JP6653535B2 - ヒータユニット - Google Patents

Description

本発明はヒータユニットに関する。特に、半導体製造装置に用いるヒータユニットに関する。

半導体装置の製造工程では、半導体基板上に薄膜を成膜及び加工することでトランジスタ素子、配線、抵抗素子、容量素子等の機能素子を形成する。半導体基板上に薄膜を形成する方法としては、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、物理気相成長（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法が用いられる。また、薄膜を加工する方法としてはイオン反応性エッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などの方法が用いられる。また、半導体装置の製造工程では、薄膜の成膜及び加工の他にもプラズマ処理等の表面処理の工程が行われる。

上記の成膜、加工及び表面処理の工程に用いられる装置には、半導体基板を支持するステージが設けられている。当該ステージは単に半導体基板を支持するだけでなく、各処理工程に応じて半導体基板の温度を調節する機能が備えられている。上記のように温度を調節するために、ステージには加熱機構が設けられている。特に、上記の半導体装置においては加熱機構として金属やセラミックスで構成されたセラミックヒータ（ヒータユニット）が広く用いられている。

上記の成膜、加工及び表面処理の工程において、基板の温度によって膜質、加工形状及び表面状態が敏感に変化するため、上記のヒータユニットには温度の高い面内均一性が要求される。また、ヒータユニットは、単にステージを加熱するだけではなく、ステージを冷却する機能も要求される。つまり、ヒータユニットには加熱機構及び冷却機構が備えられる。ステージの冷却に冷却水を用いる場合、冷却水の沸騰を避けるために、流路に冷却水を流しながらヒータ加熱を行う必要がある。つまり、冷却水を流した状態の加熱で高い面内均一性を実現する必要がある。

上記のように、加熱機構及び冷却機構が備えられたヒータユニットとして、例えば特許文献１に示すような構造が開発されている。特許文献１に示すヒータユニットは、半導体基板を支持するウェハ保持体に流路が形成され、流路に流体が流されることによってウェハ保持体を冷却することでウェハの温度を調整する。

特開２００７−４３０４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたヒータユニットでは、急速な冷却を実施可能にするためにウェハ保持体は熱伝導率が高い材料で構成されている。そのため、発熱機構によって発生した熱が冷却機構に奪われてしまう。その結果、冷却水の流路の位置の影響を受けてヒータユニットの面内均一性が悪化してしまうという問題があった。また、同様の理由でステージの加熱温度が制限されてしまうという問題があった。

本発明は、そのような課題に鑑みてなされたものであり、温度の面内均一性が高く、加熱温度の制限が少ない半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によるヒータユニットは、冷却流路を有する基材と、基材の上方に配置され、発熱体を有するヒータ部と、基材とヒータ部との間に配置された断熱層と、を有する。

また、別の態様において、断熱層の熱伝導率は、基材の熱伝導率よりも低くてもよい。

また、別の態様において、断熱層は、ＳＵＳであってもよい。

また、別の態様において、ＳＵＳの厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であってもよい。

また、別の態様において、断熱層は気孔を有し、断熱層における気孔の含有率は１％以上２０％以下であってもよい。

また、別の態様において、発熱体を覆う絶縁体をさらに有し、断熱層の熱伝導率は、絶縁体の熱伝導率よりも低くてもよい。

また、別の態様において、ヒータ部の上方に熱伝導率が熱拡散層をさらに有し、発熱体は、導電体及び導電体を覆う絶縁体を有し、熱拡散層の熱伝導率は、絶縁体の熱伝導率よりも高くてもよい。

また、別の態様において、基材の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。

また、別の態様において、基材は、ガス流路を有してもよい。

本発明に係るヒータユニットによれば、温度の面内均一性が高い半導体製造装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るヒータユニットの全体構成を示す上面図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の一実施形態に係るヒータユニットの断面図である。 本発明の一実施例に係るヒータユニットにおける断熱層の厚さとステージ表面の到達温度どの関係を示す図である。 本発明の一実施例に係るヒータユニットにおける断熱層の熱伝導率とステージ表面の到達温度どの関係を示す図である。 本発明の一実施例に係るヒータユニットにおける断熱層の電子顕微鏡像を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係るヒータユニットについて説明する。但し、本発明のヒータユニットは多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、説明の便宜上、上方又は下方という語句を用いて説明するが、上方又は下方はそれぞれヒータユニットの使用時（装置装着時）における向きを示す。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

