JPWO2017081951A1

JPWO2017081951A1 - ヒータ

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Publication number: JPWO2017081951A1
Application number: JP2017550026A
Authority: JP
Inventors: 和一口町
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-08-30
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: WO2017081951A1; KR102041208B1; US20180332669A1; US11116046B2; KR20180066149A; CN108353469B; JP6643353B2; CN108353469A

Abstract

ヒータは、一方の主面に加熱面を有する第１セラミック基板と、該第１セラミック基板の他方の主面を一方の主面で覆うように設けられた第２セラミック基板と、前記第２セラミック基板の前記一方の主面に設けられた発熱抵抗体と、前記第１セラミック基板と前記第２セラミック基板とを前記発熱抵抗体を覆って接着する接着層とを備えている。

Description

本発明は、ヒータに関するものである。

ヒータとして、例えば、特開２００４−１４６５６７号公報（以下、特許文献１ともいう）に記載の半導体製造装置用セラミックスヒータが知られている。特許文献１に記載の半導体製造装置用セラミックスヒータは、上面にウエハ載置面（加熱面）を有し、下面に抵抗発熱体（発熱抵抗体）を備えたセラミック基板（第１セラミック基板）と、第１セラミック基板の下面に接着層を介して設けられた別のセラミック基板（第２セラミック基板）とを有している。

近年、ヒータは、加熱面における均熱性を保ちつつも、更なる急速昇温および急速降温が求められるようになってきている。

ヒータを急速昇温および急速降温させるためには、ヒータ全体の熱容量を小さくすることが求められる。ヒータ全体の熱容量を小さくするためには、例えば、第１セラミック基板の厚みを小さくすることが考えられる。しかしながら、特許文献１に記載のヒータにおいて、第１セラミック基板の厚みを小さくしてしまうと、加熱面における均熱性が悪化してしまうおそれがあった。具体的には、加熱面のうち、発熱抵抗体が設けられている領域の直上と、発熱抵抗体が設けられていない領域の直上とにおいて、温度の差が生じてしまうおそれがあった。これは、第１セラミック基板の厚みを小さくしすぎることによって、発熱抵抗体で生じた熱が第１セラミック基板において、面方向において十分に拡散しなくなるためであると考えられる。

ヒータを示す断面図である。図１に示したヒータにおける発熱抵抗体の配線パターンを示す模式図である。ヒータの他の例を示す断面図である。他の例のヒータにおける発熱抵抗体の配線パターンを示す模式図である。他の例のヒータにおける発熱抵抗体の断面を示す拡大断面図である。他の例のヒータにおける発熱抵抗体の断面を示す拡大断面図である。他の例のヒータにおける発熱抵抗体の断面を示す拡大断面図である。

以下、ヒータ１００について、図面を参照して説明する。

図１はヒータ１００を示す断面図である。図１に示すように、ヒータ１００は、一方の主面に加熱面１０を有する第１セラミック基板１と、第１セラミック基板１の他方の主面を一方の主面で覆うように設けられた第２セラミック基板２と、第２セラミック基板２の一方の主面に設けられた発熱抵抗体３と、第１セラミック基板１と第２セラミック基板２とを発熱抵抗体３を覆って接着する接着層５とを備えている。

ヒータ１００においては、第１セラミック基板１の「一方の主面」が第１セラミック基板１の上面であり、第１セラミック基板１の「他方の主面」が第１セラミック基板１の下面である。また、第２セラミック基板２の「一方の主面」が第２セラミック基板２の上面であり、第２セラミック基板２の「他方の主面」が第２セラミック基板２の下面である。そのため、以下では説明の都合上、「一方の主面」および「他方の主面」に代えて、上面および下面の文言を用いて説明する。なお、「一方の主面」は上面に限定されるものではなく、ヒータ１００の向きに応じて下面または側面等、上面以外の面であっても何ら問題ない。また、「他方の主面」も下面に限定されるものではなく、同じくヒータ１００の向きに応じて上面または側面等、下面以外の面であっても何ら問題ない。

