を効率的にウェハＷに供給することができることから好ましい。また、温度の低いウェハＷを温度の高いウェハ加熱面に載せた際に、ウェハＷの周辺部に多くの熱を供給する必要があることから板状セラミックス体２の周辺に多くの熱を蓄える必要があり、この熱を蓄える領域として、板状セラミックス体２の周辺に抵抗発熱体５の存在しない非発熱領域が必要である。

なお、ウェハＷの定常時の面内温度差を小さくするには、抵抗発熱体５の外接円の直径はウェハＷの直径より３〜５％程大きいことが必要である。従って、板状セラミックス体２の直径ＤはウェハＷの直径の４〜１７％程大きいことが好ましい。また、板状セラミックス体２の周囲の端面を保持することから板状セラミックス体２の非発熱領域を小さくすることができる一方、非発熱領域の蓄熱量を増やすために非発熱領域の板状セラミックス体２の厚みを大きくすることで非発熱領域の熱容量を調整することができる。

そして、板状セラミックス体２の外接円の直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９０〜９９％であると更に好ましい。

抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９０％より小さいと、非発熱領域が大き過ぎることからウェハを急速に昇温したり急速に降温させたりする時間が大きくなりウェハＷの温度応答特性が劣る。また、板状セラミックス体２の直径
Ｄが大きくなり、均一に加熱できるウェハＷの大きさが板状セラミックス体２の直径Ｄに比較して小さくなり、ウェハＷを加熱する電力に対するウェハ加熱効率が悪くなる。更に、板状セラミックス体２が大きくなることからウェハ製造装置の設置面積が大きくなり、最小の設置面積で最大の生産を行なう必要がある半導体製造装置の設置面積に対する稼働率を低下させ好ましくない。

抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９９％より大きいと、非発熱領域が小さすぎることから、温度の低いウェハＷを温度の高いウェハ加熱面３に載せると、ウェハＷの周辺の温度が低下し、ウェハＷ面内の温度差が小さい状態でウェハＷ温度を高めることができない虞があるからであり、接触部材１７と抵抗発熱体５の外周との間隔が小さく、抵抗発熱体５の外周部から熱が接触部材１７に不均一に流れ、特に、外周部の抵抗発熱体５の対称性が崩れ、欠落している微小な部分からも熱が流れ、温度が低下しウェハＷの定常時の面内温度差を大きくする虞がある。

より好ましくは、抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９２〜９７％である。

特に、板状セラミックス体２とケース１９との外形が略同等で、板状セラミックス体２を下からケース１９が支える図１のウェハ保持部材１の場合、ウェハＷの面内の温度差を小さくするには、抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９２〜９５％であり、更に好ましくは９３〜９５％である。

一方、板状セラミックス体２の周辺の端面を囲むようにケース１９が接続した図７のセラミックスヒータの場合には、抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９５〜９８％が好ましく、更に好ましくは９６〜９７％である。

また、上記のように非加熱領域の幅で熱容量を調整することができる一方で、非発熱領域の蓄熱量を増やすために非発熱領域の板状セラミックス体２の厚みを大きくすることで非発熱領域の熱容量を大きくしてウェハＷの周辺の温度低下を防ぐこともできる。

なお、本発明のウェハ保持部材１は板状セラミックス体２の周辺の下面にケース１９を接続したり、板状セラミックス体２の周辺の端面でケースと接続したりした例で説明したが、周辺の下面と周辺の端面との両方同時にケース１９と接続して上記趣旨を逸脱しない範囲のウェハ保持部材１を含むものであることは当然である。

さらに、このような効果を効率良く発現させるには、帯状の抵抗発熱体５の膜厚を５〜７０μｍとすることが好ましい。

帯状の抵抗発熱体５の膜厚が５μｍを下回ると、帯状の抵抗発熱体５をスクリーン印刷法で膜厚を均一に印刷することが困難となるからであり、また、帯状の抵抗発熱体５の厚みが７０μｍを超えると、外接円Ｃに対し、帯状の抵抗発熱体５の占める面積の比率を５０％以下としても帯状の抵抗発熱体５の厚みが大きく、抵抗発熱体５の剛性が大きくなり、板状セラミック体５の温度変化により帯状の抵抗発熱体５の伸び縮みによる影響で板状セラミック体２が変形し、スクリーン印刷で均一の厚みに印刷することが難しくウェハＷの表面の温度差が大きくなったりする虞があるからである。なお、好ましい帯状の抵抗発熱体５の厚みは１０〜３０μｍとすることが良い。

以上、本発明の実施形態について示したが、本発明は前述した構造のものだけに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば改良や変更したものでも良いことは言うまでもない。

