JPH0487179A - セラミックスヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、プラズマエツ
チング、光エッチンク装置等に好適に使用されるセラミ
ックスヒーター及びその製造方法に関するものである。

（従来の技術及びその問題点） スーパークリーン状態を必要とする半導体製造用装置で
は、デポジション用ガス、エツチング用ガス、クリーニ
ング用ガスとして塩素系ガス、弗素系ガス等の腐食性ガ
スか使用されている。このため、ウェハーをこれらの腐
食性ガスに接触させた状態で加熱するための加熱装置と
して、抵抗発熱体の表面をステンレススチール、インコ
ネル等の金属により被覆した従来のヒーターを使用する
と、これらのガスの曝露によって、塩化物、酸化物、弗
化物等の粒径数μｍの、好ましくないパーティクルか発
生する。

そこで第１０図に示されるように、デポジション用ガス
等に曝露される容器２６の外側に赤外線ランプ４７を設
置し、容器外壁に赤外線透過窓４６を設け、グラファイ
ト等の耐食性良好な材質からなる被加熱体４８に赤外線
を放射し、被加熱体４８の上面に置かれたウェハーを加
熱する、間接加熱方式のウェハー加熱装置か開発されて
いる。ところかこの方式のものは、直接加熱式のものに
比較して熱損失か大きい二と、温度上昇に時間かかかる
こと、赤外線透過窓４６へのＣＶ　Ｄ膜の付着により赤
外線の透過か次第に妨げられ、赤外線透過窓４６て熱吸
収か生じて窓か加熱すること等の問題かあった。

（発明に至る経過） 上記の問題を解決するため、本発明者等は、新たに円盤
状の緻密質セラミックス内に抵抗発熱体を埋設し、この
セラミックスヒーターをグラファイトのケースに保持し
た加熱装置について検討した。その結果この加熱装置は
、上述のような問題点を一掃した極めて優れた装置であ
ることが判明した。

しかし、このセラミックスヒーターを実際の半導体装置
に使用すると、新たな問題か生ずることが解った。

即ち、従来のステンレスケース内への抵抗体埋め込み型
ヒーターでは、加熱部は高温でも、ヒーターの電極部は
温度の低い容器外に設けることが可能であった。しかし
なから、セラミックスヒーターでは抵抗発熱体をセラミ
ックス粉体内に入れてプレス成形するため、円盤状等の
単純形状としなければならず、焼成段階でもホットプレ
ス焼成するので同様である。しかも、焼成後の焼成体表
面には黒皮といわれる焼成変質層かあり、加工によりこ
の変質層を除去する必要かある。二のとき、ダイヤモン
ド砥石による研削加工か必要であり、複雑な形状である
とコストか上がる。このように、抵抗体を埋設したセラ
ミックスヒーターでは、製造上の困難さから円盤状等の
単純形状としなければならず、その構造から必然的にヒ
ーターの端子は高温、腐食性ガスに曝されることになる
。

（発明か解決しようとする課＠） 本発明の課題は、半導体製造装置等のような高温、腐食
性ガスを使用する装置において、装置内の汚染や熱効率
の低下を防止でき、しかも抵抗発熱体の端子と電極部材
との結合部分か耐久性、信頼性に優れたセラミックスヒ
ーターを提供することである≦ （課題を解決するための手段） 本発明は、セラミックス基体と；このセラミックス基体
の内部に埋設された抵抗発熱体と；この抵抗発熱体の端
部に設けられ、前記セラミックス基体の表面へと露出す
る端子と：この端子との間で耐熱耐腐食性結合か形成さ
れた電極部材とを有するセラミックスヒーターに係るも
のである。

また、本発明は、端子か設けられた抵抗発熱体をセラミ
ックス成形体内部に埋設する工程と；このセラミックス
成形体を焼結してセラミックス基体を作成する工程と；
前記セラミックス基体の表面へと前記端子を露出させる
工程と：この端子と電極部材との間に耐熱耐腐食性結合
を形成する工程とを有するセラミックスヒーターの製造
方法に係るものである。

「耐熱耐腐食性結合」とは、具体的には、高融点接合層
を介して接合すること、及び機械的に結合した、室温と
ヒーター使用温度の間の冷熱サイクル及び腐食性ガスに
対して安定な接合及び結合をいう。