第１セラミック基板１は、上面に加熱面１０を有する板状の部材である。第１セラミック基板１は、被加熱物に接触する部材である。また、第１セラミック基板１は、発熱抵抗体３から伝わった熱のむらを低減して、加熱面１０に伝えるための部材である。第１セラミック基板１は、上面の加熱面１０において、例えば、シリコンウエハまたはシリコンウエハチップ等の被加熱物を加熱する。ヒータ１００は、平面視したときの形状が、例えば、矩形状の部材である。この場合、第１セラミック基板１および第２セラミック基板２も、矩形状である。第１セラミック基板１は、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素またはイットリア等のセラミック材料からなる。第１セラミック基板１の寸法は、例えば、矩形状の場合は、縦の長さを１０〜１２０ｍｍ、横の長さを１０〜１２０ｍｍ、厚みを１〜１０ｍｍに設定できる。また、円形状の場合は直径５０ｍｍ〜４５０ｍｍ、厚みは１〜１０ｍｍに設定できる。

図１に示すように、ヒータ１００は、第１セラミック基板１の内部に、温度センサー４をさらに備えていてもよい。温度センサー４は、例えば、導体パターンから成る。この導体パターンの抵抗値の変化を測定することによって、温度を測定することができる。温度センサー４が導体パターンから成る場合には、例えば、繰り返し折り曲げた形状で面方向のほぼ全体に引き回されている。なお、導体パターンは、例えば、タングステン、モリブデンまたは白金等の金属材料から成る。また、その他の温度センサー４としては、例えば、熱電対をセラミック基板１の内部に埋め込んだものを用いることができる。温度センサー４を第１セラミック基板１に埋設することによって、例えば、温度センサー４を第２セラミック基板２に埋設する場合と比較して、加熱面１０に近い部分で温度を測定することができる。そのため、温度センサー４における測定結果を加熱面１０の実際の温度に近づけることができる。

第２セラミック基板２は、上面に発熱抵抗体３が設けられた部材である。第２セラミック基板２は、第１セラミック基板１の下面を、上面で覆うように設けられている。第１セラミック基板１と第２セラミック基板２とは、接着層５を介して、接着されている。接着層５は、第１セラミック基板１の下面と第２セラミック基板２の上面とに接触している。第２セラミック基板２は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素またはイットリア等のセラミック材料からなる。特に、第２セラミック基板２は、第１セラミック基板１と同じ材料から成っていてもよい。これにより、第１セラミック基板１と第２セラミック基板２の熱膨張率を近づけることができるので、第１セラミック基板１と第２セラミック基板２との間に生じる熱応力を低減できる。第２セラミック基板２は、例えば、矩形状の部材である。第２セラミック基板２の寸法は、例えば、矩形状の場合は、縦の長さを１０〜１２０ｍｍ、横の長さを１０〜１２０ｍｍ、厚みを１〜１０ｍｍに設定できる。また、円形状の場合は直径５０ｍｍ〜４５０ｍｍ、厚みは１〜１０ｍｍに設定できる。第１セラミック基板１および第２セラミック基板２は、例えば、側面が面一になるよう形成される。

また、第２セラミック基板２は、下面に凹凸を有していてもよい。第２セラミック基板２が下面に凹凸を有していることによって、下面における熱放散性を向上できる。これにより、ヒータ１００の降温を素早く行なうことができる。凹凸としては、例えば、並置された複数の溝を用いることができる。溝は、例えば、第２セラミック基板２の横方向または縦方向に沿って伸びるように形成されるとともに、第２セラミック基板２の下面の全面に形成されている。

発熱抵抗体３は、第１セラミック基板１の上面の加熱面１０に載置された試料を加熱するための部材である。発熱抵抗体３は、第２セラミック基板２の上面に設けられている。発熱抵抗体３に電圧を印加することによって、発熱抵抗体３を発熱させることができる。発熱抵抗体３で発せられた熱は、接着層５および第１セラミック基板１の内部を伝わって、第１セラミック基板１の上面における加熱面１０に到達する。これにより、加熱面１０に設置された試料を加熱することができる。図２に示すように、発熱抵抗体３は、複数の折り返し部を有する線状のパターンであって、第２セラミック基板２の上面のほぼ全面に形成されている。これにより、加熱面１０において熱分布にばらつきが生じることを抑制できる。なお、図２および後述する図４は断面を示す図ではないが、理解を助けることを目的として、発熱抵抗体３にハッチングを付している。

発熱抵抗体３は、導体成分およびガラス成分を含んでいる。導体成分としては、例えば銀パラジウム、白金、アルミニウムまたは金等の金属材料を含んでいる。ガラス成分が発泡してしまうことを抑制するために、金属材料としては大気中で焼結可能な金属を選択してもよい。また、ガラス成分としては、ケイ素、アルミニウム、ビスマス、カルシウム、ホウ素および亜鉛等の材料の酸化物を含んでいる。