さらに、レジスト膜形成用のウェハ保持部材１として使用する場合は、板状セラミックス体２の主成分を炭化珪素にすると、大気中の水分等と反応してガスを発生させることもないため、ウェハＷ上へのレジスト膜の貼付に用いたとしても、レジスト膜の組織に悪影響を与えることがなく、微細な配線を高密度に形成することが可能である。この際、焼結助剤に水と反応してアンモニアやアミンを形成する可能性のある窒化物を含まないようにすることが必要である。

なお、板状セラミックス体２を形成する炭化珪素質焼結体は、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤として硼素（Ｂ）と炭素（Ｃ）を添加したり、もしくはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）のような金属酸化物を添加したりして十分混合し、平板状に加工したのち、１９００〜２１００℃で焼成することにより得られる。炭化珪素はα型を主体とするものあるいはβ型を主体とするもののいずれであっても構わない。

また、板状セラミックス体２を形成する窒化アルミニウム質焼結体は、主成分の窒化アルミニウムに対し、焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３やＹｂ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物と必要に応じてＣａＯ等のアルカリ土類金属酸化物とを添加して十分混合し、平板状に加工した後、窒素ガス中１９００〜２１００℃で焼成することにより得られる。

さらに、板状セラミックス体２の加熱面３と反対側の主面は、ガラスや樹脂からなる絶縁層４との密着性を高める観点から、平面度２０μｍ以下、面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ〜０．５μｍに研磨しておくことが好ましい。

一方、炭化珪素質焼結体を板状セラミックス体２として使用する場合、半導電性を有する板状セラミックス体２と抵抗発熱体５との間の絶縁を保つ絶縁層４としては、ガラス又は樹脂を用いることが可能である。ガラスを用いる場合は、その厚みが１００μｍ未満では耐電圧が１．５ｋＶを下回り絶縁性が保てず、逆に厚みが４００μｍを超えると、板状セラミックス体２を形成する炭化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体との熱膨張差が大きくなり過ぎるために、クラックが発生して絶縁層４として機能しなくなる。そのため、絶縁層４としてガラスを用いる場合、絶縁層４の厚みは１００〜４００μｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは２００μｍ〜３５０μｍの範囲とすることが良い。

また、板状セラミックス体２を、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体で形成する場合は、板状セラミックス体２に対する抵抗発熱体５の密着性を向上させるために、ガラスからなる絶縁層４を形成する。ただし、抵抗発熱体５の中に十分なガラスを添加し、これにより十分な密着強度が得られる場合は、省略することが可能である。

なお、ガラスからなる絶縁層４を板状セラミックス体２上に被着する手段としては、ガラスペーストを板状セラミックス体２の中心部に適量落とし、スピンコーティング法にて伸ばして均一に塗布するか、あるいはスクリーン印刷法、ディッピング法、スプレーコーティング法等にて均一に塗布したあと、ガラスペーストを６００℃以上の温度で焼き付けすれば良い。また、絶縁層４としてガラスを用いる場合、予め炭化珪素質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体からなる板状セラミックス体２を８５０〜１３００℃程度の温度に加熱し、絶縁層４を被着する表面を酸化処理しておくことで、ガラスからなる絶縁層４との密着性を高めることができる。

さらに、絶縁層４の上に被着する抵抗発熱体５材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属単体を、蒸着法やメッキ法にて直接被着するか、あるいは上記金属単体や酸化レニウム（Ｒｅ_２Ｏ_３）、ランタンマンガネート（ＬａＭｎＯ_３）等の導電性の金属酸化物や金属材料を樹脂ペーストやガラスペーストに分散さ
せたペーストを用意し、所定のパターン形状にスクリーン印刷法等にて印刷した後、焼付けして、導電材を樹脂やガラスから成るマトリックスで結合すれば良い。マトリックスとしてガラスを用いる場合は、結晶化ガラス、非晶質ガラスのいずれでも良いが、熱サイクルによる抵抗値の変化を抑えるために結晶化ガラスを用いることが好ましい。

ただし、抵抗発熱体５材料に銀（Ａｇ）又は銅（Ｃｕ）を用いる場合、マイグレーションが発生する虞があるため、このような場合には、抵抗発熱体５を覆うように絶縁層４と同一の材質からなるコート層を４０〜４００μｍ程度の厚みで被覆しておけば良い。

本発明のウェハ保持部材１は、抵抗発熱体５に対し、給電部６において給電端子１１をロウ付けや導電性接着剤で固定して導通を確保するようにしている。給電端子１１は、抵抗発熱体５の端子部に弾性体で押圧し導通を確保しても構わない。

次に、本発明のウェハ保持部材１のその他の構成について説明する。ケース１９に板状セラミックス体２を冷却するノズル２４を備え、ケース１９の熱容量は、板状セラミックス体２の熱容量の０．５〜３．０倍であることを特徴とする。

ケース１９の熱容量が板状セラミックス体２の熱容量の０．５倍を下回ると、ノズル２４から噴射された冷却ガスが板状セラミックス体２に当たって板状セラミックス体２の熱を奪い、熱せられた冷却ガスの熱がケース１９に保存される量が小さ過ぎて、適度に板状セラミック体２の熱を蓄えることができないことから、板状セラミックス体２の温度を低下させる効果が小さい。

