JPH07297267A - 静電チャック付セラミックスヒーター - Google Patents

静電チャック付セラミックスヒーター

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JPH07297267A
JPH07297267A JP31639694A JP31639694A JPH07297267A JP H07297267 A JPH07297267 A JP H07297267A JP 31639694 A JP31639694 A JP 31639694A JP 31639694 A JP31639694 A JP 31639694A JP H07297267 A JPH07297267 A JP H07297267A
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electrostatic chuck
linear expansion
difference
electrode
layer
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JP31639694A
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English (en)
Inventor
Atsuo Kawada
敦雄 川田
Toshihiko Shindo
敏彦 進藤
Takaaki Nagao
貴章 長尾
Takeshi Kakegawa
健 掛川
Jiyunichi Arami
淳一 荒見
Kenji Ishikawa
賢治 石川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shin Etsu Chemical Co Ltd
Tokyo Electron Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Chemical Co Ltd
Tokyo Electron Ltd
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/683Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping
    • H01L21/6831Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using electrostatic chucks
    • H01L21/6833Details of electrostatic chucks

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 本発明は半導体プロセスにおける昇降温プロ
セスに使用しても接合部に剥離が起らない静電チャック
付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】 本発明の静電チャック付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静電チャック用電極を接
合すると共に、裏面に導電性セラミックスからなる発熱
層を接合し、それらの上に電気絶縁性セラミックスから
なる被覆層を設けてなる静電チャック付セラミックスヒ
ーターにおいて、該支持基材と該静電チャック用電極と
の線膨張係数の差、該支持基材と該発熱層との線膨張係
数の差、該静電チャック用電極と該被覆層との線膨張係
数の差および該発熱層と該被覆層との線膨張係数の差を
ともに1×10-6/℃以下とし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】本発明は静電チャック付セラミッ
クスヒーター、特には半導体プロセスにおける昇降温工
程に使用される静電チャック付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】半導体デバイスの製造工程における半導
体ウエハの加熱には、従来金属線を巻いたヒーターが使
用されていたが、これについては半導体ウエハへの金属
汚染の問題があるため、セラミックス薄膜を発熱体とし
て使用したセラミックス一体型ヒーターの使用が提案さ
れている(特開平4-124076号公報参照)。また、この半
導体ウエハの加熱に当たってはヒーター上に半導体ウエ
ハを固定するために減圧雰囲気では静電チャックが使用
されているが、プロセスの高温化に伴ってその材質が樹
脂からセラミックスに移行されており(特開昭52-67353
号公報、特開昭59-124140 号公報参照)、また最近では
これらのセラミックスヒーターと静電チャックを合体し
た静電チャック付セラミックスヒーターも提案されてい
る(特開平4-358074号公報、特開平5-109876号公報、特
開平5-129210号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この静電チャ
ック付セラミックスヒーターは、基本的に異種類のセラ