従来のステンレスヒーターの場合には、半導体ウェハー
加熱面と抵抗発熱体の端子とは大きく離れており、端子
と外部の電極ケーブルとは、半導体製造装置の容器外で
結合されていた。

これに対し、本発明のようなセラミックスヒーターでは
、端子周辺か高温、腐食性雰囲気に曝される。従って、
耐久性、信頼性に優れたセラミックスヒーターを得るた
めには、上記の高融点接合層の融点が、ヒーターの表面
温度よりも高くなけれはならず、また結合が、腐食性雰
囲気に対して安定であり、更に熱変化に曝された後も充
分な結合強度を保持していなけれはならない。

高融点接合層の融点は、例えば半導体製造装置へセラミ
ックスヒーターを適用する場合には、１０００°Ｃ以上
とすることが好ましい。

高融点接合層を介した接合には、次のものかある。

（１）端子と電極部材との間に、Ｍｏ、　Ｗ等の高融点
金属の粉末を介在させ、拡散接合すること。

（２）ろう材で接合すること。

（３）箔を介在させて拡散接合すること。

（４）端子の端面又は電極部材の端面に、めっき、Ｃｖ
Ｄ、溶射等によって被覆層を形成し、次いて拡散接合又
は摩擦圧接する二と。

（５）溶接すること。

機械的結合法としては、圧入法、ネジ切り法、かしめ、
埋め込み、差し込み、スプリング、弾性ボードによる機
械的圧接かある。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第２図はセラミックスヒーターを熱ＣＶＤ装置へと取り
つけた状態を示す断面図、第１図は端子３と電極部材４
との結合部分を示す拡大断面図である。

第２図において、２６は半導体製造用ＣＶＤに使用され
る容器、６０はその内部のケース６に取付けられたウェ
ハー加熱用の円盤状のセラミックスヒーターであり、ウ
ェハー加熱面３０の大きさは４〜８インチとしてウェハ
ーを設置可能なサイズとしておく。

容器２６の内部にはガス供給孔１９から熱ＣＶＤ用のガ
スか供給され、吸引孔２０から真空ポンプにより内部の
空気か排出される。円盤状セラミックスヒーター６０は
、窒化珪素のような緻密でガスタイトな円盤状セラミッ
クス基体１の内部にタングステン系等の抵抗発熱体２を
スパイラル状に埋設したもので、その中央及び端部の電
極部材４を介して外部から電力か供給され、円盤状セラ
ミックスヒーター６０を例えば１１００°Ｃ程度に加熱
することがてきる。１６はケース６の上面を覆う水冷ジ
ャケット１８付きのフランジであり、０リング１０によ
り容器２６の側壁との間かシールされ、容器２６の天井
面か構成されている。７はこのような容器２６のフラン
ジ１６の壁面を貫通して容器２６の内部へと挿入された
中空シースであり、セラミックスヒーター６０に接合さ
れている。中空シース７の内部に、ステレスシース付き
の熱電対８か挿入されている。中空シース７と容器２６
のフランジ１６との間には０リングを設け、大気の侵入
を防止している。

抵抗発熱体２の端子３はヒーター背面３６へと露出し、
端子３と電極部材４との間には高融点金属の粉末５か介
在している。この状態でセラミックスの劣化を防止する
ために好ましくは非酸化性雰囲気下て加熱し、拡散接合
を形成する。

本実施例のセラミックスヒーターによれは、従来の金属
ヒーターの場合のような汚染や、間接加熱方式の場合の
ような熱効率の悪化の問題を解決できる。

そして、ケース６は例えばグラファイト等からなり、ヒ
ーター背面３６側へと腐食性ガスか不可避的に混入する
。また、セラミックス基体１は円盤状であるので、抵抗
発熱体２の端子３と電極部材４との結合部分は、高温へ
の加熱と冷却とに繰り返し曝される。しかし、この点、
本実施例では端子３と電極部材４との間を高融点金属粉
末を用いて拡散接合しであるので、腐食性ガスや熱によ
る接合部分の劣化を防止でき、ヒーターの耐久性、信頼
性を向上させることができる。

円盤状セラミックス基体１の材質としては、窒化珪素、
サイアロン、窒化アルミニウム等か好ましく、窒化珪素
やサイアロンか耐熱衝撃性の点で更に好ましい。

抵抗発熱体２としては、高融点であり、しかも窒化珪素
等との密着性に優れたタングステン、モリブデン、白金
等を使用することが適当である。

ウェハー加熱面３０は平滑面とすることが好ましく、特
にウェハー加熱面３０にウニノー−か直接セ・ノトされ
る場合には、平面度を５００μｍ以下としてウェハーの
裏面へのデポジション用ガスの侵入を防止する必要かあ
る。

