JPH0765935A - セラミックスヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 抵抗体の曲率が大きな部分にセラミックス粉
末が回り込まないことによる気孔が、発生しないように
することである。 【構成】 セラミックスヒーターが、緻密質セラミック
スからなる基体１、基体１の内部に埋設された細長い抵
抗体３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ及びこの抵抗体に接続され
た複数の端子２Ａ、２Ｂ、２Ｃを有する。基体１の内部
で、抵抗体３Ａと３Ｂとが交差地点４Ａ、４Ｂで三次元
的に交差し、抵抗体３Ｃと３Ｄとが交差地点４Ｃ、４
Ｄ、４Ｅ、４Ｆで三次元的に交差している。各抵抗体を
三次元的に交差させることにより、抵抗体の曲率が大き
な部分がなくなった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧
ＣＶＤ、プラズマエッチング、光エッチング装置等にお
いて好適に使用できる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、半導体製造装置における熱源とし
ては、いわゆるステンレスヒーターや、間接加熱方式に
よるものが一般的であった。しかし、これらの熱源を用
いると、ハロゲン系腐食性ガスの作用によってパーティ
クルが発生したり、熱効率が悪いといった問題があっ
た。本発明者は、高融点金属線を円盤状のセラミックス
基体内に埋設してセラミックスヒーターを作成し、これ
を減圧ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等の半導体製造装置の加
熱源にすることを検討した。この結果、上記したパーテ
ィクルの発生や、熱効率の悪化といった問題は解決され
た。

【０００３】こうしたセラミックスヒーターの製造工程
例を、図４を参照しつつ概略的に説明する。まず高融点
金属線を巻回して巻回体２３を得、巻回体２３の両端に
端子２２Ａ、２２Ｂを接合する。一方、プレス成形機内
にセラミックス粉末を仕込み、ある程度の硬さになるま
で予備成形する。この際、予備成形体の表面に、所定の
平面的パターンに従って、凹部ないし溝を設ける。巻回
体２３をこの凹部ないし溝に収容し、この上に更にセラ
ミックス粉末を充填する。セラミックス粉末を一軸加圧
成形して円盤状成形体を作成し、円盤状成形体をホット
プレス焼結させ、円盤状基体１を得る。ただし、図４に
おいては、巻回体２３の平面的埋設パターンの典型例を
示すため、円盤状基体１は一点鎖線で示した。

【０００４】こうした型のセラミックスヒーターにおい
ては、基体に埋設された端子２２Ａ、２２Ｂに電力供給
部材を接続し、この電力供給部材を半導体製造装置の外
に出し，交流又は直流の電力を供給する必要がある。各
端子と各電力供給部材とは、機械的に結合するか、又は
高融点接合層を介して接合する。半導体製造装置内に
は、往々にしてハロゲン系腐食性ガス等の腐食性ガスが
導入されるので、端子２２Ａ、２２Ｂと、これらに対応
する各電力供給部材とを、それぞれ半導体製造装置内の
腐食性ガスから保護するため、保護管内にこれらを収容
する必要がある。通常、こうした保護管は耐蝕性セラミ
ックスで形成し、各保護管を基体１に気密に接合する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、こうした保護
管と基体１とを接合する場合、この接合部分が半導体製
造装置内で高温に曝されること、保護管や基体１の材料
が窒化物系セラミックス等の特殊な材料であることか
ら、適当な接合材が乏しく、十分に大きな接合強度を得
ることが困難であるため、非常に煩雑な接合工程が必要
である。そして、巻回体２３の配置パターンは、通常、
平面的に見て図４に示すように、略渦巻き形状になる。
従って、必然的に、一方の端子２２Ａが最外周に位置す
ると、他方の端子２２Ｂは中央に位置する。この結果、
基体１の最外周部分と中央部分との両方で、端子２２
Ａ、２２Ｂのそれぞれについて、保護管を基体１に接合
し、保護管の内部に各端子及び電力供給部材を収容して
いる。

【０００６】本発明者は、こうした煩雑な保護管の接合
工程を省略するため、図５（ａ）に示すような平面的パ
ターンに、巻回体１３を埋設することを検討した。ただ
し、図５（ａ）においては、基体１を一点鎖線で表示
し、平面的パターンを見やすくするため、巻回体１３を
便宜上直線で表示した。端子１２Ａ、１２Ｂは基体１の
中央部分に設けられ、巻回体１３の端部がそれぞれ端子
に接続されている。

【０００７】巻回体１３の全体は、図５（ａ）における
垂直線に対してほぼ線対称に配置されている。互いに直
径の異なる複数の同心円状部分１３ａが、線対称をなす
ように配列され、同心円の直径方向に隣り合う各同心円
状部分１３ａが、それぞれ連結部分１３ｂによって連絡
している。最外周の連結部分１３ｂが、ほぼ１周する円
形部分１３ｃに連結されている。この結果、共に中央部
にある一対の端子１２Ａと１２Ｂとが、巻回体１３によ
って直列に接続される。端子１２Ａと１２Ｂとは、共に
一つの保護管内に収容することができる。

