JPH0782909B2

JPH0782909B2 - セラミックスヒータおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0782909B2
Application number: JP2218052A
Authority: JP
Inventors: 隆介牛越; 和宏 ▲しょう▼
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-08-21
Filing date: 1990-08-21
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPH04104494A

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、プラズマエッチン
グ、光エッチング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、エッチング用ガス、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
スが使用されている。このため、ウエハーをこれらの腐
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が発
生する。

そこで、デポジション用ガス等に曝露される容器の外側
に赤外線ランプを設置し、容器外壁に赤外線透過窓を設
け、グラファイト等の耐食性良好な材質からなる被加熱
体に赤外線を放射し、被加熱体の上面に置かれたウエハ
ーを加熱する、間接加熱方式のウエハー加熱装置が開発
されている。ところがこの方式のものは、直接加熱式の
ものに比較して熱損失が大きいこと、温度上昇に時間が
かかること、赤外線透過窓へのCVD膜の付着により赤外
線の透過が次第に妨げられ、赤外線透過窓で熱吸収が生
じて窓が加熱すること等の問題があった。

（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、新たな問題が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
ながら、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があり、加工によりこ
の変質層を除去する必要がある。このとき、ダイヤモン
ド砥石による研削加工が必要であり、複雑な形状である
とコストが上がる。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。

例えば、実公昭60−306111号等に開示されている窒化珪
素製のグロープラグ用ヒーター等では、電極部分は500
℃以下の大気中に配置されており、線状の抵抗発熱体端
子と電極ケーブルとを銀ろうによって接合し、電気的に
導通させている。

しかし、上記のような、今回開発した半導体ウエハー加
熱用ヒーター等においては、端子部が高温の反応製腐食
性ガスに曝されるため、低融点のろう材は使用できず、
通例の接合方法は採用できなかった。

（発明が解決しようとする課題）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
との結合部分が耐久性、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）本発明に係るセラミックスヒーターは、焼結セラミック
スからなるセラミックス基体；このセラミックス基体の
内部に埋設され、一体焼成されている抵抗発熱体；およ
びセラミックス基体の内部で抵抗発熱体に対して電気的
に接続されている塊状端子を有しており、塊状端子の端
面がセラミックス基体の表面に露出しており、この露出
面以外に凹部があり、凹部にセラミックスが進入してお
り、焼成後の塊状端子と凹部内のセラミックスとの熱収
縮差によって塊状端子がセラミックスに対して圧着して
いることを特徴とする。

また、本発明は、焼結セラミックスからなるセラミック
ス基体；このセラミックス基体の内部に埋設されている
抵抗発熱体；およびセラミックス基体の内部で抵抗発熱
体に対して電気的に接続されている、凹部が形成された
塊状端子を有するセラミックスヒーターを製造する方法
であって：セラミックス成形材料を焼結させてセラミッ
クス基体を作成する際に、凹部にセラミックス成形材料
を進入させ、焼成後の冷却段階における塊状端子と凹部
内のセラミックスとの熱収縮差によって塊状端子を焼結
セラミックスに対して圧着させ、塊状端子の端面を前記
セラミックス基体の表面に露出させることを特徴とす
る、セラミックスヒーターの製造方法に係るものであ
る。

（実施例）まず、セラミックスヒーター全体の構成例について説明
する。

第７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である。

40は半導体製造用CVDに使用される容器、10はその内部
のケース50に取付けられたウエハー加熱用の円盤状のセ
ラミックスヒーターであり、ウエハー加熱面16の大きさ
は４〜８インチとしてウエハーを設置可能なサイズとし
ておく。

容器40の内部にはガス供給孔27から熱CVD用のガスが供
給され、吸引孔28から真空ポンプにより内部の空気が排
出される。円盤状セラミックスヒーター10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７
の内部にタングステン系等の抵抗発熱体８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６を
介して外部から電力が供給され、円盤状セラミックスヒ
ーター10を例えば1100℃程度に加熱することができる。
20はケース50の上面を覆う水冷ジャケット19付きのフラ
ンジであり、Ｏリング26により容器40の側壁との間がシ
ールされ、容器40の天井面が構成されていれ。18はこの
ような容器40のフランジ20の壁面を貫通して容器40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10に接合されている。中空シース18の内部に、ステ
レスシース付きの熱電対17が挿入されている。中空シー
ス18と容器40のフランジ20との間にはＯリングを設け、
大気の侵入を防止している。

抵抗発熱体８の末端には、後述する塊状端子１が接合さ
れ、この塊状端子１が電極部材６に結合されている。

次いで、塊状端子１の構成につき、第１図〜第６図を用
いて説明する。

本実施例は、塊状端子１と抵抗発熱体８とを、いわゆる
かしめ圧着によって接合するものである。

即ち、まず第３図、第４図に示すような塊状端子１を用
意する。この塊状端子は、好ましくはタングステン、モ
リブデン等の高融点金属から形成され、円柱状の本体1a
と円筒状の圧着部1bとからなる。