ミックスを接合した構造、例えば窒化硼素の基材にグラ
ファイトの導電体層と窒化硼素の絶縁層を接合した構造
であるため、これらの素材の熱膨張率の違いにより反り
が発生しチャック力が低下したり、昇降温を繰り返して
いるうちに熱応力によって接合部の剥離が起きるという
問題点がある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明はこのような不
利、欠点を解決した静電チャック付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静電
チャック用電極を接合すると共に、裏面に導電性セラミ
ックスからなる発熱層を接合し、それらの上に電気絶縁
性セラミックスからなる被覆層を設けてなる静電チャッ
ク付セラミックスヒーターにおいて、該支持基材と該静
電チャック用電極との線膨張係数の差、該支持基材と該
発熱層との線膨張係数の差、該静電チャック用電極と該
被覆層との線膨張係数の差および該発熱層と該被覆層と
の線膨張係数の差をともに1×10-6/℃以下としてなる
ことを特徴とするもの、またこれは該被覆層上に拡散防
止層が接合されてなることを特徴とするものである。
【0005】すなわち、本発明者らは従来公知の静電チ
ャック付セラミックスヒーターにおける接合部の剥離を
防止する方法について種々検討した結果、これについて
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静電チャック用電極を接合す
ると共に、裏面に導電性セラミックスからなる発熱層を
接合し、それらの上に電気絶縁性セラミックスからなる
被覆層を設けた公知の静電チャック付セラミックスヒー
ターにおいて、この支持基材と静電チャック用電極との
線膨張係数の差、支持基材と発熱層との線膨張係数の
差、静電チャック用電極と被覆層との線膨張係数の差お
よび発熱層と被覆層との線膨張係数の差をともに1×10
-6/℃以下とすれば、この反りによるチャック力の低下
や接合部での剥離が起らなくなるということを見出し、
このものを半導体プロセスに使用するときの電気絶縁性
セラミックス部材、導電性セラミックスの種類、この線
膨張係数のコントロール方法などについての研究を進め
て本発明を完成させた。
【0006】
【作用】本発明は静電チャック付セラミックスヒーター
に関するものであり、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静
電チャック用電極を接合すると共に、裏面に導電性セラ
ミックスからなる発熱層を接合し、それらの上に電気絶
縁性セラミックスからなる被覆層を設けてなる静電チャ
ック付セラミックスヒーターにおいて、該支持基材と該
静電チャック用電極との線膨張係数の差、該支持基材と
該発熱層との線膨張係数の差、静電チャック用電極と該
被覆層との線膨張係数の差および該発熱層と被覆層との
線膨張係数の差をともに1×10-6/℃以下としてなるこ
とを特徴とするものであるが、これによればチャック力
の低下や支持基材、静電チャック用電極、発熱層および
被覆層がその接合部で剥離することがなくなるのでこの
静電チャック付セラミックスヒーターはチャック力が強
くまた寿命の長いものになるという有利性が与えられ
る。
【0007】本発明の静電チャック付セラミックスヒー
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静電チャック用電極を
接合すると共に、裏面に導電性セラミックスからなる発
熱層を接合し、それらの上に電気絶縁性セラミックスか
らなる被覆層を設けてなるものであるので、この構成自
体は公知のものである。しかし、この公知の静電チャッ
ク付セラミックスヒーターでは支持基材、静電チャック
用電極、発熱層および被覆層が接合一体化されているも
のの、これらは熱膨張係数に差があるために室温から加
熱温度である 1,100℃までの昇温、降温を繰り返してい
るとこの温度の変化によって反りが発生しチャック力が
低下したり、または支持基材、静電チャック用電極、発
熱層および被覆層がその接合部で剥離してこの構成が崩
れ使用に耐えなくなるという重大な欠点がある。
【0008】しかるに本発明にしたがって、この支持基
材と静電チャック用電極との線膨張係数の差、支持基材
と発熱層との線膨張係数の差、静電チャック用電極と被
覆層との線膨張係数の差および発熱層と被覆層との線膨
張係数の差をともに1×10-6/℃以下とすると、両者の
線膨張係数の差により発生する反りはチャック力に影響
を及ぼさない程小さく、また接合部の熱応力がその接合
強度より小さいものとなるために、これによればこの静
電チャック付セラミックスヒーターを常法により常温か
ら 1,100℃までの昇温、降温を繰り返してもその温度変
化によってこのチャック力が低下したり、支持基材、静
電チャック用電極、発熱層、被覆層がその接合部で剥離
することがなくなり、したがってこの静電チャック付セ
ラミックスヒーターはチャック力が強く寿命の長いもの
になるという有利性が与えられる。
【0009】本発明の静電チャック付セラミックスヒー