円盤状セラミックスヒーターを製造する際には、予め端
子３を設けた抵抗発熱体２をセラミックス成形体中に埋
設し、セラミックス成形体を焼結し、こうして得た円盤
状セラミックス基体１の背面側を研削して端子３の端面
を背面３６へと露出させ、次いで前記拡散接合を形成す
る。

次いて、実験例について述へる。

第１図において、セラミックスとして窒化珪素、抵抗発
熱体２としてタングステンを使用し、抵抗発熱体２の端
部に径５ｍｍ、長さ１０ｍｍの円柱状端子（タングステ
ン製）を設けた。このタングステン端子とタングステン
電極部材を接合するにあたり、これらの間に高融点接合
層としてタングステン粉末（平均粒径０．５μｍ）を約
０．０５　ｇ挟み、１ｋｇｆ／ｄの荷重をかけ、Ｎ２中
９．５ａｔｍの雰囲気下においてセラミックスの劣化を
防止しつつ、１５００°Ｃ以上の焼成温度で３時間焼結
を行い、拡散接合により接合を行った。このようにして
接合したものの接合性について表１に示す。

表　　１ 接合部の接合性を評価する方法として、曲げモーメント
測定を行った。１５００°Ｃ焼結接合は１０ｋｇｆ・σ
未満の接合強度しか得られず、接合強度としては不充分
である。ｌ６００°Ｃ焼結接合ては２０ｋｇｆ−Ｃｍ以
上、１７００°Ｃ以上焼結接合ては３０ｋｇｆ−Ｃｍ以
上と充分な接合強度か得られている。

曲げモーメント測定の方法としては、窒化珪素中に埋め
込んだ径５匪のタングステンに径５肛、長さ２５ｍｍの
タングステン棒を上記方法により接合した試料において
、接合部（支点）より２ｃｍ０位置（力点）のタングス
テン棒に対し、垂直に万能試験機により荷重を加える。

試料の接合部か破断するまでの最大荷重と、支点−力点
間距離（２ｃｍ）との積により曲げモーメントを求める
。

表１から解るように、接合温度か１５００°Ｃの場合は
、タングステン粉末の焼結が進まず、耐熱耐腐食性の結
合か形成されない。また、接合温度か１８００°Ｃを超
えると、窒化珪素基体の表面か粗れるので好ましくない
。

タングステン端子とタングステン電極部材との間に挟む
接合層としては、Ｗ粉末の他に例えはＭｏ。

Ｐｄ、　Ｎｉ、　Ｆｅ、　Ｃｏ、　Ｍｎ、　Ａｕ、　Ｐ
ｔ、　Ｙ、　Ａｇ、　Ｃｕ、　Ｚｒ。

Ｃｒ、　Ｎｂ、　Ｔｉ、　Ｖ、　Ｔａ等融点か（発熱体
使用温度＋２００°Ｃ）以上である金属粉末や、これら
の金属箔、あるいはタングステン端子とタングステン電
極部材との接合面にこれらの金属の被覆層を設けたもの
であっても良く、適当な焼結温度を選択することにより
、良好な高融点接合層か得られることがわかっている。

また、１７００°Ｃ以下の融点を有する金属においては
、溶融させ、ろう材として用いても良好な高融点接合層
か得られる二ともわかっている。これらの結果について
は表２に示す。

第２表 熱膨張による応力の緩和のためには、熱膨張係数か端子
や電極部材となるへく等しい材料を用いるのか好ましく
、タングステン端子とタングステン電極部材を使用する
場合には、同し材質のタングステン粉末を用いるのか最
適である。あるいは、金やニッケルといったやわらかい
金属を用いて応力緩和を図るのも良い。

また、接合層を介して接合を行う方法としては上記の拡
散接合の他に、タングステン端子又は夕ングステン電極
部材の接合面に金属被覆層を設け、摩擦圧接により接合
を行う方法も良い。

