JP4654151B2 - 加熱素子 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも、耐熱性の基材と、該耐熱性基材上に形成されたヒーターパターンを有する導電層と、該導電層上に形成された絶縁性の保護層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、絶縁性の保護層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、５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、耐食性が乏しく、腐食され、短寿命となるという欠点があった。

「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 米国特許第５３４３０２２号明細書 特開平５−１２９２１０号公報 特開平６−６１３３５号公報 特開平１１−３５４２６０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、高温・腐食性ガス環境下でも、腐食性ガスが透過し難く、導電層、特に給電端子部の腐食による劣化を回避できる長寿命で低製造コストの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、耐熱性の基材と、該耐熱性基材上に形成されたヒーターパターンを有する導電層と、該導電層上に形成された絶縁性の保護層とを有する加熱素子であって、少なくとも前記保護層の上に窒素ガス透過率が１×１０^−２ｃｍ^２／ｓｅｃ以下である耐食層を有するものであることを特徴とする加熱素子が提供される。

このように、前記保護層の上に窒素ガス透過率が１×１０^−２ｃｍ^２／ｓｅｃ以下である耐食層を有するものであることによって、前記耐食層はガス透過率が低いものとなり、高温・腐食性ガス環境下においても腐食性ガスが透過し難くなり、導電層、特に端子部の腐食による劣化を回避できる長寿命の加熱素子とすることができる。

このとき、前記耐食層の空隙率が、７％以下であることが好ましい。
このように、耐食層の空隙率が、７％以下とすることにより、より効果的に腐食ガスの透過を抑制することができる。

また、前記耐食層の材質が、アルミニウム、イットリウム、シリコンのいずれか、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。
このように、耐食層の材質が、アルミニウム、イットリウム、シリコンのいずれか、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。

このような化合物の例としては、前記耐食層の材質を、アルミナ、窒化アルミニウム、フッ化アルミニウム、イットリア、窒化イットリウム、フッ化イットリウム、酸化珪素、窒化珪素のいずれか、またはこれらを組み合わせたものであることとすることができる。

また、前記耐食層が、ＣＶＤ法、反応性スパッタ法、イオンプレーティング、溶射法、ゾルゲル法のいずれか、またはこれらを組み合わせた方法により、形成されたものであることが好ましい。
このように、耐食層が、ＣＶＤ法、反応性スパッタ法、イオンプレーティング、溶射法、ゾルゲル法のいずれか、またはこれらを組み合わせた方法により、形成されたものであることによって、ガス透過率の低い耐食層を形成することができる。

さらに、前記耐食層は、ＣＶＤ法、反応性スパッタ法、イオンプレーティングのいずれかにより、０．１μｍ以上２０μｍ以下の厚さの層を形成したものであることが好ましい。
このように、前記耐食層は、ＣＶＤ法、反応性スパッタ法、イオンプレーティングのいずれかの方法によれば、空隙率の低い耐食層を形成することができるので、これらの方法のいずれかによって比較的薄い０．１μｍ以上２０μｍ以下の厚さの層となるように形成することにより、低コストでガス透過率の低い耐食層を形成することができる。

また、前記耐食層は、溶射法またはゾルゲル法により１μｍ以上１００μｍ以下の厚さの層を形成したものであることが好ましい。
このように、前記耐食層は、溶射法またはゾルゲル法により１μｍ以上１００μｍ以下の厚さの層を形成したものであることにより、低コストでガス透過率の低い耐食層を形成することができる。

さらに、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。
このように、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とすれば、ショートの原因となる金属を含まないこれらの絶縁性の材質とすることによって、高い絶縁性で導電層を保護でき、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低コストで対応できる保護層となる。

また、前記導電層の材質が、熱分解炭素またはグラッシーカーボンであることが好ましい。
このように導電層の材質が、熱分解炭素または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、その幅や厚さ等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。

さらに、前記耐熱性基材は、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であり、該耐熱性基材の表面に絶縁性の誘電体層が形成され、前記導電層は、該誘電体層上に形成され、前記保護層は、前記ヒーターパターンと前記導電路の表面を覆う一体的に形成されてなるものとすることができる。

