JP6018296B2 - セラミックヒータ用熱線配置構造 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックヒータ用熱線配置構造に係り、特に、均一な発熱密度の維持と、迅速な温度上昇とが可能なセラミックヒータ用熱線配置構造に関する。

セラミックヒータ（ceramic heater）は、半導体を製造する工程中で、半導体ウェーハを加熱するための装置であるが、図１には、かようなセラミックヒータ１の一例が図示されている。

前記セラミックヒータ１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ：aluminium nitride）または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３：aluminium oxide）などのセラミックス素材を利用して製造される円形平板部材であるセラミック基板２と、前記セラミック基板２の下面に付着し、内部に中空Ｈを有した中空型シャフト３と、三次元コイル（coil）形状の金属ワイヤ（wire）であり、前記セラミック基板２の内部に配線されて熱を発散する熱線４と、前記セラミック基板２の内部に配線される網（mesh）形状の金属部材であり、前記半導体ウェーハを吸着させるための静電気を発生させる静電気発生電極５と、前記中空型シャフト３の中空に配置され、熱線４に電気を供給するロッド部材である第１電気供給部材６と、前記第１電気供給部材６と前記熱線４とを連結する第１連結部材８と、前記中空型シャフト３の中空に配置され、前記静電気発生電極５に電気を供給するロッド部材である第２電気供給部材７と、前記第２電気供給部材７と、前記静電気発生電極５とを連結する第２連結部材９と、を含んで構成される。従って、前記セラミックヒータ１は、前記熱線４によって、前記半導体ウェーハを加熱し、前記静電気発生電極５によって生じる静電気を利用して、前記半導体ウェーハを吸着して固定する。

従来のセラミックヒータ１では、図２に図示されているように、前記熱線４が、三次元コイル形状であるので、焼結時に生じる前記セラミック基板２の収縮変形によって、本来のコイル形状を維持しにくいという問題点がある。

また、前記三次元コイル型熱線４が、三次元コイル形状という形状的な特徴と、前記セラミック基板２の焼結時に生じるコイル形状変形とによって、設計時に要求される発熱密度（heat density）を、前記セラミック基板２の全体にわたって均一に維持しにくいという問題点もある。

同時に、前記三次元コイル型熱線４は、図３に図示されているように、断面直径Ｄに比べ、厚い厚みＷを有した三次元立体コイル形状であるので、生じる熱が四方に拡散される。従って、同一の熱量を発散させる二次元平面状の熱線に比べ、前記ウェーハを加熱するために必要な方向、すなわち、上側方向への発熱量の減少するという問題点がある。

そして、前記三次元コイル型熱線４は、三次元コイル形状を有するので、作業者が前記セラミック基板２の内部に配線することが容易ではなく、粉末状原料を使用して、前記セラミック基板２を製造しなければならない制約があるという問題点もある。

前述の前記三次元コイル型熱線４の問題点を補完するために、金属ペースト（paste）などを使用して、薄いシート（sheet）状に製造される二次元平面状の熱線（図示せず）が使用されたりした。

しかし、前記シート型熱線（図示せず）は、均一な発熱密度を具現することができるという点で長所であるが、その製造技法が、エッチングやペーストプリンティングなどに制限されるので、熱線の厚みが比較的薄く製造されてしまい、前記第１連結部材８との物理的結合性が低下し、耐食性及び耐久性が低下するという問題点がある。

また、前記シート型熱線は、ワイヤタイプの熱線４に比べ、前記セラミック基板２の上側から見た平面積が比較的大きいので、同一の熱線断面積と同一の熱線長を有する場合と比較するとき、前記セラミック基板２の単位平面的当たり発熱密度が少なく、温度上昇（ramp up）速度が遅いという問題点もある。

従って、前記三次元コイル型熱線４の問題点と、前記シート型熱線の問題点とを補完することができる熱線の開発が必要な状況であった。

本発明は、前記問題を解決するために案出されたものであり、その目的は、均一な発熱密度の維持と、迅速な温度上昇とが可能になるように構造が改善されたセラミックヒータ用熱線配置構造を提供するためのものである。

前記目的を達成するために、本発明によるセラミックヒータ用熱線配置構造は、セラミックヒータのセラミック基板内部に配線され、熱を発散させる熱線の配置構造であり、長手方向に長く延長された金属材質のワイヤ部材であり、前記セラミック基板の上面と実質的に平行な仮想の二次元平面上に、二次元的に配線されている熱線を含むことを特徴とする。

