JP6973995B2

JP6973995B2 - セラミックスヒータ

Info

Publication number: JP6973995B2
Application number: JP2016135342A
Authority: JP
Inventors: 武一高橋; 篤菅家; 裕明鈴木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2036-07-07
Also published as: JP2018006269A

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被加熱物を加熱するセラミックスヒータに関する。

半導体ウエハなどの被加熱物を加熱するセラミックスヒータにおいて、基材の内部に配置された発熱抵抗体に電流を供給する端子が、発熱抵抗体の外側の両端部にそれぞれ接続されたものが存在する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−０６８２５５号公報

しかしながら、上記従来のセラミックスヒータにおいては、発熱抵抗体は一筆書き可能な形状であるので、発熱抵抗体の中心に発熱抵抗要素を存在させることなく、中心に対して発熱抵抗体を対称的には配置することは困難であった。さらに、一般的なセラミックスヒータでは、基材、ひいては発熱抵抗体の中心にウエハ裏面に供給するガスの供給孔などを配置することが多い。そのため、基材の中心に対して対称的に加熱することは困難であった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、基材の中心に対して対称的な加熱を図ることが可能なセラミックスヒータを提供することを目的とする。

第１の本発明は、円板状セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、前記セラミックス基材に埋設された耐熱金属製のメッシュからなる発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の両端部にそれぞれ接続される給電用端子とを備えたセラミックスヒータであって、前記発熱抵抗体は、それぞれ、前記給電用端子と外側端部にて接続され、重なり合うことなく配置された２本の渦巻き状発熱抵抗要素からなり、前記２本の渦巻き状発熱抵抗要素は中心において端子を有さず環状かつ点対称に結合されていることを特徴とする。

第２の本発明は、円板状セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、前記セラミックス基材に埋設された耐熱金属製のメッシュからなる発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に線対称性、点対称性及び回転対称性の何れでもない位置に配置された１組の給電用端子とを備えたセラミックスヒータであって、前記発熱抵抗体は、最外周に位置する円状発熱抵抗要素と、最外周に近接する前記給電用端子に対して前記セラミックス基材の中心を中心として１８０°反転した位置に位置する仮想端子と他の前記給電用端子との間を接続し、重なり合うことなくそれぞれ配置された２個からなる２本の渦巻き状発熱抵抗要素とからなり、前記２本の渦巻き状発熱抵抗要素は中心において端子を有さず環状に結合されていることを特徴とする。

第１及び第２の本発明によれば、２本の渦巻き状発熱抵抗要素は中心において環状に結合されている。これにより、発熱抵抗体の中心に発熱抵抗要素が存在することなく、発熱抵抗要素を中心に対して線対称に配置することが可能となる。そのため、基材の中心に対して対称的な加熱を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係るセラミックスヒータの模式断面図。図１のII−II線模式断面図。本発明の実施形態の変形に係るセラミックスヒータの模式水平断面図。比較例１に係るセラミックスヒータの模式水平断面図。比較例２に係るセラミックスヒータの模式水平断面図。

まず、本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ１００について図面を参照して、説明する。

図１に示すように、セラミックスヒータ１００は、図示しない被加熱物であるウエハ（基板）を吸着保持するための略円板状の絶縁体からなる基材１０と、相互に短絡しないように基材１０に埋設されている発熱抵抗体２０とを備えている。

なお、基材１０には、発熱抵抗体２０のほか、ウエハをジョンセン−ラーベック力により載置面１１に引き付けるための静電チャック電極及び基材１０の上方にプラズマを発生させるためのプラズマ電極のうち少なくとも一方が埋設されていてもよい。

ただし、セラミックスヒータ１００は、電極に給電ロッドから電圧が印加されることによって発生するクーロン力により、基材１０の表面に基板を吸引する静電チャックを兼用するものであってもよい。

さらに、セラミックスヒータ１００は、発熱抵抗体２０に対して電力を供給するための一対の給電用の端子（給電端子）３０を備えている。

端子３０には、それぞれ基材１０に埋設されている図示しない電流供給部材に接続されている。

端子３０と電流供給部材とはろう付け又は溶接されている。端子３０は、箔、板、塊状のニッケル（Ｎｉ）、コバール（登録商標）（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）を主成分とする耐熱合金などの耐熱金属から構成される。電流供給部材はモリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）などからなる。