ケース１９の熱容量が板状セラミックス体２の熱容量の３．０倍を超えると、ケース１９の熱容量が大き過ぎることから、板状セラミックス体２の熱をケース１９に冷却ガスを介して蓄えることはできるが、板状セラミックス体２を加熱する際に、板状セラミックス体２からの輻射熱がケース１９に過剰に伝わり、板状セラミックス体２を加熱しても昇温速度が小さくなる虞があった。好ましくはケース１９の熱容量は板状セラミックス体２の熱容量の０．７〜１．２倍であり、更に好ましくは０．９〜１．２倍であった。このような範囲の熱容量とすることで、板状セラミックス体２の熱がノズル２４から噴射された冷却ガスを介して、ケース１９に伝わるとともに外部へ効率良く排出される。特に金属ケースの熱容量が板状セラミックス体２の熱容量に近いと、板状セラミックス体２の熱のおおよそ半分が金属ケースに伝わり金属ケースの外面から放散されることで板状セラミックス体２の温度が下がりやすいことが分かった。そして、加熱した板状セラミックス体２の熱を効率良く取り除くことができることから、板状セラミックス体２の温度を急激に下げることができるとともに、板状セラミックス体２を抵抗発熱体５で加熱する際に効率良く急速に昇温させることができる。

ケース１９の熱容量に対する板状セラミックス体２の熱容量の倍率を変えるには、ケース１９の熱容量を変えることで調整することが好ましい。その理由は、窒化珪素や窒化アルミニウム製の大きさが同じ板状セラミックス体２では、炭化珪素より窒化アルミニウムの熱容量が数％から１０％程大きいが、本発明の板状セラミックス体２の外形や厚みは略同じことから板状セラミックス体２の熱容量を大きく変更することが困難である。しかし、ケース１９の金属板厚みやケース１９の深さを調整したり、材質を変えたりすることでケース１９を好適な熱容量に調節できるからである。

また、ウェハ保持部材１の昇温時間や冷却時間を短縮するにはケース１９の表面積Ｓ（ｃｍ^２）とケース１９の体積Ｖ（ｃｍ^３）との比率Ｓ／Ｖが５〜５０（１／ｃｍ）であると、更に効率良く板状セラミックス体２を加熱したり冷却したりすることができることから好ましいことが判明した。

比率Ｓ／Ｖが５（１／ｃｍ）を下回ると、ケース１９の体積Ｖに対する表面積Ｓの比率が小さいことから、ケース１９の表面から吸収された熱がケース１９の外に放散される効率が悪く、また、熱がケース１９に残りやすい。板状セラミックス体２を加熱すると放射熱がケース１９に吸収され易くなり、板状セラミックス体２を急速に昇温させることが難しくなるからである。

比率Ｓ／Ｖが５０（１／ｃｍ）を超えると、ノズル２４から噴射され板状セラミックス体２に当たり熱を奪った冷却ガスがケース１９により効率良く冷却されず、冷却ガスの熱がケース１９に伝わりケース１９の温度が急激に上昇し、板状セラミックス体２の熱を効率良く冷却できないことから、板状セラミックス体２の全体の温度を下げるまでの冷却時間が大きくなる虞があった。

比率Ｓ／Ｖは、好ましくは１１〜２０（１／ｃｍ）であり、更に好ましくは１３〜１５（１／ｃｍ）であった。

次に、比率Ｓ／Ｖを上記の範囲内となるように調整する具体的な方法について述べる。一般にケース１９の金属板厚みを大きくするとＳ／Ｖは小さくなり、好ましくはケース１９の側壁の厚みは０．５〜３ｍｍ、底板の厚みは１〜５ｍｍである。更に好ましくは側壁の厚みは０．５〜２ｍｍで底板の厚みは１〜３ｍｍである。また、ケース１９の外周に凹凸を設け、ケース１９の表面を大きくすることで比率Ｓ／Ｖを上記の好適な範囲となるよう調整することができる。

なお、ここで、ケース１９とは、ウェハ保持部材１の外表面を形成する部品の中の、板状セラミックス体２と接続部材１７とを除き外表面が金属からなる金属部品を示す。

また、ノズル２４から噴射された冷却ガスは板状セラミックス体２の下面に当たり、板状セラミックス体２の下面に沿って放射状に広がり、ケース１９やケース１９に取り付けられた部材に衝突し進路を変え、ケース１９の下面２１の排出孔２３からウェハ保持部材１の外部へ放出される。そして、前記の冷却ガスは板状セラミックス体２の熱を奪い、一部の熱をケース１９に伝え、そして冷却ガスは排出される。そして、ケース１９に伝えられた板状セラミックス体２の一部の熱は効率良くケース１９の外側から放散される。ノズル２４から噴射された冷却ガスは、板状セラミックス体の下面に強く衝突することで板状セラミックス体２の熱を効率良く奪うことができる、そして熱せられた冷却ガスはケース１９に熱を伝えながら排出されるので、ノズル２４から噴射される冷却ガスの流速を高め、効率良く排出するには、複数取り付けられたノズル２４の開口部２４ａの総面積Ｓ１に対して、１０００〜３２００倍の面積Ｓを備えた排出孔２３を有することが好ましい。