ターは図1に示したように支持基材、静電チャック用電
極、発熱層および被覆層からなるものとされる。この支
持基材は電気絶縁性セラミックスからなるものとされる
が、本発明の静電チャック付セラミックスヒーターが特
に半導体プロセスへの使用を目的とするものであり、こ
の半導体プロセスにはSi半導体のみではなく III−V
族化合物半導体も含まれることから、これはそれとは同
族元素で構成される窒化硼素、窒化硼素と窒化アルミニ
ウムの混合物、窒化珪素からなるものとすることがよい
が、この窒化硼素は公知の方法で焼結させて得たものと
しても、また例えばアンモニアと三塩化硼素とを 1,900
〜 2,100℃、5〜10Torrの条件下で反応させて得た化学
気相蒸着法によるものとすればよい。
【0010】このようにして得られた熱分解窒化硼素は
線膨張係数が反応度、真空度に依存し2〜4×10-6/℃
の範囲で変化する。この窒化硼素と窒化アルミニウムの
混合物は公知の方法で焼結させて得たものとすればよ
く、混合比率、焼結温度、圧力により線膨張係数が1〜
5×10-6/℃の範囲で変化する。この窒化珪素は公知の
方法で焼結させて得たものとしても、また例えばアンモ
ニアと四塩化珪素とを 1,300〜 1,500℃、3〜5Torrの
条件下で反応させて得た化学気相蒸着法によるものとす
ればよく、このようにして得られた化学気相蒸着法によ
る窒化珪素は線膨張係数が反応温度、真空度に依存し2
〜3×10-6/℃の範囲で変化する。
【0011】また、ここに使用される静電チャック用電
極および発熱層は導電性セラミックスからなるものとさ
れるが、これは支持基材としての窒化硼素などと熱膨張
係数が近く付着性が比較的良いということから、熱分解
グラファイトからなるものとすればよく、このものは例
えばメタンガスを 1,900〜 2,200℃、5〜10Torrという
条件下で熱分解することによって得られたものとすれば
線膨張係数が反応温度、真空度に依存し1〜3×10-6
℃の範囲で変化する。また、これはメチルトリクロロシ
ランなどの有機珪素化合物を 1,100〜 1,300℃、3〜5
Torrの条件下で反応させて得た化学気相蒸着法による炭
化珪素としてもよく、このようにして得られた化学気相
蒸着法による炭化珪素は線膨張係数が反応温度、真空度
に依存し4〜6×10-6/℃の範囲で変化する。
【0012】なお、ここに使用される被覆層は電気絶縁
性セラミックスからなるものとされるが、これは支持基
材と同じものとしてよく、したがってこれが窒化硼素、
窒化硼素と窒化アルミニウムの混合物、窒化珪素である
ときには支持基材と同じ方法で作られたものとすればよ
いが、純度の面から好ましくは化学気相蒸着法によるも
のとすればよい。
【0013】本発明ではこの支持基材と静電チャック用
電極との線膨張係数の差、支持基材と発熱層との線膨張
係数の差、静電チャック用電極と被覆層との線膨張係数
の差および発熱層と被覆層との線膨張係数の差をともに
1×10-6/℃以下とすることが必要とされるのである
が、これはそれを製造するときの温度、真空度、混合比
率、圧力などを調整してその線膨張係数の差が1×10-6
/℃以下となるようにすればよい。
【0014】このようにして作られた本発明の静電チャ
ック付セラミックスヒーターは、この支持基材と静電チ
ャック用電極との線膨張係数の差、支持基材と発熱層と
の線膨張係数の差、静電チャック用電極と被覆層との線
膨張係数の差および発熱層と被覆層との線膨張係数の差
がともに1×10-6/℃以下とされているので、これを例
えば常温から 1,100℃までの昇温、降温を繰り返すテス
トを行ってもこの温度変化によってチャック力が低下し
たり、支持基材、静電チャック用電極、発熱層、被覆層
がその接合部で剥離することはなく、したがってチャッ
ク力が強く寿命の長いものとなる。
【0015】なお、本発明の静電チャック付セラミック
スヒーターはこの被覆層を窒化硼素または窒化硼素と窒
化アルミニウムの混合物からなるものとすると III−V
族化合物半導体と同族化合物であるので化合物半導体へ
のIV族元素による汚染は起らないし、窒化珪素からなる
ものとするとSi半導体への III族元素による汚染が起
こらない。また、プロセスによっては静電チャックのリ
ーク電流によるデバイスの破壊が問題となるため、この
被覆層に窒化硼素のもつ高い絶縁抵抗が必要となる場合
がある。しかし、この被覆層を窒化硼素からなるものと
したときに、特に高温プロセスにおいてこの被覆層中の
硼素の拡散によるシリコン半導体の汚染が発生する場合
があるが、この被覆層の上に酸化珪素または窒化珪素な
どの拡散防止層を設けることによりこの汚染を防止する
ことができる。また、この窒化硼素、窒化珪素、グラフ
ァイトおよび炭化珪素を化学気相蒸着法でつくられたも
のすると、焼結法で製造されたものに比べてバインダー
などの不純物が含まれていない高純度のものであるの
で、これは半導体プロセスに使用しても不純物によって
汚染される恐れはないという有利性が与えられる。
【0016】
