JP6096622B2

JP6096622B2 - セラミックヒータ

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Publication number: JP6096622B2
Application number: JP2013180764A
Authority: JP
Inventors: 祥平田伏
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-08-31
Filing date: 2013-08-31
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-08-31
Also published as: JP2015050025A

Description

本発明は、主に半導体ウエハを加熱するために用いるセラミックヒータに関する。

半導体の製造工程における、半導体薄膜の成膜処理、エッチング処理またはレジスト膜の焼付け処理等においては、半導体ウエハ（以下、ウエハと略す）を加熱するためにウエハ加熱装置が用いられている。ウエハ加熱装置は、半導体製造装置に組み込まれて用いられている。このようなウエハ加熱装置としては、例えば、特許文献１に記載のセラミックヒータが挙げられる。特許文献１に記載のセラミックヒータは、セラミックスから成る均熱板と、均熱板の表面に設けられたＳｉＯ_２膜と、ＳｉＯ_２膜の表面に設けられたガラスから成る絶縁層と、絶縁層の表面に設けられた発熱抵抗体とを備えている。発熱抵抗体は給電部を介して導電端子に電気的に接続されている。セラミックヒータは、均熱板の上面において被加熱物であるウエハ等を加熱する。

特開２００１−２４４０５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のセラミックヒータにおいては、発熱抵抗体に電流を流すことによって発熱させたときに、給電部を介して導電端子に熱が伝わってしまう場合があった。導電端子に伝わった熱は、ウエハの加熱に寄与せずに、放熱等によって逃げてしまうことになる。そのため、ウエハの加熱に用いる均熱板において温度むらが生じて、基体の均熱性が低下する可能性があった。

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、基体の均熱性を向上させることができるセラミックヒータを提供することにある。

本発明の一態様のセラミックヒータは、セラミックスから成る基体と、該基体の表面に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層上に積層された、内部に複数のボイドを有する導電層と、該導電層に少なくとも一部が重なるように取り付けられた導電端子とを具備しており、前記複数のボイドは、平面視したときに前記導電層のうち前記導電端子と重なる部分に分布しており、前記複数のボイドは、前記導電端子と重なる部分のうちの内側領域に占める割合が、前記導電端子と重なる部分のうちの外側領域に占める割合よりも大きいことを特徴とする。

本発明のセラミックヒータによれば、導電層のうち導電端子と重なる部分にボイドが分布していることによって、導電層による熱の伝導を低減することができる。これにより、発熱抵抗体で生じた熱が導電層を介して導電端子に伝わってしまうことを低減できる。その結果、発熱抵抗体が均熱板を均等に加熱することができるので、基体の均熱性を向上させることができる。

本発明のセラミックヒータの一実施形態の概略断面図である。図１に示すセラミックヒータの要部拡大縦断面図である。本発明のセラミックヒータの変形例１の要部を拡大した横断面図である。本発明のセラミックヒータの変形例２の要部を拡大した横断面図である。本発明のセラミックヒータの変形例３の要部を拡大した横断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るセラミックヒータについて、図面を参照しながら説明する。図１は本発明のセラミックヒータの実施形態の概略断面図であり、図２は図１に示すセラミックヒータの要部拡大断面図である。本実施形態のセラミックヒータ１は、セラミックスから成る基体２と、この基体２の表面に設けられた絶縁層４と、この絶縁層４上に積層された発熱抵抗体層５と、この発熱抵抗体層５上に積層された導電層６と、この導電層６に接続された導電端子７とを具備する。

図２を参照して、本発明のセラミックヒータ１の基体２の構造を細かく説明する。基体２は、炭化珪素質セラミックスから成る。基体２は上面にウエハ載置面３を有する。基体２の表面のうち、ウエハ載置面３を除く領域には、酸化雰囲気中で熱処理することによって生成したＳｉＯ_２膜２１が形成されている。そして、このＳｉＯ_２膜２１上にガラスから成る絶縁層４が形成されている。さらにこの絶縁層４上に、金（Ａｕ）もしくは白金（Ｐｔ）またはこれらの合金から成る発熱抵抗体層５が形成されている。発熱抵抗体層５の下面には、導電層６が設けられている。