ノズル２４の開口部２４ａの総面積Ｓ１に対して、Ｓ２の面積が１０００倍以下では、排出孔２３が小さいことから、ノズル２４から噴射する冷却ガスの突出量が減少し、板状セラミックス体２を冷却する効率が小さくなり好ましくない。

また、ノズル２４の開口部２４ａの総面積Ｓ１に対して、Ｓ２の面積が３２００倍を超えると、板状セラミックス体２により加熱された冷却ガスの熱がケース１９に伝わる量が減少し、板状セラミックス体２を冷却する効果が小さくなる。

従って、ノズル２４の開口部２４ａの総面積Ｓ１に対して、１０００〜３２００倍の面積Ｓ２を備えた排出孔２３であると、効率良く板状セラミックス体２に冷却ガスを当て、板状セラミックス体２とケース１９とで囲む空間に冷却ガスを循環させて排出孔２３から排出できる。好ましくは、Ｓ２はＳ１の１５００〜２５００倍である。更に好ましくは、
１７００〜２３００倍である。

更に、上記のように冷却ガスを流すと、ケース１９と板状セラミックス体２の囲む空間と、その外部空間との圧力差Ｐは５０〜１３ｋＰａとすることができることから優れた冷却特性が得られる。

圧力差Ｐが５０Ｐａ以下では冷却ガスの流量が少なく板状セラミックス体２を短時間で冷却することができない。

圧力差Ｐが１３ｋＰａを超えると、内部圧力が大きく板状セラミックス体２と金属ケースで囲む空間が押し広がり容積が大きくなり、板状セラミック体とケース１９の位置がずれて板状セラミックス体２に載せたウェハの温度分布が変化する虞があった。

好ましくは、圧力差Ｐは１００Ｐａ〜１ｋＰａであり、更に好ましくは２００Ｐａ〜５００Ｐａであった。

また、抵抗発熱体５はウェハ加熱面３から一定の距離に配設され、抵抗発熱体５の対向間隔Ｓが板状セラミックス体２の板厚ｔの５倍以下となるように設計することが必要である。

また、直径２００ｍｍを超える大型ウェハＷを均一にしかも高温まで加熱できるように配設するには、対向間隔Ｓは０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。

ここで対向間隔Ｓとは、図８、９に示すように、抵抗発熱体５の外接円の中で、抵抗発熱体５の帯に接する最大の円の直径で示すことができる。

間隔Ｓが板状セラミックス体２の板圧ｔの５倍を超えると、間隔Ｓの中心付近の温度が低下し板状セラミックス体２のウェハ加熱面３に載せられたウェハＷにクールスポットが発生する虞があるからである。また、間隔Ｓが０．５ｍｍを下回るとスクリーン印刷法で抵抗発熱体５を印刷すると、インクの滲み等の影響で、抵抗発熱体５の帯と帯が短絡する虞が生じ、ウェハＷの面内温度差を小さくすることができないからである。

さらに、本発明のウェハ保持部材１は、板状セラミック体２の一方の主面に平行な投影面で見て、帯状の抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占める帯状の抵抗発熱体５の面積の比率を５％〜５０％としたことを特徴とする。

即ち、帯状の抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占める帯状の抵抗発熱体５の面積の比率を５％未満とすると、帯状の抵抗発熱体５の相対向する対向領域において、板状セラミック体２の板厚ｔに対して対向領域の対向間隔Ｓが大きくなり過ぎることから、帯状の抵抗発熱体５のないウェハ加熱面３の表面温度が他の部分と比較して小さくなり、ウェハ加熱面３の温度を均一にすることが難しいからであり、逆に帯状の抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占める帯状の抵抗発熱体５の面積の比率を５０％を超えると、板状セラミック体２と帯状の抵抗発熱体５との間の熱膨張差を３．０×１０^−６／℃以下に近似させたとしても、両者の間に作用する熱応力が大きすぎること、板状セラミック体２は変形し難いセラミック焼結体からなるものの、その板厚ｔが１ｍｍ〜７ｍｍと薄いことから、帯状の抵抗発熱体５を発熱させると、ウェハ加熱面３側が凹となるように板状セラミック体２に反りが発生し、その結果、ウェハＷの中心部の温度が周縁よりも小さくなり、温度バラツキが大きくなる虞があるからである。