【実施例】つぎに本発明の実施例、比較例をあげる。 実施例1 アンモニアと三塩化硼素とを 2,000℃、10Torrの条件下
で反応させて直径 160mm、厚さ1mmの熱分解窒化硼素製
円板を作ったのち、この上でメタンガスを 1,800℃、5
Torrの条件下で熱分解してこの上に厚さ40μmの熱分解
グラファイト層を形成し、表面に電極パターン、裏面に
ヒーターパターンを加工してそれぞれ静電チャック用電
極、発熱層とした。
【0017】ついで、この上でアンモニアと三塩化硼素
とを 2,000℃、10Torrの条件下で反応させて、この上に
厚さ 100μmの熱分解窒化硼素被覆層を設けて静電チャ
ック付セラミックスヒーターを作ったところ、この支持
基材と静電チャック用電極との線膨張係数の差、支持基
材と発熱層との線膨張係数の差、静電チャック用電極と
被覆層との線膨張係数の差および発熱層と被覆層との線
膨張係数の差がともに0.9×10-6/℃となったので、こ
のものを室温から 1,100℃まで 100回昇温、降温を繰り
返したところ、このものはチャック力の低下はなく、ま
た支持基材、静電チャック用電極、発熱層、被覆層がそ
の接合部で剥離することはなかった。
【0018】実施例2 アンモニアと四塩化珪素とを 1,400℃、5Torrの条件下
で反応させて直径 160mm、厚さ1mmの化学気相蒸着法に
よる窒化珪素製円板を作り、この上でメチルトリクロロ
シランを 1,200℃、3Torrの条件下で熱分解してこの上
に厚さ 100μmの化学気相蒸着法による炭化珪素層を形
成し、表面に電極パターン、裏面にヒーターパターンを
加工してそれぞれ静電チャック用電極、発熱層とした。
【0019】ついで、この上でアンモニアと四塩化珪素
とを 1,400℃、5Torrの条件下で反応させて、この上に
厚さ 150μmの化学気相蒸着法による窒化珪素被覆層を
設けて静電チャック付セラミックスヒーターを作ったと
ころ、この支持基材と静電チャック用電極との線膨張係
数の差、支持基材と発熱層との線膨張係数の差、静電チ
ャック用電極と被覆層との線膨張係数の差および発熱層
と被覆層との線膨張係数の差がともに 0.8×10-6/℃と
なったので、このものを室温から 1,100℃まで100回昇
温、降温を繰り返したが、このものはチャック力の低下
はなく、また支持基材、静電チャック用電極、発熱層、
被覆層がその接合部で剥離することはなかった。
【0020】実施例3 アンモニアと四塩化珪素とを 1,400℃、5Torrの条件下
で反応させて直径 160mm、厚さ1mmの化学気相蒸着法に
よる窒化珪素製円板を作ったのち、この上でメタンガス
を 2,100℃、10Torrの条件下で熱分解してこの上に厚さ
60μmの熱分解グラファイト層を形成し、表面に電極パ
ターン、裏面にヒーターパターンを加工してそれぞれ静
電チャック用電極、発熱層とした。
【0021】ついで、この上でアンモニアと四塩化珪素
とを 1,400℃、5Torrの条件下で反応させて、この上に
厚さ 100μmの化学気相蒸着法による窒化珪素被覆層を
設けて静電チャック付セラミックスヒーターを作ったと
ころ、この支持基材と静電チャック用電極との線膨張係
数の差、支持基材と発熱層との線膨張係数の差、静電チ
ャック用電極と被覆層との線膨張係数の差および発熱層
と被覆層との線膨張係数の差がともに 1.0×10-6/℃と
なったので、このものを室温から 1,100℃まで100回昇
温、降温を繰り返したが、このものはチャック力の低下
はなく、また支持基材、静電チャック用電極、発熱層、
被覆層がその接合部で剥離することはなかった。
【0022】実施例4 窒化硼素粉末と窒化アルミニウム粉末を3対1の割合で
混合したのち、 1,900℃、200kgf/cm2の条件下で焼結
し、直径 200mm、厚さ1mmの窒化硼素と窒化アルミニウ
ムの混合焼結体からなる円板を作ったのち、この上でメ
タンガスを 2,100℃、5Torrの条件下で熱分解してこの
上に厚さ 100μmの熱分解グラファイト層を形成し、表
面に電極パターン、裏面にヒーターパターンを加工して
それぞれ静電チャック用電極、発熱層とした。
【0023】ついで、この上でアンモニアと三塩化硼素
とを 1,800℃、5Torrの条件下で反応させて、この上に
厚さ 200μmの熱分解窒化硼素被覆層を設けて静電チャ
ック付セラミックスヒーターを作ったところ、この支持
基材と静電チャック用電極との線膨張係数の差、支持基
材と発熱層との線膨張係数の差がともに 0.7×10-6
℃、静電チャック用電極と被覆層との線膨張係数の差お
よび発熱層と被覆層との線膨張係数の差がともに 0.9×
10-6/℃となったので、このものを室温から 1,100℃ま
で 100回昇温、降温を繰り返したが、このものはチャッ
ク力の低下はなく、また支持基材、静電チャック用電
極、発熱層、被覆層がその接合部で剥離することはなか
った。
【0024】比較例 アンモニアと三塩化硼素とを 1,900℃、10Torrの条件下
で反応させて直径 160mm、厚さ1mmの熱分解窒化硼素製
円板を作ったのち、この上でメタンガスを 2,200℃、5
Torrの条件下で熱分解してこの上に厚さ40μmの熱分解
