JPH05198355A - 複層セラミックスヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 本発明は、半導体ウエーハ加熱用などに使用
したときにヒーターが変形したり、ウエーハの温度均一
性がわるくなるという不利を解決した複層セラミックス
ヒーターの提供を目的とするものである。 【構成】 本発明の複層セラミックスヒーターは、電気
絶縁性セラミックスからなる支持基材の表面に導電性セ
ラミックスからなる発熱層を設けると共に、裏面に該導
電性セラミックスまたは該導電性セラミックスと等しい
熱膨張係数、ヤング率およびポアソン比をもつセラミッ
クスからなる補償層を設けてなることを特徴とするもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複層セラミックスヒータ
ー、特には半導体用シリコンウエーハの加熱用や、化学
気相蒸着法、スパッタ−法によって薄膜を形成する際の
基材の加熱用に好適とされる複層セラミックスヒーター
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体プロセスに使用されるヒー
ターとしてはアルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア
などの焼結セラミックスからなる支持体に、モリブデ
ン、タングステンなどの高融点金属の線や箔を発熱体と
して巻き付けるか、接着したものが用いられてきてい
る。また、この改良品としては電気絶縁性セラミックス
の支持基材上に導電性セラミックスの発熱層を設けたも
のも開発されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
公知のヒーターには、発熱体が金属製のものとされてい
るために変形や脆化が起こり易く、したがって短寿命で
あるし、また組立ても煩雑であるという問題点がある。
また、この改良品は発熱体がセラミックスであることか
ら長寿命であり、発熱体が支持基材と一体化しているた
めに組立ても容易であるという利点はあるが、これには
発熱体が支持基材と一体化されているので両者の熱膨張
の差を吸収する部分がなく、したがって温度が変化する
とヒーターに変形が起り、例えば半導体ウエーハ加熱用
の平面ヒーターの場合にはウエーハとの接触が不均一に
なり、温度の均一性が損なわれるという欠点があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような不利
を解決した複層セラミックスヒーターに関するもので、
これは電気絶縁性セラミックスからなる支持基材の表面
に導電性セラミックスからなる発熱層を設けると共に、
裏面に該導電性セラミックスまたは該導電性セラミック
スと類似の熱膨張係数、ヤング率およびポアソン比をも
つセラミックスからなる補償層を設けてなることを特徴
とするものである。

【０００５】すなわち、本発明者らは従来の不利を解決
した複層セラミックスヒーターを開発すべく種々検討し
た結果、電気絶縁性セラミックスからなる支持基材の上
に導電性セラミックスの発熱層を設けた従来公知の複層
セラミックスヒーターの支持基材の裏面にこの導電性セ
ラミックスを設ければ、これが補償層となるので、支持
基材と発熱層との熱膨張の差がこの裏面の導電性セラミ
ックスに吸収されるので温度が変化してもヒーターに変
形の起ることがなくなり、したがってこれを半導体ウエ
ーハの加熱に使用しても温度の均一性が損なわれること
がなくなるということを見出し、この導電性セラミック
スについてはこれと略々同等の熱膨張係数、ヤング率、
ポアソン比を有する他のセラミックスとしてもよいとい
うことを確認して本発明を完成させた。

【０００６】

【作用】本発明は積層セラミックスヒーターに関するも
のであり、これは支持基材と発熱層との間の熱膨張率の
差を吸収するために、支持基材の裏面に発熱層と同じ導
電性セラミックスを設けてなるものである。

【０００７】本発明の複層セラミックスヒーター自体は
電気絶縁性セラミックスからなる支持基材の表面に導電
性セラミックスを発熱層として設けたものとされ、この
支持基材を構成する電気絶縁性のセラミックスとしては
窒化ほう素、窒化けい素、石英、サイアロンなどが例示
され、この発熱層としての導電性セラミックスとしては
炭化けい素、熱分解炭素などが例示される。