なお、好ましくは、帯状の抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占
める帯状の抵抗発熱体５の面積の比率を１０％〜３０％、さらには１５％〜２５％とすることが好ましい。

図１０は、図１に示すウェハ保持部材１のリング状の接触部材１７付近を示す拡大断面図である。リング状の接触部材１７の断面は多角形や円形の何れでも良いが、板状セラミックス体２と接触部材１７とが平面で接触する場合において、板状セラミックス体２と接触部材１７との接する接触部の幅は０．１ｍｍ〜１３ｍｍであれば、板状セラミックス体２の熱が接触部材１７を介して有底のケース１９に流れる量を小さくすることができる。そして、ウェハＷの面内の温度差が小さくウェハＷを均一に加熱することができる。

接触部材１７の接触部の幅が０．１ｍｍ以下では、板状セラミックス体２と接触固定した際に接触部が変形し、接触部材１７が破損する虞がある。また、接触部材１７の接触部の幅が１３ｍｍを超える場合には、板状セラミックス体２の熱が接触部材１７に流れ、板状セラミックス体２の周辺部の温度が低下し、ウェハＷを均一に加熱することが難しくなる。好ましくは、接触部材１７と板状セラミックス体２の接触部の幅は０．１ｍｍ〜８ｍｍであり、更に好ましくは０．１〜２ｍｍである。

また、接触部材１７の熱伝導率は板状セラミックス体２の熱伝導率より小さいことが好ましい。接触部材１７の熱伝導率が板状セラミックス体２の熱伝導率より小さければ、板状セラミックス体２に載せたウェハＷ面内の温度分布を均一に加熱することができると共に、板状セラミックス体２の温度を上げたり下げたりする際に、接触部材１７との熱の伝達量が小さく有底のケース１９との熱的干渉が少なく、迅速に温度を変更することが容易となる。

接触部材１７の熱伝導率が板状セラミックス体２の熱伝導率の１０％より小さいウェハ保持部材１では、接触部材１７を介して板状セラミックス体２の熱が有底のケース１９に流れ難く、雰囲気ガス（ここでは空気）による伝熱や輻射伝熱により板状セラミックス体２から有底のケース１９へ流れる熱が多くなり、逆に効果が小さい。

接触部材１７の熱伝導率が板状セラミックス体２の熱伝導率より大きい場合には、板状セラミックス体２の周辺部の熱が接触部材１７を介して有底のケース１９に流れ、有底のケース１９を加熱すると共に、板状セラミックス体２の周辺部の温度が低下し、ウェハＷ面内の温度差が大きくなり好ましくない。また、有底のケース１９が加熱されることから、ガス噴射口２４からエアを噴射して板状セラミックス体２を冷却しようとしても、有底のケース１９の温度が高いことから冷却する時間が大きくなったり、一定温度に加熱する際に一定温度になるまでの時間が大きくなったりする虞があった。

一方、接触部材１７を構成する材料としては、小さな接触部を保持するために、接触部材１７のヤング率は１ＧＰａ以上が好ましく、更に好ましくは１０ＧＰａ以上である。このようなヤング率とすることで、接触部の幅が０．１ｍｍ〜８ｍｍと小さく、板状セラミックス体２を有底のケース１９に接触部材１７を介してボルト１６で固定しても、接触部材１７が変形すること無く、板状セラミックス体２が位置ズレしたり平行度が変化したりすることなく、精度良く保持することができる。

なお、接触部材１７をフッ素系に樹脂やガラス繊維を添加した樹脂からなる接触部材１７では得られない精度を達成することができる。

接触部材１７の材質としては鉄とカーボンからなる炭素鋼やニッケル、マンガン、クロムを加えた特殊鋼等の金属が、ヤング率が大きく好ましい。また、熱伝導率の小さな材料としては、ステンレス鋼やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の所謂コバールが好ましく、板状セラ
ミックス体２の熱伝導率より小さくなるように接触部材１７の材料を選択することが好ましい。

更に、接触部材１７と板状セラミックス体２との接触部を小さく、且つ接触部が小さくても接触部が欠損しパーティクルを発生する虞が小さく安定な接触部を保持できるために、板状セラミックス体２に垂直な面で切断した接触部材１７の断面は多角形より円形が好ましく、断面の直径１ｍｍ以下の円形のワイヤを接触部材１７として使用すると、板状セラミックス体２と有底のケース１９の位置が変化することなくウェハＷの表面温度を均一にしかも迅速に昇降温することが可能である。

また、ケース１９内に昇降自在に設置されたリフトピン２５により、ウェハＷをウェハ加熱面３上に載せたり加熱面３より持ち上げたりといった作業がなされる。そして、ウェハＷは、ウェハ支持ピン８によりウェハ加熱面３から浮かした状態で保持され、片当たり等による温度バラツキを防止するようにしている。