このように、前記耐熱性基材は、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ものであることにより、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、前記棒状部に前記導電路が形成された導電部によって隔てられるので、給電端子部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。

この場合、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。
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。

さらに、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。
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。

また、前記棒状部の長さが、１０〜２００ｍｍであることが好ましい。
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。

さらに、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ることが好ましい。
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、高温・腐食性ガス環境下においても腐食ガスが透過し難く、導電層、特に給電端子部の腐食による劣化を回避できる長寿命で低製造コストの加熱素子が提供される。
さらに、加熱部と給電端子部が、棒状部に導電路が形成された導電部によって隔てられるものとすれば、給電端子部がプロセス中の高温ガスによって消耗し難くなりより長寿命となる。

従来の加熱素子は、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、耐食性が乏しく、腐食され、短寿命となるという欠点があった。
また、本発明者らの研究によれば、たとえ最外層に耐食性の層を施したとしても、これにガス透過性がある場合、腐食性ガスが透過して下層を腐食し、寿命を短くしてしまうことがあった。

そこで、本発明者等は、鋭意研究を重ね、耐熱性の基材と、該耐熱性基材上に形成されたヒーターパターンを有する導電層と、該導電層上に形成された絶縁性の保護層とを有する加熱素子であって、少なくとも前記保護層の上に窒素ガス透過率が１×１０^−２ｃｍ^２／ｓｅｃ以下である耐食層を有するものとすることによって、高温・腐食性ガス環境下でも腐食ガスが透過せず導電層や端子部の腐食による劣化を回避できる長寿命で低製造コストの加熱素子とできることに想到し、本発明を完成させた。

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、少なくとも、耐熱性の基材１と、該耐熱性基材上に形成されたヒーターパターン３ａを有する導電層３と、該導電層上に形成された絶縁性の保護層４とを有する加熱素子１０であって、少なくとも前記保護層４の上に窒素ガス透過率が１×１０^−２ｃｍ^２／ｓｅｃ以下である耐食層４ｐを有するものである。

これによって、高温・腐食性ガス環境下においても腐食ガスが透過し難くなり、導電層３の腐食を確実に防止することができるので、導電層、特に端子部の腐食による劣化を回避することができる。

ここで窒素ガス透過率の測定は、図５に示すような測定装置３０を用いて行う。まず、黒鉛板３１に対して耐食層と同様の測定対象の試料となる層３２を形成したものを図５のように、真空引きできる測定装置３０に設置する。そして黒鉛板側容器３３に所定量の窒素を入れ、試料側容器３４の圧力変化を計測することによって、窒素ガス透過率の測定を行う。黒鉛板としては、例えば、直径５０ｍｍ厚さ１０ｍｍのものを用いることができる。

ガス透過率Ｋ（ｃｍ^２／ｓｅｃ）は、Ｋ＝ＱＬ／（Δｐ×Ａ）で表される。ここで、Ｑ（ａｔｍ・ｃｍ^３／ｓｅｃ）は、ガス透過量を表し、Ｑ＝（Ｐ_１−Ｐ_２）×Ｖ_０／ｔで示される。Ｌ（ｃｍ）は、試料の厚さを表す。Δｐ（ａｔｍ）は、初期設定差圧を表し、Δｐ＝ｐ_０−ｐ_１で示される。Ａ（ｃｍ^２）は透過面積を表す。
Ｑ＝（Ｐ_１−Ｐ_２）×Ｖ_０／ｔにおいて、Ｐ_１（ａｔｍ）は、試料側容器３４の初期内圧を表し、Ｐ_２（ａｔｍ）は、ガス透過後の試料側容器３４の内圧を表す。Ｖ_０（ｃｍ^３）は、試料側容器３４の内部容積を表す。ｔ（ｓｅｃ）は、透過時間を表す。
Δｐ＝ｐ_０−ｐ_１において、ｐ_０（ａｔｍ）は、黒鉛板側容器３３の圧力を表す。

また、耐食層４ｐの空隙率は、７％以下であることが好ましい。これにより効果的に腐食ガスの透過を抑制することができる。
耐食層４ｐの空隙率は、耐食層４ｐの構成成分で占められていない空隙の部分の割合をいい、空隙率の測定は成膜による重量増と顕微鏡観察によるボイド計測と厚さ測定により行うことができる。

