JP6306722B2 - ヒータ - Google Patents
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Description
本発明は、主に半導体ウエハを加熱するために用いるヒータに関する。
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、特開2001−244057号公報(以下、特許文献1という)に開示されたヒータが挙げられる。特許文献1に開示されたヒータは、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SiO2膜と、SiO2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(導電層)を介して棒状の導電端子(接続端子)に電気的に接続されている。接続端子と導電層との接続は、導電層に接続端子が押し付けられていることによって保たれている。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ように用いられる。
しかしながら、特許文献1に開示されたヒータにおいては、接続端子が導電層に押し付けられていることによって接続端子と導電層とを接続していることから、接続端子と導電層との間の電気的な接続の長期信頼性を向上させることが困難であった。具体的には、ヒートサイクル下において、接続端子と導電層との間に働く押圧力が変化する場合がある。このとき、この押圧力が大きくなり過ぎてしまうと、接続端子または導電層が損傷してしまうおそれがあった。また、押圧力が小さくなり過ぎてしまうと、接続端子と導電層との間の電気的な接続を維持できなくなってしまうおそれがあった。
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、接続端子と導電層との間の電気的な接続の長期信頼性を向上させることができるヒータを提供することにある。
ヒータは、セラミックスからなる基体と、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導電層と、該導電層上に設けられた、一対の貫通孔を有する板状部材と、ワイヤからなり、該ワイヤが前記一対の貫通孔の一方から他方に挿通され、前記板状部材の前記導電層側と反対側で一体化されており、かつ前記導電層と電気的に接続された接続端子とを備える。
以下、本態様のヒータ1について、図面を参照しながら説明する。図1は、ヒータ1の部分断面図である。本態様のヒータ1は、セラミックスから成る基体2と、この基体2上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に接続された接続端子7とを具備する。接続端子7は板状部材8によって導電層6に取り付けられている。
図1を参照して、本態様のヒータ1の基体2の構造を詳しく説明する。本態様のヒータ1においては、基体2は、炭化珪素質セラミックスから成る。基体2は一つの表面がウエハ載置面(図示せず)になっている。基体2の表面のうち、ウエハ載置面を除く領域には、酸化雰囲気中で熱処理することによって生成したSiO2膜21が設けられている。そして、このSiO2膜21上にガラスから成る絶縁層4が設けられている。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が設けられている。発熱抵抗体層5上には、導電層6が設けられている。導電層6は、例えば、金属材料とガラス材料との混合物から成る。導電層6に用いられる金属材料としては、例えば、金が挙げられる。導電層6が金とガラス材料との混合物から成る場合には、金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上に塗布して焼結することによって、導電層6を設けることができる。
SiO2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、SiO2膜21の表面に絶縁層4を高い信頼性を持たせて設けることが可能となる。SiO2膜21の厚みを0.05μm以上にすることによって、このSiO2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、SiO2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SiO2膜21上に良好に広げて設けることができる。
また、SiO2膜21の厚みを2μm以下にすることによって、SiO2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SiO2膜21との間の密着性が低下することを抑制できる。なお、信頼性および生産性の両面から考慮すると、SiO2膜21の厚みは0.1〜1μmとすることがさらに好ましい。
また、SiO2膜21を設ける方法については、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SiO2膜21を設けることができる。