基材１０は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス焼結体からなるセラミックス基材である。基材１０は、上記の材料を所定形状の型に入れて成形し、緻密化させるため、例えばホットプレス焼成等によって円板状に作製すればよい。

発熱抵抗体２０は、本実施形態では、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）等の耐熱金属などの箔からなり、メッシュ状の形態をしている。そして、本実施形態では、発熱抵抗体２０の厚さは一定となっている。

基材１０の間に発熱抵抗体２０を挟み込んだ状態で、基材１０は焼成される。

発熱抵抗体２０のパターンの一例を図２を参照して説明する。

発熱抵抗体２０は、それぞれ、端子３０と最外周の円弧状発熱抵抗要素２２Ａａ，２２Ｂａの近傍に位置する外側端部にて接続され、重なり合うことなく配置された２本の渦巻き状発熱抵抗要素２１Ａ，２１Ｂからなっている。これら２本の渦巻き状発熱抵抗要素２１Ａ，２１Ｂは中心において環状に結合されている。

ここでは、第１の渦巻き状発熱抵抗要素２１Ａは、端子３０に端部が接続され、同心の環状領域に配置された複数の円弧状発熱抵抗要素２２Ａａ〜２２Ａｄと、隣接する環状領域に配置された円弧状発熱抵抗要素２２Ａａ〜２２Ａｄの端部を直線状に接続する直線状発熱抵抗要素２３Ａａ〜２３Ａｃとから構成されている。

一方、第２の渦巻き状発熱抵抗要素２１Ｂは、端子３０に端部が接続され、同心の環状領域に配置された複数の円弧状発熱抵抗要素２２Ｂａ〜２２Ｂｄと、隣接する環状領域に配置された円弧状発熱抵抗要素２２Ｂａ〜２２Ｂｄの端部を直線状に接続する直線状発熱抵抗要素２３Ｂａ〜２３Ｂｃとから構成されている。

そして、円弧状発熱抵抗要素２２Ａａは円弧状発熱抵抗要素２２Ｂａと、円弧状発熱抵抗要素２２Ａｂは円弧状発熱抵抗要素２２Ｂｂと、円弧状発熱抵抗要素２２Ａｃは円弧状発熱抵抗要素２２Ｂｃと、円弧状発熱抵抗要素２２Ａｄは円弧状発熱抵抗要素２２Ｂｄとそれぞれ同じ環状領域に配置されている。

さらに、円弧状発熱抵抗要素２２Ａｄ、直線状発熱抵抗要素２３Ａｃ、円弧状発熱抵抗要素２２Ｂｄ及び直線状発熱抵抗要素２３Ｂｃは、この順に環状に接続され環状の部分を形成している。

なお、環状領域は、ほぼ環状の領域であればよく、図示しないが、基材１０の厚さ方向に貫通する貫通孔及び基材１０内に配置された温度検出手段などの各種部品との干渉を避けるために、部分的に蛇行した領域を有していてもよい。

また。ここでは、円弧状発熱抵抗要素２２Ａａ〜２２Ａｄ，２２Ｂａ〜２２Ｂｄ及び直線状発熱抵抗要素２３Ａａ〜２３Ａｃ，２３Ｂａ〜２３Ｂｃの厚さ及び幅は同一であるが、これに限定されない。

以上のように構成された発熱抵抗体２０は、中心Ｏを中心とする点対称となっている。これにより、基材１０の上面の加熱に対称性をもたらすことが可能となる。

従来のセラミックスヒータでは、発熱抵抗体が分岐を有しておらず、中心Ｏを中心として点対称に配置する場合、発熱抵抗体が中心Ｏを通っていた。しかし、セラミックスヒータ１００の中心Ｏには、ウエハ裏面に供給するガスの供給孔などが配置されることが多く、このように発熱抵抗体を配置することは困難であった。