この圧着部1b内の空間２に抵抗発熱体８の端部8aを挿入
し、第３図に矢印Ｂで示すように、円筒状圧着部1bに圧
力を加え、圧着部1bを一点鎖線で示すように変形させ、
発熱体端部8bを固定する。このかしめ工程においては、
塊状端子１を800℃以上の高温でガス還元雰囲気下に加
熱することが好ましい。

次いで、塊状端子１をセラミックス成形体中に埋設し、
このセラミックス成形体を焼成してセラミックス基体７
を製造し、この基体７の背面９側を研削加工して第５図
に示すように塊状端子１の端面５を露出させる。塊状端
子には雌ネジ３を設けるが、セラミック成形体中に埋設
する前に雌ネジ３を設けてもよい。

第１図は、セラミックスヒーターの塊状端子の周辺を、
第３図におけるＩ−Ｉ線に沿って切ってみた断面を示す
断面図であり、第２図は、セラミックスヒーターの塊状
端子の周辺を、第３図におけるII−II線に沿って切って
みた断面を示す断面図である。この状態で、第３図にお
いてＩ−Ｉ線断面に沿ってみると第１図に示すように圧
着部1bがつぶれており、II−II線断面に沿ってみると圧
着部1bが拡がっている。抵抗発熱体端部8aと圧着部1bと
は、いわゆるかしめ圧着構造によって接合される。雌ネ
ジ３には、電極部材６の雄ネジ6aを螺合する。本実施例
のセラミックスヒーターによれば、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50は例えばグラヘァイト等からなり、ヒ
ーター背面９側へと腐食性ガスが不可避的に混入する。
また、セラミックス基体７は円盤状であるので、抵抗発
熱体８の塊状端子１と電極部材６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、本実施例では塊状端子１と電極部材６との間をネジ
により結合してあるので、腐食性ガスや熱による結合部
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。

しかも、ここで従来の例えばグロープラグ用ヒーターの
場合のような線状の端子ではなく、塊状の端子を用いた
ことが重要であって、これにより露出面５の形状を円形
とし、またその面積を大きくし、端子に雌ネジを設ける
ことが可能となったのである。例えば本実施例のように
ネジ切り法を採用する場合、露出面５の大きさは例えば
径5mmとし、本体1aの長さは例えば10mmとする。また、
圧着部1bは、例えば外径3mm、内径2mm、長さ3mmの薄肉
円筒状とし、例えば径0.4mmのタングステン製抵抗体ワ
イヤを接合する。このような塊状の端子を用いること
で、耐熱、耐腐食性の電極結合を形成することが可能と
なったのである。

更に、本実施例では、塊状端子１の脱落防止の効果を奏
しうる。

即ち、本発明者は、露出部を面状とし、その面積を大き
くするため、例えば第６図に示すように、円柱状の塊状
端子51を使用することを検討した。しかし、実際に検討
を進めてみると、新たな問題が生じた。

即ち、基体をSi₃N₄とし塊状端子をタングステンとした
場合、塊状端子51をセラミックス成形体内部に埋設し、
この成形体を焼成すると、焼成後のセラミックス基体７
と塊状端子51との熱収縮差（熱膨張率Si₃N₄＜Ｗ）によ
り、これらの間に間隙30が生じ、このためにセラミック
ス基体７から塊状端子51が脱落したり、また塊状端子51
が揺動するためにセラミックス基体７中で脆い抵抗発熱
体８が断線することがあった。更には、この間隙30から
CVD装置内の腐食性ガスが進入して抵抗発熱体８を直接
腐食し、塊状端子51と抵抗発熱体８との導電性が悪化す
ることがあった。

これに対し、本実施例では、圧着部1bが脱落防止手段と
して働くため、塊状端子１が脱落することはない。

しかも、第２図に示すように、圧着部1bと本体1aとの間
の領域で塊状端子１とセラミックス基体７との間に、後
述する焼成嵌めによる圧着面12を形成した点が重要であ
る。

即ち、セラミックス成形体に塊状端子１を埋設する段階
で、本体1aと圧着部1bとの間にも成形材料が進入する。
そしてこの成形体を焼成すると、焼成後の冷却段階にお
いて、耐熱金属性の塊状端子１の熱収縮の方がセラミッ
クス基体７の熱収縮よりも大きいので、矢印Ａに示すよ
うな圧縮応力が働き、圧着面12が形成される。本発明者
は、ここでこの固定法を焼成嵌めと呼ぶ。このように、
焼成嵌めによる圧着面12を形成することで、塊状端子１
が揺動することがなくなる。更に言えば、圧着部1bと本
体1aとの間の凹部にセラミックス材料が進入し、焼成の
時点では圧縮応力は特にないが、焼成後の冷却段階で塊
状端子１の方が、圧着部1bと本体1aとの間の凹部に進入
したセラミックスよりも、収縮量が大きい。即ち、圧着
面12の間に進入したセラミックスよりも、これを挟んだ
本体1aと圧着部1bとの方が大きく収縮するので、圧着部
12間の凹部に進入したセラミックスによって、本体1aと
圧着部1bとの接近が阻まれることになり、このため矢印
Ａのような圧縮応力が発生する。