導電層６は、例えば、Ａｕ粉末を添加したガラスペーストを、スクリーン印刷法を用いて発熱抵抗体層５の下面に塗布して焼結することによって形成される。ここで、図３に示すように、導電層６は、例えば円形状である。

図１に戻って、基体２の下面は、箱状の支持体１１に接合されている。支持体１１は、基体２の下面に対して主面が平行に位置する板状構造体１３を複数備えている。支持体１１は、例えば、ステンレス等の金属から成る。ステンレスとしては、例えば、ＳＵＳ３０４を用いることができる。

導電端子７は導電層６に押し付けられている。また、ウエハＷは、支持ピン（図示せず）によってウエハ載置面３から離して保持される。導電端子７は、絶縁材９を介して板状構造体１３に取り付けられている。絶縁材９としては、例えば、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系またはＳｉＯ_２−ＢａＯ系等の無アルカリガラスを用いることができる。

なお、導電端子７の形状は円柱状に限られない。例えば、導電端子７は、四角柱状を含む多角柱状等であってもよい。

ＳｉＯ_２膜２１の厚みは、例えば、０．０５〜２μｍとすることが好ましい。さらに好ましくは、０．１〜１μｍとするとよい。これにより、ＳｉＯ_２膜２１の表面に絶縁層４を信頼性高く形成することが可能となる。ＳｉＯ_２膜２１の厚みを０．０５μｍ以上にすることによって、このＳｉＯ_２膜２１の上に絶縁層４と成るガラスの層を形成した場合に、ＳｉＯ_２膜２１がガラスに吸収されることを抑制できる。その結果、絶縁層４をＳｉＯ_２膜２１に良好に広げて形成することができる。

また、ＳｉＯ_２膜２１の厚みを２μｍ以下にすることによって、ＳｉＯ_２膜２１中にクリストバライトから成る結晶相が増えることを抑制できる。その結果、絶縁層４とＳｉＯ_２膜２１との間の密着性が低下することを抑制できる。なお、信頼性と生産性との面から考慮すると、ＳｉＯ_２膜２１の厚みは０．１〜１μｍとすることがさらに好ましい。

また、ＳｉＯ_２膜２１を形成する方法については、炭化珪素質セラミックスから成る基体２の表面を平坦度が１０μｍ以下になるように研磨した後に、酸素雰囲気中で１２００
〜１６００℃で１〜１２時間処理し、冷却過程において少なくとも１０００〜６００℃の間を２００℃／時より速い速度で冷却することにより、クリストバライト結晶の生成を抑えたＳｉＯ_２膜２１を形成することができる。なお、載置面３側に形成されたＳｉＯ_２膜に関しては、研磨によって除去する。

基体２は、炭化珪素質セラミックスの他に、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素および炭化硼素のいずれか１種以上を主成分とするセラミックスから成っていてもよい。なお、基体２が絶縁性セラミックスから成る場合には、絶縁層４を形成しなくてもよい。また、基体２を形成する炭化珪素質セラミックスとしては、主成分の炭化珪素に対して焼結助剤として硼素（Ｂ）と炭素（Ｃ）とを含有したものを焼結したセラミックスを用いることができる。また、炭化珪素質セラミックスの別の例としては、主成分の炭化珪素に対して焼結助剤としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）とイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）とを含有させたものを焼結したセラミックスを用いることができる。これらのセラミックスは、１９００〜２２００℃で焼結させることができる。また、炭化珪素としては、α型を主体とするもの、またはβ型を主体とするもののいずれを用いても構わない。

また、炭化硼素質セラミックスとしては、主成分の炭化硼素に対して焼結助剤として炭素を３〜１０質量％混合したものを焼結したセラミックスを用いることができる。このセラミックスは、２０００〜２２００℃で焼結させることができる。