なお、環状の部分を形成する円弧状発熱抵抗要素２２Ａｄ，２２Ｂｄ及び直線状発熱抵抗要素２３Ａｃ，２３Ｂｃの幅は、環状の部分以外の発熱抵抗体２０の幅の半分程度であることが好ましい。これにより、２つに分岐した発熱抵抗体２０の単位長さ当りの抵抗の合計が、分岐していない発熱抵抗体２０の単位長さ当りの抵抗相当となり、２つに分岐した発熱抵抗体２０が存在する部分で局所的に加熱が大きくなることを抑制することが可能となる。

なお、渦巻き状発熱抵抗要素２１Ａ，２１Ｂは、円弧状と直線状の発熱抵抗要素からなるものに限定されない。渦巻き状発熱抵抗要素２１Ａ，２１Ｂは、全体として大略渦巻き状であればよく、曲線状の発熱抵抗要素のみからなるものであっても、直線状の発熱抵抗要素が連結されてなるものであってもよい。

なお、本発明は、給電用の端子３０が円弧状発熱抵抗要素２２Ａａ〜２２Ａｄの最外周に、基材１０の中心Ｏを中心として１８０°反転した位置にある場合において、発熱抵抗体２０の対称性を向上させ、その結果、基材１０の温度均一性を向上させることを目的としている。

しかし、給電用の端子３０は、本セラミックスヒータ１００を搭載する半導体プロセス装置との位置関係によって決定され、必ずしも最外周に配置できない、また対称性よく配置できない場合がある。

その場合は、図３に示すように、さらに円弧状発熱抵抗要素２２Ａａ〜２２Ａｄの外側に円状発熱抵抗要素２４を設けることによってある程度の対称性を維持することが可能になる。このとき、２本の渦巻き状発熱抵抗要素２１Ａ，２１Ｂは、最外周に近接する端子３２に対して基材１０の中心Ｏを中心として１８０°反転した位置に位置する仮想端子３１と他の端子３０との間を接続し、重なり合うことなく配置すればよい。

以下、本発明の実施例を具体的に挙げ、本発明を説明する。

（実施例１）
実施例１では、金属からなる発熱抵抗体２０を埋設した酸化イットリウムを添加した窒化アルミニウムからなる基材１０よりセラミックスヒータ１００を得た。

［セラミックスヒータの作製］
窒化アルミニウム粉末９７質量％、酸化イットリウム粉末３質量％からなる粉末混合物を得て、これを型に充填して一軸加圧処理を施した。これによって、直径３４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの第一層を形成した。

次に、この第一層の上に、図２に示す形状の発熱抵抗体２０となる直径２９０ｍｍのモリブデン製のメッシュ（線径０．１ｍｍ、目開き５０メッシュ）を載置した。続いて、先に形成した粉末混合物を発熱抵抗体２０の上に所定の厚さに充填し、第二層を形成した。そして、１０ＭＰａの圧力で、焼成温度１８００℃、焼成時間２時間でホットプレス焼成を行い、直径３４０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのセラミックス焼結体を得た。

その後全面に研削、研磨加工を行い、表面粗さをＲａ０．４μｍ、平面度０．９μｍとした。

端子３０は裏面より発熱抵抗体２０まで直径８ｍｍの穴加工を行い、露出した発熱抵抗体２０に直径８ｍｍの円筒状ニッケル製金属端子を銀ロウ付けして形成した。

［評価結果］
セラミックスヒータ１００のウエハ載置面に黒色化したダミーウエハを載せ、端子３０に電力を供給してセラミックスヒータ１００を昇温し、ダミーウエハ表面の温度をＩＲカメラで測定した。ダミーウエハの表面温度が５００℃に到達した時点から１５分間、端子３０に供給する電力を同じにした。その後のダミーウエハの温度分布を測定した。

最大温度と最少温度との温度差は５℃と小さく、セラミックスヒータ１００の均熱性は良好であることが分った。また、端子３０の位置の対称性の悪さも、発熱抵抗体２０を図２に示す形状とすることにより緩和できることが分った。

（実施例２）
発熱抵抗体２０の形状、及び端子３０，３２の配置を図３に示すようにしたこと以外は、実施例１と同一とした。

［評価結果］
最大温度と最少温度との温度差は６℃と小さく、セラミックスヒータ１００の均熱性は良好であることが分った。また、端子３０の位置の対称性の悪さも、発熱抵抗体２０を図３に示す形状とすることにより緩和できることが分った。