また、このウェハ保持部材１によりウェハＷを加熱するには、搬送アーム（不図示）にてウェハ加熱面３の上方まで運ばれたウェハＷをリフトピン２５にて支持した後、リフトピン２５を降下させてウェハＷをウェハ加熱面３上に載せる。

次に、給電部６に通電して抵抗発熱体５を発熱させ、板状セラミックス体２を介してウェハ加熱面３上のウェハＷを加熱するのであるが、本発明によれば、ウェハ保持部材１に板状セラミックス体２を支持する接触部材１７を介して有底のケース１９と接続していることから、板状セラミックス体２に接続した接触部材１７により板状セラミックス体２の熱が必要以上に逃げることなく運転できるので、板状セラミックス体２を有効に短時間で均熱化しウェハＷの温度を均一に加熱することができる。

さらに、板状セラミックス体２を炭化珪素質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体により形成してあることから、ヤング率が２００ＧＰａ以上と大きく、熱を加えても変形が小さく、板厚を薄くできるため、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間及び所定の処理温度から室温付近に冷却するまでの冷却時間を短くすることができ、生産性を高めることができるとともに、板状セラミックス体２は６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することから、薄い板厚でも抵抗発熱体５のジュール熱を素早く伝えることができる。

板状セラミックス体２の厚みは、２〜５ｍｍとすることが好ましい。板状セラミックス体２の厚みが２ｍｍより薄いと、板状セラミックス体２の強度がなくなり、抵抗発熱体５の発熱による加熱時、ガス噴射口２４らの冷却エアを吹き付けた際に、冷却時の熱応力に耐えきれず、板状セラミックス体２にクラックが発生する。また、板状セラミックス体２の厚みが５ｍｍを超えると、板状セラミックス体２の熱容量が大きくなるので、加熱および冷却時の温度が安定するまでの時間が長くなってしまい好ましくない。

このように、板状セラミックス体２の熱容量を小さくすると、有底のケース１９からの熱引きにより板状セラミックス体２の温度分布が悪くなる。そこで、有底のケース１９が板状セラミックス体２をその外周部で保持する構造としている。

また、抵抗発熱体５への給電方法については、有底のケース１９に設置した給電端子１１を板状セラミックス体２の表面に形成した給電部６にバネ（不図示）で押圧することにより接続を確保し給電する。これは、２〜５ｍｍの厚みの板状セラミックス体２に金属からなる端子部を埋設して形成すると、この端子部の熱容量により均熱性が悪くなるからである。そのため、本発明のように、給電端子１１をバネで押圧して電気的接続を確保することにより、板状セラミックス体２とその有底のケース１９の間の温度差による熱応力を
緩和し、高い信頼性で電気的導通を維持できる。さらに、接点が点接触となるのを防止するため、弾性のある導体を中間層として挿入しても構わない。この中間層は単に箔状のシートを挿入するだけでも効果がある。そして、給電端子１１の給電部６側の径は、１．５〜５ｍｍとすることが好ましい。

また、板状セラミックス体２の温度は、板状セラミックス体２にその先端が埋め込まれた熱電対２７により測定する。熱電対２７としては、その応答性と保持の作業性の観点から、外径０．８ｍｍ以下のシース型の熱電対２７を使用することが好ましい。この熱電対２７の先端部は、板状セラミックス体２に孔が形成され、この中に設置された固定部材により孔の内壁面に押圧固定することが測温の信頼性を向上させるために好ましい。同様に素線の熱電対やＰｔ等の測温抵抗体を埋設して測温を行なうことも可能である。

以上ウェハ保持部材１を例に詳細を説明したが、板状セラミックス体に導電体を形成したセラミックスヒータや電気回路基板に使用できることは言うまでもない。

ここで、本発明のセラミックスヒータと、従来のセラミックスヒータを用意し、熱サイクル試験を行なった後の導電体である抵抗発熱体の抵抗変化率と抵抗発熱体のクラックの有無やウェハ面内の温度差について調べる実験を行なった。

実験にあたり、ヒータ部を構成する板状セラミックス体は、ＡｌＮ粉末に対して５重量％のＹ_２Ｏ_３の粉末を加え、さらに適量のバインダ及び溶剤を加えて混練乾燥することにより造粒粉を製作し、この造粒粉を型内に充填して１００ＭＰａの成形圧で押圧しつつ、１８００〜１９００℃の温度で焼成するホットプレス法を用いて焼成することにより、１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度の熱伝導率を有する板状の窒化アルミニウム質焼結体を用いた。そして、抵抗発熱体を形成する主面を＃２５０番程のダイヤモンド砥石で粗加工した後、＃４００以上のダイヤモンド砥石で仕上げ研削加工を施して、厚み３．０ｍｍとした直径３１５ｍｍ〜３４５ｍｍの円板状をした板状セラミックス体を複数枚製作し、更に中心から６０ｍｍの同心円上に均等に３箇所貫通孔を形成した。貫通口径は、４ｍｍとした後、１０００℃×３時間の条件で熱処理することにより、その表面に０．５μｍ厚のアルミナからなる酸化物膜を被覆することにより作製した。