ここで、前記熱線は、互いに対向した状態で互い違いに２列に配置された複数個の湾曲部と、前記湾曲部を連結する複数個の連結部と、を含み、前記湾曲部及び前記連結部によって、ジグザグ状に蛇行するように形成されていることが望ましい。

ここで、前記熱線のピッチは、配線された位置によって異なる値を有することが望ましい。

ここで、前記熱線の振幅は、配線された位置によって異なる値を有することが望ましい。

ここで、前記セラミック基板は、円形平板であり、前記熱線は、前記セラミック基板の中心を円の中心とする複数個の同心円上に配置されていることが望ましい。

ここで、前記熱線の振幅及びピッチは、前記セラミック基板の中心から半径方向に離隔された位置によって、異なる値を有することが望ましい。

ここで、前記熱線の両端は、前記セラミック基板の下面に付着される中空型シャフトの中空と連通する位置に配線されていることが望ましい。

ここで、前記熱線は、互いに平行な二次元平面上に複層構造に配線されていてもよい。

ここで、前記熱線は、前記セラミック基板の熱膨張係数から、±３．０×１０^−６[Ｋ^−１]の誤差範囲内にある熱膨張係数を有した金属部材であることが望ましい。

本発明によれば、長手方向に長く延長された金属材質のワイヤ部材であり、前記セラミック基板の上面と実質的に平行な仮想の二次元平面上に、二次元的に配線されている熱線を含むことにより、均一な発熱密度の維持と、迅速な温度上昇とが可能であるという効果がある。

従来のセラミックヒータを示す断面斜視図である。 図１に図示された熱線の一部を示す斜視図である。 図２に図示された熱線がセラミック基板の内部に挿入された状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態であるセラミックヒータ用熱線配置構造を示す平面図である。 図４に図示された熱線を示す正面図である。 図４に図示された熱線のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図４に図示された熱線がセラミック基板の内部に挿入された状態を示す断面図である。 図４に図示された熱線のＶＩＩＩ部分拡大図である。 図４に図示された熱線がセラミック基板の内部に複層構造に配線されている状態を示す断面図である。

以下、添付された図面を参照し、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。

図４は、本発明の一実施形態であるセラミックヒータ用熱線配置構造を示す平面図であり、図５は、図４に図示された熱線を示す正面図である。

図４及び図５を参照すれば、本発明の望ましい実施形態によるセラミックヒータ用熱線配置構造は、半導体ウェーハを加熱するためのセラミックヒータ（ceramic heater）に使用される熱線（heat wire）の配置構造であり、セラミック基板２と、中空型シャフト３と、熱線１００と、を含んで構成される。以下では、前記セラミックヒータ用熱線配置構造が、図１に図示されたセラミックヒータ１に使用されるということを前提にして説明する。

前記セラミック基板２は、円形平板部材であり、熱膨張係数４．４×１０^−６[Ｋ^−１]である窒化アルミニウム（ＡｌＮ：aluminium nitride）、または熱膨張係数８．０×１０^−６[Ｋ^−１]である酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３：aluminium oxide）のようなセラミックス素材を利用して製造されるが、本の実施形態では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が使用される。

前記セラミック基板２は、前記窒化アルミニウムの原料粉末を１，５００℃以上の高温で焼結することによって製造される。

前記中空型シャフト３は、図１に図示されているように、内部に中空Ｈを有したパイプ型セラミックス部材であり、前記セラミック基板２の下面に気密が可能なように付着される。従って、前記中空Ｈは、外部から気密が可能なように隔離されている。

前記熱線１００は、前記セラミック基板２の内部に配線されて熱を発散させる部材であり、長手方向に長く延長された金属材質のワイヤ（wire）を曲折させて製造される。本実施形態では、図６に図示されているように、既定の直径Ｄを有した円形断面のワイヤが使用される。

前記熱線１００は、前記セラミック基板２の焼結前に、前記セラミック基板２の原料粉末内部に配置され、前記セラミック基板２の焼結によって、前記セラミック基板２の内部に固定される。

前記熱線１００は、モリブデン（Ｍｏ：molybdenum）またはタングステン（Ｗ：tungsten）のような導電性金属から製造されるが、本実施形態では、モリブデン（Ｍｏ）によって製造される。ここで、前記モリブデン（Ｍｏ）の熱膨張係数は、５．１×１０^−６[Ｋ^−１]の値を有し、前記タングステンＷの熱膨張係数は、５．４×１０^−６[Ｋ^−１]の値を有する。