耐食層４ｐの材質は、ガス非透過性と耐熱性があるものであればよいが、アルミニウム、イットリウム、シリコンのいずれか、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、アルミナ、窒化アルミニウム、フッ化アルミニウム、イットリア、窒化イットリウム、フッ化イットリウム、酸化珪素、窒化珪素のいずれか、またはこれらを組み合わせたもの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。

耐食層４ｐは、ＣＶＤ法、反応性スパッタ法、イオンプレーティング、溶射法、ゾルゲル法のいずれか、またはこれらを組み合わせた方法により、形成することができる。
例えば、ＣＶＤ法、反応性スパッタ法、イオンプレーティングのいずれかの方法によれば、空隙率の低い耐食層を形成することができるので、これらの方法のいずれかによって比較的薄い０．１μｍ以上２０μｍ以下の厚さの層となるように形成することにより、低コストでガス透過率の低い耐食層を形成することができる。

また、溶射法またはゾルゲル法によって１μｍ以上１００μｍ以下の比較的厚い層となるように形成することによっても、低コストでガス透過率の低い耐食層を形成することができる。

例えばゾルゲル法によりイットリア層を形成する際に、イットリアゾル液を基材上に塗布して乾燥し、焼成すれば、均一なイットリア層を得ることができる。イットリアゾル液としてはイットリアを含有する化合物を有するゾル液であれば制限が無く、公知のゾル液を使うことができる。例えば、所定量のイットリウムを含む化合物を溶媒に溶解させ、さらに、水と酸とを添加して一定の温度にし調整して得られるイットリアゾル液を挙げることができる。化合物の具体的な例としては、塩化イットリウム等のハロゲン化イットリウム、イットリウム亜ハロゲン酸塩、イットリウム有機酸、イットリウムアルコキシドおよびイットリウム錯体等のイットリウム化合物を挙げることができる。

ここで、上記のように図６に示すような測定装置３０を用いて、例えば、反応性スパッタ法、ＣＶＤ法、溶射法、ゾルゲル法で形成した層の透過率測定し、上記のように重量増と顕微鏡観察によるボイド計測と厚さ測定により空隙率を測定した一例の結果を以下に示す。

耐食層４ｐは、このように層の材質や形成方法、形成条件、および厚さ等を調整したり、複数層を積層することによって、窒素ガス透過率が１×１０^−２ｃｍ^２／ｓｅｃ以下となるように、ヒーターパターンを有する導電層上に形成された保護層の上に形成することによって、高温・腐食性ガス環境下でも導電層の腐食による劣化を回避できる長寿命で低製造コストの加熱素子とできる。

さらに、保護層４の材質としては、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とするのが好ましい。このように、ショートの原因となる金属を含まないこれらの絶縁性の材質とすることによって、高い絶縁性で導電層を保護でき、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低コストで対応できる保護層となる。

導電層３の材質が、熱分解炭素または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等として、その幅や厚さ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、目的に応じて図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。

耐熱性基材１は、少なくとも、ヒーターパターン３ａが形成される板状部１ａと、該板状部の片面から突出する導電路３ｂが形成される棒状部１ｂと、該棒状部の前記板状部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であり、該耐熱性基材１の表面に絶縁性の誘電体層２が形成され、前記導電層３は、該誘電体層２上に形成され、前記保護層４は、前記ヒーターパターン３ａと前記導電路３ｂの表面を覆う一体的に形成されてなるものであることが好ましい。

このように、板状部１ａにヒーターパターン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、導電路３ｂが形成された棒状部１ｂ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が低温化して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、該耐熱性基材１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３は、上記のようにヒーターパターン３ａと導電路３ｂと給電端子３ｃとが形成され、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、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。

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のような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およびさらにその上に耐食層４ｐ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１ｂによって通電され加熱される。

棒状部１ｂ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。

誘電体層２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。これにより、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とすれば、コンパクトで製造コストが低い加熱素子となる。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。その上、本発明では保護層４の上に耐食層４ｐが形成されているので、腐食ガスが内部に透過して、導電層を劣化させることもない。