基体2は、炭化珪素質セラミックスの他にも、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を設けなくてもよい。また、基体2を構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(Al2O3)とイットリア(Y2O3)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Al2O3と、さらにセラミックスに含まれるSiO2量が1.5〜5質量%になるように計量したSiO2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SiO2量とは、窒化珪素原料中に含まれる酸素から生成されるSiO2量と、他の添加物に含まれる不純物としてのSiO2量と、意図的に添加したSiO2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Y2O3またはYb2O3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、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、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、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の表面のうちウエハ載置面を除く領域は、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、ガラスを用いた絶縁層4の厚みを600μm以下にすることによって、基体2を構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の範囲に設定することがよい。
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。
発熱抵抗体層5は、電圧が加えられることによって発熱するための部材である。発熱抵抗体層5は基体2の表面に絶縁層4を介して設けられている。発熱抵抗体層5に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体層5が発熱する。この発熱によって生じた熱が基体2の内部を伝わって、基体2のウエハ載置面が高温になる。そして、基体2のウエハ載置面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ1が機能する。
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(Re2O3)またはランタンマンガネート(LaMnO3)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設けることができる。
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。
板状部材8は、接続端子7と発熱抵抗体層5との接続を保つための部材である。板状部材8は、上下方向に貫通する一対の貫通孔80を有している。板状部材は、例えば、円盤状の部材である。板状部材8は、導電層6上に設けられている。板状部材8は、例えば、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、またはアルミナ等のセラミック材料からなる。導電層6の上に、セラミック材料からなる板状部材8を設けることによって、この板状部材8と基体2とに挟まれた導電層6に生じる熱膨張を抑制できる。その結果、ヒータ1の長期信頼性を向上できる。
さらに、導電層6はAuまたはAg等の貴金属を主成分とするが、ガラス成分をさらに含むことが好ましい。ガラス成分を含むことによって導電層6を柔らかくすることができることから、熱応力を吸収しやすくすることができる。その結果、発熱抵抗体層5に熱応力を集中しにくくすることができる。その結果、ヒータ1の長期信頼性を向上できる。
接続端子7は、発熱抵抗体層5と外部電源とを電気的に接続するための部材である。接続端子7は、例えば、金線、ニッケル線または銅線等の金属製のワイヤからなる。接続端子7は、板状部材8の一対の貫通孔80の一方から他方に通されており、導電層6と板状部材8との間で導電層6と電気的に接続されている。そして、接続端子7は、板状部材8の導電層6側と反対側においてワイヤが一体化されている。すなわち、一対の貫通孔80の一方から他方に通され、板状部材8上に引き出されたワイヤ同士が固定されている。
また、接続端子7が金から成るとともに基体2と板状部材8とが炭化珪素から成っていてもよい。この場合には、例えば、接続端子7の熱伝導率は320W/(m・k)に、基体2および板状部材8の熱伝導率は200W/(m・k)になり、接続端子7の熱伝導率が基体2および板状部材8の熱伝導率よりも大きい。基体2上に板状部材8を設けた場合には、局所的に熱容量が大きくなる。その為、基体2を昇降温する場合には、板状部材8を接合した箇所だけ所定の温度に到達するための時間が長くなり、過渡特性が悪くなるおそれがある。ここで、上記のように、接続端子7として基体2および板状部材8よりも熱伝導率が大きい部材を用いることによって、接続端子7から熱が逃げやすくなる。その結果、板状部材8に熱がこもることを低減できる。