次に、本発明のセラミックスヒータにおいては、加熱板の一方の主面にガラスペーストをプリント印刷し、９００℃で焼き付け処理することによりガラス層を形成した。なお、ガラスの熱膨張率は、４．８×１０^-6／℃のものを用いた。

セラミックスヒータを構成する抵抗発熱体を形成するにあたっては、Ａｕ（３０重量％）とＰｔ（１０重量％）の金属粉末と、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄、Ｚｎ₃Ｂ₂Ｏ₆、Ｚｎ₃（ＢＯ₃）₂、Ｚｎ（ＢＯ₂）₂、ＳｉＯ₂（クオーツ）の結晶を内包したガラス（６０重量％）とを含ん
だ抵抗発熱体ペーストを用い、本発明のセラミックスヒータを形成するにあたっては、ガラス層上に抵抗発熱体ペーストをプリント印刷し、６００〜７００℃の温度で焼き付けることにより形成し、従来のセラミックスヒータを形成するにあたっては、加熱板上に抵抗発熱体ペーストを直接プリント印刷し、６００〜７００℃の温度で焼き付けることにより形成した。

なお、混合するガラスは２等分して粉砕し、粒度分布の異なるものを数種類作製し、等量ずつ混合して使用した。

次いで、板状セラミックス体の上に抵抗発熱体を被着するため、導電材としてＡｕ粉末とＰｄ粉末と、バインダを添加したガラスペーストとを混練して作製した導電体ペースト
をスクリーン印刷法にて所定のパターン形状に印刷した後、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させ、さらに５５０℃で３０分間脱脂処理を施した後、７００〜９００℃の温度で焼き付けを行なうことにより、厚みが５０μｍの抵抗発熱体を形成した。抵抗発熱体のパターン配置は、中心部から放射方向に円と円環状に分割し、中心部に円形の１つにパターンを形成し、その外側の円環状の部分に２つにパターンを形成し、更にその外側に４つのパターンの計７個のパターン構成とした。そして、最外周の４つのパターンの外接円Ｃの直径を３１０ｍｍとした。しかるのち抵抗発熱体に給電部をロウ付けし固着させることにより、板状セラミックス体を製作した。

また、有底のケースはＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系の合金で作製し、その底面の厚みは２．０ｍｍの金属板と側壁部を構成する厚み１．０ｍｍの金属板とした。そして、底面に、ガス噴射口、熱電対、導通端子を所定の位置に取り付けた。また、底面から板状セラミックス体までの距離は２０ｍｍとした。

その後、有底のケースの開口部に、板状セラミックス体を重ね、その外周部にボルトを貫通させ、板状セラミックス体と有底のケースが直接当たらないように、リング状の接触部材を介在させ、接触部材側より弾性体を介在させてナットを螺着することにより弾性的に固定してセラミックスヒータとした。

そして、得られた各セラミックスヒータの抵抗発熱体に通電し、加熱面上に載せたウェハの温度を６０秒で３００℃まで昇温させ、強制空冷により２４０秒で４０℃以下に冷却する熱サイクル試験を１００００サイクル単位で行ない、熱サイクル試験前後の抵抗発熱体の抵抗変化を確認した。なお、ウェハの温度は、ウェハに設置した抵抗測温素子を用いて測定した。

その後、測温抵抗体が２９箇所に埋設された直径３００ｍｍの測温用ウェハを用いて行なった。夫々のセラミックスヒータに電源を取り付け、２５℃から２００℃まで５分間でウェハＷを昇温し、ウェハＷの温度を２００℃に設定してからウェハＷの平均温度が２００℃±０．５℃の範囲で一定となるまで加熱し、その後１０分間温度を保持し、その時のウェハ面内の最大温度差を定常時のウェハの温度差とした。そして、セラミックスヒータを加熱したまま、ウェハＷをリフトピンで持ち上げて室温の２５℃に冷却した後、ウェハＷをウェハ加熱面に載せ、ウェハＷ面内の平均温度が２００℃となるまでのウェハＷ各部の温度を測定し、時間軸に対するウェハＷ面内の最大温度と最小温度の差を求め、過渡時のウェハ面内の最大温度差とした。

また、作製したウェハ支持部材を３００℃まで２分で昇温し１分保持した後、４分で強制空冷する温度サイクルを繰り返し、ウェハの温度分布を１００００サイクル実施して前記と同様に面内の最大温度差を評価した。

結果は表１に示す通りである。

表１より判るように、試料Ｎｏ．１のように、絶縁性組成物の塊のない従来のウェハ支持部材は、１００００万回の熱サイクル試験後の定常時のウェハの温度差が３．５６℃と大きく、過渡時のウェハ面内の温度差も１４．８℃と大きく、繰り返し急激な温度昇温や冷却を繰り返すウェハ支持部材には使用することができなかった。