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（Ａ）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。

以上のような本発明の加熱素子１０は、加熱部１０ａ上に被加熱物である半導体ウェーハ等を載置し、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、高温・腐食性ガス環境下においても腐食ガスが透過し難いので、導電層、特に給電端子部の腐食による劣化を回避できる長寿命で低製造コストの加熱素子とすることができる。

さらに、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ものとすれば、給電端子部１０ｃが低温化して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。

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のような、厚さ１０ｍｍ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、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。

さらに、その上に、耐食層４ｐとして反応性スパッタ法により窒化アルミニウムを２０μｍ形成して加熱素子１０を製造した。

また、図５に示すような測定装置３０を用いて同様に作製した試料の窒素ガス透過率の測定を行った。まず、黒鉛板３１に対して耐食層と同じ測定対象の試料となる層３２を形成し、図５のように真空引きできる測定装置３０に設置した。そして黒鉛板側容器３３に所定量の窒素を入れ、試料側容器３４の圧力変化を計測することによって、窒素ガス透過率の測定を行ったところ、前記の表１のように、透過率は１ｘ１０^−５ｃｍ^２／ｓｅｃと十分に小さいものだった。
さらに試料となる層３２の成膜による重量増と顕微鏡観察によるボイド計測と厚さ測定から、窒化アルミニウム層の空隙率は２％であると計測され、十分に小さいものだった。

以上のように製造した加熱素子１０を電気的に接続して１ｘ１０^−４Ｐａの真空中で加熱したところ、１．５ｋｗの電力で加熱部１０ａを３００℃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ＣＦ_４を導入し１ｘ１０^−２Ｐａとしたが２００時間置いても変化無く加熱でき、高温・腐食性ガス環境下においても腐食ガスが透過し難いので、導電層、特に給電端子部の腐食による劣化を回避できることが確認された。

（実施例２）
図２のように、厚さ１０ｍｍ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。

さらに、その上に耐食層４ｐとして、プラズマ溶射法により１０μｍのイットリア層を形成した後に、大気熱ＣＶＤ法により２μｍのイットリア層を形成し、２層の耐食層を有する加熱素子１０を製造した。

また、実施例１と同様にこれらの複合イットリア層を同様に作製した試料の窒素ガスの透過率を測定したところ、上記の表１に示すように、１ｘ１０^−４ｃｍ^２／ｓｅｃと十分に小さいものだった。
さらに実施例１と同様に、試料の層の形成による重量増と顕微鏡観察によるボイド計測と厚さ測定を行い耐食層の空隙率を求めた。その結果、上記の表１に示すように、プラズマ溶射法により形成した１０μｍのイットリア層の空隙率は７％であり、大気熱ＣＶＤ法により形成された２μｍのイットリア層の空隙率は２％あると計測され、十分に小さいものだった。

以上のように製造した加熱素子１０を電気的に接続して１ｘ１０^−４Ｐａの真空中で加熱したところ、１．５ｋｗの電力で加熱部１０ａを４００℃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ＣＦ_４を導入し１ｘ１０^−２Ｐａとしたが２００時間置いても表面の消耗量は０．１μｍと非常に小さく、高温・腐食性ガス環境下においても導電層の腐食による劣化を回避できることが確認された。

（実施例３）
実施例２と同様の加熱素子１０で、耐食層４ｐとして、プラズマ溶射法により３０μｍのイットリア層を形成した。
そして、実施例２と同様に、耐食層の窒素ガス透過率、空隙率を求めたところ、上記の表１に示すように、１ｘ１０^−２ｃｍ^２／ｓｅｃ、７％であり、ガス透過率が低く、空隙率が低いものであった。さらに、実施例２と同様に加熱実験およびＣＦ_４導入実験を行ったところ、実施例２とほぼ同様の結果が得られ、本発明の効果を奏することが確認された。