【０００８】しかし、この種の複層セラミックスヒータ
ーにおいては、支持基材の表面に付着している発熱層が
十分に薄いものである場合には、これを加熱すると温度
変化に伴なって支持基材と表面層の間に次式 σ＝Ｅｔ（１−ｖｔ）・（αｔ−αｓ）・ΔＴ （ここにσ：熱応力、Ｅｔ：表面層のヤング率、ｖｔ：
表面層のポアソン比、αｔ：表面層の熱膨張係数、α
ｓ：基材の熱膨張係数、ΔＴ：温度変化）で示される熱
応力が生じ、この熱応力の大きさはこの式から判るよう
にその熱膨張係数、ヤング率、ポアソン比で決り、厚さ
には依存しないので、従来公知の複層セラミックスヒー
ターにおいては、支持基材を形成するセラミックスと発
熱層を形成するセラミックスとの熱膨張率、ヤング率、
ポアソン比の差によって加熱時に熱応力が発生し、これ
によってヒーターが変形する。

【０００９】しかし、本発明の複層セラミックスヒータ
ーでは、この公知の電気絶縁性セラミックスからなる支
持基材と、この表面に設けられた導電性セラミックスと
からなる複層セラミックスの支持基材の裏面にこの表面
に存在する発熱層としての導電性セラミックスと同種の
導電性セラミックス層が設けられているので、これを加
熱すると支持基材とこの裏面に設けられた導電性セラミ
ックスとの間にも熱応力が発生し、この熱応力の大きさ
が支持基材と発熱層との間に発生する熱応力の大きさと
同じでバランスしたものとなるので、この支持基材の裏
面に設けられたセラミックス層が補償層となり、このヒ
ーターが変形することが防止される。

【００１０】なお、この場合、この支持基材の裏面に設
けられる補償層は支持基材の表面に設けられた発熱層と
しての導電性セラミックスと同種のものとされている
が、これは支持基材と発熱層との間に発生する熱応力と
同じ大きさの熱応力が発生するものであればよいので、
この支持基材の裏面に設けられるセラミックス層は発熱
層としての導電性セラミックスと同じ程度の熱膨張率、
ヤング率、ポアソン比をもつものであれば必ずしも同一
のものとする必要はない。

【００１１】なお、本発明の複層セラミックスヒーター
における支持基材は前記したようなセラミックスで作ら
れたものとされるが、これらは化学気相蒸着法で製造さ
れた窒化ほう素、窒化けい素とすることがよく、これに
よれば焼結法で製造されたものにくらべてバインダーな
どに起因する不純物を含まないものとなるので高純度な
ものになるという有利性が与えられる。

【００１２】また、これについてはここに発熱層として
使用される導電性セラミックスも支持基材と同様に化学
気相蒸着法で製造された炭化けい素、メタンガスなどの
熱分解で得られた熱分解炭素とすることがよく、これに
よればこの発熱層を高純度のものとすることができる。

【００１３】また、このようにして製造された本発明の
複層セラミックスヒーターはこれが高純度のもので、し
かもヒーターに変形がないことから、半導体プロセスに
おける半導体ウエーハ加熱用に好適とされるが、これ
を、III・V 族化合物半導体プロセスに使用する場合に
は、支持基材として同族化合物である熱分解窒化ほう素
とし、発熱層および補償層を熱分解窒化ほう素との付着
性のよい熱分解炭素とし、さらに全体を熱分解窒化ほう
素でコーティングするとIV族元素やアルカリ金属、重金
属などによる汚染を防止することができるという有利性
が与えられるし、これをシリコン半導体プロセスに使用
するときには支持基を III族金属元素を含まない化学気
相蒸着窒化けい素とし、発熱層および補償層をIV族化合
物である化学気相蒸着炭化けい素または熱分解炭素とす
ると III族金属元素やアルカリ金属、重金属などによる
汚染を防止することができる。

【００１４】

【実施例】つぎに本発明の実施例、比較例をあげる。 実施例１、比較例１ アンモニアと三塩化ほう素とを１０トールの真空下に
２，０００℃で反応させて直径８０ｍｍφ、厚さ１ｍｍ
の熱分解窒化ほう素製内板を作り、ついでこの両面にメ
タンガスを５トールに真空下に２，２００℃に加熱して
得た熱分解炭素を厚さ１０μｍに付着させたのち、この
表面側はこのヒーターパターンを加工して発熱層し、裏
面はそのままこれを補償層として複層セラミックスヒー
ターを作った。