（比較例１）
発熱抵抗体１２０の形状、及び端子３０，３０の配置を図４に示すようにしたこと以外は、実施例１と同一とした。具体的には、発熱抵抗体１２０は、図２に示す発熱抵抗体２０と比較して、円弧状発熱抵抗要素２２Ａｄ、及び円弧状発熱抵抗要素２２Ａｄ，２２Ｂｄ間を接続する直線状発熱抵抗要素２３Ａｃの部分を削除して、中心部の環状部分を半環状にした。

［評価結果］
最大温度と最少温度との温度差は１０℃と実施例１に比較して大きかった。

（比較例２）
発熱抵抗体２２０の形状、及び端子３０，３２の配置を図５に示すようにしたこと以外は、実施例１と同一とした。具体的には、発熱抵抗体２２０は、図３に示す発熱抵抗体２０と比較して、円弧状発熱抵抗要素２２Ｂｄ、及び円弧状発熱抵抗要素２２Ａｄ，２２Ｂｄ間を接続する直線状発熱抵抗要素２３Ｂｃの部分を削除して、中心部の環状部分を半環状にした。さらに、、発熱抵抗体２２０は、図３に示す発熱抵抗体２０と比較して、円弧状発熱抵抗要素２２Ａａ，２２Ａｂ，２２Ａｃ及び円弧状発熱抵抗要素２２Ｂａ，２２Ｂｂ，２２Ｂｃ，２２Ｂｄを順に接続する直線状発熱抵抗要素２３Ａａ，２３Ｂｂ，２３Ｂｃを削除する共に、円弧状発熱抵抗要素２２Ａａ，２２Ｂａ及び直線状発熱抵抗要素２３Ａｂを順に接続する円弧状発熱抵抗要素２５Ａ，２５Ｂ、円弧状発熱抵抗要素２２Ｂｂ，２３Ａｂ及び直線状発熱抵抗要素２３Ｂｃを順に接続する円弧状発熱抵抗要素２５Ｃ，２５Ｄ、並びに直線状発熱抵抗要素２３Ｂａと円状発熱抵抗要素２４とを接続する円弧状発熱抵抗要素２５Ｅを追加した。

［評価結果］
最大温度と最少温度との温度差は１２℃と実施例２に比較して大きかった。

１０…基材（セラミックス基材）、２０…発熱抵抗体、２１Ａ，２１Ｂ…渦巻き状発熱抵抗要素、２２Ａａ〜２２Ａｄ，２２Ｂａ〜２２Ｂｄ…円弧状発熱抵抗要素、２３Ａａ〜２３Ａｃ，２３Ｂａ〜２３Ｂｃ…直線状発熱抵抗要素、２４…円状発熱抵抗要素、３０，３２…端子（給電用端子）、３１…仮想端子、１００…セラミックスヒータ。

Claims

円板状セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、
前記セラミックス基材に埋設された耐熱金属製のメッシュからなる発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体の両端部にそれぞれ接続される給電用端子とを備えたセラミックスヒータであって、
前記発熱抵抗体は、それぞれ、前記給電用端子と外側端部にて接続され、重なり合うことなく配置された２本の渦巻き状発熱抵抗要素からなり、前記２本の渦巻き状発熱抵抗要素は中心において端子を有さず環状かつ点対称に結合されていることを特徴とするセラミックスヒータ。
円板状セラミックスからなり、上面に被加熱物が載置されるセラミックス基材と、
前記セラミックス基材に埋設された耐熱金属製のメッシュからなる発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体に線対称性、点対称性及び回転対称性の何れでもない位置にそれぞれ配置された２個からなる１組の給電用端子とを備えたセラミックスヒータであって、
前記発熱抵抗体は、最外周に位置する円状発熱抵抗要素と、最外周に近接する前記給電用端子に対して前記セラミックス基材の中心を中心として１８０°反転した位置に位置する仮想端子と他の前記給電用端子との間を接続し、重なり合うことなく配置された２本の渦巻き状発熱抵抗要素とからなり、前記２本の渦巻き状発熱抵抗要素は中心において端子を有さず環状に結合されていることを特徴とするセラミックスヒータ。