JP6081858B2 - heater - Google Patents
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本発明は、ヒータに関するものである。 The present invention relates to a heater.
半導体集積回路の製造工程または液晶表示装置の製造工程等において、半導体ウエハ等の各試料を加熱するための部品としてヒータが知られている。ヒータとしては、例えば、特許文献1に記載のヒータ基板が挙げられる。特許文献1に記載のヒータ基板は、セラミック基体と、セラミック基体の裏面に形成された発熱体回路とを備えている。ヒータ基板は、セラミック基体の主面に被加熱物を搭載して用いられる。
A heater is known as a component for heating each sample such as a semiconductor wafer in a manufacturing process of a semiconductor integrated circuit or a manufacturing process of a liquid crystal display device. As a heater, the heater board | substrate of
しかしながら、特許文献1に記載のヒータ基板は、ヒートサイクル下において、セラミック基体と発熱体回路との間に熱応力が生じる場合があった。これにより、発熱体回路ののうちセラミック基体と接する面からクラックが生じ、発熱体回路のうちセラミック基体と接する面の反対側の面にまで到達する場合があった。その結果、ヒータ基板の長期信頼性を向上させることが困難であった。
However, in the heater substrate described in
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、長期信頼性を向上したヒータを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a heater having improved long-term reliability.
本発明の一態様のヒータは、セラミック体と、該セラミック体の主面に設けられた、金属粒子を含む発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、断面視したときに、前記セラミック体に接する第1の面における前記金属粒子よりも前記第1の面の反対側に位置する第2の面における前記金属粒子の方が前記主面に平行な方向に長いことを特徴とする。 A heater according to an aspect of the present invention includes a ceramic body and a heating resistor including metal particles provided on a main surface of the ceramic body. The metal particles on the second surface located on the opposite side of the first surface are longer in the direction parallel to the main surface than the metal particles on the first surface in contact with the ceramic body. .
本発明の一態様のヒータによれば、発熱抵抗体のうちセラミック体に接する第1の面における金属粒子よりも第1の面の反対側に位置する第2の面における金属粒子の方が主面に平行な方向に長い。主面に平行な方向に短い粒子を有する第1の面においてセラミック基体との間に発生する熱応力を低減することができる。これにより、発熱抵抗体におけるクラックの発生を低減できる。また、主面に平行な方向に長い粒子を有する第2の面は、主面に垂直な方向の界面が少なくなっている。これにより、仮にクラックが発生したとしても、発生したクラックの進展を抑制することができる。これらの結果、ヒータの長期信頼性を向上させることができる。 According to the heater of one aspect of the present invention, the metal particles on the second surface located on the opposite side of the first surface are more dominant than the metal particles on the first surface in contact with the ceramic body of the heating resistor. Long in the direction parallel to the surface. Thermal stress generated between the first surface having short particles in the direction parallel to the main surface and the ceramic substrate can be reduced. Thereby, generation | occurrence | production of the crack in a heating resistor can be reduced. Further, the second surface having long particles in the direction parallel to the main surface has fewer interfaces in the direction perpendicular to the main surface. Thereby, even if a crack occurs, the progress of the generated crack can be suppressed. As a result, the long-term reliability of the heater can be improved.