〈第１実施形態〉
図１及び図２を用いて、本発明の第１実施形態に係るヒータユニットの全体構成について説明する。本発明の第１実施形態に係るヒータユニットは、加熱機構及び冷却機構を有する。また、第１実施形態に係るヒータユニットは、ＣＶＤ装置、スパッタ装置、蒸着装置、エッチング装置、プラズマ処理装置、測定装置、検査装置、及び顕微鏡等に使用することができる。ただし、第１実施形態に係るヒータユニットは上記の装置に使用するものに限定されず、基板を加熱及び冷却する必要がある装置に対して使用することができる。

［ヒータユニット１０の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るヒータユニットの全体構成を示す上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。図１及び図２に示すように、第１実施形態に係るヒータユニット１０は、プレート部１００及びシャフト２００を有する。

図２を参照すると、プレート部１００は、第１基材１１０、第２基材１２０、断熱層１３０、発熱体１４０、第１絶縁層１５０及び第２絶縁層１６０を有する。第１基材１１０にはソース連結孔１１７及びドレイン連結孔１１９が設けられている。第２基材１２０は第１基材１１０上に配置され、第１基材１１０との間に第１流路１１５が設けられている。ここで、第１基材１１０及び第２基材１２０を基材３１０として換言すると、第１流路１１５は基材３１０に設けられている、ということができる。図２では、上面が平坦な第１基材１１０と下面に凹部が設けられた第２基材１２０とを接合することで第１流路１１５が形成されている。断熱層１３０は第２基材１２０の上方に配置されている。ここで、第１流路１１５はソース連結孔１１７に接続されたソース１１１及びドレイン連結孔１１９に接続されたドレイン１１３を含む。また、第１流路１１５には冷却用の流体が供給される。冷却用の流体としては、冷却水、冷却オイル、ゲル状の流体などを使用することができる。

第１絶縁層１５０は断熱層１３０の上方に配置されており、第２絶縁層１６０は第１絶縁層１５０の上方に配置されており、発熱体１４０は第１絶縁層１５０と第２絶縁層１６０との間に配置されている。ここで、発熱体１４０、第１絶縁層１５０、及び第２絶縁層１６０をヒータ部３２０として換言すると、発熱体１４０は絶縁体３２０（第１絶縁層１５０及び第２絶縁層１６０）に覆われている、ということができる。図２では、上面が平坦な第１絶縁層１５０と下面に凹部が設けられた第２絶縁層１６０とによって発熱体１４０が覆われている。

上記の構造を換言すると、ヒータユニット１０は、第１流路１１５を有する基材３１０と、基材３１０の上方に配置され、発熱体１４０を有するヒータ部３２０と、基材３１０とヒータ部３２０との間に配置された断熱層１３０と、を有する、ということもできる。

シャフト２００にはソース管２１１及びドレイン管２１３が設けられている。ソース管２１１はソース連結孔１１７を介してソース１１１に接続され、ドレイン管２１３はドレイン連結孔１１９を介してドレイン１１３に接続される。

図１を参照すると、第１流路１１５が折り返し部１１５−１、１１５−２において角を有する形状で折り返しされているが、この形状に限定されない。例えば、第１流路１１５が折り返し部１１５−１、１１５−２において湾曲する形状（Ｒ形状）で折り返しされてもよい。なお、第１流路１１５の上面視における形状は、図１に示す形状に限定されず、他の形状を有していればよい。例えば、第１流路１１５は渦巻き状であってもよい。第１流路１１５が渦巻き状の場合、ソース１１１がプレート部１００の中央付近に設けられ、ドレイン１１３がプレート部１００の外周付近に設けられてもよい。