また、圧着部1b内の空間２にもセラミックス成形材料が
進入するため、上記と同様に焼成嵌めによる圧着面が形
成され、この圧着面によりセラミックス基体７との間が
気密にシールされる。従って、塊状端子１と抵抗発熱体
８の接触部33が腐食性ガスに曝されないので、この接触
部33での導通性の悪化・不良を防止できる。

従って、熱膨張率が“基体≦塊状端子”であれば、焼成
温度以下でヒーターとして使用される熱サイクルでは常
に前記焼成嵌めによる圧着面が形成されており、冷熱サ
イクルに対して安定である。

上記セラミックス成形体を焼成するには、常圧焼成も可
能であるが、塊状端子と成形材料との隙間をなくすた
め、ホットプレス法、ホットアイソスタティックプレス
法によるのが好ましい。また、ホットプレス焼成を行っ
て第１図〜第13図に示すような円盤状セラミックス基体
７を製造する際には、基体７の厚さをｔとしたとき、塊
状端子の長さをt/2以下とすることが好ましく、露出面
５の直径はt/4以下とすることが好ましい。また、露出
面５の直径は、ネジ切り等の機械的結合や、後述するよ
うな拡散接合等の各種の耐熱耐蝕性の結合を形成するた
めに、4mm以上とすることが好ましい。

ここで述べる熱収縮とは可逆的な意味での熱膨張及び不
可逆的意味の熱収縮の２つの意味を示す。

第１図の例では、塊状端子１と電極部材６との結合をネ
ジ切り法によって行ったが、この結合方法はこれには限
られず、室温とヒーター使用温度との間の冷熱サイクル
及び腐食性ガスに対して安定な、他の接合、結合方法を
採用できる。これには下記の接合及び結合方法がある
（これらの方法は第７図〜第13図の例にも適用でき
る。）。

高融点接合層を介した接合には、次のものがある。

（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、次いで拡散接合又
は摩擦圧接すること。

（５）溶接すること。

機械的結合法としては、圧入法、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があ
る。

円盤状セラミックス基体７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が好ましく、窒化珪素
やサイアロンが耐熱衝撃性の点で更に好ましい。

抵抗発熱体８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。

ウエハー加熱面16は平滑面とすることが好ましく、特に
ウエハー加熱面16にウエハーが直接セットされる場合に
は、平面度を500μｍ以下としてウエハーの裏面へのデ
ポジション用ガスの進入を防止する必要がある。

第８図は他の塊状端子11を示す斜視図、第９図は塊状端
子11をセラミックス基体７内に埋設した状態を示す要部
断面図である。

この例では、円盤状部11aと11cとを円柱状部11bで連結
した形状の塊状端子11を用いる。そして、この塊状端子
11をセラミックス成形体内へと埋設すると、円柱状部11
bの外周面へと成形材料が進入する。そしてこの成形体
を焼成すると、円盤状部11aと11cとの間で上記したよう
な焼成嵌め効果が働き、圧着面12が形成される。この結
果、第１図の例と同様に、塊状端子11の揺動による抵抗
発熱体８の断線の防止、接触部分33の気密シールによる
保護という結果を奏しうる。

第10図、第11図の例においては、基本的な円柱状の塊状
端子21を用い、この塊状端子21の底部に溝22を形成す
る。従って、この塊状端子21をセラミックス成形体内部
へと埋設してこの成形体を焼成すると、溝22内にも成形
材料が進入することから、塊状端子21の一対の脚部21a
間に矢印Ａの方向に圧縮応力が働き、焼成嵌めによる圧
着面12が形成される。これにより、接触部33を腐食性ガ
スに対して保護することを除き、前述の効果をすべて奏
しうる。

第12図、第13図は、それぞれ本発明の範囲外の参考例で
あり、更に他の塊状端子を基体７に埋設した状態を示す
要部断面図である。

第12図の例においては、円柱状の塊状端子31の側周面
に、リング状突出部31aを形成し、これによって塊状端
子31の基体７からの脱落を防止している。第13図の例に
おいては、断面が台形状の塊状端子41を基体７に埋設し
てあるので、テーパー面41aが基体７によって押えられ
るため、塊状端子41の脱落を防止できる。