【０００８】しかし、こうした平面的パターンである
と、直径方向に隣り合う同心円状部分１３ａの連結部分
１３ｂで、巻回体が計１８０°も方向転換する。この結
果、図５（ｂ）に示すように、方向転換部分１５の曲率
が大きくなり、非常に大きく変形する。特に、巻回体１
３は、金属線が螺旋状ないしコイル状に成形されたもの
なので、方向転換部分１５の特に内側でこのコイルの密
度が極端に大きくなる。

【０００９】この結果、コイルのピッチが極端に小さく
なるので、セラミックス粉末内に巻回体１３を設置した
ときに、この部分に粉末が入らず、焼結後に気孔が生ず
ると共に焼結時に残留応力を生ずる。この気孔の部分
は、熱が集中し易いので、ホットスポット、巻回体１３
の断線の原因になる。

【００１０】本発明の課題は、緻密質セラミックスから
なる基体、この基体の内部に埋設された細長い抵抗体及
びこの抵抗体に接続された複数の端子を有するセラミッ
クスヒーターにおいて、この抵抗体の曲率が大きな部分
を無くすことにより、この部分に気孔が発生しないよう
にすることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックスヒ
ーターは、緻密質セラミックスからなる基体、この基体
の内部に埋設された細長い抵抗体及びこの抵抗体に接続
された複数の端子を有しており、基体の内部で抵抗体が
三次元的に交差していることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明のセラミックスヒーターによれば、抵抗
体の平面的パターンにおいて、抵抗体の曲率が大きくな
る方向転換部分で、抵抗体の方向を転換させずに、抵抗
体を三次元的に交差させることができる。これにより、
抵抗体の曲率が大きな部分をなくすことができる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の実施例に係るセラミックス
ヒーターを模式的に示す平面図である。巻回体の平面的
パターンを見やすくするため、基体１は一点鎖線で示し
た。このセラミックスヒーターは、外周側端子２Ａ、中
間端子２Ｂ及び中央部端子２Ｃを備えている。外周側端
子２Ａと中間端子２Ｂとの間は、一対の巻回体３Ａと３
Ｂとによって電気的に接続されている。巻回体３Ａと３
Ｂとは、交差地点４Ａと４Ｂとで交差している。交差地
点４Ａは端子２Ａのほぼ反対側にあり、交差地点４Ｂは
交差地点４Ａのほぼ反対側にある。

【００１４】中間端子２Ｂと中央部端子２Ｃとの間は、
一対の巻回体３Ｃと３Ｄとによって電気的に接続されて
いる。巻回体３Ｃと３Ｄとは、交差地点４Ｃ、４Ｄ、４
Ｅ、４Ｆで交差している。交差地点４Ｃ、４Ｅは端子２
Ｂのほぼ反対側にあり、交差地点４Ｄ、４Ｆは交差地点
４Ｅ、４Ｃのほぼ反対側にある。

【００１５】図１においてほぼ水平の直線を中心とし
て、巻回体３Ａと３Ｂとは、ほぼ線対称であり、巻回体
３Ｃと３Ｄとはほぼ線対称である。各交差地点におい
て、各巻回体同士が接触していてもよく、間隔があって
もよい。

【００１６】本実施例では、巻回体３Ａと３Ｂ、３Ｃと
３Ｄを、それぞれ三次元的に交差させることにより、巻
回体の曲率が大きな部分をなくすことができる。仮に各
巻回体を交差させないとすると、図５に示すように、曲
率の大きな方向転換部分１５が必然的に発生する。

【００１７】また、図４に示す従来例の平面的パターン
では、この平面のＸ軸、Ｙ軸のいずれに対しても、巻回
体２３の平面的パターンが線対称にならない。これに対
し、図１に示す本例の平面的パターンによれば、図１に
おいてほぼ水平の直線を中心として、巻回体３Ａと３Ｂ
とがほぼ線対称であり、巻回体３Ｃと３Ｄとがほぼ線対
称である。従って、基体１の加熱面における各部分の温
度差を少なくすることができる。

【００１８】また、マグネトロンスパッタ等の、磁界を
使用した半導体製造装置においては、セラミックスヒー
ターから磁界が発生すると悪影響がある。この点、図１
に示す平面的パターンであれば、上記のように各巻回体
が線対称になっているので、各巻回体から生ずる磁界が
互いに打ち消しあう。即ち、本例のセラミックスヒータ
ーに電力を供給しても磁界が発生しない。