図２では、第１基材１１０の平坦な上面と第２基材１２０の下面の凹部とによって第１流路１１５が形成された構造を例示したが、この構造に限定されない。例えば、第１基材１１０の上面に凹部が設けられ、第２基材１２０の下面が平坦であってもよい。又は、第１基材１１０の上面及び第２基材１２０の下面の両方に凹部が設けられていてもよい。又は第２基材１２０の内部に第１流路１１５が設けられていてもよい。第２基材１２０の内部に流路が設けられている場合は、第１基材１１０を省略することができる。

また、図２では、第１絶縁層１５０及び第２絶縁層１６０によって発熱体１４０が挟持された構造を例示したが、この構造に限定されない。例えば、第１絶縁層１５０の内部に発熱体１４０が埋め込まれていてもよい。

また、図２では、第２基材１２０と断熱層１３０とが接している構造を例示したが、第２基材１２０と断熱層１３０との間に他の層が配置されていてもよい。この場合、他の層にはパターンが形成されていてもよく、パターンが形成されていなくてもよい。同様に、図２では、断熱層１３０と第１絶縁層１５０とが接している構造を例示したが、断熱層１３０と第１絶縁層１５０との間に他の層が配置されていてもよい。

［ヒータユニット１０の各構成部品の材料］
第１基材１１０及び第２基材１２０としては、金属基材又は半導体基材を用いることができる。金属基材としては、アルミニウム（Ａｌ）基材、チタン（Ｔｉ）基材などを用いることができる。半導体基材としては、シリコン（Ｓｉ）基材、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基材、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）基材などを用いることができる。ここで、上記の基材の熱伝導率は、Ａｌが約２３６Ｗ／ｍＫ、Ｔｉが約２１．９Ｗ／ｍＫ、Ｓｉが約１６８Ｗ／ｍＫ、ＳｉＣが約１００Ｗ／ｍＫ、ＧａＮが約１６８Ｗ／ｍＫである。第１基材１１０及び第２基材１２０は、同じ材料であってもよく異なる材料であってもよい。第１基材１１０及び第２基材１２０の熱伝導率は、好ましくは１００Ｗ／ｍＫ以上であるとよい。本実施形態では、第１基材１１０及び第２基材１２０としてＡｌを用いている。

断熱層１３０は、少なくとも第２基材１２０よりも熱伝導率が低くてもよい。さらに、断熱層１３０は第１基材１１０より熱伝導率が低くてもよい。また、断熱層１３０は少なくとも第１絶縁層１５０よりも熱伝導率が低くてもよい。さらに、断熱層１３０は第２絶縁層１６０よりも熱伝導率が低くてもよい。断熱層１３０の熱伝導率は、ヒータユニット１０の上面（第２絶縁層１６０表面）の温度が１００℃に達するように設計される。例えば、断熱層１３０の熱伝導率は２１Ｗ／ｍＫ以下とすることができる。

断熱層１３０としては、ＳＵＳ、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などを用いることができる。断熱層１３０は第２基材１２０よりも熱伝導率が低い材料であればよく、第２基材１２０に用いられる材料の熱伝導率に応じて適宜選択することができる。ここで、上記の材料の熱伝導率は、ＳＵＳが約１６．７Ｗ／ｍＫ、ＳｉＯ₂が約１．４Ｗ／ｍＫ、ＳｉＮが約２０．０Ｗ／ｍＫである。また、断熱層１３０は第１絶縁層１５０よりも熱伝導率が低い材料であればよく、第１絶縁層１５０に用いられる材料の熱伝導率に応じて適宜選択することができる。本実施形態では、断熱層１３０としてＳＵＳを用いている。