【００１５】つぎにこの円板状ヒーターを用いて直径３
インチのガリウム砒素ウエーハを室温から１，０００℃
まで加熱したところ、円板状ヒーターには全く変形が認
められず、ウエーハの温度均一性も±３℃と良好であっ
たが、比較のために補償層を設けない以外は同様にして
製造したヒーターを用いて同様の試験を行なったとこ
ろ、このヒーターには０．５ｍｍの反りが発生し、ウエ
ーハの温度均一性も±１０℃と悪かった。

【００１６】実施例２、比較例２ アンモニアと四塩化けい素とを５トールの真空下に１，
４００℃で反応させて直径１１０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの
化学気相蒸着窒化けい素円板を作り、ついでこの両面に
メチルトリクロロシランを３トールの真空下に１，２５
０℃で反応させて得た化学気相蒸着炭化けい素層を厚さ
５μｍで設け、この表面側はヒーターパターンを加工し
て発熱層とし、裏面側はそのままこれを補償層として複
層セラミックスヒーターを作った。

【００１７】つぎにこの円板状ヒーターを用いて直径４
インチのシリコンウエーハを室温から１，０００℃まで
加熱したところ、円板状ヒーターには全く変形が認めら
れず、ウエーハの温度均一性も±２℃と良好であった
が、比較のために補償層を設けない以外は同様にして製
造したヒーターを用いて同様の試験を行なったところ、
このヒーターには０．６ｍｍの反りが発生し、ウエーハ
の温度均一性も±１３℃と悪かった。

【００１８】実施例３、比較例３ アンモニアと四塩化けい素とを５トールの真空下に１，
４００℃で反応させて直径１１０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの
化学気相蒸着窒化けい素製円板を作り、ついでこの両面
にメタンガスを８トールの真空下に１，７００℃に加熱
して得た熱分解炭素層を厚さ１２μｍに設け、表面側は
ヒーターパターンを加工して発熱層とし、裏面側はその
ままこれを補償層として複層セラミックスヒーターを作
った。

【００１９】つぎにこの円板状ヒーターを用いて直径４
インチのシリコンウエーハを室温から１，０００℃まで
加熱したところ、円板状ヒーターには全く変形が認めら
れず、ウエーハの温度均一性も±３℃と良好であった
が、比較のために補償層を設けない以外は同様にして製
造したヒーターを用いて同様の試験を行なったところ、
このヒーターには０．３ｍｍの反りが発生し、ウエーハ
の温度均一性も±８℃と悪かった。

【００２０】

【発明の効果】本発明は複層セラミックスヒーターに関
するもので、これは電気絶縁性セラミックスからなる支
持基材の表面に導電性セラミックスからなる発熱層を設
けると共に、裏面に該導電性セラミックスまたは該導電
性セラミックスと等しい熱膨張係数、ヤング率およびポ
アソン比をもつセラミックスからなる補償層を設けてな
ることを特徴とするものであるが、これによれば支持基
板の裏面に補償層が設けられているので、このヒーター
を加熱したときに支持基板と発熱層との間に発生した熱
応力と同じ大きさの熱応力が支持基板と補償層との間に
も発生し、この二つの熱応力がバランスするのでヒータ
ーが変形することがなく、したがってこのヒーターを半
導体プロセスにおけるウエーハの熱処理に使用したとき
のウエーハの温度均一性がよくなるという有利性が与え
られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩 井 良 二 群馬県安中市磯部２丁目13番１号 信越化 学工業株式会社精密機能材料研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気絶縁性セラミックスからなる支持基
   材の表面に導電性セラミックスからなる発熱層を設ける
   と共に、裏面に該導電性セラミックスまたは該導電性セ
   ラミックスと類似の熱膨張係数、ヤング率およびポアソ
   ン比をもつセラミックスからなる補償層を設けてなるこ
   とを特徴とする複層セラミックスヒーター。
2. 【請求項２】 支持基材が熱分解窒化ほう素であり、発
   熱層および補償層が熱分解グラファイトである請求項１
   に記載した複層セラミックスヒーター。
3. 【請求項３】 支持基材が化学気相蒸着窒化けい素であ
   り、発熱層および補償層が化学気相蒸着炭化けい素また
   は熱分解グラファイトである請求項１に記載した複層セ
   ラミックスヒーター。