【００１９】最近、半導体製造装置等において製造量を
増大させるため、ヒーターの大型化が進んでいる。これ
に伴い、セラミックスヒーター内の巻回体の全長を大き
くする必要がある。しかし、巻回体が長くなると、金属
線の全長が長くなり、その全抵抗値が増大する。一方、
巻回体の各部分での発熱量は、その部分での抵抗率と電
流とに依存する。巻回体の抵抗値が増大すると、駆動電
圧の大きさが一定であれば、電流の大きさが減少し、所
定の発熱量が得られなくなる。

【００２０】この問題を解決するためには、巻回体を構
成する金属線の直径を大きくし、巻回体の抵抗値を下げ
て電流を増大させることが考えられる。しかし、巻回体
は、構造的にみると、セラミックス内の構造欠陥である
ため、巻回体の金属線の直径を大きくすると、基体１の
強度、耐久性が低くなり、セラミックスヒーターの寿命
が短くなる。

【００２１】この点、本例では、巻回体３Ａと３Ｂとが
並列に接続され、巻回体３Ｃと３Ｄとが並列に接続され
ている。従って、各巻回体の長さが同じであるとして
も、巻回体が直列に接続されている場合にくらべて、同
じ電圧の駆動電源を用いて、合計で４倍の長さの巻回体
について所定の発熱量を得ることができる。これによ
り、セラミックスヒーターの大面積化に対応することが
できる。

【００２２】なお、巻回体３Ａと３Ｂとを交差地点４
Ａ、４Ｂで接触させ、巻回体３Ｃと３Ｄとを交差地点４
Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆで接触させてもよい。この場合、
各交差地点で巻回体に電位差があると、接触した巻回体
の間で電流が発生し、図１において上側と下側とで電流
の大きさが食い違うことになる。従って、交差地点まで
の各巻回体の抵抗値が同じになるようにすべきである。

【００２３】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の窒化物系セラミックスが好
ましい。窒化珪素やサイアロンが、耐熱衝撃性の点で好
ましい。窒化アルミニウムは、ＣｌＦ₃ 等のハロゲン系
腐食性ガスに対して耐性が高いので好ましい。巻回体を
構成する高融点金属としては、タングステン、モリブデ
ン、白金等を使用することが好ましい。

【００２４】以下、図１に示すセラミックスヒーターの
試作例を述べる。８インチウエハーに対応するため、ヒ
ーターの直径は２０８ｍｍとした。ヒーターの厚さは１
５ｍｍとした。このセラミックスヒーターの仕様を以下
に示す。

【００２５】

【表１】 埋設前の巻回体の仕様 項目 内側ゾーン 外側ゾーン 並列接続時の合成抵抗（室温） ０．７５Ω １．０８Ω 巻回体１体当たりの抵抗値 １．５Ω ２．１６Ω 巻回体の全長（ｍｍ） ５５０ ７８３ 巻回体の平均直径（ｍｍ） ３．２ ３．２ 巻回体のピッチ（ｍｍ） ２．０ ２．０ 巻回体における巻き数 ２７５ ３９１．５ 巻回体を構成する高融点 金属線の全長（ｍｍ） ２８２０ ４０１３ 高融点金属線の直径（ｍｍ） ０．４ ０．４ 巻回体を埋設した後の抵抗値 室温 １．４Ω ２．３Ω １０００°Ｃ ４．５Ω ６．９Ω １０００°Ｃにおける電力 ２．２ＫＷ ５．１ＫＷ １０００°Ｃにおける電流 ２２Ａ ２７Ａ

【００２６】上記の仕様においては、２００Ｖの交流電
源による駆動が必要であるため、埋設後の各巻回体の抵
抗値が、最高使用温度１０００°Ｃで７Ω以下となるよ
うに設定し、室温で２．５Ω以下となるように設定し
た。仮に、外周側端子２Ａと中間端子２Ｂ、中間端子２
Ｂと中央部端子２Ｃとを、それぞれ巻回体によって直列
に接続した場合は、巻回体の長さが２倍になり、かつ巻
回体の長さが同じであっても直列接続の場合には並列接
続の場合に比べて抵抗値が２倍になるので、巻回体の抵
抗値が４倍になる。これは、２００Ｖの交流電源では駆
動させることができない。特に外側ゾーンの駆動は困難
である。

【００２７】巻回体の抵抗値を下げるのには、巻回体の
ピッチを大きくすること、高融点金属線の直径を大きく
することが考えられる。しかし、巻回体の表面積当たり
の発熱量が１００Ｗ／ｍｍ² を越えると、ヒーターの耐
久性が低下するため、ピッチを大きくすることには制約
がある。また、セラミックスの強度等を一定に保つため
には、高融点金属線の直径を０．８ｍｍ以下とする必要
があった。

