JP5795222B2 - セラミックスヒータ - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被加熱物を加熱するセラミックスヒータに関する。

セラミックスヒータにおいて、成膜又はエッチング等の処理対象となる半導体ウエハなどの被加熱物が載置されるセラミックス基板が内周側と外周側の２つのゾーンに区分され、これら２つのゾーンのそれぞれに発熱抵抗体が埋設された２ゾーンヒータが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。２ゾーンヒータは、各発熱抵抗体による発熱量が独立に制御されるため、ゾーンごとに異なる態様で温度制御を行うことが可能である。

特許第３８９７５６３号公報 特許第４０２８１４９号公報

しかしながら、例えば、セラミックス基板及びこれを支持するシャフトが窒化アルミニウム等の熱伝導率が高い素材からなる場合、セラミックス基板において発生した熱が中空のシャフトを介して放熱する。そのため、各発熱抵抗体の発熱量をそれぞれ制御しても、セラミックス基板の上面である載置面の中心部付近の温度がその周囲の領域の温度より低くなる。よって、載置面の中心部から外周部にかけて単調に温度低下するような温度分布を得ることは困難であった。

そこで、本発明は、載置面の中心部から外周部にかけて単調に温度変化するような温度分布を得ることが可能なセラミックスヒータを提供することを目的とする。

本発明は、セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基板と、前記セラミックス基板に埋設された内側発熱抵抗体と、前記内側発熱抵抗体の外側にて前記セラミックス基板に埋設された外側発熱抵抗体と、前記内側発熱抵抗体と前記外側発熱抵抗体とに供給する電力を独立して制御可能な制御部とを備えたセラミックスヒータであって、前記セラミックス基板の上面の中心点から外端までの距離をＲとしたとき、前記内側発熱抵抗体は、上面視で前記中心点を中心とした０〜０．５Ｒの領域内に配置され、前記外側発熱抵抗体は、上面視で前記中心点を中心とした０．８Ｒ〜Ｒの領域内に配置されることを特徴とする。

本発明のセラミックスヒータによれば、従来のように内側発熱抵抗体と外側発熱抵抗体とが隣接して配置されておらず、その間には、少なくも０．３Ｒの間隔が設けられている。そのため、従来に比較して内側発熱抵抗体が存在する領域が狭いので、同じ発熱量であれば、内側発熱抵抗体が存在する領域の上方に位置する載置面の温度を効果的に上昇させることができる。

よって、例えば、セラミックス基板の下面の中心部に接続されたシャフトを介した放熱があっても、載置面の中心部付近の温度をその周辺の領域と同様に高くすることが可能となる。従って、載置面の中心部から外周部にかけて単調に温度低下するような温度分布を得ることが可能となる。

また、例えば、セラミックス基板の下面の外周部に接続されたフランジを介した放熱があっても、載置面の外周部付近の温度をその周辺の領域と同様に高くすることが可能となる。従って、載置面の外周部から中心部にかけて単調に温度低下するような温度分布を得ることが可能となる。

このように、載置面の温度分布を単調にすることが可能となる。

また、本発明において、前記内側発熱抵抗体は、前記外側発熱抵抗体より上方に配置されることが好ましい。

この場合、内側発熱抵抗体の発熱がより効率的に上方の載置面に伝達され、載置面の中心部付近をさらに高温にすることが可能となる。

また、本発明において、前記内側発熱抵抗体は、上下に複数積層されて配置されることも好ましい。

この場合、内側発熱抵抗体の配置領域が小さくなり、載置面の中心部付近をさらに高温にすることが可能となる。中心部にはシャフトが接合されており、且つ内側発熱抵抗体を配置可能な領域が狭いので、内側発熱抵抗体を多層化することは、内側発熱抵抗体の発熱量を増加させる効果的な手段である。

従って、これらの場合、セラミックス基板の下面の中心部にシャフトが接続されている場合であっても、載置面の中心部から外周部にかけて単調に温度低下するような温度分布をより容易に得ることが可能となる。

そして、本発明において、セラミックスからなり、前記セラミックス基板の下面の中心部に接続された中空のシャフトを備え、前記セラミックス基板と前記シャフトの接合部の外端は、上面視で前記中心点を中心とした０．１Ｒ〜０．３Ｒの領域内に位置する。

０．１Ｒより小さいと、シャフト内部での発熱体への配線スペースが狭小になるからである。一方、０．３Ｒより大きいと、載置面中心温度が接合部直上の載置面温度より大きく低下し、載置面の半径方向の温度分布が単調でなくなるからである。