実施例２ 第３図は、ねじ切り法による機械的結合の例を示すもの
である。

例えはタングステンからなる端子３を例えば径５ｍｍ、
長さ１０画とし、この端子３を例えばタングステンから
なる電極部材４へと結合するに当たり、タングステン端
子３にＭ３Ｘ６ｍｍの雌ネジ１１を切り、タングステン
電極部材にはＭ３Ｘ５ｍｍの雄ネジ１２を切り、ネジ止
め結合を行った。タングステン端子に雌ネジを切る方法
は、タングステン端子か非常に硬く脆いため、通常のダ
イスによる加工は不可能である。そのため、特に放電加
工によってネジ切りを行った。放電加工は電極と被切削
物との間に放電現象を起こすことによって加工を行うた
め、被切削物か導電体でなけれはならず、被切削物を電
極として利用する必要かある。本セラミックスヒーター
はタングステン発熱体自体を電流経路として利用し、加
工するタングステン端子のもう一方のタングステン端子
から電流を流すことによって、埋設されているタングス
テン端子にネジ切りを行う。

このようにして機械的結合を行ったものは、タングステ
ン端子のネジ山とタングステン電極部材のネジ山との接
触の他に、タングステン端子の雌ネジ深さかタングステ
ン電極部材の雄ネジ長さより大きいため、タングステン
端子上側端面とタングステン電極部材段差面４ａとが密
着し、充分な接触面積か得られており、接合部において
電流集中することはない。

また他の機械的接合方法として、タングステン端子に径
３肛×７画の穴を開け、タングステン電極部材に径３ｍ
ｍＸ６ｍｍの凸部を設け、締代２０μｍで圧入圧１００
１００Ｏ／ｃｎｆで圧入を行った。締代０〜５０μｍの
範囲において、室温と８００°Ｃとの間の冷熱サイクル
を１０００回行っても強固な接合状態てあったが、この
範囲を外れると緩みか生じたり、タングステン端子にひ
び割れか発生する。この結果を第３表に示す。

第　　３　　表 室温≠８００°Ｃの冷熱サイクル１０００回後の接合状
態また、第４図に示すように、端子３に孔２１を設け、
電極部材４に突起２２を設け、突起２２を孔２１へと圧
入する際に、この間に金属箔２３を挟んだり、あるいは
圧入後やネジ止め後に端子３と電極部材４との間に、上
述したようなろう材として使用可能な高融点金属の溶融
物を流し込み、隙間を塞いたりすることによっても、良
好な耐熱耐腐食性結合を形成できる。

第５図の例でも、円盤状セラミックス基体及び抵抗発熱
体は前述のものと同様である。

この端子３に電極部材４を電気的に接触させるに当たり
、ヒーター背面側に設けたカーホン板５６に端子上位置
に予め穴７０（例えは径１０ｍｍ）を開けておき、この
穴７０より段差部を設けた電極部材４を通し、端子３に
電極部材４を接触させる。更に、例えば外径３０ｍｍＸ
内径３　ｍｍ　Ｘ厚さ２画のＡｌ２Ｏ，製絶縁リング２
８を電極部材４（例えば径５ｍｍ、長さ３０ル、凸部径
３順、長さ１０順）に設けた段差部で止まるように挿入
する。この時、バネ空間ができるようカーボン板５６の
上面より、電極部材４の段差部か上に出るようにしてお
く必要がある。この絶縁リング２８とカーボン板５６と
をカーボン製のネジ２７て締めつけると、カーボン板５
６かバネの働きをし、電極部材４を端子３に押しっけ電
気的接触がはかられる。なお、電極部材４と端子３との
接触面を第６図のように同一半径を持つ球面状２４に加
工しておけは、ヒーター背面３６と電極部材４との垂直
度か悪くても、点接触となるのを防止でき、充分大きな
接触面積が得られる。

実施例４ 第７図の例では、かしめ法により機械的結合を行ってい
る。

即ち、本例では、セラミックス成形体内部に抵抗発熱体
２と端子３とを埋設した状態でこの成形体を焼結し、背
面側を研削する際に端子３の突起３１かヒーター背面３
６上へと突出するように研削を行っている。そして、電
極部材４の端部に凹部３２を設け、周縁突起部３３て突
起３１を押えるようにかしめを行って端子３と電極部材
４とを機械的に結合する。

端子３の突起３１を背面３６から突出させるには、例え
ば、まず平研で端子３の端面か研削面に現れるまでの間
、焼結体の背面を全面に亘って研削し、端子の端面が研
削面へと現れた後は、例えば第８図に示すように、まず
斜線Ａ部分を研削し、次いて斜線Ｂ部分を研削する。こ
れにより、平面正方形の突起３１か背面３６から突出す
る。