ヒータ１００の温度制御には以下の方法を用いることができる。具体的には、第１セラミック基板１の内部に上述した温度センサー４を設けることによって温度を測定できる。以上のようにして測定した第１セラミック基板１の温度に基づいて、発熱抵抗体３に印加する電圧を調整する。これにより、加熱面１０の温度が一定になるように発熱抵抗体３の発熱を制御することができる。

接着層５は、第１セラミック基板１と第２セラミック基板２とを接着するための部材である。接着層５は、第１セラミック基板１の下面と第２セラミック基板２の上面との間に設けられている。接着層５は、第１セラミック基板１と第２セラミック基板２とを発熱抵抗体３ごと接着している。接着層５は、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂等の樹脂材料等から成る。接着層５の厚みは、例えば、０．０１〜０．３ｍｍに設定できる。また、接着層５は、アルミナまたは窒化アルミニウム等のフィラーを含有していてもよい。

ヒータ１００においては、図１に示すように、第２セラミック基板２の上面に発熱抵抗体３が設けられることにより、発熱抵抗体３で生じた熱を第１セラミック基板１だけではなく接着層５においても拡散させることができる。これにより、加熱面１０における均熱性を向上できる。

また、図３〜５に示すように、第２セラミック基板２の上面が溝部２１を有するとともに、発熱抵抗体３が溝部２１の底面に溝部２１の形状に沿って設けられていてもよい。発熱抵抗体３が溝部２１に設けられていることによって、第１セラミック基板１と第２セラミック基板２とを接着層５で接着したときに、発熱抵抗体３が設けられている部分の直上と、発熱抵抗体３が設けられていない部分の直上とにおける、接着層５の厚みのばらつきを低減することができる。これにより、加熱面１０における均熱性を向上させることができる。溝部２１の寸法は、例えば、深さを発熱抵抗体３の厚みの１〜２倍に、開口の幅を底面の幅の１〜１．２倍に設定できる。

より詳しくは、図４に示すように、溝部２１は複数の折り返し部を有するように形成されている。なお、図４は、断面を示す図ではないが、理解を助けることを目的として、発熱抵抗体３に加えて溝部２１に該当する領域にもハッチングを付している。溝部２１は、発熱抵抗体３が設けられる部分に対応して設けられている。言い換えると、発熱抵抗体３は溝部２１の底面に設けられるとともに、平面透視したときに発熱抵抗体３と溝部２１とが同様の形状を有している。

ここでいう「同様の形状」とは、発熱抵抗体３のパターンの長さ方向（軸方向）と、溝部２１の長さ方向（軸方向）とが揃っていればよく、幅方向の大きさ（幅）が異なっていてもよい。具体的には、例えば、図４に示すように、溝部２１が発熱抵抗体３よりも幅広に形成されていてもよい。

より具体的には、例えば溝部２１の軸方向に垂直な断面を示す図５に示すように、溝部２１の底面よりも溝部２１の開口の方が幅広に形成されるとともに溝部２１の底面の全面に発熱抵抗体３が形成されていてもよい。また、溝部２１のうち幅方向の中央側にのみ発熱抵抗体３が形成されており、溝部２１の隅（幅方向における端側）には発熱抵抗体３が形成されていなくてもよい。

さらに、図５に示すように、発熱抵抗体３の厚みが溝部２１の深さよりも小さくてもよい。発熱抵抗体３の厚みを溝部２１の深さよりも小さくすることによって、発熱抵抗体３の表面を溝部２１の開口よりも溝部２１の内側に位置させることができる。このように、発熱抵抗体３の表面を第２セラミック基板２の上面よりも下方に位置させることによって、発熱抵抗体３から発せられた熱が第２セラミック基板２の上面に伝わるまでの間に、第２セラミック基板２において面方向に熱を拡散することができる。その結果、第２セラミック基板２の上面における均熱性を向上できるので、そこから熱が伝わることになる加熱面１０における均熱性をさらに向上できる。

また、図６に示すように、発熱抵抗体３の表面と接着層５との間に隙間が設けられていてもよい。これにより、発熱抵抗体３から発せられた熱が第２セラミック基板２にさらに伝わりやすくなるので、第２セラミック基板２の上面における均熱性をさらに向上できる。その結果、加熱面１０における均熱性をさらに向上できる。