本発明の実施形態に係るセラミックスヒータの模式縦断面図。 図１のII−II線矢視模式断面図。 実施例における載置面の径方向の温度分布態様のシミュレーション結果を示すグラフ。 比較例における載置面の径方向の温度分布態様のシミュレーション結果を示すグラフ。

（セラミックスヒータの構成）
本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ１は、図１に示すように、半導体ウエハ等の被加熱物Ｗが載置される載置面Ｓを上面に有するセラミックス基板２と、セラミックス基板２に埋設された内側発熱抵抗体Ｑ１と、内側発熱抵抗体Ｑ１の外側にてセラミックス基板２に埋設された外側発熱抵抗体Ｑ２と、セラミックスからなり、セラミックス基板２の下面２ａの中心部に接続された中空のシャフト３とを備えた２ゾーンヒータである。

セラミックスヒータ１は、様々な半導体製造プロセスに使用される半導体製造装置（例えば、成膜装置、エッチング装置、検査装置）を構成するセラミックス製品に適用される。

セラミックス基板２は、半径Ｒの略円板状のセラミックス焼結体により構成されている。セラミックス基板２は、例えば使用温度におけるその体積抵抗率が１０^８Ω・ｃｍ以上になるように、窒化アルニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化ホウ素（ＢＮ）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、石英を主成分として含み、焼結助剤などを副成分として含んでいる。

特に窒化アルミニウムを主成分とする高熱伝導性セラミックスは、熱伝導性が８０〜１７０Ｗ／ｍ・Ｋと高く温度追従性に優れるので、良好な加熱応答性が求められるセラミックスヒータ１のセラミックス基板２の材料として好適である。

原料粉末のプレス成形体に発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２が設置され、その上にさらに原料粉末が載置されたものがプレス成形されることによって得られたセラミックス成形体が、ホットプレスによって焼成され、表面研磨等の加工が適宜施されることにより、発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２が埋設されたセラミックス基板２が製造されている。発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２は、同じ層内に形成されており、例えばスクリーン印刷法で形成すればよい。

発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２は、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）等の耐熱金属により、箔、膜、板、線、メッシュ、繊維、コイル、リボン状など任意の形状に形成され、面、螺旋、折返し状などの任意の形態に配置されている。

そして、図２に示すように、セラミックス基板２の上面の中心点をＯとしたとき、内側発熱抵抗体Ｑ１は、上面視で中心点Ｏを中心とした０〜０．５Ｒの円状領域内に配置され、外側発熱抵抗体Ｑ２は、上面視で中心点Ｏを中心とした０．８Ｒ〜Ｒの領域内に配置されている。そして、上面視で中心点Ｏを中心とした０．５Ｒ〜０．８Ｒの円環状領域内には、発熱抵抗体は配置されていない。

セラミックス基板２には、その下面中央部に接続端子（図示略）が埋設されている。発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２は、それぞれセラミックス基板２に埋設されている電流供給部材（図示略）によって一対の接続端子に接続されている。各接続端子には、シャフト３の中空部を通って配線されている給電線（図示略）が接続されている。給電線は電源（図示略）に接続されている。

電流供給部材と接続端子とはろう付け又は溶接されている。電流供給部材はモリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）などからなる。接続端子は、箔、板、塊状のニッケル（Ｎｉ）、コバール（登録商標）（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）を主成分とする耐熱合金などの耐熱金属から構成される。

さらに、セラミックスヒータ１は、コンピュータにより構成されている制御部（図示略）を備えている。制御部は、電源から発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２のそれぞれに対する供給電力を独立して制御する。これにより、発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２のそれぞれの発熱量、さらには発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２により画定される２つのゾーンのそれぞれにおけるセラミックス基板２の載置面Ｓの温度分布が制御される。

図１に示すように、シャフト３は、セラミックス基板２の下面２ａの中心部に接合された中空のセラミックス焼結体である。シャフト３は、大略円筒形状であり、セラミックス基板２との接合部分の外径が他の軸部３ａより拡大した拡大部３ｂを有し、拡大部３ｂの上面がセラミックス基板２との接合面となっている。 シャフト３の材質は、セラミックス基板２の材質と同等でよいが、断熱性を高めるために、セラミックス基板２の素材より熱伝導率の低い素材から形成されていてもよい。

セラミックス基板２の下面２ａとシャフト３の上端面とが、拡散接合又はセラミックス若しくはガラス等の接合材による固層接合によって接合されている。なお、セラミックス基板２とシャフト３とは、ねじ止めやろう付けなどによって接続されてもよい。

セラミックス基板２とシャフト３の接合部の外端は、上面視で中心点Ｏを中心とした０．１Ｒ〜０．３Ｒの領域内に位置する。

なお、図示しないが、シャフト３の下端部は、フランジなどを介して真空チャンバーに接続されており、シャフト３の中空部が真空チャンバーの内部と同じ雰囲気となるように構成されている。