また、窒化硼素質セラミックスとしては、主成分の窒化硼素に対して焼結助剤として３０〜４５質量％の窒化アルミニウムと５〜１０質量％の希土類元素酸化物とを混合したものを焼結したセラミックスを用いることができる。このセラミックスは、１９００〜２１００℃で焼結させることができる。

また、窒化珪素質セラミックスとしては、主成分の窒化珪素に対して焼結助剤として３〜１２質量％の希土類元素酸化物と０．５〜３質量％のＡｌ_２Ｏ_３と、さらにセラミックスに含まれるＳｉＯ_２量が１．５〜５質量％になるように計量したＳｉＯ_２とを混合したものを焼結したセラミックスを用いることができる。このセラミックスは、１６５０〜１７５０℃で焼結させることができる。なお、ここで示すＳｉＯ_２量とは、窒化珪素原料中に含まれる酸素から生成されるＳｉＯ_２量と、他の添加物に含まれる不純物としてのＳｉＯ_２量と、意図的に添加したＳｉＯ_２量との総和の量である。

また、窒化アルミニウム質セラミックスとしては、主成分の窒化アルミニウムに対して焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３または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混合したものを焼結したセラミックスを用いることができる。このセラミックスは、窒素ガス中で１９００〜２１００℃で焼成することによって得られる。

これらのセラミックスは、セラミックヒータ１の用途に応じて材質を選択して使用する。例えば、セラミックヒータ１をレジスト膜の乾燥に使用する場合には、窒化物以外のセラミックスを用いることが好ましい。これにより、水分と反応してアンモニアガスが発生することを抑制できる。また、セラミックヒータ１を８００℃程度の高温で使用する可能性のあるＣＶＤ用に使用する場合には、窒化硼素系以外のセラミックスを用いることによって、基体２が使用中に変形する可能性を抑制できる。

基体２の載置面３とは反対側の面(下面)は、ガラスまたは樹脂から成る絶縁層４との密着性を高めるために、平面度が２０μｍ以下、算術平均粗さＲａが０．１〜０．５μｍ程度になるように研磨しておくことが好ましい。

炭化珪素質セラミックスを基体２として使用する場合には、基体２が多少の導電性を有することになるために、絶縁層４が必要になる。基体２と発熱抵抗体層５との間の絶縁を保つ絶縁層４としては、例えば、ガラスまたは樹脂を用いることができる。絶縁層４にガラスを用いる場合には、その厚みを３０μｍ以上にすることによって、耐電圧が１．５ｋＶを上回るものにできるため、絶縁性を保つことができる。また、厚みを６００μｍ以下にすることによって、基体２を形成する炭化珪素質セラミックスとの間または窒化アルミニウム質セラミックスとの間で生じる熱応力を小さく抑えることができる。さらに好ましくは、絶縁層４の厚みを１００〜３５０μｍの範囲で形成することがよい。

なお、ガラスまたは樹脂から成る絶縁層４を基体２上に被着する手段としては、ガラスペーストまたは樹脂ペーストを基体２の中心部に適量滴下してスピンコーティング法にて延ばして均一に塗布するか、あるいはスクリーン印刷法、ディッピング法またはスプレーコーティング法等にて均一に塗布した後に焼結させればよい。ガラスペーストの場合には６００℃の温度で焼結させることができ、樹脂ペーストの場合には３００℃以上の温度で硬化させることができる。また、絶縁層４としてガラスを用いる場合には、あらかじめ炭化系素質セラミックスまたは炭化硼素質セラミックスから成る基体２を１２００℃程度の温度に加熱して、絶縁層４を被着する表面を酸化処理しておくことで、ガラスから成る絶縁層４の基体２への密着性を高めることができる。

また、絶縁層４上に被着する発熱抵抗体層５は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）またはパラジウム（Ｐｄ）等の金属単体を蒸着法またはメッキ法にて直接被着するか、あるいは、酸化レニウム（Ｒｅ_２Ｏ_３）またはランタンマンガネート（ＬａＭｎＯ_３）等の酸化物を導電材として含む樹脂ペーストまたはガラスペーストを用意し、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に焼結することによって形成することができる。