断熱層１３０としてＳＵＳを用いた場合、ＳＵＳの厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることができる。また、熱伝導率が低い断熱層１３０を実現するために、断熱層１３０が気孔を有していてもよい。換言すると、断熱層１３０は多孔質（ポーラス）な材料であってもよい。断熱層１３０としてポーラスな材料を用いる場合、気孔の含有率が１％以上２０％以下の断熱層１３０を用いることができる。好ましくは断熱層１３０の気孔の含有率は１０％以上２０％以下であるとよい。ここで、例えば断熱層１３０としてポーラスなＳＵＳを用いた場合、ＳＵＳの熱伝導率は上記の値（ＳＵＳのバルク特性値）よりも小さくなる。具体的には、ポーラスなＳＵＳの熱伝導率は２Ｗ／ｍＫ以上１７Ｗ／ｍＫ以下である。なお、上記の熱伝導率はレーザフラッシュ法によって測定された２５℃のときの値である。

断熱層１３０として、上記の熱伝導率以外にも、密着性が要求される。具体的には、室温と１５０℃とを交互に繰り返すサイクル試験において剥離しない程度の密着性が要求される。また、断熱層１３０には、発熱体１４０、第１絶縁層１５０、及び第２絶縁層１６０の形成工程に対する耐性が要求される。

ポーラスなＳＵＳは、例えばコールドスプレー法で形成することができる。コールドスプレー法とは、材料を溶融またはガス化させることなく、不活性ガスと共に超音速流で固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成する方法である。本実施形態では、ＳＵＳの厚さを調節するために、ＳＵＳをコールドスプレー法で形成した後に研削することで所望の厚さまで薄膜化した。ＳＵＳをコールドスプレー法で形成することで、上記に示すようなポーラスなＳＵＳの層を実現することができる。コールドスプレー法の形成条件を調整することで、ポーラスなＳＵＳの層に対する気孔の含有率を調整することができる。また、ＳＵＳはコールドスプレー法以外の方法で形成してもよい。

ＳＵＳの熱膨張係数と第２基材１２０の熱膨張係数との差が大きいと、第２基材１２０上にＳＵＳを形成することが難しいが、コールドスプレー法で形成することによってその困難性を解消することができる。また、コールドスプレー法によって形成されたＳＵＳは密着強度が高く、例えばアルミニウム基材よりも高い密着強度を得ることができる。また、コールドスプレー法によって容易にＳＵＳを厚膜化することができる。

上記では、ポーラスなＳＵＳを形成するためにコールドスプレー法を用いてＳＵＳを形成したが、コールドスプレー法以外にも、プラズマ溶射、フレーム溶射、アーク溶射、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙｇｅｎ Ｆｕｅｌ、又はＨＶＡＦ：Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｉｒ Ｆｕｅｌ）、ウォームスプレー等の方法で形成することができる。一方、気孔を有さない又は気孔の含有率が１％以下のＳＵＳを形成する場合はスパッタリング法、ろう付け、及び拡散接合等の方法を用いることができる。

発熱体１４０は、電流によってジュール熱を発生する導電体を用いることができる。発熱体１４０としては、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）などの高融点金属を用いることができる。ただし、発熱体１４０は上記の高融点金属以外にも、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、及びＡｌを含む合金や、ニッケル（Ｎｉ）及びＣｒを含む合金や、ＳｉＣ、モリブデンシリサイド、及びカーボン（Ｃ）などの非金属体を用いることができる。本実施形態では、発熱体１４０としてＷを用いている。

第１絶縁層１５０及び第２絶縁層１６０は、発熱体１４０が他の部材と電気的に接続されることを抑制するために配置される。つまり、発熱体１４０を他の部材から十分に絶縁性させる材料を用いることができる。第１絶縁層１５０及び第２絶縁層１６０としては、Ａｌ₂Ｏ₃、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＳｉＯ₂、ＳｉＮなどを用いることができる。ここで、Ａｌ₂Ｏ₃の熱伝導率は約３０．０Ｗ／ｍＫ、ＡｌＮの熱伝導率は約２８５Ｗ／ｍＫである。第１絶縁層１５０及び第２絶縁層１６０は、同じ材料であってもよく異なる材料であってもよい。本実施形態では、第１絶縁層１５０及び第２絶縁層１６０としてＡｌ₂Ｏ₃を用いている。