一方、試料Ｎｏ．２〜１０は導電体に絶縁性組成物の塊があり、熱サイクルを２００００回繰り返しても、定常時のウェハの温度差が１℃以内と小さく、しかも過渡時のウェハ面内の最大温度差が８．４℃以下と小さく、好ましい特性を示すことが分かった。

更に、絶縁性組成物の塊の平均径が３〜１００μｍで導電性粒子の平均粒子径が０．１〜５μｍの試料Ｎｏ．５〜８は、定常時のウェハの温度差が０．５７℃以下で且つ過渡時のウェハ面内の最大温度差が５．８℃以下と小さく、更に好ましいことが判明した。この原因は、導電性粒子の平均粒径と絶縁性組成物の平均径との相乗効果により導電体の耐久性が増したためと考えられる。

実施例１と同様に板状セラミック体を作製し、抵抗発熱体となるペーストとして種々の金属とガラス成分や金属酸化物を混合しペースト状に作製した後、スクリーン印刷し、ウェハ支持部材を作製した。

作製したウェハ支持部材にウェハを載せ、抵抗発熱体に通電し、実施例１と同様に評価した。その結果を表２に示す。

試料Ｎｏ.２１は、絶縁性組成物内に粒子が存在しないことから、２００００回の熱サ
イクル後の抵抗変化率が１．６３％とやや大きく、定常時のウェハの温度差が０．７７℃とやや大きかった。また、過渡時のウェハ面内の最大温度差は６．４℃とやや大きかった。これは、導電体である抵抗発熱体が熱サイクルにより動き、微小部分で剥離等の現象が生じたためと推測される。

これに対し、絶縁性組成物内に導電性粒子が存在する試料Ｎｏ．２２〜２９は、熱サイクルを４００００回繰り返しても熱サイクル後の抵抗変化は１．２１％以下と小さく、定常時のウェハの温度差が０．６１℃以下と小さく、優れていることが分かった。

また、絶縁性組成物内に導電性粒子が存在し、その面積比率が１０％以下である試料Ｎｏ．２２〜２８は、定常時のウェハの温度差が０．４９℃以下と小さく、過渡時のウェハ面内の温度差が４．７℃以下と小さく、更に優れた特性を示すことが分かった。

本発明のセラミックスヒータを示す断面図である。図１の抵抗発熱体と板状セラッミクス体の間を示す拡大図である。図２の導電体の拡大図である。本発明の他のセラミックスヒータを示す断面図である。図４の抵抗発熱体と板状セラッミクス体の間を示す拡大図である。本発明の他のセラミックスヒータの抵抗発熱体と板状セラッミクス体の間を示す拡大図である。本発明の他のセラミックスヒータを示す断面図である。本発明のセラミックスヒータの抵抗発熱体を示す図である。本発明のセラミックスヒータの他の抵抗発熱体を示す図である。本発明のセラミックスヒータの接触部材周辺を示す断面図である。本発明のセラミックスヒータの他の接触部材周辺を示す断面図である。従来のセラミックスヒータを示す断面図である。従来のセラミックスヒータの抵抗発熱体を示す図である。

１、７１：セラミックスヒータ
２、７２：板状セラミックス体
３、７３：載置面
５、７５：抵抗発熱体、導電体
６：給電部
８：支持ピン
１０：ガイド部材
１１、７７：給電端子
１６：ボルト
１７：接触部材
１８：弾性体
２０：ナット
２１：底面
２３：排出孔
２４：ガス噴射口
２５：ウェハリフトピン
２６：貫通孔
２７：熱電対
２８：ガイド部材
２９、７９：ケース
Ｗ：半導体ウェハ

Claims

板状セラミックス体の表面または内部に導電体からなる抵抗発熱体を備えてなるセラミックスヒータにおいて、前記導電体は絶縁性組成物と金属からなる導電性粒子との複合材からなり、多数の前記導電性粒子に囲まれた前記絶縁性組成物の塊を有するとともに、前記絶縁性組成物を成す粉末の粒度分布は２つ以上の極大値を有することを特徴とするセラミックスヒータ。
前記絶縁性組成物の塊の平均粒径が前記導電性粒子の平均粒径の３倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
前記導電性粒子の平均粒径が０．１〜５μｍであり、前記絶縁性組成物の塊の平均粒径が３〜１００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックスヒータ。
前記絶縁性組成物からなる粒子の平均粒径が前記導電性粒子の平均粒径の３０倍以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックスヒータ。
請求項１〜４記載のセラミックスヒータにおける前記板状セラミックス体の一方の主面を、ウェハを載せる載置面としたことを特徴とするウェハ支持部材。
前記板状セラミックス体と前記導電体との間に絶縁層を形成したことを特徴とする請求項５に記載のウェハ支持部材。