従って、前記熱線１００の熱膨張係数は、前記セラミック基板２の熱膨張係数から、±３．０×１０^−６[Ｋ^−１]の誤差範囲内の値を有することになる。

前記熱線１００は、図５及び図７に図示されているように、前記セラミック基板２の上面と実質的に平行な仮想の二次元平面上に密着された状態で、二次元的に配線されている。従って、前記熱線１００は、前記二次元平面から突出しないように配線されることによって、前記熱線１００の配置厚Ｄが、前記熱線１００の直径Ｄと同一の値を有することになる。本発明で、前記仮想の二次元平面は、数学的に完璧な平面のみを意味するものではない。

前記熱線１００は、図４に図示されているように、分離線Ｓを基準に、前記セラミック基板２の右半面に配置された右半部１０ａと、前記セラミック基板２の左半面に配置された左半部１０ｂと、を含む。

本実施形態で、前記熱線１００は、別途の接合作業なしに、１本のワイヤを曲折することによって製造される。

前記右半部１０ａ及び左半部１０ｂは、前記セラミック基板２の中心Ｃを円の中心とする複数個の同心円上に配置された複数個の円弧部１４と、異なる同心円上に配置された前記円弧部１４を互いに連結する複数個の結合部１５と、を含む。

前記右半部１０ａの一端部１１、及び前記左半部１０ｂの一端部１２は、前記第１連結部材８と結合されて電気を供給される部分であり、前記中空型シャフト３の中空Ｈ内部と連通するように、前記セラミック基板２の中心Ｃ付近に配線されている。

前記右半部１０ａの他端部と、前記左半部１０ｂの他端部は、前記セラミック基板２の最外郭に位置する連結点１３で互いに連結されている。

前記熱線１００は、図４に図示されているように、ジグザグ状に蛇行するように形成されている。ここで、前記熱線１００のジグザグ状は、図８に図示されているように、互いに対向した状態で互い違いに２列に配置された複数個の湾曲部１６と、他の列に配置されて互いに隣接した前記湾曲部１６を連結する複数個の連結部１７と、によって形成される。

前記熱線１００のピッチＰ、すなわち、同一の列で互いに隣接するように配置された前記湾曲部１６間の距離は、前記セラミック基板２上の配線された位置によって、異なる値を有することができる。

本実施形態において、前記熱線１００のピッチＰは、前記セラミック基板２の中心Ｃから半径方向に離隔された位置によって異なる値を有しているが、このような事実は、図４に図示されているように、前記セラミック基板２の中心Ｃ付近の熱線１００のピッチＰが、残りの部分の熱線１００のピッチＰより小さいという点において確認することができる。ただし、前記熱線１００のピッチＰは、同一の同心円上では、同一の値を有する。

前記熱線１００の振幅Ａ、すなわち、互いに対向した２列の前記湾曲部１６の頂点間距離は、前記セラミック基板２上の配線された位置によって異なる値を有する。

本実施形態において、前記熱線１００の振幅Ａは、前記セラミック基板２の中心Ｃから半径方向に離隔された位置によって異なる値を有しているが、このような事実は、図４に図示されているように、前記セラミック基板２の中心Ｃに最も近い同心円上に配線された熱線１００の振幅Ａが、残りの部分の熱線１００の振幅Ａより大きいという点において確認することができる。ただし、前記熱線１００の振幅Ａは、同一の同心円上では、同一の値を有する。

前述構成のセラミックヒータ用熱線配置の構造は、長手方向に長く延長された金属材質のワイヤであり、前記セラミック基板２の上面と実質的に平行な仮想の二次元平面上に配線されている熱線１００を含むので、従来の三次元コイル型熱線４と異なり、半導体ウェーハを加熱するために必要な方向、すなわち、前記セラミック基板２の上面方向への発熱量が十分であり、均一な発熱密度の維持と、迅速な温度上昇とが可能であるという長所がある。

また、前記セラミックヒータ用熱線配置構造は、前記熱線１００が、二次元平面上に配線されるので、三次元空間で配線状態が決定される従来の三次元コイル型熱線４と異なり、二次元平面上でのみ前記熱線１００の配線を考慮すれば十分である。従って、均一な発熱密度を達成するための熱線１００の配線形状及び直径Ｄの決定が容易であるという長所がある。