本態様のヒータ1によれば、接続端子7がワイヤからなる。そして、ワイヤが一対の貫通孔80の一方から他方に挿通され、板状部材8の導電層6側と反対側で一体化されており、かつ、導電層6と電気的に接続されている。このように、接続端子7がワイヤからなることによって、ヒートサイクル下において導電層6が損傷してしまうことを低減できる。さらに、ワイヤが一対の貫通孔80の一方から他方に挿通され、板状部材8の導電層6側と反対側で一体化されていることによって、ヒートサイクル下において引張応力がかかったときに、ワイヤが導電層6から離れてしまうおそれを低減できる。これらの結果、接続端子7と導電層6との間の電気的な接続の信頼性を向上させることができる。
接続端子7としては、例えば、縒り糸を用いることができる。具体的には、本態様のヒータ1においては、接続端子8は35本の金糸が縒り合わされている。接続端子8が糸を10本以上縒り合わされて設けられることによって、接続端子8の耐久性が向上されている。
さらに、接続端子7のワイヤのうち一対の貫通孔80からそれぞれ板状部材8上に引き出された部分が縒り合されて一体化されている。これにより、接続端子7のうち板状部材8上に引き出されたワイヤを固定することによって接続端子7のたわみ性が低下してしまうことを抑制できる。また、ワイヤが複数本縒り合わされて接続端子7とされていることにより、接続端子7の引張応力に対する強度が高い、すなわち引張強度が高いものにすることができる。これにより、ヒータ1の長期信頼性を向上できる。また、ワイヤのうち板状部材8上に引き出された部分同士を固定するための方法としては、例えば、半田付け、スポット溶接または接着剤を用いた方法が挙げられる。接着剤としては、例えば、エポキシ接着剤等の樹脂系接着剤を用いることができる。
さらに、図2に示すように、板状部材8は、導電層6側の面に一対の貫通孔80間にわたる溝81を有するとともに、接続端子7のうち導電層6と板状部材8との間に位置するワイヤが溝81に配置されていることが望ましい。板状部材8のうち導電層6側の面が平坦な場合には、板状部材8と導電層6とに接続端子7が挟まれることによって、板状部材8が導電層6から浮いてしまう可能性があった。この場合には板状部材8と導電層6との密着性が低下してしまう可能性があった。これに対して、接続端子7のうち導電層6と板状部材8との間に位置するワイヤが溝81をに配置されている構成にすることによって、板状部材8と導電層6との間に接続端子7を挟みつつも、板状部材8のうち溝81が設けられていない領域と導電層6とを接触させやすくすることができる。これにより、導電層6と板状部材8との密着性を向上させることができるので、ヒータ1の耐久性を向上させることができる。
さらに、図2に示すように、板状部材8は、貫通孔80と溝81との間の角部に面取り部82が設けられていることが好ましい。これにより、ワイヤからなる接続端子7が角部において断線してしまうおそれを低減できる。なお、面取り部82とは、角部の一部が切り欠かれて斜面や曲面になっている部位のことを指す。
溝81は、深さよりも幅が大きくてもよい。これにより、溝81の内部に接続端子7が熱膨張しようとしたときに、主に溝81における幅方向に熱膨張させることができる。言い換えると、接続端子7の深さ方向の熱膨張を低減することができる。これにより、板状部材8と基体2とに挟まれることによって接続端子7に生じる応力を低減することができる。
貫通孔80の直径は、例えば、0.4〜1mmに設定できる。溝81の幅は、例えば、0.6〜1.5mmに設定できる。溝81の深さは、例えば、0.4〜1mmに設定できる。
さらに、図3に示すように、一対の貫通孔80の内部にそれぞれ導電性接着剤83が設けられていることが好ましい。これにより、導電性接着剤によって接続端子7を固定することができるので、接続端子7が導電層6から離れてしまうおそれを低減できる。その結果、ヒータ1の長期信頼性を向上させることができる。導電性接着剤としては、例えば、金または銀等の貴金属を主成分とするペーストを用いることができる。特に、導電層6との接着強度観点からガラス成分を含むペーストを用いることが好ましい。これにより、導電層6と導電性接着剤のガラス成分とを結合させることができるので、接着強度を高めることができる。
さらに、一対の貫通孔80の内部だけではなく溝81の内部にも導電性接着剤83が設けられていることが好ましい。これにより、接続端子7と導電層6との間の接続の信頼性をさらに向上させることができる。
また、図3に示すように、導電性接着剤83が板状部材8の導電層6側と反対側の面上で貫通孔80の周囲にまで広がっていることが好ましい。これにより、導電性接着剤83と接続端子7との接触面積を大きくできる。これにより、接続端子7をより強固に固定することができる。
また、図3に示すように、板状部材8が導電層6を覆っていることが好ましい。これにより、導電層6の全体を板状部材8と基体2とで挟み込むことができる。そのため、導電層6に生じる熱膨張をさらに抑制できる。