（比較例）
図４のように、厚さ１０ｍｍ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。

その上に、耐食層として、ゾルゲル法により、イットリアゾル液を塗布、乾燥、焼成して、厚さが４０μｍで均一なイットリア層を形成して、加熱素子を完成させた。

また、実施例１と同様に窒素ガス透過率の測定を行ったところ、上記の表１に示すように２ｘ１０^−２ｃｍ^２／ｓｅｃと大きい結果だった。
さらに実施例１と同様に、試料の成膜による重量増と顕微鏡観察によるボイド計測と厚さ測定を行い耐食層の空隙率を求めたところ、上記の表１に示すように１０％と大きい結果だった。

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ところ、１．５ｋｗの電力で５００℃に加熱できた。その際、給電端子部は４００℃とほとんど加熱を防止することができなかった。

また１．０ｋｗの電力で５００℃に加熱してＣＦ_４を導入したところ、５０時間したところで最表面の層であるイットリア層が剥げ、下地の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。

本発明の加熱素子の一例（実施例１）の概略図である。（Ａ）加熱素子の断面図である。（Ｂ）加熱素子から保護層を取り除いたものの斜視図である。（Ｃ）加熱素子の導電部の部分断面図（図１（Ａ）の点線部分）の拡大図である。（Ｄ）耐熱性基材の断面図である。（Ｅ）耐熱性基材の斜視図である。 本発明の加熱素子の他の一例（実施例２）の概略図である。（Ａ）加熱素子の断面図である。（Ｂ）加熱素子から保護層を取り除いたものの斜視図である。（Ｃ）耐熱性基材の断面図である。（Ｄ）耐熱性基材の斜視図である。 静電チャックパターンを形成した本発明の加熱素子の一例の概略図である。（Ａ）加熱素子の断面図である。（Ｂ）加熱素子から耐食層および保護層を取り除いたものの下方からの斜視図である。 従来の加熱素子の一例（比較例）の概略図である。（Ａ）加熱素子の断面図である。（Ｂ）耐熱性基材に導電層が形成された部分の全体の斜視図である。（Ｃ）耐熱性基材の断面図である。（Ｄ）耐熱性基材の斜視図である。 ガス透過率を測定するための測定装置を示す説明図である。

符号の説明

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…耐食層、 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 (13)

1. 少なくとも、耐熱性の基材と、該耐熱性基材上に形成されたヒーターパターンを有する導電層と、該導電層上に形成された絶縁性の保護層とを有する加熱素子であって、少なくとも前記保護層の上に窒素ガス透過率が１×１０^−２ｃｍ^２／ｓｅｃ以下である耐食層を有するものであり、
   前記耐熱性基材は、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であり、該耐熱性基材の表面に絶縁性の誘電体層が形成され、前記導電層は、該誘電体層上に形成され、前記保護層は、前記ヒーターパターンと前記導電路の表面を覆う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。
2. 前記耐食層の空隙率が、７％以下であることを特徴とする請求項１に記載の加熱素子。
3. 前記耐食層の材質が、アルミニウム、イットリウム、シリコンのいずれか、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または請求項２に記載の加熱素子。
4. 前記耐食層の材質が、アルミナ、窒化アルミニウム、フッ化アルミニウム、イットリア、窒化イットリウム、フッ化イットリウム、酸化珪素、窒化珪素のいずれか、またはこれらを組み合わ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。
5. 前記耐食層が、ＣＶＤ法、反応性スパッタ法、イオンプレーティング、溶射法、ゾルゲル法のいずれか、またはこれらを組み合わせた方法により、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４のいずれか一項に記載の加熱素子。
6. 前記耐食層は、ＣＶＤ法、反応性スパッタ法、イオンプレーティングのいずれかにより、０．１μｍ以上２０μｍ以下の厚さの層を形成したもの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。
7. 前記耐食層は、溶射法またはゾルゲル法により１μｍ以上１００μｍ以下の厚さの層を形成したもの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。
8. 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７のいずれか一項に記載の加熱素子。
9. 前記導電層の材質が、熱分解炭素または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８のいずれか一項に記載の加熱素子。
10. 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ないし請求項９のいずれか一項に記載の加熱素子。
11. 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ないし請求項１０のいずれか一項に記載の加熱素子。
12. 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１１のいずれか一項に記載の加熱素子。
13. 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１２のいずれか一項に記載の加熱素子。

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