以下、本発明の一実施形態に係るヒータ10について、図面を参照して説明する。
Hereinafter, a
図1は本発明の一実施形態のヒータ10を示す断面図である。図1に示すように、本発明の一実施形態のヒータ10は、セラミック体1と、セラミック体1の下面に設けられた発熱抵抗体2と、セラミック体1の内部に設けられた吸着電極3とを備えている。
FIG. 1 is a sectional view showing a
<セラミック体1の構成>
セラミック体1は、上面に試料保持面11を有する板状の部材である。セラミック体1は、上面の試料保持面11において、例えば、シリコンウエハ等の試料を保持する。ヒータ10は、平面視したときのセラミック体1の形状が円形状の部材である。セラミック体1は、例えばアルミナ質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、窒化珪素質セラミックスまたはイットリア質セラミックス等のセラミック材料からなる。セラミック体1の下面には、発熱抵抗体2が設けられている。セラミック体1の寸法は、例えば、径を200〜500mm、厚みを2〜15mmに設定できる。
<Configuration of
The
このヒータ10によって試料を保持する方法としては、様々な方法を用いることができるが、本実施形態のヒータ10は静電気力によって試料を保持する。そのため、ヒータ10は、セラミック体1の内部に吸着電極3を備えている。
Various methods can be used as a method of holding the sample by the
吸着電極3は、2つの電極から構成されている。2つの電極は、一方が電源の正極に接続され、他方が負極に接続される。2つの電極は、それぞれ略半円板状に形成され、半円の弦同士が対向するように、円形状のセラミック体1の内部に配置される。2つの電極が合わさって、吸着電極3全体の外形が円形状となっている。この吸着電極3全体による円形状の外形の中心は、同じく円形状のセラミック体1の外形の中心と同一に設定される。吸着電極3は、例えばタングステンまたはモリブデン等の金属材料からなる。
The
<発熱抵抗体2の構成>
発熱抵抗体2は、セラミック体1の上面の試料保持面11に保持された試料を加熱するための部材である。発熱抵抗体2は、セラミック体1の下面に設けられている。発熱抵抗体2に電圧を印加して電流を流すことによって、発熱抵抗体2を発熱させることができる。発熱抵抗体2で発せられた熱は、セラミック体1の内部を伝わって、セラミック体1の上面における試料保持面11に到達する。これにより、試料保持面11に保持された試料を加熱することができる。発熱抵抗体2は、複数の湾曲部を有する線状のパターンであって、セラミック体1の下面のほぼ全面に形成されている。これにより、ヒータ10の上面において熱分布にばらつきが生じることを抑制できる。
<Configuration of
The
発熱抵抗体2は、導体成分およびガラス成分を含んでいる。導体成分としては、例えば銀パラジウム、白金、アルミニウムまたは金等の金属粒子を含んでいる。ガラス成分が発泡してしまうことを抑制するために、金属材料としては大気中で焼結可能な金属を選択することが好ましい。また、ガラス成分としては、珪素、アルミニウム、ビスマス、カルシウム、ホウ素および亜鉛等の材料の酸化物を含んでいる。
The
ヒータ10の温度制御には以下の方法を用いることができる。具体的には、セラミック体1に熱電対を接触させてこの熱電対の熱起電力を測定することによって発熱抵抗体2の温度を測定できる。また、セラミック体1に、測温抵抗体を接触させてこの測温抵抗体の抵抗を測定することによっても発熱抵抗体2の温度を測定できる。以上のようにして測定した発熱抵抗体2の温度に基づいて、発熱抵抗体2に印加する電圧を調整することによって、ヒータ10の温度が一定になるように制御することができる。
The following method can be used for temperature control of the
上述した通り、発熱抵抗体2は、原料としてガラス成分を含んでいる。発熱抵抗体2は
、ガラス成分を含んでいることによって、焼結に必要な温度が低くなっている。また、発熱抵抗体2は、ガラス成分を有することによって、セラミック体1との密着性が向上している。
As described above, the
ここで、発熱抵抗体2は、図2に示すように、断面視したときに、セラミック体1に接する第1の面21における金属粒子よりも第1の面21の反対側に位置する第2の面22における金属粒子の方が、主面に平行な方向に長い。主面に平行な方向に短い粒子を有する第1の面21において、セラミック基体との間に発生する熱応力を低減することができる。これにより、発熱抵抗体2におけるクラックの発生を低減できる。また、主面に平行な方向に長い粒子を有する第2の面22は、主面に垂直な方向の界面が少なくなっている。これにより、仮に第1の面21においてクラックが発生したとしても、発生したクラックが第2の面22にまで進展することを抑制することができる。これらの結果、ヒータ10の長期信頼性を向上させることができる。
Here, as shown in FIG. 2, the
発熱抵抗体2が銀とパラジウムとの合金から成る場合であれば、第1の面21における主面に平行な方向の金属粒子の長さを3μm程度に、第2の面22における主面に平行な方向の金属粒子の長さを5μm程度に設定できる。
If the
第2の面22における粒子を主面に平行な方向に長くする方法としては、以下の方法を用いることができる。具体的には、粒径の異なる金属粒子を含むペーストを複数回塗布する。第1の面21のペーストに含まれる金属粒径を小さく、第2の面22のペーストに含まれる金属粒径を大きくすることで、第2の面22における粒子を主面に平行な方向に長くすることができる。
As a method of lengthening the particles on the
さらに、発熱抵抗体2は、第2の面22における空隙率が第1の面21における空隙率よりも小さいことが好ましい。これにより、第1の面21においてクラックが発生したとしても、第2の面22の近傍においてクラックの進展を抑制できる。これにより、ヒータ10の長期信頼性を向上させることができる。
Furthermore, the
第2の面22における空隙率を第1の面21における空隙率よりも小さくする方法としては、以下の方法を用いることができる。具体的には、第1の面21のペーストに用いるガラス成分の融点を、第2の面22のペーストに用いるガラス成分の融点よりも、高くなるようにガラス成分を使い分ければよい。そして、発熱抵抗体2の焼成中に、第2の面22のペーストに用いるガラス成分の融点よりも高く、且つ、第1の面21のペーストに用いるガラス成分の融点よりも低い温度で一定時間加熱する工程を設ければよい。これにより、第2の面22のペースト中でのみガラス成分が溶融することになることから、第2の面22における空隙率を小さくすることができる。また、空隙率の確認には、以下の方法を用いることができる。具体的には、SEM観察によって第1の面21における単位面積当たりの空隙の総面積と第2の面22における単位面積当たりの空隙の総面積とを比較すればよい。