【００２８】こうして製造したセラミックスヒーターに
ついて、１０００°Ｃと室温との間の熱サイクルを繰り
返しかけたところ、４００回熱サイクルをかけた後でも
断線、クラック等の異常は見られなかった。これは、巻
回体に曲率の大きな部分がないことに加え、巻回体の表
面積当たりの発熱量が１００Ｗ／ｍｍ² 未満になるよう
に巻回体のピッチを設定し、高融点金属線の直径を０．
８ｍｍ以下にしたからである。

【００２９】また、基体１の加熱面の各点の温度を測定
したが、平均温度７００°Ｃで標準偏差２．１°Ｃの均
熱性を実現できた。また、加熱面（半導体ウエハーの設
置面）について磁界を測定したが、この設置面のすべて
の位置について検出限界以下（磁束密度０．１ｍＴ未
満）であった。

【００３０】図２、図３に示すセラミックスヒーターに
おいては、端子２Ｄ、２Ｅが共に基体１の中央部にあ
る。巻回体３Ｅの一端が端子２Ｅに接続され、巻回体３
Ｅの他端が結合子６に接続される。ただし、図３におい
ては、巻回体３Ｅの断面を示すのにあたり、便宜上、高
融点金属線を黒線で示し、高融点金属線の螺旋形状を透
視してみた円形として示した。

【００３１】巻回体３Ｅの最外周は、基体１の外周部か
らの放熱を補填し、外周部の温度低下を防止するため、
ピッチの大きさがその他の部分の１／２になっている。
結合子６と端子２Ｄとが、略直線状のワイヤー５によっ
て接続され、この結果、端子２Ｄと２Ｅとが直列に接続
される。ワイヤー５は、巻回体３Ｅと、交差地点１４
Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｇ
において交差する。この際、図３に示すように、ワイヤ
ー５が巻回体３Ｅに接触しないように、巻回体３Ｅの上
に渡され、ワイヤー５と巻回体３Ｅとが絶縁される。

【００３２】本例では、端子２Ｄと２Ｅとが共に基体１
の中央部に位置しているため、この中央部分のみで、電
力供給部材の端子への接続、端子の保護を行えばよく、
従ってこの接続場所が１か所で済む。そして、抵抗体で
あるワイヤー５と巻回体３Ｅとを三次元的に交差させる
ことで、図５に示す巻回体１３のような曲率の大きな部
分を設ける必要がなくなる。

【００３３】ワイヤー５の抵抗率は、巻回体３Ｅを構成
する高融点金属線の抵抗率の１／５以下にすることで、
ワイヤー５における発熱量を小さくし、加熱面における
均熱性に影響しないようにすることが好ましい。具体的
には、ワイヤー５の断面積を、高融点金属線の断面積の
５倍以上にすることが好ましい。

【００３４】上記の各実施例において、各巻回体、ワイ
ヤーの平面的パターンは、種々変更できる。例えば、図
５において、連結部分１３ｂの部分で、図１と同様に、
各同心円状部分１３ａを、それぞれ直径の異なる各同心
円状部分１３ａと接続させ、これらの各接続部分を交差
させることができる。この場合にも、端子１２Ａと１２
Ｂとは直列に接続される。

【００３５】

【発明の効果】本発明のセラミックスヒーターによれ
ば、抵抗体の平面的パターンにおいて、抵抗体の曲率が
大きくなる方向転換部分で、抵抗体の方向を転換させず
に、抵抗体を三次元的に交差させることができる。これ
により、抵抗体の曲率が大きな部分をなくすことができ
る。この結果、この曲率の大きな部分にセラミックス粉
末が入らず、焼結後に気孔が生ずることはなく、気孔に
よるホットスポット、抵抗体の断線が生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のセラミックスヒーターにおける各巻回
体の平面的パターンを示すための平面図である。

【図２】実施例のセラミックスヒーターにおける各巻回
体の平面的パターンを示すための平面図である。

【図３】図３のセラミックスヒーターをＩＩＩ─ＩＩＩ
線に沿って切って見た概略断面図である。

【図４】従来のセラミックスヒーターにおける巻回体の
平面的パターンを示すための平面図である。

【図５】（ａ）は、本発明者が検討したセラミックスヒ
ーターにおける巻回体の平面的パターンを示すための平
面図であり、（ｂ）は、方向転換部分１５における状態
を説明するための模式図である。

【符号の説明】

１ 基体 ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、１２Ａ、１
２Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ 端子 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３
Ｄ、３Ｅ、１３、２３ 巻回体 ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４
Ｄ、４Ｅ、４Ｆ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１
４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｇ 交差地点 ５ ワイヤー ６
結合子 １５ 方向転換部分

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】緻密質セラミックスからなる基体、この基
   体の内部に埋設された細長い抵抗体及びこの抵抗体に接
   続された複数の端子を有するセラミックスヒーターであ
   って、前記基体の内部で前記抵抗体が三次元的に交差し
   ていることを特徴とするセラミックスヒーター。