以上のように、セラミックスヒータ１は、従来のように内側発熱抵抗体Ｑ１と外側発熱抵抗体Ｑ２とが隣接して配置されておらず、その間には、セラミックス基板２の上面（載置面）Ｓの外半径をＲとしたとき、少なくも０．３Ｒの間隔が設けられている。

そのため、従来と比較して内側発熱抵抗体Ｑ１が存在する領域が狭いので、同じ発熱量であれば、内側発熱抵抗体Ｑ１が存在する領域の上方に位置する載置面Ｓの温度をより効果的に上昇させることができる。よって、シャフト３を介した放熱があっても、載置面Ｓの中心部付近の温度をその周辺の領域と同様に高くすることが可能となる。従って、中心部から外周部にかけて単調に温度低下するような温度分布を得ることが可能となる。

本発明は、載置面Ｓの中心部付近の温度分布が高くすることを目的としている。ただし、セラミックス基板２とシャフト３との間に熱抵抗構成を追加する、又は、シャフト３の熱伝導率を著しく小さくすることによっても、同様の効果が得られる可能性はある。

しかし、本発明によれば、内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量と外側発熱抵抗発体Ｑ２の発熱量の比を外部の制御部によって容易に変更できることが可能であるので、載置面Ｓの中心部付近の温度分布を高くすることも低くすることも含めて、任意の単調温度分布を容易に実現することが可能となる。

（実施例１，２、比較例）
セラミックスヒータ１について、発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２の合計発熱量を１３００Ｗとし、各発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２の発熱量割合を変化させて、定常状態での載置面Ｓの径方向の各位置での温度をシミュレーションで求めた。

実施例１，２及び比較例では、以下のように設定した。

セラミックス基板２は、窒化アルミニウムからなり、半径Ｒ１７０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの円板状であるとした。

発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２はともにモリブデンからなる膜状であり、載置面Ｓから１０ｍｍ下方に配置されているとした。

シャフト３は、窒化アルミニウムからなり、軸部３ａを外半径２５ｍｍ（０．１５Ｒ）
、厚さ４ｍｍ、長さ２５０ｍｍの円板状、拡大部３ｂを外半径３３．５ｍｍ（０．２０Ｒ）、厚さ６ｍｍ、長さ１５ｍｍの円筒状であるとした。シャフト３は、セラミックス基板２と一体化されているとした。

そして、実施例１では、内側発熱抵抗体Ｑ１は、上面視で中心点Ｏを中心とした０〜８０ｍｍ（０．４７Ｒ）の円形状領域全面内に配置されているとした。外側発熱抵抗体Ｑ２は、上面視で中心点Ｏを中心とした１３６ｍｍ（０．８０Ｒ）〜１６５ｍｍ（０．９７Ｒ）の円環状領域内全面に配置されているとした。

実施例２では、内側発熱抵抗体Ｑ１は、上面視で中心点Ｏを中心とした０〜６０ｍｍ（０．３５Ｒ）の円形状領域全面内に配置されているとした。外側発熱抵抗体Ｑ２は、上面視で中心点Ｏを中心とした１３６ｍｍ（０．８０Ｒ）〜１６５ｍｍ（０．９７Ｒ）の円環状領域内全面に配置されているとした。

比較例では、内側発熱抵抗体Ｑ１は、上面視で中心点Ｏを中心とした０〜１２６ｍｍ（０．７４Ｒ）の円形状領域全面内に配置されているとした。外側発熱抵抗体Ｑ２は、上面視で中心点Ｏを中心とした１３６ｍｍ（０．８０Ｒ）〜１６５ｍｍ（０．９７Ｒ）の円環状領域内全面に配置されているとした。

実施例１，２におけるセラミックス基板２の載置面Ｓの径方向の温度分布態様のシミュレーション結果を図３に示す。図３では、実施例１で内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量割合を９０％、外側発熱抵抗体Ｑ２の発熱量割合を１０％とした場合が三角形で、実施例１で内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量割合を１０％、外側発熱抵抗体Ｑ２の発熱量割合を９０％とした場合がＸで、実施例２で内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量割合を９０％、外側発熱抵抗体Ｑ２の発熱量割合を１０％とした場合が四角形で、それぞれプロットされている。

比較例におけるセラミックス基板２の載置面Ｓの径方向の温度分布態様のシミュレーション結果を図４に示す。図４では、内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量割合を９０％、外側発熱抵抗体Ｑ２の発熱量割合を１０％とした場合がＸで、内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量割合を７０％、外側発熱抵抗体Ｑ２の発熱量割合を３０％とした場合が三角形で、内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量割合を６０％、外側発熱抵抗体Ｑ２の発熱量割合を４０％とした場合が四角形で、内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量割合を３０％、外側発熱抵抗体Ｑ２の発熱量割合を７０％とした場合が菱形で、それぞれプロットされている。