また、図７に示すように、溝部２１の底面に発熱抵抗体３が設けられるとともに、発熱抵抗体３の一部が溝部２１の外部に位置していてもよい。これにより、発熱抵抗体３の厚みを大きくすることができるので、断線等のおそれを低減することができる。また、溝部２１の底面に発熱抵抗体３が設けられていることによって、発熱抵抗体３から発せられた熱を第２セラミック基板２において面方向に熱を拡散させやすくできる。その結果、発熱抵抗体３の長期信頼性を向上させつつ、第２セラミック基板２の上面における均熱性を向上できるので、そこから熱が伝わることになる加熱面１０における均熱性をさらに向上できる。

さらに、図５に示すように、発熱抵抗体３が溝部２１の内部に設けられているとともに、発熱抵抗体３の厚みが、溝部２１の幅方向において、中心側に向かうにつれて厚みが小さくなっていてもよい。発熱抵抗体３の厚みを中心側に向かうにつれて小さくしておくことによって、ヒートサイクル下におけるヒータ１００の長期信頼性を向上できる。具体的には、ヒートサイクル下において発熱抵抗体３が熱膨張したときに、中心側の厚みを小さくしておくことによって、発熱抵抗体３が中心側に熱膨張しやすくすることができる。一般的に、第２セラミック基板２の溝部２１の角部（底面と壁面とから成る部分）には、ヒートサイクル下における熱応力が集中しやすい傾向にある。これに対して、中心側の厚みを小さくして、発熱抵抗体３を中心側に熱膨張させることによって、溝部２１の角部に生じる熱応力を低減させることができる。これにより、第２セラミック基板２にクラックが生じるおそれを低減できる。発熱抵抗体３の中心側の厚みは、幅方向における端側の厚みと比較して、例えば、５０〜９５％の厚みに設定できる。

また、図５に示すように、溝部２１は、底面から開口に向かうにつれて幅が大きくなっていてもよい。これにより、溝部２１の底面に形成された発熱抵抗体３が熱膨張したときに、発熱抵抗体３が開口側に熱膨張しやすくなる。そのため、第２セラミック基板２と発熱抵抗体３との間に生じる熱応力を低減できる。溝部２１の開口における幅は、例えば、溝部２１の底面における幅の１．０１〜１．５倍に設定できる。

第２セラミック基板２の上面に溝部２１を設けるとともに、溝部２１の内部に溝部２１と同様の形状を有する発熱抵抗体３を形成するための方法としては、以下の方法が挙げられる。

まず、第２セラミック基板２の表面の全体に樹脂性のマスクを貼る。サンドブラスト装置内にセラミック基板２を固定して、ノズルからメディアとして炭化珪素等の粉末を第２セラミック基板２の表面に噴射する。樹脂性のマスクは、溝部２１を形成したい箇所を覆う部分についてのみ、メディアの衝突によって破れるように設計されている。これにより、所定の時間メディアを第２セラミック基板２の表面に噴射し続けることで、第２セラミック基板２の表面に所定の深さの溝部２１を設けることができる。

１：第１セラミック基板
１０：加熱面
２：第２セラミック基板
２１：溝部
３：発熱抵抗体
４：温度センサー
５：接着層
１００：ヒータ

Claims

一方の主面に加熱面を有する第１セラミック基板と、該第１セラミック基板の他方の主面を一方の主面で覆うように設けられた第２セラミック基板と、前記第２セラミック基板の前記一方の主面に設けられた発熱抵抗体と、前記第１セラミック基板と前記第２セラミック基板とを前記発熱抵抗体を覆って接着する接着層とを備えているヒータ。
前記第２セラミック基板の前記一方の主面が溝部を有するとともに、前記発熱抵抗体が前記溝部の底面に前記溝部の形状に沿って設けられている請求項１に記載のヒータ。
前記発熱抵抗体の厚みが、前記溝部の深さよりも小さい請求項２に記載のヒータ。
前記発熱抵抗体と前記接着層との間に隙間がある請求項３に記載のヒータ。
前記発熱抵抗体の厚みが、前記溝部の幅方向において、中心側に向かうに連れて厚みが小さくなっている請求項３または請求項４に記載のヒータ。
前記第１セラミック基板の内部に温度センサーをさらに備えた請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。