上記各例において、セラミックスヒーターの形状は、円
形ウエハーを均等に加熱するためには円盤状とするのが
好ましいが、他の形状、例えば四角盤状、六角盤状等と
してもよい。

本発明は、プラズマエッチング装置、光エッチング装置
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
よれば、セラミックス基体の内部に抵抗発熱体を埋設し
てあるので、高温で腐食性ガスを使用する装置、特に半
導体製造装置等において、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、抵抗発熱体に電気的に接続される端子を塊状端
子としたので、この塊状端子の露出面と電極部材との間
の結合強度を高め、耐熱性、耐腐食性の結合を形成する
ことが可能である。

しかも、塊状端子の凹部にセラミックスが進入してお
り、焼結セラミックスからなるセラミックス基体の焼成
後の冷却段階における、塊状端子と凹部内のセラミック
スとの熱収縮差によって、塊状端子がセラミックスに対
して圧着しているので、塊状端子がしっかりと固定され
ており、揺動することはなく、上記の効果とあいまっ
て、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、セラミックスヒーターの塊状端子の周辺を、
第３図におけるＩ−Ｉ線に沿って切ってみた断面を示す
断面図であり、第２図は、セラミックスヒーターの塊状
端子の周辺を、第３図におけるII−II線に沿って切って
みた断面を示す断面図である。第３図は塊状端子をかしめ圧着する前の底面図、第４図は塊状端子をかしめ圧着する前の断面図、第５図は塊状端子をセラミックス基体に埋設した状態を
示す破断斜視図、第６図は参考例の円柱状塊状端子をセラミックス基体に
埋設した状態を示す要部断面図、第７図は円盤状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８図は他の塊状端子を示す斜視図、第９図は第８図の塊状端子をセラミックス基体に埋設し
た状態を示す要部断面図、第10図は更に他の塊状端子を示す斜視図、第11図は第10図の塊状端子をセラミックス基体に埋設し
た状態を示す要部断面図、第12図、第13図はそれぞれ参考例に係るものであり、更
に他の塊状端子をセラミックス基体に埋設した状態を示
す要部断面図である。 1,11,21,31,41……塊状端子 1a……円柱状の本体、1b……円筒状の圧着部２……空間、３……雌ネジ５……露出面、６……電極部材７……セラミックス基体、８……抵抗発熱体 10……円盤状セラミックスヒーター 11a,11c……円盤状部、11b……円柱状連結部 12……焼成嵌めによる圧着面 16……ウエハー加熱面、20……フランジ 21a……一対の脚部、22……溝 31a……リング状突出部 33……塊状端子と抵抗発熱体との接触部 41a……テーパー面Ａ……焼成嵌めによる圧縮応力の方向Ｂ……かしめ圧着のための応力の方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼結セラミックスからなるセラミックス基
体；このセラミックス基体の内部に埋設され、一体焼成され
ている抵抗発熱体；および前記セラミックス基体の内部で前記抵抗発熱体に対して
電気的に接続されている塊状端子を有するセラミックス
ヒーターであって；前記塊状端子の端面が前記セラミックス基体の表面に露
出しており、この露出面以外に凹部が存在しており、こ
の凹部にセラミックスが進入しており、前記焼成後の前
記塊状端子と前記凹部内のセラミックスとの熱収縮差に
よって前記塊状端子がセラミックスに対して圧着してい
ることを特徴とする、セラミックスヒーター。
【請求項２】前記塊状端子と前記抵抗発熱体との接合部
分と、前記塊状端子の露出面との間に、前記塊状端子と
前記セラミックスとの圧着面が位置していることを特徴
とする、請求項１記載のセラミックスヒーター。
【請求項３】前記セラミックスヒーターが、腐食性ガス
を使用する半導体製造装置内に収容するためのセラミッ
クスヒーターであることを特徴とする、請求項１または
２記載のセラミックスヒーター。
【請求項４】前記塊状端子と前記抵抗発熱体との接合部
分がかしめ圧着構造であることを特徴とする、請求項１
〜３のいずれか一つの請求項に記載のセラミックスヒー
ター。
【請求項５】焼結セラミックスからなるセラミックス基
体；このセラミックス基体の内部に埋設されている抵抗発熱
体；および前記セラミックス基体の内部で前記抵抗発熱体に対して
電気的に接続されている、凹部が形成された塊状端子を
有するセラミックスヒーターを製造する方法であって：セラミックス成形材料を焼結させて前記セラミックス基
体を作成する際に、前記凹部に前記セラミックス成形材
料を進入させ、焼成後の冷却段階における前記塊状端子
と前記凹部内のセラミックスとの熱収縮差によって前記
塊状端子を焼結セラミックスに対して圧着させ、前記塊
状端子の端面を前記セラミックス基体の表面に露出させ
ることを特徴とする、セラミックスヒーターの製造方
法。