そして、前記セラミックヒータ用熱線配置構造は、前記熱線１００が、互いに対向した状態で、互い違いに２列に配置された複数個の湾曲部１６と、前記湾曲部１６を連結する複数個の連結部１７とを含むジグザグ状に蛇行するように形成されているので、前記熱線１００を、前記セラミック基板２に、空きがないよいうに均一に分布させることができ、コールドスポット（cold spot）を最小化させることができるという長所がある。

併せて、前記セラミックヒータ用熱線配置構造は、前記熱線１００が二次元平面上に配線される金属ワイヤであるので、前記セラミック基板２の粉末状原料内部に配線されなければならない従来の三次元コイル型熱線４と異なり、粉末状原料だけではなく、すでに焼結されたセラミック基板２にも、前記熱線１００を配線することができるという長所もある。

また、前記セラミックヒータ用熱線配置構造は、前記熱線１００のピッチＰ及び振幅Ａが、配線された位置によって異なる値を有することができるので、配線位置によって、前記熱線１００の配線密度を容易に調節することができるという長所がある。

そして、前記セラミックヒータ用熱線配置構造は、前記熱線１００が、前記セラミック基板２の中心Ｃを円の中心とする複数個の同心円上に配置されているので、円形平板である前記セラミック基板２の内部に配線することが容易であるという長所がある。

併せて、前記セラミックヒータ用熱線配置構造は、前記熱線１００のピッチＰと振幅Ａが、前記セラミック基板２の中心Ｃから半径方向に離隔された位置によって異なる値を有するので、前記セラミック基板２の半径方向位置によって発熱密度を調節することができる長所がある。

また、前記セラミックヒータ用熱線配置構造は、前記熱線１００の両端１１，１２が、前記セラミック基板２の下面に付着される中空型シャフト３の中空Ｈと連通するように、前記セラミック基板２の中心Ｃ付近に配線されているので、前記中空型シャフト３の中空Ｈ内部に配置された前記第１電気供給部材６と電気的に連結されるという長所がある。

そして、前記セラミックヒータ用熱線配置構造は、前記熱線１００が、前記セラミック基板２の熱膨張係数から、±３．０×１０^−６[Ｋ^−１]の誤差範囲内にある熱膨張係数を有した金属部材であるので、前記セラミックヒータ１の製造時または使用時に発生する高熱によって、前記熱線１００が熱膨張しても、熱応力によって、前記セラミック基板２が破損されないという長所がある。

本実施形態では、前記熱線１００が、前記セラミック基板２の内部に単層に配線されているが、図９に図示されているように、互いに平行な仮想の二次元平面上に、複層構造に配線されてもよいということは言うまでもない。その場合には、前記熱線１００の配線密度及び発熱密度をさらに向上させることができる。

以上、本発明について説明したが、本発明の技術的範囲は、前述の実施形態に記載された内容に限定されるものではなく、当該技術分野の当業者によって、修正されたり、あるいは変更されたりする等価の構成は、本発明の技術的思想の範囲を外れるものではないということは明白である。

Claims (4)

1. セラミックヒータのセラミック基板内部に配線されて熱を発散させる熱線の配置構造であり、
   長手方向に長く延長された金属材質の円形断面のワイヤ部材であり、前記セラミック基板の上面と実質的に平行な仮想の二次元平面上に、二次元的に配線されている熱線を含み、
   前記熱線は、
   互いに対向した状態で互い違いに２列に配置された複数個の湾曲部と、前記湾曲部を連結する複数個の連結部と、を含み、前記湾曲部及び前記連結部によって、ジグザグ状に蛇行するように形成されており、
   前記セラミック基板は、円形平板であり、
   前記熱線は、前記セラミック基板の中心を円の中心とする複数個の同心円上に配置されており、
   前記セラミック基板内部に配線された熱線の配置厚みは、前記熱線の直径と同一な値を有し、
   前記熱線の振幅及びピッチは、前記セラミック基板の中心から半径方向に離隔された位置によって、異なる値を有することを特徴とするセラミックヒータ用熱線配置構造。
2. 前記熱線の両端は、前記セラミック基板の下面に付着される中空型シャフトの中空と連通する位置に配線されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ用熱線配置構造。
3. 前記熱線は、互いに平行な二次元平面上に複層構造に配線されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ用熱線配置構造。
4. 前記熱線は、前記セラミック基板の熱膨張係数から、±３．０×１０^−６［Ｋ^−１］の誤差範囲内にある熱膨張係数を有した金属部材であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ用熱線配置構造。

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