以上のように、第１実施形態のヒータユニット１０によると、発熱体１４０と第２基材１２０との間に第２基材１２０よりも熱伝導率が低い断熱層１３０が配置されている。したがって、第１流路１１５に冷却水を流しながら発熱体１４０による加熱を行った場合に、冷却水によって発熱体１４０で発生した熱の一部が奪われることを抑制することができる。その結果、第１流路１１５の位置の影響を受けてヒータユニット１０の加熱温度の面内均一性が悪化することを抑制することができる。また、ヒータユニット１０の加熱による到達温度を従来よりも高くすることができる。

また、断熱層１３０にＳＵＳを用いることで簡易的な方法で安価に熱伝導率が低い断熱層１３０を実現することができる。また、ＳＵＳの厚さを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることで、断熱層１３０の断熱性をより向上させることができる。また、断熱層１３０が１％以上２０％以下の気孔を有していることで、断熱層１３０に用いられる材料元来の熱伝導率よりもさらに低い熱伝導率を実現することができる。

また、断熱層１３０の熱伝導率が第１絶縁層１５０の熱伝導率よりも低いことで、冷却水によって発熱体１４０で発生した熱の一部が奪われることをさらに抑制することができる。また、第２基材１２０の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることで、ヒータユニット１０の加熱温度の面内均一性及び到達温度と冷却機能を両立させることができる。

〈第２実施形態〉
図３を用いて、本発明の第２実施形態に係るヒータユニットの全体構成について説明する。本発明の第２実施形態に係るヒータユニットは、第１実施形態と同様に加熱機構及び冷却機構を有する。また、第２実施形態に係るヒータユニットは、ＣＶＤ装置、スパッタ装置、蒸着装置、エッチング装置、プラズマ処理装置、測定装置、検査装置、及び顕微鏡等に使用することができる。ただし、第１実施形態に係るヒータユニットは上記の装置に使用するものに限定されず、基板を加熱又は冷却する必要がある装置に対して使用することができる。

［ヒータユニット２０の構成］
第２実施形態のヒータユニット２０の上面図は第１実施形態のヒータユニット１０と同様であるので、ここでは説明を省略する。また、ヒータユニット２０の断面図はヒータユニット１０の断面図と類似しているため、ヒータユニット２０の説明において、ヒータユニット１０と同様の構造に関しては説明を省略し、主に相違点について説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係るヒータユニットの断面図である。図３に示すように、ヒータユニット２０は、第３基材４１０、第４基材４２０、及び熱拡散層４３０を有する点において、ヒータユニット１０とは相違する。

第３基材４１０及び第４基材４２０は、第２基材１２０と断熱層１３０との間に配置され、第３基材４１０と第４基材４２０との間には冷却ガス又はプロセスガスの流路となる第２流路４１５が設けられている。図３では、上面が平坦な第３基材４１０と下面に凹部が設けられた第４基材４２０とを接合することで第２流路４１５が形成されている。熱拡散層４３０は第２絶縁層１６０の上方に配置されている。ここで、図示されていないが、第２流路４１５の一部は第３基材４１０、第２基材１２０、及び第１基材１１０に設けられた連結孔を介してシャフト２００に設けられたガス配管に接続されている。

図３では、第３基材４１０の平坦な上面と第４基材４２０の下面の凹部とによって第２流路４１５が形成された構造を例示したが、この構造に限定されない。例えば、第３基材４１０の上面に凹部が設けられ、第４基材４２０の下面が平坦であってもよい。又は、第３基材４１０の上面及び第４基材４２０の下面の両方に凹部が設けられていてもよい。又は第４基材４２０の内部に第２流路４１５が設けられていてもよい。第４基材４２０の内部に流路が設けられている場合は、第３基材４１０を省略することができる。