さらに、発熱抵抗体層５は、絶縁層４との密着性を高めるためにガラスを含み、このガラスの軟化点が絶縁層４に含まれるガラスの転移点よりも低いことが好ましい。これにより、発熱抵抗体層５の加工精度を向上させることができる。ガラスは転移点以上の温度では高粘度の粘性流体であると考えられる。このため、絶縁層４に含まれるガラスの転移点よりも発熱抵抗体層５に含まれるガラスの軟化点を低くすることによって、発熱抵抗体層５の焼結時に基材となる絶縁層４に生じる影響を抑制できる。

発熱抵抗体層５のパターン形状としては、円弧状の電極部と直線状の電極部とから成る略同心円状のもの、または渦巻き状のものなどを用いることができる。均熱性を向上させるために、発熱抵抗体層５を複数のパターンに分割することも可能である。また、発熱抵抗体層５としては、金、銀、パラジウムまたは白金族の金属等の材質のものを使用することができる。また、必要に応じて発熱抵抗体層５をトリミングすることにより、均熱性を向上させてもよい。

また、基体２は、基体２と支持体１１の外周部分とにボルト１７を貫通させて、基体２側より弾性体８および座金１８を介在させてナット１９で締め付けることによって弾性的に固定している。これにより、基体２の温度を変更したり、載置面３にウエハＷを載せることによって基体２の温度が変動したりした場合に支持体１１に変形が発生したとしても、弾性体８によってこれを吸収して、基体２に反りが生じることを抑制できる。その結果、基体２のウエハ載置面３の均熱性を向上できる。

熱電対１０は、基体２の中央部のウエハ載置面３の直近に設置されている。熱電対１０で温度を測定することによって、基体２の温度を調整することができる。発熱抵抗体層５が複数のブロックに別れており、個別に温度制御する場合には、それぞれの発熱抵抗体層
５のブロックに測温用の熱電対１０を設置する。熱電対１０としては、外径１ｍｍ以下のシース型の熱電対１０を使用することが好ましい。また、基体２に埋め込まれた先端部に力がかからないように、熱電対１０の中央付近が板状構造部１３によって保持されている。この熱電対１０の先端部は、基体２に孔が形成され、この中に設置された円筒状の金属体の内壁面にバネ材によって押し付けられて固定されている。これにより、測温の信頼性を向上させることができる。また、図１には、熱電対１０を１本しか示していないが、発熱抵抗体層５を分割制御する場合は、その数に応じて熱電対１０の数を増やすことが好ましい。

また、支持体１１は板状構造体１３と板状構造体１３に対して垂直な方向に設けられた側壁部１４とからなり、板状構造体１３には発熱抵抗体層５に電力を供給するための導電端子７が絶縁材９を介して設置されている。そして、導電端子７は、弾性体８によって導電層６に押圧される構造となっている。

ここで、本実施形態のセラミックヒータ１は、図３に示すように、導電層６が内部に複数のボイド２４を有している。さらに、このボイド２４は、平面視したときに導電端子７と重なる部分Ｘに分布している。図３においては、導電端子７と重なる部分Ｘは破線で囲まれた部分である。導電層６のうち導電端子７と重なる部分Ｘにボイド２４が分布していることによって、導電層６による熱の伝導を低減することができる。これにより、発熱抵抗体層５で生じた熱が導電層６を介して導電端子７に伝わってしまうことを低減できる。その結果、発熱抵抗体層５が基体２を均等に加熱することができるので、基体２の均熱性を向上させることができる。

本実施形態のセラミックヒータ１においては、導電端子７が円柱状である。したがって、導電端子７と重なる部分Ｘは円形状である。導電端子７と重なる部分Ｘは、例えば、直径が４ｍｍの円形状である。また、ここでいうボイド２４とは、径が０．０７ｍｍ以上のボイドを意味しており、径が０．０７ｍｍ未満の大きさのものは含まない。これは、０．０７ｍｍ未満のものは、導電層６における熱の伝導の低減にほとんど寄与しないためである。また、本実施形態のセラミックヒータ１においては、ボイド２４の平均の径が０．２ｍｍ程度であって、最も大きいボイド２４の径が１ｍｍ程度である。ボイド２４の形状は、例えば、それぞれ歪な形状をした円形状、楕円形状または長円形状等である。