図３及び図４から、実施例１，２のセラミックスヒータは、比較例のセラミックスヒータと比較して、載置面Ｓの中心部付近に温度低下が生じておらず、中心部から外周部にかけて単調に温度低下する温度分布を得られることが分かった。

さらに、図３から、内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量割合が９０％、外側発熱抵抗体Ｑ２の発熱量割合が１０％である場合、実施例２のセラミックスヒータは、実施例１のセラミックスヒータと比較して、載置面Ｓの中心部付近の温度が高くなっていることが分かった。

（他の実施形態）
上述した実施形態に係るセラミックスヒータ１においては、発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２は同じ層内に形成されていた。しかし、内側発熱抵抗体Ｑ１を外側発熱抵抗体Ｑ２よりも上層に形成してもよい。この場合、内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱がより効率的に上方の載置面Ｓに伝達され、載置面Ｓの中心部付近をさらに高温にすることが可能となる。

また、上述した実施形態に係るセラミックスヒータにおいては、発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２は単層で形成されていた。しかし、内側発熱抵抗体Ｑ１を多層化してもよい。この場合、内側発熱抵抗体Ｑ１の配置領域が小さくなり、載置面Ｓの中心部付近をさらに高温にすることが可能となる。中心部にはシャフト３が接合されており、且つ内側発熱抵抗体Ｑ１を配置可能な領域が狭いので、内側発熱抵抗体Ｑ１を多層化することは、内側発熱抵抗体Ｑ１の発熱量を増加させる効果的な手段である。

以上、本発明の実施形態及びその変形について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、セラミックス基板の形状は、円板状に限定されず、楕円形板状、多角形板状など任意の形状であってもよい。

そして、セラミックス基板の上面の中心点から外端までの距離をＲとしたとき、内側発熱抵抗体Ｑ１は、上面視で中心点Ｏを中心とした０〜０．５Ｒの領域内に配置され、外側発熱抵抗体Ｑ２は、上面視で中心点Ｏを中心とした０．８Ｒ〜Ｒの領域内に配置されればよい。従って、発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２は、上面視で中心点Ｏを中心として、セラミックス基板の上面の形状に相似した領域内に配置される。

また、シャフトの形状も、円筒状に限定されず、楕円筒状、多角形筒状など任意の中空形状であってもよい。そして、セラミックス基板とシャフトとの中心軸とは必ずしも一致していなくともよい。

また、本発明は、セラミックス基板２に中空のシャフト３を接合したことによって、発熱抵抗体Ｑ１，Ｑ２から発生した熱流がシャフト３を介して放熱させるものに限定されない。

例えば、セラミックス基板２の外周部下面にリング状のフランジが接続され、このフランジを介してセラミックス基板２の外周部から熱流が散逸する場合にも、本発明を適用することができる。この場合には、セラミックス基板２の中心部の温度が低く外周部の温度が高くなるような単調な温度分布を実現することも可能となる。

１…セラミックスヒータ、 ２‥セラミックス基板、 ３‥シャフト、 ３ａ…軸部、３ｂ…拡径部、 Ｑ１‥内側発熱抵抗体、 Ｑ２‥外側発熱抵抗体、 Ｓ…載置面（上面）、 Ｗ…被加熱物。

Claims (3)

1. セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基板と、
   前記セラミックス基板に埋設された内側発熱抵抗体と、
   前記内側発熱抵抗体の外側にて前記セラミックス基板に埋設された外側発熱抵抗体と、
   前記内側発熱抵抗体と前記外側発熱抵抗体とに供給する電力を独立して制御可能な制御部と、
   セラミックスからなり、前記セラミックス基板の下面の中心部に接続された中空のシャフトとを備えたセラミックスヒータであって、
   前記セラミックス基板の上面の中心点から外端までの距離をＲとしたとき、前記内側発熱抵抗体は、上面視で前記中心点を中心とした０〜０．５Ｒの領域内に配置され、前記外側発熱抵抗体は、上面視で前記中心点を中心とした０．８Ｒ〜Ｒの領域内に配置され、
   前記セラミックス基板と前記シャフトの接合部の外端は、上面視で前記中心点を中心とした０．１Ｒ〜０．３Ｒの領域内に位置することを特徴とするセラミックスヒータ。
2. 前記内側発熱抵抗体は、前記外側発熱抵抗体より上方に配置され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。
3. 前記内側発熱抵抗体は、上下に複数積層されて配置され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。

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