［ヒータユニット２０の各構成部品の材料］
第３基材４１０及び第４基材４２０としては、金属基材又は半導体基材を用いることができる。金属基材としては、Ａｌ基材、Ｔｉ基材などを用いることができる。半導体基材としては、Ｓｉ基材、ＳｉＣ基材、ＧａＮ基材などを用いることができる。第３基材４１０及び第４基材４２０は、同じ材料であってもよく異なる材料であってもよい。また、第３基材４１０及び第４基材４２０は第１基材１１０及び第２基材１２０と同じ材料であってもよく異なる材料であってもよい。本実施形態では、第３基材４１０及び第４基材４２０としてＡｌ基材を用いている。

熱拡散層４３０は、少なくとも第２絶縁層１６０よりも熱伝導率が高くてもよい。さらに、熱拡散層４３０は第１絶縁層１５０よりも熱伝導率が高くてもよい。熱拡散層４３０としては、Ａｌ、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの熱伝導率が高い材料を用いることができる。

以上のように、第１実施形態のヒータユニット１０によると、発熱体１４０の上方に熱拡散層４３０が設けられていることで、発熱体１４０で発生した熱は熱拡散層４３０の面方向に拡散される。その結果、ヒータユニット２０の加熱温度の面内均一性が向上する。また、ヒータユニット２０の加熱による到達温度を従来よりも高くすることができる。

また、第１流路１１５と断熱層１３０との間に第２流路４１５が設けられていることで、例えば、ヒータユニット２０の加熱時には第２流路４１５に加熱ガスを流すことで、第１流路１１５に流れる冷却水によって発熱体１４０で発生した熱の一部が奪われることを抑制することができ、上記と同様の効果（面内均一性の向上及び到達温度の高温化）を得ることができる。一方、ヒータユニット２０の冷却時には第２流路４１５に冷却ガスを流すことで、冷却効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施例１について図４及び図５を用いて具体的に説明する。実施例１では、断熱層１３０の厚さ又は熱伝導率に対するヒータユニット表面の到達温度の関係について調査した結果を説明する。ただし、本発明はこれらの実施例１のみに限定されるものではない。図４は、本発明の一実施例に係るヒータユニットにおける断熱層の厚さとステージ表面の到達温度どの関係を示す図である。図５は、本発明の一実施例に係るヒータユニットにおける断熱層の熱伝導率とステージ表面の到達温度との関係を示す図である。

図４及び図５に示す結果は、計算によって得られたシミュレーション結果である。計算に用いられた解析モデルについて、以下に説明する。解析モデル構造は図２に示す構造を想定して設計されており、冷却流路、Ａｌ層、断熱層、発熱体、及びＡｌ₂Ｏ₃層が下から順に積み上げられた構造である。ここでは、上記の構造体をヒータユニットという。

上記の構造体において、各層の界面は完全結合されている。最上層のＡｌ₂Ｏ₃層は２０℃に設定された大気と接しており、表面の輻射率を０．５に設定した。発熱体にはＷ（特性値：２０℃）を採用し、熱流速を９００ｍＷ／ｍｍ²に固定した。また、冷却流路とＡｌ層との境界条件を２０℃に設定した。なお、Ａｌ層、Ａｌ₂Ｏ₃層については、バルク特性値を採用した。上記の解析モデルを用いて、Ａｌ₂Ｏ₃層表面における到達温度を計算によって求めた。

図４に示すシミュレーション結果の解析モデルでは、断熱層の熱伝導率を１７Ｗ／ｍＫに固定して断熱層の厚さを変化させた。また、図５に示すシミュレーション結果の解析モデルでは、断熱層の厚さを１ｍｍに固定して断熱層の熱伝導率を変化させた。

図４に示すように、ヒータユニットの到達温度は断熱層の厚さの増加に伴い高温になる傾向が確認された。到達温度の断熱層の厚さに対する変化は線形な変化であることが確認される。図５に示すように、ヒータユニットの到達温度は断熱層の熱伝導率の増加に伴い低温になる傾向が確認された。到達温度の断熱層の熱伝導率に対する変化は指数関数的な変化であることが確認される。