ボイド２４の粒径は、以下の方法で確認することができる。具体的には導電層６を発熱抵抗体層５と導電層６の積層方向に対して垂直な面で切断する。そして、切断面に存在しているボイド２４の平均の径を求めることによって、これを導電層６中のボイド２４の平均の粒径として見なすことができる。

また、導電層６がガラスペーストから成る場合には、ボイド２４は以下の方法によって形成することができる。具体的には、スクリーン印刷法によってガラスペーストを印刷する前に、ガラスペーストを１０分程度大気中で放置することによって、ガラスペーストの流動性を低下させる。これは、ガラスペースト内に含まれる有機溶剤が大気中に気化して、ガラスペーストの粘度が高くなるためである。この状態で、ガラスペーストの塗布を行なうことで、スクリーン印刷時にペーストが空気を含みやすくなることから、導電層６の内部にボイド２４を形成することができる。

さらに、図４に示すセラミックヒータ１においては、複数のボイド２４が、導電端子７と重なる部分Ｘのうち外側領域Ｙに占める割合よりも内側領域Ｚに占める割合が大きいように分布している。これにより、外側領域Ｙにおける絶縁層６と発熱抵抗体層５との密着性を内側領域Ｚにおける密着性よりも高めることができる。そのため、絶縁層６と発熱抵抗体層５との間に剥がれが生じてしまう可能性を低減できる。その結果、セラミックヒー
タ１の耐久性を向上できる。なお、ここでいうボイド２４が内側領域Ｚに占める割合が大きいとは、単位面積当たりのボイド２４の占める面積の合計が、外側領域Ｙにおけるよりも内側領域Ｚにおいて大きいということを意味している。

具体的には、内側領域Ｚのうちボイド２４が占める割合は、例えば、５０〜７０％に設定することができる。また、外側領域Ｙのうちボイド２４が占める割合は、例えば、１〜１０％程度に設定することができる。より好ましくは、内側領域Ｚのうちボイド２４が占める割合を５５〜６０％、外側領域Ｙのうちボイド２４が占める割合を５〜７％程度にするとよい。さらに、内側領域Ｚに位置するボイド２４の粒径は、例えば、０．２１〜０．２６ｍｍ程度である。また、外側領域Ｙに位置するボイド２４の粒径は、例えば、０．１〜０．１３ｍｍ程度である。

ここで、内側領域Ｚとは、導電端子７と重なる部分Ｘの外周を、中心位置をそのままに８０％縮小して得られた図形の内側の領域を意味している。また、外側領域Ｙとは、導電端子７と重なる部分Ｘのうち内側領域Ｘ以外の領域を意味している。例えば、導電端子７と重なる部分Ｘが直径４ｍｍの円形状である場合には、内側領域Ｚは直径３．２ｍｍの円形状であり、外側領域Ｙは幅０．４ｍｍのリング形状である。

さらに、図５に示すセラミックヒータ１においては、複数のボイド２４が導電端子７と重なる部分Ｘのうち内側領域Ｚにのみ分布している。これにより、外側領域Ｙにおける導電層６と発熱抵抗体層５との密着性をさらに高めることができる。そのため、導電層６と発熱抵抗体層５との間に剥がれが生じてしまう可能性をさらに低減できる。その結果、セラミックヒータ１の耐久性をさらに向上できる。