As a method for making the porosity on the
さらに、発熱抵抗体2は、図3に示すように、第2の面22における金属粒子の形状が、主面に平行な方向に広がった形状であることが好ましい。これにより、仮に第2の面22からクラックが発生したとしても、クラックの進行方向が第2の面22に対して鋭角になるため、クラックを進展しにくくすることができる。これにより、ヒータ10の長期信頼性を向上させることができる。
Furthermore, as shown in FIG. 3, the
第2の面22における金属粒子の形状を、主面に平行な方向に広がった形状にするためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、発熱抵抗体2を形成した後に、ラップ研磨機等で発熱抵抗体2の表面(第2の面22)を研磨すればよい。これにより、第
2の面22における金属粒子が、主面に平行な方向において変形する。その結果、第2の面22における金属粒子を主面に平行な方向に広がった形状にすることができる。
In order to make the shape of the metal particles on the
さらに、発熱抵抗体2は、第2の面22における金属粒子の形状が、主面に平行な方向において長手方向と短手方向とを有する形状であるとともに、第2の面22における複数の金属粒子が、それぞれの長手方向が揃うように配列していることが好ましい。これにより、電流の流れやすい方向が揃うので、隣り合う金属粒子同士が同じ熱量を発生することになるため、温度分布にムラが生じることを抑制できる。これにより、ヒータ10の試料保持面11における均熱性を向上させることができる。
Furthermore, the
第2の面22における金属粒子の形状を、主面に平行な方向において長手方向と短手方向とを有する形状にするとともに、長手方向が揃うように配列させるためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、発熱抵抗体2を形成した後に、ラップ研磨機等で発熱抵抗体2の表面(第2の面22)を研磨すればよい。これにより、第2の面22における金属粒子を、主面に平行な方向において長手方向と短手方向とを有する形状にするとともに、長手方向が揃うように配列させることができる。
In order to make the shape of the metal particles on the second surface 22 a shape having a longitudinal direction and a short direction in a direction parallel to the main surface, and to arrange the longitudinal directions to be aligned, the following method is used. be able to. Specifically, after the
図1に戻って、上述したヒータ10を用いたプラズマエッチング装置100の一部を説明する。プラズマエッチング装置100は、真空チャンバ(図示せず)と、真空チャンバ内に配置された、高周波印加用電極(図示せず)を有するベースプレート4と、ベースプレート4に搭載されたヒータ10とを備えている。
Returning to FIG. 1, a part of the
ベースプレート4は、内部に冷却媒体用の流路(図示せず)およびヒータ10の上面にヘリウムやアルゴン等の伝熱ガスを流す流路を内蔵した板状の部材である。ベースプレート4としては、例えば、アルミニウムまたはチタン等の金属材料、炭化珪素等のセラミック材料あるいは炭化珪素とアルミニウムとの複合材等を用いることができる。
The base plate 4 is a plate-like member having therein a cooling medium flow path (not shown) and a flow path for flowing a heat transfer gas such as helium or argon on the upper surface of the
ヒータ10の発熱抵抗体2は絶縁層5によって覆われている。絶縁層5としては、セラミックフィラー入りの接着材またはセラミック材料等が用いられる。この絶縁層5は、樹脂層6によってベースプレート4の上面に接着されている。
The
樹脂層6としては、接着性の樹脂を用いることができる。具体的には、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂等を用いることができる。なお、樹脂層6はフィラーを含有していても構わない。フィラーを含有することによって、樹脂層6の熱伝導性を向上させることができる。フィラーとしては、セラミック材料または金属材料等の樹脂材料よりも高い熱伝導性を有しているものであればよい。具体的には、フィラーが金属から成る場合には、例えばアルミニウムから成るものを用いることができる。また、フィラーがセラミック材料から成る場合には、アルミナ、炭化珪素、窒化アルミニウムまたは窒化珪素を用いることができる。
As the
プラズマエッチング装置100は、ベースプレート4およびチャンバ内に対向する高周波印加用電極(図示せず)を備えている。この対向する高周波印加用電極に、例えば、13.56MHz等の高周波を印加してプラズマを発生させる。
The
<ヒータ10の製造方法>
以下では、図1および図3に示したヒータ10の製造方法の一例について説明する。なお、セラミック体1にアルミナセラミックスを用いた場合を例に説明するが、窒化アルミニウムセラミックス等の他のセラミック材料の場合であっても同様の手法で製造できる。
<Method for
Below, an example of the manufacturing method of the
まず、主原料となる0.1〜2μmの粒径のアルミナ粉末と微量の焼結助剤とを所定量
秤量し、ボールミル中でイオン交換水または有機溶媒および高純度アルミナ製ボールと共に24〜72時間の湿式粉砕混合を行なう。
First, a predetermined amount of alumina powder having a particle diameter of 0.1 to 2 μm as a main raw material and a small amount of sintering aid are weighed, and 24 to 72 together with ion-exchanged water or an organic solvent and high purity alumina balls in a ball mill. Perform wet milling mixing for hours.
こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはアクリル樹脂等の有機バインダおよび補助的な有機材料として可塑剤ならびに消泡剤を所定量添加し、さらに24〜48時間混合する。混合された有機−無機混合スラリーは、ドクターブレード法、カレンダーロール法、プレス成形法または押し出し成形法等によって厚さ20μm〜20mmのセラミックグリーンシートに成形される。 A predetermined amount of an organic binder such as polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral or acrylic resin and a plasticizer and an antifoaming agent as auxiliary organic materials are added to the raw slurry thus pulverized and mixed, and further mixed for 24 to 48 hours. The mixed organic-inorganic mixed slurry is formed into a ceramic green sheet having a thickness of 20 μm to 20 mm by a doctor blade method, a calender roll method, a press forming method or an extrusion forming method.
そして、セラミック体1を形成するセラミックグリーンシートに、吸着電極3を形成するための白金またはタングステン等のペースト状電極材料を公知のスクリーン印刷法等によって印刷成形する。
Then, a paste-like electrode material such as platinum or tungsten for forming the
ここで、セラミック体1における所定の位置に吸着電極3が形成されるように、ペースト状電極材料の印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極材料の印刷された電極形成グリーンシートとを重ねて積層する。積層は、セラミックグリーンシートの降伏応力値以上の圧力を印加しながら所定の温度で積層するが、圧力印加手法としては、一軸プレス法または等方加圧法等の公知の技術を応用すればよい。得られた積層体を所定の温度および所定の雰囲気中にて焼成することで、吸着電極3が埋設されたセラミック体1が作製される。
Here, the ceramic green sheet on which the paste-like electrode material is not printed and the electrode-formed green sheet on which the paste-like electrode material is printed are overlapped so that the
次に、セラミック体1をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状、厚みに加工する。さらに、試料保持面11を規定の表面粗さに加工した後に、ブラスト加工機等で溝を形成する。
Next, the
次に、そのセラミック体1の下面をサンドブラストで粗面にした後に、銀パラジウム等の金属成分と、珪素、ビスマス、カルシウム、アルミニウムおよびホウ素等の材料の酸化物から成るガラス成分とを添加したペーストを塗布して、約800℃の温度で焼成して発熱抵抗体2を形成する。さらに、ラップ研磨機等で発熱抵抗体2を研磨することで、第2の面22における金属粒子が、主面に平行な方向において変形する。その結果、第2の面22における金属粒子を主面に平行な方向に広がった形状にすることができる。
Next, after the bottom surface of the
以上のようにして、ヒータ10を製造することができる。
The
本実施例ではセラミック体1にアルミナセラミックスを用いたヒータ10について説明する。
In the present embodiment, a
まず、主原料となる粒径が0.1〜2μmのアルミナ粉末と微量の焼結助剤とを所定量秤量し、ボールミル中でイオン交換水、有機溶媒または有機分散剤および高純度アルミナ製ボールと共に48時間の湿式粉砕混合を行なった。こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂等の有機バインダ、補助的な有機材料として可塑剤および消泡剤を所定量添加し、さらに3時間の混合を行なった。混合された有機−無機混合スラリーを、ドクターブレード法で100μmのセラミックグリーンシートに成形した。 First, a predetermined amount of alumina powder having a particle size of 0.1 to 2 μm as a main raw material and a small amount of sintering aid are weighed, and ion-exchanged water, an organic solvent or an organic dispersant and a high purity alumina ball in a ball mill. In addition, 48 hours of wet pulverization and mixing were performed. Predetermined amounts of an organic binder such as polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, and an acrylic resin, and a plasticizer and an antifoaming agent as auxiliary organic materials were added to the raw material slurry thus pulverized and mixed, and further mixed for 3 hours. The mixed organic-inorganic mixed slurry was formed into a 100 μm ceramic green sheet by a doctor blade method.