本態様のヒータ1を実施例を用いてさらに詳細に説明する。以下に示す方法により、図1に示すヒータ1を作製した。まず、炭化珪素原料に3質量%のB4Cと2質量%の炭素とを加えて適量のバインダおよび溶剤を用いて混合し造粒した後に、成形圧を100MPaに設定して成形した。その後、1900〜2100℃で焼成を行なった。これにより、熱伝導率が80W/m・Kであり、外径が340mm、厚みが3mmの円盤状の基体2を得た。そして、両主面を平面研削した後に、1100℃で1時間の熱処理を各々施した後に、SiO2膜21を形成して、その上に厚みが300μmのガラスからなる絶縁層4を形成した。
次に、絶縁層4上に発熱抵抗体層5を被着するため、導電材としてAu粉末とPd粉末とを添加したガラスペーストを、スクリーン印刷法にて所定のパターン形状に印刷した。そして、150℃に加熱して有機溶剤を乾燥させ、さらに550℃で30分間脱脂処理を施した後に、700〜900℃の温度で焼付けを行なった。以上のようにして、厚みが50μmの発熱抵抗体層5を形成した。
次に、板状部材8として、炭化珪素原料に3質量%のB4Cと2質量%の炭素とを加えて適量のバインダおよび溶剤を用いて混合して造粒した後に、成形圧を100MPaに設定して成形した。その後、1900〜2100℃で焼成して、熱伝導率が80W/m・Kであり、長さ4mm、幅4mm、厚さ1.2mmの板状部材8を得た。
得られた板状部材8の中央に直径が0.65mmの一対の貫通孔80を開けて、両主面を平面研削した後に、1100℃で1時間の熱処理を施して、SiO2膜を形成した。そして、貫通孔80にワイヤからなる接続端子7を通して、貫通孔80から引き出された部分同士を縒り合せることによって固定した。ワイヤとしては、直径が0.5mmの金線から成るものを用いた。
次に、導電材としてAu粉末を添加した有機溶媒を含むガラスペーストを発熱抵抗体層5の上にスクリーン印刷法にて円形状に導電層6を印刷した後で、得られた板状部材8を導電層6上に取り付けた。その後、150℃に加熱して有機溶剤を乾燥させ、さらに550℃で30分間脱脂処理を施した後に、700〜900℃の温度で焼付けを行なうことにより、導電層6に板状部材8を接合した。
以上のようにして、ヒータ1を作製した。得られたヒータ1に対して、接続端子7の引張応力に対する強度をプッシュプルゲージを用いて測定した。10回の測定を行なったところ、全ての場合において100N以上の値を得た。また、破壊が生じたときの起点は、いずれの場合も導電層6と板状部材8との界面であった。
比較例として、板状部材を用いずに、ワイヤからなる接続端子を導電層に接合したヒータを作製した。板状部材を用いていないこと以外の構成は上述の実施例のヒータと同様である。比較例のヒータに対しても接続端子の引張応力に対する強度をプッシュプルゲージを用いて測定した。10回の測定を行なったところ、全ての場合において10N以下の値を得た。また、破壊が生じたときの起点は、接続端子と導電層との界面であった。
以上の結果から、本態様の構成を採用することによって、接続端子7と導電層6との間の接続の長期信頼性を向上させることができることが確認できた。
1:ヒータ
2:基体
4:絶縁層
5:発熱抵抗体層
6:導電層
7:接続端子
8:板状部材
80:貫通孔
81:溝
82:面取り部
83:導電性接着剤
21:SiO2膜
2:基体
4:絶縁層
5:発熱抵抗体層
6:導電層
7:接続端子
8:板状部材
80:貫通孔
81:溝
82:面取り部
83:導電性接着剤
21:SiO2膜
Claims (9)
- セラミックスからなる基体と、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導電層と、該導電層上に設けられた、一対の貫通孔を有する板状部材と、ワイヤからなり、該ワイヤが前記一対の貫通孔の一方から他方に挿通され、前記板状部材の前記導電層側と反対側で一体化されており、かつ前記導電層と電気的に接続された接続端子とを備えるヒータ。
- 前記板状部材がセラミックスからなる請求項1に記載のヒータ。
- 前記接続端子は、前記ワイヤが縒り合されて一体化されている請求項1または請求項2に記載のヒータ。
- 前記板状部材は、前記導電層側の面に前記一対の貫通孔間にわたる溝を有するとともに、前記接続端子のうち前記導電層と前記板状部材との間に位置する前記ワイヤが前記溝に配置されている請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のヒータ。
- 前記板状部材は、前記貫通孔と前記溝との間の角部に面取り部が設けられている請求項4に記載のヒータ。
- 前記一対の貫通孔の内部にそれぞれ導電性接着剤が設けられている請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のヒータ。
- 前記一対の貫通孔の内部および前記溝の内部に導電性接着剤が設けられていることを特徴とする請求項4または請求項5に記載のヒータ。
- 前記導電性接着剤が前記板状部材の前記導電層側と反対側の面上で前記一対の貫通孔の周囲に広がっている請求項6または請求項7に記載のヒータ。
- 前記板状部材が前記導電層を覆っている請求項1乃至請求項8のいずれかに記載のヒータ。
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