そして、図５に示すセラミックヒータ１においては、内側領域Ｚのうち複数のボイド２４が分布している領域Ｚ２が円形状である。具体的には、複数のボイド２４のうち最外周に位置するボイド２４が、同一円上に位置するとともに、この円の全体にわたって分布している。これにより、ヒートサイクル下において、熱応力が生じたとしても、特定のボイド２４に応力が集中する可能性を低減できる。その結果、ボイド２４を起点とするクラックが導電層６に生じる可能性を低減できる。図５に示すセラミックヒータ１において、内側領域Ｚが例えば、直径３．２ｍｍの円形状である場合には、ボイド２４が分布している領域Ｚ２が、直径３ｍｍの円形状である。

また、図３に示すセラミックヒータ１においては、ボイド２４は、導電層６の内側領域Ｚにおける径が外側領域Ｙにおける径よりも大きい。これにより、導電層６の内側領域Ｚの柔軟性を向上させることができる。その結果、導電端子７から導電層６に力が加わったときに、導電層６において力を吸収することができる。導電端子７から導電層６に力が加わる場合としては、例えば、セラミックヒータ１に外部から振動が加えられた場合等が挙げられる。具体的には、図３に示すセラミックヒータ１においては、内側領域Ｚにおけるボイド２４の平均の径が０．２１〜０．２６ｍｍであって、外側領域Ｙにおけるボイド２４の平均の径が０．１〜０．１３ｍｍである。

また、ボイド２４は、導電層６のうち発熱抵抗体層５に近い領域よりも導電端子７に近い領域に多く分布していることが好ましい。これにより、導電端子７から導電層６に力が加わったときに、導電層６において力を吸収しやすくすることができる。

ここでいうボイド２４が導電端子７に近い領域に多く分布していることは、以下の方法で確かめることができる。まず、導電層６を上下方向に切断する。次に、得られた導電層６の縦断面のうち、発熱抵抗体層５と接する面と導電端子７に接する面との丁度中間に、これらの面に平行な線を引く。そして、この線よりも導電端子７側に位置するボイド２４
の数が、発熱抵抗体層５側に位置するボイド２４の数が多いことを確認すればよい。

特に、導電層６において発熱抵抗体層５側に位置するボイド２４の占める割合は、２０〜７０％であることが好ましい。７０％以下であることによって、導電層６の強度を確保することができる。さらに、２０％以上であることによって、導電層６において導電端子７から伝わった力を吸収しやすくすることができる。

１:セラミックヒータ
２：基体
３：載置面
４：絶縁層
５：発熱抵抗体層
６：導電層
７：導電端子
８：弾性体
１０：熱電対
１１：支持体
１３：板状構造体
２０：支持ピン
２１：ＳｉＯ_２膜
２４：ボイド
Ｗ：ウエハ

Claims

セラミックスから成る基体と、該基体の表面に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層上に積層された、内部に複数のボイドを有する導電層と、該導電層に少なくとも一部が重なるように取り付けられた導電端子とを具備しており、
前記複数のボイドは、平面視したときに前記導電層のうち前記導電端子と重なる部分に分布しており、
前記複数のボイドは、前記導電端子と重なる部分のうちの内側領域に占める割合が、前記導電端子と重なる部分のうちの外側領域に占める割合よりも大きいことを特徴とするセラミックヒータ。
前記複数のボイドが前記内側領域にのみ分布し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。
前記内側領域のうち前記複数のボイドが分布している領域が円形状であることを特徴とする請求項２に記載のセラミックヒータ。
前記複数のボイドは、前記導電層の前記内側領域における径が前記外側領域における径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ。
前記複数のボイドは、断面視したときに前記導電層のうち前記発熱抵抗体層に近い領域よりも前記導電端子に近い領域に多く分布していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセラミックヒータ。
セラミックスから成る基体と、該基体の表面に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層上に積層された、内部に複数のボイドを有する導電層と、該導電層に少なくとも一部が重なるように取り付けられた導電端子とを具備しており、
前記複数のボイドは、平面視したときに前記導電層のうち前記導電端子と重なる部分に分布しており、
前記複数のボイドは、断面視したときに前記導電層のうち前記発熱抵抗体層に近い領域よりも前記導電端子に近い領域に多く分布していることを特徴とするセラミックヒータ。