また、第９図に示すように、予め端子３の突起６１を研
削により作製しておく方法もある。即ち、例えば径５ｍ
ｍ、長さ１０ｍｍの端子３の上部を研削して径３躯、長
さ５ｍｍの突起６１を設け、この突起６１の周囲に、好
ましくは窒化ホウ素（ＢＮ）製の外径５Ｂ、内径３Ｍ、
厚さ５価のリング状蓋旧をかぶせ、セラミックス成形体
中に埋設してこの成形体を焼結し、抵抗発熱体２、端子
３及びリング状蓋４１を埋設したセラミックスヒーター
を作製する。

このヒーターの背面側を研削し、蓋４１と突起６１とを
完全に露出させる。次いて蓋４１を取除くど、円柱状突
起６１か突出した端子か得られる。この円柱状突起６１
に電極部材をかしめることにより、機械的結合を形成す
る。

上記各側において、セラミックスヒーターの形状は、円
形ウェハーを均等に加熱するためには円盤状とするのか
好ましいが、他の形状、例えは四角盤状、六角盤状等と
してもよい。

本発明は、プラズマエツチング装置、光エツチング装置
等におけるセラミックスヒーターに対しても適用可能で
ある。

（発明の効果） 本発明に係るセラミックスヒーター及びその製造方法に
よれは、セラミックス基体の内部に抵抗発熱体を埋設し
であるのて、高温で腐食性ガスを使用する装置、特に半
導体製造装置において、従来の金属ヒーターの場合のよ
うな汚染や、間接加熱方式の場合のような熱効率の悪化
は生じない。

そして、セラミックス基体の表面へと露出する端子と電
極部材との間で耐熱耐腐食性結合を形成しであるので、
端子と電極部材との間で、特有の腐食性ガスや熱履歴に
よる劣化、結合強度低下を防止でき、セラミックスヒー
ターの耐久性、信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は抵抗発熱体の端子と電極部材４との接合部分を
示す拡大断面図、 第２図はセラミックスヒーターを熱ＣＶＤ装置に取り付
けた状態を示す概略断面図、 第３図、第４図はそれぞれ他の結合方法を示す拡大断面
図、 第５図は更に他の結合方法を示す概略断面図、第６図は
端子と電極部材との接触部分を拡大して示す断面図、 第７図は、いわゆるかしめによる結合法を説明するため
の拡大断面図、 第８図は研削の手順を説明するための平面図、第９図は
端子に突起を形成するための他の手順を説明するための
断面図、 第１０図は従来の間接加熱方式を説明するための断面図
である。 １・・・円盤状セラミックス基体 ２・・・抵抗発熱体　　　　３・・・端子４・・・電極
部材　　　　　５・・・高融点金属の粉末８・・・熱電
対　　　　　　１１・・・雌ネジ１２・・・雄ネジ　　
　　　　２１・・・凹部２２・・・突起　　　　　　　
２３・・・金属箔３０・・・ウェハー加熱面　　３１・
・・平面正方形の突起３２・・・凹部　　　　　　　３
６・・・ヒーター背面４１・・・リング状蓋　　　　５
６・・・カーホン板第１図 第２図 第５図 第６図 第３図 第７図 第８ｇ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックス基体と； このセラミックス基体の内部に埋設され た抵抗発熱体と； この抵抗発熱体の端部に設けられ、前記 セラミックス基体の表面へと露出する端子 と； この端子との間で耐熱耐腐食性結合が形 成された電極部材とを有するセラミックス ヒーター。 ２、前記端子と前記電極部材とが耐熱耐腐食性の高融点
   接合層を介して結合されている、請求項１記載のセラミ
   ックスヒーター。 ３、前記高融点接合層の融点が、前記端子の融点以下及
   び前記電極部材の融点以下であ る、請求項２記載のセラミックスヒーター。 ４、端子が設けられた抵抗発熱体をセラミックス成形体
   内部に埋設する工程と； このセラミックス成形体を焼結してセラ ミックス基体を作成する工程と； 前記セラミックス基体の表面へ前記端子 を露出させる工程と； この端子と電極部材との間に耐熱耐腐食 性結合を形成する工程と を有するセラミックスヒーターの製造方法。