そして、セラミック体1を形成するセラミックグリーンシートに、吸着電極3を形成するためのタングステンのペースト状電極材料をスクリーン印刷によって形成した。ここで、セラミック体1における所定の位置に吸着電極3が形成されるように、ペースト状電極材料の印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極材料の印刷された電
極形成グリーンシートとを積層して、一軸プレスで加圧して積層体を成形した。次に、得られた積層体を1570℃の温度で水素ガスの還元雰囲気中にて焼成した。セラミック体1をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状にして、吸着電極3から試料保持面11までの厚みが0.3mm、セラミック体1の全体の厚みが2mmになるように加工した。
A tungsten paste electrode material for forming the
その後、金属成分として銀パラジウムを含み、ガラス成分として、珪素、ホウ素およびビスマスの各酸化物を含むペーストを塗布した。ペーストに含まれる金属粒径の大きさは3μm程度に設定した。その後、さらに、金属粒径を4μm程度に設定した同成分のペーストを塗布した。その後、780〜850℃で焼成した。この焼成により、発熱抵抗体2を形成した。発熱抵抗体2の寸法は、幅を1.5mm、厚みを0.5mmに設定した。
Thereafter, a paste containing silver palladium as a metal component and silicon, boron and bismuth oxides as a glass component was applied. The metal particle size contained in the paste was set to about 3 μm. Then, the paste of the same component which set the metal particle size to about 4 micrometers was further apply | coated. Then, it baked at 780-850 degreeC. The
また、比較例として、発熱抵抗体を金属粒径が3μm程度に設定されたペーストを1回のみ塗布した後に焼成を行なったヒータを作製した。 Further, as a comparative example, a heater was manufactured in which a heating resistor was fired after a paste having a metal particle size set to about 3 μm was applied only once.
次に、作製したヒータ10に対して耐久試験を行なった。試料保持具の下面を20℃に冷却した状態で、発熱抵抗体2に250Vの電圧を印加した。具体的には、ヒータ10の温度が130℃に到達するまで電圧を印加して、130℃になった時点で電圧の印加を停止して、ヒータ10が50℃になるまで冷却を行ない、再度250Vの電圧を印加してヒータ10を130℃にするというサイクルテストを行なった。
Next, a durability test was performed on the manufactured
その結果、比較例のヒータでは500サイクル後に発熱抵抗体の抵抗値が上昇していたが、本発明の実施例では500サイクル後であっても発熱抵抗体2の抵抗値に変化が見られなかった。
As a result, in the heater of the comparative example, the resistance value of the heating resistor increased after 500 cycles, but in the example of the present invention, the resistance value of the
このとき、実施例のヒータ10の発熱抵抗体2の第1の面21における金属粒子の粒径は3μm程度であり、第2の面22における金属粒子の粒径は3μm程度であった。
At this time, the particle size of the metal particles on the
セラミック体:1
発熱抵抗体:2
第1の面:21
第2の面:22
吸着電極:3
ベースプレート:4
絶縁層:5
樹脂層:6
ヒータ:10
試料保持面:11
プラズマエッチング装置:100
Ceramic body: 1
Heating resistor: 2
First side: 21
Second side: 22
Adsorption electrode: 3
Base plate: 4
Insulating layer: 5
Resin layer: 6
Heater: 10
Sample holding surface: 11
Plasma etching equipment: 100
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