グラファイト層を形成し、表面に電極パターン、裏面に
ヒーターパターンを加工してそれぞれ静電チャック用電
極、発熱層とした。
【0025】ついで、この上でアンモニアと三塩化硼素
とを 1,900℃、5Torrの条件下で反応させて、この上に
厚さ 100μmの熱分解窒化硼素被覆層を設けて静電チャ
ック付セラミックスヒーターを作ったところ、この支持
基材と静電チャック用電極との線膨張係数の差、支持基
材と発熱層との線膨張係数の差、静電チャック用電極と
被覆層との線膨張係数の差および発熱層と被覆層との線
膨張係数の差がともに1.2×10-6/℃となったが、この
ものを実施例1と同様に試験したところ、これは13回昇
温、降温を繰り返したところで支持基材と静電チャック
用電極の接合部で剥離が発生した。
【0026】
【発明の効果】本発明は静電チャック付セラミックスヒ
ーターに関するものであり、これは前記したように電気
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静電チャック用電極を接合すると共
に、裏面に導電性セラミックスからなる発熱層を接合
し、それらの上に電気絶縁性セラミックスからなる被覆
層を設けてなる静電チャック付セラミックスヒーターに
おいて、該支持基材と該静電チャック用電極との線膨張
係数の差、該支持基材と該発熱層との線膨張係数の差、
該静電チャック用電極と該被覆層との線膨張係数の差お
よび該発熱層と該被覆層との線膨張係数の差をともに1
×10-6/℃以下としてなることを特徴とするものである
が、このものは支持基材と静電チャック用電極との線膨
張係数の差、支持基材と発熱層との線膨張係数の差、静
電チャック用電極と被覆層との線膨張係数の差および発
熱層と被覆層との線膨張係数の差がともに1×10-6/℃
以下となり、両者の線膨張係数の差により発生する反り
はチャック力に影響を及ぼさない程小さく、また接合部
の熱応力がその接合強度より小さいものとなるので、こ
の静電チャック付セラミックスヒーターはこれを常温か
ら 1,100℃までの昇温、降温を繰り返してもその温度変
化によってこのチャック力が低下したり、支持基材、静
電チャック用電極、発熱層、被覆層がその接合部で剥離
することがなく、したがってこの静電チャック付セラミ
ックスヒーターはチャック力が強く寿命の長いものにな
るという有利性が与えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の静電チャック付セラミックスヒーター
の一例の縦断面図を示したものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C04B 41/89 Z H01L 21/265 21/027 21/324 M H02N 13/00 D H05B 3/14 C 7512−3K (72)発明者 長尾 貴章 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 (72)発明者 掛川 健 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 (72)発明者 荒見 淳一 東京都港区赤坂5丁目3番6号 東京エレ クトロン株式会社内 (72)発明者 石川 賢治 東京都港区赤坂5丁目3番6号 東京エレ クトロン株式会社内

Claims (5)

    【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静電チャック用
    電極を接合すると共に、裏面に導電性セラミックスから
    なる発熱層を接合し、それらの上に電気絶縁性セラミッ
    クスからなる被覆層を設けてなる静電チャック付セラミ
    ックスヒーターにおいて、該支持基材と該静電チャック
    用電極との線膨張係数の差、該支持基材と該発熱層との
    線膨張係数の差、該静電チャック用電極と該被覆層との
    線膨張係数の差および該発熱層と該被覆層との線膨張係
    数の差をともに1×10-6/℃以下としてなることを特徴
    とする静電チャック付セラミックスヒーター。
  2. 【請求項2】 該支持基材と該被覆層が窒化硼素、窒化
    硼素と窒化アルミニウムの混合物または窒化珪素であ
    り、該静電チャック用電極および該発熱層がグラファイ
    トまたは炭化珪素である請求項1記載の静電チャック付
    セラミックスヒーター。
  3. 【請求項3】 該静電チャック用電極、該発熱層および
    該被覆層が化学気相蒸着法で製造される請求項2記載の
    静電チャック付セラミックスヒーター。
  4. 【請求項4】 該被覆層上に拡散防止層が接合されてな
    る請求項1又は2記載の静電チャック付セラミックスヒ
    ーター。
  5. 【請求項5】 該拡散防止層が酸化珪素または窒化珪素
    である請求項4記載の静電チャック付セラミックスヒー
    ター。
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