ここで、ヒータユニットに要求される到達温度として、基板の表面に付着した水分を蒸発させるために１００℃以上であることが要求される。このような場合、図４の結果からは、断熱層の厚さは少なくとも１．５７ｍｍ以上にする必要があることが判る（断熱層の熱伝導率が１７Ｗ／ｍＫの場合）。また、図５の結果からは、断熱層の熱伝導率は少なくとも２５Ｗ／ｍＫ以下にする必要があることが判る（断熱層の厚さが１ｍｍの場合）。

以上のように、実施例１によれば、例えばヒータユニットの到達温度を１００℃以上にするためには、断熱層の熱伝導率が１７Ｗ／ｍＫの場合は１．５７ｍｍ以上の厚さが必要であることが判明した。また、上記の到達温度を達成するためには、断熱層の厚さが１ｍｍの場合は、熱伝導率を２５Ｗ／ｍＫ以下にする必要があることが判明した。

以下、本発明の実施例２について図６を用いて具体的に説明する。実施例２では、断熱層としてコールドスプレー法によって形成されたポーラスなＳＵＳの構造を観察した結果を説明する。図６は、本発明の一実施例に係るヒータユニットにおける断熱層の電子顕微鏡像を示す図である。図６には、条件の異なるコールドスプレー法によって形成された３種類のＳＵＳの電子顕微鏡像を示した。

図６に示す電子顕微鏡像において、明るく見える場所（明部６１０）はＳＵＳであり、暗く見える場所（暗部６２０）は気孔である。図６に示すように、コールドスプレー法によって形成されたＳＵＳには数１０μｍから数１００μｍサイズの気孔が形成されていることが確認された。ここで、図６の電子顕微鏡像に対する気孔の存在比率は、（ａ）のＳＵＳで約１６．３％、（ｂ）のＳＵＳで約１１．８％、（ｃ）のＳＵＳで約１２．６％である。コールドスプレー法の条件を変えて形成したＳＵＳで評価した結果、断熱層における気孔の含有率が１％以上２０％以下の場合に、良好な断熱効果が得られることが確認されている。特に、断熱層が１０％以上２０％以下の気孔を含有していると、さらに良好な断熱効果を得ることができる。

以上のように、実施例２によれば、ＳＵＳが気孔を有していることで、ＳＵＳのバルク特性に比べて低い熱伝導率を得ることができることが判明した。また、ＳＵＳが気孔を有していることで、第２基材１２０と断熱層１３０との間の界面応力、又は断熱層１３０と第１絶縁層１５０との間の界面応力を緩和することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０、２０：ヒータユニット
１００：プレート部
１１０：第１基材
１１１：ソース
１１３：ドレイン
１１５：第１流路
１１５−１、１１５−２：折り返し部
１１７：ソース連結孔
１１９：ドレイン連結孔
１２０：第２基材
１３０：断熱層
１４０：発熱体
１５０：第１絶縁層
１６０：第２絶縁層
２００：シャフト部
２１１：ソース管
２１３：ドレイン管
３１０：基材
３２０：ヒータ部
４１０：第３基材
４１５：第２流路
４２０：第４基材
４３０：熱拡散層

Claims (8)

1. 冷却流路を有する基材と、
   前記基材の上方に配置され、発熱体を有するヒータ部と、
   前記基材と前記ヒータ部との間に配置された断熱層と、
   前記基材と前記ヒータ部との間に配置された、金属の第３基材及び第４基材と、
   前記第３基材と前記第４基材との間に形成されたガス流路と、
   を有することを特徴とするヒータユニット。
2. 前記断熱層の熱伝導率は、前記基材の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
3. 前記断熱層は、ＳＵＳであることを特徴とする請求項２に記載のヒータユニット。
4. 前記ＳＵＳの厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のヒータユニット。
5. 前記断熱層は気孔を有し、
   前記断熱層における前記気孔の含有率は１％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
6. 前記発熱体を覆う絶縁体をさらに有し、
   前記断熱層の熱伝導率は、前記絶縁体の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
7. 前記ヒータ部の上方に熱拡散層をさらに有し、
   前記発熱体は、導電体及び前記導電体を覆う絶縁体を有し、
   前記熱拡散層の熱伝導率は、前記絶縁体の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
8. 前記基材の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。